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制造方法及图纸

实施例描述了一种固态电子扫描光电传感器LIDAR系统，其包括扫描焦平面发射元件和扫描焦平面接收元件，其操作被同步，使得发射元件中的发射器阵列的触发顺序对应于接收元件中的光电传感器阵列的捕获顺序。在操作期间，发射器阵列可以顺序触发一个或多个光发射器到场景并且反射的光可以由一个或多个光电传感器的相应组通过位于光电传感器的前面的光圈层接收。每个光发射器可对应于光圈层中的光圈，并且每个光圈可对应于接收元件中的光电传感器，使得每个光发射器对应于接收元件中的特定光电传感器。

【技术实现步骤摘要】
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本申请是专利技术名称为“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”、申请号为201880053727.2的中国专利技术专利申请的分案申请。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传感器连续旋转穿过场景而照亮车辆周围的场景。当相干光发射器旋转时，它们会在场景中的不同方向上远离LIDAR系统发送辐射脉冲。入射在场景中周围物体上的部分辐射是从车辆周围的这些物体反射的，然后这些反射由LIDAR传感器的成像系统部分在不同的时间间隔进行检测。成像系统将检测到的光转换成电信号。以这种方式，收集和处理关于围绕LIDAR系统的物体的信息，包括它们的距离和形状。LIDAR系统的数字信号处理单元可以处理电信号并在深度图像或3D点云中再现有关物体的信息，这些信息可以用作障碍检测和避开以及车辆导航和其他目的的辅助。另外，图像处理和图像拼接模块可以获取信息并组装车辆周围物体的显示。机械LIDAR系统的另一种类型使用例如检流计镜沿着预定的扫描图案扫描激光束。一些这样的系统可以包括光电传感器的二维阵列，其被电子扫描以与激光束的扫描图案一致。但是，当采用机械系统控制光束时，校准传感器阵列与激光束并使其同步具有挑战性。固态LIDAR系统也存在不包括任何移动的机械零件。某些固态LIDAR系统没有在场景中旋转，而是使它们打算用光捕获并感测反射光的场景的整个部分闪光。在这样的系统中，发射机包括发射器阵列，所有发射器都一次发射光以照亮场景，因此有时被称为“闪光”LIDAR系统。由于缺少活动零件，因此闪光LIDAR系统的制造较不复杂；然而，由于所有发射器被立即激活，因此它们可能需要大量的功率来操作，并且它们可能需要大量的处理能力以一次处理来自所有像素检测器的信号。减少光发射器的数量可以节省功率，但会牺牲最终图像的质量和分辨率。大量发射的光还会引起不希望有的杂散光，这些杂散光会在接收端产生噪声，从而降低感测信号的信噪比并导致图像模糊。
技术实现思路
本公开的一些实施例涉及静止的固态LIDAR系统，其中不存在旋转柱或检流计镜。与当前可用的旋转LIDAR系统相比，实施例可以高分辨率和低功耗并且以改善的精度、可靠性、尺寸、集成和外观来捕获场景的图像。根据一些实施例，一种固态电子扫描LIDAR系统可以包括扫描焦平面发射元件和扫描焦平面接收元件，其操作被同步，使得发射元件中的发射器阵列的触发顺序对应于接收元件中的光电传感器阵列的捕获顺序。发射元件和接收元件可以分别与图像空间远心体光学器件耦合，该图像空间远心体光学器件分别在物体空间中准直到发射机和接收器的视场。在操作期间，发射器阵列可以顺序触发一个或多个光发射器到场景并且反射的光可以由一个或多个光电传感器的相应组通过位于光电传感器的前面的光圈层接收。每个光发射器可对应于光圈层中的光圈，并且每个光圈可对应于接收元件中的光电传感器，使得每个光发射器对应于接收元件中的特定光电传感器。光圈可以减轻杂散光在相邻光电传感器上的曝光，并将光电传感器的视场范围缩小到该场中的单个点。通过同步触发和捕获顺序，固态扫描LIDAR系统仅通过在给定的时间点照明来自一组发射器的一定量的光可有效地捕获图像，这些光可以由相应的一组光电传感器有效地检测到，从而最大程度地减少了对场景的过度照明，并以尽可能最佳利用系统可用功率的方式来集中能量。此外，本文实施例中的电子扫描LIDAR系统还可以利用微光学器件来进一步提高捕获场景图像的效率。微光学器件可以改善从发射元件发射的光的亮度和强度，并且最小化电扫描LIDAR系统的接收元件的传感器像素之间的串扰。根据本公开的一些实施例的固态扫描LIDAR系统可以包括用于接收元件的扫描焦平面阵列和微机电系统(MEMS)的一维扫描镜，其耦合到发射元件。在一些实施例中，发射器元件可以是垂直于MEMS镜的扫描轴而取向的发射器的一维阵列，并且在一些其他实施例中，发射器元件可以是具有另一光学元件的衍射元件以产生激光线的单发射器，激光线与MEMS镜或多个衍射光学元件后面的多个发射器耦合，以实现电子扫描。在一些实施例中，一种固态光学系统包括：光传输模块，包括具有各个光发射器的阵列的发射机层，光感测模块，包括具有光电传感器的阵列的传感器层，发射器阵列触发电路，其耦合到光发射器的阵列并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，其耦合到光电传感器的阵列并配置为同步阵列内各个光电传感器的读出与相应的光发射器的触发同时进行，使得可以激活各个光发射器的阵列中的每个光发射器，并且可以通过一个发射周期读出光电传感器的阵列中的每个光电传感器。光发射器的阵列中的每个光发射器可以与光感测模块中的对应光电传感器配对。在一些另外的实施例中，一种用于执行距离测量的固态光学系统包括：光发射系统，包括本体发射机(bulktransmitter)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，该阵列根据照明图案布置并对准，以将离散的光束通过所述本体发射机光学器件投射到光学系统之前的场中。固态光学系统还包括光检测系统，该光检测系统包括：本体接收器光学器件；光圈层，该光圈层包括多个光圈；以及光电传感器层，该光电传感器层包括光电传感器的二维阵列，其被配置为检测从照明源发出和在通过本体接收器光学器件后从视场内的表面反射的光子。可以将光圈层和光电传感器层布置成形成以与照明图案相对应的感测图案布置的多个感测通道，并且其中多个感测通道中的每个感测通道对应于发射器阵列中的发射器，并且包括来自光圈层的光圈和来自光电传感器层的光电传感器。固态光学系统还包括：发射器阵列触发电路，其耦合到光发射器的二维阵列并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，其耦合到光电传感器的二维阵列并配置为同步阵列内各个光电传感器的读出与相应的光发射器的触发同时进行，使得可以激活各个光发射器的阵列中的每个光发射器，并且可以通过一个发射周期读出光电传感器的阵列中的每个光电传感器。在某些实施方案中，一种用于执行距离测量的固态光学系统包括光发射系本文档来自技高网...

【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，并且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；/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】
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，并且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；
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)。


6.根据权利要求5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。


7.根据权利要求1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。


8.一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所述光学系统前面的场中；
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...

【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