用于收集场内的距离信息的光学系统

本申请是国际申请日为2017年8月24日、国家申请号为201780062843.6、发明名称为“用于收集场内的距离信息的光学系统”的发明专利申请的分案申请。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2016年8月24日提交的标题为“OPTICAL SYSTEM FOR COLLECTINGDISTANCE INFORMATION WITHIN A FIELD”的美国临时申请62/379,130的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般而言涉及光学传感器领域，并且更具体而言涉及光学传感器领域中用于收集距离信息的新型有用的系统光学系统。

背景技术

光检测和测距(LiDAR)系统已经被使用在广泛的应用范围中，例如农业、森林规划和管理、环境评估、勘测、测绘、成像和车辆自动化等。与相机不同，LiDAR系统可以在夜间操作和在任何天气下操作。另外，LiDAR系统不受低太阳角度的影响，并且可以直接基于从被照明物体返回的光提供距离轮廓。

但是，以更高的精度、更低的成本和更快的结果提供2D或3D距离信息仍然是挑战。

发明内容

根据本公开各种示例的系统和方法提供了上面提到的问题的解决方案。用于收集距离信息的示例光学系统包括：被配置为收集多个照明源的从光学系统外部的场反射的照明光束的第一发射光学装置；至少包括第一像素列和第二像素列的像素阵列，第一像素列中的每个像素从第一像素列中的相邻像素偏移第一像素间距，第二像素列从第一像素列水平偏移第一像素间距，第二像素列从第一像素列竖直偏移第一竖直间距；以及插置在第一发射光学装置和像素阵列之间的输入通道集合，输入通道集合至少包括第一多个输入通道和第二多个输入通道，第一多个输入通道中的每个输入通道被配置为将所收集的照明光束中的一个照明光束从第一发射光学装置传送到第一像素列中的对应像素，第二多个输入通道中的每个输入通道被配置为将所收集的照明光束中的一个照明光束从第一发射光学装置传送到第二像素列中的对应像素。

在本公开的一个方面，第一发射光学装置具有第一焦距并且限定与场相对的焦平面。输入通道集合包括：设置成基本上与焦平面重合的孔层，该孔层包括至少包含第一多个孔和第二多个孔的孔集合；透镜集合，该透镜集合至少包括第一多个透镜和第二多个透镜，第一多个透镜中的每个透镜与第一多个孔中的一个孔对应，第二多个透镜中的每个透镜与第二多个孔中的一个孔对应；以及设置成与透镜集合相邻并与孔集合相对的滤光器。

在本公开的另一方面，输入通道集合中的每个输入通道与像素阵列中的对应像素同轴，使得输入通道集合定位在基本上类似于像素阵列的偏斜网格阵列中。

在本公开的又一方面，输入通道集合中的每个输入通道包括透镜集合中的透镜和孔集合中的对应的孔，透镜基本上与对应的孔对准。

在本公开的又一方面，透镜集合中的每个透镜具有第二焦距，并且被配置为使与第一发射光学装置相对的焦平面偏移第二焦距并且使具有基本等同于光学系统的工作波长的波长的光线准直。

在本公开的又一方面，光学系统还包括第二发射光学装置。多个照明源沿着第二发射光学装置的焦平面定位，被第二发射光学装置投射的每个照明光束具有与输入通道集合中的对应的输入通道的视场基本相同的尺寸和几何形状。

在本发明的又一方面，通过选择性地金属化玻璃晶片并将孔集合蚀刻到金属化玻璃晶片中来分开制造孔层。

在本公开的又一方面，像素阵列集成在半导体晶片上。使用光刻技术或晶片级键合技术中的至少一个在半导体晶片上制造第一发射光学装置和输入通道集合。

在本公开的又一方面，第一像素间距是第一竖直间距的n倍，其中n是正整数。

在本公开的又一方面，光学系统还包括被配置为使像素阵列、输入通道集合和第一发射光学装置围绕竖直轴旋转的致动器。致动器包括旋转电动马达和光学编码器，旋转电动马达被配置为基于光学编码器的输出来控制像素阵列、输入通道集合和第一发射光学装置的旋转速度，光学编码器经由闭环反馈电路耦合到像素阵列。

制造用于收集距离信息的光学系统的示例方法包括：提供被配置为收集多个照明源的从光学系统外部的场反射的照明光束的第一发射光学装置；提供至少包括第一像素列和第二像素列的像素阵列，第一像素列中的每个像素从第一像素列中的相邻像素偏移第一像素间距，第二像素列从第一像素列水平偏移第一像素间距，第二像素列从第一像素列竖直偏移第一竖直间距；以及定位插置在第一发射光学装置和像素阵列之间的输入通道集合，输入通道集合至少包括第一多个输入通道和第二多个输入通道，第一多个输入通道中的每个输入通道被配置为将所收集的照明光束中的一个照明光束从第一发射光学装置传送到第一像素列中的对应像素，第二多个输入通道中的每个输入通道被配置为将所收集的照明光束中的一个照明光束从第一发射光学装置传送到第二像素列中的对应像素。

收集距离信息的示例方法包括使用光学系统，该光学系统具有：被配置为收集多个照明源的从光学系统外部的场反射的照明光束的第一发射光学装置；至少包括第一像素列和第二像素列的像素阵列，第一像素列中的每个像素从第一像素列中的相邻像素偏移第一像素间距，第二像素列从第一像素列水平偏移第一像素间距，第二像素列从第一像素列竖直偏移第一竖直间距；以及插置在第一发射光学装置和像素阵列之间的输入通道集合，输入通道集合至少包括第一多个输入通道和第二多个输入通道，第一多个输入通道中的每个输入通道被配置为将所收集的照明光束中的一个照明光束从第一发射光学装置传送到第一像素列中的对应像素，第二多个输入通道中的每个输入通道被配置为将所收集的照明光束中的一个照明光束从第一发射光学装置传送到第二像素列中的对应像素。

收集距离信息的示例方法包括提供光学系统，该光学系统具有：被配置为收集多个照明源的从光学系统外部的场反射的照明光束的第一发射光学装置；至少包括第一像素列和第二像素列的像素阵列，第一像素列中的每个像素从第一像素列中的相邻像素偏移第一像素间距，第二像素列从第一像素列水平偏移第一像素间距，第二像素列从第一像素列竖直偏移第一竖直间距；以及插置在第一发射光学装置和像素阵列之间的输入通道集合，输入通道集合至少包括第一多个输入通道和第二多个输入通道，第一多个输入通道中的每个输入通道被配置为将所收集的照明光束中的一个照明光束从第一发射光学装置传送到第一像素列中的对应像素，第二多个输入通道中的每个输入通道被配置为将所收集的照明光束中的一个照明光束从第一发射光学装置传送到第二像素列中的对应像素。

附图说明

图1是系统的示意性表示；

图2是系统的一种变型的示意性表示；

图3A和图3B是系统的一种变型的图形表示；

图4是系统的一种变型的示意性表示；以及

图5A、图5B、图5C和图5D是系统的一种变型的图形表示。

具体实施方式

以下对本发明实施例的描述并非旨在将本发明限于这些实施例，而是旨在使本领域技术人员能够制造并使用本发明。本文描述的变型、配置、实现方式、示例实现方式和示例是可选的，并且不是其所描述的变型、配置、实现方式、示例实现方式和示例独有的。本文描述的发明可以包括这些变型、配置、实现方式、示例实现方式和示例的任何和全部置换。

如图1和图2中所示，用于收集场内的距离信息的系统包括：体接收光学装置；像素块；第一输入通道集合；以及第二输入通道集合。像素块包括：第一像素列，第一列中的每个像素从第一列中的相邻像素竖直偏移像素间距；以及从第一列水平偏移像素间距并且从第一列竖直偏移竖直间距的第二像素列，第二列中的每个像素从第二列中的相邻像素竖直偏移像素间距，竖直间距包括像素间距的一部分。第一输入通道集合插置在体接收光学装置和像素块之间，第一输入通道集合中的每个输入通道被配置为将从体接收光学装置入射的光传送到第一像素列中的对应像素。第二输入通道集合从第一输入通道集合水平偏移并且插置在体接收光学装置和像素块之间，第二输入通道集合中的每个输入通道被配置为将从体接收光学装置入射的光传送到第二像素列中的对应像素。

该系统用作在围绕平行于像素列的轴旋转时收集由系统占据的体积的三维距离数据的图像传感器。特别地，在操作期间，系统可以在一系列扫描周期中的每个扫描周期内收集三维距离数据，并且可以将这些数据重构为由系统占据的体积的虚拟三维表示，诸如基于照明光束从照明源发射与在每个像素处检测到相同或相似的频率或者时间模式的光子之间的记录时间或者通过实施基于相位的测量技术。

系统包括偏斜网格阵列布局中的两个或更多个像素列，其中相邻像素列竖直偏移和水平偏移，使得像素集合投射到每行具有一个像素的单个竖直像素列上。系统还包括每个像素一个输入通道，并且输入通道将光从公共体接收光学装置传递到该输入通道对应的像素。系统还可以包括使像素块、输入通道和体接收光学装置围绕竖直轴旋转的致动器，使得每个像素(和每个对应的输入通道)在旋转致动器的单次旋转(下文中称为“扫描周期”)期间遍历平行于并且竖直偏移于由系统中每个其它像素遍历的独特圆形路径的独特圆形路径。对于扫描周期内的每个弧形采样周期，系统可以在一个扫描周期内在多个弧形采样位置中的每个弧形采样位置处从每个像素收集数据，并将从多个像素列收集的这些数据组合成单个竖直列的——到(大致)在与系统的旋转轴重合的单个竖直平面内的外表面的——距离。因此，系统可以以与由仅包括单个像素列的类似扫描系统输出的数据基本类似的格式输出数据(例如，距离值)。但是，因为系统包括多个竖直偏移和水平偏移的像素列，所以系统中的每个像素可以比具有大致相同的整体高度并以相同的有效(竖直)像素间距包括相同数量的像素的类似扫描系统中的像素限定更大的高度，并且因此可以包括更多数量的检测器以及表现出更大的动态范围。

系统可以在每个扫描周期输出范围值的矩阵，其中矩阵的一行中的所有范围值与像素块中的一个具体像素的输出对应，并且其中矩阵的一行中的每个范围值与对应像素在一个扫描周期内在传感器块的独特角度位置处的输出对应。因为系统中相邻的像素列彼此水平偏移和竖直偏移，所以系统一次(即，每个目标角度采样位置)用一个范围值而不是同时填充扫描周期的矩阵的每一行。相邻像素列之间的水平偏移和竖直偏移还使得系统中的每个像素对于系统的给定有效竖直间距能够跨越更大的面积(并且因此包括更多的检测器)，从而产生光学系统的动态范围与尺寸的相对大的比率。此外，虽然像素块上每个像素的面积跨越相对大的面积，但是每个像素与包括孔的输入通道配对，该孔约束像素的视场使得像素保持相对高的空间选择性。因此，该系统可以包括水平偏移和竖直偏移的像素列以及对应的输入通道，使得能够：通过大像素面积实现高动态范围；通过每个像素的小视场实现高空间选择性；以及通过紧凑系统内的小有效像素竖直间距实现高分辨率。

该系统包括多个像素，并且每个像素可以包括被配置为检测入射光的一个或多个检测器。例如，像素可以输出入射光子的计数、入射光子之间的时间、入射光子的时间(例如，相对于照明输出时间)或其它相关数据，并且系统可以将这些数据转换成从系统到这些像素的视场中的外表面的距离。通过将这些距离与这些数据起源的像素的位置以及在收集这些数据时这些像素的相对位置合并，系统(或访问这些数据的其它设备)可以重构由系统占据的空间的三维(虚拟或数学)模型，诸如以由范围值的矩形矩阵表示的3D图像的形式，其中矩阵中的每个范围值与3D空间中的极坐标对应。

像素内的每个检测器可以被配置为每个采样周期检测单个光子。因此，像素可以包括多个检测器，以便增加像素的动态范围；特别地，随着集成到每个像素中的检测器的数量增加，像素(以及因此系统)的动态范围可以增加，并且可以集成到像素中的检测器的数量可以随着像素的面积线性地缩放。例如，像素可以包括单光子雪崩二极管检测器(“SPAD”)的阵列，诸如6x6网格阵列上的32个检测器，其中在四个角中的每个角中都少一个检测器，如图4中所示。对于直径为十微米的检测器，像素可以限定大致400微米见方的印迹。但是，该系统可以包括包含任何其它数量的检测器的任何其它类型的像素。

该系统包括像素块，该像素块包括：第一像素列，第一列中的每个像素从第一列中的相邻像素竖直偏移像素间距；以及从第一列水平偏移像素间距并从第一列竖直偏移竖直间距的第二像素列，第二列中的每个像素从第二列中的相邻像素竖直偏移像素间距，竖直间距包括像素间距的一部分。一般而言，像素块包括偏斜网格阵列中的多个像素行和多个像素列，其中每列包括竖直对准的多个像素，并且其中每行与距体接收光学装置的标称轴的独特竖直距离对应并且包括单个像素，如图1、图2和图4中所示。特别地，像素块可以包括横向偏移和竖直偏移的多个像素列(与单个像素列相比)以使得每个像素更高和更宽(从而使得每个像素能够包括更大数量的检测器并且增加系统的动态范围)而无需更高的像素块来容纳像素之间这种更大的竖直间距。

在一个实现方式中，像素块和像素被集成到单一集成电路中。例如，像素块和像素可以在单个专用集成电路(或“ASIC”)中限定。在这个示例中，每个输入通道可以包括孔，该孔限制ASIC上的对应像素的视场，以便实现像素的更大空间选择性。

在一种配置中，该系统包括两个像素列，诸如共享公共体接收光学装置的32×2像素阵列和对应的32×2输入通道阵列。在这种配置中，系统可以表现出与包括以相同有效竖直像素间距布置在具有大致相同高度的像素块上的相同数量的像素的单列系统的体分辨率等同的体分辨率，但是两列系统可以表现出比单列系统更大的动态范围。特别地，两列系统的第一列和第二列中的像素都可以竖直偏移第二竖直间距，该第二竖直间距是单列系统的第一竖直间距的两倍(例如，200微米对100微米)，并且第二像素列可以从第一像素列竖直偏移第二竖直间距的一半，从而在相同数量的像素布置在具有大致相同高度的像素块上的情况下，在两列系统中为像素提供的空间是单列系统中像素的高度的两倍。因此，对于方形像素，两列系统中的每个像素可以限定大致为单列系统中的像素的面积的四倍的面积，因此可以包括大致为单列系统中像素的检测器数量的四倍的检测器数量，并且因此可以表现出大致为单列系统中像素的动态范围的四倍的动态范围。例如，对于大致6400微米高并且包括64个像素(即，100微米的竖直间距)的像素块：单列系统可以包括64个100微米见方的像素，每个像素包括四个50微米宽的检测器；而两列系统可以包括第一列32个200微米见方的像素和第二列32个200微米见方的像素，每个像素包括八个50微米宽的检测器。

但是，因为两列系统包括两个像素列，其中两列都从系统的水平中心(即，像素块的y轴)水平偏移，所以第一列中的像素可以(在水平平面中)表现出从第二列中的像素的视场成角度地偏移的视场。因此，第一列中的像素的视场可以在距系统的距离增加处从第二列中的像素的视场横向偏移更大的量。因此，共享同一体接收光学装置的两个像素列之间的水平偏移可以显示为(在水平平面中)第一像素列的视场与第二像素列的视场之间的角度偏移(下文中称为“水平失真”)。

此外，这种水平失真在一个像素列中的像素之间可能是不均匀的。特别地，第一像素列中的像素的视场可以根据像素距体光学装置的中心轴的距离从体透镜的中心(例如，法线)轴成角度地偏移，使得第一像素列底部的像素在水平平面中表现出最大负角度偏移，并且使得第一像素列顶部的像素在水平平面中表现出类似的最大正角度偏移。但是，如下所述，系统可以在校正矩阵中补偿每列中的像素的视场的水平偏移角度(例如，“偏航(yaw)”角度)的这种变化。

在图1和图2所示的另一个配置中，系统包括四个像素列，诸如共享公共体接收光学装置的16×4像素阵列和对应的16×4输入通道阵列。在这个配置中，系统可以表现出与包括以相同的有效竖直像素间距布置在具有大致相同高度的像素块上的相同数量的像素的单列系统和两列系统的体分辨率等同的体分辨率，但是四列系统可以表现出比单列系统和两列系统更大的动态范围。特别地，四列系统的每列中的像素可以竖直偏移第四竖直间距，该第四竖直间距是两列系统的第二竖直间距的一半(例如，400微米对200微米)，并且四列系统中的每个像素列可以从相邻的像素列竖直偏移第四竖直间距的四分之一，从而在相同数量的像素布置在具有大致相同高度的像素块上的情况下，在四列系统中为像素提供两倍于两列系统中像素的高度的空间。因此，对于方形像素，四列系统中的每个像素可以限定大致为两列系统中像素的面积的四倍的面积，因此可以包括大致为两列系统中像素的检测器数量的四倍的检测器数量，并且因此可以表现出大致为两列系统中像素的动态范围的四倍的动态范围。在上面的示例中，对于大致6400微米高并且包括64个像素的像素块，四列系统可以包括四个像素列，每列包括十六个400微米见方的像素，每个像素包括32个50微米宽的检测器。

但是，因为四列系统包括四个像素列，所有像素都从系统的中心水平偏移，所以最左列中的像素可以在水平平面中表现出从最右列中像素的视场成角度地偏移大于(例如，两倍于)上述两列系统的第一列和第二列中的像素的视场之间在水平平面中的角度偏移的视场。因此，四列系统可以表现出比两列系统更大的水平失真，诸如图3A中所示。

在又一个配置中，系统包括八个像素列，诸如共享公共体接收光学装置的8×8像素阵列和对应的8×8输入通道阵列。在这个配置中，系统可以表现出与包括以相同的有效竖直像素间距布置在具有大致相同高度的像素块上的相同数量的像素的单列系统、两列系统和四列系统的体分辨率等同的体分辨率，但是八列系统可以表现出比单列系统、两列系统和四列系统更大的动态范围。特别地，八列系统的每列中的像素可以竖直偏移第八竖直间距，该第八竖直间距是四列系统的第四竖直间距的两倍(例如，800微米对400微米)，并且八列系统中的每个像素列可以从相邻的像素列竖直偏移第八竖直间距的八分之一，从而在相同数量的像素布置在具有大致相同高度的像素块上的情况下，在八列系统中为像素提供两倍于四列系统中像素的高度的空间。因此，对于方形像素，八列系统中的每个像素可以限定大致为四列系统中像素的面积的四倍的面积，因此可以包括大致为四列系统中像素的检测器数量的四倍的检测器数量，并且因此可以表现出大致为四列系统中像素的动态范围的四倍的动态范围。在上面的示例中，对于大致6400微米高并且包括64个像素的像素块，八列系统可以包括八个像素列，每列包括八个800微米见方的像素，每个像素包括～120个50微米宽的检测器。

但是，因为八列系统包括八个像素列，所有像素都从系统的中心水平偏移，所以最左列中的像素可以在水平平面中表现出从最右列中像素的视场成角度地偏移两倍于四列系统的最左列和最右列中的像素的视场之间在水平平面中的角度偏移的视场。因此，八列系统可以表现出比上述四列系统更大的水平失真。

但是，该系统可以包括以任何其它数量的列或行布置的任何其它数量的像素，以至少实现像素块周边上的像素的视场的阈值分辨率、最小动态范围、最大水平和/或竖直光学失真，或像素块的最大宽度和/或高度等。

如图1、图3A和图3B中所示，该系统还包括：体接收光学装置；插置在体接收光学装置和像素块之间的第一输入通道集合，第一输入通道集合中的每个输入通道被配置为将从体接收光学装置入射的光传送到第一像素列中的对应像素；以及从第一输入通道集合水平偏移并且插置在体接收光学装置和像素块之间的第二输入通道集合，第二输入通道集合中的每个输入通道被配置为将从体接收光学装置入射的光传送到第二像素列中的对应像素。一般而言，体接收光学装置用于从系统外部收集光(即，电磁辐射)；并且每个输入通道用于从体接收光学装置收集光、过滤这种光并且将相对窄波段上的光传递到像素块中的对应像素。

在一个实现方式中，每个输入通道与其对应的像素同轴，使得第一输入通道集合和第二输入通道集合布置在基本上与由像素限定的偏斜网格阵列类似的偏斜网格阵列中，如上所述。每个输入通道可以包括：布置在焦平面上的孔；被配置为通过处于工作频率(或在窄工作频带内)的垂直入射光的滤光器；插置在孔和滤光器之间并且被配置为将准直光输出到滤光器的输入透镜；以及，与滤光器相邻、和输入透镜相对并且被配置为将被滤光器通过的光散布在像素块中的对应像素上(和/或将被滤光器通过的光重新聚焦到对应像素的活动区域中)的输出透镜。一般而言，体接收光学装置、孔、输入透镜、滤光器和像素协作以收集光(例如，环境光和由照明源输出的光)、准直这种光、拒绝在包括照明源的中心输出波长的窄波段之外的所有光(下面描述)并且检测到达像素的光。因此，系统可以将在一个采样周期期间由特定像素记录的入射光子计数、入射光子之间的时间、相对于照明光束输出时间的入射光子时间等转换成从系统到特定像素的视场中的外表面的距离，如由对应的输入通道和体接收光学装置限定的。

在这个实现方式中，输入通道集合可以在单个输入块中限定，输入块包括：布置在体接收光学装置后面并且限定每个输入通道一个输入孔的孔层；与孔层相邻、和体接收光学装置相对并且为每个输入通道限定与对应输入孔基本上轴向对准的输入透镜的透镜层；以及与透镜层相邻、和孔层相对并且跨越透镜层的滤光器。在这个实现方式中，体接收光学装置由体焦距表征，体接收光学装置从焦平面偏移体焦距并且用于将来自系统外部的入射光线朝着焦平面投射。例如，体接收光学装置可以包括协作以形成会聚透镜的多个透镜，该多个透镜诸如一个或多个双凸透镜(如图1和图4中所示)和/或平凸透镜，该会聚透镜在被滤光器通过的垂直光线的中心波长(即，“系统的标称工作波长”)处或附近由特定体焦距表征。(体接收透镜还可以限定垂直于焦平面的标称轴，如下面所参考的。)

孔层：包括布置在体接收光学装置后面并与焦平面重合的相对薄的不透明结构；并且限定每个输入通道一个孔以及孔周围的停止区域。孔层的停止区域拒绝(例如，阻挡、吸收、反射)入射光线，并且每个孔使入射光线朝着该孔对应的输入透镜通过。例如，孔层可以限定孔集合，其中每个孔具有接近衍射极限直径的直径以最大化系统的视场的几何选择性。

在这个实现方式中，输入透镜由第二焦距表征，输入透镜从焦平面偏移第二焦距、使被孔通过的光线准直并且将准直光线传递到滤光器。例如，输入块可以包括每个通道一个输入透镜，其中每个输入透镜包括由与体接收光学装置的射线锥(raycone)基本匹配的射线锥表征的会聚透镜，并且可以从体接收光学装置的焦平面偏移相对短的第二焦距，以保留体接收光学装置的孔并且使被对应孔通过的光准直。滤光器从输入透镜接收在波长光谱中的准直光、将相对窄波段的光(例如，工作波长+/-0.25纳米)传递到对应像素并且阻挡(例如，反射、吸收)这个窄波段之外的光。例如，滤光器可以包括窄光学带通滤波器。

在系统包括照明源的一个示例中，如下所述，照明源可以(主要地)以900nm的标称波长输出光，并且滤光器可以限定被配置为使899.95nm和900.05nm之间的(以90°的角度入射在滤光器上的)光通过并且被配置为基本上阻挡这个波段之外的(以90°的角度入射在滤光器上的)所有光的平面光学带通滤波器。因此，像素集合中的像素可以在采样周期期间接收被滤光器通过的光(即，“光子”)、检测这些入射光子并且输出与检测到的光子的数量或速率对应的信号。

在这个实现方式中，可以制造体接收光学装置、孔层、透镜层、滤光器和输出透镜，然后与像素块对准并且安装到像素块上。在一个示例中，通过涂覆熔融石英基板来制造滤光器。然后将光活性光学聚合物沉积在滤光器之上，将限定透镜形式阵列的透镜模具放置在光活性光学聚合物之上，并且激活UV光源以将光活性光学聚合物固化成跨滤光器的透镜图案。经由光刻技术跨滤光器类似地模制或形成支架(standoff)。通过选择性地金属化玻璃晶片并将孔蚀刻到这个金属化层中来分开制造孔层；然后将玻璃晶片键合或以其它方式安装到这些支架。在这个示例中，随后反转组件，并且类似地跨滤光器与透镜层相对地制造第二支架集合。像素块(例如，离散图像传感器)与第二支架集合对准并键合到第二支架集合；体接收光学装置类似地安装在孔层之上以完成系统。

可替代地，像素块可以在半导体晶片上制造(例如，以专用集成电路的形式)，并且体接收光学装置、孔层、透镜层和滤光器可以经由光刻和晶片级键合技术直接在半导体晶片上——在像素块之上——制造。但是，体接收光学装置、孔层、透镜层、滤光器和像素块可以以任何其它方式并根据任何其它方法或技术来制造和组装。

如图1中所示，系统可以包括输出回路，包括体发射光学装置和照明源。在一个实现方式中，体发射光学装置：在材料、几何形状(例如，焦距)、光学特性和/或热隔离等方面与体接收光学装置基本等同；并且与体接收光学装置相邻并且从体接收光学装置横向偏移和/或竖直偏移。

在一个示例中，照明源包括布置在体发射光学装置后面的光学发射器的单片VCSEL阵列。在这个示例中，照明源可以包括限定光学发射器列的激光二极管阵列，光学发射器列由基本等同于孔间距距离的发射器间距距离表征。在这个示例中，每个光学发射器可以输出具有基本等同于(或略大于)孔层中对应孔的直径的初始直径的照明光束，并且照明源可以沿着体发射光学装置的焦平面布置，使得从体发射光学装置投射到系统前面的场中的每个照明光束在距系统的任何距离处具有与对应输入通道的视场——以及因此对应像素的视场——基本相同的尺寸和几何形状，如图4中所示。因此，照明光源和体发射光学装置可以协作以基本上将照明光束投射到输入通道的视场中，而相对较少或没有光被投射到输入通道的这些视场之外。

在这个示例中，系统可以根据在距系统的距离范围内在尺寸和几何形状方面与输入通道的视场(例如，由孔限定的视场)基本匹配的照明图案选择性地将照明光束投射到系统前面的场中。因此，照明源可以基本上仅照明系统前面的场中位于对应像素的视场内的表面，使得系统经由照明源输出的通过照明场中像素看不见的表面而浪费的功率最小。此外，照明源的中心输出波长可以匹配到被滤光器通过的中心波长。因此，系统可以实现相对高的信号(例如，源自照明源并被传递到传感器块上的像素的光子)与噪声(例如，不是源自照明源(诸如环境光)并且被传递到传感器块上的像素的光子)的比率。

在操作期间，系统可以在单个采样周期期间从像素集合收集光数据并且将这些光数据转换成距离值。在一个实现方式中，在采样周期期间，系统：激活输出回路的照明源，以便将光投射到每个像素及输入通道的视场中；记录照明源被激活的时间(“照明时间戳”)；并且读取每个像素中的每个检测器，诸如通过在存储器中存储每个像素中记录自上个采样周期以来的入射光子以及这些光子的入射时间的检测器的数量并且然后清零每个像素中的所有检测器。在采样周期期间，系统还可以基于照明时间戳与集合中每个像素的自上个采样周期以来入射光子的峰值频率的时间之间的差来计算到像素的视场中的表面的距离。例如，对于每个像素，在采样周期结束后，系统可以实施飞行时间(timeofflight)技术，以将照明时间戳与在当前采样周期和上个采样周期之间像素处的峰值入射光子速率的时间转换成从系统到像素的视场内的外表面的距离。但是，该系统可以实施任何其它技术方法，以在采样周期期间照明每个像素及输入通道的视场，并且将从像素集合收集的数据处理成距离值或相关的值。

系统还可以包括被配置为在操作期间使像素块、输入块和体接收光学装置旋转的致动器。例如：旋转致动器可以包括旋转电动马达和光学编码器；像素块、输入块和体接收光学装置可以按单元安装在旋转电动马达的输出轴(output shaft)上；并且系统可以实施闭环反馈控制，以基于光学编码器的输出将旋转电动马达的旋转速度维持在60Hz(或360rpm)。

如下所述，系统可以按像素块的每单次旋转在多个弧形采样位置中的每个弧形采样位置处执行一个采样周期。例如，在像素块的每个360°旋转(即，扫描周期)，系统可以执行2048个弧形采样位置并输出包含2048列距离值的单个标称矩阵(nominalmatrix)，其中在扫描周期期间生成的单个标称矩阵因此表示从系统到传感器周围360°外表面的距离(以由体接收光学装置和每个像素列中的多个像素限定的某个视角)。

因为系统包括多个像素列，所以在单个采样周期期间由像素集合输出的数据与多列距离值对应，每列与相对于像素块的独特偏航角对应。类似地，因为系统中的每个像素被布置在独特的竖直位置处(即，因为像素阵列投射到单个非重叠像素列)，所以在单个采样周期期间由像素集合输出的数据与多行距离值对应，其中每行包括单个距离值并且与相对于像素块的独特俯仰角(pitchangle)对应。特别地，系统可以将在单个采样周期期间从像素集合收集的数据组装成多个不完整的距离值列，其中每个不完整的距离值列与一个独特的偏航角对应。

但是，系统可以将从在第一采样周期期间从第二像素列收集的数据生成的距离值与从在第二采样周期期间由第一像素列收集的数据生成的距离值组合，以便完成第二列距离值，如图5A和图5B中所示。系统可以在系统的单次旋转(即，单个扫描周期)期间在每个弧形采样位置处重复这个过程，以便生成包含针对由系统实施的每个弧形采样位置的非重叠俯仰角的一个完整距离值列的矩阵(或其它数据容器)，如图5C和图5D中所示。

在一个示例中，系统包括16×4像素阵列，其中在相邻像素列之间具有竖直偏移Y并且在每个像素列中具有像素间距4Y，如图2和图4中所示。在这个示例中，对于相邻弧形采样位置之间的角度偏移为0.176°，系统每次旋转实施2048个采样周期。在0°的第一弧形采样位置处，系统执行第一采样例程，如上所述。然后，系统：利用根据在第一采样周期期间分别从第一列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵内的[(1,1),(5,1),(9,1),...(57,1)和(61,1)]位置；利用根据分别从第二列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵内的[(2,2),(6,2),(10,2),...(58,2)和(62,2)]位置；利用根据分别从第三列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵内的[(3,3),(7,3),(11,3),...(59,3)和(63,3)]位置；并且利用根据分别从第四列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵内的[(4,4),(8,4),(12,4),...(60,4)和(64,4)]位置，如图5A中所示。

在相同的扫描周期期间，旋转致动器将像素块旋转到0.176°的下一个弧形采样位置，然后系统执行第二采样例程。在第二采样期间，系统：利用根据在第二采样周期期间分别从第一列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵内的[(1,2),(5,2),(9,2),...(57,2)和(61,2)]位置；利用根据分别从第二列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵内的[(2,3),(6,3),(10,3),...(58,3)和(62,3)]位置；利用根据分别从第三列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵内的[(3,4),(7,4),(11,4),...(59,4)和(63,4)]位置；并且利用根据分别从第四列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵内的[(4,5),(8,5),(12,5),...(60,5)和(64,5)]位置，如图5B中所示。系统在扫描周期的每个后续弧形采样位置重复这个过程，诸如图5C和图5D中所示，以便形成包含2048列的2048×64矩阵，其中每列与相对于旋转致动器的独特偏航角对应并且包含64个距离值，其中列中的每个距离值与相对于像素块的独特俯仰角对应，如图3B中所示。

因此，系统可以每个扫描周期构造一个标称矩阵，该标称矩阵包含与在像素的单次360°旋转内的每个弧形采样位置对应的距离值列。特别地，该系统可以每个扫描周期生成一个表示围绕系统的完全360°旋转轴的表面距像素块的距离的标称矩阵。例如，旋转致动器可以以360rpm的速率旋转系统，并且系统可以每16.7毫秒(即，以60Hz的速率)生成一个标称矩阵。

此外，为了实现每个采样位置处像素列的竖直对准，两个相邻的像素列(以及两个对应的输入通道列)可以水平偏移与体接收光学装置的焦距以及相邻弧形采样位置之间的角度间距对应的水平间距距离。在一个示例中，像素块包括16×4像素阵列，体接收光学装置由10毫米的焦距表征，每个输入通道与其对应的像素同轴，并且系统每个扫描周期(即，每次旋转)实施2048个采样周期。在这个示例中，相邻弧形采样位置之间的角度偏移是.176°，并且相邻像素列以及相邻的对应孔列之间的水平偏移是400微米，使得在.176°的第二弧形采样位置处的第二像素列与0°的第一弧形采样位置中的第一像素列竖直对准。因此，在单个扫描周期期间，系统可以在2048个弧形采样位置中的每个弧形采样位置处对所有像素进行采样，以在单次360°旋转中收集2048列光数据。

因为系统包含共享公共体接收光学装置的多个横向偏移的像素列，因此两个相邻像素列中的像素的视场可能不相对于像素块共享相同的偏航角，如图3A中所示。因此，根据在扫描周期期间在一系列采样周期上收集的数据构造的标称矩阵中的列可以包含表示相对于像素块的多个不同真实偏航角的距离值集合。例如，对于包括16×4偏斜网格像素阵列的上述系统，在特定操作温度的情况下：第一列中的像素可以表现出在偏航方面从体接收光学装置的标称轴偏移-.03°的视场；第二列中的像素可以表现出在偏航方面从体接收光学装置的标称轴偏移-.01°的视场；第三列中的像素可以表现出在偏航方面从体接收光学装置的标称轴偏移+.01°的视场；以及第四列中的像素可以表现出在偏航方面从体接收光学装置的标称轴偏移+.03°的视场。在这个示例中，在特定的操作温度：标称矩阵中的(1,1)距离值因此可以表示到在偏航方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移-.03°的视场中的表面的距离；标称矩阵中的(2,1)距离值因此可以表示到在偏航方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移-.01°的视场中的表面的距离；……标称矩阵中的(63,1)距离值因此可以表示到在偏航方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移+.01°的视场中的表面的距离；以及标称矩阵中的(64,1)距离值因此可以表示到在偏航方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移+.03°的视场中的表面的距离。

类似地，因为系统内的单个列中的像素竖直偏移但共享公共体接收光学装置，所以一个像素列中的两个相邻像素的视场可能不相对于像素块共享相同俯仰角，如图3B中所示。因此，从在扫描周期期间收集的数据构造的标称矩阵中的列可以包含表示相对于像素块的多个不同真实偏航俯仰角的距离值集合。例如，对于包括16×4偏斜网格像素阵列的上述系统：第一列中的第一像素可以表现出在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴偏移+.25°的视场；第一列中的第二像素可以表现出在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴偏移+.22°的视场；……第一列中的第十六像素可以表现出在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴偏移-.25°的视场；第二列中的第一像素可以表现出在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴偏移+.243°的视场；第二列中的第二像素可以表现出在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴偏移+.235°的视场；……第二列中的第十六像素可以表现出在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴偏移-.258°的视场；等等。在这个示例中：因此，标称矩阵中的(1,1)距离值可以表示到在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移+.25°的视场中的表面的距离；标称矩阵中的(2,1)距离值可以表示到在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移+.243°的视场中的表面的距离；标称矩阵中的(3,1)距离值可以表示到在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移+.235°的视场中的表面的距离；标称矩阵中的(4,1)距离值可以表示到在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移+.228°的视场中的表面的距离；标称矩阵中的(5,1)距离值可以表示到在俯仰方面从体接收光学装置的标称轴成角度地偏移+.22°的视场中的表面的距离；等等。

因此，系统可以生成包含与在扫描周期期间由像素集合收集的数据对应的距离值的标称矩阵，该距离值表示到在俯仰轴和偏航轴方面都从体接收光学装置的标称轴偏移的视场中的表面的距离。特别地，系统可以生成包含表示相对于传感器块(例如，类似于单个像素列的视场)0°的单个“理想”偏航角的距离值列，但是系统中像素列之间的实际水平偏移可以产生这种理想偏航角与标称矩阵中的该距离值列中表示的像素的视场的实际偏航角之间的差异；这种差异可以显示为沿着水平轴的距离数据的失真。类似地，单个像素列中的像素可以表现出随着距网格像素阵列的中心的距离增加而从体接收光学装置的标称轴的俯仰角偏移增加的视场，这可以显示为标称矩阵中的第一行和最后一行处的最低分辨率以及显示为标称矩阵中的(一个或多个)中心行处的最大分辨率。

因此，系统可以将标称矩阵与为标称矩阵中的每个条目限定俯仰偏移角和偏航偏移角的校正矩阵配对。特别地，通过将扫描周期中输出的标称矩阵中包含的距离值与校正矩阵中包含的对应角度值合并，系统(或其它设备)可以以提高的准确度计算在扫描周期期间检测的表面的位置。例如，对于第一像素列中的表现出在偏航方面从体接收光学装置的标称轴偏移-.03°的视场的像素，校正矩阵可以限定标称矩阵中100米的(1,1)距离值的向左五厘米校正(例如，100米×sin(-.03°)＝5.2厘米)。

此外，系统中每个像素的视场的俯仰偏移角和偏航偏移角可以随着体接收光学装置的焦距而变化(即，是体接收光学装置的焦距的函数)，并且体接收光学装置的焦距可以随着系统的温度而变化。因此，系统可以基于系统的温度将标称矩阵与校正矩阵配对，诸如对于包括一个或多个聚合物透镜的体接收光学装置。在一个实现方式中，系统存储预设的校正矩阵集合，其中每个校正矩阵与特定温度对应并且包含在该特定温度处系统中每个像素的视场的俯仰偏移角和偏航偏移角。在这个实现方式中，系统：还可以包括热耦合到体接收光学装置的温度传感器；可以在操作期间对温度传感器进行采样(例如，每个扫描周期一次)；并且可以将从在扫描周期期间收集的数据生成的标称矩阵与从校正矩阵集合中选择的与在相同扫描周期期间记录的体接收光学装置的温度最接近的温度对应的校正矩阵配对。例如，对于在119°F至121°F的温度范围内操作的系统，系统可以包含21个预设的校正矩阵，每个校正矩阵与119°F和121°F之间(包括119°F和121°F)的21个0.1°F温度步长中的一个对应。例如，每个校正矩阵可以通过表征在选择的操作温度处的系统内的像素的视场来凭经验生成。

可替代地，系统可以实施参数模型或其它参数函数来基于体接收光学装置(或系统内的其它元件)的温度生成校正矩阵。但是，系统可以实施任何其它方法或技术来将从在扫描周期期间收集的数据生成的标称矩阵与表示标称矩阵内包含的数据的水平失真和竖直失真的校正矩阵配对。

在一个变型中，系统增加每次旋转的角度采样执行位置的数量，以便提高在扫描周期期间生成的标称矩阵的分辨率。在一个实现方式中，系统包括偏斜网格像素阵列，其中相邻的像素列(以及对应的输入通道列)横向偏移与单次旋转中X个径向步长(例如，在步长之间为.176°时有2048个步长)对应的距离，但是每次完整旋转执行2X个等距弧形采样位置(例如，每个扫描周期在步长之间为.088°时有4096个弧形采样位置)。

在系统包括16×4像素阵列的上述示例中，系统在0°的第一弧形采样位置处执行第一采样例程，然后：利用根据在第一采样周期期间分别从第一像素列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵中的第一列内的[(1,1),(5,1),(9,1),...(57,1)和(61,1)]位置；利用根据分别从第二像素列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵的第三列内的[(2,3),(6,3),(10,3),...(58,3)和(62,3)]位置；利用根据分别从第三像素列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵的第五列内的[(3,5),(7,5),(11,5),...(59,5)和(63,5)]位置；并且利用根据分别从第四像素列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵的第七列内的[(4,7),(8,7),(12,7),...(60,7)和(64,7)]位置。

在这个示例中，旋转致动器旋转像素块，并且一旦像素块到达0.088°的下一弧形采样位置，系统就执行第二采样例程。然后系统：利用根据在第一采样周期期间分别从第一像素列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵中的第二列内的[(1,2),(5,2),(9,2),...(57,2)和(61,2)]位置；利用根据分别从第二像素列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵的第四列内的[(2,4),(6,4),(10,4),...(58,4)和(62,4)]位置；利用根据分别从第三像素列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵的第六列内的[(3,6),(7,6),(11,6),...(59,6)和(63,6)]位置；并且利用根据分别从第四像素列中的第一像素、第二像素、第三像素、第四像素、……第十五像素和第十六像素接收的数据计算的距离值填充距离矩阵的第八列内的[(4,8),(8,8),(12,8),...(60,8)和(64,8)]位置。

系统在到达.176°处的第三弧形采样位置时、然后在.264°的第四弧形采样位置处以及对于像素块的完整旋转中的每个后续弧形采样位置都重复这个过程一次，以便形成包含4096列的4096×64矩阵，其中每列与相对于旋转致动器的独特偏航角对应并且包含64个距离值，其中列中的每个距离值与相对于像素块的独特俯仰角对应。

但是，系统可以在像素块的完整旋转期间(例如，在完整扫描周期期间)在任何其它数量的弧形采样位置处执行采样周期，并且系统可以实施任何其它方法或技术来将在扫描周期期间从像素集合收集的数据转换成从系统到附近的外表面的距离的标称矩阵。

本文描述的系统和方法可以至少部分地实施和/或实现为被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令可以由与应用、小应用、主机、服务器、网络、网站、通信服务、通信接口、用户计算机或移动设备的硬件/固件/软件元件、腕带、智能电话或其任何合适组合集成的计算机可执行部件来执行。实施例的其它系统和方法可以至少部分地实施和/或实现为被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令可以由与上述类型的装置和网络集成的计算机可执行部件来执行。计算机可读介质可以存储在任何合适的计算机可读介质上，诸如RAM、ROM、闪存、EEPROM、光学设备(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的设备。计算机可执行部件可以是处理器，但是任何合适的专用硬件设备都可以(可替代地或附加地)执行指令。

如本领域技术人员将从前面的详细描述以及从附图和权利要求中认识到的，在不脱离接下来的权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对本发明的实施例进行修改和改变。