CN108780113A - 用于校准光学距离传感器的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种校准系统，该校准系统包括孔层、透镜层、滤光器、像素层和调节器。孔层限定校准孔。透镜层包括基本上与校准孔轴向对准的校准透镜。滤光器与透镜层相邻并且与孔层相对。像素层与滤光器相邻并且与透镜层相对，并且包括基本上与校准透镜轴向对准的校准像素。校准像素检测照明源的光功率，该照明源输出随参数变化的波长带的光。调节器基于校准像素检测的光功率来更改照明源的参数。

Description

用于校准光学距离传感器的系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月29日递交的美国临时专利申请第62/289,004号的权益。
技术领域
本公开整体涉及光学传感器领域，并且更具体地涉及在光学传感器领域中用于校准光学距离传感器的新的并且有用的系统及方法。
附图说明
图1是根据本文第一实施例的系统的示意性图示；
图2A是根据本文第二实施例的示意性图示；
图2B、图2C和图2D是本文第二实施例的图形表示；
图3A和图3B是根据本文第三实施例的示意性图示。
图4是根据本文第四实施例的示意性图示。
具体实施方式
以下对本发明实施例的描述并非意图将本发明限制到这些实施例，而是使本领域技术人员能够实现和运用本发明。本文中描述的变形、配置、实现方式、实施例和示例是可选的，并且不局限于它们描述的变形、配置、实现方式、实施例和示例。本文所描述的发明可包括这些变形、配置、实现方式、实施例和示例的任何及全部排列。
1.系统
如图1所示，在一个实施例中，校准系统100(例如，用于校准光学距离传感器)包括：块体发送光学装置101和块体接收光学装置102。系统100也可包括在块体发送光学装置后面偏移并且被配置为输出随温度变化的光波长的照明源103；被布置在块体接收光学装置后面并且限定感测孔120和校准孔125的孔层104；从块体发送光学装置后面的照明源延伸到校准孔的光学旁路105；与孔层相邻并且与块体接收光学装置相对的透镜层106，该透镜层包括基本上与感测孔轴向对准的感测透镜107，并且包括基本上与校准孔轴向对准的校准透镜108；与透镜层相邻并且与孔层相对的滤光器109；与滤光器相邻并且与透镜层相对的像素层110，该像素层包括基本上与感测透镜轴向对准的感测像素111，并且包括基本上与校准透镜轴向对准的校准像素112；以及耦接到照明源的温度调节器113，该温度调节器被配置为基于由校准像素检测的光功率来更改照明源的温度。在图1的实施例中，系统100也可包括被配置为将光引导到光电检测器上的扩散器170。在一个实施例中，扩散器可被包括在可选的会聚透镜层中，该会聚透镜层被布置为将光会聚到光电检测器上。该会聚透镜层可被布置在滤光器和光电检测器之间。该会聚透镜层也可包括微透镜、多个微透镜、扩散器或能够将光引导到光电检测器上的任何其他元件。另外，在图1的实施例中，系统100可被容纳在外壳135中。虽然在前述实施例中各种层已被描述为与另一层相邻，将认识到的是可包括更少的层或另外的层。例如，应理解的是在任意两层之间可包括另外的孔层。
如图3A所示，系统300是系统100的变形的实施例，其中系统300可包括：块体发送光学装置301；块体接收光学装置302；在块体发送光学装置后面偏移并且被配置为输出随温度变化的光波长的照明源；限定第一校准孔和第二校准孔的孔层304；从块体发送光学装置后面的照明源延伸到第一校准孔和第二校准孔的光学旁路305；与孔层相邻并且与光学旁路相对的透镜层306，该透镜层包括基本上与第一校准孔轴向对准的第一校准透镜，并且包括从第二校准孔轴向偏移的第二校准透镜；与透镜层相邻并且与孔层相对的滤光器309；与滤光器相邻并且与透镜层相对的像素层，该像素层包括基本上与第一校准透镜轴向对准的第一校准像素，并且包括与延伸通过第二孔和第二校准透镜的射线对准的第二校准像素；以及耦接到照明源的温度调节器313，该温度调节器被配置为基于由第一校准像素和第二校准像素检测的光功率来更改照明源的温度。除了照明源303之外，系统300也可包括第二照明源350。
2.应用
在一个实施例中，系统100用作图像传感器，当图像传感器绕平行于一列感测孔的轴旋转时，收集被系统100占据的体积的三维距离数据。类似地，系统100可用作静态图像传感器该静态图像传感器收集在系统100的视场中的空间或体积的二维或三维距离数据。通常，系统100可扫描体积以收集三维距离数据，该三维距离数据可被重构为该体积的虚拟三维表示，诸如基于在来自照明源的照明光束的发射和入射到感测像素上的(可能源自照明源的)光子的检测之间的记录时间，基于相位法测量技术，或基于另外的距离测量技术。
在一个实施例中，系统100包括照明源、校准电路130和感测电路。感测电路包括协作以使得只使相对窄的波长带的光(例如，单个目标波长±0.25nm)通过以到达相应的感测像素的感测孔、感测透镜和滤光器。因为感测电路被配置为检测仅在相对窄的波长带中的光，系统100可调整照明源来输出在该相对窄的波长带内的光。照明源可输出按照以某个波长为中心的分布图案的窄的波长带的光。光源的中心频率可通过改变照明源的温度来改变(优选模式)，尽管可选择地可通过改变源的占空比、通过使用压电效应或任何其他可用的手段来完成。校准电路可主动地通过(热耦接到照明源的)调节器控制源温度来控制照明源输出的光的中心波长。具体而言，校准电路可将照明源输出的光的中心波长匹配到通过并由感测电路检测的中心波长，以便基本上最大化诸如系统100的任何接收器系统的能量效率(即，感测电路读到的光与照明源输出的光的比率)。
感测电路中的滤光器可根据入射角通过光和拒绝光，并且制造缺陷可在孔层与透镜层之间产生横向偏移和/或纵向偏移，使得感测孔和感测透镜不再轴向对准，并且使得从感测透镜输出的光以一定角度而不是与滤光器垂直到达滤光器。如图2B所示，在制造期间孔层与透镜层之间的未对准可因此产生如下感测电路：通过和检测与滤光器被配置为通过的标称波长(即，对以90°入射到滤光器上的光而言滤光器通过的光的中心波长)不同的光的中心波长。此外，孔层与透镜层之间的这样的未对准从系统100的一个单元到下一个单元可能是不一致的，并且诸如由于环境温度和/或压力而在系统100的单个单元内可能随时间变化。类似地，由于制造缺陷，甚至在单个批次的照明源内，照明源(诸如条二极管激光器)可呈现不同的输出特性(诸如在特定的工作温度下中心输出波长或主要输出波长的变化)。
因此，系统100可包含(与感测电路类似的)校准电路并且可以基于由校准电路检测的光来主动地更改温度调节器的输出，而不是实施照明源特定的中心输出波长对温度模型和孔层及透镜层叠堆的根据经验确定的目标中心波长。具体而言，该校准电路：可包括被集成到与感测孔相同的孔层中的校准孔；可包括被集成到与感测透镜相同的透镜层中的校准透镜；可与感测电路共享滤光器(例如，滤光器层)；并且可包括被集成到与感测电路相同的像素层中的校准像素。校准电路因此可模拟发生在感测电路中的制造缺陷，使得调整照明源以实现峰值入射光通过校准电路类似地将照明源与感测电路调准。具体而言，系统100的单元可主动地操纵温度调节器来维持在整个操作期间校准像素处的每单元时间的峰值入射光子数，从而使照明光学装置的输出与校准电路和感测电路都匹配，并且使用系统100内众多单元所共有的闭环反馈模型来自动地补偿在系统100的该单元内基本上独有的大量制造缺陷。
通常，由校准像素记录的峰值入射光子数可在照明源的输出波长与校准电路的块体峰值功率波长相匹配时出现。校准电路和感测电路共享共同的滤光器，包括由共同的孔层限定的孔，包括在共同的透镜层中的透镜，并且受到孔与透镜之间共同的横向偏移与纵向偏移的影响。因此，感测电路的块体峰值功率波长与校准电路的块体峰值功率波长基本上相同。为了在操作期间增大(或基本上最大化)系统100的效率，系统100可通过调整照明源的输出波长以实现在校准像素处的每单位时间的峰值入射光子数，来将照明源独有地校准到感测电路。例如，照明源可输出处于随照明源的温度成比例变化的中心波长的光，并且系统100可通过主动地操纵耦接到照明源的温度调节器的热通量来控制照明源的中心输出波长。在整个操作期间，系统100可实施闭环反馈技术，以基于从校准像素读到的入射光子数来主动地控制温度调节器的输出(以及因此主动地控制照明源的中心输出波长)，使得尽管内部温度、环境温度、环境压力等变化，照明源仍随着时间保持被调准到感测电路。
如图2A所示，在一个实施例中，系统200可包括多个校准电路。系统200可包括块体发送光学装置201、块体接收光学装置202、滤光器209、感测孔220、感测透镜207、感测像素211、照明源203和250、以及光学旁路205。这些部件可与以上关于图1描述的部件类似地结构。在这个变形中，每个校准孔和校准透镜(例如，校准孔225和校准透镜208，或单独作为校准孔225-1、225-2、225-3、225-4和校准透镜208-1、208-2、208-3、208-4)可在装置中偏移独有的距离(例如，距离d0、d1、d2、d3等)，以使得校准透镜在装置中以独有的标称角度(例如，角度α0、α1、α2、α3等)朝滤光器输出光。例如，如图2A和图2C所示，系统100可包括第一校准孔和透镜组、第二校准孔和透镜组、第三校准孔和透镜组、以及第四校准孔与透镜组，所述这些校准孔和透镜组按独有的偏移距离进行组装，使得第一校准透镜、第二校准透镜、第三校准透镜和第四校准透镜分别与滤光器成0°、1°、2°和3°朝滤光器输出光。因此，在一个实施例中，校准孔可从校准透镜偏移。当然，在其他实施例中，系统可包括任意数量的校准电路(例如，校准孔、透镜、像素的组)。在这个变形中，系统200可在采样周期期间从校准像素212中的每个(单独地，校准像素212-1、212-2、212-3、212-4)读取入射光子数(或连续入射光子之间的时间等)，基于这组入射光子数来确定照明源的中心输出波长是大于还是小于由校准电路在采样周期期间读取的中心波长(以及因此由感测电路读取的中心波长)，并且然后(通过温度调节器)相应地增大或减小照明源的温度来改进由照明源输出的中心波长与由校准电路读取的中心波长的对准。
3.感测电路
如图1和图4所示，在一些实施例中，系统100(和系统400)的感测电路可包括：块体接收光学装置(例如，102和402)；被布置在块体接收光学装置后面并且限定感测孔与校准孔的孔层；与孔层相邻并且与块体接收光学装置相对并且限定基本上与感测孔轴向对准的感测透镜的透镜层(例如，107和407)；与透镜层相邻并且与孔层相对的滤光器(例如，109和409)；以及与滤光器相邻并且与透镜层相对并且包括基本上与感测透镜轴向对准的感测像素的像素层(例如，111和411)。通常，块体接收光学装置、感测孔、感测透镜、滤光器和感测像素协作以收集光(例如，环境光和照明源输出的光)、使光准直、拒绝所有在包括照明源的中心输出波长的窄波长带之外的光、以及检测到达感测像素的光。系统100(例如，系统100内的处理器)可因此将入射光子数、入射光子之间的时间、相对于照明光束输出时间的入射光子时间等转换为表面在感测电路的视场中的位置。如图4所示，与系统100类似，系统400也可包括块体发送光学装置401、照明源403和450、光学旁路405、调节器413和校准电路430。这些部件可与关于图1的系统100描述的那些部件类似地构造。同样如图4所示，系统400可包括孔间距距离440。
在一个实现方式中，块体接收光学装置用于将来自系统100外部的入射光线朝系统100内的焦平面投射。例如，块体接收光学装置可限定会聚透镜并且可包括协作以产生在被滤光器通过的垂直光线的中心波长(即，系统100的标称工作波长)处或其附近的总体焦距的多个透镜，诸如一个或更多个双凸透镜(如图1和图4所示)和/或平凸透镜。孔层包括与焦平面相重合(即，从在体焦距后的块体接收光学装置偏移)的相对薄的不透明结构并且限定感测孔和感测孔周围的阻止区域。孔层的阻止区域拒绝(例如，阻挡、吸收、反射)入射光线，并且感测孔使入射光线通过以朝向感测透镜。例如，孔层可限定具有接近衍射极限直径的直径的感测孔以最大化感测电路的视场的几何选择性。
在这一实现方式中，感测透镜由感测焦距来表征，从焦平面偏移了该感测焦距，使被感测孔通过的光线准直，并且使准直光线通过进入滤光器。例如，感测透镜可包括会聚透镜，该会聚透镜由基本上与块体接收光学装置的射线锥面匹配的射线锥面来表征，并且可从块体接收光学装置的焦平面偏移相对短的感测焦距，以保护块体接收光学装置的孔以及使被感测孔通过的光准直。滤光器从感测透镜接收(在波长谱中的)准直光，使相对窄的波长带的光(例如，工作波长±0.25nm)通过到达感测像素，并且阻挡在该窄的波长带之外的光。例如，滤光器可包括窄光学带通滤光器。
例如，照明源可(主要地)输出处于900nm的标称光波长，并且滤光器可限定平面光学带通滤光器，该平面带通滤光器被配置为通过在899.95nm到900.05nm之间(以90°的角度入射到滤光器上)的光并且被配置为阻挡基本上所有在该带之外(以90°的角度入射到滤光器上)的光。感测像素用于接收由滤光器通过的光(即，“光子”)、检测这些入射光子以及输出对应于检测的光子的数目或速率的信号。例如，感测像素可包括单光子雪崩二极管检测器(“SPAD”)阵列，并且感测像素可输出对应于在持续时间长达皮秒、纳秒、微妙或毫秒的单个采样周期内入射到该像素上的光子数的单个信号或信号流。
在一个变形中，如图3A和图3B所示，系统300包括多个感测电路340(或者单独地340-1、340-2、340-3和340-4)，包括多个感测孔、感测透镜和感测像素组。例如，系统300可包括：被布置在单个块体接收光学装置后面并且限定在块体接收光学装置前面的场中的离散的(即，在离系统100的阈值距离之外不重叠的)视场的一列偏置感测孔320(单独地320-1、320-2等)。在一个实施例中，感测孔320中的每个分别与相应的感测透镜对准。系统300也可包括将处于工作波长的离散的照明光束投射到由每个感测孔限定的视场中的照明源；使由相应的感测孔通过的光线准直的一列感测透镜；跨越该列感测透镜并且选择性地通过相对窄的波长带的光的滤光器；以及诸如通过对入射光子计数或记录连续入射光子之间的时间来检测入射光子的感测像素组。在这个示例中，系统100可根据基本上与感测孔的视场(在离系统100的距离范围上在大小和几何尺寸方面)匹配的照明图案，选择性地将照明光束投射到在系统100前面的场中。具体而言，照明源可基本上只照明在系统100前面的场中的在相应的感测像素的视场内的表面，以使得照明那些感测像素的盲域中的表面浪费的系统100的经照明源输出的功率最小。因此，系统100可实现相对高的输出信号(即，照明光束功率)与输入信号(即，入射到像素阵列的光子)的比率，特别是当照明源的中心输出波长与由感测电路读取的中心波长相匹配时。
在另一个变形中，系统100包括感测电路(即，感测孔、感测透镜和感测像素组)的二维网格阵列并且被配置为每个采样周期为系统100在二维上占据的体积成像。在这个变形中，系统100可收集在感测像素二维网格上的一维距离数据(例如，在采样周期内的入射光子数和/或入射到对应于场中已知视场的感测像素上的连续光子之间的时间)，并且系统100可将这些一维距离数据与各个感测像素的视场的已知位置接合来重构在系统100前面的场的虚拟三维表示。例如，孔层可限定直径为200μm的感测孔的24×24网格阵列，感测孔纵向和横向均偏移300μm的孔间距距离，并且透镜层可包括感测透镜的24×24网格阵列，感测透镜纵向和横向均偏移300μm的透镜间距距离。在这个示例中，像素层可包括300μm见方(square)的感测像素的24×24网格阵列，其中每个感测像素包括9个100μm见方的SPAD的3×3正方形阵列。
在一个实现方式中，制造块体接收光学装置、孔层、透镜层、滤光器和扩散器，而后将其与像素层对准并且安装在像素层上。在一个示例中，滤光器是通过涂覆熔融石英衬底来制造的。然后在滤光器上沉积光活性光学聚合物，在光活性光学聚合物上放置限定透镜形状阵列的透镜模具，并且激活UV光源来使光活性光学聚合物固化(cure)成跨滤光器的透镜图案。支柱通过光刻技术类似地模制或形成于滤光器上。孔层分别通过选择性地金属化玻璃晶片和将该金属层刻蚀出孔来制造；然后玻璃晶片被接合到或以其他方式安装到这些支柱上。在这个示例中，该组件随后被倒置，并且第二组支柱被类似地制造在滤光器上并且与透镜层相对。像素层(诸如，离散图像传感器)与第二组支柱对准并且被接合到第二组支柱上；块体接收光学装置被类似地安装在孔层上来完成感测电路叠堆。
可选择地，块体接收光学装置、孔层、透镜层和滤光器可通过光刻和晶片级接合技术直接在(包含感测像素的)未切割的半导体晶片上制造。然而，块体接收光学装置、孔层、透镜层、滤光器和像素层可通过任何其他方式以及借助任何其他的方法或技术来制造和组装。
4.输出电路
如图1所示，系统100包括输出电路，包括块体发送光学装置和照明源。在一个实现方式中，块体发送光学装置：在材料、几何尺寸(例如，焦距)、热隔离等方面与块体接收光学装置基本上相同；并且与块体接收光学装置相邻并且从块体接收光学装置横向偏移和/或纵向偏移。在该实现方式中，照明源包括被布置在块体发送光学装置后面的光学发射器的单片VCSEL阵列。在一个示例中，照明源可包括限定由发射器间距距离表征的一列光学发射器的条二极管激光器，该发射器间距距离与感测孔间距距离基本上相同；因为条二极管激光器包括制造在同一芯片上的光学发射器，所以光学发射器可呈现基本上类似的随温度变化的输出波长特性。在这个示例中，如图4所示，每个光学发射器可输出初始直径基本上等于(或略大于)孔层中相应的感测孔的直径的照明光束，并且可沿块体发送光学装置的焦平面布置照明源以使得每个从块体发送光学装置投射到场中的照明光束相交并且具有基本上与在离系统400(例如，系统100的变形)任何距离处的相应的感测电路的视场相同的大小和几何尺寸。因此，照明源和块体发送光学装置可协作以将基本上全部的输出功率投射到感测电路的视场中，只有相对最少的功率浪费在照明感测电路的视场的外部空间中的表面上。
5.校准电路
如图1所示，系统100还包括校准电路，包括光学旁路105，限定在孔层104中的校准孔125，被包含在透镜层106中的校准透镜108，与感测电路(例如，感测孔120、感测透镜107、感测像素111)共享的滤光器109，以及被包含在像素层110中的校准像素112。通常，光学旁路105用于将照明源103输出的一些光线漏入(funnel)校准孔125；与感测电路中的感测孔120、感测透镜107和滤光器109相似，校准电路中的校准孔125、校准透镜108和滤光器109使从光学旁路接收的基本很窄的波长带的光通过到达校准像素。基于由校准像素在采样周期内检测的入射光子数、入射光子频率或入射光功率等，系统100可确定照明源103的中心(或主要)输出波长是否与校准电路130的有效中心(或主要)工作波长相匹配和/或匹配程度，并且系统100可相应地更改温度调节器的输出来将照明源的输出波长转换为校准电路130的有效工作波长。
因为校准孔125、校准透镜108和校准像素112与感测孔120、感测透镜107和感测像素114被整合到相同的孔层104、透镜层106和像素层110，并且因为校准电路130和感测电路(例如，感测孔120、感测透镜107、感测像素111)共享相同的滤光器109，校准电路130可共享基本上相同的制造缺陷(例如，对准缺陷)并且因此可呈现基本上相同的有效工作波长。此外，因为光学旁路使相同的照明源的照明感测通道的视场的一些光通过，所以对温度调节器进行操纵以使照明源的输出波长与校准电路的有效工作波长匹配的操作也使照明源的输出波长与感测电路的有效工作波长匹配，从而增大了系统100的功率效率。
因此：校准孔可在与感测孔基本上相同的时间并且以基本上相同的位置精确度被形成于孔层中；校准透镜可在与感测透镜基本上相同的时间并且以基本上相同的位置精确度被形成于透镜层中；以及校准像素可在与感测像素基本上相同的时间并且以基本上相同的位置精确度被包含于像素层中，诸如根据以上所述的方法和技术。滤光器也可限定跨越校准电路和感测电路的单一结构或整体式结构，并且可如上所述组装(包括校准电路和感测电路的)孔层、透镜层、滤光器和像素层。
在一个实现方式中，如图1和图4所示，块体发送光学装置被布置在包括与块体接收光学装置的平面中并且从块体接收光学装置横向偏移，并且光学旁路从在块体发送光学装置后面的照明源的一端将光“虹吸”到在块体接收光学装置后面的相邻区域并且进入到校准孔中。例如，在上述实现方式中，其中照明源包括具有多个光学发射器的条二极管激光器，光学旁路可包括从条二极管激光器上的一个末端发射器延伸并且终止于在块体接收光学装置后面的校准孔上的光管或光波导。然而，光学旁路可包括任何其他结构，并且可以任何其他方式用于将照明源的光传达到校准电路中。
6.校准
在图2A所示的实施例中，系统200还包括耦接到照明源并且被配置为基于校准像素检测的光功率来更改照明源的温度的温度调节器213。通常，在启动时和/或在操作期间，系统200可读取由校准像素在采样周期内检测的入射光子数、入射光子频率或入射光功率等，并且可以基于校准像素的输出来实施闭环反馈控制技术以更改温度调节器的输出并且因此更改照明源的温度和中心(或主要)输出波长。
在一个实施方式中，系统200还包括热耦接到照明源的温度传感器230。在这个实现方式中，在启动时，系统200：使温度调节器的占空比(例如，热输出)斜升(ramp up)并且实施闭环反馈控制来将照明源保持在低的工作温度(例如，80℃)；并且存储在照明源被保持在低的工作温度时由校准像素在采样周期内记录的入射光子数(或入射光子频率等)。然后系统200使温度调节器的占空比步进升高(step up)来在照明源处实现从低的工作温度到高的工作温度(例如，85℃)的离散的温度步长(例如，0.5℃的步长)；并且针对在工作温度范围内的每个温度步长存储校准像素在采样周期内记录的入射光子数。(系统200也可针对每个温度步长从校准像素读取在多个采样周期内的入射光子数并记录该温度步长的中值光子数或平均光子数。)在这个实现方式中，系统200随后可识别在一组温度步长中从校准像素读取的峰值入射光子数，设定照明源的相应的温度作为初始目标工作温度，并且调整温度调节器的占空比来实现该初始目标工作温度。
在前述实现方式中，在整个继续的操作期间，该系统可以：从校准像素读取入射光子数；检测由校准像素读取的入射光子数的变化，诸如超过阈值变化(例如，5％)；并且相应地更改温度调节器的输出。该系统也可：在相应的采样周期从温度传感器读取照明源的温度；并且基于照明光学装置的温度的变化确定是否响应于校准像素上的入射光子数变化来增大还是减小温度调节器的占空比。例如，如果由校准像素记录的入射光子数跨两个或更多个采样周期下降并且温度传感器指示照明源的温度也已下降，则该系统可增大温度调节器的热输出并且当由配置像素记录的入射光子数增加时存储照明源的温度。当入射光子数到达峰值而后开始随照明源的温度增大而减少时，该系统可识别照明源的新的目标工作温度，该新的目标工作温度对应于在温度斜升期间由校准像素读取的峰值入射光子数，并且该系统随后降低温度调节器的输出来实现这一新的目标工作温度。
在另一个示例中，如果由校准像素记录的入射光子数在两个或更多个采样周期上降低并且温度传感器指示照明源的温度在相同的采样周期上增大，则该系统可降低温度调节器的热输出并且当由校准像素记录的入射光子数增加时存储照明源的温度。当记录的入射光子数到达峰值而后开始随照明源的温度降低而减小时，该系统可识别对应于在温度降低期间由校准像素记录的峰值入射光子数的新的目标工作温度，并且增大温度调节器的输出来实现这一新的目标工作温度。
在另一示例中，如果由校准像素记录的入射光子数在两个或更多个采样周期上降低超过阈值变化但在采样周期上并未检测到照明源处的显著(substantial)温度变化，则该系统可使温度调节器的热输出斜升来实现照明源的温度的单步长增大。如果由校准像素记录的入射光子数响应于照明源的温度的增大而增加，则该系统可：继续增大温度调节器的输出直到入射光子开始下降为止，确定对应于在该温度斜升期间由校准像素记录的新的峰值入射光子数的新的(更高的)目标工作温度；并且减小温度调节器的输出来实现这一新的目标工作温度，如前述示例中。然而，如果由校准像素记录的入射光子数响应于照明源的温度的增大而减少，则该系统可使温度调节器的热输出逐步减小。当入射光子数增加而后开始随着照明源的温度的减小而减少时，该系统可：确定对应于在该温度降低期间由校准像素记录的峰值入射光子数的新的(更低的)目标工作温度；并且增大温度调节器的输出来实现这一新的目标工作温度，如前述示例中。
因此该系统可实施闭环反馈技术来实现温度调节器的输出，该输出基于由单个校准像素检测的光子数量(或光子频率、连续光子之间的时间等)将照明源维持在对应于照明源的中心(主要)输出波长基本上与感测电路的有效工作波长相匹配的温度下。
在其他的实现方式中，该系统可通过以下方式改变照明源的输出波长：主动地调整激光器中的内部法布里-珀罗(Fabrey-Perot)腔厚度，诸如经由腔内的MEMS促动器或压电薄膜；主动地调整垂直外腔面发射激光器(“VECSEL”)的外腔长度，诸如使用MEMS促动器。还是在其他实现方式中，该系统可通过以下来改变接收器电路的发射波长(诸如，通带中心波长)：通过角度调整来主动地调整接收器电路内的滤光器的中心波长，诸如通过使滤光器随着MEMS平衡环促动器旋转等。当然，在一些实施例中，除了改变接收器电路的传输波长之外，该系统可如上所述改变照明源的输出波长。在前述的实现方式中，该系统可如本文所描述的那样实施闭环方法和技术来主动地并且动态地调整照明源和/或接收器电路的输出波长。
7.扩展的一维校准电路
图3A和图3B中示出了该系统的一个变形即系统300。在这个实施例中，针对每个照明光学装置系统300包括一组(例如，4个)校准电路，诸如330-0，330-1，330-2，330-3。在这个变形中：在该组校准电路中的校准孔(例如，325-0，325-1等)可在与感测孔基本上相同的时间并且以基本上相同的位置精确度被形成于孔层中；在该组校准电路中的校准透镜可在与感测透镜基本上相同的时间并且以基本上相同的位置精确度被形成于透镜层中；以及在该组校准电路中的校准像素可在与感测像素基本上相同的时间并且以基本上相同的位置精确度被包含于像素层中，诸如根据以上所述的方法和技术。滤光器也可限定跨越该组校准电路和感测电路的单一结构或整体式结构，并且可如上所述组装(包括校准电路和感测电路的)孔层、透镜层、滤光器和像素层。此外，如图3A和图3B所示，在这个变形中，光学旁路可将来自照明源的光虹吸到该组校准电路中的每个校准孔。
在这个变形中，校准透镜可被定位在透镜层中，以使得当孔层被组装在透镜层上时，挑选出来的校准孔和校准透镜对可横向偏移和/或纵向偏移。因为在该组校准电路中的特定校准透镜因此在组件中被有意地偏离其配对的校准孔，该特定校准透镜可使从孔接收的光以相应的离轴角度朝滤光器通过(。在包括4个校准电路的标称组件(即其中第一校准孔和第一校准透镜轴向对准的组件)的一个示例中：如图2A和图2C所示，第一校准透镜可与第一孔轴向对准来以与滤光器法向成0°的角度朝滤光器输出光；第二校准透镜可从第二孔横向偏移第一距离以便以与滤光器法向成1°的角度朝滤光器输出光；第三校准透镜可从第三孔横向偏移大于第一距离的第二距离以便以与滤光器法向成2°的角度朝滤光器输出光；以及第四校准透镜可从第四孔横向偏移大于第二距离的第三距离以便以与滤光器法向成3°的角度朝滤光器输出光。
在这个变形中，该系统可执行用于校准光学距离传感器的方法，包括：计算由与第一校准透镜轴向对准的第一校准像素检测的光子的第一光子数，该第一校准透镜与第一校准孔轴向对准；计算由从第二校准透镜轴向偏移的第二校准像素检测的光子的第二光子数，该第二校准透镜从第二校准孔轴向偏移第一偏移距离；将第一光子数和第二光子数转换为在照明源处的目标温度变化；并且根据该目标温度变化促动耦接到照明源的温度调节器。
具体而言，如图2C所示，在操作期间，该系统可从每个校准像素读取入射光子数(或连续入射光子之间的时间等)，基于从校准像素读取的入射光子数的模式(pattern)来表征在采样周期期间校准电路的有效工作波长与照明源的中心(或主要)输出波长之间的差，而后相应地维持、增大或减小温度调节器的输出。在一个实现方式中，如果第一校准电路记录了大于由该系统中的其他校准电路记录的入射光子数的入射光子数，则该系统可确定照明源的中心输出波长与第一校准电路的有效工作波长相匹配或者大于第一校准电路的有效工作波长。如果由第一校准电路记录的入射光子数(或入射光子频率等)小于预设阈值，如果由第四校准像素记录的入射光子数小于预设阈值，或如果由第一校准像素记录的入射光子数与由第二校准像素记录的入射光子数之间的差或比率小于预先设定的阈值等，则该系统可随后确定照明源的输出波长太低，并且相应地减小温度调节器的热输出，从而减小照明源的输出波长。然而，在这个实现方式中，如果第二校准电路记录了大于由该系统中的其他校准电路(包括第一校准电路在内)记录的入射光子数的入射光子数，则该系统可确定照明源的中心输出波长小于第一校准电路的有效工作波长并且相应地以第一速率增大温度调节器的热输出，从而增大照明源的输出波长。此外，在这个实现方式中，如果第三校准电路记录了大于由该系统中的其他校准电路(包括第一校准电路和第二校准电路)记录的入射光子数的入射光子数，则该系统可确定照明源的中心输出波长再次小于第一校准电路的有效工作波长并且相应地以大于第一速率的第二速率增大温度调节器的热输出，从而更快地增大照明源的输出波长。因此在整个操作期间，该系统可基于由校准像素记录的入射光子数基本上实时地来主动地调整温度调节器的输出。
可选择地，该系统可本地存储一组光子数模板(或查找表等)，其中每个光子数模板包括在感测电路的有效工作波长与照明源的中心(或主要)输出波长之间的特定的绝对差或相对差处，对于该组校准电路的绝对或相对入射光子数值。因此该系统可实施模板匹配技术来将在采样周期期间由该组校准像素记录的一组入射光子数与该组光子数模板中的特定的光子数模板相匹配而后诸如基于与匹配的光子数模板相关联的热输出变化目标来相应地更改照明源的热输出。然而，该系统可实施任何其他的方法或技术来将在采样周期期间由该组校准电路读取的入射光子数转换为照明源的新的热输出目标。在整个操作期间，该系统可对每个采样周期(或每组连续采样周期)重复这个过程来维持照明源的中心输出波长与感测电路的有效工作波长之间的对准。
8.扩展的校准电路中的缺陷补偿
在包括实现对滤光器不同光输出角度的4个校准电路的系统的另一个示例中，透镜层可由于制造缺陷或制造限制而未与孔层对准，以致：如图2D所示，第一校准透镜从第一孔偏移第一距离并且因此以与滤光器法向成-1°的角度朝滤光器输出光；第二校准透镜与第二孔基本上轴向对准并且因此以与滤光器法向成0°的角度朝滤光器输出光；第三校准透镜从第三孔横向偏移第一距离并且因此以与滤光器法向成1°的角度朝滤光器输出光；以及第四校准透镜从第四孔横向偏移大于第一距离的第二距离并且因此以与滤光器法向成2°的角度朝滤光器输出光。在这个示例中，该系统可实施上述方法和技术来调整照明源的热输出，以便基本上最大化针对每单位时间由第一校准像素记录的入射光子数(或入射光子频率等)。如上所述，如图2D所示，如果第一校准电路和第三校准电路记录了基本相似的入射光子数，而该入射光子数也大于由第二校准电路和第四校准电路记录的入射光子数，则该系统可确定照明源的中心输出波长与第一校准电路的有效工作波长相匹配或者大于第一校准电路的有效工作波长。如果由第一校准电路记录的入射光子数(或入射光子频率等)小于预设阈值，或如果由第一校准像素记录的入射光子数与由第二校准像素记录的入射光子数之间的差(或比率)小于预设阈值等)，则该系统可随后确定照明源的输出波长太低，并且相应地减小温度调节器的热输出，从而减小照明源的输出波长。然而，在这个实现方式中，如果第四校准电路记录了大于由该系统中的其他校准电路记录的入射光子数的入射光子数，则该系统可确定照明源的中心输出波长小于第一校准电路的有效工作波长并且可相应地增大温度调节器的热输出，如图2D所示，从而增大照明源的输出波长。可选择地，该系统可实施模板匹配技术来将在采样周期期间由该组校准像素记录的入射光子数与光子数模板相匹配并且相应地更改温度调节器的热输出，如上所述。
在其中透镜层未与孔层对准的一个类似的示例中：第一校准透镜从第一孔偏移第一距离并且因此以与滤光器法向成-0.5°的角度朝滤光器输出光；第二校准透镜从第二孔偏移第一距离并且因此以与滤光器法向成0.5°的角度朝滤光器输出光；第三校准透镜从第三孔横向偏移大于第一距离的第二距离并且因此以与滤光器法向成1.5°的角度朝滤光器输出光；以及第四校准透镜从第四孔横向偏移大于第二距离的第三距离并且因此以与滤光器法向成2.5°的角度朝滤光器输出光。
在另一个示例中，该系统通过以下执行初始校准：在一个输出波长范围内扫描照明源(例如，通过在工作范围内改变照明源的温度)；在扫描期间对于照明源的各种输出波长(或在扫描期间在照明源的每个离散的温度下)在校准模板中记录针对每单元时间在一组校准像素上的入射光子数；在扫描期间对于照明源的各种输出波长记录针对每单位时间在感测像素上的入射光子数；识别针对每单位时间在感测像素上产生最高入射光子数的特定照明源波长(或温度)；并且将来自扫描的特定校准模板(对应于该特定照明源波长)设置为目标校准模板。之后，在操作期间，该系统可改变照明源的输出波长(例如，通过改变照明源的温度)来将针对每单位时间在该组校准像素上的入射光子数与该目标校准模板相匹配。
然而，校准孔和校准透镜可根据任何其他模式名义上地偏移并且由于制造缺陷、制造限制等可以任何其他方式偏移。该系统也可实施任何其他方法或技术来表征校准电路(以及因此感测电路)与照明源的有效工作波长之间的对准并且相应地更改温度调节器的热输出。
9.扩展的二维校准电路
在另一个实现方式中，该系统包括沿多个轴布置的校准电路。例如，该系统可包括：在标称系统组件中被布置在原点位置处并且被配置为以0°的角度朝滤光器通过光的第一校准电路；在标称系统组件中从第一校准电路横向偏移(例如，沿X轴偏移)并且被配置为以1°的角度朝滤光器通过光的第二校准电路；在标称系统组件中从第二校准电路横向偏移并且被配置为以2°的角度朝滤光器通过光的第三校准电路；在标称系统组件中从第一校准电路纵向偏移(例如，沿Y轴偏移)并且被配置为以1°的角度朝滤光器通过光的第四校准电路；以及在标称系统组件中从第三校准电路纵向偏移并且被配置为以2°的角度朝滤光器通过光的第五校准电路。这个校准电路的二维阵列因此可收集兼具透镜层相对于孔层横向偏移和纵向偏移症状的入射光子数据，并且该系统可基于在这5个校准像素上记录的入射光子数之间的绝对差或相对差诸如根据上述方法和技术来更改温度调节器的热输出，以便使照明源的中心输出波长与感测电路的有效工作波长对准，从而补偿透镜层相对于孔层的横向偏移和纵向偏移。
10.多个照明源
在一个变形中，该系统进一步包括多个离散的照明源。在这个变形中，每个照明源与以下配对：一个离散的块体发送光学装置；被整合到孔层、透镜层、滤光器和像素层中的校准电路(或校准电路组)；以及被插置在照明源和相应的一个(或多个)校准电路的一个(或多个)校准孔之间的光学旁路。例如，该系统可包括：在块体接收光学装置的相对纵向侧面的第一块体发送光学装置和第二块体发送光学装置；在第一块体发送光学装置后面的第一照明光学装置；以及在第二块体发送光学装置后面的第二照明光学装置。在这个示例中，每个照明源和它相应的块体发送光学装置可将一组照明光束组投射到在该系统中的相应的感测电路的视场中，从而与具有单个这样的照明源的系统相比针对感测电路的每个视场实现两倍的照明功率。
然而，在这个变形中，在该系统中的各种照明源可在操作期间呈现其输出的差异，诸如对于特定工作温度的不同的中心输出波长和/或针对工作温度的变化中心输出波长的不同变化。该系统可因此针对每个照明源包括离散的光学旁路和一个(或多个)校准电路。具体而言，在前述示例中，该系统可包括从第一照明源延伸到在孔层的第一纵向侧面上的第一校准孔的第一光学旁路；从第二照明源延伸到在孔层的第二纵向侧面上的第二校准孔的第二光学旁路，孔层的第二纵向侧面与孔层的第一侧面相对；热耦接到第一照明源的第一温度调节器；以及热耦接到第二照明源并且独立于第一温度调节器被控制的第二温度调节器。该系统可因此独立于第二照明源来实施前述方法和技术以将第一照明源的中心输出波长与其相应的校准电路的有效工作波长相匹配，以及反之亦然。
然而，在这个变形中，该系统可包括任何其他数量和配置的照明源、块体发送光学装置、光学旁路、温度调节器和校准电路，以便照明由感测电路限定的视场以及将每个照明源的输出波长与感测电路的有效工作波长相匹配。
本文描述的系统和方法可至少部分地作为被配置为接纳存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器来实现和/或实施。这些指令可由计算机可执行部件来执行，该计算机可执行部件与应用程序、小应用程序、主机、服务器、网络、网站、通信服务、通信接口、用户计算机或移动设备的硬件/固件/软件元件、腕带、智能手机或其任何适合的组合进行整合。实施例的其他系统和方法可至少部分地作为被配置为接纳存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器来实现和/或实施。这些指令可由被计算机可执行部件整合的计算机可执行部件来执行，该计算机可执行部件与上述类型的装置和网络进行整合。计算机可读介质可被存储在任何合适的计算机可读介质诸如RAM、ROM、闪速存储器、EEPROM、光学设备(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的设备上。计算机可执行部件可以是处理器，但任何合适的专用硬件设备可(选择性地或另外地)执行指令。
正如本领域技术人员将从之前的详细描述以及从附图和权利要求中所认识到的，在不背离后述权利要求所限定的本发明的范围的情况下可对本发明的实施例进行修改和变化。

Claims (26)

1.一种校准系统，包括：
限定第一校准孔的孔层；
包括基本上与所述第一校准孔轴向对准的第一校准透镜的透镜层；
与所述透镜层相邻并且与所述孔层相对的滤光器；
与所述滤光器相邻并且与所述透镜层相对的像素层，所述像素层包括基本上与所述第一校准透镜轴向对准的第一校准像素，
其中所述第一校准像素被构建用于检测照明源的光功率，所述照明源被配置为输出随参数变化的波长带的光；以及
被配置为基于由所述第一校准像素检测的光功率来更改所述照明源的所述参数的第一调节器。
2.根据权利要求1所述的校准系统，还包括感测电路，所述感测电路包括：
被限定在所述孔层中的感测孔；
基本上与所述感测孔轴向对准的感测透镜；以及
基本上与所述感测透镜对准的感测像素。
3.根据权利要求2所述的校准系统，其中所述感测电路共享与所述透镜层相邻并且与所述孔层相对的所述滤光器。
4.根据权利要求1所述的校准系统，还包括：
块体发送光学装置；以及
块体接收光学装置，
其中所述照明源在所述块体发送光学装置后面偏移。
5.根据权利要求1所述的校准系统，还包括从所述照明源延伸到所述第一校准孔的光学旁路。
6.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述第一调节器包括温度调节器，所述温度调节器被配置为基于由所述第一校准像素检测的所述光功率来更改所述照明源的温度。
7.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述第一调节器更改所述照明源的占空比。
8.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述第一调节器基于压电效应更改所述照明源的所述参数。
9.根据权利要求1所述的校准系统，还包括与所述滤光器相邻并且与所述透镜层相对的扩散器。
10.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述孔层进一步限定第二校准孔，所述透镜层包括从所述第二校准孔轴向偏移的第二校准透镜，所述像素层包括和延伸通过所述第二孔和所述第二校准透镜的射线对准的第二校准像素，以及所述第一调节器被配置为基于由所述第一校准像素和所述第二校准像素检测的光功率来更改所述照明源的所述参数。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括从所述照明源延伸到所述第一校准孔和所述第二校准孔的光学旁路。
12.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述孔层进一步限定至少包括第二校准孔、第三校准孔和第四校准孔的一个或更多个另外的校准孔，
其中所述透镜层包括至少包括第二校准透镜、第三校准透镜和第四校准透镜的一个或更多个另外的校准透镜，
其中每对校准孔和校准透镜相对于其他的校准孔和校准透镜对偏移独有的距离，以使得每个校准孔相对于其他校准孔以独有的标称角度朝所述滤光器输出光，
其中所述像素层还包括至少包括第二校准像素、第三校准像素和第四校准像素的一个或更多个另外的校准像素，所述第二校准像素和延伸通过所述第二孔和所述第二校准透镜的射线对准，所述第三校准像素和延伸通过所述第三孔和所述第三校准透镜的射线对准，所述第四校准像素和延伸通过所述第四孔的射线对准，以及
其中所述第一调节器被配置为基于由所述第一校准像素和所述另外的校准像素检测的光功率来更改所述照明源的所述参数。
13.根据权利要求12所述的校准系统，其中所述校准系统还包括从所述照明源延伸到所述校准孔的至少一个校准孔的光学旁路。
14.根据权利要求12所述的校准系统，其中所述校准系统还包括一个或更多个光学旁路以及一个或更多个另外的照明源；以及
所述一个或更多个光学旁路中的每个从所述照明源中的至少一个延伸到所述校准孔中的至少一个。
15.根据权利要求1所述的校准系统，还包括另一个照明源，其中每个照明源被配置为随所述参数变化输出不同波长带的光；以及
第二校准孔、第二校准透镜、第二校准像素和第二调节器被提供用于所述另一个照明源，其中所述第二调节器独立于所述第一调节器被控制。
16.一种校准方法，包括：
获取由与第一校准透镜轴向对准的第一校准像素检测的第一光功率，所述第一校准像素并且与第一校准孔轴向对准；
获取分别由一个或更多个另外的校准像素检测的一个或更多个另外的光功率，每个另外的校准像素从对应的校准透镜轴向偏移，所述对应的校准透镜从对应的校准孔轴向偏移独有的偏移距离；以及
基于所述第一光功率和所述另外的光功率，调整滤光器或者通过促动耦接到所述照明源的调节器来调整所述照明源，所述照明源被配置为输出随参数变化的波长带的光。
17.根据权利要求16所述的校准方法，其中所述照明源被配置为输出按照以中心波长为中心的分布的所述波长带的光，并且其中通过基于所述第一光功率和所述另外的光功率来改变所述照明源的所述温度来改变所述中心波长。
18.根据权利要求17所述的校准方法，还包括基于所述第一光功率和所述另外的光功率来确定在有效周期期间所述照明源的中心波长是否大于在采样周期期间所述照明源的中心波长，并且其中所述调节器基于所述确定来维持、减小或增大所述照明源的所述温度。
19.根据权利要求16所述的校准方法，其中所述调节器更改所述照明源的占空比，以便调整所述照明源。
20.根据权利要求16所述的校准方法，其中所述调节器基于压电效应来更改所述照明源的所述参数。
21.根据权利要求16所述的校准方法，其中基于所述第一光功率和所述另外的光功率，所述调节器被促动以维持每单位时间的峰值入射光子数。
22.根据权利要求18所述的校准方法，其中如果所述第一光功率大于所述另外的光功率之一，则确定在所述有效周期期间所述照明源的所述中心波长与在所述采样周期期间所述照明源的所述中心波长匹配或大于在所述采样周期期间所述照明源的所述中心波长。
23.根据权利要求18所述的校准方法，其中如果所述第一光功率小于第一阈值或如果所述第一光功率与所述另外的光功率之一的差小于第二阈值，则确定所述照明源的所述中心波长偏低并且所述调节器增大所述照明源的所述中心波长。
24.根据权利要求18所述的校准方法，其中如果所述另外的光功率之一大于所述第一光功率，则确定在所述有效周期期间所述照明源的所述中心波长小于在所述采样周期期间所述照明源的所述中心波长并且所述调节器减小所述照明源的所述中心波长。
25.根据权利要求16所述的校准方法，其中获取所述第一光功率包括计算光子的第一光子数，以及获取所述一个或更多个另外的光功率包括分别计算光子的一个或更多个光子数。
26.根据权利要求16所述的校准方法，还包括通过角度调整来调整所述滤光器的中心波长。
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