[发明专利]用于激光雷达系统中的改进的分辨率的光学设计和检测器设计

说明书

一种光学系统，包括：具有发射区的激光源，发射区具有在第一方向上的第一宽度以及具有在与第一方向正交的第二方向上的第一高度，第一宽度大于第一高度。光学系统还包括柱面透镜，其具有负光焦度并且位于激光源的前方。柱面透镜被定向成使得该柱面透镜的光焦度轴基本上沿着第一方向。柱面透镜被配置成将由激光源发射的激光束的发射区转换为具有虚拟宽度和虚拟高度的虚拟发射区，其中虚拟宽度小于第一宽度。光学系统还包括旋转对称透镜，其位于柱面透镜的下游，并且被配置成准直激光束并且将该激光束向远场导向。

相关申请的交叉引用

本PCT申请要求于2017年11月30日提交的第62/593,105号的美国临时专利申请的利益，以及要求于2018年11月28日提交的名称为“利用柱面透镜的用于激光雷达系统中的改进的分辨率的光学设计(OPTICAL DESIGNS USING CYLINDRICAL LENSES FOR IMPROVEDRESOLUTION IN LIDAR SYSTEMS)”的第16/203,422号美国专利申请的优先权，以及要求于2018年11月28日提交的名称为“用于激光雷达系统中的改进的分辨率的检测器设计(DETECTOR DESIGNS FOR IMPROVED RESOLUTION IN LIDAR SYSTEMS)”的第16/203,430号美国专利申请的优先权，这些申请的全部内容以引用的方式并入本文。

背景技术

三维传感器可以应用到自动驾驶车辆、无人机、机器人、安保应用等领域中。扫描激光雷达(LIDAR)传感器可以以可承受的成本来实现适合于这些应用的良好的角度分辨率。然而，需要具有更好的分辨率的激光雷达系统和方法。

发明内容

根据一些实施例，一种光学系统，包括：激光源，其具有发射区，发射区具有在第一方向上的第一宽度以及具有在与第一方向正交的第二方向上的第一高度。第一宽度大于第一高度。光学系统还包括：柱面透镜，其具有负光焦度并且位于激光源的前方。柱面透镜被定向成使得该柱面透镜的光焦度轴基本上沿着第一方向。柱面透镜被配置成将由激光源发射的激光束的发射区转换为具有虚拟宽度和虚拟高度的虚拟发射区，其中虚拟宽度小于激光源的发射区的第一宽度。光学系统还包括：旋转对称透镜，其位于柱面透镜的下游。旋转对称透镜被配置成准直激光束并且将该激光束向远场导向。

根据一些实施例，一种激光雷达系统，包括：激光源，其被配置成发射多个激光脉冲。激光源具有发射区，发射区具有在第一方向上的第一宽度以及具有在与第一方向正交的第二方向上的第一高度。第一宽度大于第一高度。激光雷达系统还包括：柱面透镜，其具有负光焦度并且位于激光源的前方。柱面透镜被定向成使得该柱面透镜的光焦度轴基本上沿着第一方向。柱面透镜被配置成将发射区转换为具有虚拟宽度和虚拟高度的虚拟发射区。其中虚拟宽度小于第一宽度。激光雷达系统还包括：发射透镜，其位于柱面透镜的下游。发射透镜是旋转对称的，并且被配置成准直多个激光脉冲并且将多个激光脉冲向一个或多个对象导向。一个或多个对象可以反射多个激光脉冲，以产生多个返回激光脉冲。激光雷达系统还包括：接收透镜。接收透镜是旋转对称的，并且被配置成接收多个返回激光脉冲中的每一个返回激光脉冲并且将多个返回激光脉冲中的每一个返回激光脉冲聚焦至接收透镜的焦平面处的返回束斑。激光雷达系统还包括：检测器。该检测器具有位于接收透镜的焦平面处的检测表面，并且被配置成接收并检测多个返回激光脉冲中的每一个返回激光脉冲。激光雷达系统还包括：处理器，其耦合至激光源和检测器。处理器被配置成：确定多个返回激光脉冲中的每一个返回激光脉冲的飞行时间；以及基于所确定的多个返回激光脉冲中的每一个返回激光脉冲的飞行时间来构建一个或多个对象的三维图像。