CN114846357A - 采用光波导的检测和测距系统 - Google Patents

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Abstract

光波导具有至少两个主外表面，并且其被配置用于通过内反射引导光，并且在两个主外表面之一与场景呈面向关系的情况下被布置。光耦出构造与光波导相关联，并且被配置用于将由光波导引导的光的一部分朝向场景耦出光波导。照射装置被布置成发射用于耦合到光波导中的光，所述光在耦入光波导之前被准直。检测器被配置用于响应于通过光耦出构造从光波导耦出的光对对象的照射来感测从位于场景中的对象反射的光。处理子系统被配置成处理来自检测器的信号以得出与对象相关联的信息。

Description

采用光波导的检测和测距系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年12月30日提交的美国临时专利申请第62/954,739号的优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及光波导，并且本发明尤其涉及用于检测和测距系统的光波导。
背景技术
光检测和测距(light detection and ranging，LIDAR)系统用于各种应用中，包括例如用于自主车辆的三维(three-dimensional，3D)传感器。LIDAR系统采用光发射器单元、扫描型装置以及光接收器单元，光发射器单元用于发射激光脉冲，扫描型装置朝向场景引导所发射的激光脉冲以便扫描大的感兴趣场，光接收器单元收集从场景中的对象反射的光并处理所收集的反射光，以得出关于所扫描的对象的信息。
光发射器单元通常以可能对人眼有害的相对高的强度发射激光脉冲。因此，许多LIDAR系统需要遵守眼睛安全规定，特别是在LIDAR系统布置在诸如自主车辆的车辆中的情况下。激光的强度由若干个参数(包括例如激光光源的发射功率、激光脉冲的持续时间、激光束的角发散以及光发射器单元的输出处的出射光瞳的大小)确定。为了实现更长的工作范围，优选的是以相对高的强度和低的光束发散度发射具有相对短的脉冲持续时间的激光。
为了实现被照射场景的每个光斑的高强度，在场景上(通常通过扫描装置垂直地和水平地(即，横向地))扫描光束，以便在各个方向上发射光脉冲。扫描装置可以以各种方式实现，但是通常使用相对大的快速移动的镜来实现，该镜为激光发射器孔径提供在垂直和水平两个方向上的扫描。
使用在电磁光谱的近红外(near infrared，NIR)区域中操作的光发射器和光接收器可以实现最佳或接近最佳的结果。然而，NIR区域中的光对于人眼是不可见的，并且因此NIR光可对观看者的眼睛造成实质的损害，而观看者没有意识到损害正在被引起。为了降低损害人眼的可能性，在NIR范围中操作的许多LIDAR系统在发射器处采用功率限制以降低所接收反射光束的强度。
发明内容
本发明是一种采用光波导的检测和测距系统。在优选实施方式中，来自在不同波长(优选地在NIR区域中)下操作的多个激光源的光束被组合为组合光束以照射扫描装置(例如，扫描镜)。扫描光束由准直光学部件(例如准直透镜或反射镜)准直，并耦合到由透明材料(例如玻璃)构成的光波导中。光通过光耦入构造耦合到光波导，光耦入构造通常被实现为耦合棱镜或耦入反射器。通过内反射，耦入的光被捕获在波导的主外表面之间的光波导内，以便被引导通过波导(即，在波导内传播)。传播光通过光耦出构造逐渐从波导耦出，优选地，光耦出构造被实现为布置在波导内的相对于波导的平行主表面倾斜的一组相互平行的部分反射表面。结果，波导的输入光束被倍增为若干个平行的输出光束，从而在保持平行传播的同时倍增系统的输出孔径。输出光束由共同传播的所有组成激光束组成。在某些实施方式中，扫描装置扫描发射场，同时保持大的输出孔径，以便实现大的扫描输出场。在某些优选但非限制性的实施方式中，激光光源之一在电磁光谱的可见区域中的波长下操作以改善眼睛安全性。
根据本发明的实施方式的教导，提供了一种系统。该系统包括：光波导，其具有用于通过内反射引导光的至少两个主外表面，两个主外表面中的第一主外表面布置成与场景呈面对关系；与光波导相关联的光耦出构造，其被配置用于将由光波导引导的光的一部分朝向场景耦出光波导；照射装置，其被布置成发射用于耦合到光波导中的光，所述光在耦入光波导中之前被准直；检测器，用于感测响应于通过光耦出构造从光波导耦出的光对位于场景中的对象的照射而从对象反射的光；以及包括至少一个处理器的处理子系统，该处理子系统与检测器电关联并且被配置成处理来自检测器的信号以得出与对象相关联的信息。
可选地，系统还包括：聚焦光学器件，用于将所反射的光聚焦到检测器上。
可选地，聚焦光学器件与两个主外表面中的第二主外表面相关联。
可选地，反射光在被聚焦光学器件接收之前由两个主外表面透射。
可选地，系统的输出孔径至少部分地由耦出构造限定，并且系统的输入孔径至少部分地由聚焦光学器件限定。
可选地，输入孔径与输出孔径至少部分地交叠。
可选地，输入孔径与输出孔径是非交叠的。
可选地，系统还包括：衍射光学元件，其与两个主外表面中的第一主外表面相关联。
可选地，系统还包括：扫描装置，其被布置成利用通过光耦出构造从光波导耦出的光来扫描场景。
可选地，扫描装置被布置在照射装置与光波导之间，并且扫描装置被配置成使由照射装置发射的光偏转以覆盖角度范围，使得从光波导耦出的光覆盖对应的角度范围。
可选地，扫描装置与两个主外表面中的第一主外表面相关联。
可选地，系统还包括：准直光学器件，其被布置在照射装置与光波导之间的光路中，用于在由照射装置发射的光耦合到光波导中之前准直所述光。
可选地，系统还包括：光学部件，其被布置在照射装置与光波导之间的光路中，并且被配置成在至少第一维度上执行由照射装置发射的光的孔径扩展。
可选地，系统还包括：扫描装置，其与两个主外表面中的第一主外表面相关联并且被配置成扫描与第一维度正交的第二维度。
可选地，光学部件被配置成在第一维度和与第一维度正交的第二维度上执行由照射装置发射的光的扩展。
可选地，光学部件包括：透光基板，用于通过内反射引导由照射装置发射的光，以及与基板相关联的第二光耦出构造，用于将由基板引导的光的一部分朝向光波导耦出基板。
可选地，光耦出构造包括多个部分反射表面，其相对于两个主外表面倾斜地布置在光波导内。
可选地，光耦出构造包括与两个主外表面中的至少一个相关联的衍射光学元件。
可选地，系统还包括：光耦入构造，其与光波导相关联并且被配置用于将光耦合到光波导中以便通过内反射在光波导内传播。
可选地，照射装置包括多个光束源，光束源被配置成产生不同的相应波长的光。
可选地，照射装置还包括光束组合器，其用于将光束源产生的光组合成组合光束。
可选地，波长在电磁光谱的近红外区域中。
可选地，光束源被实现为激光源。
可选地，激光源是脉冲激光源，并且处理子系统与照射装置电关联并且还被配置成控制激光源的脉冲定时。
可选地，光束源之一被配置成产生电磁光谱的可见区域中的光，并且剩余的光束源被配置成产生电磁光谱的近红外区域中的不同相应波长的光。
可选地，处理子系统与照射装置电关联并且还被配置成控制照射装置的照射定时。
可选地，由处理子系统得出的与对象相关联的信息包括飞行时间信息。
可选地，由处理子系统得出的与对象相关联的信息包括从检测器到对象的距离。
可选地，处理子系统还被配置成基于与对象相关联的信息来构建对象的三维表示。
可选地，系统被布置在基于地面的车辆中。
可选地，系统被安装到飞行器。
可选地，光波导在横截面中具有梯形形状，以便使用从光波导耦出的光实现场景的横向扫描。
可选地，系统还包括：透光基板，所述透光基板具有形成矩形横截面的两对平行的主外表面；以及与基板相关联的光耦合构造，并且耦合到基板的光通过四重内反射而行进通过基板，并且行进通过基板的光的强度的一部分通过光耦合构造而耦出基板并且耦合到光波导中。
可选地，光波导包括形成矩形横截面的两对平行的主外表面，并且耦合到光波导中的光通过四重内反射而行进通过光波导。
可选地，系统还包括：光耦合构造，并且光波导包括与光耦合构造相关联的第一波导区段和与光耦出构造相关联的第二光波导区段，并且被耦合到光波导中的光通过内反射而行进通过第一波导区段，并且行进通过第一波导区段的光的强度的一部分被光耦合构造在第一方向上偏转以便被耦出第一波导区段并且被耦合到第二光波导区段中以便通过内反射而行进通过第二光波导区段，并且行进通过第二光波导区段的光被光耦出构造在第二方向上偏转以便朝向场景被耦出光波导。
可选地，光耦合构造在第一维度上实现光的扫描，并且光耦出构造在与第一维度基本正交的第二维度上实现光的扫描。
根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种光检测和测距(LIDAR)系统。LIDAR系统包括：发射器，其包括：光波导，其具有用于通过内反射引导光的至少两个主外表面，主外表面之一在与场景呈面对关系的情况下被布置；与光波导相关联的光耦出构造，其被配置用于将由光波导引导的光的一部分朝向场景耦出光波导；至少一个光束源，其被配置成发射用于耦合到光波导中的相干光束，相干光束在被耦入光波导中之前被准直；以及扫描装置，其被布置成利用通过光耦出构造从光波导耦出的光来扫描场景；接收器，其包括：检测器，用于响应于通过光耦出构造从光波导耦出的光对对象的照射来感测从位于场景中的对象反射的光；以及包括至少一个处理器的处理子系统，该处理子系统与检测器电关联，并且被配置成处理来自检测器的信号以构建对象的三维表示。
可选地，处理子系统与照射装置电关联，并且还被配置成控制照射装置的照射定时。
可选地，发射器具有至少部分地由光耦出构造限定的输出孔径，并且接收器具有至少部分地由聚焦光学器件限定的输入孔径，并且输入孔径与输出孔径至少部分地交叠。
可选地，发射器具有至少部分地由光耦出构造限定的输出孔径，并且接收器具有至少部分地由聚焦光学器件限定的输入孔径，并且输入孔径与输出孔径是非交叠的。
在说明书和权利要求书中使用的术语“光波导”是指由透明材料形成的任何透光体，优选地是透光固体，其在本文中可互换地称为“透光基板”、“光导”或“光导光学元件”。
除非本文另有定义，否则本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。如下描述了示例性方法和/或材料，但是与本文所述的方法和材料类似或等同的方法和材料可用于本发明的实施方式的实践或测试。在冲突的情况下，以专利说明书及其定义为准。另外，材料、方法和实施方式仅是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
在此仅通过示例的方式，参照附图描述本发明的一些实施方式。具体详细地参照附图，强调的是，所示的细节是作为示例的，并且是为了说明性地讨论本发明的实施方式。在这点上，结合附图的描述使得本领域技术人员清楚如何实践本发明的实施方式。
现在将注意力转到附图，其中相同的附图标记或字符指示相应或相同的部件。在附图中：
图1是根据本发明的非限制性实施方式的具有发射器、接收器和处理系统的光检测和测距(LIDAR)系统的示意性表示，该系统被布置在车辆中以用于照射位于场景中的对象；
图2是根据本发明的实施方式的图1的LIDAR系统的架构的示意性表示，其中，发射器具有光波导，该光波导具有布置在波导内的用于执行孔径扩展的一组部分反射表面，并且其中发射器和接收器被布置在公共孔径构造中；
图3是根据本发明的实施方式的类似于图2的示意性表示，但是其中发射器和接收器被布置在非交叠孔径构造中；
图4是根据本发明的实施方式的类似于图2的示意性表示，但是还包括布置在光波导的输出处的衍射光学元件；
图5是示出根据本发明的实施方式的发射器的光波导的示意性表示的正视图，该光波导具有嵌入的用于执行孔径扩展的一组部分反射表面；
图6A和图6B是分别示出了根据本发明实施方式的发射器的光波导的示意性表示的侧视图和底视图，该光波导具有嵌入的用于执行二维孔径扩展的一组部分反射表面；
图7是示出根据本发明的实施方式的发射器的两个光波导的示意性表示的正视图，其中第一光波导具有用于执行二维孔径扩展的第一组部分反射表面，并且第二光波导具有用于执行一维孔径扩展的第二组部分反射表面；
图8是示出根据本发明的实施方式的发射器的光波导的示意性表示的正视图，该光波导具有用于在第一维度上执行孔径扩展的第一组部分反射表面和用于在第二维度上执行孔径扩展的第二组部分反射表面；
图9是根据本发明的实施方式的类似于图2的示意性表示，但是具有布置在光波导的输出处的扫描装置；以及
图10是LIDAR系统的处理子系统的框图，该处理子系统被配置成处理来自接收器的检测器的信号以得出与位于场景中的对象相关联的信息。
具体实施方式
本发明是一种使用光波导的检测和测距系统。
参照说明书附图可以更好地理解根据本发明的系统的原理和操作。
在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解，本发明不必将其应用限制于在以下描述中阐述和/或在附图和/或示例中示出的部件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够有其他实施方式或者以各种方式实践或执行。
现在参照附图，图1示出了根据本发明的非限制性实施方式的光检测和测距(LIDAR)系统(可互换地称为“系统”)，总体上用附图标记10来表示。在所示实施方式中，系统10被布置在可以是自主车辆(即，“自驾汽车”)、驾驶员操作的车辆或计算机辅助驾驶员操作的车辆(即，“半自主车辆”)的基于地面的机动车辆12中。尽管车辆12被示意性地示出为汽车，但是车辆12可以被实现为其中可以布置LIDAR系统的任何类型的车辆，包括但不限于摩托车、机动自行车、电动自行车、电动踏板车等，以及基于地面的军用车辆(例如，装甲运人车辆、卡车、装甲战车等)。此外，在某些实施方式中，本发明的系统10的所有或一些部件可以与车辆分开布置，例如作为头盔或其他头戴式装备的一部分，当系统10被布置用于以下车辆例如摩托车等时，这可以是特别有用：其中驾驶员/操作者佩戴头盔或头戴式装备，同时操作车辆。
一般而言，系统10包括光发射器子系统100(在本文中可互换地称为“发射器子系统”或“发射器”)，用于生成准直光并将准直光朝向场景30(也称为“感兴趣区域”、“感兴趣场”或“感兴趣视场”)引导，准直光在这里示意性地由照射光束14表示；光接收器子系统200(在本文中可互换地称为“接收器子系统”或“接收器”)，用于接收响应于来自发射器100的照射而从场景30中的对象18反射或反向散射的光；以及与发射器子系统100和接收器子系统200相关联的处理子系统300，用于控制发射器子系统100的一些部件并用于处理来自接收器子系统200的信号以得出与对象18相关联的信息。
场景通常被认为是在发射器100前面的可以由发射器100照射的任何场景。当系统10被布置用于车辆时，场景30通常被认为是在车辆前方可以由发射器100照射的任何场景。在车辆布置的背景下，场景中可以由系统100检测和成像的对象包括例如车辆路径中的其他车辆、行人、骑自行车的人、树木、岩石、街道标志、路灯或任何其他固体或障碍物。
通过发射器子系统100的扫描装置，在感兴趣场上垂直地和水平地(横向地)扫描光束14。扫描光束14由图1中的双头箭头16表示。注意，横向扫描是沿着纸平面内和外，并且因此横向扫描在图1中不可辨别。光束14在撞击到对象18上时被对象18反射或反向散射为反射光，这里示意性地由多条光线20表示。这里示意性地由光线22表示的一些反射光20到达接收器子系统200，以便由接收器子系统200(特别是光电检测器，如将在下面进一步详细讨论的)检测。处理子系统300处理来自接收器子系统200的信号，以便得出与对象18相关联的信息，例如飞行时间(time-of-flight，TOF)信息、范围(即，距离)信息(基于TOF)以及到达方向信息。在某些实施方式中，该信息可以由处理子系统300用来构造对象18的三维(3D)表示(即，点云)，其然后可以用于渲染对象18的3D图像。
现在参照图2，示出了根据本发明的非限制性实施方式的系统10的示意性表示。发射器100包括照射和光束组合单元102、光波导120和用于将来自照射和光束组合单元102的光耦合到光波导120中的光耦入构造118。光波导120是由透明材料(例如玻璃)形成的透光基板，其具有多个面，包括至少一对优选平行的面(这里也称为“主外表面”)122、面124，用于通过内反射引导光。在面之一122与场景(例如，图1所示的包含对象18的场景30)呈面向关系的情况下布置光波导120。接收器200优选地包括：聚焦光学器件202，用于接收从场景中的对象(例如，对象18)反射的光22并将所接收的光转换成所捕获的光的会聚光束；以及光电检测器(可互换地称为“检测器”或“光学传感器”)204，用于感测所捕获的光并生成指示所捕获的光的至少一个参数(强度)的信号。
照射和光束组合单元102包括照射装置104，其被布置成发射用于耦合到光波导120中的光束。照射装置104包括至少一个光束源，优选地至少两个光束源，并且更优选地至少三个光束源。例如，光束源(在本文中可互换地称为“光源”、“照射源”或“光源”)优选地被实现为一组(即，多个)激光源，例如激光二极管、光纤激光器或微片激光器，每个激光源被配置成生成(即，产生)相应的激光照射的相干光束。在某些非限制性实现方式中，激光源并排布置以便在共同方向上发射形成组合光束的分离激光束。在其他非限制性实施方式中，照射装置104还包括光束组合器(未示出)，并且激光源被布置在相对于光束组合器的各种位置处以便将来自各个光束源的光束组合为组合光束。光束组合器在本领域中是公知的，并且可以以各种方式被实现，例如使用分束器装置、分色镜、棱镜等来实现。
在某些非限制性实施方式中，光束源中的一个被实现为被配置成产生电磁光谱的可见光区域中的激光的可见光激光源，并且剩余的光束源被实现为被配置成产生电磁光谱的NIR区域中的不同相应波长的激光的NIR激光源。在一组优选但非限制性的实现方式中，光束源被实现为并排放置或经由光束组合器组合的一组两个或三个调制NIR激光源和可见光激光源。可见光激光源可以被调制用于距离检测，或者被调制以便在NIR激光传输期间不同时传输。替选地，可见光激光器可被配置成以连续波(continuous wave，CW)模式操作。可见光激光源优选地被配置成产生具有与人眼容易辨别的颜色对应的波长(例如420nm至680nm范围内的波长)的光。在NIR激光源产生不同相应波长的光的实施方式中，已经发现与可见光激光源结合的发射约940nm(例如，分别为935nm、940nm和935nm)的光的三个NIR激光源特别适用于LIDAR应用。应当注意，在940nm附近的波长处的显著高的比例的太阳辐射强度通常被大气吸收，并且因此940nm附近的日光照射倾向于不撞击在光传感器上，或者以与要由光传感器检测的光的强度相比相对低的强度撞击在光传感器上。还应当注意，所有光束源可以发射相同波长(例如，全都处于940nm)的光束。此外，尽管可见光激光器可以与NIR激光器结合使用，以用于眼睛安全目的，但是也可以使用NIR和可见区域之外的眼睛安全激光器。例如，在短波长红外(SWIR)区域下端的激光器，特别是在1550nm附近的激光器，比NIR区域中的激光器对眼睛更安全。
使用发射不同相应波长的光的光束源使得接收器200能够检测各种各样的材料，因为某些类型的材料可能对某些波长比对其他波长具有更大的光谱响应。例如，植物通常在700nm附近的波长处显示出更高的光反射。光谱响应的变化还可以使得能够由处理子系统300通过识别由检测器204生成的信号强度的波长相关变化来映射场景。
除了具有光束源和在某些情况下具有光束组合器之外，照射装置104还可以包括可以用于修改由光束源产生的光束参数的各种部件。这样的部件包括但不限于用于调制光束强度和/或相位和/或频率的调制器，以及用于放大所生成的光束的强度信号的放大器。在某些非限制性实现方式中，每个光束源与调制器和放大器相关联。在其他实现方式中，仅一些光束源与调制器和/或放大器相关联。
光束源的发射定时以及由光束源产生的光束的调制和/或放大优选地由处理子系统300控制。在某些实施方式中，由光束源产生的光束被相干地组合，并且每个光束源具有相关联的相位调制器，该相位调制器允许调节光束之间的相对相位偏移，以便保持光束的相位相干性。在这样的实施方式中，处理子系统300测量光束之间的相对相位偏移，并且致动相位调制器以调节相位偏移。
由照射装置104发射的光可以是非偏振的，或者可以是偏振的。为了产生偏振光，照射装置104可以包括布置在光束源的输出处或光束组合器的输出处的线性偏振器，使得组合光束穿过线性偏振器。在光束源本身是偏振光源的情况下，不需要这样的线性偏振器。
来自光束源的由粗箭头示意性地表示并总体上标记为附图标记108的组合光束由扫描装置106扫描。扫描装置106优选地包括：使入射光束转向(即，偏转)的光学部件；以及用于调节光学部件的位置和/或取向以实现光束在期望方向上的发散的机电部件(例如，机电致动器)。扫描装置106可以被实现为任何合适的光束发散或光束转向机构，包括例如在两个正交维度(例如，垂直和水平/横向)上执行扫描的单个扫描或倾斜镜、一对正交的单轴扫描或倾斜镜、以及一组棱镜，其中棱镜中的一个或更多个可以围绕一个或更多个旋转轴/倾斜轴旋转/倾斜。优选地，扫描装置106与处理子系统300电关联，该处理子系统控制扫描装置106的扫描动作。
准直光学器件110被布置在扫描装置106与光波导120之间的光路中。准直光学器件110包括至少一个光学部件，其将扫描光束108准直到照射和光束组合单元102的输出孔径(即，出射光瞳)上。在所示的实施方式中，准直光学器件110包括一对准直光学元件，示意性地表示为透镜112、透镜114，其在透镜112、透镜114之间形成中间图像平面116。在某些非限制性实现方式中，微透镜阵列(micro-lens array，MLA)或漫射器被布置在图像平面116处，以使照射和光束组合单元102的出瞳适合光波导120的入瞳(即，输入孔径)。由MLA或漫射器进行的这种孔径配合将光束108的强度散布在光波导120的输入孔径上，从而降低要耦合到光波导120中的光束108的总强度。光束108的减小的强度进一步增加了眼睛安全性，并且因此优选实现方式采用MLA或漫射器来进行孔径配合。准直光学器件110还在扫描装置106的平面与照射和光束组合单元102的出瞳平面(与光耦入构造118相邻)之间生成光瞳成像，使得所有扫描的光束被传输通过照射和光束组合单元102的出瞳并且进入光波导120。应当注意，照射装置104本身可以具有小出瞳，并且因此使用MLA可能不是必需的，除非需要均匀输出光束。还应注意，在某些实施方式中，照射装置104可以包括准直光学器件，使得来自光束源的组合光束108为准直光束。例如，某些光束组合器采用嵌入式准直光学器件，使得各个光束除了被光束组合器组合之外，还被光束组合器准直。在这样的实施方式中，准直光学器件110可以不是必需的，或者如果光束由于扫描装置106的扫描而变得去准直，则准直光学器件110可以用于重新准直光束108。
来自照射和光束组合单元102的扫描和准直光束通过这里示意性地表示为适当角度的耦合棱镜的光耦入构造118耦合到光波导120中。用于，例如通过使用耦入反射器或衍射光学元件将照射耦合到光波导120中的其他合适的光耦入构造，在本领域中是公知的。耦入的光束通过在面122、面124处的重复内反射传播(即，被引导)通过光波导120。传播的光束128(总体上指定)由粗箭头示意性地表示。在某些优选但非限制性的实现方式中，通过内反射穿过光波导120的传播是全内反射(total internal reflection，TIR)的形式，由此以大于临界角的角度在面122、面124处入射的照射(光束128)导致在面122、面124处对照射的反射。如本领域所公知的，临界角由构成光波导120的材料的折射率和其中布置有光波导120的介质(例如，空气)的折射率来定义。在其他非限制性实现方式中，通过内反射穿过光波导120的传播由施加到面122、面124的反射涂层(例如，角度选择性反射涂层)实现。
光束128在光波导120内传播，并且撞击在与光波导120相关联的光耦出构造上，在所示实施方式中，该构造被实现为以与面122、面124成斜角的方式布置在光波导120内的一系列平行的部分反射表面126，其中光束128的强度的一部分被反射，以便朝向场景(例如，图1中的场景30)耦出光波导120。部分反射表面126可以沿着光波导120的伸长方向(在图1中是垂直方向)均匀地隔开，或者可以不均匀地隔开。部分反射表面126通常由涂有提供所需反射图案的合适涂层的透明板形成。在某些非限制性实施方式中，涂层是电介质涂层，而在其他实施方式中，涂层包括以规定图案布置在透明板上的金属材料(例如银)的部分。金属材料的部分可以根据期望的反射图案而表现为各种形状，包括例如圆点、长椭圆点和线。
应当注意，部分反射表面126仅说明适于与光波导120一起使用的一个非限制性光耦出构造，并且其他光耦合构造可用于将照射耦出光波导120。光耦出构造可以是任何光耦合装置，其通过内反射将在光波导120内传播的照射的部分偏转角度，使得被偏转的照射的部分离开光波导120。这样合适的光耦合装置的其他示例包括但不限于布置在面122、面124中的任一个上的一个或更多个衍射光学元件。
在图2中所示的非限制性实现方式中，部分反射表面126中的每一个将一定比例的引导光束128从光波导120朝向场景向外反射(耦出)，其中反射光束由光束130A、光束130B、光束130C示意性地表示(其对应于被引向图1中的场景30的扫描光束14)。在某些非限制性实现方式中，部分反射表面的反射率沿着光波导120的伸长方向从光波导120的近端(其邻近于光耦入构造118)到大体上与近端相对的远端而增加。在特别优选但非限制性的实现方式中，最后的部分反射表面(例如，反射照射128以便生成耦出光束130C的部分反射表面)是全反射的(即，100％反射率)。
光波导120和光耦出构造对来自照射和光束组合单元102的光束108的影响在于，当光束128在光波导120内传播并耦出光波导120时，照射和光束组合单元102的输出孔径(出射光瞳)倍增(即，扩展)。该孔径扩展(孔径倍增)可以是在一个维度上的(如在图2中的光波导120的非限制性实现方式中的情况)，或者可以是在二个维度上的。
在近眼显示器中使用的光波导的细节可以在各种共同拥有的授权专利中找到，所述光波导对由具有小输出孔径的图像投影仪生成的图像照射执行一个维度的孔径扩展以用于耦出到观看者的眼睛，所述专利包括以下专利，以下各个专利的全部内容通过引用并入本文：美国专利第6,829,095号、美国专利第7,577,326号、美国专利第7,724,444号、美国专利第7,751,122号、美国专利第9,551,880号和美国专利第9,025,253号。在近眼显示器中使用的光波导的细节可以在各种共同拥有的授权专利中找到，所述光波导对由具有小输出孔径的图像投影仪生成的图像照射执行二个维度的孔径扩展以用于耦出到观看者的眼睛，所述专利包括以下专利，以下各个专利的全部内容通过引用并入本文：美国专利第10,133,070号和美国专利第10,551,544号。
应当注意，虽然面122、面124优选地相互平行，但是对于在非显示应用中使用的光波导，例如本实施方式中的光波导120，平行的要求不那么严格，在本实施方式中，光波导用于利用覆盖期望角度范围的激光照射来照射场景。这与上述共同拥有的专利中的光波导相反，在这些专利中，主外表面对之间的平行度的任何偏差将导致通过波导传播的图像照射形成非共轭图像集，从而导致从光波导耦出到观看者的眼睛的图像的质量下降。
应当注意，在许多LIDAR系统构造(称为“公共孔径”构造)中，接收器单元位于与发射器单元相同的孔径处。使用公共孔径构造的系统的益处包括没有干扰LIDAR系统的视差效应以及更紧凑的系统。图2中所示出的系统10的非限制性实施方式利用公共孔径构造。这里，接收器200与光波导120的面124相关联，以便位于光波导120后面。系统10的输入孔径(其是接收器200的输入孔径并且通常由聚焦光学器件202限定)被包含在系统10的输出孔径(其是发射器100的输出孔径并且通常由光波导120和光耦出构造(例如，光波导120内的部分反射表面的分布)的组合限定)内(即，完全重叠)。来自场景的反射光22(即，由场景中的对象反射的光)，这里表示为光线22A、光线22B、光线22C，穿过光波导120，以便由与面124相关联的聚焦光学器件202接收。特别地，光22由面122透射，穿过部分反射表面126，并且由面124透射至聚焦光学器件202。在部分反射表面126以间隔开的关系布置以便不交叠且不连续的构造中(即，在一个部分反射表面结束处与下一部分反射表面开始处之间存在空间)，光22A、光22B、光22C中的一些或全部可以通过穿过邻近部分反射表面对之间的空的空间而直接穿过光波导120。在其他构造中，光22A、22B、22C的强度的一部分可由部分反射表面126透射，以便穿过部分反射表面到达聚焦光学器件202。
聚焦光学器件202，示意性地表示为透镜(但其可以包括一组透镜)，被布置在场景与光电检测器204之间的光路中。聚焦光学器件202接收来自场景的光22A、光22B、光22C(即，由场景中的被照射对象反射的光)，并将接收的光22A、光22B、光22C转换成撞击在检测器204上的会聚光束(示意性地表示为光线23A、光线23B、光线23C)。在某些实现方式中，聚焦光学器件202在检测器204上形成对象的图像。聚焦光学器件202优选地被布置成限定与由发射器100照射的场景的区域或部分相对应的视场，以便能够捕获从被照射的场景中的对象反射的光。在某些实施方式中，可以将通带光谱滤波器布置在从场景到检测器204的光路中，以阻挡生成来自照射装置104的照射的给定波长范围之外的波长的光到达检测器204。光谱滤波器可以理想地定位在聚焦光学器件202与检测器204之间，但是可以替选地布置在面124与聚焦光学器件202之间。
光波导120的外表面(即，面122、面124)优选地涂覆有抗反射涂层，以便防止光波导124将由发射器100发射的光散射回到接收器200。
在照射装置104发射偏振光的实施方式中，部分反射表面优选地是偏振敏感的，由此由部分反射表面反射的偏振光的强度的比例取决于传播光束的偏振方向。在透射光束130A、透射光束130B、透射光束130C被偏振的实施方式中，偏振器(未示出)优选地被布置在接收器200与光波导120之间的光路中(例如，与面124相关联)，以便基本上抑制接收器200的饱和。注意，这样的抑制可以以来自场景的光22的50％的透射率为代价。
在继续参照图1和图2的情况下，现在参照图3，其示出了根据本发明的另一非限制性实施方式的系统10的示意性表示，该实施方式与参照图2描述的实施方式基本类似，但是具有“非交叠孔径”构造。这里，接收器200被定位成与发射器100相邻，使得系统的输入孔径(即，接收器200的输入孔径)与系统的输出孔径(即，发射器100的输出孔径)分离。虽然这种构造导致不太紧凑的系统，但是在预期来自照射和光束组合单元102的残余反射使接收器200饱和的情况下，这样的构造可能具有特别的价值。
除了具有非交叠的孔径之外，图3中所示的实施方式具有简化的照射和光束组合单元102。这里，准直光学器件仅具有单个准直光学元件112，使得不存在中间图像平面。结果，准直光学器件不执行光瞳成像，并且照射和光束组合单元102的出射光瞳不与光波导120的入射光瞳交叠。所示实施方式中的照射和光束组合单元102的简化结构可以被使用，尤其是如果照射和光束组合单元102的出射光瞳远小于光波导120的入射光瞳，使得照射和光束组合单元102的输出处的光束108穿过入射光瞳行进到光波导120，但是停留在光波导120内，使得损失最小的能量。照射和光束组合单元102的出射光瞳与光波导120的入射光瞳之间的必要尺寸差异可以例如通过以下操作来实现：产生窄光束108以减小照射和光束组合单元102的出射光瞳的尺寸和/或增加光波导120的厚度(即面122、面124之间的距离)以增大光波导120的入射光瞳的尺寸。
应当注意，接收器200可以相对于发射器100布置，使得聚焦光学器件202的一部分与面124相关联(即，聚焦光学器件202的一部分位于光波导120后面)，并且聚焦光学器件202的其余部分被定位成与光波导120相邻。在这样的布置中，由聚焦光学器件202限定的接收器200的输入孔径与发射器100的输出孔径部分交叠。
在图2和图3所示的非限制性实施方式中，扫描装置106通过偏转来自照射装置104的光来扫描透射场，使得扫描光束108以变化的入射角撞击在光耦入构造118上，使得来自照射装置104的照射以相应的耦入角度范围耦合到光波导120中。光束108在光耦入构造118处的角扫描扩展导致传播光束128的对应角扩展，使得输出光束130A、130B、130C以对应的角范围耦出光波导120，以便用照射扫描场景。
图4中示出了一种增加输出光束的角度范围的方法，其示出根据本发明的又一非限制性实施方式的系统10的示意性表示。图4中所示的实施方式通常与图2中所示的实施方式类似，不同之处在于：诸如一个或更多个衍射光栅的衍射光学元件140被布置在发射器100的输出孔径的前面(即，与面122相关联，并且在面122与场景之间)。在某些非限制性实现方式中，衍射光学元件140机械地定位成与面122相邻，以便与面122相关联，并且跨越面122的整个耦出区域，该耦出区域被定义为面122的由部分反射表面126在平行于面122的平面的投影平面中的投影跨越的部分。优选地，衍射光学元件140跨越面122的大部分长度(该长度在图4中的垂直方向上)，以便覆盖面122的长度的至少80％，并且更优选地覆盖面122的长度的至少90％。
在所示实施方式中，光束源以不同的相应波长操作(即，由每个光束源发射的光具有不同的相应波长)，并且组合光束128在其传播通过光波导120时不分散。当耦出光束130A、耦出光束130B、耦出光束130C穿过衍射光学元件140时，耦出光束130A、耦出光束130B、耦出光束130C被衍射光学元件140分散，以生成相应的分散光束，所述分散光束由粗虚线箭头示意性地表示，并且通常被指定为分散光束136A、分散光束136B、分散光束136C，从而增加光束130A、光束130B、光束130C、光束136A、光束136B、光束136C所覆盖的角度范围。当使用公共孔径构造时，如图4所示，衍射光学元件140还将来自场景的附加反射光(这里表示为光线32A、32B、32C)朝向接收器200转向，以便由检测器204捕获。应当注意，尽管图4示出了公共孔径构造，但是衍射光学元件140可以用于类似于图3所示的非交叠孔径构造中，使得衍射光学元件140不被布置在接收器200的前面。在这样的实施方式中，衍射光学元件140仅使输出光束130A、输出光束130B、输出光束130C转向(以便生成对应的光束136A、光束136B、光束136C)，并且不使来自场景的任何入射光朝向接收器200转向。
如上所述，光波导120可以以各种方式实现，以实现输入孔径在一个维度或二个维度上的扩展。以下段落描述了光波导120的各种实现选择，以便实现通过耦出的光束对场景的扫描和孔径扩展。
在继续参照图2和图4的情况下，还参照图5，其示出了根据本发明的非限制性实施方式的光波导120的正视图。虽然光波导120在第一平面(图2至图4中的纸平面)中具有矩形横截面(假设面122、面124之间平行)，但是面122本身是梯形的，使得光波导120在耦出平面(与第一平面正交)中具有梯形横截面。这里，平行顶面132和平行底面134具有不同的长度，使得左侧面142和右侧面144向内渐缩。耦入光束128通过在面122、面124之间的内反射传播，但是也在图2中的垂直方向上以一定角度范围耦入，这对应于图5中光束128的横向扫描(在图2和图4中的页面内和页面外)，其中光束128的横向扫描150由图5中的双头箭头表示。光束的垂直扫描也是存在的，如上所述，这通过光束108在光耦入构造118处的角扫描扩展来实现，但在图5所示的正视图中不可辨别。
图6A和图6B分别示出了根据本发明的另一非限制性实施方式的光波导120的实现方式的示意性侧视图和底视图。这里，光波导120具有任意示出的与垂直方向对应的伸长方向，并且包括形成矩形截面的两对平行面即面122、面124、面142、面144。部分反射表面126以与伸长方向成斜角的方式至少部分地横穿光波导120。光耦入构造(此处未示出)以及照射和光束组合单元102相对于光波导120布置，以便将输入光束(例如，图2至图4中的光束108)耦合到光波导120中，其中初始传播方向相对于第一对平行面即面122、面124、面142、面144两者成倾斜的耦合角度，光束128沿着光波导120通过四重内反射(即，以螺旋方式以便在两个维度上传播)行进，其中在部分反射表面126处反射的光束128的强度的一部分朝向场景耦出光波导120。光束128的螺旋传播对耦出光束130A、耦出光束130B、耦出光束130C(在图6B中通常表示为130)的效果是：耦出光束既垂直地(如图6A中的双头箭头所指示的)又横向地(如图6B中的双头箭头所指示的)有效地扫描场景。
图7示出了根据本发明的另一非限制性实施方式的构造，其中使用一对光波导220、光波导320以便执行垂直和横向扫描。这里，第一光波导220类似于参照图6A和图6B描述的光波导，并且第二光波导320类似于参照图5描述的光波导。第一光波导220具有任意示出的与水平方向对应的伸长方向，并且两对平行面形成矩形截面。图7中仅示出了一对平行的面222、面224，但还存在与图6B中的面142、面144类似的第二对平行面。多个部分反射表面226以与伸长方向成斜角的方式至少部分地横穿第一光波导220。第二光波导320光耦合到第一光波导220，并具有一对平行面(图7中仅示出了面332中的一个)，并且在面332与要被照射的场景成面对关系的情况下布置第二光波导320。第二光波导320还包括平行的顶面332和底面334，以及左侧面342和右侧面344。与图5中类似，面332、334具有不同的长度，使得侧面342、344向内渐缩。这里，多个部分反射表面326也以与面332成斜角的方式至少部分地横穿第二光波导320。部分反射表面226及326被布置成部分反射表面226位于第一组相互平行的平面中，且部分反射表面326位于相对于第一组平面倾斜的第二组相互平行的平面中。
光波导220、320之间的光耦合、部分反射表面226、326的布置和配置以及耦入构造(这里未示出)与照射和光束组合单元102的布置使得，当来自照射和光束组合单元102的输出光束(例如，图2至图4中的光束108)以相对于第一光波导220的两对平行面倾斜的耦合角度的初始传播方向耦合到第一光波导220中时，耦入光束228沿着光波导220通过四重内反射行进，其中光束228的一部分强度在部分反射表面226处反射以便作为照射(由光束230A、230B、320C示意性表示)耦合到第二光波导320中，并且然后在第二光波导320内(即，在面与平行于面332的另一面之间)通过双重内反射传播，其中照射230A、230B、320C的一部分强度在部分反射表面326处反射以便朝着场景(经由面332)耦出第二光波导。通过部分反射表面326耦出第二光波导320的光束(从图7的页面出来)330A-1、光束330A-2、光束330A-3、光束330B-1、光束330B-2、光束330B-3、光束330C-1、光束330C-2、光束330C-3由黑色实心圆表示。这里，由第一光波导220实现的扫描被第二光波导320所赋予的横向(图7中的双头箭头所指示的横向扫描)增强。
显然，与执行一维孔径扩展的光波导相比，由参照图6A至图7描述的光波导执行的二维孔径扩展生成更多数量的光瞳图像，并降低了照射强度的集中。
在结构方面类似于参照图6A至图7描述的光波导的光波导的结构和操作的进一步细节可以在上述美国专利第10,133,070中找到。
图8示出了根据本发明的另一非限制性实施方式的光波导420的示意性正视图。这里，光波导420由两个基板子部分组成，即第一波导区段421和第二波导区段423。虚线表示将两个区段即421、区段423分开的平面425。如从图中可以看出，两个区段即区段421、区段423在光波导420的耦出平面中具有梯形形状，其中耦出平面由平面432表示。
第一组部分反射表面426a被布置在光波导420的第一区段421中，相对于平面424和平面425倾斜，而第二组部分反射表面426b被布置在光波导420的第二区段423中，相对于面432倾斜。另外，包含部分反射表面426a的平面与包含部分反射表面426b的平面倾斜或垂直。
部分反射表面426a、426b的布置和配置以及耦入结构(这里未示出)与照射和光束组合单元102的布置使得，当来自照射和光束组合单元102的输出光束(例如，图2至图4中的光束108)被耦合到光波导420的第一区段421中时，耦入光束428在第一引导方向上通过第一区段421内的平面424、425之间的双重内反射传播，其中光束428的一部分强度在部分反射表面426A处反射以便作为照射(由光束430A、光束430B、光束420C示意性地表示)耦合到光波导420的第二区段423中，并且然后通过在面432与平行于面432的另一面(图8中不可辨别的)之间的光波导的第二区段423内的双重反射在第二引导方向(与第一引导方向倾斜)上传播，其中照射430A、照射430B、照射423C的一部分强度在部分反射表面426b处反射以便朝着场景(经由面432)耦出光波导420的第二区段423。通过部分反射表面426B从光波导420的第二区段423耦出的光束(从图8的页面出来)530A-1、光束530A-2、光束530A-3、光束530B-1、光束530B-2、光束530B-3、光束530C-1、光束530C-2、光束530C-3由黑色实心圆表示。在所示的结构中，第一区段421和第一组部分反射表面426A在第一维度上实现孔径扩展，即，侧向孔径扩展和光束扫描(由第一区段421中的双头箭头表示)，并且第二区段423和第二组部分反射表面426B在第二维度(与第一维度正交)上实现孔径扩展，即，垂直孔径扩展和光束扫描(由第二区段423中的双头箭头组表示)。
采用不同定向的部分反射表面组的光波导的结构和操作的进一步细节可以在上述美国专利第10,551,544号中找到，该部分反射表面组用于将传播的照射从一个引导方向重定向到另一引导方向并且将照射耦出光波导。
尽管至此描述的LIDAR系统的实施方式涉及采用扫描装置作为照射和光束组合单元的一部分的发射器子系统，但是在光波导的输出处布置外部扫描装置的其他实施方式也是可能的。现在参照图9，示出了根据本发明的非限制性实施方式的系统的示意性表示，其通常类似于参照图2描述的实施方式，但是具有与面122相关联并且布置在光波导120的输出处的外部扫描装置160，而不是布置为照射和光束组合单元102的一部分的扫描装置106。
在某些实施方式中，扫描装置160被配置成执行二维扫描，而在其他实施方式中，扫描装置160被配置成执行一维扫描。在扫描装置160执行二维扫描的实施方式中，准直光学器件110准直由照射装置104透射的光束108(可选地利用光瞳成像，如由像平面116所指示的)，并且经准直的光束108被耦合到光波导120中，以经由通过内反射传播和通过部分反射表面126耦出而用于孔径倍增。这里，耦出光束130A、耦出光束130B、耦出光束130C照射单个方向，并且扫描装置160垂直和横向偏转光束130A、光束130B、光束130C，以便执行垂直和横向扫描，从而二维地扫描整个感兴趣区域。由扫描装置160从光束130A、光束130B、光束130C生成的偏转的光束在图9中示意性地由光束136A、光束136B、光束136C表示。注意，横向扫描在纸平面之内和之外，并且因此由偏转的光束136A、光束136B、光束136C实现的横向扫描在图9中不可辨别。
在扫描装置160执行一维扫描(例如垂直扫描)的实施方式中，照射和光束组合单元102还包括光学部件170，其被布置在照射装置104的输出处和准直光学器件110的上游，其被配置为一维光束扩展器，以便在远场中和在像平面116上生成照射行。在根据这样的实施方式的一个非限制性实现方式中，光学部件170被实现为以高速生成照射行的一维扫描装置(类似于图2中的106)，从而在由检测器204成像时生成高分辨率场景。在另一非限制性实现方式中，光学部件170被实现为漫射器(即，光散射光学元件)或柱面透镜。
根据基于其他实施方式的非限制性实现方式，光学部件170被实现为照射矩形场的二维光束扩展器。这样的二维光束扩展器的一个示例是参照图6A和图6B描述的具有嵌入的部分反射表面的光波导。在这样的实施方式中，检测器204优选地被实现为矩形像素阵列，以便使得能够从感兴趣的场中的照射点的阵列同时进行距离检测。这样的实施方式可能不一定需要外部扫描装置160，然而，可以包括扫描装置160以便进一步扩展被扫描场在垂直和/或横向维度上的大小。
扫描装置160可以被实现为任何合适的光束发散或光束转向机构，包括但不限于在两个正交维度上执行扫描的单个扫描或倾斜镜、一对正交单轴扫描或倾斜镜、具有可围绕一个或更多个旋转/倾斜轴旋转/倾斜的一个或更多个棱镜的一组棱镜。优选地，扫描装置160与处理子系统300电关联，处理子系统300控制扫描装置160的扫描动作。
以下段落描述了处理子系统300，并且明确地，描述处理子系统300的部件以及由处理子系统300提供的处理和控制功能。一般而言，处理子系统300与发射器100和接收器200的部件电关联，以便向LIDAR系统10的子系统提供处理和控制功能。具体地，处理子系统300与检测器204电关联，并且被配置成处理来自检测器204的信号，以得出与场景中的被照射对象(例如，图1中的对象18)相关联的信息。在某些实施方式中，处理子系统300可以使用所得出的信息来基于对由检测器204所生成的信号中的波长相关变化的识别来构造对象18的3D表示和/或场景的映射。处理子系统300还与照射装置104电关联，并且被配置成控制照射装置104的各种照射参数，包括但不限于光束源的照射定时(例如，激光源的发射开始及停止时间及脉冲持续时间)、由光束源生成的光束的调制及光束源的输出功率(经由放大器控制)。各个光束源的输出功率可以是专用的。
处理子系统300优选地还被配置成使检测器204与光束源的照射定时同步，以在与照射装置104的照射时段对应的集成时段期间对光进行集成。此外，处理子系统300与各种实施方式的扫描装置，例如扫描装置106(图2至图4)以及外部扫描装置160(图9)和/或在被实现为扫描装置时的光学部件170(图9)电关联，以控制扫描装置的扫描动作。
可以使用本领域已知的任何合适类型的处理硬件和/或软件——包括但不限于在任何合适的操作系统下操作并实现合适的软件和/或固件模块的各种专用计算机化处理器的任何组合——来实现处理系统300。处理系统300还可以包括用于允许与LAN和/或WAN设备进行有线或无线通信以便双向传输信息的各种通信部件。图10中示出了根据非限制性示例实现方式的处理子系统300的简化框图。这里，处理子系统300包括耦合到存储介质304的至少一个计算机化处理器302。存储介质304可以是一个或更多个计算机化的存储器设备，例如易失性数据存储装置。处理器302(其可以是多于一个处理器)可以被实现为任何数量的计算机化处理器，包括但不限于微处理器、微控制器、专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、图像处理器、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、现场可编程逻辑阵列(field-programmable logic array，FPLA)等。这样的计算机化处理器包括存储程序代码或指令集的计算机可读介质或者可以与计算机可读介质电子通信，所述程序代码或指令集在由计算机化处理器执行时使计算机化处理器执行动作。计算机可读介质的类型包括但不限于能够向计算机化处理器提供计算机可读指令的电子、光学、磁性或其他存储或传输设备。
应当注意，除了处理器302和存储介质304之外，处理子系统300还可以包括用于接收和/或处理模拟和/或数字信号的附加电子电路，例如包括解调电路、频率合成器、混频器、带通滤波器、低通滤波器、放大器(例如，低噪声放大器)、模数转换器(例如，以采样和量化电路的形式)、数模转换器、本地振荡器等。还应当注意，在某些实施方式中，处理子系统300本身可以被集成为接收器200的一部分。在其他实施方式中，处理子系统300的子部件可以被集成为接收器200的一部分，而处理子系统300的其它部件可以是与接收器200分开的独立部件。
以上参照图2至图9描述的LIDAR系统的实施方式的光波导构造和扫描装置提供了用于扫描感兴趣的视场(即，感兴趣的场景)的各种解决方案，由此来自LIDAR系统的输出光束扫过感兴趣的视场的广泛数量的角位置，以便照射视场中的对象。如所讨论的，感兴趣的视场中的被照射对象以变化的对应到达方向将来自LIDAR系统的一些照射反射或反向散射回LIDAR系统的接收器。LIDAR系统的接收器的检测器204提供光子感测能力，以使得能够捕获反射的照射并由处理子系统300得出与光反射对象相关联的信息。如所讨论的，得出的信息优选地用于生成视场中的被照射对象的3D表示。
如本领域技术人员所公知的，用于在LIDAR系统中生成对象的3D表示的测量原理是飞行时间(TOF)，其中，由LIDAR系统的发射器(例如发射器100)生成的光束被投射(经由光束扫描)到场景中的对象上，并且反射的照射被(例如由检测器204)检测和处理(例如由处理子系统300)以确定到对象的距离(即，范围)，从而允许创建3D点云。基于行进到对象的光波的往返延迟来测量到对象的距离，通常是从对象到检测器204的距离。距离测量可以通过调制发射的激光照射的强度、相位和/或频率并测量调制图案出现在接收器处所需的时间来实现。
TOF测量的一种方法是基于激光照射的短脉冲的强度调制。这里，激光照射的短脉冲被导向场景，并且到场景中的对象的距离通过将光速乘以脉冲行进到对象的距离所花费的时间来确定。如上所述，处理子系统300优选地提供照射装置104与检测器204之间的同步，从而提供光束源的脉冲定时与检测器204的集成周期之间的同步。对于TOF测量，处理子系统300在发射每个激光脉冲时致动计时器电路(计时器电路可以是处理子系统300的一部分)以初始化计时器，并且在从检测器204接收到输出信号时致动计时器电路以终止计时器。检测器204响应于捕获从对象反射的照射而生成输出信号，其中输出信号指示由检测器204捕获的光的强度。TOF被测量为定时器初始化与定时器终止之间经过的时间。由于TOF明显地表示到对象的距离的两倍(即，从发射器到对象的距离加上从对象到检测器的距离)，所以TOF应该被减半以便提供到对象的实际距离。因此，使用简单的强度调制方法，到对象的距离D可以被表示为：
Figure BDA0003708541780000221
其中c是光速(近似为3×108m/s)。
TOF测量的另一方法是基于连续波的幅度调制(称为AMCW)，由此将发射的照射的相位与检测到的反射照射的相位进行比较。这里，发射的CW激光信号的光功率用恒定频率fM(通常为几百KHz)来调制，因此发射光束的强度信号是频率fM的正弦波或方波。检测器204捕获来自对象的反射照射，并且生成指示所捕获的照射的强度的输出信号。距离测量D基于在发射强度信号与反射强度信号之间出现的相移ΔΦ以及调制频率fM而得出，并且可以被表示为如下：
Figure BDA0003708541780000231
其中再次，c是光速。
用于解调所生成的强度信号和提取相位信息的技术在本领域中是公知的，但是在此提供了若干简要的示例。在一个非限制性示例中，可以使用混频器和低通滤波器的布置，或者通过对所生成的强度信号进行采样并且将采样信号与被移位了多个固定相位偏移的发射相位信号互相关，来获得相位测量。另一种方法涉及对所生成的强度信号进行采样，并将其与被移位了多个固定相位偏移的发射相位信号进行混频，并且然后在所得到的多个相位处对混频信号进行采样。这里提到的各种技术利用各种电子部件，包括例如混频器、滤波器、本地振荡器、模数转换器、数模转换器等，并且可以被实现为可以是接收机200的整体部分、处理子系统300的整体部分或者在处理子系统300与接收机200之间共享的电子电路。
TOF测量的另一方法是基于连续波的频率调制(称为FMCW)，由此，通常通过改变光束源的输出功率，周期性地移动所发射的强度信号的瞬时光频。如在AMCW方法中，检测器204捕获来自对象的反射照射，并且生成指示所捕获的照射的强度的输出信号。然而，这里，由检测器204生成的信号与所发射的源信号混合以创建可用于测量对象距离的拍频。对于静态对象，激光照射的发射与检测器204的照射收集之间的时间延迟导致来自信号混合的恒定频率差(即拍频)fB。通过在周期T内线性地改变发射激光照射的瞬时光学频率，拍频fB与TOF成正比地变化，并且因此通过等效性与到对象的距离D成正比。fB与TOF之间的比例关系可以被表示为如下：
Figure BDA0003708541780000232
并且因此，D可以被表示为：
Figure BDA0003708541780000233
其中B是扫率带宽。
发射与接收信号之间的频率差被表现为周期性相位差，其以拍频fB引起交替的相长干涉和相消干涉图案，从而产生频率fB的拍频信号。通过傅立叶分析在频域中分析拍频信号，拍频fB的峰值可以被容易地转换成距离。用于执行频域分析的一个特别优选的技术是快速傅立叶变换(FFT)。FFT算法在本领域中是公知的，并且可以使用处理子系统300来实现。
在上述示例中，瞬时频率线性变化并且单调增加，以便产生斜坡调制频率。然而，在FMCW的许多实际应用中，使用三角调制频率来代替斜坡。这里，频率变化率表示为2fMB，其中fM是调制频率。因此，拍频fB可以被表示为如下：
Figure BDA0003708541780000241
这里，也可以通过应用FFT算法将拍频fB的峰值转换为距离来分析拍频信号。当用于检测运动对象时，这种三角调制具有特定值，其中对象的速度(即，速度和方向)可以通过计算多普勒频率来确定。
应当注意，所有上述用于确定TOF和到对象的距离的技术都是在逐点测量的上下文中描述的，其中，单个脉冲或单个调制的激光照射束由发射器100发射以便照射场景中的对象上的点，并且由此接收器200(特别是检测器204)响应于上述照射而捕获从对象反射的光，并且处理子系统300基于由检测器204响应于捕获光而生成的信号来得出TOF和距离信息。然而，如本领域所公知的，LIDAR系统生成的关键输出之一是被照射对象的3D表示，其通常采用3D点云或由其呈现的3D图像的形式。这样的点云通常通过扫描视场以便照射对象的大量点并且针对每个被照射点，根据捕获的反向散射(反射)光响应地计算TOF和距离来生成。根据本发明的优选实施方式，处理子系统300被配置成通过扫描视场(使用由参照图2至图9描述的光波导和扫描布置构造实现的技术)以便利用光束照射场景中的对象上的多个点来生成这样的3D表示，例如点云。经由上述发射器100配置，经由上述扫描装置，孔径倍增的发射光束被重复地重新定位(或者同时照射全部大片的场景)，并且来自对象的相应反射光被检测器204捕获以生成相应信号，该信号由处理子系统300根据上述用于确定TOF和距离的各种技术来处理，以便构建点云。优选地，处理子系统300提供照射装置104与各种扫描装置(例如，在某些非限制性实现方式中的扫描装置106、扫描装置160和光学部件170)之间的同步，以使得能够扫描照射整个感兴趣的场。
一般而言，点云的密度受扫描速率(即，场景内的不同区域被多快地照射)和检测器204的捕捉速率限制。当检测器204被实现为传感器矩阵或矩形像素阵列时，检测器204可以同时捕获来自多个区域的反射光，从而提供更高的总捕获速率。优选地，发射器100和接收器200被配置成使得处理子系统300能够产生类似于3D图像的“高密度”点云。处理子系统300还可被配置成使用本领域中公知的技术将3D点云转换成二维(2D)深度图像。
尽管至此描述的本发明的实施方式涉及使用具有被配置成产生具有在电磁光谱的NIR区域和/或电磁光谱的可见区域中的波长的光的光束源的照射装置，但是其中照射装置包括被配置成产生NIR和可见区域之外的光的一个或多个光束源的其他实施方式也是可能的，所述光束源包括例如被配置成产生在电磁光谱的紫外区域中的光的光束源。
根据本文所述实施方式的系统可实现的操作范围通常是若干参数的函数，所述参数包括例如光束波长、光束强度、脉冲持续时间和光束发散度。这些参数中的一些可以通过从处理子系统300到照射装置104的受控输入来调整，而其他参数可以通过修改照射和光束组合单元102的各种光学和扫描部件来调整，而又一些参数可以通过改变布置在照射装置104中的光束源的类型来调整。本领域的普通技术人员将理解如何调整各种参数以便实现期望的操作范围。通过调整这些参数中的一些，根据本文所述的实施方式的系统可以实现优于常规LIDAR系统的操作范围。忽略大气衰减、光束发散或其他降级因素，采用在约900nm下操作的NIR激光器的常规LIDAR系统具有约100米的最大操作范围。在非限制性示例中，假设光波导120的输入孔径处的预定强度(为了眼睛安全)，并且假设光波导120提供孔径的三倍扩展(在二个维度上)，则发射器100的输出孔径处的总输出功率增加了9倍，并且因此与传统LIDAR系统相比，系统10的操作范围增加了3倍(根据平方反比定律)。因此，可以预期本发明的LIDAR系统可实现的操作范围为至少300米。
应当注意，当根据本发明的实施方式的LIDAR系统被布置在驾驶员操作的基于地面的车辆中或者布置用于与驾驶员操作的基于地面的车辆一起使用时，所公开的实施方式的光波导可以有利地安装在车辆的驾驶员的前方，例如集成到车辆的仪表板或前挡风玻璃中。当LIDAR系统被布置为头盔的一部分时，所公开的实施方式的光波导可以有利地作为头盔的一部分安装在头盔的前部区域中。
尽管至此已经在用于诸如自主或半自主车辆的基于地面的车辆的LIDAR应用的背景下描述了所公开的LIDAR系统的实施方式，但是本发明的实施方式还可以有利地用于固定地面LIDAR应用和诸如遥感应用的机载LIDAR应用。对于地面应用，本文预期其中系统布置在固定平台(例如，支架或塔)上以便收集与场景中的对象相关联的数据的实施方式。对于航空应用，设想了其中系统布置在或安装到飞行器的实施方式，所述飞行器例如是有人(即，人工驾驶)飞行器(例如，飞机、直升机等)或无人飞行器(例如，无人飞行器(UAV)、无人机等)。在这样的实施方式中，系统优选地布置在飞行器的下侧或腹部，从而使得系统能够收集与地面上的由飞行器监视的远程场景中的对象相关联的数据(当采用布置在小型UAV或无人机上的高强度激光源时，通常在10至100米范围内的海拔行进，或高达1千米)。
应当注意，尽管在LIDAR应用中使用的特定背景下描述了至此公开的实施方式的发射器和接收器，特别是布置用于与基于地面的或机载的车辆一起使用的LIDAR系统，但是基于上述实施方式的发射器和接收器构造可以适用于不需要场景扫描的非LIDAR应用，例如激光测距仪应用。例如，不具有上述实施方式的扫描装置的发射器结构可以有利地用作地面安装或手持激光测距仪系统的一部分，其中，在不扫描的情况下照射场景中的单个点或小群组点，以便测量到该点或点群组的距离。
已经出于说明的目的呈现了对本公开内容的各种实施方式的描述，但是其并非旨在是穷举的或限于所公开的实施方式。在不背离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是明显的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施方式的原理、实际应用或相对于市场上现有技术的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方式。
如本文所用，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式(“a”“an”)和“该”包括复数指代。
词语“示例性”在这里用于表示“用作示例、实例或说明”。任何被描述为“示例性”的实施方式不必被解释为比其他实施方式优选或有利以及/或者排除来自其他实施方式的特征的结合。
应当理解，为了清楚起见在单独的实施方式的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方式中组合提供。相反地，为了简洁起见在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或如在本发明的任何其他描述的实施方式中合适地提供。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不被认为是这些实施方式的必要特征，除非在没有那些元件的情况下实施方式是不可操作的。
就撰写了没有多引多权利要求的所附权利要求来说，这样做仅仅是为了适应在不允许这样的多引多的管辖区域中的形式要求。应当注意，明确地设想了通过使权利要求多引多而暗示的特征的所有可能组合，并且应当将其视为本发明的一部分。
尽管已经结合本发明的具体实施方式描述了本发明，但是显然，许多替选、修改和变化对于本领域技术人员来说是明显的。因此，本发明旨在包括所有这些落入所附权利要求的精神和宽范围内的替选、修改和变化。

Claims (40)

1.一种系统，包括：
光波导，所述光波导具有用于通过内反射引导光的至少两个主外表面，所述两个主外表面中的第一主外表面布置为与场景呈面对关系；
与所述光波导相关联的光耦出构造，所述光耦出构造被配置用于将由所述光波导引导的光的一部分朝向所述场景耦出所述光波导；
照射装置，所述照射装置被布置成发射用于耦合到所述光波导中的光，所述光在耦入所述光波导中之前被准直；
检测器，用于感测响应于通过所述光耦出构造从所述光波导耦出的光对位于所述场景中的对象的照射而从所述对象反射的光；以及
包括至少一个处理器的处理子系统，所述处理子系统与所述检测器电关联，并且被配置成处理来自所述检测器的信号以得出与所述对象相关联的信息。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：聚焦光学器件，用于将所反射的光聚焦到所述检测器上。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述聚焦光学器件与所述两个主外表面中的第二主外表面相关联。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所反射的光在被所述聚焦光学器件接收之前由所述两个主外表面透射。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述系统的输出孔径至少部分地由所述耦出构造限定，并且其中，所述系统的输入孔径至少部分地由所述聚焦光学器件限定。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述输入孔径与所述输出孔径至少部分地交叠。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述输入孔径与所述输出孔径是非交叠的。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括：衍射光学元件，所述衍射光学元件与所述两个主外表面中的所述第一主外表面相关联。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括：扫描装置，所述扫描装置被布置成利用通过所述光耦出构造从所述光波导耦出的光来扫描所述场景。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述扫描装置被布置在所述照射装置与所述光波导之间，并且其中，所述扫描装置被配置成使由所述照射装置发射的光偏转以覆盖角度范围，使得从所述光波导耦出的所述光覆盖对应的角度范围。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述扫描装置与所述两个主外表面中的所述第一主外表面相关联。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括：准直光学器件，所述准直光学器件被布置在所述照射装置与所述光波导之间的光路中，用于在由所述照射装置发射的光耦合到所述光波导中之前准直所述光。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括：光学部件，所述光学部件被布置在所述照射装置与所述光波导之间的光路中，并且所述光学部件被配置成在至少第一维度上执行由所述照射装置发射的光的孔径扩展。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括：扫描装置，所述扫描装置与所述两个主外表面中的所述第一主外表面相关联，并且所述扫描装置被配置成扫描与所述第一维度正交的第二维度。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光学部件被配置成在所述第一维度和与所述第一维度正交的第二维度上执行由所述照射装置发射的光的扩展。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光学部件包括：透光基板，用于通过内反射引导由所述照射装置发射的光，以及与所述基板相关联的第二光耦出构造，用于将由所述基板引导的光的一部分朝向所述光波导耦出所述基板。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光耦出构造包括多个部分反射表面，所述多个部分反射表面相对于所述两个主外表面倾斜地布置在所述光波导内。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光耦出构造包括与所述两个主外表面中的至少一个相关联的衍射光学元件。
19.根据权利要求1所述的系统，还包括：光耦入构造，所述光耦入构造与所述光波导相关联并且被配置用于将光耦合到所述光波导中以便通过内反射在所述光波导内传播。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述照射装置包括多个光束源，所述光束源被配置成产生不同相应波长的光。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述照射装置还包括光束组合器，用于将由所述光束源产生的所述光组合成组合光束。
22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述波长在电磁光谱的近红外区域中。
23.根据权利要求20所述的系统，其中，所述光束源被实现为激光源。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述激光源是脉冲激光源，并且其中，所述处理子系统与所述照射装置电关联并且还被配置成控制所述激光源的脉冲定时。
25.根据权利要求20所述的系统，其中，所述光束源之一被配置成产生电磁光谱的可见区域中的光，并且其中，剩余的光束源被配置成产生所述电磁光谱的近红外区域中的不同相应波长的光。
26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理子系统与所述照射装置电关联，并且所述处理子系统还被配置成控制所述照射装置的照射定时。
27.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述处理子系统得出的与所述对象相关联的所述信息包括飞行时间信息。
28.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述处理子系统得出的与所述对象相关联的所述信息包括从所述检测器到所述对象的距离。
29.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理子系统还被配置成基于与所述对象相关联的所述信息来构建所述对象的三维表示。
30.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被布置在基于地面的车辆中。
31.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被安装到飞行器。
32.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光波导在横截面中具有梯形形状，以便利用从所述光波导耦出的光实现所述场景的横向扫描。
33.根据权利要求32所述的系统，还包括：
透光基板，所述透光基板具有形成矩形横截面的两对平行的主外表面；以及
与所述基板相关联的光耦合构造，其中，耦合到所述基板中的光通过四重内反射而行进通过所述基板，并且行进通过所述基板的所述光的强度的一部分通过所述光耦合构造耦出所述基板并且耦合到所述光波导中。
34.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光波导包括形成矩形横截面的两对平行的主外表面，并且其中，耦合到所述光波导中的光通过四重内反射而行进通过所述光波导。
35.根据权利要求1所述的系统，还包括：光耦合构造，并且其中，所述光波导包括与所述光耦合构造相关联的第一波导区段和与所述光耦出构造相关联的第二光波导区段，并且其中，被耦合到所述光波导中的光通过内反射而行进通过所述第一波导区段，并且行进通过所述第一波导区段的光的强度的一部分被所述光耦合构造在第一方向上偏转，以便被耦出所述第一波导区段并且被耦合到所述第二光波导区段中，以便通过内反射而行进通过所述第二光波导区段，并且其中，行进通过所述第二光波导区段的光被所述光耦出构造在第二方向上偏转以便朝向所述场景被耦出所述光波导。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述光耦合构造在第一维度上实现光的扫描，并且其中，所述光耦出构造在与所述第一维度基本正交的第二维度上实现光的扫描。
37.一种光检测与测距(LIDAR)系统，包括：
发射器，所述发射器包括：
光波导，具有用于通过内反射引导光的至少两个主外表面，所述主外表面之一布置为与场景呈面对关系，
与所述光波导相关联的光耦出构造，所述光耦出构造被配置用于将由所述光波导引导的光的一部分朝向所述场景耦出所述光波导，
至少一个光束源，所述至少一个光束源被配置成发射用于耦合到所述光波导中的相干光束，所述相干光束在被耦入所述光波导中之前被准直，以及
扫描装置，所述扫描装置被布置成利用通过所述光耦出构造从所述光波导耦出的光来扫描所述场景；
接收器，所述接收器包括：
检测器，用于感测响应于通过所述光耦出构造从所述光波导耦出的光对位于所述场景中的对象的照射而从所述对象反射的光；以及
包括至少一个处理器的处理子系统，所述处理子系统与所述检测器电关联，并且所述处理子系统被配置成处理来自所述检测器的信号以构建所述对象的三维表示。
38.根据权利要求37所述的LIDAR系统，其中，所述处理子系统与所述照射装置电关联，并且所述处理子系统还被配置成控制所述照射装置的照射定时。
39.根据权利要求37所述的LIDAR系统，其中，所述发射器具有至少部分由所述光耦出构造限定的输出孔径，并且其中，所述接收器具有至少部分由聚焦光学器件限定的输入孔径，并且其中，所述输入孔径与所述输出孔径至少部分地交叠。
40.根据权利要求37所述的LIDAR系统，其中，所述发射器具有至少部分由所述光耦出构造限定的输出孔径，并且其中，所述接收器具有至少部分地由聚焦光学器件限定的输入孔径，并且其中，所述输入孔径与所述输出孔径是非交叠的。
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