DE102014207599B4

DE102014207599B4 - Verfahren und Computerprogramm zum Betreiben eines Fotodetektors

Info

Publication number: DE102014207599B4
Application number: DE102014207599.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Sparbert; Reiner Schnitzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2024-09-26
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: DE102014207599A1; CN105043539A; CN105043539B

Abstract

Verfahren (900) zum Betreiben eines Fotodetektors (100), wobei der Fotodetektor (100) pro Bildpunkt (102) eine Anzahl von einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden (104) aufweist, wobei die Lawinenfotodioden (104) in aktiviertem Zustand dazu ausgebildet sind, einen elektrischen Impuls (202) bereitzustellen, wenn eine Lichtmenge (200) empfangen wird, und die Lawinenfotodioden (104) nach Bereitstellen des elektrischen Impulses (202) für eine Regenerationsperiode (204) lichtunempfindlich sind, wobei das Verfahren (900) den folgenden Schritt aufweist:Aktivieren (902) von zumindest zwei der Lawinenfotodioden (104) eines Bildpunkts (102), wobei die Lawinenfotodioden (104) um eine Zeitdauer zueinander versetzt aktiviert werden, wobei die Zeitdauer kleiner als die Regenerationsperiode (204) ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Fotodetektors und auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Fotodioden benötigen eine bauartbedingte Lichtmenge, um einen minimalen Helligkeitswert bereitzustellen. Lawinenfotodioden können wesentlich geringere Lichtmengen in ein elektrisches Signal umwandeln.
Die DE 10 2009 029 376 A1 beschreibt einen Photonendetektor mit paralysierbarem Photonen-empfindlichem Element sowie ein Entfernungsmessgerät mit einem solchen Photonendetektor.
Die DE 10 2011 107 645 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Detektieren von Licht umfassend mindestens einen Silicon Photomultiplier (SiPM), der aus einer Anordnung (Array) mehrerer Single Photon Avalanche Dioden (SPAD) besteht, wobei das Array eine größere Fläche als das auftreffende Licht aufweist und wobei nur diejenigen SPADs aktiviert und/oder ausgewertet werden, die mit einer bestimmten Mindestintensität von Licht beaufschlagt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Fotodetektors, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Lawinenfotodiode, auch als Einzelphotonenlawinendiode bezeichnet, löst einen elektrischen Impuls aus, wenn eine minimale Lichtmenge auf einen lichtsensitiven Bereich der Lawinenfotodiode fällt. Die Lichtmenge kann bereits bei einem einzelnen Photon erreicht sein. Nachdem der elektrische Impuls bereitgestellt worden ist, benötigt die Lawinenfotodiode eine feste Zeit, bis sie erneut bereit ist, um einen weiteren elektrischen Impuls ansprechend auf den Einfall der minimalen Lichtmenge bereitzustellen. Während dieser Zeit kann kein Licht registriert werden.
Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz wird die unempfindliche beziehungsweise blinde Zeit reduziert, indem innerhalb dieser Zeit eine andere Lawinenfotodiode freigegeben wird, um die minimale Lichtmenge in einem elektrischen Impuls abzubilden.
Es wird ein Fotodetektor mit einer Anzahl von einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden pro Bildpunkt vorgestellt, wobei die Lawinenfotodioden in aktiviertem Zustand dazu ausgebildet sind, einen elektrischen Impuls bereitzustellen, wenn eine Lichtmenge empfangen wird, und die Lawinenfotodioden nach Bereitstellen des elektrischen Impulses für eine Regenerationsperiode lichtunempfindlich ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben des Fotodetektors vorgestellt, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:

Aktivieren von zumindest zwei der Lawinenfotodioden eines Bildpunkts, wobei die Lawinenfotodioden um eine Zeitdauer zueinander versetzt aktiviert werden, wobei die Zeitdauer kleiner als die Regenerationsperiode ist.

Unter einem Fotodetektor kann ein Bildsensor verstanden werden. Der Fotodetektor kann eine Mehrzahl an Bildpunkten beziehungsweise Pixeln aufweisen. Die Bildpunkte können in einer flächigen Matrix angeordnet sein.
Unter einer Lawinenfotodiode kann eine Einzelphotonenfotodiode verstanden werden. Eine Lichtmenge kann abhängig von einer Ausführungsform der Lawinenfotodiode sein. Die Lichtmenge kann so gering sein, dass ein einzelnes Photon, das auf die Lawinenfotodiode trifft, den Impuls auslösen kann. Eine Regenerationsperiode kann eine Zeitdauer sein, die die Lawinenfotodiode benötigt, um nach einem Bereitstellen eines Impulses erneut bereit zum Bereitstellen eines weiteren Impulses zu sein. Eine Zeitdauer kann ein Kehrwert einer Abtastrate des Fotodetektors sein.
Die Lawinenfotodioden des Bildpunkts können in einer zeitlichen Abfolge aktiviert werden. Eine erste Lawinenfotodiode des Bildpunkts kann erneut aktiviert werden, nachdem eine letzte Lawinenfotodiode des Bildpunkts aktiviert wurde. Die Lawinenfotodioden eines Bildpunkts können der Reihe nach aktiviert werden. Durch ein Aktivieren reihum kann ein kontinuierlicher Betrieb des Fotodetektors ermöglicht werden.
Die die Zeitdauer kann größer als ein Kehrwert der Anzahl multipliziert mit der Regenerationsperiode sein, um ein unterbrechungsfreies Erfassen zu ermöglichen. Die Zeitdauer kann abhängig von der Anzahl der Lawinenfotodioden sein. Je mehr Lawinenfotodioden der Bildpunkt aufweist, umso kürzer kann die Zeitdauer eingestellt werden.
Die Zeitdauer kann um eine geringe Zeitdauer verlängert werden, sodass die erste Lawinenfotodiode und darauf folgend alle anderen Lawinenfotodioden des Bildpunkts anschließend an ihre Regenerationsperiode eine Leerlaufphase durchlaufen, die als Sicherheitsreserve dient, falls die Regenerationsphase länger dauern sollte. Dadurch kann der kontinuierliche Betrieb gewährleistet werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Deaktivierens einer Lawinenfotodiode aufweisen. Der Schritt des Deaktivierens kann ausgeführt werden, nachdem eine, beim Aktivieren der Lawinenfotodiode startende Aktivierungsdauer der Lawinenfotodiode abgelaufen ist, um Fehldetektionen zu vermeiden. Eine Aktivierungsdauer kann eine Zeitdauer sein, für die die Lawinenfotodiode aktiviert bleiben soll. Anschließend an die Aktivierungsdauer kann die nominelle Regenerationsperiode abgewartet werden, bevor die Aktivierung erneut beginnt.
Es können zumindest zwei Lawinenfotodioden pro Bildpunkt gleichzeitig aktiviert werden, um eine erfasste Lichtmenge zu quantifizieren. Dabei kann eine der Lawinenfotodioden ausgelöst werden, wenn die erforderliche Lichtmenge, beispielsweise ein Photon, empfangen wird. Beide Lawinenfotodioden können ausgelöst werden, wenn die Lichtmenge doppelt so groß ist, beispielsweise zwei Photonen umfasst. Je mehr Lawinenfotodioden gleichzeitig aktiviert sind, umso mehr Abstufungen der Intensität können unterschieden werden.
Das Verfahren kann ansprechend auf einen Startzeitpunkt gestartet werden. Die Zeitdauer kann variabel sein. Ein Startzeitpunkt kann beispielsweise ein Sendezeitpunkt eines Lichtimpulses sein. Ab dem Startzeitpunkt kann die Zeit gemessen werden, bis eine der Lawinenfotodioden des Bildpunkts den elektrischen Impuls bereitstellt. Aus der verstrichenen Zeit und der Lichtgeschwindigkeit in einem durchdringenden Medium kann eine räumliche Strecke, die der Lichtimpuls zurückgelegt hat, ermittelt werden. Wenn der Lichtimpuls an einem Objekt reflektiert wird, entspricht eine Entfernung zu dem Objekt abhängig von einer Geometrie des Fotodetektors näherungsweise der halben Strecke.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bestimmens des Startzeitpunkts unter Verwendung eines Laufzeitsignals aufweisen. Ein Laufzeitsignal kann eine Zeitdauer sein, die bei einem zeitlich zurückliegenden Empfangen eines Lichtpulses zwischen einem Aussenden des Lichtimpulses und dem Empfangen des Lichtpulses ermittelt worden ist. Das Laufzeitsignal kann also ein Vorwissen repräsentieren. Der Startzeitpunkt des Verfahrens kann so angepasst werden, wenn innerhalb der Zeitdauer mit einer geringen Wahrscheinlichkeit dein Lichtpuls erwartet wird.
Das Verfahren kann einen Schritt des Einstellens der Zeitdauer aufweisen, wobei die Zeitdauer näher an dem Startzeitpunkt kleiner eingestellt wird, als weiter von dem Startzeitpunkt entfernt, um näher an dem Startzeitpunkt eine größere Zeitauflösung zu erhalten, als weiter von dem Startzeitpunkt entfernt. Durch eine kürzere Zeitdauer näher am Startzeitpunkt kann eine feinere räumliche Auflösung erreicht werden, in größerer Entfernung kann dann mit einer gröberen Auflösung erfasst werden. Durch die feinere Auflösung wird bei gleichbleibender Lichtintensität die Lichtmenge innerhalb der Zeitdauer geringer, als bei gröberer Auflösung. Mit anderen Worten wird eine Empfindlichkeit des Fotodetektors mit der gröberen Auflösung größer.
Das Verfahren kann ansprechend auf einen Startzeitpunkt gestartet werden. Weiter von dem Startzeitpunkt des Verfahrens entfernt können mehr Lawinenfotodioden gleichzeitig aktiviert werden, als näher an dem Startzeitpunkt, um mit steigendem Abstand von dem Startzeitpunkt eine größere Empfindlichkeit zu erhalten. Je mehr Lawinenfotodioden gleichzeitig aktiv sind, umso größer wird eine potenzielle Trefferfläche für das Licht. Da weiter von dem Startzeitpunkt entfernt erwartet wird, dass ein zu empfangender Lichtpuls eine geringere Intensität aufweist, weil er durch das Medium gedämpft wird, kann durch die größere Empfindlichkeit weiterhin ein sicheres Empfangen gewährleistet werden.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines Fotodetektors vorgestellt, wobei der Fotodetektor pro Bildpunkt eine Anzahl von einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden aufweist, wobei die Lawinenfotodioden in aktiviertem Zustand dazu ausgebildet sind, einen elektrischen Impuls bereitzustellen, wenn eine Lichtmenge empfangen wird, und die Lawinenfotodioden anschließend an den elektrischen Impuls für eine Regenerationsperiode lichtunempfindlich sind, wobei die Vorrichtung das folgende Merkmal aufweist:

eine Einrichtung zum Aktivieren von zumindest zwei der Lawinenfotodioden eines Bildpunkts, wobei die Lawinenfotodioden um eine Zeitdauer zueinander versetzt aktiviert werden, wobei die Zeitdauer kleiner als die Regenerationsperiode ist.

Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Darstellung eines Fotodetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 einen zeitlichen Ablauf einer Detektion von Licht bei einer einzelnen Lawinenfotodiode;
3 eine Darstellung eines Detektionszeitpunkts einer Lawinenfotodiode bei verschieden geformten Lichtpulsen;
4a eine Darstellung eines Bildpunkts mit einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4b eine Darstellung verschiedener Lichtpulse, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, um eine Zeitdauer versetzt aktivierten Lawinenfotodioden erfasst werden;
5a eine Darstellung eines Bildpunkts mit gruppenweise aktivierbaren Lawinenfotodioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5b eine Darstellung verschiedener Lichtpulse, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, um eine Zeitdauer versetzt aktivierten Gruppen von Lawinenfotodioden erfasst werden;
6a eine Darstellung eines Bildpunkts mit verschiedenzahlig aktivierbaren Lawinenfotodioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6b eine Darstellung verschiedener Lichtpulse, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, verschiedenzahligen Gruppen von Lawinenfotodioden erfasst werden;
6c eine Darstellung verschiedener Lichtpulse, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, um verschiedene Zeitdauern versetzt aktivierten verschieden großen Gruppen von Lawinenfotodioden erfasst werden;
7a eine Darstellung eines Bildpunkts mit um verschiedene Zeitdauern versetzt aktivierbaren Lawinenfotodioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7b eine Darstellung verschiedener Lichtpulse, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, um verschiedene Zeitdauern versetzt aktivierten Gruppen von Lawinenfotodioden erfasst werden;
8 eine Darstellung eines Lichtpulses, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von verschieden großen Gruppen von Lawinenfotodioden in verschieden großen Abständen erfasst wird;
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Fotodetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
10 Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Betreiben eines Fotodetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine Darstellung eines Fotodetektors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Fotodetektor 100 ist schematisch dargestellt und weist hier beispielsweise vier Bildpunkte 102 beziehungsweise Pixel 102 auf. Der Fotodetektor 100 kann als SPAD-Imager 2x2 bezeichnet werden und kann bis zu 100 Ereignisse pro Zählzyklus registrieren. Die Bildpunkte 102 sind in einem rechteckigen Raster aus Zeilen und Spalten angeordnet. Die Bildpunkte 102 können als SPAD-Pixel 5x5 bezeichnet werden und können je bis zu 25 Ereignisse pro Zählzyklus registrieren. Jeder Bildpunkt 102 weist eine Anzahl von einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden 104 (der Übersichtlichkeit halber ist pro Bildpunkt 102 je nur eine Lawinenfotodiode 104 mit einem Bezugszeichen versehen) pro Bildpunkt 102 auf. Die Lawinenfotodioden 104 können als SPAD-Mikrozellen bezeichnet werden und registrieren je ein Ereignis pro Zählzyklus.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Fotodetektor 100 25 Lawinenfotodioden 104 pro Bildpunkt auf. Die Lawinenfotodioden 104 sind ebenfalls in einem rechteckigen Raster aus Zeilen und Spalten angeordnet, wobei je fünf Lawinenfotodioden 104 pro Reihe und Spalte nebeneinander beziehungsweise übereinander angeordnet sind. Die Bildpunkte 102 sind also näherungsweise quadratisch. Die Lawinenfotodioden 104 sind in aktiviertem Zustand dazu ausgebildet, je einen elektrischen Impuls bereitzustellen, wenn eine Lichtmenge pro Lawinenfotodiode 104 empfangen wird. Die Lichtmenge kann einem einzelnen Photon entsprechen. Durch die Lichtmenge kann der elektrische Impuls ausgelöst werden. Nachdem eine Lawinenfotodiode 104 den elektrischen Impuls abgegeben hat, ist sie für eine Regenerationsperiode lichtunempfindlich, also blind. In dieser Zeit einfallende Photonen lösen keinen Impuls aus. Wenn die Lawinenfotodiode 104 in einem deaktivierten Zustand ist, löst einfallendes Licht auch oberhalb der Lichtmenge zum Auslösen des elektrischen Impulses keinen elektrischen Impuls aus.
SPAD Empfänger 100 können auf unterschiedliche Weise realisiert werden. In der einfachsten Form bestehen sie aus einer einzelnen SPAD-Zelle 104. Diese kann das Eintreffen einzelner Photonen registrieren bzw. zählen. Aufgrund einer internen Reset-Zeit von einigen Nanosekunden, beispielsweise zehn Nanosekunden bis 50 ns ist aber nur eine beschränkte Zählrate möglich, beispielsweise 20 Megacounts pro Sekunde (MCounts/s) bis 100 MCounts/s, darüber hinaus gerät die SPAD-Zelle 104 in Sättigung. Des Weiteren registriert eine einzelne SPAD-Zelle 104 innerhalb einer Zählung nicht, ob ein einzelnes Photon oder mehrere Photonen eingetroffen sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die einzelne Lawinenfotodiode 104 keinen Schwellwert für die Lichtmenge zum Auslösen des elektrischen Impulses auf. Jedes einzelne Photon kann eine Aktivierung auslösen. Deshalb kann Hintergrundlicht grundsätzlich eine gewisse Stör-Zählrate beziehungsweise Aktivierungen pro Zeiteinheit erzeugen. Darüber hinaus können Aktivierungen auch thermisch hervorgerufen werden, was als Dunkelzählrate bezeichnet werden kann. Es wird aber davon ausgegangen, dass durch das von einer aktiven Lichtquelle ausgestrahlte Nutzlicht, beispielsweise ein reflektierter Laserpuls, eine messbare Erhöhung der Gesamtzählrate beziehungsweise eine signifikant erhöhte Zählrate erreicht wird und so die Störlicht-Zählrate und/oder die Dunkelzählrate beziehungsweise ein Rauschanteil der empfangenen Leistung von einer Nutzzählrate beziehungsweise einem Signalanteil der empfangenen Leistung unterschieden werden können. Im günstigen Fall ist die Nutzzählrate dabei deutlich größer als die Störlicht-/Dunkelzählrate. Im ungünstigen Fall sind die Verhältnisse umgekehrt. Durch lange Messzeiten mit zahlreichen Wiederholungen von Messungen kann jedoch das Signal-RauschVerhältnis erhöht werden und so der Puls auch dann nachgewiesen werden.
Um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, können mehrere SPAD-Zellen 104 nebeneinander, z. B. in einer Matrixform, parallel betrieben werden. Dadurch wächst die effektive Fläche, es werden mehr Photonen registriert. Durch die Matrix-Anordnung kann aber auch eine Richtungsselektivität beziehungsweise Winkelauflösung erreicht werden, vergleichbar zur Abbildung auf viele Pixel bei einer Kamera. SPAD-Zellen 104 einer Matrix-Anordnung können derart verschaltet werden, dass die Anzahl der eintreffenden Photonen registriert werden kann. Durch eine zunehmende Anzahl von Mikrozellen 104 innerhalb eines SPAD(-Makro)-Pixels 102 und einer Überstruktur 100 von vielen Makro-Pixeln 102 zu SPAD-Imagern 100 können SPAD-Imager 100 mit hoher Zählrate und hoher räumlicher Auflösung, vergleichbar zur Anzahl Pixel einer Kamera, erreicht werden. Durch die hohe Zählrate kann eine hohe Unempfindlichkeit gegen Falsch-Zählungen durch das Umgebungslicht erreicht werden.
Beispielsweise kann der Fotodetektor 100 im Zusammenhang mit einem Fahrerassistenzsystem eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Bei Fahrerassistenzsystemen haben sich zahlreiche Komfortfunktionen, wie Automatic Cruise Control, Parkpilot, Spurhalteassistent, Verkehrszeichenerkennung und Sicherheitsfunktionen, wie Progressive-Sicherheits-Steuerung, Spurverlassenswarnung in den letzten Jahren im Markt etabliert. Derzeit werden hoch automatisierte Fahr-Funktionen entwickelt, bei denen die Verantwortung zunehmend vom Fahrer an das Fahrzeug übergeht. Zur Realisierung sind höchst verlässliche Sensorsysteme mit nahezu lückenloser und fehlerfreier Erfassung der Fahrzeug-Umwelt notwendig. Lidar-Sensoren können diese Anforderung erfüllen.
Unter den unterschiedlichen Lidartechnologien erscheinen solche Systeme besonders interessant, bei denen ein Lichtpuls in die unterschiedlichen Raumrichtungen ausgesendet wird und das von der Umwelt reflektierte Licht mittels eines höchst empfindlichen SPAD-Empfängers (Single Photon Avalanche Diode, Detektion einzelner Photonen) empfangen wird.
2 zeigt einen zeitlichen Ablauf einer Detektion von Licht bei einer einzelnen Lawinenfotodiode. Die Lawinenfotodiode ist beispielsweise ein Bestandteil eines Bildpunkts, wie er in 1 gezeigt ist. Der Ablauf ist auf einem Zeitverlauf dargestellt. Dabei ist auf einer Achse die Zeit aufgetragen. Quer dazu ist eine Intensität eines Signals angetragen. Wenn die Lawinenfotodiode aktiv geschalten ist und eine Lichtmenge 200 auf die Lawinenfotodiode fällt, dann löst die Lawinenfotodiode einen elektrischen Impuls 202 aus. Mit anderen Worten zündet die SPAD, wenn ein Photon eintrifft. Die Intensität des elektrischen Impulses 202 ist durch eine Bauart der Lawinenfotodiode vorgegeben. Nachdem die Lawinenfotodiode den Impuls 202 abgegeben hat, wird die Lawinenfotodiode für eine Regenerationsperiode 204 beziehungsweise Reset-Zeit 204 unempfindlich. Innerhalb der Regenerationsperiode 204 kann die Lawinenfotodiode kein elektrisches Signal bereitstellen, auch wenn die erforderliche Lichtmenge 200 auf die Lawinenfotodiode fällt. Mit anderen Worten die SPAD registriert nicht, wenn ein Photon eintrifft. Auch wenn die doppelte Lichtmenge 206 auf die empfangsbereite und aktiv geschaltete Lawinenfotodiode fällt, wird nur der elektrische Impuls 202 mit der bauartbedingten Größe beziehungsweise Intensität bereitgestellt. Mit anderen Worten zündet die SPAD einfach, auch wenn zwei Photonen eintreffen.
Bei Eintreffen eines stärkeren Lichtpulses, beispielsweise durch einen an einem nahen Objekt reflektierten Laserpuls, erfolgt die Zählung zum Pulsbeginn beziehungsweise an der steigenden Flanke des Pulses.
3 zeigt eine Darstellung eines Detektionszeitpunkts 300 einer Lawinenfotodiode bei verschieden geformten Lichtpulsen 302, 304, 306. Die Detektionszeitpunkte 300 sind in einem Diagramm angetragen, das auf der Abszisse eine Zeit und auf der Ordinate eine Signalstärke angetragen hat. Die Lichtpulse 302, 304, 306 beginnen und enden jeweils bei einer minimalen Intensität. Die Lichtpulse 302, 304, 306 weisen jeweils ein Intensitätsmaximum 308 auf, das näherungsweise nach einer halben Pulsdauer eintritt. Der erste Lichtpuls 302 weist eine geringe Pulsdauer und eine geringe Maximalintensität 308 auf. Der zweite Lichtpuls 304 weist eine geringe Pulsdauer und eine große Maximalintensität 308 auf. Der dritte Lichtpuls 306 weist eine große Pulsdauer und eine große Maximalintensität 308 auf, wobei der dritte Lichtpuls 306 eine geringere Maximalintensität 308 aufweist, als der zweite Lichtpuls 304. Der Detektionszeitpunkt 300 liegt jeweils kurz nach dem Beginn eines der Lichtpulse 302, 304, 306, wenn die Intensität des Lichts eine Detektionsgrenze überschreitet. Mit anderen Worten zündet die SPAD am Pulsbeginn. Das heißt, die Lichtpulse 302, 304, 306 werden mit einem geringen Zeitversatz zu dem tatsächlichen Beginn erfasst. Da eine einzelne Lawinenfotodiode ihren elektrischen Impuls 202 abgibt, wenn sie die Lichtmenge registriert, und anschließend für ihre Regenerationsperiode keine weiteren Impulse bereitstellen kann, wird eine Form der Lichtpulse 302, 304, 306 so nicht erfasst. Der elektrische Impuls 202 weist abhängig von der Form des Lichtimpulses 302, 304, 306 einen unterschiedlichen Zeitversatz zu dem Maximum 308 auf.
Durch den hier vorgestellten Ansatz kann beispielsweise bei einem Lidarsystem, nicht nur die steigende Pulsflanke 300 ermittelt werden, sondern die gesamte Pulsform erfasst und ausgewertet werden. Veränderungen der empfangenen Pulsform gegenüber der gesendeten Pulsform geben Hinweise auf atmosphärische Störungen, wie Regen, Nebel, Schnee, Gischt oder die Ausdehnung und Lage von reflektierenden Objektoberflächen, wie „weicher“ Busch, „hartes“ Auto, „lange, schräge“ Wand.
4a zeigt eine Darstellung eines Bildpunkts 102 mit einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Bildpunkt 102 entspricht im Wesentlichen einem der Bildpunkte in 1. Der Bildpunkt 102 weist hier 16 einzeln aktivierbare Lawinenfotodioden 104 auf.
Mit anderen Worten zeigt 4a ein SPAD-Pixel 4x4. Die bis zu 16 Ereignisse pro Zählzyklus werden äquidistant im zwei-Nanosekunden-Raster gedehnt auf 32 ns.
In einem Ausführungsbeispiel besteht ein SPAD-Pixel 102 aus 16 SPAD-Zellen 104, deren individuelle Reset-Zeit beispielsweise 32 ns beträgt. Durch schrittweise Aktivierung und Deaktivierung der SPAD-Zellen 104 im Abstand von 2 ns, entsprechend einer Distanz von 15 cm, ist jeweils eine SPAD-Zelle 104 für 2 ns aktiv. Nach Durchlauf aller SPAD-Zellen 104 wird mit der ersten SPAD-Zelle 104 neu begonnen. Diese Betriebsweise kann als rollierend bezeichnet werden. Auf diese Weise wird ein Abstandsscan beziehungsweise eine Abstandsabtastung realisiert. Trifft ein Lichtpuls ein, kann mit diesem Ausführungsbeispiel die Pulsdauer erfasst werden, aber noch nicht die Pulshöhe.
4b zeigt eine Darstellung verschiedener Lichtpulse 302, 304, 306, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, um eine Zeitdauer versetzt aktivierten Lawinenfotodioden erfasst werden. Die Lichtpulse 302, 304, 306 werden hier von einem Bildpunkt mit 16 Lawinenfotodioden, wie in 4a erfasst. Jede Lawinenfotodiode weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Regenerationsperiode 204 von 32 ns auf. Die Lawinenfotodioden werden um eine Zeitdauer von zwei Nanosekunden versetzt zueinander aktiviert. Damit kann eine Lawinenfotodiode einen elektrischen Impuls 202 abgeben, ihre Regenerationsperiode 204 beziehungsweise Reset-Zeit 204 durchlaufen und anschließend direkt wieder aktiviert werden. Die Zeitdauer kann auch größer als ein Kehrwert der Anzahl 16 multipliziert mit der Regenerationsperiode von 32 ns sein, um ein unterbrechungsfreies Erfassen zu ermöglichen. Nach Ablauf der Zeitdauer von zwei Nanosekunden wird die Lawinenfotodiode wieder deaktiviert, auch, wenn sie keinen elektrischen Impuls bereitgestellt hat, um Fehldetektionen zu vermeiden. Die Zeitdauer entspricht damit einer Aktivierungsdauer einer Lawinenfotodiode pro Umlauf. Dann bleibt die Lawinenfotodiode für eine, der Regenerationsperiode 204 entsprechende Ruhedauer bis zum nächsten Aktivieren deaktiviert. Die verbleibenden 15 Lawinenfotodioden des Bildpunkts werden versetzt aktiviert und deaktiviert, sodass zumindest alle zwei Nanosekunden eine der Lawinenfotodioden des Bildpunkts in aktivem Zustand versetzt wird und damit empfangsbereit ist. Damit ist der Bildpunkt quasi kontinuierlich empfangsbereit. Durch den Versatz von zwei Nanosekunden beim Aktivieren der Lawinenfotodioden resultiert, sobald der Lichtpuls 302, 304, 306 in einer signifikant erhöhten Zählrate resultiert, eine zeitliche Auflösung von zwei Nanosekunden. Eine Pulslänge 400 der Lichtpulse 302, 304, 306 kann also auf zwei Nanosekunden genau bestimmt werden. Die Lawinenfotodioden des Bildpunkts werden hier in einer zeitlichen Abfolge aktiviert. Dabei wird eine erste Lawinenfotodiode des Bildpunkts erneut aktiviert, nachdem eine letzte Lawinenfotodiode des Bildpunkts aktiviert wurde.
5a zeigt eine Darstellung eines Bildpunkts 102 mit gruppenweise aktivierbaren Lawinenfotodioden 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Bildpunkt 102 entspricht im Wesentlichen einem der Bildpunkte in 1. Im Gegensatz dazu weist der Bildpunkt 102 hier 16 einzeln aktivierbare Diodengruppen 500 auf. Die Diodengruppen 500 bestehen jeweils aus vier Lawinenfotodioden 104. Hier können also zumindest zwei Lawinenfotodioden 104 pro Bildpunkt 102 gleichzeitig aktiviert werden, um eine erfasste Lichtmenge zu quantifizieren. Mit anderen Worten zeigt 5a ein SPAD-Pixel 4x4x4, bei dem vier SPAD gleichzeitig aktivierbar sind.
In einem Ausführungsbeispiel besteht ein SPAD-Pixel 102 aus 64 SPAD-Zellen 104, von denen vier jeweils zur gleichen Zeit aktiviert sind. Dadurch kann zusätzlich zur Pulsdauer auch die Pulshöhe in vier Höhenstufen erfasst werden.
Es wird ein SPAD-Empfänger 102 mit einer speziellen Schaltungstechnik vorgestellt, mit dem die Signalform des eintreffenden Lichts erfasst werden kann. Des Weiteren ermöglicht die hier vorgestellte Schaltungstechnik einen größeren Dynamikbereich.
Dabei werden einzelne SPAD-Zellen 104 gezielt zeitlich aktiviert oder deaktiviert. Auf diese Weise können einige SPAD-Zellen 104 beispielsweise die steigende Flanke eines Pulses registrieren, während andere SPAD-Zellen 104 zu einem etwas verzögerten Zeitpunkt aktiviert werden und ebenfalls den Puls beziehungsweise die Pulsform registrieren. Durch vielfache, unterschiedliche Verschiebungen kann so der Puls zeitlich abgetastet werden. Die Anzahl der zu einer Verschiebung gehörenden SPAD-Zellen 104 kann dabei über die Zeit variabel gestaltet werden, sodass ein höherer Dynamikbereich und/oder eine feinere Abtastung und damit Messgenauigkeit erreicht werden kann.
5b zeigt eine Darstellung verschiedener Lichtpulse 302, 304, 306, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, um eine Zeitdauer versetzt aktivierten Gruppen von Lawinenfotodioden erfasst werden. Die Gruppen entsprechen den Diodengruppen in 5a. Die Lichtpulse 302, 304, 306 entsprechen der Darstellung in den 3 und 4b. Wie in 4b werden die Diodengruppen um eine Zeitdauer von zwei Nanosekunden versetzt zueinander aktiviert und nach zwei Nanosekunden wieder deaktiviert, um eine quasikontinuierliche Erfassung der Lichtpulse 302, 304, 306 zu ermöglichen. Zusätzlich können vier Intensitätsstufen 502, 504, 506, 508 unterschieden werden, da entweder eine Lawinenfotodiode innerhalb der zwei Nanosekunden einen elektrischen Impuls 202 bereitstellt, zwei Lawinenfotodioden innerhalb der zwei Nanosekunden zusammen zwei elektrische Impulse 202 bereitstellen, drei Lawinenfotodioden innerhalb der zwei Nanosekunden zusammen drei elektrische Impulse 202 bereitstellen oder vier Lawinenfotodioden innerhalb der zwei Nanosekunden zusammen vier elektrische Impulse 202 bereitstellen. Dabei repräsentieren vier Impulse 202 die höchste Intensitätsstufe 508, drei Impulse 202 die zweithöchste Intensitätsstufe 506, zwei Impulse 202 die dritthöchste Intensitätsstufe 504 und ein Impuls 202 die niedrigste Intensitätsstufe 502. Kein Impuls repräsentiert keine Intensitätsstufe, da dann keine Lichtmenge empfangen wird. Über die Intensitätsstufen 502, 504, 506, 508 kann zusätzlich zu der Pulslänge 400 die Pulsform der Lichtpulse erfasst werden.
Durch den hier vorgestellten Ansatz kann ein großer Dynamikbereich abgedeckt werden. Dabei können bis zu 140 dB erreicht werden. Dadurch können gleichzeitig sehr schwach reflektierende Objekte in großer Entfernung mit sehr wenig Photonen und sehr stark reflektierende Objekte im Nahfeld mit sehr vielen Photonen erfasst werden, ohne dass Messungenauigkeiten in der Entfernungsmessung auftreten oder der Empfänger aufgrund von Sättigung nicht mehr messfähig ist.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz kann die zeitliche Pulslage und damit die gemessene Laufzeit, die dem Abstandswert entspricht, genau ermittelt werden, da die gesamte Pulsform erfasst wird.
Durch eine gezielte, zeitliche Aktivierung und Deaktivierung einzelner SPAD-Zellen in einem Verbund aus vielen SPAD-Zellen ermöglichen die zeitlich verschobenen aktivierten oder deaktivierten SPAD-Zellen eine Abtastung des Lichtsignals 302, 304, 306.
6a zeigt eine Darstellung eines Bildpunkts 102 mit verschiedenzahlig aktivierbaren Lawinenfotodioden 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Bildpunkt 102 entspricht im Wesentlichen dem Bildpunkt in 5a. Im Gegensatz dazu weist der Bildpunkt 64 Diodengruppen 500 aus je vier Lawinenfotodioden 104 auf. Der Bildpunkt 102 weißt also 264 Lawinenfotodioden 104 auf. Die Lawinenfotodioden 104 einer Diodengruppe 500 sind gemeinsam aktivierbar. Die Diodengruppen 500 können einzeln angesteuert werden. Dabei können auch mehrere Diodengruppen 500 gemeinsam und gleichzeitig aktiviert werden. Die Diodengruppen 500 bilden eine 8×8 Matrix aus. Mit anderen Worten zeigt 6a ein SPAD-Pixel 4×4×(4-16), bei dem vier bis 16 SPAD gleichzeitig aktivierbar sind.
In einem Ausführungsbeispiel besteht ein SPAD-Pixel 102 aus 256 SPAD-Zellen 104, von denen anfangs vier jeweils zur gleichen Zeit aktiviert sind, deren Anzahl aber über die Zeit auf 16 zunimmt. Dadurch wird der Empfänger für weiter entfernte Reflexionen, die üblicherweise schwächer sind, empfindlicher. Damit geht eine Erhöhung des Dynamikbereichs einher.
6b zeigt eine Darstellung verschiedener Lichtpulse 304, 302, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, verschiedenzahligen Gruppen von Lawinenfotodioden erfasst werden. Die Lichtpulse 302, 304 entsprechen den Lichtpulsen in 3. der Lichtpuls 302 weißt also wie in 4 eine geringe Pulslänge 400 und eine geringe maximale Intensität auf. Ebenso weist der Lichtpuls 304 wie in 4 eine geringe Pulslänge 400 sowie eine große maximale Intensität auf. Die Lichtpulse 302, 304 sind in einem Diagramm dargestellt, dass auf seiner Abszisse eine Zeit angetragen hat. Auf der Ordinate sind Intensitätsstufen beziehungsweise eine Pulshöhe des Lichts angetragen. Die Zeit beginnt bei einem Startpunkt 600. Der Startpunkt 600 repräsentiert hier einen Zeitpunkt, an dem ein Lichtimpuls ausgesendet wird. Die Lichtpulse 302, 304 repräsentieren reflektiertes Licht des ausgesendeten Lichtpulses. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Lichtpuls 304 mit der großen maximalen Intensität näher an dem Startpunkt 600, also früher erfasst, als der Lichtpuls 302 mit der geringen maximalen Intensität. Die unterschiedlichen maximalen Intensitäten repräsentieren die Abschwächung des ausgesendeten und reflektierten Lichts beim Durchdringen des Mediums, durch das das Licht gesendet wird. Der Lichtpuls 304 wird in vier Intensitätsstufen 502, 504, 506, 508 erfasst. Mit anderen Worten sind vier SPAD aktiviert, wodurch der Bildpunkt weniger empfindlich und weniger aufgelöst ist. Der Lichtpuls 302 wird in 16 Intensitätsstufen erfasst. Mit anderen Worten sind 16 SPAD aktiviert. Dadurch kann der Lichtpuls 302 empfindlicher beziehungsweise höher aufgelöst werden, als der Lichtpuls 304. Um die unterschiedlichen Empfindlichkeiten einzustellen, werden pro Zeitschritt bei dem Lichtpuls 304 vier Lawinenfotodioden gleichzeitig aktiviert, während bei dem Lichtpuls 302 pro Zeitschritt 16 Lawinenfotodioden gleichzeitig aktiviert werden. Weiter von dem Startzeitpunkt 600 entfernt werden also mehr Lawinenfotodioden gleichzeitig aktiviert, als näher an dem Startzeitpunkt 600, um mit steigendem Abstand von dem Startzeitpunkt 600 eine größere Empfindlichkeit zu erhalten.
6c zeigt eine Darstellung verschiedener Lichtpulse 304, 302, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, um verschiedene Zeitdauern versetzt aktivierten verschieden großen Gruppen von Lawinenfotodioden erfasst werden. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 6b. Zusätzlich wird hier auf zwei bekannte Zeitpunkte 602, 604 zurückgegriffen. Die Zeitpunkte 602, 604 beruhen auf Vorwissen. Das Vorwissen kann beispielsweise bei einer vorhergehenden Aktion gewonnen werden. Der Startzeitpunkt 600 wird also unter Verwendung eines Laufzeitsignals bestimmt. Beispielsweise wurden an den zwei bekannten Zeitpunkten 602, 604 kurz zuvor bereits je ein Lichtpuls 302, 304 registriert. Die Zeitpunkte 602, 604 markieren jeweils den Beginn eines Lichtpulses 302, 304. Hier wird ab dem Startpunkt 600 bis zu dem ersten Zeitpunkt 602 der Bildpunkt mit je einer Diodengruppe pro Zeitschritt betrieben, wodurch sich eine Auflösung mit vier Intensitätsstufen ergibt. Ab dem ersten Zeitpunkt 602 wird der Bildpunkt mit je vier Diodengruppen pro Zeitschritt betrieben. Wie in 6b ergibt sich daraus eine Auflösung von 16 Intensitätsstufen. Zusätzlich wird ab dem ersten Zeitpunkt 602 der Zeitschritt von 2 ns auf eine halbe Nanosekunde verkürzt. Dadurch ergibt sich eine genauere Zeitauflösung. Nachdem der zweite Lichtpuls 304 eingelesen worden ist, wird der Bildpunkt bis zum zweiten Zeitpunkt 604 erneut mit einer Diodengruppe pro Zeitschritt, also mit vier Intensitätsstufen betrieben. Dabei kann der Zeitschritt wieder auf 2 ns pro Zeitschritt erhöht werden. Ebenso kann der Zeitschritt bei einer halben Nanosekunde pro Zeitschritt verbleiben. Ab dem zweiten Zeitpunkt 604 wird der Bildsensor erneut mit vier Diodengruppen pro Zeitschritt betrieben, was wieder in 16 möglichen Intensitätsstufen resultiert. Der Zeitschritt wird dabei auf 2 ns pro Zeitschritt gesetzt. Durch den vergrößerten Zeitschritt sind die Lawinenfotodioden länger aktiv. Dadurch kann analog zu einem Fotoapparat mit längerer Belichtungszeit mehr Licht pro Zeitschritt auf die Lawinenfotodioden fallen. Der Bildsensor ist jetzt also empfindlicher.
Durch die gezielte, zeitliche Aktivierung und Deaktivierung einzelner SPAD-Zellen in einem Verbund aus vielen SPAD-Zellen kann die Anzahl der aktivierten/deaktivierten SPAD-Zellen während der Laufzeit des ausgesendeten und reflektierten Lichts variabel gestaltet werden. Die Anzahl aktivierter Zellen kann mit der Laufzeit, entsprechend der Entfernung eines Objekts zunehmen. So kann die Empfindlichkeit des Empfängers für schwächere Signale von entfernteren Objekten zunehmen.
In einem Ausführungsbeispiel ist beispielsweise aus einer vorherigen Messung ein Zeitpunkt 602, 604 bekannt, der gezielter erfasst werden soll. Die Aktivierung der SPAD-Zellen erfolgt erst unmittelbar vor diesem Zeitpunkt 602, 604. Die Anzahl gleichzeitig aktiver SPAD-Zellen wird erhöht und/oder die Abtastrate abgesenkt. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit und/oder Genauigkeit durch vorhandenes Vorwissen gezielt erhöht werden.
7a zeigt eine Darstellung eines Bildpunkts 102 mit um verschiedene Zeitdauern versetzt aktivierbaren Lawinenfotodioden 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Bildpunkt entspricht dem Bildpunkt in 6a und weist 264 Lawinenfotodioden 104 auf. Im Gegensatz dazu umfasst eine Diodengruppe 500 hier 16 Lawinenfotodioden 104 für 16 Intensitätsstufen. Der Bildpunkt 102 weißt also 16 Diodengruppen 500 auf. Mit anderen Worten zeigt 7a ein SPAD-Pixel 4x4x16 mit einem adaptierbaren Zeitraster.
In einem Ausführungsbeispiel besteht ein SPAD-Pixel 102 aus 256 SPAD-Zellen 104, von denen 16 jeweils zur gleichen Zeit aktiviert sind. Anfangs wird die schrittweise Aktivierung und Deaktivierung der SPAD-Zellen 104 im Abstand auf 0,5 ns eingestellt und somit die Abtastung erhöht. Mit zunehmender Zeit beziehungsweise erwarteter Entfernung von Objekten wird die Abtastzeit wieder auf 2 ns erhöht. Auf diese Weise wird zusätzlich zu allen vorherigen Vorteilen im Nahbereich die Abstandsgenauigkeit erhöht. Des Weiteren wird der Dynamikbereich noch mal erhöht, da in kleinere Abtastschritte weniger Photonen fallen.
7b zeigt eine Darstellung verschiedener Lichtpulse 304, 302, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von, um verschiedene Zeitdauern versetzt aktivierten Gruppen von Lawinenfotodioden erfasst werden. Die Lichtpulse 302, 304 entsprechen den Lichtpulsen in 6b. Wie in 6c wird der Lichtpuls 304 im Abstand von 0,5 ns abgetastet. Der Lichtpuls 302 wird wie in 6c im Abstand von 2 ns abgetastet. Der Abstand ist hier abhängig von einem zeitlichen Abstand vom Startpunkt 600. Je länger der Startpunkt 600 zurückliegt, umso größer wird der Abstand. Beide Lichtpulse 302, 304 werden mit 16 Intensitätsstufen abgetastet. Mit anderen Worten sind je 16 SPAD aktiviert. Bei den 0,5 ns Abstand ergibt sich eine hohe Zeitauflösung, bei dem Abstand von zwei ns ergibt sich eine geringere Zeitauflösung. Der hier vorgestellte Ablauf wird also ansprechend auf den Startzeitpunkt 600 gestartet. Dabei ist die Zeitdauer variabel. Die Zeitdauer wird näher an dem Startzeitpunkt 600 kleiner eingestellt wird, als weiter von dem Startzeitpunkt 600 entfernt, um näher an dem Startzeitpunkt 600 eine größere Zeitauflösung zu erhalten, als weiter von dem Startzeitpunkt 600 entfernt.
8 zeigt eine Darstellung eines Lichtpulses 302, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von verschieden großen Gruppen von Lawinenfotodioden in verschieden großen Abständen erfasst wird. Der Lichtpuls 302 entspricht dem kurzen Lichtpuls mit der geringen Amplitude in 3. der Lichtpuls 302 wird mit 16 Intensitätsstufen abgetastet.
Durch die gezielte, zeitliche Aktivierung und Deaktivierung einzelner SPAD-Zellen in einem Verbund aus vielen SPAD-Zellen kann die Anzahl der aktivierten/deaktivierten SPAD-Zellen hochdynamisch an das Empfangssignal anpasst werden.
Dabei kann die Steuerung der Aktivierungszeiten und Deaktivierungszeiten und der Anzahl der aktivierten und deaktivierten Empfänger aus einer Auswertung von vorhergehenden Abtastwerten eines vorhergehenden Lichtsignals stammen. Es kann also eine dynamische Anpassung an die Messsituation erfolgen.
Durch den hier vorgestellten Ansatz kann eine Signalform, z. B. eines Pulssignals erfasst werden. Es ergibt sich eine Erhöhung des Dynamikbereichs und eine Erhöhung der Messgenauigkeit.
In einem Ausführungsbeispiel findet eine hochdynamische adaptive Anpassung der Aktivierungszeitpunkte und Deaktivierungszeitpunkte der SPAD-Zellen statt. Im Grundzustand sind alle SPAD-Zellen aktiv, um eine höchste Empfindlichkeit zu erreichen. Dabei wird überprüft, ob innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums mehr SPAD-Zellen gezündet werden, als durch das Hintergrundlicht zu erwarten ist, also ob vermutlich eine steigende Pulsflanke 800 vorliegt. Damit wird das Hintergrundlicht ausgeblendet und nur wenige SPAD-Zellen befinden sich in der Reset-Phase. Eine Anzahl der gezündeten SPAD-Zellen an der Pulsflanke 800 repräsentiert die Pulshöhe an der Pulsflanke 800. Daraus wird ermittelt, wie viele der noch nicht gezündeten für SPAD-Zellen als Reserve für den Restpuls 302 deaktiviert werden sollen. Zusätzlich kann der Zeitraum für das nächste Zeitraster angepasst werden und/oder eine Totzeit 802 eingefügt werden.
Das Zeitraster kann verkürzt werden, um die steigende Pulshöhe mit geringerem Dynamikumfang erfassen zu können. Innerhalb dieses nächsten Zeitrasters wird wiederum die Anzahl der aktivierten und gezündeten SPAD-Zellen ermittelt und daraus die Pulshöhe abgeleitet. Liegt die neue Pulshöhe höher, wird von den noch deaktivierten SPAD-Zellen z. B. eine größere Anzahl aktiviert und/oder das aktive Zeitraster für den nächsten Zyklus durch Einschub einer größeren Totzeit 802 verkürzt. Liegt die Pulshöhe niedriger, wird die Anzahl reduziert und/oder die Totzeit 802 gesenkt. Durch die hier vorgestellte Steuerung von Aktivierungsanzahl von SPAD-Zellen je Zeitraster und die Anpassung der Totzeit 802 ist es möglich, den Puls 302 vollständig mit der begrenzten Anzahl von SPAD-Zellen zu erfassen. Selbst im ungünstigsten Fall, bei dem die Pulslänge größer als die Reset-Zeit ist, liegt die Summe der anfangs gezündeten SPAD-Zellen und aller über die Pulsdauer 400 aktivierten SPAD-Zellen nicht höher, als die Anzahl der verfügbaren SPAD-Zellen.
Mit anderen Worten sind vor dem Pulsbeginn 800 alle SPAD aktiviert, wobei davon keine ausgelöst werden. Ein Flankenbeginn 800 wird erkannt, wenn eine Anzahl der ausgelösten SPAD größer als ein Limit ist: N1 << N0 SPAD aktiviert. Nach dem Flankenbeginn 800 wächst die Anzahl ausgelöster SPAD: N3 > N2 > N1, oder Zeitraster kleiner oder Totzeit 802 größer. Nach der Pulshöhe sinkt die Anzahl: N4 > N3, oder Zeitraster größer oder Totzeit 802 kleiner. Nach dem Puls 302 sind als SPAD aktiviert und keine wird ausgelöst.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 zum Betreiben eines Fotodetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Fotodetektor weist pro Bildpunkt eine Anzahl von einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden auf. Eine Lawinenfotodiode ist in aktiviertem Zustand dazu ausgebildet, einen elektrischen Impuls bereitzustellen, wenn eine Lichtmenge empfangen wird. Die Lawinenfotodiode ist anschließend an den elektrischen Impuls für eine Regenerationsperiode lichtunempfindlich. Das Verfahren 900 weißt einen Schritt 902 des Aktivierens auf. Im Schritt 902 des Aktivierens werden zumindest zwei der Lawinenfotodioden eines Bildpunkts aktiviert. Die Lawinenfotodioden werden um eine Zeitdauer zueinander versetzt aktiviert. Die Zeitdauer ist kleiner als die Regenerationsperiode.
Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt ein dynamisches Single Photon Avalanche Diode SPAD Timing.
Die Zeitmessung kann durch einen schnellen Zähler, beispielsweise einen TDC, time-to-digital converter erfolgen, der bei Aussenden des Laserstrahls gestartet und beim Eintreffen des Pulses am Empfänger gestoppt wird. Der Zählerstand entspricht dann der Lichtlaufzeit und damit der Distanz. Hiermit kann ein Zeitpunkt je empfangenen Puls bestimmt werden, üblicherweise an der steigenden Flanke.
Bei allen hier gezeigten Ausführungsbeispielen kann beginnend ab der steigenden Pulsflanke eine Zählung von Photonenereignissen in einem festen oder variablen Zeitraster, entsprechend einem Distanzraster, vorgenommen werden. Das so entstehende Histogramm bildet die gesamte Pulsform nach. Zur technischen Umsetzung kann beispielsweise eine Zählerbank verwendet werden, die nach einem gemeinsamen Start zum Sendezeitpunkt des Laserstrahls nach Erkennen der Pulsflanke schrittweise im vorgesehenen Zeitraster stoppt und in jedem Schritt, entsprechend einem Distanzraster die Ereignisse zählt und speichert. Die Länge der Zählerbank ist deutlich kleiner als eine Lösung für eine vollständige zeitliche Abtastung und AD-Wandlung. Dies reduziert den Datenaufwand für die weitere Verarbeitung, die erforderliche Chipfläche und die Kosten. Wird die Zählerbank rollierend ausgelegt, so können auch mehrere Empfangspulse eines Sendepulses nacheinander erfasst werden und eine Mehrzielfähigkeit umgesetzt werden. Die Histogramminhalte können sehr schnell in einen Histogrammspeicher umkopiert werden. Dessen Speicheraufwand ist weit geringer, als für die gesamte Abtastung. Beispielsweise erfordert eine Abtastung von einer Mikrosekunde, entsprechend 150 m, im Nanosekundenraster 1000 Speicherzellen. Zählerbank und Histogramm erfordern bei angenommener Pulsdauer von 15 ns und drei zu speichernder Pulse 45 Speicherzellen.
Der hier vorgestellte Ansatz kann bei 2D- und 3-D-Lidarsensoren zur Umwelterfassung für Fahrerassistenzsysteme verwendet werden. Darüber hinaus ist ein Einsatz in anderen Produkten möglich. Beispielsweise kann der hier vorgestellte Ansatz bei Service-Robotik, bei der Gestikerkennung im Kfz-Innenraum, bei der Raumvermessung, bei der Arbeitsraumüberwachung, bei der Gebäuderaumüberwachung verwendet werden.
10 zeigt Blockschaltbild einer Vorrichtung 1000 zum Betreiben eines Fotodetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Fotodetektor entspricht dabei im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Fotodetektor. Die Vorrichtung 1000 weist eine Einrichtung 1002 zum Aktivieren von zumindest zwei der Lawinenfotodioden eines Bildpunkts des Fotodetektors auf. Die Einrichtung ist dazu ausgebildet, die Lawinenfotodioden um eine Zeitdauer zueinander versetzt zu aktivieren. Dabei ist die Zeitdauer kleiner als die Regenerationsperiode.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (900) zum Betreiben eines Fotodetektors (100), wobei der Fotodetektor (100) pro Bildpunkt (102) eine Anzahl von einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden (104) aufweist, wobei die Lawinenfotodioden (104) in aktiviertem Zustand dazu ausgebildet sind, einen elektrischen Impuls (202) bereitzustellen, wenn eine Lichtmenge (200) empfangen wird, und die Lawinenfotodioden (104) nach Bereitstellen des elektrischen Impulses (202) für eine Regenerationsperiode (204) lichtunempfindlich sind, wobei das Verfahren (900) den folgenden Schritt aufweist: Aktivieren (902) von zumindest zwei der Lawinenfotodioden (104) eines Bildpunkts (102), wobei die Lawinenfotodioden (104) um eine Zeitdauer zueinander versetzt aktiviert werden, wobei die Zeitdauer kleiner als die Regenerationsperiode (204) ist.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 1, bei dem die Lawinenfotodioden (104) des Bildpunkts (102) in einer zeitlichen Abfolge aktiviert werden, wobei eine erste Lawinenfotodiode (104) des Bildpunkts (102) erneut aktiviert wird, nachdem eine letzte Lawinenfotodiode (104) des Bildpunkts (102) aktiviert wurde.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (902) des Aktivierens die Zeitdauer größer als ein Kehrwert der Anzahl multipliziert mit der Regenerationsperiode (204) ist, um ein unterbrechungsfreies Erfassen zu ermöglichen.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Deaktivierens einer Lawinenfotodiode (104), wobei der Schritt des Deaktivierens ausgeführt wird, nachdem eine, beim Aktivieren (902) der Lawinenfotodiode (104) startende Aktivierungsdauer der Lawinenfotodiode (104) abgelaufen ist, um Fehldetektionen zu vermeiden.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (902) des Aktivierens zumindest zwei Lawinenfotodioden (104) pro Bildpunkt (102) gleichzeitig aktiviert werden, um eine erfasste Lichtmenge (200) zu quantifizieren.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Verfahren (900) ansprechend auf einen Startzeitpunkt (600) gestartet wird, wobei im Schritt (902) des Aktivierens die Zeitdauer variabel ist.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 6, mit einem Schritt des Bestimmens des Startzeitpunkts (600) unter Verwendung eines Laufzeitsignals.
Verfahren (900) gemäß Anspruch 6 oder 7, mit einem Schritt des Einstellens der Zeitdauer, wobei die Zeitdauer näher an dem Startzeitpunkt (600) kleiner eingestellt wird, als weiter von dem Startzeitpunkt (600) entfernt, um näher an dem Startzeitpunkt (600) eine größere Zeitauflösung zu erhalten, als weiter von dem Startzeitpunkt (600) entfernt.
Verfahren (900) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Verfahren (900) ansprechend auf einen Startzeitpunkt (600) gestartet wird, wobei im Schritt (902) des Aktivierens weiter von dem Startzeitpunkt (600) des Verfahrens (900) entfernt mehr Lawinenfotodioden (104) gleichzeitig aktiviert werden, als näher an dem Startzeitpunkt (600), um mit steigendem Abstand von dem Startzeitpunkt (600) eine größere Empfindlichkeit zu erhalten.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 1 durchzuführen, wobei das Computerprogramm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.