用于汽车的低成本小型lidar的制作方法
用于汽车的低成本小型lidar的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年2月6日提交的题为LOW COST SMALL SIZE LIDAR FORAUTOMOTIVE的美国临时专利申请No. 61/936, 524的权益。
技术领域
[0003] 本发明总体涉及LiDAR传感器，并且更特别地涉及用于汽车应用的LiDAR传感器， 其中传感器使用多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列，每个包括独立的透镜。
【背景技术】
[0004] 现代车辆有时包括各种主动安全和控制系统，诸如防碰撞系统、自适应巡航控制 系统、车道保持系统、车道对中系统等，其中车辆技术正向半自主和完全自主驱动的车辆发 展。例如，现有技术中已知的防碰撞系统在检测到与另一车辆或对象之间的潜在或即将来 临的碰撞时提供自动车辆控制，诸如制动，并且还可以提供警告以允许驾驶员采取正确的 措施来阻止碰撞。同样，已知的自适应巡航腔制系统使用前向观察传感器以在主车辆接近 另一车辆时提供自动速度控制和/或制动。用于这些类型系统的对象检测传感器可以使 用多种技术中的任何技术，诸如短距离雷达、长距离雷达、具有图像处理的相机、激光器或 LiDAR、超声波等。对象检测传感器检测在主车辆的路径中的车辆或其它对象，并且应用软 件使用对象检测信息来提供警告或者采取合适的行动。
[0005] LiDAR传感器有时被应用在车辆上以检测车辆周围的对象，并且使用来自这些对 象的反射提供到这些对象的距离和方位，该反射提供多个扫描点，其组合成点群集距离图， 其中在传感器的视场（F0V)中每1/2°或者更小提供独立的扫描点。因此，如果主车辆的前 面检测到目标车辆或者其它对象，则会存在被返回的识别目标车辆离主车辆的距离的多个 扫描点。通过提供扫描返回点的群集，诸如卡车、拖车、自行车、步行者、护栏等的具有各种 和任意形状的对象可以更容易地被检测到，其中对象越大和/或离主车辆越近，提供的扫 描点越多。
[0006] 大多数已知的LiDAR传感器使用单个激光器和快速旋转镜来在车辆周围产生反 射或返回的三维点云。在镜旋转时，激光器发射光脉冲，并且传感器测量光脉冲从在其F0V 中的对象反射和返回所花费的时间，从而确定对象的距离，本领域中已知为飞行时间计算。 通过非常快速地发出激光脉冲，可以生成传感器F0V中的对象的三维图像。可以提供多个 传感器，并且来自其的图像被相关以生成车辆周围的对象的三维图像。其它已知的LiDAR 传感器旋转整个激光系统，而不是仅旋转镜，以提供信号扫描，但是这种系统通常为大体积 并且通常缺乏鲁棒性。
[0007] 以上涉及的镜为LiDAR传感器的相对大和主要的部分，并且因此构成传感器的尺 寸和质量的大部分，这也增加了传感器的成本。此外，镜造成差的传感器鲁棒性。进一步， 镜的单个轴线意味着LiDAR传感器实际上不收集返回的真实三维点云，而是更类似于单个 线或多个线（如果使用多于一个激光器的话）上的二维距离的点云。特别地，由于使用旋 转镜扫描单个激光束，所以反射束在与镜的旋转方向垂直的方向上不提供FOV。为了提供来 自那些方向的返回，需要提供附加的激光器，这设置了设计上的限制并且增大了成本。为了 满足快速数据更新的需要，镜必须非常快地旋转，这仅允许测量算法为飞行时间，由于需要 快速的电子装置，其成本也非常高。并且，需要旋转镜的相应马达使LiDAR传感器增加了显 著的尺寸和重量。此外，由于镜大且笨重，即使响应于车辆上的小干扰也具有容易与激光不 对齐的趋势。并且，马达需要大的能量，并且由于镜旋转，所以LiDAR传感器由于机械磨损 而故障的可能性显著增加。因此，当前LiDAR传感器设计在大量生产的车辆中实施通常成 本太大。
[0008] 此外，当前LiDAR传感器设计不允许信号从一个传感器返回到另一个传感器，并 且因此在相同的有关空间中操作的多个车辆中，传感器之间的串话是一问题。
[0009] 另一已知的LiDAR传感器被称作闪现（flash) LiDAR传感器，其使用单个大功率激 光器照射整个传感器F0V。传感器包括特定检测器的精细阵列以提供飞行时间（T0F)距离 计算以确定到对象的距离。这些传感器往往需要：大功率和高成本的激光器；具有高分辨 率的笨重和昂贵的成像透镜，因为像素非常小、F0V大并且需要收集大量的光；以及定制的 传感器阵列。
[0010] 本领域中已知的是提供使用激光器的二维阵列和相关联的透镜的LiDAR传感器 以创建没有移动部件的光电扫描技术。激光器的二维阵列可以是本领域已知的VCSEL阵 列，其为半导体类型激光器，其中每个激光点源在晶片上被制造成所需尺寸。VCSEL阵列中 的每个激光器被电控制使得阵列中选择的激光器可以按需要被打开和关闭。因此，通过选 择性地打开和关闭激光器，来自阵列的激光束被扫描以赋予三维返回点云，因为激光未在 单个线上对齐。然而，这一已知LiDAR传感器在其F0V上受限，因为对于较大的F0V，将需 要产生高空间分辨率的透镜设计将非常难以实现，尤其以低成本实现。甚至已知的带有大 F0V的鱼眼型透镜在其F0V上仍受限，并且在其边缘处提供差的分辨率。此外，随着VCSEL 阵列的尺寸增大以提供较宽的F0V，用于提供这种大VCSEL阵列的成本显著增加。并且，以 低成本难以获得对于分辨率和眼睛安全所需的良好的准直束和大F0V的组合。
【发明内容】
[0011] 本公开描述了在车辆上使用的具有特定应用的LiDAR传感器。LiDAR传感器包括 多个间隔开的VCSEL阵列，每个包括单个透镜，其中每个VCSEL阵列的透镜引导在期望方 向被照射的阵列中的特定激光器的束，使得打开和关闭在每个阵列中的激光器产生扫描效 应。VCSEL阵列的数目和尺寸被选择成为传感器提供所需的F0V，其中VCSEL阵列可以被放 置在曲平台上，或者任何其它合适的形状，以提供该F0V。传感器还包括用于检测由激光器 发射的激光束的反射的一个或多个检测器。提供控制电子装置以扫描激光束和产生返回图 像点的三维点云。
[0012] 本发明的其他特征将在结合附图时从以下描述和所附权利要求中变得明显。
[0013] 本发明还提供了以下解决方案：
[0014] 1、一种包括多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列的LiDAR传感器，每个包括 多个VCSEL，所述传感器还包括定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，其接收和聚焦来自 特定阵列中的每个VCSEL的激光束。
[0015] 2、根据方案1所述的传感器，其特征在于，所述传感器被配置成在汽车上使用。
[0016] 3、根据方案1所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有180°视场。
[0017] 4、根据方案1所述的传感器，其特征在于，所述多个VCSEL阵列为九个VCSEL阵 列。
[0018] 5、根据方案1所述的传感器，其特征在于，还包括与所述VCSEL阵列具有相同视场 的相机。
[0019] 6、根据方案1所述的传感器，其特征在于，还包括半圆壳体，所述多个VCSEL阵列 安装在所述半圆壳体上。
[0020] 7、根据方案1所述的传感器，其特征在于，还包括用于检测从接收激光束的对象 反射的反射束的检测器组件。
[0021] 8、根据方案7所述的传感器，其特征在于，所述检测器组件包括多个间隔开的检 测器，其中每个检测器包括透镜。
[0022] 9、根据方案7所述的传感器，其特征在于，所述检测器组件为包括接收机电子装 置的接收机的一部分，所述接收机电子装置识别用于对象距离发现的在所述反射束和所述 激光束之间的相位偏移以确定对象离传感器的距离。
[0023] 10、根据方案9所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括对用于距离发现的激 光束进行幅度调制的发射机电子装置。
[0024] 11、根据方案9所述的传感器，其特征在于，还包括提供来自VCSEL阵列的采样束 的光学设备，所述检测器组件包括接收采样束的参考检测器和接收反射束的主检测器，所 述接收机电子装置使用所述采样束和反射束来确定在所述激光束和所述反射束之间的相 位偏移。
[0025] 12、一种汽车LiDAR传感器，包括：
[0026] 多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列，每个包括多个VCSEL ;
[0027] 定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，其接收和聚焦来自特定阵列中的每个 VCSEL的激光束；
[0028] 用于检测从接收激光束的对象反射的反射束的检测器组件；以及
[0029] 响应于所述反射束并且识别用于对象距离发现的在所述反射束和所述激光束之 间的相位偏移以确定对象离传感器的距离的接收机电子装置。 [0030] 13、根据方案12所述的传感器，其特征在于，还包括提供来自VCSEL阵列的采样束 的光学设备，所述检测器组件包括接收采样束的参考检测器和接收反射束的主检测器，所 述接收机电子装置使用所述采样束和所述反射束来确定所述激光束和所述反射束之间的 相位偏移。
[0031] 14、根据方案12所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括对用于距离发现的 激光束进行幅度调制的发射机电子装置。
[0032] 15、根据方案12所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有180°视场。
[0033] 16、根据方案12所述的传感器，其特征在于，还包括与所述VCSEL阵列具有相同视 场的相机。
[0034] 17、根据方案12所述的传感器，其特征在于，还包括半圆壳体，所述多个VCSEL阵 列安装在所述半圆壳体上。
[0035] 18、一种LiDAR传感器，包括：
[0036] 半圆壳体；
[0037] 发射机，其包括安装在所述壳体上的多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列和 定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，每个VCSEL阵列包括多个VCSEL，所述独立透镜接 收和聚焦来自特定阵列中的每个VCSEL的激光束；以及
[0038] 接收机，其包括用于检测从接收所述激光束的对象反射的反射束的检测器组件， 所述接收机还包括接收机电子装置，其响应于反射束并且识别用于对象距离发现的在所述 反射束和所述激光束之间的相位偏移以确定对象离所述传感器的距离，其中所述传感器具 有180°视场。
[0039] 19、根据方案18所述的传感器，其特征在于，还包括提供来自VCSEL阵列的采样束 的光学设备，所述检测器组件包括接收所述采样束的参考检测器和接收所述反射束的主检 测器，所述接收机电子装置使用所述采样束和所述反射束来确定所述激光束和所述反射束 之间的相位偏移。
[0040] 20、根据方案18所述的传感器，其特征在于，所述发射机还包括对用于距离发现 的所述激光束进行幅度调制的发射机电子装置。
[0041] 21、根据方案18所述的传感器，其特征在于，还包括与所述VCSEL阵列具有相同视 场的相机。
【附图说明】
[0042] 图1为包括多个发射机和接收机的LiDAR传感器的等距视图；
[0043] 图2为包括多个策略地定位的VCSEL阵列的LiDAR传感器系统的示意图；
[0044] 图3为宽视场相机的等距视图；
[0045] 图4为包括两个180° FOV LiDAR传感器的车辆的顶视图；
[0046] 图5为包括单个180° FOV LiDAR传感器的车辆的顶视图；
[0047] 图6为用于使用此处讨论的LiDAR传感器提供三维图像的系统的框图；以及
[0048] 图7为用于通过使用此处讨论的LiDAR传感器利用激光距离发现来提供三维图像 的系统的另一框图。
【具体实施方式】
[0049] 下面对涉及包括多个VCSEL阵列的LiDAR传感器的本发明实施方式的讨论本质上 仅仅是示例性的，并且决不意在限制本发明或者其应用或使用。例如，本发明的LiDAR传感 器具有在车辆上使用的特定应用。然而，如将由本领域技术人员理解的，本发明的LiDAR传 感器可以具有其它应用。
[0050] 图1为包括具有外曲表面14的半圆传感器壳体12的LiDAR传感器10的等距视 图。激光发射器18的组件16沿着壳体12的外表面14排成行。各种传感器电子装置、处理 器等将设置在壳体12中。如将在以下详细讨论的，每个发射机18包括VCSEL阵列和相关 联的透镜。激光发射机18的数目、间隔、尺寸、形状等对于特定LiDAR传感器将是专用的。 发射机18在组件16中的数目将依赖于传感器10的期望FOV以及发射机18的尺寸。在该 非限制性示例中，组件16包括九个发射机18以提供180° FOV。传感器10还包括接收机 22的组件20,其也排成一行地配置在壳体12的外表面14上，其中接收机22相对于每个发 射机18被相应地定位。LiDAR传感器10还包括位于壳体12的外表面14上的宽FOV相机 24以提供由接收机22检测的相同场景或FOV的图像以便校准目的及其它目的，如将在下面 进一步讨论。
[0051] 图2示出了发射机32的组件30,此处五个发射机以弧形构造布置并且提供组件 16的表示。每个发射机32包括VCSEL阵列34,其为以本领域技术人员熟知的方式在合适 的半导体基底上制造的单独的垂直腔表面发射激光器（未示出）的二维阵列。在一种实施 方式中，每个VCSEL阵列34将包括数百个激光器。当打开时各VCSEL阵列34中的每个激 光器产生激光束36,其被发射机32中的独立透镜38聚焦到期望的聚焦距离（诸如离安装 LiDAR传感器的车辆的合适距离）。应当注意的是，尽管示出了从VCSEL阵列34的每个发 射的多个激光束36,但是，在操作中在任一特定时间点，每个VCSEL阵列34中仅一个激光器 将被打开，其中在特定VCSEL阵列34中的激光器被打开和关闭以产生从阵列34发射的扫 描束。
[0052] 明显的是，通过提供特定尺寸的发射机32,结合多个发射机32的特定传感器的 FOV可以通过改变发射机32的数目被相应地增加和减少。此外，可以提供单个传感器，其具 有足够多的发射机32,来提供圆，因此提供360°的FOV。因此，通过提供多个发射机32,每 个具有其自己的透镜38,现有技术中的缺陷可以通过不具有任何移动部分（诸如大的旋转 镜）、并且对于单个VCSEL阵列的宽FOV应用来说不需要复杂的镜来克服。
[0053] 图3为可以被用于安装到壳体12的相机24的类型的宽FOV相机28的等距视图。 相机28提供了与VCSEL阵列34正在检测的场景相同的场景的视觉图像，使得不同格式的 两个图像可以通过合适的软件算法相关以提供增强的对象检测。在图像检测中具有冗余对 于校准目的或者为了确保传感器不会由于碰撞或类似情况而被移出其期望FOV来说会是 可期望的。此外，相机28可以在差天气条件中提供较好场景成像，其中LiDAR传感器10的 鲁棒性会受到限制。并且，由于制造和组装中的微小容差可能使每个阵列34相对于其意向 位置被稍微旋转、偏移或歪斜，使得机械校准不能提供合适的校准，所以相机28可以被用 于校准阵列34。能够一次观察所有激光束的单个相机可以补偿任何机械失准，并且还降低 制造成本。此外，随着时间会发生或者由于碰撞产生的任何失准可以被自校准。
[0054] 图4为上述的LiDAR传感器中的两个LiDAR传感器的一种实现的顶视图。例如， 如所示，一个180° FOV的LiDAR传感器42可以设置在车辆40的前面，并且一个180° FOV 的LiDAR传感器44可以设置在车辆40的后面，以给出环绕车辆40的完整的360° FOV。
[0055] 应当注意，对于LiDAR传感器来说的除了半圆或圆形以外的形状也可被设置。为 了对此进行示意，图5为示出上述类型的单个LiDAR传感器48的另一种实现的车辆46的 顶视图，该LiDAR传感器包括多个VCSEL阵列80 (这里为11个），策略地围绕车辆46定位 并提供180° FOV，且具有与上述传感器不同的形状。其它形状也是可适用的。
[0056] 如以上描述，已知的LiDAR传感器使用飞行时间来确定反射脉冲激光束的对象的 距离。然而，也如所述，这一类型的距离检测具有限制，在于来自其它传感器的信号可能被 特定传感器接收，即在同一通用区域中操作的多个传感器之间的串话。为了克服这一限 制，本发明提出使用距离发现技术来确定对象离车辆的距离D(参见以下等式（1))，以消除 或者至少显著降低传感器之间的串话的可能性，这是可能的，因为所提出的LiDAR传感器 不使用旋转镜。阵列中的每个VCSEL只要期望可被保持打开，从而有效地提供连续波信号 束。通过对连续波束进行幅度调制，产生依赖于调制具有特定频率的正弦波或其它重复信 号（诸如方波、三角波等）。正弦波信号被对象反射，并且被检测器检测，具有依赖于对象离 传感器的距离的相位偏移。电相锁环（PLL)可以从信号中提取相位偏移并且该相位偏移通 过已知技术被转换成距离。通过以独特方式调制连续波束，该束的频率可与在车辆的区域 中的其它束的频率不同，在车辆的区域中的其它束的频率将被特定LiDAR传感器忽略。应 当注意，所讨论的提供幅度调制和正弦波形格式是非限制性示例。诸如相位调制、极化调制 和频率调制的其它技术也是可适用的。此外，其它波格式，诸如方波，也可以被使用。
[0058] 还如上提及，使用扫描镜的LiDAR传感器在观察垂直于镜的旋转方向的方向中的 对象时通常受限。对于本发明的VCSEL阵列，如此处讨论，传感器可以被设计成通过在期望 方向上在 阵列中设置多个VCSEL而在垂直和水平方向上都具有FOV。此外，由于如果在返 回中检测到感兴趣的对象则在已知的LiDAR传感器设计中旋转镜必须持续旋转，所以已知 的LiDAR传感器不能停止镜继续在所检测的对象的方向中检测。利用本发明，如果检测到 感兴趣的对象，则在阵列中的检测该方向上的对象的VCSEL可以保留打开以提供对对象的 进一步检测。
[0059] 图6为LiDAR传感器系统50的框图，示出了提供传感器图像所需的控制的总体概 述。系统50包括上述的LiDAR传感器30和包括接收机元件54的检测器组件52,每个接收 机元件54具有接收来自目标的光束和将束聚焦在检测器60上的接收透镜56。检测器60 可以是光电二极管或光电倍增器，可以是单个设备或阵列，以及可以被调制以进一步降低 背景噪声。每个接收元件54包括观察与整个LiDAR传感器30的相同视场的检测器60。因 此，由于一个检测器不能区分分立的束，因此在一个特定的时间点，阵列34中仅一个激光 器可以使用。在替换实施方式中，若干激光器可以并行使用，并且在分立的频率处被调制， 且因此可以并行检测束，其中算法将束分离。在又一实施方式中，可以使用检测器的阵列以 并行地分立检测若干激光束。典型地，可以在检测器60的前面使用窄通带滤波器以消除环 境光（诸如来自太阳的光），其中VCSEL阵列34具有唯一的波长对温度稳定性。
[0060] 系统50包括产生命令的发射机控制器66,该命令识别哪个激光器阵列34中的哪 个特定激光器将被照射以提供束扫描和提供调制强度信号以便上述的距离发现目的。来自 发射机控制器66的信号被提供给多路复用器68,该多路复用器68将信号发送到所选择的 特定激光器。由检测器60接收的信号被提供给多路复用器70,该多路复用器70选择性地 将各个信号提供给快速模数（A/D)转换器72以将模拟信号转换成数字信号。数字信号被 提供给接收机控制器74,该接收机控制器74从发射机控制器66接收调制强度信号，并且 包括合适的软件以在数字信号中构造三维云扫描点。控制器74可以是任何合适的逻辑设 备，诸如场可编程门阵列（FPGA)、ASIC等等。接收机控制器74还接收来自由框76表示的 宽FOV相机的图像数据，并且使用适当的软件将相机图像与三维云组合。接收机控制器74 提供信号给发射机控制器66,以例如在检测到对象时标识哪个激光器照射。接收机控制器 74随后提供具有由圆78表示的嵌入的三维数据的图像。
[0061] 以上讨论的系统50使用相位测量，用于通过比较发射的光学信号与反射的光学 信号并提取这两个信号之间的相位来提供由传感器检测到的对象的距离检测。该过程使用 被用于调制VCSL阵列中的VCSL的电信号。然而，该技术通过使用第二参考检测器可以得 到改进，该第二参考检测器在源处捕获实际激光器光并且使用该光来将其与反射的光学信 号进行比较，这消除了所有电子侧效应，并且如果相同检测器不作为主检测器使用，则还消 除了检测器行为。
[0062] 图7为描述该实施方式的LiDAR传感器系统80的示意性框图。系统80包括发射 机82和接收机84。发射机82包括一个VCSEL阵列86,其中理解发射机82将包括多个上 述的VCSEL阵列。VCSEL阵列86包括基底88,多个垂直腔表面发射激光器90被制造在基 底88上，每个能够发射激光束92。由激光器90分立产生的各个激光束92由透镜94聚焦 以提供如上述的束扫描。幅度调制器和控制器96产生操作和控制激光器90的幅度调制的 正弦波信号，其中多路复用器98将调制的信号引导到期望的激光器90。如以上讨论，来自 特定激光器90的激光束92的小采样束102通过例如反射器100在发射机82处被收集并 且将其引导到接收机84。
[0063] 接收机84包括透镜110,其将来自目标或对象的反射束108引导到将光信号转换 成电信号的主检测器112 (诸如单个光子雪崩二极管（SPAD)检测器）。采样束102由接收 机84中的参考检测器104接收，其也将光信号转换成电信号。来自检测器104和112的电 信号被发送到比较器114,该比较器114提供这两个电信号之间的误差信号，该误差信号被 发送到识别在采样束102和反射束108之间的相位偏移的相位偏移检索处理器116。该相 位偏移在框118处通过例如等式（1)被转换成距离。
[0064] 应当注意，关于使用用于对象检测的VCSEL阵列、以及包括信号调制和方向控制 的以上讨论，还可以被用作在具有相同传感器能力的车辆之间的通信工具。特别地，检测主 车辆周围的其它车辆和对象的相同LiDAR传感器还可以被用于与那些其它车辆通信。该通 信可以以任何合适的方式使用，诸如用于防碰撞、自主驾驶等，其中这两个车辆将告诉彼此 它们的相关动态和移动，使得它们能够在接近彼此时安全共存。
[0065] 如本领域技术人员将熟知的，此处讨论的描述本发明的若干和各种步骤和过程， 可涉及由计算机、处理器或操作和/或使用电现象转换数据的其它电子计算设备执行的操 作。这些计算机和电子设备可以使用包括非瞬时计算机可读介质的各种易失性和/或非易 失性存储器，该非瞬时计算机可读介质具有存储在其上面的可执行程序，包括能够由计算 机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括所 有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。
[0066] 前述讨论仅公开和描述了本发明的示例实施方式。本领域技术人员容易从该讨论 和从附图和权利要求中意识到在不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情 况下从中作出各种改变、修改和变形。
【主权项】
1. 一种包括多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列的LiDAR传感器，每个包括多个 VCSEL，所述传感器还包括定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，其接收和聚焦来自特定 阵列中的每个VCSEL的激光束。2. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器被配置成在汽车上使用。3. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有180°视场。4. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述多个VCSEL阵列为九个VCSEL阵 列。5. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括与所述VCSEL阵列具有相同视场 的相机。6. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括半圆壳体，所述多个VCSEL阵列 安装在所述半圆壳体上。7. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括用于检测从接收激光束的对象 反射的反射束的检测器组件。8. 根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述检测器组件包括多个间隔开的检 测器，其中每个检测器包括透镜。9. 一种汽车LiDAR传感器，包括： 多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列，每个包括多个VCSEL; 定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，其接收和聚焦来自特定阵列中的每个VCSEL的激光束； 用于检测从接收激光束的对象反射的反射束的检测器组件；以及 响应于所述反射束并且识别用于对象距离发现的在所述反射束和所述激光束之间的 相位偏移以确定对象离传感器的距离的接收机电子装置。10. -种LiDAR传感器，包括： 半圆壳体； 发射机，其包括安装在所述壳体上的多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列和定位 成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，每个VCSEL阵列包括多个VCSEL，所述独立透镜接收和 聚焦来自特定阵列中的每个VCSEL的激光束；以及 接收机，其包括用于检测从接收所述激光束的对象反射的反射束的检测器组件，所述 接收机还包括接收机电子装置，其响应于反射束并且识别用于对象距离发现的在所述反射 束和所述激光束之间的相位偏移以确定对象离所述传感器的距离，其中所述传感器具有 180°视场。
【专利摘要】本发明涉及用于汽车的低成本小型LIDAR。具体地，一种具有使用在车辆上的特定应用的LiDAR传感器。LiDAR传感器包括多个间隔开的VCSEL阵列，每个VCSEL阵列包括单个透镜，其中用于每个VCSEL阵列的透镜引导在期望方向被照射的阵列中的特定激光器的束，从而打开或关闭各阵列中的激光器产生扫描效应。VCSEL阵列的数目和尺寸被选择成为传感器提供期望的FOV，其中VCSEL阵列可以被放置在曲线平台上以提供该FOV。传感器还包括用于检测由激光器发射的激光束的反射的一个或多个检测器。提供控制电子装置以扫描激光束和产生返回图像点的三维点云。
【IPC分类】G01S17/36, G01S17/93
【公开号】CN104898125
【申请号】CN201510172545
【发明人】A·利普森
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月6日
【公告号】US20150219764
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年2月6日提交的题为LOW COST SMALL SIZE LIDAR FORAUTOMOTIVE的美国临时专利申请No. 61/936, 524的权益。
技术领域
[0003] 本发明总体涉及LiDAR传感器，并且更特别地涉及用于汽车应用的LiDAR传感器， 其中传感器使用多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列，每个包括独立的透镜。
【背景技术】
[0004] 现代车辆有时包括各种主动安全和控制系统，诸如防碰撞系统、自适应巡航控制 系统、车道保持系统、车道对中系统等，其中车辆技术正向半自主和完全自主驱动的车辆发 展。例如，现有技术中已知的防碰撞系统在检测到与另一车辆或对象之间的潜在或即将来 临的碰撞时提供自动车辆控制，诸如制动，并且还可以提供警告以允许驾驶员采取正确的 措施来阻止碰撞。同样，已知的自适应巡航腔制系统使用前向观察传感器以在主车辆接近 另一车辆时提供自动速度控制和/或制动。用于这些类型系统的对象检测传感器可以使 用多种技术中的任何技术，诸如短距离雷达、长距离雷达、具有图像处理的相机、激光器或 LiDAR、超声波等。对象检测传感器检测在主车辆的路径中的车辆或其它对象，并且应用软 件使用对象检测信息来提供警告或者采取合适的行动。
[0005] LiDAR传感器有时被应用在车辆上以检测车辆周围的对象，并且使用来自这些对 象的反射提供到这些对象的距离和方位，该反射提供多个扫描点，其组合成点群集距离图， 其中在传感器的视场（F0V)中每1/2°或者更小提供独立的扫描点。因此，如果主车辆的前 面检测到目标车辆或者其它对象，则会存在被返回的识别目标车辆离主车辆的距离的多个 扫描点。通过提供扫描返回点的群集，诸如卡车、拖车、自行车、步行者、护栏等的具有各种 和任意形状的对象可以更容易地被检测到，其中对象越大和/或离主车辆越近，提供的扫 描点越多。
[0006] 大多数已知的LiDAR传感器使用单个激光器和快速旋转镜来在车辆周围产生反 射或返回的三维点云。在镜旋转时，激光器发射光脉冲，并且传感器测量光脉冲从在其F0V 中的对象反射和返回所花费的时间，从而确定对象的距离，本领域中已知为飞行时间计算。 通过非常快速地发出激光脉冲，可以生成传感器F0V中的对象的三维图像。可以提供多个 传感器，并且来自其的图像被相关以生成车辆周围的对象的三维图像。其它已知的LiDAR 传感器旋转整个激光系统，而不是仅旋转镜，以提供信号扫描，但是这种系统通常为大体积 并且通常缺乏鲁棒性。
[0007] 以上涉及的镜为LiDAR传感器的相对大和主要的部分，并且因此构成传感器的尺 寸和质量的大部分，这也增加了传感器的成本。此外，镜造成差的传感器鲁棒性。进一步， 镜的单个轴线意味着LiDAR传感器实际上不收集返回的真实三维点云，而是更类似于单个 线或多个线（如果使用多于一个激光器的话）上的二维距离的点云。特别地，由于使用旋 转镜扫描单个激光束，所以反射束在与镜的旋转方向垂直的方向上不提供FOV。为了提供来 自那些方向的返回，需要提供附加的激光器，这设置了设计上的限制并且增大了成本。为了 满足快速数据更新的需要，镜必须非常快地旋转，这仅允许测量算法为飞行时间，由于需要 快速的电子装置，其成本也非常高。并且，需要旋转镜的相应马达使LiDAR传感器增加了显 著的尺寸和重量。此外，由于镜大且笨重，即使响应于车辆上的小干扰也具有容易与激光不 对齐的趋势。并且，马达需要大的能量，并且由于镜旋转，所以LiDAR传感器由于机械磨损 而故障的可能性显著增加。因此，当前LiDAR传感器设计在大量生产的车辆中实施通常成 本太大。
[0008] 此外，当前LiDAR传感器设计不允许信号从一个传感器返回到另一个传感器，并 且因此在相同的有关空间中操作的多个车辆中，传感器之间的串话是一问题。
[0009] 另一已知的LiDAR传感器被称作闪现（flash) LiDAR传感器，其使用单个大功率激 光器照射整个传感器F0V。传感器包括特定检测器的精细阵列以提供飞行时间（T0F)距离 计算以确定到对象的距离。这些传感器往往需要：大功率和高成本的激光器；具有高分辨 率的笨重和昂贵的成像透镜，因为像素非常小、F0V大并且需要收集大量的光；以及定制的 传感器阵列。
[0010] 本领域中已知的是提供使用激光器的二维阵列和相关联的透镜的LiDAR传感器 以创建没有移动部件的光电扫描技术。激光器的二维阵列可以是本领域已知的VCSEL阵 列，其为半导体类型激光器，其中每个激光点源在晶片上被制造成所需尺寸。VCSEL阵列中 的每个激光器被电控制使得阵列中选择的激光器可以按需要被打开和关闭。因此，通过选 择性地打开和关闭激光器，来自阵列的激光束被扫描以赋予三维返回点云，因为激光未在 单个线上对齐。然而，这一已知LiDAR传感器在其F0V上受限，因为对于较大的F0V，将需 要产生高空间分辨率的透镜设计将非常难以实现，尤其以低成本实现。甚至已知的带有大 F0V的鱼眼型透镜在其F0V上仍受限，并且在其边缘处提供差的分辨率。此外，随着VCSEL 阵列的尺寸增大以提供较宽的F0V，用于提供这种大VCSEL阵列的成本显著增加。并且，以 低成本难以获得对于分辨率和眼睛安全所需的良好的准直束和大F0V的组合。
【发明内容】
[0011] 本公开描述了在车辆上使用的具有特定应用的LiDAR传感器。LiDAR传感器包括 多个间隔开的VCSEL阵列，每个包括单个透镜，其中每个VCSEL阵列的透镜引导在期望方 向被照射的阵列中的特定激光器的束，使得打开和关闭在每个阵列中的激光器产生扫描效 应。VCSEL阵列的数目和尺寸被选择成为传感器提供所需的F0V，其中VCSEL阵列可以被放 置在曲平台上，或者任何其它合适的形状，以提供该F0V。传感器还包括用于检测由激光器 发射的激光束的反射的一个或多个检测器。提供控制电子装置以扫描激光束和产生返回图 像点的三维点云。
[0012] 本发明的其他特征将在结合附图时从以下描述和所附权利要求中变得明显。
[0013] 本发明还提供了以下解决方案：
[0014] 1、一种包括多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列的LiDAR传感器，每个包括 多个VCSEL，所述传感器还包括定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，其接收和聚焦来自 特定阵列中的每个VCSEL的激光束。
[0015] 2、根据方案1所述的传感器，其特征在于，所述传感器被配置成在汽车上使用。
[0016] 3、根据方案1所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有180°视场。
[0017] 4、根据方案1所述的传感器，其特征在于，所述多个VCSEL阵列为九个VCSEL阵 列。
[0018] 5、根据方案1所述的传感器，其特征在于，还包括与所述VCSEL阵列具有相同视场 的相机。
[0019] 6、根据方案1所述的传感器，其特征在于，还包括半圆壳体，所述多个VCSEL阵列 安装在所述半圆壳体上。
[0020] 7、根据方案1所述的传感器，其特征在于，还包括用于检测从接收激光束的对象 反射的反射束的检测器组件。
[0021] 8、根据方案7所述的传感器，其特征在于，所述检测器组件包括多个间隔开的检 测器，其中每个检测器包括透镜。
[0022] 9、根据方案7所述的传感器，其特征在于，所述检测器组件为包括接收机电子装 置的接收机的一部分，所述接收机电子装置识别用于对象距离发现的在所述反射束和所述 激光束之间的相位偏移以确定对象离传感器的距离。
[0023] 10、根据方案9所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括对用于距离发现的激 光束进行幅度调制的发射机电子装置。
[0024] 11、根据方案9所述的传感器，其特征在于，还包括提供来自VCSEL阵列的采样束 的光学设备，所述检测器组件包括接收采样束的参考检测器和接收反射束的主检测器，所 述接收机电子装置使用所述采样束和反射束来确定在所述激光束和所述反射束之间的相 位偏移。
[0025] 12、一种汽车LiDAR传感器，包括：
[0026] 多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列，每个包括多个VCSEL ;
[0027] 定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，其接收和聚焦来自特定阵列中的每个 VCSEL的激光束；
[0028] 用于检测从接收激光束的对象反射的反射束的检测器组件；以及
[0029] 响应于所述反射束并且识别用于对象距离发现的在所述反射束和所述激光束之 间的相位偏移以确定对象离传感器的距离的接收机电子装置。 [0030] 13、根据方案12所述的传感器，其特征在于，还包括提供来自VCSEL阵列的采样束 的光学设备，所述检测器组件包括接收采样束的参考检测器和接收反射束的主检测器，所 述接收机电子装置使用所述采样束和所述反射束来确定所述激光束和所述反射束之间的 相位偏移。
[0031] 14、根据方案12所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括对用于距离发现的 激光束进行幅度调制的发射机电子装置。
[0032] 15、根据方案12所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有180°视场。
[0033] 16、根据方案12所述的传感器，其特征在于，还包括与所述VCSEL阵列具有相同视 场的相机。
[0034] 17、根据方案12所述的传感器，其特征在于，还包括半圆壳体，所述多个VCSEL阵 列安装在所述半圆壳体上。
[0035] 18、一种LiDAR传感器，包括：
[0036] 半圆壳体；
[0037] 发射机，其包括安装在所述壳体上的多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列和 定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，每个VCSEL阵列包括多个VCSEL，所述独立透镜接 收和聚焦来自特定阵列中的每个VCSEL的激光束；以及
[0038] 接收机，其包括用于检测从接收所述激光束的对象反射的反射束的检测器组件， 所述接收机还包括接收机电子装置，其响应于反射束并且识别用于对象距离发现的在所述 反射束和所述激光束之间的相位偏移以确定对象离所述传感器的距离，其中所述传感器具 有180°视场。
[0039] 19、根据方案18所述的传感器，其特征在于，还包括提供来自VCSEL阵列的采样束 的光学设备，所述检测器组件包括接收所述采样束的参考检测器和接收所述反射束的主检 测器，所述接收机电子装置使用所述采样束和所述反射束来确定所述激光束和所述反射束 之间的相位偏移。
[0040] 20、根据方案18所述的传感器，其特征在于，所述发射机还包括对用于距离发现 的所述激光束进行幅度调制的发射机电子装置。
[0041] 21、根据方案18所述的传感器，其特征在于，还包括与所述VCSEL阵列具有相同视 场的相机。
【附图说明】
[0042] 图1为包括多个发射机和接收机的LiDAR传感器的等距视图；
[0043] 图2为包括多个策略地定位的VCSEL阵列的LiDAR传感器系统的示意图；
[0044] 图3为宽视场相机的等距视图；
[0045] 图4为包括两个180° FOV LiDAR传感器的车辆的顶视图；
[0046] 图5为包括单个180° FOV LiDAR传感器的车辆的顶视图；
[0047] 图6为用于使用此处讨论的LiDAR传感器提供三维图像的系统的框图；以及
[0048] 图7为用于通过使用此处讨论的LiDAR传感器利用激光距离发现来提供三维图像 的系统的另一框图。
【具体实施方式】
[0049] 下面对涉及包括多个VCSEL阵列的LiDAR传感器的本发明实施方式的讨论本质上 仅仅是示例性的，并且决不意在限制本发明或者其应用或使用。例如，本发明的LiDAR传感 器具有在车辆上使用的特定应用。然而，如将由本领域技术人员理解的，本发明的LiDAR传 感器可以具有其它应用。
[0050] 图1为包括具有外曲表面14的半圆传感器壳体12的LiDAR传感器10的等距视 图。激光发射器18的组件16沿着壳体12的外表面14排成行。各种传感器电子装置、处理 器等将设置在壳体12中。如将在以下详细讨论的，每个发射机18包括VCSEL阵列和相关 联的透镜。激光发射机18的数目、间隔、尺寸、形状等对于特定LiDAR传感器将是专用的。 发射机18在组件16中的数目将依赖于传感器10的期望FOV以及发射机18的尺寸。在该 非限制性示例中，组件16包括九个发射机18以提供180° FOV。传感器10还包括接收机 22的组件20,其也排成一行地配置在壳体12的外表面14上，其中接收机22相对于每个发 射机18被相应地定位。LiDAR传感器10还包括位于壳体12的外表面14上的宽FOV相机 24以提供由接收机22检测的相同场景或FOV的图像以便校准目的及其它目的，如将在下面 进一步讨论。
[0051] 图2示出了发射机32的组件30,此处五个发射机以弧形构造布置并且提供组件 16的表示。每个发射机32包括VCSEL阵列34,其为以本领域技术人员熟知的方式在合适 的半导体基底上制造的单独的垂直腔表面发射激光器（未示出）的二维阵列。在一种实施 方式中，每个VCSEL阵列34将包括数百个激光器。当打开时各VCSEL阵列34中的每个激 光器产生激光束36,其被发射机32中的独立透镜38聚焦到期望的聚焦距离（诸如离安装 LiDAR传感器的车辆的合适距离）。应当注意的是，尽管示出了从VCSEL阵列34的每个发 射的多个激光束36,但是，在操作中在任一特定时间点，每个VCSEL阵列34中仅一个激光器 将被打开，其中在特定VCSEL阵列34中的激光器被打开和关闭以产生从阵列34发射的扫 描束。
[0052] 明显的是，通过提供特定尺寸的发射机32,结合多个发射机32的特定传感器的 FOV可以通过改变发射机32的数目被相应地增加和减少。此外，可以提供单个传感器，其具 有足够多的发射机32,来提供圆，因此提供360°的FOV。因此，通过提供多个发射机32,每 个具有其自己的透镜38,现有技术中的缺陷可以通过不具有任何移动部分（诸如大的旋转 镜）、并且对于单个VCSEL阵列的宽FOV应用来说不需要复杂的镜来克服。
[0053] 图3为可以被用于安装到壳体12的相机24的类型的宽FOV相机28的等距视图。 相机28提供了与VCSEL阵列34正在检测的场景相同的场景的视觉图像，使得不同格式的 两个图像可以通过合适的软件算法相关以提供增强的对象检测。在图像检测中具有冗余对 于校准目的或者为了确保传感器不会由于碰撞或类似情况而被移出其期望FOV来说会是 可期望的。此外，相机28可以在差天气条件中提供较好场景成像，其中LiDAR传感器10的 鲁棒性会受到限制。并且，由于制造和组装中的微小容差可能使每个阵列34相对于其意向 位置被稍微旋转、偏移或歪斜，使得机械校准不能提供合适的校准，所以相机28可以被用 于校准阵列34。能够一次观察所有激光束的单个相机可以补偿任何机械失准，并且还降低 制造成本。此外，随着时间会发生或者由于碰撞产生的任何失准可以被自校准。
[0054] 图4为上述的LiDAR传感器中的两个LiDAR传感器的一种实现的顶视图。例如， 如所示，一个180° FOV的LiDAR传感器42可以设置在车辆40的前面，并且一个180° FOV 的LiDAR传感器44可以设置在车辆40的后面，以给出环绕车辆40的完整的360° FOV。
[0055] 应当注意，对于LiDAR传感器来说的除了半圆或圆形以外的形状也可被设置。为 了对此进行示意，图5为示出上述类型的单个LiDAR传感器48的另一种实现的车辆46的 顶视图，该LiDAR传感器包括多个VCSEL阵列80 (这里为11个），策略地围绕车辆46定位 并提供180° FOV，且具有与上述传感器不同的形状。其它形状也是可适用的。
[0056] 如以上描述，已知的LiDAR传感器使用飞行时间来确定反射脉冲激光束的对象的 距离。然而，也如所述，这一类型的距离检测具有限制，在于来自其它传感器的信号可能被 特定传感器接收，即在同一通用区域中操作的多个传感器之间的串话。为了克服这一限 制，本发明提出使用距离发现技术来确定对象离车辆的距离D(参见以下等式（1))，以消除 或者至少显著降低传感器之间的串话的可能性，这是可能的，因为所提出的LiDAR传感器 不使用旋转镜。阵列中的每个VCSEL只要期望可被保持打开，从而有效地提供连续波信号 束。通过对连续波束进行幅度调制，产生依赖于调制具有特定频率的正弦波或其它重复信 号（诸如方波、三角波等）。正弦波信号被对象反射，并且被检测器检测，具有依赖于对象离 传感器的距离的相位偏移。电相锁环（PLL)可以从信号中提取相位偏移并且该相位偏移通 过已知技术被转换成距离。通过以独特方式调制连续波束，该束的频率可与在车辆的区域 中的其它束的频率不同，在车辆的区域中的其它束的频率将被特定LiDAR传感器忽略。应 当注意，所讨论的提供幅度调制和正弦波形格式是非限制性示例。诸如相位调制、极化调制 和频率调制的其它技术也是可适用的。此外，其它波格式，诸如方波，也可以被使用。
[0058] 还如上提及，使用扫描镜的LiDAR传感器在观察垂直于镜的旋转方向的方向中的 对象时通常受限。对于本发明的VCSEL阵列，如此处讨论，传感器可以被设计成通过在期望 方向上在 阵列中设置多个VCSEL而在垂直和水平方向上都具有FOV。此外，由于如果在返 回中检测到感兴趣的对象则在已知的LiDAR传感器设计中旋转镜必须持续旋转，所以已知 的LiDAR传感器不能停止镜继续在所检测的对象的方向中检测。利用本发明，如果检测到 感兴趣的对象，则在阵列中的检测该方向上的对象的VCSEL可以保留打开以提供对对象的 进一步检测。
[0059] 图6为LiDAR传感器系统50的框图，示出了提供传感器图像所需的控制的总体概 述。系统50包括上述的LiDAR传感器30和包括接收机元件54的检测器组件52,每个接收 机元件54具有接收来自目标的光束和将束聚焦在检测器60上的接收透镜56。检测器60 可以是光电二极管或光电倍增器，可以是单个设备或阵列，以及可以被调制以进一步降低 背景噪声。每个接收元件54包括观察与整个LiDAR传感器30的相同视场的检测器60。因 此，由于一个检测器不能区分分立的束，因此在一个特定的时间点，阵列34中仅一个激光 器可以使用。在替换实施方式中，若干激光器可以并行使用，并且在分立的频率处被调制， 且因此可以并行检测束，其中算法将束分离。在又一实施方式中，可以使用检测器的阵列以 并行地分立检测若干激光束。典型地，可以在检测器60的前面使用窄通带滤波器以消除环 境光（诸如来自太阳的光），其中VCSEL阵列34具有唯一的波长对温度稳定性。
[0060] 系统50包括产生命令的发射机控制器66,该命令识别哪个激光器阵列34中的哪 个特定激光器将被照射以提供束扫描和提供调制强度信号以便上述的距离发现目的。来自 发射机控制器66的信号被提供给多路复用器68,该多路复用器68将信号发送到所选择的 特定激光器。由检测器60接收的信号被提供给多路复用器70,该多路复用器70选择性地 将各个信号提供给快速模数（A/D)转换器72以将模拟信号转换成数字信号。数字信号被 提供给接收机控制器74,该接收机控制器74从发射机控制器66接收调制强度信号，并且 包括合适的软件以在数字信号中构造三维云扫描点。控制器74可以是任何合适的逻辑设 备，诸如场可编程门阵列（FPGA)、ASIC等等。接收机控制器74还接收来自由框76表示的 宽FOV相机的图像数据，并且使用适当的软件将相机图像与三维云组合。接收机控制器74 提供信号给发射机控制器66,以例如在检测到对象时标识哪个激光器照射。接收机控制器 74随后提供具有由圆78表示的嵌入的三维数据的图像。
[0061] 以上讨论的系统50使用相位测量，用于通过比较发射的光学信号与反射的光学 信号并提取这两个信号之间的相位来提供由传感器检测到的对象的距离检测。该过程使用 被用于调制VCSL阵列中的VCSL的电信号。然而，该技术通过使用第二参考检测器可以得 到改进，该第二参考检测器在源处捕获实际激光器光并且使用该光来将其与反射的光学信 号进行比较，这消除了所有电子侧效应，并且如果相同检测器不作为主检测器使用，则还消 除了检测器行为。
[0062] 图7为描述该实施方式的LiDAR传感器系统80的示意性框图。系统80包括发射 机82和接收机84。发射机82包括一个VCSEL阵列86,其中理解发射机82将包括多个上 述的VCSEL阵列。VCSEL阵列86包括基底88,多个垂直腔表面发射激光器90被制造在基 底88上，每个能够发射激光束92。由激光器90分立产生的各个激光束92由透镜94聚焦 以提供如上述的束扫描。幅度调制器和控制器96产生操作和控制激光器90的幅度调制的 正弦波信号，其中多路复用器98将调制的信号引导到期望的激光器90。如以上讨论，来自 特定激光器90的激光束92的小采样束102通过例如反射器100在发射机82处被收集并 且将其引导到接收机84。
[0063] 接收机84包括透镜110,其将来自目标或对象的反射束108引导到将光信号转换 成电信号的主检测器112 (诸如单个光子雪崩二极管（SPAD)检测器）。采样束102由接收 机84中的参考检测器104接收，其也将光信号转换成电信号。来自检测器104和112的电 信号被发送到比较器114,该比较器114提供这两个电信号之间的误差信号，该误差信号被 发送到识别在采样束102和反射束108之间的相位偏移的相位偏移检索处理器116。该相 位偏移在框118处通过例如等式（1)被转换成距离。
[0064] 应当注意，关于使用用于对象检测的VCSEL阵列、以及包括信号调制和方向控制 的以上讨论，还可以被用作在具有相同传感器能力的车辆之间的通信工具。特别地，检测主 车辆周围的其它车辆和对象的相同LiDAR传感器还可以被用于与那些其它车辆通信。该通 信可以以任何合适的方式使用，诸如用于防碰撞、自主驾驶等，其中这两个车辆将告诉彼此 它们的相关动态和移动，使得它们能够在接近彼此时安全共存。
[0065] 如本领域技术人员将熟知的，此处讨论的描述本发明的若干和各种步骤和过程， 可涉及由计算机、处理器或操作和/或使用电现象转换数据的其它电子计算设备执行的操 作。这些计算机和电子设备可以使用包括非瞬时计算机可读介质的各种易失性和/或非易 失性存储器，该非瞬时计算机可读介质具有存储在其上面的可执行程序，包括能够由计算 机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括所 有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。
[0066] 前述讨论仅公开和描述了本发明的示例实施方式。本领域技术人员容易从该讨论 和从附图和权利要求中意识到在不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情 况下从中作出各种改变、修改和变形。
【主权项】
1. 一种包括多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列的LiDAR传感器，每个包括多个 VCSEL，所述传感器还包括定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，其接收和聚焦来自特定 阵列中的每个VCSEL的激光束。2. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器被配置成在汽车上使用。3. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有180°视场。4. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述多个VCSEL阵列为九个VCSEL阵 列。5. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括与所述VCSEL阵列具有相同视场 的相机。6. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括半圆壳体，所述多个VCSEL阵列 安装在所述半圆壳体上。7. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括用于检测从接收激光束的对象 反射的反射束的检测器组件。8. 根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述检测器组件包括多个间隔开的检 测器，其中每个检测器包括透镜。9. 一种汽车LiDAR传感器，包括： 多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列，每个包括多个VCSEL; 定位成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，其接收和聚焦来自特定阵列中的每个VCSEL的激光束； 用于检测从接收激光束的对象反射的反射束的检测器组件；以及 响应于所述反射束并且识别用于对象距离发现的在所述反射束和所述激光束之间的 相位偏移以确定对象离传感器的距离的接收机电子装置。10. -种LiDAR传感器，包括： 半圆壳体； 发射机，其包括安装在所述壳体上的多个垂直腔表面发射激光器（VCSEL)阵列和定位 成接近每个VCSEL阵列的独立透镜，每个VCSEL阵列包括多个VCSEL，所述独立透镜接收和 聚焦来自特定阵列中的每个VCSEL的激光束；以及 接收机，其包括用于检测从接收所述激光束的对象反射的反射束的检测器组件，所述 接收机还包括接收机电子装置，其响应于反射束并且识别用于对象距离发现的在所述反射 束和所述激光束之间的相位偏移以确定对象离所述传感器的距离，其中所述传感器具有 180°视场。
【专利摘要】本发明涉及用于汽车的低成本小型LIDAR。具体地，一种具有使用在车辆上的特定应用的LiDAR传感器。LiDAR传感器包括多个间隔开的VCSEL阵列，每个VCSEL阵列包括单个透镜，其中用于每个VCSEL阵列的透镜引导在期望方向被照射的阵列中的特定激光器的束，从而打开或关闭各阵列中的激光器产生扫描效应。VCSEL阵列的数目和尺寸被选择成为传感器提供期望的FOV，其中VCSEL阵列可以被放置在曲线平台上以提供该FOV。传感器还包括用于检测由激光器发射的激光束的反射的一个或多个检测器。提供控制电子装置以扫描激光束和产生返回图像点的三维点云。
【IPC分类】G01S17/36, G01S17/93
【公开号】CN104898125
【申请号】CN201510172545
【发明人】A·利普森
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月6日
【公告号】US20150219764
最新回复(0)