Title:
Empfängeranordnung, Halbleiterbaustein und Verfahren zum Empfang von Lichtimpulsen und zur Ausgabe eines Empfangssignals
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Es wird eine Empfängeranordnung mit wenigstens einem lichtempfindlichen Element (LE) zum Empfang von Lichtimpulsen (LI) und zur Ausgabe eines Empfangssignals (E), das zur Objektdetektion verwendet wird, vorgeschlagen. Die Empfängeranordnung weist eine Ansteuerung (A) auf, die das wenigstens eine lichtempfindliche Element (LE) derart ansteuert, dass in einem vorgegebenen Messzyklus die Lichtempfindlichkeit des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements (LE) erhöht wird, wobei in Abhängigkeit von einem abgeleiteten Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements (LE) das Empfangssignal (E) erzeugt wird. Weiterhin wird ein Halbleiterbaustein vorgeschlagen mit einem Substrat, auf dem die Empfängeranordnung angeordnet ist. Auch ein entsprechendes Verfahren zum Empfang von Lichtimpulsen und zur Ausgabe eines Empfangssignals (E), das zur Objektdetektion verwendet wird, wird vorgeschlagen.embedded image





Inventors:
Beuschel, Ralf, Dr. (88239, Wangen, DE)
Heinle, Anna, Dr. (88250, Weingarten, DE)
Application Number:
DE102017202957A
Publication Date:
08/23/2018
Filing Date:
02/23/2017
Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, 88046 (DE)
International Classes:
G01S7/489; G01S17/10
Domestic Patent References:
DE202013105389U1N/A
Foreign References:
9304203
20140063482
20150177369
Claims:
Empfängeranordnung mit wenigstens einem lichtempfindlichen Element (LE) zum Empfang von Lichtimpulsen (LI) und zur Ausgabe eines Empfangssignals (E), das zur Objektdetektion verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängeranordnung eine Ansteuerung (A) aufweist, die das wenigstens eine lichtempfindliche Element (LE) derart ansteuert, dass in einem vorgegebenen Messzyklus die Lichtempfindlichkeit des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements (LE) erhöht wird, wobei in Abhängigkeit von einem abgeleiteten Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements (LE) das Empfangssignal (E) erzeugt wird.

Empfängeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung schrittweise erfolgt.

Empfängeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung für die Erhöhung der Lichtempfindlichkeit eine elektrische Vorspannung (V_Bias) für das wenigstens eine lichtempfindliche Element (LE) erhöht.

Empfängeranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine lichtempfindliche Element (LE) eine lichtempfindliche Lawinendiode (SPAD) ist, wobei mehrere lichtempfindliche Lawinendioden (SPAD) einen Silizium-Photomultiplier (SIPM) bilden.

Empfängeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeleitete Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements (LE) mit einem Schwellwert (THR) eines Schwellwertgebers verglichen wird und in Abhängigkeit von diesem Vergleich das Empfangssignal (E) durch wenigstens einen Komparator erzeugt wird, wobei der Schwellwert (THR) durch den Schwellwertgeber während des Messzyklus gesenkt wird.

Empfängeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Lichtempfindlichkeit und die Absenkung des Schwellwerts in unterschiedlichen Zeitabschnitten während des Messzyklus erfolgen.

Empfängeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeleitete Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements (LE) einer Analog-Digitalwandler-Einrichtung zugeführt wird, wobei das digitale Ausgangssignal der Analog-Digitalwandler-Einrichtung das Empfangssignal (E) ist.

Empfängeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängeranordnung eine Verzögerungseinrichtung aufweist, die den Beginn des Messzyklus verzögert.

Halbleiterbaustein mit einem Substrat, auf dem die Empfängeranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8 angeordnet ist.

Verfahren zum Empfang von Lichtimpulsen zur Ausgabe eines Empfangssignals (E), das zur Objektdetektion verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgegebenen Messzyklus eine Lichtempfindlichkeit wenigstens eines lichtempfindlichen Elements erhöht wird und dass in Abhängigkeit von einem abgeleiteten Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements (LE) das Empfangssignal erzeugt wird.

Description:

Die Erfindung geht aus von einer Empfängeranordnung, von einem Halbleiterbaustein bzw. einem Verfahren zum Empfang von Lichtimpulsen und zur Ausgabe eines Empfangssignals nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.

Aus US 9,285,464 B2 ist es bekannt, dass für die Fahrzeugumfeldüberwachung ein sogenanntes LiDAR-Gerät verwendet werden kann.

Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Empfängeranordnung bzw. der erfindungsgemäße Halbleiterbaustein bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Empfang von Lichtimpulsen und zur Ausgabe eines Empfangssignals mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche den Vorteil, dass gemäß der Erfindung eine elektronische Dynamikerweiterung für die Empfängeranordnung erreicht wird. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das wenigstens eine lichtempfindliche Element durch eine Ansteuerung derart angesteuert wird, dass in einem vorgegebenen Messzyklus die Lichtempfindlichkeit des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements erhöht wird, wobei in Abhängigkeit von einem abgeleiteten Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements das Empfangssignal erzeugt wird. Die Erfindung beachtet dabei, dass zu Beginn eines Messzyklus die erwartete empfangene Lichtenergie größer ist als zum Ende des Messzyklus. Diese Energie wird insbesondere im Verhältnis 1:r2 sinken mit der Annahme, dass ein sogenannter Lambert-Reflektor als Objekt vorliegt. Die erfindungsgemäße Maßnahme der Erhöhung der Empfindlichkeit in einem Messzyklus bewirkt, dass die Anzahl der lichtempfindlichen Elemente reduziert werden kann im Vergleich zu dem Zustand, in dem die Erfindung nicht verwendet wird. Weniger lichtempfindliche Elemente bedeutet weiterhin, dass die Empfängeranordnung günstiger und insbesondere auch kleiner wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine bessere Detektion von Objekten möglich ist, weil nicht so viele lichtempfindliche Elemente notwendig sind, die gegebenenfalls eine Sättigung des Amplitudensignals bewirken können. In der Amplitudeninformation des Empfangssignals liegt jedoch eine Information über das Objekt selbst vor. Somit bleibt diese Information erhalten.

Weiterhin vorteilhaft ist, dass ein Halbleiterbaustein vorliegt, der auf einem Substrat die erfindungsgemäße Empfängeranordnung aufweist. Damit ist eine kompakte und kostengünstige Herstellung insbesondere in der sogenannten CMOS-Technik möglich. In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass darüber hinaus auch die Sendeeinrichtung, d.h. der Halbleiterlaser und dessen Ansteuerung sowie weitere Verarbeitungsschritte des Empfangssignals auf diesem Halbleiterbaustein angeordnet sein können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Empfang von Lichtimpulsen und zur Ausgabe eines Empfangssignals kann unabhängig von der Ausgestaltung der Empfängeranordnung zu den gleichen Vorteilen führen. Insbesondere wenn Teile der Empfängeranordnung softwaretechnisch umgesetzt werden.

Eine Empfängeranordnung bedeutet vorliegend eine hardwaremäßige und/oder softwaremäßige Ausgestaltung einer Empfängeranordnung, die in der Lage ist, mit einem lichtempfindlichen Element Lichtimpulse zu empfangen und ein entsprechendes Empfangssignal, das zur Objektdetektion verwendet wird, auszugeben. Eine solche Empfängeranordnung kann beispielsweise als ein Halbleiterchip vorzugsweise aus Silizium und/oder anderen Halbleitern hergestellt sein. Es sind auch alle möglichen Kombinationen aus Halbleiterbausteinen auf verschiedenen Substraten oder anderen elektronischen Bauelementen möglich.

Ein lichtempfindliches Element ist beispielsweise und auch vorzugsweise eine sogenannte lichtempfindliche Lawinendiode (APD), die in einer weiteren Ausgestaltung als sogenannte Single Photon Avalanche Photodiode (SPAD) ausgestaltet sein kann, also für eine Empfindlichkeit eines einzigen Photons ausgelegt sein kann. Üblicherweise wird jedoch die Schwelle höher gesetzt zur Detektion eines Lichtimpulses, da durch Hintergrundrauschen einzelne Photonen empfangen werden können, die nicht mit den ausgesendeten Lichtimpulsen korreliert sind. Mehrere solcher APDs bzw. SPADs können zu einem sogenannten Silizium-Photomultiplier zusammengefügt werden, in dem die SPADs in einem Feld zusammengeschaltet sind. Je nach Anwendung können dabei einzelne lichtempfindliche Elemente, also einzelne SPADs, in entsprechender Erwartung angesteuert werden, aber es können auch alle SPADs eines Silizium-Photomultipliers (SIPM) angesteuert werden. Diese SPADs sind parallel zusammengeschaltet, so dass ein Summationssignal der einzelnen SPADs als Ausgangssignal des Silizium-Photomultipliers verwendet wird.

Vorliegend werden Lichtimpulse, die von einer Laseranordnung ausgesendet werden und von einem möglichen Objekt reflektiert werden, vorliegend empfangen. Diese Lichtimpulse werden beispielsweise mit einer Laufzeit von 1,33 µs ausgesendet, da dies einer Distanz von 200 m entspricht. Damit wäre für einen Messzyklus dies die übliche Zeit, die anzunehmen ist.

SPAD-Zellen als die lichtempfindlichen Elemente sind wie oben angegeben in einer Matrix für einen SIPM angeordnet. Dabei hat jede SPAD-Zelle vier mögliche Zustände: Geladen, das ist der Zustand, in dem die Diode auf ein Photon oder einen sogenannten Dark Count-Event wartet. Diese Zeit ist sehr viel größer als die Zeit, um wiederaufgeladen zu werden. Der zweite Zustand ist das sogenannte Feuern. Durch die empfangenen Photonen wird ein Lawineneffekt ausgelöst und der Strom steigt sprunghaft an. Dieser Zustand ist sehr viel kleiner als 1 ns. Der nächste Zustand ist das sogenannte Quenchen. Der Lawineneffekt wird gedrosselt und letztlich gestoppt, beispielsweise durch einen Widerstand. Auch dies geschieht in einer Zeit, die sehr viel kleiner als 1 ns ist. Dieses Quenchen ist notwendig, um die Selbstzerstörung der Photodiode zu verhindern. Das Quenchen mit einem Widerstand, was am häufigsten verwendet wird, wird als passives Quenchen bezeichnet. Es gibt noch kompliziertere Ausgestaltungen, die dann entsprechend genannt werden. Der letzte und vierte Zustand ist das sogenannte Wiederaufladen. Dabei wird die SPAD-Zelle für das nächste Feuern vorbereitet. Dies benötigt ungefähr 10 bis 50 ns mit der heutigen Technologie. Die SPAD-Zellen haben letztlich ein binäres Ausgabesignal gefeuert oder nicht gefeuert. Die Dynamik wird durch die Häufigkeit des Feuerns bestimmt und in diesen Wiederanwendungen ist die effektive dynamische Bandbreite 1 Bit.

Die SPAD-Zellen werden durch eine sogenannte Vorspannung V_Bias in Sperrrichtung beaufschlagt. Diese Spannung ist größer als die Durchbruchspannung. Die Minimalspannung ist ungefähr 1V über der Durchbruchspannung und ausgehend davon hat diese Vorspannung einen linearen Einfluss auf die Empfindlichkeit. Derzeit ist die Vorspannung nach oben in der Regel auf 5V begrenzt, da eine weitere Erhöhung zu einer Zerstörung der Diode führen würde.

Das Empfangssignal ist das Ausgabesignal der Empfängeranordnung, das von einer weiteren Signalverarbeitung dazu verwendet wird, die Objekte in der Umgebung zu detektieren und auch zu charakterisieren.

Die Ansteuerung ist eine elektrische Ausgestaltung, die beispielsweise auf einem Halbleitersubstrat realisiert ist und die Lichtempfindlichkeit des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements erhöht. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Sägezahnschaltung erreicht werden, da in jedem Messzyklus mit dem gleichen Startwert begonnen wird. Alternativ oder dies ausgestaltend kann eine Integratorschaltung verwendet werden. Es kann auch sein, dass nicht immer mit dem gleichen Startwert begonnen wird, beispielsweise um bestimmte Entfernungsbereiche zu untersuchen.

Die Lichtempfindlichkeit ist derart definiert, dass für eine bestimmte Lichtleistung ein entsprechendes Ausgangssignal der Photodiode als Beispiel erreicht wird.

Das abgeleitete Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements kann direkt eine Spannung, die über einen Widerstand am Ausgang beispielsweise per SPAD abgegriffen wird, sein. Es kann jedoch auch ein gefiltertes Signal, ein umgewandeltes Signal aus einem Rohsignal aus der Photodiode sein.

Die Objektdetektion kann vorliegend beispielsweise mit dem Messprinzip TCSPC (Time-Correlated Single Phonton Counting) vorgenommen werden. Diese in Deutsch als zeitkorrelierte Photonenzählung bezeichnete Messmethode ist eine Technik zur Messung sich zeitlich schnell ändernder Lichtintensitäten. Dabei wird eine Messung vielfach wiederholt und die einzelnen zeitlich korrelierten Photonen in Bezug zum Anregungsimpuls werden entsprechend ihrer gemessenen Zeit in ein sogenanntes TCSPC-Histogramm einsortiert. Dieses besitzt typischerweise eine zeitliche Kanalauflösung bzw. Klassenbreite von 0,1 bis 1 ns und gibt den zeitlichen Verlauf des von einem Laserpuls zurückgestreuten Lichts wieder. Bei der zeitkorrelierten Photonenzählung werden einzelne Photonen der Lichtimpulse detektiert und gezählt und in ein Histogramm eingetragen und zwar an welcher Stelle, in zeitlicher Hinsicht gesehen, das oder die Photonen auftreten. Das Aussenden des Lichtimpulses und die Zählung werden viele Male wiederholt. Dadurch gelingt eine sehr genaue Zeitmessung des Laserimpulses. Bspw. wird ein Objekt von einer Sendeeinrichtung mit vielen Photonen getroffen, die dann durch die Empfängeranordnung empfangen werden. Durch das häufige Wiederholen dieser Photonenbestimmung ist es möglich, den Lichtimpuls bzgl. seiner Flugzeit genau zu bestimmen. Dafür kann bspw. eine Analog-Digital-Wandlung verwendet werden und insbesondere werden die gemessenen Photonenzeiten in ein Histogramm in einem Speicher eingetragen und dann am Ende durch eine Logik wird das Maximum festgestellt.

Eine weitere Messmethode zur Objektdetektion ist das sogenannte TDC (Time-to-Digital Converter, Zeit-Digital-Wandlung). Dies ist ein Gerät, um Zustände zu erkennen und eine digitale Darstellung der Zeit bereitzustellen, die aufgetreten ist. Beispielsweise kann ein TDC die Ankunftszeit für jeden ankommenden Impuls ausgeben. Insbesondere das Zeitintervall zwischen zwei Impulsen wird mit einem TDC ermittelt. Dabei kann die Messung gestartet und gestoppt werden, wenn eine aufsteigende oder fallende Flanke eines Signalimpulses einen entsprechenden Schwellenwert übertrifft. Eine Zeit-Digital-Wandlung ist ein Verfahren, um eine Zeit beispielsweise zwischen zwei Impulsen zu bestimmen und in ein Digitalwort umzusetzen. Dazu kann bspw. ein Zähler verwendet werden, der durch ein Start- und ein Stoppsignal bspw. des empfangenen Lichtimpulses bzw. des ausgesendeten Lichtimpulses aktiviert wird. Um den Fehler zu Beginn und zu Ende des durch den Zähler ermittelten Zählerstandes zu bestimmen, wird eine sogenannte Interpolation verwendet. Dazu kann eine Verzögerungsschaltung verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, zwei zueinander verstimmte Oszillatoren zu verwenden oder eine sogenannte Überabtastung bspw. eine Vierfach-Überabtastung zu verwenden und damit das Signal abzutasten. Durch den Zählerstand und die Werte, die aus der Interpolation gewonnen werden zu Beginn der Zählung und zu Ende der Zählung, kann dann die Zeit und damit die Flugzeit genau gemessen werden.

Unter einem Substrat wird ein Halbleiterwafer verstanden, auf dem einstückig die elektronischen Bauelemente hergestellt wurden. Dies ist eine sehr kostengünstige Herstellungsmethode, die zu sehr kleinen Abmessungen der elektronischen Bauelemente führt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Weiterbildungen und Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Empfängeranordnung bzw. des erfindungsgemäßen Halbleiterbausteins bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Empfang von Lichtimpulsen und zur Ausgabe eines Empfangssignals möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass die Erhöhung der Empfindlichkeit schrittweise erfolgt. Damit ist sehr gut steuerbar und auch elektronisch leicht darstellbar, wie die Empfindlichkeit erhöht wird.

Weiterhin ist von Vorteil, dass die Ansteuerung für die Erhöhung der Lichtempfindlichkeit eine elektrische Vorspannung für das wenigstens eine lichtempfindliche Element erhöht. Diese Vorspannung wie oben mit V_Bias bezeichnet, ist ein einfacher Parameter, der beispielsweise durch eine Sägezahnschaltung, aber auch andere Schaltungen, die ein zeitlich veränderliches Signal erzeugen können, leicht herstellbar ist.

Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass das wenigstens eine lichtempfindliche Element eine lichtempfindliche Lawinendiode ist, wobei mehrere lichtempfindliche Lawinendioden einen Silizium-Photomultiplier bilden. Dies sind die Elemente, die oben schon beispielhaft für das lichtempfindliche Element definiert wurden, nämlich die SPADs und die Matrix oder auch nur eine Zeile von SPADs, die einen SIPM, also den Silizium-Photomultiplier, bilden.

Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass das abgeleitete Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements mit einem Schwellwert eines Schwellwertgebers verglichen wird und in Abhängigkeit von diesem Vergleich das Empfangssignal durch wenigstens einen Komparator erzeugt wird, wobei der Schwellwert durch den Schwellwertgeber während des Messzyklus gesenkt wird. Hier ist zu beachten, dass dieser Schwellwert dazu verwendet wird, nur solche Signale mittels des Komparators passieren zu lassen, die durch eine gewisse Anzahl von Photonen erzeugt werden. Da die Leistung des Lichts jedoch abnimmt, ist es zweckmäßig, die Erfindung derart weiterzubilden, neben der Empfindlichkeit auch noch diesen Schwellwert abzusenken. Dies kann durch einen Schwellwertgeber erreicht werden, der ebenfalls ein zeitabhängiges Ausgangssignal erzeugt. Dies kann softwaretechnisch oder hardwaretechnisch erreicht werden. Auch der Komparator oder Diskriminator kann diskret integriert oder softwaretechnisch hergestellt werden. Als erfindungsgemäßes Beispiel kann der Schwellwert beispielsweise bei 25 Photonen starten und auf 5 Photonen absinken. Dies wird durch die Ausgangssignale der einzelnen Photodioden repräsentiert. D.h. es ist bekannt, welche Anzahl von Photonen zu welchem Ausgangssignal führen.

Vorteilhaft ist, dass die Erhöhung der Lichtempfindlichkeit und die Absenkung des Schwellwerts in unterschiedlichen Zeitabschnitten während des Messzyklus erfolgen. Dies bedeutet, dass in einem ersten Zeitabschnitt beispielsweise die Lichtempfindlichkeit erhöht wird und in einem darauf folgenden zweiten Abschnitt der Schwellwert abgesenkt wird und dann wieder in einem dritten Abschnitt die Lichtempfindlichkeit erhöht wird und dann wieder in einem vierten Teilabschnitt der Schwellwert gesenkt wird. Hierfür sind beliebige Variationen möglich, so dass auch eine Überlappung möglich ist oder sogar eine parallele Erhöhung der Lichtempfindlichkeit bzw. Absenkung des Schwellwerts.

Weiterhin ist sehr vorteilhaft, dass das abgeleitete Ausgangssignal des wenigstens einen lichtempfindlichen Elements direkt einer Analog-Digital-Wandlereinrichtung zugeführt wird, wobei das digitale Ausgangssignal der Analog-Digital-Wandlereinrichtung das Empfangssignal ist. Bei dieser Lösung verzichtet man also auf den vorgenannten Komparator und daher ist hier auch eine Absenkung eines Schwellwerts nicht möglich und nötig. Hier wird lediglich die Lichtempfindlichkeit erhöht. Die Analog-Digital-Wandlereinrichtung muss entsprechend schnell sein, um das Empfangssignal zu generieren.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Empfängeranordnung eine Verzögerungseinrichtung aufweist, die den Beginn des Messzyklus verzögert. Üblicherweise wird mit dem Ausgeben des Lichtimpulses über beispielsweise einen Laser oder ein Laserarray der Messzyklus gestartet. Jeder Messzyklus kann jedoch verzögert werden, um nur eine bestimmte Entfernung bezüglich Objekten auszuwerten. Beispielsweise kann eine Verzögerung von 0,66 µs vorgesehen sein, um gezielte in einem Distanzbereich von 100 bis 200 m Entfernung zur Empfängeranordnung zu messen.

In der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben.

Es zeigen:

  • 1 ein erstes Blockschaltbild der Erfindung,
  • 2 ein Flussdiagramm der Erfindung,
  • 3 ein zweites Blockschaltbild der Erfindung,
  • 4 ein drittes Blockschaltbild der Erfindung,
  • 5 ein Ersatzschaltbild eines lichtempfindlichen Elements als SPAD,
  • 6 ein erstes Spannungszeitdiagramm,
  • 7 ein erstes Schwellwertzeitdiagramm,
  • 8 ein erstes Zeitablaufdiagramm,
  • 9 ein zweites Zeitablaufdiagramm,
  • 10 ein zweites Spannungszeitdiagramm,
  • 11 ein kombiniertes Spannungsschwellwertzeitdiagramm.

1 zeigt ein erstes Blockschaltbild der Erfindung. Dabei steuert eine Ansteuerung A über ein Ansteuersignal 10 ein lichtempfindliches Element LE an, um dessen Lichtempfindlichkeit innerhalb eines Messzyklus zu erhöhen. Auf das lichtempfindliche Element treffen die Lichtimpulse LI. Als Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elements LE wird das Empfangssignal E ausgegeben.

2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Verfahrensschritt 200 werden durch das lichtempfindliche Element LE die Lichtimpulse LI empfangen. Während des Messzyklus wird im Verfahrensschritt 201 durch die Ansteuerung A die Lichtempfindlichkeit des lichtempfindlichen Elements LE mittels des Signals 10 erhöht. Diese Erhöhung kann schrittweise linear oder nicht linear erfolgen. Sie kann für bestimmte Abschnitte konstant bleiben und dann wieder weiter erhöht werden. Im Verfahrensschritt 202 wird aus dem lichtempfindlichen Element LE das abgeleitete Ausgangssignal ausgegeben. Dieses Signal kann in eine andere Größe gefiltert, verstärkt und umgewandelt werden. Aus dem abgeleiteten Ausgangssignal wird im Verfahrensschritt 203 das Empfangssignal erzeugt. Das Empfangssignal kann dabei dem abgeleiteten Ausgangssignal unmittelbar entsprechen oder es kann weiter verarbeitet sein.

3 zeigt ein weiteres Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Empfängeranordnung. Hier ist auch eine Sendeanordnung gezeigt. Mittels eines Pulsgenerators 300 wird ein Laser 301 zur Ausgabe von Lichtimpulsen 302 auf ein beispielhaftes Objekt 303 veranlasst. Diese Lichtimpulse werden zumindest teilweise reflektiert 314 und treffen auf das lichtempfindliche Element 304, beispielsweise eine Matrix aus verschiedenen SPADs, die gemeinsam einen Silizium-Photomultiplier bilden. Dort wird das lichtempfindliche Element 304 über die Ansteuerung 305 mittels der Vorspannung V_Bias angesteuert. Erfindungsgemäß wird die Vorspannung V_Bias in einem Messzyklus erhöht. Dies kann linear, schrittweise oder nicht linear erfolgen. Das abgeleitete Ausgangssignal 309 des lichtempfindlichen Elements 304 bzw. des Silizium-Photomultipliers wird einem Verstärker 308 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 308 geht auf einen Komparator 311, der mit einem Schwellwert aus einem Schwellwertgeber 310 verglichen wird. Der Schwellwertgeber 310 wird durch einen Rampengenerator 307 beeinflusst. Der Schwellwertgeber 310 kann dabei insbesondere ein Digital-Analog-Wandler sein. Der Rampengenerator 307 beeinflusst weiterhin einen weiteren Digital-Analog-Wandler 306, der die Ansteuerung 305 für das lichtempfindliche Element 304 ansteuert. Der Rampengenerator 307 ist wiederum mit dem Pulsgenerator 300 verbunden, um mit dem Aussenden des Laserimpulses auch den Messzyklus in der Empfängeranordnung zu starten.

Das Ausgangssignal des Komparators 311, 315 wird einer Objektdetektion 312, die beispielsweise mit der Methode TDC operiert, zugeführt. Dabei stellt das Signal 315 das Empfangssignal dar. Das Signal 313 repräsentiert dann die Entfernungsmessung.

4 zeigt ein drittes Blockschaltbild der Erfindung. Der Pulsgenerator 400 triggert den Laser 401 zur Ausgabe der Laserimpulse 402, die auf das Objekt 403 treffen. Die reflektierten Laserimpulse 404 treffen auf das lichtempfindliche Element 405, das über die Ansteuerung 406 mit der Vorspannung V_Bias beaufschlagt wird. Die Ansteuerung 406 wird über einen Digital-Analog-Wandler 408, der von einem Rampengenerator 409 beaufschlagt wird, angesteuert. Wiederum wird der Rampengenerator 409 vom Pulsgenerator 400 gestartet. Das abgeleitete Ausgangssignal 407 wird dem Verstärker 410 zugeführt und das verstärkte Ausgangssignal 410 dem schnellen Analog-Digital-Wandler 411, dessen Ausgangssignal 413 das Empfangssignal repräsentiert. Dies wird dann durch die Objektdetektion 412 mit einer weiteren Auswertemethode, beispielsweise der Methode TCSPC, ausgewertet, um die Abstandsmessung durchzuführen.

5 zeigt in einem Ersatzschaltbild ein lichtempfindliches Element, das als SPAD ausgebildet ist. Die Vorspannung V_Bias geht über einen Widerstand R_Bias auf eine in Sperrrichtung gepolte SPAD, die über einen Lastwiderstand R_Load gegen Masse geschaltet ist. Zwischen der SPAD und dem Lastwiderstand R_Load wird das Ausgangssignal 50 abgegriffen.

6 zeigt in einem Spannungszeitdiagramm mögliche Veränderungen der Vorspannung V_Bias während eines Messzyklus. Der Messzyklus dauert von t1 bis t2. Die Spannung wird von 1V bis 5V erhöht. Dies kann beispielsweise linear mit der Kurve 60 bezeichnet erfolgen oder schrittweise 61 oder auch abschnittsweise, wie durch 62 gezeigt.

7 zeigt die Absenkung des Schwellwerts THR in einem Schwellwertzeitdiagramm. Der Schwellwert wird vom Wert max bis zum Wert min im Zeitabschnitt zwischen t1 und t2 abgesenkt. Auch dies kann linear erfolgen mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet oder schrittweise mit dem Bezugszeichen 71 bezeichnet. Auch ist eine andere nichtlineare Absenkung, die vorliegend nicht dargestellt ist, möglich.

In 8 wird gezeigt, dass die Absenkung der Schwellwerte THR und die Erhöhung der Vorspannung V_Bias sequenziell erfolgen kann. Hier wird zunächst der Schwellwert THR abgesenkt und dann die Vorspannung V_Bias erhöht, dann wieder der Schwellwert THR abgesenkt und dann wieder die Vorspannung V_Bias erhöht.

9 zeigt jedoch, dass dies auch überlappend geschehen kann, indem zuerst die Vorspannung V_Bias erhöht wird, dann überlappend der Schwellwert THR abgesenkt und dann wieder überlappend die Vorspannung V_Bias abgesenkt wird.

10 zeigt ein weiteres Spannungszeitdiagramm, nach dem die Erhöhung der Vorspannung V_Bias mit einer Zeitverzögerung Δt1 nach dem Start t1 erfolgt. Damit erfolgt die Erhöhung nur in dem Abschnitt Δt2, um beispielsweise nur einen bestimmten Entfernungsabschnitt auszuwerten.

11 zeigt ein kombiniertes Spannungsschwellwertzeitdiagramm, bei dem zunächst zum Zeitpunkt t1 der Messzyklus beginnt und die Vorspannung von V_min auf 2V schrittweise erhöht wird. Ab dem Zeitpunkt t3 wird die Spannung 2V zunächst bis zum Zeitpunkt t4 beibehalten, um dann wieder in anderen Schritten von dem Zeitpunkt t4 bis t5 auf den Maximalwert V_max zu erhöhen. Entsprechend wird zum Zeitpunkt t1 der Maximalwert des Schwellwerts THR_max gehalten und erst zu dem Zeitpunkt t3 schrittweise abgesenkt bis zum Zeitpunkt t4. Dann wird dieser Zwischenwert vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 gehalten, um ihn dann wieder bis zum Zeitpunkt t2 abzusenken auf den Minimalwert THR_min.

Bezugszeichenliste

A
Ansteuerung
LE
lichtempfindliches Element
LI
Lichtimpuls
E
Empfangssignal
10
Ansteuersignal
200
Empfang
201
Erhöhung der Empfindlichkeit
202
Ableitung Ausgangssignal
203
Erzeugung Empfangssignal
300
Pulsgenerator
301
Laser
302
Lichtimpulse
303
Objekt
304
lichtempfindliches Element
305
Ansteuerung
306
Digital-Analog-Wandler
307
Rampengenerator
308
Verstärker
309
abgeleitetes Ausganggsignal
310
Schwellwertgeber
311
Komparator
312
Objektdetektion
313
Signal
314
reflektierte Lichtimpulse
315
Empfangssignal
400
Pulsgenerator
401
Laser
402
Laserimpulse
403
Objekt
404
reflektierte Laserimpulse
405
lichtempfindliches Element
406
Ansteuerung
407
abgeleitetes Ausgangssignal
408
Digital-Analog-Wandler
409
Rampengenerator
410
Verstärker
411
Analog-Digital-Wandler
412
Objektdetektion
413
Ausgangssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 9285464 B2 [0002]