CN110612465A - 扫描反射镜系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用光束扫描视场的系统可包括：扫描反射镜装置，所述扫描反射镜装置具有反射镜和驱动机构，所述驱动机构被构造为使所述反射镜绕轴线在两个末端位置之间旋转；至少一个光源，所述至少一个光源被构造为同时地产生从不同方向指向所述反射镜的至少第一光束和第二光束。在所述反射镜旋转时，所述第一光束和所述第二光束可扫描视场。扫描反射镜装置的另一示例包括：反射镜；铰链，所述铰链附接在所述反射镜的相反两侧处；以及驱动机构，所述驱动机构被附接到所述铰链并构造为使所述铰链扭转从而对所述反射镜产生较大的扭转，其中，所述铰链设置在所述驱动机构与所述反射镜之间。

Description

扫描反射镜系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请是基于先前提交的于2017年5月10日提交的美国临时专利申请序号62/602,937的实用新型专利申请，特此根据美国法典第35条第119(e)款要求所述申请的提交日的权益并且所述申请进一步通过引用整体地并入。
技术领域
本发明总体涉及扫描反射镜系统和装置并且涉及制造和使用所述扫描反射镜系统和装置的方法。本发明还致力于用于用光束扫描视场或者确定对象在视场内的位置的系统和方法。
背景技术
可在各种应用中使用扫描反射镜。存在管理或者优化起来可能有挑战性的若干反射镜设计参数。高线路谐振频率使谐振反射镜保持小并具有相对低的谐振质量。宽扫描场(用于宽视场(FoV))常常是所希望的，但是由于常规谐振MEMS反射镜设计的固有动态特性，这通常导致较慢的扫描速度。具有高质量光学特性的反射镜表面是实现良好的束质量所希望的。均匀照射扫描覆盖范围在许多系统中是所希望的。这四个设计参数常常是在截然相反的方向上，并且在许多常规设计中，在可以限制诸如分辨率、范围和体素采集速率这样的系统性能参数的设计参数之间做出重大权衡。
附图说明
图1示出可以实现本发明的各种实施例的示例性环境的实施例；
图2图示可以被包括在诸如图1中所示的系统这样的系统中的示例性移动计算机的实施例；
图3示出可以被包括在诸如图1中所示的系统这样的系统中的示例性网络计算机的实施例；
图4A图示扫描反射镜装置或系统的实施例；
图4B图示图4A的扫描反射镜装置或系统的反射镜的旋转；
图4C图示图4A的扫描反射镜装置或系统的正弦操作；
图4D图示图4A的扫描反射镜装置或系统的相位旋转图；
图5图示在反射镜(a)0°、(b)+5°和(c)-5°的不同旋转位置处通过两个光束(其仅在从反射镜反射之后被图示)照射反射镜的扫描反射镜装置或系统的实施例；
图6图示在反射镜(a)+10°和(b)-10°的不同旋转位置处通过两个光束照射反射镜的扫描反射镜装置或系统的实施例；
图7A图示通过三个光束(其仅在由反射镜反射之前被图示)照射反射镜的扫描反射镜装置或系统的实施例；
图7B图示通过四个光束(其仅在由反射镜反射之前被图示)照射反射镜的扫描反射镜装置或系统的实施例；
图8图示用于使用图7B的扫描反射镜系统或装置来确定对象的位置的系统的实施例；
图9A图示在反射镜与铰链之间设置有驱动机构的扫描反射镜装置或系统的实施例；
图9B图示在反射镜与驱动机构之间设置有铰链的扫描反射镜装置或系统的实施例；
图10是扫描视场的方法的实施例的流程图；
图11是确定对象在视场中的位置的方法的实施例的流程图；
图12A至图12B图示利用光的漫反射在反射镜(12A)+10°和(12B)-10°的不同旋转位置处通过两个光束照射反射镜的扫描反射镜装置或系统的实施例；
图13A至图13C图示在不同的操作模式期间具有单个扫描头灯的设备的实施例；以及
图14A至图14C图示在不同的操作模式期间具有双头灯组装件的车辆的实施例。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更充分地描述各种实施例，附图形成其一部分，并且通过图示的方式来示出可以用来实践本发明的具体实施例。然而，实施例可以被以许多不同的形式具体实现，而不应该被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底且完整的，并且会将实施例的范围充分地传达给本领域的技术人员。除了别的之外，各种实施例还可以是方法、系统、介质或设备。因此，各种实施例可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例或组合软件和硬件方面的实施例的形式。因此，以下详细描述不应在限制性意义上进行。
贯穿本说明书和权利要求书，除非上下文另外清楚地规定，否则以下术语采取本文显式地关联的含义。如本文所使用的短语“在一个实施例中”不一定指代同一实施例，但是它可以。此外，如本文所使用的短语“在另一实施例中”不一定指代不同的实施例，但是它可以。因此，如下所述，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以容易地组合本发明的各种实施例。
另外，如本文所使用的，除非上下文另外清楚地规定，否则术语“或”是包括性“或”操作符，并且相当于术语“和/或”。除非上下文另外清楚地规定，否则术语“基于”不是排他性的并且允许基于未描述的附加因素。另外，贯穿本说明书，“一”、“一个”和“该”的含义包括复数引用。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
如本文所使用的，术语“光子束”、束”、“电磁束”、“图像束”或“束”指代电磁(EM)频谱内的各种频率或波长的光子或EM波的稍微局部化(在时间和空间上)束或集束(bundle)。传出光束是通过本文公开的各种实施例中的各种实施例所发射的束。传入光束是通过本文公开的各种实施例中的各种实施例所检测到的束。
如本文所使用的，术语“光源”、“光子源”或“源”指代能够发出、提供、发射或者产生EM频谱内的一个或多个波长或频率的一个或多个光子或EM波的各种设备。光或光子源可以发射一个或多个传出光束。光子源可以是激光器、发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、灯泡等。光子源可以经由原子或分子的受激发射、白炽过程或产生EM波或一个或多个光子的各种其他机制来产生光子。光子源可以提供预定频率或一系列频率的连续或脉冲传出光束。传出光束可以是相干光束。由光源发出的光子可以具有各种波长或频率。
如本文所使用的，术语“接收器”、“光子接收器”、“光子检测器”、“光检测器”、“检测器”、“光子传感器”、“光传感器”或“传感器”指代对EM频谱的一个或多个波长或频率的一个或多个光子的存在敏感的各种设备。光子检测器可以包括光子检测器阵列，诸如多个光子检测或感测像素的装置。一个或多个像素可以是对一个或多个光子的吸收敏感的光电传感器。光子检测器可以响应于一个或多个光子的吸收而产生信号。光子检测器可以包括一维(1D)像素阵列。然而，在其他实施例中，光子检测器可以包括至少二维(2D)像素阵列。像素可以包括各种光子敏感技术，诸如以下各项中的一种或多种：有源像素传感器(APS)、电荷耦合器件(CCD)、单光子雪崩检测器(SPAD)(在雪崩模式或盖革模式下操作)、互补金属氧化物半导体(CMOS)器件、硅光电倍增管(SiPM)、光伏电池、光电晶体管、颤动像素等。光子检测器可以检测一个或多个传入光束。
如本文所使用的，术语“目标”是反射或者散射入射光、EM波或光子的至少一部分的一个或多个各种2D或3D体。目标还可以被称为“对象”。例如，目标或对象可以散射或者反射通过本文公开的各种实施例中的各种实施例所发射的传出光束。在本文描述的各种实施例中，一个或多个光源可以与一个或多个接收器和/或一个或多个目标或对象处于相对运动中。类似地，一个或多个接收器可以与一个或多个光源和/或一个或多个目标或对象处于相对运动中。一个或多个目标或对象可以与一个或多个光源和/或一个或多个接收器处于相对运动中。
下文简要地描述本发明的实施例以便提供本发明的一些方面的基本理解。此简要描述不旨在作为广泛的概述。它不旨在识别关键或临界元素，或者刻划或者以其他方式缩小范围。其目的仅仅是为了以简化形式呈现一些构思作为稍后呈现的更详细描述的序言。
简而言之，各种实施例致力于一种用光束扫描视场的扫描反射镜装置。所述装置可包括：扫描反射镜装置，所述扫描反射镜装置具有反射镜和驱动机构，所述驱动机构被构造为使所述反射镜绕轴线在两个末端位置之间旋转；至少一个光源，所述至少一个光源被构造为同时地产生从不同方向指向所述反射镜的至少第一光束和第二光束。在所述反射镜旋转时，所述第一光束和所述第二光束可扫描视场。
扫描反射镜装置的另一示例包括：反射镜；铰链，所述铰链附接在所述反射镜的相反两侧处；以及驱动机构，所述驱动机构被附接到所述铰链并构造为使所述铰链扭转从而对所述反射镜产生较大的扭转，其中，所述铰链设置在所述驱动机构与所述反射镜之间。
图示的操作环境
图1示出可以实践本发明的各种示例性实施例的示例性环境的一个实施例的示例性组件。实践本发明可能并不需要所有组件，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以做出组件的布置和类型方面的变化。
扫描反射镜105可旋转或者以其他方式移动以遍及视场扫描从光源接收的光。扫描反射镜105可以是任何适合的扫描反射镜，包括但不限于MEMS扫描反射镜、声光、电光扫描反射镜或快速相控阵列，诸如1D带MEMS阵列或光学相控阵列(OPA)。扫描反射镜105还可以包括光学系统，所述光学系统包括用于引导或者聚焦传入或传出光束的光学组件。该光学系统可以瞄准并使传入或传出光束的空间和时间束剖面成形。该光学系统可以准直、扇出或者以其他方式操纵传入或传出光束。扫描反射镜105可以包括计算机设备(包括但不限于图2的移动计算机200和/或图3的网络计算机300)的特征、组件或功能性中的各种特征、组件或功能性。
图1图示包括扫描反射镜105的系统100的一个实施例。应理解的是，扫描反射镜可被用在各种其他系统中，所述各种其他系统包括但不限于扫描激光视觉、运动跟踪LIDAR、照射以及用于AR和VR的成像型显示系统，诸如以下各专利文件中所描述的：美国专利号8,282,222；8,430,512；8,573,783；8,696,141；8,711,370；8,971,568；9,377,553；9,501,175；9,581,883；9,753,126；9,810,913；9,813,673；9,946,076；美国专利申请公开号2013/0300637和2016/0041266；美国临时专利申请序号62/498,534；62/606,879；62/707,194；以及62/709,715和美国专利申请序号15/853,783。上面列举的这些美国专利和美国专利申请公开中的每一个均通过引用整体地并入本文。
图1的系统100还包括网络102、一个或多个光源104、接收器106、一个或多个对象或目标108和系统计算机设备110。在一些实施例中，系统100可以包括一个或多个其他计算机，诸如但不限于膝上型计算机112和/或移动计算机，诸如但不限于智能电话或平板114。在一些实施例中，光源104和/或接收器106可以包括包含在计算机中的一个或多个组件，所述计算机诸如但不限于计算机110、112或114中的各个。一个或多个光源104、扫描反射镜105和接收器106可通过任何无线或有线技术直接地耦合到计算机110、112或114或者可以通过网络102耦合到计算机110、112或114。
系统100以及本文讨论的其他系统可以是顺序像素光子投影系统。在一个或多个实施例中系统100是包括可见和/或非可见光子源的顺序像素激光投影系统。这样的系统的各种实施例在至少以下各项中进行了详细的描述：美国专利号8,282/222；8,430,512；8,573,783；8,696,141；8,711,370；9,377,553；9,753,126；9,946,076；美国专利申请公开号2013/0300637和2016/0041266；美国临时专利申请序号62/498,534和62/606,879；以及美国专利申请序号15/853,783，其中的每一者的全部内容通过引用被并入本文。
光源104可以包括用于发射光或光子束的一个或多个光源。适合的光源的示例包括激光器、激光二极管、发光二极管、有机发光二极管等。例如，光源104可以包括一个或多个可见和/或非可见激光源。在至少一些实施例中，光源104包括红色(R)激光源、绿色(G)激光源或蓝色(B)激光源中的一者或多者。在至少一些实施例中，光源包括一个或多个非可见激光源，诸如近红外(NIR)或红外(IR)激光器。光源可以提供预定频率或一系列频率的连续或脉冲光束。所提供的光束可以是相干光束。光源104可以包括计算机设备的特征、组件或功能性中的各种特征、组件或功能性，所述计算机设备包括但不限于图2的移动计算机200和/或图3的网络计算机300。在至少一些实施例中，存在指向扫描反射镜105的两个或更多个光束。光束可以来自不同的光源104，如图1中所图示的，或者来自相同的光源104，其中来自光源的束已使用例如分束装置被分成两个不同的束。例如，分束装置可包括分束器以及用于重定向这些光束中的至少一个的一个或多个反射镜或其他光学元件。作为另一示例，反射偏振器可用反射镜或其他光学元件将束分成两个部分以重定向这些光束中的至少一个。
光源104还可以包括光学系统，所述光学系统包括用于引导或者聚焦所发射的或传出光束的光学组件。该光学系统可以瞄准并使传出光束的空间和时间束剖面成形。该光学系统可以准直、扇出或者以其他方式操纵传出光束。传出光束的至少一部分被瞄准扫描反射镜105，所述扫描反射镜105将光束瞄准对象108。
接收器106可以是任何适合的光接收器，包括但不限于一个或多个光子敏感或检测光子的传感器像素阵列。传感器像素阵列检测从目标108反射的连续或脉冲光束。像素阵列可以是一维阵列或二维阵列。像素可以包括在一个或几个传入光子照射时发生雪崩的SPAD像素或其他光敏元件。像素在检测大约几纳秒的单个或几个光子时可以具有超快响应时间。像素可能对由光源104发出或者发射的频率敏感并且对其他频率相对不敏感。接收器106还可包括光学系统，所述光学系统包括用于跨越像素阵列引导和聚焦所接收到的束的光学组件。接收器106可以包括计算机设备的特征、组件或功能性中的各种特征、组件或功能性，所述计算机设备包括但不限于图2的移动计算机200和/或图3的网络计算机300。
在下面结合图2至图3更详细地描述计算机设备110的各种实施例(例如，计算机设备110可以是图2的移动计算机200和/或图3的网络计算机300的实施例)。然而，简要地，计算机设备110实际上包括被实现来操作扫描反射镜装置或者基于对从一个或多个表面(包括但不限于对象或目标108的表面)反射的光子的检测来执行本文讨论的各种位置确定过程和/或方法的各种计算机设备。基于所检测到的光子或光束，计算机设备110可以更改或者以其他方式修改光源104和接收器106的一个或多个构造。应该理解的是，计算机设备110的功能性可以由光源104、扫描反射镜105、接收器106或其组合执行，而不用与单独的设备进行通信。
在一些实施例中，扫描反射镜操作或位置确定功能性中的至少一些可以由其他计算机执行，所述其他计算机包括但不限于膝上型计算机112和/或移动计算机，诸如但不限于智能电话或平板114。在下面结合图2的移动计算机200和/或图3的网络计算机300更详细地描述这样的计算机的各种实施例。
网络102可以被构造为将网络计算机与其他计算设备耦合，所述其他计算设备包括光源104、光子接收器106、跟踪计算机设备110、膝上型计算机112或智能电话/平板114。网络102可以包括用于与远程设备进行通信的各种有线和/或无线技术，诸如但不限于USB电缆、 等。在一些实施例中，网络102可以是被构造为将网络计算机与其他计算设备耦合的网络。在各种实施例中，在设备之间传递的信息可以包括各种种类的信息，包括但不限于处理器可读指令、远程请求、服务器响应、程序模块、应用、原始数据、控制数据、系统信息(例如，日志文件)、视频数据、语音数据、图像数据、文本数据、结构化/非结构化数据等。在一些实施例中，可以使用一种或多种技术和/或网络协议来在设备之间传递此信息。
在一些实施例中，这样的网络可以包括各种有线网络、无线网络或其各种组合。在各种实施例中，可以使得网络102能够采用各种形式的通信技术、拓扑、计算机可读介质等，以用于将信息从一个电子设备传递到另一电子设备。例如，网络102除了包括因特网之外还可包括LAN、WAN、个域网(PAN)、校园区域网、城域网(MAN)、直接通信连接(诸如通过通用串行总线(USB)端口)等或其各种组合。
在各种实施例中，在网络内和/或在网络之间的通信链路可以包括但不限于双绞线对、光纤、空中激光、同轴电缆、普通老式电话服务(POTS)、波导、声学、全部或部分专用数字线路(诸如T1、T2、T3或T4)、电子载波、综合服务数字网(ISDN)、数字订户线路(DSL)、无线链路(包括卫星链路)或其他链路和/或为本领域的技术人员已知的载波机制。此外，通信链路可以进一步采用各种数字信令技术中的各种技术，包括但不限于例如DS-0、DS-1、DS-2、DS-3、DS-4、OC-3、OC-12、OC-48等。在一些实施例中，路由器(或其他中间网络设备)可以作为各种网络之间的链路—包括基于不同的架构和/或协议的那些链路—以使得能够将信息从一个网络转移到另一网络。在其他实施例中，远程计算机和/或其他相关电子设备能经由调制解调器和临时电话链路连接到网络。实质上，网络102可以包括信息可以用来在计算设备之间行进的各种通信技术。
在一些实施例中，网络102可以包括各种无线网络，其可以被构造为耦合各种便携式网络设备、远程计算机、有线网络、其他无线网络等。无线网络可以包括各种子网络中的各种子网络，所述各种子网络可以进一步覆盖独立自组织网络等，以为至少客户端计算机(例如，膝上型计算机112或智能电话或平板计算机114)(或其他移动设备)提供面向基础设施的连接。这样的子网络可以包括网状网络、无线LAN(WLAN)网络、蜂窝网络等。在各种实施例中的一个或多个中，系统可以包括多于一个无线网络。
网络102可以采用多种有线和/或无线通信协议和/或技术。可以由网络采用的各代(例如，第三代(3G)、第四代(4G)或第五代(5G))通信协议和/或技术的示例可以包括但不限于全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线电服务(GPRS)、增强型数据GSM环境(EDGE)、码分多址(CDMA)、宽带码分多址(W-CDMA)、码分多址2000(CDMA2000)、高速下行链路分组接入(HSDPA)、长期演进(LTE)、通用移动电信系统(UMTS)、演进数据优化(Ev-DO)、全球微波接入互操作性(WiMax)、时分多址(TDMA)、正交频分复用(OFDM)、超宽带(UWB)、无线应用协议(WAP)、用户数据报协议(UDP)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)、开放系统互连(OSI)模型协议的各个部分、会话发起协议/实时传输协议(SIP/RTP)、短消息服务(SMS)、多媒体消息传送服务(MMS)，或各种其他通信协议和/或技术中的各种通信协议和/或技术。本质上，网络可以包括信息可以用来在光源104、光子接收器106和跟踪计算机设备110以及未图示的其他计算设备之间行进的通信技术。
在各种实施例中，可以将网络102的至少一部分布置为可以通过各种通信链路来连接的节点、链路、路径、终端、网关、路由器、交换机、防火墙、负载均衡器、转发器、重发器、光电转换器等的自主系统。这些自主系统可以被构造为基于当前操作条件和/或基于规则的策略自我组织，使得可以修改网络的网络拓扑。
说明性移动计算机
图2示出可以包括比所示的那些示例性组件更多或更少的组件的示例性移动计算机200的一个实施例。移动计算机200可以表示例如图1的系统100的膝上型计算机112、智能电话/平板114和/或计算机110的一个或多个实施例。因此，移动计算机200可以包括移动设备(例如，智能电话或平板)、固定/台式计算机等。
客户端计算机200可以包括经由总线206与存储器204通信的处理器202。客户端计算机200还可以包括电源208、网络接口210、处理器可读固定存储设备212、处理器可读可移动存储设备214、输入/输出接口216、(一个或多个)相机218、视频接口220、触摸接口222、硬件安全模块(HSM)224、投影器226、显示器228、键区230、照射器232、音频接口234、全球定位系统(GPS)收发器236、空中手势接口238、温度接口240、触觉接口242和指点设备接口244。客户端计算机200可以可选地与基站(未示出)进行通信，或者直接与另一计算机进行通信。并且在一个实施例中，尽管未示出，然而可以在客户端计算机200内采用陀螺仪以用于测量和/或维持客户端计算机200的定向。
电源208可以向客户端计算机200提供电力。可以使用可再充电或非可再充电电池来提供电力。电力还可以由外部电源提供，所述外部电源诸如AC适配器或对电池进行补充和/或再充电的电动对接支架。
网络接口210包括用于将客户端计算机200耦合到一个或多个网络的电路，并且被构造用于与一种或多种通信协议和技术一起使用，所述一种或多种通信协议和技术包括但不限于实现用于移动通信(GSM)的OSI模型的各个部分的协议和技术、CDMA、时分多址(TDMA)、UDP、TCP/IP、SMS、MMS、GPRS、WAP、UWB、WiMax、SIP/RTP、GPRS、EDGE、WCDMA、LTE、UMTS、OFDM、CDMA2000、EV-DO、HSDPA，或各种其他无线通信协议中的各种无线通信协议。网络接口210有时被称为收发器、收发设备或网络接口卡(NIC)。
音频接口234可以被布置为产生和接收诸如人类语音的声音这样的音频信号。例如，音频接口234可以耦合到扬声器和麦克风(未示出)以使得能实现与其他人的远程通信并且/或者为某个动作产生音频确认。音频接口234中的麦克风还可被用于向客户端计算机200输入或者控制客户端计算机200，例如使用语音识别、基于声音检测触摸等。
显示器228可以是液晶显示器(LCD)、气体等离子体、电子墨水、发光二极管(LED)、有机LED(OLED)或可与计算机一起使用的各种其他类型的光反射或光透射显示器。显示器228还可以包括被布置为接收来自诸如触针这样的对象的输入或来自人手的数字的触摸接口222，并且可以使用电阻式、电容式、表面声波(SAW)、红外、雷达或其他技术来感测触摸和/或手势。
投影器226可以是能够将图像投影在远程墙壁或诸如远程屏幕这样的各种其他反射对象上的远程手持投影器或集成投影器。
视频接口220可以被布置为捕获视频图像，诸如静止照片、视频分段、红外视频等。例如，视频接口220可以耦合到数码视频相机、web相机等。视频接口220可以包括透镜、图像传感器和其他电子装置。图像传感器可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路、电荷耦合器件(CCD)，或用于感测光的各种其他集成电路。
键区230可以包括被布置为接收来自用户的输入的各种输入设备。例如，键区230可以包括按钮数字拨号盘或键盘。键区230还可以包括与选择和发送图像相关联的命令按钮。
照射器232可以提供状态指示并且/或者提供光。照射器232可以在具体时间段内或者响应于事件消息而保持活动。例如，如果照射器232是活动的，则它可以从背后照亮键区230上的按钮并且在客户计算机被供电的同时保持打开。另外，如果执行特定动作，诸如拨号另一客户端计算机，则照射器232可以按照各种图案从背后照亮这些按钮。照射器232还可以使定位在客户端计算机的透明或半透明壳体内的光源响应于动作而照亮。
进一步地，客户端计算机200还可以包括用于提供附加防篡改安全措施以便产生、存储和/或使用诸如密钥、数字证书、密码、密码短语、双因素认证信息等这样的安全/密码信息的HSM 224。在一些实施例中，硬件安全模块可以被采用来支持一个或多个标准公钥基础设施(PKI)，并且可以被采用来产生、管理和/或存储密钥对等。在一些实施例中，HSM 224可以是独立计算机，在其他情况下，可以将HSM 224布置为可以被添加到客户端计算机的硬件卡。
客户端计算机200还可以包括用于与诸如其他客户端计算机和网络计算机这样的外部外围设备或其他计算机进行通信的输入/输出接口216。外围设备可以包括音频头戴式设备、虚拟现实头戴式设备、显示屏眼镜、远程扬声器系统、远程扬声器和麦克风系统等。输入/输出接口216可利用一种或多种技术，诸如通用串行总线(USB)、红外、Wi-FiTM、WiMax、BluetoothTM等。
输入/输出接口216还可以包括一个或多个传感器以用于确定地理定位信息(例如，GPS)、监测电力状况(例如，电压传感器、电流传感器、频率传感器等)、监测天气(例如，恒温器、气压计、风速计、湿度检测器、降水量表等)等。传感器可以是收集和/或测量在客户端计算机200外部的数据的一个或多个硬件传感器。
触觉接口242可以被布置为向客户端计算机的用户提供触觉反馈。例如，如果计算机的另一用户正在呼叫，则可以采用触觉接口242来使客户端计算机200以特定方式振动。温度接口240可以用于向客户端计算机200的用户提供温度测量输入和/或温度改变输出。例如，通过使用单个或立体视频相机、雷达、由用户握持或者穿戴的计算机内部的陀螺仪传感器等，空中手势接口238可以感测客户端计算机200的用户的物理手势。相机218可以用于跟踪客户端计算机200的用户的物理眼睛移动。
GPS收发器236可确定客户端计算机200在地球的表面上的物理坐标，所述GPS收发器236通常输出定位作为纬度和经度值。GPS收发器236还可采用其他地理定位机制，包括但不限于三角测量、辅助GPS(AGPS)、增强型观察时间差(E-OTD)、小区标识符(CI)、服务区域标识符(SAI)、增强型定时提前(ETA)、基站子系统(BSS)等，以进一步确定客户计算机200在地球的表面上的物理定位。应理解的是在不同的条件下，GPS收发器236可确定客户端计算机200的物理定位。然而，在一个或多个实施例中，客户端计算机200可以通过其他组件来提供可以被采用来确定客户端计算机的物理定位的其他信息，包括例如介质访问控制(MAC)地址、IP地址等。
人类接口组件可以是物理上与客户端计算机200分离的外围设备，从而允许远程输入和/或输出到客户端计算机200。例如，像这里描述的那样通过诸如显示器228或键区230这样的人类接口组件所路由的信息可替代地通过网络接口210被路由到远程定位的适当的人类接口组件。可以为远程的人类接口外围组件的示例包括但不限于音频设备、指点设备、键区、显示器、相机、投影器等。这些外围组件可以通过诸如BluetoothTM、ZigbeeTM等这样的微微网络进行通信。具有这样的外围人类接口组件的客户端计算机的一个非限制性示例是可穿戴计算机，其可能包括远程微型投影器以及一个或多个相机，所述一个或多个相机与单独地定位的客户端计算机进行远程通信，以感测用户朝向由微型投影器投影到诸如墙壁或用户的手这样的反射表面上的图像的各部分的手势。
存储器204可以包括RAM、ROM和/或其他类型的存储器。存储器204图示用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据这样的信息的计算机可读存储介质(设备)的示例。存储器204可以存储用于控制客户端计算机200的低级操作的BIOS 246。存储器还可以存储用于控制客户端计算机200的操作的操作系统248。应领会的是，此组件可以包括诸如UNIX或LINUXTM的版本这样的通用操作系统，或诸如Windows PhoneTM或操作系统这样的专用客户端计算机通信操作系统。操作系统可以包括使得能够经由Java应用程序控制硬件组件和/或操作系统操作的Java虚拟机模块，或者与该Java虚拟机模块相接口。
存储器204还可以包括一个或多个数据存储装置250，其可由客户端计算机200利用来除了别的之外还存储应用252和/或其他数据。例如，还可以采用数据存储装置250来存储描述客户端计算机200的各种能力的信息。在各种实施例中的一个或多个中，数据存储装置250可以存储位置信息251。然后可以基于各种方法中的各种方法将信息251提供给另一设备或计算机，包括在通信期间作为报头的一部分被发送、被应请求而发送等。还可以采用数据存储装置250来存储包括地址簿、好友列表、别名、用户简档信息等的社交联网信息。数据存储装置250还可以包括程序代码、数据、算法等，以供由处理器(诸如处理器202)使用来实行和执行动作。在一个实施例中，数据存储装置250的至少一些还可能被存储在客户端计算机200的另一组件上，所述另一组件包括但不限于非暂时性处理器可读固定存储设备212、处理器可读可移动存储设备214，或者甚至在客户端计算机外部。
应用252可以包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令如果由客户端计算机200执行，则发送、接收和/或以其他方式处理指令和数据。应用252可以包括例如扫描反射镜客户端引擎253、位置确定客户端引擎254、其他客户端引擎256、web浏览器258等。客户端计算机可以被布置为与应用服务器、网络文件系统应用和/或存储管理应用交换通信，诸如查询、搜索、消息、通知消息、事件消息、警报、性能度量、日志数据、API调用等、其组合。
Web浏览器引擎226可以被构造为接收和发送web页面、基于web的消息、图形、文本、多媒体等。客户端计算机的浏览器引擎226可以实际上采用各种编程语言，包括无线应用协议消息(WAP)等。在一个或多个实施例中，浏览器引擎258被实现来采用手持设备标记语言(HDML)、无线标记语言(WML)、WMLScript、JavaScript、标准广义标记语言(SGML)、超文本标记语言(HTML)、可扩展标记语言(XML)、HTML5等。
应用程序的其他示例包括日历、搜索程序、电子邮件客户端应用、IM应用、SMS应用、基于IP的语音传输(VOIP)应用、联系人管理器、任务管理器、转码器、数据库程序、字处理程序、安全应用、电子表格程序、游戏、搜索程序等。
附加地，在一个或多个实施例(图中未示出)中，客户端计算机200可以包括嵌入式逻辑硬件设备代替CPU，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)等或其组合。嵌入式逻辑硬件设备可以直接执行其嵌入式逻辑以执行动作。另外，在一个或多个实施例(图中未示出)中，客户端计算机200可以包括硬件微控制器代替CPU。在一个或多个实施例中，微控制器可以直接执行它自己的嵌入式逻辑以执行动作并且访问它自己的内部存储器以及它自己的外部输入和输出接口(例如，硬件引脚和/或无线收发器)以执行动作，诸如片上系统(SOC)等。
说明性网络计算机
图3示出可以被包括在实现各种实施例中的一个或多个的示例性系统中的示例性网络计算机300的一个实施例。网络计算机300可以包括比图3中所示的那些组件更多或更少的组件。然而，所示组件足以公开用于实践这些创新的说明性实施例。网络计算机300可以包括台式计算机、膝上型计算机、服务器计算机、客户端计算机等。网络计算机300可以表示例如图1的系统100的膝上型计算机112、智能电话/平板114和/或计算机110中的一个或多个的一个实施例。
如图3中所示，网络计算机300包括可以经由总线306与存储器304通信的处理器302。在一些实施例中，处理器302可以包括一个或多个硬件处理器或一个或多个处理器核心。在一些情况下，一个或多个处理器中的一个或多个可以是被设计来执行一个或多个专门动作(诸如本文描述的那些动作)的专门处理器。网络计算机300还包括电源308、网络接口310、处理器可读固定存储设备312、处理器可读可移动存储设备314、输入/输出接口316、GPS收发器318、显示器320、键盘322、音频接口324、指点设备接口326和HSM 328。电源308向网络计算机300提供电力。
网络接口310包括用于将网络计算机300耦合到一个或多个网络的电路，并且被构造用于与一种或多种通信协议和技术一起使用，所述一种或多种通信协议和技术包括但不限于实现开放系统互连模型(OSI模型)的各个部分的协议和技术、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、用户数据报协议(UDP)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)、短消息服务(SMS)、多媒体消息传送服务(MMS)、通用分组无线电服务(GPRS)、WAP、超宽带(UWB)、IEEE 802.16全球微波接入互操作性(WiMax)、会话发起协议/实时传输协议(SIP/RTP)，或各种其他有线和无线通信协议中的各种有线和无线通信协议。网络接口310有时被称为收发器、收发设备或网络接口卡(NIC)。网络计算机300可以可选地与基站(未示出)进行通信，或者直接与另一计算机进行通信。
音频接口324被布置为产生和接收诸如人类语音的声音这样的音频信号。例如，音频接口324可以耦合到扬声器和麦克风(未示出)以使得能实现与其他人的远程通信并且/或者为某个动作产生音频确认。音频接口324中的麦克风还可被用于向网络计算机300输入或者控制网络计算机300，例如，使用语音识别。
显示器320可以是液晶显示器(LCD)、气体等离子体、电子墨水、发光二极管(LED)、有机LED(OLED)或可与计算机一起使用的各种其他类型的光反射或光透射显示器。显示器320可以是能够将图像投影在墙壁或其他对象上的手持投影器或微型投影器。
网络计算机300还可以包括用于与图3中未示出的外部设备或计算机进行通信的输入/输出接口316。输入/输出接口316可利用一种或多种有线或无线通信技术，诸如USBTM、FirewireTM、Wi-FiTM、WiMax、ThunderboltTM、红外、BluetoothTM、ZigbeeTM、串行端口、并行端口等。
另外，输入/输出接口316还可以包括一个或多个传感器以用于确定地理定位信息(例如，GPS)、监测电力状况(例如，电压传感器、电流传感器、频率传感器等)、监测天气(例如，恒温器、气压计、风速计、湿度检测器、降水量表等)等。传感器可以是收集和/或测量在网络计算机300外部的数据的一个或多个硬件传感器。人类接口组件可物理上与网络计算机300分离，从而允许用于远程输入和/或输出到网络计算机300。例如。像这里描述的那样通过诸如显示器320或键盘322这样的人类接口组件所路由的信息可替代地通过网络接口310被路由到位于网络上别处的适当的人类接口组件。人类接口组件包括允许计算机从计算机的人类用户取得输入或者向计算机的人类用户发送输出的各种组件。因此，诸如鼠标、触针、跟踪球等这样的指点设备可以通过指点设备接口326来通信以接收用户输入。
GPS收发器318可确定网络计算机300在地球的表面上的物理坐标，所述GPS收发器318通常输出定位作为纬度和经度值。GPS收发器318还可采用其他地理定位机制，包括但不限于三角测量、辅助GPS(AGPS)、增强型观察时间差(E-OTD)、小区标识符(CI)、服务区域标识符(SAI)、增强型定时提前(ETA)、基站子系统(BSS)等，以进一步确定网络计算机300在地球的表面上的物理定位。应理解的是在不同的条件下，GPS收发器318可确定网络计算机300的物理定位。然而，在一个或多个实施例中，网络计算机300可以通过其他组件来提供可以被采用来确定客户端计算机的物理定位的其他信息，包括例如介质访问控制(MAC)地址、IP地址等。
存储器304可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或其他类型的存储器。存储器304图示用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据这样的信息的计算机可读存储介质(设备)的示例。存储器304存储用于控制网络计算机300的低级操作的基本输入/输出系统(BIOS)330。存储器还存储用于控制网络计算机300的操作的操作系统332。应领会的是，此组件可以包括诸如UNIX或LINUXTM的版本这样的通用操作系统，或诸如微软公司的操作系统或苹果公司的操作系统这样的专用操作系统。操作系统可以包括使得能够经由Java应用程序控制硬件组件和/或操作系统操作的Java虚拟机模块，或者与该Java虚拟机模块相接口。同样地，可以包括其他运行时环境。
存储器304还可以包括一个或多个数据存储装置334，其可由网络计算机300利用来除了别的之外还存储应用336和/或其他数据。例如，还可以采用数据存储装置334来存储描述网络计算机300的各种能力的信息。在各种实施例中的一个或多个中，数据存储装置334可以存储位置信息335。然后可以基于各种方法中的各种方法将位置信息335提供给另一设备或计算机，包括在通信期间作为报头的一部分被发送、被应请求而发送等。还可以采用数据存储装置334来存储包括地址簿、好友列表、别名、用户简档信息等的社交联网信息。数据存储装置334还可以包括程序代码、数据、算法等，以供由一个或多个处理器(诸如处理器302)使用来实行和执行诸如在下面描述的那些动作这样的动作。在一个实施例中，数据存储装置334的至少一些还可能被存储在网络计算机300的另一组件上，所述另一组件包括但不限于非暂时性处理器可读固定存储设备312内部的非暂时性介质、处理器可读可移动存储设备314，或在网络计算机300内或者甚至在网络计算机300外部的各种其他计算机可读存储设备。
应用336可以包括计算机可执行指令，其如果由网络计算机300执行，则发送、接收和/或以其他方式处理消息(例如，SMS、多媒体消息传送服务(MMS)、即时消息(IM)、电子邮件和/或其他消息)、音频、视频，并且使得能实现与另一移动计算机的另一用户的远程通信。应用程序的其他示例包括日历、搜索程序、电子邮件客户端应用、IM应用、SMS应用、基于IP的语音传输(VOIP)应用、联系人管理器、任务管理器、转码器、数据库程序、字处理程序、安全应用、电子表格程序、游戏、搜索程序等。应用336可以包括执行在下面进一步描述的动作的扫描反射镜引擎344或位置确定引擎346。在各种实施例中的一个或多个中，可以将一个或多个应用实现为另一应用程序的模块和/或组件。进一步地，在各种实施例中的一个或多个中，可以将应用实现为操作系统扩展、模块、插件等。
此外，在各种实施例中的一个或多个中，位置确定引擎346可以在基于云的计算环境中操作。在各种实施例中的一个或多个中，这些应用和其他应用可以正在可以在基于云的计算环境中管理的虚拟机和/或虚拟服务器内执行。在各种实施例中的一个或多个中，在此上下文中应用可以取决于通过云计算环境自动地管理的性能和缩放考虑事项而从基于云的环境内的一个物理网络计算机流向另一物理网络计算机。同样地，在各种实施例中的一个或多个中，可以自动地提供并解除投用专用于扫描反射镜引擎344或位置确定引擎346的虚拟机和/或虚拟服务器。
另外，在各种实施例中的一个或多个中，扫描反射镜引擎344或位置确定引擎346等可以位于在基于云的计算环境中运行的虚拟服务器中，而不是被绑定到一个或多个具体物理网络计算机。
进一步地，网络计算机300可以包括用于提供附加防篡改安全措施以便产生、存储和/或使用诸如密钥、数字证书、密码、密码短语、双因素认证信息等这样的安全/密码信息的HSM 328。在一些实施例中，硬件安全模块可以被采用来支持一个或多个标准公钥基础设施(PKI)，并且可以被采用来产生、管理和/或存储密钥对等。在一些实施例中，HSM 328可以是独立网络计算机，在其他情况下，可以将HSM 328布置为可以被安装在网络计算机中的硬件卡。
附加地，在一个或多个实施例(图中未示出)中，网络计算机可以包括一个或多个嵌入式逻辑硬件设备代替一个或多个CPU，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)等或其组合。嵌入式逻辑硬件设备可以直接执行嵌入式逻辑以执行动作。另外，在一个或多个实施例(图中未示出)中，网络计算机可以包括一个或多个硬件微控制器代替CPU。在一个或多个实施例中，一个或多个微控制器可以直接执行它们自己的嵌入式逻辑以执行动作并且访问它们自己的内部存储器以及它们自己的外部输入和输出接口(例如，硬件引脚和/或无线收发器)以执行动作，诸如片上系统(SOC)等。
说明性设备和系统
扫描反射镜具有多种用途，包括但不限于扫描激光视觉、运动跟踪LIDAR、照射以及用于AR和VR的成像型显示系统，诸如以下各项中所描述的：美国专利号8,282,222；8,430,512；8,573,783；8,696,141；8,711,370；8,971,568；9,377,553；9,501,175；9,581,883；9,753,126；9,810,913；9,813,673；9,946,076；美国专利申请公开号2013/0300637和2016/0041266；美国临时专利申请序号62/498,534；62/606,879；62/707,194；以及62/709,715和美国专利申请序号15/853,783，其中的每一个均通过引用整体地并入本文。
这些设备和系统可采用高速MEMS扫描反射镜系统。在许多应用中扫描系统的速度和其他具体运动特性便于在视场中精确地渲染、检测或者跟踪精细地详述的对比函数(例如，3D像素串)和体素(例如，3D位置)。
常常使用谐振扫描反射镜，因为它们递送与合理的扫描角度耦合的高速度并使用相对低的能量。本公开描述了适用于这样的谐振系统并且可显著地改进它们的创新。本公开中描述的创新还可适用于非谐振MEMS扫描反射镜或其他非MEMS型扫描系统(例如，所谓的Galvo或多边形扫描系统等)或甚至非机械系统，或诸如光学相控阵列或声光和电光扫描系统这样的“固态”扫描系统)。
图4A是包括反射镜405和驱动机构或致动器407的扫描反射镜装置的组件的框图，所述驱动机构或致动器407驱动反射镜绕轴线旋转，如图4B中所图示的其中反射镜405被图示为在两个极限位置405a、405b此旋转。在图4A中，反射镜405被旋转到两个极限位置之间的中间位置并且限定垂直于反射镜的表面的中心轴线409。在至少一些实施例中，反射镜405被构造为相对于图4A中图示的中间位置旋转多达±60度、±50度、±40度、±30度、±20度、±10度，但是也可使用较大或较小的旋转。尽管在图4B中图示的实施例中的反射镜405旋转了相等但相反量以到达两个极限位置405a、405b，然而在其他实施例中，两个极限位置可以涉及两个相反方向上的不相等旋转(例如，在度上不同的旋转量)。在图9A和9B中呈现并在下面讨论扫描反射镜装置的其他示例。
作为常规扫描反射镜的示例，直径为大约1mm的25kHz谐振反射镜可在每个40微秒扫描周期内绘制两条线，每秒递送50,000条扫描线。如果以每秒100帧绘制图像，则将至多能够跨越每个帧扫描500条线。
对于高分辨率成像系统，存在管理或者优化起来可能是有挑战性的若干反射镜面设计参数。首先，高线谐振频率使谐振反射镜保持小并具有相对低的谐振质量。扫描系统进一步利用铰链中的硬弹簧，其作为反射镜的偏转角上的阻尼器，通常导致小扫描角和小角度扫描范围。
第二，宽扫描场(用于宽视场(FoV))常常是所希望的，但是由于常规谐振MEMS反射镜设计的固有动态特性，这通常导致较慢的扫描速度(通过例如增加质量或者减小保持反射镜的弹簧式铰链的刚度)。
第三，具有高质量光学特性的反射镜表面是实现良好的束质量并以小尖锐激光束“尖端”(即，最小分解体素斑点照射)实现相对高的分辨率激光点所希望的。在一些系统中为了实现良好的场深度，需要非常平的、硬的且相对大的反射镜表面以能够维持激光束的相对高的准直度。在较高的谐振频率下反射镜上的应力显著地较大，并且反射镜刚度变得特别重要。刚度在反射镜体结构中要求更大的结构强度，并且通常使反射镜变得更重。例如，与较快的1mm反射镜相比2mm 2倍较大的反射镜产生显著更好的准直和远场斑点大小。这样的较大的反射镜可以具有八倍更大的质量，这可能使谐振频率减小一半以上(例如，8的平方根)。对于给定反射镜大小，一些现代高速MEMS反射镜设计使用蜂窝结构来以最小质量实现最大刚度。为得到可用于汽车LIDAR系统的良好的远距离束质量，所期望的反射镜表面的刚度和大小通常导致具有鲁棒背衬结构的较大表面，这将谐振频率限于5kHz以下。
第四，均匀照射扫描覆盖范围在在许多这样的系统中是所希望的，以跨越广视场实现可接受的图像亮度和均匀性或者以保证足够的照射被施加到机器视觉系统的视场中的每一点。跨越宽扫描范围缺少照射亮度和照射均匀性会分别减小这样的扫描询问束系统的范围和FoV宽度。
这四个设计参数常常是在截然相反的方向上，并且在许多常规设计中在可能限制诸如分辨率、范围和体素采集速率这样的系统性能参数的设计参数之间做出重大权衡。
在至少一些实施例中，设备或系统包括减慢并增加它计数的停留时间。谐振反射镜的一个特征是其旋转速度是基本上正弦的，如图4C中所图示的。谐振系统是能量守恒系统：在扫描反射镜旋转的中点系统处于峰值速度且处于峰值动能，然而在反射镜运动的极限时，谐振反射镜减慢至完全停止，所有动能被转换成以反射镜的铰链中的弹簧力形式出现的机械能。常常根本不利用极限位置。对于许多图像渲染应用，投影场被“裁切”，使得在扫描照射图案中实际上不使用最极限位置。
作为示例，反射镜的轴线机械地旋转+/-10度(20度的机械扫描范围)，其光学扫描宽度将以该范围的两倍使束摆动直到+/-20度(总共40度)。此范围的实际使用可能仅为30度，以避免慢移动极端情况。如果在束必须递送一定量的照射(例如，在FoV中每立体角的一定强度的激光束能量)的应用中使用此反射镜，则谐振反射镜的非均匀运动限制投影中心中的强度，因为每单位面积或每FoV角度的停留时间在旋转最快的情况下最少。在以上示例(图示在图4C和图4D中)中，反射镜在20微秒的周期期间使束摆动跨越40度，但是在视场的中间20度中仅花费其时间的三分之一(仅6.7微秒)并且在视场左侧和右侧的每个10度上花费另一6.7微秒。
图4C图示角偏转的正弦运动。图4D图示相位旋转图，即垂直轴线示出被谐振反射镜反射的扫描束的角光学位移的单位圆。光学位移是反射镜自身的运动程度的幅度的两倍。在图4D中，反射镜的谐振振荡使束在-20度和+20度的极限之间振荡，总谐振来回摆动40度光束位移。为让反射镜实现从-20度到+20度的全40度摆幅将花费全360度的一半(即，谐振反射镜的全相位循环的180度相位)，即，在25kHz反射镜的情况下花费20微秒。但是随着仅60度相位的中间阶段进展，在时间的三分之一(6.7微秒)中反射镜使束旋转了20度。总振荡周期是40微秒(即，25kHz反射镜的周期)并且全循环是360相位度。
一种暗示是，当使用谐振型扫描反射镜时，为了跨越FoV实现均匀亮度可能需要在中心全亮度照射激光束，从而在那里以峰值扫描速度每微秒递送足够的能量，但是在中心之外会针对朝向FoV的边缘的区域使激光大大变暗。所以，具有较大峰值亮度的激光可用于在投影中心中确保足够的范围。
由于束的峰值亮度可能是通过激光的限制或者通过安全规程来设置的，所以系统潜在输出的某个部分被浪费，因为例如，亮度在投影中心中明显地减小。在例如汽车照射系统的情况下，这可能正好与所期望的相反：即中心亮度较高。
为了在中心处实现较长的停留时间，可以使用反射镜的慢极限来照射中心。一个解决方案是使用在同一反射镜上反射但布置为使得束在反射镜上交叉的两个束，如例如图5(其中仅图示了传出束)中所图示的。可替代地，可以通过光学手段(例如，使用分束器)将一个束或一个激光源分成两半，并且每一半被沿着两个单独的传入路径朝向扫描反射镜重定向。
在图5中，两个激光束550、552从同一扫描反射镜表面554反射同时在它们之间展开20度，如(a)中所图示的。使反射镜旋转一半角度(即，机械地来回5度)，两个束都将来回旋转10度，如图(b)和(c)中所图示的。束552将从20度向中心摆动，同时束550从中心向-20度摆动。由于两个极限反射镜位置具有最长的停留时间，所以在每种情况下最大“曝光”被束中的一个覆盖。另外，束550、552各自覆盖FoV的一半。
利用这样布置的两个束，可将反射镜角运动减小一半，因此将可以显著地增加扫描频率或者显著地增加反射镜大小、束质量或FOV。如果增加了扫描范围，则可降低检测等待时间并且盲斑点更快地去除。
还可以横跨反射镜405使用来自光源404的三个或更多束，如图7A和图7B中所图示的，以进一步增加扫描范围并增加光功率，但是以完全地符合安全规则的方式分发它。每个束可以限于例如100mW强度，但是三个这样的束可被布置为从不指向相同的方向，但是各自可能在扫描旋转的某个部分时在中心停留，从而在该区域中提供最大照射覆盖范围。这作为针对在诸如以下各项中描述的那些这样的继电器中使用两个谐振反射镜的快速双轴李沙育扫描的修改可以很好地工作：美国专利号8,711,370；9,377,533；9,753,126；和9,946,076，其全部都通过引用整体地并入本文。另外，如图7A和图7B中所图示的，光源404不需要位于同一平面中。
在诸如美国临时专利申请序号62/498,534和62/606,879及美国专利申请序号15/853,783(其全部都通过引用整体地并入本文)中描述的三焦点架构的情况下，可能期望在FoV中具有四个同时点，像图7B中图示的那样使用四个光源404或光束。四个光源的这种布置对具有三个相机106a、160b、106c的图8的三接收器(例如，相机)布置可能是特别有用的，其中来自四个光源404(图7B)的四个光束从反射镜405(图7B)反射并且同时地照射四个点P1、P2、P3和P4。3D表面上的四个点将束的一部分朝向按相机投影中心O1、O2和O3而定位的相机反射。从每个点P到这些相机中心中的每一者有一条主光线。存在十二条这样的主光线。这些主光线在如下十二个像素位置中投影到相机上：P1’、P2’、Ρ3’、Ρ4’、P1”、P2”、P3”、P4”，P1”’、P2”’、P3”’和P4”’。由三个相机捕获的这十二个离散位置足以导出相机中心以及四个3D点P1、P2、P3和P4的全部位置。作为示例，这十二个传感器坐标对足以导出全部三焦点张量的27个元素(3x 3x 3矩阵)。这是对美国专利申请序号15/853,783中呈现的布置的修改，所述美国专利申请通过引用整体地并入本文。在至少一些实施例中，接收器106a、160b，、106c(例如，相机)中的每一者均可在六个自由度上被立即校准(这将使得能实现非常灵活的相机安装并且消除或者降低体刚性要求)。
在至少一些实施例中，通过以较大度数布置一些束，能在没有任何机械或光学调整的情况下电子地并立即选择偏心宽和窄扫描。在图6中，束660、662各自与中心投影轴线664偏移20度。如可看到的：+/-10度反射镜移动产生全+/-40度覆盖范围。
通过按故意偏移的角度而布置多个束并使它们横跨到同一快速扫描反射镜上，可增加总扫描宽度和停留时间，并且可在扫描场的某些部分中减小角瞬时扫描速度。多束扫描范围的一些部分可进一步重叠以增加(一个或多个)成凹区域中的扫描频率和覆盖范围。
在至少一些实施例中，多个(例如，两个、三个、四个或更多个)光束中的每一者均可随着反射镜在位置之间旋转而覆盖至少10、20、25、30或40度或更多。在至少一些实施例中，多个光束被布置为覆盖FoV的不同部分而不重叠或者重叠。对于具有多于两个光束的布置，光束可均匀地或非均匀地间隔开。
在至少一些实施例中，这些光束中的每一者均相对于反射镜与其他光束中的每一者间隔开至少5、10、15、20度或更多。在至少一些实施例中，当反射镜位于中间位置时，如图4A中所图示的，这些光束中的至少两个在中心轴线409的相反两侧。
图10是扫描视场的一个方法的流程图。在步骤1002中，如上所述用至少两个光束(例如，两个、三个、四个或更多个光束)同时地照射反射镜。在步骤1004中，反射镜被旋转(例如，在两个极限位置之间旋转)以扫描视场。视场可以是例如10、20、30、40、50、60、80、100、120度或更大度数。
在像素顺序成像系统(诸如在上面引用的参考文献以及图1和图8中图示的系统的实施例中描述的那些)中，常常期望光学扫描宽度是相对大的，因此反射镜系统的偏转角会较大而不是对其他考虑事项来说最优，并且需要做出重大权衡。构造具有大扫描角的高谐振频率系统可能是特别有挑战性的。一个原因是对于扫描力致动机构(诸如静电梳驱动器)，最大可达到的扫描角常常是限制因素。梳型致动器通常具有有限的范围(例如，叶片的深度)，在所述有限的范围之外它们不能产生静电力。简单的板静电驱动器和/或压电致动器常常是优选的且更加鲁棒，只要可使致动范围或“冲程”保持得尽可能小即可(“冲程”指代机电致动器的一个部分相对于另一个部分移动的相对板型的距离或扭力铰链型的旋转移动)。
通过在扫描器的组装件中包括永久磁铁或者在反射镜自身中包括感应环路和连接(增加体积和质量，因此使反射镜慢下来)，确实适应较大范围的运动的一些系统更笨重或者更难以组装，诸如例如采用感应磁场力的那些系统。
伪随机扫描系统不要求束位置的精确控制。束的控制与速度和扫描范围相比不太重要。在诸如上面引用的参考文献以及图1和图8中图示的系统的实施例中描述的那些这样的伪随机系统中，系统的准确性不依靠控制反射镜的瞬时位置，而是相反依靠直接地在FoV中观察束。例如，在诸如图8中图示的或美国专利申请序号15/853,783中描述的三焦点3D运动跟踪系统中，仅要求细尖束在短时间段内跨越感兴趣区域上在尽可能多的扫描弧或扫描线中伪随机地扫描。3个“颤动像素”传感器或SPAD阵列的低等待时间纳秒精确观察准确性足以弥补反射镜的失控且不受控制的运动。
图11是确定一个或多个对象的位置的一个方法的流程图。在步骤1102中，如上所述用至少两个光束(例如，两个、三个、四个或更多个光束)同时地照射反射镜。在步骤1104中，反射镜被旋转(例如，在两个极限位置之间旋转)以扫描视场。被反射镜反射的光束将照射视场中的一个或多个对象的区域。视场可以是例如10、20、30、40、50、60、80、100、120度或更大度数。在步骤1106中，然后在接收器(例如，相机或光敏像素阵列等)处来自被一个或多个对象的区域反射光束的光子。在步骤1108中，所接收到的光子用于确定一个或多个对象的区域的位置。例如，可像本文所描述的那样修改美国专利号8,282,222、8,430,512、8,573,783、8,696,141、8,711,370、9,377,553、9,753,126、9,946,076、美国专利申请公开号2013/0300637和2016/0041266、美国临时专利申请序号62/498,534和62/606,879以及美国专利申请序号15/853,783中描述的方法和系统中的任一个以便于确定对象在视场中的位置或其他特征。
转向图9A和图9B，扫描反射镜具有四个基本元件：反射镜940、产生驱动力的驱动机构(或致动器)942、允许反射镜的旋转运动950实现的铰链944和使组装件保持在适当位置的安全支架946。图9A在概念附图(未按比例绘制)中图示一个常规扫描反射镜组装件。支架946保持铰链944，所述铰链944提供反射镜940旋转而沿着的旋转轴线。驱动机构942被附接到反射镜940并且以某种方式将旋转力直接地施加到反射镜。在常规扫描反射镜940中铰链944作为扭转弹簧，所述扭转弹簧产生将反射镜驱动回到其中心位置的旋转力。铰链944位于支架946与驱动机构942之间。
图9B图示驱动机构942被直接地安装在支架946上并且使铰链944旋转的新布置。以这种方式，有弹性的铰链944被插入在驱动机构942与反射镜940之间。这与将通过驱动机构942的旋转运动施加的旋转运动相比对于反射镜940产生程度大得多的旋转运动950’。驱动机构的小幅度旋转扭转可在精心设计的谐振系统中施加足够多的能量以在谐振时产生大角度反射镜运动。例如，驱动机构942(诸如压电或静电MEMS力致动器)可以仅使铰链944扭转+/-1度，可是铰链可以使反射镜940摆动+/-10度，从而实现40度的光学偏转(光学偏转是机械偏转的两倍)。
在至少一些实施例中，扫描反射镜装置或系统可具有60至120度的最大扫描范围。在至少一些实施例中，扫描反射镜装置或系统可在多个慢扫描成凹斑点情况下具有照射的基本均匀性。在至少一些实施例中，扫描反射镜装置或系统可具有简单的、紧凑的且鲁棒的整体铰链和致动器设计。在至少一些实施例中，扫描反射镜装置或系统可具有良好的高频率扫描覆盖范围(对于大量的扫描线/秒来说具有重叠)。在至少一些实施例中，扫描反射镜装置或系统可具有良好的束质量。至少一些扫描反射镜装置或系统可具有这些特征或优点的任何组合。
图12A至图14C图示用于通过布置从不同方向会聚到共享扫描反射镜上的多个光源来产生宽扫描范围的布置。在图12A和图12B中，在与上面图6中描绘的布置类似的布置中，两个激光束从光源1204会聚到单个扫描反射镜1205上。扫描反射镜1205将激光束重定向并部分地漫射到仍然相当狭窄地聚焦的扫描点光源中。漫射可以通过例如反射镜自身沉积的漫射结构来实现，或者漫射体可以是照射源准直光学器件的一部分，或者漫射可以是通过激光束散射到磷光体状荧光材料上或者使用任何其他适合的漫射技术而引起的。在图12A中，扫描反射镜1204在其极限之一处成角度，以例如向左+10度倾斜，在此示例中向一个束(束1260)添加附加+20度向左偏转，并且同时，将另一个束1262先前指向FoV的中心。在图12B中，反射镜1205在例如向右-10度的相对极限位置中倾斜，并且先前被向前指向的束1262现在向右极限旋转了-40度。此说明性示例示出在仅+/-10度运动情况下，低功率简单谐振反射镜可快速地扫描并跨越各式各样的角度实现强场景照射。系统的此实施例达到80度的全宽度FoV角度，是反射镜自身的机械范围的四倍。然而，由于光源1204的特定布置，此同一系统同样地能够以长曝光(由于振荡反射镜在反射镜的旋转极限位置处的自然长停留时间而导致)照射FoV的中心。在具有会聚双束的此示例性布置中，缓慢地移动的漫射光束在同一循环期间两次跨越视场的中心缓慢地移动：首先是图12A中的光束1262，然后是图12B中的光束1260。
图13A至图13C图示设备，诸如小型送货机器人车辆(例如，采样单个扫描头灯的踏板车状布置)。系统可以选择(a)与反射镜极限位置同步地选择性地给其双激光源交替地供电，以在以高速度移动时使点光源聚焦在前方道路上(“前视”)，并且像图13A中所图示的那样为其机器人视觉系统产生充足范围的照射，或者可替代地，(b)当接近十字路口时像图13B中所图示的那样检查来自右边的交通(“V”)，并且/或者可替代地，(c)像图13C中所图示的那样在进行左转或右转(“侧视”)之前检查迎面而来的交通。
图14A至图14C图示具有双头灯组装件的车辆的实施例。在扫描头灯的情况下这些“侧视”(图14A)或“前视”(图14B和图14C)选项可以由例如ADAS(高级驾驶员辅助系统)视觉系统自动地选择。可以选择强烈地照射侧视图的一个优点是它使得能实现非常短的曝光/照射频闪，从而限制或者最小化侧视图相机图像中的运动模糊并且使得能在运动估计中实现较大的准确性，这对碰撞避免来说是有用的。即使当车辆未慢下来或者停在十字路口处、而是以巨大速度移动时，这种侧向定向的短而有力的照射频闪也帮助减轻将由于这样的横向看相机中的光流而在由作为碰撞避免系统的一部分的横向看相机所产生的图像中以其他方式发生的运动模糊(即，由车辆的自我运动引起的运动模糊)。例如，从通过短而有力的频闪照射的对象的边缘中去除这种自我运动模糊可大大地帮助准确地检测例如与车辆相邻的路径上的行人的航向、速度和加速度。
类似地，中心向前位置中的束的长自然停留时间使得能实现FoV位置的执行中心的充足照射，因此这些头灯将因前视ADAS相机而达到前方更远处，全部同时符合眼睛安全要求。此外，当向前定向的束足够窄以当时仅照射FoV的“分片”(子场)时，然后可以选择性地(例如通过与束“分片”滚动位置同步的滚动快门)打开和关闭像素的列或场。在图14A中，自动驾驶车辆正在越过十字路口之前检查十字路口交通。在图14B中，车辆的双闪头灯稍微会聚并照射其在它自己的紧前方车道中的规划轨迹。
如图14C中所图示的，车辆可在产生照射的“交叉发射”时受益，在浓雾的情况下利用仔细地同步的左右交替闪光可以减轻向前左右侧相机由于来自照明源的反向散射而导致的蒙蔽。这种反向散射在束自身的方向上可能特别强，因为浓雾和雨中的小水滴往往会回复反射束的光。(回复反射(Retro-reflection)也被称为“猫眼”反射。)左侧光与右侧相机帧曝光同步并且反之亦然。在图14C中，左侧头灯透射(T)其频闪光。由于雾水滴的回复反射，左侧相机可能被地面雾中的强近场反射蒙蔽。然而，由左侧头灯(T)透射的一些光将到达雾中的对象并且在右侧的接收器相机(R)将能够看到该对象，因为那时右侧照射器关闭并且因此它未被反向散射光蒙蔽。通过用足够的光使左侧灯/右侧相机和右侧灯/左侧相机交替，可检测到雾中的对象。这是同步跨场交替交叉发射立体雾灯的示例。
应理解的是，流程图图示的每个块以及流程图图示中的块的组合(或上面关于一个或多个系统或系统的组合所说明的动作)可通过计算机程序指令来实现。可以将这些程序指令提供给处理器以产生机器，使得在处理器上执行的指令创建用于实现一个或多个流程图块中所指定的动作的手段。计算机程序指令可以由处理器执行以使得处理器执行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，使得指令在处理器上执行以提供用于实现一个或多个流程图块中所指定的动作的步骤。计算机程序指令还可以使在流程图的块中示出的操作步骤中的至少一些被并行执行。此外，一些步骤还可以跨越多于一个处理器被执行，诸如可能出现在多处理器计算机系统中。另外，流程图示中的一个或多个块或块的组合还可以被与其他块或块的组合同时执行，或者甚至被以不同于图示的顺序执行，而不脱离本发明的范围或精神。
附加地，在一个或多个步骤或块中，可以使用嵌入式逻辑硬件(诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)等或其组合)来实现，而非计算机程序。嵌入式逻辑硬件可以直接执行嵌入式逻辑以执行在一个或多个步骤或块中的动作中的一些或全部。另外，在一个或多个实施例(图中未示出)中，这些步骤或块中的一个或多个的动作中的一些或全部可以由硬件微控制器而不是CPU来执行。在一个或多个实施例中，微控制器可以直接执行它自己的嵌入式逻辑以执行动作并且访问它自己的内部存储器及它自己的外部输入和输出接口(例如，硬件引脚和/或无线收发器)以执行动作，诸如片上系统(SOC)等。
上述说明书、示例和数据提供了对本发明的组成部分的制造和使用的完整描述。由于可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出本发明的许多实施例，所以本发明落在所附的权利要求书的范围内。

Claims (30)

1.一种用光束扫描视场的系统，所述系统包括：
扫描反射镜装置，所述扫描反射镜装置包括反射镜和驱动机构，所述驱动机构被构造为使所述反射镜绕轴线在以10度或更大度数区隔的两个末端位置之间旋转；
一个或多个光源，所述一个或多个光源被构造为同时地产生指向所述反射镜的至少第一光束和第二光束，其中，所述第一光束朝向所述反射镜的方向与所述第二光束朝向所述反射镜的方向相差至少5度；
其中，所述第一光束和所述第二光束在所述反射镜旋转时被构造为扫描至少20度的组合视场。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述扫描反射镜装置被构造为具有位于所述两个末端位置中间的中心位置，其中，所述第一光束和所述第二光束在所述反射镜处于所述中心位置处情况下从垂直于所述反射镜的反射表面延伸的中心轴线的相反两侧被导向所述反射镜。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光源被构造为进一步同时地产生第三光束，其中，所述第三光束朝向所述反射镜的方向与所述第一光束和所述第二光束两者的方向相差5度或更大度数。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个光源被构造为进一步同时地产生第四光束，其中，所述第四光束朝向所述反射镜的方向与所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束中的每一者的方向相差5度或更大度数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光源是单个光源，其中，所述系统还包括分束装置，所述分束装置被构造为从由所述单个光源发出的束产生所述第一光束和所述第二光束两者。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光源包括被构造为产生所述第一光束的第一光源以及被构造为产生所述第二光束的第二光源。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光束朝向所述反射镜的方向与所述第二光束朝向所述反射镜的方向相差10度或更大度数。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光束朝向所述反射镜的方向与所述第二光束朝向所述反射镜的方向相差20度或更大度数。
9.根据权利要求1所述的系统，所述第一光束和所述第二光束在所述反射镜旋转时被构造为扫描40度或更大度数的视场。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括：
一个或多个存储器设备，所述一个或多个存储器设备存储指令；以及
一个或多个处理器设备，所述一个或多个处理器设备执行所存储的指令以执行方法的动作，所述动作包括：
引导所述一个或多个光源以用所述第一光束和所述第二光束同时地照射所述反射镜；并且
使所述反射镜在两个极限位置之间旋转以使所述第一光束和所述第二光束遍及所述视场进行扫描。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述扫描反射镜装置包括附接在所述反射镜的相反两侧处的铰链，其中，所述铰链设置在所述驱动机构与所述反射镜之间。
12.一种确定一个或多个对象的位置的系统，包括：
扫描反射镜装置，所述扫描反射镜装置包括反射镜和驱动机构，所述驱动机构被构造为使所述反射镜围绕轴线在两个末端位置之间旋转；
一个或多个光源，所述一个或多个光源被构造为同时地产生指向所述反射镜的第一光束和第二光束，其中，所述第一光束朝向所述反射镜的方向与所述第二光束朝向所述反射镜的方向相差5度或更大度数，其中，所述第一光束和所述第二光束在所述反射镜旋转时被构造为扫描20度或更大度数的组合视场；
多个接收器，所述多个接收器彼此间隔开并与所述扫描反射镜装置间隔开，每个接收器包括像素阵列，其中，这些像素中的每一个像素均被构造为检测由所述像素接收到的光子。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括：
一个或多个存储器设备，所述一个或多个存储器设备存储指令；以及
一个或多个处理器设备，所述一个或多个处理器设备执行所存储的指令以执行方法的动作，所述动作包括：
引导所述一个或多个光源以用所述第一光束和所述第二光束同时地照射所述反射镜；并且
使所述反射镜在两个极限位置之间旋转以使所述第一光束和所述第二光束遍及所述视场进行扫描。
14.根据权利要求12所述的系统，还包括：
一个或多个存储器设备，所述一个或多个存储器设备存储指令；以及
一个或多个处理器设备，所述一个或多个处理器设备执行所存储的指令以执行方法的动作，所述动作包括：
引导所述一个或多个光源以用所述第一光束和所述第二光束来照射所述反射镜，其中，所述第一光束和所述第二光束从所述反射镜反射并且各自循序地照射所述视场中的一个或多个对象的多个区域；
使所述反射镜在两个极限位置之间旋转以使所述第一光束和所述第二光束遍及所述视场进行扫描；
针对所述区域中的每一个区域，从所述多个接收器接收被所述一个或多个对象的该区域反射或者散射的所述第一光束或所述第二光束的光子；并且
针对所述区域中的每一个区域，使用所接收到的被该区域反射或者散射的所述第一光束或所述第二光束的光子来确定所述区域的位置。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述一个或多个光源被构造为进一步同时地产生第三光束，其中，所述第三光束朝向所述反射镜的方向与所述第一光束和所述第二光束两者的方向相差5度或更大度数。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述一个或多个光源被构造为进一步同时地产生第四光束，其中，所述第四光束朝向所述反射镜的方向与所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束中的每一者的方向相差5度或更大度数。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述扫描反射镜装置包括附接在所述反射镜的相反两侧处的铰链，其中，所述铰链设置在所述驱动机构与所述反射镜之间。
18.根据权利要求12所述的系统，所述第一光束和第二光束在所述反射镜旋转时被构造为扫描40度或更大度数的视场。
19.根据权利要求12所述的系统，其中，所述扫描反射镜装置被构造为具有位于所述两个末端位置中间的中心位置，其中，所述第一光束和所述第二光束在所述反射镜处于所述中心位置处情况下从垂直于所述反射镜的反射表面延伸的中心轴线的相反两侧被导向所述反射镜。
20.根据权利要求12所述的系统，其中，所述一个或多个光源是单个光源，其中，所述系统还包括分束装置，所述分束装置被构造为从由所述单个光源发出的束产生所述第一光束和所述第二光束两者。
21.根据权利要求12所述的系统，其中，所述一个或多个光源包括被构造为产生所述第一光束的第一光源以及被构造为产生所述第二光束的第二光源。
22.一种用于用光束扫描视场的方法，所述方法包括：
引导一个或多个光源以用第一光束和第二光束同时地照射反射镜，其中，所述第一光束朝向所述反射镜的方向与所述第二光束朝向所述反射镜的方向相差5度或更大度数；以及
使所述反射镜在两个极限位置之间旋转以使所述第一光束和所述第二光束遍及20度或更大度数的组合视场进行扫描。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述一个或多个光源被构造为进一步同时地产生第三光束，其中，所述第三光束朝向所述反射镜的方向与所述第一光束和所述第二光束两者的方向相差5度或更大度数。
24.根据权利要求23所述的方法，所述至少一个光源被构造为进一步同时地产生第四光束，其中，所述第四光束朝向所述反射镜的方向与所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束中的每一者的方向相差5度或更大度数。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述一个或多个光源是单个光源，其中，所述方法进一步包括使用分束装置来从由所述单个光源发出的束产生所述第一光束和所述第二光束两者。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，所述一个或多个光源包括被构造为产生所述第一光束的第一光源和被构造为产生所述第二光束的第二光源。
27.根据权利要求22所述的方法，其中，使所述反射镜旋转包括：使所述反射镜在所述两个极限位置之间旋转以使所述第一光束和所述第二光束遍及40度或更大度数的组合视场进行扫描。
28.一种扫描反射镜装置，包括：
反射镜；
铰链，所述铰链附接在所述反射镜的相反两侧处；以及
驱动机构，所述驱动机构被附接到所述铰链并构造为使所述铰链扭转从而对所述反射镜产生较大的扭转，其中，所述铰链设置在所述驱动机构与所述反射镜之间。
29.根据权利要求28所述的扫描反射镜装置，还包括光源，所述光源被构造和布置为用一个或多个光束来照射所述反射镜。
30.根据权利要求28所述的扫描反射镜装置，还包括一个或多个光源，所述一个或多个光源被构造为同时地产生从不同方向照射所述反射镜的第一光束和第二光束。
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