用于遥感接收器的中程光学系统的制作方法

遥感技术为不同的系统提供有关该系统的外部环境的信息。各种技术应用可依赖于遥感系统和遥感装置来操作。此外，随着越来越多的系统试图利用更大量的数据以在动态环境中执行不同的任务；遥感提供可有利于决策的环境数据。例如，引导机械操作的控制系统可利用遥感设备来检测工作区内的对象。在一些情形中，基于激光的感测技术，诸如光检测和测距(激光雷达(lidar))，能够提供高分辨率的环境数据，诸如深度图，这可能表示不同对象与激光雷达的接近度。

技术实现要素：

本文描述了光学方法和系统，这些光学方法和系统可例如用于光检测和测距(激光雷达)应用，例如用于实现将激光脉冲传输组合在激光雷达中以及包括双发射和接收系统的系统中。用于激光雷达应用中的双接收器系统的接收器部件可包括具有中等入射光瞳(例如，在10至15毫米(mm)范围内，例如，12.7毫米)和小光圈数(例如1.6或更小)并且具有中等至宽视野的中程(例如，50米或更小)接收器光学系统的实施方案。(入射光瞳为如通过光学系统的正面所看到的物理孔径光圈的光学图像)。在一些实施方案中，中程光学系统的视场可为15度和60度之间。光学系统可利用光学滤波器，扫描镜和标称一维spad(或spad)来增大正光子事件的概率。

描述了示例性光检测和测距(激光雷达)设备，其将激光脉冲传输结合在共光路中，并且其中可实现本文所述的光学系统的实施方案。在示例性激光雷达设备中，不同的激光发射器可传输相应的脉冲串，其可根据激光脉冲的偏振态在激光雷达的共光路中组合和分离。以此种方式，可组合不同类型的激光脉冲，包括具有不同波长、宽度或幅度的激光脉冲。可动态修改不同脉冲串中的激光脉冲的传输，以调节发射激光脉冲时的定时，以便可实现不同的扫描图案。激光雷达设备的接收器部件可结合如本文所述的中程接收器光学系统的实施方案。在各种实施方案中，激光雷达设备的接收器部件还可结合如本文所述的远程(例如，20米至200米)和/或近程(例如，20米或更小)接收器光学系统的实施方案。用于激光雷达的双发射和接收系统的优点是可实现的架构，其包括扫描镜，微机电(mems)反射镜，单光子雪崩检测器(spad)，用于对来自近距(短)程(例如，20米或更小)，中程(例如，50米或更小)，和/或远程(例如，20米到200米)的单个光电子事件计数，具有可接受的制造风险，眼睛安全余量和光子检测概率。

附图说明

图1示出了光学系统的示例性实施方案，该光学系统例如可用作激光雷达应用中的中程接收器光学系统。

图2示出了光学系统的示例性实施方案，该光学系统例如可用作激光雷达应用中的远程接收器光学系统。

图3示出了光学系统的示例性实施方案，该光学系统例如可用作激光雷达应用中的近程接收器光学系统。

图4示出了光学系统的示例性实施方案，该光学系统例如可用作激光雷达应用中的近程接收器光学系统。

图5示出了光学系统的示例性实施方案，该光学系统例如可用作激光雷达应用中的远程接收器光学系统。

图6示出了光学系统的示例性实施方案，该光学系统例如可用作激光雷达应用中的近程接收器光学系统。

图7a和图7b为根据一些实施方案的示例性激光雷达系统的逻辑框图，该激光雷达系统将激光脉冲传输组合在光检测和测距(激光雷达)中。

图8a和图8b示出了根据一些实施方案的用于激光脉冲和脉冲反射的示例性光路。

图9为激光雷达系统的操作方法的高级流程图，该激光雷达系统包括光发射器和接收器，这些光发射器和接收器包括如图1至图6所示的光学系统。

本说明书包括参考“一个实施方案”或“实施方案”。出现短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”并不一定是指同一个实施方案。特定特征、结构或特性可以与本公开一致的任何合适的方式被组合。

“包括”。该术语是开放式的。如在所附权利要求书中所使用的，该术语不排除附加结构或步骤。考虑以下引用的权利要求：“一种包括一个或多个处理器单元...的装置”此类权利要求不排除该装置包括附加部件(例如，网络接口单元、图形电路等)。

“被配置为”。各种单元、电路或其他部件可被描述为或叙述为“被配置为”执行一项或多项任务。在此类上下文中，“被配置为”用于通过指示单元/电路/部件包括在操作期间执行这一项或多项任务的结构(例如，电路)来暗指该结构。如此，单元/电路/部件可被配置为即使在指定的单元/电路/部件当前不可操作(例如，未接通)时也执行该任务。与“被配置为”语言一起使用的单元/电路/部件包括硬件——例如电路、存储可执行以实现操作的程序指令的存储器等。引用单元/电路/部件“被配置为”执行一项或多项任务明确地旨在针对该单元/电路/部件不援引35u.s.c.§112(f)。此外，“被配置为”可包括由软件和/或固件(例如，fpga或执行软件的通用处理器)操纵的通用结构(例如，通用电路)以能够执行待解决的一项或多项任务的方式操作。“被配置为”还可包括调整制造过程(例如，半导体制作设施)，以制造适用于实现或执行一项或多项任务的设备(例如，集成电路)。

“第一”“第二”等。如本文所用，这些术语充当它们所在之前的名词的标签，并且不暗指任何类型的排序(例如，空间的、时间的、逻辑的等)。例如，缓冲电路在本文中可被描述为执行“第一”值和“第二”值的写入操作。术语“第一”和“第二”未必暗指第一值必须在第二值之前被写入。

“基于”。如本文所用，该术语用于描述影响确定的一个或多个因素。该术语不排除影响确定的附加因素。即，确定可仅基于这些因素或至少部分地基于这些因素。考虑短语“基于b来确定a”。在这种情况下，b为影响a的确定的因素，此类短语不排除a的确定也可基于c。在其他实例中，可仅基于b来确定a。

具体实施方式

本文描述了光学方法和系统，这些光学方法和系统可例如用于遥感系统，诸如光检测和测距(激光雷达)应用，可例如用于实现将激光脉冲传输组合在如图7a和图7b所示的激光雷达中的系统。激光雷达是一种遥感技术，其对准目标引导激光，并根据在激光雷达处检测到的激光的反射来测量到目标的距离。可基于发送激光脉冲传输的时间和接收激光脉冲传输的反射的时间之间的差值来计算距离。由激光雷达计算的距离测量在许多不同的应用中使用。例如，可处理在区域获取的多个距离测度以生成高分辨率图，其可用于各种不同的应用，包括但不限于地质调查、大气测量、物体检测、自主导航或其他环境遥感应用。需注意，本文所用术语“lidar”在其他文本中有时会以不同形式指定或指代，包括术语诸如“lidar”、“lidar”、“lidar”或“光雷达”。

中程，远程和近程接收器光学器件

图1至图6和表1a至表6示出了光学系统的各种实施方案，这些光学系统可例如在遥感系统(诸如激光雷达系统，例如如图7a-图7b和图7a-图7b所示)的中程，远程和近程接收器中用作中程，远程和近程光学系统。用于激光雷达的双发射和接收系统的优点是可实现的架构，其包括扫描镜，微机电(mems)反射镜，单光子雪崩检测器(spad)，用于对来自近距(短)程(例如，20米或更小)，中程(例如，50米或更小)，和/或远程(例如，20米到200米)的单个光电子事件计数，具有可接受的制造风险，眼睛安全余量和光子检测概率。

激光雷达应用中的双接收器系统中的部件可包括近程的较小孔径，宽视场光学系统(称为近程光学系统)，中程的中等孔径，中等到宽视场光学系统(称为中程光学系统)，和/或具有远程的相对较小的视场的相对大孔径光学系统(称为远程光学系统)。近程，中程和远程光学系统可利用光学滤波器，扫描镜和传感器，例如一个或多个单光子雪崩检测器(spad)，以增大正光子事件的概率。

在一些实施方案中，双接收器系统可包括通过共光路将光发射到物场的两个光发射器(例如，激光器)，以及检测通过共光路在系统处接收到发射光的反射的两个光接收器。光接收器可包括近程光学系统，其包括将从一定范围内(例如20米或更小)反射的光的一部分折射至被配置为捕获光的传感器的透镜元件，以及包括透镜元件的中程光学系统，透镜系统将从一定范围内(例如50米或更小)反射的光的一部分折射至被配置为捕获光的传感器，和/或包括一个或多个透镜元件的远程光学系统，一个或多个透镜元件将从一定范围内(例如20米或更多)反射的光的一部分折射到配置为捕获光的传感器。在一些实施方案中，近程光学系统具有小孔径并提供宽视场，中程光学系统具有提供中到宽视场的中等孔径，以及远程光学系统具有大孔径并提供小视场。

在一些实施方案中，中程光学系统可包括五个折射透镜元件。在一些实施方案中，中程光学系统的视场可为15度和60度之间。在一些实施方案中，中程光学系统的光圈数可为1.6或更小。在一些实施方案中，中程光学系统中的透镜元件的表面是球面、平滑的非球面或平整/扁平表面中的一种。在一些实施方案中，中程光学系统可包括光学带通滤波器，或另选地，在透镜元件之一的平面表面上的光学带通滤波器涂层。

在一些实施方案中，远程光学系统可包括五个折射透镜元件。在一些实施方案中，远程光学系统的视场可为15度或更小。在一些实施方案中，远程光学系统的光圈数可为1.2或更小。在一些实施方案中，远程光学系统中的透镜元件的表面是球面、平滑的非球面或平整/扁平表面中的一种。在一些实施方案中，远程光学系统可包括光学带通滤波器，或另选地，在透镜元件之一的平面表面上的光学带通滤波器涂层。

在一些实施方案中，近程光学系统可包括七个折射透镜元件。在一些实施方案中，近程光学系统可包括六个折射透镜元件。在一些实施方案中，近程光学系统的视场介于45度和65度之间。在一些实施方案中，近程光学系统的光圈数可为2.0或更小。在一些实施方案中，近程光学系统中的透镜元件的表面是球面、平滑的非球面或平整/扁平表面中的一种。在一些实施方案中，近程光学系统可包括光学带通滤波器，或另选地，在透镜元件之一的平坦/平面表面上的光学带通滤波器涂层。

需注意，光学系统的各种参数以举例的方式给出，并非旨在进行限制。例如，光学系统可包括多于或少于示例性实施方案中所述的透镜元件，透镜元件的形状可不同于所描述的那些，并且光学系统的光学特性(例如，视场、孔径/入射光瞳、光圈数等)可与所描述的那些不同但仍然为光学系统提供类似性能。还需注意，光学系统可按比例放大或缩小以提供如本文所述的光学系统的更大实现或更小实现。

尽管光学系统的实施方案描述为参考用于诸如激光雷达系统的系统中，但是本文所述的光学系统可用于多种其他应用中。还要注意虽然实施方案被描述为参考双接收器系统，但是光学系统的实施方案可用于包括一个或两个以上的接收器的系统中。

表1a至表6提供如参考图1至图6所描述的光学系统的示例实施方案的各种光学参数和物理参数的示例值。在表中，除非另外指明，否则所有的尺度均以毫米(mm)计。“s#”代表表面编号。正半径指示曲率中心在表面的右侧(物体侧)。负半径指示曲率中心在表面的左侧(图像侧)。“infinity”代表光学中所用的无穷远。厚度(或间距/间隔)是到下一个表面的轴向距离。

在参考图1至图6所述的光学系统的示例实施方案中，透镜元件可由各种塑料或玻璃材料形成。所给出的光学系统中的透镜元件中的两个或更多个可由不同材料形成。对于透镜元件的材料，可提供折射率(例如，氦d线波长处的nd)和色散系数vd(例如，相对于d线与氢的c线和f线)。色散系数vd可由以下公式定义：

vd＝(nd-1)/(nf-nc)，

其中nf和nc分别为材料在氢的f线和c线处的折射率值。

需注意，下表中针对光学系统的各种实施方案中的各种参数给出的值以举例的方式给出，而并非旨在进行限制。例如，示例性实施方案中的一个或多个透镜元件的一个或多个表面的一个或多个参数，以及组成这些元件的材料的参数可被赋予不同的值，同时仍然为光学系统提供类似的性能。特别地，需注意，表中的一些值可按比例放大或缩小以达到如本文所述的光学系统的更大实现或更小实现。

还需注意，如表中所示的光学系统的各种实施方案中的元件的表面编号(s#)从第一表面(图1和图2)、光阑(图4)或第一透镜元件(图3、图5和图6)的物体侧表面到图像平面/光电传感器表面处的最后一个表面列出。

图1和表1a和表1b-接收器光学系统100

图1和表11a-1b示出了光学系统的示例实施方案100，该光学系统可例如用作激光雷达应用中的中程光学系统。描述了可在激光雷达系统，例如，如图7a-图7b和图8a-图8b中所述的激光雷达系统中使用的中程接收器光学器件。用于激光雷达的双发射和接收系统的实施方案的基本优点是可实现的架构，其包括扫描镜，微机电(mem)反射镜，单光子雪崩检测器(spad)，用于对来自接近中程(例如，50米或更小)的单个光电子事件计数，具有可接受的制造风险，眼睛安全余量和光子检测概率。在一些实施方案中，激光雷达系统的接收器部件还可结合如本文所述的远程接收器光学系统和/或近程接收器光学系统的实施方案。

在一些实施方案中，光学系统100可具有五个折射透镜元件101-105，这些折射透镜元件按顺序从光学系统100的物体侧上的第一透镜元件101到光学系统100的图像侧上的最后透镜元件105排列。光学系统100可包括光阑，例如位于如图1所示的透镜102和透镜103之间。光学系统100还可包括光学带通滤波器，例如位于如图1所示的透镜104的表面s13处或其上。光学系统100可被配置为将来自物场的光折射到在传感器180的表面处或其附近形成的图像平面。传感器180可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(spad)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。

中程接收器的部件为宽场光学设计。在至少一些实施方案中，中程接收器利用光学滤波器，扫描镜和标称一维spad以增大正光子事件的概率。

透镜元件101可为具有负折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件101的两个表面均可为球形的。透镜元件101可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件101的物体侧表面可为球形的，透镜元件101的图像侧表面可为平滑的非球形的。在一些实施方案中，透镜元件102可为具有正折射力的双凸透镜。另选地，透镜102可为具有正折射力的平凸或弯月透镜。透镜元件102可具有平面或接近平面(略凸或略凹)的物体侧表面和凸状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件102的两个表面均可为球形的。透镜元件103可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件103可具有凹状的物体侧表面和凸状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件103的两个表面均可为球形的。在一些实施方案中，透镜元件103的物体侧表面可为平滑的非球形的，透镜元件103的图像侧表面可为球形。透镜元件104可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件104可具有凸状的物体侧表面和扁平的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件104的两个表面均可为球形的。透镜元件105可为具有负折射力的弯月透镜。透镜元件105可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件105的物体侧表面可为球形，透镜元件105的图像侧表面可为平滑的非球形的。在一些实施方案中，透镜元件105的两个表面均可为球形的。

光学系统100的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：

·光学系统100可具有五个透镜。

·光学系统100可以是单个非球形表面设计。在一些实施方案中，例如，光学系统100在最后一个或图像侧表面(透镜105的s15)上具有单个非球形表面，而其他透镜表面为球形或平面。

·光学系统100可包括光阑(孔径)，例如位于如图1所示的透镜102和透镜103之间。

·光学系统100可具有中等入射光瞳(例如，在10至15毫米的范围内，例如12.7毫米)，并且可提供相对较小光圈数(例如，1.6或更小)。在一些实施方案中，中程光学系统的视场可为15度和60度之间。

·光学系统100可包括光学带通滤波器，以获得光电事件探测的最优概率。例如，光学系统100可包括在如图1所示的透镜104的平面表面s13处或其上的滤波器，以减小在焦点处出现不需要的光瞳鬼像的可能性。

·光学系统100可在较大的温度范围(例如，-40摄氏度至80摄氏度)和源带宽(例如，900nm-1000nm)内针对宽温度变化得到优化。

·光学系统100可针对紧凑的spad配置进行优化。

·光学系统100可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以最小化光子质心运动和三角测量对近程光学范围的影响和/或确保传感器处的信号从物空间中的角度正确地映射到像空间中的位置，而不考虑物体距离。

·光学系统100可具有小于10％的负畸变以及等于或几乎90％的视场上的相对照度，以获得最优光子检测概率。

表1a

光学系统100

表1b

光学系统100

图2和表2-远程光学系统200

图2和表2示出了光学系统的示例实施方案200，该光学系统可例如用作激光雷达应用中的远程光学系统。在一些实施方案中，光学系统200可具有五个折射透镜元件201-205，这些折射透镜元件按从光学系统200的物体侧上的第一透镜元件201到光学系统200的图像侧上的最后透镜元件205的顺序排列。光学系统200可包括光阑，例如位于如图2所示的透镜202和透镜203之间。光学系统200还可包括光学带通滤波器，例如位于如图2所示的透镜202的表面s4处或其上。光学系统200可被配置为将来自物场的光折射到在传感器290的表面处或其附近形成的图像平面。传感器290可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(spad)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。

透镜元件201可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件201的两个表面均可为球形的。透镜元件202可为具有负折射力的平凹透镜。透镜元件202可具有凹状的物体侧表面和扁平(平整)的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件202的物体侧表面可为球形的。在一些实施方案中，透镜元件202的物体侧表面可接触透镜201的图像侧表面。透镜元件203可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件203可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件203的两个表面均可为球形的。透镜元件204可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件204可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件204的两个表面均可为球形的。透镜元件205可为具有负折射力的双凹透镜。在一些实施方案中，透镜元件205的两个表面均可为球形的。

光学系统200的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：

·光学系统200可具有五个或更少的透镜。

·透镜中的一个或多个可具有球形表面；在一些实施方案中，所有透镜均具有球形表面。

·光学系统200可具有大的入射光瞳(例如，40mm)和小的光圈数(例如，1.125或更小)，并且可提供小视场(例如，15度或更小)。

·光学系统200可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以在引入焦平面时以及在温度变化期间提供最小的图像尺度变化。

·光学系统200可包括光学带通滤波器，以获得光电事件探测的最优概率。例如，光学系统200可包括在如图2所示的透镜202的表面s4处或其上的滤波器，以减小在焦点(图像平面)处出现不需要的光瞳鬼像的可能性。

·光学系统200可在较大的温度范围(例如，-40摄氏度至80摄氏度)和源带宽(例如，900纳米(nm)-1000nm)内达到系统规范。

·光学系统200可针对紧凑的spad配置进行优化。

·光学系统200可具有小于0.2％的负畸变以及几乎100％的视场上的相对照度，以获得最优光子检测概率。

·光学系统200可包括光阑(孔径)，例如位于如图2所示的透镜202和透镜203之间。

在一些实施方案中，光学系统200可与多个扫描镜系统(例如，mems镜)集成，以收集来自远程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(图像平面)处的一个或多个spad芯片。

表2

接收器光学系统200

图3和表3-近程光学系统300

图3和表3示出了光学系统的示例实施方案300，该光学系统可例如用作激光雷达应用中的近程光学系统。在一些实施方案中，光学系统300可具有六个折射透镜元件301-306，这些折射透镜元件按从光学系统300的物体侧上的第一透镜元件301到光学系统300的图像侧上的最后透镜元件306的顺序排列。光学系统300可包括光阑，例如位于如图3所示的透镜302和透镜303之间。光学系统300还可包括光学带通滤波器，例如位于如图3所示的透镜304的表面s12处或其上。光学系统300可被配置为将来自物场的光折射到在传感器390的表面处或其附近形成的图像平面。传感器390可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(spad)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。

透镜元件301可为具有负折射力的弯月透镜。透镜元件301可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件301的表面s4可为平滑的非球形的或者球形的，透镜元件301的表面s5可为球形的。透镜元件302可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件302的表面s6可为球形的，透镜元件302的表面s7可为平滑的非球形的或者球形的。透镜元件303可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件303可具有凹状的物体侧表面和凸状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件303的表面s10和s11可为球形的。透镜元件304可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件304可具有扁平(平整)的物体侧表面和凸状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜304的表面s13可为球形的。透镜元件305可为具有负折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件305的表面s14可为凸状的，透镜元件305的表面s15可为凹状的。在一些实施方案中，透镜元件305的表面s14可为球形的，透镜元件305的表面s15可为平滑的非球形的或者球形的。透镜元件306可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件306的表面s16可为球形的，透镜元件306的表面s17可为平滑的非球形的或者球形的。

光学系统300的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：

·光学系统300可具有六个或更少的透镜。

·透镜中的一个或多个可具有球形表面；在一些实施方案中，所有透镜均具有球形表面。

·光学系统300可具有小光圈数(例如，2.0或更小)，并且可提供大视场(例如，60度或更大)。

·光学系统300可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以最小化光子质心运动和三角测量对近程光学范围的影响。

·光学系统300可包括光学带通滤波器，以获得光电事件探测的最优概率。例如，光学系统300可包括在如图3所示的透镜304的平整表面s12处或其上的滤波器。

·光学系统300可在较大的温度范围(例如，-40摄氏度至80摄氏度)和源带宽(例如，900nm-1000nm)内针对宽温度变化得以优化。

·光学系统300可针对紧凑的spad配置进行优化。

·光学系统300可具有小于5％的负畸变以及大于60％的视场上的相对照度，以获得最优光子检测概率。

·光学系统300可包括光阑(孔径)，例如位于如图3所示的透镜302和透镜303之间。

在一些实施方案中，光学系统300可与多个扫描镜系统(例如，mems镜)集成，以收集来自近程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(图像平面)处的一个或多个spad芯片。

表3

接收器光学系统300

图4和表4-接收器光学系统400

图4和表4示出了光学系统的示例实施方案400，该光学系统可例如用作激光雷达应用中的近程光学系统。在一些实施方案中，光学系统400可具有七个折射透镜元件401-407，这些折射透镜元件按从光学系统400的物体侧上的第一透镜元件401到光学系统400的图像侧上的最后透镜元件407的顺序排列。光学系统400可包括光阑，例如位于如图4所示的透镜401和物场之间。光学系统400还可包括例如位于如图4所示的透镜404和405之间的光学带通滤波器410，或者另选地可具有如图4所示的透镜404的表面s9上的光学带通滤波器涂层。光学系统400可被配置为将来自物场的光折射到在传感器490的表面处或其附近形成的图像平面。传感器490可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(spad)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。

透镜元件401可为具有负折射力的弯月透镜。透镜元件401可具有凹状的物体侧表面和凸状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件401的两个表面均可为球形的。透镜元件402可为具有正折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件402的两个表面均可为球形的。透镜元件402可具有凹状的物体侧表面和凸状的图像侧表面。透镜元件403可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件403可具有扁平(平整)的物体侧表面和凸状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件403的图像侧表面可为球形的。透镜元件404可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件404可具有凸状的物体侧表面和扁平(平整)的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件404的物体侧表面可为球形的。透镜元件405可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件405的两个表面均可为球形的。透镜元件406可为具有负折射力的双凹透镜。在一些实施方案中，透镜元件206的两个表面均可为球形的。在一些实施方案中，透镜元件406的物体侧表面可接触透镜405的图像侧表面。透镜元件407可为具有正折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件407的两个表面均可为球形的。透镜元件702可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。

光学系统400的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：

光学系统400可为具有低光圈数的强光透镜，所述低光圈数例如在1.5至1.6的范围内，例如为1.53。

·光学系统400可在方位角和仰角上提供45度的视场覆盖。

·光学系统400可在宽的光谱范围内校正，以考虑源波长变化(单元至单元)。例如，在一些实施方案中，组装期间对光学系统400的简单重新聚焦可容许最多+/-50nm。

·光学系统400可校正为最多12nm的光谱宽度，以适应源光谱宽度和源光谱随温度的偏移。

·光学系统400可包括七个透镜元件。在一些实施方案中，所有透镜元件均具有球形表面，这样可降低成本。

·光学系统400的设计允许针对透镜元件和透镜组件的容易的制造公差。

·当与不锈钢桶组装时，光学系统400可在-40摄氏度至80摄氏度的温度范围内无热化。这可例如有助于确保系统400在广泛操作范围内的分辨率，同时有助于维持系统400的焦点和焦距。

·光学系统400可具有低畸变设计，该设计允许将物体角度预映射到传感器位置而不损失角分辨率。

·光学系统400可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以确保传感器处的信号从物空间中的角度正确地映射到像空间中的位置，而不考虑物体距离。

·在一些实施方案中，扁平(平整)表面(例如，图4所示的透镜404的表面s9)可用于准直或近似准直的空间内的光学系统400的内部，以允许窄通带涂层直接沉积在透镜(例如，图4所示的透镜404的表面s9)的扁平表面，从而不需要滤波器元件。另选地，在一些实施方案中，可将单独的滤波器410放置在相同的准直空间(在透镜404和透镜405之间)中，并且可通过组装期间的简单重新聚焦来恢复性能。

·光学系统400可包括光阑(孔径)，例如在如图4所示的透镜401处或者在其前方。

在一些实施方案中，光学系统400可与多个扫描镜系统(例如，mems镜)集成，以收集来自近程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(图像平面)处的一个或多个spad芯片。

表4

接收器光学系统400

图5和表5-接收器光学系统500

图5和表5示出了光学系统的示例实施方案500，该光学系统可例如用作激光雷达应用中的远程光学系统。在一些实施方案中，光学系统500可具有五个折射透镜元件501-505，这些折射透镜元件按从光学系统500的物体侧上的第一透镜元件501到光学系统500的图像侧上的最后透镜元件505的顺序排列。光学系统500可包括光阑，例如位于如图5所示的透镜501和透镜502之间。光学系统500还可包括光学带通滤波器，例如位于如图5所示的透镜501的图像侧表面(表面s2)处或其上。光学系统500可被配置为将来自物场的光折射到在传感器590的表面处或其附近形成的图像平面。传感器590可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(spad)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。

透镜元件501可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件501可具有凸状的物体侧表面和扁平(平整)的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件501的物体侧表面可为球形的。透镜元件502可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件502可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件502的两个表面均可为球形的。透镜元件503可为具有负折射力的双凹透镜。在一些实施方案中，透镜元件503的两个表面均可为球形的。透镜元件504可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件504的两个表面均可为球形的。透镜元件505可为具有正折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件505的两个表面均可为球形的。透镜元件505可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。

光学系统500的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：

光学系统500可为具有低光圈数的强光透镜，所述低光圈数例如在1.1至1.2的范围内，例如为1.125。

·光学系统500可提供10度的视场。

·光学系统500可在宽的光谱范围内校正，以考虑源波长变化(单元至单元)。例如，在一些实施方案中，组装期间对光学系统500的简单重新聚焦可容许最多+/-50nm。

·光学系统500可校正为最多12nm的光谱宽度，以适应源光谱宽度和源光谱随温度的偏移。

·光学系统500可包括五个透镜元件。在一些实施方案中，所有透镜元件均具有球形表面，这样可降低成本。

·光学系统500的设计允许针对透镜元件和透镜组件的容易的制造公差。

·当与不锈钢桶组装时，光学系统500可在-40摄氏度至80摄氏度的温度范围内无热化。这可例如有助于确保系统500在广泛操作范围内的分辨率，同时有助于维持系统500的焦点和焦距。

·光学系统500可具有低畸变设计(例如，畸变<-0.2％)。

·光学系统500可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以确保传感器处的信号从物空间中的角度正确地映射到像空间中的位置，而不考虑物体距离。

·在一些实施方案中，扁平表面(例如，图5中透镜元件501的表面s2)可用于准直或近似准直的空间内的光学系统500的内部，以允许窄通带涂层直接沉积在透镜(例如，图5中透镜元件501的表面s2)的扁平表面，从而不需要滤波器元件。

·光学系统500可包括光阑(孔径)，例如位于如图5所示的透镜501和透镜502之间。

在一些实施方案中，光学系统500可与多个扫描镜系统(例如，mems镜)集成，以收集来自远程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(图像平面)处的一个或多个spad芯片。

表5

接收器光学系统500

图6和表6-接收器光学系统600

图6和表6示出了光学系统的示例实施方案600，该光学系统可例如用作激光雷达应用中的近程光学系统。在一些实施方案中，光学系统600可具有六个折射透镜元件601-606，这些折射透镜元件按从光学系统600的物体侧上的第一透镜元件601到光学系统600的图像侧上的最后透镜元件606的顺序排列。光学系统600可包括光阑，例如位于如图6所示的透镜602和透镜603之间。光学系统600还可包括光学带通滤波器，例如位于如图6所示的透镜606的表面s13处或其上。光学系统600可被配置为将来自物场的光折射到在传感器690的表面处或其附近形成的图像平面。传感器690可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(spad)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。

透镜元件601可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件601可具有凹状的物体侧表面和凸状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件601的两个表面均可为球形的。透镜元件602可为具有负折射力的弯月透镜。透镜元件602可具有凸状的物体侧表面和凹状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件602的两个表面均可为球形的。透镜元件603可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件603可具有凹状的物体侧表面和凸状的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件603的两个表面均可为球形的。透镜元件604可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜604的两个表面均可为球形的。透镜元件605可为具有负折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件605的物体侧表面可为凸状的，透镜元件605的图像侧表面可为凹状的。在一些实施方案中，透镜元件605的两个表面均可为球形的。透镜元件606可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件606可具有凸状的物体侧表面和扁平(平整)的图像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件606的物体侧表面可为球形的。

光学系统600的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：

·光学系统600可以紧凑的形式提供适度快速的光学器件(例如，光圈数2.0)。

·光学系统600可提供60度的视场。

·光学系统600可在宽的光谱范围内校正，以考虑源波长变化(单元至单元)。例如，在一些实施方案中，组装期间对光学系统600的简单重新聚焦可容许最多+/-50nm。

·光学系统600可校正为最多12nm的光谱宽度，以适应源光谱宽度和源光谱随温度的偏移。

·光学系统600可包括六个透镜元件。在一些实施方案中，所有透镜元件均具有球形表面，这样可降低成本。

·光学系统600的设计允许针对透镜元件和透镜组件的容易的制造公差。

·当与不锈钢桶组装时，光学系统600可在-40摄氏度至80摄氏度的温度范围内无热化。这可例如有助于确保系统600在广泛操作范围内的分辨率，同时有助于维持系统600的焦点和焦距。

·光学系统600可具有低畸变设计，该设计允许将物体角度预映射到传感器位置而不损失角分辨率。

·光学系统600可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以确保传感器处的信号从物空间中的角度正确地映射到像空间中的位置，而不考虑物体距离。

·在一些实施方案中，扁平表面(例如，图6中透镜元件606的表面s13)可用于具有低多样性角度的空间内的光学系统600的内部，

以允许窄通带涂层直接沉积在透镜(例如，图6中透镜元件606的表面s13)的扁平表面，从而不需要滤波器元件。

·光学系统600可包括光阑(孔径)，例如位于如图6所示的透镜602和透镜603之间。

在一些实施方案中，光学系统400可与多个扫描镜系统(例如，mems镜)集成，以收集来自近程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(图像平面)处的一个或多个spad芯片。

表6

光学系统600

示例lidar系统

图7a至图7b和图8a至图8b示出了示例激光雷达系统，其中可实现如图1到图6所述的光学系统的实施方案。

图7a和图7b为根据一些实施方案的示例激光雷达系统的逻辑框图，该系统将激光脉冲传输组合在激光雷达(激光雷达)中，并且其中可实现如图1至图6所示的光学系统的实施方案。在图7a中，激光雷达1000示出了两种不同脉冲即出脉冲1042和出脉冲1044经由共光路1030的组合传输。lidar1000可实现两个激光发射器1012和1014。每个激光发射器1012和1014还可被配置为发射单独的一个或多个激光脉冲串(其反射可被捕获以确定距离测量)。由发射器1012和1014发射的激光脉冲的类型可相同或不同。例如，发射器1012可发射具有与由发射器1014发射的激光脉冲相同或不同的波长、脉冲宽度或幅度的激光脉冲。另外，由发射器1012和1014发射的不同类型的激光脉冲，发射激光脉冲的时间设置可不同。例如，在一些实施方案中，可根据一个脉冲重复率(prr)(例如，1兆赫)发射来自发射器1012的激光脉冲，而可根据增加或减少的prr(例如，0.5兆赫或1.5兆赫)发射来自发射器1014的激光脉冲。在一些实施方案中，两个发射器之间的发射也可根据两个激光发射器之间的发射时间差(即，变量)交错。

lidar1000还可实现共光路1030，其可组合从两个不同发射器即发射器1012和1014发送的脉冲1032。例如，如图7a所示，出脉冲1042可为从发射器1012发射的脉冲，出脉冲1044可为从发射器1014发射的脉冲，这两种脉冲都经由相同的光路即共光路1040发送。光学设备(例如，透镜、分束器、折叠式反射镜或者处理或分析光波的任何其他设备)的不同组合可实现为共光路1030的一部分，以组合来自发射器1012和1014的脉冲，其可以正交偏振(例如，两个不同的线性偏振态)发射。例如，从发射器1012发送的激光脉冲可具有垂直偏振态，从发射器1014发送的激光脉冲可具有水平偏振态。在各种实施方案中，为组合正交偏振态的脉冲，可实现共光路1030中的光学装置的各种组合以确保两种不同的激光脉冲的偏振态在发射和反射上都是可辨识的。这样，经由共光路1030接收的不同脉冲的反射可被分离1034(如图7b所示)，并且引导到适合的接收器，用于计算特定于从特定发射器发射的脉冲的距离测量值(例如，从发射器1012发射的脉冲1042可与在接收器1022处的入站脉冲反射1052的检测相匹配，以及出脉冲1044可与接收器1024处的入站脉冲反射1054的检测相匹配)。下文讨论的图8a-图8b提供可实施的共光路的不同实施例。

随着从发射器1012和1014发射的激光脉冲串可组合并经由共光路发射，可由激光雷达1000捕获的距离测量值可以变化。例如，由于脉冲之间的传输变量可以是可配置的，所以由lidar1000提供的密度或位置距离测度可相应地改变。类似地，用于发射器1012的prr可更慢以覆盖更远的范围。在一些情况下，发射器1012可被配置为提供远程距离测度，发射器1014可被配置为提供近程距离测度，有效地提供可由激光雷达1000确定的更大范围的距离测度(例如，动态范围)。例如，发射器1012可发送具有1550nm波长的激光脉冲用于远程距离测度，发射器1014可发送具有930nm波长的激光脉冲以捕获近程范围内的距离测度。在一些实施方案中，接收器1022可包括如本文所述的远程接收器光学系统，以接收来自发射器1012的返回光，并且接收器1024可包括本文所述的近程接收器光学系统以接收来自发射器1014的返回光。

在一些实施方案中，发射器和接收器可包括在激光雷达1000中，被配置为提供中程距离测度来代替远程发射器/接收器或近程发射器/接收器，或除了远程和近程发射器和接收器之外提供中程距离测度。例如，中程发射器可在长1550nm的波长和短930nm的波长之间的范围内发送激光脉冲，以捕获中程的距离测量。在一些实施方案中，中程接收器可包括如本文结合图1所述的从中程发射器接收返回光的中程接收器光学系统。

如上所述，可实施不同的光学设备以组合和分离从不同激光发射器发送的激光脉冲，使得对应的反射被引导至适当的接收器。图8a和图8b示出了根据一些实施方案的用于激光脉冲和脉冲反射的示例光路。在图8a中，示出了用于两个不同的激光发射器(1410和1412)的出脉冲路径(1470和1472)。光学器件1400可实现发射器1410，该发射器可将线性偏振态的激光脉冲发送到分束器1434，该分束器转而可将脉冲引导到偏振分束器1430。偏振分束器1430可引导脉冲穿过四分之一波片1440，该波片可将偏振态从线性偏振态转化为圆偏振态。然后转化的脉冲可从扫描镜1460反射出去到环境中。光学器件1400可实现发射器1412，该发射器可将激光脉冲发送至分束器1432。从发射器1412发送的激光脉冲可处于与从发射器1410发送的脉冲的偏振态正交的线性偏振态。分束器1432可将脉冲引导至偏振分束器1430。偏振分束器1430可引导脉冲穿过四分之一波片1440，该波片可将偏振态从线性偏振态转化为圆偏振态。然后转化的脉冲可从扫描镜1460反射，该扫描镜可将脉冲引导出去到环境中。

在图8b中，示出了脉冲反射路径1480(其对应于根据出脉冲路径1470发射的脉冲的反射)和脉冲反射路径1482(其对应于根据出脉冲路径1472发射的脉冲的反射)。由发射器1410发射的脉冲的脉冲反射可被接收并且从扫描镜1460反射，引导脉冲穿过四分之一波片1440。当脉冲以圆偏振态发射到环境中时，反射也可处于与所发射的圆偏振态相反的圆偏振态。例如，如果出路径1470以右旋圆偏振态发射激光脉冲，则对应的反射将以左旋圆偏振态被接收。因此，当四分之一波片1440变换反射的偏振时，所得线性偏振正交于最初从发射器1410发射的激光脉冲的线性偏振态。因此，部分分束器1430引导脉冲穿过分束器1432和接收器透镜1452以达到并由接收器1422检测到。由发射器1412发射的脉冲的脉冲反射可被接收并且从扫描镜1460反射，引导脉冲穿过四分之一波片1440。同样，反射也可处于与所发射的圆偏振态相反的圆偏振态。例如，如果出路径1472以左旋圆偏振态发射激光脉冲，则对应的反射将以右旋圆偏振态被接收。因此，当四分之一波片1440变换反射的偏振时，所得线性偏振正交于最初从发射器1412发射的激光脉冲的线性偏振态。因此，脉冲穿过部分分束器1430、分束器1434和接收器透镜1450以达到并由接收器1420检测到。

在一些实施方案中，接收器1420/透镜1450可包括如本文所述的远程接收器光学系统，以接收来自发射器1412的返回光，并且接收器1422/透镜1452可包括本文所述的近程接收器光学系统以接收来自发射器1410的返回光。在一些实施方案中，图8a和图8b的系统可替代或者也包括中程发射器和接收器部件和中程接收器光学系统，例如如图1所示，以接收从中程发射器接收返回光。例如，在一些实施方案中，接收器1420/透镜1450可包括如本文所述的远程接收器光学系统，以接收来自远程发射器1412的返回光，并且接收器1422/透镜1452可包括本文所述的中程接收器光学系统以接收来自中程发射器1410的返回光。又如，在一些实施方案中，接收器1420/透镜1450可包括如本文所述的中程接收器光学系统，以接收来自中程发射器1412的返回光，并且接收器1422/透镜1452可包括本文所述的近程接收器光学系统以接收来自近程发射器1410的返回光。

图9为遥感系统的操作方法的高级流程图，该遥感系统包括光发射器和接收器以及共光路；接收器可包括如图1至图6所示的光学系统。图9的方法可例如在如图7a至图7b和图8a至图8b所示的激光雷达系统中实现。

如2000处所示，发射器(例如，两个激光发射器)将光发射至共光路，例如如图7a和图8a所示。在一些实施方案中，来自一个发射器的激光脉冲可根据一个脉冲重复速率(prr)发射，而来自另一个发射器的激光脉冲可根据不同的prr发射。在一些实施方案中，发射器可发送具有不同波长的激光脉冲。例如，一个发射器可发送具有1550nm波长的激光脉冲用于远程距离测度，其他发射器可发送具有930nm波长的激光脉冲以捕获近程距离测度。又如，一个发射器可在长1550nm的波长与短930nm的波长之间的范围内发送激光脉冲，以捕获中程的距离测量，并且另一个发射器可发射具有930nm波长的激光脉冲以捕获近程距离测量。又如，一个发射器可在长1550nm的波长与短930nm的波长之间的范围内发送激光脉冲，以捕获中程的距离测量，并且另一个发射器可发射具有1550nm波长的激光脉冲以捕获远程距离测量。注意，这些实施例并非意图进行限制。

如2010处所示，共光路将光引导至物场。在一些实施方案中，如图8a所示，每个发射器可将线性偏振态中的激光脉冲发送到相应的分束器，继而可将脉冲引导至偏振分束器。在一些实施方案中，一个发射器的线性偏振态可与其他发射器的线性偏振态正交。偏振分束器可引导脉冲穿过四分之一波片，该波片可将偏振态从线性偏振态转化为圆偏振态。然后转化的脉冲可由扫描镜(例如，mems镜)反射到环境(即物场)中。光(脉冲)可由物场中的表面或物体反射。反射光中的至少一些可返回并由激光雷达系统捕获。

如在2020处所指示，共光路可将来自物场的反射光引导至各个接收器。共光路可被配置为将发射器中的一者发射的光引导到一个接收器(例如，中程接收器)，以及将由另一个发射器发射的光引导到另一接收器(例如，近程或远程接收器)，例如如图8b所示。在一些实施方案中，来自每个发射器的反射光可处于与所发射的圆偏振态相反的圆偏振态。例如，如果来自一个发射器的光以左旋圆偏振态被发射，则对应的反射将以右旋圆偏振态被接收。当四分之一波片变换反射的光的偏振时，所得线性偏振正交于最初从相应发射器发射激光脉冲的线性偏振态。然后来自每个发射器的反射光穿过光路中的分束器或者由其引导，以抵达对应于发射器的接收器。

如2030处所示，相应接收器的光学系统将光折射到相应的光电探测器或传感器，例如一个或多个一维单光子雪崩检测器(spad)。图1示出了可在中程接收器中使用的示例光学系统。图2和图5示出了可在远程接收器中使用的示例光学系统。图3、图4和图6示出了可在近程接收器中使用的示例光学系统。

如2040处所示，可分析在光电探测器处捕获的光，例如以确定环境中的物体或表面的范围信息。在一些实施方案中，可分析由远程接收器捕获的光，以确定远程物体或表面(例如，20米至200米)的范围，并且可分析由中程接收器捕获的光以确定近程到中程物体或表面(例如，50米或更小)的范围，以及可分析近程接收器捕获的光，以确定近程物体(例如，20米或更近)的范围。例如，可基于发送激光脉冲传输的时间和接收激光脉冲传输的反射的时间之间的差来计算距离。对于不同接收器处接收以及由不同接收器捕获的反射光的分析可用于许多不同的应用中。例如，可处理在区域获取的多个距离测度以生成高分辨率图，其可用于各种不同的应用，包括但不限于地质调查、大气测量、物体检测、自主导航或其他环境遥感应用。

从元件2040返回到元件2000的箭头指示该方法可连续地发射光(例如，激光脉冲)，并且只要系统(例如，激光雷达系统)正在使用即可接收和处理光的反射。

尽管上文已经描述了具体实施方案，但这些实施方案并非要限制本公开的范围，即使仅相对于特定特征描述单个实施方案的情况下也是如此。本公开中提供的特征示例意在进行例示，而非限制，除非做出不同表述。本公开的范围包括本文(明确或暗示)公开的任意特征或特征组合或其任意推广，而无论其是否减轻本文解决的任何或所有问题。因此，在本专利申请(或要求享有其优先权的专利申请)进行期间可针对特征的任何此类组合作出新的权利要求。具体地，参考所附权利要求书，可将从属权利要求的特征与独立权利要求的特征进行组合，并可通过任何适当的方式而不是仅通过所附权利要求书中所列举的特定组合来组合来自相应独立权利要求的特征。

在不同的实施方案中，本文所述的各种方法可在软件、硬件或它们的组合中实现。此外，可改变方法的框的次序，可对各种要素进行添加、重新排序、组合、省略、修改等。对于受益于本公开的本领域的技术人员，显然可作出各种修改和改变。本文所述的各种实施方案旨在为例示的而非限制性的。许多变型、修改、添加和改进是可能的。各种部件和操作之间的界限在一定程度上是任意性的，并且在具体的示例性配置的上下文中示出了特定操作。预期了功能的其它分配，它们可落在所附权利要求的范围内。最后，呈现为示例性配置中的分立部件的结构和功能性可以被实现为组合结构或部件。这些和其它变型、修改、添加和改进可落入如以下权利要求书中所限定的实施方案的范围内。