【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】亮度增强的光学成像发射机相关申请的交叉引用本申请要求2017年5月15日提交的美国临时专利申请第62/506,449号、2017年5月15日提交的美国临时专利申请第62/506,437号、2017年5月15日提交的美国临时专利申请第62/506,445号和2017年6月5日提交的美国临时专利申请第62/515,291号的优先权，其全部内容通过引用并入本文，并用于所有目的。
技术介绍
成像器检测光，并基于该检测到的光创建场景的数字图像。图像包含固定数量的像素行和列，其中每个像素映射到场景中的不同视场。电子成像器通常利用光电检测器将光转换成电信号。每个光电检测器位于焦平面上的不同位置，通常对应于图像中的单个像素或像素的分量。电子成像器通常可被分为两种类型之一：无源照射成像器或有源照射成像器。无源照射成像器收集环境光，例如由场景中的物体反射的太阳光，而有源照射成像器照射场景并收集由有源照射成像器系统本身产生的反射光。窄带成像器收集有限波长范围内的光。这与传统摄像机(camera)不同，传统摄像机检测遍及整个可见光谱或三个不同的宽RGB色带中的光，每个色带可以是100纳米或更宽。由于其所依赖的滤光器的特性，窄带成像器比传统摄像机更难开发。滤光器用于防止电磁波谱的一部分到达光电检测器。大多数窄带滤光器依靠薄膜干涉效应来选择性地透射或反射光(这种滤光器常被称为介质镜或布拉格镜)。窄带滤光器的光谱透射率取决于形成滤光器的组成层的数量、厚度、顺序和折射率。滤光器的光谱透射率还取决于光在窄带滤光器上的入射角。当前的窄带成像器或者视场...
【技术保护点】
1.一种用于执行距离测量的光学系统，所述光学系统包括：/n本体发射机光学器件；/n照明源，所述照明源包括多个光发射器，所述多个光发射器对准以将离散光束通过所述本体发射机光学器件投射到所述光学系统前方的场内；以及/n微光学信道阵列，所述微光学信道阵列设置在所述照明源和所述本体发射机光学器件之间，所述微光学信道阵列限定多个微光学信道，每个微光学信道包括与所述多个光发射器中的光发射器间隔开的微光学透镜，所述微光学透镜被配置成从所述光发射器接收光锥，并在所述发射器和所述本体发射机光学器件之间的位置偏离所述发射器的焦点处产生所述发射器的尺寸减小的光斑图像。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170515 US 62/506,437;20170515 US 62/506,445;20171.一种用于执行距离测量的光学系统，所述光学系统包括：
本体发射机光学器件；
照明源，所述照明源包括多个光发射器，所述多个光发射器对准以将离散光束通过所述本体发射机光学器件投射到所述光学系统前方的场内；以及
微光学信道阵列，所述微光学信道阵列设置在所述照明源和所述本体发射机光学器件之间，所述微光学信道阵列限定多个微光学信道，每个微光学信道包括与所述多个光发射器中的光发射器间隔开的微光学透镜，所述微光学透镜被配置成从所述光发射器接收光锥，并在所述发射器和所述本体发射机光学器件之间的位置偏离所述发射器的焦点处产生所述发射器的尺寸减小的光斑图像。
2.根据权利要求1所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述本体发射机光学器件包括一个或多个被配置成图像空间远心透镜的透镜，其中从所述照明源通过所述微光学信道阵列输出的所述离散光束彼此平行。
3.根据权利要求2所述的用于执行距离测量的光学系统，其还包括光感测模块，所述光感测模块被配置成检测从所述照明源发射并从所述场内的表面反射的光子。
4.根据权利要求3所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述光感测模块包括：
本体接收机光学器件；
孔径层，所述孔径层包括多个孔径；
透镜层，所述透镜层包括多个透镜；以及
光电传感器层，所述光电传感器层包括多个光电传感器，其中所述孔径层、所述透镜层和所述光电传感器层被布置成形成多个接收机信道，所述多个接收机信道中的每个接收机信道包括来自所述多个孔径的孔径、来自所述多个透镜的透镜和来自所述多个光电传感器的光电传感器，并且被配置成将从所述本体接收光学器件入射的光传送到所述接收机信道的所述光电传感器。
5.根据权利要求4所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述照明源被配置成根据在与所述系统的距离范围上，在尺寸和几何形状方面与所述接收机信道的视场匹配的照明图案，选择性地将所述离散光束投射通过所述本体发射机光学器件。
6.根据权利要求1所述的用于执行距离测量的光学系统，其中每个信道的所述微光学透镜被配置成从光发射器接收光锥，并在所述微光学透镜和所述本体发射机光学器件之间的焦点处产生所述发射器的尺寸减小的真实光斑图像。
7.根据权利要求6所述的用于执行距离测量的光学系统，其中每个信道的所述微光学透镜包括在面对所述光发射器的一侧具有光焦度的第一光学表面和在背对所述光发射器的相对侧具有光焦度的第二光学表面，并且其中所述发射器的所述尺寸减小的真实光斑图像形成在第一光学表面和第二光学表面之后的焦点处。
8.根据权利要求7所述的用于执行距离测量的光学系统，其中来自所述光发射器的所述光锥的发散度小于来自所述微光学透镜的所述第二光学表面的光锥的发散度，以产生所述尺寸减小的真实光斑图像。
9.根据权利要求7所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述微光学透镜与所述照明源分离，以在所述微光学透镜和所述照明源之间限定开放空间。
10.根据权利要求6所述的用于执行距离测量的光学系统，其中每个信道的所述微光学透镜包括在背对所述光发射器的一侧具有光焦度的光学表面，并且其中所述发射器的所述尺寸减小的真实光斑图像形成在该光学表面之后的焦点处。
11.根据权利要求6所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述光学表面包括位于衬底上的多个凸透镜，所述衬底具有其上设置有所述光学表面的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面直接附接到所述照明源的表面。
12.根据权利要求1所述的用于执行距离测量的光学系统，其中每个信道的所述微光学透镜被配置成从光发射器接收光锥，并产生所述发射器的尺寸减小的虚拟光斑图像。
13.根据权利要求12所述的用于执行距离测量的光学系统，其中每个信道的所述微光学透镜包括在背对所述光发射器的一侧具有光焦度的光学表面，并且其中所述发射器的所述尺寸减小的虚拟光斑图像形成在所述相应信道内的焦点处。
14.根据权利要求13所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述光学表面包括形成在衬底上的多个凹形表面，所述衬底具有其上设置有所述光学表面的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面直接附接到所述照明源的表面。
15.根据权利要求1所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述本体发射机光学器件包括多个孔径光阑，所述多个孔径光阑被配置成减少由所述光学系统发射的杂散光。
16.一种用于执行距离测量的光学系统，所述光学系统包括：
光发射系统，所述光发射系统包括：
本体发射机光学器件；
照明源，所述照明源包括多个光发射器，所述多个光发射器对准以将离散光束通过所述本体发射机光学器件投射到所述光学系统前方的场内；以及
微光学信道阵列，所述微光学信道阵列设置在所述照明源和所述本体发射机光学器件之间，所述微光学信道阵列限定多个微光学信道，每个微光学信道包括与所述多个光发射器中的光发射器间隔开的微光学透镜，所述微光学透镜被配置成从所述光发射器接收光锥，并在所述发射器和所述本体发射机光学器件之间的位置偏离所述发射器的焦点处产生所述发射器的尺寸减小的光斑图像；和
光检测系统，所述光检测系统包括：
本体接收机光学器件，所述本体接收机光学器件被配置成从所述场接收所述离散光束；和
光学组件，所述光学组件具有多个微光学接收机信道，所述多个微光学接收机信道在所述场内限定多个离散的、不重叠的视场，所述光学组件包括：
孔径层，所述孔径层具有沿着所述本体接收机光学器件的焦平面布置的多个离散孔径；
光电传感器阵列，所述光电传感器阵列设置在所述孔径层后面；以及
多个透镜，所述多个透镜位于所述孔径层和所述光电传感器阵列之间。
17.根据权利要求16所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述本体发射机光学器件包括一个或多个被配置成图像空间远心透镜的透镜，其中从所述照明源通过所述微光学信道阵列输出的所述离散光束彼此平行。
18.一种用于执行距离测量的光学系统，所述光学系统包括：
固定壳体，所述固定壳体具有光学透明窗口；和
光测距装置，所述光测距装置设置在所述壳体内，所述光测距装置包括耦合到平台的光学发射机，所述光学发射机包括：
本体发射机光学器件；
照明源，所述照明源包括多个光发射器，所述多个光发射器对准以将离散光束通过所述本体发射机光学器件投射到所述光学系统前方的场内；以及
微光学信道阵列，所述微光学信道阵列设置在所述照明源和所述本体发射机光学器件之间，所述微光学信道阵列限定多个微光学信道，每个微光学信道包括与所述多个光发射器中的光发射器间隔开的微光学透镜，所述微光学透镜被配置成从所述光发射器接收光锥，并在所述发射器和所述本体发射机光学器件之间的位置偏离所述发射器的焦点处产生所述发射器的尺寸减小的光斑图像。
19.根据权利要求18所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述光测距装置是旋转光测距装置，其还包括：
电动机，所述电动机设置在所述壳体内，并在操作上耦合以使包括所述平台和所述光学发射机的所述光测距装置在所述壳体内旋转；
系统控制器，所述系统控制器设置在所述壳体内，所述系统控制器被配置成控制所述电动机并开始和停止所述光测距装置的光检测操作。
20.根据权利要求18所述的用于执行距离测量的光学系统，其中所述本体发射机光学器件包括一个或多个被配置成图像空间远心透镜的透镜，其中从所述照明源通过所述微光学信道阵列输出的所述离散光束彼此平行。
21.一种光学系统，包括：
本体接收机光学器件，所述本体接收机光学器件被配置成接收源自所述光学系统外部的场的光线；和
光学组件，所述光学组件具有多个微光学接收机信道，所述多个微光学接收机信道在所述场内限定多个离散的、不重叠的视场，所述光学组件包括：
孔径层，所述孔径层具有沿着所述本体接收机光学器件的焦平面布置的多个离散孔径；
光电传感器阵列，所述光电传感器阵列设置在所述孔径层后面；以及
非均匀滤光器层，所述非均匀滤光器层被配置成允许不同的微光学信道测量不同的波长范围。
22.根据权利要求21所述的光学系统，其中所述非均匀滤光器包括渐变滤光器。
23.根据权利要求22所述的光学系统，其中所述渐变滤光器的厚度在一个维度上逐渐增加。
24.根据权利要求22所述的光学系统，其中所述渐变滤光器的厚度在一个维度上以步进方式增加，使得每个信道具有恒定的滤光器层厚度，但是其中不同微光学信道的厚度是不同的。
25.根据权利要求21所述的光学系统，其中所述光电传感器阵列包括光电检测器阵列，每个光电检测器包括单光子雪崩检测器(SPAD)阵列。
26.根据权利要求21所述的光学系统，其中每个信道包括来自所述多个离散孔径的孔径、以及所述光电传感器阵列中的光电传感器，并且其中所述孔径与所述透镜是轴向对准的。
27.根据权利要求26所述的光学系统，其中所述光学组件还包括多个透镜，每个信道还包括来自所述多个透镜的透镜，并且其中每个信道的所述透镜被配置成准直通过其对应孔径接收的光线，并将准直的光线传递到其对应的光电传感器中。
28.根据权利要求26所述的光学系统，其中每个信道的所述透镜被配置成沿着来自所述本体接收机光学器件的光路定位的半球，其中所述滤光器被涂覆在所述透镜的弯曲表面上。
29.根据权利要求26所述的光学系统，其中每个信道中的所述光电传感器包括多个单光子雪崩检测器(SPAD)。
30.根据权利要求29所述的光学系统，其中每个信道的所述光电传感器还包括在数量上对应于所述多个SPAD的第二多个透镜，并且其中所述第二多个透镜中的每个透镜被配置成将在所述光电传感器处接收的入射光子聚焦在所述多个SPAD中的单个SPAD上。
31.根据权利要求21所述的光学系统，其中所述光学组件包括构建在公共衬底上的单片ASIC，在所述公共衬底内制造所述光电传感器阵列，并且用于所述孔径层、所述多个透镜和所述滤光器层的分离层形成在所述单片ASIC上，使得它们成为所述ASIC的单片结构的一部分。
32.根据权利要求31所述的光学系统，其中用于所述孔径层、所述多个透镜、所述滤光器层和所述光电传感器阵列的每个分离层被结合到其相邻层。
33.一种光学系统，包括：
本体接收机光学器件，所述本体接收机光学器件被配置成从所述光学系统外部的场接收光；
孔径层，所述孔径层设置在所述本体光学器件后面，并包括位于所述本体光学器件的焦平面处的多个孔径；
透镜层，所述透镜层包括多个具有焦距的准直透镜，所述透镜层设置在所述孔径层后面并与所述孔径层相隔所述焦距；
非均匀滤光器层，所述非均匀滤光器层位于所述透镜层后面；以及
光电传感器层，所述光电传感器层包括多个光电传感器；
其中，所述孔径层、透镜层、非均匀滤光器层和光电传感器层被布置成形成多个微光学信道，所述多个微光学信道在所述场内限定多个离散的、不重叠的视场，所述多个微光学信道中的每个微光学信道包括来自所述多个孔径的孔径、来自所述多个透镜的透镜、来自所述滤光器层的滤光器、以及来自所述多个光电传感器的光电传感器，并且被配置成将从所述本体接收机光学器件入射的光传送到所述微光学信道的所述光电传感器；并且
其中，所述非均匀滤光器层被配置成允许不同的微光学信道测量不同的波长范围。
34.根据权利要求33所述的光学系统，其中所述非均匀滤光器包括渐变滤光器。
35.根据权利要求34所述的光学系统，其中所述渐变滤光器的厚度在一个维度上逐渐增加。
36.根据权利要求34所述的光学系统，其中所述渐变滤光器的厚度在一个维度上以步进方式增加，使得每个信道具有恒定的滤光器层厚度，但是其中不同微光学信道的厚度不同。
37.一种光学系统，包括：
本体接收机光学器件，所述本体接收机光学器件被配置成接收源自所述光学系统外部的场的光线；和
光学组件，所述光学组件具有多个微光学接收机信道，所述多个微光学接收机信道在所述场内限定多个离散的、不重叠的视场，所述光学组件包括：
单片ASIC，所述单片ASIC包括处理器、存储器和在所述ASIC中制造的多个光电传感器；
孔径层，所述孔径层具有沿着所述本体接收机光学器件的焦平面布置的多个离散孔径，所述光电传感器阵列设置在所述孔径层后面；
多个透镜，所述多个透镜位于所述孔径层和所述光电传感器阵列之间；以及
非均匀滤光器层，所述非均匀滤光器层遍及其结构具有不同的中心波长，以允许至少两个不同的微光学接收机信道测量不同波长范围的光，其中所述孔径层、多个透镜和非均匀滤光器层形成在所述ASIC上，使得它们形成所述ASIC的单片结构的一部分。
38.根据权利要求37所述的光学系统，其中所述微光学接收机信道被配置成使得每个微光学接收机信道与多个光发射器中的光发射器配对。
39.根据权利要求37所述的光学系统，其中所述非均匀滤光器包括渐变滤光器。
40.根据权利要求39所述的光学系统，其中所述渐变滤光器的厚度在一个维度上逐渐增加。
41.一种用于执行距离测量的光学系统，所述光学系统包括：
固定壳体，所述固定壳体具有光学透明窗口；
旋转光测距装置，所述旋转光测距装置设置在所述壳体内，所述光测距装置包括：
平台；
光学发射机，所述光学发射机耦合到所述平台，所述光学发射机包括本体发射机光学器件和多个发射机信道，每个发射机信道包括光发射器，所述光发射器被配置成产生窄带光并通过所述本体发射机光学器件将所述窄带光传输到所述光学系统外部的场内；以及
光学接收机，所述光学接收机耦合到所述平台，所述光学接收机包括本体接收机光学器件和多个微光学接收机信道，每个微光学信道包括与所述本体接收机光学器件的焦平面一致的孔径、沿着来自所述本体接收机光学器件的光路定位并与所述孔径轴向对准的滤光器、以及响应穿过所述孔径和所述滤光器的入射光子的光电传感器；
电动机，所述电动机设置在所述壳体内，并在操作上耦合以使包括所述平台、光学发射机和光学接收机的所述光测距装置在所述壳体内旋转；以及
系统控制器，所述系统控制器设置在所述壳体内，所述系统控制器被配置成控制所述电动机并开始和停止所述光测距装置的光检测操作。
42.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述光学接收机还包括位于所述孔径后面并直接耦合到所述滤光器的准直透镜，所述滤光器位于所述准直透镜后面。
43.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述滤光器是直接位于所述孔径的顶侧或底侧的半球形透镜上的滤光器层。
44.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述固定壳体是柱形的，并且所述光学透明窗口完全围绕所述固定壳体的外围延伸。
45.根据权利要求44所述的光学系统，进一步包括校正光学结构，以校正由所述透明窗口造成的光学像差。
46.根据权利要求45所述的光学系统，其中所述校正光学结构被构造成作为所述本体接收机光学器件的一部分被包含的柱面透镜、作为所述本体发射机光学器件的一部分被包含的柱面透镜、作为所述微光学接收机信道的一部分被包含的柱面透镜阵列、或者作为所述多个发射机信道的一部分被包含的双锥形透镜阵列。
47.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述光学发射机和光学接收机被配置成使得每个发射机信道与接收机信道配对，并且它们的视场中心被对准成在距所述光学系统一定距离处不重叠。
48.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述多个微光学接收机信道是构建在公共衬底上的单片ASIC的一部分，在所述公共衬底内制造所述光电传感器阵列，并且用于所述孔径层和滤光器层的分离层形成在所述单片ASIC上，使得它们成为所述ASIC的单片结构的一部分。
49.一种用于执行距离测量的光学系统，所述光学系统包括：
固定壳体，所述固定壳体具有基部、顶部和设置在所述基部和所述顶部之间的光学透明窗口；
旋转光测距装置，所述旋转光测距装置设置在所述壳体内并与所述光学透明窗口对准，所述光测距装置包括：
平台；
光学发射机，所述光学发射机耦合到所述平台，所述光学发射机包括图像空间远心本体发射机光学器件和多个发射机信道，每个信道包括光发射器，所述光发射器被配置成产生窄带光并通过所述本体发射机光学器件将窄带光传输到所述光学系统外部的场内；以及
光学接收机，所述光学接收机耦合到所述平台，所述光学接收机包括图像空间远心本体接收机光学器件和多个微光学接收机信道，每个微光学信道包括与所述本体接收机光学器件的焦平面一致的孔径、所述孔径后面的准直透镜、所述准直透镜后面的滤光器、以及响应穿过所述孔径进入所述准直透镜并穿过所述滤光器的入射光子的光电传感器；电动机，所述电动机设置在所述壳体内，并在操作上耦合以使包括所述平台、光学发射机和光学接收机的所述光测距装置在所述壳体内旋转；系统控制器，所述系统控制器设置在所述壳体内，所述系统控制器被配置成控制所述电动机并开始和停止所述光测距装置的光检测操作。
50.根据权利要求49所述的光学系统，其中，所述固定壳体是柱形的，所述光学透明窗口完全围绕所述固定壳体的外围延伸。
51.根据权利要求49所述的光学系统，其中所述光学发射机和光学接收机被配置成使得每个发射机信道与接收机信道配对，并且它们的视场中心被对准成在距所述光学系统一定距离处不重叠。
52.根据权利要求49所述的光学系统，其中所述多个微光学接收机信道是构建在公共衬底上的单片ASIC的一部分，...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·帕卡拉，M·弗里赫特，E·扬，M·舒，
申请(专利权)人：奥斯特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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