使用旋转凹面镜和光束转向设备的组合的2D扫描高精度LiDAR的制作方法

使用旋转凹面镜和光束转向设备的组合的2d扫描高精度lidar
1.本技术是基于申请日为2017年12月20日、申请号为2017800032023、发明名称为“使用旋转凹面镜和光束转向设备的组合的2d扫描高精度lidar”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本公开整体涉及光检测和测距(lidar)，并且更具体地涉及用于扫描连续的光脉冲以照射视场中的物体并同轴地收集来自每个光脉冲的散射光以用于对视场中的物体进行测距的系统。


背景技术：

3.为了减小lidar系统的尺寸，努力实现片上微机电系统(mems)使光脉冲转向以照射视场中的物体。这种片上解决方案减小了lidar系统的尺寸。然而，这些片上mems设计通常产生几毫米(小于5)或更小的光学孔横截面，这使得难以将位于较远距离(例如，100米)的物体反射的光脉冲和背景噪声信号进行区分。已经发现的是，较大的光学孔横截面提高了光的信噪比。然而，由于其系统配置，典型的lidar系统可能比较笨重并且价格不菲。这些系统可能不容易与车辆进行集成和/或可能与车辆集成的成本过高。因此，期望的是具有减小的尺寸和成本的高精度lidar系统。高精度lidar系统面临的一些挑战是减小lidar系统的尺寸，同时增大横截面收集光学孔。


技术实现要素：

4.下文呈现了一个或多个示例的简要概述以便提供对本公开的基本理解。本发明内容不是对所有预期示例的充分综述，也并非意图确定所有示例的关键或决定性元素或者界定任何或所有示例的范围。其目的是以简化的形式呈现一个或多个示例的一些概念，以作为下文呈现的更详细的描述的序言。
5.根据一些实施方案，提供了一种光检测和测距(lidar)扫描系统。该系统包括被配置为提供一个或多个第一光脉冲的第一光源。该系统还包括光学耦合到第一光源的一个或多个光束转向装置。每个光束转向装置包括可旋转凹面反射器和光束转向设备，该可旋转凹面反射器和光束转向设备设置在这样的位置，该位置使得由可旋转凹面反射器或光束转向设备引导的光脉冲能够被光束转向设备或可旋转凹面反射器进一步引导至不同的方向。当光束转向设备和可旋转凹面反射器相对于彼此移动时，这二者的组合在垂直方向和水平方向两者上使一个或多个第一光脉冲转向以照射视场内的物体；获得一个或多个第一返回光脉冲，该一个或多个第一返回光脉冲是基于照射视场内的物体的转向的第一光脉冲产生的，并且将该一个或多个第一返回光脉冲重新定向至一个或多个返回光检测器。
附图说明
6.为了更好地理解各种所描述的方面，应结合以下附图参考下文的描述，附图中类似的附图标记在所有附图中指代对应的部分。
7.图1a示出了附接到车辆的多个同轴lidar系统。
8.图1b示出了具有位于凹面反射器内的多面体的示例性光束转向装置。
9.图1c示出了具有代替凹面反射器的摆动镜的示例性光束转向装置。
10.图2a示出了双眼lidar系统。
11.图2b示出了具有会聚透镜的同轴lidar系统。
12.图2c示出了具有会聚镜的同轴lidar系统。
13.图3示出了双同轴lidar系统。
14.图4a示出了示例性光束转向装置，该光束转向装置将发射光引导至正x轴和正z轴之间的某个方向并且从该方向收集散射光。
15.图4b示出了示例性光束转向装置，该装置将发射光引导至负x轴和正z轴之间的某个方向并且从该方向收集散射光。
16.图5示出了示例性光束转向装置，该光束转向装置将发射光引导至更为朝向视场的正水平范围的边缘的方向并且从该方向收集散射光。
17.图6a和图6b示出了双同轴lidar系统在水平方向和垂直方向上的角度分布的交织帧图。
18.图7示出了在双同轴lidar系统的水平方向和垂直方向上沿着y＝0的x-z平面的对应于收集孔的宽度的热图。
19.图8示出了用于lidar扫描检测的示例性过程。
20.图9a至图9d示出了根据本公开的示例的光束转向装置的另一个实施方案的不同视图。
21.图10a至图10b示出了根据本公开的示例的用于产生准直照射激光束的各种示例性配置。
22.图11示出了根据本公开的示例的用于增大接收孔以及用于收集来自不同小面的返回光脉冲的光束转向装置的示例性配置。
23.图12a至图12c示出了根据本公开的示例的接收光学系统的示例性配置。
24.图13a至图13b示出了根据本公开的示例的用于使用光敏设备进行光收集的示例性检测器元素。
25.图14a至图14b示出了根据本公开的示例的用于使用自由空间光学件或者光纤束和/或功率组合器的组合来组合来自不同小面的光脉冲的示例性配置。
26.图15a至图15e示出了根据本公开的示例的具有弯曲表面和平坦表面的示例性多面体的多个小面的各种配置。
27.图16示出了根据本公开的示例的用于确定光脉冲的飞行时间的lidar系统的示例性配置。
28.图17示出了根据本公开的示例的参考脉冲和所接收的返回光脉冲。
29.图18示出了根据本公开的示例的具有摆动镜的光束转向装置的另一个实施方案。
30.图19示出了根据本公开的示例的用于确定一个或多个激光脉冲的飞行时间的方
法的示例性流程图。
具体实施方式
31.下文结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，并非旨在表示本文所述的概念可被实践的唯一配置。该详细描述包括用于提供对各种概念的透彻理解的具体细节。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下对这些概念进行实践。在一些情况下，为了避免混淆这些概念，以框图形式示出了熟知的结构和部件。
32.现在将参考装置和方法的各种元素来呈现lidar扫描系统的示例。将在下面的详细描述和附图中通过各种框、部件、电路、步骤、过程、算法等(统称为“元素”)对这些装置和方法进行描述和图示。这些元素可以使用电子硬件、计算机软件或其任何组合来实现。这些元素被实现为硬件还是软件取决于特定的应用和施加于整个系统的设计约束。
33.本公开描述了使用可旋转凹面反射器和光束转向设备的组合的2d扫描高精度lidar系统。该lidar系统包括具有多面体反射器的光束转向装置，该多面体反射器位于围绕中心轴对准的凹面反射器内。该凹面反射器被配置为围绕中心轴旋转。该多面体被配置为沿着与中心轴成一角度(例如，90度)的方向围绕枢轴旋转。凹面反射器和多面体的相应的瞬时位置使光脉冲转向以照射视场中的物体，同时收集来自光脉冲在物体上散射的散射光。每个被发射的光脉冲基本上与来自对应的光脉冲的所收集的散射光同轴或平行。该lidar系统包括用于基于每个被发射的光脉冲与从对应的光脉冲在物体上散射所收集的光之间的时间差来计算到物体的距离的微控制器。本公开还描述了实现更高分辨率的帧的交织子帧。该技术包括对连续的水平方向和垂直方向上的一个或多个物体的范围点采样以形成一个或多个子帧。连续捕获的子帧的样本点的垂直位置和/或水平位置略微偏离，当组合这些位置时提供交织的更高密度的采样点。采样点密度越高，lidar系统的分辨率越高。
34.尽管本公开的示例被描述用于车辆中的集成，但是也可以考虑其它应用。例如，集中式激光传送系统和多个lidar系统可设置在机器人中或与机器人集成，安装在建筑物的多个位置用于安全监控目的，或者安装在交通路口或某些道路位置用于交通监控等。
35.图1a示出了附接到车辆150的多个lidar扫描系统300a至300f。lidar扫描系统300a至300f可以是2d扫描lidar系统。每个lidar扫描系统300a至300f检测并计算视场内对应于车辆150处及其周围的位置的物体的范围。作为示例，设置在车辆150的前部的lidar扫描系统300a利用光脉冲照射相邻的车辆150
′
(和/或其它物体)，该光脉冲基本上与每个相应的光脉冲同轴或平行地收集。到相邻车辆150
′
的范围(例如，距离)根据每个光脉冲被发射的时间差来确定并且检测来自对应的光脉冲的散射光。
36.如图1a所描绘的示例，多个lidar扫描系统300a至300f分布在车辆150的周围以覆盖每个单独的同轴lidar系统之间的视场。例如，视场可被配置为使得lidar扫描系统300f可以检测车辆150的一侧上的中心线154，并且lidar扫描系统300c可以检测车辆150的另一侧上的车道分隔线152。在一些情况下，多个lidar扫描系统300a至300f中的一个或多个扫描系统的视场可以重叠。例如，lidar扫描系统300b的视场可以与lidar扫描系统300a的视场重叠。视场的重叠可提供更高的采样密度。类似地，lidar扫描系统300a的视场可以与lidar扫描系统300f的视场重叠。每个lidar扫描系统300a至300f可以包括光束转向装置，
该光束转向装置可以垂直地和水平地将光脉冲转向从而发射到视野以扫描物体。光脉冲的转向使得能够从视场内的一个或多个物体进行连续的点采样。
37.应当理解，图1a中所描绘的lidar扫描系统300a至300f的尺寸可以相对较小。也就是说，每个相应的lidar扫描系统(例如，系统300a至300f)可占据例如不大于1立方英尺或1/4立方英尺的空间。
38.图1b示出了具有设置在凹面反射器112内的光束转向设备(例如，多面体102)的示例性光束转向装置100。如图1b所描绘的，在一些实施方案中，凹面反射器112与第一轴106同轴对准(例如，基本上同心)。凹面反射器112可包括位于围绕孔118的凹面侧上的一个或多个反射表面(例如，平面镜)。凹面反射器112的孔118与第一轴106同轴对准(例如，基本上同心)。在图1b所描绘的示例中，镜子向内成一角度以形成凹面反射器112的六边形碗。在图1b所描绘的示例中，凹面反射器112的六边形孔118可以在(例如，六边形)孔118的相对侧上具有一英寸的宽度，并且凹面反射器112的反射表面(例如，镜子)可以(沿着成角度的镜子)与长度为2.45英寸的六边形孔118成45
°
角。在一些实施方案中，凹面反射器112的反射表面(例如，镜子)的范围在0.2英寸至4英寸之间。在一些实施方案中，凹面反射器112的反射表面可以是弯曲的。在一些示例中，弯曲表面向外突出(例如，凸面)，这可用于增大光束转向装置100的视场。在一些示例中，弯曲表面向内突出(例如，凹面)。
39.如图1b所描绘的，多面体102可设置在凹面反射器112内。多面体102包括与第二轴104同轴对准(例如，基本上同心)的枢轴120，该第二轴垂直于第一轴106。多面体102还包括设置在多面体102的小面处的至少一个反射表面(例如，镜子)，以便在凹面反射器112的孔118与凹面反射器112的至少一个反射表面(例如，镜子)之间重新定向光。例如，穿过孔118朝向多面体102的反射表面发射的光脉冲可以朝向凹面反射器112的反射表面重新定向或转向，所述光脉冲可以被进一步重新定向或转向到视场。在图1b所描绘的示例中，多面体102是具有六个小面的立方体。在一些示例中，具有枢轴120的两个相对小面不具有反射表面(例如，镜子)，而其余四个小面具有向外指向的反射表面(例如，镜子)。在图1b所描绘的示例中，立方体具有约1.22英寸的边缘长度。
40.应当理解，多面体102可具有六个不完全正交的小面。例如，在一些实施方案中，多面体102可具有不对称的小面，这些小面可以使子帧之间的垂直扫描方向和水平扫描方向偏移和/或改变交织光栅图案。在一些示例中，多面体102是菱面体。还应当理解，多面体102可以具有少于六个小面。例如，在一些实施方案中，多面体102是五面体。在这种实施方案中，多面体102可以是三棱柱，其中枢轴位于两个相对的三角形小面处，并且一个或多个反射表面(例如，镜子)位于矩形小面处。还应当理解，多面体102可以具有多于六个小面。例如，多面体102可以是六面体、七面体、八面体等。在一些实施方案中，多面体102的小面是弯曲的。在一些示例中，弯曲小面向外突出(例如，凸面)，这可用于增大光束转向装置100的视场。在一些示例中，弯曲小面向内突出(例如，凹面)，这可以减小视场并且形成出射激光束的轮廓。
41.在一些实施方案中，光束转向装置100包括可操作地耦合到凹面反射器112和多面体102的一个或多个电机(未示出)。在该示例中，一个或多个电机可被配置为使凹面反射器112沿逆时针方向(当沿着-z方向观察时)围绕第一轴106以第一旋转速度116旋转，如图1b所描绘。一个或多个电机也可被配置为使多面体102围绕枢轴120旋转，该枢轴围绕第二轴
104沿逆时针方向(当沿着+y方向观察时)以第二旋转速度114旋转。在一些实施方案中，旋转控制器被配置为控制凹面反射器112的第一旋转速度116和多面体102的第二旋转速度114。在一些情况下，旋转控制器电耦合到一个或多个电机以独立地控制凹面反射器112的第一旋转速度116和多面体102的第二旋转速度114。在一些实施方案中，凹面反射器112的第一旋转速度116不同于多面体102的第二旋转速度114。例如，多面体102的第二旋转速度114可以比凹面反射器112的第一旋转速度116快。在图1b所描绘的示例中，多面体102的第二旋转速度114可被设定为每秒500转(rps)，而凹面反射器112的第一旋转速度116可被设定为10rps。在一些实施方案中，多面体102的第二旋转速度114可以比凹面反射器112的第一旋转速度116慢。
42.在一些实施方案中，对于由光束转向装置100启用的扫描中的每个采样点，旋转多面体102相对于旋转凹面反射器112的瞬时位置使得光束转向装置100可以将光脉冲引导或转向至物体并沿着基本上类似的光路收集来自物体的返回光脉冲。参考图1b，旋转多面体102的瞬时位置可以相对于正z轴进行测量。当从逆时针方向(如沿着y轴所观察的)测量时，多面体102的角度为正。旋转凹面反射器112的瞬时位置可以相对于负y轴进行测量。当从顺时针方向(如沿着z轴所观察的)测量时，凹面反射器112的角度为正。
43.应当理解，可以应用提供与旋转凹面反射器112和/或与旋转多面体102效果相同的效果的其它机构。例如，如图1c所描绘，凹面反射器112可以由沿着轴129摆动的摆动镜112a代替。这样，与摆动镜112a耦合的多面体102的旋转可以提供类似的转向机构，该转向机构用于扫描连续的光脉冲以照射视场中的物体，并且用于从与照射光脉冲同轴或平行的每个光脉冲收集返回光以对视场中的物体进行测距。在另一个示例中，多面体102可以由使多面体沿着轴来回摆动的致动器驱动。在一些示例中，摆动镜112a可以围绕第一轴摆动，并且多面体102可邻近摆动镜112a设置，如图1c所示。多面体102可包括与第二轴同轴对准的枢轴。第二轴可以与第一轴成一角度(例如，90度或75度)设置。至少一个镜子可以设置在多面体102的小面处以用于在孔和凹面反射器112之间反射光脉冲。一个或多个电机或致动器可操作地耦合到摆动镜112a和多面体102。一个或多个电机或致动器可被配置为使摆动镜112a围绕第一轴以第一频率旋转(如128a所示)或摆动(如128b所示)并且使可旋转多面体围绕第二轴以第二频率旋转(如125a所示)或摆动(如125b所示)。
44.在图1b所描绘的示例中，从光源获得的光脉冲307a被引导穿过孔118朝向多面体102，该多面体通过重新定向或反射光脉冲307a产生重新定向的光脉冲307b。光脉冲307b被引导朝向凹面反射器112上的镜子。凹面反射器112继而通过重新定向或反射转向的光脉冲307b产生转向的光脉冲312a。转向的光脉冲312a被引导朝向视场以照射视场内的物体。转向的光脉冲312a照射物体，该物体沿着一个或多个方向散射光脉冲。散射光的一些脉冲返回光束转向装置100作为第一返回光脉冲207a。如图1b所示的，在一些示例中，第一返回光脉冲207a可以沿着与转向的光脉冲312a基本类似的光路(同轴地)返回光束转向装置100。第一返回光脉冲207a中的每一个都可由凹面反射器112重新定向或反射以产生重新定向的返回光脉冲209。重新定向的返回光脉冲209被引导朝向多面体102，该多面体继而重新定向并反射光脉冲以产生重新定向的返回光脉冲214a。重新定向的返回光脉冲214a通过孔118被引导回光检测器。
45.图2a示出了双眼lidar系统200。在一些示例中，双眼lidar系统200将从光源产生
的光脉冲沿着照射光路210c发射穿过第一孔210a到达视场内的物体。发射的光脉冲到达物体并在一个或多个方向上被散射和分散。一些散射光脉冲沿着检测光路210d穿过第二孔210b返回光检测器。双眼lidar系统200的几何结构确定了检测范围，该检测范围由图2a所描绘的示例性照射光路210c与检测光路210d之间的重叠区域确定。这样，沿着双眼lidar系统200的光路的某些区域中的散射光脉冲可能不会返回穿过第二孔210b。在一些实施方案中，照射光路210c和检测光路210d基本上平行(例如，具有小角度)。因此，检测范围可以很宽。例如，如图2a所描绘的，检测范围在右侧可以不具有边界。双眼lidar系统的权益是，照射光学件和检测光学件在lidar扫描系统内被物理分离，从而通过照明光学件中的光散射，更容易避免检测模块中的光干涉。
46.图2b示出了具有会聚透镜224的同轴lidar扫描系统250。在一些实施方案中，同轴lidar扫描系统250包括光源220、反射镜222、会聚透镜224、具有孔的遮罩226、光检测器230和光束转向装置100。如图2b所描绘，从光源220产生的入射光脉冲212a被引导至反射镜222，该反射镜重新定向或反射入射光脉冲212a以产生重新定向的光脉冲212b。重新定向的光脉冲212b沿着光轴211被引导至光束转向装置100。然后，光束转向装置100可类似于上文所描述的那样使重新定向的光脉冲212b转向，以产生用于照射fov中的物体的转向的光脉冲212c，其中图2b中的212c的方向仅示出了转向方向与212b的方向平行的时间点。在其它时间点，212c的方向可以在fov中的其它方向上。在图2b所描绘的示例中，反射镜222可以是设置在光轴211处的接近100％的反射镜，该光轴沿着重新定向的光脉冲212b和重新定向的返回光脉冲214两者的光路。应当理解，反射镜222应足够小，以便不阻挡或干扰重新定向的返回光脉冲214。
47.在图2b的示例中，光束转向装置100可以是来自图1b的同轴光束转向装置100。在一些示例中，光束转向装置100可以是实现指向视场中的一个或多个物体的两个基本上平行的光脉冲的双同轴装置。光束转向装置100可被配置为在垂直方向和水平方向上使重新定向的光脉冲212b转向以产生转向的光脉冲212c，同时沿着与转向的光脉冲212c基本上相同的光路收集返回光脉冲212d。光束转向装置100重新定向返回光脉冲212d以在212b的相反方向上产生重新定向的返回光脉冲214。这样，返回光脉冲212d到重新定向的返回光脉冲214的光路与重新定向的光脉冲212b的照射光路重叠以使光脉冲212c转向，从而增大有效检测范围。
48.参考图2b，同轴lidar扫描系统250的会聚透镜224被配置为沿着光轴211收集重新定向的返回光脉冲214，并且引导重新定向的返回光脉冲214穿过遮罩226的孔到达光检测器230。会聚透镜224可以由任何透明材料制成(诸如高折射率玻璃、塑料等)。如图2b所描绘，会聚透镜224可以与光轴211基本上同心。应当理解，在一些实施方案中，会聚透镜224被设置成使其不与光轴210同心。
49.如图2b所描绘，在一些示例中，光检测器230被设置成与光轴211基本上同心。光检测器230可以是光电二极管、雪崩光电二极管等。在一些实施方案中，如图2b所描绘的光检测器230的放大图所示，光检测器230可包括面向光入射表面232的相对侧的反射表面231(例如，反射镜)。反射表面231可以将光重新定向(例如，反射)回光检测器230的吸收区域，从而提高检测效率和灵敏度。在一些实施方案中，遮罩226可以是光检测器230的一部分。一般来讲，遮罩226过滤光检测器230附近相对于光路(例如，沿着光轴211的光路)倾斜地成一
角度的重新定向的返回光脉冲214，使得仅基本上平行于光轴211的光脉冲可以到达光检测器230。
50.在图2b所描绘的示例中，光源220可以是激光光源。在一些示例中，由光源220产生的激光可以具有可见光谱中的波长。在一些示例中，该激光可以具有红外光谱中的波长。在一些示例中，该激光可以具有紫外光谱中的波长。
51.图2c示出了具有会聚镜221的同轴lidar扫描系统250
′
。在一些实施方案中，同轴lidar扫描系统250
′
包括光源220、会聚镜221、具有孔的遮罩226、光检测器230和光束转向装置100。如图2c所描绘，从光源220产生的入射光脉冲212a沿着光轴211被引导穿过会聚镜221的孔到达光束转向装置100。光束转向装置100使入射光脉冲212a转向(例如，重新定向和反射)产生转向的光脉冲212c以照射物体。物体可散射转向的光脉冲212c。散射光脉冲的一部分返回光束转向装置100作为返回光脉冲212d。沿着与转向的光脉冲212c的路径基本上类似或平行的路径引导返回光脉冲212d。然后，光束转向装置100可以引导返回光脉冲212d以产生重新定向的返回光脉冲214，该返回光脉冲在与光轴211同轴的方向上朝向会聚镜221，该会聚镜将重新定向的返回光脉冲214重新定向(例如，反射)为穿过遮罩226的孔朝向光检测器230。
52.在一些实施方案中，如上所述，同轴lidar扫描系统250的会聚镜221被配置为沿着光轴211收集重新定向的返回光脉冲214，并将重新定向的返回光脉冲214重新定向为穿过遮罩226的孔到达光检测器230。在图2c所描绘的示例中，会聚镜221可以是设置在光轴211处或其附近的接近100％的反射镜，该光轴沿着转向的光脉冲212c和重新定向的返回光脉冲214两者的光路。会聚镜221使重新定向的返回光脉冲214聚焦在光检测器230上。应当理解，在一些实施方案中，会聚镜221可被设置成使其不与光轴211同心。会聚镜221可由具有反射镜饰面层的任何基材(例如，玻璃、塑料、金属等)制成。在一些示例中，将抗氧化层应用于反射镜饰面层以便将反射层与空气气密隔离。这防止了氧气和其它腐蚀剂(例如，腐蚀性气体或腐蚀性液体)使会聚镜221的表面的反射部分变暗。
53.在图2c所描绘的示例中，光束转向装置100可以是图1b的同轴光束转向装置100。在一些实施方案中，光束转向装置100可以是实现指向视场中的一个或多个物体的两个基本上平行的光脉冲的双同轴装置。光束转向装置100可被配置为在垂直方向和水平方向上引导入射光脉冲212a以产生转向的光脉冲212c，同时沿着与转向的光脉冲212c基本上相同的光路收集返回光脉冲212d。例如，如图2c所示，返回光脉冲212d的光路可以基本上平行于转向的光脉冲212c的光路的至少一部分。这样，返回光脉冲212d的光路与转向的光脉冲212c的光路重叠。
54.如图2c所描绘，在一些实施方案中，光检测器230被设置成与反射光轴211
′
基本上同心。在一些实施方案中，反射光轴211
′
从会聚镜221(例如，会聚镜221的孔的中心)延伸穿过会聚镜221的焦点。反射光轴211
′
可以与光轴211形成一角度，光轴211基本上平行于转向的光脉冲212c的光路和重新定向的返回光脉冲214。光检测器230可以是光电二极管、雪崩光电二极管等。在一些实施方案中，类似于图2b所示的光检测器，光检测器230可包括面向光入射表面的相对侧的反射表面(例如，反射镜)。该反射表面可以将光重新定向(例如，反射)回光检测器230的吸收区域，从而提高检测效率和灵敏度。在一些实施方案中，遮罩226可以是光检测器230的一部分。
55.在图2c所描绘的示例中，光源220可以是激光光源。在一些示例中，由光源220产生的激光可以具有可见光谱中的波长。在一些示例中，该激光可以具有红外光谱中的波长。在一些示例中，该激光可以具有紫外光谱中的波长。
56.图3示出了双同轴lidar扫描系统300。如图3所描绘，双同轴lidar扫描系统300可以包括光源220、反射镜222、部分反射镜322、第一会聚透镜224a、第二会聚透镜224b、具有孔的第一遮罩226a、具有孔的第二遮罩226b、第一光检测器230a、第二光检测器230b和双光束转向装置100’。如图3所描绘，从光源220产生的入射光脉冲212a被引导至部分反射镜322，该部分反射镜反射入射光脉冲212a的第一部分以产生重新定向的光脉冲212b。多面体102基于重新定向的光脉冲212b产生重新定向的光脉冲212c，后者继而被凹面反射器112重新定向以产生转向的光脉冲312a。转向的光脉冲312a可以穿过光束转向装置100’的孔118引导至fov中的物体。在图3所描绘的示例中，部分反射镜322是沿第一光轴311a设置的50％反射镜。部分反射镜322可以被配置为沿第一光轴311a反射例如50％的入射光。在一些实施方案中，部分反射镜322可以被配置为沿第一光轴311a反射超过50％的入射光。在一些实施方案中，部分反射镜322可以被配置为沿第一光轴311a反射少于50％的入射光。应当理解，部分反射镜322应足够小，以便不阻挡第一返回光脉冲207a的很大一部分。
57.如图3所描绘，入射光脉冲212a的另一部分穿过部分反射镜322并成为入射光脉冲212a的第二部分。入射光脉冲212a的第二部分可以重新定向到反射镜222，该反射镜对入射光脉冲212a的第二部分进行重新定向，以产生重新定向的光脉冲213b。多面体102基于重新定向的光脉冲213b产生重新定向的光脉冲213c，后者继而被凹面反射器112重新定向以产生转向的光脉冲312b。转向的光脉冲312b可以沿第二光轴311b被定向穿过光束转向装置100的孔118。在图3所描绘的示例中，反射镜222可以是设置在第二光轴311b处的接近100％的反射镜。应当理解，反射镜222应足够小，以便不阻挡返回光脉冲207b的很大一部分。还应当理解，尽管图3示出从光源220产生了入射光脉冲212a的两个部分，但是可以使用两个分离且独立的光源来分别产生入射光脉冲212a的这两个部分。
58.图3所示的双光束转向装置100’可以是图1b所描绘的同轴光束转向装置100。该示例中的不同之处为，光束转向装置100’被配置用于引导两个光脉冲光束(例如，第一转向光脉冲312a和第二转向光脉冲312b)，以照射视场中的一个或多个物体。例如，光束转向装置100’可以被配置为在收集第一返回光脉冲207a和第二返回光脉冲207b的同时，在垂直方向和水平方向上引导第一转向光脉冲312a和第二转向光脉冲312b。第一返回光脉冲207a和第二返回光脉冲207b可以具有分别与第一转向光脉冲312a的光路和第二转向光脉冲312b的光路基本上相同或平行的光路。因此，第一返回光脉冲207a的光路和第二返回光脉冲207b的光路分别与第一转向光脉冲312a的光路和第二转向光脉冲312b的光路重叠。在一些实施方案中，双同轴lidar扫描系统300还可以包括被配置为动态地控制光源220的功率的功率控制器(未示出)。对光源220的功率的控制可以基于与返回光脉冲207a-b相关联的孔的横截面面积。控制光源220的功率可以补偿视场内的孔变化。
59.在图3所描绘的示例中，双光束转向装置100’在x-z平面上通常可以是不对称的。因此，用于产生第一转向光脉冲312a的光学部件几何结构与用于在任何时间点产生第二转向光脉冲312b的光学部件几何结构可以是不对称的。类似地，用于引导第一返回光脉冲207a的光学部件几何结构与用于在任何时间点引导第二返回光脉冲207b的光学部件几何
结构可以是不对称的。因此，第一转向光脉冲312a的光路可以按照与第二转向光脉冲312b不同的范围和模式进行扫描。
60.参考图3，与上述那些类似，第一返回光脉冲207a和第二返回光脉冲207b可以由双光束转向装置100’穿过孔118朝向第一会聚透镜224a和第二会聚透镜224b引导。与上述那些类似，第一返回光脉冲207a和第二返回光脉冲207b可被多面体102和凹面反射器112重新定向，以分别产生第一重新定向返回光脉冲214a和第二重新定向返回光脉冲214b。在一些实施方案中，同轴lidar扫描系统300的第一会聚透镜224a被配置为沿第一光轴311a收集第一重新定向返回光脉冲214a，并且引导第一重新定向返回光脉冲214a穿过第一遮罩226a的孔到达第一光检测器230a。类似地，同轴lidar扫描系统300的第二会聚透镜224b被配置为沿第二光轴311b收集第二重新定向返回光脉冲214b，并且引导第二重新定向返回光脉冲214b穿过第二遮罩226b的孔到达第二光检测器230b。第一会聚透镜224a和第二会聚透镜224b都可以由任何透明材料(诸如高折射率玻璃、塑料等)制成。在图3所描绘的示例中，第一会聚透镜224a与第一光轴311a不同心，并且第二会聚透镜224b与第二光轴311b不同心。应当理解，在一些实施方案中，第一会聚透镜224a和第二会聚透镜224b中的一者或两者可以分别与第一光轴311a和第二光轴311b同心。
61.如图3所描绘，在一些示例中，第一光检测器230a可以设置在第一会聚透镜224a的聚焦区处或附近。类似地，第二光检测器230b可以设置在第二会聚透镜224b的聚焦区处或附近。因此，第一重新定向返回光脉冲214a可以聚焦在第一光检测器230a上，并且第二重新定向返回光脉冲214b可以聚焦在第二光检测器230b上。第一光检测器230a或第二光检测器230b中的一者或两者可以是光电二极管、雪崩光电二极管等。在一些实施方案中，与上述的光检测器230类似，第一光检测器230a或第二光检测器230b中的一者或两者可以包括面向光入射表面的相反侧的反射表面(例如反射镜)。光入射表面可以分别将光重新定向(例如反射)回到第一光检测器230a或第二光检测器230b的吸收区域。因此可以提高第一光检测器230a和第二光检测器230b的效率和灵敏度。在一些实施方案中，第一遮罩226a可以是第一光检测器230a的一部分。在一些实施方案中，第二遮罩226b可以是第二光检测器230b的一部分。
62.在图3所描绘的示例中，光源220可以是激光光源。在一些示例中，由光源220产生的激光可以具有可见光谱中的波长。在一些示例中，该激光可以具有红外光谱中的波长。在一些示例中，该激光可以具有紫外光谱中的波长。
63.如图3所示，在一些示例中，双同轴lidar扫描系统300包括微处理器306、光源220、第一光检测器230a、第二光检测器230b以及一个或多个电机302，微处理器电耦合到计算机可读介质/存储器304。双同轴lidar扫描系统300中的微处理器可以执行软件。软件可以包括例如指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件组件、应用程序、软件应用程序、软件包、例程、子例程、对象、可执行文件、执行线程、过程、功能等，无论是被称为软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言，还是其它。
64.在一些实施方案中，微处理器306可以被配置为确定到视场中的一个或多个物体的距离。如图3所描绘，微处理器306包括定时器/时钟模块308和计算器310，它们被配置为基于发射转向光脉冲312a和检测到每个对应光脉冲的第一返回光脉冲207a之间的时间差计算到一个或多个物体的距离。
65.定时器/时钟模块308被配置为用时间戳标记被发射或接收的每个光脉冲。时间戳是编码的日期和时间。时间戳的示例包括“月-日-年@小时：分：秒”、“月-日-年@小时：分：秒”、“年-日-月@小时：分：秒”、“1234567890(unix时间)”等。在一些实施方案中，发射转向光脉冲触发定时器/时钟模块308用时间戳标记转向光脉冲。定时器/时钟模块308还可以将转向光脉冲与对应的返回光脉冲配对，并且基于时间戳确定时间差。
66.计算器310被配置为根据时间差计算到一个或多个物体的距离。在一些示例中，计算器310可以将时间差乘以光速再除以2(假设光路对称)，以确定到物体的距离。例如，如果时间差为0.8微秒，则计算器310将到物体的距离计算为约120米远(例如，(0.8*10-6
)*(2.9979*108)/2)。在计算出距离之后，计算器310可以将值存储到计算机可读介质/存储器304中。
67.计算机可读介质/存储器304电耦合到微处理器306并且可以存储与发射到视场的转向光脉冲相关联的标识符，与返回光脉冲、时间戳、确定的距离相关联的标识符，等等。在一些示例中，可以为每个脉冲(例如，发射到视场的转向光脉冲和/或返回光脉冲)分配唯一地标识特定脉冲的标识符。对脉冲进行标识使得能够确定对应的发射光脉冲和返回光脉冲之间的时间差。
68.在一些实施方案中，微处理器306可以任选地包括旋转控制器312。旋转控制器312被配置为控制凹面反射器112的第一旋转速度和多面体102的第二旋转速度。旋转控制器312电耦合到一个或多个电机302，电机可操作地耦合到凹面反射器112和多面体102。在一些示例中，旋转控制器312可以通过改变流向一个或多个电机302的驱动电流来改变凹面反射器112的第一旋转速度和多面体102的第二旋转速度。
69.在一些实施方案中，旋转控制器312被配置为将随机扰动叠加到控制参数，以引起凹面反射器112的第一旋转速度和/或多面体102的第二旋转速度随该随机扰动成比例增大。对凹面反射器112的第一旋转速度和/或多面体102的第二旋转速度的随机扰动，在光脉冲基本上具有周期性(例如为等间隔)的情况下，引起与从光束转向装置100’发射的光脉冲相关联的水平扫描角和垂直扫描角发生随机分布。这有利于更随机地覆盖子帧。在一些示例中，旋转控制器312可以将凹面反射器112的第一旋转速度设定为10rps，并且将多面体102的第二旋转速度设定为500rps。旋转控制器312可以另外将
±
1rps的扰动加到凹面反射器112的第一旋转速度和多面体102的第二旋转速度中的一者或两者上。在一些情况下，该扰动可以是相同的，而在其它情况下，该扰动可以是不同的。
70.一个或多个电机可操作地耦合到凹面反射器112和多面体102。在一些示例中，第一电机可以旋转凹面反射器112，而第二电机可以旋转多面体102。在一些示例中，耦合到一个或多个齿轮的单个电机可以旋转凹面反射器112并旋转多面体102。在图3所描绘的示例中，一个或多个电机302可以被配置为围绕第一轴106以第一旋转速度旋转凹面反射器112，并围绕第二轴104以第二旋转速度旋转多面体102。在一些实施方案中，第一旋转速度和第二旋转速度被控制为彼此独立。
71.图3示出了第一转向光脉冲312a和第二转向光脉冲312b被沿着正z轴方向引导。多面体102和凹面反射器112的用于产生被沿着正z轴方向引导的第一转向光脉冲312a和第二转向光脉冲312b的位置如图3所描绘，这些位置可以被定义为标称位置。当多面体102和凹面反射器112以特定角度旋转时，光束转向装置100可以将转向光脉冲引导至视场中的任何
期望的方向并且从视场中的任何期望的方向收集返回光脉冲。图4a示出了示例性光束转向装置100，该装置将转向光脉冲引导至正x轴和正z轴之间的方向并且从该方向收集返回光脉冲。在一些示例中，如图4a所描绘，旋转的多面体102的瞬时位置相对于标称位置处于+15
°
，而旋转的凹面反射器112的瞬时位置处于标称位置。如图4a所描绘，光脉冲307a被引导穿过光束转向装置100的孔118，然后被多面体102重新定向(例如反射)以产生重新定向的光脉冲307b。该重新定向可以发生在点402处或附近，并且可以将重新定向光脉冲307b朝向凹面反射器112引导。重新定向光脉冲307b被凹面反射器112的反射表面(例如镜子)进一步重新定向(例如反射)，以产生第一转向光脉冲312a。该重新定向可以发生在点404处或附近，并且可以在正x轴和正z轴之间的方向上将第一转向光脉冲312a朝向视场中的一个或多个物体引导。第一转向光脉冲312a照射物体，并且第一返回光脉冲207a沿与第一转向光脉冲312a基本上同轴或平行的光路返回。在图4a所描绘的示例中，第一返回光脉冲207a与第一转向光脉冲312a重叠。例如，第一转向光脉冲312a以朝向水平方向约30
°
的角度(例如，正z轴与发射的光脉冲312a的方向之间的30
°
角)照射物体，并且示例性光束转向装置100以朝向水平方向约30
°
的角度收集第一返回光脉冲207a。与上述那些类似，第一返回光脉冲207a可以被多面体102和凹面反射器112重新定向，以产生重新定向返回光脉冲214a。
72.图4b示出了示例性光束转向装置100，该装置将转向光脉冲引导至视场，并且从负x轴和正z轴之间的方向收集返回光脉冲。在一些示例中，如图4b所描绘，旋转的多面体102的瞬时位置相对于标称位置处于-5
°
(或355
°
)，而旋转的凹面反射器112的瞬时位置处于标称位置。如图4b所描绘，光脉冲307a被引导穿过光束转向装置100的孔118，然后被多面体102重新定向(例如反射)以产生重新定向的光脉冲307b。该重新定向可以发生在点402处或附近，并且可以将重新定向光脉冲307b朝向凹面反射器112引导。重新定向光脉冲307b被凹面反射器112的反射表面(例如镜子)进一步重新定向(例如反射)，以产生第一转向光脉冲312a。该重新定向可以发生在点404处或附近，并且可以在负x轴和正z轴之间的方向上将第一转向光脉冲312a朝向视场中的一个或多个物体引导。第一转向光脉冲312a照射物体，并且第一返回光脉冲207a沿与第一转向光脉冲312a基本上同轴或平行的光路返回。在图4b所描绘的示例中，第一返回光脉冲207a与第一转向光脉冲312a重叠，其中第一转向光脉冲312a以朝向水平方向约-10
°
的角度(例如，正z轴与第一转向光脉冲312a的方向之间的-10
°
角)照射物体，并且示例性光束转向装置100以朝向水平方向约-10
°
的角度收集第一返回光脉冲207a。与上述那些类似，第一返回光脉冲207a可以被多面体102和凹面反射器112重新定向，以产生重新定向的返回光脉冲214a。
73.在一些实施方案中，光束转向装置100可以被配置为将光脉冲发射到更为朝向视场边缘的方向并且从该方向收集返回光脉冲。图5示出了示例性光束转向装置100，该装置将转向光脉冲引导至更为朝向视场的正水平范围的边缘的方向并且从该方向收集返回光。如图5所示，旋转的多面体102的瞬时位置相对于标称位置处于15
°
，而旋转的凹面反射器112的瞬时位置相对于标称位置处于30
°
。如图5所描绘，光脉冲307a被引导穿过光束转向装置100的孔118，然后被多面体102重新定向(例如反射)以在点402处或附近产生重新定向的光脉冲307b。该重新定向可以将重新定向光脉冲307b朝向凹面反射器112引导。重新定向光脉冲307b被凹面反射器112的反射表面(例如镜子)进一步重新定向(例如反射)，以在点404处或附近产生第一转向光脉冲312a。该重新定向可以在更为朝向视场边缘的方向上将转向
的扫描范围结束。这些可能对应于水平的周边范围。总的来说，在一些实施方案中，双光束转向装置100’的扫描范围可以在x方向上的约-10
°
至40
°
之间以及y方向上的约-30
°
至30
°
之间引导第一转向光脉冲312a。类似地，双光束转向装置100’的扫描范围可以在x方向上的约-40
°
至10
°
之间以及y方向上的-30
°
至30
°
之间引导第二转向光脉冲312b。
78.图6b示出了双同轴lidar扫描系统300的水平方向和垂直方向上的角度分布的帧图的放大部分。图6b因而更清楚地示出了三个连续子帧(例如，第一子帧604、第二子帧606和第三子帧608)的组合。如上所述，如果将扰动加到多面体102的旋转速度和/或凹面反射器112的旋转速度上，则水平方向和垂直方向上的角度分布可能是随机的。
79.在一些示例中，图6a和图6b中描绘的子帧和/或帧可以被映射到三维空间以形成“点云”。例如，图6a和图6b描绘了物体上的光散射的二维位置。在一些示例中，微处理器306的计算器310(在图3中示出)可以提供第三维度(例如，在对应的水平角度和垂直角度处的距离)。因此，可以重建lidar扫描系统300周围的物体的形状(例如，通过使用数据分析算法分析“点云”)。
80.在一些示例中，定位在视场内的物体可能在用于形成帧或子帧的扫描期间移动或移位。例如，在一些情况下，一个帧内的光脉冲的时间跨度可能相当短(例如小于1毫秒)，这意味着物体(包括双同轴lidar扫描系统300a和视场中的物体这两者)并未大幅移动。在此类情况下，帧的点云中的采样点是基本上同时收集的。然而，在一些情况下，该时间跨度可能相对较长(例如，20毫秒至50毫秒)，该时间足以使一个或多个物体移动可测量的距离。例如，以每小时约65英里移动的物体可以在20毫秒内移动约2英尺。因此，帧的点云中每个点的位置可以通过lidar自身的移动和视场中移动物体被检测到的速度来补偿。
81.为了适应物体的这种移动，双同轴lidar扫描系统300可以确定来自一个或多个子帧的采样率、确定一个或多个物体的相对速度，并且在基于补偿聚集距离来形成三维点的点云时对前述采样率和相对速度进行补偿。应当理解，在任一个任意时间间隔上收集的数据可以被聚集形成点云的一个帧。因此，点云的密度可能比上述的密度更大或更小。
82.图7示出了对应于具有某些系统参数值的双同轴lidar系统的收集孔面积的热图700，其中图1、图3、图4a、图4b和图5所描绘的第一重新定向返回光脉冲214a和第二重新定向返回光脉冲214b的收集横截面面积均示于图7中，并且在视场的中央重叠。因此，收集孔的面积随多面体102的角度和凹面反射器112的角度而变化。例如，图4a所描绘的第一重新定向返回光脉冲214a的横截面面积小于图4b所描绘的第一重新定向返回光脉冲214a的横截面面积。因此，与具有图4a所描绘的角度的多面体102和凹面反射器112的配置对应的所收集光的强度小于图4b中针对相同强度的第一转向光脉冲312a、相同的反射率以及与视场中的物体相同的距离所描绘的光强度。
83.在图7所描绘的示例中，热图700的中央区域对应于x方向上的约-10
°
至10
°
以及y方向上的-30
°
至30
°
，该区域具有高收集孔。该区域由在大致相同区域中重叠的双光路形成沙漏形状。与x方向上的约-35
°
至-30
°
之间和y方向上的约-5
°
至5
°
之间、以及x方向上的约30
°
至35
°
之间和y方向上的约-5
°
至5
°
之间对应的区域具有低收集孔，该收集孔来自凹面反射器112处的倾斜角度。
84.在一些实施方案中，来自光源220(在图2b、图2c和图3中示出)的入射光脉冲212的功率可以基于收集孔而变化。改变入射光脉冲212的功率可以补偿视场中的垂直方向和水
平方向上第一重新定向返回光脉冲214a和第二重新定向返回光脉冲214b的收集孔尺寸的变化。
85.图8示出了根据本公开的示例用于lidar扫描检测的示例性方法800。方法800可以由设置或包括在车辆中的系统执行，该系统诸如图1a至图1b、图2a至图2c、图3、图4a至图4b和图5所描绘的各种系统，以及如下面将详细描述的图9a至图9d、图10a至图10b和图11所描绘的系统。如图8所示，在框802处，lidar扫描系统的第一光源可以提供一个或多个第一光脉冲。在本文描述的示例中，第一光源可以是激光光源。应当理解，第一光源可以是白炽灯、荧光灯等。另外，第一光源可以具有可见光谱中的一个或多个波长、红外光谱中的一个或多个波长，或者紫外光谱中的一个或多个波长。
86.在框804处，lidar扫描系统的光束转向装置可以使第一光脉冲转向，以沿光路照射物体。该光束转向装置可以是被配置为发射单束光脉冲(例如，如图1b所描绘的光脉冲312a)的同轴光束转向装置100，或者被配置为发射双束光脉冲(例如，如图3所描绘的光脉冲312a和312b)的双同轴光束转向装置100’。在连续扫描期间，光束转向设备(例如多面体102)和凹面反射器(例如凹面反射器112)的旋转可以引起光束转向设备和凹面反射器位于光脉冲光路中的反射小面随时间推移而改变。可以利用光束转向设备和凹面反射器的旋转位置来计算光束转向装置引起光脉冲转向的角度。应当理解，对于一些实施方案，光束转向设备和凹面反射器的旋转位置可以触发光源发射光脉冲。
87.在框806处，在一些示例中，光束转向装置(例如，光束转向装置100或双光束转向装置100’)可以收集并重新定向返回光脉冲(例如，基于照射物体的第一转向光脉冲312a产生的第一返回光脉冲207a)。所收集的返回光脉冲可以与光路同轴对准或平行。返回光脉冲可以由凹面反射器和光束转向设备朝向接收光学系统重新定向。使用光束转向装置时，在一些示例中，转向光脉冲和返回光脉冲可以同轴对准。此外，光束转向装置可以在并行或基本上同时收集返回光脉冲时发射转向光脉冲。例如，发射的转向光脉冲行进以照射物体并沿相同的光路返回的时间相对于光束转向设备(例如多面体102)和凹面反射器的位置来说多少都是瞬时的。例如，对于约150米远的物体，光脉冲的飞行时间为约1微秒。这对应于光束转向设备(例如，以500rps旋转的多面体102)旋转约0.18
°
。
88.在框808处，包括光会聚装置的接收光学系统可以进一步将重新定向返回光脉冲引导(例如会聚或聚焦)到光检测器(例如，图3所描绘的第一光检测器230a)上。在一些示例中，光会聚装置可以是会聚透镜224(图2b)或会聚镜221(图2c)。
89.在框810处，微控制器/处理器可以基于发射转向光脉冲和检测到对应的返回光脉冲之间的时间差来计算(例如确定)从lidar扫描系统到物体的距离。光脉冲沿光路行进的飞行时间与该光脉冲行进以照射物体的距离成比例。一般来说，光脉冲照射物体的该飞行时间为检测到该光脉冲所需时间的约一半。
90.在可选的框812处，微控制器可以基于跨相继或连续的水平扫描和垂直扫描到一个或多个物体的距离的聚集值来生成一个或多个子帧(例如，第一子帧604、第二子帧606、第三子帧608，图6a和图6b)。例如，同轴lidar扫描系统或双同轴lidar系统(例如系统300)可以在水平方向和垂直方向两者上以周期性间隔对视场上相同的一个或多个物体进行连续采样。被采样(例如被扫描)的视场可以根据类似于第一子帧604的第一子图案(如图6a和图6b所注释)来聚集。双同轴lidar系统可以在相同的视场上以周期性间隔再次对一个或多
个物体进行连续采样，只不过这时水平方向和垂直方向相对于第一子帧604略微偏离。被采样(例如被扫描)的视场可以根据类似于图6a和图6b的第二子帧606的第二子图案来聚集。双同轴lidar系统可以在相同的视场或部分相同的视场上以周期性间隔再次对相同的一个或多个物体进行连续采样，只不过这时水平方向和垂直方向相对于第一子帧604和第二子帧606略微偏离。被采样(例如被扫描)的视场可以根据类似于图6a和图6b的第三子帧608的第三子图案来聚集。
91.在可选的框814处，微控制器可以交织一个或多个子帧，以形成具有较高分辨率的帧。例如，如图6a和图6b所描绘，lidar系统可以交织第一子帧604、第二子帧606和第三子帧608，以形成具有较高样本密度的一个帧。较高的样本(非重叠样本点)密度对应于较高的分辨率。应当理解，双同轴lidar系统(例如系统300)的重叠区域602(图6a)中的许多样本点可以具有更高的密度。因此，在图6a所示的重叠区域602中分辨率更高。
92.如图2a至图2b、图3、图4a至图4b和图5所描绘的光束转向装置100和100’包括具有六个小面的多面体102。如所解释的，多面体可以具有任何数量的小面(例如，多于六个或少于六个)。图9a至图9d示出了光束转向装置900的另一个示例性实施方案的不同视图。光束转向装置900可以具有小面数量超过六个的多面体。光束转向装置900可以用于执行方法800和/或1900的一个或多个步骤(例如，在图19所示出的框1904和1910中使光脉冲转向)。图9a示出了光束转向装置900的透视图；图9b示出了光束转向装置900沿正y轴方向的侧视图；图9c示出了光束转向装置900沿正z轴方向的后视图；并且图9d示出了光束转向装置900沿正x轴方向的侧视图。参考图9a至图9d，多面体910可以包括平行于多面体910的y轴的多个(例如18个)侧小面。在一些实施方案中，多面体910可以以y轴为中心，并且围绕或沿y轴旋转。也就是说，y轴可以是多面体910的旋转轴。在一些实施方案中，所述多个侧小面中的每个侧小面都可以被抛光，并且可以按类似于反射表面(例如镜面)的方式来操作，用于发射和收集激光。
93.参考图9a至图9d，光束转向装置900还可以包括凹面反射器920。凹面反射器920可以包括多个(例如四个)平坦或弯曲的反射表面(例如镜子)。在一些实施方案中，凹面反射器920的平坦或弯曲的镜子中的每个镜子都可以具有多边形形状(例如，梯形形状)或任何其它期望的形状。在一些实施方案中，所述平坦或弯曲的镜子中的每个镜子都可以具有角部和/或底部边缘，这些角部和/或底部边缘被切割或修剪，使得入射激光可以穿过凹面反射器920。例如，在凹面反射器920中切割的角部和/或底部边缘在图9a至图9d中示出。在一些实施方案中，与图1b所示的凹面反射器112类似，凹面反射器920可以围绕或沿z轴旋转，且旋转速度与多面体910的旋转速度无关。参考图9b，在旋转的多面体910和旋转的凹面反射器920的瞬时位置处，一束准直的一个或多个光脉冲930可以在x-z平面内以角度935(例如，这一束准直的一个或多个光脉冲930与负z方向之间的角度)被朝向多面体910的小面940引导。
94.图10a示出了用于产生包括一个或多个光脉冲的准直照射激光束的配置的一个实施方案。如图10a所示，光源1010可以将一个或多个光脉冲朝向光学透镜1020引导。在一些实施方案中，光学透镜1020和光源1010可以被配置为具有预先确定的距离，使得可以用预先确定的光束发散角来形成照射激光束(例如高斯光束)。该照射激光束可以被引导至多面体910的一个小面。光源1010可以是纤维激光器、半导体激光器或其它类型的激光光源。作
为替代，可以使用其它准直光学件(诸如非球面透镜、复合透镜、反射球面、反射抛物面等)来产生准直激光束。在一些实施方案中，凹面反射器920可以被配置为具有几何结构参数值，使得照射激光束可以被凹面反射器920的一个或多个反射表面(例如镜子)在一定旋转角度处阻挡或部分阻挡。如上所述，在凹面反射器920中，一个或多个梯形镜子(例如，切口区段1030)的底部边缘的一部分可以被切除或暴露，以允许来自光源的激光束穿过，如图10a所示。
95.图10b示出了用于产生包括光脉冲的准直照射激光束的配置的另一个实施方案。在这种配置中，可以通过光源(图10b中未示出)诸如纤维激光器、半导体激光器或其它类型的激光光源产生一个或多个光脉冲。一个或多个光脉冲可以由光纤1042传送并且由镜子1040朝向多面体910的一个小面引导。图10b所示的光传送配置使光学件(例如光纤、镜子)能够被放置在凹面反射器920的内部，从而消除或减少了切除凹面反射器920的边缘(例如，去除如图10a所示的切口区段1030或者减小切口区段1030的尺寸)的需要。
96.参考图9b和图10b，在一些实施方案中，所传送的激光束(例如，由光纤1042和镜子1040传送的激光束)相对于多面体910的反射表面(例如多边形镜)的旋转轴的相对位置和/或角度可以这样的方式被配置，该方式使得有效的lidar扫描范围(例如，水平扫描覆盖角度和垂直扫描覆盖角度)达到期望的覆盖值。在一个示例中，到达多面体910的多边形镜的小面中的一个小面的激光束的位置和/或角度被配置为使得角度965(在图9b中示出)距垂直方向(例如图9b中的负z方向)为约59
°
，以获得约100
°
的水平视场和25
°
的垂直视场。
97.在光传送配置的一些实施方案中，到达多面体910的侧小面的激光束在y轴方向上和x-z平面内的方向上可以具有不同的高斯光束参数，诸如光束腰宽和光束发散角。通过在激光光源与多面体910的一个侧小面之间使用一个或多个非球面透镜或柱面透镜，可以获得不同的高斯光束参数。在一些实施方案中，期望和有益的是配置lidar系统的透镜或其它部件，使得激光束到达多面体910的侧小面的位置处的光束腰宽非常窄。在一个典型的实施方案中，可以使用约0.06
°
的发散角来获得0.45mm的光束腰宽。窄或小的激光束腰宽(例如0.2mm)可以减小光束的一部分同时到达两个侧小面(例如，激光束斑点到达共用公共边缘的两个小面)的多面体旋转位置相对于光束到达的所有多面体旋转位置的比例或百分比。由于同时到达两个侧小面的光束可能导致难以分析信号，所以这种光束可能是不期望的。
98.当高斯光束在一个方向上的光束腰宽较窄时，其光束发散角可能在该方向上变得较大，这对于某些实施方案来说可能是不期望的。例如，对于腰宽为0.2mm的高斯光束来说，发散角可能为约0.14
°
。为了减小光束发散角，在一些示例中，多面体910可以具有弯曲小面，这些弯曲小面具有弯曲的表面。在一些实施方案中，弯曲的表面可以用于多面体910的侧小面，如图15a所示。
99.图15a示出了具有弯曲表面的示例性多面体910的多个小面1510a-c。在图15a中，实线示出了在使用平坦表面的情况下，多面体910的多个侧小面中的三个侧小面。虚线示出了可以改变高斯光束以减小光束发散角的弯曲表面。尽管图15a将弯曲表面示为凸形表面，但是本领域的技术人员能够理解，对于一些实施方案也可以使用凹形表面。在另一个实施方案中，弯曲表面也可以用于凹面反射器920(图9a至图9d和图10a至图10b所示)的反射表面(例如镜子)，用于改变高斯光束。
100.在一些实施方案中，多面体的反射照射激光束的部分可以被配置为具有一组参数
(平坦或弯曲的表面、直径、小面的数量)，而该多面体的收集返回光的其余部分可以被配置为具有不同的一组参数。图15b示出了一个这样的实施方案的顶视图，其中多面体910的反射照射激光束或发射激光束的部分具有弯曲的表面(例如小面1520a-c)和较大的直径，而多面体的收集返回光的其余部分具有直径较小的平坦表面(例如小面1522a-c)。多面体910的这两个部分可以具有相同数量(例如，十八个)的小面。图15c示出了多面体910的该实施方案的侧视图，该多面体包括具有用于反射照射激光束或发射激光束的弯曲表面的小面1520a-n，并且包括具有用于收集返回光的平坦表面的小面1522a-n。
101.图15d示出了多面体910的另一个实施方案的顶视图。如图15d所示，多面体的反射照射激光束的部分可以具有第一数量的(例如，十八个)小面(例如小面1540a-d)，这些小面具有弯曲表面和较大的直径；而收集返回光的部分可以具有第二数量的(例如，六个)小面(例如小面1542a-b)，这些小面具有平坦表面和较小的直径。图15e示出了多面体910的该实施方案的侧视图，该多面体包括具有用于反射照射激光束或发射激光束的弯曲表面的小面1540a-n，并且包括具有用于收集返回光的平坦表面的小面1542a-m。
102.返回参考图9a和图9b，如上所述，一束准直的一个或多个光脉冲930可以在x-z平面内以角度935被朝向多面体910的一个小面940引导。角度935可以被配置为使得照射激光束的光脉冲930的方向与入射到返回光检测器960的返回光的方向之间的角度为多面体910的一侧的跨度角的2n倍。跨度角是从多面体910的中心延伸到一个小面的两个相邻边缘的两个半径之间的角度。因此，对于具有18个小面的多面体来说，跨度角为20
°
(即360
°
/18＝20
°
)。在图9a至图9d的示例性实施方案中，对于具有18个小面且跨度角为20
°
的多面体来说，“n”的值可以为1，并且角度935的值可以为40
°
。如图9b所示，从小面940产生(例如反射)的一个或多个重新定向光脉冲942被引导至凹面反射器920的镜子945，继而被镜子945反射，然后作为转向光脉冲948被重新定向到视场。
103.参考图9a至图9b，在一个或多个转向光脉冲948到达视场中的物体之后，它们可以在多个方向上被反射或散射，并且返回光脉冲950的一部分可以被反射回镜子945并被该镜子收集。当物体距lidar系统相对较远(例如超过1米)时，返回光脉冲950可以近似为准直光束，并且处于与转向光脉冲948的原始方向基本上平行但方向相反的方向上。返回光脉冲950可以被镜子945重新定向，然后沿相反的方向从重新定向光脉冲942朝向多面体910传播。
104.图11示出了用于有效地增大接收孔以及用于收集来自不同小面的返回光脉冲的光束转向装置1100的示例性配置。参考图9b和图11，图9b所示的一个或多个返回光脉冲950(例如，由lidar系统从被视场中的物体散射或反射的光脉冲收集的光脉冲)可以对应于图11所示的返回光脉冲1110。返回光脉冲1110可以例如到达凹面反射器920的反射表面(例如镜子1130)。在被凹面反射器920的镜子1130第一次反射之后，返回光脉冲1110可以朝向多面体910被重新定向。在一些实施方案中，一个或多个返回光脉冲1110可以被散射并且可以在垂直于光束传播的方向上充分延伸。因此，镜子1130的大部分或整个表面可以接收一个或多个返回光脉冲1110(除了被多面体910的阴影遮挡并且处于该阴影中的部分之外)。因此，一个或多个返回光脉冲1110可以被镜子1130反射，以产生光的引导至多面体910的不同小面的多个部分的脉冲。例如，如图11所示，朝向多面体910传播的返回光脉冲1120的一部分可以到达小面1140(例如，图9b所示的同一个小面940)并且可以被小面1140反射/重新定
向为光脉冲1150；朝向多面体910传播的返回光脉冲1122的另一个部分可以到达不同的小面1142并且可以被小面1142反射/重新定向为光脉冲1152；朝向多面体910传播的返回光脉冲1124的又一个部分可以到达不同的小面1144并且可以被小面1144反射/重新定向为光脉冲1154。
105.参考图11，在一些实施方案中，由多面体910的不同小面反射/重新定向的光束可以被不同的接收光学系统(例如，系统1160、1162和1164)收集。例如，第一接收光学系统1160可以设置在光脉冲1150的路径中；第二接收光学系统1162可以设置在光脉冲1152的路径中，等等。
106.图12a至图12c示出了接收光学系统的示例性配置。参考图12a、图12b和图12c，接收光学系统可以包括一个折射光学透镜1210(图12a中所示)；或者一个复合光学透镜1220，该复合光学透镜包括多个光学元件(图12b中所示)；或者一个复合聚焦光学件1230，该复合聚焦光学件包括一个抛物面或球面镜和一个折射光学透镜(图12c所示)。图12a至图12c所示的折射光学透镜可以是球面或非球面透镜，或这两者的组合。图12a至图12c所示的接收光学系统中的任一个，不管入射光的脉冲是否可能具有略微倾斜和发散的角度，都可以将基本上平行的入射光聚焦到检测器元件1240上。尽管图12a至图12c中列出了三个示例性实施方案，但可以理解，可以使用接收光学系统的其它配置来实现相同的目的。
107.图12a至图12c所示的检测器元件1240可以包括能够检测光信号并将光信号转换为电信号的光敏设备。图13a示出了使用光敏设备1320直接收集光的检测器元件1240的示例性实施方案。如图13a所示，光脉冲可以传播通过可选的窗口1310并到达光敏设备1320，该光敏设备将光信号转换为电信号。电信号可以被电路板1330上的电路元件进一步处理，并且可以转换为数字数据以供进一步处理。在一些示例中，光敏设备1320可以包括设置在光敏设备1320的表面上的折射率匹配材料。例如，光敏设备1320可以包括砷化铟镓材料，该材料的折射率与空气不匹配。因此，折射率匹配材料被设置在光敏设备1320的表面上以减轻或消除这种不匹配。
108.图13b示出了用于使用光纤1350收集光的检测器元件1240的另一个示例性实施方案。如图13b所示，由光敏设备1370接收的光脉冲可以首先被光学设备1340聚焦到光纤1350的一端。光纤1350可以是多模光纤或单模光纤，或者双包层光纤，在该双包层光纤中，进入该光纤内包层的光被缓慢地吸收到小芯中。在一个实施方案中，从光纤1350的另一端离开的光脉冲可以被光学设备1360会聚到光敏设备1370，该光敏设备可以将光信号转换为电信号。会聚来自光纤1350的光信号的光学设备1360可以是光学透镜、球面或非球面镜，或者用设置在设备1370的表面上以改善由光敏设备1370接收的光量的可选折射率匹配材料直接耦合到光敏设备1370。电信号可以被电路板1380上的电路元件进一步处理。在该实施方案中，电子设备(例如电路板1380)和/或光敏设备1370可以远离图11所示的光束转向装置1100设置(例如，与该光束转向装置的距离大于0.1米、大于1米，或甚至大于5米)，这样可以减小光束转向装置1100的尺寸。例如，除了光纤1350的光离开端之外，光束转向装置1100可以被配置为具有较小的物理尺寸。
109.返回参考图11，在另一个实施方案中，接收光学系统1160可以设置在光脉冲1150的路径中。在另一个实施方案中，接收光学系统1164可以设置在光脉冲1154的路径中。在又一个实施方案中，两个或更多个接收光学系统(例如，1160和162两者，或1160、1162和1164
全部)可以共存于lidar系统中。在一个实施方案中，这些接收光学系统中的每个接收光学系统可以彼此独立，每个接收光学系统都具有其自身的光敏设备。在另一个实施方案中，这些接收光学系统中的一些或全部可以共享一个光敏设备。
110.图14a至图14b示出了用于使用自由空间光学件或者光纤束和/或功率组合器的组合来组合来自不同小面的重新定向返回光脉冲的示例性配置。如图14a所示，在一些实施方案中，一个光敏设备(例如设备1420)可以在多个接收光学系统之间共享。在此类实施方案中，来自不同方向的光束的光脉冲可以被多个镜子和聚焦光学件(例如光学件1410、1412和1414)重新定向到同一个光敏设备1420。例如，光脉冲1150可以被聚焦光学件1410聚焦，随后变成聚焦光1450的脉冲并到达光敏设备1420。类似地，光脉冲1152的脉冲可以被光学件1412重新定向和聚焦，随后变成聚焦光束1452的脉冲并到达光敏设备1420。光脉冲1154的脉冲可以被光学件1414重新定向和聚焦，随后变成聚焦光束1454并到达光敏设备1420。
111.图14b示出了一个光敏设备1440在多个接收光学系统之间共享的另一个实施方案。在该实施方案中，来自每个不同方向的每束光的脉冲可以被光学会聚设备(图14b中未示出)聚焦。随后，聚焦光束中的每个光束可以分别耦合到三个光纤通道1430、1432和1434中的每个通道的接收端中。这三个光纤通道可以使用例如三对一光学组合设备(例如反向扇出光纤束)组合在一起形成一个光通道。随后，从组合光通道的发射端发射的光脉冲可以被引导至一个共享的光敏设备1440。在一些实施方案中，可以不使用光学组合设备，而是可以将从光纤束(例如，一束三根光纤)的发射端发射的光脉冲直接聚焦到一个共享的光敏设备上。
112.图18示出了具有摆动镜的光束转向装置1800的另一个实施方案。如图18所示，光束转向装置1800不包括多面体910(在图9a至图9d中示出)，而是包括单小面或多小面摆动镜1810。对于多小面镜子，相邻小面所成的角度可以类似于图11所示多面体910的相邻小面所成的角度(例如20
°
)。镜子1810可以沿平行于y轴的轴1820或沿y轴来回摆动，使得照射在镜子1810的一个或多个小面处的光束的脉冲可以沿x-z平面以不同的方向转向。应当理解，与图15a至图15e中针对多面体所描述的实施方案类似，摆动镜1810的反射照射光脉冲的部分可以是弯曲的，和/或可以具有与摆动镜1810的收集返回光脉冲的部分不同的尺寸。
113.返回参考图16，在一些实施方案中，为了准确地确定脉冲的飞行时间(例如，从lidar系统发射出去的脉冲被视场中的物体散射/反射以及被lidar系统的检测器接收所耗费的时间)，需要确定脉冲从lidar系统发射出去的时间。图16示出了光束转向装置1610、光源1620和光敏设备1630。光束转向装置1610可以与图1b、图4a、图4b或图5所示的光束转向装置100以及图9a至图9d所示的装置900相似或相同；光源1620可以与图2b、图2c或图3所示的光源220以及图10a和图10b所示的光源1010相似或相同；并且光敏设备1630可以与图12a至图12c、图13a至图13b以及图14a至图14b所示的那些相似或相同。如上所述，光敏设备可以包括用于检测和转换所接收的光信号的光检测模块。
114.参考图16，在一个实施方案中，光源1620基于可以由外部信号源或内部产生的信号源提供的电触发信号来产生一个或多个光脉冲。在一些实施方案中，在产生电触发信号和从光源1620发射出一个或多个光脉冲之间耗费的时间可以被认为从脉冲到脉冲是常数(例如，变化可忽略不计)和/或可以被校准。该电触发信号可以经由电连接件(例如线缆)1640被传输到光敏设备1630，然后用于确定光脉冲的参考时间。
115.在一些实施方案中，可以使用光纤1650来引导从光源1620发射出去的一个或多个光脉冲的一部分。可以使用分光器来分离光脉冲，并且获得该光脉冲的一部分来作为参考信号。该部分可以是总光脉冲的任何百分比，诸如10％、1％、0.1％或0.0001％，或任何期望的百分比。光脉冲的该部分可以被光纤1650引导至光敏设备1630，然后用于确定从光源1620发射出去的光脉冲的参考时间。
116.在一些实施方案中，参考脉冲生成设备1660可以与光束转向装置1610一起设置，以获得光脉冲的一部分作为参考信号，并且在光脉冲从光源1620发射出去之后将该部分重新定向到光敏设备1630。该部分可以是总光脉冲的任何百分比，如10％、1％、0.1％或0.0001％，或任何期望的百分比。本领域的技术人员可以理解，图16中所示的参考脉冲生成设备1660仅为说明性的；并且可以使用可获得作为参考信号的一个或多个光脉冲的一部分并将它们重新定向到光敏设备1630的任何光学件。例如，参考脉冲生成设备1660可以是将光脉冲的一部分反射到光敏设备的部分反射设备。
117.在关于图16所讨论的前述实施方案中，参考信号(例如，参考光脉冲)可由光敏设备1630检测。参考图17，该参考信号被示为参考脉冲1710。图17还示出了返回光脉冲1720。该返回光脉冲(例如，由视场中的物体反射/散射并由光敏设备1630接收的脉冲)被示为脉冲1720。脉冲1720可以具有与参考脉冲1710不同的强度和脉冲宽度。在一些实施方案中，脉冲1710和1720可具有类似的形状轮廓。在一个实施方案中，参考脉冲1710可以用作匹配所接收的返回脉冲1720的模板以准确地确定返回脉冲与参考脉冲之间的时间差(或tof)。基于tof，可以确定物体在视场中的距离。
118.图19示出了使用lidar扫描系统(例如，在图1a至图1b、图2a至图2c、图3、图4a至图4b、图5、图9a至图9d、图10a至图10b以及图11中所描绘的各种系统)确定用于产生3d图像的一个或多个光脉冲的飞行时间的方法的示例性流程图。参考图19，在框1902处，可以从lidar扫描系统的光源产生一个或多个光脉冲(例如，具有约0.01纳秒至5纳秒的脉冲宽度的短激光脉冲或具有5纳秒至30纳秒或更长的脉冲宽度的光脉冲)。在框1904处，光束转向装置可以在水平方向和垂直方向两者上使视场中的一个或多个光脉冲转向或对它们进行扫描。在框1906处，一个或多个光脉冲或它们的一部分照射或到达物体并在一个或多个方向上被散射和反射。在一些实施方案中，被散射或反射的光脉冲的一部分可返回到lidar扫描系统并到达lidar扫描系统的检测器的收集孔。
119.在框1910处，可以在基本上与从lidar扫描系统发射出的光脉冲的转向方向相反并且基本上平行于从lidar扫描系统发射出的光脉冲的方向上使一个或多个返回光脉冲转向或对其进行重新定向。在框1912处，一个或多个重新定向的返回光脉冲可以被聚焦到接收光学系统的光检测器上。在框1914处，光检测器将到达光检测器的重新定向的返回光脉冲的光子转换为一个或多个电信号。在框1916处，可使用放大电路或设备以预先确定的因子放大由光检测器产生的一个或多个输出电信号。在框1920处，放大的一个或多个电信号可以被采样并且以预先确定的采样率转换为数字值。在一些实施方案中，可以在对应于视场中最远的物体的期望的最大tof的时间段内收集数字化信号数据。在框1922处，可以分析数字化信号数据以确定一个或多个返回光脉冲的tof，并且确定从lidar扫描系统到物体的反射点或散射点的距离。
120.应当理解，所公开的方法和/或流程图中的框的具体顺序或层级是示例性方法的
说明。基于设计偏好，应当理解，可以对所述方法和/或流程图中的框的具体顺序或层级进行重新排列。此外，一些框可以被组合或省略。所附方法权利要求以示例性顺序呈现了各种框的元素，但并不意味着受到所呈现的特定顺序或层级的限制。
121.提供先前的描述是为了使得本领域的任何技术人员能够实践本文所述的各个方面。这些方面的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且本文所定义的一般原理可以应用于其它方面。因此，权利要求并非旨在限于本文所示的方面，而是要符合与语言权利要求相一致的全部范围，其中除非特别说明，否则以单数形式引用元素并非意在表示“一个且仅一个”，而是指“一个或多个”。本文使用“示例性”这个词来表示“用作示例、实例或说明”。本文所述为“示例性”的任何方面并不一定被解释为比其它方面优选或更有利。除非另外特别说明，否则术语“一些”是指一个或多个。诸如“a、b或c中的至少一个”、“a、b或c中的一个或多个”、“a、b和c中的至少一个”、“a、b和c中的一个或多个”以及“a、b、c或它们的任何组合”的组合包括a、b和/或c的任何组合，并且可包括a的倍数，b的倍数或c的倍数。具体地讲，诸如“a、b或c中的至少一个”、“a、b或c中的一个或多个”、“a、b和c中的至少一个”、“a、b和c中的一个或多个”以及“a、b、c或它们的任何组合”的组合可以是只有a，只有b，只有c，a和b，a和c，b和c、或a和b和c，其中任何此类组合可包括a、b或c的一个或多个成员或多个成员。对于本领域的普通技术人员而言是已知的或以后将是已知的贯穿本公开所描述的各个方面的元素的所有结构和功能等同物明确地以引用的方式并入本文，并且旨在被权利要求所涵盖。此外，本文所公开的任何内容都不旨在针对公众，不管这些公开是否在权利要求中明确记载。字词“模块”、“机构”、“元素”、“设备”等可以不是字词“单元”的替代。因此，根据35 u.s.c.
§
112(f)，除非使用短语“用于...的单元”来明确地叙述元素，否则任何权利要求元素都无需解释。