包括含镓和氮的激光光源的LIDAR系统的制作方法

交叉引用相关申请

本申请要求2017年12月13日提交的美国专利申请号15/841,053的权益，该申请的全部内容实际上通过引用结合于此。

背景技术：

19世纪末，托马斯爱迪生发明了灯泡。2014年10月7日，诺贝尔物理学奖授予了isamuakasaki、hiroshiamano和shujinakamura，因为他们“发明了高效的蓝色发光二极管，使明亮节能的白色光源成为可能”，或者不太正式地说，因为他们发明了led灯。虽然led已经取得了成功，但是led还需要其他应用。

技术实现要素：

在一个示例中，本发明提供了一种包括lidar的设备。在一个示例中，该设备具有基于激光二极管的照明系统，所述照明系统具有至少容纳含镓和氮的激光二极管和波长转换元件的集成封装。在一个示例中，所述含镓和氮的激光二极管被配置为发射具有第一峰值波长的第一激光束。所述波长转换元件被配置为至少部分地接收具有第一峰值波长的第一激光束，以激发具有比第一峰值波长更长的第二峰值波长的发射，并生成第二峰值波长和第一峰值波长混合的白光。所述设备具有光探测和测距(lidar)系统，所述系统被配置为生成第二激光束并操纵第二激光束，以感测远程距离内的目标物体的空间图。在整个说明书中，更具体地，在下文中，找到本设备和相关技术的更多细节。

附图说明

图1a是根据本发明的实施方式的在表面贴装封装中以反射模式操作的基于激光的白光光源的示意图。

图1b是根据本发明的另一实施方式的在表面贴装封装中以反射模式操作的基于激光的白光光源的示意图。

图1c是根据本发明的另一实施方式的在表面贴装封装中利用侧面泵浦磷光体操作的基于激光的白光光源的示意图。

图2是相关技术中lidar的简化框图。

图3a是根据本发明的一些实施方式的包括lidar系统和基于激光的可见光源的设备的示意图。

图3b是根据本发明的一些实施方式在汽车中使用该设备的示例图。

图4是根据本发明的一些实施方式的与lidar系统集成的激光照明系统的简化示意图。

图5是根据本发明的一些替代实施方式的与lidar系统集成的激光照明系统的简化示意图。图6是根据光波长的纯水吸收的吸收光谱的绘图。

图7是根据本发明的一些实施方式的配备有激光照明系统和lidar系统的移动机器的示意图。

图8是根据本发明的一些替代实施方式的配备有激光照明系统和lidar系统的移动机器的示意图。

图9是根据本发明的一些替代实施方式的配备有激光照明系统和lidar系统的移动机器的示意图。

图10是根据本发明的一些实施方式的与包括额外lidar测绘激光器的lidar系统集成的激光照明系统的简化框图。

图11是根据本发明的一些替代实施方式的与包括额外lidar测绘激光器的lidar系统集成的激光照明系统的简化框图。

图12是根据本发明的一些替代实施方式的与包括额外lidar测绘激光器的lidar系统集成的激光照明系统的简化框图。

图13a是根据本发明的实施方式的基于激光的白色光源的功能框图，该白色光源能够用于可见光通信。

图13b是根据本发明的另一实施方式的基于激光的白色光源的功能框图，该白色光源能够用于可见光通信。

图14a是根据本发明一些实施方式的动态光源的功能框图。

图14b是根据本发明的示例的具有光束控制元件的封闭动态光源的示意图。

图15a是根据本发明的实施方式的具有反射结构的扫描磷光体显示器的示意图。

图15b是根据本发明的实施方式的具有透射架构的扫描磷光体显示器的示意图。

图15c是根据本发明的替代实施方式的具有反射结构的扫描磷光体显示器的示意图。

图16是根据本发明的一些实施方式的使用基于蓝色激光的白色激光光源作为用于可见光通信的投影光的示意图。

图17a是根据本发明的实施方式的复合波长转换元件的示意图，该元件能够实现光斑强度和光谱的动态空间控制。

图17b是根据本发明的实施方式的复合波长转换元件的横截面示意图。

图17c是根据本发明的实施方式的复合波长转换元件的横截面示意图。

图18a是根据本发明一些实施方式的基于激光的智能照明系统的功能框图。

图18b是根据本发明一些实施方式的动态的基于激光的智能照明系统的功能图。

具体实施方式

本发明提供了配置有与基于转移含镓和氮材料激光工艺的含镓和氮激光二极管集成的各种基于传感器的反馈回路的系统、设备及其制造和使用方法。仅通过示例，本发明提供了远程和集成智能激光照明设备和方法、投影显示和空间动态照明设备和方法、lidar、lifi和可见光通信设备和方法以及上述设备和方法在通用照明、商业照明和显示、汽车照明和通信、国防和安全、工业处理和互联网通信等应用中的各种组合。

在各种实施方式中，激光装置和磷光体装置共同封装或安装在具有或不具有中间子基座的公共支撑元件上，并且磷光体材料以透射模式、反射模式或侧面泵浦模式操作，以产生基于白光激光光源。在额外的各种实施方式中，来自激光装置的电磁辐射通过诸如自由空间耦合或与诸如光纤电缆或其他固体波导材料等波导耦合的方式远程耦合到磷光体装置，并且其中，磷光体材料以透射模式、反射模式或侧面泵浦模式操作，以产生白光激光光源。仅作为示例，本发明可以应用于诸如白光照明、白点照明、闪光灯、汽车前灯、全地形车辆照明、诸如相机闪光灯的闪光灯源、诸如自行车、冲浪、跑步、赛车、划船等娱乐运动中使用的光源、用于无人驾驶飞机、飞机、机器人、其他移动或机器人应用的光源、安全、防御应用中的对抗措施、多色照明、平板照明、医学、计量学、光束投影仪和其他显示器、高强度灯、光谱学、娱乐，剧院、音乐和音乐会、分析欺诈检测和/或认证、工具、水处理、激光眩目器、瞄准、通信、lifi、可见光通信(vlc)、传感、检测、距离检测、光检测和测距(lidar)、转换、自动驾驶车辆、运输、调平、固化和其他化学处理、加热、切割和/或烧蚀、泵浦其他光学装置、其他光电设备和相关应用以及光源照明等。

在基座元件上制造激光二极管之后，在本发明的实施方式中，集成白光源的构造将进行磷光体与激光二极管和公共支撑元件的集成。磷光体选择是基于激光的集成白光源中的关键考虑因素。磷光体必须能够承受由激光激发点引起的极端光强度和相关加热，而不会严重退化。磷光体选择需要考虑的重要特征包括：

·光激发功率到白光流明的高转换效率。在激发黄色磷光体的蓝色激光二极管的示例中，期望转换效率超过每光瓦150流明，或者超过每光瓦200流明，或者每光瓦超过300流明。

·能够在直径为1mm、500μm、200μm、100μm或甚至50μm的光斑中承受1-20w激光功率的高光学损伤阈值。

·能够承受150℃以上、200℃以上或300℃以上的温度而不分解的高热损伤阈值。

·低热猝灭特性，使得磷光体在达到150℃、200℃或250℃以上时仍保持高效。

·高导热率，用于散热和调整温度。导热率大于3w/m-k、大于5w/m-k、大于10w/m-k、甚至大于15w/m-k是理想的。

·适合应用的磷光发射颜色。

·合适的多孔特性，导致相干激发的所需散射，而不会导致导热率或光学效率的不可接受的降低。

·适用于该应用的合适形状因素。这种形状因素包括但不限于块、板、圆盘、球体、圆柱体、杆或类似的几何元素。正确的选择将取决于磷光体是在透射模式还是反射模式下操作以及磷光体中激发光的吸收长度。

·为应用优化的表面条件。在一个示例中，磷光体表面可以有意地粗糙化，以改善光提取。

在一些实施方式中，某些类型的磷光体将最适合于这种具有激光激发源的苛刻应用。例如，掺杂有ce³⁺离子的陶瓷钇铝石榴石(yag)或基于yag的磷光体可以是理想的候选物。它们掺杂有例如ce等物质，以获得合适的发射颜色，并且通常由多孔特性组成，以散射激发源光，并且很好地破坏激光激发中的相干性。由于其立方晶体结构，yag:ce可以制备成高度透明的单晶以及多晶块体材料。透明度和发光度取决于化学计量组成、掺杂剂含量以及整个加工和烧结路线。对于蓝光和黄光的均匀混合，可以优化散射中心的透明度和程度。yag:ce可以配置为发射绿色发射。在一些实施方式中，yag可以掺杂eu，以发射红光。

在根据本发明的优选实施方式中，白色光源配置有陶瓷多晶yag:ce磷光体，该磷光体包括每光激发瓦大于100流明、每光激发瓦大于200流明或甚至每光激发瓦大于300流明的光转换效率。此外，陶瓷yag:ce磷光体的特征在于高于150℃、高于200℃或高于250℃的温度猝灭特性和5-10w/m-k的高导热率，以有效地将热量消散到散热器元件并保持磷光体处于可操作的温度。

图1a是根据本发明的实施方式的示例性基于激光的白色光源的示意图，该光源在反射模式下操作并容纳在表面贴装封装中。参考图1a，反射模式白色光源配置在表面安装装置(smd)型封装中。smd封装具有公共支撑基座元件1601。反射模式磷光体元件1602附接到基座元件1601。可选地，在磷光体元件1602和基座元件1601之间可以包括中间基板元件。激光二极管1603安装在倾斜支撑元件1604上，其中，倾斜支撑元件1604附接到基座元件1601。基座元件1601被配置为将热量从白光源传导到散热器。基座元件1601由导热材料构成，例如，铜、铜钨、铝、sic、钢、金刚石、复合金刚石、aln、蓝宝石或其他金属、陶瓷或半导体。

安装到基座元件1601可以使用焊接或胶合技术来完成，例如，使用ausn焊料、sac焊料(例如，sac305)、含铅焊料或铟，但是也可以是其他技术。或者，烧结的ag浆或膜可用于界面处的附着过程。烧结ag附着材料可以使用标准处理设备和循环温度来分配或沉积，具有更高的导热性和改善的导电性的额外优点。例如，ausn的导热率约为50w/m-k，电导率约为16μωcm，而无压烧结ag的导热率约为125w/m-k，电导率约为4μωcm，或者加压烧结ag的导热率约为250w/m-k，电导率约为2.5μωcm。由于熔融温度从糊状到烧结形式的极端变化(260℃-900℃)，工艺可以避免对下游工艺的热负荷限制，使完成的装置始终具有非常好且一致的接合。安装接头也可以由导热胶、热环氧树脂(例如，环氧银)和其他材料形成。

从激光二极管的电极到电极元件1606的电连接使用引线键合1605。引线键合1607和1608形成为内部馈通1609和1610。馈通电耦合到外部引线。外部引线可以电耦合到电源，以给白光源通电并产生白光发射。

基座元件1601的顶面可以由反射层构成、涂覆有反射层或填充有反射层，以防止或减轻与向下的光或反射光相关的任何损失。此外，封装内包括激光二极管和基座元件的所有表面都可以增强，以提高反射率，从而有助于提高有用的白光输出。

在这种配置中，白色光源没有盖住或密封，从而暴露在开放环境中。在集成白光源设备的该实施方式的一些示例中，包括诸如瞬态电压抑制(tvs)元件的静电放电(esd)保护元件。当然，图1a仅仅是一个示例，并且旨在示出表面贴装封装白色光源的一种可能的简单配置。具体地，由于表面安装型封装广泛适用于led和其他装置，并且可以现货供应，因此它们可能是低成本、高适应性解决方案的一个选择。

图1b是根据本发明的包括2个激光二极管芯片的封装白色光源的替代示例。在该示例中，反射模式白光源也配置在smd型封装中。smd封装具有基座元件1601，反射模式磷光体元件1602安装在支撑元件或基座元件上。第一激光二极管装置1613可以安装在第一支撑元件1614或基座元件1601上。第二激光二极管装置1615可以安装在第二支撑元件1616或基座元件1601上。支撑元件和基座元件被配置为将热量从磷光体元件1602和激光二极管装置1613和1615传导走。

外部引线可以电耦合到电源，以使激光二极管源通电，从而从第一激光二极管装置1613发射第一激光束1618，从第二激光二极管装置1615发射第二激光束1619。激光束入射到磷光体元件1602上，以产生激发点和白光发射。激光束优选地在磷光体元件1602上重叠，以产生优化的几何形状和/或尺寸激发点。例如，来自第一和第二激光二极管的激光束相对于彼此旋转90o，使得第一激光束1618的慢轴与第二激光束1619的快轴对准。

基座元件1601的顶面可以由反射层构成、涂覆有反射层或填充有反射层，以防止或减轻与向下定向的光或反射光相关的任何损失。此外，包括激光二极管元件和基座元件的封装内的所有表面都可以增强，以提高反射率，从而有助于提高有用的白光输出。在这种配置中，白光源没有遮盖或密封，从而暴露在开放环境中。在集成白光源设备的该实施方式的一些示例中，包括esd保护元件，例如，tvs元件。当然，图1b仅仅是一个示例，并且旨在示出表面贴装封装的白光源的一种可能的简单配置。具体地，由于表面安装型封装广泛适用于led和其他装置，并且可以现货供应，因此它们可能是低成本、高适应性解决方案的一个选择。

图1c是根据本发明的封装的白光源的替代示例。在该示例中，反射模式白光源也配置在smd封装中。smd封装具有基座元件1601，基座元件1601用作安装在基座或支撑元件1623上的侧面泵浦磷光体元件1622和安装在基座或支撑元件1625上激光二极管装置1624的公共支撑元件。在一些实施方式中，激光二极管1624和/或磷光体元件1622可以直接安装到封装的基座元件1601。支撑元件和基座元件1601被配置为将热量从磷光体元件1622和激光二极管装置1624传导走。在smd封装中，基座元件1601基本上与图1a和图1b中的类型相同。

来自p电极和n电极的电连接可以电耦合到基座元件1625上的1626和1627电极，然后基座元件1625将耦合到封装中的内部馈通。馈通电耦合到外部引线。外部引线可以电耦合到电源，以给激光二极管通电，并产生入射到磷光体元件1622一侧的激光束。磷光体元件1622可以优选地被配置为用于从磷光体元件1622的顶面发出初级白光1628。基座元件1601的顶面可以由反射层构成、涂覆有反射层或填充有反射层，以防止或减轻与向下定向的光或反射光相关的任何损失。此外，包括激光二极管元件和基座元件的封装内的所有表面都可以增强，以提高反射率，从而有助于提高有用的白光输出。在这种配置中，白光源没有遮盖或密封，从而暴露在开放环境中。在集成白光源设备的该实施方式的一些示例中，包括esd保护元件，例如，tvs元件。当然，图1a和图1b中的示例仅仅是一个示例，并且旨在示出表面贴装封装的白光源的一种可能的简单配置。具体地，由于表面安装型封装广泛适用于led和其他装置，并且可以现货供应，因此它们可能是低成本、高适应性解决方案的一个选择。

图1a、图1b和图1c中所示的白光源可以多种方式封闭，以形成光引擎。可选地，光引擎封装在模制的环氧树脂或塑料盖(未示出)中。模制的盖可以具有扁平顶部，或者可以被模制为具有弯曲的或球形的表面，以帮助光提取。覆盖物可以预先模制并粘合到位，或者由液体或凝胶前体模制到位。因为聚合物覆盖物或模制封装材料可以吸收来自波长转换元件的激光或向下转换的光，所以封装材料由于加热和光吸收而老化的风险很大。当这种材料老化时，易于变得更具光学吸收性，导致失控过程，这不可避免地导致装置故障。在基于激光的装置中，其中，激光装置发射具有非常高的亮度和光通量的光，这种老化效应预计相当严重。因此，优选的是，聚合物覆盖物不存在于激光器发射面附近的区域中，也不存在于激光装置和波长转换元件之间的激光束路径中。可选地，模制覆盖物在激光束与波长转换元件相交之前不与激光装置或波长转换元件接触，也不与激光束相交。可选地，模制覆盖物覆盖并接触部分或大部分激光装置和波长转换元件，但不覆盖激光器的发射面或波长转换元件的表面，也不与激光装置和波长转换元件之间的激光光束路径相交。可选地，在激光装置的引线键合之后，封装材料在装置上模制，并且不包括空气间隙或空隙。

在另一实施方式中，光引擎使用诸如陶瓷或金属外壳的刚性元件封装。例如，冲压金属壁可以设置成具有与公共衬底的外边缘的尺寸接近的尺寸。该壁可以附接到公共衬底上，并且使用环氧树脂或另一种胶、金属焊料、玻璃料密封和摩擦焊接以及其他结合技术形成气密密封。例如，壁的顶部边缘可以通过附着透明覆盖物来密封。透明覆盖物可以由任何透明材料组成，包括含二氧化硅的玻璃、蓝宝石、尖晶石、塑料、金刚石和其他各种矿物。可以使用环氧树脂、胶水、金属焊料、玻璃料密封和摩擦焊接以及适用于覆盖材料的其他结合技术将覆盖物附着到壁上。

在一些实施方式中，可以使用类似于在加工mems装置中使用的标准光刻技术，在公共衬底上直接制造外壳。诸如激光二极管等许多光发射机可以在相同的公共衬底上制造，并且一旦制造完成，就使用锯切、激光划线或类似工艺分割成单独的器件。

lidar(光成像探测和测距)技术被认为是装置、车辆和其他物体的自主和半自主运行的当前推力内的关键传感器技术，正在迅速用于必须以高分辨率和快速刷新速率勘测或主动监控物理环境和拓扑的应用中。该技术基于一种相当简单的方法来测量到目标或物体的距离，该方法是将激光(例如，激光脉冲)对准目标，然后，使用检测来测量将光反射并返回到系统所需的时间。lidar广泛用于诸如地理信息、考古、地理、地质、林业、大气物理、激光制导、机载激光条带测绘(alsm)和激光测高等应用制作高分辨率图。

最近，lidar已经成为汽车和无人机等自动驾驶车辆的关键传感器技术。为了实现自动驾驶汽车所需的瞬间决策，lidar系统提供了关于周围环境的精确3d信息。使用该数据，处理器实现物体识别、运动矢量确定、碰撞预测和回避策略。lidar单元非常适合成像，并且可以通过使用旋转系统、扫描镜系统和多传感器组件来提供360o视图。高速高功率激光脉冲与探测器响应同步，以计算反射光到物体的距离。探测器阵列或定时相机可用于提高3d信息的分辨率。脉冲非常短，以提高深度分辨率，产生的光反射用于创建3d点状“云”，对其进行分析，以将数据转换为体积识别和矢量信息。然后，转换后的结果用于计算车辆相对于这些外部物体的位置、速度和方向，以确定发生碰撞的概率，并在需要时指示采取适当的措施。

根据本发明，lidar系统被配置在包括基于激光的照明源的装置、机器或移动机器中，该照明源可以是本发明中描述的基于激光的智能灯。根据本发明的lidar系统可以由其他传感器、致动器和系统补充和/或耦合到其他传感器、致动器和系统，包括用作导航和引导的主要子系统的gps(全球定位系统)接收机。gps系统通常根据从60多个低轨道卫星的星座中的至少四个卫星接收到的信号的复杂分析来计算当前位置。gps制导系统可以通过惯性制导来补充，惯性制导不需要外部信号，而是利用由固定在车辆或移动机器上的平台组成的惯性测量单元(imu)。该平台通常有三个陀螺仪和三个加速度计，一对分别面向正交的x、y和z轴中的每一个。这些传感器提供有关平台旋转和线性运动的数据，该数据然后用于计算运动和位置，而与速度或任何类型的信号障碍无关。lidar系统通常由雷达补充，用于近距离物体或障碍物感测。雷达(无线电探测和测距)控制运动测量，使用无线电波来确定物体的速度、范围和角度。雷达在计算上比lidar系统轻，虽然它的角度精度不如lidar，但可以在任何情况下工作，甚至可以利用反射看到障碍物背后。雷达可用于lidar的冗余。此外，lidar系统还包括相机系统。相机最适合分类和纹理解释。到目前为止，它们是最便宜、最易获得的传感器，但使用大量数据，使得处理成为一项计算密集、算法复杂的工作。与lidar和雷达不同，相机可以看到颜色，这使其成为解释场景的最佳选择。当然，根据本发明，可以包括这种子系统的任何配置。为了单独地或以集成的配置来操作这样的子系统，优选地包括复杂的算法和执行软件的强大的处理器。

通过包括基于激光的照明源，本发明提供了优于以前的lidar技术的强大优势，该照明源可以是智能激光光源，包括空间动态功能、动态颜色或亮度和/或可见光通信[vlc]，例如，lifi。通过将基于激光的照明系统与lidar结合，lidar系统可以提供增强的功能、增加的灵敏度、更小或更紧凑的尺寸、包括在例如汽车内的设备的改进的样式、包括在例如汽车内的设备中的改进的集成以及更低的成本。

对于许多3d传感lidar应用，扫描激光束或扩展激光束和飞行时间测量可用于允许每个像素的深度坐标。另一种方法是用光脉冲照射整个区域，并使用飞行时间测量来平行收集深度坐标，一次一帧。通过使用探测器阵列，例如，光电二极管阵列、ccd、天线阵列、cmos阵列或其他并行检测设备，这种方法能够对周围环境进行快速成像。在许多情况下，这是在红外线中完成的，例如，905nm、1000nm、1064nm或1550nm。选择这些波长是为了最小化随着波长变短而增加的散射，以确保眼睛安全，避免在被成像的物体上进行可见光扫描，并且以便利用成熟的激光二极管技术，该技术成本效益高、可靠且高效。

虽然红外光源是lidar系统中采用的传统波长，但lidar与宽光源和探测波长范围兼容，其中，在从紫外到可见光以及近红外和远红外的不同波长范围内，lidar具有独特的优势和权衡。根据激光必须穿过的大气或介质材料以及测绘的物体或地形，某些波长或波长组可能是理想的。例如，lidar感测波长可以从工作波长为大约10um的激光源中选择，一直到250nm或者甚至更短的范围内的紫外线(uv)。事实上，近年来，已经出现了在蓝色和紫色范围内工作的成本效益、可靠且高效的含镓和氮的激光二极管(即，gan激光二极管)以及在本发明中描述的高亮度gan激光二极管泵浦的磷光体白光光源。利用这些可见光源有几个优势，例如，减少了对水的吸收。

通常，透射的光源光通过反向散射过程反射，然后被lidar系统检测到。用于lidar系统的最常见的反向散射过程包括瑞利散射、米氏散射、拉曼散射和荧光，所有这些散射都可以用于本发明。基于不同种类的反向散射，lidar可以相应地称为瑞利lidar、米氏lidar、拉曼lidar等。合适的波长组合可以通过识别回波信号强度中依赖于波长的变化来远程测绘大气成分。

瑞利散射是远小于辐射波长的粒子的光或其他电磁辐射的弹性散射，不会改变材料的状态。粒子可以是单个原子或分子，当光穿过透明固体和液体时会出现，但在气体中最明显。虽然瑞利散射主要是指直径小于入射光波长的十分之一的原子和分子粒子对光的弹性散射，但米氏散射主要是指直径大于入射光波长的原子和分子粒子对光的弹性散射。在米氏散射中，所有波长的白光散射大致相等，因为大气中的大粒子能够散射所有波长的白光，所以云看起来是白色的。拉曼散射是来自物体的光的非弹性散射，其中，散射光子比入射光子具有更低(拉曼斯托克斯散射)或更高(拉曼反斯托克斯散射)的能量。在本发明的某些实施方式中，lidar系统包含感测波长的适当组合，以允许通过识别回波信号强度中依赖于波长的变化来远程测绘大气成分。

lidar可以在空间上绘制各种各样的材料，包括建筑物、结构、人类和动物、车辆、物体、岩石、雨、化合物、气溶胶、云甚至单个分子。事实上，已经显示基于飞机的lidar系统可以向下测绘到厘米的分辨率。安装在飞机和卫星上的lidar仪器可以进行勘测和测绘，最近的一个示例是u.s.geologicalsurveyexperimentaladvancedairborneresearchlidar。nasa已经确定lidar是未来机器人和载人登月飞行器实现自主精确安全着陆的关键技术。lidar作为自主装置(例如，自动驾驶车辆)的关键传感器技术正获得广泛认可。

根据本发明，结合了lidar和含镓和氮的激光二极管，可以使用两种lidar探测方案：“非相干”或直接能量飞行时间探测(主要是振幅测量)和相干探测(多普勒或相位敏感测量)。相干系统通常使用光外差探测，这比直接探测更灵敏，允许它们以低得多的功率操作，但以更复杂的收发器要求为代价。

在相干和非相干lidar中，微脉冲lidar脉冲系统或高能脉冲系统都可用于空间测绘。微脉冲系统是基于与激光技术的进步组合的巨大计算机能力可用性发展起来的。微脉冲系统在激光中使用的能量要少得多，通常大约为1微焦耳，并且通常“对眼睛安全”，这意味着它们可以在没有安全措施的情况下使用。高功率系统在大气研究中是常见的，广泛用于测量许多大气参数。

图2呈现了现有lidar系统的简化版本。电源2701被配置为向系统内的各种组件供电。控制单元和/或处理器2702是系统的中央计算机或大脑，负责向激光驱动器2703指示调制信号或脉冲信号，指示调制和检测方案。激光驱动器2703向激光源2704或可选地向激光器和外部光调制器提供电流(和电压)，以激活激光输出2704并对来自激光输出的输出辐射上的信号进行编码。编码数据的调制方案可以包括各种长度和占空比的脉冲，也可以由本说明书中描述的其它方案组成。然后，脉冲或调制的激光束可选地通过一个或多个光学器件(光束整形器2705)馈送，以调节光束，例如，提供光束准直。然后，激光束在大区域中分布或定向，以扫描和照射作为单个像素的连续空间坐标，或者照射同时表示部分或全部包括图像的几个像素的大区域。在前一种“一次一个像素”的配置中，激光可以用宏观机械系统2706(例如，旋转扫描仪或测角仪)扫描，，或者扫描可以通过微扫描仪(例如，mems扫描镜)或微型显示器(例如，dlp芯片或lcos芯片)等。在后一种配置中，激光束可以通过扩束光学器件分布到更大的区域，或者可以使用微扫描仪(例如，mems扫描镜)或微型显示器(例如，dlp芯片或lcos芯片)等来扩展扫描功能。在用扫描仪或微型显示器进行空间分布之后，激光束可以可选地被馈送通过一个或多个光学器件(光束整形器2707)馈送，用于在通过出口路径处的输出发射机2708进入外部世界之前进行进一步的光束调节。一旦进入外部世界，扫描的激光束照射目标区域，并且在输入接收机2719中接收反射或反弹的光，在输入接收机2719中，光可以在撞击一些传感器之前可选地通过光学器件(光束整形器2717)耦合，所述传感器可以是光电二极管或光电二极管阵列2715。光电二极管或探测器阵列2715产生的电信号然后可选地在电放大器2713(例如，跨阻放大器)中放大。然后，该电数据传送到控制和处理单元2702，在控制和处理单元2702中，处理检测到的信号，以生成环境图。该处理可以包括飞行时间计算或相干外差检测。基于接收到的数据，处理单元2702可以修改激光驱动器2703的信号特性，以优化lidar性能或替代操作模式。图2当然是简化示意图，其他组件和方案也可以包含在lidar系统中。例如，可以包括gps或imu。

根据本发明的各种实施方式，将lidar和含镓和氮的激光二极管结合，lidar系统内激光波长的最佳选择取决于考虑灵敏度、效率、尺寸和安全要求的应用。波长在600至1000nm(例如905nm)的lidar系统最常见于非科学应用。lidar系统价格便宜，但是因为lidar系统可以聚焦并且容易被眼睛吸收，所以最大的能量受到保护眼睛的需要的限制，这是大多数应用程序的要求。作为一种常见的替代波长，1550nm激光器在高得多的功率水平下对眼睛是安全的，因为该波长不被眼睛聚焦，但是探测器技术不太先进，因此这些波长通常用于更长距离和更低的精度。lidar系统也用于军事应用，因为1550nm在夜视镜中不可见，不像较短的1000nm红外激光。

在本发明的一些实施方式中，包括用于机载地形测绘应用，lidar系统可以包括1064nm二极管激光二极管，这与通常使用的常规1064nm二极管泵浦yag激光器相反。在包括水下lidar应用在内的优选较短波长(例如，可见波长)的其他实施方式中，激光波长可以配置有范围从大约420nm到大约532nm的二极管激光器，其中，较短波长穿透水的衰减比1064nm小得多。与使用532nm倍频二极管泵浦yag激光器的传统系统相比，使用根据本发明的直接二极管含镓和氮激光二极管降低了成本、尺寸和重量，同时提供了更高效率的可能性。

确定lidar系统性能的关键激光操作参数包括激光重复率或脉冲，其控制数据收集速度和灵敏度。脉冲长度通常是激光腔、结构和寄生效应的属性，即需要通过增益材料的次数。只要lidar接收机探测器和电子设备具有足够的带宽，就可以可以用更短的脉冲获得更好的目标分辨率。由于含镓和氮的激光二极管可以被设计成提供3到ghz或更高的非常高调制带宽，根据本发明，与现有技术相比，提供改进分辨率的超短脉冲是可能的。包括在本发明中的实施方式提供了优于依赖倍频绿光激光器和yag激光器的现有技术的优点，这些激光器没有根据本发明的二极管激光器的短脉冲长度的高效、低成本、紧凑和/或能力。

在本发明的一些实施方式中，传统的lidar技术和激光源与含镓和氮的激光二极管和基于激光的光源(包括智能光源)相结合。即，lidar系统可以利用更传统的波长和激光源，例如，905nm、1000nm、1064nm或1550nm激光，并且包含在基于激光的照明系统中的紫色或蓝色激光二极管将仅用于基于激光的可见照明源，根据本发明其可以是包括传感器、反馈回路和/或动态颜色或空间模式的智能激光源。在这些实施方式中，基于激光的光源和lidar技术的新颖组合实现了新型改进的系统性能，例如，增强的能力、更小和/或更紧凑的照明和lidar系统、更低成本的系统以及更坚固或健壮的系统。在一个示例中，与基于lidar和激光的等效但分离的照明系统相比，基于lidar和激光的组合照明系统将使用户能够实现更小的尺寸、更低的成本和/或更容易的系统或者将提供更可靠的组合系统。在另一示例中，与作为独立系统的lidar系统和基于激光的照明系统相比，组合的lidar系统和基于激光的照明系统的功能或灵敏度将被配置用于提高性能。这些实施方式可以应用于自主物体或交通工具、物联网应用或其他消费者、国防、汽车或专业应用中。

在本发明的优选实施方式中，基于激光的照明系统内的含镓和氮的激光二极管形成lidar感测波长。即，激发波长转换器材料以产生照明功能的相同的紫色或蓝色发射激光二极管也被空间扫描并照射目标，以形成lidar勘测功能。在一些优选实施方式中，仅含镓和氮的激光二极管发射波长用于lidar扫描，其中，在一个示例中，可以在目标上扫描直接相干激光束，并且在另一示例中，反射或散射激光束可以重新准直并用于lidar扫描。在又一实施方式中，单独地或除了来自含镓和氮的激光二极管的发射(例如，紫色或蓝色发射)之外，来自波长转换器材料的光发射(例如，黄色或绿色、红色发射)也可用于lidar扫描。通过在扫描系统中包括多个波长，可以实现增强的检测。

激光扫描和光学设计对lidar系统的灵敏度、分辨率和刷新率至关重要。对于具有含镓和氮的激光二极管的lidar系统，本发明包括扫描方位角和仰角的几种选择，包括双振荡平面镜、与多面镜的组合、双轴扫描仪、mems反射镜、dlp芯片、光纤扫描仪、lcos等。贯穿本发明描述的任何和所有波束控制元件都是lidar中扫描系统的候选选项。光学器件的选择会影响可检测的角度分辨率和范围。用于传输和收集信号光路的光学部件可以包括光圈、孔镜、分束器、反射镜、快轴准直透镜、慢轴准直透镜、再成像光学器件、放大光学器件、分色镜、扩散器等。

在一些实施方式中，除了激光照明源、激光束扫描或扩展设备(例如，mems微扫描镜或光束扩展光学器件)以及用于传输和收集的光学架构之外，还需要合适的光探测系统。该系统的复杂性和结构将受到lidar系统的类型[相干与非相干]、系统的波长范围以及探测的灵敏度和速度要求的影响。根据本发明，lidar中使用的主要光电二极管技术包括固态光电探测器，例如，硅雪崩光电二极管、硅光电二极管、gaas光电二极管、gan光电二极管、光电倍增器等。检测系统可以被配置为一次检测一个像素的返回或反射信号，例如，使用单个探测器配置，或者可以被配置为同时检测来自大量像素的返回或反射信号，以一次捕捉部分或全部帧。

对于接收机中的弱光探测，设计者有三种基本的探测器选择：硅pin探测器、硅雪崩光电二极管(apd)和光电倍增管(pmt)。apd广泛应用于仪器仪表和航空航天领域，提供了其他探测器无法比拟的高速和高灵敏度的组合。接收机中的apd将接收到的光脉冲转换成电信号。输出与入射光成比例的电流。然后，使用跨阻放大器将电流转换成电压信号。好的跨阻放大器应该具有高增益、高输入阻抗、超低电压和电流噪声以及低输入电容。通常有fet或mos输入级来满足这些要求。高性能装置可实现输入噪声电压<1.0nv√hz和电流噪声<15fa√hz。跨阻放大器的输出通常转换成差分信号，并在被adc数字化之前放大。发射的脉冲通常大幅衰减(大气条件等)，导致发射和接收的脉冲之间的强度差异很大。发射机附近的物体也可以将高功率信号反射回接收机。这导致对接收系统的动态范围要求很高。接收系统应该足够灵敏，能够处理全功率和非常低的反射脉冲。100db量级的动态范围要求并不少见。这种动态范围通常是通过在adc的前端使用可变增益放大器(vga)或数字vga(dvga)来实现的。(用于汽车/工业/军事应用的lidar系统设计，texas仪器)

在一些应用中，lidar传感器安装在飞机或卫星等移动平台上，需要仪器来确定传感器的绝对位置和方向。这种装置通常包括全球定位系统(gps)接收机和惯性测量单元(imu)，例如，加速度计。

可以使用扫描和非扫描系统两者实现lidar成像。例如，“3d门控观察激光雷达”是一种非扫描激光测距系统，该系统应用脉冲激光和快速门控相机。此外，激光束可以扩展，以捕捉大区域，而不必主动扫描该区域上的光束。有几种方法可以进行非机械光束控制或扫描激光信号。在一个示例中，多个单频激光器用于相干光束控制。一般原则是部署发射机阵列，可以控制激光器产生的每个波的相位。然后，通过动态控制各个相位，操纵来自发射机阵列的组合波前，以前沿特定方向行进。在另一实施方式中，来自单个高相干发射机的输出被分成多条路径，其中，可以单独操纵每条路径中发射光的相位，以控制光束重新组合时包含的波前。或者，可以通过光栅引导波长可调的激光输出，其中，来自光栅的输出发射的方向取决于波长。通过动态调谐激光器的波长，可以控制输出光束方向。使用dlp技术的虚拟波束控制研究已经开始。所有这些光束控制和扫描技术都适用于本发明，包括含镓和氮的激光二极管。

在本发明的一些优选实施方式中，成像lidar系统用光脉冲照射整个视场，并使用测量(例如，飞行时间测量)来并行收集数十到数百万个空间点的深度坐标，一次一帧。这些接收机系统必须利用阵列来并行检测来自许多空间点的回波信号。在一个实施方式中，lidar系统中包括高速探测器和调制敏感探测器阵列。这些阵列可以使用cmos和混合cmos/ccd在单个芯片上构建，以实现低成本、可靠和高性能的并行检测。在这种配置中，每个像素可以执行一些局部处理，例如，高速解调或选通，将信号下变频为视频速率，使得可以像相机一样读取阵列。使用这种技术，可以同时获得许多密集的像素阵列或通道。在本发明的一些实施方式中，利用电子ccd或cmos快门的零差探测用于高分辨率3dlidar。

在并行探测lidar系统的另一实施方式中，可以使用诸如dlp芯片或lcos芯片的光学阵列(例如，微型显示器)来收集来自各种空间点的同时回波信号。然后光学阵列将来自各种空间点的反射光引导至探测器，其中，探测器可以是探测器阵列或单个探测器。通过适当的数据处理、算法设计和同步，可以计算出各种空间点的深度坐标。

在一些实施方式中，在接收机单元的检测方案中包括mems扫描镜。例如，mems扫描仪将与光学阵列结合，从每个像素单独拾取信号，并将其引导至单个光电二极管。在另一更理想的示例中，mems扫描镜将被配置为在lidar照射区域上光栅化，并从各种空间坐标捕捉回波信号，其中，mems反射镜的各种旋转位置将与图像或帧中的各种像素相关联。mems反射镜然后将回波信号反射到探测器，例如，光电探测器、cmos探测器或探测器阵列。在又一优选且简化的实施方式中，在lidar系统的发射机侧使用单个或多个mems或微型显示器，以在目标区域上光栅化或分布照明脉冲，并在lidar系统的接收机侧收集反射信号。

在一个具体实施方式中，微型显示器用于利用光束控制元件(例如，mems扫描镜)或利用2d阵列微型显示器(例如，dlp芯片或lcos芯片)对诸如脉冲的激光成像信号进行光栅化，以照射目标区域。在一种配置中，检测系统配置有cmos探测器阵列。在另一种配置中，检测系统使用耦合回光电二极管的微型显示器。

在另一先进方案中，包括相干成像lidar。相干成像lidar包括合成阵列外差探测，使凝视的单个元件接收机像一个成像阵列一样工作。

在本发明的一些实施方式中，基于激光的光源包括在装置或移动机器上的lidar系统中，例如，车辆、汽车、飞机、船舶、水下船只、无人驾驶飞机、卫星、直升机、气象气球或其他设备。在这些实施方式中，lidar源可以是传统的lidar系统，其不必容纳或包含在与基于激光的光源相同的封装中，而是必须至少包含在相同的设备内或上，以提供基于激光的照明和lidar成像的组合功能。例如，lidar成像系统将提供环境的三维测绘，并且基于激光的照明系统将提供专门的照明功能，例如，用于提高可见度或安全性的远程照明、聚光照明或智能照明功能，其可以包括本发明中描述的任何智能照明功能，例如，空间动态照明、可见光通信[vlc](例如，lifi)、动态颜色控制，其可以与用于闭环反馈的传感器相结合。基于激光的照明系统的独特特性(例如，高方向性或高分辨率动态显示和模式能力)与实时lidar成像相结合，可以提高包括自主应用程序在内的许多应用程序中使用的smart系统的安全性和功能性。

图3a示出了根据本发明的一些实施方式的包括lidar系统和基于激光的可见光源的设备或移动机器的示意图。诸如移动机器的设备2800包括至少一个电源2801，该电源用作激光照明系统2810和lidar系统2820两者的能源。激光照明系统2810由含镓和氮的激光二极管2811组成，该激光二极管2811以在蓝色波长区域(420nm至485nm)或紫色波长区域(390nm至420nm)中输出的第一电磁辐射操作。第一输出电磁辐射是入射到波长转换元件(例如，磷光体材料)上的入射光束，其中，第一蓝色或紫色峰值波长的至少一部分转换成第二峰值波长，以产生白光，作为具有混合的第一峰值波长和第二峰值波长的输出光束。在一些优选实施方式中，波长转换元件或磷光体材料以反射模式操作，以相对于入射光束产生输出光束。在其他优选实施方式中，波长转换元件或磷光体材料以透射模式操作，以相对于入射光束产生输出光束。一旦产生白光，就通过诸如准直光学元件的光学元件耦合，以形成输出光束。

lidar系统2820包括激光子系统，该激光子系统至少具有包含激光器的发射机模块2822，其中，发射机2822被配置为生成激光脉冲并将激光脉冲作为一个或多个感测光信号引导至周围环境。lidar系统2820还包括检测子系统，该检测子系统包括至少一个接收机模块2823，该接收机模块2823用于在一个或多个感测光信号从周围环境反射后返回时检测光信号。此外，lidar系统2820包括处理器2821，用于同步发射机2822和接收机2823，处理发射的激光脉冲和反射光信号，并执行飞行时间计算，以确定到所有周围物体的距离并生成其三维图。

激光照明系统2810可以可选地通过信号处理器和/或发生器2802耦合到lidar系统2820，信号处理器和/或发生器2802被配置为基于从lidar系统2820提供的反馈或信息来控制激光照明系统。在一个示例中，lidar系统2820检测迎面而来的移动物体。为了防止对迎面而来的物体的眩光，处理单元2802调节到激光照明系统2810的电流，以调暗或降低激光照明系统2810的亮度，从而防止眩光危害。在替代示例中，lidar系统2820检测移动机器的操作者可能不知道的移动物体，并且可以防止安全隐患，例如，碰撞危险。在这种情况下，处理单元2802向激光照明系统2810产生信号，以修改光特性，例如，激活移动物体上的聚光功能，以引起操作者的注意。此外，激光照明系统2810可以是动态源，具有动态改变光束角度和/或光输出的空间模式/位置的能力，使得可以用聚光灯动态跟踪移动物体。

在本实施方式的一个示例中，基于激光的照明系统2810和lidar系统2820的组件可以作为集成系统2800或作为单独的系统容纳在公共封装内。例如，lidar系统2820和基于激光的照明系统2810可以容纳在汽车(例如，自动驾驶车辆)的前灯内。在另一示例中，基于激光的照明系统和lidar系统可以包含在无人驾驶飞机上的照明外壳中。

在一个示例中，基于激光的照明系统和lidar系统设置在移动机器上，例如，自动驾驶车辆或无人驾驶飞机，其中，lidar系统用于扫描和导航，并且基于激光的照明系统用于聚焦物体或地形，以提供通信或警告。在一个优选实施方式中，lidar功能和照明功能经由回路连接，其中，lidar图像作为传感器信号反馈到基于动态激光的照明模式。例如，如果lidar测绘检测到路边有动物，则激光照明源可以被配置为优先聚焦。在另一示例中，如果通过lidar测绘检测到迎面而来的汽车，则基于激光的照明模式可以被配置为在迎面而来的交通流上使光束熄灭或变暗。当然，在包括汽车、娱乐、商业、空间和国防等的许多应用中，动态照明模式和动态lidar扫描模式结合使用以增加功能性和安全性的方式的示例有很多。

图3b示出了根据本发明的一些实施方式的使用图3a的集成了lidar系统和基于激光的可见光源的设备的示例。参考图3b，汽车包括lidar系统和基于激光的光源。在该实施方式中，lidar系统用于对环境进行空间测绘，基于激光的照明系统用于用可见白光照射特定物体和一般环境。

在一个实施方式中，基于激光的照明系统可以用于经由vlc或lifi通信，以传输将被周围的机器、装置或人检测的数据信号。例如，传输的信号可以用于传输关于容纳lidar系统的主体设备的速度、速度、轨迹或意图的数据。在另一实施方式中，通过将形状或标志投影到可见表面上，动态空间照明用于与周围的物体、装置或人进行通信。在又一实施方式中，具有动态颜色调谐的照明系统用于与周围的物体、装置或人进行通信，其中，基于激光的光的颜色或亮度将改变，以传达消息。这种基于lidar和激光的照明系统的新颖组合能够实现自主或半自主车辆、装置、无人驾驶飞机、船只、车辆和其他机器的能力，这些机器具有为导航而对环境成像的关键能力，同时照射环境中的物体、装置和人/动物并且与环境中的物体、装置和人/动物通信。

在一个示例中，lidar系统以红外波长工作，例如，800nm至1100nm(例如，通常在905nm或1064nm)、1100nm至1450nm或1450nm至1800nm之间的波长，并且基于激光的光系统以400nm至480nm之间的激光激发源波长和波长转换元件(例如，磷光体)操作。激光光源将被配置用于激发激光到磷光体元件的反射模式或透射模式耦合。基于激光的光源将被配置为对由lidar系统检测到的特定或预定的环境条件做出反应。基于激光的照明系统和lidar系统组件可以共享一个共同的封装元件或基座元件，但是也可以完全分离并安装在车辆或设备的不同位置上。

在本发明的一些实施方式中，基于激光的光源完全或部分地与lidar系统集成，并被配置在设备装置上，例如，移动机器，例如，车辆、汽车、无人驾驶飞机、飞机、船舶、水下船只或其他设备。在这些实施方式中，lidar系统将至少部分地包括与基于激光的光源共享的一个或多个组件，例如，基于激光的光源中的激发激光二极管。其中至少一部分lidar功能集成到基于激光的照明系统中的这种系统将提供系统的整体尺寸、成本和重量减小的潜在优点以及增加功能性、灵敏度或增强能力的机会。在根据该实施方式的一个示例中，基于激光的照明系统和lidar的至少一部分容纳或包含在同一封装中。

在该实施方式的一个示例中，来自波长为390nm至480nm的紫色或蓝色激光二极管源的发射也用于lidar系统中的激光扫描功能，该发射用于激发波长转换元件，例如，磷光体元件，以产生基于激光的白光。蓝色或紫色激光二极管发射可以分成两个光束，其中，第一光束主要用于激发磷光体并产生光，例如，白光，第二光束被准直，以空间测绘周围环境。在一个实施方式中，用于lidar感测的准直激光使用扫描元件，以基于扫描镜的光栅模式在预定的主体区域上空间扫描激光束。扫描元件可以是双轴或单轴扫描mems装置，其通过环境在空间上扫描紫色或蓝色波长的准直激光束，并感测返回的(散射/反射的)激光束，以使用飞行时间方法计算距离，并因此生成三维图。在替代实施方式中，光束整形元件用于将蓝色或紫色激光束扩展到预定发散度，以同时照射整个主体区域。在公共配置中，激光源和/或扫描元件将被配置为产生周期性的短光脉冲或调制的强度方案，以实现发射和检测的信号的同步，其中，飞行时间计算或相干检测计算可用于计算距离和测绘主体区域。在本发明的这个实施方式中，激光源用于照明功能和lidar功能。利用可见波长进行lidar探测的一个挑战是眼睛的安全问题。然而，这可以通过使用短光脉冲来限制眼睛曝光，通过将输出功率限制在眼睛安全水平，和/或通过使用扫描方法和安全算法来防止损害或延长眼睛曝光来克服。

图4是根据本发明的一些实施方式的与lidar系统集成的激光照明系统的简化示意图。如图所示，集成系统2900配置有电源2901，以向lidar系统和激光照明系统供电。可选地，单独或多个电源2901可以与控制器2902一起使用，控制器2902包括处理器和一些驱动电子设备，驱动电子设备被配置为从电源2901接收功率并从lidar系统的接收机组件2931接收数据或信号。基于外部输入2990，例如，用户输入或预定输入，以提供指定的功能和从电源2901供应的功率，控制器2902确定要发送到一个或多个含镓和氮的激光二极管2903的适当驱动信号。驱动信号被配置为驱动激光二极管2903的电流和电压特性，以从激光二极管产生适当的强度模式，从而提供第一电磁辐射，该第一电磁辐射的特征在于第一峰值波长，例如，蓝色或紫色峰值波长。在一个实施方式中，驱动信号被配置为产生激光照明源中所需的具有期望亮度和光通量的激光的适当模式以及具有期望感测光信号的用于lidar扫描功能的激光发射或者用于lidar系统的激光脉冲，以基于感测光信号感测反射光信号，并基于感测光信号和反射光信号执行飞行时间计算。在一个替代实施方式中，可以包括光学调制器，以对lidar系统或激光照明源的光信号单独进行编码。

如图4所示，来自激光二极管2903的第一峰值波长的第一电磁辐射然后分成两个单独的光路。第一光路入射到波长转换元件2911(例如，磷光体)上，其中，具有第一峰值波长的第一电磁辐射的至少一部分转换成具有第二峰值波长的第二电磁辐射(从受激磷光体发射)。可选地，第二峰值波长在黄色范围内。在优选实施方式中，第二电磁辐射与第一电磁辐射的一部分混合，以产生作为白光的基于激光的照明系统的输出电磁辐射。然后用一个或多个光束整形元件2912调节所产生的输出电磁辐射，以提供预定的准直、发散和模式。可选地，可以将光束控制元件添加到基于激光的照明系统中，以产生空间动态照明。在一些实施方式中，在入射到波长转换元件2911上之前，使用额外光束整形元件(例如，准直光学器件)来准直激光。此外，可以使用诸如玻璃或聚合物纤维的光纤或其他波导元件将激光从激光二极管2903传输到波长转换元件2911，以产生远程泵浦转换。

根据图4，第二光路将具有第一峰值波长的电磁辐射引导至lidar发射机模块2921，其中，可以与其他发射机组件组合。在一些实施方式中，准直光学器件(例如，透镜)用于在激光进入lidar系统的发射机模块2921之前准直激光。此外，诸如玻璃或聚合物纤维的光纤或其他波导元件可用于将激光从激光二极管2903传输到lidar发射机模块2921。如前所述，光调制器可以包括在该第二光路中，以产生光脉冲或其他光信号，作为期望的lidar功能所需的感测光信号。在出射到外部环境之前，lidar系统的感测光信号可以由用于lidar系统的传输光学器件2922以适当的发散度和方向适当地调节，以在周围环境的期望目标区域上扫描感测光信号。可以由lidar系统以各种方式捕捉期望目标区域的图，包括使用动态扫描仪(例如，mems扫描镜)扫描感测光信号，使用微型显示器(例如，dlp或lcos)记录图像，和/或使用基本光学器件2932(例如，透镜、反射镜和漫射元件)简单地扩展或整形光束。一旦传输光学系统2922完成了所有的信号处理和光束调节，lidar感测光束就从外部投射到目标区域，其中，从周围环境中的各种远程目标物体反射和散射，并部分返回到lidar系统的接收机模块2931。接收机模块2931包括一些接收机光学组件和信号处理器(例如，模数转换器)、检测元件2932(例如，光电二极管、光电二极管阵列、ccd阵列、天线阵列、扫描镜或耦合到光电二极管的微型显示器、或者被配置为检测来自远程目标物体的反射或散射光信号并将其转换成电信号的其他组件)。由检测元件2932检测到的电信号由接收机模块2931接收，然后用于计算发射和检测到的lidar信号(例如，感测光束)的飞行时间。可选地，与接收机模块2931相关联的信号处理器可以生成远程目标物体的空间图。可以直接在接收机2931中进行确定飞行时间和空间图的计算或处理。或者，在单独的处理器单元2902中进行空间图生成。

当然，可以实现该实施方式的许多新颖配置。例如，基于激光的照明系统的光源可以包括多个含镓和氮的激光二极管，其中，多个激光二极管中的一个或多个用于lidar扫描功能。在一个示例中，在390nm至550nm范围内操作的多个含镓和氮的激光二极管在lidar系统中用于多波长(多光谱)或高光谱lidar照明扫描。这种与相应的信号调节和检测耦合的波长分集可以提高灵敏度和/或向lidar用户提供更多关于环境景观的信息。在替代实施方式中，其它波长范围可以由含镓和氮的激光二极管产生，例如，紫外、青色、绿色、黄色、橙色或红色。此外，可以包括任何数量的扫描、光栅化或图像生成技术，例如，dlp、lcos和扫描光纤。

在替代实施方式中，基于激光的照明系统(其中，含镓和氮的激光二极管波长用于lidar照明)被配置在传统的lidar系统内，利用标准的lidar波长，例如，905nm、1000nm、1064nm、1550nm等。通过将来自含镓和氮的激光二极管的波长(例如，390nm至480nm范围内的蓝色波长)与来自传统lidar系统的红外波长相结合，可以提高灵敏度或功能性。通过根据或基于回波信号或回波(例如，振幅、飞行时间或相位)的差分分析，使用单独的波长来感测环境的不同特性，来实现这种增加的灵敏度和功能性。在一些实施方式中，在包括基于gaas或inp的激光二极管的系统中，不使用以更长波长发射的含镓和氮的激光二极管。

在另一实施方式中，已经从激光照明系统中的波长转换元件反射和/或散射的激光激发光束可以用于实现lidar感测功能。在该实施方式中，省去了分束器或类似部件，以在激发波长转换元件之前“拾取”用于lidar感测的直接激光束的一部分。例如，来自基于gan的激光二极管具有在390nm至480nm范围内的第一波长的紫色到蓝色激光器激发波长转换元件，例如，磷光体，以产生更长的第二波长发射。在一个示例中，第二波长是黄色发射，其与来自基于gan的激光二极管的剩余紫色或蓝色发射混合，以产生白光发射。该白光发射可能具有朗伯模式，然后准直并耦合到一维或二维扫描仪，例如，扫描mems反射镜。扫描仪的扫描元件然后将在环境和周围环境中扫描准直光束，并用作lidar扫描照明元件。准直白光束中的紫色或蓝色第一波长扫过环境，并感测返回的(散射/反射)激光束，以使用飞行时间方法计算距散射物体的距离，因此生成三维图。提供用于lidar感测的紫色或蓝色激光器的特征在于从1mw10mw、10mw至100mw、100mw至1w和1w至10w中选择的一个范围内的高功率水平，其能够在潮湿条件下感测和测绘远程目标物体，其中，相对湿度水平在大于25％、大于50％、大于75％和大于100％的以下每个范围内。

在该实施方式的通用配置中，将操作激光源和/或扫描元件，以产生周期性的短光脉冲或调制强度方案，以使发射和检测的信号能够同步。探测器可以配置有陷波滤波器，该陷波滤波器被设计为仅接收以激光发射波长为中心的窄带(即，2nm-20nm或20nm-100nm)内的波长，例如，激发源中的紫色或蓝色波长。这种配置将最佳地适合于在本发明中描述的空间动态的基于激光的照明实施方式，该照明实施方式将微型显示器(例如，mems扫描镜)与基于激光的照明/照亮技术相结合。此外，基于智能激光的照明系统将为闭环反馈回路提供传感器反馈，使lidar感测和智能激光照明功能能够激活并响应于环境条件的变化。

图5是根据本发明的一些替代实施方式的与lidar系统集成的激光照明系统的简化示意图。如图所示，集成系统3000配置有电源3001，以向lidar系统和照明系统供电(注意，在一些实施方式中，可以使用单独的或多个电源)，并且配置有处理器和控制单元3002，控制单元被配置为从电源3001接收功率并且从lidar系统的接收机部分3031接收数据或信号。基于外部输入3090，例如，用户输入或预定输入，以提供指定的功能和从电源3001供应的功率，处理器和控制单元3002基于外部输入3090确定适当的驱动信号，以驱动一个或多个含镓和氮的激光二极管3003。驱动信号被配置为确定激光二极管3003的电流和电压特性，以产生作为具有第一峰值波长(例如，蓝色或紫色峰值波长)的电磁辐射提供的适当强度模式。在一个实施方式中，驱动信号被配置为产生激光照明源中所需的具有期望亮度和光通量的激光的适当模式以及用于lidar扫描功能的激光发射，具有用于lidar感测和飞行时间计算的期望信号或激光脉冲。在一个替代实施方式中，可以包括光学调制器，以对lidar系统或激光照明源的光信号单独进行编码。

如图5所示，来自激光二极管3003的第一峰值波长的初级电磁辐射作为入射光被引导到波长转换元件3004中。波长转换元件3004是磷光体材料，其被特定波长的入射光激发，以重新发射具有更长波长的光。因此，具有第一峰值波长的初级电磁辐射的至少一部分被转换成具有第二峰值波长的次级电磁辐射，例如，黄色峰值波长。在优选实施方式中，具有第二峰值波长的次级电磁发射由一个或多个光束整形元件3005与具有第一峰值波长的电磁辐射的至少一部分组合或混合，以产生白光。可选地，作为组合发射的白光至少包括紫色或蓝色范围的第一峰值波长和黄色范围的第二峰值波长。另外，一个或多个光束整形元件3005被配置为提供预定的准直、发散和模式，用于引导照明和lidar感测的组合发射。

如图5所示，输出组合发射的至少一部分，并成形为lidar扫描发射。在一个实施方式中，由一个或多个光束整形元件3005产生的lidar扫描发射包括基于接收的基于激光的白光的具有第一峰值波长的第一感测光信号和具有第二峰值波长的第二感测光信号。一方面，在第一感测光信号和第二感测光信号的光束经由lidar信号传输模块3022投射到环境中，以在包括目标物体及其周围环境的远程区域上扫描之前，lidar扫描发射可以通过lidar传输组件3021馈送，用于信号整形、滤波、波长相关传输、光束控制(其可以是利用mems等的主动光束控制)等。另一方面，提供组合发射的剩余部分，作为用于照明的光束。该光束可以通过额外的光束整形光学组件3011进一步处理，以准直到15o或更小，作为具有增强的方向性和减小的衰减的目标物体的更好的照明源。可选地，另外包括光束控制元件3012来操纵照明源的光束，以创建至少部分目标物体的空间动态照明。

在一些实施方式中，在入射到波长转换元件3004上之前，使用额外光束整形元件(例如，准直器)来准直激光。此外，诸如玻璃或聚合物光纤的光纤或其他波导元件可用于将激光从激光二极管3003传输到波长转换元件3004，以产生远程泵浦转换。

在替代实施方式中，从一个或多个光束整形元件3005输出的白光作为来自激光二极管的初级发射和来自波长转换元件3004的次级发射的组合发射分成两个光路，用于单独的调节和操纵可能性，分别具有用于照明系统的第一光束和用于lidar系统的第二光束。在其他实施方式中，lidar系统和激光照明系统可以遵循相同的光路，使得来自lidar系统的照明区域和3d扫描区域几乎相同。

在另一替代实施方式中，从一个或多个光束整形元件3005输出的白光通过单个光路馈送到光束投影仪，该光束投影仪包括lidar传输组件3021、lidar信号传输模块3022、光束整形光学组件3011和光束控制元件3012，用于完成信号处理、滤波、光束整形、准直和投影的多个任务，以生成具有第一峰值波长的第一感测光信号、具有第二峰值波长的第二感测光信号和用于照明的白光光束。或者，光束投影仪包含混合准直器，来处理组合发射。混合准直器包括：中心准直器，被配置为将白光的一部分准直为lidar感测光束；以及外部准直器，被配置为将白光的剩余部分准直为照明光束。特别地，作为lidar感测光束准直的白光部分包括来自初级激光二极管3003的具有第一峰值波长的第一感测光信号和来自波长转换元件3004的次级发射的具有第二峰值波长的第二感测光信号。中心准直器被配置为将第一感测光信号和第二感测光信号的光束准直到小于1o或2o，这对于lidar感测光扫描和在一个或多个目标物体和周围环境上具有高定向光束的返回光探测是优选的。外部准直器被配置为将白光光束准直到小于15o，用于简单地照射一个或多个目标物体。

如前所述，与lidar系统集成的激光照明系统包括光学调制器，该光学调制器被配置为产生期望的lidar感测功能所需的脉冲信号。可以通过各种方式捕捉目标lidar测绘区域，即，通过经由用于lidar信号传输的光学器件扫描lidar感测光信号，该光学器件包括动态扫描仪(例如，mems扫描镜)、微型显示器(例如，dlp)，或者通过使用基本光学器件(例如，透镜、反射镜和漫射元件)简单地扩展或成形高度准直的光束。光调制器被配置为提供具有第一速率的调制信号，以驱动含镓和氮的激光二极管发射具有第一峰值波长的第一光，该第一峰值波长被第二速率中断，其中，第二速率基本上与从波长转换元件重新发射的黄色的第二光的延迟调制速率同步。与来自波长转换元件的黄色脉冲相关联的延迟调制速率与来自激光二极管的激发蓝色脉冲的速率相关联。在低调制速率下，脉冲可能或多或少是同步的，这可能不是问题。但是在快速调制速率下，例如，ghz，在一个黄色脉冲下将有数百到数千个蓝色脉冲。次级黄色发射看起来像背景噪声，因为它基本上不会关闭。这可以通过在激励信号中包括脉冲中断来克服。这些中断将设置黄色信号的位长度。

一旦完成所有的信号传输和光束调节，包括用于lidar系统的第一感测光信号和第二感测光信号的准直lidar感测光束从外部投射到包括各种目标物体和周围环境的设计投射区域。可选地，在每个扫描周期中，提供lidar感测光束，作为至少具有第一峰值波长和第二峰值波长的一系列光脉冲。第一感测光信号和第二感测光信号被分别从投影区域中的各种目标物体反射和散射。lidar系统的接收机模块3031接收反射/散射光信号的至少一部分。接收机模块3031耦合到一些光接收组件3032，包括一个或多个光探测器(例如，光电二极管、光电二极管阵列、ccd阵列、天线阵列、扫描镜或耦合到光电二极管的微型显示器、或者被配置为检测反射/散射的光信号并将其转换成电信号的其他组件)。接收机模块3031还包括至少一个信号处理器，用于将电信号处理成数字格式，并进一步基于传输的第二感测光信号和检测到的数字格式信号计算飞行时间。飞行时间信息可用于生成目标物体及其周围环境的空间图或图像。

可选地，接收机模块3031包括：第一信号接收机，被配置为检测第一感测光信号的反射信号，以生成一个或多个目标物体的第一图像；第二信号接收机，被配置为检测第二感测光信号的反射信号，以生成一个或多个目标物体的第二图像。可选地，将第一信号接收机生成的第一图像与第二信号接收机生成的第二图像同步，以获得一个或多个目标物体的色差图像。蓝色光和黄色光之间的衰减差异可以提供关于环境的信息，包括光信号穿过的空气或其他空间或者光信号反射的材料。类似地，蓝色和黄色信号光的返回时间的差异可以提供关于光由于色散而穿过的材料的信息。可选地，确定飞行时间和目标物体/区域的空间图或图像的计算或处理可以直接在接收机模块3031中完成，或者可替代地在处理器和控制单元3002中完成。

应当理解，从波长转换元件(3004，例如，磷光体)输出的基于激光的光源实现了极高的亮度，以用于lidar应用。激光本身通常用于lidar系统，主要是由于其高方向性、低衰减和极高亮度的特点。发射特性使激光能够高度准直，以保持受控光束在长距离(即10m至10,000m)上精确而密集地勘测环境。其他照明源(例如，led)根本不能满足这种亮度要求，以实现准直和方向性。然而，先进的基于激光的照明系统使用高功率激光照射磷光体上的微小点，并从50μm到1000μm的点尺寸(光学孔径)产生300到3000流明的光，即使磷光体(即波长转换元件)的发射可能是朗伯的，也能够实现极端的准直。因此，在这种基于激光的照明系统中，光束可以准直到小于1o、小于2o或小于5o，以实现lidar应用中所需的方向性和强度。在本文描述的所有实施方式的一些示例中，与照明或照射系统相比，某些独立的光学器件可以用于lidar系统。例如，混合光束准直器可以用于实现与外部光束准直分离的中心光束准直。中心光束准直可以是更高的准直，例如，小于1o或2o，以用作初级lidar传输光束准直器。外部光束准直可以是较低的准直，例如，小于15o、小于10o或小于5o，并用作初级照明光束准直器。当然，这仅仅是如何设计光学系统以从照明系统照明特性中分别优化lidar传输光束的一个示例。

这个示例的优点是多方面的。如上所述，lidar系统与利用微型显示器的基于激光的智能照明系统的集成是已经需要激光源和扫描系统的智能灯配置的一个很好的额外优点。在这种配置中，基于动态激光的光源同时用于照明功能和lidar功能。通过将lidar和激光照明功能(例如，智能照明)组合成一个公共装置，可以实现增加的功能、降低的成本、减小的尺寸和提高的可靠性。这些优点在一些先进技术应用中至关重要，例如，自动驾驶车辆、飞机和船舶以及军事、国防、汽车、商业和专业应用，其中，尺寸、重量和造型是关键的设计参数，成本总是很重要。

在这些实施方式中描述的采用一个或多个可见的含镓和氮激光二极管的lidar系统的关键区别和优点在于，与lidar中使用的更常见的红外波长相比，对水的吸收减少。因此，在某些条件下，这些可见波长将比红外波长更自由地穿过湿气，例如，雾、雨或水体，从而在含水的工作环境中提高lidar的灵敏度。因此，即使某些散射现象与波长的4次方成反比，在可见光范围内，吸水率明显低于红外线，在有水(例如，雾或雨)的情况下，导致效率性能更高。例如，与905nm相比，使用450nm的光，散射增加16倍，使得6％的光透射。然而，905nm的吸水率是450nm的蓝光的100倍以上，导致信号强度高出5倍以上。在一个示例中，来自激光激发源的蓝色波长为在潮湿或湿润条件下操作的自动驾驶车辆提供了改进的可见度和安全性。潮湿条件下能见度的提高可以提高车辆和车内乘客的安全性。

图6示出了纯水的吸收光谱，其中，根据光波长(在介质外部测量)绘制吸收系数。阴影区域对应于可见光范围，从波长约380nm的紫色到波长约760nm的红色。可见区域的左边是紫外区域，可见区域的右边是红外区域。从该图可以清楚地看出，在纯水中，可见光波长的吸收系数低于传统lidar激光源操作的红外区域。事实上，在可见光谱的红色端的吸收比在曲线的最小值强大约一百倍，在蓝色区域的波长为大约450nm。吸收减少将使基于含镓和氮的可见激光二极管(例如，蓝色激光二极管)的lidar系统能够在湿润环境(例如，雨天、雾天或水下)中以更高的精度对环境进行空间测绘和成像。应当注意，图6中的吸收光谱是纯水的吸收光谱。在实际环境中，水中会有一些杂质，因此最小化吸收的最佳波长可能会有所变化。

该实施方式使用基于动态的激光光源作为集成lidar功能的照明源，实现了大量的能力和操作概念，其中，来自基于激光的光源的照明模式可以是独立的或者与为lidar成像扫描的模式相同。在一个概念中，扫描仪部件的扫描模式从由微型显示器的扫描轮廓所指示的基于激光的光源提供静态光学照明模式，该微型显示器简单地将光放置在恒定几何模式中达特定时间段，同时扫描和检测lidar信号，以在光的照明模式内生成环境的3d图。在此处，照明模式和lidar成像模式可以相同或几乎相同。这种操作模式的优点是允许用户在他们用基于激光的光源进行光学照明的领域中几乎精确地视觉看到3dlidar图像。必须注意的是，在第一概念中，静态照明模式可以基于来自用户或传感器的输入来改变或修改，使得它在某种意义上是动态的，但是通常在静态照明模式下操作。该系统可以被设计成使得周期性地修改lidar和激光照明模式。

图7示出了根据本发明的实施方式的配备有激光照明系统和lidar系统的移动机器。如图所示，在该实施方式中，lidar扫描区域和激光照明区域几乎相同，使得车辆乘员看到的照明区域将与lidar3d测绘区域紧密对应。

在第二概念中，来自基于激光的光源的照明模式(pattern，图案)再次是瞬时静态的，使得通常在给定的照明模式下操作，该照明模式可以基于传感器检测或用户输入而改变。然而，在这个概念中，在与照明模式不同的模式上进行lidar扫描。在一个示例中，lidar模式在更宽的区域上进行勘测，以生成周围环境的3d图，同时刚好在更小的选定区域上生成基于激光的光照明模式。实现这种差分扫描区域的一种方式是，对于仅由lidar扫描的区域使用较低强度的光信号，形成期望照明模式之外的区域，使得这些区域中的光量仅足够高，用于lidar检测，但不足以高到引起显著的可见照明。此外，在许多应用中，lidar信号将是周期性脉冲或调制信号，其平均强度可以降低，使得照明可以忽略不计。这种概念的一个示例是使用基于激光的照明源作为定向光，例如，用于车辆、飞机或船舶的聚光灯或前灯，以提供非常清晰的视场，同时lidar系统为了导航或数据收集的目的勘测更大的视场。当然，这一概念有许多配置，例如，照明模式覆盖的面积比lidar扫描模式大。

图8呈现了根据本发明的另一实施方式的配备有激光照明系统和lidar系统的移动机器。如图所示，在该实施方式中，lidar扫描区域和激光照明区域不相同，并且在该实施方式中，lidar扫描区域比照明区域大得多，使得lidar3d测绘区域将延伸到车辆乘员看到的照明区域之外。

在第三概念中，基于激光的照明模式和/或lidar勘测模式可以是主动动态的，其中，模式可以基于用户输入或传感器反馈输入连续改变或适应环境，或者可以在特定时间段或条件下是静态的。在一个示例中，基于激光的照明模式是汽车中的动态调节前灯，其被配置为向驾驶员或观看者提供用于安全或性能的最佳模式，同时确保道路上的其他交通或行人不会被基于激光的光遮挡或干扰(即无眩光)。由于基于激光的照明系统是动态调节的，所以lidar扫描系统以静态扫描模式运行，或者以动态改变的扫描模式运行。在前一种情况下，lidar系统可以在某个视场内(例如，120o)勘测汽车前方的一切，以帮助汽车导航并探测即将到来的危险。在一个优选实施方式中，lidar功能和照明功能经由回路连接，其中，lidar图像作为传感器信号反馈到基于动态激光的照明模式。例如，如果lidar测绘检测到路边有动物，则激光照明源可以被配置为优先聚焦该动物。在另一示例中，如果通过lidar测绘检测到迎面而来的汽车，则基于激光的照明模式可以被配置为在迎面而来的交通上使光束熄灭或变暗。当然，在包括汽车、娱乐、商业、空间和国防等的许多应用中，动态照明模式和动态lidar扫描模式结合使用以增加功能性和安全性的方式的示例有很多。

利用可见波长进行lidar探测的一个挑战是眼睛的安全问题。然而，这可以通过各种方式来克服，使得这不会禁止。首先，由于本发明中描述的许多实施方式利用平均强度和光谱成分与公认的照明系统兼容的lidar扫描信号，所以与仅仅照明源相比，lidar功能应该不会带来额外的安全风险。在大多数应用中，激光将散射或不相干，并且相当于已经在许多聚光灯和定向照明应用(例如，汽车照明)中常用的led光。简而言之，在许多实施方式中，利用当今照明产品中常用的标准平均照明强度和波长来实现lidar功能。此外，lidar扫描信号通常由短脉冲光组成，这些短脉冲光根据采样率以不同的时间间隔隔开。在时间上隔开的短脉冲限制了眼睛暴露于安全剂量水平。在扫描技术中，一个安全问题是以下事件：扫描仪卡在一个位置，然后连续照亮一个像素。这可能会导致该像素路径上的任何物体或人员的危险曝光水平。为了防止发生这种情况，如果扫描或光束控制元件卡住或冻结，则在激光器关闭或快门关闭的情况下采用互锁。此外，由于这种方法将来自基于激光的光源的高度准直的输出光用于lidar和照明，因此照明将被配置为形成符合规定的照明标准的预定勒克斯模式。这方面的一个示例是在使用基于动态激光的光源的汽车前灯中包括lidar，使得前灯为驾驶员照亮道路并生成三维图。这种基于动态激光光源的照明和lidar测绘的概念可以扩展到多种应用，包括自主或半自主车辆、飞机或船舶，甚至包括完全由人控制的汽车、飞机和船舶。

在本发明的替代实施方式中，基于激光的照明系统(其中，含镓和氮的激光二极管波长用于lidar照明)被配置在利用标准lidar波长(例如，905nm、1064nm、1550nm等)的传统lidar系统内或与其集成。通过将来自含镓和氮的激光二极管的波长(例如，从390nm到480nm的波长)与传统的红外波长相结合，整个lidar系统可以提高灵敏度或功能。通过根据或基于回波信号或回波(例如，振幅、飞行时间或相位)的差分分析，使用单独的波长来感测环境的不同特性，来实现这种增加的灵敏度和功能性。在一些实施方式中，在包括基于gaas或inp的激光二极管的系统中，不使用以更长波长发射的含镓和氮的激光二极管。

当然，存在这些基本实施方式的许多其他示例。例如，可以使用替代的激发波长，例如，在紫外区域、绿色区域或蓝色区域内。波长转换光可以不被配置为在激光激发下形成白光。即，来自波长转换元件(例如，磷光体)的波长转换光可以不是蓝色和黄色的组合或其他白色的组合，而是可以是绿色、红色、红外或其组合。磷光体元件可以以透射、反射或组合模式操作。可选择的扫描装置(例如，dlp芯片或lcos芯片)可用于创建动态照明和lidar扫描功能。

在替代的一组优选实施方式中，来自激光光源的已经被波长转换元件反射、透射和/或散射的激光激发光束和波长转换光用于lidar感测功能。这种根据基于激光的照明技术的多光谱或多波长lidar系统能够提高lidar系统的灵敏度、提高其功能和/或降低其复杂性。在该示例中，390nm至480nm范围内的紫色到蓝色激光第一波长激发波长转换元件，例如，磷光体，以产生更长的第二波长发射。在一个示例中，较长的第二波长是黄色发射，该发射与来自激光器的剩余蓝色发射混合，以发射白光。该白光发射可能具有朗伯模式，然后准直并耦合到一维或二维扫描仪，例如，扫描mems反射镜。然后，扫描元件将在环境和周围环境中扫描准直的白光光束，并用作lidar扫描照明元件。来自激光二极管的第一紫色或蓝色波长以及转换后的第二波长(例如，黄色波长)包含在准直的白色光束中，该光束扫过环境并感测返回的(散射/反射的)第一波长和第二波长，以使用飞行时间方法计算距散射物体的距离，因此生成三维图。在公共配置中，将操作激光源和/或扫描元件，以产生周期性的短光脉冲或调制强度方案，从而使得发射和检测的信号能够同步。探测器系统可以配置有陷波滤波器，该陷波滤波器被设计为仅接收以来自激光二极管的第一发射波长、波长转换元件的第二波长或第一和第二波长为中心的波段(即，2nm至20nm或20nm至100nm或更大)内的波长。这种配置将最佳地适合于在本发明中描述的空间动态的基于激光的照明实施方式，该照明实施方式将微型显示器(例如，mems扫描镜)与基于激光的照明/照亮技术相结合。此外，基于智能激光的照明系统将为闭环反馈回路提供传感器反馈，使lidar传感和智能激光照明功能能够激活并响应于环境条件的变化。

与传统激光光源相比，多波长lidar照明光源提供了额外优势，主要是仅使用第一激光发射来实现lidar系统发射和接收功能。在本实施方式中，具有第一波长(即，约400nm至约480nm)以及波长转换后的第二波长(即，约520nm至约660nm)的激光发射辐射可以包括在lidar系统发射和接收功能中，这使得能够利用多色传输和检测来增强功能性和灵敏度。至少两个波长可用于信号传输和检测，使得差分感测能够捕捉更多关于环境的信息。此外，由于由波长转换元件(例如，磷光体波长转换元件)产生的第二波长可以具有宽光谱强度特性(即，大于5nm、10nm或50nm的大光谱宽度)，因此可以实现超光谱lidar成像。

作为一个示例，由基于激光的光源启用的多波长或高光谱lidar系统可以被配置为检测第一波长和第二波长之间的相对强度或振幅的变化，以确定关于发射透射通过的介质或材料的吸收的信息。即，第一波长回波信号与发射信号的缩减率可以不同于第二波长回波信号与发射信号的缩减率。缩减率之间的差异可能是有意义的，并用于提取扫描环境的特征。作为第一具体示例，由于蓝色波长在水中具有比黄色波长低的已知吸收，所以如果蓝色波长的衰减比黄色波长的衰减小相应的比率，可以从查找表中提取该比率，则lidar系统可以向用户提供环境中有水分的信息，并且另外可以确定环境中某个相对量的水分或水以及环境中水分的空间图。在第二具体示例中，发射信号内的第一和第二波长的散射特性的差异用于确定关于发射信号穿过的介质和/或发射信号反射离开的物体和介质的进一步信息，以生成回波信号。

在上述示例中，基于激光的光源lidar系统照明光束内的多个波长的检测信号强度或振幅与透射信号强度或振幅的差异用于捕捉系统的进一步信息或分辨率。此外，多波长之间的飞行时间或返回脉冲形状的差异可用于确定环境的特征。作为一个具体示例，由于2波长示例中的第一和第二波长传播除纯空气之外的任何介质，该介质由于色散而对于两个波长将具有稍微不同的折射率。因为由折射率确定光信号的速度，所以第一和第二波长的回波信号与其在传输时的时间位置相比可能具有延迟或偏移。可以处理该延迟或偏移，以确定lidar系统中两个波长的折射率差，该折射率差然后可以与在lidar系统中对于两个波长具有这种折射率差的介质的库或查找表相关。当然，这只是一个示例，并非旨在限制或排除多波长lidar系统的预期优点的任何其他示例。

在上述示例中，基于激光的光源lidar系统内多个波长的检测信号强度或振幅与透射信号强度或振幅的差异由色散特性和吸收特性指示。此外，多波长之间的飞行时间或返回脉冲形状的差异可用于确定lidar感测光所反射的物体的特征。作为一个具体示例，由于2波长示例中的第一和第二波长传播除纯空气之外的任何介质，该介质将由于其不同波长而具有稍微不同的mie散射特性。散射的差异将导致回波幅度的差异，这可以用来计算和确定发生散射的粒子的差异。在一个示例中，散射是mie散射。

除了上述差分感测之外，还有许多应用和系统配置，其中，lidar系统中的多波长或超光谱照明感测信号由基于激光的光源实现。在一个简单示例中，多个波长用于冗余和提高精度。即，通过使用具有分离检测的两个或多个波长，可以创建扫描环境的两个或多个不同的3d图像。通过处理这些多个图像来比较和对比检测到的各种特征，可以生成更高精度的单个集成3d图像。

图9示出了根据本发明的实施方式的使用多波长lidar系统的示例性移动机器。在该示例中，包括具有第一峰值波长的含镓和氮激光二极管的激光照明源用于多个lidar感测波长中的至少一个。在图9所示的具体示例中，来自激光二极管的第一峰值波长初级发射是蓝色发射。另外，在该示例中，具有第二峰值波长的波长转换的二次发射用于多个lidar感测波长中的至少一个。在图9所示的具体示例中，来自激光二极管的第二峰值波长发射是黄色发射。如上所述，通过部署多于一个波长，用于lidar感测和测绘，lidar系统可以在若干方面受益，包括增加的功能、增加的灵敏度、增加的分辨率等。

应当理解，在这种lidar应用中使用的使用波长转换元件(例如，磷光体)的基于激光的光源具有极高的亮度。即，激光本身通常用于lidar系统，主要是因为其高方向性、低衰减和极高的亮度。发射特性使得激光发射能够高度准直，以保持受控光束在长距离(即10m至10,000m)上精确而密集地勘测环境。其他照明源(例如，led)根本不能满足这种亮度要求，以实现准直和方向性。然而，先进的基于激光的照明系统使用高功率激光照射磷光体上的微小点，并从50μm到1000μm的点尺寸[光学孔径]产生300到3000或更多流明的光，即使磷光体或波长转换元件的发射可能是朗伯的，也能够实现极端的准直。即，在这种基于激光的照明系统中，光束可以准直到小于1o、小于2o或小于5o，以实现lidar应用中所需的方向性和强度。在本文描述的所有实施方式的一些示例中，与照明或照射系统相比，某些独立的光学器件可以用于lidar系统。例如，混合光束准直器可以用于实现与外部光束准直分离的中心光束准直。中心光束准直可以是更高的准直，例如，小于1o或2o，以用作初级lidar传输光束准直器。外部光束准直可以是较低的准直，例如，小于15o、小于10o或小于5o，并用作初级照明光束准直器。当然，这仅仅是如何设计光学系统以从照明系统照明特性中分别优化lidar传输光束的一个示例。

在根据本发明的一些实施方式中，移动机器上的集成的基于激光的照明和lidar系统可以用额外的lidar系统来补充，例如，传统的lidar系统，该系统可以包括在红外区域操作的扫描激光器。额外的lidar系统可以与激光照明系统分开配置，但在同一移动机器内。在该实施方式中，额外的lidar系统将与集成的基于激光的照明和lidar系统结合使用，使得移动机器可以实现增加的功能、灵敏度、范围、扫描面积、冗余度或安全性。例如，具有更常规的峰值波长(例如，约905nm、9xxnm、1000nm、1064nm、1300nm或约1550nm)的lidar系统可以部署在额外的lidar系统中，以补充基于激光的照明系统中的含镓和氮的激光二极管的第一峰值波长，例如，蓝色或紫色波长。额外的lidar系统可以用作初级3d测绘设备，用于生成环境的广角图，并且基于激光的照明系统lidar可以用于将测绘信息添加到指定的位置，例如，朝向前灯照明的移动机器的前方。当然，可以部署差分探测方案，其中，使用不同波长进行感测和测绘的两个lidar系统之间的测绘特性的差异可以用于计算描述周围区域和环境的更全面的信息和数据。

在又一实施方式中，用于lidar测绘的基于激光的照明系统中可以包括额外的激光器，例如，红外激光二极管。在该实施方式中，添加的激光二极管将用于提供高性能lidar扫描源，并将直接集成到基于激光的照明系统中。在一个示例中，添加的激光二极管将是可在约9xxnm、或约1000nm、或约1300nm、或约1550nm的波长下操作的inp或gaas激光二极管。在一个优选实施方式中，出于眼睛安全的目的，波长约为1550nm。因为在该示例中，添加的激光器处于红外波长范围，所以由添加的激光器产生的发射将不可见，因此不会干扰基于激光器的照明系统的照明特性。额外的lidar扫描激光器可以以几种配置集成到激光照明系统中。在本发明中，如前所述，基于激光的照明源可以包括多个激光二极管，甚至包括其他发光器件，例如，led。出于多种原因，多个光源和激光器可以包括在照明源中，包括增加光通量、动态空间模式化、获得更好颜色质量的光激光照明源、动态颜色控制，或者在可见光通信中提供传输信号。类似地，根据该实施方式，将包括额外的激光源，以提供lidar测绘波长，该波长可以是系统中唯一的lidar测绘波长，或者可以是对一个或多个现有lidar测绘波长的补充或互补的lidar测绘波长，例如，来自照明系统中含镓和氮的激光二极管的可见波长。

在一个优选实施方式中，用于照明和可能的lidar扫描的含镓和氮的蓝色或紫色激光二极管与用于lidar扫描的第二激光源(例如，红外激光源)共同封装。可以设计和实现用于多个激光源的各种共封装配置。在一些设计中，含镓和氮的激光源将封装在第一初级初始封装中，例如，to-can、扁平封装、表面贴装封装或其他类型的封装。类似地，lidar激光源可以封装在第二初级初始封装中，例如，to-can、扁平封装、表面贴装封装或其他封装。随后，包含激光源的第一初级封装和第二初级封装将封装在次级较大封装中，该次级较大封装包含接收第一和第二初级封装的接口。然后，在进入周围环境之前，光源将光学耦合到磷光体转换元件和/或lidar发射机部件。在另一优选实施方式中，第一含镓和氮的激光二极管芯片或基板上的芯片和lidar激光源(例如，基于gaas或inp的激光二极管或基板上的芯片)共封装到共同的支撑元件上。

返回参考图1b，其呈现了示例激光共同封装实施方式，其中，用于照明和可选的lidar测绘的含镓和氮的激光二极管(例如，蓝色激光二极管)1603被配置在中间基板元件1604上。中间基板元件1604附接到表面安装基座元件1601。还包括第二激光二极管1605，其旨在用于lidar测绘，并且可以是附接到中间基板1606的红外发射激光二极管，中间基板1606然后附接到表面贴装封装基座元件1601。在这种配置中，来自含镓和氮的激光二极管1608的发射和来自红外激光二极管1609的发射两者都入射到波长转换元件1602上，波长转换元件1602可以是磷光体元件。在替代配置中，lidar感测激光发射1609可以遵循不与波长转换元件1602相互作用的不同光路。

在第一实施方式中，添加的红外激光二极管包括在基于激光的照明系统中，并且与含镓和氮的激光二极管发射相比，遵循单独的光路，并且不入射在波长转换元件上。图10是根据本发明的与包括额外lidar测绘激光器的lidar系统集成的激光照明系统的简化示意图。如图所示，集成系统3100配置有电源3101，以向lidar系统和照明系统两者供电(注意，在一些实施方式中，可以使用单独的或多个电源)，并且配置有处理器和控制单元3102，控制单元被配置为从电源3101接收功率并且从lidar系统的接收机部分3131接收数据或信号。基于外部输入3190，例如，用户输入、传感器输入或预定输入，以提供指定的功能和从电源供应的功率，处理器和控制单元3102确定适当的第一信号，以发送到一个或多个含镓和氮的激光二极管3111。所产生的信号被配置为驱动含镓和氮的激光二极管3111的电流和电压特性，以从激光二极管产生适当的强度模式，从而提供具有第一峰值波长(例如，蓝色或紫色峰值波长)的电磁辐射。来自处理器和控制单元3102的第二信号发送到具有第三波长的lidar测绘激光器3121，以产生lidar扫描功能所需的强度或频率模式，例如，用于飞行时间计算的短光脉冲。在一个实施方式中，如图所示，照明激光二极管3111和lidar测绘激光器3121的信号都源自处理器和控制单元3102。在单独的实施方式中，可以包括多个处理器和电源。

如图10所示，来自含镓和氮的激光二极管3111的第一峰值波长的输出电磁辐射和来自额外lidar测绘激光器3121的第三峰值波长的输出遵循两个独立的光路，其中，第一峰值波长的输出入射到波长转换元件3112上，其中，具有第一峰值波长的电磁辐射的至少一部分被转换成具有第二峰值波长(例如，黄色峰值波长)的电磁辐射。在优选实施方式中，基于激光的照明系统中的所产生的光是白光。然后，用一个或多个光束整形元件3113调节所产生的基于激光的照明光，以提供预定的准直、发散和模式。可选地，可以将光束控制元件添加到基于激光的照明系统中，以产生空间动态照明。在一些实施方式中，光束整形元件(未示出)(例如，准直光学器件)用于在入射到波长转换元件3112上之前准直激光。此外，诸如玻璃或聚合物纤维的光纤或其他波导元件可用于将激光从激光二极管传输到波长转换元件3112，以产生远程泵浦转换。

根据图10，第二光路通过用于lidar传感激光器的光束整形和/或转向的光学器件将电磁辐射从具有第二峰值波长的lidar测绘激光器3121引导至lidar。在一些实施方式中，在进入lidar系统的发射机模块之前，使用准直光学器件(例如，透镜)来准直激光。此外，诸如玻璃或聚合物纤维的光纤或其他波导元件可用于将激光从激光二极管传输到lidar发射机模块。在出射到外部环境之前，lidar系统激光可以以适当的发散度和方向适当地调节，以扫描周围环境的期望的主体区域。可以使用光学器件3122以各种方式捕捉目标lidar测绘区域，光学器件3122包括动态扫描仪(例如，mems扫描镜)、微型显示器(例如，dlp)，或者通过使用基本光学器件(例如，透镜、反射镜和漫射元件)简单地扩展或成形光束。一旦所有的信号和光束调节完成，lidar光束投射到外部，其中，该光束从周围环境中的各种物体反射和散射，并部分返回到lidar系统的接收机模块3131。接收机模块3131包括一些接收机光学组件3132、检测元件，例如，光电二极管、光电二极管阵列、ccd阵列、天线阵列、扫描镜或耦合到光电二极管的微型显示器等。接收机模块3131中检测到的信号然后用于计算发射和检测到的lidar信号(例如，脉冲)的飞行时间。确定飞行时间和空间图的计算或处理可以直接在接收机中进行，或者通常在单独的处理器单元3102中进行。

在包括指定用于lidar测绘的额外激光器(例如，额外的红外激光二极管)的第二实施方式中，与含镓和氮的激光二极管发射相比，用于lidar测绘的额外激光器遵循共同的光路，并且不入射在波长转换元件3112上。如下图11所示，在另一实施方式中，来自基于ga和n的激光二极管3211的第一峰值波长的输出电磁辐射和来自第三峰值波长的lidar测绘激光器3221的输出电磁辐射入射到波长转换元件3231上。具有第一峰值波长(例如，蓝色波长)的电磁辐射的至少一部分被转换成具有第二峰值波长(例如，黄色峰值波长)的电磁辐射。在一个优选实施方式中，在基于激光的照明系统中产生的可见颜色的光是白光。当入射到波长转换元件上时，将很大程度地保留具有第三峰值波长(例如，红外峰值波长)的电磁发射强度。即，通过诸如吸收等过程的光损失将是部分的或最小化的，使得将简单地从波长转换元件材料或表面反射或散射大部分入射光，其中，然后可以准直并引导至环境进行扫描。红外光的一些损失是可以预期和容忍的，但是人们认为，可以实现由于与磷光体的相互作用而导致红外光损失非常低的系统。基本上，所产生的发射光谱将包括第一峰值波长、第二峰值波长和第三峰值波长的光，其中，第一和第二峰值波长的光将产生用于照明的可见白光，第三峰值波长的光对于人眼是不可见的，并且用于lidar测绘。然后用一个或多个光束整形元件调节所产生的基于激光的照明光和lidar扫描光，以提供预定的准直、发散和模式。

根据图11所示的实施方式，红外激光器3221将通过振幅或频率调制电子驱动，以产生lidar感测信号，例如，眼睛不可见的光脉冲。可以以多种方式驱动含镓和氮的激光二极管3211，包括连续波、准连续波、脉冲宽度调制、频率调制或振幅调制等。来自lidar感测或测绘激光器3221的红外光和来自二极管3211的可见光在进入环境之前将通过公共或至少部分公共的光路馈送。可选地，可以包括光束控制装置3233，例如，mems反射镜或dlp微型显示器。一旦所有的信号和光束调节完成，lidar光束投射到外部，其中，该光束从周围环境中的各种物体反射和散射，并部分返回到lidar系统的接收机模块。接收机模块包括一些接收机光学组件3241、检测元件3242，例如，光电二极管、光电二极管阵列、ccd阵列、天线阵列、扫描镜或耦合到光电二极管的微型显示器等。然后，在接收机模块中检测到的信号用于计算发射和检测到的lidar信号(例如，脉冲)的飞行时间。确定飞行时间和空间图的计算或处理可以直接在接收机中进行，或者通常在单独的处理器单元3202中进行。在该实施方式中，红外光和可见光都可以用于lidar测绘。

在包括红外激光波长和可见激光波长的替代实施方式中，照明源和lidar感测和测绘源的光路可以分开。如图12所示，激光照明发射和lidar扫描发射的光路可以可选地分离，其中，在发射离开最终光学系统进入环境进行扫描之前，lidar扫描发射可以通过另外的lidar传输部件3351馈送，用于信号整形、光束整形、光束控制(该光束控制可以是利用mems等的主动光束控制)、滤波等。激光照明光路可以包括用于光束整形的另外的光学器件3341以及可选的光束控制元件3342，以产生空间动态照明。在一些实施方式中，在入射到波长转换元件3331上之前，使用额外光束整形元件(例如，准直光学器件)来准直激光。

根据图12，来自激光二极管3311的初级发射和来自波长转换元件3331的次级发射的组合可以被光束整形光学器件3332分成两条路径，用于lidar系统和照明系统的单独调节和操纵可能性。如前所述，光调制器可以包括在lidar发射机3351内，以产生期望的lidar功能所需的脉冲或其他光信号。可以以各种方式捕捉目标lidar测绘区域，包括动态扫描仪(例如，mems扫描镜)、微型显示器(例如，dlp)，或者通过使用基本光学器件(例如，透镜、反射镜和漫射元件)简单地扩展或整形光束。一旦所有的信号和光束调节完成，lidar光束投射到外部，其中，该光束从周围环境中的各种物体反射和散射，并部分返回到lidar系统的接收机模块。接收机模块包括一些接收机光学组件3361、检测元件3362，例如，光电二极管、光电二极管阵列、ccd阵列、天线阵列、扫描镜或耦合到光电二极管的微型显示器等。接收机模块中检测到的信号然后用于计算发射和检测到的lidar信号(例如，脉冲)的飞行时间。确定飞行时间和空间图的计算或处理可以直接在接收机中进行，或者通常在单独的处理器单元3302中进行。

本发明的特定实施方式采用传输的含镓和氮的材料工艺来制造激光二极管或其它含镓和氮的装置，从而实现优于传统制造技术的优点。这种独特的半导体器件制造技术能够实现多种半导体材料的单芯片集成，这可以允许在同一芯片上集成各种波长的激光二极管，例如，可见激光二极管和红外激光二极管。在根据本发明的一个实施方式中，根据该提升和传输过程制造激光照明和lidar系统中的激光源。在一个示例中，具有不同可见波长(例如，不同的蓝色波长、紫色波长和其他可见波长)的激光材料传输并形成在同一载体元件上的激光器中，以创建多可见波长激光源，这可以给系统增加优点。这些增加的优点包括在照明白光中更好的颜色质量、使用差分检测的更好的lidar检测、或者更低的成本和更小的尺寸。在另一示例中，具有可见波长(例如，蓝色波长、紫色波长和其他可见波长)的激光材料传输到与具有红外波长(例如，8xxnm、9xxnm、约1,000nm、1300nm或约1550nm)的激光材料相同的载体元件上，并形成为激光器，以产生包含可见波长和红外波长的集成激光源，这可以给系统增加优点。这些增加的优点包括成本更低的系统、更小的系统以及使用差分探测的更好的lidar探测。

在基于激光的照明和lidar系统的又一示例中，包括传输外延材料的制造技术可以用于将电子器件或其他装置集成到激光源芯片中。例如，可以包括基于gan或gaas的电子器件，以创建具有光源的集成驱动器电子器件。可以包括集成扫描镜。在其他示例中，可以包括硅电子器件。

根据本发明的一些实施方式，激光光源可以用各种方法通信。在一个优选的方法中，智能灯被配置为可见光通信(vlc)系统，例如，lifi系统，其中，光源中电磁辐射的至少一个光谱分量被调制为编码数据，使得光传输数据。在一些示例中，调制一部分可见光谱，并且在其他示例中，包括诸如红外或紫外光源等不可见源，用于通信。调制图案或格式可以是数字格式或模拟格式，并且将被配置为由物体或装置接收。在一些实施方式中，可以使用来自基于激光的智能照明系统的光发射的空间图案来执行通信。在一个实施方式中，使用微型显示器来像素化或图案化光，这可以以快速动态的方式进行，以传达连续流动的信息，或者其中，图案周期性地改变为静态图案，以传达可以更新的静态消息。通信的示例可以是通知个人或人群即将举行的活动、商店里有什么、特别促销、提供指导、教育、销售和安全。在替代实施方式中，发射光束的形状或发散角使用微型显示器或可调透镜(例如，液晶透镜)从漫射光变为聚光灯，反之亦然。通信的示例可以是指导个人或人群，警告危险，教育或宣传。在基于激光的通信的又一实施方式中，智能照明系统的颜色可以从冷白色变为暖白色，或者甚至变为单一颜色，例如，红色、绿色、蓝色或黄色等。