具有目标视场的三维LIDAR系统技术方案

多个照射光束在一角度范围内从LIDAR装置发射并围绕旋转轴扫描。所述角度范围包括旋转轴。中间电子板提供旋转电子板与光发射和收集引擎的各种元件之间的机械支撑和电连接。收集光学器件、照射光学器件或两者的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成。包覆成型透镜固定地耦合到一个或多个光检测元件以收集更大角度范围内的入射光。透镜元件设置在光发射元件和照射光学器件之间的光路中，以使从光发射元件发射的光的强度分布变平以降低峰值强度。

3D LIDAR system with target field of view

Multiple illuminating beams are emitted from the LIDAR device within a range of angles and scanned around the rotating axis. The angle range includes the rotating shaft. The intermediate plate provides mechanical support and electrical connection between the rotating electronic board and various components of the light emitting and collecting engine. One or more optical elements for collecting optical devices, irradiating optical devices or one or more of them are composed of one or more materials that absorb light beyond the predetermined wavelength range. The coated lens is coupled to one or more light detection elements to collect incident light in a larger angle range. The lens element is set in the optical path between the light emitting element and the illuminating optical device so that the intensity distribution of the light emitted from the light emitting element is leveled to reduce the peak intensity.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有目标视场的三维LIDAR系统相关申请的交叉引用本专利申请要求享有于2016年11月23日提交的题为“ThreeDimensionalLIDARSystemWithTargetedFieldofView(具有目标视场的三维LIDAR系统)”、序号为15/360,903的美国专利申请的优先权，该申请又根据35U.S.C.§119要求于2015年11月25日提交的题为“ThreeDimensionalLIDARSystemWithTargetedFieldofView(具有目标视场的三维LIDAR系统)”、序号为62/260,205的美国临时专利申请的优先权，每个申请的主题通过引用整体并入本文。
所描述的实施例涉及三维LIDAR系统。
技术介绍
LIDAR系统基于脉冲光的飞行时间(TOF)使用光脉冲来测量到对象的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远端对象相互作用。光的一部分从对象反射并返回到LIDAR系统的检测器。基于光脉冲的发射和返回的光脉冲的检测之间所经过的时间，估算距离。在一些示例中，采用脉冲激光发射器来生成光脉冲。光脉冲通过透镜或透镜组件聚焦。测量该光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所花费的时间。高精度地从时间测量值得出距离。在一些示例中，快速连续地发射多个脉冲，并且这些发射的方向顺序地变化。在这些示例中，每个距离测量值可以被认为是像素，并且快速连续地发射和捕获的像素集合(即，“点云”)可以被呈现为图像或者由于其他原因(例如，检测障碍物)而被分析。在一些示例中，采用查看软件来将得到的点云呈现为对用户三维呈现的图像。可以使用不同的方案将距离测量值描绘为三维图像，这些三维图像看起来好像是由实景相机拍摄的。一些LIDAR系统采用与旋转镜组合的单个激光发射器/检测器组合来有效地扫描整个平面。由这样的系统执行的距离测量实际上是二维的(即，平面的)，并且捕获的距离点被呈现为二维(即单个平面)点云。在一些示例中，旋转镜以非常快的速度--以数千RPM旋转。如上所述，这种设计固有地仅呈现二维点云。但是，通常需要三维点云。另一个维度是以多种方式提供的。通常，整个仪器通常在万向节上被上下和/或来回致动---本领域中已知的作为使传感器闪烁或点头的过程。因此，可以使用单光束LIDAR单元来捕捉整个三维距离点阵列，尽管每次只有一个点。在相关的例子中，采用棱镜将激光脉冲“划分”成多个层，每个层具有略微不同的垂直角。这模拟了上述的点头效应，但没有致动传感器本身。在所有上述示例中，主要前提是单个激光发射器/检测器组合，其中光路以某种方式改变以实现比单个传感器更宽的视场。由于来自单个激光器每秒多少个脉冲是可能的的限制，该装置固有地受限于其可生成的像素数量。光束路径的任何改变，无论其是通过反射镜、棱镜还是装置的致动，都导致点云密度较低，但覆盖更广的区域。如上所述，三维点云系统存在几种配置。但是，在许多应用中，有必要在宽视场上查看。例如，在自动驾驶的车辆应用中，垂直视场应该延伸到地平线以上，以防汽车进入道路中的凹处，并且应尽可能向下延伸以看到车辆前方的地面。此外，在现实世界中发生的行为与这些行为的成像之间有必要有最小的延迟。在一些示例中，期望每秒至少五次提供完整的图像更新。期望三维成像系统的视场和点云密度的改进。
技术实现思路
本文给出用于执行LIDAR测量的方法和系统。在一个方面，来自LIDAR装置的多个照射光束在一角度范围内被发射到三维环境中。所述角度范围包括LIDAR装置的光发射和收集引擎的旋转轴。光发射和收集引擎包括多个光发射元件、光检测元件、照射光学器件和收集光学器件。在另一方面中，LIDAR装置被配置为围绕旋转轴扫描所述多个光束中的每一个。以这种方式，投射到环境中的每个光束描绘出锥形图案。在又另一方面中，光发射和收集引擎包括中间电子板，其提供旋转电子板与光发射和收集引擎的各种元件之间的机械支撑和电连接。中间电子板每一个耦合到旋转电子板，使得中间电子板中的每一个的平坦表面垂直于旋转电子板的平坦表面取向。在又另一方面中，收集光学器件、照射光学器件或两者的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成，所述预定波长范围包括由光发射元件中的每一个发射的光的波长。在又另一方面中，包覆成型透镜固定地耦合到光检测元件中的一个或多个。包覆成型透镜保护光检测元件，并且成形为在比没有透镜的情况下可能的更大的角度范围内收集入射光。在又另一方面中，透镜元件设置在光发射元件和照射光学器件之间的光路中，以使从光发射元件发射的光的强度分布变平。这减少了从LIDAR系统发射的光的峰值强度。以上是概述，因此必要时包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将认识到，该概述仅是说明性的而不是以任何方式进行限制。在本文描述的非限制性详细描述中，本文描述的装置和/或过程的其它方面、创造性的特征和优点将变得显而易见。附图说明图1是说明至少一个新颖方面中的三维LIDAR系统100的一个实施例的简化图。图2描绘了一个示例性实施例中的三维LIDAR系统100的分解图。图3描绘了三维LIDAR系统100的光发射和收集引擎112的视图。图4更详细地描绘了三维LIDAR系统100的收集光学器件116的视图。图5描绘了三维LIDAR系统100的收集光学器件116的剖视图，其示出了每个收集光束118的成形。图6描绘了图2中描绘的光检测元件113的阵列中的单个元件113A的一个示例性实施例的图示。图7描绘了图2中描绘的光发射元件的阵列114中的单个元件114A的一个示例性实施例的图示。图8描绘了包括脉冲照射系统130、光检测系统150和控制器140的三维LIDAR系统的元件。图9描绘了脉冲测量光束的发射和返回测量脉冲的捕获的定时的图示。图10描绘了来自十六个脉冲照射子系统的光发射的定时的图示。图11描绘了说明在至少一个新颖方面中的执行LIDAR测量的方法200的流程图。具体实施方式现在将详细参考本专利技术的背景示例和一些实施例，其示例在附图中示出。图1是说明在一个示例性操作场景中的三维LIDAR系统100的实施例的图。三维LIDAR系统100包括下部外壳101和上部外壳102。下部外壳101包括框架结构，该框架结构被配置为附接到其是进行LIDAR测量的参考的对象(例如车辆、塔架、飞机等)。上部外壳102包括由对红外光(例如，具有在700至1700纳米的光谱范围内的波长的光)透明的材料构成的圆顶壳体元件103。在一个示例中，圆顶壳体元件103对具有以905纳米为中心的窄波长范围的光是透明的。如图1所示，多个光束105从三维LIDAR系统100通过圆顶壳体元件103在从中心旋转轴104测量的角度范围α内发射。在一个方面，该多个光束105跨越从中心旋转轴104到从中心旋转轴104测量的角度α的角度范围。在这个意义上，每个照射光束从LIDAR装置以相对于中心旋转轴的不同角度发射，并且光束105中的一个或多个平行于或接近平行于中心旋转轴104。在图1中所示的实施例中，每个光束在多个彼此间隔开的不同位置处投射到由x轴和y轴限定的平面上。例如，光束106在位置107处被投射到xy平面上。因此，从光发射和收集引擎发射的每个照射光束利用照射光的测量脉冲照射三维环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光检测和测距(LIDAR)装置，包括：光发射和收集引擎，被配置为围绕旋转轴旋转，所述光发射和收集引擎包括，多个光发射元件，每个光发射元件相对于所述旋转轴以不同的角度从所述LIDAR装置发射照射光束，其中，所述多个光发射元件中的至少一个被配置为发射与所述旋转轴平行或接近平行的照射光束，其中从所述光发射和收集引擎发射的每个照射光束利用照射光的测量脉冲来照射三维环境的不同点；多个光检测元件，每个光检测元件与所述多个光发射元件中的一个相对应，其中，所述多个光检测元件中的每一个检测从由每个相应的照射光束照射的所述三维环境的每个不同点反射的测量脉冲的量，并生成指示所检测到的光量的输出信号；以及计算系统，被配置为：接收指示所检测到的光量的所述输出信号；将所述输出信号转换为数字信号；以及基于所述数字信号来确定所述测量脉冲从所述LIDAR装置到所述三维环境的特定点并返回到所述LIDAR装置的飞行时间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.25 US 62/260,205;2016.11.23 US 15/360,9031.一种光检测和测距(LIDAR)装置，包括：光发射和收集引擎，被配置为围绕旋转轴旋转，所述光发射和收集引擎包括，多个光发射元件，每个光发射元件相对于所述旋转轴以不同的角度从所述LIDAR装置发射照射光束，其中，所述多个光发射元件中的至少一个被配置为发射与所述旋转轴平行或接近平行的照射光束，其中从所述光发射和收集引擎发射的每个照射光束利用照射光的测量脉冲来照射三维环境的不同点；多个光检测元件，每个光检测元件与所述多个光发射元件中的一个相对应，其中，所述多个光检测元件中的每一个检测从由每个相应的照射光束照射的所述三维环境的每个不同点反射的测量脉冲的量，并生成指示所检测到的光量的输出信号；以及计算系统，被配置为：接收指示所检测到的光量的所述输出信号；将所述输出信号转换为数字信号；以及基于所述数字信号来确定所述测量脉冲从所述LIDAR装置到所述三维环境的特定点并返回到所述LIDAR装置的飞行时间。2.根据权利要求1所述的LIDAR装置，还包括：外壳，其能够固定到从其进行LIDAR测量的对象；固定电子板，其机械耦合到所述外壳；旋转电子板，其具有垂直于所述旋转轴布置的平坦表面，其中所述旋转电子板与所述光发射和收集引擎一起旋转，并且其中电力和电子信号在所述固定电子板和所述旋转电子板之间传送；以及两个或更多个中间电子板，每个中间电子板都耦合到所述旋转电子板，使得所述中间电子板中的每一个的平坦表面垂直于所述旋转电子板的所述平坦表面取向，其中所述两个或更多个中间电子板机械和电耦合到所述光发射和收集引擎。3.根据权利要求2所述的LIDAR装置，其中，所述两个或更多个中间电子板中的第一中间电子板机械和电耦合到所述多个光发射元件中的每一个，并且其中所述两个或更多个中间电子板中的第二中间电子板机械和电耦合到所述多个光检测元件中的每一个。4.根据权利要求2所述的LIDAR装置，其中所述两个或更多个中间电子板中的第三中间电子板机械耦合到所述LIDAR装置的照射光学器件子系统的一个或多个透镜元件以及所述LIDAR装置的收集光学器件子系统的一个或多个透镜元件，其中所述第三中间电子板在空间上将所述照射光学器件子系统与所述收集光学器件子系统分离并且相对于所述收集光学器件子系统光学地掩盖所述照射光学器件子系统。5.根据权利要求1所述的LIDAR装置，还包括：照射光学器件子系统，被配置为使从所述多个光发射元件发射的光束准直；以及收集光学器件子系统，被配置为将所收集的光聚焦到所述多个光检测元件中的每个相应的光检测元件上。6.根据权利要求5所述的LIDAR装置，其中所述收集光学器件子系统的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的至少百分之五十的一种或多种材料构成，其中所述预定波长范围包括由所述多个光发射元件中的每一个发射的光的波长。7.根据权利要求5所述的LIDAR装置，其中所述照射光学器件子系统的一个或多个透镜元件被配置为使从所述多个光发射元件中的每一个发射的光的强度分布变平。8.根据权利要求7所述的LIDAR装置，其中所述一个或多个透镜元件包括衍射光学元件。9.根据权利要求1所述的LIDAR装置，还包括：多个包覆成型透镜，每一个包覆成型透镜固定地耦合到所述多个光检测元件中的一个。10.根据权利要求9所述的LIDAR装置，其中所述多个包覆成型透镜中的一个或多个是圆顶透镜或复合抛物面聚光器(CPC)。11.根据权利要求1所述的LIDAR装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·S·霍尔，M·N·雷科，S·S·内斯廷格尔，P·J·克尔斯滕斯，
申请(专利权)人：威力登激光雷达有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US