CN115698751A - 一种用于光检测和测距的lidar传感器、lidar模块、lidar使能设备以及操作用于光检测和测距的lidar传感器的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光检测和测距的LiDAR传感器，其包括光源(LS)、驱动器电路(DC)、检测器(DT)和处理单元(PU)。光源(LS)包括光发射器(LE)的阵列，其中光发射器(LE)电互连为组，并且其中光发射器可操作以发射远离LiDAR传感器的光。光发射器(LE)组中的至少两组形成彼此类似于不同几何构造的光源(LS)的区域。驱动器电路(DC)可操作以单独地寻址光发射器(LE)组，使得来自同一组的光发射器(LE)发出具有相同发射特征的光。检测器(DT)包括光电检测器(PD)的阵列，其中每个光电检测器(PD)可操作以检测由光源(LS)发射并正被LiDAR传感器外部的物体反射的光，并且根据检测到的光来生成检测器信号。处理单元(PU)可操作以基于与相应的光发射器(LE)组相关联的检测器信号来提供指示到物体的距离的输出。

Description

一种用于光检测和测距的LIDAR传感器、LIDAR模块、LIDAR使 能设备以及操作用于光检测和测距的LIDAR传感器的方法

本发明涉及一种用于光检测和测距的LiDAR传感器、LiDAR模块、LiDAR使能设备以及操作用于光检测和测距的LiDAR传感器的方法。

本专利申请要求欧洲专利申请20173458.9的优先权，其公开内容在此通过引用并入。

光检测和测距，简称LiDAR，是一种使用光源和接收器进行远程物体检测和测距的传感技术。在常见的实现方式中，发射的光脉冲会击中物体、反射并返回到LiDAR系统，接收器在LiDAR系统中检测返回的光脉冲。发送光脉冲和接收光脉冲之间的时间取决于LiDAR系统与物体之间的距离。知道行进时间允许计算距离。该概念的一种可能的实现方式是直接飞行时间，简称D-ToF。该系统发出短脉冲，例如近红外光的短脉冲。该能量的一部分被返回并转换为距离信息、可选的强度和方向，并最终根据多次连续测量转换为速度。LiDAR传感器作为成像系统有各种应用，例如在自动驾驶车辆、机器人或高级驾驶员辅助系统(简称ADAS)中。LiDAR传感器可用于短程(高达15至20米)，中程(10至80米)和远程(75米以上)。

LiDAR系统可以一次观察整个视野，称为泛光系统(Flash system)。泛光通常适用于中短程(0至100米)，并且通过一次捕获整个场景，还可以正确检测到具有高相对速度的物体。另一种实现方式是聚焦于FOV的子集，因此每次查看子集，直至覆盖完整的FOV，称为扫描LiDAR。扫描可以将光聚焦在子集上，而不是整个FOV上，因此与泛光系统相比，可以在更长的范围内进行物体检测。由于扫描仪只接受FOV的一个子集，因此需要一些转向来将光束从一个子集移动到另一个子集。目前的系统通常使用机械波束转向；通过旋转整个传感器头，即所谓的旋转LiDAR，或使用传感器内部的机械组件，例如多边形反射镜或MEMS反射镜。但是，使用机械组件存在这些部件失效的风险。

LiDAR系统中的关键性能参数是视场、角度分辨率、范围和帧率。影响这些的主要参数是发射器和接收器像素的数值孔径、发射器功率和接收器灵敏度，结合信号处理，如平均或直方图，有助于降低随机噪声。传统上，LiDAR性能是FoV、发射功率、像素尺寸和平均量的微妙平衡。特别是对于远程LiDAR，通常牺牲帧率和FoV来实现更好的范围性能。与此同时，LiDAR系统面临着提供具有足够范围性能的可行、紧凑且具有成本效益的解决方案的持续挑战。

现有技术已经有过旨在实现没有任何移动部件或真正固态的光束转向的首次尝试。扫描LiDAR和泛光LiDAR的当前系统都依赖于整个视场的同等照明。图6示出具有单行扫描照明概念的现有技术垂直腔表面发射激光器(或VCSEL)的示例。虽然这是一种普遍适用的方法，但无法在视野中寻址特定的关注区域(regions of interest，ROI)，这使得这些系统不灵活且功耗低下。

目标是提供一种能够克服常见扫描LiDAR的缺点的用于光检测和测距的LiDAR传感器、LiDAR模块、LiDAR使能设备以及操作用于光检测和测距的LiDAR传感器的方法。

这些目标通过独立权利要求的相关主题来实现。进一步的发展和实施例在从属权利要求中描述。

应当理解，与任何一个实施例相关的任何描述的特征可以单独使用，或者与本文描述的其它特征组合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征组合使用，或者除非作为替代方案描述，否则可以与任何其他实施例的任意组合一起使用。此外，在不脱离附带权利要求中定义的用于光检测和测距的LiDAR传感器、LiDAR模块、LiDAR使能设备以及操作用于光检测和测距的LiDAR传感器的方法的情况下，也可以采用下文没有描述的等效物和修改。

以下涉及光检测和测距(LiDAR)系统领域的改进概念。一个方面涉及LiDAR传感器的分割。例如，LiDAR传感器包括具有光发射器阵列的光源。该改进的概念不是将光源分组到行和/或列中，而是建议不一定类似于完整行或列的光发射器的组。相反，这些组可以类似于可能具有任何形状和形式的光源区域。类似地，LiDAR传感器包括形成检测器的光电检测器的阵列。例如，分组可以扩展到检测器，使得这些组可以与LiDAR输出(例如LiDAR图像)中关注的区域相关联，并且/或通过将光电检测器也硬接线成组。这些组或关注的区域可能类似于可以具有任何形状和形式的检测器区域。因此，在关注的区域或视野的区域，可以在发射和检测的这两侧上引入分组。

在至少一个实施例中，用于光检测和测距的LiDAR传感器包括光源、驱动器电路、检测器和处理单元。

所述光源包括电互连成组的光发射器的阵列。该光发射器可操作以发射远离LiDAR传感器的光。光发射器组中的至少两组形成彼此类似于不同几何构造的光源的区域。也就是说，如果一个组具有类似于与光源的完整轮廓重合的区域，例如光源的完整行或列，则至少有一个组覆盖具有不同形状或几何构造的区域。对于不布置为行和列的光发射器的阵列也是如此，例如六边形布置。事实上，这些组可以具有任何形状或几何构造(自由形式)。因此，可以认为这些组与用于布置光源的结构分离。相反，它们的形状和面积在很大程度上取决于电互连和驱动器电路的寻址。

例如，光发射器可以被认为是光源的像素或元件，并且包括发光二极管或半导体激光二极管。所有光发射器或至少给定组的光发射器可能为相同的类型。不过，光源也可能具有不同类型的光发射器。光源或光发射器可以具有一个或更多个特征发射波长。例如，发射器的发射波长位于近红外(NIR)中；其它波长可以包括如可见光或紫外、红外(IR)或远红外(FIR)。

所述驱动器电路可操作以单独地寻址光发射器组。寻址使得来自同一组的光发射器发射具有相同发射特征的光。例如，驱动器电路包括激光驱动器，并且可以具有一个或更多个通道。例如寻址是通过所述更多个通道中的一个建立的。

所述检测器包括光电检测器的阵列。每个光电检测器可操作以检测由光源发射并正被LiDAR传感器外部的物体反射的光。此外，光电检测器可操作以根据检测到的光来生成检测器信号。例如，光电检测器可以实现为固态或半导体光电检测器，所述光电检测器被布置或集成以形成阵列。示例包括CCD或CMOS图像传感器、单光子雪崩二极管(SPAD)阵列、或其他类型的雪崩二极管(APD)。这些类型的光电检测器可能对光(例如NIR、VIS和UV)敏感，并且有助于通过光发射器在发射中使用窄脉冲宽度。

最后，所述处理单元是可操作以基于与相应的光发射器组相关联的检测器信号来提供指示到物体的距离的输出。例如，处理单元包括处理器或微处理器，例如用于控制LiDAR传感器的操作。完整的LiDAR处理可以由处理单元执行。不过，LiDAR处理可以在“片外”执行，并且处理单元可以只执行预处理以提供距离信息作为输出。

在操作期间，光源以“每组”为基础发射光。这意味着给定组的光发射器一起发射具有相同发射特征的光。与此同时其他光发射器组可能根本不发光或发射具有不同发射特征的光，例如不同强度的光。最终，由光发射器组发射的光击中场景的一个或更多个外部物体、被反射、并返回到LiDAR传感器，在LiDAR传感器中一个或更多个光电检测器接收返回的光并根据检测到的光生成检测器信号。发送光和接收光之间的时间取决于LiDAR传感器与场景中给定物体之间的距离。知道时间允许计算距离，如基于飞行时间的概念。通常，LiDAR传感器包括用于测量开始时间和停止时间的装置，例如时间数字转换器。例如，飞行时间可以基于测量的开始时间和停止时间通过处理单元推导出来。发射可以是脉冲型的，例如光源发出短脉冲的光，如近红外光。该能量的一部分被返回并转换为距离和可选的强度，以及最终的速度。

该改进的概念克服了普通LiDAR传感器的许多局限性。例如，通过电互连对光发射器进行分组，可以摆脱具有同等照明的传统行/列分区。相反，电互连允许自由形式的分区方案。通过单独寻址给定组，这提供了功率优化照明的可能性。这可能基于对视场中目标类型场景的先验知识。例如，在发射器侧、驱动器电路和接收器侧，可将可用资源更多地导向到需要更多资源的区域。例如在处理单元的控制下，接收器链可以包含更多的统计处理以减少噪声并改善可检测范围。

该改进的概念有助于解决现有技术解决方案中迫在眉睫的几个问题和问题的组合。例如，驱动器电路可以减少驱动通道的数量、降低不太关键区域的功率要求并优化关键区域的功率处理。光源的分组或分割允许更简单的功率路由，具有较少通道的全视场照明以及对具有1D可寻址阵列的关注区域(例如VCSEL阵列)的功率集中。2D可寻址能力不是必需的，但可能会开启自适应形式ROI的可能性。在检测器侧或接收器侧处，将发射器组与关注区域进行匹配可能有助于减少数字处理通道(TDC、ADC)的数量，并更有效地利用可用资源。反过来，这可能会提升对处理单元性能的要求，例如所需的图像处理器芯片的尺寸。

在至少一个实施例中，通过电互连的方式，光发射器组形成光发射器(LE)的阵列的连续区域。也就是说，相邻的光发射器形成组。相对于光源具有不同位置的光发射器可以是不同组的成员。然而，不同的组可以由驱动器电路同时寻址(即操作)，并因此根据所使用的发射特征并行发射光。在至少一个实施例中，由组形成的连续区域不重叠。在至少一个实施例中，由组形成的连续区域覆盖光源的整个发光区域。

附加地或替代地，光电检测器组通过电互连形成检测器的连续区域。也就是说，相邻的光电检测器形成可能形成关注的区域的连续的区域关注。相对于光源具有不同位置的光电检测器可以是不同区域的成员。然后，检测可以分别与入射区域的光相关联，或与检测器级别的关注区域相关联。在至少一个实施例中，由这些组形成的连续区域不重叠。这样，所述区域或关注的区域也可以在检测器侧处硬接线。在至少一个实施例中，由光电检测器形成的连续区域覆盖检测器的整个光敏区域。

在至少一个实施例中，由至少一个光发射器组和/或光电检测器组形成的区域类似于非矩形的几何构造。给定组的形状和几何构造不受光源结构的限制。例如，给定组的形状和几何构造不一定类似于光源的行或列的形状和几何构造。非矩形几何构造可以包括除矩形以外的任何任意形状，例如：三角形、五边形、六边形或任何多边形。不过，非矩形几何构造可能不一定是规则的。但是，非矩形几何构造可能仍然类似于具有四个角的几何构造，例如菱形、风筝形、平行四边形、等腰梯形或具有四个角点的不规则几何构造。矩形几何构造被认为是每对相邻的边都垂直的任何几何构造。

在至少一个实施例中，处理单元可操作以提供LiDAR图像作为输出。光发射器组按照LiDAR图像的关注区域布置。光发射器的分组影响LiDAR传感器的发射侧。然而，接收侧包含通过反射或散射而被反射回LiDAR传感器的光。这样，光发射器的分组也影响LiDAR传感器的接收侧。在LiDAR成像的情况下，即当LiDAR传感器的输出是图像时，那么给定的光发射器组可以在LiDAR图像、表示关注区域(或下文称为ROI)中有对应的对应物。

如上所述，处理单元可操作以提供输出，该输出基于与相应的光发射器组相关联的检测器信号指示到物体的距离。在LiDAR成像的情况下，LiDAR图像的部分可以由光发射器组定义，即由于发射的光的反射，给定组的位置以及形状可以在LiDAR图像中可见。因此，关注的区域可以通过光源的切割或分组来定义。反过来，可以在LiDAR图像中定义关注的区域，例如，基于对场景的先验知识或预测或假设来定义LiDAR图像看起来像什么。然而，关注的区域也可以由光电检测器的电互连来定义。定义可以由制造商设置，例如，选择与为LiDAR图像定义的关注区域相似的光发射器的电互连布局来作为光发射器组。这允许提高LiDAR传感器的适应性并优化，例如针对视场(FoV)中的特定或可预测区域。由于组和/或关注区域的形式在很大程度上可以自由选择，因此与常见的LiDAR系统相比，设计自由度相当大。

在至少一个实施例中，对光发射器按组进行寻址是通过硬接线连接方式建立的。附件地或替代地，寻址是通过可编程开关和/或在给定的光发射器组和驱动器电路之间的专用电源/控制路由建立的。

确定光发射器分组的电互连是固定的，从某种意义上说，它们被设置在生产级别。然而，通过驱动器电路的寻址可以在LiDAR传感器的操作过程中进行更改。可能存在始终被寻址的一个或更多个组，例如始终处于打开或关闭状态。这可以通过驱动器电路和给定的光发射器组之间的硬接线连接来实现。一个或更多个其他组只能在特定时间被寻址，例如，在特定时间点或特定时间段内打开或关闭。这可以通过可编程开关和/或专用电源/控制路由来实现。

在至少一个实施例中，驱动器电路可操作以按照扫描过程寻址光发射器组。在扫描过程中，一个或更多个光发射器组在扫描过程中不断发射光。然而，相同或其它一个或更多个发光器组在预定的时间段内发射光。此外，或可选地，一个或更多个光发射器组按时间顺序发射光。

根据扫描过程，驱动器电路可能只寻址光发射器组的一个子集。因此，FOV的仅一个子集(对应于仅特定的关注区域)被照亮。基本上，这实现了旋转的LiDAR，而无需机械地将光束从FOV的一个子集转向另一个子集。这有效地消除了机械部件发生故障的风险，因为不需要移动部件，从而可以创建真正的固态解决方案。

此外，扫描过程可以在很大程度上例如通过处理单元进行编程，使得可用资源更多地导向到需要更多资源的区域。扫描允许将更多的可用光能导向一个区域，否则需要整个发射器和传感器变得更加强大。因此，它提供了比传统均匀照明方法更节能的解决方案。例如，特定的关注区域可以比其他区域更频繁地被照亮，或者具有不同的发射特征，或者比其他区域更频繁地被测量。例如，这允许处理单元应用更多的统计处理来降低噪声并改善可检测范围。

在至少一个实施例中，处理单元可操作以通过设置时间顺序来定义扫描过程，即针对给定的光发射器组何时以及用哪个发射特征由驱动器电路寻址。

所述时间顺序有效地模拟了常见LiDAR系统的扫描，但不需要如MEMS反射镜或转向设备等机械组件。扫描是一个依赖于时间的过程，具有高度的灵活性。可以通过更改时间顺序来设置不同的扫描模式。例如，可以通过顺时针或逆时针方式寻址光发射器组来实现“圆形”扫描模式。“前向”扫描模式可能有利于LiDAR图像中的关注区域沿线，例如水平线，并且可用于远程LiDAR。所述处理单元可以布置为接收用户的自定义扫描模式，也可以进行编程以设置当前扫描过程的时间顺序。例如，扫描模式可以是针对角落(中程)/侧向(短程)LiDAR、工业和监控场景中的特定可配置场景、自主机器人、或类似场景的优化。

在至少一个实施例中，光发射器的发射特征涉及光强度和/或光波长。发射特征由以下之一定义。给定的光发射器或光发射器组，根据所使用的发射特征，发射特定强度和/或特定波长的光。此外，或可选地，给定的光发射器或光发射器组，根据所使用的发射特征，不发光。

扫描过程和时间顺序定义了当通过驱动器电路寻址时，给定的光发射器组何时以及使用哪种发射特征进行发射。此依赖于时间的扫描过程类似于扫描模式。光强度和/或光波长提供了额外的自由度，以便根据给定的应用定制扫描模式。例如，在扫描过程中，某组在被寻址的第一个瞬间，根据第一发射特征(例如具有第一强度和/或波长)发射光；在第二个瞬间，同一组可以被寻址以根据第一发射特征再次发射光或者根据第二发射特征发射(例如具有第二强度和/或波长的)光。这个概念可以应用于所有的光发射器组。

在至少一个实施例中，驱动器电路包括多个驱动器通道。每个驱动器通道都与光源的一部分相关联。此外，驱动器通道在寻址光发射器组方面是同步的。驱动器电路可操作以通过驱动器通道寻址光发射器组。

例如，驱动器电路可以作为单个单元实现，并位于光源附近。然后，驱动器通道建立从单个电路到光源的对应部分的电连接，例如到与所述部分相关联的一个或更多个光发射器组。根据另一种实现方式，驱动器电路包括许多较小的驱动器单元，它们共同构成驱动器电路。这些驱动器单元布置在光源周围，并位于它们将要寻址的部分附近。所述较小的单元分别通过专用的驱动器通道连接到这些部分。

因此，可以根据手头的应用灵活地实现驱动器电路。它允许在光源周围放置驱动器单元，这在传统方法中可能并非微不足道。这使功率路由和电流密度分布变得简单很多。例如，作为光源的VCSEL激光器通常只允许在该VCSEL的四个侧面中的两个侧面放置驱动器。这可以通过将驱动器直接粘合到VCSEL上来规避，但这会导致过多的热量被从驱动器输送到VCSEL。所提出的驱动器单元的分配和使用允许更简单的解决方案。

在至少一个实施例中，处理单元可操作以将LiDAR图像中的关注区域分配给光发射器组。此外，扫描过程还定义了扫描过程中关注区域的相对照明。

例如，围绕视场中心的分组的关注区域可以比FOV的边缘更明亮。在另一个示例中，定位有较远离物体的关注区域可能需要不同的照明，例如比有较近物体的关注区域需要更多的照明。事实上，LiDAR传感器可以在学习模式下操作。在学习模式中，距离的分布和/或活动被记录并引用到关注的区域，例如通过处理单元。这样，扫描过程可以在操作过程中进行调整，以考虑待测量的实际场景。学习模式可以在LiDAR传感器的操作过程中重复。

在至少一个实施例中，至少检测器、至少一个驱动器电路和处理单元被集成在共用集成电路中。例如，所述光源和共用集成电路布置在共享载体或基板上，并通过该共享载体或基板互相电接触。然而，在其他实现方式中，光源也可以集成到所述共用集成电路中。集成允许紧凑型设计、降低电路板空间要求、在受限空间设计中实现薄型系统设计。此外，可以降低用于发射和检测的光束路径的复杂性。

在至少一个实施例中，光源包括具有光发射器的阵列的垂直腔面发射激光器，简称VCSEL。所述检测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)阵列。

半导体激光二极管的一种类型包括表面发射激光器，例如垂直腔面发射激光器(或VCSEL)或边缘发射激光器。VCSEL将表面发射等特性与可寻址阵列的设计灵活性、激光波长的低温依赖性、使用晶圆级制造工艺的更高的可靠性和可能性相结合。例如，VCSEL可以实现为阵列，并且通常包含50-10k个单个光发射器。这限制了单个发射器故障的影响。大量的光发射器允许对关注组和/或关注区域的形状和几何构造进行微调。

此外，VCSEL提供窄波长带宽(特别是在温度方面)，允许在接收器侧(例如检测器的阵列)进行更有效的滤波，从而提高信噪比。VCSEL允许发射垂直圆柱形光束，这使得与成像系统的集成更加简单。单光子雪崩二极管阵列，简称SPAD，提供高度灵敏的检测，并与快速紧凑的时间-数字转换器相结合以提供高精度的距离测量。

在至少一个实施例中，LiDAR模块包括根据上面讨论的概念的至少一个LiDAR传感器。封装件将LiDAR传感器与光障碍物隔开，该光障碍物将光源与所述检测器光屏蔽。光发射器可操作以发射远离LiDAR模块的光。光电检测器可操作以检测LiDAR模块外部物体反射的发射光。

作为LiDAR模块的实现，允许将LiDAR传感器的组件嵌入到同一传感器封装件中。这允许成像系统通过根据扫描过程进行扫描来观察完整的视野。这种成像系统可以发射光脉冲，例如在红外段。例如，该能量的一部分被返回并转换为距离和可选的速度。

在至少一个实施例中，根据所提出的嵌入在主机系统中的概念，LiDAR使能设备包括至少一个LiDAR模块。所述主机系统包括用于距离控制的辅助系统之一，例如驱动控制；飞行控制；交通控制；高级驾驶员辅助系统ADAS；监控系统；工业系统，例如物流系统；移动设备；导航系统和/或相机。

在至少一个实施例中，操作用于光检测和测距的LiDAR传感器的方法包括LiDAR传感器。所述LiDAR传感器包括光源，该光源还包括光发射器的阵列，其中所述光发射器电互连成组，并且其中所述光发射器可操作以发射远离LiDAR传感器的光。光发射器(LE)组中的至少两组形成彼此类似于不同几何构造的光源(LS)的区域。此外，所述LiDAR传感器包括驱动器电路、包括光电检测器的阵列的检测器和处理单元。

所述方法包括这些步骤：使用驱动器电路单独地寻址光发射器组，使得来自同一组的光发射器发射具有相同发射特征的光；使用光电检测器，检测由光源发射并正被LiDAR传感器外部的物体反射的光，并生成作为检测到的光的函数的检测器信号；最后，使用处理单元，根据与相应的光发射器组相关联的检测器信号提供指示到物体的距离的输出。

操作用于光检测和测距的LiDAR传感器的方法的其他实现很容易从用于光检测和测距的LiDAR传感器、LiDAR模块和LiDAR使能设备的各种实现和实施例中推导出来，并且反之亦然。

在下文中，对上面提出的概念参考附图进一步详细说明，在附图中示出了实施例的实例。在下文提出的实施例和附图中，相似或相同的元素可以各自设置相同的附图标记。然而，附图中所示的元素及它们彼此之间的大小关系不应被视为真实比例，而是可以放大单个元素，例如图层、组件和区域，以便更好地说明或更好地理解。

图1示出了示例LiDAR传感器，

图2A、图2B示出了光源的示例，

图3A至图3C示出了扫描过程的示例，

图4A、图4B示出了驱动器电路的示例，

图5A至图5C示出了LiDAR图像中关注区域的示例，以及

图6是利用单行扫描照明概念的现有技术VCSEL的示例。

图1示出了示例LiDAR传感器。该LiDAR传感器包括光源LS、检测器DT、驱动器电路DC和处理单元PU，它们与载体CA相邻布置并电耦合到载体CA。例如，该载体包括基板以提供电连接和机械支撑。检测器DT、驱动电路DC和处理单元PU集成在同一芯片CH中，这构成共用集成电路IC。通常，光源和共用集成电路被布置在载体上并通过载体电接触到彼此。成像系统的组件嵌入在传感器封装件中(未示出)，从而形成LiDAR模块。如处理单元(例如处理器或微处理器)的用于执行检测方法的其他组件和ADC、TDC等组件也被布置在传感器封装件中，并且可以集成到同一集成电路中。在封装件中，光障碍物LB将光源LS与检测器DT光屏蔽。

LS光源包括光发射器LE的阵列。在该实施例中，光发射器是表面发射激光器，例如垂直腔面发射激光器(或VCSEL)。光发射器具有一个或更多个特征发射波长。例如，光发射器的发射波长位于近红外(NIR)中，如大于800nm且小于10,000nm。LIDAR应用可能依赖于光发射器的发射波长范围为840nm至1610nm，从而实现稳固的发射和检测。此范围可由VCSEL提供。检测器的阵列DA包括一个或更多个光电检测器，或像素。像素阵列形成图像传感器。在该实施例中是SPAD，但也可以是光电二极管，例如管脚光电二极管、引脚光电二极管或其他类型的光电二极管。处理单元PU包括处理器或微处理器，例如用来控制LiDAR传感器的操作。完整的LiDAR处理可以由处理单元执行。不过，LiDAR处理可以在“片外”执行，并且处理单元可以只执行预处理以提供距离信息作为输出。

图2A示出了LiDAR传感器的光源的示例。光源LS是单个光发射器LE的二维阵列。光源LS的光发射区域受外框架OF的限制。光发射器LE在图中以点表示。在本实施例中，光发射器LE被实现为垂直腔面发射激光器(VCSEL)。例如，该阵列包括50-10k的单个光发射器。

光发射器LE电互连为光发射器组GR。该图示出了不同形状或几何结构的GR组。内部组布置在中心框架CF内。内部组为三角形，其中每个三角形组的一个角点CP固定在中心框架CF的中心CT或光源LS上。在中心框架CF的外部，其他的组布置在中心CT周围。外部组具有非三角形或四角形，即总共360度的四个任意角度。内部组和外部组一起覆盖外框架OF的整个区域，即光源LS的整个光发射表面。在本示例中，LS光源被分成40个光发射器组。

图2B示出了LiDAR传感器光源的另一个示例。分组是相似的，但光发射器组较少，例如28个组。根据LiDAR传感器的预期应用，可以确定最优配置。

通常，组的形状或几何结构是通过单个光发射器LE之间的电互连来确定的。光发射器LE是电互连的，使得它们可以作为组一起被寻址，例如通过驱动器电路DC(未示出)的通道CH。这样，光发射器组可以具有任何形式或形状，并且仅受到与驱动器电路的电互连的实现的限制。然而，应该注意的是，将光发射器分成组的电互连是由硬件设置的，例如在生产线级别。然而，无论光发射器组在LiDAR传感器操作过程中是否被激活，甚至何时被激活，光发射组都能够在扫描过程中很大程度上受到控制。这将在下面更详细地讨论。

光发射器组能够单独被寻址，即以“每组”为基础。如果被寻址，来自同一组的光发射器LE发射具有相同发射特征的光。同时，其他的光发射组可能根本不发光或发射具有不同发射特征的光。例如，发射特征包括强度和/或波长。对组的寻址可由驱动电路DC来控制，例如通过专用的驱动器通道。

图3A至图3C示出了扫描过程的示例。通过驱动器电路DC的寻址能够在LiDAR传感器的操作过程中进行更改。驱动器电路DC根据扫描过程对光发射器LE组进行寻址。扫描过程定义了顺序或时间顺序，用于何时以及使用哪种发射特征对给定的光发射器组进行寻址。例如，在扫描过程中，一个或更多个光发射器组不断发光或在预定的时间段内发光。其他的光发射器组可以一组接一组地依次发光。

图3A、图3B和图3C中的图示出了根据示例扫描过程的三个连续步骤。这将在下文中被视为“循环扫描模式”。光源的分割如图2B实施例中介绍。在第一步中(见图3A)，来自外部组中的两组G1和G2被激活，即被寻址以一定强度发射(根据所使用的发射特征)。所述组G1和G2相对于中心点CP位于相对侧。同时来自内部组的两组G3和G4，即中心框架CF内，被寻址以一定强度发射(根据所使用的发射特征)。所述组G3和G4相对于中心点CP位于相对侧。

在第二步中(见图3B)，来自外部组的两组G1和G2被停用。然而，来自外部组的另外两组G5和G6被激活，即被寻址以一定强度发射(根据所使用的发射特征)。然而，G1和G2组仍然像以前一样被激活。所述另两组G5和G6相对于中心点CP位于相对侧。在第三步(见图3C)中，来自外部组的两组G5和G6被停用。然而，来自外部组的另外两组G7和G8被激活，即被寻址以一定强度发射(根据所使用的发射特征)。然而，G1和G2组再次像以前一样保持激活。所述另两组G7和G8相对于中心点CP位于相对侧。

每进一步，就会激活一对相邻的另一组，并停用在上一步中激活的组。该重复的步骤模仿上文介绍的定义了扫描过程的扫描。在扫描过程的一个揭示(revelation)完成之前，来自内部组的两组G3和G4保持激活状态。在下一个揭示中，内部组G3、G4的对可能被停用并继续到相邻的内部组对。例如，对于每N对外部组，即一个完整的揭示，一对内部组“闪光(fires)”，即被激活N次，直到在下一个揭示中，相邻的一对内部组为每N对外部组“闪光”N次，依此类推。

该示例扫描过程可以调整以实现不同的扫描模式。因此，即使这些组在设计上是硬接线的，也可以通过驱动器电路借助于扫描过程控制来提供灵活性。扫描过程和时间顺序有效地模拟了常见LiDAR系统的扫描，但不需要MEMS反射镜或转向设备等机械组件。扫描是一个依赖于时间的过程，具有高度的灵活性。可以通过更改时间顺序来设置不同的扫描模式。例如，可以通过顺时针或逆时针方式寻址光发射器组来实现“圆形”扫描模式。“前向”扫描模式可能有利于LiDAR图像中的关注区域沿线，例如水平线，并且可用于远程LiDAR。所述处理单元能够布置为接收用户的自定义扫描模式，也能够进行编程以设置当前扫描过程的时间顺序。例如，扫描模式可以是针对角落(中程)/侧向(短程)LiDAR、工业和监控场景中的特定可配置场景、自主机器人、或类似场景的优化。

图4A、图4B示出了驱动器电路的示例。该驱动器电路包括四个驱动器单元DU1、...、DU4，它们共同构成驱动器电路DC。每个驱动器单元包括几个驱动器通道CHI、...、CH6，它们与对应的光发射器组电连接。驱动器通道确立到光发射器组的硬接线电路连接。如图4B所示，这些连接可以作为专用的电源/控制路由或通过可编程开关PS实现，图4B示出了包括光发器组的光源的放大部分。因此，在该实施例中，驱动器单元可以放置在VCSEL周围——这与传统方法相比并非微不足道。这使得功率路由和电流密度分布与传统方法相比简单得多，传统方法只允许在VCSEL的四个侧面中的两个放置驱动器。

图5A至图5C示出了LiDAR图像中关注区域的示例。LiDAR传感器可能采用不同的扫描模式。例如，检测器的像素形成图像传感器。处理单元可操作以提供LiDAR图像作为输出。在LiDAR图像中，关注区域中可以被定义，并且可以分配给光发射器组，例如通过处理单元PU。

扫描过程可用于定义在扫描过程中哪些关注区域接收照明。例如，围绕视场中心分组的关注区域可以比FOV的边缘更明亮。在另一个示例中，定位为较为远离物体的关注区域可能需要不同的照明，例如比有较近物体的关注区域需要更多的照明。

可以根据对LiDAR传感器将要查看的内容的先验知识或假设来选择光发射器的分组和关注区域的分组。例如，可以在某种程度上预测对于汽车的应用。

图5A示出了用于汽车应用的各种场景中拍摄的图像的重叠。重叠允许识别图像中重复出现的分布或活动。其中一个重复出现的主题是街道，该街道通常看起来朝向图像的中心点CP收敛。另一个重复出现的主题可能是跨越图像中心区域并沿着图像水平轴。光发射器组的布局可以用来模仿这些发现。例如，图像示出三角形组，这些三角形组居中并朝向图像的中心点CP收敛。例如，这些组模仿街道。这可以在光源级别定义电互连，例如在LiDAR传感器的制造过程中。

图5B示出了在各种场景中拍摄的图像的相同重叠。然而，在某些关注的区域中，相对强度通过灰度表示。这些区域可以通过图像分析来识别。在图像中，一些具有较暗尺度的区域需要更多的照明，并且对应的组被寻址以更频繁地发射光，或者被检测器观察到的次数比较亮尺度的区域更多。这允许接收器链应用更多的统计处理来降低噪声并改善可检测范围。图5C显示了分析结果的扫描模式。

LiDAR传感器可在学习模式下操作。在学习模式中，距离的分布和/或活动被记录并引用到关注的区域，例如通过处理单元。这样，扫描过程可以在操作过程中进行调整，以考虑待测量的实际场景。学习模式可以在LiDAR传感器的操作过程中重复。

所提出的概念摒弃了传统的具有同等照明的行/列分区。取而代之的是，实施了自由形式的分区方案，所述分区方案基于对视野中目标场景类型的先验知识优化了照明功率。光发射器的分组允许在分割、非均匀照明方案中采用自由形式的方法，并且在圆形图案的情况下，可以使用圆形闪光方案代替传统的水平/垂直闪光方案。从某种意义上说，这种方法更好，因为它允许将更多的可用光能导向一个区域，否则需要整个发射器和传感器变得更加强大。因此，它提供了比传统均匀照明方法更节能的解决方案。

附图标记

CA 载体

CF 中心框架

CH1 to CH6 驱动器通道

CP 中心点

CT 中心

DC 驱动器电路

DU1 to DU4 驱动器单元

DT 检测器

GR 光发射器组

G1 to G8 光发射器组

LB 光障碍物

LE 光发射器

LS 光源

OF 外框架

PD 光电检测器

PS 可编程开关

PU 处理单元

ROI 关注区域

Claims (15)

1.一种用于光检测和测距的LiDAR传感器，包括：

-光源(LS)，其包括光发射器(LE)的阵列，其中光发射器(LE)电互连成组，并且其中光发射器可操作以发射远离LiDAR传感器的光，其中光发射器(LE)组中的至少两组形成彼此类似于不同几何形状的光源(LS)的区域，

-驱动器电路(DC)，其可操作以单独地寻址光发射器(LE)组，使得来自同一组的光发射器(LE)发出具有相同发射特征的光，

-检测器(DT)，其包括光电检测器(PD)的阵列，其中每个光电检测器(PD)可操作以检测由光源(LS)发射并正被LiDAR传感器外部的物体反射的光，并且根据检测到的光来生成检测器信号，以及

-处理单元(PU)，其可操作以基于与相应的光发射器(LE)组相关联的检测器信号来提供指示到物体的距离的输出。

2.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中所述光发射器(LE)组和/或光电检测器组，通过它们的电互连，形成所述光发射器(LE)的阵列的或检测器(DT)的连续区域。

3.根据权利要求1或2所述的LiDAR传感器，其中由至少一个光发射器组和/或光电检测器组形成的区域类似于非矩形几何构造。

4.根据权利要求1至3之一所述的LiDAR传感器，其中：

-所述处理单元(PU)可操作以提供LiDAR图像作为输出，并且

-所述光发射器(LE)组根据LiDAR图像的关注区域进行布置。

5.根据权利要求1至4之一所述的LiDAR传感器，其中对光发射器(LE)按组进行寻址是通过在给定光发射器(LE)组和所述驱动器电路(DC)之间的硬接线连接、可编程开关和专用电源/控制路由中的至少一个来建立的。

6.根据权利要求1至5之一所述的LiDAR传感器，其中

-驱动器电路(DC)可操作以根据扫描过程对光发射器(LE)组进行寻址；并且其中在扫描过程中：

-一个或更多个光发射器(LE)组在扫描过程中不断发射光，

-一个或更多个光发射器(LE)组在预定的时间段发光，

-一个或更多个光发射器(LE)组按时间顺序依次发光。

7.根据权利要求6所述的LiDAR传感器，其中所述处理单元(PU)可操作以通过针对给定的光发射器(LE)组何时以及用哪个发射特征由驱动器电路(DC)寻址，设置时间顺序来定义扫描过程。

8.根据权利要求1至7之一所述的LiDAR传感器，其中所述光发射器(LE)的发射特征根据以下之一涉及光强度和/或光波长：

-给定的光发射器(LE)组或光发射器(LE)根据所使用的发射特征来发射特定强度和/或特定波长的光，以及/或者

-给定的光发射器(LE)组或光发射器(LE)根据所使用的发射特征而不发射光。

9.根据权利要求1至8之一所述的LiDAR传感器，其中所述驱动器电路包括多个驱动器通道(CH)，其中，

-每个驱动器通道(CH)与光源(LS)的一部分相关联，以及

-所述驱动器通道(CH)相对于寻址光发射器(LE)组是同步的。

10.根据权利要求4至9之一所述的LiDAR传感器，其中

-所述处理单元(PU)可操作以将LiDAR图像中的关注区域(ROI)分配给光发射器(LE)组，以及

-所述扫描过程还定义在扫描过程中关注区域(ROI)的相对照明。

11.根据权利要求1至10之一所述的LiDAR传感器，其中至少检测器(DT)、至少一个驱动器电路(DC)和处理单元(PU)集成在共用集成电路(IC)中。

12.根据权利要求1至11之一所述的LiDAR传感器，其中

-所述光源包括VCSEL激光器阵列，以及

-所述检测器包括单光子雪崩二极管SPAD阵列。

13.一种LiDAR模块，包括：

-根据权利要求1至12之一所述的至少一个LiDAR传感器，以及

-将LiDAR传感器与光障碍物(LB)包围的封装件，所述光障碍物(LB)将光源(LS)与所述检测器(DT)光屏蔽；使得：

-所述光发射器(LE)可操作以发射远离LiDAR模块的光，以及

-所述光电检测器可操作以检测由LiDAR模块外部的物体反射的发射光。

14.一种LiDAR使能设备，包括嵌入在主机系统中的至少一个根据权利要求13所述的LiDAR模块，所述主机系统包括以下之一：

-用于距离控制的辅助系统，例如驾驶控制、飞行控制、交通控制，

-高级驾驶员辅助系统ADAS，

-监控系统，

-工业系统，例如物流系统，

-移动设备，

-导航系统，以及/或者

-相机。

15.一种操作用于光检测和测距的LiDAR传感器的方法，所述LiDAR传感器包括：

-光源(LS)，其还包括光发射器(LE)的阵列，其中光发射器(LE)电互连成组，并且其中光发射器可操作以发射远离LiDAR传感器的光，

-驱动器电路(DC)，

-检测器(DT)，其包括光电检测器(PD)的阵列，以及

-处理单元；所述方法包括以下步骤：

-使用驱动器电路(DC)单独地寻址光发射器(LE)组，使得来自同一组的光发射器(LE)发射具有相同发射特征的光，

-使用光电检测器(PD)检测由光源(LS)发射并正被LiDAR传感器外部的物体反射的光，并且根据检测到的光来生成检测器信号，以及

-使用处理单元(PU)基于与相应的光发射器(LE)组相关联的检测器信号来提供指示到物体的距离的输出。

Images