[发明专利]用于基于LIDAR的3-D成像的集成照射和检测

说明书

本文描述了一种利用高度集成LIDAR测量装置执行三维LIDAR测量的方法和系统。在一个方面中，照射源、检测器和照射驱动器被集成在单一印刷电路板上。另外，在一些实施例中，相关的控制和信号调节电子器件也集成在公共的印刷电路板上。此外，在一些实施例中，照射驱动器和照射源集成在被独立地封装并附接到印刷电路板的公共氮化镓基板上。在另一方面中，从照射源发射的照射光和被朝向检测器引导的返回光在该集成LIDAR测量装置内共用一公共光学路径。在一些实施例中，返回光通过分束器与照射光分开。在一些其他实施例中，该光学设计避免了与分束器相关的损失。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2017年1月31日提交的题为“Integrated Illumination andDetection for LIDAR Based 3-D Imaging”的美国专利申请序列号15/420,384的优先权，后者依据35 U.S.C.§119要求2016年3月19日提交的题为“Integrated Illumination andDetection for LIDAR Based 3-D Imaging”的美国临时专利申请序列号62/310,670的优先权，它们的主题被整体以引用方式并入本文。

技术领域

所描述的实施例涉及基于LIDAR的3-D点云测量系统。

背景技术

LIDAR系统采用光脉冲、基于每个光脉冲的飞行时间(TOF)来测量至一物体的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远处的物体相互作用。一部分光从所述物体反射并返回到LIDAR系统的检测器。基于光脉冲的发射和检测到返回的光脉冲之间经过的时间来估算距离。在一些示例中，光脉冲由激光发射器产生。光脉冲通过透镜或透镜组件聚焦。测量激光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所花费的时间。距离是从时间测量中高精度地得出的。

一些LIDAR系统采用单一激光发射器/检测器组合与旋转镜组合以有效地扫描平面。由这样的系统执行的距离测量实际上是二维的(即，平面的)，并且所捕获的距离点被形成2-D(即，单一平面)点云。在一些示例中，旋转镜以非常快的速度(例如，每分钟数千转)旋转。

在许多操作场景中需要3-D点云。已经采用了许多方案来三维地询问周围的环境。在一些示例中，2-D仪器通常在万向节上上下和/或前后动作。这在本领域中通常称为使传感器“眨眼”或“点头”。因此，可以采用单一光束LIDAR单元来捕获整个3-D距离点阵列，尽管一次一个点。在相关示例中，采用棱镜将激光脉冲“划分”成多个层，每个层具有略微不同的竖直角度。这模拟了上述的点头效果，但传感器本身没有动作。

在所有的上述示例中，单一激光发射器/检测器组合的光路径被设法改变以实现比单一传感器更宽的视场。由于单一激光器的脉冲重复率的限制，这种装置每单位时间能够产生的像素数固有地受到限制。光束路径的任何改变，无论是通过镜子、棱镜还是实现更大覆盖区域的该装置的动作，都以降低点云密度为代价。

如上所述，3-D点云系统存在若干种配置。但是，在许多应用中，有必要看到广泛的视场。例如，在自主车辆应用中，竖直的视场应尽可能向下延伸，以便看到车辆前方的地面。此外，如果汽车在道路上倾斜，竖直的视场应该在地平线上方延伸。此外，必须在现实世界中发生的动作与这些动作的成像之间具有最小的延迟。在一些示例中，可以期望每秒提供至少五次的完整的图像更新。为了满足这些要求，开发了一种包括多个激光发射器和检测器阵列的3-D LIDAR系统。该系统在2011年6月28日授权的美国专利No.7,969,558中描述了，其主题被整体以引用方式并入本文。

在许多应用中，脉冲的序列被发射。每个脉冲的方向依次、快速连续地变化。在这些示例中，与每一个单个脉冲相关联的距离测量可以被认为是像素，并且被快速连续发射和捕获的像素集合(即，“点云”)可以呈现为图像或出于其他原因(例如，检测障碍物)被进行分析。在一些示例中，采用查看软件将得到的点云渲染为对用户来说显示为三维的图像。可以使用不同的方案将该距离测量结果描绘成看似好像是通过实景摄像机拍摄的3-D图像。