具体实施方式

以下示例实现方式的具体实施方式参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。以下描述以激光雷达系统为例，然而，本文中所描述的校准原理、过程和方法可以与任何传感器一起使用，该传感器包括但不限于其他光学传感器。

诸如激光雷达系统之类的三维成像系统可以提供均匀强度场以使得能够在视场中对对象进行成像。例如，闪光激光雷达系统可以传送视场(即，闪光激光雷达系统的视场)的均匀强度场，并且可以执行对均匀强度场的反射的测量以生成对象的三维表示。同样，扫描激光雷达系统可以提供均匀强度场扫描线集合以扫过视场，并且可以执行该均匀强度场扫描线集合的反射的测量以生成对象的三维表示。

然而，三维成像系统所提供的光强度可能被限制为小于阈值强度。例如，符合眼睛安全等级要求可能防止三维成像系统提供超过阈值强度的光。眼睛安全阈值可以基于功率、发散角、脉冲持续时间、曝光方向、波长等。同样，诸如移动电话之类的日益小型化的设备中的功率容量限制可能会限制三维成像系统能够提供的光强度。结果，在大于与对象相距的阈值距离的距离处，反射回到三维成像系统以供测量的光量可能不足以使得能够执行准确测量。例如，当激光雷达系统要确定与视场中一组对象相距的距离时，一些对象可能在阈值距离内并且可能准确地通过激光雷达系统进行深度感测，而一些其他对象可能超出阈值距离，并且激光雷达系统可能接收的反射光不足以进行准确的深度感测。

本文中所描述的一些实现方式可以使用非均匀强度场来执行三维成像。例如，光学系统可以包括提供均匀强度场的光学发送器以及将均匀强度场整形为非均匀强度场的光学光整形元件或光整形光学器件。在这种情况下，通过使用非均匀强度场，光学系统可以使得大于阈值强度的光能够引导到视场的一些部分，而小于阈值量的光能够朝向视场的其他部分引导。例如，光学系统可以使得光的集中区域包括大于光的阈值强度，从而可以使得能够增加用于精确深度感测的范围。这样，与使用均匀强度场相比较，光学系统可以使得能够在更远的距离处进行三维测量，而不会超过整个视场的光强度阈值。而且，通过对具有多个集中区域的非均匀强度场进行整形，如本文中所描述的，光学系统可以使得能够增加深度感测范围，并且与相对于例如发送单个集中激光脉冲以执行测距的激光测距系统相比，可以降低与集中光相关联的分辨率损失。

图1A和图1B是本文中所描述的示例实现方式100的图。如图1A和图1B所示，示例实现方式100可以包括用于执行对象的三维测量的传感器系统105。

如图1A所示，传感器系统105可以包括发送器系统110和接收器系统125，该发送器系统110可以包括光学发送器115和光整形光学器件120，该接收器系统125可以包括光学接收器130和一个或多个其他光学元件，诸如滤光器135、透镜140等。在一些实现方式中，传感器系统105可以包括处理器以处理由光学接收器130执行的一个或多个测量。在一些实现方式中，传感器系统105可以包括一个或多个其他光学发送器115和/或一个或多个其他光学接收器130，诸如提供并测量具有不同特点的多个光学束，诸如不同类型的光场，如本文中所更详细描述的。在一些实现方式中，传感器系统105可以在移动设备、移动电话、安全设备、机器人设备、激光雷达设备、自主车辆系统、手势识别系统、接近传感器系统、计数系统等中实现。

在一些实现方式中，传感器系统105可以是距离感测系统。例如，传感器系统105可以是激光雷达系统(例如，闪光激光雷达系统、扫描激光雷达系统等)、深度传感器等。在一些实现方式中，传感器系统105可以是三维成像系统。例如，传感器系统105可以被配置为确定对象的二维图像以及与对象和/或对象的一个或多个部分相关联的一个或多个距离以生成对象的三维表示。在这种情况下，传感器系统105可以被配置为将对象的二维图像与对象和/或其一个或多个部分的距离组合以生成三维表示。

在一些实现方式中，光学发送器115可以是激光器、发光二极管(LED)等。例如，光学发送器115可以是被配置为向束提供均匀强度场以进行飞行时间距离确定。附加地或可替代地，光学发送器115可以包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在一些实现方式中，光学发送器115可以提供多个光学束。例如，可以集成光学发送器115和光整形光学器件120。在这种情况下，单个衬底可以包括一个或多个光学发送器115和一个或多个光整形光学器件120。

在一些实现方式中，光学发送器115可以是光谱标识系统、对象标识系统、成像系统、运动跟踪系统、生物特征识别系统、安全系统等的发送器。在一些实现方式中，光学发送器115可以发送与特定光谱范围相关联的束。例如，光学发送器115可以发送可见范围、近红外范围、中红外范围、激光雷达范围等中的光。尽管根据特定光谱范围集合对一些实现方式进行了描述，但是其他光谱范围也是可能的。

在一些实现方式中，光学接收器130可以是传感器阵列，该传感器阵列包括多个传感器元件以执行反射光束或其部分的多次测量。例如，光学接收器130可以包括多个传感器元件，其设置在衬底上以接收多个光束或单个光束的多个部分。

在一些实现方式中，光整形光学器件120可以被配置为将均匀强度场扩展或整形为特定图案的非均匀强度场，如本文中所更详细描述的。这样，通过将光束的光子集中在场景的特定区域处，在场景的特定区域处返回到光学接收器130的光子的量增加，从而在比使用均匀强度场更远的距离和/或在更强烈的环境光条件下，使得能够以更高的准确度实现飞行时间测量。在一些实现方式中，光整形光学器件120分布处于非均匀密度的点图案以产生非均匀强度场。

在一些实现方式中，光整形光学器件120可以是具有特定结构的特定类型的光学元件。例如，光整形光学器件120可以是和/或包括光学漫射器、滤光器、准直器、透镜、反射镜、漫射器(例如，工程漫射器、全息漫射器等)、另一光学元件等。在一些实现方式中，光整形光学器件120可以是衍射光学元件(DOE)，以衍射光学发送器115所提供的光以形成非均匀强度场。在一些实现方式中，光整形光学器件120可以是折射光学元件(ROE)，以折射光学发送器115所提供的光以形成非均匀强度场。在一些实现方式中，光整形光学器件120可以是微透镜集合以对光学发送器115所提供的光进行整形以形成非均匀强度场。在一些实现方式中，光整形光学器件120可以更改束的发散以形成非均匀强度场。

在一些实现方式中，光整形光学器件120可以是工程漫射器，该工程漫射器可以提供比可以通过DOE来实现的尺寸大——介于约100倍大与1000倍大之间——的特征尺寸(例如，大约20微米(μm))、制造误差减少等。附加地或可替代地，使用工程扩散器可以提供介于大约0.25度与150度之间的发散角灵活性。在一些实现方式中，光整形光学器件120可以是矩形分布工程漫射器、圆形分布工程漫射器、和/或任何其他形状分布类型的工程漫射器。在这种情况下，光整形光学器件120可以图案化和/或形成在具有例如大约0.3毫米(mm)、介于0.1mm与0.01mm之间等的厚度的玻璃衬底上。附加地或可替代地，光整形光学器件120可以压印到衬底上、附接到衬底上等。附加地或可替代地，光整形光学器件120可以独立于衬底并且可以由光学组件的一个或多个部件形成。在一些实现方式中，光整形光学器件120可以具有非平面形状。

在一些实现方式中，光整形光学器件120可以光学耦合到多个光学发送器115以使得能够产生非均匀强度场。附加地或可替代地，多个光整形光学器件120可以将多个束或单个束的多个部分朝向公共区域引导以产生非均匀强度场。在一些实现方式中，光整形光学器件120可以包括多个光整形光学器件(例如，多个不同的光整形光学器件)以对非均匀强度场光的单个图案、非均匀强度场光的多个不同图案、均匀强度场光(例如，与非均匀强度场光结合使用)等进行整形。在一些实现方式中，多个光整形光学器件120可以光学耦合到多个光学发送器115以形成单个图案、多个图案等。附加地或可替代地，单个光整形光学器件120可以光学耦合到单个光学发送器115，单个光整形光学器件120可以光学耦合到多个光学发送器115，多个光整形光学器件120可以光学耦合到单个光学发送器115等。

在一些实现方式中，光整形光学器件120可以与提供一个或多个其他功能的一个或多个层相关联和/或包括该一个或多个层。例如，光整形光学器件120可以包括和/或耦合到带通滤波层、长通滤波层、短通滤波层、抗反射涂覆层、聚焦层、透光导电层等。

还如图1A并且通过附图标记145所示，光学发送器115可以朝向光整形光学器件120发送输入束。例如，光学发送器115可以发送具有均匀强度场的输入束。在这种情况下，输入束可以与小于阈值强度相关联，诸如小于眼睛安全等级阈值(例如，小于与眼睛安全等级相关联的阈值功率的功率，诸如小于给定发散角、脉冲持续时间、曝光方向、波长等处的阈值的功率)、小于功率容量相关阈值等。在一些情况下，阈值功率可以与特定类别的光学发送器有关，诸如用于1类激光器、2类激光器、3类激光器等的功率阈值。在一些实现方式中，阈值强度可以与均匀强度场的总强度有关。附加地或可替代地，阈值强度可以与均匀强度场的净强度、平均强度、最大强度等有关。在一些实现方式中，输入束可以与大于阈值强度相关联(例如，为了眼睛安全)。在这种情况下，光整形光学器件120和/或一个或多个其他光学元件可以降低输出束的强度，如本文中所描述的，以在输出束的整个照明场上具有小于阈值强度。在一些实现方式中，输入束可以具有恒定的强度。在一些实现方式中，输入束的强度可能在均匀强度场的阈值部分内恒定(例如，强度在均匀强度场的中心95％内恒定并且在边缘处变小)。

还如图1A所示，光整形光学器件120可以对输入束进行整形以形成具有指向对象150的特定图案的输出束。例如，光整形光学器件120可以集中输入束，扩展输入束，在输入束中引起干涉图案等。这样，光整形光学器件120可以以非均匀强度场引导输出束。例如，光整形光学器件120可以朝向对象150引导离散照明点集合，这些离散照明点可以是单独输出束(输出束的束部分)。附加地或可替代地，光整形光学器件120可以形成具有输出束的视场中的集中区域集合和输出束的视场的另一区域集合的输出束，其中集中区域集合与强度相对较高的光相关联，而另一区域集合与强度相对较低的光相关联，如本文中所更详细地描述的。在这种情况下，输出束可以采用强度发生变化的单个输出束、强度发生变化的多个输出束、强度有所不同的多个输出束等的形式。附加地或可替代地，光整形光学器件120可以形成诸如网格布置、干涉图案布置等之类的其他类型和布置的集中区域，如本文所更详细地描述的。

如图1B并且通过附图标记155所示的，基于朝向对象150引导的一个或多个输出束，输出束的反射可以被引导向接收器系统125。例如，输出束的反射可以通过透镜140和滤光器135集中、滤波、整形等，并且可以通过光学接收器130接收。在这种情况下，光学接收器130可以使用传感器元件阵列接收从对象150反射的输出束的部分的集合。在这种情况下，输出束的每个部分可以与光的集中区域相对应，并且光学接收器130可以使用传感器元件来执行与每个集中区域相关联的飞行时间测量。附加地或可替代地，光学接收器130可以接收多个反射束。例如，当光整形光学器件120使得多个离散输出束被朝向对象150引导时，光学接收器130可以接收多个离散输出束的反射。在一些实现方式中，光学接收器130可以设置在透镜140后面并且多个输出束的多次反射可以在被光学传感器接收之前穿过透镜140和滤光器135。附加地或可替代地，透镜140和滤光器135可能不设置在对象150与光学接收器130之间的光学路径中。尽管本文中所描述的一些实现方式根据自由空间光学器件配置来描述，但是其他实现方式也是可能的，诸如集成到单个公共衬底中的发送器系统110、接收器系统125等。

还如图1B并且通过附图标记160所示，传感器系统105可以确定对象150的一个或多个三维测量。例如，光学接收器130和/或与其相关联的处理器可以执行输出光束的反射的一个或多个飞行时间测量并且可以确定对象150和/或其一个或多个部分与传感器系统105的距离。在这种情况下，光学接收器130和/或相关联的处理器可以基于一个或多个飞行时间测量来确定对象150和/或其部分与传感器系统105的距离，并且可以基于对象和/或其部分与传感器系统105相距的距离来生成对象150的三维测量。在一些实现方式中，传感器系统105可以执行直接飞行时间测量(例如，通过测量时间)、门控飞行时间测量(例如，通过使用诸如打开和关闭门的电动快门之类的快门结构)、间接飞行时间测量(例如，通过测量相位)等。

在一些实现方式中，传感器系统105可以生成对象150的深度点云。例如，当传感器系统105提供具有点图案的多个强度点的非均匀强度场时，如本文中所更详细地描述的，传感器系统105可以生成深度点云，该深度点云表示通过点图案的多个强度点照射的对象150的多个部分的多个距离测量。在这种情况下，通过提供视场中强度点的阈值密度，传感器系统105实现对所生成的对象150的三维表示的阈值分辨率水平。

在一些实现方式中，传感器系统105可以组合多个测量集合以生成对象150的三维测量或三维表示。例如，传感器系统105可以向对象150提供具有均匀强度的另一束以执行对象150的二维成像，并且可以将二维成像与对象150的一个或多个基于飞行时间的距离测量相结合以生成对象150的三维表示。这样，传感器系统105可以使用单独束来实现三维成像。附加地或可替代地，传感器系统105可以使用与关于飞行时间测量的相同束来执行二维成像。例如，传感器系统105可以确定对输出束的反射的飞行时间测量和成像测量两者以实现对象150的三维成像。这样，传感器系统105可以执行三维成像而无需朝向对象150引导单独束，从而可以减小与传感器系统105相关联的尺寸和/或成本。

如上文所指示的，图1A和图1B仅作为一个或多个示例提供。其他示例可能与关于图1A和图1B所描述的示例不同。

图2A至图2G是可以通过光整形光学器件120整形的非均匀强度光场的示例实现方式200至250的图。

如图2A所示，示例实现方式200示出了非均匀强度场的示例。如图表202所示，非均匀强度场可以包括呈阶梯式图案的较高强度光的离散区域204和较低强度光(例如，零强度光)的离散区域206。换句话说，视场的一些区域通过输出束照射而视场的其他区域没有被输出束照射。在这种情况下，离散区域204可以是被照射的视场的集中区域，并且离散区域206可以是未被照射的视场的区域。在一些情况下，图2A所示的每个点实际上可能表示集中到特定区域中的多个点。例如，光整形光学器件可以将多个点集中到视场的每个区域中以将光集中在视场的每个区域中，而非跨视场提供光点的均匀分布。

这样，非均匀强度场可以形成点图案(即，其中每个点表示光束或其一部分)以集中束并且使用该束非均匀地照射对象，从而相对于通过使光穿过漫射器产生的均匀强度场而言，增加传感器系统105可以执行深度感测测量的距离。在一些实现方式中，较高强度光的离散区域204可以与超过阈值的强度相关联，并且较低强度光的离散区域206可以与没有超过阈值的强度相关联，使得形成非均匀强度场的束的总强度小于阈值。这样，传感器系统105可以增加深度感测范围，而光的总强度不会超过阈值。在另一示例中，传感器系统105可以为非均匀强度场提供网格图案、条纹图案等，而非点图案。

如图2B所示，示例实现方式210示出了非均匀强度场的另一示例。如图表212所示，非均匀强度场可以包括呈阶梯式图案的较高强度光的离散区域214和较低强度光(例如，零强度光)的离散区域216。在另一示例中，非均匀强度场可以是锯齿图案而非阶梯式图案。在这种情况下，如图表212所示，每个离散区域214可以与多个不同强度的光相关联。这样，非均匀强度场增加了点图案的点尺寸，从而相对于例如较小尺寸的点提高了对象的三维测量的分辨率。在一些实现方式中，根据辐射测定的余弦定律，光整形光学器件可以产生点、线或图案，其中点、线或图案的中心在投影强度上不等。在一些实现方式中，视场的边缘处的光的强度可能大于中心中的图案的强度，以按照辐射测定的余弦定律在点的中心处产生反射光的均匀强度。例如，边缘处的点的中心强度可能大于视场的中心处的点的中心强度，以使得边缘处的点的反射能够与中心处的点的反射平衡。可替代地，另一任意选择的位置(例如，边缘、中心、边缘与中心之间的点等)处的强度可以与另一任意选择的位置有所不同的图案的中心处的更高强度相关联。

如图2C所示，示例实现方式220示出了非均匀强度场的另一示例。如图表222所示，非均匀强度场可以包括呈阶梯式图案的较高强度光的离散区域224和较低强度光(例如，非零强度光)的离散区域226。换句话说，视场的所有区域至少部分被照射，但是一些区域比其他区域被照射得更少。在这种情况下，离散区域224可以是被照射的集中区域并且离散区域226可以是也被照射但是被比离散区域224少的光照射的区域。例如，离散区域226可以与相对于离散区域224的小于10％的照明强度相关联，从而使得与使用均匀强度场的情况相比，离散区域226能够在阈值距离处将更多数量的光子返回到传感器系统105。附加地或可替代地，离散区域226可以与相对于离散区域204的小于90％的照明强度、小于80％的照明强度、介于80％与10％之间的照明强度等相关联。在一些实现方式中，传感器系统105可能能够在离散区域226处执行感测。例如，当在离散区域226处提供非零强度并且对象在阈值内时，传感器系统105可以跨视场确定对象和/或其部分的距离。这样，传感器系统105可以使得能够进行使用对离散区域224执行的飞行时间测量的深度感测以及使用对离散区域226执行的测量的成像两者。而且，基于提供跨整个视场的至少一些光，传感器系统105使得能够相对于例如其中视场的各部分不包括用于执行测量的光的非均匀强度场而言，提高对象的三维测量的分辨率。

如图2D所示，示例实现方式230示出了用于扫描类型传感器系统105(例如，扫描激光雷达系统)的非均匀强度场的另一示例。如图表232所示，非均匀强度场可以包括呈阶梯式图案的较高强度光的离散线234和较低强度光(例如，零强度光)的间隙236。例如，光学发送器115可以提供均匀扫描线，并且光整形光学器件120可以将均匀扫描线整形为包括离散线234(即，形成线的线段或强度点)和间隙236的非均匀扫描线。在另一示例中，并非间隙236包括零强度光，间隙236可以以比离散线234小的强度被部分照射。在这种情况下，传感器系统105可以通过提供离散线234来扫描视场而水平扫过视场。附加地或可替代地，传感器系统105可以提供水平离散线234和间隙236并且可以垂直扫描以扫描视场以执行深度感测测量。这样，相对于使用较低强度的连续线来扫描视场，传感器系统105增加了用于扫描深度感测测量的范围。

如图2E所示，示例实现方式240示出了非均匀强度场的另一示例。如图表242所示，非均匀强度场可以包括由光的环形图案(例如，其形成光的干涉图案)形成的光强度的连续图案(例如，基于正弦的图案)。在这种情况下，连续图案可以包括具有较高强度的光的集中区域244以及不集中且具有较低强度的区域246。

如图2F所示，示例实现方式250示出了非均匀强度场和均匀强度场的示例。如图表251所示，非均匀强度场可以包括呈阶梯式图案的较高强度光的离散区域和较低强度光(例如，零强度光)的离散区域，并且其可以与小于阈值的总强度相关联(但可以包括超过阈值的较高强度光的离散区域)。相比之下，如图表255所示，均匀强度场可以是可能与小于阈值的强度相关联的恒定强度(例如，非零强度)场。在这种情况下，传感器系统105可以使用非均匀强度场发送第一束以执行深度感测并且使用均匀强度场发送第二束以执行图像感测。附加地或可替代地，传感器系统105可以发送单个束，并且可以包括光整形光学器件(例如，光整形光学器件120)以将单个束分成用于整形为非均匀强度场的第一束和用于扩散到均匀强度场中的第二束。在一些实现方式中，传感器系统105可以包括多个VCSEL阵列以提供多个束，并且多个VCSEL阵列可以同时、按顺序等进行脉冲以使用光学接收器130的单个图像传感器捕获深度点云和二维图像两者。这样，传感器系统105可以实现使用对非均匀强度场执行的飞行时间测量的深度感测以及使用对均匀强度场执行的测量的成像两者。尽管本文中根据特定图案集合描述了一些实现方式，但是其他图案也是可能的并且可以与本文中所描述的图案不同。例如，其他图案可以包括集中区域的其他重复图案、集中区域的其他非重复图案、集中区域的规则图案、集中区域的不规则图案等。在一些实现方式中，传感器系统105可以投射多个不同图案(例如，用于单独成像、用于组合以生成单个图像等)。

如图2G所示，示例实现方式260示出了非均匀强度场的示例。如图表262所示，基于相对于区域266而言，被通过光整形光学器件引导到离散区域264的较高密度的强度点，非均匀强度场可以包括较高强度光的离散区域264。

如上文所指示的，图2A至图2G仅作为一个或多个示例提供。其他示例可能与关于图2A至图2G所描述的示例不同。

图3A至图3C是可以通过光整形光学器件120整形的非均匀强度光场的示例实现方式300至320的图。

如图3A并且通过示例实现方式300所示，一些图案的强度可以从第一区域集合中的集中光强度变化到第二区域集合中的较低光强度(例如，其大于阈值光强度)，其中强度作为诸如正弦函数之类的函数而发生变化。在这种情况下，阈值光强度可以介于最高集中点的强度的10％和90％之间。相比之下，如图3B并且通过示例实现方式310所示，可以使用在点之间具有均匀强度场的均匀强度点。相比之下，如图3C所示，可以提供三维的非均匀强度场。在另一示例中，可以以变化的强度生成线图案、重复图案、非重复图案、多个不同图案、其组合等。

如上文所指示的，图3A至图3C仅作为一个或多个示例提供。其他示例可能与关于图3A至图3C所描述的示例不同。

这样，通过产生非均匀强度场，传感器系统105可以确保在测量期间可以接收阈值数量的光子，而不增加总强度，从而使得能够相对于使用均匀强度场在增加的范围内进行准确的深度感测。

前述公开提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实施限制为所公开的精确形式。修改和变化可以根据上述公开来进行，或可以从实现方式的实践中获得。

如本文中所使用的，依据上下文，满足阈值可以是指值大于阈值、多于阈值、高于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、少于阈值、低于阈值、小于或等于阈值、等于阈值等。

尽管在权利要求中记载和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但这些组合并不旨在限制各种实现方式的公开内容。事实上讲，这些特征中的许多特征可以以权利要求中未具体记载和/或说明书中未具体公开的方式组合。尽管本文所列出的每个从属权利要求可能仅直接从属于一个权利要求，但是各种实现方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求书的每一个其他权利要求的组合。

本文中所使用的任何元素、动作或指令均不应被解释为关键的或必不可少的，除非明确如此描述。此外，如本文中所使用的，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项并且可以与“一个或多个”互换使用。更进一步地，如本文中所使用的，术语“集合”旨在包括一个或多个项(例如，相关项、不相关项、相关项和不相关项的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。如果仅旨在一项，则使用短语“仅一项”或类似语言。此外，如本文中所使用的，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在是开放式术语。进一步地，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分基于”。