Как клиновидное окно устраняет двоение в лидарах? 

В процессе развития автономного вождения и систем ADAS качество облака точек автомобильных лидаров (LiDAR) напрямую влияет на безопасность системы. Многие оптические инженеры при интеграции систем часто сталкиваются с проблемой: в поле зрения нет цели, а на облаке точек появляется слой шумов или «ложная стена».

Этот эхо-сигнал обычно возникает из-за легко упускаемого из виду базового компонента — оптического окна.

1. Возникновение двоения

Оптическое окно лидара отвечает за защиту внутренних прецизионных компонентов, а также служит оптическим барьером. Традиционные окна обычно представляют собой параллельные плоские стекла.

Когда лазерный луч проходит через окно, из-за разницы в показателях преломления материалов на передней и задней поверхностях окна возникает френелевское отражение. Если две поверхности окна параллельны, эти отраженные лучи возвращаются по исходному пути или по определенным параллельным оптическим путям и напрямую попадают в оптический детектор на приемной стороне (например, APD или SPAD).

Поскольку окно находится очень близко к детектору, время полета (ToF) этого эхо-сигнала крайне мало, и система легко ошибочно принимает его за близкое препятствие, что приводит к формированию ложных сигналов в облаке точек.

2. Принцип клиновидного дизайна

Чтобы устранить двоение, прямая идея — не позволять отраженному свету возвращаться к детектору. Это и приводит к концепции клиновидного окна.

Клиновидное окно обрабатывает две изначально параллельные поверхности с очень малым углом (клиновой угол, обычно измеряемый в угловых секундах или миллирадианах).

Принцип устранения двоения следующий:

Нарушение параллельности: наличие клинового угла делает переднюю и заднюю поверхности окна непараллельными.

Отклонение оптического пути: при падении света отраженный от задней поверхности луч после преломления отклоняется на угол, связанный с клиновым углом.

Вывод из поля зрения: если угол отклонения достаточно велик, эхо-сигнал, отраженный от задней поверхности, выходит за пределы эффективной апертуры детектора (или диафрагмы) и не может быть принят датчиком.

Просветляющее (AR) покрытие ослабляет отраженный свет с точки зрения «энергии», а клиновидный дизайн отводит отраженный свет с точки зрения «пространственного угла». Сочетание обоих методов является стандартной конфигурацией для окон лидаров.

3. Ограничения покрытий

Некоторые клиенты спрашивают: «Разве нельзя просто нанести AR-покрытие с низким коэффициентом отражения?»

При высоких пиковых мощностях лазера даже при отличном покрытии с отражением 0,1% остаточный отраженный свет все еще может ослепить чувствительный детектор. Кроме того, условия эксплуатации в автомобиле сложны: изменение температуры и старение покрытия приводят к повышению коэффициента отражения. А клиновидный дизайн является физической геометрической структурой со стабильными характеристиками, которая не теряет работоспособности при изменении условий окружающей среды и служит надежной линией защиты системы.

4. Производственные преимущества Yutai Optics

Для применений, подобных автомобильным лидарам, производственные задачи огромны:

Высокие требования к точности клинового угла: если отклонение клинового угла слишком велико, угол отклонения будет неверным, и эхо-сигнал все еще может попасть в поле зрения.

Компромисс по качеству формы поверхности: клиновая обработка легко влияет на плоскостность поверхности. Если качество формы поверхности ухудшается (например, возникает астигматизм или искажение волнового фронта), качество передачи основного луча снижается.

Как производитель прецизионных оптических компонентов, Yutai Optics обладает зрелыми технологиями в обработке клиновидных окон:

Точный контроль клинового угла: мы используем высокоточное оборудование для шлифовки и полировки под углом, что позволяет удерживать допуск клинового угла в строгих пределах и обеспечивать точное отклонение оптического пути.

Отличное обеспечение формы поверхности: благодаря технологии холодной обработки оптики и полировки на станках мы гарантируем клиновой угол и одновременно обеспечиваем высокоточную форму поверхности, исключая искажения основного луча.

Индивидуальные покрытия: благодаря собственной производственной линии нанесения покрытий мы предлагаем AR-покрытия с высоким порогом повреждения для определенных диапазонов длин волн (например, 905 нм или 1550 нм).

В процессе развития автомобильных лидаров в сторону увеличения количества линий и уменьшения размеров оптические детали не терпят компромиссов. Окно превращается из простого «защитного кожуха» в «устройство управления оптическим путем», и клиновидный дизайн является отражением этой тенденции.

Если вы ищете высококачественные клиновидные окна или вам нужны оптические компоненты со специальными углами на заказ, добро пожаловать в команду Yutai Optics.