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具有温度调节的有源光学传感器系统的制作方法

2022-05-13 12:06:10 来源:中国专利 TAG:
具有温度调节的有源光学传感器系统的制作方法

本发明涉及一种具有温度调节的有源光学传感器系统,其具有光源、光学检测器以及光学滤波器元件,所述光源被配置为在物体的方向上发射光,所述光学检测器被配置为检测由物体反射的光的分量,所述光学滤波器元件被布置在用于光的反射分量的接收光束路径中。本发明还涉及用于调节有源光学传感器系统的温度的相应方法。

背景技术

诸如激光雷达系统的有源光学传感器系统可以安装在机动车辆上,以便实现电子车辆引导系统或驾驶员辅助系统的各种功能。这些功能包括距离测量、距离控制算法、车道保持辅助、对象跟踪功能等等。

有源光学传感器系统具有用于发射光的光源和用于接收光的反射分量的光学检测器。当周围温度升高时,传感器系统的这些部件变热,这可以导致机械膨胀和/或部件的内部物理参数的变化。这可以导致光源的发射波长和/或布置在接收光束路径中的滤波器元件的透射光谱的偏移。然而,通常,对于滤波器元件和光源来说,偏移是不同的,结果,在已知的有源光学传感器系统中,使用具有取决于波长的非常宽的透射范围的滤波器元件来确保具有光源的发射波长的光被滤波器元件以足够高的强度透射,即使在温度波动发生时。

然而,滤波器元件具有高透射率的波长范围越大,则噪声的影响越大(例如由于周围光)。这导致信噪比降低,并因此导致有源光学传感器系统的测量结果的准确性和可靠性降低。

在此背景下,本发明的一个目的是为有源光学传感器系统指定一种改进的概念,这种改进的概念导致更低的噪声影响或增加的信噪比。



技术实现要素:

根据本发明,该目的通过独立权利要求的相应主题来实现。有利的改进和优选的实施例是从属权利要求的主题。

改进的概念基于根据传感器系统的滤波器元件的滤波器温度来调节传感器系统的光源的源温度的思想。

根据改进概念的独立方面,规定了具有温度调节的有源光学传感器系统。该传感器系统具有光源,光源被配置为在物体的方向上发射光,所述物体特别是位于传感器系统的周围区域中的物体。该传感器系统具有至少一个光学检测器以及光学滤波器元件,所述至少一个光学检测器被配置为检测由物体反射的光的分量,所述光学滤波器元件布置在用于光的反射分量的接收光束路径中。传感器系统具有温度调节装置,该温度调节装置被配置为根据滤波器元件的滤波器温度来调节光源的源温度。

光源特别地可以设计为激光器,例如激光二极管。

传感器系统特别地可以被设计为激光雷达系统。

所述至少一个检测器可以被设计为例如光电二极管,特别是雪崩光电二极管。

在这里和下面,术语“光”可以理解为包括可见光范围、红外范围和/或紫外光范围的电磁波。因此,在这个意义上,术语“光学的”也可以理解为与光相关。

由光源发射的光优选是红外光。发射波长,即光源的发射光谱的最大值,因此位于红外光谱范围内,例如在905nm或1200nm。

滤波器元件可以被设计为例如带通滤波器,其中光源的发射波长在带通滤波器的透射频带内。

滤波器元件被布置在接收光束路径中特别指的是,从传感器系统外部入射到至少一个光学检测器的有效表面上的光已经穿过光学滤波器元件。

源温度可以是光源的紧接周围区域中的温度,例如光源的外壳的温度或者热沉的温度,即光源布置在其上或者光源连接到其上以便被冷却的冷却体。它也可以是光源本身的温度,也就是说,例如,激光二极管的阻挡层温度或电路载体或其上安装有光源或激光二极管的印刷电路板的温度。

滤波器元件特别地用于借助于至少一个检测器选择性地接收由光源发射的光的反射分量,并且用于尽可能地抑制其他光,例如周围光,以便在借助于传感器系统的测量期间降低噪声的影响。因此,滤波器元件的透射光谱与光源的发射波长匹配,其结果是发射波长至少在规定的参考温度处位于滤波器元件的透射频带或透射范围内。

滤波器温度可以是滤波器元件的温度或滤波器元件的紧接周围区域的温度。

具体地,温度调节装置被配置为确定滤波器温度,并基于所确定的滤波器温度,例如通过查找表来确定源温度的设定点值。温度调节装置然后将源温度调节到设定点值。

特别地,根据滤波器温度调节源温度可以被理解为意味着,源温度被调节到取决于滤波器温度的设定点值。

通过改变滤波器温度,特别是相对于滤波器元件的指定标称温度,即光学滤波器元件的透射光谱所指定的温度,透射光谱被偏移和/或改变。

因为发射波长和滤波器元件的透射光谱彼此匹配,所以在没有根据改进的概念的温度调节的情况下,光源的发射波长移出滤波器元件的透射频带或透射范围或者至少移出最大透射范围是可能的。这将导致部分或完全抑制波长对应于发射波长的光。不再可能进行有意义的测量。在没有改进的概念的情况下,该问题可以通过选择相应宽的滤波器元件的透射频带来解决,使得即使发生强烈的温度波动,发射波长也总是位于滤波器元件的透射频带内。

然而,根据改进的概念,源温度的与滤波器温度相关的调节确保了发射波长能够以受控的方式跟踪滤波器元件的透射光谱的偏移。因此,可以实现这样的结果,即发射波长总是在透射光谱的期望范围内,也就是说特别是在透射频带内,因此在滤波器元件的最大透射范围内。

这使得可以显著地限制滤波器元件的透射频带宽度或透射范围,因为根据改进的概念,温度调节已经考虑了温度相关的偏移。

通过选择具有较低透射宽度或带宽的滤波器元件,可以改善借助于传感器系统的测量的信噪比,因为具有不相关波长的光的相应较大分量可以被阻挡。因此,这导致更精确和可靠的测量。

根据改进的概念,特别地根据滤波器温度来调节源温度。在通常用于光源和滤波器元件的材料系统中,发射波长的温度相关的偏移例如比滤波器元件的透射光谱的温度相关的偏移显著得多。因此,通过调节源温度,与根据源温度调节滤波器温度而不是源温度的情况相比,仅需要温度调节装置进行更小的温度调节。

根据有源光学传感器系统的至少一个实施例,传感器系统具有处理单元,该处理单元被配置为根据检测器信号生成物体的扫描点,其中至少一个检测器被配置为根据检测到的光的反射分量生成检测器信号。

扫描点可以包含例如对象上对应点的坐标,特别是三维空间坐标,并且可能地,特别是当传感器系统被实施为激光雷达系统时,包含检测到的反射光的强度。如果发射波长是已知的,则可以基于该强度得出关于物体的光谱属性的结论,例如其颜色。

借助于传感器系统的测量特别地可以理解为以所述方式产生扫描点或多个扫描点。

根据至少一个实施例,温度调节装置包含第一温度传感器,该第一温度传感器被配置和布置成产生取决于滤波器温度的第一传感器信号。温度调节装置包含第二温度传感器,该第二温度传感器被配置和布置成产生取决于源温度的第二传感器信号。温度调节装置被配置为根据第一传感器信号和第二传感器信号来调节源温度。

根据至少一个实施例,温度调节装置,特别是温度调节装置的控制单元,被配置为根据第一传感器信号确定源温度的设定点值,并且根据第二传感器信号将源温度调节到所述设定点值。

因此,第一传感器信号或设定点值特别用作调节的参考变量,而第二传感器信号代表调节回路的调节变量。

根据至少一个实施例,温度调节装置包含布置在光源的周围区域中的温度调节元件和控制单元,该控制单元被配置为根据滤波器温度来控制温度调节元件,以便调节源温度。

温度调节元件特别地可以设计成冷却元件、加热元件或冷却和加热元件,例如珀耳帖元件。温度调节元件也可以包含冷却元件和加热元件。

温度调节元件可以包含例如可主动冷却的热沉或可主动冷却的冷却体。例如,温度调节元件可以附接或连接到光源的被动冷却体或被动热沉,以便形成主动热沉。

控制单元特别地被配置为根据第一传感器信号和第二传感器信号来控制温度调节元件,以便调节源温度。

由控制单元产生的用于激活温度调节元件的控制信号特别地可以被视为调节的操纵变量。

特别地,控制单元被配置为基于第二传感器信号和设定点值确定差信号作为控制信号,并且根据差信号控制温度调节元件,以便将源温度调节到设定点值。

根据至少一个实施例,温度调节元件包含至少一个珀耳帖元件。

这使得源温度的易调节性和节能的冷却成为可能。此外,通过反转用于操作珀耳帖元件的电流方向,从冷却到加热或相反的简单改变是可能的。

根据至少一个实施例,温度调节装置,特别是控制单元和温度调节元件,被配置为根据指定的第一参数来调节源温度,该第一参数描述了光源的特征波长,特别是发射波长的温度相关的偏移。

第一参数特别地是光源的材料参数或结构部件参数。例如,第一参数可以用m/K或nm/K来指定。第一参数可以被称为,例如,依赖于源温度的发射波长的漂移或者光源的波长偏移。

当使用激光器或激光二极管作为光源时,光源的波长偏移取决于温度,这例如是因为当激光二极管被加热时,活性材料的带隙减小,结果相应发射的光子具有更低的能量,因此具有更高的波长。

可以在查找表中考虑第一参数,例如,当将发射波长的相应偏移分配给源温度与光源的指定标称温度的给定偏差时,考虑第一参数。

替代地或附加地,控制单元可以被配置为根据第一参数和测量的滤波器温度来计算设定点值。例如,控制单元可以被配置为基于滤波器温度和滤波器元件的标称温度之间的差来计算滤波器元件的波长偏移,并且根据滤波器元件的波长偏移与第一参数的比率来计算源温度的设定点值。

以这种方式,光源相对于滤波器元件的透射光谱的波长偏移的部分或完全补偿是可能的。

根据至少一个实施例,温度调节装置,特别是控制单元和温度调节元件,被配置为根据指定的第二参数来调节源温度,该第二参数描述了过滤器元件的至少一个特征波长、特别是透射光谱的温度相关的偏移。

如上所述,滤波器元件的至少一个特征波长可以包含滤波器元件的整个透射光谱或部分透射光谱,或者透射光谱的一个或多个截止波长,特别是滤波器元件的透射频带,或者滤波器元件的透射光谱的一个或多个其他独特波长。

特别地,在查找表中的上述分配中可以考虑第二参数。

替代地或附加地,控制单元可以被配置为根据第二参数、第一参数和测量的滤波器温度来计算源温度的设定点值。特别地,滤波器元件的特征波长的偏移可以由滤波器温度与滤波器元件的标称温度的偏差和第二参数的乘积给出。

第二参数可以被称为例如滤波器元件的、特别是滤波器元件的透射光谱的温度相关的波长偏移或频带偏移。第二参数同样可以以m/K或nm/K的单位指定。

根据至少一个实施例,第一参数大于第二参数,例如大于或等于第二参数的五倍。

根据至少一个实施例,温度调节装置,特别是控制单元和温度调节元件,被配置为根据滤波器温度来调节源温度,使得滤波器元件的至少一个特征波长的温度相关偏移由光源的特征波长的温度相关偏移来补偿。

指定的波长偏移被补偿的事实特别地可以被理解为意味着两个波长偏移是相同的或近似相同的。

作为补偿的结果,滤波器元件的带宽可以选择得更窄,这导致信噪比的增加。

根据至少一个实施例,滤波器元件具有布置在至少一个光学检测器的有效表面上、特别是直接布置在有效表面上的层或涂层。

根据至少一个实施例,该层或涂层包含聚合物材料或玻璃。

根据至少一个实施例,滤波器元件被设计为带通滤波器。在特定的参考温度下,光源的发射波长位于带通滤波器的透射频带内。特别地,当光源温度与光源的标称温度相同并且滤波器温度与滤波器元件的标称温度相同时,发射波长位于透射频带内。

借助于改进的概念来调节源温度特别地可以导致这样的事实,即使在偏离标称温度的温度下,特别是在传感器系统的不同周围温度下,发射波长也位于透射频带内。

根据改进概念的另一独立方面,规定了一种具有根据改进概念的有源光学传感器系统的机动车辆。

根据改进概念的另一独立方面,规定了一种用于调节有源光学传感器系统的温度的方法。该传感器系统具有在物体的方向上发射光的光源、检测由物体反射的光的分量的至少一个光学检测器、以及布置在用于光的反射分量的接收光束路径中的光学滤波器元件。根据用于温度调节的方法,特别是借助于传感器系统的温度调节装置,根据滤波器元件的滤波器温度来调节光源的源温度。

根据根据改进概念的方法的至少一个实施例,产生取决于滤波器温度的第一传感器信号,特别是借助于第一温度传感器。产生取决于源温度的第二传感器信号,特别是借助于第二温度传感器。根据第一传感器信号和第二传感器信号,借助于温度调节装置调节源温度。

根据至少一个实施例,借助于温度调节装置根据第一传感器信号确定源温度的设定点值,并且根据第二传感器信号将源温度调节到所述设定点值。

根据至少一个实施例,借助于温度调节装置根据指定的第一参数来调节源温度,该第一参数描述了光源的特征波长的温度相关的偏移。

根据至少一个实施例,借助于温度调节装置根据指定的第二参数来调节源温度,该第二参数描述了滤波器元件的至少一个特征波长的温度相关的偏移。

根据至少一个实施例,滤波器元件的至少一个特征波长的温度相关偏移通过调节源温度产生光源的特征波长的相应偏移来补偿。

根据改进概念的方法的其他实施例直接来自根据改进概念的有源光学传感器系统的各种实施例,并且反之亦然。特别地,根据改进概念的传感器系统可以被配置为执行根据改进概念的方法,或者根据改进概念的传感器系统执行根据改进概念的方法。

从权利要求、附图和对附图的描述中,本发明的其他特征是显而易见的。在不脱离本发明的范围的情况下,以上描述中引用的特征和特征的组合以及以下附图的描述中引用的和/或单独在附图中示出的特征和特征的组合不仅可以用在各个指出的组合中,还可以用在其他组合中。因此,在附图中没有明确示出和解释的、但是借助于特征的单独组合从所解释的实施例中出现和可生产的本发明的实施例也旨在被认为是被包含和公开的。因此而不具有最初表述的独立权利要求的所有特征的实施例和特征组合也旨在被认为是公开的。此外,超出或不同于权利要求的反向引用中阐述的特征组合的实施例和特征组合旨在被认为是公开的,特别是由上面阐述的实施例所公开的。

附图说明

在附图中:

图1示出了根据改进概念的有源光学传感器系统的示例性实施例的示意图;

图2示出了发射波长的温度相关的偏移;以及

图3示出了透射光谱的温度相关的偏移。

具体实施方式

图1示出了根据改进概念的有源光学传感器系统1的示例性实施例。

传感器系统1具有光源2,该光源2特别地可以设计为红外激光二极管。光源2可以将光3发射到传感器系统1的周围区域中,在该周围区域中,光3可以至少部分地被物体4反射,使得反射光分量6入射到传感器系统1上。

传感器系统1还具有一个或多个光学检测器5,这一个或多个光学检测器5例如可以被配置为彼此相邻布置的雪崩光电二极管。

光学滤波器元件7,例如设计为含玻璃或含聚合物的层,布置在检测器5的有源光学表面上。滤波器元件7特别地被设计为带通滤波器。

检测器5可以检测反射分量6,并基于此产生一个或多个检测器信号。

此外,传感器系统1包含控制单元12,控制单元12耦合到检测器5,以便接收和处理由检测器5产生的检测器信号。

传感器系统1还具有温度调节装置8,其至少部分地包括控制单元12。

温度调节装置8附加地具有温度调节元件11,该温度调节元件11包含例如珀耳帖元件,并且特别地布置在光源2的周围区域中,使得光源2的源温度,特别是激光二极管的阻挡层温度,可以借助于温度调节元件11被调节。根据珀尔帖元件的工作电流的方向,温度调节元件11可以用作冷却元件或加热元件。

例如,光源2可以布置在热沉或冷却体14上,用于耗散由光源2产生的热量。

例如,温度调节元件11可以连接到冷却体14,以便冷却后者,从而冷却光源2。

温度调节装置8附加地具有例如第一温度传感器9,该第一温度传感器9被布置成使得它可以确定滤波器元件7的温度和/或可以基于滤波器温度产生第一传感器信号。第一温度传感器9耦合到控制单元12,以便将第一传感器信号传输到控制单元12。

温度调节装置8附加地具有例如第二温度传感器10,其可以根据光源2的源温度产生第二传感器信号。第二温度传感器10耦合到控制单元12,以便将第二传感器信号传输到控制单元12。

第二温度传感器10可以例如同样附接到冷却体14。例如,基于光源2以及可能的冷却体14与光源2之间的过渡的热阻,可以从冷却体14的温度得出关于光源2的阻挡层温度的结论。

可选地,传感器系统1可以包括偏转装置13,其可以将光3的反射分量6引导到检测器5的有效表面上。为此,偏转装置13可以包括例如反射镜,特别是可移动地安装的或可旋转地布置的反射镜。

下面将基于使用特定数值的非限制性示例更详细地解释传感器系统1的操作模式。进一步的实施例直接来自这些解释。

在示例性实施例中,例如,第一环境温度可以是10℃。在传感器系统1的运行期间,这可以例如导致滤波器元件7的第一滤波器温度tF1为45℃。由于光源2因其运行而通常比滤波器元件7变热得更多,所以在那里存在比第一滤波器温度tF1更高的第一光源温度tL1,并且第一光源温度tL1可以是例如60℃。

选择滤波器元件7,例如使得光源2在第一光源温度tL1和第一滤波器元件温度tF1处的发射波长在滤波器元件7的第一滤波器频带B1内,如例如图2和图3所示。

图2示意性地示出了作为波长λ的函数的光源2的发射光3的辐射功率P。在激光器的情况下,相应的波长分布在发射波长处具有尖锐的峰值,如在光源2的第一发射光谱E1中所示。分布的宽度在图2中显示得不成比例地大。

图3示出了作为波长λ的函数的滤波器元件7的透射率。特别地,第一透射频带B1被示意性地示出为矩形带,其中在实际情况下,可能存在与矩形形状较大或较小的偏差。

在示例性实施例中,假设周围温度例如从10℃下降到-40℃。在这种情况下,滤波器温度可以例如降低到第二滤波器温度,例如tF2=-5℃。

如果不调节光源2的源温度,将出现例如10℃的源温度。

滤波器温度降低50K导致第一透射频带B1偏移Δλ值,到达结果的第二透射频带B2,如图3示意性示出的。

滤波器元件7的透射频带中的温度相关的偏移可以是例如0.05nm/K的数量级,这将导致△λ≈-2.5nm。

在激光器作为光源2的情况下,发射波长根据温度的偏移是最初预期的,其远大于Δλ。例如,光源2的温度相关的波长偏移可以是0.5nm/K的数量级。在不调节源温度的情况下,这可能导致发射波长移出滤波器元件7的透射频带。

控制单元12被配置为根据温度传感器9、10的传感器信号产生控制信号,并将其传输到温度调节元件11,结果产生调节回路,通过该调节回路,控制单元12根据滤波器温度调节光源2的源温度。

为了完全或部分补偿透射光谱或发射光谱中的不同偏移,可以调节源温度,例如,这抵消了由周围温度变化引起的源温度的变化。

在特定的示例性实施例中,源温度可以例如被调节到第二源温度tL2=45℃。如使用上面给出的数值可容易地检查到那样,这种情况下的结果是光源2的发射光谱同样偏移Δλ≈-2.5nm,到达第二发射光谱E2,如图2所示。

因此,即使在-40℃的周围温度下,第二发射光谱E2也完全位于滤波器元件7的透射频带B2内。

在其他实施例中,可以将源温度调节到10℃和45℃之间的值,以便至少部分补偿波长的偏移。

因此,根据改进的概念,滤波器元件7的透射频带的宽度可以被选择为显著小于在没有温度调节的情况下可能的宽度。

如已经描述的,对于借助于传感器系统的测量,信噪比因此可以增加,这增加了传感器系统的精度和可靠性。

光源的更好冷却的另一个附加的积极副作用可以是,例如,导致的光源的使用寿命延长。

再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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