CN113785217A - 用于将照明扫描到视场上的电光系统和方法 - Google Patents

Abstract

系统和方法使用激光雷达技术来例如检测环境中的物体。在一个实现方式中，一种能够在激光雷达系统中使用的用于将照明扫描到视场上的电光系统，包括：光源；扫描单元，所述扫描单元具有布置在期望高度处以用于使来自所述至少一个光源的光偏转的光偏转器，用于控制所述光偏转器的取向的至少一个致动器，以及被配置为测量与所述至少一个光偏转器在所述扫描单元中的高度和所述至少一个光偏转器的取向相关的相应测量值的至少两个传感器；以及控制单元，所述控制单元与所述至少两个传感器连接。所述控制单元被配置为针对给定时间从所述至少两个传感器中的每一个接收相应测量值，以使用所述测量值作为所述扫描单元的模型的输入来针对所述给定时间确定指示实际高度的第一值和指示所述偏转器的实际取向的第二值作为所述扫描单元的所述模型的输出，并且使用所述第一值和所述第二值确定所述至少一个致动器的致动参数。

Description

用于将照明扫描到视场上的电光系统和方法

背景技术

I.技术领域

本公开总体上涉及用于扫描周围环境的勘测技术，并且更具体地，涉及使用激光雷达(LIDAR)技术来检测周围环境中的物体的系统和方法。

II.背景信息

随着驾驶员辅助系统和自主车辆的出现，汽车需要配备有能够可靠地感测和解释其周围环境的系统，包括识别可能会影响车辆导航的障碍物、危险、物体和其他物理参数。为此，已经提出了多种不同的技术，包括单独或以冗余方式操作的雷达、激光雷达、基于相机的系统。

驾驶员辅助系统和自主车辆的一个考虑因素是系统在不同条件下(包括雨、雾、黑暗、强光和雪)确定周围环境的能力。光检测和测距系统(激光雷达(LIDAR)，也称为光雷达(LADAR))是可以在不同条件下很好地工作的技术的示例，该技术通过用光照亮物体并用传感器测量反射脉冲，来测量到物体的距离。激光是可以在激光雷达系统中使用的光源的一个示例。与任何感测系统一样，为了使基于激光雷达的感测系统完全被汽车行业采用，系统应当提供可靠的数据，以使得能够检测远处的物体。尽管激光雷达系统的最大照明功率受到使激光雷达系统对眼睛安全的需要的限制(即，使得它们将不会损伤人眼，这种损伤会在投射的光发射在眼睛的角膜和晶状体中吸收时发生，而对视网膜造成热损伤。)，但光源可以增加激光雷达系统的电光扫描单元内的温度。这继而可能影响用于反射来自光源的光的电光扫描单元的反射镜的操作。应注意，电光扫描单元的致动元件和转向元件，以及镜面(弯曲)和感测元件在不同温度下可能表现地不同。

为了在操作期间分别确保电光扫描单元和激光雷达系统的期望的精度，可以在制造期间使用在不同温度下电光扫描单元的校准。此外，稍后也可能需要例如以定期维护间隔校准电光扫描单元。然而，期望的校准是漫长且昂贵的过程。

因此，需要本发明。

发明内容

与本公开一致的实施例提供了使用激光雷达技术来检测周围环境中的物体的系统和方法。

与所公开的实施例一致，一种用于将照明扫描到视场上的电光系统包括：光源；扫描单元，所述扫描单元包括布置在期望高度处以用于使来自所述光源的光偏转的光偏转器，用于控制所述光偏转器的取向的至少一个致动器，以及被配置为测量与所述光偏转器在所述扫描单元中的高度和所述光偏转器的取向相关的相应测量值的至少两个传感器；以及控制单元，所述控制单元与所述至少两个传感器连接并且被配置为针对给定时间从所述至少两个传感器中的每一个接收相应测量值，以使用所述测量值作为所述扫描单元的模型的输入来针对所述给定时间确定指示实际高度的第一值和指示所述光偏转器的实际取向的第二值作为所述扫描单元的所述模型的输出，并且使用所述第一值和所述第二值确定所述至少一个致动器的致动参数。通常，所述电光学系统是激光雷达系统或其一部分。

根据所公开的实施例，一种用于控制被配置为将照明扫描到视场上的电光系统的扫描单元的可枢转光偏转器的方法，所述方法包括：针对给定时间测量与所述光偏转器在所述扫描单元中的实际高度和所述光偏转器的实际取向相关的至少两个测量值；使用所述至少两个测量值作为所述扫描单元的模型的输入来针对所述给定时间确定指示所述实际高度的第一值和指示所述光偏转器的所述实际取向的第二值；以及使用所述第一值和所述第二值控制所述光偏转器。

其他实施例包括(非易失性)计算机可读存储介质或设备，以及记录在一个或多个计算机可读存储介质或计算机存储设备上的一个或多个计算机程序。所述一个或多个计算机程序可以被配置为借助于指令执行特定操作或处理，所述指令当由系统、特别是如本文所解释的电光系统的一个或多个处理器执行时使所述系统执行所述操作或处理。

本领域技术人员在阅读以下详细描述时并且在查看附图时将认识到附加的特征和优点。

附图说明

合并到本公开中并构成本公开的一部分的附图图示了各种公开的实施例。在图式中：

图1A是图示与所公开的实施例一致的示例性激光雷达系统的图。

图1B是示出与所公开的实施例一致的、安装在车辆上的激光雷达系统的单个扫描周期的示例性输出的图像。

图1C是示出从与所公开的实施例一致的激光雷达系统的输出而确定的点云模型的表示的另一个图像。

图2A至图2G是图示根据本公开的一些实施例的投射单元的不同配置的图。

图3A-3D是图示根据本公开的一些实施例的扫描单元的不同配置的图。

图4A-4E是图示根据本公开的一些实施例的感测单元的不同配置的图。

图5A包括图示对于视场的单个部分的单个帧时间中的发射模式的四个示例图。

图5B包括图示对于整个视场的单个帧时间中的发射方案的三个示例图。

图5C是图示对于整个视场的单个帧时间期间朝着投射的实际光发射和接收的反射的图。

图6A-6C是图示与本公开的一些实施例一致的第一示例实现方式的图。

图6D是图示与本公开的一些实施例一致的第二示例实现方式的图。

图7-37C是图示根据本公开的一些实施例的并入激光雷达系统的扫描单元中的MEMS反射镜和相关联部件的各种示例的图。

图38A-41是图示根据本公开的一些实施例的电光系统的不同配置的图。

图42是根据本公开的一些实施例的用于控制被配置为将照明扫描到视场上的电光系统的扫描单元的可枢转光偏转器的方法的流程图。

图43是根据本公开的一些实施例的用于控制被配置为将照明扫描到视场上的电光系统的扫描单元的可枢转光偏转器的方法的流程图。

具体实施方式

以下详细描述参考附图。只要有可能，在附图和以下描述中使用相同的标号表示相同或相似的部分。虽然本文描述了若干说明性实施例，但是，修改、改编和其他实现是可能的。例如，可以对附图中图示的部件进行替换、添加或修改，并且可以通过对所公开的方法的步骤进行替换、重新排序、移除或添加来修改本文描述的说明性方法。因而，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

所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”广泛地包括用于生成、检测和/或操纵光的任何系统。仅作为示例，光学系统可以包括一个或多个用于生成、检测和/或操纵光的光学部件。例如，光源、透镜、反射镜、棱镜、分束器、准直器、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、光纤部件、半导体光学部件，虽然不是每个都是必需的，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，光学系统还可以包括其他非光学部件，诸如电子部件、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合作。例如，光学系统可以包括至少一个用于分析检测到的光的处理器。

与本公开一致，光学系统可以是激光雷达系统。如本文所使用的，术语“激光雷达系统”广泛地包括可以基于反射光来确定指示一对有形物体之间的距离的参数值的任何系统。在一个实施例中，激光雷达系统可以基于由激光雷达系统发射的光的反射，来确定一对有形物体之间的距离。如本文所使用的，术语“确定距离”广泛地包括生成指示有形物体对之间的距离的输出。所确定的距离可以表示一对有形物体之间的物理维度。仅作为示例，所确定的距离可以包括激光雷达系统与激光雷达系统的视场中的另一个有形物体之间的飞行距离线。在另一个实施例中，激光雷达系统可以基于由激光雷达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的示例包括：有形物体之间的标准长度单位的数量(例如，米数、英寸数、公里数、毫米数)、任何长度单位的数量(例如，激光雷达系统长度的数量)、距离与另一个长度之比(例如，与在激光雷达系统的视场中检测到的物体的长度之比)、时间量(例如，以标准单位、任何单位或比率给出的，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，使用协定的坐标系指定的、相对于已知位置指定的)，等等。

激光雷达系统可以基于反射光，来确定一对有形物体之间的距离。在一个实施例中，激光雷达系统可以处理传感器的检测结果，该结果产生指示光信号的发射与由传感器检测到该光信号的时间之间的时间段的时间信息。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，其上升和/或下降时间可以在接收时被检测到。使用关于在相关介质(通常是空气)中光速的已知信息，可以处理关于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，激光雷达系统可以基于频率相移(或多频率相移)来确定距离。具体而言，激光雷达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)。例如，可以用一个或多个恒定频率对所发射的光学信号进行调制。所发射的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。调制可以应用于连续波光信号、准连续波光信号或另一类型的发射光信号。要注意的是，激光雷达系统可以使用附加信息以确定距离，例如，信号的投射位置、检测位置(尤其是如果彼此远离的话)之间的位置信息(例如，相对位置)，等等。

在一些实施例中，激光雷达系统可以被用于检测激光雷达系统的环境中的多个物体。术语“检测激光雷达系统的环境中的物体”广泛地包括生成指示朝着与激光雷达系统相关联的检测器反射光的物体的信息。如果激光雷达系统检测到多于一个物体，那么所生成的与不同物体有关的信息可以互连，例如汽车在道路上行驶、鸟儿坐在树上、男人接触自行车、货车朝着建筑物移动。激光雷达系统在其中检测物体的环境的维度可以因实现方式而异。例如，激光雷达系统可以被用于检测其上安装有激光雷达系统的车辆的环境中的多个物体，直至100m(或200m、300m等等)的水平距离，并且直至10米(或25米、50米等等)的垂直距离。在另一个示例中，激光雷达系统可以被用于检测车辆的环境中或预定义水平范围(例如，25°、50°、100°、180°等等)内的多个物体，并且直至预定义垂直高程(例如，±10°、±20°、+40°–20°、±90°或0°–90°)。

如本文所使用的，术语“检测物体”可以广泛地指确定物体的存在(例如，物体可以相对于激光雷达系统和/或另一个参考位置存在于某个方向上，或者物体可以存在于某个空间体积中)。附加地或可替代地，术语“检测物体”可以指确定物体与另一个位置(例如，激光雷达系统的位置、地表上的位置或另一个物体的位置)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，对物体的类型进行分类，诸如小汽车、植物、树、道路；分辨具体的物体(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，它是否在移动、它的速度、它的移动方向、物体的膨胀)。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与物体中的位置或其面(face)上的位置对应。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。

与本公开一致，术语“物体”广泛地包括可以从其至少一部分反射光的物质的有限组成。例如，物体可以至少部分是固体的(例如，小汽车、树)；至少部分是液体的(例如，道路上的水坑、雨水)；至少部分是气态的(例如，烟雾、云)；由多种独特颗粒组成(例如，沙尘暴、雾、喷雾)；并且可以是一个或多个量值规模，诸如约1毫米(mm)、约5mm、约10mm、约50mm、约100mm、约500mm、约1米(m)、约5m、约10m、约50m、约100m，等等。还可以检测更小或更大的物体，以及那些示例之间的任何尺寸。要注意的是，出于各种原因，激光雷达系统可以检测物体的仅一部分。例如，在一些情况下，光可以仅从物体的一些侧面反射(例如，将仅检测与激光雷达系统相对的一侧)；在其他情况下，光可以仅投射在物体的一部分上(例如，投射到道路或建筑物上的激光束)；在其他情况下，物体可以被激光雷达系统与被检测物体之间的另一个物体部分地阻挡；在其他情况下，激光雷达的传感器可以仅检测从物体的一部分反射的光，例如，因为环境光或其他干扰与物体的一些部分的检测发生干扰。

与本公开一致，激光雷达系统可以被配置为通过扫描激光雷达系统的环境来检测物体。术语“扫描激光雷达系统的环境”广泛地包括照亮激光雷达系统的视场或视场的一部分。在一个示例中，扫描激光雷达系统的环境可以通过移动或枢转光偏转器以使光在不同方向上朝着视场的不同部分偏转来实现。在另一个示例中，扫描激光雷达系统的环境可以通过改变传感器相对于视场的定位(即，位置和/或取向)来实现。在另一个示例中，扫描激光雷达系统的环境可以通过改变光源相对于视场的定位(即，位置和/或取向)来实现。在又一个示例中，扫描激光雷达系统的环境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刚性地移动(即，至少一个传感器与至少一个光源的相对距离和取向保持)来实现。

如本文所使用的，术语“激光雷达系统的视场”可以广泛地包括激光雷达系统的、可以在其中检测物体的可观察环境的范围。要注意的是，激光雷达系统的视场(FOV)可以受到各种条件的影响，诸如但不限于：激光雷达系统的取向(例如，是激光雷达系统的光轴的方向)；激光雷达系统相对于环境的位置(例如，地面之上的距离以及相邻的地形和障碍物)；激光雷达系统的操作参数(例如，发射功率、计算设置、定义的操作角度)等等。激光雷达系统的视场可以例如通过立体角来定义(例如，使用φ、θ角定义，其中φ和θ是例如相对于激光雷达系统和/或其FOV的对称轴而在垂直平面中定义的角度)。在一个示例中，视场也可以被定义在某个范围内(例如，直至200m)。

类似地，术语“瞬时视场”可以广泛地包括激光雷达系统可以在任何给定时刻在其中检测物体的可观察环境的范围。例如，对于扫描激光雷达系统，瞬时视场比激光雷达系统的整个FOV窄，并且它可以在激光雷达系统的FOV内被移动，以便使得能够在激光雷达系统的FOV的其他部分中进行检测。瞬时视场在激光雷达系统的FOV内的移动可以通过移动激光雷达系统的(或在激光雷达系统的外部的)光偏转器来实现，以便在不同方向将光束偏转到激光雷达系统和/或从激光雷达系统偏转。在一个实施例中，激光雷达系统可以被配置为扫描激光雷达系统正在其中操作的环境中的场景。如本文所使用的，术语“场景”可以广泛地包括在激光雷达系统的视场内的、在其相对位置中且在其当前状态下、在激光雷达系统的操作持续时间内的一些或所有物体。例如，场景可以包括地面元素(例如，地表、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、其他激光雷达系统)，等等。

所公开的实施例可以涉及获得在生成重构三维模型时使用的信息。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，并且应当被解释为包括在某种坐标系中空间定位的数据点(即，在由相应坐标系描述的空间中具有可识别的位置)的集合。术语“点云点”是指空间中的点(可以是无量纲的，或微小的细胞空间，例如1cm³)，并且其位置可以通过点云模型使用一组坐标(例如，(X,Y,Z)、(r,φ,θ))来描述。仅作为示例，点云模型可以存储用于其一些或所有点的附加信息(例如，对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可以存储其一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，并且应当被解释为除了别的之外包括限定一个或多个3D物体(诸如多面体物体)的形状的顶点、边和面的集合。这些面可以包括以下当中的一个或多个：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。这些面还可以包括更一般的凹多边形或具有孔的多边形。多边形网格可以使用不同的技术来表示，诸如：顶点-顶点网格、面-顶点网格、翼边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)或者直接地和/或相对于彼此地，在空间上位于某个坐标系中(即，在由相应坐标系描述的空间中具有可识别的位置)。重构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，其中许多技术在本领域中已知的。要注意的是，激光雷达系统可以生成其他类型的环境模型。

与所公开的实施例一致，激光雷达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。如本文所使用的，术语“光源”广泛地指被配置为发射光的任何设备。在一个实施例中，光源可以是激光器，诸如固态激光器、激光二极管、高功率激光器，或替代光源(诸如基于发光二极管(LED)的光源)。此外，如贯穿附图所图示，光源112可以以不同格式发射光，诸如光脉冲、连续波(CW)、准CW等等。例如，可以使用的一种类型的光源是垂直腔面发射激光器(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，光源可以包括被配置为发射波长在大约650nm与1150nm之间的光的激光二极管。可替代地，光源可以包括被配置为发射波长在大约800nm与大约1000nm之间、大约850nm与大约950nm之间或者大约1300nm与大约1600nm之间的光的激光二极管。除非另有说明，否则关于数值的术语“大约”被定义为相对于所称值有直至5％的变化。下面参考图2A-2C描述关于投射单元和至少一个光源的附加细节。

与所公开的实施例一致，激光雷达系统可以包括至少一个扫描单元，该扫描单元具有至少一个光偏转器，该光偏转器被配置为使来自光源的光偏转，以便扫描视场。术语“光偏转器”广泛地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、机械镜、机械扫描多边形、主动衍射(例如，可控LCD)、Risley棱镜、非机械电光束转向(诸如由Vscent制造)、偏振光栅(诸如由Boulder Non-Linear Systems提供)、光学相控阵(OPA)，等等。在一个实施例中，光偏转器可以包括多个光学部件，诸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。在一个示例中，光偏转器可以是可移动的，以使光偏离到不同的角度(例如，离散的角度，或者在连续的度数跨度内)。光偏转器可以可选地以不同方式可控(例如，偏转到角度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)。此外，光偏转器可以可选地可操作为在单个平面(例如，θ坐标)内改变偏转的角度。光偏转器可以可选地可操作为在两个非平行平面(例如，θ和φ坐标)内改变偏转的角度。可替代地或附加地，光偏转器可以可选地可操作为在预定设置之间(例如，沿着预定义扫描路线)或以其他方式改变偏转的角度。关于光偏转器在激光雷达系统中的使用，要注意的是，光偏转器可以在外传(outbound)方向(也称为发送方向或TX)中使用，以将来自光源的光偏转到视场的至少一部分。然而，光偏转器也可以在传入(inbound)方向(也称为接收方向或RX)中使用，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。

所公开的实施例可以涉及使光偏转器枢转，以便扫描视场。如本文所使用的，术语“枢转”广泛地包括物体(尤其是固体物体)围绕一个或多个旋转轴的旋转，同时基本上保持旋转中心固定。在一个实施例中，光偏转器的枢转可以包括光偏转器围绕固定轴(例如，心轴(shaft))的旋转，但不一定如此。例如，在一些MEMS反射镜实现方式中，MEMS反射镜可以通过致动连接到反射镜的多个弯曲器(bender)而移动，该反射镜除了旋转之外还可以经历一些空间平移。不过，这种反射镜可以被设计成围绕基本上固定的轴旋转，因此与本公开内容一致，它被认为是枢转的。在其他实施例中，一些类型的光偏转器(例如，非机械电光束转向，OPA)不要求任何移动部件或内部移动以便改变偏转光的偏转角。要注意的是，关于移动或枢转光偏转器的任何讨论在经过必要的改动后也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，控制光偏转器可以引起从至少一个方向到达的光束的偏转角的改变。

所公开的实施例可以涉及接收与视场的、与光偏转器的单个瞬时位置对应的一部分相关联的反射。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”)广泛地指光偏转器的至少一个受控部件在瞬时时间点或在短的时间跨度内所位于的空间中的地点或位置。在一个实施例中，光偏转器的瞬时位置可以相对于参考系进行测量。参考系可以与激光雷达系统中的至少一个固定点有关。可替代地，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)的一些移动，通常是移动到相对于视场的扫描期间的最大变化度的有限度。例如，激光雷达系统的整个视场的扫描可以包括在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°以内的角移位。在其他实施例中，术语“光偏转器的瞬时位置”可以指光的获取期间光偏转器的位置，该光被处理以提供用于由激光雷达系统生成的点云(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与固定位置或取向对应，其中，该偏转器在激光雷达视场的特定子区域的照明期间以该固定位置或取向暂停一小段时间。在其他情况下，光偏转器的瞬时位置可以与沿着光偏转器的被扫描的位置/取向范围的某个位置/取向对应，该光偏转器通过该位置/取向以作为激光雷达视场的连续或半连续扫描的一部分。在一些实施例中，光偏转器可以被移动，使得在激光雷达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，在扫描周期发生的时间段期间，偏转器可以被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期间的不同时间到达每个不同的瞬时位置/取向。

与所公开的实施例一致，激光雷达系统可以包括至少一个具有至少一个传感器的感测单元，该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”广泛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)并生成与测得的特性相关的输出的任何设备、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。要注意的是，至少一个传感器可以包括多个相同类型的传感器，这些传感器可以在其他特点(例如，灵敏度、尺寸)方面有所不同。也可以使用其他类型的传感器。可以出于不同的原因使用若干类型的传感器的组合，诸如为了改进范围跨度上(尤其是近的范围内)的检测；改进传感器的动态范围；改进传感器的时间响应；以及改进在变化的环境条件(例如，大气温度、雨水等等)下的检测。

在一个实施例中，至少一个传感器包括SiPM(硅光电倍增器)，它是由雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列构建的固态单光子敏感设备，用作公共硅基板上的检测元件。在一个示例中，SPAD之间的典型距离可以在大约10μm与大约50μm之间，其中每个SPAD可以具有在大约20ns与大约100ns之间的恢复时间。也可以使用来自其他非硅材料的相似光电倍增管。尽管SiPM器件以数字/开关模式工作，但SiPM是模拟器件，因为所有的微单元(microcell)可以被并行读取，从而使得其能够生成由不同SPAD检测的、从单个光子到成千上万个光子的动态范围内的信号。要注意的是，来自不同类型的传感器(例如，SPAD、APD、SiPM、PIN二极管、光电检测器)的输出可以组合在一起，成为可以由激光雷达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。

与所公开的实施例一致，激光雷达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对一个或多个输入执行逻辑运算的电路的任何物理设备。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)或者适于执行指令或执行逻辑运算的其他电路。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的或嵌入在控制器中的存储器中，或者可以存储在分离的存储器中。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、固定或易失性存储器，或者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代表关于激光雷达系统的环境中的物体的数据的信息。在一些实施例中，至少一个处理器可以包括多于一个处理器。每个处理器可以具有相似的构造，或者处理器可以具有彼此电连接或断开的不同构造。例如，处理器可以是分离的电路或集成在单个电路中。当使用多于一个处理器时，处理器可以被配置为独立地或协作地操作。处理器可以以电、磁、光学、声学、机械或通过允许它们交互的其他手段来耦合。下面参考图5A-5C描述处理单元和至少一个处理器的附加细节。

系统概述

图1A图示了激光雷达系统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。激光雷达系统100可以是可安装在车辆110上的。与本公开的实施例一致，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可以被配置为协调至少一个光源112的操作与至少一个光偏转器114的移动，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。此外，激光雷达系统100可以包括至少一个可选的光学窗口124，用于引导朝着视场120投射的光和/或接收从视场120中的物体反射的光。可选的光学窗口124可以用于不同的目的，诸如投射光的准直和反射光的聚焦。在一个实施例中，可选的光学窗口124可以是开口、平坦窗口、透镜或任何其他类型的光学窗口。

与本公开一致，激光雷达系统100可以用在自主或半自主道路车辆(例如，汽车、公共汽车、货车、卡车和任何其他陆地车辆)中。具有激光雷达系统100的自主道路车辆可以扫描他们的环境并且在没有人类输入的情况下驾驶到目的地车辆。类似地，激光雷达系统100也可以用在自主/半自主飞行器(例如，UAV、无人驾驶飞机、四轴飞行器和任何其他空中飞行器或设备)中；或自主或半自主水上船舶(例如，船、轮船、潜水艇或任何其他船只)中。具有激光雷达系统100的自主飞行器和水运船只可以扫描他们的环境并且自主地或使用远程操作员导航到目的地。根据一个实施例，车辆110(道路车辆、飞行器或水运船只)可以使用激光雷达系统100来帮助检测和扫描车辆110正在其中操作的环境。

应当注意，激光雷达系统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，虽然激光雷达系统100的一些方面是相对于示例性的基于车辆的激光雷达平台来描述的，但是激光雷达系统100、其任何部件或本文描述的任何处理可以适用于其他平台类型的激光雷达系统。

在一些实施例中，激光雷达系统100可以包括用以扫描车辆110周围的环境的一个或多个扫描单元104。激光雷达系统100可以附连或安装到车辆110的任何部分。感测单元106可以接收来自车辆110的周围环境的反射，并将指示从视场120中的物体反射的光的反射信号传送到处理单元108。与本公开一致，扫描单元104可以安装到或并入到保险杠、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、后备箱或车辆110的能够容纳激光雷达系统的至少一部分的任何其他合适的部分中。在一些情况下，激光雷达系统100可以捕获车辆110的环境的完整环绕视图。因此，激光雷达系统100可以具有360度水平视场。在一个示例中，如图1A所示，激光雷达系统100可以包括安装在车辆110的车顶上的单个扫描单元104。可替代地，激光雷达系统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)，每个扫描单元都具有视场，使得总体水平视场被围绕车辆110的360度扫描所覆盖。本领域技术人员将认识到的是，激光雷达系统100可以包括以任何方式布置的任何数量的扫描单元104，取决于所采用的单元的数量，每个扫描单元具有80°至120°或更小的视场。而且，还可以通过在车辆110上安装多个激光雷达系统100来获得360度水平视场，每个激光雷达系统100具有单个扫描单元104。不过，要注意的是，一个或多个激光雷达系统100不必提供完整的360°视场，并且较窄的视场在一些情形下可以是有用的。例如，车辆110可以要求看向车辆前方的具有75°视场的第一激光雷达系统100，以及可能地要求向后看的具有相似FOV的第二激光雷达系统100(可选地具有较低的检测范围)。还要注意的是，也可以实现不同的垂直视场角。

图1B是示出与所公开的实施例一致的、来自安装在车辆110上的激光雷达系统100的单个扫描周期的示例性输出的图像。在这个示例中，扫描单元104并入到车辆110的右前灯组件中。图像中的每个灰点与从由感测单元106检测到的反射确定的车辆110周围的环境中的位置对应。除了位置之外，每个灰点也可以与不同类型的信息相关联，例如，强度(例如，从那个位置返回多少光)、反射率、与其他点的接近度等等。在一个实施例中，激光雷达系统100可以根据视场的多个扫描周期的检测到的反射，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是示出从激光雷达系统100的输出而确定的点云模型的表示的图像。与所公开的实施例一致，通过处理所生成的车辆110周围的环境的点云数据条目，可以从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，该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，小汽车、树、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，可选地布置成相似尺寸的2D阵列)，或者可以具有不同的分辨率。特征可以存储在任何种类的数据结构中(例如，光栅、向量、2D阵列、1D阵列)。此外，虚拟特征(诸如车辆110的表示、边界线、或分离图像中的区域或物体的边界框(例如，如图1B中所描绘的)，以及表示一个或多个识别出的物体的图标)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的符号可以覆盖在环绕视图图像的中心上。

投射单元

图2A-2G描绘了投射单元102的各种配置及其在激光雷达系统100中的作用。具体而言，图2A是图示具有单个光源的投射单元102的图；图2B是图示具有瞄准公共光偏转器114的多个光源的多个投射单元102的图；图2C是图示具有主光源和辅助光源112的投射单元102的图；图2D是图示用在投射单元102的一些配置中的不对称偏转器的图；图2E是图示非扫描激光雷达系统的第一配置的图；图2F是图示非扫描激光雷达系统的第二配置的图；并且图2G是在外传方向扫描但在传入方向不扫描的激光雷达系统的图。本领域技术人员将认识到，投射单元102的所描绘的配置可以具有许多变化和修改。

图2A图示了激光雷达系统100的收发分置(bi-static)配置的示例，其中投射单元102包括单个光源112。术语“收发分置配置”广泛地指激光雷达系统配置，其中离开激光雷达系统的投射光和进入激光雷达系统的反射光穿过基本不同的光学路径。在一些实施例中，激光雷达系统100的收发分置配置可以包括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、或者通过对仅部分光学路径使用相同的光学部件来分离光学路径。在图2A所描绘的示例中，收发分置配置包括其中外传光和传入光穿过单个光学窗口124的配置，但是扫描单元104包括两个光偏转器，用于外传光的第一光偏转器114A和用于传入光的第二光偏转器114B(激光雷达系统中的传入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和图2G所描绘的示例中，收发分置配置包括其中外传光穿过第一光学窗口124A以及传入光穿过第二光学窗口124B的配置。在上面的所有示例配置中，传入和外传光学路径互不相同。

在这个实施例中，激光雷达系统100的所有部件可以包含在单个壳体200内，或者可以在多个壳体之间划分。如图所示，投射单元102与包括被配置为发射光(投射光204)的激光二极管202A(或耦合在一起的一个或多个激光二极管)的单个光源112相关联。在一个非限制性示例中，由光源112投射的光可以为大约800nm与950nm之间的波长，具有在大约50mW与大约500mW之间的平均功率，具有在大约50W与大约200W之间的峰值功率，以及大约2ns与大约100ns之间的脉冲宽度。此外，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相关联(例如，以用于准直、聚焦等等)。要注意的是，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。此外，光源112可以以不同的格式发射光，诸如光脉冲、频率调制、连续波(CW)、准CW或者与所采用的特定光源对应的任何其他形式。投射格式和其他参数可以基于诸如来自处理单元108的指令之类的不同的因素不时地被光源改变。投射光朝着外传偏转器114A被投射，该外传偏转器114A用作用于在视场120中引导投射光的转向元件。在这个示例中，扫描单元104还包括可枢转的返回偏转器114B，该返回偏转器114B将从视场120内的物体208反射回来的光子(反射光206)朝着传感器116引导。反射光被传感器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。

在这个图中，激光雷达系统100连接到主机210。与本公开一致，术语“主机”是指可以与激光雷达系统100接口的任何计算环境，它可以是车辆系统(例如，车辆110的部分)、测试系统、安全性系统、监控系统、交通控制系统、城市建模系统、或者监视其周围环境的任何系统。这样的计算环境可以包括至少一个处理器和/或可以经由云连接到激光雷达系统100。在一些实施例中，主机210还可以包括到外部设备的接口，外部设备诸如被配置为测量主机210的不同特点(例如，加速度、方向盘偏转、反向驾驶等等)的相机和传感器。与本公开一致，激光雷达系统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)或固定到与主机210相关联的便携式系统(例如，便携式计算机、电影摄像机)。与本公开一致，激光雷达系统100可以连接到主机210，以向主机210提供激光雷达系统100的输出(例如，3D模型、反射率图像)。具体而言，主机210可以使用激光雷达系统100来帮助检测和扫描主机210的环境或任何其他环境。此外，主机210可以将激光雷达系统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。在一个示例中，激光雷达系统100可以由安全性系统使用。这个实施例在下面参考图7更详细地描述。

激光雷达系统100还可以包括互连子系统和部件的总线212(或其他通信机构)，用于在激光雷达系统100内传送信息。可选地，总线212(或另一种通信机构)可以被用于互连激光雷达系统100与主机210。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激光雷达系统100的内部反馈接收的信息，以协调的方式调整投射单元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激光雷达系统100。闭环系统的特征在于具有来自至少一个元件的反馈和基于接收到的反馈更新一个或多个参数。而且，闭环系统可以接收反馈，并至少部分地基于该反馈更新其自己的操作。动态系统或元件是可以在操作期间被更新的系统或元件。

根据一些实施例，扫描激光雷达系统100周围的环境可以包括用光脉冲照亮视场120。光脉冲可以具有以下参数，诸如：脉冲持续时间、脉冲角色散、波长、瞬时功率、距光源112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、偏振，等等。扫描激光雷达系统100周围的环境还可以包括检测和表征反射光的各个方面。反射光的特点可以包括例如：飞行时间(即，从发射直到检测的时间)、瞬时功率(例如，功率特征)、整个返回脉冲的平均功率、以及返回脉冲时段的光子分布/信号。通过比较光脉冲的特点与对应反射的特点，可以估计物体212的距离以及有可能的物理特点(诸如反射强度)。通过以预定义模式(例如，光栅、Lissajous或其他模式)在多个相邻部分122上重复这个处理，可以实现视场120的整个扫描。如下面更详细地讨论的，在一些情形下，激光雷达系统100可以在每个扫描周期将光引导到视场120中的仅一些部分122。这些部分可以彼此相邻，但不一定如此。

在另一个实施例中，激光雷达系统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。激光雷达系统100和主机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(ISDN)卡、电缆调制解调器、卫星调制解调器、或提供与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，以提供与兼容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的具体设计和实现方式取决于激光雷达系统100和主机210要在其上操作的(一个或多个)通信网络。例如，网络接口214可以被用于例如将激光雷达系统100的输出提供给外部系统，该输出诸如3D模型、激光雷达系统100的操作参数等等。在其他实施例中，通信单元可以被用于例如从外部系统接收指令、接收关于被检查的环境的信息、从另一个传感器接收信息，等等。

图2B图示了包括多个投射单元102的激光雷达系统100的收发合置配置的示例。术语“收发合置(monostatic)配置”广泛地指这样一种激光雷达系统配置，其中从激光雷达系统射出的投射光和进入激光雷达系统的反射光穿过基本相似的光学路径。在一个示例中，外传光束和入射光束可以共享至少一个光学组件，两个光束都穿过该光学组件。在另一个示例中，外传光可以穿过光学窗口(未示出)，并且传入光辐射可以穿过相同的光学窗口。收发合置配置可以包括这样一种配置，其中扫描单元104包括单个光偏转器114，该光偏转器114将投射光朝着视场120引导并将反射光朝着传感器116引导。如图所示，投射光204和反射光206都击中不对称偏转器216。术语“不对称偏转器”是指具有两个侧面的、能够以与其偏转从一侧击中它的光束的方向不同的方向来使从第二侧击中它的光束偏转的任何光学设备。在一个示例中，不对称偏转器不使投射光204偏转，而是将反射光206朝着传感器116偏转。不对称偏转器的一个示例可以包括偏振分束器。在另一个示例中，不对称216可以包括仅允许光在一个方向上通过的光隔离器。不对称偏转器216的图解示意图在图2D中图示。与本公开一致，激光雷达系统100的收发合置配置可以包括不对称偏转器，以防止反射光击中光源112，并将所有反射光朝着传感器116引导，由此增加检测灵敏度。

在图2B的实施例中，激光雷达系统100包括三个投射单元102，每个投射单元102具有瞄准公共光偏转器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)可以投射具有基本相同波长的光，并且每个光源112一般与视场的不同区域(在图中表示为120A、120B和120C)相关联。这使得能够扫描比利用光源112可以实现的更宽的视场。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图示了激光雷达系统100的示例，其中投射单元102包括主光源112A和辅助光源112B。主光源112A可以投射具有比对人眼敏感的更长波长的光，以便优化SNR和检测范围。例如，主光源112A可以投射波长在大约750nm与1100nm之间的光。相反，辅助光源112B可以投射具有人眼可见波长的光。例如，辅助光源112B可以投射波长在大约400nm与700nm之间的光。在一个实施例中，辅助光源112B可以沿着与由主光源112A投射的光基本相同的光学路径来投射光。两个光源可以是时间同步的并且可以一起或以交织模式投射光发射。交织模式意味着光源并非同时是激活的，这可以减轻相互干扰。本领域技术人员将容易地看到波长范围和激活时间表(schedule)的其他组合也可以实现。

与一些实施例一致，辅助光源112B可以在它太靠近激光雷达光学输出端口时造成人眼眨眼。这可以确保眼睛安全机制，而该机制是用利用了近红外光谱的典型激光源不可行的。在另一个实施例中，辅助光源112B可以被用于服务点处的校准和可靠性，其方式与相对于车辆110在离地面一定高度处用特殊的反射器/模式进行的前灯校准有些相似。服务点处的操作员可以通过对有特征的目标(诸如距激光雷达系统100指定距离处的这样的测试图案板)上的扫描图案的简单目视检查，来检查激光雷达的校准。此外，辅助光源112B可以提供用于激光雷达正为终端用户工作的操作置信度的手段。例如，系统可以被配置为允许人将手放在光偏转器114的前面，以测试其操作。

辅助光源112B还可以具有不可见元件，该不可见元件在主光源112A发生故障的情况下可以兼作备用系统。这个特征对于具有更高功能安全等级的故障安全设备可以是有用的。假定辅助光源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，辅助光源112B可以与更小的功率关联。因此，在主光源112A发生故障的情况下，系统功能将回退到辅助光源112B的功能和能力集。虽然辅助光源112B的能力可能逊于主光源112A的能力，但是可以以使车辆110能够安全地到达其目的地这样的方式来设计激光雷达系统100系统。

图2D图示了可以是激光雷达系统100的一部分的不对称偏转器216。在所图示的示例中，不对称偏转器216包括反射表面218(诸如发射镜)和单向偏转器220。虽然不一定如此，但不对称偏转器216可以可选地是收发配置的偏转器。不对称偏转器216可以用在激光雷达系统100的收发合置配置中，以便允许公共光学路径用于经由至少一个偏转器114发送和接收光，例如如图2B和图2C中所图示。但是，典型的不对称偏转器(诸如分束器)特征在于能量损失，尤其是在接收路径中，而该接收路径可能比发送路径对功率损耗更加敏感。

如图2D中所描绘的，激光雷达系统100可以包括位于发送路径中的不对称偏转器216，其包括用于在发送光信号与接收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可以对发送光基本上是透明的，并且对接收光基本上是反射性的。发送光由投射单元102生成并且可以通过单向偏转器220行进到扫描单元104，该扫描单元104使其朝着光学出口偏转。接收光通过光学入口到达至少一个偏转元件114，该偏转元件114将反射信号偏转到远离光源并朝着感测单元106的分离路径中。可选地，不对称偏转器216可以与偏振光源112组合，该偏振光源112利用与单向偏转器220相同的偏振轴被线性地偏振。值得注意的是，外传光束的横截面远小于反射信号的横截面。因而，激光雷达系统100可以包括一个或多个光学部件(例如，透镜、准直器)，用于将发射的偏振光束聚焦或以其他方式操纵到不对称偏转器216的维度。在一个实施例中，单向偏转器220可以是对偏振光束几乎透明的偏振分束器。

与一些实施例一致，激光雷达系统100还可以包括用于修改发射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形偏振。从视场反射回到系统100的光将通过偏转器114回到光学器件222，其承受具有相对于发送光的倒置偏手性的圆形偏振。然后，光学器件222将接收到的倒置偏手性偏振光转换成与偏振分束器216的线性偏振不在同一个轴上的线性偏振。如上面所指出的，由于穿过到目标的距离的光束的光学色散，接收光斑块(light-patch)大于发送光斑块。

接收到的光中的一些将照射在单向偏转器220上，该单向偏转器220将带有一些功率损耗地使光朝着传感器106反射。但是，接收光斑块的另一部分将落在围绕单向偏转器220(例如，偏振分束器狭缝)的反射表面218上。反射表面218将基本上零功率损耗地使光朝着感测单元106反射。单向偏转器220将反射由各个偏振轴和方向组成的、将最终到达检测器的光。可选地，感测单元106可以包括传感器116，该传感器116对激光偏振不可知，并且主要对某个波长范围内的照射光子的量是敏感的。

要注意的是，当与其中具有通孔的简单反射镜相比，所提出的不对称偏转器216提供更优秀的性能。在具有孔的反射镜中，到达该孔的所有反射光都对于检测器是损失掉的。但是，在偏转器216中，单向偏转器220使这种光的大部分(例如，大约50％)朝着相应传感器116偏转。在激光雷达系统中，从远程距离到达激光雷达的光子数量非常有限，并且因此光子捕获率的改进是重要的。

根据一些实施例，描述了用于分束和转向的设备。可以从具有第一偏振的光源发射偏振光束。可以引导所发射的光束穿过偏振分束器组件。该偏振分束器组件在第一侧包括单向狭缝并且在相对侧包括反射镜。该单向狭缝使偏振的发射光束能够朝着四分之一波片/波延迟器行进，这将发射信号从偏振信号变为线性信号(或反之亦然)，以使得随后反射的光束不能行进通过该单向狭缝。

图2E图示了没有扫描单元104的激光雷达系统100的收发分置配置的示例。为了在没有偏转器114的情况下照亮整个视场(或基本上整个视场)，投射单元102可以包括光源的阵列(例如，112A-112F)。在一个实施例中，光源的阵列可以包括由处理器118控制的光源的线性阵列。例如，处理器118可以使光源的线性阵列向第一可选光学窗口124A顺序投射准直激光束。第一可选光学窗口124A可以包括漫射器透镜，用于扩散投射光并顺序形成宽的水平且窄的垂直光束。在另一个示例中，处理器118可以使光源的阵列同时从多个不相邻的光源112投射光束。在所描述的示例中，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，从而用三个窄的垂直光束照亮视场。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。图2E所描绘的配置被认为是收发分置配置，因为投射光和反射光的光学路径基本不同。

图2F图示了没有扫描单元104的激光雷达系统100的收发合置配置的示例。与图2E所示的示例实施例相似，为了在没有偏转器114的情况下照亮整个视场，投射单元102可以包括光源阵列(例如，112A-112F)。但是，与图2E相反，激光雷达系统100的这种配置可以包括单个光学窗口124，用于投射光和用于反射光两者。使用不对称偏转器216，反射光可以被重定向到传感器116。图2E所描绘的配置被认为是收发合置配置，因为投射光和反射光的光学路径彼此基本相似。在投射光和反射光的光学路径的上下文中，术语“基本相似”意味着两条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图示了激光雷达系统100的收发分置配置的示例。这个图中的激光雷达系统100的配置与图2A所示的配置相似。例如，两种配置都包括用于在外传方向上将投射光朝着视场引导的扫描单元104。但是，与图2A的实施例相反，在这种配置中，扫描单元104不在传入方向上重定向反射光。相反，反射光穿过第二光学窗口124B并进入传感器116。图2G所描绘的配置被认为是收发分置配置，因为投射光和反射光的光学路径彼此基本不同。在投射光和反射光的光学路径的上下文中，术语“基本不同”意味着两条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的各种配置及其在激光雷达系统100中的作用。具体而言，图3A是图示具有MEMS反射镜(例如，形状为方形)的扫描单元104的图，图3B是图示具有MEMS反射镜(例如，形状为圆形)的另一个扫描单元104的图，图3C是图示具有用于收发合置扫描激光雷达系统的反射器阵列的扫描单元104的图，并且图3D是图示机械地扫描激光雷达系统100周围的环境的示例激光雷达系统100的图。本领域技术人员将认识到的是，所描绘的扫描单元104的配置仅仅是示例性的，并且在本公开的范围内可以具有许多变化和修改。

图3A图示了具有单轴方形MEMS反射镜300的示例扫描单元104。在这个示例中，MEMS反射镜300用作至少一个偏转器114。如图所示，扫描单元104可以包括一个或多个致动器302(具体而言，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，并且包括响应于由致动控制器施加的电信号而改变其维度的压电层(例如，PZT、锆钛酸铅、氮化铝)、半导体层和基(base)层。在一个实施例中，致动器302的物理特性可以确定致动器302在电流通过它时所经受的机械应力。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在某个角位置偏转时，可以在激活状态下测量一个或多个致动器302的电阻率(Ractive)，并且与休眠状态下的电阻率(Rrest)进行比较。包括Ractive的反馈可以提供信息以确定与预期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偏转。Rrest和Ractive之间的差可以通过反射镜驱动而关联到角偏转值中，该角偏转值可以用来闭合环路。这个实施例可以被用于动态跟踪实际反射镜位置，并且可以优化线性模式和谐振模式MEMS反射镜方案的响应、振幅、偏转效率和频率。

在扫描期间，电流(在图中表示为虚线)可以从触点304A流到触点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(诸如隔离间隙310)可以使致动器302A和302B成为通过弹簧306和框架308电连接的两个分离的岛。电流流动或任何相关联的电参数(电压、电流频率、电容、相对介电常数等等)可以通过相关联的位置反馈来监视。在机械故障(其中一个部件受损)的情况下，流过该结构的电流将更改并改变其功能校准值。在极端情形下(例如，当弹簧断裂时)，电流将由于电气链中的电路断开而借助于故障元件而完全停止。

图3B图示了具有双轴圆形MEMS反射镜300的另一个示例扫描单元104。在这个示例中，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可具有大约1mm至大约5mm之间的直径。如图所示，扫描单元104可以包括四个致动器302(302A、302B、302C和302D)，每个致动器可以处于不同的长度。在所图示的示例中，电流(在图中表示为虚线)从触点304A流到触点304D，但在其他情况下，电流可以从触点304A流到触点304B、从触点304A流到触点304C、从触点304B流到触点304C、从触点304B流到触点304D、或从触点304C流到触点304D。与一些实施例一致，双轴MEMS反射镜可以被配置为在水平方向和垂直方向上使光偏转。例如，双轴MEMS反射镜的偏转角度在垂直方向上可以在大约0°至30°之间并且在水平方向上在大约0°至50°之间。本领域技术人员将认识到的是，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，至少偏转器114可以具有双轴方形镜或单轴圆形反射镜。圆形和方形反射镜的示例仅作为示例在图3A和图3B中示出。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可以作为至少偏转器114的组成部分被并入，使得移动MEMS反射镜300的动力直接朝着它施加。此外，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，至少偏转器114可以包括静电或电磁MEMS反射镜。

如上面所描述的，收发合置扫描激光雷达系统利用相同光学路径的至少一部分来用于发射投射光204并用于接收反射光206。外传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色散而扩散到更大的光斑块中。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区域以及具有将反射(即，反射光206)重定向到传感器116的不对称偏转器216。在一个实施例中，扫描单元104可以包括具有大的反射区域以及对视场和帧速率性能具有可以忽略不计的影响的MEMS反射镜。下面参考图2D提供关于不对称偏转器216的附加细节。

在一些实施例中(例如，如图3C中所例示的)，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实现为一组同步工作的较小的个体光偏转器可以允许光偏转器114以高扫描速率以较大的偏转角度来执行。就有效区域而言，偏转器阵列可以基本上充当大的光偏转器(例如，大的反射镜)。可以使用共享转向组件配置来操作该偏转器阵列，其允许传感器116从由光源112并发照亮的视场120的基本相同部分收集反射光子。术语“并发”意味着两个被选功能在重合或重叠的时间段期间发生，无论是一个在另一个的持续时间内开始和结束，还是后一个在另一个完成之前开始。

图3C图示了扫描单元104的示例，其中反射器阵列312具有小的反射镜。在这个实施例中，反射器阵列312用作至少一个偏转器114。反射器阵列312可以包括多个被配置为枢转(单独地或一起)并朝着视场120导引光脉冲的反射器单元314。例如，反射器阵列312可以是从光源112投射的光的外传路径的一部分。具体而言，反射器阵列312可以将投射光204朝着视场120的一部分引导。反射器阵列312也可以是用于从位于视场120的被照亮部分内的物体的表面反射的光的返回路径的一部分。具体而言，反射器阵列312可以将反射光206朝着传感器116或朝着不对称偏转器216引导。在一个示例中，反射器阵列312的面积可以在大约75至大约150mm²之间，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可以包括可转向偏转器的一个或多个子组。电可转向偏转器的每个子组可以包括一个或多个偏转器单元(诸如反射器单元314)。例如，每个可转向偏转器单元314可以包括MEMS反射镜特别是MEMS倾斜反射镜、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可以由个体处理器(未示出)单独地控制，使得它可以沿着一个或两个分离的轴中的每一个轴朝着具体角度倾斜。可替代地，反射器阵列312可以与公共控制器(例如，处理器118)相关联，该公共控制器被配置为同步地管理反射器单元314的移动，使得它们中的至少一部分将并发地枢转并指向大致相同的方向。

此外，至少一个处理器118可以选择用于外传路径的至少一个反射器单元314(在下文中称为“TX反射镜”)和用于返回路径的一组反射器单元314(在下文中称为“RX反射镜”)。与本公开一致，增加TX反射镜的数量可以增加反射光子束扩展。此外，减少RX反射镜的数量可以缩窄接收场并补偿环境光条件(诸如云、雨、雾、极热和其他环境条件)并改进信噪比。而且，如上面所指示的，发射的光束通常比反射光斑块窄，并且因此可以被偏转阵列的一小部分完全偏转。而且，能够阻挡从偏转阵列的用于发送的部分(例如，TX反射镜)反射的光到达传感器116，由此减少激光雷达系统100的内部反射对系统操作的影响。此外，至少一个处理器118可以使一个或多个反射器单元314枢转，以克服由于例如热和增益效应引起的机械损伤和漂移。在示例中，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、速度等等)，并且它们的移动可以通过适当地电控制偏转器来补偿。

图3D图示了机械扫描激光雷达系统100的环境的示例性激光雷达系统100。在这个示例中，激光雷达系统100可以包括马达或其他机构，用于围绕激光雷达系统100的轴来旋转壳体200。可替代地，马达(或其他机构)可以机械地旋转激光雷达系统100的、其上安装有一个或多个光源112和一个或多个传感器116的刚性结构，由此扫描环境。如上面所描述的，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外传路径朝着视场120行进。具体而言，当投射光204朝着可选的光学窗口124行进时，投射的光发射可以被偏转器114A反射通过出口孔314。反射的光发射可以沿着返回路径从物体208朝着感测单元106行进。例如，当反射光206朝着感测单元106行进时，反射光206可以被偏转器114B反射。本领域技术人员将认识到的是，具有用于同步地旋转一个或多个光源或一个或多个传感器的旋转机构的激光雷达系统可以使用这种同步旋转来代替使内部光偏转器转向(或作为补充)。

在对视场120的扫描是机械式的实施例中，投射的光发射可以被引导到出口孔314，该出口孔314是将投射单元102与激光雷达系统100的其他部分分离的壁316的一部分。在一些示例中，壁316可以由涂覆有反射材料的透明材料(例如，玻璃)形成，以形成偏转器114B。在这个示例中，出口孔314可以与壁316的未涂覆反射材料的部分对应。附加地或可替代地，出口孔314可以包括在壁316中的孔或切口。反射光206可以被偏转器114B反射并且朝着感测单元106的入口孔318被引导。在一些示例中，入口孔318可以包括过滤窗口，该过滤窗口被配置为允许某个波长范围内的波长进入感测单元106并衰减其他波长。来自视场120的物体208的反射可以被偏转器114B反射并击中传感器116。通过比较反射光206与投射光204的若干特性，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的时间与传感器116接收反射光206的时间，可以确定物体208与激光雷达系统100之间的距离。在一些示例中，还可以确定物体208的其他方面(诸如形状、颜色、材料等等)。

在一些示例中，激光雷达系统100(或其一部分，包括至少一个光源112和至少一个传感器116)可以围绕至少一个轴旋转，以确定激光雷达系统100的周围环境的三维地图。例如，激光雷达系统100可以围绕基本垂直的轴旋转(如由箭头320所图示)，以便扫描视场120。尽管图3D图示了激光雷达系统100围绕轴顺时针旋转(如由箭头320所图示)，但附加地或可替代地，激光雷达系统100可以以逆时针方向旋转。在一些示例中，激光雷达系统100可以围绕垂直轴旋转360度。在其他示例中，激光雷达系统100可以沿着比激光雷达系统100的360度更小的扇区来回旋转。例如，激光雷达系统100可以安装在围绕轴来回摆动而不做完整旋转的平台上。

感测单元

图4A-4E描绘了感测单元106的各种配置及其在激光雷达系统100中的作用。具体而言，图4A是图示具有检测器阵列的示例感测单元106的图，图4B是图示使用二维传感器的收发合置扫描的图，图4C是图示二维传感器116的示例的图，图4D是图示与传感器116相关联的透镜阵列的图，并且图4E包括图示透镜结构的三个图。本领域技术人员将认识到的是，所描绘的感测单元106的配置仅仅是示例性的，并且可以具有与本公开的原理一致的许多替代变体和修改。

图4A图示了具有检测器阵列400的感测单元106的示例。在这个示例中，至少一个传感器116包括检测器阵列400。激光雷达系统100被配置为检测视场120中位于距激光雷达系统100不同距离处(可以是几米或更多)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、小汽车、人)、液体物体(例如，雾、水、大气颗粒)、或另一种类型的物体(例如，灰尘或粉末状被照亮物体)。当从光源112发射的光子击中物体208时，它们或者反射、折射或者被吸收。通常，如图所示，从物体208反射的光子的仅一部分进入可选的光学窗口124。由于每个约15cm的距离变化导致1ns的行进时间差(因为光子以光速向物体208和从物体208行进)，因此通过具有足够快响应的飞行时间传感器，击中不同物体的不同光子的行进时间之间的时间差可以是可检测的。

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。检测元件可以全部被包括在检测器阵列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。具体而言，每个检测元件402可以对于每个采样持续时间(例如，每1纳秒)发出检测信息。在一个示例中，检测器阵列400可以是SiPM(硅光电倍增器)，其是由公共硅基板上的单光子雪崩二极管(SPAD，用作检测元件402)的阵列而构建的固态单光子敏感设备。也可以使用来自其他非硅材料的相似光电倍增管。尽管SiPM设备以数字/开关模式工作，但SiPM是模拟设备，因为所有的微单元是被并行读取，从而使得能够生成由不同SPAD检测的从单个光子到成千上万个光子的动态范围内的信号。如上面所提到的，可以实现多于一种类型的传感器(例如，SiPM和APD)。有可能地，感测单元106可以包括集成到SiPM阵列中的至少一个APD和/或位于分离或公共硅基板上SiPM旁边的至少一个APD检测器。

在一个实施例中，检测元件402可以被分组为多个区域404。这些区域是传感器116内的几何位置或环境(例如，在检测器阵列400内)，并且可以被成形为不同的形状(例如，如图所示的矩形、正方形、环等等，或任何其他形状)。虽然并非包括在区域404的几何范围内的所有个体检测器都必然属于那个区域，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期望一些重叠。如图4A中所图示的，区域可以是非重叠区域404，但是可替代地，它们可以重叠。每个区域可以与和那个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，区域输出电路406可以是求和电路，但是可以采用将个体检测器的输出组合成单位输出(无论是标量、向量还是任何其他格式)的其他形式。可选地，每个区域404是单个SiPM，但不一定如此，并且区域可以是单个SiPM的子部分、若干SiPM的组、或甚至不同类型的检测器的组合。

在所图示的示例中，处理单元108位于(例如，车辆110内的)主机210(内部或外部)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。可替代地，处理单元108可以被用于分析反射光206。要注意的是，激光雷达系统100可以以除所图示的示例之外的其他方式实现多个壳体。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，激光雷达系统100可以包括以不同方式彼此连接的多个壳体，诸如：电线连接、无线连接(例如，RF连接)、光纤电缆、以及上面的任何组合。

在一个实施例中，分析反射光206可以包括基于不同区域的个体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。除了飞行时间之外，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段上确定光子分布/信号(“脉冲形状”)。在所图示的示例中，任何检测元件402的输出可以不被直接发送到处理器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，求和)。但是，这仅仅是示例并且传感器116的电路可以经由其他路线(不经由区域输出电路406)将信息从检测元件402发送到处理器408。

图4B是图示被配置为使用二维传感器116扫描激光雷达系统100的环境的激光雷达系统100的图。在图4B的示例中，传感器116是4X6检测器410(也称为“像素”)的矩阵。在一个实施例中，像素尺寸可以是大约1×1mm。传感器116在这样一种意义上是二维的，即，它在两个非平行轴(例如，正交轴，如所图示的示例中所例示的)中具有多于一组(例如，行、列)检测器410。传感器116中的检测器410的数量可以在不同的实现方式之间有所变化，例如，取决于期望的分辨率、信噪比(SNR)、期望的检测距离等等。例如，传感器116可以具有5与5000个像素之间的任何值。在另一个示例中(图中未示出)，传感器116也可以是一维矩阵(例如，1X8像素)。

要注意的是，每个检测器410可以包括多个检测元件402(诸如雪崩光电二极管(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)或者包括测量从激光脉冲发送事件到接收事件的飞行时间以及接收光子的强度两者的检测元件。例如，每个检测器410可以包括20与5000个SPAD之间的任何值。每个检测器410中的检测元件402的输出可以被求和、求平均或以其他方式组合，以提供统一的像素输出。

在所图示的示例中，感测单元106可以包括二维传感器116(或多个二维传感器116)，其视场小于激光雷达系统100的视场120。在本讨论中，视场120(可以由激光雷达系统100不在任何方向上移动、旋转或滚动的情况下所扫描的整个视场)表示为“第一FOV 412”，而传感器116的较小FOV表示为“第二FOV 412”(可互换地称为“瞬时FOV”)。取决于激光雷达系统100的具体用途，第二FOV 414相对于第一FOV 412的覆盖区域可以不同，并且可以例如在0.5％与50％之间。在一个示例中，第二FOV 412可以在垂直维度上伸长大约0.05°与1°之间。即使激光雷达系统100包括多于一个二维传感器116，传感器阵列的组合视场仍然可以小于第一FOV 412，例如，小至少5倍、至少10倍、至少20倍、或至少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。在所图示的收发合置配置中，连同将投射光204朝着视场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也可以将反射光206引导到传感器116。通常，在第一FOV 412的扫描期间的每个时刻，由激光雷达系统100发射的光束覆盖了该环境的、大于第二FOV 414的部分(在角开口中)并且包括了该环境的、由扫描单元104和传感器116从其收集光的部分。

图4C是图示二维传感器116的示例的图。在这个实施例中，传感器116是8X5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4X3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。因而，每个检测器410中检测元件402的数量可以是恒定的，或者可以是变化的，并且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、求平均或以其他方式组合，以提供单个像素输出值。要注意的是，虽然图4C的示例中的检测器410以矩形矩阵(直行和直列)布置，但是也可以使用其他布置，例如，圆形布置或蜂窝布置。

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和接收光子的强度。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的光学窗口124的距离的时间戳值。飞行时间值可以通过光子检测和计数方法(诸如时间相关单光子计数器(TCSPC))、用于光子检测的模拟方法(诸如信号积分和鉴定(经由模数转换器或普通(plain)比较器))或其他方法来实现。

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的设计使得能够在来自视场120的单个部分的反射光与多个检测器410之间进行关联。因此，激光雷达系统的扫描分辨率可以由(每个扫描周期的)瞬时位置的数量乘以传感器116中检测器410的数量来表示。来自每个检测器410(即，每个像素)的信息表示从中构建三维空间中的捕获的视场的基本数据元素。这可以包括例如点云表示的基本元素，具有空间位置和相关联的反射强度值。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50x50cm，这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是根据当前公开主题的示例的传感器116的一部分的横切图。传感器116的所图示的部分包括检测器阵列400的一部分，包括四个检测元件402(例如，四个SPAD、四个APD)。检测器阵列400可以是在互补金属氧化物半导体(CMOS)中实现的光电检测器传感器。每个检测元件402具有敏感区域，该敏感区域位于基板环境内。虽然不必是这样，但是传感器116可以用在具有窄视场的收发合置激光雷达系统中(例如，因为扫描单元104在不同时间扫描视场的不同部分)。用于入射光束的窄视场(如果被实现的话)消除了离焦成像的问题。如图4D中所例示的，传感器116可以包括多个透镜422(例如，微透镜)，每个透镜422可以将入射光朝着不同的检测元件402(例如，朝着检测元件402的活动区域)引导，这在离焦成像不是问题时可以是有用的。透镜422可以被用于增加检测器阵列400的光学填充因子和灵敏度，因为到达传感器116的大部分光可以朝着检测元件402的活动区域偏转。

如图4D中所例示的，检测器阵列400可以包括通过各种方法(例如，植入)内置于硅基板中的若干层，从而产生敏感区域、与金属层的接触元件以及隔离元件(例如，浅沟槽植入STI、护环、光学沟槽等等)。敏感区域可以是CMOS检测器中的体积元件，其使得能够在向设备施加足够的电压偏置的情况下将入射光子光学转换成电流。在APD/SPAD的情况下，敏感区域将是将由光子吸收产生的电子拉向倍增区域的电场的组合，在该倍增区域中光子诱发的电子被放大，从而产生倍增电子的击穿雪崩。

前侧被照亮的检测器(例如，如图4D中所图示的)具有与驻留在半导体(硅)顶部的金属层相同侧的输入光学端口。需要金属层来实现每个个体光电检测器元件(例如，阳极和阴极)与各种元件(诸如：偏置电压、淬火/镇流器元件和公共阵列中的其他光电检测器)的电连接。光子通过其照射检测器敏感区域的光学端口由通过金属层的通道构成。要注意的是，从一些方向通过这个通道的光可以被一个或多个金属层(例如，金属层ML6，如图4D中最左边的检测器元件402所图示)阻挡。这种阻挡降低了检测器的总光学光吸收效率。

图4E图示了根据当前公开主题的示例的三个检测元件402，每个检测元件具有相关联的透镜422。图4E中的表示为402(1)、402(2)和402(3)的三个检测元件中的每一个图示了可以与传感器116的检测元件402中的一个或多个相关联地实现的透镜配置。要注意的是，也可以实现这些透镜配置的组合。

在关于检测元件402(1)所图示的透镜配置中，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透镜422生成的聚焦光锥对准的不同尺寸。这样的结构可以改进作为整个设备的阵列400的信噪比和分辨率。大的金属层对于递送功率和接地屏蔽可以是重要的。这种方法例如可以对具有窄视场的收发合置激光雷达设计是有用的，其中入射光束由平行射线组成并且成像焦点对检测到的信号没有任何后果。

在关于检测元件402(2)所图示的透镜配置中，可以通过识别最佳点(sweet spot)来提高检测元件402的光子检测效率。具体而言，在CMOS中实现的光电检测器可以在敏感体积区域中具有最佳点，光子在该区域中产生雪崩效应的概率最高。因此，透镜422的焦点可以位于敏感体积区域内在最佳点位置处，如由检测元件402(2)所演示的。透镜形状和距焦点的距离可以考虑激光束沿着从透镜到埋在半导体材料中的敏感最佳点位置的路径所经过的所有元件的折射率。

在关于图4E右侧的检测元件所图示的透镜配置中，可以使用漫射器和反射元件来提高半导体材料中的光子吸收效率。具体而言，近IR波长要求显著长的硅材料路径，以便实现高概率的对行进穿过了的光子的吸收。在典型的透镜配置中，光子可以穿过敏感区域并且可以不被吸收到可检测的电子中。对于用典型的铸造工艺制造的CMOS设备，提高了光子产生电子的概率的长的吸收路径使敏感区域的尺寸朝着不太实用的维度(例如，数十μm)变化。图4E中最右侧的检测器元件演示了一种处理入射光子的技术。相关联的透镜422将入射光聚焦到漫射器元件424上。在一个实施例中，光传感器116还可以包括位于远离至少一些检测器的外表面的间隙中的漫射器。例如，漫射器424可以使光束侧向地(例如，尽可能垂直)朝着敏感区域和反射光学沟槽426转向。漫射器位于焦点处、焦点上方或焦点下方。在这个实施例中，入射光可以聚焦在漫射器元件所在的具体位置上。可选地，检测器元件422被设计成在光学上避免光子诱发的电子可能在其中丢失并降低有效检测效率的非活动区域。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，从而增加检测的可能性。理想情况下，光子将被无限期地俘获在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/空穴对。

与本公开一致，产生长的路径以使照射光子被吸收并有助于更高的检测概率。光学沟槽也可以在检测元件422中实现，用于减少在雪崩期间产生的寄生光子的串扰效应，这些寄生光子可能泄漏到其他检测器并导致误检测事件。根据一些实施例，可以优化光电检测器阵列，以便利用更高的接收信号产量(yield)，这意味着同样多的接收信号被接收到，并且更少的信号对于信号的内部退化而损失掉。可以通过以下方式改进光电检测器阵列：(a)将焦点移动到半导体表面上方的位置处，可选地通过适当地在基板上方设计金属层；(b)通过使焦点转向至基板的最响应/敏感区域(或“最佳点”)以及(c)在基板上方添加漫射器以将信号朝着“最佳点”转向、和/或向沟槽添加反射材料使得偏转的信号被反射回“最佳点”。

虽然在一些透镜配置中，透镜422可以被放置成使得其焦点在对应检测元件402的中心上方，但要注意的是，不一定如此。在其他透镜配置中，基于相应检测元件402距检测阵列400的中心的距离，透镜422的焦点相对于对应检测元件402的中心的位置而移位。这在相对较大的检测阵列400中可以是有用的，其中更远离中心的检测器元件以越来越离轴的角度接收光。移动焦点的位置(例如，朝着检测阵列400的中心)允许对入射角进行校正。具体而言，移动焦点的位置(例如，朝着检测阵列400的中心)允许对入射角进行校正同时对于所有检测元件使用基本上相同的透镜422，这些透镜422是相对于检测器的表面以相同的角度放置的。

当使用仅覆盖视场的一小部分的相对小的传感器116时，将透镜422的阵列添加到检测元件402的阵列会是有用的，因为在这样的情况下，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，容易将所有光聚焦到个体检测器上。还要注意的是，在一个实施例中，透镜422可以被用在激光雷达系统100中，以有利于增加整个阵列400的整体检测概率(防止光子在检测器/子检测器之间的死区中被“浪费”)，以牺牲空间独特性为代价。这个实施例与诸如CMOS RGB相机之类的现有技术实施例形成对比，现有技术实施例优先考虑空间独特性(即，不允许在检测元件A的方向上传播的光被透镜朝着检测元件B引导，即，“逸出”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，每个透镜与对应的检测元件402相关，而透镜422中的至少一个将传播到第一检测元件402的光朝着第二检测元件402偏转(由此它可以增加整个阵列的整体检测概率)。

具体而言，与本公开的一些实施例一致，光传感器116可以包括光检测器的阵列(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。此外，光传感器116可以包括至少一个被配置为将光朝着光检测器阵列引导的微透镜，这至少一个微透镜具有焦点。光传感器116还可以包括插入在至少一个微透镜与光检测器阵列之间并且在其中具有间隙的至少一个导电材料层，以允许光从至少一个微透镜传递到阵列，这至少一层的尺寸被设计为在至少一个微透镜与该阵列之间维持空间，以使焦点(例如，该焦点可以是平面)位于该间隙中在与光检测器阵列的检测表面隔开的位置处。

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收缩部，并且至少一个导电材料层可以电连接到阵列中的检测器。在一个示例中，至少一个导电材料层包括多个层。此外，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还可以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单个透镜，该单个透镜被配置为将光投射到阵列中的多个检测器。

处理单元

图5A-5C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。具体而言，图5A是图示针对视场的单个部分的单个帧时间中的发射模式的图，图5B是图示针对整个视场的单个帧时间中的发射方案的图，并且图5C是图示在单个扫描周期期间朝着视场投射的实际光发射的图。

图5A图示了对于与至少一个光偏转器114的瞬时位置相关联的视场120的单个部分122在单个帧时间中的发射模式的四个示例。与本公开的实施例一致，处理单元108可以以使得光通量能够在对视场120进行扫描时变化的方式，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)。与其他实施例一致，处理单元108可以仅控制至少一个光源112，并且光偏转器114可以以固定的预定义模式移动或枢转。

图5A中的图A-D描绘了随着时间推移朝着视场120的单个部分122发射的光的功率。在图A中，处理器118可以以使得在扫描视场120期间初始光发射是朝着视场120的部分122被投射的方式，控制光源112的操作。当投射单元102包括脉动光光源时，初始光发射可以包括一个或多个初始脉冲(也称为“导频(pilot)脉冲”)。处理单元108可以从传感器116接收关于与初始光发射相关联的反射的导频信息。在一个实施例中，导频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等等)的输出表示为单个信号，或者基于多个检测器的输出表示为多个信号。在一个示例中，导频信息可以包括模拟和/或数字信息。在另一个示例中，导频信息可以包括单个值和/或多个值(例如，对于片段的不同时间和/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朝着视场120的部分122投射的后续光发射的类型。对于视场120的特定部分确定的后续光发射可以在相同的扫描周期期间(即，在相同的帧中)或在后续的扫描周期中(即，在后续帧中)进行。这个实施例在下面参考图23-25更详细地描述。

在图B中，处理器118可以以使得在视场120的扫描期间，不同强度的光脉冲朝着视场120的单个部分122被投射的方式，控制光源112的操作。在一个实施例中，激光雷达系统100可以可操作为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)或场景的任何其他类型的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。可以在对应的后续帧时间的持续时间内，生成与扫描周期(可互换地称为“帧”)相关联的序列的每个深度图。在一个示例中，典型的帧时间可以持续少于一秒。在一些实施例中，激光雷达系统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，不同帧的帧时间跨序列可以不相同。例如，激光雷达系统100可以实现10帧/秒的速率，其包括在100毫秒(平均值)中生成第一深度图，在92毫秒中生成第二帧，以及在142毫秒处生成第三帧，等等。

在图C中，处理器118可以以使得在视场120的扫描期间，与不同持续时间相关联的光脉冲朝着视场120的单个部分122投射的方式，控制光源112的操作。在一个实施例中，激光雷达系统100可以可操作为在每个帧中生成不同数量的脉冲。脉冲的数量可以在0到32个脉冲(例如，1、5、12、28或更多个脉冲)之间变化，并且可以基于从先前发射导出的信息。光脉冲之间的时间可以取决于期望的检测范围，并且可以在500ns至5000ns之间。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。基于该信息(或该信息的不存在)，处理单元108可以确定是否需要附加的光脉冲。要注意的是，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。具体而言，处理时间可以基本上长于发射时间。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射光的时间段，并且后续发射可以是初始发射的延续，或者可以存在不连续性。在一个实施例中，连续发射的强度可以随时间改变。

与本公开的一些实施例一致，可以按照视场120的每个部分，确定发射模式。换句话说，处理器118可以控制光的发射，以允许区分视场120的不同部分的照明。在一个示例中，处理器118可以基于对来自相同扫描周期(例如，初始发射)的反射光的检测来确定视场120的单个部分122的发射模式，这使得激光雷达系统100极其动态。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的发射模式。后续发射的模式的差异可以由于确定用于后续发射的光源参数的不同值而产生，这些参数诸如以下任何一个。

a.后续发射的总能量。

b.后续发射的能量廓线(profile)。

c.每帧的光脉冲重复的数量。

d.光调制特点，诸如持续时间、速率、峰值、平均功率和脉冲形状。

e.后续发射的波特性，诸如偏振、波长等等。

与本公开一致，后续发射的区分可以用于不同的用途。在一个示例中，能够在视场120的、安全性是一项考虑因素的部分中限制发射功率电平，而对于视场120的其他部分发射更高功率电平(从而改进信噪比和检测范围)。这与眼睛安全有关，但也可能与皮肤安全、光学系统的安全、敏感材料的安全等等有关。在另一个示例中，基于来自相同帧或前一帧的检测结果，能够将更多的能量朝着视场120的、能量将更加有用的部分(例如，感兴趣的区域、更远距离的目标、低反射目标等等)引导，而限制到视场120的其他部分的照明能量。要注意的是，处理单元108可以在单个扫描帧时间内若干次处理来自单个瞬时视场的检测信号；例如，可以在每个脉冲发射之后或者在多个脉冲发射之后，确定后续的发射。

图5B图示了用于视场120的单个帧时间中的发射方案的三个示例。与本公开的实施例一致，至少在处理单元108上可以使用所获得的信息，来动态地调节激光雷达系统100的操作模式和/或确定激光雷达系统100的具体部件的参数值。所获得的信息可以从对在视场120中捕获的数据进行处理而确定，或者从主机210接收(直接地或间接地)。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光条件、当前天气条件、主车辆的当前驾驶环境、主车辆的当前位置、主车辆的当前轨迹、围绕主车辆的道路的当前地形、或通过光反射可检测的任何其他条件或物体。在一些实施例中，所确定的扫描方案可以包括以下当中的至少一个：(a)作为扫描周期的一部分，将视场120内的部分指定为要被主动扫描，(b)投射单元102的投射计划，该计划定义视场120的不同部分处的光发射廓线；(c)扫描单元104的偏转计划，该计划定义例如偏转方向、频率，以及指定反射器阵列内的空闲元件；以及(d)感测单元106的检测计划，该计划定义检测器灵敏度或响应度模式。

此外，处理单元108可以至少部分地通过获得视场120内的至少一个感兴趣区域和视场120内的至少一个不感兴趣区域的标识，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视场120内的至少一个高兴趣区域和视场120内的至少一个较低兴趣区域的标识，来确定扫描方案。例如，视场120内的至少一个感兴趣区域的标识可以如下确定：例如，从对在视场120中捕获的数据进行处理而确定，基于另一个传感器(例如，相机、GPS)的数据而确定，(直接地或间接地)从主机210接收，或上面的任何组合。在一些实施例中，至少一个感兴趣区域的标识可以包括：对视场120内对于监视重要的部分、区域、扇区、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、附近车辆或者可以有助于车辆导航的任何其他环境条件或物体。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(非移动)远处建筑物、天际线、地平线以及视场中的物体上方的区域。一旦获得视场120内的至少一个感兴趣区域的标识，处理单元108可以确定扫描方案或改变现有的扫描方案。为了进一步确定或改变光源参数(如上面所描述的)，处理单元108可以基于至少一个感兴趣区域的标识来分配检测器资源。在一个示例中，为了降低噪声，处理单元108可以激活预期是感兴趣区域处的检测器410，并且禁用预期是不感兴趣的区域处的检测器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，增大用于反射功率低的长程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中的每个方形表示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详细说明了由方形的填充图案表示的光通量的水平。图A描绘了第一扫描方案，其中所有部分具有相同的重要性/优先级并且为它们分配缺省光通量。第一扫描方案可以在启动阶段中使用或者与另一个扫描方案周期性地交织，以监视整个视场中非预期的/新的物体。在一个示例中，第一扫描方案中的光源参数可以被配置为以恒定的振幅生成光脉冲。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的其余部分被分配有缺省光通量和低光通量。视场120的最不感兴趣的部分可以被分配有低光通量。图C描绘了第三扫描方案，其中在视场120中识别出紧凑的车辆和公共汽车(参见轮廓图)。在这种扫描方案中，可以以高功率跟踪车辆和公共汽车的边缘，并且车辆和公共汽车的中心质量可以被分配较少的光通量(或没有光通量)。这种光通量分配使得能够在识别出的物体的边缘上集中更多的光学预算，而在其不太重要的中心上集中更少的光学预算。

图5C图示了在单个扫描周期期间朝着视场120的光发射。在所描绘的示例中，视场120由8X9矩阵表示，其中72个单元格中的每一个对应于与至少一个光偏转器114的不同瞬时位置相关联的分离部分122。在这个示例性扫描周期中，每个部分包括一个或多个白点，白点表示朝着该部分投射的光脉冲的数量，并且一些部分包括黑点，黑点表示由传感器116检测到的来自该部分的反射光。如图所示，视场120被划分为三个区域：在视场120的右侧的区域I、在视场120的中间的区域II、以及在视场120的左侧的区域III。在这个示例性扫描周期中，区域I对于每个部分最初都被分配有单个光脉冲；先前被识别为感兴趣区域的区域II对于每个部分最初被分配有三个光脉冲；并且区域III对于每个部分最初被分配有两个光脉冲。而且如图所示，扫描视场120揭示出四个物体208：近场中(例如，在5与50米之间)的两个自由形状物体，中场中(例如，在50与150米之间)的圆角方形物体、以及远场中(例如，在150与500米之间)的三角形物体。虽然图5C的讨论使用脉冲数量作为光通量分配的示例，但是要注意的是，对视场的不同部分的光通量分配也可以以其他方式实现，诸如：脉冲持续时间、脉冲角色散、波长、瞬时功率、距光源112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、偏振等等。在图5C中作为单个扫描周期的光发射的图示演示了激光雷达系统100的不同能力。在第一实施例中，处理器118被配置为使用两个光脉冲来检测第一距离处的第一物体(例如，圆角方形物体)，并使用三个光脉冲来检测大于第一距离的第二距离处的第二物体(例如，三角形物体)。

在第二实施例中，处理器118被配置为将更多光分配到视场的识别出感兴趣区域的部分。具体而言，在本示例中，区域II被识别为感兴趣区域，并且因此它被分配有三个光脉冲，而视场120的其余部分被分配有两个或更少的光脉冲。这个实施例在下面参考图20-22更详细地描述。在第三实施例中，处理器118被配置为以这样一种方式控制光源112，使得仅向图5C中的部分B1、B2和C1投射单个光脉冲，尽管它们是每个部分最初被分配有两个光脉冲的区域III的一部分。这是因为处理单元108基于第一光脉冲检测到近场中的物体而发生。这个实施例在下面参考图23-25更详细地描述。小于最大脉冲量的分配也可以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)的检测可以导致减少发射到视场120的这个部分的总光量。这个实施例在下面参考图14-16更详细地描述。确定对不同部分的功率分配的其他原因在下面参考图29-31、图53-55和图50-52来讨论。

关于激光雷达系统100的不同部件及其相关联功能的其他细节和示例包括在申请人于2016年12月28日提交的美国专利申请号15/391,916；申请人于2016年12月29日提交的美国专利申请号15/393,749；申请人于2016年12月29日提交的美国专利申请号15/393,285；以及申请人于2016年12月29日提交的美国专利申请号15/393,593，这些申请都通过引用整体上并入本文。

示例性实现方式：车辆

图6A-6C图示了激光雷达系统100在车辆(例如，车辆110)中的实现方式。上面或下面所描述的激光雷达系统100的任何方面可以合并到车辆110中，以提供范围感测车辆。具体而言，在这个示例中，激光雷达系统100在单个车辆中集成了多个扫描单元104以及潜在地多个投射单元102。在一个实施例中，车辆可以利用例如这样的激光雷达系统，来改进重叠区中及其之外的功率、范围和准确度、以及FOV的敏感部分(例如，车辆的向前移动方向)的冗余。如图6A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、以及用于控制扫描两个视场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之间具有共享接口。共享接口可以使得能够以中间处理级别交换数据以及使得组合视场的扫描能够同步，以便在时间和/或空间空间中形成重叠。在一个实施例中，使用共享接口交换的数据可以是：(a)与重叠视场中和/或其附近的像素相关联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6B图示了视场120A与视场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。假定重叠区域是由处理器118A和118B定义并知道的，那么每个处理器可以被设计为限制在重叠区域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(诸如维持光学预算)。此外，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/或通过控制激光器发送定时和/或检测电路使能定时，来避免由两个光源发射的光之间的干扰。

图6C图示了视场120A与视场120B之间的重叠区域600如何可以被用于增加车辆110的检测距离。与本公开一致，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可以被充分利用，以增加有效检测范围。术语“检测范围”可以包括距离车辆110的近似距离，激光雷达系统100在该距离处可以清楚地检测物体。在一个实施例中，激光雷达系统100的最大检测范围是大约300米、大约400米或大约500米。例如，对于200米的检测范围，激光雷达系统100可以以超过95％、超过99％、超过99.5％的次数，检测距车辆110为200米(或更小)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％)。此外，激光雷达系统100可以具有小于1％的误报率。在一个实施例中，可以利用来自从在时间和空间空间中并置的两个光源投射的光来改进SNR，并因此增加位于重叠区域中的物体的服务范围和/或质量。处理器118C可以从视场120A和120B中的反射光中提取高层级信息。术语“提取信息”可以包括通过本领域普通技术人员已知的任何手段，在捕获的图像数据中识别与物体、个体、位置、事件等等相关联的信息的任何处理。此外，处理器118A和118B可以共享高层级信息，诸如物体(道路分隔带、背景、行人、车辆等等)和运动向量，以使每个处理器能够提醒周边区域即将成为感兴趣区域。例如，可以确定视场120A中的移动物体将很快进入视场120B。

示例性实现方式：监控系统

图6D图示了激光雷达系统100在监控系统中的实现方式。如上面所提到的，激光雷达系统100可以固定到静止物体650，该静止物体650可以包括用于旋转激光雷达系统100的壳体以获得更宽视场的马达或其他机构。可替代地，监控系统可以包括多个激光雷达单元。在图6D所描绘的示例中，监控系统可以使用单个可旋转激光雷达系统100，来获得表示视场120的3D数据并且处理3D数据以检测人652、车辆654、环境中的变化或任何其他形式的安全性重要数据。

与本公开的一些实施例一致，可以分析3D数据，以监视零售业务过程。在一个实施例中，3D数据可以用在涉及物理安全性的零售业务过程(例如，检测：零售设施内的侵入、零售设施内或周围的故意破坏行为、对安全区域的未授权接近、以及在停车场的小汽车周围的可疑行为)。在另一个实施例中，3D数据可以用于公共安全(例如，检测：人们在商店财产上滑倒和摔倒、商店地板上的危险液体溢出或阻塞、商店停车场中的攻击或绑架、消防通道的阻塞、以及在商店区域或商店外的拥挤)。在另一个实施例中，3D数据可以被用于业务智能数据搜集(例如，跟踪通过商店区域的人，以确定例如有多少人通过、他们在哪里停留、他们停留多久、他们的购物习惯与他们的购买习惯相比是什么样子)。

与本公开的其他实施例一致，3D数据可以被分析并用于交通执法。具体而言，3D数据可以被用于识别行驶超过合法速度限制或某个其他道路合法要求的车辆。在一个示例中，激光雷达系统100可以被用于检测在红色交通信号灯显示时越过停车线或指定停靠位置的车辆。在另一个示例中，激光雷达系统100可以被用于识别在为公共交通预留的车道中行驶的车辆。在又一个示例中，激光雷达系统100可以被用于识别在红灯时禁止具体转弯的交叉路口处转弯的车辆。

应当注意，虽然上面和下面已经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，但是所公开的实施例的各种特征不限于这种系统。相反，用于将光分配给激光雷达FOV的各部分的技术可以适用于基于光的感测系统(激光雷达或其他)的类型，其中可能期望或需要将不同量的光导向视场的不同部分。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，本公开和权利要求的各个部分可以指使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等术语的各种部件或部件的部分(例如，光源、传感器、传感器像素、视场部分、视场像素等)。这些术语仅用于帮助描述各种公开的实施例，并不旨在限制或指示与其他实施例中相似命名的物体的任何必要关联。例如，在本公开的一个部分中描述为与一个描述的实施例中的“第一传感器”相关联的特点可以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，也可以不相关联。

示例性实现方式：MEMS反射镜和致动技术

图7图示了扫描设备(例如，偏转器114，在下文中称为“扫描设备8202”)和处理设备(例如，处理器118，在下文中称为控制器8204)的示例实施例。与本公开一致，控制器8204可以是本地的并且包括在扫描设备8202内。控制器8204可以包括至少一个硬件部件、一个或多个集成电路、一个或多个FPGA、一个或多个ASIC、一个或多个硬件加速器等。中央处理器单元(CPU)和致动驱动器是控制器8204的一些示例。

如图7所示，反射镜配置可以包括能够在两个或更多个轴

上移动的反射镜8206。反射镜8206可以与诸如致动驱动器8208之类的电可控机电驱动器相关联。致动驱动器8208可以使移动或动力被中继到致动器/悬臂/弯曲器(诸如致动器8210)。致动器8210可以是诸如框架8211之类的支撑框架的一部分。附加的致动器诸如致动器8212、8214和8216可以各自由附加的致动驱动器控制/驱动，如图所示，并且各自可以具有支撑框架8213、8215和8217(适当地)。应当理解，框架8211、8213、8215和/或8217可以包括支撑所有致动器的单个框架或者可以是多个互连的框架。此外，框架可以通过隔离元件或部分而电隔离。可选地，柔性互连元件或连接器(互连)诸如弹簧8218可用于将致动器8210与反射镜8206邻接，以将动力或移动从致动驱动器8208中继到弹簧8218。

致动器8210可以包括两个或更多个电触点，诸如触点8210A、8210B、8210C和8210D。可选地，一个或多个触点8210A、8210B、8210C和/或8210D可以位于框架8211或致动器8210上，只要它们是电连接的。根据一些实施例，致动器8210可以是半导体，其可以被掺杂，使得部分致动器8210(除了绝缘的压电层)在触点8210A-210D之间通常是导电的并且在隔离8220与8222之间是隔离的，以将致动器8210与致动器8212和8216(分别)电隔离。可选地，代替掺杂致动器，致动器8210可以包括导电元件，该导电元件可以粘附或以其他方式机械或化学连接到致动器8210，在这种情况下，隔离元件在致动器8210的没有导电元件粘附到它们的区域中可以是固有的。致动器8210可以包括压电层，使得流过致动器8210的电流可以引起压电部分中的反应，这可以引起致动器8210可控地弯曲。

根据一些实施例，控制器8204可以向反射镜驱动器8224输出/中继由θ、

参数描述的期望角位置。反射镜驱动器8224可以被配置为控制反射镜8206的移动并且可以使致动驱动器8224将某个电压振幅推向触点8210C和8210D，以便尝试基于致动器8210、8212、8214和8216的弯曲实现反射镜8206的θ、

偏转值的具体请求值。此外，位置反馈控制电路可以被配置为向触点(诸如触点8210A或8210B)提供电源(诸如电压或电流)，并且另一个触点(诸如分别为8210B或8210A)可以连接到位置反馈8226内的传感器，该传感器可以用于测量致动器8210的一个或多个电参数以确定致动器8210的弯曲和适当地反射镜8206的实际偏转。如图所示，可以针对致动器8212-216和反射镜驱动器8224中的每一个复制与位置反馈8226相似的附加位置反馈和与致动驱动器8208相似的附加致动驱动器，并且控制器8204也可以控制那些元件，使得针对所有方向控制反射镜偏转。

包括致动驱动器8208的致动驱动器可以推动在致动器8210-216中引起机电反应的信号，每个致动器依次被采样以用于反馈。关于致动器(8210-8216)位置的反馈用作反射镜驱动器8224的信号，从而使其能够有效地朝着由控制器8204设置的期望位置θ、

收敛，从而基于检测到的实际偏转校正请求值。根据一些实施例，扫描设备或激光雷达可以利用压电致动器微机电(MEMS)反射镜设备来使扫描视场的激光束偏转。反射镜8206偏转是施加到压电元件上的电压电位的结果，该压电元件建立在致动器8210上。反射镜8206的偏转被转换成可能不会以线性方式表现的角扫描模式，因为某个电压电平致动器8210不会转换成恒定位移值。使用闭环方法最佳地实现其中视场尺寸是确定性的并且在不同设备上是可重复的扫描激光雷达系统(例如，激光雷达系统100)，该闭环方法提供从位置反馈和传感器8226到反射镜驱动器8224和/或控制器8204的角偏转反馈。

在一些实施例中，位置反馈和传感器8226也可用作可靠性反馈模块。根据一些实施例，多个元件可以包括半导体或导电元件或层，并且因此致动器8201-8216可以至少部分地包括半导体元件，弹簧8218、8226、8228和8230可以各自包括半导体，并且因此可以包括反射镜8206。电力(电流和/或电压)可以经由位置反馈8226在第一致动器触点处提供，并且位置反馈8226可以经由触点8214A或8214B和/或8216A或8216B感测致动器8212、8214和/或8216处的适当信号。下面的一些图图示了MEMS反射镜、致动器和互连件。互连件的数量、互连件的形状、致动器的数量、致动器的形状、MEMS反射镜的形状，以及任何MEMS反射镜、致动器与互连件之间的空间关系可能与下面的图中所图示的那些不同。

互连件

图8图示了连接在圆形MEMS反射镜9002与四个致动器9011、9012、9013和9014之间的四个L形互连件9021、9022、9023和9024。每个L形互连(例如，9021)包括第一段90212和第二段90211。第一段和第二段彼此机械连接。在图8中，第一段和第二段彼此垂直。在图8中，每个L形互连件的第二段连接到致动器的圆周或边缘，并且每个L形互连件的第一段连接到MEMS反射镜的圆周或边缘。第二段90211垂直于第一致动器的圆周或边缘。当MEMS反射镜处于空闲位置时，第一段垂直于MEMS反射镜的圆周和/或可以朝着MEMS反射镜的中心引导。当耦合到MEMS反射镜的所有致动器都没有经受到弯曲电场时，MEMS反射镜处于空闲位置。

在一个实施例中，使用L形互连件可以提供优异的耐用性和应力释放。使用L形互连件有助于围绕彼此垂直的两个旋转轴(参见互连件9024附近的表示为AOR的虚线)的无缝移动。因此，致动器的弯曲和伸直不会在L形互连件上施予不适当的应力。此外，L形互连件是相对紧凑的并且可以具有小体积，这减少了在致动器上施予的机械负载，并且可以帮助增加MEMS反射镜的扫描振幅。应当注意，互连件的不同段可以相对于彼此(和/或相对于MEMS反射镜和/或相对于致动器)以不同于九十度的角度定向。这些角度可以基本上等于九十度(基本上可以意味着不超出5％、10、15％或20％等的偏差)。还应当注意，L形互连件可以由包括单个段或多于一对段的互连件代替。具有多于单个段的互连件可以包括彼此相等的段和/或彼此不同的段。段可能因形状、大小、横截面或任何其他参数而异。互连件还可以包括线性段和/或非线性段。互连件可以以任何方式连接到MEMS反射镜和/或致动器。

图9图示了连接在圆形MEMS反射镜9002与四个致动器9011、9012、9013和9014之间的四个互连件9021’、9022’、9023’和9024’。每个互连件的第一段和第二段通过接头连接。例如，互连件9021’包括第一段90212、第二段90211和接头90213，该接头90213连接到第一和第二段并且促进第一互连件与第二互连之间的相对移动。接头可以是球接头或任何其他类型的接头。

图10图示了互连件的十个非限制性示例。互连件90215、90216、90217、90218和90219不包括接头。互连件90215’、90216’、90217’、90218’和90219’确实包括至少一个接头。此外，图10图示了包括线性段、非线性段、一段、两段以及甚至九段的互连件。互连件可以包括任意数量的段，具有任意形状的段，并且可以包括零到多个接头。

对机械振动的响应

扫描单元(例如，扫描单元104)可以包括MEMS反射镜、致动器、互连器和激光雷达系统的其他结构元件。扫描单元104可能经受沿着不同方向传播的机械振动。例如，当车辆从一个点移动到另一个点时，安装在车辆中的激光雷达系统可能经受不同的振动(来自不同方向)。如果所有致动器具有相同的结构和尺寸，那么单元对一些频率的响应可能非常高(高Q因子)。通过在致动器之间引入一定的不对称性，扫描单元104可以对更多频率作出反应，然而，反应可能更温和(低Q因子)。

图11图示了彼此相对并且比第二对致动器9012和9014的致动器短(根据DeltaL9040)的第一对致动器9011和9013。致动器9012和9014彼此相对并且定向到致动器9011和9013。图11还图示了L形互连件9021、9022、9023和9024，以及圆形MEMS反射镜9002。单元的共振频率可能超出机械振动的频率范围。单元的谐振频率可能超出某一频率范围的最大频率至少两倍。该单元的共振频率在四百赫兹与一千赫兹之间。

图12图示了围绕致动器9011、9012、9013和9014，互连件9021、9022、9023和9024以及MEMS反射镜9002的框架9050。致动器9011、9012、9013和9014分别在它们的基部9071、9072、9072和9074处连接到框架9050。在一个实施例中，基部的宽度可以是致动器的整个长度的任何分数(例如，低于50％)。此外，基部可以定位在距致动器与互连件的连接点的任何距离处。例如，基部可以定位在致动器的一端附近，该端与连接到互连件的连接器的端部相对。

图13图示了围绕致动器9011、9012、9013和9014，互连件9021、9022、9023和9024以及MEMS反射镜9002的框架9050。图13还示出了在框架9050与致动器9011之间形成的可变电容器9061。可变电容器9061包括连接到致动器的多个板第一板90612和连接到框架的多个第二板90611。在至少三个致动器与框架之间具有至少三个可变电容器可能是有益的。为简单解释起见，仅示出了单个可变电容器。可变电容器可以位于沿着致动器的圆周的任何地方，并且与连接到互连件的致动器的圆周相距任何距离。此外，可变电容器的位置可以基于可变电容器的板的形状和尺寸、以及致动器的不同部分可能经历的弯曲量来确定。例如，将可变电容器定位在基部附近会导致第一板与第二板之间的重叠面积变化变小，而将可变电容器定位在互连件的连接点附近可能导致第一板与第二板之间没有重叠。

图13还图示了(从左到右)完全重叠、接着(在致动器开始弯曲时)大部分重叠(重叠区域9068)、然后当执行器继续弯曲时仅略微重叠(小重叠区域9068)的第一板和第二板(90611和90612)。第一板90612彼此平行耦合。第二板90611彼此平行耦合。第一板和第二板耦合到电容传感器9065，该电容传感器9065被配置为感测可变电容器的电容。激光雷达系统的控制器可以基于一个或多个可变电容器的电容来估计由MEMS反射镜的线9069指示的取向。

图14图示了围绕致动器9011、9012、9013和9014，互连件9021、9022、9023和9024以及MEMS反射镜9002的框架9050。图14还图示了连接到致动器9011、9012、9013和9014的电极9081、9082、9083和9084。电极可以连接到致动器的任何部分。致动器可以连接到多个电极。电极通常沿着致动器的重要区域展开。

使用虚拟压电元件监视MEMS反射镜

与本公开一致，所提供的电极可以传输用于使致动器弯曲和/或用于感测致动器的弯曲的电信号。可以通过使用包括虚拟元件的致动器来监视致动器的弯曲。虚拟元件可以是虚拟电极和虚拟压电元件。虚拟压电元件与经受弯曲电场的压电元件机械耦合。压电元件被弯曲。这个弯曲导致虚拟压电元件弯曲。虚拟压电元件的弯曲可以通过耦合到虚拟压电元件的电极来测量。因此，虚拟压电元件可以形成反馈传感器或者是反馈传感器的一 部分。因此，虚拟元件和虚拟压电元件在下文中也分别称为感测元件和感测压电元件。

图15图示了围绕致动器9011、9012、9013和9014，互连件9021、9022、9023和9024以及MEMS反射镜9002的框架9050。图15还图示了连接到致动器9011、9012、9013和9014的压电元件9111、9112、9113和9114的电极9081、9082、9083和9084。电极9081、9082、9083和9084用于传输弯曲控制信号。图15还图示了连接到致动器9011、9012、9013和9014的虚拟压电元件9011’、9112’、9113’和9114’的电极9091、9092、9093和9094。电极9091、9092、9093和9094用于测量虚拟压电元件9011’、9112’、9113’和9114’的状态。电极9081、9082、9083、9084、9091、9092、9093和9094通常覆盖压电元件的很大一部分。应当注意，每个压电元件都位于电极对之间，并且图15仅图示了外部电极。未示出位于致动器的基板(或主体)与压电元件之间的内部电极。

图16是致动器9011、反馈传感器9142和转向源信号9140的截面图。致动器9011可以包括基板(或主体)层9121、内部电极9081’、内部虚拟电极9091’、压电元件9111、虚拟压电元件9111’、外部电极9081和外部虚拟电极9091。转向信号传感器9140将转向信号SS19151和SS2 9152发送到外部电极9081和内部电极9121以用于使致动器9011弯曲。反馈传感器9142通过测量内部虚拟电极9091’与外部虚拟电极9091之间的电场而感测到压电迟钝的元件9111’的弯曲。应当注意，可以仅提供一个转向信号。

图17图示了致动器9011、9012、9013和9014中的每个致动器可以由四个主要层形成：外部电极层(9124、9134、9144和9154)、压电层(9123、9133、9143和9153)、内部电极层(9122、9132、9142和9152)和基板(或主体)层(9121、9131、9141和9151)。

通过测量介电系数变化监视MEMS反射镜

与本公开一致，致动器的弯曲可以改变压电元件的介电系数。因此，可以通过测量压电元件的介电系数的变化来监视致动器。致动器可被馈送由来自控制信号源的一个或多个控制信号感应的电场，该一个或多个控制信号被馈送到激光雷达系统100的一个或多个电极，例如，定位在压电元件的相对侧上的一对电极。一个控制信号、两个控制信号和/或控制信号之间的差具有交变偏置分量和转向分量。主体的弯曲响应于转向分量。在一些实施例中，交变偏置分量的频率可以超出转向分量的最大频率(例如，至少十倍)；并且交变偏置分量的振幅可以比转向分量的振幅低任何倍数，例如，不小于一百的倍数。例如，转向分量可以是几十伏，而交变偏置分量的范围可以在几十至几百毫伏之间。因此，激光雷达系统100的传感器可以被配置为感测由于致动器的弯曲而引起的致动器的介电系数变化。

图18图示了包括外部电极层9124、压电层9123、内部电极层9122和基板层9121的致动器。转向信号源9140将控制信号SS1 9151发送到外部电极层9124并且将控制信号SS29152发送到内部电极层9122。控制信号SS1 9151和SS2 9152中的至少一个或控制信号之间的差包括交变偏置分量和转向分量。反馈传感器9124耦合到外部电极层9124和内部电极层9122，并且可以感测(直接或间接)压电层9123的介电系数的变化。反馈传感器9124可以是例如电流振幅传感器或电流振幅传感器和相移传感器的组合。激光雷达传感器可以包括控制器，该控制器可以被配置为接收(从反馈传感器9142)关于介电系数变化的信息并且确定MEMS反射镜的取向。图18还将转向信号源9140图示为包括初始信号源9141，该初始信号源9141输出控制信号SS19151和SS2 9152的转向分量(9161和9164)。这些转向分量(通过混频器9163和9165)与(由振荡器9162和9165生成的)交变偏置分量混合以生成控制信号SS19151和SS2 9152。可以通过感测致动器的电阻来监视致动器。

图19图示了位于致动器9011的两个相对端处并且用于测量致动器的电阻的两个电极9211和9212。电极9135用于使致动器弯曲。电极9211、9212和9135电耦合到三个导体9201、9202和9203。

图20图示了在致动器9011中形成的应力释放孔9220。图20的应力释放孔是弯折的并且基本上彼此平行。应力释放孔的数量可以不同于四个，槽可以具有任何形状或尺寸并且可以彼此不同。在之前的一些图中，压电元件位于基板上方。应当注意，压电元件可以位于基板下方。压电元件可以位于基板下方和上方。

图21将致动器9012图示为包括七个主要层：外部电极层9124、压电层9123、内部电极层9122、基板(或主体)层9121、附加内部电极层9129、附加压电层9128和附加外部电极层9127。外部电极层9124、压电层9123和内部电极层9122位于基板层9121上方。附加内部电极层9129、附加压电层9128和附加外部电极层9127位于基板层9121下方。附加压电层9128可以等于压电层9123或者可以与压电层9123在尺寸、形状等方面中的至少一个不同。具体地，任何电极层可以相同或可以彼此不同。附加压电层9128和压电层9123可以彼此独立地或以依赖的方式被控制。附加压电层9128也可以被用于使致动器向下弯曲，而压电层9123可以被用于使致动器向上弯曲。当压电层9123被激活以使致动器弯曲时，附加压电层9128可以用作虚拟压电传感器(用于监视致动器)。在一个示例中，当压电层9128被激活以使致动器弯曲时，压电层9122可以用作虚拟压电传感器(用于监测致动器)。

图22从上到下图示了(A)反射镜9002的空闲状态，(B)降低MEMS反射镜9002的圆周的向下弯曲的致动器，以及(C)升高MEMS反射镜9002的圆周的向上弯曲的致动器。MEMS反射镜9002经由互连件9300耦合到致动器。MEMS反射镜9002可以包括由加强元件加强的薄反射表面。

图23和图24图示了框架9050以及MEMS反射镜9002的背面。为简单解释起见，未示出致动器。加强元件9003包括同心环和径向段。可以提供加强元件的任何布置和形状。

可以通过照亮MEMS反射镜9002的背面来监视MEMS反射镜的取向。照亮MEMS反射镜的至少一个区域并感测至少三个位置的反射光可能是有益的。可以通过照亮MEMS反射镜9002的背面来监视MEMS反射镜的取向。照亮MEMS反射镜的背面的至少一个区域并感测至少三个位置的反射光可能是有益的。要注意的是，激光雷达系统100可以包括用于照明MEMS反射镜的背面的专用光源。专用光源(例如，LED)可以位于反射镜后面(即，远离其用于偏转来自至少一个光源112的光的主反射传感器)。可替代地，激光雷达系统100可以包括将光引导到反射镜的背面上的光学器件。在一些示例中，指向MEMS反射镜的背面的光(例如，专用光源的光)被限制到反射镜的背面区域，并且被阻止到达MEMS反射镜的主反射面。背面传感器的信号的处理可以由处理器118执行，但也可以由集成到位于反射镜的外壳内的芯片中的专用电路处理。该处理可以包括将反射信号与不同的背面传感器(例如，9231、9232、9233)进行比较、减去这样的信号、归一化这样的信号等等。这样的信号的处理可以基于在校准阶段期间收集的信息。

图25图示了被照亮区域9030和三个传感器9231、9232和9233，它们位于MEMS反射镜下方并且被布置为感测在三个不同方向反射(虚线)的光，从而允许感测MEMS反射镜的方向。被照亮区域可以位于MEMS反射镜的背面的任何位置，并且可以具有任何形状和尺寸。在实施例中，MEMS反射镜可能不平行于激光雷达系统的窗口。MEMS反射镜可以接收穿过激光雷达系统的窗口的光并且偏转反射的反射镜以提供可以穿过窗口并到达激光雷达系统的其他部件(诸如光传感器)的偏转光。偏转光的一部分可能会(通过窗口)向后反射—朝着MEMS反射镜、框架或致动器。然而，当MEMS反射镜和窗口彼此平行时，光可能被MEMS反射镜和窗口重复反射，由此生成不想要的光伪影。通过提供不平行于MEMS反射镜的窗口或当MEMS反射镜的光轴和窗口的光轴彼此不平行时，可以衰减并甚至防止这些光伪影。当MEMS反射镜和窗口中的任一者是弯折的或具有彼此定向的多个部分时，那么MEMS反射镜的任何部分都不应该平行于窗口的任何部分可能是有益的。窗口与MEMS反射镜之间的角度可以被设置为使得当MEMS反射镜处于空闲位置时或者甚至当MEMS反射镜被致动器中的任一者移动时，窗口不会将光朝着MEMS反射镜反射。

要注意的是，当反射镜的背面是基本均匀反射的(例如，平坦的背面，没有加强肋)时，可以实现照亮MEMS反射镜的背面。然而，情况并非一定如此，并且反射镜的背面可以被设计为以图案化的非均匀方式反射光。反射镜的背面的图案化的反射行为可以以各种方式实现，诸如表面几何形状(例如，突起、侵入)、表面纹理、不同的材料(例如，硅、氧化硅、金属)等等。可选地，MEMS反射镜可以包括图案化背面，在反射镜的背表面的至少一部分上具有反射率图案，该图案化背面将(例如，来自上面所提到的背面专用光源的)背面照明的图案化反射投射到背面传感器(例如，9231、9232、9233)上。图案化背面可以可选地包括位于MEMS反射镜的背面的可选的加强元件9003的部分，但这不一定如此。例如，加强元件9003可以被用于以某些角度在传感器9231等上产生阴影(或将光偏转到不同的角度)，这意味着反射镜的移动将使传感器上的反射从阴影改变为明亮。

可选地，背面传感器(9231、9232、9233等)的输出的处理可以考虑背面的(例如，由加强肋的图案产生的)反射率图案。因此，处理可以使用由背面图案产生的图案化作为被处理的反馈的一部分。可选地，本文讨论的背面反射镜反馈选项可以利用背面反射率模式，该模式可以通过来自位于更靠近反射镜的背面传感器的数据进行处理(与均匀反射率实现方式相比)，这减小了MEMS组件的尺寸并改进其包装。例如，背面图案可以被设计为使得反射图案包括在暗反射与亮反射之间的急剧过渡。那些急剧过渡意味着，即使MEMS反射镜的角度/位置的微小变化也将导致反射到距离很近的检测器的光发生显著变化。此外，反射率模式可能与反射率梯度相关联，而不是与锐利边缘(即，光或阴影)相关联。该实施例可以具有从锐利边缘的第一选项的线性，因此它可以简化后处理过程，并且还支持更大的角度范围并且将可能对装配公差不太敏感。

不平行于激光雷达系统窗口的MEMS反射镜

与本公开一致，MEMS反射镜可以接收穿过激光雷达系统的窗口的光并且偏转反射的反射镜以提供可以穿过窗口并到达激光雷达系统的其他部件(诸如光传感器)的偏转光100。偏转光的一部分可能会(通过窗口)向后朝着MEMS反射镜、框架或致动器反射。当MEMS反射镜和窗口彼此平行时，光可能被MEMS反射镜和窗口重复反射，由此生成不想要的光伪影。通过提供不平行于MEMS反射镜的窗口或当MEMS反射镜的光轴和窗口的光轴彼此不平行时，可以衰减并甚至防止这些光伪影。当MEMS反射镜和窗口中的任一者是弯折的或具有彼此定向的多个部分时，那么MEMS反射镜的任何部分都不应该平行于窗口的任何部分可能是有益的。窗口与MEMS反射镜之间的角度可以被设置为使得当MEMS反射镜处于空闲位置时或者甚至当MEMS反射镜被致动器中的任一者移动时，窗口不会将光朝着MEMS反射镜反射。

图26图示了包括窗口9322的壳体9320。壳体封闭MEMS反射镜9002。壳体9320可以是可以使用晶片级封装或任何其他技术制造的密封壳体。壳体9320包括基部9310。基部9310可以是透明的或不透明的。当通过照明来监视MEMS反射镜9002的背面时，透明基部可以是有用的。光9601穿过窗口9322并照射在MEMS反射镜9002上。MEMS反射镜9002使光偏转以提供偏转光9602。偏转光的一部分可以穿过窗口9322，但另一部分9603被反射镜9322朝着壳体9320反射。因此，部分9603可能不会朝着MEMS反射镜9002反射。

图27将壳体9320图示为包括上部部分。上部部分包括反射镜9320以及两个侧壁9321和9323。壳体的中间部分可以由包括各种层(诸如9121和9122)的集成电路的外部部分(诸如但不限于框架9050)形成。集成电路可以包括MEMS反射镜9002(具有上部反射表面9004、层9121和9122的各种中间元件以及加强元件9003)、互连件9022和9021、致动器9012和9014。接合层9301可以位于集成电路与基部9310之间。

图28图示了包括透明基部的壳体9320。为简单解释起见，该图图示了照明单元9243、分束器9263和传感器9253。照明单元9243和光传感器9253位于壳体外部。

图29图示了位于致动器和互连件顶部的抗反射层9380。图30图示了位于致动器、框架和互连件顶部的抗反射层9380。图31图示了位于框架顶部的抗反射层9380。任何上面所提到的抗反射层都可以由一个或多个可能不同于层的抗反射元件代替。抗反射元件可以平行于窗口、相对于窗口定向等。

图32图示了具有平行于MEMS窗口的窗口的壳体。壳体包括透明基部。为简单解释起见，该图图示了照明单元9243、分束器9263和传感器9253。照明单元9243和光传感器9253位于壳体外部。MEMS反射镜可以具有任何形状或尺寸。例如，MEMS反射镜可以是矩形的。

图33和图34图示了矩形MEMS反射镜9402、两个致动器9404和9407、两个互连件9403和9406、电极9410和9413以及矩形框架9422，该矩形框架9422包括上部部分9504、下部部分9408以及连接在框架的上部部分与下部部分之间的两个绝缘部分9411和9422。在图33中，致动器9404和9407彼此平行相对，面向MEMS反射镜的相对侧并且连接到框架的相对部分。在图34中，致动器9404和9407彼此平行相对，面向MEMS反射镜的相对侧并且连接到框架的同一侧。

图35图示了矩形MEMS反射镜9402，四个致动器9404、9407、9424、9427，四个互连9403、9406、9423和9436，四个电极9410、9413、9440和9443，以及矩形框架，该矩形框架包括上部部分9504、下部部分9408以及连接在框架的上部部分与下部部分之间的两个绝缘部分9411和9422。四个致动器面向MEMS反射镜9402的四个面并且各自连接到框架的不同面。尽管图30-36图示了单个MEMS反射镜。激光雷达系统100可以包括多个MEMS反射镜的阵列。可以监视任意数量的MEMS反射镜以提供用于控制多个MEMS反射镜中的任一者的反馈。例如，如果存在比1与N之间的任何数目更多的N个MEMS反射镜，那么可以监视MEMS反射镜以提供可以被用于监视N个MEMS反射镜中的任意数量的MEMS反射镜的反馈。

在一个实施例中，激光雷达系统100可以包括用于接收光的窗口；用于使光偏转以提供偏转光的微机电(MEMS)反射镜；框架；致动器；可以机械连接在致动器与MEMS反射镜之间的互连元件。每个致动器可以包括主体和压电元件。压电元件可以被配置为当经受电场时使主体弯曲并移动MEMS反射镜。当MEMS反射镜位于空闲位置时，它可以相对于窗口定向。光可以是可以在激光雷达系统的视场的至少一部分内的反射光。光可以是来自激光雷达系统的光源的透射光。在第一周期内，光是来自激光雷达系统的光源的透射光，并且在第二周期内，光是在激光雷达系统的视场的至少一部分内的反射光。

在另一个实施例中，激光雷达系统100可以包括至少一个抗反射元件，该抗反射元件可以定位在窗口与框架之间。抗反射元件可以相对于窗口定向。MEMS反射镜与窗口之间的定向角的范围可以在20度与70度之间。窗口可以被成形和定位以防止偏转光的任何部分朝着MEMS反射镜反射。即使当被致动器中的至少一个移动时，MEMS反射镜也可以定向到窗口。多个互连元件中的一个互连元件可以包括可以连接到MEMS反射镜的第一段和可以连接到致动器的第二段，其中第一段和第二段可以彼此机械耦合。

在相关实施例中：第一段可以与第二段成基本上九十度定向；第一段可以连接到MEMS反射镜的圆周并且可以与MEMS反射镜的圆周成基本上九十度定向；当MEMS反射镜位于空闲位置时，第一段可以朝着MEMS反射镜的中心引导；第二段连接到致动器的圆周并且可以与致动器的圆周成基本上九十度定向；第二段的纵轴可以基本上平行于致动器的纵轴；当MEMS反射镜位于空闲位置时，第一段和第二段可以布置成L形；互连元件可以包括至少一个附加段，该附加段可以机械耦合在第一段与第二段之间；第一段和第二段的长度可以彼此不同；第一段和第二段的宽度可以彼此不同；第一段和第二段的横截面形状可以彼此不同；当MEMS反射镜位于空闲位置时，第一段和第二段可以位于与MEMS反射镜相同的平面处。第一段和第二段可以位于与致动器相同的平面处。

在另一个实施例中，激光雷达系统100可以包括可以具有椭圆形状的MEMS反射镜(例如，MEMS反射镜可以是圆形的)，并且其中致动器可以包括至少三个独立控制的致动器。每对致动器和互连元件可以直接连接在框架与MEMS反射镜之间。MEMS反射镜可以可操作为围绕两个旋转轴枢转。

在相关实施例中，致动器可以包括至少四个独立控制的致动器；MEMS反射镜的纵轴与光束的纵轴对应；MEMS反射镜的纵轴与激光雷达系统的检测器阵列的纵轴对应；致动器可以包括可以沿着第一方向彼此相对的第一对致动器和可以沿着第二方向彼此相对的第二对致动器；第一对致动器可以不同于第二对致动器；窗口、MEMS反射镜、框架和致动器可以形成单元；该单元可以以不同方式对沿着第一方向传播的机械振动和沿着第二方向传播的机械振动作出响应；第一对致动器在空闲时的长度可以与第二对致动器在空闲时的长度显著不同；第一对致动器在空闲时的形状可以与第二对致动器在空闲时的形状显著不同；在操作期间，激光雷达系统可能会经受具有一定频率范围的机械振动；单元的谐振频率可能在一定的频率范围之外；单元的谐振频率可能超出一定的频率范围的最大频率至少两倍；单元的谐振频率可以在四百赫兹与一千赫兹之间；致动器可以包括可以位于致动器的主体下方的压电元件，并且另一个致动器可以包括可以位于另一个压电元件的主体上方的压电元件；致动器可以包括可以位于压电元件的主体上方的压电元件；激光雷达系统还可以包括控制器，该控制器可以被配置为从传感器接收附加压电元件的状态的指示；控制器可以被配置为基于附加压电元件的状态的指示来控制致动器；并且控制器可以被配置为基于附加压电元件的状态的指示来确定MEMS反射镜的取向。

在另一个实施例中，激光雷达系统100可以包括可变电容器和传感器。可变电容器的电容表示框架与多个致动器中的一个致动器之间的空间关系。传感器可以被配置为感测可变电容器的电容。

在相关实施例中，可变电容器可以包括可以连接到致动器的第一板和可以连接到框架的第二板。框架与致动器之间的空间关系确定第一板与第二板之间的重叠；可变电容器可以包括可以连接到致动器的多个第一板和可以连接到框架的多个第二板；致动器具有可以机械连接到框架的第一端和可以与第一端相对并且可以机械连接到互连元件的第二端；可变电容与第一端之间的距离超出可变电容与第二端之间的距离；致动器具有可以机械连接到框架的第一端和可以与第一端相对并且可以机械连接到互连元件的第二端；并且可变电容器与第一端之间的距离可以小于可变电容器与第二端之间的距离。

在另一个实施例中，激光雷达系统100可以包括控制器，该控制器可以被配置为接收可变电容器的电容的指示并且基于可变电容器的电容来确定MEMS反射镜的取向。压电元件可以被配置为当经受由来自控制信号源的控制信号感应的电场时使主体弯曲并移动MEMS反射镜，控制信号可以被馈送到激光雷达系统的电极。

控制信号具有交变偏置分量和转向分量。主体的弯曲可以响应于转向分量，其中交变偏置分量的频率超出转向分量的最大频率。传感器可以被配置为感测由于致动器的弯曲而引起的致动器的介电系数变化。

在相关实施例中，传感器可以是电流振幅传感器；传感器也可以是电流振幅传感器和相移传感器；交变偏置分量的振幅可以比转向分量的振幅低至少一百倍；激光雷达系统还可以包括控制器，该控制器可以被配置为接收关于介电系数变化的信息并确定MEMS反射镜的取向；窗口可以属于壳体。壳体可以是密封的壳体，其封闭MEMS反射镜、框架和致动器；壳体可以包括位于MEMS反射镜下方的透明区域；激光雷达系统还可以包括至少一个光学传感器和至少一个光源，该至少一个光源可以被配置为通过透明区域并朝着MEMS反射镜的背面发射至少一个光束；至少一个光学传感器可以被配置为从MEMS反射镜的背面接收光；激光雷达系统可以包括控制器，该控制器可以被配置为基于来自至少一个光学传感器的信息来确定MEMS反射镜的取向；壳体的不同部分可以通过晶片级封装形成；框架可以属于形成壳体的底部区域的集成电路；多个互连元件中的一个互连元件可以包括可以通过至少一个接头彼此机械耦合的多个段；接头可以是球接头；并且接头也可以是MEMS接头。

包括应变仪的MEMS反射镜组件

图36图示了根据实施例的微机电系统(MEMS)反射镜组件。MEMS反射镜组件可以用作激光雷达系统100、另一个激光雷达系统、另一个电光系统或任何其他系统的扫描单元。MEMS反射镜组件包括MEMS反射镜(或任何其他MEMS功能表面，诸如活塞或阀门)、框架(支撑结构，可能与反射镜和/或致动器共享晶片层)以及可操作为相对于框架的平面旋转MEMS反射镜的多个致动器。每个致动器通过一个或多个互连元件连接到反射镜。致动器元件可以通过压电致动、电容致动、磁致动、热致动、电磁致动或本领域已知的任何其他方式被致动。MEMS反射镜组件还包括多个应变仪，每个应变仪被用于测量致动器的移动并且包括：

a.在MEMS反射镜组件上实现的多个互连电阻器，多个互连电阻器包括：(i)在致动器上实现的至少一个可移动电阻器和(ii)在框架上(或在MEMS反射镜组件的另一个不可移动部分上)实现的至少一个不可移动电阻器；以及

b.用于处理多个互连电阻器对所施加电压的响应以确定至少一个可移动电阻器的至少一个电特性并且基于至少一个可移动电阻器来确定致动器的位置的电路。

电路(或另一个处理器)可以基于移动反射镜的一个或多个致动器的确定的位置来确定MEMS反射镜的位置(例如，位置、倾斜角和/或高度)。

在图7的示例中，应变仪仅针对致动器中的一个(系统的四个执行器中的图中的右下方的致动器)进行了图示。在不同的激光雷达系统中，可以针对MEMS反射镜的一个、一些或所有致动器实现这样的应变仪。参考图37A、图37B和图37C的示例，要注意的是，该示例可以针对由表示为“A”、“B”、“C”和“D”(按此次序围绕反射镜布置)致动的反射镜来实现。用于致动器中的每一个的应变仪使用相同的参考字母(分别为“A”、“B”、“C”和“D”)进行标记。

参考图36的示例，要注意的是，将电压施加到不同电阻器的功率组件可以在晶片上实现(如示例中所图示的)，但这不一定如此。功率组件可以在激光雷达系统中的任何地方实现，并且电连接到晶片上的部件(尤其是电阻器中的一些或所有)。参考图36的示例，要注意的是，比较器或其他处理器可以在晶片上实现(如示例中所图示的)，但这不一定如此。比较器或其他处理器可以在激光雷达系统中的任何地方实现，并且电连接到晶片上的部件(尤其是电阻器中的一些或所有)。

一个或多个可移动电阻器随着它们在其中实现的致动器的移动而移动，并且被设计为使得它们的电阻率随着它们移动而变化。由于因致动器的移动而施加到可移动电阻器上的应变或其他力(尤其是机械力)，可移动电阻器的电阻率随着该移动而变化。例如，致动器的移动可能导致可移动电阻器的拉伸并因此导致电阻率增加。

用于基于多个互连电阻器对所施加电压的响应来评估至少一个可移动电阻器的电特性的电路可以包括例如包括多个互连电阻器的电桥电路。电桥电路可以是Wheatstone电桥或任何其他类型的电桥。该电路可以直接地或间接地评估可移动致动器的电阻，并且可以可替代地评估一个或多个电阻器的其他电磁参数(诸如阻抗)。应变仪可以包括上面没有讨论的其他电子部件(例如，电容器、电感器、比较器、放大器)。

虽然不一定如此，但是致动器可以包括在与至少一个可移动电阻器相同的层上实现的至少一个致动电极。例如，致动电极和可移动电阻器可以包括在晶片的同一层(铂/钛/等)上实现的由铂/钛/等制成的部分。可替代地，这些部件可以在晶片的任何其他导电层上实现。致动电极可以属于致动器的压电致动组件，或属于任何其他类型的致动组件。可选地，至少一可移动电阻器和至少一不可移动电阻器由钛制成。

在图36的示例中，存在四个电阻器，并且所有电阻器都在MEMS反射镜组件的晶片上实现。然而，多个互连电阻器可以包括在MEMS反射镜的晶片外部的一个或多个电阻器。应变仪的其他部分也可以可选地在晶片外部实现(例如，上面所提到的电路)。电阻器中的一些或所有可以实现为细长金属片，但也可以使用其他形式的电阻器。

虽然不一定如此，但可移动电阻器可以在致动器上靠近在框架上实现的不可移动电阻器来实现(例如，如图36中所例示的)。相对接近意味着电阻器(可移动和不可移动)经受相似的物理条件(尤其是温度，但还有其他环境因素)，并且因此两个电阻器对条件变化(例如，由于温度变化)的反应相似。应变仪的电路可以被设计为使得两个电阻器的变化同时和一致地发生，并且电路被设计为使得这样的变化(例如，由于温度)不会显著影响致动器的位置的确定。例如，可移动电阻器可位于距不可移动电阻器中的一个或多个小于1mm、0.5mm、0.2mm、0.1mm等处。

图37A、图37B和图37C是根据本发明所公开主题的示例的MEMS反射镜组件的电路和电阻器的电气图。图37A图示了简单的电桥。如图37B中所例示的，应变仪可以包括用于在不同时间向多个互连电阻器提供多个电压的功率组件。例如，这可以被用于改善电阻器的动态范围，或者克服电阻器的电阻的制造精度的不精确性。数模转换器(DAC)电路可以用于定义在相应致动器的可能的位置生成的输出信号的动态范围。

可选地(例如，如图37C中所例示的)，电路可以确定两个致动器相对于彼此的相对位置，或者以其他方式指示多于一个致动器的位置。

用于将照明扫描到视场上的电光系统

图38A-41是图示电光系统的不同配置的图。所图示的示例性电光系统通常表示如上面所解释的激光雷达系统的扫描单元104的部分。在图38A和图38B中，另外地示出了激光雷达系统的投影单元102的光源112。

光源112通常是激光器，例如，红外激光器。投影单元102可以具有多于一个光源。然而，为了清楚起见，在图38A、图38B中仅图示了一个光源112。

如图38A、图38B中所图示的，扫描单元104具有可枢转的光偏转器114，该光偏转器114布置在期望高度h处以用于在主反射面114m处偏转来自(至少一个)主光源112的光。

期望的高度h可以是扫描单元104中的光偏转器114的校准高度和/或静止的光偏转器114的高度。

通常，光偏转器114是反射镜，特别是MEMS反射镜。

此外，扫描单元104具有至少一个致动器(未示出)，用于控制可枢转光偏转器的取向θ、φ。

如旋转角(也称为枢转角)θ、φ所指示，示例性光偏转器114是双轴光偏转器，诸如双轴MEMS反射镜，用于以两个自由度使来自光源112的入射光偏转。

例如，双轴MEMS反射镜的偏转的角度θ、φ可以在相对于(垂直)方向z的大约30°的范围内和在相对于独立的第二方向的大约50°的范围内变化。要注意的是，双轴MEMS反射镜可以被配置为在水平方向和垂直方向上偏转光。

在其他实施例中，光偏转器是单轴光偏转器。

如图38A、图38B中的实箭头所图示的，当光偏转器114的高度在给定时间t从期望高度h改变为不同的高度h’时，反射光的方向可能偏离期望方向(虚线箭头)，即使旋转角θ、φ保持不变，如图38A中所图示的。在图38B中，图示了一种情形，其中旋转角度θ、φ发生改变(除了不同的值θ’、φ’之外)。

因此，离开系统的投射光可能由于光偏转器114的不期望的高度变化而变化。在几何上，这是由于改变了光源112相对于光偏转器114的布置。

同样，进入系统的反射光可能由于光偏转器的不期望的高度变化而变化。这也适用于双静态配置，其中进入系统的反射光通过基本上不同的光路到达用于检测来自FOV的反射光的传感器。

因此，如果扫描单元104内的光偏转器114的高度以不期望的方式变化，那么扫描FOV和检测FOV中的物体的精确性和/或可靠性可能会降低。

通常，光偏转器114的高度h和取向(枢转角度)θ、φ是相对于由扫描单元104限定的坐标系x,y,z确定的。

坐标系x,y,z可以相对于扫描单元104的框架、被分别用于安装致动器302和光偏转器114的扫描单元104的底板、扫描单元104的安装板的主表面是固定的。在将MEMS反射镜称为光偏转器的实施例中，坐标系x,y,z可以相对于相应MEMS反射镜的晶片(例如，晶片的主表面)是固定的。

因此，光偏转器的高度可以指光偏转器距安装板或晶片的相应距离。特别地，高度可以指垂直于安装板或晶片的主表面的方向。

高度也可以指垂直于光偏转器的主反射面或其中心部分的方向。

此外，高度可以指(静止的)光偏转器的光轴的方向。

再进一步地，高度可以指光偏转器的中心距静止的和/或处于校准位置的光偏转器的中心的距离。

由于本文解释的系统和方法旨在抑制或至少减少不期望的高度变化，因此可以使用不同的合适坐标系x,y,z来测量高度。然而，即使在扫描FOV期间，坐标系x,y,z通常也至少相对于扫描单元104的非移动部分是固定的。例如，用于测量高度的坐标系x,y,z可以相对于扫描单元104的框架或光偏转器114的在扫描单元104的扫描操作期间的确至少基本上不移动的点(例如，光偏转器114的中心点、光偏转器114的质心)是固定的。坐标系x,y,z可以相对于扫描单元104的质心是固定的。

要注意的是，即使光偏转器114安装在固定的期望高度(无铰链光偏转器)，也可能发生光偏转器114的不期望的高度变化。

在物理上，光偏转器114的不期望的高度变化可能是由于可能由光源112或其他原因引起的温度变化。

要注意的是，用于控制光偏转器114和任何感测元件的取向θ、φ以及光偏转器114的主反射面114m(镜面)的弯曲的致动器的特性可以是温度依赖的。此外，这些元件的温度依赖性可以是不同的。

图39A中所图示的示例性实施例是指单轴扫描单元104。所图示的扫描单元104具有用于照明光偏转器114的背面114b的内部光源113以及被配置为测量相应测量值S₁、S₂的两个光传感器115A、115B，这些相应测量值S₁、S₂表示在用内部光源113进行照明期间从背面114接收(在该背面处散射和/或反射)的光的相应部分。

内部光源113可以是专用光源，特别是LED。相对于被用于扫描的光源112，专用光源(例如，LED)可以位于反射镜后面，即，位于主反射面114m后面。

为了避免和/或减少与主光源112的光的干扰，内部光源113和主光源112的光谱通常是至少基本上分离的。

换句话说，背面114b通常布置在主反射面114m与内部光源113和光传感器115A、115B中的至少一个之间。

可替代地，该系统可以包括用于将光引导到光偏转器114的背面上的光学器件。在一些示例中，例如经由分束器引导到光偏转器114的背面的光(例如，用于扫描FOV的主光源的光)被限制到光偏转器114的背面区域，并且被防止到达主反射面114m。

由于内部光源113和光传感器115A、115B的布置，测量值S₁、S₂取决于光偏转器114的高度和光偏转器114的取向。因此，光传感器115A、115B在下文中也称为反馈传感器。

测量值S₁、S₂可以贯穿扫描路径连续地确定，或在每个扫描周期中的若干点处辨识得确定。例如，测量值S₁、S₂可以以每个周期至少几次、每个周期至少一百次或甚至每个周期至少1000次的速率进行测量。

此外，光传感器115A、115B可以测量在照亮光偏转器的背面114b期间接收到的光的光强度和/或偏振，以确定值S₁、S₂。

基于测量值S₁、S₂,可以确定一个或多个致动参数cs并将其发送到一个或多个致动器302，使得不期望的高度变化和/或不期望的取向偏差(预期)在下一时间步骤中减少。光偏转器的控制通常以闭环方式执行。

因此，可以避免或至少显著减少光偏转器114的上面所描述的不期望的高度变化(和/或不期望的取向偏差)，特别是由于温度变化引起的不期望的高度变化，特别是保持在从高度h₀、特别是其中校准系统的高度h₀的期望的高度范围h₀+/-Δh内。

例如，比率Δh/h₀可以小于5％，更通常小于1％或甚至0.5％。

因此，可以避免耗时、复杂的校准程序。

令人惊讶的是，与测量扫描单元104内部的温度并考虑(明确地)测得的温度值作为计算致动参数的基础相比，该方法更可靠、更精确和/或计算要求更低。

这主要是由于以下事实：包括致动器302和传感器115A、115B的扫描单元104的相关元件的温度依赖性(效率、增益)不同并且甚至可能随时间变化。再进一步，扫描单元104的元件可以具有关于温度变化的不同响应时间。因此，难以明确地考虑所有这些依赖性。

根据测量值S₁、S₂的测量频率，可以在进一步处理之前对测量值S₁、S₂求平均。

通常，扫描单元104的模型被用于确定合适的致动参数cs以用于校正位移。

特别地，测量值S₁、S₂可以作为输入馈送到扫描单元104的模型，该模型在测量时间t确定指示实际高度h(t)的第一值和指示光偏转器114的实际取向θ(t)的第二值。

扫描单元104的模型可以基于描述扫描单元的特性(至少机械特性)的一组微分方程或该组微分方程的合适近似值。

然而，扫描单元104的模型也可以实现为所谓的神经网络，特别是所训练的神经网络。一旦被训练，神经网络对于确定指示实际高度和实际取向的值可能是非常可靠和/或有效的。因此，可以减少存储器占用和/或提高性能。

本说明书中使用的术语“神经网络”(NN)旨在描述人工神经网络(ANN)或者包括称为人工神经元的多个连接单元或节点的联结系统。人工神经元的输出信号由其输入信号的总和的(非线性)激活函数来计算。人工神经元之间的连接通常具有在一个或多个学习阶段期间调节的相应权重(传送的输出信号的增益因子)。在学习期间可能会或可能不会被修改的NN的其他参数可以包括人工神经元的激活函数的参数，诸如阈值。通常，人工神经元按层(也称为模块)进行组织。最基本的NN架构，被称为“多层感知器”，是一系列所谓的全连接层。层由多个不同的单元(神经元)组成，每个单元计算输入的线性组合，之后计算非线性激活函数。不同的(神经元)层可以对它们的相应输入执行不同类型的变换。神经网络可以用软件、固件、硬件或它们的任意组合来实现。在学习阶段中，可以使用机器学习方法，特别是监督、无监督或半监督(深度)学习方法。例如，深度学习技术，特别是诸如反向传播之类的梯度下降技术可以被用于训练具有分层架构的(前馈)NN。现代计算机硬件(例如，GPU)使多层神经网络的反向传播有效。

在确定之后，第一值和第二值可以用于确定光偏转器104的致动器302的致动参数cs。

如图39A中由盒109中表示控制单元的大写字母M所指示，确定致动参数的处理通常由控制单元109从传感器115A、115B接收测量值S₁、S₂来实行。

换句话说，控制单元109通常与传感器115A、115B连接并且被配置为从传感器115A、115B中的每一个接收针对给定时间t获得的相应测量值S₁、S₂，以使用测量值S₁、S₂作为扫描单元104的模型的输入来针对给定时间t确定指示光偏转器的实际高度h(t)和实际取向θ(t)的值作为扫描单元104的模型的输出，基于所确定的值来确定一个或多个致动器302的一个或多个致动参数cs，并且将一个或多个致动参数cs发送到一个或多个致动器302。

通常，执行高度h(t)的闭环控制。

要注意的是，控制单元109通常与上面所解释的处理单元108分开但连接。然而，控制单元109也可以是处理单元108的一部分。

图39B中所图示的示例性实施例可以指单轴或双轴扫描单元104。

然而，图39B中的控制单元109与内部光源113连接并且被配置为通过将相应控制命令SLS发送到内部光源113以控制该光源113。

例如，光源113可以进行切换，和/或内部光源的光强度可以发生变化或者甚至进行调制。

特别地，如果传感器115A至115C检测到的信号太低，那么可以增加内部光源113的强度。

此外，光源113的光强可以以至多等于光偏转器114的扫描频率的频率进行调制。

因此，可以增加传感器115A至115C处的测量信号的信噪比。

此外，可以根据先前测量值的不精确性或系统的另一个参数诸如温度来选择通过打开和关闭内部光源113而确定的测量速率。

再进一步，可以通过适当地驱动内部光源113来解耦确定光偏转器114的实际高度和实际角度。

此外，图39B的扫描单元104具有三个传感器115A至115C，用于测量与光偏转器114的高度h(t)和取向相关的相应测量值S₁至S₃。

因此，在每个测量时间t处存在比确定指示实际高度h(t)的第一值和指示实际旋转角θ(t)的第二值所需的一个附加的测量值。

因此，图39B中的控制单元109可以被配置为另外地确定指示双轴设置中的另一个实际取向角度(φ(t))的第三值。

换句话说，扫描单元104可以具有N+1个反馈传感器(在图39B的示例性实施例中N＝2)，被配置为测量相应测量值({S_k}，k＝1......N+1)，这些测量值与实际高度h(t)和实际取向θ、φ相关，并且控制单元104可以被配置为使用N+1个测量值{S_k(t)}的模型M作为扫描单元的模型M的输入来针对给定时间t确定指示实际高度h(t)的第一值和指示光偏转器114的实际取向θ(t)、φ(t)的N个第二值作为模型M的输出。

可替代地，图39B中的控制单元109可以被配置为在单轴设置中另外地确定模型M的参数p。

模型M的参数p可以指示和/或指代扫描单元的温度，特别是反馈传感器的有效温度和/或可以指示和/或指代扫描单元的增益，特别是至少一个传感器(特别是光传感器)的增益。

因此，可以省略扫描单元104的通常单调的进一步校准。

图40中所图示的示例性双轴扫描单元104与上面关于图39B所解释的扫描单元相似，但控制单元109与四个反馈传感器115A至115D连接以用于确定与光偏转器114的高度h和光偏转器114的取向θ、φ相关的相应测量值S₁至S₄。

因此，控制单元109可以针对给定时间接收四个测量值S₁至S₄并且使用四个测量值S₁至S₄作为模型M的输入来针对给定时间计算指示实际高度h和两个导向角θ、φ的三个值以及指示模型M的一个参数p的值。

在另一个实施例中，扫描单元104具有多于四个反馈传感器。因此，可以一次确定多于一个参数p。

根据实施例，其光偏转器114具有N个自由度的扫描单元具有N+P+1个反馈传感器115A-115D，并且控制单元109被配置为使用N+P+1个测量值({S_k(t)}，k＝1......N+P+1)作为扫描单元104的模型M的输入来确定指示实际高度h(t)的第一值和指示实际取向θ(t)、φ(t)的N个第二值以及指示和/或表示P个参数p的至多P个值。

如上面已经所提到的，光偏转器通常由如本文所述的MEMS反射镜提供。

因此，MEMS反射镜的通常使用的致动器还可以为控制单元109提供反馈信号(更多细节参见例如图7、图16、图18、图35)。这也在下面关于图41更详细地解释。

因此，光传感器115A至115D可以补充有MEMS反射镜的集成反馈传感器。

可替代地和/或附加地，光传感器115A至115D的至少一部分可以由MEMS反射镜的集成反馈传感器代替。

如图40B中所图示的，如果来自MEMS反射镜114的N+P+1个集成反馈传感器的(仅)测量值{S_k(t)}被馈送到控制单元109并且用作模型M(p)的输入来计算指示实际高度h(t)的第一个值和指示实际取向θ(t)、φ(t)的N个第二个值作为输出以及相应参数p的至多P个值，其中N>＝1，并且P>＝0，那么甚至可以省略内部光源。同样，基于模型M(p)的输出计算驱动参数{cs}。

根据实施例，扫描单元104包括：光偏转器114，该光偏转器114布置在期望高度处以用于将来自至少一个光源(112)的光偏转到视场；一个或多个致动器302，该一个或多个致动器302用于控制光偏转器114的取向θ、φ；以及至少两个传感器，该至少两个传感器被配置为测量与相对于坐标系x,y,z确定的至少一个光偏转器114的高度h和该光偏转器114的取向θ、φ相关的相应测量值{S_k}，该坐标系相对于扫描单元104的非移动的、特别是非振荡的点和/或部分是固定的；以及控制单元109，该控制单元109被配置为针对给定时间t接收来自至少两个传感器中的每一个的相应测量值{S_k(t)}，使用测量值{S_k(t)}作为描述扫描单元104的模型M(p)的输入来针对给定时间t确定指示光偏转器114的实际高度h(t)的第一值和指示实际取向(θ(t)、φ(t))的一个或多个第二值作为该模型M(p)的输出，并且使用第一值和第二值计算一个或多个致动器302的致动参数{cs1}。

至少两个传感器可以是MEMS反射镜的反馈传感器。如下面关于图41更详细地解释，传感器可以在每次测量中测量L个相应测量值(例如，如果使用四个传感器，那么为4个)。基于O个测量值，控制单元109可以确定下一个时间帧的致动指令的三个(x,y,z)长度为O的向量以及模型的参数。例如，如果使用四个致动器来控制MEMS反射镜的取向，那么三个致动向量可以转换为(一组)四个指令。

MEMS反射镜的反馈传感器可以包括相应电极对、相应压电元件、相应电阻器，和/或可以被实现为电容传感器、电阻传感器、磁传感器、电感传感器或应变传感器。

然而，反馈传感器也可以被实现为距离传感器，特别是如上面关于图39A至图40A所解释的超声波传感器或光传感器。

使用距离传感器，特别是光传感器、超声波传感器或磁传感器作为反馈传感器的优点是这些传感器与致动无关。

图41图示了扫描单元104的示例实施例，其与上面关于图7所图示的扫描设备相似并且还包括具有可以在两个或更多个轴

上移动的MEMS反射镜300的反射镜配置。反射镜300可以与通常包括相应电可控机电驱动器(未示出)的四个示例性致动器302A至302D相关联。

然而，图41的扫描单元104具有内部光源113以及如上面关于图40A所解释用于测量相应测量值S₁至S₄的四个光学反馈传感器115。

图41可以与扫描单元104的前侧的示意图对应。因此，内部光源113和布置在MEMS反射镜300背面处/下方的四个光学反馈传感器115从上方是不可见的并且被绘制为虚线圆圈。

扫描单元104的主控制器8204可以向控制单元109的反射镜驱动器8224B输出/中继由θ*、

参数描述的反射镜300的期望的角度位置/取向和可选地期望的高度h₀。反射镜300的期望的高度h₀也可以存储在控制单元109中。

可选地，反射镜驱动器8224B与内部光源113连接，并且被配置为将控制信号SLS发送到光源113。

此外，主控制器8204也可以是控制单元109的一部分。

反射镜驱动器8224可以被配置为通过将相应致动参数cs1-cs4发送到致动器302A-302D的致动驱动器来控制反射镜300的移动，以便尝试实现反射镜300的具体的请求值θ*、

和h₀。

由于用内部光源113的光照亮反射镜300的背面，光传感器115可以测量相应测量值S₁到S₄并将其发送到控制单元109，特别是发送到其实现控制单元109的模型M的计算部件8224A。

取决于传感器，部件8224A可以包括用于将传感器115的模拟测量值转换为数字测量值的模数转换器(ADC)。

此外，控制单元109的部件8224A可以包括分别用于实现模型M以及处理数字测量值的CPU、GPU、DSP和/或FPGA。

部件8242A基于模型M来确定高度h和取向θ、

的模型M实际值作为到反射镜驱动器8224B的(正)反馈信号。

可选地，参数p另外地由部件8224A确定并被发送到反射镜驱动器8224B。

反射镜驱动器8224B被配置为考虑接收到的实际高度h以用于确定致动参数cs1-cs4，使得与期望的高度值h*的不期望的偏差至少在下一个时间步长中减少。

此外，反射镜驱动器8224B通常还考虑反射镜300的实际取向θ、

的值以及可选地用于确定致动参数cs1-cs4的参数p。

可替代地或附加地，可以集成到MEMS设备中的反射镜300的位置反馈控制电路的相应信号可以被馈送到部件8242A并且用作模型M的输入。

例如，如上面关于图7所解释的位置反馈控制电路可以被用于该目的。

同样，如上面关于图16、图18和图35所解释的反馈传感器可以用于分别为部件8242A和模型M提供相应测量值。

通常，控制单元104执行高度的闭环控制，更通常执行反射镜300的高度和取向θ、

的闭环控制。

控制单元104可以是激光雷达系统的控制单元。

此外，控制单元104通常被配置为执行下面关于图42和图43解释的方法。

图42是用于控制被配置为将照明扫描到视场上的电光系统的扫描单元、特别是激光雷达系统的扫描单元的可枢转光偏转器的方法1000的流程图。

在第一框1100中，针对给定时间t测量N+1个测量值{S_k(t)}，该N+1个测量值中的每一个通常与光偏转器的实际高度h(t)和光偏转器相对于扫描单元的实际取向θ(t)、φ(τ)相关。整数N通常与光偏转器的旋转自由度的数字对应(N>1)。

在后续框1200中，使用N个测量值{S_k(t)}作为模型的输入来确定指示光偏转器的实际高度h(t)的第一值和指示光偏转器的实际取向θ(t)、φ(t)的N个第二值作为该模型的输出。

要注意的是，第一值可以对应于和/或表示实际高度或实际高度的函数。

同样，N个第二值可以对应于和/或表示相应的实际枢转角度θ(t)、φ(t)或其相应的函数。

此后，第一值和N个第二值可以被用于在框1300中控制光偏转器。

通常，在框1300中确定光偏转器的致动器的致动参数{cs}。

此外，通常确定致动参数{cs}以使得光偏转器的期望的高度h₀至少在下一个时间步长中被减少。

光偏转器的期望高度h₀可以用作用于控制光偏转器的高度h(t)的设定点。

因此，光偏转器可以保持在或至少接近期望的高度h₀，即，在预定义范围内。

通常，测量值{S_k(t)}均不是仅与光偏转器的实际高度相关。

更通常，测量值中的每一个是{S_k(t)}与光偏转器的实际高度和光偏转器的实际取向相关。

特别地，在涉及非铰接安装的光偏转器(诸如非铰接反射镜，特别是非铰接MEMS反射镜)的实施例中，期望高度h₀通常是光偏转器在扫描单元中的校准高度。

如图42中的虚线箭头所指示，方法1000通常被实现为闭环控制。

特别地，光偏转器的高度h可以被闭环控制。

然而，光偏转器的取向θ(t)、φ(t)也可以被闭环控制。

图43是根据本公开的一些实施例的用于控制被配置为将照明扫描到视场上的电光系统的扫描单元的可枢转光偏转器的方法1001的流程图。方法1001与上面关于图42所解释的方法1000相似。

然而，N+P+1个测量值{S_k(t)}(其中P>0)在框1100中确定并且在框1201中用作模型的输入，以确定除了第一值和第二值之外的另一个值，该值指示模型的参数p(t)。

通常，图42、图43中所图示的方法1000、1001的期望取向θ*、φ*根据使用激光雷达系统检测物体的扫描要求而变化。

在以与当前公开的实施例一致的方式操作激光雷达系统期间，除了设置期望的取向θ*、φ*以用于控制至少一个光偏转器114以使来自至少一个(主)光源(112)的光偏转以便扫描视场之外，至少一个主光源112可以以使得能够使用来自至少一个光源112的光使光通量在视场的扫描内变化的方式被控制。

在一些实施例中，方法1000、1001可以包括在多个扫描周期内扫描视场，其中单个扫描周期包括跨多个瞬时位置移动至少一个光偏转器。当至少一个光偏转器位于特定位置时，这些方法可以包括使来自至少一个光源的光束朝着视场中的物体偏转，以及使从物体接收到的反射朝着感测单元106的至少一个传感器116偏转，如上面所解释的。

根据激光雷达系统的实施例，激光雷达系统包括：光源，该光源用于照明视场；和扫描单元，该扫描单元包括布置在期望高度处以用于使来自光源的光偏转到视场的反射镜，用于控制反射镜的取向的至少一个致动器，以及被配置为测量与反射镜在扫描单元中的实际高度和反射镜的实际取向相关的相应测量值的至少两个传感器。激光雷达系统还包括控制单元，该控制单元与至少两个传感器连接并且被配置为使用测量值来确定指示实际高度的第一值和指示光偏转器的实际取向的至少一个第二值，并且使用期望的高度、第一值和至少一个第二值来确定至少一个致动器的相应致动参数。

通常，控制单元实现控制单元的模型以用于使用测量值作为输入来确定第一值和至少一个第二值。

出于说明的目的给出了前述描述。它并非详尽的，并且不限于所公开的精确形式或实施例。考虑到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来说是显而易见的。此外，尽管所公开的实施例的各方面被描述为存储在存储器中，但是本领域技术人员将认识到的是，这些方面也可以存储在其他类型的计算机可读介质上，诸如辅助存储设备，例如硬盘或CD ROM，或其他形式的RAM或ROM、USB介质、DVD、蓝光或其他光驱介质。

基于书面描述和所公开的方法的计算机程序在有经验的开发者的技能范围内。各种程序或程序模块可以使用本领域技术人员已知的任何技术来创建，或者可以结合现有软件来设计。例如，程序部分或程序模块可以在.Net框架、.Net紧凑框架(以及相关语言，诸如Visual Basic、C等等)、Java、C++、Objective-C、HTML、HTML/AJAX组合、XML或包含Java小程序的HTML中设计或借助于它们来设计。

而且，虽然本文已经描述了说明性实施例，但是具有等同元件、修改、省略、组合(例如，跨各种实施例的各方面)、适应和/或更改的任何和所有实施例的范围将被本领域技术人员基于本公开而理解。权利要求书中的限制应当基于权利要求书中采用的语言广泛地解释，并且不限于本说明书中或在申请的审查期间描述的示例。这些示例应当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，包括通过对步骤重新排序和/或插入或删除步骤。因此，意图是说明书和实施例仅被认为是说明性的，真正的范围和精神由以下权利要求书及其等同物的全部范围指示。

Claims (30)

1.一种用于将照明扫描到视场上的电光系统，其包括：

光源；

扫描单元，所述扫描单元包括：光偏转器，所述光偏转器布置在期望高度处以用于使来自所述光源的光偏转；至少一个致动器，所述至少一个致动器用于控制所述光偏转器的取向；和至少两个传感器，所述至少两个传感器被配置为测量与所述光偏转器在所述扫描单元中的高度和所述光偏转器的取向相关的相应测量值；以及

控制单元，所述控制单元与所述至少两个传感器连接并且被配置为：

针对给定时间从所述至少两个传感器中的每一个接收相应测量值；

使用所述测量值作为所述扫描单元的模型的输入来针对所述给定时间确定指示实际高度的第一值和指示所述光偏转器的实际取向的第二值作为所述扫描单元的所述模型的输出；并且

使用所述第一值和所述第二值来确定所述至少一个致动器的致动参数。

2.如权利要求1所述的电子光学系统，其中所述电光系统是激光雷达系统，和/或其中所述光偏转器是可枢转反射镜。

3.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述光偏转器是无铰链反射镜，和/或其中所述光偏转器是MEMS反射镜，特别是MEMS倾斜反射镜。

4.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述光偏转器在所述扫描单元中布置在所述期望高度处并且具有N个旋转自由度，其中所述扫描单元包括N+1个传感器，所述N+1个传感器被配置为测量与所述实际高度和所述实际取向相关的相应测量值，其中所述控制单元被配置为使用所述N+1个测量值作为所述扫描单元的所述模型的输入来针对所述给定时间确定所述第一值和指示所述光偏转器的所述实际取向的N个第二值作为所述模型的输出，并且其中N为正整数。

5.如权利要求4所述的电光系统，其中N等于一或二，其中所述第一值是指在所述给定时间的所述实际高度，和/或其中所述N个第二值中的每一个指示和/或是指在所述给定时间所述光偏转器的实际旋转角度。

6.如权利要求4或5所述的电光系统，其中所述扫描单元包括N+P+1个传感器，所述N+P+1个传感器被配置为测量与所述实际高度和所述实际取向相关的相应测量值，其中P是正整数，并且其中所述控制单元被配置为-使用所述N+P+1个测量值作为所述扫描单元的所述模型的输入来另外地确定所述模型的至少一个参数的实际值。

7.如权利要求6所述的电光系统，其中所述模型的所述至少一个参数指示和/或是指所述扫描单元的温度和/或所述扫描单元的增益。

8.如权利要求6或7所述的电光系统，其中所述模型的所述至少一个参数中的一个指示和/或是指所述传感器中的至少一个的温度。

9.如权利要求6至8中任一项所述的电光系统，其中所述模型的所述至少一个参数中的一个指示和/或是指所述传感器中的至少一个的增益。

10.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述测量值均不是仅与所述光偏转器的所述实际高度相关，和/或其中所述测量值中的每一个都与所述光偏转器的所述实际高度和所述光偏转器的所述实际取向相关。

11.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述传感器中的至少一个是光传感器。

12.如权利要求11所述的电光系统，其中所述光偏转器包括用于使所述光源的入射光偏转的主反射面，其中所述扫描单元包括用于照明所述光偏转器的背面的内部光源，其中所述背面布置在所述主反射面与所述光传感器中的至少一个之间，和/或其中所述模型的所述至少一个参数中的一个是指示和/或是指所述内部光源的温度。

13.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述传感器中的至少一个包括电极对，其中所述传感器中的至少一个是电容传感器，其中所述传感器中的至少一个是超声波传感器，其中所述传感器中的至少一个是磁传感器，其中所述传感器中的至少一个是电感传感器，和/或其中所述传感器中的至少一个包括压电元件。

14.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述控制单元被配置为使用所述光偏转器在所述扫描单元中的所述期望高度作为用于闭环控制所述高度的设定点。

15.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述控制单元被配置为使用所述第一值闭环控制所述光偏转器的所述高度。

16.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述控制单元被配置为使用所述第二值闭环控制所述取向。

17.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述期望高度是所述光偏转器在所述扫描单元中的校准高度，其中所述实际高度和/或所述期望高度是指所述光偏转器距所述至少一个致动器的安装板或晶片的相应距离，其中所述实际高度和/或所述期望高度是指垂直于所述安装板或所述晶片的主表面的方向，其中所述实际高度和/或所述期望高度是指垂直于所述光偏转器的所述主反射面或其中心部分的方向，其中所述实际高度和/或所述期望高度是指所述光偏转器的光轴的方向，和/或其中所述实际高度是指所述光偏转器的中心距静止的和/或处于校准位置的所述光偏转器的所述中心的距离。

18.如任一前述权利要求所述的电光系统，其中所述期望高度、所述实际高度和/或所述实际取向是相对于由所述扫描单元限定的坐标系确定的。

19.如权利要求18所述的电光系统，其中所述坐标系相对于所述扫描单元的质心、所述光偏转器的中心点、所述扫描单元的框架、所述扫描单元的底板、所述安装板的所述主表面和所述晶片的所述主表面中的至少一个是固定的。

20.一种用于控制被配置为将照明扫描到视场上的电光系统的扫描单元的可枢转光偏转器的方法，所述方法包括：

-针对给定时间测量与所述光偏转器在所述扫描单元中的实际高度和所述光偏转器的实际取向相关的至少两个测量值；

-使用所述至少两个测量值作为所述扫描单元的模型的输入来针对所述给定时间确定指示所述实际高度的第一值和指示所述光偏转器的所述实际取向的第二值；以及

-使用所述第一值和所述第二值控制所述光偏转器。

21.如权利要求20所述的方法，其中控制所述光偏转器包括：确定所述扫描单元的至少一个致动器的致动参数。

22.如权利要求20或21所述的方法，其中所述光偏转器布置在期望高度处并且具有N个旋转自由度，其中针对所述给定时间检测与所述光偏转器的所述实际高度和所述实际取向相关的N+1个测量值，并将其用作所述扫描单元的所述模型的输入以使用所述N+1个测量值作为所述扫描单元的所述模型的输入来针对所述给定时间确定所述第一值和N个第二值作为所述扫描单元的所述模型的输出，和/或其中所述N个第二值中的每一个指示所述光偏转器的所述实际取向，并且其中N是正整数。

23.如权利要求22所述的电光系统，其中N等于一或二，其中所述第一值是指在所述给定时间的所述实际高度，和/或其中所述N个第二值中的每一个指示和/或是指在所述给定时间所述光偏转器的实际旋转角度。

24.如权利要求22或23所述的电光系统，其中针对所述给定时间测量与所述光偏转器的所述实际高度和所述实际取向相关的N+P+1个测量值，其中所述N+P+1个测量值用作所述扫描单元的所述模型的输入以确定所述模型的至少一个参数。

25.如权利要求20至24中任一项所述的方法，其中所述模型的所述至少一个参数指示和/或是指所述扫描单元的温度或所述扫描单元的增益，特别是所述传感器中的至少一个的增益。

26.如权利要求20至25中任一项所述的方法，其中所述测量值中的至少一个通过光传感器、超声波传感器、磁传感器、电感传感器、电容传感器、电阻传感器或压电传感器进行测量。

27.如权利要求20至26中任一项所述的方法，其中所述测量值均不是仅与所述光偏转器的所述实际高度相关，和/或其中所述测量值中的每一个都与所述光偏转器的所述实际高度和所述光偏转器的所述实际取向相关。

28.如权利要求19至27中任一项所述的方法，其中所述第一值用于闭环控制所述光偏转器的所述高度，其中所述光偏转器在所述扫描单元中的期望高度用作用于控制所述光偏转器的所述高度的设定点，和/或其中控制所述光偏转器被执行以将所述光偏转器的所述高度保持在预定义范围内。

29.如权利要求19至28中任一项所述的方法，其中所述期望高度、所述实际高度和/或所述实际取向是相对于由所述扫描单元定义的坐标系确定的，和/或其中所述期望高度是所述光偏转器在所述扫描单元中的校准高度。

30.一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令在由系统、特别是根据权利要求1至19中任一项所述的系统的一个或多个处理器执行时使所述系统实行根据权利要求20至29中任一项所述的方法的所述步骤。

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