CN117501148A - 具有非均匀光学扩展和脉冲能量变化的扫描激光装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本文描述的实施例提供了可以改善扫描激光装置(100)中的性能的系统和方法。具体地，该系统和方法利用与激光脉冲的能量级别的变化耦合的光学扩展中的非均匀变化，以在扫描区域上提供改进的有效范围。通常，改进的有效范围在扫描场(114)上变化，在扫描场的一些区域中具有相对长的有效范围并且在扫描场的其他区域中具有相对短的有效范围。通过扩展光学元件(108)以及通过光源控制器来促进扫描场上的这个变化范围，该扩展光学元件(108)相对于沿着扫描场中的第一轴的位置提供用于激光脉冲的光学扩展中的非均匀变化，该光源控制器根据沿着扫描场的第一轴的位置改变激光脉冲的能量级别。

Description

具有非均匀光学扩展和脉冲能量变化的扫描激光装置和方法
背景技术
扫描激光装置已被开发和实施用于多种应用，包括对象检测。例如，已经开发了光检测和测距(LiDAR)系统以生成表面的3D图，其中3D图描述了表面上的深度变化。这种对象检测和深度映射已经用于各种应用，包括对象和运动感测、导航和控制。例如，这种LiDAR设备正用于自主车辆的导航和控制，包括用于运输和制造的自主设备。
一些LiDAR系统中的一个问题是需要平衡有效范围与功耗。例如，一些LiDAR系统需要相对长的有效范围，但是还需要降低整体功耗。此外，在一些LiDAR系统中，需要再次在不同区域上的不同有效范围，同时减少总体功耗。因此，仍然需要用于在LiDAR系统和其他扫描激光装置中进行检测的改进的系统和方法。
附图说明
图1示出了根据本发明的各种实施例的扫描激光装置的示意图；
图2示出了根据本发明的各种实施例的光学组件的示意图；
图3A、3B和3C示出了根据本发明的各种实施例的光学扩展、扫描轨迹和激光脉冲能量级别调整的曲线图；
图4A-图4H示出了根据本发明的各种实施例的激光雷达系统和激光脉冲能量级别调整的示意图；
图5A和图5B示出了根据本发明的各种实施例的包括LiDAR系统和所得到的扫描场的移动平台的顶视图和侧视图；
图5C和图5D示出了根据本发明的各种实施例的能量级别调整因子的表；
图6和图7示出了根据本发明的各种实施例的扫描激光装置的侧视图和俯视图；
图8示出了根据本发明的各种实施例的LiDAR系统的示意图；
图9示出了根据本发明的各种实施例的短和长程脉冲；
图10示出了根据本发明的各种实施例的方法的流程图；
图11示出了根据本发明的各种实施例的不将对象检测为距离的函数的概率图；
图12示出了根据本发明的各种实施例的具有LiDAR系统的移动平台；
图13示出了根据本发明的各种实施例的LiDAR系统的示意图；
图14示出了根据本发明的各种实施例的发射模块的侧视图；
图15示出了根据本发明的各种实施例的发射模块的俯视图；
图16示出了根据本发明的各种实施例的接收模块的侧视图；
图17示出了根据本发明的各种实施例的接收模块的俯视图；以及
图18示出了根据本发明的各种实施例的集成光子模块的透视图。
具体实施方式
本文描述的实施例提供了可以促进在扫描激光装置中具有降低的功耗的改进的有效范围的系统和方法。具体地，该系统和方法利用与激光脉冲的能量级别的变化耦合的光学扩展中的非均匀变化，以在扫描区域上提供改进的有效范围，同时降低总功耗。
一般来说，改进的有效范围在扫描场上变化，在扫描场的一些区域中具有相对长的有效范围并且在扫描场的其他区域中具有相对短的有效范围。通过提供相对于沿着扫描场中的第一轴的位置的激光脉冲的光学扩展中的非均匀变化的扩展光学元件以及通过根据沿着扫描场的第一轴的位置改变激光脉冲的能量级别的光源控制器，来促进扫描场上的该变化范围。扩展光学元件和光源控制器一起提供这种改进的有效范围，同时降低总功耗。在一个特定实施例中，该改进的有效范围包括在扫描场上变化的范围，在扫描场的中心区域中具有较长的有效范围并且在扫描场的一个或多个侧面区域中具有较短的有效范围。如下文将更详细地描述，此可变范围能够在一些扫描激光装置应用中提供改进的功能性。
现在转向图1，示出了扫描激光装置100的示意图。在一个实施例中，扫描激光装置100是用于物体检测和/或3D地图生成的光检测和测距(LiDAR)系统。扫描激光装置100包括光源控制器101、激光光源102、光学组件104和检测器106。光学组件104包括用于激光扫描的各种光学元件，包括扩展光学元件108和扫描光学元件110。在操作期间，激光光源102生成由光学组件104以扫描场114内的扫描线的图案112中扫描的激光脉冲。
检测器106被配置为从扫描场114内的对象接收激光脉冲的反射。然后可以使用接收到的激光脉冲的反射来检测扫描场114内的那些对象。例如，接收到的反射的飞行时间(TOF)测量可以用于生成描述每个点处的表面的深度的三维点云，并且因此可以用于生成对象表面的深度图。
在图1的示例中，扫描场114中的扫描线的图案112包括光栅图案。然而，这仅是一个示例，并且在其他实施例中，可以如使用那样生成扫描线的其他图案。为了促进图案112的产生，可以实施驱动电路以控制扫描光学元件110的移动。这将在下面更详细地描述。
根据本文描述的实施例，扩展光学元件108被配置为提供相对于沿着扫描场114中的第一轴的位置的激光脉冲的光学扩展中的非均匀变化。光源控制器101被配置为根据沿着扫描场114的第一轴的位置改变激光脉冲的能量级别。
通常，由与由光源控制器101提供的激光脉冲的能量级别中的变化耦合的扩展光学元件108提供的光学扩展中的非均匀变化在扫描区域上提供了改进的有效范围，同时减少了总功耗。具体地，在一个实施例中，扩展光学元件108和光源控制器101提供了在扫描场114上变化的改进的有效范围，在扫描场114的中心区域中具有较长的有效范围并且在扫描场114的边缘区域中具有较短的有效范围。
如下文将更详细地描述，扩展光学元件108实施非均匀光学扩展。通常，这种非均匀的光耦合包括从扩展光学元件108的出射指向角度(exit pointing angle)中的非均匀变化。另外，这种非均匀的光学扩展还可以包括离开扩展光学元件108的激光脉冲的光束宽度和光束发散中的非均匀变化。下面将更详细地描述用于实现它们的这种光学扩展和扩展光学元件的详细示例。
光学扩展非均匀的一个问题是光学扩展对扫描激光装置100的范围的影响。例如，光学扩展的增加通常将增加出射指向角度中的变化，减小光束宽度并增加光束发散。因此，非均匀的光学扩展将导致光束宽度的非均匀减小和光束发散的非均匀增大。光束宽度的这种减小可以通过减小检测器106的接收孔径的有效尺寸来减小扫描激光装置100的有效范围。类似地，光束发散的增加可通过增加在检测器106处接收的噪声的相对量来减小扫描激光装置的有效范围。因此，在每种情况下，光学扩展的非均匀变化可以在扫描激光装置100的有效范围内产生非均匀的变化。
如上所述，光源控制器101被配置为根据沿着扫描场114的第一轴的位置改变激光脉冲的能量级别。执行激光脉冲的能量级别的变化提供传感器的期望有效范围，同时至少部分地补偿由扩展光学元件提供的非均匀光学扩展的影响。例如，在一个实施例中，光源控制器101被配置成以与光学扩展中的非均匀变化成比例的方式改变能量。因此，以更大的能量级别产生经受更大光学扩展的激光脉冲。如下文将更详细地描述，能量级别的这个增加补偿由于增加的光学扩展量而将以其他方式发生的有效范围的减小。此外，通过以这种方式改变激光脉冲的能量级别，可以减小扫描激光装置100的总功耗，同时提供期望的有效范围。
通常，由与由光源控制器101提供的激光脉冲的能量级别中的变化耦合的扩展光学元件108提供的光学扩展中的非均匀变化提供了在扫描区域上的改进的有效范围，同时减少了总功耗。另外，在一些实施例中，扫描激光装置100被实现为提供在扫描场114上变化的改进的有效范围。因此，扫描激光装置100可被实施以在扫描场114的不同区域中具有不同有效范围。通过以调节用于扫描场114的该区域中的期望有效范围的能量级别以及光学扩展量这两者的方式改变激光脉冲的能量级别来促进这些不同的有效范围。
作为一个具体示例，扩展光学元件108和光源控制器101被实现为促进扫描场114的中心区域中的较长有效范围和扫描场114的边缘区域中的较短有效范围。再次，在实现这种不同的有效范围时，激光光源控制器101将改变激光脉冲的能量级别以提供这些不同的范围，同时补偿由于不同的光学扩展量而将以其他方式发生的有效范围的减小。下文将更详细地描述此类实施例的详细示例。
激光光源控制器101可以使用各种技术和装置来改变激光脉冲的能量级别。例如，可以实施激光控制器101以动态地改变激光脉冲的脉冲持续时间。作为另一示例，可以实现激光控制器101以动态地改变激光脉冲的脉冲幅度。作为另一示例，可以实现激光控制器101以动态地改变用于驱动激光器的电流。作为另一示例，激光控制器101可被实施以动态地改变用以产生脉冲的激光器的数目。作为另一示例，可以实现激光控制器101以动态地改变每个扫描点处的脉冲数量。并且可以采用这些技术的各种组合。
在一些实施例中，激光光源控制器101可以被实现为脉冲生成电路的一部分。下文将更详细地描述此类脉冲生成电路的详细示例。
在一个实施例中，由扩展光学元件108提供的光学扩展中的非均匀变化包括相对于沿着扫描场中的第一轴的位置的光学扩展的非线性速率。例如，在一个更具体的实施例中，光学扩展中的非均匀变化包括：与在第一侧区域和第二侧区域之间沿着第一轴在中心区域中相对于激光脉冲的位置的光学扩展更小相比，沿着第一轴在第一侧区域中相对于激光脉冲的位置的光学扩展更大。下文将更详细地讨论光学扩展的非均匀和非线性速率的详细示例。
如上所述，扩展光学元件108可以被配置为提供相对于沿着扫描场114中的第一轴的位置的激光脉冲的光学扩展中的非均匀变化，而光源控制器101被相应地配置为根据沿着扫描场114的第一轴的位置改变激光脉冲的能量级别。在一些实施例中，扫描场114包括垂直于第一轴的第二轴，并且光源控制器101还被配置为在扫描场114中沿着第二轴改变激光脉冲的能量级别。在其他实施例中，光源控制器101还被配置为响应于道路参数相对于沿着第一轴和第二轴的位置来进一步改变激光脉冲的能量级别。在其他实施例中，光源控制器101被配置为相对于沿着第二轴的位置改变激光脉冲的能量级别以限制扫描场114的高度。下面将更详细地讨论这些实施例的详细示例。
除了检测器106之外，在一些实施例中，扫描激光装置100被实现为包括一个或多个附加检测器。例如，第二检测器可以被实现为通过光学组件104从扫描场内接收激光脉冲的IR激光脉冲的反射。
扫描激光装置100还可以包括其他元件。例如，扫描激光装置100还可以包括飞行时间(TOF)电路，其响应于检测器106以测量到扫描场中的深度测量点处的对象的距离。
并且在其他实施例中，扫描激光装置100还可以包括虚拟保护壳体电路，该虚拟保护壳体电路针对多个深度测量点使得激光光源以第一脉冲能量发射第一IR激光脉冲以检测短程(short range)内的物体，并且响应于确定在短程内没有物体使得激光光源发射具有总第二能量级别的至少一个第二IR激光脉冲以检测长程(long range)内的物体，其中第一能量级别低于总第二能量级别。下面将描述这种虚拟保护壳体电路的详细示例。
现在转向图2，示出了光学组件204的更详细的实施例。光学组件204包括用于在扫描场上扫描激光束脉冲的光学元件。光学组件204是根据本文描述的实施例的可以在LiDAR或其他扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)中使用的光学组件的类型的示例。图2所示的光学元件包括光束成形光学元件208、第一扫描镜210、扩展光学元件212和第二扫描镜214，尽管这仅是一个非限制性示例。再次，在扫描激光装置的操作期间，激光光源产生由光学组件204在扫描场(例如，扫描场114)上扫描成扫描轨迹(例如，图案112)的激光脉冲。
例如，激光光源可以包括被实现为生成IR激光脉冲的一个或多个红外(IR)激光器。在一个具体示例中，来自多个IR激光光源的脉冲由光束成形光学元件208组合和成形。光束成形光学元件208可以包括用于改变激光脉冲的光束形状的任何光学元件。例如，光束成形光学元件208可以包括用于改变光束形状、改变光束准直、组合多个光束和使光束开孔的光学元件。
光束成形光学元件208的输出被传递到第一扫描镜210。通常，第一扫描镜210提供一个运动轴(例如，水平)，而第二扫描镜214提供另一个通常正交的运动轴(例如，垂直)。因此，第一扫描镜210在一个方向(例如，水平方向)上扫描激光束脉冲，而第二扫描镜214在另一个方向(例如，垂直方向)上扫描。此外，在此实施例的典型实施方案中，第一扫描镜210被操作以提供以一个速率(例如，相对慢扫描速率)的扫描运动，而第二扫描镜214被操作以提供以不同速率(例如，相对快扫描速率)的运动。这一起导致激光脉冲被扫描成扫描轨迹图案(例如，图案112)。还应当注意，本文使用的标记“垂直”和“水平”在某种程度上是任意的，因为扫描激光装置的90度旋转将有效地切换水平轴和垂直轴。
第一扫描镜210的输出被传递到扩展光学元件212。通常，扩展光学元件212被实现为在一个或多个方向中提供扫描场的扩展。例如，可以实现扩展光学元件212以提供沿着第一扫描镜210的运动轴的角度扩展。因此，在第一扫描镜210沿着水平轴提供相对慢的速度扫描的一个示例中，可以实现扩展光学元件212以沿着水平方向增加扫描角度。作为一个具体示例，第一扫描镜210可以被实现为在40度的水平方向中提供扫描角度，并且扩展光学元件212可以被实现为将扫描角度扩展到110度，从而扩展得到的扫描轨迹和扫描场的大小。
为了提供这种扩展，可以用一个或多个透镜来实现扩展光学元件212，其中一个或多个透镜被配置为一起提供期望的角度扩展。在一个特定示例中，使用三个单独透镜来实施扩展光学元件212。下面将更详细地描述这样的实施例的描述。
扩展光学元件212的输出被传递到第二扫描镜214。再次，第一扫描镜210提供一个运动轴(例如，水平)，而第二扫描镜214提供另一个通常正交的运动轴(例如，垂直)。此外，第一扫描镜210和第二扫描镜214以不同的扫描速率操作。在一个具体实施例中，第二扫描镜214提供垂直高速率扫描，而第一扫描镜210提供水平低速率扫描。
在操作期间，光学组件204因此操作以接收激光脉冲并将这些激光脉冲扫描到扫描场内的扫描轨迹图案中。
现在转到图3A，在曲线图300中示出了扫描场中的光学扩展的表示。具体地，曲线图300示出了作为沿着第一轴的扫描角度的函数的出射指向角度扩展，其中第一轴也对应于所得扫描场中的第一轴。该出射角度扩展是可以由扫描激光装置的扩展光学元件(例如，图1的扩展光学元件108、图2的扩展光学元件212)提供的光学扩展类型的示例。曲线图300中所示的光学扩展相对于第一轴是非均匀的，并且更具体地，导致相对于扫描场中的轴的非线性光学扩展。与中心区域中的较低的光学扩展变化速率相比，该非均匀并且非线性的光学扩展导致沿着第一轴的扫描场的侧面区域中的较高速率的光学扩展变化。
换句话说，曲线图300示出了光学扩展，其中与侧区域之间的中心区域中的光学扩展的更小变化相比，在第一侧区域和第二侧区域中沿着第一轴相对于激光脉冲的位置的光学扩展中的变化更大。这通过随着距中心的距离增加而逐渐陡峭的函数曲线的斜率示出。
在典型实施例中，曲线图300中所示的非线性光学扩展可以由高阶数学函数(例如，二次多项式函数和高阶多项式函数等)表示。这样的函数可以被实现到扫描激光装置中，并且用于确定作为第一轴中的它们的扫描角度的函数的激光脉冲的能量级别。应当注意，表示图3A中的光学扩展的函数曲线仅仅是一个示例实现，并且可以利用其他类型的非线性和非均匀扩展来实现扩展光学元件。
现在转到图3B，曲线图350示出了示例性扫描轨迹352。扫描轨迹352是可利用扫描激光装置产生的扫描轨迹的类型的示例，所述扫描激光装置包括提供相对于第一轴(例如，图1的扩展光学元件108、图2的扩展光学元件212)的非均匀光学扩展的扩展光学元件。更具体地，扫描轨迹352是可以利用诸如图3A的曲线图300中所示的光学扩展生成的轨迹的类型的示例。因此，该扫描轨迹352示出了非均匀和非线性光学扩展的结果，其中与在中心区域中创建的出射角度扩展变化的较低速率相比，在沿着第一轴的扫描场的侧面区域中产生较高速率的出射角度扩展变化。
扫描轨迹352由一个或多个扫描镜的运动生成，其中镜沿着第一轴和第二轴提供激光脉冲的偏转，其中非均匀的扩展由一个或多个扩展光学元件提供。在该图示示例中，第一轴中的扫描运动是相对慢的运动，而第二轴中的扫描运动是相对快速的运动。此外，在该示例中，第一轴中的运动是水平的，而第二轴中的运动是垂直的(尽管应当注意，标签“垂直”和“水平”有些是任意的，因为扫描激光装置的90度旋转将切换水平和垂直轴)。
最后，应注意，扫描轨迹352仅是可由光学扩展中的非均匀变化产生的一个示例轨迹，并且许多其他实施方案是可能的。
如上所述，诸如图3A和图3B所示的光学扩展的变化可以导致扫描激光检测器的有效范围的变化。具体地，光学扩展的变化将导致光束宽度和光束发散的变化，这又能够导致扫描激光装置的有效范围的变化。因此，根据本文描述的实施例，光源控制器(例如，光源控制器101)被配置为通过至少部分地补偿由扩展光学元件提供的非均匀光学扩展的影响来改变激光脉冲的能量级别以提供传感器的期望有效范围。
现在转到图3C，在曲线图370中示出了激光脉冲能量级别调整的表示。具体地，曲线图370示出了作为沿着第一轴的扫描角度的函数的能量级别调整，其中第一轴也对应于所得扫描场中的第一轴。值得注意的是，该图示的能量级别调整可以被认为是来自低功率状态的能量级别的增加百分比或从高功率状态的能量级别的降低百分比。
再次，在一个实施例中，光源控制器(例如，光源控制器101)被配置成以与光学扩展中的非均匀变化成比例的方式改变能量。因此，以更大的能量级别产生经受更大光学扩展的激光脉冲，并且反之亦然。能量级别中的这种增加补偿了由于增加的光学扩展量而将以其他方式发生的有效范围的减小。值得注意的是，曲线图370中所示的能量级别调整相对于第一轴是非均匀的。具体地，曲线图370示出了与侧面区域之间的中心区域中的能量级别中的更小变化相比，相对于在第一侧面区域和第二侧面区域中沿着第一轴的激光脉冲的位置的能量级别中的变化更大的实施例。再次，激光脉冲能量级别的这种变化可以补偿图3A和图3B所示的光学扩展的效果，以提供检测器和扫描激光装置的期望有效范围。
如上所述，在一些实施例中，扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)被实现为提供在扫描场上变化的改进的有效范围，其中在扫描场的不同区域中具有不同的有效范围。在这些实施例中，通过以调整用于扫描场的区域中的期望有效范围的能量级别以及扫描场的该区域中的光学扩展量这两者的方式改变激光脉冲的能量级别来促进这些不同的有效范围。
现在转到图4A，示出了扫描激光装置400的示意图。具体地，图4A示出了用三个不同的示例性扫描场402、404和406实现的扫描激光装置400，其中三个不同的扫描场402、404和406各自具有不同的有效范围和不同的角视场。作为一个示例，可以通过实施扫描激光装置400以在操作期间在不同时间以不同模式操作来提供这些不同有效范围，其中不同模式中的每个具有不同范围及/或不同角度视场。例如，扫描激光装置400可以被实现为响应于各种因素在不同范围模式之间交替或以其他方式切换。在将在下文更详细地论述的其他实施例中，扫描激光装置400能够在相同扫描轨迹的不同部分期间实施提供这些不同范围。
在图4A的示例中，存在三种范围模式：短程模式(short range mode)、中程模式(intermediate range mode)和长程模式(long range mode)。短程模式提供有效范围为60米和角度扫描场110度的扫描场406。中程模式提供具有120米的有效范围和50度的角扫描场的扫描场404。最后，长程模式提供具有200米的有效范围和25度的角扫描视场的扫描场402。当然，这些仅仅是示例，并且其他实现也是可能的。
为了在扫描激光装置400中实现这些不同的范围模式，光源控制器(例如，激光控制器101)将改变激光脉冲的能量级别以实现期望的范围，同时补偿扩展光学元件(例如，扩展光学元件108)的光学扩展。可以通过动态地改变镜偏转的角度范围来针对这三种模式实现扫描场402、404和406的三个不同角度范围。在其他实施例中，镜偏转的角度范围可以保持恒定，并且当镜在期望角度扫描场的期望角度范围之外时，通过选择性地不发送激光脉冲来改变扫描场402、404和406的角度范围。在任一情况下，扫描激光装置400可以针对每个不同的操作模式提供扫描场的期望的有效范围和期望的角度范围。
现在转到图4B，在曲线图408中示出了激光脉冲能量级别的表示。曲线图408示出了用于三种范围模式(即，长程模式、中程模式和短程模式)的激光脉冲能量级别。这些模式对应于图4A中所示的示例性扫描场402、404和406。因此，在长程模式中，扫描激光装置400被操作为具有200米的范围，具有相对窄的25度视场。在中程模式中，扫描激光装置400被操作为具有120米的范围和50度的视场。在短程模式中，扫描激光装置400被操作为具有60米的范围和相对宽的110度视场。因此，调整激光脉冲的能量级别以提供这些所需范围，同时还考虑由扩展光学元件提供的非均匀光学扩展。
曲线图408示出了作为沿着第一轴的扫描角度的函数的三种不同模式的能量级别调整，其中第一轴也对应于所得扫描场中的第一轴。在这种情况下，光源控制器(例如，光源控制器101)被配置为提供用于长程模式的相对恒定的高能量级别，因为相对窄的视场限制了这些脉冲的光学扩展。在该示例中，激光脉冲的能量级别等于或接近全脉冲能量的100％。
然而，对于中程和短程模式，光源控制器被配置成以与由该模式覆盖的角度范围上的光学扩展中的非均匀变化成比例的方式改变能量。这允许针对两种模式实现期望的范围，同时补偿非均匀光学扩展的影响。
在这两种情况下，激光脉冲的能量级别在用于该模式的扫描场的外边缘处的全脉冲能量的100％处或附近，但是能量级别朝向扫描场的中心快速减小。具体地，在该示例中，在中程模式中，能量级别下降到扫描场的中心处的全脉冲能量的大约65％，并且在短程模式中，能量级别下降到全脉冲能量的大约33％。值得注意的是，能量级别调整再次与由模式覆盖的角度范围内的光学扩展成比例。因此，在短程模式和中程模式中，与中心区域相比，在光学扩展也具有更高的变化率的侧区域中，能量级别具有更高的变化率。
图4A和图4B的示例示出了扫描激光装置400实现，其中存在具有不同有效范围和不同角度扫描场402、404和406的单独模式。再次，在这样的实施方式中，扫描激光装置400可以被实现为以各种模式和/或基于各种因素在模式之间切换。在这些示例中，每个模式在其相应的扫描场上具有相对恒定的范围。然而，在其他实施例中，反而在相同扫描帧的不同部分期间实施扫描激光装置400提供这些不同范围，在扫描场上有效地提供动态范围成形。为促进此扫描，能够实施扫描激光装置400以改变每个扫描轨迹或扫描帧内的各个点处的有效范围。因此，在扫描轨迹内的这些点处，可以增加或减小有效范围以在扫描场上动态地实现期望的范围。
现在转到图4C，示出了具有动态范围成形的扫描激光装置400的示意图。具体地，图4C示出了被实现为提供扫描场410的扫描激光装置400，该扫描场410在扫描场410的不同角度区域上具有三个不同的有效范围不同范围。再次，能够通过实施扫描激光装置400以调整扫描轨迹内的不同点处的脉冲能量来实现此动态范围成形。
具体地，在图4C的示例中，扫描场410具有短程区域412，其具有60米的范围并且对应于在25和55度和-25度和-55度之间的扩展输出角。扫描场410同样具有中程区域414，其具有120米的范围并且对应于12.5度与25度之间以及-12.5度与-25度之间的扩展输出角度。最后，扫描场410具有长程区域416，其具有200米的范围并且对应于0度与12.5度之间以及0度与-12.5度之间的展开角度。因此，扫描激光装置400在每个扫描轨迹或扫描帧上提供三个不同的范围。
应注意，图4C的示例能够被视为图4A中所说明的三种范围模式的叠加。具体地，该示例还提供了“长程区域”(例如，具有200米范围的中心区域)、“中程区域”(例如，具有120米范围的中间区域)和在每个扫描轨迹上的“短程区域”(例如，具有60米范围的外部区域)。
扫描激光装置400可以通过改变脉冲能量以改变在25度、12.5度和-25度的有效范围同时还改变脉冲能量以补偿由扩展光学元件提供的非均匀光学扩展的影响来实现该动态范围成形。因此，为了实现扫描激光装置400具有这些不同的范围，光源控制器(例如，激光控制器101)将改变激光脉冲的能量级别以补偿扩展光学元件(例如，扩展光学元件108)的光学扩展和扫描轨迹中的各个点处的主题不同的期望范围。这实现了各种区域中的期望范围，同时显著地减少了与仅使用全功率脉冲的扫描激光装置相比所使用的功率量。
现在转到图4D，在曲线图418中示出了激光脉冲能量级别的表示。曲线图418示出了作为实现图4C所示的三个不同范围的扫描场410所需的第一轴扫描角度的函数的激光脉冲能量级别，其中第一轴也对应于所得扫描场中的第一轴。再次，在该示例中，扫描场410包括具有三个不同范围的区域，即，长程区域、中程区域和短程区域。因此，在每个扫描轨迹上，改变激光能量以在长程区域上提供200米的范围，在中程区域上提供120米的范围，并且在短程区域上提供60米的范围。另外，在扫描场上调整激光脉冲的能量级别以补偿由扫描激光装置中的扩展光学元件提供的非均匀光学扩展。因此，在具有更大光学扩展的区域中，提供更多的能量以补偿该扩展对有效范围的影响。
在这种情况下，光源控制器(例如，光源控制器101)被配置为提供用于长程区域的相对恒定的高能量级别，因为相对窄的视场限制了这些脉冲的光学扩展。因此，激光脉冲能量级别在整个长程区域上处于或接近全脉冲能量的100％。
然而，对于中程区域和短程区域，光源控制器被配置成以与这些区域上的光学扩展中的非均匀变化成比例的方式改变能量。这允许针对中程和短程区域两者实现期望的范围，同时补偿由扩展光学元件针对这些扫描角度引起的非均匀的光学扩展。
值得注意的是，用于激光脉冲的能量级别在中程区域和短程区域这两者的区域的外边缘处的全脉冲能量的100％处或附近，但是能量级别朝向中心扫描角度快速减小。因此，能量级别调整再次与那些中程和短程区域内的光学扩展成比例。换句话说，在短程区域和中程区域中，与中心扫描角度相比，在其中光学扩展也具有更高变化率的外部角度中，能量级别具有更高的变化率。
应当注意，虽然曲线图418示出了在补偿非均匀光学扩展的影响的同时提供长程、中程和短程区域的期望范围的能量级别调整，但是与在整个扫描场上简单地使用全能量级别脉冲的系统相比，该方法也减少了所消耗的总功率。因此，该技术还可以为扫描激光装置提供显著的功率节省。
虽然图4C中所说明的扫描激光装置400提供具有三个不同有效范围的扫描场410，但这仅是一个示例实施方案并且其他是可能的。现在转到图4E，示出了具有动态范围成形的扫描激光装置400的另一示意图。具体地，图4E示出了被实现为提供在扫描场420的不同角度区域上具有五个不同有效范围的扫描场420的扫描激光装置400。同样，可以通过实现扫描激光装置400以提供期望范围并补偿光学扩展的方式调整扫描轨迹内的不同点处的脉冲能量来实现这种动态范围成形。
现在转到图4F，示出了具有动态范围成形的扫描激光装置400的另一示意图。具体地，图4F示出了被实现为提供在扫描场430的不同角度区域上具有十个不同有效范围的扫描场430的扫描激光装置400。同样，可以通过实现扫描激光装置400以提供期望范围并补偿光学扩展的方式调整扫描轨迹内的不同点处的脉冲能量来实现这种动态范围成形。
现在转到图4G，示出了具有动态范围成形的扫描激光装置400的另一示意图。具体地，图4G示出了被实现为提供非对称扫描场440的扫描激光装置400。在该实施例中，扫描场440在扫描场440的每个具有五个不同的有效范围。值得注意的是，每个不同区域的角度范围和范围可以不同。同样，可以通过实现扫描激光装置400以提供期望范围并补偿光学扩展的方式调整扫描轨迹内的不同点处的脉冲能量来实现这种动态范围成形。现在转到图4H，示出了具有动态范围成形的扫描激光装置400的另一示意图。具体地，图4F示出了被实现为仅在扫描场450的一侧上提供具有不同有效范围的不同区域的非对称扫描场450的扫描激光装置400。在该实施例中，扫描场440在扫描场440的每个具有五个不同的有效范围。同样，可以通过实现扫描激光装置400以提供期望范围并补偿光学扩展的方式调整扫描轨迹内的不同点处的脉冲能量来实现这种动态范围成形。
再次，应注意，在这些实施例中的每个中，与仅在整个扫描场上使用全能量级别脉冲的装置相比，扫描激光装置400能够实现显著功率节省。因此，这些各种实施例还能够为扫描激光装置提供显著的功率节省，同时提供期望的扫描覆盖。应当注意，图4C和图4E-图4H中所示的动态范围成形的各种示例仅仅是一些示例，并且具有不同结果扫描场的许多其他实现是可能的。
现在转到图5A和图5B，示出了扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)的一个应用。具体地，图5A和5B示出了根据各种实施例的具有扫描激光雷达系统的移动平台。机动车502是LiDAR系统504安装在其上的可移动平台。使用上面讨论的各种实施例(例如，图1的扫描激光装置100)或本文讨论的任何扫描激光装置和LiDAR系统来实现LiDAR系统。因此，利用提供非均匀光学扩展(例如，扩展光学元件108)的扩展光学元件和以与光学扩展中的非均匀变化成比例的方式改变能量级别的激光光源控制器来实现LiDAR系统504。具体地，在该示例中，利用在水平轴上但不在垂直轴上提供这种非均匀的光学扩展的扩展光学元件来实现LiDAR系统504。
LiDAR系统504生成示例性扫描场，其中不同的水平区域具有不同的有效范围。具体地，如图5A和图5B所示，LiDAR系统504可以被实现为选择性地促进长程区域506、中程区域510和短程区域510，这些区域中的每个具有不同的角度范围。同样，这可以通过以三种不同范围模式操作LiDAR系统504来实现，其中三种不同范围模式具有如图4A所示的不同角度视场。可替选地，这可以通过操作LiDAR系统504以提供具有如图4C和图4E-图4H所示具有不同有效范围的不同区域的动态范围成形来实现。
为了在LiDAR系统504中实现这些不同的范围，光源控制器将改变激光脉冲的能量级别以补偿扩展光学元件的光学扩展和不同的期望范围。值得注意的是，在一些实施例中，仅在一个轴上提供显著和/或非均匀的光学扩展，并且另一个轴不经受显著的光学扩展。在那些实施例中，用于补偿光学扩展的脉冲能量的任何变化将仅在具有显著光学扩展的一个轴中发生。在图5A和图5B的示例中，仅提供水平轴的非均匀光学扩展。因此，在垂直轴中，能量级别将仅根据需要变化以实现期望的范围。
现在转到图5C和图5D，表510、512和514示出了如何在使用动态范围成形的扫描激光装置中实现这种能量级别变化。具体地，表510示出了如何使用调整因子PV1、PV2和PV3沿着垂直轴改变能量级别。这些调整因子在对应的垂直区域中提供期望的范围。同样，表512示出了如何使用调整因子PH1、PH2、PH3、PH4和PH5沿着水平轴改变能量级别。这些调整因子提供相应水平区域中的期望范围，同时补偿水平轴中的非均匀扩展。
作为一个具体示例，垂直调整可以实现如下：PV1＝1.0，PV2＝.60，PV3＝.30。同样，这些调整因子基本上是均匀的，因为它们用于在垂直轴上动态范围形状，并且不提供用于非均匀光学扩展的任何调整。水平调整可以实现如下：PH1＝1.0，PH2＝.75，PH3＝.90，PH4＝.55，PH5＝.80。这些调整因子对于水平轴上的范围和非均匀光学扩展的补偿是非均匀的。
最后，表514示出了如何使用组合的调整因子在整个扫描区域上改变能量级别。具体地，将对应的水平调整因子和垂直调整因子相乘得到可以用于补偿该水平和垂直区域的能量级别的组合调整因子。
再次应注意，这仅仅是水平和垂直调整因子如何一起用来修改脉冲能量级别的一个示例。例如，在其他实施例中，可以使用其他数学组合技术(使用调整因子的加权平均)组合水平和垂直调整因子。并且在另外其他实施例中，可以通过选择水平和垂直调整因子中的更高或更低的调整因子来改变能量级别。
现在转到图6和图7，示出了扫描激光装置600的侧视图和俯视图。在一个实施例中，扫描激光装置600是用于物体检测和/或3D地图生成的光LiDAR系统。扫描激光装置600包括激光光源602和光学组件604。光学组件604是根据本文描述的实施例的可以在LiDAR或其他扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)中使用的光学组件的类型的一个示例。因此，光学组件604包括用于促进扫描的各种光学元件。应当注意，图6和图7是简化的示例，并且因此没有示出完全实现的扫描激光装置或光学组件的所有元件或特征。
图6所示的光学组件604包括光束成形光学元件614、第一棱镜616、第一扫描镜组件617、第一扫描镜618、包括三个扩展透镜620、622、624的扩展光学元件、第二棱镜626、第二扫描镜组件627和第二扫描镜628。
在扫描激光装置600的操作期间，激光光源602生成由光学组件604扫描到扫描场(例如，扫描场114)上的扫描轨迹(例如，图案112)中的激光脉冲。例如，激光光源602可以包括由场效应晶体管(FET)驱动以生成IR激光脉冲的一个或多个红外(IR)激光器。
通常，来自多个IR激光光源的脉冲首先由光束成形光学元件614和相关联的光学元件组合和成形。因此，光束成形光学元件614可以包括用于改变激光脉冲的光束形状的任何光学元件。例如，光束成形光学元件614可以包括用于改善发散度的准直透镜、偏振组合器、变形棱镜对以及其他这样的元件。在一个实施例中，拾取分束器或棱镜603被实现在光束成形光学元件614内以将反射引导到被配置用于短程脉冲检测的检测器(图5和图6中未示出)。
光束成形光学元件614的输出被传递到第一棱镜616，第一棱镜616将光束向上传到第一扫描镜618。在该图示实施例中，第一扫描镜618提供水平扫描运动，而第二扫描镜628提供垂直扫描运动。此外，在该示例中，第一扫描镜618被驱动以相对慢的扫描速率提供扫描运动，而第二扫描镜628被驱动以相对慢的扫描速率提供运动。然而，这些仅仅是示例，并且其他实现也是可能的。此扫描镜运动一起导致将激光脉冲扫描成扫描轨迹图案(例如，图案112)。应注意，本文中所使用的标记“垂直”和“水平”在某种程度上是任意的，因为扫描激光装置的90度旋转将有效地切换水平轴和垂直轴。
第一扫描镜618的输出被传递到一起提供扩展光学元件的三个扩展透镜620、622、624。通常，扩展光学元件被实现为在水平方向上提供扫描场的扩展。
具体地，在该图示示例中，三个扩展透镜620、622、624被实现为将第一扫描镜618的输出成像到第二扫描镜628上，同时在水平方向上提供非均匀的扩展。作为一个具体示例，第一扫描镜618可以被实现为在水平方向上提供40度的扫描角度，并且可以实现扩展透镜620、622、624以提供非均匀的扩展以将扫描角度扩展到110度。
如上所述，可以实现扩展透镜620、622、624以提供非均匀水平扩展。通常，非均匀扩展是其中扩展光学元件提供相对于沿着扫描场中的IR激光脉冲的第一轴的位置的光学扩展中的非均匀变化的扩展。例如，扩展量可以沿着水平轴非均匀地增加或减小。
在一个具体示例中，三个扩展透镜620、622、624实现4F光学系统，其将第一扫描镜618的输出成像到第二扫描镜628上。具体地，三个扩展透镜620、622、624提供具有随着来自第一扫描镜618的角度而变化的放大率的4F光学系统。这三个扩展透镜620、622、624的结果是由第一扫描镜618提供的出射扫描角度的光学扩展中的非均匀变化。第二棱镜626接收第三扩展透镜624的输出并且将光束引导到第二扫描镜628。
现在转向图8，示出了根据各种实施例的扫描光检测和测距(LiDAR)系统800。LiDAR系统800是可以根据本文描述的实施例实现的扫描激光装置的类型的另一示例。系统800包括脉冲生成电路890、红外(IR)激光光源830、具有扫描镜816的扫描镜组件814以及镜驱动和控制电路854。系统800还包括第一红外(IR)检测器842、第一飞行时间(TOF)测量电路844、3D点云存储电路886、第一比较器848和虚拟保护壳体电路880。系统800还包括第二IR检测器1842、第二TOF测量电路1844和第二比较器1848。如下文将更详细地描述，第二IR检测器1842可以被实施以提供冗余短程检测。
激光光源830可以是能够发射激光束脉冲862的激光光源，诸如激光二极管等。光束脉冲862撞击在扫描镜组件814(扫描镜组件814在一些实施例中是基于微机电系统(MEMS)的扫描器等的一部分)上，并且反射离开扫描镜816以生成受控输出光束脉冲134。在一些实施例中，光学元件被包括在激光光源830和镜816之间的光路中。例如，系统800可以包括准直透镜、分色镜、扩展光学元件或任何其他合适的光学元件。并且如上所述，扫描镜、扩展光学元件和其他元件可以在系统800的操作期间引起激光脉冲朝向第二IR检测器1842的背反射。
扫描镜驱动和控制电路854提供一个或多个驱动信号855以控制扫描镜816的角运动，以使输出束脉冲134遍历扫描场828中的扫描轨迹840。在操作中，激光光源830在非可见光谱中产生调制光脉冲，并且当光束834穿过扫描轨迹840时，扫描镜816反射光脉冲。
在一些实施例中，通过组合水平轴上的锯齿分量和垂直轴上的正弦分量来形成扫描轨迹840。在更进一步的实施例中，水平扫描也是正弦的。本发明的各种实施例不受用于控制垂直和水平扫描或所得扫描轨迹图案的波形的限制。一个轴(例如，水平轴)是慢扫描轴，而另一个轴是快扫描轴。
尽管扫描镜816被示为在两个轴中扫描的单个镜，但这不是本发明的限制。例如，在一些实施例中，镜816用两个单独的扫描镜实现，一个扫描在一个轴中，第二扫描在第二轴中。
在一些实施例中，扫描镜816包括一个或多个传感器以检测镜偏转的角位置或角度范围(在一个或两个维度中)。例如，在一些实施例中，扫描镜组件814包括压阻传感器，该压阻传感器递送与镜在快扫描轴上的偏转成比例的电压。此外，在一些实施例中，扫描镜组件814包括附加的压阻传感器，其递送与镜在慢扫描轴上的偏转成比例的电压。镜位置信息作为一个或多个同步(SYNC)信号815被提供回镜驱动和控制电路854。在这些实施例中，镜驱动和控制电路854包括一个或多个反馈回路，以响应于所测量的镜的角偏转来修改驱动信号。另外，在一些实施例中，镜驱动和控制电路854包括一个或多个锁相环电路，其基于SYNC信号来估计扫描镜的瞬时角位置。
镜驱动和控制电路854可以使用诸如锁相环(PLL)、滤波器、加法器、乘法器、寄存器、处理器、存储器等的功能电路来实现。因此，镜驱动和控制电路854可以用硬件、软件或以任何组合来实现。例如，在一些实施例中，控制电路854在专用集成电路(ASIC)中实现。此外，在一些实施例中，在ASIC中执行一些更快的数据路径控制，并且整体控制是软件可编程的。
系统800包括用于检测IR激光脉冲的两个分离器IR检测器、TOF测量电路和比较器。具体地，系统800包括第一IR检测器842和第二IR检测器1842。通常，第一IR检测器842被实现为检测来自短程和长程脉冲这两者的反射，而第二IR检测器提供来自低功率短程脉冲的反射的冗余检测以提供增加的眼睛安全性。
第一IR检测器842包括能够检测IR激光脉冲的反射的一个或多个光敏装置。例如，第一IR检测器842可以包括一个或多个PIN光电二极管、硅光电倍增管(SiPM)、雪崩光电二极管(APD)等。利用IR激光脉冲照射的视场中的每个点(在本文中称为“测量点”)可以或可以不将一定量的入射光反射回第一IR检测器842。如果第一IR检测器842检测到反射，则IR检测器842向第一TOF测量电路844提供信号843。
第一TOF测量电路844测量IR激光脉冲的飞行时间(TOF)以确定到视场中的对象的距离。在一些实施例中，虚拟保护壳体电路880向第一TOF测量电路844提供与特定IR激光脉冲的发射时间相对应的定时信号(未示出)，并且第一TOF测量电路844通过确定脉冲的发射与相同脉冲的反射的接收之间经过的时间来测量IR激光脉冲的TOF。
第一TOF测量电路844可以使用任何合适的电路来实现。例如，在一些实施例中，第一TOF测量电路844包括在发射IR脉冲时复位的模拟积分器，并且在接收到反射脉冲时停止。第一TOF测量电路844还可以包括模数转换器，以将模拟积分器输出转换成对应于IR激光脉冲的飞行时间(TOF)的数字值，该数字值又对应于系统800与从其反射光脉冲的视场中的对象之间的距离。
3D点云存储装置846接收X、Y数据来自镜驱动和控制电路854，并且从第一TOF测量电路844接收节点845上的距离(Z)数据。针对每个检测到的反射将三元组(X，Y，Z)写入3D点云存储装置，得到在本文中称为“点云”的一系列3D点。并非视场中的每个X、Y测量点将必然具有对应的Z测量。因此，得到的点云可以是稀疏的或可以是密集的。3D点云包括的数据量不是本发明的限制。
3D点云存储设备846可以使用任何合适的电路结构来实现。例如，在一些实施例中，3D点云存储设备846在双端口存储器设备中实现，该双端口存储器设备可以在一个端口上被写入并且在第二端口上被读取。在其他实施例中，3D点云存储设备846被实现为通用存储器设备中的数据结构。在另外的实施例中，3D点云存储设备846在专用集成电路(ASIC)中实现。
第一比较器848将节点845上的距离数据(Z)与阈值进行比较，并且如果距离小于阈值，则第一比较器848在到或门(OR gate)882的输入上断言短程对象检测信号。短程对象检测信号通过或门882到达VPH电路880以指示在“短程”内的对象的检测，其中“短程”由节点847上的阈值的值确定。例如，如果阈值被设置为对应于五米的距离的值，并且检测到的距离低于该阈值，则已经检测到更接近五米的对象，并且将由节点884上的短程对象检测信号通知VPH电路880。
节点847处的阈值和对应的短程距离可以由VPH电路880基于任何标准来修改。例如，阈值可以是IR激光脉冲功率、脉冲持续时间、脉冲密度、波长、扫描器速度、期望的激光安全分类等的函数。确定阈值的方式不是本发明的限制。
第二IR检测器1842、第二TOF测量电路1844和第二比较器1848操作以提供冗余短程对象检测能力。冗余短程对象检测提供了额外的安全性措施。例如，如果一个或多个IR检测器、TOF测量电路或比较器应失效，则冗余将确保继续安全操作。
值得注意的是，第一IR检测器842和第二IR检测器1842通过不同的光路接收反射光脉冲。具体地，第一IR检测器842沿着在835处示出的单独路径接收反射光，而第二IR检测器1842与发射光脉冲共享光路的至少一部分。具体地，来自扫描场的反射光通过镜816、扩展光学元件和光学组件中的其他元件中的至少一些反射回来，以沿着路径1835到达第二IR检测器1842。
第二TOF测量电路1844以类似于第一TOF测量电路844的方式测量IR激光脉冲的飞行时间(TOF)以确定到视场中的对象的距离。因此，第二TOF测量电路1844可以使用与第一TOF测量电路844相同的任何合适的电路来实现。
同样地，第二比较器1848将节点845上的距离数据(Z)与阈值进行比较，并且如果距离小于阈值，则第二比较器1848在到或门882的输入上断言短程对象检测信号。再次，该短程对象检测信号通过或门882到达VPH电路880以指示在“短程”内的对象的检测，其中“短程”由节点1847上的阈值的值确定。例如，如果阈值被设置为对应于五米的距离的值，并且检测到的距离低于该阈值，则已经检测到更接近五米的对象，并且将由节点884上的短程对象检测信号通知VPH电路880。
再次，节点1847处的阈值和对应的短程距离可以由VPH电路880基于任何标准来修改。例如，阈值可以是IR激光脉冲功率、脉冲持续时间、脉冲密度、波长、扫描器速度、期望的激光安全分类等的函数。
在一些实施例中，检测和TOF测量电路这两者操作以检测短程对象，并且检测和TOF测量电路中的仅一个操作以测量到3D云存储装置的长程距离和/或写入。例如，在图8表示的实施例中，由TOF测量电路1844或TOF测量电路1844测量的飞行时间可以用于检测短程对象，但是仅由TOF测量电路844测量的飞行时间用于填充3D点云。
VPH电路880以允许整体操作保持人眼安全的方式操作以管理可达发射水平。例如，在一些实施例中，VPH电路880通过在节点885上设置脉冲能量值来控制是否生成“短程脉冲”或“长程脉冲”。发射的脉冲能量可以由脉冲功率、脉冲持续时间或脉冲计数中的一个或多个来控制。
VPH电路880还可以经由节点857上的定时信号来控制发射脉冲的定时。在一些实施例中，对于视场中的每个测量点，VPH电路880向脉冲生成电路890发信号以生成短程脉冲，该短程脉冲能够以非常高的置信度水平将对象检测到足以提供虚拟保护壳体的距离。如本文所使用的，术语“短程脉冲”是指在非常短的范围处被认为是人眼安全的脉冲。例如，在一些实施例中，短程IR激光脉冲的能量级别可以保持在IEC 60825.1Class 1AccessibleEmission Limit(IEC 60825.1 1类可达发射限制)以下，使得短程IR激光脉冲可以在每个测量点处发射，而不冒人眼受伤的风险。
如果在短程距离内检测到对象，则可以将对应的三元组(X，Y，Z)写入3D点云存储设备846，并且系统800通过不在该测量点处发射任何更高能量的脉冲来提供虚拟保护壳体。然而，如果未检测到短程对象，则系统800可发射具有较高总能量的一个或多个“长程脉冲”以检测超出短程距离的对象。例如，在一些实施例中，系统800可以发射短程IR激光脉冲，该脉冲在100毫米(mm)的距离处被认为是人眼安全的，该短程IR激光脉冲在明亮的阳光中具有在36米(m)处检测5％反射目标的50％概率。该短程脉冲可以具有100亿分之一的概率在12m的距离处未检测到10％反射目标。还例如，系统800可以发射能够检测高达200m远的物体同时保持人眼安全超过四米距离的长程脉冲。在该示例中，系统800可以发射具有检测四米内的物体的极高概率的短程脉冲，并且然后发射能够在200米处检测物体的长程脉冲。
如本文所使用的，术语“长程脉冲”是指具有比短程脉冲更高的总能量的一个或多个脉冲。例如，在一些实施例中，可以发射单个长程脉冲，并且单个长程脉冲可以具有比单个短程脉冲更高的能量，并且在其他实施例中，可以发射多个长程脉冲，并且多个长程脉冲的总能量可以高于单个短程脉冲。
虚拟保护壳体电路880可以使用任何合适的电路结构来实现。例如，在一些实施例中，VPH电路880可以包括一个或多个有限状态机，该一个或多个有限状态机使用数字逻辑来实现以响应短程对象检测并且有条件地发信号通知脉冲生成电路890发出长程脉冲。此外，在一些实施例中，VPH电路880可以包括处理器和存储器，以提供短程脉冲能量、长程脉冲能量、阈值等的软件可编程性。实现VPH电路880的方式不是本发明的限制。
现在转到图9，示出了根据本发明的各种实施例的短和长程脉冲。短程脉冲910和长程脉冲930是可以由LiDAR(系统800)或其他扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)在每个测量点处发射的IR激光脉冲的示例。例如，系统可以发射短程脉冲910，并且然后基于是否检测到短程物体而有条件地发射一个或多个长程脉冲930。在垂直轴上示出脉冲幅度，并且在图9中的曲线图的横轴上示出了时间。示出了在第一时间发射的短程脉冲910，并且示出了表示第二时间的阈值。第一时间和第二时间之间的差表示短程距离。例如，在一些实施例中，阈值被设置为对应于基本上五米的短程距离的大约33纳秒(ns)。在一些实施例中，短程脉冲910具有在非常短的距离处被认为是人眼安全的能量级别。例如，短程脉冲910可以从其发射的系统800起在100mm处是人眼安全的。
在一些实施例中，如果检测到短程对象，则系统不发出用于该测量点的任何长程脉冲，并且检测到的距离被写入3D点云。另一方面，如果未检测到短程对象，则以将可达发射维持在眼睛安全水平的方式发射一个或多个长程脉冲930。例如，短程脉冲910可以具有在短程距离内提供检测对象的非常高概率的能量级别，并且长程脉冲920可以具有在短程距离和更短程处眼睛安全的总能量级别。如果没有检测到短程物体，则可以在阈值时间之后不久之后跟随长程脉冲。例如，长程脉冲920可以在阈值时间的100ns内发射，或者在133ns处发射。在各种实施例中，与阈值和长程脉冲的发射相对应的时间可以基于期望的短程距离和处理时间而不同，并且不是本发明的限制。
在一些实施例中，发射单个长程脉冲920，并且在其他实施例中，针对每个测量点发射一系列长程脉冲930。在单个测量点处发射的长程脉冲的数量不是本发明的限制。例如，在一些实施例中，可以发射单个长程脉冲，其中单个长程脉冲具有比短程脉冲更高的能量。又例如，在一些实施例中，可以发射多个长程脉冲，并且每个长程脉冲可以具有与短程脉冲相同的能量级别，但是多个长程脉冲的总能量大于短程脉冲的能量。
可以采用任何能量级别处的任何数量的脉冲来限定多个范围。例如，短程可以由单个短程脉冲的能量定义。又例如，中程可以由多个脉冲限定，每个脉冲具有与短程脉冲相同的能量，并且长程可以由具有与短程脉冲相同或更大的能量的一个或多个长程脉冲限定。
在一些实施例中，在每个测量点处发射短程脉冲，并且在其他实施例中，在每个测量点处不发射短程脉冲。例如，可以在第一测量点处发射短程脉冲，并且如果未检测到短程对象，则可以在一个或多个后续测量点处发射长程脉冲，而不首先发射短程脉冲。在一些实施例中，这在某种程度上是可能的，因为测量点可以被定义为彼此足够接近以实现有效的假设：当没有短程对象占据测量点时，没有短程对象占据一些数量的后续测量点。
通常，测量点是扫描激光装置测量距离的扫描轨迹上的点。例如，在一些实施例中，LiDAR系统在每个测量点处发射短程脉冲，以检测物体是否在短程距离内，并且然后有条件地发射一个或多个长程脉冲，如上所述。因此，如本文所使用的术语“测量点”并不意味着指定空间中的无限小的点，而是指定扫描轨迹的小的和有限的连续部分。具体地，IR激光光束在每个测量点处的短程脉冲和长程脉冲的往返行程时间期间遍历扫描轨迹的有限部分。测量点面积也是激光光斑尺寸(初始尺寸和发散度)在遇到物体的距离处的函数。因此，“测量点”涵盖区域，尽管非常小，并且区域的大小和位置可以是许多因素的函数。
本文描述的实施例促进对这些短程脉冲的可靠检测。再次，如上所述，在一些实施例中，系统可以发射短程脉冲910，然后基于是否检测到短程对象而有条件地发射一个或多个长程脉冲930。在此类系统中，期望促进短程脉冲的可靠检测，使得可一致地发射长程脉冲以提供长程目标检测。现在返回到图8，第二IR检测器1842可以被实现为促进这些低能量短程脉冲的可靠检测。
这样，第二IR检测器1842可以利用多个传感器来实现，所述多个传感器被配置为通过相同的扫描镜组件814、光束成形光学元件和用于将激光脉冲扫描到扫描场中的其他光学元件中的至少一些接收反射。因为由多个传感器使用相同的光学组件来接收激光反射，所以防止多个传感器接收来自短程脉冲的反射的任何损坏或阻挡也将可能阻挡将激光脉冲扫描到扫描场中。因此，第二IR检测器1842可以更可靠地检测已经撞击扫描场中的对象并且朝向检测器反射回来的短程脉冲，并且因此可以用于确定可以安全地发射长程脉冲。此外，第二IR检测器1842中的多个传感器被配置成至少部分地消除来自光学组件内的背反射的影响。消除来自光学组件内的背反射的影响可以提高检测器的灵敏度，特别是用于检测来自扫描场828内的激光脉冲的低能量短程反射。
另外，根据本文中所描述的实施例，脉冲生成电路890能够利用激光控制器实施，所述激光控制器被配置以根据沿着扫描场828的第一轴的位置改变激光脉冲的能量级别。执行激光脉冲的能量级别的变化提供传感器的期望有效范围，同时至少部分地补偿由扩展光学元件提供的非均匀光学扩展的影响。例如，在一个实施例中，光源控制器被配置成以与光学扩展中的非均匀变化成比例的方式改变能量。因此，以更大的能量级别产生经受更大光学扩展的激光脉冲。另外，激光控制器可以被配置以改变能量以促进扫描场828的不同扫描区中的不同有效范围。
现在转向图10，示出了根据各种实施例的方法的流程图。在一些实施例中，方法1000或其部分由扫描激光装置(例如，图8的LiDAR系统800)执行。在其他实施例中，方法1000由一系列电路或电子系统执行。方法1000不受执行该方法的特定类型的设备的限制。方法1000中的各种动作能够以呈现的顺序执行，或者能够以不同的顺序执行。此外，在一些实施例中，从方法1000中省略了图4中列出的一些动作。
方法1000被示出为开始于框1010，其中设置短程脉冲能量级别并且发射短程脉冲。在一些实施例中，这对应于将脉冲能量级别设置为将导致距LiDAR系统特定距离处的眼睛安全操作的值。例如，在一些实施例中，短程脉冲能量级别可以由虚拟保护壳体电路(例如，图8中的虚拟保护壳体电路880)设置，使得可达发射导致100mm处的眼睛安全操作，并且在其他实施例中，脉冲能量级别可以被设置为使得可达发射导致在大于100mm的最小距离处的眼睛安全操作。
如果在1020处检测到短程对象，则可以将3D点(X，Y，Z)写入3D点云存储设备，诸如3D存储设备846(图8)。如果未检测到短程对象，则可在1040处传输一个或多个长程脉冲。如上所述，可以通过检测短程脉冲的反射、测量检测到的反射的飞行时间以及将该飞行时间与阈值进行比较来实现短程对象检测。对应于短程距离的阈值的值可以被设置为任何合适的值。
在1030处，发射一个或多个长程脉冲。如果在440处检测到对象，则3D点(X，Y，Z)可以被写入3D点云存储设备(例如，图8中的3D存储设备846)，并且处理在460处继续在下一个测量点处。如果未检测到对象，则处理在1060处继续到下一个测量点，而不将3D点写入到点云存储设备。
现在转向图11，图示出了根据各种实施例的不将对象检测为距离的函数的概率。概率曲线1110是可以基于包括脉冲能量级别、对象的反射率、环境光等的许多参数向左或向右移位的典型曲线。例如，在极明亮的阳光中，在100mm处人眼安全的短程脉冲可以具有10-10概率在20m处检测不到具有20％反射率的对象。这导致在更近距离处检测不到物体的甚至更低的概率，因此在该相同的场景中，在5m处人眼安全的长程脉冲提供非常稳健的虚拟保护壳体。
在一些实施例中，对应于短程脉冲的短程和能量级别的阈值被设置为导致短程脉冲的短程距离和最小眼睛安全距离相等的值。在其他实施例中，对应于短程脉冲的短程和能量级别的阈值被设置为导致短程距离大于长程脉冲的最小眼睛安全距离的值。
现在转到图12，示出了扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)的一个应用。具体地，图12示出了根据各种实施例的具有眼睛安全扫描激光雷达系统的移动平台。机动车1210是安装有眼睛安全LiDAR系统1220的可移动平台。在一些实施例中，使用本文讨论的各种实施例(例如，图8的LiDAR系统800或图13的LiDAR系统1300)或本文讨论的任何扫描激光装置来实现眼睛安全LiDAR系统1220。
在一些实施例中，当在其上安装有LiDAR系统的平台处于运动中时，短程脉冲的能量增加。例如，当机动车1210具有高于阈值的速度时，短程脉冲的能量可以具有导致高于100mm的最小距离处的可达发射眼睛安全水平的水平。在一些实施例中，可达发射导致眼睛安全水平的最小距离可以是仪表或更多。又例如，短程脉冲的能量可以随着平台速度的增加而增加。在一些实施例中，当平台在每秒2.5米(m/s)和25m/s之间加速时，短程脉冲的能量可以逐渐增加。
增加短程脉冲的能量级别可以导致检测短程内的对象的增加的概率和/或增加可以检测到对象的短程。图12示出了作为增加的短程脉冲能量的结果的增加的短程。
在一些实施例中，短程脉冲能量级别被设置为使得可达的发射在短程(例如，100mm或更小)处是眼睛安全的，并且时间阈值被设置为提供检测不到对象的非常低的概率的值。然后，如果移动平台(例如，机动车)的速度不大于阈值，则发射短程脉冲。相反，如果移动平台的速度比阈值快，则可以增加短程脉冲能量级别和与短程距离相对应的时间阈值。在一些实施例中，将短程脉冲能量增加到导致可达的发射的水平，其导致在一米的最小距离处的眼睛安全水平。在其他实施例中，将短程脉冲能量增加到导致可达的发射的水平，该可达的发射导致在大于或小于一米的最小距离处的眼睛安全水平。
在一些实施例中，可以使用LiDAR系统上的速度传感器来确定移动平台的速度。在其他实施例中，速度信息可以从移动平台上的传感器(例如，机动车上的传感器)获得。
现在转向图13，示出了根据各种实施例的扫描光检测和测距(LiDAR)系统1300。LiDAR系统1300是可以根据本文描述的实施例实现的扫描激光装置的类型的另一示例。LiDAR系统1300包括VPH电路1384、脉冲生成电路1390、3D点云存储设备1346、或门1380和控制电路1354。LiDAR系统1300还包括发射模块1310、接收模块1330、TOF和短程检测电路1340以及TOF和短程检测电路1350。
LiDAR系统1300包括用于检测IR激光脉冲的反射的两个单独的IR检测器和TOF和短程检测电路。具体地，接收模块1330包括被实现为检测来自短程和长程脉冲这两者的反射的第一IR检测器，而发送模块1310包括第二IR检测器，该第二IR检测器提供来自低功率短程脉冲的反射的冗余检测以提供增加的眼睛安全性。
发射模块1310包括用于产生脉冲激光束的IR激光光源、准直和聚焦光学元件、以及在光学组件中一起实施以在视场中在二维中扫描脉冲激光束的一个或多个扫描镜组件。发射模块1310还包括与发射的IR激光脉冲共享光路的IR激光检测器。下面参考后面的附图更全面地描述发送模块的示例实施例。
接收模块1330包括光学装置和一个或多个扫描镜组件，以在二维中扫描，以将来自视场的反射光引导到包括的IR光检测器。下面参考后面的附图更全面地描述接收模块的示例实施例。
TOF和短程检测电路1340和1350中的每个包括TOF测量电路和比较器。例如，TOF和短程检测电路1340可以包括TOF电路1844和第二比较器1848，并且TOF和短程检测电路1350可以包括TOF测量电路844和比较器848(图8)。
控制电路1354控制发射模块1310内的扫描镜的移动，如上文参考图8所描述。控制电路1354还控制扫描镜在接收模块1330内的移动。在操作中，控制电路1354从发射模块1310接收镜位置反馈信息(未示出)，并且还从接收模块1330接收镜位置反馈信息(未示出)。镜位置反馈信息用于相位锁定镜的操作。
控制电路1354利用驱动信号1345驱动具有发射模块1310内的扫描镜的微机电(MEMS)组件，并且还利用接收模块1330内的扫描镜驱动具有驱动信号1347的MEMS组件，驱动信号1347使镜移动通过限定扫描轨迹1342的镜偏转的角范围以及扫描场1328的大小和位置。发射和接收扫描的同步允许接收孔径仅从发射能量的视场的部分接受光子。这导致显著的环境光噪声免疫。
如图13所示，二维扫描在第一维度(垂直、快速扫描方向)和第二维度(水平、慢扫描方向)中执行。标签“垂直”和“水平”一定程度上是任意的，因为设备的90度旋转将切换水平和垂直轴。
此外，值得注意的是，在图13的示例中，扫描轨迹1342沿着水平轴扩展，在光学扩展中具有非均匀的变化。这样的扩展可以通过使用如上所述的扩展光学元件来实现。例如，图6和图7中的三个扩展透镜620、622和624可以在系统1300中实现。在这样的实施方式中，扩展光学元件将在发射模块1310中实现，在水平方向上提供非均匀的扩展作为激光脉冲并且被扫描到扫描场1328中。如图6和7所示，这三个扩展透镜可以在第一扫描镜618和第二扫描镜628之间实现。类似地，在这样的实施例中，对应的光学元件(即，扫描镜和扩展光学元件)将在接收模块1330中实现，以提供用于从扫描场1328接收的激光脉冲的接收反射的光学扩展的对应非均匀减小。
同样如上文所描述，发射模块1310可用脉冲生成电路1390实施，所述脉冲生成电路包括被配置以根据沿着扫描场1328的第一轴的位置改变激光脉冲的能量级别的激光控制器。执行激光脉冲的能量级别的变化提供传感器的期望有效范围，同时至少部分地补偿由扩展光学元件提供的非均匀光学扩展的影响。例如，在一个实施例中，光源控制器被配置成以与光学扩展中的非均匀变化成比例的方式改变能量。因此，以更大的能量级别产生经受更大光学扩展的激光脉冲。另外，激光控制器可以被配置以改变能量以促进扫描场1328的不同扫描区中的不同有效范围。
现在转到图14和图15，图14示出了发射模块1400的侧视图，并且图15示出了发射模块1400的俯视图。发送模块1400是可以在LiDAR系统(例如，图10的发送模块1310)中使用的发送模块的示例。发射模块1400包括激光光源1410、光束成形光学装置1420、接收能量拾取装置1460、镜1462、光束成形装置1464、IR检测器1466、扫描器1428和出射光学装置1450。
在一些实施例中，激光光源1410源产生诸如红外(IR)光的非可见光。在这些实施例中，IR检测器1466检测相同波长的非可见光，如接收模块1600(下面讨论的图16)中的IR检测器那样。例如，在一些实施例中，激光光源1410可以包括产生具有基本上905纳米(nm)的波长的红外光的激光二极管，并且IR检测器1466检测具有基本上905nm的波长的反射光脉冲。又例如，在一些实施例中，激光光源1410可以包括产生具有基本上940纳米(nm)的波长的红外光的激光二极管，并且IR检测器1466检测具有基本上940nm的波长的反射光脉冲。光的波长不是本发明的限制。在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用可见或不可见的任何波长。
激光光源1410可以包括适合于产生脉冲激光束的任何数量或类型的发射器。例如，在一些实施例中，激光光源1410包括图15中在1512、1514、1516和1518处示出的多个激光二极管。由激光光源1410产生的脉冲激光由光束成形光学装置1420组合、准直和聚焦以产生脉冲激光束。例如，光学装置1522、1524、1526、1528可以在快轴上准直激光束，偏振旋转器1523和光束组合器1520可以组合激光束，并且光学装置1522可以在慢轴上将脉冲激光束形成为扇区。光束尺寸和散度值在本发明的各种实施例中不一定是均匀的；一些实施例具有较高值，并且一些实施例具有较低值。
扫描器1428从光学装置1420接收脉冲激光束并在二维中扫描脉冲光束。在图14和15所示的实施例中，扫描器1428包括两个单独的扫描镜组件1430、1440，每个扫描镜组件包括扫描镜1432、1442，其中每个扫描镜在一个维度上扫描光束。例如，扫描镜1432在快速扫描方向中扫描脉冲光束，并且扫描镜1442在慢速扫描方向中扫描脉冲光束。
尽管扫描器1428被示出为包括两个扫描镜组件，其中每个扫描在单独的维度上扫描，但是这不是本发明的限制。例如，在一些实施例中，使用在二维中扫描的单个双轴扫描镜组件来实现扫描器1428。在一些实施例中，扫描装置使用电磁致动，使用包含MEMS管芯和永磁体的小型子组件和电接口的微型组件来实现，尽管各种实施例在这方面不受限制。
出射光学装置1450随着扫描脉冲激光离开发射模块而在扫描脉冲激光上操作。在一些实施例中，出射光学装置1450执行场扩展。例如，扫描器1428可以在快扫描轴上扫描通过20度的最大角度范围，并且可以在慢扫描轴上扫描通过40度的最大角度范围，并且出射光学装置1450可以在快扫描轴上扩展视场到30度并且在慢扫描轴上扩展120度。扫描镜的扫描角度与由出射光学装置1450提供的场扩展量之间的关系不是本发明的限制。
接收能量拾取装置1460使接收到的光(示出为虚线)偏转，该接收光与发射光脉冲(示出为实线)共享发射光路径的至少一部分。偏转的接收光然后被镜1462反射，由光学装置1064聚焦，并且由IR检测器1466检测。在一些实施例中，拾取装置1460包括传输由IR激光光源产生的脉冲光束的“窗口”，以及将接收的能量偏转到窗口外部的反射外部部分。在其他实施例中，拾取装置1460是透射入射光的一部分并反射剩余部分的部分反射器。例如，透射90％的入射光并反射10％的入射光的反射器将向IR检测器1466提供从视场中的物体反射的10％的光。在另外的实施例中，拾取装置1460可以结合偏振分束器，该偏振分束器透射脉冲激光束(以第一偏振)，并且拾取不同偏振的接收光。这部分归因于由于朗伯反射(Lambertian reflection)而随机偏振的反射。在另外的实施例中，出射激光束和接收的能量可以被引导到扫描镜的不同部分，并且拾取设备1460可以是被定位成反射一个而不是另一个的偏移镜。
再次，为了促进对低能量短程脉冲的可靠检测，IR检测器1466可以利用多个传感器来实现，所述多个传感器被配置为通过用于将激光脉冲传输到扫描场中的相同光学组件中的至少一些接收反射。具体地，IR检测器1466可以被配置为通过相同的扫描镜1432、1142、出射光学装置1450和用于将激光脉冲传输到扫描场中的其他光学元件接收激光脉冲。因为由多个传感器使用相同的光学组件来接收激光反射，所以防止多个传感器接收来自短程脉冲的反射的任何损坏或阻挡也将可能阻挡将激光脉冲扫描到扫描场中。因此，IR检测器1466可以更可靠地检测已经撞击扫描场中的对象并且朝向检测器反射回来的短程脉冲，并且因此可以用于可靠地确定何时可以安全地发射长程脉冲。此外，IR检测器1466中的多个传感器被配置成至少部分地消除来自光学组件内的背反射的影响。消除来自光学组件内的背反射的影响可以提高检测器的灵敏度，特别是用于检测来自扫描场内的激光脉冲的低能量短程反射。
同样如上所述，发射模块1400可以利用激光控制器来实现，该激光控制器被配置为根据沿着扫描场的第一轴的位置来改变激光脉冲的能量级别。执行激光脉冲的能量级别的变化提供传感器的期望有效范围，同时至少部分地补偿由扩展光学元件提供的非均匀光学扩展的影响。例如，在一个实施例中，光源控制器被配置成以与光学扩展中的非均匀变化成比例的方式改变能量。因此，以更大的能量级别产生经受更大光学扩展的激光脉冲。另外，激光控制器能够被配置以改变能量以促进扫描场的不同扫描区中的不同有效范围。
现在转到图16和图17，图16示出了接收模块1600的侧视图，并且图17示出了接收模块1600的俯视图。接收模块1600是可以在LiDAR系统(例如，图13的接收模块1330)中使用的接收模块的示例。接收模块1600包括IR检测器1610、折叠镜1612、成像光学装置1620、带通滤波器1622、扫描器1628和出射光学装置1650。
扫描镜组件1630和1640与扫描镜组件1430和1440相似或相同，并且出射光学装置1650与出射光学装置1450相似或相同。带通滤波器1422传递由激光光源1410产生的光的波长，并阻挡其他波长的环境光。例如，在一些实施例中，激光光源在905nm处产生光，并且带通滤波器1622在905nm处传递光。
成像光学装置1620在由折叠镜1612反射之后将视场的一部分成像到IR检测器1610上。因为扫描器1628与扫描器1428同步扫描，所以检测器1610总是从由扫描的脉冲光束照射的测量点收集光。
图18示出了根据本发明的各种实施例的集成光子模块的透视图。集成光子模块1800包括发射模块1400(图14和图15)和接收模块16(图16和图17)。集成光子模块1800被示出为具有矩形壳体，其中发射模块1400和接收模块1600并排放置。在一些实施例中，发射模块1400和接收模块1600被放置在另一个的顶部上。
在前面的详细描述中，参考附图，这些附图通过说明的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。以足够的细节描述这些实施例，以使本领域技术人员能够实施本发明。应当理解，本发明的各种实施例，尽管不同，但不必是互斥的。例如，本文结合一个实施例描述的特定特征、结构或特性可以在其他实施例内实现，而不脱离本发明的范围。另外，应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以修改每个公开的实施例内的各个元件的位置或布置。因此，前面的详细描述不应被认为是限制性的，并且本发明的范围仅由所附权利要求限定，被适当地解释，以及权利要求被授权的等同物的全部范围。在附图中，贯穿若干视图，相同的数字表示相同或相似的功能。
尽管已经结合某些实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本领域技术人员容易理解的本发明的范围的情况下，可以采取修改和变化。这样的修改和变化被认为在本发明和所附权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种设备，包括：
激光光源，所述激光光源被配置为产生激光脉冲；
光学组件，所述光学组件包括扩展光学元件和光束扫描光学元件以将所述激光脉冲扫描到扫描场中，其中所述扩展光学元件提供所述激光脉冲相对于沿着所述扫描场中的第一轴的位置的光学扩展中的非均匀变化；
检测器，所述检测器用于检测来自所述扫描场内的所述激光脉冲的反射；以及
光源控制器，所述光源控制器被配置为控制所述激光光源以与相对于沿着所述扫描场中的所述第一轴的位置的光学扩展中的非均匀变化成比例的方式根据沿着所述第一轴的位置来改变所述激光脉冲的能量级别。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，相对于沿着所述扫描场中的所述第一轴的位置的光学扩展中的所述非均匀变化包括：相对于沿着所述扫描场中的第一轴的位置的扩展的非线性速率。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，相对于沿着所述扫描场中的所述第一轴的位置的光学扩展中的所述非均匀变化包括：与在所述第一侧区域和第二侧区域之间沿着所述第一轴在中心区域中相对于所述激光脉冲的位置的光学扩展更小相比，沿着所述第一轴在第一侧区域中相对于所述激光脉冲的位置的光学扩展更大。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学扩展中的非均匀变化包括：出射指向角度的非均匀变化和光束宽度中的非均匀变化。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述扫描场包括垂直于所述第一轴的第二轴，并且其中所述光源控制器进一步被配置为在所述扫描场中沿着所述第二轴来改变所述激光脉冲的能量级别。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光源控制器进一步被配置为：响应于在所述扫描场的不同区域中提供不同有效范围，相对于沿着所述第一轴和所述第二轴的位置来进一步改变所述激光脉冲的能量级别。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二轴包括垂直轴，并且其中所述光源控制器被配置为相对于沿着所述第二轴的位置来改变所述激光脉冲的能量级别以在不同垂直区域中提供不同有效范围。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源控制器进一步被配置为：相对于沿着所述第一轴的位置来进一步改变所述激光脉冲的能量级别以动态地成形有效范围，使得沿着所述第一轴的所述扫描场的不同角度区域具有不同有效范围。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述光源控制器进一步被配置为：相对于沿着第二轴的位置来进一步改变所述激光脉冲的能量级别以动态地成形所述有效范围，使得沿着所述第二轴的所述扫描场的不同角度区域具有不同有效范围。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源控制器进一步被配置为：针对每个扫描轨迹相对于沿着所述第一轴的位置来进一步改变所述激光脉冲的能量级别以动态地成形有效范围，以至少产生在所述扫描场的中心中的相对长程区域、所述扫描场中的中程区域以及所述扫描场中的相对短程区域。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述扫描光学元件包括水平扫描镜和垂直扫描镜，并且其中所述扩展光学元件包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜被定位在所述水平扫描镜与所述垂直扫描镜之间。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被安装在移动平台上。
13.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
飞行时间(TOF)电路，所述飞行时间(TOF)电路响应于所述检测器以从检测到的反射来确定到扫描场中的深度测量点的距离；
虚拟保护壳体电路，所述虚拟保护壳体电路针对多个深度测量点使所述激光光源发射在第一能量级别处的第一激光脉冲以检测短程内的对象，并且响应于确定在所述短程内不存在对象而使所述激光光源发射具有总第二能量级别的至少一个第二激光脉冲以检测长程内的对象，其中所述第一能量级别低于所述总第二能量级别。
14.一种设备，包括：
激光光源，所述激光光源被配置为产生红外(IR)激光脉冲；
光学组件，所述光学组件包括光束成形光学元件、扩展光学元件和扫描光学元件，以将所述IR激光脉冲扫描到扫描场中，其中所述扫描场包括中心区域和在所述中心区域的相对侧上的第一侧区域和第二侧区域，并且其中所述扩展光学元件提供相对于沿着所述扫描场中的水平轴的水平位置的所述IR激光脉冲的光学扩展中的非均匀变化，其中在所述第一侧区域和所述第二侧区域中相对于所述IR激光脉冲的水平位置的光学扩展增加更大并且在所述中心区域中相对于所述IR激光脉冲的水平位置的光学扩展的增加更小；
第一IR检测器，所述第一IR检测器用于检测来自所述扫描场内的所述IR激光脉冲的反射；
飞行时间(TOF)电路，所述TOF电路响应于所述第一IR光检测器以测量所述扫描场中的深度测量点处的对象的距离；以及
光源控制器，所述光源控制器被配置为控制所述激光光源以与在所述第一侧区域和所述第二侧区域中相对于所述IR激光脉冲的水平位置的光学扩展的增加更大以及在所述中心区域中相对于所述IR激光脉冲的水平位置的光学扩展的增加更小成比例的方式，根据沿着所述水平轴的所述IR激光脉冲的水平位置来改变所述IR激光脉冲的能量级别。
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