TWI884021B - 車用電子系統 - Google Patents

Abstract

一種車用電子系統包含雷射裝置以及擋風玻璃。雷射裝置包含封殼、光源以及接收器。封殼包含具有開口的殼體以及設置於開口的透光窗。透光窗包含配置以吸收波段為約1600 nm至約2000 nm的電磁波的導磁材料。光源設置於封殼內，並配置以發射具有波段為約1500 nm至約1600 nm的光束。接收器設置於封殼內，並配置以偵測波段為約1450 nm至約2000 nm的光信號。擋風玻璃面對透光窗，並配置以對波段為約1600 nm至約2000 nm的環境電磁波具有約8%至約10%的反射率。

Description

車用電子系統

本揭露是有關於一種車用電子系統。

光達(Light Detection and Ranging，LiDAR)系統是一種利用光來測量物體距離或形狀的技術。光達系統在許多領域都有應用，包含自動駕駛、無人機、地形測量和環境監測。請參照第1圖，其為繪示無線電波段、頻率與波長的對照圖。如第1圖所示，光達系統常用的近紅外光頻譜與鄰近微波波段較近，因此容易受到干擾。換言之，目標波段信號之信噪比(Signal-to-noise ratio，縮寫為SNR或S/N)不佳會導致光達系統的測量結果不準確。

現有技術主要採用以下幾種方法來改善光達系統的信噪比：(1)使用屏蔽材料來屏蔽特定波段的光線，例如中國專利公告號第CN213210525U號；(2)使用濾波器來濾除特定波段的雜散光；(3)使用抗干擾能力強的光源；以及(4)使用數字信號處理技術來消除特定波段的光信號的影響。然而，這些方法都存在一定的局限性。例 如，外加屏蔽層會增加光達系統的重量和體積；濾波會降低光達系統的靈敏度；抗干擾光源的成本較高；數字信號處理技術的複雜度較高。

因此，如何提出一種可解決上述問題的車用電子系統，是目前業界亟欲投入研發資源解決的問題之一。

有鑑於此，本揭露之一目的在於提出一種可有解決上述問題的車用電子系統。

為了達到上述目的，依據本揭露之一實施方式，一種車用電子系統包含雷射裝置以及擋風玻璃。雷射裝置包含封殼、光源以及接收器。封殼包含具有開口的殼體以及設置於開口的透光窗。透光窗包含配置以吸收波段為約1600nm至約2000nm的電磁波的導磁材料。光源設置於封殼內，並配置以發射具有波段為約1500nm至約1600nm的光束。接收器設置於封殼內，並配置以偵測波段為約1450nm至約2000nm的光信號。擋風玻璃面對透光窗，並配置以對波段為約1600nm至約2000nm的環境電磁波具有約8%至約10%的反射率。

於本揭露的一或多個實施方式中，光束通過擋風玻璃的一部位。此部位相對於透光窗傾斜。

於本揭露的一或多個實施方式中，擋風玻璃的前述部位相對於透光窗的傾斜角度小於約50度。

於本揭露的一或多個實施方式中，傾斜角度大於約 20度。

於本揭露的一或多個實施方式中，傾斜角度在約40度至約45度。

於本揭露的一或多個實施方式中，擋風玻璃為素玻璃。

於本揭露的一或多個實施方式中，擋風玻璃包含基體件以及拼接件。基體件具有缺口。拼接件拼接於缺口，並具有凹陷部。雷射裝置至少部分容置於凹陷部內。

於本揭露的一或多個實施方式中，光束通過拼接件的一部分。此部分相對於透光窗的傾斜角度小於基體件相對於透光窗的傾斜角度。

於本揭露的一或多個實施方式中，導磁材料包含p型摻雜物或n型摻雜物。

於本揭露的一或多個實施方式中，光束通過擋風玻璃的前述部位。前述部位具有複數個微結構。

綜上所述，於本揭露的車用電子系統中，對於雷射裝置的接收器可偵測波段，藉由利用雷射裝置的透光窗吸收來自環境特定波段的電磁波，並搭配擋風玻璃對此來自環境特定波段的電磁波進行一定程度的反射，即可有效提高接收器對於欲偵測的波段的光信號(對應於雷射裝置的光源所發射的光束的波段)的信噪比。在搭配限定擋風玻璃的相對於雷射裝置的透光窗的傾斜角度小於約50度，即可使擋風玻璃達到前述反射電磁干擾效果。藉由使透光窗的導磁材料中包含p型摻雜物或n型摻雜物，即可使透光 窗達到前述吸收電磁波的綜合效果。本揭露之精神在於同時利用雷射裝置的透光窗導入吸收材料的概念，再配合擋風玻璃對非屬於接收器欲接收波段進行反射之複合綜效，來達到有效排除環境光並對信噪比有效改善。藉由在擋風玻璃被光束通過的部位設置微結構，即可增加擋風玻璃對於光束的透光率，並降低各入射角度的透光率衰減。

以上所述僅係用以闡述本揭露所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本揭露之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。

10,10’:車用電子系統

100:雷射裝置

110:封殼

111:殼體

111a:開口

112:透光窗

120:光源

130:接收器

141:膠黏條

142:密封件

143:內構件

144:封蓋

200,200’,200”:擋風玻璃

201:微結構

210:基體件

211:缺口

220:拼接件

221:凹陷部

310:車頂

900:光譜儀

910:光電倍增管偵測器

920:InGaAs偵測器

930:PbS偵測器

LB:光束

Ba,Bb,Bc:波段

θ,θ1,θ2:傾斜角度

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖為繪示無線電波段、頻率與波長的對照圖。

第2圖為繪示根據本揭露一實施方式之包含車用電子系統的車輛的局部示意圖。

第3圖為繪示第2圖中之車用電子系統的局部示意圖。

第4圖為繪示關於車用電子系統的各種波段的示意圖。

第5圖為繪示常見休旅車的側視圖。

第6圖為繪示卡車的側視圖。

第7圖為繪示不同擋風玻璃在不同傾斜角度下的波長-反射率曲線圖。

第8圖為繪示一種檢測儀器的立體圖。

第9圖為繪示根據本揭露另一實施方式之車用電子系統的正視圖。

第10圖為繪示第9圖中之車用電子系統沿著線段10-10的剖面圖。

第11圖為繪示根據本揭露另一實施方式之擋風玻璃的局部剖面圖。

第12圖為繪示第11圖中之擋風玻璃的局部立體圖。

以下將以圖式揭露本揭露之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本揭露。也就是說，在本揭露部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請參照第2圖、第3圖以及第4圖。第2圖為繪示根據本揭露一實施方式之包含車用電子系統10的車輛的局部示意圖。第3圖為第2圖中之車用電子系統10的局部示意圖。第4圖為繪示關於車用電子系統10的各種波段的示意圖。如第2圖至第4圖所示，於本實施方式中，車用電子系統10包含雷射裝置100以及擋風玻璃200。雷射裝置100包含封殼110、光源120以及接收器130。封殼110包含具有開口111a的殼體111以及設置於開口 111a的透光窗112。透光窗112包含配置以吸收波段Ba為約1600nm至約2000nm的電磁波的導磁材料。事實上，設計透光窗112吸收約1600nm至約2000nm波段的理由，在於目前採用目標光源120為1550nm波段之近紅外雷射光。若不對1600nm至約2000nm波段進行吸收處理，勢必會在沿第3圖的光束LB的方向上回收時對目標光源120為1550nm波段接收產生干擾，這將會使接收器130誤判真正目標訊號。請注意，在本揭露中，當目標光源120為1550nm波段之雷射，接收器130一般會有一定接收寬幅，不會剛好只接收1550nm波段。因此，有必要處理寬幅接收之信噪比，因為來自鄰近環境微波干擾會造成信噪比不佳問題。光源120設置於封殼110內，並配置以發射具有波段Bb為約1500nm至約1600nm的光束LB。具體來說，光源120可以選用具有指向性佳的1550nm雷射光源，例如是DFB Laser diode發射源，但不以此為限。也就是說，當目標光源120發射至外部物體而返回，接收器130理論上較佳是只接收1550nm反射波，即可達到光達掃描目標物輪廓之用。接收器130設置於封殼110內，並配置以偵測波段Bc為約1450nm至約2000nm的光信號。如前所述，一般而言接收器130設計選用偵測寬幅會大於特定雷射光源(例如1550nm)的接收寬幅，以避免訊號接收不完全，但也因此會增加目標接收波段外來自環境之鄰近干擾波段干擾信噪比問題。因此，通過本揭露可解決實務面臨的工程技術 難題。目標光源120沿第3圖的光束LB的方向射出至物體後並以沿光束LB的方向回來之接收光源中，會夾在環境干擾光源。若擋風玻璃200面對透光窗112，並配置以在某些角度時對波段Ba為約1600nm至約2000nm的環境電磁波具有約8%至約10%的反射率。更進一步來說，對於來自環境之非目標波段有一定程度反射，再配合前述對非目標波段之環境光吸收，即可達到使接收器130收到較乾淨之目標光，進而達到信噪比有效改善目的。

由前述結構配置可知，對於雷射裝置100的接收器130可偵測波段Bc，本實施方式的車用電子系統10係藉由利用雷射裝置100的透光窗112吸收特定波段Ba(即約1600nm至約2000nm)的電磁波，並搭配擋風玻璃200對此特定波段Ba的電磁波進行一定程度的反射(即約8%至約10%的反射率)綜效，即可有效提高接收器130對於欲偵測的波段Bb的光信號(即約1500nm至約1600nm)的信噪比。請注意，在本揭露中，關於反射率定義及實驗設計量測方式為，以第3圖做說明。第3圖在擋風玻璃200外右方，沿光束LB的方向向左返回的光來進行反射率定義，也就是本揭露探討反射率特指來自環境方向相對擋風玻璃200外之返回方向之反射率，也就是指目標光源120或環境光源沿光束LB進入擋風玻璃200之反射率，配合考慮傾斜角度θ所作成，可參後表一及表二。

於一些實施方式中，透光窗112的導磁材料包含p型摻雜物或n型摻雜物。藉此，即可使透光窗112達到 前述吸收波段Ba為約1600nm至約2000nm的電磁波的效果。於一些實施方式中，前述導磁材料為抗EMI(Electromagnetic Interference)材料。

如與第3圖所示，於本實施方式中，光源120所發射的光束LB在通過透光窗112之後，會通過擋風玻璃200的一部位。擋風玻璃200的此部位相對於透光窗112傾斜而具有傾斜角度θ。於一些實施方式中，擋風玻璃200的前述部位相對於透光窗112的傾斜角度θ小於約50度。舉例來說，傾斜角度θ可為20度、30度或40度，但本揭露並不以此為限。

於一些實施方式中，擋風玻璃200為素玻璃。此處所稱的素玻璃指的是擋風玻璃200的表面並不具有任何鍍膜(例如由多個高低折射率層膜交替堆疊而成的抗反射AR鍍膜)。換言之，擋風玻璃200為質地均勻的玻璃塊材。

請參照第7圖，其為繪示不同擋風玻璃200在不同傾斜角度θ下的波長-反射率曲線圖。具體來說，第7圖繪示兩種擋風玻璃200分別在傾斜角度θ為20度、30度、40度、50度、60度、70度與80度下的波長-反射率曲線圖。舉例來說，第5圖所示的常見休旅車的擋風玻璃200的傾斜角度θ為約45度至約60度，而第6圖所示的卡的擋風玻璃200的傾斜角度θ為約5度。需說明的是，兩種擋風玻璃200分別為不同商用廠商(例如，比亞迪、福斯...等)所產出的素玻璃，並分別以代號1#與2#代表。請參 照第8圖，其為繪示一種檢測儀器的立體圖。檢測儀器為島津(SHIMADZU)型號為SolidSpee-3700的光譜儀900。此光譜儀900包含光電倍增管(PMT)偵測器910、InGaAs偵測器920以及PbS偵測器930，為複合式全波段檢測器。此光譜儀900可利用光電倍增管偵測器910與InGaAs偵測器920切換的範圍從700nm至1,000nm(預設切換波長為870nm)。InGaAs偵測器920可與PbS偵測器930切換的範圍從1,600nm至1,800nm(預設切換波長為1,650nm)。此光譜儀900可用以檢測樣品的直接透光率、可變角透光率以及可變角絕對反射率。下表一及表二僅擷取兩種擋風玻璃200在特定波長下所對應的反射率的數據。

由第7圖與表一及表二可以清楚得知，當擋風玻璃200的相對於雷射裝置100的透光窗112的傾斜角度θ小於約50度時(請留意，若傾斜角度θ大於60度，則反射率會過大，反而同步反射掉返回之1550nm的目標波段太多而帶來負面效果，因此傾斜角度θ小於約50度為 佳)，擋風玻璃200可對波段為約1600nm至約2000nm的環境電磁波具有約12%以下的反射率。進一步來說，當擋風玻璃200的相對於雷射裝置100的透光窗112的傾斜角度θ在約40度時，擋風玻璃200可對波段為約1600nm至約2000nm的環境電磁波具有約8%的反射率。當擋風玻璃200的相對於雷射裝置100的透光窗112的傾斜角度θ在約30度時，擋風玻璃200可對波段為約1600nm至約2000nm的環境電磁波具有約7%的反射率。當擋風玻璃200的相對於雷射裝置100的透光窗112的傾斜角度θ在約20度時，擋風玻璃200可對波段為約1600nm至約2000nm的環境電磁波具有約6%的反射率。由此可推得，當擋風玻璃200的相對於雷射裝置100的透光窗112的傾斜角度θ在約40度至約45度時，擋風玻璃200可對波段為約1600nm至約2000nm的環境電磁波具有約8%至約10%的反射率。

需說明的是，由第7圖可知，在各傾斜角度θ下，約1500nm至約1600nm的波段的反射率大致上與約1600nm至約2000nm的波段的反射率變化不大。因此，若約1600nm至約2000nm的波段的反射率過小時(例如傾斜角度θ小於20度)，則雖然接收器130對於約1500nm至約1600nm的波段的光信號可以更好地接收，但對於約1600nm至約2000nm的波段的電磁波的反射效果不佳，從而無法搭配透光窗112的導磁材料達成提高信噪比的綜效。相對地，若約1600nm至約2000nm的波段 的反射率過大時(例如傾斜角度θ大於50度)，則約1500nm至約1600nm的波段的反射率亦會過大，從而降低接收器130對於約1500nm至約1600nm的波段的光信號的信噪比。因此，如前所述，藉由將擋風玻璃200的相對於雷射裝置100的透光窗112的傾斜角度θ在約40度至約45度，可以較佳地提高接收器130對於約1500nm至約1600nm的波段的光信號的信噪比。

請參照第9圖以及第10圖。第9圖為繪示根據本揭露另一實施方式之車用電子系統10’的正視圖。第10圖為繪示第9圖中之車用電子系統10’沿著線段10-10的剖面圖。如第9圖與第10圖所示，於本實施方式中，光達系統包含雷射裝置100以及擋風玻璃200’，其中雷射裝置100相同於第3圖所示的實施方式，因此可參照前文相關說明，在此恕不贅述。相較於第3圖所示的實施方式，本實施方式之擋風玻璃200’包含基體件210以及拼接件220。基體件210具有缺口211。拼接件220拼接於缺口211，並具有凹陷部221。雷射裝置100至少部分容置於凹陷部221內。光束LB通過拼接件220的一部分。此部分相對於透光窗112的傾斜角度θ1小於基體件210相對於透光窗112的傾斜角度θ2。由此可知，基體件210比拼接件220的前述部分更加傾斜。

於一些實施方式中，拼接件220的前述部位相對於透光窗112的傾斜角度θ1小於約50度。舉例來說，傾斜角度θ1可為20度、30度或40度，但本揭露並不以 此為限。

於一些實施方式中，擋風玻璃200’的拼接件220為素玻璃。此處所稱的素玻璃指的是拼接件220的表面並不具有任何鍍膜(例如由多個高低折射率層膜交替堆疊而成的抗反射AR鍍膜)。換言之，擋風玻璃200的拼接件220為質地均勻的玻璃塊材。

於一些實施方式中，擋風玻璃200’的拼接件220為素玻璃，且拼接件220的前述部位相對於透光窗112的傾斜角度θ1較佳地在約40度至約45度。藉此，拼接件220的前述部位可對波段為約1600nm至約2000nm的環境電磁波具有約8%至約10%的反射率。

如第10圖所示，於本實施方式中，光達系統進一步包含膠黏條141、密封件142、內構件143以及封蓋144。內構件143設置於擋風玻璃200’的拼接件220的內側面(即延伸至凹陷部221)。內構件143向下朝向擋風玻璃200’的基體件210延伸，並與基體件210的內側面相對。另外，拼接件220向上朝向車頂310延伸，並與車頂310的內側面相對。膠黏條141環繞地設置於拼接件220上，以黏合於內構件143與基體件210的內側面之間以及拼接件220與車頂310的內側面之間。密封件142進一步填充在內構件143與基體件210的內側面之間的間隙以及拼接件220與車頂310的內側面之間的間隙，以實現相對於外部環境的良好密封，並消除接縫以避免於車輛行進間產生噪音。封蓋144配置以可拆卸地組合至內構件 143，藉以將雷射裝置100容置於拼接件220、內構件143與封蓋144所環繞形成的容置空間內。封蓋144可做為支撐雷射裝置100的基座的用途。於一些實施方式中，封蓋144遠離雷射裝置100的一側可額外加裝後視鏡。

於一些實施方式中，內構件143例如由聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚腈、聚酯、聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、優選丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚碳酸酯(ABS+PC)、PET+PC、PBT+PC和/或共聚物、嵌段共聚物或它們的混合物構成。此外，內構件143能夠包含無機的或有機的填料、優選SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、粘土礦物、矽酸鹽、沸石、玻璃纖維、碳纖維、玻璃球、有機纖維和/或它們的混合物。

請參照第11圖以及第12圖。第11圖為繪示根據本揭露另一實施方式之擋風玻璃200”的局部剖面圖。第12圖為繪示第11圖中之擋風玻璃200”的局部立體圖。如第11圖與第12圖所示，於本實施方式中，擋風玻璃200”在光源120所發射的光束LB通過的部位處具有複數個微結構201。微結構201分佈於擋風玻璃200”的前述部位的相對兩側。具體來說，每一微結構201實質上呈圓錐狀。舉例來說，可藉由對擋風玻璃200”執行蝕刻製程，以於擋風玻璃200”的相對兩側形成微結構201。藉由在擋風玻 璃200”被光束LB通過的部位設置微結構201，即可增加擋風玻璃200”對於光束LB的透光率，並降低各入射角度的透光率衰減。根據實際試驗，相較於不具有前述微結構201的素玻璃，具有前述微結構201的擋風玻璃200”可拉高光束LB的透光率約6%至約8%，且並降低各入射角度(例如，0度至80度)的透光率衰減約15%。藉由增加光束LB穿透擋風玻璃200”的光量，即可對應地增加接收器130經由擋風玻璃200”接收光束LB的反射光的光量，從而可提高信噪比。

於一些實施方式中，擋風玻璃200”相對於光束LB傾斜，而微結構201的延伸方向實質上平行於光束LB。換言之，微結構201的延伸方向並非垂直於擋風玻璃200”的表面。

由以上對於本揭露之具體實施方式之詳述，可以明顯地看出，於本揭露的車用電子系統中，對於雷射裝置的接收器可偵測波段，藉由利用雷射裝置的透光窗吸收來自環境特定波段的電磁波，並搭配擋風玻璃對此來自環境特定波段的電磁波進行一定程度的反射，即可有效提高接收器對於欲偵測的波段的光信號(對應於雷射裝置的光源所發射的光束的波段)的信噪比。再搭配限定擋風玻璃的相對於雷射裝置的透光窗的傾斜角度小於約50度，即可使擋風玻璃達到前述反射電磁干擾綜合效果。藉由使透光窗的導磁材料中包含p型摻雜物或n型摻雜物，即可使透光窗達到前述吸收電磁波的效果。藉由在擋風玻璃被光束通過 的部位設置微結構，即可增加擋風玻璃對於光束的透光率，並降低各入射角度的透光率衰減。對於來自環境之非目標波段有一定程度反射，再配合前述對非目標波段之環境光吸收，即可達到使接收器收到較乾淨之目標光源進而達到信噪比有效改善目的。本揭露之精神在於同時利用雷射裝置的透光窗導入吸收材料的概念，再配合擋風玻璃對非屬於接收器欲接收波段進行反射之複合綜效，來達到有效排除環境光並對信噪比有效改善。

雖然本揭露已以實施方式揭露如上，然其並不用以限定本揭露，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:車用電子系統

100:雷射裝置

110:封殼

111:殼體

111a:開口

112:透光窗

120:光源

130:接收器

200:擋風玻璃

LB:光束

θ:傾斜角度

Claims (10)

1. 一種車用電子系統，包含： 一雷射裝置，包含： 一封殼，包含具有一開口的一殼體以及設置於該開口的一透光窗，其中該透光窗包含配置以吸收波段為約1600 nm至約2000 nm的電磁波的一導磁材料； 一光源，設置於該封殼內，並配置以發射具有波段為約1500 nm至約1600 nm的一光束；以及 一接收器，設置於該封殼內，並配置以偵測波段為約1450 nm至約2000 nm的光信號；以及 一擋風玻璃，面對該透光窗，並配置以對波段為約1600 nm至約2000 nm的環境電磁波具有約8%至約10%的反射率。
2. 如請求項1所述之車用電子系統，其中該光束通過該擋風玻璃的一部位，且該部位相對於該透光窗傾斜。
3. 如請求項2所述之車用電子系統，其中該擋風玻璃的該部位相對於該透光窗的一傾斜角度小於約50度。
4. 如請求項3所述之車用電子系統，其中該傾斜角度大於約20度。
5. 如請求項4所述之車用電子系統，其中該傾斜角度在約40度至約45度。
6. 如請求項1所述之車用電子系統，其中該擋風玻璃為素玻璃。
7. 如請求項1所述之車用電子系統，其中該擋風玻璃包含： 一基體件，具有一缺口；以及 一拼接件，拼接於該缺口，並具有一凹陷部，其中該雷射裝置至少部分容置於該凹陷部內。
8. 如請求項7所述之車用電子系統，其中該光束通過該拼接件的一部分，且該部分相對於該透光窗的一傾斜角度小於該基體件相對於該透光窗的一傾斜角度。
9. 如請求項1所述之車用電子系統，其中該導磁材料包含p型摻雜物或n型摻雜物。
10. 如請求項1所述之車用電子系統，其中該光束通過該擋風玻璃的一部位，且該部位具有複數個微結構。