TWI803546B - 旋轉緊密光測距系統 - Google Patents

Abstract

一種光測距系統包含：一軸件；一第一電路板總成，其包含包括複數個定子元件之一定子總成，該複數個定子元件圍繞該軸件配置於該第一電路板總成之一表面上；一第二電路板總成，其可旋轉地耦合至該軸件，其中該第二電路板總成包含包括複數個轉子元件之一轉子總成，該複數個轉子元件圍繞該軸件配置於該第二電路板總成之一表面上，使得該複數個轉子元件與該複數個定子元件對準且隔開；一定子驅動器電路，其安置於該第二電路板總成或該第一電路板總成上且經組態以將一驅動信號提供至該複數個定子元件，藉此在該複數個轉子元件上賦予一電磁力以驅動該第二電路板總成圍繞該軸件之一旋轉；及一光測距裝置，其機械地耦合至該第二電路板總成，使得該光測距裝置與該第二電路板總成一起旋轉。

Description

旋轉緊密光測距系統

光成像、偵測及測距(LIDAR)系統藉由用一脈衝雷射光照明目標且用一感測器量測反射脈衝而量測至一目標之距離。接著可用飛行時間量測來製作目標之一數位3D表示。LIDAR系統可用於其中3D深度影像係有用之多種應用，包含考古學、地理學、地質學、林學、測繪、建築學、醫療成像及軍事應用等。自動駕駛車輛亦可使用LIDAR進行障礙偵測及閃避以及車輛導航。

提供足夠用於自動駕駛車輛中之障礙偵測及閃避之覆蓋範圍及解析度之許多當前可用LIDAR感測器係技術複雜且製造成本高的。因此，此等感測器可過於昂貴而無法在大眾市場汽車、卡車及其他車輛中廣泛部署。一特定類型之LIDAR感測器之總組件成本及製造複雜性通常由LIDAR感測器本身之架構中之潛在複雜性驅動。此在一些現代LIDAR感測器中可進一步加劇，該等現代LIDAR感測器係不同內部子系統之一集合體，各內部子系統本身可為非常複雜的，例如光電系統、電機系統、電腦控制系統、高速通信系統、資料處理系統及類似物。

為達成對一些現代感測應用而言可能重要之高位置精確性、長距離範圍及低功率消耗，對此等子系統之各者之嚴格技術要求已導 致複雜的且難以建立且在一客戶可使用個別LIDAR單元之前通常需要昂貴的校準及對準程序之架構及設計。例如，一些LIDAR系統具有採用安裝於一配衡式結構部件上之一或多個大主機板及龐大、重的光學系統之內部架構，其等全部在按約1,000RPM之速率旋轉之一轉座內。在一些此等系統中，單獨雷射發射器/偵測器對經安裝至個別、單獨電路板。因此，各發射器板及接收器板可需要單獨安裝至主機板，其中各發射器/偵測器對沿著一特定方向精確對準以確保各偵測器之視場與偵測器之各自發射器之視場重疊。由於上述架構，在組裝期間通常需要精確對準技術以單獨對準各發射器板及各接收器板。

當吾人期望按比例調整裝置之解析度時，上述架構變得愈來愈成問題。增加解析度需要添加更多雷射發射器/偵測器對，各再次安裝於其等自身電路板上。因此，用此類型之架構線性地按比例調整解析度可歸因於所涉及之個別部分及板之絕對數量而導致製造成本之指數增加以及可靠性之指數減小。一旦組裝及對準完成，必須非常注意，在運送期間或在系統之設計壽命內之某其他時點處，精確對準之多板配置未被擾動或震動而失準。

除光學系統之對準及組裝複雜性以外，大多數當前可用LIDAR單元具有一相對低的整體系統整合度。例如，許多當前可用LIDAR單元中之控制及驅動電路係安裝至定製板之單獨模組。此等定製板繼而可需要安裝至LIDAR單元內之一主機板或可藉由一或多個安裝支架安裝至LIDAR單元之一結構元件上之別處。在一些情況中，各板可具有一或多個電互連件，該一或多個電互連件需要佈線通過殼體內之一或多個內部體積或通路以最終與主機板連接。

針對旋轉LIDAR系統，電動馬達轉子及/或定子可需要甚至更多額外專用座架(mount)及互連件。除電源連接以外，資料上行鏈路及下行鏈路線亦需要且通常由一或多個電感、電容及/或金屬滑環旋轉耦合器實現，此可難以實施及/或導致低資料傳送速率。一些系統在旋轉耦合器內採用金屬刷且因此歸因於旋轉機構內之刷之機械接觸之要求而係潛在不可靠的。其他滑環型連接器可採用有害物質(諸如水銀)，從而導致此等類型之耦合器不符合有害物質限制令2002/95/EC(ROHS)且因此在一些管轄區中不鼓勵使用或甚至被禁止。

關於光電系統，行業在併入具成本效益之單光子光偵測器(諸如基於CMOS之單光子突崩二極體(SPAD))時由於其等在近紅外波長中之低量子效率及其等之低動態範圍而面臨挑戰。為改良量子效率，一些基於SPAD之偵測器採用InGaAs技術，但與CMOS裝置相比此等系統以一具成本效益方式整合更具挑戰性。因此，例如在SPAD陣列外部之一封裝中，與使用InGaAs技術製造之SPAD偵測器相關聯之外部/支援電路(例如，一淬熄電路，其可感測突崩電流之前緣、產生與突崩累積同步之一標準輸出脈衝、藉由將偏壓降低回至崩潰電壓而淬熄突崩且接著將光二極體恢復至操作位準)通常與SPAD陣列分開製造。另外，InGaAs基板相對昂貴且相關聯製程通常具有低於矽基板製程之一良率，從而進一步加重成本增加。使問題進一步複雜化的是，InGaAs基板通常需要被主動冷卻，以便將暗電流降低至適合位準，此增加運行時間期間消耗之能量之量，從而更進一步增加成本及複雜性。

取代採用基於SPAD之偵測器，許多市售LIDAR解決方案採用突崩光二極體(APD)。APD並非二元偵測裝置而是輸出與入射於偵測 器上之光強度成比例之一類比信號(例如，一電流)且因此具有高動態範圍。然而，APD必須由若干額外類比電路支援，包含例如類比電路，諸如跨阻抗放大器及/或差分放大器、高速A/D轉換器、一或多個數位信號處理器(DSP)及類似物。傳統APD亦需要對於標準CMOS程序不可行的高反向偏壓電壓。在無成熟CMOS之情況下，難以將全部此類比電路整合至具有一緊密外觀尺寸之一單一晶片上且通常採用定位於一印刷電路板上之多個外部電路模組，此促成此等現有單元之高成本。

因此，為支援3D感測系統之增長市場，需要更具成本效益但仍高效能之LIDAR系統。此外，需要實現可有效地大規模採用之簡化組裝程序之改良且更優質之系統架構。

本發明之實施例係關於一種LIDAR單元，其除其他用途外亦可用於自動駕駛車輛中之障礙偵測及閃避。本發明之各種實施例可解決與一些當前可用LIDAR系統相關聯之上文論述之問題之一或多者。一些特定實施例係關於LIDAR系統，其等包含使系統能夠足夠廉價地且以足夠可靠性製造且具有一足夠小佔據面積以用於大眾市場汽車、卡車及其他車輛中的設計特徵。

在一些實施例中，根據本發明之一自旋光測距系統可包含一光測距裝置(例如，其發射光脈衝且偵測反射脈衝)，該光測距裝置連接至圍繞由一軸件界定之一軸旋轉之一上電路板總成。該上電路板總成可與一下電路板總成協作例如以經由各自電路元件提供電力、資料及/或編碼位置。在該旋轉上板總成及該下板總成上包含協作無線電路元件(例如，與外部實體連接相反)可提供一更緊密設計。此外，特定電路元件(例如， 光學或電力)可以實現有效通信及/或增加通量之一方式定位。例如，可在該上電路板總成之一外邊緣處之一環處提供一無線電力接收器，從而使由一感應環捕獲之磁通量最大化或使一電容式系統中可用之面積最大化。

根據一些實施例，一光學通信子系統可在一旋轉光測距裝置與不圍繞一軸件旋轉之一基座子系統之間提供一光學通信通道。該光學通信通道可提供快速通信，但亦可提供一緊密且廉價之設計。例如，一轉座光學通信組件可定位於一旋轉總成上以與一基座光學通信組件傳遞資料(例如，來自光測距裝置之測距資料)。此定位可免除對更龐大通信機構之需要。例如，下行鏈路傳輸器可經定位以透過用於旋轉之一中空軸件傳輸光學測距資料。作為另一實例，該基座子系統之一或多個上行鏈路傳輸器可將上行鏈路信號傳輸至在一旋轉總成上旋轉之一或多個上行鏈路接收器，例如其中此等上行鏈路元件定位於對準之環中。

根據一些實施例，可藉由整合於上電路板及下電路板上之定子及轉子元件驅動一上電路板總成之一旋轉，藉此使該光測距系統緊密。例如，該上電路板總成可包含圍繞一旋轉軸件對稱配置之複數個轉子元件，且一下電路板總成可包含圍繞該軸件對稱配置之複數個定子元件。一驅動器電路可驅動該等定子元件。使此等轉子及定子元件建立至該等電路板本身上提供優於使用更龐大馬達(例如，步進馬達、有刷馬達或非整合無刷馬達)之產品之各種優點。

根據一些實施例，一種光測距系統包含：一軸件，其具有一縱向軸；一第一電路板總成，其包含包括複數個定子元件之一定子總成，該複數個定子元件圍繞該軸件配置於該第一電路板總成之一表面上；一第二電路板總成，其可旋轉地耦合至該軸件且與該第一電路板總成隔開 且與該第一電路板總成呈一相對關係，其中該第二電路板總成包含包括複數個轉子元件之一轉子總成，該複數個轉子元件圍繞該軸件配置於該第二電路板總成之一表面上，使得該複數個轉子元件與該複數個定子元件對準且隔開；一定子驅動器電路，其安置於該第二電路板總成或該第一電路板總成上且經組態以將一驅動信號提供至該複數個定子元件，藉此在該複數個轉子元件上賦予一電磁力以驅動該第二電路板總成圍繞該軸件之該縱向軸之旋轉；及一光測距裝置，其機械地耦合至該第二電路板總成，使得該光測距裝置與該第二電路板總成一起旋轉。

在一些實施例中，一種光測距系統包含：一軸件；一第一電路板總成，其包含包括複數個定子元件之一定子總成，該複數個定子元件圍繞該軸件配置於該第一電路板總成之一表面上；一第二電路板總成，其可旋轉地耦合至該軸件，其中該第二電路板總成包含包括複數個轉子元件之一轉子總成，該複數個轉子元件圍繞該軸件配置於該第二電路板總成之一表面上，使得該複數個轉子元件與該複數個定子元件對準且隔開；一光測距裝置，其經耦合以與該第二電路板總成一起旋轉，該光測距裝置包含經組態以將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件之一光源及經組態以偵測從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料之偵測器電路；及一定子驅動器電路，其安置於該第二電路板總成或該第一電路板總成上且經組態以將一驅動信號提供至該複數個定子元件，藉此在該複數個轉子元件上賦予一電磁力以驅動該第二電路板總成圍繞該軸件之旋轉。

在一些實施例中，一種光測距系統包含：一固定殼體，其具有一光學透明窗及一基座；一中空軸件，其安置於該殼體內；一軸承系 統，其耦合至該中空軸件；一第一電路板總成，其安置於該殼體內且與垂直於該中空軸件之一第一平面平行，該第一電路板總成包含包括複數個均勻間隔之定子元件之一定子總成，該複數個均勻間隔之定子元件圍繞該軸件環狀地配置於該第一電路板總成之一表面上；一第二電路板總成，其平行於該第一平面安置於該殼體內且藉由該軸承系統可旋轉地耦合至該軸件，其中該第二電路板總成包含包括複數個均勻間隔之轉子元件之一轉子總成，該複數個均勻間隔之轉子元件圍繞該軸件環狀地配置於該第二電路板總成之一表面上，使得該複數個轉子元件與該複數個定子元件對準且隔開；一光測距裝置，其經耦合以與該固定殼體內之該第二電路板總成一起旋轉，該光測距裝置包含經組態以透過該窗將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件之一光源及經組態以偵測透過該窗接收之從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料之偵測器電路；及一定子驅動器電路，其安置於該第二電路板總成或該第一電路板總成上且經組態以將一驅動信號提供至該複數個定子元件，藉此在該複數個轉子元件上賦予一電磁力以驅動該第二電路板總成及該光測距裝置圍繞該軸件之旋轉。

根據一些實施例，一種光測距系統包含：一外殼；一軸件，其界定一旋轉軸；一第一電路板總成，其安置於該外殼內且呈一固定關係耦合至該外殼，使得該第一電路板總成沿著垂直於該旋轉軸之一第一平面對準，該第一電路板總成包含安置於一第一電路板上之複數個第一電路元件；一第二電路板總成，其在該外殼內在平行於該第一平面之一第二平面中與該第一電路板總成隔開且可旋轉地耦合至該軸件，使得該第二電路板總成圍繞該旋轉軸旋轉，該第二電路板總成包含複數個第二電路元 件，該複數個第二電路元件安置於一第二電路板上且與該第一複數個電路元件之至少一者對準且經組態以與該至少一者無線協作地運行；及一光測距裝置，其經電連接及耦合以與該第二電路板總成一起旋轉，該光測距裝置經組態以將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件以偵測從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料。

在一些實施例中，一種光測距系統包含：一殼體，其具有一光學透明窗；一軸件，其界定穿過該殼體之一旋轉軸；一第一電路板總成，其安置於該殼體內且固定地耦合至該殼體且垂直於該旋轉軸而對準；一第二電路板總成，其安置於該殼體內且與該第一電路總成隔開且與該第一電路總成呈一相對關係，該第二電路板總成可旋轉地耦合至該軸件；一光測距裝置，其呈一固定關係耦合至該第二電路板總成，使得該光測距裝置與該第二電路板總成一起圍繞該軸件旋轉；一環形編碼器，其包括安裝於該第一電路板或該第二電路板之一者上之一環形編碼器條及在該第一電路板或該第二電路板之另一者上安裝於面向且相對於該環形編碼器條之一位置處之一編碼器讀取器；一無線通信系統，其包括安裝至該第一電路板之一第一環形無線通信組件及在面向且相對於該第一環形無線通信組件之一位置處安裝至該第二電路板之一第二環形無線通信組件；及一環形無線電力傳送系統，其包括安裝至該第一電路板之一環形無線電力傳輸器及在面向且相對於該環形無線電力傳輸器之一位置處安裝至該第二電路板之一環形無線電力接收器。

在一些實施例中，一種光測距系統包含：一殼體，其具有一光學透明窗；一軸件，其界定穿過該殼體之一旋轉軸；一第一電路板總 成，其安置於該殼體內且固定地耦合至該殼體且垂直於該旋轉軸而對準；一第二電路板總成，其安置於該殼體內且與該第一電路總成隔開且與該第一電路總成呈一相對關係，該第二電路板總成可旋轉地耦合至該軸件；一光測距裝置，其安裝至該第二電路板總成，使得該光測距裝置與該第二電路板總成一起圍繞該軸件旋轉，該光測距裝置經組態以將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件以偵測從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料；一環形編碼器，其包括安裝於該第一電路板或該第二電路板之一者上之一環形編碼器條及在該第一電路板或該第二電路板之另一者上安裝於面向且相對於該環形編碼器條之一位置處之一編碼器讀取器；一無線通信系統，其包括安裝至該第一電路板之一第一環形無線通信組件及在面向且相對於該第一環形無線通信組件之一位置處安裝至該第二電路板之一第二環形無線通信組件；一電動馬達，其包含包括複數個定子元件之一定子總成及包括複數個轉子元件之一轉子總成，該複數個定子元件圍繞該軸件配置於該第一電路板總成之一表面上，該複數個轉子元件圍繞該軸件配置於該第二電路板總成之一表面上，使得該複數個轉子元件安置於面向且相對於該複數個定子元件之一位置處；一定子驅動器電路，其安置於該第二電路板總成或該第一電路板總成上且經組態以將一驅動信號提供至該複數個定子元件，藉此在該複數個轉子元件上賦予一電磁力以驅動該第二電路板總成圍繞該軸件之旋轉；及一環形無線電力傳送系統，其包括安裝至該第一電路板之一環形無線電力傳輸器及在面向且相對於該環形無線電力傳輸器之一位置處安裝至該第二電路板之一環形無線電力接收器。

根據一些實施例，一種光測距系統包含：一軸件，其具有 一縱向軸；一光測距裝置，其經組態以圍繞該軸件之該縱向軸旋轉，該光測距裝置包含經組態以將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件之一光源及經組態以偵測從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料之偵測器電路；一基座子系統，其不圍繞該軸件旋轉；及一光學通信子系統，其經組態以在該基座子系統與該光測距裝置之間提供一光學通信通道，該光學通信子系統包含連接至該偵測器電路之一或多個轉座光學通信組件及連接至該基座子系統之一或多個基座光學通信組件。

在一些實施例中，一種光測距系統包含：一外殼，其具有一光學透明窗；一中空軸件，其具有安置於該外殼內之一縱向軸；一光測距裝置，其安置於該外殼內且經組態以圍繞該軸件之該縱向軸旋轉，該光測距裝置包含經組態以透過該光學透明窗將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件之一光源及經組態以偵測通過該光學透明窗之從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料之偵測器電路；一基座子系統，其安置於該外殼內，該基座子系統不圍繞該軸件旋轉；及一光學通信子系統，其安置於該外殼內且經組態以在該基座子系統與該光測距裝置之間提供一光學通信通道，該光學通信子系統包含安置於該中空軸件內之一第一光學通道及環狀地配置於該中空軸件外之一第二光學通道。

在一些實施例中，一種光測距系統包含：一外殼，其具有一光學透明窗；一中空軸件，其具有安置於該外殼內之一縱向軸；一光測距裝置，其安置於該外殼內且經組態以圍繞該軸件之該縱向軸旋轉，該光測距裝置包含經組態以透過該光學透明窗將光脈衝傳輸至一周圍環境中之 物件之一光源及經組態以偵測通過該光學透明窗之從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料之偵測器電路；一基座子系統，其安置於該外殼內，該基座子系統不圍繞該軸件旋轉；一第一光學通信通道，其經組態以透過該中空軸件在該光測距裝置與該基座子系統之間光學地傳輸資料，該第一光學通信通道包含耦合至經耦合以與該光測距裝置一起旋轉之電路之一第一光學組件及耦合至安置於該基座子系統上之電路之一第二光學組件；及一第二環形光學通信通道，其圍繞該中空軸件且經組態以在該光測距裝置與該基座子系統之間光學地傳輸資料，該環形光學通信通道包含耦合至經耦合以與該光測距裝置一起旋轉之電路之一第一環形光學組件及耦合至安置於該基座子系統上之電路之一第二環形光學組件。

根據一些實施例，一種光測距裝置可包含一光發射模組及一光感測模組。該光發射模組可包含經組態以將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件之一光源。該光感測模組可包含：一透鏡外殼；一塊狀透鏡系統，其耦合至該透鏡外殼且經組態以接收來自該周圍環境之光且將該所接收光聚焦至一焦平面，該塊狀透鏡系統包括安裝於該透鏡外殼中之一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡；其中該第一透鏡、該第二透鏡或該第一透鏡及該第二透鏡係塑膠；且其中該第三透鏡係玻璃；一光感測器陣列，其經組態以接收來自該塊狀透鏡系統之光且偵測從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分；及一座架，其機械地耦合該透鏡外殼與該光感測器陣列，其中該透鏡外殼、該塊狀透鏡系統及該座架經組態以在一溫度範圍內將來自該塊狀透鏡系統之光被動地聚焦至該光感測器陣列上。在一些例項中，該透鏡外殼、該塊狀透鏡系統及該座架經組態以依據 溫度匹配該透鏡系統之一焦距與該透鏡外殼之一膨脹係數及該座架之一膨脹係數，使得在該溫度範圍內(諸如-5℃至70℃)將光被動地聚焦至該光感測器陣列上。

在一些實施例中，一種光測距系統包含：一殼體，其具有一光學透明窗；一光測距裝置，其安置於該殼體內；及電路，其經組態以計算測距資料。該光測距裝置可包含：一光學傳輸器，其包括一塊狀傳輸器透鏡系統及複數個傳輸器通道，各通道包含一光發射器，該光發射器經組態以產生窄頻帶光脈衝且透過該塊狀傳輸器光學件及透過該光學透明窗將其等傳輸至該光測距系統外部之一場中；及一光學接收器，其包括一塊狀接收器透鏡系統、一透鏡外殼及複數個微光學接收器通道，各微光學通道包含與該塊狀接收器光學件之一焦平面重合之一孔徑、該孔徑後方之一準直透鏡、該準直透鏡後方之一光學濾波器及對行進通過該孔徑至該準直透鏡中且通過該濾波器之入射光子作出回應之一光感測器。該塊狀接收器透鏡系統可包含安裝於該透鏡外殼中之一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡；其中該第一透鏡、該第二透鏡或該第一透鏡及該第二透鏡係塑膠；該第三透鏡係玻璃；且該透鏡外殼之一熱膨脹係數(CTE)在一溫度範圍內與該塊狀接收器透鏡系統匹配，使得該焦平面在該溫度範圍內相對於該複數個微光學接收器通道中之各光感測器係穩定的。在一些例項中，該溫度範圍係從20℃至70℃且在一些例項中，該溫度範圍係從-5℃至70℃。

在一些實施例中，提供一種影像感測裝置。該影像感測裝置可包含：一透鏡外殼；一塊狀透鏡系統，其機械地耦合至該透鏡外殼且經組態以接收來自周圍環境之光且將該所接收光聚焦至一焦平面。該塊狀透鏡系統可包含安裝於該透鏡外殼中之一第一透鏡、一第二透鏡及一第三 透鏡，其中該第一透鏡、該第二透鏡或該第一透鏡及該第二透鏡係塑膠且其中該第三透鏡係玻璃。該影像感測裝置可進一步包含經組態以接收來自該塊狀透鏡系統之光之一光感測器陣列及機械地耦合該透鏡外殼與該光感測器陣列之一座架。該透鏡外殼之熱膨脹係數(CTE)可在一溫度範圍內與該塊狀透鏡系統匹配，使得該焦平面在該溫度範圍內相對於該光感測器陣列係穩定的。在一些例項中，該溫度範圍係從20℃至70℃且在一些例項中，該溫度範圍係從-5℃至70℃。且在一些實施例中，該座架之一CTE與該透鏡外殼之該CTE匹配。

下文詳細描述本發明之此等及其他實施例。另外，將從結合隨附圖式進行之下文詳細描述明白本發明之各種實施例之其他態樣及優點，該等隨附圖式藉由實例繪示所描述實施例之原理。

術語

除非另外定義，否則本文中使用之技術及科學術語具有如一般技術者所普遍理解之相同含義。然而，提供以下定義以促進對頻繁使用之某些術語之理解且不意謂限制本發明之範疇。本文中使用之縮寫具有其等在相關技術內之習知含義。

術語測距資料可指可從一雷射測距裝置(例如，一旋轉LIDAR系統之一轉座組件)傳輸之任何資料。測距資料之實例包含範圍資訊(例如，某一角度(方位角及/或天頂角)下至一給定目標點之距離)、距離變化率(range-rate)或速度資訊(例如，測距資料相對於時間之導數)以及操作資訊(諸如返回之信號雜訊比(SNR)或信號強度、目標反射率、來自各像素視場之環境NIR位準)、診斷資訊(包含溫度、電壓位準等)。在一些實施例中，測距資料可包含來自定位於轉座中之一RGB攝影機(例如，一高速讀出攝影機，諸如一線掃描攝影機或熱成像器)之RGB資訊。

術語轉座可指一旋轉LIDAR系統之旋轉部分(part或portion)。轉座組件包含LIDAR系統之轉座部分中之任何旋轉組件或電路板且可包含定位於一光測距裝置中之一或多個組件及/或定位於一旋轉致動器之一旋轉電路板上之一或多個組件。

在一旋轉LIDAR系統(有時在本文中被稱為一「自旋LIDAR系統」)之背景內容中，術語基座可指旋轉LIDAR系統之非旋轉部分(non-rotating part或non-rotating portion)。基座組件包含LIDAR系統之基座部分中之任何非旋轉組件或電路板且可包含定位於一基座總成中之一或多個組件及/或定位於一旋轉致動器之一非旋轉電路板上之一或多個組件。

術語上及下係指組件沿著一LIDAR系統之旋轉軸之位置或相對位置。在一些實施例中，上組件(亦被稱為轉座組件)定位於LIDAR系統之轉座上而下組件(亦被稱為基座組件)定位於LIDAR系統之基座上。

術語環不僅包含圓形形狀而且包含略微非圓形(例如，橢圓形)且圍繞一中心軸圓周地配置(包含一圓周處之微擾或振盪(例如，波狀))之形狀。

被稱為對稱之一或多個形狀可包含完美對稱形狀以及大體上但非完美對稱之形狀兩者。本文中描述之電子組件之配置可在一對稱組態中最高效地操作，然而，術語對稱並不排除略微不對稱之組態或具有自對稱之一略微偏差，即便該等組態不導致最佳操作組態。

術語平行不限於完美平行而亦包含由於製造變化而實質上平行之幾何配置及組態，例如在本文中被稱為平行之兩個元件可取決於所採用之製造公差而在兩個元件之間具有介於-5度與5度或-1度與1度之間的一角度。

術語垂直不限於完美垂直而亦包含由於製造變化而實質上垂直之幾何配置及組態，例如在本文中被稱為垂直之兩個元件可在兩個元件之間具有介於85度與95度之間的一角度。

術語光感測器(或僅感測器)係指可將光轉換為一電信號(例如，一類比電信號或二元電信號)之一感測器。一突崩光二極體(APD)係一光感測器之一個實例。一單一光感測器可包含複數個較小「光偵測器」。因此，複數個單光子突崩二極體(SPAD)可為一光感測器之另一實例，其中複數個SPAD中之各個別SPAD(例如，一SPAD陣列中之各SPAD)可被稱為一光偵測器。術語感測器陣列有時可指包含多個感測器之一陣列之一感測器晶片。另外，術語像素有時與光感測器或感測器互換地使用。

術語傳輸器可指包含一或多個光傳輸元件(例如，LED、雷射、VCSEL及類似物)之一結構。術語傳輸器亦可包含一傳輸器晶片，該傳輸器晶片包含一傳輸器陣列(有時被稱為一發射器陣列)。

術語(若干)塊狀光學件係指包含一或多個宏觀大小之光學件(例如，具有約幾厘米或更大之直徑)(諸如市售攝影機透鏡及顯微鏡透鏡中使用之光學件)之單透鏡及/或透鏡總成。在本發明中，術語塊狀光學件與術語微光學件形成對比，微光學件係指具有約幾微米至幾毫米大小或更小之個別元件直徑之光學元件或光學元件陣列。一般言之，微光學件可針對一發射器陣列或一偵測器陣列之不同發射器及/或不同偵測器不同地修改光，而塊狀光學件針對整個陣列修改光。

如本文中使用，術語影像空間遠心光學模組係指一光學系統(塊狀或其他)，其中在影像平面處，來自透鏡之孔徑內之全部(或實質上全部)主光線在一指定公差(例如，+/-2度)內「直線行進(straight on)」或按零入射角入射於影像平面上。

100:掃描光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

102:光傳輸模組

104:光感測模組/偵測器電路

105:車輛

110:視場

112:所發射光

114:反射部分

115:箭頭

120:固態光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

122:光傳輸模組/光成像、偵測及測距(LIDAR)子系統

124:光感測模組/光成像、偵測及測距(LIDAR)子系統

130:視場

132:視場

200:旋轉光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

210:光測距裝置

212:光傳輸模組

214:光感測模組

215:塊狀光學件

216:光發射器電路

218:光偵測器電路

220:外殼

222:轉座電路板總成

224:旋轉耦合器

226:基座電路板總成

230:固定固態光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

232:基座電路板總成

240:外殼

300:旋轉光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

305:使用者介面硬體及軟體

310:車輛控制單元

315:旋轉致動器

320:光測距裝置

330:光感測模組

332:感測器陣列

334:接收器(Rx)光學系統

336:處理器

338:記憶體

340:光傳輸模組

342:發射器陣列

344:傳輸(Tx)光學系統

346:處理器

348:記憶體

350:光測距系統控制器

352:處理器

354:記憶體

360:下電路板總成

362:定子總成

364:馬達驅動器電路

366:基座控制器

372:無線電力傳輸器

374:旋轉編碼器

376:光學下行鏈路接收器

378:光學上行鏈路傳輸器

380:上電路板總成

382:轉子總成

392:無線電力接收器

394:旋轉編碼器接收器

396:光學下行鏈路傳輸器

398:光學上行鏈路接收器

400:光測距系統

410:光發射器陣列

410(1):發射器

410(9):發射器

415(1):照明光束

415(9):照明光束

420:光感測器陣列

420(1):感測器

420(9):感測器

425(1):反射光束

450:體積/場景

452:圓形視場

454:圓形視場

460:物件

500:旋轉光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

502:固定基座外殼/基座部分

504:光學透明窗

506:固定蓋

508:殼體

510:光測距裝置

512:光學傳輸器

514:光學接收器

515:外殼

516:第一外殼部分

518:第二外殼部分

520:堆疊板旋轉致動器

522:印刷電路板/頂板

524:印刷電路板

526:電路板

528:電路板

550:咖啡杯

600:光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

602:光測距裝置

604:基座

605:旋轉軸

606:側壁/中空軸件

607:軸承系統

608:旋轉致動器

610:上電路板總成

612:轉子通信板/電路板

614:轉子控制板

620:下電路板總成

622:定子通信板

624:定子控制板

626:光學下行鏈路傳輸器

628:光學下行鏈路接收器

632:光學上行鏈路接收器

634:馬達轉子總成

634a:磁體

634b:磁體

634(i):永久磁體

636:旋轉編碼器偵測器

638:無線電力接收器

642:光學上行鏈路傳輸器

644:定子總成

644a:螺線管線圈

644b:芯

644(i):定子元件

646:環形光學編碼器

648:無線電力傳輸器

650:光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

652:下電路板

654:上電路板

660:光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

665:實心軸件

666:感應通信系統/上線圈外殼

666a至666e:線圈

668:感應通信系統/下線圈外殼

668a至668e:線圈

672:中心孔

674:圓

684:圓

686:鐵氧體壁

688:鐵氧體壁

690:底部鐵氧體壁

700:下電路板總成/基座

705:旋轉軸

706:螺釘

710:基座外殼單元/基座

712:基座控制板

715:軸件

716:中心孔/螺釘

720:基座控制板

722:光學下行鏈路接收器

724:下連接器

725:熱擴散元件

726:下連接器

728:螺釘

730:定子板

732:彩色攝影機

736:螺釘

800:緊密光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

810:上電路板總成

820:光測距裝置

822:傳輸(Tx)模組

824:接收(Rx)模組

826:螺釘

828:托架

830:殼體

840:測距裝置控制板

842:連接器

844:連接器

846:螺釘

850:轉子板

852:圓形螺帽

854:圓形中心凹槽

856:連接器

860:軸承總成

862:軸承

864:軸承

865:軸承外殼

900:光測距裝置

905:座架

910:光傳輸(Tx)模組

912:傳輸器透鏡管

914:發射器陣列

916:電路板

920:光感測(Rx)模組

922:偵測器透鏡管

924:單晶片偵測器陣列及特定應用積體電路(ASIC)組合

926:電路板

1000:光測距裝置

1005:光線

1010:光傳輸(Tx)模組

1020:傳輸(TX)側微光學封裝

1022:光發射器

1024:微透鏡層/傳輸(Tx)側微光學透鏡層

1025:微光學傳輸器通道

1026:孔徑層/孔徑陣列

1028:窄頻帶光學濾波器層

1030:塊狀光學元件

1040:光感測(Rx)模組

1050:感測(RX)側微光學封裝

1052:感測器陣列層

1054:感測(Rx)側微光學透鏡層

1055:微光學接收器通道

1056:感測(Rx)側孔徑陣列層

1060:感測(Rx)側塊狀成像光學模組

1100:微光學封裝

1102:通道

1120:微光學接收器通道

1133:輸入邊緣光線

1140:輸入孔徑層

1144:光學透明孔徑

1146:光學非透明光闌區域

1150:光學透鏡層

1151:準直透鏡

1160:光學濾波器層

1161:光學濾波器

1170:光感測器層

1171:像素/光感測器

1200:光感測器陣列層

1210:感測器通道

1212:單光子突崩二極體(SPAD)

1220:校準像素

1300:發射器陣列

1305:單片晶片

1310:發射器通道

1320:導線

1400:光學模組

1410:陣列

1420:塊狀透鏡系統

1422:第一透鏡

1424:第二透鏡

1426:第三透鏡

1428:第四透鏡

1430:透鏡外殼

1440:座架

1500:光學模組/透鏡總成

1520:透鏡系統

1522:透鏡

1528:透鏡

1530:外殼

1600:光學模組/透鏡系統/透鏡總成

1622:元件/透鏡1

1624:元件/透鏡2

1625:孔徑光闌

1626:元件/透鏡3

1628:元件/透鏡4

1630:外殼

1805:連接器

1810:感測器/透鏡系統/陣列

1822:第一透鏡

1824:第二透鏡

1826:第三透鏡

1830:外殼

1840:座架

S1:第一表面

S2:第二表面

圖1A至圖1B分別展示根據一些實施例之可用於汽車應用中之一旋轉光測距系統及一非旋轉固態光測距系統；圖2A至圖2B分別展示根據一些實施例之旋轉及固態LIDAR系統之高階方塊圖；圖3繪示類似上文參考圖2A描述之系統之根據一些實施例之一旋轉LIDAR系統300之一更詳細方塊圖；圖4展示根據一些實施例之一光測距系統之光傳輸及偵測程序之一闡釋性實例，其中重點係形成一發射器-感測器通道配置之發射器陣列及感測器陣列，如上文參考圖2介紹；圖5A至圖5B展示根據一或多項實施例之一旋轉LIDAR系統500； 圖6A至圖6C展示根據一或多項實施例之一LIDAR系統之橫截面視圖；圖6D展示根據一或多項實施例之一定子板之一俯視圖；圖6E展示根據一或多項實施例之一轉子板之一仰視圖；圖6F係根據一些實施例之定位於一環形鐵氧體通道內之一多線圈無線電力接收器之一部分之一簡化橫截面視圖；圖7展示下電路板總成之一分解視圖以繪示根據某些實施例之緊密LIDAR系統之組裝程序；圖8A及圖8B展示根據一些實施例之一LIDAR系統之一分解視圖；圖9A至圖9C分別展示根據某些實施例之一光測距裝置900之一透視圖、一正視圖及一放大正視圖；圖10展示根據某些實施例之展示用於一Rx模組1001及一Tx模組1003之光學系統兩者之一光測距裝置1000之一光學方塊圖；圖11A展示根據某些實施例之一微光學封裝之一俯視圖；圖11B展示根據一些實施例之一單一微光學接收器通道之一橫截面；圖12A至圖12B展示根據一些實施例之一基於SPAD之偵測器之俯視圖；圖13A及圖13B展示根據一些實施例之一VCSEL晶片傳輸器之簡化俯視圖及側視圖；圖14描繪一LIDAR塊狀光學系統之一實施例之一簡化示意圖； 圖15A、圖15B及圖15C描繪一塊狀光學透鏡總成之一實施例；圖16A至圖16E描繪一透鏡總成之一實施例之各種視圖；圖17A至圖17D描繪一透鏡總成之透鏡之實施例之一橫截面；及圖18描繪具有三個透鏡之一透鏡總成之一實施例。

相關申請案之交叉參考

本申請案主張以下申請案之優先權：2018年12月4日申請之標題為「Rotating Compact Light Ranging System」之美國專利申請案第16/209,867號('867申請案)；2018年12月4日申請之標題為「Light Ranging System with Opposing Circuit Boards」之美國專利申請案第16/209,869號('869申請案)；2018年12月4日申請之標題為「Rotating Light Ranging System with Optical Communication Uplink and Downlink Channels」之美國專利申請案第16/209,875號('875申請案)；及2018年12月4日申請之標題為「Light Ranging Device with a Multi-element Bulk Lens System」之美國專利申請案第16/209,879號('879申請案)。'867、'869、'875及'879申請案之各者之全部內容出於所有目的以引用的方式併入本文中且各主張2017年12月7日申請之標題為「Compact LIDAR System」之美國臨時專利申請案第62/596,018號之權利，該案之全部內容亦出於所有目的以引用的方式併入本文中。

根據某些實施例，本文中揭示之方法及系統係關於一種緊密光測距及偵測(LIDAR)系統及組裝一緊密LIDAR系統之方法。LIDAR系統可包含一模組化光測距裝置及一選用高度緊密且整合之旋轉致動器。模組化光測距裝置可作為一獨立非旋轉固態LIDAR操作或在連接至整合旋轉致動器的情況下可作為一旋轉LIDAR之一轉座之部分操作。光測距裝置可包含用於照明圍繞光測距模組定位之一場中之物件之一光傳輸模組(有時被稱為一「光發射模組」)且亦包含用於感測用於計算一3D深度影像之照明光脈衝之反射或散射部分之一光感測模組。光測距模組亦可包含一偵測器晶片(例如，一CMOS晶片)，該偵測器晶片包含一光感測器陣列， 該等光感測器之各者可為例如一SPAD陣列。

在一些實施例中，旋轉致動器包含一上電路板總成(本文中亦被稱為一轉座或旋轉電路板總成)及一基座電路板總成(本文中亦被稱為一固定電路板總成)。旋轉致動器之各種電路板可高度整合，使得LIDAR系統之許多功能及/或支援電子及光學組件可直接安裝至旋轉致動器之一或多個板。例如，可控制光傳輸模組之各種發射參數之LIDAR系統之基座控制器可安裝於旋轉致動器之基座電路板總成之一板上。此外，可經由亦整合至旋轉致動器之一板上之一無線電力傳輸系統將電力提供至光測距模組。可經由一光學上行鏈路通道及一光學下行鏈路通道實現基座控制器與光測距模組之間的通信且反之亦然，其中支援光學上行鏈路/下行鏈路通道之電及光學組件亦整合至旋轉致動器之一或多個電路板上。

在一些實施例中，此等相同板包含整合至旋轉致動器之上電路板總成及下電路板總成之一或多個表面上之電動馬達組件。例如，一電動馬達定子可連同其他電組件(例如，一群組之光學上行鏈路傳輸器、一光學下行鏈路接收器及一無線電力傳輸器)直接接合至旋轉致動器之下電路板總成之一表面。同樣地，一電動馬達轉子可連同其他電組件(例如，一群組之光學上行鏈路接收器、一光學下行鏈路傳輸器、一光學或磁性旋轉編碼器讀取器及一無線電力接收器)直接接合至旋轉致動器之上電路板總成之一表面。

在一些實施例中，上電路板總成可包含一或多個連接器(其或其等亦接合至上電路板總成之一表面)以將光測距模組連接至上電路板總成。另外，旋轉致動器亦可包含額外計算資源、一或多個FPGA、ASIC、微處理器及類似物，其等可由光測距模組用於對所獲取資料執行 資料處理。

鑑於本文中揭示之緊密LIDAR中之高系統整合度，可藉由簡單地將光測距模組附接至旋轉致動器而組裝一全功能系統。無需一單獨電動馬達模組、單獨通信模組、單獨電力模組等。

在一些實施例中，旋轉致動器之架構適合於一優質組裝方法。例如，系統可經建造，使得電組件(包含通信組件、電動馬達組件及無線電力組件)圍繞系統之一中心軸圓周且同心地配置或甚至與系統之軸同軸地配置。中心軸亦可與上電路板總成或轉座之旋轉軸共線。旋轉致動器之一或多個板可包含一中心孔，該中心孔經組態以接收可(直接或間接)附接至一固定殼體之一下部或基座之一軸件。在一些實施例中，軸件界定系統之旋轉軸且附接至其之一或多個軸承提供上電路板總成相對於下電路板總成之旋轉移動。

鑑於上述架構，在一些實施例中，旋轉致動器之組裝可簡化為將連續板下放至軸件上之適當位置中。由於電組件(諸如通信組件、電動馬達組件及無線電力組件)之一子集圍繞系統之一中心軸圓周地配置，所以一旦組裝完成，此等系統便可有效地操作而無需複雜對準程序。

在一些實施例中，系統採用光傳輸模組或光感測模組或兩者內採用之一熱穩定影像空間遠心光學模組。熱穩定影像空間遠心光學模組可經工程設計為具有在空間上分別相對於傳輸器或包含一傳輸器陣列之感測器晶片及/或光傳輸模組或光感測模組之感測器穩定之一影像平面。一透鏡外殼及透鏡外殼內之光學元件之熱膨脹係數連同相對於溫度之折射率改變可經選擇以提供熱穩定影像平面。在各種實施例中，光學系統中之個別光學件可為玻璃及/或塑膠以提供一經濟而熱穩定之設計。

根據本發明之一些實施例之一模組化光測距裝置包含一組垂直腔表面發射雷射(VCSEL)作為將輻射脈衝發射至一場中之照明源，且包含單光子突崩二極體(SPAD)偵測器陣列作為偵測從場中之一表面反射或散射之輻射的一組像素(光感測器)。如上文陳述，與一些當前可用LIDAR感測器中使用之APD相比，SPAD具有一相對低動態範圍。SPAD所固有之低動態範圍係部分歸因於一SPAD如何偵測一光子之物理學，其等係所謂的蓋革(Geiger)模式裝置，其等針對各光子偵測事件產生呈一突崩電流脈衝形式之二元電信號(偵測到或未偵測到光子)。使用VCSEL作為發射器且使用SPAD作為偵測器使得能同時進行多個量測(即，可同時觸發VCSEL發射器)，且亦使該組發射器及該組光感測器各能使用標準CMOS程序製造於一單一晶片上，從而極大地簡化製造及組裝程序。然而，在某些實施例中，使用VCSEL及SPAD提出本發明之各種實施例克服之挑戰。例如，VCSEL遠不如一些當前可用LIDAR感測器中使用之雷射強大，且SPAD遠不如一些LIDAR感測器中使用之偵測器有效。為解決此等挑戰以及同時觸發多個發射器所提出之挑戰，本發明之某些實施例可包含光學組件以增強VCSEL發射器以及各種光學組件(例如，透鏡、濾波器及一孔徑層)之亮度，其等可與多個SPAD陣列協同工作，各陣列對應於一不同光感測器，如本文中描述。

I.闡釋性汽車LIDAR系統

圖1A至圖1B展示根據一些實施例之汽車光測距裝置(本文中亦被稱為LIDAR系統)。本文僅為圖解起見而選取LIDAR系統之汽車應用，且可在其他類型之載具(例如船、飛機、列車等)以及其中3D深度影像有用之多種其他應用(諸如醫療成像、大地測量(geodesy)、空間資訊 (geomatics)、考古學、地理學、地質學、地形學、地震學、林學、大氣物理學、雷射導引、空中雷射條帶測繪(ALSM)及雷射測高術)中採用本文中描述之感測器。根據一些實施例，一LIDAR系統(例如，掃描LIDAR系統100及/或固態LIDAR系統120)可安裝於一車輛105之頂上，如圖1A及圖1B中展示。在其他實施例中，一或多個LIDAR感測器可安裝於一車輛之其他位置上，包含(但不限於)車輛之前方或後方、車輛之側及/或車輛之轉角。

圖1A中展示之掃描LIDAR系統100可採用一掃描架構，其中可在車輛105外部之一外場或場景內之一或多個視場110周圍掃描LIDAR光傳輸模組102(例如，用於發射雷射脈衝之光源)及/或光感測模組104(例如，用於偵測反射脈衝以判定至一物件之距離之偵測器電路)之定向。在掃描架構之情況中，所發射光112可掃描遍及周圍環境，如展示。例如，定位於掃描LIDAR系統100中之一或多個光源(諸如紅外或近紅外脈衝IR雷射，未展示)之(若干)輸出光束可掃描(例如，旋轉)以照明車輛周圍之一場景。在一些實施例中，可藉由機械手段(例如，藉由將光發射器安裝至一旋轉柱或平台)來實施掃描(由旋轉箭頭115表示)。在一些實施例中，可透過其他機械手段(諸如透過使用電流計)來實施掃描。亦可例如藉由使用採用一或多個基於MEMS之反射器(例如，諸如一數位微鏡(DMD)裝置、一數位光處理(DLP)裝置及類似者)的微晶片而採用基於晶片之操控技術。在一些實施例中，可透過非機械手段(例如，藉由使用電子信號來操控一或多個光學相控陣列)實現掃描。

針對一固定架構(類似圖1B中展示之固態LIDAR系統120)，一或多個固態LIDAR子系統(例如，光傳輸模組122及光感測模組 124)可安裝至車輛105。各固態LIDAR單元可面向一不同方向(單元之間可能具有部分重疊及/或非重疊視場)以捕獲大於各單元自身所能夠捕獲之視場之一複合視場。

在旋轉或固定架構中，場景內之物件可反射從LIDAR光源發射之光脈衝之部分。一或多個反射部分接著行進回至LIDAR系統且可由偵測器電路偵測。例如，可由偵測器電路104偵測反射部分114。光傳輸模組可安置於與光感測模組相同之外殼中。掃描系統及固定系統之態樣並非相互排斥的且因此可組合地使用。例如，圖1B中之個別LIDAR子系統122及124可採用可操控發射器(諸如一MEMS振盪鏡)或整個複合單元可透過機械手段旋轉，藉此掃描LIDAR系統前方之整個場景(例如，從視場130至視場132)。

圖2A至圖2B分別展示根據一些實施例之一旋轉LIDAR系統200及一固定固態LIDAR系統230之高階方塊圖。兩個系統皆採用包含一光傳輸模組212及一光感測模組214之一光測距裝置210。光傳輸及感測模組212及214可各包含塊狀光學件215，例如分別定位於感測及傳輸模組之輸入/輸出處之多元件透鏡總成。光傳輸模組212可進一步包含一微光學陣列及定位於塊狀光學件215與光發射器電路216之間的選用陷波濾波器元件(未展示)。在一些實施例中，光發射器電路216包含一晶片級光源陣列，諸如銦鎵砷(InGAs)基板上之一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)陣列。光感測模組214亦可包含一微光學陣列及定位於塊狀光學件215與光偵測器電路218之間的陷波濾波器元件(未展示)。在一些實施例中，光偵測器電路218可包含一晶片級光子偵測器陣列，諸如用一CMOS技術製造之一單光子突崩二極體(SPAD)陣列。亦可採用其他偵測器技術，例如突崩光 二極體、CCD影像感測器、CMOS光二極體影像感測器、腔增強光偵測器、表面增強光偵測器及類似物。

轉至圖2A，在旋轉LIDAR系統200中，光測距裝置210可電連接至一轉座電路板總成222(本文中亦被稱為一上電路板總成或測距電路板總成)。電路板總成222可在其連接至光測距裝置210之程度上被視為測距。如下文圖3中更詳細描述，轉座電路板總成222可包含數個電路元件，該等電路元件包含一或多個處理器及記憶體。例如，轉座電路板總成222可包含一場可程式化閘陣列(FPGA)及/或經定製以提供特定LIDAR功能性之一或多個特定應用積體電路(ASIC)。在一些實施例中，光測距裝置210可經由多接腳電連接器硬接線至轉座電路板總成222或可例如透過採用光學或RF連接之一通信通道無線連接至轉座電路板總成222。

轉座電路板總成222可直接安置於一基座電路板總成226上方。在一些實施例中，基座電路板總成226可將電力無線傳輸至轉座電路板總成222以例如為光測距裝置210及任何其他相關聯電路(例如，ASIC、FPGA、通信電路及類似物)供電。另外，光學、電感及/或電容式通信通道可將基座電路板總成226連接至轉座電路板總成222，藉此容許經由來自基座電路板總成之非接觸資料傳送控制光測距裝置210。

在圖2A中展示之實施例中，轉座電路板總成222透過一旋轉耦合器224旋轉地耦合至基座電路板總成226。旋轉耦合器224使光測距裝置210及轉座電路板總成222能在LIDAR系統200之一外殼220內旋轉全360度。光測距裝置210之旋轉容許系統獲取可用於建構裝置周圍之一體積之一全360視場3D圖之資料。在一些實施例中，基座電路板總成226可例如經由一機械托架及螺釘(未展示)耦合至外殼220，使得基座電路板總 成226保持固定且不相對於外殼220旋轉。外殼220可為一防水外殼，其保護光測距裝置210及LIDAR系統200之其他內部組件免受LIDAR系統200在其內操作之環境之水分及各種元素影響。

旋轉耦合器224可在各種實施例中以數種不同方式實施。例如，一些實施例可採用一軸件及軸承結構。在一些實施例中，旋轉耦合器224亦包含用於一旋轉致動器之一或多個組件，該旋轉致動器不僅容許旋轉移動而且驅動轉座電路板總成222之旋轉移動。例如，包含一轉子元件(例如，永久磁體)配置之一電動馬達轉子總成可直接整合至轉座電路板總成222中，且包含一定子元件(諸如螺線管線圈)配置之一電動馬達定子總成可直接整合至基座電路板總成226中。在此等實施例中，其中一或多個旋轉致動組件整合至基座電路板總成226及/或轉座電路板總成222中，不再需要用於旋轉致動之一單獨模組。因此，本文中揭示之LIDAR系統之實施例可具有與採用一單獨電動馬達模組之自旋LIDAR系統相比更緊密之一外觀尺寸及更簡化組裝程序。

圖2B係根據一些實施例之一固定固態LIDAR系統230之一簡化方塊圖。類似圖2A中展示之旋轉LIDAR系統200，固定固態LIDAR系統230包含容置於一防水外殼240內之一光測距裝置210。光測距裝置210可直接連接至外殼240內之一基座電路板總成232。由於系統230未旋轉光測距裝置210，所以無需一單獨旋轉轉座電路板總成或一旋轉耦合器。因此，先前分佈於轉座電路板總成222及基座電路板總成226中之電路可完全整合至單一基座電路板總成232中及/或在與光感測模組214及/或傳輸模組212相關聯之電路中共用。

在一些實施例中，針對圖2A至圖2B中展示之實施例之任 一者，用於執行一或多個LIDAR特定操作(例如，光子時間序列累加，其後接著峰值偵測及測距資料計算及輸出)之硬體及軟體/韌體可併入至光測距裝置210之電路及/或電路板總成(例如，LIDAR系統200之轉座電路板總成222及/或基座電路板總成226或LIDAR系統230之基座電路板總成232)之一或多者中。例如，在一些實施例中，光偵測器電路218亦可包含整合至與SPAD陣列相同之基板上之一ASIC。在此一狀況中，光測距裝置210在軟體/韌體之一重新程式化/重新組態可容許光測距裝置210作為一旋轉LIDAR系統(類似圖2A中展示之LIDAR系統200)之部分操作或作為一獨立固態LIDAR系統(類似圖2B中展示之LIDAR系統230)操作的意義上係模組化的。如上文已提及，可採用亦將容許光束操控而無需一機械旋轉致動器之電路(例如，MEMS、DMD、光學相控陣列及類似物)。因此，本文中揭示之系統之模組化設計導致一高適應性系統，其可滿足使用者需求而無需對整個硬體及機械架構進行昂貴且耗時之再設計。

II.詳細方塊圖

圖3繪示類似上文參考圖2A描述之系統之根據一些實施例之一旋轉LIDAR系統300之一更詳細方塊圖。更特定言之，旋轉LIDAR系統300可視情況採用具有無線資料及電力傳輸及接收能力之一旋轉致動器。在一些實施例中，旋轉致動器包含整合至一旋轉電路板之一表面上之一轉子及整合至一固定電路板之一表面上之一定子且兩個板總成配備有無線電力及資料傳送能力。

圖3中展示之旋轉LIDAR系統300包含兩個主要模組：一光測距裝置320及一旋轉致動器315，其等在下文詳細描述。另外，旋轉LIDAR系統300可與使用者介面硬體及軟體305之一或多個例示互動。使 用者介面硬體及軟體305之不同例示可變化且可包含例如：具有一監視器、鍵盤、滑鼠、CPU及記憶體之一電腦系統；一汽車中之一觸控螢幕；具有一觸控螢幕之一手持式裝置；或任何其他適當使用者介面。使用者介面硬體及軟體305可在旋轉LIDAR系統300安裝於其上之物件本端，但亦可為一遠端操作系統。例如，可透過一蜂巢式網路(LTE等)、一個人區域網路(藍芽、Zigbee等)、一區域網路(WiFi、IR等)或一廣域網路(諸如網際網路)路由至/來自旋轉LIDAR系統300之命令及資料。

使用者介面硬體及軟體305可將來自裝置之LIDAR資料呈現給使用者，但亦可容許一使用者用一或多個命令控制旋轉LIDAR系統300。例示性命令可包含啟動或撤銷啟動LIDAR系統、指定光偵測器曝光位準、偏置、取樣持續時間及其他操作參數(例如，用於所發射脈衝型樣及信號處理)、指定光發射器參數(諸如亮度)之命令。另外，命令可容許使用者選擇用於顯示結果之方法。使用者介面可顯示LIDAR系統結果，該等結果可包含例如一單圖框快照影像、一不斷更新的視訊影像及/或一些或全部像素之其他光量測之一顯示，諸如環境雜訊強度、返回信號強度、經校準目標反射率、目標分類(硬目標、漫射目標、復歸反射目標)、範圍、信號雜訊比、目標徑向速度、返回信號時間脈衝寬度、信號極化、雜訊極化及類似物。在一些實施例中，使用者介面硬體及軟體305可追蹤物件距車輛之距離(近接度)，且潛在地將警報提供給一駕駛人或提供此等追蹤資訊以分析一駕駛人之表現。

在一些實施例中，LIDAR系統可與一車輛控制單元310通信且可基於所接收LIDAR資料修改與一車輛之控制相關聯之一或多個參數。例如，在一全自動駕駛車輛中，LIDAR系統可提供圍繞汽車之環境 之一即時3D影像以協助導航。在其他情況中，LIDAR系統可被採用作為一先進駕駛人輔助系統(ADAS)之部分或作為一安全系統之部分，例如，其可將3D影像資料提供至任何數目個不同系統，例如適應性巡航控制、自動停車、駕駛人困倦監視、盲點監視、碰撞閃避系統等。當一車輛控制單元310可通信地耦合至光測距裝置320時，可將警報提供給一駕駛人或可追蹤及/或顯示一物件之近接度。

光測距裝置320包含光感測模組330、光傳輸模組340及光測距系統控制器350。旋轉致動器315包含至少兩個電路板總成：一下電路板總成360(本文中亦被稱為一基座子系統)及一上電路板總成380(本文中亦被稱為一轉座子系統)。下電路板總成360可機械地安裝至一殼體或外殼(未展示)之一固定部分，而上電路板總成380圍繞一旋轉軸自由旋轉，該旋轉軸通常由亦(直接或間接)安裝至殼體之一軸件(圖3中未表示)界定。光測距裝置320可機械地附接至可旋轉上電路板總成380且因此在外殼內自由旋轉。

雖然圖3展示光測距裝置320及旋轉致動器315內之一個特定組件配置，但在一些實施例中，某些組件可整合至與展示不同之一個或另一模組中。作為一個實例，測距系統控制器350(其可為例如一FPGA、ASIC或一更通用計算裝置，類似一嵌入式系統或系統單晶片(SOC))可直接安裝(例如，焊接)至一印刷電路板(其係上電路板總成380之部分)。換言之，在一些實施例中，旋轉致動器之部分可整合於光測距裝置320內且反之亦然。

旋轉致動器315包含整合至下電路板總成360及上電路板總成380之一或多個印刷電路板上之數個不同系統。例如，旋轉致動器315 可包含一無刷電動馬達總成、一光學通信子系統、一無線電力傳輸子系統及一基座控制器。此等系統由協作電路元件對形成，其中各對包含下電路板總成360上之一或多個電路元件，該一或多個電路元件與上電路板總成380上之一或多個電路元件協作地操作(例如，具有與上電路板總成380上之一或多個電路元件互補之一功能)。互補功能包含例如電力及/或資料通信信號之傳輸(Tx)及接收(Rx)，如下文更詳細描述。

無刷電動馬達總成包含整合至下電路板總成360之一印刷電路板上之一定子總成362及整合至上電路板總成380之一印刷電路板上之一轉子總成382。由源自一馬達驅動器電路364(在本文中有時稱為「定子驅動器電路」)之一驅動信號(例如，三相驅動電流)驅動轉子總成382之旋轉。在一些實施例中，一或多個馬達控制線將馬達驅動器電路連接至定子總成362之線圈以容許將驅動信號提供至馬達定子。此外，馬達驅動器電路364可電連接至一基座控制器366，使得基座控制器366可控制轉子總成之旋轉速率及因此光測距裝置320之旋轉速率(即，圖框速率)。

在一些實施例中，轉子總成382可按10Hz至30Hz之間的一速率旋轉。在一些實施例中，轉子總成382可為包含附接至上電路板總成之一電路板之一系列永久磁體之一被動裝置。此等永久磁體被由定子總成之線圈產生之一電磁力(例如，一磁力)吸引或排斥以驅動上電路板總成380相對於下電路板總成360之旋轉。上電路板總成380之旋轉定向可由一旋轉編碼器接收器394追蹤，該旋轉編碼器接收器394可藉由偵測旋轉編碼器374上之一或多個特徵部之通過而追蹤上電路板總成之角位置。可採用各種不同旋轉編碼器技術。在一些實施例中，旋轉編碼器374直接整合至下電路板總成360之一電路板之一表面上。

旋轉致動器315亦可包含一無線電力系統，該無線電力系統包含呈在本文中被稱為一旋轉變壓器之一組態之一無線電力傳輸器372及一無線電力接收器392。從傳輸器372傳輸至無線電力接收器392之電力可被光測距裝置320及/或轉座/上電路板總成上需要電力之任何電路消耗。在一些實施例中，透過無線電力接收器392提供光測距裝置320所需之全部電力且因此無需一旋轉電動耦合器(類似一基於滑環或水銀之裝置)，藉此增加可靠性且減小整個系統之成本。

旋轉致動器315亦可包含一光學通信子系統，該光學通信子系統包含用於旋轉致動器315與光測距裝置320之間(或至/來自機械地連接至旋轉致動器315之上電路板總成380之任何其他裝置或系統)的雙向非接觸資料傳輸之數個光學傳輸器(例如，光學傳輸器378及396)及數個光學接收器(例如，光學接收器376及398)。更特定言之，光學通信子系統可包含附接至(例如，焊接至)下電路板總成360(其係LIDAR系統300之固定基座之部分)之一組基座光學通信組件且可包含附接至(例如，焊接至)旋轉上電路板總成380(其係LIDAR系統300之旋轉轉座之部分)之一組轉座光學通信組件。此等光學通信組件提供用於將光學信號(包含控制信號)提供至光測距裝置320之一上行鏈路資料通道且亦提供用於將來自光測距裝置320之光學信號(包含測距及操作資料)提供至基座控制器366、使用者介面硬體及軟體305及/或車輛控制單元310之一下行鏈路資料通道。

可在光學下行鏈路傳輸器396與光學下行鏈路接收器376之間產生從上電路板總成380至下電路板總成360之一下行鏈路光學通信通道。光測距裝置320可直接連接至上電路板總成380且因此可存取下行鏈路光學通信通道以將測距及操作資料向下傳遞至下電路板總成360以供進 一步使用。在一些實施例中，經由光學下行鏈路在光學信號中向下傳遞之資料可包含場中之個別點(像素)之範圍資料(或可能一單一像素及角度之多個範圍，例如在霧/雨期間、在透過玻璃窗觀看時)、方位角及天頂角資料、返回之信號雜訊比(SNR)或信號強度、目標反射率、來自各像素視場之環境近IR(NIR)位準、來自光測距裝置之診斷操作資訊(諸如溫度、電壓位準等)。另外，來自連接至旋轉致動器之上電路板380之任何其他系統之資料可透過光學下行鏈路向下傳遞。例如，來自高速RGB或熱攝影機、線掃描攝影機及類似物之資料。

可在光學上行鏈路傳輸器378與光學上行鏈路接收器398之間產生來自下電路板總成360之一上行鏈路光學通信通道。在一些實施例中，來自基座控制器366之控制信號可經由光學上行鏈路通信通道傳遞至光測距裝置320。例如，在一些實施例中，基座控制器366可監測裝置中之各種溫度(如從下行鏈路通道接收)且在一過熱條件之情況中可經由上行鏈路通道將一緊急關閉信號發送至光測距裝置320。在一些實施例中，基座控制器可為一行動電腦，例如採用具有相關聯記憶體及I/O能力之一ARM+FPGA架構(例如，乙太網路及類似物)之一可程式化系統單晶片。

可由光測距裝置320藉由將一或多個光脈衝從光傳輸模組340傳輸至圍繞光測距裝置之一視場中之物件而產生測距資料。接著，在某一延遲時間之後，藉由光感測模組330偵測所傳輸光之反射部分。基於延遲時間(通常被稱為「飛行時間」)，可判定至反射表面之距離。亦可採用其他測距方法，例如連續波、都卜勒(Doppler)及類似物。

光傳輸模組340可包含一發射器陣列342及一傳輸(Tx)光學系統344。發射器陣列342可為一維或二維傳輸器陣列，其在與傳輸光學 系統344組合時形成一塊狀成像光學件後方的一傳輸器通道陣列。此等傳輸器通道可視情況包含用於光束塑形、光束操控、亮度增強或類似物之微光學結構。光傳輸模組340可進一步包含一選用處理器346及記憶體348，但在一些實施例中，此等計算資源可併入至測距系統控制器350中。在一些實施例中，可使用一脈衝編碼技術，例如巴克碼(Barker code)及類似物。在此等情況中，記憶體348可儲存指示何時應傳輸光之脈衝碼。在一項實施例中，將脈衝碼儲存為儲存於記憶體中之一整數序列。

光感測模組330可包含一感測器陣列332及一接收器(Rx)光學系統334。感測器陣列332可為一維或二維光感測器陣列。在一些實施例中，各光感測器可包含二元光子偵測器(例如，SPAD或類似物)之一集合，而在其他實施例中，各光感測器可為一線性光偵測器(例如，一APD)。接收器光學系統334及感測器陣列332在一起可形成一塊狀成像光學件後方的一微光學接收器通道陣列，如下文更詳細描述。各微光學接收器通道量測對應於周圍體積之一相異視場中之一影像像素之光。感測器陣列332之各光感測器(例如，一SPAD集合)可因光感測模組330及光傳輸模組340之一幾何組態而對應於發射器陣列342之一特定發射器。在一替代實施例中，感測器陣列332之各感測器可對應於發射器陣列342之多個發射器(例如，一VCSEL叢集)。在又另一實施例中，發射器陣列342中之一單一大發射器(例如，一雷射二極體條)可對應於感測器陣列332內之多個感測器。

在一些實施例中，可使用例如CMOS技術將光感測模組330之感測器陣列332製造為一單一基板上之一單片裝置之部分，該單片裝置包含一光感測器陣列、用於對來自陣列中之個別光感測器(或光感測 器群組)之原始信號進行信號處理之一處理器336及一記憶體338兩者。包含感測器陣列332、處理器336及記憶體338之單片結構可製造為一專用ASIC。在一些實施例中，微光學組件(其等係接收器光學系統334之部分)亦可為單片結構(其中感測器陣列332、處理器336及記憶體338係一部分)之一部分。在此等例項中，微光學組件可形成於ASIC上，使得其等變為具有用於接收器通道之各層之單獨基板層之單片結構之部分。例如，一孔徑層、一準直透鏡層、一光學濾波器層及一光偵測器層可在切割之前以晶圓級堆疊且接合至多個ASIC。可藉由將一非透明基板置於一透明基板之頂部上或藉由用一不透明薄膜塗佈一透明基板而形成孔徑層。在此一實施例中，切割步驟形成多個ASIC，各者具有直接接合至其之其自身之微光學結構。作為另一實例，微光學組件可形成為一單獨單片結構，其可在經由一切割程序從一較大晶圓分離一ASIC之後直接接合至ASIC。以此方式，ASIC及微光學結構可接合在一起以形成一單一單片結構。在又其他實施例中，光感測模組330之一或多個組件可在單片結構外部。例如，孔徑層可實施為具有針孔之一單獨金屬片。

如上文提及，處理器336及記憶體338(例如，SRAM)可執行信號處理。作為信號處理之一實例，針對各光感測器或光感測器群組，光感測模組330之記憶體338可在連續時間格(time bin)內累積所偵測光子之計數且此等時間格一起可用於重新產生反射光脈衝之一時間序列(即，光子計數對時間)。彙總光子計數之此時間序列在本文中被稱為一強度直方圖(或僅稱為直方圖)。另外，處理器336可完成某些信號處理技術，諸如匹配濾波以幫助恢復較不易具有可歸因於SPAD飽和及淬熄而發生之脈衝形狀失真的一光子時間序列。在一些實施例中，測距系統控制器350之 一或多個組件亦可整合至與感測器陣列332、處理器336及記憶體338相同之ASIC中，藉此免除對一單獨測距控制器模組的需要。

在一些實施例中，將來自處理器336之輸出發送至測距系統控制器350以供進一步處理。例如，可藉由測距系統控制器350之一或多個編碼器編碼資料且接著將其作為資料封包經由光學下行鏈路發送至下電路板總成360。測距系統控制器350可以多種方式實現，包含例如藉由使用一可程式化邏輯裝置(諸如一FPGA)作為一ASIC或一ASIC之部分、使用一處理器352與一記憶體354，及上述之某一組合。測距系統控制器350可(經由預程式化指令)與基座控制器366協作或獨立於基座控制器操作以藉由發送包含開始及停止光偵測及調整光偵測器參數之命令而控制光感測模組330。類似地，測距系統控制器350可藉由發送命令或中繼來自基座控制器366之命令而控制光傳輸模組340，該等命令包含開始及停止光發射控制及可調整其他光發射器參數(諸如發射器溫度控制(用於波長調諧)、發射器驅動電力及/或電壓)之控制。

若發射器陣列342具有多個獨立驅動電路，則可存在可藉由測距系統控制器350適當定序之多個開/關信號。同樣地，若發射器陣列包含多個溫度控制電路以不同地調諧陣列中之不同發射器，則傳輸器參數可包含多個溫度控制信號。在一些實施例中，測距系統控制器350具有用於與光感測模組330及與光傳輸模組340交換資料之一或多個有線介面或連接器(例如，一電路板上之跡線)。在其他實施例中，測距系統控制器320經由諸如一光學通信鏈路之一無線互連與光感測模組330及光傳輸模組340通信。

III.光傳輸及偵測

圖4A及圖4B描繪根據一些實施例之一光測距系統之光傳輸及偵測程序之一闡釋性實例，其中重點係形成一發射器-感測器通道配置之發射器陣列及感測器陣列，如上文參考圖2介紹。圖4A描繪收集光測距系統400外部之一體積或場景450之三維距離資料的一光測距系統400(例如，固態及/或掃描)。圖4B係來自圖4A之光測距系統400之一放大視圖。光測距系統400可表示上文論述之光測距系統200、230或300以及下文論述之各種光測距裝置之任一者。圖4A及圖4B係突顯發射器與感測器之間的關係之高度簡化圖式，且因此未展示其他組件。

如圖4A及圖4B中展示，光測距系統400包含一光發射器陣列410及一光感測器陣列420。光發射器陣列410包含一光發射器陣列(例如，一VCEL陣列或類似物)，該光發射器陣列包含個別發射器(諸如發射器410(1)及發射器410(9))。光感測器陣列420包含一光感測器陣列，該光感測器陣列包含個別光感測器(諸如感測器420(1)及420(9))。光感測器可為針對各像素採用一組離散光偵測器(諸如單光子突崩二極體(SPAD)或類似物)之像素化光感測器。然而，各種實施例可部署其他類型之光感測器。在一些實施例中，光測距系統400包含一或多組塊狀光學元件(未展示)(本文中被稱為塊狀光學件)，該一或多組塊狀光學元件放置於光發射器陣列410及/或光感測器陣列420前方以在所展示方向上重新引導光束。

各發射器可從其相鄰者稍微偏移且可經組態以將光脈衝傳輸至與其鄰近發射器不同之一視場中，藉此照明僅與該發射器相關聯之一各自視場。例如，發射器410(1)將(由一或多個光脈衝形成之)一照明光束415(1)發射至圓形視場452(為清楚起見，放大其之大小)中。同樣地，發射器410(9)將一照明光束415(9)(亦被稱為一發射器通道)發射至圓形視場 454中。雖然為避免複雜化在圖4A及圖4B中並未展示，但各發射器將一對應照明光束發射至其對應視場中，從而導致一2D視場陣列被照明(在此實例中，對應於光發射器陣列410之21個發射器(配置成3x7陣列)之21個相異視場)。

由一發射器照明之各視場可被視為由測距資料產生之對應3D影像中之一像素或光點。對於各發射器而言各發射器通道可係相異的且可不與其他發射器通道重疊，即，發射器組與非重疊視場組之間存在一對一映射。因此，在圖4A及圖4B之實例中，系統可對3D空間中之21個相異點取樣。可藉由具有一更緻密發射器陣列或藉由隨時間掃描發射器光束之角位置，使得一個發射器可對空間中之若干點取樣而達成一更緻密點取樣。

類似上文描述之發射器，各感測器可從其相鄰者稍微偏移，各感測器可看見感測器前方之場景之一不同視場。此外，各感測器之視場與一各自發射器通道之視場實質上重合(例如，與其重疊)且具有與其相同之大小。類似於上文描述之發射器，可藉由旋轉總成而掃描感測器之視場。亦可使用電流計、MEMS鏡或經由某其他方法完成掃描。

在圖4A及圖4B中，相對於至視場中之物件之距離放大對應發射器-感測器通道之間的距離。實務上，至視場中之物件之距離遠大於對應發射器-感測器通道之間的距離，且因此從發射器至物件之光之路徑近似平行於從物件返回至感測器之反射光之路徑(即，其幾乎為「反射回」)。因此，系統400前方存在其中個別感測器及發射器之視場重疊之一距離範圍且正是在此距離範圍內，系統可最精確地判定深度資訊。

因為發射器之視場與其等各自感測器之視場重疊，所以各 感測器通道理想地可偵測源自其各自發射器通道而理想地不具有串擾(即，未偵測到來自其他照明光束之反射光)之反射照明光束。例如，發射器410(1)將一照明光束415(1)發射至圓形視場452中，且一些照明光束從物件460反射為反射光束425(1)。理想地，僅由感測器420(1)偵測反射光束425(1)。因此，發射器410(1)及感測器420(1)共用相同視場(即，視場452)且形成一發射器-感測器對。同樣地，發射器410(9)及感測器420(9)形成共用視場454之一發射器-感測器對。在一些實施例中，發射器陣列410及感測器陣列420經設計及組態(結合塊狀光學件)，使得各發射器-感測器對之視場不與其他發射器-感測器對之視場重疊(超過一臨限值距離)。

雖然在圖4A及圖4B中將發射器-感測器對展示為在其等各自陣列中之相同相對位置中，但取決於系統中所使用之光學件之設計，任何發射器可與任何感測器配對。在一些實施例中，從設計簡易性/成本角度而言，在相同配置之發射器/感測器對前方具有相同塊狀成像光學件可為有利的。

在一測距量測期間，來自分佈在圍繞LIDAR系統之體積周圍的不同視場之反射光由各種感測器收集，且經處理，從而導致針對各各自視場中之任何物件之範圍資訊。如上文描述，可使用一飛行時間技術，其中光發射器發射精確定時之脈衝，且在某流逝時間之後藉由各自感測器偵測脈衝之反射。接著，使用發射與偵測之間的流逝時間及已知光速來計算至反射表面之距離。在一些實施例中，可由感測器獲得額外資訊以判定除範圍之外的反射表面之其他性質。例如，一脈衝之都卜勒移位可藉由感測器量測且用於計算感測器與反射表面之間的相對速度。

在一些實施例中，LIDAR系統可由發射器及感測器通道之一相對大2D陣列組成，且作為一固態LIDAR操作，即，其可在無需掃描發射器及/或感測器之定向之情況下獲得範圍資料圖框。在其他實施例中，發射器及感測器可掃描(例如，繞一軸旋轉)以確保發射器及感測器組之視場對周圍體積之一全360度區域(或360度區域之某一有用分率)取樣。接著，可將例如在某一預定義時段內從掃描系統收集之範圍資料後處理為一或多個資料圖框，接著可將該一或多個資料圖框進一步處理為一或多個深度影像或3D點雲。可將深度影像及/或3D點雲進一步處理為圖塊(map tile)以於3D測繪及導航應用中使用。

IV.具有整合架構之LIDAR單元

圖5A至圖5B展示根據本發明之一些實施例之採用一360掃描架構之一旋轉LIDAR系統500。在一些實施例中，LIDAR系統500可在一順時針或逆時針方向上自旋以觀察圍繞一車輛之周圍場。系統500可包含用於為LIDAR系統500之內部組件提供保護之一固定基座外殼502、一光學透明窗504及一固定蓋506。窗504可由一透明材料製成以容許近IR光之雙向傳輸。固定基座外殼502、窗504及蓋506組成一耐水或防水系統外殼或殼體508，其完全圍封LIDAR系統500之內部組件以保護組件免受元素影響。外殼/殼體508可例如表示上文關於圖2A論述之外殼220。在一些實施例中，殼體可具有一大體上圓柱形狀，如圖5A中展示。

在一些實施例中，窗504可圍繞殼體508之一周邊完全延伸且呈一固定關係附接至基座外殼502及蓋506。在此等實施例中，一光測距裝置510(圖5B中展示)可在窗504後方之殼體508內旋轉。在其他實施例中，窗504可與光測距裝置510一起旋轉。圖5A中展示之基座外殼502、窗 504及固定蓋506之組態僅為根據本發明之實施例之一殼體508之一個實例。熟習此項技術者將認知，LIDAR系統500之一適合殼體之其他組態係可行的。作為一不同組態之一個實例，蓋506可為窗504之部分。作為另一實例，在其中窗504與光測距裝置510一起旋轉之實施例中，窗504可包含藉由一不透明區域分離之兩個或兩個以上單獨窗。例如，在一些實施例中，LIDAR系統500可包含與一光學傳輸器對準之一第一窗及與一光學接收器對準之與第一窗隔開之一第二窗。如本文中使用，「對準」意謂透過窗傳輸或接收光之光學傳輸器或接收器。

系統500之內部組件(圖5A中未展示)可包含一旋轉致動器及光測距裝置，諸如關於圖3描述之致動器315及光測距裝置320。光測距裝置可與窗504對準且可由旋轉致動器自旋以在光測距裝置在一順時針或逆時針方向上連續自旋360度時將脈衝光束透過窗504投射至圍繞LIDAR系統500之一場中。接著可由光測距裝置偵測透過窗從場反射回之光以判定至場中之物件之距離，如本文中描述。

如下文更詳細描述，旋轉LIDAR系統500可採用一高度整合架構且實現內部機械元件及電路之一高度緊密組態。因此，根據本發明之一些實施例之LIDAR系統之總外觀尺寸可小於例如具有類似於或小於如圖5A中可見之一咖啡杯550之一總體積之許多現有系統。

圖5B展示根據本發明之一些實施例之LIDAR系統500之一實施例，其中移除外殼體/系統外殼508(包含窗504及蓋506)以突顯整合、堆疊板設計。如圖5B中展示，旋轉LIDAR系統500包含一光測距裝置510，該光測距裝置510包含安裝於一外殼515內之一光學傳輸器512及一光學接收器514，該外殼515包含用於光學傳輸器之一第一外殼部分516及 用於光學接收器之一第二外殼部分518。光測距裝置510呈一固定關係機械地連接至一印刷電路板522，此形成堆疊板旋轉致動器520之旋轉端。堆疊板旋轉致動器520之固定側(包含印刷電路板524)附接至殼體之基座部分502。

如下文更詳細描述，LIDAR系統之實施例擁有一高度整合設計，此使其等尤其適於一高度緊密旋轉LIDAR系統。LIDAR系統之各種功能元件(機械及電子兩者)整合至一堆疊電路板總成中，該堆疊電路板總成包含堆疊成一平行配置之一或多個電路板(如圖5B中展示，例如電路板522、524、526及528)。在一些實施例中，電力系統、電動馬達、通信系統及LIDAR控制系統皆整合至堆疊板旋轉致動器520之一或多個堆疊平面電路板中。光測距裝置510可經由一或多個多接腳連接器或類似物(未展示)便利地附接至頂板522。如下文將詳述，板可包含一中心孔徑，一中心軸件穿過該孔徑。上板可經由一或多個軸承附接至軸件之上部。板之各者可經配置為其平面表面垂直於軸件及因此旋轉軸。由於此組態，組裝及維護相對於在LIDAR系統內採用呈不同定向之多個板之其他系統簡單得多。

圖6A至圖6C展示根據本發明之各種實施例之LIDAR系統600、650及660之橫截面視圖。更特定言之，圖6A至圖6C中展示之個別組件大體上對應於上文已參考圖3描述之組件，其中圖6A至圖6C中展示之視圖提供根據不同實施例之各種電路元件之幾何放置之實例。圖6A及圖6B各展示在上電路板總成與下電路板總成之間採用光學通信之實施例，而圖6C展示在上電路板總成與下電路板總成之間採用感應通信之一實施例。圖6D至圖6E提供根據一些實施例之個別電路板之表面之視圖以進一 步繪示數個個別電路元件之同心圓周配置。

現在參考圖6A，LIDAR系統600(其可表示LIDAR系統500)可包含一光測距裝置602分別連同上電路板總成610及下電路板總成620，其中上板總成610圍繞垂直於板總成之一軸605相對於下板總成620旋轉。電路板總成610及620各為LIDAR系統600之結構組件，其等固持LIDAR系統之全部或本質上全部組件。兩件式設計使系統600能具有與許多當前可用LIDAR系統相比之減小大小及增加可靠性且使系統600能以一減小成本製造。

光測距裝置602可安裝至上板總成610中之電路板之一者，從而使光測距裝置能與上板總成610一起旋轉，而下板總成620可安裝至基座604及/或側壁606，其等之各者係LIDAR系統600之固定基座之一部分。藉由定位於沿縱向旋轉軸605居中之一中空軸件606上之一軸承系統607實現上電路板總成610及光測距裝置602之旋轉。

總成610、620之各者可包含彼此配置成一平行關係之兩個或兩個以上堆疊平面電路板。在所展示之特定實施例中，上總成610包含一轉子通信板612及一轉子控制板614，而下總成620包含一定子通信板622及一定子控制板624。一電動馬達可連同一編碼器、一無線電力系統及光學通信系統直接整合於板總成上，如下文更詳細描述。許多或全部此等相同元件亦整合於圖6B及圖6C中分別展示之LIDAR系統650及660之板總成上。因此，為簡化圖6A至圖6C之描述且避免重複，相似參考數字用於指示相似元件且通常不重複此等相似元件之描述。

與針對一LIDAR系統之不同功能元件之各者採用許多獨立模組之系統相比，LIDAR系統600之高度整合、堆疊板設計提供具有一極 大簡化之組裝程序之一系統。在替代實施例中，本發明之LIDAR系統可包含上板總成及下板總成(其等各為一單一電路板)，從而甚至進一步簡化堆疊板設計。例如，圖6B中展示之LIDAR系統650包含一單一下電路板652及一單一上電路板654。

雖然圖6A至圖6C中未明確展示，但一或多個支援電力電路、驅動/控制電路及通信電路可與下文論述之系統之各者配對且此等支援系統亦可整合至旋轉致動器之一或多個電路板上。例如，用於將三相驅動電流提供至定子之螺線管之一馬達驅動器可附接至下電路板總成620之一電路板之一表面。電力驅動及調節電路可與無線電力傳輸組件配對且安裝至上電路板總成及/或下電路板總成。數位通信系統之支援電路(諸如緩衝器、LED/雷射電流驅動器、編碼器/解碼器、時脈恢復電路、光偵測器驅動及調節電路等)亦可安裝至電路板總成之一或多個板。下文將進一步詳細論述一些此等元件，但一般技術者將瞭解，可在不脫離本發明之範疇之情況下採用標準電路組件之任何數目個配置及組態。在一些實施例中，由於旋轉對稱光學上行鏈路、無線電力旋轉變壓器、無刷dc馬達及旋轉編碼器之性質，可採用此等子系統繞軸件之任何同心排序。

V.光學鏈路

1.整合中心光學下行鏈路

在一些實施例中，中空軸件606不僅可充當支撐板總成之各者之一中心結構部件而且充當一下行鏈路光學通信通道(「下行鏈路通道」)之一外殼，該下行鏈路光學通信通道用於將來自轉座總成之資料(例如，測距及/或操作資料)提供至定位於下電路板總成620(亦被稱為基座系統)中之控制及處理電路。光學下行鏈路通道可包含一光學下行鏈路傳輸 器626及一光學下行鏈路接收器628，其等之各者可沿旋轉軸605居中。光學下行鏈路傳輸器626可直接附接(例如，焊接)至上電路板總成610之一電路板之一表面且可經定位，使得其可透過中空軸件606中之一中心孔或開口傳輸光學信號。同樣地，光學下行鏈路接收器628可直接附接(例如，焊接)至下電路板總成620之一電路板之一表面。光學下行鏈路接收器628可定位於軸件之下端上且與光學下行鏈路傳輸器626對準，使得其能夠接收從光學下行鏈路傳輸器626傳輸之光學信號。

用於旋轉致動器之光學下行鏈路之光學傳輸器及接收器可為任何適合光學發射器或偵測器。例如，IR LED、雷射二極體、VCSEL及類似物可用於光學發射器。同樣地，任何適合光偵測技術可用於接收器(諸如光二極體或類似物)。

2.整合光學上行鏈路

可在多個光學上行鏈路傳輸器642之一圓周配置與多個光學上行鏈路接收器632之一互補圓周配置之間形成一光學上行鏈路通道。正如光學下行鏈路傳輸器/接收器對，個別光學上行鏈路傳輸器及光學上行鏈路接收器可分別直接附接(例如，焊接)至下電路板總成及上電路板總成之各自電路板。安置於下電路板總成上之光學通信組件在本文中亦被稱為「基座光學通信組件」。安置於上電路板總成或轉座上之光學通信組件在本文中亦被稱為「轉座光學通信組件」。有利地，中空軸件606之壁提供上行鏈路通道與下行鏈路通道之間的光學隔離且因此使串擾最小化。

圓周配置之個別發射器及接收器可耦合在一起以一起充當一單一複合接收器及一單一複合傳輸器。例如，當系統旋轉時，由光學上行鏈路接收器之全部配置偵測之上行鏈路信號之總光學強度僅在個別發射 器/偵測器通過彼此時稍微變化。此外，複合傳輸器中之個別傳輸器之數目可相同或不同於複合接收器中之個別接收器之數目。

用於旋轉致動器之光學上行鏈路之光學傳輸器及接收器可為任何適合類型之光學發射器或偵測器。例如，IR LED、雷射二極體、VCSEL或類似物之一環可用作複合光學傳輸器。同樣地，任何適合類型之光偵測技術可用於接收器，例如，光二極體或類似物之一環可用作複合光學接收器。另外，用於光學上行鏈路之光學傳輸器及接收器可為與用於下行鏈路之傳輸器及接收器相同或不同之類型(例如，功率及波長)。

光學上行鏈路傳輸器642之一圓周配置之一實例在圖6D中展示，圖6D繪示一固定電路板(例如，圖6A之電路板622)之一俯視圖。在此實例中，存在圍繞中心孔672圓周地配置之六(6)個光學上行鏈路傳輸器642。六(6)個傳輸器圍繞圓674均勻隔開，該圓674之中心定位於軸件之中心(及因此孔672之中心)處且因此與旋轉軸重疊。

旋轉電路板(例如，圖6A之電路板612或圖6B之電路板654)之相對表面包含光學上行鏈路接收器632之一對應圓周配置，如圖6E中展示，圖6E繪示根據一些實施例之一旋轉電路板之一仰視圖。在此實例中，存在圍繞中心孔672圓周地配置之七(7)個光學上行鏈路接收器。七(7)個接收器圍繞圓684均勻隔開，該圓684之中心定位於軸件之中心處且因此與旋轉軸重疊。因此，當板旋轉時，光學上行鏈路接收器632之配置圍繞旋轉軸旋轉。由於圓684之半徑與圓674之半徑相同，所以傳輸器與接收器對準且旋轉僅導致平均信號隨時間之稍微上升及下降，其中一頻率係轉座系統之旋轉頻率之一倍數。一可靠上行鏈路通道所需之傳輸器數目取決於傳輸器之標稱功率以及從各傳輸器發射之光錐之發散度兩者。理想 地，旋轉板之前表面處之傳輸器光之光點大小足夠大，使得個別光點重疊至當旋轉板旋轉時，接收器集合所見之平均強度之總變化低於一指定值之一程度。

雖然圖6D及圖6E描繪其中在中空軸件606內形成一光學下行鏈路通道且在多個光學上行鏈路傳輸器之一圓周配置與安置於軸件外之多個光學上行鏈路接收器之一互補圓周配置之間形成一光學上行鏈路通道之一實施例，但在其他實施例中，光學通道之其他配置係可行的。例如，在一些實施例中，可在中空軸件606內形成一上行鏈路通道且可在軸件外形成一下行鏈路通道。在又其他配置中，可(例如，使用單獨光導)在軸件606內形成一下行鏈路及一上行鏈路通道兩者或可在軸件外以光學組件之單獨圓周配置形成一下行鏈路通道及一上行鏈路通道兩者。

VI.感應通信鏈路

參考回圖6C，圖6C展示在上電路板總成與下電路板總成之間採用一感應通信系統666、668之一實施例。在此實例中，由如展示分別安裝於下電路板總成及上電路板總成上之線圈666a至666e及668a至668e對提供資料上行鏈路及下行鏈路。線圈可包含資料線及時脈線兩者。各線圈可嵌入一外殼(諸如上線圈外殼666及下線圈外殼668，其等自身安裝至其等各自電路板之表面)之一單獨通道(例如，一圓形通道)內。在一些實施例中，可存在用於多個感應資料線之若干線圈，例如下行鏈路通道1傳輸器線圈666b及下行鏈路通道1接收器線圈668b、下行鏈路通道2傳輸器線圈666c及下行鏈路通道2接收器線圈668c。在一些實施例中，可經由一單獨線圈對(例如，下行鏈路時脈傳輸線圈666a及下行鏈路時脈接收器線圈668a)傳輸下行鏈路時脈信號。同樣地，資料上行鏈路通道可由一或 多個線圈對(例如，由上行鏈路傳輸器線圈668d及上行鏈路接收器線圈666d)形成。類似下行鏈路，資料上行鏈路時脈信號亦可具有由一線圈對(例如，上行鏈路時脈傳輸器線圈668e及上行鏈路時脈接收器線圈666e)形成之一專用通道。

在一些實施例中，使用一感應通信鏈路可提供優於一光學組態之數種優點，包含：(1)將中空軸件606替換為更簡單且更易於建構之一實心軸件665；(2)在一些狀況中，一感應線圈配置可需要對機械對準之較不嚴格公差且因此具有較低製造成本；(3)用於在板之間傳遞多個資訊通道之一更簡易配置；(4)可實現傳遞一時脈連同資料，此免除對時脈及資料恢復(CDR)晶片之需要；(5)可藉由提供一多通道(平行)資料傳輸線配置而容許按比例調整頻帶寬；及(6)藉由將一單獨時脈信號分佈於板之間，可在下板總成(定子)與上板總成/光測距單元(轉子)之間達成確定性時序行為。

雖然圖6C展示具有五個線圈對之一實施例，但可在不脫離本發明之範疇之情況下實施任何數目個線圈對。例如，可實施僅具有一個資料上行鏈路通道及一個下行鏈路通道之雙線圈對組態。在此情況中，可經由上行鏈路通道提供時脈信號且可從此上行鏈路時脈信號導出下行鏈路時脈。在其他實施例中，可採用三個線圈對，一對用於上行鏈路資料，一對用於下行鏈路資料且一對用於上行鏈路時脈信號，同樣，其中從上行鏈路時脈信號導出下行鏈路時脈信號。四線圈對組態亦係可行的，其等提供上行鏈路時脈信號通道及下行鏈路時脈信號通道兩者。除上文全部內容之外，亦可在不脫離本發明之範疇之情況下採用任何數目個資料通道。

VII.整合電動馬達

根據某些實施例，一電動旋轉馬達可直接整合至電路板上。馬達可具有一「薄餅(pancake)」或「軸向」設計，該設計使一轉子板上之一平面轉子總成與一相對定子板上之一平面定子總成相對。電動馬達之定子及轉子總成可整合至旋轉致動器608之板上，即，電動馬達之元件係印刷電路板之表面上之許多組件之一者且因此LIDAR系統600無需一單獨馬達模組。例如，參考回圖6D，定子總成644可包含多個定子元件644(i)之一環形配置，例如垂直定向之螺線管(使其等縱向軸垂直於板之表面)，該多個定子元件644(i)(例如，使用一黏合劑)貼附至下電路板總成620之一板(例如，板622)或附貼至一軟芯，該軟芯接著貼附至下電路板總成620。圖6D之俯視圖中展示定子元件之實例。各定子元件644(i)可包含纏繞於磁性材料(例如，鐵氧體或類似物)之一芯644b之一螺線管線圈644a。線圈經定向，使得離開螺線管之磁場實質上定向於實質上垂直於電路板之平面之一方向。在圖6D中展示之實施例中，定子總成644包含彼此均勻隔開之十八(18)個個別定子元件644(i)，但本發明之實施例不限於具有任何特定數目個定子元件之一定子總成且其他實施例可包含更少或更多個別定子元件644(i)。例如，在一些實施例中，定子總成644包含呈一環形配置之至少12個個別定子元件644(i)。而且，在一些實施例中，定子總成644中之個別定子元件644(i)之數目係三的倍數且一馬達驅動器電路及控制器(圖6D中未展示)將三相交流信號提供至定子總成644以控制板622之旋轉速率及因此光測距裝置602之旋轉速率。

馬達轉子總成634正對於馬達定子總成644定位且附接至上電路板總成610之一板。在一些實施例中，馬達轉子總成634可為包含永久磁體634(i)之一環形配置之一被動元件，其中該等永久磁體634(i)之磁 極配置成一交替圖案以循序抵抗及吸引定子總成之各種螺線管線圈之打開，如圖6E中展示之板視圖中更詳細展示。因此，如圖6E中展示，各個別磁體634a可使其磁極相對於其相鄰磁體634b配置，且各個別磁體634b可使其磁極相對於其相鄰磁體634a配置。另外，雖然圖6E中展示之定子總成644之實施例包含彼此均勻隔開之二十四(24)個個別磁體634(i)，但本發明之實施例不限於具有任何特定數目個元件之一轉子總成且其他實施例可包含更少或更多個別磁體634(i)。此外，如圖6D及圖6E中可見，馬達定子總成644及馬達轉子總成634可具有一整體圓環形狀，其中定子及轉子圓兩者具有相同半徑及中心位置(例如，兩個環皆可在軸件上居中)。

雖然圖6D及圖6E中展示之實施例採用係永久磁體之轉子元件及係螺線管線圈之定子元件，但亦可在不脫離本發明之範疇之情況下採用相反組態。例如，螺線管可採用為轉子元件且永久磁體可採用為定子元件，在此情況中，可藉由下文描述之無線電力傳輸系統提供至定子元件之電力。另外，在某些實施例中，可採用電磁體，而非採用永久磁體作為轉子/定子元件。受益於本發明之一般技術者將瞭解，可採用一PCB安裝無刷DC馬達之任何實施方案，例如在不脫離本發明之範疇之情況下可採用螺線管線圈及永久磁體元件之任何非接觸組態且可採用實施下方硬體之旋轉運動之任何驅動方案。

VIII.整合無線電力傳輸系統

為將電力提供至連接至旋轉上電路板總成610之電路元件，旋轉致動器608包含一無線電力系統(本文中亦被稱為一旋轉變壓器)。無線電力系統包含：一無線電力傳輸子系統，其包含一無線電力傳輸器648；及一無線電力接收子系統，其包含一無線電力接收器638。無 線電力傳輸器648可為呈一圓環天線形式之一傳輸器線圈(例如，一單匝或多匝線圈)，其附接至下電路板總成620之一電路板(例如，板622)之一表面，如例如圖6D中展示。同樣地，無線電力接收器638可為呈一圓環天線形式之一接收器線圈(例如，一單匝或多匝線圈)，其附接至上電路板總成610之一電路板(例如，板612)之一表面，如圖6E中展示。無線電力傳輸器648及無線電力接收器638兩者之中心定位於中空軸件606之中心處且因此與光學編碼器環、電動馬達總成及光學上行鏈路接收器/傳輸器同心。有利地，無線電力傳輸器及接收器可定位於板622及612之最外區域處以使圓環之面積(及因此電感)最大化，此使電力傳送效率最大化且有利地阻擋來自環境或LIDAR系統內部之光到達光學編碼器、上行鏈路或下行鏈路。

在一些實施例中，無線電力傳輸器648及一無線電力接收器638可放置於其等各自板之一環形區域內，其中環形區域之壁及底部由一磁性材料(例如，鐵氧體或類似物)形成。例如，圖6E展示安置於由鐵氧體壁686及688(圖6A至圖6C中未展示)及一封閉鐵氧體底部形成之一環形區域內之無線電力接收器638。鐵氧體材料之此一配置在圖6F中描繪，圖6F係定位於由鐵氧體壁686、688及一底部鐵氧體壁690界定之一環形通道內之一多核心無線電力接收器638之一部分之一簡化橫截面視圖。圖6F中展示之配置幫助引導(channel)傳輸器與接收器之間的磁場以改良電力傳送效率且減少來自系統之電磁輻射洩漏。

IX.整合光學編碼器

旋轉致動器608進一步包含一整合光學編碼器總成，該整合光學編碼器總成容許讀出上電路板總成610相對於下電路板總成620之 角位置。光學編碼器總成包含一圖案化環形光學編碼器646及旋轉編碼器偵測器636以藉由例如偵測及計數在系統旋轉時通過旋轉編碼器偵測器之圖案之數目而讀取總成之角位置。在某些實施例中，旋轉編碼器偵測器636可包含一照明裝置(諸如一LED)及一偵測器(諸如一光二極體或成像偵測器)以照明及偵測環形光學編碼器之圖案化表面。在一些實施例中，環形光學編碼器可包含一起始碼，該起始碼在環上之一獨特位置處發生或提供絕對編碼圖案，藉此實現一絕對角定向量測。在一些實施例中，編碼器系統本質上係磁性的而非光學的且依靠一類似定位之磁性編碼器條及磁性編碼器讀取器。

在一些實施例中，環形光學編碼器646可附接至下電路板總成620之一電路板(例如，板622)之一表面且旋轉編碼器偵測器636可附接至上電路板總成610(例如，板612)之一表面，如本文中展示或反之亦然。無關於其放置於哪一板上，環形光學編碼器646可經配置以使其中心在中空軸件606之中心處且因此與電動馬達總成及光學上行鏈路接收器/傳輸器兩者同心，如例如圖6D中展示。在一些實施例中，旋轉編碼器偵測器636定位於旋轉電路板上，在環形光學編碼器646上方之任何處，例如，如圖6E中展示。

有利地，編碼器總成可定位於無線電力傳輸系統與電動馬達總成之間以使編碼器偵測器與光學上行鏈路系統之傳輸器之間的光學隔離最大化。如圖6A之實例中展示，在一些實施例中，環形光學編碼器646可在旋轉致動器608之定子側上而旋轉編碼器偵測器636在轉子側上。雖然此係旋轉致動器之一非標準組態，但此組態對於一LIDAR應用係有利的。例如，藉由以此方式移除旋轉編碼器偵測器636與光測距裝置602之 間的旋轉連接，可實施兩個系統之間的一低延遲連接之實施方案。在LIDAR應用中，一低延遲連接對於快速攝取旋轉編碼器偵測器636之角位置量測且使當前測距資訊與轉子之當前角位置相互關聯以增加空間精確性可為重要的。

X.組裝方法

圖7至圖8展示根據某些實施例之一LIDAR系統之分解視圖以繪示組裝程序。圖7繪示下電路板總成(本文中亦被稱為基座總成)之機械組裝。圖8繪示將上電路板總成及其附件機械組裝至下電路板總成及光測距裝置兩者，藉此形成完整LIDAR系統。

1.組裝下電路板總成

圖7展示根據某些實施例之一下電路板總成700之一分解視圖以繪示緊密LIDAR系統之一組裝程序。在圖7中展示之實施例中，下電路板總成700具有雙板組態，類似於上文參考圖6A描述。特定言之，下電路板總成700包含第一子板及第二子板(本文中被稱為基座控制板720及定子板730)。在一些實施例中，基座控制板720及定子板730分別對應於板643及板641，如圖6A中展示。

下電路板總成700之組裝可開始於基座控制板720經由螺釘728機械地附接至一基座外殼單元710。如上文已參考圖3及圖6A描述，基座控制板可包含數個電路元件，包含類似於基座控制器366之一基座控制器。支援電路(例如，光學通信系統、無線電力傳輸系統及旋轉編碼器系統之元件之驅動器)亦可包含於基座控制板上。為實現光學下行鏈路通信通道，一光學下行鏈路接收器722可在基座控制板720之一中心區域中安裝至(例如，焊接至)該板之一上表面，如上文參考圖6A描述。

在一些實施例中(例如，如上文參考圖6B描述)，光學下行鏈路接收器722及其他支援電路元件直接整合至定子板730上，藉此免除對一單獨基座控制板720之需要。在此一情況中，下電路板總成700之組裝可藉由將一熱擴散元件725直接附接至基座710而開始，或在不採用基座或熱擴散元件725之情況中，組裝可藉由安裝定子板730而開始。

在將基座控制板720附接至基座710之後，可使用螺釘706將軸件715附接至基座控制板720。在一些實施例中，軸件715可直接附接至基座710以改良從上電路板總成經由軸承系統至基座710之熱量之熱傳導(在下文圖8A及圖8B中更詳細展示)。如上文參考圖6A至圖6B描述，軸件715可包含貫穿其長度之一中心孔716，該中心孔716提供一光學下行鏈路通道之一敞開光學路徑。因而，軸件715可直接放置於大體上定位於基座710之中心附近之光學下行鏈路接收器722之頂部上。在一些實施例中，無關於基座控制板712或基座710之外圓周之形狀，軸件715界定系統之旋轉軸705。因此，軸件715之位置無需直接在基座控制板720之中心或基座710之中心。

在將軸件715附接至基座控制板720之後，可藉由一或多個螺釘716將熱擴散元件725附接至基座控制板720。在一些實施例中，熱擴散元件725可由具有一高導熱性之一材料(例如，鋁及類似物)製成。另外，熱擴散元件725與板之間可存在一或多個中介熱發泡體墊以防止電短路同時提供一導熱路徑。在一些實施例中，熱擴散元件725與定子板730之下表面之一或多個部分及基座控制板720之上表面之一或多個部分進行熱接觸，藉此提供一熱路徑以使來自此等板之電路元件之集中熱更均勻地分佈於板間。在其周邊上，熱擴散元件725亦可與基座710之側進行熱接 觸且因此提供一改良熱路徑以使熱從板傳導至基座710且最終離開系統。

在固定熱擴散元件725之後，可經由螺釘736附接定子板730。在一些實施例中，可經由一或多個多接腳電連接器(例如，下連接器724及726)將定子板730電連接至基座控制板720。在一些實施例中，藉由在定子板730與基座控制板720之間施加一機械連接壓力(例如，藉由在基座控制板已附接至基座710之後將定子板按壓至基座控制板上)而製作板之間的實體連接。可在系統之壽命內藉由用於將定子板730固定至基座控制板720之螺釘736維持連接壓力。

一旦組裝且固定至基座710，一或多個選用彩色攝影機732可定位於定子板730之周邊周圍以具有通過一或多個成像孔徑712離開基座710之一清晰視覺路徑，該一或多個成像孔徑712在一些實施例中可為清晰孔徑或可含有一或多個光學元件以協助成像。在其他實施例中，彩色攝影機732可直接安裝至基座710而非安裝至定子板730。彩色攝影機732使由LIDAR系統累積之LIDAR資料能由彩色成像資料(諸如靜止圖框及/或視訊)補充，如標題為「Augmenting Panoramic LIDAR Results with Color」之美國申請案第15/980,509號中描述，該案之全部內容出於所有目的以引用的方式併入本文中。

2.組裝上電路板總成且附接至下電路板總成

圖8A係根據本發明之某些實施例之一緊密LIDAR系統800之一分解視圖以繪示一LIDAR系統之一組裝程序。LIDAR系統800可為例如圖5A中展示之LIDAR系統500。LIDAR系統800包含上文關於圖7描述之下電路板總成700、一上電路板總成810、一光測距裝置820及一殼體830。如圖8A中展示，LIDAR系統800包含一上電路板總成810。

如圖8A中展示，上電路板總成810具有雙板組態(類似於上文參考圖6A描述之組態)且包含一測距裝置控制板840及轉子板850。在一些實施例中，測距裝置控制板840及轉子板850分別對應於上文參考圖6A描述之定子控制板624及轉子控制板614。

轉子板850包含圖8B中展示之一軸承總成860，圖8B係轉子板850之一分解視圖。軸承總成860包含軸承862及864，其等插入至一T形軸承外殼865之任一端中。T形軸承外殼865可接著用螺釘866附接至轉子板850。

可藉由在軸件715上方裝配T形軸承外殼865之中心部分而將轉子板850放置於所組裝下電路板總成700之頂部上。一圓形螺帽852可接著裝配至T形軸承外殼865之頂表面中之一圓形中心凹槽854中且螺合至軸件715之頂部上以將轉子板850牢固地附接至下電路板總成700。如上文論述，歸因於軸件715與軸承862及864之間的旋轉耦合，轉子板850能夠相對於下電路板總成700旋轉。

接著可藉由將一向下壓力施加至測距裝置控制板840而將測距裝置控制板840結合至轉子板850。為在測距裝置控制板840與轉子板850之間提供一電連接，一或多個電連接器可附接至(例如，焊接至)測距裝置控制板840之下表面(圖8A中不可見)及轉子板850之上表面(例如，連接器856)。測距裝置控制板840可接著使用螺釘846固定至轉子板850。

3.將雷射測距裝置附接至旋轉致動器

一旦上電路板總成已組裝且固定至下電路板總成，光測距裝置820便可電連接至測距裝置控制板840之上表面，該測距裝置控制板840將光測距裝置機械地連接至T形軸承外殼865。光測距裝置820包含一 Tx模組822及一Rx模組824，其等之各者可具有與安置於光測距裝置控制板840之上表面上之對應連接器844及842配接之專用電連接器。正如系統中之其他板，可藉由將一按壓力施加至組件而達成將光測距裝置820連接至所組裝系統之其餘部分。一旦連接經製作，便可藉由如展示之安裝於光測距裝置820之任一側上之螺釘826維持按壓力。另外，一u形托架828可用額外螺釘826固定至光測距裝置820以提供至總成之進一步結構。

一旦全部內部組件經組裝，殼體830便可下放於整個總成上方且例如使用一或多個螺釘以及黏合劑(若需要)貼附至基座710以達成一更穩固密封。殼體830可包含如上文關於圖5描述之一光學透明窗，該光學透明窗使來自Tx模組822之雷射脈衝能從LIDAR系統投射至周圍環境中且使來自脈衝之反射及散射光能由LIDAR系統經由Rx模組824接收。

在上文描述之組裝程序中，僅為實例起見揭示螺釘及托架之各種配置。緊密LIDAR系統之實施例無需採用與圖7至圖8中展示之配置相同之螺釘配置且可在不脫離本發明之範疇之情況下使用任何數目、配置及類型之緊固件，包含黏合劑、可變形銷或閂鎖、鉚釘或焊接。

XI.光學件及光電子器件

圖9A至圖9C分別展示根據某些實施例之一光測距裝置900之一透視圖、一正視圖及一放大正視圖。光測距裝置900可對應於上文參考圖1至圖6描述之實施例，例如上文參考圖3描述之光測距裝置320或上文參考圖5描述之光測距裝置510。光測距裝置900包含兩個主要模組：一光傳輸(Tx)模組910及一光感測(Rx)模組920，其等在包含兩個透鏡管(例如，傳輸器透鏡管912及偵測器透鏡管922)之一共同外殼或座架905內彼此隔開。光Tx模組及光Rx模組各包含定位於其等各自感測器/發射器前方 之塊狀光學模組(未展示)(例如，藉由將塊狀光學模組滑動至適當透鏡管中)。下文更詳細描述塊狀光學模組。在傳輸側上，定位於Tx側塊狀光學模組後方的係(視情況)一Tx側微光學總成。下文參考圖10至圖11闡述微光學總成之細節。在選用傳輸側微光學總成後方的係一發射器陣列914，例如製造於InGaAs上之一單片單晶片NIR VSCEL陣列或類似物。在偵測器側上，定位於Rx側塊狀光學模組後方的係一Rx側微光學總成，亦在下文參考圖10至圖11更詳細描述。在Rx側微光學總成後方的係一單晶片偵測器陣列及ASIC組合924，例如製造於一CMOS程序上之一單片單晶片NIR SPAD陣列或類似物。

Rx模組920及Tx模組910兩者分別由電路板926及916支援，該等電路板包含光測距裝置之額外支援電路，例如電壓調節器、VSCEL電流驅動器及類似物。例如，電路板926可包含用於計數來自SPAD之信號以包含於可由一時間轉數位轉換器指定之一時間格直方圖之電路。電路板926亦可包含匹配濾波以用於分析直方圖以判定一接收時間。在一些實施例中，一可程式化計算元件(諸如一FPGA)(例如，用以執行先進濾波，諸如內插)可操作地連接至Rx模組920。

雖然圖9A至圖9B中未展示，但FPGA可定位於上文描述之旋轉致動器之上板總成之一或多個板上，其等包含例如一無刷馬達之轉子半部分、一旋轉變壓器電力鏈路之接收側、一旋轉光學上行鏈路之接收側及一旋轉光學下行鏈路之傳輸側。此等元件一起在本文中被稱為LIDAR系統之轉座總成。在某些實施例中，轉座總成可按1Hz至30Hz之一頻率自旋，從而按固定角間隔進行範圍量測。在一項實施例中，針對任何給定完全旋轉(「圖框」)，可產生一64x2048解析度深度影像，但使用者可藉 由改變裝置操作參數而選擇其他解析度。在一些實施例中，LIDAR系統每秒可獲取2,621,440個點(範圍量測)。

1.Tx模組及Rx模組之光學系統

圖10展示根據本發明之一些實施例之一光測距裝置1000之一光學方塊圖。如圖10中展示，光測距裝置1000包含一光傳輸(Tx)模組1010及一光感測(Rx)模組1040。光傳輸模組1010可表示Tx模組910而光感測模組1040可表示Rx模組920。本發明之實施例不限於圖10中展示之特定光學組態。在其他實施例中，光傳輸模組1010及光感測模組1040可包含更少、更多或不同光學組件。在2018年5月14日申請之標題為「Optical Imaging Transmitter with Brightness Enhancement」之美國申請案第15/979,235號及2018年5月14日申請之標題為「Spinning LIDAR Unit with Micro-optics Aligned behind Stationary Window」之美國申請案第15/979,266號中闡述光傳輸模組1010及光感測模組1040之其他組態之非限制性實例，該等案之各者之全部揭示內容出於所有目的以引用的方式併入本文中。

可在本文中揭示之緊密LIDAR系統內採用光測距裝置1000之實施例，如上文參考例如圖5A至圖5B描述。Tx模組1010藉由例如將窄頻帶光脈衝(例如，具有例如2nm、1nm、0.5nm、0.25nm或更小之一光譜寬度之NIR光)傳輸至一或多個視場中而提供LIDAR系統周圍之區域中之物件之主動照明，如上文圖1A至圖1B及圖4中展示。Rx模組1040偵測由場景中之物件反射之所傳輸窄頻帶光之反射部分。

如圖10中展示，Tx模組1010可包含一TX側微光學封裝1020及一塊狀光學元件1030。TX側微光學封裝1020包含複數個光發射器 1022且視情況包含一微透鏡層1024及一孔徑層1026。發射器1022可配置成一維或二維發射器通道(例如加框區域中展示之通道1025)陣列。傳輸器通道之各者具有能夠發射窄頻帶光之一或多個光發射器1022(例如NIR VCSEL或類似物)及視情況來自透鏡層1024之一微透鏡及來自孔徑層1026之一孔徑。

從傳輸器之各者發射之光在其靠近Tx側微光學透鏡層1024之微光學件之一者時發散。來自微透鏡層1024之微透鏡捕獲發散光且將其重新聚焦至與孔徑層1026中之孔徑重合之一焦平面，該孔徑層1026包含在位置上對應於微光學陣列及發射器陣列之一孔徑陣列。孔徑陣列1026可減少系統中之串擾。在離開微透鏡之後，聚焦光再次以光錐形式發散，該等光錐接著遇到Tx側塊狀成像光學模組1030。下文更詳細論述Tx側塊狀成像光學模組1030之細節。

在一些實施例中，微透鏡層1024與Tx側塊狀成像光學模組1030之間的分離等於其等焦距之總和，使得聚焦於孔徑陣列1026處之光表現為Tx側塊狀成像光學模組1030之輸出處之準直光，其中各準直光線束按一不同角度離開Tx側塊狀成像光學模組1030。因此，將來自各發射器之光引導至裝置前方之一不同視場。在一些實施例中，Tx側塊狀成像光學件1030在透鏡之VCSEL側上係遠心的，即，在系統之一光線圖中，進入塊狀成像光學件1030之孔徑內之任何處之全部主光線彼此平行地行進離開透鏡且按實質上垂直於VCSEL(影像)平面之一入射角與VCSEL(影像)平面相交。在此組態中，VCSEL陣列有利地作為一遠心源操作，即，光學件捕獲由發射器陣列產生之實質上全部光，甚至從陣列之外邊緣上之發射器發射之光。在無遠心設計之情況下，由外發射器捕獲之光可由 於其等之高度傾斜入射角而以一非所要方式減少、散射或折射。

Rx模組1040包含一Rx側塊狀成像光學模組1060及一RX側微光學封裝1050。RX側微光學封裝1050具有匹配TX側微光學封裝1020之一維或二維陣列配置，其中一微光學接收器通道1055用於各對應微光學傳輸器通道1025。RX側微光學封裝1050包含一Rx側孔徑陣列層1056、一Rx側微光學透鏡層1054、一窄頻帶光學濾波器層1028及一感測器陣列層1052。從場中之物件反射之所發射光之部分(展示為光線1005)從多個方向進入Rx側塊狀成像光學模組1060。Rx側塊狀成像光學模組1060將光線聚焦於與Rx側孔徑陣列層1056重合之一平面處。聚焦光接著由Rx側微光學透鏡層1054之微透鏡捕獲且以一準直方式引導至一感測器陣列層1052(例如，具有小於10度之一發散半角)。

在一些實施例中，感測器陣列層1052包含1D或2D光感測器陣列或一維或二維光感測器群組(例如，SPAD及類似物)陣列。在一些實施例中，陣列中之各感測器或感測器群組對應於發射器模組中之一發射器及因此對應於測距資料中之一「像素」。

在一些實施例中，為移除假背景光，一窄頻帶光學濾波器層1028可安置於分層結構內，例如微光學陣列與感測器陣列層1052之間。窄頻帶光學濾波器層1028之通帶可經選擇以與發射器之中心波長對應且通帶之寬度可足夠寬以適應跨發射器陣列之輸出波長之任何變化。在其中期望一非常窄通帶之一些實施例中，一控制系統可個別地或作為一整體穩定發射器之波長。在其中期望一非常窄通帶之一些實施例中，必須嚴密控制行進通過濾波器層1028之光之準直角度，使得未發生入射角移位(如薄膜干涉濾波器中所常見)；主要藉由RX側孔徑陣列層1056中之孔徑 之大小、RX側微光學透鏡層1054中之透鏡之焦距、RX側孔徑陣列層1056與RX側微光學透鏡層1054之間的相對定位以及RX側微光學透鏡層1054之表面品質及形成精度來控制準直角度。在一些實施例中，窄頻帶光學濾波器層1028係跨整個感測器陣列之連續平面層。在其他實施例中，窄頻帶光學濾波器層1028可製造為與感測器陣列層1052之像素幾何形狀對應之一微光學元件陣列。

正如Tx側，Rx模組1040之個別元件形成微光學接收器通道，例如接收器通道1055。根據某些實施例，微光學陣列及接收器可具有一分層單片結構。各微光學接收器通道1055量測感測器陣列層1052中之一不同像素之光，即，Rx模組1040之光學件用於將從不同角度進入模組之平行光線束映射至感測器陣列層1052上之不同對應空間位置。在一些實施例中，如上文描述，塊狀成像光學模組1060在系統之偵測器側上係遠心的以按類似於TX側之一方式避免影像平面中之非理想性。

在一些實施例中，如藉由微光學透鏡層1054、窄頻帶光學濾波器層1028及Rx側孔徑陣列層1056之間的協作形成之微光學接收器通道提供感測器陣列層上之不同像素之間的增加隔離。此係有利的，因為在一些狀況中，諸如當發射器光從場中之一強反射器(諸如一停車指示標)反射時，各通道之Rx側處之光子通量可相當大，從而使系統易具有串擾及輝散(即，來自一個通道之射入光可如此明亮，使得其可被一相鄰通道偵測到)。輝散問題之一個解決方案係採用一複雜時間多工方案，使得在任何給定時間觸發僅一個發射器-偵測器對(或一仔細選擇之發射器-偵測器對之群組)，因此消除串擾風險。此一配置需要額外時序電子器件及多工軟體及硬體，此增加系統之額外成本及複雜性。另外，時間多工係一低效 資料收集方法，因為必須循序連續地啟動各接收器發射器對，藉此增加整個陣列之總獲取時間。有利地，Rx側微光學總成之設計減少串擾至無需時間多工及循序啟動之一程度，即，可同時採用全部通道以按類似於一快閃(flash)LIDAR系統之一方式並行收集資料點。

Rx模組1040及Tx模組1010之微光學系統之設計有利地實現上文參考圖3描述之概念性LIDAR配置，其中各傳輸器元件與一感測器元件配對，使得感測器元件僅觀察來自傳輸器所照明之視場之光。此1：1視場配對幫助消除偵測器中來自相鄰或鄰近像素之串擾。額外微光學孔徑層亦幫助消除串擾。窄頻帶濾波器層幫助移除可促成假信號偵測，從而最終導致測距誤差之背景光。

2.微光學件

圖11A展示根據某些實施例之一微光學封裝1100之一簡化俯視圖。微光學封裝1100可應用於光測距裝置之傳輸器或偵測器側之任一者或兩者上且包含複數個通道1102。例如，若在接收器側上實施，則各通道1102將對應於一單一微光學接收器通道，諸如通道1055。類似地，若在傳輸器側上實施，則各通道1102將對應於一單一傳輸器通道，諸如通道1025。在圖11A中展示之實例中，微光學通道鋪設為一m×n交錯陣列，例如鋪設為16×4陣列。作為一實例，若圖11A表示接收器通道，則針對0.500mm(直徑)之一接收器通道大小，所繪示佈局可在大小為8.000mm×2.000mm之晶片中實施。

在不脫離本發明之範疇之情況下，其他陣列圖案係可行的。例如，可採用以下形狀之陣列之任一者而非一交錯陣列：一方形陣列、1D直線陣列(m×1)、一翹曲線性(m×1)陣列、一翹曲矩形m×n陣列或 具有任何任意圖案之陣列。如本文中使用，術語「翹曲」係指其中接收器通道之間的間距不均勻之實施例。例如，中心附近之接收器通道間隔得更近，而外部通道間隔得更遠。翹曲佈局具有能夠容許校正一透鏡之畸變曲線(即，接收器通道視場之間的角度在物件空間中均勻隔開)之一優點。

圖11B展示根據一些實施例之一單一微光學接收器通道1120之一橫截面，其可表示例如圖10中展示之接收器通道1055。接收器通道1120用於接受含有一寬波長範圍之一輸入光錐，濾除除以操作波長為中心之該等波長之一窄頻帶外之全部波長，且容許一像素(光感測器)1171僅偵測或實質上僅偵測在前述波長之窄頻帶內之光子。本發明之實施例不限於接收器通道之任何特定組態且通道1120僅為可實施為接收器通道1055之一接收器通道之一個實例。

在一些實施例中，接收器通道1132包含一輸入孔徑層1140，該輸入孔徑層1140包含一光學透明孔徑1144及光學非透明光闌區域1146。孔徑1144經組態以在放置於一成像光學件(諸如塊狀接收光學件1060)之焦平面處時界定一窄視場。如本文中使用，術語「光學透明」係指容許大多數或全部入射光行進通過之一材料。如本文中使用，術語「光學非透明」係指容許少量光至不容許光行進通過之一材料，例如一反射或吸收表面。孔徑層1140經組態以接收輸入邊緣光線1133。孔徑層1140可包含建立於一單一單片工件(諸如一光學透明基板)上之光學透明孔徑及光學非透明光闌區域之一陣列。在一些實施例中，孔徑層1140可由形成光闌區域1146之一光學非透明材料形成且孔徑1144可為層1140中之孔或開口。

在一些實施例中，接收器通道1120包含一光學透鏡層 1150，該光學透鏡層1150包含藉由一焦距特性化之一準直透鏡1151。準直透鏡可從孔徑1144及光闌區域1146之平面偏移達該焦距且與孔徑1144軸向對準(例如，準直透鏡之光學軸與孔徑之中心對準)。以此方式，準直透鏡可經組態以準直通過孔徑之光線，使得該等光線近似平行於準直透鏡1151之光學軸行進。光學透鏡層1150可視情況包含孔徑、光學非透明區域及管結構以減少串擾。

在一些實施例中，接收器通道1132包含一光學濾波器層1160，該光學濾波器層1160包含一光學濾波器1161(例如，一布拉格(Bragg)反射器型濾波器或類似物)。在一些實施例中，光學濾波器層安置於一光學透鏡層1150之一偵測器側上(如與孔徑側相對)。光學濾波器層經組態以使依一特定操作波長及通帶之法向入射光子通過。光學濾波器層1160可含有任何數目個光學濾波器1161。光學濾波器層1160可視情況包含孔徑、光學非透明區域及管結構以減少串擾。

在一些實施例中，接收器通道1132包含一光感測器層1170，該光感測器層1170包含安置於濾波器層後方之一像素1171。像素可為能夠用由例如一標準光二極體、一突崩光二極體、一SPAD陣列、RCP(諧振腔光二極體)或其他適合光偵測器製成之一偵測器作用區域偵測光子之一光感測器。光感測器1171可由一起協作以用作一單一像素之若干光子偵測器區域(例如，各一不同SPAD)組成，該單一像素與一單一大的光子偵測區域相比通常具有更高動態範圍、更快回應時間或其他有益性質。光感測器層1170係指由像素製成之一層且可包含用於改良偵測效率且減少與鄰近接收器結構之串擾的選用結構。光感測器層1170可視情況包含漫射體、會聚透鏡、孔徑、光學非透明管間隔件結構、光學非透明錐形間 隔件結構等。

雜散光可由光學表面之粗糙度、透明介質中之瑕疵、背向反射等引起，且可在接收器通道1132內或接收器通道1132外部之許多特徵部處產生。雜散光可經引導而：沿不平行於準直透鏡1151之光學軸的一路徑穿過濾波器區域1161；在孔徑1144與準直透鏡1151之間反射；及大體上採取可能含有許多反射及折射之任何其他路徑或軌跡。若多個接收器通道彼此相鄰地排列，則一個接收器通道中之此雜散光可由另一通道中之一像素吸收，藉此污染光子固有之時序、相位或其他資訊。因此，接收器通道1120亦可具備若干結構以減少串擾且增大接收器通道之間的信號。在2018年5月14日申請之標題為「Micro-optics for Imaging Module with Multiple Converging Lenses per Channel」之美國專利申請案15/979,295中描述此等結構及其他適合接收器通道之實例，該案之全部揭示內容出於所有目的以引用的方式併入本文中。

3.偵測器陣列(例如，SPAD)

圖12A及圖12B展示根據某些實施例之一基於SPAD之光感測器陣列層1200之一俯視圖。圖12A中展示之光感測器陣列層1200係感測器通道1210之二維陣列，其中各個別感測器通道可對應於例如接收器通道1055。因此，各感測器通道1210可包含如上文描述之一SPAD群組。在圖12A中展示之實例中，光感測器陣列1200係包含總計72個個別感測器通道1210之一18 x 4陣列。光感測器陣列1200亦包含陣列之頂部處之8個校準像素1220。校準像素1220可由例如一不透明表面覆蓋，使得其等未曝露至任何光且因此可用於量測暗計數。

圖12B展示感測器通道1210之一子集之一放大視圖，其繪 示各感測器通道1210可由一起協作用作一單一像素之個別SPAD 1212之一群組(陣列)形成。此一配置在SPAD用作光偵測器時係有利的，因為在一光子偵測事件之後，一SPAD遭受某一死區時間(deadtime)，在此期間，外部電路操作以淬熄SPAD，使得其準備好再次偵測。因此，一單一SPAD具有針對其可偵測之光強度(以光子/秒量測)之一上限。即，一單一SPAD無法偵測大於每淬熄時間一個光子之一光強度。如圖12B中展示，由於並非全部SPAD將同時飽和，所以將多個SPAD收集在一起增大可偵測之總強度。因此，N個SPAD之一集合可能夠用N倍於一單一SPAD之動態範圍進行偵測。

4.發射器陣列(例如，VCSEL)

圖13A及圖13B分別描繪根據某些實施例之一發射器陣列1300之簡化俯視圖及側視圖。發射器陣列1300可包含製造於一單一單片晶片1305上且其圖案匹配一對應感測器晶片上之光感測器像素之VCSEL發射器1310之二維陣列。在此實例中，發射器陣列1300 VCSEL陣列係16 x 4總計64個發射器通道1310以匹配上文圖12A中展示之中間64個偵測器通道。發射器陣列1300亦可包含複數個導線1320，可透過其等將用於驅動陣列1300中之各種發射器之信號傳輸至發射器。

如參考圖12A描述，光學發射器之單片VCSEL陣列可配置於TX側微光學封裝後方及TX側塊狀光學模組後方。各VCSEL發射器可輸出具有一初始直徑之一照明光束，該初始直徑實質上相同於(稍微大於)由孔徑層或微光學層之微透鏡之數值孔徑界定之一對應孔徑之直徑以確保由VCSEL發射之全部光或實質上全部光將傳輸至場中之物件。

5.塊狀光學件

在一些實施例中，本發明提供一種遠心光測距裝置，其具有一快速透鏡系統(例如，光圈數=1.0、1.2或1.4)及/或在光測距裝置用於汽車、卡車或其他車輛之自動駕駛導航中之障礙偵測及閃避時可能遇到之一指定溫度範圍內被動無熱之一透鏡系統。另外，塊狀光學系統擁有一低焦平面失真且光學元件之一或多者可經AR塗佈以使光學通量最大化且減少不同感測器通道間之雜散反射、重像(ghosting)及串擾。有利地，光學系統係影像空間遠心的且因此提供感測器陣列之偵測器通道(甚至陣列之外邊緣上之偵測器通道)之各者之一「直線行進」視圖(當從物件側觀察時)(各主光線垂直於焦平面而到達)。

如本文中使用，被動無熱描述一光學系統，其中由一透鏡系統聚焦於一陣列上之具有非零角大小之來自一擴大光源之光之光點品質不隨溫度改變而顯著改變。若透鏡系統之後焦距改變，且陣列保持在相對於後透鏡元件之相同位置中，則陣列上之光之光點品質將改變。如本文中使用，可藉由聚焦至影像平面上且由直徑為25μm之一圓所含之具有0.13度之角大小之來自一擴大光源之光之一分率界定光點品質。若光點品質針對一溫度範圍中之全部溫度保持高於50%，則一光機械系統被視為在該溫度範圍內被動無熱。所列出之直徑及角大小係例示性的且取決於微光學陣列中之孔徑大小、系統之焦距等。

圖14描繪根據一些實施例之在一寬溫度範圍內提供一熱穩定影像平面之一光學模組1400之一部分之一簡化示意圖。光學模組1400包含一陣列1410、一塊狀透鏡系統1420、一透鏡外殼1430及用於機械地耦合外殼與陣列之一座架1440。光學模組1400可表示光感測模組330之一實施例(在此情況中，陣列1410可為一光感測器陣列)或光發射模組340之 一實施例(在此情況中，陣列1410可為一發射器陣列)，且在一些實施例中，座架1440可表示圖9中展示之座架905之一部分。根據本發明之一些實施例之一光測距裝置可包含作為一光感測模組之一第一光學模組1400及作為一光發射模組之一第二模組1400。

陣列1410可為平面的(例如，在一10mm直徑之圓盤上方具有與一完美平面相差小於1mm峰谷值之不規則性)以易於製造(例如，在一半導體基板上形成塊狀陣列，其中一個陣列中存在複數個發射器或偵測器)。在一些實施例中，陣列1410可取決於光學模組1400是實施為一光感測模組還是一光發射模組而包含一微光學結構，諸如上文關於圖10論述之傳輸器微光學封裝1020或接收器微光學封裝1050。

如圖14中展示，透鏡系統1420可包含一第一透鏡1422、一第二透鏡1424、一第三透鏡1426及一第四透鏡1428。在一些實施例中，第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡安裝於透鏡外殼1430中。當實施為一成像器感測器之部分時(即，陣列1410係一光感測器陣列)，透鏡外殼1430、透鏡系統1420及座架1440經組態以在一溫度範圍內(例如，從攝氏-40度至攝氏85度、從攝氏-50度至攝氏95度、從攝氏-35度至攝氏60度、從攝氏-40度至攝氏105度、從攝氏-45度至攝氏110度或從攝氏-35度至攝氏100度)將來自透鏡系統之光被動地聚焦至光感測器陣列。在陣列中包含一微光學結構之實施例中，透鏡系統1420經組態以將來自透鏡系統之光被動地聚焦至微光學結構之孔徑層且微光學結構中之各種微光學組件可接著將在各個別微光學通道處接收之光聚焦至該通道之對應光感測器。

陣列可針對變化溫度保持在透鏡系統之影像平面處。材料可經選擇以減少成本、減少重量及/或將影像平面維持在陣列處。為減少 成本，第一透鏡1422、第二透鏡1424、第四透鏡1428可由塑膠(例如，OKP-1)製成，而第三透鏡1426可由玻璃製成(例如，以減小透鏡系統中之溫度變化)。第四透鏡之一頂點與影像平面之間的一標稱距離係8mm。在所展示之透鏡總成中，影像平面隨著溫度增加而朝向第四透鏡移動。此鑑於塑膠之折射率隨溫度增加而減小可能係反直覺的，此通常將推動影像平面遠離一塑膠透鏡，此係因為具有一較低折射率之一透鏡與具有一較高折射率之類似形狀之一塑膠凸透鏡相比將較不劇烈地折射光(即，較長焦距)(例如，根據透鏡製造公式(Lensmaker’s Equation)，其中焦距係與透鏡與空氣之折射率之間的一差異成反比，其中空氣之折射率等於1；亦參見司乃耳定律(Snell's Law))。一玻璃透鏡與兩個或兩個以上塑膠透鏡之組合可容許透鏡系統之有效焦距隨著溫度增加而減小，即使透鏡系統中之一或多個塑膠透鏡具有隨溫度增加之一焦距。

透鏡外殼1430(例如，由聚碳酸酯製成)可隨著溫度增加而伸長。在一些實施例中，座架1440在第三透鏡1426附近附接至透鏡外殼1430，使得第四透鏡1428在外殼溫度增加時向右移動。分離透鏡外殼1430與陣列1410之座架1440之材料隨溫度增加而膨脹，從而使透鏡外殼1430(例如，向左)移動離開陣列1410。同時，透鏡外殼1430隨著溫度增加而膨脹，從而使第四透鏡1428朝向陣列1410(例如，向右)移動。而且同時，後焦移使影像平面向左移動，如上文描述。藉由適當地選擇外殼材料CTE、座架材料CTE及外殼至座架介面位置，可藉由前述外殼膨脹及座架膨脹補償後焦移，使得影像平面在溫度範圍內保持與陣列近似重合。

在一些實施例中，座架1440可在玻璃透鏡(即，在一些實施例中，第三透鏡1426)附近與透鏡外殼1430耦合。在一些實施例中，座 架1440可在玻璃透鏡附近與透鏡外殼1430耦合，使得當透鏡系統1420之焦距相對於陣列1410(例如，遠離於陣列)移動時，最靠近陣列1410之透鏡系統1410之一透鏡(例如，第四透鏡1428)可相對於陣列1410(例如，朝向陣列)移動。在一些實施例中，附近可為透鏡外殼1430外部上最靠近玻璃透鏡之一點或線及/或在距點或線之+/-5mm或+/-10mm內。

使用Zemax光學設計程式針對從-5℃至70℃之一溫度範圍實驗性地驗證圖14中之透鏡系統之光點品質。在一些實施例中，當環境變得低於一特定溫度時，可有意地加熱LIDAR單元之內部。例如，當環境係-40℃時，LIDAR單元之內部組件可經加熱以將透鏡系統保持在-5℃或更高之一溫度。在一些實施例中，一光測距裝置可包含一溫度感測器及一加熱元件(例如，一電阻加熱器)，該加熱元件可在溫度下降至低於如由溫度感測器偵測之一預定位準時加熱透鏡系統。因此，可期望系統1400至少在從-40℃至70℃之溫度範圍(100度之一溫度範圍)內良好地執行。在各種實施例中，系統1400可在以下溫度範圍內提供一穩定影像平面：從0℃至32℃；從0℃至55℃；從-10℃至32℃；從-10℃至55℃；從-20℃至60℃；從-40℃至85℃；及其等之組合。在一些實施例中，溫度範圍可為從-40℃至105℃(145度之一溫度範圍)。

通常可期望用具有相當於透鏡之一熱膨脹係數(CTE)之材料製作透鏡外殼1430以避免加應力於透鏡。改變外殼材料亦可改變透鏡元件隨著溫度增加而展開之方式。在一些實施例中，透鏡外殼1430之材料CTE實質上未改變/調諧以防止降低光學效能。因此，透鏡外殼材料具有接近於透鏡之一CTE；且未考量外殼之全部可能材料，此係因為一些外殼材料具有充分不同於透鏡CTE之CTE，此將出現透鏡中之應力，此可導 致透鏡之光學效能之降級。

透鏡外殼1430之CTE可在一溫度範圍內與透鏡系統1420匹配，使得透鏡系統1420之一焦平面在該溫度範圍內相對於透鏡外殼1430係穩定的。在一些實施例中，座架1440之一熱係數與透鏡系統1420及/或與透鏡外殼1430之熱膨脹匹配，使得焦平面在該溫度範圍內相對於偵測器(例如，偵測器陣列)之一位置係穩定的。如本文中使用，若一焦平面在一溫度範圍內維持系統之偵測器處之一預定解析度，則該焦平面據稱在該給定溫度範圍內「穩定」。作為一實例，在一些實施例中，一預定解析度要求將光聚焦至偵測器處之一點以在一25微米圓中具有50%之光，在其他實施例中，一預定解析度要求將光聚焦至偵測器處之一點以在一20微米圓中具有80%之光。可選擇座架1440之材料之CTE，其中提醒座架1440之材料係強韌的及/或機械剛性的(較低CTE材料傾向於更強韌)。在此實例中，後焦移係負的(向左)而非正的(向右)之事實容許將一非常剛性玻璃填充聚合物或甚至一金屬(類似鎂或鋁)用於座架1440之分離材料。

圖15A、圖15B及圖15C描繪根據本發明之一些實施例之一光學模組1500。光學模組1500包含具有四個透鏡(其中僅兩個透鏡1522及1528在圖15A至圖15C中可見)之一透鏡系統1520及一外殼1530。透鏡系統1520可為例如透鏡系統1420，而外殼1530可為例如透鏡外殼1430。由於影像感測器通常非圓形，所以總成系統1500之透鏡通常無需為圓形。例如，與透鏡總成1500相關聯之一光感測器陣列可為窄且高的，因此可以一矩形方式夾住透鏡。製造矩形模製聚合物光學件通常係較容易且較不昂貴的，而將玻璃透鏡研磨成矩形形狀可為更昂貴的。第三透鏡(圖15A至圖15C中未展示)之直徑可界定透鏡系統之一最小寬度，藉此界定矩形 形狀之部分。藉由使用一圓形玻璃元件及矩形模製聚合物光學件，透鏡總成1500可相對容易且廉價地製造。

在一些實施例中，將兩個外殼儘可能靠近地放在一起(例如，接觸)，此係使玻璃透鏡(例如，透鏡3)保持小之另一原因。例如，光測距裝置可包含安裝於一第一外殼中之一第一透鏡系統、安裝於一第二外殼中之一第二透鏡系統、一感測器陣列及一發射器陣列。第一透鏡系統、第一外殼及感測器陣列可形成一第一單元。第二透鏡系統、第二外殼及發射器陣列可形成一第二單元。第一單元及第二單元可儘可能靠近地並排放置(例如，在一些實施例中隔開不超過2.5cm且在其他實施例中不超過5.0cm)，使得從第二單元發射且反射/散射之光由第一單元聚集在與第二透鏡系統從發射器陣列投射光類似之視場中。

透鏡系統1520可經設計為一快速透鏡系統。在一些實施例中，透鏡1520之光圈數在1.0與2.4之間(例如，1.2)。感測器陣列上之光點大小可在一20μm圓中具有80%之光。此外，透鏡系統1520可具有等於或小於100mm、50mm、35mm及/或20mm及/或等於或大於5mm、10mm、15mm、20mm及/或25mm之一軌跡長度。

在各種例項中，根據本發明之塊狀透鏡系統可包含：兩個或兩個以上塑膠透鏡及至少一個玻璃透鏡；兩個或兩個以上塑膠透鏡；及/或一或多個玻璃透鏡。在一些實施例中，微光學結構可如上文描述包含為陣列之部分。微光學件可針對陣列上之不同發射器及/或偵測器不同地修改光，而塊狀透鏡系統針對整個陣列修改光。在一些實施例中，存在針對各個別陣列元件之一或多個微光學元件。

圖16A描繪一光學模組1600之一實施例之一俯視圖，其可 為例如光學模組1500。在圖16A中識別橫截面A-A。圖16B描繪橫截面A-A之一實施例。如圖16B中展示，光學模組1600包含四個光學元件，包含：元件1622(例如，透鏡1)、元件1624(例如，透鏡2)、元件1626(例如，透鏡3)及元件1628(例如，透鏡4)；及一外殼1630。圖16C展示橫截面A-A之一放大部分。放大部分展示透鏡1624及透鏡1626可如何安裝於外殼1630中之一個實例。透鏡系統1600之孔徑光闌1625在透鏡1624與透鏡1626之間。孔徑光闌1625可用於將透鏡1624固定於外殼內。

圖16D描繪透鏡總成1600之一實施例之一側視圖。在圖16D中識別橫截面B-B。圖16E描繪橫截面B-B之一實施例。展示透鏡1、透鏡2、透鏡3、透鏡4及外殼。

圖17A描繪第一透鏡(透鏡1522)之一實施例之一橫截面。第一透鏡具有一第一表面S1及一第二表面S2。透鏡1522之第一表面S1及透鏡1之第二表面S2係球面的。第一透鏡之第一表面S1可為一凸面。第一透鏡之第二表面S2可為一凹面。從左向右行進之光可由第一透鏡聚焦。第一透鏡之第一表面可大於第一透鏡之第二表面以聚集透鏡系統之光(例如，減少透鏡系統之光圈數)。

圖17B描繪第二透鏡(透鏡1524)之一實施例之一橫截面。第二透鏡具有一第一表面S1及一第二表面S2。透鏡1524之第一表面S1及透鏡2之第二表面S2係非球面的。第二透鏡之第一表面S1可為一凸面。第二透鏡之第二表面S2可為平面、略凸或略凹的。從左向右行進之光可由第二透鏡去焦。

圖17C描繪第三透鏡(透鏡1526)之一實施例之一橫截面。第三透鏡具有一第一表面S1及一第二表面S2。透鏡1526之第一表面S1及 透鏡3之第二表面S2係球面的。作為實例，第三透鏡可具有等於或大於10mm且等於或小於20mm(例如，11mm、11.5mm、12mm、12.5mm、13mm、13.5mm、14及/或14.5mm)之一寬度(例如，直徑)。在一些實施例中，第三透鏡係一高折射率玻璃。在一些實施例中，玻璃之一折射率在100度之溫度範圍內未改變(例如，改變等於或小於0.05%)。第三透鏡之第一表面S1可為平面、略凸或略凹的。第三透鏡之第二表面S2可為凸面的。從左向右行進之光可由第三透鏡準直或稍微聚焦。

圖17D描繪第四透鏡(透鏡1528)之一實施例之一橫截面。第四透鏡具有一第一表面S1及一第二表面S2。透鏡4之第一表面S1及透鏡4之第二表面S2係非球面的。第四透鏡之第一表面S1可為凸面的。第三透鏡之第二表面S2可為凸面的。從左向右行進之光可聚焦至陣列。

藉由混合塑膠及玻璃透鏡以及混合非球面及球面透鏡，可製作用於自動駕駛車輛之一經濟、輕的、緊密及/或無熱光測距裝置。

在一些實施例中，透鏡系統具有一固定焦距(例如，在恆定溫度下之固定焦距；並非一變焦透鏡)。在一些實施例中，透鏡系統具有一固定焦距以減小透鏡系統之大小、重量、零件數目及/或複雜性。

圖18描繪具有三個透鏡(一第一透鏡1822；一第二透鏡1824及一第三透鏡1826)之一光學模組1800之一實施例。第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡安裝於一外殼1830中。一連接器1805耦合外殼與一感測器1810(例如，一陣列中之一感測器)。第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡可由塑膠(例如，OKP-1)製成。第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡係一透鏡系統1810之部分。透鏡系統1810經估計在一50℃溫度範圍內(例如，從0℃至50℃)具有約105μm之一焦移。外殼1830可由一高CTE材料製成， 及/或座架1840附接在透鏡1822附近以使透鏡系統1810之焦平面保持在陣列處。在圖18中之實施例中，使用聚碳酸酯(CTE=70ppm/C)且在距陣列25mm至35mm處將座架1840附接至外殼1830。在距陣列1810 30mm處附接至外殼之座架1840、歸因於外殼1830之熱膨脹之透鏡系統1810之透鏡之一移動、歸因於座架1840之熱膨脹之外殼1830之一移動及/或歸因於溫度改變之透鏡系統1810之一焦移之一組合經匹配以使透鏡系統之焦平面與陣列對準。

已出於繪示及描述之目的呈現本發明之例示性實施例之上文描述。其不旨在為窮盡性的或將本發明限於所描述之精確形式，且鑑於上文教示，許多修改及變化係可行的。選擇及描述實施例，以便說明本發明之原理及其實際應用以藉此使熟習此項技術者能在各種實施例中且結合適用於所設想特定用途之各種修改利用本發明。

作為一實例，雖然上文描述之各種實施例及實例已主要集中於將光測距應用於汽車或其他道路車輛使用案例之3D感測之背景內容內，但本文中揭示之系統可在不脫離本發明之範疇之情況下用於任何應用。根據本發明之一LIDAR系統之小或甚至微型外觀尺寸實現數種額外使用案例(例如，用於固態光測距系統)。作為特定實例，系統可用於裝置(諸如行動電話、平板PC、膝上型電腦、桌上型PC)內或其他周邊設備及/或使用者介面裝置內之3D攝影機及/或深度感測器。作為其他實例，可在一行動裝置內採用一或多個實施例以支援面部辨識及面部追蹤能力、眼睛追蹤能力及/或物件之3D掃描。其他使用案例包含行動裝置中之擴增及虛擬實境應用之前向深度攝影機。

其他應用包含將一或多個系統部署於空中載具(諸如飛機、 直升機、無人機及類似物)上。此等實例可提供3D感測及深度成像以協助導航(自動駕駛或以其他方式)及/或產生3D圖以供隨後分析，例如以支援地球物理、建築及/或考古分析。系統亦可安裝至固定物件及結構，諸如大樓、壁、柱、橋、鷹架及類似物。在此等情況中，系統可用於監測室外區域，諸如製造設施、組裝線、工業設施、施工現場、挖掘現場、道路、鐵路、橋等。此外，系統可安裝於室內且用於監測一大樓內之人及/或物件之移動，諸如一倉庫內之庫存之移動或一辦公樓、機場、火車站等內之人、行李或貨物之移動。

作為另一實例，雖然上文之各種實例包含IR或近IR波長中之雷射作為根據本發明之一些實施例之LIDAR系統中之發射器，但本發明之實施例不限於針對發射器之任何特定波長之光或其他類型之輻射。例如，在一些實施例中，發射器可為產生具有任何適合已知操作波長(包含可尤其適合於水下應用之一綠色(532nm)波長或可尤其可用於大氣LIDAR系統之UV波長)之脈衝之雷射。如受益於本發明之一般技術者將瞭解，光測距系統之許多不同應用係可行的且因而，本文中提供之實例僅出於闡釋性目的而提供且不應解釋為僅將此等系統之用途限於明確揭示之實例。

可在不脫離本發明之實施例之精神及範疇之情況下以任何適合方式組合上文描述之特定實施例之特定細節。然而，本發明之其他實施例可係關於與各個別態樣相關之特定實施例或此等個別態樣之特定組合。例如，為減小陣列上之一光點大小，可使用四個以上透鏡、可使用更多非球面及/或多個類型之塑膠。作為另一實例，在一些實施例中，可使用一彎曲偵測器及/或發射器。另外，在一些實施例中，使用三個透鏡而 非四個(例如，兩個透鏡塑膠的及一個透鏡玻璃的)。此等實例及其他實例包含於本發明之範疇內。

300‧‧‧旋轉光成像、偵測及測距(LIDAR)系統

305‧‧‧使用者介面硬體及軟體

310‧‧‧車輛控制單元

315‧‧‧旋轉致動器

320‧‧‧光測距裝置

330‧‧‧光感測模組

332‧‧‧感測器陣列

334‧‧‧接收器(Rx)光學系統

336‧‧‧處理器

338‧‧‧記憶體

340‧‧‧光傳輸模組

342‧‧‧發射器陣列

344‧‧‧傳輸(Tx)光學系統

346‧‧‧處理器

348‧‧‧記憶體

350‧‧‧光測距系統控制器

352‧‧‧處理器

354‧‧‧記憶體

360‧‧‧下電路板總成

362‧‧‧定子總成

364‧‧‧馬達驅動器電路

366‧‧‧基座控制器

372‧‧‧無線電力傳輸器

374‧‧‧旋轉編碼器

376‧‧‧光學下行鏈路接收器

378‧‧‧光學上行鏈路傳輸器

380‧‧‧上電路板總成

382‧‧‧轉子總成

392‧‧‧無線電力接收器

394‧‧‧旋轉編碼器接收器

396‧‧‧光學下行鏈路傳輸器

398‧‧‧光學上行鏈路接收器

Claims (20)

1. 一種光測距系統，其包括：一軸件；一第一電路板總成，其包含包括複數個定子元件之一定子總成，該複數個定子元件圍繞該軸件配置於該第一電路板總成之一表面上；一第二電路板總成，其可旋轉地耦合至該軸件，其中該第二電路板總成包含包括複數個轉子元件之一轉子總成，該複數個轉子元件圍繞該軸件配置於該第二電路板總成之一表面上，使得該複數個轉子元件與該複數個定子元件對準且隔開；一光測距裝置，其經耦合以與該第二電路板總成一起旋轉，該光測距裝置包含經組態以將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件之一光源及經組態以偵測從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料之偵測器電路；及一馬達驅動器電路，其安置於該第二電路板總成或該第一電路板總成上且經組態以將一驅動信號提供至該複數個定子元件，藉此在該複數個轉子元件上賦予一電磁力以驅動該第二電路板總成圍繞該軸件之一旋轉。
2. 如請求項1之光測距系統，其中該複數個轉子元件及該複數個定子元件圍繞該軸件對稱地配置。
3. 如請求項1之光測距系統，其中該第二電路板總成進一步包含安置於該第二電路板總成之一電路板上且圍繞該軸件對稱地配置之複數個光學上 行鏈路接收器。
4. 如請求項3之光測距系統，其中該複數個轉子元件與複數個光學上行鏈路接收器相比距該軸件更遠。
5. 如請求項1之光測距系統，其中該第一電路板總成進一步包含安置於該第一電路板總成之一電路板上且圍繞該軸件對稱地配置之複數個光學上行鏈路傳輸器。
6. 如請求項5之光測距系統，其中該軸件與該複數個定子元件之各者之間的一距離大於該軸件與複數個光學上行鏈路傳輸器之各者之間的一距離。
7. 如請求項1之光測距系統，其中該複數個定子元件包含複數個螺線管線圈，該複數個螺線管線圈之各者配置成圍繞該軸件之一環。
8. 如請求項7之光測距系統，其中該複數個定子元件之各者具有垂直於該第一電路板總成之一縱向軸且包括環繞磁性材料之一芯之一螺線管線圈，其中該複數個轉子元件中之各轉子元件包括一磁體，該磁體使其磁極相對於相鄰於該轉子元件之磁體之磁極而配置。
9. 如請求項8之光測距系統，其中該複數個定子元件中之定子元件之一數目係三的倍數且該光測距系統進一步包括耦合至該複數個定子元件且經 組態以將一3相交流信號提供至該複數個定子元件之一馬達驅動器電路。
10. 如請求項8之光測距系統，其中該複數個轉子元件包含複數個永久磁體。
11. 如請求項1之光測距系統，其中該複數個定子元件包含配置成圍繞該軸件之一環之複數個永久磁體，且該複數個轉子元件包括配置成圍繞該軸件之正對於該複數個永久磁體之一環之複數個螺線管線圈。
12. 如請求項11之光測距系統，其中該複數個定子元件包含至少12個定子元件。
13. 如請求項1至12中任一項之光測距系統，其中該第二電路板總成進一步包含經組態以透過該軸件內之一中心孔傳輸來自該光測距裝置之測距資料之一光學下行鏈路傳輸器，且其中該第一電路板總成進一步包含經組態以經由該軸件內之該中心孔接收來自該光學下行鏈路傳輸器之測距資料之一光學下行鏈路接收器。
14. 如請求項1之光測距系統，其中該第一電路板總成包括經組態以將電力傳輸至電連接至該第二電路板總成之該光測距裝置之一無線電力傳輸子系統，該無線電力傳輸子系統包括安置於該第一電路板總成上且圍繞該軸件安置之一傳輸器線圈，其中該第二電路板總成包括經組態以接收來自該無線電力傳輸子系 統之電力之一無線電力接收器子系統，該無線電力接收器子系統包括安置於該第二電路板總成上且圍繞該軸件安置之一接收器線圈。
15. 如請求項1至12中任一項之光測距系統，其中：該軸件具有一縱向軸；該第二電路板總成與該第一電路板總成隔開且與該第一電路板總成呈一相對關係；及該馬達驅動器電路在該複數個轉子元件上賦予一電磁力以驅動該第二電路板總成圍繞該軸件之該縱向軸之一旋轉。
16. 一種光測距系統，其包括：一固定殼體，其具有一光學透明窗及一基座；一中空軸件，其安置於該殼體內；一軸承系統，其耦合至該中空軸件；一第一電路板總成，其安置於該殼體內且與垂直於該中空軸件之一第一平面平行，該第一電路板總成包含包括複數個均勻間隔之定子元件之一定子總成，該複數個均勻間隔之定子元件圍繞該軸件環狀地配置於該第一電路板總成之一表面上；一第二電路板總成，其平行於該第一平面安置於該殼體內且藉由該軸承系統可旋轉地耦合至該軸件，其中該第二電路板總成包含包括複數個均勻間隔之轉子元件之一轉子總成，該複數個均勻間隔之轉子元件圍繞該軸件環狀地配置於該第二電路板總成之一表面上，使得該複數個轉子元件與該複數個定子元件對準且隔開； 一光測距裝置，其經耦合以與該固定殼體內之該第二電路板總成一起旋轉，該光測距裝置包含經組態以透過該窗將光脈衝傳輸至一周圍環境中之物件之一光源及經組態以偵測透過該窗接收之從該周圍環境中之該等物件反射之該等光脈衝之反射部分且基於該等光脈衝之該反射部分計算測距資料之偵測器電路；及一馬達驅動器電路，其安置於該第二電路板總成或該第一電路板總成上且經組態以將一驅動信號提供至該複數個定子元件，藉此在該複數個轉子元件上賦予一電磁力以驅動該第二電路板總成及該光測距裝置圍繞該軸件之一旋轉。
17. 如請求項16之光測距系統，其進一步包括：一第一光學通信通道，其經組態以透過該中空軸件在該第一電路板總成與該第二電路板總成之間光學地傳輸資料，該第一光學通信通道包含耦合至安置於該第一電路板總成上之電路之一第一光學組件及耦合至安置於該第二電路板總成中之電路之一第二光學組件；及一第二環形光學通信通道，其圍繞該中空軸件且經組態以在該第一電路板總成與該第二電路板總成之間光學地傳輸資料，該環形光學通信通道包含耦合至安置於該第一電路板總成上之電路之一第一環形光學組件及耦合至安置於該第二電路板總成中之電路之一第二環形光學組件。
18. 如請求項17之光測距系統，其中該第一光學通信通道係經組態以將來自該光測距裝置之測距資料傳輸至耦合至該第一電路板子總成之一處理器之一下行鏈路通道且該第二光學通信通道係經組態以將來自該處理器之 控制信號傳輸至該光測距裝置之一上行鏈路通道。
19. 如請求項16之光測距系統，其進一步包括耦合至該第一電路板總成之一熱擴散元件，其中該光測距系統之組件經組態以透過該軸承系統及該熱擴散元件將來自該第二電路板總成之熱傳導至該基座。
20. 如請求項16至19中任一項之光測距系統，其中該複數個均勻間隔之定子元件之各者具有垂直於該第一電路板總成之一縱向軸且包括環繞磁性材料之一芯之一螺線管線圈，其中該複數個均勻間隔之轉子元件中之各轉子元件包括一磁體，該磁體使其磁極相對於相鄰於該轉子元件之磁體之磁極而配置。

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