CN114846352A - 具有平坦光学器件和旋转反射镜并在高帧速率、高空间分辨率和低功耗下实现360度视场的LiDAR光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种360度视场LiDAR将光递送到目标并且检测从所述目标反射的所述光的一小部分以确定从光源/检测器到取决于方位角跨各种垂直仰角放置在360度全景视场的任何点处的目标的距离。LiDAR实施方案允许跨整个方位角范围扫描内置阵列激光光源和检测器阵列。所述LiDAR实施方案具有所述激光光源阵列的独特布置，并且所述检测器阵列附到刚性基部，同时旋转潜望镜扫描器包含电机和反射镜，所述反射镜在平面内旋转以将光源投影到周围环境并且从周围环境接收光。系统递送高帧速率、高空间(类似VGA)分辨率和低功耗系统。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据美国法典第35条第119(e)款要求以下各项的优先权：2019年11月19日提交并且标题为“Suspension Damper System for Vibration Control of Time ofFlight System”的美国临时专利申请序号62/937,582、2019年11月19日提交并且标题为“Closed Loop Temperature Controlled Time-Of-Flight System”的美国临时专利申请序号62/937,577、2019年11月6日提交并且标题为“Flat Optics With Passive ElementsFunctions As a Transformation Optics and A Compact Scanner To Cover TheVertical Elevation Field-Of-View”的美国临时专利申请序号62/931,652、2019年10月31日提交并且标题为“LiDAR Optical System With Dual Capabilities Of Far-FieldAnd Near-Field Object Detection And Ability To Vary The Vertical-Field Of-View Coverage”的美国临时专利申请序号62/928,750、2019年10月24日提交并且标题为“LiDAR Optical System With Flat Optics and Rotating Mirror To Enable 360-degree Field-Of-View at High Rotational Speed and Low Current Draw”的美国临时专利申请序号62/925,537，这些申请都特此通过引用整体地并入以用于所有目的。
技术领域
本发明涉及光检测和测距(LiDAR)的领域中的光学递送和光学接收系统。
背景技术
在现有LiDAR设计中，系统配备有位于旋转主轴上的激光器和检测器并且能够执行360度方位视场(FOV)。随着主轴旋转，主轴上的激光器由外部触发器触发并且瞬间打开以在瞄准远处目标的同时递送光。同时地，检测器被打开同时等待接收来自目标的反射光。为了给有源激光器和检测器元件的驱动电子装置供电并且从激光器和检测器传送数字信号数据，外部电源电子电路系统被使用但是只能通过主轴感应地耦合到板。感应耦合设计的一个固有缺点是被安装在旋转主轴上的有源元件(激光器阵列和检测器阵列)可能由于作为感应充电电路系统的固有部分的滑环的磨损和龟裂而经历间歇性开路问题。此类发生事件能够防止LiDAR系统向激光器和检测器元件可靠地提供电流以及通过旋转主轴的感应电路来向激光器和检测器驱动器电子装置传送数字信号或者从激光器和检测器驱动器电子装置传送数字信号。除了连接问题之外，先前的LiDAR实施方案还具有慢帧速率和差图像分辨率。
发明内容
本文描述的LiDAR光学系统通过将激光器阵列和检测器阵列放置在固定安装件上来解决此类缺点，该固定安装件允许直接连接到外部电源以驱动电子装置并且从板向外界传送数据，同时仍然并入一组独特的光学器件以为用360度方位视场(FOV)和高空间垂直分辨率扫描周围环境的目的服务。潜望镜扫描器设计以高帧速率实现类似视频图形阵列(VGA)的空间图像分辨率。LiDAR光学系统的一个重要要素强调如何与先前设计不同地形成点云，由此来自反射光的垂直线能够根据水平扫描角而变化。
附图说明
图1图示了根据一些实施方式的LiDAR光学系统的内部构造的横截面视图的正视图。
图2图示了根据一些实施方式的LiDAR光学系统的内部构造的横截面视图的侧视图。
图3图示了根据一些实施方式的LiDAR光学系统的横截面视图的侧视图。
图4图示了根据一些实施方式示出轴向场电机和旋转反射镜的LiDAR的内部构造的视图。
图5图示了根据一些实施方式的作为方位角旋转的函数的单个发射器、2x2发射器阵列、4x4发射器阵列的垂直仰角变化。
图6图示了根据一些实施方式的发射器随着偏转反射镜绕其垂直轴线旋转而通过的椭圆形路径。
图7图示了根据一些实施方式随着潜望镜绕垂直轴线旋转而在其垂直位置中逐渐地旋转的起始仰角。
图8图示了根据一些实施方式的目标上的发射器阵列如何随着电机旋转而经历旋转。
图9图示了根据一些实施方式的具有10个VCSEL管芯的示例性2x5 VCSEL阵列。
图10图示了根据一些实施方式的具有16个APD元件的示例性1x16 SPAD检测器阵列。
图11图示了根据一些实施方式的平坦光学器件相对于VCSEL阵列的布置以及光如何被平坦光学器件更加准直。
图12图示了根据一些实施方式的准直平坦光学器件的工作原理及其减少来自发射器的束发散的能力。
图13和图14图示了根据一些实施方式的能够将来自目标的反射光聚焦到个别检测器元件中的基于平坦光学器件的聚焦透镜。
图15图示了根据一些实施方式的用于控制LiDAR光学系统的电子装置。
图16图示了旋转反射镜和偏转平坦光学器件的组合能够根据一些实施方式类似于能够使激光束转向到给定垂直仰角的里斯利(Risley)棱镜操作。
图17图示了根据一些实施方式的能够被动地使激光束转向到给定垂直仰角的超表面/平坦光学器件。
图18图示了根据一些实施方式的指示激光源如何被目标反射离开然后被检测器收集的LiDAR光学系统的光线追踪。
图19图示了根据一些实施方式的具有里斯利扫描器设计的光学系统。
图20图示了根据一些实施方式的图像的也被定义为空间分辨率的角分辨率。
图21图示了根据一些实施方式的具有弹簧和螺钉的阻尼器环的图。
图22图示了根据一些实施方式的超表面/平坦光学器件实施方案的图。
图23图示了根据一些实施方式的超原子偏转配置的图。
图24A-B图示了根据一些实施方式的由非周期性超原子结构进行的偏转的图和分析。
图25图示了根据一些实施方式的处于0.5度的偏转器超表面的图。
图26图示了根据一些实施方式的垂直和水平偏转器超表面的图。
图27图示了根据一些实施方式的作为方位角旋转的函数的8x8发射器阵列的垂直仰角变化。
图28图示了根据一些实施方式的同轴配置的图。
图29图示了根据一些实施方式的结合偏转器/超表面光学器件旋转的潜望镜反射镜。
具体实施方式
飞行时间(TOF)光学系统(也称为LiDAR光学系统)被设计来测量光子行进到一定距离远处目标并且反射光子从目标行进回到检测器所花费的总时间。取决于来自激光器的光子击中目标并且反射光子被检测器检测到所花费的时间，能够确定总行进距离。如本文所公开的LiDAR光学系统在如何实现360度方位FOV和如何在高帧速率下实现高垂直空间分辨率方面与先前实施方案不同。每条光路被独立地启动并且扫描空间中的不同位置，然后检测器同时地检测来自空间中的每个不同位置的光源，这与先前实施方案相比允许潜望镜反射镜非常快地自旋。例如，帧速率能够是60Hz或更大。LiDAR光学系统能够具有固定地安装在刚性基部上的激光器或激光器阵列和检测器或检测器阵列，但是同时经由旋转反射镜扫描完整360度周围环境。在一些实施方式中，激光器或激光器阵列和检测器或检测器阵列具有同轴定向。在LiDAR光学系统中，使用旋转潜望镜来将来自激光器阵列的光引导到外界，从而实现360度水平FOV。
图1图示了根据一些实施方式的LiDAR光学系统的内部构造的横截面视图的正视图。如从此视图看到的，LiDAR光学系统包括：透明罩盖100、具有反射镜的潜望镜支架102、顶部转子后板104、平坦光学器件透镜106、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)照射器板组件124、准直器透镜(例如，平坦光学器件)128、薄截面轴承140和12极轴向磁铁144。在LiDAR光学系统的其他视图中能够看到附加部件。在一些实施方式中，在LiDAR光学系统中包含较少或附加部件。在一些实施方式中，在LiDAR光学系统中包括部件的变化。
图2图示了根据一些实施方式的LiDAR光学系统的内部构造的横截面视图的侧视图。LiDAR光学系统包括：透明罩盖100、具有反射镜的潜望镜支架102、顶部转子后板104、平坦光学器件透镜106、转子甲板108、具有保持器支架110的分束器、化学吸收剂112、外壳114、光学台116、热沉118、具有螺钉120的3x弹簧、阻尼器环块122、VCSEL照射器板组件124、热电冷却器(TEC)(TEC)(具有热滑脂)126、准直器透镜(例如，平坦光学器件)128、具有泡沫交织件的双栈PCBA 130、数据和电力用外部出口132、O形圈134、复合透镜组组件(例如，平坦光学器件)136、单光子雪崩检测器(SPAD)板组件138、薄截面轴承140、垫片环142、12极轴向磁铁144和9线圈定子绕线管146。
LiDAR光学系统的侧视图示出了激光束朝向反射该束的对象通过分束器110从VCSEL照射器板组件124向潜望镜反射镜102发射(或者该束的部分通过分束器110回到潜望镜反射镜102，所述分束器将返回束引导到复合透镜组组件136)。
本文描述的LiDAR光学系统的配置消除了使激光器和检测器共同位于旋转主轴上的需要。来自目标的返回光被潜望镜反射镜102拦截并且通过分束器110和聚焦透镜136被引导到检测器阵列中。所描述的配置改进整体电信号完整性，因为代替如在先前实施方案中一样的感应耦合，存在将发射器和检测器两者的信号线和电源线连接到外界的物理连接。
图3图示了根据一些实施方式的LiDAR光学系统的横截面视图的侧视图。LiDAR光学系统的各方面包括作为发光源的VCSEL阵列124、作为光检测阵列的单光子雪崩检测器(SPAD)阵列138、用于准直来自VCSEL阵列124的离开激光束的光学准直透镜(平坦光学器件)元件140、用于将返回激光束聚焦到SPAD阵列138的光学聚焦透镜(平坦光学器件)元件146、既引导从VCSEL阵列124到旋转潜望镜反射镜102去往目标的传出激光发射器束路径以及又将从目标返回的激光束反射回到光电检测器阵列138的光学分束器110、在目的是为了在光行进到轴向场电机上的反射镜102之前将准直激光光偏转到特定垂直仰角(类似于潜艇的潜望镜)的情况下作为光递送系统的部分沿着分束器110与潜望镜反射镜102之间的光路的偏转光学透镜(平坦光学器件)元件106、(L束的)冷却系统、振动减少系统以及水分/湿度减轻系统。在一些实施方式中，在LiDAR光学系统中包括较少或附加部件。
另外，LiDAR光学系统允许将密集的发射器阵列和检测器阵列紧凑地集成到TOF系统中并且能够实现类似VGA的垂直和水平空间分辨率图像。例如，分辨率能够是640x480个像素或更高。能够获取垂直和水平方向上的可变图像分辨率，包括在低仰角下的第一组分辨率和在更高仰角下的第二组分辨率。类似地，在水平方向上，能够修改激发占空比以增加激发频率或降低激发频率。能够将激光器阵列中的每个发射器或发射器组对准到检测器阵列内对应的检测器元件。为了将发射器与所对应的检测器一起布置，在垂直仰角方向上的光学对准方面能够存在一个发射器对一个检测器、一个发射器对许多检测器元件、许多发射器元件对一个检测器元件和许多发射器对许多检测器元件。来自对的发射器被设计成指向预定义垂直仰角，然而检测器被设置成接收从相同垂直仰角的目标反射回的光。能够如图3所指示的那样通过偏转透镜平坦光学器件使每个匹配对转向到特定垂直仰角。给定垂直仰角的每个发射器/检测器对可能随着潜望镜绕其水平扫描角旋转以覆盖整个360°方位角而在垂直仰角上经历变化。
图4图示了示出轴向场电机和旋转反射镜的LiDAR的内部构造。具体地，潜望镜反射镜102能够使用电机磁环144和电机定子绕线管组件146来移动。能够添加另一轴承以在LiDAR被面向下安装的情况下限制推力效果。
如图5所示，从给定发射器起的起始垂直仰角随着电机在方位角上从0度旋转到360度而在垂直仰角上经历变化。图5还示出了作为水平角度的函数的1个发射器、2x2发射器阵列和4x4发射器阵列的扫描垂直图案。尽管讨论了1、2x2和4x4发射器阵列，但是能够利用8x8发射器阵列(图27)、16x16发射器阵列及以后阵列。由于特定仰角的每个发射器/检测器对通过如图5所示的椭圆形路径，发生随着潜望镜旋转在垂直仰角上的变化。随着电机旋转的每条椭圆形路径对具有不同的起始垂直仰角的发射器来说是不同的，并且路径在完整360°水平旋转之后重复它本身。
图6图示了根据一些实施方式的发射器随着偏转反射镜绕其垂直轴线旋转而通过的椭圆形路径。固定位置的任何给定发射器将随着反射镜旋转而改变仰角。随着检测镜绕其垂直轴线旋转，偏转光通过椭圆形路径。
图7图示了根据一些实施方式起始仰角将随着潜望镜绕垂直轴线旋转而在其垂直位置中逐渐地旋转。所示出的圆盘是使发光源垂直于原始角度旋转90度的偏转反射镜。
图8图示了根据一些实施方式目标上的发射器阵列将如何随着电机旋转而经历旋转。正方形表示目标上的阵列的图像。随着反射镜旋转，参考系旋转。当参考系旋转时，它允许固定线扫描空间中不同的空间几何坐标。通过旋转，能够获得高得多的分辨率内容。
图9图示了根据一些实施方式的示例性VCSEL阵列光源的配置。VCSEL 124包括多个管芯和多个发射器元件以形成阵列。取决于电子驱动器的配置，管芯内的每个发光元件能够被单独地选择或者全部同时发射。在发射器元件或管芯之上，存在准直光学元件(“平坦光学器件”)来准直所发射的激光束，从而减少激光束发散。所示出的VCSEL是示例，并且能够利用任何其他VCSEL(或其他装置)。
图10图示了根据一些实施方式的示例性SPAD阵列的配置之一。SPAD阵列138由能够被单独地选择的多个雪崩光电二极管(APD)元件组成。SPAD阵列138上的个别检测器元件被对准以接收与由特定垂直仰角的发射器对目标的特定照射部分相对应的传入反射光。所示出的SPAD是示例，并且能够利用任何其他SPAD(或其他装置)。
如图11所示，重要的是来自VCSEL阵列的多个子束与平坦光学器件一起被独特地准直以覆盖偏转透镜的完整区域。在准直之后，光在光到达偏转透镜之前行进到分束器，该偏振透镜将准直束偏转到特定范围的垂直仰角并且也被定义为垂直视场(V-FOV)。
对于LiDAR光学系统的垂直空间分辨率，它由如图8所示被以预定义间距独特地对准并且指向特定垂直仰角的发射器/检测器对确定。出于图示的目的，如图20所示，能够理解相邻对之间的角间距越小，空间分辨率就越高(分辨两个最近对象之间的分离的能力)。类似地，对于水平空间分辨率，它由激光的脉冲宽度、激光脉冲的重复率或占空比、以及潜望镜的旋转速度确定。激光的重复率越快并且潜望镜的旋转速度越高，水平空间分辨率越高。对于LiDAR的给定通道，它由唯一个别发射器和检测器对定义并且具有特定垂直角位置。LiDAR中的通道的总数对应于发射器和检测器对的总数，去它们一起覆盖特定范围的垂直仰角。对的接通/关闭用同时地触发激光器激发并且打开检测器的控制电子装置来实现。LiDAR光学系统的电子装置提供激光器激发和检测器接收光的序列的控制和同步以最终测量光子从激光源行进到目标并且从目标回到检测器的时间(如图15所示)。VCSEL、SPAD和触发电子装置是LiDAR光学系统的重要方面。
为了让来自VCSEL的外出束得以被适当地准直，在VCSEL前面存在准直透镜。在来自每个发射器的激光束被微透镜转向之后，存在准直透镜阵列，该准直透镜阵列是包括能够共同地使光弯曲到特定角度的亚微米柱阵列的基于超表面的平坦光学器件。超表面光学器件具有类似于常规光学透镜的某个焦距并且为减少来自VCSEL阵列的每个发射器的束的发散的目的服务，如图12所示。类似地，为了将反射返回束适当地聚焦到检测器中，如图10所示在SPAD前面存在聚焦透镜并且每个对能够被独特地准直和选择。最后，TOF系统中的点云的构造基于由所有通道对所有数据点的聚合，所有通道覆盖各种垂直仰角以进行三维感测。
LiDAR光学系统能够将来自固定安装式发射器的激光递送到其预定目标并且在潜望镜旋转以覆盖整个360方位角的同时收集从目标回到固定位置处的检测器的反射光。为了让激光器和检测器通过仅使潜望镜反射镜旋转来在整个360度方位FOV中自始至终保持固定，系统包括如图3所示的分束器、超表面/平坦光学器件元件和旋转潜望镜反射镜。当潜望镜旋转以覆盖不同的方位角位置时，来自激光源的传出光能够随着光在光通过反射潜望镜反射镜之前穿过超表面平坦光学器件透镜而被重新定向。类似地，在它穿过潜望镜之后的返回光能够在光通过分束器和聚焦透镜之前被相同的超面/平坦光学器件重新定向以将光引导到检测器元件中。图3和图4示出了LiDAR的配置中的超表面平坦光学器件(聚焦透镜、准直透镜和偏转透镜)的位置。三个超表面平坦光学器件能够工作以随着潜望镜反射镜旋转而使光源转向并且将其重新定向到不同的垂直仰角。类似地，在离开旋转反射镜之后来自目标的传入反射光能够在穿过偏转透镜之后从已旋转的参考系重新定向。
偏转平坦光学器件与潜望镜反射镜的组合类似于里斯利棱镜扫描器的操作原理操作，所述里斯利棱镜扫描器包括能够相对于彼此独立地旋转的两个楔形透镜元件。在里斯利棱镜的情况下，如图16所示独立地旋转的楔形元件能够使光源转向到某个垂直仰角。类似地，超表面/平坦光学器件由被沉积在透明基板上的多个几何薄膜透镜元件制成，并且如图17所示个别透镜元件能够被动地使传入束或传出束转向到其位置。超表面/平坦光学器件的优点是光学元件是固定的并且不需要机械移动的事实。
图18示出了从激光源通过系统中的所有光学元件到预定目标的传出光的整体光学射线追踪路径以及从目标反射并且通过光学元件回到检测器的返回光路。最后，LiDAR的整体高度尺寸能够通过使用平坦光学器件和潜望镜反射镜代替图19所示的里斯利棱镜而变得更紧凑。
用于LiDAR光学系统的光学元件包括：作为光源的VCSEL、作为检测器的SPAD、准直透镜、聚焦透镜、分束器、偏转透镜、旋转反射镜扫描器、以及控制有源器件的电子装置。配置示出了VCSEL和SPAD阵列到LiDAR中的集成，由此VCSEL充当光发射器源，并且SPAD充当光检测器。在一些实施方式中，VCSEL和SPAD阵列被调谐到接近IR 940nm波长。然而，在一些实施方式中，能够适应其他波长的光。VCSEL阵列上的发射器和SPAD阵列上的检测器的布置是重要的，因为它们被构造成密集地包装和对准到一组特定角位置以便实现所期望的空间分辨率和FOV。在一些实施方式中，发射器和检测器元件能够由位于有源元件前面的平坦光学器件转向，并且平坦光学器件被分开地制作，然后封装为VCSEL和SPAD器件的一部分(参考图10和图11以获得平坦光学器件与VCSEL和SPAD器件的集成)。在一些实施方式中，只要输入驱动器和输出信号线与驱动电路系统兼容，就能够适应VCSEL和SPAD配置。
图19图示了根据一些实施方式的具有里斯利扫描器设计的光学系统。LiDAR光学系统包括：透明罩盖1900、具有反射镜的潜望镜支架1902、顶部转子1904、双轴向环形磁铁1944、轴向线圈绕线管组件1946、半外部壳体1950、准直器1952、VCSEL照射器源1924、L形板1954、SPAD阵列传感器单元1938、热电冷却器单元1956、具有热沉的基部外壳1918、具有弹簧的基部外壳螺钉1914、三层PCBA 1958、光学台1960、复合透镜子组件1962、立方分束器子组件1910、里斯利棱镜子系统1964、聚焦透镜子组件1906、干燥剂滤光片1968、底部转子1966、轴承1940和定子垫片1942。在一些实施方式中，LiDAR光学系统中包含更少或额外的组件。在一些实施方式中，不是使用平坦光学器件，而是实现里斯利棱镜子系统。
在一些实施方式中，为了实现高空间分辨率，来自由平坦光学器件阵列转向的发射器的光源首先经历准直以便如图12所示减少或消除束的发散。在束准直之后激光的传出路径随后进入平坦光学器件偏转元件以使束转向到规定垂直仰角并且覆盖一定范围的垂直视场。为了实现高图像空间分辨率，电机以相对高的速度(60Hz到75Hz)旋转。电机的速度由如图1、图2和图3所示安装在轴向场电机的底面处的光学编码器控制。具有中空芯的超紧凑轴向场电机是集成系统的重要部分，因为设计允许潜望镜使用最少空间。垂直扫描器执行两个功能：(1)扫描垂直仰角范围并且(2)从笛卡尔坐标变换到极坐标。
在来自VCSEL的光穿过准直器透镜之后，它进入旋转潜望镜反射镜，其然后能够扫描整个360方位角范围。中空芯电机使由轴向场煎饼状定子和永久磁铁组成的潜望镜反射镜旋转。当定子被通电时，它在永久磁铁上施加平面内力，其然后使反射镜如图4所示绕旋转轴线旋转。如图2所示的一组平坦光学器件/超表面能够替换里斯利棱镜并且执行与里斯利棱镜相同的扫描功能。在这样的场景中，平坦光学器件由沉积在透明玻璃上的亚微米大小几何元件制成。随着光穿过平坦光学器件，能够以类似方式被动地使光转向(如图16和图17所示)。
与VCSEL光学布置类似，存在如图13和图14所示被放置在SPAD阵列前面以将光聚焦到个别检测器元件上的聚焦透镜平坦光学器件。来自目标的返回束将进入潜望镜并且从潜望镜行进到聚焦平坦光学器件。对于返回束，平坦光学器件能够使光束转向到所对应的检测器上并且将极坐标中的图像变换回到笛卡尔坐标。
为了出于距离确定的目的使激光激发同步并且将光返回到检测器，存在一组电子装置来协调如通过图15中的框图表示的触发和切换的顺序。电子装置还控制电机旋转1502以及电机如何与激光激发和返回光的检测同步。数字触发器激活激光驱动器以激发激光脉冲，并且同时打开检测器窗口以检测来自目标的返回光。由于光速是已知常数，所以在检测器检测到来自目标的返回光之前经过的时间量用于确定目标与传感器之间的距离。经转换后的距离值然后能够由FPGA 1504确定并传递到外界。另外，然后能够将表示目标的反射率的模拟返回信号的振幅转换为数字计数，并且FPGA 1504处理振幅/数字计数以报告目标的相对反射率。同时对于空间中的任何给定目标点，能够存在该点的空间坐标、行进到目标并返回所花费的时间以及目标的反射率。因此通过聚合所有点并且以3D格式表示它们来形成3D点云。温度和振动受控ToF室1500包括系统的若干方面。
为了生成距离和反射率测量点的密集点云，发射器和检测器有源元件都被以高重复率(典型重复率为每秒300k到100万个测量点)打开/关闭，这可能导致产生过度热量。为了减轻TOF系统中升高的温度，并入了主动冷却系统(在图3中也称为或包括导热板或热沉118)以去除过度热量。发射器和检测器都被安装在固定位置上，这允许容易接近热源。主动冷却系统包括珀尔帖(Peltier)冷却器、导热板、冷却鳍片和热敏电阻。
VCSEL和SPAD元件能够被安装在导热板上(图3)。导热板是L形支架，其中VCSEL被安装在支架的水平侧并且SPAD阵列被安装在支架的垂直侧。导热板由铜材料(或具有类似质量的另一材料)制成并且能够将来自热源(VCSEL和SPAD)的热量传导到珀尔帖冷却器的制冷侧。此后，将珀尔帖冷却器附接到支架的背面。由于铜板与珀尔帖冷却器的冷表面之间的温度差，热电冷却器(珀尔帖半导体冷却器)能够将热量从铜板上带走。珀尔帖冷却器的电气布线连接到位于LiDAR外壳底部的控制电子装置。珀耳帖冷却器是基于热电效应工作的半导体。装置具有两侧，并且当DC电流流过装置时，它将热量从一侧带到另一侧，使得一侧变得更冷而另一侧变得更热。“热”侧附接到热沉，使得它保持在环境温度，然而冷侧得以低于室温。在珀耳帖冷却器之后，在外壳的外体上有开槽的冷却鳍片，这能够通过对流冷却机构将热量从制冷单元除去。珀耳帖冷却器的背面被安装在LiDAR的底部外壳之上。作为底部外壳的部分的冷却鳍片(示出在图3中)能够面向外部，使得能够将热量从传入冷空气汲走。
为了具有闭环冷却/制冷反馈，存在位于热源附近的热敏电阻以动态地监测LiDAR光学系统的温度。整体硬件由一组电子装置控制，该电子装置被配置为从热敏电阻接收LiDAR光学系统的温度读数，然后动态地激活热电冷却系统以从L形支架去除过度热量。利用闭环反馈系统，整体LiDAR光学系统能够在其操作期间维持稳定的温度环境。在一些实施方式中，珀耳帖冷却器能够对于40mmx40mm尺寸去除约30W的热量。由于照射和检测器的平均功耗是大约2W，所以它完全在现成珀耳帖冷却器的能力内。考虑到冷却机制是通过使用导热板进行传导冷却，应该对周围空气有最小热干扰。本文描述的配置只是用于实现最大散热的许多不同布置之一。另一考虑事项是使PCBA被安装在TOF弧形的外部上以允许冷却鳍片与光学台直接接触。在替代配置中，可以维持恒定环境温度。最后，因为热电冷却系统占去非常小的空间，所以整体LiDAR光学系统能够在占位面积上保持非常紧凑。
对于汽车应用，距离测量中的大量准确度和精度非常重要。导致不准确测量的因素之一是从环境到测量系统的振动。固定LiDAR光学系统允许容易地集成悬架阻尼器以使光学台与外部振动干扰隔离。对于汽车级LiDAR，TOF测量应该示出2cm+/-1cm的距离准确度/精度和10％+/-5％的反射率准确度/精度，然而LiDAR经受恒定外部振动。为了实现那个，重要的是LiDAR光学系统在距离测量期间是无振动的。光学系统的VCSEL照射源和SPAD被安装在固定台上。在外壳底部处集成弹簧偏置螺钉和阻尼器环能够防止振动传送到TOF系统。整体悬架阻尼器硬件被设计为对整个LIDAR系统而言紧凑且成本合算的。
图21图示了根据一些实施方式的具有弹簧和螺钉的阻尼器环的图。为了防止振动(例如，来自车辆)传送到LiDAR系统，弹簧偏置螺钉和阻尼器环附接到LiDAR外壳的底部。尽管描述了一个阻尼器环，但是LiDAR系统能够容纳不止一个阻尼器环，诸如2、3、4或更多个。在一些实施方式中，沿着阻尼器环的圆周有三个弹簧偏置螺钉。阻尼器环具有用于螺钉的三个开槽的切掉截面，使得螺钉的基部与阻尼器环齐平。弹簧被安装在螺钉的前侧并且紧固到外壳的底部。类似地，可以有其他振动吸收阻尼器代替弹簧，诸如凝胶垫或橡胶类材料。
图22图示了根据一些实施方式的超表面/平坦光学实施方案的图。平坦光学器件包括透明基板上不同大小的介质柱。更具体地，平坦光学器件包括具有包括生成人造双折射并且表现像波板而且改变入射光的极化角的独特特征的亚波长柱的阵列。平坦光学器件包括n个介质天线的周期性结构，其中每个元件递增了(n*π/N)相，其中n＝1至n，n个元件从0到π并且形成角度为θ的闪耀光栅。
图23图示了根据一些实施方式的超原子偏转配置的图。超原子偏转配置(也称为超表面/平坦光学器件并且用作图1中的偏转光学器件/光学透镜106)包括在为了引导光而配置的透明基板之上具有多个柱的透明基板。在一些实施方式中，透明基板是SiO2，并且柱是无定形硅。柱能够是不同大小(例如，不同高度和/或不同直径)。
图24A-B图示了根据一些实施方式的由非周期性超原子结构进行的偏转的图和分析。如图所示超原子结构包括各种直径的柱。该图示出了19.9°偏转和20.0°偏转的差异。例如，第一组柱将光偏转19.9°，而第二组柱将光偏转20.0°。图25图示了根据一些实施方式的处于0.5度的偏转器超表面的图。偏转器超表面是通过改变柱的直径和柱的直径的组合(例如，在一组10个柱中)来设计。取决于柱的组合，光以不同角度偏转。
图26图示了根据一些实施方式的垂直和水平偏转器超表面的图。垂直仰角是θ，并且平面内运动是
偏转器超表面和偏转器超表面的不同配置能够影响垂直仰角和平面内运动。
图27图示了根据一些实施方式的作为方位角旋转的函数的8x8发射器阵列的垂直仰角变化。垂直轴线表示垂直仰角扩展，而水平轴线表示方位角扫描。点覆盖范围是FOV(垂直和水平)的函数。由于本文描述的LiDAR光学系统跨HFOV具有可变的垂直仰角，所以在宽度为±90°的180°下有更密集的点云中心并且朝向更高仰角有不太密集的点云。
图28图示了根据一些实施方式的同轴配置的图。如本文所描述的，在同轴配置中，发射和检测光学器件被共享，并且没有最小可检测距离。通过使用分束器，尽管发射器(例如，发射器阵列)和接收器(例如，检测阵列)未被定位在相同物理空间中，但是它们共享相同光路。例如，传送器和接收器彼此以90度角度定位，但是通过使用分束器，它们共享相同光路。这避免任何盲点。
图29图示了根据一些实施方式的结合偏转器/超表面光学器件旋转的潜望镜反射镜。在一些实施方式中，潜望镜反射镜和偏转器(偏转透镜)一起旋转(例如，通过将偏转器作为旋转机构的一部分与潜望镜反射镜面一起并入)，与图8中仅潜望镜反射镜旋转的的设计不同。
为了利用本文描述的LiDAR光学系统，诸如车辆或更具体地自主车辆的装置能够配备有LiDAR光学系统以执行周围环境的映射。基于映射，车辆能够执行功能，诸如避开障碍物或向驾驶员报警。LiDAR光学系统能够被定位在车辆上的任何地方，诸如在顶部、正面、后面或侧面上。LiDAR光学系统能够以诸如通过有线或以无线方式向车辆的计算系统发送信号的任何方式与车辆进行通信，所述计算系统能够取LiDAR信息并且执行动作，诸如停止车辆、改变车道和/或在车辆中触发警报。
在操作中，LiDAR光学系统能够向目标递送光并且检测从目标反射的光的一小部分以确定从光源/检测器到取决于方位角跨各种垂直仰角放置在360度全景视场的任何点处的目标的距离。LiDAR光学系统允许跨整个方位角范围扫描内置阵列激光源和检测器阵列。LiDAR光学系统具有激光光源阵列的独特布置，并且检测器阵列附到刚性基部，同时旋转潜望镜扫描器包含电机和反射镜，所述反射镜能够在平面内旋转以将光源投影到其周围环境并且从周围环境接收光。LiDAR光学系统能够递送高帧速率，高空间分辨率和低功耗系统。
已经在并入细节的特定实施方式方面描述了本发明以促进对本发明的构造和操作的原理的理解。本文对特定实施方式及其细节的这种引用不旨在限制所附权利要求的范围。对本领域的技术人员而言将容易地显而易见的是，在不脱离如由权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在为了图示而选取的实施方式中做出其他各种修改。
Claims (62)
1.一种设备，所述设备包括：
激光发射源，所述激光发射源被配置用于发射激光束；
一个或多个光学透镜元件，所述一个或多个光学透镜元件被配置用于准直来自所述激光发射源的所述激光束；
反射镜，所述反射镜位于轴向场电机上；
光检测阵列，所述光检测阵列被配置用于接收返回激光束；
一个或多个光学聚焦透镜元件，所述一个或多个光学聚焦透镜元件被配置用于将所述返回激光束聚焦到所述光检测阵列；以及
光学分束器，所述光学分束器被配置用于实现所述激光束从所述激光发射源到所述反射镜去往目标和所述返回激光束从所述目标反射回到所述光检测阵列的路径。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述激光发射源包括垂直腔表面发射激光器阵列。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述激光发射源内的每个发光源被单独地选择。
4.根据权利要求2所述的设备，其中用于使激光子束转向到特定垂直仰角的光学微透镜元件位于所述激光发射源上，并且来自所述激光发射源的多个子束与所述微透镜元件一起被独特地布置以覆盖特定范围的垂直仰角。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述一个或多个光学透镜元件是特定焦距的分立透镜元件以减少来自每个发射器的所述激光束的发散。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述光检测阵列包括单光子雪崩检测器阵列。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述单光子雪崩检测器阵列包括要单独地选择的多个雪崩光电二极管元件并且被对准以接收与由所述特定垂直仰角的发光源对所述目标的特定照射部分相对应的传入反射光。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述激光发射源是固定安装式发射器，并且所述反射镜被配置为旋转以覆盖整个360方位角。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括多个里斯利棱镜，所述多个里斯利棱镜被配置为在所述激光束行进到所述反射镜之前重新定向所述激光束。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述多个里斯利棱镜包括以预定的旋转速度旋转的两个楔形透镜元件。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括超表面平坦光学器件透镜，所述超表面平坦光学器件透镜被配置为在所述激光束行进到所述反射镜之前重新定向所述激光束。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述超表面平坦光学器件透镜包括被沉积在透明基板上的多个几何薄膜透镜元件。
13.根据权利要求1所述的设备，还包括电子部件集，所述电子部件集被配置为协调触发和切换的顺序以使所述激光激发同步并且将光返回到所述光检测阵列以进行距离确定。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述电子部件集被配置用于控制所述电机旋转并且使所述电机、所述激光发射源激发和对所述返回光的检测同步，其中数字触发器激活激光驱动器以激发所述激光束并且同时打开检测器窗口以检测来自所述目标的所述返回光。
15.根据权利要求14所述的设备，其中模拟返回信号的振幅表示所述目标的反射率，其然后被转换为数字计数并且现场可编程门阵列处理所述数字计数以报告所述目标的反射率，其中根据所述光从所述激光发射器行进到所述目标并返回的时间，时间计数器将所述经过时间值报告给所述现场可编程门阵列，其中对于空间中的目标点，存在所述点的空间坐标、行进到所述目标并返回的时间和所述目标的反射率，通过聚合所有点并且以3D格式表示所述点来形成3D点云。
16.根据权利要求1所述的设备，还包括冷却系统、减振系统和水分/湿度减轻系统。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述激光发射源和所述光检测阵列彼此以90度角度定位并且通过利用所述光学分束器来共享相同光路。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述反射镜被配置为以一速度自旋以提供60Hz或更高的帧速率，并且所获取的3D点云的分辨率是640x480个像素或更高。
19.根据权利要求11所述的设备，其中所述超表面平坦光学器件透镜被配置为结合所述反射镜旋转。
20.根据权利要求1所述的设备，其中生成了垂直和水平方向上的可变图像分辨率，包括在低仰角下的第一组分辨率和在更高仰角下的第二组分辨率。
21.根据权利要求1所述的设备，其中所述激光发射源的激发占空比被修改以增加激发频率或者降低所述激光发射源的所述激发频率。
22.一种系统，所述系统包括：
车辆；以及
光检测和测距LiDAR光学装置，所述LiDAR光学装置耦合到所述车辆，所述LiDAR光学装置包括：
激光发射源，所述激光发射源被配置用于发射激光束；
一个或多个光学透镜元件，所述一个或多个光学透镜元件被配置用于准直来自所述激光发射源的所述激光束；
反射镜，所述反射镜位于轴向场电机上；
光检测阵列，所述光检测阵列被配置用于接收返回激光束；
一个或多个光学聚焦透镜元件，所述一个或多个光学聚焦透镜元件被配置用于将所述返回激光束聚焦到所述光检测阵列；以及
光学分束器，所述光学分束器被配置用于实现所述激光束从所述激光发射源到所述反射镜去往目标和所述返回激光束从所述目标反射回到所述光检测阵列的路径。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述激光发射源包括垂直腔表面发射激光器阵列。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述激光发射源内的每个发光源被单独地选择。
25.根据权利要求23所述的系统，其中用于使激光子束转向到特定垂直仰角的光学微透镜元件位于所述激光发射源上，并且来自所述激光发射源的多个子束与所述微透镜元件一起被独特地布置以覆盖特定范围的垂直仰角。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述一个或多个光学透镜元件是特定焦距的分立透镜元件以减少来自每个发射器的所述激光束的发散。
27.根据权利要求22所述的系统，其中所述光检测阵列包括单光子雪崩检测器阵列。
28.根据权利要求27的系统中，其中所述单光子雪崩检测器阵列包括要单独地选择的多个雪崩光电二极管元件并且被对准以接收与由所述特定垂直仰角的发光源对所述目标的特定照射部分相对应的传入反射光。
29.根据权利要求22所述的系统，其中所述激光发射源是固定安装式发射器，并且所述反射镜被配置为旋转以覆盖整个360方位角。
30.根据权利要求22所述的系统，还包括多个里斯利棱镜，所述多个里斯利棱镜被配置为在所述激光束行进到所述反射镜之前重新定向所述激光束。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述多个里斯利棱镜包括以预定的旋转速度旋转的两个楔形透镜元件。
32.根据权利要求22所述的系统，还包括超表面平坦光学器件透镜，所述超表面平坦光学器件透镜被配置为在所述激光束行进到所述反射镜之前重新定向所述激光束。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述超表面平坦光学器件透镜包括被沉积在透明基板上的多个几何薄膜透镜元件。
34.根据权利要求22所述的系统，还包括电子部件集，所述电子部件集被配置为协调触发和切换的顺序以使所述激光激发同步并且将光返回到所述光检测阵列以进行距离确定。
35.根据权利要求34所述的系统，其中所述电子部件集被配置用于控制所述电机旋转并且使所述电机、所述激光发射源激发和对所述返回光的检测同步，其中数字触发器激活激光驱动器以激发所述激光束并且同时打开检测器窗口以检测来自所述目标的所述返回光。
36.根据权利要求35所述的系统，其中模拟返回信号的振幅表示所述目标的反射率，其然后被转换为数字计数并且现场可编程门阵列处理所述数字计数以报告所述目标的反射率，其中根据所述光从所述激光发射器行进到所述目标并返回的时间，时间计数器将所述经过时间值报告给所述现场可编程门阵列，其中对于空间中的目标点，存在所述点的空间坐标、行进到所述目标并返回的时间和所述目标的反射率，通过聚合所有点并且以3D格式表示所述点来形成3D点云。
37.根据权利要求22所述的系统，还包括冷却系统、减振系统和水分/湿度减轻系统。
38.根据权利要求22所述的系统，其中所述激光发射源和所述光检测阵列彼此以90度角度定位并且通过利用所述光学分束器来共享相同光路。
39.根据权利要求22所述的系统，其中所述反射镜被配置为以一速度自旋以提供60Hz或更高的帧速率，并且所获取的3D点云的分辨率是640x480个像素或更高。
40.根据权利要求32所述的系统，其中所述超表面平坦光学器件透镜被配置为结合所述反射镜旋转。
41.根据权利要求22所述的系统，其中生成了垂直和水平方向上的可变图像分辨率，包括在低仰角下的第一组分辨率和在更高仰角下的第二组分辨率。
42.根据权利要求22所述的系统，其中所述激光发射源的激发占空比被修改以增加激发频率或者降低所述激光发射源的所述激发频率。
43.一种在装置的非暂时性介质中编程的方法，所述方法包括：
从激光发射源发射激光束；
用一个或多个光学透镜元件准直来自所述激光发射源的所述激光束；
用光检测阵列接收返回激光束；
用一个或多个光学聚焦透镜元件将所述返回激光束聚焦到所述光检测阵列；以及
用光学分束器实现所述激光束从所述激光发射源到轴向场电机上的反射镜去往目标和所述返回激光束从所述目标反射回到所述光检测阵列的路径。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述激光发射源包括垂直腔表面发射激光器阵列。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述激光发射源内的每个发光源被单独地选择。
46.根据权利要求44所述的方法，其中用于使激光子束转向到特定垂直仰角的光学微透镜元件位于所述激光发射源上，并且来自所述激光发射源的多个子束与所述微透镜元件一起被独特地布置以覆盖特定范围的垂直仰角。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述一个或多个光学透镜元件是特定焦距的分立透镜元件以减少来自每个发射器的所述激光束的发散。
48.根据权利要求43所述的方法，其中所述光检测阵列包括单光子雪崩检测器阵列。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述单光子雪崩检测器阵列包括要单独地选择的多个雪崩光电二极管元件并且被对准以接收与由所述特定垂直仰角的发光源对所述目标的特定照射部分相对应的传入反射光。
50.根据权利要求43所述的方法，其中所述激光发射源是固定安装式发射器，并且所述反射镜被配置为旋转以覆盖整个360方位角。
51.根据权利要求43所述的方法，所述方法进一步包括在所述激光束行进到所述反射镜之前用多个里斯利棱镜重新定向所述激光束。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述多个里斯利棱镜包括以预定的旋转速度旋转的两个楔形透镜元件。
53.根据权利要求43所述的方法，所述方法进一步包括在所述激光束行进到所述反射镜之前用超表面平坦光学器件透镜重新定向所述激光束。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述超表面平坦光学器件透镜包括被沉积在透明基板上的多个几何薄膜透镜元件。
55.根据权利要求43所述的方法，所述方法进一步包括用电子部件集来协调触发和切换的顺序以使所述激光激发同步并且将光返回到所述光检测阵列以进行距离确定。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述电子部件集被配置用于控制所述电机旋转并且使所述电机、所述激光发射源激发和对所述返回光的检测同步，其中数字触发器激活激光驱动器以激发所述激光束并且同时打开检测器窗口以检测来自所述目标的所述返回光。
57.根据权利要求56所述的方法，其中模拟返回信号的振幅表示所述目标的反射率，其然后被转换为数字计数并且现场可编程门阵列处理所述数字计数以报告所述目标的反射率，其中根据所述光从所述激光发射器行进到所述目标并返回的时间，时间计数器将所述经过时间值报告给所述现场可编程门阵列，其中对于空间中的目标点，存在所述点的空间坐标、行进到所述目标并返回的时间和所述目标的反射率，通过聚合所有点并且以3D格式表示所述点来形成3D点云。
58.根据权利要求43所述的方法，其中所述激光发射源和所述光检测阵列彼此以90度角度定位并且通过利用所述光学分束器来共享相同光路。
59.根据权利要求43所述的方法，其中所述反射镜被配置为以一速度自旋以提供60Hz或更高的帧速率，并且所获取的3D点云的分辨率是640x480个像素或更高。
60.根据权利要求53所述的方法，其中所述超表面平坦光学器件透镜被配置为结合所述反射镜旋转。
61.根据权利要求43所述的方法，所述方法生成垂直和水平方向上的可变图像分辨率，包括在低仰角下的第一组分辨率和在更高仰角下的第二组分辨率。
62.根据权利要求43所述的方法，所述方法进一步包括修改所述激光发射源的激发占空比以增加激发频率或者降低所述激光发射源的所述激发频率。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114667464A (zh) * | 2019-11-06 | 2022-06-24 | 观察者人工智能公司 | 用作变换光学器件的具有无源元件的平面光学器件 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114069756A (zh) * | 2020-07-29 | 2022-02-18 | 法拉利公司 | 具有用于移动电话的无线充电器的车辆 |
| CN113933813A (zh) * | 2021-09-07 | 2022-01-14 | 陈泽雄 | 一种混合固态激光雷达及其扫描方法 |
| WO2024004538A1 (ja) * | 2022-06-30 | 2024-01-04 | 株式会社小糸製作所 | 測定装置、照射装置、及び、バンドパスフィルタ |
| US11567390B1 (en) | 2022-08-26 | 2023-01-31 | Lumotive, LLC | Coupling prisms for tunable optical metasurfaces |
| US11747446B1 (en) * | 2022-08-26 | 2023-09-05 | Lumotive, Inc. | Segmented illumination and polarization devices for tunable optical metasurfaces |
| CN115494480A (zh) * | 2022-11-22 | 2022-12-20 | 保定市天河电子技术有限公司 | 微型化收发同轴脉冲激光测距扫描装置 |
| WO2024142774A1 (ja) * | 2022-12-27 | 2024-07-04 | 株式会社小糸製作所 | 測定ユニット、灯具ユニット |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040222366A1 (en) * | 2001-08-09 | 2004-11-11 | Rainer Frick | Device for distance measurement |
| US20050259158A1 (en) * | 2004-05-01 | 2005-11-24 | Eliezer Jacob | Digital camera with non-uniform image resolution |
| US20060216019A1 (en) * | 2005-03-22 | 2006-09-28 | Pinotage, L.L.C. | Imaging device assembly |
| US20070181810A1 (en) * | 2006-02-06 | 2007-08-09 | Tan Michael R T | Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array laser scanner |
| US20080278715A1 (en) * | 2007-05-11 | 2008-11-13 | Rosemount Aerospace Inc. | Scanning ladar with adjustable operational parameters |
| US20110216304A1 (en) * | 2006-07-13 | 2011-09-08 | Velodyne Acoustics, Inc. | High definition lidar system |
| US20160363669A1 (en) * | 2015-06-12 | 2016-12-15 | Shanghai Jadic Optoelectronics Technology Co., Ltd. | Lidar imaging system |
| US20170082263A1 (en) * | 2015-09-23 | 2017-03-23 | Osram Sylvania Inc. | Collimating Metalenses and Technologies Incorporating the Same |
| US20180284279A1 (en) * | 2017-03-28 | 2018-10-04 | Luminar Technologies, Inc. | LIDAR Transmitter and Detector System Using Pulse Encoding to Reduce Range Ambiguity |
| US20180292532A1 (en) * | 2017-04-07 | 2018-10-11 | General Electric Company | Lidar system and method |
| US20190004156A1 (en) * | 2017-06-29 | 2019-01-03 | Apple Inc. | Time-of-flight depth mapping with parallax compensation |
| US20190107623A1 (en) * | 2017-10-09 | 2019-04-11 | Luminar Technologies, Inc. | Adjustable scan patterns for lidar system |
-
2020
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Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040222366A1 (en) * | 2001-08-09 | 2004-11-11 | Rainer Frick | Device for distance measurement |
| US20050259158A1 (en) * | 2004-05-01 | 2005-11-24 | Eliezer Jacob | Digital camera with non-uniform image resolution |
| US20060216019A1 (en) * | 2005-03-22 | 2006-09-28 | Pinotage, L.L.C. | Imaging device assembly |
| US20070181810A1 (en) * | 2006-02-06 | 2007-08-09 | Tan Michael R T | Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array laser scanner |
| US20110216304A1 (en) * | 2006-07-13 | 2011-09-08 | Velodyne Acoustics, Inc. | High definition lidar system |
| US20080278715A1 (en) * | 2007-05-11 | 2008-11-13 | Rosemount Aerospace Inc. | Scanning ladar with adjustable operational parameters |
| US20160363669A1 (en) * | 2015-06-12 | 2016-12-15 | Shanghai Jadic Optoelectronics Technology Co., Ltd. | Lidar imaging system |
| US20170082263A1 (en) * | 2015-09-23 | 2017-03-23 | Osram Sylvania Inc. | Collimating Metalenses and Technologies Incorporating the Same |
| US20180284279A1 (en) * | 2017-03-28 | 2018-10-04 | Luminar Technologies, Inc. | LIDAR Transmitter and Detector System Using Pulse Encoding to Reduce Range Ambiguity |
| US20180292532A1 (en) * | 2017-04-07 | 2018-10-11 | General Electric Company | Lidar system and method |
| US20190004156A1 (en) * | 2017-06-29 | 2019-01-03 | Apple Inc. | Time-of-flight depth mapping with parallax compensation |
| US20190107623A1 (en) * | 2017-10-09 | 2019-04-11 | Luminar Technologies, Inc. | Adjustable scan patterns for lidar system |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114667464A (zh) * | 2019-11-06 | 2022-06-24 | 观察者人工智能公司 | 用作变换光学器件的具有无源元件的平面光学器件 |
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| Publication number | Publication date |
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