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CN111954827A - 利用波长转换的lidar测量系统 - Google Patents

利用波长转换的lidar测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及LIDAR测量系统(10)，包括发射器元件(18)、传感器元件(28)和光学元件(30)。发射器元件(18)发射第一波长(22a)的激光，该激光在目标(24)处反射后再次照射到LIDAR测量系统(10)上，其中入射的激光经过光学元件(30)并照射到传感器元件(28)上，以及LIDAR测量系统(10)配备有波长转换器(36)，其将激光的第一波长(22a)转换成第二波长(22b)，使得激光以第二波长(22b)照射到传感器元件(28)上。当使用大约1500纳米的波长时，发射功率可以被设计成例如950纳米的波长处的十至二十倍。尽管波长转换器仅具有约百分之二十的效率，然而这将引起传感器元件处的入射功率以2至4的系数增大。因此改进了对目标的检测。在有利实施方式中，波长转换器以涂层的形式施加到传感器元件或传感器芯片上。

Description

利用波长转换的LIDAR测量系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的激光雷达(LIDAR)测量系统。
背景技术
已知LIDAR测量系统具有发射器元件、传感器元件和光学元件。发射器元件发射具有固定波长的激光。通常为激光脉冲形式的该激光能够在目标处被至少部分地反射并定向回到测量系统。该反射光照射到光学元件上并通过光学元件导向到传感器元件上。传感器元件能够检测入射的激光脉冲并借助于激光脉冲的飞行时间来得出目标距LIDAR测量系统的距离。发射器元件和传感器元件通常在不同的芯片上且用于发射器元件和传感器元件的材料也不同。关于波长，传感器元件因此不具有在发射器元件的发射范围内的最佳检测范围。例如，发射器元件的波长可能在红外线光谱内，而传感器元件提供可见光光谱内的最佳检测。红外线检测是可以的，但这仅能提供较低的效率。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种LIDAR测量系统，该LIDAR测量系统允许发射器元件和传感器元件使用不同的材料且提供检测效率的改进。
该目的还通过根据权利要求1的LIDAR测量系统来实现。从属权利要求表示LIDAR测量系统的有利实施方式。
LIDAR测量系统适用于机动车辆。特别地，LIDAR测量系统被静止地安装在机动车辆上且有利地不具有其自己的移动部件或组件。LIDAR测量系统包括发射器元件、传感器元件和光学元件。
发射器元件优选在一芯片上实现。传感器元件也优选在一芯片上实现。发射器元件和传感器元件适宜在不同的芯片上实现。优选地，垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)用作发射器元件。有利地，传感器元件被设计成单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)。
在一特别有利的方式中，发射器元件在发送单元上实现，而传感器元件在接收单元上实现。除了其他部件以外，这些单元包括具有发射器元件或传感器元件的相应芯片。
每个芯片适宜实现多个发射器元件和多个传感器元件。优选地，一个发射器元件被分配给一个传感器元件。这意味着，由特定发射器元件发射并反射的光脉冲照射到被分配的激光元件上。特别有利地，发射器元件和传感器元件被布置成一种矩阵、特别是以行与列状布置。
在距离测量的开始，发射器元件发射激光脉冲，该激光脉冲辐射成一定的立体角。优选作为光脉冲发射的该激光能够在位于相应的立体角内的目标处被反射且然后至少部分被反射回到LIDAR测量系统。在LIDAR测量系统处，激光脉冲的反射部分由传感器元件检测。根据光脉冲的飞行时间来确定到目标的距离以及因此确定目标的位置。
优选地，LIDAR测量系统具有一个或多个光学元件。出射的或入射的激光经过这些光学元件。从发射器元件开始，发射的光通过光学元件被定向成与发射器元件相关联的立体角。相应地，源自该立体角的光通过另一光学元件被定向到与该立体角相关联的传感器元件上。发射器元件被分配固定的立体角，且传感器元件也被分配特定立体角，使得由发射器元件发射的激光脉冲总是照射到同一传感器元件上。因此，一传感器元件被分配给一个发射器元件。作为示例，传感器元件还可以由一组多于一个的传感器元件来实现。
与接收单元交互的光学元件也称为接收透镜。另外，有利地，接收单元由焦平面阵列配置来实现。在这种焦平面阵列(FPA)中，接收单元的传感器元件基本上布置在一平面上。该平面或者芯片的传感器元件然后被布置在接收透镜的焦点处。该焦平面阵列提供接收单元的静止布置，使得无移动部件被实现在LIDAR测量系统上。
有利地，发送单元也以FPA配置来实现。与接收单元有关的描述以同样的方式适用于发送单元。与发送单元相关联的光学元件称为发送透镜。
LIDAR测量系统还配备有一组电子装置，该组电子装置提供对传感器元件和发射器元件的适当控制，还最低限度地使得传感器元件能够被读出。
特别地，LIDAR测量系统借助于一连接而连接到车辆的其他部件，以发送所确定的数据。使用时间相关单光子计数(time-correlated single photon counting,TCSPC)来确定到目标的距离。
在测量周期期间，发射器元件发射具有第一波长的激光。在目标处反射后，在传统LIDAR测量系统中，该激光不变地照射到传感器元件上。
改进的LIDAR测量系统还配备有波长转换器，该波长转换器将激光的第一波长转换成第二波长，使得激光以第二波长照射到传感器元件上。这种波长的变化可以例如发生在非线性光学材料中。
该过程可以例如通过向上转换、也称为光子上转换来实现。波长转换器检测到大量长波长光子，然后将它们以较短波长光子发射。已知可用于该目的的多种不同的转换方法和相关联的非线性光学材料或材料组合，包括例如频率倍增。
如已提及的，由发射器元件发射的激光很少位于所使用的传感器元件的最佳检测范围内。波长转换使得入射波长被变换到传感器元件的最佳检测范围内。
在传感器元件由硅制成的情况下，波长将在可见光范围内。用于LIDAR应用的标准激光器通常在红外线范围内发射，然而，如果有的话，硅在红外线范围内的检测能力弱。
例如，对于发射器元件，可以使用第一波长的激光，而传感器元件根本检测不到第一波长的激光。通过波长转换器将第一波长变换至传感器元件的最佳检测范围内。除其他因素以外，这在激光的输出功率取决于波长方面来讲是有利的。这还与眼睛的安全有关。
当使用大约1500纳米的波长时，发射功率可以被设计成例如950纳米的波长处的十至二十倍。尽管波长转换器仅具有约百分之二十的效率，然而这将引起传感器元件处的入射功率以2至4的系数增大。这进一步改进了对目标的检测。
例如，铒掺杂钠-钇氟化物可用于波长转换。然而，还有大量的适用于这种向上转换的其他材料。
在下文中，描述了LIDAR测量系统的有利变型实施方式。
本文中提出波长转换器由接收侧光束路径内的波长转换器元件形成。
波长转换器元件可以形成为在入射到LIDAR测量系统上的光的光束路径内的单独的光学部件。该光束路径由从上述立体角入射到传感器元件上的光所遵循的路径来限定。波长转换器元件可以由例如光盘(disk)形成。
在便利的布置中，波长转换器元件布置在光学元件与传感器元件之间或者相对于入射光束布置在光学元件之前。
入射激光在经过光学元件之前或之后，被从第一波长转换成第二波长。
本文还提出波长转换器作为涂层被施加到光学元件上。
该涂层可以施加于光学元件的传感器元件侧或者远离传感器元件的一侧。该涂层可以例如通过蒸发、通过粘合剂粘接、或通过其他方法来施加。
在另一有利的变型实施方式中，波长转换器作为涂层被施加到传感器元件上或传感器芯片上。
该涂层可以针对每个传感器元件单独形成或者针对整个传感器芯片共同形成。
也可以使用多个波长转换器，优选可以根据前述实施方式之一来设计所述多个波长转换器。例如，光学元件的两侧都可以被涂覆。
附图说明
在下文中，基于多个附图再次详细地描述LIDAR测量系统。
图1示出了LIDAR测量系统以及LIDAR接收单元和LIDAR发送单元的示意图；
图2示出了图1所示的接收路径的替选实施方式；
图3示出了图1所示的接收路径的替选实施方式；
图4示出了图1所示的接收路径的替选实施方式。
具体实施方式
图1示出了LIDAR测量系统10。仅示意性地示出了LIDAR测量系统10，但应该已足以描述其操作原理。LIDAR测量系统10包括LIDAR发送单元12和LIDAR接收单元14。
LIDAR发送单元具有芯片16，在芯片16上形成发射器元件18。该发射器元件18例如由激光器来实现。该激光器可以例如由VCSEL(或垂直腔面发射激光器)来实现。图1仅示出了单个发射器元件18，而LIDAR测量系统10优选具有多个发射器元件18。
LIDAR测量系统30配备有发送透镜20，发送透镜20与LIDAR发送单元12交互。该发送透镜20可用于将由发射器元件18发射的激光导向到限定的空间方向上，所述激光优选为激光脉冲22的形式。如果使用多个发射器元件18，则多个发射器元件18通过发送透镜20发送激光到不同的立体角。激光脉冲可以在目标24处被反射并随后照射到LIDAR接收单元14上。
LIDAR接收单元14具有芯片26，在芯片26上形成传感器元件28。传感器元件28有利地由SPAD(或单光子雪崩二极管)来实现。LIDAR测量系统配备有接收透镜30，接收透镜30与LIDAR接收单元14交互，其中，接收透镜将在目标24处反射的激光导向到传感器元件28上。
有利地，芯片26具有的传感器元件与芯片16具有的发射器元件18一样多。与各自的透镜20、30一起，特定的传感器元件28被分配给一发射器元件18，因为它们经由透镜20、30观察到相同的立体角。在一特别有利的方式中，发送透镜20与接收透镜30相同地形成。可替选地，传感器元件28也可以形成为传感器元件组，使得大量的传感器元件被分配给一个发射器元件18。
然后入射激光脉冲22触发传感器元件28，到目标24的距离根据激光脉冲22的飞行时间来确定。目标24距LIDAR测量系统10的距离优选由电子装置32来确定。电子装置32以简化形式呈现且将不再进一步描述。特别地，TCSPC方法用于确定目标24距LIDAR测量系统10的距离。
当使用大量的发射器元件18和传感器元件28时，优选以焦平面阵列(FPA)来布置这些元件。
电子装置32一方面评估传感器元件，另一方面监控LIDAR测量系统10的测量周期的正确序列。电子装置还借助连接34连接到机动车辆的其他部件。特别地，LIDAR测量系统可以借助连接34发送测量数据。
在激光脉冲22形式的反射激光的入射光束路径内，还布置了波长转换器36。该波长转换器36由将第一波长22a的入射光转换成第二波长22b的发射光的材料制成。由发射器元件18发射的激光22具有第一波长22a。该第一波长22a在该激光的传播过程中保持不变。当激光脉冲22或激光照射到波长转换器36上时，第一波长22a变成不同于第一波长22a的第二波长22b。第一波长22a由附图标记22a以示例性方式在标记的辐射路径上示出，而第二波长标记为22b。附图标记相应地表示激光22的波长特性。
根据图1，波长转换器36被布置为在接收透镜30与传感器元件28之间的光束路径内的单独的元件、特别地为光盘。因此，入射激光经过接收透镜30、波长转换器36，然后照射到传感器元件28上，在波长转换器36中，第一波长转换成第二波长。
归因于波长转换器36，激光可以以长波长被发射，使得即使在高激光功率水平下，也不会对人眼造成危害。这种波长特别地位于红外线范围内。用于传感器元件的便利材料例如为硅。硅的最佳检测范围在可见光光谱内。因此，通过使用波长转换器36，一方面可以发射高的光输出功率，同时另一方面可以在其最佳检测范围内使用便利的检测器材料。
图2示出了图1中用虚线圈出的LIDAR测量系统30的接收路径的替选实施方式。图1中的LIDAR接收单元例如可以用图2中的LIDAR接收单元替代。与图1形成对比，波长转换器36不是由单独的光学元件形成，而是以涂层的形式施加到传感器元件28。该波长转换器36在入射激光照射到传感器元件28上之前即时对入射激光进行转换。
图3示出了波长转换器系统36的布置的另一实施方式。取代涂覆传感器元件28，对应的涂层被施加到接收透镜30。该涂层形式的波长转换器36与前述两个变型实施方式具有相同的效果。该涂层被施加到接收透镜30的传感器元件侧。
图4也示出了与图3类似的实施方式。在这种情况下，波长转换器36以涂层的形式被施加到接收透镜30的远离传感器元件的一侧。
附图标记
10 LIDAR测量系统
12 LIDAR发送单元
14 LIDAR接收单元
16 芯片
18 发射器元件
20 发送透镜
22 激光/激光脉冲
22a 第一波长
22b 第二波长
24 目标
26 芯片
28 传感器元件
30 接收透镜
32 电子装置
34 连接
36 波长转换器

Claims (5)

1.一种LIDAR测量系统(10)，
-包括发射器元件(18)、传感器元件(28)和光学元件(30)，
-其中，所述发射器元件(18)发射第一波长(22a)的激光，所述激光在目标(24)处反射后再次照射到所述LIDAR测量系统(10)上，
-其中，入射的所述激光经过所述光学元件(30)并照射到所述传感器元件(28)上，
其特征在于，
波长转换器(36)被实现在所述LIDAR测量系统(10)上，所述波长转换器(36)将所述激光的所述第一波长(22a)转换成第二波长(22b)，使得所述第二波长(22b)的激光照射到所述传感器元件(28)上。
2.一种LIDAR测量系统(10)，其特征在于，所述波长转换器(36)由接收侧光束路径内的波长转换器元件(36)形成。
3.一种LIDAR测量系统(10)，其特征在于，所述波长转换器元件(36)被布置在光学元件(30)与传感器元件(28)之间或者相对于入射的所述激光被布置在所述光学元件(30)之前。
4.一种LIDAR测量系统(10)，其特征在于，所述波长转换器(36)作为涂层被施加到所述光学元件(30)上。
5.一种LIDAR测量系统，其特征在于，所述波长转换器(36)作为涂层被施加到所述传感器元件(28)上或传感器芯片(16)上。
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