车辆激光雷达系统的制作方法

本发明涉及一种车辆激光雷达系统以及一种车辆激光雷达系统的应用。

背景技术：

由公开文献DE 10 2007 004 609 A1已知一种用于在基于车辆的激光雷达系统中使用的激光与光学器件系统。所述系统包括半导体激光器阵列和合适的透镜系统或另一光学器件系统。所述系统通过以下方式运行：其应当替代使用机械地转动的或移位的反射光学器件的激光雷达激光系统。

公开文献DE 10 2011 115 717 A1示出一种具有光谱议的可持握的远望镜。光谱仪例如可以具有硅传感器。

公开文献DE 10 207 610 A1示出用于检测并且处理电信号和光信号的方法和设备。

当今的用于车辆应用的摄像机系统通常借助在可见的波长范围中或近红外的价格低的CMOS硅探测器工作或者借助在大于900nm至1700nm的波长范围中的价格高的铟镓砷(InGaAs)探测器工作。激光雷达系统通常在905nm时借助硅探测器工作或者在1.5μm时同样借助价格高的铟镓砷探测器或锗探测器工作。两个传感器通常是独立自主的系统。

必要时，通过传感器融合使测量数据彼此结合。

技术实现要素：

本发明所基于的任务可以视为，提供一种车辆激光雷达系统。

本发明所基于的任务也可以视为，说明一种车辆雷达系统的应用。

所述任务借助独立权利要求的相应主题来解决。本发明的有利构型分别是从属权利要求的主题。

根据一个方面，提供一种车辆激光雷达系统，其包括：

-用于发射激光脉冲的脉冲激光器，

-至少一个可偏转地布置的镜，所述镜用于使激光脉冲朝待探测的对象的方向偏转，

-用于探测由对象反射的激光脉冲的接收器，其中，

-所述接收器包括CMOS-兼容图像传感器，所述CMOS-兼容图像传感器用于检测经反射的激光脉冲并且用于拍摄可借助经偏转的激光脉冲照明的区域的图像。

根据另一方面，车辆雷达系统用于检测车辆的周围环境中的对象。也就是说，借助车辆激光雷达系统检测车辆的周围环境中的对象。尤其借助车辆激光雷达系统进行激光脉冲的飞行时间测量，从而能够以有利的方式进行待探测的对象的距离测量。

根据另一方面，提出一种车辆，所述车辆包括车辆激光雷达系统。

本发明因此尤其包括以下设想：设置用于探测由对象反射的激光脉冲的接收器(也可以称作探测器)，其中接收器包括CMOS-兼容图像传感器(也可以不写连字符：即CMOS兼容图像传感器)，所述CMOS-兼容图像传感器不仅可以检测经反射的激光脉冲，而且可以拍摄可借助经偏转的激光脉冲照明的区域的图像。根据本发明的CMOS-兼容图像传感器因此具有以下双重功能：检测经反射的激光脉冲并且拍摄图像。与已知的现有技术不同地，因此需要仅仅一个唯一的传感器来不仅提供激光雷达功能(尤其对于距离检测而言)而且提供图像检测功能。与此相反地，在已知的现有技术中需要两个传感器，以便能够实现或提供上述功能。因此，根据本发明的车辆激光雷达系统与已知的系统相比更小且更紧凑并且因此可以安装在更小的安装空间中。

根据一种实施方式，CMOS-兼容图像传感器是CMOS图像传感器。

在CMOS图像传感器中，可以在没有变型和/或修改的情况下应用CMOS过程。在CMOS兼容图像传感器中应用CMOS基本过程，但在过程中的变化(修改、新的过程步骤)是可能的。也就是说，CMOS图像传感器在CMOS过程中制造。CMOS兼容图像传感器至少部分地在CMOS过程中制造，即基于CMOS制造过程，其中相对于CMOS制造过程在CMOS兼容图像传感器的制造中进行变化和/或更新。

根据一种实施方式设置，CMOS兼容图像传感器包括多个像素，其中设置分析处理电子器件，所述分析处理电子器件构造用于读取CMOS兼容图像传感器的像素的信号并且基于所读取的信号求取与所探测的对象的距离。由此，尤其实现以下技术优点：可以对于每一个像素进行激光脉冲的相应的飞行时间测量。也就是说，可以使用每一个像素信号自身来求取与所探测的对象的距离。尤其设置，读取一组像素，其中使用这组像素的所读取的信号来求取与所探测的对象的距离。因此，以有利的方式进行所谓的“飞行时间(TOF)”测量，德语：(Laufzeitmessung)飞行时间测量。

在另一实施方式中设置，光学元件设置用于将可照明区域成像到CMOS兼容图像传感器上。由此，尤其实现以下技术优点：可照明区域可以最优地成像到CMOS兼容图像传感器上，使得CMOS兼容图像传感器检测整个可照明区域并且就这方面而言也可以探测位于所述可照明区域中的对象。光学元件例如是透镜或镜、例如抛物面镜。优选设置多个光学元件，它们尤其相同或不同地构造。

根据另一实施方式设置，光学元件对于以下波长范围具有至少95％、例如>99％的透射度，所述波长范围相应于激光波长加减≤20nm、优选加减≤10nm的，其中，对于所述波长范围之外的波长的透射度小于50％、优选小于20％。由此，尤其实现以下技术优点：可以增大信噪比。

在另一实施方式中设置，CMOS兼容图像传感器构造用于探测具有至少900nm、优选至少1000nm的波长的电磁辐射。由此，尤其实现以下技术优点：CMOS兼容图像传感器也可以检测具有至少900nm、优选至少1000nm的波长的激光脉冲。在大于900nm、优选大于1000nm的所述波长范围中，对于所述电磁辐射而言相对于眼睛的损害的敏感度降低，从而在使用车辆激光雷达系统的情况下通常不引起车辆的周围环境中的交通参与者的危险。

在另一实施方式中设置，CMOS兼容图像传感器具有掺杂的和/或表面修改的硅作为传感器材料。由此，尤其实现以下技术优点：与未掺杂的或未表面修改的硅相比，所述硅对于大于900nm、尤其大于1000nm的波长而言更敏感。所述硅例如称为黑硅(black Silicon)或者称为粉硅(pink Silicon)。作为掺杂物，例如可以设置硫。

在表面修改时，通过从空气到硅的折射率跳跃极大地减小反射度，从而更多到达的光子侵入到图像传感器中并且然后可以相应地被探测。表面修改例如通过借助短激光脉冲的结构化实施。所述激光脉冲例如具有≤10ns、例如≤1ns的脉冲持续时间。例如，表面修改可以借助涂层实现。也就是说，硅被涂覆。

通过硅的掺杂尤其实现以下技术效果：由此增大光子的吸收概率，从而也在更长的波长时增大探测器的敏感度。

根据另一实施方式设置，脉冲激光器是具有至少100kW/(mm²sr)的亮度(Brillanz)的固体激光器，其构造用于发射具有至少900nm、优选至少1000nm的波长并且具有至少50W的每激光脉冲最大功率的激光脉冲。

根据一种实施方式设置，固体激光器具有至少1MW/(mm²sr)的亮度。优选地，固体激光器的亮度位于100kW/(mm²sr)与1MW/(mm²sr)之间。通常，更大的亮度以有利的方式意味着车辆激光雷达系统的更大的探测作用范围。也就是说，也能够以有利的方式探测或者检测在与固体激光器直至200m间距上的对象。亮度尤其可以称作射束质量在光学器件中以及在激光技术中，亮度通常描述电磁辐射的射束——在此是激光射束——的聚束(Bündelung)。

根据一种实施方式设置，每激光脉冲的最大功率为50W与100W之间。更大的最大功率在此也意味着更大的作用范围。每激光脉冲最大功率意味着，也可以以更小功率发射激光脉冲。每激光脉冲的最大可能功率相应地为50W、100W或者50W或100W之间的值。

根据另一实施方式设置，激光脉冲具有≤100ns、优选≤50ns、尤其≤10ns、例如≤1ns的持续时间，尤其在2ns与20ns之间、优选在2ns与4ns之间、例如2.2ns。更小的脉冲持续时间通常实现在距离测量方面的改善的精度或者分辨率。

根据一种实施方式设置，可以电学地和/或光学地泵浦或激励脉冲激光器。也就是说，可以电学地和/或光学地泵浦或激励固体激光器。

在另一实施方式中设置，固体激光器构造为垂直谐振器表面发射激光器。所述垂直谐振器表面发射激光器用英语通常称作“vertical cavity surface emitting laser(垂直腔面发射激光器)”。相应的缩写是：VCSEL。通过所述垂直发射器的设置，能够以有利的方式与已知的边发射器相比特别简单地实现上述射束质量或亮度。这尤其也在车辆激光雷达系统的作用范围>50m、尤其直至200m时在200m时在分辨率例如1x1m²的情况下实现。此外有利的是，所述垂直发射器与已知的边发射器相比更稳健。例如，不会由于过流并且因此由于耦合输出棱边(Auskoppelfacette)上的高脉冲功率毁坏VCSEL。更确切地说，VCSEL在任何情况下示出热积累(Roll-over)。这种热滚动不导致毁坏并且以有利的方式可逆。此外，VCSEL可在晶片级规模上制造并且测试，从而可缩放制造成本，尤其可与高功率LED相似地缩放。在热滚动中，激光器材料变热，因此效率降低，这导致激光器材料变得更热。从确定的效率降低起，激光器熄灭。LED和垂直发射器向上辐射功率。即使当整个晶片还没有分割时，在制造时也可以测试辐射特性。与此相反，边发射器从侧面辐射，并且因此不能实现测试。因此，必须首先分割(切割)晶片，以便测试激光器。因此，当垂直发射器还布置在晶片上时、即在分割之前，就可以测试垂直发射器。因为垂直发射器向上辐射。此外，以有利的方式特别简单地借助所述垂直发射器生成或者产生<1ns脉冲上升时间的短脉冲。这尤其在与已知的边发射器相比更大的占空比时有利。占空比(英语：duty cycle)理解为“运行、即‘开’”与“不运行、即‘关’”之间的比例。在一种实施方式中，固体激光器的占空比为1％至2％之间。边发射器当今部分地实现仅仅小于1％或者更低。

本发明意义上的固体激光器尤其包括激光活性的材料，其嵌入在晶格或另一有价材料中。所述固体激光器的示例是：掺杂钕或镱的钇铝石榴石(Nd：YAG，Yb：YAG)。此外，根据其他实施方式，固体激光器也可以是半导体激光器。半导体激光器例如可以是铝-砷化镓激光器(Aluminium-Galliumarsenid-Laser)。其发射具有波长直至1100nm的激光辐射。半导体激光器例如可以包括掺杂铟或掺杂磷的激光活性的材料。所述半导体激光器发射在>1000nm的波长范围中的激光辐射。

在另一实施方式中，设置处理装置，所述处理装置构造用于基于所拍摄的图像求取可照明区域中的确定的区域，其中所述脉冲激光器能够根据所求取的区域运行，和/或其中，所述镜能够根据所求取的区域偏转，以便能够相应地照明所述确定的区域。所述确定的区域用英语也称作“感兴趣区域(ROI)”。在所述确定的区域中，优选寻找待探测的对象。也就是说，不再照明最大可能的区域，而是有目的地仅仅照明所述确定的区域。这以有利的方式节省测量时间和信号处理时间。也就是说，在此可以这么说，摄像机(图像传感器)是主，而激光雷达(脉冲激光器)是从。

根据一种实施方式设置，为了对象识别并且对象分类在借助CMOS兼容图像传感器拍摄的图像中分析并且分析处理仅仅一个确定的区域。基于所照明的区域的分析处理求取所述确定的区域。也就是说，借助激光雷达(主)求取，对象可能在可照明区域中位于何处(即哪个区域或哪些区域)。然后，在所拍摄的图像中分析仅仅这个区域或者仅仅这些区域。图像的其余部分保留不分析，即不进行分析。因此，能够以有利的方式节省计算时间和资源。

根据另一实施方式设置，构造分析处理装置，所述分析处理装置构造用于基于所检测的激光脉冲确定与所探测的对象的距离。这尤其借助激光脉冲的飞行时间测量实现。

根据一种实施方式，使用车辆激光雷达系统来检测或者探测车辆的周围环境中的对象。尤其进行激光脉冲的飞行时间测量。也就是说，脉冲激光器发射激光脉冲。只要所述激光脉冲到达对象，所述激光脉冲就能被所述对象反射。这至少部分朝接收器方向发生，所述接收器也可以称作探测器。基于激光脉冲的飞行时间测量，则能够以已知的方式确定车辆与车辆激光雷达系统之间的距离。

在一种实施方式中，CMOS兼容图像传感器单片地由硅组成或构成，从而不必须使用混合物(Hybrid)、例如在InGaAs TOF系统中那样。作为传感器材料，优选仅仅设置硅，尤其表面修改的和/或涂覆的硅。

附图说明

以下根据优选的实施例进一步阐述本发明。附图示出：

图1：车辆激光雷达系统；以及

图2：另一车辆激光雷达系统。

以下对于同样的特征可以使用相同的参考标记。

具体实施方式

图1示出车辆激光雷达系统101。

车辆激光雷达系统101包括用于发射激光脉冲的脉冲激光器103。为了示出脉冲激光器103，使用象征性的电路符号。脉冲激光器103例如是具有至少100kW/(mm²sr)的亮度的固体激光器，其中所述固体激光器构造用于发射具有至少900nm、优选至少1000nm的波长并且具有至少50W的每激光脉冲最大功率的激光脉冲。在另一实施方式中，固体激光器构造为垂直谐振器表面发射激光器。脉冲激光器103例如发射具有在1000nm与1100nm之间的波长的激光脉冲。激光脉冲的波长尤其为1060nm±4nm。每激光脉冲最大功率尤其为100W。激光脉冲的脉冲持续时间例如为2.2ns。

车辆激光雷达系统101还包括至少一个可偏转地布置的镜105，所述镜用于使激光脉冲朝待探测的对象的方向偏转。镜105例如构造为微机械镜。由于镜105的可偏转性，可以借助经偏转的激光脉冲构造可照明区域107。所述可照明区域107用英语也称作“field of view(视野)”。当对象位于可照明区域107内时，则可以借助车辆激光雷达系统检测到所述对象。作为示例，在此示出具有参考标记109的对象。所述对象位于可照明区域107中。

经偏转的激光脉冲到达对象109并且从所述对象朝接收器或探测器111方向反射。所述接收器或探测器111构造用于探测由位于可照明区域107中的对象反射了的激光脉冲。接收器或探测器111包括CMOS兼容图像传感器113。所述CMOS兼容图像传感器113构造用于检测经反射的激光脉冲并且拍摄可照明区域107的图像。作为CMOS兼容图像传感器111的传感器材料设置黑硅113。黑色硅用英语称作black Silicon并且代表表面结构化的结晶硅。替代地或附加地，作为传感器材料也使用掺杂的结晶硅。尤其作为传感器材料可以使用所谓的粉硅(pink silicon)、即德语rosa Silizium。

CMOS兼容图像传感器113包括多个像素115。因此逐像素地将对象109成像。因此逐像素地检测所检测的激光脉冲。

此外，探测器111包括分析处理电子器件117，所述分析处理电子器件构造用于读取CMOS兼容图像传感器113的像素115的信号并且基于所读取的信号求取与所探测的对象、在此与对象109的距离。所述求取尤其基于激光脉冲的飞行时间测量。

此外，设置ASIC 119。缩写ASIC代表专用集成电路，英语：“application specific integrated circuit”。所述专用集成电路119用于像素选择性地进行CMOS兼容图像传感器113的飞行时间测量。

设置透镜121作为将可照明区域107成像到CMOS兼容图像传感器113的像素115上的光学元件。透镜121设置有在相应于所述激光波长±20nm、尤其±10nm的波长时的防反射涂层。也就是说，波长在所述范围内透过。在所述范围之外的波长被阻挡。相应地，透镜121对于所述波长具有高反射涂层。

CMOS兼容图像传感器113还可以拍摄可照明区域107的图像。因此，能够以有利的方式拍摄对象109的图像而且求取与对象109的距离。这借助一个唯一的传感器、在此CMOS兼容图像传感器113实现。

根据另一实施方式，车辆激光雷达系统101如下构造：

系统101包括用于发射激光脉冲的光源、例如VCSEL 103，所述用于发射激光脉冲的光源具有在900nm与1300nm之间、优选为1060nm±4nm的激光波长。VCSEL 103发射激光脉冲，所述激光脉冲优选在2ns与20ns之间、优选2ns至4ns之间的脉冲长度时具有尖峰功率100W。具有大于100kW/(mm²sr)的亮度的VCSEL 103的激光辐射以优选100kHz的脉冲重复率传播到光学MEMS镜105上。所述MEMS(微机电系统)镜105具有1mm与8mm之间、优选3mm与5mm之间的直径并且对于所述激光波长设置有高反射层。通过MEMS镜105的运动，视野(FOV)(可照明区域107)以优选40°×80°撑开。如果激光辐射(即激光脉冲)由对象、在此对象109反射，则所述经反射的激光辐射通过透镜121成像到包括CMOS兼容图像传感器113的探测器111上，所述CMOS兼容图像传感器具有由黑色硅构成的传感器材料。透镜121优选设置有在所述激光波长±10nm至±20nm时的防反射涂层。透镜121对于其余波长范围而言高反射地涂覆。由黑色硅构成的探测器111附加地具有以下可能性：对于每一个像素115和几组像素115进行飞行时间(TOF)测量(飞行时间测量)，以便测量与对象109的间距。除TOF测量以外，探测器111也可以由整个FOV 107拍摄图像(摄像机功能)，借助所述图像例如可以计算角分辨率并且可以实施对象识别。优选地，探测器111单片地由硅组成，从而不必须使用混合(例如在InGaAs TOF系统中那样)。

图2示出另一车辆激光雷达系统201。

车辆激光雷达系统201基本上类似于根据图1的车辆激光雷达系统101地构造。因此，参照相应的实施。作为区别，将可照明区域107成像到像素115上的透镜没有如透镜121那样涂覆，而是宽带地防反射。所述透镜121以参考标记203表示。为了比较，图2附加地示出具有经涂覆的透镜121的车辆激光雷达系统101。因此，一次借助透镜121将FOV 107成像到CMOS兼容图像传感器113上，并且一次借助透镜201将FOV 107成像到CMOS兼容图像传感器113上。

作为另一区别，设置用于探测由对象反射的激光脉冲的接收器或探测器205，其中作为与车辆激光雷达系统101的接收器或探测器111的区别接收器或探测器205不包括分析处理电子器件117。也就是说，借助接收器205不能进行与所探测的对象109的距离测量。在其他方面，接收器205与接收器或探测器111类似地包括ASIC 119和CMOS兼容图像传感器113，其中这在图2中简单起见没有详细示出。

通过透镜203对于可见的波长范围(即380nm至780nm)防反射地涂覆，不仅所述激光波长附近的波长透过，而且在可见光(即380nm至780nm)范围中的波长也透过。因此，例如也能够以有利的方式识别光信号设备的不同颜色。因此，尤其能够以有利的方式更简单且更可靠地实施图像识别。因为现在颜色信息也可供使用，以便基于所述颜色信息例如在所拍摄的图像中识别对象。如果例如在所拍摄的图像中识别到交通标识，则这尤其是有利的。

但因为探测器或接收器205由于所选择的传感器材料也直至1100nm是敏感的，所以以有利的方式实现通过脉冲激光器103的主动照射。因此，也可以在夜间拍摄图像。

除上述VCSEL以外，在其他实施方式中也使用以下替代的激光源：例如在小于1μm或大于1μm至1.5μm的另一波长的情况下。除半导体激光器以外，可以使用价格低的、被动Q开关的(passiv Gütergeschatet)固体激光器(例如Er/Yb:YAG或者具有钴尖晶石Q开关(Güterschalter)的玻璃)。通过固体激光器的选择，可以将MEMS镜直径由于与半导体激光器相比改善的亮度而降低到优选1mm。

在功能上，能够实现主/从配置：例如激光雷达功能＝主：借助激光雷达求取对象在FOV中何处，以便限定对于摄像机功能、即对于CMOS兼容图像传感器而言感兴趣区域(Regions of Interest)。由此，在不忽略FOV中的区域的情况下节省计算开销。例如，摄像机功能＝主：当在所拍摄的图像中识别的对象的情况下，这样运行脉冲激光器和/或这样偏转镜，使得通过激光雷达的角识别以及间距识别来补充所述感兴趣区域(ROI)。