CN101080733A - 具有vcsel二极管阵列的对象检测*** - Google Patents

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Abstract

安装在车辆上的对象检测***(200)，利用激光器二极管作为发射器源以警告车辆操作员在被监视区域(104和106)中存在另外的移动车辆。对象检测***(200)包括光发送器(204)和光接收器(212)。

Description

具有VCSEL二极管阵列的对象检测***
技术领域
本发明通常涉及对象检测***。更具体地，本发明针对一种安装在车辆上的对象检测***，所述对象检测***利用激光器二极管作为发射器源。
背景技术
已经开发出对象检测***，用以警告机动车辆操作员在被监视区域内有另外的移动车辆的存在，所述被监视区域在安装在侧面的车辆反光镜之后延伸。感兴趣的监视区域通常称为“盲点”。传统的侧面对象检测(SOD)***使用光发送器以经过发送器透镜将检测光束发送至被监视区域，使用接收器以接收从被监视区域内的对象被反射后通过接收器透镜的检测光束，并且使用***板，所述***板包含通常用于控制该***(包括对接收到的信号进行处理)的电子硬件和软件。所述***板电耦合至车辆的电气总线。
在许多SOD***中，将多条检测或者感测光束从使用多个边缘发射激光器二极管的光源发送至被监视区域。使用一个或更多光电检测器的目的在于，在被监视区域内使得所述光电检测器接收来自被监视区域内对象的任何检测光束反射。这样的***通常在接收反射时使用三角测量(triangulation)或者相移来区分从被监视区域内对象反射的光和从被监视区域边界外散发的光。在美国专利No.5463384和No.6377167中公开了这种***的实例，其所有内容包含在此以供参考。
对于许多SOD***来讲，优选的是激光器型红外光源，尤其是边缘发射激光器二极管。然而，这些边缘发射激光器二极管产生了漫射的椭圆光束，很难对所述漫射的椭圆光束的反射进行检测和分析。因而，很难精确地限定对象检测区域，并且因此很难降低使用边缘发射激光器二极管的SOD***中的错误检测。另外，边缘发射激光器二极管其自身比较昂贵且响应时间较慢。由于发射光束的方向问题，边缘发射器激光器二极管不能安装在标准表面安装封装体中，进一步增加了其在SOD***的使用成本。边缘发射激光器二极管的高成本和低性能导致总成本较高且用于这些现有技术SOD***的功能性减少，这已经大大限制了其SOD***的市场畅销度。
因而，所需要的是具有激光器光源的安装在车辆上的对象检测***，所述激光器光源比较廉价，提供了增加的准确度，并且可以使用传统表面安装电子部件的装配方法进行制造。
发明内容
本发明针对一种包括光发送器和光接收器的对象检测***。***板电耦合至光发送器和接收器。所述***板包括逻辑功能，以使得发送器产生光信号，使得接收器接收从被检测对象反射时的光信号，并对所接收的光信号进行处理。所述光发送器包括具有发射器模块的发送器电路板，所述发射器模块包括多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)芯片。可选地，所述光发送器包括至少一个光导管，所述光导管定位在发射器模块上，使得所述光导管远离发送器电路板延伸，以将光信号引导至发送器透镜。
多个VCSEL芯片以预定的二维VCSEL芯片阵列形式定位在发送器电路板上。每个VCSEL芯片具有多个VCSEL二极管，所述多个VCSEL二极管安装在表面安装封装体中的衬底上，并且以预定的二维VCSEL二极管阵列形式定位在所述衬底上。优选地，VCSEL芯片阵列具有相应的(reciprocal)几何形状，使得通过旋转发送器板180度，发送器板可以用于右侧或者左侧车辆位置。表面安装封装体包括集成陶瓷散热元件。以小于1.5％的占空比为VCSEL二极管输送脉冲，以适应表面安装封装体的低功率耗散能力。
附图说明
图1为定位在多车道高速公路上的车辆的顶视图，另外示出了由根据本发明的SOD***监视的从车辆的侧视镜延伸的区域；
图2示出了根据本发明的SOD***的优选实施例的***方框图；
图3(a)-3(c)每个包含VCSEL芯片的三个不同实施例的侧视图、边缘视图和顶视图，所述VCSEL芯片封装在根据本发明的表面安装封装体中；
图4(a)-4(e)为根据本发明的VCSEL二极管阵列的不同实施例的顶视图；
图5示出了根据本发明的多条检测光束的透视图，所述多条检测光束从SOD***发送器发射，用以限定被监视区域；
图6(a)为SOD***发射器模块的平面图，所述SOD***发射器模块包含以相应的几何结构和功能布置的VCSEL阵列，以产生如图5所示的多条检测光束；
图6(b)为SOD***接收器的平面图，所述SOD***接收器包含以相应的几何结构和功能布置的光电检测器阵列，以接收从被监视区域中的对象反射的多条检测光束；
图7(a)-7(e)分别示出了用于本发明发射器和接收器板的光纤接口的一个实施例的顶视图、斜视图、前视图、侧视图和底视图。
具体实施方式
本发明针对一种用于机动车辆的对象检测***。此处描述的实施例用于侧面对象检测(SOD)。
图1示出了SOD的基本概念。所述SOD***用于向主车辆102的驾驶者提供临近检测区域(有时也称作被监视区域)104和106中存在一部或多部车辆的相关信息，所述检测区域由SOD***或者单元108和110监视。所述检测区域104和106由边界104(a-d)和边界106(a-d)限定。优选地，所述被监视区域104和106围成了所谓的“盲点”或者车辆102的驾驶者不能直接或者通过内部和外部后视镜看到的区域。在本SOD***的这种盲点应用中，期望大约4至25英尺的被监视区域104和106，以充分覆盖从侧面后视镜测量时驾驶者侧和乘客侧的盲点。
优选将SOD***108和110的发射器和检测器单元安装在车辆外侧的后视镜中或者安装在其上。为了检测被监视区域104和106中的对象，从SOD***108和110向区域104和106中发送多条光束(有时称作检测光束)的三维阵列。如下面更加详细讨论的，检测光束优选通过布置在多个VCSEL芯片阵列中的多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)二极管产生。使用SOD***108和110中的接收器接收被反射的检测光束。与被反射的检测光束对应的返回信号与相同频率的相位控制参考信号混合，所述相位控制参考信号被设置为与从被监视区域边界范围内发出的返回信号存在90度相位差。由于在这样的情形中信号在相位上正交，因此在区域边界处从混频器产生了0输出。因此，来自被监视区域内(比范围边界更近)的对象的返回信号将从混频器中产生正符号信号，而如果被检测光束来自被监视区域外部(超出边界范围)的对象，则产生负符号信号。尽管可以使用返回信号中的相移幅度来确定至被检测对象的距离，但是对于车辆盲点中SOD的用途，这种计算不是必要的。由于光速基本恒定，因此对于至被检测对象的每英尺范围来讲，返回的光信号将相移1.97ns。因此，可以简单地通过查找反射信号中特定的相移幅度来改变检测区域的大小。
同样，可以选择不同的频率用于传输，使得当在区域104和106之一内检测到对象时，混频器的输出选择性地为正或为负。因此，通过选择用于传输的特定改变频率，可以消除对于确定对象的精确范围的需要，使得简单地通过检测混频器中正输出存在与否来检测区域中的对象。在美国专利No.6377167中公开了这种检测方法和***。
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)二极管是比较新型的激光器二极管。VCSEL二极管(有时简单称为“VCSEL”)产生基本相干光的前向光束。换言之，与边缘发射激光器二极管相比，从二极管的顶部表面远离二极管安装表面引导来自VCSEL二极管的光束。通常，单个VCSEL二极管安装在衬底上。传统上，单个VCSEL是功率非常低的装置，其以连续模式或以高占空比操作以产生可见照明。VCSEL的可用功率输出是VCSEL封装体(以及任何相关的热沉)耗散热的能力和由于过热的易损性的函数。因此，传统应用中的大多数VCSEL二极管封装在金属外壳中以增强热耗散。总之，传统封装体中的VCSEL不适于在SOD***中使用。相对于边缘发射激光器二极管，VCSEL是响应时间更快的低功率装置。
在许多应用中，由于用于电子部件的表面安装封装体的低轮廓(low profile)、低成本并适合于在高度自动化制造过程中使用，因此是优选的。本发明人已经发现通过以低占空比为VCSEL二极管输送脉冲，并通过将多个VCSEL二极管的阵列制作在单个衬底上，可以在不超过封装体的热耗散能力的情况下，使用VCSEL二极管阵列在表面安装封装体中得到相对高强度的红外激光束。更重要的是，本发明人已经发现这种表面安装VCSEL阵列可以用于产生高强度、低占空比激光束，所述激光束尤其适合用于上述对于图1所讨论的车辆对象检测***。
现在参考图2，示出了用于车辆的对象检测***的一个实施例的图示。***200由微控制器202来管理，所述微控制器202通过车辆接口203与车辆进行通信。微控制器202由时钟205来驱动。具有一组发射器和相关驱动器的发送器模块204用于产生红外光检测光束，所述红外光检测光束通过透镜206聚焦至期望检测到反射对象208的区域。如此处更加详细所讨论的，发送器204优选包括VCSEL芯片阵列，每个VCSEL包含VCSEL二极管阵列。从对象208反射的检测光束经过接收透镜210，所述接收透镜201将被反射的光束引导至接收器模块212，所述接收器模块212具有一组光电检测器和相关放大器。控制发射器模块204和处理来自接收器模块212的信号的电路包含在现场可编程门阵列(FPGA)214中。门阵列214提供有参考时钟207。门阵列214还用于提供发送器(发射器)模块204和接收器模块212与微处理202之间的接口。门阵列214进一步用于产生本机振荡器(LO)信号，所述本机振荡器信号与接收器212信号在模拟混频器216中组合以产生中频(IF)信号。低通滤波器218和高增益放大器/限幅器220用于进一步调节IF信号，使得放大器/限幅器220的输出提供检出和未检出数据信号，所述检出和未检出数据信号可以由微处理器202进行处理。可以提供透镜测试发射器222和透镜测试接收器224以使得可以对环境条件和透镜透明度进行监视和评估。
现在参考图3(a)-(c)，示出了对象检测***的发射器模块204中使用的优选VCSEL表面安装封装体302、304和306的机械图。图3(a)中示出的A1表面安装封装体302具有矩形基底238以及基本圆形的圆顶310。VCSEL元件312在基底308上延伸至圆顶310。VCSEL元件312的电接触314连接至圆顶310中的VCSEL 312的顶部。图3(b)中示出的A2表面安装封装体304与A1表面安装封装体302类似之处在于，所述A2表面安装封装体304具有矩形基底316以及延伸至圆顶320中的VCSEL元件318。然而，圆顶320具有基本平坦的上表面322，该上表面有助于产生更加准直、相干的激光束。图3(c)所示的A3表面安装封装体306同样具有矩形基底324，该矩形基底324具有平坦的圆顶326。然而，A3封装体306使用了这样的VCSEL元件328，所述的VCSEL元件328将其电连接提供在矩形基底324内。可以使用集成陶瓷热沉来制造所有的封装体302、304和306，以改善此处的热耗散特性。
在封装体302、304和306的每个封装体中，VCSEL元件312、318或者328可以是单个VCSEL二极管或者位于单个衬底上的VCSEL二极管阵列，如图4(a)-4(d)所示。在本发明的优选实施例中，每个VCSEL元件的表面安装封装体(302、304或306)是具有陶瓷衬底的标准LED表面安装封装体，以提供集成热沉。这种封装体的一个实例是ULM Photonics GMBH的ULM850-7T-TN-HSMDCA。
为了在不超出封装体的热耗散能力的情况下，使用在表面安装封装体中的VCSEL二极管阵列来产生高强度的检测光束，本发明人已经发现，优选的是使用在单个衬底上间隔开的VCSEL阵列，并以低占空比为二极管输送脉冲。在没有降低所产生的检测光束的可利用强度的情况下，低占空比降低了每个VCSEL二极管所耗散的平均功率。在图4(a)至4(e)中示出了不同的VCSEL二极管阵列402、404、406、408以及409。每个VCSEL阵列402、404、406、408以及409具有芯片识别器部分410和用于提供与芯片电接触的焊接区域412。阵列402具有5个VCSEL二极管414，所述5个VCSEL二极管414以类似于标准管芯(die)上的5点进行布置，以形成在每侧上大约420μm的2×2+1阵列测量。VCSEL孔径414具有大约50μm的直径。对阵列402执行的测试表明该阵列402将使用至少150mW的功率电平以恒定波的方式操作，或者在没有遭受任何损坏的情况下使用小于1.5％的占空比在500mW以脉冲方式操作。因此，通过使用低占空比为VCSEL二极管阵列输送脉冲，可以在不损坏VCSEL的情况下实现更高强度的光束。
阵列404使用围绕第七中心VCSEL二极管414***布置的六个VCSEL二极管414，以形成尺寸约为516μm×516μm的阵列。第三阵列406同样使用围绕第七中心VCSEL二极管414布置的六个VCSEL二极管414。然而，在大约670μm×670μm的更大衬底上制作第三阵列406，以使得阵列406的功率耗散能力增加。虽然相对于第二阵列404，由于衬底的面积增加，第三阵列406的功率耗散能力增加，但是本领域技术人员将很容易意识到，尺寸增加同样导致了成本增加。第四阵列408使用了9个VCSEL二极管414，所述9个VCSEL二极管414以3×3阵列布置在尺寸与第二阵列404的尺寸大致相同的衬底上。当使用小于1.5％的占空比以脉冲模式操作时，阵列404、406和408能够在所监视的区域内提供至少700mW的光功率。阵列409由位于670μm×170μm衬底上的一行三个VCSEL二极管构成，该阵列在没有遭受损坏的情况下，能够产生300mW限定持续时间的脉冲。虽然此处示出了图4(a)至4(e)中的VCSEL二极管阵列402、404、406、408以及409，但是根据包含该阵列的特定***的需求，可以采用各种类型的不同阵列几何结构。
现在参考图5，利用了七条发射的检测光束示出了根据本发明优选实施例的被监视检测区域的定义图。对于车辆的左侧502和右侧504都建立了检测区域502。在每个区域502和504内，七条光束506-518和520-532分别是为了确保正确地覆盖检测区域502和504。每个区域502和504优选包含至少一条远光束(hi-beam)518和532，所述远光束针对光束506-516和520-530的垂直上方，以确保检测到悬挂在路面上方一定高度的对象，诸如支撑在一对车轮之间的车底座的底部。远光束518和532优选针对检测区域502和504的最远距离点，以确保检测到检测区域中心处的对象。
现在参考图6(a)和(b)，示出了图5中用于产生和接收检测光束图案的发射器(发送器)模块板602和接收器模块板604的优选阵列几何结构。发射元件606以向上/向下交错关系布置，以确保正确覆盖期望的检测区域，所述发射元件606可以是单个VCSEL二极管或者具有VCSEL二极管阵列的VCSEL芯片(如优选实施例中所示)。通过使一个发射元件608与其它元件606偏移来提供远光束。接收器模块板604的几何结构与发射器模块几何结构602相同，所述接收器模块板604的几何结构使用了光电检测器610，所述光电检测器610以与发射元件606的图案对应的图案进行布置。还提供了与远光束发射器元件608对应的偏移光电检测器612。在一个实施例中，发射器和接收器板602和604可以为弯曲的柔性板，通过将所述柔性板安装在曲面安装表面板上来引导光束。在另外的实施例中，VCSEL芯片可以使用光导管或者其它光学器件直接表面安装在平面印刷电路板上，以便在期望的方向上呈现检测光束。提供参考发射器614和接收器616以用于校准用途。
在根据本发明进行操作的车辆SOD***中，检测光束具有850nm的额定波长，并在检测区域内提供了700mw的最小光功率。为了提供这样的检测光束，在270ns的额定脉冲持续时间下，以1.2％的占空比使用1至1.2安培(amps)的电流脉冲来驱动VCSEL芯片。在SOD***的一个实施例中，在发射器和接收器模块板与其对应的准直透镜之间存在1.59英寸的焦距。虽然优选的是占空比小于1.5％，但是可以根据特定应用的需求而增加占空比。用于这种操作的适合的VCSEL二极管可以从ULM Photonics GMBH得到。对应的光电检测器可以为同样可从ULM Photonics GMBH得到的SD150-14-002 VCSEL监视器光电二极管。
优选地，光学和电子部件的机械和电学布置将在发送器和接收器之间提供至少120-150db的光学和电学隔离。
现在参考图7(a)-7(e)，示出了用于图6(a)和图6(b)所示发射器和接收器板的优选光纤接口702的透视图。光纤接口702包括多个光导管704，所述多个光导管704以与图6(a)和图6(b)所示发射器和检测器阵列的几何结构对应的图案进行布置。这允许发射器和检测器安装在较廉价的平板上，同时保持其独自聚焦至透镜中心或者朝着透镜中心聚焦的能力。
优选地，限定在发送器模块板602上的VCSEL芯片阵列具有如图6(a)所示的相应的几何形状，使得单板602可以简单通过将板的方向旋转180度使其用于右侧或者左侧SOD***。
因此，尽管此处已经描述了本发明的具体实施例——新型有效的“具有VCSEL二极管阵列的对象检测***”，但是这样的参考不应理解为是对下面权利要求书所阐述的本发明范围的限制。

Claims (15)

1.一种对象检测***，包括：
a.光发送器；
b.光接收器；
c.电耦合至所述光发送器和接收器的***板，所述***板包括逻辑功能，以使得发送器产生光信号，使得接收器接收从被检测对象反射时的光信号，并对接收的光信号进行处理；
d.包括发射器模块的光发送器，所述发射器模块包括至少一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)二极管。
2.根据权利要求1所述的***，其中
a.所述光发送器还包括发送器电路板；且
b.所述发射器模块包括安装在发送器电路板上的至少一个VCSEL芯片，每个VCSEL芯片包括安装在表面安装封装体中衬底上的多个VCSEL二极管，所述表面安装封装体具有集成热耗散元件。
3.根据权利要求2所述的***，其中所述发射器模块包括安装在发送器电路板上的多个VCSEL芯片。
4.根据权利要求3所述的***，其中
a.所述多个VCSEL芯片以预先定义的二维VCSEL芯片阵列定位在发送器电路板上；且
b.每个VCSEL芯片中的多个VCSEL二极管以预先定义的二维VCSEL二极管阵列定位在衬底上。
5.根据权利要求4所述的***，其中每个衬底包括陶瓷材料。
6.根据权利要求2所述的***，进一步包括发送器透镜，且其中所述光发送器包括定位在发射器模块上的至少一个光导管，所述光导管远离发送器电路板延伸，以通过发送器透镜引导光信号。
7.根据权利要求4所述的***，其中以小于1.3％的占空比为VCSEL二极管输送电脉冲。
8.根据权利要求4所述的***，其中VCSEL芯片阵列包括相应的几何结构，使得通过将发送器板旋转180度就能够使得所述发送器板用于右侧或左侧***位置。
9.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)芯片，用于产生持续预定脉冲持续时间的相对高强度的前向聚焦激光束，包括：
表面安装集成电路封装体；
定位在所述表面安装集成电路封装体上的VCSEL二极管阵列，用于产生所述高强度激光束；
基本平坦的发射器圆顶，定位在每个所述VCSEL二极管上，用于前向聚焦所述高强度激光束；和
热耗散装置，以与所述表面安装集成电路封装体热接触的方式定位，用于耗散由所述VCSEL二极管产生的热。
10.根据权利要求9所述的芯片，其中选择所述脉冲持续时间，使得在预定间隔期间通过所述VCSEL二极管产生的热量小于在所述间隔期间能够由所述热耗散装置耗散的热量。
11.根据权利要求10所述的芯片，其中所述热耗散装置将至少50mw的功率耗散至相关的安装板。
12.根据权利要求9所述的芯片，其中以低于大约1.5％的占空比为所述VCSEL二极管输送脉冲。
13.根据权利要求9所述的芯片，其中所述垂直腔表面发射激光器具有圆形孔径。
14.根据权利要求9所述的芯片，其中所述芯片并入在车辆感测***中。
15.根据权利要求9所述的芯片，其中所述阵列包括围绕中心垂直腔表面发射激光器布置的六个垂直腔表面发射激光器。
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