用于汽車的低成本小型lidar的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2014年2月6日提交的題為LOW COST SMALL SIZE LIDAR FORAUTOMOTIVE的美國臨時專利申請No. 61/936, 524的權益。
技術領域
[0003] 本發明總體涉及LiDAR傳感器，并且更特別地涉及用于汽車應用的LiDAR傳感器， 其中傳感器使用多個垂直腔表面發射激光器（VCSEL)陣列，每個包括獨立的透鏡。
【背景技術】
[0004] 現代車輛有時包括各種主動安全和控制系統，諸如防碰撞系統、自適應巡航控制 系統、車道保持系統、車道對中系統等，其中車輛技術正向半自主和完全自主驅動的車輛發 展。例如，現有技術中已知的防碰撞系統在檢測到與另一車輛或對象之間的潛在或即將來 臨的碰撞時提供自動車輛控制，諸如制動，并且還可以提供警告以允許駕駛員采取正確的 措施來阻止碰撞。同樣，已知的自適應巡航腔制系統使用前向觀察傳感器以在主車輛接近 另一車輛時提供自動速度控制和/或制動。用于這些類型系統的對象檢測傳感器可以使 用多種技術中的任何技術，諸如短距離雷達、長距離雷達、具有圖像處理的相機、激光器或 LiDAR、超聲波等。對象檢測傳感器檢測在主車輛的路徑中的車輛或其它對象，并且應用軟 件使用對象檢測信息來提供警告或者采取合適的行動。
[0005] LiDAR傳感器有時被應用在車輛上以檢測車輛周圍的對象，并且使用來自這些對 象的反射提供到這些對象的距離和方位，該反射提供多個掃描點，其組合成點群集距離圖， 其中在傳感器的視場（F0V)中每1/2°或者更小提供獨立的掃描點。因此，如果主車輛的前 面檢測到目標車輛或者其它對象，則會存在被返回的識別目標車輛離主車輛的距離的多個 掃描點。通過提供掃描返回點的群集，諸如卡車、拖車、自行車、步行者、護欄等的具有各種 和任意形狀的對象可以更容易地被檢測到，其中對象越大和/或離主車輛越近，提供的掃 描點越多。
[0006] 大多數已知的LiDAR傳感器使用單個激光器和快速旋轉鏡來在車輛周圍產生反 射或返回的三維點云。在鏡旋轉時，激光器發射光脈沖，并且傳感器測量光脈沖從在其F0V 中的對象反射和返回所花費的時間，從而確定對象的距離，本領域中已知為飛行時間計算。 通過非常快速地發出激光脈沖，可以生成傳感器F0V中的對象的三維圖像。可以提供多個 傳感器，并且來自其的圖像被相關以生成車輛周圍的對象的三維圖像。其它已知的LiDAR 傳感器旋轉整個激光系統，而不是僅旋轉鏡，以提供信號掃描，但是這種系統通常為大體積 并且通常缺乏魯棒性。
[0007] 以上涉及的鏡為LiDAR傳感器的相對大和主要的部分，并且因此構成傳感器的尺 寸和質量的大部分，這也增加了傳感器的成本。此外，鏡造成差的傳感器魯棒性。進一步， 鏡的單個軸線意味著LiDAR傳感器實際上不收集返回的真實三維點云，而是更類似于單個 線或多個線（如果使用多于一個激光器的話）上的二維距離的點云。特別地，由于使用旋 轉鏡掃描單個激光束，所以反射束在與鏡的旋轉方向垂直的方向上不提供FOV。為了提供來 自那些方向的返回，需要提供附加的激光器，這設置了設計上的限制并且增大了成本。為了 滿足快速數據更新的需要，鏡必須非常快地旋轉，這僅允許測量算法為飛行時間，由于需要 快速的電子裝置，其成本也非常高。并且，需要旋轉鏡的相應馬達使LiDAR傳感器增加了顯 著的尺寸和重量。此外，由于鏡大且笨重，即使響應于車輛上的小干擾也具有容易與激光不 對齊的趨勢。并且，馬達需要大的能量，并且由于鏡旋轉，所以LiDAR傳感器由于機械磨損 而故障的可能性顯著增加。因此，當前LiDAR傳感器設計在大量生產的車輛中實施通常成 本太大。
[0008] 此外，當前LiDAR傳感器設計不允許信號從一個傳感器返回到另一個傳感器，并 且因此在相同的有關空間中操作的多個車輛中，傳感器之間的串話是一問題。
[0009] 另一已知的LiDAR傳感器被稱作閃現（flash) LiDAR傳感器，其使用單個大功率激 光器照射整個傳感器F0V。傳感器包括特定檢測器的精細陣列以提供飛行時間（T0F)距離 計算以確定到對象的距離。這些傳感器往往需要：大功率和高成本的激光器；具有高分辨 率的笨重和昂貴的成像透鏡，因為像素非常小、F0V大并且需要收集大量的光；以及定制的 傳感器陣列。
[0010] 本領域中已知的是提供使用激光器的二維陣列和相關聯的透鏡的LiDAR傳感器 以創建沒有移動部件的光電掃描技術。激光器的二維陣列可以是本領域已知的VCSEL陣 列，其為半導體類型激光器，其中每個激光點源在晶片上被制造成所需尺寸。VCSEL陣列中 的每個激光器被電控制使得陣列中選擇的激光器可以按需要被打開和關閉。因此，通過選 擇性地打開和關閉激光器，來自陣列的激光束被掃描以賦予三維返回點云，因為激光未在 單個線上對齊。然而，這一已知LiDAR傳感器在其F0V上受限，因為對于較大的F0V，將需 要產生高空間分辨率的透鏡設計將非常難以實現，尤其以低成本實現。甚至已知的帶有大 F0V的魚眼型透鏡在其F0V上仍受限，并且在其邊緣處提供差的分辨率。此外，隨著VCSEL 陣列的尺寸增大以提供較寬的F0V，用于提供這種大VCSEL陣列的成本顯著增加。并且，以 低成本難以獲得對于分辨率和眼睛安全所需的良好的準直束和大F0V的組合。
【發明內容】
[0011] 本公開描述了在車輛上使用的具有特定應用的LiDAR傳感器。LiDAR傳感器包括 多個間隔開的VCSEL陣列，每個包括單個透鏡，其中每個VCSEL陣列的透鏡引導在期望方 向被照射的陣列中的特定激光器的束，使得打開和關閉在每個陣列中的激光器產生掃描效 應。VCSEL陣列的數目和尺寸被選擇成為傳感器提供所需的F0V，其中VCSEL陣列可以被放 置在曲平臺上，或者任何其它合適的形狀，以提供該F0V。傳感器還包括用于檢測由激光器 發射的激光束的反射的一個或多個檢測器。提供控制電子裝置以掃描激光束和產生返回圖 像點的三維點云。
[0012] 本發明的其他特征將在結合附圖時從以下描述和所附權利要求中變得明顯。
[0013] 本發明還提供了以下解決方案：
[0014] 1、一種包括多個垂直腔表面發射激光器（VCSEL)陣列的LiDAR傳感器，每個包括 多個VCSEL，所述傳感器還包括定位成接近每個VCSEL陣列的獨立透鏡，其接收和聚焦來自 特定陣列中的每個VCSEL的激光束。
[0015] 2、根據方案1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器被配置成在汽車上使用。
[0016] 3、根據方案1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器具有180°視場。
[0017] 4、根據方案1所述的傳感器，其特征在于，所述多個VCSEL陣列為九個VCSEL陣 列。
[0018] 5、根據方案1所述的傳感器，其特征在于，還包括與所述VCSEL陣列具有相同視場 的相機。
[0019] 6、根據方案1所述的傳感器，其特征在于，還包括半圓殼體，所述多個VCSEL陣列 安裝在所述半圓殼體上。
[0020] 7、根據方案1所述的傳感器，其特征在于，還包括用于檢測從接收激光束的對象 反射的反射束的檢測器組件。
[0021] 8、根據方案7所述的傳感器，其特征在于，所述檢測器組件包括多個間隔開的檢 測器，其中每個檢測器包括透鏡。
[0022] 9、根據方案7所述的傳感器，其特征在于，所述檢測器組件為包括接收機電子裝 置的接收機的一部分，所述接收機電子裝置識別用于對象距離發現的在所述反射束和所述 激光束之間的相位偏移以確定對象離傳感器的距離。
[0023] 10、根據方案9所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器包括對用于距離發現的激 光束進行幅度調制的發射機電子裝置。
[0024] 11、根據方案9所述的傳感器，其特征在于，還包括提供來自VCSEL陣列的采樣束 的光學設備，所述檢測器組件包括接收采樣束的參考檢測器和接收反射束的主檢測器，所 述接收機電子裝置使用所述采樣束和反射束來確定在所述激光束和所述反射束之間的相 位偏移。
[0025] 12、一種汽車LiDAR傳感器，包括：
[0026] 多個垂直腔表面發射激光器（VCSEL)陣列，每個包括多個VCSEL ;
[0027] 定位成接近每個VCSEL陣列的獨立透鏡，其接收和聚焦來自特定陣列中的每個 VCSEL的激光束；
[0028] 用于檢測從接收激光束的對象反射的反射束的檢測器組件；以及
[0029] 響應于所述反射束并且識別用于對象距離發現的在所述反射束和所述激光束之 間的相位偏移以確定對象離傳感器的距離的接收機電子裝置。