DE112023000936T5 - Hybrid Two-Dimensional Steering Lidar - Google Patents
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Abstract
Eine optische Emittervorrichtung enthält eine Emitteranordnung, die eine Vielzahl von Endfeuer-Verjüngungen umfasst, wobei jede Endfeuer-Verjüngung so konfiguriert ist, dass sie selektiv einen jeweiligen Lichtstrahl emittiert. Ein Linsensystem ist so konfiguriert, dass es jeden Lichtstrahl basierend auf einer Position der jeweiligen Endfeuer-Verjüngung relativ zu einer optischen Achse des Linsensystems formt und lenkt. Ein rotierender Reflektor, der eine Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse des Linsensystems enthält, ist so konfiguriert, dass er die Lichtstrahlen durch einen Abtastbereich umlenkt und scannt. An optical emitter device includes an emitter assembly including a plurality of endfire tapers, each endfire taper configured to selectively emit a respective light beam. A lens system is configured to shape and direct each light beam based on a position of the respective endfire taper relative to an optical axis of the lens system. A rotating reflector including an axis of rotation perpendicular to the optical axis of the lens system is configured to redirect and scan the light beams through a scanning region.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine optische Emittervorrichtung und insbesondere auf eine optische Emittervorrichtung, die in einem LIDAR-System (Light Detection and Ranging) verwendet wird.The present disclosure relates to an optical emitter device, and more particularly to an optical emitter device used in a light detection and ranging (LIDAR) system.
Hintergrundbackground
Die On-Chip-Photonik kann Komponenten wie Laser, Detektoren und Schalter kompakt und kostengünstig integrieren. Für die Strahlformung und die zweidimensionale Strahllenkung verbraucht die On-Chip-Photonik jedoch sehr viel Energie und kann architektonisch komplex sein. Andererseits kann die Verwendung von Freiraumoptiken, z. B. Linsen und Spiegeln, für die Strahlformung und Strahllenkung architektonisch einfach und energieeffizient sein, aber andere diskrete Komponenten, wie Laser, Empfänger und Schalter, sind sperrig und teurer als ihre On-Chip Gegenstücke. Bei anspruchsvollen Anwendungen, die eine sehr hohe Auflösung oder Punkte pro Sekunde erfordern, führen die vorher genannten Probleme entweder zu sperrigen und kostspieligen LIDAR-Systemen, die vollständig aus Freiraumelementen, d.h. mehreren Lasern, Detektoren und Schaltern, bestehen, oder zu energiehungrigen LIDAR-Systemen mit begrenztem Sichtfeld und niedrigem Signal-zu-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio, SNR), die mit rein integrierter Photonik, z. B. einer optischen Phasenanordnung, hergestellt werden. Die vorliegende Offenlegung beschreibt eine kostengünstige und kompakte hybride Lidar-Systemarchitektur, in der das Beste aus den beiden Welten kombiniert wird, wobei der Photonik-Chip den Laser, den Detektor und die Schalter integriert und die Freiraumoptik, z.B. Spiegel und Linsen, für die Strahllenkung und Strahlformung verwendet wird.On-chip photonics can integrate components such as lasers, detectors and switches in a compact and cost-effective manner. However, for beam forming and two-dimensional beam steering, on-chip photonics consumes a lot of energy and can be architecturally complex. On the other hand, using free-space optics, e.g. lenses and mirrors, for beam forming and beam steering can be architecturally simple and energy efficient, but other discrete components, such as lasers, receivers and switches, are bulky and more expensive than their on-chip counterparts. For demanding applications requiring very high resolution or points per second, the aforementioned problems lead to either bulky and costly LIDAR systems consisting entirely of free-space elements, i.e. multiple lasers, detectors and switches, or to energy-hungry LIDAR systems with limited field of view and low signal-to-noise ratio (SNR) fabricated with purely integrated photonics, e.g. an optical phase array. The present disclosure describes a low-cost and compact hybrid lidar system architecture that combines the best of both worlds, where the photonics chip integrates the laser, detector, and switches, and free-space optics, e.g., mirrors and lenses, are used for beam steering and beam shaping.
Langsame Reaktionszeiten von thermooptischen Schaltern, die in der On-Chip-Photonik verwendet werden, sind ein wesentlicher limitierender Faktor für das Erreichen von einer ultraschnellen optischen Strahllenkung. On-Chip optische Phasenanordnungen (OPA) leiden ebenso unter hohen Einfügungsverlusten, die zu einem hohen Energieverbrauch, einer niedrigen Bildrate und einem geringen Signal-zu-Rausch-Verhältnis führen.Slow response times of thermo-optic switches used in on-chip photonics are a major limiting factor for achieving ultrafast optical beam steering. On-chip optical phased arrays (OPAs) also suffer from high insertion losses, which lead to high power consumption, low frame rate and low signal-to-noise ratio.
Eindimensionale OPAs erfordern auch eine Wellenlängenabstimmung, um den Strahl in zwei Dimensionen zu lenken. Der Bereich der Wellenlängenabstimmung liegt in der Regel im Bereich von zehn oder hunderten Nanometern, um ein Sichtfeld von mehr als 30° zu erhalten. Abstimmbare Laser mit großer Bandbreite und schmaler Linienbreite (für FMCW-Lidar) sind jedoch schwer zu entwerfen und herzustellen.One-dimensional OPAs also require wavelength tuning to direct the beam in two dimensions. The range of wavelength tuning is typically in the tens or hundreds of nanometers to obtain a field of view greater than 30°. However, wide-bandwidth, narrow-linewidth tunable lasers (for FMCW lidar) are difficult to design and manufacture.
ZusammenfassungSummary
Dementsprechend enthält ein erstes Gerät eine optische Emittervorrichtung, die Folgendes umfasst:
- eine erste Emitteranordnung, die eine Vielzahl an ersten Punktemittern umfasst, wobei jeder jeweilige erste Punktemitter so konfiguriert ist, dass er einen jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl emittiert, und so konfiguriert ist, dass er einen jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl empfängt;
- ein erstes Linsensystem, das so konfiguriert ist, dass es jeden jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl und jeden jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl basierend auf einer Position jedes jeweiligen ersten Punktemitters relativ zu einer ersten optischen Achse des ersten Linsensystems formt und lenkt; und
- einen rotierenden Reflektor, der so konfiguriert ist, dass er jeden jeweiligen ersten Ausgangslichtstrahl in einem Winkel zu der ersten optischen Achse nach außen umlenkt, und der so konfiguriert ist, dass er jeden jeweiligen ersten Eingangslichtstrahl auf die erste Emitteranordnung umlenkt.
- a first emitter arrangement comprising a plurality of first point emitters, each respective first point emitter configured to emit a respective first output light beam and configured to receive a respective first input light beam;
- a first lens system configured to shape and direct each respective first output light beam and each respective first input light beam based on a position of each respective first point emitter relative to a first optical axis of the first lens system; and
- a rotating reflector configured to redirect each respective first output light beam outwardly at an angle to the first optical axis and configured to redirect each respective first input light beam onto the first emitter assembly.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Einige Ausführungsbeispiele werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:
-
1 ist eine Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; -
2A ist eine Seitenansicht der Vorrichtung aus1 mit dem rotierenden Spiegel in einer ersten Position; -
2B ist eine Seitenansicht der Vorrichtung aus1 mit dem rotierenden Spiegel in einer zweiten Position; -
3A ist eine Draufsicht auf einen Teil des optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von1 ; -
3B ist eine Draufsicht auf einen Teil einer anderen beispielhaften Ausführungsform des optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von1 ; -
3C ist eine Draufsicht auf einen Teil einer anderen beispielhaften Ausführungsform des optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von1 ; -
3D ist eine Draufsicht auf einen Teil einer anderen beispielhaften Ausführungsform des optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von1 ; -
4 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von1 ; -
5 ist eine Querschnittsansicht eines anderen beispielhaften optischen Emitter-Chips der Vorrichtung von1 ; -
6 ist eine Draufsicht auf den optischen Emitter-Chip der Vorrichtung von5 ; -
7 ist eine Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; -
8 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung von4 ; und -
9 ist eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung; -
10 ist eine Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; -
11 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung aus10 ; -
12 ist ein schematisches Diagramm eines Transceiverteils einer der vorgenannten Ausführungsformen; -
13 ist ein Diagramm eines optischen Lichtwellenleiters des Transceivers aus12 ; -
14 ist ein Querschnitt einer Linse für einige der vorgenannten Ausführungsformen; und -
15 ist ein Diagramm eines Durchhangs (mm) gegen die Position von der optischen Achse der Linse von14 .
-
1 is a plan view according to an embodiment of the present disclosure; -
2A is a side view of the device from1 with the rotating mirror in a first position; -
2B is a side view of the device from1 with the rotating mirror in a second position; -
3A is a plan view of a portion of the optical emitter chip of the device of1 ; -
3B is a plan view of a portion of another exemplary embodiment of the optical emitter chip of the device of1 ; -
3C is a plan view of a portion of another exemplary embodiment of the optical emitter chip of the device of1 ; -
3D is a plan view of a portion of another exemplary embodiment of the optical emitter chip of the device of1 ; -
4 is a cross-sectional view of an exemplary optical emitter chip of the device of1 ; -
5 is a cross-sectional view of another exemplary optical emitter chip of the device of1 ; -
6 is a top view of the optical emitter chip of the device of5 ; -
7 is a plan view according to an embodiment of the present disclosure; -
8 is a side view of the device of4 ; and -
9 is a side view of another embodiment of the present disclosure; -
10 is a plan view according to an embodiment of the present disclosure; -
11 is a side view of the device from10 ; -
12 is a schematic diagram of a transceiver portion of one of the aforementioned embodiments; -
13 is a diagram of an optical fiber of the transceiver from12 ; -
14 is a cross-section of a lens for some of the aforementioned embodiments; and -
15 is a graph of sag (mm) versus position of the optical axis of the lens of14 .
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Obwohl die vorliegenden Lehren in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen und Beispielen beschrieben werden, ist es nicht beabsichtigt, dass die vorliegenden Lehren auf diese Ausführungsformen beschränkt sind. Im Gegenteil, die vorliegenden Lehren umfassen verschiedene Alternativen und Äquivalente, wie von Fachleuten erkannt werden kann.Although the present teachings are described in connection with various embodiments and examples, it is not intended that the present teachings be limited to those embodiments. On the contrary, the present teachings encompass various alternatives and equivalents, as may be recognized by those skilled in the art.
Unter Bezugnahme auf die
Der optische Emitter-Chip 2 kann Folgendes enthalten: ein Hauptsubstrat 7 zum Tragen einer Lichtwellenleiterstruktur, die eine optische Emitteranordnung 10 umfasst, die eine Vielzahl von Lichtwellenleiter-Kernen 8 umfasst, die von einer Ummantelung umgeben sind, wobei jeder Lichtwellenleiter-Kern 8 einen Hauptlichtwellenleiter-Kern umfasst, der mit einem der Punktemitter 61 bis 6n gekoppelt ist und an diesem endet. Idealerweise sind die Punktemitter 61 bis 6n in einer Anordnung von Punktemittern 61 bis 6n angeordnet, die eine Spalte (oder Reihe) von ausgerichteten Punktemittern 61 bis 6n umfasst. Vorzugsweise umfassen die Punktemitter 61 bis 6n Endfeuer-Verjüngungen 9. Der optische Emitter-Chip 2 kann die optische Lichtwellenleiter-Struktur enthalten, die eine oder mehrere Lichtwellenleiter-Schichten umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie die Lichtwellenleiter-Kerne 8 mit den an deren äußeren Enden gekoppelten Endfeuer-Verjüngungen 9 bilden, die alle von einer Ummantelung umgeben sind, d.h. einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex. Wie aus den
Unter Bezugnahme auf die
Idealerweise sind einige oder alle Endfeuer-Verjüngungen 9 in einem spitzen Winkel angeordnet, so dass das von den Endfeuer-Verjüngungen 9 in den freien Raum emittierte Licht parallel zum entworfenen Hauptstrahlwinkel des Linsensystems 3 an der Lage in der Bildebene verläuft, die der Endfeuer-Verjüngung 9 entspricht. Einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können so konfiguriert sein, dass sie sich im Wesentlichen in Richtung der optischen Achse OA und/oder der Längsmittelachse des optischen Emitter-Chips 2, d.h. der optischen Emitteranordnung 10, erstrecken. Einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 können sich in einem größeren spitzen Winkel erstrecken als andere Endfeuer-Verjüngungen 9. Vorzugsweise ist der spitze Winkel umso größer, je weiter entfernt von der optischen Achse OA des Linsensystems 3. Dementsprechend kann die Länge des Spalts g entlang der Anordnung der Endfeuer-Verjüngungen 9 variieren. Die Enden jeder Endfeuer-Verjüngung 9 können sich bis zum gleichen Abstand von dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 erstrecken, d.h. die gleiche Spaltlänge g, wobei jeder Punktemitter 61 bis 6n im Wesentlichen entlang oder in der Nähe einer geraden Brennebene F liegt. Dementsprechend können einige der Endfeuer-Verjüngungen 9 eine andere Länge als andere Endfeuer-Verjüngungen 9 haben, und insbesondere sind die Endfeuer-Verjüngungen 9 an den äußeren Rändern des optischen Emitter-Chips 2 länger als die Endfeuer-Verjüngungen 9 in der Mitte des optischen Emitter-Chips 2, und/oder die Endfeuer-Verjüngungen 9 nehmen allmählich in ihrer Länge zu, beginnend mit kürzeren Endfeuer-Verjüngungen 9 in der Mitte des optischen Emitter-Chips 2, z.B. entlang der Längsmittelachse des optischen Emitter-Chips 2 und/oder der optischen Achse OA des Linsensystems 3, und endet an den äußeren Endfeuer-Verjüngungen 9 mit längeren Endfeuer-Verjüngungen 9. Alternativ können die Endfeuer-Verjüngungen 9 alle gleich lang sein, aber die Hauptlichtwellenleiter-Kerne 8 unterschiedlich lang sein, um die unterschiedlichen Spalte g zwischen den Endfeuer-Verjüngungen 9 und dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 auszugleichen. Die Lichtwellenleiter-Kerne 8 und die Endfeuer-Verjüngungen 9 können auch durch eine allmähliche Biegung anstelle eines scharfen Übergangs verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann die unterschiedliche Spaltlänge g durch unterschiedliche Radien oder Längen dieser allmählichen Biegungen aufgenommen werden. Die Enden der Endfeuer-Verjüngungen 9 können senkrecht zum Rand des optischen Emitter-Chips 2 und/oder senkrecht zur Längsmittelachse der Endfeuer-Verjüngung 9 verlaufen.Ideally, some or all of the endfire tapers 9 are arranged at an acute angle such that the light emitted from the endfire tapers 9 into free space is parallel to the designed chief ray angle of the
Unter Bezugnahme auf die
Unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf die
Eine oder mehrere der oben beschriebenen Änderungen an den Endfeuer-Verjüngungen 9 und dem Facettenentwurf können in einer einzigen Ausführungsform kombiniert werden. Insbesondere ein Layout der Punktemitter 61 bis 6n, das eine Krümmung der Brennebene, einen beliebigen Hauptstrahlwinkel und eine korrigierte Verzerrung zulässt, entlastet die Beschränkungen des Entwurfs des Linsensystems 3 erheblich und kann es ermöglichen, es aus einem einzigen Element zu bauen, selbst bei niedriger Blendenzahl.One or more of the above-described changes to the endfire tapers 9 and the facet design may be combined in a single embodiment. In particular, a layout of the
Unter Bezugnahme auf die
Das Linsensystem 3 kann bei Bedarf eine Vielzahl an Linsenelementen umfassen. Der größte Teil des Entwurfs des Linsensystems 3 ist ein Kompromiss zwischen der Blendenzahl, dem Sichtfeld und der Blendengröße. Es kann jedoch einige Entwurf-Prioritäten geben: z. B. a) ein telezentrisches Design für die Bildebene zu haben, bei dem die Hauptstrahlen von den Punktemittern 61 bis 6n alle parallel zur optischen Achse OA im Bildraum verlaufen, b) das Erreichen der Beugungsgrenze im gesamten Sichtfeld und c) die numerische Apertur (NA) im Bildraum des Linsensystems 3 entspricht im Wesentlichen oder übertrifft die NA der Punktemitter 61 bis 6n. Die Minimierung der Auswirkung von Krümmungsaberrationen der Linsen ermöglicht die geringste Streuung der Ausgangsstrahlen 5o und die bestmögliche Fokussierung der empfangenden Eingangsstrahlen 5i. Die Punktemitter 61 bis 6n emittieren vorzugsweise Ausgangsstrahlen 5o in einem Strahlwinkel, der vom Linsensystem 3 vollständig erfasst und übertragen werden kann. Zum Beispiel, wenn die NA eines oder mehrerer der Punktemitter 61 bis 6n größer ist als die Bildraum-NA des Linsensystems 3, dann wird ein Teil des von den Punktemittern 61 bis 6n emittierten Lichts nicht durch das Linsensystem 3 übertragen und daher als Verlust gewertet.The
Die optische Vorrichtung 1 kann auch mindestens eine Lichtquelle, vorzugsweise eine Anordnung von Lichtquellen, und mindestens einen Photodetektor, vorzugsweise eine Anordnung von Photodetektoren, enthalten, die optisch mit einem oder mehreren entsprechenden Punktemittern 61 bis 62 im optischen Emitter-Chip 2 gekoppelt sind. Vorzugsweise umfasst die Anordnung von Lichtquellen und die Anordnung von Lichtdetektoren eine Anordnung von Transceivern 111 bis 11n. Jeder Transceiver 111 bis 11n kann eine Lichtquelle, z.B. einen Laser, umfassen, der mindestens einen der Ausgangsstrahlen 5o erzeugt, und einen oder mehrere Photodetektoren, die mindestens einen der Eingangsstrahlen 5i detektieren. Das selektive Senden und Empfangen von Licht zu und von den Punktemittern 61 bis 6n kann durch eine Schaltmatrix 16 zwischen den Transceivern 111 bis 11n und den Punktemittern 61 bis 6n erfolgen. Dementsprechend, um einen gewünschten Punktemitter 61 bis 6n auszuwählen, der einem gewünschten Strahlwinkel α entspricht, kann der Steuerungsprozessor 20 eine oder mehrere der Lichtquellen in einem der Transceiver 111 bis 11n, die einem oder mehreren der Punktemitter 61 bis 6n in dieser Reihe oder Spalte entsprechen, durch Ein- und/oder Ausschalten verschiedener Schalter 14 in der Schaltmatrix 16 auswählen. Zum Beispiel, bei vier Punktemittern 61 bis 64 (m=4) in der Reihe oder Spalte von Punktemittern 61 bis 6n, die mit dem ersten Transceiver 111 verbunden sind, kann die Schaltmatrix 16 einen einzigen Eingangsanschluss aufweisen, der den ersten Transceiver 111 optisch mit einem ersten Schalterbaum koppelt, der (m-1=3) Schalter 14 umfasst, z.B. 2x2 On-Chip-Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), die selektiv durch den Steuerungsprozessor 20 aktiviert werden können, um den Ausgangsstrahl 5o an einen gewünschten Ausgangsanschluss auszugeben. Eine beliebige Anzahl von Verzweigungen und Schaltern 14 im ersten Schaltbaum, einschließlich der direkten Kopplung von jedem Transceiver 111 zu jedem Punktemitter 61 bis 6n, ist möglich. Eine Vielzahl an Lichtwellenleitern-Kernen 8 erstreckt sich parallel zueinander zwischen den Ausgangsanschlüssen der Schaltmatrix 16 und den Punktemittern 61 bis 6n. Idealerweise beträgt der Abstand (eng.: pitch) der Punktemitter 61 bis 6n im optischen Emitter-Chip 2 5 µm bis 1000 µm oder basiert auf der Brennweite f, der Größe L der optischen Emitteranordnung 10 und der vom LIDAR-System geforderten Winkelauflösung:
Ebenso wird, wenn einer der ankommenden Strahlen 5i an demselben Punktemitter 61 bis 6n empfangen wird, der ankommende Strahl 5i in umgekehrter Richtung über den entsprechenden optischen Lichtwellenleiter-Kern 8 zur Schaltmatrix 16 zurück zum entsprechenden Photodetektor im entsprechenden Transceiver 111 bis 11n übertragen.Likewise, when one of the
Der optische Emitter-Chip 2 kann einen oder mehrere der n optischen Transceiver 111 bis 110, die Schaltmatrix 16 und die Anordnung der Punktemitter 61 bis 6n umfassen; irgendein oder mehrere der n optischen Transceiver 111 bis 11n und die Schaltmatrix 16 können sich jedoch auf separaten Chips befinden. In jedem Fall wird der Laserausgang von einem der optischen Transceiver 111 bis 11n zu eine spezifischen Endfeuer-Verjüngung 9 geleitet, die in der Nähe des Randes des optischen Emitters Chips 2 endet. Jeder Punktemitter 61 bis 6n, d.h. jede Endfeuer-Verjüngung 9, ist so konfiguriert, dass sie einen Ausgangsstrahl 5o aus dem Rand des optischen Emitter-Chips 2 emittiert, woraufhin sich jeder Ausgangsstrahl 5o ausdehnt und auf das Linsensystem 3 hin gelenkt wird. Der Rand des optischen Emitter-Chips 2 ist auf oder nahe der Brennebene F des Linsensystems 3 ausgerichtet, daher werden die Ausgangsstrahlen 5o, die sich aus der Endfeuer-Verjüngung 9 ausbreiten, durch das Linsensystem 3 geformt, z. B. kollimiert, und dann in das Fernfeld emittiert. Der Fernfeldwinkel der Ausgangsstrahlen 5o hängt von der Lage des Punktemitters 61 bis 6n relativ zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 ab, so dass eine eindimensionale Abtastung der Strahlen bereitgestellt wird durch selektives Einschalten jedes Punktemitters oder mehrerer Punktemitter zur gleichen Zeit, z. B. in Abhängigkeit von der Anzahl der optischen Transceiver 111 bis 11n.The
Die zweite Achse der Abtastung wird durch den rotierenden Spiegel 4 bereitgestellt. Der aus dem Linsensystem 3 austretende Ausgangsstrahl 5o trifft eine der reflektierenden Oberflächen oder Facetten des rotierenden Spiegels 4 und wird zur Objektdetektion in das Fernfeld umgelenkt. Der Eingangsstrahl 5i, der dem vom Objekt reflektierten Ausgangsstrahl 5o entspricht, kann über dieselbe reflektierende Oberfläche und das Linsensystem 3 zum ursprünglichen Punktemitter 61 bis 6n zurückkehren, um von dem entsprechenden Photodetektor erfasst zu werden, bevor der rotierende Spiegel 4 außer Reichweite rotiert, d.h. so weit rotiert, dass es nicht möglich ist, dass der entsprechende Eingangsstrahl 5i innerhalb einer Umlaufzeit, z. B. 0.5 ns bis 5 µs für ein 7.5 cm bis 750 m entferntes Objekt, im Wesentlichen zum gleichen ursprünglichen Punkemitter 61 bis 6n wie der Ausgangsstrahl 5o zurückzulenken. Normalerweise wird ein Ausgangsstrahl 5o von einer der Lichtquellen alle 2 µs bis 1000 µs ausgeschossen. Mit anderen Worten: die optische Vorrichtung 1 zirpt mit etwa 1 kHz bis 500 kHz, d.h. der Ausgangsstrahl 5o (kontinuierlich oder gepulst) wird alle 2 µs bis 1 ms ausgeschossen.The second axis of scanning is provided by the
Für jede Umlaufperiode können einige oder alle der Punktemitter 61 bis 6n einen Ausgangsstrahl 5o aussenden, dabei eine Vielzahl von Strahlen in derselben Detektionsebene bilden, jedoch bei unterschiedlichen Strahlwinkeln α, die einen Winkeldetektionsbereich, z. B. 10° bis 90°, abdecken. Jede Lichtquelle, z. B. jeder Transceiver 111 bis 11m, kann einen Lichtstrahl aussenden, der in Teilstrahlen, z. B. 2-8 Teilstrahlen, aufgeteilt werden kann, durch die Schaltmatrix 16, d.h. wenn alle Schalter 14 ausgeschaltet sind oder ganz weggelassen werden, und Licht zu jedem Wellenleiter-Kern 8 übertragen wird, die dann gleichzeitig von den Punktemittern 61 bis 6n übertragen werden.For each orbital period, some or all of the
Um die Anzahl der erforderlichen Lichtquellen und Photodetektoren zu verringern und gleichzeitig eine maximale oder gewünschte optische Schwellenleistung beizubehalten, kann der Steuerungsprozessor 20 auch durch eine Gruppe der Punktemittern, z. B. 61 bis 64, durchlaufen die optisch mit einem der Transceiver, z. B. dem Transceiver 111, gekoppelt sind, indem ausgewählte Schalter 14 ein- und ausgeschaltet werden, um nacheinander einen anderen Ausgangsstrahl 5o an jeden der Punktemitter, z. B. 61 bis 64, in der Gruppe zu übertragen. Einige oder alle Lichtquellen, z. B. einige oder alle Transceiver 111 bis 11m, können mit einer anderen Gruppe von Wellenleiter-Kernen 8 optisch gekoppelt sein, wodurch eine erste Teilmenge von Ausgangsstrahlen 5o gleichzeitig miteinander übertragen werden kann, d.h. ein Ausgangsstrahl 5o von jeder Lichtquelle, der über eine der Gruppe von Wellenleiter-Kernen 8 übertragen wird, die mit ihr gekoppelt sind. Unter der Steuerung des Steuerungsprozessors 20 durchläuft dann jede Lichtquelle nacheinander jeden der Wellenleiter-Kerne 8 in der entsprechenden Gruppe der damit gekoppelten Wellenleiter-Kerne 8, wobei sie mindestens eine einzige Umlaufperiode zu jedem Emitter, z. B. 6i - 64, geschalten ist. Die Umlaufperiode sollte mindestens so lang sein wie die Zeit, die das Licht benötigt, um von der Lichtquelle des Punktemitters, z. B. 61 bis 64, zum Ziel und zurück zum Photodetektor des Punktemitters, z. B. 61 bis 64, zu gelangen. Dementsprechend kann nur ein Teil der Gesamtzahl der Ausgangsstrahlen 5o (und der Eingangsstrahlen 5i), die den gesamten Bereich der Strahlwinkel α abdecken, auf einmal übertragen werden. Der Steuerungsprozessor 20 kann die Lichtquellen, die Schaltmatrix 16, eine Winkelposition des rotierenden Spiegels 4 und die Photodetektoren koordinieren, um jeden Ausgangsstrahl 5o und jeden Eingangsstrahl 5i nacheinander über die erste Schaltmatrix 16 und die Vielzahl an ersten Punktemittern 6i - 6n zu senden und zu empfangen.To reduce the number of light sources and photodetectors required while maintaining a maximum or desired optical threshold power, the
Während der rotierende Spiegel 4 rotiert, können dann ein oder mehrere Ausgangsstrahlen 5o über einen vorbestimmten Abtastbereich, z. B. einen Winkel, abgetastet, d.h. rotiert werden, abhängig von der Anzahl der Facetten und der Größe der Facetten auf dem rotierenden Spiegel 4. Es gibt Winkelbereiche, für die die Ausgangsstrahlen 5o (und Eingangsstrahlen 5i), die auf eine der Facetten des rotierenden Spiegels 4 fallen, nicht an den Rändern abgeschnitten werden, und der gesamte optische Abtastbereich ist doppelt so groß wie dieser Winkelbereich. Das Tastverhältnis kann als der Prozentsatz des vollen Rotationszyklus definiert werden, bei dem die Ausgangs- und Eingangsstrahlen 5o und 5i vollständig auf eine Facette des rotierenden Spiegels 4 fallen, ohne dass sie abgeschnitten werden. Beispielsweise bieten vier Facetten mit einer quadratischen Fläche von 30 × 30 mm einen Abtastbereich von etwa 100° mit einem Tastverhältnis von 60 %, und drei Facetten mit derselben Größe bieten einen Abtastbereich von etwa 120° mit einem Tastverhältnis von 50 %. Während der rotierende Spiegel 4 rotiert, ändert sich der Winkel jeder Facette relativ zu den Ausgangsstrahlen 5o kontinuierlich durch den Winkelbereich zwischen einem ersten Mindestwinkel, d.h. der auf einem ersten Rand oder Ecke des rotierenden Spiegels 4 gerichtet ist und die Ausgangsstrahlen auf eine Seite des rotierenden Spiegels 4 umlenkt (
Wenn die Ausgangslichtstrahlen 5o auf einen Rand rotierenden Spiegels 4 zwischen den Facetten gelenkt werden, kann das Licht in verschiedene Richtungen gestreut werden. Dementsprechend kann der Steuerungsprozessor 20 falsche Messungen durch ein oder mehrere fehlervermindernde Schema reduzieren oder eliminieren, indem er die Position des rotierenden Spiegels 4 mit der Steuerung der Lichtquellen und der Photodetektoren koordiniert, wie z. B. das Ausschalten der Lichtquellen und/oder der Photodetektoren in den Transceivern 111 bis 11n für eine Zeitspanne, während die Ausgangsstrahlen 5o auf einen Rand gelenkt werden, oder durch einfaches Ignorieren jeglicher Messungen von den Photodetektoren für die Zeitspanne, während die Ausgangsstrahlen 5o auf einen Rand gelenkt werden.If the
Der rotierende Spiegel 4 kann aus einem polygonalen Prisma bestehen, das eine Vielzahl, z. B. 3 oder 4 oder 5 oder 6, an Facetten umfasst, von denen jede eine reflektierende Oberfläche aufweist und eine Rotationsachse 24 in Längsrichtung hat, die mit der Rotationsachse eines Spinnmotors 25 ausgerichtet sein kann oder nicht. Der Spinnmotor 25 kann jede Art von Rotationsmotor sein, wie z. B. ein Schrittmotor, Gleichstrommotor oder Servomotor. Die Rotationsachse 24 in Längsrichtung darf nicht auf die Achse des Spinnmotors 25 ausgerichtet sein, wenn die Achsen über einen Riemen oder ein Getriebesystem verbunden sind. Die Rotationsachse 24 in Längsrichtung des rotierenden Spiegels 4 kann senkrecht zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 und/oder parallel zu einer ersten Ebene verlaufen, in der die Emitteranordnung 10 liegt. Die optische Achse OA kann in einer zweiten Ebene liegen, die senkrecht zur ersten Ebene und senkrecht oder normal zur Rotationsachse 24 verläuft.The
Eine direkte Reflexion des Ausgangsstrahls 5o direkt zurück in den Punktemitter 61 bis 6n, d.h. die Endfeuer-Verjüngung 9, kann verhindert werden und das Sichtfeld (FOV) vergrößert werden, indem die Rotationsachse 24 in Längsrichtung des rotierenden Spiegels 4 um den Abstand t versetzt zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 angeordnet wird, d.h. die Rotationsachse 24 darf sich nicht mit der optischen Achse OA kreuzen. Im Allgemeinen beginnt der Bereich des ungehinderten Sichtfeldes an einer Position, an der der Ausgangsstrahl 5o das Linsensystem 3 verfehlt (rückreflektiert), und endet, wenn der Ausgangsstrahl 5o beginnt die Ränder der Spiegelfacette zu beschneiden.A direct reflection of the
Durch die Ecken des rotierenden Spiegels 4 können tote Zonen entstehen, in denen keine genauen Transmissions-/Return-Messungen möglich sind, was von der Größe und Anzahl der Facetten abhängt.The corners of the
Die Rotationsgeschwindigkeit (Umdrehungen pro Sekunde oder rps) des rotierenden Spiegels 4 hängt von dem Schaltschema ab; die Rotationsgeschwindigkeit kann jedoch gleich oder geringer sein als die LIDAR-Bildrate, d.h. wie lange es dauert, den gesamten Scanbereich abzutasten. Zum Beispiel, bei 3 Bildern/Sekunde, geteilt durch die Anzahl der Facetten, z. B. 3-6 Facetten, ergibt sich 1~0.5 rps. Die Rotationsgeschwindigkeit wird vorzugsweise unter einer Schwellengeschwindigkeit gehalten, bei der es zu Fehlern kommen kann, wenn der Sweep zu schnell ist, so dass der Eingangsstrahl 5i nicht zum gleichen Punktemitter 61 - 6n zurückreflektiert wird (oder sogar ins Leere trifft). Im Idealfall bedeutet dies, dass die Winkelgeschwindigkeit des Motors (in Grad pro Sekunde), z. B. zwischen 1 und 50 rps oder 360 und 18000 Grad pro Sekunde, kleiner ist als die Divergenz des Eingangsstrahls 5i (in Grad), z. B. zwischen 0.2° und 0.002°, geteilt durch die Umlaufzeit, die das Licht für den Weg vom Spiegelsystem 3 zum Ziel und zurück benötigt (in Sekunden). Zum Beispiel, bei einer Strahldivergenz von 0.02° und einem 500 m entfernten Ziel beträgt die Umlaufzeit beispielsweise 3.33 µs, so dass sich der Spiegel idealerweise langsamer als 0.02 Grad / 3.33 µs dreht, d.h. 6000 Grad/s oder etwa 17 rps / #facetsThe rotation speed (revolutions per second or rps) of the
Mit Bezugnahme auf die
Der Begriff „Steuerung“ oder „Prozessor“ kann einen Mikrocontroller oder eine feldprogrammierbare Anordnung (FPGA) enthalten, die mit einem geeigneten nicht flüchtigen Speicher zur Speicherung der Steuerungsparameter über Computersoftware ausgestattet ist.The term “controller” or “processor” may include a microcontroller or a field programmable array (FPGA) equipped with suitable non-volatile memory for storing the control parameters via computer software.
Zur Steuerung des Systems kann die Steuerung 20, wenn es sich bei dem Spinnmotor 25 um einen Schrittmotor handelt, einen dezidierten Mikrocontroller oder FPGA-Controller enthalten, der Steuersignale, z. B. Impulse, sendet, um den Drehmotor (Schrittmotor) 25 in festen Schrittweiten zu bewegen. Daher kann der Mikrocontroller oder das FPGA basierend auf den Steuersignalen unmittelbar die momentane Position, d.h. den Winkel, des rotierenden Spiegels 4 bestimmen. Um zu vermeiden, dass die Steuerung im Laufe der Zeit asynchron wird, weil der rotierende (Schritt-)Motor 25 möglicherweise Schritte auslässt, kann ein optischer Schlitzunterbrecher in das System aus rotierendem Spiegel 4 und Spinnmotor 25 eingebaut werden. An beiden Enden des rotierenden Spiegels 4 kann auch ein Unterbrechungsstift angebracht werden, der in den optischen Schlitzunterbrecher hinein- und wieder herausgleiten kann, wodurch die Lichtdetektion im optischen Schlitzunterbrecher vorübergehend blockiert wird, während der Spinnmotor 25 und/oder der rotierende Spiegel 4 rotieren. Daher liefert der optische Unterbrecher bei jeder Rotation des rotierenden Spiegels 4 und/oder des Spinnmotors 25 ein Pulssignal an den Mikrocontroller/FPGA. To control the system, if the spinning
Bei allen Arten von Spinnmotoren 25 gibt es einen dezidierten Drehgeber, der entweder im Spinnmotor 25 eingebaut ist oder ein externes Drehgebermodul, das die absolute oder relative Winkelposition des rotierenden Spiegels 4 an den Mikrocontroller/FPGA liefert.All types of spinning
Wenn die Steuerung 20, z.B. der Mikrocontroller/FPGA, die Winkelposition des rotierenden Spiegels 4 hat, kann ein korrektes Lidarbild erstellt werden.If the
Mit Bezugnahme auf
Der rotierende Spiegel 104 kann einen oszillierenden Spiegel umfassen, z. B. einen optischen Galvanometer-Scanner, umfassend einer einzelnen Facette mit einer einzigen reflektierenden Oberfläche und mit einer Rotationsachse 124 in Längsrichtung, die mit der Rotationsachse eines Spinnmotors 125 ausgerichtet sein kann oder nicht. Der Spinnmotor 125 kann jede Art von Rotationsmotor sein, z. B. ein Schrittmotor, Gleichstrommotor oder Servomotor. Die Rotationsachse 124 in Längsrichtung darf nicht auf die Achse des Spinnmotors 125 ausgerichtet sein, wenn die Achsen über einen Riemen oder ein Getriebesystem verbunden sind. Die Rotationsachse 124 in Längsrichtung des rotierenden Spiegels 104 kann senkrecht zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 und/oder parallel zu einer ersten Ebene verlaufen, in der die Emitteranordnung 10 liegt. Die optische Achse OA kann in einer zweiten Ebene liegen, die senkrecht zur ersten Ebene und senkrecht oder normal zur Rotationsachse 124 verläuft. Der Spinnmotor 125 kann durch ein elektrisches Signal angetrieben werden, das eine Dreieckswelle umfasst, d.h. er beginnt mit einer minimalen Spannung (Strom) bei einem maximalen Rotationswinkel, steigt im Wesentlichen linear bis zu einer maximalen Spannung an (wenn der Spiegel im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse OA steht und fällt dann im Wesentlichen linear bis zum anderen maximalen Rotationswinkel ab. Der rotierende Spiegel 104 kann mit etwa 2.5 Hz bis 50 Hz, vorzugsweise mit etwa 20 Hz, schwingen. Der rotierende Spiegel 104 kann eine Breite aufweisen, die so konfiguriert ist, dass er 16-256, vorzugsweise 32, Ausgangslichtstrahlen 5o und Eingangslichtstrahlen 5i empfangen kann. Alternativ kann der rotierende Spiegel 104 eine Vorrichtung aus einem mikroelektromechanischen System (MEMS) umfassen, wobei der Motor 125 z. B. einen elektrostatischen, elektromagnetischen oder Piezo-Aktor umfasst.The
Eine direkte Reflexion des Ausgangsstrahls 5o direkt zurück in den Punktemitter 61 bis 6n, d.h. die Endfeuer-Verjüngung 9, kann verhindert, und das Sichtfeld (FOV) vergrößert werden, indem die Rotationsachse 124 in Längsrichtung des rotierenden Spiegels 104 um den Abstand t versetzt zur optischen Achse OA des Linsensystems 3 angeordnet wird, d.h. die Rotationsachse 124 darf sich nicht mit der optischen Achse OA kreuzen. Im Allgemeinen beginnt der Bereich des ungehinderten Sichtfeldes an einer Position, an der der Ausgangsstrahl 5o das Linsensystem 3 verfehlt (rückreflektiert) und endet, wenn der Ausgangsstrahl 5o beginnt, die Ränder der Spiegelfacette zu beschneiden.A direct reflection of the
Wie oben beschrieben, um die Anzahl der erforderlichen Lichtquellen und Photodetektoren zu verringern und gleichzeitig eine maximalen oder gewünschten optische Schwellenleistung beizubehalten, kann die Steuerung 20 auch durch eine Gruppe der Punktemitter, z. B. 61 bis 64 durchlaufen, die optisch mit einem der Transceiver, z. B. dem Transceiver 111, gekoppelt sind, indem ausgewählte Schalter 14 ein- und ausgeschaltet werden, um nacheinander einen anderen Ausgangsstrahl 5o an jeden der Punktemitter, z. B. 61 bis 64, in der Gruppe zu übertragen. Einige oder alle Lichtquellen, z. B. einige oder alle Transceiver 111 bis 11m, können mit einer anderen Gruppe von Wellenleiter-Kernen 8 optisch gekoppelt sein, wodurch eine erste Teilmenge von Ausgangsstrahlen 5o gleichzeitig miteinander übertragen werden kann, d.h. ein Ausgangsstrahl 5o von jeder Lichtquelle, der über eine der Gruppe von Wellenleiter-Kernen 8 übertragen wird, die mit ihr gekoppelt sind. Unter der Steuerung der Steuerung 20 durchläuft dann jede Lichtquelle nacheinander jeden der Wellenleiter-Kerne 8 in der entsprechenden Gruppe der damit gekoppelten Wellenleiter-Kerne 8, wobei sie mindestens eine einzige Umlaufperiode zu jedem Emitter, z. B. 61 - 64, geschaltet ist. Die Umlaufzeit sollte mindestens so lang sein wie die Zeit, die das Licht benötigt, um von der Lichtquelle des Punktemitters, z. B. 61 bis 64, zum Ziel und zurück zum Photodetektor des Punktemitters, z. B. 61 bis 64, zu gelangen. Dementsprechend kann nur ein Teil der Gesamtzahl der Ausgangsstrahlen 5o (und der Eingangsstrahlen 5i), die den gesamten Bereich der Strahlwinkel α abdecken, auf einmal übertragen werden. Die Steuerung 20 kann die Lichtquellen, die Schaltmatrix 16, eine Winkelposition des rotierenden Spiegels 4 und die Photodetektoren koordinieren, um jeden Ausgangsstrahl 5o und jeden Eingangsstrahl 5i nacheinander über die erste Schaltmatrix 16 und die Vielzahl an ersten Punktemittern 6i - 6n zu senden und zu empfangen.As described above, to reduce the number of light sources and photodetectors required while maintaining a maximum or desired optical threshold power, the
Es kann tote Zonen geben, in denen keine genauen Transmissions-/Return-Messungen möglich sind, die entstehen, wenn der rotierende Spiegel 104 einen maximalen Rotationswinkel von der OA erreicht oder überschreitet, an wessen Punkten der rotierende Spiegel 104 beginnt, sich in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, um die Punktemitter 61 bis 6n in die entgegengesetzte Richtung abzutasten. Der rotierende Spiegel 104 kann in entgegengesetzten Richtungen um die Rotationsachse 124 um einen Winkel von etwa 45° hin- und her oszillieren, so dass sich ein Abtastbereich von etwa 90° ergibt, mit einer Nennposition, in der der rotierende Spiegel 104 in einem Winkel von etwa -45° zur OA steht (CW ist +), und eine Normale N in einem Winkel von etwa +45° zur OA steht, wobei die Ausgangsstrahlen 5o in einem Winkel von etwa 90° zur OA gelenkt werden, z. B. aus der Seite von
Der Steuerungsprozessor 20 kann außerdem alternieren lassen während welchem Durchgang (im oder gegen den Uhrzeigersinn) die Lichtquelle jeden Punktemitter 61 bis 6n mit Licht versorgt, indem er nur einige, z. B. jeden zweite, der Lichtquellen und Schalter 14 aktiviert werden. Das Umschalten der alternierenden Kanäle kann auch während der Zeit erfolgen, in der sich der rotierende Spiegel 104 in einer toten Zone befindet. Jede Gruppe von Emittern 6i, die während eines bestimmten Spiegeldurchlaufs aktiv ist, erzeugt ein Teilbild der erfassten Pixel. Durch die Zusammenstellung mehrerer Sets von aktiven Emittern 61 bis 6n kann die gesamte Szene über mehrere im und gegen den Uhrzeigersinn laufende Durchläufe des rotierenden Spiegels 104 abgefragt werden.The
Die Oszillationsrate (Zyklen pro Sekunde oder cps) des rotierenden Spiegels 104 hängt von dem Schaltschema ab; die Oszillationsrate kann jedoch die gleiche oder eine geringere Geschwindigkeit haben wie die LIDAR-Bildrate, d.h. wie lange es dauert, den gesamten Scanbereich abzutasten. Zum Beispiel, bei 3 Bildern/Sekunde multipliziert mit der Anzahl der Teilbilder (d.h. Gruppen von Emittern 6i, zwischen denen umgeschaltet wird), z. B. 2 Teilbilder, ergibt dies 6 Abtastungen im oder gegen den Uhrzeigersinn pro Sekunde oder eine Oszillationsrate von 3 Zyklen pro Sekunde. Die Anzahl der Teilbilder kann je nach Anwendung variiert werden oder vom Benutzer während des Betriebs gewählt werden. Die momentane Rotationsgeschwindigkeit des Spiegels 104 wird vorzugsweise unter einer Schwellengeschwindigkeit gehalten, bei der es zu Fehlern kommen kann, wenn der Sweep zu schnell ist, so dass der Eingangsstrahl 5i nicht zum gleichen Punktemitter 61 - 6n zurückreflektiert wird (oder sogar ins Leere trifft). Im Idealfall bedeutet dies, dass die Winkelgeschwindigkeit des Motors (in Grad pro Sekunde), z. B. zwischen 360 und 18000 Grad pro Sekunde, kleiner ist als die Divergenz des Eingangsstrahls 5i (in Grad), z. B. zwischen 0.2° und 0.002°, geteilt durch die Umlaufzeit, die das Licht für den Weg vom Linsensystem 3 zum Ziel und zurück benötigt (in Sekunden). Zum Beispiel, bei einer Strahldivergenz von 0.02° und einem 500 m entfernten Ziel beträgt die Umlaufzeit beispielsweise 3.33 µs, so dass sich der Spiegel idealerweise langsamer als 0.02 Grad/3.33 µs, d.h. 6000°/s, dreht.The oscillation rate (cycles per second or cps) of the
Mit Bezugnahme auf die
Jeder der vorgenannten Transceiver 111 bis 11m kann eine Laserquelle 201 enthalten, um den Ausgangsstrahl 5o mit einem einzigen Polarisationsmodus, z. B. TE-Modus, zu versenden. Der Ausgangsstrahl 5o kann durch einen Strahlenteiler 202 übertragen werden, so dass ein Teil, z.B. 40%-60%, vorzugsweise 50%/50%, abgezweigt wird, um lokales Oszillatorlicht (LO) 5LO für die ersten Photodetektoren 203 in einer ersten Photodetektor-Schaltung 204 bereitzustellen. Der Ausgangsstrahl 5o gelangt zur Schaltmatrix 16, zum ausgewählten Lichtwellenleiter-Kern 8, zu den ausgewählten Punktemittern 61 bis 6n, zum Linsensystem 3 und zum rotierenden Spiegel 4 oder 104. Der Eingangslichtstrahl 5i kehrt von dem rotierenden Spiegel 4 oder 104 durch das Linsensystem 3 zu den ausgewählten Punktemittern 61 bis 6n, dem ausgewählten Lichtwellenleiter-Kern 8, der Schaltmatrix 16, zu dem Strahlenteiler 202 zurück, der einen Teil des Eingangslichtstrahls 5i zu den Photodetektoren 203 in der ersten Photodetektorschaltung 204 umlenkt.Each of the
Das Polarisations-Duplexsystem 200 enthält einen Polarisations-Strahlenteiler 210, der zwischen den Punktemittern, z.B. 61 bis 611, und den Transceivern 111 bis 11m angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er den Eingangsstrahl 5i in eine erste, z.B. TE-Modus, Komponente 211, und eine zweite, z.B. TM-Modus, Komponente 212 aufteilt. Die erste Komponente 211 kann an die ersten Photodetektoren 203 in der ersten Photodetektor-Schaltung 204 (wie zuvor hierin offenbart) übertragen werden, die ein erstes elektrisches Signal an den Steuerungsprozessor 20 liefert, das der optischen Leistung in der ersten Komponente 211 entspricht. Die zweite Komponente 212 kann an zweite Photodetektoren 205 in einer zweiten Photodetektor-Schaltung 206 übertragen werden, die ein zweites elektrisches Signal an den Steuerungsprozessor 20 liefert, das der optischen Leistung in der zweiten Komponente entspricht. Idealerweise kann der Polarisationsmodus der zweiten Komponente in den selben Polarisationsmodus der ersten Komponente umgewandelt, z. B. rotiert, werden, z. B. in den TE-Modus, um die Übertragung in den On-Chip-Wellenleiter-Kernen 8 und der Schaltmatrix 16 zu erleichtern. Dementsprechend kann der Polarisations-Strahlenteiler 210 einen Polarisations-Strahlenteiler/Rotator umfassen, wie er aus der Technik bekannt ist.The
Das durch den Strahlenteiler 202 aufgespaltene lokale Oszillatorlicht 5LO, kann entlang eines geeigneten Lichtwellenleiters zu einem Teiler 225 übertragen werden, wobei ein erster Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO mit der ersten Komponente 211 in einem ersten Mischer 231 zur Übertragung zu den ersten Photodetektoren 203 kombiniert wird, und ein zweiter Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO mit der zweiten Komponente 212 in einem zweiten Mischer 232 zur Übertragung zu den zweiten Photodetektoren 205 kombiniert wird. Ein variabler Abschwächer oder ein Paar variabler Abschwächer 235 kann zwischen dem Strahlenteiler 202 und den ersten und zweiten Mischern 231 und 232 vorgesehen werden zur Abschwächung des lokalen Oszillatorlichts 5LO, um sicherzustellen, dass das lokale Oszillatorlicht 5LO die ersten Photodetektoren 203 und/oder die zweiten Photodetektoren 205 nicht überstrahlt. Im gezeigten Beispiel ist nach dem Teiler 225 ein Paar von variablen Abschwächer 235 vorgesehen, wobei ein variabler Abschwächer 235 für den ersten Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO vorgesehen ist und ein zweiter variabler Abschwächer 235 für den zweiten Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO vorgesehen ist.The
Ein erster Abgriff 2411, z.B. ein optischer Teiler von 1%-5%, und ein erster Überwachungs-Photodetektor 2421 können in einem der ersten oder zweiten optischen Pfade, z.B. in einem der Lichtwellenleiter-Kerne 8 vorgesehen sein, zur Überwachung des Ausgangsstrahls 5o und/oder des Eingangsstrahls 5i. Ein erstes elektrisches Überwachungssignal kann von dem ersten Überwachungs-Photodetektor 2421 an den Steuerungsprozessor 20 gesendet werden, wodurch der Steuerungsprozessor 20 den Ausgangsstrahl 5o und/oder den Eingangsstrahl 5i überwachen kann und eine Anpassung an anderen Komponenten, z. B. die Lichtquelle 201 oder die Schalter 14, vornehmen kann. In ähnlicher Weise können ein zweiter Abgriff 2412, z. B. ein optischer Teiler von 1 % bis 5 %, und ein zweiter Überwachungs-Photodetektor 2422 vor und/oder nach einem oder mehreren der variablen Abschwächer 235 vorgesehen sein zur Überwachung des ersten Teils des lokalen Oszillatorlichts 5LO und/oder des zweiten Teils des lokalen Oszillatorlichts 5LO. Zweite und/oder dritte elektrische Überwachungssignale können von dem zweiten Überwachungs-Photodetektor 2421 an den Steuerungsprozessor 20 gesendet werden, wodurch der Steuerungsprozessor 20 den ersten Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO und/oder den zweiten Teil des lokalen Oszillatorlichts 5LO überwachen kann und eine Anpassung des/der variablen Abschwächer 235 vornehmen kann.A first tap 241 1 , e.g. a 1%-5% optical splitter, and a first monitoring photodetector 242 1 may be provided in one of the first or second optical paths, e.g. in one of the
Der Steuerungsprozessor 20 kann einfach die optische Leistung der ersten Komponente, z. B. des ersten elektrischen Signals, zur optischen Leistung der zweiten Komponente, z. B. des zweiten elektrisches Signals, addieren, um eine Gesamtsumme der optischen Leistung (kombiniertes elektrisches Signal) des Eingangsstrahls 5i zu erhalten. Zusätzlich oder alternativ kann der Steuerungsprozessor 20 das zweite elektrische Signal oder einen Vergleich des zweiten elektrischen Signals mit dem ersten elektrischen Signal verwenden, um die Oberfläche, von der der Eingangsstrahl 5i reflektiert wird, zu überwachen oder zu charakterisieren. Beispielsweise können Fahrzeuge und Schilder, die stark reflektierende, z. B. metallische, Oberflächen enthalten, relativ kleine Teile des Lichts reflektieren, die in den zweiten Polarisations-Modus umgewandelt werden. Dementsprechend kann die stark reflektierende Oberfläche durch ein zweites elektrisches Signal mit relativ niedriger Größenordnung oder ein Verhältnis von zweitem elektrischen Signal zu erstem elektrischen Signal mit relativ niedriger Größenordnung gekennzeichnet sein. Im Gegensatz dazu können Betongebäude oder Asphaltstraßen, die raue und schwach reflektierende Oberflächen enthalten, relativ größere Teile des Lichts reflektieren, die in den zweiten Polarisationsmodus umgewandelt werden. Dementsprechend kann die schlecht reflektierende Oberfläche durch ein zweites elektrisches Signal mit relativ hoher Größenordnung oder ein Verhältnis von zweitem elektrischen Signal zu erstem elektrischen Signal mit relativ hoher Größenordnung gekennzeichnet sein.The
Mit Bezugnahme auf
Ein optischer Anschlag 315 vor der Linse 303 ist vorzugsweise >7 mm, vorzugsweise zwischen 7 mm und 30 mm und noch bevorzugter zwischen 12 mm und 16 mm Abstand zwischen dem Anschlag 315 und der Linse 303 entfernt, um ein mechanisches Spiel für den rotierenden Spiegel 4 oder 104 zu schaffen.An
Die vordere Oberfläche 311 (in der Nähe des Anschlags 315) kann stark asphärisch, in der Nähe der optischen Achse OA im Wesentlichen flach und in der Nähe der äußeren Ränder konkav sein. Die vordere Oberfläche 311 kann als im Wesentlichen flach angesehen werden, auch wenn sie an einigen Punkten nahe der optischen Achse OA eine lokal konvexe Krümmung aufweist. Die hintere Oberfläche 312 (dem Bild am nächsten) erzeugt den größten Teil der optischen Leistung und ist stark konvex mit einem Krümmungsradius von 10 mm - 20 mm, vorzugsweise etwa 15 mm. Die Oberfläche des Bildes, d.h. die Brennebene F, ist zur Linse 303 hin konkav.The front surface 311 (near the stop 315) may be highly aspherical, substantially flat near the optical axis OA, and concave near the outer edges. The
Die Mittendicke der Linse 303 kann größer als 10 mm sein, vorzugsweise zwischen 15 mm und 25 mm, besonders bevorzugt etwa 19 mm. Bei unzureichender Mittendicke lassen sich Abbildungsfehler nur schwer korrigieren, insbesondere bei weiten Sichtfeldern, und die erforderliche Krümmung der vorderen Oberfläche 311 und der hinteren Oberfläche 312 wird extrem und schwierig herzustellen.The center thickness of the
Die hier beschriebenen Dicken, Abstände und Radien gelten vorzugsweise für ein Linsensystem mit einer Gesamtbrennweite von 22 mm und würden bei anderen Entwurfs-Brennweiten linear mit der Brennweite skalieren, z. B. kann die Mittendicke größer als 5 mm sein und vorzugsweise zwischen 7.5 mm und 12.5 mm bei einer Systembrennweite von 11 mm. Die Mittendicke kann gleich oder größer als die Hälfte der Brennweite der ersten Linse 303 sein.The thicknesses, spacings and radii described here preferably apply to a lens system with a total focal length of 22 mm and would scale linearly with focal length for other design focal lengths, e.g., the center thickness may be greater than 5 mm and preferably between 7.5 mm and 12.5 mm for a system focal length of 11 mm. The center thickness may be equal to or greater than half the focal length of the
Das optische Material der Linse 303 kann Glas oder Kunststoff sein, vorzugsweise mit einem negativen thermooptischen Koeffizienten, z. B. dn/dt ca. -5×10-6 / °C. Die Linse 303 kann einen Brechungsindex von n > 1.6, vorzugsweise n > 1.75 und noch bevorzugter zwischen 1.7 und 1.8 haben. Das Gehäuse der Linse kann einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, z. B. Aluminium, 23.6×10-6 /°C. Dementsprechend führt die Kombination aus dem Material mit negativem thermooptischem Koeffizienten in der Linse 303 und dem Material mit positivem thermooptischem Koeffizienten im Gehäuse dazu, dass die Brennpunktverschiebung der Linse 303 über einen gewünschten Temperaturbereich, z. B. von -40 °C bis 105 °C, annähernd Null ist. Dementsprechend wird sich die Brennebene F bei Temperaturänderungen nicht wesentlich verschieben.The optical material of the
Die Einzelelementlinse 303 kann ohne Rücksicht auf Dispersion oder chromatische Aberration entworfen werden, wenn die optische Emittervorrichtung 1, 1', 1" oder 101 bei einer einzigen Wellenlänge oder einem kleinen Wellenlängenbereich im nahen IR, z. B. zwischen 1200 und 1700 nm, arbeitet.The
Es ist wünschenswert, eine optische Emittervorrichtung 1, 1', 1" oder 101 so zu entwerfen, dass ein Einzellinsenelement 303 anstelle einer Vielzahl von Elementen verwendet wird, weil dadurch mechanische Zwänge in der Vorrichtung reduziert werden, z. B. die Ausrichtung und Zentrierung mehrerer optischer Elemente und die Präzisionsbearbeitung eines Gehäuses, um diese Ausrichtung zu erreichen. Die Beseitigung optischer Aberrationen, insbesondere der sphärischen Aberration und der Koma, ist jedoch mit weniger Oberflächen schwieriger. Die Verwendung asphärischer Oberflächen in einem Entwurf, der ungefähr konzentrisch um den Anschlag 315 ist, ermöglicht die Minimierung dieser Aberrationen. Die gekrümmte Brennebene F beseitigt auch die Notwendigkeit, die Feldkrümmung des optischen Systems zu korrigieren, wofür sonst in der Regel mehr Linsenelemente erforderlich wären.It is desirable to design an
Nachstehend sind die numerischen Daten einer beispielhaften Einzelelementlinse 303 in Einheiten von mm unter Bezugnahme auf
Die oben beschriebenen Abmessungen des Linsensystems sind für eine Brennweite von 22 mm geeignet.The dimensions of the lens system described above are suitable for a focal length of 22 mm.
Die vorstehende Beschreibung einer oder mehrerer beispielhafter Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die genaue Form zu beschränken, die offenbart wurde. Viele Modifikationen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Es ist beabsichtigt, den Umfang der Offenbarung nicht durch diese detaillierte Beschreibung zu begrenzen.The foregoing description of one or more exemplary embodiments has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of the above teachings. It is intended not to limit the scope of the disclosure by this detailed description.
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