CN111615646B - Lidar系统和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种包括MEMS扫描装置的LIDAR系统。LIDAR系统包括光源，光偏转器，传感器和处理器。光偏转器使来自光源的光或从安装了LIDAR系统的车辆外部的环境接收到的光偏转。传感器检测从光源或环境接收到的光。处理器基于来自传感器的信号来确定环境中的一个或多个物体与车辆的距离。光偏转器包括一个或多个致动器，致动器包括一个或多个致动臂。连接器将致动臂连接到MEMS反射镜或其他偏转器。当受到电压或电流形式的电场时，致动臂运动。致动臂的运动引起MEMS反射镜或偏转器的运动，从而使它偏转光。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求以下的优先权：2017年11月28日提交的美国临时专利申请第62/591,409号；2017年12月8日提交的美国临时专利申请第62/596,261号；2018年3月22日提交的美国临时专利申请第62/646,490号；2018年10月19日提交的美国临时专利申请第62/747,761号；和2018年11月1日提交的美国临时专利申请第62/754,055号，其每个的内容均通过引用以其整体并入本文。
背景技术
技术领域
本公开总体上涉及用于扫描周围环境的测绘技术，并且更具体地，涉及使用LIDAR技术来检测周围环境中的物体的系统和方法。
背景资料
随着驾驶员辅助系统和自主车辆(vehicle)的出现，车辆需要配备能够可靠地感测和解释其周围环境的系统，包括识别障碍物、危险、物体和其他可能影响车辆导航的物理参数。为此，已经提出了许多不同的技术，包括单独操作或以冗余方式操作的雷达、LIDAR、基于相机的系统。
关于驾驶员辅助系统和自主车辆的一个考虑因素是该系统在包括雨、雾、黑暗、亮光和雪在内的不同条件下确定周围环境的能力。光检测和测距系统(LIDAR a/k/a LADAR)是可以在不同条件下良好工作的技术示例，其通过用光照射物体并使用传感器测量反射脉冲来测量与物体的距离。激光器是可以在LIDAR系统中使用的光源的一个示例。与任何感测系统一样，为了使基于LIDAR的感测系统被汽车行业完全采用，该系统应提供能够检测远处物体的可靠数据。但是，目前，LIDAR系统的最大照明功率受到使LIDAR系统人眼安全的需求(即，使得它们不会损坏人眼，当投射的光发射被眼睛的角膜和晶状体吸收时会发生损坏人眼，从而对视网膜造成热损伤)的限制。
本公开的系统和方法旨在在遵守眼睛安全法规的同时改善LIDAR系统的性能。
附图说明
并入本公开内容并构成本公开内容的一部分的附图示出了各种公开的实施例。在附图中：
图1A是示出根据公开的实施例的示例性LIDAR系统的图。
图1B是示出根据公开的实施例的安装在车辆上的LIDAR系统的单个扫描周期的示例性输出的图像。
图1C是示出根据公开的实施例从LIDAR系统的输出确定的点云模型的表示的另一图像。
图2A-2G是示出根据本公开的一些实施例的投射单元的不同构造的图。
图3A-3D是示出根据本公开的一些实施例的扫描单元的不同构造的图。
图4A-4E是示出根据本公开的一些实施例的感测单元的不同构造的图。
图5A包括四个示例图，示出了对于视场的单个部分在单个帧时间内的发射图案。
图5B包括三个示例图，示出了对于整个视场在单个帧时间内的发射图案。
图6是示出对于整个视场在单个帧时间期间投射出的实际光发射和接收到的反射的图。
图7-9是示出根据本公开的一些实施例的第一示例实施方式的图
图10是示出根据本公开的一些实施例的第二示例实施方式的图。
图11A-11F是根据公开的实施例的示例性MEMS反射镜组件的图示。
图12A-12F是根据公开的实施例的附加的示例性MEMS反射镜组件的图示。
图13A是根据公开的实施例的示例性MEMS反射镜组件的另一图示。
图13B是根据公开的实施例的用于将MEMS反射镜与一个或多个致动器连接的L形连接器的图示。
图14是根据公开的实施例的具有S形连接器的示例性MEMS反射镜组件的图示。
图15A和15B是根据公开的实施例的用于附接连接器与一个或多个致动臂的附接位置的图示。
图16A是根据公开的实施例的示例性MEMS反射镜组件的另一图示。
图16B和图16C是根据公开的实施例的用于附接连接器与一个或多个致动臂的附接位置的附加图示。
图17A-17C是根据公开的实施例的用于各种MEMS反射镜组件的示例性致动器布置的图示。
图18A、18B、19A、19B、20A、20B、21A、21B、22A、22B、23A和23B是根据公开的实施例的具有不同类型的互连件的示例性MEMS反射镜组件的图示，互连件用于将致动臂连接到框架。
图24是根据公开的实施例的一维MEMS反射镜组件的图示。
图25是根据公开的实施例的一维MEMS反射镜组件的另一图示。
图26是根据公开的实施例的具有尺寸变化的致动器的示例性MEMS反射镜组件的图示。
图27和28是根据公开的实施例的尺寸变化的示例性致动器的附加的图示。
图29A和29B是根据公开的实施例的尺寸变化的示例性致动器的附加的图示。
图30A和30B是根据公开的实施例的具有相对于框架的变化取向和具有变化尺寸的附加的示例性致动器的图示。
图31是根据公开的实施例的具有尺寸变化的弯曲致动器的示例性MEMS反射镜组件的图示。
图32A是示例性车辆系统的侧视图。
图32B是示例性车辆系统的俯视图。
图33示出了对于倾斜窗口在视场中光的透射水平的变化的示例。
图34A-34D示出了用于装备有LIDAR系统的车辆的光偏转器的示例性实施例。
图35示出了为与图34A-34D的示例性光学接口一起使用而校准的示例性LIDAR系统。
图36示出了示例性的车辆系统，其包括固定到车辆的窗口的次级窗口。
图37A、B和C示出了示例性的车辆系统，该车辆系统包括固定至车辆的窗口或次级窗口的光栅。
图38A示出了示例性的车辆系统，其包括用于光的准直/去准直的内部和外部透镜。
图38B-38G示出了用于将激光反射引导到车辆中的结构的各种构造。
图39示出了车辆系统中的LIDAR系统的校准的示例性方法。
图40示出了在配备有LIDAR系统的车辆的窗口上安装光学接口的示例性方法。
图41A示出了根据当前公开的主题的示例的微机电(MEMS)系统。
图41B和41C示出了用于位于活动区域的不同侧的不同致动组件的可选致动命令(例如，电压，偏置，电流)的两个示例。
图41D示出了根据当前公开的主题的示例的将致动器表示为弹簧的概念图以及在活动区域移动期间施加于致动器的不同部分的应力的图。
图42A示出了根据当前公开的主题的示例的MEMS系统。
图42B示出了根据当前公开主题的示例的在一对致动器的操作期间的两种状态。
图43示出了根据当前公开的主题的示例的MEMS系统。
发明内容
在一个方面中，一种MEMS扫描装置可以包括：可移动MEMS反射镜，其被构造为绕至少一个轴线枢转；至少一个致动器，其被配置为使可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线在第一方向上枢转；至少一个弹簧，其构造成使可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线在不同于第一方向的第二方向上枢转。致动器可包括：第一致动臂；第二致动臂；以及第一致动臂和第二致动臂之间的间隙。第一致动臂和第二致动臂可以彼此邻近，通过间隙至少部分地彼此分开。所述第一致动臂和所述第二致动臂可以被配置为被同时致动，从而使得能够在所述至少一个弹簧上施加组合的机械力以使所述可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线枢转。
在另一方面中，一种LIDAR系统可以包括：光源，被配置为投射光以照射在LIDAR系统外部的环境中的物体；扫描单元，其被配置为使来自光源的光偏转以便扫描至少一部分环境。扫描单元可以包括：可移动MEMS反射镜，其被配置为绕至少一个轴线枢转；至少一个致动器，其被配置为使可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线在第一方向上枢转；和至少一个弹簧，其构造成使可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线在不同于第一方向的第二方向上枢转。致动器可包括：第一致动臂；第二致动臂；以及第一致动臂和第二致动臂之间的间隙。扫描单元还可以包括：在至少一个壳体内的至少一个传感器，被配置为检测投射的光的反射；和至少一个处理器，配置为向所述至少一个致动器发出指令，使所述致动器从初始位置偏转，和基于从所述至少一个传感器接收到的信号确定车辆与物体之间的距离。
在一方面中，一种MEMS扫描装置可以包括框架，被配置为绕至少一个旋转轴线旋转的可移动MEMS反射镜，以及连接至该可移动MEMS反射镜的至少一个连接器。连接器可以被配置为促进可移动MEMS反射镜围绕至少一个旋转轴线的旋转。MEMS扫描装置还可以包括细长的致动器，该细长的致动器被配置为在至少一个连接器上施加机械力。细长致动器可具有连接到框架的基端和连接到至少一个连接器的远端。致动器的基端的宽度可以比致动器的远端更宽。
在一个方面中，公开了一种位于车辆内的用于LIDAR系统的光偏转器。所述光偏转器可以包括挡风玻璃光学接口，该挡风玻璃光学接口被配置为在车辆内并且沿着LIDAR系统的光路定位。光路可以延伸穿过车辆的倾斜挡风玻璃。穿过倾斜的挡风玻璃之前的光路的光学角度可以相对于倾斜的挡风玻璃的邻近表面以第一角度定向。LIDAR系统还可包括用于定向LIDAR发射元件以将光引导通过挡风玻璃光学接口并沿着光路的连接器。光学接口可以被配置为将光路的光学角度从第一角度改变为第二角度。可以以第二角度获得通过挡风玻璃折射的光与从挡风玻璃反射的光之间的大于约0.3的比。
在另一方面中，公开了一种LIDAR系统。LIDAR系统可以包括光源，光源被配置为投射光以照射在LIDAR系统外部的环境中的物体。LIDAR系统还可包括挡风玻璃光学接口，该挡风玻璃光学接口被配置为在车辆内并沿着LIDAR系统的光路定位。光路可以延伸穿过车辆的倾斜挡风玻璃。穿过倾斜的挡风玻璃之前的光路的光学角度可以相对于倾斜的挡风玻璃的邻近表面以第一角度定向。此外，LIDAR系统可以包括扫描单元，该扫描单元被配置为使来自光源的光偏转以便扫描至少一部分环境。扫描单元可以包括被配置为绕至少一个轴线枢转的可移动MEMS反射镜。扫描单元还可以包括连接器，该连接器被配置为使MEMS反射镜定向以引导光穿过挡风玻璃光学接口并沿着光路。LIDAR系统还可包括至少一个传感器，该至少一个传感器被配置为检测通过挡风玻璃光学接口接收到的光。另外，LIDAR系统可以包括至少一个处理器，该至少一个处理器被配置为基于从至少一个传感器接收到的信号来确定车辆与物体之间的距离。
具体实施方式
下面的详细描述参考附图。在附图和以下描述中，尽可能使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。尽管本文描述了几个说明性实施例，但是修改、改型和其他实施方式是可行的。例如，可以对附图中示出的部件进行替换、添加或修改，并且可以通过替代、重新排序、移除或增加所公开的方法的步骤来修改本文描述的说明性方法。因此，以下详细描述不限于所公开的实施例和示例。相反，适当的范围由所附权利要求限定。
术语定义
公开的实施例可以涉及光学系统。如本文所使用的，术语“光学系统”广义地包括用于光的产生、检测和/或操纵的任何系统。仅作为示例，光学系统可以包括用于产生、检测和/或操纵光的一个或多个光学部件。例如，光源、透镜、反射镜、棱镜、分束器、准直仪、偏振光学器件、光学调制器、光学开关、光学放大器、光学检测器、光学传感器、光纤、半导体光学部件，虽然每个都不一定需要，但每个都可以成为光学系统的一部分。除了一个或多个光学部件之外，光学系统还可包括其他非光学部件，例如电气部件、机械部件、化学反应部件和半导体部件。非光学部件可以与光学系统的光学部件协作。例如，光学系统可以包括用于分析检测到的光的至少一个处理器。
根据本公开，光学系统可以是LIDAR系统。如本文所使用的，术语“LIDAR系统”广义地包括能够基于反射光确定指示一对有形物体之间的距离的参数的值的任何系统。在一个实施例中，LIDAR系统可以基于由LIDAR系统发射的光的反射来确定一对有形物体之间的距离。如本文中所使用的，术语“确定距离”广义上包括产生指示成对的有形物体之间的距离的输出。所确定的距离可以代表一对有形物体之间的物理尺寸。仅作为示例，所确定的距离可以包括LIDAR系统与LIDAR系统的视场内的另一有形物体之间的飞行距离线。在另一个实施例中，LIDAR系统可以基于由LIDAR系统发射的光的反射来确定一对有形物体之间的相对速度。指示一对有形物体之间的距离的输出示例包括：有形物体之间的标准长度单位数(例如，米数，英寸数，千米数，毫米数)，任意长度单位数(例如LIDAR系统长度数)，距离与另一长度之间的比(例如，与在LIDAR系统的视场中检测到的物体的长度的比)，时间量(例如，以标准单位、任意单位或比给出，例如光在有形物体之间行进所花费的时间)，一个或多个位置(例如，使用约定的坐标系指定，相对于已知位置指定)等。
LIDAR系统可以基于反射光确定一对有形物体之间的距离。在一个实施例中，LIDAR系统可以处理传感器的检测结果，该传感器创建时间信息，该时间信息指示光信号的发射与其被传感器检测到的时间之间的时间段。该时间段有时被称为光信号的“飞行时间”。在一个示例中，光信号可以是短脉冲，可以在接收中检测其上升和/或下降时间。使用有关介质(通常是空气)中光速的已知信息，可以处理有关光信号的飞行时间的信息，以提供光信号在发射和检测之间行进的距离。在另一个实施例中，LIDAR系统可以基于频率相移(或多频率相移)来确定距离。具体地，LIDAR系统可以处理指示光信号的一个或多个调制相移的信息(例如，通过求解一些联立方程以给出最终测量值)。例如，可以以一个或多个恒定频率来调制发射的光信号。发射信号与检测到的反射之间的调制的至少一个相移可以指示光在发射与检测之间行进的距离。可以将调制应用于连续波光信号、准连续波光信号或另外的类型的发射光信号。注意，LIDAR系统可以使用附加信息来确定距离，例如信号的投射位置、检测位置(尤其是彼此远离的情况下)之间的位置信息(例如相对位置)等等。
在一些实施例中，LIDAR系统可以用于在LIDAR系统的环境中检测多个物体。术语“在LIDAR系统的环境中检测物体”广义上包括产生信息，该信息指示向与LIDAR系统相关联的检测器反射光的物体。如果LIDAR系统检测到多于一个物体，则可以互连生成的与不同物体有关的信息，例如汽车在道路上行驶，鸟儿落在树上，人触摸自行车，货车朝向建筑物移动。LIDAR系统在其中检测物体的环境的尺寸可能会因实施方式而异。例如，LIDAR系统可以用于在安装有LIDAR系统的车辆的环境中检测多个物体，直至100m(或200m，300m等)的水平距离以及直至10m(或25m，50m等)的竖直距离。在另一个示例中，LIDAR系统可以用于检测车辆环境中或在预定的水平范围(例如25°，50°，100°，180°等)并且直至预定义的竖直仰角(例如，±10°，±20°，+40°–20°，±90°或0°–90°)内的多个物体
如本文中所使用的，术语“检测物体”可以广义地指代确定物体的存在(例如，物体可以相对于LIDAR系统和/或相对于另一参考位置在特定方向上存在，或者物体可以在特定空间中存在)。附加地或可替代地，术语“检测物体”可以指确定物体与另一位置(例如，LIDAR系统的位置，地球上的位置或另一物体的位置)之间的距离。附加地或可替代地，术语“检测物体”可以指识别物体(例如，对诸如汽车、植物、树木、道路之类的物体进行分类；识别特定物体(例如，华盛顿纪念碑)；确定车牌号；确定物体的成分(例如，固体，液体，透明，半透明)；确定物体的运动学参数(例如，对象是否正在移动，其速度，移动方向，物体的扩展)。附加地或可替代地，术语“检测物体”可以指生成点云图，其中，点云图的一个或多个点中的每个点对应于物体中的位置或其面上的位置。在一个实施例中，与视场的点云图表示相关联的数据分辨率可以与视场的0.1°x0.1°或0.3°x0.3°相关联。
根据本公开，术语“物体”广义地包括可以反射来自其至少一部分的光的物质的有限组成。例如，物体可以至少部分是固体(例如汽车，树木)；至少部分为液体(例如道路上的水坑，雨水)；至少部分为气态(例如烟，云)；由多种不同的颗粒构成(例如沙尘暴，雾气，喷雾)；可以具有一个或多个量级，例如 等。也可以检测更大或更小的物体，以及在这些示例之间的任何尺寸。注意，由于各种原因，LIDAR系统可能仅检测对象的一部分。例如，在一些情况下，光可能仅从物体的某些侧面反射(例如，仅会检测到与LIDAR系统相对的侧面)；在其他情况下，光可能仅投射在对象的一部分上(例如，激光束投射到道路或建筑物上)；在其他情况下，物体可能被LIDAR系统与检测到的物体之间的另一物体部分阻挡；在其他情况下，LIDAR的传感器可能只检测到从物体的一部分反射的光，例如，因为环境光或其他干扰会干扰对物体的一些部分的检测。
根据本公开，可以将LIDAR系统配置为通过扫描LIDAR系统的环境来检测物体。术语“扫描LIDAR系统的环境”广义上包括照射LIDAR系统的视场或视场的一部分。在一个示例中，可以通过移动或枢转光偏转器以将光沿不同方向朝向视场的不同部分偏转来实现扫描LIDAR系统的环境。在另一个示例中，可以通过改变传感器相对于视场的位置(即，位置和/或取向)来实现扫描LIDAR系统的环境。在另一示例中，可以通过改变光源相对于视场的位置(即，位置和/或取向)来实现扫描LIDAR系统的环境。在又一示例中，可以通过改变至少一个光源和至少一个传感器的位置以相对于视场进行严格移动(即，至少一个传感器和至少一个光源的相对距离和取向保持)来实现扫描LIDAR系统的环境。
如本文所使用的，术语“LIDAR系统的视场”可以广义地包括其中可以检测物体的LIDAR系统的可观察环境的范围。应注意，LIDAR系统的视场(FOV)可能受到各种条件的影响，例如但不限于：LIDAR系统的取向(例如是LIDAR系统的光学轴线的方向)；LIDAR系统相对于环境的位置(例如，离地面以及邻近的地形和障碍物的距离)；LIDAR系统的操作参数(例如，发射功率，计算设置，定义的操作角度)等。LIDAR系统的视场可以例如由立体角定义(例如，使用φ、θ角定义，其中θ和θ是在垂直平面中定义的角度，例如相对于LIDAR系统和/或其FOV的对称轴线)。在一个示例中，视场也可以被限定在一定范围内(例如，高达200m)。
类似地，术语“瞬时视场”可广义地包括在任何给定时刻其中LIDAR系统可以检测物体的可观察环境的范围可。例如，对于扫描LIDAR系统，瞬时视场比LIDAR系统的整个FOV窄，并且其可以在LIDAR系统的FOV内移动，以便实现LIDAR系统的FOV的其他部分中的检测。可以通过移动LIDAR系统(或LIDAR系统外部)的光偏转器来实现LIDAR系统的FOV内的瞬时视场的移动，从而沿不同的方向将光束偏转到LIDAR和/或从LIDAR偏转。在一个实施例中，LIDAR系统可以被配置为在LIDAR系统正在操作的环境中扫描场景。如本文中所使用的，术语“场景”可以广义地包括在LIDAR系统的操作持续时间内在LIDAR系统的视场内的对象中的一些或全部，其处于它们的相对位置和它们的当前状态中。例如，场景可以包括地面元素(例如，土地，道路，草地，人行道，路面标记)，天空，人造物体(例如，车辆，建筑物，标志)，植被，人，动物，光投射元素(例如，手电筒，太阳，其他LIDAR系统)等等。
公开的实施例可以涉及获得用于生成重构三维模型的信息。可以使用的重构三维模型的类型的示例包括点云模型和多边形网格(例如三角形网格)。术语“点云”和“点云模型”在本领域中是众所周知的，并且应被构建为包括空间上位于某个坐标系中的一组数据点(即，在由相应坐标系描述的空间中具有可识别的位置)。术语“点云点”是指空间中的点(可以是无量纲的，或者是微小的蜂窝空间，例如1cm3)，其位置可以使用一组坐标(例如(X，Y，Z)，(r，φ，θ))由点云模型来描述。仅作为示例，点云模型可以存储用于其一些或全部点的附加信息(例如，用于从相机图像生成的点的颜色信息)。同样，任何其他类型的重构三维模型都可以存储用于其某些或所有物体的附加信息。类似地，术语“多边形网格”和“三角形网格”在本领域中是众所周知的，并且应被构建为包括定义一个或多个3D物体(例如多面体物体)的形状的一组顶点、边缘和面等。面可以包括以下一项或多项：三角形(三角形网格)，四边形或其他简单的凸多边形，因为这可以简化渲染。面也可以包括更普通的凹面多边形或带孔的多边形。多边形网格可以使用不同的技术来表示，例如：顶点-顶点网格，面-顶点网格，翼状边缘网格和渲染动态网格。多边形网格的不同部分(例如，顶点，面，边缘)在空间上直接和/或相对于彼此位于一些坐标系中(即，在由相应坐标系描述的空间中具有可识别的位置)。重建三维模型的生成可以使用任何标准的、专用的和/或新颖的摄影测量技术来实现，其中许多是本领域已知的。注意，LIDAR系统可以生成其他类型的环境模型。
根据公开的实施例，LIDAR系统可以包括至少一个投射单元，其具有被配置为投射光的光源。如本文所用，术语“光源”广义地是指被配置为发光的任何装置。在一个实施例中，光源可以是诸如固态激光器、激光二极管、高功率激光器之类的激光器，或者诸如基于发光二极管(LED)的光源之类的替代光源。另外，在所有附图中示出的光源112可以发射不同格式的光，例如光脉冲、连续波(CW)、准CW等。例如，可以使用的一种类型的光源是竖直腔表面发射激光器(VCSEL)。可以使用的另一种类型的光源是外腔二极管激光器(ECDL)。在一些示例中，光源可以包括激光二极管，该激光二极管被配置为发射在大约650nm至1150nm的范围内的波长的光。替代地，光源可以包括激光二极管，该激光二极管被配置为发射在大约800nm至大约1000nm的范围内、在大约850nm至大约950nm的范围内或者在大约1300nm至大约1600nm的范围内的波长的光。除非另有说明，否则关于数值的术语“约”被定义为相对于所述值最大5％的变化。下面参照图2A-2C描述关于投射单元和至少一个光源的附加细节。
根据公开的实施例，LIDAR系统可以包括至少一个扫描单元，其具有至少一个光偏转器，该至少一个光偏转器被配置为偏转来自光源的光，以便扫描视场。术语“光偏转器”广义上包括被配置为使光偏离其原始路径的任何机构或模块；例如，反射镜，棱镜，可控透镜，机械反射镜，机械扫描多边形，有源衍射(例如可控LCD)，Risley棱镜，非机械电光光束转向(例如由Vscent制造)，偏振光栅(例如由Boulder Non-Linear Systems提供)，光学相控阵(OPA)等。在一个实施例中，光偏转器可以包括多个光学部件，例如至少一个反射元件(例如，反射镜)、至少一个折射元件(例如，棱镜，透镜)等等。在一示例中，光偏转器可以是可移动的，以引起光偏离不同的程度(例如，离散的程度，或在连续的度跨度上)。光偏转器可以可选地以不同的方式来控制(例如，偏转到度α，将偏转角改变Δα，将光偏转器的部件移动M毫米，改变偏转角改变的速度)。另外，光偏转器可以可选地可操作以改变单个平面内的偏转角(例如，θ坐标)。光偏转器可以可选地可操作以改变两个不平行的平面内的偏转角(例如，θ和φ坐标)。替代地或附加地，光偏转器可以可选地可操作以在预定设置之间(例如，沿着预定扫描路径)或以其他方式改变偏转角。关于LIDAR系统中光偏转器的使用，注意，可以在出射方向(outbound direction)(也称为发射方向，或TX)上使用光偏转器，以将来自光源的光偏转到视场的至少一部分。但是，也可以在入射方向(inbound direction)(也称为接收方向，或RX)上使用光偏转器，以将来自视场的至少一部分的光偏转到一个或多个光传感器。下面参考图3A-3C描述关于扫描单元和至少一个光偏转器的附加细节。
公开的实施例可以包括枢转光偏转器以便扫描视场。如本文中所使用的，术语“枢转”广义地包括物体(特别是固体物体)围绕一个或多个旋转轴线的旋转，同时基本上保持旋转中心固定。在一个实施例中，光偏转器的枢转可包括光偏转器绕固定轴线(例如，轴)的旋转，但这不是必须的。例如，在一些MEMS反射镜实施方式中，MEMS反射镜可以通过致动连接到反射镜的多个弯曲器来移动，反射镜除了旋转之外还可以经历一些空间平移。然而，这样的反射镜可以被设计成绕基本固定的轴线旋转，并且因此，根据本公开，其被认为是被枢转。在其他实施例中，某些类型的光偏转器(例如，非机械电光光束转向，OPA)不需要任何移动部件或内部运动来改变偏转光的偏转角。应当指出，关于移动或枢转光偏转器的任何讨论也可以比照适用于控制光偏转器，使得其改变光偏转器的偏转行为。例如，控制光偏转器可引起从至少一个方向到达的光束的偏转角的变化。
公开的实施例可涉及接收与对应于光偏转器的单个瞬时位置的视场的一部分相关的反射。如本文所使用的，术语“光偏转器的瞬时位置”(也称为“光偏转器的状态”)广义上是指光偏转器的至少一个受控部件在瞬时时间点或短时间跨度上处于的空间中的位置。在一个实施例中，可以相对于参考系测量光偏转器的瞬时位置。参考系可以与LIDAR系统中的至少一个固定点有关。或者，例如，参考系可以与场景中的至少一个固定点有关。在一些实施例中，光偏转器的瞬时位置可以包括光偏转器的一个或多个部件(例如，反射镜，棱镜)的一些运动，通常以相对于视场扫描期间的最大变化程度而言的有限程度。例如，扫描LIDAR系统的整个视场可以包括在30°的跨度上改变光的偏转，并且至少一个光偏转器的瞬时位置可以包括光偏转器在0.05°以内的角度偏移。在其他实施例中，术语“光偏转器的瞬时位置”可以指的是在光的获取期间光偏转器的位置，其被处理以提供用于通过LIDAR系统生成的点云(或另一种类型的3D模型)的单个点的数据。在一些实施例中，光偏转器的瞬时位置可以对应于固定位置或取向，在该固定位置或取向中，在对LIDAR视场的特定子区域进行照射期间，偏转器短时暂停。在其他情况下，光偏转器的瞬时位置可以对应于沿着光偏转器所经过的、作为LIDAR视场的连续或半连续扫描的一部分的光偏转器的位置/取向的扫描范围的特定位置/取向。在一些实施例中，可以移动光偏转器，使得在LIDAR FOV的扫描周期期间，光偏转器位于多个不同的瞬时位置。换句话说，在发生扫描周期的时间段期间，偏转器可以移动通过一系列不同的瞬时位置/取向，并且偏转器可以在扫描周期中的不同时间到达每个不同的瞬时位置/取向。
根据公开的实施例，LIDAR系统可以包括具有至少一个传感器的至少一个感测单元，该至少一个传感器被配置为检测来自视场中的物体的反射。术语“传感器”广义地包括能够测量电磁波的特性(例如，功率，频率，相位，脉冲定时，脉冲持续时间)并产生与所测量的特性有关的输出的任何装置、元件或系统。在一些实施例中，至少一个传感器可以包括由多个检测元件构成的多个检测器。至少一个传感器可以包括一种或多种类型的光传感器。注意，至少一个传感器可以包括相同类型的多个传感器，这些传感器在其他特性(例如，灵敏度，尺寸)上可以不同。也可以使用其他类型的传感器。出于不同的原因，可以使用几种类型的传感器的组合，例如在一定范围跨度内(尤其是在近距离范围内)提高检测效率；改善传感器的动态范围；改善传感器的时间响应；和改善在变化的环境条件(例如，大气温度，雨天等)中的检测。
在一个实施例中，至少一个传感器包括SiPM(硅光电倍增管)，其是由用作公共硅基底上的检测元件的雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列构成的固态单光子敏感装置。在一个示例中，SPAD之间的典型距离可以在大约10μm至大约50μm的范围内，其中每个SPAD可以具有在大约20ns至大约100ns的范围内的恢复时间。也可以使用由其他非硅材料制成的类似光电倍增管。尽管SiPM装置在数字/交换模式下工作，但是SiPM是模拟装置，因为可以并行读取所有微单元，从而可以在由不同的SPAD检测到从单个光子到成百上千个光子的动态范围内生成信号。注意，来自不同类型的传感器(例如SPAD，APD，SiPM，PIN二极管，光电检测器)的输出可以被组合在一起，成为可以由LIDAR系统的处理器处理的单个输出。下面参考图4A-4C描述关于感测单元和至少一个传感器的附加细节。
根据公开的实施例，LIDAR系统可以包括被配置为执行不同功能的至少一个处理器或与之通信。至少一个处理器可以构成具有电路的任何物理装置，该电路对一个或多个输入执行逻辑运算。例如，至少一个处理器可以包括一个或多个集成电路(IC)，包括专用集成电路(ASIC)、微芯片、微控制器、微处理器、中央处理单元(CPU)的全部或一部分、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他适合执行指令或执行逻辑运算的电路。由至少一个处理器执行的指令可以例如被预加载到与控制器集成或嵌入到控制器中的存储器中，或者可以被存储在单独的存储器中。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，硬盘，光盘，磁介质，闪存，其他永久性、固定或易失性存储器，或能够存储指令的任何其他机构。在一些实施例中，存储器被配置为存储关于LIDAR系统的环境中的物体的信息代表数据。在一些实施例中，至少一个处理器可以包括多于一个的处理器。每个处理器可以具有相似的结构，或者处理器可以具有彼此电连接或断开的不同结构。例如，处理器可以是单独的电路或集成在单个电路中。当使用多于一个的处理器时，这些处理器可以配置为独立或协作操作。处理器可以电、磁、光学、声学、机械或通过允许它们交互的其他方式耦联。下面参考图5A、5B和6描述关于处理单元和至少一个处理器的附加细节。
系统概述
图1A示出了LIDAR系统100，其包括投射单元102、扫描单元104、感测单元106和处理单元108。LIDAR系统100可以安装在车辆110上。根据公开的实施例，投射单元102可以包括至少一个光源112，扫描单元104可以包括至少一个光偏转器114，感测单元106可以包括至少一个传感器116，并且处理单元108可以包括至少一个处理器118。在一个实施例中，至少一个处理器118可被配置为将至少一个光源112的操作与至少一个光偏转器114的移动协调，以便扫描视场120。在扫描周期期间，至少一个光偏转器114的每个瞬时位置可以与视场120的特定部分122相关联。另外，LIDAR系统100可以包括至少一个可选光学窗口124，用于引导朝向视场120投射的光和/或接收从视场120中的物体反射的光。可选光学窗口124可以用于不同的目的，例如投射光的准直和反射光的聚焦。在一个实施例中，可选光学窗口124可以是开口、平面窗口、透镜或任何其他类型的光学窗口。
根据本公开，LIDAR系统100可以用于自主或半自主的道路车辆(例如，汽车，公共汽车，货车，卡车和任何其他陆地车辆)。具有LIDAR系统100的自主道路车辆可以扫描其环境并在没有人工输入的情况下行驶到目的地。类似地，LIDAR系统100也可以用在自主/半自主的飞行器(例如，UAV，无人机，四旋翼飞行器以及任何其他机载车辆或装置)中；或在自主或半自主的水上船舶(例如小船，轮船，潜艇或任何其他船只)中。具有LIDAR系统100的自主飞行器和水运工具可以扫描其环境并自主地或使用远程人类操作员导航至目的地。根据一个实施例，车辆110(道路车辆，飞行器或水运工具)可以使用LIDAR系统100来辅助检测和扫描车辆110在其中操作的环境。
应当注意，LIDAR系统100或其任何部件可以与本文公开的任何示例实施例和方法一起使用。此外，尽管相对于示例性的基于车辆的LIDAR平台描述了LIDAR系统100的某些方面，但是LIDAR系统100，其任何部件或本文所述的任何过程都可适用于其他平台类型的LIDAR系统。
在一些实施例中，LIDAR系统100可以包括一个或多个扫描单元104以扫描车辆110周围的环境。LIDAR系统100可以附接或安装到车辆110的任何部分。感测单元106可以接收来自车辆110的周围的反射，并且将指示从视场120中的物体反射的光的反射信号传输到处理单元108。根据本公开，扫描单元104可以被安装或合并到保险杠、挡泥板、侧板、扰流板、车顶、前灯组件、尾灯组件、后视镜组件、发动机罩、后备箱或能够容纳LIDAR系统的至少一部分的车辆110的任何其他合适的部分。在某些情况下，LIDAR系统100可以捕获车辆110环境的完整环绕视图。因此，LIDAR系统100可以具有360度的水平视场。在一个示例中，如图1A所示，LIDAR系统100可以包括安装在车辆110的车顶上的单个扫描单元104。替代地，LIDAR系统100可以包括多个扫描单元(例如，两个，三个，四个或更多个扫描单元104)，每个扫描单元具有少量的视场，使得总体上水平视场被围绕车辆110的360度扫描所覆盖。本领域技术人员将理解，LIDAR系统100可以包括以任何方式布置的任何数量的扫描单元104，每个扫描单元104具有80°至120°或更小的视场，这取决于所采用的单元的数量。此外，还可以通过在车辆110上安装多个LIDAR系统100来获得360度水平视场，每个LIDAR系统100都具有单个扫描单元104。然而，应当指出，一个或多个LIDAR系统100不必提供完整的360°视场，并且在某些情况下较窄的视场可能是有用的。例如，车辆110可能需要第一LIDAR系统100，该第一LIDAR系统100具有向车辆前方看的75°的视场；并且可能需要第二LIDAR系统100，该第二LIDAR系统100具有向后看的相似FOV(可选地具有较低的检测范围)。还应注意，也可以实现不同的竖直视场。
图1B是示出根据公开的实施例的安装在车辆110上的LIDAR系统100的单个扫描周期的示例性输出的图像。在该示例中，扫描单元104被合并到车辆110的右前灯组件中。图像中的每个灰点对应于车辆110周围环境中的位置，该位置是由感测单元106检测到的反射确定的。除了位置之外，每个灰点还可以与不同类型的信息相关联，例如强度(例如，多少光从该位置返回)、反射率、和与其他点的接近度等等。在一个实施例中，LIDAR系统100可以从视场的多个扫描周期的检测到的反射中生成多个点云数据条目，以使得能够例如确定车辆110周围的环境的点云模型。
图1C是示出根据LIDAR系统100的输出确定的点云模型的表示的图像。根据公开的实施例，通过处理车辆110周围的环境的所生成的点云数据条目，可以从该点云模型产生环绕视图图像。在一个实施例中，可以将点云模型提供给特征提取模块，特征提取模块处理点云信息以识别多个特征。每个特征可以包括关于点云和/或车辆110周围的环境中的物体(例如，汽车，树木，人和道路)的不同方面的数据。特征可以具有与点云模型相同的分辨率(即，具有相同数量的数据点，可选地布置成相似大小的2D阵列)，或者可以具有不同的分辨率。可以将特征存储在任何类型的数据结构中(例如，栅格，矢量，2D阵列，1D阵列)。另外，虚拟特征，诸如车辆110的表示、分隔图像中的区域或物体的边界线或边界框(例如，如图1B所示)以及代表一个或多个所识别物体的图标，可以覆盖在点云模型的表示上以形成最终的环绕视图图像。例如，车辆110的符号可以被覆盖在环视视图图像的中心处。
投射单元
图2A-2G描绘了投射单元102的各种配置及其在LIDAR系统100中的作用。具体地，图2A是示出具有单个光源的投射单元102的图；图2B是示出多个投射单元102的图，其具有对准公共光偏转器114的多个光源；图2C是示出具有主光源和次级光源112的投射单元102的图；图2D是示出在投射单元102的某些配置中使用的非对称偏转器的图；图2E是示出非扫描LIDAR系统的第一配置的图；图2F是示出非扫描LIDAR系统的第二配置的图；图2G是示出在出射方向上进行扫描而不在入射方向上进行扫描的LIDAR系统的图。本领域的技术人员将理解，所描绘的投射单元102的配置可以具有许多变化和修改。
图2A示出了LIDAR系统100的双静态配置的示例，其中投射单元102包括单个光源112。术语“双静态配置”广义上是指LIDAR系统配置，其中离开LIDAR系统的投射光和进入LIDAR系统的反射光通过基本不同的光学路径。在一些实施例中，LIDAR系统100的双静态配置可以通过使用完全不同的光学部件、通过使用平行但不完全分离的光学部件或者通过仅对部分光学路径使用相同的光学部件(光学部件可包括，例如，窗口，透镜，反射镜，分束器等)而包括光学路径的分离。在图2A所示的示例中，双静态配置包括以下配置：其中出射光和入射光穿过单个光学窗口124但扫描单元104包括两个光偏转器，即用于出射光的第一光偏转器114A和用于入射光的第二光偏转器114B(LIDAR系统中的入射光包括从场景中的物体反射的发射光，并且还可以包括从其他源到达的环境光)。在图2E和2G所示的示例中，双静态配置包括其中出射光穿过第一光学窗口124A、而入射光穿过第二光学窗口124B的配置。在以上所有示例配置中，入射和出射光学路径彼此不同。
在该实施例中，LIDAR系统100的所有部件可以被包含在单个壳体200内，或者可以在多个壳体之间被划分。如图所示，投射单元102与单个光源112相关联，该单个光源112包括被配置为发射光(投射光204)的激光二极管202A(或耦联在一起的一个或多个激光二极管)。在一个非限制性示例中，由光源112投射的光可以处于大约800nm至950nm范围内的波长处，具有在大约50mW至大约500mW范围内的平均功率，具有在大约50W至大约200W范围内的峰值功率和在大约2ns至大约100ns范围内的脉冲宽度。另外，光源112可以可选地与用于操纵由激光二极管202A发射的光的光学组件202B(例如，用于准直，聚焦等)相关联。注意，可以使用其他类型的光源112，并且本公开不限于激光二极管。另外，光源112可以以不同的格式发射其光，例如光脉冲、调频、连续波(CW)、准CW或对应于所采用的特定光源的任何其他形式。投射格式和其他参数可以由光源根据不同因素(例如来自处理单元108的指令)不时更改。投射光朝向出射偏转器114A投射，出射偏转器114A用作用于在视场120中引导投射光的转向元件。在该示例中，扫描单元104还包括可枢转的返回偏转器114B，其将从视场120内的物体208反射回的光子(反射光206)引导向传感器116。反射光由传感器116检测，并且关于物体的信息(例如，到物体212的距离)由处理单元108确定。
在该图中，LIDAR系统100连接到主机210。根据本公开，术语“主机”是指可以与LIDAR系统100接口的任何计算环境，它可以是车辆系统(例如，车辆110的一部分)、测试系统、安全系统、监视系统、交通控制系统、城市建模系统或任何监视周围环境的系统。这样的计算环境可以包括至少一个处理器和/或可以经由云被连接到LIDAR系统100。在一些实施例中，主机210还可以包括到外部装置的接口，外部装置例如是相机和传感器，其被配置为测量主机210的不同特性(例如，加速度，方向盘偏转，反向驱动等)。根据本公开，LIDAR系统100可以固定到与主机210相关联的静止物体(例如，建筑物，三脚架)或与主机210相关联的便携式系统(例如，便携式计算机，影片摄像机)。根据本公开，LIDAR系统100可以连接到主机210，以将LIDAR系统100的输出(例如3D模型，反射率图像)提供给主机210。具体地，主机210可以使用LIDAR系统100来辅助检测和扫描主机210的环境或任何其他环境。另外，主机210可以将LIDAR系统100的输出与其他感测系统(例如，相机，麦克风，雷达系统)的输出集成、同步或以其他方式一起使用。在一示例中，安全系统可以使用LIDAR系统100。下面参考图7更详细地描述该实施例。
LIDAR系统100还可以包括总线212(或其他通信机制)，该总线212互连子系统和部件以在LIDAR系统100内传输信息。可选地，总线212(或其他通信机制)可用于将LIDAR系统100与主机210互连。在图2A的示例中，处理单元108包括两个处理器118，以至少部分地基于从LIDAR系统100的内部反馈接收到的信息，以协调的方式调节投射单元102、扫描单元104和感测单元106的操作。换句话说，处理单元108可以被配置为在闭环中动态地操作LIDAR系统100。闭环系统的特征在于具有来自至少一个元件的反馈并且基于接收到的反馈来更新一个或多个参数。此外，闭环系统可以接收反馈并基于该反馈至少部分地更新其自身的操作。动态系统或元素是可以在操作期间更新的系统或元素
根据一些实施例，扫描LIDAR系统100周围的环境可以包括用光脉冲照射视场120。光脉冲可以具有诸如以下的参数：脉冲持续时间，脉冲角分散，波长，瞬时功率，距光源112的不同距离处的光子密度，平均功率，脉冲功率强度，脉冲宽度，脉冲重复率，脉冲序列，脉冲占空比，波长，相位，极化等。扫描LIDAR系统100周围的环境还可以包括检测和表征反射光的各个方面。反射光的特性可以包括，例如：飞行时间(即从发射到检测到的时间)，瞬时功率(例如功率签名)，跨整个返回脉冲的平均功率以及返回脉冲时段内的光子分布/信号。通过将光脉冲的特性与对应反射的特性进行比较，可以估计距离以及可能的物理特性，例如物体212的反射强度。通过跨过多个相邻部分122以预定图案(例如，光栅，Lissajous或其他图案)重复该过程，可以实现视场120的整个扫描。如下面更详细地讨论的，在一些情况下，LIDAR系统100可以在每个扫描周期将光引导至视场120中的部分122中的仅一些。这些部分可以彼此相邻，但不必需如此。
在另一个实施例中，LIDAR系统100可以包括用于与主机210(例如，车辆控制器)通信的网络接口214。LIDAR系统100与主机210之间的通信由虚线箭头表示。在一个实施例中，网络接口214可以包括集成服务数字网络(ISDN)卡，电缆调制解调器，卫星调制解调器，或提供到对应类型的电话线的数据通信连接的调制解调器。作为另一个示例，网络接口214可以包括局域网(LAN)卡，以提供到兼容LAN的数据通信连接。在另一个实施例中，网络接口214可以包括连接到射频接收器和发送器和/或光学(例如红外)接收器和发送器的以太网端口。网络接口214的具体设计和实施取决于LIDAR系统100和主机210要在其上进行操作的通信网络。例如，网络接口214可以用于例如向外部系统提供LIDAR系统100的输出，诸如3D模型、LIDAR系统100的操作参数等等。在其他实施例中，通信单元可以用于例如从外部系统接收指令，接收关于被检查环境的信息，从另一传感器接收信息等
图2B示出了包括多个投射单元102的LIDAR系统100的单静态配置的示例。术语“单静态配置”广义上是指这样的LIDAR系统配置，其中离开LIDAR系统的投射光和进入LIDAR系统的反射光通过基本相似的光学路径。在一个示例中，出射光束和入射光束可以共享出射光束和入射光束都通过的至少一个光学组件。在另一示例中，出射光可以穿过光学窗口(未示出)，并且入射光辐射可以穿过相同的光学窗口。单静态配置可以包括其中扫描单元104包括单个光偏转器114的配置，该单个光偏转器114将投射光引向视场120并且将反射光引向传感器116。如图所示，投射光204和反射光206都撞击非对称偏转器216。术语“非对称偏转器”是指具有两个侧面的光学装置，其能够使从一个侧面撞击它的光束偏转的方向与从第二侧面撞击它的光束偏转的方向不同。在一个示例中，非对称偏转器不使投射光204偏转，而使反射光206向传感器116偏转。非对称偏转器的一个示例可以包括偏振分束器。在另一示例中，非对称216可以包括光学隔离器，其仅允许光在一个方向上通过。图2D中示出了非对称偏转器216的示意图。根据本公开，LIDAR系统100的单静态配置可包括非对称偏转器，以防止反射光撞击光源112，并将所有反射光向传感器116引导，从而增加检测灵敏度。
在图2B的实施例中，LIDAR系统100包括三个投射单元102，每个投射单元102具有对准公共光偏转器114的单个光源112。在一个实施例中，多个光源112(包括两个或更多个光源)可以投射具有基本上相同的波长的光，并且每个光源112通常与视场的不同区域相关联(在图中表示为120A、120B和120C)。相比于使用光源112能够实现的视场，这能够扫描更宽的视场。在另一个实施例中，多个光源102可以投射具有不同波长的光，并且所有光源112可以被引导到视场120的相同部分(或重叠部分)。
图2C示出了LIDAR系统100的示例，其中投射单元102包括主光源112A和次级光源112B。主光源112A可以投射具有比对人眼敏感的波长更长的波长的光，以便优化SNR和检测范围。例如，主光源112A可以投射具有在大约750nm至1100nm范围内的波长的光。相反，次级光源112B可以投射具有人眼可见的波长的光。例如，次级光源112B可以投射具有400nm至700nm范围内的波长的光。在一个实施例中，次级光源112B可以沿着与由主光源112A投射的光基本相同的光学路径投射光。两个光源可以是时间同步的，并且可以一起或以交错图案投射光发射。交错图案意味着光源不会同时处于激活状态，这可以减轻相互干扰。本领域技术人员将容易地理解，还可以实施波长范围和激活时间表的其他组合
根据一些实施例，当次级光源112B太靠近LIDAR光学输出端口时，其可能导致人眼眨眼。这可以确保眼睛安全机制，该眼睛安全机制对于利用近红外光谱的典型激光源不可行。在另一个实施例中，次级光源112B可以用于服务点的校准和可靠性，其方式有点类似于利用相对于车辆110离地面一定高度处的特殊反射器/图案的前灯的校准。服务点的操作员可以通过简单地目测距LIDAR系统100指定距离的特征目标(例如测试图案板)上的扫描图案，来检查LIDAR的校准。另外，次级光源112B可以提供针对LIDAR为最终用户工作的操作置信度的手段。例如，该系统可以被配置为允许人类将手放在光偏转器114前面以测试其操作。
次级光源112B还可以具有不可见的元件，其在主光源112A发生故障的情况下可以兼作备用系统。对于功能安全等级较高的故障安全装置，此功能可能很有用。假定次级光源112B可以是可见的并且还由于成本和复杂性的原因，与主光源112A相比，次级光源112B可以与较小的功率相关联。因此，在主光源112A发生故障的情况下，系统功能将退回到次级光源112B组的功能和能力。虽然次级光源112B的能力可能不如主光源112A的能力，但是LIDAR系统100可以被设计为使得车辆110能够安全地到达其目的地。
图2D图示了非对称偏转器216，它可以是LIDAR系统100的一部分。在所示的示例中，非对称偏转器216包括反射表面218(例如反射镜)和单向偏转器220。虽然不是必须的，但是非对称偏转器216可以可选地是静态偏转器。非对称偏转器216可以在LIDAR系统100的单静态配置中使用，以便允许公共的光学路径用于经由至少一个偏转器114进行光的发射和接收，例如如图2B和2C所示。但是，典型的非对称偏转器(例如分束器)的特点是功率损失，尤其是在接收路径中，其可以比传输路径对功率损失更为敏感。
如图2D所示，LIDAR系统100可以包括定位在传输路径中的非对称偏转器216，其包括用于在发射和接收的光信号之间进行分离的单向偏转器220。可选地，单向偏转器220可以对于透射光基本上是透射的并且对于所接收的光基本上是反射的。透射光由投射单元102产生，并且可以穿过单向偏转器220到达扫描单元104，该扫描单元104将其朝着光学出口偏转。所接收的光通过光学入口到达至少一个偏转元件114，该至少一个偏转元件114将反射信号偏转到远离光源并且朝向感测单元106的单独路径中。可选地，非对称偏转器216可以与偏振光源112组合，该偏振光源112以与单向偏转器220相同的偏振轴线被线性偏振。值得注意的是，出射光束的横截面比反射信号的横截面小得多。因此，LIDAR系统100可包括一个或多个光学部件(例如，透镜，准直仪)，用于将发射的偏振光束聚焦或以其他方式操纵至非对称偏转器216的尺寸。在一个实施例中，单向偏转器220可以是实际上对偏振光束透射的偏振分束器。
根据一些实施例，LIDAR系统100可以进一步包括用于修改所发射的光的偏振的光学器件222(例如，四分之一波片延迟器)。例如，光学器件222可以将发射光束的线性偏振修改为圆偏振。从视场反射回系统100的光将通过偏转器114返回到光学器件222，其承载相对于透射光具有相反旋度的圆偏振。然后，光学器件222将接收到的相反旋度偏振光转换为与偏振分束器216不在相同轴线上的线性偏振。如上所述，由于光束穿过到目标的距离的光学分散，因此接收的光斑大于透射的光斑。
一些接收到的光将撞击在单向偏转器220上，该单向偏转器220伴随一些功率损失将光朝着传感器106反射。然而，所接收的光斑的另一部分将落在反射表面218上，该反射表面218围绕单向偏转器220(例如，偏振分束器狭缝)。反射表面218将光朝着感测单元106反射，具有基本为零的功率损失。单向偏转器220将反射由各种偏振轴线和方向组成的光，这些光将最终到达检测器。可选地，感测单元106可以包括与激光偏振无关的传感器116，并且该传感器116主要对处于特定波长范围的入射光子的量敏感。
应当注意，与其中带有通孔的简单反射镜相比，所提出的非对称偏转器216提供了优越的性能。在带孔的反射镜中，到达孔的所有反射光都损失给检测器。但是，在偏转器216中，单向偏转器220将光的很大一部分(例如，约50％)朝向相应的传感器116偏转。在LIDAR系统中，从远距离到达LIDAR的光子数量非常有限，因此提高光子捕获率非常重要。
根据一些实施例，描述了一种用于光束分束和转向的装置。可以从具有第一偏振的光源发射偏振光束。发射的光束可以被引导通过偏振分束器组件。偏振分束器组件在第一侧上包括单向狭缝，在相反侧上包括反射镜。单向缝隙使偏振的发射光束能够向四分之一波片/波延迟器传播，四分之一波片/波延迟器将发射的信号从偏振信号变为线性信号(反之亦然)，使得随后反射的光束无法通过单向狭缝传播。
图2E示出了不具有扫描单元104的LIDAR系统100的双静态配置的示例。为了在没有偏转器114的情况下照射整个视场(或基本上整个视场)，投射单元102可以可选地包括光源阵列(例如112A-112F)。在一个实施例中，光源阵列可包括由处理器118控制的线性光源阵列。例如，处理器118可以使线性光源阵列将准直的激光束顺序地投射向第一可选光学窗口124A。第一可选光学窗口124A可以包括用于扩散投射光并顺序形成宽水平和窄竖直光束的分散透镜。可选地，系统100的至少一个光源112中的一些或全部可以并发地投射光。例如，处理器118可以使光源阵列同时投射来自多个不相邻光源112的光束。在所描绘的示例中，光源112A、光源112D和光源112F同时朝着第一可选光学窗口124A投射激光束，从而利用三个窄的竖直光束照射视场。来自第四光源112D的光束可以到达视场中的物体。从物体反射的光可以被第二光学窗口124B捕获，并且可以被重定向到传感器116。因为投射光和反射光的光学路径基本上不同，所以图2E中描述的配置被认为是双静态配置。注意，投射单元102还可以包括以非线性配置(诸如二维阵列)、六边形平铺或以任何其他方式布置的多个光源112。
图2F示出了不具有扫描单元104的LIDAR系统100的单静态配置的示例。类似于图2E中所示的示例实施例，为了在没有偏转器114的情况下照射整个视场，投射单元102可以包括光源阵列(例如112A-112F)。但是，与图2E相比，LIDAR系统100的这种配置可以包括用于投射光和反射光的单个光学窗口124。使用非对称偏转器216，反射光可以被重定向到传感器116。因为投射光和反射光的光学路径彼此基本上相似，所以图2E中描述的配置被认为是单静态配置。在投射光和反射光的光学路径的上下文中，术语“基本上相似”是指两个光学路径之间的重叠可以大于80％、大于85％、大于90％或大于95％。
图2G示出了LIDAR系统100的双静态配置的示例。该图中的LIDAR系统100的配置类似于图2A中所示的配置。例如，两种配置都包括扫描单元104，用于将投射光在出射方向上引向视场。但是，与图2A的实施例相反，在该配置中，扫描单元104不沿入射方向重定向反射光。相反，反射光穿过第二光学窗口124B并进入传感器116。因为投射光和反射光的光学路径彼此基本上不同，所以图2G中描述的配置被认为是双静态配置。在投射光和反射光的光学路径的上下文中，术语“基本上不同”是指两个光学路径之间的重叠可以小于10％、小于5％、小于1％或小于0.25％。
扫描单元
图3A-3D描绘了扫描单元104的各种配置及其在LIDAR系统100中的作用。具体地，图3A是示出具有MEMS反射镜(例如，方形)的扫描单元104的图，图3B是示出具有MEMS反射镜(例如，圆形)的另一扫描单元104的图，图3C是示出具有用于单静态扫描LIDAR系统的反射器阵列的扫描单元104的图，并且图3D是示出示例性LIDAR系统100的图，该示例性LIDAR系统100机械地扫描LIDAR系统100周围的环境。本领域的技术人员将理解，所描绘的扫描单元104的配置仅是示例性的，并且在本公开的范围内可以具有多种变化和修改。
图3A示出了具有单轴方形MEMS反射镜300的示例性扫描单元104。在该示例中，MEMS反射镜300用作至少一个偏转器114。如图所示，扫描单元104可包括一个或多个致动器302(具体地，302A和302B)。在一个实施例中，致动器302可以由半导体(例如硅)制成并且包括：压电层(例如PZT，锆钛酸铅，氮化铝)，其响应于由致动控制器施加的电信号来改变其尺寸；半导电层；和基层。在一个实施例中，致动器302的物理性质可确定当电流通过致动器302时致动器302所经受的机械应力。当压电材料被激活时，它在致动器302上施加力并使其弯曲。在一个实施例中，当反射镜300在特定角度位置偏转时，可以在激活状态(Ractive)下测量一个或多个致动器302的电阻率，并将其与静止状态(Rrest)的电阻率进行比较。包括Ractive的反馈可以提供信息以确定与期望角度相比的实际反射镜偏转角度，并且，如果需要，可以校正反射镜300的偏转。Rrest和Ractive之间的差异可通过反射镜驱动器关联成可用于闭合环路的角度偏转值。该实施例可以用于动态跟踪实际反射镜位置，并且可以针对线性模式和谐振模式MEMS反射镜方案优化响应、幅度、偏转效率和频率。下面参考图32A-34D更详细地描述该实施例。
在扫描期间，电流(在图中以虚线表示)可以从触头304A流到触头304B(通过致动器302A，弹簧306A，反射镜300，弹簧306B和致动器302B)。半导体框架308中的隔离间隙(例如隔离间隙310)可以使致动器302A和302B是通过弹簧306和框架308电连接的两个单独的岛。电流或任何相关的电参数(电压，电流频率，电容，相对介电常数等)可以通过相关的位置反馈进行监控。如果发生机械故障(其中一个部件已损坏)，则流经该结构的电流会发生变化，并且会偏离其功能校准值。在极端情况下(例如，当弹簧断裂时)，电流会由于故障元件导致的电气链中的电路中断而完全停止。
图3B示出了具有双轴圆形MEMS反射镜300的另一示例性扫描单元104。在该示例中，MEMS反射镜300用作至少一个偏转器114。在一个实施例中，MEMS反射镜300的直径可在约1mm至约5mm的范围内。如图所示，扫描单元104可以包括四个致动器302(302A，302B，302C和302D)，每个致动器可以具有不同的长度。在所示的示例中，电流(在图中以虚线表示)从触头304A流到触头304D，但是在其他情况下，电流可以从触头304A流到触头304B，从触头304A流到触头304C，从触头304B流到触头304C，从触头304B流到触头304D，或从触头304C流到触头304D。根据一些实施例，双轴MEMS反射镜可以被配置为在水平方向和竖直方向上偏转光。例如，双轴MEMS反射镜的偏转角在竖直方向上可以在大约0°至30°的范围内，而在水平方向上可以在大约0°至50°的范围内。本领域的技术人员将理解，所描绘的反射镜300的配置可以具有许多变化和修改。在一个示例中，偏转器114中的至少可以具有双轴方形反射镜或单轴圆形反射镜。圆形和方形反射镜的示例在图3A和3B中仅作为示例描述。取决于系统规格，可以采用任何形状。在一个实施例中，致动器302可以被结合为偏转器114中的至少的整体部分，使得使MEMS反射镜300移动的动力被直接施加到其上。另外，MEMS反射镜300可以通过一个或多个刚性支撑元件连接到框架308。在另一个实施例中，偏转器114中的至少可以包括静电或电磁MEMS反射镜。
如上所述，单静态扫描LIDAR系统利用相同光学路径的至少一部分来发射投射光204和接收反射光206。出射路径中的光束可以被准直并聚焦成窄光束，而返回路径中的反射由于分散会扩散成更大的光斑。在一个实施例中，扫描单元104可以在返回路径中具有大的反射面积，并且具有将反射(即，反射光206)重定向到传感器116的非对称偏转器216。在一个实施例中，扫描单元104可包括具有大反射面积且对视场和帧频性能的影响可忽略的MEMS反射镜。下面参考图2D提供关于非对称偏转器216的附加细节。
在一些实施例中(例如，如图3C所示)，扫描单元104可以包括具有小的光偏转器(例如，反射镜)的偏转器阵列(例如，反射器阵列)。在一个实施例中，将光偏转器114实施为同步工作的一组较小的单个光偏转器可以允许光偏转器114以较大的偏转角以高扫描速率工作。就有效面积而言，偏转器阵列可实质上充当大的偏转器(例如，大反射镜)。可以使用共享的转向组件配置来操作偏转器阵列，该共享的转向组件配置允许传感器116收集来自被光源112并发地照射的视场120的基本上相同的部分的反射光子。术语“并发地”是指两个选定的功能在同时或重叠的时间段期间发生，其中一个在另一个的持续时间内开始和结束，或者后一个在另一个的完成之前开始。
图3C示出了具有反射镜阵列312的扫描单元104的示例，该反射镜阵列312具有小的反射镜。在该实施例中，反射器阵列312用作至少一个偏转器114。反射器阵列312可以包括多个反射器单元314，其被配置为将光脉冲朝向视场120(单独地或一起)枢转和转向。例如，反射器阵列312可以是从光源112投射的光的出射路径的一部分。具体地，反射器阵列312可以将投射的光204引向视场120的一部分。反射器阵列312也可以是用于从位于视场120的照射部分内的物体表面反射的光的返回路径的一部分。具体地，反射器阵列312可将反射光206引导朝向传感器116或非对称偏转器216。在一个示例中，反射器阵列312的面积可以在大约75mm2至大约150mm2的范围内，其中每个反射器单元314可以具有大约10μm的宽度并且支撑结构可以小于100μm。
根据一些实施例，反射器阵列312可以包括一个或多个可转向偏转器的子组。电动可转向偏转器的每一子组可包括一个或多个转向器单元，例如反射器单元314。例如，每个可转向偏转器单元314可包括MEMS反射镜、反射表面组件和机电致动器中的至少一个。在一个实施例中，每个反射器单元314可以由单独的处理器(未示出)单独地控制，使得其可以沿着一个或两个分离轴线中的每个朝向特定角度倾斜。替代地，反射器阵列312可与配置为同步管理反射器单元314的运动的公共控制器(例如，处理器118)相关联，使得它们的至少一部分将并发地枢转并指向大致相同的方向。
另外，至少一个处理器118可以选择用于出射路径的至少一个反射器单元314(以下称为“TX反射镜”)和用于返回路径的一组反射器单元314(以下称为“RX反射镜”)。根据本公开，增加TX反射镜的数量可以增加反射光子束扩散。此外，减少RX反射镜的数量可以缩小接收场并补偿周围光条件(例如云，雨，雾，极端高温和其他环境条件)并提高信噪比。而且，如上所述，发射光束通常比反射光斑窄，因此可以被偏转阵列的一小部分完全偏转。而且，可能阻挡从偏转阵列的用于传输的部分(例如，TX反射镜)反射的光到达传感器116，从而减小LIDAR系统100的内部反射对系统操作的影响。另外，至少一个处理器118可枢转一个或更多反射器单元314，以克服由于例如热效应和增益效应而引起的机械损伤和漂移。在一示例中，一个或多个反射器单元314可以与预期不同地移动(频率，速率，速度等)，并且可以通过适当地电控制偏转器来补偿它们的移动。
图3D示出了机械地扫描LIDAR系统100的环境的示例性LIDAR系统100。在该示例中，LIDAR系统100可以包括用于使壳体200绕LIDAR系统100的轴线旋转的马达或其他机构。替代地，马达(或其他机构)可以机械地旋转其上安装有一个或多个光源112和一个或多个传感器116的LIDAR系统100的刚性结构，从而扫描环境。如上所述，投射单元102可以包括被配置为投射光发射的至少一个光源112。投射的光发射可以沿着出射路径朝向视场120行进。具体地，当投射光204朝向可选光学窗口124行进时，投射的光发射可以被偏转器114A反射通过出射孔口314。反射的光发射可以沿着返回路径从物体208向感测单元106行进。例如，当反射光206朝向感测单元106行进时，反射光206可以被偏转器114B反射。本领域技术人员将理解，具有用于使一个或多个光源或一个或多个传感器同步旋转的旋转机构的LIDAR系统可以使用该同步旋转，而不是(或附加于)使内部光偏转器转向。
在其中视场120的扫描是机械的实施例中，投射的光发射可以被引导到出射孔口314，该出射孔口是将投射单元102与LIDAR系统100的其他部分分开的壁316的一部分。在一些示例中，壁316可以由涂覆有反射材料以形成偏转器114B的透明材料(例如，玻璃)形成。在该示例中，出射孔口314可以对应于壁316的未被反射材料涂覆的部分。附加地或替代地，出射孔口314可在壁316中包括孔或切除部。反射光206可以被偏转器114B反射并且被引导向感测单元106的入射孔口318。在一些示例中，入射孔口318可以包括被配置为允许特定波长范围内的波长进入感测单元106并衰减其他波长的过滤窗口。来自视场120的物体208的反射可以被偏转器114B反射并撞击传感器116。通过将反射光206的几种特性与投射光204进行比较，可以确定物体208的至少一个方面。例如，通过比较由光源112发射投射光204的时间和传感器116接收到反射光206的时间，可以确定物体208和LIDAR系统100之间的距离。在一些示例中，也可以确定对象208的其他方面，例如形状、颜色、材料等。
在一些示例中，LIDAR系统100(或其一部分，包括至少一个光源112和至少一个传感器116)可以绕至少一个轴线旋转以确定LIDAR系统100的周围环境的三维地图。例如，LIDAR系统100可以绕如箭头320所示的基本竖直的轴线旋转，以便扫描视场120。尽管图3D示出了LIDAR系统100绕着如箭头320所示的轴线线顺时针旋转，但是附加地或替代地，LIDAR系统100可以沿逆时针方向旋转。在一些示例中，LIDAR系统100可以绕竖直轴线旋转360度。在其他示例中，LIDAR系统100可以沿着小于LIDAR系统100的360度的扇区来回旋转。例如，LIDAR系统100可被安装在平台上，该平台围绕轴线前后摆动而不进行完全旋转。
感测单元
图4A-4E描绘了感测单元106的各种配置及其在LIDAR系统100中的作用。具体地，图4A是示出具有检测器阵列的示例感测单元106的示图，图4B是示出使用二维传感器的单静态扫描的示图，图4C是示出二维传感器116的示例的示图，图4D是示出与传感器116相关联的透镜阵列的示图，并且图4E包括示出透镜结构的三个示图。本领域的技术人员将理解，所描绘的扫描单元106的配置仅是示例性的，并且可以具有与本公开的原理一致的多种变型和修改。
图4A示出了具有检测器阵列400的感测单元106的示例。在该示例中，至少一个传感器116包括检测器阵列400。LIDAR系统100被配置为检测位于距LIDAR系统100不同距离(可以是几米或更大)的视场120中的物体(例如，自行车208A和云208B)。物体208可以是固体物体(例如，道路，树木，汽车，人)，流体物体(例如，雾，水，大气颗粒)或其他类型的物体(例如，灰尘或粉末状被照亮物体)。当从光源112发射出的光子撞击物体208时，它们会反射、折射或被吸收。通常，如图所示，从物体208A反射的光子中只有一部分进入可选光学窗口124。由于每的距离变化会导致1ns的行进时间差(因为光子以光速行进到物体208和从物体208行进)，因此撞击不同物体的不同光子的行进时间之间的时间差可通过飞行时间传感器以足够快速的响应检测到。
传感器116包括多个检测元件402，用于检测从视场120反射回的光子脉冲的光子。检测元件可以全部包括在检测器阵列400中，检测器阵列400可以具有矩形布置(例如，如图所示)或任何其他布置。检测元件402可以彼此并发或部分并发地操作。具体地，每个检测元件402可以针对每个采样持续时间(例如，每1纳秒)发布检测信息。在一个示例中，检测器阵列400可以包括SiPM(硅光电倍增管)，其是由公共硅基底上的单光子雪崩二极管(SPAD，用作检测元件402)的阵列构成的固态单光子敏感装置。也可以使用由其他非硅材料制成的类似光电倍增管。尽管SiPM装置在数字/切换模式下工作，但是SiPM是模拟装置，因为可以并行读取所有微单元，从而可以在由不同的SPAD检测到从单个光子到成百上千个光子的动态范围内生成信号。如上所述，可以实施多于一种类型的传感器(例如，SiPM和APD)。可能地，感测单元106可以包括集成到SiPM阵列中的至少一个APD和/或位于单独的或公共的硅基底上的SiPM旁边的至少一个APD检测器。
在一个实施例中，检测元件402可被分组到多个区域404中。这些区域是传感器116内(例如，检测器阵列400内)的几何位置或环境，并且可以以不同的形状(例如，如图所示的矩形，方形，环形等等，或任何其他形状)成形。虽然并非区域404的几何面积内所包含的所有单个检测器一定都属于该区域，但在大多数情况下，它们将不属于覆盖传感器310的其他区域的其他区域404—除非在区域之间的接缝中需要一些重叠。如图4A所示，这些区域可以是非重叠区域404，但是可替代地，它们可以重叠。每个区域可以与与该区域相关联的区域输出电路406相关联。区域输出电路406可以提供对应组的检测元件402的区域输出信号。例如，输出电路406的区域可以是求和电路，但是可以采用将单个检测器的输出合并为单一输出(标量，矢量或任何其他格式)的其它形式。可选地，每个区域404是单个SiPM，但这不是必须的，并且区域可以是单个SiPM的子部分，多个SiPM的组，或者甚至是不同类型的检测器的组合。
在所示的示例中，处理单元108位于主机210(例如在车辆110内)(之内或之外)的分离的壳体200B处，并且感测单元106可以包括用于分析反射光的专用处理器408。替代地，处理单元108可以用于分析反射光206。注意，LIDAR系统100可以以除了所示示例之外的其他方式实施为多个壳体。例如，光偏转器114可以位于与投射单元102和/或感测模块106不同的壳体中。在一个实施例中，LIDAR系统100可以包括以不同方式彼此连接的多个壳体，例如：电线连接，无线连接(例如，RF连接)，光纤电缆以及以上的任意组合。
在一个实施例中，分析反射光206可以包括基于不同区域的各个检测器的输出来确定反射光206的飞行时间。可选地，处理器408可以被配置为基于输出信号的多个区域来确定反射光206的飞行时间。除了飞行时间以外，处理单元108还可以分析反射光206以确定整个返回脉冲上的平均功率，并且可以在返回脉冲时间段(“脉冲形状”)上确定光子分布/信号。在示出的示例中，任何检测元件402的输出可以不直接发送到处理器408，而是在被传递到处理器408之前与区域404的其他检测器的信号组合(例如相加)。然而，这仅是示例，并且传感器116的电路可以经由其他路线(而不是经由区域输出电路406)将信息从检测元件402传输至处理器408。
图4B是示出配置成使用二维传感器116扫描LIDAR系统100的环境的LIDAR系统100的图。在图4B的示例中，传感器116是4×6检测器410(也称为“像素”)的矩阵。在一个实施例中，像素尺寸可以为大约1×1mm。传感器116是二维的，因为它在两个不平行的轴线(例如，在所示的示例中例示的正交轴线)上具有多于一组(例如，行，列)的检测器410。传感器116中的检测器410的数量可以在不同的实施方式之间变化，例如，取决于所需的分辨率、信噪比(SNR)、所需的检测距离等。例如，传感器116可以具有5至5,000个范围内的像素。在另一示例(图中未示出)中，传感器116也可以是一维矩阵(例如1X8像素)。
注意，每个检测器410可包括多个检测元件402，例如雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、雪崩光电二极管(APD)和单光子雪崩二极管(SPAD)的组合或既测量从激光脉冲发射事件到接收事件的飞行时间又测量接收到的光子的强度的检测元件。例如，每个检测器410可包括20到5,000个范围内的SPAD。每个检测器410中的检测元件402的输出可以被求和、平均或以其他方式组合以提供统一的像素输出。
在所示的示例中，感测单元106可以包括二维传感器116(或多个二维传感器116)，其视场小于LIDAR系统100的视场120。在该讨论中，将视场120(可以由LIDAR系统100扫描而无需在任何方向上移动、旋转或滚动的整个视场)表示为“第一FOV 412”，将传感器116的较小FOV表示为“第二FOV 412”(可互换的“瞬时FOV”)。相对于第一FOV 412，第二FOV 414的覆盖面积可以不同，这取决于LIDAR系统100的具体用途，并且可以例如在0.5％至50％范围内。在一个示例中，第二FOV 412的竖直尺寸可以在大约0.05°至1°范围内延伸。即使LIDAR系统100包括多于一个的二维传感器116，传感器阵列的组合视场仍可以小于第一FOV 412，例如，小至少5倍，小至少10倍，小至少20倍或小至少50倍。
为了覆盖第一FOV 412，扫描单元106可以在不同时间将从环境的不同部分到达的光子引导到传感器116。在所示的单静态配置中，连同将投射光204朝向视场120引导并且当至少一个光偏转器114位于瞬时位置时，扫描单元106还可以将反射光206引导至传感器116。通常，在第一FOV 412的扫描期间的每个时刻，LIDAR系统100发射的光束覆盖环境的部分，该部分大于第二FOV 414(在成角度的开口中)并且包括环境的由扫描单元104和传感器116从其收集光的部分。
图4C是示出二维传感器116的示例的图。在该实施例中，传感器116是8×5检测器410的矩阵，并且每个检测器410包括多个检测元件402。在一个示例中，检测器410A位于传感器116的第二行(表示为“R2”)和第三列(表示为“C3”)中，其包括4×3检测元件402的矩阵。在另一个示例中，位于传感器116的第四行(表示为“R4”)和第六列(表示为“C6”)中的检测器410B包括3X3检测元件402的矩阵。因此，每个检测器410中的检测元件402的数量可以是恒定的，或者可以变化，并且在公共阵列中的不同检测器410可以具有不同数量的检测元件402。每个检测器410中的所有检测元件402的输出可以被求和、平均或以其他方式组合以提供单个像素输出值。注意，尽管在图4C的示例中将检测器410布置成矩形矩阵(直行和直列)，但是也可以使用其他布置，例如圆形布置或蜂窝状布置。
根据一些实施例，来自每个检测器410的测量可以使得能够确定从光脉冲发射事件到接收事件的飞行时间以及所接收的光子的强度。接收事件可以是光脉冲从物体208反射的结果。飞行时间可以是表示反射物体到可选光学窗口124的距离的时间戳值。飞行时间值可以通过以下方法来实现：光子检测和计数方法，例如时间相关单光子计数器(TCSPC)；用于光子检测的模拟方法，例如信号积分和鉴定(经由模数转换器或普通比较器)等。
在一些实施例中并且参考图4B，在扫描周期期间，至少一个光偏转器114的每个瞬时位置可以与视场120的特定部分122相关联。传感器116的设计使来自视场120的单个部分的反射光与多个检测器410之间能够关联。因此，LIDAR系统的扫描分辨率可以由瞬时位置的数量(每个扫描周期)乘以传感器116中的检测器410的数量来表示。来自每个检测器410(即，每个像素)的信息表示基本数据元素，从该基本数据元素构建三维空间中的捕获视场。例如，这可以包括点云表示的基本元素，其具有空间位置和关联的反射强度值。在一个实施例中，由多个检测器410检测到的来自视场120的单个部分的反射可以从位于视场120的单个部分中的不同物体返回。例如，视场120的单个部分在远场处可以大于50×50cm，其可以容易地包括彼此部分覆盖的两个、三个或更多个物体。
图4D是根据公开的主题的示例的传感器116的一部分的剖视图。传感器116的所示部分包括检测器阵列400的一部分，其包括四个检测元件402(例如，四个SPAD，四个APD)。检测器阵列400可以是用互补金属-氧化物-半导体(CMOS)实现的光电检测器传感器。检测元件402中的每一个具有敏感区域，其定位于基底周围环境内。尽管不是必须的，但是传感器116可以用在具有窄视场的单静态LiDAR系统中(例如，因为扫描单元104在不同时间扫描视场的不同部分)。入射光束的窄视场(如果已实施)消除了离焦成像的问题。如图4D所示，传感器116可以包括多个透镜422(例如，微透镜)，每个透镜422可以将入射光导向不同的检测元件402(例如，朝向检测元件402的活动区域)，这在离焦成像不是问题时可用。透镜422可以用于增加检测器阵列400的光学填充率和灵敏度，因为到达传感器116的大部分光可以被偏转朝向检测元件402的活动区域。
如图4D所示，检测器阵列400可以包括通过各种方法(例如注入)置于硅基底中的若干层，从而形成敏感区域、到金属层的接触元件和隔离元件(例如浅沟槽注入STI，保护环，光学沟槽等)。敏感区域可以是CMOS检测器中的体积元素，如果向装置施加了足够的电压偏置，则该体积元素使得入射光子能够光学转换为电流。在APD/SPAD的情况下，敏感区域将是电场的组合，其将由光子吸收产生的电子拉向倍增区域，在倍增区域中光子感应的电子被放大，从而产生倍增电子的击穿雪崩。
正面照射检测器(例如，如图4D所示)具有位于与存在于半导体(硅)顶部上的金属层在相同侧的输入光学端口。需要金属层来实现每个单个光电检测器元件(例如，阳极和阴极)与各个元件的电连接，所述元件例如：偏置电压，猝灭/镇流器元件以及公共阵列中的其他光电检测器。光子通过其入射到检测器敏感区域上的光学端口包括穿过金属层的通道。注意，从一些方向通过该通道的光的通过可以被一个或多个金属层(例如，金属层ML6，如图4D中最左侧的检测器元件402所示)阻挡。这种阻挡降低了检测器的总光学光吸收效率。
图4E示出了根据公开的主题的示例的三个检测元件402，每个检测元件具有相关的透镜422。标记为402(1)、402(2)和402(3)的图4E的三个检测元件中的每一个都示出了可以与传感器116的一个或多个检测元件402关联实施的透镜配置。注意，也可以实施这些透镜配置的组合。
在关于检测元件402(1)示出的透镜配置中，相关联的透镜422的焦点可以位于半导体表面上方。可选地，检测元件的不同金属层中的开口可以具有与由相关联的透镜422产生的聚焦光锥对准的不同尺寸。这样的结构可以改善作为整个装置的阵列400的信噪比和分辨率。较大的金属层对于递送功率和接地屏蔽可以很重要。该方法例如对于具有窄视场的单静态LiDAR设计可以是有用的，其中入射光束包括平行光线，并且成像焦点对检测到的信号没有任何影响。
在关于检测元件402(2)示出的透镜配置中，可以通过识别最佳点来提高检测元件402进行的光子检测的效率。具体地，以CMOS实施的光电检测器可以在敏感体积区域中具有最佳点，其中光子产生雪崩效应的可能性最高。因此，如检测元件402(2)所示，透镜422的焦点可以在敏感体积区域内定位于最佳点位置。透镜形状和与焦点的距离可考虑到激光束沿着从透镜到掩埋在半导体材料中的敏感最佳点位置的路通过的所有元件的折射率。
在关于图4E的右侧的检测元件示出的透镜配置中，可以使用扩散器和反射元件来提高半导体材料中的光子吸收效率。具体地，近IR波长需要硅材料的相当长的路径，以便获得吸收穿过的光子的高可能性。在典型的透镜配置中，光子可能会穿过敏感区域，并且可能不会被吸收到可检测的电子中。对于采用典型加工工艺制造的CMOS装置，提高光子产生电子的可能性的较长吸收路径使敏感区域的尺寸趋于较小的实际尺寸(例如，数十微米)。图4E中最右边的检测器元件演示了一种处理入射光子的技术。相关的透镜422将入射光聚焦到扩散器元件424上。在一个实施例中，光传感器116可以进一步包括位于远离至少一些检测器的外表面的间隙中的扩散器。例如，扩散器424可将光束侧向(例如，尽可能垂直)转向敏感区域和反射光学沟槽426。扩散射器位于焦点处、焦点上方或焦点下方。在该实施例中，入射光可以聚焦在扩散器元件位于的特定位置上。可选地，检测器元件422被设计为在光学上避免光子感应的电子可能丢失的非活性区域并降低有效检测效率。反射光学沟槽426(或其他形式的光学反射结构)使光子在敏感区域上来回反弹，从而增加了检测的可能性。理想情况下，光子将不确定地陷入由敏感区域和反射沟槽组成的腔中，直到光子被吸收并产生电子/孔对。
根据本公开，为入射的光子被吸收建造了长路径，并有助于更高的检测概率。还可以在检测元件422中实施光学沟槽，以减少在雪崩期间产生的寄生光子的串扰效应，寄生光子可能泄漏到其他检测器并引起错误的检测事件。根据一些实施例，可以对光电检测器阵列进行优化，以便利用接收信号的更高的产率，这意味着，接收到尽可能多的接收信号，并且更少的信号丢失到信号的内部劣化。可以通过以下方式改进光电探测器阵列：(a)移动焦点到半导体表面上方的位置，可选地通过适当地设计基底上方的金属层；(b)将焦点转向到基底的最具响应性/敏感区域(或“最佳点”)，以及(c)在基底上方添加扩散器，以将信号朝向“最佳点”转向和/或将反射材料添加到沟槽，使得偏转的信号反射回“最佳点”。
虽然在一些透镜配置中，透镜422可以被定位成使得其焦点在对应的检测元件402的中心上方，但是要注意的是，这不一定是必须的。在其他透镜配置中，透镜422的焦点相对于对应检测元件402的中心的位置基于相应的检测元件402到检测阵列400的中心的距离而移位。这在相对较大的检测阵列400中可能是有用的，在相对较大的检测阵列400中，离中心较远的检测器元件以越来越偏离轴线的角度接收光。转移焦点的位置(例如，朝向检测阵列400的中心)允许校正入射角。具体地，转移焦点的位置(例如，朝向检测阵列400的中心)允许校正入射角，同时对于所有检测元件使用基本上相同的透镜422，相同的透镜422相对于检测器的表面以相同的角度定位。
当使用仅覆盖视场的小部分的相对较小的传感器116时，将透镜422的阵列添加到检测元件402的阵列可以是有用的，因为在这种情况下，来自场景的反射信号从基本上相同的角度到达检测器阵列400，因此，很容易将所有的光聚焦到单个检测器上。还应注意，在一个实施例中，透镜422可以在LIDAR系统100中使用，以有利于增加整个阵列400的总体检测概率(防止光子“浪费”在检测器/子检测器之间的死区中)，但要牺牲空间独特性。该实施例与诸如CMOS RGB相机之类的现有技术实现方式相反，现有技术实现方式优先考虑空间独特性(即，沿检测元件A的方向传播的光不允许被透镜引导朝向检测元件B，即“流失”到阵列的另一个检测元件)。可选地，传感器116包括透镜422的阵列，每个透镜都与对应的检测元件402相关，而透镜422中的至少一个使向第一检测元件402传播的光朝向第二检测元件402偏转(由此可以增加整个阵列的总体检测概率)。
具体地，与本公开的一些实施例一致，光传感器116可以包括光检测器阵列(例如，检测器阵列400)，每个光检测器(例如，检测器410)被配置为当光穿过相应检测器的外表面时使电流流动。另外，光传感器116可以包括被配置为将光引向光检测器阵列的至少一个微透镜，该至少一个微透镜具有焦点。光传感器116还可以包括至少一层导电材料，其插置在至少一个微透镜和光检测器阵列之间并且在其中具有间隙以允许光从至少一个微透镜传递到阵列，所述至少一层的尺寸被设置为在所述至少一个微透镜和阵列之间保持空间，以使焦点(例如，所述焦点可以是平面)位于间隙中与光检测器阵列的检测表面所间隔开的位置处。
在相关实施例中，每个检测器可以包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)或多个雪崩光电二极管(APD)。导电材料可以是多层金属构造，并且至少一层导电材料可以电连接到阵列中的检测器。在一个示例中，至少一层导电材料包括多个层。另外，间隙可以被成形为从至少一个微透镜朝着焦点会聚，并且从焦点的区域朝着阵列发散。在其他实施例中，光传感器116可以进一步包括与每个光电检测器相邻的至少一个反射器。在一个实施例中，多个微透镜可以布置在透镜阵列中，并且多个检测器可以布置在检测器阵列中。在另一个实施例中，多个微透镜可以包括被配置为将光投射到阵列中的多个检测器的单个透镜。
通过非限制性示例地参考图2E、2F和2G，应注意，系统100的一个或多个传感器116可以从扫描偏转器114或直接从FOV接收光而无需扫描。即使来自整个FOV的光同时到达至少一个传感器116，在一些实施方式中，一个或多个传感器116也可以采样FOV的仅仅一部分以在任何给定时间用于检测输出。例如，如果投射单元102的照射在不同时间照射FOV的不同部分(无论是否使用偏转器114和/或通过在不同时间激活不同的光源112)，则光可以到达检测单元106的所有传感器116或像素，并且只有预期会检测到LIDAR照射的像素/传感器可以活跃地收集数据以用于检测输出。这样，其余的像素/传感器不会不必要地收集环境噪声。关于扫描(在出射方向上或在入射方向上)，应注意的是，可以实施实质上不同的扫描尺度。例如，在一些实施方式中，扫描区域可以覆盖FOV的1‰或0.1‰，而在其他实施方式中，扫描区域可以覆盖FOV的10％或25％。当然，也可以实施FOV值的所有其他相对部分。
处理单元
图5A、5B和6描绘了根据本公开的一些实施例的处理单元108的不同功能。具体地，图5A是示出对于视场的单个部分在单个帧时间内的发射图案的图，图5B是示出对于整个视场在单个帧时间内的发射图案的图，并且，图6是示出在单个扫描周期期间向视场投射的实际光发射的图。
图5A示出了对于与至少一个光偏转器114的瞬时位置相关的视场120的单个部分122在单个帧时间内的发射图案的四个示例。根据本公开的实施例，处理单元108可以以使光通量在视场120的扫描上变化的方式控制至少一个光源112和光偏转器114(或协调至少一个光源112和至少一个光偏转器114的操作)。根据其他实施例，处理单元108可以仅控制至少一个光源112，并且光偏转器114可以以固定的预定图案移动或枢转。
图5A中的图A-D描绘了随时间朝向视场120的单个部分122发射的光的功率。在图A中，处理器118可以控制光源112的操作，以使得在扫描视场120期间，初始光发射被投射向视场120的部分122。当投射单元102包括脉冲光源时，初始光发射可以包括一个或多个初始脉冲(也称为“领航脉冲(pilot pulse)”)。处理单元108可以从传感器116接收关于与初始光发射相关的反射的领航信息。在一个实施例中，领航信息可以基于一个或多个检测器(例如，一个或多个SPAD，一个或多个APD，一个或多个SiPM等)的输出表示为单个信号，或基于多个检测器的输出表示为多个信号。在一个示例中，领航信息可以包括模拟和/或数字信息。在另一示例中，领航信息可以包括单个值和/或多个值(例如，对于段的不同时间和/或部分)。
基于关于与初始光发射相关联的反射的信息，处理单元108可以被配置为确定要向视场120的部分122投射的后续光发射的类型。可以在相同的扫描周期(即，在同一帧中)或在随后的扫描周期(即，在随后帧中)中进行针对视场120的特定部分的确定的后续光发射。下面参考图23A-25更详细地描述该实施例。
在图B中，处理器118可以控制光源112的操作，以使得在扫描视场120期间，将不同强度的光脉冲投射到视场120的单个部分122。在一个实施例中，LIDAR系统100可以可操作以生成一种或多种不同类型的深度图，诸如以下类型中的任何一种或多种：点云模型，多边形网格，深度图像(保持图像或2D阵列的每个像素的深度信息)或任何其他类型的场景3D模型。深度图的序列可以是时间序列，其中在不同的时间生成不同的深度图。与扫描周期(可互换的“帧”)相关联的序列的每个深度图可以在对应的后续帧时间的持续时间内生成。在一个示例中，典型的帧时间可以持续不到一秒。在一些实施例中，LIDAR系统100可以具有固定的帧速率(例如，每秒10帧，每秒25帧，每秒50帧)，或者帧速率可以是动态的。在其他实施例中，序列上不同帧的帧时间可以不相同。例如，LIDAR系统100可以实现每秒10帧的速率，其包括以100毫秒(平均值)生成第一深度图，以92毫秒生成第二深度图，以142毫秒生成第三帧等等
在图C中，处理器118可以控制光源112的操作，以使得在扫描视场120期间，与不同持续时间相关联的光脉冲被投射向视场120的单个部分122。在一个实施例中，LIDAR系统100可以可操作以在每一帧中产生不同数量的脉冲。脉冲数量可以在0到32个脉冲的范围内变化(例如1、5、12、28或更多个脉冲)，并且可以基于从先前发射中得出的信息。光脉冲之间的时间可以取决于所需的检测范围，并且可以在500ns和5000ns范围内。在一个示例中，处理单元108可以从传感器116接收关于与每个光脉冲相关联的反射的信息。基于信息(或信息的缺乏)，处理单元108可以确定是否需要附加的光脉冲。注意，图A-D中的处理时间和发射时间的持续时间不是按比例的。具体地，处理时间可以实质上比发射时间更长。在图D中，投射单元102可以包括连续波光源。在一个实施例中，初始光发射可以包括发光的时间段，并且随后的发射可以是初始反射的连续，或者可以存在不连续。在一个实施例中，连续发射的强度可随时间变化。
根据本公开的一些实施例，可以按照视场120的每个部分来确定发射图案。换句话说，处理器118可以控制光的发射以允许在视场120的不同部分的照射中进行区分。在一个示例中，处理器118可基于对来自相同扫描周期的反射光的检测(例如，初始发射)来确定视场120的单个部分122的发射图案，这使得LIDAR系统100极具动态性。在另一个示例中，处理器118可以基于对来自先前扫描周期的反射光的检测来确定视场120的单个部分122的发射图案。后续发射的图案中的差异可能源于针对后续发射的光源参数确定了不同值，例如以下任意一项。
a.后续反射的总能量。
b.后续反射的能量分布。
c.每帧光脉冲重复的数量。
d.光调制特性，例如持续时间，速率，峰值，平均功率和脉冲形状。
e.后续发射的波特性，例如偏振，波长等。
根据本公开，可以将后续发射中的差异用于不同用途。在一个示例中，可能在考虑安全性的情况下在视场120的一部分中限制发射的功率水平，同时针对视场120的其他部分发射更高的功率水平(从而提高信噪比和检测范围)。这与眼睛安全有关，但也可以与皮肤安全、光学系统安全、敏感材料安全等等有关。在另一个示例中，可能基于来自相同帧或前一帧的检测结果将更多的能量引向视场120的具有更大用途的部分(例如，感兴趣的区域，更远距离的目标，低反射目标等)，同时限制到视场120的其他部分的光照能量。注意，处理单元108可以在单个扫描帧时间内多次处理来自单个瞬时视场的检测到的信号；例如，后续发射可以在每个脉冲发射之后或在多个脉冲发射之后确定。
图5B示出了对于视场120在单个帧时间内的发射方案的三个示例。根据本公开的实施例，至少一个处理单元108可以使用获得的信息来动态地调整LIDAR系统100的操作模式和/或确定LIDAR系统100的特定部件的参数值。可以通过处理在视场120中捕获的数据或从主机210(直接或间接)接收到的数据来确定获得的信息。处理单元108可以使用获得的信息来确定用于扫描视场120的不同部分的扫描方案。所获得的信息可以包括当前的光条件，当前的天气条件，宿主车辆的当前驾驶环境，宿主车辆的当前位置，宿主车辆的当前轨迹，宿主车辆周围的道路的当前地形，或通过光反射可检测到的任何其他条件或物体。在一些实施例中，确定的扫描方案可以包括以下中的至少一个：(a)指定视场120内将被主动扫描的部分作为扫描周期的一部分；(b)投射单元102的投射计划，其定义视场120不同部分的光发射轮廓；(c)用于扫描单元104的偏转计划，其定义例如偏转方向、频率，以及指定反射器阵列内的空闲元件；(d)用于感测单元106的检测计划，其定义检测器的灵敏度或响应度图案。
另外，处理单元108可以至少部分地通过获得对视场120内的至少一个感兴趣区域和视场120内的至少一个非感兴趣区域的标识来确定扫描方案。在一些实施例中，处理单元108可以至少部分地通过获得在视场120内的至少一个高度感兴趣区域和在视场120内的至少一个低度感兴趣区域的标识来确定扫描方案。视场120内的至少一个感兴趣区域的标识可以通过在视场120中捕获的处理数据，基于另一传感器(例如相机，GPS)的数据、从主机210接收到(直接或接件)的数据或这些的任意组合而被确定。在一些实施例中，至少一个感兴趣区域的标识可以包括对于监视重要的视场120内的部分、区域、部段、像素或物体的标识。可以被识别为感兴趣区域的区域的示例可以包括人行横道、移动的物体、人、附近的车辆或任何其他有助于车辆导航的环境条件或物体。可以被识别为不感兴趣(或较低兴趣)区域的区域的示例可以是静态(不移动)的遥远建筑物、天际线、地平线上方的区域和视场中的物体。在获得视场120内的至少一个感兴趣区域的标识之后，处理单元108可以确定扫描方案或改变现有的扫描方案。除了确定或改变光源参数之外(如上所述)，处理单元108进一步可以基于至少一个关注区域的标识来分配检测器资源。在一个示例中，为了减少噪声，处理单元108可以激活预期有感兴趣区域的检测器410，并禁用预期有非感兴趣区域的检测器410。在另一个示例中，处理单元108可以改变检测器灵敏度，例如，增加对于反射功率低的长范围检测的传感器灵敏度。
图5B中的图A-C描绘了用于扫描视场120的不同扫描方案的示例。视场120中的每个正方形代表与至少一个光偏转器114的瞬时位置相关联的不同部分122。图例500详细说明了由正方形的填充图案表示的光通量水平。图A描绘了第一扫描方案，其中所有部分都具有相同的重要性/优先级，并且默认光通量被分配给它们。可以在启动阶段使用第一扫描方案，或者可以将第一扫描方案与另外的扫描方案周期性地交错，以监视整个视场中是否存在意外/新物体。在一个示例中，第一扫描方案中的光源参数可以被配置为生成恒定振幅的光脉冲。图B描绘了第二扫描方案，其中视场120的一部分被分配有高光通量，而视场120的其余部分被分配了默认光通量和低光通量。视场120中最不感兴趣的部分可以被分配低光通量。图C描绘了第三种扫描方案，其中在视场120中标识了紧凑型车辆和公共汽车(见轮廓)。在该扫描方案中，可以以高功率跟踪车辆和公共汽车的边缘，并且可以以较小的光通量分配车辆和公共汽车的中心质量(或不分配光通量)。这样的光通量分配使得能够将更多的光学预算集中在所识别的物体的边缘上，而将较少的光学预算集中在其重要性较低的中心。
图6示出了在单个扫描周期期间朝向视场120的光发射。在所描绘的示例中，视场120由8X 9矩阵表示，其中72个单元中的每个单元对应于与至少一个光偏转器114的不同瞬时位置相关联的单独部分122。在该示例性扫描周期中，每个部分包括一个或多个白点，其代表朝着该部分投射的光脉冲的数量，一些部分包括黑点，其代表从传感器116检测到的来自该部分的反射光。如图所示，视场120分为三个扇区：在视场120右侧的扇区I，在视场120中间的扇区II和在视场120左侧的扇区III。在该示例性扫描周期中，扇区I最初每个部分被分配了单个光脉冲；先前被是被为感兴趣区域的第二扇区II最初每个部分被分配了三个光脉冲；扇区III最初每个部分分配了两个光脉冲。同样如图所示，视场120的扫描揭示了四个物体208：近场(例如，在5米至50米范围内)中的两个自由形状的物体，中场(例如，在50至150米范围内)中的圆角正方形的物体和远场(例如150至500米范围内)中的三角形物体。虽然图6的讨论使用脉冲数作为光通量分配的示例，但应注意，也可以通过其他方式实现对视场不同部分的光通量分配，例如：脉冲持续时间，脉冲角分散，波长，瞬时功率，距光源112的不同距离处的光子密度，平均功率，脉冲功率强度，脉冲宽度，脉冲重复率，脉冲序列，脉冲占空比，波长，相位和偏振等。图6中作为单个扫描周期的光发射的图示说明了LIDAR系统100的不同功能。在第一实施例中，处理器118被配置为使用两个光脉冲以检测在第一距离处的第一物体(例如，圆角正方形物体)，并且使用三个光脉冲以检测在大于第一距离的第二距离处的第二物体(例如，三角形物体)。下面参考图11A-13B更详细地描述该实施例。在第二实施例中，处理器118被配置为向识别出感兴趣区域的视场的部分分配更多的光。具体地，在本示例中，扇区II被识别为感兴趣区域，并且因此其被分配了三个光脉冲，而视场120的其余部分被分配了两个或更少的光脉冲。下面参考图20A-22B更详细地描述该实施例。在第三实施例中，处理器118被配置控制光源112，以使得仅单个光脉冲朝向图6中的部分B1、B2和C1投射，尽管它们是最初每个部分分配有两个光脉冲的扇区III的一部分。这是因为处理单元108基于第一光脉冲在近场中检测到物体。下面参考图23A-25更详细地描述该实施例。少于最大脉冲数量的分配也可能是其他考虑因素的结果。例如，在至少一些区域中，在第一距离处的物体(例如，近场物体)的检测可导致减少发射到视场120的该部分的光的总量。下面参考图14-16C更详细地描述该实施例。下面参考图29A-31讨论确定向不同部分的功率分配的其他原因。
有关LIDAR系统100的不同部件及其相关功能的其他细节和示例，包含在2016年12月28日提交的美国专利申请第15/391,916号中；2016年12月29日提交的美国专利申请第15/393,749号；2016年12月29日提交的美国专利申请第15/393,285号；和2016年12月29日提交的申请人的美国专利申请第15/393,593号，其全部内容通过引用并入本文。
示例实施方式：车辆
图7-9示出了在车辆(例如，车辆110)中的LIDAR系统100的实施方式。上面或下面描述的LIDAR系统100的任何方面可以被结合到车辆110中以提供测距车辆。具体地，在该示例中，LIDAR系统100在单个车辆中集成了多个扫描单元104和潜在地多个投射单元102。在一个实施例中，车辆可以利用这种LIDAR系统来改善重叠区域中和超出重叠区域的功率、范围和精度，以及在FOV(例如，车辆的向前运动方向)的敏感部分中的冗余度。如图7所示，车辆110可以包括用于控制视场120A的扫描的第一处理器118A，用于控制视场120B的扫描的第二处理器118B，以及用于控制这两个视场的扫描的同步的第三处理器118C。在一个示例中，处理器118C可以是车辆控制器，并且可以在第一处理器118A和第二处理器118B之间具有共享的接口。共享接口可以使得能够在中间处理级别交换数据，并且能够同步扫描组合视场，以便在时间和/或空间中形成重叠。在一个实施例中，使用共享接口交换的数据可以是：(a)与重叠视场和/或其附近的像素相关的接收信号的飞行时间；(b)激光转向位置状态；(c)视场中物体的检测状态。
图8示出了视场120A和视场120B之间的重叠区域600。在所描绘的示例中，重叠区域与来自视场120A的24个部分122和来自视场120B的24个部分122相关联。假设重叠区域由处理器118A和118B定义并为处理器所知，则可以将每个处理器设计为限制重叠区域600中发射的光量，以便符合跨越多个光源的眼睛安全限制，或者出于其他原因例如维持光学预算。另外，处理器118A和118B可以通过扫描单元104A和扫描单元104B之间的松散同步，和/或通过控制激光传输定时，和/或检测电路使能定时，避免由两个光源发射的光之间的干扰。
图9示出了视场120A和视场120B之间的重叠区域600如何可以用于增加车辆110的检测距离。根据本公开，可以利用将它们的标称光发射投射到重叠区域中的两个或更多个光源112来增加有效检测范围。术语“检测范围”可以包括距车辆110的近似距离，在该距离处LIDAR系统100可以清楚地检测到物体。在一个实施例中，LIDAR系统100的最大检测范围为约300米，约400米或约500米。例如，对于200米的检测范围，LIDAR系统100可以以大于95％、大于99％、大于99.5％的次数检测到距车辆110定位在200米(或更少)处的物体。即使物体的反射率可能小于50％(例如，小于20％，小于10％或小于5％)。另外，LIDAR系统100可以具有小于1％的虚警率。在一个实施例中，从在时间空间和空间空间中并置的两个光源投射的光可以用于改善SNR，并因此针对位于重叠区域中的物体增加范围和/或服务质量。处理器118C可以从视场120A和120B中的反射光提取高水平信息。术语“提取信息”可以包括通过在本领域普通技术人员已知的任何方式在捕获的图像数据中识别与物体、个体、位置、事件等相关联的信息的任何过程。另外，处理器118A和118B可以共享诸如对象(道路定界符，背景，行人，车辆等)和运动矢量之类的高水平信息，以使每个处理器能够警惕即将变成感兴趣区域的外围区域。例如，视场120A中的运动物体可以被确定为即将进入视场120B。
示例实施方式：监控系统
图10示出了在监视系统中的LIDAR系统100的实施方式。如上所述，LIDAR系统100可以固定到静止物体650，该静止物体650可以包括用于旋转LIDAR系统100的壳体以获得更宽视场的马达或其他机构。可替代地，监视系统可以包括多个LIDAR单元。在图10所示的示例中，监视系统可以使用单个可旋转LIDAR系统100来获得表示视场120的3D数据并处理3D数据以检测人652、车辆654、环境的变化或任何其他重要安全数据的形式。
根据本公开的一些实施例，可以分析3D数据以监视零售业务过程。在一个实施例中，可以在涉及物理安全性的零售业务过程中使用3D数据(例如，检测：零售设施内的入侵，零售设施内或周围的故意破坏行为，对安全区域的未授权访问以及停车场内汽车周围的可疑行为)。在另一个实施例中，可以在公共安全中使用3D数据(例如，检测：人们在商店财产上滑倒或跌倒，危险的液体溢出或在商店地板上的障碍物，在商店停车场中的袭击或绑架，防火通道受阻，和商店区域或商店外部的拥挤)。在另一个实施例中，该3D数据可以用于商业智能数据收集(例如，跟踪通过商店区域的人们以确定例如经过了多少人，他们停驻在哪里，他们停驻了多长时间，他们的购物习惯与购买习惯相比如何)。
根据本公开的其他实施例，可以分析3D数据并将其用于交通执法。具体地，该3D数据可以用于识别超过法定限速或某个其他道路法定要求行驶的车辆。在一个示例中，LIDAR系统100可以用于检测在显示红色交通信号灯时越过停车线或指定的停车地点的车辆。在另一个示例中，LIDAR系统100可以用于识别在为公共交通预留的车道上行驶的车辆。在又一示例中，LIDAR系统100可以用于识别在特定转弯被禁止为红色的交叉路口转弯的车辆。
应当注意，尽管已经在上面和下面关于控制偏转器的扫描的控制单元描述了各种公开的实施例的示例，但是公开的实施例的各种特征不限于这样的系统。而是，用于将光分配到LIDAR FOV的各个部分的技术可以适用于基于光的感测系统(LIDAR或其他方式)的类型，其中可能期望或需要将不同量的光引导至视场的不同部分。在一些情况下，如本文所述，这种光分配技术可以积极地影响检测能力，但是也可以产生其他优点。
还应当注意，使用“第一”、“第二”、“第三”等术语，本公开和权利要求的各个部分可以指代各个部件或部件的部分(例如，光源，传感器，传感器像素，视场部分，视场像素等)。这些术语仅用于促进对各种公开的实施例的描述，而无意于限制或指示与在其他实施例中类似命名的元件或部件的任何必要的相关性。例如，在本公开的一个部分中的一个描述的实施例中描述为与“第一传感器”相关联的特征可以与或可以不与在本公开的不同部分中描述的不同实施例的“第一传感器”相关联。
应当注意，LIDAR系统100或其任何部件可以与本文公开的任何特定示例实施例和方法一起使用。尽管如此，以下公开的特定实施例和方法并不一定限于LIDAR系统100，并且可能在其他系统(例如但不限于其他LIDAR系统，其他电光学系统，其他光学系统等——只要适用即可)中实施或被其实施。此外，尽管相对于示例性的基于车辆的LIDAR平台描述了系统100，但是系统100、其任何部件或本文所述的任何过程都可适用于布置在其他平台类型上的LIDAR系统。同样地，下面公开的实施例和过程可以在被安装在设置于除车辆之外的平台上的系统上的LIDAR系统(或其他系统，例如其他电光学系统等)上或通过其实施，或甚至无论任何特定平台。
本公开涉及MEMS扫描装置。尽管本公开提供了可以是扫描LIDAR系统的一部分的MEMS扫描装置的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于用于LIDAR系统的MEMS扫描装置。相反，可以预期的是，上述原理也可以应用于其他类型的电光系统。图3A-3D描绘了示例性MEMS扫描装置104。
根据本公开的MEMS扫描装置可以包括被配置为绕至少一个轴线枢转的可移动MEMS反射镜。MEMS扫描装置可以包括被配置为使光偏离其原始路径的光偏转器。在一些示例性实施例中，光偏转器可以是MEMS反射镜的形式，该MEMS反射镜可以包括具有相对于晶片(或框架)的平面旋转的可旋转部分的任何MEMS结构。例如，扫描MEMS系统可以包括诸如可旋转阀的结构，或加速度传感器。在一些示例性实施例中，可旋转部分可以包括反射涂层或表面以形成能够反射或偏转来自光源的光的MEMS反射镜。下文讨论的MEMS反射镜组件的各种示例性实施例可以是扫描LIDAR系统(诸如但不限于系统100，例如MEMS反射镜300，偏转器114)的一部分，或者可以用于其中可以使用可旋转MEMS反射镜或另外的可旋转MEMS结构的任何其他电光系统。尽管已经公开了MEMS反射镜作为光偏转器的示例性实施例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于MEMS反射镜。因此，例如，根据本公开的MEMS扫描装置中的所公开的MEMS反射镜可替代地包括棱镜、可控透镜、机械反射镜、机械扫描多边形、有源衍射(例如，可控LCD)、Risley棱镜或能够偏转光路的其他类型的光学设备。
根据本公开，MEMS反射镜组件可包括支撑MEMS反射镜的框架。如本公开中所使用的，框架可以包括MEMS反射镜可以附接到其上使得MEMS反射镜能够相对于框架旋转的任何支撑结构。例如，MEMS反射镜可包括用于制造MEMS反射镜的晶片的这样的部分：其可在结构上支撑MEMS反射镜，同时允许MEMS反射镜相对于框架绕一个或多个旋转轴线枢转。
图11A示出了根据本公开的示例性MEMS反射镜组件1100。例如，如图11A所示，MEMS反射镜组件1100可包括由框架1104支撑的MEMS反射镜1102。MEMS反射镜1102可以是可移动MEMS反射镜，因为MEMS反射镜1102可以相对于框架1104平移和/或可以相对于框架1104绕一个或多个轴线旋转。例如，如图11A所示，MEMS反射镜1102可以平移或绕示例性轴线1106、1108或1110(进入图的平面中)旋转。在一些示例性实施例中，MEMS反射镜1102可包括反射表面和/或加强结构，例如，附接到与反射表面相对的MEMS反射镜1102的下侧的加强肋。尽管在图11A中将MEMS反射镜1102示出为具有圆形形状，但是可以预期，MEMS反射镜1102可以具有正方形、多边形(例如八边形)、椭圆形或适合于与系统100一起使用的任何其他几何形状。尽管本公开描述了MEMS反射镜和框架的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上不限于所公开的MEMS反射镜和/或框架的示例。
根据本公开，MEMS扫描装置可以包括至少一个致动器，该至少一个致动器被配置为引起可移动MEMS反射镜绕至少一个轴线在第一方向上枢转。根据本公开的致动器可以包括MEMS反射镜组件的一个或多个可移动结构构件，其可以引起MEMS反射镜相对于框架的平移和/或旋转运动。所公开的致动器可以是MEMS反射镜组件的一体部分，或者可以与MEMS反射镜组件分离且分立。所公开的致动器可以直接或间接地附接到所公开的MEMS反射镜。
在一些示例性实施例中，致动器可以是MEMS反射镜组件的一部分，并且其本身可以被配置为相对于框架和/或相对于与MEMS反射镜组件相关联的MEMS反射镜移动。例如，公开的致动器可以被连接在框架和MEMS反射镜之间，并且可以被构造成移位、弯曲、扭曲和/或扭转以引起MEMS反射镜相对于框架的运动(即，平移或旋转)。可以预期，根据本公开的MEMS反射镜组件可以包括一个、两个或任何其他数量的致动器。
举例来说，图11A示出了根据本公开的与MEMS反射镜组件1100相关联的示例性致动器1112、1114、1116和1118。如图11A所示，致动器1112可以邻近第一端1120连接到框架1104，并且可以邻近致动器1112的相对端1122连接到MEMS反射镜1102。下面将更详细地描述关于致动器1112和MEMS反射镜1102之间的连接的细节。致动器1114、1116和1118可以以类似的方式连接在框架1104和MEMS反射镜1102之间。一个或多个致动器1112、1114、1116和1118的运动可以引起MEMS反射镜1102平移和/或关于一个或多个轴线1106、1108和/或1110的旋转运动。尽管本公开描述了与MEMS扫描装置相关联的致动器的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的致动器示例。
可以以各种不同的方式来致动MEMS反射镜组件的致动器，例如通过使每个致动器上的压电构件收缩(例如PZT，锆钛酸铅，氮化铝)，电磁致动，静电致动等。如上所述，致动器可以是压电致动器。注意，在下面的描述中，无论PZT的示例用于何处，都可以使用任何适用的压电材料。可选地，多个致动器中的一个或多个可以包括压电层(例如，PZT层)，其被配置为在受到电场时弯曲相应的致动器，从而旋转反射镜。举例来说，与MEMS反射镜组件1100相关联的一个或多个致动器1112、1114、1116和1118可包括一个或多个PZT层。用电场(例如通过提供偏置电压或电流)对一个或多个PZT层进行激励，可以导致一个或多个致动器1112、1114、1116和1118伸展、收缩、弯曲、扭曲或改变其配置，这进一步可以导致MEMS反射镜1102关于一个或多个轴线1106、1108和/或1110平移或旋转。尽管本公开描述了MEMS反射镜的旋转轴线的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的旋转轴线的示例。因此，例如，根据本公开的MEMS反射镜可以关于除了公开的轴线1106、1108和/或1110以外的轴线平移和/或旋转。还可以想到，在其他实施方式中，致动器自身可以垂直于框架的平面、平行于框架的平面和/或以两者的任何组合而移动。
根据本公开，MEMS扫描装置可以包括至少一个弹簧，该至少一个弹簧被配置为引起可移动MEMS反射镜绕至少一个轴线在不同于第一方向的第二方向上枢转。如本公开中所使用的弹簧是指被配置为向MEMS反射镜提供恢复力的任何部件或结构。在一些情况下，公开的弹簧可以响应于致动来限制反射镜的运动，并且可以在致动之后(例如，一旦已经中断了致动电压信号时)将反射镜恢复到平衡位置。在一些实施例中，至少一个第二方向可以与至少一个第一方向相反。也就是说，由一个或多个弹簧提供的恢复力可以在与旨在引起MEMS反射镜的至少一个位移(即，平移或旋转)的致动力在相反方向上(或基本相反)。
举例来说，图3A示出了示例性弹簧302A和302B。返回图11A，一个或多个致动器1112、1114、1116和1118中的硅也可以用作弹簧，并且可以使MEMS反射镜1102沿与一个或多个致动器1112、1114、1116和1118引起MEMS反射镜1102的平移和/或旋转的方向相反的方向平移和/或旋转。尽管本公开描述了与MEMS扫描装置相关联的弹簧的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的弹簧示例。
根据本公开，至少一个致动器包括：第一致动臂；第二致动臂；以及第一致动臂和第二致动臂之间的间隙。像致动器一样，根据本公开的致动臂可包括结构构件，该结构构件能够引起MEMS反射镜相对于框架的平移或旋转运动。在一些示例性实施例中，所公开的致动器可以包括仅一个致动臂。通过非限制性示例，图12A至图12F示出了具有仅一个致动臂的致动器。在其他示例性实施例中，公开的致动器可以包括多于一个的致动臂。每个致动臂可以被认为是可以和与其成对的致动臂一起操作的致动器。例如，在一些实施例中，所公开的致动器可以包括两个致动臂，所述两个致动臂通过间隙彼此分开。一些或所有致动臂可能配备有PZT层，其可以导致这些致动臂以某种方式伸展、收缩、弯曲、扭曲或移动。一个或多个致动臂的运动又可以引起与MEMS扫描装置相关联的MEMS反射镜的运动。
根据本公开，第一致动臂和第二致动臂彼此相邻，通过间隙至少部分地彼此分开。第一致动臂和第二致动臂被配置为被同时致动，从而使得能够在可移动MEMS反射镜上施加组合的机械力，以使该可移动MEMS反射镜绕至少一个轴线枢转。应当理解，当第一臂和第二臂被同时致动时，它们可以完全、基本或部分地同时被致动。因此，例如，即使当同时被致动时，两个致动臂也可以在另一臂稍微之前或之后被致动/去致动。此外，由于一个或多个致动臂的硅的弹簧作用而产生的恢复力也可以同时施加来沿第二方向移动MEMS反射镜，例如通过同时不在两个致动臂的PZT上施加电压。还可以想到，在一些实施例中，可以使用用于施加恢复力的其他器件代替弹簧。例如，在一些实施例中，致动臂可以包括可以提供恢复力的附加的PZT层或其他电磁致动器。在根据本发明的一些示例性实施例中，致动臂可以彼此相邻定位并且可以被间隙隔开。如上所述，在一些示例性实施例中，与公开的致动器相关联的一个或多个致动臂可每个包括PZT层。与离散的致动臂相关联的PZT层可以同时或在不同的时间经受电场、电压等，这则可以导致致动臂同时或在不同的时间移位。在一些实施例中，第一致动臂和第二致动臂可以同时移位以帮助确保两个致动臂的移位对MEMS反射镜施加组合的机械力(例如，通过将致动臂连接至MEMS反射镜的一个或多个连接器)，从而引起MEMS反射镜的位移(例如平移和/或旋转)。
例如，图11A示出了第一致动器1112，其包括第一致动臂1124、第二致动臂1126以及在第一致动臂1124和第二致动臂1126之间的间隙1128。还如图11A的示例性实施例所示，第一致动臂1124可以与第二致动臂1126相邻。第一致动臂1124和第二致动臂1126中的每个可包括相关的PZT层。向PZT层施加电压或电流可导致第一致动臂1124和第二致动臂1126变形，例如伸展，收缩，弯曲，扭曲等。第一致动臂1124和第二致动臂1126的变形可以进而引起MEMS反射镜1102的运动。预期在一些实施例中，第一致动臂1124和第二致动臂1126的PZT层可被同时激活，这可同时引起第一致动臂1124和第二致动臂1126两者的变形。这样的同时变形又可导致由第一致动臂1124和第二致动臂1126两者产生的组合机械力被施加到MEMS反射镜1102上。
如图11A的示例性实施例中所示，第一致动臂1124可以是外致动臂，而第二致动臂1126可以是内致动臂。根据本公开的实施例，还可以基于相对于MEMS反射镜的中心的距离来理解术语内和外。例如，如图11A所示，第一致动臂1124可以被定位在距MEMS反射镜1102的一距离(例如径向距离)，其可大于第二致动臂1126距MEMS反射镜1102的距离(例如径向距离)。在一些示例性实施例中，第一致动臂1124可以是外致动臂，因为它可以相对于MEMS反射镜1102更靠近框架1104定位，而第二致动臂1126可以是内致动臂，因为它可以相对于框架1104更靠近MEMS反射镜1102定位。
根据本公开，在MEMS扫描装置中，间隙可以包括狭缝。另外，根据本公开，狭缝的宽度小于第一致动臂的平均宽度的5％。因此，例如，在MEMS反射镜组件的示例性实施例中，相邻的致动臂可以被狭缝形式的细长空间或间隙隔开。如图11A的示例性MEMS反射镜组件1100中所示，间隙1128、1138、1148和1158中的一个或多个可以呈狭缝的形式，其可以将致动器1112、1114、1116和1118中的一个或多个分离为其相应的致动臂。狭缝或间隙1128、1138、1148和/或1158的宽度“Ws”(例如，从MEMS反射镜1102沿大致径向方向测量)可以小于宽度“Wa”的大约5％，小于大约10％，或小于大约20％。或小于大约25％。宽度Wa(例如，从MEMS反射镜1102沿大致径向方向测量)可以是致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和/或1156中的一个或多个的宽度，即较宽或较窄的致动臂的宽度，或相邻致动臂的平均宽度。
根据本公开，在MEMS扫描装置中，间隙可以用固定的非反射材料填充。如本公开中使用的非反射材料可以指的是减少和/或消除任何入射光在该材料上的反射的材料。包括这样的非反射材料可以帮助减少或消除来自未连接至MEMS反射镜的硅条的光的任何不想要的反射，从而减少来自除MEMS反射镜之外的源的反射贡献。举例来说，如图11B所示，固定硅条1125、1135、1145和1155中的一个或多个可以用非反射材料覆盖，以使光不会被硅条反射。使非反射材料固定也可以帮助确保MEMS反射镜1102不会由于非反射填充材料的运动而经历任何不期望的运动。
根据本公开，所公开的MEMS扫描装置的至少一个致动器可以包括第一致动器和第二致动器。在一些示例性实施例中，公开的MEMS扫描装置可以包括多于一个的致动器。可以预期，根据本公开的MEMS扫描装置可以包括两个、三个、四个或任何其他数量的致动器。这些致动器中的一个或多个可以连接至与MEMS扫描装置相关联的MEMS反射镜，以引起MEMS反射镜的运动(平移和/或旋转)。
根据本公开，第一致动器可以包括第一致动臂和第二致动臂，并且第二致动器可以包括第三致动臂和第四致动臂。如上所述，在一些示例性实施例中，与公开的MEMS扫描装置相关联的第一致动器可以包括与第二致动臂间隔开第一间隙的第一致动臂。还可以想到，类似于第一致动器，第二致动器还可包括一个或多个致动臂。例如，第二致动器可包括通过第二间隙彼此分开的第三致动臂和第四致动臂。第一间隙和第二间隙可以相等或可以不相等。类似地，可以想到，在一些示例性实施例中，第一致动器和第二致动器中的一者或两者可以包括一个、两个或更多个致动臂。
举例来说，图11A示出了四个致动器，包括第一致动器1112，第二致动器1114，第三致动器1116和第四致动器1118。同样如上所述，第一致动器1112可以包括由间隙1128分隔开的第一致动臂1124和第二致动臂1126，间隙1128可以是第一间隙。类似于第一致动器1112，第二致动器1114可包括由间隙1138分开的第三致动臂1134和第四致动臂1136。可以想到，间隙1128的尺寸可以等于或不同于间隙1138的尺寸。在如图11A所示的一些示例性实施例中，第三致动臂1134可以是类似于第一致动臂1124的外致动臂，并且第四致动臂1136可以是类似于第二致动臂1126的内致动臂。
第三致动臂1134和第四致动臂1136可以分别类似于第一致动臂1124和/或第二致动臂1126。为了确保清楚，在整个本公开中，当随后公开的元件具有与本公开中先前讨论的那些元件类似的结构和功能特性时，不再重复对结构和功能特性的讨论。另外，除非另有说明，否则在整个本公开中，应假定相似编号的元件具有相似的结构和功能特征。此外，即使编号不同，从一个结构到下一个结构的相似元件也可以具有相似的特性。
在根据本公开的MEMS扫描装置中，至少一个轴线包括第一轴线和第二轴线(例如，轴线1106，轴线1108等)。第一致动臂和第二致动臂可以被配置为同时起作用以使可移动MEMS反射镜绕第一轴线枢转。第三致动臂和第四致动臂被配置为同时起作用以使MEMS反射镜绕第二轴线枢转。如上所述，所公开的MEMS反射镜可绕一个或多个轴线平移或旋转(或枢转)。在一些示例性实施例中，MEMS反射镜可以相对于第一轴线和不同于第一轴线的第二轴线平移或绕第一轴线和不同于第一轴线的第二轴线旋转。第一轴线和第二轴线可以大体上彼此垂直设置，或者可以相对于彼此以任意角度倾斜。根据本公开的实施例，诸如一般、大约和基本上这样的术语应被解释为包括典型的机加工和制造公差。因此，例如，如果两个轴线之间的角度在90±0.1°、90±0.5°或90±1°之间，则可以认为这两个轴线大致垂直。同样，如果两个轴线或结构元件之间的角度在0±0.1°、0±0.5°或0±1°之间，则可以认为它们大致平行。还可以预期，所公开的MEMS扫描装置的MEMS反射镜可以绕一个、两个或多于两个的旋转轴线旋转。
在一些示例性实施例中，一个或多个致动器(例如，第一致动器)可以被配置为使MEMS反射镜绕第一旋转轴线枢转(即旋转)，而一个或多个致动器(例如，第二致动器)可以被配置成使MEMS反射镜绕第二旋转轴线枢转。然而，可以想到的是，单个致动器可以引起MEMS反射镜绕多于一个旋转轴线的旋转。例如，与第一致动器相关联的第一致动臂和第二致动臂可以被配置为移动，使得第一致动臂和第二致动臂可以引起MEMS反射镜围绕第一轴线的枢转运动(或旋转)和/或平移。同样，与第二致动器相关联的第三致动臂和第四致动臂可以被配置为移动，使得第三致动臂和第四致动臂可以引起MEMS反射镜围绕第二轴线的枢转运动(或旋转)和/或平移。围绕第一轴线和第二轴线的旋转或枢转可以同时发生或在不同时间发生。因此，例如，第一致动臂、第二致动臂、第三致动臂和第四致动臂可以被配置为同时或在不同的时间移动，以使得MEMS反射镜分别在相同或不同的时间绕第一轴线和第二轴线旋转。
举例来说，图11A示出了MEMS反射镜组件1100，其可以具有第一轴线1106、第二轴线1108和第三轴线1110。在图11A的示例性实施例中，第一、第二和第三轴线1106、1108、1110大体上彼此垂直设置。然而，可以预期，在其他示例性实施例中，第一、第二和第三轴线1106、1108、1110中的一个或多个可以以其他倾斜角度相对于彼此倾斜。同样如图11A所示，第一致动器1112的第一致动臂1124和第二致动臂1126可被配置为使MEMS反射镜1102绕例如第一轴线1106枢转、旋转和/或平移。类似地，第二致动器1114的第三致动臂1134和第四致动臂1136可以被配置为使MEMS反射镜1102绕例如不同于第一轴线1106的第二轴线1108和/或第三轴线1110枢转、旋转和/或平移。
在一个示例性实施例中，第一致动臂1124和第二致动臂1126可被配置为同时作用以引起MEMS反射镜1102绕轴线1106旋转。然而，可以想到，第一致动臂1124和第二致动臂1126可以被配置为在不同的时间起作用，以引起MEMS反射镜1102围绕轴线1106的一个或多个旋转。同样地，可以设想，第三致动臂1134和第四致动臂1136可以被配置为同时或在不同的时间起作用，以引起MEMS反射镜1102绕轴线1108的一个或多个旋转。在一些示例性实施例中，第一致动臂1124、第二致动臂1126、第三致动臂1134和第四致动臂1136可以全部同时起作用，以引起MEMS反射镜1102绕着第一轴线1106和第二轴线1108的同时旋转。然而，还可以预期，第一致动臂1124、第二致动臂1126、第三致动臂1134和第四致动臂1136中的一个或多个可以在不同的时间起作用，以引起MEMS反射镜1102在相同或不同时间的一个或多个旋转。
根据本公开，在MEMS扫描装置中，第一致动臂和第二致动臂具有不同的长度。在其他示例性实施例中，第一致动臂和第二致动臂的长度可以大约相等。如上所述，诸如大约的术语涵盖典型的机加工和制造公差。因此，例如，如果第一致动臂和第二致动臂的长度相差小于±1μm、±1mm，±1mil等，则可以认为它们大约相等。还可以想到，在一些示例性实施例中，第二致动臂可以比第一致动臂更长。
根据本公开，致动器臂中一个可以比另一致动器臂宽。例如，在MEMS扫描装置中，可选地，第一致动臂和第二致动臂具有不同的宽度。在另一示例中，可选地，第二致动臂可以比第一致动臂更宽。更宽的臂可以宽5％、10％、25％等…；更宽的臂可以是由于几何形状、致动器臂所需的力等原因导致的。在其他示例性实施例中，第一致动臂和第二致动臂可以具有大约相等的宽度。还可以想到，在一些示例性实施例中，第二致动臂可以比第一致动臂宽。
根据本公开，所公开的MEMS扫描装置可以包括第一和第二致动臂，其中第一致动臂的形状不同于第二致动臂的形状。在根据本发明的其他示例性实施例中，第一致动臂和第二致动臂可以具有相同的形状。例如，第一致动臂和第二致动臂可以具有不同的长度、宽度、面积、几何形状、曲率等。
举例来说，图11A示出了第一致动臂1124和第二致动臂1126。如图11A所示，第一致动臂1124可具有长度“L1”，第二致动臂1126可具有长度“L2”。在图11A所示的一个示例性实施例中，第一致动臂1124的长度L1可以大于第二致动臂1126的长度L2。然而，可以想到，长度L1可以大约等于或小于长度L2。同样如图11A所示，第一致动臂1124可具有宽度“W1”，第二致动臂可具有宽度“W2”。在如图11A所示的一个示例性实施例中，第一致动臂1124的宽度W1在长度L1上可以大体均匀，而第二致动臂1126的宽度W2在长度L2上可以大体均匀。然而，可以想到的是，第一致动臂1124的宽度W1和/或第二致动臂1126的宽度W2中的一者或多者分别在长度L1和L2上可以是不均匀的。在一些示例性实施例中，一个或多个致动器中的成对的致动臂中的至少一对可包括具有不同宽度的致动器。例如，第一致动臂1124的宽度W1可以比第二致动臂1126的宽度W2宽约10％，约25％，约50％，约100％或任何其他百分比值。在其他示例性实施例中，情况可能相反，使得第二致动臂1126的宽度W2可以比第一致动臂1124的宽度W1宽约10％，约25％，约50％，约100％或任何其他百分比值，反之亦然。还可以预期，长度L1可以比长度L2长约10％，约25％，约50％，约100％，或任何其他百分比值，反之亦然。
同样如图11A所示，第一致动臂1124和第二致动臂可具有大致相似的形状。例如，如图11A所示，第一致动臂1124和第二致动臂1126均具有大致环形段形状。然而，可以想到的是，第一致动臂1124和第二致动臂1126可以具有相同或不同的形状。尽管上面已经关于第一致动臂1124和第二致动臂1126讨论了长度、宽度和形状，但是应当理解，其他致动臂(例如，致动臂1134和1136)可以具有与上面讨论的致动臂1124和1126的几何形状相似或不同的几何形状。
根据本公开，MEMS扫描装置可以具有第一致动臂和第二致动臂，其中第一致动臂经由第一连接器连接至MEMS反射镜，并且第二致动臂经由第二连接器连接至MEMS反射镜。如本公开中所使用的，连接器可以包括可以电和/或机械地连接所公开的MEMS扫描装置的其他元件的结构元件。例如，连接器可以在一个或多个致动臂、与致动臂相关联的弹簧和MEMS反射镜之间提供电和/或机械连接。在一些示例性实施例中，连接器可以直接附接到一个或多个致动臂、弹簧和/或MEMS反射镜。在其他实施例中，连接器可包括多于一个的连接器构件，其可彼此连接并且可附接到一个或多个致动臂、弹簧和/或MEMS反射镜。在一些实施例中，连接器可以是机械连接器，其可以被配置为允许MEMS反射镜与一个或多个致动臂或致动器之间的相对运动。在其他实施例中，连接器还可被配置为在MEMS扫描装置的操作期间允许电流和/或信号通过连接器。在根据本公开的一些实施例中，每个致动臂可以通过单独的连接器连接至MEMS反射镜。然而，可以想到的是，在其他示例性实施例中，单个连接器可以将多于一个的致动臂连接至MEMS反射镜。这种连接器可以包括多于两个的端部，例如，一端部连接到反射镜，附加端部连接到不同的致动器臂。
举例来说，图11A示出了MEMS反射镜组件1100，其可以包括第一连接器1130和第二连接器1132。如图11A的示例性实施例中所示，第一连接器1130的一端可以连接至第一致动臂1124，而第一连接器1130的相对端可以连接至MEMS反射镜1102。同样，第二连接器1132的一端可以连接到第二致动臂1126，第二连接器1132的相对端可以连接到MEMS反射镜1102。
同样如图11A所示，第二致动器1114可以通过连接器1140和1142连接到MEMS反射镜1102。例如，第二致动器1114的第三致动臂1134可以连接到连接器1140的一端，而连接器1140的相对端可以连接到MEMS反射镜1102。类似地，例如，第二致动器1114的第四致动臂1136可以连接到连接器1142的一端，而连接器1142的相对端可以连接到MEMS反射镜1102。如上所述，一个或多个弹簧(未示出)可分别设置在第一连接器1130、第二连接器1132、第三连接器1140和第四连接器1142的端部与第一四致动臂1124、第二致动臂1126、第三致动臂1134和第四致动臂1136之间。
尽管上面已经讨论了两个致动器(即，第一致动器1112和第二致动器1114)，但是可以预期，根据本公开的MEMS扫描装置可以具有多于两个的致动器。例如，所公开的MEMS扫描装置可以包括多个致动器，所述多个致动器可操作以相对于框架的平面旋转MEMS反射镜。MEMS扫描装置还可包括多个互连元件(例如，弹簧)，每个互连元件机械地连接在一个或多个致动器与MEMS反射镜之间。致动器以不同的运动方案的致动可导致MEMS反射镜的旋转。附加地或可替代地，致动器的致动还可导致MEMS反射镜在一个或多个方向上的平移。注意，可选地，以上讨论的所有MEMS反射镜组件部件均可以被制造在单个晶片上并且可以共享公共层(例如，公共硅层，公共PZT层)。如上所述，MEMS反射镜组件的不同部件可以包括各种附加层，例如用于致动器的可选的PZT层，用于反射镜表面的一个或多个高反射层，等等。MEMS反射镜组件还可包括附加部件，例如控制器(例如，处理器或微处理器，其可操作以控制各种致动器、发生镜位置反馈机构的致动)，光学部件，结构元件，外壳等。MEMS反射镜组件的此类附加部件可以与MEMS反射镜在同一晶片上实施，在另一晶片上实施，或者以其他方式与可移动MEMS反射镜的晶片集成。
通过示例的方式，图11A示出了MEMS反射镜组件1100的示例性实施例，除了第一致动器1112和第二致动器1114之外，MEMS反射镜组件1100还包括致动器1116和1118。类似于致动器1112和1114中的布置，致动器1116可包括由间隙1148分开的致动臂1144和1146。致动臂1144可以连接到连接器1150的一端，而连接器1150的相对端可以连接到MEMS反射镜1102。同样，致动臂1146可以连接到连接器1152的一端，而连接器1152的相对端可以连接到MEMS反射镜1102。此外，致动器1118可包括由间隙1156分开的致动臂1154和1156。致动臂1154可以连接到连接器1160的一端，而连接器1160的相对端可以连接到MEMS反射镜1102。同样，致动臂1156可以连接到连接器1162的一端，而连接器1162的相对端可以连接到MEMS反射镜1102。还如图11A所示，致动臂1144和1154可以是类似于致动臂1124和1134的外致动臂。同样，致动臂1146和1156可以是内致动臂，类似于致动臂1126和1136。
根据本公开，MEMS反射镜组件可包括一个、两个或多个致动器，其通过一个或多个对应的硅条(也称为硅带)与MEMS反射镜间隔开。一个或多个硅条可以属于在其上实施致动器和反射镜的硅层。图11B示出了可以包括这种硅条或硅带的MEMS反射镜组件1101的示例性实施例。类似于图11A的MEMS反射镜组件1100，图11B的示例性MEMS反射镜组件1101可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112A、1114A、1116A和1118A。然而，与图11A的MEMS反射镜组件1100的致动器1112不同，图11B的MEMS反射镜组件1101的致动器1112A可以包括致动臂1124和硅条1125。如图11B所示，硅条1125可以定位为与致动臂1124相邻，并且可以通过间隙1128与致动臂1124分开。如上面关于MEMS反射镜组件1100所讨论的，致动臂1124可以经由连接器1130连接到MEMS反射镜1102。然而，硅条1125可以不机械地或电地连接至MEMS反射镜1102。像MEMS反射镜组件1100的第二致动臂1126一样，MEMS反射镜组件1101的硅条1125可以设置在致动臂1124和MEMS反射镜1102之间并与它们间隔开。此外，当未连接至MEMS反射镜1102时，硅条1125可类似于MEMS反射镜组件1100的第二致动臂1126。
图11B中示出的示例性MEMS反射镜组件1101还可包括致动器1114A、1116A和1118A。类似于MEMS反射镜1101的致动器1112A，致动器1114A、1116A和1118A每个可分别包括一个致动臂1134、1144和1154。同样如图11B所示，致动器1114A、1116A和1118A可以分别包括硅条1135、1145和1155，硅条1135、1145和1155分别通过间隙1138、1148和1158与相应的致动臂1134、1144和1154分开。另外，致动臂1134、1144和1154可以分别经由连接器1140、1150和1160连接到MEMS反射镜1102。当致动臂1136、1146和1156未连接至MEMS反射镜1102时，硅条1135、1145和1155可分别类似于致动臂1136、1146和1156。
与其中致动器邻近于MEMS反射镜定位(例如，MEMS反射镜与其致动器之间的10微米的距离)的现有技术MEMS反射镜不同，在本公开的MEMS反射镜组件中(例如，参考图11A至图11F和图12A图至12F中)，一些(或全部)致动臂可与MEMS反射镜间隔开(例如，约0.5-1mm，或甚至更大)。例如，在所公开的实施例中，间隙1128、1138、1148和1158的宽度、外致动臂(例如1124、1134、1144和1154)与框架1104之间的间隙“Wg1”(见图11A)、内致动臂(例如1126、1136、1146和1156)和MEMS反射镜1102之间的间隙“Wg2”(见图11A)和/或外致动臂1124、1134、1144和1154之间的间隙“Wg3”(见图12A)的宽度可以为至少约50μm，约75μm，约100μm，约150μm或更大的量级。在一些示例性实施例中，这些间隙的宽度可以大于致动臂宽度(例如W1或W2)的约1/5、大于约1/3、大于约1/4、或大于约1/2。
图11C-11F示出了示例性的MEMS反射镜组件1103、1105、1107和1109，其可以被包括在根据本公开的公开的MEMS扫描装置中。如图11C所示，MEMS反射镜组件1103可以包括MEMS反射镜1102，框架1102以及致动器1112A，1114、1116和1118A。MEMS反射镜1103的致动器1114和1116可以分别类似于以上参考图11A讨论的MEMS反射镜1100的致动器1114和1116，而MEMS反射镜组件1103的致动器1112A和1118A可以分别类似于上面参考图11B讨论的MEMS反射镜组件1101的致动器1112A和1118A。因此，例如，与图11A的配置不同，在致动器1112A中，仅致动臂1124可以连接至MEMS反射镜1102。同样地，在致动器1118A中，仅致动臂1154可以连接至MEMS反射镜1102。
如图11D所示，MEMS反射镜组件1105可以包括MEMS反射镜1102，框架1102以及致动器1112B、1114A、1116A和1118B。MEMS反射镜1105的致动器1114A和1116A可以分别类似于以上参考图11B讨论的MEMS反射镜1101的致动器1114A和1116A。此外，MEMS反射镜组件1105的致动器1112B可包括致动臂1126，其可经由连接器1132连接至MEMS反射镜1102。MEMS反射镜1105的致动臂1126和连接器1132可以分别类似于以上参考图11A所讨论的MEMS反射镜组件1100的致动臂1126和连接器1132。像致动器1112B一样，MEMS反射镜组件1105的致动器1118B可以包括致动臂1156，其可以经由连接器1162连接到MEMS反射镜1102。MEMS反射镜1105的致动臂1156和连接器1162可以分别类似于以上参考图11A所讨论的MEMS反射镜组件1100的致动臂1156和连接器1162。在如图11D所示的一个示例性实施例中，致动臂1126和1156可以相对于MEMS反射镜1102定位在类似于图11A的MEMS反射镜1100中的致动臂1126和1156的位置，尽管也可以设想相对于MEMS反射镜1102的其他位置。还如图11D所示，MEMS反射镜1105的致动器1112B可不包括外致动臂1124，致动器1118B可不包括外致动臂1154。相反，框架1104可以延伸到通常由致动臂1124和1154占据的空间中。
如图11E所示，MEMS反射镜组件1107可以包括MEMS反射镜1102，框架1102以及致动器1112B、1114A、1116A和1118B。MEMS反射镜1107的致动器1114和1116可以分别类似于以上参考图11A讨论的MEMS反射镜1100的致动器1114和1116。此外，MEMS反射镜组件1107的致动器1112B和1118B可以分别类似于以上参考图11D讨论的MEMS反射镜组件1105的致动器1112B和1118B。还如图11E所示，框架1104可以延伸到通常由致动臂1124和1154占据的空间中。
如图11F所示，MEMS反射镜组件1109可以包括MEMS反射镜1102，框架1102以及致动器1112B、1114A、1116A和1118B。MEMS反射镜1109的致动器1114A和1116A可以分别类似于以上参考图11D讨论的MEMS反射镜1105的致动器1114A和1116A。此外，MEMS反射镜组件1107的致动器1112B和1118B可以分别类似于以上参考图11D讨论的MEMS反射镜组件1105的致动器1112B和1118B。然而，如图11F所示，与MEMS反射镜组件1105中分别用于致动臂1126和1156的连接器位置相比，连接器1132和1162可以在更靠近MEMS反射镜1102的位置处连接到致动臂1126和1156。同样如图11F所示，MEMS反射镜1102可包括径向延伸的凹口1164，并且连接器1132和1162可以在凹口1164的径向内部位置处连接到MEMS反射镜1102。类似于图11D和11E所示的实施例，在图11F的实施例中，框架1104可以延伸到通常由致动臂1124和1154占据的空间中。尽管本公开提供了如图11A至11F所示的MEMS反射镜组件的众多示例，但应注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所图示或描述的MEMS反射镜组件示例。
如图11A-11F的示例所示，MEMS反射镜组件可包括一个、两个或多个致动器，其与MEMS反射镜分别通过一个或多个对应的硅条间隔开。这些一个或多个硅条可以属于在其上实施致动器和反射镜的硅层。如果实施，这样的硅条可以用作第二致动器臂，其至少部分地覆盖MEMS反射镜的周边的重叠部分，作为静态手柄或间隔物或用于其他用途。如果用作手柄或间隔物，则硅条可与相应的致动器分开，从而相应的致动器不会由于致动器的运动而被调动(例如，如图11B、11C、11D和11F所示的示例性实施例所示)。这样的静态硅条还通过互连元件不直接地连接到MEMS反射镜。替代地(或附加地)，一些或全部硅条可以属于多个致动器中的用于平移和/或旋转MEMS反射镜的致动器(例如，如图11A、11C、11E和11F所示的示例性实施例所示)。
图12A-12F示出了附加的示例性MEMS反射镜组件1200、1201、1203、1205、1207和1209，其可以被包括在根据本公开的公开的MEMS扫描装置中。例如，图12A示出了MEMS反射镜组件1200，其可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112C、1114C、1116C和1118C。致动器1112C、1114C、1116C和1118C中的每一个可包括经由连接器连接至MEMS反射镜1102的一个致动臂。例如，如图12A所示，致动器1112C、1114C、1116C和1118C可分别包括致动臂1124、1134、1144和1154，其分别经由连接器1130、1140、1150和1160连接至MEMS反射镜1102。在图12A所示的示例性实施例中，MEMS反射镜组件1200可不包括以上参照图11A的MEMS反射镜组件1100讨论的致动臂1126、1136、1146和1156或连接器1132、1142、1152和1162中的任何一个。替代地，MEMS反射镜1200可以在致动臂1124、1134、1144和1154与MEMS反射镜1102之间包括开口或间隙“Wg3”。
图12B示出了示例性的MEMS反射镜组件1201，其可以被包括在根据本公开的公开的MEMS扫描装置中。MEMS反射镜1201可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112B、1114C、1116C和1118B。MEMS反射镜组件1201的致动器1114C和1116C可以分别类似于上述MEMS反射镜组件1200的致动器1114C和1116C。图12B所示的MEMS反射镜组件1201的另外的致动器1112B和1118B可以分别类似于以上讨论的MEMS反射镜组件1105(图11D)的、MEMS反射镜组件1107(图11E)的致动器1112B和1118B。但是，与MEMS反射镜组件1105和1107不同，在MEMS反射镜1201中，框架1104可以不延伸到通常由致动臂1124和1154占据的空间中。相反，如图12B所示，MEMS反射镜1201的致动臂1126和1156可以与框架1104间隔开间隙“Wg4”。间隙Wg3和Wg4可以具有与以上针对间隙Wg1和Wg2讨论的尺寸相似的尺寸。
图12C示出了示例性MEMS反射镜组件1203，其可以被包括在根据本公开的公开的MEMS扫描装置中。MEMS反射镜1203可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112C、1114、1116和1118C。MEMS反射镜组件1203的致动器1112C和1118C可以分别类似于以上参考图12A讨论的MEMS反射镜组件1200的致动器1112C和1118C。MEMS反射镜组件1203的致动器1114和1116可以分别类似于以上参考图11A讨论的MEMS反射镜组件1100的致动器1114和1116。
图12D示出了示例性MEMS反射镜组件1205，其可以被包括在根据本公开的公开的MEMS扫描装置中。MEMS反射镜1205可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112B、1114C、1116C和1118B。MEMS反射镜组件1205的致动器1112B和1118B可以分别类似于以上参考图11D和图11E讨论的MEMS反射镜组件1105或1107的致动器1112B和1118B。MEMS反射镜组件1205的致动器1114C和1116C可以分别类似于以上参考图12A讨论的MEMS反射镜组件1200的致动器1114C和1116C。
图12E示出了示例性的MEMS反射镜组件1207，其可以被包括在根据本公开的公开的MEMS扫描装置中。MEMS反射镜1207可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112B、1114C、1116C和1118B。MEMS反射镜1207的MEMS反射镜1102可包括径向凹口1164，其类似于以上参考图11F针对MEMS反射镜1109所讨论的那些。此外，分别类似于图11E所示的MEMS反射镜组件1107的连接器1132和1162，MEMS反射镜1207的连接器1132和1162可以在更靠近MEMS反射镜1102的位置(例如，在径向上更靠近MEMS反射镜1102的位置)连接到致动臂1126和1166。
图12F示出了示例性的MEMS反射镜组件1209，其可以被包括在根据本公开的公开的MEMS扫描装置中。MEMS反射镜1209可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112B、1114C、1116C和1118B。MEMS反射镜组件1209的致动器1112B和1118B可以分别类似于以上参考图11F讨论的MEMS反射镜组件1109的致动器1112B和1118B。MEMS反射镜组件1209的致动器1114C和1116C可以分别类似于以上参考图12A讨论的MEMS反射镜1200的致动器1114C和1116C。如图12F所示，当与MEMS反射镜组件1207相比时，框架1104的部分可以延伸得更靠近MEMS反射镜组件1209中的致动臂1126和1156。尽管本公开提供了如图12A至11F所示的MEMS反射镜组件的众多示例，但应注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所图示或描述的MEMS反射镜组件示例。
可以看出，例如，在图11A、11C、11D和12C所示的示例性实施例中，MEMS反射镜组件可包括成对的致动臂，每对致动臂包括第一致动臂(例如，“外”致动臂)和位于第一致动臂和MEMS反射镜之间的第二致动臂(例如，“内”致动臂)。这样的一对致动臂可以被设计(并且由控制器控制)以彼此同步地移动，以协同旋转MEMS反射镜。在一些示例性实施例中，位于MEMS反射镜的相对侧上的致动器可以沿相反方向拉动反射镜。
在一些示例性实施例中，多个致动器还可包括分布在MEMS反射镜周围的成对和不成对的致动臂(例如，如图11C、11E和12C所示的实施例所示)。在其他示例性实施例中，成对和不成对的致动臂可以以反对称的方式布置在MEMS反射镜周围(例如，如图11C、11E和12C所示)。这样的布置可以例如用于在MEMS反射镜1102的不同运动方向上分离共振频率。可以想到，在一些实施例中，可以在MEMS反射镜周围分布多于一对的臂(例如，如图17B和17C所示的实施例中所示)。
根据本公开，MEMS扫描装置包括将第一致动臂和第二致动臂中的至少一个连接至可移动MEMS反射镜的连接器，该连接器为L形。例如，一些或全部互连件可以是大致L形的，包括以基本直角彼此连接的两个细长部分。因此，例如，两个细长部分可以大体上彼此垂直地布置。连接器的细长部分的这种几何布置可以帮助减小在MEMS反射镜的运动期间在连接器部分中引起的应力。
图13A示出了类似于图11A的MEMS反射镜组件1100的MEMS反射镜组件1100。如图13A所示，MEMS反射镜组件1100可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112、1114、1116和1118。此外，每个致动器1112、1114、1116和1118可包括以上参考图11A所讨论的一对致动臂。例如，致动器1114可包括致动臂1134和致动臂1136。致动臂1134可以连接到连接器1140的一端，并且致动臂1136可以连接到连接器1142的一端。连接器1140和1142的相对端可以连接至MEMS反射镜1102。
图13B示出了致动臂1134和1136的示例性布置以及它们分别与连接器1140和1142的连接。图13B表示在图13A所示的虚线椭圆所包围的部分中的致动器1118的放大图。如图13B所示，连接器1140的一端可以连接到外致动臂1134。连接器1140可包括细长部分1302和1304。细长部分1302可大致平行于致动臂1134设置，而细长部分1304可相对于致动臂1134倾斜设置。在如图13B所示的一个示例性实施例中，细长部分1302和1304可以被布置成大体上彼此垂直，从而形成大体上L形的连接器1140。类似地，连接器1142可以包括细长部分1306和1308。细长部分1306可大致平行于致动臂1136设置，而细长部分1308可相对于致动臂1136倾斜设置。在如图13B所示的一个示例性实施例中，细长部分1306和1308可以被布置成大体上彼此垂直，从而形成大体上L形的连接器1142。尽管连接器1140和1142在图13B中被示出为大致L形，但是可以想到，连接器1140和1142中的一个、两个或没有可以形成L形。此外，可以设想，一对细长部分1302、1304或一对细长部分1306、1308可以每个相对于彼此倾斜(即，以不同于90°的角度)设置。而且，尽管已经结合致动器1114的致动臂1134和1136讨论了连接器1140和1142，但是类似的连接器可以与致动器1112、1116和1118一起实施。
根据本公开，MEMS扫描装置可包括将第一致动臂和第二致动臂中的至少一个连接至可移动MEMS反射镜的连接器，该连接器具有S形。例如，一些或全部互连件可以大体上是S形的。连接器的细长部分的这种几何布置可以帮助减小在MEMS反射镜的运动期间在连接器部分中引起的应力。图14示出了示例性MEMS反射镜组件1400，其可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112C、1114C、1116C和1118C。致动器1112C、1114C、1116C和1118C可分别包括致动臂1124、1134、1144和1154，其分别经由连接器1130、1140、1150和1160连接至MEMS反射镜1102。如图14所示，MEMS反射镜组件1400的柔性连接器1130、1140、1150和1160中的一个或多个可以是细长结构，其可以包括沿相反方向的至少两个转弯部(例如1402)。每个转弯部或弯曲部1402可以跨越大于大约120°的角度。此外，如图14所示，当一个转弯部1402沿顺时针方向时，相邻转弯部1402沿逆时针方向。在一些示例性实施例中，连接器1130、1140、1150和1160的一些或全部转弯部可以成大于约150°的角度、约180°的角度、或者甚至成大于约180°的反折角。转弯部1402可以是连续弯曲的转弯部(例如，如关于互连元件1160的示例所例示的)，但是也可以包括一个或多个成角度的角部(例如，如互连元件1130、1140和/或1150所示)。
虽然本公开提供了连接器形状(例如，L形，S形等)的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的形状。此外，尽管上面已参考MEMS反射镜1100描述了连接器形状，但应注意，可以将一个或多个公开的连接器形状实施为连接任何MEMS反射镜组件中的一个或多个致动器，例如，图11A-11F和图12A-12F中所示的致动器1101、1103、1105、1107、1109、1200、1201、1203、1205、1207和/或1209。
根据本公开，MEMS扫描装置包括第一致动臂和第二致动臂。在根据本公开的一些MEMS扫描装置中，第一致动臂和第二致动臂中的每一个包括外侧和相对的内侧，该内侧比外侧更靠近可移动MEMS反射镜，其中第一连接器连接到第一致动臂的相对的内侧，第二连接器连接到第二致动臂的外侧。例如，在根据本公开的一些示例性实施例中，在至少一对致动器中，第一致动器可以连接到第一致动器的内部部分中的相应的第一互连元件，并且第二致动器可以连接到第二致动器的外部部分中的相应第二互连元件。所提出的结构可以具有以下结构特征中的至少一个：内部致动器的互连件可以相对较长；内部致动器的互连件可以在距MEMS反射镜最远的距离处连接；内部致动器和外部致动器两者的互连件可以具有相似的长度；内部致动器和外部致动器两者的互连件可以在邻近点处连接到致动器。这些特征的各种组合尤其可以用于实现以下一个或多个特征：减少不希望的衍生运动(例如，当预期的运动是围绕平行于其的轴线旋转时，在硅层平面内的运动)，减少互连件上的应力，以更高的频率工作，达到更大的旋转角度，增加共振频率，使用更厚的反射镜工作，减少不同的执行器和/或运动轴线之间的串扰等。除了互连件的结构和位置之外，还可以通过选择致动器的最合适的结构和组合来增强前述特征，例如从图11A-11F和12A-12F所示的配置选择。
注意，在许多MEMS反射镜组件中，并且不仅在上述讨论的那些中(例如，在致动器和反射镜之间有或没有分隔硅条)，可以实施在致动器的最接近MEMS反射镜的部分(而不是例如距致动器的中间或最远的部分)处连接互连件。根据本公开，公开了一种MEMS反射镜组件，其至少包括：MEMS反射镜；框架；多个致动器，其可操作以相对于框架的平面旋转MEMS反射镜；机械连接在致动器和MEMS反射镜之间的互连元件；其中，至少两个互连元件连接到相应致动器的移动端的内部部分。以上讨论的MEMS反射镜组件的任何变型也可以比照实施为这种MEMS反射镜组件(如果可行的话)。进一步考虑根据本公开的MEMS扫描装置，第一连接器和第二连接器中的一个或两个可以分别连接到第一致动臂和第二致动臂的外侧或内侧。可基于诸如以下的考虑来确定用于连接一个或多个连接器的特定位置(外侧或内侧)：限制连接器中引起的应力量，改善MEMS扫描装置的可制造性，减少不同致动器之间的串扰(即减少由一个连接器引起的运动对另一连接器引起的运动的影响)，等等。
图15A和15B示出了可用于将一个或多个致动臂连接到相应连接器的两个示例性连接器布置。例如，如图13A所示，致动器1118的致动臂1134可以邻近框架端1320连接至框架1104。致动臂1134可从邻近框架端1320沿大体周向方向朝向臂端1322延伸。同样地，致动器1118的致动臂1136可以邻近框架端1324连接至框架1104。致动臂1136可从邻近框架端1324沿大体周向方向朝向臂端1326延伸。图15A和15B示出了在由图13A所示的虚线椭圆所包围的部分(即，邻近臂端1324和1326)中(MEMS反射镜组件1100的)的致动器1118的放大图。
根据本公开，如图15A所示，MEMS反射镜组件1100可以包括MEMS反射镜1102、框架1104、致动臂1134、致动臂1136以及连接器1140和1142。如图15A所示，与致动臂1136相比，致动臂1134可定位成距MEMS反射镜1102更大的距离。致动臂1134可具有外侧1502和内侧1504。与内侧1504相比，致动臂1134的外侧1502可位于距MEMS反射镜1102更大的距离处。因此，与内侧1504相比，外侧1502可以定位成更靠近框架1104并且更远离MEMS反射镜1102。像致动臂1134一样，致动臂1136也可具有外侧1506和内侧1508。与内侧1508相比，致动臂1136的外侧1506可位于距MEMS反射镜1102更大的距离处。因此，与内侧1508相比，外侧1506可以定位成更靠近框架1104并且更远离MEMS反射镜1102。还如图15A所示，致动臂1336的外侧1506可邻近致动臂1334的内侧1504定位。致动臂1336的外侧1506可以通过间隙1138与致动臂1334的内侧1504分开(即，间隔开)。
在如图15A所示的一些示例性实施例中，连接器1140可以连接到致动臂1134的内侧1504。可以设想，连接器1140可以在框架端1320和臂端1322之间的位置处连接到内侧1504。例如，连接器1140可以在与框架端1320相比相对更靠近臂端1322的位置处连接到致动臂1134的内侧1504。还如图15A所示，连接器1142可以连接到致动臂1136的外侧1506。例如，连接器1142可以在臂端1326处连接到致动臂1136的外侧1506。可以预期，在其他示例性实施例中，连接器1140和1142中的一个或两个可以分别在臂端1322和1326处或附近与致动臂1134和1136连接。还可以预期，连接器1140和1142中的一个或两个可以分别连接到它们相应的相关致动臂1134和1136的外侧1502和1506或者分别连接到内侧1504和1508。图15A还示出了PZT层1510和1512，其可以分别设置在致动臂1134和1136的一些或全部部分上。
图15B示出了图15A的示例性布置的变型。如图15B所示，连接器1140可以连接到臂端1322，而不是定位在框架端1320和臂端1322之间。在如图15B所示的一些示例性实施例中，致动臂1134和1136可分别包括周向凹部1520和1522。凹部1520可从臂端1322沿周向方向朝向框架端1320延伸预定距离。凹部1520可以被布置成更靠近内侧1504。然而，可以预期，凹部1520可以设置成更靠近外侧1502或与外侧1502和内侧1504等距。同样，凹部1522可从臂端1326沿周向方向朝向框架端1324延伸预定距离。凹部1522可以被布置成更靠近外侧1506。然而，可以想到，凹部1522可以设置成更靠近内侧1508或与外侧1506和内侧1508等距。凹部1520和1522的尺寸可以相同或不同。凹口1520和1522可进一步帮助最小化在MEMS反射镜组件1100的操作期间在连接器1140和1142中引起的应力。
图16A示出了类似于图12A的MEMS反射镜组件1200的MEMS反射镜组件1200。如图16A所示，MEMS反射镜组件1200可以包括MEMS反射镜1102、框架1104以及致动器1112C、1114C、1116C和1118C。此外，每个致动器1112C、1114C、1116C和1118C可包括如上文参考图12A关于MEMS反射镜组件1200所讨论的致动臂。例如，致动器1118C可包括致动臂1134，其可连接至连接器1140的一端。连接器1140的相对端可以连接至MEMS反射镜1102。图16B和16C示出了在由图16A所示的虚线椭圆所包围的部分(即，邻近臂端1322)中的(MEMS反射镜组件1200的)致动器1118C的放大图。
在根据本公开的一些示例性实施例中，如图16A所示，致动臂1134可以定位成更靠近框架1104，并且可以与镜1102分开(即，间隔开)大间隙。致动臂1134可具有外侧1602和内侧1604。与内侧1604相比，致动臂1134的外侧1602可位于距MEMS反射镜1102更大的距离处。因此，与内侧1604相比，外侧1602可以定位成更靠近框架1104并且更远离MEMS反射镜1102。
在图16B所示的其他示例性实施例中，连接器1140可以连接到致动臂1134的外侧1602。此外，连接器1140可以在臂端1322处连接到致动臂1134。可以设想，在其他示例性实施例中，连接器1140可以在臂端1322处或在框架端1320与臂端1322之间的位置处连接到致动臂1134的内侧1604。图16C示出了图16B的示例性布置的变型。如图16C所示，致动臂1134可包括周向凹部1520，其类似于以上参考图15A所讨论的。尽管本公开提供了用于附接连接器的致动臂位置的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的附接配置。
注意，第一类型的互连件(连接到相应致动器的内部部分，例如图15A和15B中的1140)也可以在MEMS反射镜组件中实施，其中一些或全部致动器远离MEMS反射镜。在图11B、11D、11F、12A、12C、12D和12F中提供了这种配置的示例。
根据本公开，MEMS扫描装置包括具有第一致动臂和第二致动臂的致动器，其中第一致动臂和第二致动臂通过单个连接器连接至MEMS反射镜。例如，第一致动臂和第二致动臂都可以使用相同的互连件(例如连接器)连接到MEMS反射镜，和/或第一致动臂和第二致动臂都可以通过连接臂在一端处彼此连接。根据本公开，第一致动臂和第二致动臂通过连接臂彼此连接，并且该连接臂经由连接器连接至MEMS反射镜。根据本公开的示例性MEMS反射镜组件可至少包括：MEMS反射镜；框架；多个致动器，其可操作以相对于框架的平面旋转MEMS反射镜；机械连接在致动器和MEMS反射镜之间的互连元件。这种MEMS反射镜组件还可以包括至少一个致动器(可能是所有致动器，可能是其中的一些)，该至少一个致动器可以具有可以机械地连接至框架的第一端和可以与第一端相对的第二端，且该第二端可以机械地连接到相应的互连元件，其中所述至少一个致动器包括两个分开的硅带(例如致动臂)，两个分开的硅带可以例如彼此间隔开大于第一端和第二端之间的距离的大约50％。示例或这样的组件在图17A-17C中示出，其在下面讨论。可选地，一个或多个致动器可以包括多于两个(例如，三个或四个)带，其彼此间隔开，例如，以第一端和第二端之间的距离的大于约50％彼此间隔开。注意，在一些示例性实施例中，带可以彼此间隔开大于第一端和第二端之间的距离的约60％，约70％，约80％或约90％。如本公开中所使用的，术语“大约”应解释为包括典型的机加工或制造公差。因此，短语“约50％”应该被解释为涵盖例如在50±0.5％、50±1％之间的值，等。
在根据本公开的一些示例性实施例中，每个带可包括分开的压电致动层。每个带还可以包括不同于另一带的致动机构的其他单独的致动机构。可以预期，不同的带可以并发地接收相同或不同的致动指令(例如，不同的电压/偏置)。
在根据本公开的其他示例性实施例中，两个(或更多个)带可以跨越相对于MEMS反射镜的中心具有不同跨度角的不同角扇区。这样的示例性配置在图17A和17C中示出。注意，不同的带可以具有相似的长度，或者具有不同的长度。还应注意，不同的带可以具有相似的宽度或不同的宽度。
在根据本公开的一些示例性实施例中，两个带可以在上述MEMS反射镜组件中的任何一个中实施——在附图等中示意性地示出了那些。这样的示例性配置在图17B和17C中示出。当在先前公开的MEMS反射镜组件中的任何一个中实施时，两个带可以在相应的MEMS反射镜组件的一些或全部致动器中实施。还可以设想，在一些示例性实施例中，多于一个的硅待可以不在以上讨论的任何MEMS反射镜组件中的任一个的所有致动器中实施。
其致动器包括多于一个的间隔开的带的MEMS反射镜组件的各种实施方式都可以尤其用于实现以下一个或多个以下功能：减小互连件上的应力，减小致动器上的应力(尤其是压电部件中的应力，如果实施了的话)，以更高的频率工作，达到更大的旋转角度，增加共振频率，使用更厚的反射镜工作等。除了互连件的结构和位置之外，还可以通过选择致动器的最合适的结构和组合来增强前述特征，例如从图17A-17C所示的配置选择，如下文所述。
以示例的方式，图17A示出了根据本公开的示例性MEMS反射镜组件1700。例如，如图17A所示，MEMS反射镜组件1100可包括由框架1104支撑的MEMS反射镜1102。MEMS反射镜组件1700可以包括根据本公开的示例性致动器1112D、1114D、1116D和1118D。如图17A所示，致动器1112D可邻近第一端1120连接至框架1104。致动器1112D可以从邻近第一端1120周向延伸到第二端1122，并且可以邻近第二端1122连接到MEMS反射镜1102。
如图17A的示例性实施例中所示，致动器1112D可以包括第一致动臂1124、第二致动臂1126以及在第一致动臂1124和第二致动臂1128之间的间隙1128，类似于以上关于图11A的MEMS反射镜组件1100所讨论的配置。每个致动臂1124和1126可以是硅带。然而，与MEMS反射镜组件1100不同，在图17A的MEMS反射镜组件1700中，第一致动臂1124可以通过连接臂1129连接到第二致动臂1126。还如图17A所示，第一致动臂1124和第二致动臂1126都可以连接到连接器1130的一端，而连接器1130的相对端可以连接到MEMS反射镜1102。在一个示例性实施例中，连接器1130可以连接至致动器1112D的连接臂1129。然而，可以想到的是，在一些示例性实施例中，连接器1130可以连接到第一致动臂1124和第二致动臂1126两者，而第一致动臂1124和第二致动臂1126不彼此连接。致动器1114D，1116D和1118D可具有与以上针对致动器1112D所讨论的类似的结构布置。
如图17A所示，间隙1128可以在致动器1112的几乎整个长度上从邻近第一端1120延伸到邻近第二端1122。然而，可以想到，间隙1128可以仅在第一端1120和第二端1122之间的长度上部分地延伸。因此，例如，第一致动臂1124和第二致动臂1126可以在第一致动臂1124和第二致动臂1126的长度的仅一部分上通过间隙1128彼此间隔开。还可以想到，在一些实施例中，间隙1128可包括通过致动臂1124和1126之间的连接而彼此间隔开的多个间隙。在一些示例性实施例中，第一致动臂1124和第二致动臂1126可以通过间隙1128彼此间隔开，间隙1128可以是单个间隙或多个间隙，在大于第一端1120和第二端1122之间的距离的大约50％、大约60％、大约70％、大约80％或大于大约90％上。同样如图17A的示例性实施例所示，第一致动臂1124和第二致动臂1126中的每一个可以包括相关联的PZT层，其可以位于第一致动臂1124和第二致动臂1126的某些部分上或整个长度上。
然而，与MEMS反射镜组件1100不同，致动臂1134可通过连接臂1139连接至致动臂1136；致动臂1144可通过连接臂1149连接至致动臂1146；致动臂1154可通过连接臂1159连接到致动臂1156。同样如图17A所示，连接器1140可以在一端连接到连接臂1139，而在另一端连接到MEMS反射镜1102；连接器1150可以在一端连接到连接臂1149，而在另一端连接到MEMS反射镜1102；连接器1160可以在一端连接到连接臂1159，而在另一端连接到MEMS反射镜1102。还可以设想，在一些示例性实施例中，连接器1140可以直接连接到致动臂1134、1136，致动臂可以彼此不连接；连接器1150可以直接连接到致动臂1144、1146，致动臂1144、1146可以不相互连接；连接器1160可直接连接到致动臂1154、1156，致动臂1154、1156可不彼此连接。进一步设想，与间隙1128一样，间隙1138、1148和1158可以仅在相应的第一端1130、1140、1150和第二端1132、1142、1152之间的距离的一部分上延伸。
图17B示出了根据本公开的示例性MEMS反射镜组件1701。MEMS反射镜组件1701的许多结构特征与MEMS反射镜组件1700的结构特征相似。例如，如图17B所示，MEMS反射镜组件1701可包括由框架1104支撑的MEMS反射镜1102。根据本公开，MEMS反射镜组件1701可包括示例性致动器1112E、1114E、1116E和1118E，致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156，以及示例性连接器1130、1132、1140、1142、1150、1152、1160和1162。在下文中，仅讨论与MEMS反射镜组件1700的特征不同的MEMS反射镜组件1701的特征。在如图17B所示的一个示例性实施例中，MEMS反射镜组件1701的第一致动臂1124可以包括由间隙1722间隔开的致动臂1721和1723。MEMS反射镜组件1701的第二致动臂1126可包括由间隙1726间隔开的致动臂1725和1727。因此，致动臂1721、1723、1725和1727可以形成由间隙1722、1128、1723等彼此隔开的多个硅带。间隙1722、1726和1128可以具有相等或不相等的宽度。
MEMS反射镜组件1701中的致动器1114E的致动臂1134可包括由间隙1732间隔开的致动臂1731和1733。MEMS反射镜组件1701的致动臂1136可包括由间隙1736间隔开的致动臂1735和1737。因此，致动臂1731、1733、1735和1737可以形成由间隙1732、1138、1736等彼此隔开的多个硅带。间隙1732、1736和1138可以具有相等或不相等的宽度。因此，例如，类似于致动臂1721和1723，致动臂1731和1733可以在第一端1130和第二端1132之间的距离的一部分上彼此间隔开。同样，致动臂1735和1737可以在第一端1130和第二端1132之间的距离的一部分上彼此间隔开，类似于致动臂1721和1723。
MEMS反射镜组件1701中的致动器1116E的致动臂1144可包括由间隙1742间隔开的致动臂1741和1743。MEMS反射镜组件1701的致动臂1146可包括由间隙1746间隔开的致动臂1745和1747。因此，致动臂1741、1743、1745和1747可以形成通过间隙1742、1148、1746等彼此分开的多个硅带。因此，例如，致动臂1741和1743可以在第一端1140和第二端1142之间的距离的一部分上彼此间隔开，类似于致动臂1721和1723。同样，致动臂1745和1747可以在第一端1140和第二端1142之间的距离的一部分上彼此间隔开，类似于致动臂1721和1723。
MEMS反射镜组件1701中的致动器1118E的致动臂1154可包括由间隙1752间隔开的致动臂1751和1753。MEMS反射镜组件1701的致动臂1156可包括由间隙1756间隔开的致动臂1755和1757。因此，致动臂1751、1753、1755和1757可以形成由间隙1752、1158、1756等彼此隔开的多个硅带。间隙1752、1756和1158可以具有相等或不相等的宽度。因此，例如，类似于致动臂1721和1723，致动臂1751和1753可以在第一端1150和第二端1152之间的距离的一部分上彼此间隔开。同样，致动臂1755和1757可以在第一端1150和第二端1152之间的距离的一部分上彼此间隔开，类似于致动臂1721和1723。尽管本公开提供了致动器布置的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的致动器布置示例。
图17C示出了示例性MEMS反射镜组件1703，其包括与以上参考图17B所讨论的MEMS反射镜组件1701相同的许多特征。由此例如，MEMS反射镜组件1703可包括MEMS反射镜1102，框架1104，示例性致动器1112E、1114E、1116E和1118E，致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156，以及示例性连接器1130、1132、1140、1142、1150、1152、1160和1162，与MEMS反射镜组件1701的对应特征相似。在下文中，仅讨论与MEMS反射镜组件1701的特征不同的MEMS反射镜组件1703的特征。
根据本公开，图17C示出了将致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156连接到框架1104的不同方式。作为一个示例，MEMS反射镜1703可包括互连装置1750，其可用于将致动臂1124和1126连接至框架1104。例如，互连装置1750可以包括单个互连件1752，该单个互连件1752在一端附接到框架1104。互连件1752可以从框架1104朝向MEMS反射镜1102向内突出。在一些示例性实施例中，互连件1752可以在径向向内的方向上突出并且可以在预定的角度跨度上延伸。在其他示例性实施例中，互连件1752可以相对于径向向内方向以倾斜角度设置。互连件1752可以具有矩形，正方形，梯形或任何其他形状。致动器1124和1126可以附接到邻近第一端1120的互连件1752。还如图17C所示，间隙1128、1724和1726可从邻近互连件1752延伸到邻近第二端1122。因此，例如，间隙1128、1724和1726可以不延伸到互连件1752中。
作为另一个示例，MEMS反射镜1703可包括互连装置1760，其可用于将致动臂1134和1136连接至框架1104。例如，互连装置1760可以包括在一端附接到框架1104的互连件1762和1764。互连件1762可以从框架1104朝着MEMS反射镜1102径向向内突出并且可以在预定角度跨度上延伸。同样，互连件1764可以从框架1104朝向MEMS反射镜1102向内突出，并且可以在预定的角度跨度上延伸。互连件1762可以邻近互连件1764设置，并且可以通过间隙1138与互连件1764间隔开，间隙1138可以延伸到邻近框架1104。在一些示例性实施例中，互连件1762和1764可以平行于径向向内的方向定位。在其他示例性实施例中，互连件1762和1764可以相对于径向向内方向和/或彼此成一倾斜角度设置。互连件1762和1764可以具有矩形，正方形，梯形或任何其他形状。致动器1134可以附接到邻近第一端1130的互连件1762，并且致动器1136可以附接到邻近第一端1130的互连件1764。还如图17C所示，间隙1734和1736可以分别从邻近互连件1762和1764延伸到邻近第二端1132。因此，例如，间隙1734和1736可以分别不延伸到互连件1762和1764中。
作为又一个示例，MEMS反射镜1703可包括互连装置1770，其可用于将致动臂1144和1146连接至框架1104。例如，互连装置1770可以包括在一端附接到框架1104的互连件1772和1774。互连件1772和1774可以具有与上述互连件1762和1764相似的结构和功能。还如图17C所示，间隙1742和1746可以分别从互连件1772和1774延伸到邻近第二端1132。间隙1742和1746可以分别包括互连间隙部分1741和1745。间隙1742和1746还可分别包括致动器间隙部分1743和1747。致动器间隙部分1743和1747可从互连件1772和1774沿大体周向方向延伸到邻近第二端1142。互连间隙部分1741和1745可以分别从致动器间隙部分1743和1747延伸，分别中途进入互连件1772和1774中。
作为又一示例，MEMS反射镜1703可包括互连装置1780，其可用于将致动臂1154和1156连接至框架1104。例如，互连装置1780可以包括互连件1782、1884、1786和1788，其在一端处附接到框架1104。互连件1782、1784、1786和1788可以具有与上述互连件1762和1764相似的结构和功能。致动臂1751、1753、1755和1757可以分别邻近第一端1150附接到互连件1782、1784、1786和1788。还如图17C所示，间隙1742和1746可从邻近框架1104延伸到邻近第二端1152。因此，例如，间隙1752可以设置在互连件1782和1784之间，并且也可以在致动臂1751和1753之间延伸。同样，间隙1756可以设置在互连件1786和1788之间，并且也可以在致动臂1755和1757之间延伸。尽管分别参考致动器1112、1114、1116和1118讨论了互连装置1750、1760、1770和1780，但是可以想到，互连装置1750、1760、1770和1780中的任何一个都可以与致动器1112、1114、1116和/或1118中的任何一个一起实施。此外，预期可以在图11A-11F、12A-12F、13A、15A、16A和/或17A-17C所示的MEMS反射镜组件中的任何一个上实施互连装置1750、1760、1770和1780中的任何一个。尽管本公开提供了用于将致动器连接至MEMS反射镜的框架的互连件的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的互连配置。
下面详细讨论的图18A-23B示出了根据本公开主题的示例的MEMS反射镜组件。在图18A-23B的非穷尽性示例中例示的MEMS反射镜组件可至少包括：MEMS反射镜；框架；多个致动器，其可操作以相对于框架的平面旋转MEMS反射镜；和机械连接在致动器和MEMS反射镜之间的互连元件。可选地，MEMS反射镜组件可以被制造为使得框架(支撑结构)比被设计成弯曲以旋转MEMS反射镜的致动器厚得多。如图18A-23B所示，可选地，致动器的较薄部分与框架的较厚部分之间的连接可以垂直于致动器的纵向轴线或与其平行地实施。可选地，也可以实现对角线形式或非直线连接线。可选地，致动器的较薄部分可以包括以大致直角(或稍微不同的角度，例如在大约70°和大约110°之间的角度)延伸的弯曲部，并且到框架的较厚部分的连接位于弯曲部“之后”，使得弯曲部位于较薄部分内。尽管仅针对先前附图中例示的一些结构示出了变型，但是可以针对任何建议的结构或针对其中较薄的致动器由较厚的框架支撑以使MEMS反射镜(或其他MEMS表面)相对于框架旋转的任何MEMS反射镜组件(或其他MEMS组件)实施这些连接结构中的任何一种。
图18A示出了示例性MEMS反射镜组件1801，其许多特征与以上参考图11A讨论的MEMS反射镜1100的特征相似。MEMS反射镜组件1801还可包括框架1804，其可类似于MEMS反射镜组件1100的框架1104，除了框架1804可比框架1104厚得多。还如图18A所示，致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156可以分别通过互连件1822、1824、1832、1834、1842、1844、1852和1854附接到框架1804。互连件1822、1832、1842和1852可以类似于以上参考图17C讨论的互连件1762。同样，互连件1824、1834、1844和1854可以类似于以上参考图17C讨论的互连件1764。在图18A所示的一些示例性实施例中，框架1804可以比致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156中的任何一个和/或互连件1822、1824、1832、1834、1842、1844、1852和1854中的任何一个厚得多。
图18B示出了示例性MEMS反射镜组件1803，其许多特征与以上参考图18A讨论的MEMS反射镜1801的特征相似。如图18B的示例性实施例所示，互连件1826、1828、1836、1838、1846、1848、1856和1858可比致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156中任何一个厚得多。互连件1826、1828、1836、1838、1846、1848、1856和1858的厚度可以等于或不同于框架1804的厚度。
图19A示出了示例性的MEMS反射镜组件1901，其许多特征分别类似于以上分别参照图11B和18A讨论的MEMS反射镜组件1101和1801的特征。像MEMS反射镜组件1800一样，MEMS反射镜组件1901的框架1804可比致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156中的任何一个或互连件1822、1824、1832、1834、1842、1844、1852和1854中的任何一个厚得多。
图19B示出了示例性MEMS反射镜组件1903，其许多特征与以上参考图19A讨论的MEMS反射镜1901的特征相似。然而，如图19B所示，与MEMS反射镜组件1901的互连件不同，MEMS反射镜组件1903可包括相对较厚的互连件1826、1828、1836、1838、1846、1848、1856和1858，类似于MEMS反射镜组件1803的互连件。
图20A示出了示例性的MEMS反射镜组件2001，其许多特征分别类似于以上分别参照图11C和18A讨论的MEMS反射镜组件1103和1801的特征。MEMS反射镜组件2001还可包括示例性连接器1130、1132、1140、1142、1150、1152、1160和1162(为清楚起见未在图中标记)，类似于MEMS反射镜组件1103的对应特征。像MEMS反射镜组件1801一样，MEMS反射镜组件2001的框架1804可比致动臂致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156中的任何一个或互连件1822、1824、1832、1834、1842、1844、1852和1854中的任何一个厚得多。
图20B示出了示例性MEMS反射镜组件2003，其许多特征与以上参考图20A讨论的MEMS反射镜2001的特征相似。然而，如图20B所示，与MEMS反射镜组件2001的互连件不同，MEMS反射镜组件2003可包括相对较厚的互连件1826、1828、1836、1838、1846、1848、1856和1858，类似于MEMS反射镜组件1803的互连件。
图21A示出了示例性MEMS反射镜组件2101，其许多特征与以上参考图11D讨论的MEMS反射镜1105的特征相似。MEMS反射镜组件2101还可包括框架1804，其可类似于MEMS反射镜组件1105的框架1104，除了框架1804可比框架1104厚得多。还如图21A所示，致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156可以分别通过互连件1822、1824、1832、1834、1842、1844、1852和1854附接到框架1804。互连件1822、1832、1842和1852可以类似于以上参考图17C讨论的互连件1762。相似地，互连件1824、1834、1844和1854可以类似于以上参考图17C讨论的互连件1764。在图21A所示的一些示例性实施例中，框架1804可以比致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156中的任何一个、互连件1822、1824、1832、1834、1842、1844、1852和1854中的任何一个厚得多。
图21B示出了示例性MEMS反射镜组件2103，其许多特征与以上参考图21A讨论的MEMS反射镜2101的特征相似。然而，如图21B所示，与MEMS反射镜组件2101的互连件不同，MEMS反射镜组件2103可包括相对较厚的互连件1828、1836、1838、1846、1848和1858，类似于MEMS反射镜组件1803的对应互连件。
图22A示出了示例性MEMS反射镜组件2201，其许多特征与以上参考图17A讨论的MEMS反射镜组件1700的特征相似。MEMS反射镜组件2201还可包括框架1804，其可类似于MEMS反射镜组件1700的框架1104，除了框架1804可比框架1104厚得多。像MEMS反射镜组件1800一样，MEMS反射镜组件1901的框架1804可比致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156中的任何一个或互连件1822、1824、1832，1834、1842、1844、1852和1854中的任何一个厚得多。还如图22A所示，致动臂1126、1134、1136、1144、1146和1156可以分别通过互连件1824、1832、1834、1842、1844和1854附接到框架1804。互连件1832和1842可以类似于以上参考图17C讨论的互连件1762。相似地，互连件1824、1834、1844和1854可以类似于以上参考图17C讨论的互连件1764。在图22A所示的一些示例性实施例中，框架1804可以比致动臂1126、1134、1136、1144、1146、1146和1156中的任何一个、互连件1824、1832、1834、1842、1844和1854中的任何一个、或连接臂1129、1139、1149和1159厚得多。
图22B示出了示例性MEMS反射镜组件2203，其许多特征与以上参考图22A讨论的MEMS反射镜2201的特征相似。然而，如图22B所示，与MEMS反射镜组件2201的互连件不同，MEMS反射镜组件2203可包括相对较厚的互连件1826、1828、1836、1838、1846、1848、1856和1858，类似于MEMS反射镜组件1803的对应互连件。
图23A示出了示例性MEMS反射镜组件2301，其许多特征与以上参考图22A讨论的MEMS反射镜组件2201的特征相似。MEMS反射镜组件2301的与MEMS反射镜组件2201的特征相似的特征在图23A中使用与图22A相同的数字标记来标记。还如图23A所示，致动臂1124和1126可以连接到互连件1872，致动臂1134和1136可以连接到互连件1874，致动臂1144和1146可以连接到互连件1876，并且致动臂1154和1156可以连接到互连件1878。互连件1872、1874、1876和1878可以进而连接到框架1804。互连件1872、1874、1876和1878可以类似于以上参考图17C讨论的MEMS反射镜组件1703的互连件1752。在图23A所示的一些示例性实施例中，框架1804可以比致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156中的任何一个、互连件1872、1874、1876和1878中的任何一个、或连接臂1129、1139、1149和1159厚得多。
图23B示出了示例性MEMS反射镜组件2303，其许多特征与以上参考图23A讨论的MEMS反射镜2301的特征相似。同样如图23B所示，致动臂1124和1126可以连接到互连件1882，致动臂1134和1136可以连接到互连件1884，致动臂1144和1146可以连接到互连件1886，并且致动臂1154和1156可以连接到互连件1888。互连件1882、1884、1886和1888可以进而连接到框架1804。互连件1882、1884、1886和1888可比致动臂1124、1126、1134、1136、1144、1146、1154和1156或连接臂1129、1139、1149和1159中的任何一个厚得多。互连件1882、1884、1886和1888的厚度可以等于或不同于框架1804的厚度。虽然本公开提供了具有不同厚度的框架和互连件的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的框架和互连件的示例。
尽管已经参考图11A-23B讨论的MEMS反射镜组件的各种示例性实施例被描述为能够引起MEMS反射镜1102围绕多于一个旋转轴线的运动，但是根据本公开的各种实施例，MEMS扫描该装置可以包括MEMS反射镜组件，该MEMS反射镜组件允许MEMS反射镜仅绕单个轴线移动。这样的MEMS反射镜可以被称为1D MEMS反射镜。
图24示出了可以包括在所公开的MEMS扫描装置中的示例性1DMEMS反射镜组件2400。MEMS反射镜组件2400可以包括MEMS反射镜2402和框架2404。在如图24所示的一个示例性实施例中，MEMS反射镜2402和框架2402可各自具有大致矩形的形状。然而，可以想到的是，MEMS反射镜2402和框架2404可以具有其他形状。还可以预期，MEMS反射镜2402和框架2404的形状可以相似或不同。框架2404可以包括凹部2406，其可以具有大致矩形的形状，但是可以设想其他形状。凹部2406可将框架2404分为框架臂2408、2410、2412和2414。框架臂2408和2410可以大体上彼此平行地设置并且彼此间隔开，并且框架臂2412和2414可以类似地大体上彼此平行地设置并且彼此间隔开。在如图24所示的一个示例性实施例中，框架臂2408和2410可以大体上垂直于框架臂2412和2414设置。
致动臂2422和2426可以从框架臂2408朝向框架臂2410延伸到凹部2406中。致动臂2422和2426可以通过间隙2426彼此间隔开。致动臂2422还可以与框架臂2412间隔开，并且致动臂2424可以与MEMS反射镜2402间隔开。致动臂2428和2430可以从框架臂2410朝向框架臂2408延伸到凹部2406中。致动臂2428和2430可以通过间隙2432彼此间隔开。致动臂2428还可以与框架臂2412间隔开，并且致动臂2430可以与MEMS反射镜2402间隔开。致动臂2422和2424还可在大体上垂直于致动臂2422、2424、2428和2430的纵向轴线的方向上与致动臂2428和2430间隔开。在如图24所示的一个示例性实施例中，致动臂2422和2424可以大体上彼此平行且与框架臂2412平行地设置。同样地，致动臂2428和2430可以大体上彼此平行并且与框架臂2412平行地设置。然而，可以预期的是，致动臂2422、2424、2428和2430中的一个或多个可以相对于彼此和/或相对于框架臂2412倾斜。
致动臂2434和2436可从框架臂2408朝向框架臂2410延伸到凹部2406中。致动臂2434和2436可以通过间隙2438彼此间隔开。致动臂2434还可以与框架臂2414间隔开，并且致动臂2436可以与MEMS反射镜2402间隔开。致动臂2440和2442可以从框架臂2410朝向框架臂2408延伸到凹部2406中。致动臂2440和2442可以通过间隙2444彼此间隔开。致动臂2440还可以与框架臂2414间隔开，并且致动臂2442可以与MEMS反射镜2402间隔开。致动臂2434和2436还可在大体上垂直于致动臂2434、2436、2440和2442的纵向轴线的方向上与致动臂2440和2442间隔开。在如图24所示的一个示例性实施例中，致动臂2434和2436可以大体上彼此平行且与框架臂2414平行地设置。同样地，致动臂2440和2442可以大体上彼此平行并且与框架臂2414平行地设置。然而，可以预期的是，致动臂2434、2436、2440和2442中的一个或多个可以相对于彼此和/或相对于框架臂2414倾斜。
同样如图24所示，连接器2450、2452、2454和2456的第一端可以分别连接到致动臂2422、2424、2428和2430。连接器2450、2452、2454和2456的第二端可以连接至MEMS反射镜2402。类似地，连接器2458、2460、2462和2464的第一端可以分别连接到致动臂2434、2436、2440和2442。连接器2458、2460、2462和2464的第二端可以连接至MEMS反射镜2402。致动致动臂2422、2424、2428、2430、2422、2424、2428和/或2430中的一个或多个可导致MEMS反射镜2402绕轴线2470的移动(平移或旋转)。
图25示出了可以包括在所公开的MEMS扫描装置中的另一示例性1DMEMS反射镜组件2500。MEMS反射镜组件2500可以包括MEMS反射镜2502和框架2504。框架2504可以包括凹部2506，其可以具有大致圆形的形状，但是可以设想其他形状。MEMS反射镜2502可以定位在凹部2506内并且与框架2504间隔开。致动臂2512和2514可以从框架2504延伸到凹部2506中，并且可以设置在MEMS反射镜2502的一侧上。类似地，致动臂2522和2524可以从框架2504延伸到凹部2506中，并且可以设置在MEMS反射镜2502的相对侧上。致动臂2512和2514可以由间隙2516间隔开，并且致动臂2522和2524同样可以由间隙2526间隔开。致动臂2512和2522也可以分别与框架2504间隔开，并且致动臂2514和2524可以与MEMS反射镜2502间隔开。在如图25所示的一些示例性实施例中，致动臂2512和2522可被布置成比与MEMS反射镜2502更靠近框架2504，并且因此可构成外致动臂。相反，致动臂2514和2524可布置成比框架2504更靠近MEMS反射镜2502，因此可构成内致动臂。如图25所示，致动臂2512、2514、2522和2524可具有大体弓形的形状，但是可以考虑其他形状。连接器2530、2532、2540和2542的第一端可以分别连接到致动臂2512、2514、2522和2524。连接器2530、2532、2540和2542的第二端可以连接至MEMS反射镜2502。致动致动臂2512、2514、2522和/或2524中的一个或多个可引起MEMS反射镜2502绕轴线2550移动(平移或旋转)。
根据本公开，可以将LIDAR系统配置为通过扫描LIDAR系统的环境来检测物体。根据本公开的LIDAR系统可以包括光源，光源被配置为投射光以照射在LIDAR系统外部的环境中的物体。LIDAR系统可以包括扫描单元，该扫描单元被配置为使来自光源的光偏转以便扫描环境的至少一部分。如上所述，通过示例的方式，图1A示出了示例性扫描单元，而图2A-2C示出了LIDAR系统的示例性实施例以及根据本公开的实施例的光源。
根据本公开，扫描单元包括：可移动MEMS反射镜，其被配置为绕至少一个轴线枢转；至少一个致动器，其被配置为使可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线在第一方向上枢转；至少一个弹簧，其被配置成使可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线在不同于第一方向的第二方向上枢转。此外，所述至少一个致动器可包括：第一致动臂；第二致动臂；以及第一致动臂和第二致动臂之间的间隙。如以上详细讨论的，图11A-25示出了MEMS反射镜组件的各种示例性实施例，MEMS反射镜组件包括被配置为使MEMS反射镜围绕一个或多个轴线移动的一个或多个致动器。
根据本公开，LIDAR系统包括至少一个传感器，该至少一个传感器被配置为检测投射光的反射。如上所述，通过示例的方式，图4A-4C示出了根据本公开的实施例的传感器的示例性实施例。
根据本公开，LIDAR系统包括至少一个处理器。如上所述，通过示例的方式，图2A和2B示出了根据本公开的实施例的处理器的示例性实施例。根据本公开，处理器被配置为向至少一个致动器发布指令，以使致动器从初始位置偏转。如上所述，与MEMS反射镜组件相关联的一个或多个致动器或致动臂可以包括PZT层，当允许电流通过PZT层时或当向PZT层施加偏置电压时，PZT层可以收缩或伸展。在一些示例性实施例中，向致动器发布指令可以包括处理器使电流流过与一个或多个致动器相关联的PZT层。举例来说，处理器118(参见图2A和2B)可以使电流流过与一个或多个致动器1112、1114、1116和/或1118(例如参见图11A-11F、12A-12F、13A、14、16A、17A-17C、18A-23B等)相关联的PZT层1510和/或1512(参见图15A和15B)中的一个或多个。流过PZT层的电流可以使一个或多个致动器1112、1114、1116和/或1118从其原始位置移动。这些致动器的移动可以引起一个或多个连接器1130、1132、1140、1142、1150、1152、1160、1162(参见例如图11A)的平移或旋转，这又可以引起MEMS反射镜1102的平移或旋转。
根据本公开，处理器被配置为基于从至少一个传感器接收的信号来确定车辆与物体之间的距离。如上所述，并且通过示例的方式，如图2A所示，处理器118可以被配置为确定物体208与可与车辆相关联的LIDAR系统100之间的距离。
根据本公开，处理器被配置成发布单个指令以致动第一致动臂和第二致动臂两者。在一些实施例中，控制器可以发布单个指令，该单个指令可以包括在致动器的多于一个致动臂的PZT层上施加相同的偏置电压，或者使相同的电流流过多于一个致动臂的PZT层。在其他实施例中，控制器可以通过使相同量的电流同时流过多于一个致动臂的PZT层来发布单个指令。在这两种情况下，PZT层将同时在多于一个的致动臂上变形，从而导致多个致动臂移动(即，偏转，扭转，弯曲，扭曲等)。
举例来说，控制器118可以向与LIDAR系统100相关联的电源单元发出指令，以使相同或相等量的电流流过例如致动臂1134和1136的PZT层1510和1512(参见图15A或15B)。附加地或替代地，控制器118可以向与LIDAR系统100相关联的电源单元发出指令，以使相同的偏置电压施加在例如致动臂1134和1136的PZT层1510和1512上。作为响应，PZT层1510和1512可以伸展或收缩，导致致动臂1134和1136移位、扭曲等。致动臂1134和1136的运动还可引起MEMS反射镜1102绕一个或多个轴线平移或旋转。
根据本公开，处理器被配置成向第一致动臂发出第一指令并且向第二致动臂发出第二指令。在一些实施例中，控制器可以发出多于一个的指令。这些指令中的每一个可以包括在致动器的PZT层上施加偏置电压或使电流流过致动器的PZT层。在这两种情况下，PZT层将在多于一个的致动臂上变形，从而导致多个致动臂移动(即，偏转，扭转，弯曲，扭曲等)。
因此，例如，控制器118可以向与LIDAR系统100相关联的电源单元发出第一指令，以在例如PZT层1510上施加偏置电压，或者使电流流过PZT层1510(参见例如图15A或15B)。控制器118还可以向电源单元发出第二指令，以在例如PZT层1512上施加偏置电压，或者使电流流过PZT层1512(参见例如图15A或15B)。作为响应，PZT层1510和1512可以伸展或收缩，导致致动臂1134和1136移位、扭曲等。致动臂1134和1136的运动还可引起MEMS反射镜1102绕一个或多个轴线平移或旋转。
根据本公开，处理器被配置为同时发出第一指令和第二指令。在根据本公开的其他实施例中，处理器被配置为在第一指令之后发出第二指令。如上所述，处理器可以使偏置电压同时或顺序地施加在与公开的MEMS反射镜组件相关的多于一个的致动器的PZT层上。类似地，处理器可以使电流从与LIDAR系统关联的电源单元流出，以同时或顺序地流过多于一个的致动器的PZT层。当同时将电压或电流施加到PZT层时，与PZT层关联的致动臂可以同时移位。同样，当将电压或电流顺序地施加到PZT层时，致动臂可以顺序地移位。如上所述，使致动臂同时移位可以允许由致动臂在MEMS反射镜上施加合力。替代地，使致动臂顺序地移位可以帮助递增地平移或旋转MEMS反射镜。附加地或替代地，这种增量运动可以帮助校正MEMS反射镜的位移，以实现MEMS反射镜的精确定位。例如，由于一个致动臂的致动而引起的MEMS反射镜的运动中的误差可以通过另一致动臂的后续致动来校正。
举例来说，控制器118可以使与LIDAR系统100相关联的电源单元在例如PZT层1510上施加偏置电压，或者使电流流过PZT层1510(例如参见图15A或15B)。控制器118还可以在首先将电压或电流施加到PZT层1510上之后使电源单元在例如PZT层1512上施加偏置电压，或者使电流流过PZT层1512(例如参见图15A或15B)。作为响应，PZT层1510可以首先变形，而PZT层1510变形之后PZT层可以变形，这继而可以导致致动臂1134首先移位，然后致动臂1136移动。
上面讨论了本公开的几个方面。要注意的是，以上讨论的例如关于任何一个或多个附图的特征、方面、特性、结构等的任何可行的组合都可以被实现为被认为是本公开的一部分。出于诸如本公开的简洁和简明的原因，未对那些可行的组合中的一些进行详细讨论，但是这些组合仍然是本公开的一部分，并且鉴于上述公开，它们对于本领域技术人员呈现其本身。
本公开涉及MEMS扫描装置。尽管本公开提供了可以是扫描LIDAR系统的一部分的MEMS扫描装置的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于用于LIDAR系统的MEMS扫描装置。相反，可以预期的是，上述原理也可以应用于其他类型的电光系统。图3A-3D描绘了示例性MEMS扫描装置104。
根据本公开的MEMS扫描装置可以包括被配置为绕至少一个旋转轴线旋转的可移动MEMS反射镜。例如，MEMS扫描装置可以包括被配置为使光偏离其原始路径的光偏转器。在一些示例性实施例中，光偏转器可以是MEMS反射镜的形式，该MEMS反射镜可以包括具有相对于晶片(或框架)的平面旋转的可旋转部分的任何MEMS结构。例如，MEMS反射镜可以包括诸如可旋转阀的结构或加速度传感器。在一些示例性实施例中，可旋转部分可以包括反射涂层或表面以形成能够反射或偏转来自光源的光的MEMS反射镜。下文讨论的MEMS反射镜组件的各种示例性实施例可以是扫描LIDAR系统(诸如但不限于系统100，例如MEMS反射镜300，偏转器114)的一部分，或者可以用于其中可以使用可旋转MEMS反射镜或可旋转结构的任何其他电光系统。尽管已经公开了MEMS反射镜作为光偏转器的示例性实施例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于MEMS反射镜。因此，例如，根据本公开的MEMS扫描装置中的所公开的MEMS反射镜可替代地包括棱镜、可控透镜、机械反射镜、机械扫描多边形、有源衍射(例如，可控LCD)、Risley棱镜或能够偏转光路的其他类型的光学设备。
根据本公开，MEMS扫描装置可包括支撑MEMS反射镜的框架。如本公开中所使用的，框架可以包括MEMS反射镜可以附接到使得MEMS反射镜能够相对于框架旋转的任何支撑结构。例如，MEMS反射镜可包括用于制造MEMS反射镜的晶片的这样的部分：其可在结构上支撑MEMS反射镜，同时允许MEMS反射镜相对于框架绕一个或多个旋转轴线枢转。
参考图26的非限制性示例，公开了MEMS反射镜组件2600。MEMS反射镜组件2600至少包括活动区域(例如，如图26的示例中所示的MEMS反射镜2602)和框架2604(例如，在以上描述中也称为“支撑件”)。可行地，除了多个互连件之外，活动区域与框架完全隔开(其任何部分都可以从框架的平面移动)。框架可以包括连续框架或由两个或多个分开的部分组成的框架。例如，框架可以由包括一个或多个硅层的晶片层制成，一个或多个硅层可能包括作为可移动MEMS反射镜的一部分的至少一个硅层。也可以使用硅以外的材料层。
根据本公开，MEMS扫描装置可以包括至少一个连接器，该至少一个连接器连接至可移动MEMS反射镜并且被配置为促进可移动MEMS反射镜绕至少一个旋转轴线的旋转。如本公开中所使用的，连接器可以包括可以电和/或机械地连接所公开的MEMS扫描装置的其他元件的结构元件。例如，连接器可以在一个或多个致动臂、与致动臂相关联的弹簧和MEMS反射镜之间提供电和/或机械连接。在一些示例性实施例中，连接器可以直接附接到一个或多个致动臂、弹簧和/或MEMS反射镜。在其他实施例中，连接器可包括多于一个的连接器构件，其可彼此连接并且可附接到一个或多个致动臂、弹簧和/或MEMS反射镜。在一些实施例中，连接器可以是机械连接器，其可以被配置为允许MEMS反射镜与一个或多个致动臂或致动器之间的相对运动。在其他实施例中，连接器还可被配置为在MEMS扫描装置的操作期间允许电流和/或信号通过连接器。
根据本公开，MEMS扫描装置可以包括细长的致动器，该细长的致动器被配置为在至少一个连接器上施加机械力。细长致动器可具有连接到框架的基端和连接到至少一个连接器的远端。根据本公开的细长致动器可以包括MEMS反射镜组件的一个或多个可移动结构构件，其能够引起MEMS反射镜相对于框架的平移和/或旋转运动。致动器可以是细长的，因为其长度可以大于致动器的宽度。所公开的致动器可以是MEMS反射镜组件的一体部分，或者可以与MEMS反射镜组件分离且分立。所公开的致动器可以直接或间接地附接到所公开的MEMS反射镜。
在一些示例性实施例中，致动器可以是MEMS反射镜组件的一部分，并且其本身可以被配置为相对于框架和/或相对于与MEMS反射镜组件相关联的MEMS反射镜移动。例如，公开的致动器可以被连接在框架和MEMS反射镜之间，并且可以被构造成移位、弯曲、扭曲和/或扭转以引起MEMS反射镜相对于框架的运动(即，平移或旋转)。可以预期，根据本公开的MEMS反射镜组件可以包括一个、两个或任何其他数量的致动器。
根据本公开，致动器的基端的宽度比致动器的远端更宽。注意，致动器的几何特性可以变化。例如，可选地，致动器的宽度可以从第一端(或基端)到第二端(或远端)逐渐减小。例如，压电元件在第一端的宽度可以大于压电元件在第二端的宽度。压电元件的第一端是位于致动器的第一端上的压电元件的部分，压电元件的第二端是位于致动器的第二端上的压电元件的部分。可选地，压电元件的宽度可以与致动器的宽度成比例地变化。
图26示出了根据当前公开的主题的示例的多个致动器(其也可以被称为“弹簧”，“弯曲器”，“悬臂”等)。图26示出了根据本公开的示例性MEMS反射镜组件2600。例如，如图26所示，MEMS反射镜组件2600可包括由框架2604支撑的MEMS反射镜2602。MEMS反射镜2602可以是可移动MEMS反射镜，因为MEMS反射镜2602可以相对于框架2604平移和/或可以相对于框架2604绕一个或多个轴线旋转。例如，如图26所示，MEMS反射镜2602可以平移或绕一个、两个或多个轴线(例如示例性轴线2606、2608或2610，其进入图的平面中)旋转。在一些示例性实施例中，MEMS反射镜2602可包括反射表面。尽管在图26中将MEMS反射镜2602示出为具有多边形形状，但是可以预期，MEMS反射镜2602可以具有圆形形状、椭圆形形状、矩形形状或正方形形状或适合于与系统900或MEMS反射镜2602要安装在其中的或为其设计的任何其他系统一起使用的任何其他类型的几何形状。尽管本公开描述了MEMS反射镜和框架的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上不限于所公开的MEMS反射镜和/或框架的示例。
图26示出了根据当前公开的主题的示例的、具有可变宽度的致动器的MEMS系统。参照图26，可以将移动MEMS系统的活动区域(例如，活动区域是可移动MEMS反射镜)的致动器设计成具有变化的宽度，使得致动器的直接连接到活动区域的一端(例如，使用柔性互连件)比致动器的另一端窄，该另一端连接到框架。致动器的宽度是在制造致动器的晶片的层的平面(例如，也用于框架的硅层的平面)中测量的尺寸，该平面基本上垂直于致动器的纵向方向。例如，在图26-31中提供了宽度可变的致动器示例。
如下关于图26-31所述的具有不同宽度的致动器可以用于不同的MEMS系统中。例如，一个或多个第一致动器的宽度可以在其端部之间(或在其端部与其中间部分之间)以下面参照图26-31讨论的方式改变。还应注意的是，如下关于图26-31所描述的具有不同宽度的致动器可以与其他致动技术一起使用(即，不仅压电致动，例如静电致动，本公开中提到的其他致动技术等)，并可以与不同的致动配置和压电材料部署(例如，LIDAR系统的致动器上方和下方)一起使用。
应当指出，在系统的频率响应(例如，谐振行为)很重要的系统中，利用具有不同宽度的致动器可控制地移动MEMS系统的活动区域可以是有用的。例如，车辆中的大多数振动都在大约1千赫兹的频率以下，因此将MEMS系统的频率响应限制为这样的频率可以是有用的。
如图3A的示例性实施例所示，扫描装置104可以包括一个或多个致动器，每个致动器可以具有机械地连接到框架的第一端和与第一端相对并且通过互连元件机械地连接到活动区域的第二端。尽管可以使用不同的致动方法，例如静电或电磁致动，但是可选地，可以通过压电致动来致动致动器。可选地，致动器可以包括致动器主体(例如，由硅制成)和压电元件。压电元件可被配置成在受到电场时弯曲致动器主体并移动活动区域。在扫描装置104中，致动器在第一端处的宽度可以大于致动器在第二端处的宽度(在图3A中未例示宽度的差异；在图26中例如例示了致动器的可比较的变化的宽度)。这对于扫描装置104中的一个、一些或所有而言可以是真实的。
参照MEMS反射镜组件2600，可选地，一个或多个致动器的宽度可以从第一端到第二端逐渐减小。参照扫描装置104，可选地，在第一端处一个或多个致动器的压电元件的宽度可以大于在第二端处压电元件的宽度。参考扫描装置104，可选地，一个或多个致动器的压电元件的宽度可以与致动器的宽度成比例地变化。
MEMS扫描装置104可以用于LIDAR系统，其可以进一步包括处理器，该处理器被配置为处理由MEMS反射镜反射的光的检测信号。例如，MEMS扫描装置104可以被实现为LIDAR系统100的反射镜组件。包括MEMS扫描装置104的LIDAR系统可以进一步包括控制器，该控制器被配置为修改施加到至少致动器的电场，以移动MEMS反射镜以扫描LIDAR系统的视场。注意，LIDAR系统可以包括多个MEMS扫描装置104(例如，以反射镜阵列布置)和控制器，该控制器被配置为移动多个MEMS反射镜(例如，以协调的方式)。
举例来说，图26示出了根据本公开的与MEMS反射镜组件2600相关联的示例性致动器2612、2614、2616和2618。如图26所示，致动器2612可以从邻近基端2620延伸到邻近远端2020。致动器2612可以邻近基端2620连接到框架2604，并且可以邻近远端2622连接到MEMS反射镜2602。致动器2614、2616和2618可以以类似的方式连接到框架2604和MEMS反射镜2602。值得注意的是，MEMS反射镜组件可具有任何数量的致动器，例如，一个，两个，三个，四个或大于这些的任何数量。
根据本公开，MEMS扫描装置包括两个致动器。两个致动器中的每一个包括从致动器的基端侧朝向致动器的远端侧减小的渐缩部。如本公开中所使用的，渐缩部是指致动器的沿着致动器的长度在宽度上减小的部分。要注意的是，如本公开中所使用的渐缩部可以终止于或可以不终止于一点(即，接近零宽度)。举例来说，图26示出了致动器2612，该致动器2612可以具有沿着致动器2612的长度从邻近基端2620到邻近远端2622以渐缩部的形式减小的宽度。致动器2614、2616和/或2618中的一个或多个也可以具有沿着相应的致动器的长度从该致动器的基端到该致动器的远端以渐缩部的形式减小的宽度。然而，可以预期，致动器2612、2614、2616和2618中的一个或多个可以具有均匀的宽度或不均匀的宽度，如图26所示。尽管本公开描述了与MEMS扫描装置相关联的致动器的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的致动器示例。
可以以各种不同的方式来致动MEMS反射镜组件的致动器，例如通过使每个致动器上的压电构件(例如PZT，锆钛酸铅，氮化铝)收缩，电磁致动，静电致动等。应注意，在下面的描述中，无论在何处使用PZT的示例，都可以使用任何适用的压电材料。如上所述，致动器可以是压电致动器。可选地，多个致动器中的一个或多个可以包括压电层(例如，PZT层)，其被配置为在受到电场时弯曲相应的致动器，从而旋转反射镜。举例来说，与MEMS反射镜组件2600相关联的致动器2612、2614、2616、2618可以分别包括一个或多个PZT层2632、2634、2636和2638。用电场(例如通过提供偏置电压或电流)对一个或多个PZT层进行激励可以导致一个或多个致动器2612、2614、2616和2618伸展、收缩、弯曲、扭曲或改变其配置，这进一步可以导致MEMS反射镜2602关于一个或多个轴线2606、2608和/或2610平移或旋转。尽管本公开描述了MEMS反射镜的旋转轴线的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的旋转轴的示例。因此，例如，根据本公开的MEMS反射镜可以关于除了公开的轴线2606、2608和/或2610以外的轴线平移和/或旋转。尽管本公开描述了与MEMS扫描装置的致动器相关联的压电层的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的压电致动器示例。
举例来说，图26示出了MEMS反射镜组件2600，其可以包括一个或多个连接器，其(直接或间接地)连接活动区域和框架(例如，连接器2642、2644、2646和2648)。如图26的示例性实施例所示，连接器2642的一端可以邻近远端2622连接到致动器2612，而连接器2642的相对端可以连接到MEMS反射镜2602。连接器2644、2646和2648可以类似地在它们相应的第一端处分别连接到致动器2614、2616和2618。连接器2644、2646和2648的相对端可以连接至MEMS反射镜2602。一个或多个致动器2612、2614、2616和/或2618的运动可引起一个或多个连接器2642、2644、2646和2648的运动，由于它们与MEMS反射镜2602的连接，这也可引起MEMS反射镜2602的运动。尽管本公开描述了与MEMS扫描装置相关联的连接器的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的连接器示例。
根据本公开，致动器的宽度可以在基端和远端之间减缩。图27示出了示例性致动器的放大图，该致动器可以具有在基端和远端之间减缩的宽度。例如，如图27所示，致动器2712可以从邻近基端2720延伸到邻近远端2722。致动器2712可以邻近基端2720连接到框架2704。连接器2742的一端可以邻近远端2722连接到致动器2712，连接器2742的相对端可以连接到MEMS反射镜2702。PZT层2732可以设置在致动器2712上，并且可以从邻近基端2720延伸到邻近远端2722。MEMS反射镜2702，框架2704，致动器2712和连接器2742可具有与以上关于MEMS反射镜2602，框架2604，致动器2612、2614、2616或2618以及连接器2642、2644、2646或2648讨论的结构和功能特征相似的结构和功能特征。
如图27的示例性实施例所示，致动器2722的宽度可以在基端2720和远端2722之间减缩。例如，致动器2722可具有邻近基端2720的宽度“Wb”和邻近远端2722的宽度“Wd”。邻近基端2720的宽度Wb可以大于邻近远端2722的宽度Wd。要注意的是，致动器2712的宽度(Wd，Wb等)是指在MEMS反射镜2702的平面中的宽度尺寸，而不是指可以垂直于致动器2712的平面的厚度方向上的宽度尺寸。
根据本公开，靠近基端的致动器的宽度比靠近远端的致动器的宽度大约1.5至约2.5倍。根据本公开，靠近基端的致动器的宽度比靠近远端的致动器的宽度大大约1.75倍至大约2.25倍。根据本公开，靠近基端的致动器的宽度比靠近远端的致动器的宽度大至少2倍。例如，可以基于在MEMS反射镜的操作期间在致动器中的最大允许应力和期望的MEMS反射镜的移动量来选择在致动器的基端和致动器的远端处的致动器的宽度之间的比率。在如图27所示的一个示例性实施例中，致动器2712的宽度可以从邻近基端2720的宽度Wb均匀地减小到邻近远端2722的宽度Wd。例如，致动器2712的宽度Wb可以是宽度Wd的约1.2，约1.5，约1.75，约2，约2.25，约2.5或约4.0倍。根据本公开的实施例，诸如大体、大约和基本上这样的术语应被解释为包括典型的机加工和制造公差。因此，例如，大约1.5可以包含达1.5±0.1、1.5±0.2等的比率。
还可以想到，在根据本公开的一些示例性实施例中，致动器2712的宽度可以从邻近基端2720的宽度Wb不均匀地减小到邻近远端2722的宽度Wd。图28示出了示例性致动器的放大图，该致动器的宽度可以在基端和远端之间不均匀地减小。图28的MEMS反射镜组件2700可以包括与以上关于图27的MEMS反射镜2700所讨论的那些特征相似的许多特征。这些相似的特征使用与图27中相同的元件编号进行编号。另外，除非另有说明，否则在整个本公开中，应假定相似编号的元件具有相似的结构和功能特征。此外，即使编号不同，从一个结构到下一个结构的相似元件也可以具有相似的特性。下面仅描述MEMS反射镜组件2700和2800之间的区别。注意，可以结合为了清楚起见针对不同附图讨论的本发明的不同方面。例如，关于图28讨论的本发明的方面可以在具有弯曲的致动器等的MEMS反射镜组件中实现。
如图28所示，类似于图27的致动器2712，致动器2812从邻近基端2720延伸到邻近远端2722。致动器2812可以在基端2720和远端2722之间具有长度“L1”。致动器2812可具有邻近基端2720的宽度Wb和邻近远端2722的宽度Wd。在如图28所示的一个示例性实施例中，致动器2812可以在基端2720和远端2722之间具有宽度“Wm”。宽度Wb可以大于宽度Wm和Wd两者，并且宽度Wm可以大于宽度Wd但是小于宽度Wb。还如图28所示，致动器2712的宽度沿长度L2从宽度Wb减小到Wm的减小率可以小于致动器2712的宽度从宽度Wm减小到Wd的减小率。可以想到，在其他示例性实施例中，长度L2中的宽度的减小率可以大于或大约等于宽度从宽度Wm到Wd的减小率。还可以想到，在根据本公开的一些示例性实施例中，致动器2712的宽度可以总体上从邻近基端2720的宽度Wb减小至邻近远端2722的宽度Wd，同时包括比致动器的更靠近基端的其他部分更宽的一些部分。
根据本公开，致动器的基端的刚性比致动器的远端的刚性大至少15％。靠近框架的基端处相对较大的宽度赋予了致动器强度，增加了共振频率，为压电元件提供了足够的面积(从而提供了足够的力来移动反射镜，反射镜因此可以更大)，和/或在致动器的那部分以及与框架的连接处提供足够的刚度和强度(例如，以匹配通过活动区域的运动施加在该区域上的扭矩)。将靠近框架的基端处的相对较大的宽度与靠近活动区域的远端处的相对较小的宽度相结合减少了移动部件的重量，并在需要时允许致动器扭曲(例如，在MEMS反射镜旋转期间)，在框架平面之外提供刚性(例如以增加共振频率)和/或在框架平面内提供柔性。因此，致动器的基端可以比致动器的远端更具刚性。换句话说，致动器的远端可以比致动器的基端更具柔性。在一些示例性实施例中，致动器的基端的刚性可以比远端高至少约5％，约10％，约15％或约20％。如上所述，术语大约应解释为包含典型的机加工和制造公差。因此，例如，应将大约15％解释为涵盖15±0.5％，15±1％等
根据本公开，致动器的第一部分是渐缩形的，而致动器的第二部分是非渐缩形的。如上所述，可基于在MEMS反射镜组件的操作期间在致动器中产生的允许应力和/或邻近远端的致动器的期望偏转量来确定致动器的宽度减小量。预期在一些示例性实施例中，致动器可以在致动器的一些但不是全部长度上渐缩。
图29A和29B示出了致动器的示例性实施例，致动器可以仅在其长度的一部分上渐缩。例如，图29A示出了MEMS反射镜组件2901，其包括MEMS反射镜2702、框架2704和连接器2742。MEMS反射镜组件2901包括致动器2912，其从邻近基端2720延伸到远端2722。致动器2912邻近基端2720连接到框架2704，并邻近远端2722连接到连接器2742。如图29A所示，致动器2912可具有第一部分2950和第二部分2952。致动器2912的第一部分2950可以从邻近基端2720延伸到设置在基端2720与远端2722之间的位置2954。致动器2912的第一部分2950的宽度可以从邻近基端2720的宽度Wb连续减小到位置2954处的宽度Wd。致动器2912的第二部分2952的宽度在位置2954和远端2722之间大体可以保持恒定。因此，致动器2912可以具有可以是渐缩形的第一部分2950和可以是非渐缩形的第二部分2952。
根据本公开，渐缩部沿着致动器的大部分长度延伸。在如图29A所示的一个示例性实施例中，致动器2912的第一部分2950可以具有长度L3，该长度可以小于致动器2912的长度L1。在一些实施例中，第一部分2950的长度L3可以是长度L1的大部分。因此，例如，长度L3可以大于长度L1的约50％。然而，可以设想，在一些示例性实施例中，长度L3可以大约等于或小于长度L1的50％。
图29B示出了包括MEMS反射镜2702、框架2704和连接器2742的MEMS反射镜组件2903，其可以具有与以上参考图27描述的MEMS反射镜2700的对应元件相似的结构和功能特性。MEMS反射镜组件2903可以包括致动器2914，其可以从邻近基端2720延伸到远端2722。致动器2914可以邻近基端2720连接到框架2704并且邻近远端2722连接到连接器2742。如图29B所示，致动器2914可具有第一部分2960和第二部分2962。致动器2914的第一部分2960可以从邻近基端2720延伸到设置在基端2720与远端2722之间的位置2964。致动器2912的第一部分2960的宽度在基端2720和位置2764之间大体是均匀的。致动器2914的第二部分2962的宽度可从邻近位置2964的宽度Wb到远端2722减小。因此，致动器2912可以具有可以是非渐缩形的第一部分2960和可以是渐缩形的第二部分2962。可以预期，致动器2914的第一部分2650的长度L4可以大于、大约等于或小于致动器2914的长度L1的大约50％。
图30A示出了MEMS反射镜组件3001，其包括MEMS反射镜2702、框架2704和连接器2742。MEMS反射镜组件3001可以包括致动器3012，其可以从邻近基端2720延伸到远端2722。致动器3012可以邻近基端2720连接到框架2704并且邻近远端2722连接到连接器2742。如图30A所示，致动器3012可具有邻近基端2720的宽度Wb和邻近远端2722的宽度Wd，该宽度Wd小于宽度Wb。同样如图30A所示，致动器3012的宽度可以沿着其长度从宽度Wb减小到宽度Wd。从Wb到Wd的宽度减小可以是不均匀的，使得致动器3012的侧面3013和3015可以具有大体弯曲的形状。此外，类似于图27-29B中所示的致动器，致动器3012可以大体垂直于框架2704设置。因此，例如，致动器3012的纵向轴线3006可以大体上垂直于框架2704设置。如上所述，短语大体垂直应解释为包含典型的制造和机加工公差，例如包括90±0.1°、90±0.5°、90±1°等范围内的角度。
图30B示出了包括MEMS反射镜2702、框架2704和连接器2742的MEMS反射镜组件3003。MEMS反射镜组件3003可以包括致动器3014，其可以从邻近基端2720延伸到远端2722。类似于图30A的致动器3012，致动器3014的宽度也可以从邻近基端2720的宽度Wb到邻近远端2722的宽度Wd不均匀地减小。此外，致动器3014还可包括可具有大体弯曲形状的侧面3017和3019。但是，与图30A的致动器3012不同，致动器3014可以不大体垂直于框架2704设置。相反，致动器3014的纵向轴线3008可以相对于框架2704大体以角度θ倾斜地设置，该角度可以大于大约0°并且小于大约90°。
根据本公开，致动器基本上是直的。在本公开中，基本上直的是指致动器的几何纵向轴线的形状。因此，例如，如图30A和30B所示，致动器3012和3014均具有基本笔直的(非弯曲的)纵向轴线3006和3008。类似地，图27-29B所示的致动器2712、2812、2912和2914也基本上是直的。尽管本公开描述了与MEMS扫描装置相关联的致动器的形状和宽度变化的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的示例性形状和/或宽度变化。
根据本公开，致动器是弯曲的。可以基于例如期望的致动器的偏转方向和幅度来选择致动器的形状(例如，笔直的或弯曲的)。举例来说，图31示出了示例性的MEMS反射镜组件3100，其可以包括一个或多个弯曲的致动器。例如，MEMS反射镜组件3100可以包括MEMS反射镜3102，框架3104以及致动器3112、3114、3116和1118。如图31所示，致动器3112、3114、3116和3118中的一个或多个可以是弯曲的。例如，致动器3112可包括由间隙3128分开的臂3124和3126。在如图31中所示的一个示例性实施例中，臂3124和3128的宽度“W1”和“W2”可以分别沿着从基端3120延伸到远端3122的臂3124和3128的长度大体均匀。臂3124和3128的宽度W1和W2可以分别在MEMS反射镜3102和框架3104的平面中，相对于MEMS反射镜3102的中心沿大致径向方向确定。同样如图31所示，致动臂3124和3128的纵向轴线3125和3127可以分别具有大致弯曲的形状。
根据本公开，致动器包括被间隙隔开的至少两个臂，并且其中每个臂的宽度从致动器的基端朝向致动器的远端逐渐减小。像致动器一样，根据本公开的臂可包括结构构件，该结构构件能够引起MEMS反射镜相对于框架的平移或旋转运动。在一些示例性实施例中，所公开的致动器可以包括仅一个臂。在其他示例性实施例中，所公开的致动器可以包括多于一个的臂。例如，在一些实施例中，所公开的致动器可以包括两个臂，这两个臂通过间隙彼此分开。一些或所有臂可配备有PZT层，其可以导致那些臂以某种方式伸展、收缩、弯曲、扭曲或移动。一个或多个臂的运动又可以引起与MEMS扫描装置相关联的MEMS反射镜的运动。此外，如上所述，臂的宽度可以从臂的基端到臂的远端减小。这样的宽度减小可能是期望的，例如以最小化在臂中产生的应力和/或获得邻近远端的臂的期望的偏转或运动量。要注意的是，实施具有以上讨论的(例如，关于图11A-25)多于一个臂的致动器的任何不同方面可以针对其远端宽度窄于其基端宽度的致动器实施(用于多臂致动器的臂中的一个、一些或全部臂)。
作为示例，图31示出了致动器3114，其可以包括臂3134和3136，臂3134和3136可以通过间隙3138彼此分开。臂3134可以从邻近基端3130延伸到邻近远端3132。类似地，臂3136可以从邻近基端3130延伸到邻近远端3132。如图31所示，臂3134和3136中的每一个可以具有大体弯曲的形状。此外，臂3134可以具有邻近基端3130的宽度“W3”，并且邻近远端3132的宽度“W4”。类似地，臂3136可以具有邻近基端3130的宽度“W5”和邻近远端3132的宽度“W6”。宽度W3和W5可以相同或不同。同样，宽度W4和W6可以相等或不相等。在如图31所示的一个示例性实施例中，宽度W3可以大于宽度W4，并且宽度W5可以大于宽度W6。因此，臂3134和3136的宽度可以从邻近基端3130到邻近远端3132逐渐减小。然而，可以预期，臂3134和3136中的一个或两个可以具有与臂3124和3126中的一个或多个相似的形状。
根据本公开，致动器的远端比致动器的基端更靠近可移动MEMS反射镜。例如，可以在非圆形反射镜中实施这种配置，以便释放反射镜的移动路径，以便减少紧邻反射镜的致动器的光反射部分的量，等等。举例来说，图31示出了致动器3118，其可以从邻近基端3150延伸到邻近远端3152。致动器3118可以邻近基端3150连接到框架3104，并且可以邻近远端3152经由连接器3154连接到MEMS反射镜3102。在如图31中所示的一个示例性实施例中，致动器3118可以被定位成邻近基端3150与MEMS反射镜3102相距距离“D1”，并且邻近远端3152与MEMS反射镜3102相距距离“D2”。距离D1和D2可以在MEMS反射镜3102和框架3104的平面中沿大体径向方向测量。在一个示例性实施例中，距离D1可以大于距离D2。因此，例如，与基端3150相比，致动器3118的远端3152可定位成更靠近MEMS反射镜3102。尽管图31示出了致动器3112、3114、3116和3118的不同位置和几何特性，但是可以预期这些位置和几何特性是可互换的。即，致动器3112、3114、3116和3118中的任何一个可以具有与其余致动器3112、3114、3116和3118中的一个或多个相对应的上述特性。尽管以上已经参考图27-30B针对基本直的致动器和参考图31针对弯曲致动器描述了各种几何和其他特征，但是可以预期的是，针对所公开的弯曲致动器所描述的特征可以在所公开的基本直的致动器上实施，反之亦然。
根据本公开，细长的致动器包括压电层，该压电层具有压电基端元件和压电远端元件。当在压电基端元件和压电远端元件之间施加电压偏置时，压电层可操作以收缩。此外，压电基端元件的宽度可以比压电远端元件宽。如上所述，以上讨论的一个或多个致动器可以包括压电层，该压电层可以被配置为在经受电压偏置时收缩。压电层的收缩可以进一步导致致动器弯曲，这又可以经由一个或多个连接器将运动赋予MEMS反射镜。可以想到，在一些示例性实施例中，压电层的形状可以类似于致动器本身的形状。因此，例如，当致动器相较于靠近其远端在靠近其基端处更宽时，该致动器上的压电层也可靠近基端更宽且靠近远端更窄。
如图所示，例如，在图27中，致动器2712可以包括压电层2780，其可以具有压电元件基端2782和压电元件远端2784。压电元件基端2782可以从邻近基端2720延伸到邻近设置在基端2720和远端2722之间的位置2786。压电元件远端2784可以从邻近位置2786延伸到邻近远端2722。在如图27所示的一个示例性实施例中，压电元件基端2782和压电元件远端2784可以是单个压电层的不同部分。在其他实施例中，压电元件基端2782和压电元件远端2784可以是分开的，并通过一个或多个连接器(例如，电线，互连件等)电连接。如上所述，在压电元件基端2782和压电元件远端2784之间施加偏置电压可以使压电层2780收缩，这又可以导致致动器2712弯曲。同样如图27所示，例如，压电元件基端2782可以具有邻近基端2720的宽度“Wb1”，而在压电元件远端2782可以具有邻近远端2722附近的宽度“Wd1”。宽度Wb1可以大于宽度Wd1，使得邻近基端2720的压电元件基端2852的宽度可以大于邻近远端2722的压电元件远端2854的宽度。在压电元件基端具有较宽的宽度提供了较大的压电元件面积(并因此提供更大力以移动反射镜)，而对致动器的移动端的质量和刚度的影响有限。尽管上面已经参考图27的致动器2712描述了压电层2780，但是可以预期，在参考图27-31中的一个或多个示出和讨论的致动器上可以存在相似的压电层。此外，图27-31的致动器上的压电层可具有与那些图中所示的各个致动器相似的形状和宽度变化。
根据本公开，细长的致动器包括柔性无源层(例如，硅)和可操作以施加力以使柔性无源层弯曲的有源层。柔性无源层可以具有无源层元件基端和无源层元件远端。无源层元件基端的宽度可以比无源层元件远端的宽度宽。如上所述，上面讨论的一个或多个致动器可以包括无源层(例如硅)，其中压电层附接到该无源层。压电层可以是有源层，其可以被配置为在经受电压偏置时收缩。压电层的收缩可以在无源层上施加力，从而导致无源层弯曲，这又可以经由一个或多个连接器将运动赋予MEMS反射镜。
如图所示，例如，在图27中，致动器2712可以包括柔性无源层2790和附接到柔性无源层2790的压电层2780(例如有源层2780)。柔性无源层2790可具有无源层元件基端2792和无源层元件远端2794。无源层元件基端2792可以从邻近基端2720延伸到邻近设置在基端2720和远端2722之间的位置2786。无源层元件远端2794可以从邻近位置2786延伸到邻近远端2722。在如图27所示的一个示例性实施例中，无源层元件基端2792和无源层元件远端2794可以是单个无源层2790的不同部分。如图27所示，例如，无源层元件基端2782可具有邻近基端2720的宽度Wb，而无源层元件远端2784可具有邻近远端2722的宽度Wd。如上所述，宽度Wb可以大于宽度Wd，使得无源层元件基端2892邻近基端2720的宽度可以大于无源层元件远端2894邻近远端2722的宽度。尽管上面已经参考图27的致动器2712描述了无源层2790，但是可以预期，在参照图27-31中的一个或多个示出和讨论的致动器上可以存在类似的无源层。此外，图27-31的致动器上的无源层可具有与那些图中所示的各个致动器相似的形状和宽度变化。
根据本公开，细长致动器包括具有压电元件基端和压电元件远端的压电层，当在压电元件基端和压电元件远端之间施加电压偏置时，压电层可操作地收缩，其中，压电元件基端的宽度比压电元件远端的宽度宽。细长致动器还包括柔性无源层，其具有无源层元件基端和无源层元件远端，其中，无源层元件基端的宽度比无源层元件远端的宽度宽，其中压电层可操作以施加力以弯曲柔性无源层。如上所述，图27示出了示例性致动器，其包括压电层2780和柔性无源层2790。
上面讨论了本公开的几个方面。要注意的是，以上讨论的例如关于任何一个或多个附图的特征、方面、特性、结构等的任何可行的组合都可以被实现为被认为是本公开的一部分。出于诸如本公开的简洁和简明的原因，未对那些可行的组合中的一些进行详细讨论，但是这些组合仍然是本公开的一部分，并且鉴于上述公开，它们对于本领域技术人员呈现其本身。
本公开涉及车辆(例如，车辆110)中LIDAR系统100(或任何其他LIDAR系统，无论是扫描LIDAR系统，非扫描LIDAR系统，脉冲光系统，连续波系统，还是任何其他类型的LIDAR系统或装置)的实施。如上所述，具体地，LIDAR系统100在单个车辆中集成多个扫描单元104和潜在地多个投射单元102。可选地，车辆可以利用这种LIDAR系统来改善重叠区域中和超出重叠区域的功率、范围和精度，以及在FOV(例如，车辆的向前运动方向)的敏感部分中的冗余度。如上所述，车辆中的LIDAR系统可以用于将光通过车辆的窗口(或挡风玻璃)投射到车辆前方的环境。环境中的各种物体可以反射由LIDAR系统投射在其上的光的一部分。LIDAR系统可以例如通过检测穿过挡风玻璃从那些物体接收到的反射光来确定车辆前方的各种物体的位置和/或距离。
然而，当试图将LIDAR系统放置在车辆的挡风玻璃后面时，从玻璃反射光是一重大挑战。这是因为反射光可能会干扰通过挡风玻璃传输的从外部环境中的物体接收到的光，这又可能影响对车辆前方物体的位置和/或距离的确定。在某些入射角处(主要在FOV的外围区域)，反射回车辆的光量大于通过挡风玻璃的光量。图32A示出了具有窗口(例如，其中安装有LIDAR系统的车辆的挡风玻璃)的车辆中的示例性车辆系统3200的侧视图。在本公开中，术语窗口和挡风玻璃可以互换使用，因为车辆中的LIDAR系统可以定向成通过挡风玻璃、后窗口或车辆的任何其他窗口投射和/或接收光。LIDAR系统可以是LIDAR系统100或任何其他类型的LIDAR系统。窗口可以是例如平面窗口(例如，如图所示)或弯曲窗口。图32B示出了车辆系统3200的俯视图。尽管窗口可以由玻璃制成，但是附加于或替代玻璃，可以使用其他材料，例如透明塑料、聚合材料等。窗口可以包括至少一层的一种或多种透明或半透明材料，并且还可以包括连接到窗口的不同类型的涂层、胶粘剂或其他透明或半透明的材料。
在示例性实施方式中，LIDAR系统在竖直平面和水平平面中可具有不同的FOV开口(例如，±15°至±20°的竖直开口和±30°至±60°的水平开口)。结果，如图32A和32B所示，光可能以不同的入射角落在窗口上，其中一些入射角可能相对较宽。注意，入射角的范围还可以基于非光学考虑因素(例如车辆的空气动力学)，而取决于LIDAR系统的光轴与窗口的光轴(其可以例如在挡风玻璃中确定)之间的角度。应当理解，LIDAR系统的光轴可能取决于预期的视场，例如，朝向车辆前方的道路和空间。还应注意，实际入射角是水平入射角(表示θT)和竖直入射角(表示θS)的组合。
如图32A所示，车辆系统3200可以包括例如LIDAR系统100和车辆的窗口(例如，挡风玻璃)3202。窗口3202可以大体上是平坦的(如图32A所示)或可以是弯曲的。窗口3202可相对于水平面3201以倾角(rake angle)θ定位，水平面3201可大体上平行于车辆的底盘或地面。在一些实施例中，角度θ可以在大约22°至大约30°的范围内。根据本公开，诸如大体、大约和基本上这样的术语应被解释为包括典型的设计、制造和机加工公差。因此，例如，应将大约22°的角度解释为包含在22°±0.1°，22°±0.5°，22°±1°等范围内的角度。
LIDAR系统100可以包括被配置为在由例如光线3204和3206限定的视场(FOV)中发射光的光源(例如，光源112)。如图32A所示，入射在窗口3202上的一些光可以被窗口3202反射回车辆中，而另一部分入射光可以通过窗口3202透射到位于窗口3202前面的环境3216。如图32A所示，光线3204的一部分例如可以通过窗口3202透射，如光线3208所示，而光线3204的另一部分(例如光线3210)可以被窗口3202反射回到车辆中。同样，例如，光线3206的一部分可以透射通过窗口3202，如光线3212所示，而光线3206的另一部分(例如光线3214)可以被窗口3202反射回到车辆中。同样如图32A所示，例如，窗口3202上的光线3206的竖直入射角可以由角度S表示。在一些实施例中，角度S可以相对较大，例如，大约为60°至大约75°的量级。如图32A所示的一些示例性实施例中，LIDAR系统100可以通过连接器3218连接到车辆的一部分，该连接器可以包括可以被配置为将LIDAR系统100附接到车辆的一个或多个结构元件。例如，连接器3218的一端可以附接到车辆，而相对端可以附接到LIDAR系统100。还可以想到，在一些示例性实施例中，LIDAR系统100可以相对于车辆底盘或相对于地面以非水平的方式定向。例如，如图34A所示，LIDAR系统100可以相对于水平面以倾斜角“3”定位。
为了确保清楚，在整个本公开中，当随后公开的元件具有与本公开中先前讨论的那些类似的结构和功能特性时，不再重复对结构和功能特性的讨论。另外，除非另有说明，否则在整个本公开中，应假定相似编号的元件具有相似的结构和功能特征。此外，即使编号不同，从一个结构到下一个结构的相似元件也可以具有相似的特性。
如图32B所示的车辆系统3200的示例俯视图所示，水平面中的视场可以由光线3234和3236定义。例如，光线3234的一部分可以透射通过窗口3202，如光线3238所示，而光线3234的另一部分(例如光线3240)可以被窗口3202反射回到车辆中。同样，例如，光线3236的一部分可以透射通过窗口3202，如光线3242所示，而光线3236的另一部分(例如光线3244)可以被窗口3202反射回到车辆中。同样如图32B所示，例如，在窗口3202上的光线3236的水平入射角可以由角度T表示。在一些实施例中，角度T可以相对较大，例如，大约为60°至大约75°的量级。
如图32A所示的一些示例性实施例中，LIDAR系统100可以通过连接器3218连接到车辆的一部分，该连接器可以包括可以被配置为将LIDAR系统100附接到车辆的一个或多个结构元件。例如，连接器3218的一端可以附接到车辆，而相对端可以附接到LIDAR系统100。还可以想到，在一些示例性实施例中，LIDAR系统100可以相对于车辆底盘或相对于地面以非水平的方式定向。例如，如图34A所示，LIDAR系统100可以相对于水平面以倾斜角“3”定位。连接器3218可以直接连接或以其他方式触及窗口3202，但这不是必须的。连接器3218可以直接连接或以其他方式触及LIDAR系统100，但这不是必须的。在一些示例中，连接器3202可以间接地连接到窗口3202和/或LIDAR系统100中的一者或多者。连接器3218的连接可以是永久的或可拆卸的，并且它可以是可调节的，也可以不是可调节的(例如，针对LIDAR系统100与窗口3202之间的方向和/或距离)。
窗口3202(和/或挡风玻璃)可以由不同材料制成的不同层制成和/或可以被一种或多种类型的涂层覆盖，这可以进一步降低透射率。还应注意，穿过窗口3202的光的透射水平在不同的光极性之间可以不同，并且由于反射而引起的光的损失也可能发生在(从FOV反射到LIDAR的光的)接收路径中。图33示出了根据本公开的示例性实施例的在倾斜的窗口(例如，倾角为25°的挡风玻璃3202)的视场中光的透射水平的变化的示例。在图33中，水平入射角S绘制在x轴上，竖直入射角T绘制在y轴上。不同的线表示透射通过挡风玻璃3202的光的百分比。如图33所示，透射通过窗口3202的光的量可以在入射到窗口3202的光的大约50％到大约90％的宽范围内变化，其余的光或者从窗口3202反射或者被窗口3202的材料吸收。
根据本公开，公开了一种用于位于车辆内的LIDAR系统的光偏转器。光偏转器包括挡风玻璃光学接口，该挡风玻璃光学接口被配置为定位在车辆内并且沿着LIDAR系统的光路。为了克服由于宽的入射角而导致的光穿过车辆窗口的低透射率的问题，本公开提出增加(例如，胶合到窗口，吸附到窗口，从车辆上的相邻固定位置悬挂)光学接口，这可以减小FOV的至少一些部分的入射角。光学接口可以位于车辆内、车辆外部，或者可以包括窗口两侧的部件。光学接口可包括例如棱镜、透镜、衍射光栅、光栅棱镜(也称为“棱镜”)和/或贴纸(具有上述光学功能中的任何一种)等。光学接口可以是柔性的或刚性的。用于将光学接口固定至挡风玻璃的胶可以是光学胶(对于LIDAR的光而言是透明的)，并且可以具有不同的厚度(例如，以允许对不同的汽车挡风玻璃的曲率有一定的容忍度)。光学接口还可以具有其他光学能力，例如抗反射涂层、耐刮擦涂层、光谱滤光片、偏振滤光片、波片(延迟片)等。
在一些实施例中，窗口可以被制造为包括内置在窗口中的光学接口。在一些情况下，这样的接口可以相对于窗口表面升高或凹陷和/或可以包括相对于窗口的其他连续平面(无论是平坦的还是弯曲的)不连续的部分。这样的内置接口可以被配置用于在LIDARFOV的光路中定位并且可以展现出与LIDAR的光学参数匹配或至少部分地匹配的光学参数。
图34A至34D示出了与车辆的挡风玻璃3202相关联的LIDAR系统(例如，LIDAR系统100)的光偏转器3400的示例性实施例。如图34A所示，根据当前公开的主题的示例，光偏转器3400可以包括光学接口3402，其可以是至少一个棱镜3410的形式。一个或多个棱镜3410可以由与窗口相同的材料(例如玻璃)、具有与窗口相似的折射率的材料或由任何其他材料制成。优选地，一个或多个棱镜可以是透明的。一个或多个棱镜可以被成形和定位以减小在空气和玻璃(或窗口的其他材料)之间的透射的光的入射角。LIDAR系统可以是LIDAR系统100或任何其他类型的LIDAR系统。
在如图34A所示的一个示例性实施例中，棱镜3410可以位于LIDAR系统110的光源和窗口3202之间。棱镜3410可以包括例如内部棱镜3412和外部棱镜3414。内部棱镜3412可以位于LIDAR系统100中的光源和窗口3202之间。外部棱镜3412可以位于窗口3202和外部环境或视场之间。
一个或多个棱镜3410(包括3412和3414)可以以不同方式(例如，使用光学胶、另外的粘合剂，安装在连接到窗口或车辆本体的刚性框架上等)附接到窗口3202。在一些示例性实施例中，窗口3202可包括开口(未示出)，并且棱镜3410可被接收在窗口3202中的开口中。在其他示例性实施例中，内部棱镜3412可以定位在LIDAR系统100的刚性壳体的外部。在其他实施例中，LIDAR系统100的壳体可包括至少一个棱镜3410或其一部分。LIDAR系统100的壳体可以触及棱镜3410(即，与棱镜3410接触)或者可以与棱镜3412间隔开。
在一些实施例中，一个或多个棱镜3410可以可拆卸地附接到窗口或LIDAR系统100的壳体。可选地，一个或多个棱镜3410可以被制造为窗口3202的一部分。例如，一个或多个棱镜3410可以被制造为车辆的挡风玻璃的一部分。在一些实施例中，一个或多个棱镜3410可以被制造为车辆的后窗的一部分。在其他实施例中，一个或多个棱镜3410可以被制造为车辆的侧窗的一部分。系统中的一个或多个(例如，窗口3202，棱镜3410，内部棱镜3412，外部棱镜3414等)可包括涂层和/或另外的形式的滤波器(例如，抗反射滤波器/层，带通滤波器/层，等)。
根据本公开的实施例，LIDAR系统的光路可以延伸穿过车辆的倾斜挡风玻璃，其中，光路在穿过倾斜挡风玻璃之前的光学角度相对于倾斜挡风玻璃的相邻表面以第一角度定向。如上所述，参考图32A，来自LIDAR系统100的光可以在例如由光线3204和3206(见图32A)所限定的视场上入射在窗口3202上。光线3204、3206可以穿过窗口3202，并且可以在由光线3208和3212(见图32A)所限定的范围内透射到位于窗口3202前面的环境3216。光线3202和3204可以限定用于穿过窗口3202的光的光路。返回图34A，光线3202可以相对于窗口3202的相邻内表面3403以第一角度1定向。
根据本公开的一些实施例，光偏转器可以包括用于定向LIDAR发射元件以将通过挡风玻璃光学接口并沿着光路引导光的连接器。参考图32A，LIDAR系统100可以使用连接器3218连接到车辆的至少一些部分，该连接器也可以帮助LIDAR系统100水平地定向或相对于车辆底盘或地面倾斜地定向。
根据本公开的实施例，光学接口可以被配置为将光路的光学角度从第一角度改变为第二角度。如上所述，光学接口可以包括棱镜、透镜、衍射光栅等中的一个或多个。这些光学接口中的每个可以配置为通过反射、折射和/或衍射入射光来改变光路。因此，例如，如图34A所示，入射光线3204可以被一个或多个棱镜3410(包括例如内部棱镜3412和外部棱镜3414)折射。折射光可以经由例如光线3420离开棱镜3410。类似地，光线3206可以进入棱镜3410并且可以经由例如光线3422离开棱镜3410。在图34A所示的一个示例性实施例中，由于光在棱镜3410的表面上的折射，光线3204可以在棱镜3410内被折射为光线3416。光线3416可以以与第一角度1不同的第二角度2入射在窗口3202上。
本公开的实施例可以包括光学接口，该光学接口被配置为使得在第二角度，通过挡风玻璃折射的光与从挡风玻璃反射的光之间的比率大于约0.3。如以上参考图33所讨论的，通过挡风玻璃透射的光的量取决于光在挡风玻璃上的入射的光学角度。相应地，通过挡风玻璃折射的光的量和被挡风玻璃反射回的光的量也取决于入射的光学角度。因此，入射角从第一角度1改变为第二角度2可以改变可以从挡风玻璃反射回的入射光的量和可以被挡风玻璃折射的光的量。预期通过挡风玻璃折射的光量与从挡风玻璃反射的光量之间的比率可以大于约0.2，大于约0.25，大于约0.3，大于约0.35或大于约0.4等。同样如上所述，在本公开中的短语大约包括典型的设计、机加工和制造公差。因此，术语“大约0.3”应解释为包含比率0.3±0.01、0.3±0.02、0.3±0.05。
根据本公开的实施例，在光偏转器中，光学接口的至少一部分从挡风玻璃突出。在一些示例性实施例中，光学接口的突出部是向内的。在其他示例性实施例中，光学接口的突出部是向外的。光学接口可用于使LIDAR系统100中的一个或多个光源提供的入射光偏转和/或折射。在一些示例性实施例中，光学接口可以设置在窗口或挡风玻璃的厚度内。然而，在其他示例性实施例中，光学接口可以从挡风玻璃的表面伸出。在如图34A所示的一个示例性实施例中，棱镜3410可以在两侧从窗口3202突出，尽管可以设想棱镜3410可以仅在一侧从窗口3202突出。棱镜3410的内部棱镜3412可以从窗口3202向内向LIDAR系统100突出。外部棱镜3414可以从窗口3202向外朝向环境3216突出。
根据本公开的实施例，光学接口仅位于挡风玻璃的内部。尽管棱镜3410已被示为包括内部棱镜3412和外部棱镜3414，但是在图34A的示例性实施例中，可以想到，在一些实施例中，棱镜3410可以仅包括内部棱镜3412和外部棱镜3414之一。在仅包括内部棱镜3412的实施例中，内部棱镜3412可以位于窗口3202的内部。
根据本公开，光学接口包括位于挡风玻璃的外表面上的第一部分和位于车辆内的内部部分。在其他示例性实施例中，车辆内的内部部分位于挡风玻璃的内表面上。在其他实施例中，挡风玻璃光学接口被固定到挡风玻璃的内表面。如上所述，棱镜3410可包括定位在窗口或挡风玻璃3202的外表面3405上的第一部分(例如，外部棱镜3414)。同样如图34A所示，棱镜3410可以包括位于车辆内的第二部分(例如，内部棱镜3412)。内部棱镜3412可以位于窗口3202的内表面3403上。内部棱镜3412和外部棱镜3414可以分别固定到车辆底盘或框架的一部分，以便分别位于内表面3403和外表面3405上。在其他示例性实施例中，内部棱镜3412可以固定到窗口3202的内表面3403。如上所述，可使用粘合剂或胶将内部棱镜3412固定到窗口3202。还可以想到，通过将内部棱镜3412附接到车辆的一部分，可以将内部棱镜3412定位成与内表面3403接触。可以使用与以上关于内部棱镜3412所讨论的技术相似的技术将外部棱镜3414固定至窗口3202的外表面3405。
尽管棱镜3410已被示为具有大致长方体的形状，但是可以预期，可以将一个或多个棱镜弯曲以匹配由LIDAR系统将光发射到FOV的不同部分的不同角度。在图34B-34D中提供了一些示例。尽管这些图示示出了在竖直方向上的曲率，但是可以预期，棱镜可以附加地或替代地在水平方向或在任何其他方向上弯曲。
图34B示出了弯曲棱镜3430的示例性实施例，其可以包括内部棱镜3432和外部棱镜3434。内部棱镜3432可以向内朝LIDAR系统100突出，并且可以具有弯曲的内表面3436，该内表面3436可以面对LIDAR系统100。内部棱镜3432可以位于车辆内部，在LIDAR系统100和窗口3202之间，而外部棱镜3434可以位于窗口3202和位于窗口3202前面的环境3216之间。可以使用与以上关于棱镜3410以及内部棱镜3412和外部棱镜3414所讨论的技术相似的技术，将内部棱镜3432和外部棱镜3434定位或固定到窗口3202。
来自LIDAR系统100内的光源的光可以入射到内部棱镜3432的弯曲内表面3436上。外部棱镜3434可包括弯曲的外表面3438。穿过内部棱镜3432和外部棱镜3434透射的光可以通过弯曲的外表面3438离开棱镜3430。例如，如图34B所示，光线3204和3206可以入射在弯曲的内表面3436上，并且可以通过内部棱镜3432和外部棱镜3434折射以分别从弯曲的外表面3438作为光线3440和3442出现，其可以被传送到环境3216。
根据本公开的一些实施例，光学接口可以包括台阶状表面。根据本公开的其他实施例，光学接口可以包括带齿的表面。例如，一个或多个棱镜的形状可以被设计为对由LIDAR系统发射的激光光斑在通过窗口和一个或多个棱镜透射之后进行整形。如图34C和34D的示例所示，类似于菲涅耳透镜，棱镜3410和/或3430的一个或多个面可选地包括不连续的面。这些较窄的棱镜中的每个的面可以是平坦的或弯曲的。注意，每个这样的“菲涅耳棱镜”可以由连续的材料件(例如玻璃)制成，或者可以由相邻棱镜的阵列构造。此外，应注意，尽管这些图示示出了在竖直方向上的棱镜表面不连续，但是一个或多个棱镜可以包括在任何其他方向(例如水平方向)上的不连续表面。
举例来说，图34C示出了光学接口(例如棱镜3450)，其可以包括内部棱镜3412和外部棱镜3454。外部棱镜3454可以从窗口3202朝着环境3216向外突出。外部棱镜3454可包括台阶状外表面3459，其可包括一个或多个台阶状部分3456。如图34C所示，每个台阶状部分3456可包括水平表面3458和竖直表面3460。水平表面3458可以大体上平行于车辆的底盘或平行于地面。竖直表面3460可以大体上垂直于水平表面3460。邻近定位的水平表面3458和竖直表面3460可以彼此连接，从而形成台阶状但连续的外表面3459。可以设想，台阶状部分3456的尺寸和数量可以被选择为确保离开棱镜3450的光充分照射窗口3202前面的环境3216。同样如上所述，台阶状部分3456的表面3458和3460可以形成具有类似于菲涅耳透镜的特征的棱镜。还可以预期，使用台阶状部分3456可以帮助减小外部棱镜3452的厚度，从而有助于减少外部棱镜3452可以从窗口3202突出的量。
尽管在图34C中将表面3458和3460示为直的(或平坦的表面)，但是可以预期，表面3458和3460可以代替地通过弯曲(以凸或凹的方式)来帮助将LIDAR系统100发射的光引导至窗口3202前面的期望视场。另外，尽管已仅将外部棱镜3454示出为具有台阶状部分3456，但是可以预期，在一些示例性实施例中，内部棱镜3412还可包括类似的台阶状部分。内部棱镜3452和外部棱镜3454上的台阶状部分(例如3456)的数量可以相同或可以不同。在一些示例性实施例中，多个离散制造的台阶状部分3456可以彼此连接(例如，使用胶或透明粘合剂)以形成内部棱镜3452和外部棱镜3454中的一个或多个。在其他实施例中，可以通过在单个整体的内部棱镜3412或外部棱镜3454上机加工或以其他方式生成水平表面3458和竖直表面3460来形成部分3456。
图34D示出了另一示例性光学接口(例如，棱镜3470)，其可以包括内部棱镜3472和外部棱镜3474。外部棱镜3474可包括带齿的外表面3476，其可包括一个或多个带齿部分3476。如图34D所示，每个带齿部分3476可包括倾斜表面3478和3480。表面3478通常可相对于由例如车辆的底盘或地面限定的水平面倾斜。表面3480也可以大体相对于大体垂直于水平面布置的竖直平面倾斜。因此，表面3478和3480可以形成例如齿形。邻近定位的表面3478和3480可以彼此连接，从而形成带齿但连续的外表面3469。可以想到，带齿部分3476的尺寸和数量可以被选择为确保离开棱镜3470的光足够地照射窗口3202前面的视场。还可以预期，使用带齿部分3476可以帮助减小外部棱镜3472的厚度，从而有助于减少外部棱镜3472可以从窗口3202突出的量。
尽管在图34C中将表面3478和3480示为直的(或平坦的表面)，但是可以想到，表面3478和3480可以代替地通过弯曲(以凸或凹的方式)来帮助将LIDAR系统100发射的光引导至窗口3202前面的期望视场。在一些实施例中，仅外部棱镜3474可具有台阶状部分3476。在如图34D所示的其他示例性实施例中，内部棱镜3474也可包括类似于部分3476的带齿部分。内部棱镜3472和外部棱镜3474上的带齿部分(例如3476)的尺寸和数量可以相同或可以不同。在一些示例性实施例中，多个离散制造的带齿部分3476可以彼此连接(例如，使用胶或透明粘合剂)，以形成内部棱镜3472和外部棱镜3474中的一个或多个。在其他实施例中，可以通过在单个整体的内部棱镜3472或外部棱镜3474上机加工或以其他方式生成水平表面3458和竖直表面3460来形成部分3476。
可以预期，可以基于从LIDAR系统100入射在这些表面上的光束的尺寸或基于可能从环境3216入射在这些表面上的光束的尺寸来选择图34C的示例性棱镜3450中的台阶状部分3456的尺寸(例如，表面3458或3460的尺寸)。可以以类似的方式选择图34D的示例性棱镜3470中的带齿部分3476的尺寸(例如，表面3478或3480的尺寸)。此外，基于预期入射在这些表面上的光束的尺寸，表面3458、3460或3478、3480的尺寸可以是均匀的或不均匀的。棱镜3450或3470的取向、或表面3460和3470的取向可以被选择为使得来自LIDAR系统100和/或环境3216的光可以相对于表面3460或3470大体垂直地或以预定角度入射在表面3460和/或3470上。
注意，在一些实施例中，例如，LIDAR系统100进行的光发射可能需要相对于一个或多个棱镜(例如3410、3430、3450、3470等)进行校准，特别是如果一个或多个棱镜分离地制造和/或组装到窗口上。例如，校准可以包括匹配扫描LIDAR系统的扫描图案，使得将在棱镜的连续部分(例如，沿着图34D中例示的菲涅耳棱镜的行)处而不在相邻的带齿或台阶状部分(例如3456或3476)的交界处执行光的照射和/或接收。图35示出了示例性LIDAR系统100，其可以已经被校准以与棱镜3470一起使用。如图35所示，光线3502、3504、3506、3508、3510等形式的入射光可以落在内部棱镜3474上，内部棱镜3474可以具有一个或多个台阶状部分3476，每个台阶状部分都有表面3478和3480。如图35中所示，可以校准LIDAR系统100，使得光线3502、3504、3506、3508、3510中的每一个可以以预定的入射角入射在相应的表面3478上。在如图35所示的一个示例性实施例中，入射角可以是大约90°，但是也可以考虑其他角度。上面讨论的一个或多个棱镜(例如3410、3430、3450、3470等)可以具有任何形状，例如三角形、六边形或任何其他规则或不规则形状。还应注意，尽管主要关于LIDAR系统讨论了一个或多个棱镜(例如3410、3430、3450、3470等)，但是本公开的实施例不限于此，并且可以包括将所公开的棱镜与其他类型的光学系统(例如相机，投影仪等)一起使用。
根据本公开的各种示例性实施例，光学接口可以包括固定到挡风玻璃的次级窗口。在一些示例性实施例中，以上讨论的光学接口可以被包括在次级窗口(例如，较小的玻璃窗格)中，该次级窗口又被连接到窗口。次级窗口可以可拆卸地或固定地附接到现有的挡风玻璃。用光学接口固定单独的窗口可以避免必须更换车辆上的常规挡风玻璃，并且而是可以允许将LIDAR系统与常规挡风玻璃一起使用。
举例来说，图36示出了车辆系统3400的示例性实施例，其可以包括LIDAR系统100和挡风玻璃3202。挡风玻璃3202可以是在常规汽车上发现的常规平面或弯曲挡风玻璃或窗口。在如图36所示的一个示例性实施例中，车辆系统3400可以包括次级窗口3610。次级窗口3610可以位于LIDAR系统100和挡风玻璃3202之间。附加地或替代地，次级窗口3610可以位于窗口3202和环境3216之间。可以设想，在一些实施例中，次级窗口3610可以被定位成与挡风玻璃3202接触。还可以设想，在一些实施例中，次级窗口可以固定到窗口3202的内表面3403和/或外表面3405。尽管未在图36中示出，但是在一些实施例中，次级窗口3610可包括以上讨论的棱镜3410、3430、3450和/或3470中的一个或多个。在如图36所示的其他示例性实施例中，次级窗口3610可以包括抗反射涂层3612，该抗反射涂层3612可以被施加在次级窗口3610的表面3614上。抗反射涂层3612和表面3614可面向LIDAR系统100，使得由LIDAR系统100内的多个光源之一发射的光可入射在抗反射涂层3612上。抗反射涂层3612可以帮助确保入射在次级窗口3610上的更多光可以通过次级窗口3610和挡风玻璃3202投射到环境3216，而不是被反射回LIDAR系统100。
注意，抗反射层可以减少反射回窗口的入射侧的光量(例如，反射回车内或LIDAR系统)，并且而是可以引起更多(或全部)光被透射到窗口的另一侧(例如，朝向场景或环境3216)。抗反射层/涂层可以包括多于一层的材料(例如，以便以更大的入射度提高透射率)。在一些示例性实施例中，附加层、涂层和/或功能可以与抗反射一起实施(例如，在相同的次级窗口上，在交错层中等)。例如，其他层、涂层和/或功能可以包括以下一项或多项：
a.带通滤波；
b.频谱阻塞；
c.延迟(和其他相位操纵)；
d.偏光器；
e.光栅等。
抗反射层(以及可能还有可选的次级窗口)可以很薄。例如，抗反射层(以及可能还有可选的次级窗口)可以比窗口更薄。在一些示例性实施例中，抗反射层(以及可能还有可选的次级窗口)可以比窗口薄至少10倍。注意，抗反射层可以更薄，并且可以实施本领域已知的任何类型和尺寸的抗反射层或涂层。
在一些实施例中，抗反射层(以及可能还有可选的次级窗口)可以被包括在LIDAR系统的刚性壳体内(或部分地在其内)。在其他实施例中，抗反射层(以及可能还有可选的次级窗口)可以被实现为贴纸，其包括可以用于将相应部件连接到窗口的粘合层。可以将LIDAR系统设计为使得抗反射层(以及可能还有可选的次级窗口)足够薄，以不干扰窗口的清洁系统(例如，擦拭器)。
根据本公开的各种示例性实施例，光学接口包括光栅、棱镜或光偏转器中的至少一个。在如上所述的一些实施例中，光学接口可以是棱镜或可以包括抗反射涂层。在其他示例性实施例中，光学接口可以是光栅。举例来说，图37A示出了车辆系统3400的示例性实施例，该车辆系统3400可以包括LIDAR系统100、挡风玻璃3202和次级窗口3610。光栅3616或3618可被附接到次级窗口3610的表面3614。在如图37B所示的一个示例性实施例中，光栅3616可以由具有不同厚度的材料片材形成。例如，光栅3616可以包括可以由部分3622分开的部分3620。如图37B所示，部分3620的厚度可以大于部分3622的厚度。在如图37C所示的另一示例性实施例中，光栅3618可以形成为具有不同折射率的材料片材。例如，光栅3618可具有彼此相邻设置的部分3626和3628。光栅3618的部分3626和3628可以具有不同的折射率。进一步预期，在一些示例性实施例中，可以使用图37B和37C所示的光栅特性的组合来形成施加到次级窗口的光栅3616或3618。还可以预期，在一些示例性实施例中，可以在不需要次级窗口3610的情况下将光栅3616、3618或两者的组合直接施加到挡风玻璃3202的内表面3403。
如果实施次级窗口，则光栅层可以优选地在次级窗口的与窗口(例如，挡风玻璃)相对的一侧上实施，例如，对于内部次级窗口朝着光源、对于外部次级窗口朝着外部环境或FOV。注意，可选地，LIDAR系统可以朝向光栅层(例如，1102、1104)发射偏振光。还应注意，如果LIDAR系统的发射路径和接收路径不同(例如，使用不同的LIDAR系统窗口，不同的透镜，反射镜等)，则上述光学部件(例如，棱镜，抗反射镜，光栅)可被实施用于发射路径、接收路径或两者。在这样的上述光学部件(例如棱镜，抗反射层，光栅)用于发射和接收的LIDAR系统(例如双静态LIDAR系统)中，相同或不同的光学部件可以用于不同的路径(TX，RX)。例如，LIDAR系统可以包括用于发射路径的一个或多个棱镜、一个或多个抗反射层和/或一个或多个光栅层的第一布置，以及用于接收路径的一个或多个棱镜、一个或多个抗反射层和/或一个或多个光栅层的第二布置。
尽管本公开描述了光学接口(例如3410、3430、3450、3470)的示例，但是应当注意，本公开的各个方面在其最广泛的意义上并不限于所公开的光学接口的示例。还可以预期，一个或多个光学接口可以仅在挡风玻璃的特定部分上实施。例如，一个或多个光学接口可以仅在挡风玻璃的具有相对大的入射角(例如，大于约50°，大于约60°或大于约70°)的部分中实施。在一些示例性实施例中，可以通过与挡风玻璃分开地制造光学接口并且在挡风玻璃的期望区域中将它们连接到挡风玻璃来在挡风玻璃的一些但不是全部部分上实施一个或多个光学接口。此外，尽管上面已参考次级窗口3610讨论了抗反射涂层和光栅，但是可以预期，可以将抗反射涂层和/或光栅应用于上面讨论的一个或多个棱镜3410、3430、3450和/或3470的各种表面，或者可以应用于窗口3202的内表面3403和/或外表面3405。
可以预期的是，根据本公开的公开的车辆系统可以包括清洁机构(在汽车内部和/或外部)。例如，这种清洁机构可以包括擦拭器、高压通风口、水喷嘴等中的一个或多个。还可以想到，在一些示例性实施例中，已经存在于车辆上的常规擦拭器机构可以用于清洁光学接口和/或窗口。为了促进使用擦拭器清洁光学接口和/或窗口，光学接口和/或窗口可以包括视场外的机械过渡，以确保擦拭器可以扫过光学接口和/或窗口。例如，这样的机械过渡可以包括光学接口和/或次级窗口的倾斜和/或弯曲边缘。在一些示例性实施例中，根据本公开，车辆的擦拭器可适于扫过光学接口和/或窗口。例如，擦拭器可在擦拭器的相关“半径”处包括一个或多个柔性连接部件，以确保擦拭器可“爬上”并扫过一个或多个光学接口。
根据本公开，附加于上述一个或多个光学接口或作为其替代，所公开的车辆系统可包括内部透镜和外部透镜。举例来说，图38A示出了根据本公开的具有内部透镜和外部透镜的示例性车辆系统3400。如图38A所示，车辆系统3400可以包括LIDAR系统100，窗口3202和棱镜3410，尽管棱镜3430、3450和/或3470中的任何一个也可以用于图38A的配置中。车辆系统3400可进一步包括一个或多个内部准直透镜3810和/或一个或多个外部去准直透镜3820。内部准直透镜3810可以位于LIDAR系统100和内部棱镜3412之间。外部准直透镜3820可以位于外部棱镜3414和环境3216之间。
如图38A所示，来自LIDAR系统100的光可以入射在内部准直透镜3810上。例如，一个或多个MEMS镜1102的运动可以产生处于不同扫描角度的一个或多个光束。这些处于不同扫描角度的光束可以入射在内部准直透镜3810上，内部准直透镜3810可以将入射光转换成平行光束。平行光束可以穿过棱镜3410(包括例如内部棱镜3412和外部棱镜3414)。离开棱镜3410的光束可以入射在外部去准直透镜3820上。透镜3820可以恢复由LIDAR系统100发射的入射光的角度以重建足够宽的视场。应当理解，透镜3810和3820可以对从环境3216中的一个或多个物体反射的、被LIDAR系统100的一个或多个传感器接收的光起类似的作用(例如，准直成平行光束，以及重构角度)。此外，透镜3820可用于将LIDAR系统的角度孔径修改为彼此不平行的光束传播方向。
根据本公开的LIDAR系统可以包括光源，光源被配置为投射光以照射在LIDAR系统外部的环境中的物体。LIDAR系统还可以包括扫描单元，该扫描单元被配置为使来自光源的光偏转以便扫描环境的至少一部分。如上所述，通过示例的方式，图1A示出了示例性扫描单元，而图2A-2C示出了LIDAR系统的示例性实施例以及根据本公开的实施例的光源(例如112)。
根据本公开，扫描单元包括被配置为绕至少一个轴线枢转的可移动MEMS反射镜。如上所述，图11A-25示出了MEMS反射镜组件的各种示例性实施例，MEMS反射镜组件包括被配置为使MEMS反射镜关于一个或多个轴线移动的一个或多个连接器。所公开的MEMS反射镜(例如1102)可以将来自光源(例如112)的光引导通过光学接口(例如3410、3430、3450、3470等)并沿着例如由光线3204、3206限定的光路。
根据本公开的一些示例性实施例，LIDAR系统包括配置为利用光学接口将LIDAR系统连接到车辆的连接器，光学接口被配置用于定位在车辆内并沿着LIDAR系统的光路。如上所述，图32A示出了可以将LIDAR系统100连接到车辆的一些部分的示例性连接器3218。如上所述，图32A和34A-38G示出了与窗口或挡风玻璃相关联并且沿着示例性LIDAR系统的光路(例如，由图32A中的光线3204、3206、3420和3422定义)定位的光学接口的各种示例性实施例。
在根据本公开的一些示例性实施例中，当LIDAR系统连接至车辆时，光路从光源延伸穿过车辆的倾斜挡风玻璃。穿过倾斜的挡风玻璃之前的光路的光学角度可以相对于倾斜的挡风玻璃的邻近表面以第一角度定向。如上所述，来自LIDAR系统100的光源的光可以穿过窗口3202(例如，倾斜的挡风玻璃)。同样如上所述，在所公开的实施例中，穿过挡风玻璃之前的光路的光学角度可以以第一角度定向，例如1。
根据本公开的一些示例性实施例，LIDAR系统包括至少一个传感器，其被配置为检测通过挡风玻璃光学接口接收的光，其中，光学接口被配置为将光路的光学角度从第一角度改变为第二角度，使得在第二角度处，通过挡风玻璃折射的光与从挡风玻璃反射的光之间的比率大于约0.3。如上所述，通过示例的方式，图4A-4C示出了根据本公开的实施例的传感器(例如116)的示例性实施例。传感器116可以被配置为接收和检测通过光学接口(例如3410、3430等)的光。还如上所述，可以预期，通过挡风玻璃折射的光量与从挡风玻璃反射的光量之间的比率可以大于约0.2，大于约0.25，大于约0.3，大于约0.35或大于约0.4等。
根据本公开的一些示例性实施例，LIDAR系统包括至少一个处理器。如上所述，通过示例的方式，图2A和2B示出了根据本公开的实施例的处理器(例如118)的示例性实施例。根据本公开，处理器被配置为基于从至少一个传感器接收的信号来确定车辆与物体之间的距离。如以上所讨论的，并且作为示例，如图2A所示，处理器118可以被配置为基于由至少一个传感器(例如118)产生的一个或多个信号来确定可以与车辆相关联的LIDAR系统100和物体208之间的距离。
根据本公开的实施例，在LIDAR系统中，光学接口的至少一部分从挡风玻璃突出。在一些示例性实施例中，光学接口的突出部是向内的。在其他示例性实施例中，光学接口的突出部是向外的。在以上在图34A中示出的，棱镜3410可以在两侧从窗口3202突出，尽管可以设想棱镜3410可以仅在一侧从窗口3202突出。棱镜3410的内部棱镜3412可以从窗口3202向内朝向LIDAR系统100突出。外部棱镜3414可以从窗口3202向外朝朝向环境3216突出。
根据本公开的实施例，在LIDAR系统中，光学接口仅位于挡风玻璃的内部。参考图34A，在一些示例性实施例中，棱镜3410可仅包括内部棱镜3412和外部棱镜3414之一。在仅包括内部棱镜3412的实施例中，内部棱镜3412可以位于窗口3202的内部。
根据本公开，LIDAR系统的光学接口包括位于挡风玻璃的外表面上的第一部分和位于车辆内的内部部分。在其他示例性实施例中，车辆内的内部部分位于挡风玻璃的内表面上。在其他实施例中，挡风玻璃光学接口被固定到挡风玻璃的内表面。如图34A中所述，棱镜3410可包括定位在窗口或挡风玻璃3202的外表面3405上的第一部分(例如，外部棱镜3414)。还如图34A中所述，在其他示例性实施例中，内部棱镜3412可以固定到窗口3202的内表面3403。
根据本公开的一些实施例，LIDAR系统的光学接口可以包括台阶状表面。根据本公开的其他实施例，光学接口可以包括带齿的表面。举例来说，图34C示出了光学接口(例如棱镜3450)，其可以包括内部棱镜3412和外部棱镜3454。如上所述，外部棱镜3454可包括台阶状外表面3459，其可包括一个或多个台阶状部分3456。如上所述，图34D示出了外部棱镜3474可包括带齿外表面3476，其可包括一个或多个带齿部分3476。
根据本公开的各种示例性实施例，在LIDAR系统中，光学接口可以包括固定到挡风玻璃的次级窗口。如上所述，图36示出了车辆系统3400的示例性实施例，其可以包括次级窗口3610。
根据本公开的各种示例性实施例，在LIDAR系统中，光学接口包括光栅、棱镜或光偏转器中的至少一个。如上所述，图37A示出了可以附接到次级窗口3610的表面3614的光栅3616或3618的示例性实施例。
对于将LIDAR系统安装在车辆内并且其投射光通过挡风玻璃(或其他窗口，例如后窗或侧窗)进行传输的各种配置，请注意，如果LIDAR系统与窗口之间的连接可能将LIDAR辐射泄漏到车辆内部，则这种泄漏可能会引起人眼安全问题，可能会干扰车辆中的其他系统，等等。
在汽车可遇到物体的情况中，来自挡风玻璃的反射可入射到汽车内部。这些物体继而可以反射射向它们的光，并且它们的反射率可能具有通常不受控制的朗伯性质和/或镜面性质。例如，泄漏的光可能不可控地从汽车仪表板偏转。反射的激光可能对坐在汽车中的人的眼睛有害，也可能会反射回LiDAR，从而产生不希望的噪声/虚构目标或其他问题。
在典型的私家车倾角接近25度角或更小时，挡风玻璃上以具有很大入射角的某些角度进行的反射会相对较强，这会使问题更加严重。
可以使用以下LIDAR系统(以及与车辆内的LIDAR系统一起安装的光控制系统)以阻止光泄漏，其方式不会影响LiDAR的功能。
下列系统针对杂散光实施以下一项或两项：
1、将光反射到反射不会干扰或不被吸收的区域。
2、以“足够”的方式吸收光(取决于LiDAR规格)。
相对于扫描的LIDAR视场的不同部分和/或车辆内部的不同部分，可以实施不同的解决方案。
图38B是根据当前公开的主题的示例的LIDAR系统3856和光学部件的示例，光学部件被设计和定位为将光反射到反射不干涉或可以被吸收的区域。激光束3851从挡风玻璃3852反射并反射到内壳3853，该内壳再次将光3854反射到期望的位置。如图38C所示，期望位置可以是另一光束阱3855(图38B)，或者甚至可以是朝着车辆外部。
图38D中表示了另一种光反射策略。激光束3851从挡风玻璃3852反射并反射到吸收撞击激光束的内壳3853。图38E-38G示出了可以与内壳3853和/或光束阱3855结合使用以吸收撞击激光束的三种潜在结构。图38B-38G中所示的任何示例可以与本公开中其他地方讨论的任何结构或系统配置结合使用或作为其部分或全部替代。
根据本公开的实施例，公开了一种在车辆系统中校准LIDAR系统的方法。该方法可以包括将LIDAR系统定位在与车辆相关联的窗口的环境内的步骤。举例来说，图39示出了根据当前公开的主题的用于校准LIDAR系统的示例性方法3900。可以设想，校准方法3900也可以用于“菲涅耳棱镜”或以上参考例如图34A-38G讨论的其他非连续类型的棱镜。为了说明的目的，提供了方法3900中的步骤的顺序和安排。从本公开中将意识到，可以通过例如添加、组合、移除和/或重新布置方法3900的一个或多个步骤来对方法3900进行修改。
方法3900可以包括将LIDAR系统(或其一部分)和/或一个或多个棱镜定位在窗口(例如汽车的挡风玻璃3202)的环境内的步骤3910。定位LIDAR系统(例如，LIDAR系统100)可以包括定位LIDAR系统(例如，100)的照射模块(例如，光源112)和/或传感器(例如，116)。如上所述，系统的一些部分(例如棱镜3410、3430、3450、3470等)可以与车辆的现有部件一起制造(例如，集成到窗口中的棱镜；与车辆系统集成的LIDAR部件)等。
根据本公开的一些实施例，该方法可以包括使用与LIDAR系统相关联的光源照射至少一个光学接口的步骤。举例来说，图39示出了方法3900的示例性步骤，其可用于校准LIDAR系统(例如，LIDAR系统100)的光的发射和/或接收。注意，校准可以包括确定LIDAR系统的扫描模块(例如，反射镜，光学相控阵列)的扫描图案、LIDAR系统的照射图案、LIDAR系统的光学部件的定位、LIDAR系统的操作参数(例如传感器的动态范围)的修改、和/或以上各项的任意组合。例如，校准可以包括匹配扫描LIDAR系统的扫描图案，使得将在棱镜的连续部分(例如，表面3460或3480)处执行光的照射和/或接收(例如，沿着图34D中所示的菲涅耳棱镜的行)。
方法3900可以包括通过使用例如LIDAR系统的一个或多个光源(例如112)来照射棱镜的步骤3920。在一些示例性实施例中，步骤3920中的照射可以由位于邻近窗口(例如，窗口3402)的外部系统执行。注意，当校准传感器和/或接收路径时，还可以使用由LIDAR系统进行的附加或替代照射。可以同时执行两个方向的校准，例如，出射照射(例如，从LIDAR系统100行进到环境3216的光)和入射照射(例如，从环境3216行进到LIDAR系统100的光)。
根据本公开的示例性实施例，校准LIDAR系统的方法可以包括以下步骤：在光已经与至少一个光学接口相互作用之后，使用至少一个传感器来检测来自光源的光。例如，如图39所示，方法3900可以包括在光已经与一个或多个棱镜光学相互作用(例如，被反射，折射，衍射等)之后检测光的步骤3930。步骤3930可以包括检测透射光和/或反射光。步骤3930中的光的检测可以由LIDAR系统(例如100)的一个或多个传感器(例如116)执行。在一些示例性实施例中，步骤3930中的光的检测可以由位于邻近窗口的外部系统执行(例如，当校准照射图案和/或透射路径的扫描时)。附加地或替代地，LIDAR系统的传感器(例如116)可以在校准期间与外部系统一起使用。可以并发地执行两个方向的校准，例如出射照射(例如，从LIDAR系统100行进到环境3216的光)和入射照射(例如，从环境3216行进到LIDAR系统100的光)。
根据本公开的一些示例性实施例，校准LIDAR系统的方法可以包括以下步骤：基于来自至少一个传感器的信号来修改LIDAR系统的至少一个操作参数。方法3900可以包括基于例如步骤3930中的光检测的结果来修改LIDAR系统的操作参数的步骤3940。可以被确定和/或被修改的操作参数的一些示例可以包括：
a.LIDAR系统的扫描模块(例如反射镜，光学相控阵等)的扫描图案；
b.LIDAR系统的照射图案；
c.LIDAR系统的光学部件的定位；
d.LIDAR系统传感器的操作参数(例如动态范围，偏差)。
例如，方法3900中的校准可以包括匹配扫描LIDAR系统的扫描图案，使得将在棱镜的连续部分(例如，表面3460或3480)处执行光照射和/或接收(例如，沿着图34D所示的菲涅耳棱镜的行)。
图40是流程图，示出了用于在车辆上安装LIDAR系统和光学接口的示例性方法4000。特别地，方法4000示出了用于在已经配备有LIDAR系统(例如，LIDAR系统100)的车辆上安装光接口的步骤。为了说明的目的，提供了方法4000中的步骤的顺序和安排。从本公开中将认识到，可以通过例如添加、组合、移除和/或重新布置过程4000的一个或多个步骤来对过程4000进行修改。
方法4000可以包括从安装在车辆中的LIDAR系统的一个或多个光源(例如112)投射光的步骤4010。投射光可包括操作一个或多个MEMS反射镜组件(例如1100)，以将一个或多个光束投射向位于LIDAR系统前面的挡风玻璃(例如窗口3402)的不同部分。例如，与LIDAR系统100相关联的一个或多个控制器(例如118)可以向一个或多个MEMS反射镜组件的一个或多个致动器(例如1112)发出指令，以调整一个或多个MEMS反射镜(例如1102)的位置，使得来自LIDAR系统100内的光源的光可以被投射到挡风玻璃3402的不同部分上。
方法4000可以包括在不同的窗口位置处检测光的步骤4020。在一些示例性实施例中，这可以通过将一个或多个传感器放置在车辆外部来实现，例如在挡风玻璃前的视场中。在其他示例性实施例中，例如在步骤4010中，车辆内的LIDAR系统可以检测从挡风玻璃的光可以投射到其上的不同位置接收到的光。
方法4000可以包括步骤4030，其基于检测到的光来确定挡风玻璃上一个或多个光学接口的位置。例如，如上所述，来自挡风玻璃的透射光的量是光的光学入射角的函数。因此，与LIDAR系统(例如100)相关联的一个或多个控制器(例如118)可以基于车辆外部的传感器接收到的信号或基于LIDAR系统检测到的光来确定通过各个窗口位置透射的光的量。与LIDAR系统相关联的一个或多个控制器可以确定需要放置一个或多个光学接口的挡风玻璃上的位置，以例如增加通过挡风玻璃的该部分的透射光的量，或者例如以确保由LIDAR系统投射的预定量的光透射通过窗口。在一些示例性实施例中，一个或多个控制器还可以确定例如增加通过光学接口的光的透射率所需的一个或多个光学接口的光学特性。
方法4000还可包括将一个或多个光学接口附接到挡风玻璃的步骤4040。例如，在步骤4040中，一个或多个光学接口(例如3410、3430、3450、3470等)可以基于例如在步骤4030中确定的光学接口的位置被定位成与窗口3402的内表面3403和/或外表面3405中的一个或多个邻近或接触。定位光学接口后，可以重复方法4000的步骤4010-4040，以优化通过窗口3402投射的光量。
可以设想，在一些实施例中，可以在将光学接口安装在车辆的窗口上之后将LIDAR系统安装在车辆中。在这些情况下，可以使上述校准方法3900适用于将LIDAR系统安装在车辆中，并基于已安装在车辆的窗口上的光学接口来校准已安装的LIDAR系统。在一个示例性实施例中，在将LIDAR系统(例如，LIDAR系统100)安装在已经包括与窗口3402相关联的一个或多个光学接口3410、3430、3450和/或3470的车辆中之后，可执行步骤3920-3940以校准LIDAR系统。
上面讨论了本公开的几个方面。要注意的是，以上讨论的例如关于任何一个或多个附图的特征、方面、特性、结构等的任何可行的组合都可以被实现为被认为是本公开的一部分。出于诸如本公开的简洁和简明的原因，未对那些可行的组合中的一些进行详细讨论，但是这些组合仍然是本公开的一部分，并且鉴于上述公开，它们对于本领域技术人员呈现其本身。
图41A示出了根据当前公开的主题的示例的微机电(MEMS)系统。MEMS系统4100包括活动区域(例如，如图41A的示例中所示的MEMS反射镜)和框架(例如，在以上描述中也称为“支撑件”)。可行地，除了多个互连件之外，活动区域与框架完全隔开(其任何部分都可以从框架的平面移动)。框架可以包括连续的框架(例如，如图11A和11B所示)或由两个或更多个分开的部分组成的框架(例如，可选地如图41A所示)。
MEMS系统4100包括两种类型的致动器——至少一个第一致动器和至少一个第二致动器。不同类型的致动器允许活动区域沿不同方向移动。即使两种类型的连接器中的压电材料都在晶片的同一侧(例如顶部，如图所示)中实施，这也可以实现。此外，所提出的结构允许使用在晶片的同一侧上实施的压电元件在相反的方向上(例如，进入图的表面中和从其出来)移动MEMS系统的活动区域，同时所有压电元件都用于拉(收缩)模式，而无需任何压电元件在推(伸展)模式下工作。
每个第一致动器具有机械地连接到框架的第一端和与第一端相对并通过第一互连元件机械地连接到活动区域的第二端。每个第一致动器包括第一致动器主体(例如，Si层，可以由与框架相同的Si层制成)，以及第一压电元件，该第一压电元件配置成使第一致动器主体弯曲并且在经受第一电场时使活动区域沿第一方向移动。在所示的示例中，使第一压电元件收缩将使第一致动器主体从图的表面拉出(朝向观察者)。
每个第二致动器具有第三端、中间部分和与第三端相对的第四端。第三端和第四端机械地连接到框架。中间部分通过第二互连元件机械地连接到活动区域。第二致动器包括第二致动器主体和第二压电元件，所述第二压电元件被构造成当受到第二电场时使所述第二致动器主体弯曲并在与所述第一方向相反的第二方向上移动所述活动区域。在所示的示例中，使第一压电元件收缩将推动第二致动器主体比图的表面更深(远离观察者)。这可以是由于压电材料变得比其上实施了压电材料的Si层短，从而推动了Si，以使压电元件收缩。
注意，不同的操作机制可能要求与框架的连接的刚性不同。例如，在第一端到框架的连接可以是最刚性的，而在第三端和第四端到框架的连接可以更柔性。互连元件本身也可以具有不同的刚性等级。例如，第二互连件可以是半刚性的。
如前所述，所有压电元件可以在硅层(或制造框架的任何其他一个或多个层)的同一侧上实现。例如，第一压电元件可以位于第一致动器主体的顶部，第二压电元件可以位于第二致动器主体的顶部。
如图41A的示例所示，两个或更多的第一致动器可以成对地设置，使得第一致动器的第二端彼此邻近。那些第一端可定位成靠近相邻第二致动器的中间部分。通常，第一互连元件和第二互连元件可以彼此相邻地连接到活动区域(例如，如图41A所示)。
可选地，MEMS系统4100可包括多个致动组件，所述多个致动组件在不同侧连接到活动区域，每个致动组件包括至少一个第一致动器和至少一个第二致动器。在所示的示例中，存在两个致动组件(在MEMS反射镜的左边和右边)，每个致动组件均包括单个第二致动器和两个第一致动器。致动组件的所有致动器的连接点可以彼此靠近，例如，如图所示。
可选地，MEMS系统4100可以包括连接在活动区域的第一侧的第一致动组件(例如，图41A的左致动组件)和连接在活动区域的与第一侧相对的第二侧的第二致动组件(例如图41A的右致动组件)。第一致动组件的第一致动器(例如致动器B2)在第一方向上移动活动区域，并发地第二致动组件的第二致动器(例如致动器A1)在第二方向上移动活动区域。当然，这可以导致活动区域(例如MEMS反射镜)绕其他区域的轴线(无论是实际轴线还是假想旋转轴线)旋转。注意，可以使用多于一个的致动器来沿给定方向并发地移动活动区域。在其他时候，可以使用致动器的不同组合来相对于框架移动、旋转或平移活动区域。
图41B和41C示出了用于位于活动区域的不同侧的不同致动组件的可选致动命令(例如，电压，偏置，电流)的两个示例。可以看出，不同致动组件的致动器可以同时接收相似的命令，而单个致动组件的致动器可以同时接收相反的命令(因为它们沿相反方向运动的致动结果)。参照图41A的示例，致动器A1、A2和A3统称为“A”，而致动器B1、B2和B3统称为“B”。
要注意的是，可以使用多于两个的致动组件，以便以多于一个的自由度中移动活动区域，可能在两个或更多个轴线中。可选地，多个致动组件可以至少包括：第一致动组件、第二致动组件、第三致动组件和第四致动组件，它们共同地构造成以二维运动来移动活动区域。参照图41A的示例，第三致动组件可以位于图的顶部，而第四致动组件可以位于图的底部。
显然，MEMS系统4100可以用于LIDAR系统，其可以进一步包括处理器，该处理器被配置为处理由MEMS反射镜反射的光的检测信号。例如，MEMS系统4100可以被实施为LIDAR系统100的反射镜组件。包括MEMS系统4100的LIDAR系统可以进一步包括控制器，该控制器被配置为修改施加到至少一个第一致动器和至少一个第二致动器以移动MEMS反射镜以扫描LIDAR系统的视场的电场。
图41D示出了根据当前公开的主题的示例的其中将致动器表示为弹簧的概念图以及在活动区域移动期间施加于致动器的不同部分的应力的图。
注意，LIDAR系统可以包括系统4100的多个MEMS反射镜(例如，以反射镜阵列布置)和控制器，该控制器被配置为移动多个MEMS反射镜(例如，以协调的方式)。
图42A示出了根据当前公开的主题的示例的MEMS系统4200。MEMS系统4200包括活动区域(例如，如图42A的示例中所示的MEMS反射镜)和框架(例如，在以上描述中也称为“支撑件”)。可行地，除了多个互连件之外，活动区域与框架完全隔开(其任何部分都可以从框架的平面移动)。框架可以包括连续框架(例如如图42A所示)或由两个或多个分开的部分组成的框架。
MEMS系统4200还包括多个致动器对，每对致动器包括两个成对的致动器，其使用分开的互连件分开地连接到靠近活动区域的位置。例如，在图中有四个致动器对：对A(包括致动器A1和A2)，位于图的顶部；对B(包括致动器B1和B2)，位于图的底部；对C(包括致动器C1和C2)，位于图的左部；对D(包括致动器D1和D2)，位于图的右部。在每一对中，互连件连接到的致动器端可以指向彼此(例如，如图所示)。
尽管可以使用不同的致动方法，例如静电或电磁致动，但是可选地，可以通过压电致动来致动致动器。可选地，每个致动器可以包括主体(例如，由硅制成)和压电元件。压电元件被配置成在受到电场时弯曲主体并移动活动区域。在系统4200中，成对的致动器的压电元件可以被配置为在受到电场时沿相同方向弯曲致动器并移动活动区域。
总体上参考系统4200，多个致动器对包括：第一致动器对(例如，对A)，其致动器被配置为围绕第一轴线旋转活动区域；以及第二致动器对(例如，对C)，其致动器被配置为围绕第二轴线旋转活动区域。注意，MEMS系统4200可包括多于一个的第一致动器对，其被配置为围绕第一轴线旋转活动区域(例如，对A和B)和/或多于一个的第二致动器对，其被配置为围绕第二轴线旋转活动区域(例如，对C和D)。如果多于一对的致动器可以使活动区域绕给定轴线旋转，则这些致动器可以并发地、部分并发地、交替地或根据任何其他定时方案来操作。
图42B示出了根据当前公开主题的示例的在系统4200的一对致动器的操作期间的两种状态。当每对致动器以同步的方式一起运动时，这对致动器中的两个致动器都引起垂直于框架平面的运动，而致动器的成对的结构使框架平面中的运动彼此抵消。而且，每对中的致动器和互连件的结构可以由于通过移动相应的一对致动器而产生的围绕其他轴线的运动的影响而提供足够的弹性。例如，可以通过第二对致动器的结构来控制由第一对致动器施加在活动区域上的力，从而限制第二对致动器的最终运动。
可选地，第二轴线基本垂直于第一轴线。
可选地，互连件可以是细长的，以允许当从框架的平面延伸时，成对的致动器彼此远离地移动。
可选地，互连件可以在致动器的远离侧处连接到致动器，该远离侧与活动区域远离(例如，如图42A和42B所示)。
可选地，第一致动器对的运动使活动区域基本上仅绕第一轴线旋转，而第二致动器对的运动使活动区域基本上仅绕第二轴线旋转。
可选地，第一致动器对可以被配置为使活动区域绕第一轴线旋转，而第二致动器对使活动区域绕第二轴线旋转。
可选地，致动器中的至少一个包括部署在致动器的顶部上的压电元件，并且致动器中的至少另一个包括部署在另一致动器的底部上的压电元件。
可选地，多个致动器可以与活动区域的曲率相反地弯曲(例如，如图42A和42B所示)。可选地，多个致动器可以是弯曲的，使得每个致动器的连接到框架的一端与活动区域的边缘的距离比互连件所连接到的致动器的另一端更远。距离之间的差可以是至少三倍，至少五倍，至少十倍。这样的距离图42A中在致动器B2旁边示出。
系统4200中的致动器的可选弯曲可用于将细长的致动器压缩在MEMS系统的相对较小的区域中。对称部署的致动器的结构为该结构提供了足够的刚度(并因此对较低的振动频率具有较低的响应)，以使致动器的伸长不会妨碍系统的频率响应。致动器的细长结构可以被实施为以便允许在框架的平面外的大幅度的运动。要注意的是，弯曲的角度足够是钝角的，使得每个致动器的压电元件将不会对其自身起作用。
显然，MEMS系统4200可以用于LIDAR系统，其可以进一步包括处理器，该处理器被配置为处理由MEMS反射镜反射的光的检测信号。例如，MEMS系统4200可以被实施为LIDAR系统100的反射镜组件。包括MEMS系统4200的LIDAR系统可以进一步包括控制器，该控制器被配置为修改施加到至少致动器以移动MEMS反射镜以扫描LIDAR系统的视场的电场。
注意，LIDAR系统可以包括系统4200的多个MEMS反射镜(例如，以反射镜阵列布置)和控制器，该控制器被配置为移动多个MEMS反射镜(例如，以协调的方式)。
如关于图42A至图42B所描述的，通过同步的致动器对进行的致动可以用于不同的MEMS系统中，例如MEMS系统4100和2600。
图43示出了根据当前公开的主题的示例的MEMS系统4300。系统4300包括多个绝缘体层，其用于提高制造过程的精度。MEMS系统4300的底部包括具有不同高度的元件。例如，可以在活动区域的底侧上制造加强子结构(例如肋)，以在保持其重量相对较低的同时为其提供结构强度。可以通过蚀刻来制造这种不同的高度，但是在同一过程中制造的MEMS系统之间的差异中，蚀刻工艺可能在形状和深度上都存在误差。
所提出的系统包括在两个不同的蚀刻步骤中使用的两个蚀刻停止层(例如，氧化硅，其他氧化物或另外的绝缘体层)。
公开了一种用于制造MEMS系统的方法，该方法包括：
获得包括至少五个不同层(例如，包括如上所述的至少两个单独的蚀刻停止层)(例如，包括至少两层硅或其他类似材料)的晶片；
蚀刻晶片的第一层(例如，底层)的部分(例如，使用氧化物或另外的蚀刻材料)，其中第一蚀刻停止层作为用于该蚀刻工艺的停止层。例如，使用层4321作为蚀刻工艺的停止层来蚀刻Si层4311的部分；
蚀刻、研磨或以其他方式去除第一蚀刻停止层的部分(例如，使用另外的蚀刻技术)；和
蚀刻晶片的第二层(例如，底层)的部分(例如，使用氧化物或另外的蚀刻材料)，其中第二蚀刻停止层用作该蚀刻工艺的停止层。例如，使用层4322作为蚀刻工艺的停止层来蚀刻Si层4312的部分。第二蚀刻工艺可以实施掩模，以产生用于MEMS系统(例如MEMS系统4300)的活动区域(例如MEMS反射镜)的子结构。
该方法可以包括本领域已知的其他处理步骤，例如涂层(例如，光致抗蚀剂涂层)，对准，曝光和显影，干法蚀刻，光致抗蚀剂去除等。该方法可以包括将玻璃晶片的一部分作为保护层连接(例如，结合)到上述多层晶片。尽管不是必须的，但是可以在蚀刻步骤之前执行玻璃部分(或另一透明材料)的连接。玻璃晶片可以被处理(例如蚀刻，研磨)以提供中空部，MEMS系统的活动区域可以在其中移动。
参考上面讨论的所有MEMS系统，要注意的是，以上所有系统可以被实施为包括由相应的致动器致动的多个活动区域。一些致动器可以连接到多于一个的活动区域，但这不是必须的。以上讨论的任何MEMS系统的控制器可以被配置为以同步方式致动这种活动区域阵列中的活动区域(例如，反射镜)。
还应注意，尽管为了简化公开，以上在本公开的副标题部分中讨论了MEMS系统的不同方面，但是MEMS系统4100、2600、4200、1100和4300(或其部分，例如致动器、互连件、活动区域等)的特征的任何组合可以被实施，并且被认为是本公开主题的一部分。上面提供了这种可能的组合的一些非限制性示例。
值得注意的是，在一些图中，字母“PZT”用于表示一个或多个压电元件。注意，这样的压电元件可以由锆钛酸铅钛酸盐(称为“PZT”)或任何其他压电材料制成。
出于说明的目的已经给出了前面的描述。它不是穷举的，并且不限于所公开的精确形式或实施例。通过考虑所公开的实施例的说明书和实践，修改和适应对于本领域技术人员将是显而易见的。另外，尽管将所公开的实施例的各方面描述为存储在存储器中，但是本领域技术人员将理解，这些方面也可以存储在其他类型的计算机可读介质上，例如辅助存储装置，例如，硬盘或CD ROM或其他形式的RAM或ROM，USB介质，DVD，蓝光或其他光盘驱动介质。
此外，尽管本文已经描述了说明性实施例，但是本领域技术人员将基于本公开理解具有等同要素、修改、省略、组合(例如，各个实施例的各方面)、改编和/或变更的任何和所有实施例的范围。权利要求中的限制应基于权利要求中使用的语言来广义地解释，并且不限于本说明书中描述的或在申请本申请期间的示例。这些示例应被解释为非排他性的。此外，可以以任何方式修改所公开的方法的步骤，包括通过重新排序步骤和/或插入或删除步骤。因此，本说明书和实施例仅被认为是说明性的，真实的范围和精神由所附权利要求及其等同物的全部范围指示。
Claims (14)
1.一种MEMS扫描装置，包括：
可移动MEMS反射镜，被配置为绕至少一个轴线枢转；
至少一个致动器，被配置为使所述可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线在第一方向上枢转；
至少一个弹簧，被配置成使所述可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线在不同于所述第一方向的第二方向上枢转；并且，其中所述至少一个致动器包括：
第一致动臂；
第二致动臂；
所述第一致动臂与所述第二致动臂之间的间隙；和
一个或多个连接器，其将所述第一致动臂和所述第二致动臂中的至少一个连接至所述可移动MEMS反射镜，
其中，所述第一致动臂和所述第二致动臂彼此相邻，通过所述间隙彼此至少部分地分开，并被配置为被同时致动，从而使得能够在所述可移动MEMS反射镜上施加组合机械力以使所述可移动MEMS反射镜绕所述至少一个轴线枢转，
其中所述至少一个致动器直接连接到所述可移动MEMS反射镜。
2.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述至少一个致动器包括第一致动器和第二致动器，所述第一致动器包括所述第一致动臂和所述第二致动臂，并且所述第二致动器包括第三致动臂和第四致动臂，并且其中所述至少一个轴线包括第一轴线和第二轴线，所述第一致动臂和所述第二致动臂配置为同时作用以使所述可移动MEMS反射镜绕所述第一轴线枢转，并且所述第三致动臂和所述第四致动臂配置为同时作用以使所述可移动MEMS反射镜绕所述第二轴线枢转。
3.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述第一致动臂和所述第二致动臂具有不同的长度。
4.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述第一致动臂和所述第二致动臂具有不同的宽度。
5.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述第一致动臂与所述第二致动臂不同地成形。
6.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述一个或多个连接器包括单个连接器，其将所述第一致动臂和所述第二致动臂连接至MEMS反射镜。
7.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述一个或多个连接器包括连接器，其将所述第一致动臂和所述第二致动臂中的至少一个连接至所述可移动MEMS反射镜，所述连接器为L形形状。
8.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
连接器将所述第一致动臂和所述第二致动臂中的至少一个连接至所述可移动MEMS反射镜，所述连接器为S形形状。
9.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述一个或多个连接器包括第一连接器和第二连接器，所述第一连接器将所述第一致动臂连接至MEMS反射镜，所述第二连接器将所述第二致动臂连接至MEMS反射镜。
10.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述一个或多个连接器包括连接臂，所述连接臂连接到MEMS反射镜，并且将所述第一致动臂和所述第二致动臂连接至彼此。
11.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述第一致动臂和所述第二致动臂中的每一个包括外侧和相对的内侧，所述内侧比所述外侧更靠近所述可移动MEMS反射镜，并且其中，所述一个或多个连接器包括第一连接器和第二连接器，所述第一连接器连接到所述第一致动臂的相对的内侧，所述第二连接器连接到所述第二致动臂的外侧。
12.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述间隙包括狭缝。
13.根据权利要求12所述的MEMS扫描装置，其中，
所述狭缝的宽度小于所述第一致动臂的平均宽度的5％。
14.根据权利要求1所述的MEMS扫描装置，其中，
所述间隙填充有固定的非反射材料。
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