[發明專利]激光雷達成像器

在審

• 申請號: 201180043973.8
• 申請日: 2011-09-05
• 公開（公告）號: CN103119463A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: J-L·凱澤
• 申請（專利權）人: IEE國際電子工程股份公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481;G01S17/88;G01S17/89;G02B26/10
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 蔡洪貴

技術領域

本發明大體上涉及距離成像（range?imaging），即，場景像素圖像的形成，其中每個像素表示從成像器至場景中相應點的距離。本發明具體地涉及掃描激光雷達成像器。

背景技術

一種三維景象的已知方法使用“飛行時間”測量原理。從成像裝置至場景中的點的距離（間距）通過投射到該點的光脈沖返回的定時來測量。激光雷達系統將調制光束透射入場景并且比較透射和返回信號的調制以確定距離。例如，相干頻率調制器（FM）激光雷達結合頻率調制/混合以確定距離。然而，FM激光雷達系統受到當前激光二極管的有限的頻率調制能力的影響。相移（AM）激光雷達是將輸出和輸入的振幅調制的光束之間的相移相關聯以確定距離的優選方法。

激光雷達3D成像系統能夠分為兩類：第一類激光雷達成像器使用折射性或反射性成像光學器件來將場景成像到檢測器陣列上。

第二類激光雷達成像器通過將光束掃描過整個場景并且確定被光束照亮的每個點的距離值來以時分復用方式得到場景的距離圖像。為了將光束掃過待成像的場景，通常使用掃描鏡面。文獻EP?0?448?111公開了一種激光雷達掃描系統，其具有用于將調制的光從其一個面透射到待成像的表面的旋轉多面多棱鏡。透射和接收的光之間的調制相差然后用于計算該表面距掃描系統的距離。

目前的這兩類系統通常都受到其不能容易地重新配置的缺點的影響。一旦系統已經建立，那么視野一般被固定并且僅能通過更換成像光學器件或機械掃描裝置來改變。具有自動變焦的系統非常復雜并且因而昂貴。而且，這種系統通常包括大量的移動部件，這對于一些應用而言是不利的。借助于掃描激光雷達成像器，幀頻還由掃描鏡面的頻率給定。

技術問題

本發明的目的是提供一種更靈活的激光雷達成像器。這個目的由如權利要求1所述的裝置來實現。

發明內容

一種用于獲得場景的距離圖像的激光雷達成像器，包括：用于發射光束的光源（一般是激光器）；用于將光束掃描過整個場景的掃描裝置以及用于接收從場景反射的光的光傳感器。根據本發明，掃描裝置包括空間光調制器（SLM），其構造為顯示將光束偏轉到待成像的場景內的不同方向的全息圖。本領域技術人員將理解的是，依照本發明的激光雷達圖像無需可機械移動的部件諸如旋轉或樞轉的鏡面來將光束掃過整個場景。該系統因而可以在機械方面保持簡單。本發明的重要優點在于，該系統能夠容易地通過適當編制SLM來調整或重新配置。例如，發射的光束的形狀（例如，發散）和/或光傳感器的視野能夠經由SLM調整。與一直重復相同掃描模式的機械掃描器不同，僅通過用待顯示的全息圖的相應順序來編制SLM，就可以使得光束以隨機順序照亮場景中的點。那么幀頻就可以靈活地選擇。

因而，通過僅改變由SLM顯示的全息圖（以及測量的定時），就能覆蓋從需要低分辨率下非常快速的幀頻到需要低幀頻下的高分辨率的大范圍的不同應用或運行模式。可以通過以下方式將不同的運行模式結合，即，例如在場景中限定需要高幀頻下的高分辨率的關注區域，而對于場景的其余區域，僅在低幀頻和/或低分辨率下粗略測量已足夠。該系統還能構造為按需或在出現觸發事件時從低幀頻和/或低分辨率下的“待機”模式切換到高幀頻和/或高分辨率的完全運行模式。

如將理解到的，SLM能夠是反射型或透射型SLM。SLM可以例如包括（透射型）鐵電液晶（FLC）面板或（反射型）硅基鐵電液晶（FLCoS）。市售的FLCoS面板具有高達1280×1024像素（能夠重新配置的元件）。其響應時間小于100μs（這使得能夠在1Hz的幀頻下成像具有100×100像素的場景，或者在100Hz的幀頻下成像具有10×10像素的場景）。在研究論文中，提供響應時間小于10μs的FLC單體。替代地，空間光調制器能夠包括數字微鏡裝置，例如表面上具有數十萬可樞轉的微型光學鏡面的矩形陣列的芯片。其他技術，諸如例如可動態調節的衍射光柵（例如可用為“柵格光閥”），也能夠用于SLM。

根據本發明的優選實施例，光傳感器和SLM相對彼此布置以使得光傳感器經由SLM接收反射光。SLM可以例如包括第一區域以顯示將光束偏轉的全息圖以及分開的第二區域以顯示將反射光偏轉和/或聚焦到光傳感器上的又一全息圖。替代地，SLM可以包括用于發射光束和反射光的共同區域，其中將光束偏轉的全息圖還將反射光偏轉和/或聚焦到光傳感器上。如果發射光束和反射光在SLM中疊加，那么激光雷達成像器優選地包括分束器以將反射光與發射光束分開。

根據本發明的另一優選實施例，提供分開的空間光調制器以顯示將反射光偏轉和/或聚焦到光傳感器上的全息圖。