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适合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或移位的反射光学器件的激光雷达激光系统。
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此外可以视为，说明一种车辆激光雷达系统的应用。
所述任务借助独立权利要求的相应主题来解决。本发明的有利构型是各个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：
-具有至少100kW/(mm2sr)的亮度(Brillanz)的固体激光器，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，
-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。
根据另一方面，车辆激光雷达系统用于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。
通过将具有上述特性的固体激光器用于车辆激光雷达系统，尤其实现以下技术优点：在根据DIN 60825的眼睛安全准则内能够实现直至例如200m的作用范围以及例如<0.3°、优选<0.15°的高分辨率。此外，在波长大于900nm、尤其大于1000nm时，通过激光辐射引起的人眼负荷通常不再如此大，使得也能够在较高的脉冲功率和能量时以有利的方式实现眼睛安全的激光等级1，这再次增大系统的作用范围。此外，在波长大于900nm、优选大于1000nm时，太阳辐射的强度大致小了一半，从而车辆激光雷达系统的信噪比变得更好。这与已知的用于激光雷达系统的激光系统、例如边发射器相比是有利的，所述边发射器在850nm至950nm的波长时进行发射。
通过设置可偏转地布置的镜，尤其实现以下技术优点：照明面或者可借助激光脉冲照明的区域——在照明面或者可借助激光脉冲照明的区域中可以分别探测对象——取决于镜的可偏转性和/或镜的尺寸并且例如不再取决于固体激光器的确定的射束尺寸。相应地，可以将固体激光器的尺寸设计地更小。尤其可以将激光辐射的射束直径设计地更小。此外，固体激光器可以安装在车辆中的任意位置处。因为所发射的激光脉冲朝待探测的对象的方向的偏转借助镜实现。也就是说，固体激光器在车辆中的安装位置与车辆的周围环境中的所期望的待照明区域无关。
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，更高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引起在距离测量方面的改善的精度或分辨率。
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固体激光器。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时在上述分辨率例如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。用于激光雷达应用的已知边发射器当今部分地仅仅小于1％或更小(例如具有直至0.1％的占空比的OSRAM SPL PL90_3)。
此外，借助所述垂直发射器在初始波长(即激光脉冲的波长)大于900nm、尤其大于1000nm、优选地在1050nm至1100nm时可以达到根据本发明的亮度或射束质量。
本发明意义上的固体激光器尤其包括激光活性的材料，所述激光活性的材料嵌入在晶格或另一主体材料中。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(Aluminium-Galliumarsenid-Laser)激光器。其发射具有直至1100nm的波长的激光辐射。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生在>1000nm的波长范围中的激光辐射。
在另一实施方式中设置，镜可以朝两个不同的方向偏转。由此，尤其实现以下技术优点：可以通过所述两个方向展开一个照明面或可照明的区域，在其中可以探测对象。两个方向尤其彼此垂直地定向。优选地，设置仅仅一个镜，所述镜可以朝两个不同的方向偏转。
根据另一实施方式设置，设置两个镜，它们分别可以朝不同的方向偏转。也就是说，镜中的每一个可以朝各一个不同的方向偏转。在此，也展开一个照明面或可照明的区域，在其中可以探测对象。因为在此设置两个镜，它们可以彼此独立地分别朝不同的方向偏转，所以能够实现对象的特别快速的检测或探测。在此，两个方向也优选彼此垂直地定向。优选地，设置仅仅两个镜。优选地，两个镜分别可以仅仅朝一个方向偏转，其中所述两个方向不同，尤其彼此垂直地定向。
根据一种实施方式，设置多个镜，它们尤其相同地或优选不同地构造。关于多个镜的实施方式类似地由关于一个镜的实施方式得出，反之亦然。结合一个镜的阐述、特征以及描述类似适用于多个镜，反之亦然。也就是说，对于镜的单数的应用始终应当理解为复数，反之亦然。
在一种实施方式中设置，镜可以磁地和/或压电地偏转。通过所述磁的和/或压电的可偏转性，得到在偏转时特别好的精度和速度。
根据一种实施方式设置，镜的直径大于等于1mm、尤其大于等于3mm、例如等于3.5mm、例如在1mm与8mm之间、尤其在3mm与5mm之间。镜越大，则对激光器的要求(例如亮度)越不大。镜越大，则通过镜可以传输越多的光(在亮度值恒定时)。
在另一实施方式中设置，镜可以偏转经过至少20°、尤其30°角。尤其设置，镜相对于中间位置可以偏转经过至少+/-10°、优选+/-15°。镜的可偏转性通常相应于借助激光辐射的可照明的区域。也就是说，可偏转性越大，则可照明的区域越大。
在另一实施方式中设置，镜具有至少80％、尤其至少90％、优选至少95％、尤其至少99％的反射度。镜的反射度越大，则车辆激光雷达系统的效率通常越高。因此，能够以有利的方式最小化激光辐射的损耗。反射度尤其与激光波长有关、即与激光脉冲的波长有关。也就是说，上述反射度优选至少在所述激光波长时达到。
例如可以实现所述反射度，其方式是，镜根据一种实施方式涂覆，即具有涂层、尤其具有光学涂层。所述涂层例如可以是金属涂层。为了构造所述涂层，尤其可以将金属蒸镀到镜衬底上。镜尤其以金属涂覆，因此具有金属层、尤其所蒸镀的金属层。金属例如可以是金、银、铝。上述金属的组合例如可以蒸镀到镜衬底上。也就是说，涂层可以包括金、银、铝和/或其任何组合。替代地或附加地，涂层可以包括一个或多个介电层。这种介电层优选包括高折射的和低折射的材料。由此，能够以有利的方式实现更高的反射度。涂层的层厚度例如最大可以为1μm。对于介电层而言，例如可以使用以下层材料：氟化镁、二氧化硅、氧化铝、二氧化锆、掺镨钛氧化物、钛氧化物或硫化锌或者它们的组合。所述涂层尤其可以包括多个层，它们尤其相同或优选不同地构造。所述涂层尤其可以构造为二色性的镜。所述镜是波长选择性的镜并且允许仅仅一个确定的波长范围通过。根据一种实施方式，所述波长范围是900nm至1200nm。涂层的层厚度尤其可以小于50nm。尤其可以设置涂层的层厚度为100nm、尤其为数百nm、例如为直至200nm。
在另一实施方式中设置，镜构造为微机电镜。也就是说，所述微机电镜构造为微机电元件。
根据另一实施方式设置，构造有分析处理装置，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，固体激光器发射激光脉冲。只要所述激光脉冲到达对象，所述激光脉冲就被所述对象反射。这至少部分地朝接收器方向发生，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，则能够以本身已知的方式确定对象与车辆激光雷达系统之间的距离。
在另一实施方式中设置，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所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。所述实施方式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，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所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。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，设置用于将可照明区域成像到CMOS兼容图像传感器上的光学元件。由此，尤其实现以下技术优点：可以最优地将可照明区域成像到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所述激光波长加减≤20nm、优选加减≤10nm，其中透射度对于所述波长范围之外的波长而言小于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的波长的激光脉冲。在大于900nm的所述波长范围中，相对于眼睛的损坏的敏感度对于所述电磁辐射而言降低，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1000nm的波长更敏感。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到。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，从而即使在更长的波长时也增大探测器的敏感度。
附图说明
以下根据优选的实施例进一步阐述本发明。在此示出：
图1：车辆激光雷达系统。
具体实施方式
图1示出车辆激光雷达系统101。
系统101包括固体激光器103，所述固体激光器构造为垂直谐振器表面发射激光器(VCSEL)。参考标记103借助箭头指出电路符号，该电路符号应当示意性示出固体激光器。此外，参考标记103指出弧形括号，该弧形括号示出垂直谐振器表面发射激光器的详细构造。VCSEL 103可以在相应的激励时发射激光脉冲。
系统101还包括镜105，所述镜构造为微机电元件。所述镜也可以称作MEMS镜。镜105可偏转地布置。镜105使固体激光器103的激光脉冲朝待探测的对象的方向偏转。所述对象在此示例性地借助参考标记111表示。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。所述可照明区域107用英语也称作“field of view(视野)”。当对象、在此作为示例是对象111位于可照明区域内时，则可以借助车辆激光雷达系统检测到所述对象。
固体激光器103包括具有空腔107的垂直发射器109，由所述空腔耦合输出激光脉冲。耦合输出的激光脉冲借助具有参考标记108的箭头象征性地表示。
当镜105位于其中心位置时，则由镜105反射的激光辐射借助具有参考标记110的实线箭头表示。当镜105位于其最大可能的偏转位置时，则所反射的激光辐射借助具有参考标记110a和110b的两个虚线箭头表示。借助镜105偏转到对象111上的激光辐射(即激光脉冲)借助具有参考标记112的实线箭头表示。从那里、即从对象111，激光辐射、即激光脉冲朝系统101的接收器或探测器113的方向反射。所反射的激光辐射象征性地借助具有参考标记114的虚线箭头表示。参照激光辐射114在探测器或接收器113之前的飞行方向设置滤光器115，从而仅仅具有相应于滤光器的波长的电磁辐射穿过到接收器113上。在此，滤光器115用于加减≤20nm、优选加减≤10nm的波长范围，以便所述激光波长透过并且对于其他波长(即不是包括上述加减范围的激光波长)以<50％、优选<20％透过。
接收器113与固体激光器103类似地同样借助电路符号象征性示出。接收器113例如可以包括铟-砷化镓传感器或者PIN二极管或者雪崩光电二极管。“PIN”代表“positive intrinsic negative diode(正本征负二极管)”。
因此，能够以有利的方式实现激光脉冲的飞行时间测量，从而能够求取或确定对象111与系统101之间的间距117。
垂直谐振器表面发射激光器103具有至少100kW/(mm2sr)的亮度并且发射具有至少900nm、优选在1000nm至1100nm之间的波长的激光脉冲。此外，每激光脉冲最大功率为至少50W、优选在50W与100W之间、尤其100W。所述高的射束质量或亮度例如可以如下实现或者引起。
例如设置，增大谐振器长度(空腔)。由此，可以使更少的横模起振，这对射束质量或亮度具有积极影响。对于空腔的增长而言附加地或替代地，优选设置双空腔。在所述双空腔中，对于谐振器不使用仅仅一个耦合输出镜，而是两个。优选地，双空腔的内镜对于所述激光波长而言具有比双空腔的外耦合输出镜更小的反射度。在所述双空腔中，也通过所述双空腔的相应设计使更高的横模的起振变得困难，这以有利的方式提高射束质量或亮度。双空腔用英语通常称作“coupled cavity”。