DE102019107563A1

DE102019107563A1 - Lichtführung in einem lidarsystem mit einer monozentrischen linse

Info

Publication number: DE102019107563A1
Application number: DE102019107563.7A
Authority: DE
Inventors: Scott Singer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-10-10
Also published as: US20190302262A1; CN110346776A

Abstract

Ein kohärentes Lidarsystem beinhaltet eine Lichtquelle zum Ausgeben einer kontinuierlichen Welle und einen Modulator zum Modulieren einer Frequenz der kontinuierlichen Welle und zum Bereitstellen eines frequenzmodulierten Dauerstrichwellensignals (FMCW-Signal). Das System beinhaltet auch eine Kugellinse, um von einem Ziel einen Empfangsstrahl der sich aus einer Reflexion eines vom FMCW-Signal erhaltenen Ausgabesignals ergibt, zu erhalten, und eine Lichtführungsvorrichtung, um den von der Kugellinse erhaltenen Empfangsstrahl zu einer Strahllenkungsvorrichtung zu führen, die den Empfangsstrahl auf einen Empfangspfad des Systems ausrichtet.

Description

EINLEITUNG
Die Offenbarung betrifft die Lichtführung in einem Lidarsystem mit einer monozentrischen Linse.
Fahrzeuge (z.B. Pkw, Lkw, Baumaschinen, landwirtschaftliche Fahrzeuge, automatisierte Werkmaschinen) beinhalten zunehmend Sensoren, die Informationen über den Fahrzeugbetrieb und die Umgebung um das Fahrzeug herum erfassen. Einige Sensoren, wie z.B. Kameras, funkgestützte Ortungs- und Abstandsmessungssysteme (Radar) und Lidarsysteme, können Objekte in der näheren Umgebung des Fahrzeugs erkennen und verfolgen. Durch das Bestimmen der relativen Position und Richtung von Objekten um das Fahrzeug herum kann der Fahrzeugbetrieb erweitert oder automatisiert werden, um die Sicherheit und Leistung zu verbessern. So können beispielsweise Sensorinformationen verwendet werden, um Warnungen an einen Fahrer des Fahrzeugs auszugeben oder Fahrzeugsysteme zu betreiben (z. B. Kollisionsvermeidungssysteme, adaptives Geschwindigkeitsregelungssystem, autonomes Fahrsystem). Ein kohärentes Lidarsystem sendet frequenzmoduliertes Dauerstrichwellen-(FMCW)-Licht und verarbeitet reflektierte Strahlen, um Informationen über das Ziel zu bestimmen. Die durch das Lidarsystem erhaltenen Informationen verbessern sich mit zunehmender Menge des von einem Ziel reflektierten Lichts, das vom Lidarsystem erfasst wird. Eine monozentrische Linse wie beispielsweise eine Kugellinse, mit sphärischer Symmetrie, kann so verwendet werden, dass die Öffnung der Durchmesser des Objektivs ist und Licht ohne winkelabhängige Verzerrung eintritt. Das von der monozentrischen Linse erhaltene Licht muss zum Empfangspfad des Lidarsystems geführt werden und das vom Lidarsystem abgegebene Licht muss zu der monozentrischen Linse geführt werden. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Lichtführung in einem Lidarsystem mit einer monozentrischen Linse bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG
In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein kohärentes Lidarsystem eine Lichtquelle zum Ausgeben einer kontinuierlichen Welle und einen Modulator zum Modulieren einer Frequenz der kontinuierlichen Welle und zum Bereitstellen eines frequenzmodulierten Dauerstrichwellensignals (FMCW-Signal). Das System beinhaltet auch eine Kugellinse, um von einem Ziel einen Empfangsstrahl der sich aus einer Reflexion eines vom FMCW-Signal erhaltenen Ausgabesignals ergibt, zu erhalten, und eine Lichtführungsvorrichtung, um den von der Kugellinse erhaltenen Empfangsstrahl zu einer Strahllenkungsvorrichtung zu führen, die den Empfangsstrahl auf einen Empfangspfad des Systems ausrichtet.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung einen Bündel von Glasfasern in einem Taperbündel.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung ferner einen Kollimator, so dass sich die Kugellinse an einem Ende des Taperbündels und der Kollimator an einem gegenüberliegenden Ende des Taperbündels befindet.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Kollimator konfiguriert, um den von der Kugellinse durch das Taperbündel geführten Empfangsstrahl auf die Strahllenkungsvorrichtung auszurichten.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung eine Anordnung von Linsen, die angrenzend an die Kugellinse als Mikrolinsenanordnung angeordnet sind.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung ferner einen statischen Spiegel, der konfiguriert ist, um den Empfangsstrahl, der durch die Kugellinse erhalten und durch die Mikrolinsenanordnung der Strahllenkungsvorrichtung auf den statischen Spiegel fokussiert wird, zu reflektieren.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das System auch einen Umlenker, wobei das System monostatisch ist und dieselbe Kugellinse verwendet, um das Ausgabesignal zu übertragen und den Empfangsstrahl zu erhalten.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das System auch eine zweite Kugellinse und eine zweite Strahllenkungsvorrichtung, um das Ausgabesignal zu übertragen, wobei das System bistatisch ist.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Zusammenbauen eines kohärenten Lidarsystems das Anordnen einer Lichtquelle, um eine kontinuierliche Welle auszugeben, und das Anordnen von Elementen, um die kontinuierliche Welle zu modulieren und ein frequenzmoduliertes Dauerstrichwellensignal (FMCW-Signal) bereitzustellen. Das System beinhaltet auch das Anordnen einer Kugellinse, um von einem Ziel einen Empfangsstrahl der sich aus einer Reflexion eines vom FMCW-Signal erhaltenen Ausgabesignals ergibt, zu erhalten, und das Anordnen einer Lichtführungsvorrichtung, um den von der Kugellinse erhaltenen Empfangsstrahl zu einer Strahllenkungsvorrichtung zu führen, die den Empfangsstrahl auf einen Empfangspfad des Lidarsystems ausrichtet.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Anordnung der Lichtführungsvorrichtung das Anordnen eines Bündels von Glasfasern als Taperbündel, das konfiguriert ist, um den von der Kugellinse erhaltenen Empfangsstrahl aufzunehmen.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Anordnen der Lichtführungsvorrichtung ferner das Anordnen eines Kollimators, so dass sich die Kugellinse an einem Ende des Taperbündels und der Kollimator an einem gegenüberliegenden Ende des Taperbündels befindet.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Anordnen des Kollimators das Konfigurieren des Kollimators, um den von der Kugellinse durch das Taperbündel geführten Empfangsstrahl auf die Strahllenkungsvorrichtung auszurichten.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Anordnen der Lichtführungsvorrichtung das Anordnen einer Anordnung von Linsen, die an der Kugellinse als eine Mikrolinsenanordnung angrenzen.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Anordnen der Lichtführungsvorrichtung ferner das Anordnen eines statischen Spiegels, um den Empfangsstrahl, der durch die Kugellinse erhalten und durch die Mikrolinsenanordnung der Strahllenkungsvorrichtung auf den statischen Spiegel fokussiert wird, zu reflektieren.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein kohärentes Lidarsystem, das eine Lichtquelle zum Ausgeben einer kontinuierlichen Welle und einen Modulator zum Modulieren einer Frequenz der kontinuierlichen Welle und zum Bereitstellen eines frequenzmodulierten Dauerstrichwellensignals (FMCW-Signal) beinhaltet. Das kohärente Lidarsystem beinhaltet auch eine Kugellinse, um von einem Ziel einen Empfangsstrahl, der sich aus einer Reflexion eines vom FMCW-Signal erhaltenen Ausgabesignals ergibt, zu erhalten, und eine Lichtführungsvorrichtung, um den von der Kugellinse erhaltenen Empfangsstrahl zu einer Strahllenkungsvorrichtung zu führen, die den Empfangsstrahl auf einen Empfangspfad des Systems ausrichtet. Das Fahrzeug beinhaltet auch eine Fahrzeugsteuerung zum Steuern des Fahrzeugs basierend auf Informationen, die vom Empfangsstrahl im kohärenten Lidarsystem erhalten werden.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung einen Bündel von Glasfasern in einem Taperbündel.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung ferner einen Kollimator, so dass sich die Kugellinse an einem Ende des Taperbündels und der Kollimator an einem gegenüberliegenden Ende des Taperbündels befindet und der Kollimator den von der Kugellinse durch das Taperbündel geführten Empfangsstrahl auf die Strahllenkungsvorrichtung ausrichtet.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung eine Anordnung von Linsen, die angrenzend an die Kugellinse als Mikrolinsenanordnung angeordnet sind.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung ferner einen statischen Spiegel, der konfiguriert ist, um den Empfangsstrahl, der durch die Kugellinse erhalten und durch die Mikrolinsenanordnung der Strahllenkungsvorrichtung auf den statischen Spiegel fokussiert wird, zu reflektieren.
Neben einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst das kohärente Lidarsystem ferner einen Umlenker, wobei das System monostatisch ist und die gleiche Kugellinse verwendet, um das Ausgabesignal zu übertragen und den Empfangsstrahl zu erhalten, oder es umfasst ferner eine zweite Kugellinse und eine zweite Strahllenkungsvorrichtung zum Übertragen des Ausgabesignals, wobei das System bistatisch ist.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
Figurenliste
Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten erscheinen, nur exemplarisch, in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, wobei gilt:

1 ist ein Blockdiagramm eines Szenarios mit einem kohärenten Lidarsystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 ist ein Blockdiagramm eines kohärenten Lidarsystems mit einer Lichtführungsvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3 ist ein Blockdiagramm eines kohärenten Lidarsystems mit Lichtführungsvorrichtungen gemäß einer oder mehreren alternativen Ausführungsformen;
4. veranschaulicht eine Lichtführungsvorrichtung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Taperbündels, das gemäß einer exemplarischen Ausführungsform als Lichtführungsvorrichtung verwendet wird;
6. veranschaulicht eine Lichtführungsvorrichtung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform; und
7 ist ein Prozessablauf eines Verfahrens zum Zusammenbauen eines kohärenten Lidarsystems mit einer Lichtführungsvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Wie bereits erwähnt, können Sensoren zum Erweitern oder Automatisieren des Fahrzeugbetriebs verwendet werden. Wie ebenfalls erwähnt, ist ein Sensortyp ein kohärentes Lidarsystem, das ein FMCW-Signal überträgt. Das System nutzt die Vorteile der Phasenkohärenz zwischen dem übertragenen FMCW-Signal und einem reflektierten Signal, das sich aus der Reflexion des übertragenen FMCW-Signals durch ein Ziel ergibt. Die Interferenz zwischen dem reflektierten Signal und einer Kopie des übertragenen Signals wird verwendet, um Informationen wie Zielabstand und Geschwindigkeit zu bestimmen. Das kohärente Lidarsystem unterscheidet sich von früheren Lidarsystemen mit Time-of-Flight-Laufzeitmessung, die eine Reihe von Impulsen übertragen und die Dauer für die Übertragung jedes Impulses und den Empfang der resultierenden Reflexion nutzen, um einen Satz von Abständen für das Ziel zu bestimmen.
Trifft das Ausgabesignal auf ein Ziel im Sichtfeld des Lidarsystems, wird das resultierende reflektierte Licht in alle Richtungen gestreut. Wie bereits erwähnt, verbessern sich die durch ein Lidarsystem erhaltenen Informationen mit zunehmender Menge des reflektierten Lichts, das das Lidarsystem imstande ist zu erhalten. Eine Kugellinse kann zum Beispiel verwendet werden, um reflektiertes Licht aus einer Reihe von verschiedenen Winkeln zu erhalten. Das von der Kugellinse erhaltene reflektierte Licht muss zu einer Strahllenkungsvorrichtung geführt werden, die das reflektierte Licht zur Verarbeitung bereitstellt. Ausführungsformen der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren beziehen sich auf die Lichtführung in einem kohärenten Lidarsystem mit einer monozentrischen Linse. Ein Taperbündel kann gemäß einer exemplarischen Ausführungsform verwendet werden. Eine Mikrolinsenanordnung und ein statischer Spiegel oder eine Spiegelanordnung können gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform verwendet werden.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist 1 ein Blockdiagramm eines Szenarios, das ein kohärentes Lidarsystem 110 involviert. Das in 1 dargestellte Fahrzeug 100 ist ein Kraftfahrzeug 101. Ein kohärentes Lidarsystem 110, das unter Bezugnahme auf 2 ausführlicher beschrieben wird, ist auf dem Dach des Kraftfahrzeugs 101 dargestellt. Gemäß alternativen oder zusätzlichen Ausführungsformen können sich ein oder mehrere Lidarsysteme 110 an anderer Stelle im Fahrzeug 100 befinden. Ein weiterer Sensor 115 (z. B. Kamera, Mikrofon, Radarsystem) ist ebenfalls dargestellt. Informationen, die durch das Lidarsystem 110 und einen oder mehrere andere Sensoren 115 erhalten werden, können einer Steuerung 120 (z. B. einer elektronischen Steuereinheit (ECU)) bereitgestellt werden.
Die Steuerung 120 kann die Informationen zum Steuern eines oder mehrerer Fahrzeugsysteme 130 verwenden. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Fahrzeug 100 ein autonomes Fahrzeug sein und die Steuerung 120 kann bekannte Fahrzeugbetriebssteuerungsvorgänge unter Verwendung von Informationen vom Lidarsystem 110 und anderen Quellen durchführen. In alternativen Ausführungsformen kann die Steuerung 120 den Fahrzeugbetrieb unter Verwendung von Informationen vom Lidarsystem 110 und anderen Quellen als Teil eines bekannten Systems (z. B. Kollisionsvermeidungssystem, adaptives Geschwindigkeitsregelungssystem) erweitern. Das Lidarsystem 110 und ein oder mehrere andere Sensoren 115 können verwendet werden, um Objekte 140 zu erkennen, wie beispielsweise den Fußgänger 145, der in 1 dargestellt ist. Die Steuerung 120 kann eine Verarbeitungsschaltung beinhalten, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Hardware-Computerprozessor (gemeinsam genutzte oder dedizierte oder Gruppe) und einen Speicher beinhalten kann, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
2 ist ein Blockdiagramm eines kohärenten Lidarsystems 110 mit einer Lichtführungsvorrichtung 256 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das in 2 dargestellte exemplarische Lidarsystem 110 ist ein monostatisches System, das die gleiche Aperturlinse (d. h. Kugellinse 255) für das Licht, das vom Lidarsystem 110 als ein Ausgabesignal 236 ausgegeben wird und für das Licht, das vom Lidarsystem 110 als Empfangsstrahl 238 erhalten wird, verwendet. Das Lidarsystem 110 beinhaltet eine Lichtquelle 210. Die Lichtquelle 210 kann eine Laserdiode, wie beispielsweise ein DFB-Laser (Laser mit verteilter Rückkopplung), gemäß einer exemplarischen Ausführungsform sein. Die Lichtquelle 210 gibt eine kontinuierliche Lichtwelle aus, die eine konstante Amplitude aufweist. Die nächste Stufe des Lichtausgabesystems beinhaltet einen optischen Resonator 220.
Der Resonator 220 ist ein externer optischer Hohlraum, der sich außerhalb der Lichtquelle 210 befindet. Gemäß der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform wird eine kontrollierte Spannung 225 von einer Spannungsquelle an den Resonator 220 angelegt, um eine elektrooptische Modulation durchzuführen und die Frequenz der kontinuierlichen Lichtwelle im Resonator 220 zu modulieren, um FMCW-Licht 227 zu erzeugen. Gemäß der exemplarischen Ausführungsform bedeutet die Rückkopplung von einigem Licht vom Resonator 220 zur Lichtquelle 210, dass das innerhalb der Lichtquelle 210 erzeugte Licht und das vom Resonator 220 ausgegebene Licht synchron moduliert werden. Die kontrollierte Spannung 225 kann linear erhöht oder verringert werden, um Licht zu erzeugen, das eine lineare Frequenzmodulation (d. h. ein lineares FMCW-Signal) aufweist. Alternativ kann die kontrollierte Spannung 225 nichtlinear variiert werden, um Licht zu erzeugen, das eine nichtlineare Frequenzmodulation aufweist.
Gemäß alternativen Ausführungsformen kann das FMCW-Licht 227 durch Modulation der Frequenz an der Lichtquelle 210 selbst erhalten werden. In diesem Fall kann die an den Resonator 220 angelegte kontrollierte Spannung 225, wie in 2 dargestellt, direkt auf Block 210 angewendet werden. So kann beispielsweise der Vorspannungsstrom des Laserchips verändert oder ein physikalischer Hohlraum oder Spiegel der Lichtquelle 210 moduliert werden. Diese Modulation kann beispielsweise durch piezoelektrische oder mikroelektromechanische Systeme (MEMS) implementiert werden. Wie in 2 angezeigt, kann ein optionaler optischer Verstärker 230 verwendet werden, um das vom Resonator 220 ausgegebene FMCW-Licht 227 zu verstärken und das FMCW-Signal 235 zu erzeugen.
Ein Strahlteiler 240 wird verwendet, um das FMCW-Signal 235 in ein Ausgabesignal 236 und ein Lokaloszillator(LO)-Signal 237 aufzuteilen. Sowohl das Ausgabesignal 236 als auch das LO-Signal 237 zeigen die Frequenzmodulation, die durch die kontrollierte Spannung 225 oder einen anderen Modulator übermittelt wird. Der Strahlteiler 240 kann beispielsweise ein On-Chip-Wellenleiterteiler sein. Das Ausgabesignal 236 wird einem lichtzirkulierenden Element, wie beispielsweise einem Umlenker 250, bereitgestellt, das in dem in 2 dargestellten monostatischen System erforderlich ist, um die Verwendung derselben Kugellinse 255 sowohl für den Sende- als auch für den Empfangspfad zu erleichtern. Der Umlenker 250 leitet das Ausgabesignal 236 aus dem Lidarsystem 110 durch eine Apertur.
Die Aperturlinse ist eine monozentrische Linse, wie beispielsweise eine Kugellinse 255, gemäß der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform. Wie bereits erwähnt, erleichtert die Kugellinse 255 das Erhalten einer größeren Lichtmenge, die von einem Ziel 140 in das Lidarsystem 110 reflektiert wird, da die Apertur genau dem Durchmesser der Kugellinse 255 entspricht. Das einfallende Licht tritt ohne winkelabhängige Verzerrung ein. Dadurch wird ein breiteres Sichtfeld ermöglicht, wobei der maximal erfassbare Bereich winkelunabhängig ist. Eine Strahllenkungsvorrichtung 257 gewährleistet eine sachgemäße Ausrichtung des 236 aus dem Lidarsystem 110 austretenden Ausgabesignals und eine korrekte Ausrichtung des in das Lidarsystem 110 eintretenden Empfangsstrahls 238, und muss für maximale Interferenzen an den Fotodioden 280 richtig ausgerichtet sein. Die Strahllenkungsvorrichtung 257 kann ein Reflektor sein. Gemäß der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform ist die Strahllenkungsvorrichtung 257 ein MEMS-Abtastspiegel.
Eine Lichtführungsvorrichtung 256 leitet Licht zwischen der Strahllenkungsvorrichtung 257 und der Kugellinse 255. Verschiedene Ausführungsformen der Lichtführungsvorrichtung 256 werden unter Bezugnahme auf die 3 und 4 detailliert dargestellt. Befindet sich ein Ziel 140 im Sichtfeld des Lidarsystems 110, wie im Beispiel in 2 dargestellt, wird das vom Lidarsystem 110 ausgegebene FMCW-Ausgabesignal 236 durch das Ziel 140 gestreut. Ein Teil dieses gestreuten Lichts gelangt als Empfangsstrahl 238 in das Lidarsystem 110. Der Empfangsstrahl 238 tritt in die Kugellinse 255 ein, wird von der Lichtführungsvorrichtung 256 zur Strahllenkungsvorrichtung 257 geleitet und vom Umlenker 250 zu einem Reflektor 258 geleitet. Der Reflektor 258 richtet den Empfangsstrahl 238 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen auf einen optionalen optischen Verstärker 260 aus.
Während der optische Verstärker 260 zwischen dem Reflektor 258 und einem Ausrichtelement 270 in 2 dargestellt ist, kann der optische Verstärker 260 stattdessen zwischen dem Umlenker 250 und dem Reflektor 258 entlang des als A angegebenen Weges positioniert sein. Gemäß exemplarischen Ausführungsformen kann der optische Verstärker 260 Koppellinsen beinhalten, um den Empfangsstrahl 238 ohne Verlust in den optischen Verstärker 260 zu leiten. Der optische Verstärker 260 kann auch eine Formgebungsoptik beinhalten, um sicherzustellen, dass der vom optischen Verstärker 260 ausgegebene verstärkte Empfangsstrahl 265 das richtige Profil aufweist.
Der verstärkte Empfangsstrahl 265 wird dem Ausrichtelement 270 bereitgestellt, in dem der verstärkte Empfangsstrahl 265 mit dem LO-Signal 237 ausgerichtet ist. Das Ausrichtelement 270 stellt sicher, dass der verstärkte Empfangsstrahl 265 und das LO-Signal 237 kolinear sind und teilt die Ausgabe in zwei kolineare Signale 272a, 272b (allgemein als 272 bezeichnet). Die kolinearen Signale 272a, 272b sind jeweils auf einen Fotodetektor 280a, 280b (allgemein als 280 bezeichnet) ausgerichtet. Wie 2 zeigt, wird eines der kohärenten Signale 272a von einem Reflektor 275 reflektiert, um in den entsprechenden Fotodetektor 280a geleitet zu werden. Der verstärkte Empfangsstrahl 265 und das LO-Signal 237, die in den kolinearen Signalen 272 ausgerichtet sind, stören einander in den Fotodetektoren 280 gegenseitig. Die Interferenz zwischen dem verstärkten Empfangsstrahl 265 und dem LO-Signal 237 führt zu einer kohärenten Kombination der beiden Strahlen. Daher wird das Lidarsystem 110 im Gegensatz zu den Time-of-Flight-Systemen als kohärentes Lidarsystem bezeichnet. Die Interferenz in jedem Fotodetektor 280 stellt eine Autokorrelationsfunktion dar, um einen verstärkten Empfangsstrahl 265 zu identifizieren, der sich zuvor aus dem Ausgabesignal 236 ergeben hatte. Dadurch wird verhindert, dass fehlgeleitetes Licht von einer anderen Lichtquelle außerhalb des Lidarsystems 110, das sich im Sichtfeld des Lidarsystems 110 befindet, mit einem Empfangsstrahl 238 verwechselt wird, der von einem Ziel 140 reflektiert wird.
Die Fotodetektoren 280 sind Halbleitervorrichtungen, die das Ergebnis der Interferenz zwischen dem verstärkten Empfangsstrahl 265 und dem LO-Signal 237 in jedem kolinearen Signal 272 in elektrische Ströme 285a, 285b (allgemein als 285 bezeichnet) umwandeln. Zwei Fotodetektoren 280 werden in Übereinstimmung mit einer bekannten symmetrischen Detektortechnik verwendet, um das Rauschen zu unterdrücken, das beiden Fotodetektoren 280 gemeinsam ist. Die elektrischen Ströme 285 von jedem der Fotodetektoren 280 werden kombiniert und verarbeitet, um Informationen wie Reichweite zum Ziel 140, Geschwindigkeit des Ziels 140 und andere Informationen gemäß bekannten Verarbeitungstechniken zu erhalten. Die Verarbeitung kann beispielsweise innerhalb des Lidarsystems 110 durch einen Prozessor 290 oder außerhalb des Lidarsystems 110 durch die Steuerung 120 durchgeführt werden. Der Prozessor 290 kann eine Verarbeitungsschaltung beinhalten, die der für die Steuerung 120 erörterten ähnlich ist.
Die Leistung jedes kolinearen Signals 272, das von jedem Fotodetektor 280 in einen Wechselfotostrom (d. h. elektrischen Strom 285) umgewandelt wird, kann (bis zu einer Konstante) angenähert werden als: $\frac{d}{R} \sqrt{ρ P_{LO} P_{TX}}$
In GL. 1 ist d der Aperturdurchmesser (z. B. Durchmesser der Kugellinse 255), ist R der Bereich zum Ziel 140, ist p die Zielstreuungseffizienz oder das Reflexionsvermögen, ist P_LO die Leistung des Lokaloszillators und ist P_TX die Gesamtleistung des an das Ziel 140 übertragenen Ausgabesignals 236. Durch Vergrößerung des Aperturdurchmessers d steigt also das gesammelte Signal (Empfangsstrahl 238) proportional oder linear an. Der maximale Bereich, der durch das Lidarsystem 110 für feste Leistungen des LO-Signals 237 und des Ausgabesignals 236 erfassbar ist, nimmt ebenfalls entsprechend zu. Der Durchmesser der Kugellinse 255 kann beispielsweise etwa einen halben Zoll bis einen Zoll betragen. Im Vergleich zu einem Lidar, dessen Apertur durch einen MEMS-Spiegel begrenzt ist, der einen Durchmesser in der Größenordnung von 1-5 Millimetern aufweist, verbessert die Verwendung der Kugellinse 255 den gesammelten Empfangsstrahl 238 um einen Faktor von 5-25.
3 ist ein Blockdiagramm eines kohärenten Lidarsystems 110 mit Lichtführung 256a, 256b (allgemein als 256 bezeichnet) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Ein bistatisches Lidarsystem 110 ist in der exemplarischen Ausführungsform von 3 dargestellt. Der größte Teil des bistatischen Lidarsystems 110, dargestellt in 3, ist mit dem monostatischen Lidarsystem 110, dargestellt in 2, identisch. Die mit Bezug auf 2 detaillierten Komponenten werden daher nicht noch einmal erläutert. Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptunterschied zwischen dem monostatischen und dem bistatischen System darin, dass separate Strahllenkungsvorrichtungen 257a, 257b (allgemein als 257 bezeichnet), Lichtführungsvorrichtungen 256a, 256b (allgemein als 256 bezeichnet) und Kugellinsen 255a, 255b (allgemein als 255 bezeichnet) für das Ausgabesignal 236 und den Empfangsstrahl 238 in das bistatische System integriert sind. Daher ist im bistatischen System von 3 kein Umlenker 250 erforderlich.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Lichtführungsvorrichtung 256 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Lichtführungsvorrichtung 256 ein Taperbündel 410. Das Taperbündel 410 besteht aus gebündelten Glasfasern. Der Empfangsstrahl 238 wird durch die Kugellinse 255 in eine Teilmenge des Taperbündels 410 fokussiert. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform kann die Lichtführungsvorrichtung 256 zusätzlich einen Kollimator 420 beinhalten, der aus einer Linse oder einer Mikrolinsenanordnung besteht. Der Empfangsstrahl 238, der in eine Teilmenge des Taperbündels 410 fokussiert wurde, verlässt das Ende des Taperbündels 410, wo sich der Kollimator 420 befindet. Der Empfangsstrahl wird der Strahllenkungsvorrichtung 257 bereitgestellt, die so ausgerichtet ist, dass sie den Empfangsstrahl 238 auf den Empfangspfad des Lidarsystems 110 lenkt. Wie in 4 angegeben, kann das Taperbündel 410 so verjüngt werden, dass jede Glasfaser 510 (5) am Austrittsende einen kleineren Durchmesser als am Eintrittsende aufweist, um die Ausrichtung des Empfangsstrahls 238 auf die Strahllenkungsvorrichtung 257 zu erleichtern. Im Fall des monostatischen Systems lenkt die Strahllenkungsvorrichtung 257 den Empfangsstrahl 238 zum Umlenker 250. Wie 4 veranschaulicht, erhöht die Verwendung der Lichtführungsvorrichtung 256 das Sichtfeld des Lidarsystems 110. Dies liegt daran, dass reflektiertes Licht, das aus jedem beliebigen Winkel in die Kugellinse 255 eintritt, über das Taperbündel 410 erfasst und zur Weiterverarbeitung ausgerichtet werden kann. Das Ende des Taperbündels 410, das der Kugellinse 255 am nächsten liegt, kann so geformt sein, dass es um die Kugellinse 255 herum passt und eine optimale Kopplung bereitstellt.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Taperbündels 410, das gemäß einer exemplarischen Ausführungsform als eine Lichtführungsvorrichtung 256 verwendet wird. Der in 5 dargestellte Querschnitt ist senkrecht zu dem in 4 dargestellten Querschnitt. Die einzelnen optischen Fasern 510 des Taperbündels 410 werden auf einem (x, y) Diagramm angezeigt. Der Eingangswinkel eines Empfangsstrahls 238 auf der Kugellinse 255 wird durch (θ, φ) angegeben. Dieser Winkel wird den Glasfasern 510 des Taperbündels 410 bei (x, y) zugeordnet. Das entlang der Glasfasern 510 geführte Licht wird dann einem Neigungswinkel der Strahllenkungsvorrichtung 257, der von (α, β) vorgegeben wird, zugeordnet. Die Zuordnungen basieren auf den Eins-zu-Eins-Funktionen f und g: $(\begin{matrix} θ \\ φ \end{matrix}) \overset{f}{\to} (\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}) \overset{g}{\to} (\begin{matrix} α \\ β \end{matrix})$
Da die Zuordnung von der Kugellinse 255 zum Taperbündel 410 durch f gegeben ist, wird die Zuordnung von einer bestimmten Glasfaser 510 des Taperbündels 410 zu dem Winkel (θ, φ), bei dem das Licht in die Kugellinse 255 eingetreten ist, durch f^-1 gegeben. Das heißt (θ, φ)= f^-1(-1, 1) gilt, wenn die Glasfaser 510 bei x- und y-Werten von -1 bzw. 1 den Empfangsstrahl 238 trägt. Der Neigungswinkel (a, β) der Strahllenkungsvorrichtung 257 kann dann unter Verwendung der Funktion g so ermittelt werden, dass (α, β)=g(-1, 1).
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Lichtführungsvorrichtung 256 gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform. Die Lichtführungsvorrichtung 256 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet eine Mikrolinsenanordnung 610 und einen statischen Spiegel 620, die gemäß einer exemplarischen Ausführungsform als Spiegelanordnung implementiert werden können. Der statische Spiegel 520 kann eine zylindrische Geometrie aufweisen, wie sie durch die in 6 dargestellte Querschnittsform angezeigt wird, oder kann eine andere Geometrie aufweisen, um den von der Mikrolinsenanordnung 610 fokussierten Empfangsstrahl 238 zu reflektieren. Wie 6 veranschaulicht, fokussiert die Mikrolinsenanordnung 610 den durch die Kugellinse 255 erhaltenen Empfangsstrahl 238 auf den statischen Spiegel 620. Der statische Spiegel 620 reflektiert den Empfangsstrahl 238 zu der Strahllenkungsvorrichtung 257, die so ausgerichtet ist, dass sie den Empfangsstrahl 238 auf den Empfangspfad des Lidarsystems 110 lenkt. Wie bereits erwähnt, bedeutet dies bei einem monostatischen System, dass der Empfangsstrahl 238 auf den Umlenker 250 ausgerichtet wird.
7 ist ein Prozessablauf eines Verfahrens zum Zusammenbauen eines kohärenten Lidarsystems 110 mit einer Lichtführungsvorrichtung 236 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Bei Block 710 kann die Anordnung einer Lichtquelle 210 zum Ausgeben einer kontinuierlichen Welle beispielsweise das Verwenden eines DFB-Lasers beinhalten, und das Anordnen von Elementen zum Bereitstellen eines FMCW-Lichts 227 aus der kontinuierlichen Welle kann das Anordnen eines Resonators 220 und einer kontrollierten Spannung 225 am Ausgang der Lichtquelle 210 beinhalten, wie in den 2 und 3 dargestellt. Der Prozess bei Block 710 kann darüber hinaus das Anordnen eines optischen Verstärkers 230 beinhalten, um das verstärkte FMCW-Signal 235 aus dem FMCW-Licht 227 zu erzeugen. Bei Block 720 beinhalten die Prozesse das Anordnen eines Strahlteilers 240 zum Erzeugen eines Ausgabesignals 246 und eines LO-Signals 237 aus dem FMCW-Signal 235 (oder FMCW-Licht 227).
Bei Block 730 unterscheidet sich das Anordnen von einem oder zwei Sätzen einer Strahlsteuervorrichtung 257, einer Lichtführungsvorrichtung 256 und einer Kugellinse 255 zum Übertragen des Ausgabesignals 236 und zum Erhalten des Empfangsstrahls 238 basierend darauf, ob das Lidarsystem 110 ein monostatisches System oder ein bistatisches System ist, wie in den 2 und 3 dargestellt. Ein monostatisches System, wie in 2 dargestellt, erfordert das Anordnen nur eines Satzes der Elemente, erfordert aber zusätzlich das Anordnen eines Umlenkers 250, um das Ausgabesignal 236 zur Strahllenkungsvorrichtung 257 zu lenken und den Empfangsstrahl 238 von der Strahllenkungsvorrichtung 257 zu den Empfangselementen zu lenken.
Das Anordnen des Ausrichtelements 270, um den Empfangsstrahl 238 und das LO-Signal 327 kolinear zu machen, kann bei Block 740 zusätzlich das Anordnen eines optischen Verstärkers 260 beinhalten, um den Empfangsstrahl 238 vor der Ausrichtung zu verstärken. Bei Block 750 beinhalten die Prozesse das Anordnen der Fotodioden 280 und eines Prozessors 120, 290, um kohärente Signale zu erfassen und zu verarbeiten. In den in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen sind zwei Fotodioden 280 angeordnet. In jeder Fotodiode 280 ergibt die Interferenz des kolinearen Empfangsstrahls 238 (oder des verstärkten Empfangsstrahls 265) und des LO-Signals 237 im kolinearen Signal 272 eine kohärente Kombination. Der von jeder der Fotodioden 280 ausgegebene Strom wird vom Prozessor 120, 290 verarbeitet, um Informationen wie die Position und Geschwindigkeit des Ziels 140 zu erhalten.
Während die vorstehende Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen eingeschränkt sein soll, sondern dass sie auch alle Ausführungsformen beinhaltet, die innerhalb des Umfangs der Anmeldung fallen.

Claims

Kohärentes Lidarsystem, umfassend: eine Lichtquelle, die konfiguriert ist, um eine kontinuierliche Welle auszugeben; einen Modulator, der konfiguriert ist, um eine Frequenz der kontinuierlichen Welle zu modulieren und ein frequenzmoduliertes Dauerstrichwellensignal (FMCW-Signal) bereitzustellen; eine Kugellinse, die konfiguriert ist, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der sich aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgabesignals durch ein Ziel ergibt; und eine Lichtführungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um den durch die Kugellinse erhaltenen Empfangsstrahl zu einer Strahllenkungsvorrichtung zu lenken, die den Empfangsstrahl auf einen Empfangspfad des Systems ausrichtet.
System nach Anspruch 1, wobei die Lichtführungsvorrichtung ein Bündel von optischen Fasern in einem Taperbündel beinhaltet.
System nach Anspruch 2, wobei die Lichtführungsvorrichtung ferner einen Kollimator beinhaltet, so dass sich die Kugellinse an einem Ende des Taperbündels und der Kollimator an einem gegenüberliegenden Ende des Taperbündels befindet und der Kollimator konfiguriert ist, den von der Kugellinse durch das Taperbündel geführten Empfangsstrahl auf die Strahllenkungsvorrichtung auszurichten.
System nach Anspruch 1, wobei die Lichtführungsvorrichtung eine Anordnung von Linsen beinhaltet, die angrenzend an die Kugellinse als Mikrolinsenanordnung angeordnet ist, und einen statischen Spiegel, der konfiguriert ist, um den Empfangsstrahl zu reflektieren, der durch die Kugellinse erhalten und durch die sich auf der Strahllenkungsvorrichtung befindlichen Mikrolinsenanordnung auf den statischen Spiegel fokussiert wird.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Umlenker, wobei das System monostatisch ist und dieselbe Kugellinse verwendet, um das Ausgabesignal zu übertragen und den Empfangsstrahl zu erhalten.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine zweite Kugellinse und eine zweite Strahllenkungsvorrichtung, um das Ausgabesignal zu übertragen, wobei das System bistatisch ist.
Fahrzeug umfassend: ein kohärentes Lidarsystem, umfassend: eine Lichtquelle, die konfiguriert ist, um eine kontinuierliche Welle auszugeben; einen Modulator, der konfiguriert ist, um eine Frequenz der kontinuierlichen Welle zu modulieren und ein frequenzmoduliertes Dauerstrichwellensignal (FMCW-Signal) bereitzustellen; eine Kugellinse, die konfiguriert ist, um einen Empfangsstrahl zu erhalten, der sich aus einer Reflexion eines aus dem FMCW-Signal erhaltenen Ausgabesignals durch ein Ziel ergibt; und eine Lichtführungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um den durch die Kugellinse erhaltenen Empfangsstrahl zu einer Strahllenkungsvorrichtung zu lenken, die den Empfangsstrahl auf einen Empfangspfad des Systems ausrichtet; und eine Fahrzeugsteuerung, die konfiguriert ist, um das Fahrzeug basierend auf Informationen, die vom Empfangsstrahl im kohärenten Lidarsystem erhalten werden, zu steuern.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Lichtführungsvorrichtung ein Bündel von Glasfasern in einem Taperbündel und einen Kollimator beinhaltet, so dass sich die Kugellinse an einem Ende des Taperbündels und der Kollimator an einem gegenüberliegenden Ende des Taperbündels befindet und der Kollimator konfiguriert ist, den von der Kugellinse durch das Taperbündel geführten Empfangsstrahl auf die Strahllenkungsvorrichtung auszurichten.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Lichtführungsvorrichtung eine Anordnung von Linsen beinhaltet, die angrenzend an die Kugellinse als Mikrolinsenanordnung angeordnet ist, und einen statischen Spiegel, der konfiguriert ist, um den Empfangsstrahl zu reflektieren, der durch die Kugellinse erhalten und durch die sich auf der Strahllenkungsvorrichtung befindlichen Mikrolinsenanordnung auf den statischen Spiegel fokussiert wird.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei das kohärente Lidarsystem ferner einen Umlenker umfasst, wobei das System monostatisch ist und die gleiche Kugellinse verwendet, um das Ausgabesignal zu übertragen und den Empfangsstrahl zu erhalten, oder es umfasst ferner eine zweite Kugellinse und eine zweite Strahllenkungsvorrichtung zum Übertragen des Ausgabesignals, wobei das System bistatisch ist.