CN112020662A - 具有光学器件和固态探测器的光探测和测距传感器以及相关联的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了与光探测和测距(LIDAR)应用相关联的系统和技术。在一个代表性方面中，该技术可以用于实现传感器装置。该传感器装置包括：电磁能量发射器模块，其被定位成发射指向一个或多个对象的电磁能量束；光束操纵模块，其被定位成接收从一个或多个对象反射的电磁能量束的至少一部分；以及接收器单元阵列，其被定位成将电磁能量束的一部分转换成多个电信号。光束操纵模块还被定位成将电磁能量束的一部分引导到接收器单元阵列，其中，各个接收器单元被定位成探测来自电磁能量束的一部分的多个光信号并将多个光信号转换成电信号。

Description

具有光学器件和固态探测器的光探测和测距传感器以及相关 联的系统和方法
技术领域
本公开内容总体上般涉及自主感测，并且更具体地涉及与光探测和测距(LIDAR)应用相关联的部件、系统和技术。
背景技术
随着其不断提高的性能和降低的成本，智能机械如今广泛用于许多领域。代表性任务包括作物监控、房地产摄影、建筑物和其他结构监测、消防和安全任务、边境巡逻和产品交付等。对于障碍物探测以及其他功能，对智能机械有益的是配备障碍物探测和周围环境扫描装置。光探测和测距(LIDAR，也称为“光雷达”)提供可靠和准确的探测。然而，为了获得外部环境的准确模型，LIDAR系统需要来自环境的高密度数据信号。这种需求会增加制造LIDAR系统的光学和电气部件的复杂性和成本。因此，仍然需要用于实现由智能机械和其他物体承载的LIDAR系统的改进技术。
发明内容
本公开内容涉及与光探测和测距(LIDAR)系统相关联的部件、系统和技术。
在一个代表性方面中，所公开的技术可以用于实现传感器装置。所述传感器装置包括：电磁能量发射器模块，其被定位成发射指向第一视场内的一个或多个对象的电磁能量束；光束操纵模块，其被定位成在第二视场内接收从所述一个或多个对象反射的所述电磁能量束的至少一部分；以及接收器单元阵列，其被定位成将所述电磁能量束的一部分转换成多个电信号。所述光束操纵模块还被定位成将所述电磁能量束的一部分引导到所述接收器单元阵列，其中，各个接收器单元被定位成：1)从所述电磁能量束的一部分探测多个光信号，所述多个光信号在时域中是有顺序的；以及2)将所述多个光信号转换成电信号。
在一些实施例中，所述电磁能量发射器模块包括全息滤波器，以在不同方向上衍射所述电磁能量束。在一些实施例中，所述电磁能量发射器模块被定位成产生多个电磁能量束。所述电磁能量发射器模块可以包括二极管阵列，单个二极管被定位成产生所述电磁能量束。例如，所述电磁能量发射器模块包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列或边缘发射二极管阵列。在一些实施方式中，所述电磁能量发射器模块包括准直器，所述准直器被配置为准直所述电磁能量束。
在一些实施例中，所述光束操纵模块包括光学元件，所述光学元件包括第一表面和第二非平行表面，所述第一表面和第二表面形成光学元件角度。所述光学元件被定位成围绕轴线以一角速度旋转，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列，其中，各个半导体单元被定位成沿着与所述光学元件角度对应的闭合路径探测来自所述电磁能量束的一部分的多个光信号。在一些实施例中，所述光学元件包括棱镜。在一些实施方式中，所述光学元件角度在0°至50°的范围内。所述角速度可以慢于或等于12000rpm。
在一些实施例中，所述光束操纵模块包括第二光学元件，所述第二光学元件包括第三表面和第四非平行表面，所述第三表面和第四表面形成第二光学元件角度。所述第二光学元件被定位成围绕轴线以第二角速度旋转，并且所述第一光学元件和第二光学元件一起将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。
在一些实施例中，所述光束操纵模块包括由多个弹性部分支撑的扫描镜。所述多个弹性部分使所述扫描镜能够围绕一个或多个轴线振荡，以将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。在一些实施例中，所述扫描镜相对于所述一个或多个轴线具有0至50度的振荡范围。
在一些实施例中，所述光束操纵模块包括电压源和包括多个单元的相位控制装置，其中，各个单元连接到所述电压源，以在不同电压下表现出不同的折射特性，以将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。
在一些实施例中，各个接收器单元包括光电二极管。在一些实施方式中，所述接收器单元阵列通过多个接合单元联接到基板，其中，各个接合单元定位在对应的接收器单元与所述基板之间，并且与相邻的接合单元分开。在一些实施方式中，所述接收器单元阵列通过接合层联接到所述基板，所述接合层定位在所述接收器单元阵列与所述基板之间。在一些实施例中，所述第一视场大于所述第二视场。
在另一代表性方面中，所公开的技术可以用于实现传感器装置。所述传感器装置包括：一个或多个激光二极管，其被定位成发射一个或多个激光束；准直器，其被定位成使所述一个或多个激光束朝向第一视场内的一个或多个对象准直；棱镜，其包括形成棱镜角度的两个非平行表面，所述棱镜被定位成在第二视场内接收从所述一个或多个对象反射回来的所述一个或多个激光束的至少一部分；以及光电二极管阵列，其被配置为将所述一个或多个激光束的一部分转换成多个电信号。所述棱镜还被定位成以一角速度旋转以将所述一个或多个激光束的一部分引导到所述光电二极管阵列，其中，各个光电二极管被定位成：1)沿着与所述棱镜角度对应的闭合路径探测来自所述一个或多个激光束的一部分的多个光信号，所述多个光信号在时域中是有顺序的；以及2)将所述多个光信号转换成电信号。
在另一代表性方面中，所公开的技术可以用于实现自主系统。所述系统包括传感器，所述传感器包括：电磁能量发射器模块，其被定位成发射指向第一视场内的一个或多个对象的电磁能量束；光束操纵模块，其被定位成在第二视场内接收从所述一个或多个对象反射的所述电磁能量束的至少一部分；以及接收器单元阵列，其被定位成将所述电磁能量束的一部分转换成多个电信号。所述光束操纵模块还被定位成将所述电磁能量束的一部分引导到所述接收器单元阵列，其中，各个接收器单元被定位成：1)从所述电磁能量束的一部分探测多个光信号，所述多个光信号在时域中是有顺序的；以及2)将所述多个光信号转换成电信号。所述自主系统还包括与所述传感器通信的控制器。所述控制器被配置为：接收来自所述传感器的所述多个电信号；基于所述多个电信号构建所述一个或多个对象的模型；以及基于所述一个或多个对象的模型传输用于改变所述自主系统的位置的信号。
在一些实施例中，所述控制器被配置为将所述多个电信号分类成多个组，其中，单个组与所述一个或多个对象中的一个对象对应。在一些实施例中，所述系统还包括与所述控制器通信的电动机。所述电动机被配置为：1)从所述控制器接收用于改变所述自主系统的位置的信号；以及2)提供用以改变所述自主系统的位置的力。在一些实施例中，所述系统还包括承载所述传感器和所述控制器的自主载具。所述自主载具包括自主飞行器、自动驾驶汽车或自主机器人中的至少一种。
在一些实施例中，所述电磁能量发射器模块包括全息滤波器，以在不同方向上衍射电磁能量束。在一些实施例中，所述电磁能量发射器模块被定位成产生多个电磁能量束。所述电磁能量发射器模块可以包括二极管阵列，单个二极管被定位成产生电磁能量束。例如，所述电磁能量发射器模块包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列或边缘发射二极管阵列。
在一些实施例中，所述光束操纵模块包括光学元件，所述光学元件包括第一表面和第二非平行表面，所述第一表面和第二表面形成光学元件角度。所述光学元件被定位成围绕轴线以一角速度旋转，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列，其中，各个半导体单元被定位成沿着与所述光学元件角度对应的闭合路径探测来自所述电磁能量束的一部分的多个光信号。在一些实施方式中，所述光学元件包括棱镜。在一些实施例中，所述光学元件角度在0°至50°的范围内。所述角速度可以慢于或等于12000rpm。在一些实施例中，所述光束操纵模块包括第二光学元件，所述第二光学元件包括第三表面和第四非平行表面，所述第三表面和第四表面形成第二光学元件角度。所述第二光学元件被定位成围绕轴线以第二角速度旋转，并且其中，所述第一光学元件和第二光学元件一起将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。
在一些实施例中，所述光束操纵模块包括由多个弹性部分支撑的扫描镜。所述多个弹性部分使所述扫描镜能够围绕一个或多个轴线振荡，以将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。在一些实施方式中，所述扫描镜相对于一个或多个轴线具有0度到50度的振荡范围。
在一些实施例中，所述光束操纵模块包括电压源和包括多个单元的相位控制装置。各个单元连接到所述电压源，以在不同电压下表现出不同的折射特性，以将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。
在一些实施例中，各个接收器单元包括光电二极管。在一些实施方式中，所述接收器单元阵列通过多个接合单元联接到基板，其中，各个接合单元定位在对应的接收器单元与所述基板之间，并且与相邻的接合单元分开。在一些实施方式中，所述接收器单元阵列通过接合层联接到基板，所述接合层定位在所述接收器单元阵列与所述基板之间。在一些实施例中，所述第一视场大于所述第二视场。
在另一代表性方面中，所公开的技术可以用于实现用于感测外部环境中的一个或多个对象的方法。所述方法包括从电磁能量发射器模块发射电磁能量束；操作光束操作模块以将从所述外部环境中的所述一个或多个对象反射的所述电磁能量束的至少一部分引导到接收器单元阵列；通过所述接收器单元阵列探测来自所述电磁能量束的一部分的光信号，其中，所述接收器单元阵列的各个接收器单元被定位成探测在时域中顺序的多个光信号；以及通过所述接收器单元阵列将所述光信号转换成电信号。
在一些实施例中，操作光束操纵模块包括围绕轴线以一角速度旋转光学元件以将所述电磁能量束的一部分引导到所述接收器单元阵列，所述光学元件包括形成光学元件角度的两个表面。在一些实施例中，旋转所述光学元件包括以慢于或等于12000rpm的角速度旋转所述光学元件。在一些实施例中，操作所述光束操纵模块还包括：围绕轴线以第二角速度旋转第二光学元件以将所述电磁能量束的一部分引导到所述接收器单元阵列，所述第二光学元件包括形成第二光学元件角度的两个表面。
在一些实施例中，操作所述光束操纵模块包括：围绕一个或多个轴线振荡扫描镜，以将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。
在一些实施例中，操作所述光束操纵模块包括：将不同的电压施加到相位控制装置的不同单元，使得所述单元表现出不同的折射特性，以将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。
在一些实施例中，所述方法包括基于电信号构建所述外部环境中的所述一个或多个对象的模型。构建所述模型可以包括将所述电信号分类成多个组，其中，单个组与所述外部环境中的所述一个或多个对象中的一个对象对应。
在说明书附图、说明书和权利要求中更详细地描述了以上和其他方面及其实施方式。
附图说明
图1是具有根据本技术的一个或多个实施例的元件的代表性系统的示意图。
图2示出了可以在根据本技术的一个或多个实施例的各种实施例中使用的一些代表性设备。
图3示出了具有双棱镜配置的代表性LIDAR传感器系统的示意图。
图4A示出了根据本技术的一个或多个实施例配置的代表性传感器系统的示意图。
图4B示出了根据本技术的一个或多个实施例配置的传感器系统的另一示意图。
图5A示出了代表性接收器单元阵列的示意性俯视图。
图5B示出了与图5A对应的代表性接收器单元阵列的示意性侧视图。
图6A示出了另一代表性接收器单元阵列的示意图。
图6B示出了与图6A对应的代表性接收器单元阵列的示意性侧视图。
图7示出了在不使用旋转光学元件的情况下由5×5接收阵列接收的代表性光信号的示意图。
图8示出了在使用旋转光学元件的情况下由接收器单元接收的光信号的示意图。
图9A示出了由5×5阵列的接收器单元接收的光信号的示意图。
图9B示出了在较大光学元件角度的情况下由5×5阵列的接收器单元接收的光信号的示意图。
图10A示出了根据本技术的一个或多个实施例配置的光束操纵模块的代表性配置。
图10B示出了由2×3阵列的接收器单元接收的光信号的示意图。
图11A示出了根据本技术的一个或多个实施例配置的代表性扫描镜。
图11B示出了由3×3阵列的接收器单元从扫描镜接收的光信号的示意图。
图11C示出了由3×3阵列的接收器单元从扫描镜接收光信号的另一示意图。
图12示出了根据本技术的一个或多个实施例配置的代表性相位控制装置。
图13是用于感测外部环境中的一个或多个对象的方法的流程图表示。
图14是示出可以用于实现当前公开的技术的各个部分的计算机系统或其他控制装置的架构的代表性示例的框图。
图15示出了根据本技术的一个或多个实施例的接收器阵列的示意图。
具体实施方式
如上所述，对智能机械重要的是能够独立地探测障碍物和/或自动进行规避操纵。光探测和测距(LIDAR)是一种可靠且准确的探测技术。此外，与仅能够在二维中感测周围环境的传统图像传感器(例如，摄像机)不同，LIDAR可以通过探测到对象的深度或距离来获得三维信息。但是，目前的激光雷达系统具有局限性。例如，为了确保从外部环境收集的数据量足够，期望以大于1,000个脉冲每秒的频率操作发光模块(例如，激光二极管)。为了适应这样的高频率，对应的光学和电气模块的复杂性和成本可能非常高。因此，仍然需要用于实现LIDAR系统的改进技术，以在保持适当量的输入数据的同时实现较低的制造成本。
在以下论述中，阐述了许多具体细节以提供对当前公开的技术的透彻理解。在其他实施例中，可以在没有这些具体细节的情况下实践这里介绍的技术。在其他情况下，没有详细描述公知特征诸如特定制造技术，以避免不必要地模糊本公开内容。本说明书中对“实施例”、“一个实施例”等的参考意味着所描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本公开内容的至少一个实施例中。因此，本说明书中的这类短语的出现不一定都指同一实施例。另一方面，这些参考也不一定是相互排斥的。此外，特定特征、结构、材料或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。而且，应理解，图所示的各种实施例仅仅是说明性表示，并不一定按比例绘制。
图1是具有根据本技术的一个或多个实施例的元件的代表性系统150的示意图。系统150包括设备160(例如，无人飞行器)和控制系统170。
设备160可以包括可承载有效载荷162的主体161(例如，机身)，例如成像装置或光电扫描装置(例如，LIDAR装置)。在一些实施例中，有效载荷162可以是摄像机、视频摄像机和/或静物摄像机。摄像机可以对各种合适波段中的任何波段中的波长敏感，包括可视化波段、紫外波段、红外波段和/或其他波段。有效载荷162还可以包括其他类型的传感器和/或其他类型的货物(例如，包裹或其他可交付物)。在一些实施例中，有效载荷162利用承载机构163相对于主体161被支撑。承载机构163可以允许有效载荷162相对于主体161被独立定位。例如，承载机构163可以允许有效载荷162围绕一个、两个、三个或更多个轴线旋转。承载机构163还可以允许有效载荷162沿着一个、两个、三个或更多个轴线线性移动。用于旋转或平移移动的轴线可以或可以不彼此正交。这样，当有效载荷162包括成像装置时，成像装置可以相对于主体161被移动以为目标照相、录像或跟踪目标。
在一些实施例中，设备160可以包括一个或多个推进单元180。一个或多个推进单元180可以使设备160能够移动，例如能够起飞、着陆、悬停，并且在空中关于多达三个平移自由度和多达三个旋转自由度移动。在一些实施例中，推进单元180可以包括一个或多个转子。转子可以包括联接到轴的一个或多个转子叶片。转子叶片和轴可以通过合适的驱动机构诸如电动机旋转。虽然设备160的推进单元180被描绘为基于螺旋桨并且可以具有四个转子，但是可以使用任何合适数量、类型和/或布置的推进单元。例如，转子的数量可以是一个、两个、三个、四个、五个或更多个。转子可以相对于设备160竖向、水平或以任何其它合适的角度定向。转子的角度可以是固定的或可变的。推进单元180可以通过任何合适的电动机诸如DC电动机(例如，有刷或无刷)或AC电动机驱动。在一些实施例中，电动机可以被配置为安装和驱动转子叶片。
设备160被配置为从控制系统170接收控制命令。在图1所示的实施例中，控制系统170包括设备160上承载的一些部件和位于设备160外的一些部件。例如，控制系统170可以包括由设备160承载的第一控制器171和远离设备160定位并且通过通信链路176(例如，无线链路诸如基于射频(RF)的链路)连接的第二控制器172(例如，人工操作的远程控制器)。第一控制器171可以包括计算机可读介质173，该计算机可读介质执行指导设备160的动作的指令，包括但不限于操作推进系统180和有效载荷162(例如，摄像机)。第二控制器172可以包括一个或多个输入/输出装置，例如显示和控制按钮。操作员操纵第二控制器172以远程控制设备160，并通过第二控制器172上的显示器和/或其他接口从设备160接收反馈。在其他代表性实施例中，设备160可以自主操作，在这种情况下，第二控制器172可以被消除，或者可以仅用于操作员超控功能。
设备160可以是可以在各种实施例中使用的任何合适类型的装置。图2示出了一些代表性装置，包括无人飞行器(UAV)202、有人驾驶飞机204、自主汽车206、自平衡车辆208、地面机器人210、智能可穿戴设备212、虚拟中的至少一个。现实(VR)头戴式显示器214和增强现实(AR)头戴式显示器216中的至少一种。
图3示出了当前LIDAR系统运行的一些大体方面。图3所示的LIDAR传感器系统300包括双棱镜光束操纵装置301。两个棱镜303可以围绕公共轴线305旋转，以操纵光沿不同方向。返回光束307由光束操纵装置301操纵并由光束分离装置309朝向接收透镜311反射，该接收透镜可以将返回的光束收集并聚焦在探测器313上。
在图3所示的配置中，为了通过传感器系统300提供对环境的适当覆盖，以及对应对象的点云数据的适当密度，期望以高速度(例如，超过5000转/秒)旋转光束操纵装置301中的两个棱镜。然而，高旋转速度可能导致传感器系统的高功耗——冷却传感器系统也可能成为问题。
替代性地，代替使用光束操纵装置301来引导光沿不同方向，探测器可以包括固态类型的配置，该固态类型的配置使用大量接收元件(例如，接收元件阵列)，以增加控制器接收的电信号密度。然而，大接收元件阵列(例如，超过100×100个元件)也引起了关于电路设计中的面积和功耗的问题。
本技术的实施例包括结合旋转棱镜和接收元件阵列的某些优点的不同传感器系统。使用所公开的技术，可以消除校准两个旋转棱镜的复杂性，从而降低传感器系统的制造复杂性。通过使用小接收元件阵列，棱镜的旋转速度也可以大大降低，从而降低传感器系统的功耗。
图4A示出了根据本技术的一个或多个实施例配置的代表性传感器系统400的示意图。传感器系统400可以基于测量光在传感器系统400和对象450之间行进的时间即飞行时间(TOF)来探测外部环境中的对象450的距离。传感器系统400包括发射器模块416。发射器模块416包括发射器401(例如，激光二极管)，该发射器可以在发射器401的第一视场(FOV)内产生电磁能量束415，诸如激光束。电磁能量束415可以是单个电磁能量脉冲或一系列电磁能量脉冲。在下面的论述中，使用光发射器作为示例。然而，应当注意，可以在传感器系统400中采用任何合适类型的电磁能量发射器。
发射器模块416可以包括准直器402(例如，透镜)，该准直器可以用于准直由光发射器401产生的光束415。在一些实施例中，准直光可以被引导朝向光束分离装置403。光束分离装置403可以允许来自发射器模块416的准直光通过。替代性地，当采用不同的方案时(例如，当光发射器定位在探测器前面时)，光束分离装置403可能不是必需的。
传感器系统400还可以包括光束操纵模块414，该光束操纵模块包括光学元件404。光学元件404可以围绕轴线405旋转，以操纵光沿不同方向，诸如第一方向406a和第二方向406b。当沿第一方向406a的出射光束撞击对象450时，反射或散射的光可以在大角度407上扩散，并且仅能量的一小部分可以朝向传感器系统400被反射回来。返回光束408可以被光束分离装置403朝向接收透镜409反射，该接收透镜409可以将返回的光束收集并聚焦在包括接收元件阵列的探测器410上。探测器410以第二FOV操作，第二FOV可以与发射器401的第一FOV相同或者小于第一FOV。
图4B示出了LIDAR传感器系统400的另一示意图。当出射光束撞击对象450时，返回光束408可以朝向接收透镜409被反射，该接收透镜可以将返回的光束收集并聚焦在光学元件404(例如，棱镜)上。在该示例中，光学元件404包括第一表面421和第二表面422。第一表面421和第二表面422是不平行的，形成光学元件角度423。光学元件角度423允许光学元件404操纵返回的光束沿朝向探测器410的不同方向。探测器410包括小接收器单元412阵列。光学元件角度423可以在从0°至50°的范围内，并且在其他实施例中可以具有其他合适的值。在一些实施方式中，光学元件角度423在从5°至15°的范围内。探测器410接收返回的光束并将光束转换成电信号。在一些实施方式中，为了允许更多接收器单元412接收光，期望发射器401具有比探测器410的第二FOV大的第一FOV。
探测器410接收返回的光并将光转换为电信号。如图4A-图4B所示，控制器411可以联接到探测器410(其包括接收器单元412阵列)，以测量TOF以探测到对象450的距离。例如，控制器411可以基于来自探测器410的电信号创建对象450的对应的点云数据集。因此，传感器系统400可以基于发射器401产生脉冲与探测器410接收到返回光束408之间的时间差来测量到对象450的距离。
在一些实施方式中，发射器模块416包括全息滤波器。全息滤波器可以将入射光束衍射到不同方向。例如，具有立方体形状的全息带通滤波器可以放置在发射器401和准直器402之间，以便以0°至90°之间的角度衍射来自发射器401的光束。
在一些实施例中，光发射器401可以产生多个光束。例如，发射器401可以包括二极管阵列，每个二极管产生可以由对应的接收器单元接收的光束。例如，发射器401可以包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列或边缘发射二极管阵列。作为另一示例，多个边缘发射激光二极管可以被封装在一起以形成封装的发射器。
在一些实施例中，阵列的每个接收器单元412都包括光电二极管，以将光信号转换成电信号。图15示出了根据本技术的一个或多个实施例的接收器阵列1500的示意图。如图15所示，阵列1500包括多个雪崩光电二极管(APD)单元(1501)。阵列可以包括与多个APD单元耦合的探测层1502，以用于信号探测和收集。可选地，阵列可以包括与探测层1502耦合的模拟层1503，以执行信号放大。在一些实施方式中，阵列包括逻辑层1504以执行信号处理，诸如时间-数字转换、模数转换以及包括去噪的各种算法。在一些实施例中，阵列可以被实现为光电二极管(PD)阵列或PIN(正-内-负)PD阵列。
在一些实施方式中，可以使用小阵列来降低制造成本。例如，10×10阵列可以用于接收光束并将光信号转换成电信号。在一些实施方式中，可以使用大阵列来获得更高密度的数据。例如，在一些配置中可以使用8K分辨率(即，7680×4320像素)的阵列。
当光发射器401包括二极管阵列时，各个二极管被定位以获得与探测器410中的接收器单元412的光学对应。光束操纵模块414还可以用于同时改变来自二极管的光束的角度和到接收器的光束的角度，以获得二极管与接收器单元之间的对应。
图5A示出了接收器单元500的代表性阵列的示意性俯视图。在该特定实施例中，每个单独的单元503被设置在单独的管芯502上或其中。使用方法诸如管芯接合技术将各个管芯分别联接到基板501。图5B示出了接收器单元500的代表性阵列的示意性侧视图。保护板504诸如玻璃板可以联接到基板501以允许光通过，同时保护单元免受外部危害。
图6A示出了接收器单元600的另一代表性阵列的示意图。在该特定实施例中，接收器单元布置在用作接合层的均匀管芯511中。然后使用方法诸如管芯接合技术将管芯511联接到基板501。图6B示出了接收器单元600的代表性阵列的示意性侧视图。类似地，保护板504诸如玻璃板可以联接到基板501以允许光通过，同时保护单元免受外部危害。
在没有图4A-图4B所示的旋转光学元件的情况下，阵列上的每个接收器单元可以仅探测一个光信号。图7示出了在不使用光学元件的情况下由5×5接收阵列接收的代表性光信号的示意图。在该示例中，阵列中的每个半导体元件在周期T(例如，1ms)内接收单个光信号701。
然而，当光学元件被旋转时，每个接收器单元可以接收多个光信号。光发射器通常具有高操纵频率，而接收器单元操作的频率可能相对较低。因此，当光学元件旋转时，各个半导体元件可以利用光发射器的高工作频率并接收在时域中有顺序的多个光信号。图8示出了当光学元件旋转时由阵列的接收器单元接收的光信号的示意图。在该示例中，光学元件可以在周期T中完成完整旋转，并且光束脉冲的频率是f＝1/Δt。因此，接收器单元可以在周期T内沿着闭合路径接收多个光信号，例如，在时间t0、t1＝t0+Δt、t2＝t0+2×Δt等中的每个时间处接收一个光信号，从而形成闭合路径802。例如，光发射器的操作频率可以是1MHz(Δt＝1μs)。光学元件可以以1000转/秒(rev/s)的速度旋转。光学元件的旋转允许接收器单元在周期T＝1毫秒内在不同位置捕获所有光信号(1000个信号每毫秒)。在一些实施方式中，光学元件可以以较低的角速度旋转，例如200rev/s(等于12000rpm)或更低。例如，光学元件以200rev/s旋转并且花费T＝5毫秒来完成完整旋转。因此，光学元件可以在5毫秒内在不同位置捕获所有光信号。因此，时域数据的使用可以补偿点云数据的空间稀疏性并且增加控制器的数据密度以更准确地对外部环境建模。使用时域数据还允许光学元件以低得多的角速度旋转，从而消耗更少的功率并提供更多的稳定性。
图9A示出了由5×5阵列的接收器单元接收的光信号的示意图。每个单元接收在时域中有顺序的多个信号，从而形成闭合路径902。在该实施例中，闭合路径902是圆。特别地，可以基于光学元件角度来确定圆904的直径。例如，较大的光学元件角度可以产生圆的较大直径。基于阵列中的相邻接收器单元的放置来确定两个闭合路径的中心之间的距离906。
在图9A所示的示例中，光学元件角度小，使得相邻圆之间没有重叠。然而，这可能会产生一些未被光束中的任何光束覆盖的区域(也称为“盲区”)。因此，在一些实施方式中，期望在相邻的闭合路径之间具有重叠区域，使得减少(例如，最小化)盲区。图9B示出了在较大光学元件角度情况下由5×5阵列的接收器单元接收的光信号的示意图。在该实施例中，光学元件角度较大，产生相邻圆之间的重叠区域912。然而，应当注意，因为在时域中顺序地接收信号，所以两个信号不沿着路径同时出现在相同位置。
在一些实施例中，图4A所示的光束操纵模块包括第二光学元件，以允许接收器单元获得更密集的数据收集。图10A示出了光束操纵模块1001的代表性配置。光束操纵模块1001包括具有第一光学角度θ1的第一光学元件1003和具有第二光学角度θ2的第二光学元件1005。光学元件1003、1005都围绕公共轴线旋转。图10B示出了由2×3阵列的接收器单元接收的光信号的示意图。使用两个光学元件可以大大地增加信号的密度。
光束操纵模块还可以使用替代性光学配置来操纵返回的光束沿不同方向，使得每个接收器单元在一时间周期内接收多个光信号。在一些实施例中，光束操纵模块可以包括扫描镜，诸如微机电系统(MEMS)扫描镜，以在不同方向上产生多个光信号。图11A示出了根据本技术的一个或多个实施例配置的代表性扫描镜。镜子1101由弹性部分1103a、1103b支撑，使得镜子1101可以围绕X轴和Y轴振荡。在一些实施例中，镜子1101相对于两个轴线在[0°，20°]的范围内振荡。在一些实施方式中，镜子1101相对于两个轴线在更宽的范围内振荡，例如，在[0°，50°]的范围内振荡，以提供更宽范围的光束。通过调整围绕一个或两个轴线的振荡频率，镜子1101可以将入射光束1105反射到不同的方向1107a、1107b。然后，接收器单元可以接收在时域中有顺序的多个信号。
图11B示出了由3×3阵列的接收器单元从扫描镜接收的光信号的示意图。在该示例中，扫描镜具有小的振荡范围，致使反射光束的小角度范围。然而，接收器单元的FOV角大于反射光束的角度范围。因此，接收信号没有重叠区域。
图11C示出了由3×3阵列的接收器单元从扫描镜接收的光信号的另一示意图。在该示例中，扫描镜具有大的振荡范围，致使反射光束的大角度范围。因此，接收器单元的FOV角小于反射光束的角度范围。因此，相邻接收器单元可以在接收信号中探测到重叠区域1113。
在一些实施例中，光束操纵模块可以包括相位控制装置，以在不同方向上产生多个光信号。图12示出了根据本技术的一个或多个实施例配置的代表性相位控制装置1200。该装置包括放置在两个透射电极1203a、1203b之间的液晶层1201。该装置被分成单独的单元1205，以允许独立控制每个单元。当各个单元连接到电压源1207时，液晶分子旋转，从而改变各个单元的折射率。通过向不同单元施加不同的电压，不同的折射率允许光在不同方向上折射。其他相位控制装置诸如光波导相位控制装置也可以用于在不同方向上产生多个光束，以允许接收器单元获得更密集的数据收集。
图13是用于感测外部环境中的一个或多个对象的方法的流程图表示。方法1300包括在框1302处从电磁能量发射器发射电磁能量束。方法1300包括在框1304处操作光束操纵模块以将从外部环境中的一个或多个对象反射的电磁能量束的至少一部分引导到接收器单元阵列。该方法包括在框1306通过接收器单元阵列探测来自电磁能量束的一部分的光信号，其中，接收器单元阵列中的各个接收器单元被定位成探测在时域中有顺序的多个光信号。该方法还包括在框1308处通过接收器单元阵列将光信号转换成电信号。
在一些实施例中，操作光束操纵模块包括围绕轴线以一角速度旋转光学元件以将电磁能量束的一部分引导到接收器单元阵列，光学元件包括形成光学元件角度的两个表面。在一些实施方式中，旋转光学元件包括以500至1000rev/s之间的角速度旋转光学元件。在一些实施例中，操作光束操纵模块还包括围绕轴线以第二角速度旋转第二光学元件以将电磁能量束的一部分引导到接收器单元阵列，第二光学元件包括形成第二光学元件角度的两个表面。
在一些实施例中，操作光束操纵模块包括围绕一个或多个轴线振荡扫描镜以将电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列。在一些实施例中，操作光束操纵模块包括将不同的电压施加到相位控制装置的不同单元，使得单元表现出不同的折射特性，以将电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列。
在一些实施例中，代表性方法包括基于电信号构建外部环境中的一个或多个对象的模型。在一些实施方式中，构建模型包括将电信号分类成多个组，其中，单个组与外部环境中的一个或多个对象中的一个对象对应。
在一个有利方面中，所公开的技术可以降低制造传感器系统的复杂性。因为可以使用单个光学元件，所以与其他配置中的多个光学元件相比，可以简化传感器系统的校准。接收器单元阵列具有小大小，从而与探测器中的其他固态配置相比降低了面积成本和功耗。
在另一个有利方面中，单个光学元件与小接收器单元阵列的组合允许传感器系统提供对环境的足够覆盖和点云数据的适当密度以用于对环境建模。由于使用阵列，所以光学元件的旋转速度可以降低到500至1000rev/s，而在其他配置中超过5000rev/s。较低的旋转速度可以大大地降低传感器系统的功耗，并且还得到产品的更长的使用寿命。
图14是示出可以用于实现当前公开的技术的各个部分的计算机系统或其他控制装置1400的架构的示例的框图。在图14中，计算机系统1400包括通过互连1425连接的一个或多个处理器1405和存储器1410。互连1425可以表示通过适当的桥接器、适配器或控制器连接的任何一个或多个单独的物理总线、点到点连接或两者。因此，互连1425可以包括例如系统总线、外围部件互连(PCI)总线、HyperTransport或工业标准架构(ISA)总线、小型计算机系统接口(SCSI)总线、通用串行总线(USB)、IIC(I2C)总线或电气与电子工程师协会(IEEE)标准674总线(有时也称为“Firewire”)。
处理器1405可以包括中央处理单元(CPU)，以控制例如主计算机的整体操作。在某些实施例中，处理器1405通过执行存储在存储器1410中的软件或固件来实现该操作。处理器1405可以是或可以包括一个或多个可编程一般用途或特殊用途微处理器、数字信号处理器(DSP)、可编程控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等、或这些装置的组合。
存储器1410可以是或包括计算机系统的主存储器。存储器1410表示任何合适形式的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器等、或这些装置的组合。在使用中，存储器1410可以包含除了别的之外一组机器指令，该组机器指令在由处理器1405执行时，使处理器1405执行操作以实现当前公开的技术的实施例。
还通过互连1425连接到处理器1405的是(可选的)网络适配器1415。网络适配器1415向计算机系统1400提供与远程装置诸如存储客户端和/或其他存储服务器通信的能力，并且可以是例如以太网适配器或光纤通道适配器。
在方法或过程的大体背景下描述了本文描述的实施例中的一些实施例，该方法或过程可以在一个实施例中由计算机程序产品实现，该计算机程序产品体现在计算机可读介质中，包括由网络环境中的计算机执行的计算机可执行指令，诸如程序代码。计算机可读介质可以包括可移除和不可移除的存储装置，包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)等。因此，计算机可读介质可以包括非暂时性存储介质。通常，程序模块可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。计算机可执行指令或处理器可执行指令、相关联的数据结构以及程序模块表示用于执行本文公开的方法的步骤的程序代码的示例。这种可执行指令或相关联的数据结构的特定序列表示用于实现在这些步骤或过程中描述的功能的对应动作的示例。
可以使用硬件电路、软件或它们的组合将所公开的实施例中的一些实施例实现为装置或模块。例如，硬件电路实现可以包括例如集成为印刷电路板的一部分的离散的模拟和/或数字部件。替代性地或另外地，所公开的部件或模块可以被实现为专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)装置。一些实现可以附加地或替代性地包括数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器是专用微处理器，其具有针对与本申请的公开功能相关联的数字信号处理的操作需求优化的架构。类似地，每个模块内的各种部件或子部件可以以软件、硬件或固件实现。可以使用本领域中已知的连接方法和媒体中的任何一种来提供模块内的模块和/或部件之间的连接，包括但不限于通过使用适当协议的因特网、有线或无线网络的通信。
虽然本公开内容包含许多细节，但这些细节不应被解释为对任何发明或可能要求保护的内容的范围的限制，而是作为可能特定于特定实施例的特征的描述。在单独的实施例的背景下在本专利文件中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施例中实现。此外，尽管特征可能在上面被描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在一些情况下可以从声明的组合中切除来自该组合的一个或多个特征，并且声明的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或以先后顺序执行这类操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。此外，在本文件中描述的实施例中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离。
仅描述了若干实现和示例，并且可以基于本文件中描述和示出的内容来做出其他实现、增强和变型。
从前述内容将理解，本文已经出于说明的目的描述了所公开的技术的特定实施例，但是在不脱离本技术的情况下可以进行各种修改。例如，虽然在前面的论述中使用光发射器作为示例，但是可以使用任何合适类型的电磁发射器用于各种传感器系统。在特定实施例的背景下描述的技术的某些方面可以在其他实施例中被组合或消除。此外，虽然已经在那些实施例的背景下描述了与所公开技术的某些实施例相关联的优点，但是其他实施例也可以表现出这样的优点，并且并非所有实施例都需要必要地表现出这些优点以落入本技术的范围内。因此，本公开内容和相关联的技术可以包含未在本文中明确示出或描述的其他实施例。

Claims (47)

1.一种传感器装置，包括：
电磁能量发射器模块，其被定位成发射指向第一视场内的一个或多个对象的电磁能量束；
光束操纵模块，其被定位成在第二视场内接收从所述一个或多个对象反射的所述电磁能量束的至少一部分；以及
接收器单元阵列，其被定位成将所述电磁能量束的一部分转换成多个电信号，
其中，所述光束操纵模块还被定位成将所述电磁能量束的一部分引导到所述接收器单元阵列，其中，各个接收器单元被定位成：1)从所述电磁能量束的一部分探测多个光信号，所述多个光信号在时域中是有顺序的；以及2)将所述多个光信号转换成电信号。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述电磁能量发射器模块包括全息滤波器，以在不同方向上衍射所述电磁能量束。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述电磁能量发射器模块被定位成产生多个电磁能量束。
4.根据权利要求3所述的传感器装置，其中，所述电磁能量发射器模块包括二极管阵列，其中，各个二极管被定位成产生所述多个电磁能量束。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中，所述电磁能量发射器模块包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列或边缘发射二极管阵列。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述电磁能量发射器模块包括准直器，所述准直器被配置为准直所述电磁能量束。
7.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述光束操纵模块包括：
光学元件，其包括第一表面和第二非平行表面，所述第一表面和第二表面形成光学元件角度，
其中，所述光学元件被定位成围绕轴线以一角速度旋转，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列，其中，各个半导体单元被定位成沿着与所述光学元件角度对应的闭合路径探测来自所述电磁能量束的一部分的多个光信号。
8.根据权利要求7所述的传感器装置，其中，所述光学元件包括棱镜。
9.根据权利要求7所述的传感器装置，其中，所述光学元件角度在从0°至50°的范围内。
10.根据权利要求7所述的传感器装置，其中，所述角速度慢于或等于12000rpm。
11.根据权利要求7所述的传感器装置，其中，所述光束操纵模块包括：
第二光学元件，其包括第三表面和第四非平行表面，所述第三表面和第四表面形成第二光学元件角度，
其中，所述第二光学元件被定位成围绕轴线以第二角速度旋转，并且其中，所述第一光学元件和第二光学元件一起将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。
12.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述光束操纵模块包括：
扫描镜，其由多个弹性部分支撑，其中，所述多个弹性部分使所述扫描镜能够围绕一个或多个轴线振荡，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列。
13.根据权利要求8所述的传感器装置，其中，扫描镜相对于一个或多个轴线具有0至50度的振荡范围。
14.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述光束操纵模块包括：
电压源，以及
相位控制装置，其包括多个单元，其中，各个单元连接到所述电压源，以在不同电压下表现出不同的折射特性，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列。
15.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，各个接收器单元包括光电二极管。
16.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述接收器单元阵列通过多个接合单元联接到基板，其中，各个接合单元定位在对应的接收器单元与所述基板之间，并且与相邻的接合单元分开。
17.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述接收器单元阵列通过接合层联接到基板，所述接合层定位在所述接收器单元阵列与所述基板之间。
18.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述第一视场大于所述第二视场。
19.一种传感器装置，包括：
一个或多个激光二极管，其被定位成发射一个或多个激光束；
准直器，其被定位成使所述一个或多个激光束朝向第一视场内的一个或多个对象准直；
棱镜，其包括形成棱镜角度的两个非平行表面，所述棱镜被定位成在第二视场内接收从所述一个或多个对象反射回来的所述一个或多个激光束的至少一部分；以及
光电二极管阵列，其被配置为将所述一个或多个激光束的一部分转换成多个电信号，
其中，所述棱镜还被定位成以一角速度旋转以将所述一个或多个激光束的一部分引导到所述光电二极管阵列，其中，各个光电二极管被定位成：1)沿着与所述棱镜角度对应的闭合路径探测来自所述一个或多个激光束的一部分的多个光信号，所述多个光信号在时域中是有顺序的；以及2)将所述多个光信号转换成电信号。
20.一种自主系统，包括：
传感器，其包括：
电磁能量发射器模块，其被定位成发射指向第一视场内的一个或多个对象的电磁能量束；
光束操纵模块，其被定位成在第二视场内接收从所述一个或多个对象反射的所述电磁能量束的至少一部分；以及
接收器单元阵列，其被定位成将所述电磁能量束的一部分转换成多个电信号，
其中，所述光束操纵模块还被定位成将所述电磁能量束的一部分引导到所述接收器单元阵列，其中，各个接收器单元被定位成：1)从所述电磁能量束的一部分探测多个光信号，所述多个光信号在时域中是有顺序的；以及2)将所述多个光信号转换成电信号，
控制器，其与所述传感器通信，所述控制器被配置为：
接收来自所述传感器的所述多个电信号；
基于所述多个电信号构建所述一个或多个对象的模型；以及
基于所述一个或多个对象的模型传输用于改变所述自主系统的位置的信号。
21.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述控制器被配置为将所述多个电信号分类成多个组，其中，单个组与所述一个或多个对象中的一个对象对应。
22.根据权利要求20所述的自主系统，还包括与所述控制器通信的电动机，所述电动机被配置为：1)从所述控制器接收用于改变所述自主系统的位置的信号；以及2)提供用以改变所述自主系统的位置的力。
23.根据权利要求20所述的自主系统，还包括承载所述传感器和所述控制器的自主载具，并且其中，所述自主载具包括自主飞行器、自主汽车或自主机器人中的至少一种。
24.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述电磁能量发射器模块包括全息滤波器，以在不同方向上衍射所述电磁能量束。
25.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述电磁能量发射器模块被定位成产生多个电磁能量束。
26.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述电磁能量发射器模块包括二极管阵列，单个二极管被定位成产生电磁能量束。
27.根据权利要求26所述的自主系统，其中，所述电磁能量发射器模块包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列或边缘发射二极管阵列。
28.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述光束操纵模块包括：
光学元件，其包括第一表面和第二非平行表面，所述第一表面和第二表面形成光学元件角度，
其中，所述光学元件被定位成围绕轴线以一角速度旋转，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列，其中，各个半导体单元被定位成沿着与所述光学元件角度对应的闭合路径探测来自所述电磁能量束的一部分的多个光信号。
29.根据权利要求28所述的自主系统，其中，所述光学元件包括棱镜。
30.根据权利要求28所述的自主系统，其中，所述光学元件角度在0°至50°的范围内。
31.根据权利要求28所述的自主系统，其中，所述角速度慢于或等于12000rpm。
32.根据权利要求28所述的自主系统，其中，所述光束操纵模块包括：
第二光学元件，其包括第三表面和第四非平行表面，所述第三表面和第四表面形成第二光学元件角度，
其中，所述第二光学元件被定位成围绕轴线以第二角速度旋转，并且其中，所述第一光学元件和第二光学元件一起将所述电磁能量束的一部分引导到所述半导体单元阵列。
33.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述光束操纵模块包括：
扫描镜，其由多个弹性部分支撑，其中，所述多个弹性部分使所述扫描镜能够围绕一个或多个轴线振荡，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列。
34.根据权利要求33所述的自主系统，其中，所述扫描镜相对于一个或多个轴线具有0到50度的振荡范围。
35.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述光束操纵模块包括：
电压源，以及
相位控制装置，其包括多个单元，其中，各个单元连接到所述电压源，以在不同电压下表现出不同的折射特性，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列。
36.根据权利要求20所述的自主系统，其中，各个接收器单元包括光电二极管。
37.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述接收器单元阵列通过多个接合单元联接到基板，其中，各个接合单元定位在对应的接收器单元与所述基板之间，并且与相邻的接合单元分开。
38.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述接收器单元阵列通过接合层联接到基板，所述接合层定位在所述接收器单元阵列与所述基板之间。
39.根据权利要求20所述的自主系统，其中，所述第一视场大于所述第二视场。
40.一种用于感测外部环境中的一个或多个对象的方法，包括：
从电磁能量发射器模块发射电磁能量束；
操作光束操纵模块以将从所述外部环境中的所述一个或多个对象反射的所述电磁能量束的至少一部分引导到接收器单元阵列；
通过所述接收器单元阵列探测来自所述电磁能量束的一部分的光信号，其中，所述接收器单元阵列的各个接收器单元被定位成探测在时域中有顺序的多个光信号；以及
通过所述接收器单元阵列将所述光信号转换成电信号。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，操作所述光束操纵模块包括：
围绕轴线以一角速度旋转光学元件以将所述电磁能量束的一部分引导到所述接收器单元阵列，所述光学元件包括形成光学元件角度的两个表面。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，旋转所述光学元件包括以慢于或等于12000rpm的角速度旋转所述光学元件。
43.根据权利要求41所述的方法，其中，操作所述光束操纵模块还包括：
围绕轴线以第二角速度旋转第二光学元件以将所述电磁能量束的一部分引导到所述接收器单元阵列，所述第二光学元件包括形成第二光学元件角度的两个表面。
44.根据权利要求40所述的方法，其中，操作所述光束操纵模块包括：
围绕一个或多个轴线振荡扫描镜，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列。
45.根据权利要求40所述的方法，其中，操作所述光束操纵模块包括：
将不同的电压施加到相位控制装置的不同单元，使得所述单元表现出不同的折射特性，以将所述电磁能量束的一部分引导到半导体单元阵列。
46.根据权利要求40所述的方法，包括：
基于所述电信号构建所述外部环境中的所述一个或多个对象的模型。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，构建所述模型包括将所述电信号分类成多个组，其中，单个组与所述外部环境中的所述一个或多个对象中的一个对象对应。
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