DE202018006697U1

DE202018006697U1 - Rotierendes kompaktes Lichtentfernungsmesssystem

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Publication number: DE202018006697U1
Application number: DE202018006697.4U
Authority: DE
Original assignee: Ouster Inc
Current assignee: Ouster Inc
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2028-12-07
Also published as: CN113311447A; KR20230169368A; KR102605257B1; US20200025880A1; US11287515B2; US20200025879A1; US11300665B2; JP2021505889A; US20190179028A1; KR20200097306A; US11353556B2; US20210278506A1; EP3721262A1; CN111273310A; US20210278505A1; US11340336B2; US10481269B2; JP7277461B2; JP2023116443A; DE202018006690U1

Abstract

Lichtentfernungsmesssystem, umfassend:
ein Gehäuse mit einer stationären Basis und einem Fenster, das aus einem Material hergestellt ist, das für Infrarotlicht transparent ist;
eine Welle, die eine Rotationsachse definiert, die über ein Lagersystem an der stationären Basis befestigt ist;
eine erste Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb des Gehäuses angebracht und an dieses in einer festen Beziehung gekoppelt ist, sodass die erste Leiterplattenbaugruppe entlang einer ersten Ebene senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet ist, wobei die erste Leiterplattenbaugruppe eine Vielzahl von ersten Schaltungselementen beinhaltet, die auf einer ersten Leiterplatte angebracht sind;
eine zweite Leiterplattenbaugruppe, die von der ersten Leiterplattenbaugruppe innerhalb des Gehäuses in einer zweiten Ebene parallel zur ersten Ebene beabstandet und rotierend an die Welle gekoppelt ist, sodass die zweite Leiterplattenbaugruppe um die Rotationsachse rotiert, wobei die zweite Leiterplattenbaugruppe eine Vielzahl von zweiten Schaltungselementen beinhaltet, die auf einer zweiten Leiterplatte angebracht und ausgerichtet mit und konfiguriert sind, um in drahtloser Zusammenarbeit mit mindestens einem der ersten Vielzahl von Schaltungselementen zu funktionieren;
eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die elektrisch mit der zweiten Leiterplattenbaugruppe verbunden und gekoppelt ist, um mit dieser zu rotieren, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung konfiguriert ist, um Lichtimpulse an Objekte in ein umgebendes Umfeld zu übertragen und um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse zu detektieren, die von den Objekten in das umgebende Umfeld reflektiert werden; und
wobei die Vielzahl von ersten und zweiten Schaltungselementen einen ringförmigen Kodierer umfasst, der einen ringförmigen Kodiererstreifen, der an einer der ersten oder zweiten Leiterplattenbaugruppen montiert ist, und einen Kodiererleser, der an der anderen der ersten oder zweiten Leiterplattenbaugruppen an einer Stelle gegenüber dem ringförmigen Kodiererstreifen montiert ist, beinhaltet.

Description

HINTERGRUND
Light imaging-, detection and ranging (LIDAR)-Systeme messen den Abstand zu einem Ziel, indem sie das Ziel mit einem gepulsten Laserlicht beleuchten und die reflektierten Impulse mit einem Sensor messen. Laufzeitmessungen können dann verwendet werden, um eine digitale 3D-Darstellung des Ziels zu erstellen. LIDAR-Systeme können für eine Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, bei denen 3D-Tiefenbilder nützlich sind, einschließlich Archäologie, Geografie, Geologie, Forstwirtschaft, Kartierung, Konstruktion, medizinische Bildgebung und militärische Anwendungen, unter anderem. Autonome Fahrzeuge können auch LIDAR zur Hinderniserkennung und -vermeidung sowie zur Fahrzeugnavigation verwenden.
Viele derzeit verfügbare LIDAR-Sensoren, die eine Abdeckung und Auflösung bereitstellen, die für die Hinderniserkennung und -vermeidung in autonomen Fahrzeugen ausreichend ist, sind sowohl technologisch komplex als auch teuer in der Herstellung. Solche Sensoren können daher zu teuer sein, um einen breiten Einsatz in Massenmarktautomobilen, Lastwagen und anderen Fahrzeugen zu ermöglichen. Die Gesamtkomponentenkosten und die Herstellungskomplexität eines bestimmten Typs von LIDAR-Sensor werden typischerweise durch die zugrundeliegenden Komplexitäten in der Architektur des LIDAR-Sensors selbst angetrieben. Dies kann in einigen modernen LIDAR-Sensoren, die eine Ansammlung verschiedener interner Teilsysteme sind, die jeweils an sich recht komplex sein können, z. B. optoelektronische Systeme, elektromechanische Systeme, Computersteuerungssysteme, Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme, Datenverarbeitungssysteme und dergleichen, weiter verschärft werden.
Um die hohe Positionsgenauigkeit, die große Reichweite und den geringen Stromverbrauch zu erreichen, die für einige moderne Erfassungsanwendungen wichtig sein können, haben strenge technische Anforderungen für jedes dieser Teilsysteme zu Architekturen und Designs geführt, die komplex und schwierig zu bauen sind und häufig teure Kalibrierungs- und Ausrichtungsverfahren erfordern, bevor einzelne LIDAR-Einheiten von einem Kunden verwendet werden können. Beispielsweise haben einige LIDAR-Systeme interne Architekturen, die eine oder mehrere große Hauptplatinen und voluminöse, schwere optische Systeme verwenden, die auf einem ausgeglichenen strukturellen Element montiert sind, die sich alle in einem Turm befinden, der mit Raten in der Größenordnung von 1.000 U/min rotiert. In einigen dieser Systeme sind separate Laseremitter/Detektor-Paare auf einzelnen, separaten Leiterplatten montiert. Somit kann es erforderlich sein, dass jede Emitterplatine und Empfängerplatine separat auf der Hauptplatine montiert ist, wobei jedes Emitter/Detektor-Paar entlang einer bestimmten Richtung präzise ausgerichtet ist, um sicherzustellen, dass das Sichtfeld jedes Detektors mit dem Sichtfeld des jeweiligen Emitters des Detektors überlappt. Als Ergebnis der obigen Architektur sind typischerweise Präzisionsausrichtungstechniken während der Montage erforderlich, um jede Emitterplatine und jede Empfängerplatine separat auszurichten.
Die oben beschriebene Architektur wird zunehmend problematisch, wenn man die Auflösung der Vorrichtung skalieren möchte. Die Erhöhung der Auflösung erfordert die Hinzufügung von mehr Laseremitter/Detektor-Paaren, die wiederum jeweils auf ihrer eigenen Leiterplatte montiert sind. Folglich kann die lineare Skalierung der Auflösung mit diesem Typ von Architektur zu exponentiellen Erhöhungen der Herstellungskosten und auch exponentiellen Verringerungen der Zuverlässigkeit aufgrund der großen Anzahl von beteiligten Einzelteilen und Platinen führen. Sobald die Montage und Ausrichtung abgeschlossen ist, muss große Sorgfalt darauf verwendet werden, dass die präzise ausgerichtete Mehrplatinenanordnung während des Versands oder an einem anderen Punkt über die Konstruktionslebensdauer des Systems nicht gestört oder aus der Ausrichtung gestoßen wird.
Zusätzlich zu den Komplexitäten der Ausrichtung und Montage der optischen Systeme weisen die derzeit verfügbaren LIDAR-Einheiten einen relativ niedrigen Gesamtgrad der Systemintegration auf. Zum Beispiel sind Steuer- und Antriebsschaltungen in vielen derzeit verfügbaren LIDAR-Einheiten separate Module, die auf kundenspezifischen Platinen montiert sind. Diese kundenspezifischen Platinen müssen wiederum auf einer Hauptplatine innerhalb der LIDAR-Einheit montiert werden oder können an einer anderen Stelle auf einem strukturellen Element der LIDAR-Einheit mittels einer oder mehrerer Montagehalterungen montiert werden. In einigen Fällen kann jede Platine eine oder mehrere elektrische Zusammenschaltungen aufweisen, die durch ein oder mehrere interne Volumina oder Durchgänge innerhalb der Umfassung geführt werden müssen, um schließlich mit der Hauptplatine verbunden zu werden.
Für rotierende LIDAR-Systeme können noch mehr zusätzliche spezialisierte Halterungen und Zusammenschaltungen für den Elektromotor-Rotor und/oder Stator erforderlich sein. Zusätzlich zu den Stromverbindungen werden Daten-Uplink- und Downlink-Leitungen benötigt und typischerweise durch einen oder mehrere induktive, kapazitive und/oder Metallschleifring-rotierenden Koppler erreicht, die schwierig zu implementieren sein können und/oder zu niedrigen Raten der Datenübertragung führen können. Einige Systeme verwenden Metallbürsten innerhalb des rotierenden Kopplers und sind somit potenziell aufgrund der Anforderung des mechanischen Kontakts der Bürsten innerhalb des rotierenden Mechanismus unzuverlässig. Andere Schleifring-Typ-Verbinder können gefährliche Substanzen, wie Quecksilber, verwenden, was dazu führt, dass diese Arten von Kopplern unter der Richtlinie 2002/95/EC (ROHS) zur Beschränkung gefährlicher Substanzen nicht konform sind und somit in einigen Rechtsprechungen verworfen oder sogar verboten werden.
In Bezug auf die optoelektronischen Systeme hat die Industrie Herausforderungen beim Einbau kostengünstiger Einzelphotonen-Fotodetektoren, wie CMOS-basierte Einzelphotonen-Lawinendioden (engl.: single photon avalanche diodes, SPADs), aufgrund ihrer geringen Quanteneffizienz in den Wellenlängen im nahen Infrarot und ihres niedrigen Dynamikbereichs erlebt. Zur Verbesserung der Quanteneffizienz verwenden einige SPAD-basierte Detektoren die InGaAs-Technologie, aber solche Systeme sind schwieriger, sich auf kostengünstige Weise als CMOS-Vorrichtungen zu integrieren. Daher erzeugen die externen/unterstützenden Schaltungen (z. B. eine Löschschaltung, die die Vorderkante des Lawinenstroms erfassen kann, einen Standardausgangsimpuls synchron mit dem Lawinenaufbau erzeugen kann, die Lawine durch Absenken der Vorspannung zurück auf die Durchbruchspannung löschen kann und dann die Fotodiode wieder auf den Betriebspegel bringen kann), die mit den SPAD-Detektoren assoziiert sind, die unter Verwendung der InGaAs-Technologie hergestellt werden, typischerweise getrennt vom SPAD-Array hergestellt werden, beispielsweise in einem Gehäuse, das außerhalb des SPAD-Arrays liegt. Darüber hinaus sind InGaAs-Substrate relativ teuer und die assoziierten Herstellungsprozesse weisen typischerweise eine geringere Ausbeute auf als Siliziumsubstratherstellungsprozesse, die die Kostensteigerung weiter verstärken. Um die Dinge weiter zu komplizieren, müssen InGaAs-Substrate typischerweise aktiv gekühlt werden, um Dunkelströme auf geeignete Pegel zu reduzieren, was die Menge an Energie erhöht, die während der Laufzeit verbraucht wird, wodurch die Kosten und die Komplexität noch weiter erhöht werden.
Anstatt SPAD-basierte Detektoren einzusetzen, verwenden viele kommerziell verfügbare LIDAR-Lösungen Lawinenphotodioden (APDs). Bei APDs handelt es sich nicht um binäre Detektionsvorrichtungen, sondern um die Ausgabe eines analogen Signals (z. B. eines Stroms), das proportional zur Lichtintensität ist, die auf den Detektor fällt, und das als Ergebnis einen hohen Dynamikbereich aufweist. APDs müssen jedoch durch mehrere zusätzliche analoge Schaltungen unterstützt werden, einschließlich beispielsweise analoger Schaltungen wie Transimpedanzverstärker und/oder Differenzverstärker, Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler, einen oder mehrere digitale Signalprozessoren (DSPs) und dergleichen. Herkömmliche APDs erfordern auch hohe Sperrvorspannungen, die mit Standard-CMOS-Prozessen nicht möglich sind. Ohne ausgereifte CMOS ist es schwierig, all diese analogen Schaltungen auf einem einzelnen Chip mit einem kompakten Formfaktor zu integrieren, und es werden üblicherweise mehrere externe Schaltungsmodule verwendet, die sich auf einer Leiterplatte befinden, was zu den hohen Kosten dieser bestehenden Einheiten beiträgt.
Um wachsende Märkte für 3D-Erfassungssysteme zu unterstützen, besteht dementsprechend weiterhin ein Bedarf an kostengünstigeren, aber dennoch leistungsstarken LIDAR-Systemen. Darüber hinaus besteht weiterhin ein Bedarf an verbesserten und eleganteren Systemarchitekturen, die optimierte Montageprozesse ermöglichen, die effektiv im Maßstab eingesetzt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der Offenbarung betreffen eine LIDAR-Einheit, die unter anderem zur Hinderniserkennung und -vermeidung in autonomen Fahrzeugen verwendet werden kann.
Verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung können eines oder mehrere der vorstehend erörterten Probleme lösen, die mit einigen derzeit verfügbaren LIDAR-Systemen assoziiert sind. Einige spezifische Ausführungsformen betreffen LIDAR-Systeme, die Konstruktionsmerkmale beinhalten, die es ermöglichen, die Systeme billig genug und mit ausreichender Zuverlässigkeit herzustellen und einen ausreichend kleinen Platzbedarf zur Verwendung in Massenmarktautomobilen, Lastwagen und anderen Fahrzeugen zu haben.
In einigen Ausführungsformen kann ein sich drehendes Lichtentfernungsmesssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Lichtentfernungsmessvorrichtung (die z. B. Lichtimpulse emittiert und reflektierte Impulse detektiert) beinhalten, die mit einer oberen Leiterplattenbaugruppe verbunden ist, die um eine durch eine Welle definierte Achse rotiert. Die obere Leiterplattenbaugruppe kann mit einer unteren Leiterplattenbaugruppe kooperieren, z. B. um über jeweilige Schaltungselemente Leistung, Daten und/oder codierte Positionen bereitzustellen. Die Einbeziehung von kooperierenden drahtlosen Schaltungselementen auf der rotierenden oberen Leiterplattenbaugruppe und der unteren Leiterplattenbaugruppe (z. B. im Gegensatz zu externen, physischen Verbindungen) kann eine kompaktere Konstruktion bereitstellen. Ferner können spezifische Schaltungselemente (z. B. optische oder Leistungselemente) auf eine Weise positioniert werden, um eine effiziente Kommunikation zu ermöglichen und/oder den Fluss zu erhöhen. Zum Beispiel kann ein drahtloser Leistungsempfänger an einem Ring an einer Außenkante der oberen Leiterplattenbaugruppe bereitgestellt werden, wodurch die Menge an Magnetfluss maximiert wird, die durch einen induktiven Ring erfasst wird, oder die Fläche maximiert wird, die in einem kapazitiven System verfügbar ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein optisches Kommunikationsteilsystem einen optischen Kommunikationskanal zwischen einer rotierenden Lichtentfernungsmessvorrichtung und einem Basisteilsystem bereitstellen, das nicht um eine Welle rotiert. Der optische Kommunikationskanal kann eine schnelle Kommunikation bereitstellen, kann aber auch eine kompakte und kostengünstige Konstruktion bereitstellen. Zum Beispiel kann eine optische Turmkommunikationskomponente an einer rotierenden Baugruppe positioniert werden, um Daten (z. B. Entfernungsmessdaten von der Lichtentfernungsmessvorrichtung) mit einer optischen Basiskommunikationskomponente zu kommunizieren. Eine solche Positionierung kann die Notwendigkeit von voluminöseren Kommunikationsmechanismen verringern. Zum Beispiel kann der Downlink-Übertrager positioniert werden, um optische Entfernungsmessdaten durch eine Hohlwelle zu übertragen, die zur Rotation verwendet wird. Als ein anderes Beispiel können ein oder mehrere Uplink-Übertrager des Basisteilsystems Uplink-Signale an einen oder mehrere Uplink-Empfänger übertragen, die an einer rotierenden Baugruppe rotieren, z. B. wo diese Uplink-Elemente in Ringen positioniert sind, die zueinander ausgerichtet sind.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Rotation einer oberen Leiterplattenbaugruppe durch Stator- und Rotorelemente angetrieben werden, die auf oberen und unteren Leiterplatten integriert sind, wodurch das Lichtentfernungsmesssystem kompakt wird. Zum Beispiel kann die obere Leiterplattenbaugruppe eine Vielzahl von Rotorelementen beinhalten, die symmetrisch um eine Rotationswelle angeordnet sind, und eine untere Leiterplattenbaugruppe kann eine Vielzahl von Statorelementen beinhalten, die symmetrisch um die Welle angeordnet sind. Eine Antriebsschaltung kann die Statorelemente antreiben. Mit solchen Rotor- und Statorelementen, die auf den Leiterplatten selbst aufgebaut sind, ergeben sich verschiedene Vorteile gegenüber Produkten, die voluminösere Motoren (z. B. Schrittmotoren, Bürstenmotoren oder nicht integrierte bürstenlose Motoren) verwenden.
Gemäß einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem eine Welle mit einer Längsachse; eine erste Leiterplattenbaugruppe, die eine Statorbaugruppe beinhaltet, die eine Vielzahl von Statorelementen umfasst, die um die Welle auf einer Oberfläche der ersten Leiterplattenbaugruppe angeordnet sind; eine zweite Leiterplattenbaugruppe, die rotierbar an die Welle gekoppelt und von der ersten Leiterplattenbaugruppe beabstandet und in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dieser ist, wobei die zweite Leiterplattenbaugruppe eine Rotorbaugruppe beinhaltet, die eine Vielzahl von Rotorelementen umfasst, die um die Welle auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplattenbaugruppe angeordnet sind, sodass die Vielzahl von Rotorelementen mit der Vielzahl von Statorelementen ausgerichtet und von diesen beabstandet ist; eine Statorantriebsschaltung, die entweder auf der zweiten oder der ersten Leiterplattenbaugruppe angebracht und konfiguriert ist, um ein Antriebssignal an die Vielzahl von Statorelementen bereitzustellen, wodurch eine elektromagnetische Kraft auf die Vielzahl von Rotorelementen ausgeübt wird, um eine Rotation der zweiten Leiterplattenbaugruppe um die Längsachse der Welle anzutreiben; und eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die mechanisch an die zweite Leiterplattenbaugruppe gekoppelt ist, sodass die Lichtentfernungsmessvorrichtung mit der zweiten Leiterplattenbaugruppe rotiert.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem eine Welle; eine erste Leiterplattenbaugruppe, die eine Statorbaugruppe beinhaltet, die eine Vielzahl von Statorelementen umfasst, die um die Welle auf einer Oberfläche der ersten Leiterplattenbaugruppe angebracht sind; eine zweite Leiterplattenbaugruppe, die rotierbar an die Welle gekoppelt ist, wobei die zweite Leiterplattenbaugruppe eine Rotorbaugruppe beinhaltet, die eine Vielzahl von Rotorelementen umfasst, die um die Welle auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplattenbaugruppe angeordnet sind, sodass die Vielzahl von Rotorelementen mit der Vielzahl von Statorelementen ausgerichtet und von diesen beabstandet ist; eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die gekoppelt ist, um mit der zweiten Leiterplattenbaugruppe zu rotieren, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung eine Lichtquelle beinhaltet, die konfiguriert ist, um Lichtimpulse an Objekte in ein umgebendes Umfeld zu übertragen, und eine Detektorschaltung, die konfiguriert ist, um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse zu detektieren, die von den Objekten in das umgebende Umfeld reflektiert werden, und um Entfernungsmessdaten basierend auf dem reflektierten Abschnitt der Lichtimpulse zu berechnen; und eine Statorantriebsschaltung, die entweder auf der zweiten oder der ersten Leiterplattenbaugruppe angebracht und konfiguriert ist, um ein Antriebssignal an die Vielzahl von Statorelementen bereitzustellen, wodurch eine elektromagnetische Kraft auf die Vielzahl von Rotorelementen ausgeübt wird, um eine Rotation der zweiten Leiterplattenbaugruppe um die Welle anzutreiben.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem eine stationäre Umfassung mit einem optisch transparenten Fenster und einer Basis; eine Hohlwelle, die innerhalb der Umfassung angebracht ist; ein Lagersystem, das mit der Hohlwelle gekoppelt ist; eine erste Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb der Umfassung und parallel zu einer ersten Ebene senkrecht zur Hohlwelle angebracht ist, wobei die erste Leiterplattenbaugruppe eine Statorbaugruppe beinhaltet, die eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Statorelementen umfasst, die ringförmig um die Welle auf einer Oberfläche der ersten Leiterplattenbaugruppe angeordnet sind; eine zweite Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb der Umfassung parallel zur ersten Ebene angebracht und mit der Welle durch das Lagersystem rotierend gekoppelt ist, wobei die zweite Leiterplattenbaugruppe eine Rotorbaugruppe beinhaltet, die eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Rotorelementen umfasst, die ringförmig um die Welle auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplattenbaugruppe angeordnet sind, sodass die Vielzahl von Rotorelementen mit der Vielzahl von Statorelementen ausgerichtet und von dieser beabstandet sind; eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die gekoppelt ist, um mit der zweiten Leiterplattenbaugruppe innerhalb der stationären Umfassung zu rotieren, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung eine Lichtquelle beinhaltet, die konfiguriert ist, um Lichtimpulse durch das Fenster zu Objekten in einem umgebenden Umfeld zu übertragen, und eine Detektorschaltung, die konfiguriert ist, um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse zu detektieren, die durch das Fenster empfangen werden, die von den Objekten im umgebenden Umfeld reflektiert werden, und um Entfernungsmessdaten basierend auf dem reflektierten Abschnitt der Lichtimpulse zu berechnen; und eine Statorantriebsschaltung, die entweder auf der zweiten oder der ersten Leiterplattenbaugruppe angebracht und konfiguriert ist, um ein Antriebssignal an die Vielzahl von Statorelementen bereitzustellen, wodurch eine elektromagnetische Kraft auf die Vielzahl von Rotorelementen ausgeübt wird, um eine Rotation der zweiten Leiterplattenbaugruppe und der Lichtentfernungsmessvorrichtung um die Welle anzutreiben.
Gemäß einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem ein Gehäuse; eine Welle, die eine Rotationsachse definiert; eine erste Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb des Gehäuses angebracht und mit diesem in einer festen Beziehung gekoppelt ist, sodass die erste Leiterplattenbaugruppe entlang einer ersten Ebene senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet ist, wobei die erste Leiterplattenbaugruppe eine Vielzahl von ersten Schaltungselementen beinhaltet, die auf einer ersten Leiterplatte angebracht sind; eine zweite Leiterplattenbaugruppe, die von der ersten Leiterplattenbaugruppe innerhalb des Gehäuses in einer zweiten Ebene parallel zur ersten Ebene beabstandet und rotierend an die Welle gekoppelt ist, sodass die zweite Leiterplattenbaugruppe um die Rotationsachse rotiert, wobei die zweite Leiterplattenbaugruppe eine Vielzahl von zweiten Schaltungselementen beinhaltet, die auf einer zweiten Leiterplatte angebracht und ausgerichtet und konfiguriert sind, um in drahtloser Kooperation mit mindestens einem der ersten Vielzahl von Schaltungselementen zu funktionieren; und eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die elektrisch mit der zweiten Leiterplattenbaugruppe verbunden und gekoppelt ist, um mit dieser zu rotieren, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung konfiguriert ist, um Lichtimpulse an Objekte in ein umgebendes Umfeld zu übertragen, um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse zu detektieren, die von den Objekten in das umgebende Umfeld reflektiert werden, und um Entfernungsmessdaten basierend auf dem reflektierten Abschnitt der Lichtimpulse zu berechnen.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem eine Umfassung mit einem optisch transparenten Fenster; eine Welle, die eine Rotationsachse durch die Umfassung definiert; eine erste Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb der Umfassung angebracht und fest an diese gekoppelt und senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet ist; eine zweite Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb der Umfassung angebracht und von der ersten Leiterplattenbaugruppe beabstandet und in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dieser angeordnet ist, wobei die zweite Leiterplattenbaugruppe rotierbar an die Welle gekoppelt ist; eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die an die zweite Leiterplattenbaugruppe in einer festen Beziehung gekoppelt ist, sodass die Lichtentfernungsmessvorrichtung mit der zweiten Leiterplattenbaugruppe um die Welle rotiert; einen ringförmigen Kodierer, der einen ringförmigen Kodiererstreifen, der an einer der ersten oder zweiten Leiterplatten montiert ist, und einen Kodiererleser, der an der anderen der ersten oder zweiten Leiterplatten an einer Stelle, die zugewandt und gegenüber dem ringförmigen Kodiererstreifen ist, montiert ist, umfasst; ein drahtloses Kommunikationssystem, umfassend eine erste ringförmige drahtlose Kommunikationskomponente, die an der ersten Leiterplatte montiert ist, und eine zweite ringförmige drahtlose Kommunikationskomponente, die an der zweiten Leiterplatte an einer Stelle, die zugewandt und gegenüber der ersten ringförmigen drahtlosen Kommunikationskomponente ist, montiert ist; und ein ringförmiges drahtloses Leistungsübertragungssystem, umfassend einen ringförmigen drahtlosen Leistungsübertrager, der an der ersten Leiterplatte montiert ist, und einen ringförmigen drahtlosen Leistungsempfänger, der an der zweiten Leiterplatte an einer Stelle, die zugewandt und gegenüber dem ringförmigen drahtlosen Leistungsübertrager ist, montiert ist.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem eine Umfassung mit einem optisch transparenten Fenster; eine Welle, die eine Rotationsachse durch die Umfassung definiert; eine erste Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb der Umfassung angebracht und fest mit dieser gekoppelt und senkrecht zu der Rotationsachse ausgerichtet ist; eine zweite Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb der Umfassung angebracht und von der ersten Leiterplattenbaugruppe beabstandet und in einer gegenüberliegenden Beziehung zu dieser angebracht ist, wobei die zweite Leiterplattenbaugruppe rotierbar mit der Welle gekoppelt ist; eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die an der zweiten Leiterplattenbaugruppe montiert ist, sodass die Lichtentfernungsmessvorrichtung mit der zweiten Leiterplattenbaugruppe um die Welle rotiert, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung konfiguriert ist, um Lichtimpulse an Objekte in einem umgebenden Umfeld zu übertragen, um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse zu detektieren, die von den Objekten im umgebenden Umfeld reflektiert werden, und um Entfernungsmessdaten basierend auf dem reflektierten Abschnitt der Lichtimpulse zu berechnen; einen ringförmigen Kodierer, der einen ringförmigen Kodiererstreifen, der an einer der ersten oder zweiten Leiterplatten montiert ist, und einen Kodiererleser umfasst, der an der anderen der ersten oder zweiten Leiterplatten an einer Stelle, die zugewandt und gegenüber dem ringförmigen Kodiererstreifen ist, montiert ist; ein drahtloses Kommunikationssystem, das eine erste ringförmige drahtlose Kommunikationskomponente, die an der ersten Leiterplatte montiert ist, und eine zweite ringförmige drahtlose Kommunikationskomponente umfasst, die an der zweiten Leiterplatte an einer Stelle, die zugewandt und gegenüber der ersten ringförmigen drahtlosen Kommunikationskomponente ist, montiert ist; einen Elektromotor, der eine Statorbaugruppe beinhaltet, die eine Vielzahl von Statorelementen umfasst, die um die Welle auf einer Oberfläche der ersten Leiterplattenbaugruppe angeordnet sind, und eine Rotorbaugruppe, die eine Vielzahl von Rotorelementen umfasst, die um die Welle auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplattenbaugruppe angeordnet sind, sodass die Vielzahl von Rotorelementen an einer Stelle, die zugewandt und gegenüber der Vielzahl von Statorelementen ist, angebracht ist; eine Statorantriebsschaltung, die entweder auf der zweiten oder der ersten Leiterplattenbaugruppe angebracht und konfiguriert ist, um ein Antriebssignal an die Vielzahl von Statorelementen bereitzustellen, wodurch eine elektromagnetische Kraft auf die Vielzahl von Rotorelementen ausgeübt wird, um eine Rotation der zweiten Leiterplattenbaugruppe um die Welle anzutreiben; und ein ringförmiges drahtloses Leistungsübertragungssystem, umfassend einen ringförmigen drahtlosen Leistungsübertrager, der an der ersten Leiterplatte montiert ist, und einen ringförmigen drahtlosen Leistungsempfänger, der an der zweiten Leiterplatte an einer Stelle, die zugewandt und gegenüber dem ringförmigen drahtlosen Leistungsübertrager ist, montiert ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem eine Welle mit einer Längsachse; eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die konfiguriert ist, um um die Längsachse der Welle zu rotieren, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung eine Lichtquelle beinhaltet, die konfiguriert ist, um Lichtimpulse an Objekte in ein umgebendes Umfeld zu übertragen, und eine Detektorschaltung, die konfiguriert ist, um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse zu detektieren, die von den Objekten in das umgebende Umfeld reflektiert werden, und um Entfernungsmessdaten basierend auf dem reflektierten Abschnitt der Lichtimpulse zu berechnen; ein Basisteilsystem, das nicht um die Welle rotiert; und ein optisches Kommunikationsteilsystem, das konfiguriert ist, um einen optischen Kommunikationskanal zwischen dem Basisteilsystem und der Lichtentfernungsmessvorrichtung bereitzustellen, wobei das optische Kommunikationsteilsystem eine oder mehrere optische Turmkommunikationskomponenten, die mit der Detektorschaltung verbunden sind, und eine oder mehrere optische Basiskommunikationskomponenten, die mit dem Basisteilsystem verbunden sind, beinhaltet.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem ein Gehäuse mit einem optisch transparenten Fenster; eine Hohlwelle mit einer Längsachse, die innerhalb des Gehäuses angebracht ist; eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die innerhalb des Gehäuses angebracht und konfiguriert ist, um um die Längsachse der Welle zu rotieren, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung eine Lichtquelle beinhaltet, die konfiguriert ist, um Lichtimpulse durch das optisch transparente Fenster an Objekte in einem umgebenden Umfeld zu übertragen, und eine Detektorschaltung, die konfiguriert ist, um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse durch das optisch transparente Fenster zu detektieren, die von den Objekten im umgebenden Umfeld reflektiert werden, und um Entfernungsmessdaten basierend auf dem reflektierten Abschnitt der Lichtimpulse zu berechnen; ein Basisteilsystem, das innerhalb des Gehäuses angebracht ist und nicht um die Welle rotiert; und ein optisches Kommunikationsteilsystem, das innerhalb des Gehäuses angebracht ist und und konfiguriert ist einen optischen Kommunikationskanal zwischen dem Basisteilsystem und der Lichtentfernungsmessvorrichtung bereitzustellen, wobei das optische Kommunikationsteilsystem einen ersten optischen Kanal, der innerhalb der Hohlwelle angebracht ist, und einen zweiten optischen Kanal, der ringförmig außerhalb der Hohlwelle angeordnet ist, beinhaltet.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem ein Gehäuse mit einem optisch transparenten Fenster; eine Hohlwelle mit einer Längsachse, die innerhalb des Gehäuses angebracht ist; eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die innerhalb des Gehäuses angebracht und konfiguriert ist, um um die Längsachse der Welle zu rotieren, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung eine Lichtquelle beinhaltet, die konfiguriert ist, um Lichtimpulse durch das optisch transparente Fenster an Objekte in einem umgebenden Umfeld zu übertragen, und eine Detektorschaltung, die konfiguriert ist, um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse durch das optisch transparente Fenster zu detektieren, die von den Objekten im umgebenden Umfeld reflektiert werden, und um Entfernungsmessdaten basierend auf dem reflektierten Abschnitt der Lichtimpulse zu berechnen; ein Basisteilsystem, das innerhalb des Gehäuses angebracht ist, das nicht um die Welle rotiert; einen ersten optischen Kommunikationskanal, der konfiguriert ist, um Daten zwischen der Lichtentfernungsmessvorrichtung und dem Basisteilsystem durch die Hohlwelle optisch zu übertragen, wobei der erste optische Kommunikationskanal eine erste optische Komponente, die mit einer Schaltung gekoppelt ist, die mit der Lichtentfernungsmessvorrichtung gekoppelt ist, und eine zweite optische Komponente, die mit einer Schaltung gekoppelt ist, die auf dem Basisteilsystem angebracht ist, beinhaltet; und einen zweiten ringförmigen optischen Kommunikationskanal, der die Hohlwelle umgibt und konfiguriert ist, um Daten zwischen der Lichtentfernungsmessvorrichtung und dem Basisteilsystem optisch zu übertragen, wobei der ringförmige optische Kommunikationskanal eine erste ringförmige optische Komponente, die mit einer Schaltung gekoppelt ist, um mit der Lichtentfernungsmessvorrichtung zu rotieren, und eine zweite ringförmige optische Komponente, die mit einer Schaltung gekoppelt ist, die auf dem Basisteilsystem angebracht ist, beinhaltet.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Lichtentfernungsmessvorrichtung ein lichtemittierendes Modul und ein Lichterfassungsmodul beinhalten. Das lichtemittierende Modul kann eine Lichtquelle beinhalten, die konfiguriert ist, um Lichtimpulse an Objekte in einem umgebenden Umfeld zu übertragen. Das Lichterfassungsmodul kann enthalten ein Linsengehäuse; ein Bulk-Linsensystem, das mit dem Linsengehäuse gekoppelt und konfiguriert ist, um Licht aus dem umgebenden Umfeld zu empfangen und das empfangene Licht auf eine Brennebene zu fokussieren, wobei das Bulk-Linsensystem eine erste Linse, eine zweite Linse und eine dritte Linse umfasst, die im Linsengehäuse montiert sind; wobei die erste Linse, die zweite Linse oder die erste Linse und die zweite Linse Kunststoff sind; und wobei die dritte Linse Glas ist; ein Array von Fotosensoren, die konfiguriert sind, um Licht aus dem Bulk-Linsensystem zu empfangen und reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse zu detektieren, die von den Objekten im umgebenden Umfeld reflektiert werden; und eine Halterung, die das Linsengehäuse mechanisch mit dem Array von Fotosensoren koppelt, wobei das Linsengehäuse, das Bulk-Linsensystem und die Halterung konfiguriert sind, um Licht aus dem Bulk-Linsensystem passiv auf das Array von Fotosensoren über einen Temperaturbereich zu fokussieren. In einigen Fällen sind das Linsengehäuse, das Bulk-Linsensystem und die Halterung konfiguriert, um als Funktion der Temperatur eine Brennweite des Linsensystems mit einem Ausdehnungskoeffizienten des Linsengehäuses und mit einem Ausdehnungskoeffizienten der Halterung anzugleichen, sodass Licht passiv auf das Array von Fotosensoren über den Temperaturbereich fokussiert wird, wie beispielsweise -5 Grad C bis 70 Grad C.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Lichtentfernungsmesssystem eine Umfassung mit einem optisch transparenten Fenster, eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die innerhalb der Umfassung angebracht ist, und eine Schaltung, die konfiguriert ist, um Entfernungsmessdaten zu berechnen. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung kann einen optischen Übertrager beinhalten, umfassend ein Bulk-Übertragerlinsensystem und eine Vielzahl von Übertragerkanälen, wobei jeder Kanal einen Lichtemitter beinhaltet, der konfiguriert ist, um Impulse von schmalbandigem Licht zu erzeugen und durch die Bulk-Übertrageroptik und durch das optisch transparente Fenster in ein Feld außerhalb des Lichtentfernungsmesssystems zu übertragen; und einen optischen Empfänger, umfassend ein Bulk-Empfängerlinsensystem, ein Linsengehäuse und eine Vielzahl von mikrooptischen Empfängerkanälen, wobei jeder mikrooptische Kanal eine Apertur beinhaltet, die mit einer Brennebene der Bulk-Empfängeroptik zusammenfällt, eine Kollimatorlinse hinter der Apertur, einen optischen Filter hinter der Kollimatorlinse und einen Fotosensor, der auf einfallende Photonen reagiert, die durch die Apertur in die Kollimatorlinse und durch den Filter geleitet werden. Das Bulk-Empfängerlinsensystem kann eine erste Linse, eine zweite Linse und eine dritte Linse beinhalten, die im Linsengehäuse montiert sind; wobei die erste Linse, die zweite Linse oder die erste Linse und die zweite Linse Kunststoff sind; die dritte Linse Glas ist; und ein Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) des Linsengehäuses über einen Temperaturbereich mit dem Bulk-Empfängerlinsensystem angeglichen ist, sodass die Brennebene relativ zu jedem Fotosensor in der Vielzahl von mikrooptischen Empfängerkanälen über den Temperaturbereich stabil ist. In einigen Fällen beträgt der Temperaturbereich von 20 Grad C bis 70 Grad C und in einigen Fällen beträgt der Temperaturbereich von -5 Grad C bis 70 Grad C.
In einigen Ausführungsformen ist eine bilderfassende Vorrichtung vorgesehen. Die bilderfassende Vorrichtung kann ein Linsengehäuse beinhalten; ein Bulk-Linsensystem, das mechanisch mit dem Linsengehäuse gekoppelt und konfiguriert ist, um Licht aus dem umgebenden Umfeld zu empfangen und das empfangene Licht auf eine Brennebene zu fokussieren. Das Bulk-Linsensystem kann beinhalten eine erste Linse, eine zweite Linse und eine dritte Linse, die im Linsengehäuse montiert sind, wobei die erste Linse, die zweite Linse oder die erste Linse und die zweite Linse Kunststoff sind und wobei die dritte Linse Glas ist. Die bilderfassende Vorrichtung kann ferner ein Array von Fotosensoren beinhalten, das konfiguriert ist, um Licht aus dem Bulk-Linsensystem zu empfangen, und eine Halterung, die das Linsengehäuse mechanisch mit dem Array von Fotosensoren koppelt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) des Linsengehäuses kann über einen Temperaturbereich mit dem Bulk-Linsensystem angeglichen werden, sodass die Brennebene relativ zum Array von Fotosensoren über den Temperaturbereich stabil ist. In einigen Fällen beträgt der Temperaturbereich von 20 Grad C bis 70 Grad C und in einigen Fällen beträgt der Temperaturbereich von -5 Grad C bis 70 Grad C. Und in einigen Ausführungsformen ist ein CTE der Halterung mit dem CTE des Linsengehäuses angeglichen.
Diese und andere Ausführungsformen werden im Folgenden ausführlich beschrieben. Zusätzlich werden andere Aspekte und Vorteile verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, die beispielhaft die Prinzipien der beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen.
Figurenliste

1 A-1B zeigen ein rotierendes Lichtentfernungsmesssystem bzw. ein nicht rotierendes Festkörper-Lichtentfernungsmesssystem, die in Automobilanwendungen gemäß einigen Ausführungsformen verwendet werden können;
2A-2B zeigen hochrangige Blockdiagramme von rotierenden bzw. Festkörper-LIDAR-Systemen gemäß einigen Ausführungsformen;
3 veranschaulicht ein detaillierteres Blockdiagramm eines rotierenden LIDAR-Systems 300 gemäß einigen Ausführungsformen wie den oben unter Bezugnahme auf 2A beschriebenen;
4 zeigt ein veranschaulichendes Beispiel des Lichtübertragungs- und - detektionsprozesses für ein Lichtentfernungsmesssystem gemäß einigen Ausführungsformen mit einem Fokus auf das Emitter-Array und das Sensor-Array, die eine Anordnung von Emitter-Sensor-Kanälen bilden, wie oben unter Bezugnahme auf 2 eingeführt;
5A-5B zeigen ein rotierendes LIDAR-System 500 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
6A-6C zeigen Querschnittsansichten eines LIDAR-Systems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
6D zeigt eine Draufsicht einer Statorplatine gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
6E zeigt eine Unteransicht einer Rotorplatine gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
6F ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Abschnitts eines drahtlosen Mehrspulen-Leistungsempfängers, der innerhalb eines ringförmigen Ferritkanals positioniert ist, gemäß einigen Ausführungsformen;
7 zeigt eine Explosionsansicht der unteren Leiterplattenbaugruppe, um den Montageprozess des kompakten LIDAR-Systems gemäß bestimmten Ausführungsformen zu veranschaulichen;
8A und 8B zeigen eine Explosionsansicht eines LIDAR-Systems gemäß einigen Ausführungsformen;
9A-9C zeigen eine perspektivische Ansicht, eine Vorderansicht bzw. eine vergrößerte Vorderansicht einer Lichtentfernungsmessvorrichtung 900 gemäß bestimmten Ausführungsformen;
10 zeigt ein optisches Blockdiagramm einer Lichtentfernungsmessvorrichtung 1000, die sowohl die optischen Systeme für ein Rx-Modul 1001 als auch ein Tx-Modul 1003 gemäß bestimmten Ausführungsformen zeigt;
11A zeigt eine Draufsicht eines Mikrooptikgehäuses gemäß bestimmten Ausführungsformen;
11B zeigt einen Querschnitt eines einzelnen mikrooptischen Empfängerkanals gemäß einigen Ausführungsformen;
12A-12B zeigen Draufsichten eines SPAD-basierten Detektors gemäß einigen Ausführungsformen;
13A und B zeigen vereinfachte Draufsichten und Seitenansichten eines VCSEL-Chip-Übertragers gemäß einigen Ausführungsformen;
14 zeigt ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform eines optischen LIDAR-Bulk-Systems;
15A, 15B und 15C zeigen eine Ausführungsform einer Bulk-Optiklinsenbaugruppe;
16A-16E zeigen verschiedene Ansichten einer Ausführungsform einer Linsenbaugruppe;
17A-17D zeigen Querschnitte einer Ausführungsform der Linsen einer Linsenbaugruppe; und
18 zeigt eine Ausführungsform einer Linsenbaugruppe mit drei Linsen.

BEGRIFFE
Sofern nicht anders definiert, haben die hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet allgemein verstanden wird. Die folgenden Definitionen werden jedoch bereitgestellt, um das Verständnis bestimmter Begriffe zu erleichtern, die häufig verwendet werden, und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken. Die hierin verwendeten Abkürzungen haben ihre herkömmliche Bedeutung innerhalb der relevanten Techniken.
Der Begriff Entfernungsmessdaten kann sich auf alle Daten beziehen, die von einer Laserentfernungsvorrichtung übertragen werden können, z. B. eine Turmkomponente eines rotierenden LIDAR-Systems. Beispiele für Entfernungsmessdaten sind Entfernungsmessinformationen, z. B. Entfernung zu einem bestimmten Zielpunkt in einem bestimmten Winkel (Azimut und/oder Zenit), Entfernungsmessraten- oder Geschwindigkeitsinformationen, z. B. die Ableitung der Entfernungsmessdaten in Bezug auf die Zeit, und auch Betriebsinformationen wie Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Rückkehr oder Signalintensität, Zielreflexionsvermögen, Umgebungs-NIR-Spiegel, die von jedem Pixelsichtfeld kommen, Diagnoseinformationen einschließlich Temperatur, Spannungspegel usw. In einigen Ausführungsformen können Entfernungsmessdaten RGB-Informationen von einer RGB-Kamera beinhalten, die sich im Turm befindet, z. B. eine Hochgeschwindigkeits-Auslesekamera wie eine Zeilenkamera oder ein Wärmebildgerät.
Der Begriff Turm kann sich auf den rotierenden Teil oder Abschnitt eines rotierenden LIDAR-Systems beziehen. Turmkomponenten beinhalten eine beliebige rotierende Komponente oder Leiterplatten im Turmabschnitt des LIDAR-Systems und können eine oder mehrere Komponenten beinhalten, die sich in einer Lichtentfernungsmessvorrichtung befinden, und/oder eine oder mehrere Komponenten, die sich auf einer rotierenden Leiterplatte eines rotierenden Aktuators befinden.
Im Kontext eines rotierenden LIDAR-Systems (hierin manchmal als „rotierendes LIDAR-System“ bezeichnet) kann sich der Begriff Basis auf den nicht rotierenden Teil oder nicht rotierenden Abschnitt des rotierenden LIDAR-Systems beziehen. Basiskomponenten beinhalten eine beliebige nicht rotierende Komponente oder Leiterplatten im Basisabschnitt des LIDAR-Systems und können eine oder mehrere Komponenten beinhalten, die sich in einer Basisbaugruppe befinden, und/oder eine oder mehrere Komponenten, die sich auf einer nicht rotierenden Leiterplatte eines rotierenden Aktuators befinden.
Die Begriffe obere und untere beziehen sich auf die Position oder relative Position von Komponenten entlang der Rotationsachse eines LIDAR-Systems. In einigen Ausführungsformen befinden sich obere Komponenten, auch als Turmkomponenten bezeichnet, auf dem Turm des LIDAR-Systems, während sich untere Komponenten, auch als Basiskomponenten bezeichnet, auf der Basis des LIDAR-Systems befinden.
Der Begriff Ring beinhaltet nicht nur kreisförmige Formen, sondern auch Formen, die leicht nicht kreisförmig, z. B. elliptisch, und in Umfangsrichtung um eine Mittelachse angeordnet sind, einschließlich Störungen oder Schwingungen (z. B. wellenförmig) an einem Umfang.
Eine oder mehrere Formen, die als symmetrisch bezeichnet werden, können sowohl perfekt symmetrische Formen als auch Formen beinhalten, die im Allgemeinen, aber nicht perfekt symmetrisch sind. Anordnungen von hierin beschriebenen elektronischen Komponenten können in einer symmetrischen Konfiguration am effizientesten arbeiten, jedoch schließt der Begriff symmetrisch nicht diejenigen Konfigurationen aus, die leicht asymmetrisch sind oder eine leichte Abweichung von symmetrisch aufweisen, selbst wenn diese Konfigurationen nicht zu der optimalen Betriebskonfiguration führen.
Der Begriff parallel ist nicht auf perfekt parallel beschränkt, sondern beinhaltet auch diejenigen geometrischen Anordnungen und Konfigurationen, die infolge von Herstellungsvariationen im Wesentlichen parallel sind, z. B. können zwei Elemente, die hierin als parallel bezeichnet werden, einen Winkel zwischen -5 und 5 Grad oder -1 und 1 Grad zwischen den beiden Elementen aufweisen, abhängig von der verwendeten Herstellungstoleranz.
Ein Begriff senkrecht ist nicht auf perfekt senkrecht beschränkt, sondern beinhaltet auch diejenigen geometrischen Anordnungen und Konfigurationen, die infolge von Herstellungsvariationen im Wesentlichen senkrecht sind, z. B. können zwei Elemente, die hierin als senkrecht bezeichnet werden, einen Winkel zwischen 85 und 95 Grad zwischen den beiden Elementen aufweisen.
Der Begriff Fotosensor (oder einfach Sensor) bezieht sich auf einen Sensor, der Licht in ein elektrisches Signal (z. B. ein analoges elektrisches Signal oder ein binäres elektrisches Signal) umwandeln kann. Eine Lawinenphotodiode (APD) ist ein Beispiel für einen Fotosensor. Ein einzelner Fotosensor kann eine Vielzahl kleinerer „Fotodetektoren“ beinhalten. Somit kann eine Vielzahl von Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs) ein weiteres Beispiel für einen Fotosensor sein, wobei jede einzelne SPAD in der Vielzahl von SPADs (z. B. jede SPAD in einem Array von SPADs) als Fotodetektor bezeichnet werden kann. Der Begriff Sensorarray kann sich manchmal auf einen Sensorchip beziehen, der ein Array von mehreren Sensoren beinhaltet. Zusätzlich wird der Begriff Pixel manchmal austauschbar mit Fotosensor oder Sensor verwendet.
Der Begriff Übertrager kann sich auf eine Struktur beziehen, die ein oder mehrere lichtübertragende Elemente beinhaltet, z. B. LED, Laser, VCSEL und dergleichen. Der Begriff Übertrager kann auch einen Übertragerchip beinhalten, der ein Array von Übertragern beinhaltet, manchmal als Emitter-Array bezeichnet.
Der Begriff Bulk-Optik(en) bezieht sich auf einzelne Linsen und/oder Linsenanordnungen, die eine oder mehrere makroskopisch bemessene Optiken beinhalten, z. B. mit Durchmessern in der Größenordnung von Zentimetern oder größer, wie sie beispielsweise in kommerziell erhältlichen Kameralinsen und Mikroskoplinsen verwendet werden. In dieser Offenbarung wird der Begriff Bulk-Optik mit dem Begriff Mikrooptik kontrastiert, der sich auf optische Elemente oder Arrays von optischen Elementen mit individuellen Elementdurchmessern bezieht, die in der Größenordnung von einigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern Größe oder kleiner sind. Im Allgemeinen kann die Mikrooptik Licht für verschiedene Emitter und/oder verschiedene Detektoren eines Arrays von Emittern oder eines Arrays von Detektoren unterschiedlich modifizieren, während die Bulk-Optik Licht für das gesamte Array modifiziert.
So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff telezentrisches Bildraumoptikmodul auf ein optisches System (Bulk oder anderweitig), bei dem auf der Bildebene alle (oder im Wesentlichen alle) der Hauptstrahlen von innerhalb der Apertur der Linsen auf die Bildebene „gerade ein“ oder unter einem Einfallswinkel von null innerhalb einer spezifizierten Toleranz (z. B. +/- 2 Grad) einfallen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Gemäß bestimmten Ausführungsformen beziehen sich die hierin offenbarten Systeme auf ein kompaktes light ranging and detection (LIDAR) System. Das LIDAR-System kann eine modulare Lichtentfernungsmessvorrichtung und einen optionalen hochkompakten und integrierten rotierenden Aktuator beinhalten. Die modulare Lichtentfernungsmessvorrichtung kann als eigenständiges nicht rotierendes Festkörper-LIDAR arbeiten oder, wenn sie mit dem integrierten rotierenden Aktuator verbunden ist, als Teil eines Turms eines rotierenden LIDAR arbeiten. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung kann ein Lichtübertragungsmodul (manchmal als „lichtemittierendes Modul“ bezeichnet) zum Beleuchten von Objekten in einem Feld beinhalten, das sich um das Lichtentfernungsmessmodul herum befindet, und beinhaltet auch ein Lichterfassungsmodul zum Erfassen von reflektierten oder gestreuten Abschnitten der Beleuchtungslichtimpulse zur Verwendung beim Berechnen eines 3D-Tiefenbilds. Das Lichtentfernungsmessmodul kann auch einen Detektorchip (z. B. einen CMOS-Chip) beinhalten, der ein Array von Fotosensoren beinhaltet, von denen jeder beispielsweise ein Array von SPADs sein kann.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet der rotierende Aktuator eine obere Leiterplattenbaugruppe (hierin auch als Turm oder rotierende Leiterplattenbaugruppe bezeichnet) und eine Basisleiterplattenbaugruppe (hierin auch als stationäre Leiterplattenbaugruppe bezeichnet). Die verschiedenen Leiterplatten des rotierenden Aktuators können in der Weise hochintegriert sein, dass viele der funktionalen und/oder unterstützenden elektronischen und optischen Komponenten des LIDAR-Systems direkt auf einer oder mehreren Platinen des rotierenden Aktuators montiert werden können. So kann beispielsweise die Basissteuerung des LIDAR-Systems, die verschiedene Emissionsparameter des Lichtübertragungsmoduls steuern kann, auf einer Platine der Basisleiterplattenbaugruppe des rotierenden Aktuators montiert werden. Darüber hinaus kann dem Lichtentfernungsmessmodul über ein drahtloses Energieübertragungssystem Energie zugeführt werden, das ebenfalls auf einer Platine des rotierenden Aktuators integriert ist. Die Kommunikation zwischen der Basissteuerung und dem Lichtentfernungsmessmodul und umgekehrt kann über einen optischen Uplink-Kanal und einen optischen Downlink-Kanal ermöglicht werden, wobei die elektrischen und optischen Komponenten, die die optischen Uplink-/Downlink-Kanäle unterstützen, ebenfalls auf einer oder mehreren Leiterplatten des rotierenden Aktuators integriert sind.
In einigen Ausführungsformen beinhalten diese gleichen Platinen Elektromotorkomponenten, die auf einer oder mehreren Oberflächen der oberen und unteren Leiterplattenbaugruppen des rotierenden Aktuators integriert sind. Beispielsweise kann ein Elektromotorstator direkt an eine Oberfläche der unteren Leiterplattenbaugruppe des rotierenden Aktuators zusammen mit anderen elektrischen Komponenten, z. B. einer Gruppe von optischen Uplink-Übertragern, einem optischen Downlink-Empfänger und einem drahtlosen Leistungsübertrager, gebunden werden. Ebenso kann ein Elektromotorrotor direkt an eine Oberfläche der oberen Leiterplattenbaugruppe des rotierenden Aktuators zusammen mit anderen elektrischen Komponenten, z. B. einer Gruppe von optischen Uplink-Empfängern, einem optischen Downlink-Übertrager, einem optischen oder magnetischen rotierenden Kodiererleser und einem drahtlosen Leistungsempfänger, gebunden werden.
In einigen Ausführungsformen kann die obere Leiterplattenbaugruppe einen oder mehrere Verbinder beinhalten, die ebenfalls an eine Oberfläche der oberen Leiterplattenbaugruppe gebunden sind, um das Lichtentfernungsmessmodul mit der oberen Leiterplattenbaugruppe zu verbinden. Zusätzlich kann der rotierende Aktuator auch zusätzliche Rechenressourcen, einen oder mehrere FPGAs, ASICs, Mikroprozessoren und dergleichen beinhalten, die vom Lichtentfernungsmessmodul verwendet werden können, um eine Datenverarbeitung an den angesammelten Daten durchzuführen.
Angesichts des hohen Grads der Systemintegration in das hierin offenbarte kompakte LIDAR kann ein voll funktionsfähiges System durch einfaches Befestigen des Lichtentfernungsmessmoduls am rotierenden Aktuator zusammengebaut werden. Es besteht kein Bedarf an einem separaten Elektromotormodul, separaten Kommunikationsmodul, separaten Leistungsmodulen usw.
In einigen Ausführungsformen bietet sich die Architektur des rotierenden Aktuators für ein elegantes Zusammenbauen an. Beispielsweise kann das System so konzipiert werden, dass die elektrischen Komponenten, einschließlich Kommunikationskomponenten, Elektromotorkomponenten und drahtlosen Leistungskomponenten, in Umfangsrichtung und konzentrisch um eine Mittelachse des Systems oder sogar koaxial mit der Achse des Systems angeordnet sind. Die zentrale Achse kann auch kollinear mit der Rotationsachse der oberen Leiterplattenbaugruppe oder des Turms sein. Eine oder mehrere Platinen des rotierenden Aktuators können ein zentrales Loch beinhalten, das konfiguriert ist, um eine Welle aufzunehmen, die (direkt oder indirekt) an einem unteren Abschnitt oder einer Basis einer festen Umfassung befestigt werden kann. In einigen Ausführungsformen definiert die Welle die Rotationsachse des Systems und ein oder mehrere daran befestigte Lager sorgen für eine rotierende Bewegung der oberen Leiterplattenbaugruppe relativ zur unteren Leiterplattenbaugruppe.
In Anbetracht der obigen Architektur kann das Zusammenbauen des rotierenden Aktuators in einigen Ausführungsformen reduziert werden auf ein Fallenlassen aufeinanderfolgender Platinen an einem Ort der Welle. Da eine Teilmenge der elektrischen Komponenten (wie die Kommunikationskomponenten, Elektromotorkomponenten und drahtlosen Leistungskomponenten) in Umfangsrichtung um eine zentrale Achse des Systems angeordnet sind, können diese Systeme effektiv arbeiten, ohne dass komplexe Ausrichtungsverfahren erforderlich sind, sobald das Zusammenbauen abgeschlossen ist.
In einigen Ausführungsformen verwendet das System ein thermisch stabiles telezentrisches Bildraumoptikmodul, das innerhalb des Lichtübertragungsmoduls oder des Lichterfassungsmoduls oder beider eingesetzt wird. Das thermisch stabile telezentrische Bildraumoptikmodul kann so konstruiert werden, dass es eine Bildebene aufweist, die relativ zum Übertrager oder Sensorchip im Raum stabil ist, der ein Array von Übertragern und/oder Sensoren des Lichtübertragungsmoduls bzw. Lichterfassungsmoduls beinhaltet. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Linsengehäuses und der optischen Elemente innerhalb des Linsengehäuses können zusammen mit der Änderung des Brechungsindex in Bezug auf die Temperatur gewählt werden, um die thermisch stabile Bildebene bereitzustellen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die individuelle Optik im optischen System Glas und/oder Kunststoff sein, um eine wirtschaftliche, aber thermisch stabile Konstruktion bereitzustellen.
Eine modulare Lichtentfernungsmessvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung beinhaltet einen Satz von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Hohlraum (engl.: vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs) als Beleuchtungsquellen, die Strahlungsimpulse in ein Feld emittieren, und beinhaltet Arrays von Einzelphotonen-Lawinendioden(SPAD)-Detektoren als einen Satz von Pixeln (Fotosensoren), die Strahlung detektieren, die von einer Oberfläche im Feld reflektiert oder gestreut wird. Wie vorstehend angegeben, weisen SPADs einen relativ niedrigen Dynamikbereich im Vergleich zu APDs auf, die in einigen derzeit verfügbaren LIDAR-Sensoren verwendet werden. Der niedrige Dynamikbereich, der SPADs inhärent ist, ist teilweise auf die Physik zurückzuführen, wie eine SPAD ein Photon detektiert - sie sind sogenannte Geiger-Modus-Vorrichtungen, die für jedes Photonendetektionsereignis ein binäres elektrisches Signal (Photon detektiert oder nicht detektiert) in Form eines Lawinenstromimpulses erzeugen. Die Verwendung von VCSELs als Emitter und SPADs als Detektoren ermöglicht es, mehrere Messungen gleichzeitig durchzuführen (d. h. die VCSEL-Emitter können gleichzeitig gezündet werden) und ermöglicht auch, den Satz von Emittern und den Satz von Fotosensoren jeweils unter Verwendung von Standard-CMOS-Prozessen auf einem einzelnen Chip herzustellen, was den Herstellungs- und Zusammenbauprozess erheblich vereinfacht. Die Verwendung von VCSELs und SPADs in bestimmten Ausfuhrungsformen stellt jedoch Herausforderungen dar, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung überwinden. Zum Beispiel sind VCSELs viel weniger leistungsfähig als die Laser, die in einigen derzeit verfügbaren LIDAR-Sensoren verwendet werden und SPADs sind viel weniger effizient als die Detektoren, die in einigen LIDAR-Sensoren verwendet werden. Um diese Herausforderungen sowie Herausforderungen zu lösen, die durch das gleichzeitige Zünden mehrerer Emitter dargestellt werden, können bestimmte Ausführungsformen der Offenbarung optische Komponenten beinhalten, um die Helligkeit des VCSEL-Emitters sowie verschiedener optischer Komponenten (z. B. Linsen, Filter und eine Aperturschicht) zu verbessern, die in Kombination mit mehreren Arrays von SPADs arbeiten können, wobei jedes Array einem anderen Fotosensor entspricht, wie hierin beschrieben.
I. Veranschaulichendes Automobil-LIDAR-System
1A-1B zeigen Automobil-Lichtentfernungsmessvorrichtungen, hierin auch als LIDAR-Systeme bezeichnet, gemäß einigen Ausfuhrungsformen. Die Automobilanwendung für die LIDAR-Systeme wird hier lediglich zur Veranschaulichung gewählt und die hierin beschriebenen Sensoren können in anderen Arten von Fahrzeugen, z. B. Booten, Flugzeugen, Zügen usw., sowie in einer Vielfalt von anderen Anwendungen verwendet werden, bei denen 3D-Tiefenbilder nützlich sind, wie etwa medizinische Bildgebung, Geodäsie, Geomatik, Archäologie, Geografie, Geologie, Geomorphologie, Seismologie, Forstwirtschaft, atmosphärische Physik, Laserführung, airborne laser swath mapping (ALSM) und Laseraltimetrie. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein LIDAR-System, z. B. das Abtast-LIDAR-System 100 und/oder das Festkörper-LIDAR-System 120, auf dem Dach eines Fahrzeugs 105 montiert sein, wie in 1A und 1B gezeigt. In anderen Ausführungsformen können ein oder mehrere LIDAR-Sensoren an anderen Stellen eines Fahrzeugs montiert sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Vorder- oder Rückseite des Fahrzeugs, die Seiten des Fahrzeugs und/oder Ecken des Fahrzeugs.
Das Abtast-LIDAR-System 100, das in 1A gezeigt ist, kann eine Abtastarchitektur verwenden, bei der die Ausrichtung des LIDAR-Lichtübertragungsmoduls 102 (z. B. Lichtquelle zum Emittieren von Laserimpulsen) und/oder des Lichterfassungsmoduls 104 (z. B. Detektorschaltung zum Detektieren reflektierter Impulse, um den Abstand zu einem Objekt zu bestimmen) um ein oder mehrere Sichtfelder 110 innerhalb eines externen Felds oder einer externen Szene abgetastet werden kann, das/die sich außerhalb des Fahrzeugs 105 befindet. Im Falle der Abtastarchitektur kann das emittierte Licht 112 über das umgebende Umfeld abgetastet werden, wie gezeigt. Beispielsweise kann/können der/die Ausgangsstrahl(e) einer oder mehrerer Lichtquellen (wie Infrarot- oder im nahen Infrarot gepulste IR-Laser, nicht gezeigt), die sich im Abtast-LIDAR-System 100 befinden, abgetastet, z. B. rotiert, werden, um eine Szene um das Fahrzeug zu beleuchten. In einigen Ausführungsformen kann das Abtasten, dargestellt durch den Rotationspfeil 115, durch mechanische Mittel implementiert werden, z. B. durch Montieren der Lichtemitter an einer rotierenden Säule oder Plattform. In einigen Ausführungsformen kann das Abtasten durch andere mechanische Mittel implementiert werden, wie beispielsweise durch die Verwendung von Galvanometern. Chipbasierte Lenktechniken können auch eingesetzt werden, z. B. durch Verwendung von Mikrochips, die einen oder mehrere MEMS-basierte Reflektoren verwenden, z. B. eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD-Vorrichtung), eine digitale Lichtverarbeitungsvorrichtung (DLP-Vorrichtung) und dergleichen. In einigen Ausführungsformen kann das Abtasten durch nicht mechanische Mittel erfolgen, z. B. durch Verwendung elektronischer Signale, um eine oder mehrere optische Phasenarrays zu lenken.
Für eine stationäre Architektur können, wie das in 1B gezeigte Festkörper-LIDAR-System 120, ein oder mehrere Festkörper-LIDAR-Teilsysteme (z. B. das Lichtübertragungsmodul 122 und das Lichterfassungsmodul 124) am Fahrzeug 105 montiert sein. Die Festkörper-LIDAR-Einheiten können jeweils in eine andere Richtung weisen (möglicherweise mit teilweise und/oder nicht überlappenden Sichtfeldern zwischen den Einheiten), um ein zusammengesetztes Sichtfeld aufzunehmen, das größer ist als jede Einheit, die in der Lage ist, alleine aufzunehmen.
In entweder den rotierenden oder stationären Architekturen können Objekte innerhalb der Szene Abschnitte der Lichtimpulse reflektieren, die von den LIDAR-Lichtquellen emittiert werden. Ein oder mehrere reflektierte Abschnitte wandern dann zurück zum LIDAR-System und können von der Detektorschaltung detektiert werden. So kann beispielsweise der reflektierte Abschnitt 114 von der Detektorschaltung 104 detektiert werden. Das Lichtübertragungsmodul kann im gleichen Gehäuse wie das Lichterfassungsmodul angebracht sein. Aspekte des Abtastsystems und des stationären Systems schließen sich nicht gegenseitig aus und können somit in Kombination verwendet werden. So können beispielsweise die einzelnen LIDAR-Teilsysteme 122 und 124 in 1B lenkbare Emitter wie einen oszillierenden MEMS-Spiegel verwenden oder die gesamte zusammengesetzte Einheit kann durch mechanische Mittel rotieren, wodurch die gesamte Szene vor dem LIDAR-System abgetastet wird, z. B. vom Sichtfeld 130 zum Sichtfeld 132.
2A-2B zeigen hochrangige Blockdiagramme eines rotierenden LIDAR-Systems 200 bzw. eines stationären Festkörper-LIDAR-Systems 230 gemäß einigen Ausführungsformen. Beide Systeme verwenden eine Lichtentfernungsmessvorrichtung 210, die ein Lichtübertragungsmodul 212 und ein Lichterfassungsmodul 214 beinhaltet. Die Lichtübertragungs- und Erfassungsmodule 212 und 214 können jeweils eine Bulk-Optik 215 beinhalten, z. B. eine Mehrelementlinsenanordnung, die am Eingang/Ausgang der Erfassungs- bzw. Übertragungsmodule positioniert ist. Das Lichtübertragungsmodul 212 kann ferner ein Mikrooptikarray und ein optionales Kerbfilterelement (nicht dargestellt) beinhalten, das sich zwischen der Bulk-Optik 215 und der Lichtemitterschaltung 216 befindet. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Lichtemitterschaltung 216 ein Chipmaßstabsarray von Lichtquellen, wie beispielsweise ein Array von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Hohlraum (VCSELs) auf einem Indium-Gallium-Arsenid(InGaAs)-Substrat. Das Lichterfassungsmodul 214 kann auch ein Mikrooptikarray und ein Kerbfilterelement (nicht dargestellt) beinhalten, das sich zwischen der Bulk-Optik 215 und der Lichtdetektorschaltung 218 befindet. In einigen Ausführungsformen kann die Lichtdetektorschaltung 218 ein Chipmaßstabsarray von Photonendetektoren beinhalten, wie beispielsweise ein Array von Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADS), die in einer CMOS-Technologie hergestellt sind. Es können auch andere Detektortechnologien eingesetzt werden, z. B. Lawinenfotodioden, CCD-Bildsensoren, CMOS-Fotodiodenbildsensoren, hohlraumverstärkte Fotodetektoren, oberflächenverstärkte Fotodetektoren und dergleichen.
Unter Bezugnahme auf 2A kann die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 im rotierenden LIDAR-System 200 elektrisch mit einer Turmleiterplattenbaugruppe 222 (hierin auch als obere Leiterplattenbaugruppe oder Entfernungsmessleiterplattenbaugruppe bezeichnet) verbunden sein. Die Leiterplattenbaugruppe 222 kann in einem solchen Ausmaß als entfernungsmessend betrachtet werden, dass sie mit der Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 verbunden ist. Wie in 3 unten ausführlicher beschrieben, kann die Turmleiterplattenbaugruppe 222 eine Anzahl von Schaltungselementen beinhalten, einschließlich eines oder mehrerer Prozessoren und Speicher. Beispielsweise kann die Turmleiterplattenbaugruppe 222 ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) und/oder eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) beinhalten, die darauf zugeschnitten sind, eine bestimmte LIDAR-Funktionalität bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 über einen elektrischen Mehrstiftverbinder fest mit der Turmleiterplattenbaugruppe 222 verdrahtet sein oder kann drahtlos, z. B. über einen Kommunikationskanal, der optische oder HF-Verbindungen verwendet, mit der Turmleiterplattenbaugruppe 222 verbunden sein.
Die Turmleiterplattenbaugruppe 222 kann direkt über einer Basisleiterplattenbaugruppe 226 angebracht sein. In einigen Ausführungsformen kann die Basisleiterplattenbaugruppe 226 drahtlos Leistung an die Turmleiterplattenbaugruppe 222 übertragen, beispielsweise an die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 und jede andere assoziierte Schaltung (z. B. ASICS, FPGAs, Kommunikationsschaltungen und dergleichen). Zusätzlich können optische, induktive und/oder kapazitive Kommunikationskanäle die Basisleiterplattenbaugruppe 226 mit der Turmleiterplattenbaugruppe 222 verbinden, wodurch ermöglicht wird, dass die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 über eine kontaktlose Datenübertragung von der Basisleiterplattenbaugruppe gesteuert wird.
In der in 2A gezeigten Ausführungsform ist die Turmleiterplattenbaugruppe 222 durch einen rotierend Koppler 224 rotierend an die Basisleiterplattenbaugruppe 226 gekoppelt. Der rotierende Koppler 224 ermöglicht, dass die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 und die Turmleiterplattenbaugruppe 222 innerhalb eines Gehäuses 220 des LIDAR-Systems 200 um volle 360 Grad rotieren. Die Rotation der Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 ermöglicht, dass das System Daten ansammelt, die verwendet werden können, um eine vollständige 360-Sichtfeld-3D-Karte eines Volumens um die Vorrichtung herum zu konstruieren. In einigen Ausführungsformen kann die Basisleiterplattenbaugruppe 226 an das Gehäuse 220 gekoppelt sein, beispielsweise mittels einer mechanischen Halterung und Schrauben (nicht gezeigt), sodass die Basisleiterplattenbaugruppe 226 stationär gehalten wird und nicht relativ zu dem Gehäuse 220 rotiert. Das Gehäuse 220 kann ein wasserdichtes Gehäuse sein, das die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 und andere interne Komponenten des LIDAR-Systems 200 vor Feuchtigkeit und verschiedenen Elementen im Umfeld schützt, in dem das LIDAR-System 200 arbeitet.
Der rotierende Koppler 224 kann in verschiedenen Ausführungsformen auf eine Reihe von verschiedenen Arten implementiert werden. Beispielsweise können einige Ausführungsformen eine Wellen- und Lagerstruktur verwenden. In einigen Ausführungsfonnen beinhaltet der rotierende Koppler 224 auch eine oder mehrere Komponenten für einen rotierenden Aktuator, der nicht nur eine rotierende Bewegung ermöglicht, sondern auch die rotierende Bewegung der Turmleiterplattenbaugruppe 222 antreibt. Beispielsweise kann eine Elektromotor-Rotorbaugruppe, die eine Anordnung von Rotorelementen (z. B. Permanentmagneten) beinhaltet, direkt in die Turmleiterplattenbaugruppe 222 integriert sein, und eine Elektromotor-Statorbaugruppe, die eine Anordnung von Statorelementen, wie beispielsweise Magnetspulen, beinhaltet, kann direkt in die Basisleiterplattenbaugruppe 226 integriert sein. In solchen Ausführungsformen, in denen eine oder mehrere rotierende Aktuationskomponenten in die Basisleiterplattenbaugruppe 226 und/oder die Turmleiterplattenbaugruppe 222 integriert sind, wird kein separates Modul für die rotierende Aktuation mehr benötigt. Infolgedessen können Ausführungsformen des hierin offenbarten LIDAR-Systems einen kompakteren Formfaktor und einen sehr vereinfachten Zusammenbauprozess aufweisen als rotierende LIDAR-Systeme, die ein separates Elektromotormodul verwenden.
2B ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines stationären Festkörper-LIDAR-Systems 230 gemäß einigen Ausführungsformen. Wie das in 2A gezeigte rotierende LIDAR-System 200 beinhaltet das stationäre Festkörper-LIDAR-System 230 eine Lichtentfernungsmessvorrichtung 210, die innerhalb eines wasserdichten Gehäuses 240 untergebracht ist. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 kann direkt mit einer Basisleiterplattenbaugruppe 232 innerhalb des Gehäuses 240 verbunden sein. Da das System 230 die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 nicht rotiert, besteht kein Bedarf an einer separaten rotierenden Turmleiterplattenbaugruppe oder einem rotierenden Koppler. Dementsprechend kann die Schaltung, die zuvor auf die Turmleiterplattenbaugruppe 222 und die Basisleiterplattenbaugruppe 226 verteilt wurde, vollständig in die einzelne Basisleiterplattenbaugruppe 232 integriert und/oder von der Schaltung, die dem Lichterfassungsmodul 214 und/oder dem Übertragungsmodul 212 assoziiert ist, gemeinsam genutzt werden.
In einigen Ausführungsformen können für jede der in 2A-2B gezeigten Ausführungsformen die Hardware und Software/Firmware zum Durchführen einer oder mehrerer LIDAR-spezifischer Operationen (z. B. Photonenzeitreihenakkumulation gefolgt von Spitzendetektion und Entfernungsmessdatenberechnung und -ausgabe) in die Schaltung der Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 und/oder eine oder mehrere der Leiterplattenbaugruppen (z. B. Turmleiterplattenbaugruppe 222 und/oder Basisleiterplattenbaugruppe 226 für das LIDAR-System 200 oder Basisleiterplattenbaugruppe 232 für das LIDAR-System 230) integriert werden. So kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen die Lichtdetektorschaltung 218 auch eine ASIC beinhalten, die auf dem gleichen Substrat wie das Array von SPADs integriert ist. In einer solchen Situation, ist die Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 modular in der Weise, dass eine Neuprogrammierung/Neukonfiguration der Software/Firmware es der Lichtentfernungsmessvorrichtung 210 ermöglichen kann, als Teil eines rotierenden LIDAR-Systems (wie das in 2A dargestellte LIDAR-System 200) oder als eigenständiges Festkörper-LIDAR-System (wie das in 2B dargestellte LIDAR-System 230) zu arbeiten. Wie bereits erwähnt, kann eine Schaltung verwendet werden (z. B. MEMS, DMD, optische Phasenanordnungen und dergleichen), die auch eine Strahllenkung ermöglicht, ohne dass ein mechanischer rotierender Aktuator erforderlich ist. Dementsprechend führt die modulare Konstruktion des hierin offenbarten Systems zu einem hochanpassbaren System, das ohne teure und zeitaufwändige Neugestaltung der gesamten Hardware und mechanischen Architektur an die Bedürfnisse des Benutzers angepasst werden kann.
II. Detailliertes Blockdiagramm
3 veranschaulicht ein detaillierteres Blockdiagramm eines rotierenden LIDAR-Systems 300 gemäß einigen Ausführungsformen wie den oben unter Bezugnahme auf 2A beschriebenen. Insbesondere kann das rotierende LIDAR-System 300 optional einen rotierenden Aktuator mit drahtlosen Daten- und Energieübertragungs- und -empfangsfähigkeiten verwenden. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der rotierende Aktuator einen Rotor, der auf einer Oberfläche einer rotierenden Leiterplatte integriert ist, und einen Stator, der auf einer Oberfläche einer stationären Leiterplatte integriert ist, und beide Platinenanordnungen sind mit drahtlosen Energie- und Datenübertragungsfähigkeiten ausgestattet.
Das in 3 gezeigte rotierende LIDAR-System 300 beinhaltet zwei Hauptmodule: eine Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 und einen rotierenden Aktuator 315, die unten ausführlich beschrieben werden. Zusätzlich kann das rotierende LIDAR-System 300 mit einer oder mehreren Instanziierungen von Benutzerschnittstellen-Hardware und -Software 305 interagieren. Die verschiedenen Instanziierungen von Benutzerschnittstellen-Hardware und - Software 305 können variieren und können z. B. ein Computersystem mit einem Monitor, einer Tastatur, einer Maus, einer CPU und einem Speicher; einen Touchscreen in einem Automobil; eine tragbare Vorrichtung mit einem Touchscreen; oder jede andere geeignete Benutzerschnittstelle beinhalten. Die Benutzerschnittstellen-Hardware und -Software 305 kann lokal zu dem Objekt sein, auf dem das rotierende LIDAR-System 300 montiert ist, kann aber auch ein fernbedientes System sein. Zum Beispiel können Befehle und Daten zu/von dem rotierenden LIDAR-System 300 durch ein Mobilfunknetz (LTE usw.), ein persönliches Netzwerk (Bluetooth, Zigbee usw.), ein lokales Netzwerk (WiFi, IR usw.) oder ein Wide Area Network wie das Internet geleitet werden.
Die Benutzerschnittstellen-Hardware und -Software 305 kann die LIDAR-Daten von der Vorrichtung dem Benutzer präsentieren, kann aber auch einem Benutzer ermöglichen, das rotierende LIDAR-System 300 mit einem oder mehreren Befehlen zu steuern. Beispielhafte Befehle können Befehle beinhalten, die das LIDAR-System aktivieren oder deaktivieren, den Belichtungspegel des Fotodetektors, die Vorspannung, die Abtastdauer und andere Betriebsparameter (z. B. für emittierte Impulsmuster und Signalverarbeitung) spezifizieren, Licht-Emitter-Parameter wie Helligkeit spezifizieren. Darüber hinaus können Befehle dem Benutzer ermöglichen, das Verfahren zum Anzeigen von Ergebnissen auszuwählen. Die Benutzerschnittstelle kann LIDAR-Systemergebnisse anzeigen, die z. B. ein Einzelframe-Schnappschuss-Bild, ein ständig aktualisiertes Videobild und/oder eine Anzeige anderer Lichtmessungen für einige oder alle Pixel wie Umgebungsrauschintensität, Rückkehrsignalintensität, kalibriertes Zielreflexionsvermögen, Zielklassifizierung (hartes Ziel, diffuses Ziel, retroreflektierendes Ziel), Entfernung, Signal-Rausch-Verhältnis, radiale Zielgeschwindigkeit, zeitliche Rückkehrsignalimpulsbreite, Signalpolarisation, Rauschpolarisation und dergleichen beinhalten können. In einigen Ausführungsformen können die Benutzerschnittstellen-Hardware und -Software 305 Abstände (Nähe) von Objekten vom Fahrzeug verfolgen und möglicherweise Warnungen an einen Fahrer bereitstellen oder solche Verfolgungsinformationen zur Analyse der Leistung eines Fahrers bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen kann das LIDAR-System mit einer Fahrzeugsteuereinheit 310 kommunizieren und ein oder mehrere Parameter, die mit der Steuerung eines Fahrzeugs assoziiert sind, können basierend auf den empfangenen LIDAR-Daten modifiziert werden. So kann beispielsweise das LIDAR-System in einem vollständig autonomen Fahrzeug ein Echtzeit-3D-Bild das Auto umgebende Umfeld bereitstellen, um die Navigation zu erleichtern. In anderen Fällen kann das LIDAR-System als Teil eines fortschrittlichen Fahrerassistenzsystems (ADAS) oder als Teil eines Sicherheitssystems eingesetzt werden, das beispielsweise 3D-Bilddaten an eine beliebige Anzahl von verschiedenen Systemen bereitstellen kann (z. B. adaptive Geschwindigkeitsregelung, automatisches Parken, Fahrermüdigkeitsüberwachung, Totwinkelüberwachung, Kollisionsvermeidungssysteme usw.). Wenn eine Fahrzeugsteuereinheit 310 kommunikativ mit der Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 gekoppelt ist, können Warnungen an einen Fahrer bereitgestellt werden oder die Nähe eines Objekts kann verfolgt und/oder angezeigt werden.
Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 beinhaltet das Lichterfassungsmodul 330, das Lichtübertragungsmodul 340 und die Lichtentfernungsmesssystemsteuerung 350. Der rotierende Aktuator 315 beinhaltet mindestens zwei Leiterplattenbaugruppen, eine untere Leiterplattenbaugruppe 360 (hierin auch als Basisteilsystem bezeichnet) und eine obere Leiterplattenbaugruppe 380 (hierin auch als Turmteilsystem bezeichnet). Die untere Leiterplattenbaugruppe 360 kann mechanisch an einem festen Abschnitt einer Umfassung oder eines Gehäuses (nicht dargestellt) montiert werden, während die obere Leiterplattenbaugruppe 380 frei um eine Rotationsachse rotieren kann, die üblicherweise durch eine Welle (in 3 nicht dargestellt) definiert ist, die ebenfalls an der Umfassung (direkt oder indirekt) montiert ist. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 kann mechanisch an der rotierbaren oberen Leiterplattenbaugruppe 380 befestigt werden und kann daher innerhalb des Gehäuses frei rotieren.
Während 3 eine bestimmte Anordnung von Komponenten innerhalb der Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 und des rotierenden Aktuators 315 zeigt, können in einigen Ausführungsformen bestimmte Komponenten in einem oder dem anderen Modul anders als dargestellt integriert werden. Als ein Beispiel kann die Entfernungsmesssystemsteuerung 350, die beispielsweise ein FPGA, ein ASIC oder eine allgemeinere Rechenvorrichtung, wie ein eingebettetes System oder ein System-on-a-Chip (SOC), sein kann, direkt an einer Leiterplatte montiert (z. B. gelötet) werden, die Teil der oberen Leiterplattenbaugruppe 380 ist. Mit anderen Worten können in einigen Ausführungsformen die Teile des rotierenden Aktuators innerhalb der Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 integriert werden und umgekehrt.
Der rotierende Aktuator 315 beinhaltet eine Reihe von verschiedenen Systemen, die auf einer oder mehreren Leiterplatten der unteren und oberen Leiterplattenbaugruppen 360 und 380 integriert sind. Beispielsweise kann der rotierende Aktuator 315 eine bürstenlose Elektromotorbaugruppe, ein optisches Kommunikationsteilsystem, ein drahtloses Leistungsübertragungsteilsystem und eine Basissteuerung beinhalten. Diese Systeme werden durch Paare von kooperierenden Schaltungselementen gebildet, wobei jedes Paar ein oder mehrere Schaltungselemente auf der unteren Leiterplattenbaugruppe 360 beinhaltet, die in Zusammenarbeit mit (z. B. mit einer Funktion, die komplementär zu) einem oder mehreren Schaltungselementen auf der oberen Leiterplattenbaugruppe 380 ist. Komplementäre Funktionen beinhalten beispielsweise Übertragung (Tx) und Empfang (Rx) von Leistungs- und/oder Datenkommunikationssignalen, wie unten ausführlicher beschrieben.
Die bürstenlose Elektromotorbaugruppe beinhaltet eine Statorbaugruppe 362, die auf einer Leiterplatte der unteren Leiterplattenbaugruppe 360 integriert ist, und eine Rotorbaugruppe 382, die auf einer Leiterplatte der oberen Leiterplattenbaugruppe 380 integriert ist. Die Rotation der Rotorbaugruppe 382 wird von einem Antriebssignal, beispielsweise einem dreiphasigen Antriebsstrom, angetrieben, das von einer Motorantriebsschaltung 364 stammt. In einigen Ausführungsformen verbinden eine oder mehrere Motorsteuerleitungen die Motorantriebsschaltung mit den Spulen der Statorbaugruppe 362, um zu ermöglichen, dass das Antriebssignal an den Motorstator bereitgestellt wird. Darüber hinaus kann die Motorantriebsschaltung 364 elektrisch mit einer Basissteuerung 366 verbunden sein, sodass die Basissteuerung 366 die Rotationsrate der Rotorbaugruppe und somit die Rotationsrate (d. h. die Framerate) der Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 steuern kann.
In einigen Ausführungsformen kann die Rotorbaugruppe 382 mit einer Rate zwischen 10-30 Hz rotieren. In einigen Ausführungsformen kann die Rotorbaugruppe 382 eine passive Vorrichtung sein, die eine Reihe von Permanentmagneten beinhaltet, die an einer Leiterplatte der oberen Leiterplattenbaugruppe befestigt sind. Diese Permanentmagnete werden entweder durch eine elektromagnetische Kraft angezogen oder abgestoßen, beispielsweise eine magnetische Kraft, die durch die Spulen der Statorbaugruppe erzeugt wird, um eine Rotation der oberen Leiterplattenbaugruppe 380 relativ zur unteren Leiterplattenbaugruppe 360 anzutreiben. Die Rotationsorientierung der oberen Leiterplattenbaugruppe 380 kann durch einen rotierenden Kodiererempfänger 394 verfolgt werden, der die Winkelposition der oberen Leiterplattenbaugruppe durch Detektieren des Durchgangs eines oder mehrerer Merkmale auf dem rotierenden Kodierer 374 verfolgen kann. Es kann eine Vielfalt von verschiedenen rotierenden Kodierertechnologien eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen ist der rotierende Kodierer 374 direkt auf einer Oberfläche einer Leiterplatte der unteren Leiterplattenbaugruppe 360 integriert.
Der rotierende Aktuator 315 kann auch ein drahtloses Leistungssystem beinhalten, das einen drahtlosen Leistungsübertrager 372 und einen drahtlosen Leistungsempfänger 392 in einer Konfiguration beinhaltet, die hierin als rotierender Transformator bezeichnet wird. Leistung, die vom Übertrager 372 zum drahtlosen Leistungsempfänger 392 übertragen wird, kann durch die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 und/oder jede Schaltung, die Leistung auf dem Turm/der oberen Leiterplattenbaugruppe benötigt, verbraucht werden. In einigen Ausführungsformen wird die gesamte Leistung, die von der Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 benötigt wird, durch den drahtlosen Leistungsempfänger 392 bereitgestellt, und somit besteht kein Bedarf an einem rotierenden elektrischen Koppler wie einem Schleifring oder einer quecksilberbasierten Vorrichtung, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht und die Kosten des Gesamtsystems gesenkt werden.
Der rotierende Aktuator 315 kann auch ein optisches Kommunikationsteilsystem beinhalten, das eine Reihe von optischen Übertragern (z. B. optische Übertrager 378 und 396) und eine Reihe von optischen Empfängern (z. B. optische Empfänger 376 und 398) beinhaltet, die für eine bidirektionale kontaktlose Datenübertragung zwischen dem rotierenden Aktuator 315 und der Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 (oder zu/von einer beliebigen anderen Vorrichtung oder einem beliebigen anderen System, die mechanisch mit der oberen Leiterplattenbaugruppe 380 des rotierenden Aktuators 315 verbunden ist) verwendet werden. Insbesondere kann das optische Kommunikationsteilsystem einen Satz von optischen Basiskommunikationskomponenten beinhalten, die an der unteren Leiterplattenbaugruppe 360 befestigt (z. B. daran angelötet) sind, die Teil der stationären Basis des LIDAR-Systems 300 ist, und kann einen Satz von optischen Turmkommunikationskomponenten beinhalten, die an der rotierenden oberen Leiterplattenbaugruppe 380 befestigt (z. B. daran angelötet) sind, die Teil des rotierenden Turms des LIDAR-Systems 300 ist. Diese optischen Kommunikationskomponenten stellen einen Uplink-Datenkanal zum Bereitstellen optischer Signale, einschließlich Steuersignalen, an die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 bereit und stellen auch einen Downlink-Datenkanal zum Bereitstellen optischer Signale, einschließlich Entfernungsmess- und Betriebsdaten, von der Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 an die Basissteuerung 366, die Benutzerschnittstellen-Hardware und -Software 305 und/oder die Fahrzeugsteuereinheit 310 bereit.
Ein optischer Downlink-Kommunikationskanal von der oberen Leiterplattenbaugruppe 360 an die untere Leiterplattenbaugruppe 380 kann zwischen dem optischen Downlink-Übertrager 396 und dem optischen Downlink-Empfänger 376 erstellt werden. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 kann direkt mit der oberen Leiterplattenbaugruppe 380 verbunden sein und kann daher auf den optischen Downlink-Kommunikationskanal zugreifen, um Entfernungsmess- und Betriebsdaten zur weiteren Verwendung an die untere Leiterplattenbaugruppe 360 weiterzugeben. In einigen Ausführungsformen können die Daten, die über den optischen Downlink in den optischen Signalen weitergegeben werden, Entfernungsmessdaten für einzelne Punkte (Pixel) im Feld (oder möglicherweise mehrere Bereiche für ein einzelnes Pixel und einen einzelnen Winkel, z. B. während Nebel/Regen, beim Blicken durch Glasfenster usw.), Azimut- und Zenitwinkeldaten, Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Rückkehr oder Signalintensität, Zielreflexionsvermögen, Umgebungs-Nah-IR-(NIR)-Pegel, die von jedem Pixelsichtfeld kommen, diagnostische Betriebsinformationen von der Lichtentfernungsmessvorrichtung wie Temperatur, Spannungspegel usw. beinhalten. Darüber hinaus können Daten von jedem anderen System, das mit der oberen Leiterplatte 380 des rotierenden Aktuators verbunden ist, durch den optischen Downlink weitergegeben werden. Zum Beispiel Daten von Hochgeschwindigkeits-RGB- oder -Wärmebildkameras, Zeilenabtastkameras und dergleichen.
Ein optischer Uplink-Kommunikationskanal von der unteren Leiterplattenbaugruppe 360 kann zwischen dem optischen Uplink-Übertrager 378 und dem optischen Uplink-Empfänger 398 erstellt werden. In einigen Ausführungsformen können Steuersignale von der Basissteuerung 366 über den optischen Uplink-Kommunikationskanal an die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 weitergegeben werden. Zum Beispiel kann die Basissteuerung 366 in einigen Ausführungsformen verschiedene Temperaturen in der Vorrichtung überwachen (wie vom Downlink-Kanal empfangen) und kann im Falle eines Überhitzungszustands ein Notabschaltsignal über den Uplink-Kanal an die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 senden. In einigen Ausführungsformen kann die Basissteuerung ein mobiler Computer sein, z. B. ein programmierbares System-on-a-Chip, das eine ARM + FPGA-Architektur mit assoziiertem Speicher und I/O-Fähigkeit (z. B. Ethernet und dergleichen) verwendet.
Entfernungsdaten können durch die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 erzeugt werden, indem ein oder mehrere Lichtimpulse vom Lichtübertragungsmodul 340 an Objekte in einem Sichtfeld übertragen werden, das die Lichtentfernungsmessvorrichtung umgibt. Reflektierte Abschnitte des übertragenen Lichts werden dann vom Lichterfassungsmodul 330 nach einiger Verzögerungszeit detektiert. Basierend auf der Verzögerungszeit, allgemein als „Laufzeit“ bezeichnet, kann der Abstand zur reflektierenden Oberfläche bestimmt werden. Es können auch andere Entfernungsmessverfahren eingesetzt werden, zum Beispiel kontinuierliche Welle, Doppler und dergleichen.
Das Lichtübertragungsmodul 340 kann ein Emitter-Array 342 und ein optisches Übertragungs-(Tx)-System 344 beinhalten. Das Emitter-Array 342 kann ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von Übertragern sein, die, wenn sie mit dem optischen Übertragungssystem 344 kombiniert werden, ein Array von Übertragerkanälen hinter einer Bulk-Abbildungsoptik bilden. Diese Übertragerkanäle können optional mikrooptische Strukturen zur Strahlformung, Strahllenkung, Helligkeitsverbesserung oder dergleichen beinhalten. Das Lichtübertragungsmodul 340 kann ferner einen optionalen Prozessor 346 und Speicher 348 beinhalten, obwohl diese Rechenressourcen in einigen Ausführungsformen in die Entfernungsmesssystemsteuerung 350 integriert werden können. In einigen Ausführungsformen kann eine Impulskodiertechnik verwendet werden, z. B. Barker-Codes und dergleichen. In solchen Fällen kann der Speicher 348 Impulscodes speichern, die angeben, wann Licht übertragen werden soll. In einer Ausführungsform werden die Impulscodes als eine Sequenz von im Speicher gespeicherten Ganzzahlen gespeichert.
Das Lichterfassungsmodul 330 kann ein Sensorarray 332 und ein optisches Empfänger-(Rx)-System 334 beinhalten. Das Sensorarray 332 kann ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von Fotosensoren sein. In einigen Ausführungsformen kann jeder Fotosensor eine Sammlung von binären Photonendetektoren (z. B. SPADs oder dergleichen) beinhalten, während in anderen Ausführungsformen jeder Fotosensor ein linearer Fotodetektor (z. B. eine APD) sein kann. Das optische Empfängersystem 334 und das Sensorarray 332 zusammengenommen können ein Array von mikrooptischen Empfängerkanälen hinter einer Bulk-Abbildungsoptik bilden, wie unten ausführlicher beschrieben. Jeder mikrooptische Empfängerkanal misst Licht, das einem Bildpixel in einem bestimmten Sichtfeld des umgebenden Volumens entspricht. Jeder Fotosensor (z. B. eine Sammlung von SPADs) des Sensorarrays 332 kann einem bestimmten Emitter des Emitter-Arrays 342 infolge einer geometrischen Konfiguration des Lichterfassungsmoduls 330 und des Lichtübertragungsmoduls 340 entsprechen. In einer alternativen Ausführungsform kann jeder Sensor des Sensorarrays 332 mehreren Emittern (z. B. einem Cluster von VCSELs) des Emitter-Arrays 342 entsprechen. In noch einer weiteren Ausführungsform könnte ein einzelner großer Emitter (z. B. eine Laserdiodenleiste) im Emitter-Array 342 mehreren Sensoren innerhalb des Sensorarrays 336 entsprechen.
In einigen Ausführungsformen kann das Sensorarray 332 des Lichterfassungsmoduls 330 als Teil einer monolithischen Vorrichtung auf einem einzelnen Substrat unter Verwendung beispielsweise einer CMOS-Technologie hergestellt werden, die sowohl ein Array von Fotosensoren, einen Prozessor 336 und einen Speicher 338 zur Signalverarbeitung der Rohsignale von den einzelnen Fotosensoren (oder Gruppen von Fotosensoren) im Array beinhaltet. Die monolithische Struktur einschließlich des Sensorarrays 332, des Prozessors 336 und des Speichers 338 kann als dedizierte ASIC hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen können mikrooptische Komponenten, die Teil des optischen Empfängersystems 334 sind, auch ein Teil der monolithischen Struktur sein, in der das Sensorarray 332, der Prozessor 334 und der Speicher 338 ein Teil sind. In solchen Fällen können die mikrooptischen Komponenten auf der ASIC gebildet werden, sodass sie Teil der monolithischen Struktur mit separaten Substratschichten für jede Schicht des Empfängerkanals werden. Beispielsweise können eine Aperturschicht, eine Kollimatorlinsenschicht, eine optische Filterschicht und eine Fotodetektorschicht gestapelt und an mehrere ASICs auf Waferebene vor dem Zerteilen gebunden werden. Die Aperturschicht kann durch das Legen eines nicht transparenten Substrats auf ein transparentes Substrat oder durch das Beschichten eines transparenten Substrats mit einem opaken Film gebildet werden. In einer solchen Ausführungsform bildet der Zerteilungsschritt mehrere ASICs, die jeweils mit einer eigenen mikrooptischen Struktur direkt daran gebunden sind. Als weiteres Beispiel können die mikrooptischen Komponenten als separate monolithische Struktur gebildet werden, die direkt an eine ASIC gebunden werden kann, nachdem die ASIC von einem größeren Wafer über einen Zerteilungsprozess getrennt wurde. Auf diese Weise können die ASIC und die mikrooptische Struktur miteinander verbunden werden, um eine einzelne monolithische Struktur zu bilden. In noch weiteren Ausführungsformen können eine oder mehrere Komponenten des Rx-Moduls 330 außerhalb der monolithischen Struktur liegen. Beispielsweise kann die Aperturschicht als separates Metallblech mit Stiftlöchern implementiert werden.
Wie oben erwähnt, können der Prozessor 336 und der Speicher 338 (z. B. SRAM) die Signalverarbeitung durchführen. Als Beispiel für die Signalverarbeitung kann der Speicher 338 des Lichterfassungsmoduls 330 für jeden Fotosensor oder jede Gruppierung von Fotosensoren Zählungen von detektierten Photonen über aufeinanderfolgende Zeitklassen akkumulieren und diese Zeitklassen zusammengenommen können verwendet werden, um eine Zeitreihe des reflektierten Lichtimpulses (d. h. eine Zählung von Photonen gegenüber der Zeit) neu zu erzeugen. Diese Zeitreihe aggregierter Photonenzählungen wird hierin als Intensitätshistogramm (oder einfach Histogramm) bezeichnet. Zusätzlich kann der Prozessor 336 bestimmte Signalverarbeitungstechniken, wie beispielsweise angepasste Filterung, erreichen, um die Wiederherstellung einer Photonenzeitreihe zu unterstützen, die weniger anfällig für Impulsformverzerrung ist, die aufgrund von SPAD-Sättigung und -Löschung auftreten kann. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Komponenten der Entfernungsmesssystemsteuerung 350 auch in die gleiche ASIC wie das Sensorarray 332, der Prozessor 336 und der Speicher 338 integriert werden, wodurch die Notwendigkeit eines separaten Entfernungsmesssteuermoduls eliminiert wird.
In einigen Ausführungsformen wird die Ausgabe vom Prozessor 336 zur Entfernungsmesssystemsteuerung 350 zur weiteren Verarbeitung gesendet. Beispielsweise können die Daten durch einen oder mehrere Codierer der Entfernungsmesssystemsteuerung 350 kodiert und dann als Datenpakete über den optischen Downlink zur unteren Leiterplattenbaugruppe 360 gesendet werden. Die Entfernungsmesssystemsteuerung 350 kann auf mehrere Arten realisiert werden, einschließlich z. B. durch Verwendung einer programmierbaren logischen Vorrichtung wie einem FPGA, als ASIC oder Teil einer ASIC, unter Verwendung eines Prozessors 352 mit einem Speicher 354 und einer Kombination der vorstehenden. Eine Entfernungsmesssystemsteuerung 350 kann mit der Basissteuerung 366 kooperieren oder unabhängig von der Basissteuerung (über vorprogrammierte Anweisungen) arbeiten, um das Lichterfassungsmodul 330 durch Senden von Befehlen zu steuern, die die Lichterfassung starten und stoppen und die Fotodetektorparameter einstellen. Ebenso kann die Entfernungsmesssystemsteuerung 350 das Lichtübertragungsmodul 340 durch Senden von Befehlen oder Weiterleiten von Befehlen von der Basissteuerung 366 steuern, die Start- und Stopplichtemissionssteuerungen und Steuerungen beinhalten, die andere Lichtemitterparameter wie die Emittertemperatursteuerung (zur Wellenlängenabstimmung), die Emitterantriebsleistung und/oder die Spannung einstellen können.
Wenn das Emitter-Array 342 mehrere unabhängige Antriebsschaltungen aufweist, können mehrere Ein-/Aus-Signale vorhanden sein, die durch die Entfernungsmesssystemsteuerung 350 ordnungsgemäß sequenziert werden können. Ebenso können, wenn das Emitter-Array mehrere Temperaturregelkreise beinhaltet, um verschiedene Emitter im Array unterschiedlich abzustimmen, die Übertrager-Parameter mehrere Temperatursteuersignale beinhalten. In einigen Ausführungsformen weist die Entfernungsmesssystemsteuerung 350 eine oder mehrere verdrahtete Schnittstellen oder Verbinder (z. B. Leiterbahnen auf einer Leiterplatte) zum Austauschen von Daten mit dem Lichterfassungsmodul 330 und mit dem Lichtübertragungsmodul 340 auf. In anderen Ausführungsformen kommuniziert die Entfernungsmesssystemsteuerung 320 mit dem Lichterfassungsmodul 330 und dem Lichtübertragungsmodul 340 über eine drahtlose Zusammenschaltung, wie etwa ein optischer Kommunikationslink.
III. Lichtübertragung und Detektion
4A und 4B zeigen ein veranschaulichendes Beispiel des Lichtübertragungs- und -detektionsprozesses für ein Lichtentfernungsmesssystem gemäß einigen Ausführungsformen mit einem Fokus auf das Emitter-Array und das Sensor-Array, die eine Anordnung von Emitter-Sensor-Kanälen bilden, wie oben unter Bezugnahme auf 2 eingeführt. 4A zeigt ein Lichtentfernungsmesssystem 400 (z. B. Festkörper oder und/oder Abtasten), das dreidimensionale Abstandsdaten eines Volumens oder einer Szene 450 außerhalb des Lichtentfernungsmesssystems 400 sammelt. 4B ist eine vergrößerte Ansicht des Lichtentfernungsmesssystems 400 aus 4A. Das Lichtentfernungsmesssystem 400 kann für eines der vorstehend erörterten Lichtentfernungsmesssysteme 200, 220 oder 300 sowie die verschiedenen nachstehend erörterten Lichtentfernungsmessvorrichtungen repräsentativ sein. 4A und 4B sind stark vereinfachte Zeichnungen, um Beziehungen zwischen Emitter und Sensoren hervorzuheben, und somit sind andere Komponenten nicht gezeigt.
Wie in 4A und 4B gezeigt, beinhaltet das Lichtentfernungsmesssystem 400 ein Lichtemitterarray 410 und ein Lichtsensorarray 420. Das Lichtemitterarray 410 beinhaltet ein Array von Lichtemittern (z. B. ein Array von VCELs oder dergleichen), das einzelne Emitter beinhaltet, wie etwa Emitter 410(1) und Emitter 410(9). Das Lichtsensorarray 420 beinhaltet ein Array von Fotosensoren, das einzelne Fotosensoren beinhaltet, wie etwa die Sensoren 420(1) und 420(9). Die Fotosensoren können pixelierte Lichtsensoren sein, die für jedes Pixel einen Satz von diskreten Fotodetektoren einsetzen, wie etwa Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs) oder dergleichen. Verschiedene Ausführungsformen können jedoch andere Typen von Fotosensoren einsetzen. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Lichtentfernungsmesssystem 400 einen oder mehrere Sätze von optischen Bulk-Elementen (nicht dargestellt), hierin als Bulk-Optik bezeichnet, die vor dem Lichtemitterarray 410 und/oder dem Lichtsensorarray 420 platziert sind, um die Strahlen in die gezeigten Richtungen umzuleiten.
Jeder Emitter kann leicht von seinem Nachbarn versetzt sein und kann konfiguriert sein, um Lichtimpulse in ein anderes Sichtfeld von seinen benachbarten Emittern zu übertragen, wodurch ein entsprechendes Sichtfeld beleuchtet wird, das nur mit diesem Emitter assoziiert ist. So emittiert beispielsweise der Emitter 410(1) einen Beleuchtungsstrahl 415(1) (gebildet aus einem oder mehreren Lichtimpulsen) in das kreisförmige Sichtfeld 452 (dessen Größe der Klarheit halber übertrieben dargestellt ist). Ebenso emittiert der Emitter 410(9) einen Beleuchtungsstrahl 415(9) (auch als Emitterkanal bezeichnet) in das kreisförmige Sichtfeld 454. Während in den 4A und 4B nicht dargestellt, um Komplikationen zu vermeiden, emittiert jeder Emitter einen entsprechenden Beleuchtungsstrahl in sein entsprechendes Sichtfeld, was dazu führt, dass ein 2D-Array von Sichtfeldern beleuchtet wird (in diesem Beispiel zwanzig verschiedene Sichtfelder, die den einundzwanzig Emittern entsprechen, die in einem 3x7-Array des Lichtemitterarrays 410 angeordnet sind).
Jedes Sichtfeld, das von einem Emitter beleuchtet wird, kann als Pixel oder Punkt im entsprechenden 3D-Bild betrachtet werden, das aus den Entfernungsmessdaten erzeugt wird. Jeder Emitterkanal kann für jeden Emitter unterschiedlich sein und kann mit anderen Emitterkanälen nicht überlappen, d. h. es gibt eine Eins-zu-Eins-Zuordnung zwischen dem Satz von Emittern und dem Satz von nicht überlappenden Sichtfeldern. Somit kann das System im Beispiel der 4A und 4B zwanzig verschiedene Punkte im 3D-Raum samplen. Ein dichteres Samplen von Punkten kann erreicht werden, indem ein dichteres Array von Emittern vorhanden ist oder indem die Winkelpositionen der Emitterstrahlen über die Zeit gesampelt werden, so dass ein Emitter mehrere Punkte im Raum sampeln kann.
Jeder Sensor kann leicht von seinem Nachbarn versetzt sein und wie die oben beschriebenen Emitter kann jeder Sensor ein anderes Sichtfeld der Szene vor dem Sensor sehen. Darüber hinaus fällt das Sichtfeld jedes Sensors im Wesentlichen zusammen, z. B. es überlappt mit und ist gleich groß wie das Sichtfeld eines jeweiligen Emitterkanals. Ähnlich wie die oben beschriebenen Emitter können die Sichtfelder der Sensoren durch Rotation der Anordnung abgetastet werden. Das Abtasten könnte auch mit Galvanometern, MEMS-Spiegeln oder über ein anderes Verfahren erfolgen.
In den 4A und 4B ist der Abstand zwischen den entsprechenden Emitter-Sensor-Kanälen im Verhältnis zum Abstand zu Objekten im Sichtfeld übertrieben dargestellt. In der Praxis ist der Abstand zu den Objekten im Sichtfeld viel größer als der Abstand zwischen den entsprechenden Emitter-Sensor-Kanälen und somit ist der Lichtweg vom Emitter zum Objekt ungefähr parallel zum Weg des reflektierten Lichts zurück vom Objekt zum Sensor (d. h. es wird fast „zurückreflektiert“). Dementsprechend gibt es einen Bereich von Abständen vor dem System 400, über den die Sichtfelder einzelner Sensoren und Emitter überlappen, und über diesen Bereich von Abständen kann das System Tiefeninformationen am genauesten bestimmen.
Da die Sichtfelder der Emitter mit den Sichtfeldern ihrer jeweiligen Sensoren überlappen, kann jeder Sensorkanal idealerweise den reflektierten Beleuchtungsstrahl detektieren, der von seinem jeweiligen Emitterkanal stammt, mit idealerweise keinem Übersprechen, d. h. es wird kein reflektiertes Licht von anderen Beleuchtungsstrahlen detektiert. So emittiert beispielsweise der Emitter 410(1) einen Beleuchtungsstrahl 415(1) in das kreisförmige Sichtfeld 452 und ein Teil des Beleuchtungsstrahls wird vom Objekt 460 als reflektierter Strahl 425(1) reflektiert. Idealerweise wird der reflektierte Strahl 425(1) nur vom Sensor 420(1) detektiert. Somit teilen sich der Emitter 410(1) und der Sensor 420(1) das gleiche Sichtfeld (d. h. Sichtfeld 452) und bilden ein Emitter-Sensor-Paar. Ebenso bilden der Emitter 410(9) und der Sensor 420(9) ein Emitter-Sensor-Paar, das sich das Sichtfeld 454 teilt. In einigen Ausführungsformen sind das Emitterarray 410 und das Sensorarray 420 so designed und konfiguriert (in Verbindung mit der Bulk-Optik), dass die Sichtfelder jedes Emitter-Sensor-Paars mit den Sichtfeldern anderer Emitter-Sensor-Paare nicht überlappen (über einen Schwellenabstand hinaus).
Während die Emitter-Sensor-Paare in den 4A und 4B als an den gleichen relativen Stellen in ihrem jeweiligen Array befindlich dargestellt sind, kann jeder Emitter mit jedem Sensor gepaart werden, je nach dem Design der im System verwendeten Optik. In einigen Ausführungsformen kann es aus Gründen der Design-Einfachheit/Kostenperspektive vorteilhaft sein, identische Bulk-Abbildungsoptiken vor identisch angeordneten Emitter-/Sensor-Paaren zu haben.
Während einer Entfernungsmessung wird das reflektierte Licht aus den verschiedenen Sichtfeldern, das um das Volumen verteilt ist, das das LIDAR-System umgibt, von den verschiedenen Sensoren gesammelt und verarbeitet, was zu Entfernungsmessinformationen für alle Objekte in jedem jeweiligen Sichtfeld führt. Wie oben beschrieben, kann eine Laufzeittechnik verwendet werden, bei der die Lichtemitter präzise zeitlich abgestimmte Impulse emittieren und die Reflexionen der Impulse von den jeweiligen Sensoren nach einiger verstrichener Zeit detektiert werden. Die verstrichene Zeit zwischen Emission und Detektion und die bekannte Lichtgeschwindigkeit wird dann verwendet, um den Abstand zur reflektierenden Oberfläche zu berechnen. In einigen Ausführungsformen können zusätzliche Informationen vom Sensor erhalten werden, um andere Eigenschaften der reflektierenden Oberfläche zusätzlich zum Bereich zu bestimmen. So kann beispielsweise die Dopplerverschiebung eines Impulses vom Sensor gemessen und verwendet werden, um die relative Geschwindigkeit zwischen dem Sensor und der reflektierenden Oberfläche zu berechnen.
In einigen Ausführungsformen kann das LIDAR-System aus einem relativ großen 2D-Array von Emitter- und Sensorkanälen zusammengesetzt sein und als Festkörper-LIDAR arbeiten, d. h. es kann Frames von Entfernungsmessdaten erhalten, ohne die Ausrichtung der Emitter und/oder Sensoren abtasten zu müssen. In anderen Ausführungsformen können die Emitter und Sensoren abgetastet werden, z. B. um eine Achse rotiert werden, um sicherzustellen, dass die Sichtfelder der Sätze von Emittern und Sensoren einen vollen 360-Grad-Bereich (oder einen nützlichen Teil des 360-Grad-Bereichs) des umgebenden Volumens zu samplen. Die vom Abtastsystem gesammelten Entfernungsmessdaten, z. B. über einen vordefinierten Zeitraum, können dann in einen oder mehrere Datenframes nachverarbeitet werden, die dann in ein oder mehrere Tiefenbilder oder 3D-Punktwolken weiterverarbeitet werden können. Die Tiefenbilder und/oder 3D-Punktwolken können zur Verwendung in 3D-Kartierungs- und Navigationsanwendungen zu Kartenkacheln weiterverarbeitet werden.
IV. LIDAR-Einheit mit integrierter Architektur
5A-5B zeigen ein rotierendes LIDAR-System 500, das eine 360-AbtastArchitektur verwendet, gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung. In einigen Ausführungsformen kann sich das LIDAR-System 500 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehen, um das umgebende Feld um ein Fahrzeug zu beobachten. Das System 500 kann ein stationäres Basisgehäuse 502, ein optisch transparentes Fenster 504 und einen stationären Deckel 506 zum Bereitstellen von Schutz für die internen Komponenten des LIDAR-Systems 500 beinhalten. Das Fenster 504 kann aus einem transparenten Material hergestellt sein, um eine Zwei-Wege-Übertragung von nahezu IR-Licht zu ermöglichen. Das stationäre Basisgehäuse 502, das Fenster 504 und der Deckel 506 bilden ein wasserabweisendes oder wasserdichtes Systemgehäuse oder eine Umfassung 508, die interne Komponenten des LIDAR-Systems 500 vollständig umschließt, um die Komponenten vor den Elementen zu schützen. Das Gehäuse/die Umfassung 508 kann beispielsweise für das Gehäuse 220 repräsentativ sein, das vorstehend in Bezug auf 2A erörtert wurde. In einigen Ausführungsformen kann die Umfassung eine im Allgemeinen zylindrische Form aufweisen, wie in 5A dargestellt.
In einigen Ausführungsformen kann sich das Fenster 504 vollständig um einen Umfang der Umfassung 508 erstrecken und in einer festen Beziehung am Basisgehäuse 502 und Deckel 506 befestigt sein. In solchen Ausführungsformen kann eine Lichtentfernungsmessvorrichtung 510 (in 5B dargestellt) innerhalb der Umfassung 508 hinter dem Fenster 504 rotieren. In anderen Ausführungsformen kann das Fenster 504 mit der Lichtentfernungsmessvorrichtung 510 rotieren. Die Konfiguration des Basisgehäuses 502, des Fensters 504 und des stationären Deckels 506, die in 5A dargestellt sind, ist nur ein Beispiel für eine Umfassung 508 gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Ein Fachmann wird erkennen, dass andere Konfigurationen einer geeigneten Umfassung für das LIDAR-System 500 möglich sind. Als ein Beispiel für eine andere Konfiguration kann der Deckel 506 Teil des Fensters 504 sein. Als ein weiteres Beispiel kann in Ausführungsformen, in denen das Fenster 504 mit der Lichtentfernungsmessvorrichtung 510 rotiert, das Fenster 504 zwei oder mehr separate Fenster beinhalten, die durch einen opaken Bereich getrennt sind. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen das LIDAR-System 500 ein erstes Fenster, das mit einem optischen Übertrager ausgerichtet ist, und ein zweites Fenster, das vom ersten Fenster beabstandet und mit einem optischen Empfänger ausgerichtet ist, beinhalten. Wie hierin verwendet, bedeutet „ausgerichtet“, dass der optische Übertrager oder Empfänger Licht durch das Fenster überträgt oder empfängt.
Die internen Komponenten (in 5A nicht dargestellt) des Systems 500 können einen rotierenden Aktuator und eine Lichtentfernungsmessvorrichtung beinhalten, wie beispielsweise den Aktuator 315 und die Lichtentfernungsmessvorrichtung 320, die in Bezug auf 3 beschrieben werden. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung kann mit dem Fenster 504 ausgerichtet sein und kann durch den rotierenden Aktuator gedreht werden, um gepulste Lichtstrahlen durch das Fenster 504 in ein Feld zu projizieren, das das LIDAR-System 500 umgibt, während sich die Lichtentfernungsmessvorrichtung kontinuierlich um 360 Grad im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn dreht. Licht, das vom Feld zurück durch das Fenster 504 reflektiert wird, kann dann von der Lichtentfernungsmessvorrichtung detektiert werden, um den Abstand zu Objekten im Feld wie hierin beschrieben zu bestimmen.
Wie unten ausführlicher beschrieben, kann das rotierende LIDAR-System 500 eine hochintegrierte Architektur verwenden und ermöglicht eine hochkompakte Konfiguration für die internen mechanischen Elemente und Schaltungen. Dementsprechend kann der Gesamtformfaktor von LIDAR-Systemen gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung kleiner als viele bestehende Systeme sein, zum Beispiel mit einem Gesamtvolumen, das ähnlich oder kleiner als das eines Kaffeebechers 550 ist, wie in 5A zu sehen ist.
5B zeigt eine Ausführungsform des LIDAR-Systems 500, wobei die äußere Umfassung/das Systemgehäuse 508 (einschließlich des Fensters 504 und des Deckels 506) entfernt ist, um das integrierte, gestapelte Platinendesign gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung hervorzuheben. Wie in 5B gezeigt, beinhaltet das rotierende LIDAR-System 500 eine Lichtentfernungsmessvorrichtung 510, die einen optischen Übertrager 512 und einen optischen Empfänger 514 beinhaltet, der innerhalb eines Gehäuses 515 montiert ist, das einen ersten Gehäuseabschnitt 516 für den optischen Übertrager und einen zweiten Gehäuseabschnitt 518 für den optischen Empfänger beinhaltet. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 510 ist mechanisch in einer festen Beziehung mit einer Leiterplatte 522 verbunden, die das rotierende Ende des rotierenden Aktuators 520 der gestapelten Platine bildet. Die feste Seite des rotierenden Aktuators 520 der gestapelten Platine, einschließlich der Leiterplatte 524, ist am Basisabschnitt 502 der Umfassung befestigt.
Wie unten ausführlicher beschrieben, besitzen Ausführungsformen des LIDAR-Systems eine hochintegrierte Konstruktion, die sie besonders für ein hochkompaktes rotierendes LIDAR-System geeignet macht. Die verschiedenen funktionalen Elemente des LIDAR-Systems (sowohl mechanisch als auch elektronisch) sind in eine gestapelte Leiterplattenbaugruppe integriert, die die eine oder mehreren Leiterplatten beinhaltet, die in einer parallelen Anordnung gestapelt sind, wie in 5B gezeigt, z. B. die Leiterplatten 522, 524, 526 und 528. In einigen Ausführungsformen sind das Leistungssystem, der Elektromotor, das Kommunikationssystem und das LIDAR-Steuersystem alle in die eine oder mehreren gestapelten planaren Leiterplatten des rotierenden Aktuators 520 der gestapelten Platine integriert. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 510 kann bequem über einen oder mehrere Mehrstiftverbinder oder dergleichen (nicht gezeigt) an der oberen Platine 522 befestigt werden. Wie unten ausführlich beschrieben, können die Platinen eine zentrale Öffnung beinhalten, durch die eine zentrale Welle verläuft. Die oberen Platinen können über ein oder mehrere Lager am oberen Abschnitt der Welle befestigt werden. Jede der Platinen kann mit ihrer planaren Oberfläche senkrecht zur Welle und damit zur Rotationsachse angeordnet werden. Infolge dieser Konfiguration sind der Zusammenbau und die Wartung im Vergleich zu anderen Systemen, die mehrere Platinen in unterschiedlichen Orientierungen innerhalb des LIDAR-Systems verwenden, viel einfacher.
6A-6C zeigen Querschnittsansichten von LIDAR-Systemen 600, 650 und 660 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Insbesondere entsprechen die in 6A-6C dargestellten einzelnen Komponenten im Allgemeinen denjenigen, die bereits oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurden, wobei die in 6A-6C dargestellten Ansichten Beispiele für die geometrische Platzierung der verschiedenen Schaltungselemente gemäß verschiedenen Ausführungsformen darstellen. 6A und 6B zeigen jeweils Ausführungsformen, die eine optische Kommunikation zwischen der oberen und der unteren Leiterplattenbaugruppe verwenden, während 6C eine Ausführungsform zeigt, die eine induktive Kommunikation zwischen der oberen und der unteren Leiterplattenbaugruppe verwendet. 6D-6E stellen Ansichten von Oberflächen der einzelnen Leiterplatten gemäß einigen Ausführungsformen bereit, um die konzentrische Umfangsanordnung einer Anzahl von einzelnen Schaltungselementen weiter zu veranschaulichen.
Unter Bezugnahme auf 6A kann das LIDAR-System 600, das repräsentativ für das LIDAR-System 500 sein kann, eine Lichtentfernungsmessvorrichtung 602 zusammen mit der oberen und der unteren Leiterplattenbaugruppe 610 bzw. 620 beinhalten, wobei die obere Leiterplattenbaugruppe 610 in Bezug auf die untere Leiterplattenbaugruppe 620 um eine Achse 605 rotiert, die senkrecht zu den Leiterplattenbaugruppen ist. Die Leiterplattenbaugruppen 610 und 620 sind jeweils strukturelle Komponenten des LIDAR-Systems 600, die alle oder im Wesentlichen alle Komponenten des LIDAR-Systems halten. Das zweiteilige Design ermöglicht es dem System 600, eine reduzierte Größe und erhöhte Zuverlässigkeit im Vergleich zu vielen derzeit verfügbaren LIDAR-Systemen aufzuweisen, und ermöglicht es dem System 600, mit reduzierten Kosten hergestellt zu werden.
Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 602 kann an einer der Leiterplatten in der oberen Leiterplattenbaugruppe 610 montiert sein, was es der Lichtentfernungsmessvorrichtung ermöglicht, mit der oberen Leiterplattenbaugruppe 610 zu rotieren, während die untere Leiterplattenbaugruppe 620 an der Basis 604 und/oder der Seitenwand 606 montiert sein kann, von denen jede ein Teil der stationären Basis des LIDAR-Systems 600 ist. Die Rotation der oberen Leiterplattenbaugruppe 610 und der Lichtentfernungsmessvorrichtung 602 wird durch ein Lagersystem 607 ermöglicht, das sich auf einer Hohlwelle 606 befindet, die entlang der Längsachse oder Rotation 605 zentriert ist.
Jede der Baugruppen 610, 620 kann zwei oder mehr gestapelte planare Leiterplatten beinhalten, die in einer parallelen Beziehung zueinander angeordnet sind. In der dargestellten spezifischen Ausführungsform beinhaltet die obere Baugruppe 610 eine Rotorkommunikationsplatine 612 und eine Rotorsteuerplatine 614, während die untere Baugruppe 620 eine Statorkommunikationsplatine 622 und eine Statorsteuerplatine 624 beinhaltet. Ein Elektromotor kann direkt auf den Platinenbaugruppen zusammen mit einem Kodierer, einem drahtlosen Leistungssystem und einem optischen Kommunikationssystem integriert werden, wie unten ausführlicher beschrieben. Viele oder alle dieser gleichen Elemente sind auch auf den Platinenbaugruppen der LIDAR-Systeme 650 und 660 integriert, die in den 6B bzw. 6C dargestellt sind. Um somit die Beschreibung der 6A-6C zu vereinfachen und Wiederholungen zu vermeiden, werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente anzugeben, und die Beschreibung solcher gleicher Elemente wird typischerweise nicht wiederholt.
Das hochintegrierte gestapelte Platinendesign des LIDAR-Systems 600 stellt ein System bereit, das im Vergleich zu Systemen, die zahlreiche eigenständige Module für jedes der verschiedenen funktionalen Elemente eines LIDAR-Systems verwenden, einen stark vereinfachten Zusammenbauprozess aufweist. In alternativen Ausführungsformen können LIDAR-Systeme der vorliegenden Offenbarung obere und untere Platinenbaugruppen beinhalten, die jeweils eine einzelne Leiterplatte sind, wodurch das gestapelte Platinendesign noch weiter vereinfacht wird. Zum Beispiel beinhaltet das in 6B dargestellte LIDAR-System 650 eine einzelne untere Leiterplatte 652 und eine einzelne obere Leiterplatte 654.
Obwohl in den 6A-6C nicht explizit dargestellt, können eine oder mehrere unterstützende Leistungsschaltungen, Antriebs-/Steuerschaltungen und Kommunikationsschaltungen mit jedem der nachstehend erörterten Systeme gepaart sein, und diese unterstützenden Systeme können auch auf einer oder mehreren Leiterplatten des rotierenden Aktuators integriert sein. Zum Beispiel kann ein Motortreiber zum Bereitstellen eines dreiphasigen Antriebsstroms an die Magnetspulen des Stators an einer Oberfläche einer Leiterplatte der unteren Leiterplattenbaugruppe 620 befestigt sein. Leistungsantriebs- und Konditionierungsschaltungen können mit den drahtlosen Leistungsübertragungskomponenten gepaart und an den oberen und/oder unteren Platinenbaugruppen montiert sein. Unterstützende Schaltungen für das digitale Kommunikationssystem, wie Puffer, LED-/Laserstromtreiber, Kodierer/Dekodierer, Taktrückgewinnungsschaltungen, Fotodetektorantriebs- und Konditionierungsschaltungen usw., können auch auf einer oder mehreren Platinen der Leiterplattenbaugruppen montiert sein. Einige dieser Elemente werden unten ausführlicher erörtert, aber eine Fachperson wird erkennen, dass eine beliebige Anzahl von Anordnungen und Konfigurationen von Standardschaltungskomponenten verwendet werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In einigen Ausführungsformen kann aufgrund der Natur des rotationssymmetrischen optischen Uplink, drahtlosen rotierenden Leistungstransformators, bürstenlosen DC-Motors und Rotationskodierers eine beliebige konzentrische Anordnung dieser Teilsysteme um die Welle verwendet werden.
V. Optische Links
1. Integrierter zentraler optischer Downlink
In einigen Ausführungsformen kann die Hohlwelle 606 nicht nur als zentrales strukturelles Glied dienen, das jede der Leiterplattenbaugruppen unterstützt, sondern dient auch als Gehäuse für einen optischen Downlink-Kommunikationskanal („der Downlink-Kanal“) zum Bereitstellen von Daten, z. B. Entfernungsmess- und/oder Betriebsdaten, von der Turmbaugruppe zu der Steuer- und Verarbeitungsschaltung, die sich in der unteren Leiterplattenbaugruppe 620 (auch als das Basissystem bezeichnet) befindet. Der optische Downlink-Kanal kann einen optischen Downlink-Übertrager 626 und einen optischen Downlink-Empfänger 628 beinhalten, die jeweils entlang der Rotationsachse 605 zentriert sein können. Der optische Downlink-Übertrager 626 kann direkt an einer Oberfläche einer Leiterplatte der oberen Leiterplattenbaugruppe 610 befestigt (z. B. daran angelötet) sein und kann so positioniert sein, dass er optische Signale durch ein zentrales Loch oder eine Öffnung in der Hohlwelle 606 übertragen kann. Ebenso kann der optische Downlink-Empfänger 628 direkt an einer Oberfläche einer Leiterplatte der unteren Leiterplattenbaugruppe 620 befestigt (z. B. daran angelötet) sein. Der optische Downlink-Empfänger 628 kann am unteren Ende der Welle positioniert und mit dem optischen Downlink-Übertrager 626 ausgerichtet sein, sodass er in der Lage ist, optische Signale zu empfangen, die vom optischen Downlink-Übertrager 626 übertragen werden.
Die optischen Übertrager und Empfänger, die für den optischen Downlink des rotierenden Aktuators verwendet werden, können jeder geeignete optische Emitter oder Detektor sein. Beispielsweise können IR-LEDs, Laserdioden, VCSELs und dergleichen für die optischen Emitter verwendet werden. Ebenso kann jede geeignete Lichtdetektionstechnologie für die Empfänger verwendet werden, wie z. B. Fotodioden oder dergleichen.
2. Integrierter optischer Uplink
Ein optischer Uplink-Kanal kann zwischen einer Umfangsanordnung von mehreren optischen Uplink-Übertragern 642 und einer komplementären Umfangsanordnung von mehreren optischen Uplink-Empfängern 632 gebildet werden. Wie beim optischen Downlink-Übertrager/Empfänger-Paar können die einzelnen optischen Uplink-Übertrager und optischen Uplink-Empfänger direkt an jeweiligen Leiterplatten der unteren bzw. oberen Leiterplattenbaugruppe befestigt (z. B. daran angelötet) werden. Optische Kommunikationskomponenten, die an der unteren Leiterplattenbaugruppe angebracht sind, werden hierin auch als „optische Basiskommunikationskomponenten“ bezeichnet. Optische Kommunikationskomponenten, die an der oberen Leiterplattenbaugruppe angebracht sind, oder am Turm, werden hierin auch als „optische Turmkommunikationskomponenten“ bezeichnet. Vorteilhafterweise sorgt die Wand der Hohlwelle 606 für eine optische Isolierung zwischen dem Uplink- und dem Downlink-Kanal und minimiert somit das Übersprechen.
Der einzelne Emitter und die einzelnen Empfänger der Umfangsanordnungen können miteinander gekoppelt werden, um zusammen als ein einzelner zusammengesetzter Empfänger und ein einzelner zusammengesetzter Übertrager zu wirken. Wenn das System beispielsweise rotiert, variiert die optische Gesamtintensität des Uplink-Signals, das durch die vollständige Anordnung von optischen Uplink-Empfängern detektiert wird, nur geringfügig, wenn die einzelnen Emitter/Detektoren einander passieren. Darüber hinaus kann die Anzahl der einzelnen Übertrager im zusammengesetzten Übertrager gleich oder verschieden von der Anzahl der einzelnen Empfänger im zusammengesetzten Empfänger sein.
Die optischen Übertrager und Empfänger, die für den optischen Uplink des rotierenden Aktuators verwendet werden, können jeder geeignete Typ von optischem Emitter oder Detektor sein. Beispielsweise kann ein Ring von IR-LEDs, Laserdioden, VCSELs oder dergleichen als der zusammengesetzte optische Übertrager verwendet werden. Ebenso kann jeder geeignete Typ von Lichterkennungstechnologie für die Empfänger verwendet werden, z. B. kann ein Ring von Fotodioden oder dergleichen als der zusammengesetzte optische Empfänger verwendet werden. Darüber hinaus können die optischen Übertrager und Empfänger, die für den optischen Uplink verwendet werden, der gleiche oder ein anderer Typ (z. B. Leistung und Wellenlänge) sein wie die für den Downlink verwendeten.
Ein Beispiel einer Umfangsanordnung von optischen Uplink-Übertragern 642 ist in 6D gezeigt, die eine Draufsicht einer stationären Leiterplatte (z. B. Leiterplatte 622 von 6A) veranschaulicht. In diesem Beispiel gibt es sechs (6) optische Uplink-Übertrager 642, die in Umfangsrichtung um das zentrale Loch 672 angeordnet sind. Die sechs (6) Übertrager sind gleichmäßig um den Kreis 674 beabstandet, dessen Zentrum sich im Zentrum der Welle (und somit im Zentrum des Lochs 672) befindet und daher mit der Rotationsachse überlappt.
Die gegenüberliegende Oberfläche der rotierenden Leiterplatte (z. B. Leiterplatte 612 von 6A oder Leiterplatte 654 von 6B) beinhaltet eine entsprechende Umfangsanordnung von optischen Uplink-Empfängern 632, wie in 6E gezeigt, die eine Unteransicht einer rotierenden Leiterplatte gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht. In diesem Beispiel gibt es sieben (7) optische Uplink-Empfänger, die in Umfangsrichtung um das zentrale Loch 672 angeordnet sind. Die sieben (7) Empfänger sind gleichmäßig um den Kreis 684 beabstandet, dessen Zentrum sich im Zentrum der Welle befindet und daher mit der Rotationsachse überlappt. Dementsprechend rotiert, wenn die Platine rotiert, die Anordnung von optischen Uplink-Empfängern 632 um die Rotationsachse. Da der Radius des Kreises 684 gleich dem Radius des Kreises 674 ist, sind die Übertrager mit den Empfängern ausgerichtet und die Rotation führt lediglich zu einem leichten Anstieg und Abfall des durchschnittlichen Signals im Laufe der Zeit, wobei eine Frequenz ein Vielfaches der Rotationsfrequenz des Turmsystems ist. Die Anzahl der Übertrager, die für einen zuverlässigen Uplink-Kanal benötigt werden, hängt sowohl von der Nennleistung der Übertrager als auch von der Divergenz des Lichtkegels ab, der von jedem Übertrager emittiert wird. Idealerweise ist die Fleckgröße des Übertragerlichts an der vorderen Oberfläche der rotierenden Platine groß genug, dass die einzelnen Flecken so weit überlappen, dass, wenn die rotierende Platine rotiert, die Gesamtvariation der durchschnittlichen Intensität, die durch die Sammlung von Empfängern gesehen wird, unter einem bestimmten Wert liegt.
Während 6D und 6E eine Ausführungsform darstellen, in der ein optischer Downlink-Kanal innerhalb der Hohlwelle 606 gebildet wird und ein optischer Uplink-Kanal zwischen einer Umfangsanordnung von mehreren optischen Uplink-Übertragern und einer komplementären Umfangsanordnung von mehreren optischen Uplink-Empfängern, die außerhalb der Welle angebracht sind, gebildet wird, sind in anderen Ausführungsformen andere Anordnungen von optischen Kanälen möglich. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen ein Uplink-Kanal innerhalb der Hohlwelle 606 gebildet werden und ein Downlink-Kanal kann außerhalb der Welle gebildet werden. In noch anderen Anordnungen können sowohl ein Downlink- als auch ein Uplink-Kanal innerhalb der Welle 606 gebildet werden (z. B. unter Verwendung separater Lichtleiter) oder sowohl ein Downlink-Kanal als auch ein Uplink-Kanal können außerhalb der Welle in separaten Umfangsanordnungen von optischen Komponenten gebildet werden.
VI. Induktive Kommunikationslinks
Unter erneuter Bezugnahme auf 6C zeigt 6C eine Ausführungsform, die ein induktives Kommunikationssystem 666, 668 zwischen der oberen und der unteren Leiterplattenbaugruppe verwendet. In diesem Beispiel werden Daten-Uplink und Downlink durch Paare von Spulen 666a-e und 668a-e bereitgestellt, die jeweils an der unteren Leiterplattenbaugruppe und der oberen Leiterplattenbaugruppe montiert sind, wie dargestellt. Die Spulen können sowohl Datenleitungen als auch Taktleitungen beinhalten. Jede Spule kann in einen separaten Kanal, z. B. einen kreisförmigen Kanal, eines Gehäuses, wie das obere Spulengehäuse 666 und das untere Spulengehäuse 668, eingebettet sein, die selbst an den Oberflächen ihrer jeweiligen Leiterplatten montiert sind. In einigen Ausführungsformen können mehrere Spulen vorhanden sein, die für mehrere induktive Datenleitungen verwendet werden, z.B. die Downlink-Kanal 1 Übertagerspule 666b und die Downlink-Kanal 1 Empfängerspule 668b, die Downlink-Kanal 2 Übertragerspule 666c und die Downlink-Kanal 2 Empfängerspule 668c. In einigen Ausführungsformen kann das Downlink-Taktsignal über ein separates Spulenpaar übertragen werden, z. B. die Downlink-Taktübertragungsspule 666a und die Downlink-Taktempfängerspule 668a. Ebenso können Daten-Uplink-Kanäle aus einem oder mehreren Spulenpaaren gebildet werden, z. B. durch die Uplink-Übertragerspule 668d und den Uplink-Empfänger 666d. Wie der Downlink kann das Daten-Uplink-Taktsignal auch einen dedizierten Kanal aufweisen, der aus einem Spulenpaar gebildet ist, z. B. die Uplink-Taktübertragerspule 668e und die Uplink-Taktempfängerspule 666e.
In einigen Ausführungsformen kann die Verwendung einer induktiven Kommunikationsverbindung eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer optischen Konfiguration bereitstellen, einschließlich: (1) Austausch der Hohlwelle 606 durch eine Vollwelle 665, die einfacher und leichter zu konstruieren ist; (2) in einigen Situationen kann eine induktive Spulenanordnung weniger strenge Toleranzen bei der mechanischen Ausrichtung erfordern und somit geringere Herstellungskosten aufweisen; (3) eine einfachere Anordnung zum Weiterleiten mehrerer Informationskanäle zwischen den Platinen; (4) kann das Weiterleiten eines Takts zusammen mit Daten ermöglichen, was den Bedarf an Takt- und Datenwiederherstellungschips (CDR-Chips) beseitigt; (5) kann die Skalierung der Bandbreite ermöglichen, indem eine Mehrkanal-(parallele)Datenübertragungsleitungsanordnung bereitgestellt wird; und (6) durch Verteilen eines separaten Taktsignals zwischen den Platinen kann ein deterministisches Zeitverhalten zwischen der unteren Platinenanordnung (Stator) und der oberen Platinenanordnung/Lichtentfernungsmesseinheit (Rotor) erreicht werden.
Während 6C eine Ausführungsform mit fünf Spulenpaaren zeigt, kann eine beliebige Anzahl von Spulenpaaren implementiert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise kann eine Konfiguration mit zwei Spulenpaaren mit nur einem Daten-Uplink-Kanal und einem Downlink-Kanal implementiert werden. In diesem Fall kann das Taktsignal über den Uplink-Kanal bereitgestellt werden und der Downlink-Takt kann von diesem Uplink-Taktsignal abgeleitet werden. In anderen Ausführungsformen können drei Spulenpaare eingesetzt werden, eines für Uplink-Daten, eines für Downlink-Daten und eines für das Uplink-Taktsignal, wobei das Downlink-Taktsignal wiederum vom Uplink-Taktsignal abgeleitet wird. Es sind auch Konfigurationen mit vier Spulenpaaren möglich, die sowohl Uplink- als auch Downlink-Taktsignalkanäle bereitstellen. Zusätzlich zu allen oben genannten kann eine beliebige Anzahl von Datenkanälen verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
VII. Integrierter Elektromotor
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann ein elektrischer rotierender Motor direkt auf den Leiterplatten integriert sein. Der Motor kann ein „Pancake“- oder „axiales“ Design mit einer planaren Rotorbaugruppe auf einer Rotorplatine aufweisen, die einer planaren Statorbaugruppe auf einer gegenüberliegenden Statorplatine gegenüberliegt. Die Stator- und Rotorbaugruppen des Elektromotors können auf den Platinen des rotierenden Aktuators 608 integriert sein, d. h. die Elemente des Elektromotors sind eine von vielen Komponenten auf der Oberfläche der Leiterplatten und somit ist kein separates Motormodul für das LIDAR-System 600 erforderlich. Unter erneuter Bezugnahme auf 6D kann die Statorbaugruppe 644 beispielsweise eine ringförmige Anordnung von mehreren Statorelementen 644(i) beinhalten, z. B. vertikal ausgerichtete Magnetspulen (mit ihren Längsachsen senkrecht zur Oberfläche der Platine), die an einer Platine der unteren Leiterplattenbaugruppe 620 (z. B. Platine 622) oder an einem weichen Magnetkern aufgebracht sind (z. B. unter Verwendung eines Klebstoffs), der dann an der unteren Leiterplattenbaugruppe 620 aufgebracht wird. Beispiele der Statorelemente sind in der Draufsicht von 6D gezeigt. Jedes Statorelement 644(i) kann eine Magnetspule 644a beinhalten, die um einen Kern 644b aus magnetischem Material gewickelt ist, z. B. Ferrit oder dergleichen. Die Spulen sind so orientiert, dass das Magnetfeld, das die Magnetspule verlässt, im Wesentlichen in einer Richtung orientiert ist, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Leiterplatte ist. In der in 6D gezeigten Ausführungsform beinhaltet die Statorbaugruppe 644 achtzehn (18) individuelle Statorelemente 644(i), die gleichmäßig voneinander beabstandet sind, aber Ausführungsformen der Offenbarung sind nicht auf eine Statorbaugruppe mit einer bestimmten Anzahl von Statorelementen beschränkt und andere Ausführungsformen können weniger oder mehr individuelle Statorelemente 644(i) beinhalten. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Statorbaugruppe 644 beispielsweise mindestens 12 individuelle Statorelemente 644(i) in einer ringförmigen Anordnung. Außerdem ist in einigen Ausführungsformen die Anzahl der individuellen Statorelemente 644(i) in der Statorbaugruppe 644 ein Vielfaches von drei und eine Motorantriebsschaltung und Steuerung (in 6D nicht gezeigt) stellt ein dreiphasiges Wechselsignal an die Statorbaugruppe 644 bereit, um die Rotationsrate der Platine 622 und somit die Rotationsrate der Lichtentfernungsmessvorrichtung 602 zu steuern.
Die Motorrotorbaugruppe 634 ist direkt gegenüber der Motorstatorbaugruppe 644 positioniert und an einer Platine der oberen Leiterplattenbaugruppe 610 angebracht. In einigen Ausführungsformen kann die Motorrotorbaugruppe 634 ein passives Element sein, das eine ringförmige Anordnung von Permanentmagneten 634(i) beinhaltet, wobei ihre Pole in einem alternierenden Muster angeordnet sind, um die Öffnung der verschiedenen Magnetspulen der Statorbaugruppe sequenziell anzuziehen und abzustoßen, wie in der in 6E gezeigten Platinenansicht ausführlicher gezeigt. Somit kann, wie in 6E gezeigt, jeder einzelne Magnet 634a seine Pole gegenüber seinen benachbarten Magneten 634b angeordnet haben, und jeder einzelne Magnet 634b kann seine Pole gegenüber seinen benachbarten Magneten 634a angeordnet haben. Während die in 6E gezeigte Ausführungsform der Statorbaugruppe 644 vierundzwanzig (24) einzelne Magnete 634(i) beinhaltet, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind, sind Ausführungsformen der Offenbarung nicht auf eine Rotorbaugruppe mit einer bestimmten Anzahl von Elementen beschränkt und andere Ausführungsformen können weniger oder mehr einzelne Magnete 634(i) beinhalten. Ferner können, wie in 6D und 6E zu sehen ist, die Motorstatorbaugruppe 644 und die Motorrotorbaugruppe 634 eine insgesamt kreisförmige Ringform aufweisen, wobei sowohl Stator- als auch Rotorkreise den gleichen Radius und die gleichen zentralen Positionen aufweisen (z. B. können beide Ringe auf der Welle zentriert sein).
Während die in 6D und 6E gezeigten Ausführungsformen Rotorelemente verwenden, die Permanentmagnete und Statorelemente sind, die Magnetspulen sind, kann die gegenüberliegende Konfiguration auch verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können Magnetspulen verwendet werden, da die Rotorelemente und Permanentmagnete als die Statorelemente verwendet werden können, in welchem Fall Leistung an die Statorelemente durch das unten beschriebene drahtlose Leistungsübertragungssystem bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus können anstelle der Verwendung von Permanentmagneten als Rotor-/Statorelemente in bestimmten Ausführungsformen Elektromagnete verwendet werden. Eine Fachperson mit dem Vorteil dieser Offenbarung wird erkennen, dass jede Implementierung eines PCB-montierten bürstenlosen DC-Motors verwendet werden kann, beispielsweise kann jede berührungslose Konfiguration von Magnetspulen und Permanentmagnetelementen verwendet werden und jedes Antriebsschema, das eine rotierende Bewegung der zugrundeliegenden Hardware implementiert, kann verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
VIII. Integriertes drahtloses Leistungsübertragungssystem
Um den mit der rotierenden oberen Leiterplattenbaugruppe 610 verbundenen Schaltungselementen Energie zuzuführen, beinhaltet der rotierende Aktuator 608 ein drahtloses Leistungssystem, das hierin auch als rotierender Transformator bezeichnet wird. Das drahtlose Leistungssystem beinhaltet ein drahtloses Leistungsübertragungsteilsystem, das einen drahtlosen Leistungsübertrager 648 und ein drahtloses Leistungsempfangsteilsystem mit einem drahtlosen Leistungsempfänger 638 beinhaltet. Der drahtlose Leistungsübertrager 648 kann eine Übertragerspule in Form einer kreisförmigen Schleifenantenne (z. B. eine Spule mit einer einzelnen Windung oder mehreren Windungen) sein, die an einer Oberfläche einer Leiterplatte der unteren Leiterplattenbaugruppe 620 (z. B. Platine 622) befestigt ist, wie beispielsweise in 6D dargestellt. Ebenso kann der drahtlose Leistungsempfänger 638 eine Empfängerspule in Form einer kreisförmigen Schleifenantenne (z. B. eine Spule mit einer einzelnen Windung oder mehreren Windungen) sein, die an einer Oberfläche einer Leiterplatte der oberen Leiterplattenbaugruppe 610 (z. B. Platine 612) befestigt ist, wie in 6E dargestellt. Die Zentren sowohl des drahtlosen Leistungsübertragers 648 als auch des drahtlosen Leistungsempfängers 638 sind im Zentrum der Hohlwelle 606 positioniert und daher konzentrisch mit dem optischen Kodiererring, den Elektromotorbaugruppen und dem/den optischen Uplink-Empfängern/-Übertragern. Vorteilhafterweise können der drahtlose Leistungsübertrager und -empfänger am äußersten Bereich der Platinen 622 und 612 positioniert werden, um die Fläche (und damit die Induktivität) der kreisförmigen Schleifen zu maximieren, was die Leistungsübertragungseffizienz maximiert und vorteilhafterweise verhindert, dass Licht aus dem Umfeld oder den Einbauten des LIDAR-Systems den optischen Kodierer, Uplink oder Downlink erreicht.
In einigen Ausführungsformen können der drahtlose Leistungsübertrager 648 und ein drahtloser Leistungsempfänger 638 innerhalb eines ringförmigen Bereichs ihrer jeweiligen Platinen platziert werden, wobei die Wände und der Boden der ringförmigen Bereiche aus einem magnetischen Material gebildet sind, z. B. Ferrit oder dergleichen. Beispielsweise zeigt 6E einen drahtlosen Leistungsempfänger 638, der innerhalb eines ringförmigen Bereichs angebracht ist, der aus Ferritwänden 686 und 688 (in 6A-6C nicht dargestellt) und einem verdeckten Ferritboden gebildet ist. Eine solche Anordnung von Ferritmaterialien ist in 6F dargestellt, die eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Abschnitts eines drahtlosen Mehrspulen-Leistungsempfängers 638 ist, der innerhalb eines ringförmigen Kanals positioniert ist, der durch Ferritwände 686, 688 und eine Bodenferritwand 690 definiert ist. Die in 6F dargestellte Anordnung hilft, die Magnetfelder zwischen dem Sender und Empfänger zu kanalisieren, um die Leistungsübertragungseffizienz zu verbessern und elektromagnetische Strahlung zu reduzieren, die aus dem System austritt.
IX. Integrierter optischer Kodierer
Der rotierende Aktuator 608 beinhaltet ferner eine integrierte optische Kodiererbaugruppe, die das Auslesen der Winkelposition der oberen Leiterplattenbaugruppe 610 relativ zu der unteren Leiterplattenbaugruppe 620 ermöglicht. Die optische Kodiererbaugruppe beinhaltet einen gemusterten ringförmigen optischen Kodierer 646 und einen rotierenden Kodierer Detektor 636 zum Ablesen der Winkelposition der Baugruppe, beispielsweise durch Detektieren und Zählen der Anzahl von Mustern, die den rotierenden Kodierer Detektor 636 passieren, wenn das System rotiert. In bestimmten Ausführungsformen kann der rotierende Kodierer Detektor 636 eine Beleuchtungsvorrichtung beinhalten, wie etwa eine LED und einen Detektor, wie etwa eine Fotodiode oder einen Bildgebungsdetektor zum Beleuchten und Detektieren der gemusterten Oberfläche des ringförmigen optischen Kodierers. In einigen Ausführungsformen kann der ringförmige optische Kodierer einen Startcode beinhalten, der an einer eindeutigen Position auf dem Ring auftritt oder absolute Kodiermuster bereitstellt, wodurch eine absolute Winkelorientierungsmessung ermöglicht wird. In einigen Ausführungsformen ist das Kodierersystem magnetischer statt optischer Natur und beruht auf einem ähnlich positionierten magnetischen Kodiererstreifen und magnetischen Kodiererleser.
In einigen Ausführungsformen kann der ringförmige optische Kodierer 646 an einer Oberfläche einer Leiterplatte der unteren Leiterplattenbaugruppe 620 (z. B. Platine 622) angebracht sein und der rotierende Kodierer Detektor 636 kann an einer Oberfläche der oberen Leiterplattenbaugruppe 610 (z. B. Platine 612) angebracht sein, wie hier dargestellt, oder umgekehrt. Unabhängig davon, auf welcher Platine er platziert ist, kann der ringförmige optische Kodierer 646 angeordnet sein, um sein Zentrum im Zentrum der Hohlwelle 606 zu haben, und ist daher konzentrisch mit sowohl den Elektromotorbaugruppen als auch dem/den optischen Uplink-Empfängern/-Übertragern, wie zum Beispiel in 6D dargestellt. In einigen Ausführungsformen ist der rotierende Kodierer Detektor 636 auf der rotierenden Leiterplatte irgendwo über dem ringförmigen optischen Kodierer 646 positioniert, z. B. wie in 6E dargestellt.
Vorteilhafterweise kann die Kodiererbaugruppe zwischen dem drahtlosen Leistungsübertragungssystem und der Elektromotorbaugruppe positioniert sein, um die optische Isolation zwischen dem Kodierer Detektor und den Übertragern des optischen Uplink-Systems zu maximieren. Wie im Beispiel von 6A dargestellt, kann sich in einigen Ausführungsformen der ringförmige optische Kodierer 646 auf der Statorseite des rotierenden Aktuators 606 befinden, während sich der rotierende Kodierer Detektor 636 auf der Rotorseite befindet. Während dies eine nicht standardmäßige Konfiguration für rotierende Aktuatoren ist, ist diese Konfiguration für eine LIDAR-Anwendung vorteilhaft. Zum Beispiel kann durch Entfernen der rotierenden Verbindung zwischen dem rotierenden Kodierer Detektor 636 und der Lichtentfernungsmessvorrichtung 602 auf diese Weise die Implementierung einer Verbindung mit niedriger Latenz zwischen den beiden Systemen implementiert werden. In LIDAR-Anwendungen kann eine Verbindung mit niedriger Latenz wichtig sein, um die Winkelpositionsmessungen des rotierenden Kodierer Detektors 636 schnell aufzunehmen und die aktuellen Entfernungsmessinformationen mit der aktuellen Winkelposition des Rotors für eine erhöhte räumliche Genauigkeit zu korrelieren.
X. Verfahren zum Zusammenbau
7-8 zeigen Explosionsansichten eines LIDAR-Systems, um den Zusammenbauprozess gemäß bestimmten Ausführungsformen zu veranschaulichen. 7 veranschaulicht die mechanische Baugruppe der unteren Leiterplattenbaugruppe (hierin auch als Basisbaugruppe bezeichnet). 8 veranschaulicht die mechanische Baugruppe der oberen Leiterplattenbaugruppe und ihre Anbringungen sowohl an der unteren Leiterplattenbaugruppe als auch an der Lichtentfernungsmessvorrichtung, wodurch das vollständige LIDAR-System gebildet wird.
1. Zusammenbauen der unteren Leiterplattenbaugruppe
7 zeigt eine Explosionsansicht einer unteren Leiterplattenbaugruppe 700, um einen Zusammenbauprozess des kompakten LIDAR-Systems gemäß bestimmten Ausführungsformen zu veranschaulichen. In der in 7 dargestellten Ausführungsform weist die untere Leiterplattenbaugruppe 700 eine Zwei-Platinen-Konfiguration auf, ähnlich der oben unter Bezugnahme auf 6A beschriebenen. Insbesondere beinhaltet die untere Leiterplattenbaugruppe 700 erste und zweite Teilplatinen, die hierin als Basissteuerplatine 720 und Statorplatine 730 bezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen entsprechen die Basissteuerplatine 720 und Statorplatine 730 den Platinen 643 bzw. der Platine 641, wie in 6A dargestellt.
Der Zusammenbau der unteren Leiterplattenbaugruppe 700 kann damit beginnen, dass die Basissteuerplatine 720 mittels Schrauben 728 mechanisch an einer Basisgehäuseeinheit 710 befestigt wird. Wie bereits oben unter Bezugnahme auf 3 und 6A beschrieben, kann die Basissteuerplatine eine Anzahl von Schaltungselementen beinhalten, einschließlich einer Basissteuerung, ähnlich der Basissteuerung 366. Unterstützende Schaltungen, z. B. Treiber für die Elemente der optischen Kommunikationssysteme, des drahtlosen Leistungsübertragungssystems und des rotierenden Kodierersystems, können auch auf der Basissteuerplatine beinhaltet sein. Um den optischen Downlink-Kommunikationskanal zu ermöglichen, kann ein optischer Downlink-Empfänger 722 an einer oberen Oberfläche der Basissteuerplatine 720 in einem zentralen Bereich der Platine montiert (z. B. daran angelötet) werden, wie oben unter Bezugnahme auf 6A beschrieben.
In einigen Ausführungsformen (z. B. wie oben unter Bezugnahme auf 6B beschrieben) sind der optische Downlink-Empfänger 722 und die anderen unterstützenden Schaltungselemente direkt auf der Statorplatine 730 integriert, wodurch die Notwendigkeit einer separaten Basissteuerplatine 720 eliminiert wird. In einem solchen Fall kann der Zusammenbau der unteren Leiterplattenbaugruppe 700 damit beginnen, dass ein Wärmeverteilungselement 725 direkt an der Basis 710 befestigt wird, oder in Fällen, in denen die Basis oder das Wärmeverteilungselement 725 nicht verwendet wird, kann der Zusammenbau damit beginnen, dass die Statorplatine 730 installiert wird.
Nachdem die Basissteuerplatine 720 an der Basis 710 befestigt wurde, kann die Welle 715 unter Verwendung von Schrauben 706 an der Basissteuerplatine 720 befestigt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Welle 715 zur verbesserten Wärmeleitung von der oberen Leiterplattenbaugruppe über das Lagersystem direkt an der Basis 710 befestigt werden (in den 8A und 8B unten ausführlicher gezeigt). Wie oben unter Bezugnahme auf die 6A-6B beschrieben, kann die Welle 715 ein zentrales Loch 716 durch ihre Länge beinhalten, das einen offenen optischen Pfad für einen optischen Downlink-Kanal bereitstellt. Somit kann die Welle 715 direkt auf dem optischen Downlink-Empfänger 722 platziert werden, der sich im Allgemeinen nahe dem Zentrum der Basis 710 befindet. In einigen Ausführungsformen definiert die Welle 715 unabhängig von der Form des äußeren Umfangs der Basissteuerplatine 712 oder der Basis 710 die Rotationsachse 705 des Systems. Somit muss sich die Position der Welle 715 nicht direkt im Zentrum der Basissteuerplatine 720 oder im Zentrum der Basis 710 befinden.
Nachdem die Welle 715 an der Basissteuerplatine 710 befestigt wurde, kann das Wärmeverteilungselement 725 durch eine oder mehrere Schrauben 716 an der Basissteuerplatine 720 befestigt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeverteilungselement 725 aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit (z. B. Aluminium und dergleichen) hergestellt sein. Darüber hinaus können ein oder mehrere dazwischenliegende thermische Schaumstoffpads zwischen dem Wärmeverteilungselement 725 und den Platinen vorhanden sein, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern, während ein leitender Wärmepfad bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen stellt das Wärmeverteilungselement 725 einen thermischen Kontakt mit einem oder mehreren Abschnitten der unteren Oberfläche der Statorplatine 730 und einem oder mehreren Abschnitten der oberen Oberfläche der Basissteuerplatine 720 her, wodurch ein thermischer Pfad für konzentrierte Wärme von den Schaltungselementen dieser Platinen bereitgestellt wird, um sich gleichmäßiger auf die Platinen zu verteilen. An seinem Umfang kann das Wärmeverteilungselement 725 auch einen thermischen Kontakt mit den Seiten der Basis 710 herstellen und somit einen verbesserten thermischen Pfad für Wärme bereitstellen, die von den Platinen zur Basis 710 und schließlich aus dem System geleitet werden soll.
Nach dem Befestigen des Wärmeverteilungselements 725 kann die Statorplatine 730 über Schrauben 736 befestigt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Statorplatine 730 über einen oder mehrere elektrische Mehrstiftverbinder (z. B. untere Verbinder 724 und 726) elektrisch mit der Basissteuerplatine 720 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen erfolgt die physische Verbindung zwischen den Platinen durch Anlegen eines mechanischen Verbindungsdrucks zwischen der Statorplatine 730 und der Basissteuerplatine 720 (z. B. durch Drücken der Statorplatine auf die Basissteuerplatine, nachdem sie an der Basis 710 befestigt wurde). Der Verbindungsdruck kann über die Lebensdauer des Systems durch Schrauben 736 aufrechterhalten werden, die verwendet werden, um die Statorplatine 730 an der Basissteuerplatine 720 zu befestigen.
Sobald sie an der Basis 710 zusammengebaut und befestigt sind, können eine oder mehrere optionale Farbkameras 732 um den Umfang der Statorplatine 730 positioniert werden, um einen klaren visuellen Pfad aus der Basis 710 durch eine oder mehrere Bildgebungsaperturen 712 zu haben, die in einigen Ausführungsformen klare Aperturen sein können oder ein oder mehrere optische Elemente enthalten können, um die Bildgebung zu unterstützen. In anderen Ausführungsformen können die Farbkameras 732 direkt an der Basis 710 montiert werden, anstatt an der Statorplatine 730 montiert zu werden. Die Farbkameras 732 ermöglichen, dass LIDAR-Daten, die durch das LIDAR-System akkumuliert werden, durch Farbbildgebungsdaten, wie etwa stehende Frames und/oder Video, ergänzt werden, wie in der U.S. Anmeldung Nr. 15/980,509 mit dem Titel „Augmenting Panoramic LIDAR Results with Color“ beschrieben, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke aufgenommen ist.
2. Zusammenbauen der oberen Leiterplattenbaugruppe und Anbringen an der unteren Leiterplattenbaugruppe
8A ist eine Explosionsansicht eines kompakten LIDAR-Systems 800, um einen Zusammenbauprozess eines LIDAR-Systems gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung zu veranschaulichen. Das LIDAR-System 800 kann zum Beispiel das in 5A gezeigte LIDAR-System 500 sein. Das LIDAR-System 800 beinhaltet eine untere Leiterplattenbaugruppe 700, die vorstehend in Bezug auf 7 beschrieben wurde, eine obere Leiterplattenbaugruppe 810, eine Lichtentfernungsmessvorrichtung 820 und eine Umfassung 830. Wie in 8A gezeigt, beinhaltet das LIDAR-System 800 eine obere Leiterplattenbaugruppe 8.
Wie in 8A gezeigt, weist die obere Leiterplattenbaugruppe 810 eine Zwei-Platinen-Konfiguration auf, ähnlich der vorstehend unter Bezugnahme auf 6A beschriebenen, und beinhaltet eine Entfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 840 und die Rotorplatine 850. In einigen Ausführungsformen entsprechen die Entfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 850 und die Rotorplatine 730 der Statorsteuerplatine 624 und der Rotorsteuerplatine 614, die jeweils vorstehend unter Bezugnahme auf 6A beschrieben wurden.
Die Rotorplatine 850 beinhaltet eine Lagerbaugruppe 860, die in 8B gezeigt ist, die eine Explosionsansicht der Rotorplatine 850 ist. Die Lagerbaugruppe 860 beinhaltet Lager 862 und 864, die in jedes Ende eines t-förmigen Lagergehäuses 865 eingesetzt sind. Das T-förmige Lagergehäuse 865 kann dann mit Schrauben 866 an der Rotorplatine 850 befestigt werden.
Die Rotorplatine 850 kann auf der zusammengebauten unteren Leiterplattenbaugruppe 700 platziert werden, indem der zentrale Abschnitt des T-förmigen Lagergehäuses 865 über die Welle 715 gepasst wird. Eine kreisförmige Mutter 852 kann dann in eine kreisförmige zentrale Aussparung 854 in der oberen Oberfläche des t-förmigen Lagergehäuses 86 eingepasst und auf die Oberseite der Welle 715 geschraubt werden, um die Rotorplatine 850 sicher an der unteren Leiterplattenbaugruppe 700 zu befestigen. Wie vorstehend erörtert, ist die Rotorplatine 850 in der Lage, relativ zur unteren Leiterplattenbaugruppe 700 aufgrund der rotierenden Kopplung zwischen der Welle 715 und den Lagern 862 und 864 zu rotieren.
Die Entfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 840 kann dann mit der Rotorplatine 850 verbunden werden, indem ein Abwärtsdruck auf die Entfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 840 ausgeübt wird. Um eine elektrische Verbindung zwischen der Entfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 840 und der Rotorplatine 850 bereitzustellen, können ein oder mehrere elektrische Verbinder an der unteren Oberfläche der Entfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 840 (in 8A nicht sichtbar) und der oberen Oberfläche der Rotorplatine 850 (z. B. dem Verbinder 856) befestigt (z. B. daran angelötet) werden. Die Entfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 840 kann dann unter Verwendung von Schrauben 846 an der Rotorplatine 850 befestigt werden.
3. Anbringen der Laserentfernungsvorrichtung am rotierenden Aktuator
Sobald die obere Leiterplattenbaugruppe zusammengebaut und an der unteren Leiterplattenbaugruppe befestigt wurde, kann die Lichtentfernungsmessvorrichtung 820 elektrisch mit der oberen Oberfläche der Entfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 840 verbunden werden, die die Lichtentfernungsmessvorrichtung mechanisch mit dem T-förmigen Lagergehäuse 865 verbindet. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 820 beinhaltet ein Tx-Modul 822 und ein Rx-Modul 824, von denen jedes dedizierte elektrische Verbinder aufweisen kann, die mit entsprechenden Verbindern 844 und 846 zusammenpassen, die auf der oberen Oberfläche der Lichtentfernungsmessvorrichtungssteuerplatine 840 angebracht sind. Wie bei den anderen Platinen im System kann das Verbinden der Lichtentfernungsmessvorrichtung 820 mit dem Rest des zusammengebauten Systems durch Anlegen einer Druckkraft an die Komponenten erreicht werden. Sobald die Verbindungen hergestellt sind, kann die Druckkraft durch Schrauben 826 aufrechterhalten werden, die wie gezeigt auf beiden Seiten der Lichtentfernungsmessvorrichtung 820 montiert sind. Zusätzlich kann eine U-förmige Halterung 828 mit zusätzlichen Schrauben 826 an der Lichtentfernungsmessvorrichtung 820 befestigt werden, um eine weitere Struktur für den Zusammenbau bereitzustellen.
Sobald alle internen Komponenten zusammengebaut sind, kann die Umfassung 830 über die gesamte Baugruppe fallen gelassen und an der Basis 700 aufgebracht werden, z. B. unter Verwendung von einer oder mehreren Schrauben sowie Klebstoff, falls erforderlich, um eine robustere Abdichtung zu erreichen. Die Umfassung 830 kann ein optisch transparentes Fenster beinhalten, wie vorstehend in Bezug auf 5 beschrieben, das es ermöglicht, Laserimpulse vom Tx-Modul 822 aus dem LIDAR-System in das umgebende Umfeld zu projizieren, und es ermöglicht, reflektiertes und gestreutes Licht von den Impulsen über das Rx-Modul 824 vom LIDAR-System zu empfangen.
Im vorstehend beschriebenen Zusammenbauprozess werden verschiedene Anordnungen von Schrauben und Halterungen lediglich beispielhaft offenbart. Ausführungsformen des kompakten LIDAR-Systems müssen keine Schraubenanordnungen verwenden, die mit den in 7-8 gezeigten identisch sind, und es kann eine beliebige Anzahl, Anordnung und Art von Befestigungen, einschließlich Klebstoff, verformbare Stifte oder Verriegelungen, Nieten oder Schweißnähte, verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
XI. Optik und Optoelektronik
9A-9C zeigen eine perspektivische Ansicht, eine Vorderansicht bzw. eine vergrößerte Vorderansicht einer Lichtentfernungsmessvorrichtung 900 gemäß bestimmten Ausführungsformen. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 900 kann den vorstehend unter Bezugnahme auf 1-6 beschriebenen Ausführungsformen entsprechen, z. B. der vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Lichtentfernungsmessvorrichtung 320 oder der in Bezug auf 5 beschriebenen Lichtentfernungsmessvorrichtung 510. Die Lichtentfernungsmessvorrichtung 900 beinhaltet zwei Hauptmodule: ein Lichtübertragungs-(Tx)-Modul 910 und ein Lichterfassungs-(Rx)-Modul 920, die voneinander innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses oder einer Halterung 905 beabstandet sind, die zwei Linsenrohre beinhaltet, z. B. das Übertragerlinsenrohr 912 und das Detektorlinsenrohr 922. Die Licht-Tx-Module und Licht-Rx-Module beinhalten jeweils Bulk-Optikmodule (nicht dargestellt), die vor ihren jeweiligen Sensoren/Emittern positioniert sind, z. B. durch Schieben des Bulk-Optikmoduls in das entsprechende Linsenrohr. Die Bulk-Optikmodule werden unten ausführlicher beschrieben. Auf der Übertragungsseite, die sich hinter dem Tx-seitigen Bulk-Optikmodul befindet, befindet sich optional eine Tx-seitige Mikrooptikbaugruppe. Details der Mikrooptikbaugruppe werden unten unter Bezugnahme auf die 10-11 dargelegt. Hinter der optionalen übertragerseitigen Mikrooptikbaugruppe befindet sich ein Emitterarray 914, z. B. ein monolithisches Einzel-Chip-NIR-VSCEL-Array, das auf InGaAs hergestellt ist, oder dergleichen. Auf der Detektorseite, die sich hinter dem Rx-seitigen Bulk-Optikmodul befindet, befindet sich eine Rx-seitige Mikrooptikbaugruppe, die auch unten unter Bezugnahme auf die 10-11 ausführlicher beschrieben wird. Hinter der Rx-seitigen Mikrooptikbaugruppe befindet sich ein Einzel-Chip-Detektorarray und eine ASIC-Kombination 924, z. B. ein monolithisches Einzel-Chip-NIR-SPAD-Array, das auf einem CMOS-Prozess hergestellt ist, oder dergleichen.
Sowohl das Rx-Modul 920 als auch das Tx-Modul 910 werden durch Leiterplatten 926 bzw. 916 unterstützt, die zusätzliche unterstützende Schaltungen für die Lichtentfernungsmessvorrichtung beinhalten, z. B. Spannungsregler, VCSEL-Stromtreiber und dergleichen. So kann beispielsweise die Leiterplatte 926 Schaltungen zum Zählen von Signalen von SPADs beinhalten, die in ein Histogramm von Zeitklassen aufgenommen werden sollen, die durch einen Zeit-Digital-Wandler spezifiziert werden können. Die Leiterplatte 926 kann auch eine Abgleichfilterung zum Analysieren des Histogramms beinhalten, um eine Empfangszeit zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann ein programmierbares Rechenelement, wie beispielsweise ein FPGA (z. B. zum Durchführen einer erweiterten Filterung, wie beispielsweise Interpolation), operativ mit dem Rx-Modul 920 verbunden sein.
Obwohl in 9A-9B nicht dargestellt, kann sich das FPGA auf einer oder mehreren Platinen der oben beschriebenen oberen Platinenbaugruppe des rotierenden Aktuators befinden, die z. B. die Rotorhälfte eines bürstenlosen Motors, die Empfangsseite einem rotierenden Transformator-Leistungslink, die Empfangsseite eines rotierenden optischen Uplinks und die Übertragungsseite eines rotierenden optischen Downlinks beinhalten. Diese zusammengenommenen Elemente werden hierin als Turmbaugruppe des LIDAR-Systems bezeichnet. In bestimmten Ausführungsformen kann sich die Turmbaugruppe mit einer Frequenz von 1 Hz bis 30 Hz drehen, wobei Entfernungsmessungen in festen Winkelintervallen vorgenommen werden. In einer Ausführungsform kann für jede gegebene volle Rotation („Frame“) ein Tiefenbild mit einer Auflösung von 64 × 2048 erzeugt werden, obwohl der Benutzer andere Auflösungen durch Ändern von Vorrichtungsbetriebsparametern auswählen kann. In einigen Ausführungsformen kann das LIDAR-System 2.621.440 Punkte (Entfernungsmessungen) pro Sekunde erfassen.
1. Optische Systeme für die Tx- und Rx-Module
10 zeigt ein optisches Blockdiagramm einer Lichtentfernungsmessvorrichtung 1000 gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Wie in 10 dargestellt, beinhaltet die Lichtentfernungsmessvorrichtung 1000 ein Lichtübertragungs-(Tx)-Modul 1010 und ein Lichterfassungs-(Rx)-Modul 1040. Das Lichtübertragungsmodul 1010 kann für das Tx-Modul 910 repräsentativ sein, während das Lichterfassungsmodul 1040 für das Rx-Modul 920 repräsentativ sein kann. Ausführungsformen der Offenbarung sind nicht auf die in 10 dargestellten spezifischen optischen Konfigurationen beschränkt. In anderen Ausführungsformen können das Lichtübertragungsmodul 1010 und das Lichterfassungsmodul 1040 weniger, mehr oder andere optische Komponenten beinhalten. Nicht einschränkende Beispiele für andere Konfigurationen für das Lichtübertragungsmodul 1010 und das Lichterfassungsmodul 1040 sind in der am 14. Mai 2018 eingereichten U.S.-Anmeldung Nr. 15/979,235 mit dem Titel „Optical Imaging Transmitter with Brightness Enhancement“ und der am 14. Mai 2018 eingereichten U.S.-Anmeldung Nr. 15/979,266 mit dem Titel „Spinning LIDAR Unit with Micro-optics Aligned behind Stationary Window“, eingereicht am 14. Mai 2018, dargelegt, offenbart, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke aufgenommen sind.
Ausführungsformen der Lichtentfernungsmessvorrichtung 1000 können innerhalb des hierin offenbarten kompakten LIDAR-Systems verwendet werden, wie oben unter Bezugnahme auf z. B. 5A-5B beschrieben. Das Tx-Modul 1010 stellt eine aktive Beleuchtung von Objekten im Bereich um das LIDAR-System bereit, indem es z. B. Impulse von schmalbandigem Licht, z. B. NIR-Licht mit einer spektralen Breite von z. B. 2 nm, 1 nm, 0,5 nm, 0,25 nm oder weniger, in ein oder mehrere Sichtfelder überträgt, wie in 1A-1B und 4 oben gezeigt. Das Rx-Modul 1040 detektiert reflektierte Abschnitte des übertragenen schmalbandigen Lichts, das von den Objekten in der Szene reflektiert wird.
Wie in 10 dargestellt, kann das Tx-Modul 1010 ein TX-seitiges Mikrooptikgehäuse 1020 und ein optisches Bulk-Element 1030 beinhalten. Das TX-seitige Mikrooptikgehäuse 1020 beinhaltet eine Vielzahl von Lichtemittern 1022 und beinhaltet optional eine Mikrolinsenschicht 1024 und eine Aperturschicht 1026. Die Emitter 1022 können in einem ein- oder zweidimensionalen Array von Übertragerkanälen angeordnet sein, z. B. Kanal 1025, der im Boxed-Bereich dargestellt ist. Jeder der Übertragerkanäle weist einen oder mehrere Lichtemitter 1022 auf, z. B. NIR-VCSELs oder dergleichen, die in der Lage sind, schmalbandiges Licht zu emittieren, und optional eine Mikrolinse von der Linsenschicht 1024 und eine Apertur von der Aperturschicht 1026.
Licht, das von jedem der Übertrager emittiert wird, divergiert, wenn es sich einer der Mikrooptiken der Tx-seitigen Mikrooptiklinsenschicht 1024 nähert. Mikrolinsen von der Mikrolinsenschicht 1024 nehmen das divergierende Licht auf und fokussieren es erneut auf eine Brennebene, die mit Aperturen in der Aperturschicht 1026 zusammenfällt, die ein Array von Aperturen beinhaltet, die in Position dem Array von Mikrooptiken und dem Array von Emittern entsprechen. Das Aperturarray 1026 kann das Übersprechen im System reduzieren. Nach dem Austreten aus den Mikrolinsen divergiert das fokussierte Licht wieder in Form von Kegeln, die dann auf das Tx-seitige Bulk-Bildgebungsoptikmodul 1030 treffen. Details des Tx-seitigen Bulk-Bildgebungsoptikmoduls 1030 werden unten ausführlicher erörtert.
In einigen Ausführungsformen ist die Trennung zwischen der Mikrolinsenschicht 1024 und dem Tx-seitigen Bulk-Bildgebungsoptikmodul 1030 gleich der Summe ihrer Brennweiten, sodass das an dem Aperturaarray 1026 fokussierte Licht als kollimiertes Licht am Ausgang des Tx-seitigen Bulk-Bildgebungsoptikmoduls 1030 erscheint, wobei jedes kollimierte Strahlenbündel das Tx-seitige Bulk-Bildgebungsoptikmodul 1030 in einem anderen Winkel verlässt. Dementsprechend wird das Licht von jedem Emitter auf ein anderes Sichtfeld vor der Vorrichtung gerichtet. In einigen Ausführungsformen ist die Tx-seitige Bulk-Bildgebungsoptik 1030 auf der VCSEL-Seite der Linse telezentrisch, d. h. in einem Strahlendiagramm des Systems verlassen alle Hauptstrahlen, die irgendwo innerhalb der Apertur der Bulk-Bildgebungsoptik 1030 eintreten, die Linse, die parallel zueinander verläuft, und schneiden die VCSEL-(Bild-)Ebene unter einem Einfallswinkel, der im Wesentlichen senkrecht zur VCSEL-(Bild-)Ebene ist. In dieser Konfiguration arbeitet das VCSEL-Array vorteilhafterweise als eine telezentrische Quelle, d. h. die Optik nimmt im Wesentlichen das gesamte von dem Emitterarray erzeugte Licht auf, sogar Licht, das von den Emittern an den Außenkanten des Arrays emittiert wird. Ohne das telezentrische Design kann das von den äußeren Emittern aufgenommene Licht aufgrund ihres hochschrägen Einfallswinkels in unerwünschter Weise reduziert, gestreut oder gebrochen werden.
Das Rx-Modul 1040 beinhaltet ein Rx-seitiges Bulk-Bildgebungsoptikmodul 1060 und ein RX-seitiges Mikrooptikgehäuse 1050. Das RX-seitige Mikrooptikgehäuse 1050 weist entweder eine ein- oder zweidimensionale Array-Anordnung auf, die mit dem TX-seitigen Mikrooptikgehäuse 1020 übereinstimmt, mit einem mikrooptischen Empfängerkanal 1055 für jeden entsprechenden mikrooptischen Übertragerkanal 1025. Das RX-seitige Mikrooptikgehäuse 1050 beinhaltet eine Rx-seitige Aperturarrayschicht 1056, eine Rx-seitige Mikrooptiklinsenschicht 1054, eine schmalbandige optische Filterschicht 1028 und eine Sensorarrayschicht 1052. Die Abschnitte des emittierten Lichts, die von Objekten im Feld reflektiert werden, dargestellt als Lichtstrahlen 1005, treten aus mehreren Richtungen in das Rx-seitige Bulk-Bildgebungsoptikmodul 1060 ein. Das Rx-seitige Bulk-Bildgebungsoptikmodul 1060 fokussiert Lichtstrahlen auf eine Ebene, die mit der Rx-seitigen Aperturarrayschicht 1056 zusammenfällt. Das fokussierte Licht wird dann von den Mikrolinsen der Rx-seitigen Mikrooptiklinsenschicht 1054 aufgenommen und kollimiert (d. h. mit einem Divergenzhalbwinkel von weniger als zehn Grad) auf eine Sensorarrayschicht 1052 gerichtet.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Sensorarrayschicht 1052 ein 1-D- oder 2-D-Array von Lichtsensoren oder ein ein- oder zweidimensionales Array von Gruppen von Lichtsensoren, z. B. SPADS und dergleichen. In einigen Ausführungsformen entspricht jeder Sensor oder jede Gruppe von Sensoren im Array einem Emitter im Emittermodul und somit einem „Pixel“ in den Entfernungsmessdaten.
In einigen Ausführungsformen kann zum Entfernen von Störhintergrundlicht eine schmalbandige optische Filterschicht 1028 innerhalb der geschichteten Struktur angebracht sein, z. B. zwischen dem Mikrooptikarray und der Sensorarrayschicht 1052. Das Durchlassband der schmalbandigen optischen Filterschicht 1028 kann so gewählt werden, dass es der mittleren Wellenlänge der Emitter entspricht, und die Breite des Durchlassbands kann breit genug sein, um jede Variation in der Ausgangswellenlänge über das Emitterarray aufzunehmen. In einigen Ausführungsformen, in denen ein sehr schmales Durchlassband gewünscht wird, kann ein Steuersystem die Wellenlänge der Emitter einzeln oder als Ganzes stabilisieren. In einigen Ausführungsformen, in denen ein sehr schmales Durchlassband gewünscht wird, muss der Kollimationswinkel des durch die Filterschicht 1028 hindurchtretenden Lichts eng gesteuert werden, so dass keine Einfallswinkelverschiebungen auftreten (wie es bei Dünnfilm-Interferenzfiltern üblich ist); der Kollimationswinkel wird hauptsächlich durch die Größe der Apertur in der RX-seitigen Aperturarrayschicht 1056, die Brennweiten der Linsen in der RX-seitigen Mikrooptiklinsenschicht 1054, die relative Positionierung zwischen der RX-seitigen Aperturarrayschicht 1056 und der RX-seitigen Mikrooptiklinsenschicht 1054 und die Oberflächenqualität und Formgenauigkeit der RX-seitigen Mikrooptiklinsenschicht 1054 gesteuert. In einigen Ausführungsformen ist die schmalbandige optische Filterschicht 1028 eine kontinuierliche planare Schicht über das gesamte Array von Sensoren. In anderen Ausführungsformen kann die schmalbandige optische Filterschicht 1028 als ein Array von mikrooptischen Elementen hergestellt werden, die der Pixelgeometrie der Sensorarrayschicht 1052 entsprechen.
Wie bei der Tx-Seite bilden die einzelnen Elemente des Rx-Moduls 1040 mikrooptische Empfängerkanäle, z. B. den Empfängerkanal 1055. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann das Array von Mikrooptiken und Empfängern eine geschichtete monolithische Struktur haben. Jeder mikrooptische Empfängerkanal 1055 misst Licht für ein anderes Pixel in der Sensorarrayschicht 1052, d. h. die Optiken des Rx-Moduls 1040 dienen dazu, Bündel von parallelen Strahlen, die von verschiedenen Winkeln in das Modul eintreten, auf verschiedene entsprechende räumliche Positionen auf der Sensorarrayschicht 1052 abzubilden. In einigen Ausführungsformen ist das Bulk-Bildgebungsoptikmodul 1060 auf der Detektorseite des Systems telezentrisch, um die Nichtidealitäten in der Bildebene auf ähnliche Weise wie die TX-Seite zu vermeiden, wie oben beschrieben.
In einigen Ausführungsformen sorgen die mikrooptischen Empfängerkanäle, wie durch die Kooperation zwischen der mikrooptischen Linsenschicht 1054, der schmalbandigen optischen Filterschicht 1028 und der Rx-seitigen Aperturarrayschicht 1056 gebildet, für eine erhöhte Isolation zwischen verschiedenen Pixeln auf der Sensorarrayschicht. Dies ist vorteilhaft, da in einigen Situationen, wie z. B. wenn das Emitterlicht von einem starken Reflektor im Feld reflektiert wird, wie z. B. einem Stoppschild, der Photonenfluss auf der Rx-Seite für jeden Kanal beträchtlich sein kann, was das System anfällig für Übersprechen und Blooming macht (d. h. das eingehende Licht von einem Kanal kann so hell sein, dass es durch einen benachbarten Kanal detektierbar ist). Eine Lösung für das Blooming-Problem besteht darin, ein komplexes Zeitmultiplexschema zu verwenden, sodass nur ein Emitter-Detektor-Paar (oder eine sorgfältig ausgewählte Gruppe von Emitter-Detektor-Paaren) zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgelöst wird, wodurch das Risiko von Übersprechen eliminiert wird. Eine solche Anordnung erfordert zusätzliche Zeitelektronik und Multiplex-Software und -Hardware, was zusätzliche Kosten und Komplexität für das System mit sich bringt. Darüber hinaus ist das Zeitmultiplexen ein ineffizientes Datensammelverfahren, da jedes Empfängeremitterpaar sequentiell in Reihe aktiviert werden muss, wodurch die Gesamterfassungszeit des Arrays als Ganzes erhöht wird. Vorteilhafterweise reduziert das Design der Rx-seitigen Mikrooptikbaugruppe Übersprechen in einem solchen Ausmaß, dass kein Zeitmultiplexen und keine sequentielle Aktivierung erforderlich ist, d. h. alle Kanäle können gleichzeitig verwendet werden, um Datenpunkte parallel zu sammeln, ähnlich einem Flash-LIDAR-System.
Das Design der mikrooptischen Systeme für das Rx-Modul 1040 und das Tx-Modul 1010 ermöglicht vorteilhafterweise die oben unter Bezugnahme auf 3 beschriebene konzeptionelle LIDAR-Anordnung, bei der jedes Übertragerelement mit einem Sensorelement gekoppelt ist, so dass das Sensorelement Licht nur aus dem Sichtfeld betrachtet, das der Übertrager beleuchtet. Diese 1:1 -Kopplung von Sichtfeldern hilft, Übersprechen im Detektor von angrenzenden oder benachbarten Pixeln zu eliminieren. Die zusätzliche mikrooptische Aperturschicht hilft auch, Übersprechen zu eliminieren. Die schmalbandige Filterschicht hilft, Hintergrundlicht zu entfernen, das zur Störsignaldetektion beitragen kann, was schließlich zu Entfernungsmessfehlern führt.
2. Mikrooptik
11A zeigt eine vereinfachte Draufsicht eines Mikrooptikgehäuses 1100 gemäß bestimmten Ausführungsformen. Das Mikrooptikgehäuse 1100 kann auf einer oder beiden der Übertrager- oder Detektorseite der Lichtentfernungsmessvorrichtung angewendet werden und beinhaltet eine Vielzahl von Kanälen 1102. Wenn beispielsweise auf der Empfängerseite implementiert, würde jeder Kanal 1102 einem einzelnen mikrooptischen Empfängerkanal, wie beispielsweise Kanal 1055, entsprechen. Ebenso würde, wenn auf der Übertragerseite implementiert, jeder Kanal 1102 einem einzelnen Übertragerkanal, wie beispielsweise Kanal 1025, entsprechen. Im in 11A dargestellten Beispiel sind die mikrooptischen Kanäle als ein m × n gestaffeltes Array ausgelegt, z. B. ausgelegt in einem 16 × 4-Array. Als ein Beispiel kann, wenn 11A Empfängerkanäle darstellt, für eine Empfängerkanalgröße von 0,500 mm (Durchmesser) das dargestellte Layout in einem Chip mit einer Größe von 8,000 mm mal 2,000 mm implementiert werden.
Andere Arraymuster sind möglich, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können anstelle eines gestaffelten Arrays beliebige der folgenden geformten Arrays verwendet werden: ein quadratisches Array, ein 1-D- geradliniges Array (m × 1), ein verzerrtes lineares (m × 1) Array, ein verzerrtes rechteckiges m × n × Array oder Arrays mit irgendeinem beliebigen Muster. So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „verzerrt“ auf Ausführungsformen, bei denen der Abstand zwischen Empfängerkanälen ungleichmäßig ist. Beispielsweise sind Empfängerkanäle nahe dem Zentrum näher beieinander beabstandet, während die äußeren Kanäle weiter voneinander beabstandet sind. Das verzerrte Layout hat den Vorteil, dass es in der Lage ist, eine Korrektur der Verzerrungskurve einer Linse zu ermöglichen (d. h. die Winkel zwischen den Empfängerkanalsichtfeldern sind gleichmäßig im Objektraum beabstandet).
11B zeigt einen Querschnitt eines einzelnen mikrooptischen Empfängerkanals 1120 gemäß einigen Ausführungsformen, der beispielsweise für den in 10 dargestellten Empfängerkanal 1055 repräsentativ sein kann. Der Empfängerkanal 1120 dient dazu, einen Eingangskegel von Licht aufzunehmen, der einen breiten Bereich von Wellenlängen enthält, alle außer einem schmalen Band dieser Wellenlängen, die bei der Betriebswellenlänge zentriert sind, herausfiltert und einem Pixel (Fotosensor) 1171 ermöglicht, nur oder im Wesentlichen nur Photonen innerhalb des vorgenannten schmalen Bands von Wellenlängen zu detektieren. Ausführungsformen der Offenbarung sind nicht auf eine bestimmte Konfiguration für Empfängerkanäle beschränkt und der Kanal 1120 ist nur ein Beispiel für einen Empfängerkanal, der als Empfängerkanal 1055 implementiert werden kann.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Empfängerkanal 1132 eine Eingangsaperturschicht 1140, die eine optisch transparente Apertur 1144 und einen optisch nicht transparenten Stoppbereich 1146 beinhaltet. Die Apertur 1144 ist konfiguriert, um ein schmales Sichtfeld zu definieren, wenn sie in der Brennebene einer Abbildungsoptik, wie beispielsweise der Bulk-Empfangsoptik 1060, platziert ist. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „optisch transparent“ auf ein Material, das es dem meisten oder dem gesamten einfallenden Licht ermöglicht, hindurchzutreten. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „optisch nicht transparent“ auf ein Material, das es wenig bis keinem Licht ermöglicht, hindurchzutreten, z. B. eine reflektierende oder absorbierende Oberfläche. Die Aperturschicht 1140 ist konfiguriert, um die Eingangsrandstrahllinien 1133 zu empfangen. Die Aperturschicht 1140 kann ein Array von optisch transparenten Aperturen und optisch nicht transparenten Stoppbereichen beinhalten, die auf einem einzelnen monolithischen Teil, wie beispielsweise einem optisch transparenten Substrat, aufgebaut sind. In einigen Ausführungsformen kann die Aperturschicht 1140 aus einem optisch nicht transparenten Material gebildet sein, das Stoppbereiche 1146 bildet, und die Aperturen 1144 können Löcher oder Öffnungen in der Schicht 1140 sein.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Empfängerkanal 1120 eine optische Linsenschicht 1150, die eine Kollimatorlinse 1151 beinhaltet, die durch eine Brennweite gekennzeichnet ist. Die Kollimatorlinse kann von der Ebene der Apertur 1144 und des Stoppbereichs 1146 um die Brennweite versetzt und axial mit der Apertur 1144 ausgerichtet sein (d. h. die optische Achse der Kollimatorlinse ist mit dem Zentrum der Apertur ausgerichtet). Auf diese Weise kann die Kollimatorlinse konfiguriert sein, um Lichtstrahlen zu kollimieren, die durch die Apertur geleitet werden, sodass die Lichtstrahlen ungefähr parallel zur optischen Achse der Kollimatorlinse 1151 wandern. Die optische Linsenschicht 1150 kann optional Aperturen, optisch nicht transparente Bereiche und Rohrstrukturen beinhalten, um Übersprechen zu reduzieren.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Empfängerkanal 1132 eine optische Filterschicht 1160, die einen optischen Filter 1161 beinhaltet, z. B. einen Filter vom Bragg-Reflektortyp oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen ist die optische Filterschicht auf einer Detektorseite der optischen Linsenschicht 1150 angebracht (im Gegensatz zur Aperturseite). Die optische Filterschicht ist konfiguriert, um normalerweise einfallende Photonen bei einer spezifischen Betriebswellenlänge und Durchlassband durchzulassen. Die optische Filterschicht 1160 kann eine beliebige Anzahl von optischen Filtern 1161 enthalten. Die optische Filterschicht 1160 kann optional Aperturen, optisch nicht transparente Bereiche und Rohrstrukturen beinhalten, um Übersprechen zu reduzieren.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Empfängerkanal 1132 eine Fotosensorschicht 1170, die ein Pixel 1171 beinhaltet, das hinter der Filterschicht angebracht ist. Das Pixel kann ein Fotosensor sein, der in der Lage ist, Photonen mit einem aktiven Detektorbereich zu detektieren, der z. B. aus einer Standardfotodiode, einer Lawinenfotodiode, einem Array von SPADs, RCPs (Resonanzhohlraum-Fotodioden) oder anderen geeigneten Fotodetektoren besteht. Der Fotosensor 1171 kann aus mehreren Photonendetektorbereichen (z. B. jeweils einer anderen SPAD) zusammengesetzt sein, die zusammenwirken, um als ein einzelnes Pixel zu wirken, oft mit einem höheren Dynamikbereich, einer schnelleren Reaktionszeit oder anderen vorteilhaften Eigenschaften im Vergleich zu einem einzelnen großen Photonendetektionsbereich. Die Fotosensorschicht 1170 bezieht sich auf eine Schicht, die aus Pixeln besteht, und kann optionale Strukturen beinhalten, um die Detektionseffizienz zu verbessern und Übersprechen mit benachbarten Empfängerstrukturen zu reduzieren. Die Fotosensorschicht 1170 kann optional Diffusoren, Sammellinsen, Aperturen, optisch nicht transparente Rohrabstandshalterstrukturen, optisch nicht transparente konische Abstandshalterstrukturen usw. beinhalten.
Streulicht kann durch Rauheit von optischen Oberflächen, Unvollkommenheiten in transparenten Medien, Rückreflexionen usw. verursacht werden und kann an vielen Merkmalen innerhalb des Empfängerkanals 1132 oder außerhalb des Empfängerkanals 1132 erzeugt werden. Das Streulicht kann durch den Filterbereich 1161 entlang eines Pfads gerichtet werden, der nicht parallel zur optischen Achse der Kollimatorlinse 1151 verläuft; zwischen der Apertur 1144 und der Kollimatorlinse 1151 reflektierend; und im Allgemeinen einen beliebigen anderen Pfad oder eine beliebige andere Trajektorie nehmend, die möglicherweise viele Reflexionen und Brechungen beinhaltend. Wenn mehrere Empfängerkanäle nebeneinander angeordnet sind, kann dieses Streulicht in einem Empfängerkanal von einem Pixel in einem anderen Kanal absorbiert werden, wodurch die Zeitsteuerung, Phase oder andere Informationen, die Photonen inhärent sind, kontaminiert werden. Dementsprechend kann der Empfängerkanal 1120 auch mehrere Strukturen aufweisen, um Übersprechen zu reduzieren und das Signal zwischen Empfängerkanälen zu erhöhen. Beispiele für solche Strukturen und andere geeignete Empfängerkanäle sind in der U.S. Patentanmeldung 15/979,295 mit dem Titel „Micro-optics for Imaging Module with Multiple Converging Lenses per Channel“, eingereicht am 14. Mai 2018, beschrieben, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke aufgenommen ist.
3. Detektorarray (z. B. SPADs)
12A und 12B zeigen eine Draufsicht einer SPAD-basierten Fotosensor-Arrayschicht 1200 gemäß bestimmten Ausführungsformen. Die in 12A dargestellte Fotosensor-Arrayschicht 1200 ist ein zweidimensionales Array von Sensorkanälen 1210, wobei jeder einzelne Sensorkanal beispielsweise dem Empfängerkanal 1055 entsprechen kann. Somit kann jeder Sensorkanal 1210 eine Gruppe von SPADs wie oben beschrieben beinhalten. Im in 12A dargestellten Beispiel ist das Fotosensorarray 1200 ein 18x4-Array, das insgesamt 72 einzelne Sensorkanäle 1210 beinhaltet. Das Fotosensorarray 1200 beinhaltet auch 8 Kalibrierungspixel 1220 an der Oberseite des Arrays. Die Kalibrierungspixel 1220 können beispielsweise von einer opaken Oberfläche bedeckt sein, sodass sie keinem Licht ausgesetzt sind und daher zum Messen von Dunkelzählungen verwendet werden können.
12B zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Teilmenge von Sensorkanälen 1210, die veranschaulicht, dass jeder Sensorkanal 1210 aus einer Gruppe (Array) von einzelnen SPADs 1212 gebildet sein kann, die zusammenwirken, um als ein einzelnes Pixel zu wirken. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, wenn SPADs als Fotodetektoren verwendet werden, da eine SPAD nach einem Photonendetektionsereignis eine gewisse Totzeit erleidet, während der eine externe Schaltung arbeitet, um die SPAD zu löschen, sodass sie bereit ist, wieder zu detektieren. Somit weist eine einzelne SPAD eine Obergrenze für die Lichtintensität (gemessen in Photonen/s) auf, die sie detektieren kann. Das heißt, eine einzelne SPAD kann keine Lichtintensität detektieren, die größer ist als ein Photon pro Löschzeit. Das Sammeln mehrerer SPADs zusammen, wie in 12B gezeigt, erhöht die Gesamtintensität, die detektiert werden kann, da nicht alle SPADs gleichzeitig gesättigt werden. Somit kann eine Sammlung von N SPADs in der Lage sein, den Dynamikbereich einer einzelnen SPAD mit dem N-fachen zu detektieren.
4. Emitter-Array (z. B. VCSELs)
13A und 13B zeigen vereinfachte Draufsichten bzw. Seitenansichten eines Emitter-Arrays 1300 gemäß bestimmten Ausführungsformen. Das Emitter-Array 1300 kann ein zweidimensionales Array von VCSEL-Emittern 1310 beinhalten, die auf einem einzelnen monolithischen Chip 1305 hergestellt sind und deren Muster mit den Fotosensorpixeln auf einem entsprechenden Sensorchip übereinstimmt. In diesem Beispiel beträgt das Emitter-Array 1300 VCSEL-Array 16×4 für insgesamt 64 Emitterkanäle 1310, um mit den mittleren 64 Detektorkanälen, die in 12A oben dargestellt sind, übereinzustimmen. Das Emitter-Array 1300 kann auch eine Vielzahl von Leitungen 1320 beinhalten, über die Signale zum Antreiben der verschiedenen Emitter im Array 1300 an die Emitter übertragen werden können.
Wie unter Bezugnahme auf 12A beschrieben, kann das monolithische VCSEL-Array von optischen Emittern hinter dem TX-seitigen Mikrooptikgehäuse und hinter dem TX-seitigen Bulk-Optikmodul angeordnet sein. Jeder VCSEL-Emitter kann einen Beleuchtungsstrahl mit einem Anfangsdurchmesser ausgeben, der im Wesentlichen identisch mit (oder etwas größer als) dem Durchmesser einer entsprechenden Apertur ist, die entweder durch die Aperturschicht oder die numerische Apertur der Mikrolinsen der Mikrooptikschicht definiert ist, um sicherzustellen, dass das gesamte oder im Wesentlichen das gesamte vom VCSEL emittierte Licht auf Objekte im Feld übertragen wird.
5. Bulk-Optik
In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Offenbarung eine telezentrische Lichtentfernungsmessvorrichtung mit einem schnellen Linsensystem (z. B. f-Nummer = 1,0, 1,2 oder 1,4) und/oder einem Linsensystem bereit, das über einen bestimmten Temperaturbereich passiv athermal ist, der wahrscheinlich auftritt, wenn die Lichtentfernungsmessvorrichtung zur Hinderniserkennung und -vermeidung bei der autonomen Navigation für Automobile, Lastwagen oder andere Fahrzeuge verwendet wird. Zusätzlich besitzt das optische Bulk-System eine Verzerrung der niedrigen Brennebene und eines oder mehrere der optischen Elemente können AR-beschichtet sein, um den optischen Durchsatz zu maximieren und Streureflexionen, Geisterbilder und Übersprechen zwischen verschiedenen Sensorkanälen zu reduzieren. Vorteilhafterweise ist das optische System bildraumtelezentrisch und stellt somit eine „Geradedrauf“-Ansicht (wenn von der Objektseite betrachtet) von jedem der Detektorkanäle des Sensorarrays (jeder Hauptstrahl kommt senkrecht zur Brennebene) bereit, sogar von denen an den Außenkanten des Arrays.
Wie hierin verwendet, beschreibt passiv athermal ein Optiksystem, wobei sich die Punktqualität von Licht von einer ausgedehnten Quelle mit einer Winkelgröße ungleich Null, die von einem Linsensystem auf ein Array fokussiert wird, nicht signifikant ändert, wenn sich die Temperatur ändert. Wenn sich die hintere Brennweite des Linsensystems ändert und das Array relativ zum hinteren Linsenelement an derselben Stelle bleibt, dann würde sich die Punktqualität von Licht auf dem Array ändern. Wie hierin verwendet, kann die Punktqualität durch einen Teil von Licht von einer ausgedehnten Quelle mit einer Winkelgröße von 0,13 Grad definiert werden, die auf die Bildebene fokussiert ist und einen Durchmesser von 25 µm aufweist. Ein optomechanisches System wird als passiv athermal über einen Temperaturbereich betrachtet, wenn die Punktqualität für alle Temperaturen im Temperaturbereich über 50% bleibt. Die aufgelisteten Durchmesser und Winkelgrößen sind beispielhaft und hängen von der Größe der Aperturen im mikrooptischen Array, der Brennweite des Systems usw. ab.
14 zeigt ein vereinfachtes Schema eines Abschnitts eines optischen Moduls 1400, das eine thermisch stabile Bildebene über einen breiten Temperaturbereich bereitstellt, gemäß einigen Ausführungsformen. Das optische Modul 1400 beinhaltet ein Array 1410, ein Bulk-Linsensystem 1420, ein Linsengehäuse 1430 und eine Halterung 1440, um das Gehäuse mechanisch mit dem Array zu koppeln. Das optische Modul 1400 kann für eine Ausführungsform des Lichterfassungsmoduls 330 (in diesem Fall kann das Array 1410 ein Array von Fotosensoren sein) oder eine Ausführungsform des lichtemittierenden Moduls 340 (in diesem Fall kann das Array 1410 ein Array von Emittern sein) repräsentativ sein, und in einigen Ausführungsformen kann die Halterung 1440 für einen Abschnitt der Halterung 905 repräsentativ sein, wie in 9 gezeigt. Eine Lichtentfernungsmessvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung kann ein erstes optisches Modul 1400 als ein Lichterfassungsmodul und ein zweites Modul 1400 als ein lichtemittierendes Modul beinhalten.
Das Array 1410 kann planar sein (z. B. mit Unregelmäßigkeiten von einer perfekten Ebene von weniger als 1 mm Spitze bis Tal über eine Scheibe mit 10 mm Durchmesser), um die Herstellung zu erleichtern (z. B. Bilden von Arrays in Bulk auf einem Halbleitersubstrat, wobei es eine Vielzahl von Emittern oder Detektoren in einem Array gibt). In einigen Ausführungsformen kann das Array 1410 eine Mikrooptikstruktur beinhalten, wie beispielsweise ein Übertrager-Mikrooptikgehäuse 1020 oder ein Empfänger-Mikrooptikgehäuse 1050, das vorstehend in Bezug auf 10 erörtert wurde, abhängig davon, ob das optische Modul 1400 als ein Lichterfassungsmodul oder als ein lichtemittierendes Modul implementiert ist.
Wie in 14 gezeigt, kann das Linsensystem 1420 eine erste Linse 1422, eine zweite Linse 1424, eine dritte Linse 1426 und eine vierte Linse 1428 beinhalten. In einigen Ausführungsformen sind die erste Linse, die zweite Linse, die dritte Linse und die vierte Linse im Linsengehäuse 1430 montiert. Wenn sie als Teil eines Bildsensors implementiert sind (d. h. das Array 1410 ist ein Array von Fotosensoren), sind das Linsengehäuse 1430, das Linsensystem 1420 und die Halterung 1440 konfiguriert, um Licht aus dem Linsensystem passiv auf das Fotosensorarray über einen Temperaturbereich zu fokussieren (z. B. von -40 Celsius bis 85 Celsius, -50 Celsius bis 95 Celsius, -35 Celsius bis 60 Celsius, -40 Celsius bis 105 Celsius, -45 Celsius bis 110 Celsius oder -35 Celsius bis 100 Celsius). In Ausführungsformen, die eine Mikrooptikstruktur im Array beinhalten, ist das Linsensystem 1420 konfiguriert, um Licht aus dem Linsensystem passiv auf die Aperturschicht der Mikrooptikstruktur zu fokussieren, und die verschiedenen mikrooptischen Komponenten in der Mikrooptikstruktur können dann an jedem einzelnen mikrooptischen Kanal empfangenes Licht auf den entsprechenden Fotosensor für diesen Kanal fokussieren.
Das Array kann an der Bildebene des Linsensystems für variierende Temperaturen gehalten werden. Materialien können gewählt werden, um Kosten zu reduzieren, Gewicht zu reduzieren und/oder die Bildebene am Array aufrechtzuerhalten. Um Kosten zu reduzieren, kann die erste Linse 1422, die zweite Linse 1424, die vierte Linse 1428 aus Kunststoff (z. B. OKP-1) bestehen, während die dritte Linse 1426 aus Glas bestehen kann (z. B. um Temperaturschwankungen im Linsensystem zu reduzieren). Ein Nennabstand zwischen einem Scheitelpunkt der vierten Linse und der Bildebene beträgt 8 mm. In der gezeigten Linsenbaugruppe bewegt sich die Bildebene in Richtung der vierten Linse, wenn die Temperatur steigt. Dies ist vielleicht kontraintuitiv, da der Brechungsindex für Kunststoff mit steigender Temperatur sinkt, was die Bildebene normalerweise von einer Kunststofflinse wegdrücken würde, da eine Linse mit einem niedrigeren Brechungsindex Licht weniger scharf brechen würde (d. h. eine längere Brennweite) als eine konvexe Kunststofflinse ähnlicher Form mit einem höheren Brechungsindex (z. B. gemäß der Lensmaker-Gleichung, wobei die Brennweite umgekehrt proportional zu einer Differenz zwischen dem Brechungsindex der Linse und Luft ist, wobei der Brechungsindex von Luft gleich 1 ist; siehe auch das Snell-Gesetz). Die Kombination einer Glaslinse mit zwei oder mehr Kunststofflinsen kann ermöglichen, dass die effektive Brennweite des Linsensystems mit steigender Temperatur abnimmt, obwohl eine oder mehrere Kunststofflinsen im Linsensystem eine Brennweite aufweisen, die mit der Temperatur zunimmt.
Das Linsengehäuse 1430 (z. B. aus Polycarbonat) kann sich verlängern, wenn die Temperatur steigt. In einigen Ausführungsformen ist die Halterung 1440 nahe der dritten Linse 1426 am Linsengehäuse 1430 angebracht, sodass sich die vierte Linse 1428 nach rechts bewegt, wenn die Temperatur des Gehäuses steigt. Das Material der Halterung 1440, das das Linsengehäuse 1430 vom Array 1410 trennt, dehnt sich mit steigender Temperatur aus und bewegt das Linsengehäuse 1430 weg (z. B. links) vom Array 1410. Gleichzeitig dehnt sich das Linsengehäuse 1430 mit steigender Temperatur aus und bewegt die vierte Linse 1428 in Richtung (z. B. rechts) des Arrays 1410. Gleichzeitig bewegt die hintere Fokusverschiebung die Bildebene nach links, wie oben beschrieben. Durch geeignete Wahl des Gehäusematerials CTE, des Halterungsmaterials CTE und der Gehäuse-zu-Halterung-Schnittstellenposition kann die hintere Fokusverschiebung durch die vorgenannte Gehäuseausdehnung und Halterungsausdehnung kompensiert werden, sodass die Bildebene über den Temperaturbereich ungefähr mit dem Array übereinstimmt.
In einigen Ausführungsformen kann die Halterung 1440 mit dem Linsengehäuse 1430 nahe der Glaslinse (d. h. in einigen Ausführungsformen der dritten Linse 1426) gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen kann die Halterung 1440 mit dem Linsengehäuse 1430 nahe der Glaslinse gekoppelt sein, sodass sich eine Linse des Linsensystems 1410, die dem Array 1410 am nächsten liegt (z. B. die vierte Linse 1428), in Bezug auf das Array 1410 (z. B. in Richtung des Arrays) bewegen kann, wenn sich die Brennweite des Linsensystems 1420 in Bezug auf das Array 1410 (z. B. weg vom Array) bewegt. In einigen Ausführungsformen kann sich nahe einem Punkt oder einer Linie auf der Außenseite des Linsengehäuses 1430, die der Glaslinse am nächsten liegt, und/oder innerhalb von +/- 5 mm oder +/- 10 mm vom Punkt oder der Linie befinden.
Die Punktqualität des Linsensystems in 14 wurde experimentell für einen Temperaturbereich von -5 Grad C bis 70 Grad C unter Verwendung des optischen Zemax-Designprogramms verifiziert. In einigen Ausführungsformen kann das Innere der LIDAR-Einheit absichtlich erwärmt werden, wenn die Umgebung eine spezifische Temperatur unterschreitet. Wenn die Umgebung beispielsweise -40 Grad C beträgt, können interne Komponenten der LIDAR-Einheit erwärmt werden, um das Linsensystem auf einer Temperatur von -5 Grad C oder höher zu halten. In einigen Ausführungsformen kann eine Lichtentfernungsmessvorrichtung einen Temperatursensor und ein Heizelement (z. B. eine Widerstandsheizung) beinhalten, das das Linsensystem erwärmen kann, wenn die Temperatur unter ein vorbestimmtes Niveau fällt, wie vom Temperatursensor detektiert. Dementsprechend kann erwartet werden, dass das System 1400 zumindest bei Temperaturen im Bereich von -40 Grad C bis 70 Grad C (ein Temperaturbereich von 100 Grad) gut funktioniert. In verschiedenen Ausführungsformen kann das System 1400 eine stabile Bildebene über eine Temperatur im Bereich von 0 Grad C bis 32 Grad C; von 0 Grad C bis 55 Grad C; von -10 Grad C bis 32 Grad C; von -10 Grad C bis 55 Grad C; von -20 Grad C bis 60 Grad C; von -40 Grad C bis 85 Grad C; und Kombinationen davon bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann der Temperaturbereich von -40 Grad C bis 105 Grad C (ein Temperaturbereich von 145 Grad) reichen.
Es kann häufig wünschenswert sein, das Linsengehäuse 1430 aus einem Material mit einem vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) wie die Linsen zu machen, um eine Belastung der Linsen zu vermeiden. Änderung des Gehäusematerials kann auch ändern, wie die Linsenelemente auseinandergespreizt werden, wenn die Temperatur steigt. In einigen Ausführungsformen wird das Material CTE des Linsengehäuses 1430 nicht wesentlich geändert/abgestimmt, um eine Verringerung der optischen Leistung zu verhindern. Somit weist das Linsengehäusematerial einen CTE nahe dem der Linsen auf; und es werden nicht alle möglichen Materialien für das Gehäuse in Betracht gezogen, da einige Gehäusematerialien CTEs aufweisen, die sich ausreichend von CTEs von Linsen unterscheiden, sodass in den Linsen Beastungen entstehen, was zu einer Verschlechterung der optischen Leistung der Linsen führen kann.
Der CTE des Linsengehäuses 1430 kann über einen Temperaturbereich mit dem Linsensystem 1420 angeglichen werden, sodass eine Brennebene des Linsensystems 1420 relativ zum Linsengehäuse 1430 über den Temperaturbereich stabil ist. In einigen Ausführungsformen wird ein thermischer Koeffizient der Halterung 1440 mit dem Linsensystem 1420 und/oder mit der Wärmeausdehnung des Linsengehäuses 1430 angeglichen, sodass die Brennebene relativ zu einer Position des Detektors (z. B. Detektorarray) über den Temperaturbereich stabil ist. Wie hierin verwendet, wird eine Brennebene über einen Bereich von Temperaturen als „stabil“ bezeichnet, wenn die Brennebene eine vorbestimmte Auflösung am Detektor für das System über den gegebenen Temperaturbereich aufrechterhält. Als ein Beispiel erfordert in einigen Ausführungsformen eine vorbestimmte Auflösung, dass Licht, das auf einen Punkt am Detektor fokussiert ist, 50 % des Lichts in einem 25-Mikrometer-Kreis aufweist, in anderen Ausführungsformen erfordert eine vorbestimmte Auflösung, dass Licht, das auf einen Punkt am Detektor fokussiert ist, 80 % des Lichts in einem 20-Mikrometer-Kreis aufweist. Der CTE des Materials der Halterung 1440 kann mit einer Einschränkung gewählt werden, dass das Material der Halterung 1440 stark und/oder mechanisch starr ist (Materialien mit niedrigerem CTE neigen dazu, stärker zu sein). In diesem Beispiel ermöglicht die Tatsache, dass die hintere Fokusverschiebung negativ (nach links) statt positiv (nach rechts) ist, das Verwenden eines sehr starren glasgefüllten Polymers oder sogar eines Metalls wie Magnesium oder Aluminium für das Trennmaterial der Halterung 1440.
15A, 15B und 15C zeigen ein optisches Modul 1500 gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Das optische Modul 1500 beinhaltet ein Linsensystem 1520 mit vier Linsen (von denen nur zwei, die Linsen 1522 und 1528, in 15A-15C sichtbar sind) und einem Gehäuse 1530. Das Linsensystem 1520 kann beispielsweise das Linsensystem 1420 sein, während das Gehäuse 1530 beispielsweise das Linsengehäuse 1430 sein kann. Da Bildsensoren im Allgemeinen nicht kreisförmig sind, müssen die Linsen des Baugruppensystems 1500 im Allgemeinen nicht kreisförmig sein. So kann beispielsweise ein mit der Linsenbaugruppe 1500 assoziiertes Fotosensorarray schmal und hoch sein, sodass die Linsen rechteckig geklemmt werden können. Es ist typischerweise einfacher und kostengünstiger, rechteckige geformte Polymeroptiken herzustellen, während es teurer sein kann, Glaslinsen in rechteckige Formen zu schleifen. Der Durchmesser der dritten Linse (in 15A- 15C nicht dargestellt) kann eine minimale Breite des Linsensystems definieren, wodurch ein Teil der rechteckigen Form definiert wird. Durch die Verwendung eines kreisförmigen Glaselements und einer rechteckigen geformten Polymeroptiklinsenbaugruppe 1500 kann die Herstellung relativ einfach und kostengünstig sein.
In einigen Ausführungsformen werden zwei Gehäuse so nah wie möglich zusammengefügt (z. B. berührend), was ein weiterer Grund ist, die Glaslinse (z. B. Linse 3) klein zu halten. Zum Beispiel kann die Lichtentfernungsmessvorrichtung ein erstes Linsensystem, das in einem ersten Gehäuse montiert ist, ein zweites Linsensystem, das in einem zweiten Gehäuse montiert ist, ein Sensorarray und ein Emitter-Array beinhalten. Das erste Linsensystem, das erste Gehäuse und das Sensorarray können eine erste Einheit bilden. Das zweite Linsensystem, das zweite Gehäuse und das Emitter-Array können eine zweite Einheit bilden. Die erste Einheit und die zweite Einheit können so nah wie möglich nebeneinander platziert werden (z. B. nicht mehr als 2,5 cm beabstandet in einigen Ausführungsformen und nicht mehr als 5,0 cm in anderen Ausführungsformen), sodass Licht, das von der zweiten Einheit emittiert und reflektiert/gestreut wird, von der ersten Einheit in einem ähnlichen Sichtfeld gesammelt wird, wie das zweite Linsensystem Licht aus dem Emitter-Array projizierte.
Das Linsensystem 1520 kann als ein schnelles Linsensystem designed sein. In einigen Ausführungsformen liegt die f-Zahl des Linsensystems 1520 zwischen 1,0 und 2,4 (z. B. 1,2). Die Punktgrößen auf dem Sensorarray können 80 % des Lichts in einem 20-µm-Kreis aufweisen. Ferner kann das Linsensystem 1520 eine Spurlänge gleich oder kleiner als 100 mm, 50 mm, 35 mm und/oder 20 mm und/oder gleich oder größer als 5, 10, 15, 20 und/oder 25 mm aufweisen.
In verschiedenen Fällen können Bulk-Linsensysteme gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhalten: zwei oder mehr Kunststofflinsen und mindestens eine Glaslinse; zwei oder mehr Kunststofflinsen; und/oder eine oder mehrere Glaslinsen. In einigen Ausführungsformen kann die mikrooptische Struktur als Teil des Arrays wie oben beschrieben beinhaltet sein. Die Mikrooptik kann Licht für verschiedene Emitter und/oder Detektoren auf dem Array unterschiedlich modifizieren, während das Bulk-Linsensystem Licht für das gesamte Array modifiziert. In einigen Ausführungsformen gibt es ein oder mehrere mikrooptische Elemente für jedes einzelne Array-Element.
16A zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform eines optischen Moduls 1600, das beispielsweise das optische Modul 1500 sein kann. Der Querschnitt A-A ist in 16A gekennzeichnet. 16B zeigt eine Ausführungsform des Querschnitts A-A. Wie in 16B gezeigt, beinhaltet das optische Modul 1600 vier optische Elemente, einschließlich: Element 1622 (z. B. Linse 1), Element 1624 (z. B. Linse 2), Element 1626 (z. B. Linse 3) und Element 1628 (z. B. Linse 4); und ein Gehäuse 1630. 16C zeigt einen vergrößerten Abschnitt des Querschnitts A-A. Der vergrößerte Abschnitt zeigt ein Beispiel dafür, wie die Linse 1624 und die Linse 1626 im Gehäuse 1630 montiert werden können. Der Aperturstop 1625 des Linsensystems 1600 befindet sich zwischen der Linse 1624 und der Linse 1626. Der Aperturstop 1625 kann verwendet werden, um die Linse 1624 innerhalb des Gehäuses zu befestigen.
16D zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Linsenbaugruppe 1600. Der Querschnitt B-B ist in 16D gekennzeichnet. 16E zeigt eine Ausführungsform des Querschnitts B-B. Linse 1, Linse 2, Linse 3, Linse 4 und das Gehäuse sind gezeigt.
17A zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform einer ersten Linse (Linse 1522). Die erste Linse weist eine erste Oberfläche S1 und eine zweite Oberfläche S2 auf. Die erste Oberfläche S1 der Linse 1522 und die zweite Oberfläche S2 der Linse 1 sind sphärisch. Die erste Oberfläche S1 der ersten Linse kann eine konvexe Oberfläche sein. Die zweite Oberfläche S2 der ersten Linse kann eine konkave Oberfläche sein. Licht, das von links nach rechts wandert, kann von der ersten Linse fokussiert werden. Die erste Oberfläche der ersten Linse kann größer sein als die zweite Oberfläche der ersten Linse, um Licht für das Linsensystem zu sammeln (z. B. die f-Zahl des Linsensystems zu reduzieren).
17B zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der zweiten Linse (Linse 1524). Die zweite Linse weist eine erste Oberfläche S1 und eine zweite Oberfläche S2 auf. Die erste Oberfläche S1 der Linse 1524 und die zweite Oberfläche S2 der Linse 2 sind asphärisch. Die erste Oberfläche S1 der zweiten Linse kann eine konvexe Oberfläche sein. Die zweite Oberfläche S2 der zweiten Linse kann planar, leicht konvex oder leicht konkav sein. Licht, das von links nach rechts wandert, kann von der zweiten Linse defokussiert werden.
17C zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der dritten Linse (Linse 1526). Die dritte Linse weist eine erste Oberfläche S1 und eine zweite Oberfläche S2 auf. Die erste Oberfläche S1 der Linse 1526 und die zweite Oberfläche S2 der Linse 3 sind sphärisch. Als Beispiele kann die dritte Linse eine Breite (z. B. Durchmesser) gleich oder größer als 10 mm und gleich oder kleiner als 20 mm aufweisen (z. B. 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14 und/oder 14,5 mm). In einigen Ausführungsformen ist die dritte Linse ein Hochindexglas. In einigen Ausführungsformen ändert sich ein Index des Glases für den Temperaturbereich von 100 Grad nicht (z. B. Änderung gleich oder kleiner als 0,05 %). Die erste Oberfläche S1 der dritten Linse kann planar, leicht konvex oder leicht konkav sein. Die zweite Oberfläche S2 der dritten Linse kann konvex sein. Licht, das von links nach rechts wandert, kann von der dritten Linse kollimiert oder leicht fokussiert werden.
17D zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der vierten Linse (Linse 1528). Die vierte Linse weist eine erste Oberfläche S1 und eine zweite Oberfläche S2 auf. Die erste Oberfläche S1 der Linse 4 und die zweite Oberfläche S2 der Linse 4 sind asphärisch. Die erste Oberfläche S1 der vierten Linse kann konvex sein. Die zweite Oberfläche S2 der dritten Linse kann konvex sein. Licht, das von links nach rechts wandert, kann auf das Array fokussiert werden.
Durch Mischen von Kunststoff- und Glaslinsen sowie Mischen von asphärischen und sphärischen Linsen kann eine wirtschaftliche, leichte, kompakte und/oder athermale Lichtentfernungsmessvorrichtung für autonome Fahrzeuge hergestellt werden.
In einigen Ausführungsformen weist das Linsensystem eine feste Brennweite auf (z. B. feste Brennweite bei konstanter Temperatur; keine Zoomlinse). In einigen Ausführungsformen weist das Linsensystem eine feste Brennweite auf, um Größe, Gewicht, Anzahl der Teile und/oder Komplexität des Linsensystems zu reduzieren.
18 zeigt eine Ausführungsform eines optischen Moduls 1800 mit drei Linsen: Einer ersten Linse 1822; einer zweiten Linse 1824; und einer dritten Linse 1826. Die erste Linse, die zweite Linse und die dritte Linse sind in einem Gehäuse 1830 montiert. Ein Verbinder 1805 koppelt das Gehäuse mit einem Sensor 1810 (z. B. einem Sensor in einem Array). Die erste Linse, die zweite Linse und die dritte Linse können aus Kunststoff (z. B. OKP-1) bestehen. Die erste Linse, die zweite Linse und die dritte Linse sind Teil eines Linsensystems 1810. Es wird geschätzt, dass das Linsensystem 1810 eine Fokusverschiebung von etwa 105 µm über einen Temperaturbereich von 50 Grad C (z. B. von 0 bis 50 Grad C) aufweist. Das Gehäuse 1830 kann aus einem Material mit hohem CTE hergestellt sein, und/oder die Halterung 1840 ist in der Nähe der Linse 1822 angebracht, um die Brennebene des Linsensystems 1810 am Array zu halten. In der Ausführungsform in 18 wird Polycarbonat (CTE = 70 ppm/C) verwendet und die Halterung 1840 ist am Gehäuse 1830 25-35 mm vom Array entfernt angebracht. Eine Kombination der Halterung 1840, die am Gehäuse 30 mm vom Array 1810 entfernt angebracht ist, eine Bewegung der Linsen des Linsensystems 1810 aufgrund der Wärmeausdehnung des Gehäuses 1830, eine Bewegung des Gehäuses 1830 aufgrund der Wärmeausdehnung der Halterung 1840 und/oder eine Fokusverschiebung des Linsensystems 1810 aufgrund der Temperaturänderung sind angeglichen, um die Brennebene des Linsensystems mit dem Array auszurichten.
Die obige Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genaue beschriebene Form beschränken, und viele Modifikationen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen zu erklären, um dadurch anderen Fachpersonen zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen zu verwenden, wie sie für die bestimmte beabsichtigte Verwendung geeignet sind.
Als ein Beispiel, während sich verschiedene oben beschriebene Ausführungsformen und Beispiele hauptsächlich auf die Anwendung von Licht fokussiert haben, das im Kontext von 3D-Erfassung für Automobil- oder andere Straßenfahrzeuganwendungsfälle liegt, können hierin offenbarte Systeme in einer beliebigen Anwendung verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Der kleine oder sogar Miniatur-Formfaktor eines LIDAR-Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglicht eine Anzahl von zusätzlichen Anwendungsfällen, z. B. für Festkörper-Lichtentfernungsmesssysteme. Als spezifische Beispiele können Systeme in 3D-Kameras und/oder Tiefensensoren innerhalb von Vorrichtungen wie Mobiltelefonen, Tablet-PCs, Laptops, Desktop-PCs oder innerhalb anderer Peripheriegeräte und/oder Benutzerschnittstellenvorrichtungen verwendet werden. Als weitere Beispiele könnten eine oder mehrere Ausführungsformen innerhalb einer mobilen Vorrichtung eingesetzt werden, um Gesichtserkennungs- und Gesichtsverfolgungsfähigkeiten, Augenverfolgungsfähigkeiten und/oder für 3D-Abtastung von Objekten zu unterstützen. Andere Anwendungsfälle beinhalten nach vorne gerichtete Tiefenkameras für Augmented- und Virtual-Reality-Anwendungen in mobilen Vorrichtungen.
Andere Anwendungen beinhalten den Einsatz eines oder mehrerer Systeme in Luftfahrzeugen wie Flugzeugen, Hubschraubern, Drohnen und dergleichen. Solche Beispiele könnten 3D-Erfassung und Tiefenbildgebung bereitstellen, um die Navigation (autonom oder anderweitig) zu unterstützen und/oder 3D-Karten für eine spätere Analyse zu erzeugen, z. B. um geophysikalische, architektonische und/oder archäologische Analysen zu unterstützen. Systeme können auch an stationären Objekten und Strukturen wie Gebäuden, Wänden, Masten, Brücken, Gerüsten und dergleichen montiert werden. In solchen Fällen können die Systeme verwendet werden, um Außenbereiche wie Fertigungsanlagen, Montagelinien, Industrieanlagen, Baustellen, Ausgrabungsstätten, Straßen, Eisenbahnen, Brücken usw. zu überwachen. Darüber hinaus können Systeme im Innenbereich montiert und verwendet werden, um die Bewegung von Personen und/oder Objekten innerhalb eines Gebäudes zu überwachen, wie beispielsweise die Bestandsbewegung innerhalb eines Lagers oder die Bewegung von Personen, Gepäck oder Waren innerhalb eines Bürogebäudes, Flughafens, Bahnhofs usw.
Als weiteres Beispiel, obwohl verschiedene vorstehende Beispiele Laser in den IR- oder Nah-IR-Wellenlängen als Emitter in LIDAR-Systemen gemäß einigen Ausführungsformen der Offenbarung beinhalteten, sind Ausführungsformen der Offenbarung nicht auf eine bestimmte Wellenlänge von Licht oder andere Arten von Strahlung für die Emitter beschränkt. So können beispielsweise in einigen Ausführungsformen die Emitter Laser sein, die Impulse mit jeder geeigneten bekannten Betriebswellenlänge erzeugen, einschließlich einer grünen (532 nm) Wellenlänge, die für Unterwasseranwendungen besonders geeignet sein kann, oder UV-Wellenlängen, die für atmosphärische LIDAR-Systeme besonders nützlich sein können. Wie von einer Fachperson auf dem Gebiet mit dem Vorteil dieser Offenbarung geschätzt würde, sind viele verschiedene Anwendungen von Lichtentfernungsmesssystemen möglich, und daher sind die hierin bereitgestellten Beispiele nur zur Veranschaulichung vorgesehen und sollen nicht so ausgelegt werden, dass sie die Verwendung solcher Systeme nur auf die ausdrücklich offenbarten Beispiele beschränken.
Die vorstehend beschriebenen spezifischen Details bestimmter Ausführungsformen können in jeder geeigneten Weise kombiniert werden, ohne vom Geist und Umfang der Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auf spezifische Ausführungsformen in Bezug auf jeden einzelnen Aspekt oder auf spezifische Kombinationen dieser einzelnen Aspekte gerichtet sein. Um beispielsweise eine Punktgröße auf dem Array zu reduzieren, könnten mehr als vier Linsen verwendet werden, wobei mehr asphärische Oberflächen verwendet werden und/oder mehrere Arten von Kunststoffen verwendet werden könnten. Als weiteres Beispiel kann in einigen Ausführungsformen ein gekrümmter Detektor und/oder Emitter verwendet werden. Zusätzlich werden in einigen Ausführungsformen drei Linsen anstelle von vier (z. B. zwei Linsen aus Kunststoff und ein Linsenglas) verwendet. Diese und andere Beispiele sind im Umfang der vorliegenden Offenbarung enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 15/980509 [0129]
US 15/979235 [0141]
US 15/979266 [0141]
US 15979295 [0159]

Claims

Lichtentfernungsmesssystem, umfassend: ein Gehäuse mit einer stationären Basis und einem Fenster, das aus einem Material hergestellt ist, das für Infrarotlicht transparent ist; eine Welle, die eine Rotationsachse definiert, die über ein Lagersystem an der stationären Basis befestigt ist; eine erste Leiterplattenbaugruppe, die innerhalb des Gehäuses angebracht und an dieses in einer festen Beziehung gekoppelt ist, sodass die erste Leiterplattenbaugruppe entlang einer ersten Ebene senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet ist, wobei die erste Leiterplattenbaugruppe eine Vielzahl von ersten Schaltungselementen beinhaltet, die auf einer ersten Leiterplatte angebracht sind; eine zweite Leiterplattenbaugruppe, die von der ersten Leiterplattenbaugruppe innerhalb des Gehäuses in einer zweiten Ebene parallel zur ersten Ebene beabstandet und rotierend an die Welle gekoppelt ist, sodass die zweite Leiterplattenbaugruppe um die Rotationsachse rotiert, wobei die zweite Leiterplattenbaugruppe eine Vielzahl von zweiten Schaltungselementen beinhaltet, die auf einer zweiten Leiterplatte angebracht und ausgerichtet mit und konfiguriert sind, um in drahtloser Zusammenarbeit mit mindestens einem der ersten Vielzahl von Schaltungselementen zu funktionieren; eine Lichtentfernungsmessvorrichtung, die elektrisch mit der zweiten Leiterplattenbaugruppe verbunden und gekoppelt ist, um mit dieser zu rotieren, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung konfiguriert ist, um Lichtimpulse an Objekte in ein umgebendes Umfeld zu übertragen und um reflektierte Abschnitte der Lichtimpulse zu detektieren, die von den Objekten in das umgebende Umfeld reflektiert werden; und wobei die Vielzahl von ersten und zweiten Schaltungselementen einen ringförmigen Kodierer umfasst, der einen ringförmigen Kodiererstreifen, der an einer der ersten oder zweiten Leiterplattenbaugruppen montiert ist, und einen Kodiererleser, der an der anderen der ersten oder zweiten Leiterplattenbaugruppen an einer Stelle gegenüber dem ringförmigen Kodiererstreifen montiert ist, beinhaltet.
Lichtentfernungsmesssystem nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von ersten Schaltungselementen eine drahtlose Leistungsübertragerspule umfasst und die Vielzahl von zweiten Schaltungselementen eine drahtlose Leistungsempfängerspule beinhaltet, die operativ gekoppelt ist, um drahtlos Leistung von der drahtlosen Leistungsübertragerspule zu empfangen.
Lichtentfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drahtlose Kooperation drahtlose Leistungsübertragung umfasst.
Lichtentfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ringförmige Kodierer ein optischer Kodierer ist und wobei der ringförmige Kodiererstreifen eine gemusterte Oberfläche aufweist; oder wobei der ringförmige Kodierer ein magnetischer Kodierer ist und wobei der ringförmige Kodiererstreifen ein magnetischer Kodiererstreifen ist.
Lichtentfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Komponenten des Lichtentfernungsmesssystems konfiguriert sind, um Wärme von der zweiten Leiterplattenbaugruppe durch das Lagersystem an die Basis zu leiten.
Lichtentfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Wärmeverteilungselement, das mit der ersten Leiterplattenbaugruppe gekoppelt ist, wobei Komponenten des Lichtentfernungsmesssystems konfiguriert sind, um Wärme durch das Wärmeverteilungselement an die Basis zu leiten.
Lichtentfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von ersten Schaltungselementen einen optischen Downlink-Empfänger umfasst und die Vielzahl von zweiten Schaltungselementen einen optischen Downlink-Übertrager umfasst, um Daten zu übertragen, wobei der optische Downlink-Empfänger und der optische Downlink-Übertrager kooperieren, um einen optischen Downlink-Kommunikationskanal zu erstellen.
Lichtentfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtentfernungsmessvorrichtung ferner konfiguriert ist, um Entfernungsmessdaten basierend auf dem reflektierten Abschnitt der Lichtimpulse zu berechnen.
Lichtentfernungsmesssystem nach Anspruch 7, wobei der optische Downlink-Kommunikationskanal durch eine zentrale Öffnung der Welle gebildet wird und wobei die Daten Entfernungsmessdaten sind.
Lichtentfernungsmesssystem nach Anspruch 8, wobei der optische Downlink-Übertrager über der zentralen Öffnung innerhalb der Welle positioniert ist und der optische Downlink-Empfänger unter der zentralen Öffnung in der Welle positioniert ist, sodass der optische Downlink-Empfänger ein optisches Signal vom optischen Downlink-Übertrager über die zentrale Öffnung innerhalb der Welle empfangen kann.
Lichtentfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Leiterplattenbaugruppe jeweils zwei Leiterplatten umfassen.
Lichtentfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtentfernungsmesssystem konfiguriert ist, um Abstände zu Objekten in einem umgebenden Umfeld basierend auf einer verstrichenen Zeit zwischen der Übertragung von Impulsen von einer Beleuchtungsquelle des Lichtentfernungsmesssystems und der anschließenden Detektion reflektierter Abschnitte der Impulse durch Sensoren des Lichtentfernungsmesssystems zu bestimmen.