【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有电子扫描发射器阵列和同步传感器阵列的光测距装置相关申请的交叉引用本申请要求2017年7月5日提交的美国临时专利申请号62/528,879的优先权，其公开内容在此通过引用以其全部内容并出于所有目的引入。
技术介绍
光成像、检测和测距(LIDAR)系统通过用脉冲激光照明目标且用传感器测量反射的脉冲来测量到目标的距离。接着可使用飞行时间测量值来产生目标的数字3D表示。LIDAR系统可用于各种需要使用3D深度图像的应用，包含考古学、地理学、地质学、林业、绘图、建造、医学成像和军事应用，以及其它应用。自主车辆也可使用LIDAR用于障碍检测和避免以及车辆导航。一些LIDAR系统包括机械、移动部件，其在物理上以小于或等于360°的旋转角度扫描发射和接收元件以捕获场中景物的图像。可以用于车辆中障碍物检测和避障的这种系统的一个实例通常称为旋转或转动的LIDAR系统。在旋转的LIDAR系统中，将LIDAR传感器通常在壳体内安装到旋转或转动完全360度的柱。LIDAR传感器包括相干光发射器(例如，红外或近红外光谱中的脉冲激光)，以随着LIDAR传感...
【技术保护点】
1.一种固态光学系统，包括：/n光传输模块，包括发射机层，所述发射机层包括各光发射器的阵列；/n光感测模块，包括传感器层，所述传感器层包括光电传感器的阵列，其中光发射器的阵列中的每个光发射器与所述光感测模块中的对应光电传感器配对；/n发射器阵列触发电路，耦合到光发射器的阵列并且被配置为一次仅激活光发射器的子集；以及/n传感器阵列读出电路，耦合到光电传感器的阵列并且被配置为与对应的光发射器的触发同时地，同步该阵列内各光电传感器的读出，使得各光发射器的阵列中的每个光发射器能够被激活，并且光电传感器的阵列中的每个光电传感器能够通过一个发射周期被读出。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170705 US 62/528,8791.一种固态光学系统，包括：
光传输模块，包括发射机层，所述发射机层包括各光发射器的阵列；
光感测模块，包括传感器层，所述传感器层包括光电传感器的阵列，其中光发射器的阵列中的每个光发射器与所述光感测模块中的对应光电传感器配对；
发射器阵列触发电路，耦合到光发射器的阵列并且被配置为一次仅激活光发射器的子集；以及
传感器阵列读出电路，耦合到光电传感器的阵列并且被配置为与对应的光发射器的触发同时地，同步该阵列内各光电传感器的读出，使得各光发射器的阵列中的每个光发射器能够被激活，并且光电传感器的阵列中的每个光电传感器能够通过一个发射周期被读出。
2.根据权利要求1所述的固态光学系统，其中每个光发射器的视场与其对应的光电传感器的视场匹配。
3.根据权利要求2所述的固态光学系统，其中所述光传输模块还包括本体发射机光学器件并且所述光感测模块还包括本体接收器光学器件。
4.根据权利要求3所述的固态光学系统，其中各光发射器的阵列被布置成二维阵列，该二维阵列具有第一尺寸并且被配置为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外部的场中；所述光电传感器的阵列布置成二维阵列，该二维阵列具有第二尺寸并且被配置为在光子通过所述本体接收器光学器件之后检测从所述场中的表面反射的光子；并且第一尺寸、第二尺寸、本体发射机光学器件和本体接收器光学器件的组合被设计成使得穿过所述本体发射机光学器件的每个发射器列的视场与穿过所述本体接收器光学器件的对应像素列的视场显著相同。
5.根据权利要求1所述的固态光学系统，其中所述光感测模块还包括具有多个光圈的光圈层，并且所述光圈层和光电传感器的阵列被布置为形成多个接收器通道，所述多个接收器通道中的每个接收器通道包括来自所述多个光圈的光圈和来自光电传感器的阵列的光电传感器，所述光圈限定所述接收器通道中所述光电传感器的视场。
6.根据权利要求5所述的固态光学系统，其中光电传感器的阵列中的每个光电传感器包括SPADS的阵列，并且每个光发射器是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
7.根据权利要求6所述的固态光学系统，其中光发射器的阵列和光电传感器的阵列按列或按行激活。
8.根据权利要求5所述的固态光学系统，其中：
所述光传输模块为第一光传输模块，所述发射机层为第一发射机层，各光发射器的所述阵列为各光发射器的第一阵列；
所述系统还包括第二光传输模块，所述第二光传输模块包括第二发射机层，所述第二发射机层包括各光发射器的第二阵列；和
所述各光发射器的第一阵列和第二阵列被对准以分别根据第一照明图案和第二照明图案将离散光束投射到所述光学系统外部的场中，其中第一照明图案和第二照明图案被对准，使得来自第一照明图案的一个离散光束和来自第二照明图案的一个离散光束落在所述多个接收器通道中的每个接收器通道的视场内。
9.一种用于执行距离测量的固态光学系统，所述固态光学系统包括：
光发射系统，包括本体发射机光学器件、以及照明源，所述照明源包括光发射器的二维阵列，该二维阵列根据照明图案来布置、并被对准以将离散光束通过所述本体发射机光学器件投射到超前于所述光学系统的场中；
光检测系统，包括本体接收器光学器件、光圈层、以及光电传感器层，所述光圈层包括多个光圈，所述光电传感器层包括光电传感器的二维阵列，光电传感器的二维阵列被配置为检测从所述照明源发出以及通过所述本体接收器光学器件后从所述场内的表面反射的光子，其中所述光圈层和所述光电传感器层被布置成形成按照与所述照明图案相对应的感测图案布置的多个感测通道，并且其中所述多个感测通道中的每个感测通道对应于发射器的阵列中的发射器并且包括来自所述光圈层的光圈和来自所述光电传感器层的光电传感器，
发射器阵列触发电路，耦合到光发射器的二维阵列并且被配置为一次仅激活光发射器的子集；以及
传感器阵列读出电路，耦合到光电传感器的二维阵列并且被配置为与对应的光发射器的触发同时地，同步该阵列内各光电传感器的读出，使得各光发射器的阵列中的每个光发射器能够被激活，并且光电传感器的阵列中的每个光电传感器能够通过一个发射周期被读出。
10.根据权利要求9所述的固态光学系统，其中每个光发射器的视场代表所述场内的非重叠视场并且与其对应的光电传感器的视场匹配。
11.根据权利要求9所述的固态光学系统，其中所述发射器阵列触发电路按一次一列或一行地激活光发射器的子集并且所述传感器阵列读出电路按一次一列或一行地同步对应的光电传感器的读出。
12.根据权利要求11所述的固态光学系统，其中光电传感器的阵列中的每个光电传感器包括SPADS的阵列，并且每个光发射器是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
13.根据权利要求11所述的固态光学系统，其中所述发射器阵列触发电路在每个发射周期的一整个发射周期期间在单个方向上顺序地激活光发射器的列或行。
14.根据权利要求9所述的固态光学系统，其中对于所述多个感测通道中的每个感测通道，所述感测通道中的光电传感器的感测面积大于其相应的光圈的面积。
15.根据权利要求9所述的固态光学系统，其中发射器的二维阵列包括彼此按照第一间距分开的多个列，并且光电传感器的二维阵列包括彼此按照等于第一间距的第二间距分开的多个列。
16.根据权利要求9所述的固态光学系统，还包括微光学通道阵列，所述微光学通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，所述微光学通道阵列限定多个微光学发射机通道，每个微光学发射机通道包括与光发射器的二维阵列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在其相应的发射机通道中从光发射器接收光锥，并在焦点处产生所述光发射器的尺寸减小的光斑图像，所述焦点在所述光发射器和所述本体发射机光学器件之间的位置并偏离所述光发射器。
17.根据权利要求9所述的固态光学系统，进一步包括设置在所述本体接收器光学器件和光电传感器的阵列之间的滤光器，所述滤光器被配置为接收穿过所述本体接收器光学器件的光，并且使包括所述多个发射器的工作波长的辐射的窄带传送到所述多个光电传感器同时阻止在该带外的辐射。
18.一种用于执行距离测量的固态光学系统，所述固态光学系统包括：
光发射系统，包括本体发射机光学器件、照明源，所述照明源包括光发射器的二维阵列，光发射器的二维阵列被对准以根据照明图案将离散光束通过所述本体发射机光学器件投射到光学系统外部的场中，其中所述照明图案中的每个离散光束表示所述场内的非重叠视场；
光检测系统，所述光检测系统被配置为检测从所述照明源发射和从所述场内的表面反射的光子，所述光检测系统包括本体接收器光学器件、包括多个光圈的光圈层、以及包括光电传感器的二维阵列的光电传感器层，其中所述光圈层和所述光电传感器层被布置成形成多个感测通道，所述多个感测通道在所述场中具有感测图案，所述感测图案在与所述系统的距离范围内在尺寸和几何形状上基本匹配光发射器的阵列的所述照明图案，并且其中所述多个感测通道中的每个感测通道对应于发射器的阵列中的发射器并且包括来自所述光圈层的光圈和来自所述光电传感器层的光电传感器；
发射器阵列触发电路，耦合到光发射器的阵列，并且被配置为执行多个图像捕获时段，其中，对于每个图像捕获时段，所述发射器阵列触发电路根据触发顺序来顺序地触发光发射器的阵列内的发射器的子集，直到所述照明图案被产生；以及
传感器阵列读出电路，耦合到光电传感器的阵列，并且被配置成与光发射器的阵列内对应的发射器的触发同时地，同步该阵列内各光电传感器的读出。
19.根据权利要求18所述的固态光学系统，其中光电传感器的二维阵列中的每个光电传感器包括SPADS的阵列，并且光发射器的二维阵列中的每个光发射器是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
20.根据权利要求18所述的固态光学系统，进一步包括设置在所述本体接收器光学器件和光电传感器的阵列之间的滤光器，所述滤光器被配置为接收穿过所述本体接收器光学器件的光，并且使包括所述多个发射器的工作波长的辐射的窄带传送到所述多个光电传感器同时阻止该带外的辐射。
21.一种用于执行距离测量的固态光学系统，所述固态光学系统包括：
第一照明源，包括二维的第一光发射器阵列，所述二维的第一光发射器阵列被对准以根据第一照明图案，将离散光束投射到所述光学系统外部的场中；
第二照明源，包括二维的第二光发射器阵列，所述二维的第二光发射器阵列被对准以根据与第一照明图案具有相同的尺寸和几何形状的第二照明图案，将离散光束投射到所述场中；以及
光检测模块，包括光电传感器阵列，所述光电传感器阵列被配置为检测从第一照明源和第二照明源发出并从所述场内的表面反射的光子，其中光电传感器阵列中的每个光电传感器具有这样的视场：该视场与第一光发射器阵列中的一个发射器和第二光发射器阵列中的一个发射器的视场重叠；
其中第一光发射器阵列和第二光发射器阵列以及光电传感器阵列同步地操作，使得当激活一个或多个光发射器时，读取对应的一个或多个光电传感器。
22.根据权利要求21所述的光学系统，还包括发射器阵列触发电路，所述发射器阵列触发电路耦合到第一光发射器阵列和第二光发射器阵列，并被配置为执行多个图像捕获时段，其中，对于每个图像捕获时段，所述发射器阵列扫描电路顺序地触发第一发射器阵列的发射器子集，然后触发第二发射器阵列的发射器子集，直到第一照明图案和第二照明图案被产生。
23.根据权利要求22所述的光学系统，其中，对于每个图像捕获时段，由所述发射器阵列触发电路触发的第一发射器阵列的每个发射器子集表示第一照明图案的不同部分，并且在第一发射器阵列的该发射器子集之后触发的第二发射器阵列的每个发射器子集表示第二照明图案的不同部分，所述第二照明图案的不同部分对应于所述第一照明图案的不同部分。
24.根据权利要求23所述的光学系统，还包括传感器阵列读出电路，所述传感器阵列读出电路与光电传感器阵列耦合，并且被配置成与第一和第二光发射器阵列中的对应的光发射器的触发同时地，同步该阵列内各光电传感器的读出。
25.根据权利要求21所述的光学系统，其中光电传感器阵列设置在第一光发射器阵列和第二光发射器阵列之间。
26.根据权利要求21所述的光学系统，其中在第一照明图案中的每个离散光斑和其在第二照明图案中对应的离散光斑代表对应的感测通道的视场的非重叠部分。
27.根据权利要求26所述的光学系统，其中所述光检测模块还包括包含多个光圈的光圈层，所述光圈层和光电传感器阵列被布置以形成多个感测通道，所述多个感测通道中的每个感测通道包括光电传感器阵列中的一个光电传感器、所述光圈层中限定所述通道中光电传感器的第一视场的第一光圈、以及所述光圈层中限定所述通道中光电传感器的第二视场的第二光圈，其中第一视场与第一照明源中的发射器的视场对准，第二视场与第二照明源中的发射器的视场对准。
28.根据权利要求27所述的光学系统，其中每个感测通道包括与第一光圈对准的第一微透镜和与第二光圈对准的第二微透镜。
29.根据权利要求21所述的光学系统，其中在第一照明图案中每个离散光斑与其在第二照明图案中对应的光斑重叠，并且尺寸基本相同。
30.根据权利要求21所述的光学系统，还包括第三照明源，所述第三照明源包括二维的第三光发射器阵列，所述二维的第三光发射器阵列被对准以根据与第一照明图案具有相同的尺寸和几何形状的第三照明图案将离散光束投射到所述光学系统外的场中；以及
其中光电传感器阵列还被配置为检测从第三照明源发射的光子，并且第三光发射器阵列与第一和第二光发射器阵列以及光电传感器阵列同步地操作，使得当一个或多个光发射器被激活时，读取对应的一个或多个光电传感器。
31.一种用于执行距离测量的固态光学系统，所述固态光学系统包括：
第一光发射模块，包括第一本体发射机光学器件和第一照明源，第一照明源包括二维的第一光发射器阵列，所述二维的第一光发射器阵列被对准以根据第一照明图案，将离散光束通过第一本体发射机光学器件投射到所述光学系统外部的场中；
第二光发射模块，包括第二本体发射机光学器件和第二照明源，第二照明源包括二维的第二光发射器阵列，所述二维的第二光发射器阵列被对准以根据与第一照明图案具有相同的尺寸和几何形状的第二照明图案，将离散光束通过第二本体发射机光学器件投射到所述场中；以及
光检测模块，包括本体接收器光学器件、包括多个光圈的光圈层以及包括光电传感器阵列的光电传感器层，所述光电传感器阵列被配置为检测从第一和第二照明源发出并通过所述本体接收器光学器件从所述场内的表面反射的光子，其中所述光圈层和所述光电传感器层被布置成形成感测通道的二维阵列，每个感测通道包括来自所述光圈层的光圈和来自所述光电传感器层的光电传感器并且具有与第一发射器阵列的一个发射器和第二发射器阵列的一个发射器的视场重叠的视场；
其中第一光发射器阵列和第二光发射器阵列以及所述光电传感器阵列同步地操作，使得当激活一个或多个光发射器时，读取对应的一个或多个光电传感器。
32.根据权利要求31所述的光学系统，进一步包括：
发射器阵列触发电路，耦合到所述第一光发射器阵列和第二光发射器阵列，并被配置为执行多个图像捕获时段，其中，对于每个图像捕获时段，所述发射器阵列扫描电路顺序地触发第一发射器阵列的发射器子集，然后触发第二发射器阵列的发射器子集，直到第一照明图案和第二照明图案被产生；以及
传感器阵列读出电路，与光电传感器阵列耦合，并且被配置成与第一和第二光发射器阵列中对应的光发射器的触发同时地，同步该阵列内各光电传感器的读出。
33.根据权利要求32所述的光学系统，其中，对于每个图像捕获时段，由所述发射器阵列触发电路触发的第一发射器阵列的每个发射器子集表示第一照明图案的不同部分，并且在第一发射器阵列的所述发射器子集之后触发的第二发射器阵列的每个发射器子集表示第二照明图案的不同部分，所述第二照明图案的不同部分对应于所述第一照明图案的不同部分。
34.根据权利要求31所述的光学系统，其中在第一照明图案中的每个离散光斑和其在第二照明图案中对应的离散光斑代表对应的感测通道的视场的非重叠部分。
35.根据权利要求31所述的光学系统，其中在第一照明图案中的每个离散光斑与其在第二照明图案中对应的光斑重叠，并且尺寸基本相同。
36.一种用于执行距离测量的固态光学系统，所述固态光学系统包括：
光检测系统，包括本体接收器光学器件、包括多个光圈的光圈层、以及包括二维的光电传感器阵列的光电传感器层，其中所述光圈层和所述光电传感器层被布置为形成具有感测图案的多个感测通道，其中所述多个感测通道中的每个感测通道限定超前于所述光检测系统的场中超出阈值距离的离散的、不重叠的视场并且包括来自所述光圈层的光圈和来自所述光电传感器层的光电传感器；
光发射系统，包括第一本体发射机光学器件、对准以根据第一照明图案将离散光束通过第一本体发射机光学器件投射到所述场中的二维的第一光发射器阵列、第二本体发射机光学器件、以及对准以根据与第一照明图案具有相同的尺寸和几何形状的第二照明图案将离散光束通过第二本体发射机光学器件投射到所述场中的二维的第二光发射器阵列，其中第一和第二照明图案被对准，使得来自第一照明图案的一个离散光束和来自第二照明图案的一个离散光束落在所述多个感测通道中的每个感测通道的视场内；
发射器阵列扫描电路，耦合到第一光发射器阵列和第二光发射器阵列，并且被配置为执行多个图像捕获时段，其中，对于每个图像捕获时段，所述发射器阵列扫描电路顺序地触发第一发射器阵列的发射器子集，然后触发第二发射器阵列的发射器子集，直到第一照明图案和第二照明图案被产生；以及
传感器阵列扫描电路，与光电传感器的阵列耦合，并且被配置成与第一和第二光发射器阵列内的对应发射器的触发同时地，同步该阵列内各光电传感器的读出。
37.根据权利要求36所述的光学系统，其中在第一照明图案中的每个离散光斑和其在第二照明图案中对应的离散光斑代表对应的感测通道的视场的非重叠部分。
38.根据权利要求37所述的光学系统，其中每个感测通道包括第一微透镜和第二微透镜，所述第一微透镜与第一照明图案中离散光束的视场对准，所述第二微透镜与第二照明图案中离散光束的视场对准。
39.根据权利要求36所述的光学系统，其中在第一照明图案中的每个离散光斑与其在第二照明图案中对应的光斑重叠并且尺寸基本相同。
40.根据权利要求36所述的光学系统，其中二维的光电传感器阵列中的每个光电传感器包括SPADS的阵列，并且第一和第二光发射器阵列中的每个光发射器是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
41.一种用于执行距离测量的光学系统，所述光学系统包括：
照明源，包括光发射器列，所述光发射器列被对准以将离散光束投射到所述光学系统外部的场中；
MEMS设备，被配置为沿着垂直于所述光发射器列而取向的扫描轴倾斜并且将来自该列的辐射反射到所述场中以产生二维照明图案，其中来自所述光发射器列的离散光束被重复多次，在所述图案中形成多个不重叠的列；
光检测系统，被配置为检测从所述照明源发射并从所述场内的表面反射的光子，所述光检测系统包括光电传感器层，所述光电传感器层包括光电传感器的二维阵列，所述光电传感器的二维阵列在所述场中具有感测图案，所述感测图案的尺寸和几何形状在与所述系统的距离范围内基本上匹配由所述MEMS设备产生的所述二维照明图案；
耦合至所述MEMS设备和所述光发射器列并被配置为执行多个图像捕获时段的电路，其中对于每个图像捕获时段，在所述MEMS设备沿其轴倾斜时顺序触发所述光发射器列，直到产生所述照明图案；和
传感器阵列扫描电路，与光电传感器的阵列耦合，并且被配置成与所述光发射器列内对应发射器的触发同时地，同步该阵列内各光电传感器的读出。
42.根据权利要求41所述的光学系统，其中光电传感器的二维阵列包括每行m个光电传感器与每列n个光电传感器，其形成m×n的光电传感器的阵列。
43.根据权利要求42所述的光学系统，其中所述照明源是一维光发射器阵列，包含n个光发射器。
44.根据权利要求43所述的光学系统，其中所述电路被配置为操作所述照明光源以在每个图像捕获时段期间，同时使所述n个光发射器发射。
45.根据权利要求44所述的光学系统，其中所述电路还被配置成操作所述照明源达m个图像捕获时段，同时MEMS镜沿着所述扫描轴持续地倾斜，以生成所述二维照明图案，其中所述二维照明图案包括进入所述光学系统外部的场中的每行m个离散光束、以及进入所述光学系统外部的场中的每列n个离散光束，其形成进入所述光学系统外部的场中的m×n的离散光束阵列。
46.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述MEMS设备是MEMS倾斜镜，所述MEMS倾斜镜沿所述扫描轴一维地倾斜。
47.根据权利要求41所述的光学系统，其中所述光检测系统还包括包含多个光圈的光圈层，其中所述光圈层和所述光电传感器层被布置为形成多个感测通道。
48.根据权利要求47所述的光学系统，其中所述多个感测通道中的每个感测通道对应于所述发射器阵列中的发射器并且包括来自所述光圈层的光圈和来自所述光电传感器层的光电传感器。
49.一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，...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·帕卡拉，M·弗里赫特，
申请(专利权)人：奥斯特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。