CN116829977A - 具有用于感测低能量反射的检测器的扫描激光装置和方法 - Google Patents

Abstract

本文描述的实施例提供了可以促进增加扫描激光装置(100)中的检测器灵敏度和可靠性的系统和方法。具体地，该系统和方法利用具有多个传感器的检测器，该多个传感器被配置成接收来自扫描场(114)内的物体的激光脉冲的反射。这些多个传感器被配置成通过用于将激光脉冲扫描到扫描场的相同光学组件(104)来接收这些反射。此外，多个传感器被配置成至少部分地消除来自光学组件本身内的背反射的影响。消除来自光学组件内的背反射的影响可以提高检测器的灵敏度，特别是对于来自扫描场内的激光脉冲的低能量反射的检测。

Description

具有用于感测低能量反射的检测器的扫描激光装置和方法

背景技术

已经针对各种应用(包括物体检测)开发并实施了扫描激光装置。例如，已经开发了光检测和测距(LiDAR)系统以生成表面的3D图，其中3D图描述了表面上的深度变化。这种物体检测和绘制深度图已经在各种应用(包括物体和运动感测、导航和控制)中使用。例如，这种LiDAR装置正用于自主车辆的导航和控制，包括用于运输和制造的自主装置。

一些LiDAR系统中的一个限制是缺乏检测器可靠性和灵敏度。例如，在一些LiDAR系统中，噪声可能会阻碍低能量反射的可靠性的可靠检测，并且因此干扰系统的操作。因此，仍然需要用于LiDAR系统和其他扫描激光装置中的检测的改进的系统和方法。

附图说明

图1示出了根据本发明的各个实施例的扫描激光装置的示意图；

图2示出了根据本发明的各个实施例的光学组件的示意视图；

图3示出了根据本发明的各个实施例的检测器的示意视图；

图4示出了根据本发明的各个实施例的检测器的示意视图；

图5示出了根据本发明的各个实施例的感测电路的电路视图；

图6和图7示出了根据本发明的各个实施例的扫描激光装置的侧视图和俯视图；

图8示出了根据本发明的各个实施例的LiDAR系统的示意视图；

图9示出了根据本发明的各个实施例的短程脉冲和长程脉冲；

图10示出了根据本发明的各个实施例的方法的流程图；

图11示出了根据本发明的各个实施例的未检测到物体的概率随着距离变化的曲线图；

图12示出了根据本发明的各个实施例的具有LiDAR系统的移动平台；

图13示出了根据本发明的各个实施例的LiDAR系统的示意视图；

图14示出了根据本发明的各个实施例的发送模块的侧视图；

图15示出了根据本发明的各个实施例的发送模块的俯视图；

图16示出了根据本发明的各个实施例的接收模块的侧视图；

图17示出了根据本发明的各个实施例的接收模块的俯视图；以及

图18示出了根据本发明的各个实施例的集成光子模块的立体图。

具体实施方式

本文描述的实施例提供了一种可以促进增加扫描激光装置中的检测器灵敏度和可靠性的系统和方法。具体地，该系统和方法利用具有多个传感器的检测器，该多个传感器被配置成接收来自扫描场内的物体的激光脉冲的反射。这些多个传感器被配置成通过用于将激光脉冲扫描到扫描场中的相同光学组件来接收这些反射。具体地，多个传感器被配置成通过用于将激光脉冲扫描到扫描场中的相同的扫描镜、光束整形光学器件和其他光学元件中的至少一些来接收反射。因为由多个传感器使用相同光学组件来接收激光反射，所以任何妨碍多个传感器接收反射的损坏或堵塞也有可能会阻碍将激光脉冲扫描到扫描场中。因此，检测器可以更可靠地检测到已经影响扫描场中的物体并反射回检测器的任何激光，并且因此可以用于提供增加的激光安全性。

此外，多个传感器被配置成减少检测器处的噪声影响。具体地，多个传感器被配置成至少部分地消除来自光学组件本身内的背反射的影响。通常，背反射是来自系统内的元件的激光的不期望的反射，其在检测器处被接收回来并且因此可能干扰对来自扫描场内的物体的反射的检测。消除来自光学组件内的背反射的影响可以提高检测器的灵敏度，特别是对于检测来自扫描场内的激光脉冲的低能量反射的灵敏度。这种增加的灵敏度可以促进低能量光脉冲的使用，并且因此可以促进可靠的短程检测模式。

因此，使用多个传感器的检测器的组合可以提高扫描激光装置中的激光检测的灵敏度和可靠性，其中多个传感器通过也用于扫描激光脉冲的相同光学组件接收反射，并且其中多个传感器用于至少部分地消除背反射的影响。此外，这种特征的组合可以用于促进低能量光脉冲和短程检测模式的使用，这可以在各种扫描激光装置应用中提供增加的激光安全性。

现在转向图1，示出了扫描激光装置100的示意图。在一个实施例中，扫描激光装置100是用于物体检测和/或3D图生成的光检测和测距(LiDAR)系统。扫描激光装置100包括激光源102、光学组件104和检测器106。光学组件104包括用于激光扫描的各种光学元件，包括光束整形光学器件108和扫描光学器件110。在操作期间，激光源102生成激光脉冲，该激光脉冲由光学组件104以扫描场114内的扫描线的图案112进行扫描。

检测器106被配置成接收来自扫描场114内的物体的激光脉冲的反射。然后，接收到的激光脉冲的反射可以用于检测扫描场114内的那些物体。例如，接收到的反射的飞行时间(TOF)测量可以用于生成三维点云，该三维点云描述每个点处的表面的深度，并且因此可以用于生成物体表面的深度图。

在图1的示例中，扫描场114中的扫描线的图案112包括光栅图案。然而，这仅是一个示例，并且在其他实施例中，可以生成扫描线的其他图案来使用。例如，可以替代地使用螺旋图案和利萨茹(Lissajous)图案。为了促进图案112的生成，可以实施驱动电路来控制扫描光学器件110的移动。这方面的示例将在下面更详细地描述。

根据本文描述的实施例，检测器106被实施为促进增加检测器灵敏度和可靠性。具体地，检测器106用多个传感器来实施，该多个传感器被配置成接收来自扫描场114内的物体的激光脉冲的反射。这些多个传感器被配置成通过光学组件104接收这些反射，值得注意的是，该光学组件104是将激光脉冲扫描到扫描场114中所通过的相同光学组件104。因此，检测器106中的多个传感器被配置成通过用于将激光脉冲扫描到扫描场114中的相同扫描光学器件110和光束整形光学器件108来接收反射。

因为由多个传感器使用相同光学组件104来接收激光反射，所以妨碍多个传感器接收反射的任何损坏或堵塞也有可能会阻止激光脉冲到扫描场114的扫描。例如，如果存在妨碍检测器106检测来自扫描场114内的物体的激光脉冲的反射的任何障碍物(例如，出口光学透镜上的污垢)，则也将有可能阻碍将激光脉冲扫描到扫描场114中。因此，附近的物体能够用激光脉冲被扫描并且不被检测器106检测是相对不可能的。

此外，根据本文描述的实施例，检测器106中的多个传感器被配置成至少部分地消除来自光学组件104内的背反射的影响。通常，背反射是来自光学组件104内的元件的激光的不期望的反射，其在检测器106处被接收回来，并且因此可以干扰来自扫描场114内的物体的反射的检测。例如，背反射可以包括光学组件104内的各种光学元件(例如，光束整形光学器件108和扫描光学器件110)的镜面背反射和散射背反射。这些背反射的不可控性使得背反射的至少一些重要部分很可能将反射回来并且影响检测器106中的感测表面。

虽然可以使用一些涂层和其他元件来减少在检测器106处接收回来的镜面背反射和散射背反射的量，但是它们不能被完全消除。当在检测器106处接收回来时，这些镜面背反射和散射背反射能够干扰来自扫描场114内的物体的低能量反射的检测。因此，消除来自光学组件104内的背反射的影响能够提高检测器的灵敏度，特别是对于来自扫描场114内的激光脉冲的低能量反射的检测。该增加的灵敏度能够促进低能量光脉冲的使用，并且因此能够促进可靠的人眼安全短程检测模式。

因此，使用多个传感器的检测器106的组合能够提高扫描激光装置中的激光检测的灵敏度和可靠性，其中多个传感器通过也用于扫描激光脉冲的相同光学组件104接收反射，并且其中多个传感器被用于至少部分地消除来自光学组件104内的背反射的影响。此外，这种特征的组合可以被用于促进低能量光脉冲和短程检测模式的使用，这可以在各种扫描激光装置应用中提供增加的激光安全性。

并且，如下文将更详细地描述的，可以实施这种特征的组合以提高激光安全性。例如，这种组合可以被实施在使用虚拟保护壳的扫描激光装置中以提高人眼安全性。

在一个实施例中，检测器106中的多个传感器包括第一传感器和第二传感器，并且检测器106还包括感测电路。在这样的实施例中，第一传感器被配置成通过光学组件104接收来自扫描场114内的物体的激光脉冲的反射，并且还接收来自光学组件104内的元件的激光脉冲的背反射。第二传感器被配置成接收来自光学组件104内的激光脉冲的背反射，而不接收来自扫描场114内的物体的显著反射。例如，在一个实施例中，与由第一传感器接收的来自扫描场中的物体的反射能量相比，第二传感器被配置成接收来自扫描场中的物体的反射能量的不到10％。在其他实施例中，与第一传感器相比，第二传感器被配置成接收来自扫描场中的物体的反射能量的不到5％。因此，第一传感器和第二传感器都被配置成接收来自光学组件104内的背反射，同时仅第一传感器接收来自扫描场114内的物体的显著反射。

在一个实施例中，第一传感器和第二传感器未被光学对准，并且这种未对准允许第一传感器和第二传感器都接收背反射，同时仅第一传感器接收来自扫描场114内的物体的显著反射。例如，在一个实施例中，第一传感器具有第一传感器视场，该第一传感器视场与扫描到扫描场中的激光脉冲光学对准。因此，第一传感器将通过光学组件104接收来自扫描场114内的物体的激光脉冲的反射，并且将进一步接收来自光学组件104内的元件的激光脉冲的背反射。

相反，第二传感器具有第二视场，该第二视场与扫描到扫描场中的激光脉冲未光学对准。因此，第二传感器将接收来自光学组件104内的激光脉冲的背反射，而不接收来自扫描场114内的物体的显著反射。在一个具体实施方式中，第一传感器和第二传感器具有1度至3度之间的光学对准差。

在一个实施例中，第一传感器和第二传感器利用要被聚焦在与设备相距2米至6米之间的焦点处的光学器件被实施。在这样的实施例中，可以在检测器106中实施附加的短程传感器。在这样的实施例中，短程传感器可以被配置有聚焦在与设备相距小于2米的焦点处的光学器件。

各种不同类型的装置可以被实施为第一传感器和第二传感器。例如，第一传感器和第二传感器均可以利用硅光电倍增器(SiPM)被实施。在其他实施例中，第一传感器和第二传感器可以被植入有光电二极管，包括雪崩光电二极管和PIN光电二极管。

感测电路被耦接到第一传感器和第二传感器，并且被配置成至少部分地消除在传感器处接收的背反射的影响，以生成指示扫描场中的物体的输出信号。例如，在一个实施例中，第一传感器和第二传感器均生成输出，并且感测电路包括减法装置，以从第一传感器的输出减去第二传感器的输出。感测电路也可以包括校准电路。例如，感测电路可以包括第一校准电路，以校准从第一传感器的输出减去第二传感器的输出。在另一实施例中，感测电路可以包括第二校准电路，以校准用于扫描场中的物体的检测的阈值。下面将参考图5更详细地描述感测电路的详细示例。

在一个实施例中，检测器106还包括第三传感器。在这样的实施例中，像第二传感器一样，第三传感器可以被配置成接收来自光学镜组件内的激光脉冲的背反射，而不接收来自扫描场内的物体的显著反射。同样，这可以通过提供扫描到扫描场中的激光脉冲之间的光学未对准被实施。在这样的实施例中，第三传感器将生成输出，该输出也被耦接到感测电路。

除了检测器106之外，在一些实施例中，扫描激光装置100被实施为包括一个或多个附加检测器。例如，第二检测器可以被实施为通过第二光学组件接收来自扫描场内的激光脉冲的IR激光脉冲的反射，该第二光学组件与检测器106的光束整形光学器件和光束扫描光学器件分开并且不包括检测器106的光束整形光学器件和光束扫描光学器件。

扫描激光装置100还可以包括其他元件。例如，扫描激光装置100还可以包括响应于检测器106的飞行时间(TOF)电路，以测量扫描场中的深度测量点处的物体的距离。

并且在其他实施例中，扫描激光装置100还可以包括虚拟保护壳电路，对于多个深度测量点，该虚拟保护壳电路使激光源以第一脉冲能量发射第一IR激光脉冲以检测短程内的物体，并且响应于确定在短程内不存在物体，使激光源发射具有总第二能量水平的至少一个第二IR激光脉冲以检测长程内的物体，其中第一能量水平低于总第二能量水平。下面将描述这样的虚拟保护壳电路的详细示例。

现在转向图2，示出了光学组件204的更详细的实施例。光学组件204包括用于在扫描场上扫描激光束脉冲的光学元件。光学组件204是根据本文描述的实施例的可以在LiDAR或其他扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)中使用的光学组件类型的示例。图2中示出的光学元件包括光束整形光学器件208、第一扫描镜210、扩展光学器件212和第二扫描镜214，但这只是一个非限制性示例。同样，在扫描激光装置的操作期间，激光源生成激光脉冲，该激光脉冲被光学组件204扫描到扫描场(例如，扫描场114)上的扫描轨迹(例如，图案112)中。

例如，激光源可以包括一个或多个红外(IR)激光器，该红外激光器被实施为生成IR激光脉冲。在一个具体示例中，来自多个IR激光源的脉冲通过光束整形光学器件208而组合和整形。光束整形光学器件208可以包括任何用于改变激光脉冲的光束形状的光学器件。例如，光束整形光学器件208可以包括用于改变光束形状、改变光束准直、组合多个光束和对光束开孔的光学元件。

光束整形光学器件208的输出被传递到第一扫描镜210。通常，第一扫描镜210提供一个运动轴(例如，水平)，而第二扫描镜214提供另一通常是正交的运动轴(例如，竖直)。因此，第一扫描镜210在一个方向(例如，水平)上扫描激光束脉冲，而第二扫描镜214在另一方向(例如，竖直)上扫描。此外，在这样的实施例的典型实施方式中，第一扫描镜210被操作成以一个速率(例如，相对较慢的扫描速率)提供扫描运动，而第二扫描镜214被操作成以不同的速率(例如，相对较快的扫描速率)提供运动。这一起导致了激光脉冲被扫描到扫描轨迹图案(例如，图案112)中。还应注意，本文使用的标记“竖直”和“水平”是有些任意的，因为扫描激光装置的90度旋转将有效地切换水平轴和竖直轴。

第一扫描镜210的输出被传递到扩展光学器件212。通常，扩展光学器件212被实施为提供扫描场在一个或多个方向上的扩展。例如，扩展光学器件212可以被实施为提供沿第一扫描镜210的运动轴的角度扩展。因此，在其中第一扫描镜210沿水平轴提供相对较慢速度的扫描的示例中，扩展光学器件212可以被实施为沿水平方向增加扫描角度。作为一个具体示例，第一扫描镜210可以被实施为在水平方向上提供40度的扫描角，并且扩展光学器件212可以被实施为将扫描角扩展到110度，因此扩展所得到的扫描轨迹和扫描场的大小。

为了提供这种扩展，扩展光学器件212可以用一个或多个透镜来实施，其中一个或多个透镜被配置成一起提供期望的角度扩展。在一个具体示例中，扩展光学器件212用三个单独的透镜来实施。下面将更详细地描述这样的实施例的描述。

扩展光学器件212的输出被传递到第二扫描镜214。同样，第一扫描镜210提供一个运动轴(例如，水平)，而第二扫描镜214提供另一通常是正交的运动轴(例如，竖直)。此外，第一扫描镜210和第二扫描镜214以不同的扫描速率操作。在一个具体实施例中，第二扫描镜214提供竖直的高速率扫描，而第一扫描镜210提供水平的低速率扫描。

在操作期间，光学组件204因此操作成接收激光脉冲并将这些激光脉冲扫描到扫描场内的扫描轨迹图案中。

如上文所述，在扫描激光装置的操作期间的一个问题在于，光学组件204内的各种元件可以生成不期望的背反射。例如，当激光束脉冲冲击光束整形光学器件208、第一扫描镜210、扩展光学器件212和第二扫描镜214时可能产生镜面背反射和散射背反射形式的背反射。在每种情况下，不期望的背反射的一部分可以被反射回到检测器，并且干扰来自扫描场内的物体的低能量反射的检测。

现在转向图3，示出了检测器306的更详细的实施例。检测器306是根据本文描述的实施例的可以在LiDAR或其他扫描激光装置(例如，扫描激光装置100中的检测器106)中使用的检测器类型的更详细的示例。图3中示出的检测器306包括第一传感器308、第二传感器310、短程传感器312、消除电路和检测电路。

通常，检测器306被实施为促进增加检测器的灵敏度和可靠性。具体地，检测器306用第一传感器308、第二传感器310和短程传感器312来实施，这些传感器被配置成接收来自扫描场内的物体的激光脉冲的反射。第一传感器308、第二传感器310和短程传感器312被配置成通过扫描激光装置中的光学组件接收这些反射，值得注意的是，该光学组件是将激光脉冲扫描到扫描场所通过的相同光学组件。

第一传感器308和第二传感器310被配置成促进至少部分地消除来自光学组件内的背反射的影响。具体地，第一传感器308被配置成接收来自扫描场内的物体的激光脉冲的反射，并且还接收来自光学组件内的元件的激光脉冲的背反射。第二传感器310被配置成接收来自光学组件内的激光脉冲的背反射，而不接收来自扫描场内的物体的显著反射。因此，第一传感器308和第二传感器310都被配置成接收来自光学组件内的背反射，而仅第一传感器308接收来自扫描场内的物体的显著反射。

第一传感器308和第二传感器310可以被实施为通过用不同的光学对准实施来提供对不同反射的这种不同响应。具体地，第一传感器308和第二传感器310被实施为未光学对准，并且这种未对准允许第一传感器308和第二传感器310都接收背反射，而仅第一传感器308接收来自扫描场内的物体的显著反射。

在一个具体实施方式中，第一传感器308具有第一传感器视场，该第一传感器视场与扫描到扫描场中的激光脉冲光学对准。因此，第一传感器308将通过光学组件接收来自扫描场内的物体的激光脉冲的反射，并且还将接收来自光学组件内的元件的激光脉冲的背反射。

相反，在该具体实施方式中，第二传感器310具有第二视场，该第二视场与扫描到扫描场中的激光脉冲未光学对准。因此，第二传感器310将接收来自光学组件104内的激光脉冲的背反射，而不接收来自扫描场内的物体的显著反射。例如，在一个实施例中，第二传感器310被光学对准，以接收与由第一传感器308接收的来自扫描场中的物体的反射能量相比的不到10％的来自扫描场中的物体的反射能量。在其他实施例中，第二传感器310被光学对准，以接收与第一传感器308相比的不到5％的来自扫描场中的物体的反射能量。

在一个具体实施方式中，第一传感器308与激光脉冲轴光学对准，并且第二传感器310具有与激光脉冲轴相差1度至3度之间的光学对准差。

在典型的实施方式中，检测器306被配置成作为相对短程的检测器操作。而且，如下文将更详细地描述的，其他检测器可以实施为提供长程检测。为了促进这一点，第一传感器308用在相对短程处聚焦的光学器件来实施。例如，第一传感器308可以被实施为在与扫描激光装置的输出透镜相距2米至6米之间的焦点处聚焦，并具有4米的场深度。作为一个具体的示例，传感器308可以具有4米的焦平面和4米的场深度，以提供2米至6米的焦点工作距离。

应当注意，虽然检测器306包括第一传感器308和第二传感器310，但在一些实施例中，检测器可以包括附加传感器。此外，应当注意，各种不同类型的装置可以被实施为第一传感器308和第二传感器310。例如，第一传感器308和第二传感器310均可以用硅光电倍增器(SiPM)被实施。在其他实施例中，第一传感器308和第二传感器310可以被植入有光电二极管，包括雪崩光电二极管和PIN光电二极管。

第一传感器308和第二传感器310被耦接到消除电路314和检测电路316。在该实施例中，消除电路314和检测电路316一起提供用于感测扫描场中的物体的感测电路。

具体地，消除电路314被耦接到第一传感器308和第二传感器310这两者，并被配置成至少部分地消除在传感器处接收的背反射的影响，以生成指示扫描场中的物体的输出信号。具体地，第一传感器308和第二传感器310均生成输出，并且消除电路包括减法装置，该减法装置被配置成从第一传感器308的输出减去第二传感器310的输出。这将产生具有减少的来自背反射的影响的信号。为了进一步促进这一点，消除电路314还可以包括第一校准电路，以校准从第一传感器308的输出减去第二传感器310的输出。

减法装置的输出被耦接到检测电路316。通常，检测电路316确定消除电路314的输出何时高于阈值水平，该阈值水平指示来自扫描场中的物体的激光脉冲反射的检测。在一个实施例中，检测电路316包括增益级放大器和比较器。而且在一个实施例中，检测电路316还包括第二校准电路，以校准用于扫描场中的物体的检测的阈值。下面将参考图5更详细地讨论消除电路和检测电路的详细示例。

短程传感器312被实施为提供附加短程检测。具体地，短程传感器312提供比第一传感器308和第二传感器310可实现的更短程的物体检测。例如，短程传感器312可以被配置有在与设备相距小于2米的焦点处聚焦并具有2米的场深度的光学器件。作为一个具体示例，短程传感器312可以具有1.1米的焦平面和2米的场深度，以提供0.1米至2米的焦点工作距离。

此外，在一些实施例中，短程传感器312可以用在极短程感测方面更有效的不同类型的传感器被实施。例如，在一些实施例中，第一传感器308和第二传感器310可以通过由非常近的物体的存在产生的强烈反射而饱和并暂时失明。当第一传感器308和第二传感器310用相对灵敏的SiPM传感器来实施时，情况尤其如此。为了解决这个问题，短程传感器312可以用光电二极管或不可能通过扫描场中的非常近的物体的存在而饱和的其他类型的传感器被实施。因此，短程传感器312可以增加对非常近的物体(例如，小于1米)的物体检测的可靠性，而第一传感器308和第二传感器310提供对不太近程(例如，1米至6米之间)的物体的检测。

现在转向图4，示出了扫描激光装置400的一部分的更详细的示例。图4中示出的扫描激光装置400的该部分包括检测器406。图4中未示出激光源和光学组件(包括任何光束整形光学器件、扫描镜、扩展光学器件或输出光学器件)。与先前示例一样，激光源生成激光脉冲，该激光脉冲由扫描镜和其他光学组件元件扫描到扫描场中。检测器406被配置成接收来自扫描场内的物体的激光脉冲的反射。这些接收到的反射用于检测扫描场内的那些物体，并且在一些实施例中，TOF测量可以用于生成三维点云，该三维点云描述每点处的表面的深度，并且因此可以用于生成物体表面的深度图。

图4中示出的扫描激光装置400的该部分包括第一分束器410、镜(mirror)412、带通滤波器414、聚焦透镜416、第二分束器418、光圈420A-C、光管422A-C、第一传感器424A、第二传感器424B、第三传感器424C和短程传感器426。

通常，第一分束器410用于引导从扫描场返回的激光脉冲的反射，并将这些反射引导到检测器406。在一个实施例中，第一分束器包括分离镜，该分离镜具有顶部部分和底部部分以及具有中央部分，该顶部部分和底部部分被涂覆以将激光脉冲反射到检测器406中，该中央部分允许来自激光源的激光穿过到达光学组件。在其他实施例中，第一分束器410是部分反射器，该部分反射器可以透射一部分入射光并反射其余部分。在另外其他实施例中，第一分束器410可以包含偏振分束器，该偏振分束器透射脉冲激光束(以第一偏振)并且分离不同偏振的接收光。

由第一分束器410分离的来自扫描场的反射被引导到镜412，它们在该镜412处被反射到带通滤波器414和聚焦透镜416。通常，带通滤波器414被配置成过滤掉非激光，并且防止该非激光到达传感器。例如，带通滤波器414可以被实施为仅将IR波段的光传递到传感器424A-C。

聚焦透镜416用于将期望范围的扫描场成像到第一传感器424A上。具体地，来自扫描场中的该范围的物体的反射将从第二分束器418反射出并被聚焦在光圈420A上。值得注意的是，来自光学组件内部的背反射不被聚焦在光圈420A上，并且因此被分散在所有三个光圈420A-C上。

通常，光圈420A-C被设置成透镜416的焦点。然后，光圈420A-C确定传感器424A-C的视场。该实施方式允许传感器424A-C中的每个传感器的视场在竖直和水平中被单独限定。

在一个实施方式中，第一光圈420A小于其他两个光圈420B-C，以在传感器424B-C上获得更好的散射平均性。具体地，较大的光圈420B-C提供较大的视场，并且因此对背反射的小变化不太灵敏。

光管422A-C被实施为将接收到的光引导到相应传感器，同时使接收到的光扩展并填充传感器424A-C的感测区域。这可以增加传感器424A-C的有效动态范围。作为一个示例，光管422A-C可以用任何合适的光学塑料被实施。

在一个具体实施方式中，聚焦透镜416被实施为具有与装置相距2米至6米的工作距离。因此，来自该工作距离内的物体的反射将从第二分束器418反射出并且被聚焦在光圈420A上。在光圈420A处接收的那些聚焦反射将扩展并通过光管422A被引导到第一传感器424A的感测区域。因此，第一传感器424A通过聚焦透镜416、第二分束器418、光圈420A和光管422A的布置而与从2米至6米之间的选定范围的表面反射的激光脉冲光学对准。

值得注意的是，光圈420B-C、光管422B-C以及第二传感器424B和第三传感器424C在这些范围内与激光脉冲未光学对准，并且因此将不接收来自扫描场的显著反射。例如，与第一传感器424A相比，第二传感器424B和第三传感器424C可以具有光学对准差，使得与第一传感器424A相比，第二传感器424B和第三传感器424C中的每个接收来自扫描场中的物体的反射能量的不到10％。在另一实施例中，与第一传感器424A相比，第二传感器424B和第三传感器424C可以具有光学对准差，使得第二传感器424B和第三传感器424C均接收由第一传感器424A接收的来自扫描场中的物体的反射能量的不到5％。在一个示例中，与光圈420A和传感器424A相比，光圈420B-C和传感器424B-C均可以具有1度至3度之间的光学对准差，以促进这一结果。在这样的实施例中，这种光学对准差由光圈420B-C相对于透镜416的透镜轴的不同位置而造成。同样地，传感器424B-C的视场大小由光圈420B-C的大小确定。

然而，来自光学组件内部的背反射(包括来自任何光束整形光学器件、扫描镜、扩展光学器件或输出光学器件的反射)未聚焦到光圈420A-C，并且因此背反射被分散在所有三个光圈420A-C上。因此，尽管量不一定相等，但是所有三个传感器422A-C将接收背反射。换句话说，背反射来自工作距离之外的物体，所以不聚焦在光圈420A-C处，而在所有光圈420A-C上是模糊的。

短程传感器426被实施为在比传感器424A-C更短程内提供感测。作为一个示例，短程传感器426被实施为具有0.1米至2米的工作距离。

第二分束器418被实施为近-远分束器，使得从非常近的物体(例如，比2米更近的物体)反射的光穿过第二分束器418到达短程传感器426，而从更远的物体(例如，2米至6米之间的物体)反射的光朝向光圈420A-C反射。例如，第二分束器418可以用反射90％的入射光并透射10％的入射光的电介质涂层来实施。

在一个实施例中，第一传感器424A、第二传感器424B和第三传感器424C用SiPM来实施以促进高灵敏度，而短程传感器426用光电二极管来实施以避免由非常近的物体引起的过饱和。

如此配置，第一传感器424A、第二传感器424B和第三传感器424C被配置成促进至少部分地消除来自光学组件内的背反射的影响。具体地，第一传感器424A被配置成接收来自扫描场内的物体的激光脉冲的反射，并且还接收来自光学组件内的元件的激光脉冲的背反射。第二传感器424B和第三传感器424C被配置成接收来自光学组件内的激光脉冲的背反射，而不接收来自扫描场内的物体的显著反射。因此，所有三个传感器424A-C被配置成接收来自光学组件内的背反射，而仅第一传感器424A接收来自扫描场内的物体的显著反射。

各种传感器424A-C和426被耦接到感测电路，用于感测扫描场中的物体。感测电路包括消除电路，以至少部分地消除在传感器处接收的背反射的影响，以生成指示扫描场中的物体的输出信号。在一个示例中，消除电路包括减法装置，该减法装置被配置成从第一传感器424A的输出减去第二和第三传感器424B-C的输出。这导致了具有减少的来自背反射的影响的信号。消除电路的输出可以被传递到检测电路。同样地，短程传感器426的输出也被传递到检测电路。然后，检测电路可以确定消除电路的输出或短程传感器426的输出何时指示来自扫描场内的物体的激光脉冲反射的检测。

现在转向图5，示出了示例性感测电路500的详细电路图视图。通常，感测电路500提供了在示例性扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)中使用的消除电路、检测电路和校准电路。图5中示出的感测电路500包括跨阻放大器(TIA)510和512、减法装置514、增益级放大器516、比较器518、可变阻抗520、阈值调节器522和放大器524。跨阻放大器510和512的输入被分别耦接到第一传感器和第二传感器的输出。控制器526向可变阻抗520和阈值调节器522提供控制信号。比较器518的输出提供感测电路500的输出，并且可以耦接利用所检测的反射的任何装置，包括飞行时间(TOF)电路、短程检测电路、虚拟保护壳电路等。

感测电路500被耦接到第一传感器和第二传感器。如上文所述，第一传感器和第二传感器可以用硅光电倍增器(SiPM)、光电二极管或任何其他合适的感测装置来实施。这种传感器通常被配置成生成电流与接收到的特定波长的光的光子能量成比例的输出信号。例如，这些传感器可以被实施为生成电流与IR光的光子能量成比例的输出信号。这些传感器可以用适当的偏压电路来实施，以控制传感器的操作。

如上文所述，在一个实施例中，第一传感器具有第一传感器视场，该第一传感器视场与扫描到扫描场中的激光脉冲光学对准。因此，第一传感器将通过光学组件接收来自扫描场内的物体的激光脉冲的反射，并且还将接收来自光学组件内的元件的激光脉冲的背反射。作为响应，第一传感器生成第一传感器输出信号，该第一传感器输出信号与接收到的来自扫描场内的反射中的反射能量加上接收到的背反射中的反射能量成比例。相反，第二传感器具有第二视场，该第二视场与扫描到扫描场中的激光脉冲未光学对准。因此，第二传感器将接收来自光学组件内的激光脉冲的背反射，而不接收来自扫描场内的物体的显著反射。作为响应，第二传感器生成第二传感器输出信号，该第二传感器输出信号与接收到的背反射的反射能量成比例。

在感测电路500的操作期间，第一传感器输出信号被耦接到第一跨阻放大器510，该第一跨阻放大器将输出信号从电流信号转换为电压信号。同样地，来自第二传感器的第二传感器输出信号被耦接到第二跨阻放大器512，该第二跨阻放大器再次将输出信号从电流信号转换为电压信号。在每种情况下，转换的增益由跨阻放大器的相关阻抗部分地确定。因此，用于第二跨阻放大器512的转换的增益由可变阻抗520的状态确定。

跨阻放大器510和512的电压信号输出被传递到减法装置514。减法装置514通过从放大器510的输出信号减去放大器512的输出信号来组合两个电压信号。如上文所述，由于第一传感器和第二传感器的配置，这个减法生成结果信号，其中背反射的影响已经通过从结果信号至少部分地消除影响而被减少。

结果信号被传递到增益级放大器516以进行放大。放大的信号被传递到比较器518，该比较器518将放大的信号与阈值进行比较，以生成数字脉冲信号，当放大的信号超过阈值时，该数字脉冲信号被主张，否则不被主张。如下文将更详细地描述的，在该转换中使用的阈值可以在校准期间被确定。

如上文所述，可变阻抗520控制第二传感器输出信号的转换的增益，并且因此可以被用于校准来自第一传感器的感测输出的背反射的影响的消除。在一些实施例中，这种校准可以在工厂处或在初始设定期间执行一次。例如，当已知感测区域内没有物体时，可以在初始校准设定期间执行这种校准，使得在两个传感器处接收的所有光是来自光学组件内的背反射的结果。在其他实施例中，可以根据需要重复校准。

同样地，阈值调节器522和放大器524被用于校准由比较器518使用的阈值，以生成数字脉冲信号。同样，在一些实施例中，这种校准可以在初始设定期间执行一次。在其他实施例中，可以根据需要重复这种校准。例如，可以重复这种校准以针对传感器上不同水平的环境光或污垢而调整阈值。

在一个具体示例中，在初始校准期间，第二传感器输出信号的转换的增益被设定为使进入增益级516和进入比较器518的信号最小化，以消除来自第一传感器的输出的背反射的结果。这允许比较器518的阈值可以被设定得相对较低，并且因此提供高水平的灵敏度。然后，在使用期间，可以针对环境光和其他条件的变化来调整阈值。因此，这两个校准可以一起提供高灵敏度和变化条件。

应当注意，虽然感测电路500示出放大器耦接到仅两个传感器，但该电路500可以扩展用于具有附加传感器的实施例。例如，第三传感器也可以被实施为检测背反射(例如，图4的第三传感器424C)。在该应用中，可以使用具有可变阻抗的第三跨阻放大器来转换第三传感器的输出，并且在减法装置514处或其他减法装置处也将从第一传感器的输出减去第三传感器的转换输出。

此外，感测电路500可以被扩展以在单独信道中接收来自短程传感器(例如，图4中的短程传感器426)的输出信号。该单独信道通常不生成从第一传感器的输出减去的信号。相反，该单独信道通常包括其自身的放大器、增益级和比较器以提供独立的检测。

现在转向图6和图7，示出了扫描激光装置600的侧视图和俯视图。在一个实施例中，扫描激光装置600是用于物体检测和/或3D图生成的光LiDAR系统。扫描激光装置600包括激光源602和光学组件604。光学组件604是根据本文描述的实施例的可以在LiDAR或其他扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)中使用的类型的光学组件的一个示例。因此，光学组件604包括用于促进扫描的各种光学元件。应当注意，图6和图7是简化示例，并且因此没有示出完全实施的扫描激光装置或光学组件的所有元件或特征。

图2中示出的光学组件604包括光束整形光学器件614、第一棱镜616、第一扫描镜组件617、第一扫描镜618、包括三个扩展透镜620、622、624的扩展光学器件、第二棱镜626、第二扫描镜组件627和第二扫描镜628。

在扫描激光装置600的操作期间，激光源602生成激光脉冲，该激光脉冲被光学组件604扫描到扫描场(例如，扫描场114)上的扫描轨迹(例如，图案112)中。例如，激光源602可以包括由场效应晶体管(FET)驱动的一个或多个红外(IR)激光器，以生成IR激光脉冲。

通常，来自多个IR激光源的脉冲首先由光束整形光学器件614和相关光学元件组合和整形。因此，光束整形光学器件614可以包括用于改变激光脉冲的光束形状的任何光学器件。例如，光束整形光学器件614可以包括准直透镜、偏振组合器、提高发散性的变形棱镜对和其他这样的元件。在一个实施例中，在光束整形光学器件614内实施了拾取(pick-off)分束器或棱镜603，以将反射引导到配置用于短程脉冲检测的检测器(图5和图6中未示出)。该检测器可以被实施为上文描述的任一个实施例(例如，检测器106、306、406)。在一个具体实施例中，拾取(pick-off)分束器或棱镜603对应于图4中示出的第一分束器410，并且检测器对应于检测器406。

光束整形光学器件614的输出被传递到第一棱镜616，该第一棱镜将光束向上踢到第一扫描镜618。在此示出的实施例中，第一扫描镜618提供水平扫描运动，而第二扫描镜628提供竖直扫描运动。此外，在该示例中，第一扫描镜618被驱动成以相对缓慢的扫描速率提供扫描运动，而第二扫描镜628被驱动以相对缓慢的扫描速率提供运动。然而，这些只是示例，并且其他实施方式也是可能的。这种扫描镜运动一起导致了激光脉冲被扫描到扫描轨迹图案(例如，图案112)中。同样，应当注意，本文使用的标记“竖直”和“水平”是有些任意的，因为扫描激光装置的90度旋转将有效地切换水平轴和竖直轴。

第一扫描镜618的输出被传递到三个扩展透镜620、622、624，这三个扩展透镜一起提供扩展光学器件。通常，扩展光学器件被实施为提供扫描场在水平方向上的扩展。

具体地，在此示出的示例中，三个扩展透镜620、622、624被实施为将第一扫描镜618的输出成像到第二扫描镜628上，同时提供在水平方向上的非均匀扩展。作为一个具体示例，第一扫描镜618可以被实施为在水平方向上提供40度的扫描角，并且扩展透镜620、622、624可以被实施为提供非均匀扩展以将扫描角扩展到110度。

如上文所述，扩展透镜620、622、624可以被实施为提供非均匀的水平扩展。通常，非均匀扩展是指扩展光学器件提供相对于沿扫描场中的IR激光脉冲的第一轴的位置的光学扩展的非均匀变化。例如，扩展量可以沿水平轴非均匀地增加或减少。

在一个具体示例中，三个扩展透镜620、622、624实施4F光学系统，该4F光学系统将第一扫描镜618的输出成像到第二扫描镜628上。具体地，三个扩展透镜620、622、624提供4F光学系统，其放大率随着来自第一扫描镜618的角度而变化。这三个扩展透镜620、622、624的结果是由第一扫描镜618提供的出口扫描角的光学扩展的非均匀变化。第二棱镜626接收第三扩展透镜624的输出，并且将光束引导到第二扫描镜628。

如上文所述，在扫描激光装置的操作期间的一个问题在于，光学组件604内的各种元件可能生成不期望的背反射。例如，当激光束脉冲冲击光束整形光学器件614、第一棱镜616、第一扫描镜618、三个扩展透镜620、622、624、第二棱镜626和第二扫描镜628时，可以产生镜面背反射和散射背反射形式的背反射。在每种情况下，不期望的背反射的一部分可以被反射回到检测器，并干扰来自扫描场内的物体的低能量反射的检测。

本文描述的实施例提供使用多个传感器以至少部分地消除这些背反射的影响的检测器(例如，检测器106、306、406)。使用多个传感器的检测器的使用可以提高扫描激光装置中的激光检测的灵敏度和可靠性，其中多个传感器通过也用于扫描激光脉冲的相同光学组件604来接收反射，并且其中多个传感器被用于至少部分地消除背反射的影响。此外，这种特征的组合可以用于促进低能量光脉冲和短程检测模式的使用，这在各种扫描激光装置应用中提供增加的激光安全性。

现在转向图8，示出了根据各个实施例的扫描光检测和测距(LiDAR)系统800。LiDAR系统800是可以根据本文描述的实施例实施的类型的扫描激光装置的另一示例。系统800包括脉冲生成电路890、红外(IR)激光源830、具有扫描镜816的扫描镜组件814以及镜驱动和控制电路854。系统800还包括第一红外(IR)检测器842、第一飞行时间(TOF)测量电路844、3D点云存储电路886、第一比较器848以及虚拟保护壳电路880。系统800还包括第二IR检测器1842、第二TOF测量电路1844和第二比较器1848。如下文将更详细地描述的，第二IR检测器1842可以被实施为提供冗余的短程检测。而且根据本文描述的实施例，该第二IR检测器1842可以用多个传感器来实施，以至少部分地消除来自包括扫描镜816的光学组件的背反射的影响。

激光源830可以是能够发射激光束脉冲862的激光源，诸如激光二极管等。光束脉冲862撞击在扫描镜组件814上，该扫描镜组件在一些实施例中是基于微机电系统(MEMS)的扫描器等的一部分，并从扫描镜816反射以生成受控输出光束脉冲134。在一些实施例中，光学元件被包括在激光源830与镜816之间的光路中。例如，系统800可以包括准直透镜、分色镜、扩展光学器件或任何其他合适的光学元件。而且如上文所述，扫描镜、扩展光学器件和其他元件可以在系统800的操作期间引起激光脉冲朝向第二IR检测器1842的背反射。

扫描镜驱动和控制电路854提供一个或多个驱动信号855，以控制扫描镜816的角度运动，以使输出光束脉冲134横穿扫描场828中的扫描轨迹840。在操作中，激光源830产生不可见光谱的调制光脉冲，并且随着光束834横穿扫描轨迹840，扫描镜816反射光脉冲。

在一些实施例中，通过组合水平轴上的锯齿形分量和竖直轴上的正弦形分量来形成扫描轨迹840。在另外其他实施例中，水平扫略(sweep)也是正弦形的。本发明的各个实施例不受用于控制竖直扫略和水平扫略的波形或所得到的扫描轨迹图案的限制。一个轴(例如，水平)是慢速扫描轴，并且另一轴是快速扫描轴。

尽管扫描镜816被示出为在两个轴上进行扫描的单个镜，但这不是本发明的限制。例如，在一些实施例中，镜816用两个单独的扫描镜来实施，一个在一个轴中进行扫描，并且第二个在第二轴中进行扫描。

在一些实施例中，扫描镜816包括一个或多个传感器，以检测镜偏转(在一个维度或两个维度上)的角度位置或角度范围。例如，在一些实施例中，扫描镜组件814包括压阻式传感器，该压阻式传感器输送与快速扫描轴上的镜偏转成比例的电压。此外，在一些实施例中，扫描镜组件814包括附加的压阻式传感器，该压阻式传感器输送与慢速扫描轴上的镜偏转成比例的电压。镜位置信息作为一个或多个SYNC信号815被提供回到镜驱动和控制电路854。在这些实施例中，镜驱动和控制电路854包括一个或多个反馈回路，以响应于测量的镜角度偏转而修改驱动信号。此外，在一些实施例中，镜驱动和控制电路854包括基于SYNC信号来估计扫描镜的瞬时角度位置的一个或多个相位锁定环电路。

镜驱动和控制电路854可以使用诸如相位锁定环(PLL)、滤波器、加法器、乘法器、寄存器、处理器、内存等的功能电路来实施。因此，镜驱动和控制电路854可以在硬件、软件或任何组合中实施。例如，在一些实施例中，控制电路854被实施在专用集成电路(ASIC)中。此外，在一些实施例中，一些更快的数据路径控制在ASIC中执行，并且整体控制是软件可编程的。

系统800包括两个独立的IR检测器、TOF测量电路和比较器以用于检测IR激光脉冲。具体地，系统800包括第一IR检测器842和第二IR检测器1842。通常，第一IR检测器842被实施为检测来自短程脉冲和长程脉冲的反射，而第二IR检测器提供用于来自低功率短程脉冲的反射的冗余检测，以提供增加的人眼安全性。

第一IR检测器842包括能够检测IR激光脉冲的反射的一个或多个光敏器件。例如，第一IR检测器842可以包括一个或多个PIN光电二极管、硅光电倍增器(SiPM)、雪崩光电二极管(APD)等。视场中被IR激光脉冲照亮的每个点(在本文中称为“测量点”)可以或不可以将一定量的入射光反射回到第一IR检测器842。如果第一IR检测器842检测到反射，则IR检测器842向第一TOF测量电路844提供信号843。

第一TOF测量电路844测量IR激光脉冲的飞行时间(TOF)，以确定与视场中的物体相距的距离。在一些实施例中，虚拟保护壳电路880向第一TOF测量电路844提供对应于特定IR激光脉冲的发射时间的定时信号(未示出)，并且第一TOF测量电路844通过确定脉冲的发射与相同脉冲的反射的接收之间的经过时间来测量IR激光脉冲的TOF。

第一TOF测量电路844可以使用任何合适的电路来实施。例如，在一些实施例中，第一TOF测量电路844包括模拟积分器，该模拟积分器在启动IR脉冲时被重置，并且在接收到反射脉冲时被停止。第一TOF测量电路844还可以包括模拟数字转换器，以将模拟积分器的输出转换为对应于IR激光脉冲的飞行时间(TOF)的数字值，该数字值进而对应于系统800与视场中的从其反射光脉冲的物体之间的距离。

3D点云存储装置846从镜驱动和控制电路854接收X、Y数据，并且从第一TOF测量电路844接收节点845上的距离(Z)数据。对于每个检测到的反射，三元组(X,Y,Z)被写入到3D点云存储装置，得到一系列的3D点，在本文中被称为“点云”。并非视场中的每个X、Y测量点将必须具有相应的Z测量。因此，得到的点云可能是稀疏的或可能是密集的。包括在3D点云中的数据量不是本发明的限制。

3D点云存储装置846可以使用任何合适的电路结构被实施。例如，在一些实施例中，3D点云存储装置846被实施在可以在一个端口上写入并在第二端口上读取的双端口存储装置中。在其他实施例中，3D点云存储装置846被实施为通用存储装置中的数据结构。在另外其他实施例中，3D点云存储装置846被实施在专用集成电路(ASIC)中。

第一比较器848将节点845上的距离数据(Z)与阈值进行比较，并且如果距离小于阈值，则第一比较器848主张输入到OR门882的短程物体检测信号。该短程物体检测信号通过OR门882传递到VPH电路880，以指示“短程”内的物体的检测，其中“短程”由节点847上的阈值的值确定。例如，如果阈值被设定为对应于五米的距离的值，并且检测到的距离小于该阈值，则已经检测到比五米更近的物体，并且将通过节点884上的短程物体检测信号来通知VPH电路880。

节点847处的阈值和对应的短程距离可以由VPH电路880基于任何标准进行修改。例如，阈值可以是IR激光脉冲功率、脉冲持续时间、脉冲密度、波长、扫描器速度、期望的激光安全性分类等的函数。确定阈值的方式不是本发明的限制。

第二IR检测器1842、第二TOF测量电路1844和第二比较器1848操作成提供冗余的短程物体检测能力。冗余的短程物体检测提供附加的安全措施。例如，如果一个或多个IR检测器、TOF测量电路或比较器发生故障，则冗余将确保继续安全操作。

值得注意的是，第一IR检测器842和第二IR检测器1842通过不同的光路接收反射光脉冲。具体地，第一IR检测器842沿835处所示的单独路径接收反射光，而第二IR检测器1842与发射的光脉冲共享光路的至少一部分。具体地，来自扫描场的反射光通过光学组件中的镜816、扩展光学器件和其他元件中的至少一些反射回来，沿路径1835到达第二IR检测器1842。

第二TOF测量电路1844测量IR激光脉冲的飞行时间(TOF)，以类似于第一TOF测量电路844的方式确定与视场中的物体相距的距离。因此，第二TOF测量电路1844可以使用与第一TOF测量电路844一样的任何合适的电路被实施。

同样地，第二比较器1848将节点845上的距离数据(Z)与阈值进行比较，并且如果距离小于阈值，则第二比较器1848主张输入到OR门882的短程物体检测信号。同样，该短程物体检测信号通过OR门882传递到VPH电路880，以指示“短程”内的物体的检测，其中“短程”由节点1847上的阈值的值确定。例如，如果阈值被设定为对应于五米的距离的值，并且检测到的距离小于该阈值，则已经检测到比五米更近的物体，并且将通过节点884上的短程物体检测信号来通知VPH电路880。

同样，节点1847处的阈值和对应的短程距离可以由VPH电路880基于任何标准进行修改。例如，阈值可以是IR激光脉冲功率、脉冲持续时间、脉冲密度、波长、扫描器速度、期望的激光安全性分类等的函数。

在一些实施例中，检测电路和TOF测量电路操作成检测短程物体，并且检测电路和TOF测量电路中的仅一个操作成测量长程距离和/或写入到3D云存储装置。例如，在由图8表示的实施例中，由TOF测量电路1844或TOF测量电路1844测量的飞行时间可以被用于检测短程物体，但仅由TOF测量电路844测量的飞行时间被用于填充3D点云。

VPH电路880操作成以允许整体操作以保持人眼安全性的方式来管理可访问的发射水平。例如，在一些实施例中，VPH电路880通过设定节点885上的脉冲能量值来控制是否生成“短程脉冲”或“长程脉冲”。发射的脉冲能量可以通过脉冲功率、脉冲持续时间或脉冲计数中的一个或多个被控制。

VPH电路880还可以经由节点857上的定时信号来控制发射的脉冲的定时。在一些实施例中，对于视场中的每个测量点，VPH电路880向脉冲生成电路890发出信号以生成短程脉冲，该短程脉冲能够以非常高的置信度来检测物体，直到足以提供虚拟保护壳的距离。如本文所使用的，术语“短程脉冲”是指被认为在非常短程内对人眼安全的脉冲。例如，在一些实施例中，短程IR激光脉冲的能量水平可以维持在IEC 60825.1 Class 1可访问发射极限以下，使得可以在每个测量点处发射短程IR激光脉冲，而没有伤害人眼的风险。

如果在短程距离内检测到物体，则相应的三元组(X、Y、Z)可以被写入到3D点云存储装置846，并且系统800通过不在该测量点处发射任何较高能量的脉冲来提供虚拟保护壳。然而，如果未检测到短程物体，则系统800可以发射总能量更高的一个或多个“长程脉冲”，以检测超出短程距离的物体。例如，在一些实施例中，系统800可以发射短程IR激光脉冲，该短程IR激光脉冲被认为在100毫米(mm)的距离处对人眼安全，其在明亮的阳光下具有50％的概率检测到36米(m)处的5％的反射目标。这种短程脉冲可能具有百亿分之一的概率检测不到12米的距离处的10％的反射目标。而且例如，系统800可以发射长程脉冲，该长程脉冲能够检测到高达200m远的物体，同时在4米距离之外保持人眼安全性。在该示例中，系统800可以发射短程脉冲，该短程脉冲具有极高概率检测到四米内的物体，然后发射长程脉冲，该长程脉冲能够检测200m处的物体。

如本文所使用的，术语“长程脉冲”是指总能量高于短程脉冲的一个或多个脉冲。例如，在一些实施例中，可以发射单个长程脉冲，并且单个长程脉冲的能量可以高于单个短程脉冲，并且在其他实施例中，可以发射多个长程脉冲，并且多个长程脉冲的总能量可以高于单个短程脉冲。

虚拟保护壳电路880可以使用任何合适的电路结构来实施。例如，在一些实施例中，VPH电路880可以包括使用数字逻辑实施的一个或多个有限状态机以响应于短程物体检测并有条件地向脉冲生成电路890发出信号以发射长程脉冲。此外，在一些实施例中，VPH电路880可以包括处理器和内存，以提供短程脉冲能量、长程脉冲能量、阈值等的软件可编程性。实施VPH电路880的方式不是本发明的限制。

现在转向图9，示出了根据本发明的各个实施例的短程脉冲和长程脉冲。短程脉冲910和长程脉冲930是可以由LiDAR(系统800)或其他扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)在每个测量点处发射的IR激光脉冲的示例。例如，系统可以发射短程脉冲910，然后基于是否检测到短程物体来有条件地发射一个或多个长程脉冲930。在图9中的图表的竖直轴上示出了脉冲振幅，并且在水平轴上示出了时间。短程脉冲910被示出为在第一时间处发射，并且阈值被示出为代表第二时间。第一时间与第二时间之间的差代表短程距离。例如，在一些实施例中，阈值被设定为大约33纳秒(ns)，其对应于大致5米的短程距离。在一些实施例中，短程脉冲910具有被认为在非常短的距离处对人眼安全的能量水平。例如，短程脉冲910可以在从其发射它的系统800相距100mm处对人眼安全。

在一些实施例中，如果检测到短程物体，则系统不为该测量点发射任何长程脉冲，并且检测到的距离被写入到3D点云。另一方面，如果未检测到短程物体，则以维持在人眼安全水平的可访问发射的方式来发射一个或多个长程脉冲930。例如，短程脉冲910可以具有提供检测短程距离内的物体的极高概率的能量水平，并且长程脉冲920可以具有在短程距离及以上对人眼安全的总能量水平。如果未检测到短程物体，则长程脉冲可以在阈值时间后不久跟随。例如，长程脉冲920可以在阈值时间的100ns内发射，或在133ns处发射。在各个实施例中，对应于阈值和长程脉冲的发射的时间可以基于期望的短程距离和处理时间而不同，并且不是本发明的限制。

在一些实施例中，发射单个长程脉冲920，并且在其他实施例中，为每个测量点发射一列长程脉冲930。在单个测量点处发射的长程脉冲的数量不是本发明的限制。例如，在一些实施例中，可以发射单个长程脉冲，其中单个长程脉冲的能量高于短程脉冲。而且例如，在一些实施例中，可以发射多个长程脉冲，并且每个长程脉冲的能量水平可以与短程脉冲相同，但是多个长程脉冲的总能量大于短程脉冲的能量。

可以采用任何能量水平的任何数量的脉冲来限定多程。例如，短程可以由单个短程脉冲的能量来限定。而且例如，中程可以由多个脉冲限定，每个脉冲具有与短程脉冲相同的能量，并且长程可以由一个或多个长程脉冲限定，该长程脉冲具有与短程脉冲相同或更大的能量。

在一些实施例中，在每个测量点处发射短程脉冲，并且在其他实施例中，不在每个测量点处发射短程脉冲。例如，可以在第一测量点处发射短程脉冲，并且如果没有检测到短程物体，则可以在一个或多个后续测量点处发射长程脉冲，而不首先发射短程脉冲。这在一些实施例中是可能的，部分原因是测量点可以被限定为彼此足够接近，以便能够有效地假设当没有短程物体占据测量点时，没有短程物体占据一些后续测量点。

通常，测量点是扫描激光装置测量距离所在的扫描轨迹上的点。例如，在一些实施例中，LiDAR系统在每个测量点处发射短程脉冲以检测物体是否在短程距离内，然后有条件地发射一个或多个长程脉冲，如上文所述。因此，本文所使用的术语“测量点”并不是指空间中无限小的点，而是指扫描轨迹中的小而有限的连续段。具体地，在每个测量点处的短程脉冲和长程脉冲的往返运送时间期间，IR激光束横穿扫描轨迹的有限段。测量点的面积也是在其遇到物体的距离处的激光斑大小(初始大小和发散性)的函数。因此，“测量点”包括这样一个区域：尽管非常小，但该区域的大小和位置可以是许多因素的函数。

本文描述的实施例促进这些短程脉冲的可靠检测。同样，如上文所述，在一些实施例中，系统可以发射短程脉冲910，然后基于是否检测到短程物体而有条件地发射一个或多个长程脉冲930。在这种系统中，期望促进短程脉冲的可靠检测，使得可以持续发射长程脉冲，以提供长程物体检测。现在返回到图8，第二IR检测器1842可以根据上文描述的任一个实施例(例如，检测器106、306、406)来实施，以促进这些低能量短程脉冲的可靠检测。

因此，第二IR检测器1842可以用多个传感器被实施，该多个传感器被配置成通过相同的扫描镜组件814、光束整形光学器件和用于将激光脉冲扫描到扫描场中的其他光学元件中的至少一些接收反射。因为多个传感器使用相同光学组件来接收激光反射，所以妨碍多个传感器接收来自短程脉冲的反射的任何损坏或堵塞也有可能阻碍将激光脉冲扫描到扫描场中。因此，第二IR检测器1842可以更可靠地检测冲击了扫描场中的物体并朝向检测器反射回来的短程脉冲，并且因此可以用于确定可以安全地发射长程脉冲。此外，第二IR检测器1842中的多个传感器被配置成至少部分地消除来自光学组件内的背反射的影响。消除来自光学组件内的背反射的影响可以提高检测器的灵敏度，特别是对于来自扫描场828内的激光脉冲的低能量短程反射的检测。

现在转向图10，示出了根据各个实施例的方法的流程图。在一些实施例中，方法1000或其部分由扫描激光装置(例如，图8的LiDAR系统800)执行。在其他实施例中，方法1000由一系列的电路或电子系统执行。方法1000不受执行该方法的特定类型的设备的限制。方法1000中的各种动作能够以提出的顺序执行，也能够以不同的顺序执行。此外，在一些实施例中，在方法1000中省略了图4中列出的一些动作。

方法1000被示出未始于框1010，在框1010中设定短程脉冲能量水平并发射短程脉冲。在一些实施例中，这对应于将脉冲能量水平设定为将导致在与LiDAR系统相距的特定距离处的人眼安全操作的值。例如，在一些实施例中，短程脉冲能量水平可以由虚拟保护壳电路(例如，图8中的虚拟保护壳电路880)设定，使得可访问的发射导致在100mm处的人眼安全操作，并且在其他实施例中，脉冲能量水平可以被设定为使得可访问的发射导致在大于100mm的最小距离处的人眼安全操作。

如果在1020处检测到短程物体，则可以将3D点(X,Y,Z)写入到3D点云存储装置，诸如3D存储装置846(图8)。如果未检测到短程物体，则可以在1040处发射一个或多个长程脉冲。如上文所述，短程物体检测可以通过检测短程脉冲的反射、测量检测到的反射的飞行时间并将该飞行时间与阈值进行比较来完成。对应于短程距离的阈值的值可以被设定为任何合适的值。

在1030处，发射一个或多个长程脉冲。如果在440处检测到物体，则可以将3D点(X,Y,Z)写入到3D点云存储装置(例如，图8中的3D存储装置846)，并且在460处在下一测量点继续处理。如果未检测到物体，则在1060处在下一测量点继续处理，而不将3D点写入到点云存储装置。

现在转向图11，曲线图示出了根据各个实施例的未检测到物体的概率随着距离的变化。概率曲线1110是可以基于许多参数(包括脉冲能量水平、物体的反射率、环境光等)向左或向右移动的典型曲线。例如，在极其明亮的阳光下，在100mm处对人眼安全的短程脉冲可能具有10^-10的概率无法检测到20m处的反射率为20％的物体。这导致无法检测到更近距离处的物体的概率更低，因此在这种相同的情况下，在5m米处对人眼安全的长程脉冲提供了非常稳固的虚拟保护壳。

在一些实施例中，对应于短程距离的阈值和长程脉冲的能量水平被设定为导致短程距离和长程脉冲的最小人眼安全距离相等的值。在其他实施例中，对应于短程距离的阈值和长程脉冲的能量水平被设定为导致短程距离大于长程脉冲的最小人眼安全距离的值。

现在转向图12，示出了扫描激光装置(例如，扫描激光装置100)的一种应用。具体地，图12示出了根据各个实施例的具有人眼安全扫描LiDAR系统的移动平台。汽车1210是其上安装有人眼安全LiDAR系统1220的可移动平台。在一些实施例中，人眼安全LiDAR系统1220使用本文讨论的各个实施例(例如，图8的LiDAR系统800或图13的LiDAR系统1300)或本文讨论的任何扫描激光装置被实施。

在一些实施例中，当其上安装有LiDAR系统的平台运动时，短程脉冲的能量增加。例如，当汽车1210具有高于阈值的速度时，短程脉冲的能量可以具有导致在高于100mm的最小距离处的可访问的发射人眼安全水平的水平。在一些实施例中，可访问的发射导致人眼安全水平所处的最小距离可以是一米或更多。而且例如，短程脉冲的能量可以随着平台速度的增加而增加。在一些实施例中，短程脉冲的能量可以随着平台在2.5米/秒(m/s)至25m/s之间加速而逐渐增加。

增加短程脉冲的能量水平可以导致增加检测到短程内的物体的概率和/或增加在其内可以检测到物体的短程。图12示出了由于增加短程脉冲能量而增加的短程。

在一些实施例中，短程脉冲能量水平被设定为使得可访问的发射在短程(例如，100mm或更少)处对人眼安全，并且时间阈值被设定为提供不能检测到物体的极低概率的值。然后，如果移动平台(例如，汽车)的速度不比阈值快，则发射短程脉冲。相反，如果移动平台的速度比阈值快，则短程脉冲能量水平和对应于短程距离的时间阈值可以增加。在一些实施例中，短程脉冲能量增加到导致可访问的发射在一米的最小距离处对人眼安全的水平。在其他实施例中，短程脉冲能量增加到导致可访问的发射在大于或小于一米的最小距离处对人眼安全的水平。

在一些实施例中，可以使用LiDAR系统上的速度传感器来确定移动平台的速度。在其他实施例中，速度信息可以从移动平台上的传感器(例如，汽车上的传感器)获得。

现在转向图13，示出了根据各个实施例的扫描光检测和测距(LiDAR)系统1300。LiDAR系统1300是可以根据本文描述的实施例实施的类型的扫描激光装置的另一示例。LiDAR系统1300包括VPH电路1384、脉冲生成电路1390、3D点云存储装置1346、OR门1380和控制电路1354。LiDAR系统1300还包括发送模块1310、接收模块1330、TOF和短程检测电路1340以及TOF和短程检测电路1350。

值得注意的是，LiDAR系统1300包括两个单独的IR检测器以及TOF和短程检测电路，以用于检测IR激光脉冲的反射。具体地，接收模块1330包括第一IR检测器，该第一IR检测器被实施为检测来自短程脉冲和长程脉冲的反射，而发送模块1310包括第二IR检测器，该第二IR检测器提供来自低功率短程脉冲的反射的冗余检测，以提供增加的人眼安全性。而且，如将在下文中详细描述的，第二检测器可以用多个传感器被实施，以至少部分地消除来自发送模块1310内的背反射的影响。

发送模块1310包括：IR激光源，该IR激光源产生脉冲激光束；准直和聚焦光学器件；以及一个或多个扫描镜组件，该一个或多个扫描镜组件在光学组件中被一起实施为在视场中在两个维度上扫描脉冲激光束。发送模块1310还包括IR激光检测器，该IR激光检测器与发射的IR激光脉冲共享光路。在下面参考后面的附图更充分的描述发送模块的示例实施例。

接收模块1330包括光学装置和一个或多个扫描镜组件，其在两个维度上扫描，以将来自视场的反射光引导到所包括的IR光检测器。下面参考后面的附图更充分地描述接收模块的示例实施例。

TOF和短程检测电路1340和1350中的每个包括TOF测量电路和比较器。例如，TOF和短程检测电路1340可以包括TOF电路1844和第二比较器1848，并且TOF和短程检测电路1350可以包括TOF测量电路844和比较器848(图8)。

控制电路1354控制发送模块1310内的扫描镜的移动，如上文参考图8所描述的。控制电路1354还控制接收模块1330内的扫描镜的移动。在操作中，控制电路1354从发送模块1310接收镜位置反馈信息(未示出)，并且也从接收模块1330接收镜位置反馈信息(未示出)。镜位置反馈信息用于对镜的操作进行相位锁定。

控制电路1354用驱动信号1345驱动发送模块1310内的具有扫描镜的微机电(MEMS)组件，并且也用驱动信号1347驱动接收模块1330内的具有扫描镜的MEMS组件，这使镜移动通过限定扫描轨迹1342以及扫描场1328的大小和位置的镜偏转的角度范围。发出和接收扫描的同步化允许接收光圈仅接受来自视场的一部分的发出该发出能量的光子。这导致显著的环境光噪声免疫。

如图13所示，在第一维度(竖直、快速扫描方向)和第二维度(水平、慢速扫描方向)中执行二维扫描。标记“竖直”和“水平”是有些任意的，因为设备的90度旋转将切换水平轴和竖直轴。

同样，值得注意的是，在图13的示例中，扫描轨迹1342沿水平轴扩展，其光学扩展的变化不均匀。这样的扩展可以通过使用如上文所述的扩展光学器件来实施。例如，图6和图7中的三个扩展透镜620、622和624可以被实施在系统1300中。在这样的实施方式中，扩展光学器件将实施在发送模块1310中，随着激光脉冲而提供用于在水平方向上的非均匀扩展并且被扫描到扫描场1328中。如图6和图7所示，这三个扩展透镜可以被实施在第一扫描镜618与第二扫描镜628之间。同样地，在这样的实施例中，相应的光学器件(即，扫描镜和扩展光学器件)将被实施在接收模块1330中，以提供用于减少对于接收到的来自扫描场1328的激光脉冲的反射的光学扩展中相应的非均匀。

同样如上文所述，发送模块1310可以用根据本文描述的任何实施例的第二IR检测器(例如，检测器106、306、406)被实施。因此，第二IR检测器可以被实施为与激光束脉冲共享光路的至少一部分。具体地，第二IR检测器可以用多个传感器来实施，该多个传感器被配置成通过发送模块1310中的用于将激光脉冲扫描到扫描场中的相同的扫描镜、光束整形光学器件和其他光学元件中的至少一些接收反射。这样，第二IR检测器可以更可靠地检测影响到扫描场中的物体并朝向检测器反射回来的任何激光，并且因此可以用于提供增加的激光安全性。此外，第二IR检测器中的多个传感器可以被配置成至少部分地消除来自光学组件内的背反射的影响。消除来自光学组件内的背反射的影响可以提高检测器的灵敏度，特别是对于来自扫描场1328内的短程激光脉冲的低能量反射的检测。

现在转向图14和15，图14示出了发送模块1400的侧视图，并且图15示出了发送模块1400的俯视图。发送模块1400是可以在LiDAR系统中使用的发送模块(例如，图10的发送模块1310)的示例。发送模块1400包括激光源1410、光束整形光学器件1420、接收能量分离装置1460、镜1462、光束整形装置1464、IR检测器1466、扫描器1428和出口光学器件1450。

在一些实施例中，激光源1410生成不可见光，诸如红外(IR)光。在这些实施例中，IR检测器1466检测相同波长的不可见光，如接收模块1600中的IR检测器(图16，在下面讨论)所做的那样。例如，在一些实施例中，激光源1410可以包括激光二极管，该激光二极管产生波长基本上为905纳米(nm)的红外光，并且IR检测器1466检测波长基本上为905nm的反射光脉冲。而且例如，在一些实施例中，激光源1410可以包括激光二极管，该激光二极管产生波长基本上为940纳米(nm)的红外光，并且IR检测器1466检测波长基本上为940nm的反射光脉冲。光的波长不是本发明的限制。在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用任何波长，可见或不可见。

激光源1410可以包括适于产生脉冲激光束的任何数量或类型的发射器。例如，在一些实施例中，激光源1410包括以1512、1514、1516和1518在图15中所示的多个激光二极管。由激光源1410产生的脉冲激光通过光束整形光学器件1420进行组合、准直和聚焦，以产生脉冲激光束。例如，光学器件1522、1524、1526、1528可以使激光束在快速轴上准直，偏振旋转器1523和光束组合器1520可以组合激光束，并且光学器件1522可以将脉冲激光束形成为慢速轴上的扇形。光束大小和发散值在本发明的各个实施例中不一定是一致的；一些实施例具有较大的值，并且一些实施例具有较小的值。

扫描器1428接收来自光学器件1420的脉冲激光束，并在两个维度中扫描脉冲光束。在由图14和图15表示的实施例中，扫描器1428包括两个单独的扫描镜组件1430、1440，每个扫描镜组件包括扫描镜1432、1442，其中每个扫描镜在一个维度上扫描光束。例如，扫描镜1432在快速扫描方向上扫描脉冲光束，且扫描镜1442在慢速扫描方向上扫描脉冲光束。

尽管扫描器1428被示出为包括两个扫描镜组件，其中每个扫描镜在单独的维度中扫描，但这不是本发明的限制。例如，在一些实施例中，扫描器1428使用在两个维度中扫描的单个双轴扫描镜组件来实施。在一些实施例中，扫描装置使用电磁致动，其使用包含MEMS晶片以及永磁体和电接口的小型子组件的微型组件来实现，但各个实施例在这方面不受限制。

随着扫描脉冲激光束离开发送模块，出口光学器件1450对扫描脉冲激光束进行操作。在一些实施例中，出口光学器件1450执行场扩展。例如，扫描器1428可以通过在快速扫描轴上的20度的最大角度范围进行扫描，并且可以通过慢速扫描轴上的40度的最大角度范围进行扫描，并且出口光学器件1450可以将视场扩展到快速扫描轴上的30度和慢速扫描轴上的120度。扫描镜的扫描角与由出口光学器件1450提供的场扩展量之间的关系不是本发明的限制。

接收能量分离装置1460使接收到的光(示出为虚线)偏转，该接收到的光与发射的光脉冲(示出为实线)共享发射光路的至少一部分。然后，偏转的接收到的光被镜1462反射，由光学器件1064聚焦，并由IR检测器1466检测。在一些实施例中，分离装置1460包括：“窗口”，该窗口透射由IR激光源产生的脉冲光束；以及反射性外部部分，该反射性外部部分将接收到的能量反射到窗口之外。在其他实施例中，分离装置1460是部分反射器，该部分反射器透射入射光的一部分并反射其余部分。例如，透射90％的入射光并反射10％的入射光的反射器将为IR检测器1466提供从视场中的物体反射出的10％的光。在另外其他实施例中，分离装置1460可以包括偏振分束器，该偏振分束器透射脉冲激光束(以第一偏振)并分离接收到的不同偏振的光。这是有效的，部分地因为由于兰伯斯反射导致反射是随机偏振的。在另外其他实施例中，出射的激光束和接收到的能量可以被引导到扫描镜的不同部分，并且分离装置1460可以是定位成反射一者而不反射另一者的偏移镜。

同样，本文描述的实施例促进了低能量短程脉冲的可靠检测。为了促进这一点，IR检测器1466可以根据上文描述的任何实施例(例如，检测器106、306、406)来实施，以促进这些低能量短程脉冲的可靠检测。

具体地，IR检测器1466可以用多个传感器来实施，该多个传感器被配置成通过用于将激光脉冲透射到扫描场中的至少一些相同的光学组件接收反射。具体地，IR检测器1466可以被配置成通过相同的扫描镜1432、1142、出口光学器件1450和用于将激光脉冲透射到扫描场中的其他光学元件来接收激光脉冲。因为多个传感器使用相同光学组件来接收激光反射，所以妨碍多个传感器接收来自短程脉冲的反射的任何损坏或堵塞也有可能阻碍将激光脉冲扫描到扫描场中。因此，IR检测器1466可以更可靠地检测冲击了扫描场中的物体并朝向检测器反射回来的短程脉冲，并且因此可以用于可靠地确定何时可以安全地发射长程脉冲。此外，IR检测器1466中的多个传感器被配置成至少部分地消除来自光学组件内的背反射的影响。消除来自光学组件内的背反射的影响可以提高检测器的灵敏度，特别是对于来自扫描场内的激光脉冲的低能量短程反射的检测。

现在转向图16和图17，图16示出了接收模块1600的侧视图，并且图17示出了接收模块1600的俯视图。接收模块1600是可以在LiDAR系统中使用的接收模块(例如，图13的接收模块1330)的示例。接收模块1600包括IR检测器1610、折叠镜1612、成像光学器件1620、带通滤波器1622、扫描器1628和出口光学器件1650。

扫描镜组件1630和1640与扫描镜组件1430和1440相似或相同，并且出口光学器件1650与出口光学器件1450相似或相同。带通滤波器1422使由激光源1410产生的波长的光穿过，并阻止其他波长的环境光。例如，在一些实施例中，激光源产生905nm的光，并且带通滤波器1622使905nm处的光穿过。

成像光学器件1620在被折叠镜1612反射之后将视场的一部分成像到IR检测器1610上。因为扫描器1628与扫描器1428同步地进行扫描，所以检测器1610总是从由扫描的脉冲光束照亮的测量点收集光。

图18示出了根据本发明的各个实施例的集成式光子模块的立体图。集成式光子模块1800包括发送模块1400(图14和图15)和接收模块16(图16和图17)。集成式光子模块1800被示出为具有矩形壳体，发送模块1400和接收模块1600并排放置在该矩形壳体中。在一些实施例中，发送模块1400和接收模块1600中的一个放置在另一个的顶部上。

在前面的详细描述中，参考了所附附图，该附图通过说明的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。这些实施例被描述得足够详细，以使本领域技术人员能够实践实施本发明。应当理解，本发明的各个实施例虽然不同，但不一定相互排斥。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，本文描述的与一个实施例相关的特定特征、结构或特性可以在其他实施例中实施。此外，应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，在每个公开的实施例中，单独元件的位置或布置可以进行修改。因此，前面的详细描述不具有限制性，并且本发明的范围仅由所附权利要求限定，进行适当的解释，同时还包括权利要求中的全部等效形式。在附图中，相似的附图标记指的是整个数个视图中相同或相似的功能。

尽管本发明已经结合某些实施例进行了描述，但应理解，如本领域技术人员容易理解的，在不脱离本发明的范围的情况下可以采用修改和变化。这种修改和变化被认为是在本发明和所附权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种设备，包括：

激光源，所述激光源被配置成产生激光脉冲；

光学组件，所述光学组件包括用于将所述激光脉冲扫描到扫描场中的光学元件；

第一检测器，所述第一检测器包括：

第一传感器，所述第一传感器被配置成通过所述光学组件接收来自所述扫描场内的物体的激光脉冲的反射，并且还接收来自所述光学组件内的所述光学元件的激光脉冲的背反射；

第二传感器，所述第二传感器被配置成接收来自所述光学组件内的激光脉冲的背反射，而不接收来自所述扫描场内的物体的显著反射；以及

感测电路，所述感测电路被耦接到所述第一传感器和所述第二传感器，所述感测电路被配置成至少部分地消除所述背反射的影响，以生成指示来自所述扫描场中的物体的反射的输出信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器具有第一传感器视场，其中所述第一传感器视场与扫描到所述扫描场中的所述激光脉冲光学对准，并且其中所述第二传感器具有第二传感器视场，其中所述第二传感器视场与扫描到所述扫描场中的所述激光脉冲未光学对准。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一传感器的第一传感器视场和所述第二传感器的第二传感器视场具有在1度至3度之间的光学对准差。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器被配置有具有与所述设备相距2米至6米之间的工作距离的光学器件。

5.根据权利要求4所述的设备，还包括：短程传感器，所述短程传感器被配置成通过所述光学组件接收来自所述扫描场内的所述激光脉冲的反射，所述短程传感器被配置有具有与所述设备相距.1米至2米之间的工作距离的光学器件。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一传感器包括第一硅光电倍增器，并且其中所述第二传感器包括第二硅光电倍增器，并且其中所述短程传感器包括光电二极管。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器通过第一光圈和第一光管被光学地耦接到所述光学组件，并且其中所述第二传感器通过第二光圈和第二光管被光学地耦接到所述光学组件。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学组件中的所述光学元件包括至少一个扫描镜和至少一个扩展透镜。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述感测电路包括减法装置，以从所述第二传感器的输出中减去所述第一传感器的输出。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述感测电路包括第一校准电路，以校准从所述第一传感器的输出减去所述第二传感器的输出。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述感测电路还包括第二校准电路，以校准所述扫描场中的物体的检测的阈值。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一检测器还包括第三传感器，所述第三传感器被配置成接收来自所述光学组件内的激光脉冲的背反射，而不接收来自所述扫描场内的物体的显著反射，并且其中所述感测电路被附加地耦接到所述第三传感器。

13.根据权利要求1所述的设备，还包括：第二检测器，所述第二检测器被配置成通过第二光学组件接收来自所述扫描场内的激光脉冲的激光脉冲的反射，所述第二光学组件与所述光学组件的所述光学元件分开且不包括所述光学组件的所述光学元件。

14.根据权利要求1所述的设备，还包括：

飞行时间(TOF)电路，所述飞行时间电路响应于所述第一检测器以测量到所述扫描场中的深度测量点处的物体的距离；以及

虚拟保护壳电路，对于多个深度测量点，所述虚拟保护壳电路使所述激光源以第一能量水平发射第一激光脉冲以检测短程内的物体，并且响应于确定在所述短程内不存在物体，使所述激光源发射具有总第二能量水平的至少一个第二激光脉冲以检测长程内的物体，其中所述第一能量水平低于所述总第二能量水平。