CN113204000A - 激光成像检测和测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光成像检测和测距装置，该激光成像检测和测距装置包括光源(12)、镜(16)、可旋转轴(24)和马达(26)。光源(12)被配置成发射具有预定光束宽度的用于扫描扫描区(SZ)的光束；可旋转轴(24)具有与镜(16)的反射表面(16a)平行的中心轴线(CX)并且可旋转轴(24)连接至所述镜(16)的背表面(16b)。马达(26)被配置成使轴(24)旋转以使镜(16)在第一位置与第二位置之间旋转。光源(12)和镜(16)被布置成具有以下位置关系，该位置关系使得在镜(16)处于第一位置时镜中心(MC)与光束中心(BC)对准，并且当镜(16)在第一位置(不包括第一位置)与第二位置(包括第二位置)之间摆动时，镜中心(MC)在运动区域内移位。

Description

激光成像检测和测距装置

技术领域

本公开内容涉及用于计算到对象的距离的LIDAR装置。

背景技术

代表光检测和测距的LIDAR是用于测量到扫描区域中的对象的距离的远程感测方法。这种LIDAR系统已经被很好地用于各种领域，包括用于自动驾驶区域的领域。LIDAR系统通常使用光发射器、光接收器以及用于将发射的光朝扫描区域反射的镜。通常通过使镜旋转以扩大检测区域来使用扫描镜。

发明内容

本公开内容的一方面是一种LIDAR装置，该LIDAR装置用于测量到预定扫描区中的对象的距离。该装置包括光源、镜、可旋转轴和马达。光源被配置成发射具有预定光束宽度的用于扫描扫描区的光束。镜具有反射表面以及与反射表面相反的背表面。该镜被配置成：使用反射表面将从光源发射的光束朝扫描区反射。可旋转轴具有与镜的反射表面平行的中心轴线。该轴经由例如连接构件连接至镜的背表面。

马达被配置成：使轴旋转以使镜在第一位置与第二位置之间摆动，所述第一位置与预定扫描区的一端对应，所述第二位置与预定扫描区的另一端对应，在镜处于第一位置时光束相对于反射表面的入射角大于在镜处于第二位置时光束相对于反射表面的入射角。

当光束中心被限定为从光源到反射表面的光束的光束宽度的中心时，则将光束中心的包括轴的中心轴线的一侧限定为运动区域。

光源和镜被布置成具有以下位置关系，该位置关系使得当在沿轴的中心轴线的方向上观察时，在镜处于第一位置时，镜中心与光束中心对准，所述镜中心被限定为反射表面上的与轴的中心轴线最接近的点，并且当镜在第一位置(不包括第一位置)与第二位置(包括第二位置)之间摆动时，镜中心在运动区域内移位。

附图说明

根据以下参照附图的详细描述，本公开内容的以上和其他目的、特征和优点将变得更加明显。

图1是根据第一实施方式的LIDAR装置的示意图。

图2是示出发光模块与扫描镜之间的位置关系的俯视图。

图3是LIDAR装置的侧视图。

图4是示出扫描镜在(a)中以-60度、在(b)中以0度以及在(c)中以+60度对激光束进行反射的图。

图5是LIDAR装置的框图。

图6是根据第一实施方式的检测信号、发射控制信号和返回信号的时序图。

图7是由根据第一实施方式的LIDAR装置执行的流程图。

图8是示出发光模块与扫描镜之间的位置关系的比较例的示意图。

图9是检测信号、发射控制信号和返回信号的比较例的时序图。

图10是根据第二实施方式的检测信号、发射控制信号和返回信号的时序图。

图11是由根据第二实施方式的LIDAR装置执行的流程图。

图12是根据第三实施方式的检测信号、发射控制信号和返回信号的时序图。

图13是由根据第三实施方式的LIDAR装置执行的流程图。

图14是根据第四实施方式的检测信号、发射控制信号和返回信号的时序图。

图15是由根据第四实施方式的LIDAR装置执行的流程图。

图16是根据第五实施方式的LIDAR装置的框图。

图17是根据第五实施方式的检测信号、发射控制信号和返回信号的时序图。

图18是由根据第五实施方式的LIDAR装置执行的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本公开内容的多个实施方式。在以下实施方式中，相同或等同的部件由彼此相同的附图标记表示，并且将向相同的附图标记提供说明以简化描述。此外，在以下实施方式中，虽然激光成像检测和测距(LIDAR)装置安装在诸如机动车的运载工具中，但是LIDAR装置10可以安装在诸如摩托车、飞机、轮船、无人机等的任何运载工具中。

(第一实施方式)

图1至图3示出了根据第一实施方式的LIDAR装置10的示意图。LIDAR装置10被配置成使用飞行时间(ToF)技术来计算到扫描区SZ中的对象X的距离。LIDAR装置10基本上包括发光模块12、光接收模块14、扫描仪模块18以及马达控制器50(参见图5)。由被一体地设置在光接收模块14中的控制器21来执行到对象X的距离的计算，如稍后将要描述的。

LIDAR装置10形成为容纳在类似盒子的容器10a中的单个部件，如图1所示。在该实施方式中，竖直表面被限定为下述表面：发光模块12的光轴沿该表面延伸并且该表面与可旋转轴24(稍后描述)的中心轴线CX平行，并且竖直方向被限定为与中心轴线CX平行的方向，如图1中所限定的。然后，发光模块12和光接收模块14布置在沿如图1中限定的竖直方向的方向上。图1中限定的竖直方向可以与安装有LIDAR装置10的运载工具的上下方向匹配。换句话说，发光模块12和光接收模块14布置在沿扫描仪模块18的可旋转轴24的方向上。更具体地，发光模块12设置在光接收模块14的上方，如图1所示。然而，发光模块12和光接收模块14的布置不必限于本示例。例如，发光模块12可以位于光接收模块14下方。

发光模块12或光源被配制成朝扫描仪模块18的扫描镜16发射激光。如图1和图2所示，发光模块12包括两对光发射器20a、20b和发送器透镜22a、22b。光发射器20a、20b中的每一个是例如被配置成发射脉冲激光的半导体激光二极管。光发射器20a、20b中的每一个电连接至控制器21并且被配置成当发光模块12接收到来自控制器21的发射控制信号时发射激光。因此，可以通过从控制器21输出的发射控制信号来控制光发射器20a、20b的发射定时。

发光模块12还被配置成向控制器21输出实际发射定时。实际发射定时是发光模块12实际发射光束的定时。如以下将要描述的，实际发射定时被用于补偿由控制器21计算距离时产生的误差。

发送器透镜22a、22b中的每一个是被配置成使从光发射器发射的脉冲激光聚焦以形成在沿竖直方向的方向上延伸的竖直线(即，线性光束)的透镜(参见图1)。也就是说，LIDAR装置10采用利用沿竖直方向延伸的线性激光束进行水平扫描的一维线扫描方法。

在该实施方式中，水平表面被限定为与竖直表面垂直的表面，并且水平方向沿如图1中限定的水平表面。因此，两对光发射器20a、20b和发送器透镜22a、22b布置在水平方向上。也就是说，水平方向是与激光发射方向垂直的方向。在下文中，从两对光发射器和发送器透镜中的一对(图2中左侧对20a、22a)发射的激光束被称作第一激光束，并且从两对光发射器和发送器透镜中的另一对(图2中右侧对20b、22b)发射的激光束被称作第二激光束。因此，从两个光发射器20a、20b发射并且通过发送器透镜22a、22b聚焦的第一激光束和第二激光束统称为光束带LB。

如图2所示，两个光发射器20a、20b的光束带LB具有光束宽度W，光束宽度W是当从上方观察时在垂直于光传播方向的方向上的宽度。因此，光束中心BC被限定为光束带LB的光束宽度W的中心。更具体地，光束中心BC是沿当从上方观察时在垂直于光传播方向的方向上的光束宽度W的中心点延伸的中心线。

如图3所示，扫描仪模块18包括扫描镜16、可旋转轴24、驱动马达26和角度传感器28。可旋转轴24是被配制成绕中心轴线CX旋转的轴。在该实施方式中，中心轴线CX沿与如图1限定的竖直方向平行的方向延伸。可旋转轴24具有有规定直径的柱状形状。可旋转轴24的侧表面24a经由例如连接构件连接至扫描镜16。应当注意的是，图1至图3中未示出该连接构件。

扫描镜16是被配置成通过另外一个或更多个镜将激光束朝扫描区SZ直接或者间接地反射的镜。此外，该实施方式中的扫描镜16被配制成将由对象X反射的返回光束朝光接收模块14反射。也就是说，扫描镜16既用作发送器镜又用作接收器镜。

在该实施方式中，扫描镜16是板状构件并且包括反射表面16a和与反射表面16a相反的背表面16b。扫描镜16的背表面16b经由例如连接构件连接至可旋转轴24的侧表面。因此，如图2所示，反射表面16a离开可旋转轴24的中心轴线CX预定距离(例如，旋转轴24的半径+镜的厚度+连接构件的厚度)，因此，扫描镜16围绕中心轴线CX旋转(即，摆动)，而不是以中心轴线CX为中心旋转(即，摆动)。

在该实施方式中，当从前侧观察时，反射表面16a具有四边形形状(例如，矩形形状)(参见图5)。然而，反射表面16a的形状可以不必限于矩形形状，并且可以是具有下底和沿竖直方向位于下底上方的上底的梯形形状。替选地，反射表面16a的形状可以是通过对矩形形状中的角进行倒角而形成的形状。反射表面16a在沿竖直方向的方向上伸长。参照图5，反射表面16a的两个边缘部30被限定为包括反射表面16a的在沿竖直方向的方向上延伸的伸长的侧边缘的部分。同样，反射表面16a的中央部32被限定为反射表面16a的在两个边缘部30之间的中央区域的部分。然后，镜中心MC被限定为当在沿中心轴线CX即竖直方向的方向上观察时，反射表面16a上的与可旋转轴24的中心轴线CX最近的点，如图2所示。在该实施方式中，镜中心MC是当在沿中心轴线CX的方向上观察时，两个边缘部30之间的中心点。换句话说，镜中心MC是反射表面16a的宽度的中心点。

驱动马达26是被配置成使可旋转轴24绕中心轴线CX旋转的电动马达。驱动马达26电连接至马达控制器50，并且由从马达控制器50输出的马达驱动信号来控制驱动马达26的操作。马达控制器50是例如包括至少一个处理器和一个存储器的电子控制单元(ECU)。存储器包括随机存取存储器、只读存储器、闪存或者它们的组合。存储器具有存储在其上的、当由处理器执行时使处理器控制驱动马达26的指令。

马达控制器50被配制成控制驱动马达26以相反的方向交替地操作。因此，可旋转轴24通过马达向后和向前(即，在两个方向上)旋转，使得扫描镜16在预定扫描角度范围内在第一位置与第二位置之间摆动。也就是说，扫描镜16在第一位置与第二位置之间周期性地摆动。

如图2所示，扫描镜16的第一位置是与扫描区SZ的一端A对应的位置，而扫描镜16的第二位置是与扫描区SZ的另一端B对应的位置。如图4所示，在镜处于第一位置时光束相对于反射表面16a的入射角大于在镜16处于第二位置时光束相对于反射表面16a的入射角。在该实施方式中，扫描角度范围被设置为120度(即，-60°≤扫描角度θ≤+60°)，并且在扫描镜16处于第一位置时扫描角度θ为-60°，并且当扫描镜16处于第二位置时扫描角度θ为+60°(参见图4)。

参照图2，运动区域被限定为当在沿中心轴线CX的方向上观察时，光束中心BC的包括轴24的中心轴线CX的一侧(图2中的阴影区域)。然后，发光模块12和扫描镜16被布置成具有以下位置关系，该位置关系使得当在沿可旋转轴24的中心轴线CX的方向上观察时，在镜处于第一位置时镜中心MC与光束中心BC对准(参见图2和图4中的(a))。另一方面，当镜16在第一位置(不包括第一位置)与第二位置(包括第二位置)之间摆动时，镜中心MC在运动区域内移位(参见图4中的(b)和(c))。换句话说，除了当扫描镜16到达第一位置时之外，扫描镜16的镜中心MC都在运动区域内移位。因此，除了当扫描镜16在第一位置时之外，镜中心MC和光束中心BC彼此偏移。

如图4中的(a)所示，当扫描镜16处于第一位置时，从左光发射器发射的第一激光束在反射表面16a的左边缘部30处反射，并且从右光发射器发射的第二激光束在反射表面16a的右边缘部30处反射(然而，第一激光束的一部分和第二激光束的一部分可以在中央部32处反射)。另一方面，如图4中的(c)所示，在扫描镜16处于第二位置时，从两个光发射器发射的第一激光束和第二激光束主要在反射表面16a的中央部32处反射。因此，与在镜16处于第一位置时相比，在镜16处于第二位置时由所述成对的边缘部30反射的光束的量减少了。

扫描仪模块18还包括检测扫描镜16的旋转角度的角度传感器28。角度传感器28可以是光学传感器、机械传感器、超声传感器等。角度传感器28被配制成在扫描镜16的在第一位置与第二位置之间的每个旋转周期期间，以多个预定角度间隔检测旋转角度。在该实施方式中，角度传感器28被配制成检测镜16的每0.1度旋转角度(即，最大角度分辨率为0.1度)。然而，角度传感器28的分辨率不必限于0.1度，并且可以为例如0.05度或0.2度。

角度传感器28连接至控制器21，并且被配置成以角度间隔(即，以0.1度间隔)输出指示镜的旋转角度的检测信号。本公开内容的发明人已发现，由于移动扫描镜16运动以在第一位置与第二位置之间摆动，在摆动期间向扫描镜16施加加速度。因此，扫描镜16的旋转速度在扫描镜16的一个旋转周期期间发生变化(不保持恒定值)。因此，扫描镜16的旋转角度没有被角度传感器28以相同的时间间隔计数，如图6所示。也就是说，角度传感器28以相同的角度间隔但以不同的时间间隔向控制器21输出检测信号。

光接收模块14包括光接收器34和控制器21。光接收器34包括具有接收透镜35、多个光敏装置的集成电路36，并且控制器21被设置在光接收器34的集成电路36内。换句话说，在该实施方式中，光接收器34和控制器21一体地形成为单个模块。在该实施方式中，光接收器34的多个光敏装置是单光子雪崩二极管(SPAD)38，其通过将多个SPAD 38以列和行两者布置而形成为二维SPAD阵列34a。由于SPAD阵列34a构成数字电路，因此SPAD阵列34a与形成模拟类型电路的其他光敏装置相比具有高角度分辨率。因此，光接收器34可以以小旋转角度间隔例如0.1度间隔检测返回光束。光接收器34(SPAD阵列34a)在接收返回光束时，根据由对象X反射的返回光束向控制器21输出作为数字信号的返回信号。光接收器34还包括被配制成使得列中的SPAD38能够接收返回光束的解码器37。应当注意，光接收器34可以包括除了多个SPAD之外的光敏元件。例如，常规类型的雪崩光电二极管或另外的光电二极管可以被用作光敏元件。

在该实施方式中，控制器21被配置成通过控制发光模块12来控制激光束的发射。控制器21还被配置成：基于发光模块12发射激光束的光发射定时与光接收模块14接收返回光束的光接收定时之间的差来计算到对象X的距离，如下面将要描述的。由于控制器21与光接收器34(SPAD阵列34a)一起实现在作为数字电路的集成电路36上，因此控制器21能够在没有可编程处理器的情况下完成上面提到的功能。

图5示出了控制器21的功能块。尽管图5示出了控制器21具有这些功能，但是通过在物理上分离的一个或更多个电路可以执行功能中的一个或一些。控制器21包括作为功能块的发射控制部39和计算部40。

发射控制部39被配置成通过向发光模块12输出发射控制信号来控制发光模块12。在该实施方式中，发射控制部39被配置成在接收到来自角度传感器28的检测信号时输出发射控制信号(参见图6)。因此，每当角度传感器28检测到扫描镜16的旋转角度时，发光模块12发射激光束。换句话说，发光模块12以与角度间隔相同的间隔(即，0.1度间隔)发射激光束。此外，发射控制部39被配制成向计算部40输出信号输出定时。信号输出定时是发射控制部39向发光模块12输出控制信号的定时。

计算部40被配置成使用来自光接收模块14的返回信号和来自发射控制部39的信号输出定时来计算到对象X的距离。更具体地，计算部40使用飞行时间原理，根据信号输出定时与光接收定时(即，返回信号)之间的差来计算到对象X的距离。此外，计算部40被配置成接收来自发光模块12的上述实际发射定时(参见图5)。然后，计算部40被配制成使用实际发射定时来校正所计算的距离。也就是说，在控制器21输出信号输出定时之后，直至发光模块12实际发射激光束有时滞。因此，控制器21使用实际发射定时根据信号输出定时来校正所计算的距离。替选地，计算部40可以使用实际发射定时与接收返回信号的定时之间的时间差来计算到对象X的距离。

图7示出了由LIDAR装置10执行以计算到对象X的距离的流程图。在步骤S10处，当角度传感器28以每个预定角度检测扫描镜16的旋转角度时，在步骤S20处，角度传感器28向控制器21(发射控制部39)输出指示检测到的旋转角度的检测信号。如上所述，角度传感器28以预定旋转角度间隔(例如，0.1度间隔)检测旋转角度，但是扫描镜16的旋转速度在第一位置与第二位置之间变化。在步骤S30处，当控制器21接收到来自角度传感器28的检测信号时，控制器21向发光模块12输出发射控制信号。

在步骤S40处，当发光模块12接收到发射控制信号时，发光模块12朝扫描镜16发射激光束。在步骤S50处，发光模块12还向控制器21(计算部40)输出实际发射定时作为发光模块12实际发射激光束的定时。

所发射的激光束在扫描镜16的反射表面16a处被反射并且行进至扫描区SZ。然后，如果激光束被对象X反射，则返回信号返回至LIDAR装置10，并且再次被扫描镜16的反射表面16a朝光接收模块14反射。在步骤S60处，当返回光束到达光接收模块14时，光接收模块14(SPAD阵列)检测到返回光束，然后在步骤S70处，光接收模块14响应于接收到返回光束而向控制器21(计算部40)输出返回信号。

在步骤S80处，控制器21(计算部40)使用信号输出定时和返回信号来计算到对象X的距离。然后，在步骤S90处，控制器21(计算部40)使用实际发射定时来校正所计算的距离。

如上所述，根据第一实施方式的LIDAR装置10包括发光模块12和扫描镜16，发光模块12和扫描镜16被布置成具有以下位置关系，该位置关系使得当在沿可旋转轴24的中心轴线CX的方向上观察时，在镜16处于第一位置时镜中心MC与光束中心BC对准。第一位置被限定为与扫描区SZ的一端A对应的位置，并且在扫描镜16处于第一位置时，光束相对于反射表面16a的入射角具有扫描角度范围中的最大值。另一方面，当镜16在第一位置(不包括第一位置)与第二位置(包括第二位置)之间摆动时，镜中心MC在运动区域内移位。第二位置被限定为与扫描区SZ的另一端B对应的位置，并且在扫描镜16处于第二位置时，光束相对于反射表面16a的入射角具有扫描角度范围中的最小值。

因此，由于在扫描镜16处于第一位置时光束中心BC与镜中心MC对准，因此第一光束和第二光束主要在反射表面16a的镜中心MC位于其之间的边缘部30处被反射。更具体地，如图4中的(a)所示，在扫描镜16处于第一位置时，第一光束和第二光束主要分别在反射表面16a的左边缘部和右边缘部处被反射。因此，只要在镜16处于第一位置时反射表面16a可以在两个边缘部30处接收到第一光束和第二光束，那么就可以使反射表面16a(扫描镜16)的宽度最小化。作为结果，由于镜16具有最小宽度，因此可以减小LIDAR装置10的尺寸。

相反地，如图8所示，如果发光模块12和扫描镜16被布置成使得镜中心MC与中心轴线CX对准，则在扫描镜16处于第一位置时需要延长反射表面16a的至少左侧以便捕获第一激光束。作为结果，由于镜16具有延长的宽度，因此将增加LIDAR装置10的尺寸。

在该实施方式中，角度传感器28被设置成：检测扫描镜16的旋转角度；以及在扫描镜16的第一位置与第二位置之间的每个旋转周期期间，以多个预定角度间隔(该实施方式中的0.1度间隔)输出检测信号。然后，在控制器21接收到来自角度传感器28的检测信号时向发光模块12输出控制信号，如图6所示。因此，发光模块12可以以与多个预定角度间隔相同的间隔发射激光束。

在此，图9示出了其中发光模块12被控制成以多个预定“时间”间隔(例如，每27.8微秒)发射激光束的比较例。由于扫描镜16在第一位置与第二位置之间摆动，因此旋转速度由于施加至镜16的加速度而不规则地变化。因此，尽管发光模块12可以以预定“时间”间隔发射激光束，但是发光模块12不能在第一位置与第二位置之间以多个预定“旋转角度”间隔发射激光束。因此，针对扫描区SZ的与旋转角度间隔中的每个旋转角度间隔对应的每个区域的激光束的量将变化。

相反地，由于根据该实施方式发光模块12被控制成基于由角度传感器28检测到的扫描镜16的旋转角度来发射激光束，而非基于时间间隔来发射激光束，因此LIDAR装置10可以针对每个旋转角度间隔均匀地发射激光束。因此，LIDAR装置10可以均等地扫描扫描区SZ。

光接收模块14包括在其上实现控制器21的集成电路36。也就是说，在该实施方式中，控制器21与光接收器34(SPAD阵列34a)一体地形成，并且与控制器21与光接收器34在物理上分离开的情况相比，可以减少控制器21与光接收器34之间的距离。因此，可以减少从光接收器34向控制器21发射返回信号所需的时间，因此可以提高所计算的距离的精度。

光接收模块14包括作为光敏装置的多个SPAD 38。SPAD 38具有以高分辨时间间隔接收返回光束的灵敏度。因此，光接收模块14即使以小的旋转角度间隔(即，该实施方式中的0.1度)也可以检测到返回光束，因此LIDAR装置10可以精确地扫描扫描区SZ。此外，SPAD阵列与控制器21一起形成数字电路。因此，可以在没有处理器的情况下计算到对象X的距离，因此降低了LIDAR装置10的制造成本。

在该实施方式中，发光模块12被配置成输出发光模块12实际发射光束的实际发射定时。然后，控制器21使用实际发射定时来校正所计算的距离。因此，尽管使用控制器21向发光模块12输出控制信号的信号输出定时来计算距离，因此所计算的距离不可避免地包括由信号输出定时与实际发射定时之间的时滞(time lag)产生的误差，但是可以使用实际发射定时来校正或补偿该误差。因此，LIDAR装置10可以以高准确度获得到对象X的距离。

(第二实施方式)

接下来，参照图10至图11描述本公开内容的第二实施方式。在以下描述中，仅描述与第一实施方式不同的部分。

在第一实施方式中，控制器21被配置成在接收到来自角度传感器28的检测信号时输出发射控制信号。在第二实施方式中，控制器21被配置成：在接收到来自角度传感器28的检测信号时，在接收到后续的检测信号中的一个之前，向发光模块12输出多个控制信号。

更具体地，如图10所示，控制器21在每个旋转角度间隔(即，在控制器21接收到检测信号时与控制器21接收到后续的检测信号时之间)内输出预定数目的控制信号。在该实施方式中，在旋转角度间隔内输出的控制信号的数目为10。此外，控制器21以预定“时间”间隔(不是旋转角度间隔)连续地输出控制信号十次，然后在第十控制信号被输出时停止输出控制信号。

控制器21还被配置成：针对每个旋转角度间隔，使用与多个控制信号对应的多个返回信号来计算到对象X的距离。例如，控制器21针对每个旋转角度间隔计算与10个控制信号对应的十个距离。然后，控制器21累计10个距离，并且根据所计算的十个距离获得平均距离。

图11示出了由根据第二实施方式的LIDAR装置10执行的处理的流程图。应当注意，在第二实施方式中，消除了用于使用实际发射定时来校正所计算的距离的步骤(即，图7中的步骤S50和S90)。

在步骤S100处，当角度传感器28检测到扫描镜16的旋转角度时，在步骤S110处，角度传感器28向控制器21输出指示检测到的旋转角度的检测信号。在步骤S120处，当控制器21接收到来自角度传感器28的检测信号时，控制器21向发光模块12输出发射控制信号。

在步骤S130处，当发光模块12接收到发射控制信号时，发光模块12朝扫描镜16发射激光束。发射的激光束在扫描镜16的反射表面处被反射并且行进至扫描区SZ。然后，如果激光束被对象X反射，则返回光束返回至LIDAR装置并且再次被扫描镜16的反射表面16a朝光接收模块14反射。在步骤S140处，当返回光束到达光接收模块14时，光接收模块14检测到返回光束，然后在步骤S150处光接收模块14响应于接收到返回光束而向控制器21输出返回信号。

在步骤S160处，控制器21使用信号输出定时和返回信号来计算到对象X的距离。然后，在步骤S170处，控制器21确定在接收到检测信号之后发射的发射控制信号的数目是否为十。如果该数目不为十(步骤S170：否)，则过程进行至步骤S180，并且控制器21确定在输出发射控制信号之后，是否经过了预定时间间隔(例如，3微秒)。如果没有经过该时间间隔(步骤S180：否)，则控制器21重复步骤S180。如果经过了该时间间隔(步骤S180：是)，则过程进行至步骤S120，并且控制器21再次输出发射控制信号。接下来，过程重复步骤S120至S160，并且控制器21确定所发射的发射控制信号的数目是否为十。在步骤S170处，如果数目为十，则在步骤S190处，控制器21停止输出发射控制信号，然后在步骤S200处，控制器21根据所计算的十个距离来计算平均距离。然后，过程返回至步骤S100。

如上所述，根据第二实施方式的LIDAR装置10在接收到来自角度传感器28的检测信号时输出多个发射控制信号，直至接收到后续的检测信号。然后，控制器21基于与多个发射控制信号对应的多个返回信号来计算到对象X的多个距离，并且根据所计算的多个距离获得平均距离。因此，LIDAR装置10可以以高准确度获得到对象X的距离。

(第三实施方式)

接下来，参照图12至图13描述本公开内容的第三实施方式。在以下描述中，仅描述与第一实施方式和第二实施方式不同的部分。

在第二实施方式中，控制器21被配置成在接收到检测信号之后输出预定数目(例如，十个)的发射控制信号，直至接收到后续的检测信号。在第三实施方式中，控制器21被配制成在接收到检测信号之后以预定时间间隔连续地输出发射控制信号，直至接收到后续的检测信号(参见图12)。

与第二实施方式一样，控制器21针对每个旋转角度间隔，基于与多个发射控制信号对应的多个返回信号来计算到对象X的多个距离，然后根据所计算的多个距离获得平均距离。

图13示出了由根据第三实施方式的LIDAR装置10执行的处理的流程图。应当注意，与第二实施方式一样，第三实施方式中消除了用于使用实际发射定时来校正所计算的距离的步骤(即，图7中的步骤S50和S90)。

在步骤S300处，当角度传感器28检测到扫描镜16的旋转角度时，在步骤S310处，角度传感器28向控制器21输出指示检测到的旋转角度的检测信号。在步骤S320处，当控制器21接收到来自角度传感器28的检测信号时，控制器21向发光模块12输出发射控制信号。在步骤S330处，当发光模块12接收到发射控制信号时，发光模块12朝扫描镜16发射激光束。

在步骤S340处，当返回光束到达光接收模块14时，光接收模块14检测到返回光束，然后在步骤S350处，光接收模块14响应于接收到返回光束而向控制器21输出返回信号。

在步骤360处，控制器21使用信号输出定时和返回信号来计算到对象X的距离。然后在S370处，控制器21确定在接收到先前的检测信号之后控制器21是否接收到来自角度传感器28的后续的检测信号。如果步骤S370为否，则过程进行至步骤S380，然后控制器21确定在输出发射控制信号之后是否经过了预定时间间隔(例如，3微秒)。如果没有经过该时间间隔(步骤S380：否)，则控制器21重复步骤S380。如果已经经过了该时间间隔(步骤S380：是)，则过程返回至步骤S320，并且控制器21再次输出发射控制信号。然后，过程重复步骤S320至S370，并且控制器21以预定时间间隔输出多个发射控制信号，直至接收到后续的检测信号。

如果控制器21确定控制器21接收到来自角度传感器28的后续的检测信号(步骤S370：是)，则在步骤S390处，控制器21根据所计算的多个距离计算平均距离。然后，过程返回至步骤S320，并且控制器21通过重复步骤S320至S370，以预定时间间隔再次输出多个发射控制信号。

如上所述，根据第三实施方式的LIDAR装置10针对每个旋转角度间隔，以预定时间间隔连续地输出多个发射控制信号。然后，控制器21针对每个旋转角度间隔，基于与多个发射控制信号对应的多个返回信号来计算到对象X的多个距离，并且根据所计算的多个距离获得平均距离。因此，与第二实施方式一样，LIDAR装置10可以以高准确度获得到对象X的距离。

(第四实施方式)

接下来，参照图14至图15描述本公开内容的第四实施方式。在以下描述中，仅描述与第一实施方式至第三实施方式不同的部分。

在第一实施方式中，控制器21被配制成在接收到来自角度传感器28的检测信号时，自动地输出发射控制信号。在第四实施方式中，控制器21被配置成如果检测信号(旋转角度)与多个目标旋转角度中的任何一个匹配，则输出发射控制信号(参见图14)。在该实施方式中，将目标旋转角度设置为例如0.0度、0.2度、0.4度、0.6度、……、120.00度。

图15示出了由根据第四实施方式的LIDAR装置10执行的处理的流程图。应当注意，第四实施方式中消除了用于使用实际发射定时来校正所计算的距离的步骤(即，图7中的步骤S50至S90)。

在步骤S400处，当角度传感器28检测到扫描镜16的旋转角度时，在步骤S410处，角度传感器28向控制器21输出指示检测到的旋转角度的检测信号。当控制器21接收到来自角度传感器28的检测信号时，在步骤S420处，控制器21确定检测信号是否与目标旋转角度中的任何一个匹配。如果在步骤S420处为否，则过程返回至步骤S400并且重复步骤S410至S420。在步骤S430处，如果在步骤S420处为是，则控制器21向发光模块12输出发射控制信号。

在步骤S440处，当发光模块12接收到发射控制信号时，发光模块12朝扫描镜16发射激光束。相应地，当扫描镜16在期望的旋转角度时，LIDAR装置10可以发射激光束。在步骤S450处，当返回光束到达光接收模块14时，光接收模块14检测到返回光束，然后在步骤S460处，光接收模块14响应于接收到返回光束而向控制器21输出返回信号。

在步骤S470处，控制器21使用信号输出定时和返回信号来计算到对象X的距离。然后，过程返回至步骤S400并且重复步骤S410至S470。

如上所述，当旋转角度与多个目标旋转角度中的任何一个匹配时，根据第四实施方式的LIDAR装置10输出发射控制信号。因此，LIDAR可以朝扫描区SZ中的期望区域准确地发射激光束。

在上述第四实施方式中，目标旋转角度以规则的方式(例如，0.0、0.2、0.4等)设置。然而，目标旋转角度可以使用例如存储在至少一个存储器中的预定目标角度表以不规则的方式来设置。在这种情况下，可以使用至少一个处理器来确定检测信号(旋转角度)是否与目标旋转角度匹配。

(第五实施方式)

接下来，参照图16至图18描述本公开内容的第五实施方式。在以下描述中，仅描述与第一实施方式至第四实施方式不同的部分。在上述实施方式中，LIDAR装置10针对每个旋转角度间隔以恒定方式发射激光(例如，在第一实施方式中针对每个旋转角度间隔发射一个激光束，并且在第二实施方式和第三实施方式中针对每个旋转角度间隔发射多个激光束)。在第五实施方式中，LIDAR装置10被配置成针对扫描区SZ内的特定目标区域和其余区域以不同方式发射激光束。

在该实施方式中，扫描镜16的与目标区域对应的特定旋转角度范围被限定在旋转角度范围中(例如，-20°≤特定旋转角度θ≤+20°)。如图17所示，发光模块12被配制成：在特定旋转角度范围内与其他旋转角度范围(例如，-60°≤θ<-20°并且+20°<θ≤+60°)相比以不同的方式发射激光束。例如，发光模块12被控制成：在特定旋转角度范围内针对每个旋转角度间隔发射预定数目的激光束(例如，10个)。在下文中，扫描镜16的除了特定旋转角度范围之外的旋转角度范围被称为常规范围，在该常规范围中，与第一实施方式一样，发光模块被控制成：在接收到来自角度传感器28的检测信号时发射激光束。

在该实施方式中，如图16所示，控制器21与光接收模块14分开地设置。也就是说，光接收模块14没有如第一实施方式所描述的一体地包括控制器21。在该实施方式中，控制器21是包括至少一个处理器21a和至少一个存储器21b的电子控制单元(ECU)，而不是至少一个电路或者与至少一个电路的组合。存储器21b包括随机存取存储器、只读存储器、闪存或者它们的组合。存储器21b具有存储在其上的指令，所述指令当由处理器21a执行时使处理器21a执行如稍后将要描述的各种任务。存储器21b还存储有特定旋转角度范围。

图18示出了由根据该实施方式的LIDAR装置10执行的流程图。应当注意，第五实施方式中消除了用于使用实际发射定时来校正所计算的距离的步骤(即，图7中的步骤S50和S90)。

在步骤S500处，当角度传感器28检测到扫描镜16的旋转角度时，在步骤S510处，角度传感器28输出检测信号。在步骤S520处，当控制器21接收到来自角度传感器28的检测信号时，控制器21(处理器21a)确定扫描镜16的旋转角度是否在特定旋转角度范围内。如果在步骤S520处为否(旋转角度在常规范围内)，则过程进行至步骤S530，并且控制器21输出发射控制信号。相应地，当扫描镜16的旋转角度在常规角度范围内时，控制器21在接收到检测信号时输出发射控制信号。

在步骤S540处，当发光模块12接收到发射控制信号时，发光模块12朝扫描镜16发射激光束。然后，在步骤S550处，当返回光束到达光接收模块14时，光接收模块检测到返回光束，然后，在步骤S560处，光接收模块14响应于接收到返回光束而向控制器21输出返回信号。

在步骤S570处，控制器21使用信号输出定时和返回信号来计算到对象X的距离。然后，过程返回至步骤S500。以这种方式，当旋转角度在常规范围内时，针对每个旋转角度间隔计算到对象X的距离。

在步骤S520处，如果控制器21确定旋转角度在特定旋转角度范围内(步骤S520：是)，则过程进行至步骤S580，然后，在步骤S580处，控制器21输出发射控制信号。在步骤S590处，当发光模块12接收到发射控制信号时，发光模块12朝扫描镜16发射激光束。然后，在步骤S600处，当返回光束到达光接收模块14时，光接收模块14检测到返回光束，然后，在步骤S610处，光接收模块14响应于接收到返回光束而向控制器21输出返回信号。

在步骤S620处，如果控制器21接收到返回信号，则控制器21使用返回信号来计算到对象X的距离。然后，在步骤S630处，控制器21确定在接收到检测信号之后发射控制信号的发射数目是否为十。如果在步骤S630处为否，则过程进行至步骤S640，并且控制器21确定在输出发射控制信号之后是否经过了预定时间间隔(例如，3微秒)。如果没有经过该时间间隔(步骤S640：否)，则控制器21重复步骤S640。如果已经经过了该时间间隔(步骤S640：是)，则过程进行至步骤S580，并且控制器21再次输出发射控制信号。然后，过程重复步骤S590至S620，并且在S630处，控制器21确定发射的发射控制信号的数目是否为十。如果在步骤S630处为是，则在步骤S650处，控制器21停止输出发射控制信号，然后，在步骤S660处，控制器21根据所计算的十个距离计算平均距离。然后，过程返回至步骤S500。

因此，当旋转角度在特定旋转角度范围内时，控制器21针对每个旋转角度间隔输出十个发射控制信号。控制器21基于与10个发射控制信号对应的10个返回信号来计算10个距离。然后，控制器21针对在特定旋转角度范围内的每个旋转角度间隔根据所计算的十个距离来获得平均距离。因此，根据第五实施方式的LIDAR装置10可以准确地扫描扫描区SZ的特定区域，并且针对这样的特定区域以高准确度获得到对象X的距离。

(对实施方式的修改)

若干修改可以应用于上述实施方式。

例如，在上面描述的实施方式中，发光模块被配置成从两个发光元件发射两个激光束。然而，发光模块可以从单个发光元件发射激光束，或者从三个或更多个发光元件发射三个或更多个激光束。

在上面描述的实施方式中，发光模块被配置成：在扫描镜的整个周期期间发射激光(即，从第一位置到第二位置的一个路线，以及从第二位置到第一位置的另一路线)。然而，发光模块可以被配置成：在扫描镜的仅一个路线期间发射激光。例如，发光模块可以被控制成：仅在镜从第一位置摆动至第二位置时发射激光。在这种情况下，在镜移动至第二位置之后，镜立即快速地返回至第一位置。

在上面描述的实施方式中，光接收器包括多个SPAD。然而，可以使用其他光敏元件。然而，如果SPAD被用作光接收器，由于SPAD可以输出数字信号，因此如上面所描述的，无需使用处理器来计算到对象的距离。

在本申请中，术语“模块”和“系统”可以包括诸如壳体、固定装置、布线等的硬件部件。另外，在本申请中，术语“处理器”可以指包括执行代码的处理核心硬件(共享的、专用的或者组)和存储由处理核心硬件执行的代码的存储器硬件(共享的、专用的或者组)的电路或电路系统，或者是该电路或电路系统的一部分或者包括该电路或电路系统。这样，术语“处理器”可以由术语“电路”替代。

除非明确地标识为执行的顺序，否则本文描述的方法步骤、处理和操作不应被解释为必须要求以所讨论或所示出的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替选的步骤。

尽管使用术语“第一”、“第二”、“特定”等来描述各种元件，但是这些术语仅可以用于将一个元件与另一元件区分开。除非上下文明确指出，否则本文中使用的诸如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语并不暗示次序或顺序。因此，在不脱离示例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

为了便于描述，可以使用诸如“前”、“后”、“左”、“右”等的空间相对术语来描述如附图所示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。除了附图中描绘的定向之外，空间相对术语还可以旨在涵盖装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果附图中的传感器系统被旋转，则被描述为“前/后”的元件将相对于运载工具被定向为“左/右”。因此，示例术语“前”在实践中可以涵盖任何方向。可以以其他方式定向装置(旋转90度或者以其他定向)，并相应地解释本文中使用的空间相对描述语。

Claims (7)

1.一种激光成像检测和测距装置，所述激光成像检测和测距装置用于测量到预定扫描区(SZ)中的对象(X)的距离，所述激光成像检测和测距装置包括：

光源(12)，被配置成发射具有预定光束宽度的用于扫描所述扫描区的光束；

镜(16)，所述镜(16)具有反射表面(16a)以及与所述反射表面相反的背表面(16b)，所述镜被配置成：使用所述反射表面将从所述光源发射的所述光束朝所述扫描区反射；

可旋转轴(24)，所述可旋转轴(24)具有与所述镜的所述反射表面平行的中心轴线(CX)，所述可旋转轴连接至所述镜的所述背表面；以及

马达(26)，被配置成：使所述可旋转轴旋转以使所述镜在第一位置与第二位置之间摆动，所述第一位置与所述预定扫描区的一端(A)对应，所述第二位置与所述预定扫描区的另一端(B)对应，在所述镜处于所述第一位置时所述光束相对于所述反射表面的入射角大于在所述镜处于所述第二位置时所述光束相对于所述反射表面的入射角，其中，

在光束中心(BC)被限定为从所述光源到所述反射表面的所述光束的光束宽度的中心时，则将所述光束中心的包括所述可旋转轴的所述中心轴线的一侧限定为运动区域，以及

所述光源和所述镜被布置成具有位置关系，以使得当在沿所述可旋转轴的所述中心轴线的方向上观察时，在所述镜处于所述第一位置时，镜中心(MC)与所述光束中心对准，所述镜中心(MC)被限定为所述反射表面上的与所述可旋转轴的所述中心轴线最接近的点，并且当所述镜在所述第一位置与所述第二位置之间摆动时，所述镜中心在所述运动区域内移位，其中在所述第一位置与所述第二位置之间不包括所述第一位置并且包括所述第二位置。

2.根据权利要求1所述的激光成像检测和测距装置，其中，

所述光源包括共同发射所述光束的两个发光元件(20a、20b)。

3.根据权利要求1所述的激光成像检测和测距装置，其中，

所述反射表面包括：中央部(32)，所述中央部(32)包括所述镜中心；以及成对的边缘部(30)，所述成对的边缘部(30)在所述中央部的两侧在沿所述中心轴线的方向上延伸，

在所述镜处于所述第二位置时，来自所述两个发光元件的所述光束主要在所述中央部处被所述镜反射，以及

在所述镜处于所述第一位置时，来自所述两个发光元件的所述光束主要在所述成对的边缘部处被所述镜反射。

4.根据权利要求3所述的激光成像检测和测距装置，其中，

所述反射表面的形状具有矩形形状、梯形形状、或者对矩形形状中的角进行倒角而形成的形状。

5.根据权利要求3所述的激光成像检测和测距装置，其中，

所述镜中心为所述成对的边缘部之间的中心。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光成像检测和测距装置，还包括，

控制器(50)，所述控制器(50)被配置成控制所述马达在所述第一位置与所述第二位置之间摆动。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的激光成像检测和测距装置，其中，

所述可旋转轴具有柱状形状并且包括侧表面(24a)，所述侧表面(24a)经由连接构件连接至所述镜的所述背表面。

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