CN108431626B - 光检测和测距传感器 - Google Patents

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Abstract

电光学装置(18)包括激光光源(20)、光束控制装置(24)以及感测元件(44)的阵列(28)，所述激光光源(20)发射至少一束光脉冲，光束控制装置(24)跨目标场景(22)传输并扫描该至少一个光束。每个感测元件输出指示感测元件上的单个光子的入射时间的信号。光收集光学器件(27)将被传输的光束扫描到的目标场景成像到阵列上。电路(50)被耦接以仅在阵列的选定区域(70)中致动感测元件并且与扫描至少一个光束同步地扫过阵列上的选定区域。

Description

光检测和测距传感器
技术领域
本发明整体涉及光电装置，并且具体地涉及光检测和测距(激光雷达)传感器。
背景技术
现有和新兴的消费者应用对实时三维成像器的需求日益增长。这些成像装置，通常也称为光检测和测距(激光雷达)传感器，通过用光束照亮目标场景并分析反射的光学信号使得能够实现目标场景上的每个点的距离(以及通常强度)—称为目标场景深度-的远程测量。确定到目标场景上每个点的距离的常用技术包括向目标场景发送光束，之后进行往返时间的测量，即飞行时间(ToF)，光束从光源传播到目标场景并返回到在光源附近的探测器所花费的时间。
用于基于ToF的LiDAR的合适探测器由单光子雪崩二极管(SPAD)阵列提供。SPAD，也称为盖革模式雪崩光电二极管(GAPD)，是能够以非常高的到达时间分辨率捕获单个光子的检测器，其数量级为几十皮秒它们可用专用半导体工艺或标准CMOS工艺制造。在单个芯片上制成的SPAD传感器阵列已经在3D成像相机中用于实验。Charbon等人在“SPAD-BasedSensors”(发表在TOF Range-Imaging Cameras(Springer-Verlag,2013)中)中提供了SPAD技术的有用回顾，其以引用方式并入本文。
在SPAD中，p-n结在远高于结的击穿电压的水平下反向偏置。在该偏置下，电场非常高，以至于由于入射光子而注入耗尽层的单个电荷载体可触发自持雪崩。雪崩电流脉冲的前缘标记检测到的光子到达时间。电流一直持续到通过将偏置电压降低到或低于击穿电压来淬灭雪崩。后一功能由淬灭电路执行，该淬灭电路可仅仅包括与SPAD串联的高电阻整流器负载，或者可另选地包括有源电路元件。
发明内容
本文下面描述的本发明的实施方案提供了改进的LiDAR传感器及其使用方法。
因此，根据本发明的实施方案，提供了一种电光装置，其包括激光光源、光束控制装置和感测元件阵列，所述激光光源被配置为发射至少一束光脉冲，所述光束控制装置被配置为跨目标场景传输和扫描所述至少一个光束。每个感测元件被配置成输出指示感测元件上的单个光子入射的时间的信号。光收集光学器件被配置将被传输的光束扫描的目标场景成像到阵列上。电路被耦接成致动仅阵列的选定区域中的感测元件并在与所述至少一个光束的扫描同步的情况下扫过阵列上的选定区域。
在一些实施方案中，电路被配置为选择区域使得在扫描期间的任何时刻所述选定区域包含光收集光学器件将由所述至少一个光束照亮的目标场景的区域成像到其上的阵列的一部分。选定区域可包括一个感测元件或多个感测元件。
在所公开的实施方案中，电路被配置为处理由感测元件输出的信号，以便确定目标场景中的点的相应距离。通常，感测元件包括单光子检测器，诸如单光子雪崩二极管(SPAD)。
在一些实施方案中，激光光源被配置为沿不同的相应光束轴线发射至少两个光束，使得在扫描期间的任何时刻光收集光学器件将由所述至少两个光束照亮的目标场景的相应区域成像到不同的相应的感测元件上。在这些实施方案中，光束控制装置被配置为在二维扫描中跨目标场景扫描所述至少两个光束，并且电路被配置为以对应于二维扫描的二维图案扫过阵列上的选定区域。例如，二维扫描可形成光栅图案，其中所述至少两个光束的相应光束轴线相对于光栅图案的扫描线方向相互横向地偏移。
另选地，光束控制装置被配置为在线性扫描中在第一方向上跨目标场景扫描所述至少两个光束，并且所述至少两个光束包括沿垂直于第一方向的第二方向上的列轴布置的多个光束。在一个实施方案中，所述多个光束被布置在至少两列中，所述列具有正交于所述扫描的第一方向并且相互偏移的相应列轴线。
根据本发明的实施方案，还提供了一种用于感测的方法，该方法包括发射光脉冲的至少一个光束并且跨目标场景传输和扫描该至少一个光束。提供感测元件阵列，每个感测元件被配置为输出指示感测元件上的单个光子入射的时间的信号。被所传输的光束扫描的目标场景被成像到所述阵列上。感测元件仅在阵列的选定区域中被致动，并且在与所述至少一个光束的扫描同步的情况下扫过所述阵列上的选定区域。
结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更完全地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的LiDAR系统的示意图。
图2是示意性地示出了根据本发明的实施方案的基于SPAD的感测装置的框图；
图3是示出根据本发明的实施方案的SPAD阵列中的感测元件的部件的框图；
图4是意性地示出根据本发明的实施方案的具有扫描的敏感区域的SPAD阵列的框图；
图5为根据本发明的实施方案的具有圆形扫描照明斑点的检测器阵列的示意图；
图6为根据本发明的另一实施方案的具有圆形扫描照明斑点的检测器阵列的示意图；
图7A-C是根据本发明的另一实施方案的具有椭圆形扫描照明斑点的检测器阵列的示意图；
图8是根据本发明的实施方案的具有以二维光栅扫描扫描的两个圆形照明斑点的检测器阵列的示意图；
图9是根据本发明的实施方案的在一维扫描中具有扫描的照明斑点的交错阵列的检测器阵列的示意图；
图10为根据本发明的实施方案的实现一维扫描的LiDAR装置的示意图；
图11为根据本发明的另一实施方案的实现一维扫描的LiDAR装置的示意图；
图12是根据本发明的实施方案的使用具有可调发射功率的激光源的LiDAR装置的示意图；以及
图13是根据本发明的实施方案的使用具有不同发射功率的两个激光源的LiDAR装置的示意图。
具体实施方式
概述
使用LiDAR测量距目标场景中每个点的距离(目标场景深度)的质量在实际实施中通常受到一系列环境挑战、基本挑战和制造挑战的损害。环境挑战的实施例是室内和室外应用中存在不相关的背景光，诸如太阳能环境光，通常地达到1000W/m2的辐射率。基本挑战与目标场景表面反射光信号引起的损失有关，特别是由于低反射率的目标场景和受限的光学采集孔径以及电子和光子散粒噪声。这些限制通常产生不灵活的折衷关系，这通常会促使设计师采用涉及大光学孔径、高光焦度、窄视场(FoV)、大体积机械构造、低帧速率和传感器在受控环境中操作的限制的解决方案。
本文所述的本发明的实施方案解决了上述限制，以便能够实现可在不受控制的环境中操作的精确的高分辨率深度成像的紧凑的、低成本的LiDAR。本发明所公开的实施方案使用一个或多个脉冲激光源发射光束以在所发射的光束的轴线与目标场景的交点处生成高辐射率的照明斑点。跨目标场景扫描光束以及因此照明斑点。从目标场景反射的光照由收集光学器件成像到飞行时间单光子检测器阵列上用于高信噪比，其中到目标场景的每个点的距离从飞行时间数据得到。
如本领域已知的，将目标场景成像到检测器阵列上产生目标场景中的位置与由几何光学器件限定的检测器阵列上的位置之间的一一对应关系。因此，目标场景的区域被成像到检测器上的相应图像区域上，图像中的线性长度通过将目标场景区域中的对应长度乘以光学放大倍数M给出，其中对于LiDAR系统，通常M<<1。类似地，鉴于由感测元件“看到”的目标场景的位置和区域，检测器阵列的感测元件可被认为是以1/M的放大倍数成像回目标场景。
在本发明所公开的实施方案中，检测器阵列包括单光子时间敏感感测元件(诸如单光子雪崩二极管(SPAD))的二维阵列。通过专用控制电路单独寻址每个SPAD，每个SPAD的灵敏度(包括开/关状态)由其特定的反向p-n结高电压控制。在一些实施方案中，SPAD作为单独的感测元件工作，而在其他实施方案中，多个SPAD被组合在一起成为超像素。在扫描过程中的任何时刻，只有在接收来自扫描光束的反射光照的阵列的一个或多个区域中的感测元件被致动。因此，仅当其信号提供有用信息时，感测元件才被致动。这种方法既减少背景信号(背景信号将降低信号与背景的比例)，也降低检测器阵列的电力需求。
LiDAR利用与每个点相关的有限平均区域来测量一组离散点到目标场景的距离。在本发明所公开的实施方案中，测量的参数以及感测元件的致动受到LiDAR的以下系统参数影响：
1)照明斑点的尺寸，
2)光束控制装置的分辨率(在距离的连续测量之间的光束控制装置的步长或偏移的尺寸)，以及
3)检测器阵列的超像素的尺寸，或者换句话讲，在ToF测量中被捆在一起的感测元件的数量(包括其中使用一个感测元件用作超像素的情况)。
LiDAR系统参数的效果可分成两个情况：
a)小斑点情况，其中所述照明斑点小于所述超像素的尺寸，以及
b)大斑点情况，其中所述照明斑点大于超像素的尺寸通过在相同的光学平面(目标场景或检测器阵列中)观察照明斑点和超像素两者来进行尺寸比较。这两个情况可总结在下面的表中，在附图的上下文中进一步详述了这些情况。
表1：LiDAR系统参数的影响
Figure GDA0003561805830000051
在本发明的一些实施方案中，目标场景由一束激光束或多束光照亮和扫描。在利用多个光束的一些实施方案中，通过使用衍射光学元件、棱镜、分束器或本领域已知的其他光学元件分割激光束来产生这些光束。在其他实施方案中，使用几个分立的激光源产生多个光束。在这些实施方案的一些实施方案中，使用单片激光器阵列(诸如VCSEL阵列或VECSEL阵列)产生多个光束。
在一些实施方案中，操作诸如扫描镜之类的光束控制装置以在二维光栅扫描中用单个光束扫描目标场景。(光栅扫描通常包括长而近乎直线的前后扫描，即所谓的扫描线，以及将扫描点从一条扫描线转移至下一条扫描线的短移动)。这里通过示例描述光栅图案，并且实现类似原理的替代扫描图案被认为是在本发明的范围内。当使用单个光束时，垂直于光栅扫描的扫描线的方向上的扫描分辨率由连续扫描线之间的间隔给出。扫描分辨率可通过减少连续扫描线之间的间隔来增加，但是这种分辨率增加将以降低帧速率为代价，因为需要更多数量的扫描线来覆盖场景。另选地，如果每帧的扫描线的数量不变，则分辨率可增加，但以减小的视场为代价。机械约束限制了镜的扫描速度可增加以抵消这些效应的程度。
在实施方案中，通过使用相对于扫描线方向横向扩展以及扫描线方向上的多个光束来增加垂直于扫描线的方向上的扫描分辨率。沿着扫描线的光束的间隔被配置为使得每个光束照亮检测器阵列上的单独的超像素，以便单独识别每个光束。光束的横向间隔而不是扫描线密度现在决定扫描分辨率。本发明所公开的实施方案在不减小感测元件的尺寸的情况下实现横向分辨率的增加，从而减轻了检测器阵列的小型化需求。
在另一实施方案中，在线性扫描中跨目标场景扫描多个照明斑点。(在这种情况下，线性扫描包括沿着单一方向的扫描，由于光学或机械缺陷，扫描线从直线变形。)采用一维线性扫描允许使用比二维扫描更简单且更便宜的光束控制装置，但以足够高的分辨率覆盖目标场景的光束数量通常高于二维扫描所需要的。单列扫描可通过在垂直于扫描线的列中配置多个光束来实现，从而生成一列照明斑点。当每个照明斑点成像到检测器阵列中的单独感测元件上时，获得列轴方向上的最高扫描分辨率。
在利用线性扫描的另一实施方案中，垂直于扫描线的扫描分辨率通过产生垂直于扫描线且在列的轴的方向上相互偏移的多列照明斑点而增加。多个列在扫描线的方向上也通过至少一个感测元件相互偏移，以使每个照明斑点照亮单独的感测元件，并因此允许单独识别每个照明斑点。该实施方案在不减小感测元件的尺寸的情况下实现横向分辨率的增加，从而减轻了检测器阵列的小型化需求。
本发明的一些实施方案提供具有宽视场(FoV)的LiDAR系统，其覆盖较大的深度范围。由于实现高效率、宽FoV的光学器件导致体积庞大且昂贵的组件，因此这些实施方案应用激光光源、检测器阵列、电子器件和算法的专用设计和使用模式来测量宽范围FoV上的场景深度和距离，同时保持光学设计和结构简单化。
激光光源的考虑因素与其发射功率有关：如果仅使用低发射功率激光光源来进行目标场景扫描，那么由检测器阵列从目标场景的远端点接收到的信号对于稳健且精确的测量来说太弱。另一方面，如果仅使用能够测量远处目标场景点的高发射功率激光源，则LiDAR将使用不必要的高发射功率用于附近的目标场景点，从而增加LiDAR的电力消耗。因此，在本发明的一些实施方案中，根据测量的距离调整激光光源发射功率。
系统描述
图1示意性地示出了根据本发明实施方案的LiDAR系统18。来自包括一个或多个脉冲激光器的激光光源20的光束或多个光束通过双轴光束控制装置24被引导到目标场景22，在目标场景上形成并扫描照明斑点26。(术语“光”在本文中用于指代任何种类的光学辐射，包括可见光、红外线和紫外线范围内的辐射)。光束控制装置可包括例如扫描镜，或者本领域已知的任何其他合适类型的光学偏转器或扫描器。照明斑点26通过收集光学器件27成像到二维检测器阵列28上，该二维检测器阵列28包括单光子时间敏感的感测元件，诸如SPAD。
除了照明斑点26之外，目标场景22还由诸如太阳的环境光源36被照亮。为了实现高信号背景比，照明斑点的辐射率选择为远高于环境照明的辐射率，例如，由于来自太阳的辐射率，环境照明的辐射率可达到高达1000W/m2。带通滤波器37用于进一步降低检测器阵列28上的环境照明。
控制电路38连接到激光源20，对脉冲发射进行计时并控制它们的发射功率，并且连接到双轴光束控制装置24，控制对照明斑点26的扫描。另外，控制电路38动态地调整检测器阵列28的每个SPAD的反向p-n结高电压，从而控制每个SPAD的激励和灵敏度。利用来自激光光源20的脉冲的已知定时以及确定目标场景22上的照明斑点26的位置的双轴光束控制装置24的已知状态，控制电路38仅致动在任何给定时刻照明斑点由收集光学器件27被成像到其上的那些SPAD。进一步利用激光光源20和光束控制装置24的上述知识以及从检测器阵列28读取的信号，控制电路38使用测得的从激光源到检测器阵列的飞行时间来确定到目标场景22中的每个扫描点的距离。
图2-4示意性地示出了根据本发明实施方案的检测器阵列28的结构和功能。这些附图示出了一种可能的方案，该方法可用于使用全局和局部偏置控制的组合来选择性地致动阵列中基于SPAD的感测元件。另选地，其他种类的偏置和致动方案以及其他种类的单光子感测元件可用于这些目的。
图2是示意性地示出了根据本发明的实施方案的检测器阵列28的框图。如下文进一步描述的，检测器阵列28包括感测元件44，每个感测元件44包括SPAD和相关联的偏置和处理电路。全局高压偏置发生器46将全局偏置电压施加到阵列28中的所有感测元件44。另外，每个感测元件44中的局部偏置电路48施加过量偏置，其与感测元件中的全局偏置相加。感测元件偏置控制电路50将由局部偏置电路48施加的过量偏置电压设置成在不同的感测元件中的相应值。全局高压偏置发生器46和感测元件偏置控制电路50都连接到控制电路38(图1)。
图3是示出根据本发明实施方案的阵列28中的感测元件44中的一者的部件的框图。在本发明所公开的实施方案中，阵列28包括形成在第一半导体芯片52上的感测元件的二维矩阵，其中偏置控制和处理电路的第二二维矩阵形成在第二半导体芯片54上。(只示出两个矩阵中每个矩阵的单个元件。)芯片52和54耦接在一起，使得两个矩阵一一对应，由此芯片52上的每个感测元件与芯片54上的对应偏置控制和处理元件接触。
基于本领域已知的SPAD传感器设计以及如本文所述的伴随偏置控制和处理电路，芯片52和54都可使用公知的CMOS制造工艺从硅晶片制造。另选地，本文所述的检测设计和原理可在必要的变通的情况下使用其他材料和工艺来实现。例如，图3中所示的所有组件可形成在单个芯片上，或者芯片之间的组件的分布可不同。所有这些替代具体实施被视为在本发明的范围内。
感测元件44包括SPAD 56，其包含光敏p-n结，如本领域已知的那样。包括淬灭电路58和局部偏置电路48的外围电路通常位于芯片54上。如上所述，施加到SPAD 56的实际偏压是由偏置发生器46(图2)提供的全局偏压Vbias和由偏置电路48施加的过量偏置之和。感测元件偏置控制电路50(图2)通过在芯片54上的偏置存储器60中设置相应的数字值来设置要施加到每个感测元件中的过量偏置。
响应于每个捕获的光子，SPAD 56输出由芯片54上的处理电路接收的雪崩脉冲，该处理电路包括数字逻辑62和被配置为输出缓冲器64的存储器。例如，这些处理元件可被配置为用作时间数字转换器(TDC)，其测量由SPAD 56输出的每个脉冲相对于参考时间的延迟并输出对应于该延迟的数字数据值。另选地，逻辑62和缓冲器64可测量并输出其他种类的值，包括(但不限于)脉冲延迟时间的直方图、二进制波形或多级数字波形。芯片54的输出连接到控制电路38(图1)。
图4是示意性示出根据本发明的实施方案的具有灵敏度的扫描区域70的SPAD阵列28的框图。在这种情况下，偏置控制电路50将区域70内的感测元件72的偏置电压设定为比其余的感测元件76更高的值，其中偏置电压被设定为使得感测元件76关断。然而，偏置控制电路50动态地修改感测元件48的偏置电压，以便跨所述阵列扫过区域70，如图中箭头所示。例如，电路50可与激光光束跨成像到阵列28上的目标场景的扫描同步地以光栅扫描扫过区域70(如下面的附图中所示)。
如前所述，该实施方案尤其在将阵列28的敏感区域调整为照亮光束的形状或者正被成像的目标场景中的感兴趣区域的形状时是有用的，因此使阵列28相对于功率消耗的灵敏度最大化，同时降低了来自将不会对信号作出贡献的感测元件的背景噪声。
在本发明的一个另选实施方案中(例如图9所示)，偏置控制电路50设置局部偏置电压，使得区域70具有线性形状，沿阵列28的一列或多列延伸并匹配照明光束或光束阵列的线性形状。然后，电路50可与照明光束同步地跨阵列28扫过该线性区域70。另选地，可实现其他扫描图案，包括常规扫描图案和自适应扫描图案。
示例扫描图案和超像素
图5是示出了根据本发明实施方案的具有叠加在阵列上的圆形扫描照明斑点26(图1)的图像的检测器阵列28的示意图。在三个连续的时间点：t＝ti-1,t＝ti，和t＝ti+1处观察由收集光学器件27在检测器阵列28上投射的照明斑点26的活动图像。这三个连续时间点的扫描照明斑点26的图像分别由圆圈84,86和88表示，其直径在该实施例中是感测元件44的节距的两倍。箭头90指示扫描照明斑点26的图像的扫描方向，其中扫描照明斑点的图像的预期位置根据对光束控制装置24的状态的了解来确定。
在时间的每一点处，阵列28的区域中最佳地匹配在该时间点的照明斑点26的图像的位置的感测元件44被致动。这些致动的感测元件可被认为是一种“超像素”。在图5所示的实施方案中，每个超像素包括2x2感测元件的阵列，但在一些实施方案中，超像素的尺寸以静态或动态的方式采取其他值。
在时间t＝ti-1处，超像素92被致动(包括圆圈84)；在时间t＝ti处，超像素94被致动(圆圈86)；以及在时间t＝ti处，超像素96被致动(圆圈88)。因此，在图示的实施方案中，每个感测元件44与两个相邻的超像素相关联。只有在有源超像素内的那些感测元件在给定时刻被致动，其余感测元件通过将其偏置电压降低到雪崩倍增不可持续的水平而关闭。该操作最大化来自扫描照明斑点26的图像的光学信号的收集，同时减少暴露于与照明斑点无关的目标场景背景照明，由此增加阵列28的信号背景比。在本发明的一些实施方案中，未被扫描斑点26的图像照亮的感测元件的输出使用标准逻辑门电路掩蔽。
目标场景22在扫描方向上的横向分辨率由扫描的离散步长确定(如由扫描速度和激光脉冲重复率确定)，在该实施方案中，其为感测元件44的一个节距。目标场景距离被平均的区域(近似)是超像素的区域。
图6是示出根据本发明的另一实施方案的具有叠加在阵列上的圆形扫描照明斑点26(图1)的图像的检测器阵列28的示意图。在三个连续的时间点：t＝ti-1,t＝ti，和t＝ti+1处观察照明斑点的活动图像。扫描照明斑点的图像的直径和两个连续时间点之间的扫描步长都是感测元件44的节距的一半。针对三个连续时间点的扫描照明斑点26的图像分别由圆圈100,102和104表示。箭头105指示扫描的方向，根据对光束控制装置24的状态的了解确定图像的预期位置。在该实施方案中，使用单个感测元件44的超像素，针对t＝ti-1致动超像素106，并且针对t＝ti和t＝ti+1两者致动超像素108。目标场景22图像在扫描方向上的横向分辨率是感测元件44的节距的一半，并且距离被平均的目标场景的区域是照明斑点26的区域。
图7A-C是示出了根据本发明的另一实施方案的具有叠加在阵列上的椭圆形扫描照明斑点26(图1)的图像的检测器阵列28的示意图。例如，从其中发射结横截面是具有高纵横比的矩形的边缘发射激光二极管获得椭圆形照明斑点。在该实施方案中，示出了纵横比为3比1的椭圆形照明斑点26，但是在其他实施方案中可使用其他纵横比。检测器阵列28上的照明斑点26的椭圆图像的所谓快轴(长尺寸)的范围大致是检测元件44的节距的六倍，并且慢轴(短尺寸)的范围是节距的两倍。图7A-C示意性地示出类似于图5-6的在三个连续时间点：t＝ti-1,t＝ti和t＝ti+1处的照明斑点26的活动图像。检测器阵列28上的每个扫描步长是感测元件44的一个节距。在该实施方案中，使用2x2感测元件的超像素。
图7A示意性地示出了照明斑点110，该照明斑点是时间t＝ti-1处的扫描照明斑点26的图像。基于照明斑点110的预期位置，此时致动的超像素是像素112,114和116(照明斑点的最远的顶部和底部尖端被忽略，因为它们对信号的贡献非常小)。箭头118指示扫描的方向，其中照明斑点110的预期位置根据对光束控制装置24的状态的了解确定。
图7B示意性地示出了照明斑点120，其是在时间t＝ti处扫描的照明斑点26的图像。基于照明斑点120的预期位置，此时被致动的超像素是112,114,116和122。现在致动四个超像素，因为照明斑点120的显著部分(椭圆的顶部)仍在像素112内，并且另一个显著部分(椭圆的底部)已进入像素122。超像素112，114和116继续收集信号以便改善信噪比。如在图7A中那样，箭头118指示扫描的方向，在时间t＝ti处照明斑点120的预期位置根据对光束控制装置24的状态的了解确定。
图7C示意性地示出了照明斑点124，该照明斑点是在时间t＝ti+1处扫描的照明斑点26的图像。基于照明斑点124的预期位置，此时致动的超像素现在为114,116和122。现在仅致动三个超像素，因为像素112(图7B)不再被照明斑点124的任何显著部分照明。如图7A-B中所示，箭头118指示扫描的方向，其中在t＝ti+1处照明斑点124的预期位置根据对光束控制装置24的状态的了解确定。在图示实施方案中，每个超像素将暴露于照明斑点26的图像七个扫描步长，因此改善了信噪比。
由于椭圆形照明斑点的长度比超像素大得多，因此扫描方向上的分辨率由超像素大小决定。由于超像素尺寸是椭圆形照明斑点沿其快(长)轴长度的三分之一，所以在扫描线方向上获得的分辨率是与单独使用椭圆形照明斑点所获得的数据的三倍(数值的三分之一)。用于距离测量的平均区域是超像素的区域。
在图5-7中，理想形状(圆形或椭圆形)已被用作检测器阵列28上的照明斑点26的图像的形状。在本发明的实施方案中，控制电路38计算(或查找)检测器阵列上的照明斑点图像的实际形状，并且该计算的结果用于选择要在扫描的每个点处致动的传感器元件。该计算考虑了光束控制装置24的设计、其扫描运动特性、光束控制装置的精确状态以及来自激光光源20的光束与光束控制装置之间的角度的影响，因为它们影响照明斑点26的图像的形状、运动的方向和取向。另外，考虑了图像对LiDAR装置和目标场景22之间的距离的依赖性。该效应是显著的，尤其对于与光束控制装置24和收集光学器件27之间的间隔距离相比较短的目标场景范围。执行上述计算是为了获得致动的感测元件44与检测器阵列28上的照明斑点26图像之间的最佳重叠，同时实现期望的竖直和水平角分辨率，从而优化信号对背景比和信噪比。
图8是示出根据本发明实施方案的用于增强光栅扫描LiDAR的分辨率的技术的示意图。光束控制装置24以光栅扫描图案130扫描检测器阵列28上的照明斑点26(图1)的图像，向下扫描检测器阵列的一列以及向上扫描检测器阵列的下一列。如果仅使用一个照明斑点，则垂直于光栅扫描的扫描线的横向分辨率将是感测元件44的节距。然而，在本实施方案中，通过使用两个扫描照明斑点26使横向分辨率加倍，该两个扫描照明斑点在检测器阵列28上的图像沿着扫描线隔开等于感测元件44的节距的距离，并且横向于扫描线一半的节距。光束控制装置24和激光光源20的重复率被配置为使得连续的照明斑点在光栅扫描的扫描线方向上隔开感测元件44的一半节距的步长。每个超像素包括一个感测元件44。
图8示意性地示出了两个连续时间点t＝ti和t＝ti+1处的两个照明斑点26的图像。在时间t＝ti处，照明斑点的图像是斑点132和斑点134，其中斑点132在超像素136内，斑点134在超像素138内。关闭所有其他超像素。在时间t＝ti+1处，如箭头140所示，两个斑点已经向下移动了超像素的一半到新的位置142和144。在t＝ti处点仍然在相同的超像素136和138内，但是在时间t＝ti+1处照明斑点142和144的位置由光束控制装置24的状态确定。由于两个斑点总是分配给单独的超像素的事实，这些斑点是可单独识别的，并且LiDAR横向于扫描线的分辨率由两个照明斑点26的图像在该方向的间距不是感测元件44的节距来确定，因此减轻了检测器阵列28的小型化需求。由每个照明斑点26测量的距离的平均区域是该照明斑点的区域。
在另一个实施方案(图中未示出)中，扫描照明斑点26的数量增加到超过两个(与图8相比)，其中照明斑点沿着光栅扫描图案130分离，使得每个照明斑点的图像位于不同的感测元件44中。对于其中N个照明斑点26的图像全部在检测器阵列28的一列内的实施方案，横向于光栅扫描130的分辨率通过将感测元件44的节距除以N给出。
线性扫描图案
图9-11是示出根据本发明实施方案的基于线性扫描的LiDAR的示意图。线性(一维)扫描的优点是，它利用了比二维扫描所需的更小、更便宜和更可靠的光束控制装置的设计。线性扫描方向的分辨率取决于光束控制装置的分辨率。由于没有横向于线性扫描方向的扫描发生，所以通过使用排列在目标场景22上的多个照明斑点26来实现该方向上的分辨率。
图9是示出根据本发明实施方案的成像到检测器阵列28上的一维扫描的示意图。LiDAR在垂直于线性扫描的方向上的分辨率通过使用包括两个交错列151和152的照明斑点26的图像的图案150而被改善超过感测元件44的间距，其中圆圈153表示传感器阵列28上的各个照明斑点的图像的预期位置。箭头154指示扫描的方向。
在图案150的每个列151和152中，沿着相应列的轴线的照明斑点26的图像的间隔(如圆圈153所示)等于感测元件44的节距。两列151和152沿列的轴线的方向相互偏移感测元件44的节距的一半。列151和152沿扫描方向间隔一个间距，以便分配两列以隔开感测元件。在一些实施方案(图中未示出)中，横向于线性扫描的分辨率通过使用在列的轴的方向上具有更小的相互偏移的多于两列的照明斑点26而得到进一步改善。因此，例如，使用具有四分之一节距的感测元件44的相互偏移的四列，实现四分之一节距的分辨率。
图10是示出根据本发明实施方案的基于一维扫描的LiDAR159的示意图。来自单个脉冲激光源160的光束被衍射光学元件(DOE)162分成多个光束的两个交错列。这些光束通过单轴光束控制装置166被引导到目标场景22上并在其上扫描，从而在目标场景22上形成照明斑点168的两个交错的列。照明斑点由收集光学器件27成像到检测器阵列28上，在如图9所示的图案150中形成两个交错的列151和152。
只有在图案150中包含照明斑点26的图像的感测元件44在扫描期间的任何给定时刻被致动，其余感测元件关闭，从而防止背景光的不必要的集成，并且实现高的信号背景比。与图1类似，控制电路38连接到激光光源160、光束控制装置166和检测器阵列28，控制它们的功能并收集数据以通过使用飞行时间数据来确定到目标场景22的距离。
图11是示出根据本发明另一实施方案的基于一维扫描和同轴光学结构的LiDAR170的示意图。来自单个脉冲激光源160的光束被DOE 162分成多个光束的两个交错列。这些光束穿过偏振分束器176，并且被单轴光束控制装置166引导到目标场景22并在其上扫描，从而形成照明斑点168的两个交错列。从目标场景22反射的照明斑点通过光束控制装置166、偏振分束器176和收集光学器件27成像到检测器阵列28上，从而在图案150中形成两个交错的列151和152，如图9所示。
由于光学发射和收集的同轴架构，检测器阵列28上的图案150相对于扫描(几乎)是静止的。因此，沿垂直于扫描方向的轴线的检测器阵列上的传感器元件44的列数可显著小于沿着扫描方向的传感器元件的行数。类似于图1，控制电路38连接到激光光源160、光束控制装置166和检测器阵列28，控制它们的功能并收集数据以使用飞行时间数据确定到目标场景22的距离。
在图10和11所示的两个实施方案中，垂直于扫描方向的横向分辨率是感测元件44的节距的一半，并且沿着扫描的分辨率由光束控制装置166的扫描速率和激光源160的脉冲重复率确定。照明斑点168中的每一者在该斑点的区域上进行平均距离测量。
这里以举例的方式示出了图案150中的列151和152的竖直取向，并且实施类似原理的替代取向被认为是在本发明的范围内。
多范围感测
图12-13是示出根据本发明实施方案的使自身适应于目标场景的近距离和远距离的LiDAR的示意图。
图12是示出根据本发明实施方案的LiDAR199的示意图，该LiDAR199使其自身适于测量到近目标场景点和远目标场景点两者的距离。脉冲激光光源200的光束通过双轴光束控制装置24引导到目标场景22，在目标场景上形成照明斑点206并在该目标场景上扫描该斑点。照明斑点206通过收集光学器件27成像到检测器阵列28上。控制电路38连接到激光源200、光束控制装置24和检测器阵列28。
在来自控制电路38的信号的控制下，激光光源200具有在两个功率水平发射光的能力：低发射功率和高发射功率。同时，检测器阵列28(参见图2)的感测元件44具有以两种不同模式操作的能力：短程模式和长程模式。对于特定感测元件的给定操作模式，控制电路38将调整其定时和灵敏度，以及用于该模式下的最佳性能的信号处理算法。通常，在短程模式下，感测元件44被偏置以获得相对较低的灵敏度(其也导致较低的噪声)并且被门控以感测短的飞行时间。在长程模式下，感测元件44被偏置以获得相对较高的灵敏度，并被门控以感测较长的飞行时间，从而减少短程反射的虚假检测的可能性。
为了针对目标场景22的每个区域确定所需的操作模式，首先使用激光源200以其低发射功率水平扫描该区域，以适用于短程检测。接收源自激光源200的光的检测器阵列28中的感测元件44以其为短距离测量而设置的定时、灵敏度和相关信号处理算法进行致动。
在该短程扫描之后，控制电路38控制LiDAR 199以仅在基于预先确定的标准短程低功率扫描未产生足够稳健的距离测量的区域中执行长程扫描。在长程扫描中，使用光源200的高发射功率水平重复这些区域的测量，并且适当改变被致动以接收来自这些区域的反射光的感测元件44的定时、灵敏度和算法。
图13是示出根据本发明另一实施方案的LiDAR 210的示意图，该LiDAR 210使其自身适于测量到近目标场景点和远目标场景点两者的距离。两个脉冲激光光源218和220的光束由双轴光束控制装置24引导至目标场景22，在目标场景22上形成照明斑点226并在目标场景22上扫描该照明斑点。(激光光源218和220之间的间距在图13中被放大以示出两个单独的光源)。如下文所详述，仅一个激光光源在一个给定时间发射。照明斑点226通过收集光学器件27成像到检测器阵列28上。控制电路38连接到激光光源218和220、光束控制装置24和检测器阵列28。
每个激光源218,220在被致动时以特定的发射功率水平发射，其中激光源218以低发射功率水平发射，并且激光源220以高发射功率水平发射。控制电路38根据上面参照图12所述的标准的种类来选择在扫描中的每个点致动哪个激光源。类似地，检测器阵列28(见图2)的感测元件44具有以两种不同模式操作的能力：短程模式和长程模式。对于特定感测元件44的给定操作模式，控制电路38将调整其定时和灵敏度以及其信号处理算法以在该模式下获得最佳性能。
为了确定目标场景22的给定区域中所需的操作模式，首先使用低发射功率激光源218来扫描该区域。接收源自激光源218的光的检测器阵列28中的那些感测元件44以其为短距离测量而设置的定时、灵敏度和相关信号处理算法被致动。如前述实施方案中，如果控制电路38确定使用激光源218不能对给定区域进行足够稳健的距离测量，那么使用激光源220在较高的发射功率下重复该区域的测量，其中被致动用于接收来自激光源220的光的那些感测元件44的定时、灵敏度和算法进行适当的改变。
应当理解，上文所描述的实施方案以实施例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出或描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征、以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (13)

1.一种电光学装置，包括：
激光光源，所述激光光源被配置为发射光脉冲的至少一个光束；
光束控制装置，所述光束控制装置被配置为跨目标场景传输和扫描所述至少一个光束；
感测元件阵列，每个感测元件被配置为输出指示所述感测元件上单个光子的入射时间的信号；
光收集光学器件，所述光收集光学器件被配置为将由所传输的光束扫描的所述目标场景成像到所述阵列上，
其中所述光束控制装置以比所述感测元件的节距小的扫描分辨率和斑点大小跨所述目标场景扫描所述至少一个光束；以及
电路，所述电路被耦接以致动仅在所述阵列的选定区域中的感测元件，并且与所述至少一个光束的扫描同步地使选定区域扫过所述阵列，
其中，所述激光光源被配置为沿不同的相应光束轴线发射至少两个光束，使得在所述扫描期间的任何时刻，所述光收集光学器件将被所述至少两个光束照亮的所述目标场景的相应区域成像到不同的相应的感测元件上，以及
其中，所述光束控制装置被配置为在二维扫描中跨所述目标场景扫描所述至少两个光束，并且所述电路被配置为以与所述二维扫描对应的二维图案使选定区域扫过所述阵列，
其中，所述二维扫描形成光栅图案，并且其中所述至少两个光束的相应光束轴线相对于所述光栅图案的扫描线方向相互横向地偏移。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路被配置为选择区域使得在所述扫描期间的任何时刻，选定区域包含所述光收集光学器件将被所述至少一个光束照亮的所述目标场景的区域成像到其上的所述阵列的部分。
3.根据权利要求2所述的装置，其中选定区域包括一个感测元件。
4.根据权利要求2所述的装置，其中选定区域包括多个感测元件。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路被配置为处理由感测元件输出的信号，以便确定到所述目标场景中的点的相应距离。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中感测元件包括单光子检测器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述单光子检测器为单光子雪崩二极管(SPAD)。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中所述至少一个光束在所述目标场景上形成照明斑点，并且其中所述光收集光学器件被配置为将由所传输的光束扫描的所述目标场景成像到所述阵列上以使得叠加在所述阵列上的所述照明斑点的图像的直径小于所述感测元件的节距。
9.一种用于感测的方法，包括：
发射光脉冲的至少一光束；
跨目标场景传输和扫描所述至少一个光束；
提供感测元件阵列，每个感测元件被配置为输出指示所述感测元件上单个光子的入射时间的信号；
将被所传输的光束扫描到的所述目标场景成像到所述阵列上，
其中以比所述感测元件的节距小的扫描分辨率和斑点大小跨所述目标场景扫描所述至少一个光束；以及
致动仅在所述阵列的选定区域中的感测元件，并且与所述至少一个光束的扫描同步地使选定区域扫过所述阵列，
其中，发射至少一个光束包括沿不同的相应光束轴线发射至少两个光束，使得在所述扫描期间的任何时刻，光收集光学器件将被所述至少两个光束照亮的所述目标场景的相应区域成像到不同的相应的感测元件上，以及
其中，扫描所述至少一个光束包括在二维扫描中跨所述目标场景扫描所述至少两个光束，并且致动感测元件包括以与所述二维扫描对应的二维图案使选定区域扫过所述阵列，
其中，所述二维扫描形成光栅图案，并且其中所述至少两个光束的相应光束轴线相对于所述光栅图案的扫描线方向相互横向地偏移。
10.根据权利要求9所述的方法，其中致动感测元件包括选择区域使得在所述扫描期间的任何时刻，选定区域包含所述光收集光学器件将由所述至少一个光束照亮的所述目标场景的区域成像到其上的所述阵列的部分。
11.根据权利要求9所述的方法，包括处理由感测元件输出的信号，以确定到所述目标场景中的点的相应距离。
12.根据权利要求9所述的方法，其中感测元件包括单光子检测器。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中所述至少一个光束在所述目标场景上形成照明斑点，并且其中将所述目标场景成像包括在所述阵列上形成图像以使得叠加在所述阵列上的所述照明斑点的图像的直径小于所述感测元件的节距。
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