TW202134685A - 採用光波導的檢測和測距系統 - Google Patents

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Abstract

光波導具有至少兩個主外表面，並且其被配置用於通過內反射引導光，並且在兩個主外表面之一與場景呈面向關係的情況下被佈置。光耦出構造與光波導相關聯，並且被配置用於將由光波導引導的光的一部分朝向場景耦出光波導。照射裝置被佈置成發射用於耦合到光波導中的光，所述光在耦入光波導之前被准直。檢測器被配置用於回應於通過光耦出構造從光波導耦出的光對物件的照射來感測從位於場景中的物件反射的光。處理子系統被配置成處理來自檢測器的信號以得出與物件相關聯的資訊。

Description

採用光波導的檢測和測距系統
本申請要求2019年12月30日提交的美國臨時專利申請第62/954,739號的優先權，該美國臨時專利申請的全部公開內容通過引用併入本文。
本發明涉及光波導，並且本發明尤其涉及用於檢測和測距系統的光波導。
光檢測和測距(light detection and ranging，LIDAR)系統用於各種應用中，包括例如用於自主車輛的三維(three-dimensional，3D)感測器。LIDAR系統採用光發射器單元、掃描型裝置以及光接收器單元，光發射器單元用於發射雷射脈衝，掃描型裝置朝向場景引導所發射的雷射脈衝以便掃描大的感興趣場，光接收器單元收集從場景中的物件反射的光並處理所收集的反射光，以得出關於所掃描的物件的資訊。
光發射器單元通常以可能對人眼有害的相對高的強度發射雷射脈衝。因此，許多LIDAR系統需要遵守眼睛安全規定，特別是在LIDAR系統佈置在諸如自主車輛的車輛中的情況下。鐳射的強度由若干個參數(包括例如鐳射光源的發射功率、雷射脈衝的持續時間、雷射光束的角發散以及光發射器單元的輸出處的出射光瞳的大小)確定。為了實現更長的工作範圍，優選的是以相對高的強度和低的光束發散度發射具有相對短的脈衝持續時間的鐳射。
為了實現被照射場景的每個光斑的高強度，在場景上(通常通過掃描裝置垂直地和水準地(即，橫向地))掃描光束，以便在各個方向上發射光脈衝。掃描裝置可以以各種方式實現，但是通常使用相對大的快速移動的鏡來實現，該鏡為鐳射發射器孔徑提供在垂直和水準兩個方向上的掃描。
使用在電磁光譜的近紅外(near infrared，NIR)區域中操作的光發射器和光接收器可以實現最佳或接近最佳的結果。然而，NIR區域中的光對於人眼是不可見的，並且因此NIR光可對觀看者的眼睛造成實質的損害，而觀看者沒有意識到損害正在被引起。為了降低損害人眼的可能性，在NIR範圍中操作的許多LIDAR系統在發射器處採用功率限制以降低所接收反射光束的強度。
本發明是一種採用光波導的檢測和測距系統。在優選實施方式中，來自在不同波長(優選地在NIR區域中)下操作的多個鐳射源的光束被組合為組合光束以照射掃描裝置(例如，掃描鏡)。掃描光束由准直光學部件(例如准直透鏡或反射鏡)准直，並耦合到由透明材料(例如玻璃)構成的光波導中。光通過光耦入構造耦合到光波導，光耦入構造通常被實現為耦合棱鏡或耦入反射器。通過內反射，耦入的光被捕獲在波導的主外表面之間的光波導內，以便被引導通過波導(即，在波導內傳播)。傳播光通過光耦出構造逐漸從波導耦出，優選地，光耦出構造被實現為佈置在波導內的相對於波導的平行主表面傾斜的一組相互平行的部分反射表面。結果，波導的輸入光束被倍增為若干個平行的輸出光束，從而在保持平行傳播的同時倍增系統的輸出孔徑。輸出光束由共同傳播的所有組成雷射光束組成。在某些實施方式中，掃描裝置掃描發射場，同時保持大的輸出孔徑，以便實現大的掃描輸出場。在某些優選但非限制性的實施方式中，鐳射光源之一在電磁光譜的可見區域中的波長下操作以改善眼睛安全性。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種系統。該系統包括：光波導，其具有用於通過內反射引導光的至少兩個主外表面，兩個主外表面中的第一主外表面佈置成與場景呈面對關係；與光波導相關聯的光耦出構造，其被配置用於將由光波導引導的光的一部分朝向場景耦出光波導；照射裝置，其被佈置成發射用於耦合到光波導中的光，所述光在耦入光波導中之前被准直；檢測器，用於感測回應於通過光耦出構造從光波導耦出的光對位於場景中的物件的照射而從物件反射的光；以及包括至少一個處理器的處理子系統，該處理子系統與檢測器電關聯並且被配置成處理來自檢測器的信號以得出與物件相關聯的資訊。
可選地，系統還包括：聚焦光學器件，用於將所反射的光聚焦到檢 測器上。
可選地，聚焦光學器件與兩個主外表面中的第二主外表面相關聯。
可選地，反射光在被聚焦光學器件接收之前由兩個主外表面透射。
可選地，系統的輸出孔徑至少部分地由耦出構造限定，並且系統的輸入孔徑至少部分地由聚焦光學器件限定。
可選地，輸入孔徑與輸出孔徑至少部分地交疊。
可選地，輸入孔徑與輸出孔徑是非交疊的。
可選地，系統還包括：衍射光學元件，其與兩個主外表面中的第一主外表面相關聯。
可選地，系統還包括：掃描裝置，其被佈置成利用通過光耦出構造從光波導耦出的光來掃描場景。
可選地，掃描裝置被佈置在照射裝置與光波導之間，並且掃描裝置被配置成使由照射裝置發射的光偏轉以覆蓋角度範圍，使得從光波導耦出的光覆蓋對應的角度範圍。
可選地，掃描裝置與兩個主外表面中的第一主外表面相關聯。
可選地，系統還包括：准直光學器件，其被佈置在照射裝置與光波導之間的光路中，用於在由照射裝置發射的光耦合到光波導中之前准直所述光。
可選地，系統還包括：光學部件，其被佈置在照射裝置與光波導之間的光路中，並且被配置成在至少第一維度上執行由照射裝置發射的光的孔徑擴展。
可選地，系統還包括：掃描裝置，其與兩個主外表面中的第一主外表面相關聯並且被配置成掃描與第一維度正交的第二維度。
可選地，光學部件被配置成在第一維度和與第一維度正交的第二維度上執行由照射裝置發射的光的擴展。
可選地，光學部件包括：透光基板，用於通過內反射引導由照射裝 置發射的光，以及與基板相關聯的第二光耦出構造，用於將由基板引導的光的一部分朝向光波導耦出基板。
可選地，光耦出構造包括多個部分反射表面，其相對於兩個主外表面傾斜地佈置在光波導內。
可選地，光耦出構造包括與兩個主外表面中的至少一個相關聯的衍射光學元件。
可選地，系統還包括：光耦入構造，其與光波導相關聯並且被配置用於將光耦合到光波導中以便通過內反射在光波導內傳播。
可選地，照射裝置包括多個光束源，光束源被配置成產生不同的相應波長的光。
可選地，照射裝置還包括光束組合器，其用於將光束源產生的光組合成組合光束。
可選地，波長在電磁光譜的近紅外區域中。
可選地，光束源被實現為鐳射源。
可選地，鐳射源是脈衝鐳射源，並且處理子系統與照射裝置電關聯並且還被配置成控制鐳射源的脈衝定時。
可選地，光束源之一被配置成產生電磁光譜的可見區域中的光，並且剩餘的光束源被配置成產生電磁光譜的近紅外區域中的不同相應波長的光。
可選地，處理子系統與照射裝置電關聯並且還被配置成控制照射裝置的照射定時。
可選地，由處理子系統得出的與物件相關聯的資訊包括飛行時間資訊。
可選地，由處理子系統得出的與物件相關聯的資訊包括從檢測器到物件的距離。
可選地，處理子系統還被配置成基於與物件相關聯的資訊來構建物件的三維表示。
可選地，系統被佈置在基於地面的車輛中。
可選地，系統被安裝到飛行器。
可選地，光波導在橫截面中具有梯形形狀，以便使用從光波導耦出的光實現場景的橫向掃描。
可選地，系統還包括：透光基板，所述透光基板具有形成矩形橫截面的兩對平行的主外表面；以及與基板相關聯的光耦合構造，並且耦合到基板的光通過四重內反射而行進通過基板，並且行進通過基板的光的強度的一部分通過光耦合構造而耦出基板並且耦合到光波導中。
可選地，光波導包括形成矩形橫截面的兩對平行的主外表面，並且耦合到光波導中的光通過四重內反射而行進通過光波導。
可選地，系統還包括：光耦合構造，並且光波導包括與光耦合構造相關聯的第一波導區段和與光耦出構造相關聯的第二光波導區段，並且被耦合到光波導中的光通過內反射而行進通過第一波導區段，並且行進通過第一波導區段的光的強度的一部分被光耦合構造在第一方向上偏轉以便被耦出第一波導區段並且被耦合到第二光波導區段中以便通過內反射而行進通過第二光波導區段，並且行進通過第二光波導區段的光被光耦出構造在第二方向上偏轉以便朝向場景被耦出光波導。
可選地，光耦合構造在第一維度上實現光的掃描，並且光耦出構造在與第一維度基本正交的第二維度上實現光的掃描。
根據本發明的教導的實施方式，還提供了一種光檢測和測距(LIDAR)系統。LIDAR系統包括：發射器，其包括：光波導，其具有用於通過內反射引導光的至少兩個主外表面，主外表面之一在與場景呈面對關係的情況下被佈置；與光波導相關聯的光耦出構造，其被配置用於將由光波導引導的光的一部分朝向場景耦出光波導；至少一個光束源，其被配置成發射用於耦合到光波導中的相干光束，相干光束在被耦入光波導中之前被准直；以及掃描裝置，其被佈置成利用通過光耦出構造從光波導耦出的光來掃描場景；接收器，其包括：檢測器，用於回應於通過光耦出構造從光波導耦出的光對物件的照射來感測從 位於場景中的物件反射的光；以及包括至少一個處理器的處理子系統，該處理子系統與檢測器電關聯，並且被配置成處理來自檢測器的信號以構建物件的三維表示。
可選地，處理子系統與照射裝置電關聯，並且還被配置成控制照射裝置的照射定時。
可選地，發射器具有至少部分地由光耦出構造限定的輸出孔徑，並且接收器具有至少部分地由聚焦光學器件限定的輸入孔徑，並且輸入孔徑與輸出孔徑至少部分地交疊。
可選地，發射器具有至少部分地由光耦出構造限定的輸出孔徑，並且接收器具有至少部分地由聚焦光學器件限定的輸入孔徑，並且輸入孔徑與輸出孔徑是非交疊的。
在說明書和權利要求書中使用的術語“光波導”是指由透明材料形成的任何透光體，優選地是透光固體，其在本文中可互換地稱為“透光基板”、“光導”或“光導光學元件”。
除非本文另有定義，否則本文使用的所有技術和/或科學術語具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。如下描述了示例性方法和/或材料，但是與本文所述的方法和材料類似或等同的方法和材料可用于本發明的實施方式的實踐或測試。在衝突的情況下，以專利說明書及其定義為准。另外，材料、方法和實施方式僅是說明性的，而不是限制性的。
10:系統
12:車輛
100:發射器子系統
30:場景
14,130A,130B,130C,136A,136B,136C:光束
18:物件
200:接收器子系統
20,22:光線
300:處理子系統
102:照射和光束組合單元
120,320,420:光波導
220:(第一)光波導
320:(第二)光波導
118:光耦入構造
122,122,124,332,432,116:面
202:聚焦光學器件
106,160:掃描裝置
110:准直光學器件
108,128,428,430A,430B,430C.530A-1,530A-2,530A-3,530B-1,530B-2,530B-3,530C-1,530C-2,530C-3:光束
112,114:透鏡
116:圖像平面
204:光電檢測器
140:衍射光學元件
142:左側面
144:右側面
150:橫向掃描
226,326,426a,426b,426A,426B:反射表面
332:頂面
334:底面
342:左側面
344:右側面
421:第一波導區段
423:第二波導區段
424,425:平面
104:照射裝置
170:光學部件
204:檢測器
302:電腦化處理器
304:存儲介質
在此僅通過示例的方式，參照附圖描述本發明的一些實施方式。具體詳細地參照附圖，強調的是，所示的細節是作為示例的，並且是為了說明性地討論本發明的實施方式。在這點上，結合附圖的描述使得本領域技術人員清楚如何實踐本發明的實施方式。
現在將注意力轉到附圖，其中相同的附圖標記或字元指示相應或相同的部件。
在附圖中：
圖1是根據本發明的非限制性實施方式的具有發射器、接收器和處理系統的光檢測和測距(LIDAR)系統的示意性表示，該系統被佈置在車輛中以用於照射位於場景中的物件；
圖2是根據本發明的實施方式的圖1的LIDAR系統的架構的示意性表示，其中，發射器具有光波導，該光波導具有佈置在波導內的用於執行孔徑擴展的一組部分反射表面，並且其中發射器和接收器被佈置在公共孔徑構造中；
圖3是根據本發明的實施方式的類似於圖2的示意性表示，但是其中發射器和接收器被佈置在非交疊孔徑構造中；
圖4是根據本發明的實施方式的類似於圖2的示意性表示，但是還包括佈置在光波導的輸出處的衍射光學元件；
圖5是示出根據本發明的實施方式的發射器的光波導的示意性表示的正視圖，該光波導具有嵌入的用於執行孔徑擴展的一組部分反射表面；
圖6A和圖6B是分別示出了根據本發明實施方式的發射器的光波導的示意性表示的側視圖和底視圖，該光波導具有嵌入的用於執行二維孔徑擴展的一組部分反射表面；
圖7是示出根據本發明的實施方式的發射器的兩個光波導的示意性表示的正視圖，其中第一光波導具有用於執行二維孔徑擴展的第一組部分反射表面，並且第二光波導具有用於執行一維孔徑擴展的第二組部分反射表面；
圖8是示出根據本發明的實施方式的發射器的光波導的示意性表示的正視圖，該光波導具有用於在第一維度上執行孔徑擴展的第一組部分反射表面和用於在第二維度上執行孔徑擴展的第二組部分反射表面；
圖9是根據本發明的實施方式的類似於圖2的示意性表示，但是具有佈置在光波導的輸出處的掃描裝置；以及
圖10是LIDAR系統的處理子系統的框圖，該處理子系統被配置成處理來自接收器的檢測器的信號以得出與位於場景中的物件相關聯的資訊。
本發明是一種使用光波導的檢測和測距系統。
參照說明書附圖可以更好地理解根據本發明的系統的原理和操作。
在詳細解釋本發明的至少一個實施方式之前，應當理解，本發明不必將其應用限制於在以下描述中闡述和/或在附圖和/或示例中示出的部件和/或方法的構造和佈置的細節。本發明能夠有其他實施方式或者以各種方式實踐或執行。
現在參照附圖，圖1示出了根據本發明的非限制性實施方式的光檢測和測距(LIDAR)系統(可互換地稱為“系統”)，總體上用附圖標記10來表示。在所示實施方式中，系統10被佈置在可以是自主車輛(即，“自駕汽車”)、駕駛員操作的車輛或電腦輔助駕駛員操作的車輛(即，“半自主車輛”)的基於地面的機動車輛12中。儘管車輛12被示意性地示出為汽車，但是車輛12可以被實現為其中可以佈置LIDAR系統的任何類型的車輛，包括但不限於摩托車、機動自行車、電動自行車、電動踏板車等，以及基於地面的軍用車輛(例如，裝甲運人車輛、卡車、裝甲戰車等)。此外，在某些實施方式中，本發明的系統10的所有或一些部件可以與車輛分開佈置，例如作為頭盔或其他頭戴式裝備的一部分，當系統10被佈置用於以下車輛例如摩托車等時，這可以是特別有用：其中駕駛員/操作者佩戴頭盔或頭戴式裝備，同時操作車輛。
一般而言，系統10包括光發射器子系統100(在本文中可互換地稱為“發射器子系統”或“發射器”)，用於生成准直光並將准直光朝向場景30(也稱為“感興趣區域”、“感興趣場”或“感興趣視場”)引導，准直光在這裡示意性地由照射光束14表示；光接收器子系統200(在本文中可互換地稱為“接收器子系統”或“接收器”)，用於接收響應於來自發射器子系統100的照射而從場景30中的物件18反射或反向散射的光；以及與發射器子系統100和接收器子系統200相關聯的處理子系統300，用於控制發射器子系統100的一些部件並用於處理來自接收器子系統200的信號以得出與物件18相關聯的資訊。
場景通常被認為是在發射器子系統100前面的可以由發射器子系 統100照射的任何場景。當系統10被佈置用於車輛時，場景30通常被認為是在車輛前方可以由發射器子系統100照射的任何場景。在車輛佈置的背景下，場景中可以由發射器子系統100檢測和成像的物件包括例如車輛路徑中的其他車輛、行人、騎自行車的人、樹木、岩石、街道標誌、路燈或任何其他固體或障礙物。
通過發射器子系統100的掃描裝置，在感興趣場上垂直地和水準地(橫向地)掃描光束14。掃描光束14由圖1中的雙頭箭頭16表示。注意，橫向掃描是沿著紙平面內和外，並且因此橫向掃描在圖1中不可辨別。光束14在撞擊到物件18上時被物件18反射或反向散射為反射光，這裡示意性地由多條光線20表示。這裡示意性地由光線22表示的一些反射光20到達接收器子系統200，以便由接收器子系統200(特別是光電檢測器，如將在下面進一步詳細討論的)檢測。處理子系統300處理來自接收器子系統200的信號，以便得出與物件18相關聯的資訊，例如飛行時間(time-of-flight，TOF)資訊、範圍(即，距離)資訊(基於TOF)以及到達方向資訊。在某些實施方式中，該資訊可以由處理子系統300用來構造物件18的三維(3D)表示(即，點雲)，其然後可以用於渲染物件18的3D圖像。
現在參照圖2，示出了根據本發明的非限制性實施方式的系統10的示意性表示。發射器子系統100包括照射和光束組合單元102、光波導120和用於將來自照射和光束組合單元102的光耦合到光波導120中的光耦入構造118。光波導120是由透明材料(例如玻璃)形成的透光基板，其具有多個面，包括至少一對優選平行的面(這裡也稱為“主外表面”)122、面124，用於通過內反射引導光。在面之一122與場景(例如，圖1所示的包含物件18的場景30)呈面向關係的情況下佈置光波導120。接收器子系統200優選地包括：聚焦光學器件202，用於接收從場景中的物件(例如，物件18)反射的光22並將所接收的光轉換成所捕獲的光的會聚光束；以及光電檢測器(可互換地稱為“檢測器”或“光學感測器”)204，用於感測所捕獲的光並生成指示所捕獲的光的至少一個參數(強度)的信號。
照射和光束組合單元102包括照射裝置104，其被佈置成發射用於 耦合到光波導120中的光束。照射裝置104包括至少一個光束源，優選地至少兩個光束源，並且更優選地至少三個光束源。例如，光束源(在本文中可互換地稱為“光源”、“照射源”或“光源”)優選地被實現為一組(即，多個)鐳射源，例如鐳射二極體、光纖雷射器或微片雷射器，每個鐳射源被配置成生成(即，產生)相應的鐳射照射的相干光束。在某些非限制性實現方式中，鐳射源並排佈置以便在共同方向上發射形成組合光束的分離雷射光束。在其他非限制性實施方式中，照射裝置104還包括光束組合器(未示出)，並且鐳射源被佈置在相對於光束組合器的各種位置處以便將來自各個光束源的光束組合為組合光束。光束組合器在本領域中是公知的，並且可以以各種方式被實現，例如使用分束器裝置、分色鏡、棱鏡等來實現。
在某些非限制性實施方式中，光束源中的一個被實現為被配置成產生電磁光譜的可見光區域中的鐳射的可見光鐳射源，並且剩餘的光束源被實現為被配置成產生電磁光譜的NIR區域中的不同相應波長的鐳射的NIR鐳射源。在一組優選但非限制性的實現方式中，光束源被實現為並排放置或經由光束組合器組合的一組兩個或三個調製NIR鐳射源和可見光鐳射源。可見光鐳射源可以被調製用於距離檢測，或者被調製以便在NIR鐳射傳輸期間不同時傳輸。替選地，可見光雷射器可被配置成以連續波(continuous wave，CW)模式操作。可見光鐳射源優選地被配置成產生具有與人眼容易辨別的顏色對應的波長(例如420nm至680nm範圍內的波長)的光。在NIR鐳射源產生不同相應波長的光的實施方式中，已經發現與可見光鐳射源結合的發射約940nm(例如，分別為935nm、940nm和935nm)的光的三個NIR鐳射源特別適用于LIDAR應用。應當注意，在940nm附近的波長處的顯著高的比例的太陽輻射強度通常被大氣吸收，並且因此940nm附近的日光照射傾向於不撞擊在光感測器上，或者以與要由光感測器檢測的光的強度相比相對低的強度撞擊在光感測器上。還應當注意，所有光束源可以發射相同波長(例如，全都處於940nm)的光束。此外，儘管可見光雷射器可以與NIR雷射器結合使用，以用於眼睛安全目的，但是也可以使用NIR和可見區域之外的眼睛安全雷射器。例如，在短波長紅外(SWIR)區域下端的雷射器，特別是在1550nm附近的雷射器，比NIR區域中 的雷射器對眼睛更安全。
使用發射不同相應波長的光的光束源使得接收器子系統200能夠檢測各種各樣的材料，因為某些類型的材料可能對某些波長比對其他波長具有更大的光譜回應。例如，植物通常在700nm附近的波長處顯示出更高的光反射。光譜回應的變化還可以使得能夠由處理子系統300通過識別由檢測器204生成的信號強度的波長相關變化來映射場景。
除了具有光束源和在某些情況下具有光束組合器之外，照射裝置104還可以包括可以用於修改由光束源產生的光束參數的各種部件。這樣的部件包括但不限於用於調製光束強度和/或相位和/或頻率的調製器，以及用於放大所生成的光束的強度信號的放大器。在某些非限制性實現方式中，每個光束源與調製器和放大器相關聯。在其他實現方式中，僅一些光束源與調製器和/或放大器相關聯。
光束源的發射定時以及由光束源產生的光束的調製和/或放大優選地由處理子系統300控制。在某些實施方式中，由光束源產生的光束被相干地組合，並且每個光束源具有相關聯的相位調製器，該相位調製器允許調節光束之間的相對相位偏移，以便保持光束的相位相干性。在這樣的實施方式中，處理子系統300測量光束之間的相對相位偏移，並且致動相位調製器以調節相位偏移。
由照射裝置104發射的光可以是非偏振的，或者可以是偏振的。為了產生偏振光，照射裝置104可以包括佈置在光束源的輸出處或光束組合器的輸出處的線性偏振器，使得組合光束穿過線性偏振器。在光束源本身是偏振光源的情況下，不需要這樣的線性偏振器。
來自光束源的由粗箭頭示意性地表示並總體上標記為附圖標記108的組合光束由掃描裝置106掃描。掃描裝置106優選地包括：使入射光束轉向(即，偏轉)的光學部件；以及用於調節光學部件的位置和/或取向以實現光束在期望方向上的發散的機電部件(例如，機電致動器)。掃描裝置106可以被實現為任何合適的光束發散或光束轉向機構，包括例如在兩個正交維度(例如，垂直和水準/橫向)上執行掃描的單個掃描或傾斜鏡、一對正交的單軸掃描或傾 斜鏡、以及一組棱鏡，其中棱鏡中的一個或更多個可以圍繞一個或更多個旋轉軸/傾斜軸旋轉/傾斜。優選地，掃描裝置106與處理子系統300電關聯，該處理子系統控制掃描裝置106的掃描動作。
准直光學器件110被佈置在掃描裝置106與光波導120之間的光路中。准直光學器件110包括至少一個光學部件，其將掃描光束108准直到照射和光束組合單元102的輸出孔徑(即，出射光瞳)上。在所示的實施方式中，准直光學器件110包括一對準直光學元件，示意性地表示為透鏡112、透鏡114，其在透鏡112、透鏡114之間形成中間圖像平面116。在某些非限制性實現方式中，微透鏡陣列(micro-lens array，MLA)或漫射器被佈置在圖像平面116處，以使照射和光束組合單元102的出瞳適合光波導120的入瞳(即，輸入孔徑)。由MLA或漫射器進行的這種孔徑配合將光束108的強度散佈在光波導120的輸入孔徑上，從而降低要耦合到光波導120中的光束108的總強度。光束108的減小的強度進一步增加了眼睛安全性，並且因此優選實現方式採用MLA或漫射器來進行孔徑配合。准直光學器件110還在掃描裝置106的平面與照射和光束組合單元102的出瞳平面(與光耦入構造118相鄰)之間生成光瞳成像，使得所有掃描的光束被傳輸通過照射和光束組合單元102的出瞳並且進入光波導120。應當注意，照射裝置104本身可以具有小出瞳，並且因此使用MLA可能不是必需的，除非需要均勻輸出光束。還應注意，在某些實施方式中，照射裝置104可以包括准直光學器件，使得來自光束源的組合光束108為准直光束。例如，某些光束組合器採用嵌入式准直光學器件，使得各個光束除了被光束組合器組合之外，還被光束組合器准直。在這樣的實施方式中，准直光學器件110可以不是必需的，或者如果光束由於掃描裝置106的掃描而變得去准直，則准直光學器件110可以用於重新准直光束108。
來自照射和光束組合單元102的掃描和准直光束通過這裡示意性地表示為適當角度的耦合棱鏡的光耦入構造118耦合到光波導120中。用於，例如通過使用耦入反射器或衍射光學元件將照射耦合到光波導120中的其他合適的光耦入構造，在本領域中是公知的。耦入的光束通過在面122、面124處的重複內反射傳播(即，被引導)通過光波導120。傳播的光束128(總體上指定) 由粗箭頭示意性地表示。在某些優選但非限制性的實現方式中，通過內反射穿過光波導120的傳播是全內反射(total internal reflection，TIR)的形式，由此以大於臨界角的角度在面122、面124處入射的照射(光束128)導致在面122、面124處對照射的反射。如本領域所公知的，臨界角由構成光波導120的材料的折射率和其中佈置有光波導120的介質(例如，空氣)的折射率來定義。在其他非限制性實現方式中，通過內反射穿過光波導120的傳播由施加到面122、面124的反射塗層(例如，角度選擇性反射塗層)實現。
光束128在光波導120內傳播，並且撞擊在與光波導120相關聯的光耦出構造上，在所示實施方式中，該構造被實現為以與面122、面124成斜角的方式佈置在光波導120內的一系列平行的部分反射表面126，其中光束128的強度的一部分被反射，以便朝向場景(例如，圖1中的場景30)耦出光波導120。部分反射表面126可以沿著光波導120的伸長方向(在圖1中是垂直方向)均勻地隔開，或者可以不均勻地隔開。部分反射表面126通常由塗有提供所需反射圖案的合適塗層的透明板形成。在某些非限制性實施方式中，塗層是電介質塗層，而在其他實施方式中，塗層包括以規定圖案佈置在透明板上的金屬材料(例如銀)的部分。金屬材料的部分可以根據期望的反射圖案而表現為各種形狀，包括例如圓點、長橢圓點和線。
應當注意，部分反射表面126僅說明適於與光波導120一起使用的一個非限制性光耦出構造，並且其他光耦合構造可用於將照射耦出光波導120。光耦出構造可以是任何光耦合裝置，其通過內反射將在光波導120內傳播的照射的部分偏轉角度，使得被偏轉的照射的部分離開光波導120。這樣合適的光耦合裝置的其他示例包括但不限於佈置在面122、面124中的任一個上的一個或更多個衍射光學元件。
在圖2中所示的非限制性實現方式中，部分反射表面126中的每一個將一定比例的引導光束128從光波導120朝向場景向外反射(耦出)，其中反射光束由光束130A、光束130B、光束130C示意性地表示(其對應于被引向圖1中的場景30的掃描光束14)。在某些非限制性實現方式中，部分反射表面的反射率沿著光波導120的伸長方向從光波導120的近端(其鄰近於光耦入構 造118)到大體上與近端相對的遠端而增加。在特別優選但非限制性的實現方式中，最後的部分反射表面(例如，反射照射128以便生成耦出光束130C的部分反射表面)是全反射的(即，100%反射率)。
光波導120和光耦出構造對來自照射和光束組合單元102的光束108的影響在於，當光束128在光波導120內傳播並耦出光波導120時，照射和光束組合單元102的輸出孔徑(出射光瞳)倍增(即，擴展)。該孔徑擴展(孔徑倍增)可以是在一個維度上的(如在圖2中的光波導120的非限制性實現方式中的情況)，或者可以是在二個維度上的。
在近眼顯示器中使用的光波導的細節可以在各種共同擁有的授權專利中找到，所述光波導對由具有小輸出孔徑的圖像投影儀生成的圖像照射執行一個維度的孔徑擴展以用於耦出到觀看者的眼睛，所述專利包括以下專利，以下各個專利的全部內容通過引用併入本文：美國專利第6,829,095號、美國專利第7,577,326號、美國專利第7,724,444號、美國專利第7,751,122號、美國專利第9,551,880號和美國專利第9,025,253號。在近眼顯示器中使用的光波導的細節可以在各種共同擁有的授權專利中找到，所述光波導對由具有小輸出孔徑的圖像投影儀生成的圖像照射執行二個維度的孔徑擴展以用於耦出到觀看者的眼睛，所述專利包括以下專利，以下各個專利的全部內容通過引用併入本文：美國專利第10,133,070號和美國專利第10,551,544號。
應當注意，雖然面122、面124優選地相互平行，但是對於在非顯示應用中使用的光波導，例如本實施方式中的光波導120，平行的要求不那麼嚴格，在本實施方式中，光波導用於利用覆蓋期望角度範圍的鐳射照射來照射場景。這與上述共同擁有的專利中的光波導相反，在這些專利中，主外表面對之間的平行度的任何偏差將導致通過波導傳播的圖像照射形成非共軛圖像集，從而導致從光波導耦出到觀看者的眼睛的圖像的品質下降。
應當注意，在許多LIDAR系統構造(稱為“公共孔徑”構造)中，接收器單元位於與發射器單元相同的孔徑處。使用公共孔徑構造的系統的益處包括沒有干擾LIDAR系統的視差效應以及更緊湊的系統。圖2中所示出的系統10的非限制性實施方式利用公共孔徑構造。這裡，接收器子系統200與光波導 120的面124相關聯，以便位於光波導120後面。系統10的輸入孔徑(其是接收器子系統200的輸入孔徑並且通常由聚焦光學器件202限定)被包含在系統10的輸出孔徑(其是發射器子系統100的輸出孔徑並且通常由光波導120和光耦出構造(例如，光波導120內的部分反射表面的分佈)的組合限定)內(即，完全重疊)。來自場景的反射光22(即，由場景中的物件反射的光)，這裡表示為光線22A、光線22B、光線22C，穿過光波導120，以便由與面124相關聯的聚焦光學器件202接收。特別地，光22由面122透射，穿過部分反射表面126，並且由面124透射至聚焦光學器件202。在部分反射表面126以間隔開的關係佈置以便不交疊且不連續的構造中(即，在一個部分反射表面結束處與下一部分反射表面開始處之間存在空間)，光22A、光22B、光22C中的一些或全部可以通過穿過鄰近部分反射表面對之間的空的空間而直接穿過光波導120。在其他構造中，光22A、22B、22C的強度的一部分可由部分反射表面126透射，以便穿過部分反射表面到達聚焦光學器件202。
聚焦光學器件202，示意性地表示為透鏡(但其可以包括一組透鏡)，被佈置在場景與光電檢測器204之間的光路中。聚焦光學器件202接收來自場景的光22A、光22B、光22C(即，由場景中的被照射物件反射的光)，並將接收的光22A、光22B、光22C轉換成撞擊在檢測器204上的會聚光束(示意性地表示為光線23A、光線23B、光線23C)。在某些實現方式中，聚焦光學器件202在檢測器204上形成物件的圖像。聚焦光學器件202優選地被佈置成限定與由發射器子系統100照射的場景的區域或部分相對應的視場，以便能夠捕獲從被照射的場景中的物件反射的光。在某些實施方式中，可以將通帶光譜濾波器佈置在從場景到檢測器204的光路中，以阻擋生成來自照射裝置104的照射的給定波長範圍之外的波長的光到達檢測器204。光譜濾波器可以理想地定位在聚焦光學器件202與檢測器204之間，但是可以替選地佈置在面124與聚焦光學器件202之間。
光波導120的外表面(即，面122、面124)優選地塗覆有抗反射塗層，以便防止光波導124將由發射器子系統100發射的光散射回到接收器200。
在照射裝置104發射偏振光的實施方式中，部分反射表面優選地 是偏振敏感的，由此由部分反射表面反射的偏振光的強度的比例取決於傳播光束的偏振方向。在透射光束130A、透射光束130B、透射光束130C被偏振的實施方式中，偏振器(未示出)優選地被佈置在接收器子系統200與光波導120之間的光路中(例如，與面124相關聯)，以便基本上抑制接收器子系統200的飽和。注意，這樣的抑制可以以來自場景的光22的50%的透射率為代價。
在繼續參照圖1和圖2的情況下，現在參照圖3，其示出了根據本發明的另一非限制性實施方式的系統10的示意性表示，該實施方式與參照圖2描述的實施方式基本類似，但是具有“非交疊孔徑”構造。這裡，接收器子系統200被定位成與發射器子系統100相鄰，使得系統的輸入孔徑(即，接收器子系統200的輸入孔徑)與系統的輸出孔徑(即，發射器子系統100的輸出孔徑)分離。雖然這種構造導致不太緊湊的系統，但是在預期來自照射和光束組合單元102的殘餘反射使接收器子系統200飽和的情況下，這樣的構造可能具有特別的價值。
除了具有非交疊的孔徑之外，圖3中所示的實施方式具有簡化的照射和光束組合單元102。這裡，准直光學器件僅具有單個准直光學元件，使得不存在中間圖像平面。結果，准直光學器件不執行光瞳成像，並且照射和光束組合單元102的出射光瞳不與光波導120的入射光瞳交疊。所示實施方式中的照射和光束組合單元102的簡化結構可以被使用，尤其是如果照射和光束組合單元102的出射光瞳遠小於光波導120的入射光瞳，使得照射和光束組合單元102的輸出處的光束108穿過入射光瞳行進到光波導120，但是停留在光波導120內，使得損失最小的能量。照射和光束組合單元102的出射光瞳與光波導120的入射光瞳之間的必要尺寸差異可以例如通過以下操作來實現：產生窄光束108以減小照射和光束組合單元102的出射光瞳的尺寸和/或增加光波導120的厚度(即面122、面124之間的距離)以增大光波導120的入射光瞳的尺寸。
應當注意，接收器子系統200可以相對於發射器子系統100佈置，使得聚焦光學器件202的一部分與面124相關聯(即，聚焦光學器件202的一部分位於光波導120後面)，並且聚焦光學器件202的其餘部分被定位成與光波導120相鄰。在這樣的佈置中，由聚焦光學器件202限定的接收器子系統200的輸入孔徑與發射器子系統100的輸出孔徑部分交疊。
在圖2和圖3所示的非限制性實施方式中，掃描裝置106通過偏轉來自照射裝置104的光來掃描透射場，使得掃描光束108以變化的入射角撞擊在光耦入構造118上，使得來自照射裝置104的照射以相應的耦入角度範圍耦合到光波導120中。光束108在光耦入構造118處的角掃描擴展導致傳播光束128的對應角擴展，使得輸出光束130A、130B、130C以對應的角範圍耦出光波導120，以便用照射掃描場景。
圖4中示出了一種增加輸出光束的角度範圍的方法，其示出根據本發明的又一非限制性實施方式的系統10的示意性表示。圖4中所示的實施方式通常與圖2中所示的實施方式類似，不同之處在於：諸如一個或更多個衍射光柵的衍射光學元件140被佈置在發射器子系統100的輸出孔徑的前面(即，與面122相關聯，並且在面122與場景之間)。在某些非限制性實現方式中，衍射光學元件140機械地定位成與面122相鄰，以便與面122相關聯，並且跨越面122的整個耦出區域，該耦出區域被定義為面122的由部分反射表面126在平行於面122的平面的投影平面中的投影跨越的部分。優選地，衍射光學元件140跨越面122的大部分長度(該長度在圖4中的垂直方向上)，以便覆蓋面122的長度的至少80%，並且更優選地覆蓋面122的長度的至少90%。
在所示實施方式中，光束源以不同的相應波長操作(即，由每個光束源發射的光具有不同的相應波長)，並且組合光束128在其傳播通過光波導120時不分散。當耦出光束130A、耦出光束130B、耦出光束130C穿過衍射光學元件140時，耦出光束130A、耦出光束130B、耦出光束130C被衍射光學元件140分散，以生成相應的分散光束，所述分散光束由粗虛線箭頭示意性地表示，並且通常被指定為分散光束136A、分散光束136B、分散光束136C，從而增加光束130A、光束130B、光束130C、光束136A、光束136B、光束136C所覆蓋的角度範圍。當使用公共孔徑構造時，如圖4所示，衍射光學元件140還將來自場景的附加反射光(這裡表示為光線32A、32B、32C)朝向接收器子系統200轉向，以便由檢測器204捕獲。應當注意，儘管圖4示出了公共孔徑構造，但是衍射光學元件140可以用於類似於圖3所示的非交疊孔徑構造中，使得衍射光學元件140不被佈置在接收器子系統200的前面。在這樣的實施方式 中，衍射光學元件140僅使輸出光束130A、輸出光束130B、輸出光束130C轉向(以便生成對應的光束136A、光束136B、光束136C)，並且不使來自場景的任何入射光朝向接收器子系統200轉向。
如上所述，光波導120可以以各種方式實現，以實現輸入孔徑在一個維度或二個維度上的擴展。以下段落描述了光波導120的各種實現選擇，以便實現通過耦出的光束對場景的掃描和孔徑擴展。
在繼續參照圖2和圖4的情況下，還參照圖5，其示出了根據本發明的非限制性實施方式的光波導120的正視圖。雖然光波導120在第一平面(圖2至圖4中的紙平面)中具有矩形橫截面(假設面122、面124之間平行)，但是面122本身是梯形的，使得光波導120在耦出平面(與第一平面正交)中具有梯形橫截面。這裡，平行頂面132和平行底面134具有不同的長度，使得左側面142和右側面144向內漸縮。耦入光束128通過在面122、面124之間的內反射傳播，但是也在圖2中的垂直方向上以一定角度範圍耦入，這對應於圖5中光束128的橫向掃描(在圖2和圖4中的頁面內和頁面外)，其中光束128的橫向掃描150由圖5中的雙頭箭頭表示。光束的垂直掃描也是存在的，如上所述，這通過光束108在光耦入構造118處的角掃描擴展來實現，但在圖5所示的正視圖中不可辨別。
圖6A和圖6B分別示出了根據本發明的另一非限制性實施方式的光波導120的實現方式的示意性側視圖和底視圖。這裡，光波導120具有任意示出的與垂直方向對應的伸長方向，並且包括形成矩形截面的兩對平行面即面122、面124、面142、面144。部分反射表面126以與伸長方向成斜角的方式至少部分地橫穿光波導120。光耦入構造(此處未示出)以及照射和光束組合單元102相對于光波導120佈置，以便將輸入光束(例如，圖2至圖4中的光束108)耦合到光波導120中，其中初始傳播方向相對于第一對平行面即面122、面124、面142、面144兩者成傾斜的耦合角度，光束128沿著光波導120通過四重內反射(即，以螺旋方式以便在兩個維度上傳播)行進，其中在部分反射表面126處反射的光束128的強度的一部分朝向場景耦出光波導120。光束128的螺旋傳播對耦出光束130A、耦出光束130B、耦出光束130C(在圖6B中通常表示為130) 的效果是：耦出光束既垂直地(如圖6A中的雙頭箭頭所指示的)又橫向地(如圖6B中的雙頭箭頭所指示的)有效地掃描場景。
圖7示出了根據本發明的另一非限制性實施方式的構造，其中使用一對光波導220、光波導320以便執行垂直和橫向掃描。這裡，第一光波導220類似於參照圖6A和圖6B描述的光波導，並且第二光波導320類似於參照圖5描述的光波導。第一光波導220具有任意示出的與水準方向對應的伸長方向，並且兩對平行面形成矩形截面。圖7中僅示出了一對平行的面222、面224，但還存在與圖6B中的面142、面144類似的第二對平行面。多個部分反射表面226以與伸長方向成斜角的方式至少部分地橫穿第一光波導220。第二光波導320光耦合到第一光波導220，並具有一對平行面(圖7中僅示出了面332中的一個)，並且在面332與要被照射的場景成面對關係的情況下佈置第二光波導320。第二光波導320還包括平行的頂面332和底面334，以及左側面342和右側面344。與圖5中類似，面332、334具有不同的長度，使得側面342、344向內漸縮。這裡，多個部分反射表面326也以與面332成斜角的方式至少部分地橫穿第二光波導320。部分反射表面226及326被佈置成部分反射表面226位於第一組相互平行的平面中，且部分反射表面326位於相對於第一組平面傾斜的第二組相互平行的平面中。
光波導220、320之間的光耦合、部分反射表面226、326的佈置和配置以及耦入構造(這裡未示出)與照射和光束組合單元102的佈置使得，當來自照射和光束組合單元102的輸出光束(例如，圖2至圖4中的光束108)以相對于第一光波導220的兩對平行面傾斜的耦合角度的初始傳播方向耦合到第一光波導220中時，耦入光束228沿著光波導220通過四重內反射行進，其中光束228的一部分強度在部分反射表面226處反射以便作為照射(由光束230A、230B、320C示意性表示)耦合到第二光波導320中，並且然後在第二光波導320內(即，在面與平行於面332的另一面之間)通過雙重內反射傳播，其中照射230A、230B、320C的一部分強度在部分反射表面326處反射以便朝著場景(經由面332)耦出第二光波導。通過部分反射表面326耦出第二光波導320的光束(從圖7的頁面出來)330A-1、光束330A-2、光束330A-3、光束330B-1、光束 330B-2、光束330B-3、光束330C-1、光束330C-2、光束330C-3由黑色實心圓表示。這裡，由第一光波導220實現的掃描被第二光波導320所賦予的橫向(圖7中的雙頭箭頭所指示的橫向掃描)增強。
顯然，與執行一維孔徑擴展的光波導相比，由參照圖6A至圖7描述的光波導執行的二維孔徑擴展生成更多數量的光瞳圖像，並降低了照射強度的集中。
在結構方面類似於參照圖6A至圖7描述的光波導的光波導的結構和操作的進一步細節可以在上述美國專利第10,133,070中找到。
圖8示出了根據本發明的另一非限制性實施方式的光波導420的示意性正視圖。這裡，光波導420由兩個基板子部分組成，即第一波導區段421和第二波導區段423。虛線表示將兩個區段即421、區段423分開的平面425。如從圖中可以看出，兩個區段即區段421、區段423在光波導420的耦出平面中具有梯形形狀，其中耦出平面由平面432表示。
第一組部分反射表面426a被佈置在光波導420的第一區段421中，相對於平面424和平面425傾斜，而第二組部分反射表面426b被佈置在光波導420的第二區段423中，相對於面432傾斜。另外，包含部分反射表面426a的平面與包含部分反射表面426b的平面傾斜或垂直。
部分反射表面426a、426b的佈置和配置以及耦入結構(這裡未示出)與照射和光束組合單元102的佈置使得，當來自照射和光束組合單元102的輸出光束(例如，圖2至圖4中的光束108)被耦合到光波導420的第一區段421中時，耦入光束428在第一引導方向上通過第一區段421內的平面424、425之間的雙重內反射傳播，其中光束428的一部分強度在部分反射表面426A處反射以便作為照射(由光束430A、光束430B、光束420C示意性地表示)耦合到光波導420的第二區段423中，並且然後通過在面432與平行於面432的另一面(圖8中不可辨別的)之間的光波導的第二區段423內的雙重反射在第二引導方向(與第一引導方向傾斜)上傳播，其中照射430A、照射430B、照射423C的一部分強度在部分反射表面426b處反射以便朝著場景(經由面432)耦出光 波導420的第二區段423。通過部分反射表面426B從光波導420的第二區段423耦出的光束(從圖8的頁面出來)530A-1、光束530A-2、光束530A-3、光束530B-1、光束530B-2、光束530B-3、光束530C-1、光束530C-2、光束530C-3由黑色實心圓表示。在所示的結構中，第一區段421和第一組部分反射表面426A在第一維度上實現孔徑擴展，即，側向孔徑擴展和光束掃描(由第一區段421中的雙頭箭頭表示)，並且第二區段423和第二組部分反射表面426B在第二維度(與第一維度正交)上實現孔徑擴展，即，垂直孔徑擴展和光束掃描(由第二區段423中的雙頭箭頭組表示)。
採用不同定向的部分反射表面組的光波導的結構和操作的進一步細節可以在上述美國專利第10,551,544號中找到，該部分反射表面組用於將傳播的照射從一個引導方向重定向到另一引導方向並且將照射耦出光波導。
儘管至此描述的LIDAR系統的實施方式涉及採用掃描裝置作為照射和光束組合單元的一部分的發射器子系統，但是在光波導的輸出處佈置外部掃描裝置的其他實施方式也是可能的。現在參照圖9，示出了根據本發明的非限制性實施方式的系統的示意性表示，其通常類似於參照圖2描述的實施方式，但是具有與面122相關聯並且佈置在光波導120的輸出處的外部掃描裝置160，而不是佈置為照射和光束組合單元102的一部分的掃描裝置106。
在某些實施方式中，掃描裝置160被配置成執行二維掃描，而在其他實施方式中，掃描裝置160被配置成執行一維掃描。在掃描裝置160執行二維掃描的實施方式中，准直光學器件110准直由照射裝置104透射的光束108(可選地利用光瞳成像，如由像平面116所指示的)，並且經准直的光束108被耦合到光波導120中，以經由通過內反射傳播和通過部分反射表面126耦出而用於孔徑倍增。這裡，耦出光束130A、耦出光束130B、耦出光束130C照射單個方向，並且掃描裝置160垂直和橫向偏轉光束130A、光束130B、光束130C，以便執行垂直和橫向掃描，從而二維地掃描整個感興趣區域。由掃描裝置160從光束130A、光束130B、光束130C生成的偏轉的光束在圖9中示意性地由光束136A、光束136B、光束136C表示。注意，橫向掃描在紙平面之內和之外，並且因此由偏轉的光束136A、光束136B、光束136C實現的橫向掃描在圖9中不 可辨別。
在掃描裝置160執行一維掃描(例如垂直掃描)的實施方式中，照射和光束組合單元102還包括光學部件170，其被佈置在照射裝置104的輸出處和准直光學器件110的上游，其被配置為一維光束擴展器，以便在遠場中和在像平面116上生成照射行。在根據這樣的實施方式的一個非限制性實現方式中，光學部件170被實現為以高速生成照射行的一維掃描裝置(類似於圖2中的106)，從而在由檢測器204成像時生成高解析度場景。在另一非限制性實現方式中，光學部件170被實現為漫射器(即，光散射光學元件)或柱面透鏡。
根據基於其他實施方式的非限制性實現方式，光學部件170被實現為照射矩形場的二維光束擴展器。這樣的二維光束擴展器的一個示例是參照圖6A和圖6B描述的具有嵌入的部分反射表面的光波導。在這樣的實施方式中，檢測器204優選地被實現為矩形圖元陣列，以便使得能夠從感興趣的場中的照射點的陣列同時進行距離檢測。這樣的實施方式可能不一定需要外部掃描裝置160，然而，可以包括掃描裝置160以便進一步擴展被掃描場在垂直和/或橫向維度上的大小。
掃描裝置160可以被實現為任何合適的光束發散或光束轉向機構，包括但不限於在兩個正交維度上執行掃描的單個掃描或傾斜鏡、一對正交單軸掃描或傾斜鏡、具有可圍繞一個或更多個旋轉/傾斜軸旋轉/傾斜的一個或更多個棱鏡的一組棱鏡。優選地，掃描裝置160與處理子系統300電關聯，處理子系統300控制掃描裝置160的掃描動作。
以下段落描述了處理子系統300，並且明確地，描述處理子系統300的部件以及由處理子系統300提供的處理和控制功能。一般而言，處理子系統300與發射器子系統100和接收器子系統200的部件電關聯，以便向LIDAR系統10的子系統提供處理和控制功能。具體地，處理子系統300與檢測器204電關聯，並且被配置成處理來自檢測器204的信號，以得出與場景中的被照射物件(例如，圖1中的物件18)相關聯的資訊。在某些實施方式中，處理子系統300可以使用所得出的資訊來基於對由檢測器204所生成的信號中的波長相關變化的識別來構造物件18的3D表示和/或場景的映射。處理子系統300還與照 射裝置104電關聯，並且被配置成控制照射裝置104的各種照射參數，包括但不限於光束源的照射定時(例如，鐳射源的發射開始及停止時間及脈衝持續時間)、由光束源生成的光束的調製及光束源的輸出功率(經由放大器控制)。各個光束源的輸出功率可以是專用的。
處理子系統300優選地還被配置成使檢測器204與光束源的照射定時同步，以在與照射裝置104的照射時段對應的集成時段期間對光進行集成。此外，處理子系統300與各種實施方式的掃描裝置，例如掃描裝置106(圖2至圖4)以及外部掃描裝置160(圖9)和/或在被實現為掃描裝置時的光學部件170(圖9)電關聯，以控制掃描裝置的掃描動作。
可以使用本領域已知的任何合適類型的處理硬體和/或軟體──包括但不限於在任何合適的作業系統下操作並實現合適的軟體和/或固件模組的各種專用電腦化處理器的任何組合──來實現處理子系統300。處理系統300還可以包括用於允許與LAN和/或WAN設備進行有線或無線通訊以便雙向傳輸資訊的各種通信部件。圖10中示出了根據非限制性示例實現方式的處理子系統300的簡化框圖。這裡，處理子系統300包括耦合到存儲介質304的至少一個電腦化處理器302。存儲介質304可以是一個或更多個電腦化的記憶體設備，例如易失性資料存儲裝置。處理器302(其可以是多於一個處理器)可以被實現為任何數量的電腦化處理器，包括但不限於微處理器、微控制器、專用積體電路(application-specific integrated circuit，ASIC)、數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)、影像處理器、現場可程式設計閘陣列(field-programmable gate array，FPGA)、現場可程式設計邏輯陣列(field-programmable logic array，FPLA)等。這樣的電腦化處理器包括存儲程式碼或指令集的電腦可讀介質或者可以與電腦可讀介質電子通信，所述程式碼或指令集在由電腦化處理器執行時使電腦化處理器執行動作。電腦可讀介質的類型包括但不限於能夠向電腦化處理器提供電腦可讀指令的電子、光學、磁性或其他存儲或傳輸設備。
應當注意，除了處理器302和存儲介質304之外，處理子系統300還可以包括用於接收和/或處理類比和/或數位信號的附加電子電路，例如包括解調電路、頻率合成器、混頻器、帶通濾波器、低通濾波器、放大器(例如，低雜 訊放大器)、模數轉換器(例如，以採樣和量化電路的形式)、數模轉換器、本地振盪器等。還應當注意，在某些實施方式中，處理子系統300本身可以被集成為接收器子系統200的一部分。在其他實施方式中，處理子系統300的子部件可以被集成為接收器子系統200的一部分，而處理子系統300的其它部件可以是與接收器子系統200分開的獨立部件。
以上參照圖2至圖9描述的LIDAR系統的實施方式的光波導構造和掃描裝置提供了用於掃描感興趣的視場(即，感興趣的場景)的各種解決方案，由此來自LIDAR系統的輸出光束掃過感興趣的視場的廣泛數量的角位置，以便照射視場中的物件。如所討論的，感興趣的視場中的被照射物件以變化的對應到達方向將來自LIDAR系統的一些照射反射或反向散射回LIDAR系統的接收器。LIDAR系統的接收器的檢測器204提供光子感測能力，以使得能夠捕獲反射的照射並由處理子系統300得出與光反射物件相關聯的資訊。如所討論的，得出的資訊優選地用於生成視場中的被照射物件的3D表示。
如本領域技術人員所公知的，用於在LIDAR系統中生成物件的3D表示的測量原理是飛行時間(TOF)，其中，由LIDAR系統的發射器(例如發射器子系統100)生成的光束被投射(經由光束掃描)到場景中的物件上，並且反射的照射被(例如由檢測器204)檢測和處理(例如由處理子系統300)以確定到物件的距離(即，範圍)，從而允許創建3D點雲。基於行進到物件的光波的往返延遲來測量到物件的距離，通常是從物件到檢測器204的距離。距離測量可以通過調製發射的鐳射照射的強度、相位和/或頻率並測量調製圖案出現在接收器處所需的時間來實現。
TOF測量的一種方法是基於鐳射照射的短脈衝的強度調製。這裡，鐳射照射的短脈衝被導向場景，並且到場景中的物件的距離通過將光速乘以脈衝行進到對象的距離所花費的時間來確定。如上所述，處理子系統300優選地提供照射裝置104與檢測器204之間的同步，從而提供光束源的脈衝定時與檢測器204的集成週期之間的同步。對於TOF測量，處理子系統300在發射每個雷射脈衝時致動計時器電路(計時器電路可以是處理子系統300的一部分)以初始化計時器，並且在從檢測器204接收到輸出信號時致動計時器電路以終止 計時器。檢測器204回應於捕獲從物件反射的照射而生成輸出信號，其中輸出信號指示由檢測器204捕獲的光的強度。TOF被測量為計時器初始化與計時器終止之間經過的時間。由於TOF明顯地表示到物件的距離的兩倍(即，從發射器到物件的距離加上從物件到檢測器的距離)，所以TOF應該被減半以便提供到物件的實際距離。因此，使用簡單的強度調製方法，到物件的距離D可以被表示為：
Figure 109145967-A0202-12-0025-1
 其中c是光速(近似為3×108m/s)。TOF測量的另一方法是基於連續波的幅度調製(稱為AMCW)，由此將發射的照射的相位與檢測到的反射照射的相位進行比較。這裡，發射的CW鐳射信號的光功率用恒定頻率fM(通常為幾百KHz)來調製，因此發射光束的強度信號是頻率fM的正弦波或方波。檢測器204捕獲來自物件的反射照射，並且生成指示所捕獲的照射的強度的輸出信號。距離測量D基於在發射強度信號與反射強度信號之間出現的相移△Φ以及調製頻率fM而得出，並且可以被表示為如下：
Figure 109145967-A0202-12-0025-2
 其中再次，c是光速。
用于解調所生成的強度信號和提取相位資訊的技術在本領域中是公知的，但是在此提供了若干簡要的示例。在一個非限制性示例中，可以使用混頻器和低通濾波器的佈置，或者通過對所生成的強度信號進行採樣並且將採樣信號與被移位元了多個固定相位偏移的發射相位信號互相關，來獲得相位測量。另一種方法涉及對所生成的強度信號進行採樣，並將其與被移位了多個固定相位偏移的發射相位信號進行混頻，並且然後在所得到的多個相位處對混頻信號進行採樣。這裡提到的各種技術利用各種電子部件，包括例如混頻器、濾波器、本地振盪器、模數轉換器、數模轉換器等，並且可以被實現為可以是接收器子系統200的整體部分、處理子系統300的整體部分或者在處理子系統300與接收機器子系統200之間共用的電子電路。
TOF測量的另一方法是基於連續波的頻率調製(稱為FMCW)，由此，通常通過改變光束源的輸出功率，週期性地移動所發射的強度信號的暫態光頻。如在AMCW方法中，檢測器204捕獲來自物件的反射照射，並且生成指示所捕獲的照射的強度的輸出信號。然而，這裡，由檢測器204生成的信號與所發射的源信號混合以創建可用於測量物件距離的拍頻。對於靜態物件，鐳射照射的發射與檢測器204的照射收集之間的時間延遲導致來自信號混合的恒定頻率差(即拍頻)fB。通過在週期T內線性地改變發射鐳射照射的暫態光學頻率，拍頻fB與TOF成正比地變化，並且因此通過等效性與到物件的距離D成正比。fB與TOF之間的比例關係可以被表示為如下：
Figure 109145967-A0202-12-0026-3
 並且因此，D可以被表示為：
Figure 109145967-A0202-12-0026-4
 其中B是掃率頻寬。
發射與接收信號之間的頻率差被表現為週期性相位差，其以拍頻fB引起交替的相長干涉和相消干涉圖案，從而產生頻率fB的拍頻信號。通過傅立葉分析在頻域中分析拍頻信號，拍頻fB的峰值可以被容易地轉換成距離。用於執行頻域分析的一個特別優選的技術是快速傅立葉轉換(FFT)。FFT演算法在本領域中是公知的，並且可以使用處理子系統300來實現。
在上述示例中，暫態頻率線性變化並且單調增加，以便產生斜坡調製頻率。然而，在FMCW的許多實際應用中，使用三角調製頻率來代替斜坡。這裡，頻率變化率表示為2fMB，其中fM是調製頻率。因此，拍頻fB可以被表示為如下：
Figure 109145967-A0202-12-0026-5
這裡，也可以通過應用FFT演算法將拍頻fB的峰值轉換為距離來分析拍頻信號。當用於檢測運動物件時，這種三角調製具有特定值，其中物件的 速度(即，速度和方向)可以通過計算多普勒頻率來確定。
應當注意，所有上述用於確定TOF和到物件的距離的技術都是在逐點測量的上下文中描述的，其中，單個脈衝或單個調製的鐳射照射束由發射器子系統100發射以便照射場景中的對象上的點，並且由此接收器子系統200(特別是檢測器204)回應於上述照射而捕獲從物件反射的光，並且處理子系統300基於由檢測器204回應於捕獲光而生成的信號來得出TOF和距離資訊。然而，如本領域所公知的，LIDAR系統生成的關鍵輸出之一是被照射物件的3D表示，其通常採用3D點雲或由其呈現的3D圖像的形式。這樣的點雲通常通過掃描視場以便照射物件的大量點並且針對每個被照射點，根據捕獲的反向散射(反射)光回應地計算TOF和距離來生成。根據本發明的優選實施方式，處理子系統300被配置成通過掃描視場(使用由參照圖2至圖9描述的光波導和掃描佈置構造實現的技術)以便利用光束照射場景中的物件上的多個點來生成這樣的3D表示，例如點雲。經由上述發射器子系統100配置，經由上述掃描裝置，孔徑倍增的發射光束被重複地重新定位(或者同時照射全部大片的場景)，並且來自物件的相應反射光被檢測器204捕獲以生成相應信號，該信號由處理子系統300根據上述用於確定TOF和距離的各種技術來處理，以便構建點雲。優選地，處理子系統300提供照射裝置104與各種掃描裝置(例如，在某些非限制性實現方式中的掃描裝置106、掃描裝置160和光學部件170)之間的同步，以使得能夠掃描照射整個感興趣的場。
一般而言，點雲的密度受掃描速率(即，場景內的不同區域被多快地照射)和檢測器204的捕捉速率限制。當檢測器204被實現為感測器矩陣或矩形圖元陣列時，檢測器204可以同時捕獲來自多個區域的反射光，從而提供更高的總捕獲速率。優選地，發射器子系統100和接收器子系統200被配置成使得處理子系統300能夠產生類似於3D圖像的“高密度”點雲。處理子系統300還可被配置成使用本領域中公知的技術將3D點雲轉換成二維(2D)深度圖像。
儘管至此描述的本發明的實施方式涉及使用具有被配置成產生具有在電磁光譜的NIR區域和/或電磁光譜的可見區域中的波長的光的光束源的照射裝置，但是其中照射裝置包括被配置成產生NIR和可見區域之外的光的一個或多個光束源的其他實施方式也是可能的，所述光束源包括例如被配置成產生 在電磁光譜的紫外區域中的光的光束源。
根據本文所述實施方式的系統可實現的操作範圍通常是若干參數的函數，所述參數包括例如光束波長、光束強度、脈衝持續時間和光束發散度。這些參數中的一些可以通過從處理子系統300到照射裝置104的受控輸入來調整，而其他參數可以通過修改照射和光束組合單元102的各種光學和掃描部件來調整，而又一些參數可以通過改變佈置在照射裝置104中的光束源的類型來調整。本領域的普通技術人員將理解如何調整各種參數以便實現期望的操作範圍。通過調整這些參數中的一些，根據本文所述的實施方式的系統可以實現優於常規LIDAR系統的操作範圍。忽略大氣衰減、光束發散或其他降級因素，採用在約900nm下操作的NIR雷射器的常規LIDAR系統具有約100米的最大操作範圍。在非限制性示例中，假設光波導120的輸入孔徑處的預定強度(為了眼睛安全)，並且假設光波導120提供孔徑的三倍擴展(在二個維度上)，則發射器100的輸出孔徑處的總輸出功率增加了9倍，並且因此與傳統LIDAR系統相比，系統10的操作範圍增加了3倍(根據平方反比定律)。因此，可以預期本發明的LIDAR系統可實現的操作範圍為至少300米。
應當注意，當根據本發明的實施方式的LIDAR系統被佈置在駕駛員操作的基於地面的車輛中或者佈置用於與駕駛員操作的基於地面的車輛一起使用時，所公開的實施方式的光波導可以有利地安裝在車輛的駕駛員的前方，例如集成到車輛的儀錶板或前擋風玻璃中。當LIDAR系統被佈置為頭盔的一部分時，所公開的實施方式的光波導可以有利地作為頭盔的一部分安裝在頭盔的前部區域中。
儘管至此已經在用於諸如自主或半自主車輛的基於地面的車輛的LIDAR應用的背景下描述了所公開的LIDAR系統的實施方式，但是本發明的實施方式還可以有利地用於固定地面LIDAR應用和諸如遙感應用的機載LIDAR應用。對於地面應用，本文預期其中系統佈置在固定平臺(例如，支架或塔)上以便收集與場景中的物件相關聯的資料的實施方式。對於航空應用，設想了其中系統佈置在或安裝到飛行器的實施方式，所述飛行器例如是有人(即，人工駕駛)飛行器(例如，飛機、直升機等)或無人飛行器(例如，無人飛行器(UAV)、無人機等)。在這樣的實施方式中，系統優選地佈置在飛行器的下側或 腹部，從而使得系統能夠收集與地面上的由飛行器監視的遠端場景中的物件相關聯的資料(當採用佈置在小型UAV或無人機上的高強度鐳射源時，通常在10至100米範圍內的海拔行進，或高達1千米)。
應當注意，儘管在LIDAR應用中使用的特定背景下描述了至此公開的實施方式的發射器和接收器，特別是佈置用於與基於地面的或機載的車輛一起使用的LIDAR系統，但是基於上述實施方式的發射器和接收器構造可以適用於不需要場景掃描的非LIDAR應用，例如鐳射測距儀應用。例如，不具有上述實施方式的掃描裝置的發射器結構可以有利地用作地面安裝或手持鐳射測距儀系統的一部分，其中，在不掃描的情況下照射場景中的單個點或小群組點，以便測量到該點或點群組的距離。
已經出於說明的目的呈現了對本公開內容的各種實施方式的描述，但是其並非旨在是窮舉的或限於所公開的實施方式。在不背離所描述的實施方式的範圍和精神的情況下，許多修改和變化對於本領域的普通技術人員將是明顯的。選擇本文所使用的術語以最好地解釋實施方式的原理、實際應用或相對于市場上現有技術的技術改進，或使本領域的其他普通技術人員能夠理解本文所公開的實施方式。
如本文所用，除非上下文另外清楚地指明，否則單數形式(“a”“an”)和“該”包括複數指代。
詞語“示例性”在這裡用於表示“用作示例、實例或說明”。任何被描述為“示例性”的實施方式不必被解釋為比其他實施方式優選或有利以及/或者排除來自其他實施方式的特徵的結合。
應當理解，為了清楚起見在單獨的實施方式的上下文中描述的本發明的某些特徵也可以在單個實施方式中組合提供。相反地，為了簡潔起見在單個實施方式的上下文中描述的本發明的各種特徵也可以單獨地或以任何合適的子組合或如在本發明的任何其他描述的實施方式中合適地提供。在各種實施方式的上下文中描述的某些特徵不被認為是這些實施方式的必要特徵，除非在沒有那些元件的情況下實施方式是不可操作的。
就撰寫了沒有多引多權利要求的所附權利要求來說，這樣做僅僅是為了適應在不允許這樣的多引多的管轄區域中的形式要求。應當注意，明確地 設想了通過使權利要求多引多而暗示的特徵的所有可能組合，並且應當將其視為本發明的一部分。
儘管已經結合本發明的具體實施方式描述了本發明，但是顯然，許多替選、修改和變化對於本領域技術人員來說是明顯的。因此，本發明旨在包括所有這些落入所附權利要求的精神和寬範圍內的替選、修改和變化。
10:系統
12:車輛
100:光發射器子系統
30:場景
14:光束
16:雙頭箭頭
18:物件
200:接收器子系統
20,22:光線
300:處理子系統

Claims (40)

  1. 一種系統，包括：
    光波導，所述光波導具有用於通過內反射引導光的至少兩個主外表面，所述兩個主外表面中的第一主外表面佈置為與場景呈面對關係；
    與所述光波導相關聯的光耦出構造，所述光耦出構造被配置用於將由所述光波導引導的光的一部分朝向所述場景耦出所述光波導；
    照射裝置，所述照射裝置被佈置成發射用於耦合到所述光波導中的光，所述光在耦入所述光波導中之前被准直；
    檢測器，用於感測回應於通過所述光耦出構造從所述光波導耦出的光對位於所述場景中的物件的照射而從所述物件反射的光；以及
    包括至少一個處理器的處理子系統，所述處理子系統與所述檢測器電關聯，並且被配置成處理來自所述檢測器的信號以得出與所述物件相關聯的資訊。
  2. 如請求項1所述的系統，還包括：聚焦光學器件，用於將所反射的光聚焦到所述檢測器上。
  3. 如請求項求2所述的系統，其中，所述聚焦光學器件與所述兩個主外表面中的第二主外表面相關聯。
  4. 如請求項2所述的系統，其中，所反射的光在被所述聚焦光學器件接收之前由所述兩個主外表面透射。
  5. 如請求項2所述的系統，其中，所述系統的輸出孔徑至少部分地由所述耦出構造限定，並且其中，所述系統的輸入孔徑至少部分地由所述聚焦光學器件限定。
  6. 如請求項5所述的系統，其中，所述輸入孔徑與所述輸出孔徑至少部分地交迭。
  7. 如請求項5所述的系統，其中，所述輸入孔徑與所述輸出孔徑是非交迭的。
  8. 如請求項1所述的系統，還包括：衍射光學元件，所述衍射光學元件與所述兩個主外表面中的所述第一主外表面相關聯。
  9. 如請求項1所述的系統，還包括：掃描裝置，所述掃描裝置被佈置成利 用通過所述光耦出構造從所述光波導耦出的光來掃描所述場景。
  10. 如請求項9所述的系統，其中，所述掃描裝置被佈置在所述照射裝置與所述光波導之間，並且其中，所述掃描裝置被配置成使由所述照射裝置發射的光偏轉以覆蓋角度範圍，使得從所述光波導耦出的所述光覆蓋對應的角度範圍。
  11. 如請求項9所述的系統，其中，所述掃描裝置與所述兩個主外表面中的所述第一主外表面相關聯。
  12. 如請求項1所述的系統，還包括：准直光學器件，所述准直光學器件被佈置在所述照射裝置與所述光波導之間的光路中，用於在由所述照射裝置發射的光耦合到所述光波導中之前准直所述光。
  13. 如請求項1所述的系統，還包括：光學部件，所述光學部件被佈置在所述照射裝置與所述光波導之間的光路中，並且所述光學部件被配置成在至少第一維度上執行由所述照射裝置發射的光的孔徑擴展。
  14. 如請求項13所述的系統，還包括：掃描裝置，所述掃描裝置與所述兩個主外表面中的所述第一主外表面相關聯，並且所述掃描裝置被配置成掃描與所述第一維度正交的第二維度。
  15. 如請求項13所述的系統，其中，所述光學部件被配置成在所述第一維度和與所述第一維度正交的第二維度上執行由所述照射裝置發射的光的擴展。
  16. 如請求項13所述的系統，其中，所述光學部件包括：透光基板，用於通過內反射引導由所述照射裝置發射的光，以及與所述基板相關聯的第二光耦出構造，用於將由所述基板引導的光的一部分朝向所述光波導耦出所述基板。
  17. 如請求項所述的系統，其中，所述光耦出構造包括多個部分反射表面，所述多個部分反射表面相對於所述兩個主外表面傾斜地佈置在所述光波導內。
  18. 如請求項1所述的系統，其中，所述光耦出構造包括與所述兩個主外表面中的至少一個相關聯的衍射光學元件。
  19. 如請求項1所述的系統，還包括：光耦入構造，所述光耦入構造與所述光波導相關聯並且被配置用於將光耦合到所述光波導中以便通過內反射在所述光波導內傳播。
  20. 如請求項1所述的系統，其中，所述照射裝置包括多個光束源，所述光束源被配置成產生不同相應波長的光。
  21. 如請求項20所述的系統，其中，所述照射裝置還包括光束組合器，用於將由所述光束源產生的所述光組合成組合光束。
  22. 如請求項20所述的系統，其中，所述波長在電磁光譜的近紅外區域中。
  23. 如請求項20所述的系統，其中，所述光束源被實現為鐳射源。
  24. 如請求項23所述的系統，其中，所述鐳射源是脈衝鐳射源，並且其中，所述處理子系統與所述照射裝置電關聯並且還被配置成控制所述鐳射源的脈衝定時。
  25. 如請求項20所述的系統，其中，所述光束源之一被配置成產生電磁光譜的可見區域中的光，並且其中，剩餘的光束源被配置成產生所述電磁光譜的近紅外區域中的不同相應波長的光。
  26. 如請求項1所述的系統，其中，所述處理子系統與所述照射裝置電關聯，並且所述處理子系統還被配置成控制所述照射裝置的照射定時。
  27. 如請求項1所述的系統，其中，由所述處理子系統得出的與所述物件相關聯的所述資訊包括飛行時間資訊。
  28. 如請求項1所述的系統，其中，由所述處理子系統得出的與所述物件相關聯的所述資訊包括從所述檢測器到所述物件的距離。
  29. 如請求項1所述的系統，其中，所述處理子系統還被配置成基於與所述物件相關聯的所述資訊來構建所述物件的三維表示。
  30. 如請求項1所述的系統，其中，所述系統被佈置在基於地面的車輛中。
  31. 如請求項1所述的系統，其中，所述系統被安裝到飛行器。
  32. 如請求項1所述的系統，其中，所述光波導在橫截面中具有梯形形狀，以便利用從所述光波導耦出的光實現所述場景的橫向掃描。
  33. 如請求項32所述的系統，還包括：
    透光基板，所述透光基板具有形成矩形橫截面的兩對平行的主外表面；以及
    與所述基板相關聯的光耦合構造，其中，耦合到所述基板中的光通過四重內反射而行進通過所述基板，並且行進通過所述基板的所述光的強度的一部分通過所述光耦合構造耦出所述基板並且耦合到所述光波導中。
  34. 如請求項1所述的系統，其中，所述光波導包括形成矩形橫截面的兩對平行的主外表面，並且其中，耦合到所述光波導中的光通過四重內反射而行進通 過所述光波導。
  35. 根據權利要求1所述的系統，還包括：光耦合構造，並且其中，所述光波導包括與所述光耦合構造相關聯的第一波導區段和與所述光耦出構造相關聯的第二光波導區段，並且其中，被耦合到所述光波導中的光通過內反射而行進通過所述第一波導區段，並且行進通過所述第一波導區段的光的強度的一部分被所述光耦合構造在第一方向上偏轉，以便被耦出所述第一波導區段並且被耦合到所述第二光波導區段中，以便通過內反射而行進通過所述第二光波導區段，並且其中，行進通過所述第二光波導區段的光被所述光耦出構造在第二方向上偏轉以便朝向所述場景被耦出所述光波導。
  36. 根據權利要求35所述的系統，其中，所述光耦合構造在第一維度上實現光的掃描，並且其中，所述光耦出構造在與所述第一維度基本正交的第二維度上實現光的掃描。
  37. 一種光檢測與測距(LIDAR)系統，包括：
    發射器，所述發射器包括：
    光波導，具有用於通過內反射引導光的至少兩個主外表面，所述主外表面之一佈置為與場景呈面對關係，
    與所述光波導相關聯的光耦出構造，所述光耦出構造被配置用於將由所述光波導引導的光的一部分朝向所述場景耦出所述光波導，
    至少一個光束源，所述至少一個光束源被配置成發射用於耦合到所述光波導中的相干光束，所述相干光束在被耦入所述光波導中之前被准直，以及
    掃描裝置，所述掃描裝置被佈置成利用通過所述光耦出構造從所述光波導耦出的光來掃描所述場景；
    接收器，所述接收器包括：
    檢測器，用於感測回應於通過所述光耦出構造從所述光波導耦出的光對位於所述場景中的物件的照射而從所述物件反射的光；以及
    包括至少一個處理器的處理子系統，所述處理子系統與所述檢測器電關聯，並且所述處理子系統被配置成處理來自所述檢測器的信號以構建所述物件的三維表示。
  38. 根據權利要求37所述的LIDAR系統，其中，所述處理子系統與所述照射裝置電關聯，並且所述處理子系統還被配置成控制所述照射裝置的照射定時。
  39. 根據權利要求37所述的LIDAR系統，其中，所述發射器具有至少部分由所述光耦出構造限定的輸出孔徑，並且其中，所述接收器具有至少部分由聚焦光學器件限定的輸入孔徑，並且其中，所述輸入孔徑與所述輸出孔徑至少部分地交迭。
  40. 根據權利要求37所述的LIDAR系統，其中，所述發射器具有至少部分由所述光耦出構造限定的輸出孔徑，並且其中，所述接收器具有至少部分地由聚焦光學器件限定的輸入孔徑，並且其中，所述輸入孔徑與所述輸出孔徑是非交迭的。
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