CN116203572A - 使用宏扫描结构和mems扫描镜的激光扫描器 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例总体上涉及使用宏扫描结构和MEMS扫描镜的激光扫描器。一种光扫描系统包括：被配置为传输沿着传输路径的传输光束的传输器；布置在传输路径上并且被配置为围绕第一扫描轴线振荡以在第一维度中引导传输光束的微机电系统(MEMS)镜；布置在传输路径和接收器路径上的宏扫描器，宏扫描器被配置为围绕第二扫描轴线旋转以在第二维度中引导传输光束，其中宏扫描器还被配置为接收经由反向散射从传输光束产生的接收光束，并且其中宏扫描器被配置为进一步沿着接收器路径定向接收光束；以及被配置为接收来自宏扫描器的接收光束并且生成表示接收光束的测量信号的光检测器。

Description

使用宏扫描结构和MEMS扫描镜的激光扫描器

技术领域

本公开的各实施例总体上涉及使用宏扫描结构和MEMS扫描镜的激光扫描器

背景技术

光检测和测距(LIDAR)是一种遥感方法，其用于通过用光(例如，激光)瞄准物体并且测量反射光返回接收器的时间来确定距离(可变距离)。扫描LIDAR传感器通过使用准直激光束和带有反射镜或棱镜的扫描子系统依次扫描环境来探测周围环境。使用准直成小角度的光的优点是，与一次淹没整个场景的方法(所谓的闪光LIDAR)相比，它大大扩展了范围。缺点是，扫描场景需要附加时间，尤其是当视场水平和竖直延伸时。扫描时间取决于水平和竖直视场、以及水平和竖直分辨率和范围。扫描时间决定每秒可以收集的最大帧数(完整扫描)。

此外，为了提高信噪比并且从而提高范围，让接收器也使用相同的扫描子系统是有用的。然后，接收器基本上“看”向光被传输到场景中的同一方向。然而，这种布置需要大的扫描子系统，以便为接收器实现足够大的孔。这通常可以防止在这种系统中使用小型的所谓的微机电系统(MEMS)镜。

因此，为了实现期望的水平和竖直视场、水平和竖直分辨率、扫描范围和帧速率，提供了一种改进的设备，其具有宏多面镜或宏棱镜和MEMS镜，该设备布置成使得水平和竖直激光扫描图案被实现并且宏扫描机制也被用于接收器。

发明内容

实施例提供了一种光扫描系统，该光扫描系统包括：被配置为传输沿着传输路径的传输光束的传输器；布置在传输路径上并且被配置为围绕第一扫描轴线振荡以在视场的第一维度中引导传输光束的微机电系统(MEMS)镜；布置在传输路径和接收器路径上的宏扫描器，宏扫描器被配置为围绕第二扫描轴线旋转以在视场的第二维度中引导传输光束，其中宏扫描器还被配置为从视场接收经由反向散射从传输光束产生的接收光束，并且其中宏扫描器被配置为进一步沿着接收器路径定向接收光束；以及布置在接收器路径上并且被配置为接收来自宏扫描器额接收光束并且生成表示接收光束的测量信号的光检测器。

实施例还提供了一种光扫描系统，该光扫描系统包括：被配置为沿着传输路径同时传输多个光束以产生一扇传输光束的多个光源；布置在传输路径上并且被配置为围绕第一扫描轴线振荡以在视场的第一维度中引导该扇传输光束的微机电系统(MEMS)镜；布置在传输路径和接收器路径上的宏扫描器，宏扫描器被配置为围绕第二扫描轴线旋转以在视场的第二维度中引导该扇传输光束，其中宏扫描器还被配置为从视场接收一扇接收光束，该扇接收光束是经由反向散射从该扇传输光束产生的，并且其中宏扫描器被配置为进一步沿着接收器路径定向该扇接收光束；以及布置在接收器路径上并且被配置为从宏扫描器接收该扇接收光束并且基于该扇接收光束生成多个测量信号的光检测器阵列。

附图说明

图1A是水平LIDAR扫描系统的示意图；

图1B是竖直LIDAR扫描系统的示意图；

图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统的示意性框图；

图3A是根据一个或多个实施例的具有微和宏扫描器两者的光束扫描系统的俯视图；

图3B是根据一个或多个实施例的具有微和宏扫描器两者的光束扫描系统的俯视图；

图4示出了根据一个或多个实施例的光检测器阵列；

图5示出了根据一个或多个实施例的传输到场景中的激光束的扫描图案；

图6示出了根据一个或多个实施例的传输到场景中的一扇激光束的扫描图案；以及

图7示出了根据一个或多个实施例的视场的一部分中的离散传输方向的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述各种实施例。应当注意，这些实施例仅用于说明目的，而不应当被解释为限制。例如，虽然实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但这不应当被解释为指示实现实施例需要所有这些特征或元件。相反，在其他实施例中，一些特征或元件可以省略，或者可以替换为替代的特征或元件。此外，可以提供除明确示出和描述的特征或元件之外的其他特征或元件，例如传感器设备的常规组件。

除非另有特别说明，否则不同实施例的特征可以组合以形成另外的实施例。关于实施例中的一个而描述的变化或修改也可以适用于其他实施例。在一些实例中，公知的结构和设备以框图形式而非详细示出，以避免混淆实施例。

此外，等效或类似元素或具有等效或类似功能的元素在以下描述中用等效或类似附图标记表示。由于相同或功能等效的元素在附图中被赋予相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的元素的重复描述。因此，为具有相同或相似附图标记的元素提供的描述是可以相互交换的。

除非另有说明，否则附图所示或本文所述的元件之间的连接或耦合可以是有线连接或无线连接。此外，这种连接或耦合可以是没有附加中间元件的直接连接或耦合，也可以是具有一个或多个附加中间元件的间接连接或耦合，只要连接或耦合的一般目的基本上保持，例如传输某种信号或传输某种信息。

在本公开中，包括序数的表达(诸如“第一”、“第二”等)可以修饰各种元素。然而，这样的元素不受上述表达的限制。例如，上述表达不限制元素的顺序和/或重要性。以上表达仅用于将元素与其他元素区分开来的目的。例如，第一框和第二框指示不同框，尽管这两者都是框。例如，第一元素可以称为第二元素，并且类似地，第二元素也可以称为第一元件，而没有脱离本公开的范围。

实施例涉及光学传感器和光学传感器系统。传感器可以是指将要测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的组件。物理量可以例如包括电磁辐射，诸如可见光、红外(IR)辐射或其他类型的照射信号、电流或电压，但不限于此。

具体地，本实施例涉及一种具有宏扫描机制和微机电系统(MEMS)镜的光检测和测距(LIDAR)系统，该系统布置成使得水平和竖直激光扫描图案被实现并且宏扫描机制也被用于接收器。宏扫描机制可以是棱镜或棱锥多面镜、振荡镜、章动镜、使用衍射光学元件的扫描机制，但不限于此。此外，激光束被成形为一扇或一条多个光束，并且接收器被构建为包含检测器阵列，以便一次(即，并行地)执行多个测量。

在LIDAR系统中，光源将光传输到视场(FOV)中，并且光通过反向散射从一个或多个物体反射。例如，传输光可以是脉冲光或连续波。特别地，LIDAR是一种飞行时间(TOF)系统，其中光(例如，红外光的激光束)被发射到视场中，并且像素阵列检测和测量反射光束。例如，光检测器阵列从被光照射的物体接收反射。

目前，光检测器阵列可以用于测量反射光。光检测器阵列可以是由多行和/或多列光检测器(像素)组成的阵列。每个光检测器行、光检测器列、或一组相邻光检测器可以作为原始模拟数据形式的测量信号被读出。每个测量信号可以包括来自对应光检测器或一组光检测器的数据。

然后可以使用像素阵列的多个像素之间的每个光脉冲的返回时间差异来给出环境的数字3D表示或生成其他传感器数据。例如，光源可以发射单个光脉冲，并且电耦合到像素阵列的时间数字转换器(TDC)可以从光脉冲被发射的时间(对应于开始信号)开始计数，直到反射光脉冲在接收器(即，在像素阵列)处被接收到的时间(对应于停止信号)。然后将光脉冲的“飞行时间”转换为距离。在另一示例中，模数转换器(ADC)可以电耦合到像素阵列(例如，间接耦合，在其间具有中间元件)以用于脉冲检测和ToF测量。例如，ADC可以用于利用适当算法估计开始/停止信号之间的时间间隔。

诸如振荡水平扫描等扫描(例如，在视场中从左到右和从右到左)可以以连续方式照射场景。光源每次激发激光束都会在“视场”中产生一条扫描线。通过在不同扫描方向上发射连续光脉冲，可以扫描被称为视场的区域，并且可以检测和成像该区域内的物体。因此，视场表示具有投影中心的扫描平面。也可以使用光栅扫描。如上所述，传输光也可以是连续波，并且其他计算飞行时间的方法也是可能的。

图1A是执行水平扫描的LIDAR扫描系统100a的示意图。LIDAR扫描系统100a是一种光学扫描设备，该光学扫描设备包括传输器和接收器，传输器包括照射单元10、传输器光学器件11和一维(1D)MEMS镜12(1D MEMS扫描器)，接收器包括主光学器件14和光学接收器15。图中的光学接收器15是2D光检测器阵列15。接收器还可以包括接收器电路系统，诸如数据采集/读出电路系统和数据处理电路系统，如将根据图2进一步描述的。LIDAR扫描系统100a使用脉冲调制，类似于上述LIDAR技术，以通过测量光脉冲从光源行进到3D场景并且在反射之后返回所需要的绝对时间来测量到3D物体的距离。

返回到图1A，光检测器阵列15被布置为使得预期视场被竖直地映射在光检测器阵列15的竖直延伸部上。根据接收光束的竖直角度，接收光束将仅照射检测器阵列的特定行或一组行。预期视场也被水平地映射在2D光检测器阵列的水平延伸部上。

特别地，传输器视场可以包括源自传输器(例如，来自MEMS镜12)的多个离散传输角区域。每个离散角区域的中心表示激发的激光束的传输角/方向。MEMS镜12可以具有离散数目的传输位置(即，旋转角)，每个位置对应于光传输的离散传输角区域中的一个或多个。光源的激发可以被定时为与MEMS镜12的特定传输位置或特定传输角区域一致。因此，每个传输位置表示激发的激光束的传输方向，并且传输方向可以通过调节激发光源的定时来调节，以与MEMS镜12的传输位置一致。

在水平扫描的情况下，每个离散的传输角可以被映射到MEMS镜12的传输位置和光检测器阵列15的一个或多个像素列两者。因此，在特定传输角区域传输的光应当入射到光检测器阵列15的对应映射像素列上。因此，每个光源(即，每个激光通道)具有映射到特定传输角区域或传输位置并且进一步映射到光检测器阵列15的一个或多个像素列的传输定时。

每个光源也被映射到光检测器阵列15的像素行或一组像素行。因此，个体像素可以基于光源及其激发来激活，这与特定传输角区域一致。结果，光检测器阵列15的每个像素被映射到光源和特定传输角区域，其中特定传输角区域被映射到MEMS镜12的特定传输位置。

针对每个光源和每个像素可以存在映射。每个映射可以例如以查找表的形式存储在系统控制器23(参见图2)的存储器中。校准传输器和/或接收器可以包括更新存储在一个或多个查找表中的映射信息。

在该示例中，照射单元10包括三个光源(例如，激光二极管或发光二极管)，它们以单条形式线性对准，并且被配置为传输用于扫描视场中物体的光。光源可以作为单个单元(即，同时作为单个激光二极管)或在不同定时作为单独的激光二极管被激发。

光源发射的光通常是红外光，尽管也可以使用其他波长的光。如在图1A的实施例中可以看到的，由光源发射的光的形状在垂直于传输方向的方向上扩散，以形成具有垂直于传输方向的椭圆形的光束。从光源传输的照射光被定向向传输器光学器件11，传输器光学器件11被配置为将每个激光器聚焦到在一个维度中进行扫描的MEMS镜12上。传输器光学器件11可以是例如透镜或棱镜。

当被MEMS镜12反射时，来自光源的光竖直对准，以为每个发射激光束形成一维红外光竖直扫描线SL或红外光竖直条。照射单元10的每个光源都有助于竖直扫描线SL的不同竖直区域。因此，可以同时激活和停用光源，以获取具有多个竖直段的光脉冲，其中每个竖直段对应于相应光源。然而，通过打开或关闭照射单元10的对应光源，竖直扫描线SL的每个竖直区域或段也可以独立地处于活动或非活动状态。因此，光的部分或全部竖直扫描线SL可以从系统100输出到视场中。扫描线SL也可以被称为一扇激光束。

还应当注意，每个激光束的水平宽度对应于激光束在水平方向上投射到视场中的离散角区域。每个光束的宽度可以对应于光检测器阵列15的一个像素列的宽度。然而，更优选的是，每个光束的宽度、以及激光束投射的离散角区域都小于一个像素列的宽度。

因此，系统100a的传输器是一种光学布置，该光学布置被配置为基于激光脉冲生成激光束，激光束具有在垂直于激光束的传输方向的方向上延伸的椭圆形状。如图1A所示，每个光源与视场中的不同竖直区域相关联，使得每个光源仅将竖直扫描线照射到与光源相关联的竖直区域中。例如，第一光源照射到第一竖直区域中，并且第二光源照射到不同于第一竖直区域的第二竖直区域中。

此外，虽然示出了三个激光源，但应当理解，激光源的数目不限于此。例如，竖直扫描线SL可以由单个激光源、两个激光源或多于三个激光源生成。

MEMS镜12是集成在半导体芯片(未示出)上的机械移动镜(即，MEMS微镜)。MEMS镜12由形成芯片的相同半导体基底构建。以这种方式，MEMS镜12的镜体和芯片形成为具有一体式整体结构的单个构件。然后可以将反射涂层施加到镜体以形成镜面。相比之下，宏扫描镜的尺寸大于MEMS镜，并且宏扫描镜具有多个机械部件(即，它不具有一体式整体结构)。

根据本实施例的MEMS镜12被配置为围绕单个扫描轴线旋转，并且可以说只有一个扫描自由度。与2D-MEMS镜(2D MEMS扫描器)不同，在1D MEMS镜中，单个扫描轴线固定到非旋转基底，并且因此在MEMS镜振荡期间保持其空间取向。由于该单一扫描旋转轴，MEMS镜12被称为1D MEMS镜或1D MEMS扫描器。

MEMS镜12被配置为围绕单个扫描轴线13“左右”振荡，使得从MEMS镜12反射的光(即，竖直扫描线)在水平扫描方向上来回振荡。扫描周期或振荡周期例如由从视场的第一边缘(例如，左侧)到视场的第二边缘(例如，右侧)并且然后再次回到第一边缘的一次完整振荡来定义。

因此，通过改变MEMS镜12在其扫描轴线13上的角度，竖直光条在水平方向上扫描视场。例如，MEMS镜12可以被配置为在水平扫描方向上在+/-15度之间振荡以在构成视场的水平扫描范围的+/-30度(即，60度)内引导光。因此，可以通过MEMS镜12的通过其运动程度的旋转逐行扫描视场。通过运动程度(例如，从-15度到+15度或反之亦然)的一个这样的序列被称为单个扫描。因此，针对每个扫描周期使用两次连续扫描。处理单元可以使用多次扫描来生成距离和深度图以及3D图像。深度图和图像的水平分辨率取决于扫描之间MEMS镜12的旋转角增量步长的大小、以及激光传输器的水平光束发散度。

应当理解，旋转角不限于+/-15度，并且视场可以根据应用增加或减少。因此，一维扫描镜被配置为围绕单个扫描轴线振荡，并且将不同方向的激光束定向到视场中。因此，传输技术包括将光束从围绕单个扫描轴线振荡的传输镜传输到视场中，使得光束作为竖直扫描线SL被投影到视场中，当传输镜围绕单个扫描轴线振荡时，该视场在视场上水平移动。

在撞击一个或多个物体时，竖直光的传输条通过反向散射被反射回LIDAR扫描系统100a，作为第二光学组件14(例如，透镜或棱镜)接收反射光的反射竖直线。第二光学组件14将反射光定向到光检测器阵列15上，光检测器阵列15作为接收线RL接收反射光并且被配置为生成电测量信号。电测量信号可以用于基于反射光(例如，经由TOF计算和处理)生成环境和/或其他物体数据的3D图。

接收线RL被示出为沿着像素列中的一个在像素列的长度方向上延伸的竖直光列。接收线具有与图1A所示的竖直扫描线SL的竖直区域相对应的三个竖直区域。当竖直扫描线SL在视场上水平移动时，入射在光检测器阵列15上的竖直光列RL也水平在光检测器阵列15上移动。当反射光束RL的接收方向改变时，反射光束RL从光检测器阵列15的第一边缘移动到光检测器阵列15的第二边缘。反射光束RL的接收方向对应于扫描线SL的传输方向。因此，LIDAR传输器可以在视场中的不同位置传输光作为窄激光脉冲，其中每个传输位置对应于光检测器阵列15的像素列。

光检测器阵列15可以是多种光检测器类型中的任何一种；包括雪崩光电二极管(APD)、光电池和/或其他光电二极管器件。诸如电荷耦合器件(CCD)等成像传感器可以是光检测器。在本文中提供的示例中，光检测器阵列15是包括APD像素阵列的二维(2D)APD阵列。光电二极管的激活可以与照射单元10发射的光脉冲同步。

光检测器阵列15接收反射光脉冲作为接收线RL，并且响应于此而生成电信号。由于来自照射单元10的每个光脉冲的传输时间是已知的，并且由于光以已知速度传播，因此使用电信号的飞行时间计算可以确定物体到光检测器阵列15的距离。深度图可以绘制距离信息。

在一个示例中，对于每个距离测量，诸如微控制器、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或处理器等处理电路系统从照射单元10的每个光源触发激光脉冲，并且还启动时间数字转换器(TDC)集成电路(IC)中的定时器。激光脉冲通过传输光学器件传播，被目标场反射，并且被光检测器阵列15的一个或多个接收光电二极管捕获。每个接收光电二极管发射短电脉冲，该短电脉冲由模拟读出电路读出。从模拟读出电路读出的每个信号可以由电信号放大器放大。

比较器IC识别脉冲并且向TDC发送数字信号以停止定时器。TDC使用时钟频率校准每个测量。TDC向处理电路系统发送开始与停止数字信号之间的差分时间的串行数据，处理电路过滤掉任何错误读数，对多次时间测量进行平均，并且计算在该特定场位置到目标的距离。通过在由MEMS镜12建立的不同方向上发射连续光脉冲，可以扫描区域(即，视场)，可以生成三维图像，并且可以检测区域内的物体。

接收器的信号处理链还可以包括每个光电二极管或一组光电二极管的ADC。ADC被配置为将来自光电二极管或一组光电二极管的模拟电信号转换为用于进一步数据处理的数字信号。

此外，ADC可以用于信号检测和ToF测量，而不是使用TDC方法。例如，每个ADC可以用于检测来自一个或多个光电二极管的模拟电信号，以利用适当算法估计开始信号(即，对应于传输的光脉冲的定时)与停止信号(即，对应于在ADC处接收到模拟电信号的定时)之间的时间间隔。

当作为竖直扫描线SL的激光能量脉冲从MEMS镜12的表面进入视场时，当激光照射视场中的物体时，会出现反射脉冲。这些反射脉冲以竖直光列的形式到达光检测器阵列15，该竖直光列例如可以具有一个光检测器像素的宽度和至少部分沿着光检测器阵列15的像素列在纵向方向上竖直跨越的长度。

光检测器阵列15被配置为生成测量信号(电信号)，该测量信号(电信号)用于基于反射光生成环境的3D地图(例如，经由TOF计算和处理)。例如，如上所述，光检测器阵列15可以是光电二极管阵列或能够检测和测量光并且从中生成电信号的其他光检测组件。

虽然在图1A中未示出，但LIDAR扫描系统100a还可以包括宏扫描镜或其他宏扫描结构，该宏扫描镜或其他宏扫描结构用于在竖直方向上引导光束，而MEMS镜12用于在水平方向上引导光束。

图1B是根据一个或多个实施例的执行竖直扫描的竖直LIDAR扫描系统100b的示意图。特别地，LIDAR扫描系统100b类似于LIDAR扫描系统100a，不同之处在于，扫描方向旋转90°，使得扫描线SL和接收线RL在竖直方向上移动(即，从上到下或从下到上)。这样，扫描线是水平扫描线SL，水平扫描线SL被投影到视场中，当传输镜围绕单个扫描轴线振荡时，该水平扫描线在视场上竖直移动。此外，当水平扫描线SL在视场上竖直移动时，入射在光检测器阵列15上的水平光列RL也在光检测器阵列15上竖直移动。

虽然在图1B中未示出，但LIDAR扫描系统100b还可以包括宏扫描镜或其他宏扫描结构，宏扫描镜或其他宏扫描结构用于在水平方向上引导光束，而MEMS镜12用于在竖直方向上引导光束。

应当理解，虽然参考使用MEMS镜12进行竖直扫描和使用宏扫描结构进行水平扫描来描述一些实施例，但是可以通过改变相应扫描轴线的方向来切换相应扫描方向。在任何情况下，MEMS镜12的扫描轴线和宏扫描结构的扫描轴线基本彼此正交以实现二维扫描。

图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统200的示意性框图。特别地，图2示出了LIDAR扫描系统200的附加特征，包括示例处理和控制系统组件，诸如MEMS驱动器、接收器电路和系统控制器。此外，除了图1A和图1B所示的MEMS镜12，LIDAR扫描系统200包括宏扫描器26(例如，旋转多面镜或旋转棱镜)，宏扫描器26在与MEMS镜12的扫描方向正交的扫描方向上引导光束。将进一步理解，宏扫描器26沿着发射器路径(即，传输路径)和接收器路径(即，返回路径)布置。因此，宏扫描器26与传输光束及其经由反向散射接收的反射光束具有同轴关系。

LIDAR扫描系统200包括负责系统200的发射器路径的传输器单元21和负责系统200的接收器路径的接收器单元22。该系统还包括系统控制器23，系统控制器23被配置为控制传输器单元21和接收器单元22的组件，并且从接收器单元22接收原始数据并且对其执行处理(例如，经由数字信号处理)以生成物体数据(例如，点云数据)。因此，系统控制器23包括用于处理数据的信号处理链的至少一个处理器和/或处理电路系统(例如，比较器、TDC、ADC、FPGA和数字信号处理器(DSP))、以及被配置为生成控制信号的控制电路系统，诸如微控制器或FPGA。控制电路系统也可以作为处理电路系统的一部分而并入。

传输器单元21包括照射单元10、MEMS镜12、被配置为驱动MEMS镜12的MEMS驱动器25、和宏扫描器26。

MEMS驱动器25致动和感测MEMS镜12的旋转位置，并且向系统控制器23提供MEMS镜12的位置信息(例如，围绕旋转轴的倾斜角或旋转程度)。基于这个位置信息，照射单元10的激光源由系统控制器23触发，并且光电二极管被激活以感测并且因此测量反射光信号。控制器23可以参考存储在查找表中的相关映射信息，以确定激发特定光源的定时和激活特定光电二极管的定时，并且相应地向照射单元10和光检测器阵列15传输控制信号。因此，MEMS镜的位置感测的更高准确度导致对LIDAR系统的其他组件的更准确和精确的控制。

宏驱动器27也被提供以围绕扫描轴线驱动宏扫描器26。宏扫描器26可以被配置为以设定的旋转速度围绕其扫描轴线28连续旋转。宏驱动器27可以被配置为使用例如速度传感器和/或角度传感器来测量宏扫描器26的旋转速度和/或绝对旋转角。然后，宏驱动器27可以将旋转速度和/或绝对旋转角提供给系统控制器23，系统控制器23进而确保宏扫描器26的旋转位置与传输光束的期望扫描图案同步。系统控制器23可以通过控制宏驱动器27基于所接收的反馈信息来调节宏扫描器26的旋转速度。

系统控制器23进一步被配置为控制照射单元10、MEMS镜12和宏扫描器26以实现校准扫描技术。来自照射单元10的激光束的激发与MEMS镜12的旋转(角度)位置和宏扫描器26的旋转位置中的至少一个协调，以基于例如期望的定时间隔和/或期望的传输方向将激光束传输到视场中。传输方向可以是XY坐标平面中的XY坐标，包括水平方向和竖直方向。

接收器单元22包括光检测器阵列15、包括模拟读出电路的接收器电路24和宏扫描器26。应当了解，宏扫描器26是传输器单元21和接收器单元22两者的一部分，因为传输路径和接收器路径的一部分与宏扫描器26共享。

照射单元10可以包括传输N个光束(脉冲)的N个光源，每个光束(脉冲)对应于N光检测器阵列的N个光检测器中的一个。当同时触发时，N个光源产生由离散的N个光束组合而成的宽光束。模拟读出电路包括用于N个光检测器中的每个的模拟输出通道。N个模拟输出通道被配置为读出从光检测器阵列15的相应光检测器接收的测量信号。

因此，接收器电路24可以从光检测器阵列15的光检测器接收模拟电信号，并且将电信号作为原始模拟数据传输到模数转换器(ADC)。在ADC接收电信号之前，电信号可以穿过放大器(例如，跨阻抗放大器(TIA))，放大器将电信号从例如电流转换为电压。ADC被配置为将原始模拟数据转换为原始数字数据以供进一步处理。放大器和/或ADC可以合并在系统控制器23或接收器电路24中，或者可以作为单独的电路插入在接收器电路24与系统控制器23之间。

接收器电路24还可以从系统控制器23接收用于触发一个或多个光检测器的激活的触发控制信号。接收器电路24还可以接收用于控制一个或多个光检测器的增益的增益设置控制信号。

系统控制器23包括信号处理电路系统，该信号处理电路系统接收原始数字数据以及由ADC生成的开始与停止数字信号之间的差分时间的串行数据，并且使用接收的数据计算视场内每个视场位置的飞行时间信息，生成物体数据(例如点云数据)，并且生成3D点云。

具体地，系统控制器23的信号处理电路系统可以被配置为基于由光检测器阵列15的光检测器生成的电信号来检测物体。基于该检测，信号处理电路系统可以确定物体在视场中的估计位置，包括方向和深度。

图3A和图3B是根据一个或多个实施例的光束扫描系统300的俯视图。图3A和图3B用于说明相对于接收器镜32的不同布置是可能的。然而，在这两种布置中，宏扫描器26用于光的传输和接收。

MEMS镜12是被配置为以高频(例如，2kHz的谐振频率)围绕其扫描轴线13振荡的1DMEMS镜。在该示例中，MEMS镜12用于竖直扫描，使得多个光束根据竖直光束角被引导。由于只有出射的激光被偏转，相对较小的MEMS镜足以传输光功率。这实现了较小的外形尺寸。

相比之下，宏扫描器26是一个多面镜，其围绕其扫描轴线28连续旋转360°，扫描轴线28正交于扫描轴线13。微扫瞄器26的每个表面是被配置为将光束定向到视场中的反射表面。在该示例中，宏扫描器26用于水平扫描，使得多个光束根据水平光束角被引导。宏扫描器26还用于从视场接收反射的反向散射的光束，并且将它们沿着接收器路径定向到光检测器阵列15。MEMS镜12被配置为从照射单元10接收一扇激光束，并且根据其围绕扫描轴线13的旋转位置以竖直偏转角或倾斜角引导该扇激光束。照射单元10被配置为在系统控制器23控制的触发时间传输该扇激光束，其中触发时间对应于期望的竖直偏转角。该扇激光束可以实现为一组个体光束或连续的线。在该示例中，该扇激光束由16个光源产生的16个个体光束组成。替代地，宏扫描器26可以是棱锥多面镜、振荡镜、章动镜或使用衍射光学元件的扫描机制。

MEMS镜12被配置为将该扇激光束偏转向扫描后光学器件31。扫描后光学器件31可以包括光束准直器，该光束准直器被配置为接收该扇激光束，并且通过准直从MEMS镜12接收的光来将发散光束转换为较宽的平行光束，并且将较宽的光束传递到接收器镜32。这里，示出了N光束系统的光束B1和光束BN，其中省略号表示其间的光束。光束B1-BN组合以形成N个光束的激光扇。在替代实施例中，诸如双轴系统，可以不需要接收器镜。

通常，扫描后光学器件31将激光扇重新聚焦到宏扫描器26上。激光可以通过接收器镜32中的一个或多个孔穿过接收器镜32。替代地，激光扇可以在接收器镜32上方或下方行进，从而完全绕过接收器镜32。

分束器是一种将光束(即，入射光)一分为二的光学器件，其可以具有或可以不具有相同的光功率(即，信号强度)。例如，入射光(无论是从MEMS镜12接收的传输(TX)光还是经由宏扫描器26从环境接收的(RX)光)可以拆分为以与入射光相同的角度穿过的传输光和以不同角度反射的反射光(例如，通常以45°，这导致与传输光束成90°偏转)。分束器的主体的反射率是可配置的。例如，分束器的主体可以是5％反射的，导致5％的入射光被反射并且95％的入射光穿过。因此，可以说，分束器的主体具有X％的反射率，其中X是大于零的任何数。

例如，如图3A所示，接收器镜32可以是平板分束器，其主体是平板或基底，其可以是电介质反射镜、薄膜偏振器、分色镜等。主体可以是玻璃基底或提供期望的X％反射率的其他材料。

作为分束器，接收器镜32包括具有第一主表面32a的传输器(TX)侧，该第一主表面32a被布置为从MEMS镜12接收传输光，并且分束器被配置为将一定百分比的传输光传递到宏扫描器26。分束器包括具有第二主表面32b的接收器(RX)侧，该第二主表面32b被布置为从宏扫描器26接收光(即，从环境接收的光)并且将RX光的一部分定向向光检测器15。因此，分束器布置在TX光束的传输光束路径和RX光束的接收光束路径中。

此外，分束器包括设置到RX侧的分束器的第二主表面32b上的反射涂层。反射涂层可以是具有100％反射率的镜面涂层或镜面基底。也就是说，它反射入射到其上的100％的光(即，RX光束的100％或整个部分)。应当理解，在本文中描述的一些配置或其他实施例中，反射涂层可以具有小于100％的反射率。

图3B中的接收器镜32包括限定在接收器镜32的主体中的至少一个孔34。也就是说，孔34可以是小孔，该小孔从第一主表面32a延伸到第二主表面32b，并且在RX侧暴露分束器的第二主表面，从而允许TX光从TX侧朝向宏扫描器26穿过接收器镜32。

孔34可以是矩形狭缝或条纹，以使得来自TX侧的该扇激光穿过。因此，孔34可以具有细长的矩形狭缝或条纹形状，以匹配激光的形状。

旋转的宏扫描器26将激光扇向外偏转到场景中，以实现水平扫描。出射激光扇由彼此水平布置的N个光束组成。换言之，其中激光扇是一条线(例如，水平扫描线SL)，该线具有在水平方向上延伸的细长尺寸，并且该线的轨迹根据由MEMS镜12和宏扫描器26分别定向的竖直和水平光束角而被引导。当光从场景返回时，宏扫描器26将光偏转回接收器镜32上，从那里，光通过接收器光学器件35被偏转到光检测器阵列15上。微扫瞄器26的大孔36确保捕获大量的光以实现远距离。

宏扫描器26的孔36指代宏扫描器26的接收反射表面的水平尺寸宽度。孔36的大小对应于可以从场景接收并且在接收器镜32处定向的光的量。在宏扫描器26的旋转期间，孔36的大小可以随着接收反射表面的角度的变化而变化。孔36的大小总是显著大于MEMS镜12的大小。因此，激光束TX的传输扇小于激光束RX的接收扇。如果宏扫描器26用于竖直扫描，则宏扫描器26的孔36将指代宏扫描器26的接收反射表面的竖直维度中的宽度。

接收器光学器件35可以包括光束准直器，该光束准直器被配置为从接收器镜32接收反向散射的一扇激光束(即，RX光束)，并且将该扇激光束聚焦到光检测器阵列15上的较窄光束。

光检测器阵列15包括光检测器的阵列，该扇激光束的每个激光束有一个光检测器。特别地，对于执行水平扫描的宏扫描器26，光检测器相对于彼此水平布置。每个光检测器被映射到所接收的一扇激光束的激光束中的一个。这使得可以并行执行多个测量，多达光检测器的数目。

图4示出了根据一个或多个实施例的光检测器阵列15，其中N＝16。因此，光检测器阵列15包括16个光检测器15-1至15-16，作为水平布置成列的竖直条。每个光检测器15-1至15-16被布置为接收构成所接收的一扇激光束(即，接收线RL)的激光束B1至BN中的一个。所接收的一扇激光束在光检测器阵列15上的交叉点被示出。所接收的一扇激光束基于MEMS镜12的偏转角在光检测器阵列15上竖直移动。接收器可以使用入射定时(例如，相对于TX光束的触发时间)和在每个交叉点处检测到的光强度来确定距离测量的方向，并且从而确定当前获取的场景的那些点/方向。

应当注意，由于热限制或眼睛安全考虑，激光扇可以向场景中发射多少光功率是有限制的。因此，系统控制器23可以有目的地停用一些激光束(即，停用一些光源)以增加剩余激光束中的功率。这可以用于以较低分辨率为代价来增加系统的检测范围。

图5示出了根据一个或多个实施例的传输到场景中的激光束的扫描图案。扫描图案示出了根据扫描系统的输出处(例如，在宏扫描器26的输出处)的水平光束角和竖直光束角在视场中的轨迹。当宏扫描器26围绕其扫描轴线28旋转时，它以线性方式从左向右(或反之亦然)移动激光束，MEMS镜12以正弦上下竖直图案移动激光束。在这种特殊情况下，视场水平覆盖60°并且竖直覆盖20°。该图示出了一扇激光束的波束中的仅一个的运动。换言之，扫描图案说明了当波束轨迹基于MEMS镜12和宏扫描器26的移动而改变时在不同触发时间激发连续光束的单个光源。因此，MEMS镜12以正弦图案引导连续激发的光束或连续激发的激光扇，并且宏扫描器被配置为在视场上线性地引导连续激发光束或连续激发的激光扇。

图6示出了根据一个或多个实施例的传输到场景中的一扇激光束的扫描图案。该扇激光束的每个激光束遵循图5所示的类似扫描图案。然而，每个激光束在任何给定时刻与其他激光束水平偏移。换言之，由宏扫描器26传输的一扇激光束的每个激光束相对于其他激光束以不同水平束角被定向。“任何给定力矩”是指相同竖直光束角或相同激光扇传输。

例如，当竖直光束角由于MEMS镜12的位置而为0°时(即，MEMS镜12围绕其扫描轴线13的偏转角为0°)，所传输的该扇激光束内的每个光束以不同水平光束角传输，同时以0°的竖直光束角传输。在10°和-10°竖直光束角下，也可以更容易地注意到这一原理。结果是密集的扫描图案。

使用具有控制一个维度中的扫描的一个MEMS镜12和控制另一维度中的扫描的一个宏扫描器26的激光扇可以同时实现大视场和密集点云。

如上所述，LIDAR系统可以使用直接飞行时间原理。激光源发射非常短的脉冲，并且接收器检测返回的脉冲。脉冲返回所需要的时间是距离的度量。在扫描LIDAR系统中，确定触发激光的正确时间非常重要，因为这决定了激光传输到场景中的方向。

图7示出了根据一个或多个实施例的视场的一部分中的离散传输(TX)方向的图。每个TX方向具有水平波束角分量和竖直波束角分量。特别地，该图示出了根据预先配置的扫描图案的可用传输方向。每个可用传输方向对应于触发时间，在该触发时间，光源被触发以相对于MEMS镜12和宏扫描器26关于其扫描轴线的位置产生激光扇。可用传输方向构成行和列网格。

除了可用传输方向，该图还示出了扫描图案内激光束在此被触发的位置。触发时间也对应于激光扇的触发时间，但为了简单起见，仅参考一个激光束。如可以看到的，在向上扫描期间(即，当MEMS镜12在从-10°到-10°的一个旋转方向上移动时)，激光束仅在偶数行上触发，而在向下扫描期间(例如，当MEMS镜12在从10°到-10°的一个旋转方向上移动时)，激光束仅在奇数行上被触发，反之亦然。这种触发定时图案实现了更均匀的扫描图案，并且确保了场景的均匀采样。

换言之，系统控制器23被配置为实现包括传输坐标网格的扫描图案，传输坐标网格包括奇数行和偶数行，其中每个传输坐标在第一维度中具有第一波束角分量并且在第二维度中具有第二波束角分量。系统控制器23被配置为控制光单元10在不同触发时间传输多个传输光束以传输处于不同传输坐标的多个传输光束。此外，MEMS镜12被配置为当其围绕其扫描轴线13振荡时在第一旋转方向与第二旋转方向之间振荡。系统控制器23被配置为在MEMS镜在第一旋转方向上旋转时仅在与偶数行相对应的第一触发时间触发连续激发的传输光束中的第一传输光束。系统控制器23被配置为在MEMS镜在第二旋转方向上旋转时仅在与奇数行相对应的第二触发时间触发连续激发的传输光束中的第二光束。连续激发的传输光束可以指代在不同传输时间激发的多个激光扇。

尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但很明显，这些方面也表示了相应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项目或特征的描述。一些或所有方法步骤可以由(或使用)硬件装置执行，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，一些一个或多个方法步骤可以由这样的装置执行。

还应当注意，说明书或权利要求书中公开的方法可以通过具有用于执行这些方法的相应动作中的每个的部件的设备来实现。此外，应当理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开不能被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开不会将这些动作或功能限于特定顺序，除非这些动作或功能由于技术原因而不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以被分成多个子动作。除非明确排除，否则这样的子动作可以被包括在本单个动作的公开中。

本公开中描述的技术可以至少部分以硬件、软件、固件或其任何组合实现。例如，所描述的技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)、可编程逻辑控制器(PLC)、或任何其他等效的集成或分立逻辑电路系统、以及这样的组件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路系统”通常可以单独或与其他逻辑电路系统或任何其他等效电路系统相结合指代任何前述逻辑电路系统。包括硬件的控制单元也可以执行本公开的一种或多种技术。控制单元可以使用电信号和数字算法来执行其接收、分析和控制功能，这些功能还可以包括校正功能。这样的硬件、软件和固件可以在同一设备内或在单独的设备内实现，以支持本公开中描述的各种技术。

本公开的一个或多个方面可以实现为非暂态计算机可读记录介质，该介质上记录有程序，该程序体现方法/算法，并且用于指示处理器执行这些方法/算法。因此，非暂态计算机可读记录介质可以具有存储在其上的电子可读控制信号，该信号与可编程计算机系统协作(或能够与其协作)，从而执行相应方法/算法。非暂态计算机可读记录介质可以是例如CD-ROM、DVD、Blu-ray^TM盘、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASH存储器或电子存储器设备。

此外，尽管已经公开了各种实施例，但是对于本领域技术人员来说，可以进行各种改变和修改，这将实现本文中公开的概念的一些优点，而不脱离本发明的精神和范围。对于本领域的技术人员来说很清楚的是，可以适当地替换执行相同功能的其他组件。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。应当提到的是，参考特定附图解释的特征可以与其他附图的特征相结合，即使在未明确提及的附图中。对一般发明构思的这样的修改意在由所附权利要求及其法律等效物覆盖。

Claims (20)

1.一种光扫描系统，包括：

传输器，被配置为传输沿着传输路径的传输光束；

微机电系统MEMS镜，布置在所述传输路径上，并且被配置为围绕第一扫描轴线振荡以在视场的第一维度中引导所述传输光束；

宏扫描器，布置在所述传输路径和接收器路径上，所述宏扫描器被配置为围绕第二扫描轴线旋转以在所述视场的第二维度中引导所述传输光束，其中所述宏扫描器还被配置为从所述视场接收经由反向散射从所述传输光束产生的接收光束，并且其中所述宏扫描器被配置为进一步沿着所述接收器路径定向所述接收光束；以及

光检测器，布置在所述接收器路径上，并且被配置为从所述宏扫描器接收所述接收光束并且生成表示所述接收光束的测量信号。

2.根据权利要求1所述的光扫描系统，其中所述宏扫描器是具有多个反射面的多面镜、或者是棱镜。

3.根据权利要求1所述的光扫描系统，其中所述宏扫描器被配置为围绕所述第二扫描轴线连续旋转360°，以在所述第二维度中引导所述传输光束。

4.根据权利要求1所述的光扫描系统，还包括：

接收器镜，在所述接收器路径上布置在所述宏扫描器与所述光检测器之间，其中所述接收器镜被配置为从所述宏扫描器接收所述接收光束并且在所述光检测器定向所述接收光束。

5.根据权利要求4所述的光扫描系统，其中所述接收器镜在所述传输路径上布置在所述MEMS镜与所述宏扫描器之间，其中所述传输光束被配置为沿着所述传输路径穿过所述接收器镜。

6.根据权利要求1所述的光扫描系统，还包括：

控制器，被配置为配置包括传输坐标网格的扫描图案，所述传输坐标网格包括奇数行和偶数行，其中每个传输坐标在所述第一维度中具有第一波束角分量并且在所述第二维度中具有第二波束角分量，

其中所述控制器被配置为控制所述传输器在不同触发时间传输多个传输光束，以传输处于不同传输坐标的所述多个传输光束。

7.根据权利要求6所述的光扫描系统，其中：

所述MEMS镜被配置为在围绕所述第一扫描轴线振荡时在第一旋转方向与第二旋转方向之间振荡，

所述控制器被配置为在所述MEMS镜在所述第一旋转方向上旋转时在与所述偶数行相对应的第一触发时间触发所述多个传输光束中的第一传输光束，并且

所述控制器被配置为在所述MEMS镜在所述第二旋转方向上旋转时在与所述奇数行相对应的第二触发时间触发所述多个传输光束中的第二光束。

8.根据权利要求1所述的光扫描系统，其中：

所述传输器被配置为传输多个传输光束，并且

所述MEMS镜被配置为以正弦图案引导所述多个传输光束，并且所述宏扫描器被配置为在所述视场上线性地引导所述多个传输光束。

9.一种光扫描系统，包括：

多个光源，被配置为沿着传输路径同时传输多个光束以产生一扇传输光束；

微机电系统MEMS镜，布置在所述传输路径上，并且被配置为围绕第一扫描轴线振荡以在视场的第一维度中引导所述一扇传输光束；

宏扫描器，布置在所述传输路径和接收器路径上，所述宏扫描器被配置为围绕第二扫描轴线旋转以在所述视场的第二维度中引导所述一扇传输光束，其中所述宏扫描器还被配置为从所述视场接收一扇接收光束，所述一扇接收光束经由反向散射从所述一扇传输光束而产生，并且其中所述宏扫描器被配置为进一步沿着所述接收器路径定向所述一扇接收光束；以及

光检测器阵列，布置在所述接收器路径上，并且被配置为从所述宏扫描器接收所述一扇接收光束、并且基于所述一扇接收光束生成多个测量信号。

10.根据权利要求9所述的光扫描系统，其中所述宏扫描器是具有多个反射面的多面镜。

11.根据权利要求10所述的光扫描系统，其中：

所述多个反射面被配置为：从所述MEMS镜接收所述一扇传输光束，并且在所述宏扫描器旋转时将所述一扇传输光束定向到所述视场中，以及

所述多个反射面被配置为：从所述视场接收所述一扇接收光束，并且在所述宏扫描器旋转时将所述一扇接收光束定向向所述光检测器阵列。

12.根据权利要求9所述的光扫描系统，其中所述宏扫描器是棱镜。

13.根据权利要求9所述的光扫描系统，其中所述宏扫描器被配置为围绕所述第二扫描轴线连续旋转360°，以在所述第二维度中引导所述一扇传输光束。

14.根据权利要求9所述的光扫描系统，其中所述宏扫描器沿着所述传输路径布置在所述MEMS镜下游。

15.根据权利要求9所述的光扫描系统，其中所述MEMS镜被配置为以正弦图案引导所述一扇传输光束，并且所述宏扫描器被配置为在所述视场上线性地引导所述一扇传输光束。

16.根据权利要求9所述的光扫描系统，其中所述光检测器阵列中的每个光检测器被配置为接收在所述一扇接收光束中所接收的所述接收光束中的不同接收光束。

17.根据权利要求16所述的光扫描系统，其中所述光检测器阵列被配置为响应于接收到所述一扇接收光束而并行地生成多个测量信号。

18.根据权利要求9所述的光扫描系统，其中所述一扇传输光束是具有在所述第二维度中延伸的细长尺寸的线。

19.根据权利要求9所述的光扫描系统，还包括：

控制器，被配置为配置包括传输坐标网格的扫描图案，所述传输坐标网格包括奇数行和偶数行，其中每个传输坐标在所述第一维度中具有第一波束角分量并且在所述第二维度中具有第二波束角分量，

其中所述控制器被配置为控制所述传输器在不同触发时间传输多扇传输光束，以传输处于不同传输坐标的所述多扇传输光束。

20.根据权利要求19所述的光扫描系统，其中：

所述MEMS镜被配置为在围绕所述第一扫描轴线振荡时在第一旋转方向与第二旋转方向之间振荡，

所述控制器被配置为在所述MEMS镜在所述第一旋转方向上旋转时在与所述偶数行相对应的第一触发时间触发所述多扇传输光束中的第一扇传输光束，并且

所述控制器被配置为在所述MEMS镜在所述第二旋转方向上旋转时在与所述奇数行相对应的第二触发时间触发所述多扇传输光束中的第二扇传输光束。

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