旋转紧凑型光测距系统技术方案

一种光测距系统包含：轴杆；第一电路板组合件，其包含定子组合件，所述定子组合件包括围绕所述轴杆布置在所述第一电路板组合件的表面上的多个定子元件；第二电路板组合件，其旋转联接到所述轴杆，其中所述第二电路板组合件包含转子组合件，所述转子组合件包括围绕所述轴杆布置在所述第二电路板组合件的表面上的多个转子元件，使得所述多个转子元件与所述多个定子元件对准且隔开；定子驱动器电路，其安置于所述第二或所述第一电路板组合件的任一个上且被配置成将驱动信号提供到所述多个定子元件，借此在所述多个转子元件上赋予电磁力来驱动所述第二电路板组合件围绕所述轴杆的旋转；以及光测距装置，其以机械方式联接到所述第二电路板组合件使得所述光测距装置随所述第二电路板组合件旋转。

Rotary compact optical ranging system

【技术实现步骤摘要】
旋转紧凑型光测距系统本申请是专利技术名称为“旋转紧凑型光测距系统”、申请日为2018年12月6日、申请号为“201880047404.2”的中国专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求以下专利申请的优先权：2018年12月4日提交的标题为“旋转紧凑型光测距系统(RotatingCompactLightRangingSystem)”的第16/209,867号美国专利申请('867申请)；2018年12月4日提交的标题为“具有相对电路板的光测距系统(LightRangingSystemwithOpposingCircuitBoards)”的第16/209,869号美国专利申请('869申请)；2018年12月4日提交的标题为“具有光学通信上行链路和下行链路通道的旋转光测距系统(RotatingLightRangingSystemwithOpticalCommunicationUplinkandDownlinkChannels)”的第16/209,875号美国专利申请('875申请)；以及2018年12月4日提交的标题为“具有多元体形透镜系统的光测距装置(LightRangingDevicewithaMulti-elementBulkLensSystem)”的第16/209,879号美国专利申请('879申请)。'867、'869、'875和'879申请中的每一个出于所有目的以全文引用的方式并入本文中，且各自要求2017年12月7日提交的标题为“紧凑型LIDAR系统(CompactLIDARSystem)”的第62/596,018号美国临时专利申请的权益，所述临时专利申请也出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
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。提供足以用于自主车辆中的障碍检测和避免的覆盖度和分辨率的许多当前可用的LIDAR传感器技术上较复杂并且制造起来很昂贵。此类传感器因此可能太昂贵而不能在大众市场汽车、卡车和其它车辆中广泛部署。特定类型的LIDAR传感器的总体组件成本和制造复杂性通常受LIDAR传感器本身的架构中的底层复杂性影响。这一问题在一些现代LIDAR传感器中可能进一步加剧，所述现代LIDAR传感器是不同内部子系统的组合，每一子系统本身可能非常复杂，例如光电系统、机电系统、计算机控制系统、高速通信系统、数据处理系统等。为了实现对于一些现代感测应用可能是重要的高位置准确性、长距离范围和低功耗，针对这些子系统中的每一子系统的严格技术要求导致架构和设计变复杂且难以构建，并且常常需要先进行昂贵的校准和对准程序，然后各个LIDAR单元才可供消费者使用。举例来说，一些LIDAR系统的内部架构采用一个或多个较大主板和庞大而沉重的光学系统，它们安装在配衡结构部件上，全部在以约1,000RPM的速率旋转的转台内。在这些系统中的一些系统中，单独的激光发射器/检测器对安装到各个单独电路板。因此，每一发射器板和接收器板可能需要单独地安装到母板，每一发射器/检测器对沿着特定方向精确对准以确保每一检测器的视场与检测器的相应发射器的视场重叠。由于上述架构，在组装期间通常需要精度对准技术来单独地对准每一发射器板和每一接收器板。当希望缩放装置的分辨率时，上文所描述的架构越来越成问题。增加分辨率需要添加更多的激光发射器/检测器对，它们同样各自安装在其自身的电路板上。因此，在此类型的架构的情况下线性地缩放分辨率可能会导致制造成本的指数级增加，考虑到所涉及的单个零件和板的数量过大，此举也可能导致可靠性的指数级降低。一旦组装和对准完成，则必须十分小心，已精确对准的多板布置不能在运送期间或系统的设计寿命内的某一其它时间点因干扰或颠簸而不再对准。除光学系统的对准和组装的复杂性之外，大多数当前可用的LIDAR单元还具有相对低的总系统集成度。举例来说，许多当前可用的LIDAR单元中的控制和驱动电路是安装到定制板的单独模块。这些定制板又可能需要安装到LIDAR单元内的母板，或可借助于一个或多个安装托架安装在LIDAR单元的结构元件上的某个其它地方。在某些情况下，每一板都可具有一个或多个电互连件，所述电互连件需要布线穿过罩壳内的一个或多个内部容积空间或通路以最终与母板连接。对于旋转LIDAR系统，电马达转子和/或定子可能需要更多的额外专门安装件和互连件。除功率连接之外，还需要数据上行链路和下行链路线路，且其通常由一个或多个电感、电容和/或金属滑环旋转联接器实现，它们可能难以实施和/或导致低数据传送速率。一些系统采用旋转联接器内的金属刷，且因此可能归因于旋转结构内的刷子的机械接触要求而不可靠。其它滑环型连接器可能采用例如汞等有害物质，从而致使这些类型的联接器不符合有害物质限制指令2002/95/EC(ROHS)且因此不赞成使用，甚至在一些管辖区内是禁止的。相对于光电系统，行业在并入例如基于CMOS的单光子雪崩二极管(SPAD)等有成本效益的单光子光电检测器方面已经经历了挑战，这是归因于其在近红外波长内的低量子效率和其低动态范围。为了改进量子效率，一些基于SPAD的检测器采用InGaA技术，但此类系统与CMOS装置相比在以有成本效益的方式集成方面更具挑战性。因此，与使用InGaAs技术制造的SPAD检测器相关联的外部/支持电路(例如，可感测雪崩电流的前导边沿、产生与雪崩累积同步的标准输出脉冲、通过将偏压降低回到崩溃电压来淬灭雪崩，且接着使光电二极管复原到操作水平的淬灭电路)通常与SPAD阵列分开制造在例如SPAD阵列外部的封装中。此外，InGaAs衬底相对昂贵，且相关联制造工艺通常具有比硅衬底制造工艺低的良率，从而使成本增加加剧。使事情更复杂的是，InGaAs衬底通常需要有效地冷却以便将暗电流减小到合适的电平，这增加了运行时期间消耗的能量的量，从而更进一步增加成本和复杂性。代替于采用基于SPAD的检测器，许多市售LIDAR解决方案采用雪崩光电二极管(APD)。APD不是二元检测装置，而是输出与入射在检测器上的光强度成比例的模拟信号(例如，电流)，且因此具有高动态范围。然而，APD必须由若干额外模拟电路支持，包含(例如)比如跨阻抗放大器和/或差分放大器、高速A/D转换器、一个或多个数字信号处理器(DSP)等模拟电路。传统APD还需要标准CMOS工艺无法实现的高反向偏压电压。没有成熟的CMOS，就难以以紧凑的形状因数将所有此模拟电路集成到单个芯片上，且通常采用位于印刷电路板上的多个外部电路模块，这导致了这些现有单元的高成本。相应地，为了支持3D感测系统的增长的市场，一直需要更具成本效益但仍有高性能的LIDAR系统。此外，一直需要实现可有效地大规模采用的流线型组装工艺的经过改进且更优美的系统架构。
技术实现思路
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【技术保护点】
1.一种光测距系统，其包括：/n轴杆；/n第一电路板组合件，其包含定子组合件，所述定子组合件包括围绕所述轴杆布置在所述第一电路板组合件的表面上的多个定子元件；/n第二电路板组合件，其旋转联接到所述轴杆，其中所述第二电路板组合件包含转子组合件，所述转子组合件包括围绕所述轴杆布置在所述第二电路板组合件的表面上的多个转子元件，使得所述多个转子元件与所述多个定子元件对准且隔开；/n光测距装置，其联接以随所述第二电路板组合件旋转，所述光测距装置包含被配置成将光脉冲传输到周围环境中的对象的光源，以及检测器电路，所述检测器电路被配置成检测从所述周围环境中的所述对象反射的所述光脉冲的反射部分，并基于所述光脉冲的所述反射部分计算测距数据；以及/n定子驱动器电路，其安置于所述第二电路板组合件或所述第一电路板组合件的任一个上且被配置成将驱动信号提供到所述多个定子元件，借此在所述多个转子元件上赋予电磁力来驱动所述第二电路板组合件围绕所述轴杆的旋转。/n

【技术特征摘要】
20171207 US 62/596,018;20181204 US 16/209,867;20181.一种光测距系统，其包括：
轴杆；
第一电路板组合件，其包含定子组合件，所述定子组合件包括围绕所述轴杆布置在所述第一电路板组合件的表面上的多个定子元件；
第二电路板组合件，其旋转联接到所述轴杆，其中所述第二电路板组合件包含转子组合件，所述转子组合件包括围绕所述轴杆布置在所述第二电路板组合件的表面上的多个转子元件，使得所述多个转子元件与所述多个定子元件对准且隔开；
光测距装置，其联接以随所述第二电路板组合件旋转，所述光测距装置包含被配置成将光脉冲传输到周围环境中的对象的光源，以及检测器电路，所述检测器电路被配置成检测从所述周围环境中的所述对象反射的所述光脉冲的反射部分，并基于所述光脉冲的所述反射部分计算测距数据；以及
定子驱动器电路，其安置于所述第二电路板组合件或所述第一电路板组合件的任一个上且被配置成将驱动信号提供到所述多个定子元件，借此在所述多个转子元件上赋予电磁力来驱动所述第二电路板组合件围绕所述轴杆的旋转。


2.根据权利要求1所述的光测距系统，其中所述多个转子元件和所述多个定子元件围绕所述轴杆对称地布置。


3.根据权利要求1所述的光测距系统，其中所述第二电路板组合件进一步包含多个光学上行链路接收器，所述多个光学上行链路接收器安置于所述第二电路板组合件的电路板上且围绕所述轴杆对称地布置。


4.根据权利要求3所述的光测距系统，其中所述多个转子元件比多个光学上行链路接收器距所述轴杆更远。


5.根据权利要求1所述的光测距系统，其中所述第一电路板组合件进一步包含多个光学上行链路传输器，所述多个光学上行链路传输器安置于所述第一电路板组合件的电路板上且围绕所述轴杆对称地布置。


6.根据权利要求5所述的光测距系统，其中所述轴杆和所述多个定子元件中的每一个之间的距离大于所述轴杆和多个光学上行链路传输器中的每一个之间的距离。


7.根据权利要求1所述的光测距系统，其中所述多个定子元件包含多个螺线管线圈，所述多个螺线管线圈中的每一个以环的形式布置于所述轴杆周围。


8.根据权利要求7所述的光测距系统，其中所述多个定子元件中的每一个具有垂直于所述第一电路板组合件的纵向轴线，且包括缠绕在磁性材料的芯部周围的螺线管线圈，其中所述多个转子元件中的每一转子元件包括磁体，所述磁体的磁极布置成与邻近于所述转子元件的磁体的磁极相对。


9.根据权利要求8所述的光测距系统，其中所述多个定子元件中的定子元件的数目是三的倍数，且所述光测距系统进一步包括马达驱动器电路，所述马达驱动器电路联接到所述多个定子元件且被配置成将三相交替信号提供到所述多个定子元件。


10.根据权利要求8所述的光测距系统，其中所述多个转子元件包含多个永磁体。


11.根据权利要求1所述的光测距系统，其中所述多个定子元件包含以环的形式布置于所述轴杆周围的多个永磁体，且所述多个转子元件包括以环的形式布置于所述轴杆周围且与所述多个永磁体直接相对的多个螺线管线圈。


12.根据权利要求11所述的光测距系统，其中所述多个定子元件包含至少12个定子元件。


13.根据权利要求1所述的光测距系统，其中所述第二电路板组合件进一步包含光学下行链路传输器，所述光学下行链路传输器被配置成经由所述轴杆内的中心孔传输来自所述光测距装置的测距数据，且其中所述第一电路板组合件进一步包含光学下行链路接收器，所述光学下行链路接收器被配置成经由所述轴杆内的所述中心孔接收来自所述光学下行链路传输器的测距数据。


14.根据权利要求1所述的光测距系统，其中所述第一电路板组合件包括无线功率传输子系统，所述无线功率传输子系统被配置成将功率传输到电连接到所述第二电路板组合件的所述光测距装置，所述无线功率传输子系统包括安置于所述第一电路板组合件上且安置在所述轴杆周围的传输器线圈，
其中所述第二电路板组合件包括被配置成从所述无线功率传输子系统接收功率的无线功率接收器子系统，所述无线功率接收器子系统包括安置于所述第二电路板组合件上且安置在所述轴杆周围的接收器线圈。


15.一种光测距系统，其包括：
固定的罩壳，其具有光学透明窗和基底；
中空轴杆，其安置于所述罩壳内；
轴承系统，其联接到所述中空轴杆；
第一电路板组合件，其安置于所述罩壳内且与垂直于所述中空轴杆的第一平面平行，所述第一电路板组合件包含定子组合件，所述定子组合件包括围绕所述轴杆环形地布置在所述第一电路板组合件的表面上的均匀间隔开的多个定子元件；
第二电路板组合件，其安置于所述罩壳内且平行于所述第一平面并通过所述轴承系统旋转联接到所述轴杆，其中所述第二电路板组合件包含转子组合件，所述转子组合件包括围绕所述轴杆环形地布置在所述第二电路板组合件的表面上的均匀间隔开的多个转子元件，使得所述多个转子元件与所述多个定子元件对准且隔开；
光测距装置，其联接以随所述第二电路板组合件在固定的所述罩壳内旋转，所述光测距装置包含被配置成经由所述窗将光脉冲传输到周围环境中的对象的光源，以及检测器电路，所述检测器电路被配置成检测从所述周围环境中的所述对象反射的经由所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·帕卡拉，M·弗里赫特，M·舒，E·扬，
申请(专利权)人：奥斯特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US