Design of optical system components for automotive LiDAR applications

Abstract

Advanced driving assitance systems (ADAS) allow to reduce the number of vehicle accidents in the road, increase the efficiency of the logistics industry and revolutionize the urban transport. To develop further and better ADAS functionalities there is a need to integrate light detection and ranging (LiDAR) sensors in the vehicles. To be able to integrate a LiDAR into a B-pillar to obtain data from the lateral of a car is necessary to miniaturize the LiDAR. One way to reduce the volume is decreasing the size of the optics, which usually occupies most volume, with custom optics. In this work, to decrease the stacking of the optics an optical smartphone design is applied to a LiDAR. Three solutions were analysed, with a root-meansquare (RMS) spot size, modulation transfer function (MTF) and distortion comparison. To evaluate the performance of the systems in operation, a thermal study for -25 °C, 25 °C, 60 °C and 125 °C was conducted for all the solutions. A tolerance analysis was also conducted, evaluating the variations in performance introduced by the manufacturing errors.

Os sistemas avançados de assistência à condução (ADAS) permitem reduzir o número de acidentes rodoviários, melhorar a eficiência das indústrias de logística, e revolucionar o transporte urbano. De forma a desenvolver mais e melhores ADAS é necessário integrar o sistema de deteção e medição de distâncias com luz (LiDAR) em veículos. Instalando sensores no pilar-b do veículo é possível obter dados da lateral do veículo. No entanto, para integrar o sensor no veículo é necessário minaturizar o LiDAR. Uma forma de reduzir o volume do sensor é usando óticas customizadas, possibilitando a diminuição do tamanho das mesmas, que por norma ocupam o maior volume no sistema. Neste trabalho, de forma a diminuir o tamanho das óticas usou-se um design de óticas para smartphone aplicado ao LiDAR. Foram analisadas 3 soluções, sendo que se comparou o tamanho da média do quadrado da raiz do foco (RMS spot size), a função de transferência de modulação (MTF) e a distorção. Para avaliar a performance dos sistemas em operação, foi efetuado um estudo térmico para -25 °C, 25 °C, 60 °C e 125 °C para todas as soluções. Posteriormente, foi feita uma análise de tolerâncias, para avaliar os impactos na performance do sistema devido aos erros de fabricação inseridos.