CN110088569A - 用于激光雷达系统的扫描设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种扫描激光雷达系统，包括：固定框架；柔性地附接至固定框架的第一平台；包括有安装在第一平台上的第一透镜和第二透镜的透镜组件；柔性地附接至固定框架的第二平台；包括有安装在第二平台上的第一激光源和第一光电检测器的光电组件；机械地联接至第一平台和第二平台的驱动机构，该驱动机构被配置以相对于所述固定框架平移第一平台和第二平台；以及联接至所述驱动机构的控制器，该控制器被配置以：通过驱动机构将第一平台平移至多个第一位置；并且通过驱动机构将第二平台平移至多个第二位置，使得第二平台的运动与第一平台的运动实质上相对。

Description

用于激光雷达系统的扫描设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为62/438,735，提交日为2016年12月23日的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
下面三个美国专利申请(包括本申请)是同时提交的，并且这些其他申请的全部内容通过引用的方式并入本申请，以用于所有目的：
申请号：15/__，提交日：2017年12月13日，题目：用于激光雷达系统的扫描设备和方法(律师卷号：101658-000510US-1066222)；
申请号：15/__，提交日：2017年12月13日，题目：用于激光雷达系统中的振动消除的系统(律师卷号：101658-000520US-1066224)；和
申请号：15/__，提交日：2017年12月13日，题目：用于激光雷达系统中的光学部件的安装设备(律师卷号：101658-000530US-1066245)。
背景技术
三维传感器可以应用到自动驾驶车辆、无人机、机器人、安保应用等领域中。扫描激光雷达传感器可以以可承受的成本获得适合于这些应用的高角度分辨率。然而，扫描激光雷达传感器很容易受到外部振动源和内部振动源的影响。例如，在应用到自动驾驶车辆中时，扫描激光雷达传感器可能会暴露到来自不平坦的道路、道路噪音和发动机噪音的外部振动中。来自扫描机构的内部噪音也会干扰扫描激光雷达的工作。因此，可能希望将用于减轻振动以及主动振动管理的系统加入到扫描激光雷达传感器中。
发明内容
根据本发明的一些实施例，一种扫描激光雷达系统，包括：固定框架；第一平台，其柔性地附接至所述固定框架；以及透镜组件。所述透镜组件包括：安装在所述第一平台上的第一透镜和第二透镜。所述第一透镜限定第一方向上的第一光轴以及限定第一焦平面。所述第二透镜限定实质上平行于所述第一光轴的第二光轴以及限定第二焦平面。所述第一平台被配置以在实质上垂直于所述第一方向的第一平面中被平移。所述扫描激光雷达系统还包括第二平台，该第二平台柔性地附接至所述固定框架并且沿着所述第一方向与所述第一平台分开。所述扫描激光雷达系统还包括光电组件，该光电组件包括安装在所述第二平台上的第一激光源和第一光电检测器。所述第二平台被配置以在实质上垂直于所述第一方向的第二平面中平移。所述第一激光源实质上设置在所述第一透镜的焦平面处并且所述第一光电检测器实质上设置在所述第二透镜的焦平面处。所述第一激光源和第一光电检测器在第二平台上彼此间隔开，以相对于彼此光学地共轭。所述扫描激光雷达系统还包括驱动机构，该驱动机构机械地联接至所述第一平台和第二平台，并且被配置以相对于所述固定框架平移所述第一平台和第二平台。所述扫描激光雷达系统还包括控制器，该控制器联接至所述驱动机构。所述控制器被配置以通过所述驱动机构在所述第一平面中将所述第一平台平移至多个第一位置；并且通过所述驱动机构在所述第二平面中将所述第二平台平移至多个第二位置，使得所述第二平台的运动与所述第一平台的运动实质上相对。每一个相应的第二位置对应于相应的第一位置。
根据本发明的一些其他实施例，一种利用扫描激光雷达系统的三维成像方法，包括：将透镜组件平移至多个第一位置。所述透镜组件包括：第一透镜，其限定第一方向上的第一光轴、以及第一焦平面；以及第二透镜，其限定实质上平行于所述第一光轴的第二光轴、以及第二焦平面。该方法还包括：将光电组件平移至多个第二位置。所述光电组件在与所述透镜组件的运动实质上相对的方向上运动。每一个相应的第二位置对应于所述透镜组件的相应的第一位置。所述光电组件可以包括：第一激光源，其实质上设置在所述第一透镜的第一焦平面处；以及第一光电检测器，其实质上设置在所述第二透镜的第二焦平面处。所述第一激光源和所述第一光电检测器可以彼此间隔开，以相对于彼此光学地共轭。该方法还可以包括：在所述多个第二位置中的每一个第二位置处，利用所述第一激光源发射激光脉冲；并且利用所述第一透镜将所述激光脉冲准直并导向一个或多个对象(object)。一部分激光脉冲可以被所述一个或多个对象反射。该方法还可以包括：利用所述第二透镜接收从所述一个或多个对象反射的所述一部分激光脉冲，并且将该一部分激光脉冲聚焦至所述第一光电检测器；利用所述第一光电检测器检测所述一部分激光脉冲；并且利用处理器确定发射所述激光脉冲与检测所述一部分激光脉冲之间的渡越时间(time of flight，TOF)。该方法还可以包括：基于确定的渡越时间创建所述一个或多个对象的三维图像。
根据本发明的一些实施例，一种扫描激光雷达系统，包括：外框架；内框架，其通过隔震支架(vibration-isolation mounts)附接至所述外框架；以及光电组件，其可移动地附接至所述内框架，并且被配置以在所述扫描激光雷达系统的扫描操作期间相对于所述内框架被平移。
根据本发明的一些其他实施例，一种扫描激光雷达系统，包括：外框架；内框架，其通过隔震支架附接至所述外框架；光电组件，其可移动地附接至所述内框架，并且被配置以在所述扫描激光雷达系统的扫描操作期间相对于所述内框架被平移；配重物，其可移动地附接至所述内框架；驱动机构，其机械地联接至所述配重物；第一传感器，其联接至所述内框架，用于测量该内框架的运动量；以及控制器，其联接至所述第一传感器和所述驱动机构。所述控制器被配置以基于由所述第一传感器测量的所述内框架的运动量、使所述配重物相对于所述内框架运动。
根据本发明的一些实施例，一种扫描激光雷达系统，包括：外框架；内框架，其通过隔震支架附接至所述外框架；光电组件，其可移动地附接至所述内框架，并且被配置以在所述扫描激光雷达系统的扫描操作期间相对于所述内框架被平移；配重物，其可移动地附接至所述内框架；驱动机构，其机械地联接至所述配重物；第一传感器，其联接至所述外框架，用于测量该外框架的运动量；以及控制器，其联接至所述第一传感器和所述驱动机构。所述控制器被配置以基于由所述第一传感器测量的所述外框架的运动量使所述配重物相对于所述外框架运动。
根据本发明的一些实施例，一种扫描激光雷达系统，包括：第一透镜，其具有第一透镜中心并且由第一光轴和第一最佳聚焦表面表征；以及第二透镜，其具有第二透镜中心并且由与所述第一光轴实质上平行的第二光轴表征。所述扫描激光雷达系统还包括：平台，其沿着所述第一光轴与所述第一透镜和第二透镜分离；以及激光源阵列，其安装在所述平台上。所述激光源阵列中的每一个激光源具有实质上设置在所述第一透镜的第一最佳聚焦表面处的发射表面并且设置在相应激光器位置处。所述扫描激光雷达系统还包括：光电检测器阵列，其安装在所述平台上。所述光电检测器阵列中的每一个光电检测器设置在与对应的激光源的相应激光器位置光学地共轭的相应光电检测器位置处。
根据本发明的一些实施例，一种扫描激光雷达系统，包括：第一透镜，其具有透镜中心并且由第一光轴和第一最佳聚焦表面表征；平台，其沿着所述第一光轴与所述第一透镜分离；以及激光源阵列，其安装在所述平台上。所述激光源阵列中的每一个激光源具有实质上设置在所述第一透镜的第一最佳聚焦表面处的发射表面并且设置在相应激光器位置处。所述扫描激光雷达系统还包括：光电检测器阵列，其安装在所述平台上。所述光电检测器阵列中的每一个光电检测器设置在与相应的激光源的相应激光器位置光学地共轭的相应光电检测器位置处。
根据本发明的一些实施例，一种扫描激光雷达系统，包括：透镜，其由透镜中心和光轴表征；平台，其沿着所述光轴与所述透镜分离；以及激光源阵列，其安装在所述平台上。所述激光源阵列中的每一个激光源设置在相应激光器位置处，并且每一个激光源的发射表面的法线实质上指向所述透镜中心。所述扫描激光雷达系统还包括：光电检测器阵列，其安装在所述平台上。所述光电检测器阵列中的每一个光电检测器设置在与对应的激光源的相应激光器位置光学地共轭的相应光电检测器位置处。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于三维成像的激光雷达传感器。
图2示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于扫描激光雷达传感器中的一个或多个激光源的和一个或多个光电检测器的挠曲机构(flexure mechanism)。
图3示出了根据本发明的一些实施例的扫描激光雷达系统的截面示意图。
图4示出了根据本发明的一些其他实施例的扫描激光雷达系统的截面示意图。
图5示出了根据本发明的一些其他实施例的扫描激光雷达系统的截面示意图。
图6为示出了根据本发明的一些实施例的利用扫描激光雷达系统进行三维成像的方法的简化的流程图。
图7示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于扫描激光雷达传感器中的振动管理的系统。
图8示意性地示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达传感器中的振动管理的系统。
图9示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于扫描激光雷达传感器中的振动管理的系统。
图10示意性地示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达传感器中的振动管理的系统。
图11示出了根据本发明的一些实施例的用于将会考虑透镜场曲率的扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图12示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图13示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图14示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图15示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图16示出了根据本发明的一些实施例的可以使用的激光源1600的截面示意图。
图17示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图18A和图18B示出了根据本发明的一些实施例的可以使用的一些示例性的激光源的截面示意图。
图19示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图20示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图21示出了根据本发明的一些其他实施例的扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。
图22示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的示意性的俯视图。
图23示出了如图22中所示的其上安装有多个激光源和多个光电检测器的平台的示意性的立体图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一些实施例的用于三维成像的激光雷达传感器100的示意图。激光雷达传感器100包括发射透镜130和接收透镜140，两者都被固定。激光雷达传感器100包括激光源110a，该激光源110a实质上设置在发射透镜130的后焦平面上。激光源110a可操作以从发射透镜130的后焦平面中的相应发射位置发射激光脉冲120。发射透镜130被配置以将激光脉冲120准直并导向设置在激光雷达传感器100前方的对象150。对于给定的激光源110a的发射位置，已准直的激光脉冲120’以对应的角度被导向对象150。
激光脉冲120的一部分122从对象150朝向接收透镜140反射。接收透镜140被配置以将从对象150反射的激光脉冲120的一部分122聚焦到接收透镜140的焦平面中的对应的检测位置上。激光雷达传感器100还包括光电检测器160a，该光电检测器160a实质上设置在接收透镜140的焦平面处。光电检测器160a被配置以在对应的检测位置处接收并检测从所述对象反射的激光脉冲120的一部分122。所述光电检测器160a的对应的检测位置与激光源110a的相应发射位置共轭。
激光脉冲120可以具有短持续时间，例如100ns脉冲宽度。激光雷达传感器100还包括处理器190，该处理器190耦合至激光源110a和光电检测器160a。处理器190被配置以确定从发射到检测的激光脉冲120的渡越时间(TOF)。由于激光脉冲120以光速行进，激光雷达传感器100与对象150之间的距离可以基于所确定的渡越时间来确定。
根据一些实施例，激光源110a可以被光栅扫描到(raster scanned to)发射透镜130的后焦平面中的多个发射位置，并且被配置以在多个发射位置处发射多个激光脉冲。在相应发射位置处发射的每一个激光脉冲通过发射透镜130进行准直并且以相应角度被导向对象150以及入射在对象150的表面上的对应点处。因此，由于激光源110a在发射透镜130的后焦平面中的一定区域内被光栅扫描，在对象150上的对应的对象区域被扫描。光电检测器160a被光栅扫描到接收透镜140的焦平面中的多个对应的检测位置。光电检测器160a的扫描与激光源110a的扫描同步执行，使得光电检测器160a与激光源110a在任意给定时间总是彼此共轭的。
通过确定在相应发射位置处的每一个激光脉冲的渡越时间，可以确定从激光雷达传感器100到对象150的表面上的每一个对应点的距离。在一些实施例中，处理器190可以与位置编码器联接，该位置编码器在每一个发射位置处检测激光源110a的位置。基于所述发射位置，可以确定已准直的激光脉冲120'的角度。基于到激光雷达传感器100的角度和距离，可以确定对象150的表面上的对应点的X-Y坐标。因此，基于从激光雷达传感器100到对象150的表面上的各个点的已测量的距离，可以构建对象150的三维图像。在一些实施例中，所述三维图像可以被表示为点云，也即对象150的表面上的点的X、Y、Z坐标的集合。
在一些实施例中，返回激光脉冲的强度被测量并且用于调整来自相同发射点的后续的激光脉冲的功率，以便避免检测器的饱和、提高眼安全性或者减少整体的能量损耗。通过改变激光脉冲的持续时间、改变施加到激光器的电压或电流或者改变存储在用于为激光器供能的电容中的电荷，可以改变激光脉冲的功率。在后面的情况中，通过改变充电时间、充电电压或者到电容器的充电电流，可以改变存储在电容中的电荷。在一些实施例中，所述强度也可以用于向图像添加其他维度。例如，所述图像可以包含X、Y和Z坐标，还可以包含反射率(或者亮度)。
基于激光源110a的扫描范围以及发射透镜130的焦距，激光雷达传感器100的角视场(angular field of view，AFOV)可以被估算为：
其中，h为沿着一定方向的激光源110a的扫描范围，f为发射透镜130的焦距。对于给定的扫描范围h，更短的焦距将产生更宽的AFOW。对于给定的焦距f，更大的扫描范围将产生更宽的AFOW。在一些实施例中，激光雷达传感器100可以包括多个激光源，所述多个激光源在发射透镜130的后焦平面处被设置为阵列，使得可以在保持每一个独立的激光雷达传感器的扫描范围相对小的同时获得更大的总AFOV。相应地，激光雷达传感器100可以包括多个光电检测器，所述多个光电检测器在接收透镜140的焦平面处被设置为阵列，每一个光电检测器与相应激光源共轭。例如，如图1所示，激光雷达传感器100可以包括第二激光源110b和第二光电检测器160b。在其他的实施例中，激光雷达传感器100可以包括四个激光源和四个光电检测器，或者八个激光源和八个光电检测器。在一个实施例中，激光雷达传感器100可以包括被布置为4×2阵列的八个激光源以及被布置为4×2阵列的八个光电检测器，使得激光雷达传感器100在水平方向上具有的AFOV可以比其在竖直方向上的AFOV更宽。根据各个实施例，激光雷达传感器100的总AFOV可以在大约5度到大约15度的范围，或者在大约15度到大约45度的范围，或者在大约45度到大约90度的范围，这取决于发射透镜的焦距、每一个激光源的扫描范围以及激光源的数量。
激光源110a可以被配置以紫外光、可见光、近红外波长范围发射激光脉冲。每一种激光脉冲的能量可以为微焦耳量级，对于KHz范围内的重复率，通常被认为是人眼安全的。对于在大于约1500nm的波长操作的激光源，由于眼睛不能聚焦在这些波长上，因此能量等级可以更高。光电检测器160a可以包括硅雪崩光电二极管、光电倍增器、PIN二极管或者其他半导体传感器。
激光雷达传感器100的角分辨率可以被有效地衍射限制，其可以被估算为：
θ＝1.22λ/D，
其中，λ为激光脉冲的波长，D为透镜孔径的直径。角分辨率也可以取决于激光源110a的发射区域的大小以及透镜130和140的像差。根据相应实施例，激光雷达传感器100的角分辨率的范围可以是从大约1mrad(毫弧度)到大约20mrad(大约0.05度至1.0度)，这取决于透镜的类型。
在一些实施例中，可以利用相对低成本的挠曲机构(如下文所描述的)来扫描激光源和光电检测器。
图2示出了根据本发明的一些实施例的挠曲机构200，该挠曲机构200可以用于扫描图1中示出的激光雷达传感器100中的一个或多个激光源110a至110d以及一个或多个光电检测器160a至160d。在该示例中，四个激光源110a至110d和四个光电检测器160a至160d被安装在同一刚性平台230上。激光源110a至110d和光电检测器160a至160d的位置被布置为使得每一个激光源110a、110b、110c或110d与对应的光电检测器160a、160b、160c或160d在空间上共轭。平台230通过包括有两个挠曲元件220a和220b的第一挠曲件(flexure)联接至第一基板210。通过利用单独的致动器(例如，如图2所示的音圈250和永磁体260)或者通过压电致动器等，挠曲元件220a和220b可以被向左或向右偏斜。在一个实施例中，第一基板210通过包括有两个挠曲元件270a和270b的第二挠曲件联接至第二基板212。通过利用单独的致动器(例如，如图2所示的音圈252和永磁体262)或者通过压电致动器(piezoelectricactuator)等，挠曲元件270a和220b可以被向前或向后偏斜。
因此，通过挠曲元件220a和220b的左右运动以及通过挠曲元件270a和270b的前后运动，激光源110a至110d和光电检测器160a至160d可以分别在发射透镜130和接收透镜140的焦平面中以二维方式被扫描。由于激光源110a至110d和光电检测器160a至160d被安装在同一刚性平台230上，只要用于发射透镜130和接收透镜140的透镜配置设计(prescription)基本相同，在它们被扫描时，每一对激光-光电检测器保持共轭的空间关系。应当理解的是，虽然在图2中作为示例示出了四个激光源110a至110d和四个光电检测器160a至160d，但是可以将更少或更多的激光源以及更少或更多的光电检测器安装在单个的平台230上。例如，根据本发明的各个实施方案的，可以将一个激光源和一个光电检测器、两个激光源或两个光电检测器、或者八个激光源和八个光电检测器安装在单个的平台230上。在一个实施例中，八个激光源可以被布置为4×2的阵列，而八个光电检测器可以被布置为4×2的阵列，所有的激光源和光电检测器均安装在同一个刚性平台230上。
在一些实施例中，第一位置编码器240可以被设置成邻近于平台230，以用于在左右方向上检测激光源110a至110d的坐标(即，X坐标)，以及第二位置编码器242可以被设置成邻近于第一基板210，以用于在前后方向上检测激光源110a至110d的坐标(即，y坐标)。第一位置编码器240和第二位置编码器242可以将激光源110a至110d的x-y坐标输入至处理器190，以用于创建对象150的三维图像。
在其他的实施例中，其他类型的挠曲机构也可以在扫描激光雷达传感器中使用。与扫描激光雷达传感器相关的其他描述被提供在申请号为15/267,558、提交日为2016年9月16日的美国专利申请中，该申请公开的公开内容以引用的方式整体并入本文，以用于所有目的。在一些实施例中，除了利用用于准直和聚焦激光脉冲的折射透镜，也可以利用反射透镜或反射镜来准直和聚焦激光脉冲。本领域普通技术人员可以意识到多种变化、替换和修改。
I、用于激光雷达系统的扫描设备和方法
扫描激光雷达(例如以上关于图1和图2所描述的那些扫描激光雷达)可能容易受到由扫描机构所引起的振动的影响。例如，在图2中示出的扫描激光雷达系统中，在左右方向上或者前后方向上平台230的向后和向前的扫描运动将会导致整个激光雷达系统的振动。这种振动将会影响激光雷达系统的性能。例如，由于这种振动，通过激光雷达系统获取的三维图像可能不稳定。因此，本发明的实施例可以在扫描激光雷达系统中采用抗平衡(counter-balance)技术来减轻振动。
图3示出了根据本发明的一些实施例的扫描激光雷达系统300的截面示意图。激光雷达系统300可以包括：固定框架310、柔性地附接至固定框架310的第一平台320，以及柔性地附接至固定框架310的第二平台350。激光雷达系统300可以还包括：附接至第一平台320的透镜组件。所述透镜组件可以包括：安装在透镜支架330中的第一透镜342和第二透镜344。第一透镜342和第二透镜344中的每一个可以包括如图3所示的单个透镜元件，或者包括多个透镜元件。第一透镜342可以限定在第一方向上(例如，Z轴的方向上)的第一光轴以及限定第一焦平面(例如，在X-Y平面中)。第二透镜344可以限定与所述第一光轴实质上平行的第二光轴以及限定第二焦平面(例如，在X-Y平面中)。在一些实施例中，第一透镜342和第二透镜344可以具有实质上相同的焦距，使得第一焦平面和第二焦平面可以实质上共面。
激光雷达系统300还包括：附接至第二平台350的光电组件。所述光电组件可以包括：安装在第二平台350上的一个或多个激光源360以及一个或多个光电检测器370。第二平台350可以为例如包括有电子电路的印刷电路板，所述电子电路用于驱动一个或多个激光源360以及一个或多个光电检测器370。第二平台350可以柔性附接至固定框架310并且被设置为在第一光轴或者第二光轴的方向上(例如，在Z轴方向上)与第一平台320分开，使得一个或多个激光源360实质上位于第一透镜342的第一焦平面处，并且一个或多个光电检测器370实质上位于第二透镜344的第二焦平面处。每一个光电检测器370可以被设置为在第二平台350上与对应的激光源360分开，以如上文所描述的那样、相对于彼此光学共轭。
在一些实施例中，第一平台320可以经由第一挠曲件322柔性附接至固定框架310，使得可以利用第一致动器382使第一平台320在第一平面(例如，X-Y平面)中平移。第二平台350可以经由第一挠曲件352柔性附接至固定框架310，使得可以利用第二致动器384使第二平台350在第二平面(例如，X-Y平面)中平移。第一致动器382和第二致动器384中的每一个可以包括音圈和磁体、压电电机等。
激光雷达系统300还可以包括联接至第一致动器382和第二致动器384的控制器390。所述控制器可以被配置以通过第一致动器382将第一平台320在第一平面中平移至多个第一位置，并且通过第二致动器384将第二平台350在第二平面中平移至多个第二位置。第二平台350中的每一个相应的第二位置可以对应于第一平台320中的相应的第一位置。在一些实施例中，第二平台350的运动可以与第一平台320的运动实质上相对，如图3中的箭头所示的那样。以这种方式，由透镜组件的运动所引起的任意振动可以将由光电组件的运动所引起的任意振动抵消到一定程度。因此，激光雷达系统300将会对外部框架施加最小的净振动。
在一些实施例中，第一平台320和第二平台350相对于彼此平移，使得透镜组件的动量与光电组件的动量实质上相互抵消。例如，第一平台320的运动量可以与透镜组件的质量成反比，以及第二平台350的运动量可以与光电组件的质量成反比。以这种方式，激光雷达系统300将会对外部框架施加可忽略的净振动。
图4示出了根据本发明的一些其他实施例的扫描激光雷达系统400的截面示意图。激光雷达系统400类似于图3中示出的激光雷达系统300，但是还可以包括：附接至固定框架310的杆410以及附接至杆410的连杆构件(linkage member)420。连杆构件420可以将第一挠曲件322和第二挠曲件352彼此机械地联接，以便于第一平台320和第二平台350之间的往复式运动(reciprocal motion)。在一些实施例中，单个致动器384可以联接至第一平台320或者第二平台350，用于通过连杆构件420既控制第一平台320的运动又控制第二平台350的运动。
连杆构件420可以被配置以促使第一平台320和第二平台350在相对方向上移动。例如，连杆构件420可以包括：在枢轴点424处附接至杆410的臂422，如图4所示。当利用致动器384通过第二挠曲件352平移第二平台350时，臂422可以绕枢轴点424转动，其随后可以使第一平台320通过第一挠曲件322相对于第二平台350的运动在相对的方向上移动。连杆构件420可以通过轴承或者挠曲附件(其可以允许枢转运动而无需增加摩擦损耗)绕枢轴点424枢转。连杆构件420的臂422也可以通过轴承或挠曲件附接至第一平台320和第二平台350。应当理解的是，在图4中虽然致动器382被示出为附接至第二平台350，但是在一些其他实施例中，致动器384可以附接至第一平台320，使得第一平台320的运动可以通过连杆构件420引起第二平台350的往复式运动。
在一些实施例中，连杆构件可以被配置以使第一平台320的运动速率与透镜组件的质量实质上成反比，并且使第二平台350的运动速率与光电组件的质量实质上成反比，使得透镜组件的动量与光电组件的动量实质上相互抵消。因此，激光雷达系统300将会对外部框架施加可忽略的净振动。例如，如图4所示，枢轴点424可以被设置为，使得从枢轴点424到附接至第一挠曲件322的臂422的一端的距离a与从枢轴点424到附接至第二挠曲件352的臂422的另一端的距离b之比可以与透镜组件的质量与光电组件的质量之比成反比。
图5示出了根据本发明的一些其他实施例的扫描激光雷达系统500的截面示意图。激光雷达系统500类似于图3中示出的激光雷达系统300，但在该例中第一平台320和第二平台350经由致动器382彼此联接。致动器382可以被配置以使第一平台320和第二平台350在相对方向上移动。例如，致动器382可以包括：附接至第一挠曲件322的音圈和第一磁体，以及附接至第二挠曲件352的第二磁体510。音圈的启动可以使第一平台320在一个方向上移动并且使第二平台350在相对的方向上移动，如图5中的箭头所示。
图6为示出了根据本发明的一些实施例的利用扫描激光雷达系统进行三维成像的方法600的简化的流程图。方法600可以包括：在602，将透镜组件平移至多个第一位置。所述透镜组件可以包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜限定第一方向上的第一光轴、以及第一焦平面，所述第二透镜限定与所述第一光轴实质上平行的第二光轴、以及第二焦平面。
方法600还可以包括：在604，将光电组件平移至多个第二位置，其中，所述光电组件在与所述透镜组件的运动方向实质上相对的方向上运动。每个相应第二位置对应于所述透镜组件的相应第一位置。所述光电组件可以包括：第一激光源和第一光电检测器，所述第一激光源实质上被设置在所述第一透镜的第一焦平面处，所述第一光电检测器实质上被设置在所述第二透镜的第二焦平面处。所述第一激光源和第一光电检测器彼此间隔开，以相对于彼此光学地共轭。
方法600还可以包括：在606，在所述多个第二位置处中的每一个第二位置处，利用所述第一激光源发射激光脉冲；以及在608，利用所述第一透镜将所述激光脉冲准直并导向一个或多个对象。一部分激光脉冲可以被所述一个或多个对象反射。方法600还包括：在610，利用所述第二透镜接收从所述一个或多个物体反射的一部分激光脉冲，并且将从所述一个或多个物体反射的一部分激光脉冲聚焦到所述第一光电检测器；在612，利用所述第一光电检测器检测所述一部分激光脉冲；并且在614，利用处理器确定发射所述激光脉冲与检测所述一部分激光脉冲之间的渡越时间。方法600还包括：在616，基于确定的渡越时间创建所述一个或多个对象的三维图像。
在一些实施例中，所述透镜组件和光电组件可以相对于彼此平移，使得透镜组件的动量与光电组件的动量相互实质上抵消。在一些实施例中，透镜组件和光电组件可以经由连杆构件而彼此机械地联接，以便于在透镜组件与光电组件之间进行往复式运动，并且通过联接至所述透镜组件或者光电组件中的一个的致动器来执行对透镜组件的平移以及对光电组件的平移。在一些其他的实施例中，所述透镜组件和光电组件可以经由致动器而彼此机械地联接，并且通过该致动器来执行对所述透镜组件的平移以及对所述光电组件的平移。
在一些实施例中，平移所述透镜组件可以包括在一个维度上光栅扫描所述透镜组件，并且平移所述光电组件可以包括在一个维度上光栅扫描所述光电组件。在一些其他的实施例中，平移所述透镜组件可以包括在两个维度上光栅扫描所述透镜组件，并且平移所述光电组件可以包括在两个维度上光栅扫描所述光电组件。
应当理解的是，图6中示出的具体步骤提供了根据本发明的实施例的利用激光雷达系统进行三维成像的特定方法。根据可替代的实施例，也可以执行步骤的其他顺序。例如，本发明的可替代的实施例可以以不同的顺序执行上述步骤。此外，图6中所示出的单独的步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以以适合于单独步骤的各种顺序来执行。另外，根据特殊的应用，可以增加额外的步骤或者移除一些步骤。本领域普通技术人员可以意识到多种变化、修改和替换。
II、用于激光雷达系统中的振动消除的系统
如上面所讨论的，扫描激光雷达系统容易受到外部振动和内部振动的影响。根据本申请的一些实施例，激光雷达系统可以使用隔震支架和主动振动管理系统，以减轻振动的影响。
图7示出了根据本发明的一些实施例的用于扫描激光雷达传感器中的振动管理的系统700的示意图。系统700可以包括外框架710和内框架720。激光雷达传感器730可以附接至内框架720。激光雷达传感器730可以包括用于扫描的运动部分。例如，激光雷达传感器730可以包括透镜组件和光电组件，与图1至图5中示出的激光雷达传感器类似，透镜组件和光电组件中的任意一个或者二者可以相对于内框架720平移。内框架720可以为激光雷达传感器的壳体。外框架710可以为车辆、无人机等设备，其中可以使用激光雷达传感器进行三维扫描。例如，在自动驾驶车辆中，外框架710可以为车辆的前保险杠，在该前保险杠上安装有激光雷达传感器730的内框架720。外框架720也可以为尺寸比内框架720更大的壳体。在一些实施例中，可以利用隔震支架742和744将内框架720附接至外框架710。隔震支架742和744可以包括橡胶减震器、弹簧或其他类型的减震器。
系统700还可以包括主动振动管理机构。在一些实施例中，系统700可以包括第一传感器752，该第一传感器752联接至内框架720，用于测量由外部振动引起的内框架720的残余运动。第一传感器752还可以用于测量由激光雷达传感器730的内部扫描机构所导致的运动和振动。第一传感器752可以被称为内传感器。第一传感器752可以包括加速度计，该加速度计可以测量沿一个轴、两个轴或三个轴(例如，沿着X轴、Y轴和/或Z轴)的运动。在一些其他的实施例中，第一传感器752可以包括位移传感器，例如编码器、电容传感器、霍尔传感器等。
系统700还可以包括：一个或多个致动器762和764，所述致动器762和764联接至内框架720，用于使内框架720相对于外框架710运动。例如，第一致动器762可以被配置以使内框架720相对于外框架710向上或向下(例如，沿着Z轴)运动，以及第二致动器764可以被配置以使内框架720相对于外框架710向前或向后(例如，沿着X轴)运动，如图7所示。类似地，第三致动器(图7未示出)可以被配置以使内框架720相对于外框架710向左或向右(例如，沿着Y轴)运动。第一致动器762和第二致动器764中的每一个可以包括音圈电机、压电电机等。
系统700还可以包括控制器790，该控制器790联接至第一传感器752、第一致动器762和第二致动器764，该控制器790可以被配置以为由外部振动或内部振动引起的内框架720的残余运动提供“反馈”补偿。例如，控制器790可以基于由第一传感器752测量的内框架720的运动量，通过第一致动器762使内框架720向上或向下(例如，沿着Z轴)平移，或者通过第二致动器764使内框架720向前或向后(例如，沿着X轴)平移。
系统700还可以包括第二传感器754，该第二传感器754联接至外框架710，用于在外框架710的振动运动由隔震支架742和744进行削弱之前，测量外框架710的振动运动。第二传感器754可以被称为外传感器。例如，当应用到自动驾驶车辆中时，由于不平坦的道路、道路噪音、发动机噪音等以及来自激光雷达系统的扫描机构的内部噪音，将产生外框架710的振动运动。第二传感器754可以包括加速度计，该加速度计可以测量沿一个轴、两个轴或三个轴(例如，沿着X轴、Y轴和/或Z轴)的运动。在一些其他的实施例中，第二传感器754可以包括位移传感器，例如编码器、电容传感器、霍尔传感器等。
在一些实施例中，控制器790还可以联接至第二传感器754并且被配置以基于由第二传感器754测量的外框架710的运动量来提供“前馈”补偿。响应于外部振动和共振的系统的建模可以用于控制前馈校正。前馈校正是积极主动的，因此与被动的反馈校正相比，前馈校正可以更快速地进行响应。
在一些情况下，内框架720的平移运动可能不足以补偿由外框架710的振动引起的大的运动。例如，当车辆撞上大坑洞时，该车辆可能在其俯仰(pitch)中具有大的摇摆运动(例如，绕Y轴的旋转)。如果不补偿，这种摇摆运动会使激光雷达向上朝向天空瞄准或者向下朝向地面瞄准，而不会朝向车辆的前方瞄准。因此，在一些实施例中，内框架720将向上或向下(和/或向左或向右)倾斜，以补偿这种外框架710的倾斜运动。例如，如果第一致动器762在隔震支架742和744之间偏离中心设置，那么内框架720可以通过第一致动器762绕Y轴向上或向下倾斜。
在一些实施例中，来自第一传感器752和/或第二传感器754的信号可以用于机械或数字的图像稳定性。如上所述，大部分的机械图像稳定性可以通过振动消除来实现。然而，由于机械振动模式的复杂性，控制器790可以将模型或经验方法应用到其反馈控制中，以便更有效地提供图像稳定性。此外，来自第一传感器752(和第二传感器754，如果可用)的信号可以被发送至激光雷达传感器730的图像处理单元。图像处理单元可以利用由第一传感器752和/或第二传感器754检测的残余误差，来对图像进行数字偏移，从而提供数字图像稳定性功能。
图8示意性地示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达传感器中的振动管理的系统800。系统800与图7中示出的系统700类似，但是系统800还可以包括第三致动器766，该第三致动器766被设置为与第一致动器762分开。控制器还可以联接至第三致动器766，并且被配置以通过由第一致动器762推动第一内框架720以及由第三致动器766拉动内框架720来补偿外框架710的俯仰运动(例如，绕Y轴旋转)，或者反之亦然。类似地，系统800还可以包括第四致动器(图8未示出)，该第四致动器被设置为与第二致动器764(例如，沿Y轴)分开，用于补偿外框架710的偏转运动(例如，绕Z轴旋转)。
根据本发明的一些其他的实施例，移动配重质量块(counter-moving mass)可以用于主动振动管理。图9示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于扫描激光雷达传感器中的振动管理的系统900。系统900可以包括配重质量块(counter-mass)910，该配重质量块910可移动地附接至内框架720。系统900还可以包括第一致动器922，该第一致动器922机械地联接至配重质量块910，用于沿着Z轴(例如，向上或向下)移动配重质量块910。第一致动器922可以包括音圈电机、压电电机等。
控制器990可以联接至第一传感器754和第一致动器922，并且被配置以基于由第一传感器754测量的内框架720的运动量来控制第一致动器922。例如，响应于第一传感器754感测内框架720的向上运动(例如，沿着Z轴正方向)，控制器990可以使配重质量块910相对于内框架720向下移动(例如，沿着Z轴负方向)，使得可以使内框架720的净移动实质上为零。在一些实施例中，配重质量块910可以优选地被设置在位于包括有激光雷达传感器730的质量块和其他附属部分的内框架720的质心附近。
在一些实施例中，系统900还可以包括第二致动器924，该第二致动器922机械地联接至配重质量块910，用于沿着X轴(例如，向前或向后)移动配重质量块910。控制器990还可以联接至第二致动器924，并且被配置，以基于由第一传感器754所测量的内框架720沿X轴的运动量而使配重质量块910沿着X轴移动，以使得内框架720沿着X轴的净运动近于零。类似地，系统900还可以包括第三致动器(图9中未示出)，用于使配重质量块910沿着Y轴运动。
在一些实施例中，控制器990还可以联接至第二传感器752(也即外传感器)，并且被配置以基于由第二传感器754所测量的外框架710的运动量，通过相应地移动配重质量块910来提供外部振动的“前馈”补偿。如上面所讨论的，前馈校正将会比反馈校正的响应更快。
在一些实施例中，可以将多于一个配重质量块部署到主动振动管理中。图10示意性地示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达传感器中的振动管理的系统1000。类似于图9示出的系统900，系统1000可以包括：第一配重质量块910、第一致动器922和第二致动器924。所述第一配重质量块910可移动地附接至内框架720，所述第一致动器922机械地联接至第一配重质量块910，用于沿着Z轴移动第一配重质量块910，所述第二致动器924机械地联接至第一配重质量块910，用于沿着X轴移动第一配重质量块910。此外，系统1000可以包括：第二配重质量块912、第三致动器936和第四致动器938。所述第二配重质量块912可移动地附接至内框架720，所述第三致动器936机械地联接至第二配重质量块912，用于沿着Z轴移动第二配重质量块912，所述第四致动器938机械地联接至第二配重质量块912，用于沿着X轴移动第二配重质量块912。系统1000将会考虑到的事实是单个致动器将不能与内框架720的质心成直线。此外，第一配重质量块910和第二配重质量块912相对于彼此的相对运动将引起内框架720的扭转运动，例如绕Y轴的转动(即俯仰运动)或者绕X轴的转动(即翻滚运动)，以补偿扭转振动。
III、用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装设备
根据本申请的一些实施例，在考虑了透镜的场曲率的配置中，可以将多个激光源和/或多个光电检测器安装在平台上。场曲率，也被称为“场的曲率”或者“匹兹伐(petzval)场曲率”，其描述了一种光学像差，在这种像差中，垂直于光轴的平坦物体不能正确聚焦在平坦图像(flat image)平面上。考虑单个元件透镜系统，其中所有平面波前都聚焦到距透镜的距离为f的点上，f为透镜的焦距。将透镜放置成到平坦图像传感器的距离为f，光轴附近的图像点可以完美聚焦，但是离轴光线可能在图像传感器前聚焦。当成像表面是球形时，这可能不是什么问题。尽管现代透镜设计(例如使用多个透镜元件的透镜设计)可以将场曲率最小化(或“展平场”)至一定程度，但依然会存在一些残余场曲率。
在存在透镜的场曲率的情况下，如果将多个激光源110a至110d安装在平的表面上(如图2所示)，则由于发射透镜130的场曲率，由位置偏离光轴的激光源发射的激光脉冲可能不会由发射透镜130完美地准直。类似地，如果将多个光电检测器160A至160D安装在如图2所示的平的表面上，由于接收透镜140的场曲率，在位置偏离光轴的光电检测器处，从物体反射的激光脉冲将无法由接收透镜140实现完美的聚焦。
图11示出了根据一些实施例的用于将会考虑透镜场曲率的扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。透镜1110可以被安装在透镜支架1120上。透镜1110的特征可以为：穿过透镜中心1114的光轴1112，以及到透镜1110的距离为f处的最佳聚焦表面1116，f为透镜1110的焦距。由于上面所讨论的场曲率，最佳聚焦表面1116可以是弯曲的，并且可以被称为透镜1110的弯曲的“焦平面”。多个激光源1130可以安装在平台1140的表面1142上，该平台1140被设置在沿着光轴1112距透镜1110距离大致为f处。在一些实施例中，平台1140的表面1142可以具有与透镜1110的最佳聚焦表面1116实质上匹配的弯曲的形状，使得多个激光源1130中的每一个激光源的发射表面1132可以大致位于透镜1110的最佳聚焦表面1116处。在该配置中通过安装多个激光源1130，即使激光源1130位置偏离光轴1112，由每一个激光源1130发射的激光脉冲也可以几乎完美地由透镜1110准直。
例如，假设透镜1110的最佳聚焦表面1116具有球形，平台1140的表面1142可以被配置以具有球形形状，使得每一个激光源1130的发射表面1132可以实质上位于透镜1110的最佳聚焦表面1116上。在透镜1110的最佳聚焦表面1116具有弧形形状(例如具有椭圆形、圆锥形或波浪形形状)而不是球形形状的情况下，平台1140的表面1142也可以为相应的形状。
类似地，图11中示出的多个激光源1130可以由多个光电检测器取代，使得多个光电检测器1130中的每一个光电检测器的检测表面1132可以实质上位于透镜1110的最佳聚焦表面1116处。在该配置中，即使激光源1130位置偏离透镜1110的光轴1112，从对象反射的激光脉冲也可以在每一个光电检测器1130的检测表面1132处由透镜1110实现接近完美的聚焦。
在一些实施例中，多个激光源和多个光电检测器可以共享同一个透镜。光电检测器可以被放置为非常邻近于它们的对应的激光器，使得一些反射光由光电检测器截获。可以设置在激光器的侧面、激光器的前面或者激光器的后面。由于激光束通常具有窄的角分布，并且仅使用透镜的中心部分，因此可以利用某些透镜像差(例如球形像差)来有利地将一些返回光从透镜的外部部分导向光电检测器，而不会过度干扰出射激光束的聚焦特性。在可替代的设计中，可以使用分束器来分离出射光束和入射光束。这会允许激光器和检测器共享透镜的共轭点，而不会在空间中发生物理重叠。
图12示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。在该例中，平台1240可以具有平坦表面1242，并且多个激光源(或光电检测器)1130可以安装在平台1240的平坦表面1242上。多个激光源1130可以具有依据它们相对于透镜1110的光轴1112的位置而变化的高度h，使得每一个相应激光源1130的发射表面1132可以实质上位于透镜1110的最佳聚焦表面1116上。例如，对于球形形状的最佳聚焦表面1116，如图12所示，与更接近光轴1112的激光源1130相比，更远离光轴1112的激光源1130将具有更高的高度，以考虑到最佳聚焦表面1116的曲率。作为示例，每一个激光源1130(或光电检测器管芯)可以被放置在相应表面支架封装中，该表面支架封装将管芯放置在封装的底部的上方的相应高度h处。相应高度h可以依据激光源1130(或者光电检测器管芯)相对于光轴1112的位置而变化。这些封装随后被焊接至印刷电路板并且被定位，使得每一个管芯被正确地设置在透镜1110的图像点处。
图13示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。在该例中，多个激光源(或光电检测器)1130可以具有实质上相同的高度h。但是平台1340可以具有带有阶梯型轮廓的表面1242，使得每一个相应激光源1130的发射表面1132可以实质上位于透镜1110的最佳聚焦表面1116上。
在一些实施例中，可以将激光源和光电检测器安装在其中也考虑了可能的透镜失真和渐晕的配置中。图14示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。类似于图11所示的安装配置，可以将多个激光源(或光电检测器)1130安装在平台1140的弯曲的表面1142上，使得每一个激光源1130的发射表面1132实质上位于透镜1110的最佳聚焦表面1116处。此外，多个激光源1130以不同的角度倾斜，使得每一个激光源1130的发射表面1132的法线可以实质上指向透镜中心1114。在该配置中，由位置偏离光轴1112的激光源1130发射的激光脉冲可以由具有最小化的失真和渐晕的透镜1110进行准直。应当理解的是，术语“透镜中心”可以代表透镜1110的光学中心。在透镜1110被表征为薄透镜的情况下，透镜中心1114可以为透镜1110的几何中心。一些复合透镜可以是部分地远心(telecentric)的，在这种情况中，垂直于激光发射或检测器表面的优选的取向将不指向透镜的几何中心，而是导向透镜的光学中心，所述透镜的光学中心将通常地以一定角度接近透镜的光轴。
在一些实施例中，可以将多个光电检测器安装在平台1140的平坦表面上。在一些其他的实施例中，可以将多个光电检测器安装在平台1140的弯曲的表面1142上，使得每一个光电检测器的检测表面可以实质上指向透镜中心1114。因此，图像射线可以实质上垂直于光电检测器的检测表面而撞击(impinge)在光电检测器上，从而获得最佳的检测效率。
图15示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。在该例中，平台1540可以具有表面1542，表面1542包括具有不同取向的多个小平面(facet)，使得每一个小平面1544的法线实质上指向透镜1110的透镜中心1114。多个激光源的中每一个激光源可以包括表面发射激光器，例如垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)，或者以一定取向安装在封装中的侧向发射激光器，使得该侧向发射激光器的光线相对于封装被垂直发射。
图16示出了根据一些实施例的可以使用的激光源1600的截面示意图。激光源1600可以包括表面发射激光芯片1610，该表面发射激光芯片1610安装在具有水平表面1622的芯片基座1620上。激光源1600可以由透明罩1604覆盖并且可以包括在芯片基座1620上的焊盘1606和1608。激光源1600可以例如为被设计用于焊接至印刷电路板表面的封装。
图17示出了根据本发明的一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。在该例中，可以将多个激光源1730安装在具有平坦表面1742的平台1740上。多个激光源1730可以具有依据每一个相应激光源1730相对于光轴1112的位置而变化的高度h以及变化的表面倾斜角，使得每一个相应激光源1730的发射表面1732的法线实质上指向透镜中心1114。
图18A和图18B示出了根据一些实施例的可以使用的一些示例性的激光源1810和1820的截面示意图。每一个激光源1810和1820可以包括表面发射激光芯片1802，该表面发射激光芯片1802表面安装在具有倾斜的表面1814或1824的芯片基座1812或1822上。表面倾斜角度α和基座高度h可以依据激光源相对于上面所讨论的光轴的位置而变化。例如，如图18A所示，位置更接近光轴1112的激光源可以具有相对更小的倾斜角α，以及如图18B所示，位置更远离光轴1112的激光源可以具有相对更大的倾斜角α。激光源1810或1820可以由透明罩1804覆盖并且可以包括在芯片基座1812或1822上的焊盘1806和1808。激光源1810或1820可以例如为被设计用于焊接至印刷电路板表面的封装。在一些其他的实施例中，也可以使用侧向发射激光器芯片，在该情况下激光器芯片可以在封装中定向，使得其光线垂直于表面1814或1824而发射。
图19示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。在该例中，可以将多个激光源1930安装在具有实质上平坦表面1942的平台1940上。多个激光源1930可以具有实质上相同的高度h，但表面倾斜角依据每一个相应激光源1930相对于透镜的光轴1112的位置而变化，使得每一个相应激光源1930的发射表面1132的法线实质上指向透镜中心1114。如图所示，每一个相应激光源1930的发射表面1932可以实质上位于透镜1110的焦平面1916处。
图20示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。在该例中，可以将多个激光源2030安装在具有实质上平坦表面1942的平台1940上。多个激光源2030中的每一个可以以相应倾斜角度倾斜，使得每一个相应激光源2030的发射表面2032的法线实质上指向透镜中心1114。如所示出的，每一个相应激光源2030的发射表面2032可以实质上位于透镜1110的焦平面1916处。
图21示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的截面示意图。激光雷达系统可以包括第一透镜2110和第二透镜2120。第一透镜2110具有透镜中心2114，并且特征为：沿着第一方向的第一光轴2112、以及第一最佳聚焦表面2116。第二透镜2120具有透镜中心2124，并且特征为：实质上平行于的第一光轴2112的第二光轴2122、以及第二最佳聚焦表面2126。
所述激光雷达系统还可以包括安装在平台2150上的多个表面发射激光源2130和多个光电检测器2140。在一些实施例中，平台2150为印刷电路板。平台2150沿着第一方向与第一透镜2110和第二透镜2120间隔开。在一些实施例中，平台2150可以具有包括有多个第一小平面2154的表面2152(实质上在垂直于纸面(即Z轴方向)的方向上延伸)。每一个表面发射激光源2130可以被安装在相应第一小平面2154上。多个第一小平面2154可以设置并定向为使得每一个相应激光源2130的发射表面2132实质上位于第一透镜2110的第一最佳聚焦表面2116处并且其法线实质上指向第一透镜2110的透镜中心2114。平台2150的表面2152还可以包括多个第二小平面2156。每一个光电检测器2140可以安装在相应第二小平面2156上。多个第二小平面2156可以被设置为使得每一个光电检测器2140的检测表面2142位于第二透镜2120的第二最佳聚焦表面2126上的与对应的激光源2130的相应位置光学共轭的相应位置处。多个第二小平面2156可以被定向为使得检测表面2142的法线可以实质上指向第二透镜2120的透镜中心2124。
图22示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光学部件的安装配置的俯视示意图。在该例中，平台2250(例如印刷电路板)可以具有在X-Y平面(即纸面的平面)中的平坦表面2252，和在Z轴方向(即垂直于纸面的方向)上延伸的边缘表面2254。图23示出了如图22中所示的其上安装有多个激光源2130和多个光电检测器2140的平台2250的示意性的立体图。多个边缘发射激光源2230中的每一个可以包括边缘发射激光源。多个激光源2230可以作为沿着弧线的阵列而被设置在平台2250的平坦表面2252上，使得每一个相应激光源2230的发射表面2232实质上位于第一透镜2110的最佳聚焦表面2116处，并且其法线实质上指向第一透镜2110的透镜中心2114。平台2250的边缘表面2254可以包括多个小平面2256。每一个光电检测器2140可以被安装在边缘表面2254的相应小平面2256上。多个小平面2256可以被设置为使得每一个相应光电检测器2140的检测表面2142位于第二透镜2120的最佳聚焦表面2126上的与对应的激光源2230的相应位置光学共轭的相应位置处。多个第二小平面2256可以被定向为使得检测表面2142的法线可以实质上指向第二透镜2120的透镜中心2124。
同样应该理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且对于本领域技术人员而言，将提示其对本发明进行各种修改或改变，并且这些修改或改变将被包括在本申请的精神和范围内和所附权利要求的范围内。

Claims (55)

1.一种扫描激光雷达系统，包括：
固定框架；
第一平台，其柔性地附接至所述固定框架；
透镜组件，其包括：安装在所述第一平台上的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜限定第一方向上的第一光轴以及限定第一焦平面，所述第二透镜限定实质上平行于所述第一光轴的第二光轴以及限定第二焦平面，其中，所述第一平台被配置以在实质上垂直于所述第一方向的第一平面中被平移；
第二平台，其柔性地附接至所述固定框架并且沿着所述第一方向与所述第一平台分开；
光电组件，其包括：安装在所述第二平台上的第一激光源和第一光电检测器，其中，所述第二平台被配置以在实质上垂直于所述第一方向的第二平面中被平移，其中所述第一激光源实质上位于所述第一透镜的焦平面处并且所述第一光电检测器实质上位于所述第二透镜的焦平面处，并且所述第一激光源和所述第一光电检测器在所述第二平台上彼此间隔开，以相对于彼此光学地共轭；
驱动机构，其机械地联接至所述第一平台和所述第二平台，并且被配置以相对于所述固定框架平移所述第一平台和所述第二平台；和
控制器，其联接至所述驱动机构，其中，所述控制器被配置以：
通过所述驱动机构在所述第一平面中将所述第一平台平移至多个第一位置；和
通过所述驱动机构在所述第二平面中将所述第二平台平移至多个第二位置，使得所述第二平台的运动与所述第一平台的运动实质上相对，每个相应第二位置对应于相应第一位置。
2.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一平台和所述第二平台相对于彼此被平移，使得所述透镜组件的动量与所述光电组件的动量实质上相互抵消。
3.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一平台通过第一挠曲件柔性地附接至所述固定框架，以及所述第二平台通过第二挠曲件柔性地附接至所述固定框架。
4.根据权利要求3所述的扫描激光雷达系统，其中，所述驱动机构包括第一致动器和第二致动器，所述第一致动器用于经由所述第一挠曲件平移所述第一平台，所述第二致动器用于经由所述第二挠曲件平移所述第二平台。
5.根据权利要求4所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一致动器和第二致动器中的每一个包括音圈电机。
6.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，还包括连杆构件，所述连杆构件联接所述第一平台和所述第二平台，以便于所述第一平台与所述第二平台之间进行往复式运动，其中，所述驱动机构包括联接至所述第一平台或者所述第二平台中的一个平台的致动器，用于使所述第一平台和所述第二平台在相对于彼此相对的方向上被平移。
7.根据权利要求6所述的扫描激光雷达系统，其中，所述透镜组件由第一质量表征并且所述光电组件由第二质量表征；以及所述连杆构件被配置使得所述第一平台的运动速率与所述第一质量实质上成反比，并且使所述第二平台的运动速率与所述第二质量实质上成反比，使得所述透镜组件的动量与所述光电组件的动量实质上相互抵消。
8.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其中，所述驱动机构包括联接在所述第一平台与所述第二平台之间的致动器，并且所述致动器被配置以使所述第一平台和所述第二平台在相对方向上移动。
9.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其中，所述光电组件还包括第二激光源和第二光电检测器，所述第二激光源和第二光电检测器被安装在所述第二平台上并且彼此间隔开，以相对于彼此光学地共轭。
10.一种利用扫描激光雷达系统进行三维成像的方法，所述方法包括：
将透镜组件平移至多个第一位置，其中，所述透镜组件包括：
第一透镜，其限定第一方向上的第一光轴以及限定第一焦平面；和
第二透镜，其限定实质上平行于所述第一光轴的第二光轴以及限定第二焦平面；
将光电组件平移至多个第二位置，其中，所述光电组件在与所述透镜组件的运动实质上相对的方向上移动，每个相应第二位置对应于所述透镜组件的相应第一位置，并且，其中所述光电组件包括：
第一激光源，其实质上被设置在所述第一透镜的第一焦平面；和
第一光电检测器，其实质上被设置在所述第二透镜的第二焦平面，所述第一激光源和所述第一光电检测器彼此间隔开，以相对于彼此光学地共轭；在所述多个第二位置中的每一个第二位置处：
利用所述第一激光源发射激光脉冲；
利用所述第一透镜将所述激光脉冲准直并导向一个或多个对象，其中，一部分激光脉冲被所述一个或多个对象反射；
利用所述第二透镜接收从所述一个或多个对象反射的所述一部分激光脉冲，并且将所述一部分激光脉冲聚焦至所述第一光电检测器；
利用所述第一光电检测器检测所述一部分激光脉冲；
利用处理器确定发射所述激光脉冲与检测所述一部分激光脉冲之间的渡越时间；和
基于确定的所述渡越时间创建所述一个或多个对象的三维图像。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述透镜组件和所述光电组件相对于彼此被平移，使得所述透镜组件的动量与所述光电组件的动量实质上相互抵消。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述透镜组件和所述光电组件经由连杆构件彼此机械地联接，以便于所述透镜组件与所述光电组件之间进行往复式运动，并且通过联接至所述透镜组件或者所述光电组件中的一个组件的致动器来执行对所述透镜组件和所述光电组件的平移。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述透镜组件和所述光电组件经由致动器彼此机械地联接，并且通过所述致动器来执行对所述透镜组件和所述光电组件的平移。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，平移所述透镜组件包括在一个维度上光栅扫描所述透镜组件，并且平移所述光电组件包括在一个维度上光栅扫描所述光电组件。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，平移所述透镜组件包括在两个维度上光栅扫描所述透镜组件，并且平移所述光电组件包括在两个维度上光栅扫描所述光电组件。
16.一种扫描激光雷达系统，包括：
外框架；
内框架，其通过隔震支架附接至所述外框架；和
光电组件，其可移动地附接至所述内框架，并且被配置以在所述扫描激光雷达系统的扫描操作期间相对于所述内框架被平移。
17.根据权利要求16所述的扫描激光雷达系统，还包括透镜组件，所述透镜组件包括附接至第一平台的第一透镜和第二透镜，其中，所述光电组件包括附接至第二平台的第一激光源和第一光电检测器，所述第二平台与所述第二平台分离，使得所述第一激光源实质上位于所述第一透镜的焦平面处，并且所述第一光电检测器实质上位于所述第二透镜的焦平面处；以及所述第一激光源和第一光电检测器在所述第二平台上彼此间隔开，以相对于彼此光学地共轭。
18.根据权利要求16所述的扫描激光雷达系统，还包括：
第一传感器，其联接至所述内框架，用于测量所述内框架的运动量；
驱动机构，其机械地联接至所述内框架，用于相对于所述外框架移动所述内框架；和
控制器，其通信地联接至所述第一传感器和所述驱动机构，所述控制器被配置以基于由所述第一传感器所测量的所述内框架的运动量、通过所述驱动机构来校正所述内框架的取向。
19.根据权利要求18所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器被配置以沿着第一轴测量所述内框架的第一运动量，以及沿着与所述第一轴实质上正交的第二轴测量所述内框架的第二运动量。
20.根据权利要求18所述的扫描激光雷达系统，还包括第二传感器，其联接至所述外框架，用于测量所述外框架的运动量，其中，所述控制器还通信地联接至所述第二传感器，并且所述控制器还被配置以基于由所述第二传感器所测量的所述外框架的运动量来校正所述内框架的取向。
21.根据权利要求20所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器和第二传感器中的每一个包括一个或多个加速度计。
22.根据权利要求20所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器和第二传感器中的每一个包括位移传感器，所述位移传感器选自编码器、电容传感器或者霍尔传感器。
23.根据权利要求16所述的扫描激光雷达系统，还包括：
第一传感器，其联接至所述外框架，用于测量所述外框架的运动量；
驱动机构，其机械地联接至所述内框架，用于相对于所述外框架移动所述内框架；和
控制器，其通信地联接至所述第一传感器和所述驱动机构，所述控制器被配置以基于由所述第一传感器所测量的所述外框架的运动量、通过所述驱动机构来校正所述内框架的取向。
24.根据权利要求23所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器被配置以沿着第一轴测量所述外框架的第一运动量，以及沿着与所述第一轴实质上正交的第二轴测量所述外框架的第二运动量。
25.根据权利要求24所述的扫描激光雷达系统，其中，所述驱动机构包括第一致动器和第二致动器，所述第一致动器用于沿着所述第一轴移动所述内框架，所述第二致动器用于沿着所述第二轴移动所述内框架，并且其中所述控制器被配置以：
基于所述外框架的所述第一运动量通过所述第一致动器使所述内框架相对于所述外框架沿着所述第一轴移动；
基于所述外框架的所述第二运动量通过所述第二致动器使所述内框架相对于所述外框架沿着所述第二轴移动。
26.一种扫描激光雷达系统，包括：
外框架；
内框架，其通过隔震支架附接至所述外框架；
光电组件，其可移动地附接至所述内框架，并且被配置以在所述扫描激光雷达系统的扫描操作期间相对于所述内框架被平移；
配重物，其可移动地附接至所述内框架；
驱动机构，其机械地联接至所述配重物；
第一传感器，其联接至所述内框架，用于测量所述内框架的运动量；和
控制器，其联接至所述第一传感器和所述驱动机构，所述控制器被配置以基于由所述第一传感器所测量的所述内框架的运动量使所述配重物相对于所述内框架运动。
27.根据权利要求26所述的扫描激光雷达系统，还包括透镜组件，所述透镜组件包括附接至第一平台的第一透镜和第二透镜，其中，所述光电组件包括附接至第二平台的第一激光源和第一光电检测器，所述第二平台与所述第二平台分离，使得所述第一激光源实质上位于所述第一透镜的焦平面处，并且所述第一光电检测器实质上位于所述第二透镜的焦平面处；以及所述第一激光源和第一光电检测器在所述第二平台上彼此间隔开，以相对于彼此光学地共轭。
28.根据权利要求26所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器被配置以，沿着第一轴测量所述内框架的第一运动量，以及沿着与所述第一轴实质上正交的第二轴测量所述内框架的第二运动量。
29.根据权利要求26所述的扫描激光雷达系统，还包括第二传感器，其联接至所述外框架，用于测量所述外框架的运动量，其中，所述控制器还通信地联接至所述第二传感器，并且所述控制器还被配置以基于由所述第二传感器所测量的所述外框架的运动量来校正所述内框架的取向。
30.根据权利要求29所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中的每一个包括一个或多个加速度计。
31.根据权利要求29所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中的每一个包括位移传感器，所述位移传感器选自编码器、电容传感器或者霍尔传感器。
32.一种扫描激光雷达系统，包括：
外框架；
内框架，其通过隔震支架附接至所述外框架；
光电组件，其可移动地附接至所述内框架，并且被配置以在所述扫描激光雷达系统的扫描操作期间相对于所述内框架被平移；
配重物，其可移动地附接至所述内框架；
驱动机构，其机械地联接至所述配重物；
第一传感器，其联接至所述外框架，用于测量所述外框架的运动量；和
控制器，其联接至所述第一传感器和所述驱动机构，所述控制器被配置以基于由所述第一传感器所测量的所述外框架的运动量使所述配重物相对于所述内框架运动。
33.根据权利要求32所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器被配置以沿着第一轴测量所述外框架的第一运动量，以及沿着与所述第一轴实质上正交的第二轴测量所述外框架的第二运动量。
34.根据权利要求32所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器包括一个或多个加速度计。
35.根据权利要求32所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第一传感器包括位移传感器，所述位移传感器选自编码器、电容传感器或者霍尔传感器。
36.一种扫描激光雷达系统，包括：
第一透镜，其具有第一透镜中心并且由第一光轴和第一最佳聚焦表面表征；
第二透镜，其具有第二透镜中心并且由与所述第一光轴实质上平行的第二光轴表征；
平台，其沿着所述第一光轴与所述第一透镜和所述第二透镜分离；
激光源阵列，其安装在所述平台上，其中，所述激光源阵列中的每一个激光源具有实质上位于所述第一透镜的第一最佳聚焦表面处的发射表面，并且设置在相应激光器位置处；和
光电检测器阵列，其安装在所述平台上，其中，所述光电检测器阵列中的每一个光电检测器设置在与对应的激光源的相应激光器位置光学地共轭的相应光电检测器位置处。
37.根据权利要求36所述的扫描激光雷达系统，其中，所述第二透镜由第二最佳聚焦表面表征，并且所述光电检测器阵列中的每一个光电检测器具有实质上位于所述第二透镜的第二最佳聚焦表面处的检测表面。
38.根据权利要求36所述的扫描激光雷达系统，其中，每一个相应激光源的发射表面的法线实质上指向所述第一透镜的所述第一透镜中心，并且每一个相应光电检测器的检测表面的法线实质上指向所述第二透镜的所述第二透镜中心。
39.根据权利要求36所述的扫描激光雷达系统，其中，所述激光源阵列中的每一个激光源包括表面发射激光源，并且所述激光源阵列被安装在所述平台的弯曲的表面上，使得每一个激光源的发射表面实质上位于所述第一透镜的所述第一最佳聚焦表面处。
40.根据权利要求36所述的扫描激光雷达系统，其中，所述激光源阵列中的每一个激光源包括边缘发射激光源，并且所述激光源阵列被安装在所述平台的平坦的表面上，使得所述每一个激光源的发射表面实质上位于所述第一透镜的所述第一最佳聚焦表面处。
41.根据权利要求40所述的扫描激光雷达系统，其中，所述光电检测器阵列被安装在所述平台的弯曲的边缘上，使得每一个光电检测器的检测表面实质上位于所述第二透镜的所述第二最佳聚焦表面处。
42.根据权利要求36所述的扫描激光雷达系统，其中，所述平台被配置以在与所述第一光轴实质上垂直的平面中被平移。
43.一种扫描激光雷达系统，包括：
第一透镜，其具有透镜中心并且由第一光轴和第一最佳聚焦表面表征；
平台，其沿着所述第一光轴与所述第一透镜分离；
激光源阵列，其安装在所述平台上，其中，所述激光源阵列中的每一个激光源具有实质上位于所述第一透镜的第一最佳聚焦表面处的发射表面，并且设置在相应激光器位置处；和
光电检测器阵列，其安装在所述平台上，其中，所述光电检测器阵列中的每一个光电检测器设置在与对应的激光源的相应激光器位置光学地共轭的相应光电检测器位置处。
44.根据权利要求43所述的扫描激光雷达系统，其中，所述平台被配置以在与所述第一光轴实质上垂直的平面中被平移。
45.根据权利要求43所述的扫描激光雷达系统，其中，每一个所述激光源的发射表面的法线实质上指向所述第一透镜的第一透镜中心。
46.根据权利要求43所述的扫描激光雷达系统，其中，所述光电检测器阵列中的每一个光电检测器具有实质上位于所述第一透镜的第一最佳聚焦表面处的检测表面。
47.根据权利要求43所述的扫描激光雷达系统，其中，每一个所述光电检测器的检测表面的法线实质上指向所述第一透镜的第一透镜中心。
48.根据权利要求43所述的扫描激光雷达系统，其中，所述激光源阵列中的每一个激光源包括表面发射激光源，并且所述激光源阵列被安装在所述平台的弯曲的表面上，使得每一个激光源的发射表面实质上位于所述第一透镜的所述第一最佳聚焦表面处。
49.根据权利要求48所述的扫描激光雷达系统，其中，所述光电检测器阵列被安装在所述平台的所述弯曲的表面上，使得每一个光电检测器的检测表面实质上位于所述第一透镜的所述第一最佳聚焦表面处。
50.一种扫描激光雷达系统，包括：
透镜，其由透镜中心和光轴表征；
平台，其沿着所述光轴与所述透镜分离；
激光源阵列，其安装在所述平台上，其中，所述激光源阵列中的每一个激光源被设置在相应激光器位置处，并且每一个激光源的发射表面的法线实质上指向所述透镜中心；和
光电检测器阵列，其安装在所述平台上，其中，所述光电检测器阵列中的每一个光电检测器被设置在与对应的激光源的相应激光器位置光学地共轭的相应光电检测器位置处。
51.根据权利要求50所述的扫描激光雷达系统，其中，所述透镜由焦平面表征，并且所述每一个激光源的发射表面实质上位于所述焦平面处。
52.根据权利要求50所述的扫描激光雷达系统，其中，每一个所述光电检测器的检测表面的法线实质上指向所述透镜中心。
53.根据权利要求50所述的扫描激光雷达系统，其中，所述透镜由最佳聚焦表面表征，并且所述每一个激光源的发射表面实质上位于所述最佳聚焦表面处。
54.根据权利要求53所述的扫描激光雷达系统，其中，每一个相应激光源包括激光器芯片，所述激光器芯片被表面安装在芯片基座的表面上，其中，所述芯片基座的表面具有倾斜角度，所述倾斜角度取决于相应激光源相对于所述透镜的所述光轴的相应位置。
55.根据权利要求54所述的扫描激光雷达系统，其中，所述芯片基座具有高度，所述高度取决于相应激光源相对于所述透镜的所述光轴的相应位置。
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