CN115190978A - 基于光的测距设备的设计与操作 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光的测距设备(500)，所述基于光的测距设备(500)包括光源(502)、光探测器(504)、反射体(506)和驱动单元(508)。所述光源用于使用一个或多个光束照亮物体(510)。所述光探测器用于探测从所述物体反射的所述一个或多个光束。所述反射体具有对称主轴线(512)，并且包括围绕所述对称主轴线的至少三个反射面。所述至少三个反射面中的每一个用于首先将所述一个或多个光束中的每一个反射到所述物体，然后反射到所述光探测器。所述驱动单元用于围绕旋转轴线(514)旋转所述反射体。所述旋转轴线相对于所述对称主轴线倾斜非零倾斜角。所述非零倾斜角被定义成使得所述一个或多个光束由所述至少三个反射面中的每一个沿至少部分发散的方向反射到所述物体。通过使用所述基于光的测距设备的这种配置，可以利用所述反射体的所述对称主轴线与所述反射体的所述旋转轴线之间的失准，因为所述失准提供了来自所述至少三个反射面中的每一个的所述光束的发散方向，从而增加了扫描点的总数量。

Description

基于光的测距设备的设计与操作

技术领域

本发明涉及光探测和测距技术领域，尤其涉及能够使用脉冲或连续光束扫描目标物体的基于光的测距设备、用于控制基于光的测距设备的装置、用于操作基于光的测距设备的方法以及用于在软件层面实现方法的计算机程序产品。

背景技术

光探测和测距(Light Detection And Ranging，LiDAR)设备被设计用于通过使用激光束照亮目标物体并测量激光束到达目标物体和返回所需的时间来测量与目标物体的距离。LiDAR设备可以用于扫描建筑物、岩层、地面等，以生成相应的三维(three-dimensional，3D)模型。LiDAR设备主要有两种类型，均基于使用激光束。第一种LiDAR设备使用单一激光束进行单一测量。第二种LiDAR设备用于扫描特定视场(field-of-view，FOV)并测量FOV内的多个点。

更具体地，第二种LiDAR设备可以用于生成单一激光束，然后由旋转镜沿若干不同的方向反射。每个方向的飞行时间(Time-of-Flight，ToF)由激光探测器计算，使得可以扫描整个场景。可以使用光学棱镜代替旋转镜，光学棱镜依靠光折射来重定向激光束。然而，此类LiDAR设备仅允许沿着一条线(即在一个平面内)扫描。

第二种LiDAR设备还可以用于生成若干激光束(而非仅仅一个)，每个激光束由旋转镜沿若干不同的方向反射，从而扫描LiDAR设备的整个FOV。每个激光束由独立的激光探测器探测，以计算其ToF值。通过使用若干激光束，可以同时测量若干距离。然而，扫描点的总数量等于激光束的数量与不同反射镜位置的数量的乘积，该总数量对于某些应用来说可能不够。在某些情况下，激光束之间需要较小的空间间隔，这只能通过增加激光束的数量(导致功耗增加)或通过限制要扫描的FOV来实现。此外，对于每个扫描点，应该有激光探测器，该激光探测器用于探测从目标物体反射的对应激光束。

可以使用旋转矩形平行六面体代替旋转镜，旋转矩形平行六面体具有四个侧面，每个侧面平行于平行六面体的对称主轴线，并且每个侧面设有反射激光束的反射镜。然而，平行六面体围绕其旋转的旋转轴线需要非常精确地与平行六面体的对称主轴线对准。如果出现任何(即使是轻微)失准，反射镜将沿垂直方向产生一定摆动，导致激光束由每个反射镜以不同方式反射。这反过来又将增加必要数量的激光探测器，并在出现轻微失准的情况下使其放置复杂化。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在识别本发明的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制本发明的范围。

本发明的目的在于提供一种技术方案，该技术方案可以增加扫描点的数量，并简化光探测器的布置。本发明的另一目的在于使得能够根据特定应用更改扫描点的数量。

上述目的通过所附权利要求中独立权利要求的特征来实现。进一步的实施例和示例从从属权利要求、具体实施方式和附图中是显而易见的。

根据第一方面，提供了一种基于光的测距设备，所述基于光的测距设备包括光源、光探测器、反射体和驱动单元。所述光源用于使用一个或多个光束照亮物体。所述光探测器用于探测从所述物体反射的所述一个或多个光束。所述反射体具有对称主轴线，并且包括围绕所述对称主轴线的至少三个反射面。所述至少三个反射面中的每一个用于首先将所述一个或多个光束中的每一个反射到所述物体，然后反射到所述光探测器。所述驱动单元用于围绕旋转轴线旋转所述反射体。所述旋转轴线相对于所述对称主轴线倾斜非零倾斜角。所述非零倾斜角被定义成使得所述一个或多个光束由所述至少三个反射面中的每一个沿至少部分发散的方向反射到所述物体。通过使用所述基于光的测距设备的这种配置，可以利用所述反射体的所述对称主轴线与所述反射体的所述旋转轴线之间的失准，因为所述失准提供了来自所述至少三个反射面中的每一个的所述光束的至少部分发散的方向，从而增加了扫描点的总数量。

在所述第一方面的一个实施例中，所述基于光的测距设备用作LiDAR设备。在该实施例中，所述光源用于使用作为脉冲激光的所述光束照亮所述物体，并且所述光探测器用于探测从所述物体反射的所述脉冲激光。这可以使所述基于光的测距设备在使用方面更加灵活。

在所述第一方面的一个实施例中，所述光源用于使用作为单一扇形光束的所述光束照亮所述物体。这可以为所述基于光的测距设备的配置提供更高的灵活性。具体地，如果使用所述扇形光束代替离散数量的光束，则对于从所述物体反射的所述光束中的每一个，不需要具有独立的光探测器。

在所述第一方面的一个实施例中，如果使用所述扇形光束，则所述光探测器包括离散探测器元件阵列。所述离散探测器元件中的每一个相对于从所述至少三个反射面反射的所述扇形光束进行时分多路复用。在该实施例中，对于每个探测器元件，所述反射体的所述至少三个反射面中的每一个从不同的位置产生光探测，并且关于使用所述至少三个反射面中的哪一个的信息用于构建所有光探测的最终空间位置。

在所述第一方面的一个实施例中，所述光源用于使用离散数量的所述光束照亮所述物体。这可以使所述基于光的测距设备在使用方面更加灵活。

在所述第一方面的一个实施例中，如果使用所述离散光束，则所述光探测器包括离散探测器元件阵列。所述离散探测器元件中的每一个用于探测来自所述物体的所述离散数量的所述光束中的一个。这可以为所述光探测器的设计提供更高的灵活性。

在所述第一方面的一个实施例中，所述倾斜角还基于所述光探测器的期望空间分辨率定义。这样，可以选择所述倾斜角，使得不需要以任何方式重新配置所述光探测器。

在所述第一方面的一个实施例中，所述至少三个反射面平行于所述反射体的所述对称主轴线。该实施例可以为所述基于光的测距设备中使用的所述反射体的设计提供更高的灵活性。例如，所述反射体可以用于具有似棱镜形状。

在所述第一方面的另一实施例中，所述至少三个反射面中的每一个与所述反射体的所述对称主轴线成不同或相同的角度。该实施例可以在所述基于光的测距设备中使用的所述反射体的设计和制造方面提供更高的灵活性。例如，所述反射体可以实现为截棱锥。

在所述第一方面的一个实施例中，所述光探测器包括至少一个单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)探测器。这可以在所述基于光的测距设备中使用的所述光探测器的设计和制造方面提供更高的灵活性。

在所述第一方面的一个实施例中，所述反射体的所述至少三个反射面中的每一个使用以下技术中的一项实现反光：镜面抛光；在其上施加反射镜镀层；或在其上附着反射镜。这可以在所述反射体的设计和制造方面提供更高的灵活性。

根据第二方面，提供了一种装置，所述装置用于控制根据所述第一方面所述的基于光的测距设备。所述装置包括至少一个处理器和存储器，所述存储器耦合到所述至少一个处理器并存储处理器可执行指令。所述处理器可执行指令在由所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行以下操作：

-限定所述对称主轴线与所述旋转轴线之间的所述非零倾斜角，使得所述一个或多个光束由所述反射体的所述至少三个反射面中的每一个沿至少部分发散的方向反射到所述物体；

-使所述驱动单元围绕所述旋转轴线旋转所述反射体，所述旋转轴线相对于所述对称主轴线倾斜所述非零倾斜角。

利用该装置，可以根据特定应用更改所述对称主轴线与所述旋转轴线之间的所述倾斜角。

在所述第二方面的一个实施例中，所述至少一个处理器还被指示执行以下操作：

-在需要稀疏扫描分辨率的情况下，仅当所述反射体的所述至少三个反射面中的一个处于期望旋转位置时，才使所述光源照亮所述物体；

-在需要密集扫描分辨率的情况下，针对所述反射体的所有所述至少三个反射面，使所述光源照亮所述物体。

这样，可以编程方式更改扫描点的数量。如果对所述物体进行非常稀疏的扫描是足够的，则驱动所述光源，使得仅当所述至少三个反射面中的对应一个处于期望旋转位置时，所述光源才开启，从而导致功耗降低。例如，可能需要所述稀疏扫描分辨率来探测所述目标物体或场景中的变化。一旦探测到所述目标物体或场景中的一些变化，则可以使所述光源切换到密集扫描模式，在所述密集扫描模式下为所述旋转反射体的所有所述至少三个反射面生成所述激光束。

根据第三方面，提供了一种方法，所述方法用于操作根据所述第一方面所述的基于光的测距设备。所述方法包括以下步骤：

-激活稀疏扫描模式，在所述稀疏扫描模式下，仅当所述反射体的所述至少三个反射面中的一个处于期望旋转位置时，才使所述光源照亮所述物体；

-激活密集扫描模式，在所述密集扫描模式下，针对所述反射体的所有所述至少三个反射面，使所述光源照亮所述物体。

这样，可以编程方式更改扫描点的数量。默认情况下，可以首先激活所述稀疏扫描模式。例如，可以使用所述稀疏扫描模式来探测所述目标物体或场景中的变化。一旦探测到所述目标物体或场景中的一些变化，则可以将所述稀疏扫描模式更改为所述密集扫描模式，在所述密集扫描模式下为所述旋转反射体的所有所述至少三个反射面生成所述激光束。这可以简化根据所述第三方面所述的方法的实现方式，例如在根据所述第二方面所述的装置中。

根据第四方面，提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储可执行代码的计算机可读介质。所述可执行代码在由至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行根据所述第三方面所述的方法。这可以简化根据所述第三方面所述的方法在任何计算装置(例如，根据第二方面所述的装置)上的实现方式。

通过阅读下面的具体实施方式并回顾附图，本发明的其它特征和优点是显而易见的。

附图说明

以下将结合附图说明本发明的实质，其中：

图1示意性地示出了能够扫描特定FOV并提供多个扫描点的一种传统LiDAR设备；

图2示意性地示出了能够扫描整个FOV并提供多个扫描点的另一种传统LiDAR设备；

图3示意性地示出了负责生成激光束并将其重定向至目标物体的传统LiDAR设备的各部分；

图4示意性地示出了矩形平行六面体的旋转轴线与矩形平行六面体的对称主轴线之间失准的外观；

图5示意性地示出了本发明的一个示例性实施例提供的基于光的测距设备；

图6示出了说明如何限定图5所示的设备中包括的反射体的对称主轴线与反射体的旋转轴线之间的合适倾斜角θ的示意图；

图7A和图7B示意性地示出了如何使用构成图5所示的设备中包括的光探测器的探测器元件阵列来收集由目标物体反射的不同离散光束；

图8A至图8C示意性地示出了如何使用构成图5所示的设备中包括的光探测器的探测器元件阵列来收集由光源发射并且随后由目标物体反射的扇形光束；

图9示意性地示出了本发明的一个示例性实施例提供的用于操作图5所示的基于光的测距设备的方法的流程图；

图10示意性地示出了本发明的一个示例性实施例提供的用于控制图5所示的基于光的测距设备的装置。

具体实施方式

结合附图进一步详细地描述了本发明的各种实施例。但是，本发明可以通过许多其它形式体现，并且不应解释为限于在以下描述中公开的任何特定结构或功能。相反，提供这些实施例是为了使本发明的描述详细和完整。

根据详细描述，本领域技术人员将显而易见的是，本发明的范围包括本文中所公开的本发明的任何实施例，而不论该实施例是独立实现还是与本发明的任何其它实施例协同实现。例如，在实践中，本文中所公开的设备、装置和方法可以使用本文中所提供的任意数量的实施例来实现。此外，应理解，本发明的任何实施例都可以使用所附权利要求中提出的一个或多个元件或步骤来实现。

本文中所使用的“示例性”一词的含义为“用作说明”。除非另有说明，否则本文中描述为“示例性”的任何实施例都不应被理解为优选或具有优于其它实施例的优点。

根据本文中所公开的示例性实施例，基于光的测距设备可以指任何测距设备，所述测距设备用于在所述设备中包括的反射体的旋转轴线与所述反射体的对称主轴线之间存在失准的情况下，相对于相关物体或场景执行基于光的扫描。所述基于光的测距设备可以实现为LiDAR设备。然而，本发明不限于该实现方式示例，并且未来可能开发的基于该失准操作的任何其它设备都应被理解为落入本发明的范围。

在本文中所公开的实施例中，所述对称主轴线可以指围绕其旋转360°/n(或2π/n)从而在旋转前后产生相同几何体的轴线。所述对称主轴线也可以称为主对称轴线。

图1示意性地示出了能够扫描特定FOV并提供多个扫描点的一种传统LiDAR设备100。为此，LiDAR设备100包括激光源102、探测器104和旋转镜106。激光源102用于生成由旋转镜106反射到目标物体108的单一激光束(参见图1中的实线箭头)。旋转镜106由驱动单元(图1中未示出)围绕旋转轴线110旋转，从而提供所述单一激光束沿不同方向的反射。从目标物体108反射后，所述激光束再次击中旋转镜106，但现在反射到布置在激光源102附近的探测器104(参见图1中的虚线)。探测器104用于计算每个方向的ToF值，基于所述ToF值，可以计算与目标物体108的距离和/或可以获得目标物体108的视觉模型。可以使用光学棱镜代替旋转镜106，所述光学棱镜依靠光折射来重定向所述单一激光束。然而，LiDAR设备100的缺点是，所述单一激光束的反射仅在一个(水平)平面中执行。

为了消除上述缺点，也可以垂直地旋转/倾斜旋转镜106，这使得能够平行于水平平面中的扫描在另一(垂直)平面中进行扫描。然而，旋转镜106围绕另一轴线的所述旋转/倾斜很难实现。此外，尽管能够进行水平和垂直扫描，但这也需要在LiDAR设备100的设计中考虑更复杂的力学(通常使用微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)反射镜来实现)。如下面结合图2所讨论的，为了降低设备设计的机械复杂性，并仍然能够在水平平面和垂直平面中进行扫描，可以使用一组激光束。

更具体地，图2示意性地示出了能够扫描整个FOV并提供多个扫描点的另一种传统LiDAR设备200。为此，LiDAR设备200包括激光源202、探测器204和旋转镜206。激光源202用于生成由旋转镜206反射到目标物体208的若干激光束(参见图2中的实线箭头)。与旋转镜106类似，旋转镜206由驱动单元(图2中未示出)围绕旋转轴线210旋转，从而提供每个激光束沿不同方向的反射。因此，目标物体208的垂直扫描由激光束的数量来提供，而目标物体208的水平扫描由旋转镜206绕旋转轴线210旋转来提供。从目标物体208反射后，所述激光束再次击中旋转镜206，但现在反射到布置在激光源202附近的探测器204(参见图2中的虚线)。然而，扫描点的总数量等于激光束的数量与不同反射镜位置的数量的乘积，该总数量对于某些应用来说可能不够。在某些情况下，由激光源202发射的激光束之间需要较小的空间间隔，这只能通过增加激光束的数量(导致激光源202的功耗增加)或通过限制要扫描的FOV来实现。此外，对于每个扫描点，应该有探测器元件，该探测器元件用于探测从目标物体208反射的对应激光束。换言之，探测器204的设计变得更加复杂。

图3示意性地示出了负责生成激光束并将其重定向至目标物体的传统LiDAR设备的各部分。如图所示，该部分包括激光源302和旋转矩形平行六面体304，矩形平行六面体304由驱动单元(图3中未示出)围绕旋转轴线306旋转。有四个反射镜(图3中未示出)，每个反射镜放置在矩形平行六面体304的侧面中的一个上，所述侧面平行于其与旋转轴线306重合的对称主轴线。当矩形平行六面体304旋转时，来自激光源302的激光束仅在一定时间内有效，使得每个反射镜扫描整个水平FOV。例如，如果矩形平行六面体304每秒围绕旋转轴线306完全旋转一次，则水平FOV将被每秒扫描四次。然而，这种类型的LiDAR设备要求旋转轴线306非常精确地与矩形平行六面体304的对称主轴线对准。

图4示意性地示出了矩形平行六面体304的旋转轴线306与矩形平行六面体304的对称主轴线402之间失准的外观。在这种情况下，四个反射镜将沿垂直方向产生一定摆动，导致每个激光束由四个反射镜中的每一个以不同方式反射。这反过来会增加必要数量的激光探测器，并且在轻微失准的情况下难以实现其布置。

虽然矩形平行六面体304的对称主轴线与其旋转轴线(参见图3和图4)之间的轻微失准会对现有技术LiDAR设备的设计和操作产生不利影响(由于应利用更多探测器元件，并且很难实现其精确布置)，但本文作者已经发现，此类失准可以有利地用于增加扫描点的数量。具体地，根据本发明，选择反射体(例如，矩形平行六面体304)的旋转轴线与所述反射体的对称主轴线之间的倾斜角，使得激光束从所述反射体的对应反射面沿至少部分发散的方向反射，从而(成倍)增加所述扫描点的数量。

图5示意性地示出了本发明的一个示例性实施例提供的基于光的测距设备500。基于光的测距设备500包括光源502、光探测器504、反射体506和驱动单元508。光源502用于使用一个或多个光束照亮目标物体510(参见图5中的细实线箭头，为免图5过载，仅示出一个光束)。光探测器504用于探测从物体510反射的一个或多个光束。反射体506具有对称主轴线512，并且包括围绕对称主轴线512的反射面。所述反射面中的每一个用于首先将所述一个或多个光束中的每一个反射到物体510，然后反射到光探测器504。驱动单元508用于围绕旋转轴线514旋转反射体506(由图5中的粗实线箭头示意性地示出)。旋转轴514相对于对称主轴线512倾斜非零倾斜角θ。所述非零倾斜角θ被定义成使得所述一个或多个光束由所述反射面中的每一个沿至少部分发散的方向反射到物体510。通过使用基于光的测距设备500的这种配置，可以利用反射体506的对称主轴线512与反射体506的旋转轴线514之间的失准，因为所述失准提供了来自所述反射面中的每一个的所述光束的至少部分发散的方向，从而增加了扫描点的总数量。

光源502可以实现为激光源，相应地，整个基于光的测距设备500可以实现为LiDAR设备。此外，光源502可以用于生成一个或多个光束作为激光脉冲，每个激光脉冲具有介于100kHz到5MHz的频率、介于0.1ns到2ns的脉冲宽度以及介于2W到50W的脉冲功率。本领域技术人员应显而易见的是，由光源502生成的光束的确切参数(包括光束形状)根据特定应用而变化。

如上所讨论的，光探测器504用于探测从物体510反射的光束，并基于ToF值执行必要的距离计算。光探测器504可以包括离散探测器元件阵列，每个探测器元件可以基于至少一个单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)实现。此外，还应该注意的是，如果光束由光源502生成作为离散数量的光束，则此类离散探测器元件中的每一个可以用于探测来自物体510的光束中的一个；或者，如果光束由光源502生成作为单一扇形光束，则相对于来自物体510的光束进行时分多路复用。所述探测器元件的时分多路复用意味着，对于每个探测器元件，反射体506的不同反射面根据所使用的反射面和关于所使用反射面的信息从不同的位置产生光探测，然后可以用于构建物体510的最终空间位置。

反射体506可以由任何足够硬的材料制成，使得在反射体506围绕旋转轴线514旋转期间，反射体506的形状不会在惯性力下发生改变。此类材料的一些示例包括金属、塑料玻璃等。关于反射体506的反射面，可以使用以下技术中的一个实现反光：镜面抛光；在其上施加反射镜镀层；或在其上附着反射镜。

虽然反射体506在图5中示出为矩形平行六面体的形式，所述矩形平行六面体具有围绕对称主轴线512的四个(侧)反射面，但是该形状仅用作一个可能的示例，不应被视为本发明的任何限制。在其它示例性实施例中，所述反射面的数量可以减少到三个，因此，反射体506可以实现为三角棱镜；或者，可以增加到五个或多个，因此，反射体506可以实现为多边形棱镜(例如，如果所述反射面的数量设置为五个，则实现为五角棱镜)。此外，在一些其它示例性实施例中，反射体506的所述反射面可以不平行于对称主轴线512，但每个反射面相对于对称主轴线512以不同或相同的角度倾斜。这使得可以将其它几何形状用于反射体506，例如，作为截棱锥。

驱动单元508可以以多种方式实现。例如，驱动单元508可以实现为机械旋转机构、电磁驱动器等。驱动单元508可以被编程为根据特定应用围绕旋转轴线514沿顺时针或逆时针方向旋转反射体506。例如，转速可以在50-2000转数/分钟内变化，但不限于该示例性数值范围。

如上所述，所述倾斜角θ可以被定义成提供由所述反射面中的每一个反射的光束的至少部分发散的方向。如现在将结合图6所讨论的，所述倾斜角θ还可以基于光探测器504的期望空间分辨率来定义。为了简单起见，图6仅指一个光束。由于对称主轴线512与旋转轴线514之间的倾斜/失准，该光束的位移表示为α。现在要求在与基于光的测距设备500的一定距离z处，所述光束的偏移等于Δ。然后，位移角α可以计算如下：

根据图6所示的示意图调整参数α和z，可以选择最适合目标应用和要求的合适倾斜角θ。可替代地，可以使用不同的光线跟踪软件工具来对光束在不同倾斜角θ下的空间分布进行建模。例如，倾斜角θ可以设置为大于1°。

图7A和图7B示意性地示出了如何使用构成基于光的测距设备500中包括的光探测器504的探测器元件阵列来收集由物体510反射的不同离散光束。具体地，图7A示出了反射体506的对称主轴线512和旋转轴线514之间精确对准的情况。可以看到，无论反射体506的反射面的位置如何，理想情况下，每个光束都由一个探测器元件捕获。图7B示出了旋转轴线514与对称主轴线512不重合的情况，即存在由非零倾斜角θ表示的失准的情况。如图7B所示，反射体506的反射面的不同位置的光束不会击中相同的探测器元件。因此，从图7A和图7B可以看到，在非零倾斜角θ的情况下，应增加所述探测器元件的数量，并且这可以例如使用探测器元件的2D阵列来实现。此外，所述探测器元件的2D阵列的大小取决于接收到的光束的位置，因此，可以选择旋转轴线514与对称主轴线512之间的倾斜角θ，使得考虑要添加到光探测器504中的所述探测器元件的额外数量。同时，一些探测器元件可以从对应于所述反射面的若干位置的两个或多个不同光束收集光(如图7B所示)。在这种情况下，当激活一个探测器元件时，需要知道反射体506所在的位置，以便将空间中的正确方向分配给对应的扫描点云。这可以称为所述探测器元件的时分多路复用。

图8A至图8C示意性地示出了如何使用构成基于光的测距设备500中包括的光探测器504的探测器元件阵列来收集由光源502发射并且随后由物体510反射的扇形光束。然后，在所述探测器侧执行所述扇形光束的分裂，其中每个探测器元件将从其自身方向收集光。在这种情况下，对称主轴线512与旋转轴线514之间的失准(倾斜角θ)应确保所述扇形光束沿正确的方向生成。使用所述扇形光束为设备500的设计提供更高的灵活性。事实上，如果使用所述扇形光束代替离散数量的光束，则对于每个生成的光束，不需要具有独立的探测器元件(如图7A和图7B所示)。因此，光探测器504决定整个系统的分辨率(即所述扫描点云中扫描点的数量)。此外，使用所述扇形光束不需要为光源502设计和使用非常复杂的分束器。

更具体地，图8A示出了对称主轴线512与旋转轴线514之间精确对准的情况。图8B示出了旋转轴线514与对称主轴线512不重合，并且光探测器504由与图8A所示相比更多数量的探测器元件(即使用超过15个探测器元件)形成的情况。图8C示出了旋转轴线514与对称主轴线512不重合，但光探测器504由与图8A所示相同数量的探测器元件(即同样使用15个探测器元件)形成的情况。因此，在使用所述扇形光束的情况下，可以选择具有与精确对准情况下相同数量但布置在2D阵列上的探测器元件，或者具有与精确对准情况下不同数量的探测器元件。

图9示意性地示出了本发明的一个示例性实施例提供的用于操作基于光的测距设备500的方法900的流程图。具体地，方法900包括两个步骤S902和S904，每个步骤对应于设备500的特定操作模式。步骤S902对应于稀疏扫描模式，在所述稀疏扫描模式下，光源502用于仅当反射体506的所述反射面中的一个处于期望旋转位置时照亮物体510。步骤S904对应于密集扫描模式，在所述密集扫描模式下，光源502用于针对所述反射体的所有所述反射面照亮物体510。使用所述两种操作模式，可以根据特定应用更改扫描点的数量。在一个示例性实施例中，在默认情况下，即设备500打开时，可以首先激活所述稀疏扫描模式(即步骤S902)。例如，可以使用所述稀疏扫描模式来探测物体510中的变化。一旦光探测器504探测到物体500中的一些变化，则可以将所述稀疏扫描模式更改为所述密集扫描模式，即方法900转到步骤S904，在该步骤中为旋转反射体506的所有所述反射面生成激光束。在另一个示例性实施例中，可以省略步骤902，并且设备500一旦打开，光源502用于为反射体506的所有所述反射面生成所述光束。

图10示意性地示出了本发明的一个示例性实施例提供的用于控制基于光的测距设备500的装置1000。装置1000包括处理器1002和存储器1004，存储器1004耦合到处理器1002。存储器1004存储处理器可执行指令1006，处理器可执行指令1006在由处理器1002执行时，使得处理器1002对设备500执行控制操作。应当注意的是，图10中所示的构成装置1000的结构性元件的数量、布置和互连并非旨在限制本发明，而仅仅用于提供关于如何在装置1000内实现所述结构性元件的一般理念。例如，如果装置1000实现为单个设备，则它还可以包括收发装置(未示出)，所述收发装置用于执行将相应控制信息传输到基于光的测距设备500所需的不同操作。

处理器1002可以实现为中央处理器(central processing unit，CPU)、通用处理器、专用处理器、微控制器、微处理器、专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、复杂可编程逻辑器件等。值得注意的是，处理器1002可以实现为上述的任意组合。例如，处理器1002可以是两个或多个CPU、通用处理器等的组合。

存储器1004可以实现为现代电子计算机中使用的非易失性或易失性存储器。例如，所述非易失性存储器可以包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、铁电随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)、可编程ROM(Programmable ROM，PROM)、电可擦除PROM(Electrically Erasable PROM，EEPROM)、固态驱动器(solid state drive，SSD)、闪存、磁盘存储器(例如，硬盘驱动器和磁带)、光盘存储器(例如，CD、DVD和蓝光盘)等。关于所述易失性存储器，其示例包括动态RAM、同步DRAM(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率SDRAM(Double Data Rate SDRAM，DDR SDRAM)、静态RAM等。

存储在存储器1004中的处理器可执行指令1006可以用作计算机可执行代码，所述计算机可执行代码使得处理器1002执行某些操作。所述计算机可执行代码用于执行操作或实施例操作，并且可以用Java、C、C++、Python等一种或多种编程语言的任何组合编写。在一些示例中，计算机可执行代码可以是高级语言的形式或预编译的形式，并由解释器(也预存储在存储器1004中)动态生成。

关于由装置1000执行的控制操作，可以包括以下内容。装置1000可以以无线或有线方式连接到驱动单元508。在这种情况下，处理器1002可以用于例如使用图6中所示的上述模型或任何其它光线跟踪软件工具来定义对称主轴线512与旋转轴线514之间的非零倾斜角θ，并使驱动单元508围绕旋转轴线514旋转反射体506，旋转轴线514相对于对称主轴线512倾斜所述非零倾斜角θ。此外，装置1000还可以用于执行方法900的步骤S902和S904，即控制光源502的操作。

应当注意的是，方法900和图6中所示模型的每个方框、步骤或操作或方框、步骤或操作的任何组合可以通过硬件、固件和/或软件等多种手段来实现。例如，上述方框或操作中的一个或多个可以由处理器可执行指令、数据结构、程序模块和其它合适的数据表示来体现。此外，体现上述方框、步骤或操作的处理器可执行指令可以存储在对应数据载体上，并由实现装置1000的功能等的至少一个处理器执行。该数据载体可以实现为可由至少一个处理器读取以执行计算机可执行指令的任何计算机可读存储介质。这种计算机可读存储介质可以包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。作为示例，而不是限制，计算机可读介质包括以任何适合存储信息的方法或技术实现的介质。更详细地，计算机可读介质的实际示例包括但不限于信息传递介质、RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能光盘(digital versatile disc，DVD)、全息介质或其它光盘存储器、磁带、磁带盒、磁盘存储器和其它磁存储设备。

尽管本文描述了本发明的示例性实施例，但应注意，在不偏离由所附权利要求所定义的法律保护范围的情况下，可以在本发明的实施例中进行任何各种改变和修改。在所附权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，术语“一”或者“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (17)

1.一种基于光的测距设备(500)，其特征在于，包括：

-光源(502)，用于使用一个或多个光束照亮物体(510)；

-光探测器(504)，用于探测从所述物体(510)反射的所述一个或多个光束；

-反射体(506)，具有对称主轴线(512)，并且包括围绕所述对称主轴线(512)的至少三个反射面，所述至少三个反射面中的每一个用于首先将所述一个或多个光束中的每一个反射到所述物体(510)，然后反射到所述光探测器(504)；

-驱动单元(508)，用于围绕旋转轴线(514)旋转所述反射体(506)，所述旋转轴线(514)相对于所述对称主轴线(512)倾斜非零倾斜角，其中，所述非零倾斜角被定义成使得所述一个或多个光束由所述至少三个反射面中的每一个沿至少部分发散的方向反射到所述物体(510)。

2.根据权利要求1所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，用作光探测和测距(Light Detection and Ranging，LiDAR)设备，其中所述光源(502)用于使用作为脉冲激光的所述光束照亮所述物体(510)，并且其中所述光探测器(504)用于探测从所述物体(510)反射的所述脉冲激光。

3.根据权利要求1或2所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述光源(502)用于使用作为单一扇形光束的所述光束照亮所述物体(510)。

4.根据权利要求3所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述光探测器(504)包括离散探测器元件阵列，所述离散探测器元件中的每一个相对于从所述至少三个反射面反射的所述扇形光束进行时分多路复用。

5.根据权利要求1所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述光源(502)用于使用离散数量的所述光束照亮所述物体(510)。

6.根据权利要求5所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述光探测器(504)包括离散探测器元件阵列，所述离散探测器元件中的每一个用于探测来自所述物体(510)的所述离散数量的所述光束中的一个。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述倾斜角还基于所述光探测器(504)的期望空间分辨率定义。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述至少三个反射面平行于所述反射体(506)的所述对称主轴线(512)。

9.根据权利要求8所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述反射体(506)包括似棱镜形状。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述至少三个反射面中的每一个与所述反射体(506)的所述对称主轴线(512)成不同或相同的角度。

11.根据权利要求10所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述反射体(506)被实现为截棱锥。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述光探测器(504)包括至少一个单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)探测器。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的基于光的测距设备(500)，其特征在于，所述反射体(506)的所述至少三个反射面中的每一个使用以下技术中的一项实现反光：镜面抛光；在其上施加反射镜镀层；或在其上附着反射镜。

14.一种装置(1000)，其特征在于，用于控制根据权利要求1至13中任一项所述的基于光的测距设备(500)，所述装置(1000)包括：

-至少一个处理器(1002)；

-存储器(1004)，耦合到所述至少一个处理器(1002)，并存储处理器可执行指令(1006)，当所述至少一个处理器(1002)执行所述处理器可执行指令(1006)时，使所述至少一个处理器(1002)：

限定所述对称主轴线(512)与所述旋转轴线(514)之间的所述非零倾斜角，使得所述一个或多个光束由所述反射体(506)的所述至少三个反射面中的每一个沿至少部分发散的方向反射到所述物体(510)；

使所述驱动单元(508)围绕所述旋转轴线(514)旋转所述反射体(506)，所述旋转轴线(514)相对于所述对称主轴线(512)倾斜所述非零倾斜角。

15.根据权利要求14所述的装置(1000)，其特征在于，所述至少一个处理器(1002)还被指示执行以下操作：

在需要稀疏扫描分辨率的情况下，仅当所述反射体(506)的所述至少三个反射面中的一个处于期望旋转位置时，才使所述光源(502)照亮所述物体(510)；

在需要密集扫描分辨率的情况下，针对所述反射体(506)的所有所述至少三个反射面，使所述光源(502)照亮所述物体(510)。

16.一种方法(900)，其特征在于，用于操作根据权利要求1至13中任一项所述的基于光的测距设备(500)，所述方法(900)包括：

-激活(S902)稀疏扫描模式，在所述稀疏扫描模式下，仅当所述反射体(506)的所述至少三个反射面中的一个处于期望旋转位置时，才使所述光源(502)照亮所述物体(510)；

-激活(S904)密集扫描模式，在所述密集扫描模式下，针对所述反射体(506)的所有所述至少三个反射面，使所述光源(502)照亮所述物体(510)。

17.一种计算机程序产品，其特征在于，包括存储可执行代码的计算机可读介质，所述可执行代码在由至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行根据权利要求16所述的方法(900)。

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