具有电子扫描发射器阵列和同步传感器阵列的光测距装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月5日提交的美国临时专利申请号62/528,879的优先权，其公开内容在此通过引用以其全部内容并出于所有目的引入。

背景技术：

光成像、检测和测距(lidar)系统通过用脉冲激光照明目标且用传感器测量反射的脉冲来测量到目标的距离。接着可使用飞行时间测量值来产生目标的数字3d表示。lidar系统可用于各种需要使用3d深度图像的应用，包含考古学、地理学、地质学、林业、绘图、建造、医学成像和军事应用，以及其它应用。自主车辆也可使用lidar用于障碍检测和避免以及车辆导航。

一些lidar系统包括机械、移动部件，其在物理上以小于或等于360°的旋转角度扫描发射和接收元件以捕获场中景物的图像。可以用于车辆中障碍物检测和避障的这种系统的一个实例通常称为旋转或转动的lidar系统。在旋转的lidar系统中，将lidar传感器通常在壳体内安装到旋转或转动完全360度的柱。lidar传感器包括相干光发射器(例如，红外或近红外光谱中的脉冲激光)，以随着lidar传感器连续旋转穿过场景而照亮车辆周围的场景。当相干光发射器旋转时，它们会在场景中的不同方向上远离lidar系统发送辐射脉冲。入射在场景中周围物体上的部分辐射是从车辆周围的这些物体反射的，然后这些反射由lidar传感器的成像系统部分在不同的时间间隔进行检测。成像系统将检测到的光转换成电信号。

以这种方式，收集和处理关于围绕lidar系统的物体的信息，包括它们的距离和形状。lidar系统的数字信号处理单元可以处理电信号并在深度图像或3d点云中再现有关物体的信息，这些信息可以用作障碍检测和避开以及车辆导航和其他目的的辅助。另外，图像处理和图像拼接模块可以获取信息并组装车辆周围物体的显示。

机械lidar系统的另一种类型使用例如检流计镜沿着预定的扫描图案扫描激光束。一些这样的系统可以包括光电传感器的二维阵列，其被电子扫描以与激光束的扫描图案一致。但是，当采用机械系统控制光束时，校准传感器阵列与激光束并使其同步具有挑战性。

固态lidar系统也存在不包括任何移动的机械零件。某些固态lidar系统没有在场景中旋转，而是使它们打算用光捕获并感测反射光的场景的整个部分闪光。在这样的系统中，发射机包括发射器阵列，所有发射器都一次发射光以照亮场景，因此有时被称为“闪光”lidar系统。由于缺少活动零件，因此闪光lidar系统的制造较不复杂；然而，由于所有发射器被立即激活，因此它们可能需要大量的功率来操作，并且它们可能需要大量的处理能力以一次处理来自所有像素检测器的信号。减少光发射器的数量可以节省功率，但会牺牲最终图像的质量和分辨率。大量发射的光还会引起不希望有的杂散光，这些杂散光会在接收端产生噪声，从而降低感测信号的信噪比并导致图像模糊。

技术实现要素：

本公开的一些实施例涉及静止的固态lidar系统，其中不存在旋转柱或检流计镜。与当前可用的旋转lidar系统相比，实施例可以高分辨率和低功耗并且以改善的精度、可靠性、尺寸、集成和外观来捕获场景的图像。

根据一些实施例，一种固态电子扫描lidar系统可以包括扫描焦平面发射元件和扫描焦平面接收元件，其操作被同步，使得发射元件中的发射器阵列的触发顺序对应于接收元件中的光电传感器阵列的捕获顺序。发射元件和接收元件可以分别与图像空间远心体光学器件耦合，该图像空间远心体光学器件分别在物体空间中准直到发射机和接收器的视场。

在操作期间，发射器阵列可以顺序触发一个或多个光发射器到场景并且反射的光可以由一个或多个光电传感器的相应组通过位于光电传感器的前面的光圈层接收。每个光发射器可对应于光圈层中的光圈，并且每个光圈可对应于接收元件中的光电传感器，使得每个光发射器对应于接收元件中的特定光电传感器。光圈可以减轻杂散光在相邻光电传感器上的曝光，并将光电传感器的视场范围缩小到该场中的单个点。通过同步触发和捕获顺序，固态扫描lidar系统仅通过在给定的时间点照明来自一组发射器的一定量的光可有效地捕获图像，这些光可以由相应的一组光电传感器有效地检测到，从而最大程度地减少了对场景的过度照明，并以尽可能最佳利用系统可用功率的方式来集中能量。此外，本文实施例中的电子扫描lidar系统还可以利用微光学器件来进一步提高捕获场景图像的效率。微光学器件可以改善从发射元件发射的光的亮度和强度，并且最小化电扫描lidar系统的接收元件的传感器像素之间的串扰。

根据本公开的一些实施例的固态扫描lidar系统可以包括用于接收元件的扫描焦平面阵列和微机电系统(mems)的一维扫描镜，其耦合到发射元件。在一些实施例中，发射器元件可以是垂直于mems镜的扫描轴而取向的发射器的一维阵列，并且在一些其他实施例中，发射器元件可以是具有另一光学元件的衍射元件以产生激光线的单发射器，激光线与mems镜或多个衍射光学元件后面的多个发射器耦合，以实现电子扫描。

在一些实施例中，一种固态光学系统包括：光传输模块，包括具有各个光发射器的阵列的发射机层，光感测模块，包括具有光电传感器的阵列的传感器层，发射器阵列触发电路，其耦合到光发射器的阵列并配置为一次仅激活光发射器的子集，以及传感器阵列读出电路，其耦合到光电传感器的阵列并配置为同步阵列内各个光电传感器的读出与相应的光发射器的触发同时进行，使得可以激活各个光发射器的阵列中的每个光发射器，并且可以通过一个发射周期读出光电传感器的阵列中的每个光电传感器。光发射器的阵列中的每个光发射器可以与光感测模块中的对应光电传感器配对。

在一些另外的实施例中，一种用于执行距离测量的固态光学系统包括：光发射系统，包括本体发射机(bulktransmitter)光学器件、以及照明源，所述照明源包括光发射器的二维阵列，该阵列根据照明图案布置并对准，以将离散的光束通过所述本体发射机光学器件投射到光学系统之前的场中。固态光学系统还包括光检测系统，该光检测系统包括：本体接收器光学器件；光圈层，该光圈层包括多个光圈；以及光电传感器层，该光电传感器层包括光电传感器的二维阵列，其被配置为检测从照明源发出和在通过本体接收器光学器件后从视场内的表面反射的光子。可以将光圈层和光电传感器层布置成形成以与照明图案相对应的感测图案布置的多个感测通道，并且其中多个感测通道中的每个感测通道对应于发射器阵列中的发射器，并且包括来自光圈层的光圈和来自光电传感器层的光电传感器。固态光学系统还包括：发射器阵列触发电路，其耦合到光发射器的二维阵列并配置为一次仅激活光发射器的子集，以及传感器阵列读出电路，其耦合到光电传感器的二维阵列并配置为同步阵列内各个光电传感器的读出与相应的光发射器的触发同时进行，使得可以激活各个光发射器的阵列中的每个光发射器，并且可以通过一个发射周期读出光电传感器的阵列中的每个光电传感器。

在某些实施方案中，一种用于执行距离测量的固态光学系统包括光发射系统，包括本体发射机光学器件，和照明源，该照明源包括光发射器的二维阵列，其被对准以根据照明图案将离散的光束通过本体发射机光学器件投射到光学系统外部的场中，其中照明图案中的每个离散的光束表示该场内的非重叠视场。固态光学系统还包括光检测系统，其被配置为检测从照明源发出的和从场内的表面反射的光子，该光检测系统包括本体接收器光学器件、包括多个光圈的光圈层、以及包括光电传感器的二维阵列的光电传感器层，其中光圈层和光电传感器层被布置为形成多个传感通道，该传感通道具有在场中的传感图案，其在与系统的距离范围内在尺寸和几何形状上基本匹配于光发射器的阵列的照明图案，并且其中多个感测通道中的每个感测通道对应于发射器阵列中的发射器，并且包括来自光圈层的光圈和来自光电传感器层的光电传感器。固态光学系统还包括发射器阵列触发电路，其耦合到光发射器的阵列，并且被配置为执行多个图像捕获时段，其中，对于每个图像捕获时段，发射器阵列触发电路顺序地根据触发顺序触发所述发射器阵列内的发射器的子集，直到生成照明图案，以及传感器阵列读出电路，其与光电传感器的阵列耦合并配置为同步在阵列内各个光发射器的读出与在光发射器阵列内相应光电传感器的触发同时进行。

在一些实施例中，一种用于执行距离测量的固态光学系统包括：第一照明源，包括光发射器的第一二维阵列，所述阵列被对准以根据第一照明图案将离散的光束投射到在光学系统外部的场中；第二照明源，包括光发射器的第二二维阵列，所述阵列被对准以根据第二照明图案将离散的光束投射到所述场中，第二照明图案的尺寸和几何形状与第一照明图案相同；和光检测模块，包括光电传感器阵列，该光电传感器阵列被配置为检测从第一和第二照明源发出的和从所述场内的表面反射的光子，其中光电传感器阵列中的每个光电传感器具有与光发射器第一阵列中的一个发射器和光发射器第二阵列中的一个发射器的视场重叠的视场。光发射器第一和第二阵列和光电传感器阵列可以同步操作，使得当激活一个或多个光发射器时，读取相应的一个或多个光电传感器。

在一些另外的实施例中，一种用于执行距离测量的固态光学系统包括：第一光发射模块，包括第一本体发射机光学器件和第一照明源，第一照明源包括光发射器的第一二维阵列，所述阵列被对准以根据第一照明图案将离散的光束通过第一本体发射机光学器件投射到在光学系统外部的场中；第二光发射模块，包括第二本体发射机光学器件和第二照明源，第二照明源包括光发射器的第二二维阵列，所述阵列被对准以根据第二照明图案将离散的光束通过第二本体发射机光学器件投射到所述场中，第二照明图案的尺寸和几何形状与第一照明图案相同；和光检测模块，包括本体接收器光学器件、包括多个光圈的光圈层和光电传感器层，光电传感器层包括光电传感器阵列，该光电传感器阵列被配置为检测通过本体接收器光学器件从第一和第二照明源发出的和从所述场内的表面反射的光子，其中光圈层和光电传感器层布置为形成感测通道的二维阵列，每个感测通道包括来自光圈层的光圈和来自光电传感器层的光电传感器并且具有与第一发射器阵列中的一个发射器和第二发射器阵列中的一个发射器的视场重叠的视场。第一和第二光发射器阵列以及光电传感器阵列可以同步操作，使得当激活一个或多个光发射器时，读取相应的一个光电传感器。

在某些实施例中，一种用于执行距离测量的固态光学系统包括光检测系统，其包括本体接收器光学器件、包括多个光圈的光圈层、和包括光电传感器的二维阵列的光电传感器层，其中光圈层和光电传感器层被布置为形成具有感测图案的多个感测通道，其中多个感测通道中的每个感测通道限定了在光检测系统前面的视场中超出阈值距离的离散的、不重叠的视场并且包括来自光圈层的光圈和来自光电传感器层的光电传感器。固态光学系统还包括光发射系统，其包括第一本体发射机光学器件，光发射器的第一二维阵列，其被对准以根据第一照明光束将离散的光束通过第一本体发射机光学器件投射到所述场中，第二本体发射机光学器件，和光发射器的第二二维阵列，其被对准以根据第二照明图案将离散的光束通过第二本体发射机光学器件投射到所述场中，第二照明图案具有与第一照明图案相同的尺寸和几何形状，其中第一和第二照明图案被对准，使得来自第一照明图案的一个离散光束和来自第二照明图案的一个离散光束落入多个感测通道中的每个感测通道的视场内。固态光学系统还包括发射器阵列扫描电路，其耦合到第一和第二光发射器阵列，并配置为执行多个图像捕获时段，其中，对于每个图像捕获时段，发射器阵列扫描电路顺序触发第一发射器阵列的发射器子集，然后触发第二发射器阵列的发射器子集，直到生成第一和第二照明图案，以及传感器阵列扫描电路，其耦合到光电传感器阵列并配置为同步阵列中各个光电传感器的读出与在第一和第二光发射器阵列内相应发射器的触发同时进行。

在一些实施例中，一种用于执行距离测量的光学系统包括照明源，其具有对准以将离散的光束投射到光学系统外部的场中的一列光发射器，mems设备，其被配置为沿着垂直于光发射器的列而取向的扫描轴倾斜并且将来自该列的辐射反射到场中以产生二维照明图案，其中来自光发射器的列的离散光束被重复多次，形成图案内的多个不重叠的列，以及光检测系统，其配置为检测从照明源发射的和从场内的表面反射的光子，该光检测系统包括光电传感器层，该光电传感器层包括具有在场中的感测图案的二维光电传感器阵列，其在与所述系统的距离范围内在尺寸和几何形状上基本匹配由mems设备创建的二维照明图案。光学系统还包括耦合至mems设备和光发射器的列并被配置为执行多个图像捕获时段的电路，其中对于每个图像捕获时段，在mems设备沿其轴倾斜时依次触发光发射器的列，直到产生所述照明图案，以及传感器阵列扫描电路，其耦合到光电传感器的阵列并配置为同步阵列内各个光电传感器的读出与光发射器的列中相应发射器的触发同步地进行。

在一些另外的实施例中，一种用于执行距离测量的光学系统包括：光发射系统，其具有本体发射机光学器件和照明源，照明源包括对准以将离散的光束通过本体发射机光学器件投射到光学系统外部的场中的光发射器的列，在本体发射机光学器件和照明源之间设置的mems设备，该mems设备配置为沿垂直于光发射器的列而取向的扫描轴倾斜并从所述列反射辐射到光学系统外部的场以产生二维照明图案，其中将来自光发射器的列的离散光束重复多次，在图案内形成多个不重叠的列，以及光检测系统，其检测从照明源发出和从场内表面反射的光子，该光检测系统包括本体接收器光学器件；包括多个光圈的光圈层；以及包括二维光电传感器阵列的光电传感器层，其中所述光圈层和所述光电传感器层被布置为形成在场中具有感测图案的多个感测通道，其尺寸和几何形状在与系统的距离范围内与由mems设备产生的二维照明图案基本匹配，并且其中多个感测通道中的每个感测通道对应于发射器阵列中的发射器并且包括来自光圈层的光圈和来自光电传感器层的光电传感器。光学系统还包括耦合至mems设备和光发射器的列并被配置为执行多个图像捕获时段的电路，其中对于每个图像捕获时段，在mems设备沿其轴倾斜时依次触发光发射器的列，直到产生所述照明图案，以及传感器阵列扫描电路，其耦合到光电传感器的阵列并配置为同步阵列内各个光电传感器的读出与光发射器阵列中相应发射器的触发同步地进行。

在某些实施方案中，一种用于执行距离测量光学系统包括光发射系统，其具有本体发射机光学器件和照明源，照明源包括对准以将离散的光束通过本体发射机光学器件投射到光学系统外部的场中的单个光发射器，光学元件，其设置在本体发射机光学器件和照明源之间并配置为从单个光发射器生成光斑图案，设置在光学元件和照明源之间的mems设备，mems设备被配置为沿着扫描轴倾斜并且将来自单个光发射器的辐射反射到光学系统外部的场中，以产生二维照明图案，其中光的光斑图案重复多次，从而形成图案内的多个不重叠的列，以及光检测系统，其配置为检测从照明源发出和从场内的表面反射的光子，该光检测系统包括本体接收器光学器件、包括多个光圈的光圈层和包括二维光电传感器阵列的光电传感器层，其中光圈层和光电传感器层被布置为形成在场中具有感测图案的多个感测通道，其尺寸和几何形状在与系统的距离范围内基本上与由所述mems设备产生的二维照明图案匹配，并且其中多个感测通道中的每个感测通道对应于二维照明图案内的光斑，并且包括来自光圈层的光圈和来自光电传感器层的光电传感器。光学系统还包括耦合至mems设备和单个光发射器并被配置为执行多个图像捕获时段的电路，其中对于每个图像捕获时段，在mems设备沿其轴倾斜时依次触发单个光发射器，直到产生所述照明图案，以及传感器阵列扫描电路，其耦合到光电传感器的阵列并配置为同步阵列内各个光电传感器的读出与单个光发射器的触发同步地进行。

在一些实施例中，一种用于执行距离测量的光学系统包括对准以根据照明方案将离散光束投射到所述光学系统外面的场中的光发射器的二维阵列，其中照明图案中的每个离散光束表示该场内的非重叠视场，以及光检测系统，其包括由光电传感器的二维阵列形成的光电传感器层，光电传感器的二维阵列包括光电传感器的第一子集，所述第一子集定位成与光发射器阵列中的第一光发射器相对应，以使第一光发射器的视场与光电传感器的第一子集中每个光发射器的每个视场的至少一部分重叠，其中光电传感器的第一子集中的每个光电传感器被配置为接收从第一个光发射器发射的光的至少一部分。

在一些另外的实施例中，一种用于执行距离测量的光学系统包括配置为将离散光束发射到场中的光发射系统，所述光发射系统包括本体发射机光学器件和光发射器的二维阵列，该二维阵列被对准以根据照明图案将离散光束通过本体发射机光学器件投射到光学系统外部的场中，其中照明图案中的每个离散光束代表场中的不重叠的视场，以及光检测系统，其配置为检测从照明源发出和从场内的表面反射的光子，该光检测系统包括本体接收器光学器件和由光电传感器的二维阵列形成的光电传感器层，其包括光电传感器的第一子集，第一子集被定位为与光发射器的阵列的第一光发射器相对应，使得第一光发射器的视场与光电传感器的第一子集中的每个光电传感器的每个视场的至少一部分重叠，光电传感器的第一子集中的每个光电传感器被配置为接收从第一光发射器发射的光的至少一部分。该光学系统还包括发射器阵列触发电路，其耦合到光发射器的阵列，并且被配置为执行多个捕获时段，其中，对于每个捕获时段，发射器阵列触发电路顺序地根据触发顺序触发所述发射器阵列内的发射器的子集，直到生成照明图案，以及传感器阵列读出电路，其与光电传感器的阵列耦合并配置为同步在阵列内各个光发射器的读出与在光发射器阵列内相应光电传感器的触发同时进行。

在某些实施例中，一种用于执行距离测量的光学系统包括配置为发射离散光束到场中的光发射系统，该光发射系统包括本体发射机光学器件和光发射器的二维阵列，其被对准以根据照明图案将离散的光束通过本体发射机光学器件投射到光学系统外部的场中，其中照明图案中的每个离散的光束表示该场内的非重叠视场，以及配置为检测从照明源发出和从场内的表面反射的光子的光检测系统，该光检测系统包括本体接收器光学元件和由光电传感器的二维阵列形成的光电传感器层，该阵列包括光电传感器的第一子集，该光电传感器的第一子集定位成与光发射器阵列中的第一光发射器相对应，使得第一光发射器的视场与光电传感器的第一子集中的每个光电传感器的每个视场的至少一部分重叠，光电传感器的第一子集中的每个光电传感器被配置为接收从第一光发射器发射的光的至少一部分。该光学系统还包括发射器阵列触发电路，其耦合到光发射器的阵列，并且被配置为执行多个捕获时段，其中，对于每个捕获时段，发射器阵列触发电路顺序地根据触发顺序触发所述发射器阵列内的发射器的子集，直到生成照明图案，以及传感器阵列读出电路，其与光电传感器的阵列耦合并配置为同步在阵列内各个光发射器的读出与在光发射器阵列内相应光电传感器的触发同时进行。

在一些实施例中，一种光测距装置包括半导体发射器阵列，其包括光发射器的二维阵列，其被对准以将离散光束根据照明图案投射到光学系统外部的场中，其中照明图案中的每个离散光束代表场内的不重叠视场，光发射器的二维阵列包括多个并排对准的发射器组，其中每个发射器组包括光发射器的二维阵列中的发射器子集，并且可独立地操作以从其发射器子集发射光，以及耦合到多个发射器组的发射器阵列驱动电路，所述发射器阵列驱动电路被配置为根据触发顺序一次激活所述多个发射器组中的一个发射器组，其中激活的组中的发射器子集被触发。

在一些另外的实施例中，一种光测距装置包括互连结构，耦合到所述互连结构的半导体发射器阵列，所述半导体发射器阵列包括本体发射机光学器件和光发射器的二维阵列，其被对准以将离散光束根据照明图案通过本体发射机光学器件投射到光学系统外部的场中，其中照明图案中的每个离散光束代表场内的不重叠视场，光发射器的二维阵列包括多个并排对准的发射器组，每个发射器组可独立地操作以发射光，多个驱动器，其直接安装在半导体发射器阵列的表面上并电耦合至光发射器阵列，每个驱动器被配置为根据触发序列控制各个发射器组的激活，散热器，其耦合到互连结构的与耦合半导体发射器阵列的表面相反的表面，该散热器包括多个鳍片并被配置为消散由半导体发射器阵列产生的热量，以及热电冷却器，其位于互连结构和散热器之间，该热电冷却器配置成将热量从互连结构传递到散热器。

在某些实施例中，一种光测距装置包括互连结构，耦合到所述互连结构的发射器阵列，所述发射器阵列包括本体发射机光学器件和光发射器的二维阵列，其被对准以将离散光束根据照明图案通过本体发射机光学器件投射到光学系统外部的场中，其中照明图案中的每个离散光束代表场内的不重叠视场，光发射器的二维阵列包括多个并排对准的发射器组，每个光发射器组是半导体管芯，在其上构造光发射器阵列的各个光发射器子集，电容器组，其安装在互连结构上并通过位于电容器组和光发射器阵列之间的第一触点阵列电耦合到光发射器阵列，电容器组包括多个电容器，该多个电容器被配置为充放其存储的能量以激活光发射器阵列以投射离散的光束，每个电容器耦合到相应的发射器组并被配置为激活相应的光发射器子集，多个驱动器，其安装在互连结构上并通过位于多个驱动器和光发射器阵列之间的第二触点阵列电耦合到光发射器阵列，每个驱动器配置为控制相应光发射器子集的激活，以及电连接器，其安装在互连结构上并电耦合到多个驱动器，该电连接器配置为与外部设备耦合以允许外部设备控制光发射系统的操作。

可以参考以下详细描述和附图来更好地了解本公开实施例的性质和优点。

附图说明

图1是根据本公开的一些实施例的示例性固态电子扫描lidar系统的框图。

图2a是根据本公开的一些实施例的用于示例性固态电子扫描lidar系统的发射器阵列和传感器阵列的简化图示。

图2b-2d是示出根据本公开的一些实施例的发射器阵列的示例性触发序列和传感器阵列的传感器读出序列的简化图。

图3是根据本公开的一些实施例的在一种方案中电子扫描lidar系统的光传输和检测操作的说明性实例。

图4是根据本公开的一些实施例的用于发射器阵列和传感器阵列的重叠视场的简化图示。

图5是示出根据本公开的一些实施例的示例性固态电子扫描lidar系统的详细侧视图的简化图。

图6是根据本公开的一些实施例的用于固态电子扫描lidar系统中的发射器阵列的示例性发射器驱动系统的自顶向下的系统视图。

图7a是根据本公开的一些实施例的示例性发射器阵列的简化图示，其与驱动器配对并且布置在可单独控制的组中。

图7b是根据本公开的一些实施例的示例性发射器阵列的简化图示，其与驱动器配对并且布置在可单独控制的列中。

图8a是根据本公开的一些实施例的示例性lidar系统的简化图示，其包括具有非重叠视场的多个可独立操作的发射器阵列，每个发射器阵列具有其自己的一组驱动器，用于发射可由传感器阵列捕获的光。

图8b是根据本公开的一些实施例的叠加在图8a的光电传感器上的微透镜阵列的简化图示。

图8c是根据本公开的一些实施例的图8b中的微透镜阵列的简化截面图，当感测来自场的光时其位于图8a的光电传感器的前面。

图8d是根据本公开的一些实施例的示例性lidar系统的简化图示，其包括具有重叠视场的多个可独立操作的发射器阵列，每个发射器阵列具有其自己的一组驱动器，用于发射可由传感器阵列捕获的光。

图8e是根据本公开的一些实施例的用于发射器阵列和传感器阵列的重叠视场的简化图示，相对于图8d进行讨论。

图9a是根据本公开的一些实施例的包括一维发射器阵列和mems设备的示例性光发送系统的简化图示。

图9b是根据本公开的一些实施例的包括单个发射器和mems设备的示例性光发送系统的简化图示。

图10是根据本公开的一些实施例的示例性增强光发射系统的简化剖视图。

图11是根据本公开的一些实施例的用于按列操作m×n传感器阵列的传感器控制系统的简化图。

图12是根据本公开的一些实施例的用于按行操作m×n传感器阵列的传感器控制系统的简化图。

图13a是根据本公开的一些实施例的用于以列和行控制电路按光电传感器操作m×n传感器阵列的控制系统的简化图。

图13b是根据本公开的一些实施例的用于以每个光电传感器专用的控制电路来按光电传感器操作m×n传感器阵列的控制系统的简化图。

图14是根据本公开的一些实施例的其中发射器阵列和传感器阵列具有一一对应的配置的简化图示。

图15是根据本公开的一些实施例的其中发射器阵列和传感器阵列具有一一对应但是在一维上具有修改的分辨率的配置的简化图示。

图16是根据本公开的一些实施例的其中传感器阵列具有多路光电传感器的配置的简化图示。

图17是根据本公开的一些实施例的示例性光传输模块的构造的截面图。

图18是根据本公开的一些实施例的在公路车辆的外部区域处实现的固态电子扫描lidar系统的简化图示。

图19是根据本公开的一些实施例的在公路车辆顶上实现的固态电子扫描lidar系统的简化图示。

图20是根据本公开的一些实施例的示例性固态电子扫描lidar系统的简化的自上而下的图示，该系统包括多于一组的发射和检测系统以实现扩大的视场。

图21a是光检测系统的一部分的简化剖视图，其中通道之间没有串扰。

图21b是光检测系统的一部分的简化剖视图，其中通道之间存在串扰。

图22是根据本公开的一些实施例的示例性微光学接收器通道结构的简化剖视图。

图23是根据本公开的一些实施例的示例性简化接收器通道的示例性实施例的简化剖视图。

图24是根据本公开的一些实施例的传感器阵列的放大部分的简化图。

图25是根据本公开的一些实施例的传感器阵列的放大部分的简化图，其中一个或多个组件安装在基板的背面上。

具体实施方式

本公开的一些实施例涉及静止的固态lidar系统，其中不存在旋转柱或检流计镜。实施例可以将光发射到lidar系统外部的场中并且在发射光已经反射离开场中的物体之后捕获发射光。然后，本公开的实施例可以使用捕获的发射光来创建场的三维图像。与当前可用的旋转lidar系统相比，本公开的实施例可以具有改进的准确性、可靠性、尺寸、集成度和外观。另外，本公开的实施例可以使用比固态闪光型lidar系统更少的功率来捕获给定分辨率的图像。

根据本公开的一些实施例的固态阵列电子扫描lidar系统可以包括光传输模块以及光感测模块。光传输模块可以包括包含各个发射器的阵列的发射机层，并且光感测模块可以包括包含光电传感器的阵列的传感器层。发射器阵列中的每个发射器可以与光电传感器阵列中的对应传感器(即光电传感器)配对。在一些实施例中，代替用整个发射器组闪烁场景，一次仅激活发射器的子集，并且仅在触发发射器的同时读出光电传感器的相应子集。然后，在不同的时间激活发射器的不同子集，同时读出相应的光电传感器子集，以便可以激活发射器阵列中的所有发射器，并且可以通过一个发射周期读出传感器阵列中的所有光电传感器。

作为一个例子，对于每个发射周期，光传输模块的发射器阵列可以通过一次激活一列并以从左至右的连续顺序发射光。同样，传感器阵列可以被配置为以相应的顺序感测(即读出)发射的光。例如，传感器阵列可以配置为一次一列并且从左到右依次测量光，从而使发射器和传感器阵列以同步方式运行。这样，只有与激活的发射器相对应的那些光电传感器才被读出以感测光。

在一些实施例中，固态lidar系统包括形成在传感器阵列上方的微光学接收器层。微光学接收器层可以包括与传感器阵列结合以形成微光学接收器通道的二维阵列的光学元件。每个微光学接收器通道可以包括来自传感器阵列的光电传感器，来自微光学层的光圈，其被配置为限制其各自光电传感器的视场以匹配相应发射器的视场，以及来自微光学层的滤光器，该滤光器被配置为使入射光子以包括发射器阵列的工作波长的波长和通带通过。在一些实施例中，微光学接收器层可以进一步包括一个或多个透镜层、附加的光圈层和/或其他光学结构。

在一些情况下，微光学接收器通道结构具有柱状布置，其具有包括吸收性和/或反射性侧壁和/或聚焦漏斗的外壳。微光学接收器通道最大化通过其光圈的入射光线的收集，准直光以使其垂直于滤光器，并且最小化由于来自相邻光圈的输入的混合而造成与相邻微光学接收器通道的串扰，这将在下面详细讨论。在各种情况下，根据本公开的大成像光学器件修改整个发射器或光电传感器阵列的光或其他辐射。微光学结构可以作为阵列的一部分，并且可以针对阵列中的不同发射器和/或光电传感器以不同的方式修改光。在一些实施例中，对于每个单独的阵列元件(光电传感器和/或发射器)，存在一个或多个微光学元件。

在一些情况下，光传输模块可以包括微光学发射机通道阵列，以增强从发射器阵列输出的光。在操作期间，发射器阵列输出的光(例如，激光脉冲)穿过微光学发射机通道阵列，并进入具有大数值光圈的本体发射机光学器件，以更好地捕获来自微光学发射机通道阵列的光。然后，光离开本体发射机光学器件，并照射远处的多个光斑。微光学发射机通道阵列可以提高从本体发射机光学器件发出的光束的亮度，以提供增强的光斑照明，同时提高测量图像的空间分辨率，如本文将进一步详细讨论的。

本文定义的本体成像光学器件可以是一个或多个光学表面，可能包括多个透镜元件，其具有大于一毫米的透明光圈，并且定位成接收从微光学发射机/接收器层投射的光或将接收的光聚焦在微光学发射机/接收器层上。投射从光学发射器(诸如微光学发射机层)接收的光的本体成像光学器件在本文中有时被称为本体发射机光学器件或输出本体成像光学器件。将从场接收的光聚焦到光学检测器上的本体光学层，诸如微光学接收器层，在本文中有时被称为本体接收器光学器件或输入大成像光学器件。输入图像空间远心本体成像光学器件允许系统在宽视场(fov)内均匀测量窄带光。

根据本公开的一些实施例，光感测模块从宽视场收集有限波长范围内的光。例如，感测模块可以捕获图像并检测遍及至少10度的视场的光。在某些实施例中，感测模块可以捕获图像并检测遍及至少20度的fov、遍及至少30度的fov和在一些实施例中遍及至少45度或遍及至少90度的的fov的光。此外，感测模块可以检测约为10纳米或更小的窄波长的光。这与传统相机不同，传统相机检测遍及整个可见光谱或三个不同的宽rgb色带中的光，每个色带可以是100纳米或更宽。在一些特定实施例中，光感测模块可以检测波长约为5纳米或更小的光。在一些实施例中，感测模块可以检测遍及大约32度的视场的波长小于5纳米的检测光。fov可以是垂直和/或水平方向，或两者之间的任何其他角度。

应当理解的是，根据本公开的实施例的电子扫描lidar系统可被配置并以各种方式操作，如将在本文进一步详细地讨论。

i.电子扫描lidar系统

根据本公开的一些实施例的固态电子扫描lidar系统的更好理解可参考图1确定。

图1示出根据本公开的一些实施例的示例性固态电子扫描lidar系统100的框图。固态电子扫描lidar系统100可以包括光测距装置102和用户接口150。光测距装置102可以包括测距系统控制器104、光传输(tx)模块106和光感测(rx)模块108。测距数据可以由光测距装置102通过将一个或多个光脉冲110从光传输模块106传输到光测距装置102周围的视场中的物体来生成。然后，透射光的反射部分112在一段延迟时间后被光感测模块108检测到。基于延迟时间，可以确定到反射表面的距离。也可以采用其他测距方法，例如连续波、光解调、多普勒等。

光传输模块106包括发射器阵列114和tx光学系统116，所述发射器阵列可以是发射器的一维或二维阵列，所述tx光学系统可以与发射器阵列114一起形成光发射系统138。tx光学系统116可以包括图像空间远心的本体发射机光学器件144。在一些实施例中，tx光学系统116可以进一步包括一个或多个tx光学组件146，例如光圈层、准直透镜层和滤光器，其可以与发射器阵列114结合以形成微光学发射器通道阵列，其中每个微光学发射器通道可以增加从本体发射机光学器件发出的光束的亮度和/或用于光束整形、光束控制等，如本文中将进一步讨论的。发射器阵列114或各个发射器可以是激光源，例如垂直腔表面发射激光器(vcsel)、激光二极管等。tx模块106还可以包括任选的处理器118和存储器120，尽管在一些实施例中，这些计算资源可以并入测距系统控制器104。在一些实施例中，可使用脉冲译码技术，例如巴克码(barkercode)等。在这些情况下，存储器120可以存储指示何时应当传输光的脉冲代码。在一些实施例中，脉冲代码被存储为存储在存储器中的整数序列。

光感测模块108可以包括传感器阵列126，其可以是例如二维光电传感器阵列。每个光电传感器(本文有时也仅称为“传感器”，或者称为“像素”)可以包括光检测器的集合，例如，单光子雪崩二极管等，或者传感器可以是单光子检测器(例如，apd)。光感测模块108包括接收器光学感测系统128，当其与传感器阵列126结合在一起时，可以形成光检测系统136。在一些实施例中，接收器光学感测系统128可以包括接收器本体接收器光学器件140和接收器光学部件142，诸如光圈层、透镜层和滤光器，它们可以与传感器阵列126组合以形成微光学接收器通道阵列，其中每个微光学接收器通道测量对应于光测距装置102所处的周围场的不同视场中的图像像素的光。下面结合下面图22和23讨论可以结合到根据本公开的光测距装置102中的微光学接收器通道的各种实例的进一步细节。

传感器阵列126的每个光电传感器(例如，spad的集合)可以对应于发射器阵列114的特定发射器，例如，作为光感测模块108和tx模块106的几何配置的结果。如本文所述，光测距装置102可以是电子扫描lidar设备，其可以通过一次仅激活发射器的子集并且通过在触发发射器的同时仅读出光电传感器的相应子集来捕获场景的图像。可以在不同的时间激活发射器的不同子集，同时读出相应的光电传感器子集，以便最终可以激活所有发射器，并且可以通过一个发射周期读出传感器阵列中的所有光电传感器。作为实例，发射器阵列可以通过在每个发射周期一次一列并以从左到右的顺序激活进行发射光，而传感器阵列可以被配置为以相应的顺序读出相应的光电传感器。因此，本公开的实施例可以包括一个或多个组件以同步光的发射和感测。

在一些实施例中，光检测系统136可包括传感器控制器125，其耦合到传感器阵列126和被配置成控制传感器阵列126的操作。传感器控制器125可以是能够选择一个或多个光电传感器以感测光的任何合适的组件或组件组，例如asic、微控制器、fpga或耦合到选择电路(例如，多路复用器)的任何其他合适的处理器。同样，光发射系统138可以包括耦合到发射器阵列114并配置为控制传感器阵列126的操作的发射器控制器115。发射器控制器115也可以是上述传感器控制器125提及的任何合适的处理器，并且包括一个或多个用于操作发射器阵列114的驱动组件。

在一些实施例中，传感器控制器125和发射器控制器115是同步的，使得在发射器阵列114中的光发射序列与在传感器阵列126中读出光电传感器的序列同步。作为实例，传感器控制器125和发射器控制器115都可以耦合到时钟117，使得两个控制器可以基于相同的时序方案操作。时钟117可以是电子部件，其产生特定信号，该特定信号以特定速度在高状态和低状态之间振荡，以协调数字电路的动作。可选地，传感器控制器125和发射器控制器115可以包括它们自己的时钟电路，用于协调它们自己的动作。在这样的实施例中，传感器控制器125和发射器控制器115可以经由通信线路119通信地耦合在一起，使得传感器控制器125可以将其时钟与发射器控制器115同步。那样，传感器控制器125和发射器控制器115可以分别同步地操作传感器阵列126和发射器阵列114以实现图像捕获。

在一些进一步的实施例中，代替或者附加地于传感器控制器125和发射器控制器115，测距系统控制器104可以被配置为同步光感测模块108和光传输模块106的操作，以使发射器阵列114的光发射序列与传感器阵列126的感测光的序列同步。例如，测距系统控制器104可通过在每个发射周期一次一列并以从左到右的顺序激活来指示光传输模块106的发射器阵列114发射光，并相应地指示光感测模块108中的传感器阵列126以同一顺序一次一列感测光。在这样的实施例中，测距系统控制器104可以具有其自己的时钟信号，基于该时钟信号，其测距指令至光感测模块108和光传输模块106。应当理解的是，本文设想了用于光检测的序列的其他形式，并且这种序列不是限制性的，如本文将进一步讨论的。

在一些实施例中，光感测模块108的传感器阵列126被制造为单个基板上的单片装置的一部分(使用例如cmos技术)，所述单个基板包括光电传感器阵列和处理器122和存储器124，用于对来自阵列中各个光电传感器(或光电传感器组)的测量光进行信号处理。包含传感器阵列126、处理器122和存储器124的整体式结构可制造为专用asic。在另一个实施例中，传感器阵列126可以被制造为两个或更多个单片式电子设备(“半导体管芯”)的堆叠，它们被结合到单个光感测模块108中，并且电信号在它们之间通过。在该实施例中，可以以最大化光感测效率或最小化噪声的过程来制造光电传感器的顶部阵列，而其他管芯被优化用于较低功率、高速数字处理。

在一些实施例中，光学部件142也可以是包括传感器阵列126、处理器122和存储器124的单片结构的一部分。例如，光学部件142的光圈层、透镜层和滤光层可以堆叠在半导体基板上并用环氧树脂结合到半导体基板上，半导体基板上具有在切割之前或之后在晶片级制造的多个asic。例如，滤光层可以是薄晶片，所述薄晶片抵靠光电传感器层放置，然后结合到光电传感器层，以结合滤光层和光电传感器层，从而使光学层形成单片结构的一部分；准直透镜层可以注射成型在滤光层上；并且，光圈层可以通过在透明基板上层叠不透明基板或者通过用不透明膜涂覆透明基板来形成。或者，可以制造和切割光电传感器层，并且可以制造和切割滤光器层、准直透镜层和光圈层。然后，每个切割的光电传感器层和光学层可以结合在一起以形成单片结构，其中每个单片结构包括光电传感器层、滤光层、准直透镜层和光圈层。通过将这些层结合到asic，asic和结合的层可以形成单片结构。然后可以将晶片切割成器件，其中每个器件可以与相应的本体接收器光学器件140配对，以形成光感测模块108。在其他实施例中，光感测模块108的一个或多个部件可以在单片结构的外部。举例来说，孔隙层可以被实施为具有销孔的单独金属片。

如上所述，处理器122(例如，数字信号处理器(dsp)、微控制器、现场可编程阵列(fpga)等等)和存储器124(例如sram)可以对阵列中各个光子检测器(或检测器组)的原始直方图进行信号处理。作为信号处理的例子，对于每个光子检测器或光子检测器组，存储器124可以在连续的时间仓上累积检测到的光子的计数，并且这些时间仓(timebin)合在一起可以用于重建反射光脉冲的时间序列(即，光子的计数对时间)。汇总的光子计数的此时间序列在本文中被称作强度直方图(或仅直方图)。处理器122可以实现匹配滤光器和峰值检测处理，以及时识别返回信号。此外，处理器122可实现例如多轮廓匹配滤波等特定信号处理技术，来帮助恢复对可能归因于spad饱和和淬灭而发生的脉冲形状失真不太敏感的光子时间系列。在一些实施例中，这种滤光的全部或部分可以由处理器122执行。

在一些实施例中，从处理器122输出的光子时间序列被发送到测距系统控制器104用于进一步处理，例如，数据可以由测距系统控制器104的一个或多个编码器编码，然后作为数据包发送到用户接口150。测距系统控制器104可以以多种方式实现，包括例如通过使用可编程逻辑器件诸如fpga，作为asic或asic的一部分，使用具有存储器132的处理器130，以及上述的一些组合。测距系统控制器104可以通过发送包括开始和停止光检测以及调整光检测器参数的命令来控制光感测模块108。类似地，测距系统控制器104可以通过发送命令或中继命令来控制光传输模块106，这些命令包括例如控制以开始和停止发射光以及可以调节其他光发射器参数(例如，脉冲代码)的控制。在一些实施例中，测距系统控制器104具有一个或多个有线接口或连接器，用于与光感测模块108和光传输模块106交换数据。在其他实施例中，测距系统控制器104通过诸如光学通信链路的无线互连与光感测模块108和光传输模块106通信。

固态电子扫描lidar系统100可以与用户接口150交互，用户接口可以是使用户能够与计算机系统交互的任何合适的用户接口，例如显示器、触摸屏、键盘、鼠标和/或跟踪板，用于与包含cpu和存储器的膝上型电脑、平板电脑和/或手持装置计算机系统交互。用户接口150可以是安装固态电子扫描lidar系统100的对象本地的，但也可以是远程操作的系统。例如，发送至/来自固态电子扫描lidar系统100的命令和数据可以通过蜂窝网络(lte等)、个人局域网(蓝牙、zigbee等)、局域网(wifi、ir等)或者诸如因特网的广域网路由。

硬件和软件的用户接口150可以将来自装置的成像器数据呈现给用户，但是也可以允许用户用一个或多个命令来控制固态电子扫描lidar系统100。示例命令可以包括激活或去激活成像器系统、指定光检测器曝光水平、偏置、采样持续时间和其他操作参数(例如，发射脉冲模式和信号处理)、指定光发射器参数(诸如亮度)的命令。此外，命令可以允许用户选择显示结果的方法。用户接口可以显示成像器系统结果，其可以包括例如单帧快照图像、不断更新的视频图像和/或一些或所有像素的其他光测量的显示。

在一些实施例中，例如在lidar系统100用于车辆导航的情况下，用户接口150可以是车辆控制单元的一部分，所述车辆控制单元通过诸如上述有线或无线网络之一的网络从光测距装置102和/或用户接口150接收输出或者与光测距装置102和/或用户接口150通信。车辆控制单元可以基于接收到的lidar数据修改与车辆控制相关联的一个或多个参数。例如，在完全自主的车辆中，lidar系统100可以提供车辆周围环境的实时3d图像，以结合gps和其他数据帮助导航。在其他情况下，lidar系统100可以用作高级驾驶员辅助系统(adas)的一部分，或者用作安全系统的一部分，所述安全系统例如可以向任意数量的不同系统提供3d图像数据，例如自适应巡航控制、自动停车、驾驶员睡意监控、盲点监控、防撞系统等。当用户接口150被实现为车辆控制单元的一部分时，可以向驾驶员提供警报或者可以跟踪物体的接近度跟踪。

如上所述，本公开的一些实施例涉及固态lidar系统，其包括电子扫描传输元件和电子扫描接收元件。图2a是根据本公开的一些实施例的用于示例性固态电子扫描lidar系统200的发射器阵列210和传感器阵列220的简化图示。发射器阵列210可以被配置为具有m列数和n行数的发射器212的二维m×n阵列。在一些实施例中，传感器阵列220可以被配置为与发射器阵列210相对应，使得每个光电传感器222被映射到发射器阵列210中的相应的发射器212。因此，传感器阵列220可以被配置为光电传感器222的相应的二维m×n阵列。在一些实施例中，发射器阵列210和传感器阵列220通常是大型阵列，其包括比旋转lidar系统中通常采用的发射器或传感器阵列更多的元件(即，更多的发射器和更多的光电传感器)。传感器阵列220的尺寸即总体物理尺寸(以及因此与传感器阵列220相对应的用于照亮视场的相应的发射器阵列210)连同传感器阵列220内的光电传感器的间距可以确定所述视场和能够被传感器阵列220捕获的图像的分辨率。较大尺寸的阵列通常会导致较大的视场，较小的间距尺寸通常会导致捕获的图像具有更高的分辨率。在一些实施例中，发射器阵列210和传感器阵列220均由单个半导体管芯形成，而在其他实施例中，发射器阵列210和传感器阵列220中的一者或两者可由安装到同一基板上的多个芯片形成，如本文关于图6所述。

图2b-2d是示出根据本公开的一些实施例的发射器阵列210的触发序列和传感器阵列220的传感器读出序列的简化图。如图2b所示，可以通过触发发射器阵列210的发射器列214(1)并且同时读出传感器阵列220的传感器列224(1)来开始图像捕获序列的第一阶段。在该第一阶段期间，从列214(1)中的每个单独的发射器发射的光脉冲发射到场中。然后可以将发出的光从场中的一个或多个物体反射出来，并由传感器阵列220的传感器列224(1)内的相应光电传感器子集捕获。接下来，在序列的第二阶段，来自发射器阵列的第二列214(2)的发射器可以被激活以发射光脉冲，该光脉冲可以被传感器阵列中的列224(2)中的传感器读出，如图2c所示。发射器的列的顺序触发和在相应的光电传感器的列中的光电传感器的同时读出继续，直到发射器的最后一列214(m)被激活，同时光电传感器的最后一列224(m)被读取，如图2d所示。当一个完整的周期完成时(图像捕获序列的m个阶段)，发射器阵列210的每一列将被激活，传感器阵列220的每一列将被读出以检测从发射器阵列210的相应列发射的光子。然后，在lidar系统200运行时，可以连续重复该循环。

虽然图2b至图2d示出了其中触发的发射器每级前进一列的图像捕获序列，但本公开的实施例不限于任何特定的序列。例如，在一些实施例中，可以采用以下顺序：对于第一阶段，发射器阵列210的第一列被触发；对于阶段2，(m/2+1)列被触发；对于阶段3，列2被触发，对阶段4，(m/2+2)列被触发，等等，直到第m个阶段，第m列被触发。这样的实施例在使传感器阵列内的串扰最小化方面可能是有益的，因为在连续的阶段中没有读出相邻的传感器列。作为另一实例，可以同时触发两个或更多个相邻的发射器列，同时读出对应的两个或更多个相邻的传感器列。作为其中四个列被触发并同时读取的示例，在图像捕获序列的第一阶段中，可以触发发射器阵列210的列1-4，在第二阶段中，可以触发列5-8，等等。这些实例仅仅是可能的许多不同的触发和读出序列中的一些，而在其他实施例中，其他的触发和读出序列也是可能的。

作为实例，代替按列操作——其中发射器列被触发而同时读出光电传感器的对应列，实施例可以按行操作——其中发射器行被触发而同时读取相应的光电传感器行。在一些进一步的实施例中，lidar系统可以由发射器操作，其中可以触发单个或成组的发射器，同时读取相应的光电传感器或光电传感器组。在这样的实施例中，每个发射器可以用合适的发射器特定的驱动电路单独地寻址，使得实施例可以操作以触发与图13a和13b中所示的分组匹配的任意发射器分组。应当理解，根据本公开的一些实施例，发射器的任何特定的触发布置可以具有光电传感器的相应的读取布置。

图3是根据本公开的一些实施例的方案300中电子扫描lidar系统的光传输和检测操作的说明性实例。具体地说，图3示出了固态电子扫描lidar系统200，其收集围绕系统的体积或场景的三维距离数据。图3是突出显示发射器和传感器之间关系的理想化图，因此未示出其他部件。

如图2a讨论，电子扫描lidar系统200包括发射器阵列210和传感器阵列220。发射器阵列210可以是光发射器的阵列，例如垂直腔面发射激光器(vcsel)阵列等，其包括发射器302和发射器304的列。传感器阵列220可以是包括传感器列306和308的光电传感器的阵列。光电传感器可以是像素化的光电传感器，其为每个光电传感器采用一组分立的光检测器，诸如单光子雪崩二极管(spad)等。然而，各种实施例可以部署其他类型的光电传感器。

每个发射器可以与其相邻发射器相隔一间隔距离，并且可以被配置成将光脉冲从其相邻发射器传输到不同的视场，从而照亮仅与该发射器相关联的相应视场。例如，一列发射器302将照明光束310(每个由一个或多个光脉冲形成)发射到视场的区域312中，并因此反射离开该场中的树313。同样，一列发射器304将照明束314发射到视场的区域316中。应当理解的是，在图3所示的实施例中，发射器阵列210以从左到右的顺序扫描其列。因此，图3示出了其中发射器302的列被触发的第一时间实例和最后列即发射器304的列被触发的最后时间实例。其他列可以在列302和304之间从左向右顺序移动。虽然图3示出了其中发射器阵列210和传感器阵列220按列并且按顺序操作的实施例，但实施例不限于这样的配置。在其他实施例中，发射器和传感器阵列210和220可以以非序列顺序按列操作以最小化串扰，或者以序列或非序列顺序按行操作以最小化串扰，或者以任何其他合适的顺序进行发射和接收光，如以上和将在本文中进一步讨论的。还应理解，为了便于讨论，发射器302和304的列以及传感器306和308的列可以分别仅代表发射器阵列210和传感器阵列220的多得多的列的一部分。因此，虽然图3为了便于说明仅示出了用于21个不同点的发射器和传感器，但可以理解，其他实施方式可以具有更多种。也就是说，可以通过具有更密集的发射器阵列和相应的更密集的光电传感器阵列来实现更密集的点采样。

由发射器照射的每一视场可以认为是从测距数据产生的对应3d图像中的像素或光点。因此每一发射器对于其他发射器可以是独特的且与其它发射器不重叠，使得发射器组和非重叠视场组之间存在一对一映射。在一些实施例中，发射器阵列210和传感器阵列220每个都是固态设备，其可以非常小并且彼此非常接近。例如，根据本发明的实施例，发射器或传感器阵列的尺寸可以在几毫米到几厘米的范围内。这样，与到场景中物体的距离相比，两个阵列的尺寸及其分离距离(可以约为1cm)可以忽略不计。当将发射器和传感器阵列的这种布置与可以分别校准由发射器阵列发射的光并将反射的光聚焦到传感器阵列中的各自的本体光学器件配对时，传感器阵列和发射器阵列的视场在阈值距离以外可以非常相似，以使每个发射器和相应的传感器都在视场中观察到基本上相同的光斑。参考图4可以更好地理解该概念。

图4是根据本公开的一些实施例的用于发射器阵列210和传感器阵列220的重叠视场的简化图示。发射器阵列210中的每个发射器可以以圆锥体402发射图4所示的光脉冲，该圆锥体通过本体发射机光学器件404准直并作为发射的光406输出到场中。然后，发射的光406可以反射离开场中的一个或多个物体，并作为反射光412传播回传感器阵列220，该反射光412首先传播通过本体接收器光学器件410，该光学器件将反射光412向下聚焦成焦点，成为脉冲光408圆锥形，然后照射到传感器阵列220中的相应光电传感器上。可以参考图4理解，本体发射机和接收器光学器件404和410之间的距离可以在1-3cm之间，与到场景的距离相比相对较小。因此，随着场景越来越远，发射器阵列的视场与传感器阵列的视场越来越重叠。例如，如图4所示，发射器阵列210和传感器阵列220的视场的重叠区域414、416和418随着到场景的距离增加而变大。因此，在接近场景例如在视场中的物体的末端的距离处，发射器阵列210的视场可以与传感器阵列220的视场基本上重叠。因此，即使本体接收器和发射机光学器件相距一个或多个厘米，每个相应的发射器和传感器也可以观察到场景中的基本相同点。即，从本体发射机光学器件404投射到系统前方的视场中的每个照明束可以具有与在与系统的一定距离处的对应的光电传感器(或对应的光电传感器的微光学接收器通道)的视场基本相同的尺寸和几何形状。在一些实施例中，发射器阵列210可以根据照明图案将照明束选择性地投射到系统200之前的视场中，该照明图案在尺寸和几何形状上在系统200的距离范围内与输入通道的视场基本匹配。通过在发射器阵列和传感器阵列之间具有基本上重叠的视场，固态电子扫描lidar系统200可以实现高信噪比(snr)。

在一些实施例中，发射器阵列和传感器阵列具有匹配的几何结构，发射器阵列的本体光学器件与传感器阵列的本体光学器件基本相同。在其他实施例中，传感器阵列220的尺寸和本体光学器件可能与发射器阵列210的尺寸和本体光学器件不同，但是，可以选择它们以使发射器阵列210和传感器阵列220的对应列具有明显相同的视场。例如，传感器阵列220的尺寸可以大于发射器阵列210的尺寸。这意味着传感器阵列220的本体接收器光学器件410应该与发射器阵列210的本体发射机光学器件404不同，并且应当仔细选择两种本体光学器件，以使两个阵列中的相应列的视场显著地相同。例如，可以使用具有比发射器阵列210的透镜元件大两倍的透镜元件的类似的本体光学器件。所得的本体接收器光学器件的焦距将是本体发射机光学器件的焦距的两倍。在这种情况下，传感器阵列220的高度和宽度应该是发射器阵列210的两倍，其接收光圈直径是发射直径的两倍，从而确保每个光电传感器和发射器的视角范围都匹配。

为了确保发射器阵列210和传感器阵列220的相应列看到相同视场，可以现场使用之前进行lidar系统200的仔细对准处理，例如由制造商进行。本公开的一些实施例的设计特征(例如，具有用于发射器阵列的单个半导体管芯或多芯片模块和用于传感器阵列的多芯片模块的单个半导体管芯)允许制造商仅执行一次对准，从而简化了lidar系统200的制造和制造后维护的方式。在光学器件对准期间，测量每个像素和每个发射器的视场，以确保它们完全相同。对准包括考虑透镜特性，例如像差、畸变和焦距长度，以及调节透镜元件相对于外部组件的位置和方向。

因为发射器的视场与其相应传感器的视场重叠，所以光电传感器理想地可检测来源于其相应发射器的反射照明射束，理想地无串扰，即，未检测到来自其它照明射束的反射光。例如，参考回图3，一列发射器302将照明束310发射到视场的区域312中，并且一些照明束从物体313(即树)反射。理想地，光318的反射列仅由光电传感器306的列检测。因此，发射器302的列和光电传感器306的列共享相同的视场。同样，发射器304的列和光电传感器308的列也可以共享相同的视场。例如，在发射周期的最后迭代期间，一列发射器304将照明束314发射到视场的区域316中，并且一些照明束从物体即停在物体313旁边的汽车315反射。在一个周期中，图3中的固态电子扫描lidar系统200可以捕获并生成表示包括树313和汽车315的部分的场景的图像。额外的循环可以进一步捕获场景的其他区域，尤其是在系统200正在移动时(例如，当系统200安装在汽车上时)，这将在本文中参考图18a-18b进一步讨论。虽然相应的发射器和传感器在图3中示出为在其各自阵列中处于相同的相对位置，但是根据系统中使用的光学器件的设计，任何发射器都可以与任何传感器配对。

在测距测量期间，来自分布于lidar系统周围的体积周围的不同视场的反射光由各种传感器收集且处理，从而得到每一相应视场中的任何对象的距离信息。如上文所描述，可使用飞行时间技术，其中光发射器发射精确定时脉冲，且在经过一些时间之后由相应传感器检测脉冲的反射。然后，使用发射和检测之间经过的时间以及已知的光速来计算到反射表面的距离。在一些实施例中，传感器可以获得附加信息，以确定反射表面除距离之外的其他属性。例如，脉冲的多普勒频移可以由传感器测量，并用于计算传感器和反射表面之间的相对速度。脉冲强度可用于估计目标反射率，脉冲形状可用于确定目标是硬材料还是漫射材料。

根据一些实施例，lidar系统200可以传输的光的多个脉冲。在一些实施例中，每个编码脉冲具有由光强形成的嵌入正值脉冲码。系统可以通过创建在不同时间仓检测到的反射光的强度直方图来确定背景光存在下光脉冲的时间位置和/或幅度。对于每个时间仓，系统向强度直方图添加一个加权值，该值取决于检测到的光的强度。加权值可以是正的或负的，并且具有不同的幅度。

通过选择正值脉冲代码的不同组合且应用不同权重，系统可以检测适合于标准数字信号处理算法的正值和负值代码。这一方法提供了高信噪比，同时保持了反射光脉冲的测量时间位置的低不确定性。

ii.固态电子扫描lidar系统的构造和配置

图5是示出根据本公开的一些实施例的示例性固态电子扫描lidar系统500的详细侧视图的简化图。固态电子扫描lidar系统500可以包括光检测系统501和光发射系统503。光发射系统503利用窄带光线505提供系统500所在的场的至少一部分的主动照明。光检测系统501检测从光发射系统503发射的窄带光，所述窄带光已经被场内的物体反射为反射光线506。

a.光检测系统

光检测系统501可以代表以上参照图1讨论的光检测系统136。光检测系统501可以包括光学感测系统和传感器阵列。光学感测系统可以包括本体接收器光学器件、光圈层、准直透镜层以及滤光层；并且传感器阵列可以包括光电传感器阵列，其中每个光电传感器可以包括一个或多个用于测量光的光检测器。根据一些实施例，这些部件一起操作以从场接收光。例如，光检测系统501可以包括本体接收器光学器件502和微光学接收器(rx)层504。在操作期间，光线506从多个方向进入本体接收器光学器件502，并被本体接收器光学器件502聚焦以形成光锥508。微光学接收器层504被定位成使得光圈510与本体接收器光学器件502的焦平面重合。在一些实施例中，微光学接收器层504可以是微光学接收器通道512的一维或二维阵列，其中每个微光学接收器通道512由各自的光圈510、准直透镜514和光电传感器516形成，这些光圈、准直透镜和光电传感器在光传输的方向上沿着相同的轴定位，例如从左向右水平定位，如图5所示。此外，每个微光学接收器通道512可以以各种方式配置以减轻来自光电传感器之间的杂散光的干扰，这将在本文中进一步讨论。在操作期间，每个微光学接收器通道512测量不同像素(即，场内的位置)的光信息。

在本体接收器光学器件502的焦点处，光线506聚焦并穿过光圈层511中的光圈510，并进入相应的准直透镜514。每个准直透镜514准直接收到的光，使得光线都以大致相同的角度，例如彼此平行进入滤光器。本体接收器光学器件502的光圈和焦距决定了在光圈510处聚焦的相应光线的锥角。准直透镜514的光圈大小和焦距决定了允许光线的准直程度，而这决定了在滤光器518中可以实现多窄的带通。在光检测系统500的操作期间，光圈层可以起到各种功能。例如，(1)光圈510可以约束像素视场，因此尽管在光电传感器平面上的间距很大，它仍具有严格的空间选择性；(2)光圈510可以约束视场以与发射器视场在大小上相似或相等，以有效利用发射器光；(3)光圈可以在准直透镜的焦平面处提供小的点状光源，以在穿过滤光器之前实现光线的严格准直，其中更好的准直形成可以通过滤光器的更紧密的波段，和(4)围绕每个光圈的光圈层的光圈区域可以阻挡杂散光。在一些实施例中，不包括准直透镜514，并且带通滤波器的通带较窄。

滤光器518阻挡不需要的光波长。基于干扰的滤光器在性能上往往表现出很强的角度依赖性。例如，在零度入射角下中心波长(cwl)为900纳米的1纳米宽带通滤光器在十五度入射角下可能具有898纳米的cwl。成像系统通常使用几十纳米宽的滤光器来适应这种效果，因此cwl的偏移比带通宽度小得多。然而，微光学层504的使用允许所有光线以大致相同的入射角进入滤光器518，从而最小化cwl偏移，并允许使用非常紧密的滤光器(例如，小于10纳米宽)。光电传感器516响应入射光子产生电流或电压。在一些实施例中，滤光器518遍及整个微光学接收器通道512阵列是均匀的，使得阵列中的每个单独的微光学接收器通道512接收相同波长范围的光。

在一些实施例中，光电传感器516位于准直透镜514的相对侧，使得光线506首先穿过准直透镜514和滤光器518，然后在暴露在光电传感器516上。每个光电传感器516可以是多个光检测器，诸如多个单光子雪崩检测器(spad)的微型阵列。可以在单个单片芯片上制造微型spad阵列，从而简化制造。在一些替代实施例中，每个光电传感器516可以是单个光检测器，例如标准光电二极管、雪崩光电二极管、谐振腔光电二极管或另一种类型的光检测器。

b.光发射系统

光发射系统503可包括本体发射机光学器件520和由一维或二维阵列的光发射器524形成的光发射层522。每个光发射器524可以被配置成产生窄带光的离散光束。在一些实施例中，光发射层522被配置成根据照明图案选择性地将离散光束投射通过本体发射机光学器件520，所述照明图案在尺寸和几何形状上遍及距光发射系统503的距离范围与微光学接收器层504中的接收器通道的视场相匹配。光发射器524可以是任何合适的光发射器件，诸如集成在一个或多个单片芯片上的垂直腔面发射激光器(vcsel)，或者任何其他类型的激光二极管。光发射器524可以产生窄带光锥526，这些光锥被导向本体发射机光学器件520，本体发射机光学器件可以准直光锥526，然后将准直的光作为发射光线505输出到场内远处的目标。在一些实施例中，本体发射机光学器件520是图像空间远心的。

从图5中平行光线505和506的图示中可以明显看出，每个微光学接收器通道512具有超出阈值距离的不重叠视场。如图5所示，每个微光学接收器通道512包括来自多个光圈的光圈、来自多个透镜的透镜以及来自多个光检测器的光检测器，其中每个通道的光圈为通道中的像素限定离散的视场，所述视场在其他微光学接收器通道的视场内超出阈值距离外不重叠。这样，每个微光学接收器通道接收对应于场内不被微光学接收器层504中的任何其他微光学接收器通道测量的离散位置的反射光。

在附加和替代实施例中，来自光锥526的光线505先被微光学发射机层(未示出)聚焦在空间的中间平面上，然后才被本体发射机光学器件520导向远处的目标，以增强从光发射系统503发射的光的亮度和强度。在这样的实施例中，光发射系统503和光检测系统501被配置成使得每个微光学发射机通道(未示出)与相应的微光学接收器层504配对，并且它们的视场中心被对准成在距传感器一定距离处重叠，或者它们的主光线被平行化。在另外的附加和替代实施例中，由光发射系统503发射的远场光束具有与每个微光学接收器层504的远场视场相似的尺寸和发散角。下面将详细讨论具有用于增强输出光的亮度和强度的微光学发射机层的光发射系统503的细节。

1.电子扫描lidar系统的驱动系统

在一些实施例中，发射器阵列可以由包括用于操作发射器阵列的各种电容器和控制芯片的驱动系统进行操作。图6是根据本公开的一些实施例的用于固态电子扫描lidar系统中的发射器阵列601的示例性发射器驱动系统600的自顶向下的系统视图。发射器阵列601可以包括以产生照明图案的m×n阵列布置的多个光发射器602。发射器阵列601可以代表例如以上关于图2a至图2d讨论的发射器阵列210，并且可以在lidar系统中与诸如本文所述的光电传感器阵列之一的光电传感器阵列配对，该光电传感器阵列可以代表传感器阵列220并且包括具有与照明图案的几何形状相匹配的感测图案。发射器阵列601可以被分成多个单独驱动的发射器组604a-f，它们被精确地对准以形成m×n阵列。

在一些实施例中，发射器阵列601，其包括每个发射器组604a-604f，可在单个半导体管芯(例如，大的单芯片vcsel阵列)上形成。每个组可以由单独的驱动器电路612、614驱动，使得对于具有k个组的发射器阵列存在k个驱动器电路。每个驱动器电路612、614耦合到其相应的组，并且可以同时激发其组中的所有单独的发射器602。可以通过如本文所讨论的控制电路根据预定序列来激活驱动器612、614，使得在图像捕获时段期间将每个组触发一次或多次，而与被触发的给定组中发射器对应的一个或多个列(或各个光电传感器的其他布置)被读出(例如，根据与以上关于图2b-2d所讨论的那些类似的一个或多个扫描序列)，直到读出整个光电传感器阵列。与一次激活所有发射器的闪光lidar系统相比，该实施例节省了功率。

例如，如图6所示，组604a可以由各自的驱动器612和614驱动以发射光。当在发射周期期间被驱动时，组604a中的所有四列可以同时发射光，而仅读出与四列发射器之一相对应的一列光电传感器。作为实例，正被读出的光电传感器的列可以对应于最左边的列，例如，组604a中的列1(当将每个列604a-f中的四个列按从左至右的顺序解释为列1-4时)。因此，在整个发射周期期间，可以在第一图像捕获时段中读出与组604a的列1相对应的光电传感器的同时驱动组604a中的列1-4，然后在第二图像捕获时段可以驱动组604b中的列1-4，同时读取与组604b的列1对应的光电传感器，等等，对于组604c-f依此类推，直到组604a再次被激活以发射列1-4，此时对应于组604a的列2的光电传感器可以在第七图像捕获时段被读取。该序列可以继续，直到所有的光电传感器都被读出为止。在该实例中，对于一个完整的发射周期，每个发射器组可以被激活四次，对于每个相应的图像捕获时段每一列光电传感器一次。

在一些替代实施例中，发射周期可以驱动每个组中所有四个列，而还同时在接收器阵列中的光电传感器的所有四个相应列上捕获数据。例如，组604a可以发射光，而对应的一组光电传感器的对应的列1至4可以全部被启用并且在进入下一组以重复该序列之前的第一图像捕获期间被读出。这种方法的好处是不会通过触发没有使其相应的光电传感器能够检测反射光的激光器而浪费激光能量。

在一些实施例中每组604a-604f可以被构造为由分离区域606分开的单独的半导体管芯。分离区域606可以是任何合适的电分隔器，以将相邻的发射器组彼此隔离，例如气隙。通过将发射器阵列601分成具有隔离区域606的不同组，每组可以彼此电隔离并且可以形成分立的电路，这些分立的电路可单独寻址以在电子扫描lidar系统的操作期间发射光。在一些实施例中，发射器组604a-f可以安装在支撑结构605上，该支撑结构可以是被配置成为发射器组604a-f提供结构支撑的任何合适的部件。作为实例，支撑结构605可以是基本平坦的部件，以确保发射器组604a-f也基本平坦并且位于同一平面上。另外，支撑结构605可以是高导热性的材料，使得由发射器602的激活产生的热量可以被快速散发以避免过热和损坏。在一些实施例中，支撑结构605是陶瓷基板。

为了产生光，电流被驱动通过发射器阵列601中的发射器602。因此，发射器组604a-f可以耦合到电容器组608，电容器组608包括被配置为通过发射器阵列601释放电流的多个电容器。每个组604a-f可以包括各自的触点阵列或通孔阵列610a-f，用于与电容器组608耦合。触点阵列610a-f可以是半导体管芯的一部分，在其上构造有相应的发射器组604a-f。在一些实施例中，触点阵列610a-f位于它们各自的发射器组604a-f内的电容器组608和光发射器602之间。在激活发射器阵列601中的一个或多个发射器之前，可以对电容器组608中的一个或多个电容器进行充电，使得在激活发射器阵列601中的一个或多个发射器期间，可以对一个或多个充电的电容器进行放电以驱动电流通过一个或多个发射器以发射窄带光。在一些实施例中，电容器组608中的电容器可以耦合到电源(未示出)以对电容器充电。电源可以经由电连接618的阵列耦合到电容器组608，其中每个电连接是耦合到布线到电源的迹线(未示出)的通孔。电连接和迹线可以是互连结构622(例如，印刷电路板(pcb))的一部分或形成在其上，电容器组608和发射器阵列601安装在互连结构622上。每对电连接可以与电容器组608中的相应电容器的正端子和负端子相关联。可以放置迹线、电容器、发射器和驱动器，以最小化电路放电路径的环路电感，以最小化电路中驱动电流的上升时间。

在一些实施例中，驱动系统600可被实现为多芯片模块，其中到系统的电输入和输出(例如，到驱动器612和614的定时信号)可以通过电连接器616(例如，板对板连接器)被发送到驱动系统600和从其发出。在这种情况下，电连接器616可以耦合到驱动器612和614，以使得能够在它们之间传递通信信号。驱动器612和/或614可以是管理通过发射器阵列601的电流的半导体器件，例如，场效应晶体管(fet)、fpga、asic等。因此，驱动器612和614可以控制发射器阵列601发射光的顺序或使处理系统(未显示)通过连接器616发射光。例如，驱动器612和614可以通过发射器组并且以从左到右的顺序顺序来激活发射器阵列601，反之亦然。因此，在一个发射周期中，驱动器612和614可以通过在第一时间实例中激活发射器组604a中的发射器602，在第二时间实例中激活发射器组604b中的发射器602等等，依此类推，操作发射器阵列601，直到最后一个发射器组604f在最后时间实例中被激活为止，其中在第一到最后一个时间实例中的光发射一起形成发射周期。在一些实施例中，驱动器612和614经由电连接624耦合在一起，所述电连接可以是镀在互连结构622上的迹线。这样，驱动器612和614可以彼此通信以控制发射器阵列601的操作。

如图6所示，每个组604a-f可以包括用于与驱动器612耦合的相应的触点阵列611a-f。像触点阵列610a-f一样，触点阵列611a-f可以是半导体管芯的一部分，在其上构造有相应的发射器组604a-f。在一些实施例中，触点阵列611a-f位于驱动器612和光发射器602之间，在它们各自的发射器组604a-f内。应当理解，在图6中未示出触点阵列611b-611e的附图标记，以避免图示聚集重叠的附图标记。此外，驱动器612可各自耦合到相应的电连接器组620，该电连接器组类似于电连接器618可为互连结构622的一部分或形成在其上，驱动器612和614安装在互连结构622上。电连接620可以将驱动器612耦合到电源或互连结构622上的任何其他电组件(未示出)。

2.光发射系统的发射器阵列的配置

尽管图6示出了发射器阵列601被分为六个不同的组604a-f，但实施例不限于这样的配置，并且其他实施例可以具有多于或少于六个组并且每组中具有更多或更少的发射器。即，发射器阵列601可以由单个大的发射器组形成，或者发射器阵列601可以被划分为16、32、64、128或任何其他数量的组，每一个具有任何数量的发射器列，而不脱离本公开的精神和范围。

例如，图7a是根据本公开的一些实施例的示例性发射器阵列700的简化图示，其与驱动器702配对并且布置在可单独控制的组中。发射器阵列700可以是光发射器的m×n阵列，其被分成k数量的可单独控制的发射器组，其中k小于n。例如，每个组可以被配置为具有四列光发射器，使得组的数量是列数量n的四分之一。每个驱动器702可以按组并且以任何次序(诸如从左至右、从右至左，每隔一个组等)来激活发射器阵列700。这种实施例的优点是简化了驱动电路，从而简化了设计和可制造性。另外，与使用单个驱动电路为整个发射器阵列供电的闪光lidar系统相比时，由于每个驱动器电路驱动的发射器数量较少，将发射器阵列分为多个具有独立驱动电路的组可使系统中的每个通道以明显更低的电流工作。这可以使每个通道中的发射器得到更强大的驱动，或者可以采用不同类型的驱动电路，这些驱动电路可能无法立即提供整个阵列发射所需的峰值电流。此外，驱动电路可以与光发射器分开，从而可以通过市售组件进行模块化制造。

在另一实例中，图7b是根据本公开的一些实施例的示例性发射器阵列701的简化图示，其与驱动器704配对并且布置在可单独控制的列中。发射器阵列701可以是光发射器的m×n阵列，其被分成n个可单独控制的发射器组(例如，如图7b所示的二十四个组)，使得每个组具有单个列的发射器。在该实施例中，每个驱动器704对应于一个发射器组，并且该组驱动器704可以与多路复用器706结合操作以以任何顺序(例如从左到右、从右到左、每隔一组等)激活发射器阵列内的各个组。即，多路复用器706可以选择要由驱动器704激活的列。这样的实施例的优点是将发射器阵列701分成单独的列允许以隔行方式调制列，以最小化来自发射到相邻传感器阵列中的杂散光的串扰和/或提高扫描速度。例如，驱动器704可以在第一实例激活所有偶数组(即列)，然后在第二实例激活所有奇数组，从而通过两次迭代来完成一个周期。因为每隔一列发射一次，所以仅需要操作与激活的列对应的光电传感器的那些列来测量所发射的光，从而使光电传感器的列之间发生串扰的机会最小化。隔行扫描列调制的概念可以扩展到其他隔行扫描方案，例如每隔第三发射器列或第四发射器列发射一次，这样可以最小化光电传感器的下两个或三个相邻列之间的串扰。

如图7b所示，驱动器704(以及图7a所示的驱动器702)可以通过例如直接将驱动器704安装到包含光发射器的芯片基板上而与光发射器阵列紧密集成。这种配置可以节省空间并有助于最小化整体设计的大小。然而，在一些其他实施例中，驱动器704可以被定位在远离包含光发射器的芯片基板的位置，以为附加的光发射器提供更多的空间，从而增加图像分辨率。在一些实施例中，驱动器704(和驱动器702)可以被实现为单独的驱动器芯片asic的一部分，而在其他实施例中，驱动器704可以是安装在陶瓷或其他管芯上的分立组件。

如通过本文的实施例所理解的，由单个驱动器触发的像素数量决定了需要由驱动器提供的电流的量。例如，图7a的发射器阵列700中的每个组包括为图7b的光发射器阵列701中每一组的光发射器数量的四倍。因此，图7a中的每个驱动器702需要提供的电流至少是图7b的驱动器704的电流量的四倍。与要求驱动器输出大电流量相关的困难有时会抵消制造和设计简单的好处，该好处通常与只有一个驱动器来激活大量发射器相关。然而，一些实施例可以利用由7a和7b中的两个发射器阵列配置提供的益处，这是通过将多个发射器阵列与多个驱动系统一起使用，如本文关于图8a和8b所讨论的。此外，由于每个像素通常使用spad的数量来增加动态范围以及在hvcmos工艺中包括保护环和其他特征，因此每个光电传感器均包含spad阵列的光电传感器阵列固有地受到其分辨率的限制，这对spad小型化提出了挑战。结果，本公开的一些实施例采用其他方法来增加传感器分辨率。即，采用发射机阵列而不是接收机阵列的视场选择性的方法。例如，本公开的一些实施例使用vcsel阵列作为发射机阵列。vcsel阵列不受与基于spad的传感器阵列相同程度的尺寸限制，并且可以例如在一些实施例中关于图8a-8c所描述的采用，以实现比检测器的原始像素分辨率更高的空间分辨率。

图8a是根据本公开的一些实施例的示例性lidar系统800的简化图示，其包括多个独立可操作的发射器阵列802a-802d，该发射器阵列具有不重叠的视场，每个视场具有它们自己的一组驱动器804a-d，以发射可以被传感器阵列806捕获的光。每个发射器阵列802a-802d可以包括m×n个发射器阵列，如以上在各个实施例中所描述的，其中该阵列涉及远场中的不同的相应视场。例如，如图8a所示，发射器阵列802a的第1列、第1行是发射器812；发射器阵列802b的第1列、第1行是发射器814；发射器阵列802c的第1列、第1行是发射器816；发射器阵列802d的第1列、第1行是发射器818。发射器812、814、816和818中的每一个可以被对准以投影到超过阈值距离的不同的离散视场中。

传感器阵列806可以包括布置在同一m×n配置中的光电传感器808的阵列，作为每个发射器阵列，并且被配置为捕获从发射器阵列802a-d发射的光。传感器阵列806的接收器通道阵列的光圈层可以为每个光电传感器808限定四个不同的非重叠的视场，其中每个不同的视场与来自每个发射器阵列802a-d的一个发射器的对应视场对准。例如，光电传感器810可以具有由光圈层限定的四个不同的视场，其中每个光圈(显示为圆圈)对准以具有与以下之一相同的视场：发射器阵列802a中的发射器812、发射器阵列802b中的发射器814、发射器阵列802c中的发射器816和发射器阵列802d中的发射器818。因此，当发射器812、814、816和818被同步以在它们各自的时间发射光以照亮场中它们各自的位置(例如，像素)时，光电传感器810将在已经被外中物体反射之后通过各自的光圈捕获发射的光。可以参考光电传感器810的放大透视图801来理解该概念，其中各个发射器812、814、816和818的视场(显示为圆圈)叠加在光电传感器810的视场区域(示出为正方形)上。如图所示，每个发射器812、814、816和818的视场与光电传感器810的视场的一部分重叠，使得光电传感器810可以在其被场中的物体反射之后捕获其发射的光。在一些实施例中，发射器阵列802a-802d分别并且以序列的顺序发射光。例如，发射器阵列802a可以首先执行一个发射周期(例如，每个组从左到右)，然后发射器阵列802b可以接着执行一个发射周期，依此类推，直到发射器阵列802d执行了一个发射周期。一旦每个发射器阵列完成一个发射周期，序列顺序就可以再次重复以捕获该场的另一幅图像。

如图8a所示，通过使用多个发射器阵列802a-d，可以将通过传感器阵列806捕获高分辨率图像的发射器总数除以发射器阵列的数量，在这种情况下为四个，从而导致发射器阵列中更少发射器之间的距离更远。结果，可以在发射器阵列802a-d之间划分(例如，除以四)用传感器阵列806照明所述场以捕获高分辨率图像所需的功率负载。因此，与仅具有一个发射器阵列的系统相比，每个发射器阵列的驱动器804a-d仅需要提供功率的四分之一(即，电流)，同时仍然能够捕获场景的高分辨率图像。可选地，由于减少了每个驱动器的光发射器的数量，所以每个驱动器可以向光发射器提供更多的电流，从而使发射器输出更多的光，从而提高了lidar系统800的图像捕获能力。在操作期间，每个发射器阵列802a-d可以执行一个发射周期，如本文关于图6-7b所讨论的，并且以连续的顺序，使得一旦所有的发射器阵列都已经执行了发射周期，就对场景进行一次完整扫描。

在一些实施例中，每个发射器阵列802a-d和传感器阵列806被定位在它们自己的相应本体成像光学器件的后面。当与本体成像光学器件结合布置时，每个发射器阵列802a-d可以形成光发射系统，并且传感器阵列806可以形成光感测系统。在某些实施例中，光发射系统可以围绕光感测系统对称地布置，并且可以定位成尽可能靠近光感测系统以最小化视差。例如，如图8a所示，光发射器系统(由发射器阵列802a-d表示)可以对称地布置在光感测系统(由传感器阵列806表示)的上方、下方和两侧。

尽管图8a仅示出了以对称布置组织的四个光发射系统，但实施例不限于这种构造，并且其他实施例可以具有更多或更少的光发射系统并且以非对称布置。例如，某些固态电子扫描lidar系统可以具有位于光感测系统上方或下方和两侧上的三个光发射系统，或位于光感测系统的左侧或右侧上方或下方和上面的两个光发射系统。在只有两个光发射系统的实施例中，单个传感器阵列可以被配置为捕获来自两个发射器阵列的光。因此，每个发射器阵列的发射器阵列密度可以是仅具有一个光发射系统的lidar系统的发射器阵列密度的一半。在这样的实施例中，传感器阵列中的每个光电传感器可以仅对应于两个光发射器，每个光发射器阵列中有一个。

在一些实施例中，光圈层和微透镜阵列可在光电传感器的前面实现以启用光电传感器和多个光发射器之间的重叠视场。每个光圈可以与相应的微透镜对准，并且光圈和对准的微透镜都可以对应于多个光发射器中的相应的光发射器。例如图8b是根据本公开的一些实施例的叠加在单个的光电传感器810上的微透镜阵列820的简化图示。因为以时分多路复用的方式在四个不同的视场之间共享单个光电传感器810，所以该方法可以允许将更多的每个像素处理逻辑适配到每个光电传感器中，这是因为光电传感器之间的间距是发射器与视场检测器之间的间距的四倍。在该实施例中，将tdc、sram和dsp直接嵌入每个光电传感器810中以使每个光电传感器能够被单独读出是可行的。微透镜阵列820中的每个微透镜的视场可以由光圈层中的相应光圈限定。在该实例中，微透镜阵列820包括四个微透镜822、824、826和828，它们与它们的相关联的光圈对准，每个光圈可以对应于并且对准以具有与来自每个发射器阵列802a-802d的各个光发射器相同的视场。例如，微透镜822可以与发射器812相对应并且对准以具有与发射器812相同的视场，并且微透镜824和发射器812、微透镜826和发射器816以及微透镜828和发射器818也是这样。微透镜阵列820的间距可以比传感器阵列808的间距细，从而微透镜阵列820可以装配在单个光电传感器上。例如，如图8b所示，微透镜阵列820的间距可以是光电传感器阵列808的间距的一半。因此，与没有这种微透镜阵列的传感器阵列相比，微透镜阵列使得传感器阵列能够捕获更多的视场(即，以更高的分辨率捕获图像)。

图8c是根据本公开的一些实施例的当感测来自场的光时定位在光电传感器810前面的微透镜阵列820的简化截面图。在一些实施例中，微透镜阵列820可以定位在本体成像光学器件830与光电传感器810之间，使得从场接收的光在曝光于光电传感器810上之前首先穿过微透镜阵列820。如图8c所示，光836可以是从发射器816发射的反射光，并且光838可以是在另一时间实例从发射器818发射的反射光。在将光836聚焦到沿本体成像光学器件830的焦平面定位的光圈层834处的点之后，光836可以穿过本体光学器件830并在微透镜826上曝光，以限定光电传感器810的离散视场并减少杂散光，如以上关于图5所讨论的。一旦光836穿过光圈层834中的光圈和微透镜826，光836就可以准直并穿过辅助光学器件832，其可以被配置为将光836转移并重新聚焦到光电传感器810上。在一些实施例中，微透镜阵列820和辅助光学器件832被实现在用于光电传感器810的接收器通道内，使得微透镜822、824、826和828都被定位在侧壁840内，该侧壁840形成围绕光路的隧道以减轻光电传感器之间的串扰。辅助光学器件832可以将通过每个微透镜822、824、826和828的光聚焦到光电传感器810上。在一些实施例中，光电传感器810由多个spads形成，其中多个spads的子集被定位成接收来自相应的微透镜822、824、826和828的光。在替代实施例中，整个多个spads被定位为接收来自每个微透镜822、824、826和828的光，使得整个多个spads被读出四次，一次用于在其各自的施加检测通过每个微透镜822、824、826和828的光。

为了进一步减轻串扰，mems设备可以在光圈层上方和沿每个微透镜的光传播路径实施，以防止微透镜之间的串扰。例如，可以在光圈834与本体成像光学器件830之间实现mems快门的阵列(未示出)，其中每个快门位于相应的光圈上方。mems快门的阵列可以被操作以使得当相应的发射器发射光时光能够通过mems快门，并且当相应的发射器不发射光时防止光通过。通过实现这种mems快门阵列，可以提高光电传感器810的信噪比。

代替具有每个发射器阵列的非重叠视场和增加检测器阵列的分辨率，如上文相对于图8a-8c讨论的，在本公开的一些实施例中，发射器阵列的视场可以彼此重叠，从而为视场中的每个位置提供增加的亮度和冗余度。这样，如果一个发射器阵列中的一个发射器发生故障，或者即使整个发射器阵列发生故障(例如，由于飞扬的碎片造成的损坏)，固态电子扫描lidar系统仍然可以将发射的光投射到与损坏的发射器相关联的光电传感器的视场中，该视场具有与该视场对准的其他一个或多个发射器。因此，所得到的系统可以更加坚固和可靠。该实施例的例子在图8d中示出。

图8d是根据本公开的一些实施例的示例性lidar系统850的简化图示，其包括具有重叠视场的多个可独立操作的发射器阵列852a-b，每个发射器阵列具有其自己的一组驱动器854a-b，用于发射可由传感器阵列856捕获的光。发射器阵列852a、852b以及它们各自的驱动器854a、854b可以根据如以上关于图6和7a所讨论的组来布置，或者可以如关于图7b所讨论的布置在可独立寻址的列中，或者可以布置在整个阵列的驱动电路的任何任意子集中。每个发射器阵列852a、852b可包括m×n(相同尺寸)的发射器阵列，如以上在各个实施例中所描述的，其中该阵列涉及远场中的相同视场。例如，如图8d所示，发射器阵列852a的第1列第1行是发射器862，并且发射器阵列852b的第1列第1行是发射器864。每个发射器862和864可以对准以投影到阈值距离之外的相同的不同离散视场中。

传感器阵列856可以包括与每个发射器阵列852a、852b布置在同一m×n配置中的光电传感器858的阵列，并且可以被配置成捕获从发射器阵列852a、852b发射的光。具体地，每个光电传感器可以与每个发射器阵列852a、852b中的相应发射器具有一一对应关系。例如，光电传感器860可以与发射器阵列852a中的发射器862和发射器阵列852b中的发射器864相关联并且对准以具有相同的视场。因此，当发射器862和864被触发以发射光以照亮场中的相同位置(例如，离散点)时，在光已经被场中物体反射之后，光电传感器860将捕获从每个发射器862和864发射的光。可以参考图8e以及图8d中所示的光电传感器860的放大透视图851理解该概念。首先参考图8d，各个发射器862和864的重叠视场被示为叠加在光电传感器860的视场(示为正方形)上的单个圆圈。如图所示，发射器862和864的视场与光电传感器860的视场的相同部分重叠，使得在光被场中一个或多个物体反射之后，光电传感器860可以捕获来自每个发射器862、864的光。

图8e进一步示出了该概念。图8e是传感器阵列856中的单个接收器通道的视场以及发射器阵列852a、852b中的对应的发射器的重叠视场的简化图示。发射器阵列852a、852b中的每个发射器可以发射图8e所示的光脉冲为圆锥体870a和870b，其通过单独的本体发射机光学器件872a、872b准直。然后，来自每个发射器阵列的准直光作为离散光束874a、874b的脉冲输出到所述场。

如图8e所示，发射器阵列852a、852b被共同对准，使得每个离散光束874a、874b具有超过阈值距离的相同视场880。以这种方式，与单个光束相比，聚焦在由视场880表示的离散点上的光的量可以增加，并且多束光在每个光电传感器视场上提供冗余照明。每个发射的光束874a、874b可以反射场中的一个或多个物体，并作为反射光882向传感器阵列856传播回来。反射光882然后传播通过本体接收器光学器件884，该本体接收器光学器件将反射光作为脉冲光的圆锥体886聚焦为焦点，然后到传感器阵列856内的对应的光电传感器(例如，光电传感器860)上。由于发射器862和864将光投射到同一视场中，因此如果发射器862或864之一无法工作，则光电传感器860仍可以在场中的特定位置(例如，离散点)捕获从另一个发射器发射的光，从而提供有益的冗余水平。另外，当两个发射器都工作以为单个光电传感器发射光时，该光电传感器具有改善的感测性能。

如可参考图8e理解的，相邻的本体发射机光学器件872a、872b和本体接收器光学器件884之间的距离(例如，可以在0.5至5cm之间的范围)与到场景的距离相比相对较小。因此，随着场景的变远，每个发射器阵列852a、852b的视场彼此之间以及与传感器阵列856的视场彼此越来越重叠。例如，如图8e所示，随着到场景的距离增加，发射器阵列和传感器阵列的视场的重叠区域890、892和894变得更大。因此，在接近场景例如在视场中的物体的末端的距离处，发射器阵列852a的视场可以基本上重叠传感器阵列856的视场，并且发射器阵列852b的视场也可以基本上重叠传感器阵列856的视场。因此，即使本体接收器和发射机光学器件相距一个或多个厘米，每个相应的发射器对和传感器也可以观察到场景中的基本相同点。即，从本体发射机光学器件872a、872b投射到系统外部的场中的每个照明束的大小和几何形状可以与在与系统有一定距离处相应的光电传感器(或相应的光电传感器的微光学接收器通道)的视场基本相同。

虽然图8d和图8e示出了其中两个发射器阵列852a、852b在lidar系统850中提供增加的亮度和冗余度的实施例，但本公开的实施例不限于这种配置。其他实施例可以具有两个以上的发射器阵列以提高可靠性。例如，一些实施例可以具有三个、四个或更多个具有重叠视场的发射器阵列。这样，如果一个、两个或多个发射器阵列发生故障并且一个发射器阵列仍可操作，则lidar系统仍可操作以捕获该场的图像。另外，代替仅具有更多发射器阵列，其他实施例可以具有视场重叠的一个以上传感器阵列。这些多个传感器阵列可以在时间上同步，并且它们的数据在下游控制器中组合以提高传感器性能或冗余度。在这样的实施例中，来自多个发射器的相同概念可以应用于存在多个传感器阵列(并且因此具有多个接收器)的情况。

3.用于光发射系统的mems设备

上述实施例讨论了用于投影场内的二维光图案的二维发射器阵列。然而，本公开的一些实施例可替代地包括由一维光发射器阵列或仅单个光发射器形成的传输元件。在这样的实施例中，可以对一个或多个微机电系统(mems)设备进行调制，以将一维光发射器阵列的光反射为场内的二维光图案，如本文中关于图9a和9b所讨论的。

图9a是根据本公开的一些实施例的包括一维发射器阵列902和mems设备904的示例性光发送系统900的简化图示。应当认识到，图9a未按比例绘制，因此在实际实现中，发射器阵列902可能不一定大于mems设备904。mems设备904可以是可以以任何预定图案反射接收到的光的任何合适的mems设备。例如，mems设备904可以是可以在一个或多个维度上倾斜/扫描的倾斜镜。如图9a所示，mems设备904可以在单个水平方向(即，扫描轴918)上倾斜/扫描，以在场内产生光图案916。在这样的实施例中，发射器阵列902取向为垂直于扫描轴918。所得的光图案916可以是投影在场景上并反射回传感器阵列的二维图案，该传感器阵列被配置为检测反射光的二维图案。因此，发射器阵列902的视场可以与相应的传感器阵列的视场匹配，如本文相对于图4所讨论的，即使在发射器阵列912和传感器阵列之间不存在一对一的相关性。

在一些实施例中，发射器阵列902和mems设备904可控制电路例如在图1测距系统控制器104的控制下产生光图案916，发射器阵列902和mems设备904耦合所述控制电路。控制器电路可以被配置为执行多个图像捕获时段(即，一个发射周期)，其中对于每个图像捕获时段，依次触发发射器阵列902，同时mems设备904沿其扫描轴倾斜直到生成二维照明图案即光图案916。在一些实例中，发射器阵列902由n个光发射器形成，其在mems设备904沿着扫描轴连续倾斜的同时重复发射m个图像捕获时段。因此，所得到的照明图案是离散光束的m×n阵列。

图9b是根据本公开的一些实施例的包括单个发射器912和mems设备914的示例性光发送系统901的简化图示。代替发射器阵列，光发射系统901可以仅包括将光发射到场中的一个发射器912。当被配置为一维倾斜镜时，mems设备904可以仅将发射的光投射到单个维度上，而不是二维以匹配传感器阵列。因此，mems设备904可以与可以将接收到的光衍射到第二维度的光学元件配对。作为实例，mems设备904可以与衍射光学元件926配对，该衍射光学元件926被定位成在光已经从mems设备904反射回来之后接收光。衍射光学元件926可以被配置为以mems设备904不沿着其倾斜的维度来衍射接收到的光。作为实例，如果mems设备904沿x方向倾斜，则衍射光学元件926可以沿y方向衍射接收到的光。因此，当与mems设备904配对时，所得的光图案可以是光发射(即，离散的光束)的二维图案。

在操作中，发射器912和mems设备904可控制电路例如在图1测距系统控制器104的控制下产生光图案916，发射器阵列902和mems设备904耦合所述控制电路。控制器电路可以被配置为执行多个图像捕获时段，其中对于每个图像捕获时段，在mems设备904沿着其扫描轴倾斜的同时顺序触发发射器912。衍射光学元件926可以位于mems设备904的下游，使得由mems设备904反射的光穿过衍射光学元件926并且被衍射成n个离散的光束。在倾斜mems设备904的同时，可以重复产生n个离散光束，直到产生二维照明图案，即光图案916。在一些情况下，发射器912在m个图像捕获时段中重复发射，使得所得的照明图案是离散光束的m×n阵列。

在一些实施例中，mems设备904可以是倾斜镜，其可以在两个维度倾斜/扫描以实现在二维的所得的发射光图案。也就是说，mems设备904可在水平和垂直方向(即，扫描轴920和922)上倾斜/扫描以在场内产生光图案924，从而消除了对单独的衍射元件(例如，衍射光学元件926)的需要。像图案916一样，光图案924可以是投影在场景上并反射回传感器阵列的二维图案，该传感器阵列被配置为检测反射光的二维图案。因此，发射器阵列912的视场可以与相应的传感器阵列的视场匹配，如本文相对于图4所讨论的，即使在发射器阵列912和传感器阵列之间不存在一对一的相关性。

尽管未示出，但应当理解的是，图9a-9b讨论的光发射器可以与一个或多个相应的微透镜配对，所述微透镜使光准直并将其基本上引导到mems设备上。另外，可以使用其他衍射元件或光学元件将发射的光引向mems设备904。

4.增强型光发射系统

本公开的实施例涉及lidar传感器，所述传感器除了其他用途之外，还可以用于自主车辆中的障碍物检测和规避。一些具体实施例涉及lidar传感器，其设计特征使得传感器制造的成本足够低且可靠性足够高，并且实现足够小的占地面积以用于大众市场的汽车、卡车和其他车辆。例如，一些实施例包括一组垂直腔面发射激光器(vcsel)作为向场内发射辐射的照明源，并且包括单光子雪崩二极管(spad)检测器阵列作为一组检测从场内的表面反射回来的辐射的光电传感器(检测器)。使用vcsel作为发射器，spad作为检测器，可以同时进行多次测量(即可以同时激发vcsel)，还可以在单个芯片上使用标准cmos工艺分别制造一组发射器和一组光电传感器，这大大简化了制造和组装过程。

然而，在某些实施例中使用vcsel和spad面临一定挑战，本公开的各种实施例克服了这些挑战。例如，vcsel比现有lidar结构中使用的典型激光器功率低得多，而spad比现有lidar结构中使用的典型检测器效率低得多。为了解决这些挑战以及同时激发多个发射器所带来的挑战，本公开的某些实施例包括各种光学部件(例如，透镜、滤光器和光圈层)，这些光学部件可以与多个spad阵列协同工作，每个阵列对应于不同的像素(例如，在场内的位置)，如本文所述。举例来说，如本文中关于图1所论述，光感测模块108的光学系统128可以包括微光接收器层(图1中未示出)，用于增强由传感器阵列126检测到的光，该传感器阵列可以包括光电传感器的阵列，每个光电传感器可以是spad阵列。

因为vcsel不如现有lidar结构中的典型激光器强大，所以在一些实施例中，光发射系统可以被配置成提高固体电子扫描lidar系统执行光测距功能的能力。也就是说，可以提高光发射系统发射的光的质量，以提高光测距精度和效率。用于光测距和成像目的的透射光的质量可以根据亮度和强度来定义。从本体发射机光学器件发射的光线的亮度和强度可以通过修改和/或实现一个或多个光学发射机层来增强，这将在本文中进一步讨论。

透射光的亮度可以通过每立体角的光功率(瓦特)来定义。因此，输出具有紧密准直(即，低发散)的光的光源产生高亮度的光。相反，输出高发散光的光源产生低亮度的光。光的强度可以用单位面积的光功率来定义，也就是说，如果以一定功率发射的光在小面积内密集，那么它的强度会更高。因此，即使两个光源都输出具有低发散度的光，以密集光线输出光的光源之强度也将比以较不密集光线输出光的光源之强度要高。如这里将理解的，在本公开的实施例中用于lidar系统的发射机部件可以配置有微光学部件，与没有微光学部件的类似发射机相比，微光学部件使得发射机能够输出具有增强亮度和强度的光。

图10是根据本公开的一些实施例的示例性增强光发射系统1000的简化剖视图。光发射系统1000可以包括具有光发射器1004的光发射器阵列1002，光发射器例如可以包括但不限于用于发射光1013的任何发光二极管、激光二极管、vcsel等。vcsel是一种从顶面垂直发射激光束的半导体激光二极管。注意，图10所示的线性阵列可以是任何几何形式的发射器阵列，包括但不限于圆形、矩形、线性或任何其他几何形状。

增强型光发射系统1000可以包括通过开放空间1018与光发射器阵列1002隔开的微光学发射机通道阵列1006。每个微光学发射机通道1008可以与相应的接收器通道(例如，图5中的接收器通道512)配对，并且它们的视场中心被对准成在距光学成像器系统一定距离处重叠。微光学发射机通道阵列1006可以由夹在位于面向光发射器阵列1002的一侧的第一光学表面1020和位于背对光发射器阵列1002的相对侧的第二光学表面1021之间的基板1019形成。第一光学表面1020和第二光学表面1021都可以被配置成凸形微光学透镜阵列，其中第一光学表面1020的每个凸透镜被配置成与第二光学表面1020的相应凸透镜光学对准，使得透射通过第一光学表面1020的光可以随后透射通过第二光学表面1021。如图10所示，来自第一光学表面1020和第二光学表面1021的相应凸透镜可以背向彼此。在某些实施例中，第一光学表面1020的凸透镜具有第一光功率，第二光学表面1021的凸透镜具有不同于第一光功率的第二光功率。例如，第二光功率可以大于第一光功率，使得第二光功率的焦距比第一光功率的焦距短。基板1019可以由在光发射器1004的波长范围内可透射的任何合适的材料形成，诸如硅、二氧化硅、硼硅酸盐玻璃、聚合物等。第一学表面1020和第二光学表面1021可以由压印在基板1019的相应相对表面上的透明聚合物形成。

在一些实施例中，微光学发射机通道阵列1006可以由微光学发射机通道1008的单片阵列形成。每个微光学发射机通道1008可以包括来自第一光学表面1020的第一凸透镜、来自第二光学表面1021的相应第二凸透镜以及位于两个凸透镜之间的基板1019的相应部分。每个微光学发射机通道1008可以对应于各自的光发射器1004，使得从光发射器1004输出的光在操作期间首先穿过第一凸透镜，穿过基板1019的相应区域，然后穿过第二凸透镜。

一旦光从第二光学表面1021的第二凸透镜射出，所述光就形成微型光斑图像1010，所述图像是相应光发射器1004的真实图像，但是是相应光发射器1004的尺寸缩小的图像。在一些实施例中，微型光斑图像1010位于微光学发射机通道阵列1006和本体发射机光学器件1014之间。例如，微型光斑图像1010可以形成在光圈层1009的相应光圈内。每个光圈可以是反射层或不透明层上的针孔，其中发射的光聚焦以形成微型光斑图像1010。应当理解，光圈层1009是可选的，并且在没有光圈层1009的情况下可以实现微光发射机通道阵列1006的光增强能力。在这样的实施例中，可以在第二光学表面1021的第二凸透镜的焦平面处形成微型光斑图像1010。从那里继续远离光发射器和微光学通道，光形成光锥1012，通向本体发射机光学器件1014。

根据本公开的一些实施例，发射光1013的发散度可以小于光锥1012的发散度。发散度的这种差异可以由微光学发射机通道1008产生，特别是由第二光学表面1021的光功率产生。因为从微光学发射机通道1008出来的光的发散度大于从光发射器1004发射的光1013的发散度，所以微型光斑图像1010可以是光发射器1004的真实图像，但是比光发射器1004的尺寸小很多，并且具有与发射光1013相同数量的光子。然后，在形成真实光斑图像之后形成的最终光锥1012在穿过本体发射机光学器件1014之后作为每个光发射器1004的离散光束被投射到场内。从光发射系统1000发出的最终光线是具有小横截面积的高度准直的光束，从而使得光发射系统1000能够输出具有增强亮度和强度的光。相反，不具有微光学通道阵列而是在本体发射机光学器件1014的焦平面处具有光发射器阵列1002的系统会产生准直度大大降低的光束，因此这些光束在远场将具有更大的横截面积。

请注意，本体发射机光学器件1014可以包括单个透镜或透镜组，其中两个或多个透镜一起形成本体发射机光学器件1014。在本体发射机光学器件1014中使用多个透镜可以增加数值光圈、减小rms光斑尺寸、使像平面变平、提高远心度，或者以其他方式提高本体发射机光学器件1014的性能。还要注意，对于一些实施例，光锥1012可以重叠形成光锥重叠区域1016。

为了更好地理解微光学发射机通道阵列1006的操作和有效性，讨论了光发射系统1000的操作的更详细解释。对于利用由vcsel发射器形成的光发射器阵列的增强光发射系统1000，发射器的示例性初始半径可以是12.5um，其中光以10°半角锥入射。这种发射器通常每平方微米有源区输出50uw。来自每个发射器1004的发散光锥被接收到微光学发射机通道1008中，然后会聚光锥由同一微光学通道输出，以产生具有例如20°半角的会聚光锥。因此，对于一些实施例，发射器1004产生的锥角小于相应的微光学发射机通道1008产生的锥角。然后，微光学发射机通道1008发出的会聚光锥产生发射器的微型光斑图像1010。根据图10的实施例，微型光斑图像1010是真实图像，其尺寸小于相应光发射器1004。请注意，来自给定发射器的所有光线可能不会全部聚焦到任意小的光斑上。微型光斑图像尺寸通常由“光学不变量”控制：

θ_s*r_s>＝θ_e*r_e

其中θ_s是聚焦光斑的边缘光线半角，r_s是聚焦光斑的半径，θ_e是原始发射器的边缘光线半角，r_e是原始发射器的半径。因此，在本例中，可以形成的最小微型光斑图像半径(同时仍然捕获来自发射器的所有光线)是：

10/20*12.5um＝6.25um

请注意，这个较小的光斑面积将是原始发射器面积的四分之一，因此每平方微米光斑面积的功率密度为200uw。每个微光学发射机通道1008通常具有一个或多个光学表面，其特征可以例如但不限于包括50um的焦距和80um的透镜直径。对于一些实施例，光发射器1004和相应的微光学发射机通道1008之间的距离可以是例如但不限于150um。如图10所示，发射器阵列1002和微光学发射机通道阵列1006之间的开放空间1018可以是例如但不限于气隙，例如由通常用于制造mems设备的方法产生的气隙。发射器阵列1002和微光学发射机通道阵列1006之间的距离例如可以是150um。

本体发射机光学器件1014位于微光学器件和发射层的前面，使得本体成像光学器件的焦平面与微型光斑图像1010重合。本体发射机光学器件1014接受发散光锥1012并输出准直光束。它的数值光圈可以至少足够大，以捕获发散射线锥中的全部角度范围，因此，例如但不限于，在该示例中，数值光圈(na)＝0.34。此外，本体发射机光学器件1014可以是图像空间远心的，因为离开微光学层的光锥1012可以都是平行的(而不是其中心轴对准本体光学器件的中心)。在一个实施例中，光可以近似准直地离开本体发射机光学器件1014。注意，光束准直的质量与焦平面处的“发射物体”(微型光斑图像1010)的尺寸有关。由于这种“发射物体”的尺寸已经通过使用微光学堆叠而减小，所以获得了比简单地直接成像发射物体更好的准直角度。

尽管图10示出了增强的光发射系统，其具有由夹在第一和第二光学表面之间的基板形成的微光学通道阵列，并且通过开放空间远离光发射器阵列一定距离定位，以提高光发射系统输出的光的亮度和强度，但是实施例不限于这种配置。而是，其他实施例不一定必须实现开放空间或两个光学表面，如在2018年5月14日提交的标题为“具有亮度增强的光学成像发射机”的相关美国专利申请15/979,235中进一步详细讨论的，并且出于所有目的通过引用将该申请整体并入本文。

iii.传感器阵列的配置和操作

一旦光被反射回电子扫描lidar系统，光检测系统通过首先使光穿过本体接收光学器件而接收所述光，其通过光圈层使光向下聚焦并将光曝光到传感器阵列中的多个光电传感器上。在某些情况下，光可以在穿过光圈层之前传播通过滤光器。当光暴露在传感器阵列上时，每个光电传感器都在检测离散量的光，当与传感器阵列中的所有光电传感器一起分析时，可用于生成场内场景的图像。也就是说，每个光电传感器都可以由外部电路读取以构建场景图像。根据一些实施例，传感器阵列可以以各种方式操作，如将在本文中关于图11-13所讨论的。

图11是根据本公开的一些实施例的用于按列操作m×n传感器阵列1102的传感器阵列控制系统1100的简化图。传感器阵列控制系统1100可以包括列选择电路1104、一个或多个时间数字化阵列1106以及数字信号处理器(dsp)阵列1108上的一个或多个静态随机存取存储器(sram)设备。列选择电路1104可以是配置为选择读取哪个列以及以什么特定顺序选择的任何合适的电路。在一些实施例中，列选择电路1104可以被配置为与光发射系统中的驱动器同步地操作，使得传感器阵列1102中的选择的列可以对应于发射器阵列中的激活的列，如本文相对于图2和3所讨论的。tdc阵列1106可以被配置为将由在光电传感器处检测到的光子生成的信号转换为事件的数字时间序列。时间序列可以是光子计数的序列，代表了返回到光电传感器的反射光子通量与时间的关系，其可以用来确定场景周围物体的形状和距离。sram和dsp阵列1108可以是配置为处理从传感器阵列1102中的光电传感器接收到的信号的任何合适的微控制器或处理器。

在单个asic上形成传感器阵列的一些实施例中，时间数字化阵列1106和dsp1108可以被推到asic的边缘，并且围绕传感器阵列1102定位。这样的设计为接收器asic的有源区域中的光敏像素(例如spad的阵列)留下了很多空间，从而使得能够收集更多的光并改善性能。

在操作期间，列选择电路1104可以选择一个或多个列读取，并且所选择的列可以由tdc阵列1106和sram/dsp阵列1108的操作被读出。例如，列选择电路1104可以选择列1110，然后可以通过操作tdc阵列1106和sram/dsp阵列1108来读取列1110。如图11所示，可以通过读取传感器阵列1102中的每一行来读出每一列的光电传感器。在一些实施例中，代替一次只读取一行，可以一次读取多行。例如，传感器控制系统1100可以包括两个tdc阵列1106和两个sram/dsp阵列1108，在传感器阵列1102的每一侧上一个。因此，在操作期间，列选择电路1104可以选择两个列，例如1110和1112，以进行读取，在这种情况下，相应的tdc阵列1106和sram/dsp阵列1108可以读取列，例如列1110可以通过左侧的阵列1106和1108读出，而列1112可以通过右边的阵列1106和1108读出。这种设计允许同时触发与同时被读出的两列光电传感器相对应的两列发射器。可以将每个光电传感器检测到的脉冲序列的时间序列存储在sram/dsp阵列1108中的sram存储器组中，以便sram存储器可以将此信息提供给dsp或任何其他处理器，例如，图1中的处理器122或130。在一些实施例中，sram容量可以加倍，使得存在两个相同的组而不是一个，用于读取传感器阵列1102。因此，当一个组从一个像素列读取数据时，另一组可以将数据推出到数字信号处理系统。这种架构允许使用单个sram组的系统进行两倍的数据流水线处理和两倍的像素捕获率。

除了按列读出，一些实施例还可以被配置成使得传感器阵列按行读出，如本文关于图12所述。图12是根据本公开的一些实施例的用于按行操作m×n传感器阵列1202的传感器控制系统1200的简化图。传感器控制系统1200可以包括行选择电路1204以及tdc阵列和sram/dsp阵列，其被示为标记为tdc和sram/dsp阵列1206的单个组合模块。行选择电路1204可以具有与图11中的列选择电路1104基本相同的配置和操作，但是其操作是按行而不是按列选择光电传感器。tdc和sram/dsp阵列1206可具有与图11中的tdc阵列1106和sram/dsp阵列1108基本相同的配置和操作，但其操作是按行而不是按列读取光电传感器。因此，行选择电路1204可以选择要读取的行，并且tdc和sram/dsp阵列1206可以执行读取操作。

虽然图11和图12示出了一次读取整个行或列的实施例，但是实施例不限于此。取而代之，可以将其他实施例配置为在传感器阵列中单独选择一个或多个光电传感器。图13a是根据本公开的一些实施例的用于以列和行控制电路按光电传感器操作m×n传感器阵列1302的控制系统1300的简化图。代替仅具有一个列或行选择电路以及仅一个对应的tdc和sram/dsp阵列，传感器控制系统1300可以包括列选择电路1304以及行选择电路1306二者，以及tdc和sram/dsp阵列1308和1310，用于按行且按列读取。那样，传感器控制系统1300可以通过选择期望的光电传感器所位于的特定行和列来选择光电传感器的特定一维组。作为实例，传感器控制系统1300可以仅选择光电传感器1312和/或一维光电传感器1314和1316的组。一旦选择了那些光电传感器，则可以由相应的列和/或行tdc和sram/dsp阵列1308和1310读出它们。

在一些另外的实施例中，代替读出光电传感器成列或行结束的tdc和存储器(sram)，光电传感器可以被读出到每个像素的tdc和存储器中，使得任何一维或二维光电传感器的配置可以一次启用。作为实例，图13b是根据本公开的一些实施例的用于以每个光电传感器专用的控制电路来按光电传感器操作m×n传感器阵列1302的控制系统1301的简化图。在这里，代替为行和列合并tdc和sram/dsp阵列，可以在光电传感器附近或在每个相应光电传感器的基础半导体管芯上实现单独的tdc和sram设备，以实现同时读取任意数量和配置的整个阵列的光电传感器。dsp阵列1328和1330可以在传感器阵列1302的一侧实现，并且可以作为每个光电传感器下tdc和sram设备的共享资源，或者dsp也可以合并到每个像素中。在这样的实施例中，传感器阵列1302可以被制造为两个或更多个单片式电子设备(“半导体管芯”)的堆叠，它们被结合到单个结构中，并且电信号在它们之间通过。顶部半导体管芯可以包括传感器阵列1302，该传感器阵列1302通过使光感测效率最大化或噪声最小化的工艺制造，而用于tdc和sram设备的其他管芯被优化用于较低功率、更高速度的数字处理。利用这种配置，传感器阵列1302可以通过选择期望的光电传感器所处的特定行和列并且使各自的tdc和sram设备分别执行选择的光电传感器的读出来选择任何布置的任何一维或二维组的光电传感器。作为实例，传感器控制系统1301可以以各种布置选择光电传感器的二维组1334和1336。一旦选择了那些光电传感器，即可分别由各自的tdc和sram设备读出。因为选择这两个二维光电传感器组可以在不到一微秒的时间内完成，并且所述组不断循环通过，所以传感器控制系统可以包含配置寄存器，这些寄存器预定义了与相应发射器阵列上的驱动电路组相对应的多个光电传感器组。例如，在一些实施例中，有用于激光发射器阵列的16个独立的激光驱动器组和用于限定光电传感器分组的16个独立的配置寄存器，并且这些配置可以由测距系统控制器或本文相对于图1讨论的任何其他控制器来选择，其使发射器阵列的触发与其相应的光电传感器组的选择同步。这些分组寄存器可以在传感器阵列打开时进行配置，并且可以根据来自测距系统控制器的控制输入或基于来自目标环境的信息进行重新编程以更改组的顺序。

如本文中所讨论的，发射器阵列和传感器阵列，并且因此为其操纵光的相应的微光学发射器和接收器通道可对应于彼此，使得传感器阵列可以检测到来自发射器阵列的光。为了帮助说明发射器和光电传感器之间的对应关系，微光学发射器通道的光圈阵列可以叠加在微光学接收器通道的像素阵列上，如图14-16所示。

图14-16示出了相对于发射器阵列的传感器阵列的示例性配置，其中为了清楚起见和易于理解，光发射器由圆圈表示(在一些实施例中，其又可以表示微光学发射机通道的光圈)，微光学接收器通道的光电传感器由它们自己的几何轮廓(即正方形/矩形)表示。应当理解，图14-16中所示的发射器和传感器阵列可以仅代表实际发射器和传感器阵列的一部分，其可以包括比图中所示更多的发射器和光电传感器。此外，图14-16中所示的每个光电传感器可以是单个光检测器，或多个spads。

图14是根据本公开的一些实施例的其中发射器阵列和传感器阵列具有一一对应的配置1400的简化图示。如图所示，每个光发射器1402可以与相应的光电传感器1404相对应，使得在发射的光已经被反射离开场中的物体之后，发射器1402发射的光可以由其相应的光电传感器1404检测到。水平和垂直侧壁1406和1408可以减轻相邻光电传感器之间的串扰。在这样的实施例中，水平和垂直像素间距尺寸可以相同。例如，用于配置1400的传感器阵列的水平和垂直像素间距可以是100um×100um。

在一些实施例中，光电传感器的尺寸可被改变以修改在一个或多个方向传感器阵列的分辨率。例如，图15是根据本公开的一些实施例的其中发射器阵列和传感器阵列具有一一对应但是在一维上具有修改的分辨率的配置1500的简化图示。如图所示，每个光电传感器1504可以具有更大的长度，使得与图14中的配置1400中的传感器阵列的分辨率相比，垂直分辨率降低。在这样的实施例中，每个光电传感器1504可以是矩形的形状。通过在一个或多个维度上降低分辨率，可以提供更多的空间来安装电气组件。在这样的实施例中，水平和垂直像素间距尺寸可以不同。例如，用于配置1500的传感器阵列的水平和垂直像素间距可以是100um×200um。

图16是根据本公开的一些实施例的其中传感器阵列具有多路光电传感器的配置1600的简化图示。在多路复用光电传感器布置中，一个以上的光电传感器可以对应于发射器阵列中的单个发射器，并且一些光电传感器可以对应于一个以上的发射器。例如，配置1600中的发射器阵列可以包括发射器1602a-h，其特征在于用圆圈表示，该圆圈表示由发射器的光圈限定的发射器的视场。每个发射器1602a-h可以对应于传感器阵列中的多个光电传感器1604a-f。作为实例，发射器1602a可以对应于四个光电传感器，光电传感器1604a-d，在被场中的物体反射后每个光电传感器具有至少一部分能够捕获从发射器1602a发射的光。虽然图16仅示出了与四个光电传感器相对应的发射器，但其他实施例可以具有与任何其他合适数量的光电传感器相对应的发射器，例如六个、八个或甚至十六个。具有更多数量的用于检测单个发射器的光的光电传感器为场中测量的每个像素提供了更大的动态范围，并允许实现更紧密排列的传感器阵列，从而可以提高分辨率。

在一些实施例中，一个或多个光电传感器可以被配置为感测来自多个光发射器的光。作为实例，发射器1602c的视场可以与光电传感器1602c-f重叠；因此，由于发射器1602a的视场与光电传感器1602a-d重叠，所以光电传感器1602c-d可以与发射器1602a和1602c对应。通过启用此感测重叠，可以共享光电传感器资源，从而提供更有效的传感器阵列。如在图16中可以理解的，为了使多路复用光电传感器能够工作，相邻列中的光电传感器之间的侧壁可以不存在，而是可以仅存在行之间的侧壁1606。除了用于不同发射器的光电传感器的重叠之外，缺少列壁可能会遭受串扰。因此，以减轻相邻光电传感器之间的串扰同时仍使光电传感器资源能够共享的方式调制发射器阵列可能是有益的。例如，如果图16中的发射器阵列可以是如本文关于图2所讨论的列调制发射器阵列—其中发射器1602a-b被立即激活(对于发射器1602c-d、1602e-f和1602g-h也一样)，则发射器阵列可以被配置为在第一时间实例中激活发射器1602a-b和1602e-f，然后在第二时间实例中激活发射器1602c-d和1602g-h。发射器1602a-b和1602e-f可以是来自相同发射器阵列或来自不同发射器阵列的发射器，这在本文中参考图8a和8d进行了讨论。

尽管图16将每个点划线的正方形称为单独的光电传感器，但应当理解，实施例不限于这种实现方式，并且每个点划线的正方形可以表示其他感测元件。例如，在一些实施例中，每个点划线的正方形可以表示spads的阵列或单独的spad。在该实例中，在配置1600中整体上的点划线正方形阵列可以用作非晶感测阵列，其根据哪个发射器1602a-h正在发射光来动态地选择一个或多个spads阵列或单个spads阵列以进行读出。例如，当在第一捕获期间激活发射器1602a时，可以读出spads的阵列1604a-d，并且在第二捕获期间激活发射器1602a时可以读出spads的阵列1604c-f。spads1604a-d的每个阵列可以对应于光电传感器的子区域，如本文中相对于图8c所类似讨论的，或者spads1604a-d的每个阵列可以对应于单个光电传感器。

iv.电子扫描lidar系统的固态构造

图17是根据本公开的一些实施例的示例性光传输模块1700的构造的截面图。光传输模块1700可以包括形成在基板1704上的发射器阵列1702。例如，在一些实施例中，发射器阵列1702可以是直接形成在半导体芯片上的vcsel阵列。发射器阵列1702可以与驱动器电路(未示出)一起安装在结构1706(例如，陶瓷板)上，如本文参考图6和图7a-7b所讨论的，并且结构1706可以安装在互连结构1708例如印刷电路板(pcb)上。在一些实施例中，结构1706可以是可以操作发射器阵列1702的驱动器电路，例如驱动器asic。当配置为驱动器电路时，可以将结构1706倒装芯片结合到基板1704的下侧。各种其他电气组件(未显示)也可以安装在互连结构1708上，以操作发射器阵列1702。因此，互连结构1708可以通过任何合适的方法诸如引线键合(未示出)与基板1704电耦合。

在一些实施例中，光传输模块1700可以包括散热器1716，其耦合到互连结构1708的与发射器阵列1702被耦合的一侧的相反侧。这样，散热器1710可以在操作期间从发射器阵列1702吸走热量以防止过热。为了提供此功能，各种组件可以包括热路由结构，以使热量能够从发射器阵列1702传递到散热器1710。例如，光传输模块1700可以包括在散热器1710和互连结构1708之间的热电冷却器(tec)1712，以将由发射器阵列1702产生的热量传递到散热器1710或调节发射器阵列1702的温度。tec1712可以包括两个板，其将多个导热通孔夹在中间，如图17所示。散热器1710可以是可以将热量散发到周围环境中的任何合适的散热器，例如具有鳍片的金属结构。在一些实施例中，互连结构1708可以包括在互连结构1708的顶表面和底表面之间延伸以将支撑结构1706、基板1704和发射器阵列1702热耦合到散热器1710的热通孔阵列1714。热通孔1714可以由任何合适的高导热材料形成，例如钨、铜、铝或任何其他金属材料。

v.扫描lidar系统的示例性实施方式

根据本公开的一些实施例，电子扫描lidar系统可以被配置成具有固定结构的固态系统。这种lidar系统不转动，因此不需要单独的电机来转动传感器和发射机模块。实例固态lidar系统如图18和19所示。

图18和19是固态电子扫描lidar系统的示例性实施方式的简单图示。具体地，图18示出了根据本公开的一些实施例的实施方式1800，其中固态电子扫描lidar系统1802a-d被实现在诸如汽车的道路车辆1805的外部区域；图19示出了根据本公开的一些实施例的实施方式1900，其中固态电子扫描lidar系统1902a-b被实现在道路车辆1905的顶部。在每个实施方式中，可以选择lidar系统的数量、lidar系统的位置以及每个lidar系统的视场，以获得车辆周围环境的大部分(如果不是全部的话)360度视场。这里选择lidar系统的汽车实施方式仅仅是为了说明，本文描述的传感器可以用于其他类型的载具，例如船、飞机、火车等，以及使用3d深度图像的各种其他应用，例如医学成像、移动电话、增强现实、测地学、地理信息学、考古学、地理学、地质学、地貌学、地震学、林业、大气物理学、激光制导、机载激光条带测绘(alsm)和激光测高。

参照图1800，固态电子扫描lidar系统1802a-d可以安装在车辆的外部区域，靠近前挡泥板和后挡泥板。lidar系统1802a-d可以各自定位在车辆1805的相应角落处，使得它们定位在车辆1805的最外侧角落附近。这样，lidar系统1802a-d可以更好地测量车辆1805与区域1806a-d处场内物体的距离。每个固态lidar系统可以面向不同的方向(单元之间可能有部分重叠和/或不重叠的视场)，以便捕获比每个单元自身能够捕获的复合视场更大的复合视场。场景内的物体可以反射从lidartx模块1808发射的光脉冲1810的部分。然后光脉冲1810的一个或多个反射部分1812传播回lidar系统1802a，并且可以被rx模块1809接收。rx模块1809可以被设置在与tx模块1808相同的壳体中。如本文所讨论的，电子扫描lidar系统1802a-d可以电子地扫描场景以捕获场景的图像。因此，lidar系统1802a可以在点1820和1822之间扫描以捕获区域1806a中的场中的物体，并且同样对于系统1802b-d和区域1806b-d也是如此。

虽然图18示出了安装在车辆四个角落的四个固态电子扫描lidar系统，但实施例不限于这种配置。其他实施例可以具有安装在车辆其他区域的更少或更多的固态电子扫描lidar系统。例如，电子扫描lidar系统可以安装在车辆的顶部，如图19所示。在这样的实施例中，电子扫描lidar系统1902a-b可以具有更高的有利位置，以更好地观察车辆1905周围的区域1907a-b。在一些实施例中，可以通过其他方式来执行扫描，例如基于芯片的光束转向技术，例如，通过使用采用一个或多个基于mems的反射器的微芯片，例如数字微镜(dmd)设备、数字光处理(dlp)设备等，如将在此相对于图9a-9b进一步讨论的。

如本文提及的，可以选择lidar系统的数量、lidar系统的位置以及每个lidar系统的视场，以获得车辆周围环境的大部分(如果不是全部的话)360度视场。因此，每个lidar系统1802a-d可以被设计为具有大约90度的视场，使得当实施所有四个系统1820a-d时，可以观察到车辆1805周围的360度视场的绝大部分。在每个lidar系统1802a-d具有小于90度的视场例如45度的视场的实施例中，可以实现一个或多个附加的lidar系统，以便扩展视场以实现组合的视场，其大于单个lidar系统的视场，如本文将相对于图20进一步讨论的。

图20是根据本公开的一些实施例的示例性固态电子扫描lidar系统2000的简化的自上而下的图示，该系统包括多于一组的发射和检测系统以实现扩大的视场。如图20所示，固态电子扫描lidar系统2000可以包括安装在中央支撑结构2004上的发射和检测系统组2002a-i，其中每组发射和检测系统包括各自的光发射系统，例如图5的光发射系统503，和光检测系统，例如在图5中的光检测系统501。每一组可以从支撑结构2004的中心径向向外布置并且并排放置，使得它们的视场可以彼此邻接以形成组合视场2006，该组合视场是比任何单独的单组发射和检测系统的视场大多倍。多个发射检测系统都可以由公共lidar控制器进行同步和控制，以使最终用户与似乎是单个系统进行交互。此外，各个发射检测系统都可以对准固定的像素网格，以便日期模拟在固定的视场网格上运行的更宽视场、更高分辨率的系统。

vi.减轻接收器通道串扰

如通过本文公开内容可以理解的，在接收元件中相邻的通道可以被非常接近彼此定位(例如彼此100微米之内)。本公开的一些实施例包括一种或多种结构，其最小化由于接收元件的紧密间距而可能在相邻通道之间发生的串扰。理想情况下，如图21a所示，任何通道都不应接收杂散光。

图21a是光检测系统2100的一部分的简化剖视图，其中通道之间没有串扰。在操作期间，垂直光线2102和主光线2104进入本体成像光学器件2106并产生光锥2108。光线2102和2104进入光圈层2110的光圈，并进入准直透镜2111。准直透镜2111接受有限范围的入射光角度。例如，准直透镜2111可以接收相对于垂线成+25至-25度入射角的光线。图21a示出入射角在+25至-25度之间的光锥2108。主光线2104是穿过光圈中心的光线。在这个实例中，主光线2104在准直透镜2111上具有0度的入射角。

图21b是光检测系统2101的一部分的简化剖视图，其中通道之间存在串扰。在这种情况下，在操作期间，倾斜光线2112和主光线2114进入本体接收器光学器件2116，然后进入准直透镜2121。在这一实例中，准直透镜2121属于对应于远离图像中心的光电传感器的微光学通道。在这一实例中，主光线2114具有-12度的入射角，聚焦光锥具有+12度到-35度之间的入射角。准直透镜2121阻挡一些光线，因其只接受入射角在+25到-25度之间的光。此外，准直透镜接收锥之外的光线可以传播到其他光学表面并成为杂散光。因此，非远心本体成像光学器件向光检测器传送的信号光子将明显更少，同时有可能用偏离的光线2122污染其他通道。另一方面，远心本体成像光学器件将产生入射角大约在+25到-25度之间的光锥和准直透镜上入射角大约为0度的主光线，而不管倾斜光线2112和主光线2114的角度如何。当激光器是远心的(它们的主光线都是平行的)时，远心本体成像光学器件对发射机具有类似的益处，同vcsel或侧面发射二极管激光棒的情况。

在一些实施例中，光感测模块的光检测系统使用输入图像空间远心本体成像光学器件。在一些其他实施例中，例如在成本或较大的视场比性能更重要的情况下，光检测系统可以使用更标准的输入本体成像光学器件，例如双凸透镜。对于图像空间远心透镜的任何给定输入场，产生的主光线平行于光轴，并且图像侧光线锥都跨越近似相同的一组角度。这允许光检测系统中远离光轴的微光学通道实现与同轴微光学通道相似的性能。光检测系统不需要完美的图像空间远心来工作，但是越接近完美的远心越好。对于只能接受+/-25度光的微光学接收器光学层透镜，优选的是输入本体成像光学器件为焦平面上的每个点产生不大于25度的图像侧光线。

在某些实施例中，具有宽视场和窄带成像的特定光检测系统可以具有输入图像空间远心本体成像光学器件，其数值光圈等于0.34，焦距为20mm。类似地，一些其他实施例可以具有1nm宽的带通滤光器，从而使其能够检测非常特定波长的光。光检测系统能够支持大于30度的视场。

根据本公开的一些实施例，微光学接收器通道阵列的每个通道的设计可以被具体配置成具有使杂散光对相应光检测器的侵入最小化的特征，从而减少或消除由杂散光的出现造成的任何有害影响。图22是示例性微光学接收器通道结构2200的简化剖视图，在本文的讨论中也称为微光学接收器通道。接收器通道2200可以代表图5中的微光学接收器通道512，并且用于接收包含宽范围波长的输入光锥，将以工作波长为中心的那些波长的窄带之外的所有波长过滤掉，并且允许光电传感器2202仅检测或基本上仅检测前述窄带波长内的光子。根据本公开的一些实施例，诸如接收器通道2200的微光学接收器通道结构可以包括以下层：

·输入光圈层2204，包括光学透明光圈2206和光学不透明光阑区域2208，其被配置成当放置在成像光学器件诸如图5所示的本体接收器光学器件502(图22中未示出)的焦平面时限定窄视场。光圈层2204被配置成接收输入边缘射线2210。术语“光学透明”在这里指的是允许大部分或全部光通过。这里的光是指近紫外、可见和近红外范围(例如300nm至5000nm)中的电磁辐射。光学不透明在这里指的是允许很少或不允许光通过，而是吸收或反射光。光圈层2204可以包括由光学不透明光阑区域彼此隔开的具有均匀面积的光学透明光圈的阵列(例如，每个光圈可以是具有相同直径的针孔)。光圈和光阑区域可以构建在单个单片上，诸如光学透明的基板。光圈层2204可以可选地包括一维或二维光圈阵列2206。

·光学透镜层2212包括准直透镜2214，准直透镜的特征在于焦距，从光圈2206和光阑区域2208的平面偏移焦距，与光圈2206轴向对准，并且被配置成准直通过光圈的光子，使得它们近似平行于准直透镜2214的轴行进，准直透镜的轴与接收器通道2200的光轴对准。光学透镜层2212可以可选地包括光圈、光学不透明区域和管结构，以减少串扰。

·滤光层2216包括滤光器2218，通常是布拉格反射器型滤光器，邻近准直透镜2214并与光圈2206相对。滤光层2216可以被配置成使特定工作波长和通带下的正常入射光子通过。滤光层2216可以包含任意数量的滤光器2218。滤光层2216可以可选地包括光圈、光学不透明区域和管结构，以减少串扰。

·光电传感器层2220包括邻近滤光层2216的光电传感器2202，并被配置成检测入射到光电传感器2202上的光子。光电传感器2202在这里指的是能够检测光子的单个光检测器，例如雪崩光电二极管、单光子雪崩检测器(spad)、共振腔光电二极管(rcp)等，或者几个光检测器，诸如spad阵列，其共同协作以充当单个光电传感器，与单个大的光子检测区域相比，通常具有更高的动态范围、更低的暗计数率或其他有益的特性。每个光检测器可以是能够感测光子即光的有源区。在一些实施例中，光电传感器层包括光检测器的阵列，每个光检测器具有基本上均匀的感测面积，该感测面积大于其在光圈层2204中的相应光圈的面积。在每个光电传感器是spad或其他光检测器的阵列的实施例中，给定光电传感器的spad或其他光检测器分布在整个感测区域上。光电传感器层2220是指由光检测器制成的层，并且包含可选结构以提高检测效率并减少与相邻接收器结构的串扰。光电传感器层2220可以可选地包括漫射器、会聚透镜、光圈、光学不透明管间隔结构、光学不透明锥形间隔结构等。

杂散光可能由光学表面的粗糙、透明介质中的缺陷、背反射等造成，并且可能在接收器通道2200内或接收器通道2200外部的许多特征处产生。杂散光可以被引导：沿着不平行于准直透镜2214的光轴的路径穿过滤光器区域2218；在光圈2206和准直透镜2214之间反射；以及通常采取可能包含许多反射和折射的任何其他路径或轨迹。如果多个接收器通道彼此相邻排列，一个接收器通道中的杂散光可能被另一个通道中的光电传感器吸收，从而污染光子固有的定时、相位或其他信息。因此，接收器通道2200可以具有几个结构来减少接收器通道之间的串扰。

根据一些实施例，微光学通道层结构的每一层都可以被设计成特定的方式来减轻杂散光的有害影响。在2018年5月14日提交的题为“micro-opticsforimagingmodulewithmultipleconverginglensesperchannel”的美国专利申请15/979,295中讨论了用于每个层的各种不同设计，并且出于所有目的通过引用将其并入本文。

每个这样的层可以用各种方式配置以减轻串扰，即，将杂散光暴露于相邻的接收器通道，如本文关于图22所讨论的；然而，本公开的实施例不限于该特定配置，并且可以使用上述美国专利申请15/979,295中公开的各个层的不同实施例以不同的方式来配置其他实施例。

如在图22可以理解的，接收器通道可以包括执行特定功能的多个层。然而，每一层都有相关的制造成本。因此，更多数量的层有时会导致更高的制造成本。在某些情况下，可能希望去除一层或多层或简化接收器通道的结构以节省成本，而不会显著影响接收器通道的感测能力。这里参考图23讨论这种简化的接收机通道的例子。

图23是根据本公开的一些实施例的示例性简化的接收器通道2300的简化的截面图，其非常适合于其中光电传感器(例如spad的阵列)非常紧密地封装在一起并且由于紧密封装而接收器通道的孔径会变小的实施例。例如，在光电传感器阵列包括spad阵列的旋转lidar应用中，该阵列可以被设计为具有200微米或甚至400微米的像素间距。为了在某些固态lidar设计中获得具有竞争力的分辨率，像素以更紧密的间距(例如100微米或更小)封装在一起。对于较大的200-400微米的通道，在某些情况下，每个传感器通道的光圈(例如光圈2304)的直径可为约25-30微米。随着传感器通道被压缩为较小的间距(例如100微米)，光圈的直径也可以被压缩。减小的间距和较小的光圈相结合，使得包括透镜层以准直通过光圈的光线的益处可能不值得制造透镜的附加处理步骤。

如图23所示，接收器通道2300可以包括光圈层2302，该光圈层包括形成在非透明层2306中的光圈2304。在一些实施例中，光圈2304可以由层2306内的开口限定的空隙空间形成，而在一些其他实施例中，光圈2304可以由光学透明材料形成。

接收器通道2300还可以包括滤光器层2314，其如在图23中所示定位在光圈层2302的正上方，或定位在光圈2302和光电传感器2326之间。滤光层2314可以包括滤光器2316，其直接位于在结构上支撑滤光器2316的光学透明基板2318上。通过与图14和15进行比较可以理解，接收器通道2300不包括用于准直进入光圈2304的光的光学透镜层。通过去除光学透镜层，接收器通道2300可以具有更少层的更简单设计。由于不包括光学透镜层而在光学性能上的牺牲可能不会超过节省成本和制造接收器通道的简单性。此外，接收器通道2300的一个或多个其他层可以被修改以补偿光学透镜层的不存在。例如，滤光器2316可以被修改为比图22中的滤光器2218更宽的带通滤光器。由于没有光学透镜层，入射光的角度更大，因此将包括更宽的波长光谱。因此，通过具有较宽的带通滤波器，该较宽的带通滤波器具有较宽的通带，以允许较宽光谱的光通过滤光器2316。在一些实施例中，滤光器2316的通带宽度比滤光器1416和1516大一个数量级，例如在某些特定实施例中在9x和11x数量级之间，特别是在10x数量级之间。因此，作为实例，滤光器2316可以具有10nm宽的通带，而不是滤光器1416和1516的1nm通带。

紧接在光圈层2302下方的可以是光电传感器层2320。在一些实施例中，接收器通道2300的光电传感器层2320可以包括光学不透明间隔结构2322、会聚透镜组2324和光电传感器2326。会聚透镜组2324可以直接位于光电传感器2326之上，并且在光电传感器2326内的每个离散光检测器2328包括一个会聚透镜，其中会聚透镜组2324的每个透镜被配置成将通过滤光层2314和光圈2304的入射光子聚焦到相应的离散光检测器2328上而不是非活性区域2330上。此外，光学不透明的间隔结构2322可以由光学不透明的材料(例如黑铬)形成。光学不透明间隔结构2322形成管，该管防止任何光在光电传感器2326和光圈层2302之间的区域中传播到接收器通道2300的外部。

根据本公开的一些实施例中，通过在其相应的光电传感器的前面定位光圈2304，光圈2304约束由光电传感器2326检测到的视场，从而提高了光电传感器2326的空间灵敏度，这是因为光圈2304迫使光电传感器2326只能观察到视场中的单个点。光圈2304还提供滤光功能，以仅允许以特定角度传播的光进入接收器通道并暴露在光电传感器2326上或所有spads上(如果光电传感器2326被布置为spads阵列)。在一些实施例中，光圈2304的尺寸小于光电传感器2326的尺寸。

通过实施根据相对于图23讨论的实施例中任一实施例的接收器通道，可以防止偏离的光暴露在相邻的接收器通道上，从而提高每个光电传感器捕获光子用于成像的能力的准确性。

vii.电子扫描lidar系统规格

如可通过本公开的实施例可以理解，特定lidar系统的视场和分辨率可取决于若干相互关联的因素，诸如但不限于，传感器阵列的尺寸、传感器阵列中光电传感器的间距、发射器阵列的间距、发射器阵列的尺寸以及单个光电传感器中的spad的间距。较大的传感器阵列可导致较大的视场，其中传感器间距的大小恒定。另外，在传感器阵列的尺寸恒定的情况下，较小的光电传感器间距可以产生更高分辨率的图像，但是可以导致较小的视场。

为了满足一些商业lidar规格的要求，电子扫描lidar系统可以不同的方式设计。例如，某些商业lidar规格要求水平方向的最小视场约为45度，垂直方向的最小视场约为22.5度，最小分辨率约为256像素乘以128像素。因此，一些扫描lidar系统可以通过配置具有256x128传感器阵列的传感器阵列来满足这些要求。为了保持阵列的尺寸紧凑，在垂直和水平尺寸上，光电传感器的间距可以在50至70um之间，特别是在某些实施例中为60um；以及在每个光电传感器由spads阵列形成的实施例中，spad间距可以在5到15um之间，在某些实施例中特别是10um。在这样的实施例中，每个光电传感器可以具有16个spads。传感器阵列的最终尺寸可以约为15mmx7.6mm。

为了确保传感器阵列接收足够的光，发射器阵列可被设计成补充传感器阵列的规格。例如，发射器阵列可以由两个发射器阵列组成(这导致具有两个光发射系统的lidar系统)，其中每个发射器阵列都是稀疏发射器阵列，其可以组合起来实现比单独一个更大的分辨率，如本文关于图8a所讨论的。作为组合，发射器阵列可以产生与传感器阵列的光电传感器布置匹配的照明图案。因此，每个发射器可以具有大约7.6mm×3.8mm的尺寸。

viii.传感器阵列的读出线的位置

如在图11-13中可以看出，示出了读出线(在各个传感器阵列1102、1202和1302中由箭头指示)与光电传感器重叠。然而，在其他实施例中，可以重新布置这些读出线以使光电传感器的空间最大化。例如，图24是根据本公开的一些实施例的传感器阵列2402的放大部分2400的简化图。可以存在多个列的启用线2404和读出线2406以启用光电传感器2408的操作。代替通过传感器阵列2402并且在光电传感器2408之间路由列启用线2404和读出线2406，可以使列启用线2404和读出线2406绕着传感器阵列2402，即，在传感器阵列2402的外周的附近或外部。另外，当光电传感器2408是spad时，每个spad都需要模拟前端组件2410，该模拟前端组件可以是配置为在操作过程中对光电传感器2408进行偏置、淬灭和充电的固态设备，读出线2406也可以路由到前端组件2410外部。通过围绕传感器阵列2402路由列启用线2404和读出线2406，可以定位光电传感器2408，以便最大化其局部区域中的填充因子。当与微透镜阵列结合使用时，这可在光电传感器级别实现较高的光学填充因子。

为给光电传感器2408提供甚至更多空间，一个或多个组件可被安装在设置了传感器阵列的硅基板的背面上，或一起安装在不同的基板上。作为实例，图25是根据本公开的一些实施例的传感器阵列2502的放大部分2500的简化图，其中一个或多个组件安装在基板的背面上。可以存在多个列启用线2504和读出线2506以启用光电传感器2508的操作，并位于传感器阵列2502周围。可以将前端组件安装在背面上，而不是将前端组件与传感器阵列2502一起放置在基板的前侧，从而为光电传感器2508腾出更多空间。这样，在图24中看到的前端部件2410不存在于图25，传感器阵列2502所处的区域增大。因此，可以提高传感器阵列的分辨率并且可以减小芯片的尺寸，从而节省成本。

尽管已经针对特定实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开旨在覆盖以下权利要求范围内的所有修改和等同物。