用于投射激光线的设备及方法、光探测测距设备

摘要

本发明公开一种用于投射激光线的设备，包括激光源阵列、棱镜阵列对、第一柱面透镜以及微机电系统(MEMS)镜。所述棱镜阵列对位于所述激光源阵列和所述第一柱面透镜之间，以将来自所述激光源阵列的激光束之间的间距减小到预定值；所述第一柱面透镜用于将来自所述棱镜阵列对的所述激光束聚焦到所述MEMS镜上，所述MEMS镜将所述激光束作为线性激光束重定向到预定方向。该设备具有低成本、高强度的优点。本发明还公开一种光探测和测距(LiDAR)设备以及一种投射线性激光束的方法。

说明书

本申请要求于2020年1月7日提交的标题为“投射光二极管激光阵列的激光设备”的美国临时申请62/958,251，以及于2020年9月23日提交的标题为“线性激光束投射设备”的美国正式申请17/030,138的优先权，该申请通过引用合并于此整体。

技术领域

本发明的实施例总体上涉及遥感技术，尤其涉及一种用于从二极管激光阵列投射线性激光束的装置和方法。

背景技术

LiDAR设备可以通过利用激光脉冲照射环境中的物体并测量物体反射脉冲来测量到该物体的距离。LiDAR设备包括产生激光束的激光源，该激光束可以是点激光束，也可以是线激光束。

投射线性激光束的LiDAR设备往往比投射点激光束的LiDAR设备更有效，因为前者中的扫描器不必像后者中的扫描器那样沿两个轴进行扫描。然而，线性激光束通常具有低强度。虽然高功率的单个激光源可以产生具有足够强度的线激光束，但是这种激光源非常昂贵。

发明内容

在一个实施例中，本文描述了一种用于投射沿着激光源阵列的慢轴散开的线性照明的设备。除了激光源阵列之外，该设备还可以包括多个快轴准直器(FAC)，以沿着快轴对来自激光源阵列的激光束进行准直；用于将准直后的激光束转换为平行激光束的柱面透镜阵列，以及用于减小平行激光束的间距的棱镜阵列对。该系统还包括第一柱面透镜，用于将来自棱镜阵列对的激光束聚焦到MEMS镜上，该MEMS镜将激光束作为线性激光束重定向到预定方向。

根据各种实施例，本文描述了用于使用二极管激光器阵列投射线性激光束的装置和方法。在一个实施例中，用于投射线性激光束的示例性设备可以包括激光源阵列、棱镜阵列对、第一柱面透镜和微机电系统(MEMS)镜。可以将棱镜阵列对定位在激光源阵列和第一柱面透镜之间，以将来自激光源阵列的激光束之间的间距减小到预定值。第一柱面透镜可以将来自棱镜阵列对的激光束聚焦到MEMS镜上，该MEMS镜将激光束作为线性激光束重定向到预定方向。

在一个实施例中，该设备还包括多个快速轴准直器(FAC)，并且每个FAC与激光源阵列中的许多激光源之一耦合，以沿快速轴准直来自激光源的激光束。每个激光源本身是一个二极管激光器阵列，其可包含多个激光二极管。每个激光源可由相同或不同的电压驱动。

在一个实施例中，该设备可以进一步包括位于FAC和棱镜阵列对之间的柱面透镜阵列，用以将来自每个激光源的准直激光束沿慢轴转换成平行激光束。

在一个实施例中，棱镜阵列对包括被以一间距间隔开的第一棱镜阵列和第二棱镜阵列，该间距基于来自激光源阵列的激光束的间距减小。该第一棱镜阵列包括多个被成形为平凸棱镜的子棱镜，所述子棱镜的平坦表面面向所述柱面透镜阵列，以接收来自柱面透镜阵列的平行激光束。

在一个实施例中，该设备可以包括第二柱面透镜，该第二柱面透镜在预定方向上与MEMS镜相距预定距离，以调整来自MEMS镜的重定向线性激光束的发散角。该设备还可以包括位于虹膜前的快门，以保持来自MEMS镜的散射光，以及位于快门和MEMS镜之间的虹膜，以阻挡所述快门无法阻挡的散射光。

在一个实施例中，该设备可以用作光探测和测距(LiDAR)设备中的激光脉冲发射单元。

在一个实施例中，本申请还公开了一种投射线性激光束的方法。该方法包括使用棱镜阵列对将由激光源阵列产生的激光束的间距减小到预定值；将来自所述棱镜阵列对的激光束聚焦到微机电系统(MEMS)上；以及通过MEMS镜将激光束重定向到预定方向，从而重定向为线性激光束。

以上概述不包括本公开中所有实施例的详尽列举。可以从本公开中描述的各个方面和实施例的所有合适的组合中实施本公开中的所有装置和方法。

附图说明

在附图中通过示例而非限制的方式展示本公开的实施例，其中相同的附图标记指示相同的元件。

图1展示一种从二极管激光阵列投射线性激光束的设备的一个实施例。

图2展示激光源阵列的一个实施例。

图3A-3C进一步展示该设备的一个实施例。

图4展示根据一个实施例的设备中的光路的示例。

图5展示根据一个实施例的可在其中使用该设备的LiDAR设备。

图6展示投射线性激光束的方法的一个实施例。

具体实施方式

以下描述和附图是说明性的，并且不应解释为限制性的。以下描述了许多具体细节以提供对各种实施例的透彻理解。但是，在某些情况下，出于实施例的简要讨论，一些众所周知的或常规的细节没有描述。

图1展示一种从二极管激光阵列投射线性激光束的设备100的一个实施例。

该设备100被配置为从包括多个激光二极管封装101、103和105的激光源阵列102产生线性激光束132。该线性激光束132可以是沿慢轴以预定的发散角(例如12度)129线性展开的均匀照明。

为了产生这种均匀照明，需要细致制造和配置设备100中的每个组件，以使来自激光源阵列102的激光束会聚到MEMS镜128上。

在一个实施例中，设备100在一个FAC阵列112中包括多个快速轴准直器(FAC)107、109和111，每个FAC耦合到一个激光源以使来自该激光源的激光束沿快轴准直。沿快轴的激光束比沿慢轴的激光束具有更大的发散角和更低的高度，因此更易于准直。在图1中，快轴为X轴，慢轴为Y轴。

该设备100还包括柱面透镜阵列114，以将来自FAC 107、109和111的准直光束转换为沿Y轴的平行激光束。柱面透镜阵列114包括多个子柱面透镜113、115和117，并且可以由单块玻璃或塑料或其他合适的材料制成。柱面透镜阵列114中的子柱面透镜113、115和117的数量等于激光源阵列102中的激光源101、103和105的数量，并且柱面透镜阵列114的间距也与沿慢轴的激光源阵列102的相邻激光源之间的间隔间距相同。

在一个实施例中，该设备100还包括棱镜阵列对118，以作为来自柱面透镜阵列114的激光束的间距转换器。来自柱面透镜阵列114的激光束的间距需要减少使得激光束可以通过柱面透镜122会聚到MEMS镜128上。间距转换器可以减小MEMS镜128处的光束大小，从而使得MEMS镜128可以具有较小的尺寸。较小的MEMS镜通常比较大的MEMS镜更能抵抗机械振动，并且倾向于产生更大的偏转角。

如图所示，棱镜阵列对118可以包括两个棱镜阵列116和120。每个棱镜阵列由单片玻璃或塑料或其他材料制成，可以包括多个子棱镜。第一棱镜阵列116成形为平凸棱镜，第二棱镜阵列120成形为平凹棱镜。两个棱镜阵列116和120以间距119隔开，该间距119可以基于来自激光源阵列102的激光束的间距的减小来计算。此外，对两个棱镜阵列116和120之间的间距119进行了优化以最小化散射光。

在一种实施方式中，来自激光源阵列102的激光束之间的分离间距为4.7mm，转换后的激光束的减小间距为2.8mm。两个棱镜阵列116和120以与激光束的间距减小成比例的间距(例如10mm)119隔开。如果激光束的分离间距较大，则棱镜阵列对118需要更大的间距以将较大的间距减小到2.8mm。棱镜阵列对118可以使设备100的整体结构大为紧凑，且能减轻大间距(即激光源阵列102的分离间距)分隔的激光束聚焦到小孔径MEMS上的负担。另外，间距转换可以提高输出的均匀性。

在一个实施例中，可以配置柱面透镜阵列114和柱面透镜122之间的焦距的比率，因为该比率可以影响来自激光源101、103和105的激光束的发散，并且还影响每个激光源的图像大小，该激光源包括多个封装在一起的激光二极管。

较高的这种比率可能导致来自激光源阵列102中每个激光源的激光束发散较大。来自激光源阵列102的每个激光束是线性激光束132的发射子光束。因此，各子光束的发散度确定线性激光束132的发散度。

此外，可以通过柱面透镜阵列114和柱面透镜122之间的焦距比确定每个激光源的图像的放大率。例如，激光源阵列102包括3个激光源，每个激光源包括4个子二极管，每个子二极管的激光光斑直径为312μm。进一步举例来说，柱面透镜阵列114中的每个子柱面透镜的焦距(f1)为15mm，并且柱面透镜122的焦距(f2)为20mm。在上述规格下，沿慢轴的每个激光源的MEMS镜128上的图像尺寸长度为大约20mm/15mm*4*312μm＝1.67mm。

在一个实施例中，柱面透镜122的后焦距可以具有在f1和f2之间的焦距(例如，17.36mm)。这样的后焦距，加上单个柱面透镜122在边缘光线和近轴光线之间的不同聚焦，可防止来自不同激光源101、103和105的图像重叠以提高输出的均匀性。

在一个实施例中，该设备100还包括虹膜126和/或快门124。快门125可以放置在柱面透镜122之后，以防止散射光接近MEMS镜128。散射光会产生背景光用于激光雷达探测，同时也会对照明造成较大的功率损耗。虹膜126可以放置在MEMS镜128之前和快门124之后，以阻挡快门126无法阻挡的散射光。

在一个实施例中，MEMS镜128的平坦基板可以部分地被金属覆盖并与导线结合。平面基板上可以覆盖一个直径孔径，以防止平面基板产生背景光。重定向的线性激光束132沿X轴(即，在本申请中为快轴)准直，并且沿Y轴(即慢轴)具有发散角129。

在一个实施例中，发散角129可以被改变以满足实际实施中的不同要求。例如，柱面透镜130可以用于使激光线132重新成形以改变发散角129。

图2示出了根据一个实施例的激光源阵列102的示例。

如图2所示，每个激光源101、103和105可以包括封装在一起的多个激光二极管(也称为激光棒)。激光源101、103和105均为集成的激光二极管。三个激光源等间距分布，在激光源103与激光源105之间具有分离间距205，并且在激光源101与激光源104之间具有分隔间距206。在一个实施例中，分离间隔205、206相等。

在一个实施例中，激光源阵列102相对于包括单个激光源的激光源阵列具有多个优点，即便后者可能包括相同数量的激光棒。

例如，激光源阵列102可以在3个激光源中包括总共12个激光棒，即每个激光源包括4个激光棒。与将所有12条激光棒封装到一个激光源中的另一激光源阵列相比，激光源阵列102可以用较低的电流驱动，并且散热更快。

文中给出了激光源的数目101、103和105以及每个激光源中封装的子二极管数目以供说明，在实际的实现中，每个激光源的激光光源数量和激光二极管的数量都是不同的。

在一个实施例中，激光源101、103和105可以具有相同数量的激光二极管，并且可以由相同的电压驱动以产生相同强度的激光束。备选地，激光源101、103和105由不同的电压驱动，并产生不同强度的激光束，其中激光源阵列102中间的一个或多个激光源由较高的电压驱动，而激光源在激光源阵列102的两端由较低的电压驱动。本实施例可以产生具有实际有用且能效高的强度剖面的激光线，因为当线性激光束在长距离落在目标物体上时，线性激光束两端的子光束并不那么重要。

在该实施例中，耦合到激光源101、103和105的FAC 107、109和111可以使来自激光源的激光束沿快轴201准直。而，沿慢轴202的激光束不准直。

图3A-3C进一步示出了根据一个实施例的设备100。更具体地说，图3A-3C提供了散射光、快门124和虹膜126的详细信息。

如图3A所示，设备100中的散射光301可以从多种光源中产生。散射光301的一个来源是棱镜阵列120和赛博透镜阵列114中的尖锐曲线。棱镜阵列120和柱面透镜阵列114均由单块玻璃或塑料制成，由于制造过程中的各种限制，在不同的子棱镜或柱面透镜之间可能包含尖锐曲线。散射光301的另一个来源是设备100中组件的斜面和边缘。散射光301会产生背景光，这可能会干扰LIDAR检测，并导致设备100中的功率损耗更高。

图3B表示快门124的不同视图，图3C表示虹膜126的不同视图。快门124阻挡散射光303，以使散射光303远离MEMS镜的圆孔，同时允许非散射光305通过快门124上的开口302。类似地，虹膜126阻挡散射光307，同时允许非散射光309通过虹膜126上的开口304。散射光307无法被快门124阻挡的，但可被虹膜126阻挡。

如图3C所示，在使用快门124和虹膜126的情况下，仍然可能存在一些未被阻挡的散射光(例如，散射光315)。然而，这种散射光通常远离MEMS镜129的圆孔，且不影响LiDAR检测。

图4示出了根据一个实施例的设备100中的光路的示例。如图4所示，激光源阵列401可以发射沿快速轴(即X轴)准直的多个激光束。准直的激光束可以通过柱面透镜阵列402聚焦在棱镜阵列对403上。棱镜阵列对403可以减小激光束的节距，使得激光束更容易通过柱面透镜404会聚到MEMS镜407上。MEMS镜407可以将激光束作为线性激光束重定向到期望的方向。重定向后的线性激光束可以通过柱面透镜406整形，从而根据实现中的实际要求调整激光线的发散角。图4未示出设备100中的每个组件，例如，图4未示出可用于阻挡从设备100产生的散射光409的快门或虹膜。

图5示出了根据一个实施例的可以在其中使用设备100的LiDAR设备。

该LiDAR设备500可以是固态LiDAR设备501，其可通过用激光脉冲照射物体来测量环境中物体的距离。反射的激光脉冲和波长的返回时间的差异可用于创建环境的点云。点云可以提供空间位置和深度信息，以用于识别和跟踪对象。

如图5所示，LiDAR设备501可包括激光脉冲发射单元504、激光脉冲扫描器505、激光脉冲接收单元509和控制单元507。激光脉冲发射单元504可包括一个或更多的激光发射器，用于发射包括各种频率的光子在内的短脉冲激光光束。

激光脉冲发射单元504用于发射输出激光脉冲513。在一个实施例中，可以使用如图1-4所示的设备100来实现激光脉冲发射单元504。激光脉冲扫描器505可以使用多种机制(包括MEMS反射镜和一个或多个光学相控阵(OPA))在一个或多个方向上控制或扫描出的激光脉冲513的光束。一个或多个方向中的每一个方向都可被称为转向方向或扫描方向。与每个转向方向相关联的垂直角和水平角可被称为转向角或扫描角。激光脉冲扫描器505可以引导一个或多个激光脉冲束在一个转向方向。每个激光脉冲束可以具有固定数量的脉冲。

控制单元507可以包括以硬件、软件、固件或其组合实现的控制逻辑。该控制单元507可以以协调的方式驱动LiDAR设备501的其他单元或子系统504、505和509，并且可以执行一种或多种数据处理算法以执行一种或多种用于信号滤波和对象检测的操作。例如，控制单元507可以使激光脉冲发射单元504和激光脉冲扫描器505同步，使得激光脉冲扫描器505可以在多行中扫描水平视场。

激光脉冲接收单元509可以使用一个或多个成像透镜(例如，成像透镜515)收集从目标物体503反射的一个或多个激光脉冲束(例如，激光脉冲束512)，并聚焦一个或多个光电探测器(例如光电探测器517)上的激光脉冲束。每个光电探测器可以是高灵敏度光电二极管，例如，线性模式雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩二极管(SPAD)。一个或多个光电探测器可以将激光脉冲的反射光束中的光子转换为电。激光脉冲接收单元509可以将入射在每个光电检测器上的返回信号发送到控制单元507以进行处理。

在一个实施例中，激光脉冲发射单元504中的激光二极管可以以脉冲模式操作，其中脉冲以固定间隔(例如，每几微秒)重复。可以根据LiDAR设备501的预定性能参数来选择用于为激光二极管提供适当的偏置和调制电流的激光二极管和激光驱动电路。性能参数的示例可以包括所需的最大扫描空间范围和分辨率。

图6示出了根据一个实施例的投射线性激光束的方法。如图6所示，在方框601中，棱镜阵列对将由激光源阵列产生的激光束的间距减小到预定值。激光束沿快轴准直并在到达棱镜阵列对之前转换为平行激光束。该棱镜阵列对可包括两个以一定间距隔开的棱镜阵列，该间距取决于激光光束的间距减小量。在方框603中，来自棱镜阵列对的激光束被柱面透镜聚焦到微机电系统(MEMS)上。在方框605中，MEMS镜将会聚在其上的激光束重定向为线性激光束到预定方向。

如上文所示和所述的一些或全部组件可以以软件、硬件或其组合来实现。例如，这样的组件可以被实现为安装并存储在永久性存储设备中的软件，该软件可以由处理器(未示出)加载并在存储器中执行以执行贯穿本申请描述的过程或操作。可选地，这样的组件可以被实现为被编程或嵌入到诸如硬件(例如，集成电路(例如专用IC或ASIC)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA))的专用硬件中的可执行代码，可以通过相应的驱动程序和/或操作系统从应用程序进行访问。此外，可以将这样的组件实现为处理器或处理器核心中的特定硬件逻辑，作为可由软件组件经由一个或多个特定指令访问的指令集的一部分。

前文已按照对计算机内存中的数据位的操作的算法和符号表示的方式给出部分详细描述。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地向本领域的其他技术人员传达其工作实质的方式。这里，算法通常被认为是导致预期结果的自一致的操作序列。这些操作为需要对物理量进行物理操纵的操作。

所有这些和类似的术语都与相应的物理量相联系，并且仅仅是应用于这些物理量的方便标签。除非从上面的讨论明显另外指出，否则应理解为，在整个描述中，利用诸如以下权利要求中所阐述的术语的讨论是指计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程。将计算机系统的寄存器和内存中表示为物理(电子)量的数据进行操作和转换，将其他数据类似地表示为计算机系统内存或寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备中的物理量。

本公开的实施例还涉及一种用于执行本文中的操作的设备。这样的计算机程序被存储在非暂时性计算机可读介质中。机器可读介质包括用于以机器(例如计算机)可读的形式存储信息的任何构件。例如，机器可读(例如，计算机可读)介质包括机器(例如计算机)可读存储介质(例如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘)存储介质、光学存储介质、闪存设备)。

上述图中描述的处理或方法可以通过处理逻辑来执行，处理逻辑包括硬件(例如电路、专用逻辑等)、软件(例如，体现在非临时计算机可读介质上的)或两者的组合。尽管上述过程或方法是按照一些顺序操作描述的，但值得注意的是，所描述的一些操作可以不同的顺序执行。而且，有些操作可能是并行执行的，而不是顺序执行的。

本公开的实施例未参照任何特定的编程语言进行描述。应当理解，可以使用多种编程语言来实现如本文所述的本公开的实施例的教导。

在前述说明书中，已经参考本公开的特定示例性实施例描述了本公开的实施例。显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改。因此，说明书和附图应被认为是说明性而不是限制性的。