CN116710801A

CN116710801A - 具有发射光功率监视器的LiDAR系统

Info

Publication number: CN116710801A
Application number: CN202180079908.4A
Authority: CN
Inventors: L·法比尼; N·马扬; A·弗里德曼; R·海瑞尔; M·J·道诺万
Original assignee: Opsys Tech Ltd
Current assignee: Opsys Tech Ltd
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-09-05
Also published as: US20220146680A1; EP4244653A1; KR20230126704A; JP2023549774A; WO2022103778A1

Abstract

具有光功率监视的LiDAR发送器包括定位在第一平面中的激光器阵列，该激光器阵列生成沿着光路传播的光束。定位在光路中的第一投影光学元件投影所述多个光束以在共用点处重叠。第二投影光学元件在透射方向上投影来自第一投影光学元件的光。定位在所述多个光束的光路中的共用点处的指引光学元件在第二平面中用来自所述多个光束中的每个光束的光产生照明区域。监视器响应于所收集的光而生成被检测信号。控制器响应于检测到的信号而生成控制激光器以实现LiDAR系统发送器的期望操作的电信号。

Description

具有发射光功率监视器的LiDAR系统

本文使用的章节标题仅用于组织目的，并且不应当被解释为以任何方式限制本申请中描述的主题。

相关申请的交叉引用

本申请是美国临时专利申请No.63/112,735的非临时申请，于2020年11月12日提交，名称为“LiDAR System with Transmit Optical Power Monitor”。美国临时专利申请号63/112,735的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

自主、自驾驶和半自主车辆使用诸如雷达、图像识别相机和声纳之类的不同传感器和技术的组合来检测和定位周围物体。这些传感器使得能够在驾驶员安全方面进行大量改进，包括碰撞警告、自动紧急制动、车道偏离警告、车道保持辅助、自适应巡航控制和自动驾驶。在这些传感器技术当中，光检测和测距(LIDAR)系统对于启用周围环境的实时、高分辨率3D映射起着关键作用。

目前用于自主汽车的大多数当前LiDAR系统都使用少量激光器，并结合一些机械扫描环境的方法。一些最先进的LiDAR系统使用二维垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列作为照明源，并在接收器中使用各种类型的固态检测器阵列。人们非常期望未来的自主汽车使用具有高可靠性和宽环境操作范围的基于固态半导体的LiDAR系统。这些固态LiDAR系统具有优点，因为它们使用没有移动零件的固态技术。但是，目前最先进的LiDAR系统有许多实际限制并且需要新的系统和方法来改进性能。

附图说明

在以下详细描述中，结合附图，更具体地描述了根据优选的和示例性实施例的本教导及其进一步的优点。本领域技术人员将理解的是，下面描述的附图仅用于说明目的。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明教导的原理上。附图不旨在以任何方式限制申请人的教导的范围。

图1图示了包括用于本教导的LiDAR系统的反射指引元件的被监视发送器的实施例。

图2A图示了具有用于图1的LiDAR系统的被监视发送器的一部分的附加细节的扩展视图。

图2B图示了图2A中所示的光线轨迹的横截面图。

图3A图示了被监视发送器的实施例的一部分，该发送器包括具有用于本教导的LiDAR系统的光管的监视器。

图3B图示了图3A中所示的光线轨迹的横截面图。

图4A示出了包括用于本教导的LiDAR系统的透射指引元件的被监视发送器的实施例的一部分。

图4B示出了图4A中所示的光线轨迹的横截面图。

图5图示了根据本教导的一个实施例的包括被监视发送器的LiDAR系统的框图。

具体实施方式

现在将参考附图中所示的示例性实施例更详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但不意图将本教导限制到这样的实施例。相反，本教导涵盖各种替代方案、修改和等同形式，如本领域技术人员将认识到的。获得本文教导的本领域普通技术人员将认识到附加的实施方式、修改和实施例，以及其它使用领域，它们在本文描述的本公开的范围内。

说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特点被包括在教导的至少一个实施例中。在说明书各处出现的短语“在一个实施例中”并不一定都指同一个实施例。

应当理解的是，本教导的方法的各个步骤可以以任何次序和/或同时执行，只要教导保持可操作即可。此外，应当理解的是，本教导的装置和方法可以包括任何数量或所有描述的实施例，只要教导保持可操作即可。

本教导一般而言涉及光探测和测距(LiDAR)，这是一种使用激光光来测量到物体的距离(范围)的遥感方法。LiDAR系统一般测量到反射和/或散射光的各种物体或目标的距离。自主车辆利用LiDAR系统生成具有高分辨率的周围环境的高度准确的3D地图。本文所述的系统和方法针对提供固态脉动飞行时间(TOF)LiDAR系统，其具有高可靠性水平同时还维持长测量范围和低成本。

根据本教导的LiDAR系统的一些实施例使用包括激光器阵列的激光发送器。在一些具体实施例中，激光器阵列包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)设备。这些可以包括顶部发射VCSEL、底部发射VCSEL和各种类型的高功率VCSEL。VCSEL阵列可以是单片的。激光发射器可以全部共享共用基板，包括半导体基板或陶瓷基板。

在各种实施例中，可以单独控制使用一个或多个发送器阵列的各个激光器和/或激光器组。发送器阵列中的每个发射器都可以被独立激发。每个激光发射器发射的光束与仅对着(subtend)整个系统视场的一部分的3D投影角对应。美国专利公开No.2017/0307736A1中描述了这种LiDAR系统的一个示例。美国专利公开No.2017/0307736A1已受让给本受让人并通过引用并入本文。此外，可以基于LiDAR系统的期望性能目标来控制由个体激光器或激光器组激发的脉冲数。还可以控制这个序列的持续时间和定时，以实现各种性能目标。

根据本教导的LiDAR系统的一些实施例使用也可以被单独控制的检测器阵列中的检测器和/或检测器组。参见例如标题为“Eye-Safe Long-Range Solid-State LiDARSystem”的美国临时申请No.62/859,349。美国临时申请No.62/859,349被受让给本受让人并通过引用并入本文。这种对发送器阵列中的各个激光器和/或激光器组和/或对检测器阵列中的检测器和/或检测器组的独立控制提供了各种期望的操作特征，包括对系统视场、光功率水平和扫描模式的控制。

由LiDAR系统发送器发射的(一个或多个)光功率水平是影响LiDAR系统的众多性能度量的重要参数。这包括例如距离、视场、分辨率、速度和帧速率以及眼睛安全性，以及其它性能度量。因此，监视LiDAR系统的传输功率的系统和方法是期望的。期望监视系统紧凑、成本低并且产生所监视参数的期望精度和准确性。

本教导的LiDAR系统的一个特征是直接在LiDAR传输模块中包括光学性能监视。出于多种原因，LiDAR模块内的光学性能监视可以是重要的。例如，在照明器组件内部结合光功率监视可以改进校准、性能和可靠性监视。激光器随着寿命的推移而降级，因此监视投影仪组件本身内的激光输出功率可以是有用的。例如，通过监视从投影仪射出的光，而不是仅仅依赖于光从外部物体反射后接收到的光信号，有可能更准确和快速地监视生成的功率。而且，有可能监视VCSEL激光器附近的温度。这种特征对于改进可靠性和性能是有用的。可选的对温度和功率的监视不仅可以被用于诊断，而且还用于在操作期间控制激光器以改进系统的性能和/或寿命。

本教导的另一个特征是功率监视元件被配置为监视从提供其它功能的LiDAR发送器内的各种光学设备反射或引导的光。发送器内检测到的反射光或定向光不仅可以被用于被动监视目的，而且可以被用于对发送器中的激光器和检测器提供附加的主动控制。

本教导的用于LiDAR系统发送器的性能监视器的一些实施例监视由LiDAR系统发送器自身生成的光的一个或多个参数。例如，可以监视发送器生成的光的激光波长、光功率、脉冲定时和脉冲频率。生成的光的波长可以通过使用包括接收器的功率监视器来检测，该接收器不仅仅是光电二极管，而是包括允许检测波长和光功率的光学器件的更复杂集合。

在使用多个波长的LiDAR设计中，特别是如果波长的绝对值接近的话，可能期望监视它们的绝对值或相对值，以便确保系统参数符合预期。有各种已知的方法来监视由激光器生成的光的绝对波长，或者由不同波长的激光器生成的光之间的相对偏移量。例如，基于标准具(etalon)的设备可以用作波长监视器。

使用多波长功率监视的本教导的系统和方法的实施例还可以改进系统稳健性，以用于检测故障是由激光器降级还是由光学性能度量的偏移引起的。如果波长的一个集合在发送器中出现故障，那么多波长功率监视还可以提供冗余性。如果对每个波长的光学监视是独立的，那么发送器中波长的一个集合的操作中的部分或完全故障将仍然允许使用发送器中波长的另一个集合的系统的部分操作的能力。

本教导的方法和系统的另一个特征是可以实现多元素、多波长的光功率监视。一个或多个指引元件可被定位成将光指引到一个或多个监视器，以便可以监视来自一个或多个激光元件的在一个或多个波长处的集体和个体功率。例如，在一个实施例中，多个反射元件可以是部分反射镜。在其它实施例中，多个反射元件可以被配置为投影光束。在一些实施例中，监视器包括光电检测器，每个光电检测器仅对一个特定波长带的光敏感。这种配置允许独立地监视一个或多个波长的光功率，这改进了系统能力。根据本教导的多波长功率监视可以被配置为监视多个参数，诸如激光波长(包括绝对波长和/或相对波长)、光功率、脉冲定时和脉冲频率。

根据本教导的多波长功率监视还改进了LiDAR系统的稳健性，以用于检测故障是由激光降级还是由光学性能的偏移引起的。多波长功率监视是有用的，例如，如果由发送器生成的波长的一个集合出现故障，那么提供冗余性。如果系统被配置为使得对于每个波长带的光学监视是独立的，那么发送器生成波长的一个集合部分或完全故障仍将允许使用波长的另一个集合的LiDAR系统的部分操作的能力。

已知光学发送器的性能的降级可以通过监视光学发送器的激光输出功率，然后将测得的光功率与预期参考值进行比较来确定。光学发送器性能的降级可以是由激光器本身造成的，或者是由光机械组件的各个方面造成的，或者是由这两者造成的。然后可以分析光学发送器性能的降级。例如，标题为“System and Method for Monitoring OpticalSubsystem Performance in Cloud LiDAR Systems”的美国专利申请公开No.US 2016/0025842 A1描述了为云测量设计的LiDAR系统的激光输出功率监视的好处。

由LiDAR发送器生成的光信号的测量也可以用在被动监视系统中。此外，来自LiDAR发送器的光信号可以用于主动控制驱动半导体激光器的激光偏置电流。激光二极管在一定范围的操作偏置电流下操作。许多类型的半导体激光二极管系统以闭环方式操作，其中从监视光电二极管接收到的光电二极管电流被用作偏置控制反馈回路的输入。通过监视和维持监视光电二极管电流为恒定值，该值很大程度上是入射功率的线性函数，半导体激光器的输出功率可以维持在接近恒定值。这种状况使系统能够对环境改变(诸如温度和机械移动)做出反应，以实现改进的输出功率稳定性。而且，监视光功率并响应于被监视的光功率来控制激光器偏置，可以被用于适应激光器效率在其寿命期间的降级，而不损失系统级的光功率。

在各种实施例中，可以监视发送器光信号的许多参数，包括例如激光波长、光功率、脉冲定时、脉冲频率和脉冲持续时间以及其它参数。可以使用功率监视器检测激光波长，它不仅仅是光电二极管或其它光学检测器，而是允许检测波长以及光功率的光学系统。在使用多个波长的LiDAR系统设计中，特别是如果波长的绝对值接近时，可能期望监视它们的绝对值或相对值，以便确保系统参数符合预期。监视绝对波长或不同波长的激光器之间的相对偏移量的各种方法在本领域内是已知的。例如，基于标准具的设备可以用作波长监视器。

对于一些LiDAR系统来说，期望在生命周期开始时(BOL)执行校准，以在系统的生命周期操作期间提供参考。针对校准，我们是指设备的初始激光偏置、温度和输出功率的表征，然后是随温度变化的激光偏置和输出功率的后续调谐以满足所需的性能规格，并在BOL处具有适当的余量。这个过程常常作为LiDAR系统的制造过程的一部分被执行。在校正过程期间获得的性能参数(诸如激光偏置和测得的光功率)常常会作为温度的函数存储在LiDAR系统存储器中，作为各种操作的参考。本教导的各种监视器可以为这些校准过程中的一些提供测得的光功率。

在LiDAR系统的操作期间，可以监视实际温度并将其与以某种形式的查找表存储在存储器中的参考值结合使用，以确定光学激光偏置设定点。可替代地，结合光功率监视器，可以将操作期间输出功率、激光偏置和温度的实际值与查找表中的参考值进行比较，以识别系统中的任何显著改变或降级，这可以指示潜在的可靠性问题。在实际系统的各种实施方式中，检测此类改变的LiDAR系统随后可以与其他自动车辆中的整体监视系统进行通信，以识别对潜在服务或维修的需求。

图1图示了用于本教导的LiDAR系统的包括反射指引元件110的被监视发送器100的实施例。被监视发送器100使用2D VCSEL阵列102作为激光源，与用于沿着透射方向104投影(projecting)激光束的光学器件的集合相结合。监视光电二极管(MPD)106被示为安装在与VCSEL阵列102相同的基板108上。监视光电二极管106或VCSEL 102也可以安装在分离的载体上，或安装在分离的包装中。在一些实施例中，监视光电二极管106和VCSEL阵列102标称地定位在同一平面中。在一些实施例中，监视光电二极管106和VCSEL阵列102具有到它们相应表面的法线投影，其中到它们相应表面的法线投影具有相同朝向。在一些实施例中，这个朝向与透射方向104相同。位于第一透镜112和第二透镜114之间的指引元件110将VCSEL阵列102生成的光束的一部分指引回监视光电二极管106。在一些实施例中，指引元件110包括位于第一透镜112和第二透镜114之间的部分反射镜(a partial mirror)，其将由VCSEL阵列102生成的光束的一部分反射回监视光电二极管106。第一透镜112、第二透镜114和指引元件110可以安装在固定到基板108的共用壳体116中或之上。在一些实施例中，透射方向是沿着第一透镜112和/或第二透镜114的光轴。

被监视发送器100被描述为使用透镜112、114来投影由VCSEL阵列102生成的光束中的光。但是，本领域的技术人员将认识到也可以使用许多其它投影光学元件。可以在本教导的被监视发送器100中使用投影元件的许多已知实施方式。在各种实施例中，这些投影元件用于对光束进行整形并将光束朝着目标投影以实现例如期望的视场、目标范围、分辨率等。这些投影元件可以被配置为为发送器足迹内的光束产生共用点，其允许指引元件在监视平面处生成照明区域，使得来自每个光束的光可以被监视。

本领域的技术人员将理解的是，本教导的一些实施例不需要从VCSEL阵列102生成的所有光束都出现在照明区域中。代替地，在一些实施例中，仅共享光束的共用点的光束的子集在照明区域中被提供并被监视器采样。投影元件、VCSEL阵列102和指引元件的相对位置用于确定共享共用点并因此在照明区域中被提供的光束的期望子集。

图1的被监视发送器100实施例的指引元件110被示为朝着监视光电二极管106倾斜。在其它实施例中，反射镜不朝着光电二极管倾斜。代替地，指引元件110朝向可以使得指引元件110的表面的法线与透镜系统的光轴平行以维持旋转对称。在一些情况下，这种朝向对于易于组装/制造而言可以是有利的。而且，指引元件110在图1中被示为分离的光学元件，但应当理解的是，在一些实施例中，两个透镜112、114中的一个或多个或发送器路径中的一些其它光学元件的表面中的一个或多个可以起到提供所需反射或方向的作用。

在一些实施例中，包括第一透镜112、第二透镜114和指引元件110中的一个或多个的光学组件在表面上具有被设计为控制反射率的光学涂层。在不需要监视的实施例中，光学反射率常常被设置得尽可能低以使发送器100在透射方向104上的输出功率最大化。在一些实施例中，指引元件110上的光学涂层可能具有高达5％的反射率。在一些实施例中，指引元件110不是分离的分立元件，而是其中一个或多个光学透镜表面上的光学涂层或涂层集合，其中涂层的反射率已被选择为优化测得的光信号。

本教导的特征是指引元件110可以被放置在正由激光器生成的光束的路径内的共用点处，使得发送器阵列内的每个激光器都有某些部分的光被反射。例如，参见美国专利No.10,514,444，该专利描述了包括多个透镜以实现所发送光束的小角度发散的LiDAR发送器。美国专利No.10,514,444被受让给本受让人并通过引用并入本文。

在一些实施例中，指引元件110是衍射光学元件。在其它实施例中，指引元件110既是部分反射镜又是阻挡可见光谱的一部分的滤光器。在一个具体实施例中，指引元件是棱镜。在一些实施例中，指引元件是全息元件。可以利用许多已知的透镜配置来实现第一透镜112和第二透镜114以及激光器阵列102的期望的透镜功率、尺寸和相对位置。

在一些实施例中，监视光电二极管106与VCSEL阵列102一体制造。监视光电二极管106可以以多种配置制造。例如，在一些实施例中，监视光电二极管106是单个光电二极管，其接收来自2D阵列内所有单独激光器的光。在其它实施例中，使用多于一个光电二极管，其中多个光电二极管的输出以某种方式组合以在信号链中的某个点处提供共用信号输出。

在一些实施例中，监视光电二极管106包括被定位成使得输入端接收从监视光电二极管106传播的光的光学元件。例如，监视光电二极管106可以包括光导或棱镜，其定位成接收光并被配置为将收集到的光指引到光电二极管。光学元件可以获取监视孔径中的所有光，或者仅获取来自监视孔径的不同空间区域的一部分光，然后将该光指引至一个或多个光电二极管。例如，光学元件可以是如本文所述的光管。

图2A图示了具有用于图1的LiDAR系统的被监视发送器100的一部分的附加细节的扩展视图200。图2A示出了光线迹线图202，其图示了从VCSEL阵列102发射的光，该光穿过透镜1 112，然后从部分反射镜110反射回监视光电二极管106和VCSEL阵列102。监视光电二极管106被示为定位在与VCSEL阵列102相同的平面204中的光电二极管。光线迹线图202中所示的光束被示为它们传递到指引元件110，在那里它们被重定向以传播到第二透镜(未示出)，然后在透射方向104上离开LiDAR发送器100。

图2B图示了图2A中所示的光线迹线202的横截面图250。参考图1、2A和2B，横截面图250示出了照明区域256，其涵盖来自VCSEL阵列102内的不同激光器的被指引元件110的反射。每个光束的照明区域256被示为映射在监视光电二极管106的区域252和VCELS阵列102的区域254上。这是因为指引元件110是从由VCSEL生成的光束的共用点投影光的，所以照明区域256包括来自所有光束的至少一些光。即，选择指引元件110的位置和反射镜的倾斜角，使得无论VCSEL阵列102内特定VCSEL元件的位置如何，反射区域都在监视光电二极管106附近重叠。这确保可以监视来自VCSEL阵列102内的每个激光器的发射功率。监视光电二极管106位置常常受到LiDAR系统内其它电子部件的限制。

在一些配置中，不可能将监视光电二极管106放置成紧邻VCSEL阵列102。代替地，为了更容易制造，监视光电二极管106可能需要离VCSEL阵列102一定距离，但仍足够近以使其落入反射光束的被照亮的区域内。因此，必须适当地选择指引元件110的倾角和位置，使得来自阵列102中的多个元件的光在监视光电二极管106处重叠。

图3A图示了用于本教导的LiDAR系统的被监视发送器的实施例的一部分300，被监视发送器包括具有光管304的监视器。图2A和图3A中所示的实施例共享许多特征。VCSEL阵列302和监视光电二极管304定位在同一平面306中。第一透镜308将来自阵列302的光束朝着指引元件310指引，指引元件310可以是部分反射镜，然后朝着第二透镜(未示出)指引并沿着透射方向312从发送器射出。图3A示出了光线迹线图305，其图示了从VCSEL阵列302发射的光，该光穿过透镜1 308，然后从部分反射镜310反射回光管304和VCSEL阵列302。

图3B图示了图3A中所示的光线迹线202的横截面图350。参考图1、3A和3B，横截面图350示出了被照亮的区域352，该区域涵盖来自VCSEL阵列302内的不同激光器的被指引元件310的反射。每个光束的被照亮的区域352被示为映射在包括光管358的收集区域和VCELS阵列足迹的区域356的监视区域的区域354上。这个光管358被示为连接到远程定位的监视光电二极管360。被照亮的区域352包括来自由VCSEL阵列302生成的每个光束的光，因为指引元件310将来自由VCSEL阵列302生成的光束的共用点的光指引到位于监视器平面处的监视器304。

在这个实施例中，监视器304包括光管358。光管是一种充当波导的设备，当光沿着光管的长度传播时，该设备通过全内反射将光保留在内部。光管358可以由玻璃或塑料制成，或者可以是具有内部镜面表面的中空波导。通常，垂直于传播轴的光管358的横截面的维度远小于传播距离。光管358可以被构造成具有固定或柔性弯曲以根据需要指引光，前提是弯曲半径足够大以维持全内反射。光管的常见示例是光纤线缆。

在光管配置中，不是像图2的实施例那样由位于被照亮区域内的光电二极管直接测量反射光，而是使用光管358捕获光并将收集的光提供给光电二极管(未示出)。因此，光管358捕获来自被照亮区域的一部分光并将其重定向到物理上远离VCSEL阵列302并且也在被照亮区域之外的监视光电二极管(未示出)。

使用光管的被监视发送器的实施例确实有附加的部件，这会增加成本。例如，光管可能结合各种光学元件，包括透镜和反射镜。但是，与不使用光管的其它实施例相比，光管实施例具有几个潜在优点。光管的一个优点是用于有源区域的监视光电二极管的尺寸常常在物理尺寸上受到限制，这限制了可以产生的光信号。特别地，如果需要测量持续时间常常为纳秒级的实际脉冲形状，那么光电二极管有源区域应当小，以获得良好的动态响应。在这种情况下，可以将光管设计为具有更大的收集区域，从而允许将测得的光会聚/聚焦到更小的光电二极管有源区域，从而改进SNR。因为光管是纯粹的无源光学部件，所以它可以定位在物理上靠近VCSEL阵列302的元件，诸如电驱动部件，的顶部。将光管放置得更靠近VCSEL也可以改进监视功能的光学效率。

使用光管的另一个潜在优点是能够将监视光电二极管定位在距离VCSEL阵列和VCSEL驱动电路相对较远的位置。这个特征是重要的，因为当监视二极管物理上靠近这些部件放置时，用于操作VCSEL的驱动电流/电压可以电耦合并成为光学监视电路内的噪声源。非常期望在光学监视电路中将噪声水平保持尽可能低，从而提供高的SNR和任何错误读数。

图4A示出了用于本教导的LiDAR系统的被监视发送器的实施例的一部分400，其中被监视发送器包括透射指引元件410。VCSEL阵列402生成被指引到第一和第二透镜404、406的多个光束。在这个实施例中，光没有被反射回VCSEL阵列402。光撞击在指引元件410上，其在这个实施例中是作为安装板的透射元件。在这个配置中，指引元件410在光束的通道的共用点处将光透射或传递到监视器408。例如，在一些实施例中，监视器408是微棱镜。指引元件410驻留在具有由激光器阵列生成的光束的通道的共用点的位置处，该位置定义包含来自每个激光器的光的照明区域。因此，指引元件410使来自由激光器生成的每个光束的光通过，使得VCSEL阵列402内的每个激光器都具有一部分的光被提供在照明区域处，使得光可以被放置在照明区域内的监视器408采样。照明区域中的所透射光的一小部分被监视器408使用小微棱镜在很大程度上垂直于发送器的光轴的方向上反射，该微棱镜可以是衍射光学元件。

监视器408的微棱镜被示为附接到指引元件410，其是安装板，在一些实施例中是透明光学窗口，而在其它实施例中是滤光器。在一些配置中，指引元件410是LiDAR发送器中的光学元件，即使没有监视器408也是需要的。因此，指引元件410提供两个功能，其中一个功能是固定监视器408的微棱镜，另一个功能本质上是光学的。在一些配置中，指引元件410保护LiDAR系统免受外部环境影响。监视器410中的微棱镜被示为将光耦合到光纤412中，光纤412具有足够大的芯以维持所需的光信号水平。然后光纤412将光指引到监视光电二极管(图中未示出)。

图4B图示了图4A中所示的光线迹线的横截面图450。横截面图450示出了照明区域452，其涵盖在指引元件410的平面处来自VCSEL阵列402内的所有不同激光器的照明。包括来自每个光束的光的照明区域452被示为映射在样本棱镜区域的收集区域454上。指引元件410被放置在由激光器生成的光束的路径内的共用点处，使得发送器阵列内的每个激光器都具有一部分的光可以被包括微棱镜的监视器408所采样。

图4A中所示的具有采样棱镜的被监视发送器的实施例具有一些优点。这个实施例的一个特征是通过从透镜系统中移除反射板，简化了该透镜系统的制造和组装，并且维持了透镜系统的旋转对称性。

图4A中所示的具有光纤412的被监视发送器的实施例也具有一些优点。这个实施例的一个特征是光纤412允许监视光电二极管放置在物理上远离VCSEL阵列402和VCSEL驱动电路的位置。在一些实施例中，监视光电二极管甚至不在与VCSEL阵列402驱动电路系统相同的电路板上。这种配置很大程度上消除了VCSEL阵列402驱动电路导致任何不想要的噪声或寄生信号出现在光学监视信号中的可能性。消除与监视光电二极管相关联的物理限制还使光学监视器的尺寸和类型非常灵活，其中监视光电二极管与VCSEL阵列402位于共用电路板上，基于许多原因这都是有利的，许多原因包括减小尺寸和/或发送器或制造过程的复杂性。

本教导的被监视发送器的另一个特征是光从照明区域被指引到的共用点可以定位在光学发送器中的不同点处。共用点可以由投影元件与激光设备的位置确定。例如，共用点可以定位在发送器光学系统中最后一个光学透镜表面之前。可替代地或附加地，共用点可以定位在发送器光学系统中的最后一个光学透镜表面之后。在一些实施例中，光学监视器可以附接到光学窗口，该光学窗口是发送器路径中的最后一个光学元件并且保护LiDAR系统免受外部环境影响。在其它实施例中，光学监视器可以附接到光学透镜表面之一。在又一些实施例中，光学监视器可以附接到阻挡可见光谱的某个部分的滤光器元件。

应当理解的是，已经结合特定配置描述了本教导的被监视发送器。这些实施例仅仅是说明性的，并不旨在限制本教导的范围。应当理解的是，可以以不同的组合使用不同实施例的各个方面来实现本教导的方法和系统的优点。

图5图示了根据本教导的包括被监视发送器的LiDAR系统500的实施例的框图。LiDAR系统500有六个主要部件：(1)控制器和接口电子器件502；(2)传输电子器件，包括激光驱动器504；(3)激光阵列506；(4)接收和飞行时间计算电子器件508；(5)检测器阵列510；以及(6)监视器512。控制器和接口电子器件502控制LiDAR系统500的整体功能，并向主机系统处理器514提供数字通信。传输电子设备504控制激光阵列506的操作，并且在一些实施例中，设置阵列506中的单独元件的激光激发的模式和/或功率。接收和飞行时间计算电子器件508从检测器阵列510接收电检测信号，然后处理这些电检测信号以通过飞行时间计算来计算距离。

监视器512连接到控制器和接口电子器件502以及包括激光驱动器504的传输电子器件中的一个或两者。监视器512提供关于检测到的信号功率的信息，并且结合控制器和接口电子设备502以及包括激光驱动器504的传输电子设备中的一个或两个的处理，提供关于激光波长、光功率、脉冲定时、脉冲频率和/或脉冲持续时间以及其它参数的信息。在一些实施例中，控制器和接口电子器件502直接控制监视器512并从中获取信息。图5的实施例示出了将光指引到监视器512的部分反射镜516。但是，如本领域技术人员所清楚的，LiDAR系统500可以与本文描述的监视器512的任何配置和这些配置的已知变体一起操作。

在一些实施例中，阵列中的激光器使用控制器和接口电子器件502以及包括激光驱动器504的传输电子器件中的一个或两者在闭环配置中操作，其响应从监视光电二极管接收到的光电二极管电流，该电流用作到偏置控制回路的输入。这种配置可以允许将包括来自由激光器阵列506生成的光束中的一些或所有光束的功率的发送器光功率维持在接近恒定值。这允许系统对温度和/或机械偏移更稳定。而且，经由控制器和接口电子设备502和以及包括激光驱动器504的传输电子器件中的一个或两者使用控制回路，其中该控制回路包括对光功率的监视和对激光偏置的控制，可以适应激光效率在其寿命期间的一定程度的降级，LiDAR系统500的输出端没有光功率的损失。

在一些实施例中，控制器和接口电子器件502使用由监视器512生成的光功率读数来计算物体反射率。被监视的光功率可以用作参考，然后基于实际光子计数/强度和预校准，可以实现改进的反射率数据。这种改进的反射率数据可以用在与感知相关的各种已知LiDAR应用的系统中。

本教导的方法和装置的另一个特征是这些监视光电二极管实施方式可以解决LiDAR系统本身的功能安全性。例如，经由控制器和接口电子设备502和/或包括激光驱动器504的传输电子设备(包括功率监视器512)的控制回路可以被用于指示LiDAR发送器出现故障，例如，如果测得的光功率低于或超过某个阈值。例如，如果光功率高于某个阈值，使用控制器和接口电子设备502以及包括激光驱动器504和包括功率监视器512在内的发射电子设备中的一个或两个的控制回路，可以用来指示LiDAR发射器的操作超过眼睛安全阈值。

已经结合使用单个VCSEL阵列的各种实施例描述了本教导的用于LiDAR系统的被监视发送器。应当理解的是，本教导可以扩展到包括多于一个VCSEL阵列的LiDAR发送器。在包括多于一个VCSEL阵列的这些实施例中，VCSEL阵列被定位成使得覆盖监视器的照明区域对于每个VCSEL阵列具有不同的区域。在这些实施例中，监视光电二极管可以被配置为使得它包括多于一个光电二极管并且分离的监视光电二极管可以被用于每个分离的照明区域。

等同物

虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但并不意味着申请人的教导限于这些实施例。相反，申请人的教导涵盖各种替代方案、修改和等同物，如本领域技术人员将认识到，在不脱离教导的精神和范围的情况下可以在其中做出这些替代方案、修改和等同物。

Claims

1.一种具有光功率监视的光检测和测距LiDAR发送器，所述发送器包括：

a)激光器阵列，定位在第一平面中，所述激光器阵列响应于在输入端处提供的电信号而生成沿着光路传播的多个光束；

b)第一投影光学元件，定位在光路中，所述第一投影光学元件投影所述多个光束，使得所述多个光束至少部分地在共用点处重叠；

c)第二投影光学元件，定位在所述多个光束的光路中在所述第一投影光学元件之后，并在透射方向上投影来自第一投影光学元件的光；

d)指引光学元件，定位在所述多个光束的光路中的共用点处，

所述指引光学元件在第二平面中产生照明区域，所述照明区域包括来自所述多个光束中的每个光束的至少一些光；

e)监视器，定位在第二平面中的照明区域内，所述监视器收集来自所述多个光束中的每个光束的至少一些光，所述监视器包括响应于所收集的光而在输出端处生成被检测信号的光电二极管；以及

f)控制器，所述控制器的输入端连接到监视器的输出端，所述控制器的输出端连接到激光器阵列的输入端，所述控制器响应于检测到的信号而生成控制激光器以实现LiDAR系统发送器的期望操作的电信号。

2.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中激光器阵列包括VCSEL阵列。

3.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中激光器阵列包括二维阵列，其中阵列内的至少两个激光器能够独立操作。

4.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中第一平面与第二平面共面。

5.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中第一平面与第二平面定位在不同的平面中。

6.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件和第二投影光学元件是同一个光学元件。

7.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件包括部分反射元件。

8.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件包括衍射元件。

9.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件包括棱镜。

10.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件包括全息元件。

11.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件既是部分反射镜又是滤光器。

12.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件包括平面光学元件。

13.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件是透射元件。

14.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中指引光学元件包括在第二投影光学元件上的光学涂层。

15.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中实现LiDAR系统发送器的期望操作包括实现预先确定的性能度量。

16.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中实现LiDAR系统发送器的期望操作包括实现眼睛安全性。

17.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中实现LiDAR系统发送器的期望操作包括实现功能安全性。

18.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中监视器包括光电二极管。

19.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中监视器包括采样棱镜。

20.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中监视器包括光耦合到光电二极管的光管。

21.如权利要求20所述的LiDAR发送器，其中光管定位在与激光器阵列相同的基板上。

22.如权利要求1所述的LiDAR发送器，其中监视器包括提供关于所收集的光的波长信息的多波长监视器。

23.一种具有光功率监视的光检测和测距LiDAR方法，所述方法包括：

a)在第一平面处生成沿着光路传播的多个光束；

b)投影所述多个光束，使得所述多个光束至少部分地在共用点处重叠；

c)指引来自共用点的光，从而在第二平面中产生包括来自所述多个光束中的每个光束的至少一些光的照明区域；

d)在第二平面处收集来自所述多个光束的每个光束中的至少一些光，并响应于所收集的光而生成被检测信号；以及

e)响应于检测到的信号而生成控制所述多个光束的生成以实现LiDAR系统发送器的期望操作的电信号。

24.如权利要求23所述的方法，其中第一平面与第二平面共面。

25.如权利要求23所述的方法，其中第一平面与第二平面定位在不同平面处。

26.如权利要求23所述的方法，其中指引来自共用点的光包括使光衍射。

27.如权利要求23所述的方法，其中指引来自共用点的光包括反射和过滤光。

28.如权利要求23所述的方法，其中指引来自共用点的光包括透射光。

29.如权利要求23所述的方法，其中实现LiDAR系统发送器的期望操作包括实现预先确定的性能度量。

30.如权利要求23所述的方法，其中实现LiDAR系统发送器的期望操作包括实现眼睛安全操作条件。

31.如权利要求23所述的方法，其中实现LiDAR系统发送器的期望操作包括实现功能安全性。

32.如权利要求23所述的方法，其中响应于检测到的信号而生成电信号包括生成关于所收集的光的多波长信息。