DE102019118244B4

DE102019118244B4 - Detektion und kompensation von mems-spiegelasymmetrien und periodischen jittern

Info

Publication number: DE102019118244B4
Application number: DE102019118244.1A
Authority: DE
Inventors: Norbert Druml; Philipp GREINER; Ievgeniia MAKSYMOVA
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2039-07-06
Also published as: CN110687520A; DE102019118244A1; US20200011976A1; US11150331B2; CN110687520B

Abstract

Ein System (200), umfassend:eine oszillierende Struktur (12) eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse (13) zu oszillieren;einen Phasenfehlerdetektor (32), der ausgebildet ist, um ein Phasenfehlersignal zu erzeugen, basierend auf gemessenen Ereigniszeiten und erwarteten Ereigniszeiten der oszillierenden MEMS-Struktur (12), die um die Rotationsachse (13) oszilliert; undeine Kompensationsschaltung (33), die ausgebildet ist, um das Phasenfehlersignal zu empfangen, periodische Jitterkomponenten (41; 42) im Phasenfehlersignal zu entfernen, um ein kompensiertes Phasenfehlersignal zu erzeugen und das kompensierte Phasenfehlersignal auszugeben.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Spiegelscansystem (to scan = abtasten) eines mikroelektromechanischen (MEMS) Systems und ein Verfahren zum Betreiben desselben und genauer gesagt auf das Detektieren und Kompensieren von periodischen Jitterkomponenten in einem MEMS-Signal.
HINTERGRUND
Die JP 2009 18 457 A beschreibt ein Bilderzeugungsgerät und ein Steuerungsverfahren für dieses Gerät, bei dem Schwingkörper eines Schwingungssystems mittels einer Spule und einem an einem Schwingkörper angebrachten Permanentmagneten angesteuert werden.
Licht- und Abstandsmessung (LIDAR; Light Detection and Ranging) ist ein Fernerfassungsverfahren, das Licht in Form eines gepulsten Lasers verwendet, um Reichweiten (variable Distanzen) zu einem oder mehreren Objekten in einem Sichtfeld zu messen. Insbesondere wird ein Mikroelektromechanisches-System- (MEMS) Spiegel verwendet, um Licht über das Sichtfeld abtastend zu bewegen. Arrays von Photodetektoren empfangen Reflexionen von Objekten, die durch das Licht beleuchtet werden, und die Zeit, die benötigt wird, bis die Reflexionen an verschiedenen Sensoren in dem Photodetektor-Array ankommen, wird bestimmt. Dies wird auch als Laufzeitmessung (TOF) bezeichnet. LIDAR-Systeme bilden Tiefenmessungen und erstellen Distanzmessungen durch ein Abbilden der Distanz zu Objekten basierend auf den Laufzeitberechnungen. Somit können die Laufzeitberechnungen Distanz- und Tiefen-Abbildungen erzeugen, die zum Erzeugen von Bildern verwendet werden können.
MEMS-Spiegel, die mit einer bestimmten Resonanzfrequenz betrieben werden, werden von verschiedenen systematischen und unsystematischen Fehlerquellen beeinflusst. Zwei prominente Fehlerquellen, die zu periodischem Jitter einer Positionsdetektion des MEMS-Spiegels führen, sind: eine Asymmetrie des hergestellten MEMS-Spiegels und Choppingfehler (Chopping = Zerhacken), die von einem Chopper (Zerhacker) eingeführt werden, der verwendet wird, um einen Offsetfehler in Operationsverstärkern (OpAmp; op amps = operational amplifiers) in der Systemschaltungsanordnung zu kompensieren, die zum Detektieren der Position des MEMS-Spiegels verwendet wird.
Die Asymmetrie des MEMS-Spiegels ist ein Ergebnis von Asymmetrien in der Spiegelstruktur, die zum Zeitpunkt der Herstellung eingeführt werden. Diese Asymmetrien resultieren in unterschiedlichen Zeitgebungen von Nulldurchgangsereignissen bei Bewegung von der linken oder rechten Seite. Dies kann in einem erheblichen Laser-Schieß-/Punkt-Fehler resultieren.
Zusätzlich kann, da ein MEMS-Spiegel periodisch arbeitet, das Chopping auch zur Kompensation von Offsetfehlern in Operationsverstärkern verwendet werden. Die Spannung-/Strom-Offset-Kompensationen durch Chopping können zu einer periodischen Spannung führen, die in einem periodischen Jitter resultiert. Daher kann ein periodischer Jitter sowohl durch die Asymmetrie des Spiegels als auch durch das Chopping verursacht werden.
Diese Probleme können zu einer Fehlanpassung zwischen der erwarteten Spiegelposition und der gemessenen Position führen. Da die genaue Messung und Schätzung der Position des Spiegels für ein MEMS-basiertes LIDAR-System wichtig ist, ist es wichtig, systematische und unsystematische Fehlerquellen innerhalb der treibenden anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC; Application-Specific Integrated Circuit) des Spiegels detektieren und kompensieren zu können.
Daher kann ein verbessertes Bauelement, das diese periodischen Jitterfehler detektieren und kompensieren kann, wünschenswert sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsbeispiele stellen ein Spiegelscansystem eines mikroelektromechanischen (MEMS) Systems und ein Verfahren zum Betreiben desselben und genauer gesagt zum Detektieren und Kompensieren von periodischen Jitterkomponenten in einem MEMS-Signal bereit.
Ein System umfasst eine oszillierende MEMS-Struktur, die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse zu oszillieren; einen Phasenfehlerdetektor, der ausgebildet ist, um ein Phasenfehlersignal zu erzeugen, basierend auf gemessenen Ereigniszeiten und erwarteten Ereigniszeiten der oszillierenden MEMS-Struktur, die um die Rotationsachse oszilliert; und eine Kompensationsschaltung, die ausgebildet ist, um das Phasenfehlersignal zu empfangen, periodische Jitterkomponenten im Phasenfehlersignal zu entfernen, um ein kompensiertes Phasenfehlersignal zu erzeugen und das kompensierte Phasenfehlersignal auszugeben.
Ein Verfahren zum Kompensieren von Fehlern umfasst ein Treiben einer oszillierenden MEMS-Struktur, die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse zu oszillieren; ein Erzeugen eines Phasenfehlersignals basierend auf gemessenen Ereigniszeiten und erwarteten Ereigniszeiten der oszillierenden MEMS-Struktur, die um die Rotationsachse oszilliert, wobei das Phasenfehlersignal periodische Jitterkomponenten umfasst; ein Erzeugen eines kompensierten Phasenfehlersignals durch Entfernen der periodischen Jitterkomponenten aus dem Phasenfehlersignal; und ein Ausgeben des kompensierten Phasenfehlersignals.
Ein Licht- und Abstandsmessungs- (LIDAR) System umfasst eine LIDAR-Lichtquelle, die ausgebildet ist, um LIDAR-Lichtstrahlen zu erzeugen; eine oszillierenden MEMS-Struktur, die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse zu oszillieren und die LIDAR-Lichtstrahlen in ein Sichtfeld zu übertragen; ein Photodetektor-Array, das ausgebildet ist, um reflektierte LIDAR-Lichtstrahlen aus dem Sichtfeld zu detektieren und elektrische Signale basierend auf den reflektierten LIDAR-Lichtstrahlen zu erzeugen; einen Fehlerdetektor, der ausgebildet ist, um einen Fehler zu überwachen und zu detektieren bezogen auf eine Oszillation der oszillierenden MEMS-Struktur und ein Fehlersignal basierend auf dem detektierten Fehler zu erzeugen; und eine Kompensationsschaltung, die ausgebildet ist, um das Fehlersignal zu empfangen und den Fehler basierend auf dem Fehlersignal aktiv zu kompensieren.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele werden hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

1 ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Scansystems 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Scansystems 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer MEMS-Treiber-ASIC gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
4 zeigt ein unkompensiertes PLL-Fehlerspektrum gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
5 zeigt ein kompensiertes PLL-Fehlerspektrum gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Kompensationsschaltung für einen periodischen Jitter gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen; und
7 zeigt einen Graphen eines Asymmetriefehlersignals über die Zeit gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass diese Ausführungsbeispiele nur zu darstellenden Zwecken dienen und nicht als einschränkend betrachtet werden sollen. Zum Beispiel, während Ausführungsbeispiele als eine Mehrzahl von Merkmalen oder Elementen aufweisend beschrieben sein können, soll dies nicht so ausgelegt werden, dass all diese Merkmale oder Elemente zum Implementieren von Ausführungsbeispielen notwendig sind. Stattdessen können bei anderen Ausführungsbeispielen einige der Merkmale oder Elemente weggelassen werden oder sie können durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zudem können weitere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu jenen, die ausdrücklich gezeigt und beschrieben sind, bereitgestellt werden, zum Beispiel herkömmliche Komponenten von Sensorbauelementen.
Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, außer dies ist spezifisch anderweitig angemerkt. Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. In einigen Fällen sind bekannte Strukturen und Bauelemente in Blockdiagrammform und nicht im Detail gezeigt, um ein Verunklaren der Ausführungsbeispiele zu vermeiden.
Verbindungen oder Kopplungen zwischen Elementen, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, können auf Draht basierende Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, außer dies ist anderweitig angemerkt. Ferner können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche dazwischenliegende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen dazwischenliegenden Elementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel das Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder das Übertragen einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen beibehalten wird.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf optische Sensoren und optische Sensorsysteme und auf das Erhalten von Informationen über optische Sensoren und optische Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine physikalische Größe, die gemessen werden soll, in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann zum Beispiel elektromagnetische Strahlung, wie beispielsweise sichtbares Licht, Infrarot- (IR-) Strahlung oder einen anderen Typ von Beleuchtungssignal, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein Bildsensor ein Siliziumchip in einer Kamera sein, der Fotos von Licht, das aus einer Linse kommt, in Spannungen umwandelt. Je größer die aktive Fläche des Sensors, desto mehr Licht kann gesammelt werden, um ein Bild zu erzeugen.
Ein Sensorbauelement, wie es hierin verwendet wird, kann sich auf ein Bauelement beziehen, das einen Sensor und weitere Komponenten aufweist, zum Beispiel eine Vorspannungs-Schaltungsanordnung, einen Analog-Digital-Wandler oder ein Filter. Ein Sensorbauelement kann auf einem einzelnen Chip integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Chips oder auch Komponenten außerhalb eines Chips zum Implementieren eines Sensorbauelements verwendet werden können.
In LIDAR-Systemen überträgt eine Quelle Lichtpulse und/oder -strahlen in ein Sichtfeld und das Licht wird von einem oder mehreren Objekten durch Rückstreuung reflektiert. Insbesondere ist LIDAR ein direktes Laufzeit- (TOF-) System, bei dem die Lichtpulse (z. B. Laserpulse von Infrarotlicht) in das Sichtfeld emittiert werden und ein Pixelarray die reflektierten Pulse detektiert und misst. Zum Beispiel empfängt ein Array von Photodetektoren Reflexionen von Objekten, die von dem Licht beleuchtet werden.
Differenzen bei Rücklaufzeiten für jeden Lichtpuls über mehrere Pixel des Pixelarrays können dann verwendet werden, um digitale 3D-Darstellungen einer Umgebung zu erstellen oder um andere Sensordaten zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Lichtquelle einen einzelnen Lichtpuls emittieren und ein Zeit-Digital-Wandler (TDC; Time-to-Digital Converter), der elektrisch mit dem Pixelarray gekoppelt ist, kann von der Zeit, zu der der Lichtpuls emittiert wird, bis zu einer Zeit zählen, zu der der reflektierte Lichtpuls an dem Empfänger (d. h. an dem Pixelarray) empfangen wird. Die „Laufzeit“ des Lichtpulses wird dann in eine Distanz übersetzt.
Ein Scan, wie beispielsweise ein oszillierender horizontaler Scan (z. B. von links nach rechts und rechts nach links in einem Sichtfeld), kann eine Szene kontinuierlich auf abtastende Weise beleuchten. Durch Emittieren von aufeinanderfolgenden Lichtpulsen in unterschiedlichen Scanrichtungen kann ein als „Sichtfeld“ bezeichneter Bereich gescant werden und Objekte innerhalb des Bereichs können detektiert und abgebildet werden. Ein Rasterscan könnte ebenfalls verwendet werden.
1 ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Scansystems 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das LIDAR-Scansystem 100 ist eine optische Scanvorrichtung, umfassend einen Sender, umfassend eine Beleuchtungseinheit 10, eine Senderoptik 11 und einen eindimensionalen (1D-) Mikroelektromechanisches-System- (MEMS) Spiegel 12, und einen Empfänger, umfassend eine zweite optische Komponente 14 und ein Photodetektor-Detektorarray 15.
Die Beleuchtungseinheit 10 umfasst mehrere Lichtquellen (z. B. Laserdioden oder lichtemittierende Dioden), die linear in Einzelstrich-Formation ausgerichtet sind und so ausgebildet sind, dass sie zum Scannen eines Objekts verwendetes Licht übertragen. Das von den Lichtquellen emittierte Licht ist typischerweise Infrarotlicht, obwohl auch Licht mit anderer Wellenlänge verwendet werden kann. Wie bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ersichtlich ist, wird die Form des von den Lichtquellen emittierten Lichts in einer Richtung senkrecht zu der Übertragungsrichtung ausgebreitet, um einen Lichtstrahl mit einer länglichen Form senkrecht zu einer Übertragung zu bilden. Das Beleuchtungslicht, das aus den Lichtquellen übertragen wird, wird in Richtung der Senderoptik 11 gerichtet, die ausgebildet ist, um jeden Laser auf einen eindimensionalen MEMS-Spiegel 12 zu fokussieren. Die Senderoptik 11 kann zum Beispiel eine Linse oder ein Prisma sein. Bei Reflexion durch den MEMS-Spiegel 12 wird das Licht aus den Lichtquellen vertikal ausgerichtet, um eine eindimensionale vertikale Scanlinie aus Infrarotlicht oder einen vertikalen Strich aus Infrarotlicht zu bilden. Jede Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 10 trägt zu einer anderen vertikalen Region der vertikalen Scanlinie bei. Während fünf Laserquellen gezeigt sind, wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Laserquellen nicht darauf beschränkt ist. Zum Beispiel kann die vertikale Scanlinie von einer einzelnen Laserquelle, zwei Laserquellen usw. erzeugt werden. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass die Lichtquellen in einer Matrix-Formation angeordnet sein können.
Der MEMS-Spiegel 12 ist ein mechanischer sich bewegender Spiegel (d. h. ein MEMS-Mikrospiegel), der auf einem Halbleiterchip (nicht gezeigt) integriert ist. Der MEMS-Spiegel 12 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist so ausgebildet, dass er um eine einzelne Achse rotiert und man kann sagen, dass er nur einen Freiheitsgrad für Bewegung aufweist. Aufgrund dieser einzelnen Rotationsachse wird der MEMS-Spiegel 12 als ein ID-MEMS-Spiegel bezeichnet.
Der MEMS-Spiegel 12 ist ausgebildet, um von „Seite-zu-Seite“ um eine einzelne Scanachse 13 derart zu oszillieren, dass das Licht, das von dem MEMS-Spiegel 12 (d. h. der vertikalen Scanlinie von Licht) reflektiert wird, rückwärts und vorwärts in einer horizontalen Scanrichtung oszilliert. Der MEMS-Spiegel 12, der in einer ersten Rotationsrichtung (z. B. von einer linken Seite zu einer rechten Seite) rotiert, kann eine Rotation im Uhrzeigersinn um die Scanachse 13 darstellen, und der, der in einer zweiten Rotationsrichtung (z. B. von der rechten Seite zur linken Seite) rotiert, kann eine Rotation gegen den Uhrzeigersinn um die Scanachse 13 darstellen.
Ein Scan umfasst eine Scanperiode oder eine Oszillationsperiode, die beispielsweise durch eine vollständige Oszillation von einem ersten Rand des Sichtfeldes (z. B. linke Seite) zu einem zweiten Rand des Sichtfeldes (z. B. rechte Seite) und dann wieder zurück zu dem ersten Rand definiert ist. Eine Spiegelperiode des MEMS-Spiegels 12 entspricht einer Scanperiode.
Somit wird das Sichtfeld durch den vertikalen Lichtstrich in horizontaler Richtung gescant, indem der Winkel des MEMS-Spiegels 12 auf seiner Scanachse 13 verändert wird. Zum Beispiel kann der MEMS-Spiegel 12 so ausgebildet sein, dass er zwischen +/-15 Grad oszilliert, um das Licht über 30 Grad zu lenken, was den Scanbereich des Sichtfeldes ausmacht. Somit kann das Sichtfeld zeilenweise durch eine Rotation des MEMS-Spiegels 12 durch seinen Bewegungsgrad gescant werden. Eine solche Sequenz durch den Bewegungsgrad (z. B. von -15 Grad bis +15 Grad) wird als ein einzelner Scanvorgang oder Scanzyklus bezeichnet. Mehrere Scans können verwendet werden, um Distanz- und Tiefen-Abbildungen sowie 3D-Bilder durch eine Verarbeitungseinheit zu erzeugen. Die horizontale Auflösung der Tiefen-Abbildungen und Bilder hängt von der Größe der inkrementellen Schritte bei dem Rotationswinkel des MEMS-Spiegels 12, vorgenommen zwischen den Scans, ab.
Während der Übertragungsspiegel im Kontext mit einem MEMS-Spiegel beschrieben ist, wird darauf hingewiesen, dass auch andere 1D-Spiegel verwendet werden können. Zusätzlich ist der Rotationsgrad nicht auf +/-15 Grad beschränkt und das Sichtfeld kann je nach Anwendung vergrößert oder verkleinert werden.
Nach dem Auftreffen auf einem oder mehreren Objekten wird der übertragene vertikale Lichtstrich zurück in Richtung des LIDAR-Scansystems 100 reflektiert, wo die zweite optische Komponente 14 (z. B. eine Linse oder ein Prisma) das reflektierte Licht empfängt. Die zweite optische Komponente 14 richtet das reflektierte Licht auf das Photodetektor-Detektorarray 15, das ausgebildet ist, um elektrische Messsignale zu erzeugen, die zum Erzeugen einer 3D-Umgebungsabbildung und/oder anderer Objektdaten basierend auf dem reflektierten Licht (z. B. über TOF-Berechnungen und Verarbeitung) verwendet werden können.
Das Photodetektor-Array 15 kann irgendeines aus einer Anzahl von Photodetektortypen sein; umfassend Avalanche-Photodioden (APD; avalanche photodiodes), Photozellen und/oder andere Photodiodenbauelemente. Bilderzeugungssensoren wie beispielsweise ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs; charge-coupled devices) können die Photodetektoren sein. Bei den hierin bereitgestellten Beispielen ist der Photodetektor-Array 15 ein zweidimensionales (2D-) APD-Array, das ein Array von APD-Pixeln aufweist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Photodetektor-Array 15 ein ID-Array sein, das eine einzelne Spalte von Photodioden umfasst. Die Aktivierung der Photodioden kann mit von der Beleuchtungseinheit 10 emittierten Lichtpulsen synchronisiert werden.
Das Photodetektor-Array 15 empfängt reflektierende Lichtpulse und erzeugt als Antwort darauf elektrische Signale. Da der Zeitpunkt der Übertragung jedes Lichtpulses von der Beleuchtungseinheit 10 bekannt ist und da das Licht sich mit einer bekannten Geschwindigkeit bewegt, kann durch eine Laufzeitberechnung unter Verwendung der elektrischen Signale die Distanz von Objekten von dem Photodetektor-Array 15 bestimmt werden. Eine Tiefen-Abbildung kann die Distanzinformationen graphisch darstellen.
Bei einem Beispiel löst ein Mikrocontroller für jede Distanzabtastung einen Laserpuls von jeder der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 aus und startet auch einen Timer in einer integrierten Schaltung (IC) eines Zeit-Digital-Wandlers (TDC). Der Laserpuls wird durch die Senderoptik ausgebreitet, vom Zielfeld reflektiert und von einem APD des APD-Arrays 15 erfasst. Das APD emittiert einen kurzen elektrischen Puls, der dann durch einen elektrischen Signalverstärker verstärkt wird. Eine Komparator-IC erkennt den Puls und sendet ein digitales Signal an den TDC, um den Timer zu stoppen. Der TDC verwendet eine Taktfrequenz, um jede Messung zu kalibrieren. Der TDC sendet die seriellen Daten der Differenzzeit zwischen dem digitalen Start- und Stoppsignal an den Mikrocontroller, der jegliche Fehlerablesungen herausfiltert, mehrere Zeitmessungen mittelt und die Distanz zum Ziel an dieser bestimmten Feldposition berechnet. Durch Emittieren von aufeinanderfolgenden Lichtpulsen in unterschiedlichen Richtungen, geschaffen durch den MEMS-Spiegel, kann ein Bereich gescant, ein dreidimensionales Bild erzeugt werden und Objekte innerhalb des Bereichs können detektiert werden.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Scansystems 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Genauer gesagt, zeigt 2 zusätzliche Merkmale des LIDAR-Scansystems 200, umfassend exemplarische Verarbeitungs- und Steuersystemkomponenten, wie beispielsweise eine MEMS-Treiber-ASIC, eine Empfängerschaltung und eine Systemsteuerung.
Das LIDAR-Scansystem 200 umfasst eine Sendereinheit 21, die für einen Emitterpfad des Systems 200 verantwortlich ist, und eine Empfängereinheit 22, die für einen Empfängerpfad des Systems 200 verantwortlich ist. Das System umfasst auch eine Systemsteuerung 23, die ausgebildet ist, um Komponenten der Sendereinheit 21 und der Empfängereinheit 22 zu steuern und um Rohdaten von der Empfängereinheit 22 zu empfangen und eine Verarbeitung an diesen (z. B. über digitale Signalverarbeitung) auszuführen, um Objektdaten (z. B. Punktwolkendaten) zu erzeugen. Somit umfasst die Systemsteuerung 23 zumindest einen Prozessor und/oder eine Prozessorschaltungsanordnung zur Datenverarbeitung sowie eine Steuerschaltungsanordnung, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, die zum Erzeugen von Steuersignalen ausgebildet ist.
Die Empfängereinheit 22 umfasst das Photodetektor-Array 15 sowie eine Empfängerschaltung 24. Die Empfängerschaltung 24 kann eine oder mehrere Schaltungsanordnungen oder Teilschaltungsanordnungen zum Empfangen und/oder Verarbeiten von Informationen umfassen. Die Empfängerschaltung 24 kann die analogen elektrischen Signale von den APD-Dioden des Photodetektor-Arrays 15 empfangen und die elektrischen Signale als analoge Rohdaten oder digitale Rohdaten an die Systemsteuerung 23 übertragen. Um die Rohdaten als digitale Daten zu übertragen, kann die Empfängerschaltung 24 einen Analog-Digital-Wandler (ADC; analog-to-digital converter) und ein feld-programmierbares Gate-Array (FPGA; field programmable gate array) umfassen. Die Empfängerschaltung 24 kann auch Triggersteuersignale von der Systemsteuerung 23 empfangen, die eine Aktivierung einer oder mehrerer APD-Dioden auslöst. Die Empfängerschaltung 24 kann auch Verstärkungseinstellungs-Steuersignale zum Steuern der Verstärkung von einer oder mehreren APD-Dioden empfangen.
Die Sendereinheit 21 umfasst die Beleuchtungseinheit 10, den MEMS-Spiegel 12 und eine MEMS-Treiber-ASIC 25, die ausgebildet ist, um den MEMS-Spiegel 12 zu treiben. Insbesondere betätigt und erfasst die MEMS-Treiber-ASIC 25 die Rotationsposition des Spiegels und stellt der Systemsteuerung 23 Positionsinformationen (z. B. Grad der Rotation um die Rotationsachse) des Spiegels bereit. Basierend auf diesen Positionsinformationen wird die Laserquelle der Beleuchtungseinheit 10 durch die Systemsteuerung ausgelöst und die Photodioden (z. B. APD-Dioden) werden aktiviert, um ein reflektiertes Lichtsignal zu erfassen und damit zu messen. Somit resultiert eine höhere Genauigkeit bei der Positionserfassung des MEMS-Spiegels in einer genaueren und präziseren Steuerung anderer Komponenten des LIDAR-Systems.
Durch das Erfassen der Rotationsposition des MEMS-Spiegels 12 um seine Rotationsachse 13 kann die MEMS-Treiber-ASIC 25 Nulldurchgangsereignisse des MEMS-Spiegels 12 erfassen. Ein Nulldurchgangsereignis ist ein Fall, wenn der MEMS-Spiegel 12 einen Rotationswinkel von 0° auf seiner Rotationsachse 13 aufweist. Konkret ist es der Moment, in dem der MEMS-Spiegel 12 flach ist. Da der MEMS-Spiegel 12 zwischen zwei Rotationsrichtungen rückwärts und vorwärts oszilliert, tritt während einer Scanperiode zweimal ein Nulldurchgangsereignis auf - einmal, wenn der Spiegel in die erste Rotationsrichtung oszilliert, und einmal, wenn der Spiegel in die zweite Rotationsrichtung oszilliert.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Ereigniszeit einem Nicht-Nulldurchgangsereignis entsprechen. Zum Beispiel kann der erfasste Rotationswinkel ein anderer Winkel als 0° sein. Allerdings werden Beispiele hierin zu Erklärungszwecken im Kontext mit dem Erfassen von Nulldurchgangsereignissen beschrieben.
Die MEMS-Treiber-ASIC 25 ist ausgebildet, um jedes Nulldurchgangsereignis zu detektieren und eine Zeitgebung für jedes Ereignis aufzuzeichnen. Diese Zeitgebungsinformation (d. h. gemessene Nulldurchgangszeit) kann dann von der MEMS-Treiber-ASIC 25 mit einer erwarteten Nulldurchgangszeit für jeden Nulldurchgang verglichen werden, um Asymmetrien in der Bewegung des MEMS-Spiegels 12 in Bezug auf die beiden Rotationsrichtungen zu detektieren. Zum Beispiel kann der Durchgang des Spiegels im Uhrzeigersinn aufgrund der Asymmetrie des Spiegels schneller oder langsamer sein als der Durchgang des Spiegels gegen den Uhrzeigersinn. Die MEMS-Treiber-ASIC 25 kann die Positionsinformation auch an die Systemsteuerung 23 senden, so dass die Systemsteuerung 23 die Positionsinformation verwenden kann, um das Auslösen der Laserpulse der Beleuchtungseinheit 10 und die Aktivierung der Photodioden des Photodetektor-Arrays 15 zu steuern.
Der MEMS-Spiegel 12 umfasst eine Aktuatorstruktur, die zum Treiben des Spiegels verwendet wird. Die Aktuatorstruktur umfasst verzahnte Fingerelektroden aus verzahnten Spiegelkämmen und Rahmenkämmen, an die durch die MEMS-Treiber-ASIC 25 eine Antriebsspannung (z. B. 100 V) angelegt wird. Die an die Fingerstruktur angelegte Antriebsspannung erzeugt eine entsprechende Kapazität. Die Antriebsspannung über die Fingerstruktur erzeugt eine Antriebskraft zwischen den verzahnten Spiegelkämmen und den Rahmenkämmen, die ein Drehmoment auf dem Spiegelkörper um die Rotationsachse erzeugt. Die Antriebsspannung kann ein- und ausgeschaltet oder in einen Ein- und Auszustand umgeschaltet werden, was in einer oszillierenden Antriebskraft resultiert. Die oszillierende Antriebskraft verursacht, dass der Spiegel auf seiner Rotationsachse zwischen zwei Extremen rückwärts und vorwärts oszilliert. Während der Spiegel oszilliert, ändert sich die Kapazität zwischen den Fingerelektroden gemäß der Rotationsposition des Spiegels. Die MEMS-Treiber-ASIC 25 ist ausgebildet, um die Kapazität zwischen den verzahnten Fingerelektroden zu messen und daraus eine Rotationsposition oder Winkelposition des MEMS-Spiegels 12 zu bestimmen. Durch das Überwachen der Kapazität kann die MEMS-Treiber-ASIC 25 die Nulldurchgangsereignisse und eine Zeitgebung derselben detektieren.
Wie im Folgenden näher beschrieben wird, wird die Erfassung der Position des MEMS-Spiegels 12 durch einen Spiegel-Phasenfehlerdetektor ausgeführt, der zum Messen der Kapazität ausgebildet ist. Wenn sich zum Beispiel der MEMS-Spiegel bewegt, ändert sich die Geometrie der Fingerstruktur, was in einer Änderung bei der Geometrie der Kapazität resultiert. Wenn sich die Geometrie der Kapazität ändert, ändert sich auch die Kapazität selbst. Somit entspricht eine spezifische Kapazität direkt einer spezifischen Position (d. h. einem Rotationswinkel) des MEMS-Spiegels. Durch das Erfassen der Kapazität der Fingerstruktur kann eine spezifische Position des MEMS-Spiegels bestimmt werden.
Eine Möglichkeit, die Kapazität zu messen, besteht darin, einen Strom zu messen, der durch die Fingerstruktur fließt, den gemessenen Strom in eine Spannung umzuwandeln und dann die Spannung weiter mit einer Kapazität und/oder einem Rotationswinkel zu korrelieren. Es kann jedoch irgendein Verfahren zum Messen der Kapazität verwendet werden. Eine Rotationsrichtung (z. B. positiv oder negativ, von links nach rechts oder von rechts nach links, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn etc.) wird auch durch ein Messen einer Änderung der Kapazität im Laufe der Zeit detektiert, wobei eine positive oder eine negative Änderung entgegengesetzte Rotationsrichtungen angibt.
Wie vorstehend angemerkt wurde, kann ein Erhöhen der Genauigkeit der Positionserfassung des Spiegels die Gesamtgenauigkeit des LIDAR-Systems verbessern. Zum Beispiel können Genauigkeitsanforderungen es erfordern, dass ein Laser innerhalb von +/-2 Milligrad (d. h. ein Bereich von 4 Milligrad) einer vertikalen Ziellinie geschossen wird, während der Spiegel bei einer Frequenz von beispielsweise 2 kHz oszilliert. Dies übersetzt sich in einen akzeptablen Zeitgebungsfehler oder ein Fehlerbudget von ungefähr 20 Nanosekunden, bei dem der Laser auf den Spiegel abgefeuert werden muss, um einen Abstand von +/-2 Milligrad von der Ziellinie einzuhalten. Daher ist es wichtig, die Position des Spiegels präzise zu erfassen, um diese Anforderung zu erfüllen.
Da der Spiegel bei einer eingestellten Oszillationsfrequenz getrieben wird, kreuzt er zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Nullposition (d. h. 0°), wenn der Spiegel in eine erste Rotationsrichtung (z. B. von links nach rechts oder im Uhrzeigersinn) rotiert. Dasselbe gilt, wenn der Spiegel in eine zweite Rotationsrichtung (z. B. von rechts nach links oder gegen den Uhrzeigersinn) rotiert, wird der Spiegel zu einem bestimmten Zeitpunkt die Nullposition kreuzen. Diese Fälle des Kreuzens der Nullposition können als Nulldurchgangsereignisse bezeichnet werden, die zu Nulldurchgangszeiten auftreten.
Aufgrund von Variabilitäten, die während der Herstellung und durch das Altern des Spiegels eingeführt werden, können jedoch Asymmetrien in dem Spiegel bestehen und sich mit der Zeit ändern. Diese Asymmetrien verursachen zeitliche Unterschiede zwischen der Bewegung in die erste Rotationsrichtung im Vergleich mit der Bewegung in die zweite Rotationsrichtung. Anders ausgedrückt, kann sich die Nulldurchgangszeit in der ersten Rotationsrichtung von der Nulldurchgangszeit in der zweiten Rotationsrichtung unterscheiden. Zusätzlich können ein oder beide Nulldurchgänge von einem erwarteten Nulldurchgang abweichen, der basierend auf der Oszillationsfrequenz berechnet wird.
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer MEMS-Treiber-ASIC gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Die MEMS-Treiber-ASIC 25 umfasst einen analogen Kern 31, einen Phasenfehlerdetektor 32, eine Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33, ein Schleifenfilter 34, einen digital gesteuerten Oszillator (DCO; digitally controlled oscillator) 35 und einen in einer Schleife angeordneten Spiegeltreiber 36. Diese Schleife bildet zusammen mit dem MEMS-Spiegel 12 eine Phasenregelschleife (PLL; phase-locked loop), die der Frequenz des MEMS-Spiegels 12 folgt. Die MEMS-Treiber-ASIC 25 umfasst ferner einen Richtungssignalgenerator 37 und einen Chopping-Signalgenerator 38. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Richtungssignalgenerator 37 und der Chopping-Signalgenerator 38 auch außerhalb der MEMS-Treiber-ASIC 25 bereitgestellt sein können. Die MEMS-Treiber-ASIC 25 ist in elektrischer Kommunikation mit dem MEMS-Spiegel 12 und der Systemsteuerung 23 über elektrische Verbindungen, die zum Übertragen von Signalen zwischen diesen verwendet werden.
Somit implementiert die MEMS-Treiber-ASIC 25 eine analoge Schaltungsanordnung und eine digitale Schaltungsanordnung. Die analoge Schaltungsanordnung (d. h. der analoge Kern 31) umfasst einen oder mehrere Eingänge und Ausgänge, die mit dem MEMS-Spiegel 12 verbunden sind. Zum Beispiel können ein oder mehrere Eingänge des analogen Kerns 31 analoge Signale von dem MEMS-Spiegel 12 bezogen auf die Position und Rotationsrichtung des Spiegels empfangen.
Zusätzlich können ein oder mehrere Ausgänge des analogen Kerns 31 Steuersignale an den MEMS-Spiegel 12 zum Steuern der Oszillation des Spiegels bereitstellen.
Der analoge Kern 31 umfasst eine analoge Schaltungsanordnung, die ausgebildet ist, um die Kapazität der Fingerstruktur des MEMS-Spiegel-Aktuators zu messen, um zeitkritische Ereignisse, wie beispielsweise Nulldurchgänge, mit Hilfe von Komparatoren zu messen. Somit misst die analoge Schaltungsanordnung eine Position des MEMS-Spiegels 12 um eine Rotationsachse und bestimmt Nulldurchgangszeiten in einer ersten Rotationsrichtung und in einer zweiten Rotationsrichtung. Die analoge Schaltungsanordnung ist auch ausgebildet, um Richtungsinformationen DL1L und DL1R bezogen auf die Richtung der Rotation (z. B. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) des MEMS-Spiegels 12 zu erzeugen. Die verbleibende digitale Schaltungsanordnung implementiert die Intelligenz des Chips (Steuerung des Spiegels, Laserpulsauslösung, Photodiodenaktivierungsauslösung etc.). Dieser Ansatz ermöglicht digitale Signalverarbeitungslösungen, um systematische und unsystematische Fehlerquellen zu detektieren, die dann kompensiert werden können.
Der analoge Kern 31 ist ausgebildet, um gemessene Nulldurchgangszeiten ZCmeas des MEMS-Spiegels 12 zu erzeugen und auszugeben, empfangen von dem Phasenfehlerdetektor 32. Der analoge Kern 31 ist ferner ausgebildet, um Richtungsinformationen DLIL und DL1R bezogen auf die Richtung der Rotation (z. B. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) des MEMS-Spiegels 12 an den Richtungssignalgenerator 37 bereitzustellen, der ausgebildet ist, um ein Richtungssignal d(n) (z. B. +1 oder -1) basierend auf den Richtungsinformationen DLIL und DL1R zu erzeugen.
Der Phasenfehlerdetektor 32 ist ausgebildet, um die gemessenen Nulldurchgangszeiten ZCmeas von dem analogen Kern 31 und Referenz-Nulldurchgangszeiten ZCref von dem Spiegeltreiber 36 zu empfangen. Die Referenz-Nulldurchgangszeiten ZCref sind erwartete Nulldurchgangszeiten des MEMS-Spiegels 12 basierend auf der Oszillationsfrequenz des Spiegels. Die Referenz-Nulldurchgangszeiten ZCref werden von dem Spiegeltreiber 36 (d. h. von der PLL) erzeugt.
Der Phasenfehlerdetektor 32 umfasst eine Komparator-Schaltungsanordnung, die ausgebildet ist, um die gemessenen (tatsächlichen) Nulldurchgangszeiten ZCmeas und die Referenz-Nulldurchgangszeiten ZCref zu vergleichen und eine Differenz zwischen diesen auszugeben.
Somit ist der Phasenfehlerdetektor ausgebildet, um den gemessenen Nulldurchgangszeitpunkt mit einem erwarteten Nulldurchgangszeitpunkt zu vergleichen und ein Fehlersignal p(n) zu erzeugen, das für die Differenz zwischen dem gemessenen Nulldurchgangszeitpunkt und dem erwarteten Nulldurchgangszeitpunkt repräsentativ ist. Mit anderen Worten, das Phasenfehlersignal p(n) repräsentiert den Phasenfehler zwischen den gemessenen Nulldurchgangszeiten ZCmeas und den Referenz-Nulldurchgangszeiten ZCref. Das Phasenfehlersignal p(n) wird für jeden Nulldurchgang des MEMS-Spiegels 12 aktiv ausgegeben.
Zum Beispiel wird das Phasenfehlersignal p(n) Null sein, wenn die gemessene Nulldurchgangszeit und die erwartete Nulldurchgangszeit gleich sind. Andernfalls wird das Phasenfehlersignal ein Wert ungleich Null sein, der der Differenz zwischen der gemessenen Nulldurchgangszeit und der erwarteten Nulldurchgangszeit entspricht.
Zusätzlich wird für beide Rotationsrichtungen des Spiegels das Phasenfehlersignal p(n) erzeugt. Zum Beispiel kann für den Fall, dass eine Asymmetrie besteht, der Phasenfehlerdetektor 32 ein Phasenfehlersignal p(n) erzeugen, das einen Wert von +3 aufweist, entsprechend einer ersten Rotationsrichtung, und kann ein Phasenfehlersignal p(n) erzeugen, das einen Wert von -3 aufweist, entsprechend einer zweiten Rotationsrichtung. Solange die Werte für die beiden Rotationsrichtungen nicht gleich sind, besteht Asymmetrie.
Jeder Durchlauf des MEMS-Spiegels (d. h. von links nach rechts oder von rechts nach links) erzeugt einen Wert für das Phasenfehlersignal p(n). Insbesondere wird jedes Mal, wenn der MEMS-Spiegel 12 an dem Nulldurchgang vorbei rotiert, ein Zeitpunkt des Nulldurchgangs gemessen und darauf basierend ein Phasenfehlersignal p(n) im Vergleich mit der erwarteten Nulldurchgangszeit erzeugt. Somit repräsentiert das PLL-Fehlerspektrum den Ausgang des Phasendetektors im Laufe der Zeit (d. h. das Phasenfehlersignal im Laufe der Zeit).
Zum Beispiel kann das Phasenfehlersignal p(n) repräsentiert werden, wie in 4 gezeigt, als ein PLL-Fehlerspektrum (Fourier-Transformation) der verglichenen Nulldurchgangszeiten (d. h. gemessene Nulldurchgangszeit vs. erwartete Nulldurchgangszeit).
Die Nulldurchgangszeit in der ersten Rotationsrichtung kann sich von der Nulldurchgangszeit in der zweiten Rotationsrichtung unterscheiden. Somit kann sich das Phasenfehlersignal p(n) für eine Nulldurchgangszeit in der ersten Rotationsrichtung von dem Phasenfehlersignal p(n) für eine Nulldurchgangszeit in der zweiten Rotationsrichtung unterscheiden. Diese Asymmetrie bei den Nulldurchgangszeiten resultiert in einer periodischen Jitterkomponente 41 in dem PLL-Fehlerspektrum. Aufgrund dieser Asymmetrie bei den Nulldurchgangszeiten kann zumindest ein Abschnitt des Fehlerbudgets, benötigt zum Einhalten der Genauigkeitsanforderungen, verbraucht werden. Daher ist es gewünscht, diesen Fehler aus dem Ausgang des Phasenfehlerdetektors 32 zu entfernen, so dass der Fehler nicht in die Positionsinformation des MEMS-Spiegels 12 eingeführt wird.
Zusätzlich ist das Chopping eine Technik, die zur Kompensation des analogen Offsets von Operationsverstärkern, die in dem analogen Kern 31 des LIDAR-Systems verwendet werden, verwendet wird. Der Chopping-Signalgenerator 38 erzeugt ein Chopping-Signal g(n) (z. B. +1 oder -1). Dieses Chopping-Signal kann jedoch auch periodische Fehler in das von dem Phasenfehlerdetektor erzeugte PLL-Fehlerspektrum einführen. Diese in 4 gezeigten periodischen Jitterkomponenten 42, die auch als Choppingfehler bezeichnet werden, sollten auch aus dem Ausgang des Phasenfehlerdetektors 32 entfernt werden, um die Genauigkeit der Positionsinformation des MEMS-Spiegels 12 zu verbessern.
Sowohl die durch die Asymmetrie des Spiegels als auch die durch das Choppen verursachten Fehler werden periodisch als periodischer Jitter in das PLL-Fehlerspektrum eingeführt. In 4 sind diese Jitterkomponenten 41 und 42 als abnormale Spitzen in dem PLL-Fehlerspektrum des Phasenfehlersignals p(n) gezeigt.
Die Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33 ist ausgebildet, um das Phasenfehlersignal p(n) von dem Phasenfehlerdetektor 32 zu empfangen, die periodischen Jitterkomponenten 41 und 42 zu detektieren, die periodischen Jitterkomponenten 41 und 42 aus dem Phasenfehlersignal p(n) zu entfernen, um ein kompensiertes Phasenfehlersignal pcorr(n) zu erzeugen. Die Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33 empfing auch das Richtungssignal d(n) von dem Richtungssignalgenerator 37 und das Chopping-Signal g(n) von dem Chopping-Signalgenerator 38.
Das kompensierte Phasenfehlersignal pcorr(n) ist in 5 als ein kompensiertes PLL-Fehlerspektrum ohne die periodischen Jitterkomponenten 41 und 42 gezeigt. Dies reduziert den Jitter der PLL effektiv, was eine höhere Präzision beim Erfassen und Steuern des MEMS-Spiegels 12 sowie eine höhere Präzision beim Steuern der Beleuchtungseinheit 10 ermöglicht. Insbesondere ermöglicht das Entfernen der periodischen Jitterkomponenten 41 und 42 aus dem Phasenfehlersignal p(n) eine genauere Spiegelpositionssignalisierung (d. h. Spiegelpositionsinformation), was ein genaueres Laserschießen und eine genauere Steuerung des Spiegels ermöglicht. Zusätzlich können Lebensdauer-Verhaltensvorhersagen des MEMS-Spiegels 12 basierend auf der Analyse der periodischen Jitterkomponenten 41, die durch die Asymmetrie des MEMS-Spiegels 12 verursacht werden, erstellt werden.
Die Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33 umfasst eine DSP-Struktur aus Schaltungsanordnungslogik (z. B. Addierer, Subtraktoren, Multiplikatoren, Integratoren, Teiler und dergleichen), gekoppelt, um eine Signalverarbeitungskette zu bilden, die zum Detektieren und Kompensieren periodischer Jitterkomponenten ausgebildet ist. Insbesondere ist die DSP-Struktur ausgebildet, um die beiden prominenten Fehlerquellen der Spiegelasymmetrie und des durch Chopping induzierten periodischen Jitters zu messen und zu kompensieren.
6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Kompensationsschaltung für einen periodischen Jitter der Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Die periodische Jitter-Kompensationsschaltung, wie gezeigt, ist eine mögliche DSP-Struktur. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die DSP-Struktur nicht auf die dargestellte Schaltung beschränkt ist und dass andere Schaltungskonfigurationen möglich sind.
Das Konzept der DSP-Struktur, das in 6 gezeigt ist, kann durch ein System von Differenzgleichungen (1) beschrieben werden. ${\begin{matrix} p c o r r (n) = p (n) - \frac{a e r r (n - 1) \cdot d (n)}{K 2} - \frac{p e r r (n - 1) \cdot g (n)}{K 1} \\ a e r r (n) = a e r r (n - 1) + p c o r r (n) \cdot d (n) \\ p e r r (n) = p e r r (n - 1) + p c o r r (n) \cdot g (n) \end{matrix}$
Hier ist K1 ein Faktor, der mit der Frequenz von d(n) korreliert und K2 ist ein Faktor, der mit der Frequenz von g(n) korreliert. Zusätzlich repräsentiert (n) den aktuellen Nulldurchgang und (n-1) repräsentiert einen vorherigen Nulldurchgang (d. h. den letzten Nulldurchgang vor dem aktuellen Nulldurchgang).
Das System weist drei Eingangssignale auf: das Phasenfehlersignal p(n), das Chopping-Signal g (n) und das Richtungssignal d(n). Das Signal g(n) ist das Chopping-Signal, das ein periodisches Signal mit einer ausbildbaren Periode ist, und das ein Vielfaches der Spiegeloszillationsperiode ist. Das Richtungssignal d(n) ist ein Spiegelrichtungssignal, das ein periodisches Signal mit einer Periode ist, die der Spiegeloszillationsperiode entspricht. Das Richtungssignal d (n) repräsentiert Informationen über die Bewegungsrichtung des Spiegels (d. h. ob sich der Spiegel von links nach rechts oder umgekehrt bewegt).
Das System umfasst ferner drei Ausgangssignale: ein periodisches Fehlersignal perr(n)ein Asymmetriefehlersignal aerr(n) und das kompensierte Phasenfehlersignal pcorr(n). Das periodische Fehlersignal perr (n) umfasst die extrahierten periodischen Jitterkomponenten 42, die durch die Chopping-Technik verursacht werden, während das Asymmetriefehlersignal aerr(n) die extrahierten periodischen Jitterkomponenten 41 umfasst, die durch die Spiegelasymmetrie verursacht werden.
Mit anderen Worten, das Detektieren und Kompensieren der periodischen Jitterkomponenten des Phasenfehlersignals p(n) erfolgt durch eine Integration des Phasenfehlersignals p(n), das zuvor mit +1/-1 multipliziert wurde, abhängig von den Links-/Rechts-Richtungsinformationen d(n) oder Chopping-Informationen g(n). Das integrierte Signal wird durch einen Faktor N/K dividiert, erneut mit der Links-/Rechts- oder Chopping-Information multipliziert und schließlich zu dem Phasenfehlersignal p(n) addiert. Hier ist N eine ganze Zahl und K ist entweder K1 oder K2. Folglich kann das korrigierte Fehlersignal pcorr(n) sowie der Wert der periodischen Jitterkomponenten (d. h. des periodischen Fehlersignals perr(n) und des Asymmetriefehlersignals aerr(n)) des Fehlersignals erhalten werden.
Wie in 6 gezeigt, wird das Phasenfehlersignal p(n) in einen Addierer (oder Subtraktor) 60 eingegeben, der ein Rückkopplungsfehlersignal fb(n) von demselben subtrahiert. Das resultierende Signal ist ein korrigiertes Phasendetektorsignal pcorr(n), das dann über zwei unterschiedliche Signalwege zugeführt wird. Ein erster (oberer) Signalweg erzeugt ein periodisches Fehlersignal perr(n)/N, das für die von dem Chopper eingeführten periodischen Jitterkomponenten 42 repräsentativ ist. Der zweite (untere) Signalweg erzeugt ein Asymmetriefehlersignal aerr(n)/K, das repräsentativ ist für den Fehler, der aufgrund der Asymmetrie (d. h. der Differenz) zwischen den Nulldurchgangszeiten der ersten und zweiten Richtung eingeleitet wurde. Das Asymmetriefehlersignal aerr(n)/K, wie vorstehend angemerkt, ist ebenfalls periodisch.
Der erste (obere) Signalweg berücksichtigt auch das Chopping-Signal g(n), repräsentiert durch +1 oder -1, das zur Kompensation von Operationsverstärkern in der analogen Schaltungsanordnung des LIDAR-Systems verwendet wird. Somit wird ein Chopping-Signal g(n) von der Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33 empfangen und wie im ersten Signalweg gezeigt genutzt. Somit ändert sich das periodische Fehlersignal perr(n)/N (z. B. multipliziert mit +/-1) entsprechend dem Chopping-Signal g(n) über den Multiplikator 61. Das Signal wird durch den Addierer 62 zu seinem von dem Integrator 63 erzeugten integrierten Wert addiert, gefolgt von einer Division durch einen Divisor 64, der durch einen Wert von K1 dividiert. Der Ausgang des Divisors 64 ist das periodische Fehlersignal perr(n)/N, das von der Systemsteuerung 23 verwendet werden kann, um die Zeitgebung des Lasers und die Aktivierung von APD-Pixeln zu steuern. Ein Multiplikator 65 kehrt jegliche Umkehrung des Signals um, die zuvor durch den Multiplikator 61 verursacht wurde.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Phasenfehlersignal p(n) mit dem Chopper-Signal g(n) kombiniert, mit seinem integrierten Signal summiert und durch einen Faktor K1 dividiert wird.
Der zweite (untere) Signalweg berücksichtigt die Rotationsrichtung des Spiegels (z. B. Rotieren nach links oder rechts), repräsentiert durch +1 oder -1. Somit wird ein Richtungssignal d(n) von der Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33 empfangen und wie in dem zweiten Signalweg gezeigt genutzt. Somit ändert sich das Asymmetriefehlersignal aerr(n)/K (z. B. multipliziert mit +/-1) entsprechend dem Richtungssignal d(n) über den Multiplikator 71. Das Signal wird durch den Addierer 72 zu seinem von dem Integrator 73 erzeugten integrierten Wert addiert, gefolgt von einer Division durch einen Divisor 74, der durch einen Wert von K2 dividiert. Der Ausgang des Divisors 74 ist das Asymmetriefehlersignal aerr(n)/K, das von der Systemsteuerung 23 verwendet werden kann, um die Zeitgebung des Lasers und die Aktivierungszeit von APD-Pixeln zu steuern und/oder um ein Altern des MEMS-Spiegels 12 zu detektieren. Ein Multiplikator 75 kehrt jegliche Umkehrung des Signals um, die zuvor durch den Multiplikator 71 verursacht wurde.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Phasenfehlersignal p(n) mit dem Richtungssignal d(n) kombiniert, mit seinem integrierten Signal summiert und durch einen Faktor K2 dividiert wird.
Ein Addierer 76 empfängt die Ausgänge des ersten Signalwegs und des zweiten Signalwegs und erzeugt das Rückkopplungsfehlersignal fb(n). Insbesondere erzeugt die Fehlerdetektions- und - kompensationseinheit 33 das Rückkopplungsfehlersignal fb(n), das sich aus einer Summierung des periodischen Fehlersignals perr(n)/N und des Asymmetriefehlersignals aerr(n)/K ableitet, und subtrahiert dann das Rückkopplungsfehlersignal fb(n) von dem Phasenfehlersignal p(n), um ein korrigiertes Phasendetektorsignal pcorr(n) zu erzeugen. Die Subtraktion des Rückkopplungsfehlersignal fb(n) von dem Phasenfehlersignal p(n) entfernt die periodischen Jitter-Fehlerkomponenten 41 und 42 aus dem Phasenfehlersignal p(n), so dass diese Fehler nicht mehr in der Positionsinformation des MEMS-Spiegels 12 umfasst sind. Somit sind die Fehler nicht mehr vorhanden, um sich auf die Steuerung des MEMS-Spiegels und die Zeitgebung der Laserpulse auszuwirken, was zu einer genaueren Steuerung beider Komponenten führt.
Insbesondere wird das korrigierte Phasendetektorsignal pcorr(n) verwendet, um das Signal f_DCO des DCO 35 abzuleiten, und bildet eine Basis für die von dem Spiegeltreiber 36 erzeugte SpiegelPositionsinformation. Insbesondere gibt die Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33 das korrigierte Phasendetektorsignal pcorr(n) an das Schleifenfilter 34 aus, das entweder eine proportional-integrale (PI; proportional-integral) oder proportional-integrale Ableitungs- (PID; proportional-integral-derivative) Steuerung implementiert, um den DCO 35 zu erhöhen, um die Phase des DCO 35 anzupassen. Da die periodischen Jitterkomponenten 41 und 42 in dem korrigierten Phasendetektorsignal pcorr(n) nicht vorhanden sind, wird die Phase des Signals f_DCO des DCO 35 von diesen Jitterkomponenten nicht beeinflusst und entspricht genauer der Phase des MEMS-Spiegels 12. Das DCO 35 stellt dem Spiegeltreiber 36 das Signal f_DCO bereit.
Der Spiegeltreiber 36 ist ein Spiegel-Scheduler, der eine Teil-Zeitgebung des MEMS-Spiegels 12 basierend auf dem Signal f_DCO bestimmt. Somit umfasst der Spiegeltreiber 36 zumindest einen Prozessor zum Ausführen von Zeitgebungs-Analyse und -Planung. Basierend auf der Teil-Zeitgebung ist der Spiegeltreiber 36 ausgebildet, um eine Antriebsspannung HV als ein Steuersignal zu erzeugen, um die Oszillation des MEMS-Spiegels 12 zu steuern. Genauer gesagt, wird die Antriebsspannung HV (z. B. 100 V) in einen Ein- und Auszustand umgeschaltet und an die Aktuatorstruktur des MEMS-Spiegels 12 angelegt, wie vorstehend beschrieben. Der Spiegeltreiber 36 ist nicht nur ausgebildet, um die Antriebsspannung HV ein- und auszuschalten, sondern kann auch die Spannung auf irgendeinen Pegel treiben (z. B. voll ein, halb-voll aus etc.).
Der Spiegeltreiber 36 bestimmt die Spiegelpositionsinformation basierend auf dem Signal f_DCO und gibt die Spiegelpositionsinformation an die Systemsteuerung 23 aus. Die Spiegelpositionsinformation gibt aktiv eine Position des MEMS-Spiegels 12 an. Die Systemsteuerung 23 kann die Spiegelpositionsinformation verwenden, um den Zeitpunkt der Laserpulse der Beleuchtungseinheit 10 zu steuern. Die Spiegelpositionsinformation kann auch verwendet werden, um den Aktivierungszeitpunkt der Dioden des Photodetektor-Arrays 15 zu steuern.
Der Spiegeltreiber 36 kann auch die erwarteten Nulldurchgangszeiten ZCref basierend auf der Spiegelpositionsinformation bestimmen.
Wie in 3 gezeigt, empfängt die Systemsteuerung 23 auch zwei der Ausgangssignale (d. h. das periodische Fehlersignal perr(n) und das Asymmetriefehlersignal aerr(n)) von der Fehlerdetektions- und -kompensationseinheit 33. Die Systemsteuerung 23 kann eines oder beide der Ausgangssignale verwenden, um die Laserpulszeitgebung und die Aktivierungszeitgebung der Photodiode zu steuern. Die Systemsteuerung 23 kann auch verwendet werden, um den Spiegeltreiber 36 mit bestimmten Parametern auszubilden (z. B. beim Starten).
Zusätzlich kann die Systemsteuerung 23 das Asymmetriefehlersignal aerr(n) verwenden, um einen Ausfall oder Bruch des MEMS-Spiegels 12 vorherzusagen. Das Asymmetriefehlersignal aerr(n) repräsentiert die Asymmetrie (d. h. die Differenz) zwischen den Nulldurchgangszeiten der ersten und der zweiten Rotationsrichtung. Wie vorstehend angemerkt wurde, kann sich die Asymmetrie des MEMS-Spiegels im Laufe der Zeit durch Alterung verschlechtern, bis die Asymmetrie einen kritischen Punkt erreicht und bricht. Somit kann sich der Wert des Asymmetriefehlersignals aerr (n) im Laufe der Zeit aufgrund dieses Alterungseffekts ändern, wie in 7 gezeigt ist.
Insbesondere zeigt 7 einen Graphen einer sich ändernden Asymmetrie des MEMS-Spiegels 12 im Laufe der Zeit (min). Wenn der MEMS-Spiegel 12 altert, steigt die Asymmetrie an. Das Auftreten eines Bruchpunktes des MEMS-Spiegels oder seiner Federblätter an einem oder um einen bestimmten Asymmetriewert kann bekannt sein. Somit können Lebensdauerverhaltensvorhersagen des Spiegels, umfassend eine Bruchstelle oder eine kritische Phase des MEMS-Spiegels, erstellt werden, basierend auf dem Asymmetriefehlersignal aerr(n).
Zum Beispiel kann die Systemsteuerung 23 ausgebildet sein, um den Wert des Asymmetriefehlersignals aerr(n) zu überwachen, um sicherzustellen, dass der MEMS-Spiegel in einem bestimmten Betriebszustand ist. Wenn das Asymmetriefehlersignal aerr(n) eine kritische Schwelle kreuzt, die vor der Bruchstelle des Spiegels eingestellt ist, kann die Systemsteuerung 23 eine Warnung ausgeben, die angibt, dass der MEMS-Spiegel in eine kritische Phase eingetreten ist, in der der MEMS-Spiegel in naher Zukunft brechen kann. Diese Warnung kann einem Benutzer angeben, dass der MEMS-Spiegel im Rahmen der vorbeugenden Wartung repariert oder ausgetauscht werden muss.
Insbesondere kann die Systemsteuerung den Wert des Asymmetriefehlers aerr (n) mit einem oder mehreren Schwellenwerten (z. B. +/- kritischer Wert) vergleichen, die eingestellt sind an einem Punkt nahe, aber vor dem Ausfall des Spiegels. Zum Beispiel kann ein negativer kritischer Wert für die Bedingung eingestellt werden, dass die Nulldurchgangszeit in der ersten Rotationsrichtung schneller ist, und ein positiver kritischer Wert kann für die Bedingung eingestellt werden, dass die Nulldurchgangszeit in der zweiten Rotationsrichtung schneller ist. Bei diesem Beispiel können die kritischen Schwellenwerte auf +/-30 eingestellt werden. Zwischen den beiden Schwellenwerten kann man sagen, dass der MEMS-Spiegel innerhalb des angegebenen Normalbetriebszustandes arbeitet.
Außerhalb der Schwellenwerte kann man jedoch sagen, dass der MEMS-Spiegel nicht mehr in dem angegebenen Zustand arbeitet. Somit kann es sein, dass der MEMS-Spiegel nicht mehr den Sicherheitsanforderungen entspricht oder kurz davor steht zu brechen. Auf diese Weise kann die Systemsteuerung ausgebildet werden, um zu bestimmen, dass das Asymmetriefehlersignal aerr(n) einen der Schwellenwerte erreicht oder überschreitet und einen Benutzer des LIDAR-Systems durch einen Indikator oder einen Alarm darüber benachrichtigt, dass der MEMS-Spiegel repariert oder ersetzt werden muss.
Im Hinblick auf das vorstehend Genannte können Verbesserungen an den derzeitigen LIDAR-Systemen einen oder mehrere der folgenden Punkte umfassen.
Die zeitlichen Unterschiede der Nulldurchgangsereignisse des Spiegels von der linken Seite und der rechten Seite (z. B. +/- 50 ns, was +/- 10 m° Winkelfehler bei 2200 Hz Resonanzfrequenz und 15° Amplitude gleicht) können richtig kompensiert werden.
Das korrigierte Fehlersignal kann zur Steuerung des Spiegels verwendet werden. Da die periodischen Jitterfehler aufgehoben werden, kann eine bessere Funktionalität der Regelschleife erreicht werden.
Eine System-ASIC kann das Asymmetriesignal verwenden, um die perfekt angepasste (kompensierte) Schusszeit der Laserpulse zu bestimmen.
Da das korrigierte Fehlersignal zur Überwachung möglicher Positionsfehler des Spiegels verwendet wird, können engere Grenzen verwendet werden, da die periodischen Abschnitte des Fehlersignals einen wesentlichen Abschnitt des Gesamtfehlersignals ausmachen. Dies ermöglicht die Detektion von Positionsfehlern des Spiegels mit höherer Präzision. Ferner können die periodischen Jitterkomponenten des Fehlersignals zur Überwachung verwendet werden, z. B. von Offsetdrift von Schaltungen und einer Alterung des Spiegels.
Die Kenntnis der Entwicklung der Asymmetrie eines Spiegels kann entscheidende Analysen (z. B. Alterung) ermöglichen, ohne dass man die tatsächliche Resonanzfrequenz des Spiegels kennen muss.
Die DSP-Implementierung des Konzepts ist flächen- und leistungseffizient. Es erfordert einen 4-Bit-Zähler zur Produktion des Chopping-Signals, zwei 16-Bit-Speicherelemente zur Speicherung des Asymmetriefehlersignals und des periodischen Fehlersignals, vier volle 16-Bit-Addierer/Subtraktoren und vier 16-Bit-Multiplexer. Da die periodische Jitterkompensationsschaltung nur an dem Nulldurchgang arbeitet, ist ein effizientes Clock-Gating von Speicherelementen möglich. Der Rest der Logik ist kombinierbarer Natur und wird seinen Zustand nur dann ändern, wenn sich irgendeines der Eingangssignale ändert (einmal pro Spiegel-Nulldurchgang) und daher für den Rest der Halb-Spiegelperiode keine Leistung verbraucht.
Zusätzlich können die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele temperaturunabhängig implementiert werden.
Obwohl sich die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele auf ein MEMS-Bauelement mit einem Spiegel beziehen, soll darauf hingewiesen werden, dass andere Implementierungen auch andere optische Bauelemente als MEMS-Spiegel-Bauelemente umfassen können. Zusätzlich, obwohl einige Aspekte in dem Kontext mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder ein Bauelement einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu repräsentieren Aspekte, die im Kontext mit einem Verfahrensschritt beschrieben sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Gegenstands oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardwarevorrichtung durchgeführt werden, wie z. B. eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung. Bei einigen Ausführungsbeispielen können ein einzelner oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung durchgeführt werden.
Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen können hierin bereitgestellte Ausführungsbeispiele in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums ausgeführt werden, z. B. einer Diskette, DVD, einer Blue-Ray, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers mit elektronisch lesbaren Steuerungssignalen, die darauf gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenarbeiten (oder in der Lage sind, damit zusammenzuarbeiten), dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Daher kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Anweisungen können durch einen oder mehrere Prozessoren durchgeführt werden, wie beispielsweise eine oder mehrere zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU; central processing units), digitale Signalprozessoren (DSPs; digital signal processors), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbare Logik-Arrays (FPGAs) oder eine andere äquivalente integrierte oder diskrete logische Schaltungsanordnungen. Dementsprechend bezieht sich der Ausdruck „Prozessor“, wie hierin verwendet, auf irgendeine der vorangehenden Strukturen oder irgendeine andere Struktur, die für eine Implementierung der hierin beschriebenen Techniken geeignet ist. Zusätzlich kann bei einigen Aspekten die hierin beschriebene Funktionalität innerhalb dedizierter Hardware- und/oder Software-Module bereitgestellt sein. Auch könnten die Techniken vollständig in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen implementiert sein.
Die vorstehend beschriebenen, exemplarischen Ausführungsbeispiele sind ausschließlich darstellend. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Es ist daher die Absicht, dass diese nur durch den Schutzbereich der anhängigen Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details eingeschränkt sind, die durch die Beschreibung und Erklärung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert werden.

Claims

Ein System (200), umfassend: eine oszillierende Struktur (12) eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse (13) zu oszillieren; einen Phasenfehlerdetektor (32), der ausgebildet ist, um ein Phasenfehlersignal zu erzeugen, basierend auf gemessenen Ereigniszeiten und erwarteten Ereigniszeiten der oszillierenden MEMS-Struktur (12), die um die Rotationsachse (13) oszilliert; und eine Kompensationsschaltung (33), die ausgebildet ist, um das Phasenfehlersignal zu empfangen, periodische Jitterkomponenten (41; 42) im Phasenfehlersignal zu entfernen, um ein kompensiertes Phasenfehlersignal zu erzeugen und das kompensierte Phasenfehlersignal auszugeben.
Das System (200) gemäß Anspruch 1, wobei die Kompensationsschaltung (33) ausgebildet ist, um erste periodische Jitterkomponenten (41) in dem Phasenfehlersignal zu detektieren, die aus einer mechanischen Asymmetrie der oszillierenden MEMS-Struktur (12) resultieren, die detektierten ersten periodischen Jitterkomponenten (41) aus dem Phasenfehlersignal zu extrahieren und ein Asymmetriefehlersignal basierend auf den extrahierten ersten periodischen Jitterkomponenten zu erzeugen.
Das System (200) gemäß Anspruch 2, ferner umfassend: eine Asymmetrieüberwachungsschaltung (23), die ausgebildet ist, um das Asymmetriefehlersignal von der Kompensationsschaltung (33) zu empfangen, einen Wert des Asymmetriefehlersignals mit einem Schwellenwert zu vergleichen und ein Ausfallvorhersagesignal unter einer Bedingung zu erzeugen, dass der Wert des Asymmetriefehlersignals den Schwellenwert überschreitet, wobei das Ausfallvorhersagesignal eine Ausfallvorhersage der oszillierenden MEMS-Struktur (12) angibt.
Das System (200) gemäß Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend: eine Beleuchtungsanordnung (10), die ausgebildet ist, um gepulstes Licht an der oszillierenden MEMS-Struktur (12) zu übertragen; und eine Steuerung (23), die ausgebildet ist, um ein Asymmetriefehlersignal von der Kompensationsschaltung (33) zu empfangen und ein Auslösen des gepulsten Lichts basierend auf dem Asymmetriefehlersignal zu steuern.
Das System (200) gemäß einem der Ansprüche 2-4, wobei die Kompensationsschaltung (33) ausgebildet ist, um zweite periodische Jitterkomponenten (42) in dem Phasenfehlersignal zu erkennen, die aus einer Eingangs-Offsetspannungskompensation resultieren, die durch Chopping ausgeführt wird, die erkannten zweiten periodischen Jitterkomponenten (42) aus dem Phasenfehlersignal zu extrahieren und ein Choppingfehlersignal basierend auf den extrahierten zweiten periodischen Jitterkomponenten (42) zu erzeugen.
Das System (200) gemäß Anspruch 5, wobei die Kompensationsschaltung (33) ausgebildet ist, um das kompensierte Phasenfehlersignal basierend auf dem Phasenfehlersignal, das einer aktuell gemessenen Ereigniszeit entspricht, dem Asymmetriefehlersignal, das einer vorher gemessenen Ereigniszeit entspricht, und dem Choppingfehlersignal, das der vorher gemessenen Ereigniszeit entspricht, zu erzeugen.
Das System (200) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die periodischen Jitterkomponenten (41; 42) periodische Asymmetriefehler umfassen und die Kompensationsschaltung (33) ausgebildet ist, um die periodischen Asymmetriefehler aus dem Phasenfehlersignal zu entfernen, um das kompensierte Phasenfehlersignal zu erzeugen.
Das System (200) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die periodischen Jitterkomponenten (41; 42) periodische Choppingfehler umfassen und die Kompensationsschaltung ausgebildet ist, um die periodischen Choppingfehler aus dem Phasenfehlersignal zu entfernen, um das kompensierte Phasenfehlersignal zu erzeugen.
Das System (200) gemäß einem der Ansprüche 4-8, wobei die Kompensationsschaltung (33) ausgebildet ist, um die periodischen Choppingfehler in dem Phasenfehlersignal zu erkennen, die erkannten periodischen Choppingfehler aus dem Phasenfehlersignal zu extrahieren und ein periodisches Fehlersignal basierend auf den extrahierten periodischen Choppingfehlern zu erzeugen.
Das System (200) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die gemessenen Ereigniszeiten gemessene Nulldurchgangszeiten sind, bei denen ein Rotationswinkel der oszillierenden MEMS-Struktur 0° ist, wenn die oszillierende MEMS-Struktur (12) um die Rotationsachse (13) oszilliert, und die erwarteten Ereigniszeiten erwartete Nulldurchgangszeiten sind, bei denen erwartet wird, dass der Rotationswinkel der oszillierenden MEMS-Struktur (12) 0° ist.
Das System (200) gemäß Anspruch 10, wobei der Phasenfehlerdetektor (32) ausgebildet ist, um zeitliche Differenzen zwischen den gemessenen Nulldurchgangszeiten und den erwarteten Nulldurchgangszeiten zu bestimmen, wobei für jede der gemessenen Nulldurchgangszeiten und eine entsprechende eine der erwarteten Nulldurchgangszeiten eine zeitliche Differenz bestimmt wird, und das Phasenfehlersignal zu erzeugen, das für die bestimmten zeitlichen Differenzen repräsentativ ist.
Das System (200) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine analoge Schaltungsanordnung (31), die ausgebildet ist, um einen Rotationswinkel der oszillierenden MEMS-Struktur (12) um die Rotationsachse (13) zu messen und die gemessenen Ereigniszeiten basierend auf dem gemessenen Rotationswinkel zu bestimmen.
Das System (200) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein Phasenregelschleifen- (PLL) Schleifenfilter (34), wobei die oszillierende MEMS-Struktur (12), der Phasenfehlerdetektor (32) und die Kompensationsschaltung (33) in einem Regelkreis der PLL angeordnet sind, und das PLL-Schleifenfilter (34) ausgebildet ist, um das kompensierte Phasenfehlersignal von der Kompensationsschaltung (33) zu empfangen.
Das System (200) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Beleuchtungsanordnung (10), die ausgebildet ist, um gepulstes Licht zu übertragen; ein Photodetektor-Array (15), das ausgebildet ist, um empfangenes Licht zu detektieren und elektrische Signale basierend auf dem empfangenen Licht zu erzeugen; einen Treiber (25), der ausgebildet ist, um die oszillierende MEMS-Struktur (12) um die Rotationsachse (13) zu treiben; und eine Steuerung (23), die ausgebildet ist, um das kompensierte Phasenfehlersignal zu empfangen und zumindest eines von der Beleuchtungsanordnung (10), dem Photodetektor-Array (15) und dem Treiber (25) basierend auf dem kompensierten Phasenfehlersignal zu steuern.
Das System (200) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Beleuchtungsanordnung (10), die ausgebildet ist, um Licht an der oszillierenden MEMS-Struktur (12) zu übertragen; und eine Steuerung (23), die ausgebildet ist, um das kompensierte Phasenfehlersignal zu empfangen und ein Auslösen des Lichts basierend auf dem kompensierten Phasenfehlersignal zu steuern.
Ein Verfahren zum Kompensieren von Fehlern, umfassend: Treiben einer oszillierenden Struktur (12) eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse (13) zu oszillieren; Erzeugen eines Phasenfehlersignals basierend auf gemessenen Ereigniszeiten und erwarteten Ereigniszeiten der oszillierenden MEMS-Struktur (12), die um die Rotationsachse (13) oszilliert, wobei das Phasenfehlersignal periodische Jitterkomponenten umfasst; Erzeugen eines kompensierten Phasenfehlersignals durch Entfernen der periodischen Jitterkomponenten aus dem Phasenfehlersignal; und Ausgeben des kompensierten Phasenfehlersignals.
Das Verfahren gemäß Anspruch 16, ferner umfassend: Erzeugen eines Asymmetriefehlersignals durch Erkennen erster periodischer Jitterkomponenten (41) im Phasenfehlersignal, die aus einer mechanischen Asymmetrie der oszillierenden MEMS-Struktur (12) resultieren, Extrahieren der erkannten ersten periodischen Jitterkomponenten (41) aus dem Phasenfehlersignal und Erzeugen des Asymmetriefehlersignals basierend auf den extrahierten ersten periodischen Jitterkomponenten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, ferner umfassend: Vergleichen eines Wertes des Asymmetriefehlersignals mit einem Schwellenwert; und Erzeugen eines Ausfallvorhersagesignals unter der Bedingung, dass der Wert des Asymmetriefehlersignals den Schwellenwert überschreitet, wobei das Ausfallvorhersagesignal eine Ausfallvorhersage der oszillierenden MEMS-Struktur (12) angibt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16-18, ferner umfassend: Erzeugen von Lichtpulsen basierend auf dem kompensierten Phasenfehlersignal.
Ein Licht- und Abstandsmessungs- (LIDAR) System (200), umfassend: Eine LIDAR-Lichtquelle (10), die ausgebildet ist, um LIDAR-Lichtstrahlen zu erzeugen; eine oszillierende Struktur (12) eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), die ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse (13) zu oszillieren und die LIDAR-Lichtstrahlen in ein Sichtfeld zu übertragen; ein Photodetektor-Array (15), das ausgebildet ist, um reflektierte LIDAR-Lichtstrahlen aus dem Sichtfeld zu erkennen und elektrische Signale basierend auf den reflektierten LIDAR-Lichtstrahlen zu erzeugen; einen Fehlerdetektor (32), der ausgebildet ist, um einen Fehler zu überwachen und zu erkennen, bezogen auf eine Oszillation der oszillierenden MEMS-Struktur (12), und ein Fehlersignal basierend auf dem erkannten Fehler zu erzeugen; und eine Kompensationsschaltung (33), die ausgebildet ist, um das Fehlersignal zu empfangen und den Fehler basierend auf dem Fehlersignal aktiv zu kompensieren.