TW201805591A - 用於在一光學系統中量測參考及返回光束之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本文中揭示用於使用單一感測器陣列在一量測系統中量測一參考光束及來自一目標之一對應返回光束的技術。該系統經組態使得該參考光束的位置與該返回光束在該感測器陣列上之位置間隔開。基於一雷射光束掃描控制信號來動態地啟動對應於該參考光束之該感測器陣列上之一第一感測器元件組。使用來自該第一感測器元件組之偵測信號來判定該參考光束之一位置及/或一圖案，接著使用該位置及/或圖案來估計該對應返回光束在該同一感測器陣列上之一位置及/或一圖案且基於該對應返回光束之該估計位置及/或圖案來動態地選擇及啟動該感測器陣列上之一第二感測器元件組。

Description

用於在一光學系統中量測參考及返回光束之系統及方法
光達(LIDAR)系統為可使用光束來獲得自源至目標上之一或多個點之範圍(即，距離)的有效遠端感測系統。LIDAR系統使用光束(通常為雷射束)來照射目標之至少一部分且量測來自源之所射出光束到達目標及接著返回至源附近或在已知位置處之偵測器所花費之時間。換言之，可基於自源至偵測器之光束之飛行時間(ToF)而判定自源至目標上之點的範圍。為了量測至目標上或在LIDAR系統之視野中之多個點的範圍，通常以一維或二維掃描雷射光束。在LIDAR系統之各種實施中，可能期望判定參考雷射光束及對應返回光束之位置、計時及/或強度以便判定自源至目標上之點的範圍。
本文中所揭示技術係關於使用單一感測器陣列在LIDAR系統或其他類似系統中量測參考光束及來自目標之對應返回光束。在各種實施例中，可基於雷射光束掃描控制信號而動態地選擇及啟動對應於參考光束之感測器陣列上之第一感測器元件組。可使用來自第一感測器元件組之偵測信號來判定參考光束之位置及/或圖案，可接著使用該位置及/或圖案來估計對應返回光束在同一感測器陣列上之位置及/或圖案。可接著基於該對應返回光束之經估計的位置及/或圖案而動態地選擇及啟動感測器陣列之第二感測器元件組。以此方式，可藉由單一感測器陣列量測參考光束及返回光束之計時、位置及/或強度，藉此增加系統之準確度及可靠性。此外，由於在特計時間僅可啟動對應於參考光束之經動態選擇的感測器元件組或對應於返回光束之經動態選擇的感測器元件組，因此可減少或消除參考光束與返回光束之間的干擾以及由在感測器陣列之其他感測器元件上之(例如)背景輻射或雜散(散射)光束造成之雜訊。 根據一實例性實施，一種系統可包括：經組態以透射光束之光源，包括複數個感測器元件之二維(2-D)感測器陣列，及經組態以將光束之第一部分引導至2-D感測器陣列上之第一區域上之光束分裂裝置。該系統亦可包括經組態以將光束之第二部分引導朝向目標物件之透射器光學子系統，及經組態以將由目標物件反射之光束之第二部分的返回部分引導至2-D感測器陣列上之第二區域上的接收器光學子系統，其中第二區域與第一區域間隔開。該系統可進一步包括以通信方式耦合至2-D感測器陣列以用於控制2-D感測器陣列之感測器控制器。在一些實施例中，第一區域及第二區域在2-D感測器陣列之相對側上。 在系統之一些實施例中，感測器控制器可經組態以：基於控制所透射光束之掃描方向的雷射光束掃描控制信號來在包括第一區域之第一估計區域中選擇性地啟動2-D感測器陣列之第一感測器元件組；接收來自第一感測器元件組之偵測信號；在接收到偵測信號之後去啟動第一感測器元件組；及基於偵測信號來判定光束之第一部分在2-D感測器陣列上之實際位置。在一些實施例中，該系統可包括用於自偵測信號提取計時資訊的計時量測電路，諸如類比/數位轉換器或時間/數位轉換器。 在一些實施例中，該感測器控制器可經進一步組態以基於光束之第一部分之經判定實際位置來判定光束之第二部分之返回部分在2-D感測器陣列上之估計位置，且基於光束之第二部分之返回部分之估計位置而啟動2-D感測器陣列之第二感測器元件組。在一些實施例中，光束之第二部分之返回部分在2-D感測器陣列上之估計位置可包括光束之第二部分之返回部分在2-D感測器陣列上之尺寸及圖案。在一些實施例中，該感測器控制器可經組態以基於光束之第二部分之返回部分在2-D感測器陣列上之估計位置與光束之第一部分在2-D感測器陣列上之實際位置之間的關係(例如，預定或校準關係)來判定光束之第二部分之返回部分在2-D感測器陣列上之估計位置。 在一些實施例中，該感測器控制器可經進一步組態以接收來自第二感測器元件組之偵測信號及在接收到來自第二感測器元件組之偵測信號之後去啟動第二感測器元件組。在一些實施例中，該系統可包括用於自來自第二感測器元件組之偵測信號提取計時資訊及/或光強度資訊的量測電路。在一些實施例中，該系統可包括用於基於計時資訊及光強度資訊來判定目標物件之特性的分析器。 在系統之一些實施例中，該感測器控制器可經組態以動態地選擇2-D感測器陣列之區域之位置、尺寸及圖案，且動態地啟動2-D感測器陣列之所選擇區域中之感測器元件組並去啟動2-D感測器陣列之其他感測器元件。在各種實施例中，所選擇區域可包括2-D感測器陣列之圓形區域、矩形區域及橢圓形區域中之一者。 在一些實施例中，2-D感測器陣列可包括包含複數個單光子突崩二極體(SPAD)微單元之矽光電倍增器(SiPM)感測器。在一些實施例中，透射器光學子系統可包括光束分裂裝置。 根據一實例性實施，揭示一種用於量測參考光束及來自目標之對應返回光束之方法。該方法可包括：基於雷射光束掃描控制信號來選擇性地啟動2-D感測器陣列之第一感測器元件組，及接收來自第一感測器元件組之偵測信號。第一感測器元件組對應於參考光束在2-D感測器陣列上之位置，且參考光束包括由雷射光束掃描控制信號控制之光束之部分。該方法亦可包括：基於來自第一感測器元件組之偵測信號來判定參考光束在2-D感測器陣列上之實際位置，及基於該參考光束之實際位置來判定返回光束在2-D感測器陣列上之估計位置，其中返回光束係由被光束照射之目標返回。該方法可進一步包括：基於返回光束之估計位置來選擇性地啟動2-D感測器陣列上之第二感測器元件組。 在該方法之一些實施例中，判定返回光束在2-D感測器陣列上之估計位置可包括：基於返回光束在2-D感測器陣列上之估計位置與參考光束在2-D感測器陣列上之實際位置之間的預定或校準關係來判定返回光束在2-D感測器陣列上之估計位置。 在該方法之各種實施例中，參考光束可由光束分裂裝置引導至2-D感測器陣列，且返回光束可由接收器光學子系統引導至2-D感測器陣列，其中參考光束在2-D感測器陣列上之實際位置與返回光束在2-D感測器陣列上之估計位置間隔開。 在一些實施例中，用於量測參考光束及來自目標之對應返回光束之方法亦可包括：在接收到來自第一感測器元件組之偵測信號之後去啟動第一感測器元件組，及自來自第一感測器元件組之偵測信號提取計時資訊。 在一些實施例中，用於量測參考光束及來自目標之對應返回光束之方法亦可包括：接收來自第二感測器元件組之偵測信號，在接收到來自第二感測器元件組之偵測信號之後去啟動第二感測器元件組，及自來自第二感測器元件組之偵測信號提取計時資訊。在一些實施例中，自來自第二感測器元件組之偵測信號提取計時資訊可包括使用類比/數位轉換器或時間/數位轉換器自來自第二感測器元件組之偵測信號提取計時資訊。在一些實施例中，該方法可進一步包括：基於自來自第二感測器元件組之偵測信號提取之計時資訊來判定目標之特性。 根據另一實例性實施，可提供一種設備，其可包括：用於基於雷射光束掃描控制信號來選擇性地啟動2-D感測器陣列之第一感測器元件組的構件，及用於接收來自第一感測器元件組之偵測信號的構件。第一感測器元件組對應於參考光束在2-D感測器陣列上之位置，且參考光束可包括由雷射光束掃描控制信號控制之光束之部分。該設備亦可包括：用於基於偵測信號來判定參考光束在2-D感測器陣列上之實際位置，及用於基於該參考光束之實際位置來判定來自目標之返回光束在2-D感測器陣列上之估計位置，其中返回光束對應於參考光束且由被光束照射之目標返回。該設備可進一步包括用於基於返回光束之估計位置來選擇性地啟動2-D感測器陣列上之第二感測器元件組的構件。 在一些實施例中，該設備可包括：用於將參考光束引導至2-D感測器陣列的構件，及用於將返回光束引導至2-D感測器陣列在與參考光束在2-D感測器陣列上之實際位置間隔開之位置上的構件。在一些實施例中，該設備可包括：用於在接收到來自第一感測器元件組之偵測信號之後去啟動第一感測器元件的構件，及用於自來自第一感測器元件組之偵測信號提取計時資訊的構件。在一些實施例中，該設備可包括：用於接收來自第二感測器元件組的偵測信號的構件，用於在接收到來自第二感測器元件組之偵測信號之後去啟動第二感測器元件的構件，及用於自來自第二感測器元件組之偵測信號提取計時資訊的構件。在一些實施例中，該設備可進一步包括用於基於自來自第二感測器元件組之偵測信號提取之計時資訊來判定目標之特徵的構件。 根據另一實例性實施，揭示包括儲存在其上之機器可讀指令之非暫時性電腦可讀儲存媒體。該非暫時性電腦可讀儲存媒體可包括在可由一或多個處理器執行時致使一或多個處理器進行以下操作之指令：基於雷射光束掃描控制信號來選擇性地啟動2-D感測器陣列之第一感測器元件組，及接收來自第一感測器元件組之偵測信號，其中第一感測器元件組對應於參考光束在2-D感測器陣列上之位置，且參考光束包括由雷射光束掃描控制信號控制之光束之部分。該等指令亦可致使一或多個處理器：基於偵測信號來判定參考光束在2-D感測器陣列上之實際位置，基於參考光束之實際位置來判定來自目標之返回光束在2-D感測器陣列上之估計位置，其中返回光束對應於參考光束，由被光束照射之目標返回，及基於返回光束之估計位置來選擇性地啟動2-D感測器陣列上之第二感測器元件組。 在該非暫時性電腦可讀儲存媒體之各種實施例中，該等指令亦可致使一或多個處理器：接收來自第二感測器元件組之偵測信號，在接收到來自第二感測器元件組之偵測信號之後去啟動第二感測器元件組，及自來自第二感測器元件組之偵測信號提取計時資訊及光強度資訊。在一些實施例中，指令亦可致使一或多個處理器基於自來自第二感測器元件組之偵測信號所提取之計時資訊及光強度資訊來判定目標之特性。
現在將參考形成本發明之部分的附圖來描述數個說明性實施例。後續描述僅提供實施例，且並不意欲限制本發明之範疇、適用性或組態。實際上，實施例之後續描述將為熟習此項技術者提供用於實施實施例的啟用性描述。應理解，可在不脫離本發明之精神及範疇的情況下對元件之功能及組態作出各種改變。 本文中所揭示之技術係關於使用二維(2-D)感測器陣列(諸如包括單光子突崩二極體(SPAD)微單元之2-D陣列之矽光電倍增器(SiPM)感測器)在光達(LIDAR)系統中量測來自目標物件之返回光束。更具體而言，在根據本發明之一些態樣之LIDAR系統中，LIDAR之光學子系統可經組態以將來自雷射源之掃描雷射光束之一小部分部分地分裂為參考光束且將參考光束引導至2-D感測器陣列之表面上與來自目標物件之對應返回光束之光點之區域間隔開的動態改變區域中。藉由量測參考光束之光點之位置，可估計返回光束之光點之預期位置及圖案，可動態地選擇對應感測器元件(例如，SPAD微單元)且將其分組成「虛擬」、可變像素，該像素用於在返回光束回應於根據掃描圖案掃描雷射光束而遍歷LIDAR系統之2-D感測器陣列之表面時基於返回光束之光點之估計位置及圖案來量測返回光束。 以此方式，可藉由單一感測器陣列量測參考光束及返回光束之位置、計時及強度資訊。不需要任何額外感測器、偵測器、資料轉換器或其他額外組件來判定參考光束或返回光束之位置。因此，LIDAR系統之裝配及校準可更容易且LIDAR系統之準確度及可靠性可得以改良。此外，由於在時間週期期間可啟動對應於參考光束之經動態選擇的感測器元件組或對應於返回光束之估計位置及圖案之經選擇的感測器元件組，因此可減少或最小化參考光束與返回光束之間的干擾以及由在感測器陣列之其他感測器元件上之(例如)背景輻射或雜散(散射)光束造成之雜訊。 LIDAR系統(亦被稱作雷射偵測及測距(LADAR)系統)為可用於獲得自源至目標上之一或多個點之範圍的有效遠端感測系統。LIDAR使用光束(通常雷射光束)來照射目標上之一或多個點。與其他光源相比，雷射光束可傳播較長距離而不會顯著分散(高度校準)，且可經聚焦至小點以便遞送極其高光學功率密度且提供高解析度。雷射光束可經調變使得所透射雷射光束包括一系列脈衝。可將所透射雷射光束引導至目標上之點，該目標可反射所透射雷射光束。可量測自目標上之電反射的雷射光束，且可量測自所透射光束之脈衝自源透射的時間至脈衝導電在源附近之偵測器處或在已知位置處之時間的飛行時間(ToF)。可接著藉由(例如)r = c × t /2 來判定自源至目標上之點的範圍，其中r 為自源至目標上之點的範圍，c 為自由空間中之光之速度，且t 為自源至偵測器之光束之脈衝的ToF。 圖1為實例性系統100 (諸如LIDAR、LADAR或其他類似系統)的簡化方塊圖。系統100可包括光學光束掃描器110、感測器120及光學子系統130。光學光束掃描器110可包括源，諸如雷射、雷射二極體、垂直空腔表面發光雷射(VCSEL)、發光二極體(LED)，或其他源。雷射可為(例如)紅外線脈衝纖維雷射或具有例如930 nm至960 nm、1030 nm至1070 nm、大約1550 nm或更長之輸出波長的其他鎖模雷射。光學光束掃描器110亦可包括可改變來自雷射之透射雷射光束之方向的光引導裝置，諸如掃描載台、壓電致動器或微機電(MEMS)裝置。光學子系統130可用於校準來自光學光束掃描器110之透射雷射光束，使得經校準雷射光束140可傳播較長距離至目標而不會顯著分散。光學子系統130亦可將來自光學光束掃描器110之透射雷射光束聚焦至目標上之小點。光學子系統130亦可用於擴大雷射光束或使雷射光束轉向。由於目標物件上之小光束點，可改良系統100之解析度。 光學子系統130亦可用於將來自目標150之返回雷射光束160直接聚焦至感測器120上或聚焦至連接至感測器120之光纖中。感測器120可為具有與源之波長相當之工作(敏感)波長之偵測器。偵測器可為高速光偵測器，例如，在p型半導體與n型半導體區之間具有本徵半導體區之光電二極體(PIN光電二極體)，或InGaAs突崩光電偵測器(APD)。感測器120亦可包括一維(1-D)或2-D偵測器陣列，諸如包括複數個SPAD微單元之SiPM感測器。 為了量測至目標上或在系統之視野(FOV)中之多個點的範圍，通常如圖1中所展示以一維或二維掃描雷射光束。為了達成1-D或2-D掃描圖案，系統可使用(例如)雷射陣列、多組彼此稍微傾斜之雷射/感測器，或2-D掃描機構，使得如圖1中所展示以水平光柵圖案及/或垂直光柵圖案掃描雷射光束。 存在諸多不同類型雷射光束掃描機構，例如，多維度機械載台、電流計控制反射鏡、由微監視器驅動之MEMS反射鏡、使用壓電材料(諸如石英或鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷)、電磁致動器或聲學致動器之壓電轉發器/傳感器。亦可無需任何組件之機械移動來達成雷射光束掃描，例如，使用相位陣列技術，其中1-D或2-D雷射陣列中之雷射之相位可改變或變更疊加雷射光束之波前。上文所描述光束掃描機構中之諸多者可為大型且昂貴的。在一些LIDAR系統中，替代地或另外，可使用諧振光纖掃描技術來掃描雷射光束。由於光纖之可撓性，可達成寬廣視野及高解析度。另外，諧振光纖光束掃描器可較小且較不昂貴。 在此等掃描機構中之諸多者中，可基於驅動掃描機構之控制信號而判定掃描光束之位置，使得系統可判定在給計時間反射特定透射光束之目標上之點。舉例而言，在圖1中，可基於控制系統100中之光束掃描器110之信號來判定透射光束在光學子系統130上之位置及因此透射光束在目標150上之位置。作為更特定實例，在具有由微監視器驅動之MEMS反射鏡之系統中，可基於控制使微反射鏡旋轉之微監視器之信號來判定MEMS微反射鏡之定向。接著可基於給計時間處之微控制器之定向來判定微反射鏡之反射光束之方向及因此光束在光束塑形裝置上之位置。 可使用單一諧振光纖用單個2軸致動器產生2-D掃描圖案。舉例而言，若水平軸產生恆定振幅正弦波，且垂直軸產生具有與正弦波相同的頻率及振幅之餘弦波，循環可由對稱光纖形成。可使x及y軸上之掃描振幅漸進地減少及/或增加以藉由漸進減少及/或增加之控制信號產生螺旋掃描圖案。作為更特定實例，若水平振動為三角形振幅調變正弦波且垂直振動為三角形振幅調變餘弦波，則可產生均勻間隔之螺旋掃描圖案。 在諸多系統中，實際掃描圖案可不遵循如設計之理想掃描圖案。舉例而言，在使用諧振光纖懸臂之LIDAR系統中，由於諧振光纖懸臂之動態，掃描圖案可能與理想圖案失真。因此，在各種系統中，期望判定LIDAR光束在系統之透射器處之位置，且因此判定LIDAR光束在目標上之對應位置及來自目標之返回光束在系統之接收器上之對應位置。 圖2說明用於判定光束在發射器之位置的具有光束分裂器之實例性系統200。系統200可為LIDAR、LADAR或其他類似系統。作為圖1之系統100，系統200可包括雷射220、耦接至雷射220以用於導引來自雷射220之輸出光束的光纖232，及用於刺激光纖232以掃描來自雷射220之輸出雷射光束的致動器230。系統200亦包括用於將入射雷射光束引導朝向目標260 (如雷射光束252所展示)之透射器透鏡250。來自目標260之反射雷射光束262可由接收器透鏡270收集且引導至偵測器280，如上文關於圖1之感測器120所描述。處理器/控制器210可用於同步化及控制雷射220、致動器230及偵測器280之操作，且基於雷射220及致動器230之控制信號以及由偵測器280偵測之反射信號而分析目標260上之各種點。 為偵測雷射光束在透射器透鏡250上之位置且因此偵測雷射光束在目標260上之位置，可將光束分裂器240及光束位置感測器290添加至系統200。光束分裂器240可分裂來自光纖232之輸出雷射光束並將來自光纖232之輸出雷射光束之部分引導朝向光束位置感測器290，如由圖2中之雷射光束242所展示。雷射光束242可藉由光束分裂器240直接地或間接地穿過反射器244引導之光束位置感測器290。光束位置感測器290可為可偵測雷射光束242之2-D位置感測偵測器(PSD)。處理器/控制器210或光束位置感測器290可基於偵測雷射光束242之光束位置感測器290之部分之位置(像素)來判定來自光纖232之輸出鐳射光束在光束分裂器240或透射器透鏡250上之位置。 如自圖2可見，此方法可能具有高複雜性、高成本及高校準要求。舉例而言，由於除偵測器280外亦添加單獨光束位置感測器290，因此可能在裝配時或之後需要調整或校準光束位置感測器290及偵測器280之相對實體位置及定向，以及光束位置感測器290與偵測器280之間的相對計時。在一些狀況下，可能由於因光束位置感測器290及偵測器280之光學路徑或電子特性之改變造成的相對位置之改變及時間移位而需要週期性地執行校準。由於光束位置感測器290與偵測器280之間的相對實體位置或計時關係的校準誤差或改變，由此方法達成之準確度可能針對需要高精度LIDAR光束位置判定之某些應用而受損。 此外，在其中接收器包括具有寬FOV之光學子系統(其將來自掃描區域之光收集至單個APD上)之LIDAR系統中，諸如根據圖1及圖2之一些實施例，可將來自太陽或其他干擾(例如，車輛之高束光燈等)之背景輻射自光學子系統之FOV收集至APD。此可不利地影響LIDAR系統之操作範圍、準確度及敏感度。2-D感測器陣列可用於接收器上使得每一個別感測器元件之FOV僅為整個系統之組合FOV之一小部分且因此可改良系統之信雜比。 圖3說明使用二維感測器陣列(諸如2-D APD陣列或包括SPAD微單元之2維陣列的SiPM感測器)之實例性LIDAR系統300的簡化方塊圖。如圖3中所展示，在LIDAR系統300中，光學光束掃描器310可經由透射器光學子系統315將光束320投射至使用(例如)諧振光纖光學懸臂之環境中以形成(例如)螺旋掃描圖案330，如上文所描述。螺旋掃描圖案330中之每一點335對應於環境中之目標上之光束320之光點。 在接收路徑上，接收器光學子系統350可將由目標反射之返回光束及來自各種源之背景輻射收集至接收器光學子系統350之焦平面中。2-D感測器陣列360可定位在接收器光學子系統350之焦平面上以偵測返回光束。2-D感測器陣列360可包括複數個感測器元件365。圖3中說明所透射掃描圖案370之圖像，其中每一橢圓形圖案375表示返回光束在接收器光學子系統350之焦平面上在2-D感測器陣列360上之光點。如圖3中所展示，返回光束在2-D感測器陣列360上之光點可僅位於一個或少數感測器元件365上。 控制器(圖3中未展示)可將來自一或多個感測器元件365之偵測信號經由開關或多工器380選擇性地連接至類比/數位轉換器(ADC) 390以進行資料轉換。經轉換偵測信號可接著由信號處理器395處理以判定返回光束之強度、相位或飛行時間。 因此，每一個別感測器元件之FOV僅為整個系統之組合FOV之一小部分，且因此，收集至每一感測器元件中之雜訊輻射之量減少，而返回光束並未衰減。因此，可改良系統之總信雜比(SNR)，因此增加量測範圍且改良量測之準確度及敏感度，且使系統在存在干擾之情況下更穩健。 如圖3中所展示，在LIDAR系統中，來自目標之返回光束之光點可並非集中在感測器元件之中間。返回光束之光點可為圓形形狀、橢圓形形狀或不同於感測器元件(例如，具有正方形形狀)之形狀之不規則形狀。另外，如上文關於圖2所描述，掃描圖案可與理想圖案失真，且因此返回光束在2-D感測器陣列上之位置可能對於自一或多個感測器元件選擇偵測信號之控制器係未知的。可能需要光束位置感測器(諸如圖2之光束位置感測器290)來判定透射光束在透射器光學子系統315上之位置且因此判定返回光束之估計位置，使得控制器可自對應感測器元件選擇偵測信號或選擇性地啟動對應感測器元件。然而，如上文所描述，添加額外光束位置感測器可增加LIDAR系統之複雜性及成本且可能需要較複雜校準及/或更頻繁重新校準。 圖4說明根據本發明之一些態樣之實例性LIDAR系統400之簡化方塊圖。在圖4中，LIDAR系統400使用包括複數個感測器元件465之單個2-D感測器陣列460。在一些系統中，2-D感測器陣列460可能包括包含SPAD微單元之2-D陣列之SiPM感測器。SiPM感測器及SPAD微單元可能由於高單光子敏感度、低成本、經改良效能、增強系統可靠性及較低設計複雜性而替換諸多光學系統(諸如LIDAR系統)中之光電倍增管(PMT)、APD及PIN光電二極管。SiPM感測器可包括配置成2-D陣列之複數個SPAD微單元。SPAD微單元可分組成複數個像素，每一像素包括配置成具有所要吃尋之所要形狀(諸如圓形、橢圓形、矩形或正方形)之區域之一或多個SPAD微單元，以便選擇性地讀出投向在包括一或多個像素之感測器表面之部分上之光之強度，同時排除由其他像素偵測到之環境光，該環境光可能促成信號干擾或雜訊且降低系統之SNR。 如圖4中所展示，LIDAR系統400可包括雷射光束操縱控制器405，該雷射光束操縱控制器405控制來自雷射光束掃描器410之脈衝雷射光束之傳輸及所透射之脈衝雷射光束之掃描以產生所要掃描圖案，諸如2-D掃描圖案(例如，螺旋)。來自雷射光束掃描器410之所透射脈衝雷射光束412之小部分可由透射器光學子系統430 (或單獨光束分裂裝置420)分裂為參考光束422且引導至2-D感測器陣列460之表面上之區域462，而所透射脈衝雷射光束412之其餘部分(432)可在以所要掃描圖案掃描所透射脈衝雷射光束時傳播穿過透射器光學子系統430且照射目標物件440。由目標物件440反射或散射之返回光束442可由接收器光學子系統450收集且引導至同一2-D感測器陣列460之表面上與對應於參考光束422之區域462間隔開之區域中，諸如例如在與參考光束之光點所位於之區域462相對之區域464中，以使參考光束422與返回光束442之間的干擾最小化。 為使用脈衝雷射光束(包括412、432及442)之ToF來量測目標物件440距LIDAR系統400之距離，可使用各種計時量測電路藉由各種方法來量測2-D感測器陣列460偵測到返回光束442之時間以及將脈衝雷射光束投射至環境中之時間(或由於雷射光束掃描器410與透射器光學子系統430之間的距離較短而由2-D感測器陣列460偵測之參考光束之時間)。 在一些實施中，可使用一或多個時間/數位轉換器(TDC)執行計時量測。在使用TDC之LIDAR系統中，可使用預定義臨限值集合來觸發一或多個時間計數器之開始及/或停止，使得在來自感測器元件或感測器元件組之偵測信號超過某些值時，可啟動特定計數器。TDC在系統架構中可能相對簡單且可能相對容易實施。然而，TDC之使用可導致關於返回光束或參考光束之資訊之損失。舉例而言，除返回光束之計時資訊外之資訊(諸如返回光束之強度)可用於判定目標物件之特性。TDC可能對量測返回光束之強度並不足夠準確。另外，在光路徑中可能存在多個物件(例如，樹枝，來自雨水之水滴等)之狀況下，TDC可不能夠提取可用於來自感測器元件之偵測信號之其他有用資訊。 在一些實施中，可用一或多個ADC執行計時量測。ADC可提供自來自感測器元件之偵測信號提取資訊之較佳方式。然而，在一些實例中，LIDAR系統中所使用之ADC可需要具有相當高效能，例如達約數十億樣本/秒(GSPS)之速度。GSPS ADC之實例可包括使用交錯架構之ADC。在一些系統中，可使用具有較低解析度之ADC，諸如8位元快閃ADC。 如圖4中所展示，基於例如來自雷射光束操縱控制器405之雷射光束掃描控制信號，感測器控制器480可估計參考光束在2-D感測器陣列460 (例如，SiPM感測器)上之光點之位置，諸如參考光束422之區域462。感測器控制器480可接著選擇包括區域462之區域中之SPAD微單元，且經由解映射電路482啟動此等SPAD微單元。可將來自此等SPAD微單元之偵測信號提供至用於偵測參考光束422之第一ADC/TDC 470。來自第一ADC/TDC 470之輸出可指示產生大於臨限值之信號之SPAD微單元之位置，及偵測到該信號之時間。基於來自第一ADC/TDC 470之輸出，感測器控制器480可判定參考光束422之光點之實際位置及/或圖案。應注意，可能不需要參考光束之詳細強度資訊。 在判定參考光束422之光點之實際位置及/或圖案之後，可去啟動經啟動之SPAD微單元。感測器控制器480可接著基於參考光束422之光點之實際位置及/或圖案及例如參考光束之光點之位置與對應返回光束之光點之位置之間的預量測或校準關係來判定返回光束442之觀點之估計位置及圖案。感測器控制器480可接著基於返回光束442之光點之估計位置及圖案而選擇SPAD微單元群組來形成像素，且經由另一解映射電路484啟動所選擇SPAD微單元。來自由解映射電路484啟動之SPAD微單元之偵測信號可接著由求和電路486加總在一起且經發送至第二ADC/TDC 488。第二ADC/TDC 488可預處理偵測信號，且判定偵測到大於臨限值之信號之時間以及偵測到返回光束之強度。在一些實施中，解映射電路484及解映射電路482可為同一電路。在一些實施中，第一ADC/TDC 470及第二ADC/TDC 488可為同一ADC/TDC電路，且可使用多工電路來選擇至ADC/TDC電路之輸入，此係因為在給計時間，可啟動僅一組感測器元件(例如，用於參考光束之SPAD微單元或用於返回光束之SPAD微單元)。 可藉由返回光束分析器490來分析透射脈衝雷射光束之時間或偵測到參考光束(例如，由第一ADC/TDC 470所判定)之時間、偵測到返回光束(例如，由第二ADC/TDC 488所判定)之時間及所偵測到返回光束之強度以判定目標物件之距離及其他特性，諸如目標物件之反射性及/或材料。 在脈衝雷射光束根據所設計掃描圖案掃描，參考光束及對應返回光束之光點在2-D感測器陣列460上之位置可能改變。舉例而言，所透射光束414可由透射器光學子系統430 (或單獨光束分裂裝置420)作為參考光束424部分地反射至2-D感測器陣列460之表面上之區域466，而所透射光束414之其餘部分(434)可傳播穿過透射器光學子系統430且照射目標物件440。由目標物件440反射或以其他方式返回之返回光束444可由接收器光學子系統450收集且引導至2-D感測器陣列460之表面上與對應於參考光束424之區域466間隔開之區域中，諸如例如，在與參考光束424之光點所位於之區域466相對之區域468中。區域466或468中之SPAD微單元可選擇性地分組成像素且經啟動，如上文關於參考光束422及返回光束442所描述。 應注意，儘管上文或在本發明中之別處描述使用包括2-D SPAD微單元之SiPM感測器之特定實例，但此等實例僅用於說明目的且並不意欲將本發明限制於此等特定實例。在各種實施中，可使用其他感測器陣列，諸如2-D APD感測器陣列。 圖5說明在光束掃描期間在感測器陣列上之實例性參考光束及對應返回光束。圖6說明來自用於偵測參考光束及返回光束(諸如圖5中所展示之實例性參考光束及返回光束)之感測器陣列上之經選擇性地啟動的感測器元件之輸出信號之實例性波形。 如圖5及圖6中所展示，在時間tn 處或之前，2-D感測器陣列(例如，具有SPAD微單元512之2-D陣列之SiPM感測器510)之估計區域中之參考點SPAD微單元組在參考光束n 之光點可位於時間tn (例如，包括區域520之區域)處之情況下可分組為像素且經選擇性地啟動。可基於雷射光束操縱信號來判定區域。在啟動此等參考點SPAD微單元時，可去啟動SiPM感測器510之SPAD微單元之其餘部分以減小返回光束與參考光束之間的干擾。 由於操縱信號之相位及振幅失真以及掃描機構對操縱信號之不理想回應，參考光束n 在SiPM感測器510之表面上之實際位置可能基於所應用操縱信號而自預期區域偏離。因此，經啟動參考點SPAD微單元可覆蓋包括但大於基於雷射光束操縱信號所判定之估計區域之區域。 在時間tn 處，參考光束n 之光點可位於SiPM感測器510上之區域520處。參考光束n 可由經啟動參考點SPAD微單元偵測，如由來自參考點SPAD微單元之輸出信號之波形610中之脈衝612所指示。可在時間tn+w 處或在經啟動參考點SPAD微單元不再偵測到參考光束之後去啟動經啟動參考點SPAD微單元。基於參考點SPAD微單元之輸出，可如上文關於圖4所描述地判定所參考光束n 之光點之實際位置及/或圖案及對應返回光束n 之估計位置及/或圖案。 在時間延遲之後，在時間tn + Δ 處，基於返回光束n 之估計位置及/或圖案及參考光束與返回光束之位置之間的預量測或校準關係，返回點SPAD微單元組(例如，在包括區域525之區域中之SPAD微單元)可經選擇以形成像素並予以啟動。LIDAR系統(諸如LIDAR系統400)之透射器光學子系統及接收光學子系統可經組態使得區域520與區域525間隔開，例如相對於如圖5中所展示之SiPM感測器510之中心515位於SiPM感測器510之相對側處。因此，由於參考點SPAD微單元及返回點SPAD微單元並不重疊，及/或在參考點及返回點彼此接近之情況下在不同時間處經啟動而最小化或消除參考光束與返回光束之間的干擾。 在時間tn + Δ 與時間tn+1 之間，返回光束n 可由經啟動返回點SPAD微單元偵測，如由來自經啟動返回點SPAD微單元之輸出之波形620所展示。如圖6中所展示，在時間t n + Δ 與時間tn+1 之間，可偵測到超過臨限值之兩個脈衝622及624。脈衝622及624可具有不同形狀、持續時間、相位或振幅，且可係由(例如)光路徑中之多個物件(諸如樹枝)或位於兩個或多於兩個物件之間的邊界處之掃描光束造成。基於脈衝622及624之計時資訊、形狀、持續時間、相位或振幅，連同例如脈衝612之計時資訊，可判定造成返回光束n 之目標對象之距離及/或其他特性。在時間tn+1 處，可去啟動經啟動返回點SPAD微單元。 類似地，在時間tn+1 處或之前，SiPM感測器510之估計區域中之不同參考點SPAD微單元組在參考光束n+1 之光點可位於時間tn+1 (例如，包括區域530之區域)處之情況下可分組為像素且經選擇性地啟動。在啟動此等參考點SPAD微單元時，可去啟動SiPM感測器510之SPAD微單元之其餘部分以減小返回光束與參考光束之間的干擾。 在時間tn+1 處，參考光束n+1 之光點可在SiPM感測器510上順時針自區域520移動至區域530。參考光束n+1 可由經啟動參考點SPAD微單元偵測，如由波形610中之脈衝614所展示。可在時間tn+1+w 處或在經啟動參考點SPAD微單元不再偵測到參考光束由之後去啟動經啟動參考點SPAD微單元。基於參考點SPAD微單元之輸出，可如上文關於圖4所描述地判定所參考光束n+1 之光點之實際位置及/或圖案及對應返回光束n+1 之估計位置及/或圖案。 在時間延遲之後，在時間tn+1+ Δ 處，不同返回點SPAD微單元組(例如，包括自區域525順時針移動之區域535之區域中之SPAD微單元)可基於返回光束n+1 之估計位置及/或圖案經選擇來形成像素並予以啟動。LIDAR系統之透射器光學子系統及接收光學子系統可經組態使得區域530與區域535間隔開，例如相對於如圖5中所展示之SiPM感測器510之中心515位於SiPM感測器510之相對側處。以此方式，可最小化參考光束與返回光束之間的干擾。 在時間tn+1+ Δ 與時間tn+2 之間，可由經啟動返回點SPAD微單元偵測到返回光束n+1 ，如由波形620所展示。如圖6中所展示，在時間tn+1 + Δ 與時間tn+2 之間，可偵測到超過臨限值之脈衝626。在時間tn+2 處，可去啟動經啟動返回點SPAD微單元。基於脈衝626之計時資訊、形狀、持續時間、相位或振幅，連同例如脈衝614之計時資訊，可判定造成返回光束n+1 之目標對象之距離及/或其他特性。 如圖5中所展示，由於與返回光束相比較參考光束可行進較短距離(因此較少分散度)且未被目標物件反射(因此，較少散射)，因此參考光束之光點可小於反射光束之光點且可具有比反射光束更可預測圖案。因此可基於對應光點之估計位置及圖案來選擇並啟動SPAD微單元之具有不同數目及圖案之像素。 在各種實施中，SiPM感測器之每一像素可包括配置成所要形狀(諸如圓形、橢圓形、矩形或正方形)之區域之多個SPAD微單元。舉例而言，在一項實例中，SiPM感測器之每一像素可包括配置成正方形之20×20個SPAD微單元。在一些實施中，可動態地判定像素之位置、大小及形狀且可動態地選擇對應SPAD微單元。換言之，在第一時間週期選擇之一個像素之大小或形狀可不同於在不同時間週期所選擇之另一像素之大小或形狀。 由於可估計可在給計時刻由參考光束或返回光束照射之2-D感測器陣列之感測器元件(例如，SiPM感測器中之SPAD微單元)，因此可去啟動在給計時間可能未被參考光束或返回光束之其他感測器元件，此係因為其可能並不提供有用資訊。以此方式，SiPM之功率消耗可降低，且資料處理之量亦可降低，此係因為僅SPAD微單元之小部分經啟動且對應輸出經處理。 根據本發明之某些態樣可由LIDAR系統達成數個其他優點。舉例而言，可改良返回光束之偵測信號之SNR，此係因為可藉由去啟動此等SPAD微單元，因此降低總雜訊，同時來自目標物件之所有返回光束之強度可不受影響，排除大部分背景輻射及原本由經去啟動SPAD微單元收集及偵測之其他雜訊。由於經改良SNR效能，可使用此LIDAR系統達成較長範圍及/或較佳信號準確度/敏感度。 此外，可降低LIDAR系統之複雜性。舉例而言，僅可使用一個2-D感測器陣列，且因此系統之裝配、對準及校準可為更簡單。另外，在一些實施中，可能需要僅一個ADC/TDC，此係因為在給計時間處，可啟動僅一組感測器元件(例如，參考點SPAD微單元或返回點SPAD微單元)。 在一些實施例中，2-D感測器陣列亦可用於執行傳輸路徑及/或接收路徑之校準/重新校準，包括例如雷射光束掃描器410、透射器光學子系統430及/或單獨光束分裂裝置420 (若使用)、接收器光學子系統450及2-D感測器陣列自身。當系統之校準隨時間關斷時，雷射光束之實際方向可能不同於預期之方向。為了重新校準系統，雷射光束操縱控制器405可控制雷射光束掃描器410以沿特定方向透射脈衝雷射光束。通過掃描2-D感測器陣列460中之感測器元件之全部或估計部分，可判定實際上偵測參考光束或返回光束之感測器元件。可判定雷射光束操縱信號、對應掃描方向、對應參考光束之光點之位置及/或圖案以及對應返回光束之光點之位置及/或圖案間的關係。可執行對一系列掃描方向之校準，且可使用諸如各種內插或外推技術之技術來判定其他掃描方向及在校準期間尚未量測之對應參考光束及返回光束間的關係。 圖7為用於在LIDAR系統中量測參考光束及來自目標之對應返回光束之實例性方法的流程圖700。應注意，所揭示方法可用於除LIDAR系統(例如，檢查系統)外之系統中。 在區塊710處，例如，可基於雷射光束掃描控制信號在2-D感測器陣列上選擇性地啟動對應於參考光束之第一感測器元件組。參考光束可為由LIDAR系統之透射器光學子系統(例如，透射器光學子系統430)或單獨光束分裂裝置(例如，光束分裂裝置420)反射或以其他方式返回之透射光束之部分。在一些實施例中，可使用雷射光束掃描控制信號與參考光束在2-D感測器陣列上之對應預期位置及/或圖案之間的預定或校準關係來選擇第一感測器元件組。第一感測器元件組之感測器元件之數目及空間配置可針對不同雷射光束掃描控制信號或不同掃描方向不同。當啟動第一感測器元件組時，2-D感測器陣列之其他感測器元件被關斷、去啟動或置於睡眠或備用模式中。在各種實施例中，用於執行區塊710處之功能的構件可包括但不限於(例如)圖4之感測器控制器480、解映射電路482，及2-D感測器陣列460，或如圖8中所說明且在下文詳細描述之計算系統800。 在區塊720處，可藉由例如圖4之感測器控制器480接收來自第一感測器元件組之偵測信號。來自第一感測器元件組之偵測信號可在發送至感測器控制器480之前由例如圖4之ADC/TDC 470預處理。在一些實施例中，可個別地傳輸及處理來自每一感測器元件(例如，SPAD微單元)之偵測信號。第一感測器元件組亦可分組成像素，且來自第一感測器元件組之累積偵測信號可一起經傳輸及處理。在各種實施例中，用於執行區塊720處之功能的構件可包括但不限於例如圖4之感測器控制器480、ADC/TDC470，及2-D感測器陣列460，或如圖8中所說明且在下文詳細描述之計算系統800。 在區塊730處，可基於偵測信號，例如，基於偵測參考光束之感測器元件之位置來判定參考光束在2-D感測器陣列上之實際位置。在各種實施例中，用於執行區塊730處之功能的構件可包括但不限於例如圖4之感測器控制器480，或如圖8中所說明且在下文詳細描述之計算系統800。 在區塊740處，可例如藉由圖4之感測器控制器480或如圖8中所說明且在下文詳細描述之計算系統800基於參考光束之所判定實際位置來判定返回光束在2-D感測器陣列上之估計位置。返回光束對應於參考光束，且可由被所透射光束照射之目標物件反射或以其他方式返回。LIDAR系統之光學系統可經組態使得參考光束在2-D感測器陣列上之位置與返回光束在2-D感測器陣列上之位置間隔開，例如相對於2-D感測器陣列之中心位於2-D感測器陣列之相對側處。在一些實施例中，亦可估計對應返回光束之光點在2-D感測器陣列上之圖案。在各種實施例中，可基於返回光束之位置與參考光束之位置之間的預定(例如，預量測或經校準)關係來判定估計位置及對應返回光束之圖案。 在區塊750處，可基於對應返回光束之估計位置來選擇性地啟動2-D感測器陣列之第二感測器元件組。如上文所描述，第二感測器元件組之感測器元件之數目及空間配置可變化。舉例而言，第二感測器元件組可配置於具有所要尺寸之所要形狀(諸如圓形、橢圓形、矩形或正方形)之區域中。第二感測器元件組可覆蓋大於返回光束之估計位置之區域。在各種實施例中，用於執行區塊750處之功能的構件可包括但不限於例如圖4之感測器控制器480、解映射電路484，及2-D感測器陣列460，或如圖8中所說明且在下文詳細描述之計算系統800。 應注意，儘管圖7將操作描述為順序程序，但操作中之一些可並行或同時地執行。另外，可重新配置操作的次序。操作可具有未包括在圖中之額外步驟。一些操作可為視情況選用的，且因此可在各種實施例中被省略。一個區塊中所描述之一些操作可連同另一區塊處之操作一起執行。此外，方法之實施例可以硬體、軟體、韌體、中間軟體、微碼、硬體描述語言或其任何組合來實施。 例如，儘管圖7中未展示，但來自第二感測器元件組之偵測信號可由ADC/TDC電路加總、預處理，且將其發送至返回光束分析器，如上文關於圖4所描述。可自來自第二感測器元件組之偵測信號及/或來自第一感測器元件組之偵測信號提取返回光束及/或參考光束之計時資訊及/或強度資訊。來自第二感測器元件組之偵測信號之計時資訊及強度資訊，及來自第一感測器元件組之偵測信號之計時資訊(或來自雷射光束操縱控制器，諸如雷射光束操縱控制器405之透射光束之計時資訊)可用於判定由待返回至2-D感測器陣列之透射光束造成之目標物件之距離及/或其他特性，諸如目標物件之反射性及/或材料。 圖8說明用於實施本文中所描述之實例中之一些之實例性計算系統800之組件。舉例而言，計算系統800可用作圖2之處理器/控制器210、圖3之信號處理器395，或圖4之雷射光束操縱控制器405、感測器控制器480或返回光束分析器490。應注意，圖8僅意欲提供各種組件之廣義說明，可酌情利用該等組件中之任一者或全部。此外，系統元件可以相對單獨或相對更完整方式實施。 計算系統800經展示包含可經由匯流排805電耦接(或可視情況以其他方式通信)之硬體元件。硬體元件可包括處理器810、一或多個輸入裝置815及一或多個輸出裝置820。輸入裝置815可包括(非限制)相機、觸控螢幕、觸控墊、麥克風、鍵盤、滑鼠、按鈕、轉盤、開關及/或其類似者。輸出裝置820可包括(非限制)限制裝置、印表機、LED、揚聲器及/或其類似者。 處理器810可包括(非限制)一或多個通用處理器、一或多個專用處理器(諸如數位信號處理(DSP)晶片、圖形加速處理器、特殊應用積體電路(ASIC)及/或其類似者)，及/或可經組態以執行本文中所描述方法中之一或多者之其他處理結構或構件。 計算系統800亦可包括有線通信子系統830及無線通信子系統833。有線通信子系統830及無線通信子系統833可包括(非限制)數據機、網路介面(無線、有線，無線及有線，或其其他組合)、紅外線通信裝置、無線通信裝置，及/或晶片組(諸如，藍芽裝置、國際電氣與電子工程師(IEEE) 802.11裝置(例如，利用本文中所描述IEEE 802.11標準中之一或多者之裝置)、WiFi裝置、WiMax裝置、蜂巢式通信設施等等)，及/或其類似者。網路介面之子組件可取決於計算系統800之類型而變化。有線通信子系統830及無線通信子系統833可包括一或多個輸入及/或輸出通信介面以准許與資料網路、無線存取點、其他電腦系統及/或本文中所描述之任何其他裝置交換資料。 取決於所要功能性，無線通信子系統833可包括單獨收發器以與基地台收發器及其他無線裝置及存取點進行通信，其可包括與不同資料網路及/或網路類型(諸如無線廣域網路(WWAN)、無線區域網路(WLAN)或無線個人區域網路(WPAN))通信。WWAN可為例如WiMax (IEEE 802.16)網路。WLAN可為例如IEEE 802.11x網路。WPAN可為例如藍芽網路、IEEE 802.15x或一些其他類型之網路。本文中所描述之技術亦可用於WWAN、WLAN及/或WPAN的任一組合。 圖8之計算系統800可包括在匯流排805上之時鐘850，該時鐘可產生用以使匯流排805上之各種組件同步的信號。時鐘850可包括LC振盪器、晶體振盪器、環式振盪器、數位時鐘產生器(諸如時鐘分頻器或時鐘多工器)、鎖相迴路或其他時鐘產生器。時鐘可在執行本文中所描述技術時與其他裝置上之對應時鐘同步(或基本上同步)。 計算系統800可進一步包括一或多個非暫時性儲存裝置825(及/或與其通信)，該一或多個非暫時性儲存裝置可包含(非限制)本端及/或網路可存取記憶體，及/或可包括(非限制)磁碟機、磁碟機陣列、光學儲存裝置、固態儲存裝置，諸如可程式化、可快閃更新及/或其類似者之隨機存取記憶體(RAM)及/或唯讀記憶體(ROM)。此等儲存裝置可經組態以實施任何適當資料儲存，包括(非限制)各種檔案系統、資料庫結構及/或其類似者。舉例而言，儲存裝置825可包括經組態以儲存所偵測到信號、校準結果及雷射光束操縱信號、參考光束在感測器陣列上之位置及返回光束在感測器陣列上之位置間之預定或校準關係的資料庫827 (或其他資料結構)，如本文中的實施例中所描述。 在諸多實施例中，計算系統800可進一步包含工作記憶體835，該工作記憶體可包括RAM或ROM裝置，如上文所描述。經展示為同時位於工作記憶體835內之軟體元件可包括作業系統840、裝置驅動程式、可執行庫，及/或其他程式碼，諸如一或多個應用程式845，該等應用程式碼可包含由各種實施例提供之軟體程式，及/或可經設計以實施方法，及/或組態系統，由其他實施例提供，如本文中所描述，諸如關於圖7所描述之方法中之一些或全部。僅藉由實例，關於上文所論述之方法所描述之一或多個程序可實施為可由電腦(及/或電腦內之處理器)執行之程式碼及/或指令。在一態樣中，接著此程式碼及/或指令可用於組態及/或調適通用電腦(或其他裝置)以執行根據所描述方法之一或多個操作。 一組此等指令及/或程式碼可經儲存在非暫時性電腦可讀儲存媒體(諸如上文所描述之非暫時性儲存裝置825)上。在一些狀況下，儲存媒體可整合在諸如計算系統800之電腦系統內。在其他實施例中，儲存媒體可與電腦系統(例如，可抽換式媒體，諸如快閃磁碟機)分離，及/或經提供於安裝封包中，使得儲存媒體可用於程式化、組態及/或調適通用電腦，其中在該通用電腦上儲存由指令/程式碼。此等指令可呈可執行程式碼(可由計算系統800執行)之形式及/或可呈原始程式碼及/或可安裝程式碼之形式，其在於計算系統800上編譯及/或安裝(例如，使用各種通常可用編譯器、安裝程式、壓縮/解壓縮等中之任何者)時，接著呈可執行程式碼之形式。 熟習此項技術者將瞭解，可根據特定要求作出大量變化。舉例而言，還可使用自訂硬體，及/或特定元件可以硬體、軟體(包括可攜式軟體，諸如小型應用程式，等)或兩者實施。此外，可使用至例如網路輸入/輸出裝置之其他計算裝置的連接。 參考附圖，可包括記憶體之組件可包括非暫時性機器可讀媒體。如本文中所使用之術語「機器可讀媒體」及「電腦可讀媒體」指參與提供致使機器以特定方式操作之機器之資料的任何儲存媒體。在上文中所提供之實施例中，各種機器可讀媒體可參與將指令/程式碼提供至處理單元及/或其他裝置以進行執行。另外或替代地，機器可讀媒體可用於儲存及/或攜載此類指令/代碼。在諸多實施中，電腦可讀媒體為物理及/或有形儲存媒體。此媒體可呈許多形式，包括但不限於非揮發性媒體、揮發性媒體及傳輸媒體。電腦可讀媒體之共同形式包括(例如)磁性及/或光學媒體、打孔卡、紙帶、具有孔洞模式之任何其他實體媒體、RAM、可程式化唯讀記憶體(PROM)、可抹除可程式化唯讀記憶體(EPROM)、FLASH-EPROM、任何其他記憶體晶片或卡匣、如下文中所描述之載波，或電腦可自其讀取指令及/或程式碼之任何其他媒體。 本文中所論述之方法、系統及裝置為實例。各種實施例可在適當時省略、取代或添加各種程序或組件。舉例而言，可將關於某些實施例所描述之特徵組合於其他實施例中。實施例之不同態樣及元件可以類似方式組合。本文中所提供之圖的各種組件可以硬體及/或軟體體現。此外，技術演進，且因此元件中之諸多者為並不將本發明之範疇限制於彼等特定實例的實例。 將此等信號稱作位元、資訊、值、元素、符號、字元、變數、項、數字、編號或其類似者有時已證明為便利的(主要出於共同的原因)。然而，應理解，所有此等或相似術語應與適當物理量相關聯且僅為便利標籤。除非另有具體規定，否則如從上文中之論述顯而易見，應瞭解貫穿本說明書，利用諸如「處理」、「運算」、「計算」、「判定」、「確認」、「識別」、「相關聯」、「量測」、「執行」或其類似者之術語的描述指特定設備(例如，專用電腦或類似專用電子計算裝置)之動作或程序。因此，在本說明書之內容脈絡中，專用電腦或類似專用電子計算裝置能夠操縱或變換信號，通常在專用電腦或類似專用電子計算裝置之記憶體、暫存器或其他資訊儲存裝置、傳輸裝置或顯示裝置內表示為物理電子、電氣或磁量。 熟習此項技術者將瞭解，可使用各種不同技藝及技術中的任一者表示用於傳達本文中所描述訊息之資訊及信號。舉例而言，可藉由電壓、電流、電磁波、磁場或磁性粒子、光場或光學粒子或其任何組合來表示可貫穿以上描述所參考之資料、指令、命令、資訊、信號、位元、符號及碼片。 如本文中所使用，術語「及」、「或」與「及/或」可包括各種意義，其亦預期至少部分地取決於其所使用的內容脈絡。通常，「或」若用於關聯清單(例如，A、B或C)意欲意指A、B及C (此處以包括意義下使用)，以及A、B或C(此處以不包括意義使用)。另外，如本文中所使用之術語「一或多個」可用於以單數形式描述任何特徵、結構或特性或可用於描述特徵、結構或特性之某一組合。然而，應注意，此僅為說明性實例且所主張標的物並不限於此實例。此外，術語「中之至少一者」在用於關聯例如A、B或C之清單的條件下可經解釋為意指A、B及/或C之任何組合，諸如A、AB、AA、AAB、AABBCCC，等。 貫穿本說明書對「一項實例」、「實例」、「某些實例」或「例示性實施」的引用意味著結合特徵及/或實例所描述的特定特徵、結構或特性可包括在所主張標的物之至少一個特徵及/或實例中。因此，在貫穿本說明書的各種地方中之出現的短語「在一項實例中」、「在實例中」、「在某些實例中」或其他類似片語不一定皆係指相同的特徵、實例及/或限制。此外，可以將此等特定之特徵、結構、或特性在一個或多個實例及/或特徵中進行組合。 本文中所包括之詳細描述之一些部分可為以經儲存在特定設備或專用計算裝置或平台之記憶體內之二進位數位信號之操作的演算法或符號表示方面來呈現。在此特定說明書之內容脈絡中，術語特定設備或其類似者在其經程式化以根據來自程序軟體之指令執行特定操作的情況下包括通用電腦。演算法描述或符號表示為由熟習此項技術者用於信號處理或相關技術中以向其他熟習此項技術者傳達其工作的本質之技術的實例。演算法此處且通常被認為自洽操作序列或導致所要結果的類似信號處理。在此內容脈絡中，操作或處理涉及物理量的物理操縱。通常，但非必需地，此等數量可採取能夠儲存、傳送、組合、比較或以其他方式操縱的電或磁信號之形式。將此等信號稱作位元、資料、值、元素、符號、字元、項、數字、編號或其類似者有時已證明為便利的(主要出於共同之原因)。然而，應理解，所有此等或相似術語應與適當物理量相關聯且僅為便利標籤。除非另有具體規定，否則如從本文中之論述顯而易見，應瞭解貫穿本說明書，利用例如「處理」、「運算」、「計算」、「判定」或其類似者之術語的描述係指特定設備(例如，專用電腦、專用計算設備或類似專用電子計算裝置)之動作或程序。因此，在本說明書之內容脈絡中，專用電腦或類似專用電子計算裝置能夠操縱或變換信號，通常在專用電腦或類似專用電子計算裝置之記憶體、暫存器或其他資訊儲存裝置、傳輸裝置或顯示裝置內表示為物理電子或磁量。 在之前詳細描述中，已闡明眾多特定細節以提供對所主張標的物的透徹理解。然而，對熟習此項技術者應理解，可在無此等特定細節之情況下實踐所主張標的物。在其他例子中，尚未詳細描述熟習此項技術者將知曉之方法及設備以便不混淆所主張標的物。因此，並不意欲將所主張標的物限於所揭示特定實例，而是所主張標的物亦可包括屬於隨附申請專利範圍之範疇內的所有態樣，及其等效物。 針對涉及韌體及/或軟體之實施，可用執行本文中所描述之功能之模組(例如，程序、功能等)來實施方法。可使用有形體現指令之任何機器可讀媒體來實施本文中所描述之方法。舉例而言，軟體程式碼可經儲存在記憶體中且由處理器單元執行。記憶體可實施於處理器單元內或在處理器單元外部。如本文中所使用，術語「記憶體」係指任一類型之長期、短期、揮發性、非揮發性或其他記憶體之類型且並不限於任何特定類型之記憶體或記憶體之數目或記憶體儲存於其上之媒體之類型。 若以韌體及/或軟體予以實施，則該等功能可作為一或多個指令或程式碼而儲存於電腦可讀媒體上。實例包括編碼有資料結構之電腦可讀媒體及編碼有電腦程式之電腦可讀媒體。電腦可讀媒體包括實體電腦儲存媒體。儲存媒體可為可由電腦存取之任何可用媒體。藉由實例之方式且非限制性，此等電腦可讀媒體可包含RAM、ROM、電可抹除可程式化唯讀記憶體(EEPROM)、光碟唯讀記憶體(CD-ROM)或其他光碟儲存裝置、磁碟儲存器、半導體儲存器或任何其他儲存裝置，或可用於儲存呈指令或資料結構形式的所要程式碼且可由電腦存取之任何其他媒體；如本文中所使用的磁碟及光碟包括：光碟(CD)、雷射光碟、光學光碟、數位多功能光碟(DVD)、軟碟以及藍光碟，其中磁碟通常以磁性方式再現資料，而光碟藉由雷射以光學方式再現資料。上述各項之組合亦應包括在電腦可讀媒體之範疇內。 除儲存在電腦可讀儲存媒體外，指令及/或資料亦可作為信號經提供在包括在通信設備中之傳輸媒體上。舉例而言，通信設備可包括具有指示指令及資料之信號的收發器。指令及資料經組態以致使一或多個處理器實施申請專利範圍中所概述之功能。亦即，通信設備包括具有指示用以執行所揭示功能之資訊之信號的傳輸媒體。首先，包括在通信設備中之傳輸媒體可包括用以執行所揭示功能之資訊之第一部分，而其次，包括在通信設備中之傳輸媒體可包括用以執行所揭示功能之資訊之第二部分。
100‧‧‧系統
110‧‧‧光學光束掃描器
120‧‧‧感測器
130‧‧‧光學子系統
140‧‧‧雷射光束
150‧‧‧目標
160‧‧‧返回雷射光束
200‧‧‧系統
210‧‧‧處理器/控制器
220‧‧‧雷射
230‧‧‧致動器
232‧‧‧光纖
240‧‧‧光束分裂器
242‧‧‧雷射光束
244‧‧‧反射器
250‧‧‧透射器透鏡
252‧‧‧雷射光束
260‧‧‧目標
262‧‧‧反射雷射光束
270‧‧‧接收器透鏡
280‧‧‧偵測器
290‧‧‧光束位置感測器
300‧‧‧光達系統
310‧‧‧光學光束掃描器
315‧‧‧透射器光學子系統
320‧‧‧光束
330‧‧‧螺旋掃描圖案
335‧‧‧點
350‧‧‧接收器光學子系統
360‧‧‧2-D感測器陣列
365‧‧‧感測器元件
370‧‧‧掃描圖案
375‧‧‧橢圓形圖案
380‧‧‧開關/多工器
390‧‧‧類比/數位轉換器(ADC)
395‧‧‧信號處理器
400‧‧‧光達系統
405‧‧‧雷射光束操縱控制器
410‧‧‧雷射光束掃描器
412‧‧‧脈衝雷射光束
414‧‧‧光束
420‧‧‧單獨光束分裂裝置
422‧‧‧參考光束
424‧‧‧參考光束
430‧‧‧透射器光學子系統
432‧‧‧脈衝雷射光束之其餘部分
434‧‧‧光束之其餘部分
440‧‧‧目標物件
442‧‧‧返回光束
444‧‧‧返回光束
450‧‧‧接收器光學子系統
4602-D‧‧‧感測器陣列
462‧‧‧區域
464‧‧‧區域
465‧‧‧感測器元件
466‧‧‧區域
468‧‧‧區域
470‧‧‧第一類比/數位轉換器/時間/數位轉換器
480‧‧‧感測器控制器
482‧‧‧解映射電路
484‧‧‧解映射電路
486‧‧‧求和電路
488‧‧‧第二類比/數位轉換器/時間/數位轉換器
490‧‧‧返回光束分析器
510‧‧‧矽光電倍增器感測器
512‧‧‧單光子突崩二極體微單元
515‧‧‧中心
520‧‧‧區域
525‧‧‧區域
530‧‧‧區域
535‧‧‧區域
610‧‧‧波形
612‧‧‧脈衝
614‧‧‧脈衝
620‧‧‧波形
622‧‧‧脈衝
624‧‧‧脈衝
626‧‧‧脈衝
700‧‧‧流程圖
710‧‧‧區塊
720‧‧‧區塊
730‧‧‧區塊
740‧‧‧區塊
750‧‧‧區塊
800‧‧‧計算系統
805‧‧‧匯流排
810‧‧‧處理器
815‧‧‧輸入裝置
820‧‧‧輸出裝置
825‧‧‧非暫時性儲存裝置
827‧‧‧資料庫
830‧‧‧有線通信子系統
833‧‧‧無線通信子系統
835‧‧‧工作記憶體
840‧‧‧作業系統
845‧‧‧應用程式
850‧‧‧時鐘
tn‧‧‧ 時間
tn+w‧‧‧ 時間
tn+ Δ‧‧‧ 時間
tn+1‧‧‧ 時間
tn+1+w‧‧‧ 時間
tn+1+ Δ‧‧‧ 時間
藉由實例說明本發明之態樣。參考以下圖描述非限制性及非窮盡態樣，其中除非另有規定，否則貫穿各圖相同參考編號指代相同部分。 圖1為實例性系統之簡化方塊圖。 圖2說明用於判定光束在發射器之位置的具有光束分裂器之實例性系統。 圖3說明使用二維感測器陣列之實例性LIDAR之簡化方塊圖。 圖4說明根據本發明之一些態樣之實例性LIDAR系統之簡化方塊圖。 圖5說明在光束掃描期間之在感測器陣列上之實例性參考光束及對應返回光束。 圖6說明用於偵測參考光束及返回光束之感測器陣列上之經選擇性地啟動之感測器元件之輸出信號之實例性波形。 圖7為說明用於在LIDAR系統中量測參考光束及來自目標之對應返回光束之實例性方法的流程圖。 圖8為用於實施本文中所描述之實例中之一些之實例性計算系統的方塊圖。
400‧‧‧光達系統
405‧‧‧雷射光束操縱控制器
410‧‧‧雷射光束掃描器
412‧‧‧脈衝雷射光束
414‧‧‧光束
420‧‧‧單獨光束分裂裝置
422‧‧‧參考光束
424‧‧‧參考光束
430‧‧‧透射器光學子系統
432‧‧‧脈衝雷射光束之其餘部分
434‧‧‧光束之其餘部分
440‧‧‧目標物件
442‧‧‧返回光束
444‧‧‧返回光束
450‧‧‧接收器光學子系統
460‧‧‧2-D感測器陣列
462‧‧‧區域
464‧‧‧區域
465‧‧‧感測器元件
466‧‧‧區域
468‧‧‧區域
470‧‧‧第一類比/數位轉換器/時間/數位轉換器
480‧‧‧感測器控制器
482‧‧‧解映射電路
484‧‧‧解映射電路
486‧‧‧求和電路
488‧‧‧第二類比/數位轉換器/時間/數位轉換器
490‧‧‧返回光束分析器

Claims (30)

  1. 一種系統，其包含： 一光源，其經組態以透射一光束； 一二維(2-D)感測器陣列，其包含複數個感測器元件； 一光束分裂裝置，其經組態以將該光束之一第一部分引導至該2-D感測器陣列上之一第一區域上； 一透射器光學子系統，其經組態以將該光束之一第二部分引導朝向一目標物件； 一接收器光學子系統，其經組態以將由該目標物件反射之該光束之該第二部分之一返回部分引導至該2-D感測器陣列上之一第二區域上，該第二區域與該第一區域間隔開；及 一感測器控制器，其以通信方式耦合至該2-D感測器陣列以用於控制該2-D感測器陣列。
  2. 如請求項1之系統，其中該感測器控制器經組態以： 基於控制該所透射光束之一掃描方向的一雷射光束掃描控制信號，在包含該第一區域之一第一估計區域中選擇性地啟動該2-D感測器陣列之一第一感測器元件組； 接收來自該第一感測器元件組之一偵測信號； 在接收到該偵測信號之後去啟動該第一感測器元件組；及 基於該偵測信號來判定該光束之該第一部分在該2-D感測器陣列上之一實際位置。
  3. 如請求項2之系統，其進一步包含經組態以自該偵測信號提取計時資訊之一計時量測電路。
  4. 如請求項3之系統，其中該計時量測電路包含一類比/數位轉換器或一時間/數位轉換器。
  5. 如請求項2之系統，其中該感測器控制器經進一步組態以： 基於該光束之該第一部分之該所判定實際位置，判定該光束之該第二部分之該返回部分在該2-D感測器陣列上之一估計位置；及 基於該光束之該第二部分之該返回部分之該估計位置來啟動該2-D感測器陣列之一第二感測器元件組。
  6. 如請求項5之系統，其中該光束之該第二部分之該返回部分在該2-D感測器陣列上之該估計位置包含該光束之該第二部分之該返回部分在該2-D感測器陣列上之一尺寸及一圖案。
  7. 如請求項5之系統，其中該感測器控制器經組態以基於該光束之該第二部分之該返回部分在該2-D感測器陣列上之該估計位置與該光束之該第一部分在該2-D感測器陣列上之該實際位置之間的一關係來判定該光束之該第二部分之該返回部分在該2-D感測器陣列上之該估計位置。
  8. 如請求項5之系統，其中該感測器控制器經進一步組態以： 接收來自該第二感測器元件組之一偵測信號；及 在接收到來自該第二感測器元件組之該偵測信號之後去啟動該第二感測器元件組。
  9. 如請求項8之系統，其進一步包含經組態以自來自該第二感測器元件組之該偵測信號提取計時資訊及光強度資訊之一量測電路。
  10. 如請求項9之系統，其進一步包含經組態以基於該計時資訊及該光強度資訊來判定該目標物件之一特性的一分析器。
  11. 如請求項1之系統，其中該感測器控制器經組態以： 動態地選擇該2-D感測器陣列之一區域之一位置、尺寸及圖案；及 動態地啟動該2-D感測器陣列之該所選擇區域中之一感測器元件組及去啟動該2-D感測器陣列之其他感測器元件。
  12. 如請求項11之系統，其中該所選擇區域包含該2-D感測器陣列之一圓形區域、一矩形區域及一橢圓形區域中之一者。
  13. 如請求項1之系統，其中該2-D感測器陣列包含包含複數個單光子突崩二極體(SPAD)微單元之一矽光電倍增器(SiPM)感測器。
  14. 如請求項1之系統，其中該透射器光學子系統包含該光束分裂裝置。
  15. 如請求項1之系統，其中該第一區域及該第二區域在該2-D感測器陣列之相對側上。
  16. 一種用於量測一參考光束及來自一目標之一對應返回光束之方法，該方法包含： 基於一雷射光束掃描控制信號，選擇性地啟動一二維(2-D)感測器陣列之一第一感測器元件組，該第一感測器元件組對應於該2-D感測器陣列之該參考光束之一位置，該參考光束包含由該雷射光束掃描控制信號控制之一光束之一部分； 接收來自該第一感測器元件組之一偵測信號； 基於來自該第一感測器元件組之該偵測信號來判定該參考光束在該2-D感測器陣列上之一實際位置； 基於該參考光束之該實際位置來判定該返回光束在該2-D感測器陣列上之一估計位置，該返回光束由被該光束照射之該目標返回；及 基於該返回光束之該估計位置來選擇性地啟動該2-D感測器陣列上之一第二感測器元件組。
  17. 如請求項16之方法，其中： 藉由一光束分裂裝置將該參考光束引導至該2-D感測器陣列； 藉由一接收器光學子系統將該返回光束引導至該2-D感測器陣列；及 該參考光束在該2-D感測器陣列上之該實際位置與該返回光束在該2-D感測器陣列上之該估計位置間隔開。
  18. 如請求項16之方法，其進一步包含： 在接收到來自該第一感測器元件組之該偵測信號之後去啟動該第一感測器元件組；及 自來自該第一感測器元件組之該偵測信號提取計時資訊。
  19. 如請求項16之方法，其進一步包含： 接收來自該第二感測器元件組之一偵測信號； 在接收到來自該第二感測器元件組之該偵測信號之後去啟動該第二感測器元件組；及 自來自該第二感測器元件組之該偵測信號提取計時資訊。
  20. 如請求項19之方法，其中自來自該第二感測器元件組之該偵測信號提取計時資訊包含使用一類比/數位轉換器或一時間/數位轉換器自來自該第二感測器元件組之該偵測信號提取計時資訊。
  21. 如請求項19之方法，其進一步包含：基於自來自該第二感測器元件組之該偵測信號提取之該計時資訊來判定該目標之一特性。
  22. 如請求項16之方法，其中判定該返回光束在該2-D感測器陣列上之該估計位置包含：基於該返回光束在該2-D感測器陣列上之該估計位置與該參考光束在該2-D感測器陣列上之該實際位置之間的一關係來判定該返回光束在該2-D感測器陣列上之該估計位置。
  23. 一種設備，其包含： 用於基於一雷射光束掃描控制信號來選擇性地啟動一二維(2-D)感測器陣列之一第一感測器元件組的構件，該第一感測器元件組對應於一參考光束在該2-D感測器陣列上之一位置，該參考光束包含由該雷射光束掃描控制信號控制之一光束之一部分； 用於接收來自該第一感測器元件組之一偵測信號的構件； 用於基於該偵測信號來判定該參考光束在該2-D感測器陣列上之一實際位置的構件； 用於基於該參考光束之該實際位置來判定來自一目標之一返回光束在該2-D感測器陣列上之一估計位置的構件，該返回光束對應於該參考光束且由被該光束照射之該目標返回；及 用於基於該返回光束之該估計位置來選擇性地啟動該2-D感測器陣列上之一第二感測器元件組的構件。
  24. 如請求項23之設備，其進一步包含： 用於將該參考光束引導至該2-D感測器陣列的構件； 用於將該返回光束引導至該2-D感測器陣列在與該參考光束在該2-D感測器陣列上之該實際位置間隔開之一位置上的構件。
  25. 如請求項23之設備，其進一步包含： 用於在接收到來自該第一感測器元件組之該偵測信號之後去啟動該第一感測器元件組的構件；及 用於自來自該第一感測器元件組之該偵測信號提取計時資訊的構件。
  26. 如請求項23之設備，其進一步包含： 用於接收來自該第二感測器元件組之一偵測信號的構件； 用於在接收到來自該第二感測器元件組之該偵測信號之後去啟動該第二感測器元件組的構件；及 用於自來自該第二感測器元件組之該偵測信號提取計時資訊的構件。
  27. 如請求項26之設備，其進一步包含：用於基於自來自該第二感測器元件組之該偵測信號提取之該計時資訊來判定該目標之一特性的構件。
  28. 一種包含儲存於其上之機器可讀指令的非暫時性電腦可讀儲存媒體，該等指令在由一或多個處理器執行時致使該一或多個處理器： 基於一雷射光束掃描控制信號，選擇性地啟動一二維(2-D)感測器陣列之一第一感測器元件組，該第一感測器元件組對應於一參考光束在該2-D感測器陣列上之一位置，該參考光束包含由該雷射光束掃描控制信號控制之一光束之一部分； 接收來自該第一感測器元件組之一偵測信號； 基於該偵測信號來判定該參考光束在該2-D感測器陣列上之一實際位置； 基於該參考光束之該實際位置來判定來自一目標之一返回光束在該2-D感測器陣列上之一估計位置，該返回光束對應於該參考光束且由被該光束照射之該目標返回；及 基於該返回光束之該估計位置來選擇性地啟動該2-D感測器陣列上之一第二感測器元件組。
  29. 如請求項28之非暫時性電腦可讀儲存媒體，其中該等指令在由該一或多個處理器執行時進一步致使該一或多個處理器： 接收來自該第二感測器元件組之一偵測信號； 在接收到來自該第二感測器元件組之該偵測信號之後去啟動該第二感測器元件組；及 自來自該第二感測器元件組之該偵測信號提取計時資訊及光強度資訊。
  30. 如請求項29之非暫時性電腦可讀儲存媒體，其中該等指令在由該一或多個處理器執行時進一步致使該一或多個處理器： 基於自來自該第二感測器元件組之該偵測信號所提取之該計時資訊及該光強度資訊來判定該目標之一特性。
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