TW202043803A - 具有用於增加通道的高壓側及低壓側開關的固態電子掃描雷射器陣列 - Google Patents

Abstract

一種電子掃描發射器陣列，其包含以k 個發射器組配置之光發射器的一二維陣列。所述k 個發射器組中之每一者可包含所述二維陣列中之所述光發射器之一子集且可獨立地用於自其發射器子集發射光。所述電子掃描發射器陣列可進一步包含：第一電容器組及第二電容器組，其被耦接以將能量提供至光發射器之所述二維陣列；及發射器陣列驅動電路，其耦接至所述第一電容器組及所述第二電容器組以及所述k 個發射器組。所述第一電容器組及所述第二電容器組中之每一者可包含至少一個電容器。所述發射器陣列驅動電路可包含耦接在所述第一電容器組與一電壓源之間的一第一高壓側開關、耦接在所述第二電容器組與所述電壓源之間的一第二高壓側開關，及耦接在所述k 個發射器組與地面之間的k/2個低壓側開關；且所述發射器驅動電路可被組態成根據一起動序列一次起動所述k 個發射器組中之一個發射器組，直至起動所述k 個發射器組中之每一者為止。

Description

具有用於增加通道的高壓側及低壓側開關的固態電子掃描雷射器陣列

相關申請案的交叉參考 本申請案主張2019年4月2日提交的美國臨時專利申請案第62/828,113號之權益並主張2018年12月26日提交的美國臨時專利申請案第62/784,918號之權益。申請案62/828,113及62/784,918中之每一者以全文引用之方式併入本文中。

光成像、偵測及測距（LIDAR）系統藉由運用脈衝式雷射光照亮目標並運用感測器量測經反射脈衝來量測與目標的距離。飛行時間量測接著可用於對目標進行數位3D表示。LIDAR系統可用於3D深度影像為有用的多種應用中，所述應用包含考古、地理、地質、林業、製圖、建築、醫療成像及軍事應用等等。自控車輛亦可使用LIDAR以用於障礙偵測及避讓以及車輛導航。

一些LIDAR系統包含機械移動組件，其圍繞小於或等於360°的旋轉角度物理地掃描傳輸及接收元件以擷取現場場景之影像。可在車輛中用於障礙偵測及避讓之此系統的一個實例常常被稱為旋轉或自旋的LIDAR系統。在旋轉的LIDAR系統中，通常在外殼內將LIDAR感測器安裝至旋轉或自旋整整360度的柱。LIDAR感測器包含相關的光發射器（例如，紅外線或近紅外線光譜中之脈衝式雷射器），其用以在LIDAR感測器不斷地旋轉穿過場景時照射車輛周圍的場景。當相關的光發射器自旋時，其在場景中在不同方向上自LIDAR系統發送出輻射脈衝。入射於場景中的周圍的物件上之輻射的一部分自車輛周圍的此等對象反射，且接著此等反射由LIDAR感測器之成像系統部分在不同時間間隔處偵測到。成像系統將偵測到的光變成電信號。

以此方式，收集並處理關於LIDAR系統周圍的物件的資訊，其包含物件的距離及形狀。LIDAR系統之數位信號處理單元可處理電信號並再現關於深度影像或3D點雲中之物件的資訊，所述資訊可用作障礙偵測及避讓的輔助以及用於車輛導航及其他目的。另外，影像處理及影像拼接模組可採用所述資訊並組裝車輛周圍之物件的顯示。

另一類型之機械LIDAR系統沿著預定掃描圖案使用例如鏡測電流計來掃描雷射光束。一些此類系統可包含光感測器之二維陣列，所述光感測器以電子方式被掃描以與雷射光束之掃描圖案重合。然而，當採用機械系統以用於操控光束時來校準感測器陣列並使感測器陣列與雷射光束同步可具有挑戰性。

亦存在固態LIDAR系統，其不包含任何移動的機械部分。代替旋轉穿過場景，一些固態LIDAR系統使其意欲用光擷取之場景說整個部分閃光，且感測所反射光。在此類系統中，傳輸器包含發射器陣列，所述發射器全部一次發射光以照射場景，並且因此有時被稱作“閃光”LIDAR系統。閃光LIDAR系統由於缺少移動部分因此製造起來較不複雜；然而，其可能需要大量的操作功率，因為所有發射器一次性被啟動並且其可能需要大量的處理功率以一次性處理來自所有像素偵測器的信號。使光發射器之數目遞減可節省功率，但會犧牲所得影像之品質及解析度。大量的所發射光亦可誘發不合需要的雜散光量，其可在接收端生成雜訊，從而使所感測信號之信雜比遞減並產生模糊影像。

本發明的一些實施例係關於固定的固態LIDAR系統，其中不存在自旋柱或鏡測電流計。相較於一些當前可用的自旋LIDAR系統，實施例可以高解析度及低電耗並以改良的準確度、可靠性、大小、整合及外觀擷取場景之影像。

根據一些實施例，一種固態電子掃描LIDAR系統可包含掃描焦平面傳輸元件及掃描焦平面接收元件，其操作同步使得傳輸元件中之發射器陣列的起動序列對應於接收元件中之光感測器陣列的擷取序列。

在一些實施例中，傳輸元件及接收元件可各自與影像空間遠心塊狀光學件耦接，所述影像空間遠心塊狀光學件分別使物件空間中之傳輸器及接收器視場準直。並且，在一些實施例中，發射器陣列可為垂直共振腔面射型雷射器（VCSEL）陣列並且光感測器陣列中之每一光感測器包含光偵測器的集合，諸如單光子突崩二極體（SPAD）。

在操作期間，發射器陣列可依序將來自發射器陣列之一行或多行光發射器起動至場景中，且反射光可由一行或多行對應的光感測器接收。藉由使起動及擷取序列同步，固態掃描LIDAR系統可僅藉由在給定時間點照射來自一組發射器之可有效地由光感測器之對應集合偵測到的一定量的光來有效地擷取影像，從而以最大可能的使用對系統之可用功率的方式來最小化場景之過多照明且集中能量。

本發明的實施例可包含發射器陣列之高壓側及低壓側上之開關以便增加可個別定址通道之數目，同時使得能夠以高功率位準驅動個別通道並最小化與發射器陣列相關聯之控制電路之大小。高壓側開關可耦接在電壓源與電容器之間，所述電容器被組態成驅動發射器陣列。可選擇性地啟動高壓側開關以將電容器連接至電壓源以對電容器進行充電。可選擇性地啟動低壓側開關以藉由發射器陣列對電容器進行放電以選擇性地起動陣列中之發射器組。電容器可以低於用於驅動發射器陣列之電容器遞送的電流位準之電流位準進行充電，從而使得高壓側開關能夠小於處置較高電流位準所需之低壓側開關（亦即，佔據較少佔據面積）。以此方式，本發明的一些實施例提供對系統之可用功率的進一步改良，從而相較於在以較低功率位準驅動較少可獨立定址之通道的情況下將提供之亮度，使得能夠增加雷射光束之亮度。增加的亮度又可產生光感測器陣列之改良的偵測範圍及準確度。

在一些實施例中，本文中之電子掃描LIDAR系統亦可利用微光學件以進一步改良擷取場景之影像的效率。微光學件可改良自傳輸元件發射之光的亮度及強度，以及最小化電氣掃描LIDAR系統之接收元件的感測器像素之間的串擾。舉例而言，在一些實施例中，孔口層可定位在光感測器前方。每一光發射器可對應於孔口層中之孔口，並且每一孔口可對應於接收元件中之光感測器，使得每一光發射器對應於接收元件中之特定光感測器。所述孔口可減少雜散光在鄰近的光感測器上之曝光，並且將光感測器之視場縮窄至現場中之單個點。

一些實施例係關於一種電子掃描發射器陣列，其包含以k 個發射器組配置的光發射器之二維陣列。k 個發射器組中之每一者可包含二維陣列中之光發射器之子集且可獨立地用於自其發射器子集發射光。電子掃描發射器陣列可進一步包含：第一及第二電容器組，其被耦接以將能量提供至光發射器之二維陣列；及發射器陣列驅動電路，其耦接至第一及第二電容器組以及k 個發射器組。第一及第二電容器組中之每一者可包含至少一個電容器。發射器陣列驅動電路可包含耦接在第一電容器組與電壓源之間的第一高壓側開關、耦接在第二電容器組與電壓源之間的第二高壓側開關，及耦接在k 個發射器組與地面之間的k /2個低壓側開關；且發射器驅動電路可被組態成根據起動序列一次起動k 個發射器組中之一個發射器組，直至起動k 個發射器組中之每一者為止。

k 個發射器組可包含第一複數個發射器組及第二複數個發射器組，且第一電容器組可耦接至第一複數個發射器組之陽極並且第二電容器組可耦接至第二複數個發射器組之陽極。在一些實施例中，發射器陣列驅動電路被組態成在複數個連續發射循環中驅動發射器陣列，其中在每一發射循環期間，起動序列起動第一複數個發射器組中之每一者且接著起動第二複數個發射器組中之每一者。在其他實施例中，發射器陣列驅動電路被組態成在複數個連續發射循環中驅動發射器陣列，其中在每一發射循環期間，起動序列在起動來自第一複數個發射器組之發射器組與來自第二複數個發射器組之發射器組之間交替。

在一些實施例中，電子掃描發射器陣列包含：光發射器之二維陣列，其以k 個發射器組配置；及複數個電容器，其以l 個電容器組配置且被耦接以將能量提供至光發射器之二維陣列。k 個發射器組中之每一者可包含二維陣列中之光發射器之子集且可獨立地用於自其發射器子集發射光並且l 個電容器組中之每一者可包含至少一個電容器。

發射器陣列驅動電路可包含：l 個高壓側開關，其中l 個高壓側開關中之每一者耦接在l 個電容器組中之一者與電壓源之間；及k /l 個低壓側開關，其中k /l 個低壓側開關中之每一者耦接在k 個發射器組中之一者與地面之間。發射器驅動電路可被組態成根據起動序列一次起動k 個發射器組中之一個發射器組，直至起動k 個發射器組中之每一者為止。

本發明的一些實施例係關於一種固態光學系統，其包含如本文中所描述之電子掃描發射器陣列連同光感測器陣列以及耦接至光感測器陣列之感測器陣列讀出電路。光感測器陣列可包含k 個光感測器組，其中k 個光感測器組中之每一者與k 個發射器組中之一者配對，且感測器陣列讀出電路可被組態成使陣列內之k 個光感測器組中之每一者的讀出同時與k 個發射器組中之其對應的發射器組之起動同步，使得可啟動個別光發射器之二維陣列中之每一光發射器並且可藉由一個發射循環讀出光感測器之陣列中之每一光感測器。

可參考以下詳細描述及隨附圖式來獲得對本發明實施例之性質及優勢的較佳理解。然而，應理解，提供圖式中之每一者僅出於說明之目的且不意欲作為本發明之範疇之限制的定義。此外，一般情況下，且除非與描述（其中不同圖式中之元件使用相同附圖標記）明顯相反，否則元件在功能或目的上通常為相同的或至少類似的。

為了更好地理解並瞭解本發明的實施例，首先參考圖1，其為根據本發明的一些實施例的例示性固態電子掃描LIDAR系統100之簡化方塊圖。固態電子掃描LIDAR系統100可包含光測距裝置102及使用者介面150。光測距裝置102可包含測距系統控制器104、光傳輸（Tx）模組106及光感測（Rx）模組108。光測距裝置102可藉由將光脈衝流110自光傳輸模組106傳輸至環繞光測距裝置102之視場中的物件而生成測距數據。傳輸光之反射部分112接著在某一延遲時間之後由光感測模組108偵測到。基於所述延遲時間，可判定至反射表面之距離。亦可採用其他測距方法，例如連續波、光解調、都卜勒（Doppler）等等。

光傳輸模組106包含發射器陣列114（例如，發射器之二維陣列）及Tx光學系統116，所述Tx光學系統可與發射器陣列114共同形成光發射系統138。Tx光學系統116可包含影像空間遠心的塊狀傳輸器光學件144。在一些實施例中，Tx光學系統116可進一步包含一個或多個Tx光學組件146，諸如孔口層及透鏡層，其可與發射器陣列114組合以形成微光學件傳輸器通道陣列，其中每一微光學件傳輸器通道可增加源自塊狀傳輸器光學件及/或用於光束成形、光束操控等等之光束的亮度，如本文中關於圖11進一步所論述。發射器陣列114或個別發射器可為雷射源，諸如垂直共振腔面射型雷射器（VCSEL）、雷射器二極體等等。Tx模組106可進一步包含視情況選用之處理器118及記憶體120，但在一些實施例中，此等計算資源可併入至測距系統控制器104中。在一些實施例中，可使用一脈衝寫碼技術，例如，巴克碼等等。在此類狀況下，記憶體120可儲存指示應何時傳輸光之脈衝碼。在一些實施例中，所述脈衝碼儲存為儲存於記憶體中的整數之序列。

光感測模組108可包含感測器陣列126（例如，光感測器之二維陣列），其中感測器陣列126之每一光感測器可例如由於光感測模組108及Tx模組106之幾何組態而對應於發射器陣列114之特定發射器。在一些實施例中，每一光感測器（有時在本文中僅被稱作「感測器」或「像素」）可包含光偵測器（例如SPAD等等）之集合，而在其他實施例中，光感測器可為單個光子偵測器（例如，APD）。光感測模組108包含接收器光學感測系統128，其可與感測器陣列126共同形成光偵測系統136。在一些實施例中，接收器光學感測系統128可包含接收器塊狀接收器光學件140及接收器光學組件142，諸如孔口層、透鏡層及光學濾波器，其可與感測器陣列126組合以形成微光學件接收器通道陣列，其中每一微光學件接收器通道量測光，其對應於定位有光測距裝置102之周圍現場的不同視場中之影像像素。

根據本發明的一些實施例之Rx及Tx光學系統之其他細節在下文結合圖10論述，且在2018年5月14日提交之名為「具有亮度增強之光學成像傳輸器（Optical Imaging Transmitter with Brightness Enhancement）」之共同讓渡並且出於所有目的以全文引用的方式併入本文中的美國專利申請案第15/979,235號中論述。

在一些實施例中，光感測模組108之感測器陣列126作為單片裝置之部分在單個基板上製造（使用例如CMOS技術），所述單片裝置包含光感測器陣列及處理器122以及記憶體124以用於對來自陣列中之個別光感測器（或光感測器群組）之所量測光進行信號處理。包含感測器陣列126、處理器122及記憶體124之單片結構可被製造為專用ASIC。在另一實施例中，感測器陣列126可經製造為兩個或多於兩個單片電子裝置（「半導體晶粒」）的堆疊，所述兩個或多於兩個單片電子裝置共同結合成單個光感測模組108，其中電信號在所述單片電子裝置之間傳遞。在此實施例中，光感測器頂部陣列可在最大化感光效率或最小化雜訊之製程中製造，而其他晶粒經過最佳化以用於較低功率的高速數位處理。

在一些實施例中，光學組件142亦可為單片結構之一部分，其中感測器陣列126、處理器122及記憶體124為一部分。舉例而言，光學組件142之孔口層、透鏡層及光學濾波器層可在切割之前或之後堆疊在半導體基板上方及運用環氧樹脂結合至半導體基板，所述半導體基板在其上具有以晶圓級製造之多個ASIC。舉例而言，光學濾波器層可為薄晶圓，其抵靠光感測器層置放且接著結合至光感測器層以將光學濾波器層與光感測器層結合以使光學層形成單片結構之部分；準直透鏡層可經注射模製至光學濾波器層上；且孔口層可藉由將不透明基板分層在透明基板之頂部上或藉由運用不透明膜塗佈透明基板而形成。替代地，光感測器層可被製造並切割，且光學濾波器層、準直透鏡層及孔口層可被製造且切割。每一被切割的光感測器層及光學層接著可結合在一起以形成單片結構，其中每一單片結構包含光感測器層、光學濾波器層、準直透鏡層及孔口層。藉由將所述層結合至ASIC，ASIC及經結合層可形成單片結構。所述晶圓接著可被切割成裝置，其中每一裝置可與各別的塊狀接收器光學件140配對以形成光感測模組108。在又其他實施例中，光感測模組108之一個或多個組件可在單片結構外部。舉例而言，孔口層可實施為具有針孔之單獨金屬片。

如上文所提及，處理器122（例如，數位信號處理器（DSP）、微控制器、場可程式化閘陣列（FPGA）等等）及記憶體124（例如，SRAM）可對來自陣列中之個別光子偵測器（或偵測器群組）的原始直方圖進行信號處理。作為信號處理之一實例，對於每一光子偵測器或光子偵測器的群組，記憶體124可在連續時間區間內累積偵測到的光子之計數，並且此等時間區間一起可用於重新創建反射光脈衝之時間序列（亦即，光子相對於時間之計數）。聚集的光子計數之此時間系列在本文中被稱作強度直方圖（或僅稱作直方圖）。處理器122可實施匹配的濾波器及峰值偵測處理以即時識別返回信號。另外，處理器122可實現某些信號處理技術，諸如多輪廓匹配濾波，其用以幫助恢復光子時間序列，所述光子時間序列較不易於受可歸因於SPAD飽和及猝熄而出現的脈衝形狀失真影響。在一些實施例中，此類濾波之所有或部分可由處理器122執行。

在一些實施例中，自處理器122輸出之光子時間序列經發送至測距系統控制器104以供進一步處理，例如，所述資料可由測距系統控制器104之一個或多個編碼器編碼且接著作為資料封包發送至使用者介面150。測距系統控制器104可以多種方式實現，包含例如藉由使用諸如FPGA、ASIC或ASIC之部分的可程式化邏輯裝置、使用具記憶體132之處理器130及前述各者的某一組合。測距系統控制器104可藉由發送包含開始及終止光偵測並調整光偵測器參數之命令來控制光感測模組108。類似地，測距系統控制器104可藉由發送或中繼命令來控制光傳輸模組106，所述命令包含例如用以開始及終止光發射之控件及可調整其他光發射器參數（例如，脈衝碼）之控件。在一些實施例中，測距系統控制器104具有用於與光感測模組108及光傳輸模組106交換資料之一個或多個有線介面或連接器。在其他實施例中，測距系統控制器104經由諸如光學通信鏈路之無線互連件與光感測模組108及光傳輸模組106通信。

固態電子掃描LIDAR系統100可與使用者介面150互動，所述使用者介面可為用於使得使用者能夠與電腦系統互動之任何合適的使用者介面，例如，顯示器、觸控式螢幕、鍵盤、滑鼠及/或軌跡墊，其用於與含有CPU及記憶體之膝上型電腦、平板電腦及/或手持型裝置電腦系統介接。使用者介面150可在其上安裝了固態電子掃描LIDAR系統100之物件本端，但亦可為遠端操作的系統。舉例而言，至/來自固態電子掃描LIDAR系統100之命令及資料可藉由蜂巢式網路（LTE等）、個人區域網路（藍芽、紫蜂等）、區域網路（WiFi、IR等）或諸如網際網路之廣域網路路由。

硬體及軟體之使用者介面150將來自裝置之成像器資料呈現給使用者但亦可允許使用者運用一個或多個命令來控制固態電子掃描LIDAR系統100。實例命令可包含啟動或去啟動成像器系統、指定光偵測器曝光層級、偏置、取樣持續時間及其他操作參數（例如，發射的脈衝模式及信號處理）、指定諸如亮度之光發射器參數的命令。另外，命令可允許使用者選擇用於顯示結果之方法。使用者介面可顯示成像器系統結果，所述結果可包含例如單框快照影像、不斷地更新的視訊影像及/或一些或所有像素之其他光量測的顯示。

在一些實施例中，例如在LIDAR系統100用於車輛導航的情況下，使用者介面150可為車輛控制單元在一部分，所述車輛控制單元自光測距裝置102及/或使用者介面150接收輸出，且藉由網路（諸如上文所描述的有線或無線網路中之一者）以其他方式與光測距裝置102及/或使用者介面150通信。與車輛控制相關聯之一個或多個參數可由車輛控制單元基於所接收的LIDAR資料來修改。舉例而言，在完全的自主車輛中，LIDAR系統100可提供汽車周圍的環境之即時3D影像以結合GPS及其他資料輔助導航。在其他狀況下，LIDAR系統100可用作高階駕駛員輔助系統（ADAS）之部分或用作安全性系統之部分，其例如可將3D影像資料提供至任何數目個不同系統，例如，自適應巡航控制系統、自動停車系統、駕駛員睡意監測系統、盲點監測系統、防撞系統等。當使用者介面150實施為車輛控制單元之一部分時，可向駕駛員提供警示或可追蹤物件之近程的追蹤。

如本文中所提及，光測距裝置102可為電子掃描LIDAR裝置，其可藉由每次僅啟動一組發射器並且藉由僅讀出一組對應的光感測器同時起動發射器來擷取場景之影像。可在不同時間啟動不同組發射器，同時讀出對應的若干組光感測器，使得最終可啟動所有發射器並且可藉由一個發射循環讀出感測器陣列中之所有光感測器。作為一實例，發射器陣列可藉由每次啟動一組發射器且對於每一發射循環自左至右以依序次序啟動來發射光，同時感測器陣列可被組態成讀出對應的序列中之一組對應的光感測器。因此，本發明的實施例可包含一個或多個組件以使光之發射及感測同步。

舉例而言，光傳輸模組106可包含耦接至發射器陣列114之發射器控制器115。發射器控制器115被組態成藉由例如根據所要起動序列選擇性地起動每一組發射器來控制發射器陣列126之操作。發射器控制器115可包含合適的處理器，諸如ASIC、微控制器、FPGA或其他合適的處理元件連同用於操作如下文所論述之發射器陣列114的一個或多個驅動組件。類似地，光偵測系統136可包含耦接至感測器陣列126且被組態成控制感測器陣列126之操作的感測器控制器125。感測器控制器125可為能夠選擇一個或多個光感測器以感測光的任何合適的組件或組件分組，諸如ASIC、微控制器、FPGA或耦接至選擇電路之其他合適的處理器，例如多工器。

在一些實施例中，感測器控制器125及發射器控制器115同步，使得發射器陣列114中之光發射的序列與讀出感測器陣列126中之光感測器的序列同步。作為一實例，感測器控制器125及發射器控制器115兩者可耦接至時鐘117，使得兩個控制器均可基於相同的時序方案來操作。時鐘117可為生成特定信號之電氣組件，所述特定信號以某一速度在高狀態與低狀態之間振盪以用於協調數位電路之動作。視情況，感測器控制器125及發射器控制器115可包含其自身的時鐘電路以用於協調其自身動作。在此類實施例中，感測器控制器125及發射器控制器115可經由通信線119通信耦合在一起，使得感測器控制器125可使其時鐘與發射器控制器115同步。如此，感測器控制器125及發射器控制器115可分別操作感測器陣列126及發射器陣列114，與實行影像擷取同步。

在一些其他實施例中，作為感測器控制器125及發射器控制器115之替代或補充，測距系統控制器104可被配置成使光感測模組108及光傳輸模組106之操作同步，使得發射器陣列114之光發射的序列與感測器陣列126之感測光的序列同步。舉例而言，測距系統控制器104可指示光傳輸模組106之發射器陣列114藉由每次啟動一組發射器且對於每一發射循環自左至右以依序次序啟動來發射光，並且相應地指示光感測模組108中之感測器陣列126每次感測一組感測器之光且以相同的依序次序進行感測。在此類實施例中，測距系統控制器104可具有其自身的時鐘信號，所述測距系統控制器將其對光感測模組108及光傳輸模組106之定序指令基於所述時鐘信號。應瞭解，本文中設想用於光偵測之其他形式的定序，且此類序列不具有限制性，如本文中將進一步論述。

為了說明發射器陣列之依序起動及感測陣列之感測的一個實例，參考圖2A，圖2A為根據本發明的一些實施例之例示性固態電子掃描LIDAR系統200之發射器陣列210及感測器陣列220的簡化說明。發射器陣列210可為發射器212之二維m ×n 陣列，其具有m 行及n 列，且感測器陣列222可對應於發射器陣列210，使得每一光感測器222映射至發射器陣列210中之各別發射器212。因此，感測器陣列220可為光感測器222之對應的二維m ×n 陣列。

在一些實施例中，發射器陣列210及感測器陣列220通常為大的陣列，其包含比旋轉的LIDAR系統中通常採用之發射器或感測器陣列多的元件（亦即，較多的發射器及較多的光感測器）。感測器陣列220（且因此對應於感測器陣列220之用於照亮視場之對應的發射器陣列210）之大小，亦即，總實體尺寸，連同感測器陣列220內之光感測器的間距可指示由感測器陣列220擷取之影像的視場及解析度。大小較大的陣列通常會產生較大視場，並且較小間距大小通常會產生具有較高解析度之所擷取影像。在一些實施例中，發射器陣列210及感測器陣列220各自由單個半導體晶粒形成，而在其他實施例中，發射器陣列210及感測器陣列220中之一者或兩者可由安裝至如本文中所論述之共同基板的多個晶片形成。

發射器陣列210可被組態成進行操作使得一組或多組發射器（其中每一組（set）在本文中被稱作「組（bank）」）可同時被起動。舉例而言，在圖2A中所描繪的實施例中，發射器陣列210被組態成包含六組214(1)…214(6)，其中每一組包含四行發射器。感測器陣列220可被組態成具有與發射器陣列210類似的幾何結構，使得光感測器222以類似配置的組進行配置。因此，在圖2A中所描繪之實施例中，感測器陣列220亦被組態成包含六組224(1)…224(6)，其中每一組包含四行光感測器。

圖2B至圖2D為根據本發明的一些實施例之說明發射器陣列210之起動序列及感測器陣列220之感測器讀出序列的簡化圖。如圖2B中所展示，影像擷取序列之第一階段可藉由起動發射器陣列210之發射器組214(1)並同時讀出感測器陣列220之感測器組224(1)來開始。在此第一階段期間，自發射器組214(1)中之每一個別發射器發射之光脈衝被發射至現場中。所發射光接著可自現場中之一個或多個物件反射並由感測器陣列220之感測器組224(1)內之光感測器的各別子集擷取。接下來，在序列之第二階段期間，來自發射器陣列之第二組214(2)之發射器可被啟動以發射光脈衝，所述光脈衝可由如圖2C中所展示之感測器陣列中之感測器組224(2)中的感測器讀出。若干行發射器之依序起動及對應的一行光感測器中之光感測器的同時讀出繼續進行直至啟動最後一組發射器214(6)同時如圖2D中所展示讀取最後一組光感測器224(6)為止。當完成一個完整的循環（圖2B至圖2D中所描繪之實例中之影像擷取序列的六個階段）時，每一組發射器陣列210將被啟動並且每一對應一組感測器陣列220將被讀出以偵測自對應的若干組發射器陣列210發射之光子。當LIDAR系統200處於操作中時，所述循環接著可不斷地重複。

儘管圖2A說明劃分成六個不同組的發射器陣列及感測器陣列，所述不同組各自具有特定數目的發射器或光感測器，但實施例不限於此類組態。其他實施例可具有多於或少於六個組並且每組具有或多或少的發射器或光感測器。舉例而言，在一些實施例中，採用k 組發射器及k 組光感測器，其中k 為多於或少於圖2A發射器陣列中所描繪的六個組。作為其他實例，在一些實施例中，LIDAR感測器200可劃分成16、32、64、128或更多的通道，其中每一通道包含1、2、4、8或更多的發射器行且不脫離本發明之精神及範疇。另外，雖然圖2A就發射器行及光感測器行而言論述組，但在其他實施例中，發射器及光感測器陣列可劃分成具有一列或多列發射器及一列或多列光感測器而非一行或多行發射器及光感測器的組，使得一列或多列發射器被起動，同時讀取一列或多列對應的光感測器。在另其他實施例中，發射器陣列210中之一組可包含發射器之子集，所述子集包含呈多行及多列之發射器（例如，以正方形或矩形圖案配置的發射器），並且感測器陣列220中之一組可包含光感測器之子集，所述子集以對應於發射器之子集的圖案配置。

另外，雖然圖2B及圖2D說明影像擷取序列，其中每個階段推進一組所起動的發射器，但本發明的實施例不限於任何特定序列。舉例而言，在一些實施例中，在具有k 組之LIDAR系統中可採用以下序列：對於第一階段，起動第一組發射器陣列210；對於第2階段，起動組（k /2+1）；對於第3階段，起動組2，對於第4階段，起動組（k /2+2）等等，直至第k 階段起動組k 為止。此實施例在最小化感測器陣列內之串擾可為有利的，因為在連續階段中不讀出相鄰的感測器組。作為另一實例，可同時起動發射器之兩個或多於兩個相鄰的組，同時讀出感測器之兩個或多於兩個對應的相鄰組。作為同時起動並讀取兩個組之說明，在影像擷取序列之第一階段期間，可起動發射器陣列210之組214(1)及214(2)，在第二階段期間，可起動組214(3)及214(4)等等。此等實例僅為許多不同可能的起動及讀出序列中之若干個，且其他起動及讀出序列在其他實施例中為可能的。

圖3A為特定情境中之根據本發明的一些實施例之電子掃描LIDAR系統300之光傳輸及偵測操作的說明性實例。具體言之，圖3A展示固態電子掃描LIDAR系統300，其可表示圖1中所展示之LIDAR系統100，其收集環繞所述系統之空間或場景之三維距離資料。圖3A為用於突出發射器與感測器之間的關係的理想化圖式，且因此未展示其他組件。

電子掃描LIDAR系統300包含發射器陣列310（例如，發射器陣列114）及感測器陣列320（例如，感測器陣列126）。發射器陣列310可為光發射器陣列，例如垂直共振腔面射型雷射器（VCSEL）陣列等等，其包含發射器組312(1)至312(n)。感測器陣列320可為包含感測器組322(1)至322(n)之光感測器陣列。光感測器可為像素化光感測器，其針對每一光感測器使用諸如單光子突崩二極體(SPAD)及其類似物的一組離散光偵測器。然而，各種實施例可部署其他類型之光子感測器。

為了易於說明，發射器陣列310被描繪為具有六組發射器，其中每一組包含單行三個發射器，並且感測器陣列320被描繪為具有光感測器之對應的配置。應瞭解，發射器組312(1)至312(n)及感測器組322(1)至322(n)可分別表示發射器陣列310及感測器陣列320之大得多的組之部分。因此，雖然圖3A為了易於說明僅展示21個不同點的發射器及感測器，但可理解，其他實施可具有顯著較多的發射器，其包含具有多行發射器之組，其中每一行包含多於三個個別發射器的發射器。亦即，點之較緻密取樣可藉由具有較緻密的發射器陣列及對應的較緻密的光感測器陣列來實現。

每一發射器可間隔開間距距離且可被組態成自其鄰近的發射器傳輸光脈衝至不同視場中，從而照亮僅與彼發射器相關聯的各別視場。舉例而言，發射器組312(1)將照明光束314(1)（每一照明光束由一個或多個光脈衝形成）發射至視場之區315(1)中且因此自現場中之樹330反射。同樣地，發射器組312(n)將照明光束314(n)發射至視場之區315(n)中。應瞭解，在圖3A中所展示之實施例中，發射器陣列310自左至右以依序次序藉由其組掃描。因此，圖3A展示發射器組312(1)被啟動之第一時間例子及啟動最後一組，亦即發射器組312(n)，之最後一個時間例子。其他組可在組312(1)至312(n)之間自左至右依序步進。雖然圖3A展示發射器及感測器陣列310及320藉由豎直定向的組且以依序次序操作，但實施例不限於此類組態。在其他實施例中，發射器及感測器陣列310及320可藉由豎直定向的組以非依序次序操作以最小化串擾，或藉由水平定向的組以依序或非依序次序或任何其他合適的次序操作以用於發射並接收光，如上文及本文中將進一步詳細論述。

由發射器照亮之每一視場可被視為由測距資料產生的對應3D影像中之像素或光點。因此，每一發射器可不同於其他發射器並與其他發射器不重疊，使得所述組發射器與所述組非重疊視場之間存在一對一映射。在一些實施例中，發射器陣列310及感測器陣列320各自為固態裝置，其可為極小的並且彼此非常接近。舉例而言，根據本發明實施例，發射器或感測器陣列之大小可介於若干公釐至若干公分的範圍內。因而，兩個陣列之尺寸及其分離距離相較於至場景中之物件之距離為可忽略的，所述分離距離可小於幾公分。當發射器及感測器陣列之此配置與可使由發射器陣列發射之光準直且將反射光聚焦至感測器陣列中之各別塊狀光學件配對時，感測器陣列及發射器陣列可具有超出臨限距離之顯著類似的視場使得每一發射器及對應的感測器觀看現場中之基本上同一點。可參看圖3B更好地理解此概念。

圖3B為根據本發明的一些實施例之發射器陣列310及感測器陣列320之重疊視野的簡化說明。發射器陣列310中之每一發射器可發射在圖3B中展示為錐體382之光脈衝，所述光脈衝藉由塊狀傳輸器光學件384變得準直並作為所發射光386輸出至現場中。所發射光386接著可自現場中之一個或多個物件反射且作為首先傳播通過塊狀接收器光學件390之反射光392朝向感測器陣列320傳播回來，所述塊狀接收器光學件將反射光392向下聚焦回至焦點中作為脈衝光388之錐體且接著聚焦至感測器陣列320內之對應的光感測器上。如可參看圖3B理解，塊狀傳輸器光學件184與接收器光學件390之間的範圍可介於例如1至3 cm之間的距離相較於至場景之距離相對較小。因此，當場景變得較遠時，發射器陣列之視場與感測器陣列之視場越來越重疊。舉例而言，如圖3B中所展示，發射器陣列310及感測器陣列320之視場的重疊區394、396及398隨著至場景之距離增加而變得較大。因此，在接近場景末端（例如，現場中之物件）之距離處，發射器陣列310之視場可與感測器陣列320之視場實質上重疊。因此，每一對應的發射器及感測器可在場景中觀測到基本上同一點，即使塊狀接收器光學件及傳輸器光學件分離開一個或多個公分。亦即，自塊狀傳輸器光學件184投射至系統前方之現場中之每一照明光束可與距所述系統一定距離處之對應的光感測器之視場（或對應的光感測器之微光學件接收器通道）具有實質上相同大小及幾何結構。在一些實施例中，發射器陣列310可根據照明圖案選擇性地將照明光束投影至系統300前方之現場中，所述照明圖案在橫越自系統300之距離之範圍的大小及幾何結構上與輸入通道之視場實質上匹配。藉由在發射器陣列與感測器陣列之間具有實質上重疊的視場，固態電子掃描LIDAR系統300可實現高信雜比（SNR）。

在一些實施例中，傳輸器陣列及感測器陣列具有匹配的幾何結構，且發射器陣列之塊狀光學件與感測器陣列之塊狀光學件實質上相同。在其他實施例中，感測器陣列320之尺寸及塊狀光學件可不與發射器陣列310之尺寸及塊狀光學件相同，然而，其可被選擇使得發射器陣列310及感測器陣列320之對應的組具有顯著相同的視場。舉例而言，感測器陣列320之大小可大於發射器陣列310之大小。此將意味著感測器陣列320之塊狀接收器光學件390應不同於發射器陣列310之塊狀傳輸器光學件184，且兩個塊狀光學件應被謹慎地選擇使得兩個陣列中之對應的組之視場顯著地相同。舉例而言，可使用具有透鏡元件之類似的塊狀光學件，所述透鏡元件為發射器陣列310之透鏡元件之兩倍大。所得塊狀接收器光學件將具有為塊狀傳輸器光學件之焦距的兩倍長之焦距。在此狀況下，感測器陣列320應為發射器陣列310兩倍高及兩倍寬，其中收納孔口直徑為發射直徑之兩倍，從而確保每一光感測器及發射器之角度視場匹配。

為了確保發射器陣列310及感測器陣列320之對應的組看見同一視場，LIDAR系統300之對準程序可在現場使用之前例如藉由製造商執行。本發明的一些實施例之設計特徵（例如，具有發射器陣列之單個半導體晶粒或多晶片模組及感測器陣列之多晶片模組之單個半導體晶粒）允許製造商執行此對準僅一次，由此簡化製造LIDAR系統300及在製造後維護所述LIDAR系統之方式。在光學件之對準期間，吾人可量測每一像素及每一發射器之視場以確保其明顯相同。對準程序可考慮透鏡屬性，諸如像差、失真及焦距以及調節透鏡元件相對於外部組件之位置及定向。

因為發射器之視場與其各別感測器之視場重疊，所以每一光感測器理想地可偵測來源於其對應的發射器的理想地無串擾之反射照明光束，亦即，不會偵測到來自其他照明光束之反射光。舉例而言，返回參看圖3A，發射器組312(1)將照明光束314(1)發射至視場之區315(1)中並且照明光束中之一些自物件330，亦即樹，反射。理想地，光324(1)之反射部分僅由光感測器組322(1)偵測。因此，發射器組312(1)及光感測器組322(1)共享同一視場。同樣地，發射器組312(n)及光感測器組322(n)亦可共享同一視場，使得光324(n)之反射部分僅由光感測器322(n)偵測。舉例而言，在發射循環之最後一個迭代期間，發射器組312(n)將照明光束314(n)發射至視場之區315(n)中，並且照明光束中之一些自物件332，亦即緊鄰物件330停放之汽車，反射。在一個循環中，圖3A中之固態電子掃描LIDAR系統350可擷取並生成表示包含樹330及汽車332之部分的場景之影像。額外的循環可進一步擷取場景之其他區，尤其在系統300正在移動之情況下，諸如當系統300安裝在汽車上時，如本文中將關於圖12及圖13進一步論述。雖然對應的發射器及感測器在圖3A中展示為在其各別陣列中之相同的相對部位中，但任何發射器可取決於所述系統中所使用之光學件之設計與任何感測器配對。

在測距量測期間，來自在LIDAR系統周圍之空間周圍分佈的不同視場的反射光由各種感測器進行收集且進行處理，從而產生每一各別視場中之任何物件的範圍資訊。如上文所描述，可使用飛行時間技術，其中光發射器發射精確定時之脈衝，且所述脈衝之反射由各別感測器在某一經過時間之後偵測到。接著使用發射與偵測之間的經過時間及已知光速來計算至反射表面之距離。在一些實施例中，額外資訊可由感測器獲得以判定除範圍以外的反射表面之其他屬性。舉例而言，脈衝之都卜勒移位可藉由感測器量測且用以計算感測器與反射表面之間的相對速度。脈衝強度可用以估計目標反射率，且脈衝形狀可用以判定目標是否為硬質或漫射材料。

根據一些實施例，LIDAR系統300可傳輸多個光脈衝。在一些實施例中，每一編碼脈衝具有藉由光強度形成之嵌入的正值脈衝碼。所述系統可藉由創建不同時間區間處之偵測到反射光的強度直方圖來判定背景光存在情況下的光學脈衝之時間位置及/或幅值。對於每一時間區間，所述系統將一加權值加至取決於偵測到光之強度的強度直方圖。所述加權值可為正或負且具有變化之量值。

藉由選擇正值脈衝碼之不同組合及應用不同權重，所述系統可偵測適合於標準數位信號處理演算法的正值及負值碼。此方法產生高信號雜訊比，同時維持反射光脈衝之量測的時間位置之低不確定性。

圖4A為電子掃描雷射器陣列400之簡化俯視方塊圖，所述電子掃描雷射器陣列包含m ×n 發射器之發射器陣列410連同用於操作雷射器陣列之各種電容器、開關及控制晶片。發射器陣列410劃分成六個單獨驅動的發射器組410(1)…410(6)，其中發射器組中之每一者包含以一維或二維陣列（在圖4A中展示為4×n 陣列）配置之相等數目的個別光發射器402（例如，VSCEL），從而生成照明圖案。發射器陣列410可表示例如上文關於圖2A至圖2D所論述的發射器陣列210且可在LIDAR系統中與諸如上文所論述之光感測器陣列220之光感測器陣列配對，所述光感測器陣列包含六個光感測器組，其中感測圖案具有與照明圖案之幾何結構匹配的幾何結構。

在一些實施例中，發射器陣列410可形成於單個單片結構（例如，陶瓷次基座415或其他適當的基板）上，其中每一組為單獨的半導體晶粒。在其他實施例中，VCSEL陣列可形成於大的單晶片上，其中VCSEL陣列中之不同組的陰極彼此電隔離，從而使得能夠個別地控制所述組。每一組可由單獨的驅動器電路驅動，使得存在具有k 組的發射器陣列之k 個驅動器電路。在圖4中所描繪之實施例中，每一驅動器電路包含耦接至發射器陣列410之低壓側之FET驅動器412及閘極驅動器414。每一FET驅動器412為高電流開關，其可由其各別閘極驅動器414開啟，並且每一驅動器電路412、414耦接至其各別組且可同時起動其組中之所有個別發射器402。驅動器412、414可根據預定序列（例如，如上文關於圖2B至圖2D所描述）藉由控制電路啟動，使得每一組在影像擷取時段期間被起動一次，同時讀出光感測器之對應的組，直至起動整個發射器陣列且讀出整個光感測器陣列為止。以此方式，電子掃描雷射器陣列400可使用比一次啟動所有發射器之閃光LIDAR系統明顯少的功率（對於給定的大小陣列及給定亮度）。

在一些實施例中，每一組410(1)…410(6)可建構為安裝在陶瓷或其他合適基板405上並且彼此電隔離之單獨的離散半導體晶粒。每一晶粒（亦即，此實施例中之組）為可個別定址的以用於在電子掃描LIDAR系統之操作期間發射光。另外，在各種實施例中，每一閘及FET驅動器可為單獨的個別組件；多個FET驅動器可在單個晶片上組合在一起；多個閘極驅動器可在單個晶片上組合在一起；及/或一個或多個閘極驅動器及FET驅動器可在一起組合至單個晶片上。

為了產生光，將電流驅動通過發射器陣列410中之發射器402。因此，發射器組410(1)…410(6)可耦接至電容器組404，所述電容器組包含被組態成藉由發射器陣列釋放電流之一個或多個電容器。每一發射器組可包含用於與電容器組404耦接之各別接觸陣列或通孔陣列406。接觸陣列406可為各別發射器組410(1)…410(6)建構在其上之半導體晶粒之部分。在一些實施例中，接觸陣列406定位於電容器組404與其各別發射器組內之光發射器402之間。在啟動發射器陣列410中之一個或多個發射器之前，電容器組404中之一個或多個電容器可帶電使得在發射器陣列410中之一個或多個發射器之啟動期間，一個或多個帶電電容器可被放電以將大量電流（例如，在一些實施例中，在10至100安培或更多之間；在一些實施例中在50至100安培之間並且在一些實施例中在50至200安培之間）驅動通過每一組以發射窄頻帶光。電容器組404中之電容器可耦接至電源（圖中未展示）以用於對電容器進行充電。電源可經由電氣連接陣列405耦接至電容器組404，其中每一電連接為耦接至跡線（圖中未展示）之通孔，所述跡線路由至電源。電氣連接及跡線可為互連結構422（例如，印刷電路板「PCB」）之部分或形成於所述互連結構上，電容器組404及發射器陣列410安裝在所述互連結構上。所述跡線、電容器、發射器及驅動器可進行定位以便最小化電路之放電路徑的迴路電感，以最小化用於電路中之驅動電流的上升時間。

在一些實施例中，電子掃描雷射器陣列400可實施為多晶片模組，其中至所述系統之電氣輸入及輸出（例如，至驅動器412及414之時序信號）可藉由電連接器416（例如，板對板連接器）傳輸至電子掃描雷射器陣列400及自所述電子掃描雷射器陣列傳輸。電連接器416可耦接至驅動器412及414以使得控制信號能夠傳送至驅動器。驅動器412及/或414可為半導體裝置（例如，場效電晶體或「FET」），其管理電流流動通過發射器陣列410。因此，驅動器412及414響應於控制信號可指示發射器陣列410發射光之次序或藉由連接器416使得處理系統（圖中未展示）能夠這樣做。舉例而言，驅動器412及414可藉由發射器組且自左至右以依序次序或以如上文關於圖2B至圖2D所描述之不同序列啟動發射器陣列410。因此，在一個發射循環中，驅動器412及414可藉由在第一時間例子期間啟動發射器組410(1)中之發射器402、在第二時間例子期間啟動發射器組410(2)中之發射器402等等直至在最後一個循環例子期間啟動最後一個發射器組410(6)為止來操作發射器陣列410，其中在第一時間例子至最後一個時間例子期間發射光一起形成單個發射循環。在一些實施例中，驅動器412及414經由電氣連接424耦接在一起，所述電氣連接可為鍍在互連結構422上之跡線。如此，驅動器412及414可彼此通信以控制發射器陣列410之操作。

如圖4A中所展示，每一發射器組410(1)…410(6)可包含用於將組與驅動器412耦接之各別接觸陣列408。如同接觸陣列406，接觸陣列408可為在其上製造各別發射器組之半導體晶粒之部分。在一些實施例中，接觸陣列408定位於驅動器412與其各別發射器組內之光發射器402之間。此外，驅動器412可各自耦接至電氣連接420之各別集合，所述電氣連接可為互連結構422之部分或形成於所述互連結構上，驅動器412及414安裝在所述互連結構上。電氣連接420可將驅動器412耦接至互連結構422上之適當的信號路徑及/或組件（圖中未展示）。

雖然電子掃描雷射器陣列400展示為包含六個單獨的可定址組，所述組中之每一者可稱為是個別通道之一部分，但本發明的實施例不限於特定數目個通道。然而，圖4A中所展示之設計在可被包含且同時仍以足夠快的速度將足夠高的電流位準驅動通過發射器陣列以滿足一些商業LIDAR應用之某些要求的通道之數目方面具有切實可行的限制。舉例而言，為了實現發射器陣列410中之每一發射器的某一亮度，驅動器412及414需要藉由雷射器陣列供應相對較高的電流位準。可被驅動通過給定通道之電流量部分地取決於電容器組404中之電容器的容量、通道中之發射器之數目及通道之驅動器412及414之大小。為了將合乎需要的高電流位準驅動通過給定通道，每一驅動器412、414需要具有足夠大小以處置所要的電流位準。在需要大量通道且每一通道支援數十安培或更大的相對較高電流位準之一些實施例中，驅動器412、414之佈局可為發射器陣列之效能的限制因素。

作為一實例，圖4B描繪支援十六個（16）獨立通道發射器陣列之驅動器412、414之配置。圖4B意欲為圍繞12.8×6.4 mm發射器陣列（圖4B中未展示）配置及藉由電氣連接430連接至所述發射器陣列之0.9 mm FET驅動器412之恰當比例說明。雖然圖4B中未展示，但電容器（例如，0402電容器）可在高壓側上連接至發射器陣列。如圖4B中所描繪，在十六個閘極驅動器414支援十六個通道之情況下，閘極驅動器414需要比實際更多的空間，且將需要將閘極驅動器連接至FET驅動器之信號路徑，所述信號路徑不合需要地長且因此具有可能不利地影響電路之時序的電感位準。

本發明的一些實施例藉由除了低壓側開關之外亦包含將發射器陣列連接至電容器組之一對高壓側開關來解決此潛在的問題。圖5中展示此實施例之一個實例，圖5為根據本發明的一些實施例之電子掃描雷射器陣列500之簡化的俯視方塊圖。如圖5中所展示，電子掃描雷射器陣列500包含兩個高壓側開關514a、514b，其與六個低壓側開關412協同工作以掃描通過十二個獨立發射器組510(1)…510(12)，所述發射器組中之每一者可包含多行發射器。在一些實施例中，雷射器陣列500亦包含兩個FET 516a、516b以在如下文所論述之起動週期結束時對電容器組進行放電。

高壓側開關可耦接在電壓源與各別電容器組504a、504b之間，所述電容器組包含被組態成驅動發射器陣列之一個或多個電容器。電容器504a、504b又藉由互連件518a、518b連接至發射器組。在一些實施例中，電容器組504a、504b連同用於每一組之相關聯開關及互連件，可定位於印刷電路板之相對側（例如，頂部側及底部側）上。雖然圖5意欲為電子掃描雷射器陣列500之區塊圖，但在此類實施例中以虛線展示電容器組504b、開關514b、開關516b及互連件518b以指示在來自組件504a、514a、516a及518a之PCB之相對側上的位置。

可選擇性地啟動高壓側開關以將電容器組連接至電壓源以對電容器進行充電。舉例而言，開關514a可將電容器組504a耦接至電壓源，而開關514b可將電容器組504b耦接至電壓源。可選擇性地啟動低壓側開關以藉由發射器陣列對電容器進行放電以選擇性地起動陣列中之發射器組。電容器可以明顯低於用於驅動發射器陣列之電流位準之電流位準進行充電，從而使得高壓側開關能夠小於處置較高電流位準所需之低壓側開關（亦即，佔據較少佔據面積）。

給定如關於圖4B所論述之低壓側開關之大小限制，高壓側及低壓側開關之上文所描述的配置允許可實施的獨立驅動電路之總數目增加。因此，雖然電子掃描雷射器陣列500與雷射器陣列400具有相同數目的發射器（圖5中未展示但等效於發射器402），但陣列500中之發射器以十二個獨立控制的組而非用於陣列400之六個組來配置。在一些實施例中，在下文論述之圖6的電路圖中展示為二極體610(1)至610(12)之二極體可與每一發射器組串聯置放。二極體之大小可足以承受高反向電壓且可因此防止在相反方向上之電流流動，若多個發射器組共用陰極但具有不同陽極電壓，則在相反方向上之電流流動可能損壞發射器。

圖6為表示電子掃描雷射器陣列500之電子電路600的示意圖。如圖6中所展示，電路600包含12個單獨的並且可獨立操作的通道C1至C12，為了易於說明僅展示所述通道中之通道C1…C4及C11…C12。圖6中未描繪的通道C5、C7及C9中之每一者可由關於通道C1、C3及C11所展示之實質上相同的電路表示，且亦未描繪之通道C6、C8及C10中之每一者未描繪可由關於通道C2、C4及C12所展示之實質上相同的電路表示。

通道C1…C12中之每一者包含發射器組（亦即，發射器組510(1)至510(12)中之一者）及二極體（亦即，二極體610(1)至610(12)中之一者），且耦接在高壓側開關514a或514b中之一者與低壓側開關412(1)至412(6)中一者之間。每一通道亦在其高壓側處耦接至電容器504(a)或504(b)中之一者，且兩個高壓側開關中之每一者耦接在電容器中一者與電源之間，所述電源將電壓（V_雷射器 ）供應至節點（例如，端子620），從而對電容器進行充電以驅動發射器組。

如上文關於圖4A及圖5所論述，閘極驅動器414(1)…414(6)（圖5中所展示為閘極驅動器414）響應於可由處理器、微控制器或其他電路（例如，發射器控制器115）生成的控制信號Ø₁ 至Ø₆ 開啟及斷開低壓側開關412(1)…412(6)。高壓側開關514a、514b可別稱為將發射器陣列及通道劃分至兩個單獨的電路中—A側（或A軌道）及B側（或B軌道）。因此，通道C1…C12可由A軌道通道A1…A6及B軌道通道B1…B6表示，其中通道C1 =通道A1，通道C2 =通道B1，通道C3 =通道A2，通道C4 =通道B2等，並且通道C11 =通道A6且通道C12 =通道B6。

開關514(a)及514(b)可為低功率開關，其處置顯著少於並且因此顯著小於高功率開關412(1)…412(6)的電流。因此，圖5及圖6中所描繪之本發明的實施例使用兩個低電流高壓側開關及六個高電流低壓側開關啟用十二個可獨立操作的通道，所述兩個電流高壓側開關及六個高電流低壓側開關比原本需要的十二個高電流低壓側開關佔據顯著較少的佔據面積。

在操作中，開關514a及514b分別控制電容器504a及504b之充電。一旦帶電，電容器可藉由開關412(1)…412(6)放電以將電流驅動通過發射器組。為了更好地理解電路600之操作，參考圖7A至圖7C，圖7A至圖7C為根據本發明的實施例之描繪電路600之操作的時序圖，其中電容器504a及504b相對較大（例如，在微法拉範圍中），且用於每一發射循環之通道C1至C12之起動序列為：A1，A2，A3，A4，A5，A6（其均連接至A軌道）隨後為B1，B2，B3，B4，B5，B6（其均連接至B軌道）。在圖7A至圖7C中之每一者中，在Y軸上表示電壓，且在X軸上表示時間，均在相同時間T₀ 開始。具體言之，圖7A描繪與對電容器504a充電及放電相關聯之電路之時序序列；圖7B描繪與對電容器504b充電及放電相關聯之電路之時序序列；且圖7C描繪響應於圖7A及圖7B中所描繪之時序信號的電容器504a及504b之電壓位準。雖然本發明的實施例不限於特定電壓位準，且因此圖7C中未展示電壓，但一些實施例在起動每一發射器組時在電容器中儲存20至50伏特。

本發明的實施例可藉由將Ø_A 信號設置為高閉合低電流FET 514a以啟動電容器504a之充電來啟動上文所描述的起動序列。一旦電容器充滿電（圖7A中之702），高電流開關412(1)...412(6)中之每一者藉由控制信號Ø₁ …Ø₆ 按順序啟動以將電流驅動通過與通道C1、C3、C5、C7、C9及C11相關聯之發射器並起動所述發射器。舉例而言，當控制信號Ø₁ 被施加高脈衝時，電容器504a藉由發射器組510(1)放電，從而起動通道C1中之每一發射器。脈衝Ø₁ 之長度判定起動發射器組510(1)之時間長度。由於電容器504a相當大並且脈衝Ø₁ 相當短，所以電容器504a在所述脈衝之後不完全放電並且反而保留電壓位準704展示的一定量的電荷。接著可針對通道C3、C5、C7、C9及C11重複相同序列。

在起動通道C11之後，

線可在時間706被施加高脈衝（或在如圖7A及圖7B中所描繪之電容器504b之充電及放電序列的持續時間內設置為高的）以啟動開關615a並且藉由地面對電容器504a進行充分放電，使得在電容器504a上不留下任何殘餘電荷，否則所述殘餘電荷在啟動B軌道時可能會起動A軌道通道A1、A2、A3、A4、A5及A6。

在起動了所有A軌道通道之後，Ø_B 信號被設置為高閉合低電流FET 514b以啟動電容器504b之充電。一旦電容器504b充滿電，那麼高電流開關412(1)…412(6)中之每一者藉由控制信號Ø₁ …Ø₆ 按順序被再次啟動以將電流驅動通過如上文關於A軌道所描述之B軌道通道B1、B2、B3、B4、B5及B6中之發射器並起動所述發射器。在彼序列結束時，

線可設置為高的以啟動開關615b並且藉由地面使電容器504b完全放電，使得電容器504b上不留下任何殘餘電荷，否則所述殘餘電荷當在下一發射循環期間啟動A軌道時可能會起動B軌道通道B1、B2、B3、B4、B5及B6。

本發明的一些實施例可採用較小電容器（例如，在皮法拉範圍中）作為電容器504a及504b。在此類實施例中，電容器可在起動每一通道之後完全放電，且起動給定通道中之發射器之時間長度將取決於電容器的放電時間而非信號Ø₁ …Ø₆ 之脈衝寬度。當電容器504a、504b在起動通道之後完全放電時，此類實施例在通道之時序序列上實現額外靈活性，因為在起動軌道A或B中之一者中之通道之前起動耦接至另一軌道之所有通道未必存在益處。舉例而言，通道自左至右的依序的起動序列（A1，B1，A2，B2，…A6，B6）以及其他任意起動序列均為可能的，在其他任意起動序列中，起動來自第一軌道之組之子集，隨後為來自第二軌道之組之子集（例如，A1，A2，B1，B2，A3，A4，B3，B4，A5，A6，B5，B6）。並且，在此類實施例中，開關615a、615b為視情況選用的，此係由於電容器504a、504b在每一起動事件之後藉由發射器陣列完全放電。

在一些實施例中，使用最小化電感之路徑將電流驅動通過通道。因此，使所述通道交替使得若干對通道（在一實施例中，具有兩個高壓側開關）由同一低壓側開關驅動可為有利的。舉例而言，如圖6中所展示，通道C1及C2各自由低壓側開關412(1)驅動，通道C3及C4各自由低壓側開關412(2)驅動。此配置可確保通過每對通道之電流路徑係類似的（基本上彼此平行）且因此所述對通道中之兩個通道（且並非所述系統中之所有通道）可具有類似電感。

雖然電子掃描雷射器陣列500（及電路600）在圖5及圖6中展示為包含使用兩個高壓側開關及六個低壓側開關之十二個通道，但在其他實施例中，陣列500可包含使用兩個高壓側開關及k /2個低壓側開關之k 個獨立控制的通道。再其他實施例可包含l 個高壓側開關及k /l 個低壓側開關以實施k 個獨立控制的通道。舉例而言，本發明的一個實施例可包含三個高壓側開關（且因此三個軌道A、B及C），及六個低壓側開關，從而啟用18個獨立控制的通道，所述高壓側開關中之每一者可耦接至專用電容器504。另一實施例可包含四個高壓側開關及八個低壓側開關，從而啟用32個獨立控制的通道。

圖8為根據本發明的一些實施例之意欲按恰當比例繪製電子掃描雷射器陣列800之簡化說明，所述電子掃描雷射器陣列在高壓側上具有12.8×6.4 mm發射器陣列810及0402電容器（為了易於說明，圖8中未展示）。發射器陣列800為具有50 um間隔之128×256發射器的陣列。如圖8中所展示，陣列810可包含16個獨立的驅動通道（如由十六個0.9 mm FET驅動器812及八個對應的雙通道閘極驅動器814所指示）使得驅動器812中之每一者通常將負責16行發射器。

然而，電子掃描雷射器陣列800可進一步包含兩個高壓側開關（為了易於說明，圖8中亦未展示），相較於驅動16行，所述高壓側開關使得FET驅動器812中之每一者能夠以增加的亮度一次驅動八行雷射器。在一些實施例中，電子掃描雷射器陣列800針對每一通道包含0402電容器，所述電容器容納足夠電荷以自20 V驅動電壓起動八行發射器。舉例而言： • 單次雷射照射所消耗之能量：1瓦特峰值功率*10e-9秒*(128*8)發射器= 10微焦耳 • 以20 V儲存於1 uF電容器中之能量= 0.5*C*V^2 = 0.5*1e-620V^2 = 200微焦耳

圖9為圖8中之電子掃描雷射器陣列800之部分A-A的簡化橫截面視圖。橫截面視圖中描繪安裝在陶瓷基板815上之VCSEL發射器陣列810、散熱片820、高壓側電容器804a及804b以及FET驅動器812。電容器804a及804b分別耦接至導電軌道830a及830b，所述導電軌道在電壓源（圖中未展示）與電容器及發射器陣列之間提供電氣路徑，且所述電容器使得與軌道中之每一者相關聯之電路能夠在印刷電路板825之相對側上。接地平面840分離兩個軌道，從而縮減軌道之間的電感。

本發明的一些實施例可藉由使用多通道閘極驅動器、多通道FET驅動器及/或雙組合式閘極驅動器/FET驅動器晶片而在發射器或雷射器陣列內節省佔據面積。舉例而言，圖8中所展示之每一雙通道閘極驅動器814可形成於單個IC上，使得存在用於雙通道閘極驅動器之八個IC，其中每一閘極驅動器IC啟動發射器陣列之兩個通道。八個閘極驅動器IC組合以在雷射器陣列800內佔據比十六個單通道閘極驅動器所需小的佔據面積。類似地，本發明的一些實施例可包含多通道FET驅動器，其中單個FET晶片可驅動發射器陣列之兩個或多於兩個通道，並且一些實施例可包含雙組合式閘極驅動器/FET驅動器晶片，其中單個IC可包含多通道閘極驅動器及多通道FET驅動器兩者。

本發明的實施例係關於LIDAR感測器，其可用於自主車輛中之障礙偵測及避讓以及其他用途。一些具體實施例係關於LIDAR感測器，其包含設計特徵，所述設計特徵使得能夠足夠便宜並且以足夠可靠性製造感測器並且使得能夠採用足夠小的佔據面積以用於大眾市場的汽車、卡車及其他車輛中。舉例而言，一些實施例包含一組垂直共振腔面射型雷射器（VCSEL）作為將輻射發射至現場中之照明源，並且包含單光子突崩二極體（SPAD）偵測器陣列作為偵測自現場中之表面反射回來之輻射的一組光感測器（偵測器）。使用VCSEL作為發射器及使用SPAD作為偵測器使得能夠同時進行多次量測（亦即，可同時起動VCSEL發射器）且亦使得發射器之集合及光感測器之集合能夠各自在單個晶片上製造，從而大大地簡化製造及裝配製程。

然而，在某些實施例中使用VCSEL及SPAD呈現本發明之各種實施例解決了的挑戰。舉例而言，VCSEL的功能遠不如用於現有的LIDAR架構中之典型的雷射器，並且SPAD的效率遠不如用於現有的LIDAR架構中之典型的偵測器。為了解決此等挑戰以及藉由同時起動多個發射器呈現之挑戰，本發明的某些實施例包含各種光學組件（例如，透鏡、濾波器及孔口層），所述光學組件可與SPAD之多個陣列協同工作，每一陣列對應於不同像素（例如，現場中之位置），如本文中所描述。舉例而言，如本文中關於圖1所論述，光感測模組108之光學系統128可包含用於增強由感測器陣列126偵測到之光的微光學件接收器層（圖1中未展示），所述感測器陣列可包含光感測器陣列，所述光感測器中之每一者可為SPAD之陣列。

圖10為根據本發明的一些實施例之說明例示性固態電子掃描LIDAR系統1000之詳細側視圖的簡圖。固態電子掃描LIDAR系統1000可包含光偵測系統1001及光發射系統1003。光發射系統1003運用窄頻帶光線1005提供對定位有系統1000之現場的至少一部分之有效照明。光偵測系統1001在自光發射系統1003發射之窄頻帶光已經由現場中之物件反射為反射光線1006後偵測所述窄頻帶光。

光偵測系統1001可表示上文關於圖1所論述的光偵測系統136。光偵測系統1001可包含光學感測系統及感測器陣列。光學感測系統可包含塊狀接收器光學件、孔口層、準直透鏡層及光學濾波器層；且感測器陣列可包含光感測器陣列，其中每一光感測器可包含用於量測光之一個或多個光偵測器。根據一些實施例，此等組件在一起操作以自現場接收光。舉例而言，光偵測系統1001可包含塊狀接收器光學件1002及微光學件接收器（Rx）層1004。在操作期間，光線1006自多個方向進入塊狀接收器光學件1002並且藉由塊狀接收器光學件1002變得聚焦以形成光錐1008。微光學件接收器層1004定位成使得孔口1010與塊狀接收器光學件1002之焦平面重合。在一些實施例中，微光學件接收器層1004可為微光學件接收器通道1012之一維或二維陣列，其中每一微光學件接收器通道1012由沿著相同軸線在光傳輸的方向（例如，如圖10中所展示，自左至右水平方向）上定位之各別孔口1010、準直透鏡1014及光感測器1016形成。此外，每一微光學件接收器通道1012可以各種方式組態以減少來自光感測器之間的雜散光之干擾。在操作期間，每一微光學件接收器通道1012量測用於不同像素（亦即，現場中之位置）之光資訊。

在塊狀接收器光學件1002之焦點處，光線1006聚焦且傳遞通過孔口層1011中之孔口1010並至各別準直透鏡1014中。每一準直透鏡1014使所接收之光準直，使得光線均以大約相同角度（例如，彼此平行）進入光學濾波器。塊狀接收器光學件1002之孔口及焦距判定在孔口1010處聚焦之各別光線之錐角。準直透鏡1014之孔口大小及焦距判定進入的射線的準直程度，從而判定在光學濾波器1018中可實施多窄的帶通。孔口層可在光偵測系統1000之操作期間提供各種功能。舉例而言，（1）孔口1010可限定像素視場，因此其具有嚴格的空間選擇性，儘管光感測器平面處具有大間距，（2）孔口1010可將視場限定為與發射器視場在大小上類似或相等以用於發射器光之高效使用，（3）孔口可在準直透鏡之焦平面處提供小的點狀源，以在射線傳遞通過濾波器之前實現射線之嚴格準直，其中較好的準直會產生可傳遞通過濾波器之較緊密的波段，並且(4)環繞每一孔口之孔口層的終止區可擋阻雜散光。在一些實施例中，不包含準直透鏡1014，且帶通濾波器通頻帶較窄。

光學濾波器1018阻擋不想要的光波長。基於干擾之濾波器在其效能上傾向於展現強烈的角度依賴性。舉例而言，在零度入射角下具有900 nm中心波長（CWL）之1 nm寬帶通濾波器在十五度入射角下可能具有898 nm之CWL。成像系統通常使用幾十奈米寬的濾波器來適應此效應，使得CWL之移位比帶通寬度小得多。然而，使用微光學件層1004允許所有射線以大約相同入射角進入光學濾波器1018，因此最小化CWL之移位並允許使用極緊密的濾波器（例如小於10 nm寬）。光感測器1016響應於入射光子生成電流或電壓。在一些實施例中，光學濾波器1018橫越微光學件接收器通道1012之整個陣列為均勻的，使得陣列中之每一個別微光學件接收器通道1012接收相同波長範圍的光。

在一些實施例中，光感測器1016定位於與準直透鏡1014相對的側上使得光線1006在曝光在光感測器1016上之前首先傳遞通過準直透鏡1014及光學濾波器1018。每一光感測器1016可為複數個光偵測器，諸如多個單光子突崩偵測器（SPAD）的微型陣列。SPAD之微型陣列的陣列可在單個單片晶片上製造，從而簡化製造。在一些替代實施例中，每一光感測器1016可為單個光偵測器，例如，標準光電二極體、雪崩光電二極體、諧振腔光電二極體，或另一類型之光偵測器。

光發射系統1003可包含塊狀傳輸器光學件1020及由光發射器1024之一維或二維陣列形成的發光層1022。每一光發射器1024可被組態成生成窄頻帶光的離散光束。在一些實施例中，發光層1022被組態成根據照明圖案將光之離散光束選擇性地投射通過塊狀傳輸器光學件1020，所述照明圖案與微光學件接收器層1004中之接收器通道之視場在橫越與光發射系統1003之一系列距離的大小及幾何結構上匹配。光發射器1024可為任何合適的發光裝置，諸如在一個或多個單片晶片上整合的垂直共振腔面射型雷射器（VCSEL），或任何其他類型的雷射二極體。光發射器1024可產生被導向到塊狀傳輸器光學件1020之窄頻帶光錐1026，所述塊狀傳輸器光學件可使光錐1026準直且接著將經過準直的光輸出至現場中的遠端目標作為所發射光線1005。在一些實施例中，塊狀傳輸器光學件1020為影像空間遠心的。

如自圖10中之平行光線1005及1006之說明顯而易見，每一微光學件接收器通道1012具有超出臨限距離之不重疊視場。如圖10中所展示，每一微光學件接收器通道1012包含來自複數個孔口之孔口、複數個透鏡之透鏡及來自複數個光偵測器之光偵測器，其中每一通道之孔口限定通道中之像素的離散視場，所述離散視場超出其他微光學件接收器通道之視場內的臨限距離不重疊。如此，每一微光學件接收器通道接收對應於現場中之離散位置的反射光，所述反射光不由微光學件接收器層1004中之任何其他微光學件接收器通道量測。

在額外及替代性實施例中，來自光錐1026之光線1005在藉由塊狀傳輸器光學件1020被導向至遠端目標之前藉由微光學件傳輸器層（圖中未展示）聚焦於空間中之中間平面上，以增強自光發射系統1003發射之光的亮度及強度。在此類實施例中，實施例、光發射系統1003及光偵測系統1001被組態成使得每一微光學件傳輸器通道（圖中未展示）與對應的微光學件接收器層1004配對，且其視場之中心對準以在距感測器之某一距離處重疊或使其主要射線平行。在其他額外及替代性實施例中，光發射系統1003發射之光的遠場光束與每一微光學件接收器層1004之遠場視場具有類似大小及發散角。下文將詳細地論述具有用於增強輸出光之亮度及強度之微光學件傳輸器層的光發射系統1003之細節。

因為VCSEL的功能不如一些現有LIDAR架構中之典型的雷射器，所以在一些實施例中，光發射系統106可被組態成改良LIDAR系統100之能力以執行光測距功能性。亦即，光發射系統106發射之光的品質可被增強以改良光測距準確度及效率。可就亮度及強度而言定義用於光測距及成像目的之傳輸光之品質。自塊狀傳輸器光學件144發射之光線的亮度及強度可藉由修改及/或實施一個或多個光學件傳輸器層來增強。 圖11為根據本發明的一些實施例之例示性增強型光發射系統1100之簡化橫截面視圖。光發射系統1100可包含具有光發射器1104之光發射器陣列1102，所述光發射器例如可包括但不限於用於發射光1113之LED、雷射器二極體、VCSEL等等中的任一者。VCSEL為半導體雷射二極體之類型，其中雷射光束發射自頂部表面垂直。應注意，圖11中所展示之線性陣列可為發射器陣列之任何幾何形式，包含但不限於圓形、矩形、線性或任何其他幾何形狀。

增強型光發射系統1100可包含與光發射器陣列1102藉由開放空間1118分離的微光學件傳輸器通道陣列1106。每一微光學件傳輸器通道1108可與對應的接收器通道（例如，圖5中之接收器通道512）配對，且其視場之中心被對準以在距光學成像器系統之某一距離處重疊。微光學件傳輸器通道陣列1106可由基板1119形成，所述基板包夾於定位於面向光發射器陣列1102之側上之第一光學表面1120與定位於背離光發射器陣列1102之相對側上之第二光學表面1121之間。第一光學表面1120及第二光學表面1121可各自被組態為凸微光學件透鏡陣列，其中第一光學表面1120之每一凸透鏡被組態成與第二光學表面1120之各別凸透鏡在光學上對準，使得通過第一光學表面1120之光傳輸可隨後被傳輸通過第二光學表面1121。來自第一光學表面1120及第二光學表面1121之對應的凸透鏡可如圖11中所展示背離彼此。在某些實施例中，第一光學表面1120之凸透鏡具有第一光焦度，且第二光學表面1121之凸透鏡具有不同於第一光焦度之第二光焦度。舉例而言，第二光焦度可大於第一光焦度，使得第二光焦度之焦距短於第一光焦度之焦距。基板1119可由在光發射器1104之波長範圍內為透射的任何合適的材料形成，諸如矽、二氧化矽、硼矽酸玻璃、聚合物等等。第一光學表面1120及第二光學表面1121可由透明聚合物形成，所述透明聚合物壓印在基板1119之各別相對表面上。

在一些實施例中，微光學件傳輸器通道陣列1106可由微光學件傳輸器通道1108之單片陣列形成。每一微光學件傳輸器通道1108可包含來自第一光學表面1120之第一凸透鏡、來自第二光學表面1121之對應的第二凸透鏡及定位於兩個凸透鏡之間的基板1119之對應部分。每一微光學件傳輸器通道1108可對應於各別光發射器1104，使得自光發射器1104輸出之光在操作期間首先傳遞通過第一凸透鏡，通過基板1119之對應區，且接著通過第二凸透鏡。

一旦光從第二光學表面1121的第二凸透鏡發射出來，那麼光形成微型的光點影像1110，所述微型光點影像為對應的光發射器1104之真實影像，但為對應的光發射器1104之縮減的大小。在一些實施例中，微型光點影像1110定位於微光學件傳輸器通道陣列1106與塊狀傳輸器光學件1114之間。舉例而言，微型光點影像1110可形成於孔口層1109之各別孔口內。每一孔口可為反射層或不透明層中之針孔，所發射光聚焦在所述針孔中以形成微型光點影像1110。應瞭解，孔口層1109係視情況選用的，且可在無孔口層1109之情況下獲得微光學件傳輸器通道陣列1106之光增強能力。在此類實施例中，微型光點影像1110可形成於第二光學表面1121之第二凸透鏡的焦平面處。自此，繼續遠離光發射器及微光學件通道兩者，光形成伸向塊狀傳輸器光學件1114之光錐1112。

根據本發明的一些實施例，所發射光1113之發散度可小於光錐1112之發散度。此發散偏差可藉由微光學件傳輸器通道1108，特別是藉由第二光學表面1121之光焦度產生。因為自微光學件傳輸器通道1108離開之光的發散大於來自光發射器1104之所發射光1113的發散，所以微型光點影像1110可為光發射器1104之真實影像，但比光發射器1104之大小小得多，且與所發射光1113具有相同數目的光子。在形成真實光點影像之後形成的所得光錐1112接著在傳遞通過塊狀傳輸器光學件1114之後投射至現場中作為每一光發射器1104之光1125的離散光束。自光發射系統1100發出之所得光線為光1125之具有小橫截面積的高度準直的光束，從而產生可輸出具有增強的亮度及強度之光的光發射系統1100。相比之下，不具有微光學件通道陣列但反而在塊狀傳輸器光學件1114之焦平面處具有光發射器陣列1102之系統將產生明顯經過較少準直之光束，並且此等光束將因此在遠場中具有較大橫截面積。

應注意，塊狀傳輸器光學件1114可包含單個透鏡或透鏡集群，其中兩個或多於兩個透鏡在一起起作用以形成塊狀傳輸器光學件1114。使用塊狀傳輸器光學件1114內之多個透鏡可增加數值孔徑，縮減RMS光點大小，平化影像平面，改良遠心性，或另外改良塊狀傳輸器光學件1114之效能。亦應注意，對於一些實施例，光錐1112可重疊，從而形成錐體重疊區1116。

塊狀傳輸器光學件1114定位在微光學件及發射層前方，使得塊狀成像光學件之焦平面與微型化光點影像1110重合。塊狀傳輸器光學件1114接受發散光錐1112並輸出準直光束。其數值孔口可至少大到足以擷取發散射線錐體中的整個角度範圍。並且，塊狀傳輸器光學件1114可為影像空間遠心的，此係由於離開微光學件層之光錐1112可均並行（而非具有瞄向塊狀光學件之中心的其中心軸線）。在一個實施例中，光可大約準直地離開塊狀傳輸器光學件1114。應注意，光束準直之品質與焦平面處之「發射物件」（微型光點影像1110）之大小相關。由於已經使用了微光學件堆疊縮減了此「發射物件」大小，因此相比於直接簡單地對發射器物件成像之情況，可獲得較好的準直角度。

儘管圖11展示了具有微光學件通道陣列之增強型光發射系統，所述微光學件通道陣列由包夾於第一光學表面與第二光學表面之間的基板形成並且藉由開放空間與光發射器陣列定位成相距一距離以改良光發射系統輸出的光之亮度及強度，但實施例不限於此類組態。實情為，其他實施例未必實施開放空間或兩個光學表面，如2018年5月14日申請的名為「具有亮度增強之光學成像傳輸器（Optical Imaging Transmitter with Brightness Enhancement）」且出於所有目的以全文引用的方式併入本文中之相關美國專利申請案第15/979,235號進一步詳細論述。

根據本發明的一些實施例，電子掃描LIDAR系統可被組態為具有固定架構之固態系統。此類LIDAR系統不旋轉，且因此不需要單獨的馬達來旋轉感測器及傳輸器模組。根據本發明的實施例之特定固態LIDAR系統之視場及解析度可取決於若干相關因素，諸如但不限於感測器陣列之大小、感測器陣列中之光感測器的間距、發射器陣列之間距、發射器陣列之大小，及單個光感測器中之SPAD的間距。較大感測器陣列可產生較大視場，其中感測器間距之大小係恆定的。另外，在感測器陣列之大小係恆定的情況下，較小光感測器間距可產生較高解析度影像，但可產生較小視場。

為了符合一些商業LIDAR規範的要求，可以各種方式設計電氣掃描LIDAR系統。舉例而言，一些商業LIDAR規範需要在水平方向上之大約45度及在豎直方向上之22.5度的最小視場，並且需要大約256像素乘128像素之最小解析度。根據本發明的一些實施例之掃描LIDAR系統可設計成藉由組態成具有陣列為256個乘128個光感測器之感測器陣列來符合此等要求。為了使陣列之大小緊湊，光感測器間距的豎直及水平尺寸可介於50至70 μm之範圍內，在某些實施例中尤其為60 μm；且在每一光感測器由十六個SPAD之集合形成之實施例中，SPAD間距可介於5至15 μm之範圍內，在某些實施例中尤其為10 μm。感測器陣列之所得大小可大致為15 mm×7.6 mm。

在一些實施例中，根據本發明之多個電氣掃描LIDAR單元可在一起工作以提供大於單個單元之視場。舉例而言，圖12說明實施1200，其中固態電子掃描LIDAR系統1202a至1202d根據本發明之一些實施例實施在諸如汽車之道路車輛1205之外部區處；且圖13說明實施1300，其中固態電子掃描LIDAR系統1302a至1302b根據本發明之一些實施例實施於道路車輛1305之頂部上。在每一實施中，LIDAR系統之數目、LIDAR系統之置放及每一LIDAR系統之視場可經選擇以獲得環繞車輛之環境的360度視場之大部分，若非整個的話。在本文中選擇LIDAR系統之汽車實施僅用於說明目的，且本文中所描述之感測器可用於例如船、飛機、火車等的其他類型之載具中，以及3D深度影像有用的多種其他應用中，諸如醫療成像、行動電話、擴增實境、大地測量、空間資訊、考古學、地理、地質學、地形學、地震學、林業、大氣壓物理學、雷射引導、空中雷射條帶測繪（ALSM）以及雷射測高法。

參看圖12，固態電子掃描LIDAR系統1202a至1202d可安裝在車輛之外部區處，接近前擋泥板和後擋泥板。LIDAR系統1202a至1202d可各自定位於車輛1205之各別拐角處，使得其接近車輛1205之最外部拐角定位。如此，LIDAR系統1202a至1202d可較好地量測車輛1205距區域1206a至1206d處的現場中之物件的距離。每一固態LIDAR系統可面向不同方向（有可能單元之間具有部分地重疊及/或不重疊的視場）以便擷取大於每一單元自身能夠擷取的視場的複合視場。場景內之物件可反射自LIDAR Tx模組1208發射之光脈衝1210之部分。光脈衝1210之一個或多個反射部分1212接著行進回至LIDAR系統1202a且可由Rx模組1209接收。Rx模組1209可與Tx模組1208安置於相同的外殼中。如本文中所論述，電子掃描LIDAR系統1202a至1202d可電子地掃描場景以擷取場景之影像。因此，LIDAR系統1202a可在點1220與1222之間掃描以擷取區域1206a處之現場中的物件，並且系統1202b至1202d及區域1206b至1206d亦如此。

儘管圖12說明安裝在車輛的四個拐角處之四個固態電子掃描LIDAR系統，但實施例不限於此類組態。其他實施例可具有安裝在車輛之其他區上的較少或較多的固態電子掃描LIDAR系統。舉例而言，電子掃描LIDAR系統可安裝在車輛的車頂上，如圖13中所展示。在此類實施例中，電子掃描LIDAR系統1302a至1302b可具有較高的有利點以更好地觀測車輛1305周圍的區域1307a至1307b。在一些實施例中，可藉由其他方式，諸如基於晶片之光束操控技術，例如，藉由使用微晶片來實施掃描，所述微晶片採用一個或多個基於MEMS之反射器，諸如數位微鏡（DMD）裝置、數位光處理（DLP）裝置等等。

如本文中所提及，LIDAR系統之數目、LIDAR系統之置放及每一LIDAR系統之視場可經選擇以獲得環繞車輛之環境的360度視場之大部分，若非整個的話。因此，每一LIDAR系統1202a至1202d可設計成具有大約90度的視場，使得當實施所有四個系統1220a至1220d時，可觀測到車輛1205周圍的360度視場的全部或大部分。在每一LIDAR系統1202a至1202d具有小於90度的視場（諸如45度視場）的實施例中，可視需要包含額外LIDAR系統以擴展視場，以達成特定實施可能需要的組合視場。

儘管已經關於具體實施例描述本發明，但應瞭解，本發明意欲涵蓋以下申請專利範圍之範疇內的所有修改及等效物。

100:例示性固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 102:光測距裝置 104:測距系統控制器 106:光傳輸（Tx）模組 108:光感測（Rx）模組 110:光脈衝流 112:反射部分 114:發射器陣列 115:發射器控制器 116:Tx光學系統 117:時鐘 118:處理器 119:通信線 120:記憶體 122:處理器 124:記憶體 125:感測器控制器 126:感測器陣列 128:接收器光學感測系統 130:處理器 132:記憶體 136:光偵測系統 138:光發射系統 140:接收器塊狀接收器光學件 142:接收器光學組件 144:塊狀傳輸器光學件 146:Tx光學組件 150:使用者介面 184:塊狀傳輸器光學件 200:例示性固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 210:發射器陣列 212:發射器 214₍₁₎:發射器組 214₍₂₎:發射器組 214₍₆₎:發射器組 220:感測器陣列 222:感測器陣列 224₍₁₎:感測器組 224₍₂₎:感測器組 224₍₆₎:感測器組 300:電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 310:發射器陣列 312(1):發射器組 312(n):發射器組 314(1):照明光束 314(n):照明光束 315(1):區 315(n):區 320:感測器陣列 322(1):感測器組 322(n):感測器組 324(1):光 324(n):光 330:樹/物件 332:汽車 350:固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 382:錐體 384:塊狀傳輸器光學件 386:所發射光 388:脈衝光 390:塊狀接收器光學件 392:反射光 394:重疊區 396:重疊區 398:重疊區 400:電子掃描雷射器陣列 402:光發射器 404:電容器組 405:陶瓷或其他合適基板/電氣連接陣列 406:接觸陣列 408:接觸陣列 410:發射器陣列 410(1):發射器組 410(2):發射器組 410(6):發射器組 412:FET驅動器/低壓側開關 412(1):低壓側開關 412(2):低壓側開關 412(6):低壓側開關 414:閘極驅動器 414(1):閘極驅動器 414(2):閘極驅動器 414(6):閘極驅動器 415:陶瓷次基座 416:電連接器 420:電氣連接 422:互連結構 424:電氣連接 430:電氣連接 500:電子掃描雷射器陣列 504a:電容器組 504(a):電容器 504b:電容器組 504(b):電容器 510(1):發射器組 510(2):發射器組 510(3):發射器組 510(4):發射器組 510(11):發射器組 510(12):發射器組 514a:高壓側開關 514(a):開關 514b:高壓側開關 514(b):開關 516a:FET 516b:FET 518a:互連件 518b:互連件 600:電子電路 610(1):二極體 610(2):二極體 610(3):二極體 610(4):二極體 610(11):二極體 610(12):二極體 615a:開關 615b:開關 620:端子 704:電壓位準 706:時間 800:電子掃描雷射器陣列 804a:高壓側電容器 804b:高壓側電容器 810:VCSEL發射器陣列 812:FET驅動器 814:雙通道閘極驅動器 815:陶瓷基板 820:散熱片 825:印刷電路板 830a:導電軌道 830b:導電軌道 840:接地平面 1000:例示性固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 1001:光偵測系統 1002:塊狀接收器光學件 1003:光發射系統 1004:微光學件接收器（Rx）層 1005:窄頻帶光線 1006:反射光線 1008:光錐 1010:孔口 1011:孔口層 1012:微光學件接收器通道 1014:準直透鏡 1016:光感測器 1018:光學濾波器 1020:塊狀傳輸器光學件 1022:發光層 1024:光發射器 1026:窄頻帶光錐 1100:示性增強型光發射系統 1102:光發射器陣列 1104:光發射器 1106:微光學件傳輸器通道陣列 1108:微光學件傳輸器通道 1109:孔口層 1110:微型的光點影像 1112:光錐 1113:光 1114:塊狀傳輸器光學件 1116:錐體重疊區 1118:開放空間 1119:基板 1120:第一光學表面 1121:第二光學表面 1125:光 1200:實施 1202a:固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 1202b:固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 1202c:固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 1202d:固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 1205:道路車輛 1206a:區域 1206b:區域 1206c:區域 1206d:區域 1208:光成像、偵測及測距（LIDAR）Tx模組 1209:Rx模組 1210:光脈衝 1212:反射部分 1220:點 1220a至1220d:系統 1222:點 1300:實施 1302a:固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 1302b:固態電子掃描光成像、偵測及測距（LIDAR）系統 1305:道路車輛 1307a:區域 1307b:區域 A-A:部分 C1:通道 C2:通道 C3:通道 C4:通道 C11:通道 C12:通道 Ø₁:控制信號 Ø₂:控制信號 Ø₃:控制信號 Ø₄:控制信號 Ø₅:控制信號 Ø₆:控制信號 Ø_A:控制信號 Ø_B:控制信號

圖1為根據本發明的一些實施例之例示性固態電子掃描LIDAR系統之方塊圖；

圖2A為根據本發明的一些實施例之用於例示性固態電子掃描LIDAR系統的發射器陣列及感測器陣列之簡化說明；

圖2B至圖2D為根據本發明的一些實施例之說明發射器陣列之例示性起動序列及感測器陣列之感測器讀出序列的簡化圖；

圖3A說明特定情境中根據本發明的一些實施例之電子掃描LIDAR系統的光傳輸及偵測操作之實例；

圖3B為根據本發明的一些實施例之發射器陣列及感測器陣列之重疊視野的簡化說明；

圖4A為可併入至固態LIDAR系統中之例示性電子掃描雷射器陣列之簡化俯視方塊圖；

圖4B為意欲為恰當的比例說明的簡圖，其描繪支援根據圖4A中所描繪之例示性系統的十六（16）通道發射器陣列之驅動器的配置；

圖5為可併入至固態LIDAR系統中之根據本發明的一些實施例之電子掃描雷射器陣列的簡化俯視方塊圖；

圖6為表示圖5中所展示之電子掃描雷射器陣列500之電子電路的示意圖；

圖7A至圖7C為根據本發明之一些實施例的描繪圖6中所展示之電子電路600之操作的時序圖；

圖8為本發明的根據一些實施例之電子掃描雷射器陣列的簡化說明；

圖9為圖8中之部分A-A的簡化橫截面視圖；

圖10為根據本發明的一些實施例之說明例示性固態電子掃描LIDAR系統之詳細側視圖的簡圖；

圖11為根據本發明的一些實施例之例示性增強型光發射系統之簡化橫截面視圖；

圖12為根據本發明之一些實施例的在道路車輛之外部區處實施之固態電子掃描LIDAR系統的簡化說明；且

圖13為根據本發明之一些實施例的實施於道路車輛之頂部上的固態電子掃描LIDAR系統之簡化說明。

402:光發射器

405:陶瓷或其他合適基板/電氣連接陣列

406:接觸陣列

408:接觸陣列

410:發射器陣列

412:FET驅動器/低壓側開關

414:閘極驅動器

415:陶瓷次基座

416:電連接器

420:電氣連接

422:互連結構

424:電氣連接

500:電子掃描雷射器陣列

504a:電容器組

504b:電容器組

510(1):發射器組

510(2):發射器組

510(12):發射器組

514a:高壓側開關

514b:高壓側開關

516a:FET

516b:FET

518a:互連件

518b:互連件

Claims (20)

1. 一種電子掃描發射器陣列，其包括： 光發射器之一二維陣列，其包括k 個發射器組，其中所述k 個發射器組中之每一者包含光發射器之所述二維陣列中之發射器之一子集並且可獨立地用於自其發射器子集發射光；以及 第一電容器組及第二電容器組，其被耦接以將能量提供至光發射器之所述二維陣列，所述第一電容器組及所述第二電容器組中之每一者包含至少一個電容器；以及 發射器陣列驅動電路，其耦接至所述第一電容器組及所述第二電容器組以及所述k 個發射器組，所述發射器陣列驅動電路被組態成根據一起動序列一次起動所述k 個發射器組中之一個發射器組，直至起動所述k 個發射器組中之每一者為止，所述發射器陣列驅動電路包含耦接在所述第一電容器組與一電壓源之間的一第一高壓側開關、耦接在所述第二電容器組與所述電壓源之間的一第二高壓側開關，及耦接在所述k 個發射器組與地面之間的k /2個低壓側開關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描發射器陣列，其中光發射器之所述二維陣列經過對準以根據一照明圖案將光之離散光束投射至所述發射器陣列外部的一現場中，其中所述照明圖案中之每一離散光束表示所述現場內之一不重疊視場。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電子掃描發射器陣列，其中所述k 個發射器組在發射器之所述二維陣列內並排對準。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描發射器陣列，其中： 所述k 個發射器組包括一第一複數個發射器組及一第二複數個發射器組； 所述第一電容器組耦接至所述第一複數個發射器組之陽極； 所述第二電容器組耦接至所述第二複數個發射器組之陽極；且 所述發射器陣列驅動電路被組態成在複數個連續發射循環中驅動所述發射器陣列，其中在每一發射循環期間，所述起動序列起動所述第一複數個發射器組中之所有發射器組且接著起動所述第二複數個發射器組中之所有發射器組。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電子掃描發射器陣列，其中所述第一複數個發射器組及所述第二複數個發射器組中之每一者包含n 個發射器組，並且在每一發射循環期間，所述發射器陣列驅動電路被組態成： 在起動所述第一複數個發射器組中之第一個發射器組至第n個發射器組中之每一者之後，對所述第一電容器組進行部分放電，且接著在起動所述第一複數個發射器組中之所有所述發射器組之後，對所述第一電容器組進行完全放電；以及 在起動所述第二複數個發射器組中之第一個發射器組至第n個發射器組中之每一者之後，對所述第二電容器組進行部分放電，且接著在起動所述第二複數個發射器組中之所有所述發射器組之後，對所述第二電容器組進行完全放電。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描發射器陣列，其中所述k 個發射器組包括一第一複數個發射器組及一第二複數個發射器組； 所述第一電容器組耦接至所述第一複數個發射器組之陽極； 所述第二電容器組耦接至所述第二複數個發射器組之陽極；且 所述發射器陣列驅動電路被組態成在複數個連續發射循環中驅動所述發射器陣列，其中在每一發射循環期間，所述起動序列在起動來自所述第一複數個發射器組之一發射器組與來自所述第二複數個發射器組之一發射器組之間交替。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電子掃描發射器陣列，其中所述發射器陣列驅動電路被組態成在起動一發射器組之每一情況之後，對耦接至所述發射器之所述電容器組進行完全放電。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描發射器陣列，其中所述低壓側開關中之每一者被組態成處置所述第一高壓側開關及所述第二高壓側開關至少10倍的一電流量。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描發射器陣列，其進一步包括與每一發射器組串聯耦接在所述發射器組與其各別低壓側開關之間的一二極體，所述二極體被組態成承受高反向電壓以保護所述發射器組免於不合需要的電流流動通過所述發射器組。
10. 如申請專利範圍第1項至第9項所述之電子掃描發射器陣列，其進一步包括耦接至每一低壓側開關之一閘極驅動器，所述閘極驅動器被組態成響應於一控制信號開啟其各別低壓側開關。
11. 如申請專利範圍第1項至第9項中任一項所述之電子掃描發射器陣列，其中複數個發射器中之每一發射器包括一垂直共振腔面射型雷射器（VCSEL）。
12. 一種電子掃描發射器陣列，其包括： 光發射器之一二維陣列，其包含k 個發射器組，其中所述k 個發射器組中之每一者包含光發射器之所述二維陣列中之發射器之一子集並且可獨立地用於自其發射器子集發射光；以及 複數個電容器，其以l 個電容器組配置且被耦接以將能量提供至光發射器之所述二維陣列，所述l 個電容器組中之每一者包含至少一個電容器； 發射器陣列驅動電路，其耦接至所述l 個電容器組及所述k 個發射器組，所述發射器陣列驅動電路被組態成根據一起動序列一次起動所述k 個發射器組中之一個發射器組，直至起動所述k 個發射器組中之每一者為止，所述發射器陣列驅動電路包含：l 個高壓側開關，所述l 個高壓側開關中之每一者耦接在所述l 個電容器組中之一者與一電壓源之間；及k /l 個低壓側開關，所述k /l 個低壓側開關中之每一者耦接在所述k 個發射器組與地面之間。
13. 一種固態光學系統，其包括： 光發射器之一二維陣列，其包括k 個發射器組，其中所述k 個發射器組中之每一者包含光發射器之所述二維陣列中之發射器之一子集並且可獨立地用於自其發射器子集發射光； 光感測器之一陣列，其包括k 個光感測器組，其中所述k 個光感測器組中之每一者與光傳輸模組中之所述k 個發射器組中之一者配對； 第一電容器組及第二電容器組，其被耦接以將能量提供至光發射器之所述二維陣列，所述第一電容器組及所述第二電容器組中之每一者包含至少一個電容器；以及 發射器陣列驅動電路，其耦接至所述第一電容器組及所述第二電容器組以及所述k 個發射器組，所述發射器陣列驅動電路被組態成根據一起動序列一次起動所述k 個發射器組中之一個發射器組，直至起動所述k 個發射器組中之每一者為止，所述發射器陣列驅動電路包含耦接在所述第一電容器組與一電壓源之間的一第一高壓側開關、耦接在所述第二電容器組與所述電壓源之間的一第二高壓側開關，及耦接在所述k 個發射器組與地面之間的k /2個低壓側開關；以及 感測器陣列讀出電路，其耦接至光感測器之所述陣列且被組態成使所述陣列內之所述k 個光感測器組中之每一者的讀出同時與所述k 個發射器組中之其對應的發射器組之起動同步，使得可啟動個別光發射器之所述二維陣列中之每一光發射器並且可藉由一個發射循環讀出光感測器之所述陣列中之每一光感測器。
14. 如申請專利範圍第13項所述之固態光學系統，其中光發射器之所述二維陣列經過對準以根據一照明圖案將光之離散光束投射至所述發射器陣列外部的一現場中，其中所述照明圖案中之每一離散光束表示所述現場內之一不重疊視場。
15. 如申請專利範圍第14項所述之固態光學系統，其中每一光發射器之一視場與其對應的光感測器之一視場匹配。
16. 如申請專利範圍第14項所述之固態光學系統，其中所述k 個發射器組在發射器之所述二維陣列內並排對準。
17. 如申請專利範圍第13項至第16項中任一項所述之固態光學系統，其中 所述k 個發射器組包括一第一複數個發射器組及一第二複數個發射器組； 所述第一電容器組耦接至所述第一複數個發射器組； 所述第二電容器組耦接至所述第二複數個發射器組； 所述發射器陣列驅動電路被組態成在複數個連續發射循環中驅動所述發射器陣列，其中在每一發射循環期間，所述起動序列起動所述第一複數個發射器組中之所有發射器組且接著起動所述第二複數個發射器組中之所有發射器組；且 所述第一複數個發射器組及所述第二複數個發射器組中之每一者包含n 個發射器組，且在每一發射循環期間，所述發射器陣列驅動電路被組態成：在起動所述第一複數個發射器組中之第一個發射器組至第n個發射器組中之每一者之後，對所述第一電容器組進行部分放電，且接著在起動所述第一複數個發射器組中之所有所述發射器組之後，對所述第一電容器組進行完全放電；及在起動所述第二複數個發射器組中之第一個發射器組至第n個發射器組中之每一者之後，對所述第二電容器組進行部分放電，且接著起動所述第二複數個發射器組中之所有所述發射器組，對所述第二電容器組進行完全放電。
18. 如申請專利範圍第13項至第16項中任一項所述之固態光學系統，其中： 所述k 個發射器組包括一第一複數個發射器組及一第二複數個發射器組； 所述第一電容器組耦接至所述第一複數個發射器組之陽極； 所述第二電容器組耦接至所述第二複數個發射器組之陽極； 所述發射器陣列驅動電路被組態成在複數個連續發射循環中驅動所述發射器陣列，其中在每一發射循環期間，所述起動序列在起動來自所述第一複數個發射器組之一發射器組與來自所述第二複數個發射器組之一發射器組之間交替；且 所述發射器陣列驅動電路被組態成在起動一發射器組之每一情況之後，對耦接至起動的發射器組之所述電容器組進行完全放電。
19. 如申請專利範圍第13項至第16項中任一項所述之固態光學系統，其中光感測器之所述陣列中之每一光感測器包含複數個SPADS，且光發射器之一二維陣列中之每一光發射器為一垂直共振腔面射型雷射器（VCSEL）。
20. 如申請專利範圍第13項至第16項所述之固態光學系統，其中光感測模組進一步包含具有複數個孔口之一孔口層，且所述孔口層及光感測器之陣列被配置成形成複數個接收器通道，其中所述複數個接收器通道中之每一接收器通道包含來自所述複數個孔口之一孔口及來自光感測器之所述陣列之一光感測器，其中所述孔口限定所述接收器通道中之所述光感測器之所述視場。

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