电光学装置(18)包括激光光源(20)、光束控制装置(24)以及感测元件(44)的阵列(28)，所述激光光源(20)发射至少一束光脉冲，光束控制装置(24)跨目标场景(22)传输并扫描该至少一个光束。每个感测元件输出指示感测元件上的单个光子的入射时间的信号。光收集光学器件(27)将被传输的光束扫描到的目标场景成像到阵列上。电路(50)被耦接以仅在阵列的选定区域(70)中致动感测元件并且与扫描至少一个光束同步地扫过阵列上的选定区域。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光检测和测距传感器
本专利技术整体涉及光电装置，并且具体地涉及光检测和测距(激光雷达)传感器。
技术介绍
现有和新兴的消费者应用对实时三维成像器的需求日益增长。这些成像装置，通常也称为光检测和测距(激光雷达)传感器，通过用光束照亮目标场景并分析反射的光学信号使得能够实现目标场景上的每个点的距离(以及通常强度)—称为目标场景深度-的远程测量。确定到目标场景上每个点的距离的常用技术包括向目标场景发送光束，之后进行往返时间的测量，即飞行时间(ToF)，光束从光源传播到目标场景并返回到在光源附近的探测器所花费的时间。用于基于ToF的LiDAR的合适探测器由单光子雪崩二极管(SPAD)阵列提供。SPAD，也称为盖革模式雪崩光电二极管(GAPD)，是能够以非常高的到达时间分辨率捕获单个光子的检测器，其数量级为几十皮秒它们可用专用半导体工艺或标准CMOS工艺制造。在单个芯片上制成的SPAD传感器阵列已经在3D成像相机中用于实验。Charbon等人在“SPAD-BasedSensors”(发表在TOFRange-ImagingCameras(Springer-Verlag,2013)中)中提供了SPAD技术的有用回顾，其以引用方式并入本文。在SPAD中，p-n结在远高于结的击穿电压的水平下反向偏置。在该偏置下，电场非常高，以至于由于入射光子而注入耗尽层的单个电荷载体可触发自持雪崩。雪崩电流脉冲的前缘标记检测到的光子到达时间。电流一直持续到通过将偏置电压降低到或低于击穿电压来淬灭雪崩。后一功能由淬灭电路执行，该淬灭电路可仅仅包括与SPAD串联的高电阻整流器负载，或者可另选地包括有源电路元件。
技术实现思路
本文下面描述的本专利技术的实施方案提供了改进的LiDAR传感器及其使用方法。因此，根据本专利技术的实施方案，提供了一种电光装置，其包括激光光源、光束控制装置和感测元件阵列，所述激光光源被配置为发射至少一束光脉冲，所述光束控制装置被配置为跨目标场景传输和扫描所述至少一个光束。每个感测元件被配置成输出指示感测元件上的单个光子入射的时间的信号。光收集光学器件被配置将被传输的光束扫描的目标场景成像到阵列上。电路被耦接成致动仅阵列的选定区域中的感测元件并在与所述至少一个光束的扫描同步的情况下扫过阵列上的选定区域。在一些实施方案中，电路被配置为选择区域使得在扫描期间的任何时刻所述选定区域包含光收集光学器件将由所述至少一个光束照亮的目标场景的区域成像到其上的阵列的一部分。选定区域可包括一个感测元件或多个感测元件。在所公开的实施方案中，电路被配置为处理由感测元件输出的信号，以便确定目标场景中的点的相应距离。通常，感测元件包括单光子检测器，诸如单光子雪崩二极管(SPAD)。在一些实施方案中，激光光源被配置为沿不同的相应光束轴线发射至少两个光束，使得在扫描期间的任何时刻光收集光学器件将由所述至少两个光束照亮的目标场景的相应区域成像到不同的相应的感测元件上。在这些实施方案中，光束控制装置被配置为在二维扫描中跨目标场景扫描所述至少两个光束，并且电路被配置为以对应于二维扫描的二维图案扫过阵列上的选定区域。例如，二维扫描可形成光栅图案，其中所述至少两个光束的相应光束轴线相对于光栅图案的扫描线方向相互横向地偏移。另选地，光束控制装置被配置为在线性扫描中在第一方向上跨目标场景扫描所述至少两个光束，并且所述至少两个光束包括沿垂直于第一方向的第二方向上的列轴布置的多个光束。在一个实施方案中，所述多个光束被布置在至少两列中，所述列具有正交于所述扫描的第一方向并且相互偏移的相应列轴线。根据本专利技术的实施方案，还提供了一种用于感测的方法，该方法包括发射光脉冲的至少一个光束并且跨目标场景传输和扫描该至少一个光束。提供感测元件阵列，每个感测元件被配置为输出指示感测元件上的单个光子入射的时间的信号。被所传输的光束扫描的目标场景被成像到所述阵列上。感测元件仅在阵列的选定区域中被致动，并且在与所述至少一个光束的扫描同步的情况下扫过所述阵列上的选定区域。结合附图，从下文中对本专利技术的实施方案的详细描述将更完全地理解本专利技术，在附图中：附图说明图1是根据本专利技术的实施方案的LiDAR系统的示意图。图2是示意性地示出了根据本专利技术的实施方案的基于SPAD的感测装置的框图；图3是示出根据本专利技术的实施方案的SPAD阵列中的感测元件的部件的框图；图4是意性地示出根据本专利技术的实施方案的具有扫描的敏感区域的SPAD阵列的框图；图5为根据本专利技术的实施方案的具有圆形扫描照明斑点的检测器阵列的示意图；图6为根据本专利技术的另一实施方案的具有圆形扫描照明斑点的检测器阵列的示意图；图7A-C是根据本专利技术的另一实施方案的具有椭圆形扫描照明斑点的检测器阵列的示意图；图8是根据本专利技术的实施方案的具有以二维光栅扫描扫描的两个圆形照明斑点的检测器阵列的示意图；图9是根据本专利技术的实施方案的在一维扫描中具有扫描的照明斑点的交错阵列的检测器阵列的示意图；图10为根据本专利技术的实施方案的实现一维扫描的LiDAR装置的示意图；图11为根据本专利技术的另一实施方案的实现一维扫描的LiDAR装置的示意图；图12是根据本专利技术的实施方案的使用具有可调发射功率的激光源的LiDAR装置的示意图；以及图13是根据本专利技术的实施方案的使用具有不同发射功率的两个激光源的LiDAR装置的示意图。具体实施方式概述使用LiDAR测量距目标场景中每个点的距离(目标场景深度)的质量在实际实施中通常受到一系列环境挑战、基本挑战和制造挑战的损害。环境挑战的实施例是室内和室外应用中存在不相关的背景光，诸如太阳能环境光，通常地达到1000W/m2的辐射率。基本挑战与目标场景表面反射光信号引起的损失有关，特别是由于低反射率的目标场景和受限的光学采集孔径以及电子和光子散粒噪声。这些限制通常产生不灵活的折衷关系，这通常会促使设计师采用涉及大光学孔径、高光焦度、窄视场(FoV)、大体积机械构造、低帧速率和传感器在受控环境中操作的限制的解决方案。本文所述的本专利技术的实施方案解决了上述限制，以便能够实现可在不受控制的环境中操作的精确的高分辨率深度成像的紧凑的、低成本的LiDAR。本专利技术所公开的实施方案使用一个或多个脉冲激光源发射光束以在所发射的光束的轴线与目标场景的交点处生成高辐射率的照明斑点。跨目标场景扫描光束以及因此照明斑点。从目标场景反射的光照由收集光学器件成像到飞行时间单光子检测器阵列上用于高信噪比，其中到目标场景的每个点的距离从飞行时间数据得到。如本领域已知的，将目标场景成像到检测器阵列上产生目标场景中的位置与由几何光学器件限定的检测器阵列上的位置之间的一一对应关系。因此，目标场景的区域被成像到检测器上的相应图像区域上，图像中的线性长度通过将目标场景区域中的对应长度乘以光学放大倍数M给出，其中对于LiDAR系统，通常M<<1。类似地，鉴于由感测元件“看到”的目标场景的位置和区域，检测器阵列的感测元件可被认为是以1/M的放大倍数成像回目标场景。在本专利技术所公开的实施方案中，检测器阵列包括单光子时间敏感感测元件(诸如单光子雪崩二极管(SPAD))的二维阵列。通过专用控制电路单独寻址每个SPAD，每个SPAD的灵敏度(包括开/关状态)由其特定的反向p-n结本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电光学装置，包括：激光光源，所述激光光源被配置为发射光脉冲的至少一个光束；光束控制装置，所述光束控制装置被配置为跨目标场景传输和扫描所述至少一个光束；感测元件阵列，每个感测元件被配置为输出指示所述感测元件上的单个光子的入射时间的信号；光收集光学器件，所述光收集光学器件被配置为将由所传输的光束扫描的所述目标场景成像到所述阵列上；以及电路，所述电路被耦接以致动仅在所述阵列的选定区域中的感测元件，并且在与所述至少一个光束的扫描同步的情况下使选定区域扫过所述阵列。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.20 US 14/975,790;2016.06.23 US 62/353,5881.一种电光学装置，包括：激光光源，所述激光光源被配置为发射光脉冲的至少一个光束；光束控制装置，所述光束控制装置被配置为跨目标场景传输和扫描所述至少一个光束；感测元件阵列，每个感测元件被配置为输出指示所述感测元件上的单个光子的入射时间的信号；光收集光学器件，所述光收集光学器件被配置为将由所传输的光束扫描的所述目标场景成像到所述阵列上；以及电路，所述电路被耦接以致动仅在所述阵列的选定区域中的感测元件，并且在与所述至少一个光束的扫描同步的情况下使选定区域扫过所述阵列。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路被配置为选择区域使得在所述扫描期间的任何时刻，选定区域包含所述光收集光学器件将被所述至少一个光束照亮的所述目标场景的区域成像到其上的所述阵列的部分。3.根据权利要求2所述的装置，其中选定区域包括一个感测元件。4.根据权利要求2所述的装置，其中选定区域包括多个感测元件。5.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路被配置为处理由感测元件输出的信号，以便确定到所述目标场景中的点的相应距离。6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中感测元件包括单光子检测器。7.根据权利要求6所述的装置，其中所述单光子检测器为单光子雪崩二极管(SPAD)。8.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中所述激光光源被配置为沿不同的相应光束轴线发射至少两个光束，使得在所述扫描期间的任何时刻，所述光收集光学器件将被所述至少两个光束照亮的所述目标场景的相应区域成像到不同的相应的感测元件上。9.根据权利要求8所述的装置，其中所述光束控制装置被配置为在二维扫描中跨所述目标场景扫描所述至少两个光束，并且所述电路被配置为以与所述二维扫描对应的二维图案使选定区域扫过所述阵列。10.根据权利要求9所述的装置，其中所述二维扫描形成光栅图案，并且其中所述至少两个光束的相应光束轴线相对于所述光栅图案的扫描线方向相互横向地偏移。11.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：C·L·尼西亚斯，A·施庞特，G·A·阿干诺夫，M·C·瓦尔登，M·A·雷兹克，T·欧吉雅，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国,US
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