TWI649578B - 用於遠端感測接收器之中程光學系統 - Google Patents

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TWI649578B TW106128494A TW106128494A TWI649578B TW I649578 B TWI649578 B TW I649578B TW 106128494 A TW106128494 A TW 106128494A TW 106128494 A TW106128494 A TW 106128494A TW I649578 B TWI649578 B TW I649578B
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亞歷山大 什蓬特
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Abstract

本發明揭示光學系統，其等可舉例而言用在光測距及偵測(LiDAR)應用中，舉例而言，用在實施在LiDAR中組合雷射脈衝傳輸且包括雙傳輸及接收系統的系統中。在LiDAR應用中的一雙接收器系統之接收器組件可包括一中程（50公尺或更少）接收器光學系統，該中程接收器光學系統具有一中等入射光瞳及小光圈值且具有一中等至寬視場。該光學系統可利用濾光器、掃描鏡、及一（或多個）標稱一維SPAD以增加正光子事件之可能性。

Description

用於遠端感測接收器之中程光學系統
遠端感測技術提供關於系統外部環境的資訊給不同系統。各式各樣技術應用可依賴於操作的遠端感測系統及裝置。此外，隨著越來越多系統企圖利用更大量資料以在動態環境中執行不同任務；遠端感測提供可係實用決策的環境資料。舉例而言，導引機械操作之控制系統可利用遠端感測裝置以偵測一工作空間內的物體。在一些情境中，諸如光測距及偵測(LiDAR)的以雷射為基礎之感測技術可提供可指示不同物體至該LiDAR之接近度的高解析度環境資料，諸如深度圖。
本文描述光學方法及系統，其等可舉例而言用在光測距及偵測(LiDAR)應用中，舉例而言，用在實施在LiDAR中組合雷射脈衝傳輸且包括雙傳輸及接收系統的系統中。在LiDAR應用中的一雙接收器系統之接收器組件可包括一中程(例如，50公尺或更少)接收器光學系統之一實施例，其具有一中等入射光瞳(例如，在10毫米至15毫米(mm)之範圍內，舉例而言，12.7mm)及小光圈值(F-number)(例如，1.6或更少)且具有一中等至寬視場。(入射光 瞳係如透過光學系統之前方所見的物理孔徑光闌之光學影像)。在一些實施例中，該中程光學系統之視場可係介於15度與60度之間。該光學系統可利用濾光器、掃描鏡、及一(或多個)標稱一維SPAD以增加正光子事件之可能性。
描述一種實例光測距及偵測(LiDAR)裝置，其在一共同光學路徑中組合雷射脈衝傳輸，且可在其中實施如本文所描述之光學系統之實施例。在該實例LiDAR裝置中，不同雷射傳輸器可傳輸各別脈衝列，該等脈衝列可根據雷射脈衝之偏光狀態而在該LiDAR之該共同光學路徑中組合及分離。依此方式，可組合不同類型雷射脈衝，包括具有不同波長、寬度、或振幅之雷射脈衝。可動態地修改在不同脈衝列中的雷射脈衝之傳輸，以調整傳輸雷射脈衝之時序，使得可實施不同掃描型樣。該LiDAR裝置之接收器組件可併入如本文所描述之中程接收器光學系統之實施例。在各種實施例中，該LiDAR裝置之接收器組件亦可併入一如本文所描述之長程(例如，20公尺至200公尺)及/或短程(例如，20公尺或更少)接收器光學系統之實施例。用於LiDAR之雙傳輸及接收系統之一優勢係一可實現架構，其包括掃描鏡、微機電(MEMS)鏡、單光子崩潰偵測器(SPAD)，用於計數來自近(短)程(例如，20公尺或更少)、中程(例如，50公尺或更少)、及/或長程(例如，20公尺至200公尺)的具有可接受製造風險、眼睛安全邊限、及光子偵測之可能性的單光電子事件。
此專利說明書包括對「一個實施例(one embodiment)」或「一實施例(an embodiment)」的指稱。片語「在一個實施例中(in one embodiment)」或「在一實施例中(in an embodiment)」的出現不必然指稱相同實施例。可以與此揭露一致的任何合適方式結合特定特徵、結構、或特性。
「包含(Comprising)」。此用語係開放式。如在隨附之申請專利範圍中所用者，此用語不排除額外的結構或步驟。設想一請求項，其敘述： 「一種設備，其包含一或多個處理器單元…」。此一類請求項不排除該設備包括額外組件(例如，一網路介面單元、圖形電路系統等)。
「經組態以(Configured To)」。可敘述或主張各種單元、電路、或其他組件為「經組態以」執行一任務或多個任務。在此類上下文中，「經組態以」係用於藉由指示該等單元/電路/組件包括在操作期間執行彼等(一或多個)任務的結構(例如，電路系統)來表示結構。因而，即使當指定單元/電路/組件當前並不操作(例如，未接通)，仍可稱該單元/電路/組件經組態以執行該任務。與「經組態以」用語一起使用的該等單元/電路/組件包括硬體-例如，電路、記憶體(其儲存可執行以實施操作之程式指令)等。敘述一單元/電路/組件「經組態以」執行一或多個任務，係明確地意欲不援引35 U.S.C.§ 112(f)對該單元/電路/組件進行解讀。此外，「經組態以」可包括通用結構(generic structure)(例如，通用電路系統)，其係藉由軟體及/或韌體(例如，FPGA或執行軟體的一般用途處理器)操縱，以能夠執行待解決之(一或多個)任務的方式進行操作。「經組態以」亦可包括調適一製造程序(例如，一半導體製造設備)以製造經調適以實施或執行一或多個任務的裝置(例如，積體電路)。
「第一(First)」、「第二(Second)」等。如本文所用，這些用語係用作名詞的前導標示，且不意味著任何類型的排序(例如，空間、時間、邏輯等)。例如，可在本文中將一緩衝器電路敘述為針對「第一」及「第二」值執行寫入操作。「第一」及「第二」的用語不必然意味著必須在該第二值之前寫入該第一值。
「基於(Based On)」。如本文所用，此用語係用於敘述影響一判定的一或多個因素。此用語不排除可能影響一判定的額外因素。也就是說，一判定可僅基於彼等因素或至少部分基於彼等因素。考慮片語「基於B判定A」。雖然在此情況下，B係一影響A之判定的因素，此一類片語不排除亦基於C來判定A。在其他例子中，A可僅基於B而判定。
100‧‧‧接收器光學系統
101‧‧‧透鏡；第一透鏡元件；透鏡元件
102‧‧‧透鏡；透鏡元件
103‧‧‧透鏡；透鏡元件
104‧‧‧透鏡；透鏡元件
105‧‧‧透鏡；最後透鏡元件；透鏡元件
180‧‧‧感測器
190‧‧‧感測器
200‧‧‧光學系統
201‧‧‧透鏡；第一透鏡元件；透鏡元件
202‧‧‧透鏡；透鏡元件
203‧‧‧透鏡；透鏡元件
204‧‧‧透鏡；透鏡元件
205‧‧‧透鏡；最後透鏡元件；透鏡元件
290‧‧‧感測器
300‧‧‧光學系統
301‧‧‧透鏡；第一透鏡元件；透鏡元件
302‧‧‧透鏡；透鏡元件
303‧‧‧透鏡；透鏡元件
304‧‧‧透鏡；透鏡元件
305‧‧‧透鏡；透鏡元件
306‧‧‧透鏡；最後透鏡元件；透鏡元件
390‧‧‧感測器
400‧‧‧光學系統
401‧‧‧透鏡；第一透鏡元件；透鏡元件
402‧‧‧透鏡；透鏡元件
403‧‧‧透鏡；透鏡元件
404‧‧‧透鏡；透鏡元件
405‧‧‧透鏡；透鏡元件
406‧‧‧透鏡；透鏡元件
407‧‧‧透鏡；最後透鏡元件；透鏡元件
410‧‧‧光學帶通濾波器
490‧‧‧感測器
500‧‧‧光學系統
501‧‧‧透鏡；第一透鏡元件；透鏡元件
502‧‧‧透鏡；透鏡元件
503‧‧‧透鏡；透鏡元件
504‧‧‧透鏡；透鏡元件
505‧‧‧透鏡；最後透鏡元件；透鏡元件
590‧‧‧感測器
600‧‧‧光學系統
601‧‧‧透鏡；第一透鏡元件；透鏡元件
602‧‧‧透鏡；透鏡元件
603‧‧‧透鏡；透鏡元件
604‧‧‧透鏡；透鏡元件
605‧‧‧透鏡；透鏡元件
606‧‧‧透鏡；最後透鏡元件；透鏡元件
690‧‧‧感測器
1000‧‧‧光測距及偵測(LiDAR)
1012‧‧‧傳輸器
1014‧‧‧傳輸器
1022‧‧‧接收器
1024‧‧‧接收器
1030‧‧‧共同光學路徑
1032‧‧‧脈衝
1034‧‧‧分離脈衝
1042‧‧‧離埠脈衝
1044‧‧‧離埠脈衝
1052‧‧‧入埠脈衝反射
1054‧‧‧入埠脈衝反射
1400‧‧‧光學器件
1410‧‧‧雷射傳輸器；傳輸器
1412‧‧‧雷射傳輸器；傳輸器
1420‧‧‧接收器
1422‧‧‧接收器
1430‧‧‧偏光分光器；部分分光器
1432‧‧‧分光器
1434‧‧‧分光器
1440‧‧‧四分之一波片
1450‧‧‧接收器透鏡；透鏡
1452‧‧‧接收器透鏡；透鏡
1460‧‧‧掃描鏡
1470‧‧‧離埠脈衝路徑；離埠路徑
1472‧‧‧離埠脈衝路徑；離埠路徑
1480‧‧‧脈衝反射路徑
1482‧‧‧脈衝反射路徑
1490‧‧‧感測器
1492‧‧‧感測器
2000‧‧‧步驟
2010‧‧‧步驟
2020‧‧‧步驟
2030‧‧‧步驟
2040‧‧‧步驟
2100‧‧‧光學系統之實例實施例
S1‧‧‧表面
S2‧‧‧表面
S3‧‧‧表面
S4‧‧‧表面
S5‧‧‧表面
S6‧‧‧表面
S7‧‧‧表面
S8‧‧‧表面
S9‧‧‧表面
S10‧‧‧表面
S11‧‧‧表面
S12‧‧‧表面
S13‧‧‧表面
S14‧‧‧表面
S15‧‧‧表面
S16‧‧‧表面
S17‧‧‧表面
S18‧‧‧表面
〔圖1〕繪示可舉例而言在LiDAR應用中用作為一中程接收器光學系統的一光學系統之一實例實施例。
〔圖2〕繪示可舉例而言在LiDAR應用中用作為一長程接收器光學系統的一光學系統之一實例實施例。
〔圖3〕繪示可舉例而言在LiDAR應用中用作為一短程接收器光學系統的一光學系統之一實例實施例。
〔圖4〕繪示可舉例而言在LiDAR應用中用作為一短程接收器光學系統的一光學系統之一實例實施例。
〔圖5〕繪示可舉例而言在LiDAR應用中用作為一長程接收器光學系統的一光學系統之一實例實施例。
〔圖6〕繪示可舉例而言在LiDAR應用中用作為一短程接收器光學系統的一光學系統之一實例實施例。
〔圖7A及圖7B〕係根據一些實施例之在光測距及偵測(LiDAR)中組合雷射脈衝傳輸之一實例LiDAR系統之邏輯方塊圖。
〔圖8A及圖8B〕繪示根據一些實施例之用於雷射脈衝及脈衝反射之一實例光學路徑。
〔圖9〕係用於包括光傳輸器及接收器之一LiDAR系統之一操作方法之一高階流程圖，該等接收器包括如在圖1至圖6中所繪示之光學系統。
本申請案主張2016年8月22日申請之美國臨時專利申請案第62/378,104號、標題為「OPTICAL SYSTEMS」的優先權，其內容以全文引用方式併入本文中。
本文描述光學方法及系統，其等可舉例而言用在遠端感測系統(諸如光測距及偵測(LiDAR)應用)中，舉例而言，用在實施在LiDAR中組合雷射脈衝傳輸的系統中，如在圖7A及圖7B中所繪示。LiDAR係一種遠端感測技術，其導引一或多個雷射對準一目標及根據在該LiDAR處所偵測之該(等)雷射之一反射來測量至該目標之一距離。可基於介於發送雷射脈衝傳輸之時間與接收到該雷射脈衝傳輸之一反射之時間之間的差異來計算該距離。由LiDAR所計算之距離測量被用在許多不同應用中。例如，對一區域進行的多個距離測量可經處理以產生一高解析度地圖，其可使用在各式各樣不同應用中，包括(但不限於)地質調查、大氣測量、物體偵測、自主式導航、或其他遠端環境感測應用。請注意，如本文中所使用之用語「LiDAR」有時以不同方式用其他文字 指定或指稱，包括諸如「Lidar」、「lidar」、「LIDAR」、或「光雷達」等用語。
中程、長程、及短程接收器光學器件
圖1至圖6及表1A至表6繪示光學系統之各種實施例，該等光學系統可舉例而言用作為在諸如LiDAR系統(舉例而言，如在圖7A至圖7B及圖8A至圖8B中所繪示)之遠端感測系統之中程、長程、及短程接收器中的中程、長程、及短程光學系統。用於LiDAR之雙傳輸及接收系統之一優勢係一可實現架構，其包括掃描鏡、微機電(MEMS)鏡、單光子崩潰偵測器(SPAD)，用於計數來自近(短)程(例如，20公尺或更少)、中程(例如，50公尺或更少)、及/或長程(例如，20公尺至200公尺)的具有可接受製造風險、眼睛安全邊限、及光子偵測之可能性的單光電子事件。
在LiDAR應用中的一雙接收器系統之組件可包括：用於短程之一相對小孔徑、寬視場光學系統(稱為一短程光學系統)；用於中程之一中等孔徑、中等至寬視場光學系統(稱為一中程光學系統)；及/或用於長程之具有一較小視場之一相對大孔徑光學系統(稱為一長程光學系統)。該短程光學系統、該中程光學系統、及該長程光學系統可利用濾光器、掃描鏡、及一感測器(舉例而言，一或多個單光子崩潰偵測器(SPAD))，以增加正光子事件之可能性。
在一些實施例中，該雙接收器系統可包括：兩個光傳輸器(例如，雷射)，其等透過一共同光學路徑傳輸光至一物場；及兩個光接收器，其等偵測透過該共同光學路徑在該系統處所接收的該傳輸光之反射。該等光接收 器可包括：一短程光學系統，該短程光學系統包括透鏡元件，該等透鏡元件折射自在舉例而言20公尺或更少之一範圍內反射的該光之一部分至經組態以捕獲該光之一感測器；一中程光學系統，該中程光學系統包括透鏡元件，該等透鏡元件折射自在舉例而言50公尺或更少之一範圍內反射的該光之一部分至經組態以捕獲該光之一感測器；及/或一長程光學系統，其包括一或多個透鏡元件，該等透鏡元件折射自在舉例而言20公尺或更多之一範圍內反射的該光之一部分至經組態以捕獲該光之一感測器。在一些實施例中，一短程光學系統具有一小孔徑且提供一寬視場，一中程光學系統具有一中等孔徑且提供一中等至寬視場，及一長程光學系統具有一大孔徑且提供一小視場。
在一些實施例中，該中程光學系統可包括五個折射透鏡元件。在一些實施例中，該中程光學系統之視場可係介於15度與60度之間。在一些實施例中，該中程光學系統之光圈值可係1.6或更少。在一些實施例中，在該中程光學系統中的該等透鏡元件之表面係球面、偶次項非球面(even-aspheric)、或平坦/平表面之一者。在一些實施例中，該中程光學系統可包括在該等透鏡元件之一者之一平表面上的一光學帶通濾波器，或替代地，一光學帶通濾波器塗層。
在一些實施例中，該長程光學系統可包括五個折射透鏡元件。在一些實施例中，該長程光學系統之視場可係15度或更少。在一些實施例中，該長程光學系統之光圈值可係1.2或更少。在一些實施例中，在該長程光學系統中的該等透鏡元件之該等表面係球面、偶次項非球面、或平坦/平表面之一者。在一些實施例中，該長程光學系統可包括在該等透鏡元件之一者之一平表面上的一光學帶通濾波器，或替代地一光學帶通濾波器塗層。
在一些實施例中，該短程光學系統可包括七個折射透鏡元件。在一些實施例中，該短程光學系統可包括六個折射透鏡元件。在一些實施例中，該短程光學系統具有介於45度與65度之間之一視場。在一些實施例中，該短程光學系統之光圈值可係2.0或更少。在一些實施例中，在該短程光學系統中的該等透鏡元件之該等表面係球面、偶次項非球面、或平坦/平表面之一者。在一些實施例中，該短程光學系統可包括在該等透鏡元件之一者之一平坦/平表面上的一光學帶通濾波器，或替代地一光學帶通濾波器塗層。
請注意，光學系統之各種參數係以舉例的方式給出且非意欲為限制。舉例而言，該光學系統可包括多於或少於在實例實施例中描述的透鏡元件，該等透鏡元件之形狀可不同於所描述者，及該等光學系統之光學性質(例如，視場、孔徑/入射光瞳、光圈值等)可不同於所描述者，同時仍然提供用於該等光學系統的相似效能。進一步請注意，光學系統可按比例放大或縮小以提供如本文所描述之光學系統之較大或較小實施方案。
雖然參照使用在諸如LiDAR系統之系統中來描述光學系統之實施例，但是本文所描述之光學系統可使用在各式各樣其他應用中。亦請注意，雖然參照雙接收器系統來描述實施例，但是光學系統之實施例可使用在包括一個或多於兩個的接收器的系統中。
表1A至表6提供用於參照圖1至圖6所描述之光學系統之實例實施例之各種光學參數及物理參數的實例值。在表中，除非另有指定，否則所有尺寸皆為毫米(mm)。「S#」代表表面號碼。一正半徑指示曲率中心係在表面的右方(物側)。一負半徑指示曲率中心係在表面的左方(像側)。「無限 (Infinity)」代表如在光學中所使用的無限。厚度(或間隙/離距)係到下一表面的軸向距離。
在參照圖1至圖6描述的光學系統之實例實施例中，透鏡元件可係由各種塑膠或玻璃材料所形成。在一給定光學系統中的透鏡元件之兩者或更多者可係由不同材料所形成。針對透鏡元件之材料，可提供一折射率(例如，Nd在氦d線(helium d-line)波長處)，以及阿貝數Vd(例如，相對於氫之d線及C線與F線)。阿貝數Vd可由下列方程式界定：Vd=(Nd-1)/(NF-NC)，其中NF及NC分別係在氫的F線及C線處之材料的折射率值。
應注意，下列表格中針對光學系統的各種實施例中的各種參數所給出的值係以舉例的方式給出且非意欲為限制。舉例而言，針對實例實施例中的透鏡元件之一或多者的表面之一或多者的參數之一或多者、以及針對組成元件的材料之參數，可給定不同的值，同時仍提供相似的光學系統效能。特別是，應注意表格中的一些值可針對如本文所說明之光學系統之較大或較小實施方案來按比例放大或縮小。
進一步請注意，如在表中所展示的在光學系統之各種實施例中之元件的表面編號(S#)係自一第一透鏡元件之一第一表面(圖1及圖2)、光闌(圖4)、或物側表面(圖3、圖5、及圖6)至在像平面/光感測器表面處的一最後表面予以列出。
圖1及表1A及表1B-接收器光學系統100
圖1及表1A至表1B繪示一光學系統之一實例實施例100，其可舉例而言在LiDAR應用中用作為一中程光學系統。描述可在LiDAR系統(舉例而言，如在圖7A至圖7B及圖8A至圖8B中所描述之一LiDAR系統)中使用的中程接收器光學器件。用於LiDAR之雙傳輸及接收系統之實施例之一基本優勢係一可實現架構，其包括掃描鏡、微機電(MEMS)鏡，及單光子崩潰偵測器(SPAD)，用於計數來自近程至中程(例如，50公尺或更少)的具有可接受製造風險、眼睛安全邊限、及光子偵測之可能性的單光電子事件。在一些實施例中，該LiDAR系統之接收器組件亦可併入如本文所描述之長程接收器光學系統及/或短程接收器光學系統之實施例。
在一些實施例中，光學系統100可具有按自在光學系統100之物側上之一第一透鏡元件101至在光學系統100之像側上之一最後透鏡元件105的順序配置的五個折射透鏡元件101至105。光學系統100可包括舉例而言定位於透鏡102與透鏡103之間之一光闌，如在圖1中所展示。光學系統100亦可包括舉例而言定位在透鏡104之表面S13處或上之一光學帶通濾波器，如在圖1中所展示。光學系統100可經組態以折射來自一物場之光至在一感測器180之表面處或附近所形成之一像平面。感測器180可舉例而言包括一或多個單光子崩潰偵測器(SPAD)。然而，在一些實施例中，可使用其他類型之光偵測器。
該中程接收器之一組件係一寬視場光學設計。在至少一些實施例中，該中程接收器利用濾光器、掃描鏡、及一標稱一維SPAD，以增加正光子事件之可能性。
透鏡元件101可係具有負折射焦度(refractive power)之一彎月形透鏡。在一些實施例中，透鏡元件101之兩表面可係球面。透鏡元件101可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件101之物側表面可係球面，及透鏡元件101之像側表面可係偶次項非球面。在一些實施例中，透鏡元件102可係具有正折射焦度之一雙凸透鏡。替代地，透鏡102可係具有正折射焦度之一平凸形或彎月形透鏡。透鏡元件102可具有一平或接近平(略凸形或略凹形)物側表面及一凸形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件102之兩表面可係球面。透鏡元件103可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。透鏡元件103可具有一凹形物側表面及一凸形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件103之兩表面可係球面。在一些實施例中，透鏡元件103之物側表面可係偶次項非球面，及透鏡元件103之像側表面可係球面。透鏡元件104可係具有正折射焦度之一平凸透鏡。透鏡元件104可具有一凸形物側表面及一平像側表面。在一些實施例中，透鏡元件104之兩表面可係球面。透鏡元件105可係具有負折射焦度(refractive power)之一彎月形透鏡。透鏡元件105可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件105之物側表面可係球面，及透鏡元件105之像側表面可係偶次項非球面。在一些實施例中，透鏡元件105之兩表面可係球面。
光學系統100之性質及優點可包括(但不限於)下列一或多者：
●光學系統100可具有五個透鏡。
●光學系統100可係一單一非球面表面設計。在一些實施例中，舉例而言，光學系統100在最後表面或像側表面上(透鏡105之S15)具有一單一非球面表面，而其他透鏡表面係球面或平的。
●光學系統100可包括舉例而言定位於透鏡102與透鏡103之間之一光闌(孔徑)，如在圖1中所繪示。
●光學系統100可具有一中等入射光瞳(例如，於10mm至15mm之一範圍內，舉例而言，12.7mm)且可提供一相對小光圈值(例如，1.6或更少)。在一些實施例中，該中程光學系統之視場可係介於15度與60度之間。
●光學系統100可包括用於光電事件偵測之最佳可能性的一光學帶通濾波器。舉例而言，光學系統100可包括在透鏡104之一平表面S13處或上之一濾光器(如在圖1中所展示)，以緩和在焦點處非所要光瞳重影之可能性。
●光學系統100可針對在大溫度範圍(例如，-40度C至80度C)的寬溫度變化及源帶寬(例如，900nm至1000nm)予以最佳化。
●光學系統100可針對小型SPAD組態予以最佳化。
●光學系統100可係一遠心透鏡(例如，一像空間遠心透鏡)，以最小化短光學範圍的光子質心運動及三角測量之效應，及/或確保在該感測器處的信號自在物空間中之角度正確地映射至在像空間中之佈置，而不論物距。
●光學系統100可具有小於10%負失真及在視場的90%或約90%相對照度，用於最佳光子偵測可能性。
圖2及表2-長程光學系統200
圖2及表2繪示一光學系統之一實例實施例200，其可舉例而言在LiDAR應用中用作為一長程光學系統。在一些實施例中，光學系統200可具有按自在光學系統200之物側上之一第一透鏡元件201至在光學系統200之像側上之一最後透鏡元件205的順序配置的五個折射透鏡元件201至205。光學系統200可包括舉例而言定位於透鏡202與透鏡203之間之一光闌，如在圖2中所展示。光學系統200亦可包括舉例而言定位在透鏡202之表面S4處或上之一光學帶通濾波器，如在圖2中所展示。光學系統200可經組態以折射來自一物場之光至在一感測器290之表面處或附近所形成之一像平面。感測器290可舉例而言包括一或多個單光子崩潰偵測器(SPAD)。然而，在一些實施例中，可使用其他類型之光偵測器。
透鏡元件201可係具有正折射焦度之一雙凸透鏡。在一些實施例中，透鏡元件201之兩表面可係球面。透鏡元件202可係具有負折射焦度之一平凹透鏡。透鏡元件202可具有一凹形物側表面及一平(平坦)像側表面。在一些實施例中，透鏡元件202之物側表面可係球面。在一些實施例中，透鏡元件202之物側表面可接觸透鏡201之像側表面。透鏡元件203可係具有正折射焦度 之一彎月形透鏡。透鏡元件203可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件203之兩表面可係球面。透鏡元件204可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。透鏡元件204可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件204之兩表面可係球面。透鏡元件205可係具有負折射焦度之一雙凹透鏡。在一些實施例中，透鏡元件205之兩表面可係球面。
光學系統200之性質及優點可包括(但不限於)下列一或多者：
●光學系統200可具有五個或更少透鏡。
●該等透鏡之一或多者可具有球面表面；在一些實施例中，所有該等透鏡具有球面表面。
●光學系統200可具有一大入射光瞳(例如，40mm)及一小光圈值(例如，1.125或更少)，且可提供一小視場(例如，15度或更少)。
●光學系統200可係一遠心透鏡(例如，一像空間遠心透鏡)以當引入一焦平面時及在溫度變化期間提供最小化影像比例改變。
●光學系統200可包括用於光電事件偵測之最佳可能性的一光學帶通濾波器。舉例而言，光學系統200可包括在透鏡202之表面S4處或上之一濾光器(如在圖2中所展示)，以緩和在焦點處非所要光瞳重影之可能性(像平面)。
●光學系統200可針對在大溫度範圍(例如，-40度C至80度C)及源帶寬(例如，900奈米(nm)至1000nm)達成系統規格。
●光學系統200可針對小型SPAD組態予以最佳化。
●光學系統200可具有小於0.2%負失真及在視場的幾乎100%相對照度，用於最佳光子偵測可能性。
●光學系統200可包括舉例而言定位於透鏡202與透鏡203之間之一光闌(孔徑)，如在圖2中所繪示。
在一些實施例中，光學系統200可與一多掃描鏡系統(例如，一MEMS鏡)整合，以自長程物體收集雷射輻射及使該等物體充分準確地成像至焦點(像平面)處的一或多個SPAD晶片。
圖3及表3-短程光學系統300
圖3及表3繪示一光學系統之一實例實施例300，其可舉例而言在LiDAR應用中用作為一短程光學系統。在一些實施例中，光學系統300可具有按自在光學系統300之物側上之一第一透鏡元件301至在光學系統300之像側上之一最後透鏡元件306的順序配置的六個折射透鏡元件301至306。光學系統300可包括舉例而言定位於透鏡302與透鏡303之間之一光闌，如在圖3中所展示。光學系統300亦可包括舉例而言定位在透鏡304之表面S12處或上之一光學帶通濾波器，如在圖3中所展示。光學系統300可經組態以折射來自一物場之光至在一感測器390之表面處或附近所形成之一像平面。感測器390可舉例而言包括一或多個單光子崩潰偵測器(SPAD)。然而，在一些實施例中，可使用其他類型之光偵測器。
透鏡元件301可係具有負折射焦度(refractive power)之一彎月形透鏡。透鏡元件301可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件301之表面S4可係偶次項非球面或球面，及透鏡元件301之表面S5可係球面。透鏡元件302可係具有正折射焦度之一雙凸透鏡。在一些實施例中，透鏡元件302之表面S6可係球面，及透鏡元件302之表面S7可係偶次項非球面或球面。透鏡元件303可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。透鏡元件303可具有一凹形物側表面及一凸形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件303之表面S10及S11可係球面。透鏡元件304可係具有正折射焦度之一平凸透鏡。透鏡元件304可具有一平(平坦)物側表面及一凸形像側表面。在一些實施例中，透鏡304之表面S13可係球面。透鏡元件305可係具有負折射焦度(refractive power)之一彎月形透鏡。在一些實施例中，透鏡元件305之表面S14可係凸形， 及透鏡元件305之表面S15可係凹形。在一些實施例中，透鏡元件305之表面S14可係球面，及透鏡元件305之表面S15可係偶次項非球面或球面。透鏡元件306可係具有正折射焦度之一雙凸透鏡。在一些實施例中，透鏡元件306之表面S16可係球面，及透鏡元件306之表面S17可係偶次項非球面或球面。
光學系統300之性質及優點可包括(但不限於)下列一或多者：
●光學系統300可具有六個或更少透鏡。
●該等透鏡之一或多者可具有球面表面；在一些實施例中，所有該等透鏡具有球面表面。
●光學系統300可具有一小光圈值(例如，2.0或更少)，且可提供一大視場(例如，60度或更大)。
●光學系統300可係一遠心透鏡(例如，一像空間遠心透鏡)，以最小化短光學範圍的光子質心運動及三角測量之效應。
●光學系統300可包括用於光電事件偵測之最佳可能性的一光學帶通濾波器。舉例而言，光學系統300可包括在透鏡304之一平坦表面S12處或上之一濾光器，如在圖3中所展示。
●光學系統300可針對在大溫度範圍(例如，-40度C至80度C)的寬溫度變化及源帶寬(例如，900nm至1000nm)予以最佳化。
●光學系統300可針對小型SPAD組態予以最佳化。
●光學系統300可具有小於5%負失真及在視場上大於60%的相對照度，用於最佳光子偵測可能性。
●光學系統300可包括舉例而言定位於透鏡302與透鏡303之間之一光闌(孔徑)，如在圖3中所繪示。
在一些實施例中，光學系統300可與一多個掃描鏡系統(例如，一MEMS鏡)整合，以自短程物體收集雷射輻射及使該等物體充分準確地成像至在焦點(像平面)處的一或多個SPAD晶片。
圖4及表4-接收器光學系統400
圖4及表4繪示一光學系統之一實例實施例400，其可舉例而言在LiDAR應用中用作為一短程光學系統。在一些實施例中，光學系統400可具有按自在光學系統400之物側上之一第一透鏡元件401至在光學系統400之像側上之一最後透鏡元件407的順序配置的七個折射透鏡元件401至407。光學系統400可包括舉例而言定位於透鏡401與物場之間之一光闌，如在圖4中所展示。光學 系統400亦可包括舉例而言定位於透鏡404與405之間之一光學帶通濾波器410，如在圖4中所展示，或替代地可具有在透鏡404之表面S9上之一光學帶通濾波器塗層，如在圖4中所展示。光學系統400可經組態以折射來自一物場之光至在一感測器490之表面處或附近所形成之一像平面。感測器490可舉例而言包括一或多個單光子崩潰偵測器(SPAD)。然而，在一些實施例中，可使用其他類型之光偵測器。
透鏡元件401可係具有負折射焦度(refractive power)之一彎月形透鏡。透鏡元件401可具有一凹形物側表面及一凸形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件401之兩表面可係球面。透鏡元件402可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。在一些實施例中，透鏡元件402之兩表面可係球面。透鏡元件402可具有一凹形物側表面及一凸形像側表面。透鏡元件403可係具有正折射焦度之一平凸透鏡。透鏡元件403可具有一平(平坦)物側表面及一凸形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件403之像側表面可係球面。透鏡元件404可係具有正折射焦度之一平凸透鏡。透鏡元件404可具有一凸形物側表面及一平(平坦)像側表面。在一些實施例中，透鏡404之物側表面可係球面。透鏡元件405可係具有正折射焦度之一雙凸透鏡。在一些實施例中，透鏡元件405之兩表面可係球面。透鏡元件406可係具有負折射焦度之一雙凹透鏡。在一些實施例中，透鏡元件206之兩表面可係球面。在一些實施例中，透鏡元件406之物側表面可接觸透鏡405之像側表面。透鏡元件407可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。在一些實施例中，透鏡元件407之兩表面可係球面。透鏡元件702可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。
光學系統400之性質及優點可包括(但不限於)下列一或多者：
●光學系統400可係一快速透鏡(fast lens)，其具有舉例而言於1.5至1.6之一範圍內(舉例而言，1.53)之一低光圈值。
●光學系統400可在方位及仰角兩者提供45度視場覆蓋。
●光學系統400可在一寬光譜範圍予以校正，以考量來源波長變異性(單元間變異性)。舉例而言，在一些實施例中，在組裝期間運用對光學系統400之一簡單事後重新對焦而可容忍至多+/-50nm。
●光學系統400可經校正達至多12nm光譜寬度以適應來源光譜寬度及來源光譜隨溫度之漂移。
●光學系統400可包括七個透鏡元件。在一些實施例中，所有該等透鏡元件具有球面表面，此可降低成本。
●光學系統400設計允許對透鏡元件以及針對透鏡總成具有寬裕製造公差。
●當用一不銹鋼筒組裝時，光學系統400可在-40度C至80度C之一溫度範圍內絕熱。此可舉例而言有助於確保系統400在寬操作範圍之解析度，同時維持系統400之焦點及焦距兩者。
●光學系統400可具有一低失真設計，其允許預映射物角至感測器位置，而不會損失角解析度。
●光學系統400可係一遠心透鏡(例如，一像空間遠心透鏡)以確保在該感測器處的信號自在物空間中之角度正確地映射至在像空間中之佈置，而不論物距。
●在一些實施例中，可在經準直或接近準直之一空間中的光學系統400內部具有一平(平坦)表面(例如，如在圖4中所展示之透鏡404之表面S9)，以允許一窄通帶塗層直接沉積在透鏡之平表面(例如，如在圖4 中所展示之透鏡404之表面S9)上，因此消除對一濾光器元件之需要。替代地，在一些實施例中，一分開之濾光器410可置放在相同準直空間(介於透鏡404與透鏡405之間)中，且可藉由在組裝期間之一簡單事後重新對焦而恢復效能。
●光學系統400可包括舉例而言在透鏡401處或前方之一光闌(孔徑)，如在圖4中所繪示。
在一些實施例中，光學系統400可與一多個掃描鏡系統(例如，一MEMS鏡)整合，以自短程物體收集雷射輻射及使該等物體充分準確地成像至焦點(像平面)處的一或多個SPAD晶片。
圖5及表5-接收器光學系統500
圖5及表5繪示一光學系統之一實例實施例500，其可舉例而言在LiDAR應用中用作為一長程光學系統。在一些實施例中，光學系統500可具有按自在光學系統500之物側上之一第一透鏡元件501至在光學系統500之像側上之一最後透鏡元件505的順序配置的五個折射透鏡元件501至505。光學系統500可包括舉例而言定位於透鏡501與透鏡502之間之一光闌，如在圖5中所展示。光學系統500亦可包括舉例而言定位在透鏡501之像側表面(表面S2)處或上之一光學帶通濾波器，如在圖5中所展示。光學系統500可經組態以折射來自一物 場之光至在一感測器590之表面處或附近所形成之一像平面。感測器590可舉例而言包括一或多個單光子崩潰偵測器(SPAD)。然而，在一些實施例中，可使用其他類型之光偵測器。
透鏡元件501可係具有正折射焦度之一平凸透鏡。透鏡元件501可具有一凸形物側表面及一平(平坦)像側表面。在一些實施例中，透鏡元件501之物側表面可係球面。透鏡元件502可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。透鏡元件502可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件502之兩表面可係球面。透鏡元件503可係具有負折射焦度之一雙凹透鏡。在一些實施例中，透鏡元件503之兩表面可係球面。透鏡元件504可係具有正折射焦度之一雙凸透鏡。在一些實施例中，透鏡元件504之兩表面可係球面。透鏡元件505可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。在一些實施例中，透鏡元件505之兩表面可係球面。透鏡元件505可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。
光學系統500之性質及優點可包括(但不限於)下列一或多者：
●光學系統500可係一快速透鏡(fast lens)，其具有舉例而言於1.1至1.2之一範圍內(舉例而言，1.125)之一低光圈值。
●光學系統500可提供一10度視場。
●光學系統500可在一寬光譜範圍予以校正，以考量來源波長變異性(單元間變異性)。舉例而言，在一些實施例中，在組裝期間運用對光學系統500之一簡單事後重新對焦而可容忍至多+/-50nm。
●光學系統500可經校正達至多12nm光譜寬度以適應來源光譜寬度及來源光譜隨溫度之漂移。
●光學系統500可包括五個透鏡元件。在一些實施例中，所有該等透鏡元件具有球面表面，此可降低成本。
●光學系統500設計允許對透鏡元件以及對透鏡總成具有寬裕製造公差。
●當用一不銹鋼筒組裝時，光學系統500可在-40度C至80度C之一溫度範圍內絕熱。此可舉例而言有助於確保系統500在寬操作範圍之解析度，同時維持系統500之焦點及焦距兩者。
●光學系統500可具有一低失真設計(例如，失真<-0.2%)。
●光學系統500可係一遠心透鏡(例如，一像空間遠心透鏡)以確保在該感測器處的信號自在物體空間中之角度正確地映射至在像空間中之佈置，而不論物距。
●在一些實施例中，可在經準直或接近準直之一空間中的光學系統500內部具有一平表面(例如，在圖5中之透鏡元件501之表面S2)，以允許一窄通帶塗層直接沉積在透鏡之平表面(例如，在圖5中的透鏡元件501之表面S2)上，因此消除對一濾光器元件之需要。
●光學系統500可包括舉例而言定位於透鏡501與透鏡502之間之一光闌(孔徑)，如在圖5中所繪示。
在一些實施例中，光學系統500可與一多掃描鏡系統(例如，一MEMS鏡)整合，以自長程物體收集雷射輻射及使該等物體充分準確地成像至焦點(像平面)處的一或多個SPAD晶片。
圖6及表6-接收器光學系統600
圖6及表6繪示一光學系統之一實例實施例600，其可舉例而言在LiDAR應用中用作為一短程光學系統。在一些實施例中，光學系統600可具有按自在光學系統600之物側上之一第一透鏡元件601至在光學系統600之像側上之一最後透鏡元件606的順序配置的六個折射透鏡元件601至606。光學系統600可包括舉例而言定位於透鏡602與透鏡603之間之一光闌，如在圖6中所展示。光學系統600亦可包括舉例而言定位在透鏡606之表面S13處或上之一光學帶通濾波器，如在圖6中所展示。光學系統600可經組態以折射來自一物場之光至在一感測器690之表面處或附近所形成之一像平面。感測器690可舉例而言包括一或多個單光子崩潰偵測器(SPAD)。然而，在一些實施例中，可使用其他類型之光偵測器。
透鏡元件601可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。透鏡元件601可具有一凹形物側表面及一凸形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件601之兩表面可係球面。透鏡元件602可係具有負折射焦度(refractive power)之一彎月形透鏡。透鏡元件602可具有一凸形物側表面及一凹形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件602之兩表面可係球面。透鏡元件603可係具有正折射焦度之一彎月形透鏡。透鏡元件603可具有一凹形物側表面及一凸形像側表面。在一些實施例中，透鏡元件603之兩表面可係球面。透鏡元件604可係具有正折射焦度之一雙凸透鏡。在一些實施例中，透鏡604之兩表面可係球面。透鏡元件605可係具有負折射焦度(refractive power)之一彎月形透鏡。在一些實施例中，透鏡元件605之物側表面可係凸形，及透鏡元件605之像側表面可係凹形。在一些實施例中，透鏡元件605之兩表面可係球面。透鏡元件606可係具有正折射焦度之一平凸透鏡。透鏡元件606可具有一凸形物側表面及一平(平坦)像側表面。在一些實施例中，透鏡元件606之物側表面可係球面。
光學系統600之性質及優點可包括(但不限於)下列一或多者：
●光學系統600可提供呈小型形式的中等快速光學器件(例如2.0之光圈值)。
●光學系統600可提供一60度視場。
●光學系統600可在一寬光譜範圍予以校正，以考量來源波長變異性(單元間變異性)。舉例而言，在一些實施例中，在組裝期間運用對光學系統600之一簡單事後重新對焦而可容忍至多+/- 50nm。
●光學系統600可經校正達至多12nm光譜寬度以適應來源光譜寬度及來源光譜隨溫度之漂移。
●光學系統600可包括六個透鏡元件。在一些實施例中，所有該等透鏡元件具有球面表面，此可降低成本。
●光學系統600設計允許對透鏡元件以及對透鏡總成具有寬裕製造公差。
●當用一不銹鋼筒組裝時，光學系統600可在-40度C至80度C之一溫度範圍內絕熱。此可舉例而言有助於確保系統600在寬操作範圍之解析度，同時維持系統600之焦點及焦距兩者。
●光學系統600可具有一低失真設計，其允許預映射物角至感測器位置，而不會損失角解析度。
●光學系統600可係一遠心透鏡(例如，一像空間遠心透鏡)以確保在該感測器處的信號自在物體空間中之角度正確地映射至在像空間中之佈置，而不論物距。
●在一些實施例中，可在具有低角度分集之一空間中的光學系統600內部具有一平表面(例如，在圖6中之透鏡元件606之表面S13)，以允許一窄通帶塗層直接沉積在透鏡之平表面上(例如，在圖6中之透鏡元件606之表面S13)，因此消除對一濾光器元件之需要。
●光學系統600可包括舉例而言定位於透鏡602與透鏡603之間之一光闌(孔徑)，如在圖6中所繪示。
在一些實施例中，光學系統400可與一多個掃描鏡系統(例如，一MEMS鏡)整合，以自短程物體收集雷射輻射及使該等物體充分準確地成像至焦點(像平面)處的一或多個SPAD晶片。
實例LiDAR系統
圖7A至圖7B及圖8A至圖8B繪示一實例LiDAR系統，在該LiDAR系統中可實施如在圖1至圖6中所描述的光學系統之實施例。
圖7A及圖7B係根據一些實施例之一實例LiDAR系統之邏輯方塊圖，該LiDAR系統中在光測距及偵測(LiDAR)中組合雷射脈衝傳輸，且可在該LiDAR系統中實施如在圖1至圖6中所繪示的光學系統之實施例。在圖7A中，LiDAR 1000繪示經由一共同光學路徑1030組合傳輸兩個不同脈衝，離埠脈衝1042及1044。LiDAR 1000可實施兩個雷射傳輸器1012及1014。各雷射傳輸器1012及1014可經組態以傳輸一或多個雷射脈衝之一分開列(可捕獲雷射脈衝之反射以判定距離測量)。由傳輸器1012及1014所傳輸之雷射脈衝之類型可相同 或不同。舉例而言，傳輸器1012所傳輸之雷射脈衝的波長、脈衝寬度，或振幅可相同或不同於由傳輸器1014所傳輸之雷射脈衝的波長、脈衝寬度，或振幅。除傳輸器1012及1014所傳輸之雷射脈衝的類型不同外，傳輸該等雷射脈衝之時序可不同。舉例而言，在一些實施例中，來自傳輸器1012之雷射脈衝可根據一個脈衝重複率(PRR)(例如，1兆赫茲)予以傳輸，而來自傳輸器1014之雷射脈衝可根據一增加或減小PRR(例如，0.5兆赫茲或1.5兆赫茲)予以傳輸。在一些實施例中，亦可根據該兩個雷射傳輸器之間之一傳輸時序差(即，差量(delta))來交錯該兩個傳輸器之間之傳輸。
LiDAR 1000亦可實施一共同光學路徑1030，其組合自該兩個不同傳輸器(傳輸器1012及1014)所發送之脈衝1032。舉例而言，如在圖7A中所繪示，離埠脈衝1042可係自傳輸器1012所傳輸之一脈衝，及離埠脈衝1044可係自傳輸器1014所傳輸之一脈衝，該等脈衝係經由相同光學路徑(共同光學路徑1040)予以發送。光學裝置(例如，透鏡、分光器、折鏡、或處理或分析光波之任何其他裝置)之不同組合可實施為共同光學路徑1030之部分，以組合來自傳輸器1012及1014之脈衝，該等脈衝可依正交偏光(例如，兩個不同線性偏光狀態)予以傳輸。例如，自傳輸器1012所發送之雷射脈衝可具有垂直偏光狀態，及自傳輸器1014所發送之雷射脈衝可具有一水平偏光狀態。為了組合正交偏光狀態之脈衝，在各種實施例中，可實施在共同光學路徑1030中之光學裝置之各種組合，以確保兩個不同雷射脈衝之偏光狀態係可區分透射及反射兩者的。依此方式，經由共同光學路徑1030所接收的不同脈衝之反射可被分離1034(如在圖7B中所繪示)且導引至適合的接收器，用於計算特定於自一特定傳輸器所傳輸之脈衝的一距離測量(例如，自傳輸器1012所傳輸之脈衝1042可與在 接收器1022處的入埠脈衝反射1052之偵測匹配，及離埠脈衝1044可與在接收器1024處的入埠脈衝反射1054之偵測匹配)。下文論述之圖8A至圖8B提供可實施的共同光學路徑之不同實例。
由於自傳輸器1012及1014所傳輸之雷射脈衝列可經由共同光學路徑1030予以組合及傳輸，因此可由LiDAR 1000捕獲的距離測量可能有所變化。例如，由於脈衝之間之傳輸差量可係可組態的，因此由LiDAR 1000所提供之密度或位置距離測量會據此改變。相似地，用於傳輸器1012之PRR可較慢以涵蓋較長程。在一些情境中，傳輸器1012可經組態以提供長程距離測量，及傳輸器1014可經組態以提供近程距離測量，藉以有效地提供可由LiDAR 1000判定的距離測量之一較大範圍(例如，動態範圍)。舉例而言，傳輸器1012可發送1550nm波長之雷射脈衝以用於長程距離測量，及傳輸器1014可發送930nm波長之雷射脈衝以捕獲近程距離測量。在一些實施例中，接收器1022可包括如本文所描述之一長程接收器光學系統以接收自傳輸器1012傳回之光，及接收器1024可包括如本文所描述之一短程接收器光學系統以接收自傳輸器1014傳回之光。
在一些實施例中，取代長程傳輸器/接收器或短程傳輸器/接收器，在LIDAR 1000中可包括經組態以提供中程距離測量的一傳輸器及接收器，或除了長程及短程傳輸器及接收器外，在LIDAR 1000中亦可包括經組態以提供中程距離測量的傳輸器及接收器。舉例而言，一中程傳輸器可發送在長1550nm波長與短930nm波長之間之範圍內的雷射脈衝以捕獲中程距離測量。在一些實施例中，中程接收器可包括如本文中關於圖1所描述之一中程接收器光學系統，以接收自該中程傳輸器傳回之光。
如上所述，可實施不同光學裝置以組合及分離自不同雷射傳輸器所發送之雷射脈衝，使得相對應之反射被導引至適合的接收器。圖8A及圖8B繪示根據一些實施例之用於雷射脈衝及脈衝反射之一實例光學路徑。在圖8A中，繪示用於兩個不同雷射傳輸器(1410及1412)的離埠脈衝路徑(1470及1472)。光學器件1400可實施傳輸器1410，傳輸器1410可發送一線性偏光狀態之一雷射脈衝至分光器1434，分光器1434繼而可導引脈衝至偏光分光器1430。偏光分光器1430可導引脈衝通過四分之一波片1440，四分之一波片1440可使偏光狀態自一線性偏光狀態變換至一圓形偏光狀態。經變換脈衝可接著反射離開掃描鏡1460而至環境中。光學器件1400可實施傳輸器1412，傳輸器1412可發送一雷射脈衝至分光器1432。自傳輸器1412所發送之雷射脈衝可處於正交於自傳輸器1410所發送之脈衝之偏光狀態的一線性偏光狀態。分光器1432可導引脈衝至偏光分光器1430。偏光分光器1430可導引脈衝通過四分之一波片1440，四分之一波片1440可使偏光狀態自一線性偏光狀態變換至一圓形偏光狀態。經變換脈衝可接著反射離開掃描鏡1460，掃描鏡1460可導引該脈衝至環境中。
在圖8B中，繪示脈衝反射路徑1480(其對應於根據離埠脈衝路徑1470所傳輸之脈衝之反射)及脈衝反射路徑1482(其對應於根據離埠脈衝路徑1472所傳輸之脈衝之反射)。由傳輸器1410所傳輸之一脈衝之一脈衝反射可經接收及反射離開掃描鏡1460，掃描鏡1460導引該脈衝通過四分之一波片1440。由於脈衝依一圓形偏光狀態傳輸至環境中，所以反射亦可處於一圓形偏光狀態，惟其係所傳輸之該圓形偏光狀態之反向。舉例而言，若離埠路徑1470傳輸右旋圓形偏光狀態的雷射脈衝，則將接收左旋圓形偏光狀態的相對應之反射。因此，當四分之一波片1440變換該反射之偏光時，所得線性偏光係正交於 原本自傳輸器1410所傳輸的雷射脈衝之線性偏光狀態。因此，部分分光器1430導引脈衝通過分光器1432及接收器透鏡1452，以到達接收器1422且由接收器1422偵測。由傳輸器1412所傳輸之一脈衝之一脈衝反射可經接收及反射離開掃描鏡1460，掃描鏡1460導引該脈衝通過四分之一波片1440。再次，反射亦可處於與所傳輸之圓形偏光狀態呈反向的一圓形偏光狀態。舉例而言，若離埠路徑1472傳輸左旋圓形偏光狀態的雷射脈衝，則將接收右旋圓形偏光狀態的相對應之反射。因此，當四分之一波片1440變換該反射之偏光時，所得線性偏光係正交於原本自傳輸器1412所傳輸的雷射脈衝之線性偏光狀態。因此，脈衝通過部分分光器1430、分光器1434、及接收器透鏡1450，以到達接收器1420且由接收器1420偵測。
在一些實施例中，接收器1420/透鏡1450可包括如本文所描述之一長程接收器光學系統以接收自傳輸器1412傳回之光，及接收器1422/透鏡1452可包括如本文所描述之一短程接收器光學系統以接收自傳輸器1410傳回之光。在一些實施例中，圖8A及圖8B之系統可代替地或亦包括中程傳輸器及接收器組件以及一中程接收器光學系統(舉例而言，如在圖1中所繪示)，以接收自該中程傳輸器傳回之光。舉例而言，在一些實施例中，接收器1420/透鏡1450可包括如本文所描述之一長程接收器光學系統以接收自一長程傳輸器1412傳回之光，及接收器1422/透鏡1452可包括如本文所描述之一中程接收器光學系統以接收自一中程傳輸器1410傳回之光。舉另一實例，在一些實施例中，接收器1420/透鏡1450可包括如本文所描述之一中程接收器光學系統以接收自一中程傳輸器1412傳回之光，及接收器1422/透鏡1452可包括如本文所描述之一短程接收器光學系統以接收自一短程傳輸器1410傳回之光。
圖9係用於包括光傳輸器及接收器及一共同光學路徑之一遠端感測系統之一操作方法之一高階流程圖；該等接收器可包括如在圖1至圖6中所繪示之光學系統。可舉例而言在如在圖7A至圖7B及圖8A至圖8B中所繪示之一LiDAR系統中實施圖9之方法。
如在2000中指示，傳輸器(例如，兩個雷射傳輸器)發射光至一共同光學路徑，舉例而言，如在圖7A及圖8A中所繪示。在一些實施例中，可根據一脈衝重複率(PRR)傳輸來自一個傳輸器之雷射脈衝，而可根據一不同PRR傳輸來自其他傳輸器之雷射脈衝。在一些實施例中，該等傳輸器可發送不同波長之雷射脈衝。舉例而言，一個傳輸器可發送1550nm波長之雷射脈衝以用於長程距離測量，及其他傳輸器可發送930nm波長之雷射脈衝以捕獲近程距離測量。舉另一實例，一個傳輸器可發送在長1550nm波長與短930nm波長之間範圍之雷射脈衝以捕獲中程距離測量，及其他傳輸器可發送930nm波長之雷射脈衝以捕獲近程距離測量。舉另一實例，一個傳輸器可發送在長1550nm波長與短930nm波長之間範圍之雷射脈衝以捕獲中程距離測量，及其他傳輸器可發送1550nm波長之雷射脈衝以捕獲長程距離測量。請注意，這些實例非意欲為限制。
如在2010所指示，由共同光學路徑導引光至一物場。在一些實施例中，如在圖8A中所繪示，各傳輸器可發送一線性偏光狀態之一雷射脈衝至各別分光器，分光器繼而可導引脈衝至一偏光分光器。在一些實施例中，一個傳輸器之線性偏光狀態可正交於其他傳輸器之線性偏光狀態。該偏光分光器可導引脈衝通過一四分之一波片，該四分之一波片可將偏光狀態自一線性偏光狀態變換至一圓形偏光狀態。經變換脈衝可接著被一掃描鏡(例如，一MEMS 鏡)反射至環境(即，物場)中。光(脈衝)可被在物場中之表面或物體反射。所反射光之至少一些可返回至LiDAR系統且被LiDAR系統捕獲。
如在2020所指示，可由該共同光學路徑導引自物場反射之光至各別接收器。該共同光學路徑可經組態以導引由該等傳輸器之一者所發射之光至一個接收器(例如，一中程接收器)，及導引由其他傳輸器所發射之光至其他接收器(例如，一短程或長程接收器)，舉例而言，如在圖8B中所繪示。在一些實施例中，自各傳輸器反射之光可處於與所傳輸之圓形偏光狀態呈反向的一圓形偏光狀態。舉例而言，若來自一個傳輸器之光係依左旋圓形偏光狀態予以傳輸，則相對應之反射將依右旋圓形偏光狀態予以接收。當該四分之一波片變換反射光之偏光時，所得線性偏光係正交於原本自一各別傳輸器所傳輸的雷射脈衝之線性偏光狀態。在光學路徑中，來自各傳輸器的所反射之光接著通過該分光器或被該分光器導引以到達相對應於該傳輸器的接收器。
如在2030所指示，各別接收器之光學系統折射光至各別光偵測器或感測器，舉例而言，一或多個一維單光子崩潰偵測器(SPAD)。在圖1中繪示可在一中程接收器中使用的一實例光學系統。在圖2及圖5中繪示可在一長程接收器中使用的實例光學系統。在圖3、圖4及圖6中繪示可在一短程接收器中使用的實例光學系統。
如在2040所指示，可分析在光偵測器處捕獲之光，舉例而言，以判定在環境中之物體或表面之測距資訊。在一些實施例中，可分析由一長程接收器所捕獲之光，以判定長程物體或表面的測距(range)(例如，20公尺至200公尺)；可分析由一中程接收器所捕獲之光，以判定近程至中程物體或表面的測距(例如，50公尺或更少)；及可分析由一短程接收器所捕獲之光，以判定 短程物體的測距(例如，20公尺或更少)。舉例而言，可基於介於發送雷射脈衝傳輸之時間與接收到該雷射脈衝傳輸之一反射之時間之間的差異來計算距離。在不同接收器處所接收及由不同接收器所捕獲的所反射光之分析可被用在許多不同應用中。例如，對一區域進行的多個距離測量可經處理以產生一高解析度地圖，其可使用在各式各樣不同應用中，包括(但不限於)地質調查、大氣測量、物體偵測、自主式導航、或其他遠端環境感測應用。
自元件2040返回元件2000之箭頭指示，該方法可繼續發射光(例如，雷射脈衝)及接收且處理光之反射，只要系統(例如，LiDAR系統)係在使用中。
雖然上文已描述特定實施例，但是這些實施例非意欲限制本揭露之範疇，即使針對一特定特徵僅描述一單一實施例。在本揭露中所提供之特徵之實例意欲為闡釋性而非限制性，除非另有陳述。本揭露之範疇包括本文中所揭露(明示或隱含地)之任何特徵或特徵組合，或其任何概括(generalization)，無論其是否緩和本文中解決之任何或所有問題。據此，在此申請案之審查期間(或主張其優先權之申請案)可對特徵之任何此類組合制定新請求項。具體而言，參照隨附申請專利範圍，可組合來自附屬請求項的特徵與獨立請求項之特徵，且可依任何適合方式組合來自各別獨立請求項之特徵，而非僅在隨附申請專利範圍中列舉之特定組合。
在不同實施例中，本文所述之方法之各種方法可以軟體、硬體、或其一組合實施。此外，可改變方法方塊的順序，且各種元件可增加、重排序、結合、省略、修改等。對受益於本揭露之所屬技術領域中具有通常知識者而言將顯而易見的是，可作出各種修改及改變。本文所述之各種實施例係意 欲作為說明而非限制之用。許多變化、修改、增加、及改善係可行的。各種組件與操作之間的界線係稍微為任意的，且特定操作係在特定說明性組態的上下文說明。其他的功能配置係經預想並可落在下列之申請專利範圍的範疇內。最後，可將在例示性組態中作為離散組件呈現的結構與功能實施為一經結合的結構或組件。這些及其他變化、修改、增加、及改善可落在如下列申請專利範圍中所界定之實施例的範疇內。

Claims (20)

  1. 一種遠端感測系統，其包含：兩個傳輸器，其等透過一共同光學路徑傳輸光至一物場；及兩個接收器，其等偵測透過該共同光學路徑在該系統處所接收的該經傳輸光之反射，其中該兩個接收器包括一中程接收器，該中程接收器包含一中程光學系統，該中程光學系統包括複數個折射透鏡元件，該複數個折射透鏡元件折射自50公尺或更少之一範圍反射的該光之一部分至捕獲該光之一第一感測器，其中該中程光學系統之視場係介於15度與60度之間，且其中該中程光學系統之光圈值係1.6或更少。
  2. 如請求項1之遠端感測系統，其中該中程光學系統具有在10毫米至15毫米之一範圍內之一入射光瞳。
  3. 如請求項1之遠端感測系統，其中該中程光學系統包括五個折射透鏡元件，且其中在該中程光學系統中的該等透鏡元件之表面包括球面、偶次項非球面、或平坦/平表面中之一或多者。
  4. 如請求項2之遠端感測系統，其中按自該中程光學系統之一物側至該中程光學系統之一像側的順序，該五個折射透鏡元件包括：一第一透鏡元件，其具有負折射焦度；一第二透鏡元件，其具有正折射焦度；一第三透鏡元件，其具有正折射焦度；一第四透鏡元件，其具有正折射焦度；及一第五透鏡元件，其具有負折射焦度。
  5. 如請求項4之遠端感測系統， 其中該第一透鏡元件係具有一凸形物側表面及一凹形像側表面之一彎月形透鏡；其中該第三透鏡元件係具有一凹形物側表面及一凸形像側表面之一彎月形透鏡；其中該第四透鏡元件係一平凸透鏡；且其中該第五透鏡元件係具有一凸形物側表面及一凹形像側表面之一彎月形透鏡。
  6. 如請求項4之遠端感測系統，其中該中程光學系統進一步包括：一光闌，其定位於該第二透鏡元件與該第三透鏡元件之間；及一光學帶通濾波器，其定位在該第四透鏡元件之一像側表面處或上。
  7. 如請求項1之遠端感測系統，其中該中程光學系統係一像空間遠心透鏡。
  8. 如請求項1之遠端感測系統，其中該兩個接收器進一步包括一短程接收器，該短程接收器包含一短程光學系統，該短程光學系統包括複數個折射透鏡元件，該複數個折射透鏡元件折射自20公尺或更少之一範圍反射的該光之一部分至捕獲該光之一第二感測器，其中該短程光學系統之視場係介於45度與65度之間，且其中該短程光學系統之光圈值係2.0或更少。
  9. 如請求項1之遠端感測系統，其中該兩個接收器進一步包括一長程接收器，該長程接收器包含一長程光學系統，該長程光學系統包括複數個折射透鏡元件，該複數個折射透鏡元件折射自20公尺或更多之一範圍反射的該光之一部分至捕獲該光之一第二感測器，其中該長程光學系統之視場係15度或更少，且其中該長程光學系統之光圈值係1.2或更少。
  10. 如請求項1之遠端感測系統，其中該感測器包括一或多個單光子崩潰偵測器。
  11. 一種用於接收自一物場反射之光之中程光學系統，其包含：五個折射透鏡元件，其等折射自50公尺或更少之一範圍反射的光至一光偵測器，其中該等折射透鏡元件之表面係球面、偶次項非球面、或平坦/平表面；其中該光學系統之視場係介於15度與60度之間，且其中該光學系統之光圈值係1.6或更少。
  12. 如請求項11之中程光學系統，其中該中程光學系統具有在10毫米至15毫米之一範圍內之一入射光瞳。
  13. 如請求項11之中程光學系統，其中按自該光學系統之一物側至該光學系統之一像側的順序，該五個折射透鏡元件包括：一第一透鏡元件，其中該第一透鏡元件係具有負折射焦度之一彎月形透鏡；一第二透鏡元件，其中該第二透鏡元件係具有正折射焦度之一雙凸透鏡；一第三透鏡元件，其中該第三透鏡元件係具有正折射焦度之一彎月形透鏡；一第四透鏡元件，其中該第四透鏡元件係具有正折射焦度之一平凸透鏡；及一第五透鏡元件，其中該第五透鏡元件係具有負折射焦度之一彎月形透鏡。
  14. 如請求項13之中程光學系統，其中該光學系統進一步包含： 一光闌，其定位於該第二透鏡元件與該第三透鏡元件之間；及一光學帶通濾波器，其定位在該第四透鏡元件之該像側表面處。
  15. 如請求項11之中程光學系統，其中該中程光學系統係一像空間遠心透鏡。
  16. 一種用於一遠端感測系統之方法，其包含：由一遠端感測系統之第一傳輸器及第二傳輸器發射光至該遠端感測系統之一共同光學路徑；由該共同光學路徑導引由該第一傳輸器及該第二傳輸器發射的該光至一物場；在該遠端感測系統處接收自該物場反射的該光之一部分；由該共同光學路徑導引該所接收光之部分至該遠端感測系統之第一接收器及第二接收器，其中由該第一傳輸器發射的光被導引至該第一接收器，且其中由該第二傳輸器發射的光被導引至該第二接收器；及由該第一接收器及該第二接收器之光學系統折射在該等各別接收器處接收之該光至該第一接收器及該第二接收器之光偵測器；其中該第一接收器之該光學系統包括複數個折射透鏡元件，該複數個折射透鏡元件折射自50公尺或更少之一範圍反射的該光之一部分至該第一接收器之該光偵測器，其中該第一接收器之該光學系統之視場係介於15度與60度之間，且其中該第一接收器之該光學系統之光圈值係1.6或更少。
  17. 如請求項16之用於一遠端感測系統之方法，其中該第二接收器之該光學系統包括複數個折射透鏡元件，該複數個折射透鏡元件折射自20公尺或 更少之一範圍反射的該光之一部分至該第二接收器之該光偵測器，其中該第二接收器之該光學系統之視場係介於45度與65度之間，且其中該第二接收器之該光學系統之光圈值係2.0或更少。
  18. 如請求項16之用於一遠端感測系統之方法，其中該第二接收器之該光學系統包括複數個折射透鏡元件，該複數個折射透鏡元件折射自20公尺或更多之一範圍反射的該光之一部分至該第二接收器之該光偵測器，其中該第二接收器之該光學系統之視場係15度或更少，且其中該第二接收器之該光學系統之光圈值係1.2或更少。
  19. 如請求項16之用於一遠端感測系統之方法，其中按自該光學系統之一物側至該光學系統之一像側的順序，該第一接收器之該光學系統包括：一第一透鏡元件，其具有負折射焦度；一第二透鏡元件，其具有正折射焦度；一孔徑光闌；一第三透鏡元件，其具有正折射焦度；一第四透鏡元件，其具有正折射焦度；一光學帶通濾波器；及一第五透鏡元件，其具有負折射焦度。
  20. 如請求項19之用於一遠端感測系統之方法，其中該孔徑光闌之一入射光瞳係於10毫米至15毫米之一範圍內。
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