DE102018113711A1

DE102018113711A1 - Apparat und scheinwerfer

Info

Publication number: DE102018113711A1
Application number: DE102018113711.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Erich Sorg; Hubert Halbritter; Georg Bogner
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2019-12-12
Also published as: JP2021526204A; US11603031B2; WO2019234180A1; US20210245653A1

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der Apparat (1) eine Beleuchtungsquelle (2). Außerdem umfasst der Apparat einen Messlaser (3). Der Messlaser (3) ist ein Halbleiterlaser und ist zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser (3) erzeugten Messlaserstrahlung (M) liegt zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm. Mit der Messlaserstrahlung (M) erfolgt eine Abstandsmessung mittels LIDAR, beispielsweise in einem Autoscheinwerfer.

Description

Es werden ein Apparat und ein Scheinwerfer mit einem Messlaser zur Entfernungsmessung angegeben, wobei der Messlaser im kurzwelligen Spektralbereich emittiert.
Die Druckschrift US 8,619,241 B2 betrifft ein Abstandsmesssystem mit einer im sichtbaren Spektralbereich emittierenden Leuchtdiode.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen Apparat und einen Scheinwerfer anzugeben, welche effizient mit einer Beleuchtungsquelle zusammenarbeiten.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Apparat und durch einen Scheinwerfer mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Bei dem hier beschriebenen Apparat und Scheinwerfer wird ein bevorzugt im blauen Spektralbereich emittierender Halbleiterlaser verwendet, der gepulst betrieben wird. Der Halbleiterlaser kann an eine weißes Licht emittierende Beleuchtungsquelle angegliedert sein oder ein Teil dieser Beleuchtungsquelle sein. Mit dem zumindest zeitweise gepulst betriebenem Halbleiterlaser lässt sich eine Abstandsmessung über eine Laufzeitmessung von Laserstrahlung realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat eine Beleuchtungsquelle. Die Beleuchtungsquelle emittiert im Betrieb bevorzugt weißes Licht und/oder nahinfrarote Strahlung oder farbiges Licht.
Als Primärlichtquelle umfasst die Beleuchtungsquelle bevorzugt eine Halbleiterlichtquelle wie zumindest eine Leuchtdiode oder zumindest einen Halbleiterlaser. Die Primärlichtquelle erzeugt bevorzugt blaues Licht, das teilweise in eine Sekundärstrahlung umgewandelt wird. Bei der Sekundärstrahlung handelt es sich insbesondere um gelbes Licht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat einen Messlaser. Der Messlaser ist ein Halbleiterlaser. Der Messlaser ist zur Erzeugung von Impulsen oder Impulszügen mit einer Dauer der einzelnen Impulse von höchstens 10 ns, bevorzugt von höchstens 5 ns oder 3 ns oder 2 ns, eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser erzeugten Messlaserstrahlung liegt bei mindestens 280 nm oder 360 nm oder 400 nm oder 430 nm und alternativ oder zusätzlich bei höchstens 505 nm oder 485 nm oder 460 nm. Bevorzugt liegt die Wellenlänge maximaler Intensität des Messlasers zwischen einschließlich 430 nm und 460 nm.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Apparat eine Beleuchtungsquelle. Außerdem umfasst der Apparat mindestens einen Messlaser. Der Messlaser ist ein Halbleiterlaser und ist zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser erzeugten Messlaserstrahlung liegt zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm. Mit der Messlaserstrahlung erfolgt bevorzugt eine Abstandsmessung mittels LIDAR, beispielsweise in einem Autoscheinwerfer.
Mit anderen Worten handelt es sich bei dem hier beschriebenen Apparat bevorzugt um einen Scheinwerfer zur Beleuchtung, in den ein blau emittierender Halbleiterlaser als LIDAR-Komponente integriert ist. LIDAR steht für LIght Detection And Ranging, also lichtbasierte Abstandsmessung.
In Komponenten zur Beleuchtung wie Kfz-Scheinwerfern finden zunehmend blau emittierende Leuchtdioden, kurz LEDs, Anwendung. Eine Realisierung eines LIDAR im blauen Spektralbereich auf der Basis von LEDs ist jedoch nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Da LEDs auf spontaner Emission beruhen, ist ein Impulsbetrieb mit den erforderlichen Betriebsparametern mit Impulsdauern von höchstens 10 ns und Abstimmraten von mindestens 100 MHz nur sehr begrenzt oder nicht möglich. Zudem wird für eine LIDAR-Funktionalität eine spektral schmalbandige Emission benötigt, um insbesondere bei Tageslicht ein ausreichendes hohes Signal-Rausch-Verhältnis, kurz SNR, zu erreichen.
Bei Scheinwerfern, die Leuchtstoffe einsetzen, liegt zudem ein Problem darin, dass in herkömmlichen Leuchtstoffen zu große Latenzzeiten der Anregungszustände vorliegen, sodass von einem Leuchtstoff kommendes Licht zu große Impulsdauern aufweist.
Mit dem hier beschriebenen Apparat ist es möglich, eine blau emittierende Laserkomponente als Signalquelle für ein LIDAR-System in einen Scheinwerfer zu integrieren. Dabei kann eine Scheinwerferkomponente wie eine blau emittierende Laserdiode zur Anregung des Leuchtstoffs zur Unterstützung oder als Ergänzung oder als eigenständiges LIDAR-System dienen. Alternativ oder zusätzlich wird eine blaue Emission der LIDAR-Komponente, also des Messlasers, bei einem Scheinwerfer wie einem Autoscheinwerfer mit dem bevorzugt weißen Scheinwerferlicht überlagert. Dabei sind ein Ausleuchtungsbereich der LIDAR-Komponente und des Scheinwerfers bevorzugt aufeinander abgestimmt. Gegebenenfalls wird der Farbort der Weißlichtquelle im Scheinwerfer in Richtung niedrigerer Farbtemperaturen verschoben, um die durch die Normung vorgegebene Scheinwerferfarborte zu erreichen. Mit anderen Worten wird das zusätzliche blaue Licht durch den Messlaser dadurch ausgeglichen, dass die Beleuchtungsquelle selbst vergleichsweise rot erscheinendes Licht emittiert.
Demgegenüber arbeiten herkömmliche LIDAR-Systeme etwa für Kraftfahrzeuge im infraroten Wellenlängenbereich. Dabei dient als Emissionsquelle ein zusätzlicher IR-Laser, der als Kantenemitter oder als Vertikalemitter, kurz VCSEL, ausgeführt ist.
Damit können Laserscheinwerfer, Laserzusatzscheinwerfer oder Laserzusatzkomponenten in einem Scheinwerfer als Emitter für das hier beschriebene LIDAR-System genutzt werden, das im Bereich blauer Wellenlängen arbeitet. Die blau emittierende Quelle kann in weiß emittierenden Scheinwerfern ohnehin verbaut sein, um durch die Anregung eines Leuchtstoffs und durch Teilkonversion weißes Licht zu erzielen. Das heißt, blau-gelbes Mischlicht kann erzeugt werden. Sofern die Primärlichtquelle für den Leuchtstoff ein Laser ist, sind hohe Impulsfrequenzen von 100 MHz und mehr realisierbar.
Außerdem ist es möglich, eine blau emittierende Laserkomponente zusätzlich im Scheinwerfer oder Zusatzscheinwerfer als Emitter unterzubringen, um diese für ein LIDAR-System zu nutzen.
Für die LIDAR-Funktionalität wird bevorzugt Strahlung im blauen Spektralbereich genutzt.
Insbesondere bei Nutzung eines zusätzlichen, blau emittierenden Messlasers kann die Augensicherheit der für den Betrieb notwendigen Laserstrahlung in dem vorgeschlagenen Apparat beispielsweise durch die folgenden Schritte gewährleistet werden:

- Es ist eine hohe Effizienz bei der Detektion blauer Signale mit auf Silizium oder SiC basierenden Sensoren erreichbar. Die blaue Messlaserstrahlung weist in Silizium eine geringe Eindringtiefe auf. Dadurch sind im Vergleich zu Infrarotbasierten LIDAR-Systemen geringere Laserleistungen ausreichend.
- Der Apparat umfasst in einer gemeinsamen Einhausung oder einem gemeinsamen Gehäuse den Messlaser und ein optisches Element, wobei der Messlaser und das optische Element untrennbar miteinander verbunden sind. Diese Konfiguration stellt sicher, dass kein ungestreutes Laserlicht austreten kann.
- Die eingesetzte Optik verteilt das Laserlicht und passt die Lichtverteilung an die Lichtverteilung des Scheinwerfers an. Optional können optische Elemente der Beleuchtungsquelle des Scheinwerfers mitgenutzt werden.

Bauelemente wie Sensoren oder auch Steuerschaltungen auf Basis von SiC als Halbleiter können wegen der größeren Bandlücke von SiC bei höheren Temperaturen betrieben werden. Dies bietet insbesondere unter kurzwelliger Strahlung wie Röntgenstrahlung, Gammastrahlung oder ultravioletter Strahlung ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.
Als optische Elemente kommen beispielsweise diffraktive optische Elemente, englisch Diffractive Optical Element oder kurz DOE, zum Einsatz. Weiterhin können Meta-Optiken oder Multilinsenfelder, englisch multi lens arrays, benützt werden. Ferner können Diffusoren zum Einsatz kommen. Außerdem können Metalinsen, also Linsen aus einem Metamaterial, herangezogen werden. Ein Metamaterial ist ein Material, das seine optischen Eigenschaften durch seine innere Struktur und nicht durch seine chemische Zusammensetzung erhält, insbesondere also ein Material, das Strukturen aufweist, die kleiner sind als die Wellenlänge der Strahlung, für die die Metalinse gebaut ist. Ebenso ist es möglich, klassische optische Elemente wie Linsen und/oder Reflektoren zu verwenden. Die Metalinsen können auch eine planare Trägerstruktur umfassen, zum Beispiele einen Glaswafer, auf den eine strukturierte Oberflächentopographie aufgebracht ist. Strukturgrößen der aufgebrachten Strukturen bewegen sich bevorzugt im Bereich der Lichtwellenlänge oder unterhalb der Lichtwellenlänge. Diese Strukturen können durch ein geeignetes, ebenfalls transparentes Material mit einem anderen Brechungsindex planarisiert sein. Möglich sind auch Schichtstapel aus solchen Strukturen.
Es ist möglich, dass bezüglich Augensicherheit für die LIDAR-Anwendung keine weiteren Maßnahmen zu treffen sind, da dies bereits durch die übrigen Komponenten des Scheinwerfers, insbesondere der auf einem Laser basierenden Beleuchtungsquelle, gewährleistet ist.
Bevorzugt werden die Komponenten Messlaser, ein zugehöriger Kondensator, ein zugehöriges Schaltelement und/oder ein Ansteuerschaltkreis wie ein integrierter Schaltkreis oder ein ASIC in einem Gehäuse gemeinsam verbaut, um Induktivitäten bei den auftretenden hohen Frequenzen gering zu halten. Ein entsprechender Kondensator kann zum Beispiel als keramische Multischicht in dem Gehäuse oder in einen Träger, auch als Submount bezeichnet, für den Messlaser integriert sein. Das Schaltelement und/oder der Ansteuerschaltkreis und/oder der Kondensator können in einer Siliziumkomponente oder einer SiC-Komponente integriert sein, die ein fester Bestandteil des Gehäuses ist. Der Messlaser kann als Flip-Chip realisiert sein, wodurch ein bonddrahtloser Aufbau möglich ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Messlaser als Dünnfilm-Chip, also ohne Aufwachssubstrat für eine Halbleiterschichtenfolge, auf einem Träger angebracht sein.
Insbesondere durch die hohe optische Effizienz einer reinen blauen LIDAR-Lösung, im Gegensatz zu einem Messlaser in Kombination mit einem Leuchtstoff, kann der mindestens eine Messlaser bei geringeren Strömen betrieben werden und dabei die gleiche LIDAR-Leistung im blauen Spektralbereich zur Verfügung stellen. Dadurch lassen sich geringere Schaltzeiten realisieren. Hierdurch sind eine höhere Datenrate und kürzere Impulse möglich. Zudem lässt sich hierdurch eine bessere Augensicherheit erreichen oder es sind reduzierte Anforderungen an die Augensicherheit bei äquivalenten Leistungsdaten des LIDAR-Systems möglich. Ferner können kleinere Laserchips und kleinere Gehäuse verwendet werden. Alternativ können mit vergleichbaren elektrischen Strömen höhere LIDAR-Leistungen im blauen Spektralbereich erzielt werden. Dies ermöglicht ein besseres SNR. Die höhere optische Effizient ist insbesondere dadurch bedingt, dass in diesem Fall keine Streuung des blauen Lichts erfolgt, im Vergleich zu einer Kombination aus einem blauen Laser und einen Leuchtstoff. Dies ermöglicht effiziente Optiken und eine effiziente Ausleuchtung eines Sichtbereichs.
Der hier beschriebene Apparat und der hier beschriebene Scheinwerfer sind insbesondere in einem Fahrassistenzsystem, kurz ADAS oder Advanced Drive Assistance System, verwendbar. Ebenso sind Anwendungen im LIDAR-Bereich und in der Fahrzeugzu-Fahrzeug-Kommunikation, kurz V2V oder vehicle to vehicle communication, möglich.
Es ist ein Komplementärsystem zu einem IR-LIDAR zur erhöhten Sicherheit möglich, da eine Abtastung in mehreren Wellenlängenbereichen erfolgen kann. Dies ermöglicht eine Redundanz des Abstandserkennungssystems insgesamt und bietet eine Erweiterung der Erkennungsmöglichkeiten.
Es ist eine Erkennung einer Straßenbeschaffenheit möglich, beispielsweise einer Oberflächenkontur oder einer Belegung mit Wasser. Dies ermöglicht einen höheren Komfort, etwa durch eine verbesserte Fahrwerksansteuerung. Die Erkennung einer Belegung einer Fahrbahn mit Wasser ermöglicht eine erhöhte Sicherheit, beispielsweise durch die Erkennung von potentiellen Aquaplaning-Situationen.
Ferner lassen sich der hier beschriebene Apparat und der hier beschriebene Scheinwerfer in Spurhalteassistenten, zur Abstandsregelung und/oder zur Kollisionswarnung verwenden.
Die blaue, relativ kurzwellige Emission des Messlasers hat in Siliziumdetektoren eine geringere Eindringtiefe im Vergleich zu infraroter Strahlung. Durch die geringere Eindringtiefe in das Silizium kann bei einem pixelierten Detektor bei gegebener Pixelgröße ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis erzielt werden. Alternativ kann bei gleichem SNR mit einer kleineren Pixelgröße gearbeitet werden. Daraus ergibt sich auf der Detektorseite ein größerer Designspielraum hinsichtlich Signalschärfe, Auflösung und Bauraum.
Die Empfänger oder Detektoren wie CMOS-Kameras haben im blauen Spektralbereich eine höhere Empfindlichkeit als im IR-Bereich. Daraus ergibt sich eine höhere Effizienz. Dies liegt insbesondere daran, dass Detektoren mit einer hohen Zeitauflösung eine dünne Halbleiterschichtenfolge benötigen. Dadurch wird bei Verwendung von IR-Strahlung nur ein Teil der IR-Strahlung absorbiert, während blaues Licht nahezu zu 100 % absorbiert werden kann. Eine Detektion kann somit mit einem geringeren Signalpegel erfolgen. Durch die hohe Systemeffizienz sind bereits geringere Betriebsströme für den Betrieb ausreichend. Bei geringeren Betriebsströmen können kürzere Schaltzeiten realisiert werden. Damit erhöht sich die mögliche Datenrate und/oder räumliche Auflösung.
Der hier beschriebene Apparat und der hier beschriebene Scheinwerfer sind weniger störanfällig im Vergleich zu IRbasierten Systemen. Etwa bei tiefstehender Sonne können Überschneidungsbereiche zwischen der ausgesandten IR-Strahlung eines herkömmlichen LIDAR-Systems und der Sonnenemission gegeben sein. Dagegen hat Sonnenstrahlung in diesem Fall einen geringen Blauanteil, da blaues Licht aufgrund von Rayleigh-Streuung in der Atmosphäre stark gedämpft wird.
Durch die Kombination komplementärer LIDAR-Systeme, also infrarot und blau, kann ein höheres Sicherheitsniveau erreicht werden. Zwei unterschiedlich arbeitende Systeme, also IR-LIDAR und Blau-LIDAR, bieten ein höheres Maß an Redundanz. Ferner sind Reflexionseffekte wellenlängenabhängig. Durch die unterschiedlichen Signale aus dem IR-LIDAR und dem Blau-LIDAR können durch eine Differenzbetrachtung zusätzliche Informationen gewonnen werden, beispielsweise hinsichtlich einer Fahrbahnbeschaffenheit.
Die zunehmenden Anforderungen an die Leuchtdichte von Scheinwerferlichtquellen erfordern einen verstärkten Einsatz von Lasern für Automobilscheinwerfer. In diesem Fall kann die zur Erzeugung des weißen Lichts vorhandene Laseranordnung in die LIDAR-Architektur eingebunden sein. Die Emission des insgesamt bevorzugt weiß emittierenden LIDAR-Systems mit dem insbesondere blau emittierenden Messlaser trägt zur Ausleuchtung etwa einer Straße bei. Somit erfüllt der Messlaser dann zwei Funktionen, nämlich als Signalquelle für die LIDAR-Funktionalität und für die Ausleuchtung etwa einer Straße im sichtbaren Spektralbereich. Hierdurch lassen sich Kostenersparnisse erzielen.
Wird der Messlaser aus dem Scheinwerfer zu Erzeugung von weißem Licht mit Hilfe eines Leuchtstoffs genutzt, so können weitere Maßnahmen zur Gewährleistung der Augensicherheit entfallen, sodass sich weitere Kostenvorteile ergeben können.
Zusammengefasst lässt sich mit dem hier beschriebenen Apparat und dem hier beschriebenen Scheinwerfer eine höhere Effizienz bei der Detektion von blauem Licht detektorseitig erreichen, im Vergleich zur Detektion von Infrarot-Strahlung, insbesondere bei Laufzeitmessungen in Kameras oder Fotodioden. Laufzeitmessungen sind auch unter dem Begriff Time of Flight, kurz TOF, bekannt. Durch die duale Funktion, also Fahrbahnausleuchtung einerseits und Abstandsinformation sowie Tiefeninformation der Fahrbahn andererseits, lassen sich Kosten reduzieren.
Durch die geringere Eindringtiefe von blauem Licht in Materialien wie Silizium lässt sich eine höhere Trennschärfe erzielen. Durch unterschiedliche Eindringtiefen und/oder Reflexionskoeffizienten von blauem Licht gegenüber infraroter Strahlung lässt sich in einem kombinierten IR-Blau-System eine robuste Abstandserkennung und Detektion der Umwelt gewährleisten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine Beleuchtungsreichweite der Beleuchtungsquelle mindestens 25 m. Dies bedeutet beispielsweise, dass für einen menschlichen Betrachter aus einer Entfernung von 25 m noch ausreichend Strahlung reflektiert wird, um Objekte des Straßenverkehrs wie Fußgänger, Radfahrer, andere Kfz oder Teile der Umgebung wie Bäume oder Straßenrandbegrenzungen erkennen zu können. Bevorzugt liegt die Beleuchtungsreichweite bei mindestens 50 m oder 100 m oder 200 m. Alternativ oder zusätzlich liegt die Beleuchtungsreichweite bei höchstens 350 m.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat mindestens einen Sensor und/oder mindestens eine Elektronikeinheit. Der Sensor oder die Sensoren ist oder sind dazu eingerichtet, einen außerhalb des Apparats an mindestens einem externen Objekt reflektierten Anteil der Messlaserstrahlung mit einer Zeitauflösung von höchstens 10 ns oder 5 ns oder 2 ns zu detektieren. Über die Elektronikeinheit erfolgt eine Laufzeitmessung des reflektierten und detektierten Anteils der Messlaserstrahlung und damit eine Entfernungsbestimmung des die Messlaserstrahlung reflektierenden Objekts zum Apparat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsquelle einen oder mehrere Leuchtstoffe. Der mindestens eine Leuchtstoff wird von einer oder von mehreren Primärlichtquellen beleuchtet. Bevorzugt erzeugt die mindestens eine Primärlichtquelle eine Primärstrahlung, die blaues Licht ist. Durch die Primärstrahlung wird eine Sekundärstrahlung erzeugt. Dabei wird die Primärstrahlung bevorzugt nur teilweise in die Sekundärstrahlung umgewandelt, sodass die Beleuchtungsquelle eine Mischstrahlung abstrahlt, die aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung zusammengesetzt ist. Ein Anteil der Primärstrahlung an der Mischstrahlung liegt bevorzugt bei mindestens 10 % oder 20 % und/oder bei höchstens 60 % oder 50 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Primärlichtquelle durch den Messlaser gebildet oder umfasst den Messlaser. Es ist möglich, dass der Messlaser zur Anregung des Leuchtstoffs mit weiteren Lichtquellen, wie blau emittierenden Leuchtdioden oder Halbleiterlasern, kombiniert ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Messlaserstrahlung um einen durch den Leuchtstoff transmittierten Anteil der Primärstrahlung. Dieser Anteil der Messlaserstrahlung kann durch den Leuchtstoff gestreut sein. Das heißt, der Leuchtstoff kann als Diffusor für die Messlaserstrahlung dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform leuchten die Messlaserstrahlung und die Mischstrahlung den gleichen oder näherungsweise den gleichen Raumwinkelbereich aus. Das heißt, die Messlaserstrahlung wird über einen vergleichsweise großen, bevorzugt zusammenhängenden Raumwinkelbereich emittiert. Der Raumwinkelbereich beträgt zum Beispiel mindestens 0,02 sr oder 0,05 sr und/oder höchstens 1 sr. Damit ist eine flächige, gleichzeitige Ausleuchtung einer großen Fläche möglich, beispielsweise eines großen Fahrbahnbereichs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Sensor zu einer ortsaufgelösten Detektion der reflektierten Messlaserstrahlung eingerichtet. Hierzu ist der Sensor bevorzugt pixeliert. Die einzelnen Pixel sind zu einer hohen Zeitauflösung eingerichtet. Eine Ortsauflösung des Abstandssystems, das durch den Apparat gebildet ist, wird somit nicht seitens des Messlasers erreicht, sondern sensorseitig erzielt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Primärlichtquelle von dem Messlaser verschieden. In diesem Fall wird die Messlaserstrahlung bevorzugt an dem Leuchtstoff vorbeigeführt. Das heißt, bestimmungsgemäß gelangt die Messlaserstrahlung, ausgehend von dem Messlaser, nicht an den Leuchtstoff. Die Messlaserstrahlung und die Primärlichtquelle können unabhängig voneinander elektrisch betreibbar und ansteuerbar sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittieren die Primärlichtquelle und der Messlaser Licht der gleichen maximalen und/oder dominanten Wellenlänge. Dies gilt bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 50 nm oder 15 nm oder 10 nm oder 5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Mischstrahlung farbiges Licht. In diesem Fall stellt die Mischstrahlung zusammen mit der Messlaserstrahlung bevorzugt weißes Licht dar. Die Mischstrahlung zusammen mit der Messlaserstrahlung erfüllen bevorzugt hinsichtlich des Farborts, der erreicht wird, und der erzielbaren Farbwiedergabe die für Kfz-Scheinwerfer erforderlichen Werte.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat eine oder mehrere Abbildungsoptiken. Die mindestens eine Abbildungsoptik ist beispielsweise eine Linse, wie eine Sammellinse oder ein Linsenfeld. Die Abbildungsoptik kann auch ein Spiegel sein, wie ein beweglicher Spiegel, auch als MEMS-Spiegel bezeichnet, um ein Scannen mit der Messlaserstrahlung zu ermöglichen. Bei der Abbildungsoptik kann es sich um ein optisches System handeln, in der diffus, refraktiv und reflektiv wirkende Komponenten kombiniert sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abbildungsoptik der Primärlichtquelle und dem Messlaser gemeinsam nachgeordnet. Die Abbildungsoptik kann eine gemeinsame Abdeckung und Abstrahlfläche für die Primärlichtquelle und den Messlaser bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abbildungsoptik dazu eingerichtet, die Messlaserstrahlung in einem Muster abzubilden und/oder mit der Messlaserstrahlung zu scannen. Dazu kann die Abbildungsoptik bewegliche Komponenten, wie einen beweglichen Spiegel, aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Abbildungsoptik Blenden und/oder Masken aufweist, sodass mit der Messlaserstrahlung unterschiedliche Beleuchtungsmuster etwa auf einer Fahrbahn oder in einer Umgebung erzeugt werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Abbildungsoptik untrennbar mit dem Messlaser verbunden. Das heißt, im bestimmungsgemäßen Gebrauch lösen sich der Messlaser und die Abbildungsoptik nicht voneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat einen weiteren Laser oder mehrere weitere Laser. Der zumindest eine weitere Laser emittiert eine andere Wellenlänge als der Messlaser. Bevorzugt unterscheiden sich die Wellenlängen des Messlasers und des zumindest einen weiteren Lasers um mindesten 50 nm oder 100 nm oder 200 nm voneinander. Sind mehrere weitere Laser vorhanden, so gelten diese Wellenlängenunterschiede bevorzugt paarweise. Der Apparat ist insbesondere dazu eingerichtet, aus einer Umgebung zurückreflektierte Strahlung des weiteren Lasers zu detektieren, ebenso wie die Messlaserstrahlung. Durch die Kombination von Lasern mit verschiedenen Wellenlängen kann aus der Wellenlängenabhängigkeit der Reflexionseigenschaften zusätzliche Information gewonnen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Apparat zusätzlich einen Infrarotlaser. Der Infrarotlaser stellt bevorzugt den weiteren Laser oder einen der weiteren Laser dar. Bei dem Infrarotlaser handelt es sich bevorzugt um einen Halbleiterlaser. Der Infrarotlaser ist zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns oder 5 ns oder 2 ns eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Infrarotlaser erzeugten Infrarotstrahlung liegt bevorzugt bei 0,7 µm oder 0,8 µm und/oder bei höchstens 3 µm oder 1,7 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Impulsemission des Infrarotlasers mit einer Impulsemission des Messlasers synchronisiert. Dies kann bedeuten, dass die beiden Laser zeitgleich aufeinander abgestimmt die Impulse emittieren.
Alternativ ist es möglich, dass zwischen der Impulsemission des Infrarotlasers und des Messlasers eine vorgegebene Zeitspanne oder ein vorgegebener Mindestabstand liegen, sodass die Infrarotstrahlung und die kurzwellige Strahlung nicht zeitgleich ausgesandt werden, sondern zeitlich versetzt zueinander emittiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist dem Infrarotlaser und dem Messlaser zusammengenommen mindestens ein optisches Element gemeinsam nachgeordnet. Alternativ können der Infrarotlaser und der Messlaser mit unterschiedlichen optischen Elementen oder Abbildungsoptiken versehen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Infrarotlaser auch bei ausgeschaltetem Messlaser betreibbar. Es ist möglich, dass auch Umgekehrtes gilt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Infrarotlaser zusammen mit der Elektronikeinheit als Sicherheitsschaltung für den Messlaser eingerichtet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Messlaser nur betreibbar ist, wenn durch den Infrarotlaser zusammen mit der Elektronikeinheit festgestellt ist, dass sich keine Person in einem Ausleuchtbereich des Messlasers befindet. Hierdurch kann eine zusätzliche Augensicherheit erreicht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Sensor eine Siliziumfotodiode, ein Siliziumfotodiodenfeld oder eine CMOS-Kamera. Damit kann der Sensor mehrere Pixel aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Sensor für mindestens zwei voneinander verschiedene Spektralbereiche eingerichtet. Dies ist beispielsweise durch optische Filter möglich, die dem Sensor vorgeschaltet sind und die je nur für einen bestimmten Spektralbereich durchlässig sind. Beispielsweise ist ein Filter vorhanden, der nur im Spektralbereich der Messlaserstrahlung durchlässig ist und ein Filter, der nur im Bereich der Infrarotstrahlung des Infrarotlasers durchlässig ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Messlaser ein kantenemittierender Halbleiterlaserchip. Der Halbleiterlaserchip ist beispielsweise ein Flip-Chip. Alternativ können sich elektrische Kontakte des Messlasers an einander gegenüberliegenden Hauptseiten befinden, sodass beispielsweise eine Kontaktierung über Bonddrähte möglich ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist dem Messlaser ein Kondensator elektrisch parallel geschaltet. Ebenso kann ein Schaltelement wie ein Feldeffekttransistor, kurz FET, zur Ansteuerung des Messlasers vorhanden sein, beispielsweise elektrisch parallel geschaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Messlaser, der Kondensator und/oder das Schaltelement auf einem gemeinsamen Träger wie einem Submount montiert, bevorzugt bonddrahtfrei montiert. Hierdurch lassen sich niedrige Induktivitäten erzielen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Apparat um ein Kraftfahrzeug, wie ein Auto, um eine Drohne, wie eine Flugdrohne, um ein Wasserfahrzeug, um einen Roboter, um einen Aktuator oder um ein Werkzeug. Außerdem kann der Apparat in der Umwelttechnik verwendet werden, zum Beispiel als Sortierer bei der Detektion und/oder beim Aussortieren von Kunststoffteilen aus einem Wasserstrom oder einem Luftstrom durch Abgleich der Signale aus einem UV, blau, IR und/oder rot basierten LIDAR-ähnlichem System.
Der Messlaser kann, optional zusammen mit der Beleuchtungsquelle, einen Bediener des Apparats unterstützen. Alternativ kann der Apparat automatisch und/oder autonom agieren und eine Detektion der Umgebung erfolgt bevorzugt mittels LIDAR, basierend insbesondere auf der Messlaserstrahlung.
Darüber hinaus wird ein Scheinwerfer angegeben. Der Scheinwerfer umfasst eine Beleuchtungsquelle und einen Messlaser, wie in Verbindung mit dem Apparat beschrieben. Merkmale des Apparats sind daher auch für den Scheinwerfer offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Scheinwerfer die Beleuchtungsquelle und den Messlaser. Die Beleuchtungsquelle umfasst mindestens einen Leuchtstoff. Der Leuchtstoff wird von einer Primärlichtquelle, die im Betrieb als Primärstrahlung blaues Licht erzeugt, zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung angeregt. Die Primärlichtquelle ist eine Leuchtdiode oder ein Halbleiterlaser. Die Beleuchtungsquelle strahlt eine Mischstrahlung ab, die aus der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung zusammengesetzt ist. Der Messlaser ist ein Halbleiterlaser und ist zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet. Eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser erzeugten Messlaserstrahlung liegt zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm. Eine Beleuchtungsreichweite der Beleuchtungsquelle und optional eine Messdistanz mittels der Messlaserstrahlung beträgt mindestens 25 m oder 100 m oder 200 m.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Primärlichtquelle durch den Messlaser gebildet. Die Messlaserstrahlung ist ein durch den Leuchtstoff transmittierter Anteil der Primärstrahlung. Die Messlaserstrahlung ist zusammen mit der Sekundärstrahlung weißes Licht.
Nachfolgend werden ein hier beschriebener Apparat und ein hier beschriebener Scheinwerfer unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt. Vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 bis 9 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Apparaten und hier beschriebenen Scheinwerfern,
10 bis 12 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Apparaten,
13 bis 17 schematische elektrische Schaltbilder für Messlaser für hier beschriebene Apparate und Scheinwerfer
18 eine schematische Draufsichten auf eine Schaltungsanordnung eines Halbleiterlasers für hier beschriebene Apparate und Scheinwerfer, und
19 bis 25 in den Figurenteilen A schematische Schnittdarstellungen in den Figurenteilen B schematische Draufsichten auf Schaltungsanordnungen von Halbleiterlasern für hier beschriebene Apparate und Scheinwerfer.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Apparats 1 gezeigt. Der Apparat 1 ist bevorzugt ein Kfz-Scheinwerfer 10.
Der Apparat 1 weist eine Beleuchtungsquelle 2 auf. Die Beleuchtungsquelle 2 emittiert weißes Licht. In der Beleuchtungsquelle 2 ist ein Messlaser 3 integriert. Der Messlaser 3 emittiert im Betrieb eine Messlaserstrahlung M. Bei der Messlaserstrahlung M handelt es sich um eine gepulste Laserstrahlung mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns. Die Messlaserstrahlung M kann in einzelne Impulse unterteilt sein oder in Impulszüge, auch als Burst bezeichnet.
Ferner umfasst der Apparat 1 einen Sensor 4. Von dem Sensor 4 wird an einem Objekt 6 reflektierte Messlaserstrahlung M detektiert. Bei dem Objekt 6 handelt es sich beispielsweise um einen anderen Verkehrsteilnehmer.
Ferner umfasst der Apparat 1 eine Elektronikeinheit 5. Über die Elektronikeinheit 5 werden der Messlaser 3 und der Sensor 4 sowie optional die Beleuchtungsquelle 2 angesteuert. Die Elektronikeinheit 5 beinhaltet beispielsweise einen oder mehrere integrierte Schaltkreise und kann zudem Speichereinheiten sowie Dateneingänge und Datenausgänge aufweisen.
Über die Elektronikeinheit 5 werden die Signale vom Sensor 4 ausgewertet. Über eine Laufzeitmessung der Messlaserstrahlung M zum Objekt 6 und zurück vom Objekt 6 erfolgt zeitaufgelöst eine Ermittlung des jeweiligen Abstands des Apparats 1 zu dem Objekt 6.
Die Komponenten 2, 3, 4, 5 können in einem gemeinsamen Gehäuse 11 integriert sein. Da sich alle Komponenten 2, 3, 4, 5 in dem Gehäuse 11 befinden, ist der Apparat 1, insbesondere der Scheinwerfer 10, als eine einzige Baugruppe oder als Modul handhabbar. Dies erleichtert eine Montage oder ein Ersetzen des Scheinwerfers 10.
Beim Ausführungsbeispiel der 2 ist der Apparat 1 ebenfalls als Scheinwerfer 10 gestaltet, insbesondere als Kfz-Scheinwerfer. Die Beleuchtungsquelle 2 ist aus mehreren Primärlichtquellen 22 gebildet, denen jeweils ein Leuchtstoff 21 nachgeordnet ist. Von den Primärlichtquellen 22 wird eine Primärstrahlung P emittiert, die in den Leuchtstoffen 21 teilweise in eine Sekundärstrahlung S umgewandelt wird. Damit wird eine Mischstrahlung abgestrahlt, die aus der Primärstrahlung P und der Sekundärstrahlung S zusammengesetzt ist.
Eine der Primärlichtquellen 22 dient gleichzeitig als Messlaser 3. Dem Messlaser 3 ist auch einer der Leuchtstoffe 21 nachgeordnet. Bei der Messlaserstrahlung M handelt es sich um blaues Licht, das als kurzer Lichtimpuls ausgesandt wird, beispielsweise als näherungsweise rechteckförmiger Lichtimpuls. Eine Emission der Sekundärstrahlung S erfolgt nach Anregung durch die Messlaserstrahlung M, jedoch zeitlich leicht verzögert und über einen längeren Zeitraum hinweg. Dies ist durch die Zeitverläufe der Strahlungen M, P, S zum Messlaser 3 in 2 symbolisiert.
Die Primärlichtquellen 22, die nicht als Messlaser 3 verwendet werden, können anders aufgebaut sein als der Messlaser 3 selbst. Abweichend von der Darstellung in 2 kann auch nur eine einzige Primärlichtquelle 22 vorhanden sein, die gleichzeitig als Messlaser 3 dient, oder es sind der Messlaser 3 und nur eine weitere Primärlichtquelle 22 vorhanden.
Sind der Messlaser 3 und zumindest eine weitere Primärlichtquelle 22 vorhanden, so emittiert der Messlaser 3 die Messlaserstrahlung M bevorzugt in einem Zeitfenster, in dem die übrigen Primärlichtquellen 22 ausgeschaltet sind. Emittiert der Messlaser 3 die Messlaserstrahlung M nur mit einer vergleichsweise kleinen Repetitionsrate, zum Beispiel 50 Hz, sodass eine Messzeit für die Messlaserstrahlung M nur einen geringen Zeitanteil von beispielsweise höchstens 50 × 1 ms pro 1 s ausmacht, so kann der Messlaser 3 im übrigen Zeitanteil kontinuierlich emittieren, insbesondere mit einer geringen optischen Ausgangsleistung. Gleiches gilt in allen anderen Ausführungsbeispielen.
Das Gehäuse 11 schließt mit einer einzigen Abbildungsoptik 7 ab, die gemeinsam allen Lichtquellen 22, 3 nachgeordnet ist. Durch die Abbildungsoptik 7 wird ein Ausleuchtungsbereich, auch als Field of View bezeichnet, festgelegt.
Bei dem Apparat 1, wie in 2 gezeichnet, handelt es sich beispielsweise um ein Abblendlicht oder um ein Fernlicht in einem Kfz. Ebenso kann der Scheinwerfer ein adaptiver Frontscheinwerfer, kurz AFS, sein. Entsprechendes ist für alle anderen Ausführungsbeispiele möglich.
Der Apparat 1 der 2 kann optional den Sensor 4 sowie die Elektronikeinheit 5 umfassen, nicht gezeichnet. Die Komponenten 4, 5 können außerhalb oder auch innerhalb des Gehäuses 11 angebracht sein. Damit ist es möglich, dass der Scheinwerfer 10 selbst den Sensor 4 nicht umfasst und optional auch die Elektronikeinheit 5 nicht umfasst.
In 3 ist dargestellt, dass die Abbildungsoptik in zwei Optiken 7a, 7b aufgeteilt ist. Die Optik 7a dient für die Abbildung der Primärlichtquellen 22, denen jeweils der Leuchtstoff 21 nachgeordnet ist. Die Abbildungsoptik 7b dient als alleinige Optik für den Messlaser 3. Abweichend von der Darstellung in 3 ist es möglich, dass die Abbildungsoptik 7a allen Lichtquellen 22, 3 sowie der Abbildungsoptik 7b gemeinsam nachgeordnet ist.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der 3 dem der 2.
Die Optiken 7, 7a, 7b können jeweils durch refraktive und/oder reflektive Optiken gebildet sein.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 ist dem Messlaser 3 kein Leuchtstoff 21 nachgeordnet. Die Messlaserstrahlung M strahlt an den Leuchtstoffen 21 vorbei. Damit ist der Messlaser 3 auch kein Bestandteil der Beleuchtungsquelle 2, sondern unabhängig von der Beleuchtungsquelle 2. Wie in 2 kann den Lichtquellen 22, 3 gemeinsam die Abbildungsoptik 7 nachgeordnet sein.
Die Mischstrahlung P, S zusammen mit der Messlaserstrahlung M bildet bevorzugt insgesamt weißes Licht.
In 5 ist illustriert, dass für den Messlaser 3 eine eigene Optik 7b vorgesehen ist. Bei der Optik 7b handelt es sich um eine Linse, wie eine Sammellinse, oder auch um einen beweglichen Spiegel, beispielsweise um einen MEMS-Spiegel.
Im Übrigen entsprechen die Ausführungsbeispiele der 4 und 5 denen der 2 und 3.
In 6 ist gezeigt, dass der Apparat 1 und/oder der Scheinwerfer 10 zusätzlich einen Infrarotlaser 8 umfassen. Zudem können jeweils separate Optiken 7a, 7b, 7c, 7d für die Strahlung emittierenden Komponenten 2, 3, 8 sowie für den Sensor 4 vorhanden sein.
In 7 ist demgegenüber illustriert, dass den strahlungsemittierenden Komponenten 2, 3, 8 die gemeinsame Optik 7a nachgeordnet ist. Dem Sensor 4 ist optisch die Abbildungsoptik 7b vorangestellt.
Im Übrigen gelten zu den 6 und 7 hinsichtlich der Lichtquellen 2, 3 bevorzugt die Ausführungen zu 1 sowie zu den 2 bis 5.
In den 8 und 9 ist die Detektion der reflektierten Strahlung veranschaulicht. Von dem Scheinwerfer 10 werden die Strahlungen M, P, S emittiert und an dem Objekt 6 teilweise reflektiert. Dem separat vom Scheinwerfer 10 angeordneten Sensor 4 des Apparats 1 ist neben der Abbildungsoptik 7 ein Filter 9 vorangestellt.
Durch den Filter 9 hindurch gelangt nur die Messlaserstrahlung M zu dem Sensor 4. Die Strahlungen P, S werden herausgefiltert. Damit ist es möglich, dass die Primärstrahlung P eine andere Wellenlänge aufweist als die Messlaserstrahlung M, um eine spektrale Filterung zu ermöglichen. Alternativ können die Messlaserstrahlung M und die Primärstrahlung P die gleiche Wellenlänge aufweisen und eine Filterung erfolgt zeitlich. Dies gilt insbesondere, falls die Primärlichtquelle als Messlaser dient, siehe etwa die 2 und 3.
Gemäß 9 emittiert der Scheinwerfer 10 die Infrarotstrahlung IR und die Messlaserstrahlung M. Das beispielsweise weiße Licht der Beleuchtungsquelle 2 ist nicht gezeichnet.
Der Sensor 4 ist bevorzugt pixeliert und mittels der Filter 8a, 8b lokal für die Infrarotstrahlung IR sowie die Messlaserstrahlung M sensitiv. Eine Sensitivitätstrennung erfolgt somit über die Filter 8a, 8b.
Gemäß der 8 und 9 erfolgt eine räumliche Auflösung hinsichtlich der Messlaserstrahlung M und optional der Infrarotstrahlung R über den Sensor 4. Der Sensor 4 ist entsprechend pixeliert, um eine räumliche Zuordnung der lokal detektierten Strahlung M, IR zu gewährleisten.
Solche pixelierten Sensoren 4 sowie optional die Verwendung des zusätzlichen Infrarotlasers 8 ist entsprechend auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich.
Bei dem Sensor 4 handelt es sich beispielsweise um eine Siliziumfotodiode, um ein Siliziumfotodiodenarray oder um eine CMOS-Time of Light-Kamera.
Abweichend von der Darstellung in 9 ist es möglich, dass jedem der Filter 8a, 8b eine eigene Abbildungsoptik zugeordnet ist. In diesem Fall liegt keine gemeinsame Abbildungsoptik 7 vor, welche in 9 illustriert ist.
In 10 ist illustriert, dass der Apparat 1 ein Auto ist. Der Apparat 1 verfügt über mehrere der Scheinwerfer 10 mit den Lichtquellen 2, 3 und optional mit dem Infrarotlaser 8. Der Sensor 4 kann separat von den Scheinwerfern 10 angeordnet sein oder auch ein Teil des Scheinwerfers 10 sein, abweichend von 10.
Gemäß 11 handelt es sich bei dem Apparat 1 um einen Greifarm oder um einen Roboterarm. Der Scheinwerfer 10 und optional der Sensor 4 können an einer Spitze des Greifarms angebracht sein.
Beim Ausführungsbeispiel der 12 handelt es sich bei dem Apparat 1 um eine Flugdrohne. Der Apparat 1 umfasst den Scheinwerfer 10 und optional den Sensor 4, welcher abweichend von der Darstellung der 12 auch in dem Scheinwerfer 10 integriert sein kann.
In den 13 bis 17 sind beispielhaft Schaltbilder zur Ansteuerung des Messlasers 3 illustriert. In den 13 bis 17 ist einer Halbleiterlaserdiode 30 des Messlasers 3 jeweils ein Kondensator 31 elektrisch parallel geschaltet. Optional kann jeweils ein weiterer, nicht gezeichneter und der Laserdiode 30 elektrisch in Serie geschalteter Kondensator vorhanden sein.
Ferner ist der Laserdiode 30 ein Schaltelement 32 in Serie geschaltet. Bei dem Schaltelement 32 handelt es sich bevorzugt um einen Feldeffekttransistor, kurz FET, insbesondere basierend auf SiC, GaN oder Si. Liegt das Schaltelement 32 an einer Versorgungsspannung V, handelt es sich beispielsweise um einen p-MOS-FET, siehe die 13 und 15. Liegt das Schaltelement 32 an einer Erdanschlussleitung GND, ist das Schaltelement 32 bevorzugt ein n-MOS-FET, siehe die 14 und 16.
In den 15 und 16 ist veranschaulicht, dass zur Laserdiode 30 antiparallel eine Schutzdiode 33 geschaltet sein kann. Bei der Schutzdiode 33 handelt es sich um eine Diode zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische Entladungen, kurz ESD-Diode.
In 17 ist veranschaulicht, dass zu den der Laserdiode 30 in Serie geschalteten Schaltelement 32a ein parallel geschaltetes Schaltelement 32b vorhanden sein kann. Über das Schaltelement 32b kann ein schnelles Abschalten der Laserdiode 30 und damit eine Verkürzung der Impulsdauern erzielt werden.
Eine Leiterschleife innerhalb der Schaltungsanordnung, wie in den 13 bis 17 gezeigt, ist bevorzugt möglichst gering, sodass eine Fläche und ein Volumen möglichst klein sind. Damit können geringe Induktivitäten erreicht werden, um kurze Schaltzeiten und Steuerzeiten zu gewährleisten. Bevorzugt erfolgt eine Integration der Komponenten 30, 31, 32 und optional 33 in einem gemeinsamen Gehäuse, nicht gezeichnet.
In 18 ist gezeigt, dass für den Messlaser 3 ein Träger 34 vorhanden ist, auf dem die Laserdiode 30 und der Kondensator 31 auf einer gemeinsamen Kontaktfläche 35 aufgebracht sind. Das Schaltelement 32 und optional die Schutzdiode 33 sind in dem Träger 34 integriert. Das Schaltelement 32 ist als FET gestaltet. Eine elektrische Anbindung der Laserdiode 30 und des Kondensators 31 erfolgt bevorzugt je über mehrere Bonddrähte 37, um geringe Induktivitäten zu gewährleisten.
Der Kondensator 31 ist beispielsweise ein Siliziumchip-Kondensator oder ein Kondensator der Bauform 0102 oder ähnliches. Zum Ansteuern des Schaltelements 32 können elektrische Kontaktflächen 35, d, und 35, g sowie 35, s, GND für Drain, Gate sowie Source = GND vorhanden sein. An einer nicht gezeichneten Unterseite des Trägers 34 können entsprechende Kontaktflächen vorliegen.
Es ist möglich, dass an einer Facette der Laserdiode 30 eine Facettenverkapselung 36 vorliegt, die linsenförmig gestaltet sein kann. Die Facettenverkapselung 36 ist jeweils nur schematisch stark vereinfacht gezeichnet. Zum Beispiel ist die Facettenverkapselung 36 gestaltet, wie in der Druckschrift DE 10 2017 123 798 A1 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug mit aufgenommen.
Der Träger 34 ist ein Substrat wie eine gedruckte Leiterplatte, kurz PCB, oder eine Metallkernplatine. Ebenso kann der Träger 34 ein Keramiksubstrat mit Leiterbahnen sein oder auch ein beispielsweise eingebetteter Leiterrahmen, englisch Leadframe. Weiterhin kann der Träger 34 ein Si-Submount sein.
Alternativ zur Darstellung in 18 ist es möglich, dass eine bonddrahtfreie Kontaktierung erfolgt, um elektrische Induktivitäten der Zuleitungen weiter zu reduzieren.
In den 19 bis 25 sind weitere Ausführungsbeispiele von Schaltungsanordnungen für den Messlaser 3 gezeigt, analog zu 18. Die Verschaltung folgt dabei je der in 13 gezeigten Schaltskizze. Genauso kann aber jeweils auf die Schaltskizzen der 14 bis 17 zurückgegriffen werden. In den Figurenteilen A sind, soweit in den zugehörigen Figurenteilen B überhaupt vorhanden, Bonddrähte nicht gezeichnet, ebenso wenig wie die Kontaktflächen. Es ist möglich, dass der Messlaser 3 je nur aus der Laserdiode 30 besteht oder als Modul den Träger 34 und alle davon getragenen Komponenten umfasst.
Gemäß 19 dient als Träger 34 ein Substrat mit Kontaktflächen 35, zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte, kurz PCB, ein Keramikträger oder ein Leiterrahmen. Das Schaltelement 32 ist ein FET und/oder ein ASIC und basiert auf Si, GaN oder SiC. Über die Facettenverkapselung 36 kann eine lokal hermetische Verkapselung der Laserdiode 30 erzielt werden.
Die Kontaktfläche 35, g für den Gate-Anschluss sowie die Kontaktfläche 35, GND, s für den Source-Anschluss und die Kontaktfläche 35, V für den Versorgungsspannungsanschluss sind über elektrische Durchkontaktierungen 38 mit entsprechenden Kontaktflächen an einer Trägerunterseite, nicht gezeichnet, verbunden. Die Laserdiode 30 ist über mehrere Bonddrähte 37 mit der Kontaktfläche 35, d für den Drain-Anschluss des Schaltelements 32 verbunden. Der Kondensator 31 befindet sich auf der Kontaktfläche 35, V und ist ebenfalls über mehrere Bonddrähte 37 mit der Kontaktfläche 35, GND, s verbunden.
Abweichend von 19 handelt es sich in 20 bei dem Kondensator 31 um einen Flip-Chip, sodass der Kondensator 31 ohne Bonddrähte direkt an die Kontaktflächen 35, GND, s und 35, V angeschlossen ist.
Abweichend von 19 ist in 21 die Kontaktfläche 35, d in Draufsicht zwischen den Kontaktflächen 35, g und 35, GND, s angeordnet. Dabei befindet sich die Kontaktfläche 35, d bevorzugt an einer dem Träger 34 abgewandten Seite des Schaltelements 32.
Die Anordnung der 22 entspricht einer Kombination der 20 und 21.
Beim Ausführungsbeispiel der 23 ist der Kondensator 31 in dem Träger 34 integriert. Dazu ist der Träger 34 bevorzugt als Multilagenkeramik gestaltet. Eine elektrische Kontaktierung des Kondensators 31 erfolgt über Durchkontaktierungen 38. Im Übrigen entspricht das Beispiel der 23 dem der 19.
Gemäß 24 ist auch das Schaltelement 32 im Träger 34 integriert und über die Durchkontaktierungen 38 angeschlossen. An der Oberseite des Trägers 34 befinden sich nur die Kontaktflächen 35, d und 35, V. Die übrigen, nicht gezeichneten Kontaktflächen befinden sich an der Unterseite des Trägers 34.
Im Ausführungsbeispiel der 25 ist die Laserdiode 30 bonddrahtfrei kontaktiert. Dazu ist in und/oder an einer Halbleiterschichtenfolge der Laserdiode 30 eine Durchkontaktierung 38 erzeugt, sodass die Halbleiterschichtenfolge an zwei Seiten elektrisch angeschlossen ist. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu 24.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Apparat
10: Scheinwerfer
11: Gehäuse
2: Beleuchtungsquelle
21: Leuchtstoff
22: Primärlichtquelle
3: Messlaser
30: Laserdiode
31: Kondensator
32: Schaltelement
33: Schutzdiode
34: Träger
35: Kontaktfläche
36: Facettenverkapselung/Linse
37: Bonddraht
38: Durchkontaktierung
4: Sensor
5: Elektronikeinheit
6: reflektierendes Objekt
7: Abbildungsoptik
8: Infrarotlaser
9: Filter
d: Drain-Anschluss
g: Gate-Anschluss
GND: Erdanschluss
IR: Infrarotstrahlung
M: Messlaserstrahlung
P: Primärstrahlung
S: Sekundärstrahlung
s: Source-Anschluss
V: Versorgungsspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8619241 B2 [0002]
DE 102017123798 A1 [0110]

Claims

Apparat (1) mit einer Beleuchtungsquelle (2), wobei - der Apparat (1) mindestens einen Messlaser (3) umfasst, - der Messlaser (3) ein Halbleiterlaser ist und zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet ist, - eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser (3) erzeugten Messlaserstrahlung (M) zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm liegt.
Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - die Beleuchtungsquelle (2) im Betrieb weißes Licht erzeugt, - eine Beleuchtungsreichweite der Beleuchtungsquelle (2) mindestens 25 m beträgt, - der Apparat (1) mindestens einen Sensor (4) und eine Elektronikeinheit (5) umfasst, - der Sensor (4) dazu eingerichtet ist, einen außerhalb des Apparats (1) an einem externen Objekt (6) reflektierten Anteil der Messlaserstrahlung (M) mit einer Zeitauflösung von höchstens 5 ns zu detektierten, - die Elektronikeinheit (5) dazu eingerichtet ist, eine Laufzeit des reflektierten und detektierten Anteils der Messlaserstrahlung (M) und damit eine Entfernung des die Messlaserstrahlung (M) reflektierenden Objekts (6) zum Apparat (1) zu bestimmen, und - die Impulsdauer höchstens 5 ns beträgt.
Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Beleuchtungsquelle (2) mindestens einen Leuchtstoff (21) umfasst, - der Leuchtstoff (21) von einer Primärlichtquelle (22), die im Betrieb als Primärstrahlung (P) blaues Licht erzeugt, zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung (S) angeregt wird, - die Beleuchtungsquelle (2) eine Mischstrahlung abstrahlt, die aus der Primärstrahlung (P) und der Sekundärstrahlung (S) zusammengesetzt ist.
Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - die Primärlichtquelle (22) durch den Messlaser (3) gebildet ist, und - die Messlaserstrahlung (M) ein durch den Leuchtstoff (21) transmittierter Anteil der Primärstrahlung (P) ist.
Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - die Messlaserstrahlung (M) und die Mischstrahlung den gleichen Raumwinkelbereich ausleuchten, und - der Sensor (4) zur ortsaufgelösten Detektion der reflektierte Messlaserstrahlung (M) eingerichtet ist.
Apparat (1) nach Anspruch 3, wobei - die Primärlichtquelle (22) ein im Betrieb blaues Licht emittierender Halbleiterlaser ist, - die Primärlichtquelle (22) von dem Messlaser (3) verschieden ist, und - die Messlaserstrahlung (M) an dem Leuchtstoff (21) vorbeigeführt wird.
Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - die Primärlichtquelle (22) und der Messlaser (3) mit einer Toleranz von höchstens 10 nm Licht der gleichen maximalen Wellenlänge emittieren, - die Mischstrahlung farbiges Licht ist, und - die Mischstrahlung zusammen mit der Messlaserstrahlung (M) weißes Licht ist.
Apparat (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Apparat (1) eine Abbildungsoptik (7) umfasst, und - die Abbildungsoptik (7) der Primärlichtquelle (22) und dem Messlaser (3) gemeinsam nachgeordnet ist.
Apparat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei - der Apparat (1) mindestens eine Abbildungsoptik (7) umfasst, und - die Abbildungsoptik (7) dazu eingerichtet ist, die Messlaserstrahlung (M) in einem Muster abzubilden und/oder mit der Messlaserstrahlung (M) zu scannen.
Apparat (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Abbildungsoptik (7) untrennbar mit dem Messlaser (3) verbunden ist, und - die Abbildungsoptik (7) eine Linse, einen Reflektor, ein diffraktives optisches Element, eine Metalinse, ein Multilinsenfeld und/oder einen Diffusor umfasst.
Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Apparat (2) zusätzlich einen Infrarotlaser (8) umfasst, - der Infrarotlaser (8) ein Halbleiterlaser ist und zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet ist, - eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Infrarotlaser (8) erzeugten Infrarotstrahlung (IR) zwischen einschließlich 0,7 µm und 3 µm liegt, und - eine Impulsemission des Infrarotlasers (8) mit dem Messlaser (3) synchronisiert ist.
Apparat (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - dem Infrarotlaser (8) und dem Messlaser (3) gemeinsam mindestens ein optisches Element nachgeordnet ist, und - der Infrarotlaser (8) auch bei ausgeschaltetem Messlaser (3) betreibbar ist.
Apparat (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Infrarotlaser (8) zusammen mit der Elektronikeinheit (5) als Sicherheitsschaltung für den Messlaser (3) eingerichtet ist, und - der Messlaser (3) nur betreibbar ist, wenn durch den Infrarotlaser (8) zusammen mit der Elektronikeinheit (5) festgestellt ist, dass sich keine Personen in einem Ausleuchtbereich des Messlasers (3) befinden.
Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Sensor (4) eine Si-Fotodiode, ein Si-Fotodiodenfeld oder eine CMOS-Kamera ist, und - der Sensor (4) für zumindest zwei voneinander verschiedene Spektralbereiche eingerichtet ist.
Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Messlaser (3) ein kantenemittierender Flip-Chip ist, - einer Reihenschaltung aus dem Messlaser (3) und einem Schaltelement (32b) ein Kondensator (31) elektrisch parallel geschaltet ist, und - der Messlaser (3), der Kondensator (31) und/oder das Schaltelement (32b) auf einem gemeinsamen Träger (34) bonddrahtfrei montiert sind.
Apparat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein Kraftfahrzeug, eine Drohne, ein Roboter, ein Aktuator oder ein Werkzeug ist.
Scheinwerfer (10) mit einer Beleuchtungsquelle (2) und mit einem Messlaser (3), wobei - die Beleuchtungsquelle (2) mindestens einen Leuchtstoff (21) umfasst, - der Leuchtstoff (21) von einer Primärlichtquelle (22), die im Betrieb als Primärstrahlung (P) blaues Licht erzeugt, zur Erzeugung einer Sekundärstrahlung (S) angeregt wird, - die Primärlichtquelle (22) eine Leuchtdiode oder ein Halbleiterlaser ist, - die Beleuchtungsquelle (2) eine Mischstrahlung abstrahlt, die aus der Primärstrahlung (P) und der Sekundärstrahlung (S) zusammengesetzt ist, - der Messlaser (3) ein Halbleiterlaser ist und zur Erzeugung von Impulsen mit einer Impulsdauer von höchstens 10 ns eingerichtet ist, - eine Wellenlänge maximaler Intensität einer vom Messlaser (3) erzeugten Messlaserstrahlung (M) zwischen einschließlich 400 nm und 485 nm liegt, und - eine Beleuchtungsreichweite der Beleuchtungsquelle (2) mindestens 25 m beträgt.
Scheinwerfer (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - die Primärlichtquelle (22) durch den Messlaser (3) gebildet ist, - die Messlaserstrahlung (M) ein durch den Leuchtstoff (21) transmittierter Anteil der Primärstrahlung (P) ist, und - die Messlaserstrahlung (M) zusammen mit der Sekundärstrahlung (S) weißes Licht ist.