CN218782411U

CN218782411U - 激光扫描装置和激光扫描系统

Info

Publication number: CN218782411U
Application number: CN202221932794.1U
Authority: CN
Inventors: D·卡尔塔比亚诺
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: US20230031569A1; EP4124883A1; CN115685228A; IT202100020006A1

Abstract

本实用新型的实施例涉及一种激光扫描装置和激光扫描系统。一种装置包括：激光光源，被配置为向目标传输光脉冲束，从而在目标上投影至少一个对应的束斑；以及根据网格分布的具有多个传感器的传感器阵列，传感器阵列中的传感器被配置为响应于光脉冲束的至少一个光脉冲从目标中的视场FOV区域的反射而感测入射到传感器上的光脉冲，传感器阵列中的传感器还被配置为提供指示光脉冲入射到传感器上的时间的信号。传感器阵列的FOV区域根据网格而被分割为网格单元。传感器阵列中的每个传感器被配置为感测从FOV区域中的相应网格单元反射的至少一个回波光脉冲。装置还包括光束转向装置，被配置为改变光脉冲束的传输方向，从而在FOV区域中的每个网格单元中投影至少一个束斑。

Description

激光扫描装置和激光扫描系统

技术领域

本说明书涉及用于扫描多维(例如，2D或3D)环境的系统，例如，诸如激光扫描仪或LIDAR(激光雷达)。

例如，一个或多个实施例可以被用于机器人或车辆自主导航系统中。

背景技术

被配置为通过测量激光束的飞行时间(TOF)(即，光脉冲从光源传播到目标并返回(回波)所花费的时间)来测量与周围环境的距离的电子系统被称为光检测和测距(简称为LIDAR)或激光扫描仪系统。

为了获得TOF测量结果，可以采用时间数字(TDC)转换器设备，其是被配置为(例如，用亚纳秒准确度)测量两个数字信号(例如，诸如LIDAR的被传输的光脉冲和光回波信号)之间逝去的时间间隔的设备。

例如，可以以直接或间接的方式来获得TOF测量结果。

直接飞行时间(dTOF)的测量使用相位检测器设备，相位检测器设备被配置为检测所传输的激光脉冲和光回波信号之间的相移，其中目标的距离由光速的偏移时间(一半)来确定。

间接飞行时间(iTOF)的测量不直接测量相移，而是通过在光信号的脉冲/调制周期期间检测光子数(或光强度)来获得相移。

激光扫描仪系统可以被用来通过扫描2D或3D环境以及获取周围环境的多个TOF测量结果来构建对象和景观地图。

现有的激光扫描仪使用替代和不同的技术方案来扫描2D或3D目标。

例如，一些解决方案涉及对目标上的激光束进行受控转向以及在每个转向方向上进行距离测量。

例如，旋转电连接器(例如，万向节)可以被用来顺序地扫描不同方向，即，这是一种机电设备，其有助于将电力和电信号从静止结构传输到旋转结构。

例如由于以下原因，这些解决方案可能对许多应用不方便：

存在笨重的元件，诸如电机、反射镜和/或旋转电连接器，这些笨重部件的性能磨损，相对较高的功耗和有限的工作频率。

单激光单传感器(简称SLSS)系统也是已知的。这些系统包括脉冲激光源、光学扫描布置(例如，被配置为分别沿第一和第二轴旋转的第一和第二反射镜，其中第一和第二轴相互正交)和被配置为测量每个光脉冲的TOF的光传感器。

在SLSS系统中，激光源12以大于可测量的最大距离的脉冲时间间隔(或ToF)进行脉冲化，以便防止TOF测量结果中的任何不明确。这是SLSS的一个缺点，因为它限制了系统10的吞吐量和适用性，特别在用于相对较高的距离的情形。

替代的解决方案是所谓的“闪光LIDAR”布置。这涉及通过将衍射光学(简称DOE)布置连接到激光源并使用网格状感测布置来“闪烁”照射整个目标场景，网格布置中的每个传感器专用于计算从被照射的全场景的对应部分回波的光束的ToF。

例如由于以下原因，这种闪光LIDAR布置可能对许多应用来说不方便：

映射分辨率取决于传感器阵列中每个传感器的分辨率，

涉及高功耗和昂贵的传感器以获得足够的环境分辨率，

用于照射场景的激光功率随距离呈二次方增加，并且随网格点的数目呈线性增加，实际上将最大应用距离限制在短距离内(例如，5米到10米)。

现有传感器可能涉及额外的复位信号并呈现有限的吞吐量。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型旨在提供一种小型、轻量、快速的激光扫描装置和激光扫描系统，从而节省成本并降低功耗。

根据本公开的一个或多个方面，提供了激光扫描装置，包括：激光光源，激光光源被配置为朝向目标传输光脉冲束，从而在目标上投影至少一个对应的束斑；光束转向装置；以及根据网格而布置的传感器阵列，传感器阵列中的传感器被配置为响应于光脉冲束的至少一个光脉冲从目标中的视场(FOV)区域的反射而感测入射到传感器上的光脉冲，传感器阵列中的传感器还被配置为提供指示光脉冲入射到传感器上的时间的信号，其中：FOV区域根据网格而被分割为网格单元，传感器阵列中的每个传感器被配置为感测从FOV区域中的相应网格单元反射的至少一个回波光脉冲，光束转向装置被配置为改变光脉冲束的传输方向，从而在FOV区域中的每个网格单元中投影至少一个束斑。

在一个或多个实施例中，光束转向装置包括：第一微机电(MEMS)反射镜，第一MEMS反射镜被配置为绕第一轴以第一摆动角度摆动；以及第二MEMS反射镜，第二MEMS反射镜被配置为绕第二轴以第二摆动角度摆动，其中第一MEMS反射镜和第二MEMS反射镜中的每一个MEMS反射镜被连接到相应的致动设备，致动设备被配置为驱动相应的MEMS反射镜的摆动移动。

在一个或多个实施例中，第一MEMS反射镜的第一摆动轴和第二MEMS反射镜的第二摆动轴彼此横切。

在一个或多个实施例中，光束转向装置包括被连接到第一MEMS反射镜和第二MEMS反射镜中的至少一个MEMS反射镜的MEMS透镜，MEMS透镜被配置为改变光脉冲在FOV中的每个网格单元中的传输方向。

在一个或多个实施例中，光束转向装置包括被布置在激光源和光束转向装置之间的衍射光学元件(DOE)，DOE被配置为拆分光脉冲束以产生到光束转向装置的多个光脉冲束。

在一个或多个实施例中，光束转向装置包括光学相控阵列。

在一个或多个实施例中，传感器包括雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩光电二极管(SPAD)。

在一个或多个实施例中，包括：被连接到传感器阵列的漫射光学元件，漫射光学元件被布置在目标和传感器阵列之间；传感器阵列中的SPAD传感器，SPAD传感器被配置为提供联合信号，联合信号指示至少一个光脉冲入射到相应的网格单元的联合区域中的时间，其中漫射光学元件被配置为将入射到漫射光学元件上的光脉冲拆分成光子，并且将光子朝向相应的SPAD传感器引导。

在一个或多个实施例中，光束转向装置被配置为根据在光栅扫描图案或李萨如图案之中选择的图案周期性地改变光脉冲束的传输方向。

在一个或多个实施例中，包括光束转向装置以下中的至少一个：被连接到光束转向装置的第一光学元件，第一光学元件被插入在光束转向装置和目标之间，或者被连接到传感器阵列的第二光学元件，第二光学元件被插入在目标和传感器阵列之间，其中第一光学元件或第二光学元件中的至少一个光学元件分别被配置为在FOV区域中的每个网格单元中投影至少一个束斑期间抵消梯形-枕形变形。

根据本公开的一个或多个方面，提供了激光扫描系统，包括：激光光源，激光光源被配置为朝向目标传输光脉冲束；包括多个光学组件的光束转向装置，光束转向装置被配置为改变光脉冲束的传输方向；以及根据网格而布置的传感器阵列，传感器阵列中的传感器被配置为感测入射到传感器上的光脉冲并且提供指示光脉冲入射到传感器上的时间的信号。

在一个或多个实施例中，多个光学组件包括第一反射镜和第二反射镜。

在一个或多个实施例中，第一反射镜被配置为以第一频率沿第一轴旋转，并且第二反射镜被配置为以第二频率沿第二轴旋转。

在一个或多个实施例中，第一轴和第二轴彼此横切。

在一个或多个实施例中，第一反射镜被配置为沿第一角度使光脉冲束转向，并且第二反射镜被配置为沿与第一角度不同的第二角度使光脉冲束转向。

在一个或多个实施例中，多个光学组件包括适于沿两个正交轴旋转的双轴MEMS反射镜。

一个或多个实施例有助于克服上述缺点。

根据一个或多个实施例，LIDAR装置包括激光源、光束转向装置(例如，MEMS透镜或反射镜或光学相位阵列OPA)、以及传感器阵列，其中阵列的每个传感器聚焦在确定的目标区域或视场可以是这种装置的示例。

在一个或多个实施例中，传感器并行性地提供改进的灵敏值(例如，分辨率、帧速率、以及最大距离)。

在一个或多个实施例中，传感器分辨率可以是最终分辨率的一小部分，其有助于降低成本和功耗。

在一个或多个实施例中，例如由于单个激光源，传输路径可以被简化。

一个或多个实施例可以具有减小的大小和重量，从而节省成本并降低功耗。

由于传感器阵列的每个传感器聚焦在视场的特定区域上，一个或多个实施例可以加快激光束脉冲的频率。例如，可以在连续激光脉冲之间连续发射激光脉冲，无需等待传感器接收回波信号。

由于第二级(示例中的透镜)的减小的开口和速度，一个或多个实施例可以提供创新的双重扫描。

一个或多个实施例可以促进针对不同应用的不同技术的组合。

在一个或多个实施例中，利用MEMS技术有助于提供小型、轻量、快速的系统。

一个或多个实施例可以相对于现有解决方案扩展测程，例如将其从大约10米增加到大约100米。

附图说明

现在将参考附图，仅通过非限制性示例的方式来描述一个或多个实施例，其中：

图1是根据本公开的装置的示例图，

图2是图1的图示的一部分的示例图，

图3和图4是适用于一个或多个实施例中的图案的示例图，

图5是一个或多个实施例的基本原理的示例图，

图6是根据本公开获得的图像帧的组合方式的示例图，

图7、图8、图9和图10是根据本公开的装置的替代实施例的示例图，

图11是根据图10的实施例的束斑的示例图。

具体实施方式

在随后的描述中，说明了一个或多个具体的细节，旨在提供对本说明书实施例的示例的深入理解。可以在没有一个或多个具体细节的情况下获得实施例，或者通过其他方法、组件、材料等获得实施例。在其他情况下，未详细说明或描述已知的结构、材料或操作，以使得不会模糊实施例的某些方面。

在本说明书的框架中对“实施例”或“一个实施例”的引用意在指示与该实施例有关的描述的特定配置、结构、或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可能出现在本说明书的一个或多个点中的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”之类的短语不一定指一个且相同的实施例。

此外，特定的构造、结构、或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式进行组合。

附图为简化形式，并且未按精确比例绘制。

在本文所附的所有附图中，相同的部件或元件用相同的标记/数字来指示，并且为简洁起见将不重复对应的描述。

本文中使用的标记仅为了方便而提供，并且因此不限定保护范围或实施例的范畴。

如图1中的示例所示，激光扫描仪系统或装置10包括：

光源12(例如，脉冲激光源)，被配置为发射光束L，

在一些实施例中，光束整形光学器件13(例如，聚焦透镜13)，被连接到光源10，并且被配置为将光束L聚焦，

包括光学元件的光束转向装置14，被配置为经由反射和/或折射现象可控地将来自光源10的(聚焦)光束L转向，将光束L朝向目标场景T引导并且在其上投影光斑P图案，

传感器16阵列，传感器16阵列包括多个光传感器，其中多个光传感器或光电检测器中的第ij个光传感器16ij被配置为检测从目标表面T的相应部分反射的回波激光束R，目标表面T被其上形成的光斑P照射。

如图1中的示例所示，在一些实施例中，系统10还包括连接到光束转向装置14和传感器阵列16中的至少一个的至少一个光学元件15a、15b。

例如：

第一光学元件15a被连接到扫描引擎14，和/或

第二光学元件15b被连接到传感器阵列16。

在一个或多个实施例中，第一光学元件15a和/或第二光学元件15b被配置为正确地聚焦每个传感器16ij中的目标区域，和/或补偿经由布置14在光投影过程中出现的几何失真(例如，本身已知的梯形-枕形变形)。

如图1中的示例所示，第二光学元件15b包括滤光窗，滤光窗被配置为提供用于感测阵列16的光圈和/或与阵列16中的每个传感器16ij相关联的聚焦元件(例如，透镜布置)，聚焦元件将由光圈过滤的光聚焦到感测阵列上。

在一些实施例中，已知的几何失真可以使用激光投影的专用方法来补偿，该方法准确地选择激光进行脉冲化的(时间和空间)点。例如，控制单元20可以被配置为控制光束转向装置14和激光源12，以便使源12的光脉冲发射和反射镜140、142的位置同步，从而获得光脉冲在目标场景T上的补偿投影。

如本文中的示例所示，该装置包括以下中的至少一个：

被连接到光束转向装置的第一光学元件(例如，15a)，第一光学元件(例如，15a)介于光束转向装置和目标之间，以及

被连接到传感器阵列的第二光学元件(例如，15b)，第二光学元件介于目标和传感器阵列之间。

例如，第一和/或第二光学元件被配置为在部分FOV区域(例如，T)中的每个网格单元(例如，g_ij)投影至少一个束斑(例如，P、P₁、P₁')期间抵消梯形-枕形变形。

为简单起见，在下文中，目标表面T被认为对应于激光扫描仪系统10的整个视场(简称FOV)，即，可以用光学仪器观察到的场的角度范围。在所考虑的示例中，该FoV既包含由光束转向装置14投影的区域，也包含通过传感器阵列16观察到的区域。

如图1中的示例所示，装置10可以被用于车载(诸如，自动轮式车辆)导航系统VS。例如，控制单元20可以向导航系统VS提供目标物体P和车辆之间的距离测量结果，以便驱动车辆的移动(例如，控制车轮的速度)。

将再次回顾，在车辆/机器人导航系统VS的框架内对根据本公开的装置的讨论仅仅是为了说明性目的而提供的示例，而不是对实施例的限制。如本文所述的装置和方法也可以独立于任何导航系统布置而被使用，并且更一般地，可以在导航系统领域以外的任何领域(例如增强现实、视觉支持、和图形效果)中使用。

如图1和2中的示例所示，光束转向装置14包括一组光学组件140、142，其适于偏转和/或操纵入射激光束L。例如，光束转向装置14包括第一常规单轴微机电反射镜(简称MEMS)140以及第二142常规单轴微机电反射镜，每个常规单轴微机电反射镜被配置为(例如，经由连接到反射镜的相应致动器)沿单个轴旋转，相应的旋转轴(通常)相互正交(在图1中被表示为横坐标x箭头和纵坐标y箭头)。

如图2中的示例所示，反射镜140、142可经由相应的致动器A1、A2(在图2中以完全示意性的方式图示)移动，致动器A1、A2被配置为沿着相互垂直的旋转来旋转两个反射镜140、142，激光束L也因此而被偏转。

如图2中的示例所示：

第一反射镜140被配置为沿着第一(例如，水平)轴x以第一频率f_x旋转，在第一(例如，水平)平面xy中改变光束L的方向，然后使光束沿着第一角度α(例如，α＝±20°)转向，

第二反射镜142被配置为沿着第二(例如，垂直)轴y以第二频率f_y旋转，在第二(例如，垂直)平面yz中改变激光束L的方向，然后使光束沿着第二角度β(例如，β＝±15°)转向。

在一个或多个实施例中，光束转向装置14还可以包括多个和/或不同类型的光学组件，诸如：棱镜、透镜、衍射光栅、分束器、偏振器、扩展器、以及本身已知的其他组件，它们被组合以允许根据本公开来控制激光束L的性质。

在一个或多个实施例中，光束转向装置14可以包括双轴MEMS反射镜，每个双轴MEMS反射镜适于沿着两个正交轴旋转。例如，双轴MEMS镜可以适用于一个或多个实施例。

如本文中的示例所示，装置(例如，10)包括：

激光光源(例如，12)，其被配置为朝向目标传输至少一个光脉冲束(例如，L)，在目标上投影至少一个对应的束斑(例如，P)，

具有根据网格(例如，G)分布的多个传感器(例如，16i、16j、16ij)的传感器阵列(例如，16)，传感器阵列中的传感器(例如，16i)被配置为响应于来自目标中的视场FOV区域(例如，T)的光脉冲束的至少一个光脉冲(例如，P、P1、P1')的反射而感测入射到其上的光脉冲，传感器阵列中的传感器还被配置为提供指示至少一个光脉冲(例如，R、R')入射到其上的时间的信号。例如：

根据网格将传感器阵列的FOV区域(例如，T)分割成网格单元(例如，g_ij)，

传感器阵列中的每个传感器被配置为感测从经分割的FOV区域中的相应网格单元(例如，g₁)反射的至少一个回波光脉冲，并且

该装置包括光束转向装置(例如，14)，其被配置为周期性地改变光脉冲束的传输方向(例如，α、β)，在经分割的FOV区域中的每个网格单元(例如，g_ij)投影至少一个束斑。

如本文中的示例所示，光束转向装置包括：

第一微机电MEMS反射镜(例如，140)，其被配置为以第一摆动角度(例如，α)绕第一轴摆动，以及

第二MEMS反射镜(例如，142)，其被配置为以第二摆动角度(例如，β)绕第二轴摆动，

其中第一MEMS反射镜和第二MEMS反射镜中的每一个MEMS反射镜被连接到相应的致动设备(例如，A1、A2)，致动设备被配置为驱动相应反射镜的摆动移动。

例如，第一MEMS反射镜的第一摆动轴和第二MEMS反射镜的第二摆动轴相互正交。

在一些实施例中，光束转向装置14可以包括代替反射镜的MEMS透镜。例如，MEMS透镜可以适于使用并且可以提供相比于使用反射镜更紧凑的解决方案。

如本文中的示例所示，光束转向装置还包括被连接到第一和第二MEMS反射镜(140、142)中的至少一个MEMS反射镜的MEMS透镜(例如，146)，MEMS透镜被配置为改变光脉冲(例如，P1、P1')在传感器阵列的经分割的FOV中的每个网格单元(例如，g_ij)内的传输方向。

如图1中的示例所示，传感器阵列16可以包括多个光电检测器，每个光电检测器16ij被布置为光电检测器16(例如，64×64)矩阵的元件。

例如，光学传感器阵列16可以包括处理电路，该处理电路被配置为对检测到的回波激光束R进行信号处理，从而提供(例如，逐个脉冲的)ToF测量结果。

如图1中的示例所示，驱动电路20(例如，微控制器或其他处理电路)被连接到激光扫描仪系统10，例如，以便驱动致动器A1、A2以控制光束转向装置14的反射镜140、142的移动，和/或以便为激光源12供电，以及以便接收来自传感器阵列16的飞行时间测量结果。

如图1中的示例所示，在一些实施方式中，网格G被叠加到目标T上，网格G被配置为具有与传感器阵列16的传感器数目相等的网格单元数目，网格G中的网格单元被布置为反映传感器阵列16中传感器的相同空间布置。

换言之，系统10的视场T被视为网格G，其中每个网格单元g_ij与传感器阵列16的每个传感器16ij一一对应，即，第ij个网格单元g_ij由传感器阵列16的对应的第ij个传感器16ij来检测。

如图1和2中的示例所示，可以例如经由驱动电路20来控制光束转向装置14的光学元件140、142以周期性地使例如来自源12的脉冲光束L转向，以在目标场景上“绘制”诸如图3和图4中作为示例所示的图案。

如本文中的示例所示，光束转向装置被配置为根据图案(例如，在光栅扫描图案和Lissajous(李萨如)图案中进行选择)周期性地改变光脉冲的传输方向。

图3示出一个示例的光栅扫描图案，其可以通过改变第一和第二角度中的一个来获得，例如，第一角度α随时间正弦变化，而另一角度(例如，第二角度β)随时间(逐段)线性变化，例如，根据三角波形(本文中表示为“tri”)。这可以被表达为：

其中

和/>

是相应的初始角度位置或相位值。

图4示出Lissajous图案，其可以通过以适当的频率(例如，谐振频率)随时间正弦变化第一角度α和第二角度β的方式获得。这可以被表达为：

为了说明的简单起见，其中传感器阵列包括被布置成列向量的九个传感器，并且将注意力集中在单个角度变化上的示例情况被用来说明一些实施例的原理。否则应理解，该示例纯粹是说明性的，而非限制性的。

如图5中的示例所示，如果传感器阵列16包括具有九个传感器的列向量，则被配置为叠加到目标FOV T的对应网格G具有被布置为列向量的九个网格单元g₁、g₂、...、g_i、...、g₈、g₉。

如图5中的示例所示，在操作光束转向装置14的第一光束转向周期中：

第一反射镜140被驱动而以正弦方式改变第一角度α，同时第二反射镜142被驱动而以根据线性(例如，锯齿)函数(例如，该第一轨迹在图5中以虚线表示，α是水平的)变化，

脉冲激光器L被驱动，以使得第i个光斑(例如，P1)照射相应的第i个网格单元(例如，g₁)；相应地，传感器阵列16的第i个传感器16i接收到来自第i个光脉冲的回波光束R；因此，第i个传感器16i基于回波光束R的(直接或间接的)ToF来计算目标场景T的相应部分(例如，g₁)中的对应对象的距离。

如图5中的示例所示，在操作光束转向装置14的第二转向周期中，在第一转向周期之后：

反射镜140和142根据相同的方程被驱动，但是改变了相位

和/>

(该第二轨迹在图5中以实线表示)，

再次驱动脉冲激光器L，以使得例如对于相同的第i个网格单元(例如，g₁)，相对于先前的第i个光斑(例如，P₁)在不同的位置的第i个光斑(例如，P1')照射“新的”相应的第i个网格单元(例如，g₁')位置；相应地，第i个传感器16i从照射目标T该“新的”部分的“新的”第i个光脉冲(例如，P₁')接收到第二回波R'；因此，第i个传感器16ij在(网格化的G)目标场景T的相应部分(例如，g₁)中依次检测到与对象相关的更多点。

为了说明的简单起见，在图5的示例情况下，投影被认为是从下到上进行的，每个周期的第一光斑P1、P1'落入第一网格元件G1内，此外应理解为顺序可以颠倒，其中光栅扫描从上到下进行。

在一个或多个实施例中，改变函数以改变第一角度α和/或第二角度β可以例如包括改变波形方程、相位(

或/>

)：

例如，随机或分段地进行线性或正弦改变，和/或

选择Lissajous图案，以使得通过子Lissajous曲线的重叠而获得目标区域T的全覆盖。

应注意，即使改变相位，第i个网格元素g_i中的相同区域也可以在光束转向14的若干周期中被多次照射，而这不会显著影响系统10的分辨率。

在一个或多个实施例中，性能参数(例如，分辨率、帧速率、以及最大目标距离)可以通过改变传感器阵列16的垂直大小以及在两个不同轨迹之间重新定位激光斑的时间来进行调整。

在一个或多个实施例中，使光脉冲转向，以使得每个网格单元g_i的一个光斑P1在网格单元内的不同区域P1'中周期性地移动，这有助于提高装置的全局分辨率。例如，装置10的分辨率是传感器阵列16中的传感器16i、16ij的数目乘以后续转向周期之间的位置的周期性变化的分辨率(“次”分辨率)的函数。

例如，在包括64×64矩阵传感器的传感器阵列16中使用大约30×17分辨率的“次”分辨率，总的系统分辨率达到与标准ITU 709或全高清(简称FHD)兼容的值.

如本文中作为示例所示，传感器阵列中的至少一个传感器(例如，16i)包括雪崩光电二极管APD或单光子雪崩光电二极管SPAD。

在一个或多个实施例中，发现单个雪崩光电二极管(简称为APD)适于用作传感器阵列16中的传感器。

APD是一种众所周知的基于半导体的光电检测器(即，光电二极管)，它以相对较高的反向电压(例如，刚好低于击穿电压)工作，以使得通过吸收的光子激发的载流子在强大的内部电场中被猛烈加速，结果生成次载波。这触发了雪崩过程，该过程通过(可控的)放大因素有效地放大了光电流。

在一些实施例中，盖革模式(Geiger-mode)APD阵列，也被称为单光子雪崩二极管，或简称为SPAD，可以适用于传感器阵列16中。这些也是基于半导体的光电检测器(例如，光电二极管)，为简洁起见，本文不提供对其的详细描述。

例如，传感器阵列16可以包括列向量，其元素包括组合在一起的(例如，16个)SPAD的阵列，以便提供单个ToF测量结果(如本文参考图9所讨论的)。

在一个或多个实施例中，由意法半导体(STMicroelectronics)生产的ST-Ed 256×256SPAD成像器可以适于用作传感器阵列16中的光电检测器16ij。

一个或多个实施例可以在每个转向周期以给定的光束扫描周期并以目标场景的降低的采样率(例如，用于照射它的光斑数目)来执行目标T的多次、部分的扫描。

如图6中的示例所示，这些部分扫描的第一组可以导致例如使用每秒60帧的帧速率获得第一组子帧F1、F2和第二组子帧F3、F4。

在这些子帧中的每个子帧获得数据点，黑点表示图6的图像中缺失的数据点，可能对应于整个场景的51％。

随后，使用这些子帧来获得目标场景图像的方法可以包括：

在相应的第一和第二组子帧中成对地组合子帧，

例如通过组合其间的子帧F1和F2，提供第一组合子帧Fa，并且例如通过组合其间的子帧F3和F4，提供第二组合子帧Fb，组合子帧相对于子帧F1、F2、F3、F4具有增加的填充率(例如，76％),

将第一和第二组合子帧Fa、Fb合并成合并帧F，例如，以15fps(每秒十五帧)和大约97％的最终填充率更新。

如图6中的示例所示，完整的Lissajous图案可以被划分为局部图案，每个图案稀疏但快速地对视场进行采样。例如，可以通过将四个较小分辨率的图片(例如四分之一VGA(QVGA))合并在一起来获得类似VGA的分辨率。

请注意，上述示例是组合部分帧的可能方式之一。在一个或多个实施例中，可以采用其他组合，通过增加Lissajous子帧的数目来减小传感器阵列16的大小，例如，16帧的QQVGA传感器或数目为256帧的80×60传感器。

如本文中的示例所示，该装置包括漫射光学元件(例如，160)，漫射光学元件被连接到传感器阵列并被放置在目标和传感器阵列中间，

传感器阵列中的SPAD传感器(例如，16j)群组被配置为提供联合信号，联合信号指示至少一个光脉冲(例如，R，R')入射到相应网格单元(例如，g₁₁、g₁₂、g₁₃)的联合区域中的时间。

例如，漫射光学元件被配置为将入射到其上的光脉冲拆分成单个光子，并且将每个光子朝向SPAD传感器群组中的相应SPAD传感器引导。

图7是其中光束转向装置包括光学元件以提供光学相控阵列(OPA)的实施例的示例图，光学相控阵列(OPA)被配置为将来自源12的激光束拆分成相互相干的发射器阵列，其中例如经由驱动电路20来控制每对发射器的相位差，以便以本身已知的方式操纵组合光束的出射方向。

如图7中的示例所示，光束转向装置14包括光学相控阵列OPA144。例如，OPA能够将光束L转向两个摆动轴。

在图7的示例中，使用装置10来执行激光扫描的方法包括：

根据具有多个网格单元g₁₁、g₁₂、g₁₃、g₂₁、g₂₂、g₂₃的网格来分割目标表面T，该网格镜像与传感器阵列16相同的大小，例如，两行和三列；

将第一光斑(例如，P₁₁)投影到第一网格单元(例如，g₁₁)的第一初始位置(例如，左上角)上，

逐行迭代地将第一光斑(例如，P₁₂，P₁₃)投影到第i个网格单元(例如，g₁₂，g₁₃)的区域上，直到到达最后一个网格元素为止；这可以通过增加指示网格列的索引j并同时使指示网格单元第ij个网格单元的行的索引i保持恒定来执行；

在一些实施例中，在将相应的光斑(例如，P₁₃)投影到该行的最后一个网格元素(例如，g₁₃)上之后，在第二行的网格单元上将相应的光斑(例如，P₂₁)投影到第一位置(例如，左上角)，但从第一行之后的行的最后一个网格单元(例如，g₂₃)开始，

在到达第二行的末端(例如，g₂₁)时，改变初始位置，例如，遵循光栅扫描曲线(在图7中以虚线指示)，例如，设置一个新位置(例如，右下角)；

将后续的光斑(例如，P₁₁')投影到第一网格单元(例如，g₁₁)的新设置的位置(例如，右下角)上，

重复地将后续的光斑(例如，P₁₂'，P₁₃')逐行迭代地投影到第i个网格单元(例如，g₁₂'，g₁₃')的区域上，直到到达最后一个网格元素为止。

在一个或多个实施例中，可以通过选择具有特定脉冲间间隔(例如，大约16(十六)纳秒(1纳秒＝1ns＝10^-9s))并且具有特定大小(例如，十六行八列)的传感器阵列16的OPA144来获得提高的分辨率。

在所考虑的示例中，例如使用大约120×135的子像素扫描分辨率，可以获得30fps(每秒帧数)的FullHD(全高清)(例如，1920×1080)。这可能导致最大可检测距离增加，例如，从不到3米增加到超过300米，有助于在汽车应用(诸如ADAS(高级驾驶员辅助系统))中使用即时分辨率。在一个实施例中，光束转向装置14包括能够沿着多个(例如，两个)轴使光束L转向的多级(例如，双级)转向装置。

如图8中的示例所示，光束转向装置46可以包括：

第一转向级(例如，两个正交的反射镜140、142)，其被配置为引导激光束将特定光斑(例如，P₁₁、P₁₁')投影到第ij个网格单元(例如，g₁₁)上，

第二转向级(例如，双轴MEMS透镜146)，其被配置为在第ij个网格单元内移动所投影的光斑。

如图8中的示例所示，使用这种多级布置140、142、146可以有助于提高系统10的最终分辨率。

例如，可以改变针对每个网格单元元素投影的光斑的初始位置P₁₁以提高照射覆盖范围。

在图8中考虑的示例中，双级布置包括两个单级布置，否则应理解这种布置纯粹是示例而非限制。例如，第一和第二光束转向级可以包括多级和多轴布置，包括反射镜、透镜、OPA或其他合适的光学布置。

在一个实施例中，传感器阵列16的元件可以被(子)分组到一起，例如，按列或按行，以使得(子)群组被配置为提供网格单元的ToF测量结果。

如图9中的示例所示，装置10包括插入目标T和传感器阵列16之间的漫射光学元件150。例如，漫射光学元件150被配置为将对应于来自第ij个网格单元(例如，g₁₂)的一个反射激光束R的光子随机传播到传感器阵列16的第j列16j中的所有传感器。例如，传感器阵列16包括SPAD矩阵(例如，大小为2000×32)，其中元素按列分组在一起(例如，第j列中的32个元素)以提供单个ToF测量结果，并且其中漫射器被配置为随机传播对应于整个SPAD列上的单元格(例如，一千个，垂直的)中的一个单元格的每个光子。

如图10中的示例所示，衍射光学元件130(简称DOE)适于用作布置在激光源12和光束转向装置14之间的光束整形光学器件13。

DOE是光学元件。这些元件利用衍射和干涉现象来生成(投影)光(斑)的任意分布。衍射分束器或衍射晶格是示例性的DOE。

如图10中的示例所示，DOE 130被配置为将来自激光源12的激光束L重新整形为具有多个横向光斑大小的多个光束L1、...、L6，从而形成其大小等于投影到目标上的网格的大小的光斑矩阵。

如本文中的示例所示，该装置包括位于激光源和光束转向装置之间的衍射光学元件DOE(例如，130)，DOE元件被配置为拆分光脉冲束，从而向光束转向装置提供多个光束光脉冲(例如，L11、L23)。

图11是示例的横向束斑大小，例如，其通过在图10中的点划线处引入屏幕就可以看到，它可以由DOE 130输出。如图11中的示例所示，DOE 130被配置为多个光束L₁₁、…L₂₃具有布置在矩阵中的相应的点状束斑大小。

如图10中的示例所示，光束转向装置14包括多轴转向装置(例如，双线性MEMS透镜146)，多轴转向装置被配置为使由在每个相应的第ij个网格单元内处于不同位置的多个光束L₁₁、…、L₂₃(例如，g₁₁内的L₁₁和g₂₃内的L₂₃)中的第ij个光束投影的每个第ij个光斑转向，以使得逐步照射(例如，以线性图案)第ij个网格单元的区域。

如图10中的示例所示，传感器16阵列中的每个第ij个传感器被配置为检测通过目标以恰当的反射率和恰当的距离回波的第ij个反射光束，从而提供相应的第ij个TOF测量结果。

例如，图10中作为示例示出的系统或装置10的分辨率等于传感器和DOE的分辨率(例如，64×64)乘以光束转向装置14的分辨率(例如，MEMS透镜146的分辨率30×17，使得总分辨率约为FHD 1920×1080)。

在一个或多个实施例中，具有DOE 130的光束整形布置13还可以被配置为补偿由于光学投影路径(主要是MEMS透镜或反射镜)引起的点矩阵的几何失真。

在一个或多个实施例中，利用MEMS技术有助于提供非常小、重量轻且快速的装置/系统10。例如，透镜/反射镜可以是几毫米宽，具有10Hz-1000Hz范围内的摆动频率。

如本文中的示例所示，操作根据本公开的装置(例如，10)的方法包括：

驱动(例如，20)光束转向装置(例如，14)，以周期性地改变光脉冲(例如，P1、P1')的传输方向(例如，α、β)，并且针对每个传感器阵列的经分割的FOV(例如，T)的每个网格单元部分(例如，g₁)传输至少一个光脉冲(例如，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8)。

如本文中的示例所示，该方法包括驱动光束转向装置以改变光脉冲在传感器阵列的经分割的FOV(例如，T)中的每个网格单元(例如，g_ij)内的传输方向.

如本文示例所示，该方法包括：

在光栅扫描图案和Lissajous图案中选择一个图案，

驱动光束转向装置，以根据所选图案周期性地改变光脉冲的传输方向。

如本文示例所示，该方法包括：

收集从传感器阵列的传感器产生的信号，以及

基于所收集的信号，计算(例如，20)目标与装置的距离的测量结果。

还将理解，在伴随本说明书的所有附图中作为示例示出的各种单独的实现选项不一定旨在以在附图中作为示例示出的相同组合而被采用。因此，一个或多个实施例可以相对于在附图中作为示例示出的组合单独地和/或以不同的组合采用这些(或是非强制性的)选项。

在不损害基本原理的情况下，细节和实施例可以相对于仅以示例方式描述的内容变化甚至显著变化，而不偏离保护范围。保护范围由所附权利要求定义。

一种装置(10)可以被概括为包括：激光光源(12)，其被配置为朝向目标传输至少一个光脉冲束(L)，从而在目标上投影至少一个对应的束斑(P)；传感器阵列(16)，其具有根据网格(G)分布的多个传感器(16i、16j、16ij)；传感器阵列(16)中的传感器(16i)被配置为，响应于光脉冲束(L)中的至少一个光脉冲(P、P1、P1')从目标中的视场FOV区域(T)的反射而感测入射到其上的光脉冲；传感器阵列(16)中的传感器(16i)还被配置为，提供指示至少一个光脉冲(R，R')入射到其上的时间的信号；其中传感器阵列(16)的FOV区域(T)根据网格(G)而被分割成网格单元(g_ij)；传感器阵列(16)中的每个传感器(16i)被配置为，感测从经分割的FOV区域(T)中的相应网格单元(g1)反射的至少一个回波光脉冲(R，R')；装置(10)包括光束转向装置(14)，光束转向装置(14)被配置为周期性地改变光脉冲束(L)的传输方向(α、β)，从而在经分割的FOV区域(T)中的每个网格单元(g_ij)投影至少一个束斑(P、P1、P1')。

光束转向装置(14)可以包括第一微机电MEMS反射镜(140)和第二MEMS反射镜(142)，第一MEMS反射镜被配置为绕第一轴以第一摆动角度(α)摆动，而第二MEMS反射镜(142)被配置为绕第二轴以第二摆动角度(β)摆动，其中第一MEMS反射镜(140)和第二MEMS反射镜(142)中的每一个可以被连接到相应的致动设备(A1、A2)，致动设备(A1、A2)被配置为驱动相应的反射镜(140、142)的摆动移动。

第一MEMS反射镜(140)的第一摆动轴和第二MEMS反射镜(142)的第二摆动轴可以相互正交。

光束转向装置(14)可以包括被连接到第一(140)和第二(142)MEMS反射镜(140、142)中的至少一个的MEMS透镜(146)，MEMS透镜(146)被配置为改变光脉冲(P1、P1')在传感器阵列(16)的经分割的FOV(T)中的每个网格单元(g_ij)内的传输方向(α、β)。

装置(10)可以包括位于激光源(12)和光束转向装置(14)之间的衍射光学元件DOE(130)，DOE元件(130)被配置为拆分光脉冲束(L)，从而产生到光束转向装置(14)的多个光脉冲束(L11、L23)。

光束转向装置(14)可以包括光学相控阵列(144)。

传感器阵列(16)中的至少一个传感器(16i)可以包括雪崩光电二极管APD或单光子雪崩光电二极管SPAD。

装置(10)可以包括被连接到传感器阵列(16)的漫射光学元件(160)，漫射光学元件(160)在目标和传感器阵列(16)之间，传感器阵列(16)中的SPAD传感器群组(16j)被配置为提供联合信号，联合信号指示至少一个光脉冲(R，R')入射到相应的网格单元(g₁₁，g₁₂，g₁₃)的联合区域中的时间，其中漫射光学元件(160)可以被配置为将入射到其上的光脉冲拆分成光子并且将光子朝向SPAD传感器群组(16j)中的相应SPAD传感器引导。

光束转向装置(14)可以被配置为根据图案(例如，在光栅扫描图案和Lissajous图案之中选择的图案)周期性地改变光脉冲(P1、P1’)的传输方向(α、β)。

装置(10)可以包括被连接到光束转向装置(14)的第一光学元件(15a)以及被连接到传感器阵列(16)的第二光学元件(15b)中的至少一个，第一光学元件(15a)被插入在光束转向装置(14)和目标之间，第二光学元件被插入在目标和传感器阵列(16)之间，其中第一和/或第二光学元件可以被配置为在经分割的FOV区域(T)中的每个网格单元(g_ij)投影至少一个束斑(P、P1、P1')期间抵消梯形-枕形变形。

一种操作装置(10)的方法可以被概括为包括：驱动(20)光束转向装置(14)，以周期性地改变光脉冲(P1、P1')的传输方向(α、β)并且针对传感器阵列(16)的经分割的FOV(T)的每个网格单元部分(g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8)传输至少一个光脉冲(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8)。

该方法可以包括驱动(20)光束转向装置(14)，以改变光脉冲(P1、P1')在传感器阵列(16)的经分割的FOV(T)中的每个网格单元(g_ij)内的传输方向(α、β)。

该方法可以包括在光栅扫描图案和Lissajous图案之中选择一个图案，从而根据所选择的图案驱动(20)光束转向装置(14)以周期性地改变光脉冲(P1、P1’)的传输方向(α、β)。

该方法可以包括收集从传感器阵列(16)的传感器产生的信号，以及基于所收集的信号来计算(20)目标与装置(10)的距离的测量结果。

可以组合上述各种实施例以提供更多实施例。如果有必要，可以修改实施例的各方面以采用各种实施例的概念来提供又一些实施例。

可以根据以上具体实施方式对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求有权获得的等价物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims

1.一种激光扫描装置，其特征在于，包括：

激光光源，所述激光光源被配置为朝向目标传输光脉冲束，从而在所述目标上投影至少一个对应的束斑；

光束转向装置；以及

根据网格而布置的传感器阵列，所述传感器阵列中的传感器被配置为响应于所述光脉冲束的至少一个光脉冲从所述目标中的视场区域的反射而感测入射到所述传感器上的光脉冲，所述传感器阵列中的所述传感器还被配置为提供指示所述光脉冲入射到所述传感器上的时间的信号，

其中：

所述视场区域根据所述网格而被分割为网格单元，

所述传感器阵列中的每个传感器被配置为感测从所述视场区域中的相应网格单元反射的至少一个回波光脉冲，

所述光束转向装置被配置为改变所述光脉冲束的传输方向，从而在所述视场区域中的每个网格单元中投影至少一个束斑。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束转向装置包括：

第一微机电反射镜，所述第一微机电反射镜被配置为绕第一轴以第一摆动角度摆动；以及

第二微机电反射镜，所述第二微机电反射镜被配置为绕第二轴以第二摆动角度摆动，

其中所述第一微机电反射镜和所述第二微机电反射镜中的每一个微机电反射镜被连接到相应的致动设备，所述致动设备被配置为驱动相应的微机电反射镜的摆动移动。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一微机电反射镜的所述第一轴和所述第二微机电反射镜的所述第二轴彼此横切。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光束转向装置包括被连接到所述第一微机电反射镜和所述第二微机电反射镜中的至少一个微机电反射镜的微机电透镜，所述微机电透镜被配置为改变所述光脉冲在所述视场中的每个网格单元中的所述传输方向。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括被布置在所述激光光源和所述光束转向装置之间的衍射光学元件衍射光学元件，所述衍射光学元件被配置为拆分所述光脉冲束以产生到所述光束转向装置的多个光脉冲束。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束转向装置包括光学相控阵列。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器包括雪崩光电二极管或单光子雪崩光电二极管。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括：

被连接到所述传感器阵列的漫射光学元件，所述漫射光学元件被布置在所述目标和所述传感器阵列之间；

所述传感器阵列中的单光子雪崩光电二极管传感器，所述单光子雪崩光电二极管传感器被配置为提供联合信号，所述联合信号指示至少一个光脉冲入射到相应的网格单元的联合区域中的时间，

其中所述漫射光学元件被配置为将入射到所述漫射光学元件上的所述光脉冲拆分成光子，并且将所述光子朝向相应的单光子雪崩光电二极管传感器引导。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束转向装置被配置为根据在光栅扫描图案或李萨如图案之中选择的图案周期性地改变所述光脉冲束的所述传输方向。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括以下中的至少一个：

被连接到所述光束转向装置的第一光学元件，所述第一光学元件被插入在所述光束转向装置和所述目标之间，或者

被连接到所述传感器阵列的第二光学元件，所述第二光学元件被插入在所述目标和所述传感器阵列之间，

其中所述第一光学元件或所述第二光学元件中的至少一个光学元件分别被配置为在所述视场区域中的每个网格单元中投影所述至少一个束斑期间抵消梯形-枕形变形。

11.一种激光扫描系统，其特征在于，包括：

激光光源，所述激光光源被配置为朝向目标传输光脉冲束；

包括多个光学组件的光束转向装置，所述光束转向装置被配置为改变所述光脉冲束的传输方向；以及

根据网格而布置的传感器阵列，所述传感器阵列中的传感器被配置为感测入射到所述传感器上的光脉冲并且提供指示所述光脉冲入射到所述传感器上的时间的信号。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述多个光学组件包括第一反射镜和第二反射镜。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一反射镜被配置为以第一频率沿第一轴旋转，并且所述第二反射镜被配置为以第二频率沿第二轴旋转。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一轴和所述第二轴彼此横切。

15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一反射镜被配置为沿第一角度使所述光脉冲束转向，并且所述第二反射镜被配置为沿与所述第一角度不同的第二角度使所述光脉冲束转向。

16.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述多个光学组件包括适于沿两个正交轴旋转的双轴微机电反射镜。