多像素扫描激光雷达制造技术

于此描述了用于利用对三维环境扫描的多个照明束来执行三维激光雷达测量的方法和系统。在一方面，通过束扫描装置将来自每一个激光雷达测量通道的照明光沿不同方向发射至周围环境。束扫描装置还将返回测量光的每一个量引导到对应的光检测器上。在一些实施例中，束扫描装置包括扫描镜，扫描镜由致动器根据由主控制器生成的命令信号绕旋转轴以振荡方式旋转。在一些实施例中，与每一个激光雷达测量通道相关联的光源和检测器相对于被采用来对从光源发射的光进行准直的束整形光学器件以二维移动。相对运动使得照明束扫描受测量的三维环境的范围。

Multi-Pixel Scanning Lidar

A method and system for performing three-dimensional lidar measurements using multiple illumination beams scanned for three-dimensional environments are described herein. On the one hand, the illumination light from each laser radar measurement channel is transmitted to the surrounding environment in different directions through a beam scanning device. The beam scanning device also directs each amount of measured light back to the corresponding light detector. In some embodiments, the beam scanning device includes a scanning mirror, which is oscillated by the actuator around the rotation axis according to the command signal generated by the main controller. In some embodiments, the light source and detector associated with each lidar measurement channel move in two dimensions relative to the beam shaping optical device used to collimate the light emitted from the light source. Relative motion causes the illumination beam to scan the range of the measured three-dimensional environment.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多像素扫描激光雷达相关申请的交叉引用本专利申请要求2017年6月1日提交的名称为“MultiplePixelScanningLIDAR”的美国专利申请系列号15/610975的优先权，该申请依次按照35U.S.C§119要求2016年6月1日提交的名称为“MultiplePixelScanningLIDAR”的美国临时专利申请系列号62/344259的优先权，于此通过引用其全部将其并入。
描述的实施例涉及基于3D点云测量系统的激光雷达。
技术介绍
激光雷达系统采用光脉冲基于每一个光脉冲的飞行时间(TOF)来测量至对象的距离。从激光雷达系统的光源发射的光脉冲与远侧对象相互作用。光的部分从对象反射并返回至激光雷达系统的检测器。基于光脉冲的发射与返回的光脉冲的检测之间消逝的时间，估计距离。在一些范例中，通过激光发射器生成光脉冲。通过透镜或透镜组件聚焦光脉冲。测量激光脉冲返回至安装在发射器附近的检测器所花费的时间。以高精度根据时间测量结果导出距离。一些激光雷达系统采用与旋转镜组合的单个激光发射器/检测器组合以实际上扫描平面。该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描写为2D(即，单平面)点云。在一些范例中，旋转镜以非常快的速度(例如，每分钟数千转)旋转。在许多操作场景中，需要3D点云。已经采用了许多方案来询问(interrogate)三维的周围环境。在一些范例中，上下和/或来回致动2D仪器，通常在万向节上。这在本领域公知为使传感器“眨眼”或“点头”。从而，能够采用单束激光雷达单元来捕获距离点的整个3D阵列，即使每次一个点。在相关的范例中，采用棱镜来将激光脉冲“划分”到多层中，每一层具有稍微不同的竖直角。这模拟上述点头效应，但是不致动传感器自身。在所有以上范例中，以某种方式改变了单个激光发射器/检测器组合的光路径，以实现比单个传感器宽的视场。该装置每单位时间能够生成的像素的数量固有地受限于对单个激光器的脉冲重复率的限制。束路径的任何改变，不管其是由镜子、棱镜、还是装置的实现较大覆盖区域的致动进行的，其代价都是降低了点云密度。如上所述，3D点云系统存在于数个配置中。然而，在许多应用中，必须在宽的视场范围上观看。例如，在自主(autonomous)车辆应用中，竖直视场应当尽可能接近地向下延伸以观看车辆前方的地。另外，在汽车进入道路中的斜坡的情况下，竖直视场应当延伸到水平以上。另外，必须在真实世界中发生的动作与对那些动作进行的成像之间具有最小的延迟。在一些范例中，期望提供每秒至少五次的完整图像更新。为了处理这些需求，已经发展了3D激光雷达系统，其包括多个激光发射器和检测器的阵列。在2011年6月28日公布的美国专利No.7969558中描述了此系统，于此通过引用其全部将其主题并入。在许多应用中，发射一系列的脉冲。每一个脉冲的方向以迅速的连续性顺序改变。在这些范例中，与每一个逐个脉冲相关联的距离测量能够被视为像素，并且以迅速的连续性发射和捕获的像素的集合(即，“点云”)能够被描写为图像或由于其它原因(例如，检测障碍物)而被分析。在一些范例中，采用观察软件来将得到的点云描写为图像，该图像向用户显现为三维的。能够使用不同的方案来将距离测量描绘为3D图像，该3D图像显现为好像是由实景相机捕获的。期望对激光雷达系统的光机设计的改进，同时保持高水平的成像分辨率和范围。
技术实现思路
于此描述了用于利用对三维环境进行扫描的多个照明束来执行三维激光雷达测量的方法和系统。在一方面，通过一个或更多束整形光学元件和束扫描装置将照明光朝向周围环境中的特定位置引导。在另一方面，通过束扫描装置和该一个或更多束整形光学元件将返回测量光引导并聚焦到光检测器上。在束整形光学器件与受测量的环境之间的光路中采用束扫描装置。束扫描装置实际上扩展视场并增大3D激光雷达系统的视场内的采样密度。在一些实施例中，3D激光雷达系统包括在平面中对齐(align)的光源的阵列。每一个光源与不同的激光雷达测量通道相关联。3D激光雷达系统还包括束扫描装置，束扫描装置包括扫描镜，扫描镜由致动器根据由主控制器生成的命令信号绕旋转轴以振荡方式旋转。每一个束从扫描镜的表面沿不同方向反射。以此方式，通过不同位置的不同照明光束询问环境中的对象。扫描镜使得照明束扫描受测量的三维环境的范围。在一些其它实施例中，光源的阵列是二维的，并且在受测量的三维环境的范围上扫描测量束的二维场。在另一方面，每一个激光雷达测量通道的光源和检测器相对于被采用来对从光源发射的光进行准直的束整形光学器件以二维移动。二维运动与束整形光学器件的光学平面对齐，并且实际上扩展视场并增大3D激光雷达系统的视场内的采样密度。前述是概述，并且从而必然包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解，概述仅是示例性的，而在任何方面都不是限制性的。于此描述的装置和/或工艺的其它方面、创新特征、以及优点将在于此阐述的非限制性具体实施方式中变得明显。附图说明图1是在至少一个新颖方面示例3D激光雷达系统100的一个实施例的简化图。图2描绘脉冲测量束的发射和返回测量脉冲的捕获的定时的示例。图3描绘3D激光雷达系统100的光发射/收集引擎112的视图。图4更详细地描绘3D激光雷达系统100的收集光学器件116的视图。图5描绘采用束扫描装置的3D激光雷达系统的实施例200。图6描绘采用束扫描装置的3D激光雷达系统的实施例300。图7描绘采用束扫描装置的3D激光雷达系统的实施例400。图8描绘采用光源的二维阵列211的3D激光雷达系统的实施例210。图9描绘一个实施例中的集成激光雷达测量装置120。图10描绘集成激光雷达测量装置130的示意性视图。图11描绘在至少一个新颖方面示例基于扫描测量束来执行多个激光雷达测量的方法500的流程图。具体实施方式现在详细参照背景范例和本专利技术的一些实施例，其中的范例示例于附图中。图1描绘一个实施例中的激光雷达测量系统100。激光雷达测量系统100包括主控制器190和一个或更多集成激光雷达测量装置130。集成激光雷达测量装置130包括返回信号接收器集成电路(IC)、照明驱动器集成电路(IC)152、照明源160、光检测器170、以及互阻抗放大器(TIA)180。这些元件中的每一个安装于公共基底135(例如，印刷电路板)，该公共基底提供元件间的电连接和机械支撑。照明源160响应于电流153的脉冲发射照明光162的测量脉冲。在一些实施例中，照明源160是基于激光的(例如，激光二极管)。在一些实施例中，照明源基于一个或更多发光二极管。通常，可以设想任何适合的脉冲照明源。照明光162离开激光雷达测量装置100并从受测量的周围三维环境中的对象反射。反射光的部分被收集为与测量脉冲162相关联的返回测量光171。如图1中描绘的，从集成激光雷达测量装置130发射的照明光162和被朝向集成激光雷达测量装置引导的对应返回测量光171共享公共光路。在一个方面，通过激光雷达测量系统100的一个或更多束整形光学元件163和束扫描装置164将照明光162朝向周围环境中的特定位置聚焦和投射。在另一方面，通过激光雷达测量系统100的束扫描装置164和该一个或更多束整形光学元件163将返回测量光171引本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光检测和测距(激光雷达)装置，包括：多个脉冲照明源，均从所述激光雷达装置沿不同方向发射照明光的脉冲到三维环境中；多个光敏检测器，均检测从由照明光的每一个脉冲照明的所述三维环境反射的返回光的量并生成指示与照明光的每一个脉冲相关联的返回光的所检测的量的输出信号；束扫描装置，设置于在所述多个脉冲照明源与受测量的所述三维环境之间并且在所述多个光敏检测器与受测量的所述三维环境之间的光路中，所述束扫描装置被配置为响应于命令信号而重新引导照明光的每一个脉冲；以及计算系统，被配置为：接收指示光的所检测的量的每一个输出信号；以及基于从所述激光雷达装置发射每一个脉冲时的时间与每一个光敏检测器检测从由照明光的所述脉冲照明的所述三维环境中的对象反射的光的量时的时间之间的差来确定所述激光雷达装置与所述对象之间的距离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.01 US 62/344,2591.一种光检测和测距(激光雷达)装置，包括：多个脉冲照明源，均从所述激光雷达装置沿不同方向发射照明光的脉冲到三维环境中；多个光敏检测器，均检测从由照明光的每一个脉冲照明的所述三维环境反射的返回光的量并生成指示与照明光的每一个脉冲相关联的返回光的所检测的量的输出信号；束扫描装置，设置于在所述多个脉冲照明源与受测量的所述三维环境之间并且在所述多个光敏检测器与受测量的所述三维环境之间的光路中，所述束扫描装置被配置为响应于命令信号而重新引导照明光的每一个脉冲；以及计算系统，被配置为：接收指示光的所检测的量的每一个输出信号；以及基于从所述激光雷达装置发射每一个脉冲时的时间与每一个光敏检测器检测从由照明光的所述脉冲照明的所述三维环境中的对象反射的光的量时的时间之间的差来确定所述激光雷达装置与所述对象之间的距离。2.如权利要求1所述的激光雷达装置，还包括：一个或更多束整形光学元件，设置于所述光路中，在所述束扫描装置与所述多个脉冲照明源之间且在所述束扫描装置与所述多个光敏元件之间。3.如权利要求1所述的激光雷达装置，其中，所述束扫描装置包括一个或更多束整形光学元件。4.如权利要求1所述的激光雷达装置，其中，所述三维环境的第一范围与所述三维环境的第二范围空间交叠，所述第一范围是由通过所述多个脉冲照明源光中的第一脉冲照明源发射且通过所述束扫描装置在所述第一范围上扫描的照明光的一序列脉冲测量的，所述第二范围是由通过所述多个脉冲照明源光中的第二脉冲照明源发射且通过所述束扫描装置在所述第二范围上扫描的照明光的一序列脉冲测量的。5.如权利要求1所述的激光雷达装置，其中，所述束扫描装置包括镜元件，通过致动器使所述镜元件绕旋转轴旋转。6.如权利要求5所述的激光雷达装置，其中，所述镜元件以振荡角速度绕该旋转轴旋转。7.如权利要求6所述的激光雷达装置，其中，所述振荡角速度遵循正弦分布。8.如权利要求5所述的激光雷达装置，其中，所述多个脉冲照明源设置在平行于所述旋转轴的平面中。9.如权利要求5所述的激光雷达装置，其中，所述多个脉冲照明源设置在垂直于所述旋转轴的平面中。10.如权利要求3所述的激光雷达装置，其中，所述一个或更多束整形光学元件被沿平行于所述一个或更多束整形光学元件的光学平面的第一方向平移。11.如权利要求10所述的激光雷达装置，其中，所述多个脉冲照明源被沿平行于所述一个或更多束整形元件的所述光学平面的第二方向平移，其中，所述第一方向和所述第二方向是不同的方向。12.如权利要求1所述的激光雷达装置，其中，由所述计算系统生成所述命令信号。13.一种光检测和测距(激光雷达)装置，包括：多个脉冲照明源，均从所述激光雷达装置沿不同方向发射照明光的脉冲到三维环境中；多个光敏检测器，均检测从由照明光的每一个脉冲照明的所述三维环境反射的返回光的量...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·S·霍尔，P·J·克尔斯滕斯，M·N·雷科，S·S·内斯廷格尔，
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