DE102007004609A1

DE102007004609A1 - Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser- (VCSEL-) Array-Laserabtaster

Info

Publication number: DE102007004609A1
Application number: DE102007004609A
Authority: DE
Inventors: Michael R. T. Denver Tan; William R. Denver Trutna jun.; Georgios Denver Panotopoulos
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2007-08-16
Also published as: US20070181810A1; JP5096008B2; JP2007214564A; US7544945B2

Abstract

Fahrzeugbasierte Lidar-Systeme und Verfahren sind unter Verwendung mehrerer Laser offenbart, um eine kompaktere und kosteneffektivere Lidar-Funktionalität zu schaffen. Jeder Laser in einem Array von Lasern kann nacheinander aktiviert werden, so dass ein entsprechendes optisches Element, das in Bezug auf das Array von Lasern befestigt ist, jeweilige Abfragestrahlen in im Wesentlichen unterschiedlichen Richtungen erzeugt. Licht von diesen Strahlen wird durch Objekte in einer Umgebung eines Fahrzeugs reflektiert und erfasst, um so Informationen über die Objekte an Fahrzeugführer und/oder Insassen zu liefern.

Description

Zahlreiche Vorrichtungen und Techniken werden bisher verwendet, um die Sicherheit eines Fahrzeugbetriebs, sowohl für Fahrzeugführer/Insassen als auch Personen in der Umgebung um ein Fahrzeug herum zu verbessern. Zusätzlich werden Vorrichtungen und Techniken ebenso eingesetzt, um die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung an einem Fahrzeug und Gegenständen in der Umgebung des Fahrzeugs während eines Betriebs des Fahrzeugs zu reduzieren oder beseitigen. Viele dieser Vorrichtungen und Techniken konzentrieren sich auf die Bereitstellung von Informationen über mögliche Gefahren an einen Fahrzeugführer, so dass der Führer reichlich Zeit hat, Korrekturmaßnahmen zu treffen. Viele Automobilhersteller rüsten z. B. Fahrzeuge mit Einfach- oder Mehrfachstrahlradar-Sicherungswarnvorrichtungen aus. Diese Vorrichtungen sind entworfen, um einen Fahrer beim Erfassen von Tieren, Menschen, Fahrzeugen und anderen Gegenständen beim Rückwärtsfahren des Fahrzeugs zu unterstützen. Radar wird ebenso in vielen experimentellen vorausschauenden Hinderniserfassungs- und Kollisionsvermeidungssystemen verwendet. Andere Gebiete der Forschung und Entwicklung an Hinderniserfassung/-vermeidung umfassen Ultraschallsysteme, Videosysteme und Lidar-Systeme (Lidar = light detection and ranging).
In jedem dieser Systeme ist es wünschenswert, dass diese Systeme Erfassungstechniken zur Gegenstandserfassung und -verfolgung einsetzen, die eine relativ hohe Auflösung zur Hindernislokalisierung, genaue Verfolgungseigenschaften und Zuverlässigkeit unter vielen unterschiedlichen Fahrbedingungen besitzen. Systeme auf Lidar-Basis besitzen einige Vorteile, wie z. B. genaue Entfernungsmessung, hohe Winkelauflösung, geringe Latenz und relativ geringe Systemkomplexität.

Lidar-Systeme, die gegenwärtig für fahrzeugbasierte Objektverfolgungs-/Vermeidungssysteme entwickelt werden, setzen typischerweise einen gepulsten (oder geeignet verschlossenen kontinuierlichen Wellen-) Laserstrahl ein, der unter Verwendung eines Bewegungsspiegels, wie z. B. eines sich drehenden Einfacetten- oder Mehrfacetten-(z. B. vieleckigen) Spiegels, in der Richtung einer Abfrage abgetastet wird. Der Laserstrahl wird von einem Hindernis reflektiert und mit einem Photodetektor erfasst. Die Laufzeit des Laserpulses, d. h. die Zeitverzögerung zwischen dem gesendeten Puls und dem empfangenen Puls, bestimmt die Objektentfernung. Das Verhalten des Objekts wird weiter basierend auf der Winkelposition des Spiegels zu der Zeit des gesendeten Pulses bestimmt.

Derartige Lidar-Systeme bieten in ihrem Entwurf ein hohes Maß an Einfachheit, ihre Implementierung jedoch stellt bestimmte Nachteile dar. Bedeutend unter diesen Nachteilen ist das Vorliegen eines sich bewegenden Spiegels, der typischerweise mit einer Rate von mehreren 10 oder 100 Umdrehungen pro Minute gedreht wird. Diese Drehspiegel und entsprechende Motoren tragen zu Größe und Gewicht der Vorrichtung bei, die Motoren können eine wesentliche Menge an Leistung erfordern und das Vorliegen sich bewegender Teile kann die Wahrscheinlichkeit eines Vorrichtungsausfalls durch mechanische Abnutzung erhöhen. Dies sind alles allgemeine Nachteile, und insbesondere auch in dem Zusammenhang eines Fahrzeugeinsatzes. Fahrzeuge arbeiten vermutlich in Umgebungen und in Weisen, die für Vorrichtungen, die sich drehende Hochgeschwindigkeitsspiegel umfassen, hart sein können, z. B. Einsatz auf rauen Straßen, schnelle Beschleunigung/Abbremsen, usw. Ferner ist es für viele Fahrzeuge, insbesondere Automobile, wünschenswert, Lidar-Vorrichtungen an Umfangspositionen anzuordnen, die so wenig Raum wie möglich einnehmen und anderweitig unauffällig sind, z. B. hinter einem Motorgrill, in eine Frontschein werfer- oder Rückscheinwerferanordnung integriert oder in einen bestimmten Abschnitt einer Stoßstange integriert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung oder ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 20 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.

Gemäß der Erfindung sind fahrzeugbasierte Lidar-Systeme und -verfahren offenbart, die mehrere Laser einsetzen, um eine kompaktere und kosteneffektivere Lidar-Funktionalität bereitzustellen. Jeder Laser in einem Array von Lasern kann der Reihe nach aktiviert werden, so dass ein entsprechendes optisches Element, das in Bezug auf das Array von Lasern befestigt ist, jeweilige Abfragestrahlen in im Wesentlichen unterschiedlichen Richtungen erzeugt. Licht von diesen Strahlen wird durch Objekte in einer Umgebung des Fahrzeugs reflektiert und erfasst, um Informationen über die Objekte an Fahrzeugführer und/oder Insassen zu liefern.

Vorstehendes ist eine Zusammenfassung und beinhaltet so zwangsläufig Vereinfachungen, Verallgemeinerungen und Detailweglassungen; folglich werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die Zusammenfassung lediglich darstellend ist und in keinster Weise einschränkend sein soll. Es wird für einen Fachmann auf dem Gebiet ebenso zu erkennen sein, dass die hierin offenbarten Funktionen in einer Anzahl von Weisen implementiert sein könnten, und dass derartige Veränderungen und Modifizierungen durchgeführt werden könnten, ohne von dieser Erfindung und ihren breiteren Aspekten abzuweichen. Weitere Aspekte, erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, wie lediglich durch die Ansprüche definiert, werden in der unten dargelegten, nicht einschränkenden detaillierten Beschreibung ersichtlich werden. Es zeigen:
1 ein Laser- und Optiksystem gemäß der Erfindung zur Verwendung in Lidar-Systemen und insbesondere in fahrzeugbasierten Lidar-Systemen;
2 eine fahrzeuginterne Implementierung eines oder mehrerer Lidar-Systeme auf Laserarraybasis gemäß der Erfindung;
3 ein Blockdiagramm einiger der Komponenten eines Fahrzeug-Lidar-Systems gemäß der Erfindung;
4A und 4B zusätzliche Beispiele von Laser- und Optiksyste men gemäß der Erfindung zur Verwendung in Lidar-Systemen und insbesondere fahrzeugbasierten Lidar-Systemen;
5A und 5B weitere Beispiele von Laser- und Optiksystemen gemäß der Erfindung zur Verwendung in Lidar-Systemen und insbesondere fahrzeugbasierten Lidar-Systemen;
6A und 6B wiederum weitere Beispiele von Laser- und Optik systemen gemäß der Erfindung zur Verwendung in Lidar-Systemen und insbesondere fahrzeugbasierten Lidar-Systemen; und
7A bis 7B Beispiele von Photoerfassungssystemen zur Verwen dung mit verschiedenen Lidar-Systemen und insbesondere fahrzeugbasierten Lidar-Systemen gemäß der Erfindung.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung des als besten erachteten Modus zur Ausführung der Erfindung. Die Beschreibung soll veranschaulichend für die Erfindung sein und soll nicht einschränkend aufgefasst werden.
In dieser gesamten Anmeldung wird Bezug auf verschiedene Implementierungen von fahrzeugbasierten Lidar-Systemen genommen. Allgemein können diese Lidar-Systeme mit jedem Typ von Fahrzeug verwendet werden, obwohl die Beispiele der vorliegenden Anmeldung Automobilanwendungen für verschiedene Sicherheitssysteme hervorheben, wie z. B. folgende: Kollisionsmeidungssysteme, Fußgängererfassungssysteme, Adaptive Cruise Control (ACC), Totor-Winkel-Überwachungssysteme, Spurwechselunterstützungssysteme, automatische Notfallbremssysteme, Spur-/Straßenabweichsysteme, und dergleichen. Zusätzlich können, obwohl die gemäß der Erfindung offenbarten Laserabtast- bzw. -scan- und Photoerfassungsvorrichtungen und -techniken Fahrzeuganwendungen hervorheben, diese auch in zahlreichen anderen Gebieten eingesetzt werden und müssen nicht auf Fahrzeug-Lidar-Anwendungen eingeschränkt sein.
1 stellt ein Laser- und Optiksystem 100 gemäß der Erfindung zur Verwendung in Lidar-Systemen und insbesondere fahrzeugbasierten Lidar-Systemen dar. Das System 100 umfasst ein Halbleiterlaserarray 110 (mit einer Mehrzahl einzeln adressierbarer/aktivierter Halbleiterlaser 120) und ein geeignetes Linsen- oder ein anderes Optiksystem 130. Das System 100 wird in einer Weise betrieben, dass es Lidar-Lasersysteme ersetzen kann, die mechanisch gedrehte oder verschobene reflektierende Optiken einsetzen. Insbesondere kann jeder Halbleiterlaser 120 entworfen sein, um einen relativ kleinen Divergenzwinkel zu besitzen (z. B. NA < 0,1). Das Laserarray 110 ist in Bezug auf die Linse 130 derart angeordnet, dass die Halbleiterlaserelemente in etwa in einer Entfernung von einer Brennweite bzw. Fokallänge von der Linse sind. So erzeugt, wenn ein Halbleiterlaser 120 aktiviert ist, derselbe einen im Wesentlichen kollimierten Lichtstrahl, dessen Winkelrichtung durch die Position des aktiven Lasers innerhalb des Arrays bestimmt wird. Unter Verwendung einer Linse mit relativ hoher NA (numerischer Apertur) (z. B. 0,5) können mehrere auflösbare Punkte erzeugt werden. Allgemein wird das Winkelausmaß der Beleuchtung durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt, die folgende umfassen: das Maß an Divergenz des anfänglichen Laserstrahls, die f# oder NA der Linse oder bestimmte andere spezielle Attribute der Linse.
Durch ein aufeinanderfolgendes einzelnes Aktivieren jedes Halbleiterlasers kann das System 100 verwendet werden, um den Laserstrahl über das Sichtfeld der Linse 130 abzutasten. Einer oder mehrere Photodetektoren (wie unten detaillierter beschrieben ist) können in einer Nähe zu dem Laserarray 110 platziert sein, um das Licht von einem aktivierten Laser, das durch Objekte, die durch den Laserstrahl beleuchtet werden, abreflektiert wird, zu sammeln. Winkelinformationen, z. B. das Verhalten des erfassten Objekts, werden durch eine Kenntnis dessen, welcher Halbleiterlaser in dem Array aktiviert wurde, bestimmt. Linsen können auch mit den Photodetektoren integriert oder denselben zugeordnet sein, um eine Erfassungswirksamkeit zu verbessern und den erfassten Signalpegel zu erhöhen. Ähnlich können Linsen, die mit den Photodetektoren verwendet werden, entworfen sein, um Winkelinformationen von dem Rückführungssignal zu verbessern.
In vielen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung wird zu einer bestimmten Zeit nur ein Halbleiterlaser aus einem Array aktiviert. Da ein Objekt, das Licht von dem Halbleiterlaser reflektiert, dies unter Umständen nicht einheitlich tut, z. B. Licht in viele Richtungen gestreut wird, eine Lichtabsorption durch das Objekt über die Oberfläche des Objektes aufgrund von Unterschieden bei der Objektoberfläche, einer atmosphärischen Absorption und Streuung usw. variiert, stellt eine Verwendung von nur einem Laser zu einer Zeit sicher, dass der Photodetektor Licht von einem einzelnen der Arraylaser sammelt und so eine einzelne Richtung oder einen einzelnen Sektor des Gesamtsichtfeldes der Vorrichtung abfragt. Bei wiederum anderen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung können mehrere Laser gleichzeitig in Verwendung sein und andere Techniken werden verwendet, um die empfangenen Reflexionen zu unterscheiden. Derartige Techniken können z. B. ein Verwenden von Halblei terlasern mit unterschiedlicher Wellenlänge, ein Codieren der Laserpulse in unterschiedlichen Weisen (z. B. Pulscodierung, Phasencodierung usw.), ein sorgfältiges Sammeln reflektierten Lichts, getrennt durch einen Abfragewinkel, und dergleichen umfassen.
Da eine Objekterfassung auf einer Laufzeitanalyse von Laserpulsen basiert, bestimmt der maximale Bereich analysierter Objekte die minimale Zeit zwischen Laserpulsen in nacheinander aktivierten Lasersystemen. Ein Objekt z. B., das sich in einer Entfernung von einem Meter von der Lidar-Vorrichtung befindet, gibt ein reflektiertes Signal in etwa 6,7 ns zurück, während ein Objekt in 80 Meter Entfernung ein reflektiertes Signal in etwa 533 ns zurückgibt. Unter der Annahme eines Systems wie dem System 100 können die fünf Halbleiterlaser zyklisch in etwa 2,7 μs durchlaufen, während Entfernungen bis zu 80 Meter abgefragt werden. Es wird angemerkt, dass diese Zahlen lediglich die relative Geschwindigkeit darstellen, mit der mehrere unterschiedliche Laser verwendet werden können, um unterschiedliche Winkelabschnitte des Sichtfelds des Lidar-Systems abzufragen, und dennoch die nötige Arbeit in einer rechtzeitigen Weise durchführen. Zum Vergleich bewegt sich ein Automobil, das mit 60 Meilen pro Stunde (96 Stundenkilometern) fährt, in 3 μs weniger als einen Millimeter. Wie unten zu sehen ist, könnten verschiedene weitere Faktoren die Zeit bewirken, die zwischen aufeinander folgenden Laserpulsen erlaubt ist, wie z. B. Photodetektorgeschwindigkeit, die Zeit, die zur Aktivierung eines Lasers benötigt wird, Pulsdauer, Signalverarbeitung und möglicherweise die Anzahl angetroffener Hindernisse (z. B. Reflexionen von unterschiedlichen Bereichen) als das Ergebnis eines beliebigen Laserpulses.
Eine Laufzeitanalyse basiert typischerweise auf einem Reflexionsfenster, das der erwünschten maximalen Abfrageentfernung entspricht. Erfasste Signale, die zu unterschiedlichen Zeiten innerhalb dieses Fensters ankommen, entsprechen Objekten in unterschiedlichen Entfernungen und eine Signalverarbeitungssoftware und/oder ein -Schaltungsaufbau wird verwendet, um Photodetektorsignale zu analysieren, um verschiedene unterschiedliche Objekte und Entfernungen entlang eines bestimmten Abtastwegs zu unterscheiden. Bei wiederum weiteren Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung können Fenster mit relativ schmaler Zeit verwendet werden, um spezifische Entfernungsbereiche zu prüfen. Statt einer Überprüfung aller Photodetektorsignale zwischen der Zeit eines Laserpulssendens und 600 ns später z. B. können Photodetektorsignale aus einem bestimmten Zeitbereich (z. B. 550–600 ns) überprüft werden. Auf diese Weise wird die Lidar-Vorrichtung verwendet, um einen bestimmten Entfernungsbereich zu sondieren. Zusätzlich zu einem zyklischen Durchlaufen unterschiedlicher Winkelrichtungen durch ein zyklisches Durchlaufen aller Laser in dem Laserarray können unterschiedliche Tiefen der Reihe nach durch ein Überprüfen unterschiedlicher Reflexionsfenster für jeden Puls überprüft werden. So kann anstelle eines einfachen Abtastens durch verschiedene unterschiedliche Winkel ein rasterartiges Abtasten durch unterschiedliche Winkel und unterschiedliche Wege durchgeführt werden. Ein Definieren unterschiedlicher Abfragefenster kann auch nützlich sein, um sowohl Kurzbereichs- als auch Langbereichsabtastungen in dem gleichen System zu implementieren.
Während das System 100 aus 1 nur fünf Halbleiterlaser darstellt, besitzt ein typisches System ausreichend viele Laser, um das erwünschte Sichtfeld abzudecken und die erwünschte Winkelauflösung bereitzustellen. Zahlreiche unterschiedliche Vorrichtungsmerkmale können eingestellt werden, um unterschiedliche Anwendungen und Lidar-Systemanforderungen unterzubringen, die folgende umfassen: Halbleiterlaserstrahlformeigenschaften, Linseneigenschaften, Anzahl verwendeter Laser und dergleichen. Bei einem Beispiel gemäß der Erfindung beträgt die minimale Winkelauflösung des Lidar-Systems 0,5°. Dies basiert auf einem Wunsch, in der Lage zu sein, einen Fußgänger (an seiner schmalsten Abmessung etwa 260 mm breit, läuft z. B. senkrecht zu der Bewe gungsrichtung des Fahrzeugs mit dem Lidar-System) in einer Entfernung von 30 m (einer Entfernung, die ausreicht, um dem Fahrzeugführer Zeit zum Reagieren zu liefern) aufzulösen. Folglich würde ein Laserarray, das ein 30°-Sichtfeld unterstützt, zumindest 60 Laser benötigen, um die erwünschte Winkelauflösung bereitzustellen. Natürlich können zahlreiche weitere Implementierungen aufgebaut werden. Einige können eine feinere Winkelauflösung, eine gröbere Winkelauflösung, eine variierende Winkelauflösung, kleinere oder größere Sichtfelder und dergleichen aufweisen.
Obwohl jeder beliebige Typ von Halbleiterlaser allgemein zur Implementierung der Laser 120 und des Laserarrays 110 verwendet werden kann, sind Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL = Vertical Cavity Surface Emitting Laser) besonders nützlich für die offenbarten Lidar-Anwendungen, da sie eine kleine Winkeldivergenz besitzen und Licht normal zu der Oberfläche des Wafers, in dem dieselben hergestellt sind, emittieren. In dem Fall von Kantenemissionshalbleiterlasern ist eine Anzahl von Materialschichten auf einem Substrat aufgebracht, das dann zerspalten wird, um teilweise durchlässige Spiegel zu bilden. Eine oder mehrere der aufgebrachten Schichten bilden einen optischen Resonator, der an seinen Kanten durch die zerspaltenen Spiegel begrenzt ist. Eine Lasertätigkeit tritt innerhalb des Resonators zwischen den Spiegeln auf und der Laserstrahl tritt an einer oder beiden Kanten der Laserstruktur in einer Richtung parallel zu der Ebene der Schichten aus. VCSELs unterscheiden sich dahingehend, dass der Laserstrahl orthogonal zu der Ebene der einen oder mehreren aktiven Schichten emittiert wird. Spiegel sind oberhalb und unterhalb des optischen Resonators, anstatt an jeder Kante des Resonators gebildet. Zusätzlich erlauben, da VCSELs die Spiegel in ihrem Entwurf monolithisch beinhalten, dieselben eine Herstellung integrierter eindimensionaler oder zweidimensionaler Laserarrays mit einer engen Vorrichtungsbeabstandung (z. B. 250 μm oder enger). Im Gegensatz dazu müssen Kantenemissionslaser typischerweise mechanisch verbunden werden, um derartige Arrays zu bilden. Außerdem emittieren Oberflächenemissionslaser typischerweise kreisförmig symmetrische Gaußsche Strahlen, verglichen mit stark exzentrischen elliptischen Strahlen von Kantenemissionslasern. Ferner können, da einzelne VCSELs mit relativ kleinen aktiven Flächen hergestellt werden können, dieselben schnell aktiviert werden, z. B. in der Größenordnung von Pikosekunden. VCSELs könnten auch hergestellt werden, um Licht bei verschiedenen unterschiedlichen Wellenlängen zu emittieren. VCSELs mit Emissionswellenlängen in dem Bereich von etwa 1 bis 1,5 μm z. B. sind nützlich für Lidar-Implementierungen, da verschiedene Wellenlängen in diesem Bereich bestimmte atmosphärische Übertragungsvorteile besitzen, z. B. geringe Absorption.
Die inhärent integrierte Natur von VCSEL-Arrays liefert zusätzliche Gelegenheiten, Optiken, wie z. B. die Linse 130, in eine einzelne Vorrichtung oder ein einzelnes Gehäuse zu integrieren, und verbessert anderweitig die Fähigkeit einer Ausrichtung und Befestigung von Optiken an dem Laserarray. Dies erlaubt eine einfachere Lidar-Vorrichtungsherstellung und Reduzierung der Gesamtvorrichtungskomplexität und -kosten. Ferner sind spezialisierte VCSEL-Arrays, z. B. mit verschiedenen unterschiedlichen 1D- und 2D-Arraykonfigurationen (wo z. B. die Halbleiterlaser entlang einer Kurve angeordnet sind, unregelmäßig beabstandet, usw.), in der Herstellung einfacher als ähnliche Vorrichtungen, die aus separaten Kantenemissionslaserbauelementen bestehen. Laserarrays können auch mit redundanten Halbleiterlasern entworfen sein, so dass ein Ausfall eines einzelnen Bauelements nicht das gesamte Array unbenutzbar macht. Es soll angemerkt werden, dass das System 100 lediglich ein Beispiel der vielen Laserarray-Lidar-Abtaster gemäß der Erfindung ist und zahlreiche unterschiedliche Arraykonfigurationen, Linsenentwürfe, Linsenkonfigurationen und andere optische Elemente (Filter, Antireflexionsbeschichtungen, Öffnungen usw.) als Teil des Systems 10 verwendet werden können, wie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist.
2 stellt eine fahrzeuginterne Implementierung eines oder mehrerer Lidar-Systeme auf Laserarraybasis gemäß der Erfindung dar. Bei diesem Beispiel gemäß der Erfindung weist ein Fahrzeug 200 zumindest ein Lidar-System 210 auf, das sich vorne in dem Fahrzeug befindet, z. B. in die Stoßstange des Fahrzeugs eingebaut ist. Zwei Abtastmuster sind gezeigt, die von dem Fahrzeug 200 ausgehen: ein Abtastmuster 212, das von dem Objekt 220 abreflektiert wird, um einen reflektierten Strahl 222 zu erzeugen, und ein Abtastmuster 214. Die Abtastmuster 212 und 214 stellen Laserabtastungen in zwei unterschiedlichen Ebenen dar. So stellt jedes der Abtastmuster 212 und 214 eine vollständige Abtastebene dar, wie z. B. diejenigen, die in 1 gezeigt sind, d. h. 2 zeigt das Abtastmuster im Querschnitt. Die Abtastmuster 212 und 214 können durch ein einzelnes 2D-Laserarray, ein einzelnes 1D-Laserarray oder mehrere 1D-Laserarrays erzeugt werden. Zum Beispiel kann ein einzelnes 1D-Laserarray ein zusätzliches Gitter, einen zusätzlichen Spiegel, Raummodulator oder Phasenmodulator umfassen, um einen Teil von oder das gesamte Licht aus einem Laser in dem 1D-Laserarray in einer Richtung in der Ebene aus 2 abzulenken oder zu führen, d. h. einer Richtung, die im Allgemeinen orthogonal zu der Abtastrichtung ist. Auf diese Weise können mehrere Abtastmuster/ebenen implementiert werden. So kann ein einzelnes Lidar-System entworfen sein, um mehrere Abtastebenen unterzubringen, oder die unterschiedlichen Abtastmuster können durch separate Lidar-Systeme erzeugt werden.
Obwohl dies in 2 nicht explizit dargestellt ist, können die Abtastmuster 212 und 214 (und ihre zugeordneten einen oder mehreren Laserarrays und Lidar-Systeme) auch konfiguriert sein, um unterschiedliche Sichtfelder abzufragen, d. h. Sichtfelder, die Vektoren zumindest teilweise in die Ebene der Figuren hinein oder aus derselben heraus umfassen. Zum Beispiel kann ein Lidar-System vorne rechts an dem Fahrzeug 200 platziert werden, wobei sein Sichtfeld 15° links von dem Vektor, der die Richtung der Fahrzeugbewegung definiert, mittig ist. Ähnlich kann ein weiteres Lidar-System vorne links an dem Fahrzeug 200 platziert sein, wobei sein Sichtfeld 15° rechts von dem Vektor, der die Richtung der Fahrzeugbewegung definiert, mittig ist. Die beiden separaten Lidar-Systeme überstreichen unterschiedliche (möglicherweise sich überlappende) Sichtfelder, teilweise abhängig von dem Winkelbereich jedes Abtastmusters. Auf diese Weise können breitere Abtastbereiche untergebracht werden oder spezialisierte Abtastungen können durchgeführt werden, wie z. B. Kurzbereichsabtastungen auf einer Seite des Fahrzeugs, Langbereichsabtastungen auf der anderen Seite des Fahrzeugs. Zahlreiche Variationen an dem Ort und der Konfiguration der gegenwärtig beschriebenen Lidar-Systeme sind Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt. Mehrere unterschiedliche Abtastebenen (z. B. über die zwei dargestellten Ebenen hinaus) können unter Verwendung einer oder mehrerer Lidar-Vorrichtungen durchsucht werden. Unterschiedliche Bereiche in einer beliebigen Richtung um das Fahrzeug herum können ebenso abgetastet werden. Lidar-Systeme können auch an einer beliebigen Position in dem Fahrzeug (z. B. Höhe, seitlicher Ort usw.), die erwünscht ist, angeordnet sein.
3 stellt ein Blockdiagramm einiger der Komponenten eines Fahrzeug-Lidar-Systems gemäß der Erfindung dar. Das Fahrzeug-Lidar-System 300 umfasst Lidar-Sensorkomponenten, wie z. B. ein Laserarray und zugeordnete Optiken 310 und einen Photodetektor und zugeordnete Optiken 320. Ein Steuerschaltungsaufbau 330 stellt eine erforderliche Sensorkomponentensteuerung bereit, wie z. B. ein Aktivieren einzelner Laser in einem Laserarray, Lasermodulation und -codierung, Zeitgebungsfunktionen, Photodetektorsignalverstärkung, und dergleichen. Zusätzlich kann, wenn die Sensorkomponenten weitere Bauelemente umfassen, die gesteuert werden müssen, z. B. die unten in Verbindung mit den 5A bis 6B beschriebenen Wandler oder oben beschriebenen Strahlablenkbauelemente, der Steuerschaltungsaufbau 330 eine er wünschte Unterstützungsfunktionalität bereitstellen. Sobald Daten von den Sensorkomponenten erfasst wurden, werden dieselben (entweder über den Steuerschaltungsaufbau 330, wie gezeigt ist, oder direkt) an ein Datenanalysemodul 340 geleitet. Das Datenanalysemodul 340 führt verschiedene Typen einer Photodetektorsignaldecodierung und Signalverarbeitung durch, um nützliche Informationen über eines oder mehrere Objekte, die in dem Sichtfeld des Lidar-Systems erfasst werden, herzuleiten. Diese Informationen werden an ein Fahrzeugsteuer- und Sicherheitssystem 350 geleitet, das die Informationen in automatischen oder semi-automatischen Sicherheitssystemen (z. B. automatisches Notfallbremsen, Scheinwerfersteuerung, Hupensteuerung, ACC usw.) verwendet und/oder Informationen über eine oder mehrere menschliche Schnittstellen (351–359) an den Fahrzeugführer liefert. Das Fahrzeugsteuer- und Sicherheitssystem 350 kann außerdem einem Benutzer, wie z. B. einem Fahrzeugführer oder Programmierer, eine Steuerung über einen oder mehrere Lidar-Systemparameter verleihen. Derartige Parameter können z. B. folgende umfassen: Abtasttyp, Abtastauflösung, Abtastbereich, Abtasttiefe, Warnanzeigertyp, usw.
Fünf unterschiedliche menschliche Schnittstellen sind dargestellt: eine Videoanzeige 351, ein Heads-up-Display (HUD) 353, eine haptische Schnittstelle 355, eine Audioschnittstelle 357 und eine Anzeigerlampe 359. Trotzdem können zahlreiche unterschiedliche Typen von Warnvorrichtungen, Anzeigern und Benutzerschnittstellenelementen in Verbindung mit den Lidar-Systemen gemäß der Erfindung verwendet werden.
Die Videoanzeige 351, das HUD 353 und die Anzeigerlampe 359 sind alle Beispiele verschiedener Typen visueller Anzeiger, die verwendet werden können, um einen Fahrzeugführer über Objekte, die durch das Lidar-System identifiziert werden, zu alarmieren. Zum Beispiel könnte die Videoanzeige 351 graphische Anzeiger des Vorliegens von Objekten allgemein (z. B. eine Warnnachricht), schematische Anzeigen des Vorliegens von Objekten relativ zu der Position des Fahrzeugs oder detailliertere Anzeigen eines Live-Videos der Fahrzeugumgebung mit hervorgehobenen Objektdetails bereitstellen. Derartige Anzeigen werden typischerweise über armaturenbrettinterne oder separat befestigte Computeranzeigen vorgelegt. Ähnlich kann das HUD 353 die gleichen Typen visueller Informationen oder einfachere Warnanzeigen bereitstellen, nur dass diese Informationen auf die Windschutzscheibe des Fahrzeugs projiziert werden, so dass sie in der Sichtlinie des Fahrzeugführers sind. Ferner können HUD-Systeme Informationen in einem Kontext bereitstellen, z. B. Anzeiger oder schattierte Bereiche, die auf Abschnitte der Windschutzscheibe projiziert werden, durch die ein Führer das identifizierte Objekt sehen würde. Die Anzeigerlampe 359 ist vielleicht der einfachste Typ eines visuellen Anzeigers, z. B. eines oder mehrere Lichter (LEDs, Lampen usw.), die blinken oder aktiviert werden, wenn ein Objekt durch den Lidar erfasst wird. Bei weiteren Beispielen gemäß der Erfindung könnte mit zunehmender Nähe oder wahrgenommenen Gefahr, die dem Objekt zugeordnet ist, eine Serie von Lichter progressiv beleuchtet werden oder eine Farbe verändern.
Die haptische Schnittstelle 355 liefert eine bestimmte Art von Zwangsrückkopplung für den Fahrzeugführer. Haptik bezieht sich auf den Tastsinn, wie sich Optik auf den Sehsinn bezieht. Haptik kann in drei Wahrnehmungsbereiche unterteilt werden: Force Feedback, taktile Rückkopplung und Propriozeption. Bei dem Force Feedback fühlt ein Benutzer Kräfte, die durch eine haptische Schnittstelle geliefert werden. Die meisten Force Feedback-Bauelemente sind mechanisch und liefern Kräfte durch Motoren an einen Benutzer. Taktile Rückkopplung bezieht sich mehr auf den Tastsinn über die Haut durch Mechanorezeptoren, um einem Benutzer unterschiedliche Hautempfindungen vorzulegen, und/oder eine leichte und manchmal schnelle Variation eines Force Feedback, um eine taktile Rückkopplung zu simulieren. Propriozeption ist unsere Fähigkeit, durch innere Muskel-Skelett- Kräfte zu fühlen, wo sich unser Körper im Raum befindet. In dem Zusammenhang von fahrzeugbasierten Lidar-Systemen umfassen typische haptische Schnittstellen sitzbasierte Vibrationsvorrichtungen und Lenkradbauelemente, um für den Fahrzeugführer direkte Anzeiger erfasster Objekte bereitzustellen.
Die Audioschnittstelle 357 kann in einer Vielzahl von Formen implementiert sein. In den einfachsten Beispielen wird dem Fahrzeugführer ein charakteristischer Warnton vorgelegt. Derartige Systeme können mit eingebauten Audiosystemen (z. B. Stereosystemen und Mobiltelefonsystemen) integriert sein, um anderes Audio zu unterbrechen, so dass die Warnung klarer zu hören ist. Hochentwickeltere Warntöne können progressive Töne umfassen, z. B. Töne, die in der Lautstärke, Tonhöhe usw. basierend auf der Schwere der Situation variieren, sowie digitalisierte Sprachanzeiger, die explizit den Führer über den Typ und/oder die Schwere der Situation benachrichtigen.
Die 4A bis 4B stellen zusätzliche Beispiele von Laser- und Optiksystemen gemäß der Erfindung zur Verwendung in Lidar-Systemen und insbesondere fahrzeugbasierten Lidar-Systemen dar. Insbesondere stellen die 4A bis 4B unterschiedliche Typen von Optiken dar, die in Verbindung mit Laserarrays verwendet werden können, um eine Laserabtastung in verschiedenen unterschiedlichen Richtungen bereitzustellen.
Ein Laser- und Optiksystem 400 umfasst ein Laserarray 410 und ein optisches Element 420. Allgemein kann das optische Element 420 eines oder mehrere Elemente aufweisen, wie z. B. Prismen, Prismenarrays, Strahllenkelemente, Linsenarrays, Strahlkollimierungselemente und dergleichen. Wie in diesem Beispiel gezeigt ist, ist das optische Element 420 ein spezialisiertes Prisma. Das optische Element 420 ist aus einem geeigneten optischen Material gebildet (z. B. Kunststoffen optischer Qualität, Glasen, III- bis V-Mate rialien oder weiteren Materialen, die ausreichend transparent für das durch das Laserarray 410 emittierte Licht sind) und umfasst ein integriertes Kollimatorlinsenarray 430. Die Linsen des Kollimatorlinsenarrays 430 sind entworfen und angeordnet, um in Verbindung mit jedem der Laser in dem Laserarray 410 zu arbeiten. Licht aus jedem Laser wird durch das entsprechende Linsenarrayelement kollimiert und unter Verwendung des Rests des optischen Elements gelenkt. Bei diesem Beispiel umfasst das optische Element 420 verschiedene Facetten, die allgemein eine konkave, jedoch unregelmäßige Oberfläche bilden. Wenn Licht aus einem bestimmten Linsenarrayelement aus der entsprechenden Facette des optischen Elements austritt, wird dasselbe in einer Richtung gemäß dem Snellius'schen Gesetz gebrochen. Da das Licht aus jedem Laser durch das optische Element 420 mit einem unterschiedlichen Winkel gelenkt wird, ist das Ergebnis eine Anzahl von Strahlen gleich der Anzahl von Laserquellen, jeweils mit einem unterschiedlichen Winkel. Ein Auswählen eines unterschiedlichen Lasers aus dem Laserarray wählt wirksam den Winkel aus, in dem der abfragende Strahl aus dem System ausgeht.
Ein Laser- und Optiksystem 450 ist ein weiteres Beispiel eines Brechungselementes und umfasst ein Laserarray 460 und ein optisches Element 470. Das optische Element 470 ist aus einem geeigneten optischen Material gebildet und umfasst ein integriertes Kollimatorlinsenarray 480. Die Linsen des Kollimatorlinsenarrays 480 sind entworfen und angeordnet, um in Verbindung mit jedem der Laser in dem Laserarray 460 zu arbeiten. Licht aus jedem Laser wird durch das entsprechende Linsenarrayelement kollimiert und unter Verwendung des Rests des optischen Elements gelenkt. Bei diesem Beispiel umfasst das optische Element 470 verschiedene Facetten, die allgemein eine konvexe, jedoch unregelmäßige Oberfläche bilden. Wenn Licht aus einem bestimmten Linsenarrayelement aus einer entsprechenden Facette des optischen Elements austritt, wird dasselbe in einer Richtung gemäß dem Snellius'schen Gesetz gebrochen.
Es wird angemerkt, dass in den Systemen der 4A und 4B die Linsenarrays separate optische Elemente sein können, die in Verbindung mit dem Rest des entsprechenden optischen Elements verwendet werden. Zahlreiche weitere Brechungselemente können verwendet werden, um das erwünschte Strahllenken zu erzielen, wie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist. Ferner integrieren einige Implementierungen gemäß der Erfindung die Optiken mit dem Laserarray 410 oder 460. Zahlreiche unterschiedliche Techniken, wie z. B. Maschinenschleifen, Spritzgießen, Stanzen und Halbleiterherstellungstechniken, können zur Herstellung der Brechungselemente verwendet werden. Weitere Beugungsbauelemente, wie z. B. speziell gebildete holographische optische Elemente, Modulatoren und Flüssigkristallbauelemente, können ähnlich zum Strahllenken eingesetzt werden.
Die 5A bis 6B stellen verschiedenen Beispiele von Laser- und Opitksystemen gemäß der Erfindung zur Verwendung in Lidar-Systemen und insbesondere fahrzeugbasierten Lidar-Systemen dar. Insbesondere zeigt jede der Figuren Laser- und Optiksysteme, die eine kleinere Anzahl von Halbleiterlasern verwenden, um die gleiche Winkelabtastabdeckung zu erzielen wie eine größere Anzahl von Halbleiterlasern.
In 5A z. B. umfasst ein Laserarray 510 nur drei Halbleiterlaser, im Gegensatz zu den fünf Lasern, die bei vorherigen Beispielen dargestellt sind. Um die reduzierte Anzahl von Lasern in dem Laserarray 510 auszugleichen, kann das Laserarray 510 in Bezug auf eine Linse 530 verschoben werden. Wie in 5A gezeigt ist, wurde das Laserarray 510 in seine maximale Verschiebung in Bezug auf die Mittellinie der Linse 530 verschoben. Um eine Laserarrayverschiebung zu erzielen, ist das Laserarray 510 mit einem Linearverschieber 520 gekoppelt. Der Verschieber 520 kann unter Verwendung zahlreicher unterschiedlicher Bauelemente implementiert sein, wie z. B. Schwingspulen, piezoelektrischer Verschieber, Schrittgebermotoren, Shape-Memory-Verschieber, Vibratormotoren und verschiedener anderer Motoren und Bauelemente. Allgemein ist nur eine kleine Menge an Verschiebung (z. B. in der Größenordnung von Millimetern oder weniger) erforderlich, um die Anzahl einzelner Laser, die für ein bestimmtes Laserarray erforderlich ist, wesentlich zu reduzieren. Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, eine Verschiebung ziemlich schnell zu bewirken, und derartige Implementierungsdetails könnten die Verwendung bestimmter Typen von Verschiebern vorschlagen. Wie in 5B gezeigt ist, hat der Verschieber 520 das Laserarray 510 an dem anderen Extrem seiner Bewegung in Bezug auf die Mittellinie der Linse 530 positioniert. Bei diesem einfachen Beispiel wurde die Anzahl einzelner Laser um 40 % reduziert, während das gleiche Winkelsichtfeld beibehalten wird.
Die 6A und 6B stellen ein ähnliches System dar. Hier ist ein Laserarray 610 feststehend, umfasst jedoch dennoch nur drei Halbleiterlaser, im Gegensatz zu den fünf Lasern, die in den vorherigen Beispielen dargestellt sind. Um die reduzierte Anzahl von Lasern in dem Laserarray 610 auszugleichen, kann eine Linse 630 in Bezug auf das Laserarray 610 verschoben werden. Wie in 6A gezeigt ist, wurde das Laserarray 610 in eine extreme Versetzung in Bezug auf die Mittellinie des Laserarrays 610 verschoben. Um eine Linsenverschiebung zu erzielen, ist die Laserlinse 630 mit einem Linearverschieber 620 gekoppelt. Der Verschieber 620 kann unter Verwendung zahlreicher unterschiedlicher Vorrichtungen implementiert sein, wie z. B. derjenigen, die oben in Verbindung mit dem Verschieber 520 beschrieben sind. Wieder wird typischerweise nur eine kleine Menge an Verschiebung benötigt, um die Anzahl einzelner Laser, die für ein bestimmtes Laserarry erforderlich ist, wesentlich zu reduzieren. 6B zeigt die Linse 630 an dem anderen Extrem seiner Bewegung in Bezug auf die Mittellinie des Laserarrays 610 positioniert.
Im Prinzip kann ein Array mit einem einzelnen Laser verwendet und geeignet in Bezug auf eine Linse verschoben werden oder die Linse in Bezug auf das Laserarray verschoben werden. Zusätzlich können Verschiebungsschemata, wie z. B. die dargestellten, verwendet werden, um eine Redundanz unter einzelnen Laser bereitzustellen. Ein Array mehrerer Laser z. B. kann vorgesehen sein, jedoch nur einer oder eine kleine Anzahl wird zu Beginn zum Abtasten verwendet. Sollte eines oder mehrere dieser Bauelemente ausfallen, kann ein unterschiedlicher einzelner oder Satz von Lasern verwendet werden, wo Laser ausgewählt werden, um so die ausgefallenen Bauelemente zu vermeiden.
Die 7A bis 7D stellen Beispiele von Photoerfassungssystemen zur Verwendung mit verschiedenen Lidar-Systemen und insbesondere fahrzeugbasierten Lidar-Systemen dar. Erfassungssysteme müssen mit verschiedenen Faktoren wetteifern, die ihre Fähigkeit, Licht zu sammeln, das von einem Objekt reflektiert wird, einschränkt, wie z. B.: Strahlausdehnung, atmosphärischen Verlusten (Absorption und Streuung), schlechtem Objektreflexionsvermögen, Verlusten, die Lichtsammeloptiken zugeordnet sind, Detektorwirksamkeit, Lichtverdunkelungsmaterial, das sich auf Systemoptiken ansammelt. Zusätzlich besitzen Lidar-Systeme für Fahrzeuge oft bestimmte Größe/Gewicht-Beschränkungen, die die Größe eines verwendeten Photodetektors oder den Typ verwendeten Photodetektors einschränken können. Wie für Fachleute auf dem Gebiet gut bekannt ist, können zahlreiche unterschiedliche Typen von Photodetektoren in Lidar-Systemen gemäß der Erfindung verwendet werden. Bedeutend unter diesen sind verschieden Photodioden, wie z. B. PIN-Photodioden, PN-Photodioden und Lawinen-Photodioden. Die Photodioden können auch basierend auf dem Bauelementmaterial variieren, z. B. Si, GaAs, InGaAs, HgCdTe usw. Wiederum andere Typen von Photodetektoren können verwendet werden, wie z. B. CCD-Bauelemente, Detektoren auf CMOS-Basis und Photovervielfacherröhren. Abhängig von der Photodetektorempfindlichkeit können auch verschiedene Filter, Masken, und Antireflexi onsbeschichtungen in Verbindung mit den Photodetektoren verwendet werden.
In dem System aus 7A sind eines oder mehrere Photodetektorbauelemente 702 mit Halbleiterlasern 701 eines Laserarrays 700 integriert. So können die Photodetektoren 702 gemeinsam mit den Lasern 701 hergestellt werden, z. B. Teil des gleichen Halbleiterchips sein, oder können mit den verschiedenen Lasern in ein einzelnes zusammengesetztes Bauelement integriert werden. Obwohl Photodetektoren 702 in dem Laserarray als mit Lasern 701 durchsetzt gezeigt sind, muss dies nicht der Fall sein. Einer oder mehrere Photodetektoren können z. B. nahe an dem Laserarray positioniert und in einer beliebigen geeigneten Geometrie angeordnet sein. Wie in 7A gezeigt ist, lässt das Laserarray 700 einen Strahl 707 durch eine Linse 705 durch und der Strahl 707 wird nachfolgend durch ein Objekt 710 reflektiert (715). Die Linse 705 ist ausgewählt, um sowohl einen ordnungsgemäßen Durchlass des Strahls 707 zu erlauben, wie auch eine angemessene Sammlung von Licht von dem reflektierten Strahl 715.
7B stellt ein weiteres Reflexionslichterfassungsschema gemäß der Erfindung dar. Bei diesem Beispiel lässt ein Laserarray 720 einen Strahl 727 durch eine Linse 725 durch und der Strahl 727 wird nachfolgend durch ein Objekt 730 reflektiert (735). Das reflektierte Licht 735 wird durch einen Spiegel 737 gesammelt und zurück zu einem Photodetektor 739 reflektiert. In diesem Fall ist der Spiegel 737 ein parabolischer Reflektor, dessen Brennpunkt angeordnet ist, um mit dem aktiven Bereich des Photodetektors 739 zusammenzufallen. Weitere Typen konkaver Reflektoren, z. B. elliptisch, kugelförmig usw., können ebenso verwendet werden. Der Spiegel 737 ist besonders wirksam im Sammeln reflektierten Lichts von einem erweiterten reflektierten Strahl und Konzentrieren diesen Lichts in einer Weise, die eine Erfassung unterstützt.
7C stellt wiederum ein weiters Reflexionslichterfassungsschema gemäß der Erfindung dar. Bei diesem Beispiel lässt ein Laserarray 740 einen Strahl 747 durch eine Linse 745 durch und der Strahl 747 wird nachfolgend durch ein Objekt 750 reflektiert (755). Das reflektierte Licht 755 wird durch eine Linse 757 gesammelt und auf einen Photodetektor 759 fokussiert. Bei diesem Beispiel befindet sich der Photodetektor 759 außeraxial in Bezug auf das Laserarray 740, liefert jedoch allgemein eine relativ große Detektorfläche, um ein Signalsammeln zu erhöhen. Der Photodetektor 759 ist typischerweise nahe an dem Laserarray 740 angeordnet, dies muss jedoch nicht der Fall sein. Allgemein kann der Photodetektor 759 an einer beliebigen Stelle angeordnet sein, an der ausreichend reflektiertes Licht 755 gesammelt werden kann. So könnten abhängig von der Größe und dem Ort des Photodetektors 759 einige Implementierungen eine einfache optische Ebene oder ein Fenster (vielleicht mit einer geeigneten Antireflexionsbeschichtung) anstelle der Linse 757 verwenden. Bei wiederum anderen Implementierungen können höher entwickeltere Sammeloptiken verwendet werden.
7D stellt ein Beispiel des Typs von Kollektoroptiken dar, der in Verbindung mit vielen der beschriebenen Photodetektorsysteme verwendet werden kann. Die Hauptkomponente des Konzentrators ist eine Durchlass-, Totalinnenreflexions-, Brechungs-(TIR-)Linse 770, die eine kurze Brennweite verwendet, während eine Winkelannahme maximiert ist. Licht tritt in die obere Oberfläche allgemein normal zu der Oberfläche ein und wird innen reflektiert und durchgelassen, wie in einem Nebenbild 775 gezeigt ist. So ähneln die äußeren Teile der Linse 770 einer Fresnel-Linse. Der Mittelteil der Linse 770 ist typischerweise asphärisch. Ein Verwenden der asphärischen Linse in dem Mittelteil und der TIR-Rillen an der Peripherie erlaubt einen allgemein kompakten Entwurf. Eine optionale Sekundärlinse 780 kann verwendet werden, um Licht für den Photodetektor 760 weiter zu konzentrieren.
Fachleute auf dem Gebiet werden ohne Weiteres erkennen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Typen optischer Komponenten und Materialien anstelle der Komponenten und Materialien, die oben erläutert sind, verwendet werden kann. Verschiedene zylindrische, sphärische, asphärische, reflektierende und brechende optische Komponenten können z. B. verwendet werden. Ferner können verschiedene Typen optischer Modulatoren, wie z. B. elektrooptische Modulatoren, akustooptische Modulatoren, Raumlichtmodulatoren, Phasenmodulatoren und dergleichen, verwendet werden, um eine Strahllenkfunktionalität zu schaffen. Ferner ist die hierin dargelegte Beschreibung der Erfindung veranschaulichend und soll den Schutzbereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt, nicht einschränken. Variationen und Modifizierungen der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele könnten basierend auf der hierin dargelegten Beschreibung durchgeführt werden, ohne von dem Schutzbereich und der Wesensart der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.

Claims

Vorrichtung für ein Fahrzeug-Lidar-System, die folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Halbleiterlasern (110, 120, 310); ein optisches Element (130), das in Bezug auf die Mehrzahl von Lasern befestigt ist, so dass zumindest zwei der Mehrzahl von Lasern Strahlen erzeugen, die aus dem optischen Element in im Wesentlichen unterschiedlichen Richtungen ausgehen; und einen Steuerschaltungsaufbau (330), der mit der Mehrzahl von Halbleiterlasern gekoppelt und konfiguriert ist, um nacheinander und separat die zumindest zwei der Mehrzahl von Lasern zu aktivieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von Halbleiterlasern ferner zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: eine Mehrzahl von Vertikalresonatoroberflächenemissionslasern (VCSELs) (110), die auf einem einzelnen Halbleitersubstrat gebildet sind; eine Mehrzahl von VCSELs, wobei zumindest zwei der Mehrzahl von VCSELs auf unterschiedlichen Halbleitersubstraten gebildet sind; und eine Mehrzahl von Kantenemissionslasern.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Mehrzahl von Halbleiterlasern (110, 120, 310) in zumindest einem eines eindimensionalen linearen Arrays und eines zweidimensionalen linearen Arrays angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein erster der Mehrzahl von Halbleiterlasern Licht mit einer ersten Wellenlänge erzeugt und ein zweiter der Mehrzahl von Halbleiterlasern Licht mit einer zweiten Wellenlänge erzeugt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das optische Element ferner zumindest ein Element einer Linse (120), eines Prismas (420, 470) und eines Linsenarrays (420, 470) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner folgendes Merkmal aufweist: einen Verschieber (520, 620), der mit einem der folgenden Elemente gekoppelt ist: 1) der Mehrzahl von Halbleiterlasern und 2) dem optischen Element, und konfiguriert ist, um das eine der Mehrzahl von Halbleiterlasern und des optischen Elements in Bezug auf das andere der Mehrzahl von Halbleiterlasern und des optischen Elements zu verschieben.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der Verschieber (520, 620) ferner zumindest ein Element einer Schwingspule, eines piezoelektrischen Verschiebers, eines Schrittgebermotors, eines Shape-Memory-Verschiebers und eines Vibratormotors aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner folgendes Merkmal aufweist: einen Photodetektor (320, 702, 739, 759), der konfiguriert ist, um Licht zu erfassen, das durch zumindest einen der Mehrzahl von Halbleiterlasern erzeugt und von einem Objekt, das durch das Lidar-System abgetastet wird, reflektiert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, die ferner folgendes Merkmal aufweist: ein optisches Lichtsammelelement (705, 837, 757, 770), das in Bezug auf den Photodetektor befestigt und wirksam ist, um zumindest einen Teil des Lichts zu konzentrieren, das durch den zumindest einen der Mehrzahl von Halbleiterlasern erzeugt und von dem durch das Lidar-System abgetasteten Objekt reflektiert wird, wobei das optische Lichtsammelelement ferner zumindest eines eines optischen Reflexionselements, eines optischen Brechungselements, eines holographischen optischen Elements und eines optischen Beugungselements aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der der Photodetektor auf dem gleichen Halbleitersubstrat gebildet ist wie die Mehrzahl von Halbleiterlasern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, bei der der Photodetektor ferner zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: einer PIN-Photodiode, einer PN-Photodiode, einer Lawinenphotodiode, eines CCD-Baelements, eines CMOS-Detektors und eines Photovervielfacherröhrchens.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Signalverarbeitungsschaltung (340) zum Bestimmen einer ungefähren Entfernung zwischen dem Fahrzeug und einem Objekt, das zumindest einen der jeweiligen Strahlen, die durch die zumindest zwei der Mehrzahl von Lasern erzeugt werden, reflektiert, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (340) Informationen, die durch den Photodetektor bereitgestellt werden, verwendet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, die ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Fahrzeugsicherheitssystem, das mit der Signalverarbeitungsschaltung gekoppelt ist, wobei das Fahrzeugsicherheitssystem ferner einen Anzeiger aufweist, der konfiguriert ist, um für einen Fahrzeugbenutzer Informationen in Bezug auf das Objekt, das zumindest einen der jeweiligen Strahlen, die durch die zumindest zwei der Mehrzahl von Lasern erzeugt werden, reflektiert, bereitzustellen, und wobei der Indikator ferner zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: einer Videoanzeige, eines Heads-up-Displays (HUD), einer haptischen Schnittstelle, einer Audioschnittstelle und einer Indikatorlampe.
Verfahren zum Erfassen von Objekten in einer Umgebung eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aktivieren eines ersten Halbleiterlasers, um einen ersten Strahl zu erzeugen; Ablenken des ersten Strahls in einer ersten Richtung unter Verwendung eines ersten optischen Elements; Aktivieren eines zweiten Halbleiterlasers, um einen zweiten Strahl zu erzeugen; Ablenken des zweiten Strahls in einer zweiten Richtung unter Verwendung des ersten optischen Elements; Erfassen von Licht von zumindest einem des ersten Strahls und des zweiten Strahls, das von einem Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs reflektiert wird; und Bestimmen eines Orts des Objekts ansprechend auf das Erfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem der erste Halbleiterlaser und der zweite Halbleiterlaser beide zumindest eines der folgenden Elemente sind: eine Mehrzahl von Vertikalresonatoroberflächenemissionslasern (VCSELs), die auf einem einzelnen Halbleitersubstrat gebildet sind; eine Mehrzahl von VCSELs, wobei zumindest zwei der Mehrzahl von VCSELs auf unterschiedlichen Halbleitersubstraten gebildet sind; eine Mehrzahl von Kantenemissionslasern; ein Abschnitt eines eindimensionalen linearen Laserarrays; und ein Abschnitt eines zweidimensionalen linearen Laserarrays.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem zumindest entweder das Ablenken des ersten Strahls oder das Ablenken des zweiten Strahls ferner zumindest einen der folgenden Schritte aufweist: Durchlassen eines des ersten Strahls und des zweiten Strahls durch ein optisches Brechungselement; und Durchlassen eines des ersten Strahls und des zweiten Strahls durch ein optisches Beugungselement.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, das ferner zumindest einen der folgenden Schritte aufweist: Verschieben zumindest eines des ersten Halbleiterlasers und des zweiten Halbleiterlasers in Bezug auf das erste optische Element; und Verschieben des ersten optischen Elements in Bezug auf zumindest einen des ersten Halbleiterlasers und des zweiten Halbleiterlasers.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, das ferner folgende Schritte aufweist: Sammeln des Lichts von zumindest einem des ersten Strahls und des zweiten Strahls, das durch ein Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs reflektiert wird, unter Verwendung zumindest eines eines optischen Reflexionselements, eines optischen Brechungselements und eines optischen Beugungselements; und Fokussieren zumindest eines Teils des gesammelten Lichts auf einen Photodetektor.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bereitstellen einer Objekterfassungsanzeige für einen Fahrzeugbenutzer.
Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einer Umgebung eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls; eine Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Laserstrahls; eine Einrichtung zum aufeinanderfolgenden Aktivieren der Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls und der Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Laserstrahls; eine Einrichtung zum Ablenken des ersten Laserstrahls in einer ersten Richtung und des zweiten Laserstrahls in einer zweiten Richtung; eine Einrichtung zum Erfassen von Licht von zumindest einem des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls, das durch ein Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs reflektiert wird; und eine Einrichtung zum Bestimmen eines Orts des Objekts unter Verwendung von Informationen von der Einrichtung zum Erfassen von Licht.