DE102018201507B4

DE102018201507B4 - LIDAR-System und Steuerungssystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018201507B4
Application number: DE102018201507.4A
Authority: DE
Inventors: Nico Heussner; Stefan Spiessberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: US11585938B2; CN110109141A; US20190235084A1; DE102018201507A1

Abstract

LIDAR-System (10) umfassend einen monolithisch-frequenzstabilisierten Halbleiterlaser (100) mit einer linearen thermischen Wellenlängenverschiebung und ein Bandpassfilter (200), dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (200) ein Element umfasst, welches eine thermische Wellenlängenverschiebung bewirkt, die von der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers (100) um nicht mehr als 40 %, bevorzugt nicht mehr als 20 %, noch bevorzugter nicht mehr als 5 % abweicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LIDAR-System und ein Steuerungssystem für ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
LIDAR-Systeme, LIDAR steht für englisch: light detection and ranging, zu deutsch: Lichtdetektion und -entfernungsmessung, sind Systeme, die anhand von Reflexionslichtlaufzeiten Entfernungen von Gegenständen bestimmen können. LIDAR-Systeme werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Hindernisvermeidung eingesetzt. Sie liefern dabei einer Steuerung eine detektierte Hindernisentfernung, die die Steuerung für die Hindernisvermeidung einsetzt.
Um erkennen zu können, dass detektiertes Licht zuvor ausgesandt und entsprechend von einem Gegenstand reflektiert wurde, werden dabei beispielsweise Laser, die grundsätzlich Licht mit einer konstanten Wellenlänge ausstrahlen, zusammen mit einem optischem Bandpassfilter verwendet. Das Bandpassfilter dient zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Herausfiltern von Hintergrundlicht und umfasst beispielsweise ein Interferenzfilter oder ein Filter, welches eine Kombination aus Interferenz- und Absorptionseffekten nutzt.
Typischerweise werden rein dielektrische Interferenzfilter mit einer geringen temperatur-induzierten Wellenlängenverschiebung von 0,01 nm/K verwendet.
Die üblicherweise als Laserquelle eingesetzten Halbleiterlaser weisen hingegen eine vergleichsweise große Temperaturabhängigkeit von 0,3 nm/K auf.
Selbst Halbleiterlaser mit einer monolithisch integrierten Frequenzstabilisierung weisen noch eine thermische Wellenlängenverschiebung von 0,07 nm/K auf.
Damit in einem LIDAR-System ein Laser ohne Temperaturstabilisierung verwendet werden kann, muss ein Bandpassfilter mit entsprechend breitem Passband verwendet werden, da sonst die Wellenlänge des Lasers betriebstemperaturbedingt aus dem Passband herausläuft.
Das begrenzt die erzielbare Signalqualität, da umso mehr Störlicht auf den Detektor fällt, je breiter dass Passband ist.
Aus der DE 4424717 A1 ist ein Vielschichtinterferenzfilter bekannt, das Schichten aus wasserstoffhaltigem amorphen Silizium umfasst, wobei ein dλ/dT der beiden Spiegelschichten gleich sein kann, sodass eine Änderung der Temperatur zu einer Verschiebung der Zentralwellenlänge unter Konstanz der Transmissionsbreite führt.
Aus der US 5 241 315 A ist ein augensicherer, kompakter Festkörper-Lidar zum Profilieren der atmosphärischen Wolken- und Aerosolstreuung bekannt. Der Festkörper-LIDAR weist einen temperaturgeregelten optischen Bandpassfilter auf.
Aus der US 2017/ 0 307 736 A1 ist ein Mehrwellenlängen-LIDAR-System bekannt, welches eine erste Laserquelle, die einen ersten optischen Strahl mit einer ersten Wellenlänge erzeugt, und eine zweite Laserquelle, die einen zweiten optischen Strahl mit einer zweiten Wellenlänge erzeugt, umfasst. Ein optisches Element projiziert den ersten optischen Strahl, um ein erstes Strahlprofil an einer Zielebene zu bilden, und projiziert den zweiten optischen Strahl, um ein zweites Strahlprofil an der Zielebene zu bilden. Ein optischer Empfänger erzeugt ein erstes Wellenlängensignal, das dem empfangenen reflektierten Teil des ersten Strahlprofils entspricht, und erzeugt ein zweites Wellenlängensignal, das dem reflektierten Teil des zweiten Strahlprofils in der Zielebene entspricht. Eine Steuerung erzeugt eine Messpunktwolke aus den ersten und zweiten Wellenlängensignalen, wobei eine Winkelauflösung der Messpunktwolke von einer relativen Position des ersten und des zweiten Strahlprofils in der Zielebene abhängt.
Aus der DE 101 46 006 A1 ist ein Verfahren zur Temperaturkompensation einer optischen Komponente mit mindestens einem Kanten- oder Bandpassfilter und einer strahlführenden Optik bekannt. Um ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches das Betreiben einer optischen Komponente mit einem temperaturabhängigen Bandpassfilter (oder auch Kantenfilter) über einen größeren Temperaturbereich erlaubt, und eine entsprechende optische Komponente zur Verfügung zu stellen, die über einen weiten Temperaturbereich zuverlässig betrieben werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Ausrichtung des Strahls relativ zu dem Kanten- oder Bandpassfilter in Abhängigkeit von der Temperatur der Komponente verändert wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein LIDAR-System gemäß Anspruch 1 und ein Steuerungssystem gemäß Anspruch 8 für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt.
Das LIDAR-System umfasst einen monolithisch-frequenzstabilisierten Halbleiterlaser mit einer linearen thermischen Wellenlängenverschiebung. Das Bandpassfilter ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter ein Element umfasst, welches eine thermische Wellenlängenverschiebung bewirkt, die von der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers um nicht mehr als 40 %, bevorzugt nicht mehr als 20 %, noch bevorzugter nicht mehr als 5 % abweicht.
Das Steuerungssystem umfasst das erfindungsgemäße LIDAR-System, welches für eine Bestimmung einer Hindernisentfernung konfiguriert ist, und eine Steuereinheit umfasst, die zur Hindernisvermeidung des Kraftfahrzeugs unter Verwendung der bestimmten Hindernisentfernung konfiguriert ist.
Mithilfe des in seiner thermischen Wellenlängenverschiebung an den Halbleiterlaser angepassten Bandpassfilters lässt sich ein LIDAR-System realisieren, welches über einen weiten Temperaturbereich ohne eine Temperaturstabilisierung des Halbleiterlasers auskommt, ohne dass der Bandpassfilter dafür breitbandiger sein muss. Durch die Verwendung der Erfindung kann also auf eine Temperaturstabilisierung des Halbleiterlasers verzichtet werden. Dadurch lassen sich die Komplexität reduzieren, die Kosten senken und die Leistungsaufnahme reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Element ganz oder teilweise aus einem Material, welches eine Abhängigkeit der Zentralwellenlänge von der Temperatur besitzt, die deutlich größer, bevorzugt mindestens zweimal größer als die von Glas ist. Das Material kann amorphes Silizium umfassen.
Dies ist eine besonders einfache Ausgestaltung, um eine thermische Wellenlängenverschiebung des Bandpassfilters zu bewirken, die der des Halbleiterlasers entspricht.
Das Bandpassfilter kann ein Kavitätsfilter sein und das Element kann einen Abstandshalter mit einer thermischen Längenausdehnung umfassen, die eine der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers entsprechende Wellenlängenverschiebung des Bandpassfilters bewirkt.
Dies ist eine andere einfache Ausgestaltung, um eine thermische Wellenlängenverschiebung zu bewirken, die der des Halbleiterlasers entspricht.
Das Bandpassfilter kann Bandpassfiltersegmente mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften und das Element kann ein Verschiebeelement umfassen, wobei das Verschiebeelement abhängig von einer Temperatur des Bandpassfilters eines der Bandpassfiltersegmente auf einen optischen Pfad platzieren kann.
Dies ist noch eine weitere einfache Ausgestaltung, um eine dem Laser entsprechende thermische Wellenlängenverschiebung des Bandpassfilters zu bewirken.
Die Bandpassfiltersegmente können unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
So lassen sich die unterschiedlichen Transmissionseigenschaften der Bandpassfiltersegmente leicht realisieren.
Das Bandpassfilter kann weiterhin ein schmales optisches Passband aufweisen. Damit lässt sich Hintergrundlicht effizient herausfiltern.
Die thermische Wellenlängenverschiebung des Elements kann höchstens um 0,01 nm/K von der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers abweichen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Übersicht von thermischen Wellenlängenverschiebungen von Halbleiterlasern und Bandpassfiltertypen, und
2 eine beispielhafte Verwendung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt gemäß einem Aspekt die Verwendung von Bandpassfilterkonzepten basierend auf temperatursensitiven Materialien in Kombination mit monolithisch-frequenzstabilisierten Halbleiterlasern in einem LIDAR-System vor.
Durch die angepassten thermischen Wellenlängenverschiebungen kann ein solches LIDAR-System über einen weiten Temperaturbereich ohne Temperaturstabilisierung der Laserquelle verwendet werden.
Ein Beispiel eines temperatursensitiven Materials ist amorphes Silizium.
Unter Verwendung von amorphem Silizium kann ein Bandpassfilter hergestellt werden, welches eine thermische Verschiebung der Zentralwellenlänge des Passbandes von ca. 0,07 nm/K zeigt, die also ähnlich zu der eines typischen monolithisch-frequenzstabilisierten Halbleiterlasers ist. Dies erlaubt ein vergleichsweise schmales Passband, was ohne die thermische Abhängigkeit der Zentralwellenlänge des Passbandes nur mit einer Temperaturstabilisierung des Halbleiterlasers erreichbar wäre. Das LIDAR-System kann mithin ohne Temperaturstabilisierung über einen weiten Temperaturbereich mit einem schmalen optischen Bandpassfilter betrieben werden. Das schmale Passband überkompensiert dabei die geringe Effizienz monolithisch-frequenzstabilisierter Halbleiterlaser.
Eine Übersicht der Zentralwellenlängen λ von Halbleiterlasern und Bandpassfiltertypen in Abhängigkeit von der Temperatur T ist in 1 dargestellt. Die schwarze Linie stellt das Temperaturverhalten der Zentralwellenlänge eines nicht stabilisierten Halbleiterlasers dar. Die gepunktetgestrichelte Linie stellt das Temperaturverhalten der Zentralwellenlänge eines Interferenzfilters schematisch dar. Die gepunktete Linie stellt das der Zentralwellenlänge eines stabilisierten Halbleiterlasers dar. Und die gestrichelte Linie stellt das Temperaturverhalten der Zentralwellenlänge eines auf amorphem Silizium basierenden Bandpassfilters dar. Erkennbar sind das Temperaturverhalten des auf amorphem Silizium basierenden Bandpassfilters und des stabilisierten Halbleiterlasers fast identisch.
Durch entsprechende Ausgestaltung sind daher Bandpassfilter aus amorphem Silizium mit einer thermischen Wellenlängenverschiebung realisierbar, die von der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung eines stabilisierten Halbleiterlasers um nicht mehr als 40 % abweichen. Auch eine Abweichungsbeschränkung auf nicht mehr als 20 %, auf nicht mehr als 10 % oder nicht mehr als 5 %, ja selbst auf nicht mehr als 1%, ist möglich. Insgesamt erscheint es möglich, Bandpassfilter aus amorphem Silizium mit einer thermischen Wellenlängenverschiebung zu realisieren, die nicht mehr als 0,01 nm/K von der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers abweicht.
2 zeigt eine beispielhafte Verwendung eines LIDAR-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Steuerungssystem 2 eines Kraftfahrzeugs 1. Das Steuerungssystem 2 umfasst das LIDAR-System 10 und eine Steuereinheit 20. Das LIDAR-System 10 ist für eine Bestimmung einer Hindernisentfernung eines Hindernisses von dem Kraftfahrzeug 1 konfiguriert.
Die Steuereinheit 20 ist zur Hindernisvermeidung ausgebildet, also ausgebildet, das Kraftfahrzeug 1 unter Verwendung der bestimmten Hindernisentfernung so zu steuern, dass eine Kollision mit dem Hindernis vermieden wird.
Das LIDAR-System umfasst einen mit monolithisch-frequenzstabilisierten Halbleiterlaser 100 mit einer linearen thermischen Wellenlängenverschiebung und ein Bandpassfilter 200. Das Bandpassfilter 200 umfasst amorphes Silizium, welches eine thermische Wellenlängenverschiebung bewirkt. Diese thermische Wellenlängenverschiebung weicht von der Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers 100 höchstens geringfügig ab.
Die vorliegende Erfindung schlägt gemäß einem weiteren Aspekt die Verwendung eines speziell auf die Laserquelle abgestimmten Bandpassfilterkonzepts vor. Die Designanforderungen des Bandpassfilters werden somit, neben der spektralen Anforderung, um eine weitere Anforderung ergänzt, nämlich die thermische Verschiebung des Transmissionsspektrums so zu gestalten, dass es zu dem der Laserquelle passt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Bandpassfilter einen Kavitäts-Bandpassfilter und einen Abstandshalter. Der Abstandshalter ist so ausgebildet, dass seine thermische Ausdehnung eine thermische Verschiebung der Zentralwellenlänge des Kavitätsfilters bewirkt, die der des Lasers entspricht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Bandpassfilter Bandpassfiltersegmente mit unterschiedlichen Schichtdicken und somit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften. Das Verschiebeelement, beispielsweise eine Art thermische Aufhängung, platziert, abhängig von einer Temperatur des Bandpassfilters, eines der Bandpassfiltersegmente auf einen optischen Pfad beziehungsweise vor eine Empfangsoptik.
Die vorliegende Erfindung ist vielseitig gewerblich anwendbar, beispielsweise in LIDAR-Systemen, die einen weiten Temperaturbereich abdecken sollen. Ein spezielles Anwendungsbeispiel ist Automotive LIDAR, also die Verwendung in LIDAR-Systemen von Kraftfahrzeugen.

Claims

LIDAR-System (10) umfassend einen monolithisch-frequenzstabilisierten Halbleiterlaser (100) mit einer linearen thermischen Wellenlängenverschiebung und ein Bandpassfilter (200), dadurch gekennzeichnet, dass das Bandpassfilter (200) ein Element umfasst, welches eine thermische Wellenlängenverschiebung bewirkt, die von der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers (100) um nicht mehr als 40 %, bevorzugt nicht mehr als 20 %, noch bevorzugter nicht mehr als 5 % abweicht.
LIDAR-System nach Anspruch 1, wobei das Element ganz oder teilweise aus einem Material besteht, welches eine Abhängigkeit der Zentralwellenlänge von der Temperatur besitzt, die deutlich größer, bevorzugt mindestens zweimal größer als die von Glas ist, und welches bevorzugt amorphes Silizium umfasst.
LIDAR-System nach Anspruch 1, wobei das Bandpassfilter (200) ein Kavitätsfilter ist und das Element einen Abstandshalter mit einer thermischen Längenausdehnung umfasst, die eine der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers (100) entsprechende Wellenlängenverschiebung bewirkt.
LIDAR-System nach Anspruch 1, wobei das Bandpassfilter (200) Bandpassfiltersegmente mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften und das Element ein Verschiebeelement umfasst, wobei das Verschiebeelement (220) abhängig von einer Temperatur des Bandpassfilters eines der Bandpassfiltersegmente auf einen optischen Pfad platziert.
LIDAR-System nach Anspruch 4, wobei die Bandpassfiltersegmente unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
LIDAR-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bandpassfilter (200) ein schmales optisches Passband aufweist.
LIDAR-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die thermische Wellenlängenverschiebung des Elements höchstens um 0,01 nm/K von der linearen thermischen Wellenlängenverschiebung des Halbleiterlasers abweicht.
Steuerungssystem (2) für ein Kraftfahrzeug (1), wobei das Steuerungssystem (2) ein LIDAR-System (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das LIDAR-System (10) für eine Bestimmung der Hindernisentfernung konfiguriert ist, und eine Steuereinheit (20) umfasst, die zur Hindernisvermeidung des Kraftfahrzeugs unter Verwendung der bestimmten Hindernisentfernung konfiguriert ist.