CN115885200A - 混合二维转向式lidar - Google Patents

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CN115885200A CN202180050878.4A CN202180050878A CN115885200A CN 115885200 A CN115885200 A CN 115885200A CN 202180050878 A CN202180050878 A CN 202180050878A CN 115885200 A CN115885200 A CN 115885200A
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Abstract

一种光学发射器装置，其包括发射器阵列，所述发射器阵列包括多个端射锥体，各个所述端射锥体被构造为选择性地发射相应的光束。透镜系统被构造为基于各个所述端射锥体的相对于所述透镜系统的光轴的位置来成形和导向各个所述光束。旋转反射器包括与所述透镜系统的光轴垂直的旋转轴，并且所述旋转反射器被构造为重新导向和扫描通过扫描范围的光束。

Description

混合二维转向式LIDAR
技术领域
本发明涉及一种光学发射器装置，特别地，涉及一种被用在光检测和测距(LIDAR：light detection and ranging)系统中的光学发射器装置。
背景技术
芯片上光子系统(on-chip photonics)可以轻松地将诸如激光器、检测器和开关等组件紧凑地且低成本地进行集成；然而，为了实现波束成形和二维波束转向，芯片上光子系统需要消耗大量的功率，并且芯片上光子系统在架构上可能是很复杂的。另一方面，如果使用自由空间光学系统(free space optics)，例如透镜和反射镜等，则在架构上将会是简单的、并且在波束成形和波束转向上将会是有功率效率的，但是诸如激光器、接收器和开关等其他分立组件是体积庞大的、且与它们的芯片上同类产品相比而言是更昂贵的。在需要极高分辨率或每秒点数的苛刻应用中，前述那些问题就导致了如下的两种系统：一种系统是完全由自由空间元件(即，多个激光器、检测器和开关)构成的体积庞大且成本高昂的LIDAR系统，或者另一种系统是由纯集成光子系统(例如，光学相控阵列(OPA：optical-phased-array))构成的耗电量大、视场角有限且信噪比(SNR：signal-to-noise ratio)低的lidar(激光雷达)系统。本发明说明了一种低成本且紧凑的混合lidar系统架构，在该架构中组合了上述两种系统的优点，即：光子芯片将激光器、检测器和开关集成起来，而且自由空间光子系统(例如，反射镜和透镜等)被用于波束转向和波束成形。
芯片上光子系统中所使用的热光开关(thermo-optic switch)的缓慢响应时间是当实现超快光束转向时的一个重大限制因素。芯片上OPA(光学相控阵列)也遭受了高的插入损耗，所述高的插入损耗会导致高的电力消耗、低的帧速率和低的信噪比。
一维OPA也需要波长调谐以在二维上进行光束转向。波长调谐范围通常在几十或几百纳米内，以便获得超过30°的视场角(FOV：field-of-view)。然而，(用于FMCW激光雷达的)具有窄线宽(narrow linewidth)的宽带宽(wide bandwidth)可调谐激光器是难以设计和制造的。
发明内容
因此，第一装置包括光学发射器装置，所述光学发射器装置包括：第一发射器阵列，其包括多个第一点发射器，各个所述第一点发射器被构造为发射相应的第一光束；第一透镜系统，其被构造为基于各个所述第一点发射器的相对于所述第一透镜系统的第一光轴的位置来成形和导向各个所述第一光束；和旋转反射器，其被构造为与所述第一光轴成一角度地重新导向各个所述第一光束。
所述第一装置可以进一步包括主基板和光波导结构。所述主基板用于支撑所述多个第一点发射器，其中所述多个第一点发射器包括多个端射锥体(end-fire taper)。所述光波导结构包括：多个光波导芯体，所述多个光波导芯体中的各者包括延伸到相应一个所述端射锥体的主光波导；和包覆层，其包围所述多个光波导芯体。
附图说明
下面将会参照附图更详细地说明一些示例性实施方案。在附图中：
图1是根据本发明的一个示例性实施方案的俯视图；
图2A是当旋转反射镜(rotating mirror)处于第一位置时的图1所示的装置的侧视图；
图2B是当旋转反射镜处于第二位置时的图1所示的装置的侧视图；
图3A是图1所示的装置的光学发射器芯片的一部分的俯视图；
图3B是图1所示的装置的光学发射器芯片的另一示例性实施方案的一部分的俯视图；
图3C是图1所示的装置的光学发射器芯片的又一示例性实施方案的一部分的俯视图；
图3D是图1所示的装置的光学发射器芯片的再一示例性实施方案的一部分的俯视图；
图4是图1所示的装置的一个示例性光学发射器芯片的剖面图；
图5是图1所示的装置的另一示例性光学发射器芯片的剖面图；
图6是图5所示的装置的光学发射器芯片的俯视图；
图7是根据本发明的一个示例性实施方案的俯视图；
图8是图4所示的装置的侧视图；以及
图9是本发明的另一示例性实施方案的侧视图。
具体实施方式
虽然本发明是结合各种实施方案和示例来予以说明的，但并不旨在将本发明局限于这些实施方案。相反，本发明包含了本领域的技术人员应当理解的各种替代方案和等同方案。
参照图1、图2A和图2B，本发明的设备包括根据一个示例性实施方案的光学装置1，其例如是LIDAR，其包括：光学发射器芯片2、透镜系统3和旋转反射器4，该旋转反射器例如是反射镜。关于波束成形，当来自光学发射器芯片2的点发射器61至6n被放置得接近透镜系统3的焦平面F或基本上位于透镜系统3的焦平面F上(无限共轭)时，就可以发送一个以上的已被高度准直的输出光束5O。基于互易定理，反向传播也是成立的，籍此，照射到透镜系统3上的平行输入光束5i(例如，被物体反射的输出光束5O中的一者)将会在具有由透镜像差和衍射决定的轻微扩散的状态下聚焦到将要由点发射器61至6n中的一者捕捉的点斑处。关于波束转向，已成形的(例如，基本上已准直或聚焦的)输出光束5O的远场光束角α取决于点发射器61至6n的在焦平面F上的相对于透镜系统3的纵向中心光轴OA的位置。光束角α由以下公式决定：α＝arctan(d/f)，其中d是与焦平面的中心(即，光轴OA与焦平面F发生重合的点)相距的距离，并且f是透镜系统3的焦距。因此，整个LIDAR系统可以通过以下方法来予以实现：将点发射器61至6n的光学发射器芯片2放置在透镜系统3的焦平面F上或透镜系统3的焦平面F附近，然后使用控制器20有选择性地把已选定和未选定的点发射器61至6n分别接通和关断，以便使一个以上输出光束5O以所期望的光束角α在所期望的方向上转向。这种方法从根本上不同于光学相控阵列，这是因为发射器之间的相对光学相位不需要被控制，而且一次只能打开一个点发射器61至6n。此外，多个点发射器61至6n可以由控制器20同时或依次激活，以发送指向于不同方向(即，处于不同光束角α1至αn)的多个输出光束5O。
光学发射器芯片2可以包括用于支撑光波导结构的主基板7，光波导结构包括光学发射器阵列10，该光学发射器阵列10包括由包覆层包围的多个光波导芯体8，每个光波导芯体8包括主光波导芯体，该主光波导芯体与点发射器61至6n中的一者耦合且以这一者结尾。理想地，点发射器61至6n排列成点发射器61至6n的阵列，该阵列包括对齐的点发射器61至6n的列(或行)。优选地，点发射器61至6n各自包括端射锥体9。光学发射器芯片2可以包括由一个以上光波导层组成的光波导结构，这些光波导层被构造成形成上述多个光波导芯体8，这些光波导芯体8在外端处耦合有端射锥体9且全部由包覆层包围，该包覆层是具有较低折射率的材料。如图2A和图2B所示，包括点发射器61至6n、光波导芯体8及端射锥体9的光学发射器阵列10可以与透镜系统3的光轴OA共面。光波导芯体8和端射锥体9可以包括硅(Si)或氮化硅(SiN)，或者可以包括Si和SiN两者，或者可以包括任何其他合适的光波导芯体材料。光波导结构可以被安装在主基板7上，例如生长在主基板7的顶部上，并且上包覆层12和下包覆层13包围光波导芯体8及端射锥体9。上包覆层12和下包覆层13可以由诸如二氧化硅(SiO2)等氧化物材料构成，例如厚度为2μm～5μm，并且主基板7可以由硅、石英或任何合适的材料构成。至少一部分端射锥体9可以具有在25μm和400μm之间的长度，并且可以从光波导芯体8(例如，其宽为400nm和500nm之间且厚为200nm和250nm之间)的原始宽度例如以25％至75％、优选以大约50％缩小至尖端，该尖端具有在100nm和400nm之间的宽度和例如在200nm和250nm之间的原始厚度，如果需要，厚度也可以逐渐缩小到小于光波导芯体8。优选地，端射锥体9的端部可以是对称性的，例如呈正方形(200nm×200nm)，以确保TE模式和TM模式在端射锥体处具有基本上相同的尺寸。至少一部分端射锥体9(例如，点发射器65)可以包括反向锥体，这些反向锥体从光波导芯体8的原始尺寸至少在宽度上(例如在宽度上)扩展到更宽的宽度(例如，2倍至10倍宽)或者1μm至4μm之间的宽度。如果需要的话，厚度也可以扩展。一部分端射锥体9可以在宽度上变窄，并且一部分端射锥体9可以在宽度上变宽。一部分端射锥体9可以比其他端射锥体9更多或更少地变窄，并且一部分端射锥体9可以比其他端射锥体9更多或更少地变宽。
参照图3A至图3D，在光学发射器芯片2的边缘与各端射锥体9的端部之间可以存在含有与包覆层相同的材料的小间隙g。间隙g可以是0nm至5μm，优选500nm至1μm。对于一部分或全部的端射锥体9而言，间隙g可以是相同的或不同的。参照图3B，一部分端射锥体9可以被构造成与光波导芯体8和/或光学发射器芯片2的纵向中心轴和/或透镜系统3的光轴OA成锐角地延伸且终止。换句话说，端射锥体9的纵向轴相对于光波导芯体8的纵向轴和/或透镜系统3的光轴OA成锐角地布置着。通过这种方式，从端射锥体9朝向透镜系统3发射的光或从透镜系统3向端射锥体9聚焦的光的主射线可以是从光轴OA倾斜的，即，透镜系统3不需要是像空间远心的(image-space telecentric)。这样的特性可以大大简化透镜系统3的设计。
理想地，一部分或全部的端射锥体9成锐角地布置着，使得从端射锥体9发射到自由空间中的光在对应于端射锥体9的像面中的位置处平行于透镜系统3的所设计主射线角。一部分端射锥体9可以被构造为基本上朝向光轴OA和/或光学发射器芯片2(即，光学发射器阵列10)的纵向中心轴延伸。一部分端射锥体9可以以比其他端射锥体9的锐角更大的锐角延伸。优选地，距透镜系统3的光轴OA越远，则锐角越大。因此，间隙g可以循着端射锥体9的阵列而改变长度。各端射锥体9的端部可以延伸到与光学发射器芯片2的边缘相距同一距离(即，同一间隙长度g)，由此各点发射器61至6n基本上循着或接近于笔直焦平面F。因此，一部分端射锥体9可以具有与其他端射锥体9不同的长度，特别地，处于光学发射器芯片2的外缘处的端射锥体9比处于光学发射器芯片2的中间处的端射锥体9更长，并且/或者，例如沿着光学发射器芯片2的纵向中心轴和/或透镜系统3的光轴OA，端射锥体9的长度是逐渐增加的，从处于光学发射器芯片2的中间处的较短端射锥体9开始，且以具有较长端射锥体9的外侧端射锥体9结尾。可替代地，端射锥体9可以被制造为全部具有相同的长度，但主光波导芯体8延伸出不同的长度，从而调节端射锥体9与光学发射器芯片2的边缘之间的不同间隙g。光波导芯体8和端射锥体9也可以不是通过尖锐过渡而是通过逐渐弯曲部来连接起来的。在一些实施方案中，可以通过这些逐渐弯曲部的不同半径或长度来调节不同的间隙长度g。端射锥体9的端部可以垂直于光学发射器芯片2的边缘和/或垂直于端射锥体9的纵向中心轴。
参照图3C和图3D，一部分或全部的端射锥体9可以被布置成使得各点发射器61至6n基本上循着或接近于与透镜系统3的弯曲焦平面F相对应的弯曲焦平面F。这个弯曲焦平面F可以是与透镜系统3的非零佩兹伐和值(non-zero Petzval sum)相对应的近似球面的，或者可以是非球面的。透镜系统3和焦平面F的形状最好可以是协同设计的，以便焦平面F的曲率能够帮助减少透镜系统3的光学像差或简化透镜系统3的设计，例如，允许透镜系统3包括更少的元件。
参照图3D，光学发射器芯片2的边缘可以被进一步向下蚀刻，以形成沟槽15，该沟槽15的基本上弯曲的边缘可以基本上沿着或平行于弯曲焦平面F，并且端射锥体9在弯曲沟槽15的边缘的附近处结尾，例如以它们二者之间具有间隙g的方式。各端射锥体9的端部可以延伸到与光学发射器芯片2的边缘相距同一距离(即，同一间隙长度g)，由此各点发射器61至6n基本上循着或接近于弯曲焦平面F。沟槽15也可以贯穿上包覆层12和下包覆层13而被完全蚀刻掉，并且必要时，也可以贯穿基板7而被完全蚀刻掉，以便避免例如当沟槽15的曲线有很大的弓形高(sagitta)时从端射锥体9出来的光到达沟槽15的底面。可替代地，沟槽15可以被部分地蚀刻，并且基板7从背面被减薄直到在由沟槽15界定的区域内没有材料残留。对于充分小的弓形高，仅对沟槽15进行部分蚀刻就足够了。端射锥体9的端部可以被导向，即，端射锥体9的纵向中心轴可以基本上垂直于沟槽15的上述边缘的切线或与沟槽15的上述边缘的切线成锐角。沟槽15的上述边缘可以是弯曲的，例如与弯曲焦平面F共线(colinear)或平行，或者可以包括一系列的台阶，例如针对每个点发射器61至6n有一个台阶。因此，包覆层材料的间隙g(即，端射锥体9的端部和弯曲沟槽15之间的间隙g)可以再次针对各端射锥体9而具有基本上相同长度的包覆层材料。
参照图3A至图3D，其示出了光学发射器芯片2上的光学发射器阵列10的剖面，点发射器61至6n的位置可以沿着与光轴OA垂直的方向或沿着光学发射器芯片2的边缘有规律地间隔开(即，相隔相同的距离)，或者不规律地间隔开(即，相隔不同的距离)。点发射器61至6n的相对于光轴OA的位置，与透镜系统3的设计(即，焦距)相结合地，设定了离开透镜系统3且传播至自由空间中的输出光束5O的光束角α。在一些实施方案中，点发射器61至6n(即，端射锥体9)可以特意不规则地间隔开，以解决与输出光束5O的非均匀角族(family ofangles)。在一些实施方案中，透镜系统3可能有畸变，从而使得点发射器61至6n的规则间隔可能会产生输出光束5O的不规则角度间隔。为了补偿这种畸变，点发射器61至6n(即，端射锥体9)的间隔可以变化，并且使其在相反的方向上不规则，从而使得在离开透镜系统3时角度间隔是基本上均匀的。
如上所述的对端射锥体9和端面设计的一个以上变形例可以结合在一个实施方案中。特别地，点发射器61至6n的布局如果能够考虑到焦平面曲率、任意的主射线角和校正畸变，就大大缓解了对透镜系统3的设计的限制，并且就可以允许透镜系统3由单个元件构成，甚至在低的焦数(f-number)下由单个元件构成。
图4示出了光学发射器芯片2的横截面，即，示出了光学发射器阵列10中的一个点发射器6n。点发射器61至6n的阵列可以包括由一个或两个光波导层组成的一部分或全部光波导芯体8，所述光波导层被构造为分别形成单层或双层光波导芯体8或8′并且分别形成单层或双层端射锥体9或9′。通过含有第二层光波导芯体材料，就使得能够实现如下的模式轮廓工程(mode profile engineering)：该工程也使得能够实现点发射器61至6n的NA(数值孔径)的变形例，即，把光发射到具有更宽泛的模式传播的耦合模式中会导致更小的NA。双层光波导芯体8′和双层端射锥体9′可以由具有相似折射率的两种类似光波导芯体材料构成，例如，两个都是硅(Si)或两个都是氮化硅(SiN)，或者，双层光波导芯体8′和双层端射锥体9′可以由具有不同折射率的两种不同光波导芯体材料构成，上述不同折射率例如是第二折射率(例如SiN)和大于第二折射率的第一折射率(例如Si)，或者，双层光波导芯体8′和双层端射锥体9′可以由任何其他合适的光波导芯体材料构成。光波导芯体8或8′可以被安装在主基板7上，例如生长在主基板7的顶部上，并且上包覆层12和下包覆层13围绕双光波导芯体8′及端射锥体9′且夹在它们二者之间。上包覆层12和下包覆层13可以由诸如二氧化硅(SiO2)等氧化物材料构成，例如，大约2μm～4μm厚，优选大约3μm厚，并且主基板7可以由硅或任何合适的材料构成。
参照图5和图6，为了进一步降低点发射器61至6n的NA，悬浮式光波导结构50可以被设置得与一部分或每个端射锥体9或9′的端部光学耦合。悬浮式光波导结构50可以由目前形成光波导芯体的包覆层材料(例如，SiO2)构成，并且由袋状区包围，该袋状区由具有更低折射率的材料(例如，空气)制成且形成包覆。悬浮式光波导结构50可以通过如下方式而被悬浮于主基板7上方：从主基板7去除(例如，蚀刻掉)基板材料和/或从悬浮式光波导结构50下方和/或周围的上包覆层12及下包覆层13去除(例如，蚀刻掉)包覆层材料，形成悬浮式光波导结构50周围的袋状区或腔室51。因此，悬浮式波导结构50/端射锥体9或9′的NA可以减少到小于约0.25，优选小于约0.2。悬浮式光波导结构50可以延伸大约2μm至50μm到腔室51内，而端射锥体9或9′可以稍微延伸到腔室51内，但小于悬浮式光波导结构50的全长。悬浮式光波导结构50可以具有与总光学发射器阵列10的厚度相同的厚度，例如大约6μm至8μm，或者可以通过局部去除上包覆层12的一部分而使悬浮式光波导结构50比光学发射器阵列10更薄。悬浮式光波导结构50可以包括呈锥形的边和/或上壁和/或下壁，即，具有向其外部自由端缩小的宽度和/或高度(虚线)，可替代地，悬浮式光波导结构50可以包括呈反向呈锥形的边和/或上壁和/下壁，即，具有向其外部自由端(即，沿着光传输方向)扩大的宽度和/或高度。理想地，端射锥体9或9′被定位于波导结构50的垂直和水平中心处。
如果需要的话，透镜系统3可以包括多个透镜元件。透镜系统3的大部分设计是在焦数、视场角和光圈大小之间的折衷。然而，可能存在一些设计优先事项：例如，(a)具有像面远心设计，其中来自点发射器61至6n的主射线都平行于像空间中的光轴OA：(b)在整个视场角范围上达到衍射极限；以及(c)透镜系统3的像空间数值孔径(NA：numericalaperture)基本上匹配或超过了点发射器61至6n的NA。通过使透镜曲率像差的影响最小化，能够实现输出光束5O的最小扩散，并且能够实现所接收的输入光束5i的最佳可能聚焦。点发射器61至6n优选以可以由透镜系统3完全捕获和发送的光束角发射出输出光束5O。例如，如果一个以上的点发射器61至6n的NA大于透镜系统3的像空间NA，则从点发射器61至6n发射出的光的一部分将不会经由透镜系统3透射，从而被视为损失。
光学装置1还可以包括：至少一个光源，其优选为光源阵列；以及至少一个光检测器，其优选为与光学发射器芯片2中的相应的一个以上点发射器61至6n光学耦合的光检测器阵列。优选地，光源阵列和光检测器阵列包括收发器111至11n的阵列。各个收发器111至11n可以包括：光源，其例如是激光器，其用于产生至少一个输出光束5O；和一个以上光检测器，其用于检测至少一个输入光束5i。通过收发器111至11n和点发射器61至6n之间的开关矩阵16，可以实现选择性地将光发送到点发射器61至6n和从点发射器61至6n接收光。因此，为了选择与所期望的光束角α相对应的所期望的点发射器61至6n，控制器20可以通过打开和/或关闭开关矩阵16中的各种开关14来选择收发器111至11n的一者中的与该行或列中的一个以上点发射器61至6n相对应的一个以上光源。例如，在与第一收发器111连接的点发射器61至6n的行或列中具有四个点发射器61至64(m＝4)，开关矩阵16可以具有将第一收发器111光学耦合到如下第一开关树的单个输入端口：该第一开关树包括(m-1＝3个)开关14，这些开关例如是2×2芯片上马赫泽恩德干涉仪(on-chip MZI：on-chip Mach-Zehnderinterferometer)，其可以由控制器20选择性地激活以将输出光束5O输出到所期望的输出端口。包括从各收发器111到各点发射器61至6n的直接耦合的第一开关树中的任何数量的分支和开关14都是可能的。多个光波导芯体8彼此平行地在开关矩阵16的输出端口和点发射器61至6n之间延伸。理想地，光学发射器芯片2中的点发射器61至6n的节距(pitch)为5μm至1000μm，或者基于焦距f、光学发射器阵列10的尺寸L和LIDAR系统所需的角度分辨率。
节距＝分辨率/(2×arctan(L/2f))×L
类似地，当在同一点发射器61至6n处接收到输入光束5i中的一者时，该输入光束5i经由相应的光波导芯体8被反向发送到开关矩阵16从而回到相应收发器111至11n中的相应光检测器。
光学发射器芯片2可以包括n个光学收发器111至11n中的任何一个以上、开关矩阵16和点发射器61至6n的阵列；然而，n个光学收发器111至11n中的任何一个以上和开关矩阵16可以形成在单独的芯片上。在任一情况下，从光学收发器111至11n中的一者输出的激光被传送到在光学发射器芯片2的边缘的附近处结尾的特定端射锥体9。各点发射器61至6n，即各端射锥体9，被构造为将输出光束5O从光学发射器芯片2的边缘发射出去，之后，各输出光束5O扩散并被导向至透镜系统3。光学发射器芯片2的边缘在透镜系统3的焦平面F上或附近对齐，因此，从端射锥体9扩散的输出光束5O将会被透镜系统3成形(例如准直)，然后发射到远场。输出光束5O的远场角取决于点发射器61至6n的相对于透镜系统3的光轴OA的位置，籍此，通过例如取决于有多少个光学收发器111至11n而选择性地打开各点发射器或同时选择性地打开多个点发射器，来提供光束的一维扫描。
上述扫描的第二轴是由旋转反射镜4提供的。从透镜系统3出来的输出光束5O击中旋转反射镜4的一个反射面或反射表面，并被重新导向到用于物体检测的远场中。与从物体反射的输出光束5O相对应的输入光束5i可以经由该同一个反射面和透镜系统3返回到起始点发射器61至6n，以便在旋转反射镜4旋转得超出范围(即，旋转到足以无法在往返期间内将相应的输入光束5i基本上引导回与输出光束5O的起始发射器为同一个的起始发射器61至6n)之前由相应的光检测器捕获到，例如，该往返期间对于7.5cm至750m远的物体而言为0.5ns至5μs。通常，每2μs至1000μs由光源中的一者发射一次输出光束5O。换句话说，光学装置1以大约1kHz至500kHz的频率发生啁啾，即，每2μs至1ms发射一次输出光束5O(其是连续的或脉冲的)。
对于各往返期间，一部分或全部的点发射器61至6n可以按如上方式发射输出光束5O：其用于形成位于同一检测平面内、但是具有覆盖某个角度检测范围(例如，10°至90°)的不同光束角α的多个光束。各光源，例如各收发器111至11m，可以通过开关矩阵16(即，当全部开关14被关闭或完全忽略时)发送被分离成子光束(例如，2～8个子光束)的光束，并且将光发送到每个光波导芯体8，然后由点发射器61至6n同时发送出去。
为了减少所需的光源和光检测器的数量，同时维持最大或所需的阈值光学功率，控制器20还可以通过打开和关闭所选定的开关14来循环一遍与收发器中的一者(例如，收发器111)光学耦合的一组点发射器(例如，61至64)，以依次向该组中的各个点发射器(例如，61至64)发送不同的输出光束5O。一部分或全部的光源，例如一部分或全部的收发器111至11m，可以具有与其光学耦合的不同组的光波导芯体8，由此，第一子集的输出光束5O可以一次同时被发送，即，来自各光源的一个输出光束5O可以经由与该光源耦合的那组光波导芯体8中的一者而被发送。然后，在控制器20的控制下，各光源将会依次循环一遍与其耦合的相应组的光波导芯体8中的各个光波导芯体8，耗用至少一个切换到各发射器(例如，6i至64)的往返期间。往返期间应当至少与光从点发射器(例如，61至64)的光源传播到目标并返回到该点发射器(例如，61至64)的光检测器所需的时间一样长。因此，一次只可以发送覆盖光束角α整个范围的输出光束5O(和输入光束5i)的总数中的一部分。控制器20可以协调光源、开关矩阵16、旋转反射镜4的角度位置以及光检测器，以便经由第一开关矩阵16和多个第一点发射器6i至6n依次发送和接收各输出光束5O和各输入光束5i。
随着旋转反射镜4的旋转，一个以上的输出光束5O就可以取决于旋转反射镜4上的面的数量和面的大小而通过预定的扫描范围(例如，预定的角度)进行扫描，即进行旋转。存在如下的角度范围：针对这样的角度范围，落在旋转反射镜4的一个面上的输出光束5O(和输入光束5i)不会在边缘处被剪切，并且总的光学扫描范围是该角度范围的两倍。我们可以把占空比定义为整个旋转周期的如下百分比：其中输出光束5O和输入光束5i完全入射在旋转反射镜4的面上而没有被剪切。例如，尺寸为30×30mm正方形表面的四个面提供了大约100°的扫描范围且占空比为60％，并且尺寸相同的三个面提供了大约120°的扫描范围且占空比为50％。随着旋转反射镜4的旋转，各面相对于输出光束5O的角度在第一最小角度到基本上垂直(中间角度)再到第二最大角度之间的角度范围内连续变化。所述第一最小角度亦即：指向用于将输出光束重新导向到旋转反射镜4的一侧(图2A)的旋转反射镜4的第一边缘或角落处。关于所述基本上垂直(中间角度)，在该中间角度之后输出光束5O被重新导向到旋转反射镜4的远侧。所述第二最大角度亦即：指向旋转反射镜4的第二边缘或角落(图2B)。在各面的最大角度之后，输出光束5O将依次击中随后的面且被随后的面重新导向，并且再次针对旋转反射镜4的各面继续经历从第一最小角度到中间角度再到第二最大角度的角度扫描范围。
当输出光束5O指向旋转反射镜4的面之间的边缘时，光可能在不同方向上散射，由此，控制器20可以通过一个以上的误差缓解方案来减少或消除任何不正确的读数，这些误差缓解方案对旋转反射镜4的位置与收发器111至11n中的光源和光检测器等的控制进行协调，例如在输出光束5O指向边缘的期间内关闭收发器111至11n中的光源和/或光检测器，或者在输出光束5O指向边缘的期间内简单地忽略来自光检测器的任何读数。
旋转反射镜4可以包括多边形棱镜，该多边形棱镜含有多个面，例如3或4或5或6个面，各面包括反射面，并且该多边形棱镜具有与旋转马达25的旋转轴可以对齐或可以不对齐的纵向旋转轴24。旋转马达25可以是诸如步进马达、直流马达或伺服马达等任何类型的转动式马达。当用皮带或齿轮系统将纵向旋转轴24与旋转马达25的轴连接起来时，纵向旋转轴24可以不与旋转马达25的轴对齐。旋转反射镜4的纵向旋转轴24可以垂直于透镜系统3的光轴OA并且/或者平行于发射器阵列10所处的第一平面。光轴OA可以位于第二平面中，该第二平面垂直于第一平面并且垂直于或正交于旋转轴24。
通过将旋转反射镜4的纵向旋转轴24从透镜系统3的光轴OA偏移一个距离t，即，旋转轴24可以不与光轴OA相交，可以防止输出光束5O直接反射从而直接回到点发射器61至6n(即，端射锥体9)中，并且可以增大视场角(FOV：field of view)。通常，无障碍的FOV范围在输出光束5O错过透镜系统3(反射回去)的位置处开始，并且在输出光束5O开始剪切反射镜的面的边缘时结尾。
可能存在如下的由旋转反射镜4的角落导致的死区(dead zone)：在这些死区中不可能进行精确的发送/返回测量，这些死区取决于旋转反射镜4的面的大小和数量。
旋转反射镜4的旋转速度(每秒转数，或rps)取决于切换方案；然而，旋转速度可以是与LIDAR帧速率相同或小于LIDAR帧速率的速度，即，需要多长时间来扫描整个扫描范围。例如，对于3帧/秒，除以面的数量(例如3～6个面)，就等于例如1rps～0.5rps。优选地，旋转速度被保持为小于阈值速度，在该阈值速度下，如果扫出太快使得输入光束5i没有反射回到同一个点发射器61至6n(甚至没有击中任何对象)，就可能会发生错误。理想情况下，这意味着，马达角速度(以度/秒为单位)，(其例如在1rps至50rps之间，或在360～18000度/秒之间)小于输入光束5i发散度(以度为单位)(其例如在0.2°至0.002°之间)除以光从透镜系统3传播到目标并返回的往返时间(以秒为单位)。例如，对于0.02°的光束发散度和500m外的目标，往返时间将是3.33μs，所以理想情况下，反射镜的转动速度比0.02°/3.33μs(即，6000°/s或大约17rps/面个数)更慢。
参照图7和图8，示例性光学发射器装置1′包括共用单个多边形旋转反射镜4的多个光学发射器芯片21至2n及相应的透镜系统31至3n。这种手段的好处是在一个系统中扩大了视场角。为了将旋转反射镜4的体积尺寸保持为相对较小，较少的面的数量(例如，3至6个)是较佳的。
图9示出了示例性光学发射器装置1″，其中，三组光学发射器芯片21至2n及相应的透镜系统31至3n共用单个呈三角形的多边形反射镜4。
术语控制器或处理器可以包括如下的微控制器或现场可编程门阵列(FPGA：field-programmable-gate-array)：其含有合适的用于经由计算机软件来存储控制参数的非临时性存储器。
为了控制上述系统，当旋转马达25是步进马达时，控制器20可以包括专用的微控制器或FPGA，该微控制器或FPGA发送控制信号(例如，脉冲)以使旋转(步进)马达25以固定的增量步进。因此，微控制器或FPGA可以基于控制信号立即确定旋转反射镜4的瞬时位置(即，角度)。为了避免由于旋转(步进)马达25有可能错过步进而导致的随时间的异步控制，光学槽式中断器(optical slotted interrupter)可以安装在旋转反射镜4/旋转马达25的系统中。中断引脚(interrupt pin)也可以安装在旋转反射镜4的任何一端处，其可以滑入和滑出上述光学槽式中断器，由此随着旋转马达25和/或旋转反射镜4的旋转而暂时阻断上述光学槽式中断器中的光检测。因此，对于旋转反射镜4和/或旋转马达25的每次旋转，上述光学槽式中断器将会向微控制器/FPGA提供脉冲信号。
对于所有类型的旋转马达25，可以存在有专用的旋转编码器，该旋转编码器可以内置在旋转马达25中或可以是外部旋转编码器模块，该旋转编码器向微控制器/FPGA提供旋转反射镜4的绝对角度位置或相对角度位置。
当控制器20(例如，微控制器/FPGA)具有旋转反射镜4的角度位置时，就可以构建正确的lidar图像。
前面已经提供的一个以上示例性实施方案的说明是为了例示和解释。这些说明并不是排他的，也并不旨在将本发明限制于所记载的精确形式。根据上述教示，许多变形例和变化例都是可能的。这意味着本发明的保护范围不受本文中的详细说明的限制。

Claims (26)

1.一种光学发射器装置，包括：
第一发射器阵列，其包括多个第一点发射器，各个所述第一点发射器被构造为发射相应的第一光束；
第一透镜系统，其被构造为基于各个所述第一点发射器的相对于所述第一透镜系统的第一光轴的位置来成形和导向各个所述第一光束；和
旋转反射器，其被构造为与所述第一光轴成一角度地重新导向各个所述第一光束。
2.根据权利要求1所述的光学发射器装置，其中，所述第一发射器阵列位于与所述旋转反射器的旋转轴基本上平行的第一平面内。
3.根据权利要求2所述的光学发射器装置，其中，所述第一透镜系统的所述第一光轴位于第二平面内，所述第二平面与所述第一平面垂直且与所述旋转反射器的所述旋转轴正交。
4.根据权利要求1所述的光学发射器装置，其中，所述旋转反射器包括含有多个面的多边形棱镜。
5.根据权利要求1所述的光学发射器装置，还包括：
第二发射器阵列，其包括多个第二点发射器，各个所述第二点发射器被构造为发射相应的第二光束；和
第二透镜系统，其被构造为基于各个所述第二点发射器的相对于所述第二透镜系统的第二光轴的位置来成形和导向各个所述第二光束，
其中，所述旋转反射器被构造为重新导向各个所述第二光束。
6.根据权利要求5所述的光学发射器装置，其中，所述旋转反射器包括含有多个面的多边形棱镜，且是围绕旋转轴可旋转的，
并且其中，所述第一发射器阵列和所述第二发射器阵列各者朝向所述多个面中的不同一者。
7.根据权利要求6所述的光学发射器装置，其中，所述旋转轴基本上平行于含有所述第一发射器阵列的第一平面，并且基本上平行于含有所述第二发射器阵列的第二平面。
8.根据权利要求6所述的光学发射器装置，其中，所述旋转轴从所述第一光轴偏移。
9.根据权利要求5所述的光学发射器装置，还包括：
第三发射器阵列，其包括多个第三点发射器，各个所述第三点发射器被构造为发射相应的第三光束；和
第三透镜系统，其被构造为基于各个所述第三点发射器的相对于所述第三透镜系统的第三光轴的位置来成形和导向各个所述第三光束，
其中，所述旋转反射器被构造为重新导向各个所述第三光束。
10.根据权利要求9所述的光学发射器装置，其中，所述旋转反射器包括含有三个面的多边形棱镜，且是围绕旋转轴可旋转的，
并且其中，所述第一发射器阵列、所述第二发射器阵列和所述第三发射器阵列各者朝向所述三个面中的不同一者。
11.根据权利要求10所述的光学发射器装置，其中，所述旋转轴垂直于所述第一透镜系统的所述第一光轴、所述第二透镜系统的所述第二光轴及所述第三透镜系统的所述第三光轴。
12.根据权利要求1所述的光学发射器装置，其中，所述多个第一点发射器中的至少一部分第一点发射器的外端被设置得基本上位于所述第一透镜系统的第一焦平面处。
13.根据权利要求12所述的光学发射器装置，其中，所述第一透镜系统的所述第一焦平面包括基本上弯曲部，
并且其中，所述多个第一点发射器的至少一部分第一点发射器的所述外端被设置得接近所述第一焦平面。
14.根据权利要求13所述的光学发射器装置，其中，所述第一发射器阵列还包括：
沟槽，它的弯曲边缘接近所述第一焦平面的所述弯曲部。
15.根据权利要求12所述的光学发射器装置，其中，所述多个第一点发射器包括多个第一端射锥体，
并且其中，所述多个第一端射锥体中的至少一部分端射锥体的纵向中心轴与所述第一光轴成锐角，所述第一光轴与所述第一透镜系统的相应的主射线基本上对齐。
16.根据权利要求12所述的光学发射器装置，其中，所述多个第一点发射器是不规律地间隔开的。
17.根据权利要求1所述的光学发射器装置，还包括：
主基板，其用于支撑所述多个第一点发射器，且所述多个第一点发射器包括多个端射锥体；和
光波导结构，其包括：
多个光波导芯体，所述多个光波导芯体中的各者包括延伸到相应一个所述端射锥体的主光波导；和
包覆层，其包围所述多个光波导芯体。
18.根据权利要求17所述的光学发射器装置，其中，所述多个光波导芯体中的至少一者包括双层光波导芯体。
19.根据权利要求18所述的光学发射器装置，其中，至少一个所述双层光波导芯体包括第一层硅和第二层氮化硅。
20.根据权利要求17所述的光学发射器装置，其中，所述多个端射锥体中的至少一者包括从该端射锥体延伸的悬浮式光波导，
其中，所述悬浮式光波导包括悬浮式波导芯体，所述悬浮式波导芯体包括与所述包覆层相同的材料，且由设置于所述光波导结构及所述主基板中的袋状区包围着，并且所述袋状区包括具有比所述悬浮式波导芯体的折射率更低的折射率的包覆材料。
21.根据权利要求20所述的光学发射器装置，其中，每个所述悬浮式光波导包括呈锥形的侧壁，所述侧壁沿着光传输方向而变宽或变窄。
22.根据权利要求17所述的光学发射器装置，其中，所述多个第一端射锥体中的至少一部分端射锥体变窄至具有50nm和400nm之间的宽度。
23.根据权利要求17所述的光学发射器装置，其中，所述多个第一端射锥体中的至少一部分端射锥体扩展至具有1μm和4μm之间的宽度。
24.根据权利要求1所述的光学发射器装置，还包括：
至少一个光源，用于产生各个所述第一光束；和
第一开关矩阵，用于将各个所述第一光束选择性地导向到所述多个第一点发射器中的一者。
25.根据权利要求24所述的光学发射器装置，还包括：
至少一个光检测器，用于检测由所述多个第一点发射器接收到的输入光束。
26.根据权利要求25所述的光学发射器装置，还包括：
控制器，其被构造为协调所述至少一个光源、所述第一开关矩阵、所述旋转反射器的角度位置及所述至少一个光检测器，以便经由所述第一开关矩阵及所述多个第一点发射器依次发送和接收每个所述第一光束。
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