CN114868032A - 光学重定向器器件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及包括光学重定向器的设备、lidar系统和载具。示例lidar系统包括传送器和接收器。传送器包括至少一个光发射器器件，该光发射器器件被配置成将发射光传送到lidar系统的环境中。该接收器被配置成检测来自环境的返回光，并且包括多个孔径、多个光电检测器和多个光学重定向器元件。每个光学重定向器元件被配置成将返回光的相应部分从相应孔径光学耦合到多个光电检测器中的至少一个光电检测器。

Description

光学重定向器器件

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月27日提交的美国专利申请第62/954,088号的权益，其内容通过引用合并于此。

背景技术

传统的光检测和测距(lidar)系统可以利用发光传送器(例如激光二极管)向环境中发射光脉冲。与环境中的对象相互作用(例如，从其反射)的所发射的光脉冲能够由lidar系统的接收器(例如，光电检测器)接收。能够基于发射光脉冲的初始时间和接收反射的光脉冲的后续时间之间的时间差来确定关于环境中的对象的范围(range)信息。

发明内容

本公开总体上涉及可以被配置成获得关于环境的信息的光检测和测距(lidar)系统。这种lidar设备可以在载具中实现，诸如自主和半自主汽车、卡车、摩托车以及能够在它们相应的环境内导航和移动的其他类型的载具。

在第一方面，提供了一种光检测和测距(lidar)系统。该lidar系统包括传送器和接收器。该传送器包括至少一个光发射器器件，该光发射器器件被配置成将发射光传送到lidar系统的环境中。该接收器被配置成检测来自环境的返回光。该接收器包括多个孔径、多个光电检测器和多个光学重定向器元件。每个光学重定向器元件被配置成接收来自相应孔径的返回光，将返回光分离成不相等的部分，并照射多个光电检测器中的至少两个光电检测器。

可选地，多个光学重定向器元件基本上在多个孔径和多个光电检测器之间延伸。

在第二方面，提供了一种光学重定向器器件。该光学重定向器器件包括多个孔径、多个光电检测器和多个光学重定向器。每个光学重定向器被配置成接收来自相应孔径的返回光，将返回光分离成不相等的部分，并照射多个光电检测器中的至少两个光电检测器。

可选地，多个光学重定向器基本上在多个孔径和多个光电检测器之间延伸。

在第三方面，提供了一种载具。该载具包括光检测和测距(lidar)系统。该lidar系统包括传送器。该传送器包括至少一个光发射器器件，该光发射器器件被配置成将发射光传送到载具的环境中。该lidar系统还包括被配置成检测来自环境的返回光的接收器。该接收器包括多个孔径、多个光电检测器和多个光学重定向器。每个光学重定向器被配置成接收来自相应孔径的返回光，将返回光分离成不相等的部分，并照射到多个光电检测器中的至少两个光电检测器。

可选地，多个光学重定向器基本上在多个孔径和多个光电检测器之间延伸。

在第四方面，提供了一种用于增强光检测和测距(lidar)系统的动态范围的方法。该方法包括将来自lidar的发射光传送到lidar的环境中。该方法还包括接收返回光。该返回光是从lidar的环境中的对象反射的发射光的至少一部分。该方法还包括通过多个孔径将返回光传送到多个光学重定向器中。

通过阅读以下详细描述，并适当参考附图，其他方面、实施例和实施方式对于本领域普通技术人员来说将变得明显。

附图说明

图1图示了根据示例实施例的系统。

图2A图示了根据示例实施例的系统。

图2B图示了根据示例实施例的系统。

图2C图示了根据示例实施例的系统。

图2D图示了根据示例实施例的图2C的系统的可替换视图。

图3A图示了根据示例性实施例的镜组件。

图3B图示了根据示例性实施例的图3A的镜组件的一部分。

图4A图示了根据示例实施例的接收器。

图4B图示了根据示例实施例的图4A的接收器的可替换视图。

图4C图示了根据示例实施例的图4A的接收器的可替换视图。

图5A图示了根据示例实施例的载具。

图5B图示了根据示例实施例的载具。

图5C图示了根据示例实施例的载具。

图5D图示了根据示例实施例的载具。

图5E图示了根据示例实施例的载具。

图6图示了根据示例实施例的方法。

图7图示了根据示例实施例的方法。

图8图示了根据示例实施例的方法。

图9图示了根据示例实施例的方法。

具体实施方式

本文描述了示例方法、设备和系统。应当理解，这里使用的词语“示例”和“示例性的”意味着“用作示例、实例或说明”。这里作为“示例”或“示例性”描述的任何实施例或特征不一定被解释为比其他实施例或特征更优选或更有利。在不脱离本文呈现的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。

因此，这里描述的示例实施例不意味着是限制性的。如在此一般描述的和在附图中图示的本公开的各方面能够以多种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些都是在此所设想的。

此外，除非上下文另有暗示，否则每个图中所图示的特征可以彼此组合使用。因此，附图通常应被视为一个或多个总体实施例的组成方面，应理解并非所有图示的特征对于每个实施例都是必要的。

I.概述

一种lidar系统包括传送器和接收器。该传送器可以包括一个或多个光发射器器件(例如，一个或多个激光条，每个激光条具有一至八个激光二极管)，光发射器器件被配置为经由传送路径中的一个或多个光学元件(例如，传送透镜、可旋转镜和光学窗口)将光传送到lidar系统的环境中。

可旋转镜可以被配置成围绕镜旋转轴线旋转。可旋转镜可以被配置成与由一个或多个光发射器器件发射的光脉冲相互作用，以便将光脉冲导向环境内的各个位置。此外，可旋转镜可以被配置成在光脉冲已经与环境相互作用以形成返回光脉冲之后，将这种光脉冲导向接收器。

在示例实施例中，镜旋转轴线可以垂直于光发射器器件中的一个或多个的发射轴线。在一些实施例中，一个或多个光发射器器件的发射轴线可以定位成不与镜旋转轴线相交。lidar系统的至少一部分可以被配置成以方位角旋转速率(例如，3Hz-60Hz)围绕第一轴线旋转。

在一些示例中，第一轴线可以垂直于镜旋转轴线。在这种情况下，至少光学窗口和可旋转镜可以围绕第一轴线旋转，以便通过与lidar系统相关联的方位角范围扫描发射的光束。随着可旋转镜围绕镜旋转轴线旋转，可以相对于lidar系统通过变化的仰角来扫描发射的光束。

换句话说，当围绕旋转轴线旋转时，可旋转镜可以被配置成在方位角范围和仰角范围两者内的宽视场上将来自(多个)激光光源的光引导到lidar系统的环境中。通过在这个大角度视场上引导光，lidar系统可以提供关于大的三维体积内的对象的测距信息。

在一些实施例中，lidar系统可以被配置成提供关于视场的信息，该视场可以在系统周围在方位角上延伸超过180度(例如，210度或360度)并且在仰角范围上延伸超过90度(例如，95度、110度、120度、150度或更多)。各种视场的其他尺寸和形状是可能的和所设想的。在一些示例中，基于利用多个光发射器器件，lidar系统可以提供小于一度的方位角分辨率或仰角分辨率(例如，在方位角或仰角上的光束之间的0.2度-0.6度，或更小)。

在一些实施例中，可旋转镜可以包括耦合到轴的三面或四面镜表面。具有更多或更少面的可旋转镜是可能的和所设想的。轴可以由钢制成，并且可以被配置成旋转，使得四面镜表面可以围绕轴的轴线旋转。在一些实施例中，镜可以包括注射成型的塑料(例如，聚碳酸酯)主体。在这种情况下，四面镜表面可以包括一种或多种沉积材料，诸如金、氧化硅、氧化钛、钛、铂或铝。

镜表面的变形是不期望的，因为光脉冲可能被转向到环境内不规则和/或未知的位置。此外，镜体(例如，塑料)和轴(例如，钢)之间的热膨胀系数(CTE)的不匹配可能引入不期望的会动态改变的依赖于温度的变形。

在一些实施例中，镜的主体可以基本上是中空的，以便减少与轴和镜之间的CTE失配相关的变形问题。例如，四面镜表面可以经由多个柔性构件(例如，从四面镜表面的每个顶点向轴延伸的四个构件)耦合到轴。柔性构件可以是直的或弯曲的。在一些实施例中，柔性构件在扭转时可以基本上是刚性的，但是沿着径向轴线是弹性的。在一些实施例中，轴的至少一部分可以具有八边形横截面或另一种类型的对称横截面(例如，正方形或六边形横截面等)。在各种示例中，可以将轴的横截面成形或以其他方式配置成防止多面可旋转镜相对于轴的滑动。

在一些实施例中，可旋转镜可以被配置成容易地可更换和/或可维修。例如，可旋转镜可以机械耦合到轴和驱动磁体。在其他实施例中，可旋转镜可以包括光学镜挡板，该光学镜挡板可以包括扁平的盘状不透明材料，该不透明材料被配置成在LIDAR系统的光腔内光学分离传送路径和接收路径。在一些示例中，可旋转镜可以耦合到镜支架，该镜支架可以被配置成容易地从LIDAR系统的其他元件移除。以这种方式，可旋转镜(和相关组件)可以容易地维修和/或更换。在一些实施例中，由于各种组件的磨损和撕裂，诸如旋转轴承、轴磨损以及其他可能性，可旋转镜可能需要维修。

在一些实施例中，编码器磁体可以耦合到可旋转镜的轴。在这种情况下，编码器磁体可以被配置成提供指示可旋转镜的旋转位置的信息。例如，编码器磁体可以用于确定可旋转镜的多个反射表面的“零角度”。在其他可能性中，编码器磁体可以帮助提高在环境内感测的对象的定位准确度和可重复性。在各种示例中，相同的磁体可以用作编码器磁体和镜驱动马达。也就是说，相同的磁体可以被配置成感测镜位置以及可旋转地对轴和镜进行致动。

在一个具体实施方式中，光学窗口的宽度可以在20毫米和25毫米之间。其他尺寸也是可能的。在一些示例中，光学窗口可以相对于第一旋转轴线以偏移角度(例如，10度)倾斜。在一些实施例中，lidar系统可以被配置成控制光学窗口的温度(例如，除冰和/或降低水凝结的可能性等)。在一个实施例中，lidar系统可以包括位于光学窗口上、附近或邻近光学窗口的一个或多个加热元件(例如，周界电阻器、透明电阻膜等)。在另一个实施例中，lidar系统可以包括被配置成将空气导向可旋转镜的空气导管，并且可旋转镜可以被布置成将空气重定向到光学窗口。例如，被重定向的空气可以除霜或者以其他方式控制或调整光学窗口的温度。

在一些实施例中，接收器可以包括多个光学重定向器元件和对应的多个光检测器(例如，四到十六个检测器)。光检测器被配置成经由接收路径中的一个或多个光学元件(例如，光学窗口、旋转镜、接收透镜和针孔孔径)检测返回光。返回光是从传送器传送并被环境中的对象反射回接收器的光。光学重定向器元件可以被配置成将借助于针孔孔径和接收透镜进入接收器的返回光引导到相应的光检测器。在一些实施例中，光学重定向器元件可以使用全内反射将部分返回光光学耦合到每个光检测器。在一些实施例中，光学重定向器元件可以被配置成分离返回光的相应部分，以便有效利用尽可能多的返回光通量。

在示例实施例中，光检测器的数量可以大于光发射器器件的数量。作为示例，光重定向器器件可以被配置成在空间上分离返回光的相应部分以便被多个光检测器检测到。在一些实施例中，光学重定向器元件可以将返回光分离成不相等的部分，以便利用返回光的第一部分的第一光子通量照射第一光检测器，并利用返回光的第二部分的第二光子通量照射第二光检测器。在这种情况下，第一光子通量可以与第二光子通量至少相差一个数量级。因此，与提供给每个光电检测器的相应光子通量相似的情况相比，接收器可以被配置成在给定场景内检测更大的动态范围。

在一些实施例中，光学重定向器元件可以包括四个全内反射光学元件，这四个全内反射光学元件被配置成在空间上分离来自间隔400-600微米之间的四个针孔的光，并将光导向光电检测器，这些光电检测器可以比相应的针孔间隔得更宽(例如，间隔1000微米或更多)。光学重定向器元件还可以提供扩展光束，以更充分地填充相应检测器的有效区域。在各种实施例中，光学重定向器元件可以成对地进行物理分组。在这种情况下，第一对光学重定向器元件可以被配置或以其他方式成形为与第二对光学重定向器元件互锁和/或交错。例如，第一对光学重定向器元件和第二对光学重定向器元件可以被配置成彼此可滑动地耦合，诸如经由燕尾接合。这样，光学重定向器元件的相应的内耦合端可以比在传统的注射成型工艺的情况下可能的更近地间隔。

在一些实施例中，针孔孔径可以是由不锈钢形成的薄板。然而，其他材料也是可能的和所设想的。针孔孔径板可以是大约100微米厚。每个针孔的直径可以是200-300微米，并且针孔孔径板可以包括针对每个光发射器器件的一个针孔(例如，四个光发射器器件，四个针孔)。

在一些实施例中，多个光检测器可以分组成两组。例如，多个光检测器可以包括四个主光检测器和四个副光检测器。在这种情况下，返回光的第一部分可以被四个主光检测器检测到。入射在四个主光检测器上的一些光可以从四个主光检测器的顶面反射。反射的光可以被重定向和/或反射向四个副光检测器。这种情况可能是有益的，因为不需要分裂光束，并且其他光学元件(例如，分束器、镜)是不必要的。换句话说，返回光可以聚焦或指向主光检测器，并且一部分光可以被反射或偏转，以便与副光检测器相互作用。提供与副光检测器的减少的耦合的其他方式也被设想并且是可能的。这样，主光检测器可以被大部分(例如，大于90％)的返回光照射。副光检测器可以被少于10％的返回光照射。在这种情况下，主光检测器和副光检测器的组合可以提供比标准检测器阵列更大的动态范围(例如，四到六个数量级或更多)。

在一些实施例中，传送路径和接收路径可以与同一可旋转镜相交。例如，可旋转镜可以成形为具有多个反射表面的直角棱镜或三棱镜。在这种情况下，从多个光发射器器件发射的光可以与可旋转镜的一部分相互作用，以便经由光学窗口被重定向到lidar系统的外部环境。在与外部环境中的对象相互作用时，至少一部分光可以作为返回光被反射。返回光可以与光学窗口和可旋转镜的第二部分相互作用，并被重定向到多个光检测器。在一些实施例中，可旋转镜的第一部分和可旋转镜的第二部分可以由光学镜挡板分离。在这种情况下，镜挡板可以耦合到可旋转镜，并且可以成形为类似扁平盘。镜挡板可以以可旋转镜的旋转轴线为中心，使得该扁平盘沿着垂直于旋转轴线的平面定向。

示例系统和方法可以可选地利用光学反馈。作为示例，光学反馈系统可以包括穿过光学挡板的内部光路，以及一个或多个内部反射器。可以将传送器和接收器安置在共同的光腔中。光腔可以被光学挡板基本上分离成接收器部分和传送器部分。内部光路可以包括可以光学耦合光腔的两个部分的光学挡板中的针孔或其他开口。作为示例，光学挡板中的开口可以是直径大约为1毫米的圆形开口。然而，其他尺寸和/或其他形状的开口也是可能的和所设想的。

在一些实施例中，一个或多个内部反射器可以反射和/或漫射由传送器发射的光。在这种情况下，可以设置一个或多个内部反射器，以便向内部光路反射和/或漫射由传送器发射的光。例如，发射的光可以从第一内部反射器朝向光学挡板中的开口反射，并进入光腔的接收器部分。一旦光已经被重定向到光腔的接收器部分中，它可以与第二内部反射器相互作用。可以将第二内部反射器定向或设置成向接收器反射或漫射光。

在一些实施例中，接收器包括多个光电检测器。例如，光电检测器可以包括诸如硅光电倍增器(SiPM)或雪崩光电二极管(APD)之类的光电检测器。其他类型的光电检测器是可能的和所设想的。在各种示例中，一个或多个内部反射器可以包括聚碳酸酯材料。其他类型的漫射器和/或部分反射表面和/或材料是可能的和所设想的。在一些实施例中，内部反射器可以充当低效率反射器(例如，小于0.1％的反射率，小于0.05％的反射率，或者接收器发射的每十亿个光子中小于10个反射光子)。在一些实施例中，内部反射器可以被图案化(例如，点状的、凸起的、凹陷的、开槽的或者具有非平坦/水平的表面的其他方式)。在一些实施例中，内部反射器可以包括具有抛物线截面和/或圆锥截面的表面。在这种情况下，内部反射器的表面可以是一维或二维弯曲的。可选地，可以配置、调整或选择内部反射器的尺寸，以便调节耦合量。

在一些示例中，光学反馈系统可以用于lidar应用中。例如，传送器还可以充当lidar的测距光脉冲(例如，从多个光发射器器件发射的)的源。此外，接收器还可以充当光电检测器(或光电检测器阵列)来确定光脉冲的飞行时间，以便确定到环境中对象的距离。在一些实施例中，经由内部光路接收的光脉冲可以代表比由例如环境中的校准目标或已知特征提供的参考更可靠的“零时间”参考。这种校准目标和已知特征在环境中并不总是可用的。此外，依赖于温度的电子延迟使得一次性校准过程耗时和/或不准确。因此，实时光学反馈系统可以提供连续的距离参考，从该距离参考可以确定依赖于时间的偏移。

附加地或可替代地，示例性光学反馈系统可以提供更直接地估计和/或推断传送功率的方式。也就是说，在一些示例中，接收器经由(多个)内部反射器接收的光量可以与总的传送光学功率成比例。例如，可以将一个或多个光电检测器的输出信号与查找表进行比较，该查找表提供了关于输出信号和总的传送光学功率之间的关联性的信息。这样，光学反馈系统可以提供一种在每次闪射(per-shot)的基础上直接测量lidar系统的光学输出的方式。

在一些实施例中，示例系统和方法可以包括遮挡检测系统。这种遮挡检测系统可以提供一种方式来确定在这里描述的系统中的光学窗口或另一个光学元件中灰尘、污垢和/或裂缝的存在。遮挡检测系统可以包括相机、闪光照射器、主反射表面和光学元件(例如，光学窗口)。相机可以包括CMOS相机或另一种类型的视频捕获设备。闪光照射器可以包括红外LED或另一种类型的光发射器器件。

闪光照射器可以被配置成向主反射表面发射光。主反射表面可以定位成将发射的光重定向到可旋转镜。在一些实施例中，主反射表面可以是纵横比至少为8∶1(例如，长度∶宽度)的矩形镜。主反射表面的其他形状是可能的。在这种情况下，可旋转镜可以被配置成围绕旋转轴线旋转，以便在一定角度范围内(例如，仰角大于110度)扫过视场。以这种方式，闪光照射器可以基于可旋转镜的反射表面的旋转位置向仰角范围提供照射光。在这种情况下，主反射表面的长轴线可以设置成基本平行于可旋转镜的旋转轴线。虽然这里的示例实施例包括主反射表面，但将理解的是，在一些示例中，不需要存在主反射表面。此外，尽管示例实施例包括处于特定位置的主反射表面，但将理解的是，主反射表面可以位于其他地方。例如，一些实施例可以包括沿着光束路径的反射表面，以便于封装和其他空间(例如，外壳)约束。在一些实施例中，闪光照射器的脉冲持续时间相对于镜旋转速率而言可以较短。在这种情况下，在照射器借助于镜短暂地照射光学元件的期望区域的同时，旋转镜被有效地“冻结”。例如，照射器可以被配置成提供脉冲时间为10ms、1ms或更短的光脉冲。此外，相对于镜的旋转速率，相机的曝光时间可以较长，使得可以使用多次闪光来照射窗口，从而增加相机上的信号量。

光学元件光学耦合到可旋转镜，使得至少一部分照射光入射到光学元件上。相机可以定位成捕获主反射表面的图像。在这种情况下，当可旋转镜围绕旋转轴线旋转时，相机可以捕获光学元件的各个“切片”部分的图像。在一些实施例中，相机可以包括固定焦距的透镜，以便聚焦在光学元件上。这样，遮挡检测器系统可以被配置成检测邻近光学元件或在光学元件内的碎片、裂缝或其他类型的遮挡对象。

在这种情况下，可以将遮挡检测系统的至少一部分安置在与接收器和传送器相同的光腔内。例如，主反射表面可以邻近于传送器的传送路径和/或接收器的接收路径定位或在传送器的传送路径和/或接收器的接收路径的外部定位，以避免光学遮挡(例如，阻挡)lidar系统的主操作。以这种方式，遮挡检测系统可以被配置成检测lidar系统的光学元件(例如，主光学窗口)上或附近的遮挡。

II.示例系统

图1图示了根据示例实施例的系统100。在一些实施例中，系统100可以是基于激光的距离和测距(lidar)系统或其一部分。在这种情况下，系统100可以被配置成向环境10中发射光脉冲，以便提供指示视场17内的对象12的信息。如本文所述，系统100可以耦合到载具，以便提供关于该载具的外部环境的信息。

系统100包括可旋转基座110，其被配置为围绕第一轴线102旋转。在一些实施例中，基座致动器112能够可操作来以3赫兹和60赫兹之间(例如，每分钟180转(RPM)和3600RPM之间)的方位角旋转速率围绕第一轴线102旋转可旋转基座110。然而，其他方位旋转速率是可能的和所设想的。在一些实施例中，基座致动器112可以由控制器150控制来以期望的旋转速率旋转。在这种情况下，控制器150可以控制基座致动器112以单个目标旋转速率旋转，和/或控制器150可以在可能的旋转速率范围内动态调整基座致动器112的期望旋转速率。

在一些实施例中，基座致动器112可以包括电动机。例如，电动机可包括定子116和转子114，它们能够可操作来旋转可旋转基座110的轴118。在各种实施例中，基座致动器112可以是直流(DC)电机、无刷电机或另一种类型的旋转致动器。在一些实施例中，轴118可以借助一个或多个轴承119耦合到可旋转基座110。轴承119可以包括旋转轴承或另一种类型的低摩擦轴承。

在一些实施例中，系统100不需要包括可旋转基座110。在这种情况下，外壳160内的系统100的一个或多个元件可以被配置成围绕第一轴线102旋转。然而，在其他情形下，系统100的一些元件不需要围绕第一轴线102旋转。因此，在这样的实施例中，系统100可以用于线扫描应用、单点扫描应用以及其他可能性。

系统100还包括具有轴134和镜体133的镜组件130，镜体133被配置为围绕镜旋转轴线131旋转。在一些实施例中，镜旋转轴线131可以基本垂直于第一轴线102(例如，在垂直的0到10度内)。在示例实施例中，镜致动器136可以被配置成以100Hz至1000Hz之间(例如，6,000RPM至60000RPM之间)的镜旋转速率围绕镜旋转轴线131旋转镜体133。在一些情况下，镜体133可以被配置成在旋转周期内(例如，在3.3毫秒和1毫秒之间)围绕镜旋转轴线131旋转。

镜致动器136可以是DC电机、无刷DC电机、AC电机、步进电机、伺服电机或其他类型的旋转致动器。将理解的是，镜致动器136可以以各种旋转速率或以期望的旋转速率操作，并且镜致动器136可以由控制器150控制。

在示例实施例中，镜组件130包括多个反射表面132。例如，多个反射表面132可以包括四个反射表面(例如，反射表面132a、132b、132c和132d)。在各种实施例中，反射表面132可以由金、氧化硅、氧化钛、钛、铂或铝中的至少一种形成。在这种情况下，四个反射表面可以关于镜旋转轴线131对称布置，使得镜组件130的镜体133具有直角棱镜形状。将理解的是，镜组件130可以包括多于或少于四个反射表面。因此，镜组件130可以成形为具有多于或少于四个面的多面棱镜形状。例如，镜组件130可以具有三个反射表面。在这种情况下，镜体133可以具有三角形横截面。

在一些实施例中，镜体133可以被配置成将多个反射表面132耦合到轴134。在这种情况下，镜体133可以基本上是中空的。在各种实施例中，镜体133的至少一部分可以具有八边形横截面和/或四重对称。在一个示例中，镜体133可以包括聚碳酸酯材料。在该示例中，镜体133的八边形和/或四重对称配置可以有助于减少镜体旋转期间镜体133的聚碳酸酯材料在轴134上的潜在滑动。其他示例也是可能的。

在一些实施例中，镜体133可以包括多个柔性支撑构件138。在这种情况下，至少一个柔性支撑构件138可以是直的。附加地或可替代地，至少一个柔性支撑构件138可以是弯曲的。在一些实施例中，基于柔性支撑构件的系统的几何形状，镜体133可以在一些方向上是刚性的(例如，以传递负载)，并且在一些方向上是弹性的，以适应热膨胀。例如，柔性支撑构件138可以被配置成在扭转时基本上是刚性的，并且响应于垂直于旋转轴线的力基本上是弹性的。在各种实施例中，镜体133可以由注射成型材料形成。此外，轴134可以由钢或另一种结构材料形成。

在一些实施例中，镜组件130可以包括编码器磁体139，其可以耦合到轴134。在这种情况下，编码器磁体139被配置成提供指示可旋转镜组件130相对于传送器127和接收器121的旋转位置的信息。

在一些实施例中，编码器磁体139也可以被配置为镜马达磁体(例如，被包括在镜致动器136中)。在这些实施例中，系统100可以使用磁体139来帮助测量和调整可旋转镜组件130的旋转位置。在一个示例实施例中，磁体139可以是以圆形布置而设置并被配置成与磁场(例如，在致动器136处产生的)相互作用以引起镜组件的旋转的多个磁体(例如，磁环等)中的一个。其他实施例是可能的。

在各种示例中，镜组件130可以附加地或可替代地包括耦合支架135，该耦合支架135被配置为将镜组件130的至少一部分耦合到系统100的其他元件，诸如外壳160。耦合支架135可以被配置为借助于一个或多个连接器137将镜组件130附接到外壳160。在这种情况下，耦合支架135和连接器137可以被配置成容易从系统100的其他元件可移除。这种易于移除性可以提供更好的重新校准、服务和/或维修选择。

系统100另外包括耦合到可旋转基座110的光腔120。光腔包括具有至少一个光发射器器件126和光发射器透镜128的传送器127。在示例实施例中，至少一个光发射器器件126可以包括一个或多个激光二极管。其他类型的光源是可能的并且是所设想的。至少一个光发射器器件126和光发射器透镜128被布置成限定光发射轴线18。

在各种实施例中，可旋转镜组件130可以被配置成可控地围绕镜旋转轴线131旋转，以便向环境10内的位置传送发射光，并接收来自环境10内的位置的返回光。

光腔120还包括接收器121，其被配置成检测来自环境10的返回光16。在各种实施例中，接收器121可以包括带通滤波器，该带通滤波器被配置成传送预定波长带内的光(例如，800-1600纳米之间的红外光)。接收器121包括多个光电检测器122。作为示例，多个光电检测器122可以包括至少一个固态单光子敏感器件。例如，在一些实施例中，多个光电检测器122可以包括一个或多个硅光电倍增器(SiPM)。在这种情况下，每个SiPM可以包括多个(例如二维阵列)单光子雪崩二极管(SPAD)。附加地或可替代地，多个光电检测器122可以包括雪崩光电二极管(APD)、红外光电二极管、光电导体、PIN二极管或另一种类型的光电检测器。此外，将理解的是，结合多个光电检测器的系统，诸如焦平面阵列或另一种类型的图像传感器，也是可能的和所设想的。

多个光电检测器122包括用于至少一个光发射器器件126中的每个光发射器器件的相应的一组两个或更多个光电检测器。在各种实施例中，至少一个光发射器器件126可以被配置成发射与镜组件130相互作用的光脉冲，使得光脉冲作为传送光14被重定向到系统100的环境10。在这种情况下，至少一部分光脉冲可以作为返回光16向系统100反射回，并被多个光电检测器122接收，以便确定飞行时间、到对象12的范围和/或点云中的至少一个。

在示例实施例中，光电检测器122可以向控制器150提供输出信号。例如，输出信号可以包括指示给定光脉冲朝向环境10的视场17的给定部分的飞行时间的信息。附加地或可替代地，输出信号可以包括指示环境10的范围图或点云的至少一部分的信息。

在一些实施例中，每组两个或更多个光电检测器可以包括主光检测器123和副光检测器125。主光检测器123被配置成接收对应于从给定光发射器器件发射的光脉冲的返回光16的第一部分。在这种情况下，副光检测器125被配置成接收从给定光发射器器件发射的返回光的第二部分。

在各种实施例中，返回光16的第一部分和返回光16的第二部分可以具有非常不同的强度。例如，返回光16的第一部分在光子通量上可以比返回光16的第二部分大至少一个数量级。

在示例实施例中，至少一个光发射器器件126可以包括四元件激光二极管条(例如，布置在激光条上的四个分立光源)。在这种情况下，多个光电检测器122可以包括四个主光检测器(例如，主光检测器123a、123b、123c和123d)。每个主光检测器可以对应于激光二极管条上的相应光发射器。此外，多个光电检测器122可以包括四个副光检测器(例如，第二光检测器125a、125b、125c和125d)。每个副光检测器可以对应于激光二极管条上的相应光发射器。

在替代实施例中，至少一个光发射器器件126可以包括两个或更多个激光二极管条，并且激光条可以包括多于或少于四个光发射器器件。

在一些实施例中，光发射器器件126可以耦合到激光脉冲发生器电路，该激光脉冲发生器电路可操作以使光发射器器件126发射一个或多个激光脉冲。在这种情况下，激光脉冲发生器电路可以耦合到触发源，该触发源可以包括控制器150。光发射器器件126可以被配置成发射红外光(例如，波长在800-1600纳米(nm)之间(诸如905nm)的光)。然而，其他波长的光是可能的和所设想的。

接收器121还包括光电检测器透镜124。多个光电检测器122和光电检测器透镜124被布置成限定光接收轴线19。

接收器121另外包括多个孔径178，其可以是孔径板176中的开口。在各种实施例中，孔径板176可以具有50微米和200微米之间的厚度。附加地或可替代地，多个孔径178中的至少一个孔径可以具有150微米和300微米之间的直径。然而，比该范围更大和更小的其他孔径尺寸是可能的和所设想的。此外，在示例性实施例中，多个孔径178中的相应孔径可以间隔开200微米至800微米。其他孔径间距是可能的和所设想的。

接收器121还可以包括一个或多个光学重定向器129。在这种情况下，每个光学重定向器129可以被配置成将返回光16的相应部分从相应孔径光学耦合到多个光电检测器122中的至少一个光电检测器。例如，每个光学重定向器可以被配置成通过全内反射将返回光的相应部分从相应孔径光学耦合到多个光电检测器中的至少一个光电检测器。

在一些实施例中，光学重定向器129可以由可注射成型的光学材料形成。在这种情况下，光学重定向器129以元件对的形式耦合在一起，使得将第一元件对和第二元件对成形为彼此可滑动地耦合。在示例实施例中，光学重定向器129被配置成将返回光16分离成不相等的部分，以便用返回光16的第一部分的第一光子通量照射第一光电检测器，并用返回光16的第二部分的第二光子通量照射第二光电检测器。在一些实施例中，光学重定向器129的一个或多个表面可以被涂覆或成形，以便抑制或消除接收器通道之间的串扰。作为示例，光学重定向器129的一个或多个表面可以涂覆有被配置为抑制或消除接收器通道之间的串扰的不透明光学材料。

在一些示例中，光学重定向器129还可以被配置成扩展被投射到第一光电检测器上的返回光16的第一部分(和/或被投射到第二光电检测器上的返回光16的第二部分)的光束宽度。以这种方式，例如，返回光16的相应(多个)部分投射在其上的相应光电检测器处的(多个)检测面积可以大于其相关联的孔径的横截面积。

在各种示例实施例中，可以安置可旋转基座110、镜组件130和光腔120以便提供视场17。在一些实施例中，视场17可以包括围绕第一轴线102的360度的方位角范围和围绕镜旋转轴线131的60度和120度之间(例如，至少100度)的仰角范围。在一个实施例中，仰角范围可以被配置成允许系统100沿着第一轴线102的方向(和/或与其基本平行)引导一个或多个发射光束。将会理解，其他方位角范围和仰角范围是可能的和所设想的。

在一些实施例中，视场17可以具有两个或更多个连续角度范围(例如，“分裂”视场或不连续的视场)。在一个实施例中，两个或更多个连续角度范围可以从第一轴线102的同一侧向远处延伸。可替代地，在另一个实施例中，两个或更多个连续角度范围可以从第一轴线102的相对侧向远处延伸。例如，第一轴线102的第一侧可以与0度和180度之间的仰角相关联，并且第一轴线的第二侧可以与180度和360度之间的仰角相关联。

在一些实施例中，系统100包括具有光学窗口162的可旋转外壳160。光学窗口162可以包括扁平窗口。附加地或可替代地，光学窗口162可以包括弯曲窗口和/或具有折射光焦度(optical power)的窗口。作为示例，以光束质量的一些损失或降低为代价，弯曲窗口可以提供扩展的视场(与扁平光学窗口相比)。在这种情况下，光脉冲可以通过光学窗口162向环境10发射，穿过环境10传送，以及从环境10接收。此外，尽管在本文的各种实施例中描述了一个光学窗口，但是将会理解，具有不止一个光学窗口的示例是可能的并且是所设想的。

光学窗口162可以对具有诸如发射的光脉冲的波长的波长(例如，红外波长)的光基本透明。例如，光学窗口162可以包括光学透明材料，该光学透明材料被配置成在红外波长范围内以大于80％的透射效率传送发射的光脉冲。在一个实施例中，光学窗口162的透射效率可以大于或等于98％。在另一个实施例中，光学窗口162的透射效率可以根据入射到光学窗口162上的传送和/或接收光的入射角而变化。例如，当光从相对较高的入射角入射到光学窗口上时，透射效率可能比当光从相对较低的入射角入射时低。

在一些示例中，光学窗口162可以由聚合材料(例如，聚碳酸酯、丙烯酸等)、玻璃、石英或蓝宝石形成。将理解的是，对红外光基本透明的其他光学材料是可能的和所设想的。

在一些实施例中，可旋转外壳160的其他部分可以涂覆有光学吸收材料，或者由光学吸收材料形成，诸如黑色胶带、吸收涂料、碳黑、黑色阳极氧化、微弧氧化处理的表面或材料，和/或另一种类型的光学吸收、抗反射表面或材料。

可以以不同的布置来安置系统100的各种元件。例如，在示例实施例中，光接收轴线19或光发射轴线18中的至少一个不与镜旋转轴线131相交。

系统100包括控制器150。在一些实施例中，控制器150包括现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)中的至少一个。附加地或可替代地，控制器150可以包括一个或多个处理器152和存储器154。一个或多个处理器152可以包括通用处理器或专用处理器(例如，数字信号处理器、图形处理器单元等)。一个或多个处理器152可以被配置为执行存储在存储器154中的计算机可读程序指令。这样，一个或多个处理器152可以执行程序指令来提供这里描述的至少一些功能和操作。

存储器154可以包括可以由一个或多个处理器152读取或访问的一个或多个计算机可读存储介质或采取可以由一个或多个处理器152读取或访问的一个或多个计算机可读存储介质的形式。一个或多个计算机可读存储介质可以包括易失性和/或非易失性存储组件，诸如光、磁、有机或其他存储器或盘存储装置，其可以整体或部分地与一个或多个处理器152中的至少一个集成。在一些实施例中，存储器154可以使用单个物理设备(例如，一个光、磁、有机或其他存储器或盘存储单元)来实现，而在其他实施例中，存储器154可以使用两个或更多个物理设备来实现。

如注意到的，存储器154可以包括与系统100的操作相关的计算机可读程序指令。这样，存储器154可以包括程序指令，以执行或促进这里描述的一些或所有操作或功能。

例如，操作可以包括使光发射器器件126发射光脉冲。在这种情况下，控制器150可以使与光发射器器件126相关联的脉冲发生器电路向光发射器器件126提供一个或多个电流/电压脉冲，这可以使光发射器器件126提供光脉冲。

操作还可以包括接收来自视场17的反射光脉冲(例如，返回光16)的至少第一部分作为检测的光信号。例如，从光发射器器件126经由光学窗口162发射的至少一些光脉冲(例如，传送光14)可以与视场17中的环境10中的对象12相互作用，以便提供反射的光脉冲或返回光16。反射的光脉冲的至少一部分可以被多个光电检测器122中的至少一个光电检测器接收。继而，给定的光电检测器可以提供检测到的光信号，该光信号可以包括光电流信号或光电压信号。

此外，操作可以包括基于检测到的光信号确定指示视场17内的对象12的点云。在示例实施例中，确定点云可以由控制器150执行。例如，控制器150可以基于发射和接收的每个光脉冲的相应飞行时间来确定和累积多个空间点。确定点云可以进一步基于镜组件130的仰角和可旋转基座110的方位角。

将理解的是，这里描述的一些或所有操作可以由远离控制器150和/或系统100的其他元件定位的计算设备来执行。

在各种实施例中，系统100可以包括至少一个挡板。例如，系统100可以包括至少一个可旋转挡板170和/或至少一个静态挡板172。在这种情况下，至少一个可旋转挡板170和/或至少一个静态挡板172可以被配置成减少光腔120内的杂散光(例如，在内部从光发射器器件126行进到多个光电检测器122而没有首先与系统100周围的环境相互作用的光)。在示例实施例中，静态挡板172可以包括被安置在光接收轴线19和光发射轴线18之间的光学不透明材料。在一些实施例中，可旋转挡板170可以耦合到镜体133，并且还可以包括被配置为减少或消除系统100的传送器部分和接收器部分之间的杂散光的光学不透明材料。换句话说，镜体133的第一部分和镜体133的第二部分可以被可旋转挡板170分离。在这种情况下，可旋转挡板170可以成形为类似扁平盘，然而其他形状是所设想和可能的。可旋转挡板170可以以镜旋转轴线131为中心并垂直于镜旋转轴线131。

在一些实施例中，系统100可以包括光学反馈系统。作为光学反馈系统的一部分，传送器127可以被配置成在镜体133旋转周期期间向镜组件130的反射表面132传送多个光脉冲。在这种情况下，镜组件130可以被配置成(i)将多个光脉冲中的至少第一光脉冲反射到系统100的环境10中，以及(ii)将多个光脉冲中的至少第二光脉冲反射到内部光路168中。在一些实施例中，内部光路168可包括可旋转挡板170、静态挡板172中的挡板开口174，和/或可旋转挡板170和静态挡板172之间的间隙中的挡板开口174。

在这种情况下，接收器121的多个光电检测器122可以被配置成(i)检测包括由环境10中的对象12引起的第一光脉冲的反射的反射光脉冲，以及(ii)检测经由内部光路168接收的第二光脉冲。在各种实施例中，内部光路168可以至少部分地由一个或多个内部反射器180限定，内部反射器180将第二光脉冲反射向镜组件130的反射表面132使得反射表面132将第二光脉冲反射向接收器121。

此外，在这种情况下，控制器150可以被配置成基于传送器127传送第一光脉冲的时间、光电检测器122检测到反射的光脉冲的时间，以及光电检测器122检测到第二光脉冲的时间，来确定到环境10中的对象12的距离。在这种情况下，第一光脉冲(及其对应的反射的光脉冲)可以提供指示到对象的距离的信息，第二光脉冲(及其对应的反射的光脉冲)可以提供指示反馈距离或零长度参考的信息。

系统100的遮挡检测系统可以包括主反射表面163。在一些实施例中，主反射表面163可以包括纵横比至少为8:1的矩形镜。然而，将理解的是，在本公开的背景下，主反射表面163的其他形状是所设想和可能的。在示例实施例中，主反射表面163可以包括基本平行于镜旋转轴线131设置的长轴线。

在这种情况下，镜体133的反射表面132可以表示多个副反射表面。系统100还可以包括相机166。相机166被配置成借助于镜体133的至少一个副反射表面和主反射表面163来捕获光学元件(例如，光学窗口162)的至少一个图像。

在这种情况下，控制器150可以被配置成执行与遮挡检测相关的进一步操作。这种操作可以包括使相机166借助于镜体133的至少一个副反射表面和主反射表面163捕获光学元件的多个图像。多个图像中的每个图像在至少一个副反射表面的对应镜面角度处被捕获。

系统100另外包括照射器161。在一些实施例中，照射器161可以包括红外发光二极管(LED)。在这种情况下，控制器150的操作可以另外包括在使相机166捕获多个图像的同时，使照射器161发射光以借助于镜体133的至少一个副反射表面和主反射表面163来照射光学元件。

操作另外可以包括基于所述多个图像和所述至少一个副反射表面的对应镜面角度来确定光学元件的聚合图像。

附加地或可替代地，操作可以包括基于该聚合图像确定至少一个遮挡对象存在于光学元件上。

在一些实施例中，相机包括被配置成借助于主反射表面和至少一个副反射表面而聚焦在光学元件上的固定焦距透镜。作为示例，相机可以包括视频捕获设备。

图2A图示了根据示例实施例的系统200。系统200可以与关于图1进行图示和描述的系统100相似或相同。例如，系统200可以包括可旋转基座110。可旋转基座110可以被配置为围绕第一轴线102旋转。此外，系统200可以包括光腔120，光腔120可以包括光发射器器件126、光发射器透镜128、光电检测器122和光电检测器透镜124。此外，在一些实施例中，系统200可以包括镜组件130。镜组件130可以包括多个反射表面132a、132b和132c以及轴134。镜组件130可以被配置成围绕镜旋转轴线131旋转。

在一些实施例中，光发射器器件126和光发射器透镜128可以形成光发射轴线18。如图2A所图示的，由光发射器器件126发射的光脉冲可以与反射表面132d相互作用，从而被反射向光学窗口162并被传送给环境10中的对象12。

在一些实施例中，光电检测器122和光电检测器透镜124可以形成光接收轴线19。由光发射器器件126发射的光脉冲可以被环境反射或者以其他方式与环境相互作用并且可以借助于反射表面132(例如，反射表面132d)作为返回光16而被接收，以及借助于一个或多个光学重定向器129在多个光电检测器122处观察到。

图2B图示了根据示例实施例的系统220。系统220可以与如分别关于图1和2A所图示和所描述的系统100和系统200相似或相同。在一些实施例中，系统220可以包括遮挡检测系统。遮挡检测系统可以被配置成提供指示与光学窗口162相关联(例如，耦合到光学窗口162)的遮挡对象222的存在的信息。将理解的是，尽管图2B将遮挡对象222图示为在光学窗口162的外表面上，但是其他遮挡对象可以位于其他地方，诸如沿着光学窗口162的内表面或者作为光学窗口162本身的组成部分，诸如光学窗口162的裂缝或者浑浊或者不透明区域。

如图2B所图示的，系统220可以包括传送器127和接收器121。系统220包括光学窗口162和主反射表面163。系统220还包括被配置为围绕镜旋转轴线131旋转的镜组件130。镜组件130包括在这里被称为副反射表面的多个反射表面132。

系统220包括相机166，相机166被配置成借助于镜组件130的至少一个副反射表面和主反射表面163来捕获光学窗口162的至少一个图像。

系统220还包括具有至少一个处理器和存储器的控制器(例如，控制器150)。该至少一个处理器执行存储在存储器中的程序指令，以便执行操作。操作包括使镜组件130围绕镜旋转轴线131旋转。

操作还包括使相机166借助于镜组件130的至少一个副反射表面和主反射表面163捕获光学窗口162的多个图像。多个图像中的每个图像在至少一个副反射表面的对应镜面角度处被捕获。

在一些实施例中，操作包括基于所述多个图像和至少一个副反射表面的对应镜面角度来确定光学窗口162的聚合图像。

在一些实施例中，控制器150的操作可以另外包括基于该聚合图像确定至少一个遮挡对象222存在于光学窗口162上或者是光学窗口162的组成部分。在一些实施例中，响应于确定至少一个遮挡对象222，控制器150可以针对遮挡对象222而调整系统100的后续操作。例如，控制器150可以调整lidar扫描和/或相机图像，以便忽略或调整与视场17中可能受遮挡对象222影响的区域对应的点云和/或图像信息。在其他实施例中，控制器150可以提供关于遮挡对象222的通知。基于该通知，系统100可以传送服务请求以清洁光学窗口162和/或使相关联的载具(例如，载具500)行进到服务位置以进行光学窗口清洁。在其他实施例中，系统100可以提供通知以请求来自其他传感器(例如，其他lidar系统)的进一步信息，这些传感器可以提供关于视场17中可能被遮挡对象222模糊或以其他方式影响的区域的信息。从其他传感器系统获得支援或替代信息的其他方式是可能的和所设想的。此外，将会理解，可以对系统100的操作进行其他调整，以便补偿遮挡对象的存在和/或维持系统100的安全和可靠的操作。

图2C图示了根据示例实施例的系统230。系统230可以图示光学反馈系统，其可以包括一个或多个内部反射器180(例如，第一内部反射器180a和第二内部反射器180b)。在示例实施例中，第一内部反射器180a和第二内部反射器180b可以是漫反射器。

如图2C所图示，镜体133的特定旋转角度和对应反射表面132可能导致发射的光脉冲(这里称为“第二光脉冲”)从镜体133的传送器部分朝向第一内部反射器180a反射。在这种情况下，第一内部反射器180a可以被配置成通过挡板开口174向第二内部反射器180b反射第二光脉冲。第二内部反射器180b可以被配置成朝向镜体133的接收器部分和对应反射表面132反射第二光脉冲。继而，反射表面132可以向接收器121反射第二光脉冲。

图2D图示了根据示例实施例的图2C的系统230的可替换视图240。如图2D所图示，传送器127包括光发射器透镜128，光发射器透镜128被配置成将光脉冲传送到光发射器透镜128和镜体133的第一部分之间的第一空间242中。此外，接收器121包括光电检测器透镜124，光电检测器透镜124被配置成接收由镜体133的第二部分反射到镜体133的第二部分和光电检测器透镜124之间的第二空间244中的光脉冲。在这种情况下，第一内部反射器180a可以被安置在第一空间242中，而第二反射器可以被安置在第二空间244中。

如图2D所图示的，静态挡板172将第一空间242和第二空间244分离。在这种情况下，静态挡板172包括挡板开口174。如所图示的，第一内部反射器180a可以被配置成通过挡板开口174向第二内部反射器180b反射第二光脉冲。

在示例实施例中，在镜体133旋转周期的第一部分期间，镜体133和对应反射表面132可以将“第一光脉冲”反射到环境10中。在这种情况下，在镜体133旋转周期的第二部分期间，镜体133和对应反射表面132可以朝向第一内部反射器180a反射第二光脉冲。

如本文所述，经由内部光路168接收的光脉冲可以为系统100提供比例如环境内的校准目标和/或已知特征提供的更可靠的“零时间”参考。

附加地或可替代地，这里描述的光学反馈系统可以提供直接估计和/或推断由传送器127发射的光脉冲的传送功率的方式。也就是说，在一些示例中，接收器121经由(多个)内部反射器180接收的光量可以与总的传送光学功率成比例。在这种情况下，可以将一个或多个光电检测器的输出信号与查找表进行比较，该查找表提供了关于输出信号和总的传送光学功率之间的关联性的信息。这样，光学反馈系统可以提供一种在每次闪射的基础上直接测量系统100的传送器127的光学输出的方式。

图3A图示了根据示例实施例的镜组件300。镜组件300可以与关于图1所图示和描述的镜组件130相似或相同。例如，镜组件300可以包括多个反射表面132a、132b、132c和132d。镜组件300可以另外包括轴134，该轴134可以被配置成围绕镜旋转轴线131旋转。

在一些实施例中，传送器127可以沿着光发射轴线18向镜组件300发射光脉冲。镜组件300的反射表面132d可以反射这些光脉冲，使得它们向外部环境10传送。

在这样的示例中，来自环境10的光(例如，返回光16)可以被镜组件300的反射表面132d反射。在一些实施例中，接收到的光可以沿着光接收轴线19导向接收器121。

图3B图示了根据示例性实施例的图3A的镜组件300的一部分320。轴134和相应的反射表面132a、132b、132c和132d可以借助于一个或多个柔性构件138(例如，柔性构件138a、138b、138c和138d)而耦合。在一些实施例中，柔性构件138a、138b、138c和138d可以在轴134和镜体133的内表面322之间提供柔性(例如，弯曲的)结构支撑。

在示例实施例中，柔性构件138可以是t形的。附加地或可替代地，柔性构件138可以具有延长的t形。也就是说，t形可以沿着x轴线纵向延伸。其他形状是可能的和所设想的。

在一些实施例中，柔性构件138可以各自包括两个第一端324a和324b以及第二端326。在这种情况下，两个第一端324a和324b以及第二端326可以借助于t形构件328耦合。如所图示的，两个第一端324a和324b可以耦合到两个不同的内表面，这两个不同的内表面对应于镜体133的两个不同的反射表面132(与两个不同的反射表面132相对地定位)。

在一些实施例中，两个第一端324a和324b可以由第一材料形成，而第二端326可以由不同的第二材料形成。作为示例，支撑构件138的各个部分可以由但不限于塑料(例如，聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、硅树脂等)、橡胶(例如乳胶等)、金属(例如铝、钢、钛等)，和/或陶瓷来形成。将理解的是，在本公开的范围内，其他材料和材料组合是可能的和所设想的。

在示例性实施例中，可以选择柔性构件138的一个或多个元件的材料和/或几何形状，以便减小或最小化例如轴134和反射表面132之间的热膨胀系数差异的影响。例如，两个第一端324a和324b可以被选择为硅树脂，以便提供对热变化相对不敏感的柔顺的柔性材料。附加地或可替代地，在一些实施例中，t形构件328可以由柔性材料形成，以便减小或最小化轴134对反射表面132上的力或反射表面132与轴134的相对位移。这种力和/或位移可能至少部分是由于热膨胀系数的差异引起的。因此，通过利用所公开的柔性构件138，镜组件130和/或系统100的其他部分可以较少地受到温度波动、依赖于温度的材料弯曲或位移，和/或长期温度循环效应(例如，热去应力)的影响。

图4A图示了根据示例实施例的接收器400。接收器400可以与如关于图1所图示和描述的接收器121相似或者相同。接收器400可以包括可以被配置为借助于光电检测器透镜124接收返回光16的光学重定向器器件。接收器400还可以包括孔径板176。孔径板176可以包括多个孔径(例如，孔径178a、178b、178c和178d)。在示例性实施例中，多个孔径中的至少一个孔径具有150微米和300微米之间的直径。多个孔径包括在孔径板中形成的一组开口。在这种情况下，孔径板可以具有50微米和200微米之间的厚度。

接收器400包括多个光电检测器122(例如，主光检测器123a、123b、123c和123d以及第二光检测器125a、125b、125c和125d)。

接收器400另外包括多个光学重定向器129(例如，光学重定向器129a、129b、129c和129d)。每个光学重定向器129a、129b、129c和129d被配置成将返回光16的相应部分从相应孔径178a、178b、178c或178d光学耦合到多个光电检测器中的至少一个光电检测器。

在一些实施例中，每个光学重定向器129a、129b、129c和129d被配置成通过全内反射将返回光16的相应部分从相应孔径178a、178b、178c或178d光学耦合到多个光电检测器122中的至少一个光电检测器。

在各种实施例中，光学重定向器129可以由可注射成型的光学材料形成。例如，光学重定向器129可以由聚合物热塑性光学材料形成，诸如丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC)或各种共聚物，诸如NAS，70％聚苯乙烯和30％丙烯酸的共聚物。附加地或可替代地，一些实施例可以包括各种基于聚芳醚酮(PAEK)的材料和/或聚砜酮(PSU、PPSU、PES等)或聚醚酰亚胺(PEI)。将理解的是，其他光学材料是可能的并且是所设想的。

光学重定向器129可以以元件对的形式耦合在一起，使得将第一元件对和第二元件对成形为彼此可滑动地耦合。例如，如图4A所图示，光学重定向器129a和光学重定向器129c可以物理耦合，并且可以代表第一元件对。类似地，光学重定向器129b和光学重定向器129d可以物理耦合，并且可以代表第二元件对。这样，第一元件对和第二元件对可以被配置成通过将它们沿着y轴线一起滑动来组装。

将会理解，虽然可以将两元件对成形为彼此可滑动地耦合在一起(例如，提供四个光学通道)，但是机械组装光学重定向器的其他方式是可能的和所设想的。例如，光重定向器可以被分成可以彼此可滑动地耦合的两组，这可以提供4、6、8、10或更多个光学通道。此外，将会理解，光学重定向器129可以被布置成提供2-64个光学通道，或者更多个光学通道。此外，形成光学重定向器129的其他方式是可能的并且是所设想的。例如，诸如激光切割、半导体处理，和/或3D打印之类的工艺是可能的和所设想的以形成光学重定向器129。

图4B图示了根据示例实施例的图4A的接收器400的可替换视图420。如图4B所图示，可替换视图420可以包括主光检测器123a、123b、123c和123d以及副光检测器125a、125b、125c和125d的局部俯视图。此外，光学重定向器129a、129b、129c和129d可以各自光学耦合到相应的主光检测器和对应的副光检测器。

虽然图4B图示了4×2的光检测器阵列(例如，第一行中的四个主光检测器和第二行中的四个副光检测器)，但是将理解的是，其他光检测器几何形状和布局是可能的和所设想的。例如，可替代的光检测器布局可以包括四个主光检测器的中间行、两个副光检测器的上一行和两个另外的副光检测器的下一行。其他布置是可能的和所设想的。

图4C图示了根据示例实施例的图4A的接收器400的可替换视图430。如图4C所图示，可替换视图430包括接收器400和光学重定向器129a、129b、129c和129d的斜角视图。在一些实施例中，入射光可以通过孔径(例如，孔径178a)进入，并与主光检测器123a相互作用。在一些实施例中，入射光的一部分432可以从主光检测器123a的顶面反射，并且随后从反射表面434反射，以便与副光检测器125a相互作用。在各种示例中，将会理解，各种光路是所设想的和可能的。例如，可以允许一部分入射光离开重定向器(例如，经由全内反射的损失)，可以借助于外部特征，诸如沿着孔径板176的下侧安置的反射元件，将这部分入射光提供给副检测器。

虽然图4A-4C图示了示例性实施例，但是将理解的是，可以利用其他光学重定向器设计，以便在输入孔径和光电检测器之间耦合入射光。例如，示例实施例可以包括基本上将光限制在单个光学平面中(忽略进入的光束中的发散)的光学重定向器。附加地或可替代地，光学重定向器可以被配置成将光导向平面外。

在一些实施例中，光学重定向器可以包括透镜表面。例如，透镜表面可以用在光学重定向器的输入和/或输出表面上。这种透镜表面可以被有利地配置成控制光束的发散，并有助于光电检测器的均匀光学覆盖。附加地或可替代地，光学重定向器的至少一个表面可以包括波纹状表面，这可以提供工程化的漫射器和控制光束发散的替代方式。

此外，将理解的是，可以将一个或多个重定向器通道结合或组合到单个光学重定向器主体中。在这种情况下，每个重定向器通道可以包括入口孔径、出口孔径和一个或多个中间控制表面。重定向器通道可以由实心透明材料制成，或者它可以是中空的。入口孔径和出口孔径两者以及一些或所有中间控制表面可以被配置成经由折射(例如具有一个或多个面的棱镜、在一个或两个方向上的透镜，或工程化的漫射图案)操纵进入的光，或者经由反射(例如具有一个或多个面的平面反射器、在两个方向之一上具有光焦度的弯曲反射器或工程化的漫反射器)操纵进入的光。在各种示例中，可以通过使用全内反射或者经由应用反射涂层来提供光学反射性。在一个实施例中，重定向器通道可以由实心透明材料构成，具有取向为与进入的光几乎正交的入口孔径和出口孔径，以及安置在孔径之间的一对反射面。在第二实施例中，重定向器通道可以基本上类似于第一示例，但是出口孔径相对于出射光成大角度，并且中间反射器之一由多个面形成，这些多个面用于在一个方向上压缩光束图案，从而抵消由出口孔径和光束之间的倾斜相交导致的光束图案的延长。在第三实施例中，重定向器通道由实心材料构成，并且仅由入口孔径和出口孔径组成，并且入口孔径相对于进入的光倾斜，以便将入射光折射向出口孔径。

III.示例载具

图5A、5B、5C、5D和5E图示了根据示例实施例的载具500。载具500可以是半自主或全自主载具。虽然图5A-5E将载具500图示为汽车(例如，客车)，但是将理解的是，载具500可以包括另一种类型的可以使用传感器和关于其环境的其他信息在其环境内导航的自主载具、机器人或无人机。

载具500可以包括一个或多个传感器系统502、504、506、508和510。在一些实施例中，传感器系统502、504、506、508和510可以包括具有相对于给定平面(例如，x-y平面)在一定角度范围内布置的多个光发射器器件的LIDAR传感器。

传感器系统502、504、506、508和510中的一个或多个可以被配置成围绕垂直于给定平面的轴线(例如，z轴线)旋转，以便用光脉冲照射载具500周围的环境。基于检测反射的光脉冲的各个方面(例如，耗费的飞行时间、偏振、强度等)，可以确定关于环境的信息。

在示例性实施例中，传感器系统502、504、506、508和510可以被配置成提供相应的点云信息，该点云信息可以与载具500的环境内的物理对象相关。虽然载具500和传感器系统502、504、506、508和510被图示为包括某些特征，但是将理解，在本公开的范围内设想了其他类型的传感器系统。

示例实施例可以包括具有多个光发射器器件的系统。该系统可以包括lidar设备的传送块。例如，该系统可以对应于载具(例如，汽车、卡车、摩托车、高尔夫球车、飞行器、船等)的lidar设备(或者可以被包括在其中)。多个光发射器器件中的每个光发射器器件被配置成沿着相应的光束仰角发射光脉冲。相应的光束仰角可以基于参考角度或参考平面。在一些实施例中，参考平面可以基于载具500的运动轴线。

虽然在此描述并图示了具有单个光发射器器件的lidar系统，但是设想了具有多个光发射器器件(例如，在单个激光器管芯上具有多个激光条的光发射器器件)的lidar系统。例如，由一个或多个激光二极管发射的光脉冲可以被可控地导向系统的环境周围。光脉冲的发射角度可以通过扫描设备来调整，诸如例如机械扫描镜和/或旋转马达。例如，扫描设备可以围绕给定的轴线以往复运动的方式旋转和/或围绕垂直轴线旋转。在另一个实施例中，光发射器器件可以向旋转的棱镜镜面发射光脉冲，这可以使得基于当与每个光脉冲相互作用时棱镜镜面角度的角度将光脉冲发射到环境中。附加地或可替代地，扫描光学器件和/或其他类型的电光机械设备可能在环境周围扫描光脉冲。利用多个固定光束的实施例在本公开的背景内也是所设想的。

在一些实施例中，如本文所述，单个光发射器器件可以根据可变的闪射时间表和/或以可变的每次闪射功率来发射光脉冲。也就是说，每个激光脉冲或闪射的发射功率和/或定时可以基于闪射的相应仰角。此外，可变的闪射时间表可以基于在距lidar系统或距支撑lidar系统的给定载具的表面(例如，前保险杠)的给定距离处提供期望的垂直间距。作为示例，当来自光发射器器件的光脉冲被导向下方时，由于到目标的预期最大距离较短，每次闪射的功率可能会降低。相反，由光发射器器件以高于参考平面的仰角发射的光脉冲可以具有相对较高的每次闪射功率，以便提供足够的信噪比来充分检测行进较长距离的脉冲。

在一些实施例中，可以以动态方式控制每次闪射的每次闪射功率/能量。在其他实施例中，可以针对连续组的若干脉冲(例如，10个光脉冲)来控制每次闪射的功率/能量。也就是说，光脉冲序列的特性可以在每个脉冲的基础上和/或每若干个脉冲的基础上改变。

虽然图5A-5E图示了附接到载具500的各种lidar传感器，但是将会理解，载具500可以结合其他类型的传感器，诸如多个光学系统(例如，相机)、雷达或超声波传感器。

在示例实施例中，载具500可以包括lidar系统(例如，系统100)，lidar系统被配置为向载具500的环境中发射光脉冲，以便提供指示默认视场内的对象的信息。例如，载具500可以包括具有可旋转基座(例如，可旋转基座110)的光学系统(例如，系统100)，该可旋转基座被配置为围绕第一轴线(例如，第一轴线102)旋转。光学系统还可以包括镜组件(例如，镜组件130)。镜组件可以被配置成围绕镜旋转轴线(例如，镜旋转轴线131)旋转。在一些实施例中，镜旋转轴线基本上垂直于第一轴线。

光学系统还包括耦合到可旋转基座的光腔(例如，光腔120)。在这种情况下，光腔包括至少一个光发射器器件(例如，光发射器器件126)和光发射器透镜(例如，光发射器透镜128)。该至少一个光发射器器件和光发射器透镜被布置成限定光发射轴线(例如，光发射轴线18)。

该光学系统还包括多个光电检测器(例如，光电检测器122)。在示例实施例中，多个光电检测器包括用于至少一个光发射器器件中的每个光发射器器件的相应的一组两个或更多个光电检测器。该光学系统还包括光电检测器透镜(例如，光电检测器透镜124)。在这种情况下，多个光电检测器和光电检测器透镜被布置成限定光接收轴线(例如，光接收轴线19)。

在一些实施例中，每组两个或更多个光电检测器可以包括主光检测器(例如，主光检测器123)和副光检测器(例如，副光检测器125)。在这种情况下，主光检测器被配置成接收从给定的光发射器器件发射的返回光的第一部分。此外，副光检测器被配置成接收从给定的光发射器器件发射的返回光的第二部分。

在一些实施例中，返回光的第一部分在光子通量上比返回光的第二部分至少大一个数量级。

IV.示例方法

图6图示了根据示例实施例的方法600。将会理解，方法600可以包括比这里明确图示或以其他方式公开的步骤或块更少或更多的步骤或块。此外，方法600的相应步骤或块可以以任何顺序执行，并且每个步骤或块可以执行一次或多次。在一些实施例中，方法600的一些或所有块或步骤可以由控制器150和/或如分别关于图1、2A、2B和2C所图示和描述的系统100、200、220或230的其他元件执行。

块602包括从耦合到可旋转基座的光发射器器件发射光脉冲，该光脉冲最初与镜组件相互作用，并且然后作为发射光向环境发射

块604包括接收来自环境的返回光，该返回光最初与镜组件相互作用，并且然后被至少主光检测器和副光检测器检测。

块606包括基于发射时间和接收时间之间的飞行时间来确定到环境中的对象的范围。

在一些实施例中，方法600可以另外包括使可旋转基座围绕第一轴线旋转，使镜组件围绕镜旋转轴线旋转，并且当镜组件旋转时，重复发射、接收和确定步骤，以便形成点云。点云包括环境的三维表示内的多个范围或范围数据。

图7图示了根据示例实施例的方法700。将会理解，方法700可以包括比这里明确图示或以其他方式公开的步骤或块更少或更多的步骤或块。此外，方法700的相应步骤或块可以以任何顺序执行，并且每个步骤或块可以执行一次或多次。在一些实施例中，方法700的一些或所有块或步骤可以由控制器150和/或如分别关于图1、2A、2B和2C所图示和描述的系统100、200、220或230的其他元件执行。

块702包括使可旋转镜(例如，镜体133)围绕旋转轴线(例如，镜旋转轴线131)旋转。在这种情况下，可旋转镜可以包括多个副反射表面(例如，反射表面132)。

块704包括使相机(例如，相机166)借助于主反射表面(例如，主反射表面163)和可旋转镜的至少一个副反射表面捕获光学元件(例如，光学窗口162)的多个图像。多个图像中的每个图像在至少一个副反射表面的对应镜面角度处被捕获。

在一些实施例中，方法700可以另外包括基于多个图像和至少一个副反射表面的对应镜面角度来确定光学元件的聚合图像。

在这种情况下，方法700可以包括基于聚合图像确定至少一个遮挡对象存在于光学元件上。

方法700可以另外包括，在使相机捕获多个图像时，使照射器(例如，照射器161)发射光以借助于主反射表面和可旋转镜来照射光学元件。

图8图示了根据示例实施例的方法800。将会理解，方法800可以包括比这里明确图示或以其他方式公开的步骤或块更少或更多的步骤或块。此外，方法800的相应步骤或块可以以任何顺序执行，并且每个步骤或块可以执行一次或多次。在一些实施例中，方法800的一些或所有块或步骤可以由控制器150和/或如分别关于图1、2A、2B和2C所图示和描述的系统100、200、220或230的其他元件执行。

块802包括使至少一个光发射器器件(例如，光发射器器件126)向可旋转镜(例如，镜组件130)发射多个光脉冲。可旋转镜(i)将多个光脉冲中的至少第一光脉冲反射到外部环境(例如，环境10)中；以及(ii)将多个光脉冲中的至少第二光脉冲反射到内部光路(例如，内部光路168)中。

块804包括由光电检测器(例如，光电检测器122)接收(i)反射的光脉冲，反射的光脉冲包括由外部环境(例如，环境10)中的对象(例如，对象12)导致的第一光脉冲的反射；以及(ii)经由内部光路接收的第二光脉冲。内部光路至少部分地由一个或多个内部反射器(例如，内部反射器180)限定，内部反射器将第二光脉冲向可旋转镜反射，使得可旋转镜将第二光脉冲向光电检测器反射。

附加地或可替代地，方法800可以包括基于光发射器器件发射第一光脉冲的时间、光检测器检测到反射的光脉冲的时间，以及光检测器检测到第二光脉冲的时间，来确定到外部环境中的对象的距离。

图9图示了根据示例实施例的方法900。将会理解，方法900可以包括比这里明确图示或以其他方式公开的步骤或块更少或更多的步骤或块。此外，方法900的相应步骤或块可以以任何顺序执行，并且每个步骤或块可以执行一次或多次。在一些实施例中，方法900的一些或所有块或步骤可以由控制器150和/或如分别关于图1、2A、2B和2C所图示和描述的系统100、200、220或230的其他元件执行。

方法900可以用于增强光检测和测距(lidar)系统的动态范围。块902可以包括将发射光(例如，传送光14)从lidar(例如，系统100)传送到lidar的环境(例如，环境10)中。

块904可以包括接收返回光(例如，返回光16)。返回光是从lidar的环境中的对象(例如，对象12)反射的发射光的至少一部分。

块906包括通过多个孔径(例如孔径178)将返回光传送到多个光学重定向器(例如光学重定向器129)中。

图中所示的布置不应被视为限制性的。应当理解，其他实施例可以包括更多或更少的给定附图中所示的每个元件。此外，一些图示的元件可以被组合或省略。此外，说明性实施例可以包括附图中未图示的元件。

表示信息处理的步骤或块可以对应于能够被配置为执行这里描述的方法或技术的特定逻辑功能的电路。可替代地或附加地，表示信息处理的步骤或块可以对应于程序代码(包括相关数据)的模块、片段或一部分。程序代码可以包括可由处理器执行的一个或多个指令，用于实现该方法或技术中的特定逻辑功能或动作。可以将程序代码和/或相关数据存储在任何类型的计算机可读介质上，诸如包括磁盘、硬盘驱动器或其他存储介质的存储设备上。

计算机可读介质还可以包括非暂时性计算机可读介质，诸如短时间段存储数据的计算机可读介质，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(RAM)。计算机可读介质还可以包括较长时间段存储程序代码和/或数据的非暂时性计算机可读介质。因此，例如，计算机可读介质可以包括辅助的或永久长期存储装置，如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、压缩盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读介质也可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。例如，计算机可读介质可以被认为是计算机可读存储介质，或者有形存储设备。

虽然已经公开了各种示例和实施例，但是其他示例和实施例对于本领域技术人员来说将是明显的。各种公开的示例和实施例是为了说明的目的，而不是为了限制，真实的范围由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种光检测和测距(lidar)系统，包括:

传送器，包括:

至少一个光发射器器件，被配置成将发射光传送到lidar系统的环境中；

接收器，被配置成检测来自环境的返回光，该接收器包括:

多个孔径；

多个光电检测器；和

多个光学重定向器元件，其中，每个光学重定向器元件被配置成接收来自相应孔径的返回光，将返回光分离成不相等的部分，并照射所述多个光电检测器中的至少两个光电检测器。

2.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，每个光学重定向器被配置为通过全内反射将返回光从相应孔径光学耦合到所述多个光电检测器中的至少两个光电检测器。

3.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述光学重定向器由可注射成型的光学材料形成。

4.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述光学重定向器以元件对的形式耦合在一起，使得将第一元件对和第二元件对成形为彼此可滑动地耦合。

5.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述多个孔径中的至少一个孔径具有150微米和300微米之间的直径。

6.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述多个孔径包括形成在孔径板中的一组开口，其中，孔径板具有50微米和200微米之间的厚度。

7.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述多个孔径中的相应孔径被间隔开200微米至800微米。

8.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述多个光电检测器中的相应光电检测器被间隔开至少1000微米。

9.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述多个光电检测器比所述至少一个光发射器器件大至少两倍。

10.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述至少两个光电检测器包括第一光电检测器和第二光电检测器，并且所述光学重定向器被配置成利用返回光的第一部分的第一光子通量照射所述第一光电检测器，并且利用返回光的第二部分的第二光子通量照射所述第二光电检测器，其中，第一部分大于第二部分。

11.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，所述多个光电检测器中的至少一个光电检测器包括固态单光子敏感器件。

12.一种光学重定向器器件，包括:

多个孔径；

多个光电检测器；和

多个光学重定向器，其中，每个光学重定向器被配置成接收来自相应孔径的返回光，将返回光分离成不相等的部分，并照射多个光电检测器中的至少两个光电检测器。

13.根据权利要求12所述的光学重定向器器件，其中，每个光学重定向器被配置为通过全内反射将返回光从相应孔径光学耦合到所述多个光电检测器中的至少两个光电检测器。

14.根据权利要求12所述的光学重定向器器件，其中，所述光学重定向器由可注射成型的光学材料形成。

15.根据权利要求12所述的光学重定向器器件，其中，所述光学重定向器以元件对的形式耦合在一起，使得第一元件对和第二元件对被成形为彼此可滑动地耦合。

16.根据权利要求12所述的光学重定向器器件，其中，所述多个孔径中的至少一个孔径具有150微米和300微米之间的直径。

17.根据权利要求12所述的光学重定向器器件，其中，所述多个孔径包括形成在孔径板中的一组开口，其中，所述孔径板具有50微米和200微米之间的厚度。

18.根据权利要求12所述的光学重定向器器件，其中，所述多个光电检测器中的至少一个光电检测器包括固态单光子敏感器件。

19.一种载具，包括:

光检测和测距(lidar)系统，包括:

传送器，包括:

至少一个光发射器器件，被配置成将发射光传送到载具的环境中；和

接收器，被配置成检测来自环境的返回光，该接收器包括:

多个孔径；

多个光电检测器；和

多个光学重定向器，其中，每个光学重定向器被配置成接收来自相应孔径的返回光，将返回光分离成不相等的部分，并照射到所述多个光电检测器中的至少两个光电检测器。

20.一种用于增强光检测和测距(lidar)系统的动态范围的方法，该方法包括:

将来自lidar的发射光传送到lidar的环境中；

接收返回光，其中，返回光是从lidar的环境中的对象反射的发射光的至少一部分；和

通过多个孔径将返回光传送到多个光学重定向器中。

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