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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Lidar-System sowie eine Verwendung des Fahrzeug-Lidar-Systems.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 004 609 A1 ist ein Laser- und Optiksystem zur Verwendung in fahrzeugbasierten Lidar-Systemen bekannt. Das System umfasst ein Halbleiterlaser-Array und ein geeignetes Linsen- oder ein anderes Optiksystem. Das System wird in einer Weise betrieben, dass es Lidar-Lasersysteme ersetzen soll, die mechanisch gedrehte oder verschobene reflektierende Optiken einsetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Fahrzeug-Lidar-System bereitzustellen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann des Weiteren darin gesehen werden, eine Verwendung des Fahrzeug-Lidar-Systems anzugeben.
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Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt wird ein Fahrzeug-Lidar-System bereitgestellt, umfassend:
- – einen Festkörperlaser mit einer Brillanz von mindestens 100 kW/(mm2 sr), der ausgebildet ist, Laserimpulse mit einer Wellenlänge von mindestens 900 nm, vorzugsweise von mindestens 1000 nm, und einer maximalen Leistung pro Laserimpuls von mindestens 50 W zu emittieren,
- – zumindest einen auslenkbar angeordneten Spiegel zum Ablenken der Laserimpulse in Richtung zu detektierender Objekte,
- – einen Empfänger zum Detektieren der von den Objekten reflektierten Laserimpulse.
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Nach einem weiteren Aspekt wird das Fahrzeug-Lidar-System zum Erfassen von Objekten im Umfeld eines Fahrzeugs verwendet. Insbesondere wird mittels des Fahrzeug-Lidar-Systems eine Laufzeitmessung der Laserimpulse durchgeführt, so dass in vorteilhafter Weise eine Entfernungsmessung zu detektierten Objekten durchgeführt werden kann.
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Nach einem anderen Aspekt wird ein Fahrzeug umfassend das Fahrzeug-Lidar-System bereitgestellt.
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Durch das Verwenden des Festkörperlasers mit den vorstehenden Eigenschaften für das Fahrzeug-Lidar-System wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass innerhalb einer Augensicherheitsrichtlinie gemäß der DIN 60825 eine hohe Reichweite von bis zu beispielsweise 200 m und eine hohe Auflösung von beispielsweise < 0,3°, vorzugsweise < 0,15° ermöglicht sind. Ferner ist bei Wellenlängen größer als 900 nm, insbesondere größer als 1000 nm, die Belastung für das menschliche Auge in der Regel nicht mehr so groß durch die Laserstrahlung, sodass eine augensichere Laserklasse 1 auch bei höheren Impulsleistungen und Energien in vorteilhafter Weise erreichbar ist, was wiederum eine Reichweite des Systems erhöht. Ferner ist bei Wellenlängen größer als 900 nm, vorzugsweise größer als 1000 nm, eine Intensität der Sonnenstrahlung etwa um den Faktor 2 geringer, sodass ein Signal-Rausch-Verhältnis des Fahrzeug-Lidar-Systems besser wird. Dies im Vergleich zu bekannten Lasersystemen für Lidarsysteme, zum Beispiel Kantenemitter, die bei einer Wellenlänge von 850 nm bis 950 nm emittieren.
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Durch das Vorsehen des auslenkbar angeordneten Spiegels wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass eine Ausleuchtfläche oder ein mittels der Laserimpulse ausleuchtbarer Bereich, in der respektive dem Objekte detektiert werden können, von einer Auslenkbarkeit des Spiegels und/oder von einer Größe des Spiegels und beispielsweise nicht mehr von einer bestimmten Strahlgröße des Festkörperlasers abhängt. Entsprechend kann der Festkörperlaser kleiner dimensioniert werden. Insbesondere kann ein Strahldurchmesser der Laserstrahlung kleiner dimensioniert werden. Des Weiteren kann der Festkörperlaser an beliebigen Positionen im Fahrzeug eingebaut werden. Denn die Ablenkung der emittierten Laserimpulse in Richtung zu detektierender Objekte wird mittels des Spiegels bewirkt. Das heißt, dass ein Einbauort des Festkörperlasers im Fahrzeug unabhängig von dem gewünschten auszuleuchtenden Bereich im Umfeld des Fahrzeugs ist.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Festkörperlaser eine Brillanz von mindestens 1 MW/(mm2 sr) aufweist. Vorzugsweise liegt die Brillanz des Festkörperlasers zwischen 100 kW/(mm2 sr) und 1 MW/(mm2 sr). In der Regel bedeutet eine höhere Brillanz in vorteilhafter Weise eine höhere Detektionsreichweite des Fahrzeug-Lidar-Systems. Das heißt, dass in vorteilhafter Weise auch Objekte in Abständen vom Festkörperlaser von bis zu 200 m und mehr detektiert oder erfasst werden können. Die Brillanz kann insbesondere als eine Strahlqualität bezeichnet werden. Die Brillanz beschreibt in der Optik und in der Lasertechnik üblicherweise die Bündelung eines Strahls von elektromagnetischer Strahlung, hier des Laserstrahls.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine maximale Leistung pro Laserimpuls zwischen 50 W und 100 W beträgt. Auch hier bedeutet eine höhere maximale Leistung eine höhere Reichweite. Eine maximale Leistung pro Laserimpuls bedeutet, dass auch Laserimpulse mit einer geringeren Leistung emittiert werden können. Die maximal mögliche Leistung pro Laserimpuls beträgt entsprechend 50 W, 100 W oder ein Wert zwischen 50 W oder 100 W.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Laserimpulse eine Dauer von ≤ 100 ns, vorzugsweise von ≤ 50 ns, insbesondere von ≤ 10 ns, beispielsweise von ≤ 1 ns aufweisen, insbesondere zwischen 2 ns und 20 ns, vorzugsweise zwischen 2 ns und 4 ns, beispielsweise 2,2 ns. In der Regel bewirken kleinere Impulsdauern eine verbesserte Genauigkeit oder Auflösung hinsichtlich einer Entfernungsmessung.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Festkörperlaser elektrisch und/oder optisch pumpbar oder anregbar ist. Das heißt, dass der Festkörperlaser elektrisch und/oder optisch gepumpt oder angeregt wird respektive werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Festkörperlaser als ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser ausgebildet ist. Ein solcher Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser wird im Englischen üblicherweise als "vertical cavity surface emitting laser" bezeichnet. Die entsprechende Abkürzung ist: VCSEL. Durch das Vorsehen eines solchen Vertikalemitters kann in vorteilhafter Weise im Vergleich zu bekannten Kantenemittern die vorstehend genannte Strahlqualität oder Brillanz besonders einfach bewirkt werden. Dies insbesondere auch bei Reichweiten des Fahrzeug-Lidar-Systems von > 50 m, insbesondere bis zu 200 m bei vorstehend genannter Auflösung von beispielsweise 1 × 1 m2 bei 200 m. Vorteilig ist weiterhin, dass ein solcher Vertikalemitter im Gegensatz zum bekannten Kantenemitter robuster ist. Beispielsweise kann ein VCSEL nicht durch eine Überstromung und somit zu hoher Impulsleistung an einer Auskoppelfacette zerstört werden. Vielmehr zeigt ein VCSEL allenfalls ein thermisches Roll-over. Ein solcher thermischer Roll-over führt nicht zu einer Zerstörung und ist in vorteilhafter Weise reversibel. Ferner ist ein VCSEL auf Wafer-level-Scale herstellbar und testbar, so dass Herstellungskosten skalierbar sind, insbesondere ähnlich zu Hochleistungs-LEDs skalierbar sind. Bei einem thermischen Roll-over wird das Lasermaterial heißer, dadurch verringert sich der Wirkungsgrad, was zur Folge hat, dass es noch heißer wird. Ab einer bestimmten Verringerung des Wirkungsgrades geht der Laser aus. LED und Vertikalemitter strahlen die Leistung nach oben ab. Bei der Herstellung kann man die Strahlungseigenschaften auch dann testen, wenn der gesamte Wafer noch nicht vereinzelt ist. Im Gegensatz dazu strahlt ein Kantenemitter zur Seite ab und ein Testen ist somit nicht möglich. Man muss den Wafer daher erst vereinzeln (zerschneiden), um den Laser zu testen. Daher kann ein Vertikalemitter getestet werden, wenn er noch auf dem Wafer angeordnet ist, also vor dem Vereinzeln. Denn er strahlt nach oben ab.
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Des Weiteren ist es in vorteilhafter Weise besonders einfach, mit solchen Vertikalemittern kurze Impulse von < 1 ns Impulsanstiegzeit zu generieren oder zu erzeugen. Dies insbesondere bei einem höheren Tastverhältnis im Vergleich zu bekannten Kantenemittern. Unter Tastverhältnis (im Englischen duty cycle) versteht man das Verhältnis zwischen „in Betrieb, also an“ und „nicht in Betrieb, also aus“. In einer Ausführungsform beträgt ein Tastverhältnis des Festkörperlasers zwischen 1 % bis 2 %. Bekannte Kantenemitter für die Lidar Anwendung schaffen heute teilweise nur kleiner 1% oder weniger (z. B. OSRAM SPL PL90_3 mit einem Tastverhältnis bis 0.1%).
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Des Weiteren kann mittels eines solchen Vertikalemitters die erfindungsgemäße Brillanz oder Strahlqualität bei Ausgangswellenlängen (also Wellenlänge der Laserimpulse) von größer als 900 nm, insbesondere größer als 1000 nm erreicht werden, vorzugsweise bei 1050 nm bis 1100 nm.
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Ein Festkörperlaser im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere ein laseraktives Material, welches in einem Kristallgitter oder einem anderen Wirtsmaterial eingebaut ist. Beispiele für solche Festkörperlaser sind: Neodym- oder Ytterbium-dotiertes Yttrium-Aluminiumgranat (Nd:YAG, Yb:YAG). Des Weiteren kann nach anderen Ausführungsformen der Festkörperlaser auch ein Halbleiterlaser sein. Beispielsweise kann der Halbleiterlaser ein Aluminium-Galliumarsenid-Laser sein. Dieser emittiert Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von bis zu 1100 nm. Beispielsweise kann ein Halbleiterlaser ein Indium- oder ein Phosphat-dotiertes laseraktives Material umfassen. Ein solcher Halbleiterlaser emittiert Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von > 1000 nm.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spiegel in zwei unterschiedlichen Richtungen auslenkbar ist. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass eine Ausleuchtfläche oder der ausleuchtbarer Bereich durch diese zwei Richtungen aufgespannt werden kann, innerhalb welcher Objekte detektiert werden können. Insbesondere sind die zwei Richtungen senkrecht zueinander ausgerichtet. Vorzugsweise ist ausschließlich ein Spiegel vorgesehen, der in zwei unterschiedlichen Richtungen auslenkbar ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwei Spiegel vorgesehen sind, die jeweils in einer unterschiedlichen Richtung auslenkbar sind. Das heißt, dass jeder der Spiegel in jeweils einer unterschiedlichen Richtung ausgelenkt werden kann. Auch hier ist eine Ausleuchtfläche oder ein ausleuchtbarer Bereich aufgespannt, innerhalb welcher die Objekte detektiert werden können. Da hier zwei Spiegel vorgesehen sind, die unabhängig voneinander in jeweils unterschiedlichen Richtungen ausgelenkt werden können, ist eine besonders schnelle Erfassung oder Detektion von Objekten ermöglicht. Auch hier sind die beiden Richtungen vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet. Vorzugsweise sind ausschließlich zwei Spiegel vorgesehen. Vorzugsweise sind die beiden Spiegel jeweils ausschließlich in einer Richtung auslenkbar, wobei diese beiden Richtungen unterschiedlich sind, insbesondere senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
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Nach einer Ausführungsform sind mehrere Spiegel vorgesehen, die insbesondere gleich oder beispielsweise unterschiedlich gebildet sind. Ausführungsformen hinsichtlich mehrerer Spiegel ergeben sich analog aus Ausführungsformen hinsichtlich eines Spiegels und umgekehrt. Erläuterungen, Merkmale und Beschreibungen im Zusammenhang mit einem Spiegel gelten analog für mehrere Spiegel und umgekehrt. Das heißt, dass bei der Verwendung des Singulars für Spiegel stets der Plural mitgelesen werden soll und umgekehrt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spiegel magnetisch und/oder piezoelektrisch auslenkbar ist. Durch eine solche magnetische und/oder piezoelektrische Auslenkbarkeit ist eine besonders gute Genauigkeit und Schnelligkeit bei der Auslenkung gegeben.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Durchmesser des Spiegels größer gleich 1 mm, insbesondere größer gleich 3 mm, beispielsweise gleich 3,5 mm, beispielsweise zwischen 1 mm und 8 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 5 mm, ist. Je größer der Spiegel, desto weniger groß ist die Anforderung an den Laser (zum Beispiel die Brillanz). Je größer der Spiegel, umso mehr Licht kann über den Spiegel transportiert werden (bei konstantem Wert der Brillanz).
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spiegel über mindestens einen Winkel von 20°, insbesondere 30°, auslenkbar ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Spiegel bezogen auf eine Mittelposition über mindestens +/–10°, vorzugsweise +/–15° auslenkbar ist. Die Auslenkbarkeit des Spiegels entspricht in der Regel dem ausleuchtbaren Bereich mittels der Laserstrahlung. Das heißt, je größer die Auslenkbarkeit ist, desto größer ist der ausleuchtbare Bereich.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spiegel eine Reflektivität von mindestens 80%, insbesondere von mindestens 90%, vorzugsweise von mindestens 95 %, insbesondere von mindestens 99 %, aufweist. Je höher die Reflektivität des Spiegels, desto höher ist in der Regel ein Wirkungsgrad des Fahrzeug-Lidar-Systems. Verluste an Laserstrahlung können somit in vorteilhafter Weise minimiert werden. Die Reflektivität bezieht sich insbesondere auf die Laserwellenlänge, also auf die Wellenlänge der Laserimpulse. Das heißt, dass die vorstehenden Reflektivitäten vorzugsweise mindestens bei der Laserwellenlänge erreicht sind.
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Eine solche Reflektivität kann beispielsweise bewirkt werden, indem der Spiegel nach einer Ausführungsform beschichtet ist, also eine Beschichtung aufweist, insbesondere eine optische Beschichtung. Eine solche Beschichtung kann beispielsweise eine Metallbeschichtung sein. Insbesondere kann zum Bilden einer solchen Beschichtung Metall auf ein Spiegelsubstrat aufgedampft werden. Der Spiegel ist insbesondere mit einem Metall beschichtet, weist also eine Metallschicht auf, insbesondere eine aufgedampfte Metallschicht. Ein Metall kann beispielsweise Gold, Silber, Aluminium sein. Beispielsweise kann eine Kombination der vorstehend genannten Metalle auf das Spiegelsubstrat aufgedampft sein. Das heißt, dass die Beschichtung Gold, Silber, Aluminium und/oder eine beliebige Kombination hiervon umfassen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung eine oder mehrere dielektrische Schichten umfassen. Solche dielektrischen Schichten umfassen vorzugsweise ein hochbrechendes und ein niedrigbrechendes Material. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine noch höhere Reflektivität bewirkt werden. Eine Schichtdicke der Beschichtung kann beispielsweise maximal 1 µm betragen. Für dielektrische Schichten können beispielsweise folgende Schichtmaterialien verwendet werden: Magnesiumfluorid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Praseodym-Titanoxid, Titanoxid oder Zinksulfid oder eine Kombination hiervon. Insbesondere kann die Beschichtung mehrere Schichten umfassen, die insbesondere gleich oder vorzugsweise unterschiedlich gebildet sind. Insbesondere kann die Beschichtung als ein dichroitischer Spiegel ausgebildet sein. Ein solcher Spiegel ist ein wellenlängenselektiver Spiegel und lässt nur einen bestimmten Wellenlängenbereich durch. Ein solcher Wellenlängenbereich kann nach einer Ausführungsform 900 nm bis 1200 nm sein. Insbesondere kann eine Schichtdicke der Beschichtung kleiner als 50 nm sein. Insbesondere können Schichtdicken der Beschichtung von 100 nm, insbesondere von einigen 100 nm, beispielsweise von bis zum 200 nm, vorgesehen sein.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spiegel als ein mikroelektromechanischer Spiegel ausgebildet ist. Das heißt, dass der mikroelektromechanische Spiegel als ein mikroelektromechanisches Element ausgebildet ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Auswerteeinrichtung gebildet ist, die ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Laserimpulsen eine Entfernung zu einem detektierten Objekt zu bestimmen. Dies insbesondere mittels einer Laufzeitmessung der Laserimpulse.
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Nach einer Ausführungsform wird das Fahrzeug-Lidar-System verwendet, um Objekte im Umfeld des Fahrzeugs zu erfassen oder zu detektieren. Insbesondere wird eine Laufzeitmessung der Laserimpulse durchgeführt. Das heißt, dass der Festkörperlaser Laserimpulse emittiert. Sofern diese Laserimpulse auf Objekte treffen, werden sie von diesen reflektiert. Dies zumindest teilweise in Richtung des Empfängers, der auch als ein Detektor bezeichnet werden kann. Basierend auf Laufzeitmessungen der Laserimpulse kann dann in an sich bekannter Weise eine Distanz zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug-Lidar-System bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Empfänger einen CMOS-kompatiblen-Bildsensor zum Erfassen der reflektierten Laserimpulse und zum Aufnehmen eines Bildes eines mittels der abgelenkten Laserimpulse ausleuchtbaren Bereichs umfasst. Diese Ausführungsform umfasst also insbesondere den Gedanken, einen Empfänger (, der auch als Detektor bezeichnet werden kann) zum Detektieren der von den Objekten reflektierten Laserimpulse vorzusehen, wobei der Empfänger einen CMOS-kompatiblen-Bildsensor umfasst, der sowohl die reflektierten Laserimpulse erfassen als auch ein Bild eines mittels der abgelenkten Laserimpulse ausleuchtbaren Bereichs aufnehmen kann. Der erfindungsgemäße CMOS-kompatible-Bildsensor weist somit eine Doppelfunktion auf: Erfassen der reflektierten Laserimpulse und Aufnehmen eines Bildes. Es ist somit nur ein einziger Sensor notwendig, um sowohl eine Lidar-Funktion (insbesondere für eine Entfernungsmessung) als auch eine Bilderfassungsfunktion bereitzustellen. Im Gegensatz dazu sind im bekannten Stand der Technik zwei Sensoren notwendig, damit die vorstehend genannten Funktionen bewirkt oder bereitgestellt werden können. Das erfindungsgemäße Fahrzeug-Lidar-System ist somit im Vergleich zu den bekannten Systemen kleiner und kompakter und kann deswegen in einem kleineren Einbauraum eingebaut werden.
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Nach einer Ausführungsform ist der CMOS-kompatible-Bildsensor ein CMOS-Bildsensor.
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Bei einem CMOS Bildsensor kann der CMOS Prozess ohne Abwandlung und/ oder Modifikation verwendet werden. Bei einem CMOS kompatiblen Bildsensor ist der CMOS Grundprozess anzuwenden, aber Änderungen im Prozess (Modifikation, neuer Prozessschritt ...) sind möglich. Das heißt, dass der CMOS-Bildsensor im CMOS-Prozess gefertigt ist. Der CMOS kompatible Bildsensor wurde zumindest teilweise im CMOS-Prozess gefertigt, basiert also auf dem CMOS-Fertigungsprozess, wobei gegenüber dem CMOS-Fertigungsprozess Änderungen und/oder Neuerungen in der Fertigung des CMOS kompatiblen Bildsensors durchgeführt wurden.
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Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der CMOS-kompatible-Bildsensor mehrere Pixel umfasst und wobei eine Auswerteelektronik vorgesehen ist, die ausgebildet ist, Signale der Pixel des CMOS-kompatiblen-Bildsensors auszulesen und basierend auf den ausgelesenen Signalen eine Entfernung zu einem detektierten Objekt zu ermitteln. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass für jeden Pixel eine entsprechende Laufzeitmessung der Laserimpulse durchgeführt werden kann. Das heißt, dass jedes Pixelsignal an sich verwendet werden kann, um die Entfernung zu einem detektierten Objekt zu ermitteln. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Gruppe von Pixeln ausgelesen wird, wobei die ausgelesenen Signale der Gruppe dieser Pixel verwendet wird, um eine Entfernung zu einem detektierten Objekt zu ermitteln. Es wird somit in vorteilhafter Weise eine sogenannte "Time of Flight(TOF)"-Messung durchgeführt, auf Deutsch eine Laufzeitmessung.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein optisches Element zum Abbilden des ausleuchtbaren Bereichs auf den CMOS-kompatiblen-Bildsensor vorgesehen ist. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass der ausleuchtbare Bereich optimal auf den CMOS-kompatiblen-Bildsensor abgebildet werden kann, sodass der CMOS-kompatiblen-Bildsensor den gesamten ausleuchtbaren Bereich erfassen und insofern Objekte, die sich in diesem ausleuchtbaren Bereich befinden, auch detektieren kann. Das optische Element ist beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel, beispielsweise ein Parabolspiegel. Vorzugsweise sind mehrere optische Elemente vorgesehen, die insbesondere gleich oder unterschiedlich gebildet sind.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das optische Element eine Transmission von mindestens 95%, vorzugsweise > 99%, für einen Wellenlängenbereich aufweist, der der Laserwellenlänge plus minus ≤ 20 nm, vorzugsweise plus minus ≤ 10 nm, entspricht, wobei die Transmission für Wellenlängen außerhalb des Wellenlängenbereichs kleiner als 50%, vorzugsweise kleiner 20%, ist. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis gesteigert werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der CMOS-kompatible-Bildsensor ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mindestens 900 nm, vorzugsweise von mindestens 1000 nm, zu detektieren. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass der CMOS-kompatible-Bildsensor auch Laserimpulse erfassen kann, die eine Wellenlänge von mindestens 900 nm aufweisen. In diesem Wellenlängenbereich größer als 900 nm ist üblicherweise die Empfindlichkeit gegenüber einer Beschädigung des Auges für diese elektromagnetische Strahlung verringert, sodass bei der Verwendung des Fahrzeug-Lidar-Systems in der Regel keine Gefahr für Verkehrsteilnehmer im Umfeld des Fahrzeugs ausgeht.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der CMOS-kompatible-Bildsensor als Sensormaterial dotiertes und/oder oberflächenmodifiziertes Silizium aufweist. Dadurch wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass ein solches Silizium für Wellenlängen größer als 1000 nm empfindlicher ist im Vergleich zu undotiertem oder nicht oberflächenmodifiziertem Silizium. Solches Silizium ist beispielsweise als schwarzes Silizium (black silicon) oder als rosa Silizium (pink silicon) bekannt. Als Dotand kann beispielsweise Schwefel vorgesehen sein.
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Bei einer Oberflächenmodifikation wird eine Reflektivität durch einen Brechzahlsprung von Luft zu Silizium stark reduziert, sodass mehr eintreffende Photonen in den Bildsensor eindringen und dann entsprechend detektiert werden können. Die Oberflächenmodifikation wird beispielsweise mittels einer Strukturierung mittels kurzer Laserimpulse durchgeführt. Diese Laserimpulse weisen beispielsweise eine Impulsdauer von ≤ 10 ns, beispielsweise von ≤ 1 ns, auf. Beispielsweise kann eine Oberflächenmodifikation mittels einer Beschichtung durchgeführt werden. Das heißt, dass das Silizium beschichtet ist.
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Durch eine Dotierung des Siliziums wird insbesondere der technische Effekt bewirkt, dass dadurch eine Absorptionswahrscheinlichkeit für Photonen erhöht wird, sodass eine Empfindlichkeit des Detektors auch bei längeren Wellenlängen gesteigert wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 ein Fahrzeug-Lidar-System.
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1 zeigt ein Fahrzeug-Lidar-System 101.
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Das System 101 umfasst einen Festkörperlaser 103, der als ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL) ausgebildet ist. Das Bezugszeichen 103 zeigt einmal mittels eines Pfeils auf ein Schaltzeichen, der den Festkörperlaser symbolisch darstellen soll. Des Weiteren zeigt das Bezugszeichen 103 auf eine geschweifte Klammer, die einen detaillierteren Aufbau des Vertikalresonatoroberflächenemissionslasers zeigt. Der VCSEL 103 kann bei entsprechender Anregung Laserimpulse emittieren.
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Ferner umfasst das System 101 einen Spiegel 105, der als mikroelektromechanisches Element ausgebildet ist. Ein solcher Spiegel kann auch als ein MEMS-Spiegel bezeichnet werden. Der Spiegel 105 ist auslenkbar angeordnet. Der Spiegel 105 lenkt die Laserimpulse des Festkörperlasers 103 ab in Richtung zu detektierender Objekte. Ein solches Objekt ist hier exemplarisch mit dem Bezugszeichen 111 gekennzeichnet. Aufgrund der Auslenkbarkeit des Spiegels 105 kann mittels der abgelenkten Laserimpulse ein ausleuchtbarer Bereich ausgebildet werden. Im Englischen wird ein solcher ausleuchtbarer Bereich auch als ein "field of view" bezeichnet. Wenn sich Objekte, hier als Beispiel das Objekt 111, innerhalb des ausleuchtbaren Bereichs befinden, so können diese mittels des Fahrzeug-Lidar-Systems erfasst werden.
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Der Festkörperlaser 103 umfasst einen Vertikalemitter 109 mit einer Kavität 107, aus der Laserimpulse ausgekoppelt werden. Die ausgekoppelten Laserimpulse sind lediglich symbolisch mittels eines Pfeils mit dem Bezugszeichen 108 gekennzeichnet.
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Wenn sich der Spiegel 105 in seiner Mittelposition befindet, so wird die von dem Spiegel 105 reflektierte Laserstrahlung mit einem durchzogenen Pfeil mit dem Bezugszeichen 110 gekennzeichnet. Wenn sich der Spiegel 105 in seinen maximal möglichen Auslenkpositionen befindet, so wird die reflektierte Laserstrahlung mittels zweier gestrichelter Pfeile mit den Bezugszeichen 110a und 110b gekennzeichnet. Laserstrahlung (also die Laserimpulse), welches mittels des Spiegels 105 auf das Objekt 111 abgelenkt wird, ist mit einem durchzogenen Pfeil mit dem Bezugszeichen 112 gekennzeichnet. Von dort, also von dem Objekt 111, wird die Laserstrahlung, also die Laserimpulse, in Richtung eines Empfängers oder Detektors 113 des Systems 101 reflektiert. Diese reflektierte Laserstrahlung ist symbolisch mittels eines gestrichelten Pfeils mit dem Bezugszeichen 114 gekennzeichnet. Bezogen auf die Laufrichtung der Laserstrahlung 114 vor dem Detektor oder Empfänger 113 ist ein Filter 115 vorgesehen, sodass nur elektromagnetische Strahlung mit einer dem Filter entsprechenden Wellenlänge zum Empfänger 113 durchgelassen wird. Hierbei ist das Filter 115 für einen Wellenlängenbereich von plus minus ≤ 20nm, vorzugsweise plus minus ≤ 10 nm, um die Laserwellenlänge durchlässig und für die weiteren Wellenlängen (also nicht die Laserwellenlänge umfassend die vorstehend genannten plus minus-Bereiche) durchlässig mit < 50%, vorzugsweise < 20%.
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Der Empfänger 113 ist analog zum Festkörperlaser 103 ebenfalls mittels eines Schaltzeichens symbolisch dargestellt. Der Empfänger 113 kann beispielsweise einen Indium-Galliumarsenid-Sensor umfassen oder eine PIN-Diode oder eine Avalanche-Photodiode. „PIN“ steht für „positive intrinsic negative diode“.
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Es ist somit in vorteilhafter Weise eine Laufzeitmessung der Laserimpulse ermöglicht, sodass ein Abstand 117 zwischen dem Objekt 111 und dem System 101 ermittelt oder bestimmt werden kann.
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Der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser 103 weist eine Brillanz von mindestens 100 kW/(mm2 sr) auf und emittiert Laserimpulse mit einer Wellenlänge von mindestens 900 nm, vorzugsweise zwischen 1000 nm bis 1100 nm. Ferner beträgt eine maximale Leistung pro Laserimpuls mindestens 50 W, vorzugsweise zwischen 50 W und 100 W, insbesondere 100 W. Solche hohen Strahlqualitäten oder Brillanzen können beispielsweise wie folgt realisiert oder bewirkt werden.
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Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Resonatorlänge (Kavität) vergrößert wird. Dadurch können weniger transversale Moden anschwingen, was einen positiven Einfluss auf die Strahlqualität oder Brillanz hat. Zusätzlich oder anstelle der Verlängerung der Kavität ist vorzugsweise eine Doppel-Kavität vorgesehen. Bei einer solchen Doppel-Kavität wird nicht nur ein Auskoppelspiegel für den Resonator verwendet, sondern zwei. Vorzugsweise weist der innere Spiegel der Doppel-Kavität eine geringere Reflektivität für die Laserwellenlänge auf im Vergleich zu dem äußeren Auskoppelspiegel der Doppel-Kavität. Auch bei einer solchen Doppel-Kavität wird durch eine entsprechende Auslegung dieser Doppel-Kavität das Anschwingen von höheren transversalen Moden erschwert, was in vorteilhafter Weise eine Strahlqualität oder Brillanz erhöht. Die Doppel-Kavität wird im Englischen in der Regel als "coupled cavity" bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007004609 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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