WO2019234180A1 - Apparat und scheinwerfer - Google Patents

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WO2019234180A1
WO2019234180A1 PCT/EP2019/064850 EP2019064850W WO2019234180A1 WO 2019234180 A1 WO2019234180 A1 WO 2019234180A1 EP 2019064850 W EP2019064850 W EP 2019064850W WO 2019234180 A1 WO2019234180 A1 WO 2019234180A1
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measuring laser
laser
measuring
primary
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Jörg Erich SORG
Hubert Halbritter
Georg Bogner
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • B60Q1/00—Arrangement of optical signalling or lighting devices, the mounting or supporting thereof or circuits therefor
    • B60Q1/0017—Devices integrating an element dedicated to another function
    • B60Q1/0023—Devices integrating an element dedicated to another function the element being a sensor, e.g. distance sensor, camera
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    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
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    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G01S7/4815—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone using multiple transmitters

Definitions

  • Measuring laser emitted in the short-wave spectral range Measuring laser emitted in the short-wave spectral range.
  • An object to be solved is to provide an apparatus and a headlamp, which efficiently with a
  • Semiconductor laser is used, which is operated pulsed.
  • the semiconductor laser can be emitted to a white light
  • Illumination source be affiliated or be part of this illumination source.
  • the at least temporarily pulsed operated semiconductor laser With the at least temporarily pulsed operated semiconductor laser, a distance measurement over a transit time measurement of laser radiation can be realized.
  • the apparatus comprises a lighting source.
  • the illumination source emits in Operation prefers white light and / or near-infrared
  • the illumination source comprises
  • a semiconductor light source such as at least one
  • Light emitting diode or at least one semiconductor laser The
  • Primary light source preferably produces blue light
  • the secondary radiation is in particular yellow light.
  • the apparatus comprises a measuring laser.
  • the measuring laser is a semiconductor laser.
  • the measuring laser is used to generate pulses or pulse trains with a duration of the individual pulses of at most 10 ns, preferably of at most 5 ns or 3 ns or 2 ns,
  • a maximum intensity wavelength of a measurement laser radiation generated by the measurement laser is at least 280 nm or 360 nm or 400 nm or 430 nm and alternatively or additionally at most 505 nm or 485 nm or 460 nm.
  • the wavelength of maximum intensity of the measurement laser is between 430 nm inclusive and 460 nm.
  • the apparatus comprises a source of illumination.
  • the apparatus comprises at least one measuring laser.
  • the measuring laser is a semiconductor laser and is designed to generate pulses with a pulse duration of at most 10 ns.
  • a wavelength of maximum intensity of a measuring laser radiation generated by the measuring laser is between 400 nm and 485 nm inclusive.
  • the measuring laser radiation is preferably a distance measurement by LIDAR, for example in a car headlight.
  • the apparatus described here is preferably a headlight for illumination in which a blue-emitting semiconductor laser is integrated as a LIDAR component.
  • LIDAR stands for Light Detection And Ranging, ie light-based distance measurement.
  • Emission is a pulse operation with the
  • a blue-emitting laser component as a signal source for a LIDAR system in a headlight.
  • a headlight component such as a blue-emitting laser diode for excitation of the phosphor to support or supplement or serve as an independent LIDAR system.
  • Headlamps preferably matched.
  • the additional blue light is compensated by the measuring laser in that the illumination source itself
  • LIDAR systems operate, for example, for motor vehicles in the infrared wavelength range. It serves as an emission source, an additional IR laser, as
  • laser headlights, additional laser sources or additional laser components in a headlight can be used as emitters for the LIDAR system described here, which operates in the region of blue wavelengths.
  • the blue-emitting source can be installed anyway in white-emitting headlamps in order to achieve white light by the excitation of a phosphor and by partial conversion. That is, blue-yellow mixed light can be generated. Unless the
  • Primary light source for the phosphor is a laser, high pulse frequencies of 100 MHz and more are feasible.
  • the blue measuring laser radiation has a low penetration depth in silicon. This results in lower laser power compared to infrared based LIDAR systems
  • the apparatus comprises in a common housing or a common housing, the measuring laser and an optical element, wherein the measuring laser and the optical element are inseparably connected to each other. This configuration ensures that no undirected laser light can escape.
  • the optics used distributes the laser light and adjusts the light distribution to the light distribution of the headlamp.
  • optical elements of the illumination source of the headlamp can be shared.
  • Components such as sensors or control circuits based on SiC as semiconductors may be due to the larger
  • Band gap of SiC be operated at higher temperatures. This offers especially under short-wave radiation such as X-rays, gamma rays or ultraviolet
  • optical elements for example, diffractive optical elements, English Diffractive Optical Element or short DOE, are used. Furthermore, meta-optics or multi-lens arrays, English multi-lens arrays, can be used. Furthermore, diffusers can be used. In addition, metal lenses, ie lenses made of a metamaterial, can be used. A metamaterial is a material that preserves its optical properties through its internal structure and not its chemical composition.
  • the metal lenses can also be a planar one
  • Carrier structure include, for example, a glass wafer, on which a structured surface topography is applied. Structure sizes of the applied structures preferably move in the range of the light wavelength or below the wavelength of the light. These structures can be replaced by a
  • suitable, also transparent material with a different refractive index to be planarized are also possible. Also possible are layer stacks of such structures.
  • Control circuit such as an integrated circuit or ASIC in a housing commonly installed to inductors to keep low at the high frequencies occurring.
  • a corresponding capacitor may for example be integrated as a ceramic multilayer in the housing or in a carrier, also referred to as submount, for the measuring laser.
  • the switching element and / or the drive circuit and / or the capacitor may be integrated in a silicon component or a SiC component, which is an integral part of the housing.
  • the measuring laser can be realized as a flip-chip, whereby a bond wire-free structure is possible.
  • the measuring laser as a thin-film chip, ie without growth substrate for a
  • Semiconductor layer sequence be mounted on a support.
  • the at least one measuring laser can be operated at lower currents while providing the same LIDAR power in the blue spectral range. As a result, shorter switching times can be realized. As a result, a higher data rate and shorter pulses are possible. In addition, this can achieve better eye safety or it is reduced
  • Performance data of the LIDAR system possible. Furthermore, smaller laser chips and smaller housings can be used. Alternatively, higher LIDAR powers in the blue spectral range can be achieved with comparable electrical currents. This allows a better SNR. The higher optical efficiency is due in particular to the fact that in this case there is no scattering of the blue light compared to a combination of a blue laser and a
  • Headlights are particularly useful in a driver assistance system, short ADAS or Advanced Drive Assistance System.
  • applications in the LIDAR area and in vehicle-to-vehicle communication, in short V2V or vehicle to vehicle communication, are possible.
  • Wavelength ranges can be done. This allows redundancy of the distance detection system as a whole and offers an extension of the detection possibilities.
  • a road condition for example a surface contour or an occupancy with water. This allows a higher level of comfort, such as improved chassis control.
  • the detection of a laneway with water allows increased safety, for example by the detection of
  • the blue, relatively short-wave emission of the measuring laser has a lower penetration depth in silicon detectors compared to infrared radiation. Due to the lower penetration depth into the silicon in a pixelated detector at
  • the receivers or detectors such as CMOS cameras have a higher sensitivity in the blue spectral range than in the IR range. This results in a higher efficiency. This is especially because detectors with a high
  • Time resolution need a thin semiconductor layer sequence.
  • IR radiation only a portion of the IR radiation is absorbed, while blue light can be absorbed almost 100%. Detection can thus take place with a lower signal level.
  • Headlamps are less susceptible to interference than IR-based systems. For example, when the sun is low
  • solar radiation in this case has a low proportion of blue, since blue light is strongly attenuated due to Rayleigh scattering in the atmosphere.
  • the IR LIDAR and the Blue LIDAR can be supplemented by additional information, for example regarding a
  • the laser arrangement for generating the white light may be integrated into the LIDAR architecture.
  • the emission of the overall preferred white emitting LIDAR system with the particular blue emitting measuring laser contributes to
  • Measuring laser then two functions, namely as a signal source for the LIDAR functionality and for the illumination of about a road in the visible spectral range. This can be cost savings.
  • Using the measuring laser from the headlamp to produce white light with the aid of a phosphor can eliminate further measures to ensure eye safety, which can result in further cost advantages.
  • Photodiodes Runtime measurements are also known by the term Time of Flight, TOF for short. Due to the dual function, ie the illumination of the road on the one hand and distance information as well as the depth information of the roadway on the other, costs can be reduced. Due to the lower penetration depth of blue light in
  • Materials such as silicon can achieve a higher selectivity. Through different penetration depths and / or reflection coefficients of blue light compared to infrared radiation, a robust distance detection and detection of the environment can be ensured in a combined IR blue system.
  • Illumination range of the illumination source at least 25 m. This means, for example, that for one
  • Road traffic such as pedestrians, cyclists, other vehicles or parts of the environment such as trees or roadside boundaries can be detected.
  • Road traffic such as pedestrians, cyclists, other vehicles or parts of the environment such as trees or roadside boundaries can be detected.
  • the environment such as trees or roadside boundaries.
  • Illumination range at least 50 m or 100 m or 200 m. Alternatively or additionally lies the
  • the apparatus comprises at least one sensor and / or at least one
  • the sensor or sensors is or are adapted to reflect a portion of the object that is reflected outside of the apparatus on at least one external object
  • the illumination source comprises one or more phosphors.
  • the at least one phosphor is illuminated by one or more primary light sources.
  • the primary light sources Preferably, the
  • At least one primary light source is a primary radiation that is blue light.
  • the primary radiation is a primary radiation that is blue light.
  • the primary radiation is preferably only partially converted into the secondary radiation, so that the illumination source radiates a mixed radiation consisting of the primary radiation and the secondary radiation
  • a proportion of the primary radiation at the mixed radiation is preferably at least 10% or 20% and / or at most 60% or 50%.
  • Excitation of the phosphor is combined with other light sources, such as blue emitting light-emitting diodes or semiconductor lasers.
  • the measurement laser radiation is one through the phosphor
  • This portion of the measuring laser radiation may be scattered by the phosphor. That is, the phosphor can be used as a diffuser for the
  • Measuring laser radiation serve.
  • the measurement laser radiation is over a comparatively large, preferably contiguous solid angle range emitted.
  • the solid angle range is, for example
  • the senor is for a spatially resolved detection of the reflected
  • the senor is preferably pixelated.
  • the individual pixels are set up for a high time resolution.
  • the measuring laser radiation is preferably conducted past the phosphor. That is, as intended, the
  • Measuring laser radiation starting from the measuring laser, not to the phosphor.
  • the measuring laser radiation and the primary light source can be operated and controlled independently of each other.
  • the emitting the emitting
  • nm or 15 nm or 10 nm or 5 nm preferably with a tolerance of at most 50 nm or 15 nm or 10 nm or 5 nm.
  • the mixed radiation is colored light.
  • the mixed radiation together with the measuring laser radiation preferably white light
  • the mixed radiation together with the measuring laser radiation preferably fulfill the values required for motor vehicle headlamps with regard to the color location that is achieved and the color rendering achievable.
  • the apparatus comprises one or more imaging optics.
  • the at least one imaging optics is for example a lens, such as a
  • the imaging optics may also be a mirror, such as a moveable mirror, also referred to as a MEMS mirror, for scanning with the
  • the imaging optics can be an optical system in which diffuse, refractive, and reflective components are combined.
  • the imaging optics of the primary light source and the measuring laser are common
  • the imaging optics can be a common
  • the imaging optics is configured to image the measurement laser radiation in a pattern and / or to scan it with the measurement laser radiation.
  • the imaging optics may have movable components, such as a movable mirror. It is likewise possible for the imaging optics to have diaphragms and / or masks, so that different ones result with the measuring laser radiation
  • Illumination patterns can be generated approximately on a roadway or in an environment.
  • the imaging optics are inseparably connected to the measurement laser. That is, in the Proper use, the measuring laser and the imaging optics do not solve each other.
  • the apparatus comprises a further laser or a plurality of further lasers.
  • Wavelength as the measuring laser The wavelengths of the measuring laser and of the at least one further laser preferably differ by at least 50 nm or 100 nm or 200 nm from one another. If several other lasers are present, these wavelength differences are preferably in pairs. Of the
  • Apparatus is particularly adapted from a
  • the apparatus additionally comprises an infrared laser.
  • the infrared laser preferably represents the further laser or one of the further lasers.
  • the infrared laser is preferably a semiconductor laser.
  • the infrared laser is designed to generate pulses with a pulse duration of at most 10 ns or 5 ns or 2 ns.
  • a maximum intensity wavelength of infrared radiation generated by the infrared laser is preferably 0.7 ⁇ m or 0.8 ⁇ m and / or not more than 3 ⁇ m or 1.7 ⁇ m.
  • a pulse emission of the infrared laser is synchronized with a pulse emission of the measuring laser. This can mean that the two lasers emit the pulses at the same time, coordinated with each other. Alternatively, it is possible that between the pulse emission of the infrared laser and the measuring laser, a predetermined
  • Period of time or a predetermined minimum distance so that the infrared radiation and the short-wave radiation are not emitted at the same time, but are emitted offset in time to each other.
  • At least one optical element is taken together in common with the infrared laser and the measuring laser.
  • optical elements or imaging optics may be provided optical elements or imaging optics.
  • the infrared laser can also be operated when the measuring laser is switched off. It is
  • the infrared laser is set up together with the electronic unit as a safety circuit for the measuring laser. This means in particular that the measuring laser is operable only if by the measuring laser.
  • Infrared laser is detected together with the electronic unit that no person is in a footprint of the measuring laser. This can be an additional
  • the senor is a silicon photodiode, a silicon photodiode array or a CMOS camera. This allows the sensor to have several pixels.
  • the senor is set up for at least two different spectral ranges. This is for example by optical filters possible, which are connected upstream of the sensor and which are permeable only for a specific spectral range.
  • Spectral region of the measuring laser radiation is permeable and a filter which is permeable only in the infrared radiation of the infrared laser.
  • the measuring laser is an edge-emitting semiconductor laser chip.
  • Semiconductor laser chip for example, a flip-chip.
  • electrical contacts of the measuring laser can be located on opposite main sides, so that, for example, contacting via bonding wires is possible.
  • the measuring laser is connected in parallel with a capacitor.
  • a switching element such as a field effect transistor, short FET, for controlling the measuring laser may be present, for example, electrically connected in parallel.
  • the measuring laser, the capacitor and / or the switching element are mounted on a common carrier such as a submount, preferably mounted without a bond wire.
  • a common carrier such as a submount, preferably mounted without a bond wire.
  • the apparatus is a motor vehicle such as a car, a drone such as a drone, a watercraft, a robot, an actuator, or a tool.
  • the apparatus may be used in environmental engineering, for example as a sorter in detection and / or sorting of plastic parts from a water stream or a
  • Air flow by balancing the signals from a UV, blue, IR and / or red based LIDAR-like system.
  • the measuring laser can, optionally together with the
  • Lighting source to assist a server of the apparatus.
  • the apparatus can act automatically and / or autonomously, and a detection of the environment preferably takes place by means of LIDAR, based in particular on the
  • a headlight is specified.
  • Headlamp includes a lighting source and a
  • Measuring laser as described in connection with the apparatus. Characteristics of the apparatus are therefore also disclosed for the headlight and vice versa.
  • the headlight comprises the illumination source and the measuring laser.
  • Illumination source comprises at least one phosphor.
  • the phosphor is excited by a primary light source, which generates blue light in operation as primary radiation, to generate a secondary radiation.
  • the primary light source is a light emitting diode or a semiconductor laser.
  • the illumination source radiates a mixed radiation, which is composed of the primary radiation and the secondary radiation.
  • the measuring laser is a semiconductor laser and is designed to generate pulses with a pulse duration of at most 10 ns. A wavelength of maximum intensity of one of the measuring laser
  • Illumination source and optionally a measuring distance by means of the Measuring laser radiation is at least 25 m or 100 m or 200 m.
  • Primary light source formed by the measuring laser.
  • Measuring laser radiation is a through the phosphor
  • Measuring laser radiation together with the secondary radiation is white light.
  • FIGS 1 to 9 are schematic sectional views of
  • FIGS 10 to 12 are schematic representations of
  • Figures 13 to 17 are schematic electrical diagrams for
  • Figure 18 is a schematic plan views of a
  • Sectional views in the figure parts B schematic plan views of circuit arrangements of semiconductor lasers for apparatus and headlamps described here.
  • the apparatus 1 shows an embodiment of an apparatus 1 is shown.
  • the apparatus 1 is preferably a motor vehicle headlight 10.
  • the apparatus 1 has an illumination source 2.
  • Illumination source 2 emits white light.
  • a measuring laser 3 is integrated.
  • the measuring laser 3 emits a measuring laser radiation M during operation.
  • the measuring laser radiation M is a pulsed laser radiation having a pulse duration of at most 10 ns.
  • the measuring laser radiation M can be divided into individual pulses or in pulse trains, also referred to as a burst.
  • the apparatus 1 comprises a sensor 4.
  • the sensor 4 detects measuring laser radiation M reflected at an object 6.
  • the object 6 is, for example, another road user.
  • the apparatus 1 comprises an electronic unit 5.
  • the measuring unit 3 and the sensor 4 and optionally the illumination source 2 are controlled via the electronic unit 5.
  • the electronics unit 5 includes, for example, one or more integrated circuits and may also Memory units as well as data inputs and data outputs.
  • the signals from the sensor 4 are evaluated.
  • a time-resolved determination of the respective distance of the apparatus 1 to the object 6 takes place.
  • the components 2, 3, 4, 5 can in a common
  • the apparatus 1, in particular the headlight 10 can be handled as a single assembly or as a module. This facilitates assembly or replacement of the headlamp 10th
  • the apparatus 1 is also designed as a headlight 10, in particular as a motor vehicle headlight.
  • the illumination source 2 is formed from a plurality of primary light sources 22, to each of which a phosphor 21 is arranged downstream.
  • a primary radiation P is emitted, which is partially converted into a secondary radiation S in the phosphors 21.
  • a mixed radiation is radiated from the
  • Primary radiation P and the secondary radiation S is composed.
  • One of the primary light sources 22 simultaneously serves as
  • the measuring laser 3 is also one of the phosphors 21 downstream.
  • the measuring laser radiation M is blue light which is emitted as a short light pulse, for example as an approximately rectangular one
  • An emission of the secondary radiation S takes place after excitation by the measuring laser radiation M, but slightly delayed in time and over a longer period of time.
  • Measuring laser 3 itself. Notwithstanding the illustration in Figure 2, only a single primary light source 22 may be present, which also serves as a measuring laser 3, or there are the measuring laser 3 and only one further primary light source 22 is present.
  • the measuring laser 3 emits the measuring laser radiation M preferably in a time window in which the remaining primary light sources 22 are turned off. If the measurement laser 3 emits the measurement laser radiation M only with a comparatively small repetition rate, for example 50 Hz, so that a measurement time for the measurement laser radiation M has only a small time component of, for example, at most
  • the measuring laser 3 can emit continuously in the remaining time portion, in particular with a low optical output power. The same applies in all other embodiments.
  • the housing 11 terminates with a single imaging optics 7, which is arranged downstream of all the light sources 22, 3.
  • the imaging optics 7 define an illumination area, also referred to as a field of view.
  • the headlight can be an adaptive
  • the apparatus 1 of Figure 2 may optionally include the sensor 4 and the electronic unit 5, not shown.
  • the apparatus 1 of Figure 2 may optionally include the sensor 4 and the electronic unit 5, not shown.
  • Components 4, 5 may be mounted outside or inside the housing 11. Thus, it is possible that the headlight 10 itself does not include the sensor 4 and
  • the electronic unit 5 does not include.
  • FIG. 3 shows that the imaging optics are divided into two optics 7a, 7b.
  • the optics 7a is used for the imaging of the primary light sources 22, which each of the
  • Phosphor 21 is arranged downstream.
  • the imaging optics 7b serve as the sole optics for the measuring laser 3. Deviating from the illustration in Figure 3, it is possible that the
  • Imaging optics 7a all light sources 22, 3 and the
  • Imaging optics 7b is subordinated jointly.
  • the optics 7, 7a, 7b can each be refractive
  • the measuring laser 3 no phosphor 21 is arranged downstream.
  • the measuring laser radiation M radiates past the phosphors 21.
  • the measuring laser 3 is not a component of the illumination source 2, but independent of the illumination source 2.
  • the light sources 22, 3 may be arranged downstream of the imaging optics 7.
  • the mixed radiation P, S together with the measuring laser radiation M preferably forms white light as a whole.
  • FIG. 5 illustrates that a separate optic 7b is provided for the measuring laser 3.
  • the optical system 7b is a lens, such as a converging lens, or else a movable mirror, for example a MEMS mirror.
  • FIGS. 4 and 5 correspond to those of FIGS. 2 and 3.
  • Headlamp 10 additionally include an infrared laser 8.
  • separate optics 7a, 7b, 7c, 7d for the radiation-emitting components 2, 3, 8 as well as for the
  • FIG. 7 illustrates that the
  • Optics 7a is downstream.
  • the sensor 4 is optically
  • FIGS. 8 and 9 illustrate the detection of the reflected radiation.
  • the headlights 10 emit the radiations M, P, S and partially reflect them on the object 6.
  • the sensor 4 of the apparatus 1, which is arranged separately from the headlight 10, is preceded by a filter 9 in addition to the imaging optics 7. Through the filter 9 passes through only the
  • Primary radiation P has a different wavelength than the measuring laser radiation M to a spectral filtering to
  • the measuring laser radiation M and the primary radiation P may have the same wavelength and filtering occurs in time. This applies in particular if the primary light source serves as a measuring laser, see for example FIGS. 2 and 3.
  • the headlight 10 emits the
  • Infrared radiation IR and the measuring laser radiation M The example, white light of the illumination source 2 is not drawn.
  • the sensor 4 is preferably pixelated and locally by means of the filters 8a, 8b for the infrared radiation IR and the
  • a spatial resolution takes place with regard to the measuring laser radiation M and optionally the
  • the sensor 4 is correspondingly pixelated in order to ensure a spatial assignment of the locally detected radiation M, IR.
  • the pixelated sensors 4 and optionally the use of the additional infrared laser 8 is accordingly also possible in all other embodiments.
  • the sensor 4 is, for example, a
  • Silicon photodiode around a silicon photodiode array or a CMOS time of light camera.
  • each of the filters 8a, 8b is assigned its own imaging optics. In this case, there is no common
  • the apparatus 1 is a car.
  • the apparatus 1 has a plurality of the headlights 10 with the light sources 2, 3 and optionally with the infrared laser 8.
  • the sensor 4 may be arranged separately from the headlights 10 or be part of the headlight 10, notwithstanding FIG.
  • the apparatus 1 is a gripping arm or a robot arm.
  • the headlamp 10 and optionally the sensor 4 may be attached to a tip of the gripping arm.
  • the apparatus 1 is a flying drone.
  • the apparatus 1 comprises the
  • circuit diagrams for driving the measuring laser 3 are illustrated by way of example.
  • a capacitor 31 is electrically connected in parallel to a semiconductor laser diode 30 of the measuring laser 3.
  • the laser diode 30 may be electrically connected in series capacitor.
  • the laser diode 30 is a switching element 32 connected in series.
  • the switching element 32 is
  • FET field effect transistor
  • Switching element 32 to a supply voltage V for example, is a p-MOS-FET, see Figures 13 and 15. If the switching element 32 at a supply voltage V, for example, is a p-MOS-FET, see Figures 13 and 15. If the switching element 32 at a supply voltage V, for example, is a p-MOS-FET, see Figures 13 and 15. If the switching element 32 at a supply voltage V, for example, is a p-MOS-FET, see Figures 13 and 15. If the switching element 32 at a
  • the switching element 32 is preferably an n-MOS FET, see Figures 14 and 16.
  • FIGS. 15 and 16 illustrate that
  • the protection diode 33 is a diode for protection against electrostatic damage
  • FIG. 17 illustrates that a switching element 32b connected in parallel with the switching element 32a connected in series with the laser diode 30 may be present.
  • a conductor loop within the circuit arrangement, as shown in FIGS. 13 to 17, is preferably as small as possible so that a surface area and a volume are as small as possible. This low inductances can be achieved to ensure short switching times and timing.
  • the components 30, 31, 32 are integrated and optional 33 in a common housing, not
  • Capacitor 31 are applied to a common contact surface 35.
  • the switching element 32 and optionally the protective diode 33 are integrated in the carrier 34.
  • Switching element 32 is designed as a FET.
  • An electrical connection of the laser diode 30 and the capacitor 31 is preferably carried out via a plurality of bonding wires 37 to low
  • the capacitor 31 is, for example, a silicon-chip capacitor or a capacitor of the 0102 type or the like.
  • On a non-subscribed underside of the carrier 34 can be present.
  • a facet encapsulation 36 may be present on one facet of the laser diode 30, which may be designed in the form of a lens.
  • the Facettenverkapselung 36 is drawn in each case only schematically greatly simplified.
  • the facet encapsulation 36 is designed as shown in FIG.
  • the carrier 34 is a substrate such as a printed one
  • the carrier 34 may be a ceramic substrate with conductor tracks or even an example embedded leadframe, English leadframe.
  • the carrier 34 may be a Si submount.
  • FIGS. 19 to 25 show further exemplary embodiments of circuit arrangements for the measuring laser 3, analogous to FIG. 18.
  • the interconnection follows in each case the circuit diagram shown in FIG. In the same way, however, recourse may be had to the circuit diagrams of FIGS. 14 to 17.
  • the measuring laser 3 consists only of the laser diode 30 or as a module the carrier 34 and all of them
  • the carrier 34 is a substrate
  • Contact surfaces 35 for example, a printed circuit board, PCB short, a ceramic substrate or a lead frame.
  • Switching element 32 is a FET and / or an ASIC and is based on Si, GaN or SiC.
  • facet encapsulation 36 By means of the facet encapsulation 36, a locally hermetic encapsulation of the laser diode 30 can be achieved.
  • the contact surface 35, g for the gate terminal and the contact surface 35, GND, s for the source terminal and the contact surface 35, V for the supply voltage terminal are via electrical vias 38 with
  • the laser diode 30 is connected via a plurality of bonding wires 37 to the contact surface 35, d for the drain terminal of the switching element 32.
  • Capacitor 31 is located on the contact surface 35, V and is also connected via a plurality of bonding wires 37 with the
  • the capacitor 31 in the capacitor 31 is a flip-chip, so that the capacitor 31 without bonding wires is connected directly to the contact surfaces 35, GND, s and 35, V.
  • the contact surface 35, d is shown in plan view between the contact surfaces 35, g and 35,
  • the contact surface 35, d is preferably located on a side of the switching element 32 facing away from the carrier 34.
  • FIG. 22 corresponds to a combination of FIGS. 20 and 21.
  • the capacitor 31 is integrated in the carrier 34.
  • the carrier 34 is preferably designed as multilayer ceramic.
  • FIG. 23 corresponds to that of FIG. 19.
  • the switching element 32 is also integrated in the carrier 34 and via the plated-through holes 38
  • the laser diode 30 is contacted without bonding wire.
  • in and / or on a semiconductor layer sequence of the laser diode 30 is a
  • the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicit is specified in the claims or exemplary embodiments.

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Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der Apparat (1) eine Beleuchtungsquelle (2). Außerdem umfasst der Apparat einen Messlaser (3). Der Messlaser (3) ist ein Halbleiterlaser und ist zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser (3) erzeugten Messlaserstrahlung (M) liegt zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm. Mit der Messlaserstrahlung (M) erfolgt eine Abstandsmessung mittels LIDAR, beispielsweise in einem Autoscheinwerfer.

Description

Beschreibung
APPARAT UND SCHEINWERFER
Es werden ein Apparat und ein Scheinwerfer mit einem
Messlaser zur Entfernungsmessung angegeben, wobei der
Messlaser im kurzwelligen Spektralbereich emittiert.
Die Druckschrift US 8,619,241 B2 betrifft ein
Abstandsmesssystem mit einer im sichtbaren Spektralbereich emittierenden Leuchtdiode.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen Apparat und einen Scheinwerfer anzugeben, welche effizient mit einer
Beleuchtungsquelle Zusammenarbeiten .
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Apparat und durch einen Scheinwerfer mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Bei dem hier beschriebenen Apparat und Scheinwerfer wird ein bevorzugt im blauen Spektralbereich emittierender
Halbleiterlaser verwendet, der gepulst betrieben wird. Der Halbleiterlaser kann an eine weißes Licht emittierende
Beleuchtungsquelle angegliedert sein oder ein Teil dieser Beleuchtungsquelle sein. Mit dem zumindest zeitweise gepulst betriebenem Halbleiterlaser lässt sich eine Abstandsmessung über eine Laufzeitmessung von Laserstrahlung realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat eine Beleuchtungsquelle. Die Beleuchtungsquelle emittiert im Betrieb bevorzugt weißes Licht und/oder nahinfrarote
Strahlung oder farbiges Licht.
Als Primärlichtquelle umfasst die Beleuchtungsquelle
bevorzugt eine Halbleiterlichtquelle wie zumindest eine
Leuchtdiode oder zumindest einen Halbleiterlaser. Die
Primärlichtquelle erzeugt bevorzugt blaues Licht, das
teilweise in eine Sekundärstrahlung umgewandelt wird. Bei der Sekundärstrahlung handelt es sich insbesondere um gelbes Licht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat einen Messlaser. Der Messlaser ist ein Halbleiterlaser. Der Messlaser ist zur Erzeugung von Impulsen oder Impulszügen mit einer Dauer der einzelnen Impulse von höchstens 10 ns, bevorzugt von höchstens 5 ns oder 3 ns oder 2 ns,
eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser erzeugten Messlaserstrahlung liegt bei mindestens 280 nm oder 360 nm oder 400 nm oder 430 nm und alternativ oder zusätzlich bei höchstens 505 nm oder 485 nm oder 460 nm. Bevorzugt liegt die Wellenlänge maximaler Intensität des Messlasers zwischen einschließlich 430 nm und 460 nm.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Apparat eine Beleuchtungsquelle. Außerdem umfasst der Apparat mindestens einen Messlaser. Der Messlaser ist ein Halbleiterlaser und ist zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser erzeugten Messlaserstrahlung liegt zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm. Mit der Messlaserstrahlung erfolgt bevorzugt eine Abstandsmessung mittels LIDAR, beispielsweise in einem Autoscheinwerfer. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem hier beschriebenen Apparat bevorzugt um einen Scheinwerfer zur Beleuchtung, in den ein blau emittierender Halbleiterlaser als LIDAR- Komponente integriert ist. LIDAR steht für Light Detection And Ranging, also lichtbasierte Abstandsmessung.
In Komponenten zur Beleuchtung wie Kfz-Scheinwerfern finden zunehmend blau emittierende Leuchtdioden, kurz LEDs,
Anwendung. Eine Realisierung eines LIDAR im blauen
Spektralbereich auf der Basis von LEDs ist jedoch nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Da LEDs auf spontaner
Emission beruhen, ist ein Impulsbetrieb mit den
erforderlichen Betriebsparametern mit Impulsdauern von höchstens 10 ns und Abstimmraten von mindestens 100 MHz nur sehr begrenzt oder nicht möglich. Zudem wird für eine LIDAR- Funktionalität eine spektral schmalbandige Emission benötigt, um insbesondere bei Tageslicht ein ausreichendes hohes
Signal-Rausch-Verhältnis , kurz SNR, zu erreichen.
Bei Scheinwerfern, die Leuchtstoffe einsetzen, liegt zudem ein Problem darin, dass in herkömmlichen Leuchtstoffen zu große Latenzzeiten der Anregungszustände vorliegen, sodass von einem Leuchtstoff kommendes Licht zu große Impulsdauern aufweist .
Mit dem hier beschriebenen Apparat ist es möglich, eine blau emittierende Laserkomponente als Signalquelle für ein LIDAR- System in einen Scheinwerfer zu integrieren. Dabei kann eine Scheinwerferkomponente wie eine blau emittierende Laserdiode zur Anregung des Leuchtstoffs zur Unterstützung oder als Ergänzung oder als eigenständiges LIDAR-System dienen.
Alternativ oder zusätzlich wird eine blaue Emission der
LIDAR-Komponente, also des Messlasers, bei einem Scheinwerfer wie einem Autoscheinwerfer mit dem bevorzugt weißen
Scheinwerferlicht überlagert. Dabei sind ein
Ausleuchtungsbereich der LIDAR-Komponente und des
Scheinwerfers bevorzugt aufeinander abgestimmt.
Gegebenenfalls wird der Farbort der Weißlichtquelle im
Scheinwerfer in Richtung niedrigerer Farbtemperaturen
verschoben, um die durch die Normung vorgegebene
Scheinwerferfarborte zu erreichen. Mit anderen Worten wird das zusätzliche blaue Licht durch den Messlaser dadurch ausgeglichen, dass die Beleuchtungsquelle selbst
vergleichsweise rot erscheinendes Licht emittiert.
Demgegenüber arbeiten herkömmliche LIDAR-Systeme etwa für Kraftfahrzeuge im infraroten Wellenlängenbereich. Dabei dient als Emissionsquelle ein zusätzlicher IR-Laser, der als
Kantenemitter oder als Vertikalemitter, kurz VCSEL,
ausgeführt ist.
Damit können Laserscheinwerfer, Laserzusatzscheinwerfer oder Laserzusatzkomponenten in einem Scheinwerfer als Emitter für das hier beschriebene LIDAR-System genutzt werden, das im Bereich blauer Wellenlängen arbeitet. Die blau emittierende Quelle kann in weiß emittierenden Scheinwerfern ohnehin verbaut sein, um durch die Anregung eines Leuchtstoffs und durch Teilkonversion weißes Licht zu erzielen. Das heißt, blau-gelbes Mischlicht kann erzeugt werden. Sofern die
Primärlichtquelle für den Leuchtstoff ein Laser ist, sind hohe Impulsfrequenzen von 100 MHz und mehr realisierbar.
Außerdem ist es möglich, eine blau emittierende
Laserkomponente zusätzlich im Scheinwerfer oder
Zusatzscheinwerfer als Emitter unterzubringen, um diese für ein LIDAR-System zu nutzen. Für die LIDAR-Funktionalität wird bevorzugt Strahlung im blauen Spektralbereich genutzt.
Insbesondere bei Nutzung eines zusätzlichen, blau
emittierenden Messlasers kann die Augensicherheit der für den Betrieb notwendigen Laserstrahlung in dem vorgeschlagenen Apparat beispielsweise durch die folgenden Schritte
gewährleistet werden:
- Es ist eine hohe Effizienz bei der Detektion blauer Signale mit auf Silizium oder SiC basierenden Sensoren erreichbar.
Die blaue Messlaserstrahlung weist in Silizium eine geringe Eindringtiefe auf. Dadurch sind im Vergleich zu Infrarot basierten LIDAR-Systemen geringere Laserleistungen
ausreichend .
- Der Apparat umfasst in einer gemeinsamen Einhausung oder einem gemeinsamen Gehäuse den Messlaser und ein optisches Element, wobei der Messlaser und das optische Element untrennbar miteinander verbunden sind. Diese Konfiguration stellt sicher, dass kein ungestreutes Laserlicht austreten kann .
- Die eingesetzte Optik verteilt das Laserlicht und passt die Lichtverteilung an die Lichtverteilung des Scheinwerfers an. Optional können optische Elemente der Beleuchtungsquelle des Scheinwerfers mitgenutzt werden.
Bauelemente wie Sensoren oder auch Steuerschaltungen auf Basis von SiC als Halbleiter können wegen der größeren
Bandlücke von SiC bei höheren Temperaturen betrieben werden. Dies bietet insbesondere unter kurzwelliger Strahlung wie Röntgenstrahlung, Gammastrahlung oder ultravioletter
Strahlung ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis . Als optische Elemente kommen beispielsweise diffraktive optische Elemente, englisch Diffractive Optical Element oder kurz DOE, zum Einsatz. Weiterhin können Meta-Optiken oder Multilinsenfelder, englisch multi lens arrays, benützt werden. Ferner können Diffusoren zum Einsatz kommen. Außerdem können Metalinsen, also Linsen aus einem Metamaterial, herangezogen werden. Ein Metamaterial ist ein Material, das seine optischen Eigenschaften durch seine innere Struktur und nicht durch seine chemische Zusammensetzung erhält,
insbesondere also ein Material, das Strukturen aufweist, die kleiner sind als die Wellenlänge der Strahlung, für die die Metalinse gebaut ist. Ebenso ist es möglich, klassische optische Elemente wie Linsen und/oder Reflektoren zu
verwenden. Die Metalinsen können auch eine planare
Trägerstruktur umfassen, zum Beispiele einen Glaswafer, auf den eine strukturierte Oberflächentopographie aufgebracht ist. Strukturgrößen der aufgebrachten Strukturen bewegen sich bevorzugt im Bereich der Lichtwellenlänge oder unterhalb der Lichtwellenlänge. Diese Strukturen können durch ein
geeignetes, ebenfalls transparentes Material mit einem anderen Brechungsindex planarisiert sein. Möglich sind auch Schichtstapel aus solchen Strukturen.
Es ist möglich, dass bezüglich Augensicherheit für die LIDAR- Anwendung keine weiteren Maßnahmen zu treffen sind, da dies bereits durch die übrigen Komponenten des Scheinwerfers, insbesondere der auf einem Laser basierenden
Beleuchtungsquelle, gewährleistet ist.
Bevorzugt werden die Komponenten Messlaser, ein zugehöriger Kondensator, ein zugehöriges Schaltelement und/oder ein
Ansteuerschaltkreis wie ein integrierter Schaltkreis oder ein ASIC in einem Gehäuse gemeinsam verbaut, um Induktivitäten bei den auftretenden hohen Frequenzen gering zu halten. Ein entsprechender Kondensator kann zum Beispiel als keramische Multischicht in dem Gehäuse oder in einen Träger, auch als Submount bezeichnet, für den Messlaser integriert sein. Das Schaltelement und/oder der Ansteuerschaltkreis und/oder der Kondensator können in einer Siliziumkomponente oder einer SiC-Komponente integriert sein, die ein fester Bestandteil des Gehäuses ist. Der Messlaser kann als Flip-Chip realisiert sein, wodurch ein bonddrahtloser Aufbau möglich ist.
Alternativ oder zusätzlich kann der Messlaser als Dünnfilm- Chip, also ohne Aufwachssubstrat für eine
Halbleiterschichtenfolge, auf einem Träger angebracht sein.
Insbesondere durch die hohe optische Effizienz einer reinen blauen LIDAR-Lösung, im Gegensatz zu einem Messlaser in
Kombination mit einem Leuchtstoff, kann der mindestens eine Messlaser bei geringeren Strömen betrieben werden und dabei die gleiche LIDAR-Leistung im blauen Spektralbereich zur Verfügung stellen. Dadurch lassen sich geringere Schaltzeiten realisieren. Hierdurch sind eine höhere Datenrate und kürzere Impulse möglich. Zudem lässt sich hierdurch eine bessere Augensicherheit erreichen oder es sind reduzierte
Anforderungen an die Augensicherheit bei äquivalenten
Leistungsdaten des LIDAR-Systems möglich. Ferner können kleinere Laserchips und kleinere Gehäuse verwendet werden. Alternativ können mit vergleichbaren elektrischen Strömen höhere LIDAR-Leistungen im blauen Spektralbereich erzielt werden. Dies ermöglicht ein besseres SNR. Die höhere optische Effizient ist insbesondere dadurch bedingt, dass in diesem Fall keine Streuung des blauen Lichts erfolgt, im Vergleich zu einer Kombination aus einem blauen Laser und einen
Leuchtstoff. Dies ermöglicht effiziente Optiken und eine effiziente Ausleuchtung eines Sichtbereichs. Der hier beschriebene Apparat und der hier beschriebene
Scheinwerfer sind insbesondere in einem Fahrassistenzsystem, kurz ADAS oder Advanced Drive Assistance System, verwendbar. Ebenso sind Anwendungen im LIDAR-Bereich und in der Fahrzeug- zu-Fahrzeug-Kommunikation, kurz V2V oder vehicle to vehicle communication, möglich.
Es ist ein Komplementärsystem zu einem IR-LIDAR zur erhöhten Sicherheit möglich, da eine Abtastung in mehreren
Wellenlängenbereichen erfolgen kann. Dies ermöglicht eine Redundanz des Abstandserkennungssystems insgesamt und bietet eine Erweiterung der Erkennungsmöglichkeiten.
Es ist eine Erkennung einer Straßenbeschaffenheit möglich, beispielsweise einer Oberflächenkontur oder einer Belegung mit Wasser. Dies ermöglicht einen höheren Komfort, etwa durch eine verbesserte Fahrwerksansteuerung . Die Erkennung einer Belegung einer Fahrbahn mit Wasser ermöglicht eine erhöhte Sicherheit, beispielsweise durch die Erkennung von
potentiellen Aquaplaning-Situationen .
Ferner lassen sich der hier beschriebene Apparat und der hier beschriebene Scheinwerfer in Spurhalteassistenten, zur
Abstandsregelung und/oder zur Kollisionswarnung verwenden.
Die blaue, relativ kurzwellige Emission des Messlasers hat in Siliziumdetektoren eine geringere Eindringtiefe im Vergleich zu infraroter Strahlung. Durch die geringere Eindringtiefe in das Silizium kann bei einem pixelierten Detektor bei
gegebener Pixelgröße ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis erzielt werden. Alternativ kann bei gleichem SNR mit einer kleineren Pixelgröße gearbeitet werden. Daraus ergibt sich auf der Detektorseite ein größerer Designspielraum hinsichtlich Signalschärfe, Auflösung und Bauraum.
Die Empfänger oder Detektoren wie CMOS-Kameras haben im blauen Spektralbereich eine höhere Empfindlichkeit als im IR- Bereich. Daraus ergibt sich eine höhere Effizienz. Dies liegt insbesondere daran, dass Detektoren mit einer hohen
Zeitauflösung eine dünne Halbleiterschichtenfolge benötigen. Dadurch wird bei Verwendung von IR-Strahlung nur ein Teil der IR-Strahlung absorbiert, während blaues Licht nahezu zu 100 % absorbiert werden kann. Eine Detektion kann somit mit einem geringeren Signalpegel erfolgen. Durch die hohe
Systemeffizienz sind bereits geringere Betriebsströme für den Betrieb ausreichend. Bei geringeren Betriebsströmen können kürzere Schaltzeiten realisiert werden. Damit erhöht sich die mögliche Datenrate und/oder räumliche Auflösung.
Der hier beschriebene Apparat und der hier beschriebene
Scheinwerfer sind weniger störanfällig im Vergleich zu IR- basierten Systemen. Etwa bei tiefstehender Sonne können
Überschneidungsbereiche zwischen der ausgesandten IR- Strahlung eines herkömmlichen LIDAR-Systems und der
Sonnenemission gegeben sein. Dagegen hat Sonnenstrahlung in diesem Fall einen geringen Blauanteil, da blaues Licht aufgrund von Rayleigh-Streuung in der Atmosphäre stark gedämpft wird.
Durch die Kombination komplementärer LIDAR-Systeme, also infrarot und blau, kann ein höheres Sicherheitsniveau
erreicht werden. Zwei unterschiedlich arbeitende Systeme, also IR-LIDAR und Blau-LIDAR, bieten ein höheres Maß an
Redundanz. Ferner sind Reflexionseffekte
wellenlängenabhängig. Durch die unterschiedlichen Signale aus dem IR-LIDAR und dem Blau-LIDAR können durch eine Differenzbetrachtung zusätzliche Informationen gewonnen werden, beispielsweise hinsichtlich einer
Fahrbahnbeschaffenheit .
Die zunehmenden Anforderungen an die Leuchtdichte von
Scheinwerferlichtquellen erfordern einen verstärkten Einsatz von Lasern für Automobilscheinwerfer. In diesem Fall kann die zur Erzeugung des weißen Lichts vorhandene Laseranordnung in die LIDAR-Architektur eingebunden sein. Die Emission des insgesamt bevorzugt weiß emittierenden LIDAR-Systems mit dem insbesondere blau emittierenden Messlaser trägt zur
Ausleuchtung etwa einer Straße bei. Somit erfüllt der
Messlaser dann zwei Funktionen, nämlich als Signalquelle für die LIDAR-Funktionalität und für die Ausleuchtung etwa einer Straße im sichtbaren Spektralbereich. Hierdurch lassen sich Kostenersparnisse erzielen.
Wird der Messlaser aus dem Scheinwerfer zu Erzeugung von weißem Licht mit Hilfe eines Leuchtstoffs genutzt, so können weitere Maßnahmen zur Gewährleistung der Augensicherheit entfallen, sodass sich weitere Kostenvorteile ergeben können.
Zusammengefasst lässt sich mit dem hier beschriebenen Apparat und dem hier beschriebenen Scheinwerfer eine höhere Effizienz bei der Detektion von blauem Licht detektorseitig erreichen, im Vergleich zur Detektion von Infrarot-Strahlung,
insbesondere bei Laufzeitmessungen in Kameras oder
Fotodioden. Laufzeitmessungen sind auch unter dem Begriff Time of Flight, kurz TOF, bekannt. Durch die duale Funktion, also Fahrbahnausleuchtung einerseits und Abstandsinformation sowie Tiefeninformation der Fahrbahn andererseits, lassen sich Kosten reduzieren. Durch die geringere Eindringtiefe von blauem Licht in
Materialien wie Silizium lässt sich eine höhere Trennschärfe erzielen. Durch unterschiedliche Eindringtiefen und/oder Reflexionskoeffizienten von blauem Licht gegenüber infraroter Strahlung lässt sich in einem kombinierten IR-Blau-System eine robuste Abstandserkennung und Detektion der Umwelt gewährleisten .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine
Beleuchtungsreichweite der Beleuchtungsquelle mindestens 25 m. Dies bedeutet beispielsweise, dass für einen
menschlichen Betrachter aus einer Entfernung von 25 m noch ausreichend Strahlung reflektiert wird, um Objekte des
Straßenverkehrs wie Fußgänger, Radfahrer, andere Kfz oder Teile der Umgebung wie Bäume oder Straßenrandbegrenzungen erkennen zu können. Bevorzugt liegt die
Beleuchtungsreichweite bei mindestens 50 m oder 100 m oder 200 m. Alternativ oder zusätzlich liegt die
Beleuchtungsreichweite bei höchstens 350 m.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat mindestens einen Sensor und/oder mindestens eine
Elektronikeinheit. Der Sensor oder die Sensoren ist oder sind dazu eingerichtet, einen außerhalb des Apparats an mindestens einem externen Objekt reflektierten Anteil der
Messlaserstrahlung mit einer Zeitauflösung von höchstens 10 ns oder 5 ns oder 2 ns zu detektieren. Über die
Elektronikeinheit erfolgt eine Laufzeitmessung des
reflektierten und detektierten Anteils der Messlaserstrahlung und damit eine Entfernungsbestimmung des die
Messlaserstrahlung reflektierenden Objekts zum Apparat. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsquelle einen oder mehrere Leuchtstoffe. Der mindestens eine Leuchtstoff wird von einer oder von mehreren Primärlichtquellen beleuchtet. Bevorzugt erzeugt die
mindestens eine Primärlichtquelle eine Primärstrahlung, die blaues Licht ist. Durch die Primärstrahlung wird eine
Sekundärstrahlung erzeugt. Dabei wird die Primärstrahlung bevorzugt nur teilweise in die Sekundärstrahlung umgewandelt, sodass die Beleuchtungsquelle eine Mischstrahlung abstrahlt, die aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung
zusammengesetzt ist. Ein Anteil der Primärstrahlung an der Mischstrahlung liegt bevorzugt bei mindestens 10 % oder 20 % und/oder bei höchstens 60 % oder 50 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Primärlichtquelle durch den Messlaser gebildet oder umfasst den Messlaser. Es ist möglich, dass der Messlaser zur
Anregung des Leuchtstoffs mit weiteren Lichtquellen, wie blau emittierenden Leuchtdioden oder Halbleiterlasern, kombiniert ist .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Messlaserstrahlung um einen durch den Leuchtstoff
transmittierten Anteil der Primärstrahlung. Dieser Anteil der Messlaserstrahlung kann durch den Leuchtstoff gestreut sein. Das heißt, der Leuchtstoff kann als Diffusor für die
Messlaserstrahlung dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform leuchten die
Messlaserstrahlung und die Mischstrahlung den gleichen oder näherungsweise den gleichen Raumwinkelbereich aus. Das heißt, die Messlaserstrahlung wird über einen vergleichsweise großen, bevorzugt zusammenhängenden Raumwinkelbereich emittiert. Der Raumwinkelbereich beträgt zum Beispiel
mindestens 0,02 sr oder 0,05 sr und/oder höchstens 1 sr.
Damit ist eine flächige, gleichzeitige Ausleuchtung einer großen Fläche möglich, beispielsweise eines großen
Fahrbahnbereichs .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Sensor zu einer ortsaufgelösten Detektion der reflektierten
Messlaserstrahlung eingerichtet. Hierzu ist der Sensor bevorzugt pixeliert. Die einzelnen Pixel sind zu einer hohen Zeitauflösung eingerichtet. Eine Ortsauflösung des
Abstandssystems, das durch den Apparat gebildet ist, wird somit nicht seitens des Messlasers erreicht, sondern
sensorseitig erzielt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Primärlichtquelle von dem Messlaser verschieden. In diesem Fall wird die Messlaserstrahlung bevorzugt an dem Leuchtstoff vorbeigeführt. Das heißt, bestimmungsgemäß gelangt die
Messlaserstrahlung, ausgehend von dem Messlaser, nicht an den Leuchtstoff. Die Messlaserstrahlung und die Primärlichtquelle können unabhängig voneinander elektrisch betreibbar und ansteuerbar sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittieren die
Primärlichtquelle und der Messlaser Licht der gleichen maximalen und/oder dominanten Wellenlänge. Dies gilt
bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 50 nm oder 15 nm oder 10 nm oder 5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Mischstrahlung farbiges Licht. In diesem Fall stellt die Mischstrahlung zusammen mit der Messlaserstrahlung bevorzugt weißes Licht dar. Die Mischstrahlung zusammen mit der Messlaserstrahlung erfüllen bevorzugt hinsichtlich des Farborts, der erreicht wird, und der erzielbaren Farbwiedergabe die für Kfz- Scheinwerfer erforderlichen Werte.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat eine oder mehrere Abbildungsoptiken. Die mindestens eine Abbildungsoptik ist beispielsweise eine Linse, wie eine
Sammellinse oder ein Linsenfeld. Die Abbildungsoptik kann auch ein Spiegel sein, wie ein beweglicher Spiegel, auch als MEMS-Spiegel bezeichnet, um ein Scannen mit der
Messlaserstrahlung zu ermöglichen. Bei der Abbildungsoptik kann es sich um ein optisches System handeln, in der diffus, refraktiv und reflektiv wirkende Komponenten kombiniert sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abbildungsoptik der Primärlichtquelle und dem Messlaser gemeinsam
nachgeordnet. Die Abbildungsoptik kann eine gemeinsame
Abdeckung und Abstrahlfläche für die Primärlichtquelle und den Messlaser bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abbildungsoptik dazu eingerichtet, die Messlaserstrahlung in einem Muster abzubilden und/oder mit der Messlaserstrahlung zu scannen. Dazu kann die Abbildungsoptik bewegliche Komponenten, wie einen beweglichen Spiegel, aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Abbildungsoptik Blenden und/oder Masken aufweist, sodass mit der Messlaserstrahlung unterschiedliche
Beleuchtungsmuster etwa auf einer Fahrbahn oder in einer Umgebung erzeugt werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abbildungsoptik untrennbar mit dem Messlaser verbunden. Das heißt, im bestimmungsgemäßen Gebrauch lösen sich der Messlaser und die Abbildungsoptik nicht voneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat einen weiteren Laser oder mehrere weitere Laser. Der
zumindest eine weitere Laser emittiert eine andere
Wellenlänge als der Messlaser. Bevorzugt unterscheiden sich die Wellenlängen des Messlasers und des zumindest einen weiteren Lasers um mindesten 50 nm oder 100 nm oder 200 nm voneinander. Sind mehrere weitere Laser vorhanden, so gelten diese Wellenlängenunterschiede bevorzugt paarweise. Der
Apparat ist insbesondere dazu eingerichtet, aus einer
Umgebung zurückreflektierte Strahlung des weiteren Lasers zu detektieren, ebenso wie die Messlaserstrahlung. Durch die Kombination von Lasern mit verschiedenen Wellenlängen kann aus der Wellenlängenabhängigkeit der Reflexionseigenschaften zusätzliche Information gewonnen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat zusätzlich einen Infrarotlaser . Der Infrarotlaser stellt bevorzugt den weiteren Laser oder einen der weiteren Laser dar. Bei dem Infrarotlaser handelt es sich bevorzugt um einen Halbleiterlaser. Der Infrarotlaser ist zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns oder 5 ns oder 2 ns eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Infrarotlaser erzeugten Infrarotstrahlung liegt bevorzugt bei 0,7 ym oder 0,8 ym und/oder bei höchstens 3 ym oder 1 , 7 ym.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Impulsemission des Infrarotlasers mit einer Impulsemission des Messlasers synchronisiert. Dies kann bedeuten, dass die beiden Laser zeitgleich aufeinander abgestimmt die Impulse emittieren. Alternativ ist es möglich, dass zwischen der Impulsemission des Infrarotlasers und des Messlasers eine vorgegebene
Zeitspanne oder ein vorgegebener Mindestabstand liegen, sodass die Infrarotstrahlung und die kurzwellige Strahlung nicht zeitgleich ausgesandt werden, sondern zeitlich versetzt zueinander emittiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist dem Infrarotlaser und dem Messlaser zusammengenommen mindestens ein optisches Element gemeinsam nachgeordnet. Alternativ können der
Infrarotlaser und der Messlaser mit unterschiedlichen
optischen Elementen oder Abbildungsoptiken versehen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Infrarotlaser auch bei ausgeschaltetem Messlaser betreibbar. Es ist
möglich, dass auch Umgekehrtes gilt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Infrarotlaser zusammen mit der Elektronikeinheit als Sicherheitsschaltung für den Messlaser eingerichtet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Messlaser nur betreibbar ist, wenn durch den
Infrarotlaser zusammen mit der Elektronikeinheit festgestellt ist, dass sich keine Person in einem Ausleuchtbereich des Messlasers befindet. Hierdurch kann eine zusätzliche
Augensicherheit erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Sensor eine Siliziumfotodiode, ein Siliziumfotodiodenfeld oder eine CMOS- Kamera. Damit kann der Sensor mehrere Pixel aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Sensor für mindestens zwei voneinander verschiedene Spektralbereiche eingerichtet. Dies ist beispielsweise durch optische Filter möglich, die dem Sensor vorgeschaltet sind und die je nur für einen bestimmten Spektralbereich durchlässig sind.
Beispielsweise ist ein Filter vorhanden, der nur im
Spektralbereich der Messlaserstrahlung durchlässig ist und ein Filter, der nur im Bereich der Infrarotstrahlung des Infrarotlasers durchlässig ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Messlaser ein kantenemittierender Halbleiterlaserchip. Der
Halbleiterlaserchip ist beispielsweise ein Flip-Chip.
Alternativ können sich elektrische Kontakte des Messlasers an einander gegenüberliegenden Hauptseiten befinden, sodass beispielsweise eine Kontaktierung über Bonddrähte möglich ist .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist dem Messlaser ein Kondensator elektrisch parallel geschaltet. Ebenso kann ein Schaltelement wie ein Feldeffekttransistor, kurz FET, zur Ansteuerung des Messlasers vorhanden sein, beispielsweise elektrisch parallel geschaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Messlaser, der Kondensator und/oder das Schaltelement auf einem gemeinsamen Träger wie einem Submount montiert, bevorzugt bonddrahtfrei montiert. Hierdurch lassen sich niedrige Induktivitäten erzielen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Apparat um ein Kraftfahrzeug, wie ein Auto, um eine Drohne, wie eine Flugdrohne, um ein Wasserfahrzeug, um einen Roboter, um einen Aktuator oder um ein Werkzeug. Außerdem kann der Apparat in der Umwelttechnik verwendet werden, zum Beispiel als Sortierer bei der Detektion und/oder beim Aussortieren von Kunststoffteilen aus einem Wasserstrom oder einem
Luftstrom durch Abgleich der Signale aus einem UV, blau, IR und/oder rot basierten LIDAR-ähnlichem System.
Der Messlaser kann, optional zusammen mit der
Beleuchtungsquelle, einen Bediener des Apparats unterstützen. Alternativ kann der Apparat automatisch und/oder autonom agieren und eine Detektion der Umgebung erfolgt bevorzugt mittels LIDAR, basierend insbesondere auf der
MesslaserStrahlung .
Darüber hinaus wird ein Scheinwerfer angegeben. Der
Scheinwerfer umfasst eine Beleuchtungsquelle und einen
Messlaser, wie in Verbindung mit dem Apparat beschrieben. Merkmale des Apparats sind daher auch für den Scheinwerfer offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Scheinwerfer die Beleuchtungsquelle und den Messlaser. Die
Beleuchtungsquelle umfasst mindestens einen Leuchtstoff. Der Leuchtstoff wird von einer Primärlichtquelle, die im Betrieb als Primärstrahlung blaues Licht erzeugt, zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung angeregt. Die Primärlichtquelle ist eine Leuchtdiode oder ein Halbleiterlaser. Die Beleuchtungsquelle strahlt eine Mischstrahlung ab, die aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung zusammengesetzt ist. Der Messlaser ist ein Halbleiterlaser und ist zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser
erzeugten Messlaserstrahlung liegt zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm. Eine Beleuchtungsreichweite der
Beleuchtungsquelle und optional eine Messdistanz mittels der Messlaserstrahlung beträgt mindestens 25 m oder 100 m oder 200 m.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Primärlichtquelle durch den Messlaser gebildet. Die
Messlaserstrahlung ist ein durch den Leuchtstoff
transmittierter Anteil der Primärstrahlung. Die
Messlaserstrahlung ist zusammen mit der Sekundärstrahlung weißes Licht.
Nachfolgend werden ein hier beschriebener Apparat und ein hier beschriebener Scheinwerfer unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine
maßstäblichen Bezüge dargestellt. Vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß
dargestellt sein.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 9 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Apparaten und hier beschriebenen Scheinwerfern,
Figuren 10 bis 12 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Apparaten,
Figuren 13 bis 17 schematische elektrische Schaltbilder für
Messlaser für hier beschriebene Apparate und
Scheinwerfer Figur 18 eine schematische Draufsichten auf eine
Schaltungsanordnung eines Halbleiterlasers für hier beschriebene Apparate und Scheinwerfer, und
Figuren 19 bis 25 in den Figurenteilen A schematische
Schnittdarstellungen in den Figurenteilen B schematische Draufsichten auf Schaltungsanordnungen von Halbleiterlasern für hier beschriebene Apparate und Scheinwerfer.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Apparats 1 gezeigt. Der Apparat 1 ist bevorzugt ein Kfz-Scheinwerfer 10.
Der Apparat 1 weist eine Beleuchtungsquelle 2 auf. Die
Beleuchtungsquelle 2 emittiert weißes Licht. In der
Beleuchtungsquelle 2 ist ein Messlaser 3 integriert. Der Messlaser 3 emittiert im Betrieb eine Messlaserstrahlung M. Bei der Messlaserstrahlung M handelt es sich um eine gepulste Laserstrahlung mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns. Die Messlaserstrahlung M kann in einzelne Impulse unterteilt sein oder in Impulszüge, auch als Burst bezeichnet.
Ferner umfasst der Apparat 1 einen Sensor 4. Von dem Sensor 4 wird an einem Objekt 6 reflektierte Messlaserstrahlung M detektiert. Bei dem Objekt 6 handelt es sich beispielsweise um einen anderen Verkehrsteilnehmer.
Ferner umfasst der Apparat 1 eine Elektronikeinheit 5. Über die Elektronikeinheit 5 werden der Messlaser 3 und der Sensor 4 sowie optional die Beleuchtungsquelle 2 angesteuert. Die Elektronikeinheit 5 beinhaltet beispielsweise einen oder mehrere integrierte Schaltkreise und kann zudem Speichereinheiten sowie Dateneingänge und Datenausgänge aufweisen .
Über die Elektronikeinheit 5 werden die Signale vom Sensor 4 ausgewertet. Über eine Laufzeitmessung der Messlaserstrahlung M zum Objekt 6 und zurück vom Objekt 6 erfolgt zeitaufgelöst eine Ermittlung des jeweiligen Abstands des Apparats 1 zu dem Objekt 6.
Die Komponenten 2, 3, 4, 5 können in einem gemeinsamen
Gehäuse 11 integriert sein. Da sich alle Komponenten 2, 3, 4, 5 in dem Gehäuse 11 befinden, ist der Apparat 1, insbesondere der Scheinwerfer 10, als eine einzige Baugruppe oder als Modul handhabbar. Dies erleichtert eine Montage oder ein Ersetzen des Scheinwerfers 10.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist der Apparat 1 ebenfalls als Scheinwerfer 10 gestaltet, insbesondere als Kfz-Scheinwerfer . Die Beleuchtungsquelle 2 ist aus mehreren Primärlichtquellen 22 gebildet, denen jeweils ein Leuchtstoff 21 nachgeordnet ist. Von den Primärlichtquellen 22 wird eine Primärstrahlung P emittiert, die in den Leuchtstoffen 21 teilweise in eine Sekundärstrahlung S umgewandelt wird. Damit wird eine Mischstrahlung abgestrahlt, die aus der
Primärstrahlung P und der Sekundärstrahlung S zusammengesetzt ist .
Eine der Primärlichtquellen 22 dient gleichzeitig als
Messlaser 3. Dem Messlaser 3 ist auch einer der Leuchtstoffe 21 nachgeordnet. Bei der Messlaserstrahlung M handelt es sich um blaues Licht, das als kurzer Lichtimpuls ausgesandt wird, beispielsweise als näherungsweise rechteckförmiger
Lichtimpuls. Eine Emission der Sekundärstrahlung S erfolgt nach Anregung durch die Messlaserstrahlung M, jedoch zeitlich leicht verzögert und über einen längeren Zeitraum hinweg.
Dies ist durch die Zeitverläufe der Strahlungen M, P, S zum Messlaser 3 in Figur 2 symbolisiert.
Die Primärlichtquellen 22, die nicht als Messlaser 3
verwendet werden, können anders aufgebaut sein als der
Messlaser 3 selbst. Abweichend von der Darstellung in Figur 2 kann auch nur eine einzige Primärlichtquelle 22 vorhanden sein, die gleichzeitig als Messlaser 3 dient, oder es sind der Messlaser 3 und nur eine weitere Primärlichtquelle 22 vorhanden .
Sind der Messlaser 3 und zumindest eine weitere
Primärlichtquelle 22 vorhanden, so emittiert der Messlaser 3 die Messlaserstrahlung M bevorzugt in einem Zeitfenster, in dem die übrigen Primärlichtquellen 22 ausgeschaltet sind. Emittiert der Messlaser 3 die Messlaserstrahlung M nur mit einer vergleichsweise kleinen Repetitionsrate, zum Beispiel 50 Hz, sodass eine Messzeit für die Messlaserstrahlung M nur einen geringen Zeitanteil von beispielsweise höchstens
50 x 1 ms pro 1 s ausmacht, so kann der Messlaser 3 im übrigen Zeitanteil kontinuierlich emittieren, insbesondere mit einer geringen optischen Ausgangsleistung. Gleiches gilt in allen anderen Ausführungsbeispielen.
Das Gehäuse 11 schließt mit einer einzigen Abbildungsoptik 7 ab, die gemeinsam allen Lichtquellen 22, 3 nachgeordnet ist. Durch die Abbildungsoptik 7 wird ein Ausleuchtungsbereich, auch als Field of View bezeichnet, festgelegt.
Bei dem Apparat 1, wie in Figur 2 gezeichnet, handelt es sich beispielsweise um ein Abblendlicht oder um ein Fernlicht in einem Kfz. Ebenso kann der Scheinwerfer ein adaptiver
Frontscheinwerfer, kurz AFS, sein. Entsprechendes ist für alle anderen Ausführungsbeispiele möglich.
Der Apparat 1 der Figur 2 kann optional den Sensor 4 sowie die Elektronikeinheit 5 umfassen, nicht gezeichnet. Die
Komponenten 4, 5 können außerhalb oder auch innerhalb des Gehäuses 11 angebracht sein. Damit ist es möglich, dass der Scheinwerfer 10 selbst den Sensor 4 nicht umfasst und
optional auch die Elektronikeinheit 5 nicht umfasst.
In Figur 3 ist dargestellt, dass die Abbildungsoptik in zwei Optiken 7a, 7b aufgeteilt ist. Die Optik 7a dient für die Abbildung der Primärlichtquellen 22, denen jeweils der
Leuchtstoff 21 nachgeordnet ist. Die Abbildungsoptik 7b dient als alleinige Optik für den Messlaser 3. Abweichend von der Darstellung in Figur 3 ist es möglich, dass die
Abbildungsoptik 7a allen Lichtquellen 22, 3 sowie der
Abbildungsoptik 7b gemeinsam nachgeordnet ist.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Figur 3 dem der Figur 2.
Die Optiken 7, 7a, 7b können jeweils durch refraktive
und/oder reflektive Optiken gebildet sein.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist dem Messlaser 3 kein Leuchtstoff 21 nachgeordnet. Die Messlaserstrahlung M strahlt an den Leuchtstoffen 21 vorbei. Damit ist der Messlaser 3 auch kein Bestandteil der Beleuchtungsquelle 2, sondern unabhängig von der Beleuchtungsquelle 2. Wie in Figur 2 kann den Lichtquellen 22, 3 gemeinsam die Abbildungsoptik 7 nachgeordnet sein. Die Mischstrahlung P, S zusammen mit der Messlaserstrahlung M bildet bevorzugt insgesamt weißes Licht.
In Figur 5 ist illustriert, dass für den Messlaser 3 eine eigene Optik 7b vorgesehen ist. Bei der Optik 7b handelt es sich um eine Linse, wie eine Sammellinse, oder auch um einen beweglichen Spiegel, beispielsweise um einen MEMS-Spiegel .
Im Übrigen entsprechen die Ausführungsbeispiele der Figuren 4 und 5 denen der Figuren 2 und 3.
In Figur 6 ist gezeigt, dass der Apparat 1 und/oder der
Scheinwerfer 10 zusätzlich einen Infrarotlaser 8 umfassen. Zudem können jeweils separate Optiken 7a, 7b, 7c, 7d für die Strahlung emittierenden Komponenten 2, 3, 8 sowie für den
Sensor 4 vorhanden sein.
In Figur 7 ist demgegenüber illustriert, dass den
strahlungsemittierenden Komponenten 2, 3, 8 die gemeinsame
Optik 7a nachgeordnet ist. Dem Sensor 4 ist optisch die
Abbildungsoptik 7b vorangestellt.
Im Übrigen gelten zu den Figuren 6 und 7 hinsichtlich der Lichtquellen 2, 3 bevorzugt die Ausführungen zu Figur 1 sowie zu den Figuren 2 bis 5.
In den Figuren 8 und 9 ist die Detektion der reflektierten Strahlung veranschaulicht. Von dem Scheinwerfer 10 werden die Strahlungen M, P, S emittiert und an dem Objekt 6 teilweise reflektiert. Dem separat vom Scheinwerfer 10 angeordneten Sensor 4 des Apparats 1 ist neben der Abbildungsoptik 7 ein Filter 9 vorangestellt. Durch den Filter 9 hindurch gelangt nur die
Messlaserstrahlung M zu dem Sensor 4. Die Strahlungen P, S werden herausgefiltert. Damit ist es möglich, dass die
Primärstrahlung P eine andere Wellenlänge aufweist als die Messlaserstrahlung M, um eine spektrale Filterung zu
ermöglichen. Alternativ können die Messlaserstrahlung M und die Primärstrahlung P die gleiche Wellenlänge aufweisen und eine Filterung erfolgt zeitlich. Dies gilt insbesondere, falls die Primärlichtquelle als Messlaser dient, siehe etwa die Figuren 2 und 3.
Gemäß Figur 9 emittiert der Scheinwerfer 10 die
Infrarotstrahlung IR und die Messlaserstrahlung M. Das beispielsweise weiße Licht der Beleuchtungsquelle 2 ist nicht gezeichnet .
Der Sensor 4 ist bevorzugt pixeliert und mittels der Filter 8a, 8b lokal für die Infrarotstrahlung IR sowie die
Messlaserstrahlung M sensitiv. Eine Sensitivitätstrennung erfolgt somit über die Filter 8a, 8b.
Gemäß der Figuren 8 und 9 erfolgt eine räumliche Auflösung hinsichtlich der Messlaserstrahlung M und optional der
Infrarotstrahlung R über den Sensor 4. Der Sensor 4 ist entsprechend pixeliert, um eine räumliche Zuordnung der lokal detektierten Strahlung M, IR zu gewährleisten.
Solche pixelierten Sensoren 4 sowie optional die Verwendung des zusätzlichen Infrarotlasers 8 ist entsprechend auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich. Bei dem Sensor 4 handelt es sich beispielsweise um eine
Siliziumfotodiode, um ein Siliziumfotodiodenarray oder um eine CMOS-Time of Light-Kamera .
Abweichend von der Darstellung in Figur 9 ist es möglich, dass jedem der Filter 8a, 8b eine eigene Abbildungsoptik zugeordnet ist. In diesem Fall liegt keine gemeinsame
Abbildungsoptik 7 vor, welche in Figur 9 illustriert ist.
In Figur 10 ist illustriert, dass der Apparat 1 ein Auto ist. Der Apparat 1 verfügt über mehrere der Scheinwerfer 10 mit den Lichtquellen 2, 3 und optional mit dem Infrarotlaser 8. Der Sensor 4 kann separat von den Scheinwerfern 10 angeordnet sein oder auch ein Teil des Scheinwerfers 10 sein, abweichend von Figur 10.
Gemäß Figur 11 handelt es sich bei dem Apparat 1 um einen Greifarm oder um einen Roboterarm. Der Scheinwerfer 10 und optional der Sensor 4 können an einer Spitze des Greifarms angebracht sein.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 12 handelt es sich bei dem Apparat 1 um eine Flugdrohne. Der Apparat 1 umfasst den
Scheinwerfer 10 und optional den Sensor 4, welcher abweichend von der Darstellung der Figur 12 auch in dem Scheinwerfer 10 integriert sein kann.
In den Figuren 13 bis 17 sind beispielhaft Schaltbilder zur Ansteuerung des Messlasers 3 illustriert. In den Figuren 13 bis 17 ist einer Halbleiterlaserdiode 30 des Messlasers 3 jeweils ein Kondensator 31 elektrisch parallel geschaltet. Optional kann jeweils ein weiterer, nicht gezeichneter und der Laserdiode 30 elektrisch in Serie geschalteter Kondensator vorhanden sein.
Ferner ist der Laserdiode 30 ein Schaltelement 32 in Serie geschaltet. Bei dem Schaltelement 32 handelt es sich
bevorzugt um einen Feldeffekttransistor, kurz FET,
insbesondere basierend auf SiC, GaN oder Si. Liegt das
Schaltelement 32 an einer Versorgungsspannung V, handelt es sich beispielsweise um einen p-MOS-FET, siehe die Figuren 13 und 15. Liegt das Schaltelement 32 an einer
Erdanschlussleitung GND, ist das Schaltelement 32 bevorzugt ein n-MOS-FET, siehe die Figuren 14 und 16.
In den Figuren 15 und 16 ist veranschaulicht, dass zur
Laserdiode 30 antiparallel eine Schutzdiode 33 geschaltet sein kann. Bei der Schutzdiode 33 handelt es sich um eine Diode zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische
Entladungen, kurz ESD-Diode.
In Figur 17 ist veranschaulicht, dass zu den der Laserdiode 30 in Serie geschalteten Schaltelement 32a ein parallel geschaltetes Schaltelement 32b vorhanden sein kann. Über das Schaltelement 32b kann ein schnelles Abschalten der
Laserdiode 30 und damit eine Verkürzung der Impulsdauern erzielt werden.
Eine Leiterschleife innerhalb der Schaltungsanordnung, wie in den Figuren 13 bis 17 gezeigt, ist bevorzugt möglichst gering, sodass eine Fläche und ein Volumen möglichst klein sind. Damit können geringe Induktivitäten erreicht werden, um kurze Schaltzeiten und Steuerzeiten zu gewährleisten.
Bevorzugt erfolgt eine Integration der Komponenten 30, 31, 32 und optional 33 in einem gemeinsamen Gehäuse, nicht
gezeichnet .
In Figur 18 ist gezeigt, dass für den Messlaser 3 ein Träger 34 vorhanden ist, auf dem die Laserdiode 30 und der
Kondensator 31 auf einer gemeinsamen Kontaktfläche 35 aufgebracht sind. Das Schaltelement 32 und optional die Schutzdiode 33 sind in dem Träger 34 integriert. Das
Schaltelement 32 ist als FET gestaltet. Eine elektrische Anbindung der Laserdiode 30 und des Kondensators 31 erfolgt bevorzugt je über mehrere Bonddrähte 37, um geringe
Induktivitäten zu gewährleisten.
Der Kondensator 31 ist beispielsweise ein Siliziumchip- Kondensator oder ein Kondensator der Bauform 0102 oder ähnliches. Zum Ansteuern des Schaltelements 32 können elektrische Kontaktflächen 35, d, und 35, g sowie 35, s, GND für Drain, Gate sowie Source = GND vorhanden sein. An einer nicht gezeichneten Unterseite des Trägers 34 können
entsprechende Kontaktflächen vorliegen.
Es ist möglich, dass an einer Facette der Laserdiode 30 eine Facettenverkapselung 36 vorliegt, die linsenförmig gestaltet sein kann. Die Facettenverkapselung 36 ist jeweils nur schematisch stark vereinfacht gezeichnet. Zum Beispiel ist die Facettenverkapselung 36 gestaltet, wie in der
Druckschrift DE 10 2017 123 798 Al beschrieben. Der
Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug mit aufgenommen.
Der Träger 34 ist ein Substrat wie eine gedruckte
Leiterplatte, kurz PCB, oder eine Metallkernplatine. Ebenso kann der Träger 34 ein Keramiksubstrat mit Leiterbahnen sein oder auch ein beispielsweise eingebetteter Leiterrahmen, englisch Leadframe. Weiterhin kann der Träger 34 ein Si- Submount sein.
Alternativ zur Darstellung in Figur 18 ist es möglich, dass eine bonddrahtfreie Kontaktierung erfolgt, um elektrische Induktivitäten der Zuleitungen weiter zu reduzieren.
In den Figuren 19 bis 25 sind weitere Ausführungsbeispiele von Schaltungsanordnungen für den Messlaser 3 gezeigt, analog zu Figur 18. Die Verschaltung folgt dabei je der in Figur 13 gezeigten Schaltskizze. Genauso kann aber jeweils auf die Schaltskizzen der Figuren 14 bis 17 zurückgegriffen werden.
In den Figurenteilen A sind, soweit in den zugehörigen
Figurenteilen B überhaupt vorhanden, Bonddrähte nicht
gezeichnet, ebenso wenig wie die Kontaktflächen . Es ist möglich, dass der Messlaser 3 je nur aus der Laserdiode 30 besteht oder als Modul den Träger 34 und alle davon
getragenen Komponenten umfasst.
Gemäß Figur 19 dient als Träger 34 ein Substrat mit
Kontaktflächen 35, zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte, kurz PCB, ein Keramikträger oder ein Leiterrahmen. Das
Schaltelement 32 ist ein FET und/oder ein ASIC und basiert auf Si, GaN oder SiC. Über die Facettenverkapselung 36 kann eine lokal hermetische Verkapselung der Laserdiode 30 erzielt werden .
Die Kontaktfläche 35, g für den Gate-Anschluss sowie die Kontaktfläche 35, GND, s für den Source-Anschluss und die Kontaktfläche 35, V für den Versorgungsspannungsanschluss sind über elektrische Durchkontaktierungen 38 mit
entsprechenden Kontaktflächen an einer Trägerunterseite, nicht gezeichnet, verbunden. Die Laserdiode 30 ist über mehrere Bonddrähte 37 mit der Kontaktflache 35, d für den Drain-Anschluss des Schaltelements 32 verbunden. Der
Kondensator 31 befindet sich auf der Kontaktflache 35, V und ist ebenfalls über mehrere Bonddrähte 37 mit der
Kontaktfläche 35, GND, s verbunden.
Abweichend von Figur 19 handelt es sich in Figur 20 bei dem Kondensator 31 um einen Flip-Chip, sodass der Kondensator 31 ohne Bonddrähte direkt an die Kontaktflächen 35, GND, s und 35, V angeschlossen ist.
Abweichend von Figur 19 ist in Figur 21 die Kontaktfläche 35, d in Draufsicht zwischen den Kontaktflächen 35, g und 35,
GND, s angeordnet. Dabei befindet sich die Kontaktfläche 35, d bevorzugt an einer dem Träger 34 abgewandten Seite des Schaltelements 32.
Die Anordnung der Figur 22 entspricht einer Kombination der Figuren 20 und 21.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 23 ist der Kondensator 31 in dem Träger 34 integriert. Dazu ist der Träger 34 bevorzugt als Multilagenkeramik gestaltet. Eine elektrische
Kontaktierung des Kondensators 31 erfolgt über
Durchkontaktierungen 38. Im Übrigen entspricht das Beispiel der Figur 23 dem der Figur 19.
Gemäß Figur 24 ist auch das Schaltelement 32 im Träger 34 integriert und über die Durchkontaktierungen 38
angeschlossen. An der Oberseite des Trägers 34 befinden sich nur die Kontaktflächen 35, d und 35, V. Die übrigen, nicht gezeichneten Kontaktflachen befinden sich an der Unterseite des Trägers 34.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 25 ist die Laserdiode 30 bonddrahtfrei kontaktiert. Dazu ist in und/oder an einer Halbleiterschichtenfolge der Laserdiode 30 eine
Durchkontaktierung 38 erzeugt, sodass die
Halbleiterschichtenfolge an zwei Seiten elektrisch
angeschlossen ist. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu Figur 24.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 113 711.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Bezugszeichenliste
1 Apparat
10 Scheinwerfer
11 Gehäuse
2 Beleuchtungsquelle
21 Leuchtstoff
22 Primärlichtquelle
3 Messlaser
30 Laserdiode
31 Kondensator
32 Schaltelement
33 Schutzdiode
34 Träger
35 Kontaktfläche
36 Facettenverkapselung/Linse
37 Bonddraht
38 Durchkontaktierung
4 Sensor
5 Elektronikeinheit
6 reflektierendes Objekt
7 Abbildungsoptik
8 Infrarotlaser
9 Filter
d Drain-Anschluss
g Gate-Anschluss
GND Erdanschluss
IR Infrarotstrahlung
M Messlaserstrahlung
P Primärstrahlung
S Sekundärstrahlung
s Source-Anschluss
V Versorgungsspannung

Claims

Patentansprüche
1. Apparat (1) mit einer Beleuchtungsquelle (2), wobei
- der Apparat (1) mindestens einen Messlaser (3) umfasst,
- der Messlaser (3) ein Halbleiterlaser ist und zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet ist,
- eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser (3) erzeugten Messlaserstrahlung (M) zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm liegt.
2. Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- die Beleuchtungsquelle (2) im Betrieb weißes Licht erzeugt,
- eine Beleuchtungsreichweite der Beleuchtungsquelle (2) mindestens 25 m beträgt,
- der Apparat (1) mindestens einen Sensor (4) und eine
Elektronikeinheit (5) umfasst,
- der Sensor (4) dazu eingerichtet ist, einen außerhalb des Apparats (1) an einem externen Objekt (6) reflektierten
Anteil der Messlaserstrahlung (M) mit einer Zeitauflösung von höchstens 5 ns zu detektierten,
- die Elektronikeinheit (5) dazu eingerichtet ist, eine
Laufzeit des reflektierten und detektierten Anteils der
Messlaserstrahlung (M) und damit eine Entfernung des die Messlaserstrahlung (M) reflektierenden Objekts (6) zum
Apparat (1) zu bestimmen, und
- die Impulsdauer höchstens 5 ns beträgt.
3. Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Beleuchtungsquelle (2) mindestens einen Leuchtstoff (21) umfasst,
- der Leuchtstoff (21) von einer Primärlichtquelle (22), die im Betrieb als Primärstrahlung (P) blaues Licht erzeugt, zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung (S) angeregt wird,
- die Beleuchtungsquelle (2) eine Mischstrahlung abstrahlt, die aus der Primärstrahlung (P) und der Sekundärstrahlung (S) zusammengesetzt ist.
4. Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- die Primärlichtquelle (22) durch den Messlaser (3) gebildet ist, und
- die Messlaserstrahlung (M) ein durch den Leuchtstoff (21) transmittierter Anteil der Primärstrahlung (P) ist.
5. Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- die Messlaserstrahlung (M) und die Mischstrahlung den gleichen Raumwinkelbereich ausleuchten, und
- der Sensor (4) zur ortsaufgelösten Detektion der
reflektierte Messlaserstrahlung (M) eingerichtet ist.
6. Apparat (1) nach Anspruch 3, wobei
- die Primärlichtquelle (22) ein im Betrieb blaues Licht emittierender Halbleiterlaser ist,
- die Primärlichtquelle (22) von dem Messlaser (3)
verschieden ist, und
- die Messlaserstrahlung (M) an dem Leuchtstoff (21)
vorbeigeführt wird.
7. Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- die Primärlichtquelle (22) und der Messlaser (3) mit einer Toleranz von höchstens 10 nm Licht der gleichen maximalen Wellenlänge emittieren,
- die Mischstrahlung farbiges Licht ist, und
- die Mischstrahlung zusammen mit der Messlaserstrahlung (M) weißes Licht ist.
8. Apparat (1) nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche, wobei
- der Apparat (1) eine Abbildungsoptik (7) umfasst, und
- die Abbildungsoptik (7) der Primärlichtquelle (22) und dem Messlaser (3) gemeinsam nachgeordnet ist.
9. Apparat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
- der Apparat (1) mindestens eine Abbildungsoptik (7)
umfasst, und
- die Abbildungsoptik (7) dazu eingerichtet ist, die
Messlaserstrahlung (M) in einem Muster abzubilden und/oder mit der Messlaserstrahlung (M) zu scannen.
10. Apparat (1) nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche, wobei
- die Abbildungsoptik (7) untrennbar mit dem Messlaser (3) verbunden ist, und
- die Abbildungsoptik (7) eine Linse, einen Reflektor, ein diffraktives optisches Element, eine Metalinse, ein
Multilinsenfeld und/oder einen Diffusor umfasst.
11. Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Apparat (2) zusätzlich einen Infrarotlaser (8) umfasst,
- der Infrarotlaser (8) ein Halbleiterlaser ist und zur
Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet ist,
- eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom
Infrarotlaser (8) erzeugten Infrarotstrahlung (IR) zwischen einschließlich 0,7 ym und 3 ym liegt, und
- eine Impulsemission des Infrarotlasers (8) mit dem
Messlaser (3) synchronisiert ist.
12. Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- dem Infrarotlaser (8) und dem Messlaser (3) gemeinsam mindestens ein optisches Element nachgeordnet ist, und
- der Infrarotlaser (8) auch bei ausgeschaltetem Messlaser (3) betreibbar ist.
13. Apparat (1) nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche, wobei
- der Infrarotlaser (8) zusammen mit der Elektronikeinheit (5) als Sicherheitsschaltung für den Messlaser (3)
eingerichtet ist, und
- der Messlaser (3) nur betreibbar ist, wenn durch den
Infrarotlaser (8) zusammen mit der Elektronikeinheit (5) festgestellt ist, dass sich keine Personen in einem
Ausleuchtbereich des Messlasers (3) befinden.
14. Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Sensor (4) eine Si-Fotodiode, ein Si-Fotodiodenfeld oder eine CMOS-Kamera ist, und
- der Sensor (4) für zumindest zwei voneinander verschiedene Spektralbereiche eingerichtet ist.
15. Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Messlaser (3) ein kantenemittierender Flip-Chip ist,
- einer Reihenschaltung aus dem Messlaser (3) und einem Schaltelement (32b) ein Kondensator (31) elektrisch parallel geschaltet ist, und
- der Messlaser (3), der Kondensator (31) und/oder das
Schaltelement (32b) auf einem gemeinsamen Träger (34) bonddrahtfrei montiert sind.
16. Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein Kraftfahrzeug, eine Drohne, ein Roboter, ein Aktuator oder ein Werkzeug ist.
17. Scheinwerfer (10) mit einer Beleuchtungsquelle (2) und mit einem Messlaser (3) , wobei
- die Beleuchtungsquelle (2) mindestens einen Leuchtstoff (21) umfasst,
- der Leuchtstoff (21) von einer Primärlichtquelle (22), die im Betrieb als Primärstrahlung (P) blaues Licht erzeugt, zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung (S) angeregt wird,
- die Primärlichtquelle (22) eine Leuchtdiode oder ein
Halbleiterlaser ist,
- die Beleuchtungsquelle (2) eine Mischstrahlung abstrahlt, die aus der Primärstrahlung (P) und der Sekundärstrahlung (S) zusammengesetzt ist,
- der Messlaser (3) ein Halbleiterlaser ist und zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet ist,
- eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser (3) erzeugten Messlaserstrahlung (M) zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm liegt, und
- eine Beleuchtungsreichweite der Beleuchtungsquelle (2) mindestens 25 m beträgt.
18. Scheinwerfer (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- die Primärlichtquelle (22) durch den Messlaser (3) gebildet ist,
- die Messlaserstrahlung (M) ein durch den Leuchtstoff (21) transmittierter Anteil der Primärstrahlung (P) ist, und
- die Messlaserstrahlung (M) zusammen mit der
Sekundärstrahlung (S) weißes Licht ist.
PCT/EP2019/064850 2018-06-08 2019-06-06 Apparat und scheinwerfer WO2019234180A1 (de)

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JP2020562199A JP2021526204A (ja) 2018-06-08 2019-06-06 装置およびヘッドライト
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WO2019234180A1 true WO2019234180A1 (de) 2019-12-12

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