具有飞行时间估计的矩阵照明装置的制作方法

具有飞行时间估计的矩阵照明装置
1.本发明涉及特别用于机动车辆的基于电致发光半导体元件的矩阵光源。本发明尤其涉及这样一种能够检测物体的存在的源。
2.发光二极管(led)是一种能够在电流流过其中时发光的电子部件。led发射的发光强度通常取决于流过其中的电流的强度。尤其是，led的特征在于电流强度阈值。此正向电流的强度的阈值通常随着温度的升高而降低。同样，当led发光时，在led的端子之间会观察到等于led的正向电压的压降。正向电压的值主要取决于发射光的波长，该波长以ev限定发射光子的能量。通常而言，可以估计λ＝1240/e，其中，λ为纳米，e为电子伏特。因此，发出460nm蓝光的led的正向电压至少为2.7v，或者对于650nm的红光而言，正向电压为1.9v。换言之，如果源电压接近电压e＝1240/λ，则其表示没有调节源增加额外的压降，并且表示组件的效率与单个led相同，而无需任何其他驱动系统。
3.在汽车领域，led技术正越来越多地用于众多的光信号解决方案。led用于执行照明功能，例如日间行车灯、信号灯等。包括大量基本电致发光光源的led矩阵的有用性在许多应用领域中是有利的，特别是在机动车辆的照明和信号领域中也是有利的。led矩阵可以例如用于产生有利于照明功能(例如前照灯或日间行车灯)的光束形式。另外，可以使用单个矩阵产生多种不同的照明功能，从而减小了机动车辆前照灯的受限空间中的物理体积。
4.此外，在撰写本专利时，当前正在开发先进的驾驶辅助系统。这种系统需要检测物体和姿势/手势的能力。一方面，他们能够协助驾驶功能、半自动或全自动驾驶功能以及道路安全。这些方面将包括但不限于通过向驾驶员警告任何潜在障碍物或通过控制车辆以避免碰撞来避免事故的能力。另一方面，姿势检测系统可以促进机动车辆的乘员室内的人/机交互。为了执行这些功能，已经提出使用实现例如lidar(“光检测和测距”)、radar的多个传感器，或者使用连接到图像处理系统的相机。
5.lidar基于估计光脉冲的飞行时间(le temps de vol)的原理。测量光脉冲覆盖其行程所花费的时间，该行程由两部分组成。行程的第一部分对应于光源和物体之间的距离，脉冲在该物体上被反射。行程的第二部分对应于从讨论中的物体到传感器的返回路径。如果光源和传感器基本位于同一位置，则使用公式d＝c
·
2t来估计光源/传感器和讨论中的物体之间的距离d，t是脉冲执行其行程所需的时间，c表示光速，即3
·
108m/s。为了能够测量3m的距离，必须能够以一定的精度测量20ns的飞行时间。同样，为了能够测量30m的距离，需要200ns的测量值。发射白光并由已知的驱动装置提供电流的已知发光二极管通常在接通时具有大约1μs至1ms的脉冲上升时间。这些led显然不具有刚刚描述的lidar系统中要使用的特征。这就是为什么在lidar中通常使用专用的红或红外激光二极管。
6.但是，专用于lidar功能的这些快速光脉冲的源(激光二极管)会显著增加讨论中的机动车辆的生产成本，并且它们不能用于机动车辆所需的任何其他照明功能，同时它们在可用于安装汽车前照灯的已经有限的体积中占用了额外的空间。
7.由于红/红外光不能穿透水，因此在涉及大雨的天气条件下，红射线和红外射线也无法检测到障碍物。
8.本发明的一个目的是克服现有技术带来的至少一个问题。更确切地，本发明旨在
提出一种照明装置，该照明装置能够使用在机动车辆内使用的光源来执行照明功能，以便还利用估计光脉冲飞行时间的原理来实现物体检测系统。
9.根据本发明的第一方面，提出了一种用于机动车辆的照明装置。该装置包括具有多个基于电致发光半导体元件的基本光源的矩阵光源，该矩阵光源旨在执行机动车辆的至少一种照明功能。该装置值得注意的是，矩阵光源由供电电路进行电压驱动并且包括基板，多个开关元件集成在基板中，每个开关元件旨在将至少一个基本光源选择性地连接到供电装置。此外，该装置包括：检测器，该检测器能够检测由一个基本光源发射并从物体反射的光信号；以及处理单元，该处理单元操作性地连接到开关元件并且旨在控制开关元件的状态和处理由检测器检测到的信号。
10.由矩阵光源执行的照明功能可以优选为诸如日间行车灯之类的外部信号功能、诸如前照灯之类的照明功能、或者用于照亮机动车辆的乘员室的功能。
11.检测器可以优选地包括至少一个光电二极管。检测器可以优选地包括单个光电二极管。
12.处理单元可以优选地被配置为使用由所述光电二极管检测到的信号来估计光电二极管和所述物体之间的距离。
13.处理单元可以优选地包括：延迟线，该延迟线包含在恒比鉴别器电路中，该延迟线用于生成由矩阵源发射并由所述物体反射的检测到的光信号的延迟副本；以及飞行时间测量单元，该飞行时间测量单元被配置为基于由恒比鉴别器电路生成的信号来确定发射的光信号在物体和矩阵源之间的飞行时间。
14.开关元件可以优选地与基本光源串联连接。
15.开关元件可以优选地包括n沟道mos金属氧化物栅极场效应晶体管，该n沟道mos金属氧化物栅极场效应晶体管的状态通过施加到其栅极的信号来控制。该信号可以优选地到达处理单元。
16.基板的厚度可以优选在100微米和800微米之间。
17.供电电路可以优选地集成在所述基板中。
18.每个基本光源的内部串联电阻优选地是相同的并且在1欧姆和100欧姆之间。它们可以优选等于10欧姆。
19.矩阵光源可以优选地包括整体部件，在该整体部件中，基本光源的半导体层布置在公共基板上。作为替代，基本光源可以包括离散光源，对于这些离散光源，公共基板已经通过切割工艺分离，从而可以使用“拾取和放置”工艺以相同的顺序进行再现。
20.基于发光半导体元件的基本源可以优选地包括在蓝色光谱内发射的源，该蓝色光谱对应于400nm和490nm之间的波长。基本光源可以优选地发射具有基本上等于450nm至460nm的波长的光。
21.蓝光的所述光信号可以优选地包括具有大约1ns至20ns的上升时间的脉冲。
22.根据本发明的另一方面，提出了一种通过根据本发明的第一方面的装置来检测物体的方法。该方法值得注意的是，它包括以下步骤：
23.‑
向矩阵光源供电，
24.‑
使用控制单元依次控制每个基本光源的开关元件，以发射一系列光信号，每个光信号从一个基本光源的位置发射出；
25.‑
使用检测器依次检测被物体分别反射的光信号；
26.‑
对于每个发射的光信号，将数据项记录在存储元件中，该数据项指示在由对应的光信号照亮的位置处是否已经检测到物体。
27.优选地，对于每个发射的光信号，检测器能够记录另外指示对在对应位置处检测到或未检测到的物体和检测器之间的距离的估计的数据项。
28.通过使用所提出的措施，可以在使用估计由矩阵光源的至少一个基本光源发射的光脉冲的飞行时间的原理的物体检测系统中使用机动车辆的矩阵光源，该矩阵光源例如用于执行机动车辆的内部或外部照明功能。使用的矩阵光源是电压驱动的。将用于控制矩阵的基本源的开关元件(例如n
‑
mos晶体管)集成在矩阵光源的基板本身中，大大减少了发光二极管(led)基本源的接通响应时间。因此，能够实现具有2ns量级的上升时间的光脉冲，从而使用估计从物体发射和反射的光脉冲的飞行时间的原理使矩阵源非常适合于物体检测系统。因此，例如，能够估计出0.3米和300米之间的距离，从而使得可以执行物体检测功能或姿势检测功能。仅光电二极管和决策/检测逻辑被添加到已经能够在机动车辆中使用的矩阵源，从而与为此目的使用专用脉冲源的已知lidar解决方案相比，减少了所提出的系统的体积和生产成本。通过校准检测逻辑，也可以估计检测到的物体相对于光源的各个点的深度。例如，这使得可以在将所提出的系统应用于人/机界面时检测复杂的手动手势。
29.借助于示例和附图的描述，将更好地理解本发明的其他特征和优点，其中：
30.‑
图1示出了根据本发明的一个优选实施例的装置的示意图；
31.‑
图2示出了根据本发明的一个优选实施例的装置的细节的示意图。
32.除非另有说明，否则针对一个给定实施例详细描述的技术特征可以与在通过示例而非限制的方式描述的其他实施例的上下文中描述的技术特征组合。在本发明的各个实施例中，相似的附图标记将用于描述相似的概念。例如，附图标记100和200表示根据本发明的装置的两个实施例。
33.该说明书集中于理解本发明所需的技术元件。为了清楚起见，将省略在机动车辆的照明装置领域中公知的并且不直接与本发明相关联的其他元件。例如，照明装置通常包括光学系统以及用于将各种部件保持到位的支撑件，在本说明书中没有明确提及这种细节。
34.图1的图示示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的用于机动车辆的照明装置100。例如，这是用于执行机动车辆的外部照明功能(例如日间行车灯或近光灯)的装置。作为替代，这是用于执行机动车辆的乘员室的内部照明功能的装置，例如发光屏或环境照明装置。装置100包括电压驱动的矩阵光源110。矩阵源110包括多个基本光源120。这些是基于发光二极管(led)电致发光半导体元件的基本光源，优选地发射蓝色可见光谱中400nm和490nm之间的波长(的光)。每个源可以沿主方向发射光120。包括基本源120的矩阵源110优选地是整体部件，其制造将在下面描述。矩阵源可以优选地包括至少十六个基本源，但是没有必要阻止具有更高分辨率的矩阵，例如矩阵源可以包括数百个或更多个基本源。
35.矩阵源110包括基板112，在基板112中集成有开关元件114，开关元件114用于将至少一个基本源120选择性地连接到供电电路130。开关元件114优选地布置在对应的基本源120下方。例如，存在通过施加到其各自栅极的信号来控制的n沟道金属氧化物栅极场效应(n
‑
mos)晶体管。举例而言，如果基板112具有约100微米至800微米的厚度，则在深度上接近
于基本源120的最后的10微米至20微米被保留用于开关元件的集成。开关和基本源120之间的这种紧密性使得在接通基本源时的响应时间非常短，并且使得可以实现所需的2ns量级的上升时间。
36.装置100还包括检测装置140，该检测装置140旨在检测由一个基本光源120发射并被讨论中的光源照亮的物体10反射的光信号12。检测装置或以等效方式，检测器140包括例如至少一个光电二极管。优选仅使用一个光电二极管。将光电二极管基本上布置在与基本源120相同的平面中是有利的，使得基本源和照亮的物体10之间的距离基本上等于光电二极管和相同物体之间的距离。检测装置140操作性地连接到处理单元150，该处理单元150被配置为处理由检测装置140检测到的信号142。该处理单元例如由为此目的而编程的微控制器元件或由执行所需功能的模拟电路形成。为了执行lidar功能，处理单元150还被设计为控制开关元件114的状态。当通过致动对应的开关114而在短时间间隔内接通基本源时，在处理单元中启动了一个纳秒或皮秒计时器。一旦检测器140检测到信号142，该计时器就停止。因此，计时器给出了对由此产生的光脉冲的飞行时间的估计，因此使得可以估计矩阵源/光电二极管和反射光脉冲122的物体10之间的距离d。
37.为了由蓝光产生用于照明功能的白光，通常使用一层磷光体或量子点转换器。但是，这种白光通常具有大于20ns的延迟，因此使其不适合物体检测功能。因此，检测系统主要使用尚未转换为白光的蓝色射线。通常估计为，来自光源的光子的大约1/3至1/2不会被磷光体层转换。
38.电压源130例如通过转换器电路产生，该转换器电路将由机动车辆内部的电池供应的输入电压vcc转换为适合于向矩阵光源110供电的电压v。这种转换器电路在本领域中是已知的，并且它们的操作将不在本发明的上下文中详细描述。
39.矩阵光源110优选地是整体部件，其中基本光源120的半导体层布置在公共基板112上。矩阵光源110优选地包括多个分支的并联组件，每个分支包括电致发光半导体光源120。
40.举例而言但不限于此，沿着基板的厚度并且在与基本源10的位置相对的端部开始的矩阵光源110包括沉积在电绝缘基板上的第一导电层。随后是厚度在0.1μm和2μm之间的n掺杂半导体层。该厚度比已知的发光二极管的厚度小得多，已知发光二极管的对应层的厚度为1μm至2μm。接下来的层是厚度约为30nm的有源量子阱层，然后是电子阻挡层，最后是p掺杂半导体层，后者的厚度约为300nm。优选地，第一层是(al)gan:si层，第二层是n
‑
gan:si层，并且有源层包括由与由gan制成的壁垒交替的ingan制成的量子阱。阻挡层优选地由algan:mg制成，并且p掺杂层优选地由p
‑
gan:mg制成。n掺杂氮化镓具有0.0005ohm/cm的电阻率，而p掺杂氮化镓具有1ohm/cm的电阻率。特别地，所提出的层的厚度使得可以增加基本源的内部串联电阻，同时显着减少其制造时间，这是因为n掺杂层与已知的led相比并不那么厚并且需要较短的沉积时间。举例而言，对于厚度为2μm的n层的标准配置led，mocvd沉积通常需要5个小时的时间，并且如果n层的厚度减小到0.2μm，则该时间可以减少50％。
41.为了获得具有厚度均匀的半导体层的基本光源120，优选地通过将层均匀且一致地沉积在基板的表面的至少一部分上以覆盖该表面的至少一部分来制造整体部件110。例如使用金属氧化物化学气相沉积(mocvd)方法沉积这些层。例如从专利文献wo 2010/072380 a1或wo 01/46498 a1中已知用于将半导体层沉积在基板上的这种用于实现它们的
方法和反应器。因此，在本发明的上下文中将不描述有关它们实现的细节。然后将由此形成的层像素化。作为示例而非加以限制，使用已知的光刻方法并通过在随后对应于基板上的基本光源120之间的空间的位置处进行蚀刻来去除这些层。因此，能够在矩阵光源110的基板上产生数十个或数百个或数千个像素120，该数十个或数百个或数千个像素120中的每个像素的表面积均小于一个平方毫米，并且具有大于2平方毫米的总表面积，具有厚度均匀的半导体层，并因此具有均匀且高的内部串联电阻。通常而言，每个led像素的尺寸减小得越多，其串联电阻就增加得越大，并且能够被电压源驱动的像素越多。作为替代，将包括覆盖基板的表面的至少一部分的沉积层的基板被锯开或分隔开为基本光源，每个基本光源就其内部串联电阻而言具有相似的特性。
42.刚刚描述的实施例不是限制性的，并且本发明与包括其他半导体层构造的基于半导体元件的基本光源的类型属于相同的方式。尤其是，基板、层的半导体材料、层的布局、它们的厚度以及层之间的任何通孔可以与刚刚描述的示例不同，只要半导体层的结构使得由此产生的基本光源的内部串联电阻至少为1欧姆，优选至少为5欧姆或10欧姆，或者在1欧姆和100欧姆之间即可。
43.优选地，当制造整体部件110时，不仅开关元件114而且供应电路130也可以集成在基板112中。
44.图2示意性地示出了根据本发明的一个实施例的照明装置200的细节。未示出的部件与在图2所示的实施例的上下文中描述的部件相同。在这种情况下，给出了处理单元250的一个示例性实施例的非限制性描述，该处理单元250首先连接到开关元件214，然后通过检测到的信号242连接到检测装置。处理单元250被配置为控制一个开关214的状态，使得连接到其上的基本源将沿要检测的物体的方向发射光脉冲222。
45.被物体反射的光信号的曲线，例如具有1ns至20ns量级的上升时间的脉冲242，对于处理单元是已知的。原则上，该曲线类似于由矩阵源最初发射的脉冲。但是，实际上，所检测到的脉冲的幅度与所发射的脉冲的幅度不同。产生了信号242的延迟了一段持续时间t的版本；这是信号242'。这例如通过延迟线252来执行。对应的电子电路在本领域中是已知的，并且在本发明的上下文中将不进行描述。从发射脉冲开始算起的持续时间t对应于发射的脉冲的最大幅度的分数。例如，将t选择为对应于等于其最大幅度的50％的脉冲的幅度值。其他选择也是可以的。差分放大器电路253在输入处使用由检测器接收并且可以被未示出的电路衰减的信号242和延迟信号242'。差分放大器可以实现信号的双极性整形，其零交叉不取决于检测到的信号的幅度。这使得可以获得这样的信号，该信号的定时不取决于检测到的信号的幅度。这种类型的电路在文献中称为cfd“恒比鉴别器”。
46.在与来自cfd的信号的零交叉对应的时间所检测到的信号幅度使得可以计算光脉冲的飞行时间。具体地，此时，检测到的信号的幅度已经达到与由其最大幅度的持续时间t(例如50％)确定的分数相对应的分数。然后可以得出结论，反射的信号的上升沿已被成功检测到。
47.使用tac(时间
‑
幅度转换器)和/或tdc(时间
‑
数字转换器)装置对在发射的光脉冲的上升沿的开始与来自电路的信号过零的时间的检测之间的飞行时间的测量使得可以获得反射光脉冲的物体与脉冲源之间的距离d。这使得可以检测位于距离d处的物体。通过使用来自像素化光源的多个信号，可以实现具有更细粒度的检测，并且可以确定物体所处的
确切距离。例如，通过使用与飞行时间对应的幅度的数字化，可以确定物体位于距离d1(对应于延迟了一段持续时间t1的信号)和距离d2(对应于延迟了稍长于t1的一段持续时间t2的信号)之间，或者距离差对应于幅度/时间转换的分辨率。
48.可以想到处理单元250和延迟线252以及检测电路的其他实施方式，只要它们可以实现刚刚描述的功能且另外不脱离本发明的范围即可。
49.在所有实施例中，图1所示的多个基本光源120可以用于依次扫描矩阵源110的照明场。对于每个基本源或像素，依次地，产生光脉冲，并且对应的延迟信号被检测装置检测到，然后按照图2提供的示例的描述进行处理。然后，将关于对在一定的预定距离处的物体进行检测或未检测的信息存储在数据文件或存储元件中，并且与基本光源或对应像素的相应位置相关联。这导致检测到的物体的基于矩阵或像素化的表示，该表示可以用作在本发明的计算机系统内实现的安全系统或人/机界面系统中可能涉及的其他图像处理算法的输入。同样，重复扫描物体可以揭示物体的运动，并检测距矩阵源一段预定距离处的姿势。使用刚刚提供的结构和功能描述，本领域普通技术人员将特别能够产生执行扫描和存储功能的计算机程序或控制单元，而无需使用额外的创造性的技能。
50.保护范围由所附权利要求书限定。