DE112020000407B4

DE112020000407B4 - Lidar-systeme und -verfahren mit strahllenkung und weitwinkelsignaldetektion

Info

Publication number: DE112020000407B4
Application number: DE112020000407.4T
Authority: DE
Inventors: Rui Zhang; Yimin Li; Junwei Bao; Jim Li
Original assignee: Innovusion Inc
Current assignee: SEYOND, INC., SUNNYVALE, US
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: WO2020146493A1; CN113302515A; US11675055B2; US20200225330A1; DE112020000407T5; US20230161012A1

Abstract

System zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), umfassend:ein Strahllenksystem, umfassend:eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS); undeinen Spiegel;ein Lasersystem, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse zu emittieren, die durch das Strahllenksystem so gelenkt werden, dass jeder emittierte Lichtimpuls entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV) gelenkt wird; undEmpfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse von dem FOV zu empfangen, das Empfängersystem umfassend:eine optische Linse; undein Detektorarray, das eine Vielzahl von Detektorsegmenten umfasst; undSteuerschaltung, die betriebsfähig ist zum:Aktivieren einer Teilmenge der Detektorsegmente basierend auf dem Strahlengang;Deaktivieren der Detektorsegmente, die nicht in der Teilmenge eingeschlossen sind; undVerarbeiten eines Rückimpulses, der von der aktivierten Teilmenge der Detektorsegmenten detektiert wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Systeme und Verfahren zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR, Light Detection and Ranging) und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Lenkung aufeinanderfolgender Lichtimpulse unter Verwendung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), um Objekte in einem Sichtfeld zu beleuchten.
HINTERGRUND
Das LiDAR-System kann verwendet werden, um den Abstand zwischen einem Objekt und dem System zu messen. Insbesondere kann das System ein Signal (z. B. unter Verwendung einer Lichtquelle) senden, ein zurückgesendetes Signal (z. B. unter Verwendung von Lichtdetektoren) aufzeichnen und den Abstand durch Berechnen der Verzögerung zwischen dem zurückgesendeten Signal und dem gesendeten Signal bestimmen.
KURZDARSTELLUNG
Das Folgende stellt eine vereinfachte Kurzdarstellung eines oder mehrerer Beispiele dar, um ein grundlegendes Verständnis der Offenbarung zu vermitteln. Diese Kurzdarstellung ist kein umfassender Überblick über alle in Betracht gezogenen Beispiele und soll weder die wichtigen oder entscheidenden Elemente aller Beispiele identifizieren noch den Schutzumfang eines oder aller Beispiele abgrenzen. Ihr Zweck ist es, einige Konzepte eines oder mehrerer Beispiele in vereinfachter Form als Einleitung für die detailliertere Beschreibung, die nachstehend aufgeführt wird, zu präsentieren.
Die US 2018 / 0 341 009 A1 beschreibt eine elektro-optische Vorrichtung umfassend mindestens eine Laserlichtquelle und eine Strahlsteuerungsvorrichtung, die einen Strahl über eine Zielszene überträgt und abtastet. Ein oder mehrere Sensorelemente geben ein Signal aus, das den Zeitpunkt des Auftreffens eines einzelnen Photons aus der Zielszene auf das Sensorelement angibt.
Die KR 10 2018 0 127 599 A beschreibt eine Abtastvorrichtung, die an einem Fahrzeug oder einem mobilen Gerät angebracht werden kann.
Die KR 10 1 925 816 B1 beschreibt ein Verfahren zur Berechnung eines Abstands zur Verbesserung der Genauigkeit von Objektabstandsinformationen durch Berechnung eines Abstands zu einem Objekt auf der Grundlage eines Referenzpunkts, der auf der Basis eines polygonalen Drehspiegels definiert ist, und eine LiDAR-Vorrichtung zur Durchführung desselben.
Die DE 11 2015 001 704 T5 bescheibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes zu einem Objekt unter der Verwendung eines binären, ereignisbasierten Bildsensors. Dabei enthält der Bildsensor eine Speicherschaltung und eine Adressdekodierschaltung. Gemäß einem Aspekt kann die Aktivierung einer Fotodiode des Bildsensorarrays durch den Empfang eines oder mehrerer Photonen direkt als Eingang in eine Logikschaltung verwendet werden.
Die US 2018 / 0 284 286 A1 beschreibt ein Verfahren zur Berechnung eines Abstands zur Verbesserung der Genauigkeit von Objektabstandsinformationen durch Berechnung eines Abstands zu einem Objekt auf der Grundlage eines Referenzpunkts, der auf der Basis eines polygonalen Drehspiegels definiert ist, und eine LiDAR-Vorrichtung zur Durchführung desselben.
Die DE 10 2015 213 558 A1 beschreibt Fortbewegungsmittel, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Fusion zweier Hinderniskarten oder Raster einer Vorrichtung zur Umfelddetektion.
Hierin erörterte Ausführungsformen nehmen Bezug auf die Verwendung von LiDAR-Systemen zur Lenkung aufeinanderfolgender Lichtimpulse unter Verwendung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) oder anderer Strahllenksysteme, um Objekte in einem Sichtfeld zu beleuchten. Zurückgesendete Lichtimpulse können unter Verwendung unterschiedlicher Empfängersystemen detektiert werden. Ein solches Empfängersystem kann eine relativ große Optik in Kombination mit einem Detektorarray verwenden. Ein anderes Empfängersystem kann mehrere Optiken in Kombination mit mehreren Detektoren verwenden.
In einer Ausführungsform kann ein LiDAR-System ein Strahllenksystem, ein Lasersystem, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse zu emittieren, die durch das Strahllenksystem so gelenkt werden, dass jeder emittierte Lichtpuls entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfeldes (FOV, Field of View) gelenkt wird, und ein Empfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse aus dem FOV zu empfangen, einschließen. Das Strahllenksystem kann eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) und einen Spiegel einschließen. Das Empfängersystem kann eine optische Linse und ein eine Vielzahl von Detektorsegmenten umfassendes Detektorarray einschließen. Das LiDAR-System kann eine Steuerschaltung einschließen, die betriebsfähig ist, um eine Teilmenge der Detektorsegmente basierend auf dem Strahlengang zu aktivieren; die Detektorsegmente, die nicht in der Teilmenge eingeschlossen sind, zu deaktivieren; und einen Rückimpuls zu verarbeiten, der durch die aktivierte Teilmenge von Detektorsegmenten detektiert wird.
In einer Ausführungsform ist die MEMS-Struktur ein MEMS-Polygon.
In einer Ausführungsform ist die MEMS-Struktur ein Flüssigkristall.
In einer Ausführungsform schließt die MEMS-Struktur mindestens einen Mikrospiegel ein.
In einer Ausführungsform ist die optische Linse eine Weitwinkellinse.
In einer Ausführungsform ist das Detektorarray an oder nahe einer Brennebene der optischen Linse positioniert.
In einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung betriebsfähig, um den Strahlengang mit der selektiven Aktivierung der Teilmenge von Detektorsegmenten zu registrieren, sodass nur die Teilmenge von Detektorsegmenten zum Empfangen des Rückimpulses aktiv ist.
In einer Ausführungsform wird ein deaktiviertes Detektorsegment ausgeschaltet und wobei ein aktiviertes Detektorsegment eingeschaltet wird.
In einer Ausführungsform lenkt das Strahllenksystem den Rückimpuls nicht auf das Detektorarray.
In einer Ausführungsform ist die Steuerung betriebsfähig, um eine Wiederholungsrate der Lichtimpulse basierend auf dem Strahlengang zu steuern.
In einer Ausführungsform ist die Steuerung betriebsfähig, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels basierend auf dem Strahlengang anzupassen.
In einer Ausführungsform ist die Steuerung betriebsfähig, um mindestens eines von der Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels und einer Wiederholungsrate der Lichtimpulse basierend auf dem Strahlengang zu koordinieren.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verwenden eines LiDAR-Abtastsystems bereitgestellt, das Steuern der Sendung eines Lichtimpulses entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV) über ein Strahllenksystem einschließt, wobei das Strahllenksystem eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), das Aktivieren einer Teilmenge von Detektorsegmenten eines Detektorarrays, die eine Vielzahl von Detektorsegmenten umfasst, basierend auf dem Strahlengang; das Deaktivieren der Detektorsegmente, die nicht in der aktivierten Teilmenge eingeschlossen sind; das Überwachen der aktivierten Teilmenge von Detektorsegmenten auf einen Rückimpuls und das Verarbeiten des überwachten Rückimpulses einschließt.
In einer Ausführungsform umfasst das Strahllenksystem einen Spiegel.
In einer Ausführungsform schließt das Verfahren ferner das Empfangen eines Rückimpulses von dem FOV ein, wobei der Rückimpuls durch eine optische Linse gesammelt wird, die den Rückimpuls zu der aktivierten Teilmenge von Detektorsegmenten lenkt.
In einer Ausführungsform ist die optische Linse eine Weitwinkellinse.
In einer Ausführungsform ist das Detektorarray an oder nahe einer Brennebene der optischen Linse positioniert.
In einer Ausführungsform ist die MEMS-Struktur ein MEMS-Polygon.
In einer Ausführungsform ist die MEMS-Struktur ein Flüssigkristall.
In einer Ausführungsform umfasst die MEMS-Struktur mindestens einen Mikrospiegel.
In einer Ausführungsform schließt das Verfahren ferner das Registrieren des Strahlengangs mit der selektiven Aktivierung der Teilmenge von Detektorsegmenten ein, sodass nur die Teilmenge von Detektorsegmenten aktiv ist, um den Rückimpuls zu empfangen.
In einer Ausführungsform wird ein deaktiviertes Detektorsegment ausgeschaltet und wobei ein aktiviertes Detektorsegment eingeschaltet wird.
In einer Ausführungsform lenkt das Strahllenksystem den Rückimpuls nicht auf das Detektorarray.
In einer Ausführungsform schließt das Verfahren ferner das Steuern einer Wiederholungsrate der Lichtimpulse basierend auf dem Strahlengang ein.
In einer Ausführungsform schließt das Verfahren ferner das Einstellen der Bewegungsgeschwindigkeit eines Spiegels, der in dem Strahllenksystem eingeschlossen ist, basierend auf dem Strahlengang ein.
In einer Ausführungsform schließt das Verfahren ferner ein:

Koordinieren von mindestens einem von der Bewegungsgeschwindigkeit eines Spiegels, der in dem Strahllenksystem eingeschlossen ist, und einer Wiederholungsrate der Lichtimpulse basierend auf dem Strahlengang.

In einer Ausführungsform wird ein LiDAR-System bereitgestellt, das ein Strahllenksystem, ein Lasersystem, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse zu emittieren, die durch das Strahllenksystem so gelenkt werden, dass jeder emittierte Lichtimpuls entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV) gelenkt wird, ein Empfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse von dem FOV zu empfangen, und eine Steuerschaltung einschließt. Das Strahllenksystem kann eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) und einen Spiegel einschließen. Das Empfängersystem kann ein Multilinsenarray einschließen, welches eine Vielzahl von Linsen umfasst, die jeweils einem Fenster innerhalb des FOV zugeordnet sind, wobei mindestens zwei Fenster einander überlappen, sodass die den überlappenden Fenstern zugeordneten Linsen denselben Rückimpuls empfangen, und eine Vielzahl von Detektoren, wobei jeder der Vielzahl von Detektoren einer der Vielzahl von Linsen entspricht. Die Steuerschaltung ist betriebsfähig, um Signale zu verarbeiten, die von jedem der Vielzahl von Detektoren empfangen werden, und um zwischen den verarbeiteten Signalen durch Herausfiltern empfangener Rückimpulse, die nicht von den mindestens zwei überlappenden Fenstern erfasst werden, zu unterscheiden, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen.
In einer Ausführungsform ist die MEMS-Struktur ein MEMS-Polygon.
In einer Ausführungsform ist die MEMS-Struktur ein Flüssigkristall.
In einer Ausführungsform umfasst die MEMS-Struktur mindestens einen Mikrospiegel.
In einer Ausführungsform überlappen sich die mindestens zwei Fenster in einem Mindestabstand innerhalb des FOV.
In einer Ausführungsform wird ein LiDAR-System bereitgestellt, das ein Strahllenksystem, ein Lasersystem, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse zu emittieren, die durch das Strahllenksystem so gelenkt werden, dass jeder emittierte Lichtimpuls entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV) gelenkt wird, und ein Empfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse von dem FOV zu empfangen, einschließt. Das Empfängersystem kann ein Multilinsenarray einschließen, welches eine Vielzahl von Linsen umfasst, die jeweils einem Fenster innerhalb des FOV zugeordnet sind, wobei mindestens zwei Fenster einander überlappen, sodass die den überlappenden Fenstern zugeordneten Linsen denselben Rückimpuls empfangen, und eine Vielzahl von Detektoren, wobei jeder der Vielzahl von Detektoren einer der Vielzahl von Linsen entspricht. Das LiDAR-System kann eine Steuerschaltung einschließen, die betriebsfähig ist, um Signale zu verarbeiten, die von jedem der Vielzahl von Detektoren empfangen werden, und um zwischen den verarbeiteten Signalen durch Herausfiltern empfangener Rückimpulse, die nicht von den mindestens zwei überlappenden Fenstern erfasst werden, zu unterscheiden, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren für ein LiDAR-System bereitgestellt, das einschließt: Steuern der Sendung eines Lichtimpulses entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV) über ein Strahllenksystem, Empfangen zurückgesendeter Lichtimpulse von dem FOV über ein Multilinsenarray, das eine Vielzahl von Linsen umfasst, die jeweils einem Fenster innerhalb des FOV zugeordnet sind, wobei mindestens zwei Fenster einander überlappen, sodass die Linsen, die den überlappenden Fenstern zugeordnet sind, denselben zurückgesendeten Lichtimpuls empfangen, und wobei jede der Vielzahl von Linsen jeden zurückgesendeten Lichtimpuls auf einen Detektor, welcher der bestimmten der Vielzahl von Linsen entspricht, lenkt, Verarbeiten von Signalen, die von jedem Detektor empfangen werden, welcher der Vielzahl von Linsen entspricht, und Unterscheiden zwischen den verarbeiteten Signalen durch Herausfiltern empfangener Rückimpulse, die nicht von den mindestens zwei überlappenden Fenstern erfasst werden, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen.
In einer Ausführungsform wird ein LiDAR-System bereitgestellt, das ein Lasersende- und -lenksystem einschließt, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse entlang von Sendewegen innerhalb eines Sichtfelds (FOV) zu senden, und ein Empfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse von dem FOV zu empfangen, wobei mindestens einer der Rückimpulse entlang eines Empfangswegs empfangen wird, der nicht derselbe ist wie einer der Sendewege. Das Empfängersystem schließt eine Vielzahl von optischen Linsen- und Detektorkombinationen (ODC, Optical Lens and Detector Combinations) ein, wobei jede ODC einem Empfangsweg zugeordnet ist, und wobei mindestens zwei ODCs einen Rückimpuls von demselben Objekt innerhalb des FOV verarbeiten. Das LiDAR-System kann eine Steuerschaltung einschließen, die empfangene Rückimpulse, die nicht demselben Objekt entsprechen, das von den mindestens zwei ODCs verarbeitet wird, herausfiltern.
In einer Ausführungsform werden alle Rückimpulse entlang von Empfangswegen empfangen, die nicht dieselben sind wie beliebige der Sendewege.
In einer Ausführungsform umfasst jede ODC eine optische Linse und einen Detektor.
In einer Ausführungsform schließt ein LiDAR-System ferner ein Fahrzeug ein, wobei die Lichtimpulse von einer ersten Position auf dem Fahrzeug gesendet werden, wobei jede der Vielzahl von ODCs an jeweils anderen Positionen auf dem Fahrzeug als der ersten Position angeordnet ist.
Ein besseres Verständnis der Art und der Vorteile der hierin erörterten Ausführungsformen kann unter Bezugnahme auf die verbleibenden Abschnitte der Patentschrift und der Zeichnungen realisiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 bis 3 veranschaulichen ein beispielhaftes LiDAR-System, bei dem ein Impulssignal dazu verwendet wird, Abstände zu Punkten in der Außenumgebung zu messen.
4 stellt ein logisches Blockdiagramm des beispielhaften LiDAR-Systems dar.
5 stellt eine Lichtquelle des beispielhaften LiDAR-Systems dar.
6 stellt einen Lichtdetektor des beispielhaften LiDAR-Systems dar.
7 zeigt ein veranschaulichendes MEMS-basiertes LiDAR-System gemäß einer Ausführungsform.
8, 8A und 8B veranschaulichen beispielhafte Mehrsegmentdetektoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
9A, 9B und 9C zeigen veranschaulichende Beispiele für selektive Aktivierung und Deaktivierung von Detektorsegmenten, basierend auf einer Position eines Strahllenksystems.
10 zeigt einen veranschaulichenden Prozess gemäß einer Ausführungsform.
11A und 11B zeigen vereinfachte Diagramme verschiedener LiDAR-Systeme gemäß verschiedener Ausführungsformen.
12A und 12B zeigen veranschaulichende Sichtfelder eines LiDAR-Systems gemäß verschiedener Ausführungsform.
12C zeigt ein veranschaulichendes Sichtfeld eines LiDAR-Systems gemäß einer Ausführungsform.
13 zeigt ein veranschaulichendes Blockdiagramm eines LiDAR-Systems gemäß einer Ausführungsform.
14 zeigt eine veranschaulichende Faserspitzenanordnung gemäß einer Ausführungsform.
15A und 15B zeigen Mehrfachspiegelausrichtungsanordnungen, die für verschiedene Ausführungsformen verwendet werden können.
15C zeigt eine veranschaulichende Mehrfachkollimatoranordnung, die für verschiedene Ausführungsformen verwendet werden kann.
15D zeigt eine veranschaulichende Kollimator- und Linsenanordnung gemäß einer Ausführungsform.
16 zeigt eine veranschaulichende Abtastauflösung unter Verwendung mehrerer Faserspitzen, einer Mehrfachspiegelausrichtungsanordnung oder einer Mehrfachkollimatoranordnung gemäß einer Ausführungsform.
17A zeigt ein weiteres veranschaulichendes Diagramm der vertikalen Auflösung unter Verwendung mehrerer Faserspitzen oder einer Mehrfachspiegelausrichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform.
17B zeigt eine veranschaulichende Nahansicht eines dünn besetzten Bereichs innerhalb von 17A und 17C zeigt eine veranschaulichende Nahansicht des dicht besetzten Bereichs innerhalb von 17A gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
18 zeigt veranschaulichende FOV mit Laserimpulsen variabler Größe gemäß einer Ausführungsform.
19 zeigt ein veranschaulichendes Multilinsenarray-basiertes LiDAR-System gemäß einer Ausführungsform.
20 zeigt ein veranschaulichendes Diagramm eines Multilinsenarrays gemäß einer Ausführungsform.
21A, 21B, 21C, 21D, 21E und 21F zeigen verschiedene Fensteranordnungen, die von einem entsprechenden Multilinsenarray gemäß verschiedenen Ausführungsformen abgeleitet sind.
22 zeigt einen veranschaulichenden Prozess gemäß einer Ausführungsform.
23 zeigt ein veranschaulichendes LiDAR-System gemäß einer Ausführungsform.
24 zeigt ein veranschaulichendes Schema von zwei Optik-Detektor-Kombinationen mit überlappenden Fenstern, welche die von demselben Objekt zurückgesendeten Lichtimpulse innerhalb eines FOV eines LiDAR-Systems erfassen.
25 zeigt ein veranschaulichendes Fahrzeug 2501 mit einem integrierten LiDAR-System gemäß einer Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Veranschaulichende Ausführungsformen werden nun nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen repräsentative Beispiele gezeigt sind, vollständiger beschrieben. Tatsächlich können die offenbarten LiDAR-Systeme und Verfahren in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein und sollten nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Gleiche Bezugszeichen nehmen durchgehend auf gleiche Elemente Bezug.
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden zu Zwecken der Erläuterung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen zu vermitteln. Der Fachmann wird erkennen, dass diese verschiedenen Ausführungsformen nur veranschaulichend sind und in keiner Weise einschränkend gedacht sind. Andere Ausführungsformen werden sich einem solchen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung ohne Weiteres ergeben.
Zusätzlich werden zu Zwecken der Klarheit nicht alle alltäglichen Merkmale der hierin beschriebenen Ausführungsformen gezeigt oder beschrieben. Ein Fachmann wird leicht erkennen, dass bei der Entwicklung einer solchen konkreten Ausführungsform zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen erforderlich sein können, um bestimmte Konstruktionsziele zu erreichen. Diese Konstruktionsziele werden sich von einer Ausführungsform zu einer anderen und von einem Entwickler zu einem anderen unterscheiden. Darüber hinaus versteht es sich, dass ein solcher Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwendig sein kann, aber dennoch ein routinemäßiges technisches Unterfangen für den Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung ist.
Einige Systeme zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR-Systeme) verwenden eine einzelne Lichtquelle, um ein oder mehrere Lichtsignale einer einzelnen Wellenlänge zu erzeugen, welche die Umgebung abtasten. Die Signale werden unter Verwendung von Lenksystemen abgetastet, die Impulse in einer oder zwei Dimensionen lenken, um einen Bereich der Umgebung (den Abtastbereich) abzudecken. Viele verschiedene Arten von Lenksystemen können verwendet werden, um Lichtimpulse innerhalb des FOV zu lenken. Zum Beispiel kann das Lenksystem MEMS, ein mechanisches Phasenarray, ein optisches Phasenarray oder ein anderes geeignetes System einschließen.
Zum Beispiel verwenden manche Ausführungsformen der vorliegenden Technologie eine oder mehrere Lichtquellen, die Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen und/oder entlang unterschiedlicher Strahlengänge erzeugen. Diese Lichtquellen stellen die Signale in unterschiedlichen Winkeln an ein Signallenksystem bereit, sodass sich die Abtastbereiche der Lichtsignale unterscheiden (wenn z. B. zwei Lichtquellen verwendet werden, um zwei Lichtsignale zu erzeugen, ist der Abtastbereich, der jeder Lichtquelle zugeordnet ist, unterschiedlich). Dies ermöglicht ein Abstimmen der Signale auf entsprechende Sendeleistungen und die Möglichkeit, sich überlappende Scanbereiche aufzuweisen, die Scans von unterschiedlichen Entfernungen abdecken. Größere Reichweiten können mit Signalen mit höherer Leistung und/oder langsamerer Wiederholrate abgetastet werden (z. B. bei Verwendung gepulster Lichtsignale). Kürzere Reichweiten können mit Signalen mit geringerer Leistung und/oder hoher Wiederholrate (z. B. bei Verwendung von Pulslichtsignalen) abgetastet werden, um die Punktdichte zu erhöhen.
Als weiteres Beispiel verwenden einige Ausführungsformen der vorliegenden Technologie Signallenksysteme mit einem oder mehreren Dispersionselementen (z. B. Gittern, optischen Kämmen, Prismen usw.), um Impulssignale basierend auf der Wellenlänge des Impulses zu lenken. Ein Dispersionselement kann Feineinstellungen des Strahlengangs eines Impulses vornehmen, was bei mechanischen Systemen schwierig oder unmöglich sein kann. Außerdem ermöglicht die Verwendung eines oder mehrerer Dispersionselemente dem Signallenksystem, weniger mechanische Komponenten zu verwenden, um die gewünschten Abtastfähigkeiten zu erreichen. Dies führt zu einer einfacheren, effizienteren (z. B. leistungsärmeren) Ausgestaltung, die potenziell zuverlässiger ist (aufgrund von wenigen sich bewegenden Komponenten).
Einige LiDAR-Systeme verwenden die Laufzeit von Lichtsignalen (z. B. Lichtimpulsen), um den Abstand zu Objekten im Strahlengang des Lichtes zu bestimmen. Zum Beispiel in Bezug auf 1 schließt ein beispielhaftes LiDAR-System 100 eine Laserlichtquelle (z. B. einen Faserlaser), ein Lenksystem (z. B. ein System aus einem oder mehreren beweglichen Spiegeln) und einen Lichtdetektor (z. B. einen Photonendetektor mit einer oder mehreren Optiken) ein. LiDAR-System 100 sendet den Lichtimpuls 102 entlang des Wegs 104, wie durch das Lenksystem von LiDAR System 100 bestimmt. Im dargestellten Beispiel ist der Lichtimpuls 102, der von der Laserlichtquelle erzeugt wird, ein kurzer Laserlichtpuls. Ferner ist das Signallenksystem des LiDAR-Systems 100 ein Impulssignallenksystem. Es versteht sich jedoch, dass LiDAR-Systeme durch Erzeugen, Senden und Detektieren von Lichtsignalen, die nicht gepulst sind, dazu verwendet werden können, Entfernungen zu Objekten in der umgebenden Umgebung unter Verwendung von anderen Techniken als einer Laufzeit abzuleiten. Zum Beispiel verwenden einige LiDAR-Systeme frequenzmodulierte kontinuierliche Wellen (d. h. „FMCW“). Es sollte ferner beachtet werden, dass jede der hierin in Bezug auf laufzeitbasierte Systeme beschriebenen Techniken, die Impulse verwenden, auch auf LiDAR-Systeme anwendbar sein kann, die eine oder beide dieser Techniken nicht verwenden.
Unter Rückbezug auf 1 (ein Laufzeit-LiDAR-System, das Lichtimpulse verwendet), wird, wenn der Lichtimpuls 102 das Objekt 106 erreicht, der Lichtimpuls 102 gestreut und der zurückgesendete Lichtimpuls 108 entlang des Wegs 110 zurück zum System 100 reflektiert. Die Zeit von dem Zeitpunkt, an dem der ausgesendete Lichtimpuls 102 das LiDAR-System 100 verlässt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der zurückgesendete Lichtimpuls 108 wieder an dem LiDAR-System 100 ankommt, kann gemessen werden (z. B. durch einen Prozessor oder eine andere Elektronik innerhalb des LiDAR-Systems). Diese Laufzeit in Kombination mit der Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit kann verwendet werden, um die Reichweite/Entfernung des LiDAR-Systems 100 zu dem Punkt auf dem Objekt 106 zu bestimmen, an dem der Lichtimpuls 102 gestreut wurde.
Durch Lenken vieler Lichtimpulse, wie in 2 dargestellt, tastet das LiDAR-System 100 die externe Umgebung (z. B. durch Lenken von Lichtimpulsen 102, 202, 206, 210 entlang der Wege 104, 204, 208 bzw. 212) ab. Wie in 3 dargestellt, empfängt das LiDAR-System 100 die zurückgesendeten Lichtimpulse 108, 302, 306 (die den ausgesendeten Lichtimpulsen 102, 202 bzw. 210 entsprechen) zurück, nachdem die Objekte 106 und 214 die ausgesendeten Lichtimpulse gestreut und die Impulse entlang der Wege 110, 304 bzw. 308 zurück reflektiert haben. Basierend auf der Richtung der ausgesendeten Lichtimpulse (wie durch das LiDAR-System 100 bestimmt) sowie der berechneten Entfernung des LiDAR-Systems 100 zu den Punkten auf den Objekten, welche die Lichtimpulse streuen (z. B. die Punkte auf den Objekten 106 und 214), kann die Umgebung innerhalb des Erfassungsbereichs (z. B. das Sichtfeld zwischen Weg 104 und 212 einschließend) präzise abgebildet werden (z. B. kann eine Punktwolke oder ein Bild erstellt werden).
Wenn für einen bestimmten gesendeten Lichtimpuls kein entsprechender Lichtimpuls empfangen wird, kann bestimmt werden, dass es keine Objekte gibt, die eine ausreichende Signalmenge des LiDAR-Lichtimpulses innerhalb eines bestimmten Bereichs des LiDAR-Systems 100 (z. B. der maximalen Abtastdistanz des LiDAR-Systems 100) streuen können. In 2 weist der Lichtimpuls 206 beispielsweise keinen entsprechenden zurückgesendeten Lichtimpuls auf (wie in 3 dargestellt), da dieser kein Streuungsereignis entlang seines Sendewegs 208 innerhalb des vorbestimmten Erfassungsbereichs erzeugt hat. Das LiDAR-System 100 (oder ein externes System, das mit dem LiDAR-System 100 kommuniziert) kann dies so interpretieren, dass sich kein Objekt entlang des Wegs 208 im Erfassungsbereich des LiDAR-Systems 100 befindet.
In 2 können die ausgesendeten Lichtimpulse 102, 202, 206, 210 in beliebiger Reihenfolge seriell, parallel oder basierend auf anderen Zeiteinteilungen in Bezug aufeinander ausgesendet werden. Zusätzlich gilt, dass während 2 ein 1-dimensionale Array gesendeter Lichtpulse darstellt, das LiDAR-System 100 optional auch ähnliche Anordnungen gesendeter Lichtimpulse entlang anderer Ebenen lenkt, sodass ein 2-dimensionales Array von Lichtpulsen ausgesendet wird. Dieses 2-dimensionale Array kann punktweise, zeilenweise, auf einmal oder auf eine andere Weise gesendet werden. Die Punktwolke oder das Bild aus einem 1-dimensionalen Array (z. B. eine einzige horizontale Linie) stellt 2-dimensionale Informationen her (z. B. (1) die horizontale Senderichtung und (2) die Entfernung zu Objekten). Die Punktwolke oder das Bild eines 2-dimensionalen Arrays enthält 3-dimensionale Informationen (z. B. (1) die horizontale Senderichtung, (2) die vertikale Senderichtung und (3) die Entfernung zu Objekten).
Die Dichte von Punkten in einer Punktwolke oder einem Bild von einem LiDAR-System 100 ist gleich der Anzahl an Impulsen geteilt durch das Sichtfeld. Da das Sichtfeld festgelegt ist, sollte das LiDAR-System, um die Dichte der von einem Satz von Sende-/Empfangsoptiken erzeugten Punkte zu erhöhen, häufiger einen Impuls abfeuern, d. h. es ist eine Lichtquelle mit einer höheren Wiederholungsrate erforderlich. Durch ein häufigeres Senden von Impulsen kann jedoch der am weitesten entfernte Abstand, den das LiDAR-System detektieren kann, eingeschränkt werden. Wenn, zum Beispiel, ein zurückgesendetes Signal von einem entfernten Objekt empfangen wird, nachdem das System den nächsten Impuls gesendet hat, können die zurückgesendeten Signale in einer anderen Reihenfolge als der Reihenfolge, in der die entsprechenden Signale ausgesendet werden, detektiert werden und durcheinander geraten, wenn das System die zurückgesendeten Signale nicht korrekt mit den gesendeten Signalen korrelieren kann. Zur Veranschaulichung wird ein beispielhaftes LiDAR-System betrachtet, das Laserimpulse mit einer Wiederholungsrate von zwischen 500 kHz und 1 MHz senden kann. Basierend auf der Zeit, die ein Impuls benötigt, um zu dem LiDAR -System zurückgesendet zu werden und um eine Vermischung von zurückgesendeten Impulsen von aufeinanderfolgenden Impulsen bei einer herkömmlichen LiDAR-Ausgestaltung zu vermeiden, kann der entfernteste Abstand, den das LiDAR-System erfassen kann, 300 Meter bzw. 150 Meter für 500 kHz bzw. 1 Mhz betragen. Die Punktdichte eines LiDAR-Systems mit einer Wiederholrate von 500 kHz beträgt die Hälfte von der mit 1 MHz. Somit zeigt dieses Beispiel, dass eine Erhöhung der Wiederholungsrate von 500 kHz auf 1 Mhz (und somit eine Verbesserung der Punktedichte des Systems), den Detektionsbereich des Systems erheblich reduzieren würde, wenn das System zurückgesendete Signale, die in einer anderen Reihenfolge eintreffen, nicht korrekt korrelieren kann.
4 stellt ein logisches Blockdiagramm des LiDAR-Systems 100 dar, das die Lichtquelle 402, das Signallenksystem 404, den Impulsdetektor 406 und die Steuerung 408 einschließt. Diese Komponenten sind über Kommunikationswege 410, 412, 414, 416 und 418 miteinander gekoppelt. Diese Kommunikationswege stellen eine Kommunikation (bidirektional oder unidirektional) zwischen den verschiedenen LiDAR-Systemkomponenten dar, müssen aber keine physischen Komponenten selbst sein. Während die Kommunikationswege durch einen oder mehrere elektrische Drähte, Busse oder optische Fasern implementiert sein können, können die Kommunikationswege auch drahtlose Kanäle oder optische Freiluftwege sein, sodass kein physisches Kommunikationsmedium vorliegt. Zum Beispiel besteht in einem beispielhaften LiDAR-System der Kommunikationsweg 410 aus einer oder mehreren optischen Fasern, der Kommunikationsweg 412 entspricht einem Strahlengang, und die Kommunikationswege 414, 416, 418 und 420 sind alle ein oder mehrere elektrische Drähte, die elektrische Signale übertragen. Die Kommunikationswege können auch mehr als eine der obigen Arten von Kommunikationsmedien einschließen (z. B. können sie eine optische Faser und einen optischen Weg oder eine oder mehrere optische Fasern und eine oder mehrere elektrische Leitungen einschließen).
Das LiDAR-System 100 kann auch andere Komponenten einschließen, die in 4 nicht dargestellt sind, wie Strombusse, Stromversorgungen, LED-Anzeigen, Schalter usw. Darüber hinaus können andere Verbindungen zwischen Komponenten vorhanden sein, wie eine direkte Verbindung zwischen der Lichtquelle 402 und dem Lichtdetektor 406, sodass der Lichtdetektor 406 die Zeit vom Aussenden eines Lichtimpulses durch die Lichtquelle 402 bis zum Detektieren eines zurückgesendeten Lichtimpulses durch den Lichtdetektor 406 genau messen kann.
5 stellt ein logisches Blockdiagramm eines Beispiels einer Lichtquelle 402 dar, die auf einem Faserlaser basiert, obwohl eine beliebige Anzahl von Lichtquellen mit unterschiedlicher Architektur als Teil des LiDAR -Systems verwendet werden könnte. Die Lichtquelle 402 verwendet Seed 502, um erste Lichtimpulse mit einer oder mehreren Wellenlängen (z. B. 1550 nm) zu erzeugen, die über die Faser 503 an den Wellenlängenmultiplexer (WDM, wavelength-division multiplexor) 504 bereitgestellt werden. Die Pumpe 506 stellt ebenfalls Laserleistung (mit einer anderen Wellenlänge, wie beispielsweise 980 nm) über Faser 505 an den WDM 504 bereit. Der Ausgang des WDM 504 wird an Vorverstärker 508 (welche einen oder mehrere Verstärker einschließen) bereitgestellt, die ihren Ausgang über die Faser 509 an den Kombinator 510 bereitstellen. Des Weiteren nimmt der Kombinator 510 Laserleistung von der Pumpe 512 über die Faser 511 auf und stellt die Impulse über die Faser 513 an den Booster-Verstärker 514 bereit, der auf der Faser 410 Ausgangslichtimpulse erzeugt. Die ausgegebenen Lichtimpulse werden dann dem Lenksystem 404 zugeführt. In einigen Variationen kann die Lichtquelle 402 Impulse mit unterschiedlichen Amplituden basierend auf dem Faserverstärkungsprofil der in der Quelle verwendeten Faser erzeugen. Der Kommunikationsweg 416 koppelt Lichtquelle 402 an Steuerung 408 (4), sodass die Komponenten der Lichtquelle 402 von der Steuerung 408 gesteuert werden können oder anderweitig mit dieser kommunizieren können. Alternativ kann die Lichtquelle 402 eine eigene Steuerung einschließen. Anstelle der direkten Kommunikation der Steuerung 408 mit den Komponenten der Lichtquelle 402 kommuniziert eine dedizierte Lichtquellen-Steuerung mit der Steuerung 408 und steuert und/oder kommuniziert mit den Komponenten der Lichtquelle 402. Lichtquelle 402 schließt zudem auch andere, nicht gezeigte Komponenten ein, wie beispielsweise einen oder mehrere Stromanschlüsse, Stromversorgungen und/oder Stromleitungen.
Einige andere Lichtquellen schließen eine oder mehrere Laserdioden, Kurzresonator-Faserlaser, Festkörperlaser und/oder abstimmbare Diodenlaser mit externem Resonator ein, die konfiguriert sind, um ein oder mehrere Lichtsignale bei verschiedenen Wellenlängen zu erzeugen. In einigen Beispielen verwenden Lichtquellen Verstärker (z. B. Vorverstärker oder Booster-Verstärker), die einen dotierten optischen Faserverstärker, einen Festkörper-Bulk-Verstärker und/oder einen optischen Halbleiterverstärker einschließen, die konfiguriert sind, um Lichtsignale zu empfangen und zu verstärken.
Unter Rückbezug auf 4 schließt das Signallenksystem 404 eine beliebige Anzahl von Komponenten zum Lenken von Lichtsignalen, die von der Lichtquelle 402 erzeugt werden, ein. In einigen Beispielen kann das Signallenksystem 404 ein oder mehrere optische Umlenkelemente (z. B. Spiegel oder Linsen) einschließen, die Lichtimpulse (z. B. durch Drehen, Vibrieren oder Ausrichten) entlang eines Sendewegs lenken, um die äußere Umgebung abzutasten. Zum Beispiel können diese optischen Umlenkelemente MEMS-Spiegel, rotierende Polyederspiegel oder feststehende Spiegel einschließen, um die gesendeten Impulssignale in unterschiedliche Richtungen zu lenken. Das Signallenksystem 404 schließt wahlweise auch andere optische Komponenten ein, wie Dispersionsoptiken (z. B. Diffusorlinsen, Prismen oder Gitter), um die Reichweite des gesendeten Signals weiter auszuweiten, um den Sendebereich (d. h. das Sichtfeld) des LiDAR-Systems 100 zu vergrößern. Ein beispielhaftes Signallenksystem ist in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2018/0188355 mit dem Titel „2D Scanning High Precision LiDAR Using Combination of Rotating Concave Mirror and Beam Steering Devices“ beschrieben, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme für alle Zwecke in seiner Gesamtheit aufgenommen ist. In einigen Beispielen enthält das Signallenksystem 404 keine aktiven optischen Komponenten (z. B. enthält es keine Verstärker). In einigen anderen Beispielen können eine oder mehrere der Komponenten der Lichtquelle 402, wie ein Booster-Verstärker, in dem Signallenksystem 404 eingeschlossen sein. In einigen Fällen kann das Signallenksystem 404 als LiDAR-Kopf oder LiDAR-Abtaster betrachtet werden.
Einige Implementierungen von Signallenksystemen schließen ein oder mehrere optische Umlenkelemente (z. B. Spiegel oder Linsen) ein, die zurückgesendete Lichtsignale (z. B. durch Drehen, Vibrieren oder Ausrichten) entlang eines Empfangswegs lenken, um die zurückgesendeten Lichtsignale zu dem Lichtdetektor zu leiten. Die optischen Umlenkelemente, die Lichtsignale entlang der Sende- und Empfangswege leiten, können dieselben Komponenten (z. B. gemeinsam genutzte), separate Komponenten (z. B. dedizierte) und/oder eine Kombination aus gemeinsam genutzten und separaten Komponenten sein. Dies bedeutet, dass die Sende- und Empfangswege in manchen Fällen unterschiedlich sind, obwohl sie sich teilweise überlappen können (oder in manchen Fällen im Wesentlichen überlappen).
6 stellt ein logisches Blockdiagramm einer möglichen Anordnung von Komponenten in dem Lichtdetektor 404 von LiDAR-System 100 dar (4). Der Lichtdetektor 404 schließt eine Optik 602 (z. B. ein System aus einer oder mehreren optischen Linsen) und ein Detektorarray 604 (z. B. eine oder mehrere ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD, charge coupled devices), Fotodioden, Lawinenfotodioden, eine Fotovervielfachervakuumröhre, einen Bildsensor usw.) ein, die mit der Steuerung 408 (4) über den Kommunikationsweg 418 verbunden ist. Die Optik 602 kann eine oder mehrere Fotolinsen zum Empfangen, Fokussieren und Ausrichten der zurückgesendeten Signale einschließen. Der Lichtdetektor 404 kann Filter einschließen, um selektiv Licht bestimmter Wellenlängen durchzulassen. Der Lichtdetektor 404 kann auch eine Zeitschaltung einschließen, welche die Zeit zwischen dem Senden eines Impulses und dem Detektieren eines entsprechenden zurückgesendeten Impulses misst. Diese Daten können dann an die Steuerung 408 (4) oder an andere Vorrichtungen über die Kommunikationsleitung 418 gesendet werden. Der Lichtdetektor 404 kann zudem auch Informationen darüber empfangen, wann die Lichtquelle 402 einen Lichtimpuls über die Kommunikationsleitung 418 oder andere, nicht dargestellte Kommunikationsleitungen (z. B. optische Faser der Lichtquelle 402, die gesendete Lichtimpulse abtastet) gesendet hat. Alternativ kann der Lichtdetektor 404 über die Kommunikationsleitung 418 Signale bereitstellen, die anzeigen, wenn zurückgesendete Lichtimpulse detektiert werden. Andere Impulsdaten, wie Leistung, Impulsform und/oder Wellenlänge, können auch kommuniziert werden.
Unter Rückbezug auf 4 enthält Steuerung 408 Komponenten zur Steuerung von LiDAR-System 100 und zur Kommunikation mit externen Vorrichtungen, die das System verwenden. Zum Beispiel schließt die Steuerung 408 wahlweise einen oder mehrere Prozessoren, Speicher, Kommunikationsschnittstellen, Sensoren, Speichervorrichtungen, Uhren, ASICs, FPGAs und/oder andere Vorrichtungen ein, welche die Lichtquelle 402, das Signallenksystem 404 und/oder den Lichtdetektor 406 steuern. In einigen Beispielen steuert die Steuerung 408 die Leistung, die Rate, die Zeiteinteilungen und/oder andere Eigenschaften von Lichtsignalen, die von der Lichtquelle 402 erzeugt werden, steuert die Geschwindigkeit, Senderichtung und/oder andere Parameter des Lichtlenksystems 404, und/oder steuert die Empfindlichkeit und/oder andere Parameter des Lichtdetektors 406.
Die Steuerung 408 ist wahlweise auch für das Verarbeiten der von diesen Komponenten empfangenen Daten konfiguriert. In einigen Beispielen bestimmt die Steuerung die Zeit, die vom Senden eines Lichtimpulses bis zum Empfang eines entsprechenden zurückgesendeten Lichtimpulses benötigt wird, bestimmt, wann ein zurückgesendeter Lichtimpuls für einen gesendeten Lichtimpuls nicht empfangen wird, bestimmt die gesendete Richtung (z. B. horizontale und/oder vertikale Informationen) für einen gesendeten/zurückgesendeten Lichtimpuls; bestimmt die geschätzte Reichweite in einer bestimmten Richtung und/oder bestimmt jede andere Art von Daten, die für das LiDAR-System 100 relevant sind.
7 zeigt ein veranschaulichendes MEMS-basiertes LiDAR-System 700 gemäß einer Ausführungsform. Das System 700 kann die Laserquelle 710, das Strahllenksystem 720, welches Galvosystem 722 und MEMS-Lenkeinheit 724 einschließen kann, das Empfängersystem 730, welches Empfangsoptik 732 und Detektorarray 734 einschließt, sowie eine Steuerschaltung 750 einschließen. Im Betrieb werden Lichtimpulse von der Laserquelle 710 zum MEMS 724 geleitet, welches die Lichtimpulse zu dem Galvosystem 722 umleitet, welches die Lichtimpulse dann zu dem FOV umleitet. Gegebenenfalls stammen ein oder mehrere Lichtstrahlen von der Laserquelle 710. Zum Beispiel kann ein Ausgangslaserstrahl geteilt werden, um zwei oder mehr Strahlen bereitzustellen (hierin als die durchgezogene Linie und die gestrichelte Linie gezeigt). Die zurückgesendeten Impulse (nicht gezeigt) werden von der Optik 732 gesammelt und zu dem Detektorarray 734 gelenkt. Das Detektorarray 734 erfasst den zurückgesendeten Lichtimpuls und stellt ein Signal, das dem zurückgesendeten Signal entspricht, an die Steuerschaltung 750 bereit. Die Laserquelle 710 kann ähnlich wie der oben erörterte Laser 402 sein. Das Strahllenksystem 720 ist in der Lage, Lichtimpulse, die von der Laserquelle 710 bereitgestellt werden, an eine Stelle innerhalb eines Sichtfelds (FOV) des Systems 700 zu lenken. Die MEM-Lenkeinheit 742 kann für eine erste Achsenverschiebung (z. B. vertikale Achse) innerhalb des FOV verantwortlich sein und Galvo 723 kann für die Steuerung einer zweiten Achsenverschiebung (z. B. horizontale Achse) innerhalb des FOV verantwortlich sein und Galvo 722 kann ein Spiegel sein. In einigen Ausführungsformen kann Galvo 722 ein einflächiger Spiegel sein, wie der in 11A gezeigte oder ein zweiflächiger Spiegel, wie der in 11B gezeigte.
Das MEMS-Lenksystem 724 kann ein Flüssigkristall, ein miniaturisiertes rotierendes Polygon oder jede andere geeignete MEMS-basierte Komponente sein, welche die Richtung des Lichtstrahls steuern kann. In einigen Ausführungsformen kann das MEMS-Lenksystem 724 eine MEMS-Vorrichtung einschließen, die Mikrospiegel verwendet. Der MEMS-Spiegel kann den von der Laserquelle erzeugten Laser in zwei oder drei Dimensionen lenken, um Objekte in einem Sichtfeld zu beleuchten. Es versteht sich, dass das MEMS-Strahllenkungssystem 724 auch andere MEMS-Komponenten wie optische Schalter, optische Kreuzverteiler, Linsen usw. einschließen kann. Die Verwendung eines MEMS-Lenksystems ist insofern wünschenswert, als solche Lösungen die Größe des LiDAR-Systems reduzieren, was sich in geringerem Stromverbrauch, kleinerem Gehäuse und geringeren Kosten niederschlagen kann. In einigen Ausführungsformen kann ein MEMS-Lenksystem einen optischen Öffnungsquerschnitt in der Größenordnung von einigen Millimetern oder weniger (z. B. weniger als 5 mm) aufweisen. Der relativ kleine optische Querschnitt eignet sich zum Aussenden von Lichtstrahlen zum FOV, aber nicht zum Umlenken von Rückimpulsen zum Empfängersystem 730. Das heißt, im Gegensatz zu einem System, das einen relativ großen optischen Öffnungsquerschnitt aufweist, kann ein MEMS-Lenksystem möglicherweise nicht groß genug sein, um zurückgegebene Impulse zu „sammeln“ und zu einem Empfängersystem umzuleiten. Um die relativ kleine Größe des MEMS-Lenksystems 724 zu kompensieren, kann die Optik 732 relativ groß bemessen sein, um zurückgesendete Impulse zu sammeln und auf das Detektorarray 734 zu fokussieren. Zum Beispiel kann die Optik 732 in einer Ausführungsform eine Fischaugenlinse oder eine andere Optik mit einem relativ großen Akzeptanzwinkel sein. Eine Fischaugenlinse kann eine Weitwinkellinse sein, die eine visuelle Verzerrung erzeugt, die ein breites Panoramabild oder ein halbkugelförmiges Bild erzeugen soll. Somit kann die Fischaugenlinse gestreutes Licht innerhalb eines Weitwinkels sammeln, wodurch die Sichtbarkeit des LiDAR -Systems verbessert oder erhöht wird. Eine Fischaugenlinse kann beispielsweise eine kreisförmige Fischaugenlinse oder eine Vollbild-Fischaugenlinse sein. In einigen Ausführungsformen kann das Sichtfeld der Fischaugenlinse so ausgewählt oder konfiguriert sein, dass es mit dem Sichtfeld des MEMS-Strahllenkbereichs übereinstimmt. Die Fischaugen-Weitwinkel-Empfangslinse kann mit dem MEMS-Strahllenksystem 724 gekoppelt werden, beispielsweise nebeneinanderliegend.
Das Detektorarray 734 kann ein IxN-Array von Detektorsegmenten oder ein NxM-Array von Detektorsegmenten einschließen, wobei N und M ganze Zahlen sind. Die Detektorsegmente können mit einem InGaAs-basierten Detektor oder einem SiGebasierten Detektor implementiert werden. Das Detektorarray 734 schließt im Gegensatz zu einem einzelnen Detektorarray mehrere Detektorsegmente ein, da der optische Querschnitt des MEMS-Lenksystems 724 erfordert, dass mehrere Detektorsegmente in Kombination mit der Optik 732 verwendet werden, um zurückgesendete Lichtsignale zu erfassen. Die Verwendung des Detektorarrays 734 (im Gegensatz zu einem einzelnen diskreten Detektor) erhöht jedoch die Detektion von Rauschen (z. B. Hintergrundlicht), wodurch die Detektion von zurückgesendeten Lichtimpulsen potenziell erschwert wird. Insbesondere, weil eine relativ große Lichtsammeloptik in Verbindung mit dem Detektorarray 734 verwendet wird, kann die Gesamtgröße des Detektorarrays 734 im Vergleich zur Größe des zurückgesendeten Lichtimpulses relativ groß sein. Beispielsweise kann der zurückgesendeten Lichtimpuls in der Größenordnung von Mikrometern liegen, während die Querschnittsfläche des Detektorarrays 734 in der Größenordnung von Millimetern liegen kann. Somit ist die Rückstrahlgröße erheblich kleiner als die Fläche des gesamten Detektorarrays 734. Dies kann das Detektorrauschen erheblich erhöhen und das Signal-Rausch-Verhältnis verringern, da jeder Abschnitt des Detektorarrays 734, der keinen zurückgesendeten Lichtstrahl verarbeitet, durch das Aufnehmen von Hintergrundlicht und -strahlung Rauschen erzeugt. Außerdem verwendet das Detektorarray 734 ein multisegmentiertes Array von Detektoren, im Gegensatz zu einem einzigen großen Detektor. Die Verwendung eines Detektors mit relativ großer Fläche (z. B. ein großer nichtsegmentierter Detektor wie Detektor 734) kann auch eine große Sperrschichtkapazität einführen, die proportional zur Fläche des Detektors ist. Eine große Sperrschichtkapazität ist unerwünscht, da sie den Betrieb von Komponenten verlangsamen kann (z. B. einen Verstärker) und zu einer übermäßigen Rauschverstärkung beiträgt.
8 veranschaulicht einen beispielhaften multisegmentierten Detektor 800 gemäß einer Ausführungsform. Der multisegmentierte Detektor 800 zeigt mehrere kleine Segmente 802, die in einem 2x4-Array angeordnet sind. Ebenfalls gezeigt ist ein zurückgesendetes Lichtsignal (z. B. als ein Punkt gezeigt), um die relativ kleine Größe des zurückgeworfenen Lichtsignals im Vergleich zur Gesamtgröße des multisegmentierten Detektors 800 zu veranschaulichen. Durch Segmentieren des Detektors 800 in mehrere Segmente kann die Sperrschichtkapazität im Vergleich zu der eines gleich großen Einzeldetektors verkleinert werden.
8A veranschaulicht einen weiteren beispielhaften multisegmentierten Detektor 820 gemäß einer Ausführungsform. Der Detektor 820 ist in einem 9x9-Raster angeordnet, das aus neun 3x3-Unterrastern besteht. Wie gezeigt, schließt jedes Unterraster neun (9) Segmente 1-9 ein. Jedes Segment weist eine rechteckige Form auf und die Gesamtheit des multisegmentierten Detektors 820 kann rechteckig sein. Ähnlich nummerierte Segmente können alle miteinander verbunden sein. Beispielsweise sind alle mit eins (1) beschrifteten Segmente verbunden, alle mit zwei (2) beschrifteten Segmente verbunden usw. Das multisegmentierte Detektorarray kann ein siliziumbasierter Detektor oder ein InGaAs-basierter Detektor oder ein SiGe-basierter Detektor sein.
8B veranschaulicht noch einen weiteren beispielhaften multisegmentierten Detektor 840 gemäß einer Ausführungsform. Der Detektor 840 setzt sich aus mehreren sechsseitigen Polygonsegmenten zusammen, die wabenförmig angeordnet sind. Ähnlich nummerierte Segmente sind miteinander verbunden.
Unter Rückbezug auf 7 ist gezeigt, dass das Detektorarray 734 in die Segmente 734a-734i unterteilt ist. Die Anzahl der Segmente und deren Anordnung ist lediglich veranschaulichend. Wenn während des Betriebs des LiDAR-Systems 700 ein zurückgesendetes Lichtsignal empfangen wird, kann eine Teilmenge der Segmente 734a-734i (z. B. nur eines der Segmente) dieses zurückgegebene Signal erfassen. Jedes zurückgesendete Lichtsignal entspricht seinem Strahllenkwinkel oder seiner Position, wie von dem MEMS-Strahllenksystem 724 gelenkt. Da der Strahllenkwinkel bekannt ist, ist auch der Rücklaufwinkel des Rücklauflichtimpulses bekannt. Mit diesem Wissen weiß das System, welche Teilmenge der Segmente 734a-734i das zurückgesendete Lichtsignal empfangen soll. Die Steuerschaltung 750 kann die Teilmenge von Segmenten 734a-734i basierend auf einer Registrierung bei dem MEMS-Lenksystem 724 und/oder dem Galvo 722 selektiv aktivieren. Auf diese Weise sind nur die notwendigen Segmente zur Überwachung auf ein zurückgesendetes Signal aktiv und die anderen Segmente werden deaktiviert (um Energie zu sparen und Rauschen zu reduzieren). Die Steuerschaltung 750 hat Kenntnis von der Position des Galvos 722 und der Position des MEMS-Lenksystems 724 und kann daher die Segmente 734a-734i basierend auf der Positionierung des Galvos 722 und des MEMS-Lenksystems 724 selektiv aktivieren und deaktivieren. Durch selektives Aktivieren einer Teilmenge von Detektoren und Deaktivieren anderer Detektoren kann die Sperrschichtkapazität eines Detektors deutlich reduziert und damit das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Außerdem wird durch selektives Aktivieren und Deaktivieren von Segmenten Energie gespart und das thermische Management des Systems verbessert. Da nur die notwendige Teilmenge der Segmente aktiv ist, wird außerdem das Rauschen reduziert und damit der Rechenaufwand, der sonst für die Verarbeitung der zurückgesendeten Signale erforderlich wäre.
9A-9C zeigen veranschaulichende Beispiele einer selektiven Aktivierung und Deaktivierung von Detektorsegmenten basierend auf einer Position eines Strahllenksystems. Jede der 9A-9C zeigt Strahllenksystem 910 und Detektorarray 920, welches die Detektorsegmente 920a-920k aufweist. Unter Bezugnahme auf 9A lenkt das Strahllenksystem 910 einen Lichtimpuls auf die Position FOV1. Basierend auf dieser bestimmten FOV1-Position sind die Detektorsegmente 920c und 920d EINGESCHALTET, während alle anderen Detektorsegmente AUSGESCHALTET sind. In 9B lenkt das Strahllenksystem 910 einen Lichtimpuls auf die Position FOVN. Basierend auf dieser bestimmten FOVN-Position sind die Detektorsegmente 920i und 920j EINGESCHALTET, während alle anderen Detektorsegmente AUSGESCHALTET sind. In 9C lenkt das Strahllenksystem 910 zwei Lichtimpulse auf die Positionen FOV1(A) und FOV2(B). Basierend auf diesen Lichtimpuls-FOV-Winkeln ist das Detektorsegment 920c EINGESCHALTET, um den Rücklaufwinkel zu detektieren, der FOV1(A) entspricht, und das Detektorsegment 920e ist EINGESCHALTET, um den Rücklaufwinkel zu detektieren, der FOV2(B) entspricht. Alle anderen Detektorsegmente sind AUSGESCHALTET.
In einigen Ausführungsformen kann ein beispielhaftes LiDAR-System ferner ein zweites Detektorarray einschließen, das konfiguriert ist, um einen Selbstausgleich bereitzustellen. Beispielsweise kann das zweite Detektorarray den gleichen Typ oder die gleiche Konfiguration wie Detektorarray 734 aufweisen. Das zweite Detektorarray kann jedoch so konfiguriert werden, dass es nur Hintergrundlicht oder Rauschen empfängt und das Rauschsignal an die Steuerung bereitstellt. Die Steuerung kann somit die von dem ersten und dem zweiten Detektorarray bereitgestellten Signale korrelieren, indem sie beispielsweise die Hintergrundrauschsignale, die von dem zweiten Detektorarray bereitgestellt werden, von dem Signal subtrahiert, das von dem ersten Detektorarray bereitgestellt wird (das sowohl das von einem Objekt erzeugte Streulicht als auch das Hintergrundrauschen einschließt). Der Selbstausgleich kann die Leistung des LiDAR-Systems unter bestimmten Bedingungen verbessern, bei denen das Hintergrundrauschen nicht ohne Weiteres von dem Streulicht eines Objekts unterschieden werden kann. Zum Beispiel leuchten in der Nacht viele Umgebungslichter und somit kann das Hintergrundrauschen Licht mit der vom LiDAR-System verwendeten Laserwellenlänge einschließen. Dies hat zur Folge, dass das Streulicht eines Objekts bei fehlendem Selbstausgleich nicht ohne weiteres von Umgebungslicht unterschieden werden kann.
10 zeigt einen veranschaulichenden Prozess 1000 gemäß einer Ausführungsform. Der Prozess 1000 kann in einem LiDAR-System, wie LiDAR-System 700, implementiert sein. Der Prozess 1000 kann bei Schritt 1010 beginnen, wo die Sendung eines Lichtimpulses über ein Strahllenksystem so gesteuert wird, dass dieser entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfeldes (FOV) gelenkt wird, wobei jeder gesendete Lichtimpuls einem eindeutigen Strahlengang entspricht. Beispielsweise kann das Strahllenksystem 720 steuern, wohin jeder Lichtimpuls innerhalb eines FOV des LiDAR-Systems gelenkt wird, und die Steuerschaltung 750 hat Kenntnis über den Strahlengang. In Schritt 1020 wird eine Teilmenge von Detektorsegmenten eines Detektorarrays, die eine Vielzahl von Detektorsegmenten umfasst, basierend auf dem Strahlengang aktiviert. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung 750 ein oder mehrere Detektorsegmente 734a-734i des Detektorarrays 734 basierend auf dem Strahlengang des Lichts, das durch das Strahllenksystem gesendet wird, drehen. In Schritt 1030 werden die Detektorsegmente, die nicht in der aktivierten Teilmenge eingeschlossen sind, deaktiviert. Die aktivierte Teilmenge von Detektorsegmenten überwacht in Schritt 1040 hinsichtlich eines Rückimpulses. Wenn ein Rückimpuls in der aktivierten Teilmenge der Detektorsegmente detektiert wird (in Schritt 1050), wird der detektiert Rückimpuls verarbeitet (in Schritt 1060). Das heißt, der detektierte Rückimpuls wird verwendet, um einen Einzelbild des FOV zu erzeugen. Wenn die Bestimmung in Schritt 1050 NEIN ergibt, kann Prozess 1000 zu Schritt 1010 zurückkehren.
Es sollte beachtet werden, dass die in 10 gezeigten Schritte lediglich veranschaulichend sind und dass zusätzliche Schritte hinzugefügt werden können.
11A und 11B zeigen vereinfachte Diagramme jeweils des LiDAR-Systems 1100 und 1150. Die LiDAR-Systeme 1100 und 1150 können viele der gleichen Komponenten wie das LiDAR-System 700 einschließen und können die Laserquellen 1110 und 1160, die Galvo-Steuerungen 1120 und 1170, die Galvos 1125 und 1175, die Wiederholungsratensteuerungen 1130 und 1180 sowie die MEMS-Steuerungssysteme 1140 und 1190 einschließen. Die Galvos 1120 und 1170 können sich zwischen den Systemen 1100 und 1150 unterscheiden. Galvo 1120 kann ein einflächiger Spiegel sein, während Galvo 1170 ein zweiflächiger Spiegel sein kann. Beide Galvos 1120 und 1170 oszillieren, um Laserimpulse zu ihrem jeweiligen MEMS-Lenksystem umzuleiten und eine erste Achse des FOV des LiDAR-Systems zu steuern. Der Betrieb der Galvos 1100 und 1150 kann unterschiedliche Abtastmuster erzeugen (unter der Voraussetzung, dass alle Umstände gleich sind, wie z. B. eine konstante Wiederholungsrate). Falls gewünscht, kann die Position der Galvos 1125 und 1175 mit den MEMS-Lenksystemen 1140 bzw. 1175 umgeschaltet werden, sodass während der Oszillation des Galvos 1120 der Galvo 1120 an den Übergangspunkten (z. B. dem Punkt, an dem die einzelne Ebene ihre Richtung umkehrt) langsamer wird. Dadurch kann die Abtastdichte an den Übergangspunkten höher sein als an anderen Stellen des Oszillationszyklus. Zum Beispiel zeigt 12A eine veranschaulichende Abtastdichte, die durch Galvo 1120 erzeugt wird (wenn die Wiederholungsrate konstant gehalten wird). Wie in 12A gezeigt, ist die Dichte in der Nähe der Übergangspunkte höher als an den anderen Punkten. Die höhere Dichte in der Nähe der Übergangspunkte kann möglicherweise nicht so wie gewünscht sein, da die Lichtdurchlässigkeit in diesen Bereichen innerhalb des FOV möglicherweise nicht so nützlich ist wie in anderen Winkeln innerhalb des FOV. Eine Möglichkeit, die Dichte der Lichtübergänge während des Oszillationszyklus des Galvos 1120 zu steuern, ist das Steuern der Wiederholungsrate der von der Laserquelle 1110 emittierten Lichtimpulse. Die Wiederholungsratensteuerung 1130 kann die Wiederholungsrate steuern. Zum Beispiel kann das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen an den Übergangspunkten und/oder in der Nähe der Übergangspunkte für das Galvo 1120 vergrößert werden (z. B. um die Frequenz zu verringern). Auf diese Weise kann, wenn sich Galvo 1120 an seinen Übergangspunkten befindet oder sich diesen nähert, die Wiederholungsrate verringert werden, um die Dichte der Lichtimpulse zu reduzieren, die an oder in der Nähe des Übergangspunktes gesendet werden. Falls gewünscht, kann die Wiederholungsrate für eine oder mehrere Bereiche von Interesse innerhalb des FOV erhöht werden. Zum Beispiel kann die Wiederholungsrate erhöht werden, wenn Galvo 1120 so positioniert ist, dass es Lichtimpulse in Winkeln im Bereich zwischen -2 Grad und 3 Grad des FOV des LiDAR-Systems sendet. 12B zeigt eine veranschaulichende Abtastdichte, die durch Galvo 1120 erzeugt wird, wenn die Wiederholungsrate gesteuert wird. Wie gezeigt, ist die Dichte im mittleren Abschnitt des FOV größer und an den Übergangspunkten weniger dicht.
Der zweiflächige Spiegel von Galvo 1170 kann mit einem Direktantrieb oder einem Resonanzantrieb angetrieben werden. Der Direktantrieb wird üblicherweise für relativ langsame Abtastraten (z. B. bis etwa 3 Hertz) verwendet und ein Resonanzantrieb wird üblicherweise für relativ schnelle Abtastraten (z. B. größer als 5 Hertz) verwendet. Direktantriebe können bei schnelleren Abtastraten eingeschränkt sein, da die zur Unterstützung der Abtastrate erforderliche Leistung der dritten Potenz der Frequenz entspricht. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass ein starker Gegenstrom erforderlich ist, um die Richtung umzukehren. Daher ist eine schnellere Abtastrate zwar wünschenswert, aber in der Implementierung möglicherweise nicht praktikabel. Wenn zum Beispiel ein System, wie beispielsweise System 1100, ein Direktlaufwerk verwendet, können höhere Abtastraten um den Preis einer erheblichen Leistungseinbuße realisiert werden. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass erhebliche Energie aufgewendet werden muss, um die Richtung der Bewegung des einflächigen Spiegels umzukehren. Außerdem ist, da ein einflächiger Spiegel in einem Direktantriebsmodus verwendet wird, die Abtastdichte am oberen und unteren Ende des vertikalen Sichtfelds relativ höher und der mittlere Bereich des Sichtfelds weist eine relativ niedrige Abtastdichte auf, wie in 12A gezeigt.
In einem System wie dem System 1150, das einen zweiflächigen Spiegel verwendet, können unter Verwendung eines resonanten Antriebsmodus höhere Abtastraten erreicht werden. Der resonante Antriebsmodus kann eine „Feder“ oder potenzielle Energie nutzen, um bei relativ höheren Frequenzen ohne eine exponentielle (z. B. dritte Potenz der Frequenz) Leistungseinbuße betrieben zu werden. Die Verwendung eines zweiflächigen Spiegels im Resonanzmodus kann zu einer Abtastdichte führen, die im mittleren Abschnitt des Sichtfelds im Vergleich zu den oberen und unteren Abschnitten relativ höher ist. Siehe zum Beispiel 12B, welche die Abtastdichte eines Systems unter Verwendung eines zweiflächigen Spiegels in einem Resonanzmodus zeigt. Es ist zu beachten, dass, obwohl 12B auch im Zusammenhang mit System 1100 verwendet wird, das gleiche Abtastmuster von beiden Systemen 1100 und 1150 wiedergegeben werden kann.
12C zeigt ein veranschaulichendes Sichtfeld (FOV) 1200 eines LiDAR-Systems gemäß einer Ausführungsform. Wie gezeigt, ist FOV 1200 ein zweidimensionaler Raum, der durch X- und Y-Dimensionen begrenzt ist. Obwohl das LiDAR-System Datenpunkte aus der Gesamtheit des FOV 1200 sammeln kann, können bestimmte Bereiche von Interesse (ROI, regions of interest) eine höhere Priorität gegenüber anderen Bereichen innerhalb des FOV 1200 aufweisen (z. B. wie etwa unerwünschte Bereiche, die den gesamten Raum innerhalb des FOV 1200 einnehmen, der kein ROI ist). 12 zeigt fünf verschiedene veranschaulichende ROIs 1210-1214, um verschiedene Bereiche innerhalb des FOV 1200 zu veranschaulichen, die zusätzliche Datenpunkte erfordern als andere Bereiche innerhalb des FOV 1200. Zum Beispiel belegt ROI 1210 ein ganzes Band mit einer festen y-Achsenhöhe über die x-Achse des FOV 1200 hinweg. Die ROIs 1211 und 1212 zeigen lokalisierte ROIs unterhalb von ROI 1210 und ROIs 1213 und 1214 zeigen lokalisierte ROIs oberhalb von ROI 1210. Es versteht sich, dass eine beliebige Anzahl von ROIs vorhanden sein kann und dass die ROIs einen beliebigen Abschnitt des FOV 1200 einnehmen können. Hierin erörterte Ausführungsformen ermöglichen das Sammeln zusätzlicher Datenpunkte in den ROIs auf eine Weise, die den Betrieb des LiDAR-Systems nicht stört.
13 zeigt ein veranschaulichendes Blockdiagramm eines LiDAR-Systems 1300 gemäß einer Ausführungsform. Das LiDAR-System 1300 kann das Lasersubsystem 1310, das Empfängersystem 1320, die Lasersteuerung 1330, die Bereich von Interesse-Steuerung 1340, die MEMS-Struktur 1350, die MEMS-Steuerung 1355, den Spiegel 1360 und die Spiegelsteuerung 1365 einschließen. Das LiDAR-System 1300 kann in einem oder mehreren Gehäusen enthalten sein. In Ausführungsformen mit mehreren Gehäusen kann mindestens eines der Gehäuse eine temperaturgesteuerte Umgebung sein, in der ausgewählte Abschnitte des LiDAR-Systems 1300 (z. B. Lasersteuerung 1330, Laserquelle 1312, Steuerung 1340) enthalten sind. Die MEMS-Struktur 1350, die MEMS-Steuerung 1355, der Spiegel 1360 und die Spiegel-Steuerung 1365 können gemeinsam durch das Strahllenksystem 1369 dargestellt werden.
Das Lasersubsystem 1310 kann betriebsfähig sein, um die Lichtenergie auf den Spiegel 1360 zu lenken, welcher die Lichtenergie auf die MEMS-Struktur 1350 umlenkt. Der Spiegel 1360 kann unter der Steuerung der Spiegelsteuerung 1365 bewegt werden, welche die Geschwindigkeit und Richtung der Spiegelbewegung steuern kann. Wenn sich der Spiegel 1360 bewegt, bewirkt er, dass das vom Lasersubsystem 1310 gesendete Licht an die MEMS-Struktur 1350 ankoppelt. Die MEMS-Struktur 1350 kann ein MEMS-Spiegel oder ein Flüssigkristall sein. Die MEMS-Struktur 1350 wird durch die MEMS-Steuerung 1355 gesteuert und ist betriebsfähig, um die vom Spiegel 1360 empfangene Lichtenergie gemäß den Sichtfeldparametern des LiDAR-Systems 1300 zu lenken. Das heißt, wenn das LiDAR-System 1300 ein Sichtfeld mit der Reichweite z, einem lateralen Winkel x und einem vertikalen Winkel y aufweist, kann die Reichweite z durch die Leistung der Laserquelle 1312, der vertikale Winkel y durch die MEMS-Struktur 1350 und der laterale Winkel x durch die Bewegung des Spiegels 1360 gesteuert werden. Lichtenergie, die von Objekten innerhalb des Sichtfelds zurückreflektiert wird, kehrt zur Polygonstruktur 1350 zurück, wo sie zu dem Spiegel 1360 zurückgelenkt wird, welcher sie zum Empfängersystem 1320 zurückleitet.
Das Empfängersystem 1320 kann Empfangsoptiken 1322, Detektorarray 1324 und Detektorarraysteuerung 1326 einschließen. Die Empfangsoptik 1322 kann betriebsfähig sein, um zurückgesendete Lichtimpulse zu sammeln und die zurückgesendetes Impulse an das Detektorarray 1324 zu lenken. Das Detektorarray 1324 kann mehrere Detektorsegmente einschließen, die unter der Anweisung der Detektorarraysteuerung 1326 selektiv EIN- und AUSgeschaltet werden. Die Detektorarraysteuerung 1326 kann die Detektorsegmente basierend auf Registrierungssignalen, die von der Spiegelsteuerung 1365 und/oder der MEMS-Steuerung 1355 bereitgestellt werden, selektiv EIN- und AUSschalten. Auf diese Weise können zwei verschiedene Grade der Winkelsteuerung verwendet werden, um eine selektive Aktivierung und Deaktivierung von Detektorsegmenten zu registrieren.
Wie hierin definiert, kann eine Bildrate auf die Zeit Bezug nehmen, die das Abtastsystem 1302 benötigt, um einen vollständigen Scan des FOV abzuschließen. Für jedes Einzelbild kann das Abtastsystem 1302 Datenpunkte aus jeder Zeile (oder Spalte) einer Vielzahl von Zeilen (oder Spalten) erhalten, die durch das FOV definiert sind. Jede Zeile kann einem vertikalen Winkel innerhalb des vertikalen Bereichs des FOV entsprechen. Der vertikale Winkel wird durch den Spiegel 1360 gesteuert. Wenn sich der Spiegel 1360 bewegt, ändert sich der vertikale Winkel, wodurch das Abtastsystem 1302 Datenpunkte aus mehreren Zeilen innerhalb des FOV erhalten kann. Die vertikale Winkelauflösung nimmt Bezug auf den Abstand zwischen benachbarten Zeilen von Datenpunkten. Eine Erhöhung der Vertikalwinkelauflösung entspricht einem dichteren Abstand zwischen benachbarten Zeilen, und eine solche Erhöhung kann durch Verringerung des Deltas der vertikalen Winkel zwischen benachbarten vertikalen Winkeln erreicht werden. Das Delta zwischen benachbarten vertikalen Winkeln kann verringert werden, indem die Bewegung des Spiegels 1360 verlangsamt wird. Das heißt, mit abnehmender Geschwindigkeit der Spiegelbewegung nimmt die Änderung des Deltas des vertikalen Winkels ab. Eine Verringerung der Vertikalwinkelauflösung entspricht einem geringeren Abstand zwischen benachbarten Zeilen, und eine solche Verringerung kann durch Vergrößern des Deltas des vertikalen Winkels erreicht werden. Das Delta zwischen benachbarten vertikalen Winkeln kann durch Beschleunigen der Bewegung des Spiegels 1360 vergrößert werden. Das heißt, mit zunehmender Geschwindigkeit der Spiegelbewegung nimmt die Änderung des Deltas des vertikalen Winkels zu.
Die Vielzahl von Datenpunkten, die innerhalb einer beliebigen Zeile erhalten werden, kann von einem horizontalen Winkel innerhalb des horizontalen Bereichs des FOV abhängen. Der horizontale Bereich kann durch das Polygon 1350 gesteuert werden und die horizontale Winkelauflösung kann durch ein Zeitintervall aufeinanderfolgender Laserimpulse gesteuert werden. Das Zeitintervall hängt manchmal mit der Wiederholungsrate zusammen. Ein kleineres Zeitintervall kann zu einer erhöhten horizontalen Winkelauflösung führen, und ein größeres Zeitintervall kann zu einer verringerten horizontalen Winkelauflösung führen.
Die vorstehende Bezugnahme auf vertikale und horizontale Winkel und vertikale und horizontale Winkelauflösung wurde in Bezug auf ein System gemacht, bei dem der Spiegel 1360 den horizontalen Winkel steuert. Es versteht sich, dass der Spiegel 1360 zum Steuern des vertikalen Winkels umfunktioniert und in einem anderen System als dem in 13 gezeigten verwendet werden kann.
Das Lasersubsystem 13 10 kann die Laserquelle 1312 und die Faserspitzen 13 14-13 16 einschließen. Eine beliebige Anzahl von Faserspitzen kann verwendet werden, wie die Bezeichnung „n“ der Faserspitze 1316 angibt. Wie gezeigt, kann jede der Faserspitzen 1314-1316 der Laserquelle 1312 zugeordnet sein. Die Laserquelle 1312 kann ein Faserlaser oder ein Diodenlaser sein. Die Faserspitzen 1314-1316 können in einer festen Ausrichtung ausgerichtet sein, sodass das aus jeder Spitze austretende Licht an einer bestimmten Stelle auf den Spiegel 1360 trifft. Die tatsächliche Ausrichtung kann von mehreren Faktoren abhängen, einschließlich beispielsweise der Bildrate, der Spiegelbewegung und -geschwindigkeit, der Polygongeschwindigkeit, den ROIs, der Wiederholungsrate usw. Auf weitere Erörterungen von Faserspitzen und deren Eigenschaften bei der Gewinnung zusätzlicher Datenpunkte innerhalb von ROIs wird nachstehend ausführlicher eingegangen.
Die Lasersteuerung 1330 kann betriebsfähig sein, um die Laserquelle 1312 zu steuern. Insbesondere kann die Lasersteuerung 1330 die Leistung der Laserquelle 1312 steuern, kann eine Wiederholungsrate oder ein Zeitintervall von Lichtimpulsen steuern, die von der Laserquelle 1312 emittiert werden (über das Zeitintervall-Einstellmodul 1332), und kann die Impulsdauer der Laserquelle 1312 steuern. Das Zeitintervall-Einstellmodul 1332 kann betriebsfähig sein, um die Wiederholungsrate/das Zeitintervall des Sendeimpulses des Lasers 1310 zu steuern und/oder einzustellen. Die Zeitintervall-Einstellschaltung 1332 kann die Wiederholungsrate/das Zeitintervall für verschiedene Bereiche innerhalb des FOV variieren. Zum Beispiel kann die Wiederholungsrate für ROIs erhöht werden, kann aber für Bereiche des FOV, die nicht von Interesse sind, verringert werden. Als weiteres Beispiel kann das Zeitintervall für ROIs verringert und für Bereiche des FOV, die nicht von Interesse sind, erhöht werden.
Die Bereich von Interesse-Steuerung 1340 kann betriebsfähig sein, um das LiDAR-System 1300 so zu steuern, dass es zusätzliche Datenpunkte für die ROIs gewinnt. Das heißt, wenn das LiDAR-System 1300 einen ROI abtastet, kann die ROI-Steuerung 1340 das System 1300 dazu veranlassen, anders zu arbeiten als wenn das System 1300 keinen ROI abtastet. Die ROI-Steuerung 1340 kann den Betrieb der Lasersteuerung 1330, der Polygonsteuerung 1355 und der Spiegelsteuerung 1365 steuern, um die Datenmenge zu ändern, die durch das System 1300 gewonnen wird. Die ROI-Steuerung 1340 kann mehrere Eingaben empfangen, die vorgeben, wie sie das Abtastsubsystem 1302 steuern soll. Die Eingaben können zum Beispiel die Bildrate 1342, die dünn besetzten Bereiche 1343, die dicht besetzten Bereiche 1344, den Abstandsbereich oder jede andere geeignete Eingabe einschließen. Die Bildrate 1342 kann die Frequenz angeben, mit der das Abtastsubsystem 1302 eine FOV-Abtastung abschließt. Die dünn besetzten und die dicht besetzten Bereiche 1343 und 1344 können spezifische Positionen von ROIs bereitstellen. Zum Beispiel können die dicht besetzten Bereiche 1344 ROIs entsprechen, und die dünn besetzten Bereiche 1343 können Bereichen innerhalb des FOV entsprechen, die keine ROIs sind. Die Faserspitzenwinkel 1345 können als Konstruktionsbedingung verwendet werden, innerhalb derer das Abtastsubsystem 1302 arbeitet, um das Abtasten optimal durchzuführen.
Spiegel 1360 kann ein einflächiger oder mehrflächiger Spiegel sein, der hin- und herschwingt, um die von der Laserquelle 1312 emittierte Lichtenergie auf die MEMS-Struktur 1350 umzulenken. Der einflächige Spiegel kann in den oberen und unteren Abschnitten des vertikalen Sichtfeldes eine höhere Auflösung bereitstellen als im mittleren Abschnitt, während der mehrflächige Spiegel in einem mittleren Abschnitt des vertikalen Sichtfeldes eine höhere Auflösung bieten kann als in den oberen und unteren Abschnitten. Spiegel 1360 kann ein Galvanometer sein. Das Variieren der Oszillationsgeschwindigkeit innerhalb eines Oszillationszyklus kann es dem Abtastsubsystem 1302 ermöglichen, dünn besetzte oder dicht besetzte Datenpunkte innerhalb des FOV zu erfassen. Wenn zum Beispiel dicht besetzte Datenpunkte erforderlich sind (für einen bestimmte ROI), kann die Bewegungsgeschwindigkeit reduziert werden, und wenn dünn besetzte Datenpunkte erforderlich sind (für Nicht-ROIs), kann die Bewegungsgeschwindigkeit erhöht werden.
14 zeigt eine veranschaulichende Faserspitzenanordnung gemäß einer Ausführungsform. Es wird gezeigt, dass vier Faserspitzen 1401-1404 so zueinander ausgerichtet sind, dass zwischen den benachbarten Faserspitzen der gleiche Winkel α besteht. Mehrere Faserspitzen (im Gegensatz zu nur einer Faserspitze) können verwendet werden, sodass eine hohe Datenerfassung erreicht wird. Wenn ein ROI abgetastet wird, wird die Spiegelbewegungsgeschwindigkeit auf eine ROI-Geschwindigkeit (z. B. eine Geschwindigkeit, die langsamer ist als eine dünn besetzte oder Nicht-ROI-Geschwindigkeit) eingestellt, wobei die Kombination aus zusätzlichen Faserspitzen und reduzierter relativer Spiegelbewegungsgeschwindigkeit eine dicht besetztere Datenerfassung ergibt. Wenn ein Nicht-ROI abgetastet wird, arbeitet die Spiegelbewegungsgeschwindigkeit außerdem mit einer Nicht-ROI-Geschwindigkeit (z. B. einer Geschwindigkeit, die schneller ist als die ROI-Geschwindigkeit), und das Vorhandensein mehrerer Faserspitzen stellt sicher, dass eine ausreichende Datenerfassung erreicht wird. Der Winkel α kann basierend auf Eigenschaften der Lichtenergie, die von jeder Faserspitze emittiert wird (z. B. Größe), den Geschwindigkeits- und Bewegungseigenschaften eines Spiegels (z. B. Spiegel 1360) sowohl für ROIs als auch für Nicht-ROIs und der Geschwindigkeit des Polygons (z. B. Polygonstruktur 1350) ausgewählt werden. Die Winkel zwischen den einzelnen Spitzen können gleich oder unterschiedlich sein.
In einigen Ausführungsformen können alle vier Faserspitzen derselben Laserquelle zugeordnet sein. Wenn also die Laserquelle AUSgeschaltet ist, emittiert keine der Faserspitzen Lichtenergie. In einer anderen Ausführungsform kann jeder Faserspitze eine eigene jeweilige Laserquelle zugeordnet sein. Diese Ausführungsform stellt ein hohes Maß an EIN/AUS-Steuerung jeder Faserspitze bereit. In noch einer anderen Ausführungsform kann eine Teilmenge der Faserspitzen derselben Laserquelle zugeordnet sein. Zum Beispiel können sich die Faserspitzen FT1 und FT3 eine erste gemeinsame Laserquelle teilen und die Faserspitzen FT2 und FT4 können sich eine zweite gemeinsame Laserquelle teilen. Diese Ausführungsform stellt ein Gleichgewicht zwischen allen oder keiner und einer individuellen EIN/AUS-Steuerung bereit.
15A zeigt eine Mehrspiegelausrichtungsanordnung (MMAA, multiple mirror alignment arrangement) 1500, die für ROI- und Nicht-ROI-Ausführungsformen verwendet werden kann. MMAA 1500 ist eine Alternative zur Verwendung mehrerer Faserspitzen, wie die in 14 gezeigte. Wie dargestellt, zeigt MMAA 1500 den Kollimator 1510, die teilreflektierenden Spiegel 1521-1523 und den reflektierenden Spiegel 1524. Die von einer Laserquelle (nicht dargestellt) stammende Lichtenergie wird zu dem Kollimator 1510 geleitet, der die Lichtenergie auf den teilreflektierenden Spiegel 1521 lenkt. Der teilreflektierende Spiegel 1521 lässt einen Teil der Lichtenergie durch (dargestellt als Austrittsweg 1531) und die verbleibende Lichtenergie wird zum teilreflektierenden Spiegel 1522 umgelenkt. Der teilreflektierende Spiegel 1522 lässt einen Teil der Lichtenergie zum teilreflektierenden Spiegel 1523 durch. Der teilreflektierende Spiegel 1522 lenkt die Lichtenergie entlang des Austrittswegs 1532 um. Der teilreflektierende Spiegel lässt einen Teil der Lichtenergie zum teilreflektierenden Spiegel 1524 durch. Der teilreflektierende Spiegel 1523 lenkt die Lichtenergie entlang des Austrittswegs 1533 um. Der reflektierende Spiegel 1524 kann die gesamte oder mindestens einen Teil der gesamten verbleibenden Lichtenergie entlang des Austrittswegs 1534 umlenken.
Die Winkel zwischen benachbarten Austrittswegen können gewählt werden, um die gewünschte Auflösung für ROIs und Nicht-ROIs zu erreichen. Zum Beispiel können die Winkel zwischen benachbarten Austrittswegen ähnlich den in 14 gezeigten α-Winkeln sein. In einigen Ausführungsformen kann der Winkel zwischen benachbarten Austrittswegen fest sein. In anderen Ausführungsformen kann der Winkel zwischen benachbarten Austrittswegen variabel sein. Eine variable Winkeleinstellung kann verwendet werden, um bei Bedarf unterschiedliche Auflösungen bereitzustellen. Wenn zum Beispiel das LiDAR-System in einem Fahrzeug verwendet wird, können die Winkel auf eine erste Konfiguration eingestellt werden, wenn das Fahrzeug in einem ersten Modus betrieben wird (z. B. Fahren mit Autobahngeschwindigkeiten oder Fahrzeug wird von einem ersten Fahrer gefahren), und können auf eine zweite Konfiguration eingestellt werden, wenn das Fahrzeug in einem zweiten Modus betrieben wird (z. B. Fahren mit Ortsgeschwindigkeiten oder Fahrzeug wird von einem zweiten Fahrer gefahren).
15B zeigt eine weitere Mehrspiegelausrichtungsanordnung (MMAA) 1501, die für ROI- und Nicht-ROI-Ausführungsformen verwendet werden kann. MMAA 1501 ist eine Alternative zu MMAA 1500. Wie dargestellt, zeigt MMAA 1501 den Kollimator 1512, die teilreflektierenden Spiegel 1525-1527, den reflektierenden Spiegel 1528 und die Austrittswege 1535-1538. MMAA 1501 ähnelt MMAA 1500 mit Ausnahme der Positionierung des Kollimators 1512. Wie dargestellt, ist der Kollimator 1512 über dem Spiegel 1525 positioniert. Falls gewünscht, kann der Kollimator 1512 unterhalb des Spiegels 1528 positioniert werden. Als eine weitere Alternative kann der Kollimator 1512 auf einen anderen Spiegel, wie den Spiegel 1526 oder den Spiegel 1527, gerichtet werden und solche Spiegel können die Lichtenergie nach Bedarf umlenken, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
15C zeigt eine veranschaulichende Mehrfachkollimatoranordnung 1550, die für ROI- und Nicht-ROI-Ausführungsformen verwendet werden kann. Anordnung 1550 kann die Kollimatoren 1561-1563 einschließen. Jeder der Kollimatoren 1561-1563 kann seiner eigenen Laserquelle zugeordnet sein. Die Zuordnung jedes Kollimators zu seiner eigenen Laserquelle ermöglicht ein selektives EIN- und AUSschalten der Lichtenergie, die von jedem Kollimator ausgeht. Für dünn besetzte Bereiche können eine oder mehrere der Laserquellen AUSgeschaltet werden (um Strom zu sparen) und für dicht besetzte Bereiche können alle Laserquellen EINgeschaltet werden, um die Auflösung zu maximieren. Jeder der Kollimatoren 1561-1563 kann in einer bestimmten Ausrichtung fixiert sein, um den gewünschten α-Winkel zwischen jedem Kollimator zu erreichen. Falls gewünscht, kann jeder der Kollimatoren 1561-1563 beweglich sein, um den α-Winkel zwischen jedem Kollimator dynamisch einzustellen.
15D zeigt eine veranschaulichende Kollimator- und Linsenanordnung 1570, die zum Steuern der Divergenz des Lichtstrahls des vorhandenen Kollimators 1571 gemäß einer Ausführungsform verwendet werden kann. Linse 1572 kann zu dem Kollimator 1571 hin und von diesem weg bewegt werden, um die Divergenz des Lichtstrahls einzustellen. Anordnung 1570 kann verwendet werden, um die Größe des Lichtstrahls, mit der dieser vom Abtastsystem projiziert wird, anzupassen. Für ROI-Bereiche kann es wünschenswert sein, einen relativ schmalen Strahl zu haben. Um einen relativ schmalen Strahl zu erzeugen, kann die Linse 1572 in einem schmalen Strahlabstand von dem Kollimator 1571 positioniert sein. Für Nicht-ROI-Bereiche kann es wünschenswert sein, einen relativ breiten Strahl zu haben. Um einen relativ breiten Strahl zu erzeugen, kann die Linse 1572 in einem breiten Strahlabstand von dem Kollimator 1571 positioniert sein.
16 zeigt eine veranschaulichende Abtastauflösung unter Verwendung mehrerer Faserspitzen, einer Mehrfachspiegelausrichtungsanordnung oder einer Mehrfachkollimatoranordnung gemäß einer Ausführungsform. Gezeigt werden die veranschaulichenden vertikalen Auflösungslinien von Faserspitzen (FT1-FT4). Die Auflösungslinien sind, wie gezeigt, nach dünn besetzter Auflösung und dicht besetzter Auflösung gruppiert. In dünn besetzten Bereichen bewegt das Abtastsystem den Spiegel mit einer relativ schnelleren Geschwindigkeit als in dem dicht besetzten Bereich und in dicht besetzten Bereichen bewegt das Abtastsystem den Spiegel mit einer relativ langsameren Geschwindigkeit als in dem dünn besetzen Bereich. Der Abstand zwischen den benachbarten Abtastlinien (wie durch das wiederholte Muster von FT₁-FT₄ gezeigt) ist im Wesentlichen äquidistant. Dieser äquidistante Abstand kann durch Abstimmung der Ausrichtung der Faserspitzen auf die Bildrate, die Spiegelgeschwindigkeit, die Polygongeschwindigkeit und beliebige andere geeignete Faktoren ermöglicht werden. Im Gegensatz dazu kann, wenn die Ausrichtung der Faserspitzen nicht richtig koordiniert ist, der äquidistante Abstand möglicherweise nicht möglich sein, wodurch sich ein unerwünschtes Abtastmuster ergibt. In dem dicht besetzten Bereich kann jede Faserspitze mehrere Auflösungslinien bereitstellen. Zum Beispiel stellt FT1, wie gezeigt, vier Auflösungslinien bereit, bevor FT2 seine vier Auflösungslinien bereitstellt. Somit stellt jede Faserspitze vier Auflösungslinien bereit, bevor zur nächsten Faserspitze übergegangen wird. Es versteht sich, dass die Anzahl der Auflösungslinien, die von jeder Faserspitze bereitgestellt werden, von einer Reihe von Faktoren abhängig ist, einschließlich beispielsweise von der Spiegelgeschwindigkeit, der Polygongeschwindigkeit und dem Winkel zwischen den Faserspitzen. Die Auflösungslinien zwischen den Faserspitzen können sich am Übergang zwischen den dünn besetzten und den dicht besetzten Bereichen überlappen. Zum Beispiel kann mindestens eine Auflösungslinie von einer oder mehreren der Faserspitzen FT2-FT4 von den vier Auflösungslinien, die zu FT1 gehören, überlappt werden (wie in 17A gezeigt).
Der Winkel zwischen den Faserspitzen (z. B. α) kann basierend auf den Spiegelgeschwindigkeiten, der Polygongeschwindigkeit, der gewünschten Winkelauflösung der ROI und einer Anforderung, dass der Abstand zwischen den Auflösungslinien in dem/den dünn besetzten Bereich(en) im Wesentlichen äquidistant zueinander sein soll, ausgewählt werden. Mindestens zwei unterschiedliche Spiegelgeschwindigkeiten werden verwendet, um die dicht besetzten und dünn besetzten Auflösungen bereitzustellen, und es ist die Varianz der Spiegelgeschwindigkeiten, die bewirken kann, dass die Auflösungslinien nicht äquidistant sind, wenn die Winkel zwischen den Faserspitzen nicht richtig ausgerichtet sind. Zum Beispiel wird angenommen, dass der Winkel des dichten Bereichs θ ist. θ kann die Summe der Grade innerhalb des FOV darstellen, die Teil des ROI sind und eine dicht besetzte Auflösung erfordern. Wenn die Spiegelgeschwindigkeit über das gesamte Einzelbild konstant ist, kann der Winkel zwischen den Faserspitzen α etwa θ/n betragen, wobei n die Anzahl der Faserspitzen ist. Dieser Winkel α_cs, der als Winkel mit konstanter Geschwindigkeit bezeichnet wird, kann zwar einen Zielwinkel für die Faserspitzen darstellen, jedoch sind zusätzliche Berechnungen erforderlich, um zu berücksichtigen, dass der Spiegel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben wird und dadurch α nicht exakt auf θ/n eingestellt werden kann. Die dünn besetzten Bereiche müssen berücksichtigt werden. Im dünn besetzten Bereich sei angenommen, dass der gewünschte Winkel zwischen benachbarten Auflösungslinien φ ist. Für das Beispiel kann φ zwischen FT1 und FT2, zwischen FT2 und FT3, zwischen FT3 und FT4, zwischen FT4 und FT 1 im dünn besetzten Bereich liegen. Um φ zwischen verschiedenen Faserspitzen zu erreichen, kann der Winkel zwischen den Faserspitzen mit der folgenden Gleichung berechnet werden: $α = α_{vs} = ϕ * n * 2 - ϕ$

wobei α_vs der Winkel mit einem Spiegel mit variabler Geschwindigkeit ist, φ der Winkel zwischen benachbarten Auflösungslinien innerhalb des dünn besetzten Bereichs ist, n die Anzahl der Faserspitzen ist und die Zahl 2 ein Skalierungsfaktor ist, um überlappende Auflösungslinien zu berücksichtigen. Die Variablen φ, n, Spiegelgeschwindigkeit und Polygongeschwindigkeit sind so gewählt, dass α_vs gleich oder annähernd gleich α_cs ist. Das Auswählen der Variablen derart, dass α_vs gleich oder annähernd gleich α_cs ist, ermöglicht es dem Abtastsystem, die gewünschten Abtastdichten sowohl für ROI- als auch für Nicht-ROI-Bereiche innerhalb des FOV in jedem Einzelbild zu erreichen.

17A zeigt ein weiteres veranschaulichendes Diagramm der vertikalen Auflösung unter Verwendung mehrerer Faserspitzen oder einer Mehrfachspiegelausrichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform. Es sind dünn besetzte Bereiche und ein dicht besetzter Bereich dargestellt. Es werden vier Faserspitzen FT 1-4 verwendet. Im dünn besetzten Bereich sind die Auflösungslinien für jede Faserspitze gleichmäßig beabstandet. Im dicht besetzten Bereich sind die vertikalen Auflösungslinien im Wesentlichen dichter als die vertikalen Auflösungslinien in den dünn besetzten Bereichen. Innerhalb des dicht besetzten Bereichs sind die vertikalen Auflösungslinien vorwiegend für jede Faserspitze gruppiert, jedoch können innerhalb einer bestimmten Gruppe auch überlappende Auflösungslinien von anderen Faserspitzen vorhanden sein.
17B zeigt eine veranschaulichende Nahansicht eines dünn besetzten Bereichs innerhalb von 17A und 17C zeigt eine veranschaulichende Nahansicht des dicht besetzten Bereichs innerhalb von 17A gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Es ist zu beachten, dass der Skalierungsfaktor in 17B weniger stark vergrößert ist als in 17C. Demzufolge zeigt 17B Auflösungslinien für mehrere Faserspitzen, während 17C mehrere Auflösungslinien für nur eine Faserspitze zeigt.
Die vorstehend erörterte dynamische Auflösung stand im Zusammenhang mit der dynamischen vertikalen Auflösung. Falls gewünscht, kann das Lasersubsystem (z. B. die Faserspitzen, die Mehrfachspiegelausrichtungsanordnung oder die Mehrfachkollimatoranordnung) in einer horizontalen Richtung (im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen vertikalen Richtung) ausgerichtet sein, um eine dynamische horizontale Auflösung bereitzustellen.
Unter der Annahme, dass Geschwindigkeitsänderungen der Spiegelbewegung verwendet werden, um die vertikale Auflösung zu steuern, kann die Wiederholungsrate oder das Zeitintervall geändert werden, um die horizontale Auflösung dynamisch zu steuern. Dies stellt eine zweiachsige dynamische Auflösungssteuerung bereit, die durch eine Steuerung (z. B. ROI-Steuerung 1340) synchronisiert werden kann, um eine erhöhte Auflösung für ROIs und eine verringerte Auflösung für Nicht-ROIs sowohl für vertikale als auch horizontale Ausrichtungen bereitzustellen. Wenn der Abtastzyklus beispielsweise auf einen ROI trifft, wird die Spiegelbewegungsgeschwindigkeit verringert und das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen verringert (wodurch die Wiederholungsrate erhöht wird). Wenn der Abtastzyklus auf einen Nicht-ROI trifft, wird die Spiegelbewegungsgeschwindigkeit erhöht und das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen vergrößert (wodurch die Wiederholungsrate verringert wird).
In einigen Ausführungsformen kann/können die Laserquelle(n) selektiv EIN- und AUSgeschaltet werden, um einen vertikalen Dynamikbereich bereitzustellen (vorausgesetzt, das Lasersubsystem ist entsprechend ausgerichtet). Dadurch kann auf die Einstellung der Spiegelgeschwindigkeit zur Erzielung einer dynamischen vertikalen Auflösung verzichtet werden. Falls gewünscht, kann/können die Laserquelle(n) jedoch in Verbindung mit Variationen der Spiegelbewegungsgeschwindigkeit selektiv EIN -und AUSgeschaltet werden.
18 zeigt veranschaulichende FOV 1800 mit Laserimpulsen variabler Größe gemäß einer Ausführungsform. FOV 1800 schließt, wie gezeigt, zwei dünn besetzte Bereiche und einen dicht besetzten Bereich ein. Sowohl der dünn besetzte als auch der dicht besetzte Bereich zeigen veranschaulichende Lichtimpulse, welche die Form unterschiedlich großer Kreise annehmen. Die Größe der dünn besetzten Kreise ist größer als die Größe der dicht besetzten Kreise. Wenn das Abtastsystem Licht auf den dünn besetzten Bereich projiziert, kann sich die Spiegelgeschwindigkeit mit einer Dünnbesetzt-Geschwindigkeit bewegen, und die Wiederholungsrate kann auf eine Wiederholungsrate des dünn besetzten Bereichs eingestellt werden. Umgekehrt kann, wenn das Abtastsystem Licht auf den dicht besetzten Bereich projiziert, die Spiegelgeschwindigkeit sich mit der Dichtbesetzt-Geschwindigkeit bewegen, und die Wiederholungsrate kann auf eine Wiederholungsrate des dicht besetzten Bereichs eingestellt werden. Die Dünnbesetzt-Geschwindigkeit ist höher ist als die Dichtbesetzt-Geschwindigkeit und die Wiederholungsrate des dünn besetzten Bereichs ist niedriger ist als die Wiederholungsrate des dicht besetzten Bereichs. Dadurch werden weniger Lichtimpulse in den dünn besetzten Bereich geschickt als in den dicht besetzten Bereich. Wäre die Kreisgröße der in den dünn besetzten Bereich projizierten Lichtimpulse gleich groß wie die Kreise in dem dicht besetzten Bereich, könnte es zu einer Unterfüllung kommen. Unterfüllung kann auftreten, wenn zu viel Raum zwischen benachbarten Lichtimpulskreisen vorhanden ist. Um eine Unterfüllung zu minimieren, ist es daher wünschenswert, einen geeignet großen Lichtimpuls sowohl für die dünn besetzten als auch für die dicht besetzten Bereiche zu projizieren.
Obwohl das LiDAR-System 1300 und die 14-18 im Zusammenhang mit einem Systems beschrieben werden, welches eine einzige große Optik und ein Detektorarray verwendet, können ähnliche Prinzipien auf ein Empfängersystem angewendet werden, welches mehrere Optiken und mehrere Detektoren verwendet, wie das nachstehend beschriebene.
Ein Mehrfachoptik-/Mehrfachdetektorsystem gemäß den hierin erörterten Ausführungsformen kann in einem LiDAR-System verwendet werden, in dem der Lichtsendeweg nicht notwendigerweise derselbe wie der Lichtempfangsweg ist. Die Entkopplung der Sende- und Empfangswege bietet Konstruktionsflexibilität bei der Platzierung jeder Optik-Detektor-Kombination. Jede Optik-Detektor-Kombination kann eine Optik einschließen, die dazu ausgelegt ist, zurückgesendete Lichtimpulse in einem innerhalb des FOV vorhanden Fensters zu erfassen und diese zurückgesendeten Lichtimpulse werden von einem Detektor verarbeitet, der dieser Optik entspricht. Jedes Fenster kann eine Teilmenge des FOV oder die Gesamtheit des FOV erfassen. Die Optiken/Detektoren können unabhängig voneinander außerhalb des Sendewegs des Lichts positioniert werden, solange ein Objekt im FOV von mindestens zwei überlappenden Fenstern erfasst wird. Das Erfassen von Rückimpulsen von einem Objekt über mindestens zwei sich überlappende Fenster kann es dem Empfängersystem ermöglichen, fehlgeleitetes Licht oder Hintergrundrauschen herauszufiltern.
23 zeigt ein veranschaulichendes LiDAR-System 2300 gemäß einer Ausführungsform. LiDAR-System 2300 kann das Lasersende- und -lenksystem 2310 und das Lichtempfängersystem 2320 einschließen. Andere Komponenten können eingeschlossen sein, werden aber weggelassen, um die Zeichnung nicht zu überladen. Die Lichtimpulse werden entlang der veranschaulichenden Wege 2311-2313 zu Objekten 2330 im FOV gesendet. Die von den Objekten 2330 zurückgesendeten Lichtimpulse werden entlang der veranschaulichenden Wege 2321-2323 zurückgesendet. Der Rückweg 2321 kann derselbe wie der Sendeweg 2313 sein und würde erfordern, dass das Sendesystem 2310 den zurückgesendeten Lichtimpuls an das Empfängersystem 2320 umlenkt (z. B. ähnlich wie Licht in 1 umgelenkt wird). Auf den Wegen 2322 und 2323 zurückgesendetes Licht fällt mit keinem Sendeweg zusammen und wird direkt zum Lichtempfängersystem 2320 zurückgeleitet. In einigen Ausführungsformen kann die erste Optik-Detektor-Kombinationen 2325 Licht detektieren, das entlang des Wegs 2322 zurückgesendet wird, und die zweite Optik-Detektor-Kombination 2326 kann Licht detektieren, das entlang des Wegs 2323 zurückgesendet wird. Beide Optik-Detektor-Kombinationen 2325 und 2326 können sich überlappende Fenster aufweisen, welche das von dem gleichen Objekt zurückgesendete Licht erfassen.
24 zeigt ein veranschaulichendes Schema von zwei Optik-Detektor-Kombinationen mit überlappenden Fenstern, welche die von demselben Objekt zurückgesendeten Lichtimpulse innerhalb eines FOV eines LiDAR-Systems erfassen. Die Detektor-Linsen-Kombination 2410 hat ein zugehöriges Fenster W 1 und die Detektor-Linsen-Kombination 2420 hat ein zugehöriges Fenster W2. Die Fenster W1 und W2 überlappen sich wie veranschaulicht.
19 zeigt ein veranschaulichendes Multilinsenarray-basiertes LiDAR-System 1900 gemäß einer Ausführungsform. System 1900 kann Laserquelle(n) 1910, Strahllenksystem 1920, Empfängersystem 1930, welches Empfangslinsenarray 1940 und Detektorschaltung 1950 und Steuerschaltung 1960 einschließen kann, einschließen. In einigen Ausführungsformen ähnelt das LiDAR-System 1900 dem LiDAR-System 700, aber die Komponenten des Empfängersystems 1930 sind unterschiedlich. Die allgemeinen Funktionsprinzipien sind ähnlich. Gegebenenfalls stammen ein oder mehrere Lichtstrahlen von der Laserquelle 1910. Zurückgesendete Impulse (nicht abgebildet) werden von dem Empfangslinsenarray 1940 gesammelt und zu der Detektorschaltung 1950 gelenkt. Die Detektorschaltung 1950 verarbeitet den zurückgesendeten Lichtimpuls und stellt ein Signal, das dem zurückgesendeten Signal entspricht, an die Steuerschaltung 1960 bereit.
Das Empfangslinsenarray 1940 kann mehrere Linsen einschließen, die als Linsen 1-N dargestellt sind. Die Kombination aller Linsen 1-N kann zurückgesendete Lichtimpulse innerhalb des FOV des LiDAR-Systems 1900 detektieren. Die Linsen können angeordnet sein, um alle zurückgesendeten Lichtimpulse irgendwo innerhalb des FOV zu detektieren, oder die Linsen können angeordnet sein, um die Detektion zurückgesendeter Lichtimpulse innerhalb von Bereichen von Interesse des FOV (z. B. -10 bis +10 Grad im vertikalen FOV) zu verstärken und die Detektion zurückgesendeter Lichtimpulse außerhalb der interessierenden Regionen zu verringern. Jede Linse kann dazu ausgelegt sein, Licht zu detektieren, das von einem Objekt innerhalb eines Fensters des FOV zurückgesendet wird. Das Fenster stellt einen Bereich innerhalb des FOV dar. Die Linsen 1-N können so angeordnet sein, dass das Fenster, das einer gegebenen Linse entspricht, sich mit mindestens einem anderen Fenster, das mindestens einer anderen Linse entspricht, überlappt. Diese Überlappung der Fenster kann es ermöglichen, dass zwei oder mehr Linsen, die den überlappenden Fenstern entsprechen, denselben zurückgesendeten Lichtimpuls empfangen. Zum Beispiel zeigt 19, dass Linse 1 und Linse 2 Fenster aufweisen, die sich überlappen, wie durch WOL1-2 gezeigt, und die Fenster der Linsen 2 und 3 sich überlappen, wie durch WOL2-3 gezeigt. Die sich überlappenden Fenster können in Kombination mit den diskreten Detektoren 1-N der Detektorschaltung 1950 das in dem FOV vorhandene Rauschen effektiv herausfiltern.
Die Detektorschaltung 1950 kann mehrere diskrete Detektoren 1-N einschließen. Die Detektoren 1-N können diskret sein und nicht ein Array von Detektoren, wie in 7 gezeigt, sein. Jeder der Detektoren 1-N ist einer der Linsen 1-N zugeordnet. Somit werden beispielsweise von der Linse 1 empfangene zurückgesendete Lichtimpulse nur von dem Detektor 1 detektiert, und von der Linse 2 empfangene zurückgesendete Lichtimpulse nur von dem Detektor 2 detektiert und so weiter. Dadurch ergibt sich eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen Linse und Detektor. Dies kann vorteilhaft sein, da diskrete Detektoren günstiger und einfacher zu implementieren sind als arraybasierte Detektoren wie das Detektorarray 734.
20 zeigt ein veranschaulichendes Diagramm des Empfängersystems 1930 von 19 gemäß einer Ausführungsform. Wie gezeigt, kann das Empfängersystem 1930 eine Empfängerverarbeitungsschaltung 1960 einschließen, die mit der Steuerschaltung 1960 identisch sein kann oder von dieser getrennt sein kann. Das System 1930 kann die Detektoren 1951-1954 (nur vier von N möglichen Detektoren sind gezeigt) und die Linsen 1941-1944 (nur vier von N möglichen Linsen sind gezeigt) einschließen. Die Empfängerverarbeitungsschaltung 1960 ist mit jedem der Detektoren 1951-1954 verbunden und jeder der Detektoren 1951-1954 ist jeweils den Linsen 1941-1944 zugeordnet. Jeder der Linsen 1941-1944 ist, wie gezeigt, ein Fenster 1941a-1944a zugeordnet. Wie ebenfalls gezeigt, überlappen sich zwei oder mehr der Fenster 1941a-1944a.
Das Multilinsenarray und die Verwendung mehrerer diskreter Detektoren können eine größere Flexibilität bei der Konstruktion und Form (z. B. dem industriellen Design) des LiDAR-Systems bereitstellen. Zum Beispiel können LiDAR-Systeme auf Fahrzeugen, wie Automobilen oder Drohnen, verwendet werden, und es kann wünschenswert sein, dass das LiDAR-System auf eine Weise in das Fahrzeug integriert oder daran befestigt wird, die optisch ansprechend und unauffällig ist, jedoch hinsichtlich seiner Leistung nicht beeinträchtigt wird.
Daher kann das Multilinsenarray so angeordnet sein, dass es eine beliebige gewünschte Anzahl und Konfiguration von Fenstern aufweist, die von Objekten im FOV zurückgesendete Licht erfassen. 21A-21F zeigen verschiedene Fensteranordnungen, die von einem entsprechenden Multilinsenarray gemäß verschiedenen Ausführungsformen abgeleitet sind. 21A zeigt ein MxN-Array von Fenstern 2102a-2102f, die mit einer horizontalen Ausrichtung angeordnet sind. Die Fenster 2102a-f können jeweils etwa die gleiche Größe aufweisen. Jedes Fenster kann drei andere Fenster überlappen. Beispielsweise kann das Fenster 2102a die Fenster 2102b, 2102d und 2102e überlappen. Die in 21A gezeigte Überlappung der Fenster ist lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, können die Fenster von 21A so angeordnet sein, dass sich nur zwei Fenster überlappen. 21B zeigt ein NxM-Array von Fenstern 2112a-2112f, die mit einer vertikalen Ausrichtung angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen ist das Array von 21B das gleiche wie das Array von 21A, jedoch um neunzig Grad gedreht.
21C zeigt eine einzelne Zeile oder Spalte der Fenster 2122a-2122e. Die Fenster 2122a und 2122e können die gleiche Größe aufweisen und die Fenster 2122b und 2122d können die gleiche Größe aufweisen und das Fenster 2122c kann eine andere Größe aufweisen als die anderen Fenster. Wie gezeigt, kann sich das Fenster 2122a nur mit dem Fenster 2122b überlappen, und das Fenster 2122b kann sich mit beiden Fenstern 2122a und 2122c überlappen, das Fenster 2122c kann sich mit den Fenstern 2122b und 2122d überlappen, das Fenster 2122d kann sich mit den Fenstern 2122c und 2122e überlappen, und das Fenster 2122e kann sich nur mit dem Fenster 2122d überlappen.
21D zeigt eine Kombination unterschiedlich großer Fenster 2132a und 2132b, wie gezeigt. 21E zeigt eine Kombination ähnlich großer Fenster 2142a, die einander in einer schlangenartigen Anordnung überlappen. 21F zeigt eine Kombination ähnlich großer Fenstern, die einander überlappen und eine dreieckige Form bilden.
22 zeigt einen veranschaulichenden Prozess 2200 gemäß einer Ausführungsform. Bei Schritt 2210 beginnend wird die Sendung eines Lichtimpulses, der über ein Strahllenksystem gesteuert wird, entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfeldes (FOV) gesendet. In Schritt 2220 können zurückgesendete Lichtimpulse von dem FOV über ein Multilinsenarray empfangen werden, welches eine Vielzahl von Linsen umfasst, die jeweils einem Fenster innerhalb des FOV zugeordnet sind, wobei mindestens zwei Fenster einander überlappen, sodass die Linsen, die den überlappenden Fenstern zugeordnet sind, denselben zurückgesendeten Lichtimpuls empfangen, und wobei jede der Vielzahl von Linsen jeden zurückgesendeten Lichtimpuls zu einem Detektor leitet, der dieser bestimmten Linse der Vielzahl von Linsen entspricht. Das Multilinsenarray kann zum Beispiel das Multilinsenarray aus den 18-20 und den 21A-21F sein. In Schritt 2230 können die von jedem Detektor empfangenen Signale, die der Vielzahl von Linsen entsprechen, verarbeitet werden. In Schritt 2240 können die verarbeiteten Signale unterschieden werden, indem empfangene Rückimpulse, die nicht von den mindestens zwei überlappenden Fenstern erfasst werden, herausgefiltert werden, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen. Das heißt, wenn die Detektoren, die den überlappenden Fenstern zugeordnet sind, einen zurückgesendeten Lichtimpuls nicht detektieren, dann wird dieser zurückgesendete Lichtimpuls verworfen.
Es sollte beachtet werden, dass die in 22 gezeigten Schritte lediglich veranschaulichend sind und dass zusätzliche Schritte hinzugefügt werden können.
25 zeigt ein veranschaulichendes Fahrzeug 2501 mit einem integrierten LiDAR-System gemäß einer Ausführungsform. Das Lasersende- und -lenksystem 2510 kann in die Rückspiegelbaugruppe 2502 integriert sein. Falls gewünscht, kann System 2510 an anderer Stelle auf dem Fahrzeug 2501 platziert werden. Darüber hinaus können mehrere Instanzen des Systems 2510 auf dem Fahrzeug 2501 platziert werden. Mehrere Instanzen von Optik-Detektor-Kombinationen (ODC) können an verschiedenen Positionen auf dem Fahrzeug platziert werden. Zum Beispiel können sich die ODCs 2520 und 2521 in der Nähe oder an der Vorderseite des Fahrzeugs befinden (z. B. in der Nähe der Kühlergrillbaugruppe oder der Stoßstangenbaugruppe). ODCs 2522 und 2523 können sich in der Nähe der Scheinwerferbaugruppen befinden. ODC 2524 kann, wie gezeigt, zusammen mit einer Seitenspiegelbaugruppe angeordnet sein. Die ODCs 2525 und 2526 können sich in der Nähe des Dachhimmels neben der Windschutzscheibe befinden. Falls gewünscht, kann ein ODC in das Lenksystem 2510 integriert werden. Es sollte beachtet werden, dass durch Entkoppeln der ODC von den Lichtsendewegen Konstruktionsflexibilität bei der Platzierung von ODCs an beliebigen Positionen auf dem Fahrzeug 2501 realisiert werden kann.
Es wird angenommen, dass die hierin dargelegte Offenbarung mehrere verschiedene Erfindungen mit unabhängigem Nutzen beinhaltet. Während jede dieser Erfindungen in ihrer bevorzugten Form offenbart wurde, sind die hierin offenbarten und veranschaulichten spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne zu betrachten, da zahlreiche Veränderungen möglich sind. Jedes Beispiel definiert eine Ausführungsform, die in der vorstehenden Offenbarung offenbart ist, aber ein beliebiges Beispiel beinhaltet nicht notwendigerweise alle Merkmale oder Kombinationen, die letztendlich beansprucht werden können. Wenn in der Beschreibung „ein“ oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon angegeben ist, schließt eine solche Beschreibung ein oder mehrere solche Elemente ein, die weder zwei noch mehr solche Elemente erfordern oder ausschließen. Ferner werden Ordnungszahlen, wie erstes, zweites oder drittes, für gekennzeichnete Elemente verwendet, um zwischen den Elementen zu unterscheiden, und geben keine erforderliche oder begrenzte Anzahl von solchen Elementen an, und geben keine bestimmte Position oder Reihenfolge von solchen Elementen an, sofern nicht anders spezifisch angemerkt.
Darüber hinaus können alle unter Bezugnahme der 1-25 beschriebenen Prozesse, sowie alle anderen Gesichtspunkte der Erfindung, jeweils durch Software implementiert werden, können aber auch in Hardware, Firmware oder einer beliebigen Kombination aus Software, Hardware und Firmware implementiert werden. Sie können auch als maschinen- oder computerlesbarer Code ausgeführt sein, der auf einem maschinen- oder computerlesbaren Medium aufgezeichnet ist. Das computerlesbare Medium kann jede Datenspeichervorrichtung sein, die Daten oder Anweisungen speichern kann, die danach von einem Computersystem gelesen werden können. Beispiele für das computerlesbare Medium können Festwertspeicher, Direktzugriffsspeicher, Flash-Speicher, CD-ROMs, DVDs, Magnetband und optische Datenspeichervorrichtungen einschließen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Das computerlesbare Medium kann auch über netzwerkgekoppelte Computersysteme verteilt sein, sodass der computerlesbare Code auf eine verteilte Art gespeichert und ausgeführt wird. Zum Beispiel kann das computerlesbare Medium von einem elektronischen Subsystem oder einer elektronischen Vorrichtung zu einem anderen elektronischen Subsystem oder einer anderen elektronischen Vorrichtung unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Kommunikationsprotokolls kommuniziert werden. Das computerlesbare Medium kann computerlesbarer Code, Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten in einem modulierten Datensignal, wie eine Trägerwelle oder einen anderen Transportmechanismus, verkörpern, und kann beliebige Informationsliefermedien einschließen. Ein moduliertes Datensignal kann ein Signal sein, bei dem eine oder mehrere seiner Eigenschaften so festgelegt oder geändert sind, dass Informationen in dem Signal codiert werden.
Es versteht sich, dass ein(e) beliebige(s) oder jede(s) hierin erörterte(s) Modul oder Zustandsmaschine als ein Softwarekonstrukt, Firmwarekonstrukt, eine oder mehrere Hardwarekomponenten oder eine Kombination davon bereitgestellt werden kann. Zum Beispiel können eine oder mehrere der Zustandsmaschinen oder Module im allgemeinen Kontext von computerausführbaren Anweisungen, wie Programmmodulen, beschrieben werden, die von einem oder mehreren Computern oder anderen Vorrichtungen ausgeführt werden können. Im Allgemeinen kann ein Programmmodul eine oder mehrere Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und/oder Datenstrukturen einschließen, die eine oder mehrere bestimmte Aufgaben durchführen können oder die einen oder mehrere bestimmte abstrakte Datentypen implementieren können. Es versteht sich auch, dass die Anzahl, Konfiguration, Funktionalität und Verbindung der Module oder Zustandsmaschinen lediglich veranschaulichend sind und dass die Anzahl, Konfiguration, Funktionalität und Verbindung bestehender Module modifiziert oder weggelassen werden kann, zusätzliche Module hinzugefügt werden können und die Verbindung bestimmter Module geändert werden kann.
Während viele Änderungen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung für den Fachmann zweifelsohne offensichtlich werden, versteht es sich, dass die speziellen Ausführungsformen, die als Beispiel dargestellt und beschrieben sind, in keiner Weise als einschränkend gelten sollen. Daher soll die Bezugnahme auf die Details der bevorzugten Ausführungsformen deren Umfang nicht einschränken.

Claims

System zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), umfassend: ein Strahllenksystem, umfassend: eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS); und einen Spiegel; ein Lasersystem, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse zu emittieren, die durch das Strahllenksystem so gelenkt werden, dass jeder emittierte Lichtimpuls entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV) gelenkt wird; und Empfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse von dem FOV zu empfangen, das Empfängersystem umfassend: eine optische Linse; und ein Detektorarray, das eine Vielzahl von Detektorsegmenten umfasst; und Steuerschaltung, die betriebsfähig ist zum: Aktivieren einer Teilmenge der Detektorsegmente basierend auf dem Strahlengang; Deaktivieren der Detektorsegmente, die nicht in der Teilmenge eingeschlossen sind; und Verarbeiten eines Rückimpulses, der von der aktivierten Teilmenge der Detektorsegmenten detektiert wird.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei die MEMS-Struktur ein MEMS-Polygon ist.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei die MEMS-Struktur ein Flüssigkristall ist.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei die MEMS-Struktur mindestens einen Mikrospiegel umfasst.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei die optische Linse eine Weitwinkellinse ist.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei das Detektorarray an oder nahe einer Brennebene der optischen Linse positioniert ist.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung betriebsfähig ist, um den Strahlengang mit der selektiven Aktivierung der Teilmenge von Detektorsegmenten zu registrieren, sodass nur die Teilmenge von Detektorsegmenten aktiv ist, um den Rückimpuls zu empfangen.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei ein deaktiviertes Detektorsegment ausgeschaltet wird und wobei ein aktiviertes Detektorsegment eingeschaltet wird.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei das Strahllenksystem den Rückimpuls nicht zu dem Detektorarray lenkt.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung betriebsfähig ist, um eine Wiederholungsrate der Lichtimpulse basierend auf dem Strahlengang zu steuern.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung betriebsfähig ist, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels basierend auf dem Strahlengang einzustellen.
LiDAR-System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung betriebsfähig ist zum: Koordinieren von mindestens einem von der Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels und/oder einer Wiederholungsrate der Lichtimpulse, basierend auf dem Strahlengang.
Verfahren zum Verwenden eines Abtastsystems zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), umfassend: Steuern, über ein Strahllenksystem, der Sendung eines Lichtimpulses entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV), wobei das Strahllenksystem eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) umfasst; Aktivieren einer Teilmenge von Detektorsegmenten eines Detektorarrays, das eine Vielzahl von Detektorsegmenten umfasst, basierend auf dem Strahlengang; Deaktivieren der Detektorsegmente, die nicht in der aktivierten Teilmenge eingeschlossen sind; Überwachen der aktivierten Teilmenge von Detektorsegmenten auf einen Rückimpuls; und Verarbeiten des überwachten Rückimpulses.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Strahllenksystem einen Spiegel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend das Empfangen eines Rückimpulses aus dem FOV, wobei der Rückimpuls von einer optischen Linse gesammelt wird, die den Rückimpuls zu der aktivierten Teilmenge von Detektorsegmenten lenkt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die optische Linse eine Weitwinkellinse ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Detektorarray an oder nahe einer Brennebene der optischen Linse positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die MEMS-Struktur ein MEMS-Polygon ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die MEMS-Struktur ein Flüssigkristall ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die MEMS-Struktur mindestens einen Mikrospiegel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend das Registrieren des Strahlengangs mit der selektiven Aktivierung der Teilmenge von Detektorsegmenten, sodass nur die Teilmenge von Detektorsegmenten aktiv ist, um den Rückimpuls zu empfangen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein deaktiviertes Detektorsegment ausgeschaltet wird und wobei ein aktiviertes Detektorsegment eingeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Strahllenksystem den Rückimpuls nicht zu dem Detektorarray lenkt.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend das Steuern einer Wiederholungsrate der Lichtimpulse basierend auf dem Strahlengang.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend das Einstellen der Bewegungsgeschwindigkeit eines Spiegels, der in dem Strahllenksystem eingeschlossen ist, basierend auf dem Strahlengang.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend das Koordinieren von mindestens einem von der Bewegungsgeschwindigkeit eines Spiegels, der in dem Strahllenksystem eingeschlossen ist, und/oder einer Wiederholungsrate der Lichtimpulse, basierend auf dem Strahlengang.
System zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), umfassend: ein Strahllenksystem, umfassend: eine Struktur eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS); und einen Spiegel; ein Lasersystem, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse zu emittieren, die durch das Strahllenksystem so gelenkt werden, dass jeder emittierte Lichtimpuls entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV) gelenkt wird; und ein Empfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse von dem FOV zu empfangen, das Empfängersystem umfassend: ein Multilinsenarray, das eine Vielzahl von Linsen umfasst, die jeweils einem Fenster innerhalb des FOV zugeordnet sind, wobei mindestens zwei Fenster einander überlappen, sodass die Linsen, die den überlappenden Fenstern zugeordnet sind, denselben Rückimpuls empfangen; und eine Vielzahl von Detektoren, wobei jeder der Vielzahl von Detektoren einer der Vielzahl von Linsen entspricht; und Steuerschaltung, die betriebsfähig ist zum: Verarbeiten von Signalen, die von jedem der Vielzahl von Detektoren empfangen werden; und Unterscheiden zwischen den verarbeiteten Signalen durch Herausfiltern empfangener Rückimpulse, die nicht von den mindestens zwei überlappenden Fenstern erfasst werden, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen.
LiDAR-System nach Anspruch 27, wobei die MEMS-Struktur ein MEMS-Polygon ist.
LiDAR-System nach Anspruch 27, wobei die MEMS-Struktur ein Flüssigkristall ist.
LiDAR-System nach Anspruch 27, wobei die MEMS-Struktur mindestens einen Mikrospiegel umfasst.
LiDAR-System nach Anspruch 27, wobei die mindestens zwei Fenster einander in einem Mindestabstand innerhalb des FOV überlappen.
System zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), umfassend: ein Strahllenksystem; ein Lasersystem, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse zu emittieren, die durch das Strahllenksystem so gelenkt werden, dass jeder emittierte Lichtimpuls entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV) gelenkt wird; und ein Empfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse von dem FOV zu empfangen, das Empfängersystem umfassend: ein Multilinsenarray, das eine Vielzahl von Linsen umfasst, die jeweils einem Fenster innerhalb des FOV zugeordnet sind, wobei mindestens zwei Fenster einander überlappen, sodass die Linsen, die den überlappenden Fenstern zugeordnet sind, denselben Rückimpuls empfangen; und eine Vielzahl von Detektoren, wobei jeder der Vielzahl von Detektoren einer der Vielzahl von Linsen entspricht; und Steuerschaltung, die betriebsfähig ist zum: Verarbeiten von Signalen, die von jedem der Vielzahl von Detektoren empfangen werden; und Unterscheiden zwischen den verarbeiteten Signalen durch Herausfiltern empfangener Rückimpulse, die nicht von den mindestens zwei überlappenden Fenstern erfasst werden, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen.
Verfahren zum Verwenden eines Systems zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), umfassend: Steuern, über ein Strahllenksystem, der Sendung eines Lichtimpulses entlang eines Strahlengangs innerhalb eines Sichtfelds (FOV); Empfangen zurückgesendeter Lichtimpulse von dem FOV über ein Multilinsenarray, das eine Vielzahl von Linsen umfasst, die jeweils einem Fenster innerhalb des FOV zugeordnet sind, wobei mindestens zwei Fenster einander überlappen, sodass die Linsen, die den überlappenden Fenstern zugeordnet sind, denselben zurückgesendeten Lichtimpuls empfangen und wobei jede der Vielzahl von Linsen jeden zurückgesendeten Lichtimpuls auf einen Detektor lenkt, der dieser bestimmten der Vielzahl von Linsen entspricht; Verarbeiten von empfangen Signalen von jedem Detektor, welcher der Vielzahl von Linsen entspricht; und Unterscheiden zwischen den verarbeiteten Signalen durch Herausfiltern empfangener Rückimpulse, die nicht von den mindestens zwei überlappenden Fenstern erfasst werden, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen.
System zur Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), umfassend: ein Lasersende- und -lenksystem, das betriebsfähig ist, um Lichtimpulse entlang von Sendewegen innerhalb eines Sichtfelds (FOV) zu senden; und ein Empfängersystem, das betriebsfähig ist, um Rückimpulse von dem FOV zu empfangen, wobei mindestens einer der Rückimpulse entlang eines Empfangswegs empfangen wird, der nicht derselbe wie ein irgendeiner der Sendewege ist, das Empfängersystem umfassend: eine Vielzahl von optischen Linsen- und Detektorkombinationen (ODC), wobei jede ODC einem Empfangsweg zugeordnet ist und wobei mindestens zwei ODCs einen Rückimpuls von demselben Objekt innerhalb des FOV verarbeiten; und Steuerschaltung, die betriebsfähig ist zum: Herausfiltern empfangener Rückimpulse, die nicht demselben Objekt entsprechen, das von den mindestens zwei ODCs verarbeitet wird.
LiDAR-System nach Anspruch 34, wobei alle Rückimpulse entlang von Empfangswegen empfangen werden, die nicht dieselben sind wie beliebige der Sendewege.
LiDAR-System nach Anspruch 34, wobei jede ODC eine optische Linse und einen Detektor umfasst.
LiDAR-System nach Anspruch 34, ferner umfassend ein Fahrzeug, wobei die Lichtimpulse von einer ersten Position auf dem Fahrzeug gesendet werden, wobei sich jede der Vielzahl von ODCs an jeweils anderen Positionen auf dem Fahrzeug als der ersten Position befindet.