在倾斜界面后面使用衍射结构的LiDAR系统的紧凑光学封装

在倾斜界面后面使用衍射结构的LiDAR系统的紧凑光学封装

　　技术领域

　　本发明一般涉及用于光学感测的系统和方法，具体地涉及深度映射。

　　背景技术

　　飞行时间(ToF)成像技术用在许多LiDAR系统(也称为深度映射、3D映射或3D成像系统)中。在直接ToF技术中，光源诸如脉冲激光器朝向要被映射的场景引导光学辐射的脉冲，并且高速检测器感测从该场景反射的辐射的到达时间。深度图中每个像素的深度值是得自输出脉冲的发射时间与从场景中对应点反射的辐射的到达时间之间的差值，这被称为光学脉冲的“飞行时间”。被反射回且被检测器接收的辐射脉冲也被称为“回波”。

　　发明内容

　　下文所述的本发明的实施方案提供了用于光学感测诸如基于LiDAR的深度感测的改进的装置和方法。

　　因此，根据本发明的实施方案，提供了感测装置，该感测装置包括透明窗口和包括光束源的LiDAR组件，该LiDAR组件被配置为沿光束轴线发射一个或多个光学辐射束，并且被配置为在围绕光束轴线的角度范围内扫描一个或多个光束。衍射结构被安装成大致平行于所述透明窗口并且被定位成拦截由所述LiDAR组件发射的所述一个或多个光束，并且使所述光束轴线转向以相对于所述透明窗口表面的法线成大于30°的角穿过所述透明窗口。

　　在一些实施方案中，LiDAR组件包括至少一个传感器，该传感器被配置为检测从目标反射并且通过透明窗口返回到至少一个传感器的光学辐射。在所公开的实施方案中，至少一个传感器

　　以具有光束源的单站配置定位在光束轴线上。附加地或可替代地，光束源包括衬底和发射器阵列，该发射器阵列设置在衬底上并且被配置为发射相应的光束。

　　在一些实施方案中，LiDAR组件包括折叠光学器件诸如光栅，该折叠光学器件被定位在光束源与一个或多个衍射结构之间，该衍射结构被配置为拦截光束轴线并且使其朝透明窗口转向。在所公开的实施方案中，光束源被配置为在预定义的调谐范围内调谐一个或多个光束的波长，并且折叠光学器件包括色散元件，该色散元件被配置为以作为波长的函数而变化的转向角偏转一个或多个光束。可替代地，折叠光学器件包括反射镜，该反射镜被配置为旋转以在转向角的范围内偏转一个或多个光束。

　　在一些实施方案中，衍射结构被配置为相对于光束轴线旋转以在光束角范围内扫描穿过透明窗口的一个或多个光束。在一个实施方案中，LiDAR组件被配置为在第一扫描方向上扫描一个或多个光束，而衍射结构被配置为旋转以在横向于第一扫描方向的第二扫描方向上扫描一个或多个光束。

　　通常，衍射结构被安装在透明窗口附近。在一些实施方案中，LiDAR组件被封装到车辆挡风玻璃的支撑结构中，并且透明窗口为挡风玻璃或被放置在大致平行于挡风玻璃的支撑结构中。

　　根据本发明的实施方案，还提供了一种用于感测的方法，该方法包括提供LiDAR组件，该LiDAR组件被配置为沿光束轴线发射一个或多个光学辐射束并且在围绕光束轴线的角度范围内扫描一个或多个光束。衍射结构被安装成大致平行于透明窗口以拦截由LiDAR组件发射的一个或多个光束，并且使光束轴线转向以相对于透明窗口表面的法线成大于30°的角穿过透明窗口。

　　结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：

　　附图说明

　　图1是根据本发明的实施方案的用于深度感测的装置的示意性侧视图；

　　图2是根据本发明的另一个实施方案的用于深度感测的装置的示意性侧视图；

　　图3是根据本发明的实施方案的由图2的装置输出的射线的示意性图示说明；

　　图4是根据本发明的可替代实施方案的用于深度感测的装置的示意性侧视图；以及

　　图5是根据本发明的又一个实施方案的用于深度感测的装置的示意性侧视图。

　　具体实施方式

　　概述

　　在一些应用中，深度映射设备被安装在陡峭倾斜的透明窗口后面，其中设备视场的中心轴线相对于窗口表面的法线成陡峭角度。例如，当前向LiDAR设备被安装在汽车或其他车辆的挡风玻璃后面时，设备视场的光学轴线可相对于挡风玻璃的法线成45°或更大角度。

　　本文所述的本发明的实施方案使用衍射结构折叠光学感测设备诸如LiDAR设备的光学轴线，从而促进在陡峭倾斜的透明表面后面紧凑封装此类设备。这些实施方案中的衍射结构被安装成大致平行于透明表面。在本上下文中，术语“大致平行”意味着衍射结构的平面在透明表面的20°平面内；但是对于紧凑封装，可能更有利的是，平面在10°甚至5°内。为了紧凑性，衍射结构通常被安装在透明窗口附近，这意味着衍射结构与窗口之间的距离小于衍射结构的横向尺寸(意味着在平行于窗口的方向上测量的尺寸)；但是可替代地，衍射结构可被定位在距窗口更远处。在本上下文中可使用任何合适类型的衍射结构，诸如表面光栅、偏振光栅或体积全息光栅。

　　包括光束源和安装在透明窗口后面的光学器件的LiDAR组件，引导一个或多个光学辐射光束通过衍射结构，然后该衍射结构使光束在期望方向上穿过透明窗口。换句话讲，衍射结构使光束沿其传播的光束轴线转向，以使得轴线以高角度穿过窗口，例如以与窗口表面法线成大于30°，并且可能大于45°的角。

　　在一些下述实施方案中，LiDAR光束源在第一方向上扫描一个或多个光束，而衍射结构被旋转以跨整个视场在横向于第一方向的第二方向上扫描一个或多个光束。在一个此类实施方案中，通过扫描激光束(或光束)的波长并且使用色散元件诸如光栅和/或棱镜将波长扫描转换成角度扫描来完成在第一方向上的扫描。在另一个实施方案中，光学机械扫描器诸如扫描反射镜，用于在至少第一方向上扫描激光束。

　　基于光栅的扫描

　　图1是根据本发明的实施方案的用于深度感测的装置20的示意性侧视图。装置20特别(尽管不排他)适用于安装在诸如汽车或其他车辆的挡风玻璃的透明窗口52后面。

　　装置20包括LiDAR组件21，该LiDAR组件包括光束源22，该光束源沿光束轴线26发射光学辐射束24。光束源一般可包括一个或多个发射器。在图1所示的实施方案中，光束源22包括设置在衬底30诸如硅衬底上的LiDAR传感器28的阵列。每个传感器28包括发射器32诸如脉冲激光二极管，和检测器38诸如单光子雪崩二极管(SPAD)或其他类型的ToF感测设备。在这个实施方案中，发射器32和检测器38以单站配置安装，共享同一孔和光束轴线。如本领域已知，分束器40例如基于偏振或光学不对等来分离传出(发送)和传入(接收)的光。

　　在图示实施方案中，LiDAR传感器28包括光子集成电路，该光子集成电路包括相应的发射器32和检测器38，具有共享输入/输出耦合器34。这个耦合器34可包括例如单模式或双包层光纤，该光纤可与衬底30上的V形槽对准，从而精确限定传感器28的孔。附加地或可替代地，耦合器34可包括被配置为具有边缘或竖直耦合结构的光斑尺寸转换器的波导，如例如在2020年1月27日提交的美国专利申请16/722,773中所述，其公开内容以引用方式并入本文。输出光束的光斑尺寸和发散度可例如通过渐缩波导以及通过与每个光束对准定位的微透镜36来控制。

　　由耦合器34限定的孔可位于共同平面中，或者它们还可替代地沿曲线设置，作为LiDAR组件21的总体光学设计的一部分。耦合器34和微透镜36可取向在正交于衬底30边缘的方向上或者可替代地在非正交方向上发射光束24，例如以朝向焦平面汇聚的相应角。孔和光束方向的这些种类布置添加了在LiDAR光学器件的设计中的灵活性，如上述美国专利申请16/722,773中的第9-24页进一步解释。

　　LiDAR组件21中的准直光学器件42将传感器28孔的位置映射成角，如图1所示。这些角通常是稀疏分布的，这意味着在未被光束区域覆盖的准直光束之间存在角间隙。尽管图中示出了准直光学器件42，但是为了简单起见作为单个透镜，实际上准直光学器件通常包括多个透镜元件以及微透镜36。

　　折叠光学器件44被定位在光束源22与窗口52之间，并且用于拦截光束轴线26并且使其朝窗口转向。在本实施方案中，折叠光学器件44包括衍射元件诸如光栅，该衍射元件闪耀以引导光束24相对于光栅表面的法线46成特定的目标衍射级。通过减小LiDAR组件在正交于窗52的方向上的物理尺寸，折叠光学器件44用于实现紧凑封装LiDAR组件21。

　　此外，除了重新引导光束轴线26之外，折叠光学器件44中的光栅还可用于在围绕光束轴线的某范围内扫描光束24的角。具体地，光栅引入了依赖波长的角色散(初始色散)。为了扫描光束，光束源22使用本领域已知的微机械技术或热波长调谐在预定义的调谐范围内例如在40-60nm的范围内调谐光束的波长。光栅的转向角作为波长的函数而固有地变化，以使得扫描波长导致折叠光学器件44扫描光束24的偏转角。附加地或可替代地，折叠光学器件44可包括其他种类的色散光学元件，诸如棱镜。折叠光学器件44的角度扫描范围可足够或可不足够以填充光束24之间的角间隙，这意味着被光束覆盖的区域可保持稀疏或可不保持稀疏。

　　另一个衍射结构诸如光栅48被安装成大致平行于窗口52(并且可能精确平行，如图1所示)。如前所述，光栅48可包括本领域已知的任何合适种类的衍射结构，诸如表面光栅、偏振光栅或体积全息光栅。光栅48被定位成接收和拦截从折叠光学器件24输出的光束44，并且使光束轴线26以相对于窗口表面的法线成大于30°的角穿过透明窗口52。光栅48被设计和图案化以具有足够大的接受角范围以容纳所有光束24，同时优先衍射光束24成导向期望视场的衍射级。因此，在上述车辆示例中，光栅48通常将

　　以向前方向偏转光束，尽管挡风玻璃倾斜。

　　此外，在本实施方案中，光栅48被安装和驱动成相对于轴线50(在本情况下平行于光束轴线26)旋转。当光栅48旋转时，光栅线的旋转导致衍射角，光束24以该衍射角偏转以在围绕轴线50的方位角方向上扫描。因此，扫描光束在光束角范围内穿过窗口52并且跨装置20的整个视场扫描。通过组合由光栅48的旋转引起的角度扫描与折叠光学器件44的波长调谐的扫描，装置20的总体扫描范围能够密集覆盖视场。换句话讲，装置20的视场内的每个输出角可通过适当组合光束选择、波长调谐和光栅旋转来处理。这种扫描性能可例如通过布置LiDAR组件21在第一扫描方向(诸如图1中页面平面内的扫描方向)上扫描光束24来实现，而光栅48的旋转在横向于第一扫描方向(诸如垂直于图1中页面的X方向)的第二扫描方向上扫描光束。

　　图2是根据本发明的另一个实施方案的用于深度感测的装置60的示意性侧视图。装置60的操作原理与装置20的操作原理非常类似，并且在这两个实施方案中使用相同的附图标号指代对应部件。

　　如图2所示，驱动电路62控制光束源22的操作，包括调谐光束24的波长和感测由检测器38接收的光子的飞行时间。通常，驱动电路62包括适用于致动和调谐发射器32的电流脉冲发生器和电压源，以及用于处理检测器38的输出的放大电路和时间/数字转换电路。准直光学器件42引导光束通过瞳孔64，朝向折叠光学器件44，该折叠光学器件在这个示例中包括在其入射表面上具有表面光栅的棱镜66。通常包括合适的电动机的扫描驱动器68旋转光栅48，以跨整个视场扫描装置60的光束。诸如具有合适界面的可编程微处理器或微控制器的控制器70，调节驱动电路62和扫描驱动器68的操作以便在视场里扫描光束24，并且处理由驱动电路输出的信号以便生成视场的深度图。

　　装置60的所有元件被容纳在紧凑外壳72以内，该紧凑外壳主要沿平行于窗口52的方向延伸。假设窗口52为车辆挡风玻璃，LiDAR组件21以这种方式封装到挡风玻璃的支撑结构中。可替代地，窗口52可与挡风玻璃分离，并且可被放置在例如支撑结构中的合适开口中，通常以大致平行于车辆挡风玻璃的取向放置。

　　图3是根据本发明的一个实施方案的由装置60输出的射线74、76、78、80…的示意性图示说明。射线74、76、78、80…相对于窗口52的不同仰角可例如通过扫描发射器32的波长来生成。射线74、76、78、80…中的每列竖直射线因此由从光束源22中的对应发射器32输出的光束24产生。光栅48围绕其轴线的旋转在方位角方向(即，横向于列的竖直轴线的方向)上移动射线列，因此填充列之间的间隙以给出装置视场的密集覆盖。

　　基于反射镜的扫描

　　图4是根据本发明的可替代实施方案的用于深度感测的装置90的示意性侧视图。装置90的元件类似于前述实施方案，不同的是本实施方案中的折叠光学器件包括反射镜94，该反射镜被配置为旋转以在一维或二维上在转向角范围内偏转光束。

　　装置90包括光束源92，该光束源在构造和操作上一般类似于图1中的光束源22和准直光学器件42。然而，在本实施方案中，反射镜94使由光束源92输出的光束转向并且对其扫描，以使得不需要波长扫描光束源。因此，光束源92通常包括一个或多个激光二极管，该一个或多个激光二极管以恒定波长(例如1545nm)以及一般小于1nm的窄线宽操作。

　　反射镜94附接到扫描机构(图中未示出)，诸如电流计驱动器或微机电系统(MEMS)驱动器，或者驱动反射镜在一维或二维上扫描的本领域已知的任何其他合适种类的扫描机构。在图示示例中，反射镜94在取向94A与94B之间围绕垂直于图4页面的轴线而旋转，并且因此扫描通过窗口52射出的光束高度。如在前述实施方案中，光栅96使光束轴线26以高角度穿过窗口52，并且还旋转以在方位角方向上的期望范围内扫描光束。

　　在反射镜94能够在二维上扫描的可替代实施方案中，光栅96可以是静态的，以使光束轴转向，而无需任何附加的扫描功能。

　　图5是根据本发明的又一个实施方案的用于深度感测的装置100的示意性侧视图。装置100包括单站光束源102，该单站光束源包括如图1的实施方案中的发射器32和检测器38。准直光学器件104引导由光束源102输出的一个或多个光束朝向扫描反射镜106，该扫描反射镜旋转以扫描光束的高度。横向扫描通过旋转光栅96来执行。

　　应当理解，上文所描述的实施方案以示例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。