具有用于增加通道的高侧和低侧开关的固态电子扫描激光器阵列的制作方法

具有用于增加通道的高侧和低侧开关的固态电子扫描激光器阵列
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年11月26日提交的美国非临时专利申请16/696,540的权益，并要求2019年4月2日提交的美国临时专利申请62/828,113的权益，并要求2018年12月26日提交的美国临时专利申请62/784,918的权益。16/696,540、62/828,113和62/784,918申请中的每一个均通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.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。然后可以使用飞行时间测量结果对目标进行数字3d表示。
4.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。自动驾驶车辆还可以将lidar用于障碍物检测和避让以及车辆导航。
5.一些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。
6.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。
7.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。
8.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：

9.本发明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。与一些当前可用的旋转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。
10.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传感器阵列的捕获序列。
11.在一些实施例中，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。并且，在一些实施例中，发射器阵列可以是垂直腔面发射激光器(vcsel)的阵列并且光传感器阵列中的每个光传感器包括光电检测器的集合，例如单光子雪崩二极管(spad)。
12.在操作期间，发射器阵列可以从发射器阵列顺序地将一列或多列光发射器触发到场景中，并且反射光可以被一列或多列对应的光传感器接收。通过同步触发和捕获序列，固态扫描lidar系统仅通过在给定的时间点照射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。
13.本发明的实施例可以在发射器阵列的高侧和低侧都包括开关，以增加可单独寻址的通道的数量，同时使单独的通道能够以高功率水平驱动并最小化与发射器阵列相关的控制电路的尺寸。高侧开关可以耦合在电压源和被配置为驱动发射器阵列的电容器之间。可以选择性地激活高侧开关以将电容器连接到电压源以对电容器充电。可以选择性地激活低侧开关以通过发射器阵列对电容器放电，从而选择性地触发阵列中的发射器组。电容器可以以低于由电容器提供以驱动发射器阵列的电流水平的电流电平充电，从而使高侧开关比处理更高的电流水平所需的低侧开关更小(即占用更少的不动产)。以这种方式，本发明的一些实施例提供了对系统可用功率的使用的进一步改进，与如果以较低功率水平驱动较少的独立可寻址通道将提供的亮度相比，这能够增加激光束的亮度.增加的亮度进而可以导致光传感器阵列的检测范围和精度的提高。
14.在一些实施例中，本文的电子扫描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。例如，在一些实施例中，光圈层可以位于光传感器的前面。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传感器，使得每个光发射器对应于接收元件中的特定光传感器。光圈可以减轻杂散光在相邻光传感器上的曝光，并将光传感器的视场范围缩小到该场中的单个点。
15.一些实施例涉及电子扫描发射器阵列，其包括排列成k个发射器组的二维光发射器阵列。k个发射器组中的每一个可以包括二维阵列中的光发射器的子集并且可以独立操作以从其发射器子集发射光。电子扫描发射器阵列还可以包括耦合以向二维光发射器阵列
提供能量的第一和第二电容器组以及耦合到第一和第二电容器组以及k个发射器组的发射器阵列驱动电路。第一电容器组和第二电容器组中的每一个可以包括至少一个电容器。发射器阵列驱动电路可以包括耦合在第一电容器组和电压源之间的第一高侧开关、耦合在第二电容器组和电压源之间的第二高侧开关、以及耦合在k个发射器组和地之间的k/2低侧开关；并且发射器驱动电路可以配置为根据触发序列一次触发k个发射器组中的一个发射器组，直到k个发射器组的每个都被触发。
16.k个发射器组可以包括第一多个发射器组和第二多个发射器组，并且第一电容器组可以耦合到第一多个发射器组的阳极，而第二电容器组可以耦合到第二多个发射器组的阳极。在一些实施例中，发射器阵列驱动电路被配置为在多个连续发射周期中驱动发射器阵列，其中，在每个发射周期期间，所述触发序列触发第一多个发射器组中的每一个，然后触发第二多个发射器组中的每一个。在其他实施例中，发射器阵列驱动电路被配置为在多个连续发射周期中驱动发射器阵列，其中，在每个发射周期期间，所述触发序列在触发第一多个发射器组的发射器组和第二多个发射器组的发射器组之间交替。
17.在一些实施例中，电子扫描发射器阵列包括排列成k个发射器组的二维光发射器阵列和排列为l个电容器组并耦合以向二维光发射器阵列提供能量的多个电容器。k个发射器组中的每一个可以包括二维阵列中的光发射器的子集并且可以独立操作以从其发射器子集发射光并且l个电容器组中的每一个可以包括至少一个电容器。
18.发射器阵列驱动电路可包括l个高侧开关，l个高侧开关的每个耦合在l个电容器组的一个和电压源之间；以及k/l个低侧开关，k/l个低侧开关中的每个耦合在k个发射器组的一个和地之间。发射器驱动电路可以配置为根据触发序列一次触发k个发射器组中的一个发射器组，直到k个发射器组的每个都被触发。
19.本发明的一些实施例涉及一种固态光学系统，其包括如本文所述的电子扫描发射器阵列以及光传感器阵列和耦合到光传感器阵列的传感器阵列读出电路。光传感器阵列可包括k个光传感器组，k个光传感器组的每个与k个发射器组的一个成对，并且传感器阵列读出电路可以被配置为使阵列内所述k个光传感器组的每一个的读出与k个发射器组中其相应发射器组的触发同时地同步，使得可以激活单个光发射器的二维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传感器阵列中的每个光传感器。
20.参考以下详细描述和附图，可以更好地理解本发明的实施例的本质和优点。然而，
21.应当理解，提供每幅图仅用于说明的目的并且不旨在作为对本发明范围的限制的限定。此外，作为一般规则，并且除非与描述中明显相反，在不同图中的元件使用相同的附图标记的情况下，这些元件通常相同或至少在功能或目的上相似。
附图说明
22.图1是根据本发明的一些实施例的示例性固态电子扫描lidar系统的框图；
23.图2a是根据本发明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；
24.图2b
‑
2d是示出根据本发明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；
25.图3a示出根据特定方案中本发明的一些实施例的电子扫描lidar系统的光传输和
code)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。
40.光传感模块108可以包括传感器阵列126(例如二维光传感器阵列)，其中传感器阵列126的每个光传感器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。在一些实施例中，每个光传感器(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spad等，而在其他实施例中光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可以包括大接收器光学器件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。
41.根据本发明一些实施例的rx和tx光学系统的进一步细节在下面结合图10以及在2018年5月14日提交的题为“optical imaging transmitter with brightness enhancement”的并出于所有目的通过引用整体并入本文的共同转让的美国专利申请15/979,235中进行讨论。
42.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传感器(或光传感器组)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。
43.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，所述薄晶片抵靠光传感器层放置，然后结合到光传感器层，以结合滤光层和光传感器层，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大接收器光学器件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。
44.如上所述，处理器122(例如，数字信号处理器(dsp)、微控制器、现场可编程门阵列(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(time bin)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。
45.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界面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。
46.固态电子扫描lidar系统100可以与用户界面150交互，用户界面可以是使用户能够与计算机系统交互的任何合适的用户界面，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。用户界面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。
47.硬件和软件的用户界面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。用户界面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。
48.在一些实施例中，例如在lidar系统100用于车辆导航的情况下，用户界面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/或用户界面150接收输出或者与光测距装置102和/或用户界面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。当用户界面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。
49.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一组发射器并且通过在触发发射器的同时仅读出光传感器的相应组来捕获场景的图像。可以在不同的时间激活发射器的不同组，同时读出相应的光传感器组，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组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传感器组。因此，本发明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。
50.例如，光传输模块106可以包括耦合到发射器阵列114的发射器控制器115。发射器控制器115被配置为通过例如根据期望触发序列选择性地触发每组发射器来控制发射器阵列126的操作。发射器控制器115可以包括合适的处理器，例如asic、微控制器、fpga或其他合适的处理元件以及用于操作发射器阵列114的一个或多个驱动组件，如下文所讨论的。类似地，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传感器以感测光的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)的其他合适的处理器。
51.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。
52.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组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以同一顺序一次一组感测光。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。
53.为了说明发射器阵列的顺序触发和感测阵列的感测的一个实例，参考图2a，其是根据本发明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可以是具有m列数和n行数的发射器212的二维m x n阵列，并且传感器阵列222可以与发射器阵列210对应，使得每个光传感器222映射到发射器阵列210中的相应发射器212。因此，传感器阵列220可以是光传感器222的相应的二维m x n阵列。
54.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，如本文所讨论。
55.发射器阵列210可以被配置为被操作以使可以同时触发发射器的一个或多个集合(其中每个集合在本文中被称为“组”)。例如，在图2a所示的实施例中，发射器阵列210被配置为包括六组214(1...214(6)，其中每组包括四列发射器。传感器阵列220可以被配置为具有与发射器阵列210类似的几何形状，使得光传感器222被布置在类似布置的组中。因此，在图2a所示的实施例中，传感器阵列220还被配置为包括六组224(1...224(6)，其中每组包括四列光传感器。
56.图2b
‑
2d是示出根据本发明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的发射器组214(1)并且同时读出传感器阵列220的传感器组224(1)来开始图像捕获序列的第一阶段。在该第一阶段期间，从发射器组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的传感器组224(1)内的相应光传感器子集捕获。接下来，在序列的第二阶段，来自发射器阵列的第二组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传感器组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传感器的列中的光传感器的同时读出继续，直到发射器的最后一组214(6)被激活，同时光传感器的最后一组224(6)被读取，如图2d所示。当一个完整的周期完成时(在图2b
‑
2d描绘的实例中，图像捕获序列的六个阶段)，发射器阵列210的每一组将已被激活，传感器阵列220的每一相应组将已被读出以检测从发射器阵列210的相应组发射的光子。然后，在lidar系统200运行时，可以连续重复该循环。
57.虽然图2a图示了被分成六个不同组的发射器阵列和传感器阵列，每个组具有特定数量的发射器或光传感器，但实施例不限于这样的配置。其他实施例可以具有多于或少于六组以及每组更多或更少的发射器或光传感器。例如，在一些实施例中，采用k组发射器和k组光传感器，其中k多于或少于图2a发射器阵列中描绘的六组。作为进一步的实例，在一些实施例中，lidar传感器200可以分为16、32、64、128或更多个通道，其中每个通道包括1、2、4、8个或更多个发射器列，而不脱离本发明的精神和范围。此外，虽然图2a根据发射器列和光传感器列讨论了组，但在其他实施例中，发射器和光传感器阵列可以分成具有一排或多排发射器和一排或多排光传感器而不是列的组，使得一排或多排发射器在同时读取一个或多个相应排的光传感器时被触发。在其他实施例中，发射器阵列210中的组可以包括发射器子集，该发射器子集包括多列和多行中的发射器(例如，以正方形或矩形图案布置的发射器)并且传感器阵列220中的组可以包括以对应于发射器子集的图案排列的光传感器的子集。
58.另外，虽然图2b至图2d示出了其中触发的发射器每级前进一组的图像捕获序列，
但本发明的实施例不限于任何特定的序列。例如，在一些实施例中，可以在具有k个组的lidar系统中采用以下顺序：对于第一阶段，触发第一组发射器阵列210；对于第2阶段，触发第(k/2+1)组；对于第3阶段，触发第2组，对于第4阶段，触发第(k/2+2)组，等等，直到第k组被触发的第k阶段。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组。作为另一实例，可以同时触发两个或更多个相邻的发射器组，同时读出对应的两个或更多个相邻的传感器组。作为其中二个组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214(1)和214(2)组，在第二阶段中，可以触发214(3)和214(4)组，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。
59.图3a是根据特定方案中本发明的一些实施例的电子扫描lidar系统300的光传输和检测操作的说明性实例。具体地说，图3a示出了固态电子扫描lidar系统300，其可以代表图1所示的lidar系统100，其收集围绕系统的体积或场景的三维距离数据。图3a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。
60.电子扫描lidar系统300包括发射器阵列310(例如，发射器阵列114)和传感器阵列320(例如，传感器阵列126)。发射器阵列310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，其包括发射器组312(1)至312(n)。传感器阵列320可以是包括传感器组322(1)至322(n)的光传感器阵列。光传感器可以是像素化的光传感器，其为每个光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传感器。
61.为了便于说明，发射器阵列310被描绘为具有六组发射器，其中每组包括一列三个发射器，并且传感器阵列320被描绘为具有相应的光传感器布置。应当理解，发射器组312(1)至312(n)和传感器组322(1)至322(n)可以分别代表发射器阵列310和传感器阵列320的更大的组的部分。因此，虽然为了便于说明，图3a仅示出了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显著更多的发射器，包括具有多列发射器的组，其中每列包括多于三个的单独发射器。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传感器阵列来实现更密集的点采样。
62.每个发射器可以相隔一间隔距离，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，发射器组312(1)将照明光束314(1)(每个由一个或多个光脉冲形成)发射到视场的区域315(1)中，并因此反射离开该场中的树330。同样，发射器组312(n)将照明光束314(n)发射到视场的区域315(n)中。应当理解的是，在图3a所示的实施例中，发射器阵列310以从左到右的顺序扫描其组。因此，图3a示出了发射器组312(1)被激活的第一时间实例和最后一组即发射器组312(n)被激活的最后时间实例。其他组可以在组312(1)到312(n)之间从左到右依次步进。虽然图3a示出了其中发射器阵列310和传感器阵列320按垂直定向的组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310和320可以以非序列顺序按垂直定向的组操作以最小化串扰，或者以序列或非序列顺序按水平定向的组操作，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。
63.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310和传感器阵列320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(可以小于几厘米)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大光学器件配对时，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3b可以更好地理解该概念。
64.图3b是根据本发明的一些实施例的用于发射器阵列310和传感器阵列320的重叠视场的简化图示。发射器阵列310中的每个发射器可以以圆锥体382发射图3b所示的光脉冲，该圆锥体通过大发射机光学器件384准直并作为发射的光386输出到场中。然后，发射的光386可以反射离开场中的一个或多个物体，并作为反射光392传播回传感器阵列320，该反射光392首先传播通过大接收器光学器件390，该光学器件将反射光392向下聚焦成焦点，成为脉冲光388圆锥形，然后照射到传感器阵列320中的相应光传感器上。可以参考图3b理解，大发射机和接收器光学器件184和390之间的距离可以在例如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3b所示，发射器阵列310和传感器阵列320的视场的重叠区域394、396和398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310的视场可以与传感器阵列320的视场基本上重叠。因此，即使大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，从大发射机光学器件184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传感器(或对应的光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310可以根据照射图案将照明束选择性地投射到系统300之前的视场中，该照射图案在尺寸和几何形状上在系统300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300可以实现高信噪比(snr)。
65.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，发射器阵列的大光学器件与传感器阵列的大光学器件基本相同。在其他实施例中，传感器阵列320的尺寸和大光学器件可能与发射器阵列310的尺寸和大光学器件不同，但是，可以选择它们以使发射器阵列310和传感器阵列320的对应组具有明显相同的视场。例如，传感器阵列320的尺寸可以大于发射器阵列310的尺寸。这意味着传感器阵列320的大接收器光学器件390应该与发射器阵列310的大发射机光学器件184不同，并且应当仔细选择两种大光学器件，以使两个阵列中的相应组的视场显著地相同。例如，可以使用具有比发射器阵列310的透镜元件大两倍的透镜元件的类似的大光学器件。所得的大接收器光学器件的焦距将是大发射机光学器件的焦距的两倍。在这种情况下，传感器阵列320的高度和宽度应该是发射器阵列310的两倍，其接收光圈直径是发射直径的两倍，从而确保每个光传感器和发射器的视角范围都匹配。
66.为了确保发射器阵列310和传感器阵列320的相应组看到相同视场，可以现场使用之前进行lidar系统300的对准处理，例如由制造商进行。本发明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300的制造和制造后维护的方式。在光学器件对准期间，可测量每个像素和每个发射器的视场，以确保它们完全相同。对准过程可考虑透镜特性，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。
67.因为发射器的视场与其相应传感器的视场重叠，所以光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3a，发射器组312(1)将照明束314(1)发射到视场的区域315(1)中，并且一些照明束从物体330(即树)反射。理想地，光324(1)的反射部分仅由光传感器组322(1)检测。因此，发射器组312(1)和光传感器组322(1)共享相同的视场。同样，发射器组312(n)和光传感器组322(n)也可以共享相同的视场，使得光324(n)的反射部分仅被光传感器322(n)检测到。例如，在发射周期的最后迭代期间，发射器组312(n)将照明束314(n)发射到视场的区域315(n)中，并且一些照明束从物体332即停在物体330旁边的汽车反射。在一个周期中，图3a中的固态电子扫描lidar系统350可以捕获并生成表示包括树330和汽车332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300正在移动时(例如，当系统300安装在汽车上时)，这将在本文中参考图12和13进一步讨论。虽然相应的发射器和传感器在图3a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。
68.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。
69.根据一些实施例，lidar系统300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。
70.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。
71.图4a是电子扫描激光器阵列400的简化俯视框图，其包括m
×
n个发射器的发射器阵列410以及用于操作激光器阵列的各种电容器、开关和控制芯片。发射器阵列410被分成六个单独驱动的发射器组410(1)..410(6)，每个发射器组包括以一维或二维阵列布置的相同数量的单独光发射器402(例如，vscel)(在图4a中显示为4x n阵列)，其产生照明图案。发射器阵列410可以代表例如以上关于图2a
‑
2d讨论的发射器阵列210，并且可以在lidar系统
中与光传感器阵列配对，例如上面讨论的光传感器阵列220，其包括六组光传感器，其传感图案的几何形状与照明图案的几何形状匹配。
72.在一些实施例中，发射器阵列410可以形成在单个单片结构(例如，陶瓷底座415或其他合适的衬底)上，其中每个组是单独的半导体管芯。在其他实施例中，vcsel阵列可以形成在大的单个芯片上，其中vcsel阵列中不同组的阴极彼此电隔离，从而能够单独控制所述组。每个组可以由单独的驱动器电路驱动，使得对于具有k个组的发射器阵列存在k个驱动器电路。在图4所描绘的实施例中，每个驱动器电路包括耦合到发射器阵列410的低侧的fet驱动器412和栅极驱动器414。每个fet驱动器412是高电流开关，其可以由其各自的栅极驱动器414接通，并且每个驱动器电路412、414耦合到其各自的组并且可以同时触发其组中的所有单独发射器402。驱动器412、414可以由控制电路根据预定顺序(例如，如上文关于图2b
‑
2d所描述的)被激活，使得在图像捕获周期期间每组被触发一次，同时对应的光传感器组被读取，直到整个发射器阵列被触发并且整个光传感器阵列被读取。以这种方式，电子扫描激光器阵列400可以比一次激活所有发射器的闪光lidar系统使用显著更少的功率(对于给定尺寸阵列和给定亮度)。
73.在一些实施例中，每个组410(1)..410(6)可以被构造为安装在陶瓷或其他合适的衬底405上并且彼此电隔离的单独的分立半导体管芯。在电子扫描lidar系统的操作期间，每个管芯(即，本实施例中的组)可单独寻址以用于发光。此外，在各种实施例中，每个栅极和fet驱动器可以是分离的、单独的组件；多个fet驱动器可以一起组合在单个芯片上；多个栅极驱动器可以一起组合在单个芯片上；和/或一个或多个栅极驱动器和fet驱动器可以一起组合到单个芯片上。
74.为了产生光，电流被驱动通过发射器阵列410中的发射器402。因此，发射器组410(1)..410(6)可以耦合到电容器组404，该电容器组包括一个或多个电容器，该电容器被配置为通过发射器阵列放电电流。每个发射器组可以包括各自的触点阵列或通孔阵列406，用于与电容器组404耦合。触点阵列406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410(1)..410(6)。在一些实施例中，触点阵列406位于它们各自的发射器组内的电容器组404和光发射器402之间。在激活发射器阵列410中的一个或多个发射器之前，可以对电容器组404中的一个或多个电容器进行充电，使得在激活发射器阵列410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显著量的电流(例如，在一些实施例中10至100安培或更大；在一些实施例中50至100安培以及在一些实施例中50至200安培)通过每个组以发射窄带光。电容器组404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405的阵列耦合到电容器组404，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422(例如，印刷电路板“pcb”)的一部分或形成在其上，电容器组404和发射器阵列410安装在互连结构422上。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。
75.在一些实施例中，电子扫描激光器阵列400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412和414的定时信号)可以通过电连接器416(例如，板对板连接器)被发送到电子扫描激光器阵列400和从其发出。电连接器416可以耦合到驱动器412和414，以使得能够将控制信号传递到驱动器。驱动器412和/或414可以是管理通过发射器
阵列410的电流的半导体器件，(例如，场效应晶体管“fet”)。因此，响应于控制信号，驱动器412和414可以决定发射器阵列410发射光的顺序或使处理系统(未显示)通过连接器416发射光。例如，驱动器412和414可以通过发射器组并且以从左到右的顺序，或者以关于图2b
‑
2d所述的不同的顺序，激活发射器阵列410。因此，在一个发射周期中，驱动器412和414可以通过在第一时间实例中激活发射器组410(1)中的发射器402，在第二时间实例中激活发射器组410(2)中的发射器402等等，依此类推，操作发射器阵列410，直到最后一个发射器组410(6)在周期的最后实例中被激活为止，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412和414经由电连接424耦合在一起，所述电连接可以是镀在互连结构422上的迹线。这样，驱动器412和414可以彼此通信以控制发射器阵列410的操作。
76.如图4a所示，每个发射器组410(1)..410(6)可以包括相应的触点阵列408，用于将该组与驱动器412耦合。类似触点阵列406，触点阵列408可以是半导体管芯的在其上制造相应的发射器组的部分。在一些实施例中，触点阵列408位于驱动器412和光发射器402之间，在它们各自的发射器组内。此外，驱动器412可各自耦合到相应的电连接器组420，该电连接器组可为互连结构422的一部分或形成在其上，驱动器412和414安装在互连结构422上。电连接420可以将驱动器412耦合到互连结构422上的适当信号路径和/或组件(未示出)。
77.虽然电子扫描激光器阵列400被示为包括六个可单独寻址的组，每个组可以说是单独通道的一部分，但本发明的实施例不限于特定数量的通道。然而，如图4a所示设计的实际限制在于可以包括的通道数量，同时仍然以足够快的速度驱动足够高的电流水平通过发射器阵列以满足某些商业lidar应用的某些要求。例如，为了实现发射器阵列410中每个发射器的特定亮度，需要驱动器412和414通过激光器阵列提供相对高水平的电流。可通过给定通道驱动的电流量部分取决于电容器组404中电容器的容量、通道中发射器的数量以及通道的驱动器412和414的尺寸。为了通过给定通道驱动期望的高电流水平，每个驱动器412、414需要具有足够的尺寸来处理期望的电流水平。在需要大量通道且每个通道支持数十安培或更多的相对高电流水平的一些实施例中，驱动器412、414的布局可能是发射器阵列性能的限制因素。
78.作为一个例子，图4b描绘了支持十六(16)个独立通道发射器阵列的驱动器412、414的布置。图4b旨在是0.9mm fet驱动器412的适当比例图示，该驱动器412通过电连接430被布置围绕并连接到12.8
×
6.4mm发射器阵列(图4b中未示出)。虽然图4b未显示，但电容器(例如，0402电容器)可以连接到高侧的发射器阵列。如图4b所示，具有十六个栅极驱动器414来支持十六个通道，栅极驱动器414需要比实际更多的空间，并且将需要将栅极驱动器连接到fet驱动器的信号路径不合需要地长并且因此具有会不利地影响电路的时序的电感水平。
79.本发明的一些实施例通过除了低侧开关之外还包括将发射器阵列连接到电容器组的一对高侧开关来解决该潜在问题。这种实施例的一个例子示于图5，其是根据本发明的一些实施例的电子扫描激光器阵列500的简化的自上向下的框图。如图5所示，电子扫描激光器阵列500包括两个高侧开关514a、514b，它们与六个低侧开关412协同工作以扫描通过十二个独立发射器组510(1)...510(12)，其每个可包括多列发射器。在一些实施例中，激光器阵列500还包括两个fet 516a、516b以在触发周期结束时对电容器组放电，如下讨论的。
80.高侧开关可以耦合在电压源和相应的电容器组504a、504b之间，该电容器组包括一个或多个被配置为驱动发射器阵列的电容器。电容器504a、504b又通过互连518a、518b连接到发射器组。在一些实施例中，电容器组504a、504b连同每个组的关联开关和互连可以定位在印刷电路板的相对侧(例如，顶侧和底侧)上。虽然图5旨在是电子扫描激光器阵列500的框图，但在这样的实施例中电容器组504b、开关514b、开关516b和互连518b以虚线示出以指示在pcb的与组件504a、514a、516a和518a相对侧上的位置。
81.可以选择性地激活高侧开关以将电容器组连接到电压源以对电容器充电。例如，开关514a可以将电容器组504a耦合到电压源，而开关514b可以将电容器组504b耦合到电压源。可以选择性地激活低侧开关以通过发射器阵列对电容器放电，从而选择性地触发阵列中的发射器组。电容器可以以显著低于用于驱动发射极阵列的电流水平的电流电平充电，从而使高侧开关比处理更高的电流水平所需的低侧开关更小(即占用更少的不动产)。
82.高侧和低侧开关的上述布置允许在给定低侧开关的尺寸限制的情况下可以实现的独立驱动电路的总数增加，如关于图4b所讨论的。因此，虽然电子扫描激光器阵列500具有与激光器阵列400相同数量的发射器(图5中未示出但等同于发射器402)，但阵列500中的发射器布置在十二个独立控制的组中，而不是对于阵列400的六个组。在一些实施例中，在下面讨论的图6的电路图中显示为二极管610(1)至610(12)的二极管可以与每个发射器组串联放置。二极管的尺寸可以足够大以承受高反向电压，因此可以防止相反方向的电流流动，如果多个发射器组共享一个阴极但具有不同的阳极电压，这种相反方向的电流流动可能损坏发射器。
83.图6是表示电子扫描激光器阵列500的电子电路600的示意图。如图6所示，电路600包括12个独立且可独立操作的通道c1至c12，其中为了便于说明仅示出了通道c1..c4和c11..c12。在图6中未描绘的通道c5、c7和c9中的每一个都可以由与关于通道c1、c3和c11所示基本上相同的电路表示，并且也未描绘的通道c6、c8和c10中的每一个都可以与关于通道c2、c4和c12所示基本上相同的电路表示。
84.每个通道c1..c12包括发射器组(即发射器组510(1)至510(12)中的一个)和二极管(即二极管610(1)至610(12)中的一个)并且耦合在高侧开关514a或514b之一与低侧开关412(1)至412(6)之一之间。每个通道还在其高侧耦合到电容器504(a)或504(b)中的一个，并且两个高侧开关中的每一个都耦合在电容器之一和提供电压(v
激光器
)至节点(例如端子620)的电源之间，所述节点对电容器充电以驱动发射器组。
85.如上面关于图4a和5所讨论的，栅极驱动器414(1)..414(6)(在图5中示出为栅极驱动器414)响应于控制信号至而接通和断开低侧开关412(1)..412(6)，该控制信号可以由处理器、微控制器或其他电路(例如，发射器控制器115)生成。可以说高侧开关514a、514b将发射器阵列和通道分成两个独立的电路——a侧(或a轨)和b侧(或b轨)。因此，通道c1..c12可以用a轨通道a1..a6和b轨通道b1..b6表示，其中通道c1＝通道a1，通道c2＝通道b1，通道c3＝通道a2，通道c4＝通道b2等，通道c11＝通道a6和通道c12＝通道b6。
86.开关514(a)和514(b)可以是低功率开关，其处理的电流比高功率开关412(1)..412(6)少得多，并因此比其小得多。因此，图5和图6中描绘的本发明的实施例能够使用两个低电流高侧开关和六个高电流低侧开关实现十二个可独立操作的通道，与否则需要的十二个高电流低侧开关相比，这占用的不动产要少得多。
87.在操作中，开关514a和514b分别控制电容器504a和504b的充电。一旦充电，电容器可以由开关412(1)..412(6)放电以驱动电流通过发射器组。为了更好地理解电路600的操作，参考图7a
‑
7c，其是描绘根据本发明的实施例的电路600的操作的时序图，其中电容器504a和504b相对较大(例如，在微法范围内)以及针对每次发射周期的通道c1到c12的触发序列为：a1、a2、a3、a4、a5、a6(均与a轨相连)，然后是b1、b2、b3、b4、b5、b6(均与b轨相连)。在图7a
‑
7c的每个图中，y轴上表示电压，x轴上表示时间，每个图都从时间t0开始。具体地，图7a描绘了与对电容器504a充电和放电相关联的电路的时序；图7b描绘了与对电容器504b充电和放电相关联的电路的时序；和图7c描绘了电容器504a和504b响应于图7a和7b中描绘的时序信号的电压水平。虽然本发明的实施例不限于特定的电压水平，并且因此图7c中未示出电压，但一些实施例在触发每个发射器组时在电容器中存储20
‑
50伏。
88.本发明的实施例可以通过设置信号高闭低电流fet 514a发起电容器504a的充电来启动上述触发序列。一旦电容器充满电(图7a中的702)，大电流开关412(1)...412(6)中的每一个被控制信号依次激活，以驱动电流通过并激发与通道c1、c3、c5、c7、c9和c11相关的发射器。例如，当控制信号脉冲为高时，电容器504a通过发射器组510(1)放电，触发通道c1中的每个发射器。脉冲长度确定发射器组510(1)被触发的时间长度。由于电容器504a相当大并且脉冲相当短，电容器504a在脉冲之后没有完全放电，而是保留了电压水平704所示的电荷量。然后可以对通道c3、c5、c7、c9和c11重复相同的序列。
89.在通道c11被触发后，线可以在时间706被脉冲高(或在电容器504b的充电和放电序列的持续时间设置为高，如在图7a和图7b所描绘的)，以通过地面激活开关615a和完全放电电容器504a，使得没有残余电荷留在电容器504a上，否则当b轨被激活时这可能触发a轨通道a1、a2、a3、a4、a5和a6。
90.在所有a轨通道都被触发后，信号被设置为高关闭低电流fet 514b以启动电容器504b的充电。一旦电容器504b被完全充电，每个大电流开关412(1)...412(6)被控制信号依次激活，以驱动电流通过并触发b轨通道b1、b2、b3、b4、b5和b6中的发射器，如上文关于a轨所述。在该序列结束时，线可以设置为高以激活开关615b并通过接地将电容器504b完全放电，以便电容器504b上没有残留电荷，否则当a轨在下一个发射周期被激活时这可能触发b轨通道b1、b2、b3、b4、b5和b6。
91.本发明的一些实施例可以使用较小的电容器(例如，在皮法范围内)作为电容器504a和504b。在这样的实施例中，电容器可以在每个通道被触发之后完全放电并且给定通道中的发射器被触发的时间长度将取决于电容器的放电时间而不是信号的脉冲宽度。当在通道被触发之后电容器504a、504b完全放电时，这样的实施例在通道的时序中实现了额外的灵活性，因为在触发另一个轨道中的通道之前触发耦合到轨道a或b之一的所有通道不一定是有益的。例如，依次从左到右的通道触发序列(a1、b1、a2、b2、..a6、b6)是可能的，其他任意触发序列也是可能的，其中来自第一轨的组的子集被触发，然后来自第二轨的组的子集被触发(例如，a1、a2、b1、b2、a3、a4、b3、b4、a5、a6、b5、b6)。而且，在这样的实施例中，开关615a、615b是可选的，因为电容器504a、504b在每次触发事件之后被发射器阵列完全放电。
92.在一些实施例中，使用最小化电感的路径驱动电流通过通道。因此，使通道交替以
使得成对的通道(在具有两个高侧开关的实施例中)由相同的低侧开关驱动可能是有利的。例如，如图6所示，通道c1和c2均由低侧开关412(1)驱动，其中通道c3和c4均由低侧开关412(2)驱动。这种布置可以确保通过每对通道的电流路径相似(基本上彼此平行)，因此该对中的两个通道(以及系统中的所有通道)可以具有相似的电感。
93.虽然电子扫描激光器阵列500(和电路600)在图5和图6中示出为包括使用两个高侧开关和六个低侧开关的十二个通道，但在其他实施例中，阵列500可以包括使用两个高侧开关和k/2个低侧开关的k个独立控制的通道。其他实施例可以包括l个高侧开关和k/l个低侧开关以实现k个独立控制的通道。例如，本发明的一个实施例可以包括三个高侧开关(因此三个轨a、b和c)，每个都可以耦合到专用电容器504，以及六个低侧开关，实现18个独立控制的通道。另一个实施例可以包括四个高侧开关和八个低侧开关，实现32个独立控制的通道。
94.图8是根据本发明的一些实施例的旨在被绘制成适当比例的电子扫描激光器阵列800的简化图，其在高侧具有12.8
×
6.4mm发射器阵列810和0402电容器(为便于图示，图8中未示出)。发射器阵列800是128
×
256发射器阵列，间距为50um。如图8所示，阵列810可以包括16个独立的驱动通道(如十六个0.9mm fet驱动器812和八个对应的双通道栅极驱动器814所示)，使得每个驱动器812通常负责16列发射器。
95.然而，电子扫描激光器阵列800还可以包括两个高侧开关(为了便于说明，图8中也未示出)，其使每个fet驱动器812能够以与驱动16列相比增加的亮度一次驱动八个激光器列。在一些实施例中，电子扫描激光器阵列800包括用于每个通道的0402电容器，其保持足够的电荷以从20v驱动电压触发八列发射器。例如：
96.·
单次激光发射所消耗的能量：1瓦峰值功率*10e
‑
9秒*(128*8)个发射器＝10微焦耳
97.·
在1uf电容器中在20v储存的能量＝0.5*c*v^2＝0.5*1e
‑
620v^2＝200微焦耳
98.图9是图8中电子扫描激光器阵列800的a
‑
a部分的简化截面图。截面图中描绘的是安装在陶瓷衬底815上的vcsel发射器阵列810、散热器820、高侧电容器804a和804b以及fet驱动器812。电容器804a和804b分别耦合到导电轨830a和830b，所述导电轨提供电压源(未示出)、电容器和发射器阵列之间的电路径并使与每个轨相关联的电路能够位于印刷电路板825的相对侧。接地平面840将两个轨道分开，从而降低了轨道之间的电感。
99.本发明的一些实施例可以通过使用多通道栅极驱动器、多通道fet驱动器和/或双组合栅极驱动器/fet驱动器芯片来节省发射器或激光器阵列内的不动产。例如，图8中所示的每个双通道栅极驱动器814可以在单个ic上形成，以便有八个ic用于双通道栅极驱动器，每个栅极驱动器ic激活发射器阵列的两个通道。八个栅极驱动器ic相结合，在激光器阵列800内占用的不动产比十六个单通道栅极驱动器所需的要少。类似地，本发明的一些实施例可以包括多通道fet驱动器，其中单个fet芯片可以驱动发射器阵列的两个或更多个通道，并且一些实施例可以包括双组合栅极驱动器/fet驱动器芯片，其中单个ic可以包括多通道栅极驱动器和多通道fet驱动器。
100.本发明的实施例涉及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分别制造一组发射器和一组光传感器，这大大简化了制造和组装过程。
101.然而，在某些实施例中使用vcsel和spad面临一定挑战，本发明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，本发明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传感器的阵列，每个光传感器可以是spad阵列。
102.图10是示出根据本发明的一些实施例的示例性固态电子扫描lidar系统1000的详细侧视图的简化图；固态电子扫描lidar系统1000可以包括光检测系统1001和光发射系统1003。光发射系统1003利用窄带光线1005提供系统1000所在的场的至少一部分的主动照明。光检测系统1001检测从光发射系统1003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1006。
103.光检测系统1001可以代表以上参照图1讨论的光检测系统136。光检测系统1001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大接收器光学器件、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传感器阵列，其中每个光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1001可以包括大接收器光学器件1002和微光学接收器(rx)层1004。在操作期间，光线1006从多个方向进入大接收器光学器件1002，并被大接收器光学器件1002聚焦以形成光锥1008。微光学接收器层1004被定位成使得光圈1010与大接收器光学器件1002的焦平面重合。在一些实施例中，微光学接收器层1004可以是微光学接收器通道1012的一维或二维阵列，其中每个微光学接收器通道1012由各自的光圈1010、准直透镜1014和光传感器1016形成，这些光圈、准直透镜和光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10所示。此外，每个微光学接收器通道1012可以以各种方式配置以减轻来自光传感器之间的杂散光的干扰。在操作期间，每个微光学接收器通道1012测量不同像素(即，场内的位置)的光信息。
104.在大接收器光学器件1002的焦点处，光线1006聚焦并穿过光圈层1011中的光圈1010，并进入相应的准直透镜1014。每个准直透镜1014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。大接收器光学器件1002的光圈和焦距决定了在光圈1010处聚焦的相应光线的锥角。准直透镜1014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1018中可以实现多窄的带通。在光检测系统1000的操作期间，光圈层可以起到各种功能。例如，(1)光圈1010可以约束像素视场，因此尽管在光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1010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1014，并且带通滤波器的通带较窄。
105.滤光器1018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1004的使用允许所有光线以大致相同的入射角进入滤光器1018，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)。光传感器1016响应入射光子产生电流或电压。在一些实施例中，滤光器1018遍及整个微光学接收器通道1012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1012接收相同波长范围的光。
106.在一些实施例中，光传感器1016位于准直透镜1014的相对侧，使得光线1006首先穿过准直透镜1014和滤光器1018，然后在暴露在光传感器1016上。每个光传感器1016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，每个光传感器1016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。
107.光发射系统1003可包括大发射机光学器件1020和由一维或二维阵列的光发射器1024形成的光发射层1022。每个光发射器1024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1022被配置成根据照射图案选择性地将离散光束投射通过大发射机光学器件1020，所述照射图案在尺寸和几何形状上遍及距光发射系统1003的距离范围与微光学接收器层1004中的接收器通道的视场相匹配。光发射器1024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1024可以产生窄带光锥1026，这些光锥被导向大发射机光学器件1020，大发射机光学器件可以准直光锥1026，然后将准直的光作为发射光线1005输出到场内远处的目标。在一些实施例中，大发射机光学器件1020是图像空间远心的。
108.从图10中平行光线1005和1006的图示中可以明显看出，每个微光学接收器信道1012具有超出阈值距离的不重叠视场。如图10所示，每个微光学接收器信道1012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电检测器的光电检测器，其中每个信道的光圈为信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信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1004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。
109.在附加和替代实施例中，来自光锥1026的光线1005先被微光学发射机层(未示出)聚焦在空间的中间平面上，然后才被大发射机光学器件1020导向远处的目标，以增强从光发射系统1003发射的光的亮度和强度。在这样的实施例中，光发射系统1003和光检测系统1001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1004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1003发射的远场光束具有与每个微光学接收器层1004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1003的细节。
110.因为vcsel不如现有激光雷达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106可以被配置成提高lidar系统100执行光测距功能的能力。也就是说，可以提高光发射系统106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。从大发射机光学器件144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。
111.图11是根据本发明的一些实施例的示例性增强光发射系统1100的简化剖视图。光发射系统1100可以包括具有光发射器1104的光发射器阵列1102，光发射器例如可以包括但不限于用于发射光1113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11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。
112.增强型光发射系统1100可以包括通过开放空间1118与光发射器阵列1102隔开的微光学发射机通道阵列1106。每个微光学发射机通道1108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。微光学发射机信道阵列1106可以由夹在位于面向光发射器阵列1102的一侧的第一光学表面1120和位于背对光发射器阵列1102的相对侧的第二光学表面1121之间的衬底1119形成。第一光学表面1120和第二光学表面1121都可以被配置成凸形微光学透镜阵列，其中第一光学表面1120的每个凸透镜被配置成与第二光学表面1120的相应凸透镜光学对准，使得透射通过第一光学表面1120的光可以随后透射通过第二光学表面1121。如图11所示，来自第一光学表面1120和第二光学表面1121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1120的凸透镜具有第一光功率，第二光学表面1121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。衬底1119可以由在光发射器1104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1120和第二光学表面1121可以由压印在衬底1119的相应相对表面上的透明聚合物形成。
113.在一些实施例中，微光学发射机通道阵列1106可以由微光学发射机通道1108的单片阵列形成。每个微光学发射机信道1108可以包括来自第一光学表面1120的第一凸透镜、来自第二光学表面1121的相应第二凸透镜以及位于两个凸透镜之间的衬底1119的相应部分。每个微光学发射机信道1108可以对应于各自的光发射器1104，使得从光发射器1104输出的光在操作期间首先穿过第一凸透镜，穿过衬底1119的相应区域，然后穿过第二凸透镜。
114.一旦光从第二光学表面1121的第二凸透镜射出，所述光就形成微型光斑图像1110，所述图像是相应光发射器1104的真实图像，但是是相应光发射器1104的尺寸缩小的图像。在一些实施例中，微型光斑图像1110位于微光学发射机信道阵列1106和整体发射机光学器件1114之间。例如，微型光斑图像1110可以形成在光圈层1109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1110。应当理解，光圈层1109是可选的，并且在没有光圈层1109的情况下可以实现微光发射机通道阵列1106的光增强能力。在这样的实施例中，可以在第二光学表面1121的第二凸透镜的焦平面处形成微型光斑图像1110。从那里继续远离光发射器和微光学信道，光形成光锥1112，通向整体发射机光学器件1114。
115.根据本发明的一些实施例，发射光1113的发散度可以小于光锥1112的发散度。发散度的这种差异可以由微光学发射机信道1108产生，特别是由第二光学表面1121的光功率产生。因为从微光学发射机信道1108出来的光的发散度大于从光发射器1104发射的光1113的发散度，所以微型光斑图像1110可以是光发射器1104的真实图像，但是比光发射器1104的尺寸小很多，并且具有与发射光1113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1112在穿过大发射机光学器件1114之后作为每个光发射器1104的离散光束1125被投射到场内。从光发射系统1100发出的最终光线是具有小横截面积的高度准直的光束1125，从而使得光发射系统1100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大发射机光学器件1114的焦平面处具有光发射器阵列1102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。
116.请注意，大发射机光学器件1114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大发射机光学器件1114。在大发射机光学器件1114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大发射机光学器件1114的性能。还要注意，对于一些实施例，光锥1112可以重叠形成光锥重叠区域1116。
117.大发射机光学器件1114位于微光学器件和发射层的前面，使得大成像光学器件的焦平面与微型光斑图像1110重合。整体发射机光学器件1114接受发散光锥1112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。此外，整体发射机光学器件1114可以是图像空间远心的，因为离开微光学层的光锥1112可以都是平行的(而不是其中心轴对准整体光学器件的中心)。在一个实施例中，光可以近似准直地离开整体发射机光学器件1114。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1110)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。
118.尽管图11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。
119.根据本发明的一些实施例，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。根据本发明实施例的特定固态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。
120.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。根据本发明的一些实施例的扫描lidar系统可以被设计成通过配置具有256乘128个光传感器的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；以及在每个光传感器由一组十六个spad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。传感器阵列的最终尺寸可以约为15mm x 7.6mm。
121.在一些实施例中，根据本发明的多个电子扫描lidar单元可以一起工作以提供比单个单元更大的视野。例如，图12示出了根据本公开的一些实施例的实施方式1200，其中固态电子扫描lidar系统1202a
‑
d被实现在诸如汽车的道路车辆1205的外部区域；图13示出了根据本公开的一些实施例的实施方式1300，其中固态电子扫描lidar系统1302a
‑
b被实现在道路车辆1305的顶部。在每种实施方式中，可以选择lidar系统的数量、lidar系统的放置和每个lidar系统的视野以获得车辆周围环境的360度视野的大部分(如果不是全部的话)。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。
122.参照图12，固态电子扫描lidar系统1202a
‑
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1202a
‑
d可以各自定位在车辆1205的相应角落处，使得它们定位在车辆1205的最外侧角落附近。这样，lidar系统1202a
‑
d可以更好地测量车辆1205与区域1206a
‑
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lidar tx模块1208发出的光脉冲1210的一部分。然后光脉冲1210的一个或多个反射部分1212传播回lidar系统1202a，并且可以被rx模块1209接收。rx模块1209可以被设置在与tx模块1208相同的壳体中。如本文所讨论的，电子扫描lidar系统1202a
‑
d可以电子地扫描场景以捕获场景的图像。因此，lidar系统1202a可以在点1220和1222之间进行扫描以捕获区域1206a中的物体，对于系统1202b
‑
d和区域1206b
‑
d也是如此。
123.虽然图12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13所示。在这样的实施例中，电子扫描lidar系统1302a
‑
b可以具有更高的有利位置，以更好地观察车辆1305周围的区域1307a
‑
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。
124.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1202a
‑
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1220a
‑
d时，可以观察到车辆1205周围的360度视场的全部或绝大部分。在每个lidar系统1202a
‑
d具有小于90度视场(例如45度视场)的实施例中，可以根据需要包括额外的lidar系统以扩展视场以实现组合视场，如特定实施方式可能需要的。
125.尽管已经针对特定实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明旨在覆盖所附权
利要求范围内的所有修改和等同物。