CN110691983A - 具有结构光及集成照明和检测的基于lidar的3-d成像 - Google Patents

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Abstract

本文描述了用于通过由一个或多个光学相位调制装置在三维环境上扫描的多个照明光束来执行三维LIDAR测量的方法和系统。在一个方面，来自每个LIDAR测量通道的照明光由光学相位调制装置在不同方向上发射到周围环境。光学相位调制装置还将返回测量光的每个量引导到对应的光电检测器上。每个LIDAR测量通道的照明脉冲输出与每个对应的光学相位调制装置的状态的命令改变同步。在一些实施例中，每个光学相位调制装置与单个LIDAR测量通道相关联。在一些实施例中，多个LIDAR测量通道与单个调制装置相关联。在一些实施例中，采用一维光学相位调制装置。在其它实施例中，采用二维光学相位调制装置。

Description

具有结构光及集成照明和检测的基于LIDAR的3-D成像
相关申请的交叉引用
本专利申请要求据2018年3月20日提交的、标题为“具有结构光及集成照明和检测的基于LIDAR的3-D成像”的、序列号为15/926，095的美国专利申请的优先权，后者又根据《美国法典》第35章第119条要求据2017年3月20日提交的、标题为“具有结构光及集成照明和检测的基于LIDAR的3-D成像”的、序列号为62/473，628的美国临时专利申请的优先权，此二者中的每个的主题通过引用以其整体并入本文。
技术领域
所描述的实施例涉及基于LIDAR的3-D点云测量系统。
背景技术
LIDAR系统采用光脉冲基于每个光脉冲的飞行时间（TOF）来测量到物体的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远侧物体交互。光的一部分从物体反射并返回到LIDAR系统的检测器。基于光脉冲的发射与检测到返回的光脉冲之间经过的时间，距离得以估计。在一些示例中，光脉冲由激光发射器生成。光脉冲通过透镜或透镜组件而聚焦。测量激光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所花费的时间。根据时间测量结果高精度地导出距离。
一些LIDAR系统采用与旋转镜组合的单个激光发射器/检测器组合来有效地跨平面进行扫描。由这样的系统执行的距离测量结果是有效地二维的（即，平面的），并且所捕获的距离点被渲染为2-D（即，单平面）点云。在一些示例中，以非常快的速度（例如，每分钟数千转）来旋转旋转镜。
在许多操作场景中，需要3-D点云。已经采用了多种方案来在三维中询问周围环境。在一些示例中，2-D器械通常在万向节上上下致动和/或前后致动。这在本领域中通常被称为“眨眼”或“点头”传感器。因此，可以采用单光束LIDAR单元来捕获整个3-D距离点阵列（尽管一次一个点）。在相关示例中，采用棱镜来将激光脉冲“分”成多个层，每个层具有略微不同的垂直角度。这模拟了上述“点头”效果，而没有致动传感器本身。
在所有上文示例中，单个激光发射器/检测器组合的光路以某种方式被改变以实现比单个传感器更宽的视场。由于对单个激光器的脉冲重复率的限制，导致这样的设备每单位时间可以生成的像素的数量本质上是有限的。无论其是通过实现较大覆盖区域的装置的致动、棱镜还是镜，光束路径的任何改变都以降低的点云密度为代价。
如上所述，3-D点云系统存在于若干配置中。然而，在许多应用中，有必要在宽视场上察看。例如，在自动驾驶车辆应用中，垂直视场应尽可能近地向下延伸以察看车辆前方的地面。另外，在汽车进入道路中的倾斜处的情况下，垂直视场应在地平线以上延伸。另外，有必要使现实世界中发生的动作与那些动作的成像之间延迟最小。在一些示例中，期望提供每秒至少五次的完整图像更新。为了满足这些要求，已经开发了一种3-D LIDAR系统，其包括多个激光发射器和检测器的阵列。该系统在2011年6月28日发布的、序号为7，969，558的美国专利中被描述，该美国专利的主题通过引用以其整体并入本文。
在许多应用中，发射脉冲序列。每个脉冲的方向依次快速连续变化。在这些示例中，与每个单独脉冲相关联的距离测量结果可以被认为是像素，并且快速连续发射和捕获的像素的集合（即，“点云”）可以被渲染为图像或出于其他原因（例如，检测障碍物）而被分析。在一些示例中，采用查看软件来将所得到的点云渲染为在用户看来是三维的图像。可以使用不同的方案来将该距离测量结果描绘为3-D图像，其表现为好像它们被实况动作相机捕捉一样。
一些现有LIDAR系统采用未一起集成到共用基板（例如，电气安装板）上的照明源和检测器。此外，照明光束路径和收集光束路径在LIDAR装置内分离。这导致光机械设计的复杂性和对准困难。
另外，被采用以在不同方向上扫描照明光束的机械装置可能对机械振动、惯性力和一般环境条件敏感。在没有适当的设计的情况下这些机械装置可能会退化，从而导致性能损失或故障。
期望对LIDAR系统的光机械设计进行改进，同时维持高水平的成像分辨率和范围。
发明内容
本文描述了用于通过由一个或多个光学相位调制装置在三维环境上扫描的多个照明光束来执行三维LIDAR测量的方法和系统。
在一些实施例中，LIDAR测量系统包括主控制器和一个或多个集成LIDAR测量装置，所述一个或多个集成LIDAR测量装置包括返回信号接收器集成电路、照明驱动器集成电路、照明源、光电检测器组件和跨阻抗放大器。这些元件中的每个被安装到在元件之间提供机械支撑和电连接的共用基板（例如，印刷电路板）。
照明源发射照明光的测量脉冲。照明光从受测的周围三维环境中的物体反射。反射光的一部分被收集为与测量脉冲相关联的返回测量光。
在一个方面，从集成LIDAR测量装置发射的照明光和朝着集成LIDAR测量装置引导的对应的返回测量光共享共用光路。在一些实施例中，通过光纤波导将由集成LIDAR测量装置的照明源生成的照明光注入到对应的检测器的接收锥中。
在另一方面，照明光通过LIDAR测量系统的一个或多个光学相位调制装置（例如，光学相位调制装置）朝着周围环境中的特定位置引导。类似地，通过LIDAR测量系统的一个或多个光学相位调制装置将返回测量光引导到对应的光电检测器上。光学相位调制装置安置于集成LIDAR测量装置与受测的环境之间的光路中。光学相位调制装置有效地扩展视场并且增加3-D LIDAR系统的视场内的采样密度。
计算系统将命令信号传递到每个光学相位调制装置，该命令信号使光学相位调制装置在期望的方向上重定向入射光。此外，计算系统将信号传递到每个集成LIDAR测量装置，以使每个集成LIDAR测量装置的照明脉冲输出与被命令到每个对应的光学相位调制装置的状态的改变同步。以此方式，由每个集成LIDAR测量装置生成的测量脉冲以可预测的、受控的方式扫描通过周围环境，使得由集成LIDAR测量装置生成的每个测量脉冲所询问的周围环境的部分是已知的。
通常，LIDAR测量系统可以包括任何数量的测量通道，所述测量通道包括集成LIDAR测量装置和光学相位调制装置。
在一些实施例中，每个光学相位调制装置与单个集成LIDAR测量装置相关联以形成单个测量通道。然而，在一些其它实施例中，光学相位调制装置与多个集成LIDAR测量装置相关联。在这些实施例中，多个测量通道被光学地集成在单个光学相位调制装置中。
在一些实施例中，光学相位调制装置是一维光学相位调制装置。因此，照明光束和收集光束在与光学相位调制装置交互之前被聚焦到一个维度。然而，在一些其它实施例中，采用二维光学相位调制装置。在这些实施例中，照明和收集光束可以在两个光学维度上与光学相位调制装置交互。在这些实施例中，将照明光束和收集光束聚焦到一个维度不是必要的。
在另外的方面，每个集成LIDAR测量装置和对应的光学相位调制装置被安装到旋转框架，所述旋转框架相对于LIDAR系统的底座旋转。除了由集成LIDAR测量装置相对于LIDAR系统的底座的运动而提供的照明光束的标称移动之外，照明光的光束与光学相位调制装置的交互还在不同方向上将照明光束扫描到周围环境中。
在另一另外的方面，飞行时间是基于由于照明源与光电检测器之间的内部串扰引起的检测到的脉冲与有效返回脉冲的检测之间经过的时间来确定的。以此方式，从飞行时间的估计中消除了系统延迟。
前述内容是概述，并且因此必然包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将领会，概述仅是说明性的且不以任何方式进行限制。本文中所描述的装置和/或过程的其它方面、发明特征和优点将在本文中所阐述的非限制性的具体实施方式中变得显而易见。
附图说明
图1是以至少一个新颖的方面图示3-D LIDAR系统200的一个实施例的简化图。
图2描绘了脉冲测量光束的发射和返回的测量脉冲的捕获的定时的图示。
图3描绘了3-D LIDAR系统的光发射/收集引擎112的视图。
图4更详细地描绘了3-D LIDAR系统的收集光学器件116的视图。
图5更详细地描绘了光电检测器组件250的简化图示。
图6描绘了一个实施例中的采用光学相位调制装置的3-D LIDAR系统的实施例160。
图7描绘了另一实施例中的采用多光学相位调制装置的3-D LIDAR系统的实施例170。
图8描绘了另一实施例中的采用多输入光学相位调制装置的3-D LIDAR系统的实施例180。
图9描绘了一个实施例中的旋转的LIDAR测量装置100。
图10描绘了另一实施例中的旋转的LIDAR测量装置100。
图11描绘了一个示例性实施例中的3-D LIDAR系统100的分解图。
图12描绘了另一实施例中的集成LIDAR测量装置120
图13描绘了另一实施例中的集成LIDAR测量装置130的示意图。
图14描绘了以至少一个新颖的方面图示基于由光学相位调制装置扫描的测量光束而执行LIDAR测量的方法400的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的背景示例和一些实施例，其示例在附图中图示。
图1描绘了一个实施例中的LIDAR测量系统200。LIDAR测量系统200包括主控制器260和一个或多个集成LIDAR测量装置230。集成LIDAR测量装置230包括返回信号接收器集成电路（IC）210、照明驱动器集成电路（IC）220、照明源235、光电检测器组件250和跨阻抗放大器（TIA）240。这些元件中的每个被安装到在元件之间提供机械支撑和电连接的共用基板235（例如，印刷电路板）。
照明源235响应于电流的脉冲221而发射照明光259的测量脉冲。在一些实施例中，照明源235是基于激光的（例如，激光二极管）。在一些实施例中，照明源基于一个或多个发光二极管。一般而言，可以预期任何合适的脉冲照明源。照明光259离开LIDAR测量系统200并且从受测的周围三维环境中的物体反射。反射光的一部分被收集为与测量脉冲259相关联的返回测量光255。如图1中所描绘的，在离开集成LIDAR测量装置230进入周围环境之前，从集成LIDAR测量装置230发射的照明光259和朝着集成LIDAR测量装置230引导的对应的返回测量光255共享集成LIDAR测量装置230上的共用光路。
在一个方面，照明光259通过LIDAR测量系统100的一个或多个光学相位调制装置（例如，光学相位调制装置270）朝着周围环境中的特定位置引导。在另外的方面，通过LIDAR测量系统100的一个或多个光学相位调制装置将返回测量光255引导并聚焦到光电检测器250上。光学相位调制装置安置于集成LIDAR测量装置230与受测的环境之间的光路中。光学相位调制装置有效地扩展视场并且增加3-D LIDAR系统的视场内的采样密度。
如图1中所描绘的，由主控制器260生成的命令信号266从主控制器260传递到光学相位调制装置270。作为响应，光学相位调制装置270根据期望的方向改变状态并且衍射照明光束259。例如，如图1中所描绘的，光学相位调制装置270取决于光学相位调制装置270的命令状态而将照明光束259衍射到五个不同方向（例如，方向271A-E）中的一个。
图5更详细地描绘了光电检测器组件250的简化图示。光电检测器组件250包括具有有效区域252的检测器253。如图5中所描绘的，脉冲发光装置230位于检测器的有效区域252的视场之外。如图5中所描绘的，包覆成型件254安装在检测器上方。包覆成型件254包括与返回光255的光线接受锥对应的锥形腔。在一个方面，来自照明源235的照明光259由光纤波导257注入到检测器接收锥中。光耦合器256将照明源235（例如，激光二极管的阵列）与光纤波导257光学地耦合。在光纤波导257的末端，镜元件258相对于波导以45度角定向，以将照明光259注入到返回光255的锥中。在一个实施例中，光纤波导257的端面以45度角切割，并且端面涂覆有高反射性介电涂层以提供镜面。在一些实施例中，波导257包括矩形玻璃芯和具有较低折射率的聚合物包层。在一些实施例中，整个组件250用具有与聚合物包层的折射率紧密匹配的折射率的材料封装。以此方式，波导以最小遮挡将照明光259注入到返回光255的接受锥中。另外，将照明光259注入到返回光259的接受锥中确保从集成LIDAR测量装置230发射的照明光259和朝着集成LIDAR测量装置引导的对应的返回测量光255在离开集成LIDAR测量装置230进入周围环境之前共享集成LIDAR测量装置230上的共用光路。
选择将波导257放置在投射到检测器253的有效感测区域252上的返回光的接受锥内，以确保照明点和检测器视场在远场中具有最大重叠。
如图1中所描绘的，由光检测器250检测从周围环境反射的返回光255。在一些实施例中，光电检测器250包括雪崩光电二极管。光电检测器250生成由模拟跨阻抗放大器（TIA）240放大的输出信号249。然而，一般而言，输出信号249的放大可以包括多个放大器级。在此意义上，模拟跨阻抗放大器是通过非限制性示例方式而提供的，这是因为在本专利文件的范围内可预期许多其它模拟信号放大方案。虽然TIA 240在图1中被描绘为与返回信号接收器IC 210分开的分立装置，但是一般而言，TIA 2400可以与接收器IC 210集成。在一些实施例中，优选将TIA 240与接收器IC 210集成以节省空间并降低信号污染。
放大的信号241被传递到返回信号接收器IC 210。接收器IC 210包括定时电路和时间数字转换器，其估计测量脉冲从照明源235到三维环境中的反射性物体且返回到光电检测器250的飞行时间。指示估计的飞行时间的信号211被传递到主控制器260，以用于进一步处理和传递到LIDAR测量系统200的用户。此外，返回信号接收器IC 210被配置为数字化包括峰值的返回信号241的分段（即，返回脉冲），并且将指示数字化分段的信号212传递到主控制器260。在一些实施例中，主控制器260处理这些信号分段以标识检测到的物体的属性。在一些实施例中，主控制器260将信号212传递到LIDAR测量系统200的用户以用于进一步处理。
主控制器260被配置为生成脉冲命令信号267，其被传递到集成LIDAR测量装置230的接收器IC 210。脉冲命令信号267是由主控制器260生成的数字信号。因此，脉冲命令信号267的定时由与主控制器260相关联的时钟确定。在一些实施例中，脉冲命令信号267直接用于触发由照明驱动器IC 220进行的脉冲生成和由接收器IC 210进行的数据获取。然而，照明驱动器IC 220和接收器IC 210不与主控制器260共享相同的时钟。出于这个原因，当脉冲命令信号267直接用于触发脉冲生成和数据获取时，飞行时间的精确估计在计算上变得冗长得多。
一般而言，LIDAR测量系统包括多个不同的集成LIDAR测量装置230，每个集成LIDAR测量装置230从LIDAR装置向周围环境发射照明光的脉冲光束并且测量从周围环境中的物体反射的返回光。
在这些实施例中，主控制器260将脉冲命令信号267传递到每个不同的集成LIDAR测量装置。以此方式，主控制器260协调由任何数量的集成LIDAR测量装置执行的LIDAR测量的定时。在另外的方面，一个或多个光学相位调制装置在照明脉冲以及与集成LIDAR测量装置中的每个相关联的返回测量脉冲的光路中。以此方式，一个或多个光学相位调制装置引导LIDAR测量系统200的每个照明脉冲和返回测量脉冲。
在所描绘的实施例中，接收器IC 210接收脉冲命令信号267并且响应于脉冲命令信号267而生成脉冲触发信号VTRG 213。脉冲触发信号213被传递到照明驱动器IC 220并且直接触发照明驱动器IC 220以向照明源235提供电功率的脉冲221，从而致使照明源235发射照明光259的脉冲。此外，脉冲触发信号213直接触发返回信号241的数据获取和相关联的飞行时间计算。以此方式，基于接收器IC 210的内部时钟生成的脉冲触发信号213被采用以既触发脉冲生成又触发返回脉冲数据获取。这确保脉冲生成和返回脉冲获取的精确同步，这使得能够通过时间数字转换进行精确飞行时间计算。
图2描绘了与来自集成LIDAR测量装置230的测量脉冲的发射和返回测量脉冲的捕获相关联的定时的图示。如图2中所描绘的，由接收器IC 210生成的脉冲触发信号213的上升沿发起测量。如图1和图2中所描绘的，由接收器IC 210接收放大的返回信号241。通过在脉冲触发信号213的上升沿处使能数据获取来发起测量窗口（即，在其期间所收集的返回信号数据是与特定测量脉冲相关联的时间段）。接收器IC 210控制测量窗口的持续时间Tmeasurement，以与响应于测量脉冲序列的发射而预期返回信号的时间窗口相对应。在一些示例中，测量窗口在脉冲触发信号213的上升处沿被启用，并且在对应于光的飞行时间（在近似为LIDAR系统的范围的两倍的距离上）的时间被禁用。以此方式，测量窗口是打开的，以用于从邻近于LIDAR系统（即，可忽略的飞行时间）的物体到位于LIDAR系统的最大范围处的物体收集返回光。以此方式，拒绝不可能对有用的返回信号有可能有贡献的所有其它光。
如图2中所描绘的，返回信号241包括与发射的测量脉冲对应的三个返回测量脉冲。一般而言，对所有检测到的测量脉冲执行信号检测。可以执行进一步的信号分析以标识最近的有效信号241B（即，返回测量脉冲的第一个有效实例）、最强信号和最远有效信号241C（即，测量窗口中的返回测量脉冲的最后一个有效实例）。这些实例中的任一个可被LIDAR系统报告为潜在有效距离测量。
与来自LIDAR系统的光的发射相关联的内部系统延迟（例如，与开关元件、能量存储元件和脉冲发光装置相关联的信号通信延迟和等待时间）以及与收集光和生成指示所收集的光的信号相关联的延迟（例如，放大器等待时间、模数转换延迟等）促成估计光的测量脉冲的飞行时间中的误差。因此，基于脉冲触发信号213的上升沿与每个有效返回脉冲（即，241B和241C）之间经过的时间的飞行时间的测量引入了不期望的测量误差。在一些实施例中，采用校准的预定延迟时间来补偿电子延迟以得到实际光学飞行时间的校正的估计。然而，用于动态地改变电子延迟的静态校正的准确性是有限的。尽管可以采用频繁的重新校准，但是这是以计算复杂性为代价的，并且可能与系统正常运行时间干扰。
在另一方面，接收器IC 210基于检测到的脉冲241A与有效返回脉冲（例如，241B和241C）的检测之间经过的时间来测量飞行时间，所述检测到的脉冲241A是由于照明源235与光电检测器250之间的内部串扰而导致的。以此方式，从飞行时间的估计中消除了系统延迟。脉冲241A由内部串扰生成，其中实际上没有光传播的距离。因此，来自脉冲触发信号的上升沿和脉冲241A的检测的实例的时间的延迟捕获了与照明和信号检测相关联的所有系统延迟。通过关于检测到的脉冲241A而测量有效返回脉冲（例如，返回脉冲241B和241C）的飞行时间，消除了由于内部串扰引起的与信号检测和照明相关联的所有系统延迟。如图2中所描绘的，接收器IC 210关于返回脉冲241A估计与返回脉冲241B相关联的飞行时间TOF1以及与返回脉冲241C相关联的飞行时间TOF2。
在一些实施例中，信号分析完全由接收器IC 240执行。在这些实施例中，从集成LIDAR测量装置230传递的信号211包括由接收器IC 210确定的飞行时间的指示。在一些实施例中，信号212包括由接收器IC 210生成的返回信号241的数字化分段。这些原始测量信号分段进一步由位于3-D LIDAR系统上或在3-D LIDAR系统外部的一个或多个处理器处理以得到距离的另一估计、检测的物体的一个或多个物理性质的估计或其组合。
图3描绘了一个实施例中的光发射/收集引擎112。光发射/收集引擎112包括集成LIDAR测量装置的阵列113。每个集成LIDAR测量装置包括集成到共用基板（例如，电气板）上的发光元件、光检测元件和相关联的控制和信号调节电子器件。
从每个集成LIDAR测量装置发射的光穿过光束成形光学元件116，光束成形光学元件116使发射的光准直以生成从3-D LIDAR系统投射到环境中的照明光的光束。以此方式，如图3中所描绘的，光束的阵列118从3-D LIDAR系统100发射，每个光束从不同的LIDAR测量装置发射。一般而言，可以布置任何数量的LIDAR测量装置以从3-D LIDAR系统100同时发射任何数量的光束。由光束成形光学元件116收集由于从环境中的物体由特定LIDAR测量装置的照明而引起的从所述环境中的物体所反射的光。所收集的光穿过光束成形光学元件116，在其中它被聚焦到相同的、特定LIDAR测量装置的检测元件上。以此方式，通过由不同LIDAR测量装置生成的照明而与环境的不同部分的照明相关联的所收集的光分别聚焦到每个对应的LIDAR测量装置的检测器上。
图4更详细地描绘了光束成形光学元件116的视图。如图4中所描绘的，光束成形光学元件116包括四个透镜元件116A-D，其被布置以将所收集的光118聚焦到集成LIDAR测量装置的阵列113的每个检测器上。在图4中描绘的实施例中，穿过光学元件116的光从镜124反射，并且被引导到集成LIDAR测量装置的阵列的每个检测器上。在一些实施例中，光束成形光学元件116中的一个或多个由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成。预定波长范围包括由集成LIDAR测量装置的阵列113发射的光的波长。在一个示例中，透镜元件中的一个或多个由塑料材料构成，该塑料材料包括着色剂添加剂以吸收波长小于由集成LIDAR测量装置的阵列113中的每个所生成的红外光的光。在一个示例中，着色剂是可从Aako BV（荷兰）获得的Epolight 7276A。一般而言，可将任何数量的不同着色剂添加到光学元件116的任何塑料透镜元件以滤除不期望的光谱。
在另外的方面，一个或多个集成LIDAR测量装置与光学相位调制装置进行光学通信，所述光学相位调制装置引导由所述一个或多个集成LIDAR测量装置在不同方向上生成的（一个或多个）照明光束。光学相位调制装置是接收控制信号的有源装置，所述控制信号致使光学相位调制装置改变状态且因此改变从光学相位调制装置衍射的光的方向。以此方式，由所述一个或多个集成LIDAR装置生成的（一个或多个）照明光束扫描通过多个不同定向并且有效地询问受测的周围3-D环境。投射到周围环境中的衍射光束与环境中的物体交互。每个相应的集成LIDAR测量装置基于从物体收集的返回光来测量LIDAR测量系统与检测的物体之间的距离。光学相位调制装置安置于集成LIDAR测量装置与周围环境中的受测的物体之间的光路中。因此，照明光和对应的返回光两者都穿过光学相位调制装置。
图6描绘了在一个实施例中的采用光学相位调制装置的扫描LIDAR系统160。扫描LIDAR系统160包括集成LIDAR测量装置161、计算系统300和主动控制的光学相位调制装置163。由集成LIDAR测量装置161生成的照明光的光束162朝着光学相位调制装置163传播。取决于光学相位调制装置163的物理状态，照明光束在多个不同方向（例如，图6中所描绘的方向164A-E）中的任一个上衍射。从周围环境中的物体反射的返回光165穿过光学相位调制装置163并由集成LIDAR测量装置161检测。在一些实施例中，如上所述，集成LIDAR测量装置161确定LIDAR测量系统160与检测的物体之间的距离。在一些实施例中，所计算的距离被传递到计算系统300。
如图6中所描绘的，计算系统300将信号166传递到光学相位调制装置163。信号166致使光学相位调制装置163改变状态，使得照明光束162在期望的方向上衍射。此外，计算系统300将信号167传递到集成LIDAR测量装置161，所述集成LIDAR测量装置161使集成LIDAR测量装置161的照明脉冲输出与光学相位调制装置163（受信号166命令）的状态的改变同步。以此方式，由集成LIDAR测量装置161生成的测量脉冲以可预测的、受控的方式扫描通过周围环境，使得由集成LIDAR测量装置161生成的每个测量脉冲所询问的周围环境的部分为计算系统300所知。
图7描绘了在另一实施例中的采用光学相位调制装置的扫描LIDAR系统170。扫描LIDAR系统170包括若干集成LIDAR测量装置171A-C （诸如图1中描绘的装置230）、计算系统300和主动控制的光学相位调制装置172A-C。由集成LIDAR测量装置172A-C生成的照明光173A-C的光束分别朝着光学相位调制装置172A-C传播。取决于光学相位调制装置172A-C的物理状态，根据命令信号175A - C，照明光束在多个不同方向中的任一方向上衍射。从周围环境中的一个或多个物体反射的返回光174A-C穿过光学相位调制装置172A-C并且由集成LIDAR测量装置171A-C分别检测。在一些实施例中，如上所述，每个集成LIDAR测量装置171A-C确定LIDAR测量系统170与检测的物体之间的距离。在一些实施例中，所计算的距离被传递到计算系统300。
如图7中所描绘的，计算系统300将信号175A-C分别传递到光学相位调制装置172A-C。信号175A-C促使光学相位调制装置172A-C改变状态，使得入射照明光束173A-C在编程的方向上衍射。另外，计算系统300将信号176A-C传递到集成LIDAR测量装置171A-C，以使每个集成LIDAR测量装置的照明脉冲输出与每个对应的光学相位调制装置的状态的改变同步。以此方式，由每个集成LIDAR测量装置171A-C生成的测量脉冲以可预测的、受控的方式扫描通过周围环境，使得由集成LIDAR测量装置171A-C生成的每个测量脉冲所询问的周围环境的部分为计算系统300所知。
如图7中所描绘的，图示了三个光学相位调制装置和对应的集成LIDAR测量装置。然而，一般而言，LIDAR测量系统可以包括任何数量的测量通道，所述测量通道包括集成LIDAR测量装置和光学相位调制装置。
在图6和图7中所描绘的实施例中，每个光学相位调制装置与单个集成LIDAR测量装置相关联以形成单个测量通道。然而，在一些其它实施例中，光学相位调制装置与多个集成LIDAR测量装置相关联。在这些实施例中，多个测量通道被光学地集成在单个光学相位调制装置中。
图8描绘了在另一实施例中的采用光学相位调制装置的扫描LIDAR系统180。扫描LIDAR系统180包括若干集成LIDAR测量装置181A-D（诸如图1中描绘的装置230）、计算系统300和主动控制的光学相位调制装置182。由集成LIDAR测量装置181A-D生成的照明光的光束朝着光学相位调制装置182传播。例如，照明光束185A从LIDAR测量装置181A朝着光学相位调制装置182传播。在图8中所描绘的实施例中，每个照明光束由聚焦光学器件183沿着一个轴（即，平行于绘图页面）聚焦。在另一轴（即，垂直于绘图页面）中，照明光束不被聚焦。因此，在入射到光学相位调制装置182的情况下，每个照明光束是垂直于绘图页面延伸的线形光束。取决于光学相位调制装置182的物理状态，根据命令信号187，照明光束在多个不同方向中的任一方向上衍射。衍射光束186A-D传播到周围环境中。每个衍射光束穿过聚光光学器件（例如，聚光光学器件184A-D）以沿着平行于绘图纸的光轴使发散的衍射光束准直。从周围环境中的一个或多个物体反射的返回光穿过光学相位调制装置182并且由每个对应的集成LIDAR测量装置检测。在一些实施例中，如上所述，每个集成LIDAR测量装置181A-D确定LIDAR测量系统180与（一个或多个）检测的物体之间的距离。在一些实施例中，所计算的距离被传递到计算系统300。
在图8所示的实施例中，光学相位调制装置182是一维光学相位调制装置。因此，照明光束和收集光束在与光学相位调制装置182交互之前聚焦到一个维度。在一些其它实施例中，采用二维光学相位调制装置。在这些实施例中，照明光束和收集光束可以在两个光学维度上与光学相位调制装置交互。在这些实施例中，将照明光束和收集光束聚焦到一个维度不是必要的。
如图8所示，计算系统300将命令信号187传递到光学相位调制装置182。信号187致使光学相位调制装置182改变状态，使得入射照明光束在编程的方向上衍射。另外，计算系统300将信号188A-D传递到集成LIDAR测量装置181A-D，以使每个集成LIDAR测量装置的照明脉冲输出与每个对应的光学相位调制装置的状态的改变同步。以此方式，由每个集成LIDAR测量装置181A-D生成的测量脉冲以可预测的、受控的方式扫描通过周围环境，使得由集成LIDAR测量装置181A-D生成的每个测量脉冲所询问的周围环境的部分为计算系统300所知。
如图8中所描绘的，图示了四个集成LIDAR测量装置。然而，一般而言，LIDAR测量系统可包括任何数量的集成LIDAR测量装置，所述集成LIDAR测量装置照明光学相位调制装置。
在本文所述的LIDAR测量系统中可以采用任何合适的光学相位调制装置。示例性光学相位调制装置包括相位阵列，诸如由加利福尼亚州（美国）桑尼维尔市的硅光机器公司（Silicon Light Machines）制造的光栅光阀TM、基于微机电（MEMS）的相位调制装置，诸如数字光处理（DLP）单元、硅上液晶（LCoS）调制器、透射型液晶相位阵列，反射型液晶相位阵列等。
图6-8描绘了在不同实施例中的采用至少一个光学相位调制装置的扫描LIDAR系统。在一些示例中，这些不同实施例被实现为参照图1描述的LIDAR测量系统200的一部分。在一个实施例中，主控制器260将命令信号166传递到光学相位调制装置163以控制光学相位调制装置163的状态，并将信号167传递到集成LIDAR测量装置161，以使集成LIDAR测量装置161的照明脉冲输出与光学相位调制装置163的状态的改变同步。类似地，在另一实施例中，主控制器260将命令信号175A-C分别传递到光学相位调制装置172A-C ，以分别控制光学相位调制装置172A-C的状态并将信号176A-C传递到集成LIDAR测量装置171A-C，以使集成LIDAR测量装置171A-C的照明脉冲输出与光学相位调制装置172A-C的状态的改变同步。类似地，在另一实施例中，主控制器260将命令信号187传递到光学相位调制装置182以控制光学相位调制装置182的状态，并将信号188A-D分别传递到集成LIDAR测量装置181A-D，以使集成LIDAR测量装置181A-D的照明脉冲输出与光学相位调制装置182的状态的改变同步。
如本文所述，LIDAR测量系统包括一个或多个集成LIDAR测量装置，所述集成LIDAR测量装置各自从LIDAR装置向周围环境发射照明光的脉冲光束并且测量从周围环境中的物体反射的返回光。此外，LIDAR测量系统包括一个或多个光学相位调制装置以控制从LIDAR测量系统发射的一个或多个照明光束的方向。
在一些实施例中，集成LIDAR测量装置和光学相位调制装置相对于LIDAR测量系统的底座旋转以进一步增加3-D LIDAR系统的视场、采样密度或视场和采样密度两者。
图9是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR系统100的实施例的图。3-DLIDAR系统100包括下壳体101和上壳体102，上壳体102包括由对红外光（例如，具有在700至1，700纳米的光谱范围内的波长的光）透明的材料构成的圆顶外壳元件103。在一个示例中，圆顶外壳元件103对具有以905纳米为中心的波长的光是透明的。
如图9中所描绘的，多个光束105从3-D LIDAR系统100通过圆顶外壳元件103而在角度范围α上发射，角度范围α是从中心轴104测量的。在图9中所描绘的实施例中，每个光束被投射到由彼此隔开的多个不同位置处的x轴和y轴限定的平面上。例如，光束106在位置107处被投射到xy平面上。
在图9中所描绘的实施例中，3-D LIDAR系统100被配置为通过围绕中心轴104旋转来扫描多个光束105中的每个。投射到xy平面上的每个光束绘制以中心轴104和xy平面的交点为中心的圆形图案。例如，随着时间的流逝，投射到xy平面上的光束106绘制出以中心轴104为中心的标称圆形轨迹108。
图10是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR系统10的另一实施例的图。3-DLIDAR系统10包括下壳体11和上壳体12，上壳体12包括由对红外光（例如，具有在700至1，700纳米的光谱范围内的波长的光）透明的材料构成的圆柱形外壳元件13。在一个示例中，圆柱形外壳元件13对具有以905纳米为中心的波长的光透明。
如图10中所描绘的，多个光束15从3-D LIDAR系统10通过圆柱形外壳元件13而在角度范围β上发射。在图10所描绘的实施例中，图示了每个光束的主光线。每个光束在多个不同方向上被向外投射到周围环境中。例如，光束16被投射到周围环境中的位置17上。从系统10发射的每个光束稍微发散。在一个示例中，从系统10发射的光束在距系统10为100米的距离处照射尺寸为直径20厘米的点。以此方式，照明光的每个光束为从系统10发射的照明光锥。
在图10中所描绘的实施例中，3-D LIDAR系统10被配置为通过围绕中心轴14旋转来扫描多个光束15中的每个。出于图示的目的，光束15以相对于3-D LIDAR系统10的非旋转坐标框架的一个角度定向而被图示，且光束15'以相对于非旋转坐标框架的另一角度定向而被图示。当光束15围绕中心轴14旋转时，投射到周围环境中的每个光束（例如，与每个光束相关联的每个照明光锥）在其围绕中心轴14扫过时照射了对应于锥形的照明光束的环境的体积。
图11描绘了在一个示例性实施例中的3-D LIDAR系统100的分解图。3-D LIDAR系统100还包括围绕中心轴线104旋转的光发射/收集引擎112。在图11中所描绘的实施例中，光发射/收集引擎112的中心光轴117相对于中心轴104以角度θ倾斜。如图11中所描绘的，3-D LIDAR系统100包括相对于下壳体101安装在固定位置中的静止电子板110。旋转电子板111安置于静止电子板110上方并且被配置为以预定旋转速度（例如，大于每分钟200转）相对于静止电子板110旋转。电功率信号和电子信号在静止电子板110和旋转电子板111之间通过一个或多个变压器、电容或光学元件传递，从而导致这些信号的无接触传输。光发射/收集引擎112相对于旋转电子板111固定地定位，并且因此以预定角速度ω围绕中心轴104旋转。
如图11中所描绘的，光发射/收集引擎112包括集成LIDAR测量装置的阵列113。在一个方面，每个集成LIDAR测量装置包括集成到共用基板（例如，印刷电路板或其它电路板）上的发光元件、光检测元件和相关联的控制和信号调节电子器件。
从每个集成LIDAR测量装置发射的光穿过一系列光学元件116，所述光学元件116使所发射的光准直以生成从3-D LIDAR系统投射到环境中的照明光的光束。以此方式，如图9中所描绘的，光束的阵列105（每个光束从不同LIDAR测量装置发射）从3-D LIDAR系统100发射。一般而言，可以布置任何数量的LIDAR测量装置以从3-D LIDAR系统100同时或依次发射任何数量的光束。由光学元件116收集由于从环境中的物体由特定LIDAR测量装置的照明而引起的从所述环境中的物体反射的光。所收集的光穿过光学元件116，在其中它被聚焦到相同的、特定LIDAR测量装置的检测元件上。以此方式，通过由不同LIDAR测量装置生成的照明而与环境的不同部分的照明相关联的所收集的光分别聚焦到每个对应的LIDAR测量装置的检测器上。
如参考图9-11所描述的，集成LIDAR测量装置的阵列被安装到LIDAR装置的旋转框架。该旋转框架相对于LIDAR装置的底座旋转。然而，一般而言，集成LIDAR测量装置的阵列可以以任何合适的方式（例如，万向节、摇动/倾斜等）可移动或相对于LIDAR装置的底座固定。
在另外的方面，安装到如参照图9-11描述的旋转框架或以其他方式相对于LIDAR系统的底座移动的每个集成LIDAR测量装置朝着如本文所述的光学相位调制装置发射照明光的光束。除了由集成LIDAR测量装置相对于LIDAR系统的底座的运动而提供的照明光束的标称移动之外，照明光的光束与光学相位调制装置的交互还在不同方向上将照明光束扫描到周围环境中。在这些示例中，光学相位调制装置相对于每个对应的集成LIDAR测量装置安装在固定位置。在一些示例中，如参照图9-11所描述的，每个集成LIDAR测量装置和对应的光学相位调制装置围绕中心轴旋转。在这些示例中，照明光束（在光学相位调制中无改变）的标称路径被参照图9 – 11而描述。此外，根据如本文中所描述的由每个对应的光学相位调制装置施加的光学相位调制的改变，以编程的方式将每个照明光束从标称路径重定向。
在一些其它实施例中，每个集成LIDAR测量装置包括光束引导元件（例如，扫描镜、MEMS镜等），其扫描由集成LIDAR测量装置生成的照明光束。
在一些其它实施例中，两个或更多集成LIDAR测量装置各自朝着扫描镜装置（例如，MEMS镜）发射照明光的光束，所述扫描镜装置在不同方向上将光束反射到周围环境中。
图12描绘了在另一实施例中的集成LIDAR测量装置120。集成LIDAR测量装置120包括连接器126和集成到共用基板121（例如，电气板）上的脉冲发光装置122、光检测元件123、相关联的控制和信号调节电子器件。脉冲发射装置122生成照明光124的脉冲，并且检测器123检测所收集的光125。集成LIDAR测量装置120基于从集成LIDAR测量装置120发射并且由集成LIDAR测量装置120检测的光的飞行时间来生成指示3-D LIDAR系统与周围环境中的物体之间的距离的数字信号。集成LIDAR测量装置120经由连接器126电耦合到3-D LIDAR系统。集成LIDAR测量装置120从3-D LIDAR系统接收控制信号，并且通过连接器126将测量结果传递到3-D LIDAR系统。
图13描绘了在另一实施例中的集成LIDAR测量装置130的示意图。集成LIDAR测量装置130包括集成到共用基板144上的脉冲发光装置134、光检测元件138、镜135、同心聚焦光学器件149、照明驱动器133、信号调节电子器件139、模数（A/D）转换电子器件140、控制器132和数字输入/输出（I/O）电子器件131。在一些实施例中，这些元件被个别地安装到共用基板（例如，印刷电路板）。在一些实施例中，将这些元件的分组封装在一起，并且将集成封装件安装到共用基板。一般而言，元件中的每个安装到共用基板以产生集成装置，而不管所述元件被个别地安装或安装为集成封装的一部分。
测量开始于由控制器132生成的脉冲激发信号146。由于内部系统延迟，脉冲索引信号由控制器132确定，所述脉冲索引信号从脉冲激发信号146偏移了时间延迟TD。时间延迟包括与从LIDAR系统发射光相关联的已知延迟（例如，与开关元件、能量存储元件和脉冲发光装置相关联的信号通信延迟和等待时间）和与收集光和生成指示所收集的光的信号相关联的已知延迟（例如，放大器等待时间、模数转换延迟等）。
在一些其它实施例中，不采用索引脉冲信号。取而代之的是，当激光二极管由于光学串扰而激发时，由检测器拾取信号。该信号快速斜坡上升并且使检测器饱和。在一些实施例中，该信号的前沿用作飞行时间测量的开始时间。在另外的实施例中，将跨阻抗放大器138的差分输出信号加在一起。该结果信号包括由于激光放电引起的非共模噪声。
响应于特定位置的照明，由LIDAR系统检测返回信号147。通过使能来自检测器138的数据获取来发起测量窗口（即，在其期间所收集的返回信号数据是与特定测量脉冲相关联的时间段）。控制器132控制测量窗口的定时，以与响应于测量脉冲序列的发射而预期返回信号的时间窗口相对应。在一些示例中，测量窗口在发射测量脉冲序列的时间点处被启用，并且在对应于光的飞行时间（在基本上是LIDAR系统的范围的两倍的距离上）的时间被禁用。以此方式，测量窗口是打开的，以用于从邻近于LIDAR系统（即，可忽略的飞行时间）的物体到位于LIDAR系统的最大范围处的物体收集返回光。以此方式，拒绝不可能对有用的返回信号有可能有贡献的所有其它光。
在一个示例中，返回信号147包括与发射的测量脉冲对应的两个返回测量脉冲。一般而言，对所有检测的测量脉冲执行信号检测。可以执行进一步的信号分析以标识最近的信号（即，返回测量脉冲的第一个实例）、最强信号和最远信号（即，测量窗口中的返回测量脉冲的最后一个实例）。这些实例中的任一个可被LIDAR系统报告为潜在有效距离测量。例如，飞行时间TOF1可以根据与发射的测量脉冲对应的最近的（即最早的）返回测量脉冲来计算。
在一些实施例中，信号分析完全由控制器132执行。在这些实施例中，从集成LIDAR测量装置130传递的信号143包括由控制器132确定的距离的指示。在一些实施例中，信号143包括由A/D转换器140生成的数字信号148。这些原始测量信号进一步由位于3-D LIDAR系统上或在3-D LIDAR系统外部的一个或多个处理器处理以得到距离的测量结果。在一些实施例中，控制器132对信号148执行初步信号处理步骤，并且信号143包括经处理的数据，该经处理的数据由位于3-D LIDAR系统上或在3-D LIDAR系统外部的一个或多个处理器进一步处理以得到距离的测量结果。
在一些实施例中，3D LIDAR系统包括多个集成LIDAR测量装置，诸如图9-11中所图示的LIDAR系统。在一些实施例中，在每个集成LIDAR测量装置的激发之间设置延迟时间。信号142包括与集成LIDAR测量装置130的激发相关联的延迟时间的指示。在一些示例中，延迟时间大于往返于位于LIDAR装置的最大范围处的物体测量脉冲序列的飞行时间。以此方式，在任何集成LIDAR测量装置之间不存在串扰。在一些其他示例中，在从另一个集成LIDAR测量装置发射的测量脉冲有时间返回到LIDAR装置之前，从一个集成LIDAR测量装置发射测量脉冲。在这些实施例中，注意确保在由每个波束所询问的周围环境的区域之间存在足够的空间分离以避免串扰。
照明驱动器133响应于脉冲激发信号146而生成脉冲电流信号145。脉冲发光装置134响应于脉冲电流信号145而产生脉冲光发射136。照明光136被LIDAR系统（未示出）的一个或多个光学元件聚焦和投射到周围环境中的特定位置上。
在一些实施例中，脉冲发光装置是基于激光的（例如，激光二极管）。在一些实施例中，脉冲照明源基于一个或多个发光二极管。一般而言，可以预期任何合适的脉冲照明源。
在一些实施例中，数字I/O 131、定时逻辑132、A/D转换电子器件140和信号调节电子器件139被集成到单个硅基微电子芯片上。在另一实施例中，这些相同的元件被集成到还包括照明驱动器的单个氮化镓或硅基电路中。在一些实施例中，A/D转换电子器件和控制器132组合为时间数字转换器。
由光检测器138检测从周围环境反射的返回光137。在一些实施例中，光检测器138是雪崩光电二极管。光检测器138生成由信号调节电子器件139放大的输出信号147。在一些实施例中，信号调节电子器件139包括模拟跨阻抗放大器。然而，一般而言，输出信号147的放大可以包括多个放大器级。在此意义上，模拟跨阻抗放大器是通过非限制性示例方式而提供的，这是因为在本专利文件的范围内可预期许多其它模拟信号放大方案。
放大的信号被传递到A/D转换器140。数字信号被传递到控制器132。控制器132生成启用/禁用信号，所述启用/禁用信号被采用以控制由ADC 140与脉冲激发信号146一致的数据获取的定时。
如图13中所描绘的，在离开集成LIDAR测量装置130进入周围环境之前，从集成LIDAR测量装置130发射的照明光136和朝着集成LIDAR测量装置引导的返回光137共享集成LIDAR测量装置130上的共用光路。在图13中所描绘的实施例中，返回光137由同心聚焦光学器件149聚焦并且从镜135朝着检测器138的有效区域反射。在一个方面，镜135包括狭缝，从脉冲发光装置134发射的光穿过该狭缝。照明光136从脉冲发光装置134发射，穿过镜135中的狭缝，由同心聚焦光学器件149准直，并且离开集成LIDAR测量装置。以此方式，将照明光136注入到返回光137的接受锥中确保从集成LIDAR测量装置130发射的照明光136和朝着集成LIDAR测量装置引导的对应的返回测量光137在离开集成LIDAR测量装置130进入周围环境之前共享集成LIDAR测量装置130上的共用光路。
在一些其它实施例中，通过偏振分束器（PBS）将返回光与照明光分离。也可以采用非偏振分束器，但是这通常会导致额外的光损失。在该实施例中，从脉冲发光装置发射的光被偏振，使得照明光穿过PBS。然而，返回光通常包括偏振的混合。因此，PBS朝着检测器引导返回光的一部分，并且朝着脉冲发光装置引导返回光的一部分。在一些实施例中，期望在PBS之后包括四分之一波片。这在返回光的偏振没有由于其与环境的交互而显著改变的情况下是有利的。在没有四分之一波片的情况下，大多数返回光将穿过PBS并且被朝着脉冲发光装置引导，这并非期望的。然而，在四分之一波片的情况下，大多数返回光将穿过PBS并被朝着检测器引导。
然而，一般而言，当返回光的偏振完全混合且采用单个PBS时，一半的返回光将被朝着检测器引导，而另一半将被朝着脉冲发光装置引导，而不管四分之一波片是否被使用。为了避免与偏振分束器相关联的返回光的损失，参考图13描述的狭缝镜135是优选的。
主控制器290或任何外部计算系统可以包括但不限于个人计算机系统、大型计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或本领域已知的任何其它装置。一般而言，术语“计算系统”可被宽泛地定义为涵盖具有一个或多个处理器的任何装置，所述一个或多个处理器执行来自存储器介质的指令。
实现诸如本文中所描述的那些方法的方法的程序指令292可以通过诸如电线、电缆或无线传输链路之类的传输介质来传输。例如，如图1所图示的，存储在存储器291中的程序指令292通过总线294传输到处理器295。程序指令292存储在计算机可读介质（例如，存储器291）中。示例性计算机可读介质包括只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁带。
计算系统300可以包括但不限于个人计算机系统、大型计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或本领域已知的任何其它装置。一般而言，术语“计算系统”可被宽泛地定义为涵盖具有一个或多个处理器的任何装置，所述一个或多个处理器执行来自存储器介质的指令。
实现诸如本文中所描述的那些方法的方法的程序指令304可以通过诸如电线、电缆或无线传输链路之类的传输介质传递。例如，如图9-11所图示的，存储在存储器302中的程序指令304通过总线303传输到处理器301。程序指令304存储在计算机可读介质（例如，存储器302）中。示例性计算机可读介质包括只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁带。
图14图示了适合于由如本文中所描述的LIDAR系统实施的方法400的流程图。在一些实施例中，LIDAR系统10、100、160、170、180和200可根据图14中所图示的方法400操作。然而，一般而言，方法400的执行不限于本文所描述的LIDAR系统10、100、160、170、180和200的实施例。这些图示和对应的解释是以示例的方式而提供的，这是因为许多其他实施例和操作示例可以被预期。
在框401中，由安装到印刷电路板的照明源生成照明光的第一测量脉冲。
在框402中，由安装到印刷电路板的检测器检测光的返回脉冲。返回脉冲为从由对应的测量脉冲照明的周围环境中的一位置反射的一定量的第一测量脉冲。
在框403中，由安置于照明源与受测的周围环境之间的光路中的第一光学相位调制装置调制照明光的第一测量脉冲的相位。相位的调制致使照明光的第一测量脉冲在期望的方向上被重定向。
在框404中，接收指示检测到的光量的数字信号。
在框405中，基于数字信号确定第一测量脉冲从照明源到三维环境中的测量位置且回到检测器的飞行时间。
在一个或一个以上示例性实施例中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过其进行传输。计算机可读介质包括以下两者：计算机存储介质和通信介质，所述通信介质包括促使计算机程序从一地向另一地传送的任何介质。存储媒体可为可由通用或专用计算机访问的任何可用媒体。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置、或者可用于以指令或数据结构的形式携带或存储期望程序代码装置以及可由通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问的任何其他介质。任何连接也被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光缆、双绞线、数字用户线路（DSL）或诸如红外、无线电和微波之类的无线技术从网站、服务器或其他远程源传输软件，则同轴电缆、光缆、双绞线、DSL或诸如红外、无线电和微波之类的无线技术被包括在介质的定义中。如本文所使用的磁盘和光盘包括压缩光盘（CD）、激光光盘、光盘、数字多功能光盘（DVD）、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式复制数据，而光盘以激光光学方式复制数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
虽然以上出于指导的目的描述了某些特定实施例，但是本专利文件的教导具有一般适用性并且不限于上述特定实施例。因此，可在不脱离如在权利要求书中所阐述的本发明的范围的情况下实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、适配和组合。

Claims (26)

1.一种光检测和测距（LIDAR）系统，包括：
第一集成LIDAR测量装置，其包括：
照明源，其安装到印刷电路板，所述照明源被配置为生成照明光的测量脉冲；
检测器，其安装到所述印刷电路板，所述检测器被配置为检测光的返回脉冲并且生成指示所检测到的返回脉冲的输出信号，其中所述返回脉冲为从由对应的测量脉冲照明的周围环境中的一位置反射的一定量的测量脉冲，其中所述照明光的测量脉冲和所述返回脉冲共享所述第一集成LIDAR装置内的一距离上的共用光路；
照明驱动器，其安装到所述印刷电路板，所述照明驱动器电耦合到所述照明源，并且被配置为将一定量的电力提供到所述照明源，所述一定量的电力致使所述照明源发射所述照明光的测量脉冲；
一定量的模拟信号调节电子器件，其安装到所述印刷电路板，所述模拟信号调节电子器件被配置为放大由所述检测器生成的所述输出信号；
模数转换器，其安装到所述印刷电路板，所述模数转换器被配置为将所述放大的输出信号转换成数字信号；
光学相位调制装置，其安置于所述第一集成LIDAR测量装置与受测的所述周围环境之间的光路中，所述光学相位调制装置被配置为在多个不同方向中的任一个上重定向所入射的照明光的测量脉冲；以及
计算系统，其被配置为：
将控制信号传递到所述光学相位调制装置，所述控制信号致使所述光学相位调制装置将所入射的测量脉冲光束重定向到所述多个不同方向中的一个；
接收指示所检测到的光量的所述数字信号，以及
基于所述数字信号确定所述测量脉冲从所述LIDAR装置到所述三维环境中的所测量的位置且返回到所述LIDAR装置的飞行时间。
2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，还包括：
第二集成LIDAR测量装置，其被配置为生成照明光的测量脉冲，其中所述光学相位调制装置安置于所述第二集成LIDAR测量装置与受测的所述周围环境之间的光路中，所述光学相位调制装置被配置为在多个不同方向中的任一个上重定向来自所述第二集成LIDAR测量装置的所入射的照明光的测量脉冲。
3. 根据权利要求1所述的LIDAR系统，还包括：
第二集成LIDAR测量装置，其被配置为生成照明光的测量脉冲；以及
第二光学相位调制装置，其安置于所述第二集成LIDAR测量装置与受测的所述周围环境之间的光路中，所述光学相位调制装置被配置为在多个不同方向中的任一个上重定向来自所述第二集成LIDAR测量装置的所入射的照明光的测量脉冲。
4. 根据权利要求2所述的LIDAR系统，还包括：
一个或多个聚焦光学元件，其安置于所述第一集成LIDAR测量装置与所述第一光学相位调制装置之间的光路中；以及
一个或多个聚光光学元件，其安置于所述第一光学相位调制装置与受测的所述周围环境之间的光路中。
5.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述计算系统还被配置为：
将控制信号传递到所述第一集成LIDAR测量装置，所述控制信号使所述照明光的测量脉冲的发射与所述光学相位调制装置的物理状态的改变同步。
6. 根据权利要求1所述的LIDAR系统，还包括：
底座；以及
旋转框架，所述旋转框架相对于所述底座旋转，其中所述第一集成LIDAR测量装置和所述光学相位调制装置相对于所述旋转框架固定。
7.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述光学相位调制装置是一维光学相位调制装置，其中所述照明光的测量脉冲在与所述光学相位调制装置交互之前聚焦到一个维度。
8.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述光学相位调制装置是二维光学相位调制装置。
9.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中由所述第一集成LIDAR测量装置的所述照明源提供的所述照明光的测量光束由光纤波导注入到所述检测器的接收代码中。
10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述飞行时间是基于由于所述照明源与所述检测器之间的内部串扰引起的第一检测到的脉冲信号与第二检测到的脉冲信号之间经过的时间来确定的。
11.一种光检测和测距（LIDAR）系统，包括：
第一集成LIDAR测量装置，其包括：
照明源，其安装到印刷电路板，所述照明源被配置为生成照明光的测量脉冲；
检测器，其安装到所述印刷电路板，所述检测器被配置为检测光的返回脉冲并且生成指示所检测到的返回脉冲的输出信号，其中所述返回脉冲为从由对应的测量脉冲照明的周围环境中的一位置反射的一定量的测量脉冲，其中所述照明光的测量脉冲和所述返回脉冲共享所述第一集成LIDAR装置内的一距离上的共用光路；
光学相位调制装置，其安置于所述第一集成LIDAR测量装置与受测的所述周围环境之间的光路中，所述光学相位调制装置被配置为在多个不同方向中的任一个上重定向所入射的照明光的测量脉冲；以及
非暂态计算机可读介质，其包括计算机可读指令，所述计算机可读指令在由一个或多个处理器执行时致使所述一个或多个处理器进行以下操作：
将控制信号传递到所述光学相位调制装置，所述控制信号致使所述光学相位调制装置改变所述光学相位调制装置的物理状态并且将所入射的测量脉冲光束重定向到所述多个不同方向中的一个；以及
将控制信号传递到所述第一集成LIDAR测量装置，所述控制信号使所述照明光的测量脉冲的发射与所述光学相位调制装置的物理状态的所述改变同步。
12.根据权利要求11所述的LIDAR系统，还包括：
第二集成LIDAR测量装置，其被配置为生成照明光的测量脉冲，其中所述光学相位调制装置安置于所述第二集成LIDAR测量装置与受测的所述周围环境之间的光路中，所述光学相位调制装置被配置为在多个不同方向中的任一个上重定向来自所述第二集成LIDAR测量装置的所入射的照明光的测量脉冲。
13. 根据权利要求11所述的LIDAR系统，还包括：
第二集成LIDAR测量装置，其被配置为生成照明光的测量脉冲；以及
第二光学相位调制装置，其安置于所述第二集成LIDAR测量装置与受测的所述周围环境之间的光路中，所述光学相位调制装置被配置为在多个不同方向中的任一个上重定向来自所述第二集成LIDAR测量装置的所入射的照明光的测量脉冲。
14. 根据权利要求12所述的LIDAR系统，还包括：
一个或多个聚焦光学元件，其安置于所述第一集成LIDAR测量装置与所述第一光学相位调制装置之间的光路中；以及
一个或多个聚光光学元件，其安置于所述第一光学相位调制装置与受测的所述周围环境之间的光路中。
15. 根据权利要求11所述的LIDAR系统，还包括：
底座；以及
旋转框架，所述旋转框架相对于所述底座旋转，其中所述第一集成LIDAR测量装置和所述光学相位调制装置相对于所述旋转框架固定。
16.根据权利要求11所述的LIDAR系统，其中所述光学相位调制装置是一维光学相位调制装置，其中所述照明光的测量脉冲在与所述光学相位调制装置交互之前聚焦到一个维度。
17.根据权利要求11所述的LIDAR系统，其中所述光学相位调制装置是二维光学相位调制装置。
18.根据权利要求11所述的LIDAR系统，其中由所述第一集成LIDAR测量装置的所述照明源提供的所述照明光的测量光束由光纤波导注入到所述检测器的接收代码中。
19.一种方法，包括：
从安装到印刷电路板的照明源生成照明光的第一测量脉冲；
由安装到所述印刷电路板的检测器检测光的返回脉冲，其中所述返回脉冲为从由对应的测量脉冲照明的周围环境中的一位置反射的一定量的所述第一测量脉冲；
由安置于所述照明源与受测的所述周围环境之间的光路中的第一光学相位调制装置调制所述照明光的第一测量脉冲的所述相位，所述相位的所述调制致使所述照明光的第一测量脉冲在期望的方向上被重定向；
接收指示所检测到的光量的数字信号；以及
基于所述数字信号确定所述第一测量脉冲从所述照明源到所述三维环境中的测量位置且回到所述检测器的飞行时间。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
使所述照明光的第一测量脉冲的所述生成与所述第一测量脉冲的所述相位的所述调制同步。
21.根据权利要求19所述的方法，还包括：
相对于底座旋转所述印刷电路板和所述光学相位调制装置，所述印刷电路板和所述第一光学相位调制装置相对于旋转框架固定。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括：
在与所述第一光学相位调制装置交互之前将所述照明光的第一测量脉冲聚焦到一个维度。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括：
通过光纤波导将由所述照明源提供的所述照明光的第一测量脉冲注入到所述检测器的接收锥中。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述飞行时间的所述确定涉及确定由于所述照明源与所述检测器之间的内部串扰引起的第一检测到的脉冲信号与第二检测到的脉冲信号之间经过的时间。
25. 根据权利要求19所述的方法，还包括：
从第二照明源生成照明光的第二测量脉冲；以及
由安置于所述第二照明源与受测的所述周围环境之间的光路中的所述第一光学相位调制装置调制所述照明光的第二测量脉冲的所述相位，所述相位的所述调制致使所述照明光的第二测量脉冲被重定向。
26. 根据权利要求19所述的方法，还包括：
从第二照明源生成照明光的第二测量脉冲；以及
由安置于所述第二照明源与受测的所述周围环境之间的光路中的第二光学相位调制装置调制所述照明光的第二测量脉冲的所述相位，所述相位的所述调制致使所述照明光的第二测量脉冲被重定向。
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