CN113994229A - 激光雷达接收单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及以焦平面阵列排布的激光雷达接收单元(16)，具有：用于接收激光雷达发射单元(14)的光脉冲的多个传感器元件(24)；和用于将传感器元件的信号传输到激光雷达接收单元的边缘区域(R)的多个路由通道(32)，其中多个传感器元件都排布在分配给激光雷达发射单元的发射元件(22)的宏单元(26，26’)中；多个宏单元形成宏单元簇(32)，并且多个宏单元簇排布成多个行(Z1，Z2，Z3)；路由通道在一行相邻的宏单元簇之间穿过多个行，并且用于在与行正交的方向上传输信号。本发明还涉及用于检测车辆(14)的环境中的对象(12)的激光雷达测量装置(10)。

Description

激光雷达接收单元
技术领域
本发明涉及以焦平面阵列排布的激光雷达接收单元。本发明还涉及用于检测车辆的环境中的对象的激光雷达测量装置。
背景技术
现代车辆(汽车、运输车、卡车、摩托车、无人驾驶运输系统等)包括多个系统，这些系统向驾驶员或向操作员提供信息和/或以部分自动化或完全自动化的方式控制车辆的功能。车辆的周围环境以及，如果适用的话，其他道路使用者，通过传感器被检测到。基于检测到的数据，可以生成车辆环境的模型，并且可以对该车辆环境的变化做出反应。随着自动驾驶车辆和部分自动驾驶车辆领域的不断发展，高级驾驶员辅助系统(ADAS)和自动操作运输系统的影响和活动范围变得越来越大。通过发展更加精确的传感器，可以在完全或部分无需驾驶员干预的情况下检测环境并控制车辆的功能。
这里用于检测环境的重要传感器原理是激光雷达技术(光检测和测距)。激光雷达传感器基于光脉冲的发射和反射光的检测。通过传播时间测量，可以计算距反射位置的距离。通过对接收到的反射的评估，可以进行对目的地的检测。关于相应传感器的技术的应用，在扫描系统(通常基于微镜工作)和非扫描系统(其中多个发射元件和接收元件彼此静态相邻地排布(特别是所谓的焦平面阵列排布))之间需要进行区分。
在这方面，在WO 2017/081294 A1中描述了用于光学距离测量的方法和装置。其中公开了用于发射矩阵用于发射测量脉冲，以及接收矩阵用于接收测量脉冲。在发射测量脉冲时，发射矩阵的发射元件的子集被激活。
非扫描激光雷达测量系统领域的一个挑战在于接收阵列中的传感器元件的排布以及将传感器元件的信号路由到接收阵列的边缘。一方面，应实现该阵列的传感器元件的最高可能密度。另一方面，应能够将信号有效路由到该阵列的边缘以用于进一步处理。此外，应确保高分辨率或良好的检测。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种用于有效读取传感器元件的阵列的方法。特别是，应实现最大可能限度地避免阵列盲区。此外，应实现高分辨率。
为了实现该目的，在第一方面，本发明涉及一种以焦平面阵列排布的激光雷达接收单元，具有：
用于接收激光雷达发射单元的光脉冲的多个传感器元件；和
用于将所述传感器元件的信号传输到所述激光雷达接收单元的边缘区域的多个路由通道，其中
多个传感器元件都排布在分配给所述激光雷达发射单元的发射元件的宏单元中；
多个宏单元形成宏单元簇，并且多个宏单元簇排布成多个行；和
所述路由通道在一行相邻的宏单元簇之间穿过多个行，并且用于在与所述行正交的方向上传输所述信号。
在另一方面，本发明涉及一种用于检测车辆的环境中的对象的激光雷达测量装置，具有：
根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元；
具有用于发射光脉冲的多个发射元件的激光雷达发射单元；和
用于控制激光雷达发射单元并用于评估传感器元件的信号以便检测对象的控制单元。
在从属权利要求中描述了本发明的优选实施方式。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上面提到的特征和下面还将进一步解释的特征不仅能够以分别表示的组合使用，而且能够以其他组合或单独使用。特别地，激光雷达测量装置或激光雷达发射单元可以根据从属权利要求中对激光雷达接收单元描述的实施方式来实现。
激光雷达接收单元的传感器元件接收相应激光雷达发射单元的光脉冲。多个传感器元件一起形成宏单元。多个宏单元一起形成宏单元簇。激光雷达接收单元的宏单元簇排布成行。为了评估传感器元件在接收光脉冲时产生的信号，必须通过路由通道将这些信号从传感器元件传输到激光雷达接收单元的边缘区域。根据本发明，路由通道与所述行正交排布。路由通道在一行的两个相邻的宏单元簇之间行进。特别是，激光雷达接收单元是微芯片，传感器元件排布在该微芯片上，并且信号必须被路由到芯片的边缘区域中，相应的评估电子设备位于该边缘区域中。
由于根据本发明的路由通道的排布，实现了传感器元件的信号被有效递送到激光雷达接收单元的边缘区域。通过逐行设计激光雷达接收单元和激光雷达发射单元，或者在逐行控制激光雷达发射单元的情况下，可以实现与行正交地路由信号。因此，在远距离的情况下可以确保高性能。在近距离内，尽管由于路由而存在间隙，并因此分辨率降低，但由于激光雷达测量装置以恒定的角度分辨率运行，因此有效地提高空间分辨率。实现了高效的路由。可实现高分辨率。由于使用了焦平面阵列排布，因此产生了相对于振动的高鲁棒性。提高了激光雷达测量装置的使用寿命。此外，在可制造性方面具有优势。低成本的实现成为可能。
在优选实施方式中，每两个宏单元形成一个宏单元簇。该宏单元簇的两个宏单元优选地平行于行排布。由于路由通道在一行的两个相邻的宏单元簇之间行进，因此可以从两侧读取宏单元簇的两个宏单元。得到了有效的可读性。由于宏单元平行于行排布，因此得到良好的接触性。
在优选实施方式中，第一行的宏单元簇相对于与第一行相邻的第二行的宏单元簇偏移地排布。由于偏移排布(交错结构)，避免了无法进行检测的竖直盲区(与行正交)。改善了对象检测。
在优选实施方式中，路由通道在行之间的通道区段中平行于所述行行进。至少在某些区段，通道可以平行于行行进。尽管如此，信号与行正交地从阵列中传输出来。在这种情况下，特别是如果两个相邻行的宏单元簇是彼此偏移地排布时，则平行于行行进的通道区段是有利的。
在优选实施方式中，一行的相邻的宏单元簇之间的距离大于相邻行中相邻的宏单元簇之间的距离。另外或替选地，预处理元件排布在相邻行之间，以读取传感器元件。在这种情况下，预处理元件优选包括晶体管。所述距离优选地选择为可得到激光雷达接收单元的传感器元件的最高可能密度。应在芯片上排布尽可能多的传感器元件。路由在一行的相邻的宏单元簇之间进行。预处理元件排布在行之间，这在大多数情况下需要相对较小的空间。
在优选实施方式中，传感器元件的直径的整数倍不同于激光雷达发射单元的所分配的发射元件的中点之间的距离。由于多个传感器元件都接收发射元件的光脉冲，所以对准误差可能导致不良检测。通过相应选择传感器元件的直径或所分配的发射元件的中点之间的距离可平衡或平均这些误差。因此可以这么说，误差的校平导致至少一个宏单元在其在接收阵列上的成像位置方面与所分配的发射元件不完全匹配。由于提高了传感器数据的可用性，因此改进了对象的检测。
在优选实施方式中，灵敏度降低的传感器元件排布在宏单元簇的宏单元之间。特别是，可以使用其开口上具有金属化并因此接收较少光子的发射元件。这使得宏单元簇的相邻的宏单元之间的界限更明显。改进了对象的检测。
在优选实施方式中，激光雷达接收单元包括用于逐行读取传感器元件的评估电子设备。优选地，评估电子设备同样排布在芯片上。对传感器元件的信号进行评估以实现对象检测。
在优选实施方式中，一个宏单元簇包括14个至34个传感器元件。
焦平面阵列排布可以被理解为意味着传感器元件(或分别是发射元件)基本上在平面中的配置。激光雷达接收单元尤其是具有相应传感器元件的微芯片。激光雷达发射单元同样尤其是具有相应发射元件的微芯片。接收单元和发射单元可以共同排布在微芯片上。传感器元件以矩阵形式排布在芯片上。传感器元件分布在激光雷达接收单元的芯片的表面上。激光雷达发射单元的光脉冲可以被理解为尤其是激光脉冲。车辆的环境尤其包括在车辆的周围环境中从该车辆中可见的区域。
附图说明
下面结合附图借助一些选定的示例性实施方式更详细地描述和解释本发明。在附图中：
图1示出根据本发明的用于检测车辆的环境中的对象的激光雷达测量装置的示意图；
图2示出用于发射光脉冲的激光雷达发射单元的示意图；
图3示出根据本发明的激光雷达接收单元的示意图；和
图4示出根据本发明的激光雷达接收单元的宏单元的示意图。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了根据本发明的用于检测车辆14的环境中的对象12的激光雷达测量装置10。在所示的示例性实施方式中，激光雷达测量装置10集成到车辆14中。车辆14的环境中的对象12可以是例如另一车辆或也可以是静止对象(交通标志、房屋、树等)或另一道路使用者(行人、骑自行车者等)。激光雷达测量装置10优选地安装在车辆14的保险杠的区域中，并且尤其可以评估车辆14的在车辆前方的环境。例如，激光雷达测量装置10可以集成到前保险杠中。
根据本发明的激光雷达测量装置10包括激光雷达接收单元16和激光雷达发射单元18。此外，激光雷达测量装置10包括控制单元20，其用于控制激光雷达发射单元18并用于评估激光雷达接收单元16的传感器元件的信号。
优选地，激光雷达接收单元16和激光雷达发射单元18都设计成以焦平面阵列配置。各个装置的元件基本上排布在相应芯片上的平面中。激光雷达接收单元的芯片或激光雷达发射单元的芯片排布在相应光学器件(发射光学器件或接收光学器件)的焦点中。特别地，激光雷达接收单元的传感器元件或激光雷达发射单元18的发射元件分别排布在各自的接收光学器件或发射光学器件的焦点中。这些光学器件可以例如由光学透镜系统配置。
激光雷达接收单元16的传感器元件优选地配置为SPAD(单光子雪崩二极管)。激光雷达发射单元18包括用于发射激光或激光脉冲的多个发射元件。发射元件优选地配置为VCSEL(垂直腔面发射激光器)。激光雷达发射单元18的发射元件分布在发射芯片的表面上。激光雷达接收单元16的传感器元件分布在接收芯片的表面上。
发射光学器件分配给发射芯片，接收光学器件分配给接收芯片。光学器件将从空间区域到达成像到相应的芯片上的光。空间区域对应于激光雷达测量装置10的观察范围，其针对对象12被检查或扫描。激光雷达接收单元16的空间区域或激光雷达发射单元18的空间区域基本上相同。发射光学器件以表示空间区域的部分区域的立体角形成发射元件。发射元件相应地将激光发射到该立体角中。发射元件共同覆盖整个空间区域。接收光学器件将传感器元件映射到构成空间区域的部分区域的立体角上。所有传感器元件的数量覆盖整个空间区域。考虑相同立体角的发射元件和传感器元件彼此映射并相应地分配或彼此配对。发射元件的激光通常总是照射到相关联的传感器元件。有利地，多个传感器元件排布在发射元件的立体角内。
为了确定或检测空间区域内的对象12，激光雷达测量装置10执行测量过程。根据测量系统及其电子设备的结构设计，这种测量过程包括一个或多个测量循环。优选地，这里在控制单元20中使用TCSPC方法(时间相关单光子计数方法)。在此，检测各个撞击光子、特别是通过SPAD来检测，并且将传感器元件的激活时间(检测时间)储存在存储元件中。检测时间与发射激光的参考时间有关。从该差值可以确定激光的传播时间，由此可以确定对象12的距离。
激光雷达接收单元16的传感器元件一方面可以通过激光激活，另一方面可以通过环境辐射激活。在对象12的特定距离处的激光总是同时照射，而在任何时间的环境辐射同样可能激活传感器元件。随着测量的多次执行、尤其是多个测量循环的执行，传感器元件的激活在检测时间上累加，该检测时间对应于激光相对于对象距离的传播时间。相比之下，通过环境辐射的激活在测量循环的测量持续时间内均匀分布。测量对应于激光的发射和随后的检测。储存在存储元件中的测量过程的各个测量循环的数据使得能够评估多次确定的检测时间，以推断对象12的距离。
传感器元件有利地与TDC(时间到数字转换器)连接。TDC在存储元件中储存激活传感器元件的时间。这种存储元件例如可以为短期存储器或长期存储器。对于测量过程，TDC向存储元件中填充传感器元件检测到撞击光子的时间。这可以基于存储元件的数据以直方图的图形方式表示。在直方图中，测量循环的持续时间被划分为非常短的时间段(所谓的区间(bin))。当传感器元件被激活时，TDC将区间的值增加1。对应于激光脉冲的传播时间(即检测时间和参考时间之差)的区间被填充。
在图2中示意性地示出了激光雷达发射单元18的结构。该芯片包括以阵列(矩阵)排布的多个发射元件22。例如，可以使用几千个发射元件。发射元件22被逐行控制。为了更清楚起见，仅一个发射元件22标有附图标记。
在所示的示例性实施方式中，行0..ny-1分别包括多个发射元件0..nx-1。例如，可以设置100行(ny＝100)和每行128个发射元件(nx＝128)。行之间的行间距A1可以在几微米的范围内，例如40μm。同一行中的发射元件22之间的元件距离A2可以处于相似的数量级。
图3示意性地示出了根据本发明的激光雷达接收单元16。激光雷达接收单元16包括多个传感器元件24。传感器元件排布在宏单元26、26’中，其中，宏单元26、26’包括共同分配给激光雷达发射单元的各个发射元件22的那些传感器元件24。两个宏单元26、26’排布在宏单元簇30中。多个宏单元簇30排布在多个行Z1、Z2、Z3中。路由通道32排布在两个相邻的宏单元簇30之间，这些路由通道穿过行Z1、Z2、Z3并将传感器元件24的信号传输到激光雷达接收单元16的边缘区域R。
在图3的图示中还示意性地标记了两个示例性光斑位置28、28’，其对应于激光雷达接收单元16的阵列中分配给激光雷达发射单元的发射元件的位置。
应理解，为了可视化传感器元件24、路由通道32、宏单元26和宏单元簇30的排布，图3中仅示出了激光雷达接收单元16的芯片结构的一部分细节。芯片进一步向上延伸到图中的侧面。优选地，宏单元的数量对应于激光雷达发射单元18的发射元件的数量。为了更清楚起见，不是所有传感器元件24或宏单元26、26’和宏单元簇30都标有附图标记。
如图所示，在所示的示例性实施方式中的路由通道32在相邻的宏单元簇30之间行进，并在与行Z1、Z2、Z3的路线正交的方向上传输信号。在所示的示例性实施方式中，在这种情况下，路由通道具有通道区段34，其在行之间的区域中、平行于行行进。因此，第一行的宏单元簇30可以相对于与第一行相邻的第二行的宏单元簇30偏移地排布。效果是，在竖直方向上，不会产生竖直盲区。在这方面，宏单元簇30以交错结构排布。相邻行的传感器元件或光斑排布在一行的间隙中。
此外，如所示的示例性实施方式所示，一行的相邻的宏单元簇30之间的距离A3大于相邻(邻近)行中的相邻的宏单元簇30之间的距离A4。路由通道32在距离A3内或在宏单元簇之间行进。此外，预处理元件(优选是晶体管)可以排布在行Z1、Z2、Z3之间。
可以在激光雷达接收单元16的芯片的边缘区域中设有评估电子设备38，其设计为用于逐行读取传感器元件24或进一步处理传感器元件的信号。
在图4中示意性地示出了单个宏单元簇30。在所示的示例性实施方式中，宏单元簇30总共包括28个传感器元件24并包括两个宏单元26、26’。在所示的示例性实施方式中，在两个宏单元26、26’之间或在两个宏单元26、26’中的一者或两者的边缘处排布灵敏度降低的两个传感器元件36、36’。例如，灵敏度降低的传感器元件36、36’可以是在开口上具有金属化的传感器元件，使得可以接收较少的光子。灵敏度降低的传感器元件36、36’也可以称为孔径SPAD。可以理解的是，也可以使用不同数量的灵敏度降低的传感器元件。
在图示中，标记了两个示例性光斑位置28、28’，其代表分配给宏单元26、26’的发射元件的位置。由于传感器元件的直径DS的整数倍不同于激光雷达发射单元的所分配的发射元件的位于位置P1和P2处的中点之间的距离DA，因此实现了对准误差的平衡。在宏单元簇上在发射元件的光斑位置28、28’的中心处总是接收到最高光子密度。换句话说，位于光斑位置28、28’的中心的接收元件总是接收到最高光子密度。由于光斑位置28、28’不能与激光雷达接收单元的阵列精确对齐，因此距离DA(对应于距离DS的整数倍)将导致两个光斑位置28、28’都被良好撞击或不良撞击。由于根据本发明选择距离DS和DA，因此避免了这种情况，并且在不精确对准的情况下实现了误差的校平。
借助于附图和说明书全面地描述和解释了本发明。描述和解释应理解为示例而非限制性的。本发明不限于所公开的实施方式。对于本领域技术人员，在本发明的应用以及对附图、公开内容和所附权利要求的准确分析中将想到其他实施方式或变型。
在权利要求中，词语“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤的存在。不定冠词“一(“a”或“an”)”不排除复数的存在。单个元件或单个单元可以执行权利要求中限定的多个单元的功能。元件、单元、接口、装置和系统可以部分或全部以硬件和/或软件实现。在多个不同的从属权利要求中仅仅限定一些规定不应被理解为不能同样有利地使用这些规定的组合。权利要求中的附图标记不应被理解为是限制性的。
附图标记
10 激光雷达测量装置
12 对象
14 车辆
16 激光雷达接收单元
18 激光雷达发射单元
20 控制单元
22 发射元件
24 传感器元件
26 宏单元
28 光斑位置
30 宏单元簇
32 路由通道
34 通道区段
36、36’ 灵敏度降低的传感器元件

Claims (10)

1.一种以焦平面阵列排布的激光雷达接收单元(16)，具有：
多个传感器元件(24)，所述多个传感器元件(24)用于接收激光雷达发射单元(18)的光脉冲；和
多个路由通道(32)，所述多个路由通道(32)用于将所述传感器元件的信号传输到所述激光雷达接收单元的边缘区域(R)，其中
多个传感器元件都排布在分配给所述激光雷达发射单元的发射元件(22)的宏单元(26，26’)中；
多个宏单元形成宏单元簇(30)，并且多个宏单元簇排布成多个行(Z1，Z2，Z3)；和
所述路由通道在一行相邻的宏单元簇之间穿过所述多个行，并且用于在与所述行正交的方向上传输所述信号。
2.根据权利要求1所述的激光雷达接收单元(16)，其中
两个宏单元形成一个宏单元簇(30)；和
所述宏单元簇的所述两个宏单元优选地平行于所述行(Z1，Z2，Z3)排布。
3.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元(16)，其中，第一行(Z1，Z2，Z3)的宏单元簇(30)相对于与所述第一行相邻的第二行的宏单元簇(30)偏移地排布。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元(16)，其中，所述路由通道(32)在通道区段(34)中行进，所述通道区段(34)在所述行(Z1，Z2，Z3)之间、平行于所述行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元(16)，其中
一行(Z1，Z2，Z3)的相邻的宏单元簇(30)之间的距离(A3)大于相邻行中的相邻的宏单元簇之间的距离(A4)；和/或
用于读取所述传感器元件(24)的预处理元件分别排布在相邻行(Z1，Z2，Z3)之间，其中，所述预处理元件优选地包括晶体管。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元(16)，其中，所述传感器元件(24)的直径(DS)的整数倍与所述激光雷达发射单元(18)的所分配的发射元件(22)的中点之间的距离(DA)不同。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元(16)，其中，灵敏度降低的传感器元件(24)排布在宏单元簇(30)的宏单元(26，26’)之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元(16)，具有用于逐行读取所述传感器元件(24)的评估电子设备(38)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元(16)，其中，一个宏单元簇(30)包括14个至34个传感器元件(24)。
10.一种激光雷达测量装置(10)，用于检测车辆(14)的环境中的对象(12)，所述激光雷达测量装置具有：
根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达接收单元(16)；
激光雷达发射单元(18)，所述激光雷达发射单元(18)具有用于发射光脉冲的多个发射元件(22)；和
控制单元(20)，所述控制单元(20)用于控制所述激光雷达发射单元和用于评估所述传感器元件(24)的信号，以便检测所述对象。
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