CN117295968A - 具有双轴镜子组件的激光雷达 - Google Patents
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Abstract
一种适用于激光雷达系统的双轴扫描系统。双轴系统包括有效载荷；第一致动器，其联接到有效载荷并适于围绕第一轴线旋转有效载荷；以及谐振振荡器。该系统还可以包括第二致动器，其适于围绕垂直于第一轴线的第二轴线旋转第一致动器和有效载荷。还提供了一种扫描系统，包括配置为产生至少一个光束的光源；至少一个偏转器；第一致动器，其配置为围绕第一扫描轴线旋转至少一个偏转器，以及第二致动器，其配置为围绕第二扫描轴线旋转至少一个偏转器，至少一个偏转器配置为将至少一个光束偏转到视场；以及至少一个处理器，其配置为控制光源、第一致动器和第二致动器，以使至少一个偏转器扫描视场。在扫描视场的至少一部分期间，至少一个处理器使第一致动器和第二致动器根据补偿扫描模式围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线同时旋转至少一个偏转器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年4月11日提交的美国临时申请号63/173426、2021年4月13日提交的美国临时申请号63/174100、2021年8月25日提交的美国临时申请号63/236695和2021年11月25日提交的美国临时申请号63/283227的权益。上述申请的全部教导在此引入作为参考。
技术领域
本公开的实施例总体涉及使用磁体来控制单自由度振荡器的运动。
背景技术
需要控制单自由度机械振荡系统的运动(例如保持可移动部件的均匀速度)的组件、系统和方法。
发明内容
本文提供了用于控制振荡运动的振荡组件、系统和方法。在各种实施例中，一种组件包括定子、配置成相对于定子以一个自由度移动的转子以及安装在转子上的至少一个转子磁体。至少一个转子磁体配置成与转子一起在第一端点和第二端点之间移动。组件还包括至少第一定子磁体和第二定子磁体。第一定子磁体安装在第一端点处，第二定子磁体安装在第二端点处。每个定子磁体配置成排斥至少一个转子磁体。
在各种实施例中，一种系统包括如本文所述的振荡组件和配置成移动转子的致动器。转子配置成联接到有效载荷。
在各种实施例中，提供了一种以谐振频率振荡转子的方法。提供了一种系统，其具有组件和配置成移动转子的致动器。组件是具有谐振频率的振荡器。致动器配置成以谐振频率驱动转子运动。激励致动器，从而使至少一个转子磁体以谐振频率在第一端点和第二端点之间振荡。
根据本公开的一方面，提供了一种双轴组件，包括：有效载荷；第一音圈致动器，其联接到光偏转器并适于围绕第一轴线旋转有效载荷；以及第二音圈致动器，其联接到第一音圈致动器并适于围绕垂直于第一轴线的第二轴线旋转第一音圈致动器和有效载荷。在一些实施例中，还提供了谐振振荡器，其配置为以谐振频率围绕第二轴线振荡第一音圈致动器。在一些实施例中，谐振振荡器包括：定子；转子，配置成相对于定子以一个自由度移动，其中转子的运动是旋转的；安装在转子上的至少一个转子磁体，其中至少一个转子磁体配置成与转子一起在第一端点和第二端点之间移动；
至少第一定子磁体和第二定子磁体，第一定子磁体安装在第一端点处；并且第二定子磁体安装在第二端点处，至少第一定子磁体和第二定子磁体中的每个配置为排斥至少一个转子磁体。
在一些实施例中，谐振振荡器还包括安装在转子上的至少第二转子磁体，其中第二转子磁体配置成与转子一起在第三端点和第四端点之间移动。
在一些实施例中，谐振振荡器还包括安装在第三端点处的至少第三定子磁体。在一些实施例中，每个转子磁体是永磁体或电磁体；并且每个定子磁体是永磁体或电磁体。
在一些实施例中，转子通过一个或多个挠曲件可旋转地联接到定子。在一些实施例中，定子包括壳体，其中至少第一定子磁体和第二定子磁体固定到壳体。
在一些实施例中，第一音圈致动器包括第一轭部；并且第二音圈致动器包括第二轭部，其中第二轭部联接到壳体。
在一些实施例中，谐振振荡器是游丝振荡器。
在一些实施例中，还包括轴，该轴沿着第二轴线从第一终端延伸到第二终端，其中第一音圈致动器和第二音圈致动器每个都联接到轴，其中第二音圈致动器配置为围绕第二轴线旋转该轴。
在一些实施例中，第一音圈致动器联接到第一终端；并且谐振振荡器联接到第二终端。在一些实施例中，转子联接到第一轭部。
在一些实施例中，第一音圈致动器还包括设置在第一臂上的第一音圈，其中有效载荷联接到第一臂，并且第一臂配置为围绕第一轴线移动有效载荷；其中第二音圈致动器还包括设置在第二臂上的第二音圈，其中第二臂联接到第一轭部并且配置为使第一音圈致动器围绕第二轴线振荡。在一些实施例中，第二轴线是倾斜的。
本公开还包括一种系统，包括：具有光源的上述组件，该光源配置成向有效载荷发射光束。
在一些实施例中，还包括控制器，其配置成接收反馈信号并向第二音圈致动器提供控制信号，从而控制有效载荷的角速度。
在一些实施例中，还包括反馈传感器，其中从反馈传感器接收反馈信号。在一些实施例中，反馈传感器选自光学编码器、磁性编码器和电容编码器。
根据本公开的另一方面，提供了一种双轴组件，包括：有效载荷；第一致动器，其联接到有效载荷并适于围绕第一轴线旋转有效载荷，其中，第一致动器是音圈致动器；谐振振荡器，包括：包括壳体的定子；转子，配置成相对于定子以一个自由度移动，其中转子的运动是旋转的；安装在转子上的至少一个转子磁体，其中至少一个转子磁体配置成与转子一起在第一端点和第二端点之间移动；以及至少第一定子磁体和第二定子磁体，第一定子磁体安装在第一端点处，其中至少第一定子磁体和第二定子磁体固定到壳体；其中第二定子磁体安装在第二端点处，并且至少第一定子磁体和第二定子磁体中的每个配置为排斥至少一个转子磁体；以及适于围绕垂直于第一轴线的第二轴线旋转第一致动器和有效载荷的第二致动器，第二致动器包括至少一个磁体，至少一个磁体定位在壳体内并且在由至少一个转子磁体中的每个行进的路径的外部，其中至少一个磁体电磁联接到至少一个转子磁体并且配置成产生导致转子旋转的磁场。
在一些实施例中，谐振振荡器还包括安装在转子上的至少第二转子磁体，其中第二转子磁体配置成与转子一起在第三端点和第四端点之间移动。在一些实施例中，谐振振荡器还包括安装在第三端点处的至少第三定子磁体。
在一些实施例中，每个转子磁体是永磁体或电磁体；并且每个定子磁体是永磁体或电磁体。在一些实施例中，转子通过一个或多个挠曲件可旋转地联接到定子。在一些实施例中，至少一个H桥电路配置成提供电压信号来激励至少一个增强器磁体。在一些实施例中，第一致动器包括轭部，其中转子联接到轭部。在一些实施例中，第二轴线是倾斜的。
在一些实施例中，该系统包括配置成向有效载荷发射光束的光源。在一些实施例中，控制器配置成接收反馈信号并向第二致动器提供控制信号，从而控制有效载荷的角速度。在一些实施例中，还提供反馈传感器，其中从反馈传感器接收反馈信号。在一些实施例中，反馈传感器选自光学编码器、磁性编码器和电容编码器。
在一些实施例中，使用上述系统提供扫描视场的方法，其中第二音圈致动器具有谐振频率，并且配置为以谐振频率振荡有效载荷；并且该方法包括激励光源，从而使来自光源的光偏离有效载荷；以及激励第二音圈致动器，从而使有效载荷以谐振频率围绕第二轴线振荡。在一些实施例中，该方法包括激励第一音圈致动器，从而调节有效载荷围绕第一轴线的角度。
在一些实施例中，还提供了控制器，其中该方法还包括在控制器处接收反馈信号；以及向第二音圈致动器提供控制信号，从而控制有效载荷的速度。在一些实施例中，从第二音圈致动器接收反馈信号。在一些实施例中，还提供了编码器，其中从编码器接收反馈信号。
在一些实施例中，该方法还包括确定第二音圈致动器是否以谐振频率振荡有效载荷；当有效载荷不以谐振频率振荡时，向第二音圈致动器提供控制信号，从而降低或增加有效载荷的速度，使得有效载荷以谐振频率振荡。
在一些实施例中，第二致动器具有谐振频率，并且配置成以谐振频率振荡有效载荷；激励光源，从而使来自光源的光偏离有效载荷；以及激励第二致动器，从而导致有效载荷以谐振频率围绕第二轴线振荡。
在一些实施例中，该方法包括激励第一致动器，从而调节有效载荷围绕第一轴线的角度。
在一些实施例中，该系统还包括控制器，其中该方法还包括在控制器处接收反馈信号；以及向第二致动器提供控制信号，从而控制有效载荷的速度。在一些实施例中，从第二致动器接收反馈信号。在一些实施例中，该系统还包括编码器，其中从编码器接收反馈信号。
在一些实施例中，该方法包括确定第二致动器是否以谐振频率振荡有效载荷；当有效载荷不以谐振频率振荡时，向第二致动器提供控制信号，从而降低或增加有效载荷的速度，使得有效载荷以谐振频率振荡。
在一些实施例中，第二音圈致动器还包括从第一端点延伸到第四端点的至少一个挠曲件。在一些实施例中，第二致动器的至少一个磁体是永磁体。在一些实施例中，第二致动器还包括增强器磁体，该增强器磁体设置在壳体中且位于至少一个磁体径向向外的位置。在一些实施例中，增强器磁体是电磁体，或者包括空气芯。在一些实施例中，转子通过一个或多个轴承可旋转地联接到第一轭部。
根据本公开的另一方面，提供了振荡系统的轭部，其包括：第一侧壁；第二侧壁，第二侧壁与第一侧壁间隔开，以在其间限定间隙；在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的至少一个构件；从第一侧壁横向延伸的第一凸缘；从第二侧壁横向延伸的第二凸缘；其中轭部结构是具有第一侧壁和第二侧壁、顶部和底部以及整体连接的第一凸缘和第二凸缘的整体结构。
在一些实施例中，至少一个磁体设置在第一侧壁和第二侧壁之间的间隙内。在一些实施例中，至少一个磁体包括抵靠第一侧壁设置的第一磁体和抵靠第二侧壁设置的第二磁体，间隙的一部分保留在第一磁体和第二磁体之间。在一些实施例中，音圈至少部分地设置在第一磁体和第二磁体之间的间隙内。在一些实施例中，第一凸缘设置在第一侧壁的中点处。在一些实施例中，第二凸缘与第一凸缘水平对准。在一些实施例中，设置支架，其配置成接收镜子，支架联接到第一凸缘和第二凸缘中的至少一个。在一些实施例中，支架经由至少一个挠曲件联接到第一凸缘和第二凸缘。在一些实施例中，支架经由至少一个挠曲件联接到第一凸缘和第二凸缘，至少一个挠曲件在多个位置联接到第一凸缘。在一些实施例中，第一联接位置横向定向，第二联接位置竖直定向，第一联接位置和第二联接位置彼此间隔开。在一些实施例中，在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的至少一个构件包括在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的顶部和在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的底部。在一些实施例中，第一凸缘或第二凸缘中的至少一个是挠曲轴承定子。在一些实施例中，音圈联接到支架。
根据本公开的另一方面，提供了一种振荡组件，包括：定子；转子，其配置成相对于定子以一个自由度移动；安装在转子上的至少一个转子磁体，其中至少一个转子磁体配置成与转子一起在第一端点和第二端点之间移动；至少第一定子磁体和第二定子磁体，第一定子磁体安装在第一端点处；并且第二定子磁体安装在第二端点处，至少第一定子磁体和第二定子磁体中的每个配置为排斥至少一个转子磁体。
在一些实施例中，转子的运动是旋转的；在一些实施例中，转子的运动是线性的。在一些实施例中，还包括安装在转子上的至少第二转子磁体，其中第二转子磁体配置成与转子一起在第三端点和第四端点之间移动。在一些实施例中，至少第三定子磁体安装在第三端点处。
在一些实施例中，第一定子磁体具有包括面积的第一表面；至少一个转子磁体具有包括面积的第一表面，该第一表面对应于第一定子磁体的第一表面；第二定子磁体具有包括面积的第二表面；并且至少一个转子磁体具有包括面积的第二表面，该第二表面对应于第二定子磁体的第二表面，并且进一步其中：第一定子磁体的第一表面配置为排斥至少一个转子磁体的第一表面；第二定子磁体的第二表面配置成排斥至少一个转子磁体的第二表面；并且第一定子磁体的第一表面的面积大于至少一个转子磁体的第一表面的面积，并且第二定子磁体的第二表面的面积大于至少一个转子磁体的第二表面。
在一些实施例中，第一定子磁体包括具有交替磁极的两个或更多个堆叠磁体；第二定子磁体包括具有交替磁极的两个或更多个堆叠磁体；每个转子磁体包括具有交替磁极的两个或更多个堆叠磁体，其中转子磁体的磁极定向成排斥定子磁体的磁极。在一些实施例中，第一定子磁体和第二定子磁体中的至少一个包括至少一个端部磁体。在一些实施例中，第一定子磁体和第二定子磁体中的每个包括两个端部磁体，并且两个或更多个堆叠磁体设置在两个端部磁体之间。在一些实施例中，第一定子磁体、第二定子磁体和每个转子磁体中的任何一个或多个的至少两个相邻堆叠磁体被间隙分开。
在一些实施例中，每个转子磁体是永磁体。在一些实施例中，每个转子磁体是电磁体。在一些实施例中，每个定子磁体是永磁体。在一些实施例中，每个定子磁体是电磁体。在一些实施例中，一个或多个柔性连接器将转子联接到定子。在一些实施例中，第一定子磁体和第二定子磁体中的每个固定到配置成传导磁通量的轭部。
在一些实施例中，致动器配置成移动转子，其中转子配置成联接到有效载荷。在一些实施例中，致动器是电动马达。在一些实施例中，定子包括壳体，其中至少第一定子磁体和第二定子磁体固定到壳体。在一些实施例中，致动器包括至少一个增强器电磁体，至少一个增强器电磁体定位在壳体内并且在由至少一个转子磁体中的每个行进的路径的外部，其中至少一个增强器电磁体电磁联接到至少一个转子磁体，并且配置成在通电时产生使转子移动的磁场。在一些实施例中，致动器机械联接到转子。在一些实施例中，致动器设置在壳体外部。在一些实施例中，致动器是音圈马达。在一些实施例中，致动器通过轴联接到转子。在一些实施例中，致动器配置成在第一端点和第二端点之间移动有效载荷。
在一些实施例中，设置控制器，其配置成接收反馈信号并向致动器提供控制信号，从而控制转子的速度。在一些实施例中，从致动器接收反馈信号。在一些实施例中，反馈传感器，其中从反馈传感器接收反馈信号。在一些实施例中，反馈传感器是编码器。在一些实施例中，编码器是光学编码器。在一些实施例中，编码器是磁性编码器。在一些实施例中，编码器是电容编码器。在一些实施例中，包括有效载荷，其中有效载荷包括镜子。
在一些实施例中，提供了一种以谐振频率振荡转子的方法，该方法包括：提供根据权利要求86至102中任一项所述的系统，其中组件是具有谐振频率的振荡器，并且其中致动器配置成以谐振频率驱动转子运动；以及激励致动器，从而使至少一个转子磁体以谐振频率在第一端点和第二端点之间振荡。
在一些实施例中，提供控制器，其中该方法还包括在控制器处接收反馈信号；以及向致动器提供控制信号，从而控制转子的速度。在一些实施例中，从致动器接收反馈信号。在一些实施例中，该系统还包括编码器，其中从编码器接收反馈信号。
在一些实施例中，该方法包括确定转子是否以谐振频率振荡；当转子不以谐振频率振荡时，向致动器提供控制信号，从而降低或增加转子的速度，使得转子以谐振频率振荡。
在一些实施例中，增强器磁体包括空气芯。在一些实施例中，转子通过一个或多个轴承可旋转地联接到轭部。
在一示例实施例中，本发明是一种扫描系统，包括配置成产生至少一个光束的光源；至少一个偏转器；第一致动器，其配置为围绕第一扫描轴线旋转至少一个偏转器，以及第二致动器，其配置为围绕第二扫描轴线旋转至少一个偏转器，至少一个偏转器配置为将至少一个光束偏转到视场；以及至少一个处理器，其配置为控制光源、第一致动器和第二致动器，以使至少一个偏转器扫描视场，其中在扫描视场的至少一部分期间，至少一个处理器使第一致动器和第二致动器根据补偿扫描模式围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线同时旋转至少一个偏转器，其中补偿扫描模式至少部分补偿与至少一个光束到至少一个偏转器上的变化入射角相关的一个或多个畸变。
在另一示例实施例中，本发明是一种扫描视场的方法，包括：产生至少一个光束；将至少一个光束导向至少一个偏转器，至少一个偏转器配置成围绕第一扫描轴线旋转和围绕第二扫描轴线旋转，并将至少一个光束朝向视场偏转；使配置为控制光源的至少一个处理器、第一致动器和第二致动器旋转至少一个偏转器以扫描视场，其中在扫描视场的至少一部分期间，第一致动器和第二致动器根据补偿扫描模式围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线同时旋转至少一个偏转器，其中补偿扫描模式至少部分补偿与至少一个光束到至少一个偏转器上的变化入射角相关的一个或多个光学畸变。
附图说明
图1A是示出与公开的实施例一致的示例性激光雷达系统的示意图。
图1B是示出与公开的实施例一致的安装在车辆上的激光雷达系统的单次扫描循环的示例性输出的图像。
图1C是示出根据与公开的实施例一致的激光雷达系统的输出确定的点云模型的表示的另一图像。
图2A、2B、2C、2D、2E、2F和2G是图示根据本公开的一些实施例的投影单元的不同配置的图。
图3A、3B、3C和3D是示出根据本公开的一些实施例的扫描单元的不同配置的图。
图4A、4B、4C、4D和4E是示出根据本公开的一些实施例的感测单元的不同配置的图。
图5A包括示出视场的单个部分在单个帧时间内的发射模式的四个示例图。
图5B包括三个示例图，示出了整个视场在单个帧时间内的发射方案。
图5C是示出在整个视场的单个帧时间期间投射的实际光发射和接收的反射的图。
图6是根据本发明一个实施例的双轴扫描组件的示意图。
图7是根据本发明一个实施例的双轴扫描组件的分解图。
图8是根据本发明一个实施例的双轴扫描组件的分解图。
图9是根据本发明一个实施例的双轴扫描组件的分解图。
图10是根据本发明一个实施例的双轴扫描组件的示意图。
图11是根据本发明一个实施例的双轴扫描组件的分解图。
图12A、12B和12C分别是可用于本发明的示例实施例的轭部的前视图、俯视图和侧视图。
图13示出了双轴镜子的两个角位置作为时间(顶部)和相应扫描模式(底部)的函数的曲线图。
图14示出了双轴镜子的两个角位置作为时间(顶部)和相应扫描模式(底部)的函数的曲线图。
图15A是根据本发明一个实施例的双轴扫描组件的示意图。
图15B是图15A所示实施例中采用的游丝谐振器。
图16A和16B示出了本发明的示例实施例所采用的轭部的实施例。
图17A示出了本发明的示例实施例所采用的轭部的示例实施例。
图17B示出了图17A中所示的轭部的温度分布的示例热图。
图18示出了根据本公开实施例的附接到配置成围绕轴线旋转的单个磁体的有效载荷。
图19示出了根据本公开实施例的扭矩相对于旋转角度的曲线图。
图20示出了根据本公开实施例的附接到配置成围绕轴线旋转的两个堆叠磁体的有效载荷。
图21示出了根据本公开实施例的附接到配置成围绕轴线旋转的三个堆叠磁体的有效载荷。
图22A-22B示出了根据本公开实施例的具有转子的振荡系统，该转子具有配置成在定子磁体之间振荡的两个臂。
图23A-23B示出了根据本公开实施例的具有两个臂的转子的俯视图，所述臂配置成在定子磁体之间振荡。
图24示出了根据本公开实施例的具有两个臂的振荡系统，所述臂配置成在定子磁体之间振荡。
图25A示出了根据本公开实施例的振荡系统，其中电动马达包括增强器电磁体。
图25B示出了根据本公开实施例的图25A的振荡系统的侧轮廓。
图26示出了根据本公开实施例的具有有效载荷的振荡系统。
图27示出了根据本公开实施例的固定到定子的定子磁体和联接到定子的转子。
图28示出了根据本公开实施例的线性振荡系统。
图29示出了根据本公开实施例的具有单个转子臂的旋转振荡系统。
图30示出了根据本公开实施例的具有三个转子臂的旋转振荡系统。
图31A-31B示出了根据本公开实施例的具有两个转子臂和增强器电磁体的旋转振荡系统。
图32示出了根据本公开实施例的旋转振荡系统，该系统具有带有堆叠磁体的定子和转子磁体，并且定子磁体具有端部磁体。
图33示出了根据本公开实施例的旋转振荡系统，该系统具有带有堆叠磁体的定子和转子磁体，并且定子磁体具有端部磁体。
图34示出了根据本公开实施例的旋转振荡系统，该系统具有带有堆叠磁体的定子和转子磁体，并且定子磁体具有两个端部磁体。
图35示出了根据本公开实施例的旋转振荡系统，该系统具有带有堆叠磁体的定子和转子磁体，并且定子磁体具有端部磁体。
图36示出了根据本公开实施例的旋转振荡系统，该系统具有带有堆叠磁体的定子和转子磁体，并且定子磁体具有两个端部磁体。
图37描绘了如本文所公开的用于激光雷达系统中的具有光偏转器(例如镜子)的双轴旋转的示例性振荡系统。
图38描绘了本文公开的双轴扫描组件的示例实施例。
图39描绘了本文公开的振荡系统的示例实施例。
图40示出了具有壳体的本发明的双轴振荡系统的示例实施例。
图41示出了两个音圈致动器的联接示例。
图42描绘了本文公开的示例性振荡扫描系统。
图43A描绘了本文公开的磁性缓冲器的实施例。
图43B描绘了图43A中所示实施例的剖视图。
图44描绘了增强磁性谐振器的实施例。
图45描绘了本发明的扫描组件的实施例。
图46示出了本发明的磁性缓冲器的实施例。
图47描绘了增强器磁体的实施例的独立视图。
图48-50描绘了本发明的增强器磁体的实施例。
图51描绘了本发明的示例实施例。
图52示出了轴直接联接到较小的音圈致动器的实施例。
图53描绘了可以使用的具有三个臂的转子。
图54描绘了具有三个臂的转子。
图55描绘了三臂转子的另一实施例。
图56描绘了展示替代磁体和轭部设计的附加示例性实施例。
图57-59示出了本发明采用的示例性轭部。
图60示出了本发明的某些实施例所采用的磁体的实施例。
图61示出了本发明的镜子支架的实施例。
图62示出了在本发明的某些实施例的制造中使用的重叠焊点的示例。
图63-64示出了本发明的镜子支架的实施例。
图65是畸变扫描模式的示意图。
图66A是具有轴倾斜的本发明的双轴扫描组件的示例实施例的示意图。
图66B是具有倾斜轴的本发明的双轴扫描组件的示例实施例的示意图。
图67A、67B和67C示出了本文描述的示例性补偿扫描模式，可选地与轴倾斜相结合。
图68示出了示例性光栅扫描模式。
图69A、69B和69C示出了根据本发明的示例性补偿扫描模式。
图70描绘了由线性阵列的激光器产生的扫描模式。
图71是本文公开的扫描系统的示意图。
图72是示出了可以在本文公开的扫描系统的操作期间实现的角度跨度的示意图。
图73是示出了本发明的激光雷达系统的示例性架构的框图。
图74A和74B示出了可以由本发明使用的单片激光器阵列的示例实施例。
图75A-75G是可以在本发明的各种实施例中使用的激光器阵列的示意图。
图75H示出了可以由本发明使用的由激光器阵列发射的激光束产生的光斑的示例性放大图像。
图76A、76B和76C是检测器(传感器)阵列的示意图。
具体实施方式
部分I：双轴扫描仪
公开的实施例可以包括光学系统。如本文所用，术语“光学系统”广义上包括用于光的产生、检测和/或操纵的任何系统。仅作为示例，光学系统可以包括用于产生、检测和/或操纵光的一个或多个光学部件。例如，光源、透镜、镜子、棱镜、分束器、准直器、偏振光学器件、光调制器、光开关、光放大器、光检测器、光传感器、光纤、半导体光学元件，虽然每个都不是必需的，但每个都可以是光学系统的一部分。除了一个或多个光学部件之外，光学系统还可以包括其他非光学部件，例如电气部件、机械部件、化学反应部件和半导体部件。非光学部件可以与光学系统的光学部件协作。例如，光学系统可以包括用于分析检测光的至少一个处理器。
与本公开一致，光学系统可以是激光雷达系统。如本文所用，术语“激光雷达系统”广义上包括能够基于反射光确定指示一对有形对象之间的距离的参数值的任何系统。在一实施例中，激光雷达系统可以基于由激光雷达系统发射的光的反射来确定一对有形对象之间的距离。如本文所用，术语“确定距离”广义上包括生成指示成对有形对象之间的距离的输出。所确定的距离可以表示一对有形对象之间的物理尺寸。仅作为示例，所确定的距离可以包括激光雷达系统和激光雷达系统的视场中的另一有形对象之间的飞行距离线。在另一实施例中，激光雷达系统可以基于由激光雷达系统发射的光的反射来确定一对有形对象之间的相对速度。指示一对有形对象之间的距离的输出的示例包括：有形对象之间的标准长度单位数(例如米数、英寸数、千米数、毫米数)，任意长度单位的数量(例如激光雷达系统长度的数量)，该距离与另一长度之间的比率(例如与在激光雷达系统的视场中检测到的对象的长度的比率)，时间量(例如以标准单位、任意单位或比率给出，例如光在有形对象之间传播所花费的时间)、一个或多个位置(例如使用商定的坐标系指定，相对于已知位置指定)等。
激光雷达系统可以基于反射光来确定一对有形对象之间的距离。在一实施例中，激光雷达系统可以处理传感器的检测结果，该检测结果创建时间信息，该时间信息指示光信号的发射与其被传感器检测到的时间之间的时间段。该时间段有时被称为光信号的“飞行时间”。在一示例中，光信号可以是短脉冲，其上升和/或下降时间可以在接收中被检测到。使用关于相关介质(通常是空气)中光速的已知信息，可以处理关于光信号飞行时间的信息，以提供光信号在发射和检测之间传播的距离。在另一实施例中，激光雷达系统可以基于频率相移(或多频相移)来确定距离。具体地，激光雷达系统可以处理指示光信号的一个或多个调制相移的信息(例如通过求解一些联立方程来给出最终测量)。例如，发射的光信号可以用一个或多个恒定频率调制。发射信号和检测到的反射之间的调制的至少一个相移可以指示光在发射和检测之间传播的距离。调制可以应用于连续波光信号、准连续波光信号或另一种类型的发射光信号。注意，激光雷达系统可以使用附加信息来确定距离，例如投影位置、信号的检测位置(尤其是如果彼此远离的话)等之间的位置信息(例如相对位置)。
在一些实施例中，激光雷达系统可以用于检测激光雷达系统的环境中的多个对象。术语“检测激光雷达系统环境中的对象”广义上包括生成指示对象向与激光雷达系统相关的检测器反射光的信息。如果激光雷达系统检测到一个以上的对象，则与不同对象相关的所生成的信息可以是互连的，例如，汽车在道路上行驶，鸟坐在树上，人触摸自行车，货车向建筑物移动。激光雷达系统检测对象的环境的尺寸可以根据实现而变化。例如，激光雷达系统可以用于检测其上安装有激光雷达系统的车辆的环境中的多个对象，达到100m(或200m、300m等)的水平距离，以及达到10m(或25m、50m等)的竖直距离。在另一示例中，激光雷达系统可以用于检测车辆环境中或预定水平范围(例如25°、50°、100°、180°等)内的多个对象，并达到预定义的竖直高度(例如±10°，±20°，+40°–20°，±90°或0°–90°)。
如本文所用，术语“检测对象”可以广义上指确定对象的存在(例如对象可以存在于相对于激光雷达系统和/或另一参考位置的特定方向上，或者对象可以存在于特定空间体积中)。另外或可替代地，术语“检测对象”可以指确定对象和另一位置(例如激光雷达系统的位置、地球上的位置或另一对象的位置)之间的距离。另外或可替代地，术语“检测对象”可以指识别对象(例如分类对象的类型，诸如汽车、植物、树、道路；识别特定对象(例如华盛顿纪念碑)；确定车牌号码；确定对象的成分(例如固体、液体、透明、半透明)；确定对象的运动学参数(例如它是否在移动、其速度、其移动方向、对象的膨胀)。另外或可替代地，术语“检测对象”可以指生成点云图，其中点云图的一个或多个点中的每个点对应于对象中的位置或对象表面上的位置。在一实施例中，与视场的点云地图表示相关的数据分辨率可以与视场的0.1°x0.1°或0.3°x0.3°相关。
与本公开一致，术语“对象”广义上包括可以从其至少一部分反射光的有限物质成分。例如，对象可以是至少部分实心的(例如汽车、树)；至少部分液体(例如路上的水坑、雨水)；至少部分是气态的(如烟雾、云)；由许多不同的粒子构成(如沙尘暴、雾、喷雾)；并且其尺寸可以是一个或多个数量级，例如～1毫米(mm)、～5mm、～10mm、～50mm、～100mm、～500mm、～1米(m)、～5m、～10m、～50m、～100m等。也可以检测更小或更大的对象，以及这些示例之间的任何尺寸。注意，由于各种原因，激光雷达系统可能仅检测对象的一部分。例如，在一些情况下，光可以仅从对象的一些侧反射(例如仅面向激光雷达系统的侧将被检测到)；在其他情况下，光可能只投射到对象的一部分上(例如激光束投射到道路或建筑物上)；在其他情况下，该对象可能被激光雷达系统和所检测的对象之间的另一对象部分遮挡；在其他情况下，激光雷达的传感器可能仅检测从对象的一部分反射的光，例如因为环境光或其他干扰因素干扰对对象的一些部分的检测。
与本公开一致，激光雷达系统可以配置成通过扫描激光雷达系统的环境来检测对象。术语“扫描激光雷达系统的环境”广义上包括照射激光雷达系统的视场或视场的一部分。在一示例中，扫描激光雷达系统的环境可以通过移动或枢转光偏转器以朝着视场的不同部分在不同方向上偏转光来实现。在另一示例中，扫描激光雷达系统的环境可以通过改变传感器相对于视场的定位(即位置和/或定向)来实现。在另一示例中，扫描激光雷达系统的环境可以通过改变光源相对于视场的定位(即位置和/或定向)来实现。在又一示例中，扫描激光雷达系统的环境可以通过改变至少一个光源和至少一个传感器的位置以相对于视场刚性移动来实现(即至少一个传感器和至少一个光源的相对距离和定向保持不变)。
如本文所用，术语“激光雷达系统的视场”可以广义上包括其中可以检测对象的激光雷达系统的可观测环境的范围。注意，激光雷达系统的视场(FOV)可能受到各种条件的影响，例如但不限于：激光雷达系统的定向(例如是激光雷达系统的光轴方向)；激光雷达系统相对于环境的位置(例如地面以上的距离以及邻近的地形和障碍物)；激光雷达系统的操作参数(例如发射功率、计算设置、定义的操作角度)等。激光雷达系统的视场可以例如由立体角定义(例如使用φ、θ角定义，其中φ和θ是在垂直平面中定义的角度，例如相对于激光雷达系统和/或其FOV的对称轴)。在一示例中，视场也可被定义在某个范围内(例如高达200m)。
类似地，术语“瞬时视场”可以广义上包括可观测环境的范围，其中激光雷达系统可以在任何给定时刻检测到对象。例如，对于扫描激光雷达系统，瞬时视场比激光雷达系统的整个FOV更窄，并且它可以在激光雷达系统的FOV内移动，以便能够在激光雷达系统的FOV的其他部分进行检测。在激光雷达系统的FOV内的瞬时视场的移动可以通过移动激光雷达系统的(或在激光雷达系统的外部的)光偏转器激光雷达来实现，以便在不同方向上偏转去往和/或来自激光雷达系统的光束。在一实施例中，激光雷达系统可以配置成扫描激光雷达系统所在其中操作的环境中的场景。如本文所用，术语“场景”可以广义上包括在激光雷达系统的视场内、在激光雷达系统的操作持续时间内处于其相对位置和其当前状态的一些或所有对象。例如，场景可以包括地面元素(例如地球、道路、草地、人行道、路面标记)、天空、人造对象(例如车辆、建筑物、标志)、植被、人、动物、光投射元素(例如手电筒、太阳、其他激光雷达系统)等。
所公开的实施例可以涉及获取用于生成重建三维模型的信息。可以使用的重建三维模型的类型的示例包括点云模型和多边形网格(例如三角形网格)。术语“点云”和“点云模型”在本领域中是众所周知的，并且应被解释为包括在空间上位于某个坐标系中的一组数据点(即在由相应坐标系描述的空间中具有可识别的位置)。术语“点云点”指的是空间中的点(其可以是无量纲的，或者是微型单元空间，例如1cm3)，并且其位置可以由点云模型使用一组坐标(例如(X，Y，Z)，(r，φ，θ))来描述。仅作为示例，点云模型可以存储其一些或所有点的附加信息(例如从相机图像生成的点的颜色信息)。同样，任何其他类型的重建三维模型可以存储其一些或所有对象的附加信息。类似地，术语“多边形网格”和“三角形网格”在本领域中是众所周知的，并且应被解释为包括定义一个或多个3D对象(例如多面体对象)的形状的一组顶点、边和面。这些面可以包括以下中的一个或多个：三角形(三角形网格)、四边形或其他简单的凸多边形，因为这可以简化渲染。这些面也可以包括更一般的凹多边形，或者带孔的多边形。多边形网格可以使用不同的技术来表示，例如：顶点-顶点网格、面-顶点网格、翼形边网格和渲染动态网格。多边形网格的不同部分(例如顶点、面、边)直接和/或相对于彼此在空间上位于某个坐标系中(即在由相应坐标系描述的空间中具有可识别的位置)。重建的三维模型的生成可以使用任何标准的、专用的和/或新颖的摄影测量技术来实现，其中许多技术在本领域中是已知的。注意，其他类型的环境模型可以由激光雷达系统生成。
与公开的实施例一致，激光雷达系统可以包括至少一个投影单元，其具有配置成投射光的光源。如本文所用，术语“光源”广义上指配置成发射光的任何设备。在一实施例中，光源可以是激光器，例如固态激光器、激光二极管、高功率激光器，或者替代光源，例如基于发光二极管(LED)的光源。此外，如所有附图所示的光源112可以发射不同格式的光，例如光脉冲、连续波(CW)、准CW等。例如，可以使用的一种类型的光源是竖直腔面发射激光器(VCSEL)。可以使用的另一种类型的光源是外腔二极管激光器(ECDL)。在一些示例中，光源可以包括激光二极管，其配置为发射波长在约650nm和1150nm之间的光。可替代地，光源可以包括激光二极管，其配置为发射波长在约800nm和约1000nm之间、约850nm和约950nm之间或者约1300nm和约1600nm之间的光。除非另有说明，关于数值的术语“约”被定义为相对于所述值的达5％的变化。下面参照图2A-2C描述投影单元和至少一个光源的其他细节。
与公开的实施例一致，激光雷达系统可以包括至少一个扫描单元，其具有至少一个光偏转器，该光偏转器配置成偏转来自光源的光，以便扫描视场。术语“光偏转器”广义上包括配置成使光偏离其原始路径的任何机构或模块；例如，镜子、棱镜、可控透镜、机械镜子、机械扫描多边形、有源衍射(例如可控LCD)、Risley棱镜、非机械-电-光学光束控制(例如由Vscent制造)、偏振光栅(例如由Boulder非线性系统提供)、光学相控阵列(OPA)等。在一实施例中，光偏转器可以包括多个光学部件，例如至少一个反射元件(例如镜子)、至少一个折射元件(例如棱镜、透镜)等。在一示例中，光偏转器可以是可移动的，以使光偏离不同的角度(例如离散的角度，或者在连续的角度跨度上)。光偏转器可以可选地以不同的方式控制(例如偏转到角度α，将偏转角改变Δα，将光偏转器的部件移动M毫米，改变偏转角改变的速度)。此外，光偏转器可以可选地可操作来改变单个平面内的偏转角度(例如θ坐标)。光偏转器可以可选地可操作来改变两个非平行平面内的偏转角度(例如θ和φ坐标)。可替代地或另外，光偏转器可以可选地可操作以在预定设置(例如沿着预定扫描路线)或其他设置之间改变偏转角度。关于光偏转器在激光雷达系统中的使用，注意，光偏转器可以在向外方向(也称为传输方向或TX)上使用，以将来自光源的光偏转到视场的至少一部分。然而，光偏转器也可以用于向内方向(也称为接收方向或RX)，以将来自视场的至少一部分的光偏转到一个或多个光传感器。下面参照图3A-3C描述扫描单元和至少一个光偏转器的附加细节。
所公开的实施例可以包括枢转光偏转器以扫描视场。如本文使用，术语“枢转”广义上包括对象(尤其是固体对象)围绕一个或多个旋转轴线旋转，同时基本保持旋转中心固定。在一实施例中，光偏转器的枢转可以包括光偏转器围绕固定轴线(例如轴)的旋转，但这不是必须的。例如，在一些MEMS镜子实施方式中，MEMS镜子可以通过连接到镜子的多个弯曲器的致动而移动，镜子除了旋转之外还可以经历一些空间平移。然而，这种镜子可被设计成围绕基本固定的轴线旋转，因此与本公开一致，其被认为是枢转的。在其他实施例中，一些类型的光偏转器(例如非机械-电-光束控制OPA)不需要任何移动部件或内部运动来改变偏转光的偏转角度。注意，与移动或枢转光偏转器相关的任何讨论在加以必要的修正后也适用于控制光偏转器，从而改变光偏转器的偏转行为。例如，控制光偏转器可以导致从至少一个方向到达的光束的偏转角发生变化。
所公开的实施例可以包括接收与对应于光偏转器的单个瞬时位置的视场部分相关的反射。如本文所用，术语“光偏转器的瞬时位置”(也称为“光偏转器的状态”)广义上是指光偏转器的至少一个受控部件在瞬时时间点或短时间跨度内所处的空间位置。在一实施例中，光偏转器的瞬时位置可以相对于参考系来测量。参考系可以与激光雷达系统中的至少一个固定点有关。或者，例如，参考系可以与场景中的至少一个固定点有关。在一些实施例中，光偏转器的瞬时位置可以包括光偏转器的一个或多个部件(例如镜子、棱镜)的一些移动，通常相对于视场扫描期间的最大变化程度是有限的。例如，激光雷达系统的整个视场的扫描可以包括在30°的跨度上改变光的偏转，并且至少一个光偏转器的瞬时位置可以包括光偏转器在0.05°内的角度偏移。在其他实施例中，术语“光偏转器的瞬时位置”可以指光偏转器在获取光期间的位置，该光被处理以提供由激光雷达系统生成的点云(或另一种类型的3D模型)的单个点的数据。在一些实施例中，光偏转器的瞬时位置可以对应于固定位置或定向，其中在激光雷达视场的特定子区域的照射期间，偏转器暂停一小段时间。在其他情况下，光偏转器的瞬时位置可以对应于沿着光偏转器的位置/定向的扫描范围的特定位置/定向，光偏转器通过该扫描范围作为激光雷达视场的连续或半连续扫描的一部分。在一些实施例中，光偏转器可被移动，使得在激光雷达FOV的扫描循环期间，光偏转器位于多个不同的瞬时位置。换句话说，在扫描循环发生的时间段期间，偏转器可以移动通过一系列不同的瞬时位置/定向，并且偏转器可以在扫描循环期间的不同时间到达每个不同的瞬时位置/定向。
与公开的实施例一致，激光雷达系统可以包括至少一个感测单元，其具有至少一个传感器，该传感器配置成检测来自视场中的对象的反射。术语“传感器”广义上包括能够测量电磁波的特性(例如功率、频率、相位、脉冲定时、脉冲持续时间)并产生与测量的特性相关的输出的任何设备、元件或系统。在一些实施例中，至少一个传感器可以包括由多个检测元件构成的多个检测器。至少一个传感器可以包括一种或多种类型的光传感器。注意，至少一个传感器可以包括相同类型的多个传感器，这些传感器可以在其他特性(例如灵敏度、尺寸)上不同。也可以使用其他类型的传感器。出于不同的原因，可以使用多种类型传感器的组合，例如在一定跨度范围内(特别是在近距离内)改善检测；提高传感器的动态范围；改善传感器的时间响应；以及改善在变化的环境条件下(例如大气温度、雨水等)的检测。在一实施例中，至少一个传感器包括SiPM(硅光电倍增器)，其是由雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列构成的固态单光子敏感器件，用作公共硅衬底上的检测元件。在一示例中，SPAD之间的典型距离可以在约10μm和约50μm之间，其中每个SPAD可以具有约20ns和约100ns之间的恢复时间。也可以使用来自其他非硅材料的类似光电倍增器。虽然SiPM器件以数字/开关模式工作，但SiPM是一种模拟器件，因为所有的微单元都可以并行读取，从而可以在不同SPAD检测的单个光子到成百上千个光子的动态范围内产生信号。注意，来自不同类型的传感器(例如SPAD、APD、SiPM、PIN二极管、光电检测器)的输出可被组合在一起成为可以由激光雷达系统的处理器处理的单个输出。下面参照图4A-4C描述感测单元和至少一个传感器的附加细节。
与公开的实施例一致，激光雷达系统可以包括配置成执行不同功能的至少一个处理器或者与之通信。至少一个处理器可以构成具有对一个或多个输入执行逻辑运算的电路的任何物理设备。例如，至少一个处理器可以包括一个或多个集成电路(IC)，包括专用集成电路(ASIC)、微芯片、微控制器、微处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)的全部或部分，或者适于执行指令或执行逻辑操作的其他电路。由至少一个处理器执行的指令可以例如预加载到与控制器集成或嵌入控制器的存储器中，或者可以存储在单独的存储器中。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘、光盘、磁介质、闪存、其他永久、固定或易失性存储器，或者能够存储指令的任何其他机制。在一些实施例中，存储器配置成存储表示关于激光雷达系统的环境中的对象的数据的信息。在一些实施例中，至少一个处理器可以包括一个以上的处理器。每个处理器可以具有相似的结构，或者处理器可以具有彼此电连接或电断开的不同结构。例如，处理器可以是单独的电路或者集成在单个电路中。当使用一个以上的处理器时，处理器可以配置成独立地或协作地操作。处理器可以通过电、磁、光、声、机械或其他允许它们交互的方式联接。下面参照图5A-5C描述处理单元和至少一个处理器的附加细节。
系统概况
图1A示出了包括投影单元102、扫描单元104、感测单元106和处理单元108的激光雷达系统100。激光雷达系统100可以安装在交通工具110上。与本公开的实施例一致，投影单元102可以包括至少一个光源112，扫描单元104可以包括至少一个光偏转器114，感测单元106可以包括至少一个传感器116，并且处理单元108可以包括至少一个处理器118。在一实施例中，至少一个处理器118可以配置成协调至少一个光源112的操作和至少一个光偏转器114的移动，以便扫描视场120。在扫描循环期间，至少一个光偏转器114的每个瞬时位置可以与视场120的特定部分122相关。此外，激光雷达系统100可以包括至少一个可选的光学窗口124，用于将投射的光导向视场120和/或接收从视场120中的对象反射的光。可选的光学窗口124可以用于不同的目的，例如投射光的准直和反射光的聚焦。在一实施例中，可选光学窗口124可以是开口、平面窗口、透镜或任何其他类型的光学窗口。
与本公开一致，激光雷达系统100可以用于自主或半自主道路车辆(例如轿车、公共汽车、货车、卡车和任何其他地面车辆)。具有激光雷达系统100的自主道路车辆可以扫描它们的环境，并且在没有人类输入的情况下行驶到目的地。类似地，激光雷达系统100也可以用于自主/半自主飞行器(例如UAV、无人机、四轴飞行器和任何其他飞行器或设备)；或者在自主或半自主水上船只(例如艇、轮船、潜水艇或任何其他船只)中。具有激光雷达系统100的自主飞行器和水上船只可以扫描它们的环境，并且自主地或者凭借远程人工操作员导航到目的地。根据一实施例，交通工具110(公路交通工具、航空交通工具或船只)可以使用激光雷达系统100来帮助检测和扫描交通工具110运行的环境。
应当注意，激光雷达系统100或其任何部件可以与本文公开的任何示例实施例和方法一起使用。此外，尽管相对于示例性的基于车辆的激光雷达平台描述了激光雷达系统100的一些方面，但激光雷达系统100、其任何部件或者本文描述的任何过程可以适用于其他平台类型的激光雷达系统。
在一些实施例中，激光雷达系统100可以包括一个或多个扫描单元104来扫描交通工具110周围的环境。激光雷达系统100可以附接或安装到交通工具110的任何部分。感测单元106可以接收来自交通工具110周围的反射，并将指示从视场120中的对象反射的光的反射信号传输到处理单元108。与本公开一致，扫描单元104可以安装到或结合到保险杠、挡泥板、侧板、扰流板、车顶、前灯组件、尾灯组件、后视镜组件、发动机罩、行李箱或能够容纳激光雷达系统的至少一部分的交通工具110的任何其他合适的部分。在一些情况下，激光雷达系统100可以捕获交通工具110的环境的完整环绕视图。因此，激光雷达系统100可以具有360度水平视场。在一示例中，如图1A所示，激光雷达系统100可以包括安装在交通工具110的车顶上的单个扫描单元104。可替代地，激光雷达系统100可以包括多个扫描单元(例如两个、三个、四个或更多个扫描单元104)，每个具有少量视场，使得总体上水平视场被交通工具110周围的360度扫描覆盖。本领域技术人员将理解，取决于所采用的单元的数量，激光雷达系统100可以包括以任何方式布置的任何数量的扫描单元104，每个具有80°至120°或更小的视场。此外，还可以通过在交通工具110上安装多个激光雷达系统100来获得360度水平视场，每个具有单个扫描单元104。然而要注意的是，一个或多个激光雷达系统100不必提供完整的360°视场，并且较窄的视场在某些情况下可能是有用的。例如，交通工具110可能需要车辆前方视野为75°的视场的第一激光雷达系统100，并且可能需要具有后方视野类似的FOV的第二激光雷达系统100(可选地具有较低的检测范围)。还要注意，也可以实现不同的竖直视场角度。
图1B是示出了与公开的实施例一致的安装在交通工具110上的激光雷达系统100的单次扫描循环的示例性输出的图像。在该示例中，扫描单元104被结合到交通工具110的右前灯组件中。图像中的每个灰点对应于交通工具110周围环境中的位置，该位置由感测单元106检测到的反射确定。除了位置之外，每个灰点还可以与不同类型的信息相关，例如强度(例如有多少光从该位置返回)、反射率、与其他点的接近度等。在一实施例中，激光雷达系统100可以从视场的多个扫描循环的检测到的反射生成多个点云数据条目，以使得例如能够确定交通工具110周围环境的点云模型。
图1C是示出从激光雷达系统100的输出确定的点云模型的表示的图像。与公开的实施例一致，通过处理交通工具110周围环境的生成的点云数据条目，可以从点云模型产生环绕视图图像。在一实施例中，点云模型可被提供给特征提取模块，该模块处理点云信息以识别多个特征。每个特征可以包括关于点云和/或交通工具110周围环境中的对象(例如汽车、树、人和道路)的不同方面的数据。特征可以具有与点云模型相同的分辨率(即具有相同数量的数据点，可选地排列成相似尺寸的2D阵列)，或者可以具有不同的分辨率。这些特征可以存储在任何种类的数据结构中(例如栅格、矢量、2D阵列、1D阵列)。此外，虚拟特征比如交通工具110的表示、边界线或分隔图像中的区域或对象的边界框(例如图1B所示)以及表示一个或多个识别的对象的图标可以覆盖在点云模型的表示上，以形成最终的环绕视图图像。例如，交通工具110的符号可被覆盖在环绕视图图像的中心。
投影单元
图2A-2G描绘了投影单元102的各种配置及其在激光雷达系统100中的作用。具体地，图2A是示出具有单个光源的投影单元102的示意图；图2B是示出多个投影单元102的示意图，其中多个光源瞄准公共光偏转器114；图2C是示出具有主光源和次光源112的投影单元102的示意图；图2D是示出在投影单元102的一些配置中使用的不对称偏转器的示意图；图2E是示出非扫描激光雷达系统的第一配置的示意图；图2F是示出非扫描激光雷达系统的第二配置的示意图；图2G是示出在向外方向上扫描而不在向内方向上扫描的激光雷达系统的示意图。本领域技术人员将理解，投影单元102的所示配置可以有许多变化和修改。
图2A示出了激光雷达系统100的双站配置的示例，其中投影单元102包括单个光源112。术语“双站配置”广义上指激光雷达系统配置，其中离开激光雷达系统的投射光和进入激光雷达系统的反射光穿过基本不同的光路。在一些实施例中，激光雷达系统100的双站配置可以包括通过使用完全不同的光学部件、通过使用平行但不完全分离的光学部件或者通过对仅部分光路使用相同的光学部件(光学部件可以包括例如窗口、透镜、镜子、分束器等)来分离光路。在图2A所示的示例中，双站配置包括这样的配置，其中向外光和向内光穿过单个光学窗口124，但扫描单元104包括两个光偏转器，即用于向外光的第一光偏转器114A和用于向内光的第二光偏转器114B(激光雷达系统中的向内光包括从场景中的对象反射的发射光，并且还可以包括从其他源到达的环境光)。在图2E和2G所示的示例中，双站配置包括这样的配置，其中向外光穿过第一光学窗口124A，向内光穿过第二光学窗口124B。在上述所有示例配置中，向内和向外光路互不相同。
在该实施例中，激光雷达系统100的所有部件可以包含在单个壳体200内，或者可以在多个壳体之间划分。如图所示，投影单元102与单个光源112相关，该光源112包括配置为发射光(投影光204)的激光二极管202A(或者联接在一起的两个或更多个激光二极管)。在一非限制性示例中，由光源112投射的光的波长可以在约800nm和950nm之间，平均功率在约50mW和约500mW之间，峰值功率在约50W和约200W之间，脉冲宽度在约2ns和约100ns之间。此外，光源112可以可选地与光学组件202B相关，光学组件202B用于操纵由激光二极管202A发射的光(例如用于准直、聚焦等)。注意，可以使用其他类型的光源112，并且本公开不限于激光二极管。此外，光源112可以不同的形式发射其光，例如光脉冲、频率调制、连续波(CW)、准CW或对应于所采用的特定光源的任何其他形式。投影格式和其他参数可以根据不同的因素，例如来自处理单元108的指令，由光源不时地改变。投射的光被投射到向外偏转器114A，其用作在视场120中引导投射光的转向元件。在该示例中，扫描单元104还可以包括可枢转的返回偏转器114B，其将从视场120内的对象208反射回来的光子(反射光206)导向传感器116。反射光由传感器116检测，并且关于对象的信息(例如到对象212的距离)由处理单元108确定。
在该图中，激光雷达系统100连接到主机210。与本公开一致，术语“主机”指的是可以与激光雷达系统100接口的任何计算环境，它可以是车辆系统(例如交通工具110的一部分)、测试系统、安全系统、监视系统、交通控制系统、城市建模系统或监视其周围环境的任何系统。这种计算环境可以包括至少一个处理器和/或可以经由云连接到激光雷达系统100。在一些实施例中，主机210还可以包括到外部设备的接口，例如配置成测量主机210的不同特性(例如加速度、方向盘偏转、反向驱动等)的相机和传感器。与本公开一致，激光雷达系统100可以固定到与主机210相关的静止对象(例如建筑物、三脚架)或者固定到与主机210相关的便携式系统(例如便携式计算机、电影相机)。与本公开一致，激光雷达系统100可以连接到主机210，以向主机210提供激光雷达系统100的输出(例如3D模型、反射率图像)。具体地，主机210可以使用激光雷达系统100来帮助检测和扫描主机210的环境或任何其他环境。此外，主机210可以将激光雷达系统100的输出与其他感测系统(例如相机、麦克风、雷达系统)的输出集成、同步或以其他方式一起使用。在一示例中，激光雷达系统100可以由安全系统使用。
激光雷达系统100还可以包括总线212(或其他通信机制)，其将用于在激光雷达系统100内传输信息的子系统和部件互连。可选地，总线212(或另一种通信机制)可以用于将激光雷达系统100与主机210互连。在图2A的示例中，处理单元108包括两个处理器118，以至少部分基于从激光雷达系统100的内部反馈接收的信息，以协调的方式调节投影单元102、扫描单元104和感测单元106的操作。换句话说，处理单元108可以配置成在闭环中动态操作激光雷达系统100。闭环系统的特征在于具有来自至少一个元件的反馈，并基于接收到的反馈更新一个或多个参数。此外，闭环系统可以接收反馈，并且至少部分地基于该反馈来更新其自身的操作。动态系统或元件是可以在操作期间更新的系统或元件。
根据一些实施例，扫描激光雷达系统100周围的环境可以包括用光脉冲照射视场120。光脉冲可以具有参数，例如：脉冲持续时间、脉冲角分散、波长、瞬时功率、距光源112不同距离处的光子密度、平均功率、脉冲功率强度、脉冲宽度、脉冲重复率、脉冲序列、脉冲占空比、波长、相位、偏振等。扫描激光雷达系统100周围的环境还可以包括检测和表征反射光的各个方面。反射光的特征可以包括例如：飞行时间(即从发射到检测的时间)、瞬时功率(例如功率特征)、整个返回脉冲的平均功率以及返回脉冲周期内的光子分布/信号。通过比较光脉冲的特征和相应反射的特征，可以估计距离和可能的物理特征，例如对象212的反射强度。通过在多个相邻部分122上以预定模式(例如光栅、Lissajous或其他模式)重复该过程，可以实现视场120的完整扫描。如下面更详细讨论，在一些情况下，在每个扫描循环，激光雷达系统100可以将光导向视场120中的仅一些部分122。这些部分可以彼此相邻，但不一定如此。
在另一实施例中，激光雷达系统100可以包括用于与主机210(例如车辆控制器)通信的网络接口214。激光雷达系统100和主机210之间的通信由虚线箭头表示。在一实施例中，网络接口214可以包括综合业务数字网(ISDN)卡、电缆调制解调器、卫星调制解调器或提供到相应类型电话线的数据通信连接的调制解调器。作为另一示例，网络接口214可以包括局域网(LAN)卡，以提供到兼容LAN的数据通信连接。在另一实施例中，网络接口214可以包括连接到射频接收器和发射器和/或光学(例如红外)接收器和发射器的以太网端口。网络接口214的具体设计和实施方式取决于激光雷达系统100和主机210旨在操作的通信网络。例如，网络接口214可以用于例如向外部系统提供激光雷达系统100的输出，诸如3D模型、激光雷达系统100的操作参数等。在其他实施例中，通信单元可以用于例如接收来自外部系统的指令、接收关于被检查环境的信息、接收来自另一传感器的信息等。
图2B示出了包括多个投影单元102的激光雷达系统100的单站配置的示例。术语“单站配置”泛指从激光雷达系统射出的投射光和进入激光雷达系统的反射光穿过基本相似光路的激光雷达系统配置。在一示例中，向外光束和向内光束可以共享至少一个光学组件，向外光束和向内光束都通过该光学组件。在另一示例中，向外光可以穿过光学窗口(未示出)，向内光辐射可以穿过相同的光学窗口。单站配置可以包括这样的配置，其中扫描单元104包括单个光偏转器114，该光偏转器114将投射光导向视场120，并将反射光导向传感器116。如图所示，投射光204和反射光206都射中不对称偏转器216。术语“不对称偏转器”指的是具有两个侧的任何光学装置，该光学装置能够将从一侧射中它的光束偏转到与从第二侧射中它的光束不同的方向。在一示例中，不对称偏转器不偏转投射光204，而是朝着传感器116偏转反射光206。不对称偏转器的一个示例可以包括偏振分束器。在另一示例中，不对称偏转器216可以包括仅允许光在一个方向上通过的光隔离器。不对称偏转器216的示意图如图2D所示。与本公开一致，激光雷达系统100的单站配置可以包括不对称偏转器，以防止反射光射中光源112，并将所有反射光导向传感器116，从而提高检测灵敏度。
在图2B的实施例中，激光雷达系统100包括三个投影单元102，每个具有瞄准公共光偏转器114的单个光源112。在一实施例中，多个光源112(包括两个或更多个光源)可以投射具有基本相同波长的光，并且每个光源112通常与视场的不同区域(在图中表示为120A、120B和120C)相关。这使得能够扫描比光源112所能实现的更宽的视场。在另一实施例中，多个光源112可以投射具有不同波长的光，并且所有光源112可以指向视场120的相同部分(或重叠部分)。
图2C示出了激光雷达系统100的示例，其中投影单元102包括主光源112A和次光源112B。主光源112A可以投射人眼不敏感的较长波长的光，以便优化SNR和检测范围。例如，主光源112A可以投射波长在约750nm和1100nm之间的光。相反，次光源112B可以投射具有人眼可见波长的光。例如，次光源112B可以投射波长在约400nm和700nm之间的光。在一实施例中，次光源112B可以沿着与主光源112A投射的光基本相同的光路投射光。两个光源可以是时间同步的，并且可以一起或以交错模式投射光发射。交错模式意味着光源不同时激活，这可以减轻相互干扰。本领域技术人员将容易看到，也可以实现波长范围和激活时间表的其他组合。
与一些实施例一致，当次光源112B太靠近激光雷达光输出端口时，次光源112B可能导致人眼眨眼。这可以确保眼睛安全机制，这对于利用近红外光光谱的典型激光源是不可行的。在另一实施例中，次光源112B可以用于在服务点的校准和可靠性，其方式有点类似于在相对于交通工具110离地面一定高度处使用特殊反射器/模式的前灯的校准。服务点的操作者可以通过对特征目标上的扫描模式进行简单的视觉检查来检查激光雷达的校准，所述特征目标例如是离激光雷达系统100指定距离处的测试模式板。此外，次光源112B可以提供对于激光雷达正在为终端用户工作的操作置信度的手段。例如，系统可以配置成允许人将手放在光偏转器114前面以测试其操作。
次光源112B也可以具有不可见的元件，在主光源112A失效的情况下，该元件可以兼作备用系统。该特征对于具有高功能安全等级的故障安全设备可能是有用的。假定次光源112B可以是可见的，并且也由于成本和复杂性的原因，次光源112B可以与主光源112A相比具有较小的功率。因此，在主光源112A发生故障的情况下，系统功能将依赖于次光源112B的功能和能力组的功能和能力。虽然次光源112B的能力可能不如主光源112A的能力，但激光雷达系统100可以设计成使得交通工具110能够安全到达其目的地。
图2D示出了可以是激光雷达系统100的一部分的不对称偏转器216。在图示的示例中，不对称偏转器216包括反射表面218(例如镜子)和单向偏转器220。尽管不一定如此，不对称偏转器216可以可选地是静态偏转器。不对称偏转器216可以用于激光雷达系统100的单站配置中，以便允许具有用于经由至少一个偏转器114传输和接收光的公共光路，例如图2B和2C所示。然而，典型的非对称偏转器比如分束器的特征在于能量损失，尤其是在接收路径中，接收路径可能比传输路径对功率损失更敏感。
如图2D所示，激光雷达系统100可以包括位于传输路径中的不对称偏转器216，其包括用于在发射和接收的光信号之间进行分离的单向偏转器220。可选地，单向偏转器220可以对透射光基本透明，对接收光基本反射。透射光由投影单元102产生，并且可以通过单向偏转器220传播到扫描单元104，扫描单元104将其偏转到光学出口。接收到的光通过光学入口到达至少一个偏转元件114，其将反射信号偏转到远离光源并朝向感测单元106的单独路径中。可选地，不对称偏转器216可以与偏振光源112组合，偏振光源112与单向偏转器220具有相同的偏振轴线。值得注意的是，向外光束的横截面比反射信号的横截面小得多。因此，激光雷达系统100可以包括一个或多个光学部件(例如透镜、准直器)，用于将发射的偏振光束聚焦或以其他方式操纵到不对称偏转器216的尺寸。在一实施例中，单向偏转器220可以是对偏振光束几乎透明的偏振分束器。
与一些实施例一致，激光雷达系统100可以还包括用于修改发射光的偏振的光学器件222(例如四分之一波片延迟器)。例如，光学器件222可以将发射光束的线偏振修正为圆偏振。从视场反射回系统100的光将通过偏转器114返回到光学器件222，承载相对于透射光具有相反旋向的圆偏振。然后，光学器件222将接收到的反旋向偏振光转换成与偏振分束器216不同轴的线性偏振光。如上所述，由于穿过到目标的距离的光束的光学色散，接收的光斑大于透射的光斑。
一些接收到的光将射中在单向偏转器220上，该单向偏转器220将光反射向感测单元106，并有一些功率损失。然而，接收到的光斑的另一部分将落在围绕单向偏转器220的反射表面218上(例如偏振分束器狭缝)。反射表面218将以基本零功率损耗将光反射向感测单元106。单向偏转器220将反射由最终到达检测器的各种偏振轴和方向构成的光。可选地，感测单元106可以包括传感器116，其对于激光偏振是不可知的，并且主要对特定波长范围内的射中光子量敏感。
注意，与其中具有通道孔的简单镜子相比，所提出的不对称偏转器216提供了优越得多的性能。在有孔的镜子中，到达孔的所有反射光都被检测器丢失了。然而，在偏转器216中，单向偏转器220将该光的大部分(例如约50％)朝向相应的传感器116偏转。在激光雷达系统中，从远距离到达激光雷达的光子数量非常有限，因此提高光子捕获率非常重要。
根据一些实施例，描述了一种用于分束和转向的设备。偏振光束可以从具有第一偏振的光源发射。发射的光束可被引导穿过偏振分束器组件。偏振分束器组件在第一侧包括单向狭缝，在相对侧包括镜子。单向狭缝使得偏振发射光束能够向四分之一波片/波延迟器传播，该四分之一波片/波延迟器将发射信号从偏振信号变为线性信号(反之亦然)，使得随后反射的光束不能穿过单向狭缝。
图2E示出了没有扫描单元104的激光雷达系统100的双站配置的示例。为了在没有偏转器114的情况下照射整个视场(或基本整个视场)，投影单元102可以可选地包括光源阵列(例如112A-112F)。在一实施例中，光源阵列可以包括由处理器118控制的光源线性阵列。例如，处理器118可以使光源线性阵列向第一可选光学窗口124A顺序投射准直激光束。第一可选光学窗口124A可以包括扩散透镜，用于扩散投影光并顺序形成宽的水平光束和窄的竖直光束。可选地，系统100的至少一个光源112的一些或全部可以同时投射光。例如，处理器118可以使光源阵列同时投射来自多个非相邻光源112的光束。在所示的示例中，光源112A、光源112D和光源112F同时向第一可选光学窗口124A投射激光束，从而用三个窄的竖直光束照射视场。来自第四光源112D的光束可以到达视场中的对象。从对象反射的光可被第二光学窗口124B捕获，并且可被重定向到传感器116。图2E所示的配置被认为是双站配置，因为投射光和反射光的光路基本不同。注意，投影单元102还可以包括以非线性配置排列的多个光源112，例如二维阵列、六边形平铺或任何其他方式。
图2F示出了没有扫描单元104的激光雷达系统100的单站配置的示例。类似于图2E所示的示例实施例，为了在没有偏转器114的情况下照射整个视场，投影单元102可以包括光源阵列(例如112A-112F)。但是，与图2E相反，激光雷达系统100的这种配置可以包括用于投射光和反射光的单个光学窗口124。使用不对称偏转器216，反射光可被重定向到传感器116。图2E所示的配置被认为是单站配置，因为投射光和反射光的光路基本彼此相似。在投射光和反射光的光路的上下文中，术语“基本相似”意味着两个光路之间的重叠可以大于80％、大于85％、大于90％或大于95％。
图2G示出了激光雷达系统100的双站配置的示例。该图中的激光雷达系统100的配置类似于图2A所示的配置。例如，两种配置都包括扫描单元104，用于在向外方向上将投射光导向视场。但是，与图2A的实施例相反，在该配置中，扫描单元104不将反射光重定向到向内方向。相反，反射光穿过第二光学窗口124B并进入传感器116。图2G中描绘的配置被认为是双站配置，因为投射光和反射光的光路基本彼此不同。在投射光和反射光的光路的上下文中，术语“基本不同”意味着两个光路之间的重叠可以小于10％、小于5％、小于1％或小于0.25％。
扫描单元
图3A-3D描绘了扫描单元104的各种配置及其在激光雷达系统100中的作用。具体地，图3A是示出具有MEMS镜子(例如方形)的扫描单元104的图，图3B是示出具有MEMS镜子(例如圆形)的另一扫描单元104的图，图3C是示出具有用于单站扫描激光雷达系统的反射器阵列的扫描单元104的图，以及图3D是示出机械扫描激光雷达系统100周围环境的示例激光雷达系统100的图。本领域技术人员将理解，扫描单元104的所示配置仅仅是示例性的，并且在本公开的范围内可以有许多变化和修改。
图3A示出了具有单轴方形MEMS镜子300的示例扫描单元104。在该示例中，MEMS镜子300用作至少一个偏转器114。如图所示，扫描单元104可以包括一个或多个致动器302(具体地，302A和302B)。在一实施例中，致动器302可以由半导体(例如硅)制成，并且包括压电层(例如PZT、锆钛酸铅、氮化铝)，该压电层响应于由致动控制器施加的电信号而改变其尺寸，还包括半导体层和基层。在一实施例中，致动器302的物理特性可以决定当电流通过致动器302时其所经受的机械应力。当压电材料被激活时，它在致动器302上施加力并使其弯曲。在一实施例中，当镜子300在某一角度位置偏转时，可以在激活状态下测量一个或多个致动器302的电阻率(Ractive)，并与静止状态下的电阻率(Rrest)进行比较。包括Ractive的反馈可以提供信息，以确定与预期角度相比的实际镜子偏转角度，并且如果需要，可以校正镜子300偏转。Rrest和Ractive之间的差可以通过镜子驱动关联成可以用于闭合环路的角度偏转值。该实施例可以用于实际镜子位置的动态跟踪，并且可以优化线性模式和谐振模式MEMS镜子方案的响应、振幅、偏转效率和频率。下面参照图49-51更详细地描述该实施例。
图3B示出了具有双轴圆形MEMS镜子300的另一示例扫描单元104。在该示例中，MEMS镜子300用作至少一个偏转器114。在一实施例中，MEMS镜子300的直径可以在约1mm到约5mm之间。如图所示，扫描单元104可以包括四个致动器302(302A、302B、302C和302D)，每个可以具有不同的长度。与一些实施例一致，双轴MEMS镜子可以配置成在水平方向和竖直方向上偏转光。例如，双轴MEMS镜子的偏转角度在竖直方向上可以在约0°到30°之间，在水平方向上可以在约0°到50°之间。本领域技术人员将理解，所描绘的镜子300的配置可以有许多变化和修改。在一示例中，至少一个偏转器114可以具有双轴方形镜或单轴圆形镜。圆形和方形镜子的示例在图3A和3B中示出，仅作为示例。根据系统规范，可以采用任何形状。在一实施例中，致动器302可以作为至少一个偏转器114的整体部分被结合，使得移动MEMS镜子300的功率被直接向其施加。此外，MEMS镜子300可以通过一个或多个刚性支撑元件连接到框架308。在另一实施例中，至少一个偏转器114可以包括静电或电磁MEMS镜子。
如上所述，单站扫描激光雷达系统利用同一光路的至少一部分来发射投射光204和接收反射光206。向外路径中的光束可被准直并聚焦成窄光束，而返回路径中的反射由于色散而扩展成更大光斑。在一实施例中，扫描单元104可以在返回路径中具有大反射面积，并且不对称偏转器216将反射(即反射光206)重定向到传感器116。在一实施例中，扫描单元104可以包括MEMS镜子，该MEMS镜子具有大反射面积，并且对视场和帧速率性能的影响可以忽略。关于不对称偏转器216的额外细节在下面参考图2D提供。
在一些实施例中(例如如图3C所示)，扫描单元104可以包括具有小光偏转器(例如镜子)的偏转器阵列(例如反射器阵列)。在一实施例中，将光偏转器114实现为一组同步工作的较小独立光偏转器可以允许光偏转器114在较大偏转角度下以高扫描速率运行。就有效面积而言，偏转器阵列基本可以充当大光偏转器(例如大镜子)。偏转器阵列可以使用共享的转向组件配置来操作，该配置允许传感器116从被光源112同时照射的视场120的基本相同的部分收集反射光子。术语“同时”是指两个选定的功能在重合或重叠的时间段内发生，其中一个功能在另一个功能的持续时间内开始和结束，或者其中后一个功能在另一个功能完成之前开始。
图3C示出了具有包括小镜子的反射器阵列312的扫描单元104的示例。在该实施例中，反射器阵列312用作至少一个偏转器114。反射器阵列312可以包括多个反射器单元314，其配置成枢转(单独或一起)并将光脉冲导向视场120。例如，反射器阵列312可以是从光源112投射的光的向外路径的一部分。具体而言，反射器阵列312可以将投射光204导向视场120的一部分。反射器阵列312也可以是从位于视场120的被照射部分内的对象表面反射的光的返回路径的一部分。具体而言，反射器阵列312可以将反射光206导向传感器116或不对称偏转器216。在一示例中，反射器阵列312的面积可以在约75到约150mm2之间，其中每个反射器单元314可以具有约10μm的宽度，并且支撑结构可以低于100μm。
根据一些实施例，反射器阵列312可以包括一个或多个子组可转向偏转器。每个子组电可转向偏转器可以包括一个或多个偏转器单元，例如反射器单元314。例如，每个可转向偏转器单元314可以包括MEMS镜子、反射表面组件和机电致动器中的至少一个。在一实施例中，每个反射器单元314可以由单独的处理器(未示出)单独控制，使得它可以沿着一个或两个单独的轴中的每个向特定角度倾斜。可替代地，反射器阵列312可以与公共控制器(例如处理器118)相关，该公共控制器配置成同步管理反射器单元314的移动，使得它们中的至少一部分将同时枢转并指向大致相同的方向。
此外，至少一个处理器118可以选择用于向外路径的至少一个反射器单元314(以下称为“TX镜子”)和用于返回路径的一组反射器单元314(以下称为“RX镜子”)。与本公开一致，增加TX镜子的数量可以增加反射光子束的扩散。此外，减少RX镜子的数量可以缩小接收场，补偿环境光条件(例如云、雨、雾、极热以及其他环境条件)并提高信噪比。此外，如上所述，发射的光束通常比反射光斑窄，因此可被偏转阵列的一小部分完全偏转。此外，有可能阻挡从用于透射的偏转阵列的部分(例如TX镜子)反射的光到达传感器116，从而减少激光雷达系统100的内部反射对系统操作的影响。此外，至少一个处理器118可以使一个或多个反射器单元314枢转，以克服例如由于热效应和增益效应引起的机械损伤和漂移。在一示例中，一个或多个反射器单元314可以不同于预期的方式(频率、速率、速度等)移动，并且可以通过适当地电控偏转器来补偿它们的移动。
图3D示出了机械扫描激光雷达系统100的环境的示例性激光雷达系统100。在该示例中，激光雷达系统100可以包括用于围绕激光雷达系统100的轴线旋转壳体200的马达或其他机构。可替代地，马达(或其他机构)可以机械地旋转其上安装有一个或多个光源112和一个或多个传感器116的激光雷达系统100的刚性结构，从而扫描环境。如上所述，投影单元102可以包括配置成投射光发射的至少一个光源112。投射的光发射可以沿着向外路径向视场120传播。具体地，当投射光204向可选光学窗口124传播时，投射光发射可被偏转器114A反射通过出口孔314。反射光发射可以沿着从对象208朝向感测单元106的返回路径传播。例如，当反射光206向感测单元106传播时，反射光206可被偏转器114B反射。本领域技术人员将理解，具有用于同步旋转一个或多个光源或一个或多个传感器的旋转机构的激光雷达系统可以使用这种同步旋转来代替(或除此之外)操纵内部光偏转器。
在视场120的扫描是机械的实施例中，投射的光发射可被引导到出口孔314，其是将投射单元102与激光雷达系统100的其他部分分开的壁316的一部分。在一些示例中，壁316可以由涂覆有反射材料的透明材料(例如玻璃)形成，以形成偏转器114B。在该示例中，出口孔314可以对应于壁316的未被反射材料涂覆的部分。另外或可替代地，出口孔314可以包括壁316中的孔或切口。反射光206可被偏转器114B反射，并被导向感测单元106的入口孔318。在一些示例中，入口孔318可以包括过滤窗，其配置为允许特定波长范围内的波长进入感测单元106并衰减其他波长。来自视场120的对象208的反射可被偏转器114B反射并射中传感器116。通过比较反射光206和投射光204的多个属性，可以确定对象208的至少一个方面。例如，通过比较光源112发射投射光204的时间和传感器116接收反射光206的时间，可以确定对象208和激光雷达系统100之间的距离。在一些示例中，也可以确定对象208的其他方面，例如形状、颜色、材料等。
在一些示例中，激光雷达系统100(或其一部分，包括至少一个光源112和至少一个传感器116)可以围绕至少一个轴线旋转，以确定激光雷达系统100周围的三维地图。例如，激光雷达系统100可以如箭头320所示围绕基本竖直轴线旋转，以便扫描视场120。尽管图3D示出了激光雷达系统100如箭头320所示围绕轴线顺时针旋转，但另外或可替代地，激光雷达系统100可以逆时针方向旋转。在一些示例中，激光雷达系统100可以围绕竖直轴线旋转360度。在其他示例中，激光雷达系统100可以沿着激光雷达系统100的小于360度的扇区来回旋转。例如，激光雷达系统100可以安装在平台上，该平台围绕轴线来回摆动而不进行完整的旋转。
感测单元
图4A-4E描绘了感测单元106的各种配置及其在激光雷达系统100中的作用。具体而言，图4A是示出具有检测器阵列的示例感测单元106的图，图4B是示出使用二维传感器的单站扫描的图，图4C是示出二维传感器116的示例的图，图4D是示出与传感器116相关的透镜阵列的图，图4E包括示出透镜结构的三个图。本领域的技术人员将理解，感测单元106的所描绘的配置仅仅是示例性的，并且可以具有与本公开的原理一致的许多替代变化和修改。
图4A示出了具有检测器阵列400的感测单元106的示例。在该示例中，至少一个传感器116包括检测器阵列400。激光雷达系统100配置成检测视场120中位于距激光雷达系统100不同距离(可能是几米或更远)的对象(例如自行车208A和云208)。对象208可以是固体对象(例如道路、树、汽车、人)、流体对象(例如雾、水、大气粒子)或者另一类型的对象(例如灰尘或粉状被照射对象)。当从光源112发射的光子射中对象208时，它们或者反射、折射或者被吸收。通常，如图所示，只有一部分从对象208A反射的光子进入可选光学窗口124。由于距离的每～15cm变化导致1ns的传播时间差(因为光子以光速往返于对象208)，不同光子射中不同对象的传播时间之间的时间差可以通过具有足够快响应的飞行时间传感器来检测。
传感器116包括多个检测元件402，用于检测从视场120反射回来的光子脉冲的光子。检测元件可以全部包括在检测器阵列400中，检测器阵列400可以具有矩形布置(例如图所示)或任何其他布置。检测元件402可以彼此同时或部分同时操作。具体地，每个检测元件402可以针对每个采样持续时间(例如每1纳秒)发布检测信息。在一示例中，检测器阵列400可以是SiPM(硅光电倍增器)，其是由公共硅衬底上的单光子雪崩二极管(SPAD，用作检测元件402)阵列构建的固态单光子敏感器件。也可以使用来自其他非硅材料的类似光电倍增器。虽然SiPM器件以数字/开关模式工作，但SiPM是一种模拟器件，因为所有的微单元是并行读取的，因此可以在不同SPAD检测到的单个光子到成百上千个光子的动态范围内产生信号。如上所述，可以实现多于一种类型的传感器(例如SiPM和APD)。可能地，感测单元106可以包括集成到SiPM阵列中的至少一个APD和/或位于独立或公共硅衬底上的SiPM附近的至少一个APD检测器。
在一实施例中，检测元件402可被分组为多个区域404。这些区域是传感器116内(例如检测器阵列400内)的几何位置或环境，并且可被成形为不同的形状(例如图所示的矩形、方形、环形等，或者任何其他形状)。虽然包括在区域404的几何区域内的所有单个检测器不一定属于该区域，但在大多数情况下，它们不属于覆盖传感器310的其他区域的其他区域404——除非在区域之间的接缝中需要一些重叠。如图4A所示，这些区域可以是非重叠区域404，但可替代地，它们可以重叠。每个区域可以与和该区域相关的区域输出电路406相关。区域输出电路406可以提供相应组检测元件402的区域输出信号。例如，区域输出电路406可以是求和电路，但也可以采用将各个检测器的输出组合成单一输出的其他形式(无论是标量、矢量还是任何其他格式)。可选地，每个区域404是单个SiPM，但这不是必须的，并且区域可以是单个SiPM的子部分、一组多个SiPM或者甚至是不同类型的检测器的组合。
在示出的示例中，处理单元108位于主机210(例如在交通工具110内)的独立壳体200B(内部或外部)，并且感测单元106可以包括用于分析反射光的专用处理器408。可替代地，处理单元108可用于分析反射光206。注意，激光雷达系统100可以不同于所示示例的其他方式实现在多个壳体中。例如，光偏转器114可以位于与投影单元102和/或感测模块106不同的壳体中。在一实施例中，激光雷达系统100可以包括以不同方式彼此连接的多个壳体，比如电线连接、无线连接(例如RF连接)、光纤电缆以及上述方式的任意组合。
在一实施例中，分析反射光206可以包括基于不同区域的各个检测器的输出来确定反射光206的飞行时间。可选地，处理器408可以配置成基于输出信号的多个区域来确定反射光206的飞行时间。除了飞行时间之外，处理单元108可以分析反射光206以确定整个返回脉冲的平均功率，并且可以确定返回脉冲周期内的光子分布/信号(“脉冲形状”)。在示出的示例中，任何检测元件402的输出可以不直接传输到处理器408，而是在被传递到处理器408之前与区域404的其他检测器的信号组合(例如求和)。然而，这仅仅是示例，传感器116的电路可以通过其他路径(不通过区域输出电路406)将信息从检测元件402传输到处理器408。
图4B是示出配置成使用二维传感器116扫描激光雷达系统100的环境的激光雷达系统100的示意图。在图4B的示例中，传感器116是4×6检测器410的矩阵(也称为“像素”)。在一实施例中，像素大小可以是约1×1mm。传感器116是二维的，因为它在两个不平行轴线(例如正交轴线，如在所示的示例中举例说明)上具有多于一组(例如行、列)检测器410。传感器116中的检测器410数量可以在不同的实施方式之间变化，例如取决于期望的分辨率、信噪比(SNR)、期望的检测距离等。例如，传感器116可以具有介于5和5000个像素之间的任何像素。在另一示例中(图中未示出)，传感器116可以是一维矩阵(例如1×8像素)。
注意，每个检测器410可以包括多个检测元件402，例如雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、雪崩光电二极管(APD)和单光子雪崩二极管(SPAD)的组合，或者测量从激光脉冲发射事件到接收事件的飞行时间和接收光子的强度的检测元件。例如，每个检测器410可以包括20到5000个SPAD。每个检测器410中的检测元件402的输出可被求和、平均或以其他方式组合，以提供统一的像素输出。
在所示示例中，感测单元106可以包括二维传感器116(或多个二维传感器116)，其视场小于激光雷达系统100的视场120。在此讨论中，视场120(可被激光雷达系统100扫描而不在任何方向上移动、旋转或滚动的整个视场)被表示为“第一FOV412”，而传感器116的较小FOV被表示为“第二FOV414”(可互换地为“瞬时FOV”)。取决于激光雷达系统100的具体使用，第二FOV414相对于第一FOV412的覆盖区域可以不同，并且可以例如在0.5％和50％之间。在一示例中，第二FOV414可以在竖直维度上伸长约0.05°和1°之间。即使激光雷达系统100包括一个以上的二维传感器116，传感器阵列的组合视场仍可能小于第一FOV412，例如至少5倍、至少10倍、至少20倍或至少50倍。
为了覆盖第一FOV412，扫描单元106可以在不同时间将从环境的不同部分到达的光子导向传感器116。在所示的单站配置中，连同将投射光204导向视场120，并且当至少一个光偏转器114位于瞬时位置时，扫描单元106也可以将反射光206导向传感器116。通常，在扫描第一FOV412期间的每个时刻，由激光雷达系统100发射的光束覆盖比第二FOV414大的环境的一部分(在角度开口中)，并且包括扫描单元104和传感器116从其收集光的环境的一部分。
图4C是示出二维传感器116的示例的图。在该实施例中，传感器116是8×5检测器410的矩阵，并且每个检测器410包括多个检测元件402。在一示例中，检测器410A位于传感器116的第二行(表示为“R2”)和第三列(表示为“C3”)，包括4×3检测元件402矩阵。在另一示例中，位于传感器116的第四行(表示为“R4”)和第六列(表示为“C6”)的检测器410B包括3×3检测元件402矩阵。因此，每个检测器410中的检测元件402数量可以是恒定的，或者可以变化，并且公共阵列中的不同检测器410可以具有不同数量的检测元件402。每个检测器410中的所有检测元件402的输出可被求和、平均或以其他方式组合，以提供单个像素输出值。注意，虽然图4C的示例中的检测器410布置成矩形矩阵(直行和直列)，但也可以使用其他布置，例如圆形布置或蜂窝布置。
根据一些实施例，来自每个检测器410的测量可以能够确定从光脉冲发射事件到接收事件的飞行时间和接收光子的强度。接收事件可以是从对象208反射的光脉冲的结果。飞行时间可以是代表反射对象到可选光学窗口124的距离的时间戳值。飞行时间值可以通过光子检测和计数方法来实现，例如时间相关单光子计数器(TCSPC)、用于光子检测的模拟方法，例如信号积分和鉴定(通过模数转换器或普通比较器)，或者其他方法。
在一些实施例中，参考图4B，在扫描循环期间，至少一个光偏转器114的每个瞬时位置可以与视场120的特定部分122相关。传感器116的设计使得来自视场120的单个部分的反射光和多个检测器410之间能够关联。因此，激光雷达系统的扫描分辨率可以由瞬时位置的数量(每扫描循环)乘以传感器116中的检测器410的数量来表示。来自每个检测器410(即每个像素)的信息表示基本数据元素，从该基本数据元素构建三维空间中的捕获视场。这可以包括例如点云表示的基本元素，具有空间位置和相关的反射强度值。在一实施例中，由多个检测器410检测的来自视场120的单个部分的反射可以从位于视场120的单个部分中的不同对象返回。例如，视场120的单个部分在远场可以大于50×50cm，这可以容易地包括两个、三个或更多个彼此部分覆盖的对象。
图4D是根据当前公开主题的示例的传感器116的一部分的剖视图。传感器116的图示部分包括检测器阵列400的一部分，检测器阵列400包括四个检测元件402(例如四个SPAD，四个APD)。检测器阵列400可以是以互补金属氧化物半导体(CMOS)实现的光电检测器传感器。每个检测元件402具有敏感区域，该敏感区域位于衬底周围。虽然不一定如此，但传感器116可以用在具有窄视场的单站激光雷达系统中(例如因为扫描单元104在不同时间扫描视场的不同部分)。入射光束的窄视场(如果实现的话)消除失焦成像的问题。如图4D所示，传感器116可以包括多个透镜422(例如微透镜)，每个透镜422可以将入射光导向不同的检测元件402(例如导向检测元件402的有源区)，这在失焦成像不成问题时是有用的。透镜422可以用于增加检测器阵列400的光学填充因子和灵敏度，因为到达传感器116的大部分光可以朝着检测元件402的有源区偏转。
如图4D所示，检测器阵列400可以包括通过各种方法(例如注入)构建到硅衬底中的多个层，从而产生敏感区域、金属层的接触元件和隔离元件(例如浅沟槽注入STI、保护环、光学沟槽等)。敏感区域可以是CMOS检测器中的体积元件，其在给器件施加足够的偏压的情况下能够将入射光子光学转换成电流。在APD/SPAD的情况下，敏感区域将是电场的组合，该电场将由光子吸收产生的电子拉向倍增区域，其中光子感应的电子被放大，产生倍增电子的击穿雪崩。
正面被照射的检测器(例如图4D所示)在与位于半导体(硅)顶部的金属层相同的一侧具有输入光学端口。需要金属层来实现每个单独的光电检测器元件(例如阳极和阴极)与各种元件的电连接，这些元件例如是偏置电压、猝熄/镇流元件以及公共阵列中的其他光电检测器。光子通过其射中检测器敏感区域的光学端口由穿过金属层的通道构成。注意，来自一些方向的穿过该通道的光可被一个或多个金属层阻挡(例如金属层ML6，如图4D中最左边的检测器元件402所示)。这种阻挡降低了检测器的总光学光吸收效率。
根据当前公开主题的示例，图4E示出了三个检测元件402，每个具有相关的透镜422。表示为402(1)、402(2)和402(3)的图4E的三个检测元件中的每个示出了可以与传感器116的一个或多个检测元件402相关地实现的透镜配置。注意，也可以实现这些透镜配置的组合。
在关于检测元件402(1)示出的透镜配置中，相关透镜422的焦点可以位于半导体表面上方。可选地，检测元件的不同金属层中的开口可以具有与相关透镜422产生的聚焦光锥对准的不同尺寸。这种结构可以提高阵列400作为整体器件的信噪比和分辨率。大金属层对于功率传输和接地屏蔽可能是重要的。这种方法可能是有用的，例如对于具有窄视场的单站激光雷达设计，其中入射光束由平行光线构成，并且成像焦点对检测到的信号没有任何影响。
在关于检测元件402(2)示出的透镜配置中，检测元件402的光子检测效率可以通过识别最佳点来提高。具体而言，在CMOS中实现的光电检测器可能在敏感体积区域中具有最佳点，在该区域中光子产生雪崩效应的概率最高。因此，透镜422的焦点可以位于最佳点位置处的敏感体积区域内，如检测元件402(2)所示。透镜形状和距焦点的距离可以考虑激光束从透镜到埋在半导体材料中的敏感最佳点位置的路径上通过的所有元素的折射率。
在关于图4E右侧的检测元件示出的透镜配置中，可以使用漫射器和反射元件来提高半导体材料中的光子吸收效率。具体来说，近IR波长需要硅材料的相当长的路径，以便获得吸收穿过的光子的高概率。在典型的透镜配置中，光子可能穿过敏感区域，并且可能不会被吸收成可检测电子。对于用典型的铸造过程制造的CMOS器件，提高光子产生电子的概率的长吸收路径使得敏感区域的尺寸趋向于不太实用的尺寸(例如几十μm)。图4E中最右边的检测器元件展示了处理入射光子的技术。相关的透镜422将入射光聚焦到漫射元件424上。在一实施例中，光传感器116可以还包括位于远离至少一些检测器的外表面的间隙中的漫射器。例如，漫射器424可以将光束侧路(例如尽可能垂直地)导向敏感区域和反射光学沟槽426。漫射器位于焦点处、焦点上方或焦点下方。在该实施例中，入射光可以聚焦在漫射元件所在的特定位置。可选地，检测器元件422被设计成在光学上避开无源区域，在该无源区域中，光子感应电子可能丢失并降低有效检测效率。反射光学沟槽426(或其他形式的光学反射结构)使得光子在敏感区域来回反弹，从而增加检测的可能性。理想地，光子将被捕获在由敏感区域和反射沟槽构成的腔中，直到光子被吸收并产生电子/孔对。
与本公开一致，为要被吸收的射中光子创建长路径，并且有助于更高的检测概率。还可以在检测元件422中实现光学沟槽，用于减少雪崩期间产生的寄生光子的串扰效应，寄生光子可能泄漏到其他检测器并导致错误的检测事件。根据一些实施例，可以优化光电检测器阵列，使得利用更高产量的接收信号，这意味着尽可能多的接收信号被接收，并且更少的信号由于信号的内部退化而丢失。光电检测器阵列可以通过以下方式改进：(a)可选地通过适当地设计衬底上方的金属层，将焦点移动到半导体表面上方的位置；(b)将焦点转向至衬底的最敏感/响应区域(或“最佳点”)，以及(c)在衬底上方添加漫射器以将信号转向至“最佳点”和/或向沟槽添加反射材料，使得偏转的信号被反射回“最佳点”。
虽然在一些透镜配置中，透镜422可被定位成使得其焦点在对应的检测元件402的中心上方，但应当注意，这不是必须的。在其他透镜配置中，透镜422的焦点相对于相应检测元件402的中心的位置基于相应检测元件402距检测阵列400的中心的距离而偏移。这在相对较大的检测阵列400中可能是有用的，其中远离中心的检测器元件以逐渐离轴的角度接收光。移动焦点的位置(例如朝向检测阵列400的中心)允许校正入射角。具体地，移动焦点的位置(例如朝向检测阵列400的中心)允许校正入射角，同时对所有检测元件使用基本相同的透镜422，这些透镜相对于检测器的表面以相同的角度定位。
当使用仅覆盖视场的一小部分的相对小的传感器116时，将透镜阵列422添加到检测元件402阵列可能是有用的，因为在这种情况下，来自场景的反射信号从基本相同的角度到达检测器阵列400，并且因此容易将所有光聚焦到各个检测器上。还注意到，在一实施例中，透镜422可以用在激光雷达系统100中，以牺牲空间独特性为代价，对整个阵列400的总检测概率进行优先排序(防止光子被“浪费”在检测器/子检测器之间的死区中)。该实施例与诸如CMOS RGB相机的现有技术实施方式形成对比，现有技术实施方式优先考虑空间独特性(即在检测元件A的方向上传播的光不允许被透镜导向检测元件B，也就是说不允许“渗出”到阵列的另一检测元件)。可选地，传感器116包括透镜422阵列，每个透镜与对应的检测元件402相关，同时至少一个透镜422将传播到第一检测元件402的光朝向第二检测元件402偏转(从而可以增加整个阵列的总检测概率)。
具体地，与本公开的一些实施例一致，光传感器116可以包括光检测器阵列(例如检测器阵列400)，每个光检测器(例如检测器410)配置成当光穿过相应检测器的外表面时引起电流流动。此外，光传感器116可以包括至少一个微透镜，其配置成将光导向光检测器阵列，至少一个微透镜具有焦点。光传感器116还可以包括至少一层导电材料，该导电材料介于至少一个微透镜和光检测器阵列之间，并且其中具有间隙，以允许光从至少一个微透镜传到阵列，该至少一层的尺寸被设置成保持至少一个微透镜和阵列之间的空间，以使焦平面位于间隙中与光检测器阵列的检测表面间隔开的位置。
在相关实施例中，每个检测器可以包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)或多个雪崩光电二极管(APD)。导电材料可以是多层金属收缩，并且至少一层导电材料可以电连接到阵列中的检测器。在一示例中，至少一层导电材料包括多个层。此外，间隙可以成形为从至少一个微透镜向焦点会聚，并且从焦点区域向阵列发散。在其他实施例中，光传感器116可以还包括邻近每个光电检测器的至少一个反射器。在一实施例中，多个微透镜可以布置在透镜阵列中，并且多个检测器可以布置在检测器阵列中。在另一实施例中，多个微透镜可以包括配置成将光投射到阵列中的多个检测器的单个透镜。
通过非限制性示例，参考图2E、2F和2G，注意到系统100的一个或多个传感器116可以接收来自扫描偏转器114的光，或者直接接收来自FOV的光而不进行扫描。即使来自整个FOV的光同时到达至少一个传感器116，在一些实施方式中，一个或多个传感器116可以在任何给定时间仅采样FOV的部分用于检测输出。例如，如果投影单元102的照射在不同时间照射FOV的不同部分(无论是使用偏转器114和/或通过在不同时间激活不同的光源112)，光可以到达感测单元106的所有像素或传感器116，并且只有预期检测激光雷达照射的像素/传感器可以主动收集用于检测输出的数据。这样，其余的像素/传感器不会不必要地收集环境噪声。关于扫描—在向外或向内方向上—注意，可以实现显著不同的扫描尺度。例如，在一些实施方式中，扫描区域可以覆盖FOV的1‰或0.1‰，而在其他实施方式中，扫描区域可以覆盖FOV的10％或25％。当然，也可以实现FOV值的所有其他相关部分。
处理单元
图5A-5C描绘了根据本公开的一些实施例的处理单元108的不同功能。具体而言，图5A是示出视场的单个部分在单个帧时间中的发射模式的图，图5B是示出整个视场在单个帧时间中的发射方案的图，图5C是示出在单个扫描循环期间朝向视场投射的实际光发射的图。
图5A示出了与至少一个光偏转器114的瞬时位置相关的视场120的单个部分122在单个帧时间中的发射模式的四个示例。与本公开的实施例一致，处理单元108可以控制至少一个光源112和光偏转器114(或者协调至少一个光源112和至少一个光偏转器114的操作)，使得光通量能够随视场120的扫描变化。与其他实施例一致，处理单元108可以仅控制至少一个光源112，并且光偏转器114可以固定的预定模式移动或枢转。
图5A中的图A-D示出了随着时间向视场120的单个部分122发射的光功率。在图A中，处理器118可以控制光源112的操作，使得在视场120的扫描期间，初始光发射被投射向视场120的部分122。当投影单元102包括脉冲光源时，初始光发射可以包括一个或多个初始脉冲(也称为“导频脉冲”)。处理单元108可以从传感器116接收关于与初始光发射相关的反射的导频信息。在一实施例中，基于一个或多个检测器(例如一个或多个SPAD、一个或多个APD、一个或多个SiPM等)的输出，导频信息可被表示为单个信号)或基于多个检测器的输出的多个信号。在一示例中，导频信息可以包括模拟和/或数字信息。在另一示例中，导频信息可以包括单个值和/或多个值(例如对于片段的不同时间和/或部分)。
基于关于与初始光发射相关的反射的信息，处理单元108可以配置成确定要向视场120的部分122投射的后续光发射的类型。为视场120的特定部分确定的后续光发射可以在同一扫描循环(即在同一帧中)或在后续扫描循环(即在后续帧中)中进行。
在图B中，处理器118可以控制光源112的操作，使得在视场120的扫描期间，不同强度的光脉冲被投射到视场120的单个部分122。在一实施例中，激光雷达系统100可用于生成一种或多种不同类型的深度图，诸如以下类型中的任何一种或多种：点云模型、多边形网格、深度图像(保存图像或2D阵列的每个像素的深度信息)或者场景的任何其他类型的3D模型。深度图序列可以是时间序列，其中不同的深度图在不同的时间生成。与扫描循环(可互换地称为“帧”)相关的序列的每个深度图可以在相应的后续帧时间的持续时间内生成。在一示例中，典型的帧时间可能持续不到一秒。在一些实施例中，激光雷达系统100可以具有固定的帧速率(例如每秒10帧、每秒25帧、每秒50帧)，或者帧速率可以是动态的。在其他实施例中，不同帧的帧时间在整个序列中可能不相同。例如，激光雷达系统100可以实现每秒10帧的速率，包括在100毫秒(平均值)内生成第一深度图，在92毫秒内生成第二帧，在142毫秒内生成第三帧等。
在图C中，处理器118可以控制光源112的操作，使得在视场120的扫描期间，与不同持续时间相关的光脉冲被投射到视场120的单个部分122。在一实施例中，激光雷达系统100可以用于在每一帧中生成不同数量的脉冲。脉冲的数量可以在0至32个脉冲(例如1、5、12、28或更多个脉冲)之间变化，并且可以基于从先前发射获得的信息。光脉冲之间的时间可以取决于期望的检测范围，并且可以在500ns和5000ns之间。在一示例中，处理单元108可以从传感器116接收关于与每个光脉冲相关的反射的信息。基于该信息(或缺乏信息)，处理单元108可以确定是否需要额外的光脉冲。注意，图A-D中处理时间和发射时间的持续时间不是按比例的。具体而言，处理时间可以比发射时间长得多。在图D中，投影单元102可以包括连续波光源。在一实施例中，初始光发射可以包括光发射的时间段，并且后续发射可以是初始发射的继续，或者可以是不连续的。在一实施例中，连续发射的强度可以随时间变化。
与本公开的一些实施例一致，可以针对视场120的每个部分确定发射模式。换句话说，处理器118可以控制光的发射，以允许区分视场120的不同部分的照射。在一示例中，处理器118可以基于来自相同扫描循环(例如初始发射)的反射光的检测来确定视场120的单个部分122的发射模式，这使得激光雷达系统100非常动态。在另一示例中，处理器118可以基于对来自前一扫描循环的反射光的检测来确定视场120的单个部分122的发射模式。后续发射模式的差异可能是由确定后续发射的光源参数的不同值引起的，例如以下中的任何一个：
a.后续发射的总能量。
b.后续发射的能量分布。
c.每帧光脉冲重复的次数。
d.光调制特性，比如持续时间、速率、峰值、平均功率和脉冲形状。
e.后续发射的波属性，比如偏振、波长等。
与本公开一致，后续排放的差异可以用于不同的用途。在一示例中，可以限制视场120的一部分中的发射功率水平，其中安全性是考虑因素，而对视场120的其他部分发射更高的功率水平(从而提高信噪比和检测范围)。这与眼睛安全有关，但也可能与皮肤安全、光学系统安全、敏感材料安全等有关。在另一示例中，可以将更多能量导向视场120中更有用的部分(例如感兴趣的区域、较远的目标、低反射目标等)，同时基于来自同一帧或前一帧的检测结果将照射能量限制到视场120的其他部分。注意，处理单元108可以在单个扫描帧时间内多次处理来自单个瞬时视场的检测信号；例如，可以在每次脉冲发射之后或者在多次脉冲发射之后确定后续发射。
图5B示出了视场120的单个帧时间中的发射方案的三个示例。与本公开的实施例一致，至少一个处理单元108可以使用获得的信息来动态调整激光雷达系统100的操作模式和/或确定激光雷达系统100的特定部件的参数值。所获得的信息可以通过处理在视场120中捕获的数据来确定，或者从主机210(直接或间接)接收。处理单元108可以使用所获得的信息来确定用于扫描视场120的不同部分的扫描方案。所获得的信息可以包括当前光条件、当前天气条件、主车辆的当前驾驶环境、主车辆的当前位置、主车辆的当前轨迹、主车辆周围道路的当前地形或者通过光反射可检测的任何其他条件或对象。在一些实施例中，所确定的扫描方案可以包括以下中的至少一个：(a)指定视场120内要被主动扫描的部分作为扫描循环的一部分，(b)用于投影单元102的投影计划，其定义视场120的不同部分处的光发射轮廓；(c)用于扫描单元104的偏转计划，其定义例如偏转方向、频率和指定反射器阵列内的空闲元件；以及(d)用于感测单元106的检测计划，其定义检测器灵敏度或响应度模式。
此外，处理单元108可以至少部分地通过获得视场120内的至少一个感兴趣区域和视场120内的至少一个非感兴趣区域的标识来确定扫描方案。在一些实施例中，处理单元108可以至少部分地通过获得视场120内的至少一个高兴趣区域和视场120内的至少一个低兴趣区域的标识来确定扫描方案。视场120内的至少一个感兴趣区域的标识可以例如根据处理在视场120中捕获的数据、基于另一个传感器(例如相机、GPS)的数据、从主机210(直接或间接)接收的数据或者上述的任何组合来确定。在一些实施例中，至少一个感兴趣区域的标识可以包括识别视场120内对监控很重要的部分、区域、截面、像素或对象。可被识别为感兴趣区域的区域的示例可以包括人行横道、移动对象、人、附近的车辆或者可能有助于车辆导航的任何其他环境条件或对象。可被识别为非感兴趣(或较低兴趣)区域的区域的示例可以是静态的(非移动的)远处建筑物、天际线、地平线以上的区域和视场中的对象。在获得视场120内的至少一个感兴趣区域的标识后，处理单元108可以确定扫描方案或改变现有的扫描方案。除了确定或改变光源参数(如上所述)，处理单元108可以基于至少一个感兴趣区域的标识来分配检测器资源。在一示例中，为了减少噪声，处理单元108可以在预期感兴趣区域的地方激活检测器410，并且在预期非感兴趣区域的地方禁用检测器410。在另一示例中，处理单元108可以改变检测器灵敏度，例如对于反射功率低的长距离检测，增加传感器灵敏度。
图5B中的图A-C描绘了用于扫描视场120的不同扫描方案的示例。视场120中的每个方形代表与至少一个光偏转器114的瞬时位置相关的不同部分122。图例500详细描述了由方形的填充模式表示的光通量水平。图A描绘了第一扫描方案，其中所有部分具有相同的重要性/优先级，并且默认光通量被分配给它们。第一扫描方案可以在启动阶段使用，或者周期性地与另一扫描方案交错使用，以监视整个视场中的意外/新的对象。在一示例中，第一扫描方案中的光源参数可以配置成生成恒定振幅的光脉冲。图B描绘了第二扫描方案，其中视场120的一部分被分配有高光通量，而视场120的其余部分被分配有默认光通量和低光通量。视场120中最不感兴趣的部分可以分配有低光通量。图C描绘了第三扫描方案，其中在视场120中识别小型车辆和公共汽车(见轮廓)。在这种扫描方案中，可以用高功率跟踪车辆和公共汽车的边缘，并且可以用较少的光通量(或没有光通量)分配车辆和公共汽车的中心质量。这种光通量分配使得更多的光学预算集中在被识别对象的边缘上，而较少的光学预算集中在它们的不太重要的中心上。
图5C示出了在单个扫描循环期间朝向视场120的光发射。在所描绘的示例中，视场120由8×9矩阵表示，其中72个单元中的每个对应于与至少一个光偏转器114的不同瞬时位置相关的单独部分122。在该示例性扫描循环中，每个部分包括一个或多个白点，其代表投射向该部分的光脉冲数量，并且一些部分包括黑点，其代表由传感器116检测的来自该部分的反射光。如图所示，视场120被分成三个扇区：视场120右侧的扇区I、视场120中间的扇区II以及视场120左侧的扇区III。在该示例性扫描循环中，扇区I最初被分配每个部分单个光脉冲；先前被识别为感兴趣区域的扇区II最初被分配每个部分三个光脉冲；扇区III最初被分配每个部分两个光脉冲。同样如图所示，视场120的扫描显示四个对象208：近场中的两个自由形式的对象(例如在5米和50米之间)，中间场中的圆形方形对象(例如在50米和150米之间)以及远场中的三角形对象(例如在150米和500米之间)。虽然图5C的讨论使用脉冲数量作为光通量分配的示例，但应当注意，对视场的不同部分的光通量分配也可以其他方式实现，例如脉冲持续时间、脉冲角分散、波长、瞬时功率、距光源112不同距离处的光子密度、平均功率、脉冲功率强度、脉冲宽度、脉冲重复率、脉冲序列、脉冲占空比、波长、相位、偏振等。图5C中作为单个扫描循环的光发射的图示展示了激光雷达系统100的不同能力。在第一实施例中，处理器118配置成使用两个光脉冲来检测第一距离处的第一对象(例如圆角方形对象)，并且使用三个光脉冲来检测大于第一距离的第二距离处的第二对象(例如三角形对象)。在第二实施例中，处理器118配置成将更多光分配给视场中识别出感兴趣区域的部分。具体而言，在本示例中，扇区II被识别为感兴趣区域，因此它被分配三个光脉冲，而视场120的其余部分被分配两个或更少光脉冲。在第三实施例中，处理器118配置成控制光源112，使得只有单个光脉冲被投射到图5C中的部分B1、B2和C1，尽管它们是扇区III的一部分，扇区III最初被分配为每个部分两个光脉冲。这是因为处理单元108基于第一光脉冲检测到近场中的对象。小于最大脉冲量的分配也可能是其他考虑的结果。例如，在至少一些区域中，检测到第一距离处的对象(例如近场对象)会导致发射到视场120的这一部分的光总量减少。
关于激光雷达系统100的不同部件及其相关功能的附加细节和示例包括在以下中：申请人于2016年12月28日提交的美国专利申请号15/391916中；申请人于2016年12月29日提交的美国专利申请号15/393749；申请人于2016年12月29日提交的美国专利申请号15/393285；以及申请人于2016年12月29日提交的美国专利申请号15/393593，它们的全部内容通过引用结合于此。
双轴机械扫描仪
如以上章节中所述，根据所公开的实施例的扫描激光雷达系统可以包括双轴扫描仪，用于在水平和竖直扫描范围上扫描激光以提供激光雷达FOV。在一些情况下，如所讨论的，扫描仪可以包括一个或多个MEM镜子。MEM扫描仪提供了许多期望的特性，尤其是对于某些应用。然而，在某些情况下，MEM扫描仪可能会带来挑战。例如，在一些应用中，可能希望通过增加MEM扫描镜子的尺寸来增加孔径尺寸(例如能够扫描更大的FOV)。然而，增加MEM镜子的尺寸会增加镜子系统的质量和惯性，并且在许多情况下，会超过MEM致动器(例如弯曲臂、联接器等)的能力。不是增加MEM扫描镜子的尺寸来增加激光雷达孔径/FOV，而是也可以增加扫描系统中MEM扫描镜子的数量(例如除了其他配置外，一个镜子用于Tx通道，两个或更多个镜子用于Rx通道)。然而，这种解决方案增加了移动部件(例如镜子、致动器等)的数量，尤其是在每个扫描镜子包括用于在多个维度上扫描的多个致动器的情况下。部件数量的增加导致更大的复杂性，例如协调各个扫描镜子的控制，开发合适的光投影系统，以及开发合适的检测器配置以与多镜扫描系统一起工作。MEM扫描系统还包括在致动器中使用的挥发性材料，并且需要气密密封。额外的部件和复杂性会显著增加系统成本—这是大多数行业都不希望看到的，尤其是对成本非常敏感的汽车制造业。增加的复杂性(和密封要求)也可能影响可靠性，这是许多行业中特别重要的另一个属性。
其他扫描系统可以包括检流计扫描仪，以旋转激光雷达系统中的扫描镜子。每个检流计扫描仪包括检流计马达，其配置为围绕单个轴线旋转轴或其他联动装置。因此，为了围绕两个轴线旋转镜子以提供激光雷达FOV的二维扫描，将需要两个检流计马达。这种系统也有自己的挑战。检流计马达很大，尤其是与其他激光雷达镜子扫描解决方案相比。与其他解决方案相比，它们需要更多的功率来提供所需的镜子扫描速率，因此会产生更多的热量，这些热量可能难以消散。检流计马达扫描仪也可能不适用于以不同入射角投射在扫描镜子上的多激光源。
在一些实施例中，激光雷达扫描系统可以包括与一个或多个致动器一起旋转的镜子，致动器包括磁体和导电线圈。这种致动器可以包括音圈致动器(磁性马达)，其配置为围绕中心轴线旋转轴或联动装置(旋转音圈致动器)或者来回移动轴或联动装置(线性音圈致动器)。通常，音圈基于洛仑兹力的应用而工作，洛仑兹力是点电荷在线圈中移动的结果，例如在存在磁力线的情况下。点电荷运动矢量(其方向由线圈中的电流决定)和磁场矢量的叉积产生垂直于两者的力。可以通过反转线圈中的电流方向来反转力的方向，这是例如在包括永磁体的音圈致动器中使用的技术。
所公开的激光雷达扫描系统可以包括基于磁体和线圈的致动器，以在两个轴线上旋转镜子，从而实现双轴扫描。例如，扫描镜振荡可以由位于磁场中的导电线圈驱动。线圈可以直接或间接联接到镜子。基于洛伦兹力原理，当驱动信号被施加到线圈时，感应电流，线圈在垂直于磁场和电流方向的方向上被推动，在镜子上产生扭矩。
目前公开的实施例的音圈致动器可以提供多个潜在的优点。它们精确，能够高加速度，非常小，噪音低，重量轻。它们设计简单、可靠，并且具有高马达常数和线性响应。
图6表示依赖于线圈和磁体系统来提供双轴扫描能力的双轴扫描系统的示例。例如，使用下面更详细描述的致动器系统，镜子(1)既可以围绕轴线A1旋转，也可以围绕轴线A2旋转。
图7提供了双轴扫描系统的分解装配图。该系统包括用于围绕轴线A1扫描镜子1的水平马达和用于围绕轴线A2扫描镜子的竖直马达。值得注意的是，在该示例性配置中，水平马达围绕轴线A1旋转整个组件，包括竖直马达、镜子和组件的其他部件。
镜子
扫描镜子系统可以包括用于提供一组期望的扫描参数的各种配置和部件。用于转向发射光束的镜子(1)可以具有衬底层(例如15mm熔融石英)和反射层(例如nm厚的金层或受保护的银)，并且可以包括附加层。反射表面的尺寸可能在15-22mm之间，面积为300-450mm2。反射表面可以是方形、矩形、圆角矩形、切角矩形、圆形、椭圆形等。可以使用衬底和/或反射层的其他形状和配置，包括单片镜子、多层夹层设计、复合衬底、多孔衬底等。
竖直马达
图8示出了竖直马达的一个示例的分解装配图。
马达2使镜子围绕轴线A2(例如竖直扫描轴线)旋转。在一些实施例中，马达2可以提供围绕轴线A2+/-13度的竖直镜子旋转能力。在某些情况下，马达2可以提供10和20度之间的+/-旋转能力。马达2可以包括与镜子联接的线圈，位于2个磁体(内部马达磁体)和两个轭部之间。可替代地，可以使用单个轭部。
线圈
线圈可以包括任何合适的导体(例如铜或铝线(或银)，或另一导电线)。铜线可以镀锡。在使用铝线的情况下，铝线可以镀镍。线厚度可以在0.1-5mm之间，例如1.5mm至3mm。线可以缠绕80至200匝，优选以正循环模式缠绕。如果线圈厚度增加，磁体和线圈之间的距离会减小，从而增加磁场和转向力，但会减小可用于旋转的气隙空间。线圈可以直接或间接联接到镜子。线圈可以安装在可以联接到镜子的衬底上。线圈可以通过挠曲件联接到镜子。
系统可以包括线圈温度监控系统，其可以监控线圈上的电压和电流。例如，在某些情况下，可以推导出电阻率和/或瞬时功率。可以监控线圈的电阻率以确定线圈的相应温度。如果温度监控器指示线圈已经超过预定的电阻率/温度阈值，则系统可以触发响应。例如，响应可以包括产生警告(例如发送到一个或多个控制单元等)，或者启动冷却系统、简化扫描模式等，以降低线圈的温度。
磁体和轭部
马达2可以包括一个或多个磁体。这些磁体可以位于线圈的上方和/或下方。一个或多个磁体将产生相关的磁场，其布置成在线圈上产生力(响应于线圈中的电流)，从而使线圈移动。铁磁轭部可以与磁体联接以产生磁路，或者将磁场限制在用于在线圈上产生适当扭矩的设计配置，以便围绕轴线A2旋转镜子。轭部可以包括任何磁性合金(例如钢等)。
水平马达
图9提供了配置为围绕轴线A1旋转镜子1的水平马达的示例的分解装配图。
在一些情况下，水平镜子可以围绕轴线A1将镜子旋转±35-40度。如上所述，在某些配置中，该马达可以利用位于两个(或更多个)磁体和两个轭部之间的线圈使整个内部组件围绕轴线A1旋转。因为水平马达旋转整个内部组件，所以与竖直马达相比，水平马达可以配置为产生更大的扭矩。因此，与水平相关的线圈和相应磁体的尺寸也可以大于竖直镜子的相应部件。水平马达部件可以位于镜子的上方、下方或后方。将马达定位在镜子上方或下方可以提供某些优势，例如有助于保持紧凑的磁体配置。应该注意的是，如图10所示，水平马达可以位于镜子上方或镜子下方。
将水平马达安装在镜子下方可以实现更紧凑的系统，因为与水平镜子相关的轭部可以相对于镜子具有足够的间隙，从而在旋转期间不会干扰镜子或光学器件。在一些情况下，如果镜子的旋转导致镜子的反射表面和马达部件(例如水平扫描镜子的轭部)之间的重叠，则从镜子表面反射的光可能会被不希望的阻挡。为了解决这样的问题，镜子可以相对于适当的马达旋转轴线旋转。例如，取决于配置，镜子可以相对于一个或多个马达旋转轴线A1和A2倾斜，使得镜子不位于包括轴线A1和A2的平面中，或者使得镜子不垂直于包括轴线A1和A2的平面。
悬挂镜子的轭部
在所公开的实施例的示例中，双轴振荡镜子由内部马达(例如竖直扫描马达)致动围绕内部旋转轴线A2旋转。整个内部系统围绕轴线A1的“外部”旋转由外部马达(例如水平扫描马达)致动。在示例性实施例中，内部旋转导致竖直扫描，而外部旋转导致水平扫描。
在示例性扫描镜子系统中，该系统可以包括：外部马达和内部马达。内部马达可以通过包括用于内部系统的轭部和悬架的结构联接到镜子。这种配置在图11的分解图中示出。
包含轭部的支撑结构
支撑结构可以包括框架、联接到框架的轭部、脊柱以及将支撑结构与脊柱联接的弹簧联接机构。例如，弹簧联接机构可以包括如上所示的叶片挠曲件。使用挠曲件的联接机构使得镜子能够在不使用枢轴杆、轴、轴承等的情况下旋转。
框架可以通过焊接、粘合剂、机械联接方式(例如螺钉等)与轭部刚性联接。挠曲件可以焊接、铜焊或钎焊到框架和脊柱上。可替代地，框架和轭部可以是由相同材料制成的一个单个部件。框架和轭部可以由铁磁材料、磁性合金等制成。例如，轭部和框架可以包括钢、不锈钢、铁磁性不锈钢等。此外，联接机构和脊柱可以由相同的材料制成，例如钢。
轭部可以成形为能够实现特定应用所需的磁场强度，同时减少磁体和轭部系统的质量。轭部形状的一个示例在图12A、12B和12C中示出。
图12A提供了磁体和轭部的横截面视图，示出了轭部、磁体以及线圈所在的磁体之间的间隙中的磁场线和强度。磁场取决于轭部和磁体的厚度。为了减轻系统的质量，可以移除轭部的任何多余部件。可以选择部件(磁体和轭部)的厚度，以提供期望的磁场强度。
在一些情况下，例如当支撑结构的某些部分由相容的材料构成时，这些部分可以焊接在一起。例如，轭部可以焊接到框架上，挠曲件的叶片可以焊接到框架和脊柱上等。
如果轭部和框架作为一个部件制造，不需要焊接。这种配置可能具有某些优点。例如，整个悬架和马达可以位于镜子后面，避免对射向镜子表面和从其反射离开的光束的光学干扰。框架和轭部可以比替代设计更轻和更紧凑，从而降低外部马达的功率需求。可以消除对单独紧固件的需要。轭部可以作为框架的单个部分被结合并刚性连接。与其他磁性设计相比，轭部可以由框架支撑，或者由系统中的静态元件支撑。该系统可以具有减小的惯性，提供期望的动态响应和特性。
双轴机械扫描仪的谐振和准静态驱动
上述双轴扫描镜子系统可以提供多个潜在的优点，例如包括更大的镜子/孔径、相对于某些基于MEM的设计显著降低成本和复杂性、增加可靠性等。然而，镜子尺寸的增加以及包含用于较大镜子的双轴旋转的马达也增加与系统部件相关的质量和惯性，这可能影响系统部件的动态行为。例如，由于扫描镜子需要相对较高的功率/电流水平，系统的质量和惯性以及激光雷达系统所需的扫描速率会带来与散热相关的挑战。为了解决这些挑战，可能希望在一个或多个竖直或水平方向上的扫描中利用系统谐振模式。谐振扫描可以降低以感兴趣的速率/频率振荡镜子所需的电流水平。
然而，与谐振扫描相关的一个潜在问题是镜子在扫描范围内经历的非线性运动。例如，当镜子在水平(或竖直)方向上谐振扫描时，其扫描速度可以正弦变化，使得镜子向扫描范围的极限减速，但在扫描线的中点加速到最大扫描速度。在许多激光雷达系统中，扫描线的中心通常与高度感兴趣区域(例如在地平线附近的车辆正前方等)重合，而位于扫描最边缘的区域(例如与车辆左侧或右侧的区域重合)可能不太受关注。当以谐振模式驱动时，扫描线中心附近的镜子的较高扫描速度会增加在扫描中心实现所需扫描分辨率的难度。例如，最大可用激光脉冲频率，结合谐振时扫描线中心附近的镜子扫描速度，可能导致采样频率低于特定感兴趣区域的期望分辨率水平。
扫描动力学
振荡镜子的振幅和频率取决于多个因素，包括线圈中感应的电流、振荡镜子系统的惯性矩、振荡镜子系统的谐振频率、诸如由于摩擦等对振荡镜子系统旋转的阻力。通过增加谐振特征，例如弹簧，可以进一步调整运动以获得期望的参数，从而获得期望的镜子的振荡谐振响应。每个轴线的运动可被独立地调谐，并且每个旋转轴线振荡可被驱动以不同的振幅和频率旋转。
依赖谐振动力学的一个目标是在可接受的驱动功率和温度水平下实现期望的系统分辨率。如上所述，降低振荡系统中驱动功率的一种方法是通过给系统增加弹簧来产生振荡运动的谐振条件。谐振频率可以通过调节弹簧特性来调节，并且该系统可以用具有谐振诱导频率的AC信号来驱动。
在所公开的实施例中，扫描方向(即水平和竖直)中的一个或两个可以使用谐振扫描仪来实现。此外，如下面更详细讨论，根据示例实施例的谐振扫描仪可以配置为以谐振频率振荡，但具有非正弦波形，这可以显著增加在某些感兴趣区域(例如FOV中心附近)中更高采样分辨率的潜力。
基于谐振系统频率生成非正弦扫描模式
如上所述，尽管谐振振荡器可以降低扫描系统的驱动功率需求，但除了其他益处之外，它们还可能具有其他挑战。特别地，由于具有单一扭转固有频率的镜子运动的正弦模式，扫描线上的光投影是不均匀的。如图13所示，谐振振荡在旋转中心较快，在边缘较慢。
这种正弦运动模式在激光雷达应用中可能是不期望的，其中在扫描中心处期望的分辨率可能最高，而在扫描边缘处的分辨率可能较低(即与谐振产生的条件相反)。对于许多应用，可能需要更均匀的分辨率。与正弦扫描模式相比，三角波形可以在扫描线上提供更均匀的扫描速度，并且因此可以跨激光雷达FOV提供期望的均匀分辨率能力和均匀照射。与正弦波形相比，三角波形可以在FOV中心附近的区域实现更高的采样分辨率。图14中示出了示例扫描波形。
在某些情况下，扫描频率可以在扫描仪操作期间动态调整。例如，一个或多个质量可以在操作期间被调整，以便改变例如与特定质量相关的惯性矩。这种调整可以改变扫描仪的谐振频率，从而改变扫描速率、帧捕获速率等。可以采用任何合适的移动质量的技术。在一些情况下，可以使用马达，例如调整重物相对于轴的位置，调整螺母相对于螺杆的位置等。
相对于所描述的双轴扫描仪实施例，包括用于围绕竖直扫描轴线旋转镜子的音圈致动器和用于围绕水平扫描轴线旋转镜子的另一音圈致动器，竖直和水平扫描系统中的任一个或两个可以配置为以各自的谐振频率扫描。并且，如上所述，使用质量和弹簧的组合，水平和/或竖直扫描系统的谐振振荡波形可以构成三角波形而不是正弦波形(尽管正弦谐振振荡波形也可以用于某些应用)。
在一些实施例中，水平扫描仪可以配置为谐振振荡，而竖直扫描仪可被准静态地驱动(不谐振)。在某些实施例中，例如下图所示的示例，其中水平扫描系统比竖直扫描系统更大，并且负责在比竖直扫描系统更宽的范围内旋转整个组件，在准静态地驱动竖直扫描系统的同时谐振地驱动水平扫描仪可能是违反直觉的。例如，因为外部马达(水平马达)旋转整个内部组件，所以由于内部马达部件和框架的质量增加，系统的惯性更高，因此需要更大的扭矩。因此，水平扫描仪的线圈和相应磁体的尺寸可以大于竖直扫描仪的尺寸。外部马达可被驱动以实现期望频率范围内的谐振响应。由于水平马达旋转的质量，以非谐振模式操作水平扫描仪可能超过系统允许的功率限制。然而，内部马达可被驱动以实现准静态响应。因此，内部马达可能比外部马达需要更高的驱动功率。
竖直扫描系统的准静态驱动可以提供多个优点，包括对扫描角度的更大控制、可变的旋转速度、可变的分辨率能力以及扫描中的附加自由度。
在一些情况下，水平和竖直扫描系统可以配置成提供期望形状的FOV扫描区域。例如，水平扫描系统的扫描幅度可以覆盖比竖直扫描系统更宽的角度范围，以产生水平尺寸大于竖直尺寸的矩形FOV。在一些情况下，外部(在这种情况下是水平)旋转的幅度可以是+/-35到40度，而内部(竖直)旋转的幅度可以是+/-10到20度，使得竖直扫描比水平扫描窄。
在另一示例中，第一旋转(例如水平扫描仪)的频率可以谐振频率被感应，而第二旋转的频率可以是非谐振的。在某些情况下，可以使用竖直轴线扫描来校正梯形畸变。
参考图15A和图15B，弹簧谐振器5可以是游丝谐振器，使得能够围绕轴线A1(水平扫描轴线)在水平方向上谐振扫描。游丝谐振器可以实现为双螺旋，并且可以充当多个弹簧(具有多种模式)。
对于谐振或半谐振旋转/振荡，弹簧可以是组件的一部分。弹簧可以是位于轴内的钢丝，水平旋转围绕该钢丝发生。弹簧可以是金属丝，当镜子旋转时，金属丝处于扭转状态，而不需要任何轴承。
挠曲件
在系统中可以使用挠曲件，以使镜子能够响应于从线圈施加的扭矩而围绕挠曲轴线枢转，同时支撑元件(悬架+轭部)保持相对静止。挠曲件可以提供优于轴承的优点，例如成本有效的制造、系统中没有油脂、长寿命、在大范围的应力和温度下的可靠性等。
如图16A和16B所示，X形挠曲件由两个相互垂直的交叉板簧构成，以产生旋转悬架。在操作过程中，每个叶片可能会承受循环弯曲应力。为了使挠曲件寿命最大化，这种弯曲应力可以保持在材料的耐久极限以下。在这种情况下，挠曲件可能是比轴承更便宜和更好的部件。
双轴机械扫描仪的散热
所公开的扫描系统可以利用谐振振荡模式(例如相对于水平扫描系统)来降低以期望的速率/频率移动扫描镜子所需的总功率。然而，即使当谐振驱动时，水平扫描系统可能需要产生足够的热量来损坏部件的功率水平。并且，准静态(非谐振)驱动竖直扫描马达可能需要甚至更高的功率水平，这可能产生甚至更多的热量。
所公开的实施例可以包括配置成管理由扫描系统产生的热量的一个或多个结构特征。例如，支撑结构可以由导热材料制成，以便于从线圈散热。当电流流过线圈(尤其是与竖直扫描仪相关的线圈，其以准静态扫描速度(非谐振)驱动)时，可能产生大量热量。根据线圈所用的材料，线圈将有最高操作温度(例如在某些情况下为200摄氏度)，超过该温度可能会损坏线圈。当支撑结构由导热材料构成时，热量可以从线圈消散到线圈支撑件，线圈支撑件可以连接到脊柱和镜子以充当散热器。
在一些情况下，将扫描系统的驱动功率保持在约3瓦或1瓦以下，可以确保线圈的温度保持在它们各自的操作温度阈值水平以下。
因为扫描仪的惯性特性和驱动扫描仪的功率要求很重要，所以扫描仪可以用轻质低密度(例如聚合物、陶瓷)框架来构造。这种配置可能非常适合于注射成型，并且可以有效地抗腐蚀。然而，这些材料通常导热不好。
在一些实施例中，某些部件可以制成导热的(至少到足够的程度)，以有效地消散线圈中产生的热量。系统中的线圈支撑件、联动装置、线圈支架、镜子或任何其他结构可以由导热材料(例如镁、铝等)构成，以促进热量从线圈中传递出去。
如图17A和17B所示，线圈可以联接到线圈支架，线圈支架将线圈固定到镜子。线圈可以用粘合剂或其他类型的紧固件联接到线圈支架。
图17B提供了运动中的系统的温度分布的示例热图。在这种情况下，(竖直扫描马达的)内部线圈温度最高。为了能够散热，可以用导热粘合剂将线圈粘附到线圈支架，并且线圈支架本身可以由导热材料(例如不锈钢等)形成。热量然后可被传导到线圈支架和镜子上。
此外，因为线圈是竖直定向的，自然对流导致线圈所在的磁体/轭部之间的空间中的空气流动。热空气上升，空气沿向上方向流动。
如上所述，当前公开的扫描系统可以包括挠曲件，以使镜子能够例如围绕轴线A2枢转。挠曲件可以由不锈钢制成，因此可以作为合理的热导体。如果挠曲件被更常见的部件(例如轴承和轴)代替，则热传导和散热效率可能会显著降低。挠曲件可以有效地从线圈/镜子散热。
除了导热性之外，这些部件具有高发射率可能是有利的，以便于系统中的散热。
除了材料选择之外，可以包括一个或多个结构来促进热管理。例如，可以包括风扇或液体冷却系统，以将热量从马达线圈带走。也可以包括翅片或其他高表面积结构，以帮助传递和消散热量。
部分II：磁性谐振器
当设计机械振荡系统时，经常考虑的两个问题包括：1.)最小化振荡系统的功耗，以及2)在振荡器的整个运动范围内保持振荡器的均匀速度。为了降低(例如最小化)振荡系统中的功耗，振荡系统应以谐振频率驱动，例如系统的基本谐振频率(即最低能量谐振频率)。以谐振频率驱动振荡系统降低致动器和/或控制要求，从而降低驱动系统所需的功率。例如，通过修改系统几何形状、系统材料、振荡器的质量，或者通过添加或移除诸如弹簧和/或阻尼器等部件，系统的谐振频率可以改变。当振荡系统的谐振频率改变时，系统应该针对这种改变进行调整，并继续以谐振频率驱动振荡器，以降低功率需求。
当振荡器接近其运动范围的末端并改变振荡方向时，与振荡器在运动范围的其他部分(例如中间)的速度相比，振荡器的速度在整个该方向改变期间可能不均匀(例如可能更慢或更快)。弹簧已被用来促进机械振荡系统的方向变化；然而，弹簧施加线性反作用力，这可能不适于在保持基本均匀速度的同时使振荡器反向运动。此外，弹簧的位置可能限于旋转轴线(在旋转振荡系统中)，这可能增加系统的尺寸(例如当旋转是水平的时，系统的高度增加以容纳弹簧)。
在某些应用中，在振荡器的整个运动范围内保持均匀的速度会提供更好的结果。例如，激光检测和测距(激光雷达)就是出现这些问题的应用的一个具体示例。在激光雷达中，一个或多个镜子在视场(FOV)中以高频率来回振荡。较小的镜子可能更容易驱动和控制角速度，而较大的镜子由于动量增加而需要更多的能量来驱动和控制。此外，激光雷达系统在镜子振荡期间收集数据点(即光的反射)，并且需要振荡镜子的均匀速度来向所有像素提供相等的测量时间(例如飞行时间、重复次数)，从而导致FOV上基本均匀的分辨率。
已经发现，这些问题可以通过使用磁性缓冲器来解决，当振荡器磁体在运动范围的每一端接近磁性缓冲器时，磁性缓冲器在具有附接至其的一个或多个磁体的振荡器(例如转子)上提供非线性力。当振荡器接近其运动范围的末端时，当振荡器接近其运动范围的末端时，附在振荡器上的磁体—以及振荡器本身—将经历非线性(例如指数)增加的磁力。此外，由于在其运动范围的末端增加了磁性排斥，磁性缓冲器防止振荡器与系统的另一部分的任何潜在冲击，降低了损坏的可能性。
本文公开了使用一个或多个磁缓冲器来控制单自由度机械振荡器的运动的系统和组件，其中振荡器配置为以系统的谐振频率振荡。此外，本文公开了使用磁性缓冲器系统控制单自由度振荡器的运动的方法。
在各种实施例中，组件包括具有至少一个定子磁体(“磁性缓冲器”)的定子，其中每个定子磁体沿着转子的路径(例如线性或弓形)定位在端点。在各种实施例中，定子可以包括单个连续部分。例如，定子可以包括单个部件，例如块，其上附接有至少一个定子磁体。在另一示例中，定子可以包括马蹄形，在马蹄形的端部具有定子磁体。
在各种实施例中，定子可以包括不连续部分，其中每个不连续部分包括定子磁体。例如，定子可以包括两个单独部分，每个具有固定到其上的定子磁体。在各种实施例中，定子包括第一定子磁体和第二定子磁体。在各种实施例中，每个定子可以包括两个定子磁体。在各种实施例中，定子包括多于两个(例如三个)定子磁体。在各种实施例中，定子可以包括壳体，该壳体配置为固定定子磁体并包含振荡组件。
在各种实施例中，定子磁体是永磁体。在各种实施例中，定子磁体是电磁体。在各种实施例中，电磁体由DC电流驱动。在各种实施例中，电磁体由AC电流驱动。
在各种实施例中，定子磁体是具有单个北极和单个南极的单个磁体。在各种实施例中，定子磁体包括堆叠布置的一个以上磁体，因此包括两个或更多北极和南极。在各种实施例中，堆叠磁体布置成使得北极和南极竖直定向。在各种实施例中，堆叠磁体布置成使得北极和南极垂直于转子的路径(例如在旋转系统中，堆叠磁体布置成使得北极和南极平行于从旋转轴线延伸的径向轴线)。在各种实施例中，堆叠磁体布置布置成使得北极和南极水平定向。在各种实施例中，堆叠磁体布置成使得北极和南极沿着(例如平行、相切等)转子的路径。
在各种实施例中，该组件包括其上具有至少一个转子磁体的转子。在各种实施例中，转子配置成以单个自由度移动。例如，转子可以配置用于线性运动。在另一示例中，转子可以配置用于旋转运动。当转子沿着端点之间的路径(例如线性或弓形)振荡至少一个转子磁体时，转子磁体在每个端点处接近一个或多个定子磁体，定子磁体在转子磁体上施加增加的排斥力。在各种实施例中，定子磁体和转子磁体之间的排斥力用于控制转子的速度(例如线速度或角速度)。在各种实施例中，定子磁体和转子磁体之间的排斥力用于反转振荡转子的方向，同时在端点之间保持基本恒定的速度。
在各种实施例中，转子磁体包括永磁体。在各种实施例中，转子磁体包括电磁体。
在各种实施例中，转子磁体是具有单个北极和单个南极的单个磁体。在各种实施例中，转子磁体包括堆叠布置的一个以上磁体，因此包括两个或更多北极和南极。在各种实施例中，堆叠磁体布置布置成使得北极和南极竖直定向。在各种实施例中，磁体堆叠布置布置成使得北极和南极水平定向。在各种实施例中，堆叠磁体的北极和南极在每个堆叠内交替。
在各种实施例中，一个或多个端部磁体可设置在定子磁体的一端，以提高施加到转子磁体的磁力。如本文所用，“端部磁体”是三个或更多个磁体的堆叠中最外面的磁体，或者在堆叠磁体是两个磁体的情况下，端部磁体设置在另一个磁体的一侧。在示例性实施例中，端部磁体在端点之间的转子行进方向上延伸超过堆叠定子磁体的表面。端部磁体在图15-19、20-28和32-36中示出。在各种实施例中，端部磁体相对于堆叠磁体成一定角度定位(例如端部磁体的面与堆叠磁体的相邻面成一定角度设置)。在各种实施例中，定子包括两个以上的堆叠磁体，端部磁体设置在堆叠磁体的最外端。在各种实施例中，单个磁体或多个磁体可以设置在两个端部磁体之间。在各种实施例中，与其他定子磁体的横截面积相比，端部磁体在垂直于转子磁体路径的方向上可以具有更大的横截面积。在各种实施例中，端部磁体的一个或多个表面的面积大于对应于其他定子磁体表面的转子磁体表面的面积。在各种实施例中，端部磁体的体积可以大于其他定子磁体的体积。
在各种实施例中，定子磁体的表面对应于转子磁体的表面。在定子磁体具有堆叠磁体的各种实施例中，至少一个堆叠定子磁体具有与每个转子磁体的表面相对应的表面。如本文所用，当一个表面配置成沿着路径朝向或远离另一个表面移动，并且随着两个表面变得更靠近而彼此施加越来越大的排斥磁力时，磁体(例如定子磁体)的表面对应于另一个磁体(例如转子磁体)的表面。在各种实施例中，定子磁体包括两个或更多个堆叠磁体，其中定子磁体中的至少两个磁体对应于转子磁体中的两个或更多个堆叠磁体。在各种实施例中，定子磁体的每个对应表面比转子磁体的每个对应表面具有更大的面积。
在各种实施例中，在定子磁体和/或转子磁体包括堆叠磁体的情况下，任何磁体可以由间隙分开。在各种实施例中，所有相邻磁体之间的间隙是恒定的宽度。在各种实施例中，相邻磁体之间的间隙是可变的。例如，在定子磁体中，较小堆叠磁体和较大端部磁体之间的间隙可以大于较小堆叠磁体之间的间隙。在另一示例中，堆叠磁体之间的所有间隙具有基本相同的距离。
在各种实施例中，一个或多个柔性连接器(例如挠曲件)将第一定子磁体和/或第二定子磁体联接到定子。在各种实施例中，柔性连接器包括材料带(例如聚合物、金属、复合材料等)。在各种实施例中，柔性连接器是柔性枢轴。
在各种实施例中，系统包括磁性缓冲器组件、配置成移动组件的转子的致动器，其中转子配置成联接到有效载荷。在各种实施例中，致动器包括电动马达。在各种实施例中，致动器包括位于每个转子磁体行进的路径外部的至少一个增强器电磁体，其中增强器电磁体电磁联接到转子磁体，并且配置成在通电时产生导致转子移动的磁场。在各种实施例中，至少一个增强器电磁体设置在定子的壳体内。在各种实施例中，致动器从外部联接到壳体。在各种实施例中，致动器是音圈致动器。在各种实施例中，有效载荷联接到外部安装的致动器的轴。在各种实施例中，致动器配置成在第一端点和第二端点之间移动有效载荷。在各种实施例中，致动器配置成旋转地移动有效载荷，并且转子从第一端点到第二端点的旋转角度等于有效载荷的旋转角度。在各种实施例中，转子从第一端点到第二端点的旋转角度不等于有效载荷的旋转角度。在各种实施例中，有效载荷包括镜子(例如在激光雷达应用中使用的光偏转器)。
在各种实施例中，系统包括控制器，其配置成接收来自致动器和/或编码器的反馈，并向致动器提供控制信号，从而控制转子的速度。在各种实施例中，控制器接收有效载荷的运动数据(例如通过感测装置)和/或电磁体的电压数据，并提供控制信号，从而控制有效载荷的速度。在各种实施例中，感测装置包括线性编码器。在各种实施例中，感测装置包括旋转编码器。在各种实施例中，感测装置包括光学编码器。在各种实施例中，感测装置包括磁性编码器。在各种实施例中，感测装置包括电容编码器。在各种实施例中，控制信号被提供给致动器。在各种实施例中，控制信号被提供给驱动电路，其配置为激励定子磁体、转子磁体和/或增强器电磁体中的一个或多个电磁体。在各种实施例中，控制器包括比例控制。在各种实施例中，控制器包括积分控制。在各种实施例中，控制器包括微分控制。
在各种实施例中，以谐振频率振荡转子的方法包括提供振荡系统。系统的转子组件(包括转子磁体和缓冲磁体)是振荡器，并且具有谐振频率。系统的致动器配置成以谐振频率驱动(例如振荡)转子。该方法还包括激励致动器，从而使转子以谐振频率在第一端点和第二端点之间振荡。在各种实施例中，系统还包括控制器，并且控制器配置成接收反馈信号并向致动器提供控制信号，从而控制转子的速度。在各种实施例中，从致动器接收反馈信号。在各种实施例中，从编码器(例如线性或旋转编码器)接收反馈信号。在各种实施例中，该方法包括确定转子是否以谐振频率振荡，并且当转子不以谐振频率振荡时，向致动器提供控制信号，从而降低或增加转子的速度，使得转子以谐振频率振荡。
图18示出了附接到配置成围绕轴线旋转的单个磁体的有效载荷(例如光偏转器)10。具体而言，图18示出了配置成围绕轴线(X)旋转的光偏转器10。光偏转器(例如镜子)旋转以转向由光源(例如激光器)发射的至少一个光束，从而扫描FOV。偏转器10联接到转子11，转子11上安装有磁体12。图18还包括安装在侧壁上的定子磁体13a、13b，位于偏转器10的旋转跨度(θ)的末端，并限定第一端点和第二端点。定子磁体13a、13b安装成排斥极面向转子磁体12，使得当磁体12接近定子磁体13a时，磁体12上的排斥力有助于改变转子磁体12的旋转方向，进而改变偏转器10的旋转方向。转子磁体12上的排斥力在镜子上产生扭矩。当转子磁体12在端点之间振荡时，转子磁体12和定子磁体13a、13b之间的排斥力在转子磁体12和定子磁体13a、13b之间没有冲击地施加。因为在磁体之间没有发生冲击，所以噪音、老化效应和由于冲击而损坏磁体的可能性即使没有消除，也减少了。
图19示出了扭矩对旋转角度的曲线图。如图19所示，当转子磁体接近定子磁体时，扭矩呈指数增加，从而有助于快速改变方向，同时在有效载荷的整个振荡运动中保持基本恒定的速度。
图20示出了附接到两个堆叠磁体的有效载荷(例如光偏转器)10，堆叠磁体配置成围绕轴线旋转并在两个端点之间振荡。在这种配置中，转子磁体12b和定子磁体14a、14b定向成使得当转子磁体12b接近定子磁体14a、14b之一时，转子磁体12b的北极和南极都被定子磁体14a、14b各自的北极和南极排斥。随着转子磁体12b越来越靠近定子磁体14a、14b，转子磁体12b上的排斥力增加，从而在接近振荡运动端点的角度处增加转子11上的扭矩。这种更靠近端点的增加的扭矩有利于转子11以更快的速度进行方向切换，而不增加旋转半径(即臂11的长度)。在各种实施例中，一个或多个轭部可以邻近定子磁体13a、13b、14a、14b定位，以闭合磁力线并提供最佳磁场。在各种实施例中，具有堆叠磁体的配置是有利的，因为转子11的长度会影响系统的整体尺寸，并且系统被设计成紧凑的。在各种实施例中，堆叠磁体布置允许平衡其他部件(例如更靠近系统质心的部件)。
图21示出了附接到配置为围绕轴线旋转的三个堆叠磁体的有效载荷(例如光偏转器)10。在各种实施例中，转子磁体12b包括两个或更多个磁体，例如2、3、4、5、6个或更多个。如图21所示，转子磁体12c和定子磁体15a、15b每个包括三个堆叠磁体，其在堆叠布置中具有交替磁极。在各种实施例中，定子磁体中的每个堆叠磁体定向为排斥转子磁体12c中的相应磁体。如图21所示，径向上离旋转轴线最远的转子磁体12c和定子磁体15a、15b的磁体配置成当转子磁体12c接近任一定子磁体15a、15b时相互排斥。类似地，转子磁体12c和定子磁体15a、15b的中间磁体配置成当转子磁体12c接近任一定子磁体15a、15b时相互排斥。类似地，当转子磁体12c接近定子磁体15a、15b中的任一个时，最靠近旋转轴线的磁体配置成相互排斥。在各种实施例中，因为系统的尺寸可能是约束，如果需要堆叠磁体布置，定子磁体15a、15b和/或转子磁体12c可以用两个或更多个更薄的磁体来代替。
在各种实施例中，系统还包括配置成闭合由转子磁体和/或定子磁体产生的磁力线的轭部。在各种实施例中，轭部是单个整体部件。在各种实施例中，轭部是两个或更多个单独部分。在各种实施例中，轭部附接到至少一个定子磁体，如图3和图4所示。
图22A示出了具有转子111的振荡系统500，转子111具有配置为在定子磁体113a-113d之间振荡的两个臂111a、111b。在图22A中，两个臂111a、111b安装在转子111上，并且配置为围绕轴线114旋转。在各种实施例中，轴线114与有效载荷(例如镜子)的旋转轴线相同。在各种实施例中，转子111的旋转轴线114是有效载荷的不同旋转轴线。第一臂111a上的第一转子磁体包括侧112a、112b，第二臂111b上的第二转子磁体类似地包括侧112c、112d。定子磁体113a-113d安装在定子130上，并且定子130包括从其延伸的两个竖直支撑件，其中每个支撑件包括两个面。每个面可以基本垂直于一个或多个转子磁体行进的路径。如图22A所示，定子磁体113a-113d安装在每个面上。
随着转子111在振荡运动期间顺时针旋转(从俯视图看)，从而旋转臂111a、111b，第一转子磁体的侧112a接近定子磁体113a，第二转子磁体的侧112d接近定子磁体113d。定子磁体113a、113d各自在相应的转子磁体112a、112d上施加排斥力，该排斥力随着转子磁体112a、112d和定子磁体113a、113d之间的距离减小而增大。
类似地，当转子111在振荡运动期间逆时针旋转(从俯视图看)，从而旋转臂111a、111b时，第一转子磁体的侧112b接近定子磁体113b，第二转子磁体的侧112c接近定子磁体113c。定子磁体113b、113c各自在相应的转子磁体112b、112c上施加排斥力，该排斥力随着转子磁体112b、112c和定子磁体113b、113c之间的距离减小而增大。
以这种方式，来自定子磁体113a-113d的排斥力有助于改变臂111a、111b的旋转方向(例如从顺时针到逆时针)，同时保持转子的速度(例如角速度)的大小基本恒定。在各种实施例中，有效载荷(例如镜子)联接到转子111。在各种实施例中，有效载荷联接到转子111的轴。在各种实施例中，有效载荷可以与转子111共享相同的旋转轴线。在各种实施例中，有效载荷的旋转轴线可以不同于转子111的旋转轴线。在各种实施例中，转子111位于有效载荷上方。在各种实施例中，转子111位于有效载荷下方。在各种实施例中，转子111围绕偏转器旋转轴线114旋转。
图22B示出了系统500的横截面，示出了具有转子磁体(示出了侧112c)的转子111的一个臂111b，以及具有两个定子磁体113b、113d的定子130。在各种实施例中，转子磁体以水平堆叠布置安装(其中每个磁体的磁极是竖直的)。当转子的臂围绕轴线114等距间隔开，并且定子磁体围绕旋转轴线114对称定位时，系统可以有利地平衡。在各种实施例中，系统是机械平衡的。
图23A示出了图22A的组件的俯视图。图23B示出了具有两个臂的组件的俯视图，这两个臂配置成在磁性缓冲器之间振荡，其中定子磁体包括堆叠磁体。在各种实施例中，由磁体引起的系统上的力是平衡的，其中每个臂111a、111b可以在促进旋转的方向上经历相等的磁场。由于系统的对称性，尽管磁斥力正交于磁体面(即直线路径)，并且转子磁体的运动呈弧形，但轴上的力与对面施加的力平衡，从而保持整个系统平衡。
在各种实施例中，可以在不同的位置(例如位于其他系统部件的上方/下方)包括一个或多个组件，以便于更平衡的整个系统，增加总排斥力等。例如，第一组件可以顺时针旋转，而第二组件以相同的角速度旋转，但旋转方向相反(即逆时针)。在各种实施例中，额外的臂(例如4个臂、6个臂等)可用于增加排斥力。在各种实施例中，如图29中更详细描述，可以使用单个臂。在各种实施例中，使用两个或更多个臂(如图13和14A-14B所示)可以减小在转子上产生期望扭矩所需的磁体尺寸，并减小系统的整体尺寸(例如系统的高度)。
图24示出了具有两个臂的振荡系统，臂配置成在磁性缓冲器之间振荡。类似于图5A和6A，转子111包括具有转子磁体的臂111a、111b。在图24中，定子130可以还包括容纳整个组件的壳体。在各种实施例中，定子130包括敞开的顶部，用于接近组件的部件。在各种实施例中，一个或多个挠曲件将定子固定到转子。在各种实施例中，一个或多个挠曲件在转子上施加与挠曲件的位移和弹性模量成比例的线性弹簧力。在各种实施例中，挠曲件对系统的谐振没有贡献。在各种实施例中，转子经由轴承和轴(作为挠曲件的替代)旋转地联接到定子。
图25A示出了振荡系统800，其具有容纳缓冲器磁体组件的定子130和可旋转地联接到组件的转子111的有效载荷140。图25B示出了振荡系统800的侧视图。类似于上述附图，振荡系统800包括转子111，其具有两个臂111a、111b和位于每个臂111a、111b的端部的转子磁体。振荡系统800还包括具有定子磁体113a-113d的定子130。如图25A所示，振荡系统800还包括设置在定子130壳体内的增强器电磁体180a、180b。在各种实施例中，增强器电磁体180a、180b设置在壳体中的凹部内，使得增强器电磁体与壳体的内表面齐平。在各种实施例中，增强器电磁体180a、180b包括多个线圈。在各种实施例中，当通电时，来自增强器电磁体180a、180b的合成磁场在转子臂111a、111b的转子磁体上产生磁力。在各种实施例中，磁力导致转子臂111a、111b移动(例如平移、旋转和/或振荡)。在各种实施例中，增强器电磁体180a、180b位于转子磁体行进路径的外部，使得当转子臂111a、111b振荡时，转子磁体和转子臂111a、111b不接触增强器电磁体180a、180b。在各种实施例中，系统800包括位于每个转子臂的壳体内的两组或更多组增强器电磁线圈，如图31B所示。
在各种实施例中，增强器电磁体180a、180b包括多个线圈，通过这些线圈施加电压以产生磁场。在各种实施例中，每个增强器电磁体180a、180b包括两组或更多组相邻线圈。在各种实施例中，电压被施加到增强器电磁体180a、180b以产生驱动转子111振荡的磁场，从而驱动镜子140的振荡。在各种实施例中，电压被施加到增强器电磁体180a、180b以产生磁场，当镜子由外部马达(例如音圈致动器)驱动时，该磁场用于控制镜子140的振荡。在各种实施例中，施加的电压被振荡以产生交变磁场，并在转子臂111a、111b上的转子磁体上施加磁力。在各种实施例中，由增强器电磁体180a、180b产生的交变磁场导致转子111以振荡系统800的谐振频率振荡。
图26示出了振荡系统900的前视图，其包括如上所述的镜子140和磁性缓冲器组件。磁性缓冲器组件基本类似于上述组件，并且包括转子111，其具有两个臂111a、111b和位于每个臂111a、111b端部的转子磁体。系统900还包括定子130，定子磁体113a-113d附接到定子130。
图27示出了固定到定子上的定子磁体113a、113c和通过挠曲件170a、170b联接到定子130上的转子。在各种实施例中，挠曲件170a、170b由金属制成(例如弹簧钢、不锈钢、钛、青铜等级等)。在各种实施例中，挠曲件170a、170b由聚合物制成。在各种实施例中，用于挠曲件170a、170b的材料具有在100GPA至310GPa范围内的弹性模量，从而提供允许转子围绕轴线旋转的联接和/或提供对转子振荡的额外控制。在各种实施例中，用于挠曲件170a、170b的材料具有在200GPA至210GPa范围内的弹性模量。在各种实施例中，可以通过将一种挠性材料换成另一种材料来调整挠曲件的挠性，从而在振荡期间调整转子的控制参数。在各种实施例中，挠曲件是刚性的，使得转子的旋转被允许达到所需的角度。在各种实施例中，作为挠曲件的替代，转子111可以经由轴承(例如球轴承)可旋转地联接到定子。
图28示出了线性振荡系统1100。振荡系统1100包括转子1111，其连接沿着轨道1120平移的两个转子磁体1112a、1112b。在沿着线性路径的每个端点处是联接到定子1130的定子磁体1113a、1113b。在一些实施例中，转子1111由马达驱动，例如旋转马达。在一些实施例中，转子1111由电磁体驱动。在一些实施例中，转子磁体1112a、1112b是电磁体。在一些实施例中，定子磁体1113a、1113b是电磁体。当被驱动时，转子1111以基本恒定的线速度在两个端点之间振荡。在各种实施例中，马达包括位于转子1111的路径外部(例如非常接近)的一个或多个增强器电磁体。在各种实施例中，马达包括线性音圈马达。
图29示出了具有单个转子臂1211的旋转振荡系统1200，转子臂1211具有设置在其一端的转子磁体1212。在各种实施例中，转子磁体1212包括堆叠磁体。旋转振荡系统1200还包括定子1230，定子磁体1213附接到定子1230。在各种实施例中，定子磁体1213包括堆叠磁体和/或端部磁体。定子磁体1213位于转子磁体1212的路径1290中，使得当转子磁体1212接近定子磁体1213时，排斥力将施加在转子臂1211上。当转子磁体1212围绕旋转轴线1214旋转(例如被驱动)时，转子磁体1212将在约340度到约360度的旋转(取决于转子和定子磁体的宽度)之后接近定子磁体1213，并且定子磁体1213将在转子臂1211上产生排斥力，从而反转转子臂1211的旋转方向。
图30示出了具有三个转子臂1311a-1311c的旋转振荡系统1300，其中每个转子臂具有设置在其一端的转子磁体1312a-1312c。在各种实施例中，转子磁体1312a-1312c包括堆叠磁体。旋转振荡系统1300还包括定子1330，三个定子磁体1313a-1313c附接到定子1330。在各种实施例中，定子磁体1313a-1313c包括堆叠磁体和/或端部磁体。定子磁体1313a-1313c定位在转子磁体1312a-1312c的路径1390中，使得当转子磁体1312a-1312c接近定子磁体1313a-1313c时，排斥力将施加在转子臂1311a-1311c上。当转子磁体1312a-1312c围绕旋转轴线1314旋转(例如被驱动)时，转子磁体1312a-1312c将在约100到约120度的旋转(取决于转子和定子磁体的宽度)之后接近定子磁体1313a-1313c，并且定子磁体1313将在转子臂1311上产生排斥力，从而反转转子臂1311的旋转方向。
图31A-31B示出了具有两个转子臂1411a-1411b的旋转振荡系统1400，其中每个转子臂具有设置在其一端的转子磁体1412a-1412b。在各种实施例中，转子磁体1412a-1412b包括堆叠磁体。在图31A中，旋转振荡系统1400还包括位于转子磁体1412a-1412b的路径1490外部的增强器电磁体1480a-1480b(例如比转子磁体1412a-1412b径向更远离旋转轴线1414)。旋转振荡系统1400还包括定子1430，四个定子磁体1413a-1413d附接到其上。在各种实施例中，定子磁体1413a-1413d包括堆叠磁体和/或端部磁体。定子磁体1413a-1413d位于转子磁体1412a-1412b的路径中，使得当转子磁体1412a-1412b接近定子磁体1413a-1413d时，非线性增加的排斥磁力将施加在转子臂1411a-1411b上。当转子磁体1412a-1412b围绕旋转轴线1414旋转(例如被驱动)时，转子磁体1412a-1412b将在约80至约180度的旋转(取决于转子磁体1412a-1412b和定子磁体1413a-1413d的宽度，以及定子磁体1413a-1413d之间的角度)之后接近定子磁体1413a-1413d，并且定子磁体1413a-1413d将在转子臂1411a-1411b上产生排斥力，从而反转转子臂1411的旋转方向。
图31B示出了包括两组或更多组增强器电磁体的旋转振荡系统1450。特别地，图31B示出了位于转子磁体1412a-1412b的路径1490外部的第一对增强器电磁体1480a-1480b和第二对增强器电磁体1481a-1481b(例如比转子磁体1412a-1412b径向更远离旋转轴线1414)。如图31B所示，增强器电磁体1480a-1480b和增强器电磁体1481a-1481b位于距转子旋转轴线基本相同的径向距离处。
在各种实施例中，增强器电磁体1480a-1480b和1481a-1481b包括多个线圈。在各种实施例中，在给定转子臂1411a-1411b的运动类型(例如无论是旋转的还是线性的)的情况下，增强器电磁体1480a-1480b和1481a-1481b可以定位成优化(例如最大化)由增强器电磁体施加到转子磁体1412a-1412b的磁力。例如，多个线圈可以定位成使得线圈的纵向轴线基本指向旋转轴线1414。在各种实施例中，增强器电磁体1480a-1480b和1481a-1481b提供磁场来控制转子臂1411a-1411b的运动。在各种实施例中，增强器电磁体1480a-1480b和1481a-1481b提供恒定磁场，例如通过向增强器电磁体1480a-1480b和1481a-1481b提供恒定电压。在各种实施例中，增强器电磁体1480a-1480b和1481a-1481b通过调节提供给增强器电磁体1480a-1480b和1481a-1481b的电压来提供可变磁场。
振荡系统还可以包括用于控制转子运动(例如速度)的控制器。在各种实施例中，控制器包括比例控制。在各种实施例中，控制器包括积分控制。在各种实施例中，控制器包括微分控制。在各种实施例中，控制器接收转子的运动数据作为输入(例如来自线性或旋转编码器)。在各种实施例中，控制器接收提供给马达的电压数据作为输入。在各种实施例中，控制器接收供应给一个或多个电磁体(例如转子磁体、定子磁体和/或增强器电磁体)的电压数据作为输入。在各种实施例中，例如，如果系统的谐振频率随着转子振荡而改变，则控制器基于系统的谐振频率来调节马达的速度和/或供应给电磁体(例如转子电磁体、定子电磁体和/或增强器电磁体)的电压。在各种实施例中，控制器配置成保持转子以振荡系统的固有谐振频率振荡。在各种实施例中，增强器电磁体包括空气芯。在各种实施例中，增强器电磁体包括磁芯。在各种实施例中，磁芯调谐磁场(例如磁力线穿过磁芯并增加磁场强度)。
在各种实施例中，每个电磁体由H桥控制。在各种实施例中，彼此相对(即180度)的增强器电磁体成对操作。在各种实施例中，彼此相对(即180度)的增强器电磁体由相同的H桥控制。在各种实施例中，彼此相对(即180度)的增强器电磁体由单独且同步的H桥控制。例如，增强器电磁体1480a-1480b可以用一个H桥控制，增强器电磁体1481a-1481b可以用不同的H桥控制。在各种实施例中，彼此相对的增强器电磁体与轴线(例如旋转轴线)等距。
在各种实施例中，通过占空比来控制增强器电磁体。在各种实施例中，H桥具有自由运行配置、正电压(+V)配置、负电压–V配置和制动操作配置。在各种实施例中，+V配置产生沿第一方向(例如顺时针)加速转子磁体的磁场。在各种实施例中，–V配置产生沿第二方向(例如逆时针方向)加速转子磁体的磁场。在各种实施例中，在自由运行配置中，增强器电磁体没有电流通过线圈，因此不产生磁场。在各种实施例中，制动操作配置使转子磁体减速。在自由运行配置中，H桥中的所有开关都打开(即断开)。在制动操作配置中，增强器电磁体从线圈的两端联接到地。在+V配置中，线圈的第一端联接到公共集电极Vcc处的电压，线圈的第二端联接到地。在–V配置中，线圈的第一端接地，第二端联接到公共集电极Vcc处的电压。
在各种实施例中，占空比在正电压和负电压之间切换。在各种实施例中，占空比包括在正电压(+V)和负电压(–V)之间交变的方波。在各种实施例中，通过增加或减少正和/或负电压被施加到增强器电磁体的时间量来调整占空比。在各种实施例中，通过允许增强器电磁体采取自由运行配置来调整占空比。在各种实施例中，通过允许增强器电磁体采取制动操作配置来调整占空比。在各种实施例中，正电压和负电压可各自在转子磁体处于适于用由增强器电磁体产生的磁场驱动转子磁体的有效范围(例如有效角度范围)内的时间窗口期间施加。在各种实施例中，可以增加或减少+V和/或–V配置中的电压幅度，以调整增强器电磁体的占空比。在各种实施例中，方波可以是连续的。在各种实施例中，方波是中断的方波(例如增强器电磁体在中断的方波的每个正电压和/或负电压分量之间采取自由运行配置)。在各种实施例中，正和/或负电压被施加任何合适的时间量，从而驱动转子磁体(例如以系统的谐振频率)。例如，正电压和负电压可以分别以连续方波施加时间量dt1。在各种实施例中，dt1是任何合适的时间量，使得转子磁体以系统的谐振频率振荡。在另一示例中，正电压和负电压可以各自以中断方波施加时间量dt2，其中在正电压和负电压之间的时间dtf期间，增强器电磁体处于自由运行配置。在各种实施例中，dt2小于dt1。在各种实施例中，dt2大于dt1。在各种实施例中，dt2约等于dt1。在各种实施例中，dt2是任何合适的时间量，使得转子磁体以系统的谐振频率振荡。在各种实施例中，dtf是任何合适的时间量，使得转子磁体以系统的谐振频率振荡。
在各种实施例中，在每个转子磁体的路径附近包括两组或更多组增强器电磁体的情况下(例如图31B所示)，彼此相对的每对增强器电磁体的占空比滞后预定时间量(例如转子磁体退出第一对增强器电磁体的有效范围并进入第二对增强器电磁体的有效范围的时间量)。在各种实施例中，每个方波波峰或波谷的中间对应于转子磁体最接近被驱动的相应增强器电磁体的时间。
图32示出了旋转振荡系统1500，其定子和转子磁体都具有堆叠磁体，并且定子磁体具有端部磁体。类似于以上所述，系统1500包括两个转子臂(未示出)，转子臂具有设置在其端部的转子磁体1512a-1512b，并且配置为围绕旋转轴线1514旋转。系统1500还包括四个定子磁体1533a-1533d，其中每个定子磁体包括两个堆叠磁体1513a-1513d和一个端部磁体1523a-1523d。端部磁体1523a-1523d比堆叠磁体1513a-1513d更大(例如具有更大的体积)，并且每个包括沿着转子磁体1512a-1512b的路径延伸超过堆叠磁体1513a-1513d的表面1525a-1525d的表面1524a-1524d。在各种实施例中，每个端部磁体1523a-1523d的表面1524a-1524d的面积大于每个堆叠磁体1513a-1513d的表面1525a-1525d的面积和/或每个转子磁体1512a-1512b的表面的面积。第一转子臂磁体1512a在定子磁体1513a和定子磁体1513b之间振荡，第二转子臂磁体1512b在定子磁体1513c和定子磁体1513d之间振荡。
图33示出了旋转振荡系统1600，其定子和转子磁体都具有堆叠磁体，并且定子磁体在每个定子磁体上具有端部磁体。端部磁体1623a-1623b与堆叠磁体1613a-1613b具有交替的极化。类似于上文，系统1600包括转子臂1611，转子臂1611具有设置在端部的转子磁体1612，并且配置为围绕旋转轴线1614旋转。在各种实施例中，转子磁体1612包括堆叠磁体。转子磁体1612在第一定子磁体1633a的堆叠磁体1613a和第二定子磁体1633b的堆叠磁体1613b之间振荡。每个定子磁体1633a-1633b包括两个堆叠磁体1613a-1613d和一个端部磁体1623a-1623d，端部磁体1623a-1623d比堆叠磁体大并且包括延伸超过堆叠磁体1613a-1613d的表面的表面。
如图33所示，转子磁体1612包括堆叠磁体，其中每个堆叠磁体具有长度L1和宽度W1。定子磁体的堆叠磁体每个具有长度L2和宽度W2，端部磁体1623具有长度L3和宽度W3。如图33所示，每个堆叠磁体1613a-1613b的宽度W2大于转子磁体1612中每个相应堆叠磁体的宽度W1，从而提供更大的静态重叠面积(即定子磁体面向转子磁体的面积大于转子磁体的面积)。在各种实施例中，每个定子磁体的尺寸(长度和/或宽度)可以增加，使得对系统没有惯性影响，但在谐振频率上有好处(例如可以获得更高的谐振频率)。增加定子磁体的尺寸也允许更高的组装公差。在各种实施例中，通过更有效地利用潜在的磁能，提供端部磁体1623可以在转子磁体上引起更大的扭矩。在使用较弱磁性材料的各种实施例中，可能需要更大的扭矩来在振荡期间充分排斥转子磁体。
如图33所示，系统1600还包括堆叠磁体1613a-1613b和端部磁体1623a-1623b之间的间隙1670a-1670b。在各种实施例中，间隙1670a-1670b增加磁场效率、参与磁场和/或活性磁场。在各种实施例中，间隙1670a-1670b可以减小惯性，因为转子磁体的尺寸可以减小。
在各种实施例中，L3大于L2。在各种实施例中，L3为约1mm至约100mm。在各种实施例中，L3为约5.54mm。在各种实施例中，L2为约1mm至约100mm。在各种实施例中，L2为约3.04mm。在各种实施例中，L1为约1mm至约100mm。在各种实施例中，L1为约2mm。在各种实施例中，d2大于或等于L1/2。
图17示出了旋转振荡系统1700，其中定子和转子磁体都具有堆叠磁体，并且定子磁体在每个定子磁体上具有两个端部磁体。端部磁体1723a-1723b与堆叠磁体1713a-1713b具有交替的极化。类似于上文，系统1700包括转子臂1711，转子臂1711具有设置在端部的转子磁体1712，并且配置为围绕旋转轴线1714旋转。转子磁体1712在第一定子磁体的堆叠磁体1713a和第二定子磁体的堆叠磁体1713b之间振荡。每个定子磁体1733a-1733b包括两个堆叠磁体1713a-1713d和一个端部磁体1723a-1723d，该端部磁体比堆叠磁体大并且包括延伸超过堆叠磁体1713a-1713d的表面的表面。
如图17所示，转子磁体1712包括堆叠磁体，其中每个堆叠磁体具有长度L1和宽度W1。定子磁体的堆叠磁体各自具有长度L2和宽度W2，并且每个端部磁体1723具有长度L3和宽度W3。如图17所示，每个堆叠磁体1713a-1713b的宽度W2大于转子磁体1712中每个相应堆叠磁体的宽度W1，从而提供更大的静态重叠面积(即定子磁体面向转子磁体的面积大于转子磁体的面积)。在各种实施例中，每个定子磁体的尺寸(长度和/或宽度)可以增加，使得对系统没有惯性影响，但在谐振频率上有好处(例如可以获得更高的谐振频率)。增加定子磁体的尺寸也允许更高的组装公差。在各种实施例中，通过更有效地利用潜在的磁能，提供端部磁体1723可以在转子磁体上引起更大的扭矩。在使用较弱磁性材料的各种实施例中，可能需要更大的扭矩来在振荡期间充分排斥转子磁体。
如图34所示，系统1700还包括堆叠磁体1713a-1713b和端部磁体1723a-1723b之间的间隙1770a-1770b。在各种实施例中，间隙1770a-1770b增加磁场效率、参与磁场和/或活性磁场。在各种实施例中，间隙1770a-1770b可以减小惯性，因为转子磁体的尺寸可以减小。
图35示出了旋转振荡系统1800，其中定子和转子磁体都具有堆叠磁体，并且定子磁体在每个定子磁体上具有端部磁体。端部磁体1823a-1823b与堆叠磁体1813a-1813b具有交替的极化。类似于上文，系统1800包括转子臂1811，转子臂1811具有设置在端部的转子磁体1812，并且配置为围绕旋转轴线1814旋转。在各种实施例中，转子磁体1812包括堆叠磁体。转子磁体1812在第一定子磁体1833a的堆叠磁体1813a和第二定子磁体1833b的堆叠磁体1813b之间振荡。每个定子磁体1833a-1833b包括两个堆叠磁体1813a-1813d和一个端部磁体1823a-1823d，该端部磁体比堆叠磁体大并且包括延伸超过堆叠磁体1813a-1813d的表面的表面。如图35所示，堆叠磁体1813a-1813b和端部磁体1823a-1823b彼此接触(即磁体之间的间隙最小至没有间隙)。
图36示出了旋转振荡系统1950，其定子和转子磁体都具有堆叠磁体，并且定子磁体在每个定子磁体上具有两个端部磁体。端部磁体1923a-1923b与堆叠磁体1913a-1913b具有交替的极化。类似于上文，系统1950包括转子臂1911，转子臂1911具有设置在端部的转子磁体1912，并且配置为围绕旋转轴线1914旋转。转子磁体1912在第一定子磁体的堆叠磁体1913a和第二定子磁体的堆叠磁体1913b之间振荡。每个定子磁体1933a-1933b包括两个堆叠磁体1913a-1913d和一个端部磁体1923a-1923d，该端部磁体比堆叠磁体大并且包括延伸超过堆叠磁体1913a-1913d的表面的表面。如图36所示，堆叠磁体1913a-1913b和端部磁体1923a-1923b彼此接触(即磁体之间的间隙最小至没有间隙)。
在各种实施例中，本文描述的任何磁体可以是钕铁硼(NdFeB)磁体。在各种实施例中，本文描述的任何磁体可以是钐钴(SmCo)磁体。
本领域技术人员将理解，上文部分II中描述的任何实施例可以与上文部分I中描述的任何实施例相结合。
部分III：双轴扫描仪
根据本公开的另一方面，图37描绘了用于激光雷达系统中的具有光偏转器(例如镜子)的双轴旋转的另一示例性振荡系统。提供壳体2001，其包括用于围绕轴线A1旋转镜子的转子2011和定子2013，壳体可以包括机械紧固件，用于将振荡系统固定到车辆或其他结构，这取决于振荡系统的预期应用。多个系统部件可以位于壳体内部，例如定子磁体、轴承和转子围绕其旋转的轴(如果存在，如图52的实施例中所示)、编码器的固定部分和增强器线圈(如果存在，如图44的实施例中所示)。在操作中，壳体保持静止，而振荡系统可以致动或围绕两个轴线旋转镜子2040，如本文所述，围绕轴线A1的旋转以谐振频率执行，使得激光雷达系统可以在第一方向上以基本均匀(恒定)的角速度扫描视场，转向并且在相反方向上以基本均匀(恒定)的角速度扫描视场。这在镜子运动范围的边缘或边界提供高加速度，同时最小化能量损失。出于说明而非限制的目的，该系统的一些示例性范围是围绕轴线A1约50～200Hz，以及围绕轴线A2约50～150Hz。这是有利的，因为它为所有像素提供了相等的测量时间(飞行时间、重复次数)，并且谐振频率最小化所需的功率。以谐振频率执行的围绕轴线A1的旋转幅度可以高达+/-45到60度，而围绕轴线A2的旋转幅度(以非谐振频率)可以高达+/-25到30度，使得能够用单个扫描镜子扫描宽FOV。与诸如MEM振荡器的其他双轴振荡器相比，所公开的具有双轴旋转的振荡系统实施例的一个优点是振荡器没有密封要求。
围绕轴线“A1”旋转
转子2011可以包括设置在其中的磁体2080，壳体2001围绕该(即A1轴线)振荡系统(而在图37的该示例性实施例中，壳体2001设置在振荡系统上方，用于使有效载荷/镜子围绕A2轴线旋转)。在所示的示例性实施例中，一对细长转子磁体2080包括在转子的每一端上，并且跨越形成转子的顶板和底板之间的间隙(如下面进一步详细描述)。在示例实施例中，顶板和底板可以是单个连接部分，或者是两个分离板。尽管附图中所示的示例性定子和转子磁体通常是对称的(例如具有平坦表面的矩形)，但如果需要，也可以采用替代的几何形状(例如弧形表面)。所示的示例性转子是整体结构，转子2011(以及设置在其中的磁体2080)的终端配置成在由定子磁体2013限定的端点之间在壳体2001(其具有曲率半径对应于转子尺寸的内壁)内旋转。例如，转子磁体2080a可以在第一端点(邻近定子磁体2013a)和第二端点(邻近定子磁体2013b之间行进；而转子磁体2080b同时在第三端点(邻近定子磁体2013c)和第四端点(邻近定子磁体2013d)之间行进。如贯穿本公开所述，这里所指的磁体可以配置为永磁体、半永磁体、电磁体或其组合。
在一些实施例中，转子2011的径向边缘紧邻壳体2001的内侧壁设置(例如没有中间部件)。凹口或凹槽可以形成在壳体2001中靠近定子磁体2013的位置处，并且壳体可以由多种材料形成，这些材料表现出高导热系数，以快速消散操作期间产生的热量。
当转子2011旋转以将转子磁体2080带到定子磁体2013或“缓冲器”附近时，转子/定子磁体之间的排斥力有助于改变转子臂2011的旋转方向，以提供围绕轴线A1振荡的谐振频率。此外，磁体可以具有相等的磁性、尺寸，并且可以对称地定位以产生平衡力，使得转子2011的每一侧在促进旋转的方向上经历相等的磁场。此外，振荡组件可以通过在组件的某些位置添加或移除重物或材料来平衡。此外，定子磁体2013可以多种方式保持在壳体内，例如粘合剂和/或机械结合，并且排斥转子磁体2080，如本文所述。在示例性实施例中，定子磁体可以是聚合物基磁体，并且可被模制成既是磁体又是转子的一部分的部件。磁体可以嵌入模制到聚合物形成的转子/框架中。如上所述，定子2013和/或转子2080、磁体的相对尺寸和数量可以变化。
在所示的示例性实施例中，镜子(以及产生镜子围绕轴线A2旋转的轭部、磁体和线圈的子组件)设置在壳体2001下方，并通过轭部2101与其联接；然而，替代配置在本公开的范围内。如图38所示，轭部2101例如通过机械紧固件联接到壳体2001的底部和后部，使得镜子2040在其围绕A1轴线以及A2轴线的整个运动范围内位于壳体下方。下轭部2101包括磁体2103，其可以与设置在它们之间的音圈2104间隔开。磁体2103可以附着到轭部2101的上部和下部内表面(例如通过粘合剂或机械结合)，并且与施加到音圈2014的驱动信号(例如电流或电压)结合操作，以通过旋转转子2011来围绕竖直轴线A1致动/旋转镜子2040，如图所示。轭部2101的后部(在图的右侧示出)和轭部的侧可以保持开放或无障碍，以便于热量从线圈2104消散(例如通过通风)。
图39描绘了振荡系统，其中为了清楚起见移除了壳体2001，以描绘转子2011与镜子2040的连接，从而说明轭部2101内水平定向的音圈致动器的操作如何使转子2011围绕竖直轴线A1旋转镜子2040。如图所示，转子2011的底板可以在中点2015处联接(通过粘合剂或机械联接，例如互锁舌/凹槽)到下轭部2201，其又联接到镜子2040。转子2011和轭部2201之间的联接2015是刚性的，以便将音圈致动器产生的旋转力和定子磁体2013的“碰撞”排斥力(当转子磁体2080在附近时)直接传递给轭部2201(并因此给镜子)，而没有来自例如振动的任何显著能量损失。另外或可替代地，在一些实施例中，转子2011和轭部2201可以整体地形成为单个部件，具有在这两个结构之间延伸的桥部分，而不是机械/粘合联接2015。当轭部2101内的音圈被激活时，即电流通过其布线被提供时，如上所述，转子2011在定子磁体2013之间旋转，并且由于2015处的联接，也使轭部2201和镜子一致旋转，例如以谐振频率旋转。
在图39所示的示例性实施例中，可以采用多个挠曲件2300来将定子磁体2013联接到定子。在一些实施例中，可以采用两对挠曲件2300a、b，并定向成在旋转端点之间交叉。例如，第一对挠曲件2300a可以连接转子运动的第二(2013b)和第三(2013c)端点，第二对挠曲件2300b连接转子运动的第一(2013a)和第四(2013d)端点，如上所述。挠曲件2300可被固定(例如安装、胶合等)到定子/磁体，并且可以是薄金属片(例如弹簧钢)，并且被设计成当镜子旋转多个循环时抵抗破裂或疲劳。另外或可替代地，在一些实施例中，转子2011经由一个或多个挠曲件可旋转地联接到定子。
如上所述，转子2011可以由上板和下板形成，上板和下板通过在其间延伸的磁体2080连接。磁体2080可以容纳在转子板的孔中。在所示的示例性实施例中，转子磁体2080与转子的上板和下板齐平或共面，尽管可以采用替代设计。同样，回头参考图38的示例性实施例，转子2011的上板和下板定位在壳体2001的外部(即分别在上方和下方)。转子的底板包括附接特征，例如孔，以在连接点2015处接收轭部2201的凸形部分。尽管在示例性实施例中示出了单个连接位置2015，其位于底部转子板的中点，但也可以采用额外的连接位置。同样，所示的示例性实施例描绘了凸形/凹形机械联接，然而根据需要可以采用替代的联接装置。这种“开放式”转子设计允许挠曲件2300穿过转子，并且转子围绕其全部运动范围(在由缓冲器定子磁体2013限定的端点之间)枢转/旋转，挠曲件2300以交叉方式设置在转子的边界内(即顶部/底部转子板和转子磁体2080)。
图40描绘了双轴振荡系统的另一视图，其中壳体2001被移除以展示每个音圈致动器的轭部2101、2201的示例性配置。如上所述，轭部2101包含音圈2104和磁体2103，其产生镜子围绕竖直轴线A1的旋转。(本公开将“轭部”称为单个部件，然而本文公开的轭部可以由多个部件形成；和/或轭部可以与各种其他部件例如磁体、线圈等联接在一起，以形成组件)。如图41所示，线圈2104可以联接到臂或线圈支架2105，其将线圈相对于磁体2103保持在适当位置(磁体2103可以联接例如胶合到轭部2101的内表面)。在一些实施例中，线圈支架/臂2105沿着线圈的多个(例如三个)侧延伸，并且由足够刚性的材料形成，以用作与轭部2201联接的附接点。
围绕轴线“A2”旋转
该轭部2201可以联接到镜子2040，并且还包含用于围绕水平轴线A2旋转镜子2040的音圈2204(和磁体2203)。轭部2201在其后部包括附接机构2202，例如机械夹具，用于联接到另一个轭部的线圈支架2105。因此，双轴振荡系统可以由两个子组件构成：第一子组件(用于镜子绕水平轴线A2旋转)，具有以大致竖直方式定向的轭部2201，其联接到镜子2040并包含夹在磁体2203之间的音圈2204；以及具有轭部2101的第二子组件(用于绕竖直轴线A1旋转)，轭部2101具有大致水平的布局并包含夹在磁体2103之间的音圈2104，以引起整个第一子组件的旋转。在所示的示例性实施例中，采用单个附接机构2202来联接两个轭部/子组件，并且在其各自的中点处；然而，可以采用附加的/替代的附接机构。
图41描绘了双轴振荡系统的另一视图，其中壳体2001和轭部2101被移除以显示音圈2104和2204的相对定向，以及与线圈支架2105的附接机构2202。在该示例性实施例中，音圈2104呈现大致梯形形状，线圈支架2105沿着线圈的前面和侧面延伸。线圈支架2105的尺寸可以与音圈具有相似的厚度，使得两个部件的上/下表面共面。此外，附接机构2202可以包括接合线圈支架2105的上表面的第一臂2202a和接合线圈支架2105的下表面的第二臂2202b。虽然在示例性实施例中，线圈2104、2204(以及两个相应子组件的相应磁体2103、2203和轭部2101、2201)布置成大致彼此垂直，连接位置2202位于每个线圈的中点，但其他配置也在本公开的范围内。
图42示出了示例性振荡扫描系统的另一视图，该系统采用游丝谐振器5来提供围绕轴线A1的谐振扫描，如上面进一步详细描述。因此，图43A描绘了在此公开的“缓冲器”磁体系统的相应视图，以提供围绕轴线A1的谐振扫描(在两个实施例中，共同的附图标记指代相似的部件)；其中图37的壳体和转子/定子缓冲器磁体示出为替代游丝谐振器5。图43B描绘了“缓冲器”磁体系统的横截面视图。
“增强器”磁体系统
根据本公开的另一方面，用于驱动围绕轴线A1旋转的致动器可以配置为磁体或“增强器”，其设置在转子附近。这种设计的示例性实施例在图44中示出(后面的附图标记表示结合图37的“增强器”磁体实施例描述的共同部件)。
在该实施例中，转子2711被磁体2704驱动在由“缓冲器”定子磁体(如上所述)限定的端点2713a-2713d之间旋转。第一对增强器磁体可以设置在约3点钟的位置，第二对磁体可以设置在约9点钟的位置，以引起转子2711的旋转(见图46)。这种配置的优点在于，它不需要音圈(例如图38的部件2104)来产生围绕轴线A1的旋转，从而提供更紧凑的设计(例如增强的散热、降噪)和改进的性能。因此，图44的实施例仅需要单个音圈2204(在图45中看得最清楚)，其如上文关于图37的实施例所述操作，以产生围绕水平轴线A2的旋转。与动态线圈配置相比，这种配置的另一个优点是静态线圈配置。
如比较图38(双音圈)和图45(单音圈)的侧视图所示，由于在壳体2701下没有音圈2104，因此同样不需要相应的轭部2101、磁体2103—如图38的(双音圈)实施例所示，这提供了更大的实施灵活性、减小的惯性(因为线圈与中心间隔开)、减小的尺寸/占地面积以及改进的组装容易性。
转子2711和定子2713(以及设置在其中的磁体)的结构特征可以如结合图37的“缓冲器”实施例所描述的那样配置。同样，如上所述，挠曲件可以用于联接定子和转子。图47描绘了增强器磁体2704a-d的隔离视图，其中为了清楚起见移除了壳体。每个增强器磁体包括位于增强器磁体径向内侧和径向外侧的细长面板2714。这些面板可以延伸磁体2704a-d的整个竖直高度，并且具有与转子2711(和壳体内壁)的弧互补的曲率半径。此外，面板可以由具有高导热系数的材料形成，以便于从磁体2704的线圈传热/散热。
在一些实施例中，外部面板可被保持在壳体2701内，例如贴靠壳体的内壁胶合。此外，壳体可以包括在其侧壁中的凹口或凹部，以接收增强器磁体，使得增强器磁体的径向内侧邻近转子(即没有中间部件)。此外，包括面板的增强器磁体可以定位在壳体2701内，使得磁体的上表面和下表面与壳体共面。
这些磁体2704a-d可以包括缠绕以形成具有空气芯2705(例如线圈匝之间的内部间隙)的电磁体的一束电线。图48-50描绘了增强器磁体，为了清楚起见省略了选择的面板(例如2714c、d)，以暴露夹在面板之间的空气线圈磁体。在操作中，通过形成增强器磁体2704a-d的空气线圈/芯的导线提供电流，这致动转子2711围绕轴线A1旋转，定子磁体的“缓冲器”操作以提供谐振频率，如上所述。类似于图37的实施例，转子2711可以在下转子板的中点2715处联接到下音圈致动器组件的轭部2201，从而围绕A1轴线旋转镜子2740。
除了上述挠曲联接之外或作为其替代，转子2711也可以通过可旋转轴和轴承组件联接。在图51-52的示例性实施例中，轴3400可以定位在转子2711的中心，并且在上转子板和下转子板之间延伸。如图52所示，为了清楚显示内轴3400，前景中具有以透明方式示出的增强器和缓冲器磁体组件，轴可以直接联接到音圈致动器的下面的轭部2201，该音圈致动器提供有效载荷/镜子围绕轴线A2的旋转。
虽然上面公开的示例性实施例描绘了具有两个臂(从与轴线A1重合的中心枢转点对准并向外延伸)的转子，但在本公开的范围内可以采用额外的或替代的转子设计。例如，可以采用具有三个臂的转子，如图53所示，其中转子3611的每个臂在其各自的终端包括多个磁体。每个臂与一对定子磁体3613相互作用，这使得转子在比两臂转子设计更短的运动范围内振荡。图54的实施例提供了弓形定子磁体3713(如图所示，每个磁体以相反的极性布置在北极“N”和南极“S”之间)。三臂转子设计的优点是它允许更短的谐振器，这又允许实现中更大的灵活性。图55描绘了三臂转子3811的另一实施例，其中磁体直接联接(例如粘附)到轴承轴3400。图56描绘了展示替代磁体和轭部设计的附加示例性实施例，包括具有十六个磁体和四个轭部的三臂转子3911实施例(左视图)，以及具有十五个磁体和零个轭部的实施例(右视图)。
应该注意的是，尽管本文公开的用于围绕轴线A1旋转的示例性谐振扫描系统(无论是采用图37的“缓冲器”定子磁体，还是图44的“增强器”磁性线圈)被描绘为具有镜子作为要旋转的有效载荷，但本文公开的谐振扫描系统可以用任何有效载荷来实现，并且不限于用于激光雷达应用的光偏转器。
镜子附接
根据本公开的另一方面，结合围绕轴线A2(可以是水平的，但也可以是替代的角度)的旋转使用的轭部2201(无论是在图37的“缓冲器”磁体实施例中，还是在图44的“增强器”磁体实施例中，或者所描述的任何其他配置(例如图42中的游丝弹簧实施例))可以包括便于组件中其他部件(例如挠曲件、线圈)的联接的结构特征。此外，轭部2201可以作为镜子支架的轴承，该镜子支架可以固定地附接到镜子。图57-64示出了示例性轭部2201，其可以形成为单个/整体结构或部件，具有在(用于接收线圈2204和磁体2203)之间限定间隙的间隔开的侧壁2210、2212，在侧壁之间延伸的顶部2214和底部2216，以及从侧壁横向向外延伸的一对凸缘2218、2220，所有结构整体形成。因此，该单个结构可以由铁磁材料形成，以传导来自插入其中的磁体的磁通量，从而在操作期间用作轭部和定子。另外，轭部2201可以由提供足够高的韧性、屈服强度的多种材料形成，并且可以焊接到组件的其他部件。这种整体形成的优点在于，它提供了更简单的组装，降低了制造成本，延长了轭部的寿命周期，并允许更高的制造精度。此外，单个部件轭部设计避免了对涂层和粘合剂的需要，否则会结合多个部件，从而降低了成本和复杂性。
此外，如上所述，位于轭部后部的附接机构2202也可以与轭部一体形成，该附接机构2202配置为联接到第二致动器子组件的线圈支架以围绕竖直轴线A1旋转。在所示的示例性实施例中，附接机构2202包括一对臂，其从轭部后部上的每个侧壁以一定角度(例如约45度)向外和向下延伸；然而，可以采用替代的配置。另外或可替代地，在一些实施例中，轭部2201的选定部件可以单独形成并附接(例如焊接、胶合)以组装轭部。也就是说，轭部2201也可以是非整体的，并且多个离散的结构组装在一起。
顶部桥部分2214和底部桥部分2216可以仅围绕轭部的一部分延伸，使得轭部在前侧和后侧具有开口。这允许磁体2203插入轭部中，第一对磁体2203a靠着侧壁2210设置，第二对磁体2203b靠着侧壁2212设置，一部分内部间隙保留在这些磁体之间，如图60所示。音圈2204可被定位例如夹在这些磁体之间，并且具有向外延伸超过轭部的前和/或后表面的线圈部分。
凸缘2218可以设置在相应侧壁的中点，第二凸缘与第一凸缘水平对准。每个凸缘可以包括表面特征，以便于与镜子和/或线圈支架联接。例如，如图61所示，每个凸缘可以包括多个大致平面刻面2219，这些刻面可以用作联接到挠曲件的界面，以及设置在刻面之间以接收镜子支架的凹入部分2220。平面刻面2219允许挠曲件2230通过例如焊接、铜焊、锡焊或挠曲件边缘粘附到刻面2219上来联接。一旦联接，施加在挠曲件上的任何力都可以转移到轭部。可替代地，挠曲件2230可以通过在侧壁之间延伸的连接部分联接到轭部。连接部分可以是单个凸缘，或者是具有大致平面表面的弯曲元件，该表面可以用作联接到挠曲件的界面。挠曲件2230可以由具有高屈服强度的材料形成，以延长组件的寿命，并且也可以焊接到支架2240。挠曲件可以由诸如AISI 420、PH 15-7、不锈钢301、Inconel X-750或AISI631CH 900(17-7PH)的材料形成。在一些实施例中，利用多个焊点/位置来加强挠曲件和轭部之间的结合。在图62所示的示例性实施例中，重叠焊点被用于横向定向的第一焊接位置2231和竖直定向的第二焊接位置2232。第一焊接位置和第二焊接位置可以彼此隔开，第一焊接位置2231位于挠曲件的中心，第二焊接位置2232位于挠曲件的边缘。可以根据需要利用附加的焊接位置和几何形状来适应不同尺寸的镜子。此外，尽管示例性实施例示出了两个挠曲件2230与轭部的中心等距离间隔开，但如果需要的话，可以利用具有非均匀间隔的额外挠曲件。
因此，虽然轭部2201可以配置为单个/整体部件(铁磁材料，具有足够的刚度/硬度以承受由谐振频率扫描操作产生的力，例如AISI 630H 900(17-4PH))，但挠曲件2230和镜子/线圈支架2240可以是单独部件，每个可以由多种(优选地非腐蚀性和非铁磁)材料形成，例如非铁磁不锈钢，例如304L级不锈钢。镜子/线圈支架2240可以由诸如AISI 304L或AISI316L级不锈钢的材料形成，其可被焊接到挠曲件。如图61所示，挠曲件2230具有如上所述附接(例如焊接)到轭部凸缘的第一端，以及附接到镜子支架2240的第二端(为清楚起见省略了镜子)。在一些实施例中，镜子支架2240也可以配置成在该结构的相对侧上接合音圈2204(因此单个结构可以用作镜子支架和音圈支架)。在一些实施例中，镜子/线圈支架2240可以是两个单独部分，即镜子支架和线圈支架，它们可以沿着它们的相邻侧彼此联接。镜子支架和线圈支架可以由非铁磁材料形成。镜子支架可以由可焊接到挠曲件的材料(例如304L级不锈钢)形成，线圈支架可以由对于从线圈散热而言优化的材料(例如铝)形成，并且与镜子支架联接(粘合剂或机械联接装置)。
在镜子侧，支架2240包括细长凹部，并且延伸的距离大于轭部凸缘2218的边缘。如图63-64所示，镜子支架可以包括用于联接到镜子的多个支脚2241，支脚与轭部凸缘2218的端部间隔距离“d”。在所示的示例性实施例中，四个支脚连接到镜子，支脚2241之间的间距在操作期间提供了更大的稳定性和镜子动态变形的最小化。支脚的数量和位置可以调节，以便提供在使用过程中暴露于加速度时将镜子保持在平坦方位的联接。支架2240具有足够的刚性来支撑有效载荷(例如镜子)的重量，并且还充当挠曲轴承2230的转子。支架2240的相对侧接合线圈(例如延伸或环绕三侧)，以在运动范围内提供稳定性和支撑，并防止线圈的不期望的位移。
本领域技术人员将理解，上文部分III中描述的任何实施例可以与上文部分I和II中描述的任何实施例相结合。
部分IV：畸变校正
在激光雷达扫描系统中，由于投射光的角度偏转，可能会导致某些畸变。这种畸变可能是由上述双轴扫描系统的轴联接造成的。具体地，轴联接导致镜子围绕两个旋转轴线(例如V1、V2)旋转，即使两个致动器中只有一个在移动，而另一个致动器固定在预定位置。由于每个光束在光偏转器上的可变入射角，由激光器阵列产生的激光束阵列的旋转可能导致畸变。畸变也可能是投影平面(镜子表面)相对于图像平面倾斜的结果。这种畸变导致不期望的具有不均匀分辨率的点云，其不规则地成形为与期望的形状相反。图65是扫描线(即扫描光束在图像平面上的投影)的不希望的畸变的图示。在该示例中，期望的矩形投影被扭曲成弯曲表面。
为了校正这种影响，可以使用以下一种或两种方法。
轴线倾斜
在一实施例中，可以通过倾斜旋转轴线之一来进一步修改上文描述的任何双轴扫描组件。
本文描述的任何双轴扫描系统可以扫描视场(FOV)，其被定义为由光束以镜子绕第一轴线(例如水平，控制仰角)和第二轴线(例如竖直，控制方位角)旋转的极限角度从镜子偏转形成的立体角。平面由在镜子围绕给定轴线旋转的相反极限角度(即在FOV的相反极限角度)偏转的任意两个光束来定义，而镜子的另一旋转角度是固定的。存在将围绕第一(例如水平)轴线的旋转角度的整个范围二等分的“水平”二等分平面；类似地，存在将围绕第二(例如竖直)轴线的旋转角度的整个范围二等分的“竖直”二等分平面。(应该理解，当由于轴联接时，即使其中一个致动器的旋转角度是固定的(例如竖直或仰角)，在水平(方位角)扫描期间，光束也可能不遵循水平二等分平面。)如本文所用，“倾斜的”旋转轴线是指不垂直于与其相交的二等分平面的镜子旋转轴线(例如，如果“竖直”旋转轴线不垂直于“水平”二等分平面，则它可以是“倾斜的”)。
图66A示出了倾斜轴线布置的一个实施例。在图66A中，激光束2从固定镜子4反射，并被重定向到扫描(可移动)镜子6，然后朝向视场(FOV)偏转。镜子6可以围绕“竖直”(方位角)轴线V1和“水平”(仰角)轴线V2旋转。可以看出，轴线V1不垂直于FOV的水平等分平面(平分y轴的xz平面)，但在图66A所示的示例中，倾斜12.5度(相对于垂直于xz平面的y轴测量)。
在某些示例实施例中，例如图66A所示的实施例，镜子6可以从“水平”(仰角)轴线V2偏移一定距离10。在设计补偿扫描模式时，要考虑偏移量10的值。
图66B是本发明的双轴扫描仪6600的示例实施例的示意图，包括提供围绕竖直(方位角)旋转轴线16的旋转的致动器12和提供围绕水平(仰角)旋转轴线18的旋转的致动器14。可以看出，轴线16相对于二等分平面20倾斜。扫描仪6600包括壳体22、固定镜子4和扫描(可移动)镜子6。
扫描模式的预畸变
在另一实施例中，扫描模式可被预畸变以便补偿畸变，并且可以获得校正的点云。例如，扫描镜子可以绕其水平扫描轴线非单调地旋转，同时绕其竖直扫描轴旋转以完成每次水平线扫描，而不是每次都以扫描镜子的固定竖直角度完成水平线扫描。应当理解，轴线的选择是任意的：相同的预畸变方案可以应用于通过围绕水平扫描轴线(控制仰角)振荡(旋转)来完成竖直线扫描的镜子，而镜子围绕水平扫描轴线的旋转角度(控制方位角)非单调地改变。
图68示出了没有预畸变的扫描仪的扫描模式。机械扫描模式是反射器扫描FOV时反射器表面的法线角度，其中(0，0)是视场的中心。每条水平扫描线在扫描镜子相对于其竖直扫描轴的固定位置完成。为了清楚起见，应当注意，轴线上的值被归一化为扫描的最大幅度，使得最大幅度为1。例如，通过围绕轴线(例如V1)顺序旋转扫描镜子6，激光束可以沿着由水平扫描线表示的左右方向上的多个点被引导。此外，通过沿上下方向围绕第二轴线(例如V2)顺序旋转扫描镜子6，激光束可以沿上下方向的多个点被引导。扫描镜子6的组合2D运动可以产生图68的扫描模式，并且在该示例中扫描的竖直进程是从上到下的。
相反，图69A示出了已被预畸变以补偿畸变的扫描模式的扫描角度。在该扫描模式中，扫描镜子同时沿其竖直扫描轴线和水平扫描轴线旋转。在该示例中，可以看到在每个扫描线的边缘有上移。当光束入射到偏转器(例如镜子)上的角度在围绕扫描轴线之一旋转的角度范围的中心处最小，而在角度范围的极端处最大时，所示的模式是有用的。在该示例中，竖直运动使得扫描仪产生由角位移(其对于可变分辨率是可变的)分开的扫描线。然而，在预畸变扫描中，例如，竖直位移可以在与沿着单个水平线的扫描进程相反的方向上。
应当理解，关于轴线的标签“竖直”或“水平”的选择是任意的，并且类似的预畸变方案可以应用于双轴扫描仪的任一轴线。
图69B中示出了预畸变扫描模式的另一示例。所示的预畸变模式是机械扫描角度的示例，其补偿了光束入射到偏转器(例如镜子)上的角度在围绕扫描轴线之一旋转的角度范围的一个极端处最小而在同一角度范围的另一个极端处最大的情况。结果，畸变在一个极端处最小，而在另一个极端处最大，需要图69B所示的补偿扫描模式。
图69C中示出了预畸变扫描模式的另一示例，其示出了竖直扫描模式的示例。
如上所述，图66A和图66B所示的倾斜轴线设计与预畸变扫描模式方法相结合，以解决扫描中的畸变。这在图67A至图67C中示出。这些图示出了预畸变的扫描模式，其被生成以补偿由于在各种倾斜角下的轴线联接而导致的畸变。
图67A示出了当倾斜角为+25度时补偿畸变所需的预畸变扫描模式。图67B示出了补偿零度倾斜角下的畸变所需的预畸变扫描模式。图67C示出了补偿如图66所示的-12.5度倾斜角下的畸变所需的预畸变扫描模式。每个扫描模式包括扫描线。
可以看出，通过改变轴线倾斜，可以减少所需的补偿预畸变。这是有益的，因为实现预畸变扫描模式可能导致高能耗(例如高峰值功率、高平均功率或增加的致动器尺寸要求)。虽然谐振扫描非常节能，但驱动准静态致动器以实现具有预畸变的扫描模式可能是耗能的。通过倾斜轴线来减少所需的补偿预畸变可以将功率要求带到可行的范围。因此，减少预畸变在许多激光雷达应用中是有价值的。这种益处在谐振扫描设计中尤其有价值，例如上文所述的那些。在某些示例实施例中，驱动双轴扫描仪的功率需求可以小于或等于4W。
此外，图67C示出了FOV中心(即(0，0)及其附近)的扫描线几乎是平坦的，即需要比FOV边缘附近的扫描线(其更弯曲)更小的预畸变。相比之下，图67B示出了在FOV底部的平坦扫描线(即在-7和-10之间)，并且随着扫描角度的增加而更加弯曲。对于特定系统，可以选择倾斜角来最小化实现扫描所需的功率(即最小化所需的预畸变)。可替代地，可以选择倾斜模式来最小化FOV的特定区域(例如感兴趣区域(ROI)，诸如FOV的中心部分)中所需的预畸变。
在各种实施例中，轴线倾斜可被选择为从-1到-40度的任何值。例如，倾斜可以是-12.5、-15、-25或-37.5度。
为了产生预畸变的光栅扫描，在某些实施例中，扫描致动是准静态的(即可以移动任意角度)，从而可以精确控制扫描仪的位置。在某些实施方式中，准静态扫描需要高驱动功率。这与上文描述的谐振扫描形成对比，谐振扫描具有低功率需求。然而，扫描仪沿谐振轴线的位置不能任意设置。
镜子可以相对于其水平和竖直扫描轴线以不同的角速度旋转。例如，扫描镜子围绕其竖直扫描轴线的旋转可能比围绕其水平扫描轴线的旋转更慢。所得的镜子旋转产生例如水平扫描模式，如图67-69所示。应该注意的是，在某些实施例中，反过来也可能是正确的。例如，相对于围绕其竖直扫描轴线的旋转，扫描镜子可以围绕其水平扫描轴线旋转得更慢。这种操作可用于产生竖直扫描模式，如图69C所示。在例如水平扫描中，行之间的距离可被称为扫描线之间的竖直偏移或间距或竖直角位移。在一示例中，扫描线之间的距离或角位移(例如图69A中所示的竖直位移，图69C中所示的水平位移)可以变化以提供更高潜在点云分辨率的区域(例如在包括地平线的区域中或在任何其他感兴趣的区域中)。
每个扫描线可以用多个激光束扫描(例如使用如上和如下所述的激光阵列产生)。利用这种类型的多光束扫描，当镜子跟随上图中的扫描模式的线时，扫描模式中的线之间的区域被单独的扫描线填充(或扫描)，每个扫描线与被扫描镜子同时投射向FOV的多个激光束之一相关，如图70所示。在一些示例中，扫描模式中每条线之间的距离(角位移)可以等于或大于由激光源阵列的多个束斑提供的总角度覆盖范围。在其他情况下，扫描模式中至少一些线之间的距离可能小于由激光源阵列的多个束斑提供的总角度覆盖范围。
应当理解，水平扫描线不需要均匀间隔。例如，为了扫描激光雷达FOV的某些区域，例如地平线区域上方和下方的区域，可以选择大于最小可用倾斜增量的镜子的竖直倾斜(仰角)增量。例如，可以用不同于扫描中心的竖直倾斜增量来扫描扫描中心上方和下方的区域。例如，扫描的中心可以指向地平线。例如，可以使用0.6°的竖直角增量(围绕水平扫描轴线)来扫描扫描中心上方和下方的区域，该竖直角增量可以对应于例如光源(例如激光器阵列)的整个角度大小，从而产生等于阵列中激光器间距的粗略采样分辨率。激光器间距指的是激光器阵列的活性激光发射区域之间的中心到中心的距离。然而，在包括扫描中心的区域中，最小竖直倾斜角可用于在该区域中提供更紧密间隔的扫描线，并进而在该区域中提供更高的采样/点云分辨率。假设激光器有源区与无源区的比率为1:N-1，则线间距可以增加N倍。在该示例中，点云竖直分辨率可取决于线间距，而水平分辨率可取决于当2D扫描镜子沿着每条水平扫描线扫描时单个激光源的脉冲频率。脉冲频率越高，从激光雷达系统生成的点云的潜在水平分辨率越高。
在一些实施例中，双轴扫描镜子围绕两个轴线之一的旋转可以导致多个激光束从与第一多条扫描线相关的第一组位置位移到与第二多条扫描线相关的第二组位置。可以设想，在本文描述的激光雷达系统的一些实施例中，可以使用多个激光光源，而不是依赖于单个激光光源。还可以设想，来自一个或多个激光源的光束可被分离，以提供可用于扫描的多个激光束。同样如上所述，激光器阵列(例如在以上部分的示例中描述的1D激光器阵列)可以用于提供用于扫描激光雷达FOV的多个激光束。当来自激光器阵列的多个激光束被导向镜子时，镜子围绕竖直扫描轴线(旋转方位角)的旋转可以产生穿过第一组位置的多个水平扫描线。此外，镜子绕水平轴线的旋转(旋转仰角)可以竖直移动多条水平扫描线，从而产生穿过与第一组位置竖直隔开的第二组位置的第二组扫描线。在一些实施例中，围绕扫描轴线的旋转速率可以快于围绕水平(仰角)轴线的旋转速率。
鉴于上文，在一示例实施例中，如图71所示，本发明是扫描系统100，包括配置成产生至少一个光束4的光源2；至少一个偏转器6；配置成围绕第一扫描轴线14旋转至少一个偏转器6的第一致动器8和配置成围绕第二扫描轴线12旋转至少一个偏转器的第二致动器10，至少一个偏转器配置成将至少一个光束偏转到视场；以及至少一个处理器16，其配置成控制光源2、第一致动器8和第二致动器10，以使至少一个偏转器6扫描视场，其中在扫描视场的至少一部分期间，至少一个处理器16使第一致动器8和第二致动器10根据补偿扫描模式同时围绕第一扫描轴线12和第二扫描轴线14旋转至少一个偏转器6，其中补偿扫描模式至少部分地补偿与至少一个光束到至少一个偏转器8上的变化入射角相关的一个或多个畸变。如本文所用，“入射角”是相对于反射器表面的法线测量的，当光束垂直于表面时，入射角为零。
在任一示例实施例中，扫描系统还可以包括至少一个传感器18，其配置成检测从位于视场中的对象反射的至少一个光束，并且其中至少一个处理器16配置成：从至少一个传感器18接收指示从对象反射的至少一个光束的反射信号；并且基于该反射信号，生成该视场的至少一部分内的系统环境的点云表示。
在任何示例实施例中，点云表示可以包括与从对象反射的至少一个光束相关的多个点，其中多个点中的每个都与距离值相关。
在任何示例实施例中，补偿扫描模式可以包括围绕第一扫描轴线的可变角跨度，其中围绕第一扫描轴线的可变角跨度随着至少一个光束相对于至少一个偏转器的入射角的增加而增加。
在扫描模式是光栅的情况下，围绕第一轴线的旋转比围绕第二轴线的旋转慢。如果第一致动器使偏转器围绕第一轴线旋转的角度固定在预定值，并且第二致动器使偏转器围绕第二轴线振荡(即旋转)，则偏转的光束将在扫描模式中产生线。在某些实施例中，第一致动器和第二致动器同时旋转偏转器。围绕第一轴线的“角跨度”是在偏转器围绕第二轴线振荡(即旋转)期间第一致动器围绕第一轴线使偏转器旋转的角度偏离预定固定值的最大绝对值。例如，围绕第一轴线的零角度跨度将在扫描模式中产生线。围绕第一轴线的非零角度跨度将产生相对于零度角度跨度线弯曲(或通常偏离)的线。参考图72，示出了对应于围绕第一轴线(例如对应于镜子仰角的水平旋转轴线)的固定旋转角度的三条示例性扫描线。扫描线1是在没有轴联接的情况下产生的线，扫描线2是由于轴联接由双轴镜子产生的，扫描线3示出了具有角跨度α的示例扫描线。
在任何示例实施例中，围绕第一扫描轴线的可变角跨度可以随着至少一个光束相对于至少一个偏转器的入射角的增加而非线性增加。
在任何示例实施例中，补偿扫描模式可以包括相对于第一扫描轴线的可变补偿间距，并且可变补偿间距可以随着至少一个光束相对于至少一个偏转器的入射角的增加而减小。
如本文所用，“间距”是指光栅扫描模式的两条相邻扫描线之间的角距离。在各种实施例中，总间距是两种类型的“间距”的总和：“仪器间距”，其由扫描仪的设置确定(通过其机械、电气或控制器/处理器设置，该设置在扫描仪定位的情况下产生期望的扫描模式)，以及“补偿间距”，其通过控制器/处理器控制。在各种实施例中，可以选择补偿间距来补偿由于入射角的变化引起的入射光束的光学畸变。
例如，在扫描模式是光栅，第一轴线是慢的且第二轴线是快的情况下，当致动器使偏转器围绕第二轴线振荡，同时相对于第一轴线的旋转角度是固定的(或者由角跨度调节，如上所述)时，产生扫描模式中的扫描线。两个相邻线被总间距分开。如果入射光束包括由光源(例如激光二极管)的线性阵列产生的多个光束，则反射光束将产生对应于围绕第二轴线的一次振荡的扫描线阵列。由于多个光束中的每个光束的入射角不同，扫描线阵列将会畸变，激光束阵列的旋转导致扫描区域中的间隙与入射角成比例。例如，如本节第一段所述，光束旋转至与扫描轴线(方位角)不垂直。这种效果在图70中示出，图70描绘了由线性激光器阵列产生的扫描模式。可以看出，在FOV水平范围的极端，由线性光源阵列产生的扫描线阵列之间存在间隙。因此，在某些实施例中，可以选择补偿间距，使得扫描线阵列在高入射角时被较小的角距离分开，而在小入射角时被较大的角距离分开。
在某些实施例中，仪器间距被设置成在小入射角(即在视场的中心)时减小间距，以便以更高的分辨率进行采样。
在任何示例实施例中，第一扫描轴线和第二扫描轴线可以彼此垂直。
在任何示例实施例中，至少一个偏转器围绕第一扫描轴线的旋转角速率可以大于至少一个偏转器围绕第二扫描轴线的旋转角速率，其中至少一个偏转器围绕第一扫描轴线的旋转可以导致光束沿着视场中的第一扫描线偏转，并且至少一个偏转器围绕第二扫描轴线的旋转可以提供第一扫描线之间的角分离。
在任何示例实施例中，光源可以包括配置成产生多个光束的多个光源。光源可以发射具有细长横截面的光束(例如光束横截面可以是椭圆形)。
在任何示例实施例中，光源可以包括配置成产生多个光束的光源的线性阵列。如本文所用，“线性阵列”指的是沿着单线设置的光源排列。
在某些方面，至少一个偏转器可以配置为将每个光束偏转到视场的相应部分。
在某些方面，至少一个偏转器包括反射表面。在其他方面，至少一个偏转器包括衍射元件。
在各种实施例中，其中光束包括多个光束，多个光束占据由至少两个发散的边界光束界定的角包络，并且其中至少两个边界光束之间的角度是15度或更小。在一些方面，至少两个边界光束之间的角度可以是5度或更小。
在任何示例实施例中，至少一个处理器配置成使第一致动器将至少一个偏转器围绕第一扫描轴线旋转任意角度。在某些方面，第二致动器可以配置成围绕第二扫描轴线谐振地旋转至少一个偏转器。
在示例实施例中，本发明是一种扫描视场的方法，包括：产生至少一个光束；将至少一个光束导向至少一个偏转器，所述偏转器配置成围绕第一扫描轴线旋转和围绕第二扫描轴线旋转，并将至少一个光束向视场偏转；使配置为控制光源的至少一个处理器、第一致动器和第二致动器旋转至少一个偏转器以扫描视场，其中在扫描视场的至少一部分期间，第一致动器和第二致动器根据补偿扫描模式围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线同时旋转至少一个偏转器，其中补偿扫描模式至少部分补偿与至少一个光束到至少一个偏转器上的变化入射角相关的一个或多个光学畸变。
本领域技术人员将理解，预畸变扫描在本文描述的双轴扫描系统中特别有益，因为马达旋转的角跨度很大，这产生了大的入射角和显著的畸变。
本领域技术人员将理解，采用预畸变(补偿)扫描模式的双轴扫描仪的示例实施例是用音圈致动器实现的系统，例如图41所示的实施例以及上文参考其描述的实施例。
本领域技术人员将理解，上文部分IV中描述的任何实施例可以与上文部分I、II和III中描述的任何实施例相结合。
部分V：激光雷达系统
在采用一个或多个激光光源和扫描镜子的激光雷达系统和其他光学系统中，系统的复杂性可能很高。此外，满足眼睛安全要求可能涉及使用宽视场。因此，激光雷达系统可以包括大量部件，以获得和收集宽视场(FOV)的数据，同时提供系统的高可靠性。现有系统通常包括激光发射器、扫描镜子和用于从激光器发射的每个光束的检测器(称为激光测距仪[LRF])。然而，现有系统可能具有高复杂性、大量部件(例如需要多个LRF)，并且可能很昂贵。因此，需要降低系统复杂性、部件数量和成本，同时提供能够提供期望水平的检测范围、灵敏度和视场尺寸要求的激光雷达和其他光学系统。特别地，需要一种能够扫描宽FOV的单个扫描组件，以避免具有多个扫描仪的现有系统所涉及的复杂性和成本。当前公开的实施例旨在解决这一需求。
图73示出了激光雷达系统100的示例性架构的高级框图。如图73所示，激光雷达系统100可以包括电源8310、控制器8320、光学模块8330、激光器阵列8340、传感器阵列8350和扫描仪8360。同样如图73所示，来自激光器阵列8340的光束8342可以入射到2D扫描仪8360上，2D扫描仪8360可以将光导向FOV 8370。从FOV 8370返回的反射光束8344可以在2D扫描仪8360(也称为双轴扫描仪或普通扫描单元)处被接收，该2D扫描仪8360可以将反射光束8344引导到传感器阵列8350，该传感器阵列8350可以配置成检测反射光束8344。控制器8320可以执行飞行时间计算，以确定到FOV 8370中各种对象的距离，并且可以为FOV 8370的每次扫描生成距离值的点云。在一些实施例中，公共光学部件8380可以用于将从激光器阵列8340发射的激光8342传输到2D扫描仪8360并朝向FOV 8370，并且将在2D扫描仪8360处接收的反射光8342从FOV 8370引导到传感器阵列8350。这种布置可以在减少复杂性、降低成本、可靠性和性能方面提供显著的优势。如果2D扫描仪8360具有宽的角度旋转跨度，这种布置可以允许宽的FOV扫描。与连续检测器阵列和激光器阵列方案相比，这种布置可以额外地减少晕光伪像，因为激光束是光学分离的，并且检测器上的有源区是分离的。
2D扫描仪8360可以包括扫描组件的任何公开的示例实施例，例如，在此公开的和上文关于图6至图72讨论的那些。
在一些实施例中，激光发射单元可以包括多个激光发射器。例如，如图2B、2C、2E所示，激光发射单元102可以包括多个激光发射器112A-112F，其可以配置成投射两束或更多束激光。在一些实施例中，激光发射单元可以包括包含多个激光发射器的单个单片激光器阵列。举例来说，激光发射单元102可以包括在单个硅晶片上制造的多个激光发射器(例如112A-112F)。因此，激光发射单元可以是单片激光器阵列的形式。术语单片激光器阵列指的是在单个(例如单片)硅晶片上制造的激光光源阵列。因为激光光源制造在单个硅晶片上，所以单片激光器阵列上的激光光源可以彼此很好地对准。
图74A示出了包括多个激光发射器(例如8412、8414、8416等)的单片激光阵列8400的示例。在一些实施例中，单片激光器阵列包括一维激光器阵列。举例来说，如图74A所示，激光器阵列8400可以是包括有源区8412、8414、8416等的一维激光器阵列(例如激光发射器)，排列成单列。然而，可以设想，在一些实施例中，激光器阵列8400可以是二维激光器阵列，包括彼此分离并以二维矩阵排列的有源区。在一些实施例中，多个激光发射器可以是边缘发射器。例如，激光器阵列8400中的一个或多个激光发射器8412、8414、8416等可以包括边缘发射激光器。然而，预期一个或多个激光发射器8412、8414、8416等可以包括其他类型的激光发射器(例如竖直腔面发射激光器(VCSEL))。在一些实施例中，多个激光束中的每个可以是波长在860nm和950nm之间的脉冲激光束。例如，如上所述，一个或多个激光发射器8412、8414、8416等可以是脉冲激光发射器，其配置成发射波长在860nm-950nm之间的脉冲激光。还设想在一些实施例中，一个或多个激光发射器8412、8414、8416等可以配置成发射波长在1300nm-1600nm之间的激光。
在一些实施例中，单片激光器阵列可以包括对应于多个激光发射器的多个有源区和多个无源区，其中多个激光发射器通过多个无源区中的一个或多个彼此隔开。单片激光器阵列可以包括由无源区(例如不发射激光的无源区)彼此分开的多个有源区(例如激光发射区或激光发射器)。如图74A所示，例如，激光器阵列8400可以包括多个(例如8个)激光发射区或激光发射器8412、8414、8416、8418、8420、8422、8424和8426。激光器阵列8400还可以包括多个无源区(例如非激光发射区)8401-8409。预期相邻的有源区可被一个或多个无源区分开。例如，如图74A所示，有源区8414和8416可被无源区8402分开。同样，有源区8420和8422可被无源区8405分开。预期在有源区之间可以设置一个以上的无源区。例如，如图74A所示，有源区8422和8424可被无源区8406、8407分开。每个有源区可以对应于通道。因此，例如，图74A示出了具有8个通道的激光器阵列8400。预期激光器阵列8400可以具有任意数量的通道。
在一些实施例中，单片激光器阵列可以包括4个有源激光器通道。在一些实施例中，单片激光器阵列可以包括8个有源激光器通道。在一些实施例中，单片激光器阵列可以包括16个有源激光器通道。在一些实施例中，单片激光器阵列可以包括32个有源激光器通道。例如，激光器阵列可以包括排列成1D阵列的16个激光源，每个激光源具有约905nm的波长。从激光源发射的光可以穿过与光路相关的各种光学部件，包括例如透镜、准直器等。图74B示出了可以包括16或32个有源区8456的示例性单片激光器阵列8450。例如，如图74B所示，单片激光器阵列8450可以包括有源激光发射区域8456(例如n1-n32)，相邻的一对有源激光发射区8456被一个或多个非激光发射无源区8458(例如m1-m31)隔开。图74B的示例包括16个激光通道(或阵列中的16个激光源)。可以使用其他数量的激光源。例如，一些实施例可以包括4、8、32、64个激光源，或者任何其他期望数量的激光源。
在一些实施例中，多个激光发射器可以包括多个单片激光器阵列。举例来说，代替制造具有32个有源区的单个激光器阵列，可以制造两个单片激光器阵列，每个具有16个有源区。例如，如图74B所示，激光器阵列8450可以包括单片激光器阵列8460和8462。激光器阵列8460可以包括由无源区8458(例如m1-m15)隔开的有源区(例如激光发射器)8456(例如n1-n16)。类似地，激光器阵列8462可以包括由无源区8458(例如m16-m31)隔开的有源区(例如激光发射器)8456(例如n17-n32)。同样如图74B所示，单片激光器阵列8460和8462可以都制造在同一晶片上。可替代地，单片激光器阵列8460和8462可以制造在不同的晶片上或同一晶片的不同部分上。激光器阵列8460和8462可以从晶片上切割下来，然后彼此相邻地组装以形成单个1D激光器阵列8450。激光器阵列8460和8462可以通过合适的制造或组装过程(例如结合)来组装，以精确对准激光器阵列8460和8462。
激光光源也可以各种配置布置在1D阵列内。在一些实施例中，单片激光器阵列中有源区与无源区的比率可以是1:1。例如，在一些实施例中，1D激光器阵列可以配置成以有源激光通道与该激光通道之间的无源填隙式空间的1:1比率工作。这可以通过多种方式来实现。例如，16个激光通道可以排列成1D阵列8500，使得每对相邻的激光源可被与每个激光源大小相等的填隙式无源空间分隔开。结果，如图75A所示，1D阵列可以包括与阵列中的一个填隙式无源空间8520相邻的一个激光源8510的交替和重复序列。如图75A所示，激光源8510和填隙式无源区8512可以具有类似的尺寸(例如约0.01mm×0.1mm，或者0.001mm×0.1mm)。在发射激光束之后，每个光束可被一个或多个准直器准直。一旦光束被准直，其在远场中的光斑尺寸可以表示为角度尺寸。因此，例如，如图87A所示，从图75A的激光器阵列8500发射的光束在被准直后可以具有0.1°的角宽度，并且相邻准直光束之间的间距可以是0.2°。成角度的束斑尺寸的非限制性示例是例如0.07度×0.11度、0.1×0.05度或0.1×0.1度或0.1×0.2度或0.1×0.4度。尽管激光器阵列8500包括16个这样的单元，但也可以使用其他1:1比率阵列配置。例如，如图85B所示，八个有源激光通道8520可以由八个相似或不同尺寸的无源空间8522交错。如图85B所示，激光源8520和填隙式无源区8522的尺寸可以相似(例如0.01mm×0.2mm)。作为另一示例，如图85C所示，四个有源激光通道8530可以由四个相似或不同尺寸的无源空间8532交错。如图85C所示，激光源8530和填隙式无源区8532的尺寸可以相似(例如0.01mm×0.4mm)。在每种情况下，可以选择激光源的功率来提供期望的总功率。在一示例中，十六通道阵列可以包括十六个30W激光源，八通道阵列可以包括八个60W激光源，四个激光源阵列可以包括四个120W激光源，全部产生480W的总最大功率。发射器可以具有任何合适的功率水平(例如在20W到200W之间)。
激光光源也可以各种配置布置在1D阵列内。在一些实施例中，单片激光器阵列中有源区与无源区的比率可以是1:1。例如，在一些实施例中，1D激光器阵列可以配置成以有源激光通道与激光通道之间的无源填隙式空间的1:1比率工作。这可以通过多种方式来实现。例如，16个激光通道可以排列成1D阵列，使得每对相邻的激光源可以被与每个激光源大小相等的填隙式无源空间分隔开。结果，1D阵列可以包括与阵列中的一个填隙式无源空间8520相邻的一个激光源的交替和重复序列。如图75A所示，激光源8510和填隙式无源区8512可以具有类似的尺寸(例如约0.01mm×0.1mm，或者0.001mm×0.1mm)。在发射激光束之后，每个光束可以被一个或多个准直器1112准直。一旦光束被准直，其在远场中的光斑尺寸可以表示为角度尺寸。因此，例如，如图75A所示，从图75A的激光器阵列8500发射的光束在被准直后可以具有0.1°的角宽度，并且相邻准直光束之间的间距可以是0.2°。角度光斑尺寸的非限制性示例是例如0.07度×0.11度、0.1×0.05度或0.1×0.1度或0.1×0.2度或0.1×0.4度。尽管激光器阵列8500包括16个这样的单元，但也可以使用其他1:1比率阵列配置。例如，如图75B所示，八个有源激光通道8520可以由八个相似或不同尺寸的无源空间8522交错。如图75B所示，激光源8520和填隙式无源区8522的尺寸可以相似(例如0.01mm×0.2mm)。作为另一示例，如图75C所示，四个有源激光通道8530可以由四个相似或不同尺寸的无源空间8532交错。如图75C所示，激光源8530和填隙式无源区8532的尺寸可以相似(例如0.01mm×0.4mm)。在每种情况下，可以选择激光源的功率来提供期望的总功率。在一示例中，十六通道阵列可以包括十六个30W激光源，八通道阵列可以包括八个60W激光源，四个激光源阵列可以包括四个120W激光源，全部产生480W的总最大功率。发射器可以具有任何合适的功率水平(例如在20W到200W之间)。
在一些实施例中，单片激光器阵列中的有源区宽度与无源区宽度的比率可以是1:2。除了1:1阵列之外，如图75A-75C所示，也可以使用1:2比率阵列。例如，如图75D-75F所示，上述每个示例阵列可以包括两倍于每个激光源宽度的填隙式无源空间。因此，在16通道、8通道和4通道阵列示例的每个中，每对激光源可以由宽度为其中一个激光源的两倍的无源空间分隔开。因此，例如，如图75D所示，每个激光源8540可以具有0.05mm的宽度，而每个无源空间8542可以具有约0.1mm的宽度(例如110微米)。作为另一示例，如图75E所示，每个激光源8550可以具有0.1mm的宽度，而每个无源空间8552可以具有约0.2mm的宽度。同样，如图75F所示，每个激光源8560可以具有0.2mm的宽度，而每个无源空间8562可以具有约0.4mm的宽度。也可以考虑激光源和无源空间的其他比率。在一些实施例中，单片激光器阵列中有源区与无源区的比率可以是1:3。在一些实施例中，单片激光器阵列中有源区与无源区的比率可以是1:5。在一些实施例中，单片激光器阵列中有源区与无源区的比率可以在1:1至1:10的范围内。图75G示出了有源区与无源区的比率为1:5的示例。在该示例中，每个有源激光源被宽度等于一个激光源的宽度的五倍的无源空间分隔开。例如，如图75G所示，每个激光源8570可以具有约0.1mm的宽度，而每个无源空间8572可以具有约0.5mm的宽度。
在一些实施例中，单片激光器阵列的总长度(L1)可以在0.5mm至20mm之间。在另一示例性实施例中，单片激光器阵列8400的总长度可以在1mm至6mm的范围内，尽管也可以考虑其他长度。
在一些实施例中，多个激光束中的每个产生具有在0.002度和0.2度之间的角宽度和在0.02度和0.2度之间的角长度的细长光斑。例如，当从激光器阵列发射的激光束入射到视场中的对象上时，光束可以在对象上产生激光光斑。发射光束(点)的形状可以是对称的，或者在一个轴线上是细长的。在某些情况下，延长可以提高眼睛的安全性。图75H示出了由从例如激光器阵列8500发射的激光束产生的光斑的示例性放大图像。如图75H所示，光斑可以具有0.04度和0.08度之间的角宽度以及0.09度和0.15度之间的角长度。为了进一步促进眼睛安全，可以选择激光器阵列(例如950，1000)中有源与无源间距的比率，以保持有源激光束之间的最小角间距。例如，最小间距可以由政府或安全标准组织确定。在一些情况下，光束之间的最小角间距可以是5mrad，或者约0.29度。
单片检测器8600上可以存在任意数量的有源和无源区。例如，对于图76A-76C中的检测器阵列8610，N的范围可以从1到任何期望的数。因此，例如，N可以是4、8、16、32、64等。在一些实施例中，检测器可以包括4个光敏有源区(例如N＝4)。在一些实施例中，检测器可以包括8个光敏有源区(例如N＝8)。在一些实施例中，检测器可以包括16个光敏有源区(例如N＝16)。在一些实施例中，检测器可以包括32个光敏有源区(例如N＝32)。
在一些实施例中，多个激光束中的两个或更多个可以具有彼此不同的发散度。尽管每个激光束(例如8342等)已被示出为单线，一旦从激光照射系统102出现，每个激光束预期发散。因此，每个激光束可以由随着朝向视场的距离增加而彼此发散的多条光线来表示。还可以设想，不同激光束的发散量或发散角可以相等或不相等。在一些实施例中，每个反射光束可以产生入射到两个或更多个光敏有源区上的束斑。代表每个激光束的多条光线可以从视场反射。多条反射光线可以在检测器(例如8600)上形成光斑。可以设想，在一些实施例中，反射激光束光线的光斑可以仅入射到例如检测器8630的一个有源区8610上，或者入射到检测器1130的一个以上的有源区上。图76A示出了可以入射到检测器1130的一个以上的有源区8610(例如n2，n3)上的示例性光斑8650。通过确保光斑8650入射到一个以上的有源区8610上，可以确保一个以上的有源区产生对应于反射激光束的检测对象的信号。对应于被检测对象上的区域的分离信号能够提高该区域的分辨率，即每个有源区是被检测对象上的区域内的子区域的不同像素。
在一些实施例中，激光雷达系统可以包括至少一个处理器，其配置成控制公共扫描单元的一个或多个部件的定向，以使得利用多个激光束沿着一系列扫描线扫描激光雷达系统的视场。例如，如本公开中别处讨论，扫描单元8360可以由处理器(例如118)单独控制，使得扫描单元8360可以沿着一个或两个单独轴线中的每个朝向特定的角度旋转。通过控制扫描单元8360，处理器118能够将一束或多束激光束导向视场的不同部分，从而允许激光雷达系统100使用一束或多束激光束扫描视场，如上所述。
在一些实施例中，激光雷达系统的视场可以具有6度和90度之间的竖直角度尺寸，并且激光雷达系统的视场可以具有20度和140度之间的水平角度尺寸。如上所述，扫描单元8360可以围绕扫描轴线和/或倾斜轴线旋转，以在期望的视场上投射激光。可以检测来自视场的反射激光束，以检测视场中一个或多个对象的存在。视场的范围可以取决于许多因素，包括扫描单元8360围绕它们各自的扫描和倾斜轴线的最大旋转跨度、激光束的发散角以及从扫描单元8360投射的多个激光束之间的角度。可以设想，在一些示例性实施例中，视场可以在范围在20度和140度之间的水平(方位角)角度和范围在6度和90度之间的倾斜或竖直(仰角)角度上延伸。应当理解，FOV的范围是根据世界坐标来描述的。例如，扫描单元8360可以包括能够提供140度×44度FOV的20×20mm双轴旋转镜子。
鉴于以上所述，在示例实施例中，本发明可以由以下编号的实施例来定义：
1.一种激光雷达系统，包括：
激光发射单元，其配置为产生多个激光束；
光学系统，其配置为将来自激光发射单元的多个激光束同时传输到公共扫描单元，该公共扫描单元配置为将多个激光束朝向激光雷达系统的视场偏转，从而沿着横穿视场的多个扫描线扫描视场，并生成指示视场中的对象的反射光束；以及
检测器，其配置为检测反射光束并响应于反射光束产生电信号，其中公共扫描单元包括扫描组件的任何公开的示例实施例，例如本文公开的和上文关于图6至图72讨论的那些。
2.根据第1实施例所述的激光雷达系统，其中，激光发射单元包括包含多个激光发射器的单个单片激光阵列，并且其中，检测器包括对应于多个激光发射器的光敏有源区的单个单片阵列。
3.根据第2实施例所述的激光雷达系统，其中：单个单片激光器阵列包括多个激光无源区以及对应于多个激光发射器的多个激光有源区，其中多个激光发射器通过多个激光无源区中的一个或多个彼此隔开，并且其中光敏有源区通过一个或多个检测器无源区彼此分开。
4.根据第3实施例所述的激光雷达系统，其中单个单片激光器阵列包括4至32个激光发射器，并且其中检测器包括4至32个光敏有源区。
5.根据第3实施例所述的激光雷达系统，其中激光器有源区的角宽度与激光器无源区的角宽度的比率从1:1到1:10，并且检测器中的光敏有源区的角宽度与检测器无源区的角宽度的比率在1:1和1:10之间。
6.根据第1至5实施例中任一个所述的激光雷达系统，其中激光雷达系统的视场具有从60度到140度的水平角度尺寸。
7.根据第1至6实施例中任一个所述的激光雷达系统，其中多个激光束中的每个产生具有从0.002度至0.2度的角宽度和从0.02度至0.2度的角长度的细长光斑。
8.根据第1至7实施例中任一个所述的激光雷达系统，其中多个激光束至少包括具有第一发散度的第一激光束和具有不同于第一发散度的第二发散度的第二激光束。
9.根据第1至8实施例中任一个所述的激光雷达系统，其中激光雷达系统还包括至少一个处理器，其配置为使得公共扫描单元利用多个激光束沿着一系列扫描线扫描激光雷达系统的视场。
本领域技术人员将理解，上文部分V中描述的任何实施例可以与上文部分I、II、III和IV中描述的任何实施例相结合。
虽然本文根据某些优选实施例描述了所公开的主题，但本领域技术人员将认识到，在不脱离其范围的情况下，可以对所公开的主题进行各种修改和改进。此外，尽管所公开主题的一个实施例的各个特征可能在此讨论或在一个实施例的附图中示出，而在其他实施例中没有示出，但是很明显，一个实施例的各个特征可以与另一个实施例的一个或多个特征或来自多个实施例的特征相结合。
除了下面要求保护的特定实施例之外，所公开的主题还涉及具有下面要求保护的从属特征和上面公开的那些特征的任何其他可能组合的其他实施例。同样地，在从属权利要求中呈现的和以上公开的特定特征可以在所公开的主题的范围内以其他方式彼此组合，使得所公开的主题应被认为也特别针对具有任何其他可能组合的其他实施例。因此，出于说明和描述的目的，已经呈现了所公开主题的特定实施例的前述描述。它并不旨在穷举或将所公开的主题限于所公开的那些实施例。
对于本领域技术人员来说，在不脱离所公开主题的精神或范围的情况下，可以对所公开主题的方法和系统进行各种修改和变化是显而易见的。因此，意图是所公开的主题包括在所附权利要求及其等同物的范围内的修改和变化。
Claims (136)
1.一种双轴组件，包括：
有效载荷；
第一音圈致动器，联接到光偏转器并适于围绕第一轴线旋转有效载荷；以及
第二音圈致动器，联接到第一音圈致动器，并且适于围绕垂直于第一轴线的第二轴线旋转第一音圈致动器和有效载荷。
2.根据权利要求1所述的组件，还包括谐振振荡器，所述谐振振荡器配置为以谐振频率围绕所述第二轴线振荡所述第一音圈致动器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述谐振振荡器包括：
定子；
转子，配置成相对于所述定子以一个自由度移动，其中所述转子的运动是旋转的；
至少一个转子磁体，安装在所述转子上，其中所述至少一个转子磁体配置成与所述转子一起在第一端点和第二端点之间移动；
至少第一定子磁体和第二定子磁体，第一定子磁体安装在第一端点处；并且
第二定子磁体安装在第二端点处，至少第一定子磁体和第二定子磁体中的每个配置为排斥至少一个转子磁体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述谐振振荡器还包括安装在所述转子上的至少第二转子磁体，其中第二转子磁体配置为与转子一起在第三端点和第四端点之间移动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述谐振振荡器还包括安装在所述第三端点处的至少第三定子磁体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，每个转子磁体是永磁体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，每个转子磁体是电磁体。
8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，每个定子磁体是永磁体。
9.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，每个定子磁体是电磁体。
10.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述转子通过一个或多个挠曲件可旋转地联接至所述定子。
11.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述定子包括壳体，其中，所述至少第一定子磁体和第二定子磁体固定至壳体。
12.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述第一音圈致动器包括第一轭部；并且
其中，所述第二音圈致动器包括第二轭部，其中，所述第二轭部联接到所述壳体。
13.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述谐振振荡器是游丝振荡器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的组件，还包括轴，所述轴沿着所述第二轴线从第一终端延伸至第二终端，其中，所述第一音圈致动器和第二音圈致动器均联接至所述轴，其中第二音圈致动器配置为围绕第二轴线旋转所述轴。
15.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述第一音圈致动器联接至所述第一终端。
16.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述谐振振荡器联接至所述第二终端。
17.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述转子联接至所述第一轭部。
18.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述第一音圈致动器还包括设置在第一臂上的第一音圈，其中，所述有效载荷联接到第一臂，并且第一臂配置为围绕所述第一轴线移动有效载荷；
其中，所述第二音圈致动器还包括设置在第二臂上的第二音圈，其中第二臂联接到所述第一轭部并且配置为使第一音圈致动器围绕所述第二轴线振荡。
19.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述第二轴线是倾斜的。
20.一种系统，包括：
根据权利要求1至19中任一项所述的组件；以及
光源，其配置为朝向有效载荷发射光束。
21.根据权利要求20所述的系统，还包括控制器，其配置为接收反馈信号并且向第二音圈致动器提供控制信号，从而控制有效载荷的角速度。
22.根据权利要求20至21中任一项所述的系统，还包括反馈传感器，其中，所述反馈信号是从反馈传感器接收的。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的系统，其中，所述反馈传感器选自：光学编码器、磁性编码器和电容编码器。
24.一种双轴组件，包括：
有效载荷；
第一致动器，联接到有效载荷并适于围绕第一轴线旋转有效载荷，其中第一致动器是音圈致动器；
谐振振荡器，包括：
定子，包括壳体；
转子，配置成相对于所述定子以一个自由度移动，其中所述转子的运动是旋转的；
至少一个转子磁体，安装在转子上，其中所述至少一个转子磁体配置成与转子一起在第一端点和第二端点之间移动；以及
至少第一定子磁体和第二定子磁体，第一定子磁体安装在第一端点处，其中至少第一定子磁体和第二定子磁体固定至壳体；
其中，第二定子磁体安装在第二端点处，并且至少第一定子磁体和第二定子磁体中的每个配置为排斥至少一个转子磁体；和
第二致动器，适于围绕垂直于第一轴线的第二轴线旋转第一致动器和有效载荷，第二致动器包括至少一个磁体，所述至少一个磁体定位在壳体内并且在由所述至少一个转子磁体中的每个行进的路径的外部，其中所述至少一个磁体电磁联接到所述至少一个转子磁体，并且配置成产生导致转子旋转的磁场。
25.根据权利要求24所述的组件，其中，所述谐振振荡器还包括安装在所述转子上的至少第二转子磁体，其中第二转子磁体配置为与转子一起在第三端点和第四端点之间移动。
26.根据权利要求24至25中任一项所述的组件，其中，所述谐振振荡器还包括安装在所述第三端点处的至少第三定子磁体。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的组件，其中，每个转子磁体是永磁体。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的组件，其中，每个转子磁体是电磁体。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的组件，其中，每个定子磁体是永磁体。
30.根据权利要求24至29中任一项所述的组件，其中，每个定子磁体是电磁体。
31.根据权利要求24至30中任一项所述的组件，其中，所述转子通过一个或多个挠曲件可旋转地联接至所述定子。
32.根据权利要求24至31中任一项所述的组件，还包括至少一个H桥电路，所述H桥电路配置为提供电压信号以激励至少一个增强器磁体。
33.根据权利要求24至32中任一项所述的组件，其中，所述第一致动器包括轭部，其中，所述转子联接至轭部。
34.根据权利要求24至33中任一项所述的组件，其中，所述第二轴线是倾斜的。
35.一种系统，包括：
根据权利要求24至34中任一项所述的组件；以及
光源，其配置为朝向有效载荷发射光束。
36.根据权利要求35所述的系统，还包括控制器，其配置为接收反馈信号并且向第二致动器提供控制信号，从而控制有效载荷的角速度。
37.根据权利要求35至36中任一项所述的系统，还包括反馈传感器，其中，所述反馈信号是从反馈传感器接收的。
38.根据权利要求35至37中任一项所述的系统，其中，所述反馈传感器选自：光学编码器、磁性编码器和电容编码器。
39.一种扫描视场的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求35至38中任一项所述的系统，其中第二音圈致动器具有谐振频率，并且配置为以谐振频率振荡有效载荷；
激励光源，从而使来自光源的光偏离有效载荷；以及
激励第二音圈致动器，从而使有效载荷以谐振频率围绕第二轴线振荡。
40.根据权利要求39所述的方法，还包括激励第一音圈致动器，从而调节有效载荷绕第一轴线的角度。
41.根据权利要求39至40中任一项所述的方法，其中，所述系统还包括控制器，其中，所述方法还包括在控制器处接收反馈信号；并且
向第二音圈致动器提供控制信号，从而控制有效载荷的速度。
42.根据权利要求39至41中任一项所述的方法，其中，从第二音圈致动器接收所述反馈信号。
43.根据权利要求39至42中任一项所述的方法，其中，所述系统还包括编码器，其中所述反馈信号是从所述编码器接收的。
44.根据权利要求39至43中任一项所述的方法，还包括确定第二音圈致动器是否以谐振频率振荡有效载荷；
当有效载荷不以谐振频率振荡时，向第二音圈致动器提供控制信号，从而降低或增加有效载荷的速度，使得有效载荷以谐振频率振荡。
45.一种扫描视场的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求35至38中任一项所述的系统，其中第二致动器具有谐振频率，并且配置为以谐振频率振荡有效载荷；
激励光源，从而使来自光源的光偏离有效载荷；以及
激励第二致动器，从而使有效载荷以谐振频率围绕第二轴线振荡。
46.根据权利要求39至45中任一项所述的方法，还包括激励第一致动器，从而调节有效载荷围绕第一轴线的角度。
47.根据权利要求39至46中任一项所述的方法，其中，所述系统还包括控制器，其中，所述方法还包括在控制器处接收反馈信号；并且
向第二致动器提供控制信号，从而控制有效载荷的速度。
48.根据权利要求39至47中任一项所述的方法，其中，所述反馈信号是从第二致动器接收的。
49.根据权利要求39至48中任一项所述的方法，其中，所述系统还包括编码器，其中所述反馈信号是从所述编码器接收的。
50.根据权利要求39至49中任一项所述的方法，还包括确定第二致动器是否以谐振频率振荡有效载荷；
当有效载荷不以谐振频率振荡时，向第二致动器提供控制信号，从而降低或增加有效载荷的速度，使得有效载荷以谐振频率振荡。
51.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，第二音圈致动器还包括从第一端点延伸至第四端点的至少一个挠曲件。
52.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，第二致动器的至少一个磁体是永磁体。
53.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，第二致动器还包括增强器磁体，所述增强器磁体设置在壳体中且位于至少一个磁体径向向外的位置。
54.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，增强器磁体是电磁体。
55.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，增强器磁体包括空气芯。
56.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述转子通过一个或多个轴承可旋转地联接至第一轭部。
57.一种振荡系统的轭部组件，所述轭部组件包括：
轭部结构，所述轭部结构包括：
第一侧壁；
第二侧壁，所述第二侧壁与第一侧壁间隔开，以在二者间限定间隙；
在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的至少一个构件；
从第一侧壁横向延伸的第一凸缘；
从第二侧壁横向延伸的第二凸缘；
其中，轭部结构是具有第一侧壁和第二侧壁、顶部和底部以及整体连接的第一凸缘和第二凸缘的整体结构。
58.根据权利要求57所述的轭部组件，还包括设置在所述第一侧壁和第二侧壁之间的间隙内的至少一个磁体。
59.根据权利要求57至58中任一项所述的轭部组件，其中，所述至少一个磁体包括抵靠所述第一侧壁设置的第一磁体和抵靠所述第二侧壁设置的第二磁体，所述间隙的一部分保留在第一磁体和第二磁体之间。
60.根据权利要求57至59中任一项所述的轭部组件，还包括音圈，其至少部分地设置在所述第一磁体和第二磁体之间的间隙内。
61.根据权利要求57至60中任一项所述的轭部组件，其中，所述第一凸缘设置在所述第一侧壁的中点处。
62.根据权利要求57至61中任一项所述的轭部组件，其中，所述第二凸缘与所述第一凸缘水平对准。
63.根据权利要求57至62中任一项所述的轭部组件，还包括配置成容纳镜子的支架，所述支架联接到所述第一凸缘和第二凸缘中的至少一个。
64.根据权利要求57至63中任一项所述的轭部组件，其中，所述支架通过至少一个挠曲件联接到所述第一凸缘和第二凸缘。
65.根据权利要求57至64中任一项所述的轭部组件，其中，所述支架通过至少一个挠曲件联接到所述第一凸缘和第二凸缘，所述至少一个挠曲件在多个位置联接到第一凸缘。
66.根据权利要求57至65中任一项所述的轭部组件，其中，第一联接位置横向定向，第二联接位置竖直定向，第一联接位置和第二联接位置彼此间隔开。
67.根据权利要求57至66中任一项所述的轭部组件，其中，在所述第一侧壁和第二侧壁之间延伸的至少一个构件包括在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的顶部和在第一侧壁和第二侧壁之间延伸的底部。
68.根据权利要求57至67中任一项所述的轭部组件，其中，所述第一凸缘或第二凸缘中的至少一个是挠曲轴承定子。
69.根据权利要求57至68中任一项所述的轭部组件，其中，所述音圈联接至所述支架。
70.一种振荡组件，包括：
定子；
转子，配置成相对于所述定子以一个自由度移动；
至少一个转子磁体，安装在转子上，其中至少一个转子磁体配置成与转子一起在第一端点和第二端点之间移动；
至少第一定子磁体和第二定子磁体，第一定子磁体安装在第一端点处；并且
第二定子磁体安装在第二端点处，至少第一定子磁体和第二定子磁体中的每个配置为排斥至少一个转子磁体。
71.根据权利要求70所述的组件，其中，所述转子的运动是旋转的。
72.根据权利要求70至71中任一项所述的组件，其中，所述转子的运动是线性的。
73.根据权利要求70至72中任一项所述的组件，所述组件还包括安装在所述转子上的至少第二转子磁体，其中第二转子磁体配置成与转子一起在第三端点和第四端点之间移动。
74.根据权利要求70至73中任一项所述的组件，还包括安装在第三端点处的至少第三定子磁体。
75.根据权利要求70至74中任一项所述的组件，其中：
所述第一定子磁体具有包括面积的第一表面；
所述至少一个转子磁体具有包括面积的第一表面，所述第一表面对应于第一定子磁体的第一表面；
所述第二定子磁体具有包括面积的第二表面；并且
所述至少一个转子磁体具有包括面积的第二表面，所述第二表面对应于第二定子磁体的第二表面，
并且进一步其中：
第一定子磁体的第一表面配置成排斥至少一个转子磁体的第一表面；
第二定子磁体的第二表面配置成排斥至少一个转子磁体的第二表面；并且
第一定子磁体的第一表面的面积大于至少一个转子磁体的第一表面的面积，并且第二定子磁体的第二表面的面积大于至少一个转子磁体的第二表面。
76.根据权利要求70至75中任一项所述的组件，其中：
所述第一定子磁体包括具有交替磁极的两个或更多个堆叠磁体；
所述第二定子磁体包括具有交替磁极的两个或更多个堆叠磁体；并且
每个转子磁体包括具有交替磁极的两个或更多个堆叠磁体，其中转子磁体的磁极被定向成排斥定子磁体的磁极。
77.根据权利要求70至75中任一项所述的组件，其中，所述第一定子磁体和第二定子磁体中的至少一个包括至少一个端部磁体。
78.根据权利要求70至76中任一项所述的组件，其中，所述第一定子磁体和第二定子磁体中的每个包括两个端部磁体，并且所述两个或更多个堆叠磁体设置在所述两个端部磁体之间。
79.根据权利要求70至78中任一项所述的组件，其中，所述第一定子磁体、第二定子磁体和每个转子磁体中的任何一个或多个的至少两个相邻堆叠磁体由间隙隔开。
80.根据权利要求70至79中任一项所述的组件，其中，每个转子磁体是永磁体。
81.根据权利要求70至80中任一项所述的组件，每个转子磁体是电磁体。
82.根据权利要求70至81中任一项所述的组件，其中，每个定子磁体是永磁体。
83.根据权利要求70至82中任一项所述的组件，其中，每个定子磁体是电磁体。
84.根据权利要求70至83中任一项所述的组件，还包括将所述转子联接到所述定子的一个或多个柔性连接器。
85.根据权利要求70至84中任一项所述的组件，其中，所述第一定子磁体和第二定子磁体中的每个固定至配置成传导磁通量的轭部。
86.一种系统，包括：
根据权利要求70至85中任一项所述的组件；以及
致动器，配置成移动转子，其中转子配置成联接到有效载荷。
87.根据权利要求86所述的系统，其中，所述致动器是电动马达。
88.根据权利要求86至87中任一项所述的系统，其中，所述定子包括壳体，其中，所述至少第一定子磁体和第二定子磁体固定至所述壳体。
89.根据权利要求86至88中任一项所述的系统，其中，所述致动器包括至少一个增强器电磁体，所述至少一个所述增强器电磁体位于所述壳体内并且在所述至少一个转子磁体中的每个所行进的路径的外部，其中所述至少一个增强器电磁体电磁联接到至少一个转子磁体，并且配置成在通电时产生使所述转子移动的磁场。
90.根据权利要求86至89中任一项所述的系统，其中，所述致动器机械联接至所述转子。
91.根据权利要求86至90中任一项所述的系统，其中，所述致动器设置在所述壳体的外部。
92.根据权利要求86至91中任一项所述的系统，其中，所述致动器是音圈马达。
93.根据权利要求86至92中任一项所述的系统，其中，所述致动器通过轴联接至所述转子。
94.根据权利要求86至93中任一项所述的系统，其中，所述致动器配置为在所述第一端点和所述第二端点之间移动所述有效载荷。
95.根据权利要求86至94中任一项所述的系统，还包括控制器，所述控制器配置成接收反馈信号并向所述致动器提供控制信号，从而控制所述转子的速度。
96.根据权利要求86至95中任一项所述的系统，其中，所述反馈信号是从所述致动器接收的。
97.根据权利要求86至96中任一项所述的系统，还包括反馈传感器，其中，所述反馈信号是从反馈传感器接收的。
98.根据权利要求86至97中任一项所述的系统，其中，所述反馈传感器是编码器。
99.根据权利要求86至98中任一项所述的系统，其中，所述编码器是光学编码器。
100.根据权利要求86至99中任一项所述的系统，其中，所述编码器是磁性编码器。
101.根据权利要求86至100中任一项所述的系统，其中，所述编码器是电容编码器。
102.根据权利要求86至101中任一项所述的系统，还包括所述有效载荷，其中有效载荷包括镜子。
103.一种以谐振频率振荡转子的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求86至102中任一项所述的系统，其中组件是具有谐振频率的振荡器，并且其中致动器配置成以谐振频率驱动转子的运动；以及
激励致动器，从而使至少一个转子磁体以谐振频率在第一端点和第二端点之间振荡。
104.根据权利要求103所述的方法，其中，所述系统还包括控制器，其中，所述方法还包括在控制器处接收反馈信号；并且向致动器提供控制信号，从而控制转子的速度。
105.根据权利要求103至104中任一项所述的方法，其中，所述反馈信号是从所述致动器接收的。
106.根据权利要求103至105中任一项所述的方法，其中，所述系统还包括编码器，其中，所述反馈信号是从编码器接收的。
107.根据权利要求103至106中任一项所述的方法，还包括确定转子是否以谐振频率振荡；
当转子不以谐振频率振荡时，向致动器提供控制信号，从而降低或增加转子的速度，使得转子以谐振频率振荡。
108.根据权利要求70至85中任一项所述的组件，其中，增强器磁体包括空气芯。
109.根据权利要求70至85中任一项所述的组件，其中，所述转子通过一个或多个轴承可旋转地联接至轭部。
110.一种扫描系统，包括：
光源，配置为产生至少一个光束；
至少一个偏转器；
第一致动器，所述第一致动器配置为围绕第一扫描轴线旋转至少一个偏转器，和第二致动器，所述第二致动器配置为围绕第二扫描轴线旋转至少一个偏转器，至少一个偏转器配置为将至少一个光束偏转到视场；以及
至少一个处理器，配置为控制光源、第一致动器和第二致动器，以使至少一个偏转器扫描视场，其中在扫描视场的至少一部分期间，至少一个处理器使第一致动器和第二致动器根据补偿扫描模式围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线同时旋转至少一个偏转器，其中补偿扫描模式至少部分补偿与至少一个光束到至少一个偏转器上的变化入射角相关的一个或多个畸变。
111.根据权利要求110所述的系统，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器配置为检测从位于所述视场中的对象反射的至少一个光束，
并且其中，所述至少一个处理器配置成：
从至少一个传感器接收指示从对象反射的至少一个光束的反射信号；以及
基于反射信号，生成在视场的至少一部分内的系统的环境的点云表示。
112.根据权利要求111所述的系统，其中，所述点云表示包括与从所述对象反射的至少一个光束相关的多个点，其中多个点中的每个与范围值相关。
113.根据权利要求1至112中任一项所述的系统，其中，所述补偿扫描模式包括围绕第一扫描轴线的可变角跨度，并且其中围绕第一扫描轴线的可变角跨度随着至少一个光束相对于至少一个偏转器的入射角的增加而增加。
114.根据权利要求113所述的系统，其中，围绕第一扫描轴线的可变角跨度随着至少一个光束相对于至少一个偏转器的入射角的增加而非线性增加。
115.根据权利要求1至114中任一项所述的系统，其中，所述补偿扫描模式包括相对于第一扫描轴线的可变补偿间距，并且其中，所述可变补偿间距随着至少一个光束相对于至少一个偏转器的入射角的增加而减小。
116.根据权利要求1-115中任一项所述的系统，其中，所述第一扫描轴线和第二扫描轴线彼此垂直。
117.根据权利要求1-116中任一项所述的系统，其中，所述至少一个偏转器围绕第一扫描轴线的旋转角速率大于至少一个偏转器围绕第二扫描轴线的旋转角速率，其中至少一个偏转器围绕第一扫描轴线的旋转使光束沿视场中的第一扫描线偏转，并且至少一个偏转器围绕第二扫描轴线的旋转提供第一扫描线之间的角分离。
118.根据权利要求1-117中任一项所述的系统，其中，所述光源包括配置为生成多个光束的多个光源。
119.根据权利要求1-118中任一项所述的系统，其中，所述光源包括配置为生成多个光束的线性阵列光源。
120.根据权利要求118或119所述的系统，其中，所述至少一个偏转器配置为将每个光束偏转到视场的相应部分。
121.根据权利要求110-120中任一项所述的系统，其中，所述至少一个偏转器包括反射表面。
122.根据权利要求110-120中任一项所述的系统，其中，所述至少一个偏转器包括衍射元件。
123.根据权利要求118或119所述的系统，其中，所述多个光束占据由至少两个发散边界光束界定的角包络，并且其中至少两个边界光束之间的角度为15度或更小。
124.根据权利要求123所述的系统，其中，所述至少两个边界光束之间的角度为5度或更小。
125.根据权利要求1-124中任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器配置为使第一致动器将至少一个偏转器围绕第一扫描轴线旋转任意角度。
126.根据权利要求1-125中任一项所述的系统，其中，所述第二致动器配置为围绕第二扫描轴线谐振地旋转至少一个偏转器。
127.一种扫描视场的方法，包括：
产生至少一个光束；
将至少一个光束导向至少一个偏转器，所述至少一个偏转器配置成围绕第一扫描轴线旋转和围绕第二扫描轴线旋转，并将至少一个光束朝向视场偏转；
使配置为控制光源的至少一个处理器、第一致动器和第二致动器旋转至少一个偏转器以扫描视场，其中在扫描视场的至少一部分期间，第一致动器和第二致动器根据补偿扫描模式围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线同时旋转至少一个偏转器，其中补偿扫描模式至少部分补偿与至少一个光束到至少一个偏转器上的变化入射角相关的一个或多个光学畸变。
128.一种激光雷达系统，包括：
激光发射单元，配置为产生多个激光束；
光学系统，配置为将来自激光发射单元的多个激光束同时传输到公共扫描单元，所述公共扫描单元配置为将多个激光束朝向激光雷达系统的视场偏转，从而沿着横穿视场的多个扫描线扫描视场，并产生指示视场中的对象的反射光束；以及
检测器，配置为检测反射光束并响应于反射光束产生电信号，其中公共扫描单元包括如权利要求1-38、51-56、70-102和110-126中任一项所限定的组件。
129.根据权利要求128所述的激光雷达系统，其中，所述激光发射单元包括包含多个激光发射器的单个单片激光阵列，并且其中，所述检测器包括对应于多个激光发射器的单个单片阵列光敏有源区。
130.根据权利要求129所述的激光雷达系统，其中，所述单个单片激光器阵列包括对应于所述多个激光发射器的多个激光有源区，以及多个激光无源区，其中所述多个激光发射器被多个激光无源区中的一个或多个相互间隔开，并且其中，所述光敏有源区被一个或多个检测器无源区相互隔开。
131.根据权利要求130所述的激光雷达系统，其中，所述单个单片激光器阵列包括4至32个激光发射器，并且其中，所述检测器包括4至32个光敏有源区。
132.根据权利要求130所述的激光雷达系统，其中，所述激光有源区的角宽度与所述激光无源区的角宽度之比为1:1至1:10，并且所述光敏有源区的角宽度与所述检测器中的检测器无源区的角宽度之比在1:1和1:10之间。
133.根据权利要求128-132中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统的视场具有从60度到140度的水平角度尺寸。
134.根据权利要求128-133中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述多个激光束中的每个产生具有从0.002度到0.2度的角宽度和从0.02度到0.2度的角长度的细长光斑。
135.根据权利要求128-134中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述多个激光束至少包括具有第一发散度的第一激光束和具有不同于第一发散度的第二发散度的第二激光束。
136.根据权利要求128-135中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统还包括至少一个处理器，所述至少一个处理器配置成使所述公共扫描单元利用所述多个激光束沿着一系列扫描线扫描激光雷达系统的视场。
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|---|---|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117890885A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-16 | 之江实验室 | 一种激光雷达扫描机构及其扫描方法 |
| CN117890885B (zh) * | 2024-03-15 | 2024-06-04 | 之江实验室 | 一种激光雷达扫描机构及其扫描方法 |
-
2022
- 2022-04-11 CN CN202280027736.0A patent/CN117295968A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117890885A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-16 | 之江实验室 | 一种激光雷达扫描机构及其扫描方法 |
| CN117890885B (zh) * | 2024-03-15 | 2024-06-04 | 之江实验室 | 一种激光雷达扫描机构及其扫描方法 |
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