TWI749740B - 光達系統 - Google Patents

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TWI749740B
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游國仁
陳慶年
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台達電子工業股份有限公司
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Abstract

一種光達系統包含一驅動器、一發光元件、一第一偵測器、一準直鏡、一分光鏡、一反射元件、一透鏡以及一第二偵測器。發光元件用以發出一第一光束以及一第二光束。第一偵測器設置於驅動器以及發光元件之間且用以偵測第一光束的一功率。準直鏡用以準直第二光束以產生一第一準直光。分光鏡用以穿透第一準直光以產生一穿透光。反射元件用以反射穿透光以產生一第一反射光,並使第一反射光打到量測物並產生散射光。透鏡用以準直量測物的散射光以產生一第二準直光。反射元件更用以反射第二準直光以產生一第二反射光。分光鏡更用以反射第二反射光以產生一第三反射光。第二偵測器用以偵測第三反射光。

Description

光達系統
本揭示中所述實施例內容是有關於一種光達系統,特別關於一種可即時量測發光元件功率的光達系統。
隨著科技的發展,光達(LIDAR)系統已應用於許多領域。在一些相關技術中,是在組裝測試階段或出廠前對光達系統中的發光元件進行功率量測。然而,這無法確保此發光元件在後續的使用過程中不會發生異常。
本揭示之一些實施方式是關於一種光達系統。光達系統包含一驅動器、一發光元件、一第一偵測器、一準直鏡、一分光鏡、一反射元件、一透鏡以及一第二偵測器。發光元件用以發出一第一光束以及一第二光束。第一偵測器設置於驅動器以及發光元件之間且用以偵測第一光束的一功率。準直鏡用以準直第二光束以產生一第一準直光。分光鏡穿透第一準直光以產生一穿透光。反射元件用以反射穿透光以產生一第一反射光,並使第一反射光打到量測物並產生散射光。透鏡用以準直量測物的散射光以產生一第二準直光。反射元件更用以反射第二準直光以產生一第二反射光。分光鏡更用以反射第二反射光以產生一第三反射光。第二偵測器用以偵測第三反射光。
本揭示之一些實施方式是關於一種光達系統。光達系統包含一第一驅動器、一第一發光元件、一第一偵測器、一第一準直鏡、一第一分光鏡、一反射元件、一第一透鏡以及一第二偵測器。第一發光元件用以發出一第一光束以及一第二光束。第一驅動器與第一發光元件之間形成一第一區域。第一光束照射第一驅動器,使第一驅動器反射第一光束以產生一第一待測光。第一偵測器設置於第一區域之外且用以偵測第一待測光。第一準直鏡用以準直第二光線,以產生一第一準直光。第一分光鏡用以穿透第一準直光以產生一第一穿透光。反射元件用以反射第一穿透光以產生一第一反射光,並使第一反射光打到量測物並產生第一散射光。第一透鏡用以準直量測物的第一散射光以產生一第二準直光。反射元件更用以反射第二準直光以產生一第二反射光。第一分光鏡更用以反射第二反射光以產生一第三反射光。第二偵測器用以偵測第三反射光。
綜上所述,本揭示中的光達系統可即時量測發光元件的功率,以提高光達系統的可靠度。另外,本揭示將偵測器設置於驅動器以及發光元件之間,可有效利用空間,以避免增加光達系統的體積且避免光路過於複雜。再者,本揭示的光達系統具有設置簡易且成本較低的優點。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明,但所提供之實施例並非用以限制本揭示所涵蓋的範圍,而結構操作之描述非用以限制其執行之順序,任何由元件重新組合之結構,所產生具有均等功效的裝置,皆為本揭示所涵蓋的範圍。此外,圖式僅以說明為目的,並未依照原尺寸作圖。為使便於理解,下述說明中相同元件或相似元件將以相同之符號標示來說明。
在本文中所使用的用詞『耦接』亦可指『電性耦接』,且用詞『連接』亦可指『電性連接』。『耦接』及『連接』亦可指二個或多個元件相互配合或相互互動。
參考第1A圖以及第1B圖。第1A圖是依照本揭示一些實施例所繪示光達系統100的示意圖。以第1A圖以及第1B圖示例而言,光達系統100包含驅動器110、偵測器120A、發光元件130、準直鏡140、分光鏡150、偵測器160、反射元件170、處理器180以及透鏡190。第1B圖是依照本揭示一些實施例所繪示第1A圖中的驅動器110、偵測器120A以及發光元件130的上視圖。驅動器110可利用脈衝訊號驅動發光元件130發光。在一些實施例中,驅動器110可利用特殊應用積體電路(application specific integrated circuit,ASIC)或由氮化鎵(GaN)所製作的場效電晶體實現。驅動器110需要有能忍受瞬間高電流的特性。若要正常驅動發光元件130,一般需要數十安培的電流,因此,驅動器110與發光元件130之間的距離通常為毫米等級。舉例而言,驅動器110至發光元件130的距離可小於10毫米。偵測器120A設置於驅動器110以及發光元件130之間。在一些實施例中,發光元件130為雷射二極體(laser diode,LD),但本揭示不以此為限。在一些實施例中,反射元件170為反光鏡。
參考第1C圖以及第1D圖。第1C圖是依照本揭示一些實施例所繪示的發光元件130的側視圖。第1D圖是依照本揭示一些實施例所繪示的第1C圖中發光元件130的上視圖。以第1C圖以及第1D圖示例而言,發光元件130包含發光面LA1以及發光面LA2。在一些實施例中,發光元件130的中央可設有走線區域BA。其他走線可設置於走線區域BA。
如上所述,偵測器120A設置於驅動器110以及發光元件130之間。以第1B圖示例而言,驅動器110以及偵測器120A設置於發光面LA1的一側(例如:圖面上的左側),且發光面LA1朝向偵測器120A的感光面LB。發光元件130包含軸線AL。驅動器110的中心與偵測器120A的中心形成連線P1,且連線P1對齊於軸線AL。
以第1A圖示例而言,發光面LA1朝向偵測器120A設置且朝向偵測器120A發出光束L1。發光面LA2朝向準直鏡140設置且朝向準直鏡140發出光束L2。本發明實施例中,自發光面LA1發出的光束L1的光強度小於自發光面LA2發出的光束L2的光強度。
偵測器120A用以偵測自發光面LA1發出的光束L1的功率,以即時量測發光元件130的功率。處理器180耦接偵測器120A。在一些實施例中,處理器180可將偵測器120A所偵測到的功率以及一門檻值進行比較,以判斷光達系統100是否異常。舉例而言,當偵測器120A所偵測到的功率小於門檻值,處理器180判斷光達系統100發生異常,且提供警示訊號。
準直鏡140用以準直自發光面LA2發出的光束L2以產生準直光CL1。分光鏡150用以穿透準直光CL1以產生穿透光TL。反射元件170用以反射穿透光TL以產生反射光RL1。反射光RL1打到量測物OB會產生量測物OB的散射光SL。透鏡190用以準直量測物OB的散射光SL以產生準直光CL2。透鏡190亦可達到蒐集更多光的功效。反射元件170用以反射準直光CL2以產生反射光RL2。分光鏡 150用以將反射光RL2反射以產生反射光RL3。偵測器160用以偵測反射光RL3。處理器180耦接偵測器160。處理器180用以依據偵測器160所偵測到的反射光RL3以及發光元件130的發光時間執行一飛行測距(time of flight measurement,ToF)程序。在一些實施例中,偵測器160設置於透鏡190的焦點。
在一些實施例中,偵測器120A不具有放大功能,而偵測器160具有放大功能。舉例而言,偵測器120A可為光偵測器(photo diode,PD),而偵測器160可為雪崩光電二極體(avalanched photodiode,APD)。
如上所述,在本揭示中,偵測器120A可偵測自發光面LA1發出的光束L1的功率,以即時量測發光元件130的功率。藉此,可即時得知發光元件130或光達系統100是否發生異常,以提高光達系統100的可靠度。
另外,將偵測器120A設置於驅動器110以及發光元件130之間可有效利用空間。藉此配置,可避免增加光達系統100的系統體積且可避免光路過於複雜。
再者,在一些實施例中,偵測器120A可利用較便宜的光偵測器實現。藉此,亦可避免增加過多的成本。
參考第2A圖。第2A圖是依照本揭示一些其他實施例所繪示驅動器110、偵測器120B以及發光元件130的上視圖。以第2A圖示例而言,驅動器110以及偵測器120B設置於發光面LA1的一側(例如:圖面上的左側),且偵測器120B的感光面LB朝向另一側(例如:圖面上的右側)。發光元件130包含軸線AL。驅動器110的中心與偵測器120A的中心形成連線P2,且連線P2未對齊於軸線AL。
參考第2B圖。第2B圖是依照本揭示一些其他實施例所繪示驅動器110A、偵測器120C以及發光元件130的上視圖。以第2B圖示例而言,驅動器110A以及偵測器120C設置於發光面LA1的一側(例如:圖面上的左側),且偵測器120C的感光面LB朝向另一側(例如:圖面上的右側)。驅動器110A相對於偵測器120C旋轉一個角度。發光元件130包含軸線AL。驅動器110A的中心與偵測器120C的中心形成連線P3,且連線P3未對齊於軸線AL。
參考第3A圖以及第3B圖。第3A圖是依照本揭示一些實施例所繪示的光達系統300的示意圖。第3B圖是依照本揭示一些實施例所繪示第3A圖中的驅動器110、偵測器120D以及發光元件130的上視圖。以第3A圖示例而言,驅動器110與發光元件130之間形成區域A1,該區域A1之範圍為發光元件130之上邊與下邊往驅動器110延伸包圍的區域。偵測器120D設置於區域A1外。以第3B圖示例而言,驅動器110以及偵測器120D設置於發光面LA1的一側(例如:圖面上的左側),且偵測器120D的感光面LB朝向驅動器110。發光元件130包含軸線AL。驅動器110的中心與偵測器120D的中心形成連線P4,且連線P4未對齊於軸線AL。舉例而言,連線P4與軸線AL形成銳角D。
再次參考第3A圖。驅動器110用以反射來自發光元件130的發光面LA1的光束L1以產生待測光UL1。而偵測器120D用以接收且偵測被驅動器110所反射的待測光UL1,以即時量測發光元件130的功率。
在第3A圖的光達系統300中,由於偵測器120D並非設置於驅動器110與發光元件130之間的區域A1中,因此偵測器120D與驅動器110之間的距離可縮短。藉此配置,可達到節省空間的功效。舉例而言,驅動器110至發光元件130的距離可小於5毫米。
準直鏡140用以準直自發光面LA2發出的光束L2以產生準直光CL1。分光鏡150用以穿透準直光CL1以產生穿透光TL。反射元件170用以反射穿透光TL以產生反射光RL1。反射光RL1打到量測物OB會產生量測物OB的散射光SL。透鏡190用以準直量測物OB的散射光SL以產生準直光CL2。反射元件170用以反射準直光CL2以產生反射光RL2。分光鏡150用以將反射光RL2反射以產生反射光RL3。偵測器160用以偵測反射光RL3。處理器180耦接偵測器160。處理器180用以依據偵測器160所偵測到的反射光RL3以及發光元件130的發光時間執行一飛行測距程序。
參考第4圖。第4圖是依照本揭示一些實施例所繪示的光達系統400的示意圖。以第4圖示例而言,光達系統400包含驅動器110-1以及110-2、偵測器120-1以及120-2、發光元件130-1以及130-2、準直鏡140-1以及140-2、分光鏡150-1以及150-2、偵測器160-1以及160-2、反射元件170、處理器180以及透鏡190-1以及190-2。
驅動器110-1、偵測器120-1、發光元件130-1、準直鏡140-1、分光鏡150-1、反射元件170以及透鏡190-1的配置相似於第3A圖中的光達系統300且可形成第一光訊號通道(channel)。驅動器110-2、偵測器120-2、發光元件130-2、準直鏡140-2、分光鏡150-2、反射元件170以及透鏡190-2的配置亦相似於第3A圖中的光達系統300且可形成第二光訊號通道。也就是說,第4圖的光達系統400為多通道(multi-channel)的架構且包含兩個光訊號通道。在一些其他的實施中,光達系統400可包含超過兩個光訊號通道。
第4圖中的驅動器110-1(110-2)、偵測器120-1(120-2)、發光元件130-1(130-2)的配置可相同於第3B圖中的驅動器110、偵測器120D、發光元件130的配置。以第4圖示例而言,驅動器110-1與發光元件130-1之間形成區域A1。偵測器120-1設置於區域A1外。詳細而言,驅動器110-1以及偵測器120-1設置於發光元件130-1的發光面LA1的一側(例如:圖面上的左側),且偵測器120-1的感光面LB朝向驅動器110-1。發光元件130-1包含一軸線(例如:第3B圖中的軸線AL)。驅動器110-1的中心與偵測器120-1的中心形成一連線(例如:第3B圖中的連線P4),且此連線未對齊於發光元件130-1的軸線。舉例而言,此連線(例如:第3B圖中的連線P4)與發光元件130-1的軸線(例如:第3B圖中的軸線AL)形成銳角(例如:第3B圖中的銳角D)。相似地,驅動器110-2與發光元件130-2之間形成區域A2。偵測器120-2設置於區域A2外。詳細而言,驅動器110-2以及偵測器120-2設置於發光元件130-2的發光面LA1的一側(例如:圖面上的左側),且偵測器120-2的感光面LB朝向驅動器110-2。發光元件130-2包含一軸線(例如:第3B圖中的軸線AL)。驅動器110-2的中心與偵測器120-2的中心形成一連線 (例如:第3B圖中的連線P4),且此連線未對齊於發光元件130-2的軸線。舉例而言,此連線(例如:第3B圖中的連線P4)與發光元件130-2的軸線(例如:第3B圖中的軸線AL)形成銳角(例如:第3B圖中的銳角D)。
發光元件130-1或130-2具有兩個不同光強度的發光面LA1以及LA2。發光元件130-1的發光面LA1以及LA2分別用以發出不同光強度的光束L1以及光束L2。驅動器110-1用以反射光束L1以產生待測光UL1。偵測器120-1用以偵測待測光UL1,以即時量測發光元件130-1的功率。準直鏡140-1用以準直光束L2以產生準直光CL1。分光鏡150-1用以穿透準直光CL1以產生穿透光TL1。反射元件170用以反射穿透光TL1以產生反射光RL1。反射光RL1打到量測物OB會產生量測物OB的散射光SL1。透鏡190-1用以準直量測物OB的散射光SL1以產生準直光CL2。反射元件170用以反射準直光CL2以產生反射光RL2。分光鏡150-1用以將反射光RL2反射以產生反射光RL3。偵測器160-1用以偵測反射光RL3,以供處理器180執行飛行測距程序。相似地,發光元件130-2的發光面LA1以及LA2分別用以發出不同光強度的光束L3以及光束L4。驅動器110-2用以反射光束L3以產生待測光UL2。偵測器120-2用以偵測待測光UL2,以即時量測發光元件130-2的功率。準直鏡140-2用以準直光束L4以產生準直光CL3。分光鏡150-2用以穿透準直光CL3以產生穿透光TL2。反射元件170用以反射穿透光TL2以產生反射光RL4。反射光RL4打到量測物OB會產生量測物OB的散射光SL2。透鏡190-2用以準直量測物OB的散射光SL2以產生準直光CL4。反射元件170用以反射準直光CL4以產生反射光RL5。分光鏡150-2用以將反射光RL5反射以產生反射光RL6。偵測器160-2用以偵測反射光RL6,以供處理器180執行飛行測距程序。
以第4圖示例而言,由於偵測器120-2設置於區域A1與區域A2之間(待測光UL1的光路徑上以及待測光UL2的光路徑上),因此偵測器120-2可阻擋待測光UL1以避免待測光UL1影響到第二光訊號通道,也可阻擋待測光UL2以避免待測光UL2影響到第一光訊號通道。也就是說,第4圖中的光達系統400可降低不同光訊號通道之間的串音(crosstalk)干擾。
綜上所述,本揭示中的光達系統可即時量測發光元件的功率,以提高光達系統的可靠度。另外,本揭示將偵測器設置於驅動器以及發光元件之間,可有效利用空間,以避免增加光達系統的體積且避免光路過於複雜。再者,本揭示的光達系統具有設置簡易且成本較低的優點。
雖然本揭示已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本揭示,任何本領域具通常知識者,在不脫離本揭示之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本揭示之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:光達系統 110:驅動器 110A:驅動器 110-1:驅動器 110-2:驅動器 120A:偵測器 120B:偵測器 120C:偵測器 120D:偵測器 120-1:偵測器 120-2:偵測器 130:發光元件 130-1:發光元件 130-2:發光元件 140:準直鏡 140-1:準直鏡 140-2:準直鏡 150:分光鏡 150-1:分光鏡 150-2:分光鏡 160:偵測器 170:反射元件 180:處理器 190:透鏡 190-1:透鏡 190-2:透鏡 300:光達系統 400:光達系統 L1:光束 L2:光束 L3:光束 L4:光束 AL:軸線 P1:連線 P2:連線 P3:連線 P4:連線 D:銳角 LA1:發光面 LA2:發光面 LB:感光面 BA:走線區域 OB:量測物 SL:散射光 SL1:散射光 SL2:散射光 CL1:準直光 CL2:準直光 CL3:準直光 CL4:準直光 RL0:反射光 RL1:反射光 RL2:反射光 RL3:反射光 RL4:反射光 RL5:反射光 RL6:反射光 UL1:待測光 UL2:待測光 TL:穿透光 TL1:穿透光 TL2:穿透光 A1:區域 A2:區域
為讓本揭示之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能夠更明顯易懂,所附圖式之說明如下: 第1A圖是依照本揭示一些實施例所繪示一光達系統的示意圖; 第1B圖是依照本揭示一些實施例所繪示第1A圖中的驅動器、偵測器以及發光元件的上視圖; 第1C圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一發光元件的側視圖; 第1D圖是依照本揭示一些實施例所繪示的第1C圖中發光元件的上視圖; 第2A圖是依照本揭示一些其他實施例所繪示驅動器、偵測器以及發光元件的上視圖; 第2B圖是依照本揭示一些其他實施例所繪示驅動器、偵測器以及發光元件的上視圖; 第3A圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一光達系統的示意圖; 第3B圖是依照本揭示一些實施例所繪示第3A圖中的驅動器、偵測器以及發光元件的上視圖;以及 第4圖是依照本揭示一些實施例所繪示的一光達系統的示意圖。
100:光達系統
110:驅動器
120A:偵測器
130:發光元件
140:準直鏡
150:分光鏡
160:偵測器
170:反射元件
180:處理器
190:透鏡
L1:光束
L2:光束
LA1:發光面
LA2:發光面
LB:感光面
OB:量測物
SL:散射光
CL1:準直光
CL2:準直光
RL1:反射光
RL2:反射光
RL3:反射光
TL:穿透光

Claims (13)

  1. 一種光達系統,包含: 一驅動器; 一發光元件,用以發出一第一光束以及一第二光束; 一第一偵測器,設置於該驅動器以及該發光元件之間且用以偵測該第一光束的一功率; 一準直鏡,用以準直該第二光束以產生一第一準直光; 一分光鏡,用以穿透該第一準直光以產生一穿透光; 一反射元件,用以反射該穿透光以產生一第一反射光,並使該第一反射光打到量測物並產生散射光; 一透鏡,用以準直量測物的散射光以產生一第二準直光,其中該反射元件更用以反射該第二準直光以產生一第二反射光,且該分光鏡更用以反射該第二反射光以產生一第三反射光;以及 一第二偵測器,用以偵測該第三反射光。
  2. 如請求項1所述的光達系統,其中該發光元件包含一第一發光面以及一第二發光面,其中該第一發光面以及該第二發光面用以分別發出該第一光束以及該第二光束。
  3. 如請求項2所述的光達系統,其中該發光元件包含一軸線,該驅動器以及該第一偵測器設置於該第一發光面的一側,該驅動器的中心與該第一偵測器的中心形成一連線,且該連線對齊於該軸線。
  4. 如請求項2所述的光達系統,其中該發光元件包含一軸線,該驅動器以及該第一偵測器設置於該第一發光面的一側,該驅動器的中心與該第一偵測器的中心形成一連線,且該連線未對齊於該軸線。
  5. 如請求項1所述的光達系統,更包含: 一處理器,用以依據偵測到的該功率以及一門檻值判斷該光達系統是否異常。
  6. 一種光達系統,包含: 一第一驅動器; 一第一發光元件,用以發出一第一光束以及一第二光束,其中該第一驅動器與該第一發光元件之間形成一第一區域,其中該第一光束照射該第一驅動器,使該第一驅動器反射該第一光束產生一第一待測光; 一第一偵測器,設置於該第一區域之外且用以偵測該第一待測光; 一第一準直鏡,用以準直該第二光束以產生一第一準直光; 一第一分光鏡,用以穿透該第一準直光以產生一第一穿透光; 一反射元件,用以反射該第一穿透光以產生一第一反射光,並使該第一反射光打到量測物並產生第一散射光; 一第一透鏡,用以準直量測物的第一散射光以產生一第二準直光,其中該反射元件更用以反射該第二準直光以產生一第二反射光,且該第一分光鏡更用以反射該第二反射光以產生一第三反射光;以及 一第二偵測器,用以偵測該第三反射光。
  7. 如請求項6所述的光達系統,其中該第一驅動器至該第一發光元件的距離小於5毫米。
  8. 如請求項6所述的光達系統,其中該第一發光元件包含一第一發光面以及一第二發光面,其中該第一發光面以及該第二發光面用以分別發出該第一光束以及該第二光束。
  9. 如請求項8所述的光達系統,其中該第一發光元件包含一軸線,該第一驅動器以及該第一偵測器設置於該第一發光面的一側,該第一驅動器的中心與該第一偵測器的中心形成一連線,且該連線未對齊於該軸線。
  10. 如請求項6所述的光達系統,更包含: 一第二驅動器; 一第二發光元件,用以發出一第三光束以及一第四光束,其中該第二驅動器與該第二發光元件之間形成一第二區域,其中該第三光束照射該第二驅動器,使該第二驅動器反射該第三光束產生一第二待測光; 一第三偵測器,設置於該第二區域之外且用以偵測該第二待測光的一功率; 一第二準直鏡,用以準直該第四光束以產生一第三準直光; 一第二分光鏡,用以穿透該第三準直光以產生一第二穿透光,其中該反射元件更用以反射該第二穿透光以產生一第四反射光,並使該第四反射光打到量測物並產生第二散射光; 一第二透鏡,用以準直第二散射光以產生一第四準直光,其中該反射元件更用以反射該第四準直光以產生一第五反射光,且該第二分光鏡更用以反射該第五反射光以產生一第六反射光;以及 一第四偵測器,用以偵測該第六反射光。
  11. 如請求項10所述的光達系統,其中該第二發光元件包含一第三發光面以及一第四發光面,其中該第三發光面以及該第四發光面用以分別發出該第三光束以及該第四光束。
  12. 如請求項11所述的光達系統,其中該第二發光元件包含一軸線,該第二驅動器以及該第三偵測器設置於該第三發光面的一側,該第二驅動器的中心與該第三偵測器的中心形成一連線,且該連線未對齊於該軸線。
  13. 如請求項10所述的光達系統,其中該第三偵測器設置於該第一區域與該第二區域之間。
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