CN113316726B - 包括多分面偏转器的lidar系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于相干LIDAR的扫描的系统和方法。该系统包括电机、激光源以及偏转器，其中该激光源被构造成产生光束。多个分面中的第一分面具有分面法线方向。偏转器耦接到电机并且被构造成围绕旋转轴旋转以使来自激光源的光束偏转。激光源被构造成引导光束，使得光束在第一平面中以第一入射角入射在偏转器上，其中该第一平面包含旋转轴，其中该第一入射角与第一分面的分面法线方向间隔开。该多个分面中的第二分面包括光学元件，该光学元件被构造成将处于第一入射角的光束偏转成偏转角。

Description

包括多分面偏转器的LIDAR系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年1月4日提交的美国临时申请第62/788,415号的权益和优先权，该美国临时申请的全部公开内容通过引用并入本文。
背景技术
使用激光进行距离光学检测(通常由助记符LIDAR引用)以用于光检测和测距，有时也称为激光雷达，用于从测高到成像再到避碰的各种应用。与常规微波测距系统(诸如无线电波检测和测距(RADAR))相比，LIDAR以更小的射束尺寸提供更精细的距离分辨率。对距离的光学检测可以通过若干种不同的技术来完成，所述几种不同的技术包括：基于光学脉冲到物体的往返行程时间进行直接测距；和基于发射的啁啾光学信号(chirped opticalsignal)和从物体散射的返回信号之间的频率差进行啁啾检测；以及基于与自然信号可区分的单频相位改变序列的相位编码检测。
发明内容
本申请涉及光学扫描系统，更具体地涉及使用多分面偏转器的光学扫描系统。
本公开的方面总体上涉及光学领域中的光检测与测距(LIDAR)，并且更具体地涉及用于相干LIDAR的扫描以支持车辆的操作的多分面偏转器的系统和方法。
本文公开的一种实现方式涉及一种用于相干LIDAR的扫描以支持车辆的操作的多分面偏转器的系统。在一些实现方式中，LIDAR系统包括电机。在一些实现方式中，LIDAR系统包括光源，该光源被构造成产生光束。在一些实现方式中，LIDAR系统包括偏转器，该偏转器包括多个分面(facet)。在一些实现方式中，该多个分面中的第一分面具有分面法线方向。在一些实现方式中，偏转器耦接到电机并且被构造成围绕旋转轴旋转以使来自激光源的光束偏转。在一些实现方式中，激光源被构造成引导光束，使得光束在第一平面中以第一入射角入射在偏转器上。第一平面包含旋转轴。第一入射角与分面法线方向间隔开。在一些实现方式中，该系统包括该多个分面中的第二分面，该第二分面包括光学元件，该光学元件被构造成将处于第一入射角的光束偏转成偏转角。
在一些实现方式中，光学元件是反射闪耀光栅，该反射闪耀光栅的分面刻线法线方向等于对于该分面上每条刻线的第一入射角的一半。在一些实现方式中，光束在第一平面中以在第一平面中的不同的第二入射角入射在偏转器上，其中该第二入射角在第一入射角的40度内。在一些实现方式中，偏转器的第二分面被第二光学元件覆盖，该第二光学元件具有第二间距，该第二间距与偏转器的至少一个分面的光学元件的间距不同。在一些实现方式中，其中，偏转器的第二分面被第二光学元件覆盖，第二光学元件将处于第一入射角的光束偏转成与偏转角不同的第二偏转角。
在另一方面中，本公开涉及一种用于相干LIDAR的扫描以支持车辆的操作的偏转器。在一些实现方式中，偏转器包括本体，该本体具有相对于本体的轴线的多个面向外的分面。在一些实现方式中，该多个面向外的分面中的一个分面具有分面法线方向。在一些实现方式中，该多个面向外的分面中的分面被光学元件覆盖，其中该光学元件具有以下间距，该间距小于工作波长的十倍，并且该间距在0.8微米至10微米范围内。
其它方面、特征和优点简单地通过图示多个特定实现方式和实现方式而从以下详细描述中容易明白，其中所述实现方式包括预期用于执行本公开中描述的实现方式的最佳模式。其它实现方式也能够具有其它不同的特征和优点，并且在不脱离本公开描述的实现方式的精神和范围的前提下，可以在各种明显的方面对所述其它实现方式的若干细节进行修改。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
在附图的图中以示例而非限制的方式示出了实现方式，其中相同的附图标记指代相似的元件，其中：
图1A是示出根据一实现方式的高分辨率相干LIDAR系统的示例部件的框图；
图1B是示出根据一实现方式的包括安装在车辆上的至少一个高分辨率LIDAR系统的示例系统的框图；
图2A是示出在一些实现方式中使用的高分辨率多普勒系统的锯齿扫描图案的框图；
图2B是示出根据一实现方式的由高分辨率多普勒LIDAR系统产生的示例速度点云的图像；
图3A是示出根据一实现方式的扫描光学器件的示例部件的顶视图的框图；
图3B是示出根据一实现方式的偏转器组件的分解图的示意图；
图4A是示出在垂直于旋转轴的平面中具有离轴撞击射束的示例扫描系统的框图；
图4B描绘了在垂直于旋转轴的(水平)平面中或附近使用撞击射束的扫描光斑的布置；
图5A是示出具有轴上撞击射束的示例扫描系统的框图，其中该轴上撞击射束在包含旋转轴的平面中；
图5B描绘了使用离开垂直于旋转轴的(水平)平面的撞击射束的扫描光斑的布置；
图6A是示出根据一实现方式的用作多边形偏转器的分面的闪耀光栅的框图；
图6B是示出根据一实现方式的使用具有闪耀光栅分面的多边形偏转器和在包含旋转轴的平面中的轴上撞击射束的示例扫描系统的框图；
图6C描绘了根据一实现方式的使用闪耀光栅多边形偏转器和处于或接近两倍闪耀角的撞击射束的扫描光斑的布置；
图6D是图5B的重复图，以便于与图6C进行比较；以及
图7是多个候选波长的闪耀光栅的效率与波长的关系图。
具体实施方式
为了获得可接受的测距精度和检测灵敏度，直接远距离LIDAR系统使用具有低脉冲重复率和极高脉冲峰值功率的短脉冲激光器。高脉冲功率会导致光学部件快速退化。啁啾和相位编码的LIDAR系统使用具有相对较低峰值光学功率的较长光学脉冲。在该构造中，测距精度随着啁啾带宽或相位码的长度和带宽而不是随着脉冲持续时间而增加，因此仍然可以获得优异的测距精度。
使用宽频带无线电频率(RF)电信号来调制光学载波已经实现了有用的光学带宽。LIDAR中的最新进展包括使用相同的调制光学载波作为基准信号，并且将该基准信号与光学检测器处的返回信号相结合，以在所得电信号中产生RF频带中的相对较低的拍频，该相对较低的拍频与基准光学信号和返回光学信号之间的频率差或相位差成比例。在检测器处对频率差的这种拍频检测称为外差检测。它具有本领域已知的若干个优点，诸如使用现成RF部件和廉价可用性的优点。
最新的工作示出光学部件的新颖布置和用于检测返回信号中的多普勒频移的相干处理，所述布置和所述相干处理不仅提供了改进的测距，而且还提供了LIDAR系统与每个外部物体之间的矢量的相对带正负号的速度。这些系统在本文中称为高分辨率测距多普勒LIDAR。例如，参见基于专利合作条约(PCT)专利申请PCT/US 2017/062703和PCT/US2018/016632的世界知识产权组织(WIPO)出版物。
在具有适当频率或相位含量的笔形细激光射束中，这些改进提供了带有目标速度或不带有目标速度的测距。当使用扫描仪(这里也称为“偏转器”)将这样的射束在场景上扫过时，可以获得关于周围物体的位置和速度的信息。这些信息预期在自主车辆(诸如自动驾驶汽车或驾驶员辅助汽车)的防御和控制系统中具有价值。
提供测距精度和目标速度精度的采样和处理涉及在称为积分时间的时间间隔内对不同持续时间的一个或多个激光信号进行积分。及时覆盖车辆控制系统的场景涉及：在物体前进到设施或车辆前方的空间中过远(通常在大约一秒至几秒的特定时间内覆盖大约一米至几十米的距离)之前，重复进行具有足够精度的测量(通常在一到数十微秒的时间内涉及一个或多个信号)，该测量通常足以对设施或车辆周围的各种角度(通常为数千个角度)进行采样，以了解设施或车辆周围的环境。在特定时间(通常称为周期或采样时间)内可以覆盖的不同角度的数量取决于采样率。
激光的光机电偏转常规上用于LIDAR系统中的射束转向(beam-steering)(扫描)。这些在宏观尺度上的常规LIDAR系统涉及根据材料特性选择反射元件、折射元件和衍射元件，以在选定方向上引导空间相干光源。这些系统利用高性能电流计扫描仪，所述高性能电流计扫描仪在复杂二阶电磁状态系统下运行，使得高功率数据和广泛调谐成为必需。
但是，常规扫描仪的反射表面通常会产生不规则的扫描图案，这使得对于扫描系统(尤其是地面车辆上的扫描系统)附近物体的检测或识别变得复杂。
因此，本公开涉及用于相干LIDAR的扫描的多分面偏转器的系统和方法以支持车辆的操作。也就是说，本公开描述了LIDAR射束扫描的系统和方法，其中通过用光栅替换扫描仪的反射表面，能够以更宽的水平覆盖范围实现接近水平的倾斜角/下偏角(declination angles)(分别在零倾斜角的水平方向的竖直上方和竖直下方)，从而提高了LIDAR系统检测和识别其附近物体的能力。
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对本公开的透彻理解。但是，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其它情况下，众所周知的结构和装置以框图形式示出以避免不必要地混淆本公开。
1.距离检测概述
使用光学相位编码信号进行距离测量，对于所发射的信号的一部分，所发射的信号与载波(相位＝0)同相，然后在很短的时间间隔内改变一个或多个由符号ΔΦ表示的相位变化(因此，相位＝ΔΦ)，关于所发射的信号在两个或多个相位值之间反复切换。恒定相位的最短间隔是称为脉冲持续时间τ的编码参数，并且通常是频带中最低频率的若干个周期的持续时间。倒数I/τ是波特率，其中每个波特表示一个符号。在所发射的信号的时间期间，这种恒定相位脉冲的数量N是符号的数量N，并且表示编码的长度。在二进制编码中，存在两个相位值，并且最短间隔的相位对于一个相位值可以视为0，而对于另一个相位值可以视为1，因此符号为一比特，并且波特率也称为比特率。在多相位编码中，存在多个相位值。例如，4个相位值，诸如ΔΦ*{0、1、2和3}，对于ΔΦ＝π/2(90度)，该4个相位值分别等于{0、π/2、π和3π/2}；并且因此4个相位值分别表示0、1、2、3。在此示例中，每个符号为两比特，并且比特率为波特率的两倍。
对于光学测距应用，载波频率是光学频率fc，并且RF f0被调制到光学载波上。选择符号的数量N和持续时间τ以实现所需的测距精度和分辨率。将符号的图案选择成能够区别于其它编码信号源和噪声源。因此，所发射的信号和返回信号之间的强相关性是反射的信号或背向散射的信号的强指示。所发射的信号由一个或多个符号块组成，其中每个块足够长，以便即使在存在噪声的情况下，也能提供与反射回波或背向散射回波的强相关性。
在啁啾检测中，激光功率从时间0开始接通，持续有限的脉冲持续时间τ。脉冲的频率在脉冲的持续时间τ内从f1增加到f2，因此具有带宽B＝f2-f1。频率变化率为(f2-f1)/τ。
返回信号只是强度减弱并且延迟了Δt的所发射的基准信号。当在经过2R(其中R是到目标的距离)距离后从外部物体接收到返回信号时，在延迟时间Δt开始的返回信号由2R/c给出，其中c是光在介质中的速度(大约每秒3x108米，m/s)。在这段时间内，频率变化的量取决于距离，称为fR，由频率变化率乘以延迟时间得出。这由等式1a给出。
fR＝(f2-f1)/τ*2R/c＝2BR/cτ (1a)
在称为去啁啾的时域混频操作中，fR的值通过所发射的信号和返回信号之间的频率差来测量。因此，距离R由等式1b给出。
R＝fRcτ/2B (1b)
当然，如果返回信号在脉冲完全发射之后才到达，即如果2R/c大于τ，那么等式1a和1b是无效的。在这种情况下，基准信号被延迟了一个已知的或固定的量，以确保返回信号与基准信号重叠。将基准信号的固定的或已知的延迟时间乘以光速c，即可得到附加距离，将该附加距离与根据等式1b计算的距离相加。尽管由于介质中光速的不确定性可能会导致绝对距离偏离，但这是近乎恒定的误差，并且基于频率差的相对距离仍然非常精确。
2.光学检测硬件概述
为了描绘新的扫描技术，描述了一些通用硬件方法。图1A是示出根据一实现方式的高分辨率相干LIDAR系统100的示例部件的框图。用箭头表示光学信号。用不带箭头的分段线表示电有线或无线连接。激光源112发出载波或射束101，在分束器116之前或之后，在调制器182a中对该载波或射束101进行相位或频率调制，以产生具有持续时间D的相位编码或啁啾光学信号103。分束器116对于已调制的(或，如图所示，未调制的)光学信号进行分束以在基准路径120中使用。产生目标射束105(在本文中也称为所发射的信号)，该目标射束105具有射束101的绝大部分能量。还产生已调制的或未调制的基准射束107a，该基准射束107a具有小得多的能量，但是其能量足以与从物体(未示出)散射的返回射束191产生良好的混频。在所示的实现方式中，基准射束107a在调制器182b中被单独调制。基准射束107a穿过基准路径120并且作为基准射束107b被引导到一个或多个检测器。在一些在实现方式中，基准路径120引入了以下已知延迟，该延迟足以使基准射束107b随着来自所关注的距离范围内的LIDAR外部的物体的散射光到达检测器阵列130处。在一些实现方式中，基准射束107b被称为本地振荡器(LO)信号，指的是从单独的振荡器或光源本地产生基准射束107b的较旧的方法。
然后所发射的信号被发射以通常通过一些扫描光学器件118来照亮所关注的区域。检测器阵列是单个成对的或不成对的检测器或成对的或不成对的一维(1D)或二维(2D)阵列，该检测器阵列布置在大致垂直于从物体返回的射束191的平面内。基准射束107b和返回射束191在零个或更多个光学混频器184中组合，以产生具有待适当检测的特性的光学信号。采集系统140在信号持续时间D期间多次为每个检测器记录干涉图案的频率、相位或振幅或某种组合。每个信号持续时间或积分时间处理的临时样本数量会影响下距离程度(down-range extent)。
数量或积分时间通常是基于每个信号的符号数量、信号重复率和可用相机帧速率而选择的实际考虑因素。帧速率是采样带宽，通常称为“数字化仪频率”。距离程度的仅有的基本限制是激光的相干长度以及啁啾或唯一相位码在它重复(为了清晰的测距)之前的长度。这之所以能够实现，是因为可以将返回外差信号或比特的任何数字记录与来自先前发射历史的所发射的比特的任何部分进行比较或交叉关联。
获取的数据可用于处理系统150，诸如计算机系统或芯片组。根据以下描述的一个或多个实现方式，扫描仪控制模块154提供扫描信号以驱动扫描光学器件118。在一些实现方式中，处理系统150中的带正负号的多普勒补偿模块(未示出)确定多普勒频移的正负号和大小以及基于此的校正距离连同任何其它校正(如果有的话)。处理系统150还包括调制信号模块(未示出)以发送驱动调制器182a、182b的一个或多个电信号。在一些实现方式中，处理系统还包括车辆控制模块152以控制其上安装有系统100的车辆。
任何已知的设备或系统都可以用来实施激光源112、调制器182a、182b、射束分束器116、基准路径120、光学混频器184、检测器阵列130、扫描光学器件118或采集系统140。没有示出泛光或聚焦在目标上或聚焦过光瞳平面上的光学耦合。如本文所使用的，光学耦合器是影响光在空间坐标内传播以将光从一个部件引向另一部件的任何部件，尤其是单独使用或在一些组合中使用的诸如真空、空气、玻璃、晶体、镜子、透镜、光学循环器、射束分束器、相位板、偏振器、光纤、光学混频器等。
在一些实现方式中，至少部分地基于从安装在车辆上的高分辨率多普勒LIDAR系统接收的数据来控制车辆。图1B是示出根据一实现方式的包括安装在车辆160上的至少一个高分辨率LIDAR系统的示例系统102的框图。车辆具有由星形161指示的质心并且沿由箭头163给出的向前方向行驶。在一些实现方式中，车辆160包括响应于来自处理器(诸如，处理系统150的车辆控制模块152)的信号而工作的部件，诸如转向或制动系统(未示出)。在一些实现方式中，车辆具有车载处理器164，诸如芯片组。在一些实现方式中，车载处理器164与远程处理器进行有线或无线通信。在一实现方式中，LIDAR系统的处理系统150与车载处理器164通信耦接，或LIDAR的处理系统150用于执行车载处理器164的操作，使得车辆控制模块152使处理系统150向车辆的转向或制动系统发射一个或多个信号以控制车辆的方向和速度。
高分辨率多普勒LIDAR使用扫描射束172，该扫描射束172从一侧经过方位角视场174以及经过竖直角(参见例如图2A)向另一侧(由未来射束173表示)进行扫描，从而照亮车辆160周围环境中的光斑。在一些实现方式中，视场是360度的方位角。在一些实现方式中，倾斜角视场是从大约+10度到大约-10度或是其子集。
在一些实现方式中，车辆包括辅助传感器(未示出)，诸如GPS传感器、里程计、转速计、温度传感器、真空传感器、电压或电流传感器，以及本领域公知的其它传感器。在一些实现方式中，包括陀螺仪166以提供旋转信息。
3.多边形扫描概述
图2A是示出在一些现有技术实现方案中使用的LIDAR系统的简单锯齿扫描图案的框图。扫描扫过一系列方位角(水平)和倾斜角/下偏角(分别在零倾斜角的水平方向的竖直上方和竖直下方)。在以下描述的各种实现方式中，使用其它扫描图案。可以在各种实现方式中使用本领域中已知的任何扫描图案。例如，在一些实现方式中，使用Crouch的标题为“用光学测距系统进行自适应扫描的方法和系统(Method and system for adaptivescanning with optical ranging systems)”或标题为“用光学测距系统进行自动实时自适应扫描的方法和系统(Method and system for automatic real-time adaptivescanning with optical ranging systems)”的PCT专利申请中描述的方法来执行自适应扫描，这些专利申请的全部内容通过引用并入本文，就像在本文中完整阐述一样。图2B是示出根据一实现方式的由高分辨率多普勒LIDAR系统产生的示例速度点云的图像。
图3A是示出根据一实现方式的扫描光学器件300的示例部件的顶视图的框图。扫描光学器件300是系统100的扫描光学器件118的实现方式，具有这里讨论的特征。扫描光学器件300包括由第一多边形偏转器344a组成的偏转器组件350，该第一多边形偏转器344a耦接到电机357(未示出)并且被构造成围绕旋转轴343以第一角速度349a旋转。在图示的实现方式中，偏转器组件350还包括第二多边形偏转器344b，该第二多边形偏转器344b耦接到电机357并且被构造成围绕旋转轴343以第二角速度349b旋转。虽然在扫描光学器件300中描绘了两个多边形偏转器344a、344b，但是在其它实现方式中，在扫描光学器件118中包括少于或多于两个多边形偏转器。在图示的实现方式中，第一角速度349a具有第一固定旋转速度，而第二角速度349b具有与第一固定旋转速度不同(例如，小于或相反)的第二固定旋转速度。例如，第一角速度349a的第一固定转速介于约1000转每分钟(rpm)至约5000rpm的范围内，而第二角速度349b的第二固定转速介于约300rpm至约1000rpm的范围内。作为另一个示例，第一角速度349a和第二角速度349b具有不同的方向(例如，顺时针和逆时针)。尽管为两个多边形偏转器描绘了五边规则多边形(五边形)偏转器，但在其它实现方式中，使用了其它规则或不规则多边形偏转器。在一些实现方式中，单个射束交替指向多个多边形偏转器；并且，在其它实现方式中，多个不同的射束各自被引导到不同组的一个或多个多边形偏转器上。在一些实现方式中，多边形偏转器具有反射分面并且被称为多边形反射器。
在反射器沿相反方向旋转的一个实现方式中，第二多边形偏转器344b的质量与第一多边形偏转器344a的质量之比大约等于第一角速度349a的旋转速度与第二角速度349b的旋转速度的比率。这有利地确保了在旋转期间实施多边形偏转器344a、344b的组件没有净角动量，当其上设置有扫描光学器件300的车辆驾向转弯或以其它方式旋转时，上述情况实现了扫描光学器件300在工作期间的稳定性。
图3B是示出根据一实现方式的偏转器组件350的分解图的示意图。在示出的实现方式中，偏转器组件350包括操作地耦接到电机357的第一多边形偏转器344a和通过第一多边形偏转器344a可操作地耦接到电机357的第二多边形偏转器344b。第一多边形偏转器344a可旋转地安装到电机357的驱动轴358和行星轴承359。第一多边形偏转器344a包括凹部(未示出)以接纳驱动轴358和行星轴承359。第二多边形偏转器344b可旋转地安装到具有行星传动齿轮354的第一多边形偏转器344a和定位在环形齿轮352内的驱动器太阳齿轮356。环形齿轮352被接纳在第二多边形偏转器344b的下表面上的腔体(未示出)内。选择行星传动齿轮354、驱动器太阳齿轮356和/或环形齿轮352的一个或多个参数(例如，直径、数量等)以调整第一多边形偏转器344a的第一角速度349a的旋转速度的大小与第二多边形偏转器344b的第二角速度349b的旋转速度的大小的比率。在各种实现方式中，该比率在约3至约10的范围内或在约3至约30的范围内。本领域中已知的任何合适的电机都可以用作电机357，诸如由加利福尼亚州托兰斯的Nidec
Figure BDA0003148018780000121
Electronics,Inc.制造的电机。任何合适的齿轮都可以用于一个或多个环形齿轮352、行星传动齿轮354或驱动器太阳齿轮346，诸如可从
Figure BDA0003148018780000122
齿轮获得，包括与来自地面公制正齿轮产品的选项相耦接的S1EO5ZM05S072内环形齿轮。
当射束撞击偏转器的表面时，射束以相对于入射射束的偏转角(例如，以偏转器的面上的反射表面的镜面反射的角度)偏转。偏转器的反射面位于与偏转器组件350的旋转轴343的径向垂直的平面中是常见的做法，为了说明当前使用反射表面的问题，在下文中假设这样的布置。但是，如果面没有如此定向，则会出现类似的问题。出于说明的目的，进一步假设旋转轴指向测量下偏角的本地垂线；并且垂直于旋转轴的平面是水平的，方位角位于其中。但是，无论旋转轴指向哪个方向，都存在相同的问题和原理。
水平扫描通常用来自源/检测器光学器件的射束在水平平面中撞向偏转器内部的且通常在多边形偏转器中内切的圆内部的点(诸如旋转轴与水平平面的交点)来完成。如果射束指向该内切圆之外，则将存在一些不与偏转器的面相交的偏转器旋转角度，因此将存在根本不偏转的角度。在一些布置中，任何偏转中的这种间隙可能是期望的。如果射束指向旋转轴(如图3A中所描绘的)，那么在某个旋转角度下，偏转器的反射面将垂直于撞击射束并且将射束朝向源返回，这会干扰射束离开设备以扫描设备外部的附近区域。
图4A是示出在垂直于旋转轴的(水平)平面中用离轴撞击射束的示例扫描的框图。来自源/检测器光学器件410的射束撞击在围绕旋转轴443旋转的多边形偏转器444的面上。多边形偏转器444的面和旋转轴都垂直于图纸的平面。在这种构造中，射束没有被引导到旋转轴并且没有射束被反射回到源/检测器光学器件410。方位反射角在当光束首先撞击在面上时的角度B1 421与当面从光束中旋转出来时的角度B2 422之间的视场420中变化。该方位角视场420关于垂直于偏转器面的方位角B3 423不对称。视场420小于来自源/检测器光学器件410的射束朝向旋转轴443定向的情况；但是，防止反射射束被源/检测器光学器件410阻挡。视场420随着多边形偏转器444的尺寸增大而增大。多边形偏转器的尺寸增大对于具有空间或重量限制的车辆上的扫描系统来说可能是不利的。
图4B描绘了使用在垂直于旋转轴的(水平)平面中或附近的撞击离轴射束在垂直于包含旋转轴的平面的目标平面上的扫描光斑的布置，如图4A所描绘的。目标平面距旋转轴200米。水平轴线表示水平平面内的距离，以米为单位；而竖直轴线表示竖直平面中的距离，以米为单位，两者都是相对于水平平面中的位置(0,0)处的、且被反射成垂直于多边形偏转器444的当前面的射束而言的。偏离水平光斑是通过使源/检测器光学器件410以大约0(1°)到最大+/-10度的竖直角步进而产生。注意，照明光斑关于从偏转器面垂直的反射不是对称的；但是，在竖直方向上更加对称。在竖直约-75米至约+100米以及水平约-200米至约+500米的范围内发现了相对有用的矩形光斑阵列。这种相对规则的阵列简化了对扫描系统附近物体的检测或识别。此外，具有接近水平的几十米竖直散布的点阵列特别适用于陆地和海面载具，其中所述表面处于接近水平(小的下偏)角度并且对于陡峭的下偏角或倾斜角几乎没有优势。
为了使用可用于射束在多边形偏转器面上的轴上撞击角的更宽的方位角视场，而不被源/检测器光学器件阻挡，已经使用了非水平撞击射束，如在图5A中所描绘的。图5A是示出用在包含旋转轴的平面中的轴上撞击射束进行示例扫描的框图。来自源/检测器光学器件510的射束撞击在多边形偏转器544的面(垂直于图纸的平面)上，该多边形偏转器围绕图示的平面中的旋转轴543旋转。该旋转由偏转器组件的电机和悬挂部件550赋予。在该构造中，没有射束被反射回到位于水平平面(水平平面处于下偏角D3 423等于零处)上方的源/检测器光学器件510。结果，非零下偏角D4施加在反射射束上。当源/检测器光学器件510的下偏角从下偏角D1变化到角度D2 522时，覆盖下偏视场520。当多边形旋转时，方位反射角在视场(未示出)中在角度A(当射束首先撞击在面上时)到角度-A(当面旋转离开射束时)之间变化。该方位角视场关于垂直于偏转器的面的方位角对称。因为撞击射束的方位角接近角朝向旋转轴543，所以获得了比图4A中描绘的视场420大得多的方位角视场。因此，可以使用较小的多边形偏转器以在给定范围内实现相同的水平范围。使用较小的多边形有利于具有空间或重量限制的车辆上的扫描系统。
非零下偏角的缺点是竖直位移随着到目标平面的距离增大而增大得比图4A的水平撞击时发生的增大更快。图5B描绘了使用离开垂直于旋转轴的(水平)平面的撞击射束的扫描光斑的布置。目标平面与旋转轴的距离为R。水平轴线表示水平平面内的距离，以千米为单位(km，1km＝103米)；而竖直轴线表示竖直平面内的距离，以km为单位，两者都是相对于水平平面中的位置0,0处的、且垂直于多边形偏转器544的当前面反射的射束而言的。不同垂直行光斑上的光斑通过使源/检测器光学器件510在D1 521和D2 522之间的竖直角中步进而产生。注意，与图4B相比，照明光斑现在关于从偏转器的面垂直的反射对称并且在方位角上更宽；但是，在竖直方向上不太对称。如上所述，对于地面车辆，例如，对于大约0到负0.1R数量级的距离，相对有用的所关注的矩形区域处于小下偏角。相比之下，图5B中的照明光斑的图案远远超出视场左侧和右侧方位角的有用区域。在视场外边缘的有用的近水平光斑失去了在方位角范围内获得的东西。这种相对不规则的阵列使得对扫描系统(尤其是地面车辆上的扫描系统)附近物体的检测或识别变得复杂。
4.多边形光栅
在各种实现方式中，认识到通过将多边形偏转器544的反射表面替换为光栅，图4B的图案中所示的接近水平的倾斜角/下偏角的优点可以通过用图5B的图案中所示的更宽的水平覆盖范围来实现。在一些实现方式中，水平或接近水平的倾斜角/下偏角可以在分面法线方向的+10度到-10度内。在一些实现方式中，水平或接近水平的倾斜角/下偏角可以在分面法线方向的+5度到-5度内。
图6A是示出根据一实现方式的用作多边形偏转器的面(或分面)的闪耀光栅的框图。与每个光栅一样，闪耀光栅具有恒定的行间距d，该行间距决定了由光栅引起的波长分束的幅度。在闪耀光栅中，光栅线，以下称为刻线，具有三角形、锯齿形截面，形成台阶结构。台阶以所谓的闪耀角θB相对于多边形面(以下称为分面)倾斜。因此，分面法线和刻线法线之间的角度为θB。闪耀角被优化以最大化所使用的光的波长的效率，并且通常包括表面的处于闪耀角的反射表面。描述性地，这意味着选择θB使得被刻线衍射的射束和在台阶处反射的射束都偏转到同一方向。在接近闪耀角的角度，大部分入射能量仍然以高效率偏转。在利特罗构造(Littrow configuration)中，入射角和偏转角是相等的。在本文的一些实现方式中使用的闪耀光栅的非利特罗构造中，入射角不在分面法线处，而偏转射束在分面法线处，因此选择闪耀角为入射角的一半或接近入射角的一半，或一系列入射角内的某一入射角的一半。这允许处于入射角的源/检测器光学器件在所有方位角上都不在偏转射束的路径上，因此允许使用较小的多边形偏转器获得更宽的方位角视场，同时仍然具有接近水平的偏转射束以避免对许多应用(诸如地面车辆)来说没有多大兴趣的大的垂直偏移。
图6B是示出根据一实现方式的使用具有闪耀光栅分面的多边形偏转器和在包含旋转轴的平面中的轴上撞击射束的示例扫描系统的框图。来自源/检测器光学器件610的射束撞击在多边形偏转器644的面(垂直于图纸的平面)上，该多边形偏转器围绕图示的平面中的旋转轴643旋转。该旋转由偏转器组件的电机和悬挂部件550赋予。在该构造中，没有射束偏转回到水平平面下方的源/检测器光学器件610(水平平面具有等于零的下偏角E3623)。但是，源/检测器光学器件610促使射束以低于水平面的闪耀角的两倍或接近两倍的角度撞击在分面上，因而所有偏转的射束在角度E3 623下都是水平的或接近水平的。当撞击射束以α＝2θB入射时，偏转的射束E3 623是水平的，如点划线箭头所示。从物体返回的射束沿相反方向遵循相同的角度，如虚线箭头所示。当源/检测器光学器件510的入射角从略小于两倍的闪耀角到略大于两倍的闪耀角变化时，偏转射束具有从略微高于水平的角度El621(正倾斜角)到略低于水平的角度E2 622(负偏转角或正下偏角)变化的倾斜/下偏。因此，覆盖了接近水平倾斜/下偏视场620。当多边形旋转时，方位反射角在视场(未示出)中在当射束首先撞击在分面时的角度A到当分面旋转离开射束时的角度-A之间变化。该方位角视场关于垂直于偏转器的面的方位角对称。
因为撞击射束的方位角接近角朝向旋转轴643，所以获得了比图4A中描绘的视场420大得多的方位角视场。因此，可以使用较小的多边形偏转器来在给定范围内实现相同的水平范围。使用较小的多边形有利于具有空间或重量限制的车辆上的扫描系统。因为偏转角接近水平，所以在目标平面中没有竖直范围的失真，如图5B所描绘的。
图6C描绘了根据一实现方式使用闪耀光栅多边形偏转器和处于或接近两倍闪耀角的撞击射束的扫描光斑的布置。目标平面与旋转轴的距离为R。水平轴线表示水平平面内的距离，以km为单位；而竖直轴线表示包含旋转轴的竖直平面内的距离，以km为单位，两者都是相对于水平平面中的位置(0,0)处的、且垂直于多边形偏转器544的当前面反射的射束而言的。不同竖直分离行上的光斑通过使源/检测器光学器件610以接近两倍闪耀角的竖直角步进而产生。注意，与图4B形成对比，照明光斑现在关于从偏转器的面垂直的反射对称并且在方位角上宽得多。注意，与作为图6D重复的图5B形成对比，竖直分布更加竖直对称。如上所述，对于地面车辆，例如，对于大约0到+/-0.1R的距离，所关注的相对有用的矩形区域处于小倾斜角和下偏角。相比之下，图6D中的照明光斑的图案远远超出视场左侧和右侧方位角的有用区域。已经通过使用具有包含闪耀光栅的面的多边形偏转器恢复了在视场外边缘处有用的近水平光斑曾丢失的内容。这种不太规则的阵列简化了对扫描系统(尤其是地面车辆上的扫描系统)附近物体的检测或识别。
在等式2中描述衍射的物理现象
sinα+sinβ＝mλ/d (2a)
其中，d是刻线间距，α是入射角，β是偏转角，两者都相对于分面法线，λ是光学波长，而m是模数，其中大部分能量进入模式m＝1。在各种实现方式中，偏转射束被设计为垂直于分面并且不同于入射光束，因此β＝0；因此入射角α由等式2b给出。
α＝(arcsin(mλ/d)) (2b)
通过针对相干LIDAR中使用的给定光学波长选择行间距d、阶数m和入射角α，出射射束可以垂直于多边形表面，并且表现得像水平平面多边形偏转器。
为了将光效率最大限度地提高到m＝1阶，可以使用适当的闪耀光栅。闪耀波长通常是为利特罗构造(即，当入射角和偏转角相等时)定义的。但是，图6A中所示的光栅构造不是处于利特罗角；因此，合适的闪耀波长不同于标准利特罗闪耀波长。在图6A中，偏转射束被设计为垂直于分面，β＝0，因此选择闪耀角为入射角的一半以最大化偏转一阶的效率。因此，闪耀角由等式3给出。
θB＝(arcsin(mλ/d))/2 (3)
因此，在一些实现方式中，对于LIDAR工作波长联合选择和优化入射角α、光栅刻线间距d和闪耀角θB是有利的，以获得高衍射效率，这会影响出射射束和入射射束。
对于如何用衍射多边形来扫描设置轴，至少有两种实用的选择。第一种是使用振镜(例如，一组电机驱动的镜子，其用于对激光射束进行调向通过透镜)，其中竖直扫描方向对于分面是静止的，然后在射束被分面之间的过渡部“破坏”时步进少量，并且在下一个分面上再次静止。第二种选项是在每个分面的衍射光栅上使用不同的刻线间距，d。这导致每个分面的衍射射束角度不同，有效地对一个分面进行水平扫描，然后对下一个分面进行另一次水平扫描，但是以不同的竖直角。因此，对于衍射多边形应该可以实现相当数量的竖直扫描范围。
在一些实现方式中，撞击射束由相隔小竖直角的多个射束组成，例如，以小于等于0.57°角间隔的4个射束。因此，如果多边形是一个四边形物体，其中每组射束的角散布为2.28°(包括额外的空间)，那么每个分面上的闪耀角不同，可以实现总共小于等于10°的竖直视场，其中每条线的间距为0.57°。如果射束之间的角度增加，或分面的数量增加，则竖直视场会增大。
在示例实现方式中，波长为约1550纳米(nm，1nm＝10-9米)。对于模式1衍射和间距(1/d)为每毫米600条线的光栅(例如，d＝1.666微米，1微米＝1微米，μm＝10-6米)，约68度的入射角以避免源/检测器光学器件实现垂直于分面的偏转射束。闪耀角是约34度时的一半。相比之下，利特罗构造和相同间距的闪耀波长为约1874nm。
有利的是，绝大部分衍射能量进入到第一模式中，使得返回射束中的信噪比尽可能大。对于正确调谐的系统，进入到第一模式中的光学能量对于高精度光栅可以高达90％的效率。图7是利特罗构造中多个候选波长的闪耀光栅的效率与波长的图。虽然不能直接应用，但它证明了闪耀光栅的适用性，可以有效地将能量从非水平入射角注入到水平偏转射束中，从而允许避开源/检测器光学器件。该图显示了对于针对利特罗构造从1200nm到1850nm的不同波长的光进行优化的各种光栅间距(刻线间距d的倒数)，有多少光透射到第一衍射级(m＝1)中。在1200nm，每毫米300条线(mm，1mm＝10-3米)的光栅刻线在利特罗构造中提供约74％的效率。在1300nm，每毫米400条线的光栅刻线在利特罗构造中提供约88％的效率。在1700nm，每毫米300条线的光栅刻线在利特罗构造中提供约82％的效率。在1850nm，每毫米600条线的闪耀光栅刻线在利特罗构造中提供约76％的效率。这样的性能对于许多示例实现方式来说是足够的。
因此，在第一组实现方式中，光学扫描系统包括电机357、用于光束的光源(例如，源/检测器光学器件610)和多边形偏转器644(在本文中也称为“多分面偏转器”)。该多分面偏转器中的每一个分面都有分面法线方向。该多分面偏转器操作地耦接到电机并且被构造成围绕旋转轴以角速度旋转以使来自源的光束偏转。源被构造成使得，光束在包含旋转轴的第一平面中以与每个分面的分面法线方向都间隔开的在第一平面中的入射角入射在多分面偏转器上。至少一个分面被光栅覆盖，该光栅的分面刻线间距经选择以将处于第一入射角的光束偏转成在分面法线方向十度以内的偏转角。
在第一组的一些实现方式中，光栅是反射闪耀光栅，其中分面刻线法线方向等于对分面上每条刻线的第一入射角的一半。在第一组的一些实现方式中，光束在第一平面内以在第一平面中的不同的第二入射角入射在多分面偏转器上，该不同的第二入射角在第一入射角的40度内。在第一组的一些实现方式中，该多分面偏转器的第一分面与多分面闪耀光栅的不同的第二分面具有不同的光栅间距，由此处于第一入射角的入射光束被第一分面偏转成第一偏转角，并且被第二分面偏转成不同的第二偏转角。在第一组的一些实现方式中，光束源是多个光束的源，并且该多个光束以多个不同的入射角接近旋转轴。
在第二组实现方式中，用于光学扫描系统的多分面偏转器包括本体，该本体具有相对于本体的中心轴线的多个面向外的分面。该多分面偏转器中的每一个分面都有分面法线方向，并且覆盖有反射闪耀光栅，该反射闪耀光栅的分面刻线间距在0.8微米到10微米的范围内。高效率的刻线间距d通常大于工作波长λ的50％。然而，为了实现足够的衍射角，间距有利地小于工作波长的10x。因此，在0.5λ到10λ范围内的光栅刻线间距d是有利的，甚至更有利的是在2λ到5λ范围内的光栅刻线间距d。
在一些实现方式中，每个分面还具有处于闪耀角的分面刻线法线方向，其中该闪耀角在与该分面上的每条刻线的分面法线方向呈10度到40度的范围内，使得最大化入射角允许光源/接收器不会受到出射的扫描偏转射束的撞击或以其它方式干扰出射的扫描偏转射束。多分面偏转器在垂直于中心轴线的平面内的截面的最大直径在0.5厘米至10厘米的范围内。为了在使用光栅分面时利用有用的较小的多边形，使用了接近5厘米(2英寸)的直径。因此，在一些实现方式中，截面具有在从4厘米到6厘米或0.5厘米到5厘米的范围内的最大直径。
在各种实现方式中，一个或多个分面各自具有垂直于中心轴线的法线方向；而在一些实现方式中，一个或多个分面各自具有法线方向不垂直于中心轴线的倾斜面。在各种实现方式中，垂直于中心轴线的多分面偏转器的截面具有规则或不规则的多边形形状。在各种实现方式中，两个或多个多分面偏转器作为LIDAR扫描光学器件118的一部分组合在偏转器组件中，其中所述两个或多个多分面偏转器各自具有至少一个光栅分面，这些光栅分面一致地移动或以不同速率甚至沿相反方向移动。
5.变更、扩展和修改
在上述说明书中，已经结合本公开的具体实现方式描述了本公开。但是，很明显，在不脱离本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括(comprise)”及其变体，诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”将被理解为暗示包括所述的项目，项目、元件或步骤中的元件或步骤或组，但不排除项目、元件或步骤中的任何其它项目、元件或步骤或组。此外，不定冠词“一”或“一个”旨在表示由该冠词修饰的项目、元素或步骤中的一个或多个。
尽管阐述广泛范围的数值范围和参数是近似值，但在具体非限制性示例中阐述的数值尽可能精确地报告。但是，任何数值都固有地包含某些误差，这些误差必然是由于在撰写本文时在其各自的测试测量中发现的标准偏差而导致的。此外，除非上下文另有明确说明，否则本文中呈现的数值具有由最低有效数字给出的隐含精度。因此，值1.1意味着从1.05到1.15的值。“约”一词用于表示以给定值为中心的更宽范围，除非从上下文中清楚得知，否则意味着在最低有效数字附近的更宽范围，诸如“约1.1”意味着从1.0到1.2的范围。如果最低有效数字不清楚，则术语“约”意味着两倍，例如“约X”意味着0.5X到2X范围内的值，例如约100意味着从50至200之间的值。此外，本文公开的所有范围应理解为包括其中包含的任何和所有子范围。例如，仅正参数的“小于10”范围可以包括介于最小值0(包含)和最大值10(包含)之间的任何和所有子范围，也就是说，任何和所有子范围都具有等于或大于零的最小值，以及等于或小于10的最大值，例如1到4。
以下在个人汽车上的单个前置高分辨率多普勒激光雷达系统的情境下描述本公开的一些实现方式；但是，实现方式不限于此情境。在其它实现方式中，采用具有或不具有多普勒部件，具有重叠或不重叠视场的相同类型或其它高分辨率LIDAR的一个或多个系统，或安装在较小或较大陆地、海洋、空中的有人驾驶或自主载具上一个或多个此类系。在其它实现方式中，扫描高分辨率LIDAR安装在陆地或海上的临时或永久固定位置处。

Claims (20)

1.LIDAR系统，其包括：
电机；
激光源，所述激光源被构造用于产生光束；以及
偏转器，所述偏转器包括多个分面，其中：
所述多个分面中的第一分面具有分面法线方向，并且所述第一分面被第一光学元件覆盖，所述第一光学元件具有第一间距，
(i)所述第一间距小于工作波长的十倍，并且
(ii)所述第一间距是在0.8微米到10微米的范围内；
所述偏转器被耦接到所述电机并且被构造用于绕旋转轴旋转，以使来自所述激光源的所述光束偏转；
所述激光源被构造用于引导所述光束，使得所述光束在第一平面中以第一入射角入射在所述偏转器上，其中，所述第一平面包括所述旋转轴，其中，所述第一入射角与针对所述第一分面的所述分面法线方向间隔开；并且
所述多个分面中的第二分面包括第二光学元件，所述第二光学元件被构造用于将处于所述第一入射角的所述光束偏转至偏转角。
2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
所述第二光学元件的分面刻线法线方向等于或几乎等于对于在所述第一分面上的每条刻线的所述第一入射角的一半。
3.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中，
所述偏转角是在所述分面法线方向的十度以内。
4.根据权利要求1所述的LIDAR系统，还包括：
步进电机，所述步进电机被构造用于改变所述光束在所述偏转器的所述第一分面处的攻角。
5.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
其中，所述第二光学元件包括第二间距，并且
其中，所述第一光学元件的所述第一间距不同于所述第二光学元件的所述第二间距。
6.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
所述偏转器的第二分面包括第二光学元件，
所述第二光学元件被配置为将处于所述第一入射角的所述光束偏转至与所述偏转角不同的第二偏转角。
7.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
所述偏转器的每个分面都具有垂直于所述旋转轴的法线方向，并且
其中，所述第二光学元件是反射闪耀光栅。
8.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
所述偏转器的垂直于所述旋转轴的截面具有多边形形状。
9.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
所述光学元件的截面具有三角形形状或锯齿形状。
10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
所述激光源是多光束源，并且
所述激光源被构造用于使得所述多光束以多个不同的入射角接近所述旋转轴。
11.根据权利要求10所述的LIDAR系统，其中，
所述多个不同的入射角是在所述第一入射角的40度以内。
12.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
所述偏转器的垂直于所述旋转轴的截面的最大直径是在0.5厘米至5.0厘米的范围内。
13.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，
所述偏转角是水平于或几乎水平于所述分面法线方向。
14.一种用于光学扫描系统的包括多个分面的偏转器，所述偏转器包含：
本体，所述本体具有相对于所述本体的轴线的多个面向外的分面；
所述多个面向外的分面中的分面具有分面法线方向并且被光学元件覆盖，所述光学元件具有以下间距，
(i)所述间距小于工作波长的十倍，并且
(ii)所述间距是在0.8微米到10微米的范围内。
15.根据权利要求14所述的偏转器，其中：
所述光学元件是反射闪耀光栅，所述反射闪耀光栅的分面刻线法线方向是在10度到40度的范围内。
16.根据权利要求14所述的偏转器，其中，
所述偏转器的第一分面具有和所述偏转器的不同的第二分面不同的间距。
17.根据权利要求14所述的偏转器，其中，
所述偏转器的每个分面相比于所述偏转器的每一个其它分面具有不同的间距。
18.根据权利要求14所述的偏转器，其中，
所述偏转器的每个分面具有垂直于中心轴线的法线方向。
19.根据权利要求14所述的偏转器，其中，
垂直于中心轴线的所述偏转器的截面具有多边形形状。
20.根据权利要求14所述的偏转器，其中，
所述光学元件的截面具有三角形形状或锯齿形状。
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