WO2020193290A1 - Optoelektronische vorrichtung und lidar-system - Google Patents

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Hubert Halbritter
Ralph Wirth
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Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic device, in particular for detecting obstacles and / or for measuring distances, and a lidar system.
  • Lidar is an abbreviation for "Light Detection and Ranging", and Lidar systems are also known as Ladar systems. Ladar stands for “Laser Detection and Ranging”. Lidar systems, also referred to as LIDAR sensor systems in the following, work in a similar way to radar systems and are used, for example, for optical distance and speed measurement as well as for measuring atmospheric parameters or creating height profiles of the earth's surface. Lidar systems use laser radiation as opposed to radar systems which use radio waves.
  • LIDAR sensor systems can be used to control and steer vehicles (e.g. cars, ships, aircraft, drones), including vehicles with driver assistance systems, as well as semi or fully autonomous vehicles.
  • LIDAR systems can also be used for many different functions that are geared towards the interior of a vehicle. Such functions can include driver or passenger monitoring functions as well as occupancy detection systems based, for example, on methods such as eye tracking, face recognition (evaluation of head rotation or inclination), measurement of the blink of an eye, etc.
  • LIDAR sensor systems can thus be used both outside and outside can be mounted inside a vehicle and they can be incorporated into optical systems like headlights and others Vehicle lighting parts are integrated, which are located in different places on a vehicle (front, back, side, corner, interior).
  • a light source for LIDAR applications thus supplies electromagnetic radiation by means of which information about objects in the vicinity of the LIDAR system is determined.
  • Conventional LIDAR light sources used in the prior art emit radiation in a non-visible wavelength range, in particular infrared radiation (IR) in the wavelength range from 850 nm to 8100 nm.
  • the light source preferably emits radiation in a narrow bandwidth range with a half-width (FWHM) between 1 ns and 100 ns.
  • a LIDAR sensor system is a system that uses light or electromagnetic radiation to derive information about objects in the vicinity of the LIDAR system.
  • LIDAR sensor systems typically include a variety of components, as described below.
  • such LIDAR systems are arranged on a vehicle in order to derive information about objects on a street and in the vicinity of a street.
  • objects can include other road users (e.g. vehicles, pedestrians, cyclists, etc.), elements of the road infrastructure (e.g. traffic signs, traffic lights, lane markings, guard rails, traffic islands, sidewalks, bridge piers, etc.) and also objects that can be found intentionally or unintentionally on or near a street.
  • the information derived via such a LIDAR sensor system can include the distance, the speed, the acceleration, the direction of movement, the flight path, the posture and / or other physical or chemical properties of these objects.
  • the LIDAR system determines the time of flight (TOF for Time of Flight) or variations of physical properties such as phase, amplitude, frequency, polarization, structured point patterns, triangulation methods, etc. of the emitted electromagnetic radiation after the emitted radiation from at least one object is in Illumination field (Field of Illumination FOI, also referred to here as target field) was reflected or scattered and detected by a detector.
  • TOF Time of Flight
  • FOI Field of Illumination FOI
  • Lidar systems known from the prior art use mechanical and non-mechanical scanning systems.
  • Mechanical solutions can include rotating mirrors, oscillating mirrors, in particular oscillating microelectromechanical mirrors (MEMS), digital mirror devices (DMD), galvo scanners, fiber-based scanning systems, etc.
  • the moveable mirrors can have flat surface areas, for example oval, rectangular or polygonal, and can be tilted or pivoted about one or more axes.
  • Non-mechanical solutions can include so-called optical phase-controlled arrays (OPA), in which the phases of the light waves are changed by dynamically controlling the optical properties of an adjustable optical element such as phase modulators, phase shifters, liquid crystal elements (LCD), etc. In each of these cases, back-reflected radiation can be detected by means of a single detector.
  • OPA optical phase-controlled arrays
  • an adjustable optical element such as phase modulators, phase shifters, liquid crystal elements (LCD), etc.
  • back-reflected radiation can be detected by means of a single detector.
  • lidar systems known from the prior art allow simultaneous illumination of the target area.
  • a high-resolution detector system also referred to below as a camera, detects the laser beams reflected back from the entire target area, also referred to as the field of view (FoV).
  • the captured camera image provides location information about the target area. Because of the required high Resolution cameras or detection systems of this type are relatively expensive.
  • a detector is a device that is able to provide an output signal (to an evaluation electronics unit) that is qualitatively or quantitatively correlated with the presence or change of physical (or chemical) properties in its environment. Examples of such physical properties are temperature, pressure, acceleration, brightness of light (UV, VIS, IR), vibrations, electric fields, magnetic fields, electromagnetic fields, sound or ultrasonic waves, etc.
  • Detector devices can include cameras (mono or stereo) ) with, for example, light-sensitive CCD or CMOS chips or stacked multilayer photodiodes, detectors for radio waves (RADAR systems), photo diodes, temperature sensors such as NTC elements, i.e. a thermistor with a negative temperature coefficient, acceleration sensors, etc.
  • a photodetector is a detection device that is sensitive to the effects of electromagnetic radiation. Typically, light photons are converted into a current signal when they strike the light-sensitive element.
  • Photosensitive elements can comprise semiconductor elements with pn junction regions in which photons are absorbed and converted into electron hole pairs. Many different types of detectors can be used for LIDAR applications, e.g. B.
  • CMOS sensors complementary metal oxide Semiconductors, CCD (Charge-Coupled Device), stacked multilayer photodiodes, etc.
  • a photodetector can be used to (qualitatively and / or quantitatively) echo signals from light Detect that was emitted by the light source in the field-of-view (FoV) and that was then reflected or scattered by at least one object within the FoV.
  • the photodetector can comprise one or more photosensitive elements (of the same type or different types) which can be arranged in linear strips or in two-dimensional arrays.
  • the photosensitive area can have a rectangular, square, polygonal, circular or oval shape.
  • a photodetector can be covered with Bayer-like visible or infrared filter segments.
  • An optoelectronic device which is particularly suitable for the detection of obstacles and / or for distance measurement, for example in a lidar system, comprises a transmitting device for emitting laser beams, the transmitting device having an array of pixels, each pixel of the Pixel field at least one laser, in particular an optoelectronic laser, such as a VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) or a VECSEL (Surface-Emitting Semiconductor Laser with an External Laser Resonator).
  • the optoelectronic device optionally also comprises a receiving device for the detection of laser beams, in particular those that are reflected back on objects.
  • the pixels of the pixel field are divided into several sets of pixels divided, and the transmission device is designed to operate the sets of pixels at different, successive time intervals.
  • the optoelectronic device thus comprises a pixelated transmitting device for transmitting laser beams.
  • the pixel field can have 600 by 200 pixels, for example.
  • Each pixel can have one or more VCSELs, for example.
  • Each pixel is assigned to one of several sets of pixels.
  • the pixels of a set of pixels are operated briefly, that is to say in particular switched on for a short time and then switched off again. At this time, the pixels of the other sets of pixels are not operated.
  • the sets of pixels are gradually operated in successive time intervals, each of which may be, for example, a microsecond long.
  • the time specification of 1 ps is only to be seen as an example. Other time intervals are possible.
  • the time intervals can range between 1 ps and 3 ps inclusive.
  • the transmitting device allows a target area to be simultaneously illuminated by the laser light from the respective pixels operated in a time interval. Since not all pixels of the pixel field are operated at the same time, but rather only the pixels assigned to a respective set of pixels are operated in a time interval, no high-resolution receiving device is required to detect the laser beams reflected back, but a receiving device with a relatively coarse resolution is sufficient, as will be explained in more detail below. As a result, the costs for the receiving device and thus also for the optoelectronic device can be reduced.
  • a lidar system known from the prior art which uses movable mirrors to scan a target area with a collimated laser beam, normally requires lasers that are operated with relatively high electrical currents, for example in the range between 30 and 40 A.
  • the generated laser pulses can have peak powers of 100 W or more. Because of the high electrical currents for driving such lasers, it is problematic in known lidar systems to generate laser pulses that are shorter than a few nanoseconds. Since the energy of the laser pulses affects eye safety, the maximum pulse power of the laser pulses is normally limited.
  • the pixels or a group of several pixels can be controlled individually.
  • the electrical currents required for this are generally smaller by a factor of 10 than the currents mentioned above. They are therefore in the range of a few amperes, for example. This enables laser pulses to be generated that are shorter than a nanosecond. The pulse energy of the laser pulses can thereby be reduced, which results in an improvement in eye safety.
  • Lidar systems known from the prior art that use movable mirrors to scan a target area with a collimated laser beam are normally only put into operation when the vehicle has exceeded a certain speed - if they are used in a motor vehicle.
  • One reason for this is to make eye safety for the Example to ensure passers-by. Since an optoelectronic device according to the invention offers improved eye safety, it allows an optoelectronic device according to the invention, when it is used in a lidar system in a motor vehicle, to be put into operation at lower speeds.
  • a mirror In the lidar systems known from the prior art that use movable mirrors, a mirror normally oscillates or rotates at a resonance frequency. Thus, a light pulse can only be emitted in a specific angular range at specific, periodically repeating times. This means, for example, that when two vehicles approach each other, each using a LIDAR system, there is no unambiguity or no differentiation between an external LIDAR pulse and a LIDAR pulse that is reflected on an object and originates from the own vehicle. can be established because, as said, it remains unclear from which vehicle the laser pulse was emitted. This problem is known as "jamming".
  • the sets of pixels are operated or can be operated in a changing sequence in the different, successive time intervals.
  • the sets of pixels can thus be activated in any, in particular random, order and thus carry a stochastic time stamp.
  • a stochastic time stamp can be generated using known mathematical ones, for example based on Fibonacci sequences or physical effects, for example based on thermal noise provided by a semiconductor device.
  • a correlation with laser radiation from other sources and / or a periodicity in the emitted laser radiation can be avoided.
  • the problem of “jamming” therefore no longer occurs or at least to a lesser extent.
  • the pixel field is in a
  • N of segments with one or more pixels from each segment being assigned to a set of pixels.
  • the pixel field is divided into a number N of segments, one pixel from each segment being assigned to a set of pixels.
  • N the number of segments
  • the pixel field is divided into a number N of segments, one pixel from each segment being assigned to a set of pixels.
  • only one pixel is operated from each segment in each time interval.
  • a receiving device with a relatively low resolution for the detection of laser beams reflected back in particular.
  • a camera with a corresponding number N of segments can be used.
  • the resolution of the camera can thus be defined by the number N of segments of the emitter.
  • the segmentation of the camera cannot correspond to the number N of segments of the pixel field.
  • Each segment of the pixel field can have the same number L of pixels.
  • the pixel field can thus be divided into N segments of equal size. This ensures that exactly one pixel from each segment can always be assigned to each set of pixels.
  • the segments of the pixel field can be of different sizes. For example, a better resolution and thus a larger number of pixels can be provided in the segments in the middle of the pixel field. In contrast, fewer pixels and, as a result, a lower resolution can be provided at the edge of the pixel field.
  • the receiving device can have a two-dimensional detection field which is divided into a number M of detection areas, each detection area being designed to detect laser beams from the transmitting device.
  • the two-dimensional detection field can be, for example, an image sensor, for example a CCD sensor. CCD stands for Charged-Coupled Device.
  • a segment of the pixel field can be used to illuminate a partial area of a target field which is located at a distance, for example 200 m, in front of the receiving device.
  • the partial area of the target field can be illuminated by means of the segment using appropriate optics.
  • Laser beams reflected back from the sub-area can be directed onto the detection area assigned to the segment, for example also via suitable optics, also referred to below as sensor optics.
  • suitable optics also referred to below as sensor optics.
  • sensor optics encompasses all types of optical elements that can be used in a LIDAR sensor system to ensure or improve its function.
  • optical elements can include lenses or sets of lenses, filters, diffusers, mirrors, reflectors, light guides, diffractive optical elements (DOE), holographic optical elements and generally all types of optical elements that transmit light or electromagnetic radiation via refraction, Diffraction, reflection, transmission, absorption, scattering, etc. can influence.
  • DOE diffractive optical elements
  • Each detection area can have at least one pixel for detecting the laser radiation.
  • the receiving device can thus have a relatively coarse resolution.
  • all pixels of the same segment of the pixel field emit laser beams with the same polarization and / or the same wavelength.
  • different segments of the pixel field can emit lasers with different polarization and / or different wavelengths and / or different powers. This improves the detection of laser beams reflected back.
  • the pixels of the pixel field can also emit pulsed laser radiation in the form of individual pulses of the same pulse height or sequences of several pulses with a uniform pulse height or with varying pulse heights.
  • the pulses can have a symmetrical pulse shape, for example a rectangular pulse shape. Alternatively, the pulses can be asymmetrical pulse shapes with differences in their respective rising and falling edges.
  • the pixels of at least one first segment of the pixel field emit laser beams with a first polarization
  • the pixels of at least one second segment of the pixel field emit laser beams with a second polarization, the first and second polarizations being different. If polarization-dependent detection takes place in the detection areas of the detection field of the receiving device, then, for example, scattered light from laser radiation from the first segment in the detection area assigned to the second segment of the pixel field can be avoided.
  • the pixels of at least one first segment of the pixel field emit laser beams with a first wavelength
  • the pixels of at least one second segment of the pixel field emit laser beams with a second wavelength, the first wavelength and the second wavelength being different .
  • the proportion of scattered light in the detection areas of the detection field of the receiving device can also be reduced if a wavelength-dependent detection is carried out in the detection areas. This can be done in particular by arranging a spectral filter, for example an edge filter or a bandpass filter, in front of each detection area, which allows light to pass through at the wavelength that was emitted by a segment of the pixel field assigned to the respective detection field, while the filter allows others Blocks wavelengths.
  • the segments of the pixel field can form at least two lines, each line comprising at least two pixels. An array-like segmentation of the pixel field can thus be realized.
  • the pixels of a first segment of the pixel field can emit laser beams with a polarization that is different to the polarization of the laser beams which is emitted by the pixels of at least a second segment, the second segment being adjacent to the first segment in the same line or the line below. Segments of the pixel field that are adjacent to one another in a row or column can therefore emit laser beams with different polarization.
  • the pixels of a first segment of the pixel field can emit laser beams of a wavelength which is different to the wavelength of the laser beams which are emitted by the pixels of at least a second segment, the second segment being adjacent to the first segment in the same line or the line below. Segments of the pixel field that are adjacent to one another in a row or column can thus emit laser beams with different wavelengths.
  • Each detection area can have a polarization filter which is adapted to the polarization of the laser beams which the pixels of the assigned segment emit. The detection of scattered light can thereby be reduced.
  • each detection area has a spectral filter which is adapted to the wavelength of the laser radiation which the pixels of the assigned segments.
  • At least one and preferably each pixel of the pixel field can be at least two lasers have different temperature operating ranges aufwei sen.
  • the optoelectronic device can thus be adapted with regard to the temperature operating range in which the optoelectronic device can be used. In particular, this allows requirements such as those made in vehicle construction to be met.
  • the temperature operating range of at least one of the lasers of a pixel is in a first interval, for example in the range from -40 ° C to + 40 ° C, and if the temperature operating range is from at least one other laser of the pixel in a second interval, for example in the range from + 40 ° C to + 120 ° C.
  • the operating temperature range from - 40 ° C to + 120 ° C can thus be filled.
  • a division of the temperature operating ranges into other intervals between -40 ° C and 120 ° C is also possible.
  • the temperature range can be set by "detuning" the cavity in relation to the band gap in the VCSELs.
  • the resonance wavelength of the cavity can be set via the epitaxial layer thicknesses of a respective VCSEL With the same resonance wavelength, the temperature range can also be set by detuning from cavity to band gap.
  • the band gap can be adjusted via the layer thicknesses of the quantum walls.
  • the at least two lasers with different temperature operating ranges of a pixel can be operated together. Depending on the temperature range, only that laser normally makes a significant contribution to optical performance in whose operating temperature range the current temperature falls.
  • An electronic circuit for connecting Ontrol the laser within a pixel can behave in this case be realized ately simple. In addition, no temperature sensor is required.
  • the at least one laser in whose operating temperature range the current temperature lies, can be operated as a function of a current temperature.
  • This can be implemented using a correspondingly designed electrical circuit for controlling the laser of a pixel and using a temperature sensor.
  • the temperature sensor can be arranged in the vicinity of the pixel field or, for example, on a housing of the transmitting device or the optoelectronic device.
  • the temperature sensor can also be an ambient temperature sensor that is present in a modern motor vehicle.
  • lasers in particular VCSELs
  • lasers with different operating temperature ranges are arranged in different pixels.
  • lasers, in particular VCSELs can be provided with two different temperature operating ranges.
  • the first operating temperature range can extend from -40 ° C to + 40 ° C, for example
  • the second operating temperature range can extend from + 40 ° C to + 120 ° C, for example.
  • lasers with the first temperature operating range or alternatively with the second temperature operating range can be arranged.
  • the invention also relates to an optoelectronic device, in particular for the detection of obstacles and / or for distance measurement, comprising:
  • a transmitting device for transmitting laser beams, the transmitting device having an array of pixels, each pixel of the pixel field having at least one laser, in particular an optoelectronic laser such as a VCSEL, pVCSEL or VECSEL, the pixels of the pixel field in at least a first Set of pixels and divided into a second set of pixels, each pixel of the first set of pixels having at least one optoelectronic laser which is designed for laser operation in a first temperature range, for example between -40 ° C and + 25 ° C and wherein each pixel of the second set of pixels has at least one opto-electronic laser which is designed for laser operation in a second temperature range, for example between 25 ° C and + 90 ° C.
  • an optoelectronic laser such as a VCSEL, pVCSEL or VECSEL
  • a VCSEL or a pVCSEL also referred to as a micro-VCSEL, is particularly suitable as an optoelectronic laser.
  • VECSEL or pVECSEL are also possible.
  • VCSELs Due to the design, VCSELs can have a property that the wavelength emitted during laser operation has a significantly smaller drift over temperature compared to edge emitting lasers (EEL for edge emitting laser) due to the laser mode formed in the resonator arrangement.
  • This drift can be determined by the optical path length of the cavity formed between the mirrors of the resonator arrangement, the active zone being arranged in the cavity.
  • the optical path length depends in particular on the refractive indices of the materials in the resonator arrangement, which have a small temperature dependence. Higher longitudinal modes have due to the low
  • the resonator length in a VCSEL or pVCSEL is a wavelength that is far outside the gain spectrum of the active material.
  • the effective resonator length can be in the range of a few wavelengths. Lateral modes can be suppressed by using a suitable aperture.
  • a VCSEL In a wavelength range between 900-950 nm, which is of interest for sensor applications, a VCSEL can show a drift in the emitted wavelength of 0.07 nm / K.
  • An edge-emitting laser has a comparatively long cavity, for example 300 ⁇ m to 3 mm, so that the longitudinal modes lie closely within the gain spectrum of the active material. If no further measures are taken, the mode with the greatest gain oscillates in each case. The maximum of the gain spectrum shifts essentially with the band gap of the active material over temperature. This drift is much greater than the dependence of the refractive indices on the temperature.
  • a typical 905nm EEL laser for example, has a temperature coefficient of wavelength of 0.28nm / K.
  • an edge-emitting laser has a significantly lower temperature dependence of the optical power on the temperature, since its laser mode always oscillates at maximum gain.
  • the wavelength is determined by the short resonator.
  • the gain spectrum shifts over temperature through the resonance given by the resonator. This leads to a strong dependence of the gain and thus the power on the temperature.
  • ambient light for example sunlight
  • SNR signal-to-noise ratio
  • wavelength filtering is carried out on the sensor side. Due to the lower temperature drift of the wavelength in a VCSEL or a pVCSEL, such a filter can be made narrower than in the case of an edge-emitting laser.
  • An exemplary calculation with typical parameters for an application in an automobile predicts, for example, a width of the band filter for a VCSEL source of 10 nm and for an edge-emitting laser of 70 nm. A suppression of the solar scattering photons by about an order of magnitude can be derived from this.
  • a number of the optoelectronic lasers, in particular designed as VCSELs, are for laser operation in the first temperature range and a further number of those designed in particular as VCSELs optoelectronic laser for laser operation in the second temperature range staltet.
  • a relatively high temperature dependency of the power of VCSELs can be compensated for by means of the VCSEL field.
  • the optoelectronic device is particularly suitable for use on a motor vehicle, for example in a Lidar system, and / or as an emitter for sensor applications, for example with reduced luminance requirements, which has both a low drift in wavelength and optical power over temperature may have.
  • the first temperature range differs from the second temperature range.
  • the first and the second temperature range can adjoin one another, with no overlap or, alternatively, a partial overlap of the temperature ranges being provided.
  • a respective optoelectronic laser has a resonator arrangement and an active zone, the active zone being embedded in the resonator arrangement.
  • the resonator arrangement can be formed by mirrors in which the active zone is embedded.
  • the mirrors can be realized by material layers, for example as Bragg mirrors. These are also referred to as “distributed Bragg reflector", abbreviated to "DBR". These are alternating, thin layers of dielectric material with different refractive indices.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the active zone can be formed in a manner known per se by layers of semiconductor material and, for example, have quantum wells or quantum dots.
  • the same emission wavelength can be emitted by designing the mirror layers and the length of the cavity.
  • the VCSEL can differ by the wavelength position of the gain spectrum of the active zone at the same temperature. This means that VCSELs can be optimized for laser operation in the lower, first temperature range, for example between -40 to 25 ° C, and VCSEL for laser operation in the upper, second temperature range, for example between 25 ° C and 90 ° C.
  • a different gain spectrum can be achieved, for example, by designing the active zone differently for example by using quantum wells of different thicknesses and / or by different bracing and / or different compositions of the quantum wells.
  • the resonator arrangements of the optoelectronic lasers of the first set of pixels and the resonator arrangements of the optoelectronic lasers of the second set of pixels can be designed and / or dimensioned identically or also differently.
  • the mirror layers and the length of the cavity between the mirror layers can be configured to be at least essentially the same.
  • the area between the mirror layers in which the active zone is located is referred to as the cavity.
  • the cavity thus does not form a cavity between the mirrors, but is filled with material, in particular the active zone.
  • the active zones of the optoelectronic lasers of the first set of pixels and the active zones of the optoelectronic lasers of the second set of pixels can be designed and / or dimensioned differently, the active zones of the optoelectronic lasers of the first set of Pixels are tuned to laser operation in the first temperature range, and wherein the active zones of the optoelectronic lasers of the second set of pixels are tuned to laser operation in the second temperature range.
  • the active zones can differ in the wavelength position of the amplification spectrum at the same temperature, for example by means of differently designed quantum wells.
  • the optoelectronic lasers of the first set of pixels can come from a first wafer and the optoelectronic lasers of the second set of pixels can come from a second wafer.
  • This enables the process technology to be simple Example VCSELs are provided, which are designed for operation in the different temperature ranges.
  • the pixel field comprises several rows or columns with pixels. Only pixels of the first set of pixels or pixels of the second set of pixels can alternately be arranged in successive rows or columns. Alternatively, one pixel of the first and the second set of pixels can alternately be arranged in each row or column, in particular such that a chessboard-like arrangement of the pixels of the first and second set of pixels results.
  • the desired arrangement can be formed from individual VCSELs by means of suitable processes, for example stamping techniques, self-organizing or pick & place.
  • the optoelectronic lasers of the pixel field are connected in parallel.
  • the optoelectronic lasers of the first set of pixels then essentially contribute to the laser emission.
  • the optoelectronic lasers of the second set of pixels essentially contribute to the laser emission.
  • the disadvantage of this is that the overall efficiency of the VCSEL array is roughly halved, since usually one half of the lasers does not contribute, or only slightly, to the usable laser radiation (with a 50-50 division of the first and second set of pixels). The exact stresses in production are also difficult to control.
  • the optoelectronic lasers of the first set of pixels can be controlled electrically separately from the optoelectronic lasers of the second set of pixels.
  • a substrate on which the VCSELs are applied can have a chip, for example based on silicon or on a CMOS basis, which already has includes a current source, in particular a switching transistor, per laser.
  • the contacts of the optoelectronic laser can only be guided down through the substrate through through-hole vias.
  • the supply of the lines to the drivers is then organized via a PCB (for printed circuit board) sitting under the chip in such a way that the different sets of pixels are controlled separately.
  • the optoelectronic lasers are connected to one another on the surface of a carrier substrate by means of busbars. In this case, and in other versions, either all optoelectronic lasers can be connected in parallel, optionally with their own driver, or in some cases in parallel and in series, for example to reduce the number of connection points and / or to increase the working voltage and the resulting total currents humiliate.
  • the optoelectronic lasers can in particular be VCSEL, pVCSEL, VECSEL or pVECSEL. If VCSELs are mentioned herein, the respective facts can also refer to VCSEL, VECSEL or pVCSEL.
  • the optoelectronic device is particularly well suited for applications that are exposed to widely varying ambient temperatures, for example on a motor vehicle.
  • the invention also relates to a lidar system with at least one optoelectronic device according to the invention and an evaluation device for determining a distance to an object reflecting the emitted laser beams as a function of laser beams detected by the receiving device.
  • the invention also relates to a method for producing an optoelectronic device, in particular an optoelectronic device according to the invention, wherein in the process of driving a pixel field is formed which has a plurality of pixels on a carrier, each pixel at least one optoelectronic laser, in particular a VCSEL , and wherein in the method an electronic controller for controlling the pixels is arranged and / or formed, in particular on the carrier, the pixels of the pixel field being subdivided into several sets of pixels for control purposes, and the controller being configured in this way that it operates the sets of pixels at different, consecutive time intervals.
  • FIG. 1 shows a plan view of a transmitting device of a variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 2 shows a plan view of a target field of the device from FIG.
  • Figure 3 is an illustration of an optical system for a
  • FIG. 4a a plan view of a transmission device of a further variant of an optoelectronic device according to the invention
  • Figure 4b is a plan view of a receiving device for
  • FIG. 5a shows a further plan view of the transmission device from FIG. 4a
  • FIG. 5b shows a further plan view of the receiving device from FIG. 4b
  • FIG. 6a shows a plan view of a transmitting device of another variant of an optoelectronic device according to the invention
  • Figure 6b is a plan view of a receiving device for
  • FIG. 7a shows a plan view of a transmitting device of yet another variant of an optoelectronic device according to the invention
  • Figure 7b is a plan view of a receiving device for the
  • FIG. 8a shows a plan view of a transmitting device of yet another variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 8b shows a plan view of a receiving device for the
  • FIG. 9a shows a plan view of a transmitting device of yet another variant of an optoelectronic device according to the invention.
  • FIG. 9b shows a plan view of a transmitting device of yet another variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 10 shows a top view of a transmission device of yet another variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 11 shows an electronic circuit for controlling optoelectronic lasers of a pixel of a transmission device according to a variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 12 shows an alternative electronic circuit for Driving optoelectronic lasers of a pixel of a transmission device according to a variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 13 shows a cross-sectional view of a transmission device according to a variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 14 shows a cross-sectional view of a transmitting device according to another variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 15 shows several possible configurations of pixels on a carrier
  • FIG. 16a shows a plan view of a transmission device of yet another variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 16b shows a plan view of a transmission device of yet another variant of an optoelectronic device according to the invention
  • FIG. 17a shows a VCSEL that is optimized for laser operation in a lower, first temperature range is, exemplary gain curves over the wavelength for the temperatures of -40 ° C, 25 ° C and
  • Fig. 17b shows exemplary gain curves over the wavelength for the temperatures of -40 ° C., 25 ° C. and for a VCSEL that is optimized for laser operation in a higher, second temperature range
  • FIG. 1 shows a plan view of part of a transmitting device 21 of a variant of an optoelectronic device according to the invention.
  • the transmitting device 21 has a pixel field 23 which is an array-like arrangement of pixels 25. Some pixels 25 are shown by way of example and are in particular delimited by dashed lines.
  • Each pixel 25 of the pixel field 23 comprises at least one laser, which is in particular a VCSEL.
  • the pixel field 23 is divided into a number N of segments 27. Limits between segments 27 are shown by dash-dotted lines.
  • each segment 27 comprises four pixels 25, which are arranged in a square arrangement, so that two pixels 25 of one line of the pixel field 23 are assigned to one segment 27 and one segment 27 extends over two lines.
  • the segmentation shown in FIG. 1 is only to be seen as an example.
  • the pixels 25 are divided into a plurality of sets of pixels.
  • the transmitting device 21 according to FIG. 1 four sets of pixels are provided, corresponding to the number of pixels 25 per segment. Furthermore, one pixel 25 from each segment 27 is assigned to a set of pixels.
  • the transmitting device 21 is designed to operate the sets of pixels in different, successive time intervals.
  • the pixels 25a lying on the top left in a respective segment are assigned to a first set of pixels
  • the pixels 25b lying on the top right in a segment 27 are assigned to a second set of pixels which are in a respective segment 27 bottom left pixels 25c assigned to a third set of pixels
  • the pixels 25d lying on the lower right in a respective segment 27 are assigned to a fourth set of pixels.
  • the four sets of pixels are operated at different, consecutive time intervals.
  • the pixels 25a are operated in a first time interval, while the other pixels are not operated.
  • the pixels 25b are operated in a subsequent, second time interval
  • the pixels 25c are operated in a further time interval
  • the pixels 25d are operated in a further time interval.
  • the sequence can be repeated in further, subsequent time intervals or the sequence of operation of the sets of pixels can also change, whereby - as already described above - the problem of jamming when using the optoelectronic device in a lidar system can be avoided .
  • the segmentation of the pixel field 23 of the transmitting device 21 and the assignment of pixels 25 to a respective set of pixels allow the simultaneous operation of several pixels, namely the pixels of a respective set of pixels.
  • the entire exposure time for an image recording can be reduced.
  • the pixel field 23 can have 600 by 200 pixels.
  • Laser beams need to go back and forth Return over a distance of 150 m approx. 1 s (2 x 150 m corresponds to a light transit time of 1 ps).
  • this exposure time can be reduced, as will be explained in more detail below.
  • Another advantage is that, due to the segmentation of the pixel field, the irradiation can take place differently depending on the respective solid angle, for example in relation to wavelength, pulse shape, power, etc.
  • each pixel 25 can have a cross-sectional area of 40 ⁇ m by 40 ⁇ m and contain, for example, 1 to 5 VCSELs.
  • the pixel field can also have a width of 24 mm and a height of 8 mm, so that it comprises a total of 600 by 200 pixels.
  • the target field (field-of-illumination FOI) 29 shown in a top view in FIG. 2 can be located, for example, at a distance of 200 m in front of the pixel field 23 of the transmitting device 21 of FIG.
  • the target field 29 can have a width of 231 m and a height of 70.6 m, for example.
  • a pixel 25 is projected onto an area of approximately 0.349 m by 0.349 m.
  • the dimension information for the target field 29 is only to be regarded as an example.
  • the aspect ratio of the pixel field, for example 24: 8, is preferably retained in the target field. The dimensions of the pixel field can thereby be projected or scaled up into the target field by means of distortion-free projection optics.
  • the optical system shown in simplified form in FIG. 3 comprises at least one lens 31 in front of a respective associated one Pixel 25.
  • the lens 31 is preferably arranged at a distance from its focal length in front of a respective pixel 25.
  • the lens 31 should, according to one example, have a lens diameter of more than 10.3 mm and a focal length of 23 mm, in particular also to illuminate the target field, as with reference to FIG described to achieve.
  • the required diameter of the lens 31 can be reduced, for example to a value greater than 4.12 mm.
  • the transmission device 21 shown in plan view in FIG. 4a corresponds essentially to the transmission device of FIG. 1.
  • Four segments 27 of the pixel field 23 are shown, each segment 27 in turn having four pixels.
  • One pixel 25 of a segment 27 is assigned to a respective set of pixels.
  • pixel 25a from upper left segment 27a is assigned to a first set of pixels
  • pixel 25b from upper right segment 27b is assigned to the first set of pixels
  • pixel 25d from lower left segment 27c is assigned to the first set of pixels
  • pixel 25c is assigned to the first set.
  • the transmission device 21 according to FIG. 4a is designed to operate the sets of pixels in different, successive time intervals. In a time interval, the pixels that are assigned to the first set of pixels are thus operated while the remaining pixels are not operated.
  • FIG. 4b shows a top view of a receiving device 33 which comprises a two-dimensional detection field 35 which is shown in FIG a plurality of detection areas 37 is divided.
  • the number of detection areas 37 corresponds to the number of segments of the pixel field 23 according to FIG. 4a.
  • a detection area 37 is arranged in each case for a segment 27 in such a way that the detection area 37 is provided for the detection of laser beams reflected back that originate from the assigned segment 27.
  • the assignment can in particular also take place in a detection unit (not shown) downstream of the receiving device 33, which processes and / or evaluates the signals detected in a respective detection area 37.
  • detection area 37a can be assigned to segment 27a
  • detection area 37b can be assigned to segment 27b
  • detection area 37c can be assigned to segment 27c
  • detection area 37d can be assigned to segment 27d.
  • At least one pixel for detecting laser radiation can be provided in each detection area 37.
  • the resolution of the receiving device 33 can thus be worse than the resolution of the transmitting device 21.
  • the number of time steps required for an image recording and for scanning a target field is reduced by the number of detection areas. If, for example, at 600 by 200 pixels in the pixel field 23, each pixel were put into operation in an individual time interval, the result is a relatively long exposure time. This is reduced by the number of detection areas 37 of the receiving device 33 and can thus be significantly shortened with a corresponding number of detection areas 37.
  • FIG. 5a shows the transmission device 21 of FIG. 4a.
  • the pixels associated with a second set of pixels are in operation in a further, second time interval.
  • the pixel 25b is assigned to the second set of pixels
  • the pixel 25d is assigned to the second set of pixels
  • the pixel 25c is assigned to the second set of pixels
  • the pixel 25a is assigned to the second set. All other pixels not assigned to the second set of pixels are not in operation during the second time interval.
  • Laser radiation reflected back can in turn be detected via the receiving device 33 shown in FIG. 5a.
  • Each detection area 37 detects laser radiation from the respective assigned segment 27.
  • the pixels in the segments 27a and 27d emit laser beams which have a first polarization.
  • the first polarization can be a linear polarization in a horizontal direction H, cf. the detection areas 37a and 37d of the detection field 35 of the receiving device 33 according to FIG. 6b, which are assigned to the segments 27a and 27d.
  • the pixels 25 of the segments 27b and 27c emit laser beams with a second polarization, which can be a linear polarization in the vertical direction V, for example.
  • a corresponding vertical polarization direction V is shown in the detection areas 37c and 37b.
  • the detection area 37a which is assigned to the segment 27, has a polarization filter (not shown) which allows light emitted in the horizontal polarization direction H to pass through.
  • the polarization filter of the detection area 37a is thus adapted to the polarization direction of the laser beams which are emitted by the segment 27a.
  • the polarization filter of the detection region 37a blocks the laser light having a vertical polarization direction V from the segments 27b and 27c.
  • the other detection areas are provided with a polarization filter that is attached to the The polarization of the laser beams is adapted, which are emitted by the respective assigned segment of the transmitter.
  • the detection areas adjoining the respective detection area via a longitudinal side have polarization filters which allow light to pass in an orthogonal polarization direction.
  • segments 27a to 27d which, if one considers the segments 27 in a row or a column of the pixel field 23, always alternately emit laser light with horizontal or vertical polarization, and by equipping the assigned detection areas 37a to 37d with Correspondingly adapted polarization filters, the scattered light detected in the individual detection areas 37a to 37d, which for example originates from laser radiation from unassigned segments, can be significantly reduced.
  • the detection of other interfering light, such as solar background radiation and radiation from other lidar sources, can also be reduced.
  • the pixel field 23 of the transmitting device 21 is designed in such a way that the pixels of segments that lie directly next to one another in a row or a column of the pixel field 23 emit laser beams with, in particular slightly, different wavelengths.
  • the pixels 25 of the segment 27a can emit laser beams at a wavelength of at least approximately 939 nm.
  • the pixels 25 of the segment 27d can emit laser beams at a wavelength of at least approximately 941 nm.
  • the VCSELs for emitting the different wavelengths can come from different wafers, for example. Again, the wavelength information is only to be seen as an example.
  • wavelengths can also differ greatly from one another.
  • the first wavelength can be at least approximately 850 nm and the second wavelength can be at least approximately 905 nm or 1600 nm.
  • the detection areas 37a to 37d assigned to the respective segments 27a to 27d have suitably designed spectral filters which are adapted to the wavelengths of the laser beams.
  • the detection area 37a has a spectral filter, for example a bandpass filter, through which the laser beams at 939 nm emitted by the assigned segment 27a can pass so that these laser beams can be detected by the segment 37a.
  • the spectral filter blocks light of other wavelengths and in particular at 941 nm. The laser beams emitted by segments 27b and 27c can therefore not be detected by detection field 37a. The detection of undesired scattered light can thus be reduced.
  • the remaining detection areas 37b to 37d are equipped with corresponding filters which are adapted to the wavelength of the assigned segment 27b to 27d.
  • segments 27a to 27d which adjoin one another in a row or a column of the pixel field 23 emit laser beams with different polarization directions.
  • a segment emits laser beams with a horizontal polarization direction H
  • the segments adjacent to the segment in a row or a column emit laser beams with a vertical polarization direction V (see the polarization directions in the detection areas 37a to 37d of the detection field 35 of the receiving device 33 according to Figure 8b).
  • the pi- xel of the segment 27a laser beams with a horizontal polarization direction H
  • the pixels of the segment 27b which lies in the row of the pixel field 23 next to the segment 27a
  • the segment 27c lying in the same column of the pixel field 23 below the segment 27a also emits laser beams with a vertical polarization direction V.
  • the segment 27d lying next to it in the same row on the other hand, emits laser beams with a horizontal polarization direction H.
  • the detection areas 37a to 37d of the detection field 35 of the receiving device 33 are equipped with corresponding polarization filters so that the detection areas 37a and 37d can detect laser beams with a horizontal polarization direction H, and so that the detection areas 37b and 37c can detect laser beams with a vertical polarization direction V. .
  • the segments are also divided into subsegments.
  • Each segment is preferably divided into two subsegments, the same number of pixels being assigned to each subsegment.
  • the sub-segments differ in that they emit light of different wavelengths.
  • segment 27a is divided into subsegments 39a and 39b.
  • the subsegment 39a comprises the pixels 25a and 25c and the subsegment 39b comprises the pixels 25b and 25d of the segment 27a.
  • the segments 27b, 27c and 27d are divided into two sub-segments 39a and 39b, which emit light of different wavelengths.
  • the pixels 25a and 25c assigned to the subsegment 39a emit, for example, light at a wavelength of 939 nm, while the pixels 25b and 25d assigned to the subsegment 39b emit light at a wavelength of 941 nm. It should be noted that the arrangement of the segments 39a and 39b can change from segment to segment. The pixels that are light of a wavelength can emit, can thus be arranged in different areas from segment to segment.
  • each detection area 37a to 37d is divided into two sub-areas 41a and 41b, which are assigned to a respective sub-segment 39a or 39b and have a correspondingly adapted spectral filter to allow light to pass from the assigned sub-segment and block light from the respective unassigned sub-segment.
  • the detection of scattered light in the individual detection areas 37 can be further reduced by the measures described above, in particular by using and detecting laser beams with different wavelengths and different polarization.
  • each pixel 25 has several optoelectronic lasers, which are preferably VCSELs.
  • the VCSELs of each pixel 25 are in turn divided into two groups of VCSELs which differ in their Temperatur Sasbe range.
  • the pixel 25 has a second group of VCSELs 43b, the temperature operating range of which is between + 40 ° C and + 120 ° C, for example.
  • the other pixels 25 of the pixel field 23 are associated with a corresponding first group of VCSELn and a corresponding second group of VCSELn from.
  • Each pixel 25 of the pixel field 23 thus has VCSELs which allow laser operation in a temperature range of -40 ° C. to + 120 ° C. required for automotive requirements.
  • the pixel field 23 of the transmission device 21 according to FIG. 9a is therefore particularly suitable for use in automotive applications.
  • each pixel 25 also has a first group of VCSELs 43a and a second group of VCSELs 43b.
  • Two VCSELs 43a and one VCSEL 43b are provided. This is only to be seen as an example, especially since, conversely, one VCSEL 43a and two VCSEL 43b can also be provided.
  • the VCSELs 43a and 43b are arranged slightly offset with respect to the center line of a column, as shown in FIG. 9b.
  • lasers with different temperature operating ranges are arranged from pixel 25 to pixel 25.
  • the pixel 25a lying on the top left has, for example, only VCSEL 43a of the first group of VCSELs 43a, while the pixel lying next to it only has VCSEL 43b of the second group of VCSELs 43b.
  • either the first group of VCSELs 43a or the second group of VCSELs 43b can be arranged alternately from pixel to pixel in each line of the pixel field 23.
  • Either the first group of VCSELs 43a or the second group of VCSELs 43b can therefore be arranged alternately from pixel to pixel in each column of the pixel field 23. Production is simplified because the same VCSELs are arranged in each pixel structure.
  • FIG. 11 shows an electronic circuit for driving the VCSELs 43a, 43b of a pixel 25.
  • the VCSELs 43a, 43b of both the first and the second group of VCSELs are connected in series. There is thus a common, simultaneous control of the VCSELs 43a, 43b of the pixel 25 instead of.
  • an electrical current through the VCSEL 43a, 43b is switched on and off by means of the transistor 45 in order to operate or not to operate the VCSEL.
  • either the VCSELs of the first group of VCSELs 43a or the VCSELs of the second group of VCSELs 43b are in the optimal operating range, while the other group of VCSELs makes little or no contribution to the emission spectrum.
  • the circuit according to Fig. 11 is easy to implement and does not require a temperature sensor.
  • Fig. 12 shows an electronic circuit for separate control of the VCSEL of the first group of VCSELs 43a and the VCSEL of the second group of VCSELs 43b.
  • Each group of VCSELN is arranged in its own row, which run parallel to one another, as FIG. 12 shows.
  • a temperature which is measured by means of a temperature sensor 51
  • either the transistor 47 or the transistor 49 is acted upon in order to operate either the VCSEL 43a of the first group of VCSELs or the VCSEL 43b of the second group of VCSELs.
  • the temperature sensor 51 can be an ambient temperature sensor, as is normally already present in a modern motor vehicle.
  • FIG. 13 shows in cross section a region of a transmitting device 21 in which the pixel field 23 has a carrier 53 on which array-like pixels 25, each with at least one VCSEL 55, are arranged.
  • the carrier 53 can have at least one integrated circuit, for example based on silicon, for controlling the VCSEL 55.
  • the circuit can have logic elements and driver elements, for example transistors, in order to be able to operate the VCSEL 55, for example, in a pulse mode.
  • Carrier 23 can in particular be a so-called silicon backplane.
  • the VCSEL 55 can, in particular as pVCSEL (micro-scale VCSEL), be arranged on the carrier 23 by means of parallel chip transfer. Alternatively, the VCSEL 55 can be “bonded” directly to the carrier 53 as a wafer by means of wafer bonding.
  • the carrier 53 is of passive design.
  • Each pixel 25 is assigned a controller 57 which is arranged on the carrier 23 and by means of which the VCSEL 55 of the pixel 25 is operated.
  • a controller 57 is assigned a plurality of pixels 25.
  • the VCSEL 55 in particular as a pVCSEL, and the controllers 57 can be arranged on the passive carrier 23 by means of parallel chip transfer.
  • the controls 57 can be designed as in tegrated circuits.
  • the VCSEL 55 in particular as a pVCSEL, can be arranged on the carrier 53 without a substrate.
  • the VCSEL 55 can be arranged on the carrier 53 by means of an auxiliary substrate 59.
  • the auxiliary substrate can be produced, for example, by “rebonding” a VCSEL wafer onto an Si, Ge, SiC or sapphire substrate and then removing the original growth substrate.
  • the VCSEL 55 can be arranged on the carrier 53 in a so-called backside arrangement.
  • the substrate 61 overlying the VCSEL 55 can consist of GaAs, for example.
  • a coupling out of light at, for example, 940 nm through the GaAs substrate is possible.
  • a lens 63 for example for beam collimation, can be formed on the top side of the substrate 61, for example made of GaAs.
  • a VCSEL 55 can be arranged on the carrier 53 by means of a substrate 65, for example GaAs. The substrate 65 is located between the carrier 53 and the VCSEL 55.
  • the transmission devices 21 are designed to transmit laser beams, each transmission device 21 having an array 23 of pixels 25 and each pixel 25 of the pixel array 23 has at least one laser, in particular a VCSEL.
  • a receiving device 33 is also provided for the detection of laser beams, in particular those that are reflected back on objects.
  • the pixels 25 of the pixel field 23 can be divided into several sets of pixels, and the respective transmitting device 21 is designed to operate the sets of pixels at different, successive time intervals.
  • the top view shown in FIG. 16a of a transmitting device 21 of a variant of an optoelectronic device according to the invention comprises a pixel field 23.
  • Each pixel 25 of the pixel field 23 comprises an optoelectronic laser 25 designed as a VCSEL. Alternatively, it can be a respective pVCSEL , VECSEL or pVECSEL.
  • the pixels 25 of the pixel field 23 are divided into at least a first set of pixels 67 and into a second set of pixels 69, the pixels 67, 69 being arranged in a checkerboard pattern in the example of FIG. 16a.
  • Each pixel of the first set of pixels 67 includes a VCSEL that is used for laser operation in a first, lower Temperature range (LT for "low temperature”), for example between -40 ° C and + 25 ° C.
  • Each pixel of the second set of pixels 69 in contrast, comprises at least one VCSEL, which is for laser operation in a second, higher (HT for "high temperature”) temperature range, for example between 25 ° C and + 90 ° C.
  • the pixels 25 of the first and second set of pixels 67, 69 are arranged in different columns of the pixel field 23.
  • the checkerboard-like or column-like arrangement of the first and second sets of pixels 67, 69 in the respective pixel field 23 shown in FIGS. 16a, b is only to be seen as an example. Other arrangements of the first and second set of pixels 67, 69 are also possible.
  • the division of the pixels into the pixels of the first set of pixels 67 and a further half into the pixels of the second set of pixels 69 can also be seen as an example. Other divisions are also possible.
  • an optoelectronic device is also suitable a transmitting device according to FIG. 16a or FIG. 16b for use in applications with greatly varying ambient temperatures, for example in a lidar system of a vehicle.
  • the first and second temperature ranges can partially overlap or directly adjoin one another, in particular without overlapping.
  • the VCSELs of the first and second set of pixels 67, 69 are connected in parallel. This means that all VCSELs can be operated simultaneously. At low temperatures, the VCSELs of the first set of pixels 67 then contribute at least substantially to the laser emission. In contrast, in the area of higher temperatures, the VCSELs of the second set of pixels 69 contribute at least essentially to the laser emission.
  • the VCSELs of the first set of pixels 67 can be controllable separately from the VCSELs of the second set of pixels 69.
  • a substrate on which the VCSELs are applied has a chip, for example based on silicon or CMOS, which contains a current source, in particular a switching transistor, for each opto-electronic laser.
  • a separate operation of the different sets of pixels can be achieved through appropriate control of the switching transistors.
  • Other possibilities for separate control of the pixel sets are also conceivable.
  • the VCSELs of the first set of pixels 67 and the second set of pixels 69 can come from different wafers.
  • the wafers can be designed in such a way that the VCSELs on the wafers have at least essentially the same emission wavelength A res due to the design of their mirror layers and the length of the cavity between the mirror layers in which the active zone is arranged.
  • the VCSELs of the two wafers can differ in that the wavelength position of the gain spectrum differ at the same temperature, as shown in FIGS. 17a and b based on the gain curves at -40 ° C., 25 ° C. and 90 ° C. .
  • the VCSEL of a wafer are thus optimized for laser operation in the lower, first temperature range, as FIG. 17a shows, while the VCSEL of the other wafers are optimized for laser operation in the upper, second Tempe temperature range, as shown in Fig. 17b shows.
  • the optimization to a temperature range between a lower temperature, for example -40 ° C, and an upper temperature, for example + 25 ° C, can be achieved in that the emission wavelength A res at least approximately through the intersection of the gain curves lower and upper temperature ver runs, as shown in Figs. 17a and b.

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Abstract

Eine optoelektronische Vorrichtung, insbesondere zur Detektion von Hindernissen und/oder zur Entfernungsmessung, umfasst: eine Sendeeinrichtung (21) zum Aussenden von Laserstrahlen, wobei die Sendeeinrichtung (21) ein Feld (23) von Pixeln (25) aufweist, wobei jeder Pixel (25) des Pixelfelds (23) zumindest einen Laser, insbesondere einen optoelektronischen Laser, wie etwa einen VCSEL, aufweist, wobei die Pixel (25) des Pixelfelds (23) in mehrere Sätze von Pixeln unterteilt sind, und wobei die Sendeeinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, die Sätze von Pixeln in unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zu betreiben.

Description

OPTOELEKTRONISCHE VORRICHTUNG UND LIDAR-SYSTEM
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 107 957.8 vom 27. März 2019, deren Offen- barungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vor richtung, insbesondere zur Detektion von Hindernissen und/oder zur Entfernungsmessung, und ein Lidar-System.
Lidar ist eine Abkürzung für „Light Detection and Ranging", und Lidar-Systeme werden auch als Ladar-Systeme bezeichnet. Dabei steht Ladar für „Laser Detection and Ranging". Lidar-Systeme, im Folgenden auch als LIDAR Sensorsysteme bezeichnet, arbeiten ähnlich wie Radar-Systeme und dienen zum Beispiel zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sowie unter anderem auch zur Messung von atmosphärischen Parametern oder zur Erstellung von Höhenprofilen der Erdoberfläche. Lidar-Systeme verwenden Laserstrahlung, im Gegensatz zu Radar-Systemen, die Radiowellen verwenden.
Die von einem LIDAR Sensorsystem erzeugten Datensätze können zur Steuerung und Lenkung von Fahrzeugen (z. B. Autos, Schiffen, Flugzeugen, Drohnen) verwendet werden, einschließlich Fahrzeu- gen mit Fahrerassistenzsystemen, sowie halb- oder vollautonom fahrende Fahrzeuge. Darüber hinaus können LIDAR-Systeme auch für viele verschiedene Funktionen eingesetzt werden, die auf den Innenraum eines Fahrzeugs ausgerichtet sind. Solche Funk tionen können Fahrer- oder Passagierüberwachungsfunktionen so- wie Belegungserfassungssysteme umfassen, die zum Beispiel auf Verfahren basieren, wie beispielsweise Augenverfolgung, Ge sichtserkennung (Bewertung der Kopfdrehung oder -neigung) , Mes sung von Augenblinzeln usw. LIDAR Sensorsysteme können somit sowohl außen als auch innerhalb eines Fahrzeugs montiert werden, und sie können in optische Systeme wie Scheinwerfer und andere Fahrzeugbeleuchtungsteile integriert werden, die sich an ver schiedenen Stellen an einem Fahrzeug befinden (Vorderseite, Rückseite, Seite, Ecke, Innenraum) .
Eine Lichtquelle für LIDAR-Anwendungen liefert also elektromag netische Strahlung mittels welcher Informationen über Objekte in der Umgebung des LIDAR-Systems ermittelt werden. Übliche im Stand der Technik verwendete LIDAR-Lichtquellen emittieren Strahlung in einem nicht sichtbaren Wellenlängenbereich, ins besondere Infrarotstrahlung (IR) im Wellenlängenbereich von 850 nm bis 8100 nm. Vorzugsweise emittiert die Lichtquelle Strahlung in einem engen Bandbreitenbereich mit einer Halbwertsbreite (FWHM) zwischen 1 ns und 100 ns.
Ein LIDAR-Sensorsystem ist also ein System, das Licht bzw. elektromagnetische Strahlung verwendet, um Informationen über Objekte in der Umgebung des LIDAR-Systems abzuleiten. LIDAR- Sensorsysteme umfassen typischerweise eine Vielzahl von Kompo nenten, wie im Folgenden beschrieben wird. In einer beispiel haften Anwendung sind solche LIDAR-Systeme an einem Fahrzeug angeordnet, um Informationen über Objekte auf einer Straße und in der Nähe einer Straße abzuleiten. Solche Objekte können an dere Verkehrsteilnehmer (z. B. Fahrzeuge, Fußgänger, Radfahrer usw. ) , Elemente der Straßeninfrastruktur (z. B. Verkehrszei chen, Ampeln, Fahrbahnmarkierungen, Leitplanken, Verkehrsin seln, Bürgersteige, Brückenpfeiler usw. ) und auch Gegenstände umfassen, die absichtlich oder unbeabsichtigt auf einer Straße oder in der Nähe einer Straße gefunden werden können.
Die über ein solches LIDAR-Sensorsystem abgeleitete Information kann die Entfernung, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Bewegungsrichtung, die Flugbahn, die Haltung und / oder andere physikalische oder chemische Eigenschaften dieser Ob jekte umfassen. Um diese Informationen abzuleiten, kann das LIDAR-System die Flugzeit (TOF für Time of Flight) oder Varia tionen physikalischer Eigenschaften wie Phase, Amplitude, Fre quenz, Polarisation, strukturiertes Punktmuster, Triangulati onsverfahren usw. der emittierten elektromagnetischen Strahlung bestimmen, nachdem die emittierte Strahlung von mindestens ei nem Objekt im Beleuchtungsfeld (Field of Illumination FOI, hier auch als Zielfeld bezeichnet) reflektiert oder gestreut und von einem Detektor detektiert wurde.
Aus dem Stand der Technik bekannte Lidar-Systeme verwenden me chanische und nichtmechanische Abtastsysteme. Mechanische Lö sungen können rotierende Spiegel, oszillierende Spiegel, ins besondere oszillierende mikroelektromechanische Spiegel (MEMS), digitale Spiegelvorrichtungen (DMD) , Galvo-Scanner , faserba sierte Scansysteme usw. umfassen. Die beweglichen Spiegel kön nen ebene Oberflächenbereiche haben, beispielsweise oval, rechteckig oder polygonal, und kann um eine oder mehrere Achsen gekippt oder geschwenkt werden. Nichtmechanische Lösungen kön nen sogenannte optische phasengesteuerte Arrays (OPA) umfassen, bei denen die Phasen der Lichtwellen durch dynamisches Steuern der optischen Eigenschaften eines einstellbaren optischen Ele ments, beispielsweise Phasenmodulatoren, Phasenschieber, Flüs sigkristallelemente (LCD) usw. verändert werden. In jedem die ser Fälle lässt sich zurückreflektierte Strahlung mittels eines Einzeldetektors detektieren. Die als Lichtquelle eingesetzten Laser sowie die beweglichen Spiegel und andere oben beschrie benen Scan- oder Flash-Systeme sind verhältnismäßig teuer.
Andere aus dem Stand der Technik bekannte Lidar-Systeme erlauben eine gleichzeitige Ausleuchtung des Zielbereichs. Dabei werden mittels eines hochauflösenden Detektorsystems, im Folgenden auch als Kamera bezeichnet, die vom gesamten Zielbereich, auch als Field of View (FoV) bezeichnet, zurückreflektierten Laser strahlen erfasst. Das erfasste Kamerabild liefert dabei Ortsin formationen des Zielbereichs. Aufgrund der erforderlichen hohen Auflösung sind derartige Kameras bzw. Detektionssystems ver hältnismäßig teuer.
Ein Detektor ist eine Vorrichtung, die in der Lage ist, ein Ausgangssignal (an eine Auswerteelektronikeinheit) bereitzu stellen, das qualitativ oder quantitativ mit dem Vorhandensein oder der Änderung von physikalischen (oder chemischen) Eigen schaften in seiner Umgebung korreliert ist. Beispiele für solche physikalischen Eigenschaften sind Temperatur, Druck, Beschleu nigung, Helligkeit des Lichts (UV, VIS, IR) , Vibrationen, elekt rische Felder, Magnetfelder, elektromagnetische Felder, Schall oder Ultraschallwellen usw. Detektoreinrichtungen können Kame ras (Mono oder Stereo) umfassen ) mit beispielsweise lichtemp findlichen CCD- oder CMOS-Chips oder gestapelten mehrschichtige Fotodioden, Detektoren für Radiowellen (RADAR-Systeme ) , Foto dioden, Temperatursensoren wie NTC-Elemente , das heißt ein Ther mistor mit negativem Temperaturkoeffizienten, Beschleunigungs sensoren usw.
Ein Fotodetektor ist eine Detektionsvorrichtung, die gegenüber der Einwirkung elektromagnetischer Strahlung empfindlich ist. Typischerweise werden Lichtphotonen beim Auftreffen auf das lichtempfindliche Element in ein Stromsignal umgewandelt. Lichtempfindliche Elemente können Halbleiterelemente mit pn- Übergangsbereichen umfassen, in denen Photonen absorbiert und in Elektronenlochpaare umgewandelt werden. Für LIDAR-Anwendun gen können viele verschiedene Detektortypen verwendet werden, z. B. Fotodioden, PN-Dioden, PIN-Dioden (positive intrinsische negative Dioden) , APD (Avalanche Photo-Dioden) , SPAD (Einzelp- hotonen-Avalanche-Dioden) , SiPM (Silicon Photomultipliers), CMOS-Sensoren (komplementärer Metalloxid-Halbleiter, CCD (Charge-Coupled Device), gestapelte Multilayer-Fotodioden usw.)
In LIDAR-Systemen kann ein Photodetektor verwendet werden, um (qualitativ und / oder quantitativ) Echosignale von Licht zu detektieren, das von der Lichtquelle in den Field-of-View (FoV) emittiert wurde und das anschließend von mindestens einem Objekt innerhalb des FoV reflektiert oder gestreut wurde. Der Fotode tektor kann ein oder mehrere lichtempfindliche Elemente (des selben Typs oder verschiedener Typen) umfassen, die in linearen Streifen oder in zweidimensionalen Arrays angeordnet sein kön nen. Der fotoempfindliche Bereich kann eine rechteckige, quad ratische, polygonale, kreisförmige oder ovale Form haben. Ein Fotodetektor kann mit Bayer-ähnlichen sichtbaren oder Infrarot filtersegmenten bedeckt sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt als eine Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Vorrichtung bereitzustellen, die sich ver hältnismäßig einfach und kostengünstig realisieren lässt und die sich besonders gut für den Einsatz in Lidar-Systemen eignet.
Die Aufgabe wird durch eine optoelektronische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungs formen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung, die sich insbesondere zur Detektion von Hindernissen und/oder zur Ent fernungsmessung, zum Beispiel in einem Lidar-System, eignet, umfasst eine Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laserstrahlen, wobei die Sendeeinrichtung ein Feld von Pixeln aufweist, wobei jeder Pixel des Pixelfelds zumindest einen Laser, insbesondere einen optoelektronischen Laser, wie etwa einen VCSEL (Vertical- Cavity Surface-Emitting Laser) oder einen VECSEL ( Surface-Emit- ting Semiconductor Laser with an external Laser Resonator) , aufweist. Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung umfasst optional außerdem eine Empfangseinrichtung zur Detek tion von, insbesondere an Objekten zurückreflektierten, Laser strahlen. Bei der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrich tung sind die Pixel des Pixelfeldes in mehrere Sätze von Pixeln unterteilt, und die Sendeeinrichtung ist dazu ausgebildet, die Sätze von Pixeln in unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zu betreiben.
Die optoelektronische Vorrichtung umfasst somit eine pixelierte Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laserstrahlen. Das Pixelfeld kann dabei zum Beispiel 600 auf 200 Pixel aufweisen. Dabei kann jeder Pixel zum Beispiel einen oder mehrere VCSEL aufweisen. Jeder Pixel ist dabei einem von mehreren Sätzen von Pixeln zugeordnet. Die Pixel eines Satzes von Pixeln werden kurzzeitig betrieben, also insbesondere kurzzeitig an- und dann wieder ausgeschaltet. Dabei werden die Pixel der anderen Sätze von Pixeln nicht betrieben. In aufeinanderfolgenden Zeitinterval len, die zum Beispiel jeweils eine Mikrosekunde lang sein kön nen, werden die Sätze von Pixeln nach und nach betrieben. Die Zeitangabe von 1 ps ist nur als Beispiel zu sehen. Andere Zeit intervalle sind möglich. Zum Beispiel können die Zeitintervalle im Bereich zwischen einschließlich 1 ps und einschließlich 3 ps liegen .
Die Sendeeinrichtung erlaubt dadurch eine gleichzeitige Aus leuchtung eines Zielbereichs über das Laserlicht von den jewei ligen, in einem Zeitintervall betriebenen Pixeln. Da nicht alle Pixel des Pixelfeldes gleichzeitig betrieben werden, sondern nur die einem jeweiligen Satz von Pixeln zugeordneten Pixel in einem Zeitintervall betrieben werden, ist keine hochauflösende Empfangseinrichtung zur Detektion der zurückreflektierten La serstrahlen erforderlich, sondern es genügt eine Empfangsein richtung mit einer verhältnismäßig groben Auflösung, wie nach folgend noch näher erläutert wird. Dadurch lassen sich die Kos ten für die Empfangseinrichtung und damit auch für die opto elektronische Vorrichtung reduzieren. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Lidar-System, welches bewegliche Spiegel einsetzt, um mit einem kollimierten Laser strahl einen Zielbereich abzurastern, benötigt normalerweise Laser, die mit verhältnismäßig hohen elektrischen Strömen, zum Beispiel im Bereich zwischen 30 und 40 A, betrieben werden. Die erzeugten Laserpulse können dabei Peakleistungen von 100 W oder mehr aufweisen. Aufgrund der hohen elektrischen Ströme zum Be treiben derartiger Laser ist es bei bekannten Lidar-Systemen problematisch, Laserpulse zu erzeugen, die kürzer als einige Nanosekunden sind. Da die Energie der Laserpulse die Augensi cherheit beeinflusst, wird normalerweise die maximale Pulsleis tung der Laserpulse begrenzt.
Bei einer Sendeeinrichtung einer erfindungsgemäßen optoelekt ronischen Vorrichtung lassen sich die Pixel oder eine Gruppe von mehreren Pixeln einzeln ansteuern. Die dazu erforderlichen elektrischen Ströme sind dabei in der Regel um einen Faktor 10 kleiner als die vorstehend erwähnten Ströme. Sie liegen somit beispielsweise im Bereich von einigen Ampere. Dadurch können Laserpulse erzeugt werden, die kürzer sind als eine Nanosekunde. Die Pulsenergie der Laserpulse kann dadurch reduziert werden, wodurch sich eine Verbesserung der Augensicherheit ergibt.
Zudem ergibt sich eine Verteilung der Laserstrahlung in einem Zielbereich bzw. im Raumbereich zwischen der Sendeeinrichtung und einem ausgeleuchteten Zielbereich. Es ergibt sich somit eine geringere Leistungsdichte der emittierten Laserstrahlung, was sich wiederum vorteilhaft auf die Augensicherheit auswirkt.
Aus dem Stand der Technik bekannte Lidar-Systeme, die bewegliche Spiegel nutzen, um mit einem kollimierten Laserstrahl einen Zielbereich abzurastern, werden - wenn sie in einem Kraftfahr zeug eingesetzt werden - normalerweise erst in Betrieb genommen, wenn das Fahrzeug eine gewisse Geschwindigkeit überschritten hat. Ein Grund hierfür liegt darin, die Augensicherheit für zum Beispiel Passanten zu gewährleisten. Da eine erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung eine verbesserte Augensicherheit bietet, erlaubt es eine erfindungsgemäße optoelektronische Vor richtung, wenn sie in einem Lidar-System bei einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, bei niedrigeren Geschwindigkeiten in Betrieb genommen zu werden.
In den aus dem Stand der Technik bekannten Lidar-Systemen, die bewegliche Spiegel benutzen, oszilliert oder rotiert normaler weise ein Spiegel mit einer Resonanzfrequenz. Somit kann nur zu bestimmten, sich periodisch wiederholenden Zeitpunkten ein Lichtpuls in einen bestimmten Winkelbereich abgegeben werden. Dies bedeutet zum Beispiel, dass bei zwei aufeinander zufahren den Fahrzeugen, die jeweils ein LIDAR-System benutzen, keine Eindeutigkeit bzw. keine Unterscheidbarkeit zwischen einem Fremd-LIDAR-Puls und einem an einem Objekt reflektieren LIDAR- Puls, welcher vom eigenen Fahrzeug stammt, hergestellt werden kann, da, wie gesagt, unklar verbleibt, von welchem Fahrzeug der Laserpuls ausgesandt wurde. Diese Problematik ist als „Jam ming" bekannt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sätze von Pixeln in sich ändernder Reihenfolge in den un terschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen betrieben werden bzw. betreibbar sind. Die Sätze von Pixeln können somit in beliebiger, insbesondere zufälliger, Reihenfolge aktiviert werden und tragen dadurch einen stochastischen Zeitstempel. Ein stochastischer Zeitstempel kann unter Verwendung bekannter ma thematischer, zum Beispiel basierend auf Fibonacci-Sequenzen oder physikalischer Effekte, zum Beispiel basierend auf ther mischem Rauschen, das von einer Halbleitervorrichtung bereit gestellt wird, erzeugt werden. Dadurch kann eine Korrelation zu Laserstrahlung von anderen Quellen und/oder eine Periodizität in der emittierten Laser strahlung vermieden werden. Das Problem des „Jamming" tritt somit nicht mehr oder zumindest im verminderten Umfang auf. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Pixelfeld in eine
Anzahl N an Segmenten unterteilt, wobei aus jedem Segment ein oder mehr Pixel jeweils einem Satz von Pixeln zugeordnet ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Pixelfeld in eine Anzahl N an Segmenten unterteilt, wobei aus jedem Segment je weils ein Pixel jeweils einem Satz von Pixeln zugeordnet ist. Aus jedem Segment wird somit in jedem Zeitintervall nur ein Pixel betrieben. Dies erlaubt es, zur Detektion von insbesondere zurückreflektierten Laserstrahlen eine Empfangseinrichtung mit einer verhältnismäßig geringen Auflösung zu verwenden. Bei spielsweise kann eine Kamera mit einer entsprechenden Anzahl N an Segmenten eingesetzt werden. Die Auflösung der Kamera kann somit durch die Anzahl N an Segmenten des Emitters definiert sein. Die Segmentierung der Kamera kann allerdings auch nicht der Anzahl N an Segmente des Pixelfelds entsprechen.
Jedes Segment des Pixelfelds kann die gleiche Anzahl L an Pixeln aufweisen. Das Pixelfeld kann somit in N gleichgroße Segmente unterteilt sein. Damit kann sichergestellt werden, dass jedem Satz von Pixeln immer genau ein Pixel aus jedem Segment zuge ordnet werden kann. Alternativ können die Segmente des Pixel felds unterschiedlich groß sein. Beispielsweise kann eine bes sere Auflösung und somit eine größere Anzahl an Pixeln in den Segmenten in der Mitte des Pixelfelds vorgesehen sein. Demge- genüber können weniger Pixel und damit einhergehend auch eine geringere Auflösung am Rand des Pixelfelds vorgesehen sein.
Es kann eine Anzahl K an Sätzen von Pixeln vorhanden sein, wobei die Anzahl K an Sätzen von Pixeln der Anzahl L an Pixeln pro Segment entspricht. Jedem der Sätze von Pixeln lässt sich somit genau ein Pixel aus jedem Segment zuordnen. Dies ist nur ein Beispiel. Es kann auch ein anderer Zusammenhang zwischen der Anzahl K an Sätzen von Pixeln und der Anzahl L an Pixeln pro Segment bestehen, beispielsweise K = 1/2 * L oder K = 1/3 * L.
Die Empfangseinrichtung kann ein zweidimensionales Detektions feld aufweisen, welches in eine Anzahl M an Detektionsbereichen unterteilt ist, wobei jeder Detektionsbereich zur Detektion von Laserstrahlen der Sendeeinrichtung ausgebildet ist. Bei dem zweidimensionalen Detektionsfeld kann es sich beispielsweise um einen Bildsensor, zum Beispiel einen CCD-Sensor, handeln. CCD steht hierbei für Charged-Coupled Device. Durch die Aufteilung des Detektionsfeldes in M-Detektionsbereiche kann das Detekti onsfeld und somit die Empfangseinrichtung eine verhältnismäßig grobe Auflösung aufweisen. Eine kostengünstige Realisierung wird dadurch ermöglicht. Die Anzahl M an Detektionsbereichen des Detektionsfelds der Empfangseinrichtung kann der Anzahl N an Segmenten entsprechen, in welche das Pixelfeld unterteilt ist .
Es kann vorgesehen sein, dass jeweils ein Detektionsbereich jeweils einem Segment derart zugeordnet ist, dass der Detekti onsbereich zur Detektion von zurückreflektierten Laserstrahlen vorgesehen ist, die aus dem zugeordneten Segment stammen. Über ein Segment des Pixelfelds kann beispielsweise ein Teilbereich eines Zielfelds ausgeleuchtet werden, das sich in einem Abstand, zum Beispiel 200 m, vor der Empfangseinrichtung befindet. Die Ausleuchtung des Teilbereichs des Zielfelds mittels des Segments kann über eine entsprechende Optik erfolgen. Von dem Teilbereich zurückreflektierte Laserstrahlen können, beispielsweise eben falls über eine geeignete Optik, im Folgenden auch als Sensor optik bezeichnet, auf den Detektionsbereich gelenkt werden, der dem Segment zugeordnet ist. Mittels des segmentierten Pixelfelds ist eine segmentierte Ausleuchtung eines Zielfelds möglich, wo bei über das ebenfalls in Bereiche unterteilte Detektionsfeld eine Erfassung von zurückreflektierten Laserstrahlen aus den ausgeleuchteten Segmenten des Zielfeldes möglich ist.
Der Begriff Sensoroptik umfasst alle Arten von optischen Ele menten, die in einem LIDAR-Sensorsystem verwendet werden kön nen, um seine Funktion zu gewährleisten oder zu verbessern. Beispielsweise können solche optischen Elemente Linsen oder Sätze von Linsen, Filter, Diffusoren, Spiegel, Reflektoren, Lichtleiter, Diffraktive Optische Elemente (DOE), holographi sche optische Elemente und allgemein alle Arten von optischen Elementen umfassen, die Licht bzw. elektromagnetische Strahlung über Brechung, Beugung, Reflexion, Transmission, Absorption, Streuung usw. beeinflussen können.
Jeder Detektionsbereich kann wenigstens einen Pixel zur Detek tion der Laserstrahlung aufweisen. Die Empfangseinrichtung kann somit eine verhältnismäßig grobe Auflösung besitzen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung emittieren alle Pixel des gleichen Segments des Pixelfeldes Laserstrahlen mit der glei chen Polarisation und/oder der gleichen Wellenlänge. Demgegen über können unterschiedliche Segmente des Pixelfeldes Laser strahlen mit unterschiedlicher Polarisation und/oder unter schiedlichen Wellenlängen und/oder unterschiedlicher Leistung abstrahlen. Dadurch lässt sich die Detektion von zurückreflek tierten Laserstrahlen verbessern. Auch können die Pixel des Pixelfeldes gepulste Laserstrahlung in Form von einzelnen Im pulsen gleicher Impulshöhe oder Folgen von mehreren Impulsen mit gleichförmiger Impulshöhe oder mit variierenden Impulshöhen emittieren. Die Impulse können eine symmetrische Impulsform ha ben, z.B. eine rechteckige Impulsform. Alternativ können die Impulse asymmetrische Impulsformen mit Unterschieden in ihren jeweiligen ansteigenden und abfallenden Kanten. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Pixel wenigstens eines ersten Segments des Pixelfeldes Laserstrahlen mit einer ersten Polarisation emittieren, und dass die Pixel wenigstens eines zweiten Segments des Pixelfelds Laserstrahlen mit einer zweiten Polarisation emittieren, wobei die erste und zweite Polarisation verschieden sind. Erfolgt eine polarisationsabhän gige Detektion in den Detektionsbereichen des Detektionsfelds der Empfangseinrichtung, so kann beispielsweise Streulicht von Laserstrahlung aus dem ersten Segment in dem Detektionsbereich, welcher dem zweiten Segment des Pixelfelds zugeordnet ist, ver mieden werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Pixel wenigstens eines ersten Segments des Pixelfelds Laserstrahlen mit einer ersten Wellen länge emittieren, und dass die Pixel wenigstens eines zweiten Segments des Pixelfelds Laserstrahlen mit einer zweiten Wellen länge emittieren, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge verschieden sind. In der entsprechenden Weise wie bei einer polarisationsabhängigen Detektion kann auch der An teil an Streulicht in den Detektionsbereichen des Detektions felds der Empfangseinrichtung reduziert werden, wenn eine wel lenlängenabhängige Detektion in den Detektionsbereichen er folgt. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass vor jedem Detektionsbereich ein spektrales Filter, beispielsweise ein Kantenfilter oder ein Bandpassfilter, angeordnet ist, welches Licht mit der Wellenlänge durchlässt, das von einem dem jewei ligen Detektionsfeld zugeordneten Segment des Pixelfelds emit tiert wurde, während das Filter andere Wellenlängen blockt.
Die Segmente des Pixelfelds können wenigstens zwei Zeilen bil den, wobei jede Zeile wenigstens zwei Pixel umfasst. Es lässt sich somit eine array-artige Segmentierung des Pixelfeldes re alisieren . Die Pixel eines ersten Segments des Pixelfeldes können Laser strahlen mit einer Polarisation emittieren, die verschieden ist zu der Polarisation der Laserstrahlen, welche von den Pixeln wenigstens eines zweiten Segments emittiert wird, wobei das zweite Segment benachbart zu dem ersten Segment in der gleichen Zeile oder der darunterliegenden Zeile angeordnet ist. In einer Zeile oder Spalte zueinander benachbarte Segmente des Pixelfelds können daher Laserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation emittieren .
Die Pixel eines ersten Segments des Pixelfelds können Laser strahlen einer Wellenlänge emittieren, die verschieden ist zu der Wellenlänge der Laserstrahlen, welche von den Pixeln we nigstens eines zweiten Segments emittiert werden, wobei das zweite Segment benachbart zu dem ersten Segment in der gleichen Zeile oder der darunterliegenden Zeile angeordnet ist. In einer Zeile oder Spalte zueinander benachbarte Segmente des Pixelfelds können somit Laserstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren .
Jeder Detektionsbereich kann einen Polarisationsfilter aufwei sen, welcher an die Polarisation der Laserstrahlen angepasst ist, welche die Pixel des zugeordneten Segments emittieren. Die Detektion von Streulicht lässt sich dadurch vermindern.
Um die Detektion von Streulicht zu vermeiden, insbesondere so lares Hintergrundlicht, aber auch Licht von anderen Lidar-Quel- len, ist es außerdem vorteilhaft, wenn jeder Detektionsbereich einen spektralen Filter aufweist, welcher an die Wellenlänge der Laserstrahlung angepasst ist, welche die Pixel des zugeord neten Segments emittieren.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann wenigstens ein und bevorzugt jeder Pixel des Pixelfelds wenigstens zwei Laser auf- weisen, die unterschiedliche Temperaturbetriebsbereiche aufwei sen. Die optoelektronische Vorrichtung kann somit im Hinblick auf den Temperaturbetriebsbereich, in welchem die optoelektro nische Vorrichtung eingesetzt werden kann, angepasst werden. Dadurch können insbesondere Anforderungen wie sie im Kraftfahr zeugbau gestellt werden, erfüllt werden.
Im Hinblick auf Automobilanforderungen ist es insbesondere vor teilhaft, wenn der Temperaturbetriebsbereich von wenigstens ei nem der Laser eines Pixels in einem ersten Intervall, zum Bei spiel im Bereich von -40°C bis +40°C, liegt, und wenn der Tem peraturbetriebsbereich von wenigstens einem anderen Laser des Pixels in einem zweiten Intervall, zum Beispiel im Bereich von +40°C bis +120°C, liegt. Der Temperaturbetriebsbereich von - 40°C bis +120°C, wie im Automobilbau gefordert, kann somit er füllt werden. Eine Aufteilung der Temperaturbetriebsbereiche in andere Intervalle zwischen -40°C und 120°C ist ebenfalls mög lich.
Bei der Verwendung von VCSELn als Laser in den Pixeln kann bei gleichen Quantenwällen in den VCSELn der Temperaturbereich über ein „Detuning" der Kavität in Bezug auf die Bandlücke bei den VCSELn eingestellt werden. Die Resonanzwellenlänge der Kavität kann über die epitaktischen Schichtdicken eines jeweiligen VCSEL eingestellt werden. Bei gleicher Resonanzwellenlänge kann der Temperaturbereich ebenfalls über ein „Detuning" von Kavität zu Bandlücke eingestellt werden. Die Bandlücke kann über die Schichtdicken der Quantenwälle eingestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Laser mit unterschiedlichen Temperaturbetriebsbereichen eines Pixels ge meinsam betreibbar sind. Je nach Temperaturbereich liefert nor malerweise nur derjenige Laser einen signifikanten Beitrag zur optischen Leistung, in dessen Temperaturbetriebsbereich die ak tuelle Temperatur fällt. Eine elektronische Schaltung zur An- Steuerung der Laser innerhalb eines Pixels kann dabei verhält nismäßig einfach realisiert werden. Außerdem wird kein Tempe ratursensor benötigt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur der wenigstens eine Laser betreibbar ist, in dessen Temperaturbetriebsbereich die aktuelle Temperatur liegt. Dies kann über eine entsprechend ausgestaltete elektri sche Schaltung zur Ansteuerung der Laser eines Pixels und unter Verwendung eines Temperatursensors realisiert werden. Der Tem peratursensor kann in der Nähe des Pixelfelds angeordnet sein oder beispielsweise auf einem Gehäuse der Sendeeinrichtung oder der optoelektronischen Vorrichtung. Bei dem Temperatursensor kann es sich auch um einen Umgebungstemperatursensor handeln, der bei einem modernen Kraftfahrzeug vorhanden ist.
Zur Erfüllung von zum Beispiel Automobilanforderungen kann in einer alternativen Ausgestaltung auch vorgesehen sein, dass in jedem Pixel des Pixelfelds Laser, insbesondere VCSEL, angeord net sind, die den gleichen Temperaturbetriebsbereich aufweisen, wohingegen jedoch in verschiedenen Pixeln Laser mit unterschied lichen Temperaturbetriebsbereichen angeordnet sind. Beispiels weise können Laser, insbesondere VCSEL, mit zwei unterschied lichen Temperaturbetriebsbereichen vorgesehen sein. Der erste Temperaturbetriebsbereich kann sich beispielsweise von -40°C bis +40°C erstrecken, und der zweite Temperaturbetriebsbereich kann sich beispielsweise von +40°C bis +120°C erstrecken. In jedem Pixel des Pixelfelds können entweder Laser mit dem ersten Temperaturbetriebsbereich oder alternativ mit dem zweiten Tem peraturbetriebsbereich angeordnet sein. Dabei ist es bevorzugt, wenn gleich viele Pixel des Pixelfelds Laser mit dem ersten Temperaturbetriebsbereich und dem zweiten Temperaturbetriebs bereich aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner eine optoelektronische Vorrich tung, insbesondere zur Detektion von Hindernissen und/oder zur Entfernungsmessung, umfassend:
eine Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laserstrahlen, wobei die Sendeeinrichtung ein Feld von Pixeln aufweist, wobei jeder Pixel des Pixelfelds zumindest einen Laser, insbesondere einen optoelektronischen Laser, wie etwa einen VCSEL, pVCSEL oder VECSEL, aufweist, wobei die Pixel des Pixelfelds in wenigstens einen ersten Satz von Pixeln und in einen zweiten Satz von Pixeln unterteilt sind, wobei jeder Pixel des ersten Satzes von Pixeln wenigstens einen optoelektronischen Laser aufweist, der für einen Laserbetrieb in einem ersten Temperaturbereich, zum Beispiel zwischen -40°C und + 25°C, ausgelegt ist, und wobei jeder Pixel des zweiten Satzes von Pixeln wenigstens einen opto elektronischen Laser aufweist, der für einen Laserbetrieb in einem zweiten Temperaturbereich, zum Beispiel zwischen 25 °C und +90°C, ausgelegt ist.
Als optoelektronischer Laser kommt insbesondere ein VCSEL oder ein pVCSEL, auch als micro-VCSEL bezeichnet, in Betracht. In Betracht kommen auch VECSEL oder pVECSEL.
VCSEL können konstruktionsbedingt als eine Eigenschaft aufwei sen, dass die im Laserbetrieb emittierte Wellenlänge aufgrund der in der Resonatoranordnung gebildeten Lasermode im normalen Laserbetrieb im Vergleich zu kantenemittierenden Lasern (EEL für edge emitting laser) einen wesentlich kleineren Drift über der Temperatur aufweist. Dieser Drift kann durch die optische Weglänge der zwischen den Spiegel der Resonatoranordnung gebil deten Kavität bestimmt werden, wobei die aktive Zone in der Kavität angeordnet ist. Die optische Weglänge hängt insbeson dere von den Brechnungsindizes der Materialien in der Re sonatoranordnung ab, die eine kleine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Höhere longitudinale Moden haben aufgrund der gerin- gen Resonatorlänge in einem VCSEL oder pVCSEL eine weit außer halb des Verstärkungsspektrums des aktiven Materials liegende Wellenlänge. Die effektive Resonatorlänge kann dabei im Bereich von wenigen Wellenlängen liegen. Laterale Moden können durch Verwendung einer geeigneten Apertur unterdrückt werden.
In einem für Sensorik- Anwendungen interessanten Wellenlangen- bereich zwischen 900-950nm kann ein VCSEL einen Drift der emit tierten Wellenlänge von 0.07nm/K aufweisen. Ein kantenemittie render Laser hat hingegen eine vergleichsweise lange Kavität, beispielsweise 300 pm bis 3 mm, so dass die longitudinalen Moden dicht innerhalb des Verstärkungsspektrums des aktiven Materials liegen. Wenn keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden, schwingt jeweils die Mode mit der größten Verstärkung an. Das Maximum des Verstärkungsspektrums schiebt im Wesentlichen mit der Band lücke des aktiven Materials über der Temperatur. Dieser Drift ist wesentlich größer als die Abhängigkeit der Brechungsindizes von der Temperatur. Ein typischer 905nm EEL Laser hat beispiels weise einen Temperaturkoeffizienten der Wellenlänge von 0.28nm/K.
Ein kantenemittierender Laser weist aufgrund der vorstehend be schriebenen Eigenschaften eine wesentlich geringere Temperatur abhängigkeit der optischen Leistung von der Temperatur auf, da seine Lasermode immer bei maximaler Verstärkung anschwingt. In einem VCSEL oder pVCSEL hingegen wird die Wellenlänge durch den kurzen Resonator bestimmt. Das Verstärkungsspektrum schiebt über der Temperatur durch die vom Resonator vorgegebene Reso nanz . Dies führt zu einer starken Abhängigkeit der Verstärkung und damit der Leistung von der Temperatur.
Für viele Sensorikanwendungen spielt Umgebungslicht, zum Bei spiel Sonnenlicht, eine wichtige Rolle als Störfaktor. Das Sig- nal-Rausch-Verhältnis (SNR) kann durch das Umgebungslicht ne- gativ beeinflusst werden, oder der Sensor kann durch das Umge bungslicht schlichtweg überbelichtet werden, beispielsweise bei einem „Blick" eines Lidar-Systems in die Sonne.
Es kann daher wichtig sein, dass sensorseitig eine Wellenlän genfilterung vorgenommen wird. Aufgrund des geringeren Tempe- raturdrifts der Wellenlänge bei einem VCSEL oder einem pVCSEL kann ein derartiger Filter enger gestaltet werden als im Falle eines kantenemittierenden Lasers. Eine beispielhafte Rechnung mit typischen Parametern für eine Anwendung im Automobil sagt beispielsweise eine Breite des Bandfilters für eine VCSEL Quelle von lOnm und für einen kantenemittierenden Laser von 70nm vo raus. Daraus lässt sich eine Unterdrückung der solaren Streu photonen um etwa eine Größenordnung ableiten.
Bei der hierin beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung, die beispielsweise als ein VCSEL-Array bzw. VCSEL-Feld ausge staltet sein kann, ist eine Anzahl der insbesondere als VCSEL ausgestalteten optoelektronischen Laser für einen Laserbetrieb in dem ersten Temperaturbereich und eine weitere Anzahl der insbesondere als VCSEL ausgestalteten optoelektronischen Laser für einen Laserbetrieb in dem zweiten Temperaturbereich ausge staltet. Dadurch kann mittels des VCSEL-Felds eine verhältnis mäßig hohe Temperaturabhängigkeit der Leistung von VCSELn aus geglichen werden.
Die optoelektronische Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung an einem Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Li- dar-System, und/oder als Emitter für Sensorikanwendungen, zum Beispiel mit reduzierten Leuchtdichteanforderungen, das sowohl einen geringen Drift der Wellenlänge als auch der optischen Leistung über der Temperatur aufweist aufweisen kann. Der erste Temperaturbereich unterscheidet sich vom zweiten Tem peraturbereich. Der erste und der zweite Temperaturbereich kön nen sich aneinander anschließen, wobei keine Überschneidung oder alternativ eine teilweise Überschneidung der Temperatur bereiche vorgesehen sein kann.
Es kann vorgesehen sein, dass ein jeweiliger optoelektronischen Laser eine Resonatoranordnung und eine aktive Zone aufweist, wobei die aktive Zone in der Resonatoranordnung eingebettet ist. Die Resonatoranordnung kann von Spiegeln gebildet werden, in die die aktive Zone eingebettet ist. Die Spiegel können durch Materialschichten realisiert sein, zum Beispiel als Bragg-Spie- gel . Diese werden auch als „distributed Bragg reflector", ab gekürzt „DBR", bezeichnet. Hierbei handelt es sich um alternie rende, dünne Schichten von dielektrischem Material unterschied lichere Brechungsindizes. Die aktive Zone kann in an sich be kannter Weise durch Halbleitermaterialschichten gebildet wer den, und beispielweise Quantentröge oder Quantenpunkte aufwei sen .
Bei VCSELn, die für einen Laserbetrieb in dem ersten Tempera turbereich oder in dem zweiten Temperaturbereich ausgelegt sind, kann durch Auslegung der Spiegelschichten und der Länge der Kavität zwar dieselbe Emissionswellenlänge emittiert werden. Allerdings können sich die VCSEL durch die Wellenlängenposition des Verstärkungsspektrums der aktiven Zone bei derselben Tem peratur unterscheiden. Dadurch lassen sich VCSEL für den Laser betrieb im unteren, ersten Temperaturbereich, zum Beispiel zwi schen -40 bis 25 °C, und VCSEL für den Laserbetrieb im oberen, zweiten Temperarturbereich, zum Beispiel zwischen 25°C und 90°C, optimieren .
Ein unterschiedliches Verstärkungsspektrum kann zum Beispiel durch eine unterschiedliche Auslegung der aktiven Zone erreicht werden, zum Beispiel durch Verwendung von unterschiedlich di cken Quantentrögen und/oder durch unterschiedliche Verspannung und/oder unterschiedliche Komposition der Quantentröge .
Die Resonatoranordnungen der optoelektronischen Laser des ers ten Satzes von Pixeln und die Resonatoranordnungen der opto elektronischen Laser des zweiten Satzes von Pixeln können gleich oder auch unterschiedlich ausgestaltet und/oder dimensioniert sein. Insbesondere können die Spiegelschichten und die Länge der Kavität zwischen den Spiegelschichten zumindest im Wesent lichen gleich ausgestaltet sein. Als Kavität wird der Bereich zwischen den Spiegelschichten bezeichnet, in dem sich die aktive Zone befindet. Die Kavität bildet somit keinen Hohlraum zwischen den Spiegeln aus, sondern ist mit Material, insbesondere der aktiven Zone, ausgefüllt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung können die aktiven Zonen der optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln und die aktiven Zonen der optoelektronischen Laser des zweiten Sat zes von Pixeln unterschiedlich ausgestaltet und/oder dimensio niert sind, wobei die aktiven Zonen der optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln auf einen Laserbetrieb in dem ersten Temperaturbereich abgestimmt sind, und wobei die aktiven Zonen der optoelektronischen Laser des zweiten Satzes von Pixeln auf einen Laserbetrieb in dem zweiten Temperaturbereich abge stimmt sind. Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, können sich die aktiven Zonen in der Wellenlängenposition des Verstär kungsspektrums bei derselben Temperatur unterscheiden, zum Bei spiel durch unterschiedlich ausgelegte Quantentröge.
Die optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln können von einem ersten Wafer und die optoelektronischen Laser des zweiten Satzes von Pixeln können von einem zweiten Wafer stam men. Dadurch können auf prozesstechnisch einfache Weise zum Beispiel VCSEL bereitgestellt werden, die für den Betrieb in den unterschiedlichen Temperaturbereichen ausgelegt sind.
Es kann vorgesehen sein, dass das Pixelfeld mehrere Zeilen oder Spalten mit Pixeln umfasst. In aufeinanderfolgenden Zeilen oder Spalten können jeweils abwechselnd nur Pixel des ersten Satzes von Pixeln oder Pixel des zweiten Satzes von Pixeln angeordnet sein. Alternativ kann in jeder Zeile oder Spalte jeweils ab wechselnd ein Pixel des ersten und des zweiten Satzes von Pixeln angeordnet sein, insbesondere derart, dass sich eine schach brettartige Anordnung der Pixel des ersten und des zweiten Sat zes von Pixeln ergibt. Die gewünschte Anordnung kann mittels geeigneter Verfahren, zum Bespiel Stempeltechniken, selbstor ganisatorisch oder pick & place, aus einzelnen VCSELn gebildet werden .
Es kann vorgesehen sein, dass alle optoelektronischen Laser des Pixelfelds parallelgeschaltet sind. Im Niedertemperaturbereich tragen dann die optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln im Wesentlichen zur Laseremission bei. Im höheren Tem peraturbereich tragen demgegenüber die optoelektronischen Laser des zweiten Satzes von Pixeln im Wesentlichen zur Laseremission bei. Nachteilig daran ist, dass die Gesamteffizienz des VCSEL- Arrays in etwa halbiert wird, da in der Regel die eine Hälfte der Laser nicht oder nur geringfügig zur nutzbaren Laserstrah lung beitragt (bei einer 50-50 Aufteilung des ersten und zweiten Satzes von Pixeln) . Auch sind die genauen Spannungen in der Fertigung schlecht kontrollierbar.
Die optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln können elektrisch getrennt von den optoelektronischen Lasern des zwei ten Satzes von Pixeln ansteuerbar sein. Dies kann auf verschie dene Art und Weise erreicht werden. Beispielsweise kann ein Substrat, auf dem die VCSEL aufgebracht werden, einen Chip, bspw. auf Silizium- oder auf CMOS-Basis, aufweisen, der bereits eine Stromquelle, insbesondere einen Schalttransistor, pro La ser beinhaltet.
In anderen Ausführungsformen können die Kontakte der optoelekt ronischen Laser nur durch through-hole-vias durch das Substrat nach unten geführt sein. Die Zuführung der Leitungen zu den Treibern wird dann über ein unter dem Chip sitzendes PCB (für printed circuit board) derart organisiert, dass eine separate Ansteuerung der unterschiedlichen Sätze von Pixeln bewerkstel ligt wird. In weiteren Ausführungsformen sind die optoelektro nischen Laser auf der Oberfläche eines Trägersubstrats mittels Busbars miteinander verbunden. Dabei und bei anderen Ausfüh rungsvarianten können entweder alle optoelektronischen Laser parallel, optional mit eigenem Treiber, oder zum Teil parallel und seriell verschaltet sein, um bspw. die Anzahl der Anschluss punkte zu verringern und/oder die Arbeitsspannung zu erhöhen und die sich ergebenden Gesamtströme zu erniedrigen.
Die optoelektronischen Laser können insbesondere VCSEL, pVCSEL, VECSEL oder pVECSEL sein. Wenn hierin VCSEL genannt sind, so kann sich der jeweilige Sachverhalt auch auf VCSEL, VECSEL oder pVCSEL beziehen.
Die optoelektronische Vorrichtung ist besonders gut geeignet für Anwendungen, die stark variierender Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, beispielsweise an einem Kraftfahrzeig .
Die Erfindung betrifft außerdem ein Lidar-System mit wenigstens einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung und ei ner Auswerteeinrichtung zur Ermittlung einer Entfernung zu ei nem die ausgesandten Laserstrahlen reflektierenden Objekt in Abhängigkeit von mittels der Empfangseinrichtung detektierten Laserstrahlen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung, insbesondere einer erfin dungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung, wobei bei dem Ver fahren ein Pixelfeld ausgebildet wird, das eine Vielzahl von Pixeln auf einem Träger aufweist, wobei jeder Pixel zumindest einen optoelektronischen Laser, insbesondere einen VCSEL, auf weist, und wobei bei dem Verfahren eine elektronische Steuerung zur Ansteuerung der Pixel angeordnet und/oder ausgebildet wird, insbesondere auf dem Träger, wobei zu Ansteuerungszwecken die Pixel des Pixelfelds in mehrere Sätze von Pixeln unterteilt sind, und wobei die Steuerung derart ausgestaltet ist, dass diese die Sätze von Pixeln in unterschiedlichen, aufeinander folgenden Zeitintervallen betreibt. Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft und unter Bezug nahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zei gen, jeweils schematisch,
Figur 1 eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung einer Va riante einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung,
Figur 2 eine Draufsicht auf ein Zielfeld der Vorrichtung von
Figur 1,
Figur 3 eine Illustration eines optischen Systems für einen
Pixel der Sendeeinrichtung der Vorrichtung von Fi gur 1 , Figur 4a eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung einer wei teren Variante einer erfindungsgemäßen optoelektro nischen Vorrichtung,
Figur 4b eine Draufsicht auf eine Empfangseinrichtung für die
Sendeeinrichtung von Fig. 4a, Figur 5a eine weitere Draufsicht auf die Sendeeinrichtung von Fig . 4a,
Figur 5b eine weitere Draufsicht auf die Empfangseinrichtung von Fig. 4b,
Figur 6a eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung von noch einer Variante einer erfindungsgemäßen optoelektro nischen Vorrichtung,
Figur 6b eine Draufsicht auf eine Empfangseinrichtung für die
Sendeeinrichtung von Figur 6a,
Figur 7a eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung von noch einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung,
Figur 7b eine Draufsicht auf eine Empfangseinrichtung für die
Sendeeinrichtung von Figur 7a,
Figur 8a eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung von noch einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung, Figur 8b eine Draufsicht auf eine Empfangseinrichtung für die
Sendeeinrichtung von Figur 8a,
Figur 9a eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung von noch einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung,
Figur 9b eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung von noch einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung, Figur 10 noch eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung von noch einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung, Figur 11 eine elektronische Schaltung zum Ansteuern von opto elektronischen Lasern eines Pixels einer Sendeein richtung gemäß einer Variante einer erfindungsgemä ßen optoelektronischen Vorrichtung, Figur 12 eine alternative elektronische Schaltung zum Ansteu ern von optoelektronischen Lasern eines Pixels einer Sendeeinrichtung gemäß einer Variante einer erfin dungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung, Figur 13 eine Querschnittsansicht einer Sendeeinrichtung ge mäß einer Variante einer erfindungsgemäßen opto elektronischen Vorrichtung,
Figur 14 eine Querschnittsansicht einer Sendeeinrichtung ge mäß noch einer Variante einer erfindungsgemäßen opto elektronischen Vorrichtung,
Figur 15 mehrere mögliche Ausgestaltungen von Pixeln auf ei nem Träger,
Fig . 16a eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung von noch einer Variante einer erfindungsgemäßen optoelektro nischen Vorrichtung, Fig. 16b eine Draufsicht auf eine Sendeeinrichtung von noch einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung,
Fig. 17a zeigt für einen VCSEL, der für einen Laserbetrieb in einem niederen, ersten Temperaturbereich optimiert ist, beispielhafte Verstärkungskurven über der Wel lenlänge für die Temperaturen von -40°C, 25 °C und
90°C sowie eine durch den Resonator des VCSEL vorge gebene Emissionswellenlänge, und
Fig . 17b zeigt für einen VCSEL, der für einen Laserbetrieb in einem höheren, zweiten Temperaturbereich optimiert ist, beispielhafte Verstärkungskurven über der Wel lenlänge für die Temperaturen von -40°C, 25 °C und
90°C sowie eine durch den Resonator des VCSEL vorge gebene Emissionswellenlänge.
Die Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer Sende einrichtung 21 einer Variante einer erfindungsgemäßen opto- elektronischen Vorrichtung. Die Sendeeinrichtung 21 weist ein Pixelfeld 23 auf, bei dem es sich um eine array-artige Anordnung von Pixeln 25 handelt. Einige Pixel 25 sind beispielhaft dar gestellt und insbesondere durch gestrichelte Linien begrenzt. Jeder Pixel 25 des Pixelfelds 23 umfasst zumindest einen Laser, bei dem es sich insbesondere um einen VCSEL handelt. Das Pixel feld 23 ist in eine Anzahl N von Segmenten 27 unterteilt. Gren zen zwischen Segmenten 27 sind über strichpunktierte Linien eingezeichnet. Im dargestellten Beispiel umfasst jedes Segment 27 jeweils vier Pixel 25, die in einer quadratischen Anordnung angeordnet sind, sodass jeweils zwei Pixel 25 einer Zeile des Pixelfelds 23 einem Segment 27 zugewiesen sind und sich ein Segment 27 über zwei Zeilen erstreckt. Die in der Figur 1 dar gestellte Segmentierung ist allerdings nur als Beispiel zu se hen .
Bei der Sendeeinrichtung 21 sind die Pixel 25 in mehrere Sätze von Pixeln unterteilt. Bei der Sendeeinrichtung 21 gemäß Figur 1 sind vier Sätze von Pixeln vorgesehen, entsprechend der Anzahl von Pixeln 25 pro Segment. Ferner ist aus jedem Segment 27 jeweils ein Pixel 25 jeweils einem Satz von Pixeln zugeordnet. Die Sendeeinrichtung 21 ist dazu ausgebildet, die Sätze von Pixeln in unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitinterval len zu betreiben.
Beispielsweise sind die in einem jeweiligen Segment links oben liegenden Pixel 25a einem ersten Satz von Pixeln zugeordnet, die in einem Segment 27 rechts oben liegenden Pixel 25b sind einem zweiten Satz von Pixeln zugeordnet, die in einem jewei ligen Segment 27 links unten liegenden Pixel 25c sind einem dritten Satz von Pixeln zugeordnet, und die in einem jeweiligen Segment 27 rechts unten liegenden Pixel 25d sind einem vierten Satz von Pixeln zugeordnet. Die vier Sätze von Pixeln werden in unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen betrie ben. In einem ersten Zeitintervall werden somit zum Beispiel die Pixel 25a betrieben, während die übrigen Pixel nicht be trieben werden. In einem nachfolgenden, zweiten Zeitintervall werden die Pixel 25b betrieben, in einem weiteren Zeitintervall werden die Pixel 25c betrieben und in noch einem weiteren Zeit intervall werden die Pixel 25d betrieben. Die Abfolge kann sich in weiteren, nachfolgenden Zeitintervallen wiederholen oder es kann sich auch die Reihenfolge des Betriebs der Sätze von Pixeln ändern, wodurch - wie vorstehend bereits beschrieben wurde - das Problem des Jammings bei Verwendung der optoelektronischen Vorrichtung in einem Lidar-System vermieden werden kann.
Die Segmentierung des Pixelfelds 23 der Sendeeinrichtung 21 und die Zuordnung von Pixeln 25 zu einem jeweiligen Satz von Pixeln erlauben den gleichzeitigen Betrieb von mehreren Pixeln, näm lich den Pixeln eines jeweiligen Satzes von Pixeln. Im Unter schied zu einer separaten, individuellen Inbetriebnahme jedes Pixels 25 des Pixelfelds 23 kann dadurch bei Verwendung in einem Lidar-System die gesamte Belichtungszeit für eine Bildaufnahme reduziert werden. Beispielsweise kann das Pixelfeld 23 600 auf 200 Pixel aufweisen. Laserstrahlen benötigen für einen Hin- und Rücklauf über eine Strecke von 150 m etwa 1 s (2 x 150 m ent spricht einer Licht-Laufzeit von 1 ps ) . Bei einer separaten Inbetriebnahme jedes einzelnen Pixels 25 des Pixelfelds 23 in einem eigenen Zeitintervall würde die gesamte Belichtungszeit etwa 120 ms betragen (600 x 200 x 1 ps = 120 ms) . Durch die gleichzeitige Inbetriebnahme der Pixel 25 eines jeweiligen Pi xelsatzes, wie vorstehend beschrieben, lässt sich diese Belich tungszeit reduzieren, wie nachfolgend noch näher ausgeführt werden wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der Seg mentierung des Pixelfelds die Bestrahlung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Raumwinkel unterschiedlich, zum Beispiel in Be zug auf Wellenlänge, Pulsform, Leistung, etc., erfolgen kann.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Pixelfeld 23 kann jeder Pixel 25 eine Querschnittsfläche von 40 pm auf 40 pm aufweisen, und beispielsweise 1 bis 5 VCSEL enthalten. Das Pixelfeld kann fer ner beispielsweise eine Breite von 24 mm und eine Höhe von 8 mm aufweisen, sodass es insgesamt 600 auf 200 Pixel umfasst.
Das in Figur 2 in einer Draufsicht dargestellte Zielfeld (Field- of-Illumination FOI) 29 kann sich beispielsweise in einem Ab stand von 200 m vor dem Pixelfeld 23 der Sendeeinrichtung 21 von Figur 1 befinden. Bei Verwendung einer entsprechenden Pro jektionsoptik kann das Zielfeld 29 beispielsweise eine Breite von 231 m und eine Höhe von 70,6 m aufweisen. Ein Pixel 25 wird dabei auf eine Fläche von etwa 0,349 m auf 0,349 m projiziert. Die Dimensionsangaben für das Zielfeld 29 sind nur als ein Beispiel anzusehen. Bevorzugt bleibt das Aspektverhältnis des Pixelfelds, also zum Beispiel 24:8, im Zielfeld erhalten. Die Abmessungen des Pixelfelds lassen sich dadurch mittels einer verzerrungsfreien Projektionsoptik in das Zielfeld projizieren bzw. hochskalieren.
Das in Figur 3 vereinfacht dargestellte optische System umfasst wenigstens eine Linse 31 vor einem jeweiligen, zugeordneten Pixel 25. Die Linse 31 ist bevorzugt im Abstand ihrer Brennweite vor einem jeweiligen Pixel 25 angeordnet. Zur Erhaltung der Etendue der von dem Pixel emittierten Laserstrahlung sollte die Linse 31 nach einem Beispiel einen Linsendurchmesser von mehr als 10,3 mm und eine Brennweite von 23 mm aufweisen, insbeson dere auch um eine Ausleuchtung des Zielfeldes, wie mit Bezug auf die Figur 2 beschrieben, zu erreichen. Bei Einsatz einer Kollimatorlinse (nicht gezeigt) vor dem Pixel 25 kann der er forderliche Durchmesser der Linse 31 reduziert werden, bei spielsweise auf einen Wert größer als 4,12 mm.
Die in der Figur 4a in der Draufsicht dargestellte Sendeein richtung 21 entspricht im Wesentlichen der Sendeeinrichtung von Figur 1. Dargestellt sind vier Segmente 27 des Pixelfelds 23, wobei jedes Segment 27 wiederum vier Pixel aufweist. Jeweils ein Pixel 25 eines Segments 27 ist einem jeweiligen Satz von Pixeln zugeordnet. Beispielsweise ist aus dem oberen linken Segment 27a der Pixel 25a einem ersten Satz von Pixeln zugeord net, aus dem oberen rechten Segment 27b ist der Pixel 25b dem ersten Satz von Pixeln zugeordnet, aus dem unteren linken Seg ment 27c ist der Pixel 25d dem ersten Satz von Pixeln zugeord net, und aus dem unteren rechten Segment 27d ist der Pixel 25c dem ersten Satz zugeordnet.
Wie vorstehend bereits mit Bezug auf die Figur 1 ausgeführt wurde, ist die Sendeeinrichtung 21 gemäß Figur 4a dazu ausge bildet, die Sätze von Pixeln in unterschiedlichen, aufeinander folgenden Zeitintervallen zu betreiben. In einem Zeitintervall werden somit die Pixel betrieben, die dem ersten Satz von Pixeln zugeordnet sind, während die übrigen Pixel nicht betrieben wer den .
Die Figur 4b zeigt eine Draufsicht auf eine Empfangseinrichtung 33, die ein zweidimensionales Detektionsfeld 35 umfasst, das in mehrere Detektionsbereiche 37 unterteilt ist. Die Anzahl an De tektionsbereichen 37 entspricht der Anzahl an Segmenten des Pixelfelds 23 gemäß Figur 4a. Dabei ist jeweils ein Detektions bereich 37 jeweils einem Segment 27 derart angeordnet, dass der Detektionsbereich 37 zur Detektion von zurückreflektierten La serstrahlen vorgesehen ist, die aus dem zugeordneten Segment 27 stammen. Die Zuordnung kann insbesondere auch in einer der Emp fangseinrichtung 33 nachgeordneten Detektionseinheit (nicht ge zeigt) erfolgen, welche die in einem jeweiligen Detektionsbe reich 37 detektierten Signale verarbeitet und/oder auswertet.
Beispielsweise kann der Detektionsbereich 37a dem Segment 27a zugeordnet sein, der Detektionsbereich 37b kann dem Segment 27b zugeordnet sein, der Detektionsbereich 37c kann dem Segment 27c zugeordnet sein, und der Detektionsbereich 37d kann dem Segment 27d zugeordnet sein. In jedem Detektionsbereich 37 kann wenigs tens ein Pixel zur Detektion von Laserstrahlung vorgesehen sein. Das Auflösungsvermögen der Empfangseinrichtung 33 kann somit schlechter sein als die Auflösung der Sendeeinrichtung 21. Al lerdings reduziert sich die Anzahl der nötigen Zeitschritte für eine Bildaufnahme und um ein Zielfeld (vgl. Figur 2) abzurastern durch die Anzahl der Detektionsbereiche. Würde beispielsweise bei 600 auf 200 Pixel in dem Pixelfeld 23 jedes Pixel in einem individuellen Zeitintervall in Betrieb genommen, ergibt sich eine verhältnismäßig lange Belichtungszeit. Diese reduziert sich um die Anzahl der Detektionsbereiche 37 der Empfangsein richtung 33 und kann somit bei einer entsprechenden Anzahl an Detektionsbereichen 37 deutlich verkürzt werden.
Die Figur 5a zeigt die Sendeeinrichtung 21 der Figur 4a. Dabei sind in einem weiteren, zweiten Zeitintervall die einem zweiten Satz von Pixeln zugeordneten Pixel in Betrieb. Beispielsweise ist aus dem oberen linken Segment 27a das Pixel 25b dem zweiten Satz von Pixeln zugeordnet, aus dem oberen rechten Segment 27b ist das Pixel 25d dem zweiten Satz von Pixeln zugeordnet, aus dem unteren linken Segment 27c ist das Pixel 25c dem zweiten Satz von Pixeln zugeordnet, und aus dem unteren rechten Segment 27d ist das Pixel 25a dem zweiten Satz zugeordnet. Alle anderen, nicht dem zweiten Satz von Pixeln zugeordneten Pixel sind wäh rend des zweiten Zeitintervalls nicht in Betrieb. Zurückreflek tierte Laserstrahlung kann wiederum über die in Figur 5a dar gestellte Empfangseinrichtung 33 detektiert werden. Dabei de- tektiert jeder Detektionsbereich 37 Laserstrahlung aus dem je weiligen, zugeordneten Segment 27.
Bei der Variante der Figur 6a emittieren die Pixel in den Seg menten 27a und 27d Laserstrahlen, die eine erste Polarisation aufweisen. Zum Beispiel kann es sich bei der ersten Polarisation um eine lineare Polarisation in einer horizontalen Richtung H handeln, vgl. die den Segmenten 27a und 27d zugeordneten Detek tionsbereiche 37a und 37d des Detektionsfelds 35 der Empfangs einrichtung 33 gemäß Figur 6b. Die Pixel 25 der Segmente 27b und 27c emittieren demgegenüber Laserstrahlen mit einer zweiten Polarisation, bei der es sich beispielsweise um eine lineare Polarisierung in vertikaler Richtung V handeln kann. In den Detektionsbereichen 37c und 37b ist eine entsprechende verti kale Polarisationsrichtung V eingezeichnet.
Der Detektionsbereich 37a, der dem Segment 27 zugeordnet ist, weist einen Polarisationsfilter (nicht gezeigt) auf, welcher in horizontaler Polarisationsrichtung H emittiertes Licht durch lässt. Der Polarisationsfilter des Detektionsbereichs 37a ist somit an die Polarisationsrichtung der Laserstrahlen, die von dem Segment 27a emittiert werden, angepasst. Demgegenüber blockt der Polarisationsfilter des Detektionsbereichs 37a das eine vertikale Polarisationsrichtung V aufweisende Laserlicht aus den Segmenten 27b und 27c.
In der entsprechenden Weise sind auch die anderen Detektions bereiche mit einem Polarisationsfilter versehen, der an die Polarisation der Laserstrahlen angepasst ist, die von dem je weiligen zugeordneten Segment der Sendeeinrichtung emittiert werden. Die über eine Längsseite an den jeweiligen Detektions bereich angrenzenden Detektionsbereiche weisen demgegenüber Po larisationsfilter auf, die Licht in einer orthogonalen Polari sationsrichtung passieren lassen.
Durch die Verwendung von Segmenten 27a bis 27d, die, wenn man die Segmente 27 in einer Zeile oder einer Spalte des Pixel felds 23 betrachtet, immer abwechselnd Laserlicht mit horizon taler oder vertikaler Polarisation emittieren, und durch die Ausstattung der zugeordneten Detektionsbereiche 37a bis 37d mit entsprechend angepassten Polarisationsfiltern kann das in den einzelnen Detektionsbereichen 37a bis 37d detektierte Streu licht, das zum Beispiel von Laserstrahlung aus nicht zugeord neten Segmenten stammt, deutlich reduziert werden. Auch die Detektion von anderem störendem Licht, wie zum Beispiel solare Hintergrundstrahlung und Strahlung von anderen Lidar-Quellen, kann reduziert werden.
Bei der Variante der Figur 7a ist das Pixelfeld 23 der Sende einrichtung 21 derart ausgestaltet, dass die Pixel von Segmen ten, die in einer Zeile bzw. einer Spalte des Pixelfelds 23 direkt nebeneinanderliegen, Laserstrahlen mit, insbesondere leicht, unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Beispiels weise können die Pixel 25 des Segments 27a Laserstrahlen bei einer Wellenlänge von zumindest annähernd 939 nm emittieren. Gleiches gilt für die Pixel 25 des Segments 27d. Demgegenüber können die Pixel 25 der Segmente 27b und 27c Laserstrahlen bei einer Wellenlänge von zumindest annähernd 941 nm emittieren. Die VCSEL zur Emission der unterschiedlichen Wellenlängen kön nen beispielsweise von unterschiedlichen Wafern stammen. Die Wellenlängenangaben sind wiederum nur als Beispiel zu sehen. Nach einem anderen Beispiel wäre ein Unterschied in den Wellen längen von 20 nm oder 25 nm oder 30 nm oder 35 nm oder 40 nm oder mehr vorteilhaft. Die Wellenlängen können sich auch stark voneinander unterscheiden. Zum Beispiel kann die erste Wellen länge zumindest annähernd 850 nm betragen und die zweite Wel lenlänge kann zumindest annähernd 905 nm oder 1600 nm betragen.
Wie in Figur 7b angedeutet ist, weisen die den jeweiligen Seg menten 27a bis 27d zugeordneten Detektionsbereiche 37a bis 37d geeignet ausgestaltete spektrale Filter auf, welche an die Wel lenlängen der Laserstrahlen angepasst sind. Beispielsweise weist der Detektionsbereich 37a ein spektrales Filter, bei spielsweise ein Bandpassfilter, auf, durch das die Laserstrah len bei 939 nm, die das zugeordnete Segment 27a emittiert, pas sieren können, sodass diese Laserstrahlen von dem Segment 37a detektiert werden können. Demgegenüber blockt das spektrale Filter Licht anderer Wellenlängen und insbesondere bei 941 nm. Die von den Segmenten 27b und 27c emittierten Laserstrahlen können somit nicht von dem Detektionsfeld 37a detektiert werden. Die Detektion von unerwünschtem Streulicht kann somit vermin dert werden.
Die übrigen Detektionsbereiche 37b bis 37d sind mit entspre chenden Filtern ausgestattet, die an die Wellenlänge des zuge ordneten Segments 27b bis 27d angepasst sind.
Bei der Variante gemäß Figur 8a emittieren in einer Zeile bzw. einer Spalte des Pixelfelds 23 aneinander angrenzende Seg mente 27a bis 27d Laserstrahlen mit unterschiedlicher Polari sationsrichtung. Insbesondere emittiert ein Segment Laserstrah len mit horizontaler Polarisationsrichtung H, während die zu dem Segment in einer Zeile oder einer Spalte benachbarten Seg mente Laserstrahlen mit vertikaler Polarisationsrichtung V emittieren (vgl. die Polarisationsrichtungen in den Detektions bereichen 37a bis 37d des Detektionsfelds 35 der Empfangsein richtung 33 gemäß Figur 8b) . Beispielsweise emittieren die Pi- xel des Segments 27a Laserstrahlen mit horizontaler Polarisa tionsrichtung H, während die Pixel des Segments 27b, das in der Zeile des Pixelfelds 23 neben dem Segment 27a liegt, Laser strahlen mit vertikaler Polarisationsrichtung V abstrahlen. Das in der gleichen Spalte des Pixelfelds 23 unterhalb des Segments 27a liegende Segment 27c emittiert ebenfalls Laserstrahlen mit vertikaler Polarisationsrichtung V. Das in der gleichen Zeile danebenliegende Segment 27d emittiert dagegen Laserstrahlen mit horizontaler Polarisationsrichtung H.
Die Detektionsbereiche 37a bis 37d des Detektionsfelds 35 der Empfangseinrichtung 33 sind mit entsprechenden Polarisations filtern ausgestattet, sodass die Detektionsbereiche 37a und 37d Laserstrahlen mit horizontaler Polarisationsrichtung H detek- tieren können, und sodass die Detektionsbereiche 37b und 37c Laserstrahlen mit vertikaler Polarisationsrichtung V detektie- ren können.
Bei der Variante der Figur 8a sind die Segmente außerdem in Subsegmente unterteilt. Bevorzugt ist jedes Segment in zwei Subsegmente unterteilt, wobei jedem Subsegment die gleiche An zahl an Pixeln zugeordnet ist. Die Subsegmente unterscheiden sich darin, dass diese Licht unterschiedlicher Wellenlänge emit tieren. Beispielsweise ist das Segment 27a in die Subsegmente 39a und 39b unterteilt. Das Subsegment 39a umfasst die Pixel 25a und 25c und das Subsegment 39b umfasst die Pixel 25b und 25d des Segments 27a. In der entsprechenden Weise sind die Segmente 27b, 27c und 27d in jeweils zwei Subsegmente 39a und 39b unter teilt, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Die dem Subsegment 39a zugeordneten Pixel 25a und 25c emittieren beispielsweise Licht bei einer Wellenlänge von 939 nm, während die dem Subsegment 39b zugeordneten Pixel 25b und 25d Licht bei einer Wellenlänge von 941 nm emittieren. Zu beachten ist, dass die Anordnung der Segmente 39a und 39b sich von Segment zu Segment ändern kann. Die Pixel, die Licht einer Wellenlänge emittieren können, können somit von Segment zu Segment in un terschiedlichen Bereichen angeordnet sein.
Bei der Empfangseinrichtung 33 gemäß Figur 8a ist jeder Detek tionsbereich 37a bis 37d in zwei Subbereiche 41a und 41b unter teilt, die einem jeweiligen Subsegment 39a bzw. 39b zugeordnet sind und einen entsprechend angepassten spektralen Filter auf weisen, um Licht aus dem zugeordneten Subsegment passieren zu lassen und Licht aus dem jeweiligen nicht zugeordneten Subseg ment zu blockieren.
Bei der Variante gemäß den Figuren 8a und 8b kann die Detektion von Streulicht in den einzelnen Detektionsbereichen 37 durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen, insbesondere durch Ver wendung und Detektion von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und unterschiedlicher Polarisation, weiter redu ziert werden.
Mit Bezug auf die Figur 9a wird eine Variante einer erfindungs gemäßen optoelektronischen Vorrichtung beschrieben, bei der das Pixelfeld 23 der Sendeeinrichtung 21 mehrere Pixel 25 aufweist, die in Figur 8a durch gestrichelt eingezeichnete Linien vonei nander getrennt sind. Jeder Pixel 25 weist mehrere optoelekt ronische Laser auf, bei denen es sich bevorzugt um VCSEL han delt. Die VCSEL jedes Pixels 25 sind wiederum in zwei Gruppen von VCSELn unterteilt, die sich in ihren Temperaturbetriebsbe reichen unterscheiden.
Wie in Figur 9a für den links oben liegenden Pixel 25 gezeigt ist, weist dieser eine erste Gruppe von VCSELn 43a auf, deren Temperaturbetriebsbereich zum Beispiel im Bereich von -40 °C bis +40 °C liegt. Außerdem weist der Pixel 25 eine zweite Gruppe von VCSELn 43b auf, deren Temperaturbetriebsbereich zum Beispiel zwischen +40°C und +120°C liegt. Die anderen Pixel 25 des Pi xelfelds 23 sind mit einer entsprechenden ersten Gruppe von VCSELn und einer entsprechenden zweiten Gruppe von VCSELn aus gestattet. Jedes Pixel 25 des Pixelfelds 23 weist somit VCSEL auf, die einen Laserbetrieb in einem bei Automobilanforderungen geforderten Temperaturbereich von -40°C bis +120°C erlauben. Das Pixelfeld 23 der Sendeeinrichtung 21 gemäß Figur 9a eignet sich somit insbesondere zum Einsatz bei Automobilanwendungen.
Bei der Variante der Fig . 9b weist jeder Pixel 25 ebenfalls eine erste Gruppe von VCSELn 43a und eine zweite Gruppe von VCSELn 43b auf. Dabei sind zwei VCSEL 43a und ein VCSEL 43b vorgesehen. Dies ist nur als Beispiel zu sehen, zumal auch umgekehrt ein VCSEL 43a und zwei VCSEL 43b vorgesehen sein können. Die VCSEL 43a und 43b sind bezogen auf die Mittellinie einer Spalte leicht versetzt angeordnet, wie in Fig. 9b gezeigt.
Bei der Variante der Fig. 10 sind von Pixel 25 zu Pixel 25 Laser mit unterschiedlichen Temperaturbetriebsbereichen angeordnet. Das links oben liegende Pixel 25a weist beispielsweise nur VCSEL 43a der ersten Gruppe von VCSELn 43a auf, während das daneben liegende Pixel nur VCSEL 43b der zweiten Gruppe von VCSELn 43b aufweist. Insbesondere kann in jeder Zeile des Pixelfelds 23 von Pixel zu Pixel jeweils alternierend entweder die erste Gruppe von VCSELn 43a oder die zweite Gruppe von VCSELn 43b angeordnet sein. Gleiches gilt für jede Spalte des Pixelfelds. In jeder Spalte des Pixelfelds 23 kann daher von Pixel zu Pixel jeweils alternierend entweder die erste Gruppe von VCSELn 43a oder die zweite Gruppe von VCSELn 43b angeordnet sein. Die Herstellung wird dadurch vereinfacht, da in jedem Pixel bau gleiche VCSEL angeordnet sind.
Fig. 11 zeigt eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung der VCSEL 43a, 43b eines Pixels 25. Wie dargestellt, sind die VCSEL 43a, 43b sowohl der ersten als auch der zweiten Gruppe von VCSELn in Serie geschaltet. Es findet somit eine gemeinsame, gleichzeitige Ansteuerung der VCSEL 43a, 43b des Pixels 25 statt. Dabei wird mittels des Transistors 45 ein elektrischer Strom durch die VCSEL 43a, 43b an- bzw. ausgeschaltet, um die VCSEL zu betreiben bzw. nicht zu betreiben. Je nach Temperatur bereich sind dabei entweder die VCSEL der ersten Gruppe von VCSELn 43a oder die VCSEL der zweiten Gruppe von VCSELn 43b im optimalen Betriebsbereich, während die andere Gruppe von VCSELn nicht oder nur geringfügig zum Emissionsspektrum beiträgt. Eine gleichzeitige Emission der ersten und zweiten Gruppe von VCSELn 43a und 43b, zum Beispiel im Übergangsbereich bei 40°C zwischen den Temperaturbetriebsbereichen der beiden VCSEL-Gruppen, ist im Übrigen unproblematisch. Die Schaltung gemäß Fig . 11 ist einfach zu realisieren und kommt ohne Temperatursensor aus.
Fig. 12 zeigt eine elektronische Schaltung zur separaten An steuerung der VCSEL der ersten Gruppe von VCSELn 43a und der VCSEL der zweiten Gruppe von VCSELn 43b. Jede Gruppe von VCSELN ist in einer eigenen Reihe angeordnet, die parallel zueinander verlaufen, wie Fig. 12 zeigt. In Abhängigkeit von einer Tempe ratur, die mittels eines Temperatursensors 51 gemessen wird, wird entweder der Transistor 47 oder der Transistor 49 beauf schlagt, um entweder die VCSEL 43a der ersten Gruppe von VCSELn oder die VCSEL 43b der zweiten Gruppe von VCSELn zu betreiben. Bei dem Temperatursensor 51 kann es sich um einen Umgebungstem peratursensor handeln, wie er in einem modernen Kraftfahrzeug normalerweise bereits vorhanden ist.
Fig. 13 zeigt im Querschnitt einen Bereich einer Sendeeinrich tung 21, bei der das Pixelfeld 23 einen Träger 53 aufweist, auf dem array-artig Pixel 25 mit jeweils zumindest einem VCSEL 55 angeordnet sind. Der Träger 53 kann wenigstens eine integrierte Schaltung, zum Beispiel auf Silizium-Basis, zur Ansteuerung der VCSEL 55 aufweisen. Die Schaltung kann dabei Logikelemente sowie Treiberelemente, etwa Transistoren, aufweisen, um die VCSEL 55 zum Beispiel in einem Pulsbetrieb betreiben zu können. Bei dem Träger 23 kann es sich insbesondere um eine sogenannte Silizium- Backplane handeln.
Die VCSEL 55 können, insbesondere als pVCSEL (micro-scale VCSEL) , mittels parallelem Chiptransfer auf dem Träger 23 an geordnet werden. Alternativ können die VCSEL 55 als Wafer mit tels Waferbonding direkt auf dem Träger 53 „gebondet" werden.
Bei der Ausgestaltung der Fig. 14 ist der Träger 53 passiv ausgestaltet. Jedem Pixel 25 ist eine Steuerung 57 zugeordnet, die auf dem Träger 23 angeordnet ist und mittels welcher der Betrieb der VCSEL 55 des Pixels 25 erfolgt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass einer Steuerung 57 mehrere Pixel 25 zu geordnet sind.
Die VCSEL 55, insbesondere als pVCSEL, und die Steuerungen 57 können mittels parallelem Chiptransfer auf dem passiven Träger 23 angeordnet werden. Die Steuerungen 57 können dabei als in tegrierte Schaltkreise ausgestaltet sein.
Fig. 15 dient zur Illustration unterschiedlicher Möglichkeiten zur Anordnung von VCSELn auf dem Träger 53. Beispielsweise kann der VCSEL 55, insbesondere als pVCSEL, substratlos auf dem Trä ger 53 angeordnet werden. In einer Variante kann der VCSEL 55 mittels eines Hilfssubstrates 59 auf dem Träger 53 angeordnet werden. Das Hilfssubstrat kann zum Beispiel durch ein „Umbonden" eines VCSEL Wafers auf ein Si-, Ge-, SiC- oder Saphirsubstrat und anschließendes Entfernen des ursprünglichen Wachstumssub strats erzeugt werden.
In einer weiteren Variante kann der VCSEL 55 in einer sogenann ten Backside-Anordnung auf dem Träger 53 angeordnet werden. Das über dem VCSEL 55 liegende Substrat 61 kann beispielsweise aus GaAs bestehen. Eine Lichtauskopplung bei zum Beispiel 940 nm durch das GaAs Substrat ist dabei möglich. In noch einer weiteren Variante kann auf der Oberseite des Substrats 61, zum Beispiel aus GaAs, eine Linse 63, zum Beispiel zur Strahlkollimation, ausgebildet sein. In noch einer Variante kann ein VCSEL 55 mittels eines Substrats 65, beispielsweise GaAs, auf dem Träger 53 angeordnet sein. Das Substrat 65 befindet sich dabei zwischen dem Träger 53 und dem VCSEL 55. Bei den vorstehen beschriebenen optoelektronische Vorrichtungen sind die Sendeeinrichtungen 21 zum Aussenden von Laserstrahlen ausgestaltet, wobei eine jeweilige Sendeeinrichtung 21 ein Feld 23 von Pixeln 25 aufweist und jeder Pixel 25 des Pixelfelds 23 zumindest einen Laser, insbesondere einen VCSEL, aufweist. Eine Empfangseinrichtung 33 ist ferner zur Detektion von, insbeson dere an Objekten zurückreflektierten, Laserstrahlen vorgesehen. Die Pixel 25 des Pixelfelds 23 können in mehrere Sätze von Pixeln unterteilt sein, und die jeweilige Sendeeinrichtung 21 ist dazu ausgebildet, die Sätze von Pixeln in unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zu betreiben.
Die in Fig. 16a dargestellte Draufsicht auf eine Sendeeinrich tung 21 von einer Variante einer erfindungsgemäßen optoelekt ronischen Vorrichtung umfasst ein Pixelfeld 23. Jeder Pixel 25 des Pixelfelds 23 umfasst einen als VCSEL ausgebildeten opto elektronischen Laser 25. Alternativ kann es sich um einen je weiligen pVCSEL, VECSEL oder pVECSEL handeln.
Die Pixel 25 des Pixelfelds 23 sind in wenigstens einen ersten Satz von Pixeln 67 und in einen zweiten Satz von Pixeln 69 unterteilt, wobei in dem Beispiel der Fig. 16a die Pixel 67, 69 in einem schachbrettartigen Muster angeordnet sind.
Jeder Pixel des ersten Satzes von Pixeln 67 umfasst dabei einen VCSEL, der für einen Laserbetrieb in einem ersten, niederen Temperaturbereich (LT für „low temperature" ) , zum Beispiel zwi schen -40°C und + 25°C, ausgelegt ist. Jeder Pixel des zweiten Satzes von Pixeln 69 umfasst demgegenüber wenigstens einen VCSEL, der für einen Laserbetrieb in einem zweiten, höheren (HT für „high temperature") Temperaturbereich, zum Beispiel zwi schen 25°C und +90°C, ausgelegt ist.
Im Unterschied zu der Variante gemäß Fig. 16a sind bei der in Fig . 16b in der Draufsicht dargestellten Sendeeinrichtung 21 die Pixel 25 des ersten und zweiten Satzes von Pixeln 67, 69 in unterschiedlichen Spalten des Pixelfelds 23 angeordnet.
Die in Fig. 16a, b gezeigte schachbrettartige bzw. spaltenartige Anordnung des ersten und zweiten Satzes von Pixeln 67, 69 in dem jeweiligen Pixelfeld 23 ist nur als Beispiel zu sehen. Auch andere Anordnungen des ersten und zweiten Satzes von Pixeln 67, 69 sind möglich. Auch ist die Aufteilung der Pixel zu einer Hälfte in die Pixel des ersten Satzes von Pixeln 67 und zu einer weiteren Hälfte in die Pixel des zweiten Satzes von Pixeln 69 als Beispiel zu sehen. Auch andere Aufteilungen sind möglich.
Da die VCSEL des ersten Satzes von Pixeln 67 für einen Laser betrieb in dem ersten, niederen Temperaturbereich ausgelegt sind, und die VCSEL des zweiten Satzes von Pixel 69 für einen Laserbetrieb in einem zweiten, höheren Temperaturbereich aus gelegt sind, eignet sich eine optoelektronische Vorrichtung mit einer Sendeeinrichtung gemäß Fig. 16a oder Fig. 16b für den Einsatz in Applikationen mit stark variierender Umgebungstem peratur, zum Beispiel in einem Lidar-System eines Fahrzeugs.
Der erste und zweite Temperaturbereich können sich dabei teil weise überlappen oder direkt aneinander anschließen, insbeson dere ohne zu überlappen. Für die elektrische Ansteuerung der VCSEL kann vorgesehen sein, dass die VCSEL des ersten und zweiten Satzes von Pixeln 67, 69 parallelgeschaltet sind. Dadurch können alle VCSEL gleichzeitig betrieben werden. Bei niedrigen Temperaturen tragen dann die VCSEL des ersten Satzes von Pixeln 67 zumindest im Wesentlichen zur Laseremission bei. Im Bereich höherer Temperaturen tragen demgegenüber die VCSEL des zweiten Satzes von Pixeln 69 zumin dest im Wesentlichen zur Laseremission bei.
Alternativ können die VCSEL des ersten Satzes von Pixeln 67 separat von den VCSELn des zweiten Satzes von Pixeln 69 ansteu erbar sein. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass ein Substrat, auf dem die VCSEL aufgebracht sind, einen Chip, bspw. auf Silizium- oder auf CMOS-Basis, aufweist, der eine Stromquelle, insbesondere einen Schalttransistor, pro opto elektronischen Laser beinhaltet. Dadurch kann durch entspre chende Ansteuerung der Schalttransistoren ein getrennter Be trieb der unterschiedlichen Sätze von Pixeln bewerkstelligt werden. Auch andere Möglichkeiten zur separaten Ansteuerung der Pixelsätze sind denkbar.
Die VCSEL des ersten Satzes von Pixeln 67 und des zweiten Satzes von Pixeln 69 können von unterschiedlichen Wafern stammen. Die Wafer können so ausgelegt sein, dass die VCSEL auf den Wafern durch die Auslegung ihrer Spiegelschichten und der Länge der Kavität zwischen den Spiegelschichten, in der die aktive Zone angeordnet ist, zumindest im Wesentlichen dieselbe Emissions wellenlänge Ares aufweisen. Die VCSEL von den beiden Wafern kön nen sich jedoch dadurch unterscheiden, dass sich die Wellenlän genposition des Verstärkungsspektrums bei derselben Temperatur unterscheiden, wie die Fig. 17a und b anhand der Verstärkungs kurven bei -40°C, 25°C und 90°C zeigen. Die VCSEL eines Wafers sind damit für den Laserbetrieb im unteren, ersten Temperatur bereich optimiert, wie Fig. 17a zeigt, während die VCSEL des anderen Wafers für den Laserbetrieb im oberen, zweiten Tempe raturbereich optimiert sind, wie Fig . 17b zeigt.
Die Optimierung auf einen Temperaturbereich, der zwischen einer unteren Temperatur, z.B. -40°C, und einer oberen Temperatur, z.B. +25°C, liegt, kann dadurch erreicht werden, dass die Emis sionswellenlänge Ares zumindest annähernd durch den Schnittpunkt der Verstärkungskurven zur unteren und oberen Temperatur ver läuft, wie in den Fig. 17a und b gezeigt ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
21 Sendeeinrichtung
23 Pixelfeld
25, 25a - 25d Pixel
27, 27a - 27d Segmente
29 Zielfeld (Field of Illumination FOI)
31 Linse
33 Empfangseinrichtung
35 Detektionsfeld
37, 37a - 37d Detektionsbereich
39a, 39b Subsegment
41a, 41b Subbereich
43a erste Gruppe von VCSELn
43b zweite Gruppe von VCSELn
45 Transistor
47 Transistor
49 Transistor
51 Temperatursensor
53 Träger
55 VCSEL
57 Steuerung
59 Hilfssubstrat
61 Substrat
63 Linse
65 Substrat
67 erster Satz von VCSELn
69 zweiter Satz von VCSELn H horizontale Richtung
V vertikale Richtung
kres Emissionsweilenlänge

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optoelektronische Vorrichtung, insbesondere zur Detektion von Hindernissen und/oder zur Entfernungsmessung, mit: einer Sendeeinrichtung (21) zum Aussenden von Laserstrah len, wobei die Sendeeinrichtung (21) ein Feld (23) von Pi xeln (25) aufweist, wobei jeder Pixel (25) des Pixelfelds (23) zumindest einen Laser, insbesondere einen optoelekt ronischen Laser, wie etwa einen VCSEL, pVCSEL, VECSEL oder pVECSEL, aufweist,
wobei die Pixel (25) des Pixelfelds (23) in mehrere Sätze von Pixeln unterteilt sind, und
wobei die Sendeeinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, die Sätze von Pixeln in unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zu betreiben.
2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sätze von Pixeln in einer sich ändernden Reihenfolge in den Zeitintervallen betreibbar sind.
3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Pixelfeld (23) in eine Anzahl N an Segmenten (27) un- terteilt ist, wobei aus jedem Segment (27) jeweils ein Pixel
(25) jeweils einem Satz von Pixeln zugeordnet ist.
4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes Segment (27) die gleiche Anzahl L an Pixeln (25) aufweist, und/oder
eine Anzahl K an Sätzen von Pixeln (25) vorhanden sind, wobei die Anzahl K an Sätzen von Pixeln (25) der Anzahl L an Pixeln (25) pro Segment (27) entspricht.
5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese eine Empfangseinrichtung (33) zur Detektion von, ins- besondere an Objekten zurückreflektierten, Laserstrahlen aufweist,
wobei, bevorzugt, die Empfangseinrichtung (33) ein zweidi mensionales Detektionsfeld (35) aufweist, welches in eine Anzahl M an Detektionsbereichen (37) unterteilt ist, wobei jeder Detektionsbereich (37) zur Detektion von Laserstrah len der Sendeeinrichtung (21) ausgebildet ist.
6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzahl M an Detektionsbereichen (37) einer Anzahl N an
Segmenten (27) entspricht, in welche das Pixelfeld (23) unterteilt ist, wobei jeweils ein Detektionsbereich (37) jeweils einem Segment (27) derart zugeordnet ist, dass der Detektionsbereich (37) zur Detektion von zurückreflektier ten Laserstrahlen vorgesehen ist, die aus dem zugeordneten Segment (27) stammen.
7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Detektionsbereich (37) wenigstens einen Pixel (25) zur Detektion der Laserstrahlung aufweist.
8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
alle Pixel (25) des gleichen Segments (27) des Pixelfelds (23) Laserstrahlen mit der gleichen Polarisation und/oder der gleichen Wellenlänge abstrahlen.
9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pixel (25) wenigstens eines ersten Segments (27a, 27d) des Pixelfelds (23) Laserstrahlen mit einer ersten Polari sation (H) emittieren,
die Pixel wenigstens eines zweiten Segments (27b, 27c) des Pixelfelds (23) Laserstrahlen mit einer zweiten Polarisa tion (V) emittieren,
wobei die erste und zweite Polarisation verschieden, und insbesondere orthogonal zueinander, sind.
10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pixel (25) wenigstens eines ersten Segments (27a, 27d) des Pixelfelds (23) Laserstrahlen mit einer ersten Wellen länge emittieren,
die Pixel (25) wenigstens eines zweiten Segments (27d, 27c) des Pixelfelds (23) Laserstrahlen mit einer zweiten Wel lenlänge emittieren,
wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge ver schieden sind.
11. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Segmente (27) des Pixelfelds (23) wenigstens zwei Zei len bilden, wobei jede Zeile wenigstens zwei Pixel (25) aufweist .
12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel (25) eines ersten Segments (27a, 27d) des Pixel felds (23) Laserstrahlen mit einer Polarisation (H) emit tieren, die verschieden ist zu der Polarisation (V) der Laserstrahlen, welche von den Pixeln (25) wenigstens eines zweiten Segments (27b, 27c) emittiert werden, wobei das zweite Segment (27b, 27c) benachbart zu dem ersten Segment (27a, 27d) in der gleichen Zeile oder der darunterliegenden Zeile angeordnet ist.
13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Pixel (25) eines ersten Segments (27a, 27d) des Pixel felds (23) Laserstrahlen mit einer Wellenlänge emittieren, die verschieden ist zu der Wellenlänge der Laserstrahlen, welche von den Pixeln (25) wenigstens eines zweiten Seg ments (27b, 27c) emittiert werden, wobei das zweite Segment (27b, 27c) benachbart zu dem ersten Segment (27a, 27b) in der gleichen Zeile oder der darunterliegenden Zeile ange ordnet ist.
14. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Detektionsbereich (37a-37d) wenigstens einen Polari sationsfilter aufweist, welcher an die Polarisation (V, H) der Laserstrahlung angepasst ist, die die Pixel des zuge ordneten Segments (27a-27d) emittieren.
15. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Detektionsbereich (37a-37d) wenigstens einen spekt ralen Filter aufweist, welcher an die Wellenlänge der La serstrahlung angepasst ist, die die Pixel (25) des zuge ordneten Segments (27a-27d) emittieren.
16. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein und bevorzugt jeder Pixel (25) wenigstens zwei Laser (43a, 43b) aufweist, die unterschiedliche Tem peraturbetriebsbereiche aufweisen,
wobei, bevorzugt, der Temperaturbetriebsbereich von wenigs tens einem der Laser (43a) eines Pixels (25) in einem ersten Intervall, insbesondere im Bereich von -40°C bis +40°C, liegt, und
wobei, ferner bevorzugt, der Temperaturbetriebsbereich von wenigstens einem anderen Laser (43b) des Pixels (25) in einem zweiten Intervall, insbesondere im Bereich von +40°C bis +120°C, liegt.
17. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens zwei Laser (43a, 43b) eines Pixels (25) ge meinsam betreibbar sind, oder
dass in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur der wenigstens eine Laser (43a, 43b) betreibbar ist, in dessen Temperaturbetriebsbereich die aktuelle Temperatur liegt.
18. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein erster Pixel ausschließlich zwei oder mehr Laser (43a) mit einem ersten Temperaturbetriebsbereich auf weist, und wenigstens ein zweiter Pixel ausschließlich zwei oder mehr Laser (43b) mit einem zweiten Temperaturbetriebs bereich aufweist.
19. Optoelektronische Vorrichtung, insbesondere zur Detektion von Hindernissen und/oder zur Entfernungsmessung, mit: einer Sendeeinrichtung (21) zum Aussenden von Laserstrah len, wobei die Sendeeinrichtung (21) ein Feld (23) von Pi- xeln (25) aufweist, wobei jeder Pixel (25) des Pixelfelds (23) zumindest einen Laser, insbesondere einen optoelekt ronischen Laser, wie etwa einen VCSEL oder VECSEL, auf weist, und
einer Empfangseinrichtung (33) zur Detektion von, insbe sondere an Objekten zurückreflektierten, Laserstrahlen, wobei die Pixel (25) des Pixelfelds (23) in mehrere Sätze von Pixeln unterteilt sind, und
wobei die Sendeeinrichtung (21) dazu ausgebildet ist, die Sätze von Pixeln in unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zu betreiben.
20. Optoelektronische Vorrichtung, insbesondere zur Detektion von Hindernissen und/oder zur Entfernungsmessung,
insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optoelektronische Vorrichtung umfasst:
eine Sendeeinrichtung (21) zum Aussenden von Laserstrahlen, wobei die Sendeeinrichtung (21) ein Feld (23) von Pixeln (25) aufweist, wobei jeder Pixel (25) des Pixelfelds (23) zumindest einen Laser, insbesondere einen optoelektroni schen Laser, wie etwa einen VCSEL, pVCSEL, VECSEL oder pVECSEL, aufweist,
wobei die Pixel (25) des Pixelfelds (23) in wenigstens einen ersten Satz von Pixeln (67) und in einen zweiten Satz von Pixeln (69) unterteilt sind,
wobei jeder Pixel (25) des ersten Satzes von Pixeln (67) wenigstens einen optoelektronischen Laser aufweist, der für einen Laserbetrieb in einem ersten Temperaturbereich, zum Beispiel zwischen -40°C und + 25°C, ausgelegt ist, und wobei jeder Pixel (25) des zweiten Satzes von Pixeln (69) wenigstens einen optoelektronischen Laser aufweist, der für einen Laserbetrieb in einem zweiten Temperaturbereich, zum Beispiel zwischen 25°C und +90°C, ausgelegt ist.
21. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger optoelektronischen Laser eine Resonatoran ordnung und eine aktive Zone aufweist, wobei die aktive Zone in die Resonatoranordnung eingebettet ist.
22. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Resonatoranordnungen der optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln (67) und die Resonatoranordnungen der optoelektronischen Laser des zweiten Satzes von Pixeln (69) zumindest im Wesentlichen gleich ausgestaltet und/oder dimensioniert sind.
23. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass
die aktiven Zonen der optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln (67) und die aktiven Zonen der optoelekt ronischen Laser des zweiten Satzes von Pixeln (69) unter schiedlich ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, wobei die aktiven Zonen der optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln (67) auf einen Laserbetrieb in dem ersten Temperaturbereich abgestimmt sind, und
wobei die aktiven Zonen der optoelektronischen Laser des zweiten Satzes von Pixeln (69) auf einen Laserbetrieb in dem zweiten Temperaturbereich abgestimmt sind.
24. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln (67) vom einem ersten Wafer und die optoelektronischen La ser des zweiten Satzes von Pixeln (69) von einem zweiten Wafer stammen.
25. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
des Pixelfelds (23) mehrere Zeilen oder Spalten mit Pixeln (25) umfasst,
wobei in aufeinanderfolgenden Zeilen oder Spalten jeweils abwechselnd nur Pixel des ersten Satzes von Pixeln (67) oder Pixel des zweiten Satzes von Pixeln (69) angeordnet sind, oder
wobei in jeder Zeile oder Spalte jeweils abwechselnd ein Pixel (25) des ersten und des zweiten Satzes von Pixeln (67, 69) angeordnet ist, insbesondere derart, dass sich eine schachbrettartige Anordnung der Pixel (25) des ersten und des zweiten Satzes von Pixeln (67, 69) ergibt.
26. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optoelektronischen Laser des ersten Satzes von Pixeln (67) elektrisch getrennt von den optoelektronischen Laser des zweiten Satzes von Pixeln (69) ansteuerbar sind.
27. Lidar-System mit:
wenigstens einer optoelektronischen Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und
einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung einer Entfernung zu einem die ausgesandten Laserstrahlen reflektierenden Ob jekt in Abhängigkeit von mittels einer Empfangseinrichtung (33) der optoelektronischen Vorrichtung detektierten La serstrahlen .
28. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrich tung, insbesondere einer optoelektronischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ausbilden eines Pixelfelds (23) mit einer Vielzahl von Pi- xeln (25) auf einem Träger (53), wobei jeder Pixel (25) zumindest einen optoelektronischen Laser, insbesondere ei nen VCSEL oder pVCSEL aufweist, und
Anordnen zumindest einer elektronischen Steuerung (57) zur
Ansteuerung der Pixel (25), insbesondere auf dem Träger (53), wobei zu Ansteuerungszwecken die Pixel (25) des Pi xelfelds (23) in mehrere Sätze von Pixeln (25) unterteilt sind, und wobei die Steuerung derart ausgestaltet ist, dass diese die Sätze von Pixeln (25) in unterschiedlichen, auf einanderfolgenden Zeitintervallen betreibt.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023157649A (ja) * 2022-04-15 2023-10-26 富士フイルムビジネスイノベーション株式会社 発光素子アレイ、発光装置、及び検出装置
JP2024515871A (ja) * 2021-04-30 2024-04-10 上海禾賽科技有限公司 光探知装置及び探知方法
US12072422B2 (en) 2020-10-30 2024-08-27 Waymo Llc Light detection and ranging (lidar) devices having vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) emitters

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110636294B (zh) * 2019-09-27 2024-04-09 腾讯科技（深圳）有限公司 视频解码方法及装置，视频编码方法及装置
US12503082B2 (en) * 2022-08-17 2025-12-23 Gm Cruise Holdings Llc Baffle assembly
DE102022125222A1 (de) 2022-09-29 2024-04-04 Schwind Eye-Tech-Solutions Gmbh Strahlenvorrichtung und Bearbeitungsvorrichtung, umfassend eine Strahlenvorrichtung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140376579A1 (en) * 2009-02-23 2014-12-25 Cirrex Systems, Llc Method and system for managing thermally sensitive optical devices
US20180068458A1 (en) * 2014-12-22 2018-03-08 Google Llc Time-Of-Flight Camera System and Method To Improve Measurement Quality Of Weak Field-Of-View Signal Regions
US20180329061A1 (en) * 2017-05-15 2018-11-15 Ouster, Inc. Spinning lidar unit with micro-optics aligned behind stationary window

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001085798A (ja) 1999-09-10 2001-03-30 Hitachi Ltd 半導体レーザモジュールおよび波長分割多重光伝送システム
JP2003198018A (ja) * 2001-12-28 2003-07-11 Communication Research Laboratory 光励起型固体レーザ発振器
KR100536712B1 (ko) 2003-08-25 2005-12-14 주식회사 대우일렉트로닉스 홀로그래픽 롬 재생 시스템
CN102506748B (zh) 2011-10-21 2013-09-04 李志扬 一种基于激光探针阵列的三维测量方法及装置
DE102013104046A1 (de) * 2013-04-22 2014-10-23 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optische Anordnung und Anzeigegerät
WO2015059705A1 (en) 2013-10-23 2015-04-30 Pebbles Ltd. Three dimensional depth mapping using dynamic structured light
JP6292533B2 (ja) * 2013-12-06 2018-03-14 株式会社リコー 物体検出装置及びセンシング装置
US9831630B2 (en) * 2014-02-06 2017-11-28 GM Global Technology Operations LLC Low cost small size LiDAR for automotive
JP6511733B2 (ja) * 2014-05-30 2019-05-15 株式会社デンソー 光飛行型測距装置
JP6291632B1 (ja) 2015-02-19 2018-03-14 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. 赤外線レーザ照明装置
JP6671629B2 (ja) * 2015-03-18 2020-03-25 株式会社リコー 物体検出装置、センシング装置、及び移動体装置
JP6716864B2 (ja) * 2015-06-19 2020-07-01 ソニー株式会社 投影装置および投影方法、投影モジュール、電子機器、並びにプログラム
DE102016219510B4 (de) 2015-10-30 2025-11-13 pmdtechnologies ag Lichtlaufzeitkamerasystem
US10324171B2 (en) * 2015-12-20 2019-06-18 Apple Inc. Light detection and ranging sensor
EP3410147A4 (de) * 2016-01-29 2019-01-02 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Abstandsmesser
US10761195B2 (en) 2016-04-22 2020-09-01 OPSYS Tech Ltd. Multi-wavelength LIDAR system
US10429496B2 (en) * 2016-05-27 2019-10-01 Analog Devices, Inc. Hybrid flash LIDAR system
US20180074196A1 (en) * 2016-05-27 2018-03-15 Harvey Weinberg Hybrid flash lidar system
EP3282285B1 (de) 2016-08-09 2020-09-09 Facebook Technologies, LLC Mehrfachemittierende lichtquelle zur tiefeninformationsbestimmung
CN206322998U (zh) 2017-01-13 2017-07-11 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种提高面阵ld泵浦耦合均匀性的装置
US11555923B2 (en) 2017-07-24 2023-01-17 Intel Corporation LIDAR system with speckle mitigation
US12085675B2 (en) * 2018-04-09 2024-09-10 Sense Photonics, Inc. Automatic gain control for LIDAR for autonomous vehicles
JP2020153796A (ja) 2019-03-19 2020-09-24 株式会社リコー 測距装置、及び測距方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140376579A1 (en) * 2009-02-23 2014-12-25 Cirrex Systems, Llc Method and system for managing thermally sensitive optical devices
US20180068458A1 (en) * 2014-12-22 2018-03-08 Google Llc Time-Of-Flight Camera System and Method To Improve Measurement Quality Of Weak Field-Of-View Signal Regions
US20180329061A1 (en) * 2017-05-15 2018-11-15 Ouster, Inc. Spinning lidar unit with micro-optics aligned behind stationary window

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12072422B2 (en) 2020-10-30 2024-08-27 Waymo Llc Light detection and ranging (lidar) devices having vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) emitters
JP2024515871A (ja) * 2021-04-30 2024-04-10 上海禾賽科技有限公司 光探知装置及び探知方法
JP7736813B2 (ja) 2021-04-30 2025-09-09 上海禾賽科技有限公司 光探知装置及び探知方法
JP2023157649A (ja) * 2022-04-15 2023-10-26 富士フイルムビジネスイノベーション株式会社 発光素子アレイ、発光装置、及び検出装置

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