眼睛安全的长范围固态LIDAR系统的制作方法

眼睛安全的长范围固态lidar系统
1.本文所用的章节标题仅用于组织目的，并且不应被解释为以任何方式限制本技术中所述的主题。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术是在2019年6月10日提交的标题为“eye-safe long-range solid-state lidar system”的美国临时专利申请号62/859,349的非临时申请。美国临时专利申请62/859,349的全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

4.自主、自驾和半自主汽车使用不同传感器和技术的组合，例如雷达、图像识别相机和声纳，来检测和定位周围物体。这些传感器能够在驾驶员安全性方面有许多改进，包括碰撞警告、自动紧急制动、车道偏离警告、车道保持辅助、自适应巡航控制和自动驾驶。在这些传感器技术中，光检测和测距(lidar)系统扮演关键角色，从而实现周围环境的实时、高分辨率3d映射。
5.现今，用于自主车辆的大多数商业上可获得的lidar系统利用少量的激光器，结合一些机械扫描环境的方法。非常期望未来的自主汽车利用具有高可靠性和宽环境操作范围的基于固态半导体的lidar系统。
附图说明
6.根据优选和示例性实施例，本教导连同其进一步的优点一起在以下结合附图的详细描述中被更具体地描述。本领域技术人员将理解，下面描述的附图仅用于说明目的。附图不一定是按比例的，相反，重点通常放在说明本教导的原理上。附图不是要以任何方式限制申请人的教导的范围。
7.图1a示出了已知的固态lidar系统的示意图。
8.图1b示出了图1a的lidar系统的系统视场(fov)的二维投影。
9.图2a示出了根据本教导的lidar系统的实施例的lidar系统fov的二维投影。
10.图2b示出了对应于根据本教导的lidar系统的实施例的lidar系统fov的二维投影中的单个激光器的检测器。
11.图2c示出了根据本教导的具有对应于提供特定分辨率的单个激光器fov的检测器分组的lidar系统的实施例的lidar系统fov的二维投影。
12.图3示出了在本教导的lidar发射器的一些实施例中使用的已知底部发射垂直腔表面发射激光器(vcsel)的结构的示意图的透视图。
13.图4a示出了具有256个单独的激光发射器的2d单片vcsel阵列的示意图，其中，每个发射器对应于可以在本教导的lidar发射器的一些实施例中使用的单个大孔径。
14.图4b示出了具有256个单独的激光发射器的2d单片vcsel阵列的示意图，其中，每个发射器具有能够在本教导的lidar发射器的一些实施例中使用的九个子孔径。
15.图5示出了在905nm波长下基于iec-60825标准计算的1级允许的以j/cm2为单位的
最大允许暴露(mpe)的一个示例的曲线图。
16.图6示出了在脉冲条件下vcsel激光器的光功率与占空比的关系曲线图。
17.图7示出了在考虑到眼睛安全性和对各个激光器占空比的热约束的情况下，操作能够进行脉冲平均的lidar系统的方法的实施例的流程图。
18.图8示出了用于以下实施例的lidar系统配置的系统视场(fov)的二维投影，在该实施例中，使用检测器阵列的一行来获取多个测量结果，同时场景是准静态的。
19.图9示出了本教导的lidar系统的一部分的实施例，其中，使用包括光学器件并布置在公共衬底上的四个vcsel阵列组件来配置发射器。
具体实施方式
20.现在将参考如附图中所示的本教导的示例性实施例来更详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是本教导并不旨在被局限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代物、修改物和等效物。获得本文教导的本领域技术人员将认识到在本文所述的本公开的范围内的另外的实施方式、修改例和实施例以及其他使用领域。
21.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本教导的至少一个实施例中。在说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指同一实施例。
22.应当理解，本教导的方法的各个步骤可以以任何顺序和/或同时执行，只要本教导保持是可操作的。此外，应当理解，本教导的装置和方法可以包括任何数量或所有的所描述的实施例，只要本教导保持是可操作的。
23.本教导涉及光检测和测距(lidar)，其是一种使用激光来测量到物体的距离(范围)的遥感方法。自主车辆利用lidar系统以高分辨率生成周围环境的高度准确的3d地图。本文描述的系统和方法旨在提供一种固态、具有高可靠性水平的脉冲飞行时间(tof)lidar系统，同时还维持长测量范围以及低成本。
24.本文描述的提供固态脉冲tof lidar的系统和方法还可被配置成维持1级眼睛安全。1级眼睛安全性评级意味着该系统在所有正常使用条件下都是安全的。为了保持1级眼睛安全，激光能量或激光光功率不能超过由美国和国际安全标准所定义的最大允许暴露(mpe)水平。然而，lidar系统的测量范围强烈依赖于最大发射光脉冲能量或功率水平。因此，希望汽车lidar系统有意地尽可能接近1级mpe限制来工作。
25.假定工作在相同波长的所有lidar系统将受到相同的mpe限制，则必须通过创新光学系统的各方面来实现一个lidar系统相对于工作在mpe功率限制附近的功率水平的另一个lidar系统的进一步的范围的改进。本教导的一个方面是使用所有能量都被发射到小fov中的高度准直的激光束的lidar系统能够提供与相同量的激光在较宽fov上分散的系统相比相对较长的测量范围。也就是说，高度准直的激光束与允许在类似的小视场(fov)上进行测量的接收器设计的结合将导致反射的信号功率与背景光水平的期望比率，这改进了测距能力。
26.一种已知的固态lidar系统是所谓的闪光lidar系统，其采用在宽fov上发射激光的发射源。一些闪光lidar系统是固态的。闪光lidar系统可以用单个照明事件来照明整个
场景。但是，对于在1级眼睛安全mpe限制下工作的lidar系统，与来自发射源的光被高度准直的系统相比，由闪光lidar照射的宽fov显著地限制了测量范围。
27.本教导的脉冲tof lidar系统使用具有等于或略低于1级眼睛安全性的mpe限制的光功率/能量的准直发射器激光束，以提供与传统闪光lidar系统相比显著的范围增加。另外，本教导的脉冲tof lidar系统使用多个激光脉冲的脉冲平均化和/或脉冲直方图化来改进信噪比(snr)，这进一步改进了范围。这些lidar系统采用非常高的单脉冲帧速率，远高于100hz。
28.图1a示出了已知的固态lidar系统100的示意图。图1a中所示的系统不采用一次照射整个系统视场的闪光发射器。激光器阵列102生成各种光束图案。当发射器被控制脉冲激活时，光束从阵列102中的该发射器发射。有时根据特定序列激活一个或多个发射器。来自激光器阵列102中的激光器的光束传播通过公共的发射器光学器件104，该发射器光学器件将光束投射到目标平面110处的目标106。在该特定示例中，目标106是汽车106，但是应当理解，目标可以是任何物体。
29.来自入射光束的部分光被目标106反射。这些部分的反射光束共享接收器光学器件112。检测器阵列114接收由接收器光学器件112投射的反射光。在各种实施例中，检测器阵列114是没有移动部件的固态。检测器阵列114通常具有比发射器阵列102所具有的单独激光器更少数目的单独检测器元件。
30.lidar系统100的测量分辨率不是由检测器阵列114中的检测器元件的尺寸确定的，而是由发射器阵列102中的激光器的数量和各个光束的准直确定的。换句话说，分辨率受到每个光束的视场的限制。lidar系统100中的处理器(未示出)执行飞行时间(tof)测量，该测量根据在检测器阵列114处检测到的由激光器阵列102发射的光束来确定到目标106的距离。
31.根据本教导的lidar系统的一个特征是，可以单独地控制发射器阵列102中的单独的激光器和/或激光器组。发射器阵列中的每个单独发射器可以独立地发射，其中由每个激光发射器发射的光束对应于仅对着整个系统视场的一部分的三维(3d)投射角。这种lidar系统的一个例子在美国专利公开no.2017/0307736a1中有所描述，该专利已转让给本受让人。美国专利公开no.2017/0307736a1的全部内容通过引用并入本文。
32.根据本教导的lidar系统的另一特征是，还可以单独控制检测器阵列114中的检测器和/或检测器组。对发射器阵列102中的各个激光器和/或激光器组以及对检测器阵列114中的检测器和/或检测器组的这种独立控制提供了各种期望的操作特征，包括对系统视场、光功率水平和扫描图案的控制。
33.图1b示出了图1a的lidar系统的系统视场150的二维投影。参考图1a和图1b，检测器阵列中的单个检测器的视场由小正方形152表示。圆154示出了与发射器激光器阵列102中的单个发射器相关联的被照射的测量点。图1a的lidar系统的整个视场中的单个3d测量点被示出为特定的黑圆158，其对应于激光器阵列中的特定的单独激光器。在图1b中还可以看出，该测量点落在单独的检测器内，其中检测器阵列114中的该单独的检测器的视场已经在正方形156中示出，该正方形具有用于识别的剖面线图案。该图示出了lidar系统的一些实施方式的3d分辨率由激光器的数量确定，因为每个激光器对应于特定的角度投射角，该角度投射角导致目标范围处的圆154的大小以及圆154和表示各个检测器元件的视场的正
direct time-of-flight ranging system based on a synthesis of sub-ranging images and a vertical avalanche photo-diodes(vapd)cmos image sensor”(sensors 2018，18，3642)中报道了具有264,000个像素(688(h)
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384(v))的apd阵列。
40.图2b指示对应于根据本教导的lidar系统250的实施例的系统fov的二维投影中的单个激光器的检测器。类似于图2a中所示的lidar系统fov 200，单个激光器fov由圆202表示，并且单个检测器由正方形204表示。感兴趣的激光器由控制器激励以照射由特定圆252表示的fov。控制器产生偏置信号，该偏置信号在期望的时间激励期望的一个或多个激光器。与由圆252表示的激光束fov的至少一些部分重叠的检测器fov在系统fov中的阴影区域254内。在这种特定配置中，对于单个激光束fov 252，实现了包括32个单独的检测器fov的检测器区域254。检测器区域254中的每个检测器fov具有与小正方形204相关联的fov。注意，在各种实施例中，检测器区域254不一定是正方形或矩形。区域254的形状取决于检测器形状和激光束轮廓，其中任一个可以是任何形状(圆形、正方形或其它形状)。
41.控制器在区域254中选择落在所选择的激光器的激光束fov 252内的一组一个或多个检测器。同时检测来自所选择的一组检测器的信号，并且所检测的信号被提供给控制器然后被处理以生成单个测量脉冲。对于长范围工作，包括在lidar系统的最长指定范围内工作，用于产生测量脉冲的像素(即，单独的检测器)的数量可以被选择，来以分辨率为代价使snr最大化。例如，最佳snr可以对应于通过对来自图2b中突出显示的区域254中的所有检测器的接收信号以某种方式求和或组合而进行的测量结果。也就是说，可以选择落入所选激光器的fov 252内的多个连续检测器。在一些实施例中，仅选择被激光器的fov 252中的光完全照射的那些检测器。这样，来自没有被完全照射的检测器的噪声不会累积。或者，可以选择检测器的较小子集。例如，在根据本教导的一些配置中，来自激光器的功率在光束轮廓上不是均匀分布的。在这些配置中，可以使用与光束的轮廓匹配的检测器的子集，从而选择接收更高强度的入射光的检测器。
42.在某些范围，代替组合像素信号以最大化最长测量范围的snr，可以期望产生较高分辨率的图像。例如，在近范围处，可以单独地测量每个像素或较小的像素集合以提供场景的较高分辨率图像。在这些实施例中，选择提供特定尺寸或形状的检测器fov的多个检测器，以有助于在目标范围提供特定分辨率的特定测量脉冲。
43.图2c示出了根据本教导lidar系统的实施例的lidar系统fov270的二维投影，该lidar系统具有提供特定分辨率的、针对单个激光器fov 286进行分组的检测器。与图2a类似，单个激光器fov由圆202表示，并且在该配置中表示单个像素的单个检测器由正方形204表示。在该实施例中，四个像素的七个组272、274、276、278、280、282、284中的每一个被用于由圆286表示的单个激光束fov。四个像素的七个组272、274、276、278、280、282、284可以各自被单独地选择以有助于特定测量脉冲。每个测量脉冲将产生基于特定组272、274、276、278、280、282、284的大小的分辨率。因此，在这种情况下，在照明fov(圆286)内可获得七个测量结果，每个测量结果具有小于照明激光光斑fov(圆286)的分辨率。因此，通过选择检测器的特定数量和形状，可以提供各种分辨率。例如，仅使用垂直排列的两个像素，而不是如图2c的组272、274、276、278、280、282、284中所示的四个像素，将产生在垂直维度上相同的分辨率以及在水平维度上一半的分辨率。类似地，仅使用水平排列的两个像素而不是四个像素，将产生与组272、274、276、278、280、282、284在水平维度上相同的分辨率以及在垂直
维度上一半的分辨率。所描述的各种分组仅是示例。检测器被选择以提供组大小和形状，从而为特定测量结果提供期望的分辨率。
44.图3示出了在本教导的lidar发射器的一些实施例中使用的已知底部发射垂直腔表面发射激光器(vcsel)300的结构的示意图的透视图。vcsel 300的发射孔302的面积通常在从用于mw功率工作的几微米直径到用于100mw和更大的cw功率工作的100微米或更大直径的范围内。vcsel 300被制造在衬底304上，该衬底例如可以是gaas或多种其它半导体材料。
45.n型分布式布拉格反射器(dbr)层306位于衬底上。在n型dbr层306上构造有源区308，接着可以在氧化物材料中形成的孔310。然后在有源区上生长p型dbr层312。通常，p型dbr层312是高反射的，而n型dbr层306是部分反射的，导致光从层结构的底部、衬底侧输出314。在所示的器件中，有源区308、氧化物孔310和p型dbr层312形成台面结构。顶部接触部316和底部接触部318用于向有源区提供电流以产生输出光。氧化物孔310提供对有源区308的电流限制。顶部接触部316是p型，底部接触部318是n型。
46.发射孔302形成在底部接触部318中，以允许输出光314从底部发射vcsel 300的底部、衬底侧射出。注意，图3中仅示出了一个发射孔302，因为图3仅示出了多发射器的vcsel阵列的一个发射器。这种类型的vcsel可以是独立的单发射器，或者可以是可以在衬底304上制造为一维或二维阵列的多发射器的vcsel的一部分。vcsel接触部316、318可单独寻址和/或可以各种配置电连接在一起，以用公共电输入信号寻址vcsel的组。本教导的一个特征是用于利用针对特定lidar系统应用的适当驱动信号来控制对阵列中的一个或多个vcsel 300器件的激励的系统和方法。
47.本教导的各种实施例使用各种已知的vcsel激光器设备，包括顶发射vcsel、底发射vcsel和各种类型的高功率vcsel。
48.在一些实施例中，vcsel阵列是单片的，并且激光器全部共享公共衬底。可以使用各种常见的公共衬底类型。例如，公共衬底可以是半导体材料。公共衬底还可以包括陶瓷材料。在一些实施例中，vcsel阵列是2d vcsel阵列，并且2d vcsel阵列由一组1d条或甚至由多个单独的管芯组装而成。
49.根据本教导的lidar系统的一个特征是它们可以为各种激光器阵列提供可控视场。一些实施例使用vcsel阵列。在一些实施例中，vcsel是顶部发射vcsel。在其它实施例中，vcsel是底部发射vcsel。单个vcsel可以具有单个大的发射孔径，或者单个vcsel可以由在更大的有效发射孔径内的两个或更多个子孔径形成。形成较大有效发射区域的一组子孔径有时被称为簇。簇中的子孔径可以并联电连接，使得它们由单个控制信号电子地激活。
50.图4a示出了在本教导的lidar发射器的一些实施例中使用的具有256个单独的激光发射器402的2d单片vcsel阵列400的示意图，其中每个发射器402对应于单个大孔径。每个激光发射器具有直径为a404的发射孔径。来自每个单个激光发射器402的发射基本上填充了整个发射孔径直径a 404。因此，每个激光发射器产生具有初始直径“a”404的激光束，该初始直径等于发射孔的直径。激光发射器在水平方向上以间距dx 406均匀地间隔开，并且在垂直方向上以间距dy 408均匀地间隔开。从最外面激光器的中心测量的阵列的总尺寸是水平方向上的距离dx 410和垂直方向上的距离dy 412。实际的芯片尺寸将稍大于尺寸dx410和dy 412。在各种实施例中，发射器可以产生具有各种形状的光束。例如，可以实现椭
圆形、正方形、矩形和各种奇特形状。
51.图4b示出了可以用在本教导的lidar发射器的一些实施例中的具有256个单独的激光发射器452的2d单片vcsel阵列450的示意图，其中每个激光发射器452具有九个子孔径454。来自每个单个激光发射器452的发射导致来自所有九个子孔径454的发射。在九个子孔径454中的一个或多个由于制造异常或装置故障而不能发光的情况下，发射器452仍然工作并且产生光束，尽管是以较低的输出功率。输出光束将对应于子孔径454的图案，并且子孔径454可以以各种形状布置。在所示的结构中，输出光束名义上是正方形的，对应于九个子孔径454的3
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3正方形阵列的发射器452形状。激光发射器452在水平方向上以间距dx 456均匀地间隔开，并且在垂直方向上以间距dy 458均匀地间隔开。从最外面激光器的中心起测量的阵列的总尺寸是水平方向上的距离dx 560和垂直方向上的距离dy 462。实际的芯片尺寸将稍大于距离dx460和距离dy 462。各种阵列图案(包括规则和不规则阵列)都是可能的。图4a-图4b的vcsel包括vcsel芯片的不发射光的区域，例如区域414、464。
52.本教导的一些实施例利用每激光器具有单个大孔径的底部发射高功率vcsel阵列，并且被配置成规则间隔的矩形阵列，例如图4a所示的配置。本教导的其它实施例利用顶部发射或底部发射的高功率vcsel阵列，该阵列具有包括子孔径的总发射区域。然而，本领域技术人员将理解，本教导不限于顶部和底部发射vcsel、相关的发射窗口、或阵列间隔或形状的任何单一配置。
53.本教导的lidar系统的一个特征是发射器可以不都发射相同波长的光。用于生产vcsel的晶片生产工艺通常导致每个晶片具有一个中心波长，波长跨晶片的分布在中心值附近的几纳米内。因此，使用多个波长的lidar系统通常将使用多个单独的管芯，每个管芯具有一个特定波长，然后将这些管芯与光学系统一起布置以产生期望的远场投射图案。两种常见类型的远场投射图案是并排且交错的。在并排远场投射图案中，fov被分成彼此相邻的不同波长的区域，其中仅边缘重叠，而在交错图案中，fov的大部分包含两个以上波长。
54.使用2d vcsel阵列作为本教导的lidar系统的构造块建立了允许小物理尺寸的发射器的发射器平台。例如，可以在尺寸约为4mm
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4mm的单片芯片上制造具有256个高功率独立激光发射器的典型2d阵列。然后，单片2d激光器阵列与选择成保持物理尺寸尽可能小的发射光学器件一起使用。例如，一些实施例使用具有类似于单片芯片的尺寸的微透镜阵列。其它实施例使用具有例如小于20mm的直径的共享透镜。还有其它实施例使用具有例如20mm直径的最大尺寸的衍射光学器件。
55.本教导的lidar系统的一个特征是发射器产生的光束的间隔和/或发散度可以被配置为生成具有期望图案、形状或其它指定特性的发射器fov。例如，可以使光束重叠或不重叠。fov图案的选择根据特定图案提供了对例如范围、眼睛安全功率水平、信噪比和/或分辨率的控制。
56.本教导的固态lidar系统遵守1级眼睛安全限制。图5示出了在905nm波长下基于iec-60825标准计算的1级允许的以j/cm2为单位的mpe的一个示例的曲线图500。应当理解，这仅仅是示意性的计算。mpe基于许多考虑，并且该示例用于说明目的。图5中所示的值将基于所使用的确切激光器和光学器件的具体细节而改变。然而，从图5可以看出，mpe限制随暴露持续时间而改变。结果，激光器被激励的时间长度将影响可以使用多少峰值功率。对应于tof系统的关键时间段在图中显示为从1微秒到3微秒的突出显示区域。这分别对应于激光
脉冲传播出去到150m和450m处的目标并返回所花费的时间。显然，具有mpe限制的光功率的单个激光脉冲因此受到眼睛安全暴露持续时间的限制。处于mpe限制的单个脉冲仅可以每5微秒发射一次，因为在如此短的时间内几乎不发生相对运动来改变激光与位于由眼睛安全标准所限定的100mm距离处的测量孔径之间的关系。在期望脉冲平均的lidar系统的情况下，当单个激光器在1级的mpe限制下操作时，这将单个激光器的发射速率限制为＞5微秒。
57.本教导的一个特征是一个或多个发射器阵列、发射光学器件、接收光学器件和检测器阵列相对于彼此的定位使得可以控制激光器的发射图案以支持多脉冲平均化和/或提供测量脉冲的直方图。在一些实施例中，一组激光器被选择，并且这组激光器被按序列激励。然后，该序列被重复多次，使得从每个激光器得到的测量脉冲可以在该重复次数上被平均。例如，诸如a-b-c-d-a-b-c-d的序列可以重复多达n次，其中每个字母是一组四个发射器中的特定发射器。
58.在一些实施例中，选择该序列，使得来自lidar系统的光功率不超过眼睛安全限制。在一些实施例中，例如，每个发射器被激励以产生处于或接近mpe的光功率。因此，如果两个或更多个激光发射器的光束重叠，则可能超出mpe。在这种情况下，激光器图案的发射序列使得不会同时激发具有重叠的fov使得超过mpe的两个激光器。例如，这可能意味着具有重叠fov的两个激光器在序列中的不同点被发射。然而，具有非重叠fov的激光器可以同时发射。
59.物理架构(即，激光器阵列、发射光学器件、接收光学器件和检测器阵列的特定位置)被配置为支持特定的性能目标。例如，在一些实施例中，序列中的各个激光器物理地位于单独的阵列中。例如，在上述例子中，被表示为a和c的激光器一个阵列中，被表示为b和d的激光器在不同的阵列中。在一些实施例中，检测器阵列形状和配置对序列和/或重复值施加约束。例如，如果序列测量结果被限制到一组测量数据中的特定行或列，则一些检测器阵列工作得最好。这是因为检测器阵列可能不能足够快地切换或重新配置检测事件以支持任意几何形状。
60.本教导的一个特征是lidar的物理结构和对这些元件的控制可以提供对最大范围和范围测量的精度的控制。图6示出了曲线图600，其示出了如lidar系统这样以非常短的持续时间脉冲工作的激光器的峰值光功率和占空比之间的重要关系。曲线图600示出了vcsel发射器的作为脉冲偏置电流的函数的峰值光功率。为了使范围最大化并使范围模糊度最小化，脉冲tof lidar系统中的激光脉冲的持续时间通常小于10纳秒。激光器的物理性质使得在这种短持续时间脉冲期间没有时间散热，因此以较低的占空比来获得较高的光功率。典型的行为在曲线图600中示出，其中可以看出cw曲线的线性部分可以在长工作周期的情况下更远地延伸。lidar系统可以以＜0.1％的占空比工作，以便从激光器获得最大峰值功率。对于10纳秒的脉冲持续时间，0.1％的占空比将对应于脉冲之间的10微秒持续时间。
61.因此，激光峰值功率、脉冲持续时间和脉冲占空比基于眼睛安全和散热考虑而受到限制。范围和范围模糊度是另一个考虑因素。显然，为了以可能的最大功率操作激光器，眼睛安全和脉冲占空比可以对脉冲之间的时间施加约束，并且该时间可能比系统的范围所期望的时间更长。例如，最大范围仅基于tof是150米的lidar系统可以每微秒发射一个脉冲而没有模糊。但是，眼睛安全和占空比约束可能限制该激光器仅能每5至10微秒发射。为了能够平均多个脉冲，脉冲应当在时间上接近。如果物体以50米/秒的相对速度行进，则它们
的距离将在100微秒内改变5毫米。因此，为了不使目标距离和目标本身模糊，系统应当完成所有脉冲平均，其中场景是准稳定的，并且所有脉冲之间的总时间为100微秒的量级。当然，在这些各种约束之间存在相互影响，然而，很明显，基于特定的期望性能，可以组合特定的物理架构和控制方案来实现该性能。
62.本教导的固态lidar系统使可能的测量速率最大化，并通过遵循图7所示的流程图来实现脉冲平均化。使用一种用于形成激光器的组或子集的方法，其中，各个激光器的发射速率受眼睛安全和/或脉冲占空比的约束，但是激光器在组内被序列地发射以维持总体期望的测量速率。例如，如果期望的测量速率是1微秒，并且单个激光器的发射被限制为5微秒，则形成一组5个激光器(a、b、c、d、e)，并且激光器按序列a-b-c-d-e发射，并且该序列重复期望的脉冲平均数。
63.图7示出了用于操作lidar系统的方法的流程图700，该方法考虑到眼睛安全性和对各个激光器占空比的热约束来实现脉冲平均。在第一步骤702中，系统被初始化。该初始化可以包括例如使用预设信息和/或测试测量结果来帮助配置控制方案。控制方案配置包括例如确定对激光功率、脉冲持续时间占空比、单个激光器和检测器位置、检测器灵敏度、串扰和/或光束轮廓的约束。然后，该信息被用于通知该方法的后续步骤。一旦系统被初始化，在步骤二704中，确定激光器发射图案和发射速率。在一些实施例中，建立检测事件序列(检测器位置、检测持续时间和占空比)和测量方法(平均化重复时间等)。在图7的实施例中，在步骤三706中，系统从激光器的整体列表中挑选满足对各个激光器发射速率的期望约束的激光器组。在步骤四708中，还确定检测器事件序列和/或建立特定的脉冲平均数。
64.然后，系统移动以单独地发射该组内的每个激光器，并且接收和存储用于期望的最大范围的返回信号，直到该组内的所有激光器都已经被发射一次。具体地，在步骤五710中，来自所选择组的每个激光器以所选择的序列被发射，并且来自每个激光器的发射的检测事件被记录。在步骤六712中，控制器确定是否已经达到脉冲平均数。如果否，则系统返回到步骤五710。重复点火序列，直到判定步骤六712达到期望的脉冲平均数。来自每次发射的记录数据可以被平均或存储为序列直方图。在步骤七714中，在处理器中执行信号处理，该处理器基于来自每个单独激光器的数据的平均值和/或直方图来计算tof。在步骤八716，处理器确定并存储和/或报告具有tof、振幅和误差形式的3d点数据。在步骤九718中，系统决定是否继续回到步骤三706并移动到新的组或者结束。如果不继续，则该方法在步骤十720结束。在发射列表内的所有激光器的完成表示一个全帧的完成。
65.这仅是一个可能的流程图，并且仅作为示例呈现。附加的操作流程也是可能的。例如，在一些系统中，来自每个脉冲的数据不仅可以被记录而且可以被向外部传送，并且/或者中间tof信息可以被根据系统要求来计算。代替数据的简单脉冲平均化或直方图化，误差处理、脉冲编码和/或更复杂的数字信号处理是可能的。
66.图8示出了图7中概述的过程的附加图示。特别地，图8示出了用于一个实施例的lidar系统配置的系统视场(fov)800的二维投影，其中，使用一行检测器阵列来获取多个测量结果，同时场景是准静态的。在该实施例中，存在五个激光器，它们重叠以覆盖所有十个检测器。存在五个相应的激光器fov 802、802’、802”、802
”’
和802
””
。存在十个检测器fov 804、804’、804”、804
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、804
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、804
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和804
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。
67.这种配置利用由字母(a、b、c、d、e)表示的激光器的发射序列。因此，产生fov 802
的激光器发射，然后产生fov 802’的激光器发射，然后产生fov 802”的激光器发射，然后产生fov 802
”’
的激光器发射，然后产生fov 802
””
的激光器发射。在每种情况下，一个激光器的fov照射相应行内的两个检测器的fov。换句话说，在一个示例中，fov 802照射检测器fov 804、804’。为了满足眼睛安全和/或热约束，可能需要用于发射这些激光器的特定序列，例如，a然后c，然后e，然后b，然后d。序列a-c-e-b-d然后被重复以获得多个测量结果，用于平均化或直方图化来改善snr。注意，在该序列中，没有一组检测器与前一组检测器紧邻，这意味着在对应激光器的fov中存在间隙。例如，产生检测器fov 804、804’的标记为a的检测器不是紧邻产生检测器fov804
”’
、804
””
的标记为c的检测器。这通过确保在发射的激光束之间没有fov重叠而可能有益于眼睛安全。
68.在一些特定实施例中，在期间获得测量结果的持续时间为100微秒的量级，使得场景是准静态的，并且场景中没有物体可以在位置上移动超过几毫米。图8中的lidar系统中的其他检测器行将以类似的方式操作，以便测量整个视场。图8中的实施例是简单的，以便于用少量的激光器和少量的检测器进行说明，然而可以理解，在实际系统中，很可能存在更大数量的激光器和检测器。
69.图9示出了本教导的lidar系统900的一部分的实施例，其中，使用包括光学器件并且布置在公共衬底912上的四个vcsel阵列组件904、906、908、910来配置发射器902。每个包括相应的光学器件的四个vcsel阵列组件904、906、908、910以正方形图案布置在公共衬底912上。在该实施例中，vcsel阵列组件904、906、908、910中的每个vcsel具有32个可独立发射的单独的激光器。vcsel阵列组件904、906、908、910被标记为组件1,904、组件2,906、组件3,908和组件4,910。与每个vcsel阵列组件904、906、908、910相关联的vcsel阵列中的各个激光器的各个光束被投射到远场，使得它们以由阵列中的元件的间距、由vcsel阵列的间距以及由投影光学器件确定的设定图案交错。
70.远场914中的激光束图案示出了来自各种阵列中的各个激光器的光束如何出现。远场914中的这个图案是如本文所述的激光光束fov的图案。来自组件1,904的激光器的fov在fov中由如正方形916所示的1表示。来自组件2,906的激光器的fov在fov中由如正方形918所示的2表示。来自组件3,908的激光器的fov在fov中由如正方形920中所示的3表示。来自组件4,910的激光器的fov在fov中由如正方形922所示的4表示。虽然fov被图示为正方形，但是其形状可以基于例如发射器形状和投影光学器件的各种形状。
71.在各种实施例中，来自每一阵列的激光束图案可以以多种图案布置。在lidar系统900的实施例中，激光器阵列(1,4)904、910的fov 916、922在自由空间中重叠，激光器阵列(2,3)906、908的fov918、920也重叠，且两组图案(1,4)924和(2,3)926并排布置。lidar系统900的图示不是按比例的，并且没有示出所有部件，而是旨在示出在目标范围处激光器fov图案的生成的概念。因此，在特定目标平面处的远场图案914未按比例绘制，并且将作为距离的函数而改变。在操作中，每个阵列组件904、906、908、910中的各个激光器可以如本文所述独立地发射。在各种实施例中，可以通过满足期望的眼睛安全阈值和/或热考虑来确定发射速率。
72.阵列组件904、906、908、910中的vcel阵列的波长不一定相同。在一些实施例中，阵列(1,4)904、910和(2,3)906、908中的激光器的波长可以是不同的波长，从而产生并排图案。这种波长布置可能是有益的，以便使接收器(未示出)处的两组激光器之间的光学串扰
的可能性最小化。或者，可选地，阵列(1,2)904、906中的激光器可以是相同波长，而阵列(3,4)908、910中的激光器是不同波长，从而产生交织图案。这种波长布置将允许在整个视场上的一定水平的冗余和并行工作。通过将阵列组件904、906、908、910布置在衬底912上的物理上分离的位置，存在满足1级眼睛安全性同时维持高脉冲发射速率的更大灵活性，因为来自每个阵列的光束在近场中不重叠。
73.等同物
74.虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但是申请人的教导并不旨在局限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，申请人的教导包含各种替代物、修改物和等同物，其可以在不脱离本教导的精神和范围的情况下在其中进行。