CN112752984A - 用于lidar的波导扩散器 - Google Patents

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Abstract

一种示例系统包括配置为发射光的光源。该系统还包括波导，其配置为将发射的光从波导的第一端朝向波导的第二端引导。波导具有在第一端和第二端之间的输出表面。该系统还包括多个镜面，其包括第一镜面和第二镜面。第一镜面将光的第一部分朝向输出表面反射。第二镜面将光的第二部分朝向输出表面反射。第一部分作为第一发射光束从输出表面朝向场景传输。第二部分作为第二发射光束从输出表面朝向场景传输。

Description

用于LIDAR的波导扩散器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月25日提交的美国专利申请第16/140535号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
除非本文另外指出，否则本节中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且也不因包含在本节中而被认为是现有技术。
光检测器，比如光电二极管、单光子雪崩二极管(SPAD)或其他类型的雪崩光电二极管(APD)，可用于检测施加在其表面上的光(例如，通过输出表示光强度的电信号，比如电压或电流)。许多类型的这种设备是用半导体材料(例如硅)制成的。为了在大的几何面积上检测光，可以将多个光检测器布置为阵列。这些阵列有时称为硅光电倍增管(SiPM)或多像素光子计数器(MPPC)。
光检测器可用于各种系统中，比如相机、扫描仪、成像器和运动传感器，以及其它示例。某些有源感测系统，比如光检测和测距(LIDAR)系统、3D扫描仪、计算机断层扫描(CT)扫描仪、激光扫描仪和红外(IR)扫描仪等等，可以通过发射光，然后检测发射光的反射(或其他散射部分)来进行操作。例如，LIDAR系统可以在扫描场景以集合指示环境中反射表面的“点云”时确定距环境特征的距离。例如，可以通过以下方式确定点云中的各个点：发射激光脉冲并检测从环境中的对象反射的返回脉冲(如果有)，然后根据脉冲的发射和反射脉冲的接收之间的时间延迟确定到对象的距离。
发明内容
在一示例中，一种系统包括被配置为发射光的光源。该系统还包括波导，其配置为将光从波导的第一端朝向波导的第二端引导。波导具有在第一端和第二端之间的输出表面。该系统还包括多个镜面，其包括第一镜面和第二镜面。第一镜面将光的第一部分朝向波导的输出表面反射。第二镜面将光的第二部分朝向输出表面反射。第一部分在被第一镜面反射之后作为第一发射光束从输出表面朝向场景传输。第二部分在被第二镜面反射之后作为第二发射光束从输出表面朝向场景传输。
在另一示例中，一种光检测和测距(LIDAR)装置包括多个镜面，其包括第一镜面和第二镜面。LIDAR装置发射多个光束以照射场景。多个发射光束包括第一发射光束和第二发射光束。多个发射光束基于多个镜面的物理布置而在空间上布置。LIDAR装置还包括光发射器和波导。波导配置为将来自光发射器的发射光朝向多个镜面引导。第一镜面配置为将光的第一部分作为第一发射光束朝向波导的输出侧反射。第二镜面配置为将光的第二部分作为第二发射光束朝向波导的输出侧反射。
在又一示例中，一种方法包括朝向波导的第一端发射光。该方法还包括在波导内部朝向波导的第二端引导光。波导在第一端和第二端之间具有输出表面。该方法还包括将光的第一部分朝向波导的输出表面反射。第一部分作为第一发射光束从波导的输出表面朝向场景传输。该方法还包括将光的第二部分朝向波导的输出表面反射。第二部分作为第二发射光束从波导的输出表面朝向场景传输。
在又一示例中，一种系统包括用于朝向波导的第一端发射光的装置。该系统还包括用于在波导内部朝向波导的第二端引导光的装置。波导在第一端和第二端之间具有输出表面。该系统还包括用于引导光的第一部分朝向波导的输出表面反射的装置。反射的第一部分作为第一发射光束从波导的输出表面朝向场景传输。该系统还包括用于引导光的第二部分朝向波导的输出表面反射的装置。反射的第二部分作为第二发射光束从波导的输出表面朝向场景传输。
前述发明内容仅是说明性的，而无意于以任何方式进行限制。除了上述说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，其他方面、实施例和特征将变得显而易见。
附图说明
图1A是根据示例实施例的包括光圈的系统的图示。
图1B是图1A的系统的另一图示。
图2A是根据示例实施例的LIDAR装置的简化框图。
图2B示出了图2A的LIDAR装置的透视图。
图3A是根据示例实施例的包括波导的系统的图示。
图3B示出了图3A的系统的截面图。
图4A示出了根据示例实施例的包括多个波导的系统的第一截面图。
图4B示出了图4A的系统的第二截面图。
图4C示出了图4A的系统的第三截面图。
图4D示出了图4A的系统的第四截面图。
图5是根据示例实施例的方法的流程图。
具体实施方式
本文描述的任何示例实施例或特征不必被解释为比其他实施例或特征优选或有利。本文描述的示例实施例并不意味着是限制性的。容易理解的是，所公开的实施方式的某些方面可以以多种不同的配置来布置和组合。此外，附图中所示的特定布置不应被视为限制性的。应当理解，其他实施方式可以或多或少地包括给定图中所示的每个元件。另外，一些示出的元件可以被组合或省略。类似地，示例实施方式可以包括在附图中未示出的元件。
一、概述
示例系统包括透镜。透镜可用于聚焦来自场景的光。然而，透镜也可以聚焦不旨在被系统观察到的背景光(例如，太阳光)。为了选择性地过滤光(例如，将背景光与与场景内的信息相对应的光区分开)，可以将不透明材料(例如，选择性蚀刻的金属、部分被掩模覆盖的玻璃衬底等)放置在透镜后面。在各种实施例中，不透明材料可以成形为板、片或其他各种形状。在不透明材料内，可以限定光圈。通过这种布置，可以选择由透镜聚焦的光的一部分或全部以用于通过光圈的传输。
在通过光圈传输的光的传输方向上，系统可以包括至少一个光检测器(例如SPAD阵列等)，其布置成检测通过光圈传输的聚焦光的至少一部分。
系统还可包括发射光的光源以及波导，其在波导的输入端接收发射光。波导将来自输入端的发射光引导到波导的与输入端相反的输出端。波导具有从输入端延伸到输出端的给定侧。在输出端或附近，波导将发射光的至少一部分从给定侧传输到透镜。通常，输出端可以与从透镜传输到光检测器的聚焦光的路径对准。在一实施例中，从波导传输的发射光可以传输通过相同的光圈，来自透镜的聚焦光通过该光圈向光检测器传输。
为了便于将引导光从波导传输(并通过给定侧)，在一些示例中，系统可以包括沿着在波导内部传输的引导光的传输路径(例如在输出端或附近)设置的输出镜面。输出镜面可以朝向波导的给定侧倾斜。这样，输出镜面可以将引导光(或其一部分)朝向给定侧的特定区域反射。例如，特定区域可以与传输通过光圈的聚焦光的路径对准。
通过这种布置，系统可以在延伸穿过光圈和透镜(朝向场景)的传输路径中引导发射光；并且，系统可以将发射光的返回反射聚焦在延伸通过相同透镜和相同光圈的接收路径中。因此，在该示例中，传输和接收路径可以在空间上共对准(例如，因为两个路径是使用相同的光圈和相同的透镜来定义的)。
通过使传输路径与接收路径在空间上对准，示例系统可以减少(或防止)与视差相关的光学扫描失真。例如，如果传输和接收路径替代地在空间上相对于彼此偏移(例如各个指向或观看方向之间的错位等)，则场景的扫描表示可能会受到光学失真比如视差的影响。
其他方面、特征、实施方式、配置、布置和优点是可能的。
二、示例系统和装置
图1A是根据示例实施例的包括光圈的系统100的图示。如图所示，系统100包括光检测器阵列110(以检测器112和114为例)，在不透明材料120内限定的光圈120a和透镜130。系统100可以测量由场景内的对象198反射或散射的光102。在一些实例中，光102还可包括直接从背景源(未示出)向透镜130传输的光。在一些示例中，系统100可包括在光检测和测距(LIDAR)装置中。在一示例中，LIDAR装置可以用于自主车辆的导航。在一些实施例中，系统100或其部分可被包含在未暴露于外部光的区域内，除了透镜130外。这可以减少到达阵列110中的检测器的环境光的量(这可能影响测量)。
阵列110包括光检测器的布置，以检测器112和114为例。在各种实施例中，阵列110可以具有不同的形状。如图所示，阵列110具有矩形形状。然而，在其他实施例中，阵列110可以是圆形的或可以具有不同的形状。可以根据从光圈120a发散的光110的预期横截面积来选择阵列110的尺寸。例如，阵列110的尺寸可以基于阵列110与光圈120a之间的距离、光圈120a与透镜130之间的距离、光圈120a的尺寸、透镜130的光学特性以及其他因素。在一些实施例中，阵列110可以是可移动的。例如，阵列110的位置可以是可调节的，以使其更接近或更远离光圈120a。为此，例如，阵列110可以安装在能够以一维、二维或三维方式进行平移的电动平台上。
此外，在一些实施方式中，阵列110可将一个或多个输出提供给计算设备或逻辑电路。例如，配备微处理器的计算设备可以从阵列110接收电信号，其指示入射在阵列110上的光102的强度。然后，计算设备可以使用该电信号来确定关于对象198的信息(例如对象198和系统100之间的距离等)。在一些实施例中，阵列110内的一些或全部光检测器可以彼此并联互连。为此，例如，取决于阵列110内的光检测器的特定布置和类型，阵列110可以是SiPM或MPPC。通过以并联电路配置连接光检测器，例如，来自光检测器的输出可被组合以有效地增加其中可以检测光102中的光子的检测区域(例如图1A中所示的阵列110的阴影区域)。
光检测器112、114等可以包括各种类型的光检测器。在一示例中，检测器112、114等包括SPAD。SPAD可以在反向偏置的p-n结(即二极管)内采用雪崩击穿来增加SPAD上对给定入射照射的输出电流。此外，SPAD可能能够为单个入射光子生成多个电子-空穴对。在另一示例中，光检测器112、114等可以包括线性模式雪崩光电二极管(APD)。在某些情况下，APD或SPAD可能会被偏置在雪崩击穿电压之上。这样的偏置条件可以创建具有大于一的环路增益的正反馈环路。此外，偏置在阈值雪崩击穿电压之上的SPAD可以是单光子敏感的。在其他示例中，光检测器112、114等可以包括光敏电阻、电荷耦合器件(CCD)、光伏电池和/或任何其他类型的光检测器。
在一些实施方式中，阵列110可包括整个阵列上的一种以上类型的光检测器。例如，阵列110可以配置为检测光102的多个预定波长。为此，例如，阵列110可以包括对一波长范围敏感的一些SPAD和对不同波长范围敏感的其他SPAD。在一些实施例中，光检测器110可以对400nm和1.6μm之间的波长(可见和/或红外波长)敏感。此外，光检测器110在给定实施例内或各种实施例中可具有各种尺寸和形状。在一些实施例中，光检测器112、114等可以包括封装尺寸为阵列110的面积的1％、0.1％或0.01％的SPAD。
不透明材料120(例如掩模等)可以阻挡由透镜130聚焦的来自场景的一部分光102(例如背景光)被传输到阵列110。例如，不透明材料120可以配置为阻挡可能对阵列110执行的测量的精度产生不利影响的某些背景光。可替代地或另外，不透明材料120可以阻挡检测器112、114等可检测的波长范围内的光。在一示例中，不透明材料120可以通过吸收一部分入射光来阻挡发射。在另一示例中，不透明材料120可以通过反射一部分入射光来阻挡发射。不透明材料120的示例实施方式的非穷举性列表包括蚀刻金属、聚合物衬底、双轴取向聚对苯二甲酸乙二酯(BoPET)片或覆盖有不透明掩模的玻璃以及其他可能性。在一些示例中，不透明材料120以及因此光圈120a可以定位在透镜130的焦平面处或附近。
光圈120a在不透明材料120内设置端口，光102(或其一部分)可以通过该端口传输。光圈120a可以以各种方式限定在不透明材料120内。在一示例中，可蚀刻不透明材料120(例如金属等)以限定光圈120a。在另一示例中，不透明材料120可以配置为覆盖有掩模的玻璃衬底，并且掩模可以包括限定光圈120a的间隙(例如通过光刻等)。在各种实施例中，光圈120a可以是至少对于由光检测器112、114等可检测到的光的波长部分或全部透明的。例如，在不透明材料120是覆盖有掩模的玻璃衬底的情况下，光圈120a可被定义为玻璃衬底的未被掩模覆盖的部分，使得光圈120a不是完全中空的而是由玻璃制成。因此，在某些情况下，光圈120a可以对光102的一个或多个波长几乎但不完全透明(例如玻璃衬底通常不是100％透明的)。可替代地，在某些情况下，光圈120a可以形成为不透明材料120的中空区域。
在一些示例中，光圈120a(与不透明材料120结合)可以配置为在焦平面处在空间上过滤来自场景的光102。为此，例如，光102可沿着不透明材料120的表面聚焦到焦平面上，并且光圈120a可允许聚焦光的仅一部分传输到阵列110。这样，光圈120a可表现为光学针孔。在一实施例中，光圈120a可具有在0.02mm2至0.06mm2(例如0.04mm2)之间的横截面积。在其他实施例中，光圈120a可以具有不同的横截面积，这取决于各种因素，比如透镜130的光学特性、到阵列110的距离、阵列110中的光检测器的噪声抑制特性等。
因此，尽管如上关于光圈120a使用的术语“光圈”可以描述不透明材料中的可以通过其传输光的凹部或孔，但应当注意，术语“光圈”可以包括各种各样的光学特征。在一示例中，如在整个说明书和权利要求书中所用，术语“光圈”可以另外包括限定在不透明材料内的光可以至少部分地传输通过的透明或半透明的结构。在另一示例中，术语“光圈”可以描述以其他方式选择性地限制光的通过(例如通过反射或折射)的结构，比如被不透明材料包围的镜面。在一示例实施例中，被不透明材料包围的镜面阵列可以布置为在特定方向上反射光，从而限定反射部分，其可被称为“光圈”。
尽管光圈120a示出为具有矩形形状，但应注意，光圈120a可具有不同的形状，比如圆形、环形、椭圆形等。在一些示例中，光圈120a可以替代地具有专门设计为解决系统100内的光学像差的不规则形状。例如，锁孔形光圈可以帮助解决在发射器(例如发射光102的光源)与接收器(例如透镜130和阵列110)之间发生的视差。例如，如果发射器和接收器不在同一位置，则可能会发生视差。其他不规则光圈形状也是可能的，比如与预期在特定场景内的特定对象相对应的特定形状的光圈或选择光102的特定偏振(例如水平或竖直偏振)的不规则光圈。
透镜130可以将来自场景的光102聚焦到光圈120a所处的焦平面上。通过这种布置，在透镜130处从场景收集的光强度可被聚焦以具有在其上投射光102的减小的横截面积(即增加光102的空间功率密度)。例如，在其他示例中，透镜130可以包括会聚透镜、双凸透镜和/或球面透镜。可替代地，透镜130可被实现为彼此相继定位的一组连续透镜(例如在第一方向上聚焦光的双凸透镜和在第二方向上聚焦光的附加双凸透镜)。其他类型的透镜和/或透镜布置也是可能的。另外，系统100可以包括位于透镜130附近的其他光学元件(例如镜面等)，以帮助将入射在透镜130上的光102聚焦到不透明材料120上。
对象198可以是定位在系统100周围的场景内的任何对象。在系统100包括在LIDAR装置中的实施方式中，对象198可以由发射光(其一部分可以作为光102返回)的LIDAR发射器照射。在LIDAR装置用于自主车辆的导航的示例实施例中，对象198可以是或包括行人、其他车辆、障碍物(例如树木、碎片等)或道路标志以及其他类型的对象。
如上所述，光102可以由对象198反射或散射，由透镜130聚焦，传输通过不透明材料120中的光圈120a，并且由阵列110中的光检测器测量。该序列可以发生(例如在LIDAR装置中)，以确定关于对象198的信息。在一些实施例中，由阵列110测量的光102可以另外或可替代地包括由多个对象反射或散射的光、由另一LIDAR装置的发射器发射的光、环境光、阳光以及其他可能性。
在一些示例中，可以基于预期在场景内的对象的类型及其与透镜130的预期距离来选择用于分析对象198的光102的波长。例如，如果预期在场景中的对象吸收500nm波长的所有入射光，则可以选择非500nm的波长来照射对象198并由系统100进行分析。光102(例如如果由LIDAR装置的发射器发射)的波长可以与产生光102(或其一部分)的源相关。例如，如果光是由激光二极管产生的，则光102可以包括在包括900nm(或其他红外和/或可见波长)的波长范围内的光。因此，各种类型的光源都可以用于产生光102(例如光纤放大器、各种类型的激光器、具有过滤器的宽带源等)。
如图所示，光102随着传输远离光圈120a而发散。由于该发散，阵列110处的检测区域(例如示出为由光102照射的阴影区域)可以大于光圈120a的横截面积。对于给定光功率(例如以W为单位)的增加的检测面积(例如以m2为单位)可以导致入射在阵列110上的减少的光强度(例如以W/m2为单位)。
在阵列110包括SPAD或具有高灵敏度的其他光检测器的实施例中，光强度的减少可能是特别有益的。例如，SPAD的灵敏度来自会在半导体内部产生雪崩击穿的大的反向偏置电压。例如，可以通过吸收单个光子来触发这种雪崩击穿。一旦SPAD吸收单个光子并且雪崩击穿开始，SPAD就无法检测到其他光子，直到SPAD被淬灭(例如通过恢复反向偏置电压)。直到SPAD被淬灭的时间可被称为恢复时间。如果其他光子以接近恢复时间的时间间隔到达(例如在十倍之内)，则SPAD可能开始饱和，因此SPAD的测量可能变得不那么可靠。通过减少入射在阵列110内的任何单独光检测器(例如SPAD)上的光功率，阵列110中的光检测器(例如SPAD)可以保持不饱和。结果，每个单独SPAD的光测量可以具有提高的准确性。
图1B是系统100的另一图示。如图所示，系统100还包括光过滤器132和光发射器140。过滤器132可以包括配置为选择性地透过预定波长范围内的光的任何光学过滤器。例如，过滤器132可以配置为选择性地透过在由发射器140发射的光信号的可见波长范围、红外波长范围或任何其他波长范围内的光。例如，光学过滤器132可以配置为使特定波长的光衰减或转移特定波长的光远离阵列110。例如，光学过滤器132可以衰减或转移在发射器140发射的波长范围之外的光102的波长。因此，光学过滤器132至少可以部分地减少环境光或背景光以免对阵列110的测量产生不利影响。
在各种实施例中，光学过滤器132可以位于相对于阵列110的各种位置。如图所示，光学过滤器132位于透镜130和不透明材料120之间。然而，光学过滤器132可以替代地位于透镜130和对象198之间，在不透明材料120和阵列110之间，与阵列110结合(例如阵列110可具有表面屏幕，光学光过滤器132或阵列110中的每个光检测器可分别被单独的光学过滤器等覆盖)，与光圈120a组合(例如光圈120a可以仅对特定波长范围是透明的等)，或者与透镜130组合(例如设置在透镜130上的表面屏幕、仅对特定波长范围透明的透镜130的材料等)。
如图1B所示，光发射器140发射要由阵列110测量的光信号。发射器140可以包括激光二极管、光纤激光器、发光二极管、激光棒、纳米堆叠二极管棒、灯丝、LIDAR发射器或任何其他光源。如图所示，发射器140可发射由场景中的对象198反射并最终由阵列110测量的光(至少其一部分)。在一些实施例中，发射器140可被实现为脉冲激光器(与连续波激光器相反)，允许在保持等效的连续功率输出的同时提高峰值功率。
图2A是根据示例实施例的LIDAR装置200的简化框图。在一些示例实施例中，LIDAR装置200可被安装到车辆，并被用来绘制车辆的周围环境(例如包括对象298等的场景)。如图所示，LIDAR装置200包括可以类似于发射器140的激光发射器240、可以类似于系统100的系统290、控制器292、旋转平台294以及一个或多个致动器296。
系统290包括光检测器阵列210、不透明材料220和透镜230，它们可以分别类似于阵列110、不透明材料120和透镜130。注意，LIDAR装置200可以替代地包括与所示相比更多或更少的阵列。例如，LIDAR装置200可以包括光学过滤器(例如过滤器132)。因此，系统290可以类似于系统100和/或本文中的任何其他系统来实现。
装置200可以操作发射器240以朝向包括对象298的场景发射光202，它们分别类似于装置100的发射器140、光102和对象198。为此，在一些实施方式中，发射器240(和/或装置200的一个或多个其他部件)可以配置为LIDAR装置200的LIDAR发射器。装置200则可以检测从场景返回的光202的反射以确定关于对象298的信息。为此，在一些实施方式中，阵列210(和/或系统290的一个或多个其他部件)可以配置为LIDAR装置200的LIDAR接收器。
控制器292可以配置为控制LIDAR装置200的一个或多个部件并且分析从一个或多个部件接收的信号。为此，控制器292可以包括执行存储在装置200的存储器(未示出)中的指令以操作装置200的一个或多个处理器(例如微处理器等)。另外或可替代地，控制器292可以包括数字或模拟电路，其被接线以执行本文描述的各种功能中的一个或多个。
旋转平台294可以配置为绕轴线旋转以调节LIDAR200的指向方向(例如发射光202相对于环境的方向等)。为此，旋转平台294可以由适于支撑LIDAR200的一个或多个部件的任何固体材料形成。例如，系统290(和/或发射器240)可以由旋转平台294(直接或间接)支撑，使得这些部件中的每个相对于环境移动，同时响应于旋转平台294的旋转而保持特定的相对布置。特别地，安装的部件可以绕轴线(同时)旋转，从而LIDAR200可以调整其指向方向同时扫描周围环境。以这种方式，可以通过将旋转平台294致动到绕旋转轴线的不同方向来水平地调整LIDAR200的指向方向。在一示例中，LIDAR200可被安装在车辆上，并且旋转平台294可被旋转以在从车辆的各个方向上扫描周围环境的区域。
为了以这种方式旋转平台294，一个或多个致动器296可以致动旋转平台294。为此，致动器296可以包括马达、气动致动器、液压活塞和/或压电致动器以及其他可能性。
通过这种布置，控制器292可以操作致动器296从而以各种方式旋转旋转平台294，以便获得关于环境的信息。在一示例中，旋转平台294可以绕轴线在任一方向上旋转。在另一示例中，旋转平台294可以执行绕轴线的完整旋转，使得LIDAR200扫描环境的360°视场(FOV)。在又一示例中，旋转平台294可在特定范围内旋转(例如通过从绕轴线的第一角度位置重复旋转至第二角度位置并返回至第一角度位置等)以扫描环境的较窄FOV。其他示例也是可能的。
而且，旋转平台294可以以各种频率旋转，以使LIDAR200以各种刷新率扫描环境。在一实施例中，LIDAR200可以配置为具有10Hz的刷新率。例如，在LIDAR200配置为扫描360°FOV的情况下，致动器296可以使平台294旋转每秒十次完整旋转。
图2B示出了LIDAR装置200的透视图。如图所示，装置200还包括将来自发射器240的发射光引向装置200的环境的发射器透镜231。为此，图2B示出了装置200的示例实施方式，其中发射器240和系统290各自具有分开的相应光学透镜231和230。然而，在其他实施例中，装置200可以替代地配置为具有用于发射器240和系统290两者的单个共享透镜。通过使用共享透镜来引导发射光并接收入射光(例如光202)，可以提供尺寸、成本和/或复杂性方面的优势。例如，利用共享透镜布置，装置200可以从与接收(由系统290)光202的角度不同的角度减少和/或防止与发射光202(通过发射器240)相关的视差。
如图2B所示，由发射器240发射的光束从透镜231朝向LIDAR200的环境传输，然后作为反射光202返回(例如在从环境中的一个或多个对象反射之后)。LIDAR200然后可以接收反射光202(例如通过透镜230)并提供与一个或多个对象有关的数据(例如一个或多个对象与LIDAR200之间的距离等)。
此外，如图2B所示，旋转平台294以所示的特定相对布置安装系统290和发射器240。举例来说，如果旋转平台294绕轴线201旋转，则系统290和发射器240的指向方向可以根据所示的特定相对布置同时改变。通过此过程，LIDAR200可以根据LIDAR200绕轴线201的不同旋转位置来扫描周围环境的不同区域。例如，装置200(和/或另一计算系统)可以在LIDAR绕轴线201旋转时通过处理与LIDAR200的不同指向方向相关的数据来确定装置200的环境的360°(或以下)视图的三维地图。
在一些示例中，轴线201可以是基本竖直的。在这些示例中，可以通过绕轴线201旋转系统290(和发射器240)来水平调整装置200的指向方向。
在一些示例中，系统290(和发射器240)可以倾斜(相对于轴线201)以调节LIDAR200的FOV的竖直范围。作为示例，LIDAR装置200可以安装在车辆的顶部。在该示例中，系统290(和发射器240)可以倾斜(例如朝向车辆)，以与来自环境的位于车辆上方的区域的数据点相比，从环境的距车辆所在的驾驶表面更近的区域中收集更多的数据点。LIDAR装置200的其他安装位置、倾斜配置和/或应用也是可能的(例如在车辆的不同侧、在机器人设备上或在任何其他安装表面上)。
注意，装置200的各种部件的形状、位置和大小可以变化，并且仅出于示例的目的而如图2B所示地示出。
现在返回图2A，在一些实施方式中，控制器292可以使用与由阵列210测量的信号相关的定时信息来确定对象298的位置(例如距LIDAR装置200的距离)。例如，在发射器240是脉冲激光器的实施例中，控制器292可以监视输出光脉冲的定时，并将这些定时与由阵列210测量的信号脉冲的定时进行比较。例如，控制器292可以根据光速和光脉冲的传输时间(可以通过比较定时来计算)估计装置200与对象298之间的距离。在一实施方式中，在平台294的旋转期间，发射器240可以发射光脉冲(例如光202)，并且系统290可以检测所发射的光脉冲的反射。然后，装置200(或处理来自装置200的数据的另一计算机系统)可以基于发射的光脉冲及其检测到的反射的一个或多个特征(例如定时、脉冲长度、光强度等)的比较来生成扫描环境的三维(3D)表示。
在一些实施方式中，控制器292可以配置为解决视差(例如由于激光发射器240和透镜230不在空间中的相同位置处)。通过解决视差，控制器292可以提高输出光脉冲的定时与由阵列210测量的信号脉冲的定时之间的比较精度。
在一些实施方式中，控制器292可以调制由发射器240发射的光202。例如，控制器292可以改变发射器240的投影(例如指向)方向(例如通过致动安装发射器240的机械平台，例如平台294)。作为另一示例，控制器292可以调制由发射器240发射的光202的定时、功率或波长。在一些实施方式中，控制器292还可以控制装置200的其他操作方面，比如沿着光202的传输路径添加或去除过滤器(例如过滤器132)，调节装置200的各种部件(例如阵列210、不透明材料220(和其中的光圈)、透镜230等)的相对位置等。
在一些实施方式中，控制器292还可以调节材料220内的光圈(未示出)。在一些实施例中，光圈可以从在不透明材料内限定的多个光圈中选择。在一些实施例中，MEMS镜面可以位于透镜230和不透明材料220之间，并且可以由控制器292调节以将来自透镜230的聚焦光引导至多个光圈之一。在一些实施例中，各种光圈可以具有不同的形状和/或尺寸。在一些实施例中，光圈可以由虹膜(或其他类型的隔膜)限定。虹膜可以由控制器292扩大或收缩，例如以控制光圈的尺寸或形状。
因此，在一些示例中，LIDAR装置200可以修改系统290的配置以获得关于对象298和/或场景的附加或不同信息。在一示例中，控制器292可以响应于确定由系统290从场景接收的背景噪声当前相对较低(例如在夜间)而选择较大的光圈。例如，较大的光圈可以允许系统290检测光202的一部分，否则其将被光圈外部的透镜230聚焦。在另一示例中，控制器292可以选择不同的光圈位置以拦截从特定接收路径或视角到达透镜230的光202的一部分。在又一示例中，控制器292可以调节光圈与光检测器阵列210之间的距离。例如，通过这样做，阵列210中的检测区域的横截面积(即光202在阵列210处的横截面积)也可以被调节。例如，在图1A中，通过阵列110上的阴影指示阵列110的检测区域。
然而，在某些情况下，系统290的配置可被修改的程度可能取决于各种因素，例如LIDAR装置200或系统290的大小以及其他因素。例如，再次参考图1A，阵列110的尺寸可以取决于光102从光圈120a的位置到阵列110的位置的发散程度。因此，例如，阵列110的最大竖直和水平范围可以取决于可用于容纳LIDAR装置内的系统100的物理空间。类似地，例如，阵列110与光圈120a之间的距离的值的可用范围也可能受到采用系统100的LIDAR装置的物理限制。因此，本文描述了用于节省空间的系统的示例实施方式，其提供了增加的检测区域，其中光检测器可以拦截来自场景的光并减少背景噪声。
在一些情况下，对象298的扫描表示(例如使用控制器292或使用从LIDAR200接收数据的外部计算机等来计算)可能容易受到与光202的传输路径(例如由发射器240经由图2B的透镜231发射)和入射在透镜230上的反射光202的入射路径之间的空间偏移相关的视差的影响。因此，本文描述了用于减小和/或减轻这种视差的效果的示例实施方式。在一示例中，装置200可以替代地将发射器240并入系统290内，以使LIDAR200的LIDAR发射和接收路径共对准(例如通过使两条路径延伸穿过相同透镜230和不透明材料220中的相同光圈)。
注意，针对装置200的部件示出的各种功能块可以以与示出的布置不同的各种方式重新分配、重新布置、组合和/或分离。
图3A是根据示例实施例的包括波导350的系统300的图示。在一些实施方式中，代替或除了发射器240和系统290之外，系统300可以包括在装置200中。如图所示，系统300可以测量由场景内的对象398反射的光302，分别类似于系统100、光102和对象198。此外，如图所示，系统300包括光检测器阵列310、不透明材料320、光圈320a、透镜330和光源340，它们可以分别类似于阵列110、材料120、光圈120a、透镜130和发射器140。为示例起见，光圈320a被示为具有与光圈120a的形状(矩形)不同的形状(椭圆形)。其他光圈的形状也是可能的。
如图所示，系统300还包括波导350(例如光波导等)。为此，波导350可以由玻璃衬底(例如玻璃板等)、光致抗蚀剂材料(例如SU-8等)或至少部分地对发射光304的一个或多个波长透明的任何其他材料形成。
如图所示，系统300还包括输入镜面360和输出镜面370。镜面360、370可以由具有适于(至少部分地)反射光304的波长的反射率特性的任何反射材料形成。为此，示例反射材料的非穷举性列表包括金、铝、其他金属或金属氧化物、合成聚合物、杂化颜料(例如纤维状粘土和染料等)以及其他示例。
在所示示例中，波导350位于不透明材料320和阵列310之间。然而，在其他示例中，不透明材料320可以替代地位于波导350和阵列310之间。
如图所示，波导350可以布置成使得波导350的一部分延伸到聚焦光302的传输路径中，并且波导350的另一部分延伸在聚焦光302的传输路径之外。结果，聚焦光302的第一部分可被投射到波导350上(如波导350的表面上的阴影区域所示)。
图3B示出了系统300的横截面图。如图3B最佳所示，聚焦光302的第二部分可以从透镜330传输到阵列310，而不会传输通过波导350。
在一些情况下，聚焦光302的第一部分的至少一部分(投射到波导350上)可以传输通过波导350的透明区域(例如从侧面350c到侧面350d，然后从波导350出来朝向阵列310，而不被镜面370拦截)。然而，在某些情况下，聚焦光302的第一部分可以至少部分地被镜面370拦截，然后被反射离开阵列310(例如在波导350内部被引导等)。
为了减轻此，在一些示例中，镜面370可以配置为在镜面370的位置处相对于光圈320a和/或相对于聚焦光302的投影区域具有较小的尺寸。在这些示例中，聚焦光302的较大部分可以邻近镜面370(和/或波导350)传输以继续朝向阵列310传输。
可替代地或另外，在一些示例中，镜面370可由部分或选择性反射的材料(例如半镜面、二向色镜面、偏振分束器等)形成，该材料透过通过镜面370入射到其上以朝向阵列310传输的至少一部分聚焦光302。因此，同样在这些示例中，更大量的聚焦光302最终可以到达阵列310。
在一些示例中，输入镜面360可以配置为将发射光304(被镜面360从发射器340拦截)引导到波导350中。波导350然后将波导350内的光304朝向输出镜面370引导。输出镜面370然后可以从波导350反射引导光304并朝向光圈320a。
如在图3B中最佳示出，例如，输入镜面360可以以偏移角361朝向波导350的侧面350c倾斜。例如，镜面360和侧面350c之间的角度可以小于镜面360和侧面360d之间的角度。在一实施方式中，镜面360的偏移或倾斜角361为45°。然而，其他角度也是可能的。在所示的实施例中，输入镜面360设置在波导350的侧面350a上。因此，在该实施例中，发射光304可以通过侧面350c传输到波导350中，然后从侧面350a朝向镜面360传输。然后，镜面360可以以合适的入射角通过侧面350a将光304反射回波导350中，从而使得波导350然后可以将光304引向侧面350b。例如，波导350可以形成为使得侧面350a和350c之间的角度361小于侧面350a和侧面350d之间的角度(即侧面350a朝向侧面350c倾斜)。然后可以将输入镜面360沉积在侧面350a上(例如通过化学气相沉积、溅射、机械联接或其他过程)。然而，在其他实施例中，镜面360可以替代地设置在波导350内部(例如在侧面350a和350b之间)，或者可以与波导350物理上分开。
如图3B最佳所示，输出镜面370也可以朝向波导350的侧面350c倾斜。例如，镜面370与侧面350c之间的角度371可以小于镜面370与侧面360d之间的角度。在一实施方式中，镜面370的偏移或倾斜角371为45°。然而，其他角度也是可能的。因此，在一些示例中，输入镜面360可以在第一方向(例如在图3B的视图中为顺时针方向)上朝向侧面350c倾斜，并且输出镜面370可以在第二方向(例如与第一方向相反的方向)上朝向侧面350c倾斜。可以以类似于镜面360的各种方式在物理上实现输出镜面370(例如设置在波导350的倾斜侧面350b上等)。
在一些示例中，波导350可以由具有与围绕波导350的材料不同的折射率的材料形成。因此，波导350可以经由在波导350的一个或多个边缘、侧面、壁等处的内部反射(例如全内反射、受挫的全内反射等)引导在波导内部传输的光的至少一部分。例如，如图3B所示，波导350可以经由在波导350的侧面350c、350d和/或其他侧面处的内部反射朝向侧面350b引导发射光304(从发射器340接收)。
例如，在图3B所示的布置中，波导350可以在侧面350a和350b之间竖直地(例如纵向地)延伸。在一些示例中，侧面350c可以对应于与侧面350c相邻的波导350的较高折射率介质(例如光致抗蚀剂、环氧树脂等)和较低折射率介质(例如空气、真空、光学粘合剂、玻璃等)之间的界面)。因此，例如，如果引导光304以小于临界角(例如这可以基于在侧面350c处的相邻材料的折射率之比等)传输到侧面350c，则入射在侧面350c上的引导光(或其一部分)可被反射回波导350。类似地，以小于临界角入射在侧面350d上的引导光也可被反射回波导350。因此，例如，波导350可以通过侧面350c和350d处的内部反射来控制引导光的发散。类似地，波导350可以在波导350的两个相对侧面之间延伸穿过图3B的图示中的页面以控制导光304的发散。在一些实施方式中，为了促进控制光304的发散，侧面350c可以配置为基本平行于侧面350d。
通过该过程，发射光304的至少一部分(由输入镜面360反射到波导350中)可以到达倾斜侧面350b。然后，输出镜面370(例如设置在侧面350b上)可以将引导光304的至少一部分朝向侧面350c反射并反射出波导350。例如，偏移或倾斜角361可以选择成使得来自输入镜面360的反射光304沿特定方向传输到波导350中，使得光304以小于临界角的角度到达侧面350c(或350d)。结果，通过使从侧面350c、350d等反射，可以将输入光304在波导350内部朝向侧面350b引导。类似地，输出镜面370的偏移或倾斜角371可以选择成使得由镜面370反射的光304以大于临界角的角度朝向侧面350c的特定区域传输。结果，光304(由输出镜面370反射)可以(至少部分地)通过侧面350c透过而不是反射(例如通过全内反射等)回到波导350。此外，镜面370可以定向为反射入射到其上朝向光圈320a的引导光304。例如，如图3B所示，光圈320a可以位于侧面350c的特定区域附近，并且因此可以将光304朝向透镜330传输。然后透镜330可以将光304引向场景。
然后，发射光304可以从场景中的一个或多个对象(例如对象398)反射，并且返回到透镜330(例如作为来自场景的光302的一部分)。透镜330然后可以将光302(包括发射光束的反射)聚焦通过光圈320a并朝向阵列310。
通过这种布置，系统300可以从系统300接收聚焦光302(例如光圈320a)的基本相同的物理位置(例如光圈320a)发射光304。因为发射光304的传输路径和聚焦光302的接收路径是共对准的(例如从光圈320a的角度来看两个路径)，所以系统300可能比装置200的系统290和发射器240的布置(它们与物理上分开的透镜230和231相关)更不易受到视差效果的影响。例如，来自包括系统300的LIDAR装置的数据可以用于生成不太容易受到与视差有关的误差影响的场景的表示(例如点云)。
注意，所示的系统300的部件和特征的尺寸、位置、定向和形状不一定按比例绘制，而是仅出于描述方便的目的而示出。还应注意，系统300可以包括比所示出的部件更少或更多的部件，并且所示出的部件中的一个或多个可以被不同地布置、物理地组合和/或物理上划分为单独的部件。
在第一实施例中，阵列310、光圈320a和波导350的相对布置可以变化。在第一示例中，不透明材料320(以及因此光圈320a)可以替代地设置在阵列310和波导350之间。例如，波导350可以定位成与不透明材料320的相对侧相邻，同时仍沿着与通过光圈320a传输的聚焦光302的传输路径重叠的路径传输发射光304。在第二示例中，阵列310可以替代地设置在波导350和不透明材料320之间。例如，阵列310可以包括光圈(例如腔等)，发射光304通过其而朝向光圈320a(和透镜330)传输。
在第二实施例中，替代多个光检测器，阵列310可由单个光检测器代替。
在第三实施例中，波导350与光圈320a之间的距离可以变化。在一示例中，波导350可以沿着不透明材料320(例如与之接触等)设置。例如，侧面350c可以与光圈320a基本共面或与其接近。然而，在其他示例中(如图所示)，波导350可以定位为距不透明材料320(和光圈320a)一定距离(例如间隙等)。
在第四实施例中，系统300可以可选地包括致动器，其在扫描场景时移动透镜330、不透明材料320和/或波导350以实现特定的光学配置(例如焦点配置等)。更一般地，可以根据系统300的各种应用来调整系统300的光学特性。
在第五实施例中，光圈320a的位置和/或取向可以变化。在一示例中，光圈320a可以沿着透镜330的焦平面设置。在另一示例中，光圈320a可以平行于透镜330的焦平面设置，但是到透镜330的距离与焦平面和透镜330之间的距离不同。在又一示例中，光圈320a可以相对于透镜330的焦平面以偏移定向布置。例如，系统300可以旋转(例如经由致动器)不透明材料320(和/或波导350)，以调节光302和/或304进入光圈320a的入射角。通过这样做，例如，控制器(例如控制器292)可以进一步根据各种因素比如透镜330的透镜特性、系统300的环境以及其他因素来控制系统300的光学特性(例如以减少来自扫描场景的特定区域的噪声/干扰等)。
在第六实施例中，波导350可以替代地具有圆柱形状或任何其他形状。另外，在一些示例中，波导350可被实现为刚性结构(例如平板波导)或柔性结构(例如光纤)。
在第七实施例中，波导350可以具有弯曲形状或其他类型的形状，代替图3A和3B所示的竖直矩形配置。因此，在该实施例中，阵列310和发射器340可以以各种方式在物理上分离，并且波导350可以以任何路径(不一定是如图所示的竖直或线性路径)将发射光304引导至输出镜面370。
在第八实施例中，系统300可以替代地省略输入镜面360。例如，发射器340可布置为以合适的入射角朝向波导350发射光304，使得其从侧面350c、350d等反射，而不存在输入镜面370。
在第九实施例中，可以替代地在不倾斜侧面350a的情况下实现波导350。例如，侧面350a可以相对于侧面350c和350d成相同(例如竖直等)的角度。例如，通过这种布置，发射器340可以将光304发射到侧面350a中(侧面350a可能不会被镜面360阻挡)。
在第十实施例中，系统300可包括多个输出镜面(在波导350的侧面350a和350b之间)而不是所示的单个输出镜面370、多个光圈而不是所示的单个光圈320a、以及多个光检测器阵列而不是所示的单个阵列310。例如，第一输出镜面可以将引导光304的第一部分从波导350反射出朝向第一光圈，并且引导光的其余部分可以继续在波导内向第二输出镜面传输。然后，第二输出镜面可将引导光的第二部分反射出波导而朝向第二光圈，依此类推。因此，在该实施例中，系统300可以使用单个波导来提供多个共对准的传输/接收通道。
在第十一实施例中，镜面360、370可以替代地实现为一个或多个光学元件(例如透镜、棱镜面、波导等)，其配置为将从发射器340发射的光304重引导到波导350中(和/或朝向光圈320a)。例如，镜面360和/或370可被实现为全内反射(TIR)镜面(例如棱镜面等)或设置在侧面350a、350b等附近的另一光学元件组件，以将光304引导到波导350中和/或从波导350引出朝向光圈320a。
在第十二实施例中，可以从系统300省略镜面360、370，并且可以将波导350替代地配置为执行上述针对镜面360、370的功能。例如，可以将波导350的侧面350a和350b实现为将光304反射到波导350中或从其反射出的TIR镜面。例如，倾斜角361(在图3B中示出)可以选择成使得光304以小于临界角的角度(例如与波导350及其周围介质的折射率相关)从发射器340到达侧面350a。可替代地或另外，例如，发射器340可以布置成以小于临界角的角度朝向侧面350a(和/或侧面350d)发射光304，使得光350然后可以在波导360内部朝向侧面350b内部反射。类似地，倾斜角371可以选择成使得波导350内部的引导光被侧面350b以大于临界角的角度朝向侧面350c反射(例如使得光304然后可以在从侧面350b反射之后在侧面350c处离开波导350)。因此，在该示例中，波导350和镜面360、370可被实现为单个物理结构(例如不使用反射性材料)。
图4A示出了根据示例实施例的包括多个波导450、452、454、456的系统400的第一截面图。出于说明目的，图4A示出了x-y-z轴，其中z轴延伸穿过页面。系统400可以类似于系统100、290和/或300，并且可以与装置200一起使用，以代替或除系统290和发射器240之外。例如，波导450沿着页面表面的一侧可以与波导350的侧面350c相似。
如图所示，系统400包括多个波导450、452、454、456，每个波导可类似于波导350；多个输入镜面460、462、464、466，每个输入镜面可类似于镜面360；以及多个输出镜面470、472、474、476，每个输出镜面可类似于输出镜面370。
图4B示出了系统400的第二截面图，其中z轴也延伸穿过页面。如图4B所示，系统400还包括不透明材料420，其可以类似于系统300的不透明材料320；以及发射器440，其包括与光源340类似的一个或多个光源。
发射器440可以配置为朝向波导450、452、454、456发射光(沿z轴的方向)。例如，如图4A所示，来自发射器的发射光404可以与输入镜面460重叠的位置(阴影区域)处被投影到波导450上，它们分别类似于发射光304、波导350和输入镜面350。为此，发射器440可以包括一个或多个光源(例如激光棒、LED、二极管激光等)。
在第一实施例中，发射器440可以包括为所有波导450、452、454和456传输光的单个光源。例如，系统400可以包括一个或多个光学元件(未示出)，比如透镜、镜面、分束器等，它们将由单个光源发射的光的各个部分分开并引导到波导450(例如作为光404)、452、454和456。通过这种布置，例如，单个光源可以用于驱动系统400的多个传输通道(例如其中每个传输通道与对应的输出镜面的位置相关)。
在第二实施例中，发射器440中的给定光源可以用于驱动少于或多于四个波导。例如，发射器440可以包括向输入镜面460发射光404的第一光源，以及第二光源，其发射光(例如分成三个分开的光束等)，以用于在输入镜面462、464和466处接受。
在第三实施例中，发射器440可以包括用于驱动每个波导的单独光源。例如，第一光源可以朝向镜面460发射光404，第二光源可以朝向镜面462发射光，第三光源可以朝向镜面464发射光，第四光源可以朝向镜面466发射光。
不管发射器440中有多少光源，来自发射器的发射光束然后都可以被引导导朝向系统400的环境的单独传输路径(与输出镜面的位置相关)中。
例如，光束404可被传输到波导450的给定表面中(例如类似于波导350的侧面350c等)，如图4A中的阴影区域所示。波导450然后可将光404引向沿着波导460的引导方向布置的一个或多个输出镜面。例如，输出镜面470可将引导光404的一部分404a反射出页面(例如沿z轴方向)，并通过波导450的给定表面朝向场景。因此，光部分404a可以限定与上述传输路径相关的第一传输通道(例如LIDAR传输通道等)。
类似地，系统400的第二传输通道可以与由波导452和输出镜面472限定的传输路径相关；第三传输通道可以与由波导454和输出镜面474限定的传输路径相关；第四传输通道可以与由波导456和镜面476限定的传输路径相关。例如，通过这种布置，系统400可以向场景发射根据输出镜面的位置布置的光束图案。
在一些示例中，单个波导可用于限定系统400的多个传输通道。例如，如图4A所示，可将在波导450内部引导的光404的另一部分404b在与部分404a传输出波导450的位置不同的位置(阴影部分)从波导450传输出去。例如，系统400可以包括另一倾斜输出镜面(未示出)，其在图4A所示的位置将光部分404b反射出波导450。然后，引导光404的其余部分404a可以继续朝向镜面470传输，然后根据上面的讨论从波导440反射出来。
现在回到图4B，不透明材料420可以限定多个光圈，以光圈420a、420b、420c、420d和420e为例，每个光圈可以类似于光圈320a。例如，光圈420a可以与输出镜面470对准(例如相邻、重叠等)，它们分别类似于光圈320a和输出镜面370。例如，光圈420a可以在z轴方向上与输出镜面470重叠，以接收由输出镜面470反射离开波导450的光404a。类似地，光圈420b可以与输出镜面472对准，光圈420c可以与输出镜面474对准，光圈420d可以与输出镜面476对准。因此，每个光圈可以与相应的传输通道的位置相关。
另外，在一些示例中，来自场景的光(例如传输到图4B的页面中)可被聚焦到不透明材料420上，类似于被聚焦到不透明材料320上的光302。在这些示例中，系统400因此可以提供与在光圈420a、420b、420c、420d等的相应位置处投射在不透明材料420上的聚焦光的相应部分相关的多个接收通道。
例如，传输通过光圈420a的聚焦光的第一部分可以被与第一接收通道相关的第一光检测器拦截，传输通过光圈420b的聚焦光的第二部分可以被与第二接收通道相关的第二光检测器拦截，传输通过光圈420c的聚焦光的第三部分可以被与第三接收通道相关的第三光检测器拦截，传输通过光圈420d的聚焦光的第四部分可以被与第四接收通道相关的第四光检测器拦截。
通过这种布置，每个传输通道可以与传输路径相关，该传输路径与与相应接收通道相关的接收路径在空间上对准(通过相应的光圈)。因此，系统400可以通过提供由光圈420a、420b、420c、420d等的位置限定的成对的共对准的传输/接收通道来减轻视差的影响。
图4C示出了系统400的第三截面图，其中z轴也指向页面外。例如，图4B所示的系统400的一个或多个部件可以位于图4A所示的一个或多个部件的上方或下方(例如沿z轴的方向)。
如图4C所示，系统400还包括安装多个接收器的支撑结构480，以接收器410、412、414、416和418为例。此外，如图所示，系统400还包括一个或多个遮光罩482。
接收器410、412、414、416、418等中的每个可包括一个或多个光检测器。另外，每个接收器可以布置成拦截传输通过不透明材料420(在图4B中示出)的相应光圈的聚焦光。例如，接收器410、412、414、416、418可以布置成拦截分别传输通过光圈420a、420b、420c、420d、420e(在图4B中示出)的聚焦光。在一实施例中，接收器410、412、414、416可被定位成分别与输出镜面470、472、474、476重叠(例如在z轴的方向上)。在一些示例中，每个接收器410、412、414、414、416、418等可以包括彼此并联连接的相应光检测器阵列(例如SiPM、MPCC等)，类似于任何阵列110、210或310中的光检测器。在其他示例中，每个接收器可以包括单个光检测器。
因此，在一些示例中，系统400包括根据多个输出镜面(例如470、472、474、476等)的布置而布置的多个光检测器(例如410、412、414、416等)。
支撑结构480可以包括具有适于支撑接收器410、412、414、416、418等的材料特性的固体结构。在一示例中，支撑结构480可以包括接收器410、412、414、416、418等的光检测器所安装到的印刷电路板(PCB)。
遮光罩482可以包括围绕接收器410、412、414、416、418等布置的一种或多种光吸收材料(例如黑碳、黑铬、黑塑料等)。在一些示例中，遮光罩482可以防止(或减少)来自外部源的光(例如环境光等)到达接收器410、412、414、416、418等。可替代地或另外，在一些示例中，遮光罩482可以防止或减少与接收器410、412、414、416相关的接收通道之间的串扰。因此，遮光罩482可以配置为将接收器410、412、414、416等彼此光学分离。在所示的示例中，遮光罩482可以成形为蜂窝结构构造，其中蜂窝结构的每个单元屏蔽第一接收器(例如接收器410)的光检测器免受朝向第二相邻接收器(例如接收器412)中的光检测器传输的光。遮光罩482的其他形状和/或布置(例如矩形单元、其他形状的单元等)也是可能的。
图4D示出了系统400的第四截面图，其中y轴指向通过页面。如图4D所示，系统400还包括透镜430、光过滤器432、衬底474和输出镜面478。如图4D所示，波导450可以与透镜430相距第一距离，而接收器410、418可以与透镜430相距第二(更大)距离。
透镜430可以类似于透镜330。例如，透镜430可以将光402朝向不透明材料420聚焦，它们分别类似于透镜330、聚焦光302和不透明材料320。聚焦光402的各个部分然后可以分别传输通过光圈420a、420b、420c、420d、420e等(在图4B中示出)。例如，如图4D所示，聚焦光402的第一部分402a可以传输通过光圈420a朝向波导450和接收器410。类似地，聚焦光402的第二部分402b可以传输通过光圈420e朝向波导450和接收器418。
另外，如上所述，每个光圈还可以对应于透镜430从其接收发射光束的位置。因此，透镜430可以将从特定光圈传输的每个发射光束引导至场景的相同区域，透镜430将接收到的光从该相同区域聚焦到该相同的特定光圈中。例如，发射光束404a可以根据光圈420a的位置由透镜430引导到场景的第一区域。因此，从相同的第一区域返回到透镜430的发射光束404a的反射部分可以被透镜430聚焦到相同的光圈420a中(即作为第一聚焦光部分402a的一部分)，以被光检测器410接收。类似地，第二发射光束404b的反射部分可以被透镜430朝向光圈420e和光检测器418聚焦，作为第二聚焦部分402b的一部分。
因此，在一些实施例中，系统400可以配置为发射多个发射光束(例如404a、404b)以照射场景。在这些实施例中，可以基于多个镜面(例如470、478等)的物理布置而在空间上布置多个光束。
光过滤器432可以类似于光过滤器132。例如，光过滤器432可以包括配置为衰减光402的波长(例如不同于发射光404的波长等)的一个或多个装置。在一些示例中，过滤器432可以水平地延伸(穿过页面；沿着y轴的方向)以类似地衰减朝向波导462、464和466(在图4A中示出)传输的光。
如图4D所示，过滤器432可以设置在系统400的接收器(例如410、418等)和波导(例如450等)之间。在另一实施例中，过滤器432可以替代地设置在波导和透镜之间。在又一实施例中，衬底474可以由具有过滤器432的光过滤特性的材料形成。因此，在该实施例中，过滤器432和衬底474可被实现为单个物理结构。在又一实施例中，过滤器432可被实现为多个(例如较小的)过滤器，每个设置在透镜430和相应的一个接收器之间。例如，第一过滤器可以用于衰减朝向接收器410传输的光，第二单独的过滤器可以用于衰减朝向接收器418传输的光等。在一实施方式中，多个过滤器中的每一个可以设置在相应的一个接收器上。例如，可以在接收器410的顶部上形成第一过滤器，可以在接收器418的顶部上形成第二过滤器，依此类推。
衬底474可以由(至少部分地)透明的材料形成，该材料配置为透过至少一些波长的光(例如光404的波长等)通过衬底。在一实施例中，衬底474可以包括玻璃衬底(例如玻璃晶片)。在一些示例中，衬底474可以对可见光以及光404(例如红外光等)的波长是透明的。
如图所示，波导450具有输入边缘450a和输出边缘450b，它们分别类似于波导350的侧面350a和350b。例如，如图4D所示，输入边缘450a可以沿第一方向(例如绕y轴的逆时针方向)朝向波导450的输出侧(例如安装至衬底474的侧面)倾斜。这样，输入镜面460可以沉积在倾斜的输入边缘450a上，以将光404(由发射器440朝向输入镜面460发射)反射回波导450(例如朝向输出镜面470)。此外，输出边缘450b可以在第二(相反)方向(例如绕y轴的顺时针方向)朝向波导450的输出侧倾斜。这样，输出镜面470可以沉积在输出边缘450b上以将引导光部分404a反射出波导450并通过光圈420a朝向透镜430。
如图4D所示，波导450还具有另一输出边缘450e，其类似于边缘450b朝向波导450的输出侧倾斜。这样，输出镜面478可以设置在输出边缘450e上以将引导光部分404b反射出波导450并朝向光圈420e。因此，在一些示例中，波导450可以配置为将从发射器(例如发射器44)接收的发射光402朝向多个输出镜面(470、478)引导。
为此，在一些示例中，波导450可以在输入边缘450e和输出边缘450e之间具有第一横截面尺寸，其不同于(例如大于)在输出边缘450e和450b之间的波导450的第二横截面尺寸。因此，在沿波导450的引导方向(例如x轴上的正方向)到达输出边缘(例如450e)之后，引导光的第一部分404b可以作为第一发射光束(404b)而从波导发射出，引导光的第二部分可以继续传输(在波导的较小尺寸部分)朝向下一输出镜面(例如470)，该镜面(至少部分地)反射引导光的第二部分从波导出来作为第二发射光束(404a)。
在一些示例中，衬底474可以提供用于光学耦合(例如对准等)系统400的一个或多个部件的平台。例如，如图所示，波导450的输出表面(例如类似于波导350的侧面350c)可被安装在衬底474的第一侧上。另外，如图所示，发射器440可被安装在衬底474的与第一侧相反的第二侧上。另外，如图所示，不透明材料420可被安装在衬底的第二侧上。
在一示例中，衬底474可对可见光透明。通过这种布置，在某些情况下，与发射器440代替地邻近波导450的边缘450a相比，可以更有效地执行发射器440与镜面460的对准(例如，因为可以通过衬底474等观察到镜面460)。
在另一示例中，衬底474可以在衬底的每一侧包括对准标记(例如蚀刻的标记或腔等)。这样的对准标记可以在衬底474的制造过程中被精确地定位(例如使用掩模等)。进而，通过使用这样的对准标记，可以更精确地对准安装到衬底474上的各种部件。例如，可以使用机器人工具将波导450、452、454、456等沉积到衬底474的第一侧上，可以使用对准标记来精确地沉积波导450的材料。类似地，对准标记可以用来将不透明材料420和发射器440更准确地放置在衬底474的第二侧上。
在一示例中，不透明材料420可以沿着透镜430的焦平面限定光圈网格。在一些示例中，不透明材料420中的每个光圈可以为与可以通过相应光圈看到的透镜430的FOV的相应部分相关的各个传输/接收通道发射光。在一实施例中，不透明材料420可包括四行64个光圈，其中每行水平(例如沿y轴)相邻光圈与另一行光圈隔开竖直偏移(例如沿z轴)。在该实施例中，系统400因此可以提供4×64＝256个接收通道和256个共对准的传输通道。在其他实施例中，系统400可以包括不同数量的传输/接收通道(且因此不同数量的相关光圈)。
在一示例中，系统400可以包括32个波导(类似于波导450、452、454、456布置)，并且每个波导可以以2×4网格布置引导被划分成8个发射光束的光(例如以驱动系统400的8个传输/接收通道，它们在空间上布置成两行，每行四个光圈)。其他示例也是可能的。
在一些实施方式中，系统400可以在使用多个共对准的传输/接收通道扫描周围环境的同时绕轴线旋转。再次参考图2，例如，系统400可以安装在类似于平台294的旋转平台上，该旋转平台在系统400传输光脉冲并检测其反射(经由光圈420a、420b、420c、420d等)的同时绕轴线旋转(例如使用致动器296等)。在此示例中，控制器(例如控制器292)或其他计算机系统可以接收使用系统400的共对准的传输/接收通道收集的LIDAR数据，然后处理LIDAR数据以生成系统400的环境的3D表示。在一实施方式中，系统400可以用于车辆中，并且3D表示可以用来促进车辆的各种操作(例如检测和/或识别车辆周围的对象，促进车辆在环境中的自主导航，通过显示器向车辆的用户显示3D表示等)。
注意，图4A-4D所示的系统400的各种部件的各种尺寸、形状和位置(例如相邻波导之间的距离等)不一定按比例绘制，而是仅出于描述方便起见而示出。例如，尽管在图4A中示出了波导450、452、454、456在线性方向上(例如沿x轴的方向)延伸，但可以替代地可以实现一个或多个波导在弯曲路径或具有任何不同类型形状的路径上延伸。
在一些示例中，图4A中所示的一个或多个波导可以替代地在纵向方向上从输入侧延伸到中间位置，然后分成多个分支(例如细长构件等)，其中每个分支包括一个或多个输出边缘并沿与波导的其他分支不同的方向延伸。其他示例也是可能的。
三、示例方法
图5是根据示例实施例的方法500的流程图。方法500呈现了例如可以与系统100、290、300、400和/或装置200一起使用的方法的实施例。方法500可以包括框502-508中的一个或多个所示的一个或多个操作、功能或动作。尽管以有序的顺序示出了这些框，但在某些情况下，这些框可以并行地和/或以与本文所描述的顺序不同的顺序来执行。而且，各个框可以基于期望的实施方式被组合成更少的框，被划分成其他框和/或被去除。
另外，对于本文公开的方法500以及其他过程和方法，该流程图示出了本实施例的一种可能的实施方式的功能和操作。在这方面，每个框可以代表模块、段、制造或操作过程的一部分或者程序代码的一部分，其包括一个或多个指令，该指令可以由处理器执行以用于实现该过程中的特定逻辑功能或步骤。程序代码可以存储在任何类型的计算机可读介质上，例如包括磁盘或硬盘驱动器的存储设备。计算机可读介质可以包括非暂时性计算机可读介质，例如在短时间内存储数据的计算机可读介质，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(RAM)。计算机可读介质还可以包括非暂时性介质，例如二级或永久性长期存储，如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读介质还可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。例如，计算机可读介质可被认为是计算机可读存储介质或有形存储设备。另外，对于本文所公开的方法500以及其他过程和方法，图5中的每个框可以表示被连线以执行该过程中的特定逻辑功能的电路。
在框502，方法500涉及朝向波导(例如450)的第一端(例如边缘450a)发射(例如经由发出器/发射器440)光(例如404)。在框504，方法500包括在波导内部朝向波导的第二端(例如边缘450b)引导发射光。
在框506，方法500涉及朝向波导的输出表面(例如安装在衬底474上的波导450的表面、波导350的输出侧350c等)反射(例如经由输出镜面470)引导光的第一部分(例如404a)。在一些示例中，第一光部分(例如404a)可以作为第一发射光束朝向场景发射。例如，光部分404a可以作为第一发射光束由透镜430指向场景。
在框508，方法500涉及将引导光的第二部分(例如404b)作为第二发射光束朝向波导的输出表面反射(例如经由输出镜面478)。例如，再次参考图4D，透镜430可以从光圈420a的第一位置接收第一光部分404a，并且从光圈420e的第二位置接收第二光部分404b。进而，透镜430可以将第一光束404a朝向场景的第一区域传输，并且可以将第二光束404b朝向场景的第二区域传输。
四、结论
上面的详细描述参照附图描述了所公开的系统、设备和方法的各种特征和功能。尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但其他方面和实施例将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例仅出于说明的目的且并非旨在是限制性的，其真实范围由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
光发射器，其配置为发射光；
波导，其配置为将光从波导的第一端朝向波导的第二端引导，其中，所述波导具有在所述第一端和第二端之间的输出表面；以及
多个镜面，其包括第一镜面和第二镜面，其中，所述第一镜面将光的第一部分朝向所述波导的输出表面反射，其中，所述第二镜面将光的第二部分朝向所述波导的输出表面反射，
其中，所述第一部分在被所述第一镜面反射之后作为第一发射光束从所述波导的输出表面朝向场景传输，并且
其中，所述第二部分在被所述第二镜面反射之后作为第二发射光束从所述波导的输出表面朝向场景传输。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
多个光检测器，其配置为接收来自所述场景的光。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，根据所述多个镜面的布置来布置所述多个光检测器。
4.根据权利要求2所述的系统，还包括：
透镜，其配置为将来自所述场景的光朝向所述多个光检测器聚焦，其中，聚焦光的第一聚焦部分包括所述第一发射光束的反射部分，其中，聚焦光的第二聚焦部分包括所述第二发射光束的反射部分，并且其中，所述透镜使第一聚焦部分朝向多个光检测器中的第一光检测器聚焦，并且其中，所述透镜使第二聚焦部分朝向多个光检测器中的第二光检测器聚焦。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述透镜还配置为将所述第一发射光束朝向所述场景引导，并且将所述第二发射光束朝向所述场景引导。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
输入镜面，其中，所述输入镜面配置成将来自所述发射器的光反射到所述波导中并朝向所述多个镜面反射。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述输入镜面在第一方向上朝向所述波导的输出表面倾斜，并且其中，所述多个镜面中的每个在第二方向上朝向所述波导的输出表面倾斜。
8.根据权利要求6所述的系统，还包括：
衬底，其中，所述波导的输出表面安装在所述衬底的第一侧，并且其中，所述光发射器安装在所述衬底的与第一侧相对的第二侧。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波导的在所述第一端和第一镜面之间的第一部分具有第一横截面尺寸，并且其中，所述波导的在所述第一镜面和第二镜面之间的第二部分具有第二横截面尺寸。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一横截面尺寸大于所述第二横截面尺寸。
11.一种光检测和测距(LIDAR)装置，包括：
多个镜面，其包括第一镜面和第二镜面，其中，所述LIDAR装置发射多个光束以照射场景，其中，所述多个发射光束包括第一发射光束和第二发射光束，并且其中，所述多个发射光束基于所述多个镜面的物理布置而在空间上布置；
光发射器；以及
波导，其配置为将来自所述光发射器的发射光朝向所述多个镜面引导，其中，所述第一镜面配置为将光的第一部分作为所述第一发射光束朝向所述波导的输出侧反射，并且其中，所述第二镜面配置为将光的第二部分作为所述第二发射光束朝向所述波导的输出侧反射。
12.根据权利要求11所述的LIDAR装置，还包括：
不透明材料，其包括根据所述多个镜面的物理布置而布置的多个光圈，其中，所述多个光圈至少包括第一光圈和第二光圈。
13.根据权利要求12所述的LIDAR装置，其中，所述第一镜面配置为将所述第一发射光束朝向所述第一光圈引导，并且其中，所述第二镜面配置为将所述第二发射光束朝向所述第二光圈引导。
14.根据权利要求12所述的LIDAR装置，还包括：
透镜，其配置为接收来自所述场景的光，其中，所述透镜配置为将接收光的第一部分聚焦到所述第一光圈中并且将接收光的第二部分聚焦到所述第二光圈中，其中，第一聚焦部分包括来自所述场景的被所述第一发射光束照射的第一区域的光，并且其中，第二聚焦部分包括来自所述场景的被所述第二发射光束照射的第二区域的光。
15.根据权利要求14所述的LIDAR装置，还包括：
多个光检测器阵列，其包括第一光检测器阵列和第二光检测器阵列，其中，所述第一光检测器阵列配置为拦截传输通过第一光圈的第一聚焦部分的至少一部分，并且其中，所述第二光检测器阵列配置为拦截传输通过第二光圈的第二聚焦部分的至少一部分。
16.根据权利要求15所述的LIDAR装置，还包括：
一个或多个遮光罩，其布置在所述第一光检测器阵列周围，其中，所述一个或多个遮光罩配置为防止传输通过所述第二光圈的第二聚焦部分的至少一部分朝向所述第一光检测器阵列传输。
17.根据权利要求11所述的LIDAR装置，其中，所述波导具有朝向波导的输出侧倾斜的多个边缘，其中，所述第一镜面设置在所述多个边缘中的第一边缘上，并且其中，所述第二镜面设置在所述多个边缘中的第二边缘上。
18.根据权利要求17所述的LIDAR装置，其中，所述波导的在所述第一边缘和第二边缘之间的第一部分的第一横截面尺寸不同于所述波导的与第一边缘相邻的第二部分的第二横截面尺寸。
19.根据权利要求17所述的LIDAR装置，还包括：
衬底，其中，所述波导的输出侧沿着衬底的第一侧设置，其中，所述光发射器沿着衬底的与第一侧相对的第二侧设置，
其中，所述多个边缘在第一方向上朝向所述波导的输出侧倾斜，并且其中，所述波导具有在第二方向上朝向所述波导的输出侧倾斜的输入边缘；以及
输入镜面，其设置在所述波导的输入边缘上，其中，所述输入镜面配置为将来自所述光发射器的发射光反射到所述波导中。
20.一种方法，包括：
朝向波导的第一端发射光；
在波导内部，朝向波导的第二端引导光，其中，所述波导在第一端和第二端之间具有输出表面；
将光的第一部分朝向波导的输出表面反射，其中，所述第一部分作为第一发射光束从波导的输出表面朝向场景传输；以及
将光的第二部分朝向波导的输出表面反射，其中，所述第二部分作为第二发射光束从波导的输出表面朝向场景传输。
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