用于电子扫描LIDAR系统的同步图像捕获技术方案

实施例描述了一种电子扫描光学系统，其包括被配置为将光发射到场中的发射器阵列、被配置为检测从场反射回来的发射光的飞行时间(TOF)传感器阵列、被配置为检测场中的环境光的图像传感器阵列，其中发射器阵列的视场对应于TOF传感器阵列的视场和图像传感器阵列的视场的至少一个子集。该光学系统还包括发射器控制器，其被配置为一次激活多个光发射器的子集；TOF传感器控制器，其被配置为在相应光发射器的激发同时同步各个TOF光传感器的读出；以及图像传感器控制器，其被配置为在发射周期期间捕获表示场的图像。间捕获表示场的图像。间捕获表示场的图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电子扫描LIDAR系统的同步图像捕获

技术介绍

[0001]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。然后可以使用飞行时间测量结果对目标进行数字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。自动驾驶车辆还可以将LIDAR用于障碍物检测和避让以及车辆导航。
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。此外，现有的LIDAR系统设计为仅捕获发射光用于测距目的，以构建场景的三维图像。这种图像是单色的，并且不反映可见光谱中肉眼所感知的内容。

技术实现思路

[0005]本公开的实施例涉及静止的固态LIDAR系统，其中除了用于生成场景的三维图像的距离测量之外没有可以捕获二维图像的旋转柱。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。
[0006]根据一些实施例，固态电子扫描LIDAR系统可以包括光传输模块和光感测模块，其操作是同步的，使得光传输模块中的发射器阵列的激发序列(firing sequence)对应于用于飞行时间测量的光感测模块中飞行时间(TOF)传感器阵列的捕获序列。LIDAR系统还可以
包括图像捕获模块，其包括图像传感器阵列，该图像传感器阵列可以从与发射器阵列和TOF传感器阵列相同的视场捕获环境光图像。在各种实施例中，图像传感器阵列可以作为卷帘快门相机或作为全局快门相机操作，并且在一些实施例中，图像传感器阵列可以以与TOF传感器阵列同步的方式或以与TOF传感器阵列异步的方式操作。
[0007]在一些实施例中，发射器阵列、TOF传感器阵列和图像传感器阵列可以各自与图像空间远心体光学器件耦合，该远心体光学器件分别在物体空间中准直到发射器、TOF传感器和图像传感器视场。发射器阵列可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，TOF传感器阵列可以包括TOF光传感器阵列，其中TOF传感器阵列中的每个TOF光传感器包括光检测器的集合，例如单光子雪崩二极管(SPAD)，其用于检测窄光谱内的光，例如红外光谱内的光。然而，与TOF传感器阵列不同，图像传感器阵列可以包括用于捕获在可见光谱内感知的场景图像的图像光传感器阵列。
[0008]在操作期间，发射器阵列可以顺序地将发射器阵列的一列或多列光发射器激发(fire)以将光(例如近红外波长范围的脉冲光束)投射到场景中，并且反射光可以被TOF传感器阵列中一列或多列对应的TOF光传感器接收。通过同步激发和捕获序列，固态扫描LIDAR系统仅通过在给定的时间点照射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TOF光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。
[0009]与激发和捕获序列进一步同步，可以激活相应的图像光传感器组以测量场景中的环境光。图像传感器阵列的视场可以与发射器阵列的视场重叠(其可以与TOF传感器阵列的视场相同)，这样电子扫描LIDAR系统可以捕获场景中物体的二维彩色图像，同时还捕获到场景中这些物体的距离。这使得电子扫描LIDAR系统除了可以提供到场景中物体的距离之外，还可以提供场景的高分辨率彩色图像，以便用户可以更好地了解电子扫描LIDAR系统正在扫描场景的哪个部分。
[0010]在一些实施例中，本文的电子扫描LIDAR系统还可以利用微光学器件来进一步提高捕获场景的飞行时间测量的效率。微光学器件可以改善从发射器阵列发射的光的亮度和强度，并且最小化电扫描LIDAR系统中TOF传感器阵列的传感器像素之间的串扰。例如，在一些实施例中，光圈层可以位于TOF传感器阵列中TOF光传感器的前面。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TOF传感器阵列元件中的TOF光传感器，使得每个光发射器对应于特定TOF光传感器。光圈可以减轻杂散光在相邻TOF光传感器上的曝光，并将TOF光传感器的视场范围缩小到该场中的单个点。
[0011]在一些实施例中，电子扫描光学系统包括具有多个光发射器的发射器阵列，所述光发射器被配置为将光发射到光学系统外部的场中，飞行时间(TOF)传感器阵列，其包括被配置为检测从所述场反射回来的发射光的多个TOF光传感器，以及图像传感器阵列，其包括多个图像光传感器，所述图像光传感器被配置为检测所述场中的环境光，其中所述发射器阵列的视场对应于所述TOF传感器阵列的视场和所述图像传感器阵列的视场的至少子集。所述光学系统还包括发射器控制器，其耦合到发射器阵列并配置为通过一次激活多个光发射器的子集在每个发射周期中激活多个光发射器，TOF传感器控制器，其耦合到TOF传感器阵列并且被配置为与在发射器阵列中相应光发射器的激发同时同步TOF传感器阵列内的各个TOF光传感器的读出，使得通过所述发射周期所述发射器阵列中的每个光发射器可以被
激活并且所述TOF传感器阵列中的每个TOF光传感器可以被读出，以及图像传感器控制器，其耦合到图像光传感器阵列并且被配置为读出图像光传感器阵列中其视场与整个发射器阵列的视场重叠的至少一部分，以捕获表示发射周期中所述场的图像。
[0012]在一些实施例中，公开了一种固态光学系统，其包括：飞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电子扫描光学系统，包括：发射器阵列，所述发射器阵列包括多个光发射器，所述多个光发射器被配置为将光发射到所述光学系统外部的场中；飞行时间(TOF)传感器阵列，所述TOF传感器阵列包括多个TOF光传感器，所述多个TOF光传感器被配置为检测从所述场反射回来的发射光；图像传感器阵列，所述图像传感器阵列包括多个图像光传感器，所述多个图像光传感器被配置为检测所述场中的环境光，其中所述发射器阵列的视场对应于所述TOF传感器阵列的视场和所述图像传感器阵列的视场的至少一个子集；发射器控制器，所述发射器控制器耦合到所述发射器阵列并且被配置为通过一次激活所述多个光发射器的一个子集在每个发射周期中激活所述多个光发射器；TOF传感器控制器，所述TOF传感器控制器耦合到所述TOF传感器阵列并且被配置为与所述发射器阵列中的相应光发射器的激发同时同步所述TOF传感器阵列内的各个TOF光传感器的读出，使得通过所述发射周期所述发射器阵列中的每个光发射器能够被激活并且所述TOF传感器阵列中的每个TOF光传感器能够被读出；和图像传感器控制器，所述图像传感器控制器耦合到所述图像光传感器阵列并且被配置为对所述图像光传感器阵列中其视场与所述发射器阵列的视场相重叠的至少一部分进行读出，以捕获表示所述发射周期中所述场的图像。2.根据权利要求1所述的电子扫描光学系统，其中在所述发射器控制器激活所述多个光发射器的子集的每一情况中，所述图像传感器控制器激活共享光发射器的激活子集的视场的图像光传感器的子集并对其进行读出。3.根据权利要求1所述的电子扫描光学系统，其中在所述发射器控制器激活所述多个光发射器的子集的每一情况中，所述图像传感器控制器激活整个图像传感器阵列并对共享光发射器的激活子集的视场的图像光传感器的子集进行读出。4.根据权利要求1所述的电子扫描光学系统，其中所述图像光传感器的激活相对于相应光发射器的各自激发在时间上居中。5.根据权利要求1所述的电子扫描光学系统，其中所述图像光传感器阵列中每个单独的图像光传感器被配置为单独激活，并且所述图像传感器控制器被配置为按顺序使图像光传感器组的激活同时与相应的光发射器组的激发同步。6.根据权利要求5所述的电子扫描光学系统，其中第一组图像光传感器的第一激活的持续时间不同于第二组图像光传感器的第二激活的持续时间。7.根据权利要求1所述的电子扫描光学系统，其中整个图像光传感器阵列被配置为一起激活，并且所述图像传感器控制器被配置为按顺序使整个图像光传感器阵列的激活以及图像光传感器的相应组的读出同时与相应的光发射器组的激发同步。8.根据权利要求7所述的电子扫描光学系统，其中所述图像光传感器阵列的激活速率高于所述光发射器阵列的激活速率。9.根据权利要求8所述的电子扫描光学系统，其中所述图像传感器控制器被配置为从整个图像光传感器阵列的多于一次激活中读出图像数据并且将读出的图像数据与相应的光发射器组的激活相关联。10.根据权利要求1所述的电子扫描光学系统，其中图像光传感器阵列的视场大于发射
器阵列的视场。11.根据权利要求1所述的电子扫描光学系统，其中图像光传感器阵列的整体尺寸大于各个光发射器的阵列的整体尺寸。12.根据权利要求1所述的电子扫描光学系统，还包括具有多个光圈的光圈层，并且其中所述光圈层和TOF光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的每个接收器通道包括来自所述多个光圈的光圈和来自所述TOF光传感器的阵列的TOF光传感器，所述光圈限定了所述接收器通道中所述TOF光传感器的视场。13.一种固态光学系统，包括：飞行时间(TOF)传感器阵列，所述TOF传感器阵列包括多个TOF光传感器，所述多个TOF光传感器可操作以检测从所述发射器阵列发射并从所述固态光学系统外部的场反射回来的光，其中所述多个TOF光传感器中的每个TOF光传感器在所述场中具有与所述多个TOF光传感器中的其他TOF光传感器的视场在距所述光学系统的阈值距离之外不重叠的离散视场；图像传感器阵列，所述图像传感器阵列包括被配置为检测所述场中环境光的多个图像光传感器，其中所述多个TOF光传感器中的每个TOF光传感器的所述离散视场限定所述TOF传感器阵列的视场并且其中和其中所述图像传感器阵列的视场包含所述TOF传感器阵列的视场；发射器阵列，所述发射器阵列包括多个光发射器，所述多个光发射器被配置为，根据在距所述系统的一距离范围内在尺寸和几何形状上与所述TOF传感器阵列的视场基本匹配的照明图案，将工作波长的离散光束发射到所述光学系统外部的场中；发射器控制器，所述发射器控制器耦合到所述发射器阵列并且被配置为通过每次激活所述多个光发射器的一个子集在每个发射周期中激活所述多个光发射器；TOF传感器控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：奥斯特公司，
类型：发明
国别省市：