全息光探测和测距
阅读：590发布：2020-05-13
专利汇可以提供全息光探测和测距专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种被布置来扫描场景的光探测和测距系统，包含 光源 ，所述光源被布置来输出具有第一特性的光。空间光 调制器 被布置来接收来自所述光源的光并且根据表示在所述空间光调制器上的计算机生成的全息图输出空间调制光。全息 控制器 被布置来将多个全息图输出到所述空间光调制器。每个全息图被布置来形成所述场景内的对应光足迹。所述全息控制器进一步被布置来改变所述场景内的所述光足迹的 位置 。 光探测器 被布置来接收来自所述场景的具有所述第一特性的光并且输出光响应 信号 。在多个实施方式中，第一多个全息图被布置来提供所述场景内的第一扫描，并且所述全息控制器被布置来接收响应于所述第一扫描的所述光响应信号并且基于所述光响应信号的属性来确定第二多个全息图。，下面是全息光探测和测距专利的具体信息内容。
1.一种光探测和测距LIDAR系统，其被布置来扫描场景，所述系统包括：
光源，其被布置来输出具有第一特性的光；
空间光调制器SLM，其被布置来接收来自所述光源的所述光并且根据表示在所述空间光调制器上的计算机生成的全息图输出空间调制光；
全息控制器，其被布置来将多个计算机生成的全息图输出到所述空间光调制器，其中每个计算机生成的全息图被布置来形成所述场景内的对应光足迹，并且所述全息控制器进一步被布置来改变所述场景内的所述光足迹的位置；以及
光探测器，其被布置来接收来自所述场景的具有所述第一特性的光并且输出光响应信号。
2.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述多个计算机生成的全息图包括被布置来提供所述场景内的第一扫描的第一多个计算机生成的全息图，并且其中全息控制器被布置来接收响应于所述第一扫描的所述光响应信号并且基于响应于所述第一扫描的所述光响应信号的属性来确定第二多个计算机生成的全息图。
3.如权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述第二多个计算机生成的全息图被布置来提供所述场景内的第二扫描。
4.如权利要求3所述的LIDAR系统，其中所述第一扫描是所述场景的第一区域的扫描，并且所述第二扫描是所述场景的第二区域的扫描。
5.如权利要求3或4所述的LIDAR系统，其中所述第一扫描是所述场景的所述第一区域的在第一方向上的扫描，并且所述第二扫描是所述场景的所述第一区域的在第二方向上的扫描。
6.如权利要求2至5中任一项所述的LIDAR系统，其中所述第一多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第一区域的第一光足迹，并且所述第二多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第二区域的第二光足迹，其中所述第一区域不等于所述第二区域。
7.如权利要求6所述的LIDAR系统，其中所述第一光足迹具有在第二方向上延伸的大致一维形状，并且所述第二光足迹具有在第一方向上延伸的大致一维形状。
8.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述多个计算机生成的全息图包括被布置来形成所述场景中的第一位置处的第一光足迹的第一计算机生成的全息图和被布置来形成所述场景中的第二位置处的第二光足迹的第二计算机生成的全息图，其中所述第二计算机生成的全息图的输出紧接在所述第一计算机生成的全息图的输出之后。
9.如权利要求8所述的LIDAR系统，其中所述第一位置与所述第二位置空间分离。
10.如权利要求9所述的LIDAR系统，其中所述第一位置大致上与所述第二位置相邻。
11.如权利要求8至10中任一项所述的LIDAR系统，其中所述光足迹被连续地重新定位，以便扫描所述场景内的所述光足迹。
12.如权利要求8至11中任一项所述的LIDAR系统，其中所述第一光足迹具有第一面积，并且所述第二光足迹具有第二面积，其中所述第一面积不等于所述第二面积。
13.如权利要求8至12中任一项所述的LIDAR系统，其中所述第一光足迹具有第一形状，并且所述第二光足迹具有第二形状，其中所述第一形状不同于所述第二形状。
14.如权利要求8至13中的任一项所述的LIDAR系统，其中所述第一光足迹具有第一取向的形状，并且所述第二光足迹具有第二取向的形状，其中所述第一取向不同于所述第二取向。
15.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述形状为大致一维形状。
16.如权利要求14或15所述的LIDAR系统，其中所述第一取向垂直于所述第二取向。
17.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中每个计算机生成的全息图为纯相位全息图。
18.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中由所述SLM输出的所述空间调制光以对于所述LIDAR系统独有的代码而编码。
19.如权利要求18所述的LIDAR系统，其中由所述SLM输出的所述空间调制光通过所述光振幅的调制而编码。
20.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其包括第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源将不同波长的光输出到所述SLM。
21.如权利要求20所述的LIDAR系统，其中所述第一光源和第二光源中的一个是基于环境条件选择的。
22.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述光足迹，或与形成所述光足迹的所述多个计算机生成的全息图相关联的参数或元素是基于所接收信号确定的。
23.如权利要求22所述的LIDAR系统，其中所接收信号提供以下各项中至少一个的指示：车辆速度；环境条件；天气条件；交通条件和其他行驶参数。
24.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述光足迹，或与形成所述光足迹的所述多个计算机生成的全息图相关联的所述参数或元素是基于距离量程确定的。
25.如权利要求24所述的LIDAR系统，其中所述光足迹，或与形成所述光足迹的所述多个计算机生成的全息图相关联的所述参数被确定以将所述光足迹聚焦在对应于距离量程的距离处。
26.如权利要求24或25所述的LIDAR系统，其中所述距离量程是基于以下各项中的至少一个选择的：车辆速度；环境条件；天气条件；交通条件和其他行驶参数。
27.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其进一步包括角放大系统，所述角放大系统被布置来放大来自所述空间光调制器的所述空间调制光的角偏转。
28.如权利要求27所述的LIDAR系统，其中所述角放大系统被布置来使所述空间调制光折射。
29.如权利要求27或28所述的LIDAR系统，其中所述角放大系统被布置来以第一角度接收所述空间调制光并且以第二角度输出所述空间调制光，其中所述第二角度大于所述第一角度。
30.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述第一特性是以第一频率的振幅调制。
31.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述光是脉冲的。
32.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述空间光调制器为硅基液晶LCOS空间光调制器。
33.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中每个计算机生成的全息图包括限定所述光足迹的尺寸和形状的第一全息数据和限定所述场景中的所述光足迹的位置的第二全息数据。
34.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述第一全息数据包含透镜功能。
35.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述第二全息数据包含光栅功能。
36.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其进一步包括处理器，所述处理器被布置来通过测量与所述多个计算机生成的全息图中的第一计算机生成的全息图相对应的第一空间调制光的输出与从对象反射的第一空间调制光的探测之间的时间差来确定所述场景中的所述对象距所述LIDAR系统的距离。
37.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述光探测器包括以下各项中的一个：单个光探测元件或光探测元件的阵列。
38.如前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中所述SLM和所述光探测器中的至少一个位于便携式装置或车辆的灯单元内。
39.一种灯单元，其包括前述权利要求中任一项的所述LIDAR系统。
40.一种车辆，其包括前述权利要求中任一项的所述LIDAR系统。
全息光探测和测距
技术领域
[0001] 本发明涉及光投影仪。更具体地说，本发明涉及全息投影仪、全息投影系统、控制投影仪的方法和控制全息投影系统的方法。实施方式涉及光探测和测距系统。一些实施方式涉及光探测和测距的方法。一些实施方式涉及控制光探测和测距系统中的光足迹(light footprint)的方法。一些实施方式涉及采用计算机控制的光足迹来扫描场景的方法。
背景技术
[0002] 从对象散射的光含有振幅和相位信息两者。这个振幅和相位信息可通过众所周知的干涉技术捕获在例如光敏片上以形成包含干涉条纹的全息记录或“全息图”。全息图可通过以合适的光的照射加以重建以形成表示原始对象的二维或三维全息重建，或重放图像。
[0003] 计算机生成的全息术可数值模拟干涉过程。计算机生成的全息图“CGH”可通过基于诸如菲涅耳或傅里叶变换的数学变换的技术计算。这些类型的全息图可称为菲涅耳或傅里叶全息图。傅里叶全息图可被视为对象的傅里叶域表示或对象的频域表示。CGH也可通过例如相干射线追踪或点云技术计算。
[0006] 可选地，装置可为连续的(即，不是由像素组成)并且光调制因此可为在装置上连续的。SLM可为反射的，从而意味调制光是以反射方式从SLM输出。SLM同样地可为透射的，从而意味调制光是以透射方式从SLM输出。
[0007] 可使用所描述的技术提供用于成像的全息投影仪。这类投影仪已在例如抬头显示器“HUD”和头戴式显示器“HMD”包括近眼式装置中得到应用。
发明内容
[0009] 提供一种光探测和测距的方法，所述方法包括通过将多个计算机生成的全息图输出到空间光调制器和以具有第一特性的光照射空间光调制器来以空间调制光照射场景。每个全息图被布置来形成所述场景内的对应光足迹。所述方法可进一步包括使光足迹在场景内移动。所述方法还可包括接收来自场景的反射空间调制光。
[0010] 根据本发明，光足迹可进行从场景的一个部分到场景的另一个部分的离散移动。具体来说，光足迹可在场景内瞬间重新定位。可以说，光足迹从场景中的第一点跳转到场景中的第二点。这通过使用动态全息术来形成光足迹实现。所述方法可用来动态地改变光足迹的尺寸、形状、取向和/或位置。
[0011] 所述方法可进一步包括使空间调制光在场景的两个或更多个区域之间来回移动，以便执行场景的两个或更多个区域的交错扫描。
[0012] 所述方法可进一步包括场景的智能扫描，其中来自光探测器的反馈用来确定如何和在哪里执行下一个扫描。这可包括从存储器选择至少一个计算机生成的全息图或计算至少一个计算机生成的全息图包括基于所接收信号实时地计算至少一个计算机生成的全息图。
[0013] 术语“光足迹”在本文中用来指代通过每个全息图形成在场景中的照明图案。光足迹因此为场景内的光的区域。光可为脉冲的。光可具有在其区域上的均匀亮度。光足迹可以其尺寸、形状和取向表征。本文公开的光探测和测距系统可用来形成场景内的改变和/或移动光足迹的时间序列。有利地，本文公开的动态可重新配置全息技术可用来实时控制光足迹的参数和光足迹的位置。
[0014] 术语“全息图”用来指代含有关于对象的振幅和/或相位信息的记录。术语“全息重建”用来指代通过照射全息图形成的对象的光学重建。术语“重放场”用来指代形成全息重建所在的空间中的平面。
[0015] 术语“编码”、“写”或“寻址”用来描述为SLM的多个像素提供相应多个控制值的过程，所述控制值分别确定每个像素的调制水平。可以说，SLM的像素被配置来响应于接收多个控制值而“显示”光调制分布。
[0016] 术语“光”在本文中是以其广义意义使用。多个实施方式同样地可适用于可见光、红外光和紫外光，以及其任何组合。
[0017] 实施方式仅以实例的方式描述单色光足迹。在多个实施方式中，光足迹为多色光足迹。在多个实施方式中，通过组合多个单色光足迹提供复合色光足迹。在多个实施方式中，多个单色计算机生成的全息图可用来形成每个复合色光足迹。这样波长多样性可以增加吞吐量。
[0019] 参考附图仅以实例的方式描述特定实施方式：
[0020] 图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射SLM的示意图；
[0022] 图2B示出示例性Gerchberg-Saxton型算法的第二迭代和后续迭代；
[0023] 图3是反射LCOS SLM的示意图；
[0024] 图4示出根据多个实施方式的LIDAR系统；
[0025] 图5也示出根据第一分组实施方式的LIDAR系统；
[0026] 图6示出根据第一分组实施方式的扫描LIDAR系统；
[0027] 图7A、7B、7C和7D示出根据第一分组实施方式的示例性第一光足迹和第二光足迹；
[0028] 图8示出根据第二分组实施方式的使用交错全息图的LIDAR系统；
[0029] 图9示出根据第二分组实施方式的用于使全息图交错的替代型配置；
[0030] 图10示出根据第二分组实施方式的用于沿不同方向扫描场景的不同区域的交错全息图；
[0031] 图11示出根据第二分组实施方式的形成第一尺寸的第一光足迹和第二尺寸的第二光足迹的交错全息图，第二尺寸小于第一尺寸；
[0032] 图12示出根据第三分组实施方式的基于来自光探测器的接收信号来确定多个计算机生成的全息图的反馈系统；
[0033] 图13A、13B、13C和13D示出根据第三分组实施方式的示例性第一扫描和第二扫描；
[0034] 图14示出角放大系统的实例；并且
[0035] 图15示出根据实施方式的用于对象的探测和测距的方法。
[0036] 相同附图标号将在整个附图中用来指代相同或类似部分。
具体实施方式
[0037] 本发明不局限于下文中所描述的实施方式，而是扩展到所附权利要求书的完全范围。也就是说，本发明可体现于不同形式并且不应被视为限于所描述的实施方式。
[0038] 单数形式的术语可包括复杂形式，除非另有说明。
[0039] 描述为形成在另一个结构的上部分/下部分处或在另一个结构上/下方的结构应被视为包括结构彼此接触的情况，和另外第三结构设置在其间的情况。
[0040] 在描述时间关系中——例如，当事件的时间顺序被描述为“在...之后”、“后续”、“下一个”、“在……之前”或诸如此类时——本发明应被视为包括连续和不连续事件，除非另有指定。例如，描述应被视为包括不连续的情况，除非使用诸如“刚好”、“紧接”或“直接”的措辞。
[0041] 尽管术语“第一”、“第二”等可在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个相区分。例如，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且，类似地，第二元件可称为第一元件。
[0042] 不同实施方式的特征可部分地或总体彼此联接或组合，并且可不同地彼此互操作。实施方式可彼此独立地进行，或可以互相依赖关系一起进行。
[0043] 已经发现，可接受质量的全息重建可由仅含有与原始对象有关的相位信息的“全息图”形成。这样的全息记录可称为纯相位全息图。实施方式仅以实例的方式涉及纯相位全息术。也就是说，在多个实施方式中，空间光调制器仅将相位延迟分布施加至入射光。在多个实施方式中，通过每个像素施加的相位延迟是多级的。也就是说，每个像素可被设定在离散数量的相位级中的一个处。
[0044] 在多个实施方式中，计算机生成的全息图是用于重建的对象的傅里叶变换。在这些实施方式中，可以说全息图是对象的傅里叶域或频域表示。图1示出使用反射SLM来显示纯相位傅里叶全息图并在重放场处产生全息重建的实施方式。
[0045] 光源110例如激光或激光二极管被设置来通过准直透镜111照射SLM 140。准直透镜使光的大体上平面的波阵面入射在SLM上。波阵面的方向为偏位(off-normal)的(例如，从与透明层的平面严格正交偏离两度或三度)。该布置使得来自光源的光从SLM的镜面式后表面反射并且与相位调制层相互作用以形成退出波阵面112。将退出波阵面112施加至包括傅里叶变换透镜120的光学器件，从而使其焦点在屏幕125处。
[0046] 傅里叶变换透镜120接收来自SLM的相位调制光的波束并且执行频率-空间变换以在屏幕125处产生全息重建。
[0047] 光入射在SLM的相位调制层(即相位调制元件的阵列)上。离开相位调制层的调制光于重放场上分布。值得注意地，在这种类型的全息术，全息图的每个像素有助于整个重建。也就是说，在重放图像上的特定点与特定相位调制元件之间不存在一对一的相关性。
[0048] 在这些实施方式中，全息重建的空间位置由傅里叶变换透镜的光功率确定。在图1中所示的实施方式中，傅里叶变换透镜为物理透镜。也就是说，傅里叶变换透镜为光学傅里叶变换透镜并且傅里叶变换被光学地执行。然而，在其他实施方式中，通过将透镜数据包括在全息数据中以计算方式执行傅里叶变换。也就是说，全息图包括表示透镜的数据以及表示对象的数据。在计算机生成的全息图的领域中已知如何计算表示透镜的全息数据。例如，可通过计算由透镜的每个点由于其折射指数和空间变化的光学路径长度而引起的相位延迟来形成纯相位全息透镜。例如，凸透镜的中心处的光学路径长度大于透镜的边缘处的光学路径长度。纯振幅全息透镜可通过菲涅尔带片形成。计算机生成的全息图的领域中还已知如何将表示透镜的全息数据与表示对象的全息数据组合，使得可在不需要物理傅里叶透镜的情况下执行傅里叶变换。在多个实施方式中，透镜数据通过简单向量加法与全息数据组合。替代地，在其他实施方式中，省略傅里叶变换透镜，使得全息重建发生在远场中。在进一步实施方式中，全息图可包括光栅数据——即，被布置来执行光栅的功能诸如波束转向的数据。另外，在计算机生成的全息图的领域中已知如何计算这类全息数据和将其与表示对象的全息数据组合。例如，可通过模型化由闪耀光栅的表面上的每个点引起的相位延迟来形成纯相位全息光栅。纯振幅全息光栅可简单地叠置在表示对象的纯振幅全息图上，以提供纯振幅全息图的波束转向。
[0049] 2D图像的傅里叶全息图可以多种方式加以计算，包括使用诸如Gerchberg-Saxton算法的算法。Gerchberg-Saxton算法可用来从空间域(诸如2D图像)中的幅度信息得出傅里叶域中的相位信息。也就是说，与对象有关的相位信息可以从空间域中的纯强度或纯振幅信息“获取”。因此，可计算对象的纯相位傅里叶变换。
[0050] 在多个实施方式中，计算机生成的全息图是使用Gerchberg-Saxton算法或其变形由振幅信息计算。当分别在平面A和B中的光波束的强度横截面lA(x,y)和lB(x,y)为已知并且lA(x,y)和lB(x,y)通过单个傅里叶变换相关时，Gerchberg Saxton算法考虑相位获取问题。使用给定的强度横截面，找到分别在平面A和B中的相位分布的近似值ΦΑ(x,y)和ΦB(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程找到这个问题的解。
[0051] Gerchberg-Saxton算法当在空间域与傅里叶(谱)域之间重复地传递表示lA(x,y)和lB(x,y)的数据集(振幅和相位)时迭代地施加空间约束和谱约束。空间约束和谱约束分别是lA(x,y)和lB(x,y)。空间域或谱域中的约束加在数据集的振幅上。通过一系列迭代获取对应相位信息。
[0053] 根据实施方式，基于Gerchberg-Saxton算法的算法获取数据集的傅里叶变换的相位信息Ψ[u,v]，其产生已知振幅信息T[x,y]。幅度信息T[x,y]表示目标图像(例如照片)。相位信息Ψ[u,v]用来产生表示图像平面处的目标图像的全息图。
[0054] 因为量级和相位本质上在傅里叶变换中组合，所以变换后的量级(以及相位)含有关于计算的数据集的准确性的有用信息。因而，算法可提供关于振幅和相位信息两者的反馈。
[0055] 下文中参考图2描述根据本发明的实施方式的基于Gerchberg-Saxton算法的示例性算法。算法是迭代的和收敛的。算法被布置来产生表示输入图像的全息图。算法可用来确定纯振幅全息图、纯相位全息图或完全复合全息图(complex hologram)。本文公开的实例仅以实例的方式涉及产生纯相位全息图。图2A例示算法的第一迭代并且表示算法的核心。图2B例示算法的后续迭代。
[0056] 出于这个描述的目的，单独地考虑振幅和相位信息，尽管它们本质上组合来形成复合的复杂数据集。参考图2A，算法的核心可被视为具有包括第一复杂数据的输入和包括第四复杂数据的输出。第一复杂数据包括第一振幅分量201和第一相位分量203。第四复杂数据包括第四振幅分量211和第四相位分量213。在这个实例中，输入图像是二维的。振幅和相位信息因此为远场图像中的空间坐标(x,y)的函数和用于全息图场的(u,v)的函数。也就是说，每个平面处的振幅和相位是每个平面处的振幅和相位分布。
[0057] 在这个第一迭代中，第一振幅分量201是正被计算的全息图的输入图像210。在这个第一迭代中，第一相位分量203是仅用作用于算法的起始点的随机相位分量230。处理块250执行第一复杂数据的傅里叶变换以形成第二复杂数据，所述第二复杂数据具有第二振幅分量(未示出)和第二相位信息205。在这个实例中，第二振幅分量被丢弃并且通过处理块
252由第三振幅分量207替换。在其他实例中，处理块252执行不同的功能以产生第三振幅分量207。在这个实例中，第三振幅分量207为表示光源的分布。第二相位分量205通过处理块
254量化以产生第三相位分量209。第三振幅分量207和第三相位分量209形成第三复杂数据。第三复杂数据输入到执行傅里叶逆变换的处理块256。处理块256输出第四复杂数据，所述第四复杂数据具有第四振幅分量211和第四相位分量213。第四复杂数据用来形成用于下一个迭代的输入。也就是说，第n迭代的第四复杂数据用来形成第(n+1)迭代的第一复杂数据。
252由第三振幅分量207替换。在其他实例中，处理块252执行不同的功能以产生第三振幅分量207。在这个实例中，第三振幅分量207为表示光源的分布。第二相位分量205通过处理块
254量化以产生第三相位分量209。第三振幅分量207和第三相位分量209形成第三复杂数据。第三复杂数据输入到执行傅里叶逆变换的处理块256。处理块256输出第四复杂数据，所述第四复杂数据具有第四振幅分量211和第四相位分量213。第四复杂数据用来形成用于下一个迭代的输入。也就是说，第n迭代的第四复杂数据用来形成第(n+1)迭代的第一复杂数据。
[0058] 图2B示出算法的第二迭代和后续迭代。处理块250接收第一复杂数据，所述第一复杂数据具有从先前迭代的第四振幅分量211获得的第一振幅分量201和对应于先前迭代的第四相位分量的第一相位分量213。
[0059] 在这个实例中，第一振幅分量201是从先前迭代的第四振幅分量211获得，如下文中所描述的。处理块258从先前迭代的第四振幅分量211减去输入图像210以形成第五振幅分量215。处理块260通过增益因数比例缩放第五振幅分量215并且从输入图像210减去所述第五振幅分量。这通过以下方程式算术地表达：
[0060] Rn+1[x，y]＝F′{exp(iψn[u，v])}
[0061] ψn[u，v]＝∠F{η·exp(i∠Rn[x，y])}
[0062] η＝T[x，y]-α(|Rn[x，y]|-T[x，y])
[0063] 其中：
[0064] F′是傅里叶逆变换；
[0065] F是正向傅里叶变换；
[0066] R是重放场；
[0067] T是目标图像；
[0068] ∠是角信息；
[0069] Ψ是角信息的量化版本；
[0070] ε是新的目标量级，ε≥0；并且
[0071] α是增益因子～1。
[0072] 增益因子可为固定的或可变的。在实例中，增益因子α是基于进入目标图像数据的大小和速率确定的。
[0073] 处理块250、252、254和256如参考图2A所描述的起作用。在最终迭代中，输出表示输入图像210的纯相位全息图Ψ(u，v)。可以说，纯相位全息图Ψ(u，v)包括频域或傅里叶域中的相位分布。
[0074] 在其他实例中，不丢弃第二振幅分量。相反，从第二振幅分量减去输入图像210，并且从输入图像210减去那个振幅分量的倍数以产生第三振幅分量307。在其他实例中，第四相位分量完全不反馈，并且仅反馈与其变化成比例的一部分，对例如最后二个迭代被反馈。
[0075] 在多个实施方式中，提供实时引擎，所述实时引擎被布置来接收图像数据并且使用算法实时地计算全息图。在多个实施方式中，图像数据是包括图像帧的序列的视频。在其他实施方式中，全息图被预计算，存储在计算机存储器中并且在需要时被重新调用以用于显示在SLM上。也就是说，在多个实施方式中，提供预定全息图的存储库。
[0076] 然而，实施方式仅以实例的方式涉及傅里叶全息术和Gerchberg-Saxton型算法。本发明同样可适用于通过诸如基于点云方法的那些的其他技术计算的菲涅耳全息术和全息图。
[0078] LCOS装置能够在小孔径中显示纯相位元件的大阵列。小元件(通常近似10微米或更小)导致实际衍射角(几度)，使得光学系统不需要非常长的光学路径。相比于大液晶装置的孔径的情况，较容易充分地照射LCOS SLM的小孔径(几平方厘米)。LCOS SLM还具有大孔径比，从而在像素之间存在极少的死空间(因为用以驱动所述像素的电路埋设在镜面下方)。这是降低重放场中的光学噪声的重要问题。使用硅背板具有像素为光学上平坦的优点，这对于相位调制装置是重要的。
[0079] 以下参考图3仅以实例的方式描述合适的LCOS SLM。LCOS装置是使用单晶硅基板302形成的。其具有布置在基板的上表面上的通过间隙301a间隔开的正方形平面铝电极301的2D阵列。电极301中的每一个可通过埋设在基板302中的电路302a寻址。电极中的每一个形成各自的平面镜。对齐层303设置在电极阵列上，并且液晶层304设置在对齐层303上。第二对齐层305设置在液晶层304上，并且例如玻璃的平面透明层306设置在第二对齐层305上。例如ITO的单个透明电极307设置在透明层306与第二对齐层305之间。
[0080] 正方形电极301中的每一个与透明电极307的覆盖区部和介于其间的液晶材料一起限定通常称为像素的可控制相位调制元件308。考虑像素301a之间的空间，有效像素区域或填充系数是光学活性的总像素的百分比。通过相对于透明电极307控制施加至每个电极301的电压，可变化相应的相位调制元件的液晶材料的性质，借此以将可变延迟提供给入射在所述液晶材料上的光。所述效应将提供对波阵面的纯相位调制，即，没有振幅效应发生。
[0081] 所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制光，但是本发明同样可适用于透射LCOS SLM。反射LCOS SLM具有信号线、栅极线和晶体管在镜面表面以下的优点，这导致高填充系数(通常大于90％)和高分辨率。使用反射LCOS空间光调制器的另一个优点在于液晶层可为使用透射装置的情况下必要的厚度的一半。这大大地改进液晶的切换速度(用于移动视频图像的投影的关键点)。
[0082] 发明人先前已经公开用于使用全息影像技术提供改进的图像投影的各种方法。发明人认识到，这种全息影像技术也可用来形成改进的LIDAR系统的基础。具体来说，发明人已认识到，该技术可用来将计算机生成的全息图的序列写入到空间光调制器，该空间光调制器于如LIDAR所需要的场景上扫描光足迹。有利地，可通过改变计算机生成的全息图来改变场景内的光足迹的位置。可理解光探测器可如何与光源和空间光调制器同步以便提供光探测和测距。光具有第一特性，所述第一特性意味所述光可不同于由探测器接收的其他光。光可为脉冲的并且在时间上与全息图的序列同步。在多个实施方式中，第一特性为以第一频率的振幅调制。然而，光可以任何其他方式表征。在多个实施方式中，第一频率为射频。
[0083] 实施方式的第一分组
[0084] 图4示出包括被布置来将光导向场景400的空间光调制器410和被布置来收集来自场景的反射光的光探测器420的实施方式。空间光调制器410被布置来接收来自光源(未示出)的光，并且根据表示在空间光调制器410上的动态可变计算机生成的全息图输出空间调制光。图4示出输出第一空间调制光431的空间光调制器410，所述第一空间调制光根据表示在空间光调制器410上的第一计算机生成的全息图(未示出)形成场景400中的第一光足迹451。图4还示出输出第二空间调制光432的空间光调制器410，所述第二空间调制光根据表示在空间光调制器410上的第二计算机生成的全息图(未示出)形成场景400中的第二光足迹461。
[0085] 第一计算机生成的全息图和第二计算机生成的全息图在不同时间显示在空间光调制器上以便提供扫描。空间光调制器接收来自全息控制器(未示出)的计算机生成的全息图的序列，以便形成场景内的光足迹的对应时间序列。
[0086] 在一些实施方式中，光足迹的亮度于其区域上大致上一致。在其他实施方式中，光足迹的亮度取决于距空间光调制器的距离(即量程(range))而改变。例如，光足迹的亮度可随着距空间光调制器的距离增加。在一实施方式中，具有第一亮度的第一光足迹形成在距空间光调制器的第一距离处，并且具有第二亮度的第二足迹形成在距空间光调制器的第二距离处，其中第一距离大于第二距离并且第一亮度大于第二亮度。第一光足迹和第二光足迹可在大致上相同时间形成或者其可在不同时间形成。在一个实施方式中，第一光足迹和第二光足迹是场景内的光足迹的时间序列中的相继光足迹。
[0087] 因此提供光探测和测距“LIDAR”系统，所述光探测和测距系统被布置来扫描场景，系统包括：光源，其被布置来输出具有第一特性的光；空间光调制器，其被布置来接收来自光源的光并且根据表示在空间光调制器上的计算机生成的全息图输出空间调制光；全息控制器，其被布置来将多个计算机生成的全息图输出到空间光调制器，其中每个计算机生成的全息图被布置来形成场景内的对应光足迹，并且全息控制器进一步被布置来改变场景内的光足迹的位置；以及光探测器，其被布置来接收来自场景的具有第一特性的光并且输出光响应信号。
[0088] 全息图像控制器被布置来通过改变显示在空间光调制器上的全息图案来移动光足迹。在多个实施方式中，多个计算机生成的全息图包括被布置来形成场景中的第一位置处的第一光足迹的第一计算机生成的全息图和被布置来形成场景中的第二位置处的第二光足迹的第二计算机生成的全息图，其中第二计算机生成的全息图的输出紧接在第一计算机生成的全息图的输出之后。
[0089] 已公开的LIDAR系统使用移动光学器件，诸如旋转棱镜，以提供光扫描。然而，这类系统由于其对移动部分的依赖而为显著不利的。本文公开的全息LIDAR系统不需要移动光学器件以便提供光扫描。替代地，光足迹的移动通过全息图的计算操纵提供。另外，已知在计算机生成的全息图的领域中如何计算表示光栅的全息数据以便提供波束转向并且将其与表示对象(例如光足迹)的全息数据组合。全息光栅的性质诸如周期性可动态地改变，以便使光转向到场景中的所需要的位置。
[0090] 使用旋转棱镜的LIDAR系统通过以预定速度连续地旋转棱柱在一个方向上提供连续扫描。相反，本文公开的全息LIDAR系统允许光足迹在没有限制的情况下动态地重新定位在场景内。具体来说，光足迹可在不照射任何中间位置的情况下从场景中的一个位置移动到场景中的任何其他位置。在这方面，可以说，可使光足迹可从场景中的一个位置瞬间跳转到场景中的任何其他位置。在多个实施方式中，第一位置与第二位置空间分离。这与需要棱镜旋转到适当位置的旋转棱镜系统相比提供更灵活的扫描。因此，本发明的全息LIDAR系统因此提供更灵活的扫描和更快的动态扫描。然而，可理解，系统同样适合于第一位置大致上邻近第二位置的情况。图5示出第一光足迹551和第二光足迹561大致上邻近的实施方式。
[0091] 图6示出在场景内移动光足迹651以照射场景的连续区域的实施方式。也就是说，在多个实施方式中，光足迹被连续地重新定位以便扫描场景内的光足迹。图6示出连续扫描，但是本系统同样适合于提供不连续扫描。
[0092] 发明人进一步认识到，可利用全息系统的计算本质以瞬间改变用于改进的扫描的光足迹的性质。在多个实施方式中，第一光足迹具有第一区域并且第二光足迹具有第二区域，其中第一区域不等于第二区域。
[0093] 图7A示出场景700内的第一光足迹751和第二光足迹761。第二光足迹761具有的区域小于第一光足迹751的区域。系统可被布置来以第一光足迹751扫描场景700的第一区域750并且以第二光足迹761扫描场景700的第二区域760。第二光足迹761可在第一光足迹751之后立即形成，或反之亦然。光足迹越小，系统的空间分辨率越高。因此，本发明的全息LIDAR系统使扫描的空间分辨率能够被动态地控制。例如，在多个实施方式中，改变扫描的分辨率可为有利的。
[0094] 如果降低光足迹尺寸，则其将变得更亮，因为投影方法是全息的(全息图的每个像素有助于重建中的每个点)。这改进信噪比或增加装置的最大量程。在一个实施方式中，在场景的至少一个区域中执行较高分辨率扫描，并且在场景的至少一个其他区域中执行较低分辨率扫描。在一个实例中，系统被布置来以第一光足迹扫描道路并以第二光足迹扫描路缘，其中第一光足迹大于第二光足迹。因此，以相比于例如前方车辆的更高分辨率扫描路缘。这是因为可能必需知道前面是否存在车辆和车辆的远离距离，但是可能不必确定车辆的宽度。路缘的较高分辨率扫描提供位置的准确性。因此，在一些实施方式中，执行场景的中心的相对低分辨率扫描并且执行场景的周边的至少一个相对高分辨率扫描。也就是说，场景的周边的至少一个扫描具有相比于场景的中心的扫描的较高分辨率。
[0095] 在其他实施方式中，全息系统用来提供不同形状的足迹。图7B示出其中第二光足迹762具有相对于第一光足迹752的不同形状的实施方式。也就是说，在多个实施方式中，第一光足迹具有第一形状并且第二光足迹具有第二形状，其中第一形状不同于第二形状。将不同形状的足迹使用于探测场景的不同区域或场景内的不同对象可为有利的。因此，提供更灵活的LIDAR系统。
[0096] 在多个实施方式中，全息系统用来使光足迹旋转。图7C示出其中第一光足迹753和第二光足迹763具有相同形状但以不同取向的实施方式。也就是说，在多个实施方式中，第一光足迹具有带有第一取向的形状，并且第二光足迹具有带有第二取向的形状，其中第一取向不同于第二取向。在实例中，可通过在两个不同方向上扫描获得准确位置信息。在其他实例中，可通过改变光足迹的取向来增加或优化光响应信号。
[0097] 在多个实施方式中，形状是大致上一维形状。例如，光足迹可具有狭缝或线形状。图7D示出其中第一光足迹754垂直于第二光足迹764的实施方式。一维足迹提供一维扫描，所述一维扫描对于快速横扫场景，例如以查看任何对象是否存在于场景中为有利的。执行在第一方向上的场景的第一区域的一维扫描和正交方向上的场景的第二区域的一维扫描可为有利的。也就是说，在多个实施方式中，第一取向垂直于第二取向。
[0098] 实施方式的第二分组——交错扫描
[0099] 图8示出包括被布置来将光导向场景800的空间光调制器810和被布置来收集来自场景的反射光的光探测器820的实施方式。空间光调制器810被布置来接收来自光源(未示出)的光，并且根据表示在空间光调制器810上的动态可变计算机生成的全息图输出空间调制光。图8示出输出第一空间调制光831的空间光调制器810，所述第一空间调制光根据表示在空间光调制器810上的第一计算机生成的全息图(未示出)形成场景800中的第一光足迹851。图8还示出输出第二空间调制光832的空间光调制器810，所述第二空间调制光根据表示在空间光调制器810上的第二计算机生成的全息图(未示出)形成场景800中的第二光足迹861。第一计算机生成的全息图和第二计算机生成的全息图在不同时间显示在空间光调制器上以便提供扫描。空间光调制器接收来自全息控制器(未示出)的计算机生成的全息图
891、895、892、896、893、897、894的序列，以便形成包括第一光足迹851和第二光足迹861的场景内的光足迹的对应时间序列。
891、895、892、896、893、897、894的序列，以便形成包括第一光足迹851和第二光足迹861的场景内的光足迹的对应时间序列。
[0100] 图8进一步示出第一多个计算机生成的全息图891、892、893，所述第一多个计算机生成的全息图被布置来形成场景800的第一区域850内的多个第一光足迹，包括第一光足迹851。图8还示出第二多个计算机生成的全息图895、896、897，所述第二多个计算机生成的全息图被布置来形成场景800的第二区域860内的多个第二光足迹，包括第二光足迹861。
[0101] 第二光足迹包括第二光足迹861，和第二多个计算机生成的全息图895、896和897仅出于例示性目的而被加阴影，以指示它们的对应性。然而，应记住，显示在空间光调制器上的事物并非简单地光学平移到场景上。每个计算机生成的全息图是通过干涉重建场景处的对应光足迹的衍射图案。在全息图中的点与场景中的点之间不存在一对一相关性。全息图中的每个点有助于对应光足迹中的每个点。同样地，第一光足迹包括第一光足迹851，和第一多个计算机生成的全息图891、892和893出于例示性目的而未加阴影，以指示它们的对应性。
[0102] 第一多个计算机生成的全息图891、892、893被布置来在第一方向880上提供场景800的第一扫描850。计算机生成的全息图893对应于第一光足迹851。第二多个计算机生成的全息图895、896、897被布置来在第二方向885上提供场景800的第二扫描860。计算机生成的全息图897对应于第二光足迹861。尽管在图8中针对每个扫描示出仅三个计算机生成的全息图，但是本发明涵盖在每个扫描中使用任何数量的计算机生成的全息图。
[0103] 因此可理解，在多个实施方式中，多个计算机生成的全息图包括被布置来提供场景内的第一扫描的第一多个计算机生成的全息图和被布置来提供场景内的第二扫描的第二多个计算机生成的全息图。图8仅以实例的方式示出在不同方向上的第一扫描和第二扫描。在其他实施方式中，第一扫描和第二扫描是在同一方向上的扫描。
[0104] 图8示出交替地输出到空间光调制器810的第一多个计算机生成的全息图中的全息图和第二多个计算机生成的全息图中的全息图。也就是说，在多个实施方式中，第一多个计算机生成的全息图和第二多个计算机生成的全息图交错。然而，本发明涵盖用于交织的任何布置。例如，图9示出其中第一多个计算机生成的全息图991、992、993、994中的两个全息图与第二多个计算机生成的全息图995、996中的一个全息图交错的替代性实施方式。
[0105] 在实施方式包括图8和9中所示的实施方式中，第一扫描是场景的第一区域的扫描并且第二扫描是场景的第二区域的扫描，其中第二区域与第一区域空间分离。可理解，多个计算机生成的全息图被布置来通过使空间调制光在第一区域与第二区域之间来回移动来扫描第一区域和第二区域。另外，如以上所描述，基于扫描光学器件的LIDAR系统不能实现允许对场景的空间分离区域的更快速扫描的这个功能。
[0106] 图10示出包括第一区域1050和第二区域1060的场景1000。第一多个计算机生成的全息图1091、1092、1093被布置来在第一区域1050内沿第一方向1080扫描第一光足迹1051。第二多个计算机生成的全息图1095、1096、1097被布置来在第二区域1060内沿第二方向
1085扫描第二光足迹1061。因此，在多个实施方式中，第一扫描是在场景的第一区域的第一方向上的扫描并且第二扫描是在场景的第二区域的第二方向上的扫描。在多个实施方式中，第二扫描也可为第一区域的扫描。在多个实施方式中，第二扫描沿与第一扫描相同的方向执行。
1085扫描第二光足迹1061。因此，在多个实施方式中，第一扫描是在场景的第一区域的第一方向上的扫描并且第二扫描是在场景的第二区域的第二方向上的扫描。在多个实施方式中，第二扫描也可为第一区域的扫描。在多个实施方式中，第二扫描沿与第一扫描相同的方向执行。
[0107] 根据实施方式，使以相对低分辨率的第一扫描与以较高分辨率扫描的第二扫描交错。另外，光足迹越小，空间分辨率越高。图11示出其中第二足迹1161具有相比于第一足迹1051的较小区域的实施方式。因此可理解，在多个实施方式中，第一多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第一区域的第一光足迹，并且第二多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第二区域的第二光足迹，其中第一区域不等于第二区域。
[0108] 在多个实施方式中，第一光足迹具有在第二方向上延伸的大致上一维形状，并且第二光足迹具有在第一方向上延伸的大致上一维形状。
[0109] 第一和第二交错扫描可涉及场景的相同或不同区域。使用不同光足迹(例如，对应于精细或高分辨率扫描的第一扫描的足迹和对应于粗糙或低分辨率扫描的第二扫描的足迹)并行地扫描场景的相同区域可提供关于场景的区域的不同信息。使用相同或不同足迹并行地扫描场景的不同区域可获得关于场景的不同区域的信息。因为第一扫描和第二扫描交错，并且因此并行地执行，所以通过两个扫描捕获的信息涉及在大致上相同时间点处的场景。
[0110] 根据多个实施方式，第一扫描可包括随机扫描，所述随机扫描投影在场景周围随机地移动(例如，移动到车辆周围的不同区域)的光足迹。当场景内的特征被从随机扫描(例如，从响应于第一扫描的光响应信号)或以其他方式识别时，可执行包括所识别特征的区域的第二扫描(例如以较高分辨率)。在多个实施方式中，随机扫描为连续的，并且一个或多个第二(例如较高分辨率)扫描与随机扫描交错。具体来说，高分辨率第二扫描可与随机扫描并行地执行，如以上参考图8至11所描述。因而，可连续地执行随机扫描，并且根据需要，可引入交错到随机扫描中的有限持续时间的第二扫描。例如，当特征在区域内被探测时，可添加与随机扫描交错的特定区域的第二、高分辨率扫描，并且然后当高分辨率扫描完成时，移除所述第二、高分辨率扫描。因而，通过连续随机扫描连续地识别新目标，并且随后通过第二扫描获得这类识别的目标的进一步细节。在替代性实施方式中，可执行第二扫描替代随机扫描(即，第一扫描和第二扫描不是并行的)。在这种情况下，扫描在第一扫描与第二扫描之间交替。
[0111] 实施方式的第三分组——智能扫描
[0112] 实施方式提供反馈系统，在所述反馈系统中第一扫描的结果用来确定用于第二扫描的计算机生成的全息图。确定用于第二扫描的计算机生成的全息图的步骤可包括从全息图的存储库选择全息图或计算全息图。
[0113] 图12示出包括被布置来将光导向场景1200的空间光调制器1210和被布置来收集来自场景的反射光的光探测器1220的实施方式。空间光调制器1210被布置来接收来自光源(未示出)的光，并且根据表示在空间光调制器1210上的动态可变计算机生成的全息图输出空间调制光。图12示出输出第一空间调制光1231的空间光调制器1210，所述第一空间调制光根据表示在空间光调制器1210上的计算机生成的全息图(未示出)形成场景1200中的第一光足迹1251。
[0114] 图12进一步示出光探测器1220，所述光探测器接收来自由第一光足迹1251照射的场景1200的区部的反射光1241。例如，光可由场景中的对象反射。响应于接收反射光1241，光探测器1220输出光响应信号1274。全息控制器1270被布置来接收光响应信号1274并且确定第二多个计算机生成的全息图。全息控制器1270将包括第二多个计算机生成的全息图的全息数据1272输出到空间光调制器1210。
[0115] 全息控制器1270可评估光响应信号1274的性质以便确定第二多个计算机生成的全息图。在多个实施方式中，全息控制器1270确定光响应信号1274是否指示对象存在于以第一光足迹扫描的区域中。在一些实施方式中，光响应信号1274的性质为光响应信号1274的最大(或峰值)强度或平均(或均值)强度。在其他实施方式中，光响应信号1274的性质是光响应信号1274的强度的变化或光响应信号1274中的强度的变化速率。光响应信号的性质可为光响应信号1274的任何性质，或光响应信号1274中的任何特征，所述特征可提供关于所扫描区域或所扫描区域中的任意对象的信息。例如，全息控制器1270可确定光响应信号1274的量级是否超过阈值。例如，在多个实施方式中，全息控制器1270确定对象存在于以第一光足迹1251扫描的第一区域中，且确定被布置来再次以高分辨率扫描第一区域的第二多个计算机生成的全息图。例如，在其他实施方式中，全息控制器1270确定对象不存在于以第一光足迹1251扫描的第一区域中，并且确定被布置来以第二光足迹1261扫描场景的第二区域的第二多个计算机生成的全息图。例如，在其他实施方式中，全息控制器1270确定光响应信号为不确定的(例如，相对嘈杂的)，并且确定被布置来再次但在不同方向上扫描场景的同一区域的第二多个计算机生成的全息图。
[0116] 响应于第二多个计算机生成的全息图中的每个计算机生成的全息图，对应的第二光足迹1261形成于场景1200中。可在场景1200内扫描第二光足迹1261，如先前所描述。空间光调制器1210接收来自全息控制器1270的第二多个计算机生成的全息图，以便形成场景1200内的光足迹的对应时间序列，包括第二光足迹1261。
[0117] 因此，在多个实施方式中，多个计算机生成的全息图包括被布置来提供场景内的第一扫描的第一多个计算机生成的全息图，并且全息控制器被布置来接收响应于第一扫描的光响应信号并且基于响应于第一扫描的光响应信号的性质来确定第二多个计算机生成的全息图。在多个实施方式中，第二多个计算机生成的全息图被布置来提供场景内的第二扫描。
[0118] 图13A示出其中第一扫描是在第一方向1380上以第一光足迹1351的场景1300的第一区域1350的扫描的实施方式。对应于第二多个计算机生成的全息图的第二扫描可为场景1300的第一区域1350或第二区域1360的扫描。
[0119] 图13B示出其中第一扫描为场景的第一区域的扫描并且第二扫描为场景的第二区域的扫描的实施方式，其中第二区域与第一区域空间分离。
[0120] 图13C示出其中第一扫描为场景的第一区域的在第一方向上的扫描并且第二扫描为场景的第一区域的在第二方向上的扫描的实施方式。在多个实施方式中，使用具有相对于第一光足迹的不同尺寸、形状和/或取向的第二光足迹执行第二扫描。
[0121] 图13D示出其中第一多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第一区域的第一光足迹并且第二多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第二区域的第二光足迹的实施方式，其中第一区域不等于第二区域。
[0122] 在多个实施方式中，通过第一扫描进行扫描的场景的第一区域可与通过第二扫描进行扫描的场景的第二区域相同，为所述第二区域的一部分，邻近所述第二区域或与所述第二区域空间分离。
[0123] 用于多个实施方式的所有分组的变形
[0124] 在多个实施方式中，第一光足迹具有在第二方向上延伸的大致上一维形状，并且第二光足迹具有在第一方向上延伸的大致上一维形状。
[0125] 在多个实施方式中，空间光调制器为纯相位空间光调制器。这些实施方式为有利的，因为没有光学能量由于调制振幅而损失。因此，提供高效的全息投影系统。然而，本发明可同样地实现在纯振幅空间光调制器或振幅和相位调制器上。可理解，全息图将相应地为纯相位的、纯振幅的或完全复杂的。
[0126] 多个实施方式包括用以增加系统的视场的角放大系统。图14示出角放大系统1425，所述角放大系统被布置来以第一角度接收来自空间光调制器1410的空间调制光。角放大系统1425以大于第一角度的第二角度输出空间调制光，所述空间调制光照射场景。图
14示出角放大系统1425被布置来以第一角度接收光1422并且以大于第一角度的第二角度输出光1424。可以说，角放大系统放大空间调制光的光角度。也就是说，在多个实施方式中，LIDAR系统进一步包含角放大系统，所述角放大系统被布置来放大来自空间光调制器的空间调制光的角偏转。
14示出角放大系统1425被布置来以第一角度接收光1422并且以大于第一角度的第二角度输出光1424。可以说，角放大系统放大空间调制光的光角度。也就是说，在多个实施方式中，LIDAR系统进一步包含角放大系统，所述角放大系统被布置来放大来自空间光调制器的空间调制光的角偏转。
[0127] 在多个实施方式中，通过折射提供角放大。也就是说，在多个实施方式中，角放大系统被布置来使空间调制光折射。在多个实施方式中，角放大系统被布置来以第一角度接收空间调制光并且以第二角度输出空间调制光，其中第二角度大于第一角度。
[0128] 在多个实施方式中，光为脉冲的。因此，在多个实施方式中，系统被配置以便在下一个光足迹照射场景之前任何反射信号由探测器接收。因此，系统可在下一个光足迹之前处理任何返回信号，并且哪些足迹引起返回信号之间的混淆不可能发生。技术人员将理解如何使光源、全息控制器、空间光调制器、光探测器和任何必要的处理器同步以便提供这个功能，并且因此在此不提供详细描述。
[0129] 每个光足迹是使用对应计算机生成的全息图形成的。每个计算机生成的全息图根据提供到空间光调制器的全息数据显示在空间光调制器上。每个计算机生成的全息图可包括不同的数据分量。数据提供用于空间光调制器的指令，所述指令单独地寻址空间光调制器的每个光调制像素。具体来说，数据可提供关于将光调制多少的用于每个像素的指令。在多个实施方式中，计算机生成的全息图包括限定光足迹的尺寸和形状的第一全息数据和限定场景中的光足迹的位置的第二全息数据。第一全息数据可包括提供光学效应的全息数据。在多个实施方式中，第一全息数据包含透镜功能。如以上所描述，第二全息数据提供可变波束转向信息。在多个实施方式中，第二全息数据包含光栅功能。
[0130] 图15示出包括与空间光调制器1510和光探测器1520通信的处理器1570的实施方式。在操作中，处理器1570被布置来接收来自光探测器1520的光响应信号和来自空间光调制器1510的同步信息1572。空间光调制器1510被布置来输出在场景中的位置处形成光足迹(未示出)的空间调制光1531。场景中的位置处的对象1505反射空间调制光1531，并且反射光1541由光探测器1520探测。光探测器1520被配置以具有包括场景的视场。例如，光探测器1520可包含单个光探测元件(例如单个光电二极管)或光探测元件的阵列(例如光电二极管的一维或二维阵列)，这取决于光足迹和/或设计要求。如先前所描述，系统的部件之间的光脉冲发生和同步用来确定在空间调制光从空间光调制器1510通过对象1505行进到光探测器1520时的用于空间调制光的飞行时间。这个飞行时间测量值可用来确定从空间光调制器
1510到对象1505的直线距离1576。因此，提供光探测和测距(LIDAR)系统。在多个实施方式中，包括空间光调制器1510的LIDAR发射器和包含光探测器1520的LIDAR接收器中的至少一个可位于灯单元或便携式装置或车辆诸如车辆的前照灯单元内。处理器1570可与LIDAR发射器一起定位且/或LIDAR探测器可远程定位。
1510到对象1505的直线距离1576。因此，提供光探测和测距(LIDAR)系统。在多个实施方式中，包括空间光调制器1510的LIDAR发射器和包含光探测器1520的LIDAR接收器中的至少一个可位于灯单元或便携式装置或车辆诸如车辆的前照灯单元内。处理器1570可与LIDAR发射器一起定位且/或LIDAR探测器可远程定位。
[0131] 在多个实施方式中，光源是激光。在多个实施方式中，光探测器是光电探测器。在多个实施方式中，提供包含LIDAR系统的车辆。
[0132] 在多个实施方式中，可以用LIDAR系统独有的代码调制来自光源的激光。可使用这样的编码以便避免干涉与其他LIDAR系统(例如在道路上的其他车辆内)相关联的光想干涉或混淆。在这类实施方式中，LIDAR接收器在所接收光中寻找编码，并且仅处理以对应代码调制的所接收光。例如，可执行具有独有二进制数模式的光振幅的二进制调制以提供独有代码(例如，通过在预定代码或模式中接通和切断光源)。可使用激光的其他类型的调制或编码。
[0133] 在一些实施方式中，可使用两个或更多个光源。例如，具有不同波长(例如在IR范围内)的两个或更多个激光可包括在LIDAR系统中，并且在不同时间用来将光提供到SLM。用作光源的激光，和因而用于形成光足迹的光的波长可根据环境条件加以改变，诸如当探测到雾或其他不利天气条件时，以提供改进的光穿透。
[0134] 在多个实施方式中，LIDAR系统可在不同距离量程处执行扫描。例如，在多个实施方式中，LIDAR系统的全息控制器可将全息图的不同时间序列提供到SLM以用于扫描用于相应距离量程的场景。具体来说，可确定提供到SLM的全息数据，使得光足迹聚焦在对应于所需要的距离或量程的重放平面处(例如通过调整对应于用来重建计算机生成的全息图的傅里叶变换透镜的透镜功能或通过改变数据内的对应透镜数据，如以上所描述)。在其他实施方式中，可选择物理傅里叶变换透镜以将光足迹聚焦在对应所需要的距离或量程的重放平面处。因而，在多个实施方式中，可以说光足迹，或与形成光足迹的多个计算机生成的全息图相关联的参数或元素是基于距离量程来确定。具体来说，该确定使得光足迹聚焦在对应于距离量程的距离处。
[0135] 可响应于量程选择信号而确定用于特定量程的适当透镜功能/数据或物理傅里叶变换透镜。例如，量程选择信号可由用户手动地提供，或当探测到预定条件时自动地提供。量程的选择可基于车辆速度、交通密度或其他行驶因素或条件。当车辆正以较高速度行进时，较长量程扫描的选择可为优选的。例如，长量程可对于高速公路行驶为优选的，并且近量程可对于密集交通中的城市行驶为优选的。因而，在多个实施方式中，基于所接收信号选择距离量程。在多个实施方式中，距离量程是基于以下各项中的至少一个确定：车辆速度；
环境条件；天气条件；交通条件和其他行驶参数。
环境条件；天气条件；交通条件和其他行驶参数。
[0136] 尽管已主要单独地公开了实施方式的第一、第二和第三分组，但是任何实施方式或实施方式的分组的任何特征可与任何实施方式或实施方式的分组的任何其他特征或特征的组合进行组合。也就是说，设想本发明中所公开的特征的所有可能组合和置换。
[0137] 在多个实施方式中，第一光足迹可由第一波长的光形成，并且第二光足迹可由第二波长的光形成。在多个实施方式中，第一扫描可使用第一波长的光执行，并且第二扫描可使用第二波长的光执行。在多个实施方式中，第一波长和第二波长是不同颜色的可见光。在多个实施方式中，第一波长和第二波长中的一个或两个是不同的红外线波长。
[0138] 在多个实施方式中，系统包含用以形成第一光足迹的第一空间光调制器和用以形成第二光足迹的第二空间光调制器。在其他实施方式中，使用单个空间光调制器。例如，在多个实施方式中，将空间光调制器的第一区域分配给形成第一光足迹的全息图，并且将空间光调制器的第二区域分配给形成第二光足迹的全息图。
[0139] 全息重建的质量可受所谓的零级(zero order)问题的影响，所述零级问题是使用像素化空间光调制器的衍射性质的结果。这样的零级光可被视为“噪声”，并且包括例如镜面反射光(即非衍射光)，和来自SLM的其他不想要的光。
[0140] 在傅里叶全息术的实例中，这个“噪声”聚焦在傅里叶透镜的焦点处，从而导致全息重建的中心处的亮斑，称为“DC斑”。零级光可简单地被遮挡，然而这将意味将亮斑替换为暗斑。多个实施方式包括用以仅移除零级的准直射线的角度选择滤波器。多个实施方式还包括欧洲专利2,030,072中所描述的管理零级的方法，所述欧洲专利由此以引用的方式整体并入本文。在其他实施方式中，以发散光照射空间光调制器，使得将形成光足迹的衍射光带到重放平面处的焦点，但零级光(其不衍射)继续发散。因此使零级光有效地发散。
[0141] 虽然本文所描述的实施方式包括将每帧一个全息图显示在空间光调制器上，但是本发明在这方面决不受限制并且多于一个全息图可在在任一时间显示在SLM上。例如，实施方式实现“分块”的技术，其中SLM的表面区域进一步分割成若干块，其中每一块以与原始块的那个相位分布类似或相同的相位分布设定。每个块因此具有相比于在将SLM的整个分配区域用作一个大相位图案的情况下的较小表面区域。块中的频率分量的数目越小，当产生图像时重建像素分离的越远。图像在零衍射级内被创建，并且优选的是，第一级和后续级移位得足够远以免与图像重叠并且可通过空间滤波器阻挡。
[0142] 如以上提到的，通过这种方法(无论有或没有分块)产生的全息重建包含形成图像像素的斑。所使用的块的数目越高，这些斑变得越小。如果一个人以无限正弦波的傅里叶变换为例，则产生单个频率。这是最佳输出。在实践中，如果使用仅一个块，则这对应于正弦波的单个周期的输入，其中零值在正方向和负方向上从正弦波的末端节点延伸到无穷大。替代由其傅里叶变换产生单个频率，主频率分量是以其任一侧上的一系列邻近频率分量产生。分块的使用降低这些邻近频率分量的量级，并且作为这种情况的直接结果，较少的干涉(建设性的或破坏性的)发生在邻近图像像素之间，借此改进图像质量。优选地，每个块为完整块，尽管实施方式使用块的部分。
[0143] 本文所描述的方法和过程可实现在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括被布置来暂时或永久地存储数据的介质，诸如随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、缓冲存储器、闪速存储器，和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”也应被视为包括任何介质，或多个介质的组合，其能够存储用于由机器执行的指令，使得指令当由一个或多个处理器执行时，使机器完整地或部分地执行本文所描述的方法论中的任何一个或多个。
[0144] 术语“计算机可读介质”还涵盖基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于呈固态存储器芯片、光盘、磁盘，或其任何合适的组合的示例性形式的一个或多个有形和非暂时性数据存储库(例如，数据卷)。在一些示例性实施方式中，用于执行的指令可通过载体介质通信。这样的载体介质的实例包括瞬时介质(例如，通信指令的传播信号)。
[0146] 公开以下项目：
[0147] 项目1.光探测和测距“LIDAR”系统，其被布置来扫描场景，所述系统包含：
[0148] 光源，其被布置来输出具有第一特性的光；
[0149] 空间光调制器“SLM”，其被布置来接收来自光源的光并且根据表示在空间光调制器上的计算机生成的全息图输出空间调制光；
[0150] 全息控制器，其被布置来将多个计算机生成的全息图输出到空间光调制器，其中每个计算机生成的全息图被布置来形成场景内的对应光足迹，并且全息控制器进一步被布置来改变场景内的光足迹的位置；以及
[0151] 光探测器，其被布置来接收来自场景的具有第一特性的光并且输出光响应信号。
[0152] 项目2.如项目1中限定的LIDAR系统，其中多个计算机生成的全息图包含被布置来提供场景内的第一扫描的第一多个计算机生成的全息图，并且其中全息控制器被布置来响应于第一扫描接收光响应信号并且基于响应于第一扫描的所述光响应信号的性质确定第二多个计算机生成的全息图。
[0153] 项目3.如项目2中限定的LIDAR系统，其中第二多个计算机生成的全息图被布置来提供场景内的第二扫描。
[0154] 项目4.如项目3中限定的LIDAR系统，其中第一扫描是场景的第一区域的扫描，并且所述第二扫描是场景的第二区域的扫描。
[0155] 项目5.如项目3或4中限定的LIDAR系统，其中第一扫描是场景的第一区域的在第一方向上的扫描，并且第二扫描是场景的第一区域的在第二方向上的扫描。
[0156] 项目6.如项目2至5中任一项目中限定的LIDAR系统，其中第一多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第一面积的第一光足迹，并且第二多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第二面积的第二光足迹，其中第一面积不等于第二面积。
[0157] 项目7.如项目6中限定的LIDAR系统，其中第一光足迹具有在第二方向上延伸的大致一维形状，并且第二光足迹具有在第一方向上延伸的大致一维形状。
[0158] 项目8.如项目1中限定的LIDAR系统，其中多个计算机生成的全息图包括被布置来形成场景中的第一位置处的第一光足迹的第一计算机生成的全息图和被布置来形成场景中的第二位置处的第二光足迹的第二计算机生成的全息图，其中第二计算机生成的全息图的输出紧接在第一计算机生成的全息图的输出之后。
[0159] 项目9.如项目8中限定的LIDAR系统，其中第一位置与第二位置空间分离。
[0160] 项目10.如项目9中限定的LIDAR系统，其中第一位置大致与第二位置相邻。
[0161] 项目11.如项目8至10中的任一项中限定的LIDAR系统，其中光足迹被连续地重新定位，以便扫描场景内的光足迹。
[0162] 项目12.如项目8至11中的任一项目中限定的LIDAR系统，其中所述第一光足迹具有第一区域，并且第二光足迹具有第二区域，其中第一区域不等于第二区域。
[0163] 项目13.如项目8至12中的任一项目中限定的LIDAR系统，其中第一光足迹具有第一形状，并且第二光足迹具有第二形状，其中第一形状不同于第二形状。
[0164] 项目14.如项目8至13中的任一项目中限定的LIDAR系统，其中第一光足迹具有第一取向的形状，并且第二光足迹具有第二取向的形状，其中第一取向不同于第二取向。
[0165] 项目15.如项目14中限定的LIDAR系统，其中形状为大致一维形状。
[0166] 项目16.如项目14或15中限定的LIDAR系统，其中第一取向垂直于第二取向。
[0167] 项目17.如项目1中限定的LIDAR系统，其中多个计算机生成的全息图包含被布置来提供场景内的第一扫描的第一多个计算机生成的全息图和被布置来提供场景内的第二扫描的第二多个计算机生成的全息图。
[0168] 项目18.如项目17中限定的LIDAR系统，其中第一多个计算机生成的全息图和第二多个计算机生成的全息图交错。
[0169] 项目19.如项目17或18中限定的LIDAR系统，其中第一扫描是场景的第一区域的扫描，并且第二扫描是场景的第二区域的扫描。
[0170] 项目20.如项目19中限定的LIDAR系统，其中第二区域与第一区域空间分离。
[0171] 项目21.如项目19或20中限定的LIDAR系统，其中多个计算机生成的全息图被布置来通过使空间调制光在第一区域与第二区域之间来回移动来扫描第一区域和第二区域。
[0172] 项目22.如项目17至21中的任一项目中限定的LIDAR系统，其中被布置来执行第一扫描的第一多个计算机生成的全息图被布置来在场景内的多个随机位置处形成光足迹。
[0173] 项目23.如项目22中限定的LIDAR系统，其中第一扫描是连续的。
[0174] 项目24.如项目22或23中限定的LIDAR系统，其中第二多个计算机生成的全息图被布置来执行场景内的区域的第二扫描。
[0175] 项目25.如项目24中限定的LIDAR系统，其中区域是基于响应于第一扫描的光响应信号的属性确定的。
[0176] 项目26.如项目17至25中的任一项目限定的LIDAR系统，其中第一扫描是在第一方向上的扫描，并且第二扫描是在第二方向上的扫描。
[0177] 项目27.如项目17至26中的任一项目限定的LIDAR系统，其中第一多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第一区域的第一光足迹，并且第二多个计算机生成的全息图被布置来形成具有第二区域的第二光足迹，其中第一区域不等于第二区域。
[0178] 项目28.如项目27中限定的LIDAR系统，其中第一光足迹具有在第二方向上延伸的大致一维形状，并且第二光足迹具有在第一方向上延伸的大致一维形状。
[0179] 项目29.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中每个计算机生成的全息图为纯相位全息图。
[0180] 项目30.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中由SLM输出的空间调制光以对于LIDAR系统独有的代码而编码。
[0181] 项目31.如项目30中限定的LIDAR系统，其中由SLM输出的空间调制光通过光振幅的调制而编码。
[0182] 项目32.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其包含第一光源和第二光源，所述第一光源和第二光源被配置来将不同波长的光输出到SLM。
[0183] 项目33.如项目32中限定的LIDAR系统，其中第一光源和第二光源中的一个是基于环境条件选择的。
[0184] 项目34.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中光足迹，或与形成光足迹的多个计算机生成的全息图相关联的参数或元素是基于所接收信号确定的。
[0185] 项目35.如项目34中限定的LIDAR系统，其中所接收信号提供以下各项中至少一个的指示：车辆速度；环境条件；天气条件；交通条件和其他行驶参数。
[0186] 项目36.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中光足迹，或与形成光足迹的多个计算机生成的全息图相关联的参数或元素是基于距离量程确定的。
[0187] 项目37.如项目36中限定的LIDAR系统，其中光足迹，或与形成光足迹的多个计算机生成的全息图相关联的参数被确定以便将光足迹聚焦在对应于距离量程的距离处。
[0188] 项目38.如项目36或37中限定的LIDAR系统，其中距离量程是基于以下各项中的至少一个选择的：车辆速度；环境条件；天气条件；交通条件和其他行驶参数。
[0189] 项目39.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其进一步包含角放大系统，所述角放大系统被布置来放大来自空间光调制器的空间调制光的角偏转。
[0190] 项目40.如项目39中限定的LIDAR系统，其中角放大系统被布置来使空间调制光折射。
[0191] 项目41.如项目39或40中限定的LIDAR系统，其中角放大系统被布置来以第一角度接收空间调制光并且以第二角度输出空间调制光，其中第二角度大于第一角度。
[0192] 项目42.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中第一特性是以第一频率的振幅调制。
[0193] 项目43.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中光为脉冲的。
[0194] 项目44.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中空间光调制器为硅基液晶LCOS空间光调制器。
[0195] 项目45.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中每个计算机生成的全息图包含限定光足迹的大小和形状的第一全息数据和限定场景中的光足迹的位置的第二全息数据。
[0196] 项目46.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中第一全息数据包含透镜功能。
[0197] 项目47.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中第二全息数据包含光栅功能。
[0198] 项目48.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其进一步包含处理器，所述处理器被布置来通过测量对应于多个计算机生成的全息图中的第一计算机生成的全息图的第一空间调制光的输出与从对象反射的第一空间调制光的探测之间的时间差来确定所述场景中的对象距LIDAR系统的距离。
[0199] 项目49.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中光探测器包含以下各项中的一个：单个光探测元件或光探测元件的阵列。
[0200] 项目50.如任何前述项目中限定的LIDAR系统，其中SLM和光探测器中的至少一个位于便携式装置或车辆的灯单元内。
[0201] 项目51.灯单元，其包括任何前述项目的LIDAR系统。
[0202] 项目52.车辆，其包括任何前述项目的LIDAR系统。
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