CN110940961A - 宽视场激光雷达光学组件和系统 - Google Patents

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Abstract

激光雷达系统包括被配置成发射多个激光束的激光源，以及被定位用于反射来自激光源的多个激光束的单个可移动镜子。可移动镜子可操作用于绕着单个旋转轴转动。系统包括被配置成将由可移动镜子反射的多个激光束中的至少第一激光束引导成在相对于系统的孔轴的第一方向上的第一光楔，以及被配置成用于将由可移动镜子反射的多个激光束中的至少第二激光束引导成在相对于系统的孔轴的第二方向上的第二光楔，其中第二方向被表征为与第一方向不同。系统也包括插置在第一光楔和可移动镜子之间的第一遮挡器以及插置在第二光楔和可移动镜子之间的第二遮挡器。第一遮挡器和第二遮挡器可独立地并且交替地操作至透射状态和阻挡状态。

Description

宽视场激光雷达光学组件和系统
技术领域
本公开总体上涉及激光雷达系统，并且更具体地涉及包括被配置成总体上将激光束引导成在相对于系统的孔轴的第一方向上的第一光楔和被配置成总体上将激光束引导成在与第一方向不同的第二方向上的第二光楔的系统。
附图说明
现将通过示例的方式参照附图描述本发明，其中：
图1是激光雷达系统的等距视图和图；以及
图2是根据一个实施例的图1的系统的光学组件的侧视图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，在附图中示出这些实施例的示例。在以下详细描述中，阐述了众多具体细节以便提供对各个所描述的实施例的透彻理解。然而，对本领域的普通技术人员将显而易见的是，无需这些具体细节就可实践所描述的各种实施例。在其它实例中，并未对公知方法、程序、组件、电路以及网络进行详细描述以免不必要地模糊各实施例的各方面。
“一个或多个(one or more)”包括：由一个要素执行的功能、由不止一个要素例如以分布式方式执行的功能、由一个要素执行的若干功能、由若干要素执行的若干功能、或上述的任何组合。
还将理解的是，虽然在一些实例中，术语第一、第二等在本文中用于描述各种要素，但这些要素不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个要素与另一个区别开来。例如，第一接触件可被称为第二接触件，并且类似地，第二接触件可被称为第一接触件，而没有背离各个所描述的实施例的范围。第一接触件和第二接触件两者都是接触件，但它们并非相同的接触件。
在对本文中各个所描述的实施例的描述中所使用的术语仅出于描述实施例的目的，而非旨在构成限制。如在对各个所描述的实施例和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解的是，本文所使用的术语“和/或”是指并且包含相关联的所列项目中的一个或更多个的所有可能的组合。将进一步理解的是，术语“包括(include)”、“包括有(including)”、“包含(comprise)”和/或“包含有(comprising)”当在本申请文件中使用时指明所陈述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其群组的存在或添加。
如本文中所使用的，取决于上下文，术语“如果(if)”可选地被解释为表示“当…时或“在…时”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，取决于上下文，短语“如果被确定”或“如果检测到(所陈述的状况或事件)”被可选地解释为表示“在确定…后”或“响应于确定”或“在检测到(所陈述的状况或事件)后”或“响应于检测到(所陈述的状况或事件)”。
图1示出了激光雷达系统10(下文常称为系统10)的非限制性示例。激光雷达(全称为光检测和测距)是使用脉冲激光形式的光测量对象14的范围或距离12的远程感测方法。激光雷达针对自动车辆的重要的对象检测技术，自动车辆例如具有自动驾驶员警告功能的手动驾驶车辆或可在不由人类驾驶员直接控制的情况下运送人类和/或货物的自主车辆(即，无人驾驶车辆)。本文所描述的系统10是对于先前激光雷达系统的改进，该改进在于通过包括光学组件16(下文中常称为组件16，其将会在后文中更为详细地描述)的创新配置，为单个激光雷达单元经济地提供了更宽的视场。
系统10包括被配置成发射多个激光束20的激光源18。在该非限制性示例中，示出了以垂直线布置排列的四个激光束，然而熟悉激光雷达技术的人将会认识到可商业购得的激光雷达设备中通常使用更多的激光束，例如，十六个或三十二个激光束。显示四个仅出于简化图示的目的。如本领域的技术人员将认识到的，激光束的垂直线布置可由例如激光二极管(未示出)的线性阵列提供，或由被配置成将单个激光束扩散或漫射为多个激光束的漫射器(未示出)提供。通过提供激光束的垂直线布置，随后可使用单个可移动镜子22(即，可移动镜子22的单个实例，后文中常称为可移动镜子22)水平地扫描多个激光束20。可移动镜子22被定位用于将来自激光源18的多个激光束20反射朝向组件16。可移动镜子22可操作用于绕着单个旋转轴24转动。即，可移动镜子22仅能够绕着单个旋转轴24转动或旋转，其在本示例中是被垂直定向以使得可移动镜子22可以仅水平地扫描或扫过多个激光束20。
可移动镜子22有时被称为一维微机电镜子系统(1D MEMS)，其仅绕着单个旋转轴24转动，优于2D MEMS。2D MEMS绕着两个正交轴转动，故可被用于垂直地以及水平地扫描单个激光束。1D MEMS更优的一个原因是因为其与2D MEMS相比较而言的汽车应用中对车辆振动的鲁棒性(robustness)。进一步地，提供和校准2D MEMS的成本比提供和校准1D MEMS加上提供激光束垂直线布置的方法的成本更高。1D MEMS和2D MEMS的合适的示例被限制转动或旋转约七十度(70°)，所以仅可提供约七十度(70°)的视场，即，水平偏转的角度。然而，对于汽车应用，期望的是一百二十度(120°)的水平视场。已建议了使用多个MEMS来提供更宽的视场的其他激光雷达配置，然而这些配置不期望的昂贵并且难以校准。所认识到的是，在激光源18和对象14之间的路径中可存在固定镜子的其他实例。然而，所注意到的是，固定镜子不可操作用于绕着任何轴转动，因此无法与本文中所描述的可移动镜子22相比较。
如上文所建议的，本文所描述的系统10由于光学组件16而优于先前的激光雷达系统，该光学组件16现在将会被描述。系统10或组件16包括第一光楔26，该第一光楔26被配置成将由可移动镜子22反射的多个激光束20中的至少第一激光束28引导(即，弯曲)成在相对于系统10的孔轴(bore-axis)32的第一方向30上。即，由正穿过第一光楔26的激光束20所覆盖的视场基本上不以孔轴32为中心，而是以被表征为第一方向30的某个其他方向或向量为中心。通过示例而不是限制的方式，第一方向30可被表征为相对于孔轴32水平标称正二十五度(+25°)，即，孔轴右侧标称25°。第一方向30也可包括垂直组件，如下文将讨论的。
为了实现更宽的系统视场，系统10或组件16还包括被配置成将由可移动镜子反射的多个激光束20中的至少第二激光束36引导成在相对于系统10的孔轴32的第二方向38上，并且由此补足(complement)第一光楔26的方向偏转。第二方向38与第一方向30不同或被表征为与第一方向30不同。通过示例而不是限制的方式，第二方向38可被表征为相对于孔轴32水平标称负二十五度(-25°)，即，孔轴左侧标称25°。该第一方向30和第二方向38的非限制性示例的幅度相等但方向相对(至少关于水平偏转)，第二方向38可被表征为与第一方向30互补相对(complementarily-opposed)。即，如果期望的是激光雷达具有用于投射激光束的对称视场，则第一光楔26和第二光楔34可被配置成(即，被选择或被设计)使得第二方向38如本文所使用的与第一方向30互补相对。
因此，如果可移动镜子22能够70°偏转(即，+/-35°)并且第一方向30和第二方向38的水平偏转如上文所建议的分别为+25°和-25°，则系统10的总水平视场为120°。在该示例中，将会存在十度(10°)的重叠区域，其可有利于感测在孔轴32附近(例如，+/-5°)的远处对象，可能有两倍的激光束碰撞到此类对象上。
如图1所建议的，所设想的是，激光束20的约一半将穿过第一光楔26，并且另一半将穿过第二光楔34。然而，为了避免混淆有关由对象14从哪个方向将一个或多个激光束反射至系统10的检测器(未示出)，时分复用(time-multiplex)穿过第一光楔26和第二光楔34的激光束20是有利的。如先前所提到的，使用2D MEMS的情况下这可以是可能的，但是该做法导致不期望的花费和复杂性。为了提供时分复用，系统10或组件16包括插置(interpose)在第一光楔26和可移动镜子22之间的第一遮挡器(shutter)40，以及插置在第二光楔34和可移动镜子22之间的第二遮挡器42。
遮挡器可操作至透射状态(即，打开状态或透明状态)以及阻挡状态(即，关闭状态或不透明状态)。图1示出了在透射状态下的第一遮挡器40，使得第一激光束28穿过第一遮挡器40并且进入第一光楔26。相比之下，因为第二遮挡器42是处于阻挡状态，因此第二激光束被阻挡而无法进入第二光楔34。表明离开第二光楔34的激光束的虚线被提供以将第二方向38示出为与第一方向30不同，并且不应当被解释为表明在第二遮挡器42处于阻挡状态时激光束从第二光楔34发射或穿过第二光楔34。第一遮挡器40和第二遮挡器42可独立地操作至任一状态，所以两个遮挡器可处于阻挡状态或两个遮挡器可处于透射状态是可能的，但是所设想的是，状态通常将是交替的，即，遮挡器中的一个将会处于阻挡状态而遮挡器中的另一个将处于透射状态。
在系统10或组件16的一个实施例中，第一遮挡器40包括可操作至透射状态和阻挡状态的第一液晶元件44或基本上由可操作至透射状态和阻挡状态的第一液晶元件44组成。第二遮挡器46可能使用相似的技术，使得第二遮挡器42也包括第二液晶元件46，第二液晶元件46可独立于第一液晶元件44操作。同样，第二液晶元件46可操作至透射状态和阻挡状态。所认识到的是，第一液晶元件44和第二液晶元件46可以是统一设备(诸如，液晶显示器或液晶设备(LCD))的部分，但是需要至少操作每一个部分独立地至相反状态的能力。
系统10包括至少与第一遮挡器40和第二遮挡器42通信的控制器电路48，该控制器电路48还可与激光源18和/或可移动镜子22通信以用于协调在已知的方向上发射激光束20。因此，控制器电路48被配置成将第一遮挡器40和第二遮挡器42交替地操作至透射状态和阻挡状态。控制器电路48(以下有时称为控制器48)可以包括处理器(未示出)的一个或多个实例，诸如，微处理器或者诸如包括如对本领域的技术人员显而易见的用于处理数据的专用集成电路(ASIC)的模拟和/或数字控制电路系统之类的其他控制电路系统的一个或多个实例。尽管本文描述的系统10通常参照具有控制器48的单个实例来被描述，但是应当认识到，控制器48的功能可以在控制器的若干实例之间共享或分布，所述控制器的若干实例各自被配置用于某个特定任务。在下文中，对被配置用于一些事情的控制器48的任何引用也将被解释为建议处理器也可以被配置用于相同的事情。还认识到在控制器48的任何实例中可能存在处理器的多个实例。控制器48可以包括存储器(未示出)，即非瞬态计算机可读存储介质，存储器34包括非易失性存储器，诸如用于存储一个或多个例程、阈值和捕获到的数据的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。存储器可以是处理器的部分，或者是控制器48的部分，或者与控制器48分开，诸如存储在云中的远程存储器。一个或多个例程可以由控制器48或处理器22执行，以执行用于基于由控制器48从例如激光检测器(未示出)接收到的信号确定到对象14的距离12的步骤，如由本领域技术人员将认识到的。
图2示出组件16的侧视图的非限制性示例。如先前所提到的，除了上文所述的水平偏转，第一方向30和/或第二方向38也可由某个垂直向上或向下偏转表征。所设想的是，对于很多应用，将期望的是让第一光楔26的视场以及第二光楔34的视场尽可能地彼此垂直地重叠。即，对于图1中所示的配置，第一方向30可包括某个向下偏转，并且第二方向38可包括某个向上偏转，使得如果对象14从光楔中的一个的视场水平地移动至光楔中的另一个的视场，则对象14的相对检测到的高度保持相对恒定。
为此，第一光楔26限定(即，被配置成限定或包括)第一表面50并且第二光楔34限定第二表面52。第一表面50和第二表面52被相对彼此取向，使得穿过第一表面50的第三激光束54和穿过第二表面52的第四激光束56与平行于孔轴32的水平平面58相交。由于是从边缘查看水平平面58，因此水平平面58在图2中以直线呈现。水平平面58被示出与孔轴32重合，然而这不是必需的。第三激光束54和第四激光束56可能不会垂直对齐，即，不由可移动镜子22在同一时刻反射或不由可移动镜子22处于同一角度时反射。更广泛地，可以说第一表面50和第二表面52的成角被选择或被配置成使得第一光楔26和第二光楔34的视场是垂直对齐的，并且最佳垂直对齐可能出现在距组件16的某个选定的距离处。
通过进一步的描述和示例的方式，第一表面50和第二表面52可被配置成或彼此相对地取向，使得第三激光束54和第四激光束56在距组件16的某个选定的距离处相交。针对图1和图2所示出的组件16的配置以及利用对存在十度(10°)的重叠区域的理解，对于第三激光束54和第四激光束56相交，第三激光束54将在组件16的一端处穿过第一光楔26，并且第四激光束26将在组件16的相对的一端处穿过第二光楔34。
因此，提供了激光雷达系统(系统10)和用于系统10的控制器48。组件16包括两个光楔和两个遮挡器，该组件16使得激光雷达在没有使用可移动镜子的多个实例和/或使用2D MEMS的所添加的且不期望的复杂性和成本的情况下能够具有更宽的视场(比从可移动镜子22可用的角度范围更宽)。
尽管已经根据本发明的优选实施例描述了本发明，然而并不旨在受限于此，而是仅受所附权利要求书中所阐述的范围限制。

Claims (12)

1.一种用于确定到对象(14)的距离(12)的激光雷达系统(10)，所述系统(10)包括：
激光源(18)，所述激光源(18)被配置成发射多个激光束(20)；
单个可移动镜子(22)，所述可移动镜子(22)被定位用于反射来自所述激光源(18)的所述多个激光束(20)，所述可移动镜子(22)可操作用于绕着单个旋转轴(24)转动；
第一光楔(26)，所述第一光楔(26)被配置成将由所述可移动镜子(22)反射的所述多个激光束(20)中的至少第一激光束(28)引导成在相对于所述系统(10)的孔轴(32)的第一方向(30)上；
第二光楔(34)，所述第二光楔(34)被配置成将由所述可移动镜子(22)反射的所述多个激光束(20)中的至少第二激光束(36)引导成在相对于所述系统(10)的所述孔轴(32)的第二方向(38)上，所述第二方向(38)被表征为与所述第一方向(30)不同；
第一遮挡器(40)，所述第一遮挡器(40)被插置在所述第一光楔(26)和所述可移动镜子(22)之间；
第二遮挡器(42)，所述第二遮挡器(42)被插置在所述第二光楔(34)和所述可移动镜子(22)之间；以及
控制器电路(48)，所述控制器电路(48)与所述第一遮挡器(40)和所述第二遮挡器(42)通信，其中所述控制器电路(48)被配置成将所述第一遮挡器(40)和所述第二遮挡器(42)交替地操作至透射状态和阻挡状态。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述第一遮挡器(40)包括可操作至所述透射状态和所述阻挡状态的第一液晶元件(44)。
3.根据权利要求1或2所述的系统(10)，其特征在于，所述第二遮挡器(42)包括独立于所述第一液晶元件(44)的第二液晶元件(46)，所述第二液晶元件(46)可操作至所述透射状态和所述阻挡状态。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述第二方向(38)被表征为与所述第一方向(30)互补相对。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述第一光楔(26)限定第一表面(50)并且所述第二光楔(34)限定第二表面，并且所述第一表面(50)和所述第二表面(52)被相对于彼此取向，使得穿过所述第一表面(50)的第三激光束(54)和穿过所述第二表面(52)的第四激光束(56)与平行于所述孔轴(32)的水平平面(58)相交。
6.根据权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，所述第一表面(50)和第二表面(52)被相对于彼此取向，使得所述第三激光束(54)和所述第四激光束(56)相交。
7.一种用于确定到对象(14)的距离(12)的激光雷达系统(10)的光学组件(16)，所述组件(16)包括：
第一光楔(26)，所述第一光楔(26)被配置成将多个激光束(20)中的至少第一激光束(28)引导成在相对于所述系统(10)的孔轴(32)的第一方向(30)上；
第二光楔(34)，所述第二光楔(34)被配置成将所述多个激光束(20)中的至少第二激光束(36)引导成在相对于所述系统(10)的所述孔轴(32)的第二方向(38)上，所述第二方向(38)被表征为与所述第一方向(30)不同；
第一遮挡器(40)，所述第一遮挡器(40)被插置在所述第一光楔(26)和发射所述第一激光束(28)的激光源(18)之间；
第二遮挡器(42)，所述第二遮挡器(42)被插置在所述第二光楔(34)和发射所述第二激光束(36)的所述激光源(18)之间，其中所述第一遮挡器(40)和所述第二遮挡器(42)被表征为每一个独立地可操作至透射状态和阻挡状态。
8.根据权利要求7所述的组件(16)，其特征在于，所述第一遮挡器(40)包括可操作至所述透射状态和所述阻挡状态的第一液晶元件(44)。
9.根据权利要求7或8所述的组件(16)，其特征在于，所述第二遮挡器(42)包括独立于所述第一液晶元件(44)的第二液晶元件(46)，所述第二液晶元件(46)可操作至所述透射状态和所述阻挡状态。
10.根据前述权利要求中任一项所述的组件(16)，其特征在于，所述第二方向(38)被表征为与所述第一方向(30)互补相对。
11.根据前述权利要求中任一项所述的组件(16)，其特征在于，所述第一光楔(26)限定第一表面(50)并且所述第二光楔(34)限定第二表面，并且所述第一表面(50)和所述第二表面(52)被相对于彼此取向，使得穿过所述第一表面(50)的第三激光束(54)和与所述第三激光束(54)不同的穿过所述第二表面(52)的第四激光束(56)与平行于所述孔轴(32)的水平平面(58)相交。
12.根据权利要求11所述的组件(16)，其特征在于，所述第一表面(50)和第二表面(52)被相对于彼此取向，使得所述第一激光束(28)和所述第二激光束(36)相交。
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