CN113924510A - 用于激光雷达系统的扫描器控制 - Google Patents

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CN113924510A CN201980095702.3A CN201980095702A CN113924510A CN 113924510 A CN113924510 A CN 113924510A CN 201980095702 A CN201980095702 A CN 201980095702A CN 113924510 A CN113924510 A CN 113924510A
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Abstract

提供了一种用于激光雷达系统(100)的扫描器(120)和用于控制扫描器(120)的方法。该方法包括：由扫描器(120)的位置传感器产生触发信号；产生包括第一频率的第一分量和第二频率的第二分量的单个驱动信号，第一分量和第二分量借助触发信号以固定的相位关系叠加；将单个驱动信号发送至扫描器(120)，扫描器(120)在第一频率具有谐振响应；以及致动所述扫描器(120)以围绕第一轴以第一频率进行第一周期运动，并围绕第二轴以第二频率进行第二周期运动。

Description

用于激光雷达系统的扫描器控制
背景技术
激光雷达(光探测和测距)技术可用于通过测量到物体的距离来获取环境的三维信息。激光雷达系统可以包括至少一个被配置为发射光脉冲的光源和至少一个被配置为接收返回光脉冲的探测器。返回的光脉冲或光束可以被称为回波光束。基于光脉冲的发射和返回光脉冲的检测之间的流逝时间(即，飞行时间)，可以获得距离。光脉冲可由激光发射器产生，然后通过透镜或透镜组件成形(准直或聚焦)。返回的光脉冲可由位于激光发射器附近的探测器接收。返回的光脉冲可以是来自物体表面的散射光。
在某些情况下，可以将多个光脉冲或光脉冲序列发射到环境中以进行大面积扫描。在一些情况下，激光雷达系统可以利用扫描器来按照扫描图案在一个或多个方向上引导一个或多个光束。重要的是为激光雷达系统提供改进的扫描器控制，从而提高对环境进行采样或提供自适应扫描图案的效率。
发明内容
存在对于改进的激光雷达系统的需求，用于三维测量。还需要具有细粒度可控扫描图案的激光雷达系统。在某些情况下，激光雷达系统可以利用扫描器将一个或多个光束引导到一个或多个方向，这可能需要扫描器的移动由改进的控制系统控制。在某些情况下，为了实现所需的扫描图案，可以在细粒度水平控制扫描器的移动。所提供的激光雷达系统可以通过提供改进的扫描器来满足上述需求，该扫描器被配置为按照可配置的扫描图案引导光脉冲。在一些情况下，为了实现期望的扫描图案，本公开的系统或方法提供用于控制扫描器的机制，从而提高对环境进行采样的效率并允许自动适应各种实时条件。特别地，扫描图案/路径和/或测量分辨率可以适应实时条件(例如，环境条件)。所提供的激光雷达系统能够动态调整发射到3D空间中选定区域的采样点的分辨率，以及3D点云图像中选定区域中像素的x和/或y分辨率。所提供的方法和设备可以与光源控制结合使用，从而可以根据扫描器的移动将光束发射到空间中。通过集成对扫描器和光源的控制，可以在x方向和y方向动态控制图像帧选定区域中的像素(点)分布或分辨率。此外，所提供的机制可以允许跨图像帧稳定激光雷达图像或点云图像。
在本发明的一个方面，提供了一种用于控制激光雷达系统的扫描器的方法。该方法可以包括：由所述扫描器的位置传感器产生触发信号；产生包括第一频率的第一分量和第二频率的第二分量的单个驱动信号，进一步，所述第一分量和所述第二分量借助所述触发信号以固定的相位关系叠加；将所述单个驱动信号发送至所述扫描器，并且所述扫描器在第一频率具有谐振响应；以及致动所述扫描器围绕第一轴以所述第一频率进行第一周期运动，并围绕第二轴以第二频率进行第二周期运动。
在一些实施例中，扫描器包括单个多轴镜部。在一些实施例中，第一周期运动围绕所述第一轴以所述扫描器的第一谐振频率进行。在一些实施例中，第二周期运动围绕所述第二轴以所述扫描器的第二谐振频率进行。在一些实施例中，第二分量包括斜坡波形。在一些情况下，第二分量包括低频波形分量和高频波形分量。在一些示例中，高频波形分量的频率是第一分量的第一频率的两倍，并且在触发信号的辅助下使高频波形分量和低频波形分量同步。或者，高频波形分量具有可变幅度，并且高频波形分量和低频波形分量以预定相位关系组合。在某些情况下，响应于实时条件而产生高频波形分量。这种实时条件可以包括探测到目标。
在一些实施例中，在第一周期运动的扫掠循环周期的开始或结束时产生所述触发信号。在一些实施例中，响应于接收到触发信号而产生第二分量。在一些实施例中，位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。
在一些实施例中，扫描器沿着近似于光栅扫描图案的扫描图案引导光脉冲序列。在一些情况下，该方法还可以包括根据实时条件沿第二轴方向动态调整扫描图案。例如，沿着第二轴方向调整扫描图案包括通过将高频波形分量叠加到单个驱动信号来改变第二周期运动。在这种情况下，基于实时条件确定高频波形分量的幅度或频率。在一些情况下，该方法还可以包括根据实时条件沿第一轴方向动态调整扫描图案。例如，沿第一轴方向调整扫描图案包括改变发射光脉冲序列的时间间隔。
本公开的另一方面提供用于激光雷达系统的扫描器。扫描器可以包括：扫描器，其被致动以围绕第一轴以第一频率进行第一周期运动，并围绕第二轴以第二频率进行第二周期运动；位置传感器，其被配置为产生触发信号；以及控制器，其被配置为生成单个驱动信号以致动所述扫描器，并且所述单个驱动信号包括第一频率的第一分量和第二频率的第二分量，进一步，所述第一分量和第二分量在触发信号的辅助下以固定的相位关系叠加。
在一些实施例中，扫描器包括单个多轴镜部。在一些情况下，单个多轴镜部包括通过一个或多个扭力臂悬挂在万向架上的扫描板。例如，所述一个或多个扭力臂呈H形。
在一些实施例中，第一周期运动围绕所述第一轴以所述扫描器的第一谐振频率进行。在一些实施例中，第二周期运动围绕所述第二轴以所述扫描器的第二谐振频率进行。在一些实施例中，第二分量包括斜坡波形。在一些情况下，第二分量包括低频波形分量和高频波形分量。例如，高频波形分量的频率是第一分量的第一频率的两倍，在某些情况下，借助触发信号使高频波形分量和低频波形分量同步。在某些情况下，高频波形分量具有可变幅度。例如，高频波形分量和低频波形分量以固定的相位关系组合或响应实时条件而产生高频波形分量。例如，实时条件可以包括探测到目标。
在一些实施例中，位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。在一些实施例中，位置传感器用于探测扫描器的运动。在一些实施例中，触发信号在第一周期运动的扫掠周期的开始或结束时产生。在一些实施例中，控制器被配置为响应于接收到所述触发信号而产生所述第二分量。在一些实施例中，扫描器沿着近似光栅扫描图案的扫描图案引导光脉冲序列。在某些情况下，根据实时条件沿第二轴方向动态调整所述扫描图案。在一些情况下，通过将高频波形分量叠加到所述单个驱动信号以改变所述第二周期运动来调整所述扫描图案。例如，基于实时条件确定所述高频波形分量的幅度或频率。在一个示例中，实时条件包括探测到目标。
在一些实施例中，位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。在一些实施例中，位置传感器用于探测扫描器的运动。在一些实施例中，触发信号在第一周期运动的扫掠周期的开始或结束时产生。在一些实施例中，控制器被配置为响应于接收到触发信号而产生第二分量。
在一些实施例中，扫描器沿着近似光栅扫描图案的扫描图案引导光脉冲序列。在某些情况下，扫描图案会根据实时情况沿第二轴方向动态调整。在一些情况下，通过将高频波形分量叠加到单个驱动信号以改变第二周期运动来调整扫描图案。在某些情况下，高频波形分量的幅度或频率是根据实时条件确定的。在某些情况下，扫描图案会根据实时情况沿第一轴方向动态调整。在一些情况下，通过改变发射光脉冲序列的时间间隔来调整扫描图案。
从以下详细描述中，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员来说将变得容易显而易见，其中仅通过说明预期用于执行的最佳图案的方式示出和描述了本公开的示例性实施例本公开。应当理解，本公开可以有其他不同的实施例，并且其多个细节可以在各种明显的方面进行修改，所有这些都不背离本公开。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。
通过引用并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均以引用方式并入本文，其程度就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示为以引用方式并入一样。
附图说明
在所附权利要求中具体阐述了本发明的新颖特征。参考以下阐述其中利用了本发明的原理的说明性实施例的详细描述和附图，将更好地理解本发明的特征和优点，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例的激光雷达系统的示例。
图2示出了失真扫描图案和光栅扫描图案的示例。
图3示意性地示出了根据本发明的一些实施例的多轴扫描镜的示例。
图4示意性地示出了根据本发明的一些实施例的多轴扫描镜的示例。
图5示出了根据本发明实施例的扫描镜的示例组件。
图6示出了被配置为提供用于同步或组合驱动信号分量或单独波形的信号的传感器的示例。
图7示出了根据本发明的一些实施例的用于驱动扫描镜的波形的示例。
图8示出了根据本发明的一些实施例的用于驱动具有光栅收缩校正的扫描镜的波形的示例。
图9示出了根据本发明的一些实施例的由单独波形例示的复合驱动信号的另一个示例。
图10示意性地示出了根据本发明的一些实施例的改变对应于慢速扫描运动的驱动信号的示例。
图11示出了具有可配置像素分布的扫描图案的示例。
图12示意性地示出响应于实时条件动态地配置像素/测量点的分布和/或密度的示例。
图13示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于扫描器的控制系统的框图。
发明详述
虽然这里已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说，这些实施例仅作为示例提供是显而易见的。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、变化和替换。应当理解，在实践本发明时可以采用对这里描述的本发明的实施例的各种替代。
激光雷达系统可被称为激光测距系统、激光雷达系统、LIDAR系统或激光探测和测距(LADAR或ladar)系统。激光雷达是一种测距传感器，其特点是探测距离长、分辨率高、受环境干扰小。激光雷达已广泛应用于智能机器人、无人机、自主驾驶或自动驾驶等领域。激光雷达的工作原理是根据源和目标之间电磁波的往返时间(例如，飞行时间)估算距离。
在一些情况下，激光雷达系统可以包括发射激光脉冲到环境中以扫描空间的发射设备。可以按照扫描图案发射激光脉冲序列。扫描图案(其可被称为光学扫描图案、光学扫描路径或扫描路径)可指激光束或激光束光斑被引导所沿的图案或路径。沿着该扫描图案，多个激光束光斑可以均匀分布，或者也可以不均匀分布。扫描图案可由各种因素控制，例如扫描器的移动或多个光源的布置。
在一些实施例中，扫描器可以包括一个或多个扫描镜，其被配置为围绕一个或多个轴以一定角度方式旋转、振荡、倾斜、枢转或移动。在某些情况下，扫描器可以是二维(2D)扫描器。扫描器可以使用单个扫描镜，该单个扫描镜被驱动以围绕两个扫描轴旋转。在某些情况下，可以驱动扫描镜以执行沿一个轴的快速扫描和沿另一轴的慢速扫描。两个轴可以彼此正交。传统上，快速扫描在视场(FOV)中水平来回扫掠，而慢速扫描在视场中沿垂直方向来回扫掠。快速扫描以相对较高的扫描速率运行，而慢速扫描以等于视频帧速率的扫描速率运行。在某些情况下，快速扫描谐振地运行，而慢速扫描提供基本锯齿图案，在帧时间的(大)部分内逐步向下扫描帧，然后返回帧顶部重新开始或以连续的方式从下到上往回扫描。在其他情况下，可以使用交错锯齿扫描、三角波扫描、正弦扫描及其他波形来驱动一个轴或两个轴。沿快轴的完整扫掠可以在任何范围内，例如在±60°角范围上、±50°、±40°、±30°、±20°、±10°或介于两者之间的任何值。沿慢轴的完整扫掠可以在任何范围内，例如在±60°角范围上、±50°、±40°、±30°、±20°、±10°或介于两者之间的任何值。
单个扫描镜可以被控制以遵循基本上覆盖视场(FOV)的扫描路径。例如，扫描路径可能会导致点云的像素基本覆盖FOV。像素可以根据扫描图案分布在整个FOV上。在一些情况下，通过控制扫描镜的移动，像素可以具有特定的非均匀分布(例如，像素在FOV的一个或多个选定区域中可以具有更高的密度)。替代地或除此之外，通过控制扫描镜的移动，像素可以沿着扫描图案均匀分布。
在一些情况下，像素或测量点可对应于光脉冲。在替代情况下，一个像素或测量点可以对应多个光脉冲。像素或测量点可以是距离测量点。在某些情况下，可以使用单个光脉冲生成距离测量点。在一些情况下，测量点可通过发射在短持续时间内发射的编码光脉冲序列来获得，使得光脉冲序列可用于导出距离测量点。例如，激光雷达可用于三维(3D)成像(例如3D点云)或探测障碍物。在这种情况下，与光脉冲序列相关的距离测量可以被视为一个像素，并且可以将连续发射和捕获的像素集合(即“点云”)渲染为图像或出于其他原因进行分析(例如，探测障碍物)。可以在例如至少10ns、20ns、30ns、40ns、50ns、60ns、70ns、80ns、90ns、100ns、200ns、300ns、400ns、500ns、600ns、700ns、800ns、900ns、1μs、2μs、3μs、4μs、5μs、50μs、100μs、200μs、300μs、400μs、500μs或更长的持续时间内产生和发射光脉冲序列。在某些情况下，连续序列之间的时间间隔可对应于3D成像的时间分辨率。点云图像的时间分辨率也会影响水平方向或快速扫描方向的像素分辨率。序列之间的时间间隔可以是恒定的或可变的。
需要说明的是，快速扫描方向不需要与水平方向对齐(绕垂直扫描轴旋转)，慢速扫描方向不需要与垂直方向对齐(绕水平扫描轴旋转)。快速扫描方向和/或慢速扫描方向可以是相对于地面参考系的任何取向。
如本文所用，除非上下文另有说明，否则在整个说明书中可互换地使用术语“光脉冲序列”、“脉冲序列”、“信号序列”等。除非上下文另有说明，否则术语“测量信号”、“测量脉冲”、“信号光”、“输出光束”等可以指从激光雷达系统的发射设备发射的光脉冲。术语“回波束”、“返回信号”、“返回脉冲”等可以指由激光雷达系统的探测器接收的光脉冲并且在整个说明书中可互换使用，除非上下文另有说明。
然后可以将输出光束或信号光引导到空间中用于测量。例如，输出光束可以具有大约1mW、10mW、100mW、1W、10W的平均功率或任何其他合适的平均功率。作为另一个示例，输出光束可以包括具有大约0.1μ.1、1μ.1、10μ.1、100μ.1、1mJ的脉冲能量或任何其他合适的脉冲能量的脉冲。作为另一个示例，输出光束可以包括峰值功率约为10W、100W、1kW、2kW、5kW、10kW或任何其他合适的峰值功率的脉冲。持续时间为400ps且脉冲能量为1μ的光脉冲具有大约2.5kW的峰值功率。如果脉冲重复频率为500kHz，则具有lμJ脉冲的输出光束的平均功率约为0.5W。在某些情况下，输出光束的波长可在900nm到1600nm的范围内或在任何其他合适的范围内。在某些情况下，输出光束的波长可在1530nm到1570nm的范围内，以提供对人眼安全的激光。
图1示意性地示出了激光雷达系统100的示例。在一些实施例中，激光雷达系统100可以包括发射模块110、接收模块、扫描器120和多个光学部件，例如透镜组件161、165、镜部163。
发射模块110可以包括至少一个被配置为产生激光束或光脉冲的光源。取决于具体应用，激光束的波长可以在任何合适的范围内。在某些情况下，光源可包括对人眼安全的激光器。人眼安全的激光器可以指发射波长、平均功率、峰值功率、峰值强度、脉冲能量、光束大小、光束发散度或曝光时间使得从激光器发出的光几乎没有或没有可能导致对人的眼睛造成伤害的激光器。例如，光源可归类为1类激光产品(由国际电工委员会(IEC)的60825-1标准规定)或I类激光产品(如美国联邦法规(CFR)第21条第1040.10节规定)，它们在所有正常使用条件下都是安全的。在一些实施例中，光源可以包括配置为在大约1400nm至大约2100nm之间的任何合适波长下工作的人眼安全激光器(例如，1类或I类激光器)。在某些情况下，光源可以包括工作波长在大约1400nm至大约1600nm之间的人眼安全激光器。在某些情况下，光源可以包括工作波长在大约1530nm至大约1560nm之间的人眼安全的激光器。
光源可以包括激光二极管。光源可以包括任何合适类型的激光器，例如法布里-珀罗激光二极管、量子阱激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器、分布式反馈(DFB)激光器或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在一些情况下，光源可以包括光纤激光器模块。在一个示例中，光纤激光器模块可以包括峰值波长约为1550nm的电流调制激光二极管，其后是单级或多级掺铒光纤放大器(EDFA)。光纤激光器模块可以包括种子激光器、泵浦激光器、光放大器(例如增益光纤或光纤放大器)和其他组件。
输出光束或信号光可被引导至一个或多个光学元件(例如，反射器)和/或穿过用于准直或聚焦光束111的透镜组件161(例如，准直透镜、准直透镜组件)。激光雷达系统100可以包括任何合适的光学部件，例如一个或多个透镜、镜部、滤光器(例如，带通或干涉滤光器)、分束器、偏振器、偏振分束器、波片(例如，半波或四分之一波片)、衍射元件或全息元件、望远镜，以将输出光束111扩展、聚焦或准直至期望的光束直径或发散度。
类似地，返回光束131可以穿过一个或多个光学部件165，使得返回光束可以被引导、聚焦到探测模块130的探测器的有源(active)区域上。所述一个或多个光学部件可以包括例如一个或多个镜部(例如，平面镜、凹面镜、凸面镜、抛物面镜)或透镜/透镜组件，用于将返回的光束引导至探测器。
激光雷达系统100可以包括镜部163，其被配置为允许信号光111穿过镜部同时将返回光131引导至探测器。在一些情况下，镜部163可以包括允许信号光111通过的孔、槽或孔口。在一些情况下，镜部163可以被配置为使得信号光111的至少一部分(例如，至少90％、80％、70％、60％等)穿过镜部并且返回光束131的至少一部分(例如，至少90％、80％、70％、60％等)被镜部163反射。在一些情况下，镜部163可以提供信号光111和返回光束131基本上是同轴，从而使两束光束沿基本相同的光路传播，但方向相反。例如，镜部163可以包括信号光111穿过的孔、槽或孔口以及将返回光束131的至少一部分朝向探测器130的有源区域反射的反射表面。
探测模块130可以包括一个或多个被配置为接收回波束160的探测器。探测器可以是光电接收器、光接收器、光传感器、光电探测器或光探测器。在一些情况下，探测模块可以包括一个或多个雪崩光电二极管(APD)或一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)。在一些情况下，接收模块可以包括一个或多个PN光电二极管(例如，由p型半导体和n型半导体形成的光电二极管结构)或一个或多个PIN光电二极管(例如，由位于p型区域与n型区域之间的未掺杂本征半导体区域形成的光电二极管结构)。
返回的光束可以被引导到探测器的有源区域。有源区可域以具有任何合适的尺寸或直径，例如大约25μm、50μm、80μm、100μm、200μm、500μm、1mm、2mm或5mm的直径。在一些情况下，镜部163可以具有基本上平坦的反射表面或者反射表面可以是弯曲的(例如，镜部可以是被配置为将输入光束131聚焦到接收器的有源区域上的离轴抛物面镜部)。镜部163的反射表面可以包括反射金属涂层(例如，金、银或铝)或反射介电涂层，并且反射表面可以在光源的工作波长处具有任何合适的反射率R(例如，R大于或等于70％、80％、90％、95％、98％或99％)。
在一些实施例中，激光雷达系统100可以包括光学接收装置165(例如，聚焦透镜、聚焦透镜组件)、一个或多个光学元件(例如，反射器)163，光学元件允许来自外部物体的反射光通过该光接收装置，然后由探测模块130接收。接收的光信号可以转换为电信号并由控制器140处理。
激光雷达系统100可包括扫描器120以在一个或多个方向上引导输出光束111。扫描器120可以被配置为在一定角范围内扫描输出光束111。在一些情况下，扫描器120可以被配置为在5度角范围、20度角范围、30度角范围、60度角范围或任何其他合适的角范围内扫描输出光束111。作为示例，扫描镜可以被配置为在15度范围内周期性地来回振荡或旋转，这导致输出光束111在30度范围内扫描(例如，扫描镜旋转Θ度导致输出光束的2Θ度角扫描)。在一些实施例中，激光雷达系统100的观测场(FOR)可以指激光雷达系统可以被配置为扫描或捕获距离信息的面积、区域或角范围。作为示例，具有30度扫描范围的输出光束111的激光雷达系统可被称为具有30度角观测场。作为另一示例，具有在30度范围内旋转的扫描镜的激光雷达系统100可以产生在60度范围内(例如，60度FOR)扫描的输出光束111。在特定实施例中，激光雷达系统100可具有大约10°、20°、40°、60°、120°的FOR或任何其他合适的FOR。在某些情况下，FOR可被称为全扫描区域。
在一些实施例中，扫描器120可以包括一个或多个扫描镜，其被配置为围绕一个或多个轴以角度的方式旋转、振荡、倾斜、枢转或移动。在一些情况下，平面扫描镜125可以附接到扫描器致动器或机构，该扫描器致动器或机构致动镜部以在特定角度范围内扫描。在一些情况下，扫描器120可以包括谐振扫描镜或振镜125。在一些情况下，扫描器可以是二维(2D)扫描器。扫描器可以使用单个扫描镜，该单个扫描镜被驱动以围绕两个扫描轴旋转。在某些情况下，可以驱动扫描镜以执行沿一个轴的快速扫描和沿另一轴的慢速扫描。两个轴可以彼此正交。扫描镜125可以被设计成使得单个扫描镜在驱动信号的一个或多个频率处具有谐振响应以产生期望的周期运动。例如，扫描镜的谐振频率和放大因子可以在两个轴的每个轴上独立选择，方法是将其质量绕每个轴进行有差异的分布，并通过设计支撑结构(例如，在每个轴具有不同扭转刚度的支撑臂或扭转臂)。关于扫描镜和驱动信号的设计的细节将在后面描述。
扫描器可由任何合适的致动器或机构致动，例如振镜扫描器、压电致动器、多边形扫描器、旋转棱镜扫描器、音圈电机、电动机(例如直流电机、无刷直流电机、同步电动机或步进电机)，或微机电系统(MEMS)装置等。
谐振扫描器(其可被称为谐振致动器)可包括由致动器驱动以产生基本固定频率的周期性振荡的弹簧状机构。与快速扫描轴相关联的周期性振荡频率可以与围绕快速扫描轴的谐振频率相同。扫描镜绕慢速扫描轴旋转的周期振荡频率可以是绕慢速扫描轴的谐振频率或失谐频率分量。围绕快速扫描轴的振荡频率可以是大约1kHz。快速扫描振荡频率可以是低于1kHz或高于1kHz的任何值。慢速扫描振荡频率可以是大约10Hz到100Hz范围内的任何值。慢速扫描振荡频率可以是低于10Hz或高于100Hz的任何值。在某些情况下，快速扫描振荡频率和慢速扫描振荡频率可以具有预定的关系。例如，快速扫描振荡频率可以是至少约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、40、50、60、70、80、90或100倍的慢速扫描振荡频率。
扫描器120可以包括扫描镜125，其可以具有任何合适的几何形状或尺寸，使得扫描镜可以响应于驱动信号而围绕一个或多个轴以谐振频率振荡。在一些情况下，扫描镜可以包括直径或宽度在大约3mm到15mm之间的扫描板。在一些情况下，扫描镜还可以接收返回光束131并将返回光束引导至镜部163。
扫描镜可以通过任何合适的致动机构来旋转，例如使用电磁致动来旋转。在示例中，扫描镜可由音圈电机(其可被称为音圈致动器)致动，该音圈电机可包括磁体和线圈。当向线圈提供电流时，会向磁体施加平移力，这会导致附接到磁体的扫描镜移动或旋转。振镜扫描器(其可被称为振镜致动器)可包括具有磁铁和线圈的基于振镜的扫描电机。当向线圈提供电流时，旋转力会施加到磁铁上，这会导致附接到振镜扫描器上的镜部旋转。可以控制提供给线圈的电流以动态地改变振镜的位置。
在一些实施例中，扫描器120可以包括扫描器控制单元121，其可以控制扫描镜以在期望的方向或沿着期望的扫描图案引导输出光束111。扫描器控制单元121可产生驱动信号以致动扫描镜125。致动扫描镜的驱动信号可包括具有不同频率或一种或多种单独波形的一个或多个分量。在一些情况下，驱动信号可以是包括多个频率分量(例如，复用频率)的单个驱动信号，使得频率分量中的至少一个以快速扫描的谐振频率被调制，频率分量中的至少一个用于慢速扫描。慢速扫描的频率可以是也可以不是围绕慢速扫描轴的谐振频率。用于慢速扫描的信号分量可以是包括不同频率分量的叠加波形。或者，可以将对应于两个扫描轴的单独驱动信号提供给扫描镜。关于驱动信号和波形(频率)分量的细节将在后面描述。
在一些情况下，扫描器120还可包括一个或多个传感器123，其被配置为探测扫描镜的角度位置和/或角运动。位置信号150可传送至扫描器控制单元121以控制扫描器的驱动信号。在一些实施例中，位置信号150可用于同步两个轴上的振荡，从而使点云图像逐帧稳定。例如，借助位置信号，水平振荡周期的零速位置与垂直振荡周期的开始或结束同步，使得跨不同帧的像素(点)坐标基本相同。
可以使用任何合适的传感器来探测扫描镜的运动或角位置。例如，可以使用压阻、光电探测器、光学位置传感器(OPS)、位置敏感探测器(PSD)或其他传感器来感测运动或位置。在某些情况下，PSD可用于测量扫描镜的角位置。角位置可以以不超过0.01度、0.05度、0.1度或0.01度以下或0.1度以上的任何值的角分辨率测量。
在任选的实施例中，位置信号150或位置传感器123产生的传感器信号也可以被发射模块110用来协调光脉冲和扫描镜的运动。这可以有利地允许在快速扫描和慢速扫描方向上调整所选区域中的像素(测量点)的分布或分辨率。
在使用二维谐振扫描器的情况下，谐振扫描器的扫描速度在水平方向和垂直方向上不断变化。像钟摆一样，扫描器可向中心加速，然后向扫掠终点减速。然后它反转循环。这可能导致非直线水平线(即，快速扫描线)和/或扫描图案中不期望的像素分布。图2示出了遭受光栅收缩(raster pinch)失真的扫描图案201和校正了失真的光栅扫描图案203的示例。没有光栅收缩校正的扫描图案201会在水平方向上的视场的外边缘被“收缩”。即，在光脉冲的连续正向和反向扫掠中，扫描图案边缘附近的像素间隔不均匀。这种不均匀的间距会导致像素重叠或在相邻的像素行之间留下间隙。水平线行的分布在垂直方向上也是不均匀的，导致朝向视场中心的像素稀疏，朝向视场顶部和底部的像素更密集。
所提供的扫描器或激光雷达系统可以提供改进的扫描器控制，以便沿着扫描图案的测量点可以跨图像帧稳定，利用内置光栅收缩校正特征，扫描图案可以更好地近似为光栅图案，和/或可以基本上实时地配置和控制沿着慢速扫描方向的像素的分布(分辨率)(即，沿着慢速扫描方向的快速扫描周期)。如本文稍后将描述的，响应斜坡垂直扫描的光脉冲所遵循的扫描路径(以包括低频分量和快速扫描的两倍的高频分量的单个波形为例)可以近似于光栅扫描图案。
在本发明的一些实施例中，可以利用单个扫描镜来执行绕两个或更多个轴的振荡运动。扫描镜可以是谐振镜，其几何形状、质量分布和结构被设计成使得扫描镜可以响应于驱动信号而围绕一个或多个轴以谐振频率振荡。这两个轴可以对应于快速扫描轴和慢速扫描轴。
图3示意性地示出了根据本发明的一些实施例的多轴扫描镜300的示例。扫描镜300可被致动以绕快速扫描轴301和慢速扫描轴303旋转。在所示示例中，绕快速扫描轴301的运动可产生水平扫描周期，并且绕慢速扫描轴303的运动可导致周期性垂直扫描。
在一些实施例中，扫描镜300可以包括扫描板317。扫描板317可以包括在其上形成的或附接到其上的镜部。扫描板317可以具有大约3mm和15mm之间的直径或宽度。扫描板317可以具有任何形状因素，例如圆形、椭圆形、矩形、正方形和各种其他形状。扫描板317的运动可由系统来控制，用于将入射光脉冲引导到期望方向，例如遵循扫描图案。
扫描镜300可以通过扭力臂315耦合到致动器或安装结构。例如，扭力臂315可以机械连接到固定基板或安装结构以接收驱动信号。扭力臂315可以耦合到万向架316。万向架316可以是任何形状因素，例如圆形、矩形、椭圆形等。
对于给定的驱动频率，万向架316(和悬挂在其上的其他结构)的运动幅度可以与驱动信号的电压和在驱动频率下旋转质量的机械放大因子成正比(尽管不一定是线性成比例的)。对于处于或接近万向架(和悬挂的结构)的谐振频率的驱动频率分量，绕慢轴303的旋转运动可以被放大。对于失谐驱动频率分量，万向架的旋转幅度会降低，并且在某些频率范围内会反转。在某些情况下，可以选择驱动信号的频率不处于慢轴的谐振频率，以避免操作期间的频率漂移。在替代情况下，谐振频率驱动分量可用于驱动围绕慢速扫描轴的振荡响应。
内万向环318可以经由扭力臂311从万向架316悬挂，允许内部万向节环和其上承载的部件相对于万向架316绕快速扫描轴301旋转。包括扫描板317、内万向环318的组件的组合质量和质量分布以及扭力臂311的刚度可以确定用于扫描板317绕快速扫描轴301旋转的谐振频率和放大因子。可以通过改变部件的质量分布和质量和/或扭力臂的刚度来选择快速扫描轴或两个轴的任何合适的谐振频率和放大因子。绕快速扫描轴的振荡频率可以是谐振频率，谐振频率可以是大约1kHz。快速扫描振荡频率可以是低于1kHz或高于1kHz的任何值。慢速扫描振荡频率可以是大约10Hz到100Hz范围内的任何值。慢速扫描振荡频率可以是低于10Hz或高于100Hz的任何值。在某些情况下，快速扫描振荡频率和慢速扫描振荡频率可以具有预定的关系。例如，快速扫描振荡频率可以是至少约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、40、50、60、70、80、90或100倍的慢速扫描振荡频率。
在一些实施例中，扫描板317可以通过扭力臂313耦合到内部万向环318。扭力臂可以耦合到扫描板317的两个相对侧。可以看出，扫描板317通过扭力臂313从内万向环318悬挂，使得允许扫描板317相对于内万向环318绕慢速扫描轴303旋转。引入扭力臂313和内万向环318可以允许扫描板317具有两倍于快速扫描轴谐振频率的辅助模式，从而可以校正光栅收缩失真。例如，为了校正光栅收缩失真，驱动信号可以是一个单一的复合驱动信号，它包含一个低频率(例如慢速扫描轴的谐振频率)的垂直驱动波形和在两倍于快速扫描轴的谐振频率下的垂直驱动锯齿波形的叠加，内万向环318可以由于扭臂和内万向环而以模式2中的谐振频率振荡。
扫描镜300可包括致动器(例如，线圈)或由其致动。可以驱动致动器以产生万向架316、内万向环318和悬挂的扫描板317围绕轴301、303的旋转运动。在一些情况下，可以包括组合线圈以驱动扫描镜围绕两个轴的运动。替代地或除此之外，可以驱动单独的线圈以分别产生扫描板317围绕快速扫描轴的旋转运动，以及包括万向架、内万向环和扫描板的组件围绕慢速扫描轴旋转的旋转运动。当线圈接收到以对应于扫描板317围绕快速扫描轴的谐振频率(或产生合适响应的任何频率)的速率被周期性驱动的信号时，扫描板围绕快速扫描轴的旋转幅度由于机械放大因子而可以得到增强。以类似的方式，当线圈接收到以对应于包括扫描板、扭力臂、内万向节和万向架的组件的谐振频率的速率被周期性驱动的信号时，由于机械放大因子，该组件可以围绕慢速扫描轴以增强的幅度振荡，从而以相对少量的输入能量实现更大的角度范围。可替代地，与慢速扫描轴相关联的振荡频率可以不在谐振频率处或附近，以避免操作期间的频率漂移。
图4示意性地示出了根据本发明的一些实施例的多轴扫描镜400的另一个示例。类似于关于图3描述的扫描镜，扫描镜400可被致动以绕快速扫描轴401和慢速扫描轴403旋转。在所示示例中，绕快速扫描轴401的周期运动可产生水平扫描周期，绕慢速扫描轴403的周期运动可产生周期性垂直扫描。扫描镜400可以具有不同的结构以提供围绕慢速扫描轴的高频响应，从而允许扫描镜的整体紧凑设计或扫描板的增加的有效/有源区域。
扫描镜400可以以与图3中描述的类似的方式经由扭力臂415耦合到致动器或安装结构。例如，扭力臂415可以机械连接到固定基板或安装结构以接收驱动信号。扭力臂415可以耦合到用作扫描板的支撑结构的万向架416。万向架416可以是任何形状因素，例如圆形、矩形、椭圆形、正方形等。
对于给定的驱动频率，万向架416(和悬挂在其上的其他结构)的运动幅度可以与驱动信号的电压和驱动频率下旋转质量的机械放大因子成正比(尽管不一定是线性成比例的)。对于处于或接近万向架(和悬挂结构)的谐振频率的驱动频率分量，绕慢轴403的旋转运动可以被放大。对于失谐驱动频率分量，万向架的旋转幅度会降低，并且在某些频率范围内会反转。在某些情况下，驱动信号的频率可以选择为慢速扫描轴的偏谐频率，以避免操作期间的频率漂移。在替代情况下，谐振频率可用于驱动围绕慢速扫描轴的运动以实现更大的角度范围。例如，包括扫描板417、设置在扫描板和扭力臂415之间的任何部件的组件的组合质量和质量分布以及扭力臂415的刚度可以确定用于扫描板417围绕慢速扫描轴403旋转的谐振频率和放大因子。
扫描板417可以通过第一对扭力臂413a、413b、第二对扭力臂411a、411b悬挂在万向架416上，允许扫描板417可以绕快速扫描轴401和慢速扫描轴403相对于万向架416旋转。在图示的示例中，扫描板417可以通过设置在扫描板417的相对侧上的H形结构耦合到万向架416。类似于如图3所示的示例，引入扭力臂413a、413b，可以允许扫描板417具有两倍于快速扫描轴谐振频率的辅助模式，从而可以校正光栅收缩失真。如侧视图中所示420，可以实现模式2中围绕慢速扫描轴的谐振频率下的振动响应。通过用H形扭力臂代替内万向环和扭力臂，可以以扫描镜整体尺寸的很小代价提供紧凑的设计或有效面积增加的扫描板。
包括扫描板417、扭力臂413a、413b的组件的组合质量和质量分布以及扭力臂411a、411b的刚度可以确定用于扫描板417围绕快速扫描轴401旋转的谐振频率和放大因子。可以通过改变部件的质量分布和质量来选择用于快速扫描轴或这两个轴的任何合适的谐振频率和放大因子。围绕快速扫描轴的振荡频率可以是谐振频率，在某些情况下，谐振频率可以是大约1kHz。快速扫描振荡频率可以是低于1kHz或高于1kHz的任何值。慢速扫描振荡频率可以是大约10Hz到100Hz范围内的任何值。慢速扫描振荡频率可以是低于10Hz或高于100Hz的任何值。在某些情况下，快速扫描振荡频率和慢速扫描振荡频率可以具有预定的关系。例如，快速扫描振荡频率可以是至少约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、40、50、60、70、80、90或100倍的慢速扫描振荡频率。
扫描镜400可包括致动器(例如，线圈)或由其致动。可以驱动致动器以产生万向架416、H形扭转结构和悬置扫描板417围绕轴401、403的旋转运动。在一些情况下，可以利用组合线圈来驱动围绕两个轴的运动。替代地或除此之外，可以驱动单独的线圈以分别产生扫描板417围绕快速扫描轴的旋转运动，以及包括万向架、H形扭转结构和扫描板的组件的旋转运动以围绕慢速扫描轴旋转。当线圈接收到以与扫描板417围绕快速扫描轴的谐振频率(或产生合适响应的任何频率)对应的速率被周期性驱动的信号时，由于机械放大因子，可以增强扫描板围绕快速扫描轴的旋转幅度。以类似的方式，当线圈接收到以与包括扫描板、扭力臂、万向架和其上承载的任何部件的组件的谐振频率对应的速率被周期性驱动的信号时，由于机械放大因子，该组件可以围绕慢速扫描轴以增强的幅度振荡，从而以相对少量的输入能量实现增加的角度范围。或者，与慢速扫描轴相关联的振荡频率可以不在谐振频率处或附近，以避免操作期间的频率漂移。
图5示出了根据本发明实施例的扫描镜的示例组件。扫描镜500可以是与上述相同的扫描镜。例如，扫描镜500可以包括通过扭力臂503耦合到万向架501的扫描板505。扫描镜可以通过如本文别处所述的扭力臂附接到或固定到基板或安装单元。在一些情况下，扫描镜、致动器(未示出)和安装结构可以被封闭在外壳507、508中。外壳可以具有至少一个带有开口或孔的表面507，使得光脉冲可以入射在扫描镜上500并被定向到一个或多个方向。
如上所述，为了校正光栅收缩失真和/或稳定图像帧，用于慢速扫描轴和快速扫描轴的驱动信号可以同步，使得它们的振荡之间存在基本固定的相位差。在某些情况下，快速扫描的振荡频率可以是慢速扫描的振荡频率的n倍，其中n可以是整数，例如2、3、4、5、6、7、8、10、15、20、25、30、25、40、45、50、60、70、80、90、100或更多。在某些情况下，绕两个轴的振荡运动可以是同步的，相位差可为零。
在一些实施例中，可以在传感器(例如，图1中的位置传感器123)的帮助下实现同步。传感器可以是用于控制扫描镜运动的位置传感器。位置传感器产生的位置信号可以被扫描器控制单元用于产生扫描器的驱动信号。例如，扫描板的扫描运动可以由位置传感器探测并用于同步或组合驱动信号的多个分量。当扫描板到达扫掠的末端(例如，开始或结束)时，可以生成位置信号。在某些情况下，当扫描板到达水平扫掠的开始或结束时，可产生位置信号并用于触发垂直扫描的循环，从而同步沿两个扫描轴的振荡运动。位置信号可以在水平(即快速扫描)扫掠周期的开始或结束时产生。在一些实施例中，位置信号可由与图1中描述的相同的位置传感器(例如，传感器123)产生。或者，位置信号可由任何其他能够探测扫描器角度位置的传感器生成。
图6示出被配置为提供用于同步或组合驱动信号分量或单独波形的信号的传感器610的示例。例如，传感器信号可用作触发信号以将周期性慢速扫描运动与周期性快速扫描运动同步。如上所述，传感器610可用于探测扫描镜620的角度位置和/或角运动。扫描镜620可被配置为以角度方式围绕一个或多个轴旋转、倾斜、枢转或移动。扫描镜620可以与本文别处描述的扫描板相同。任何合适的传感器(例如，位置敏感探测器)可用于探测镜部的运动或角位置。例如，可以使用压阻式、光电探测器、光学位置传感器(OPS)或其他传感器来感测运动或角度位置。在一些实施例中，位置传感器可以是位置敏感探测器(PSD)。
在某些情况下，发射模块也可以利用位置信号来控制光源。例如，位置信号可以被发射模块用来协调光脉冲和扫描镜的运动。这提供了提供由光源控制器和扫描器控制器两者利用的触发信号而不将附加组件引入激光雷达系统的优点。
在所示示例中，位置传感器610可以位于扫描镜的一侧621，该侧621与输出光束111入射在扫描镜620上的一侧623相反。位置传感器610可以是光学位置传感器，其可以不与扫描镜620直接接触。在所示示例中，位置传感器610可以包括被配置用于产生测量光的光源612。测量光可以入射在扫描镜620的该侧621上，被引导回位置传感器610并且被探测器部件618捕获。测量光可以是脉冲光或连续光。在一些情况下，扫描镜的面向位置传感器610的一侧621可以具有反射面，使得测量光可以被引导回到位置传感器。
光源612和探测器部件618可以以一定角度布置，使得光源发射的测量光可以被探测器部件618的有源区捕获。在一些情况下，支撑元件615、616、617可以用于将光源和探测器部件定位成相对于彼此和/或相对于扫描镜620成预定角度。光源612和/或探测器部件618可以永久固定到这种支撑元件或可拆卸地耦合到这样的支撑元件。
光源612可以是用于产生测量光的任何合适的光源。例如，光源可以包括诸如固态激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器等激光器。探测器部件618可以是位置敏感探测器，其可以在传感器表面上一维或二维地测量光斑的位置。根据光斑的位置，可以计算出扫描镜的角度。可以以不超过0.01度、0.05度、0.1度或0.01度以下或0.1度以上的任何值的角分辨率测量角位置。
在一些情况下，位置传感器610可以包括其他部件，例如滤光器614或连接板619，以增强测量信号或提供电连接和各种其他功能。
如上所述，快速扫描可以以相对高的扫描速率运行，而慢速扫描可以以等于视频帧速率的扫描速率运行。在某些应用中，快速扫描以谐振方式运行，而慢速扫描提供基本锯齿图案，在帧时间的(大)部分内逐步向下扫描帧，然后飞回帧顶部重新开始或以连续的方式从下到上往回扫描。在其他应用中，交错锯齿扫描、三角波扫描、正弦扫描和其他波形可用于驱动一个或两个轴。驱动信号可以是包括多个分量或单独波形的复合信号。
驱动信号的一个或多个分量可以通过时钟信号同步或借助时钟信号与固定相位关系组合。图7示出了用于驱动扫描镜的波形的示例。如示例700所示，用于产生绕快速扫描轴和慢速扫描轴旋转运动的驱动信号可以由时钟信号720同步。时钟信号720可以与如上所述的快速扫描具有相同频率，或为快速扫描频率的预定倍数n(n＝2,3,4,5,6,7,8,9,10等)。时钟信号可以是脉冲信号、数字信号、连续信号或任何其他形式。如示例700中所示，慢速扫描波形701可以响应于在快速扫描扫掠到达开始/结束时产生的时钟信号720而开始。
在一些情况下，用于致动根据本发明的许多实施例的驱动信号可以涉及波形的组合。例如，波形703是用于以对应的高谐振频率驱动绕第一轴的第一振荡运动的高频信号/分量。这种情况下的波形703可以是用于快速扫描的驱动频率分量。波形701是用于以对应的较低(谐振)频率驱动绕第二轴的第二振荡运动的较低频率信号。这种情况下的波形701可以是用于慢速扫描的驱动频率分量。慢速扫描波形701和快速扫描波形703可以是提供给扫描镜的驱动信号的复合频率分量。
在一些情况下，可以通过改变用于慢速扫描运动的驱动信号来控制沿垂直方向或慢速扫描方向的像素分布(垂直分辨率)。如示例710中所示，用于驱动绕慢速扫描轴的振荡运动的波形710可以是包括低频分量713和高频分量715的复合信号711。这两个分量可以与预定的相位关系组合，使得叠加信号711可以驱动扫描板在选定的时间间隔内(在垂直扫描周期内)以增加/减小的速度旋转，从而减小/增加选定区域中的像素密度。在时钟信号720的帮助下，这两个分量可以同步或以固定的相位关系组合。
图8示出了用于驱动具有光栅收缩校正的扫描镜的波形801的示例。用于致动慢速扫描运动的波形可以是斜坡波形。响应于斜坡垂直扫描的扫描光束或一系列光脉冲所遵循的路径可近似于光栅图案。用于驱动绕慢速扫描轴的振荡运动的波形可以是包括低频分量803和高频分量805的复合信号801。低频分量803可以是与偏谐频率信号叠加的谐振信号，例如作为近似锯齿波形805。低频分量803可以或可以不处于或接近围绕慢速扫描轴的谐振频率。在某些情况下，低频分量可处于谐振频率，以实现更大范围的偏转角。或者，低频分量可以是偏谐频率以避免操作期间的频率漂移。高频分量805可以近似锯齿波并且可以是快速扫描轴的谐振频率的两倍。高频分量805可用于驱动扫描板以两倍于快速扫描的谐振频率旋转，并且相位由时钟信号同步。通过将两倍于快速扫描运动的高频分量与低频分量相结合，并在时钟信号的帮助下使它们同步，扫描镜可以偏转包括从左到右和从右到左扫描方向的基本平行路径的光脉冲，基本上消除了光栅收缩失真。
图9示出了由单独波形903、905例示的复合驱动信号901的另一个示例。如示例中所示，用于驱动绕慢速扫描轴的振荡运动的波形可以是复合信号901，其包括低频分量903和高频分量905。这两个分量可以与预定的相位关系组合，使得叠加信号901可以驱动扫描板在选定的时间间隔内(在垂直扫掠内)以增大/减小的速度移动，从而减少/增加所选区域中的像素密度。在某些情况下，高频分量可具有变化的幅度，使得组合信号的波形/幅度可以在细粒度控制水平上进行调整。应注意的是，高频分量905可以具有任何任意波形，只要合成的复合信号901可以具有用于减慢或加速在垂直方向上速度的期望波形即可。
图10示意性地示出了改变对应于慢速扫描运动的驱动信号的示例。响应于驱动信号(例如，图9中的驱动信号901)调整扫描图案1001中所示的沿垂直方向的像素分布/密度，从而在中间区域1005中增加垂直分辨率。这也意味着更密集的测量脉冲被发射到视场的中间区域1005。这有利地允许提高对环境进行采样的效率。
应当注意，可以以任何合适的方式组合如上所述的驱动信号以产生期望的效果。例如，通过组合如上所述的信号分量，可以同时执行光栅收缩校正和像素分布变化。图11示出了具有可配置的测量点分布或像素分辨率的扫描图案的示例。可以通过向扫描镜产生驱动信号来动态调整扫描图案1101。驱动信号可以包括多个信号分量，其中第一分量具有快速扫描的谐振频率以产生围绕快速扫描轴的运动，第二分量具有慢速扫描的(谐振)频率以产生围绕慢速扫描轴的运动，第三分量的频率是快速扫描频率的两倍，用于产生绕慢速扫描轴的高频移动(以校正光栅收缩失真)，以及第四分量的频率和/或波形用于改变慢速扫描运动的速度(以在垂直方向调整选定区域的像素密度)。
多个分量可以与固定相位差组合或在如本文别处描述的位置信号的帮助下同步。例如，具有快速扫描谐振频率的第一分量可以与第二分量同步，用于以零相位差致动慢速扫描的低频运动(即，当垂直扫描处于其开始/结束位置时，水平扫掠到达其开始/结束位置)。这也可以通过为两个方向上的振荡运动选择谐振频率和/或振荡频率使得一个频率是另一个频率的预定倍数来实现。类似地，第一分量也可以与频率为第一分量频率两倍的第三分量同步，以校正光栅收缩失真。第四分量和第二分量可以具有可控或可配置的相位关系或幅度关系，使得可以基于实时条件动态控制扫描镜的慢速扫描运动。
在某些情况下，还可以调整沿水平方向或快速扫描方向的像素分布。这可以通过控制光源以期望的时间间隔产生光脉冲来实现。例如，在使用光纤激光器的情况下，可以通过控制种子光脉冲的时间间隔来实现可变的时间间隔。
在某些情况下，不均匀的像素(点)分布可能是优选的，以便可以以可控的方式将密集的光斑发射到选定区域中。例如，光斑可能优选在线扫描的中间更密集，或者在探测到目标物体并且需要细节的区域中更密集。这有益地在选定区域上提供了可调节的分辨率，从而提高了激光雷达成像的采样和计算效率。作为示例，可以响应于潜在目标的探测而动态地调整像素分布和/或扫描图案。可以基于包括环境条件或激光雷达系统的条件的一个或多个实时条件动态地确定扫描图案或像素分布。
图12示意性地示出响应于实时条件动态地配置像素/测量点的分布和密度的示例。在一些情况下，在第一操作设置1201期间，可以识别感兴趣目标1205并且可能需要更多用于进一步识别的信息。响应于识别目标在视场中的位置，所提供的系统可以采用第二操作设置1203并相应地调整产生给扫描镜和光源的驱动信号。第二操作设置可以导致分配给感兴趣目标区域的像素或测量点的密度更高。
在某些情况下，扫描图案或像素分布可动态变化，以提高激光雷达系统的能量效率。例如，当探测到激光雷达系统处于不太复杂的环境(例如，乡村)时，可以选择具有朝向视野边缘分配较少像素的扫描图案或分辨率。这可以通过改变驱动信号或改变用于致动慢速扫描运动的驱动信号的一个或多个分量和/或调整光源的控制信号来实现。
图13示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于扫描器的控制系统1300的框图。控制系统1300可以与图1中描述的扫描器控制单元相同。扫描镜1301可以由控制系统1300控制。扫描镜可以与本文别处描述的扫描镜相同。例如，扫描镜可以包括单个多轴扫描镜。在一些实施例中，扫描镜1303可以被致动以绕快速扫描轴和慢速扫描轴旋转。
慢速扫描运动可以由位置传感器探测。在一些情况下，慢速扫描运动可以由信号分析器1305分析。在一些情况下，慢速扫描运动可以是围绕快速扫描轴的谐振频率的两倍的频率的斜坡垂直扫描。与慢速扫描运动相关联的各个波形(振荡运动的特征)可以由信号分析器提取并馈送到控制器1307，用于进一步调整或生成控制信号到慢速扫描控制单元。
在一些情况下，控制器1307可以与主控制器或外部控制实体通信。例如，控制器1307可以从主控制器接收指令以调整驱动信号以便改变扫描镜的慢速扫描运动。例如，当探测到目标时，控制器1307可以接收包含关于目标的位置(坐标)的信息的指令。响应于该指令，控制器1307可以向慢速扫描波形发生器1311生成指令以生成用于改变扫描镜的垂直/慢速扫描运动的驱动信号的波形或分量波形。例如，可以产生具有变化幅度的高频分量或单独的高频波形并将其添加到用于驱动慢速扫描运动的信号分量，从而降低在目标位置中移动速度。在时钟1309产生的时钟信号的辅助下，可变高频波形可以与其他分量组合。
然后可以将与慢速扫描运动相关联的单独波形发送到慢速扫描控制单元1313以产生控制信号。可以生成用于致动慢速扫描运动的驱动信号分量并将其与用于致动快速扫描运动的驱动信号分量组合。
扫描镜1301的快速扫描运动可以由如上所述的位置传感器监测和探测。可以利用快速扫描运动来生成时钟信号，用于同步慢速扫描运动和快速扫描运动，如本文别处所述。在一些实施例中，时钟信号可以由时钟1309产生并提供给慢速扫描波形发生器1311以触发慢速扫描运动的控制信号。时钟信号还可用于同步或组合复合驱动信号的各种信号分量以用于如上所述的各种目的。
可以将快速扫描运动作为反馈信息馈送到快速扫描控制单元1303，用于生成控制信号。快速扫描控制单元1303可根据反馈信息动态调整控制信号或产生用于致动快速扫描运动的驱动信号。
在一些情况下，包括来自快速扫描控制单元1303和慢速扫描控制单元1313的输出的组合驱动信号可以被发送到扫描镜的驱动电路。
控制单元、功能、算法、操作、电路或方法可以使用软件、硬件或固件或其组合来实现。在一些实施例中，控制单元可以包括一个或多个处理器和至少一个用于存储程序指令的存储器。处理器可以是激光雷达系统的部件。或者，处理器可以在激光雷达系统的外部但与激光雷达系统通信。处理器可以是单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或能够执行特定指令集的数字信号处理器(DSP)。计算机可读指令可以存储在有形的非暂时性计算机可读介质上，例如软盘、硬盘、CD-ROM(光盘只读存储器)和MO(磁光)，DVD-ROM(数字通用磁盘只读存储器)、DVD RAM(数字通用磁盘随机存取存储器)或半导体存储器。控制单元可以是与激光雷达系统通信的独立装置或系统。或者，控制单元可以是激光雷达系统的部件。可以在硬件部件或硬件和软件的组合(例如ASIC、专用计算机或通用计算机)中实现诸如响应于实时条件而生成可变垂直扫描运动之类的本文公开的方法。
所提供的激光控制或稳定方法和机制可与各种激光雷达系统结合使用或可用于各种应用。例如，当在给定区域中需要更密集的光斑时，可以改变垂直扫描运动。在这种情况下，上述方法和机制还可以为扫描器提供稳定性和光栅收缩校正。
配备有所述扫描器控制机构的激光雷达系统可设置在可移动物体上以感测可移动物体周围的环境。或者，激光雷达系统可以安装在静止物体上。
本发明的可移动物体可以被配置为在任何合适的环境中移动，例如在空中(例如，固定翼飞行器、旋翼飞行器或既没有固定翼也没有旋翼的飞行器)，在水中(例如，船或潜艇)，地面(例如，机动车辆，如汽车、卡车、公共汽车、货车、摩托车、自行车；可移动的结构或框架，如棍子、鱼竿；或火车)，地下(例如地铁)，太空(例如航天飞机、卫星或探测器)，或这些环境的任意组合。可移动物体可以是车辆，例如本文别处描述的车辆。在一些实施例中，可移动物体可以由活体携带，或者从活体例如人或动物发射。
在某些情况下，可移动物体可以是自主车辆，其可以被称为自主汽车、无驾驶员汽车、自动驾驶汽车、机器人汽车或无人驾驶汽车。在某些情况下，自主车辆可以指被配置为在很少或没有人工输入的情况下感测其环境和导航或驾驶的车辆。例如，自主车辆可以配置为驾驶到任何合适的位置并在整个行程中控制或执行所有安全关键功能(例如，驾驶、转向、制动、停车)，而不希望驾驶员随时控制车辆。作为另一个示例，自主车辆可以允许驾驶员安全地将他们的注意力从特定环境(例如，在高速公路上)的驾驶任务转移开，或者自主车辆可以在除少数环境之外的所有环境中提供对车辆的控制，需要很少或不需要驾驶员的输入或注意力。
在某些情况下，激光雷达系统可以作为自动车辆驾驶系统的一部分集成到车辆中。例如，激光雷达系统可以向自主车辆的驾驶系统提供关于周围环境的信息。在一个示例中，激光雷达系统可以提供车辆的360度水平视场。自主车辆驾驶系统可以包括一个或多个计算系统，这些计算系统从激光雷达系统接收有关周围环境的信息，分析接收到的信息，并向车辆的驾驶系统(例如，方向盘、加速器、制动器或转弯信号)提供控制信号。
如本文所用，A和/或B包括A或B中的一个或多个，及其组合，例如A和B。应理解，尽管本文使用了术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元素、部件、区域和/或部分，这些元素、部件、区域和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元素、部件、区域或部分与另一元素、部件、区域或部分区分开来。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，本文讨论的第一元素、部件、区域或部分可以被称为第二元素、部件、区域或部分。
此处使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包含有”或“包括”和/或“包括有”指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元素、部件和/或它们的组。
在整个说明书中对“一些实施例”或“一个实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语“在一些实施例中”或“在一个实施例中”不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
虽然这里已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说，这些实施例仅作为示例提供是显而易见的。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、变化和替换。应当理解，在实践本发明时可以采用对这里描述的本发明的实施例的各种替代。在此描述的实施例的多种不同组合是可能的，并且这样的组合被认为是本公开的一部分。此外，结合本文的任一实施例讨论的所有特征可以容易地适用于本文的其他实施例。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并且由此涵盖在这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构。

Claims (45)

1.一种用于控制激光雷达系统的扫描器的方法，包括：
由所述扫描器的位置传感器产生触发信号；
产生包括第一频率的第一分量和第二频率的第二分量的单个驱动信号，其中所述第一分量和所述第二分量借助所述触发信号以固定的相位关系叠加；
将所述单个驱动信号发送至所述扫描器，其中所述扫描器在第一频率具有谐振响应；以及
致动所述扫描器以围绕第一轴以所述第一频率进行第一周期运动，并围绕第二轴以第二频率进行第二周期运动。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述扫描器包括单个多轴镜部。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一周期运动围绕所述第一轴以所述扫描器的第一谐振频率进行。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二周期运动围绕所述第二轴以所述扫描器的第二谐振频率进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二分量包括斜坡波形。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述第二分量包括低频波形分量和高频波形分量。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述高频波形分量的频率是所述第一分量的第一频率的两倍。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述高频波形分量和低频波形分量在所述触发信号的辅助下同步。
9.如权利要求6所述的方法，其中，所述高频波形分量具有可变幅度。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述高频波形分量和所述低频波形分量以预定相位关系组合。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述高频波形分量响应于实时条件而产生。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述实时条件包括探测到目标。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述触发信号在第一周期运动的扫掠循环周期的开始或结束时产生。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二分量响应于接收到所述触发信号而产生。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述扫描器沿着近似于光栅扫描图案的扫描图案引导光脉冲序列。
16.如权利要求15所述的方法，还包括根据实时条件沿第二轴方向动态调整所述扫描图案。
17.如权利要求16所述的方法，其中，沿着第二轴方向调整扫描图案包括通过将高频波形分量叠加到所述单个驱动信号来改变所述第二周期运动。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述高频波形分量的幅度或频率基于所述实时条件确定。
19.如权利要求15所述的方法，还包括根据实时条件沿第一轴方向动态调整所述扫描图案。
20.如权利要求19所述的方法，其中，沿第一轴方向调整扫描图案包括改变发射所述光脉冲序列的时间间隔。
21.如权利要求1所述的方法，其中，所述位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。
22.一种用于激光雷达系统的扫描器，包括：
扫描器，被致动以围绕第一轴以第一频率进行第一周期运动，并围绕第二轴以第二频率进行第二周期运动；
位置传感器，配置为产生触发信号；以及
控制器，配置为生成单个驱动信号以致动所述扫描器，其中所述单个驱动信号包括第一频率的第一分量和第二频率的第二分量，其中所述第一分量和第二分量在触发信号的辅助下以固定的相位关系叠加。
23.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述扫描器包括单个多轴镜部。
24.如权利要求23所述的扫描器，其中，所述单个多轴镜部包括通过一个或多个扭力臂悬挂在万向架上的扫描板。
25.如权利要求24所述的扫描器，其中，所述一个或多个扭力臂呈H形。
26.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述第一周期运动围绕所述第一轴以所述扫描器的第一谐振频率进行。
27.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述第二周期运动围绕所述第二轴以所述扫描器的第二谐振频率进行。
28.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述第二分量包括斜坡波形。
29.如权利要求28所述的扫描器，其中，所述第二分量包括低频波形分量和高频波形分量。
30.如权利要求29所述的扫描器，其中，所述高频波形分量的频率是所述第一分量的第一频率的两倍。
31.如权利要求30所述的扫描器，其中，所述高频波形分量和低频波形分量在所述触发信号的辅助下被同步。
32.如权利要求29所述的扫描器，其中，所述高频波形分量具有可变幅度。
33.如权利要求32所述的扫描器，其中，所述高频波形分量和所述低频波形分量以固定的相位关系组合。
34.如权利要求32所述的扫描器，其中，所述高频波形分量响应于实时条件而产生。
35.如权利要求34所述的扫描器，其中，所述实时条件包括检测到目标。
36.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。
37.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述位置传感器用于探测所述扫描器的运动。
38.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述触发信号是在第一周期运动的扫掠循环周期的开始或结束时产生的。
39.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述控制器被配置为响应于接收到所述触发信号而产生所述第二分量。
40.如权利要求22所述的扫描器，其中，所述扫描器沿着近似于光栅扫描图案的扫描图案引导所述光脉冲序列。
41.如权利要求40所述的扫描器，其中，所述扫描图案根据实时条件沿第二轴方向动态调整。
42.如权利要求41所述的扫描器，其中，通过将高频波形分量叠加到所述单个驱动信号以改变所述第二周期运动，来调整所述扫描图案。
43.如权利要求42所述的扫描器，其中，所述高频波形分量的幅度或频率基于实时条件确定。
44.如权利要求40所述的扫描器，其中，所述扫描图案根据实时条件沿第一轴方向动态调整。
45.如权利要求42所述的扫描器，其中，通过改变发射所述光脉冲序列的时间间隔来调整所述扫描图案。
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