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CN108291968B - 具有目标视场的三维lidar系统 - Google Patents

具有目标视场的三维lidar系统 Download PDF

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CN108291968B CN201680069183.XA CN201680069183A CN108291968B CN 108291968 B CN108291968 B CN 108291968B CN 201680069183 A CN201680069183 A CN 201680069183A CN 108291968 B CN108291968 B CN 108291968B
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Abstract

多个照射光束在一角度范围内从LIDAR装置发射并围绕旋转轴扫描。所述角度范围包括旋转轴。中间电子板提供旋转电子板与光发射和收集引擎的各种元件之间的机械支撑和电连接。收集光学器件、照射光学器件或两者的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成。包覆成型透镜固定地耦合到一个或多个光检测元件以收集更大角度范围内的入射光。透镜元件设置在光发射元件和照射光学器件之间的光路中，以使从光发射元件发射的光的强度分布变平以降低峰值强度。

Description

具有目标视场的三维LIDAR系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求享有于2016年11月23日提交的题为“Three Dimensional LIDARSystem With Targeted Field of View(具有目标视场的三维LIDAR系统)”、序号为15/360,903的美国专利申请的优先权，该申请又根据35U.S.C.§119要求于2015年11月25日提交的题为“Three Dimensional LIDAR System With Targeted Field of View(具有目标视场的三维LIDAR系统)”、序号为62/260,205的美国临时专利申请的优先权，每个申请的主题通过引用整体并入本文。
技术领域
所描述的实施例涉及三维LIDAR系统。
背景技术
LIDAR系统基于脉冲光的飞行时间(TOF)使用光脉冲来测量到对象的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远端对象相互作用。光的一部分从对象反射并返回到LIDAR系统的检测器。基于光脉冲的发射和返回的光脉冲的检测之间所经过的时间，估算距离。
在一些示例中，采用脉冲激光发射器来生成光脉冲。光脉冲通过透镜或透镜组件聚焦。测量该光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所花费的时间。高精度地从时间测量值得出距离。
在一些示例中，快速连续地发射多个脉冲，并且这些发射的方向顺序地变化。在这些示例中，每个距离测量值可以被认为是像素，并且快速连续地发射和捕获的像素集合(即，“点云”)可以被呈现为图像或者由于其他原因(例如，检测障碍物)而被分析。在一些示例中，采用查看软件来将得到的点云呈现为对用户三维呈现的图像。可以使用不同的方案将距离测量值描绘为三维图像，这些三维图像看起来好像是由实景相机拍摄的。
一些LIDAR系统采用与旋转镜组合的单个激光发射器/检测器组合来有效地扫描整个平面。由这样的系统执行的距离测量实际上是二维的(即，平面的)，并且捕获的距离点被呈现为二维(即单个平面)点云。
在一些示例中，旋转镜以非常快的速度--以数千RPM旋转。如上所述，这种设计固有地仅呈现二维点云。但是，通常需要三维点云。另一个维度是以多种方式提供的。通常，整个仪器通常在万向节上被上下和/或来回致动---本领域中已知的作为使传感器闪烁或点头的过程。因此，可以使用单光束LIDAR单元来捕捉整个三维距离点阵列，尽管每次只有一个点。在相关的例子中，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垂直角。这模拟了上述的点头效应，但没有致动传感器本身。
在所有上述示例中，主要前提是单个激光发射器/检测器组合，其中光路以某种方式改变以实现比单个传感器更宽的视场。由于来自单个激光器每秒多少个脉冲是可能的的限制，该装置固有地受限于其可生成的像素数量。光束路径的任何改变，无论其是通过反射镜、棱镜还是装置的致动，都导致点云密度较低，但覆盖更广的区域。
如上所述，三维点云系统存在几种配置。但是，在许多应用中，有必要在宽视场上查看。例如，在自动驾驶的车辆应用中，垂直视场应该延伸到地平线以上，以防汽车进入道路中的凹处，并且应尽可能向下延伸以看到车辆前方的地面。此外，在现实世界中发生的行为与这些行为的成像之间有必要有最小的延迟。在一些示例中，期望每秒至少五次提供完整的图像更新。
期望三维成像系统的视场和点云密度的改进。
发明内容
本文给出用于执行LIDAR测量的方法和系统。在一个方面，来自LIDAR装置的多个照射光束在一角度范围内被发射到三维环境中。所述角度范围包括LIDAR装置的光发射和收集引擎的旋转轴。光发射和收集引擎包括多个光发射元件、光检测元件、照射光学器件和收集光学器件。
在另一方面中，LIDAR装置被配置为围绕旋转轴扫描所述多个光束中的每一个。以这种方式，投射到环境中的每个光束描绘出锥形图案。
在又另一方面中，光发射和收集引擎包括中间电子板，其提供旋转电子板与光发射和收集引擎的各种元件之间的机械支撑和电连接。中间电子板每一个耦合到旋转电子板，使得中间电子板中的每一个的平坦表面垂直于旋转电子板的平坦表面取向。
在又另一方面中，收集光学器件、照射光学器件或两者的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成，所述预定波长范围包括由光发射元件中的每一个发射的光的波长。
在又另一方面中，包覆成型透镜固定地耦合到光检测元件中的一个或多个。包覆成型透镜保护光检测元件，并且成形为在比没有透镜的情况下可能的更大的角度范围内收集入射光。
在又另一方面中，透镜元件设置在光发射元件和照射光学器件之间的光路中，以使从光发射元件发射的光的强度分布变平。这减少了从LIDAR系统发射的光的峰值强度。
以上是概述，因此必要时包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将认识到，该概述仅是说明性的而不是以任何方式进行限制。在本文描述的非限制性详细描述中，本文描述的装置和/或过程的其它方面、创造性的特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是说明至少一个新颖方面中的三维LIDAR系统100的一个实施例的简化图。
图2描绘了一个示例性实施例中的三维LIDAR系统100的分解图。
图3描绘了三维LIDAR系统100的光发射和收集引擎112的视图。
图4更详细地描绘了三维LIDAR系统100的收集光学器件116的视图。
图5描绘了三维LIDAR系统100的收集光学器件116的剖视图，其示出了每个收集光束118的成形。
图6描绘了图2中描绘的光检测元件113的阵列中的单个元件113A的一个示例性实施例的图示。
图7描绘了图2中描绘的光发射元件的阵列114中的单个元件114A的一个示例性实施例的图示。
图8描绘了包括脉冲照射系统130、光检测系统150和控制器140的三维LIDAR系统的元件。
图9描绘了脉冲测量光束的发射和返回测量脉冲的捕获的定时的图示。
图10描绘了来自十六个脉冲照射子系统的光发射的定时的图示。
图11描绘了说明在至少一个新颖方面中的执行LIDAR测量的方法200的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的背景示例和一些实施例，其示例在附图中示出。
图1是说明在一个示例性操作场景中的三维LIDAR系统100的实施例的图。三维LIDAR系统100包括下部外壳101和上部外壳102。下部外壳101包括框架结构，该框架结构被配置为附接到其是进行LIDAR测量的参考的对象(例如车辆、塔架、飞机等)。上部外壳102包括由对红外光(例如，具有在700至1700纳米的光谱范围内的波长的光)透明的材料构成的圆顶壳体元件103。在一个示例中，圆顶壳体元件103对具有以905纳米为中心的窄波长范围的光是透明的。
如图1所示，多个光束105从三维LIDAR系统100通过圆顶壳体元件103在从中心旋转轴104测量的角度范围α内发射。在一个方面，该多个光束105跨越从中心旋转轴104到从中心旋转轴104测量的角度α的角度范围。在这个意义上，每个照射光束从LIDAR装置以相对于中心旋转轴的不同角度发射，并且光束105中的一个或多个平行于或接近平行于中心旋转轴104。
在图1中所示的实施例中，每个光束在多个彼此间隔开的不同位置处投射到由x轴和y轴限定的平面上。例如，光束106在位置107处被投射到xy平面上。因此，从光发射和收集引擎发射的每个照射光束利用照射光的测量脉冲照射三维环境的不同点。
在进一步的方面中，将三维LIDAR系统100配置为围绕中心旋转轴104扫描该多个光束105中的每个光束。在图1中所示的实施例中，投影到xy平面上的每个光束描绘以中心旋转轴104和xy平面的交点为中心的圆形图案。例如，随着时间的推移，投影到xy平面上的光束106描绘出以中心旋转轴104为中心的圆形轨迹108。图1中描述xy平面以示出从三维LIDAR系统100发射的光束的空间分离。通常，从三维LIDAR系统100发射的光束被投影到周围环境中并入射到在每个相应光束的路径中的对象上。
图2描绘了一个示例性实施例中的三维LIDAR系统100的分解图。三维LIDAR系统100还包括绕中心旋转轴104旋转的光发射和收集引擎112。在另一方面，光发射和收集引擎112的中心光轴117(例如，从LIDAR装置100发射的照射光束105的角度范围α的中间)相对于中心旋转轴104以角度β倾斜。通常，角度β可以是零度和α/2之间的任何角度。
如图2中所示，三维LIDAR系统100包括固定电子板110，其相对于下部外壳101安装在固定位置中。旋转电子板111设置在固定电子板110上方并且配置成与光发射和收集引擎112一起相对于固定电子板110以预定旋转速度(例如，每分钟200转以上)旋转。电力信号和电子信号通过一个或多个变压器、电容或光学元件在固定电子板110和旋转电子板111之间传送，导致这些信号的无接触传输。光发射和收集引擎112相对于旋转电子板111固定地放置，因此以预定角速度ω围绕中心旋转轴104旋转。旋转电子板111的平面表面垂直于中心旋转轴104取向。
如图2中所示，光发射和收集引擎112包括光发射元件阵列114和光检测元件阵列113。从光发射元件114中的每一个发射的光被引向反射镜(未示出)。从反射镜反射的光穿过一系列照射光学器件115，该照射光学器件115将所发射的光近似准直成从如图1中所示的三维LIDAR系统100发射的照射光束105的阵列，。
通常，可以布置任意数量的光发射元件以同时从三维LIDAR系统100发射任何数量的光束。另外，可以布置任何数量的光发射元件以从三维LIDAR系统100顺序地发射任何数量的光束。在一个实施例中，两个或更多个光发射元件被基本上同时触发以发射光，并且然后在编程的时间段过去之后，另外两个或更多个光发射元件被基本上同时触发以发射光。
收集光学器件116收集从环境中的对象反射的光。收集的光通过收集光学器件116，在收集光学器件116中它被聚焦到检测元件阵列113的每个检测元件上。名义上，每个光检测元件对应于不同的光发射元件。在通过收集光学器件116之后，所收集的光从反射镜(未示出)反射到每个检测器元件上。实际上，各个测量通道之间的串扰限制了可以同时触发的通道的数量。然而，为了使成像分辨率最大化，希望同时触发尽可能多的通道，以便可以同时，而不是顺序地，从多个通道获得飞行时间测量值，获得。
图3描绘了光发射和收集引擎112的另一视图。在又一方面中，光发射和收集引擎112包括中间电子板121,122和123，其在旋转电子板111和光发射和收集引擎112的各种元件之间提供机械支撑和电连接。例如，光检测元件阵列113中的每一个安装到中间电子板121上。中间电子板121又机械和电耦合到旋转电子板111。类似地，光发射元件阵列114中的每一个安装到中间电子板123上。中间电子板123又机械和电耦合到旋转电子板111。在另一个示例中，照射光学器件115和收集光学器件116机械地安装到中间电子板122上。在这个例子中，中间电子板122在空间上将照射光学器件115与收集光学器件116分离并且相对于收集光学器件116光学地掩盖照射光学器件115，以避免收集的光被照射光污染。中间电子板122又机械和电耦合到旋转电子板111。以这种方式，中间电子板提供机械和电连接以及用于安装三维LIDAR系统操作所需的电子部件的附加电路板区域。中间电子板各自耦合到旋转电子板111，使得每个中间电子板的平坦表面垂直于旋转电子板的平坦表面取向。
图4更详细地描绘了收集光学器件116的视图。如图4中所示，收集光学器件116包括四个透镜元件116A-D，其被布置成将收集的光118聚焦到检测元件阵列113中的每一个上。通过收集光学器件116的光从反射镜124反射并且被引导到检测元件阵列113中的每一个。
在另一方面，收集光学器件116的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成，所述预定波长范围包括由光发射元件阵列114中的每一个发射的光的波长。在一个示例中，透镜元件中的一个或多个由塑料材料构成，所述塑料材料包括着色剂添加剂以吸收波长比由光发射元件阵列114中的每一个生成的红外光小的光的至少百分之五十。在另一个示例中，所述塑料材料吸收波长比光发射元件阵列114中的每一个生成的红外光小的光的至少百分之九十。在一个示例中，着色剂是可从Aako BV(荷兰)获得的Epolight 7276A。通常，可以将任何数量的不同着色剂添加到收集光学器件116的塑料透镜元件中的任何一个，以滤除不期望的光谱。
图5描绘收集光学器件116的剖视图以说明每个收集光束118的成形。
如上所述，收集光学器件116的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成，所述预定波长范围包括由光发射元件阵列114中的每一个发射的光的波长。然而，通常，照射光学器件115的一个或多个光学元件也可以由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成，该预定波长范围包括由光发射元件阵列114中的每一个发射的光的波长。
图6描绘了图2中描绘的光检测元件阵列113的单个元件113A的一个示例性实施例的图示。检测元件113A包括电子板130，光检测元件131安装在电子板130上。在一些实施例中，光检测元件131是雪崩光电二极管(APD)元件。然而，通常可以使用任何合适的光检测元件。
在又一方面，包覆成型透镜132固定地耦合到光检测元件。包覆成型透镜保护光检测元件，并且成形为在比没有透镜时更大的角度范围内收集入射光。在一些示例中，包覆成型透镜132是圆顶透镜。在一些其他示例中，包覆成型透镜132被成形为复合抛物面聚光器(CPC)。
图7描绘了图2中描绘的光发射元件阵列114的单个元件114A的一个示例性实施例的图示。发射元件114A包括电子板140，光发射元件141安装在电子板140上。在一些实施例中，光发射元件141是二极管激光器元件。但是，通常可以使用任何合适的光源。
在又另一方面中，透镜元件设置在光发射元件141和照射光学器件114之间的光路中，以使从光发射元件141发射的光的强度分布变平。通常，基于激光二极管的光发射元件发射具有高斯强度分布的光。然而，三维LIDAR系统100通常在非结构化环境中操作，所述非结构化环境包括在可能导致眼损伤之前对红外光强度具有有限忍耐的人类。为了确保在不衰减总光子通量数量的情况下三维LIDAR系统100的发射强度保持在可接受的限度以下，透镜元件142使高斯分布变平并因此降低从三维LIDAR系统100发射的光的峰值强度。在一些示例中，透镜元件142是配置成将高斯分布变换成平顶分布的衍射光学元件。然而，一般而言，可以设想配置成使高斯分布变平的任何光学元件。
三维LIDAR系统100的光发射元件是脉冲照射源，每个脉冲照射源将来自LIDAR装置的照射光脉冲束发射进入周围环境。在一些实施例中，光发射元件是基于激光的。在一些实施例中，光发射元件基于一个或多个发光二极管。通常，可以设想任何合适的脉冲照射源。
每个测量光束利用照射光的测量脉冲照射三维环境的特定位置(例如，像素)。每个测量脉冲询问周围环境中的一个位置，并导致三维LIDAR系统与该位置之间的距离的估计。在测量窗口期间，从该位置反射的光由LIDAR系统的相应光检测元件检测到。光检测元件检测从周围三维环境中的特定位置反射的测量脉冲。以这种方式，来自每个测量脉冲的特定测量位置的反射由LIDAR系统捕获。
另一方面，LIDAR系统确定测量脉冲从LIDAR装置到三维环境的特定照射点并返回到LIDAR装置的飞行时间。基于在测量窗口期间检测到的反射光来确定飞行时间。在LIDAR装置与由测量脉冲照射的三维环境的特定位置之间的距离基于飞行时间和已知的光速来确定。
图8描绘了一个实施例中的包括脉冲照射系统130、脉冲光检测系统150和控制器140的LIDAR系统的元件。通过非限制性示例提供图8中描绘的实施例，并且可以在本专利文件的范围内设想用于执行如本文所述的脉冲LIDAR测量的许多其他合适的实施例。
脉冲照射系统130包括脉冲光发射元件137。脉冲光发射元件137响应于提供给脉冲光发射元件的脉冲电信号136来生成脉冲光发射。由脉冲光发射元件137生成的光通过LIDAR系统的一个或多个光学元件聚焦并投射到周围环境中的特定位置138上。在一个示例中，由脉冲光发射元件137发射的光由照射光学器件115聚焦并投影到特定位置，照射光学器件115将发射的光准直为从如图1中所示的三维LIDAR系统100发射的脉冲光束106，。
脉冲照射系统130包括选择性地耦合到脉冲光发射元件137的一个或多个电能存储元件(ESE)。为了说明的目的，图8描绘了一个能量存储元件(标记为ESE 132)，然而，通常可以使用任何数量的能量存储元件来生成照射光的脉冲。在一些示例中，每个能量存储元件是电容器。电能源131(例如电压源)电耦合到能量存储元件中的每一个并且向电能存储元件中的每一个提供电能。电能存储元件中的每一个通过开关元件选择性地耦合到脉冲光发射装置137。再次，为了说明的目的，图8描绘了一个开关元件(标记为139)。每个开关元件被配置为根据控制信号(例如数字控制信号，PC)的状态在两个状态之间切换。在第一状态中，开关元件是基本上不导通的。在这种状态中，相应的能量存储元件与脉冲光发射元件137有效地断开。在这种状态中，电能从电能源131流到每个相应的能量存储元件，以有效地对能量存储元件充电。在第二状态中，开关元件是基本上导通的。在这种状态中，相应的能量存储元件电耦合到脉冲光发射元件137。在这种状态中，电能从能量存储元件流到脉冲光发射元件137。
如图8中所示，通过能量存储元件中的任何一个同时供应给脉冲光发射元件137的任何电流实际上是可相加的。以这种方式，提供给脉冲光发射元件137的电流信号136由控制信号PC有效地整形。例如，当PC控制开关元件139从基本上不导通状态切换到基本上导通状态时，电流脉冲136被提供给脉冲光发射装置137。类似地，电流脉冲可以同时从其他能量存储元件提供给脉冲光发射装置137。
如图8中所示，控制器140生成控制信号PC，其控制提供给脉冲光发射元件137的电流脉冲的定时，从而控制从LIDAR装置发射的光脉冲的定时。
通常，由控制器140命令的每个脉冲可以在幅度和持续时间上变化。此外，脉冲之间的延迟也可以改变。
通常，脉冲照射系统130可以包括选择性地耦合到脉冲光发射元件的任何数量的电能存储元件。此外，电能存储元件中的一个或多个可以具有不同于其他电能存储元件中的一个或多个的能量存储容量。
在另一实施例中，诸如图1中所示的LIDAR系统100这样的LIDAR系统包括与公共控制器(例如，控制器140)协调工作的十六个脉冲照射系统。图10描绘了示出来自该十六个脉冲照射系统中的每一个的光发射的定时的示例性示图180。
如图10中所示，从第一脉冲照射系统发射测量脉冲。在延迟时间TDELAY之后，从LIDAR装置的第二脉冲照射系统发射测量脉冲。以这种方式，在测量时段TMEASUREMENT期间，从LIDAR装置沿不同方向发射十六个测量脉冲的序列。在测量时段之后在充电时段TCHARGE对该十六个脉冲照射系统中的每一个的能量存储元件进行充电。在充电时段之后，在随后的测量时段从每个脉冲照射系统发射另一个测量脉冲。
在一些实施例中，延迟时间TDELAY被设置为大于去往和来自位于LIDAR装置的最大范围处的对象的测量脉冲的飞行时间。以这种方式，十六个脉冲照射系统中的任何一个之间不存在串扰。
在一些其它实施例中，在从另一个脉冲照射系统发射的测量脉冲已经有时间返回到LIDAR装置之前，可以从一个脉冲照射系统发射测量脉冲。在这些实施例的一些中，注意确保在由每个波束质询的周围环境的区域之间存在足够的空间分离以避免串扰。
如图8中所示，从位置138反射的光由光检测元件155检测。光检测元件155生成输出信号151，其由模拟跨阻抗放大器152放大。通常，输出信号151的放大可以包括多个放大器级。在这个意义上，通过非限制性示例提供模拟跨阻抗放大器152，因为在本专利文档的范围内可以设想许多其他模拟信号放大方案。
将放大的信号153传送到控制器140。使用控制器140的模数转换器(ADC)144来将模拟信号153转换成用于进一步处理的数字信号。控制器140生成启用/停用信号145，其用于控制ADC 144的数据采集的定时以与脉冲控制信号PC一致。
图9描绘了与测量脉冲的发射和返回的测量脉冲的捕获相关联的定时的图示。如图9中所示，测量从由控制器140生成的脉冲触发信号161(例如，PC)开始。由于内部系统延迟，确定从脉冲触发信号161移位了时间延迟TD的索引信号162。时间延迟包括与从LIDAR系统发射光相关联的已知延迟(例如，与开关元件、能量存储元件和脉冲光发射装置相关联的信号传送延迟和等待时间)以及与收集光和生成表示收集光的信号相关联的已知延迟(例如，放大器等待时间、模数转换延迟等)。作为测量系统内的时间延迟的一种方法，生成索引信号。这样，索引信号可以在系统操作期间的任何合适的时间处再生。另外，可以使用索引信号来估计与一个或多个测量信道相关联的时间延迟。
如图9中所示，响应于特定位置的照射，LIDAR系统检测返回信号163。测量窗口(即，收集的返回信号数据与特定测量脉冲相关联的时间段)通过启用来自光检测元件150的数据采集而启动。控制器140控制测量窗口的定时以与响应测量脉冲的发射而预期返回信号的时间窗相对应。在一些示例中，测量窗口在发射测量脉冲的时间点处被启用，并且在与LIDAR系统的范围的两倍的距离内对应于光的飞行时间的时间处被停用。以这种方式，测量窗口打开以收集从与LIDAR系统相邻的对象(即，可忽略的飞行时间)到位于LIDAR系统的最大范围处的对象的返回光。以这种方式，拒绝所有其他不可能有助于有用返回信号的光。
如图9中所示，返回信号163包括与发射的测量脉冲相对应的两个返回测量脉冲。通常，对所有检测到的测量脉冲执行信号检测。可以执行进一步的信号分析以识别最接近的信号(例如，返回测量脉的第一实例)、最强信号和最远信号(例如，测量窗口中的返回测量脉冲的最后一个实例)。这些实例中的任何一个都可能被LIDAR系统报告为潜在有效的距离测量值。例如，可以从最接近(即，最早)的返回测量脉冲来计算飞行时间TOF1，该返回测量脉冲对应于如图9中所示的发射的测量脉冲。
图11示出了在至少一个新颖方面中的执行LIDAR测量的方法200。方法200适合于由诸如本发明的图1中所示的LIDAR系统100这样的LIDAR系统来实施。在一个方面，认识到方法200的数据处理块可以通过由控制器140的一个或多个处理器或任何其他通用计算系统执行的预编程算法来执行。在此认识到，LIDAR系统100的特定结构方面不表示限制，并应被解释为仅仅是说明性的。
在块201中，在包括LIDAR装置的多个光发射元件的旋转轴的角度范围内从LIDAR装置向三维环境发射多个照射光束。该多个照射光束每一个利用照射光的测量脉冲照射三维环境的不同点。
在块202中，检测由该多个照射光束照射的三维环境的每个不同点反射的多个测量脉冲。
在块203中，生成多个输出信号；每个输出信号指示该多个反射的测量脉冲中的一个。
在块204中，将该多个输出信号中的每一个转换为数字信号。
在块205中，基于数字信号的每一个来确定从LIDAR装置到三维环境的每个特定点并返回到LIDAR装置的每个测量脉冲的飞行时间。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可以用硬件、软件、固件或其任何组合来实现。如果以软件实现，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或经由计算机可读介质传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，通信介质包括便于将计算机程序从一个地方传输到另一个地方的任何介质。存储介质可能是能够由通用或专用计算机访问的任何可用的介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储装置，或可用于以指令或数据结构的形式承载或存储期望的程序代码装置并且可以由通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问的任何其他介质。而且，任何连接都被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术从网站、服务器或其他远程源传输软件，则在介质的定义中包括同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电和微波的无线技术。这里使用的磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘用激光器光学复制数据。上述的组合也应该被包括在计算机可读介质的范围内。
虽然为了指导目的在上文中描述了某些特定实施例，但是本专利文档的教导具有普遍适用性并且不限于上述特定实施例。因此，可以在不脱离如权利要求书中阐述的发明的范围的情况下实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、改编和组合。

Claims (22)

1.一种光检测和测距装置，包括：
旋转板，其垂直于旋转轴布置；
光发射和收集引擎，耦合到所述旋转板以围绕所述旋转轴旋转，所述光发射和收集引擎包括：
两个或更多个电子板，每个电子板都垂直于所述旋转板取向；
多个光发射元件，安装到所述两个或更多个电子板中的第一电子板并被配置为围绕所述旋转轴旋转，每个光发射元件被配置为相对于所述旋转轴以不同的角度从所述光检测和测距装置发射照射光束，其中，所述多个光发射元件中的至少一个被配置为从所述光检测和测距装置发射与所述旋转轴平行或接近平行的照射光束到受测量的三维环境中，其中从所述光发射和收集引擎发射的每个照射光束利用照射光的测量脉冲来照射三维环境的不同点；以及
多个光检测元件，每个光检测元件与所述多个光发射元件中的一个相对应并且安装到所述两个或更多个电子板中的第二电子板并被配置为围绕所述旋转轴旋转，其中，所述多个光检测元件中的每一个被配置为检测从由每个相对应的照射光束照射的所述三维环境的每个不同点反射的测量脉冲的量，并生成指示所检测到的光量的输出信号；以及计算系统，被配置为：
接收指示所检测到的光量的所述输出信号；
将所述输出信号转换为数字信号；以及
基于所述数字信号来确定所述测量脉冲从所述光检测和测距装置到所述三维环境的特定点并返回到所述光检测和测距装置的飞行时间。
2.根据权利要求1所述的光检测和测距装置，还包括：
外壳，其能够固定到从其进行光检测和测距测量的对象；以及
固定电子板，其机械耦合到所述外壳。
3.根据权利要求1所述的光检测和测距装置，其中所述两个或更多个电子板中的第三电子板机械耦合到所述光检测和测距装置的照射光学器件子系统的一个或多个透镜元件以及所述光检测和测距装置的收集光学器件子系统的一个或多个透镜元件，其中所述第三电子板在空间上将所述照射光学器件子系统与所述收集光学器件子系统分离并且相对于所述收集光学器件子系统光学地掩盖所述照射光学器件子系统。
4.根据权利要求1所述的光检测和测距装置，还包括：
照射光学器件子系统，被配置为使从所述多个光发射元件发射的光束准直；以及
收集光学器件子系统，被配置为将所收集的光聚焦到所述多个光检测元件中的每个相应的光检测元件上。
5.根据权利要求4所述的光检测和测距装置，其中所述收集光学器件子系统的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的至少百分之五十的一种或多种材料构成，其中所述预定波长范围包括由所述多个光发射元件中的每一个发射的光的波长。
6.根据权利要求4所述的光检测和测距装置，其中所述照射光学器件子系统的一个或多个透镜元件被配置为使从所述多个光发射元件中的每一个发射的光的强度分布变平。
7.根据权利要求6所述的光检测和测距装置，其中所述一个或多个透镜元件包括衍射光学元件。
8.根据权利要求1所述的光检测和测距装置，还包括：
多个包覆成型透镜，每一个包覆成型透镜固定地耦合到所述多个光检测元件中的一个。
9.根据权利要求8所述的光检测和测距装置，其中所述多个包覆成型透镜中的一个或多个是圆顶透镜或复合抛物面聚光器(CPC)。
10.根据权利要求1所述的光检测和测距装置，其中所述多个光发射元件中的两个或更多个被配置为同时发射光。
11.根据权利要求1所述的光检测和测距装置，其中所述多个光发射元件中的两个或更多个被配置为顺序地发射光。
12.根据权利要求3所述的光检测和测距装置，其中，所述多个光发射元件中的第一组两个或更多个被基本上同时触发以发射光，并且在编程的时间段过去之后，所述多个光发射元件中的第二组两个或更多个被基本上同时触发以发射光。
13.一种光发射和收集引擎，包括：
旋转电子板，具有垂直于旋转轴布置的平坦表面；
两个或更多个中间电子板，每一个中间电子板耦合到所述旋转电子板，使得所述中间电子板中的每一个的平坦表面垂直于所述旋转电子板的所述平坦表面取向；
多个光发射元件，安装到所述两个或更多个中间电子板中的第一中间电子板并被配置为围绕所述旋转轴旋转，每一个光发射元件被配置为相对于所述旋转轴以不同的角度发射照射光束，其中，所述多个光发射元件中的至少一个被配置为发射与所述旋转轴平行或接近平行的照射光束，其中从所述光发射和收集引擎发射的每一个照射光束利用照射光的测量脉冲来照射三维环境的不同点；以及
多个光检测元件，每一个光检测元件与所述多个光发射元件中的一个相对应并且安装到所述两个或更多个中间电子板中的第二中间电子板并被配置为围绕所述旋转轴旋转，其中，所述多个光检测元件中的每一个被配置为检测从由每个相对应的照射光束照射的所述三维环境的每个不同点反射的测量脉冲的量，并生成指示所检测到的光量的输出信号。
14.根据权利要求13所述的光发射和收集引擎，其中所述两个或更多个中间电子板中的第三中间电子板机械耦合到光检测和测距装置的照射光学器件子系统的一个或多个透镜元件和所述光检测和测距装置的收集光学器件子系统的一个或多个透镜元件，其中所述第三中间电子板在空间上将所述照射光学器件子系统与所述收集光学器件子系统分离并且相对于所述收集光学器件子系统光学地掩盖所述照射光学器件子系统。
15.根据权利要求13所述的光发射和收集引擎，还包括：
收集光学器件子系统，被配置为将所收集的光聚焦到所述多个光检测元件中的每个相应的光检测元件上，其中所述收集光学器件子系统的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的至少百分之五十的一种或多种材料构成，其中所述预定波长范围包括由所述多个光发射元件中的每一个发射的光的波长。
16.根据权利要求13所述的光发射和收集引擎，还包括：
照射光学器件子系统，被配置成使从所述多个光发射元件发射的光束准直，其中所述照射光学器件子系统的一个或多个透镜元件被配置为使从所述多个光发射元件中的每一个发射的光的强度分布变平。
17.根据权利要求13所述的光发射和收集引擎，还包括：
多个包覆成型透镜，每一个包覆成型透镜固定地耦合到所述多个光检测元件中的一个。
18.根据权利要求17所述的光发射和收集引擎，其中，所述多个包覆成型透镜中的一个或多个是圆顶透镜或复合抛物面聚光器(CPC)。
19.根据权利要求13所述的光发射和收集引擎，其中，所述多个光发射元件中的两个或更多个被配置为同时发射光。
20.根据权利要求13所述的光发射和收集引擎，其中，所述多个光发射元件中的两个或更多个被配置为顺序地发射光。
21.一种方法，包括：
在方向范围内将多个照射光束从光检测和测距装置发射到受测量的三维环境中，其中，所述光检测和测距装置包括：垂直于旋转轴布置的旋转板；均垂直于所述旋转板取向的两个或更多个电子板；多个光发射元件，安装到所述两个或更多个电子板中的第一电子板并被配置为围绕所述旋转轴旋转，使得所述多个照射光束的所述方向范围包括与所述光检测和测距装置的所述多个光发射元件的所述旋转轴平行的方向的角度范围，所述多个照射光束分别利用照射光的测量脉冲来照射受测量的所述三维环境的不同点，其中，所述光检测和测距装置还包括多个光检测元件，每一个光检测元件与所述多个光发射元件中的一个相对应并且安装到所述两个或更多个电子板中的第二电子板并被配置为围绕所述旋转轴旋转；以及
通过所述多个光检测元件检测从由所述多个照射光束照射的所述三维环境的每个不同点反射的多个测量脉冲；
生成多个输出信号，每个输出信号指示所述多个反射的测量脉冲中的一个；
将所述多个输出信号中的每一个转换为数字信号；以及
基于所述数字信号中的每一个确定每个测量脉冲从所述光检测和测距装置到受测量的所述三维环境的每个特定点并返回到所述光检测和测距装置的飞行时间。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
使从所述多个光发射元件中的每一个发射的光的强度分布变平。
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