具有光纤尖端重新成像的LIDAR系统

摘要

提供了一种光检测和测距系统即LIDAR系统500，该光检测和测距系统即LIDAR系统提供有第一和第二光学扫描镜506、508，该第一和第二光学扫描镜使得从光纤的尖端504发射的激光束转向以扫描场景510，并且收集返回到光纤尖端504的入射到场景的任意对象上的光。LIDAR系统500还包括位于光纤和扫描镜506之间的重新成像透镜512，以及位于扫描镜和场景之间的光学器件514。重新成像透镜512将从光纤504发射的激光束聚焦在第一扫描镜的旋转中心处或第一扫描镜的旋转中心附近，由此在旋转中心处或第一扫描镜的旋转中心附近对光纤尖端重新成像，激光束作为发散激光束从旋转中心被反射。并且该光学器件被配置为准直或会聚来自第一扫描镜506的向所述场景510发出的发散激光束。第一和第二光学扫描镜506、508绕正交轴线旋转使得激光束穿过根据扫描图案的场景510转向。在一些示例中，第一扫描镜506以比第二扫描镜508更快的角速度旋转以扫描根据扫描图案的场景510。在一些示例中，光学器件是可选地位于第二扫描镜508和场景510之间的准直器514。在一些示例中，准直器514可以与被配置为会聚来自扫描镜的发散激光束的聚焦透镜放置在一起以产生聚焦激光束。

说明书

相关申请

本申请要求于2018年10月24日提交的美国专利申请16/169,633的35U.S.C.119(e)下的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请一般涉及光检测和测距(LIDAR)，特别是涉及提供了跨两个维度对距离和速度进行同时测量的多波长LIDAR。

背景技术

快速扫描镜是当今大多数LIDAR系统中用于照明场景的主要组件。如图1A所示，一个镜通常沿着X方向(水平)快速扫描，而另一镜沿着Y方向(仰角)缓慢扫描。在目标反射时，发射光的同一通道检测到光，通常是单模光纤。收集到的光具有用于提取距离信息的更改的频特征。与来自振镜(galvo)马达的角度反馈相结合来处理距离信息可以形成3D点云。

为了在维持每帧的相同点数的情况下增加帧频，增加了X振镜速率。在长距离处比100Hz更快地(大于3000度/秒)扫描振镜严重劣化目标信号。这是因为在激光信号(扫频)传播到远处目标并返回到扫描系统的时间期间，镜由于其高旋转速度而移动。如图1B所示，快速扫描镜的这种轻微角度偏差使得光纤尖端处的目标信号未对准。对于具有小光纤尖端纤芯直径(例如，典型的单模光纤的直径～10-um)的系统，这种偏移可以显著劣化检测到的信号强度。图2示出典型LIDAR系统中光纤耦合效率相对于扫描镜的旋转速度的曲线图。

发明内容

本申请的示例实现涉及具有相干检测的LIDAR系统的改进的扫描仪。本申请的示例实现基于一种使用频率调制(FM)和相干检测的LIDAR来克服传统LIDAR系统的缺点和现有FM LIDAR系统的限制。从历史上看，FM LIDAR系统在光束返回路径上遭受显著损失；因此，这种通常相当庞大的系统需要更高的光束输出功率来测量与飞行时间(TOF)LIDAR系统可比的距离。此外，距离受眼睛安全输出功率的操作距离的限制。

本申请的示例实现被配置为使用相干检测同时测量距离和速度，并且具有对来自其它LIDAR系统的串扰的抗扰性的附加益处。示例实现最小化光束返回路径中的光学损耗，由此增加系统的测量距离。此外，通过使用非简并激光源，示例实现可以利用在集成硅光子学中经常使用的成熟的波分复用(WDM)技术，由于其在不同环境条件下的紧凑性和相对稳定性，这是期望的平台。

如上所述，目标信号返回时光纤尖端处的离心是上述光纤耦合劣化的主要来源。本申请的示例实现通过将光纤尖端重新成像到快速扫描镜上来去除该离心误差。根据示例实现，将光纤尖端以人工方式配置在扫描镜的旋转中心处或扫描镜的旋转中心附近，并且关于该点的任意旋转都被观察为倾斜而不是离心。

示例实现的另一优点是，其上重新成像有光纤尖端的镜可以被制成非常小，并且可以使用二维(2D)微机电系统(MEMS)镜。这消除了对第二Y镜的需要，并且减小了系统的总体大小。该配置将仍跟随有准直透镜。

因此，本申请包括但不限于以下示例实现。

一些示例实现提供了一种光检测和测距系统即LIDAR系统，包括：有源光学电路，其被配置为生成激光束并检测返回激光束；光学扫描系统，其至少包括：光纤，其被配置为将激光束引导到发射所述激光束的光纤尖端；扫描镜，所述扫描镜能够绕至少一个轴旋转使得所述激光束转向以扫描场景，并且将入射到所述场景中的任意对象上的光收集成返回到所述光纤尖端的返回激光束，所述光纤被配置为将所述返回激光束从所述光纤尖端引导到所述有源光学电路；重新成像透镜，其位于所述光纤和所述扫描镜之间，并且被配置为将从所述光纤发射到所述扫描镜的所述激光束会聚到所述扫描镜的旋转中心处或旋转中心附近，并且由此在所述旋转中心处或所述旋转中心附近对所述光纤尖端重新成像，所述扫描镜被配置为将所述激光束作为发散激光束反射；以及光学器件，其位于所述扫描镜和所述场景之间，并且被配置为准直或会聚来自所述扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景发出的准直激光束或聚焦激光束；以及信号处理器，其被配置为根据所述返回激光束确定目标的距离。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的LIDAR系统的一些示例实现中，所述光学扫描系统的所述光学器件是准直器，所述准直器被配置为准直来自所述扫描镜的所述发散激光束，以产生朝向所述场景发出的准直激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的LIDAR系统的一些示例实现中，所述光学扫描系统的所述光学器件是聚焦透镜，所述聚焦透镜被配置为会聚来自所述扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景发出的聚焦激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的LIDAR系统的一些示例实现中，所述光学扫描系统的所述扫描镜能够绕多个正交轴旋转使得所述激光束在多个维度上转向以扫描所述场景。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的LIDAR系统的一些示例实现中，所述光学扫描系统的所述扫描镜是第一扫描镜，并且所述光学扫描系统还包括第二扫描镜，所述第一扫描镜和所述第二扫描镜能够绕正交轴旋转使得所述激光束在多个维度上转向以扫描所述场景，所述第一扫描镜能够以比所述第二扫描镜更快的角速度旋转来扫描所述场景。

一些示例实现提供了一种光学扫描系统，包括：光纤，其被配置为将激光束引导到发射所述激光束的光纤尖端；扫描镜，其能够绕至少一个轴旋转使得所述激光束转向以扫描场景，并且将入射到所述场景中的任意对象上的光收集成返回到所述光纤尖端的返回激光束，所述光纤被配置为引导来自所述光纤尖端的所述返回激光束；重新成像透镜，其位于所述光纤和所述扫描镜之间，并且被配置为将从所述光纤发射到所述扫描镜的所述激光束会聚到所述扫描镜的旋转中心处或旋转中心附近，并且由此在所述旋转中心处或旋转中心附近对所述光纤尖端重新成像，所述扫描镜被配置为将所述激光束作为发散激光束反射；以及光学器件，其位于所述扫描镜和所述场景之间，并且被配置为准直或会聚来自所述扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景发出的准直激光束或聚焦激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件是准直器，所述准直器被配置为准直来自所述扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景发出的准直激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件是聚焦透镜，所述聚焦透镜被配置为会聚来自所述扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景发出的聚焦激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述扫描镜能够绕多个正交轴旋转使得所述激光束在多个维度上转向以扫描所述场景。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件是准直器，所述准直器被配置为准直来自所述扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景发出的准直激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件是聚焦透镜，所述聚焦透镜被配置为会聚来自所述扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景发出的聚焦激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述扫描镜是第一扫描镜，并且所述光学扫描系统还包括第二扫描镜，所述第一扫描镜和所述第二扫描镜能够绕正交轴旋转使得所述激光束在多个维度上转向以扫描所述场景，所述第一扫描镜能够以比所述第二扫描镜更快的角速度旋转来扫描所述场景。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述第一扫描镜能够绕方位角轴旋转，并且所述第二扫描镜能够绕仰角轴旋转，以扫描所述场景。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件位于所述第一扫描镜和所述第二扫描镜之间。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件是准直器，所述准直器被配置为准直来自所述第一扫描镜的所述发散激光束，以产生被所述第二扫描镜反射并且向所述场景发出的准直激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件是聚焦透镜，所述聚焦透镜被配置为会聚来自所述第一扫描镜的所述发散激光束，以产生被所述第二扫描镜反射并且向所述场景发出的聚焦激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述第二扫描镜位于所述第一扫描镜与所述场景之间，并且所述光学器件位于所述第二扫描镜与所述场景之间，并且由此位于所述第一扫描镜与所述场景之间。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件是准直器，所述准直器被配置为准直来自所述第二扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景发出的准直激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述光学器件是聚焦透镜，所述聚焦透镜被配置为会聚来自所述第二扫描镜的所述发散激光束，以产生向所述场景反射发出的聚焦激光束。

在任意先前示例实现或先前示例实现的任意组合的光学扫描系统的一些示例实现中，所述激光束是多个激光束，并且所述光纤是被配置为将所述多个激光束引导到发射所述多个激光束的光纤尖端的光纤的阵列。

通过阅读下面的详细描述和下面简要描述的附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得清楚。本发明包括本发明中所提出的两个、三个、四个或更多个特征或要素的任意组合，而无论这些特征或要素在这里所描述的特定示例实现中是否被明确组合或以其他方式叙述。本发明意在整体阅读，使得本发明在任意方面和示例实现中的任意可分离特征或要素都应被视为可组合的，除非本发明的上下文清楚地另有说明。

因此，将要理解，提供该简要概述仅是为了总结一些示例实现以便提供对本发明的某些方面的基本理解。因此，将要理解，上述示例实现仅是示例，并且不应被解释为以任意方式缩小本公开的范围或精神。通过以下结合附图的详细描述，其他示例实现、方面和优点将变得清楚，附图举例说明了一些所描述的示例实现的原理。

附图说明

因此，在概括地描述了本发明的示例实现后，现在将参考不一定按比例绘制的附图，并且其中：

图1A和1B示出用于操纵激光束以扫描场景的典型的光检测和测距(LIDAR)系统的光学扫描系统，并且示出返回激光束在光纤尖端处的离心；

图2是典型的LIDAR系统中光纤耦合效率相对于扫描镜旋转速度的曲线图；

图3示出根据本发明的示例实现的LIDAR系统；

图4是根据一些示例实现的图3的LIDAR系统中的光纤耦合效率相对于扫描镜旋转速度的曲线图；

图5、6、7、8、9和10示出根据各种示例实现的图3的LIDAR系统的光学扫描系统的方面；以及

图11示出根据一些示例实现的配置有多个光束的图3的LIDAR系统。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述本发明的一些实现，其中示出了本发明的一些实现，但不是全部实现。确实，本发明的各种实现可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为仅限于这里提出的实现；相反，提供这些示例实现使得本发明将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。例如，这里可以参考定量测量、值、关系等(例如，平面、共面、垂直)。除非另有说明，这些中的任意一个或多个(如果不是全部)都可以是绝对的或近似的，以考虑可能发生的可接受的变化，诸如由于工程公差等引起的变化等。相同的附图标记始终指相同的要素。

本申请的示例实现涉及改进的LIDAR系统。LIDAR系统可以在任意感测环境中实现，诸如但不限于运输、制造、计量、医疗和安全系统等。例如，在汽车工业中，这种装置可以辅助用于自主驾驶员辅助系统或自主驾驶运载工具的空间感知。此外，它可以帮助移动的运载工具的速度校准，而无需单独的惯性运动单元(IMU)。在其它示例中，LIDAR系统可以提供能够用于分析缺陷、诊断、图像处理或其它应用的数据。

图3示出根据本申请的示例实现的LIDAR系统300。LIDAR系统包括多个组件中的各个组件的一个或多个组件。这里示出并描述了许多示例组件。应当理解，在各种实现中，LIDAR系统可以省略一个或多个组件，或者包括与本文所示和所述的组件相比附加的或可选的组件。如图所示，LIDAR系统包括被配置为生成、放大和检测光信号等的有源光学电路302。在一些示例中，有源光学电路包括不同波长的激光器、光学放大器和光检测器。

LIDAR系统300包括无源光学电路304，该无源光学电路304具有一个或多个波导以将光学信号路由和操控到有源光学电路302的适当输入/输出端口。无源光学电路可以包括一个或多个光学组件，诸如搭接处(tap)、波分复用器(WDM)、分路器/组合器、偏振分束器(PBS)、Mach-Zehnder干涉器、调制器、光衰减器、环行器、准直器等。

光学扫描系统306包括一个或多个扫描镜，该扫描镜可由振镜(galvos)沿相应正交轴旋转来操纵光信号以扫描根据扫描图案的场景。光学扫描系统还将入射到场景中的任意对象上的光收集到返回到无源光学电路304的返回激光束中。除了镜和振镜之外，光学扫描系统还可以包括诸如波片、透镜、滤光片和抗反射(AR)涂层窗口等组件。

为了控制并支持有源光学电路302、无源光学电路304和光学扫描系统306，LIDAR系统300包括被配置为用作系统的中央处理单元的LIDAR数字信号处理器(DSP)308。LIDARDSP被配置为输出用于激光驱动器310的数字控制信号，该激光驱动器310被配置为调制激光以提供光信号。数模转换器(DAC)312可以向激光驱动器提供信号。

LIDAR DSP 308被配置为输出用于光学扫描系统306的数字控制信号。运动控制软件子系统314可以控制光学扫描系统的振镜。DAC 316可以将来自LIDAR DSP的坐标路由信息转换为可由振镜解释的信号。模数转换器(ADC)318可以反过来将与振镜的位置有关的信息转换为可由LIDAR DSP解释的信号。

LIDAR DSP 308还被配置为分析输入的数字信号。在一些示例中，目标接收器320测量承载有与目标距离有关的信息的光信号。在其它示例中，目标接收器测量以拍频、调制光信号的形式承载与目标的距离和速度有关的信息的光信号。在一些示例中，LIDAR DSP被配置为根据多个信号或周期性信号确定或以其他方式产生目标或包括该目标的场景的距离的多个测量，或者产生目标或包括该目标的场景的距离和速度的多个测量，并根据该测量产生诸如多维点云等的场景的多维(例如，3D，4D)表示。ADC 322将来自目标接收器的信号转换为可由LIDAR DSP解释的信号。

在一些应用中，LIDAR系统300可以附加地包括被配置为拍摄场景图像的照相机324和被配置为提供系统的地理地点的基于卫星的导航接收器326。计算机视觉处理器328被配置为接收图像和地理地点，并将该图像和该地点或与其相关的信息发送到LIDAR DSP308。

在根据一些示例的操作中，LIDAR系统300被配置为使用非简并激光源跨两个维度对距离和速度进行同时测量。该功能允许对周围环境(场景)进行实时、长距离的4D测量(距离、速度、方位角和仰角)。系统将多个调制激光束指向同一目标。

在一些示例中，扫描处理从激光驱动器310和LIDAR DSP 308开始。LIDAR DSP指示激光驱动器独立地调制激光，并且这些调制的信号通过无源光学电路304传播到准直器。准直器将光导引到光学扫描系统306，光学扫描系统306在运动控制软件子系统314所定义的预编程模式下扫描环境。

收集到的光信号穿过光学电路304、302到目标接收器320。在一些示例中，LIDAR系统300包括每个光束两个目标接收器。目标接收器测量用与环境有关的距离和速度信息编码的光信号。从目标返回的各个光束信号产生时移波形。两个波形之间的时间相位差生成在有源光学电路302中的光检测器上测量到的拍频。

使用ADC 322将来自目标接收器320的模拟信号转换为数字信号。然后将数字信号发送到LIDAR DSP 308。LIDAR DSP 308还接收来自运动控制软件子系统314和振镜的位置数据以及来自计算机视觉处理器328的图像数据。

计算机视觉处理器328从照相机324收集二维(2D)图像并将数据发送到LIDAR DSP308。然后，系统软件用图像数据覆盖多维表示(例如，4D点云)以确定周围区域中的对象的速度和距离。系统还处理基于卫星的导航地点数据以提供精确的全球地点。

如背景技术和发明内容章节中所述，当扫描镜以增加的旋转速率旋转时，传统的LIDAR系统遭受劣化的目标信号。在激光信号(扫频)到达目标并返回到扫描系统所需的时间期间，镜由于其旋转速度而移动，并且快速扫描镜的这种轻微角度偏差使得光纤尖端处的目标信号未对准。本申请的示例实现通过将光纤尖端重新成像到诸如快速扫描镜等的扫描镜之一来去除该离心误差。根据示例实现，将光纤尖端以人工方式配置在扫描镜的旋转中心处或扫描镜的旋转中心附近，并且关于该点的任意旋转都被观察为倾斜而不是离心。图4示出根据本申请的一些示例实现的图3的LIDAR系统中的光纤耦合效率相对于扫描镜旋转速度的曲线图。

图5示出根据一些示例实现的可以与图3的LIDAR系统300的光学扫描系统306相对应的光学扫描系统500。如图所示，光纤502被配置为将激光束引导到发射激光束的光纤尖端504。光学扫描系统包括一对镜506、508(稍后被识别为第一扫描镜和第二扫描镜)，镜506、508绕正交轴旋转来根据扫描图案操纵激光束穿过场景510。同一系统将场景中所有对象所反射的光收集到光纤尖端。光纤将返回激光束从光纤尖端引导到(例如，在有源光学电路302中)被配置为检测返回信号的光检测器。

如图所示，光学扫描系统500还包括在光纤和第一扫描镜之间的重新成像透镜512，以及在第一扫描镜506和第二扫描镜508之间的准直器514。重新成像透镜将从光纤502发射的激光束聚焦在第一扫描镜的旋转中心516处或第一扫描镜的旋转中心516附近，由此在旋转中心处或旋转中心附近对光纤尖端重新成像。第一扫描镜将激光束作为发散激光束反射到准直透镜。该透镜准直随后被第二扫描镜向场景反射的发散激光束。

在一些示例中，如图所示，第一扫描镜506可以以比第二扫描镜508更快的角速度旋转以根据扫描图案扫描场景。此外如图所示，第一扫描镜可沿方位角轴(x轴)旋转，第二扫描镜可沿仰角轴(y轴)旋转，以根据扫描图案扫描场景。

在一些示例中，准直器514可以更一般地位于快速扫描镜506和场景510之间。在包括如图所示的两个扫描镜506、508的示例中，这可以包括位于它们之间的准直器。在其它示例中，准直器可以位于第二扫描镜508和场景510之间。

在一些示例中，准直器514可以由被配置为会聚来自扫描镜的发散激光束以产生聚焦激光束的聚焦透镜来代替。然后，光学扫描系统500可以更一般地包括被配置为准直或聚焦发散激光束的光学器件。

对于本发明所涉及的本领域的技术人员来说，将想到本申请所提出的许多修改和其它实现，这些修改和其它实现具有本发明在前述描述和相关附图中呈现的教导益处。光学扫描系统的其它恰当配置如图6～10所示。在图5所示的光学扫描系统中，准直器位于扫描镜之间，或者位于第一扫描镜和场景之间。在其他示例实现中，准直器仍位于第一扫描镜和场景之间，但也位于第二扫描镜和场景之间。根据一些示例实现，这在图6中示出可以与图3的LIDAR系统300的光学扫描系统306相对应的另一光学扫描系统600。

如图7和8所示，在一些示例实现中，光学扫描系统700、800包括代替准直器514的聚焦镜714，该聚焦镜714可以与其它示例实现中的准直器类似地定位。然后，各种示例实现的光学扫描系统可以更一般地包括被配置为对发散激光束进行准直或会聚的光学部件。

在其它示例实现中，光学扫描系统包括比图5至8所示的两个扫描镜更多或更少的扫描镜。在这些示例实现中的一些示例实现中，光学扫描系统包括可沿多个正交轴旋转来在多个维度上操纵激光束以扫描场景的扫描镜。这些示例可以类似地包括诸如准直器或聚焦透镜等的扫描镜和场景之间的光学器件。在图9和图10中示出包括多维扫描镜的示例，该示例示出光学扫描系统900、1000。

然而在其它示例实现中，光学扫描系统可以生成并检测多个激光束。在这些示例中的一些示例中，激光束是多个激光束，并且光纤是耦合到有源光学电路的光纤的阵列，并且被配置为将多个激光束引导到发射多个激光束的光纤尖端。在这些示例中，激光束之间的角度间隔可以是从阵列到光学器件的焦距和光纤间距的函数。图11示出用于多个激光束的阵列1102和准直器1104的示例。

因此，应当理解，本公申请不限于所公开的具体实现，并且修改和其它实现旨在被包括在所附权利要求书的范围内。此外，尽管前述描述和相关附图描述了在要素和/或功能的某些示例组合的上下文中的示例实现，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以通过可选实现来提供要素和/或功能的不同组合。在这一点上，例如，还考虑了与明确的上述那些要素和/或功能的不同组合，如在一些所附权利要求中所提出的。尽管本文中使用了特定术语，但它们仅用于一般和描述性的意义上，而不是用于限制的目的。