DE102017202957A1 - Receiver arrangement, semiconductor device and method for receiving light pulses and for outputting a received signal - Google Patents
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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. A receiver arrangement having at least one photosensitive element (LE) for receiving light pulses (LI) and outputting a reception signal (E) used for object detection is proposed. The receiver arrangement has a drive (A) which activates the at least one light-sensitive element (LE) in such a way that the photosensitivity of the at least one photosensitive element (LE) is increased within a predetermined measuring cycle, wherein the light sensitivity of the at least one photosensitive element (LE) is increased in dependence on a derived output signal of the at least one light-sensitive element (LE), the received signal (E) is generated. Furthermore, a semiconductor device is proposed with a substrate on which the receiver arrangement is arranged. A corresponding method for receiving light pulses and outputting a received signal (E) used for object detection is also proposed.
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.The invention relates to a receiver arrangement, a semiconductor module or a method for receiving light pulses and for outputting a received signal according to the preamble of the independent claims.
Aus
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.In contrast, the inventive receiver arrangement or the semiconductor device according to the invention or the inventive method for receiving light pulses and for outputting a received signal with the features of the independent claims has the advantage that, according to the invention, an electronic dynamic extension for the receiver arrangement is achieved. This is achieved in particular by the fact that the at least one photosensitive element is driven by a control such that in a given measuring cycle, the photosensitivity of the at least one photosensitive element is increased, wherein in response to a derived output of the at least one photosensitive element, the received signal is generated , The invention takes into account that at the beginning of a measuring cycle the expected received light energy is greater than at the end of the measuring cycle. This energy will decrease in particular in the ratio 1: r 2 with the assumption that a so-called Lambert reflector is present as an object. The measure according to the invention of increasing the sensitivity in one measuring cycle has the effect that the number of photosensitive elements can be reduced in comparison with the state in which the invention is not used. Less photosensitive elements also means that the receiver arrangement is cheaper and in particular smaller.
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.Another advantage is that a better detection of objects is possible, because not so many photosensitive elements are necessary, which may possibly cause saturation of the amplitude signal. In the amplitude information of the received signal, however, there is information about the object itself. Thus, this information is retained.
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.It is furthermore advantageous that a semiconductor component is present which has the receiver arrangement according to the invention on a substrate. For a compact and cost-effective production in particular in the so-called CMOS technology is possible. In a development it can be provided that, in addition, the transmitting device, i. the semiconductor laser and its control and further processing steps of the received signal can be arranged on this semiconductor device.
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.The inventive method for receiving light pulses and for outputting a received signal can lead to the same advantages, regardless of the configuration of the receiver arrangement. In particular, if parts of the receiver arrangement are implemented by software.
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.In the present case, a receiver arrangement means a hardware and / or software embodiment of a receiver arrangement which is capable of receiving light pulses with a photosensitive element and outputting a corresponding received signal used for object detection. Such a receiver arrangement can be produced, for example, as a semiconductor chip, preferably made of silicon and / or other semiconductors. All possible combinations of semiconductor components on different substrates or other electronic components are also possible.
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.A photosensitive element is, for example and also preferably, a so-called photosensitive avalanche diode (APD), which in a further embodiment can be designed as a so-called single photon avalanche photodiode (SPAD), that is, can be designed for a sensitivity of a single photon. Usually, however, the threshold is set higher for the detection of a light pulse, since background noise can be used to receive individual photons which are not correlated with the emitted light pulses. Several such APDs or SPADs can be combined to form a so-called silicon photomultiplier, in which the SPADs are interconnected in one field. Depending on the application, individual photosensitive elements, ie individual SPADs, can be driven in appropriate expectation, but all SPADs of a silicon photomultiplier (SIPM) can also be controlled. These SPADs are connected in parallel, so that a summation signal of the individual SPADs is used as the output signal of the silicon photomultiplier.
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.In the present case, light pulses which are emitted by a laser arrangement and reflected by a possible object are received in the present case. These light pulses are emitted, for example, with a transit time of 1.33 μs, since this corresponds to a distance of 200 m. This would be the usual time for a measurement cycle to be assumed.
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.SPAD cells as the photosensitive elements are arranged in a matrix for a SIPM as stated above. Each SPAD has Cell four possible states: Loaded, this is the state in which the diode waits for a photon or a so-called dark count event. This time is much greater than the time to be recharged. The second state is the so-called firing. Due to the received photons an avalanche effect is triggered and the current increases abruptly. This condition is much smaller than 1 ns. The next state is the so-called quenching. The avalanche effect is throttled and ultimately stopped, for example by a resistance. Again, this happens in a time that is much less than 1 ns. This quenching is necessary to prevent self-destruction of the photodiode. Quenching with a resistor, which is most commonly used, is called passive quenching. There are even more complicated embodiments, which are then called accordingly. The last and fourth state is the so-called recharge. This will prepare the SPAD cell for the next firing. This takes about 10 to 50 ns with today's technology. The SPAD cells ultimately fired a binary output signal or did not fire. The dynamics are determined by the frequency of the firing, and in these re-applications the effective dynamic bandwidth is 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.The SPAD cells are biased by a so-called bias voltage V_Bias. This voltage is greater than the breakdown voltage. The minimum voltage is approximately 1V above the breakdown voltage, and on the basis of this bias has a linear influence on the sensitivity. Currently, the bias upwards is usually limited to 5V, since a further increase would lead to diode destruction.
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.The received signal is the output signal of the receiver arrangement which is used by further signal processing to detect and also characterize the objects in the environment.
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.The drive is an electrical configuration, which is realized for example on a semiconductor substrate and increases the photosensitivity of the at least one photosensitive element. This can be achieved, for example, by a corresponding sawtooth circuit, since the same starting value is started in each measuring cycle. Alternatively or embodying this, an integrator circuit can be used. It may also be that it does not always start with the same starting value, for example, to investigate certain distance ranges.
Die Lichtempfindlichkeit ist derart definiert, dass für eine bestimmte Lichtleistung ein entsprechendes Ausgangssignal der Photodiode als Beispiel erreicht wird.The photosensitivity is defined such that for a given light output, a corresponding output signal of the photodiode is achieved as an example.
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.The derived output signal of the at least one photosensitive element can be directly a voltage which is tapped via a resistor at the output, for example by SPAD. However, it may also be a filtered signal, a converted signal from a raw signal from the photodiode.
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.In the present case, the object detection can be carried out, for example, using the measuring principle TCSPC (time-correlated single phonon counting). This measuring method, known in German as time-correlated photon counting, is a technique for measuring temporally rapidly changing light intensities. In this case, a measurement is repeated many times and the individual temporally correlated photons in relation to the excitation pulse are sorted according to their measured time in a so-called TCSPC histogram. This typically has a temporal channel resolution or class width of 0.1 to 1 ns and represents the time course of the backscattered by a laser pulse light. In time-correlated photon counting, individual photons of the light pulses are detected and counted and entered into a histogram at which point, seen in terms of time, the photon or photons occur. The emission of the light pulse and the count are repeated many times. This achieves a very accurate time measurement of the laser pulse. For example. An object is hit by a transmitter with many photons, which are then received by the receiver array. Due to the frequent repetition of this photon determination, it is possible to precisely determine the light pulse with respect to its time of flight. For example, an analog-to-digital conversion can be used and in particular the measured photon times are entered into a histogram in a memory and then at the end by a logic the maximum is determined.
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.Another measurement method for object detection is the so-called TDC (time-to-digital converter, time-to-digital conversion). This is a device for detecting states and providing a digital representation of the time that has occurred. For example, a TDC may output the arrival time for each incoming pulse. In particular, the time interval between two pulses is determined with a TDC. In this case, the measurement can be started and stopped when a rising or falling edge of a signal pulse exceeds a corresponding threshold. A time-to-digital conversion is a method for determining a time between, for example, two pulses and converting them into a digital word. This can, for example, a counter are used, which is activated by a start and a stop signal, for example, the received light pulse or the emitted light pulse. In order to determine the error at the beginning and at the end of the count determined by the counter, a so-called interpolation is used. For this purpose, a delay circuit can be used. However, it is also possible to use two mutually detuned oscillators or to use a so-called oversampling, for example, a quadruple oversampling and thus to sample the signal. By the count and the values obtained from the interpolation at the beginning of the count and at the end of the count, then the time and thus the flight time can be measured accurately.
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.A substrate is understood to mean a semiconductor wafer on which the electronic components have been produced in one piece. This is a very cost effective method of manufacture which results in very small dimensions of the electronic components.
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.Advantageous embodiments of the receiver arrangement according to the invention or of the semiconductor module according to the invention or of the method according to the invention for receiving light pulses and for outputting a received signal are possible as a result of the developments and measures listed in the dependent claims.
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.It is particularly advantageous that the increase in sensitivity takes place step by step. This is very easy to control and also electronically easy to represent how the sensitivity is increased.
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.Furthermore, it is advantageous that the drive for increasing the photosensitivity increases an electrical bias for the at least one photosensitive element. This bias voltage, as denoted by V_Bias above, is a simple parameter which can be easily produced, for example, by a sawtooth circuit, but also by other circuits which can generate a time-varying signal.
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.Moreover, it is advantageous that the at least one photosensitive element is a photosensitive avalanche diode, wherein a plurality of photosensitive avalanche diodes form a silicon photomultiplier. These are the elements that have already been defined above for the photosensitive element, namely the SPADs and the matrix or just one row of SPADs that form a SIPM, ie the silicon photomultiplier.
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.In addition, it is advantageous for the derived output signal of the at least one photosensitive element to be compared with a threshold value of a threshold value transmitter and, depending on this comparison, for the received signal to be generated by at least one comparator, the threshold value being lowered by the threshold value during the measuring cycle. It should be noted here that this threshold is used to allow only those signals to pass through the comparator generated by a certain number of photons. However, since the power of the light decreases, it is expedient to further develop the invention in such a way that in addition to the sensitivity even lower this threshold. This can be achieved by a threshold generator, which also generates a time-dependent output signal. This can be achieved by software technology or hardware. The comparator or discriminator can also be discretely integrated or manufactured by software. As an example according to the invention, the threshold value can start, for example, at 25 photons and drop to 5 photons. This is represented by the output signals of the individual photodiodes. That it is known what number of photons lead to which output signal.
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.It is advantageous that the increase of the photosensitivity and the lowering of the threshold value occur at different time intervals during the measuring cycle. This means that, for example, the photosensitivity is increased in a first time segment and the threshold value is lowered in a subsequent second section and then the photosensitivity is increased again in a third section and then the threshold value is lowered again in a fourth subsection. For this purpose, any variations are possible, so that an overlap is possible or even a parallel increase in the photosensitivity or lowering of the threshold value.
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.Furthermore, it is very advantageous that the derived output signal of the at least one photosensitive element is fed directly to an analog-digital converter device, wherein the digital output signal of the analog-to-digital converter device is the received signal. In this solution, so you waived the aforementioned comparator and therefore here is also a lowering of a threshold not possible and necessary. Here only the photosensitivity is increased. The analog-digital converter device must be correspondingly fast in order to generate the received signal.
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.Furthermore, it is advantageous that the receiver arrangement has a delay device which delays the beginning of the measurement cycle. Usually, the measurement cycle is started by outputting the light pulse via, for example, a laser or a laser array. However, each measurement cycle can be delayed to evaluate only a certain distance relative to objects. For example, a delay of 0.66 μs can be provided to measure targeted in a distance range of 100 to 200 m distance to the receiver assembly.
In der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben.In the following description and the drawings embodiments of the invention are shown and described.
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 a first block diagram of the invention, -
2 a flowchart of the invention, -
3 a second block diagram of the invention, -
4 a third block diagram of the invention, -
5 an equivalent circuit diagram of a photosensitive element as SPAD, -
6 a first voltage time diagram, -
7 a first threshold time diagram, -
8th a first timing diagram, -
9 a second timing diagram, -
10 a second voltage time diagram, -
11 a combined voltage threshold time diagram.
Das Ausgangssignal des Komparators
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- AA
- Ansteuerungcontrol
- LELE
- lichtempfindliches Elementphotosensitive element
- LILI
- Lichtimpulslight pulse
- Ee
- Empfangssignalreceive signal
- 1010
- Ansteuersignalcontrol signal
- 200200
- Empfangreception
- 201201
- Erhöhung der EmpfindlichkeitIncrease in sensitivity
- 202202
- Ableitung AusgangssignalDerivative output signal
- 203203
- Erzeugung EmpfangssignalGeneration of received signal
- 300300
- Pulsgeneratorpulse generator
- 301301
- Laserlaser
- 302302
- Lichtimpulselight pulses
- 303303
- Objektobject
- 304304
- lichtempfindliches Elementphotosensitive element
- 305305
- Ansteuerungcontrol
- 306306
- Digital-Analog-WandlerDigital to analog converter
- 307307
- Rampengeneratorramp generator
- 308308
- Verstärkeramplifier
- 309309
- abgeleitetes Ausganggsignalderived output signal
- 310310
- Schwellwertgeberthreshold generator
- 311311
- Komparatorcomparator
- 312312
- Objektdetektionobject detection
- 313313
- Signalsignal
- 314314
- reflektierte Lichtimpulsereflected light pulses
- 315315
- Empfangssignalreceive signal
- 400400
- Pulsgeneratorpulse generator
- 401401
- Laserlaser
- 402402
- Laserimpulselaser pulses
- 403403
- Objektobject
- 404404
- reflektierte Laserimpulsereflected laser pulses
- 405405
- lichtempfindliches Elementphotosensitive element
- 406406
- Ansteuerungcontrol
- 407407
- abgeleitetes Ausgangssignalderived output signal
- 408408
- Digital-Analog-WandlerDigital to analog converter
- 409409
- Rampengeneratorramp generator
- 410410
- Verstärkeramplifier
- 411411
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 412412
- Objektdetektionobject detection
- 413413
- Ausgangssignaloutput
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 9285464 B2 [0002]US 9285464 B2 [0002]
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-
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