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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren und eine Steuereinheit für eine SPAD-basierte Detektoranordnung, insbesondere für ein Lidar-System, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung, welche insbesondere als Fahrzeug ausgebildet sein kann.
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Zur Umfelderkennung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen werden häufig LiDAR-Systeme, aber auch andere Detektorsysteme eingesetzt, welche eingerichtet sind, aus einem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung zur Analyse des Sichtfeldes und zur Detektion von darin enthaltenen Objekten zu erfassen und auszuwerten. Zur Empfindlichkeitssteigerung derartiger Detektorsysteme ist die Verwendung von Einzelphoton-Lawinendioden, die auch als SPADs bezeichnet werden, bekannt. Bei bekannten Ausleseverfahren von SPAD-Anordnungen kann eine Verlustfreiheit nicht in jedem Fall garantiert werden. Des Weiteren sind die Ausleseverfahren nicht ohne Weiteres und auf einfache Weise mit anderen Messtechniken kombinierbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für eine SPAD-basierte Detektoranordnung weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine verlustfreie Erfassung der einzelnen Messwerte auch in Kombination mit anderen Messtechniken in zuverlässiger Weise möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Betriebsverfahren geschaffen wird, welches für eine SPAD-basierte Detektoranordnung eingerichtet ist, die ihrerseits mit einer Mehrzahl von jeweils zumindest eine SPAD aufweisenden Detektorelementen als SPAD-Pixeln ausgebildet ist, welches insbesondere für ein LiDAR-System eingerichtet ist, (i) bei welchem Detektorelemente oder SPAD-Pixel bereichs- oder gruppenweise und auf der Grundlage eines Auslesetakts getaktet ausgelesen werden und (ii) bei welchem zum oder beim Auslesen Detektorelemente oder SPAD-Pixel eines Bereichs oder einer Gruppe synchron erfasst und/oder abgetastet werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Dabei ist von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zum bereichsweisen oder gruppenweisen synchronen Erfassen und/oder Abtasten ein Ausgang eines oder eines jeweiligen SPAD-Pixels durch direktes Ankoppeln direkt auf einen zentralen Auslesetakt - insbesondere eines Systemtakts einer zu Grunde liegenden Ausleseschaltung - gelegt und synchronisiert wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens beim oder zum Auslesen (a) zunächst auf der Grundlage des Auslesetakts oder Systemtakts für alle SPAD-Pixel eines Bereichs oder einer Gruppe ein Zeitstempel erfasst und/oder bestimmt und den SPAD-Pixeln zugeordnet und/oder aufgeprägt werden und (b) dann das eigentliche Auslesen und/oder Auswerten zu den SPAD-Pixeln gehöriger Messwerte unter Berücksichtigung des oder der Zeitstempel erfolgen.
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Der verfahrenstechnische Aufwand und auch die zu Grunde liegende Schaltung lassen sich vereinfachen, wenn gemäß einer anderen alternativen oder zusätzlichen Fortbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens beim oder zum Auslesen SPAD-Pixel eines Bereichs oder einer Gruppe nach dem Bestimmen und/oder Aufprägen des oder der Zeitstempel kombinatorisch zusammengefasst werden.
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Dabei wird ein besonders hohes Maß an Verlustfreiheit erzielt, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens einem oder insbesondere jedem SPAD-Pixel ein initialer Zustandsspeicher und/oder ein Auslesespeicher zugeordnet ist oder wird, insbesondere jeweils nach Art eines Speicherflipflops.
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Auch in diesem Zusammenhang lässt sich der verfahrenstechnische und/oder schaltungstechnische Aufwand verringern, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei dem Betriebsverfahren initiale Zustandsspeicher und/oder Auslesespeicher gleichzeitig mehreren SPAD-Pixeln - insbesondere aus nicht gleichzeitig auszulesenden Gruppen oder Bereichen von SPAD-Pixeln - zugeordnet sind oder werden, insbesondere über eine Moduloverschaltung. Bei einer Modulo-n-Verschaltung ist jedes n-te SPAD-Pixel demselben Zustandsspeicher und/oder Auslesespeicher zugeordnet. Der Schaltungsaufwand verringert sich folglich auf n Zustandsspeicher und/oder Auslesespeicher.
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Auch ist eine verfahrenstechnische und/oder leitungstechnische Vereinfachung im Zusammenhang mit den einzelnen Gruppen und/oder Bereichen von SPAD-Pixeln denkbar.
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So ist es gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens möglich, beim oder zum Auslesen
- (I) SPAD-Pixel über ein logisches Addieren - insbesondere kombinatorisch - zusammenzufassen, insbesondere unter Verwendung eines logischen Addierers und/oder
- (II) SPAD-Pixel aus nicht gleichzeitig auszulesenden Bereichen oder Gruppen von SPAD-Pixeln mittels eines Multiplexverfahrens auszulesen, insbesondere unter Verwendung eines Multiplexbausteins.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens werden SPAD-Pixel, deren Positionen einer aktuellen Position eines Bildpunktes entsprechen, zu einem dem Bildpunkt individuell zugeordneten Makropixel gruppiert und einem Makropixel zugeordnete SPAD-Pixel gemeinsam erfasst, ausgelesen und/oder ausgewertet werden.
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Dadurch wird erfindungsgemäß erreicht, dass insbesondere es bei einem Multipuls-Lidarsystem oder Makro-Scannersystem möglich ist, dass trotz Verwendung mehrerer Pulse für eine Messung dieselbe laterale Auflösung erzielt wird, wie bei einem Einzelpuls-Lidarsystem. Da sich bei einem Multipuls-Lidarsystem zur Verbesserung der Messgenauigkeit oder bedingt durch den Einsatz spezieller Detektoren bzw. Messprinzipien (SPAD/TCSPC) eine Messung aus mehreren Einzelpulsen zusammensetzt, ist die Auflösung des Systems ohne eine geeignete Kompensation auf die Winkeldifferenz zwischen der Emission des ersten und des letzten Einzellaserpulses für die Messung limitiert. Um diese Limitierung zu umgehen, wird bei dieser Ausführungsform zum Empfang der Messpulse anstelle eines einzelnen Detektors oder eines SPAD-Pixels Zeile bzw. ein Array aus mehreren Detektoren oder Subdetektoren verwendet. Dabei lässt sich durch geeignetes Zusammenfassen bzw. Gruppieren der Subdetektoren zu Makropixeln die Rotation- bzw. Scanbewegung kompensieren. Die Geschwindigkeit des Umgruppierens der Subdetektoren ergibt sich direkt aus der Rotationsgeschwindigkeit des Sensors. Das laterale Auflösungsvermögen eines solchen Aufbaus entspricht dann dem Auflösungsvermögen einer Einzelpulslösung. Ferner geht durch das parallele Zuordnen der Einzellaserpulse zu benachbarten Makropixeln keine Messenergie und Messzeit verloren.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Steuereinheit für eine SPAD-basierte Detektoranordnung, welche mit einer Mehrzahl von jeweils zumindest eine SPAD aufweisenden Detektorelementen als SPAD-Pixeln ausgebildet ist, geschaffen, welche insbesondere für ein LiDAR-System und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren zu initiieren, zu steuern und/oder auszuführen.
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Insbesondere ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Steuereinheit dazu eingerichtet, ausgebildet und/oder weist entsprechende Mittel auf, SPAD-Pixel, deren Positionen einer aktuellen Position eines Bildpunktes entsprechen, zu einem dem Bildpunkt individuell zugeordneten Makropixel zu gruppieren und einem Makropixel zugeordnete SPAD-Pixel gemeinsam zu erfassen, auszulesen und/oder auszuwerten. Es ergeben sich die oben bereits umrissenen Vorteile.
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Schließlich ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als solches, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung oder ein Fahrzeug.
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Das vorgestellte Lidar-System ist (a) mit einer Senderoptik zum Bereitstellen und Aussenden von Primärlicht in das Sichtfeld, (b) mit einer Empfängeroptik zum Empfangen von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld, welche eine SPAD-basierte Detektoranordnung mit einer Mehrzahl von jeweils zumindest eine SPAD aufweisenden Detektorelementen als SPAD-Pixeln aufweist uns bei welcher durch ein jeweiliges SPAD-basiertes Detektorelement oder SPAD-Pixel das Sekundärlicht detektierbar ist, und/oder (c) mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs der Senderoptik und/oder der Empfängeroptik ausgebildet.
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Schließlich schafft die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug als solche. Diese sind mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und insbesondere zur Steuerung des Betriebs der Arbeitsvorrichtung und insbesondere des Fahrzeugs auf der Grundlage der Erfassung des Sichtfelds eingerichtet.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
- 1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.
- 2A zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms eine erfindungsgemäß ausgestaltete Detektoranordnung, insbesondere nach Art eines SPAD-Arrays.
- 2B zeigt nach Art eines schematischen Schaltungsdiagramms beispielhaft den Aufbau eines Detektorelements nach Art eines SPAD-Pixels.
- 3 erläutert schematisch eine mögliche Verschaltung von Detektorelementen in Form von SPAD-Pixeln in einer erfindungsgemäß ausgestalteten Detektoranordnung.
- 4 zeigt schematisch eine andere mögliche Ausführungsform für eine Verschaltung von Detektorelementen in Form von SPAD-Pixeln in einer erfindungsgemäß ausgestalteten Detektoranordnung.
- 5A bis 5C zeigen schematisch anhand von Graphen beispielhaft Signalverläufe, wie sie sich erfindungsgemäß einstellen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5C Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1, bei welchem erfindungsgemäß das neue Betriebsverfahren anwendbar ist, insbesondere im Zusammenhang mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Steuereinheit und in Anwendung bei einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung, insbesondere einem Fahrzeug.
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Das in 1 dargestellte und auch für den pulssequenzcodierten Betrieb geeignete LiDAR-System 1 besteht neben einer Steuer- und Auswerteeinheit 40 aus der dem Betrieb des LiDAR-Systems 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 mit einer Lichtquelleneinheit 65, zum Beispiel mit einer oder mit mehreren Lichtquellen 65-1, einer Senderoptik 60, einer Empfängeroptik 30 und einer Detektoranordnung 20. Die Steuerung des Betriebs des LiDAR-Systems 1 sowie die Auswertung der durch das LiDAR-System 1 empfangenen Signale erfolgt durch die Steuer- und Auswerteeinheit 40.
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Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 40 über eine Steuerleitung 42 die Lichtquelleneinheit 65 zur Erzeugung und Ausgabe primären Lichts 57 veranlasst, welches auch als Primärlicht bezeichnet wird. Das Primärlicht 57 wird mittels einer Strahlformungsoptik 66 entsprechend dem Anwendungsfall modelliert und dann mittels einer sendeseitig abtastenden Ablenkoptik 62 in ein Sichtfeld 50 mit einem darin enthaltenen Objekt 52 ausgesandt.
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Bei der vorliegenden Erfindung liegt der Fokus auf einem Pulsbetrieb der Lichtquelleneinheit 65 und der jeweiligen Lichtquellen 65-1, zum Beispiel in Form von gepulsten Laserquellen.
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Das aus dem Sichtfeld 50 und vom Objekt 52 reflektierte Licht wird auch als sekundäres oder Sekundärlicht 58 bezeichnet und in der Empfängeroptik 30 mittels eines Objektivs 34 aufgenommen, gegebenenfalls von einer vorgesehenen Sekundäroptik 35 weiterbehandelt und dann an eine Detektoranordnung 20 mit einem oder mit mehreren Sensorelementen oder Detektorelementen 22 übertragen. Die Sensorelemente 22 der Detektoranordnung 20 erzeugen ihrerseits das Sekundärlicht 58 repräsentierende Signale oder für das Sekundärlicht 58 repräsentative Signale, die mittels einer Steuer- und Messleitung 41 an die Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten die vorgesehenen Detektorelemente 22 der Detektoranordnung 20 nach dem SPAD-Prinzip (SPAD: single photon avalanche diode).
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Grundlage eines jeweiligen Detektorelements 22 nach Art eines SPAD-Pixels 22' ist also eine Einzelphoton-Avalanche- oder -Lawinenphotodiode 21, welche bereits bei Aufnahme eines einzelnen Photons in Sättigung geht und deshalb vorzugsweise mit einer entsprechenden Vorbeschaltung zum Beispiel im Geigermodus betrieben wird.
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Die Ausführungsform der Steuer- und Auswerteeinheit 40 gemäß 1 besteht aus einem übergeordneten Steuersystem 100, welches mittels eines Busses 101 mit einer Sendeeinheit 70, einer Empfangseinheit 80 und einer Korrelationseinheit 90 verbunden ist.
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Es können das Steuersystem 100 und die Einheiten 70, 80 und 90 tatsächlich als separate Komponenten innerhalb der Steuer- und Auswerteeinheit 40 ausgebildet sein.
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Es kann jedoch ein LiDAR-System 1 ausgebildet sein, bei welchem ein oder mehrere der Komponenten der Steuer- und Auswerteeinheit 40 miteinander kombiniert und integriert ausgebildet sind, so dass die Darstellung gemäß 1 nur der Darstellung der vorhandenen Komponenten dem Grundsatz nach dient, die konkrete Architektur dadurch jedoch nicht unbedingt widergespiegelt wird und von der Darstellung aus 1 abweichen kann.
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Erfindungsgemäß liegt der Fokus beim Betrieb des LiDAR-Systems 1 auf dem synchronen Erfassen und/oder Abtasten der der Detektoranordnung 20 zu Grunde liegenden SPAD-Pixel 22' als Detektorelemente 22, um diese auszulesen.
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Die Kopplung zwischen der Steuereinheit 40 und der Detektoranordnung 20 erfolgt über die Steuerleitung 41, welche aus mehreren Einzelleitungen 41-1 bis 41-n bestehen kann, wie dies insbesondere im Zusammenhang mit den weiteren 3 und 4 weiter unten dargestellt ist.
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Die Kopplung zwischen der vorgesehenen Steuereinheit 40 und der Lichtquelleneinheit 65 über die Steuerleitung 42.
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Wie oben bereits dargestellt wurde, besteht eine Kernidee der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Betriebsverfahrens für eine SPAD-basierte Detektoranordnung 20 mit einer Mehrzahl von jeweils zumindest eine SPAD 21 aufweisenden Detektorelementen 22 als SPAD-Pixel 22', insbesondere für ein LiDAR-System 1.
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Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren werden SPAD-Pixel 22' als Detektorelemente 22 bereichsweise und auf der Grundlage eines Auslesetakts R getaktet ausgelesen.
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Ferner werden erfindungsgemäß zum oder beim Auslesen SPAD-Pixel 22' eines Bereichs synchron erfasst und/oder abgetastet, wobei zum bereichsweisen synchronen Erfassen und/oder Abtasten insbesondere ein Ausgang eines jeweiligen SPAD-Pixels 22' durch direktes Ankoppeln direkt auf einen zentralen Auslesetakt R - insbesondere eines Systemtakts einer zu Grunde liegenden Ausleseschaltung, zum Beispiel im Sinne einer Steuereinheit 40, welche im Zusammenhang mit der 2A erläutert wird - gelegt und synchronisiert wird.
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Bereitgestellt wird also dadurch ein synchrones Auslesekonzept für ein SPAD-Array einer Detektoranordnung 20, welches verlustfrei arbeitet und zusätzlich Auslese- und Zeitmessfunktionalität einer Time-Of-Flight-Applikation miteinander kombinieren kann.
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Als weiterer Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist der Umstand zu berücksichtigen, dass in der Praxis SPAD-Pixel 22' als Detektorelemente 22 im Allgemeinen in irgendeiner Form miteinander kombiniert werden, bevor ein Signal ausgewertet wird oder werden kann, weil anderenfalls jedes Pixel 22' eine eigene Auswerteschaltung benötigen würde, was zu einem deutlich erhöhten Schaltungsaufwand führen würde.
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Bei asynchronen Lösungen führt das dazu, dass mit jeder kombinatorischen Zusammenfassung von Pixeln 22' oder Detektorelementen 22 das zu erwartende Signal höherfrequent wird, weil mehr Information übertragen und verarbeitet werden muss und dadurch mehr Schaltvorgänge auf dem Signal insgesamt auftreten. Als Folge dessen müssen verwendete Signalkombinierer herkömmlicherweise als besonders schnell arbeitende Bauelemente ausgelegt werden, um bei der Verarbeitung möglichst wenig Information zu verlieren.
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Ebenso wird bei klassischen Time-of-Flight-Systemen das Signal zuerst zusammengefasst, und anschließend mittels eines TDCs vermessen.
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Üblicherweise wird das Ausgangssignal des TDCs zu einem zentralen Digitaltakt synchronisiert und weiterverarbeitet.
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Das Vorgehen gemäß der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, einen oder den Ausgang eines SPAD-Pixels 22' als Detektorelement 22 direkt auf einen zentralen Takt oder Auslesetakt zu legen und zu synchronisieren.
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Die Synchronisation kann dabei so ausgestaltet werden, dass keine Information verloren geht. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Verschaltung der SPAD 21 des jeweiligen SPAD Pixels 22' erreicht werden, insbesondere unter Verwendung eines Speicherflipflops 22-4 und eines Auslese Flipflops 22-5 mit entsprechender Verschaltung.
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Insbesondere ergibt dies Vorteile für den Fall, dass der Synchronisationstakt quasi schneller gewählt wird, als die Totzeit des SPAD-Pixels 22'. Dadurch wird sichergestellt, dass die Detektionsinformation durch den Synchronisationstakt schneller erfasst wird als neue Detektionsinformationen durch das SPAD-Pixel 22' entstehen können.
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Ebenso können die Weiterverarbeitung und insbesondere die Zusammenfassung von SPAD-Pixeln 22' beispielsweise mit einem synchronen Summierer oder Addierer 43, 44 erfolgen, so dass auch hier keine Verluste mehr auftreten.
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Da sich alle SPAD-Signale, also die Ausgabesignale O, nach der Synchronisation auf einem zentralen Taktraster befinden, ist erfindungsgemäß gleichzeitig auch eine Zeitmessung und die Generation eines Zeitstempels möglich.
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Die Erfindung kombiniert gemäß einer bevorzugten Ausführungsform also das Auslesen und das Zeitmessen in einem SPAD-Array als Detektoranordnung 20.
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2A zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms eine erfindungsgemäß ausgestaltete Detektoranordnung 20, insbesondere nach Art eines SPAD-Arrays, und zwar mit n Zeilen und m Spalten Ci, i = 1, ..., m. Üblicherweise wird während des Betriebs lediglich eine kleiner Bereich 25 von Interesse - auch als ROI (Region-of-Interest) bezeichnet - aktiviert und ausgewertet, in dem in 2A gezeigten Beispiel mit drei mal drei SPAD-Pixeln 22' als Detektorelementen 22.
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Sofern das Ergebnis der beteiligten SPAD-Pixel 22' inhaltlich zusammengehört, spricht man von einem Makropixel. Das bedeutet, dass die Gruppe 25 oder der Bereich zusammengefasster Pixel 22' als ein Makropixel aufgefasst werden kann.
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Die Wahl von Position und Größe dieser Gruppe 25 oder ROI kann von mehreren Systemparametern abhängen, beispielsweise von der verwendeten Optik und der zu erwartenden Abbildungsgröße. Sie kann starr sein, beispielsweise bei einer Einzelpunktmessung, oder zeitlich variabel, wie beispielsweise bei scannenden Systemen.
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Das Gruppieren, Erfassen, Abtasten und/oder Auslesen wird im Wesentlichen über die Steuereinheit 40 und den Zugriff über das Steuerleitungsbündel 41 mit den einzelnen Steuerleitungen 41-1 bis 41-n realisiert. Die Steuereinheit 40 kann dabei unter anderem als weitere Komponenten TDC-Einheiten 40-1, Zählereinheiten 40-2 oder Zähler, und Histogrammspeicher 40-3 aufweisen. Für den Start einer Messung kann der Steuereinheit 40 von extern ein Messstartsignal S zugeführt werden.
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2B zeigt nach Art eines schematischen Schaltungsdiagramms beispielhaft den Aufbau eines Detektorelements 22 nach Art eines SPAD-Pixels 22'.
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Der genaue Aufbau kann dabei je nach konkret eingesetzter SPAD-Diode 21 abweichen. Das Ausleseprinzip lässt sich jedoch auf alle Variationen anwenden.
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Das Grundverhalten einer SPAD 21 lässt sich folgendermaßen beschreiben:
- Wird ein Photon absorbiert, entsteht ein Lawinendurchbruch, welcher einen Spannungsabfall über einen Quenchwiderstand 22-2 zur Folge hat. Dies führt zu einem Signal an der Kathode K der SPAD 21. Gleichzeitig sorgt der Spannungsabfall dafür, dass sich die Betriebsspannung der SPAD 21 unter ihren Durchbruch absenkt und damit der Stromfluss abgeschnürt wird. Es folgt ein Ladevorgang, der die ursprüngliche Spannung über der SPAD 21 wiederherstellt. Die minimale Zeit zwischen zwei Photonendetektionen wird Totzeit genannt.
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Die erste Schaltflanke wird in der in 2B vorgestellten Schaltung dazu genutzt, den Zustand des Speicherflipflops 22-4 auf 1 zu setzen.
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Mit dem zentralen Auslesetakt R wird der Zustand in das Ausleseflipflop 22-5 übernommen und gleichzeitig das Speicherflipflop 22-4 wieder auf den Wert 0 zurückgesetzt.
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Das Pixel 22' ist danach bereit für die nächste Detektion.
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Wird der Auslesetakt schneller gewählt als die Totzeit eigentlich erlaubt, geht keine Information verloren.
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In der 2 B sind als Komponenten die Masse oder ein Masseanschluss 22-0, ein Steuertransistor 22-1, der Quenchwiderstand 22-2, Inverter 22-3 und 22-6, das Speicherflipflop 42-4 und das Ausleseflipflop 22-5 mit entsprechender Verschaltung untereinander dargestellt.
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Es bezeichnen noch E ein Enablesignal am Steuertransistor 21-1, R den Auslesetakt oder das Auslesetaktsignal und O der Ausgang oder die Ausgabe des SPAD-Pixels 22'.
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3 erläutert schematisch eine mögliche Verschaltung von Detektorelementen 22 in Form von SPAD-Pixeln 22' in einer erfindungsgemäß ausgestalteten Detektoranordnung 20 nach Art eines SPAD-Arrays. 3 zeigt also insbesondere und beispielhaft eine Verschaltung der SPAD-Pixel 22' untereinander.
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In diesem Beispiel sind die SPAD-Pixel 22' starr zu Gruppen 25 oder Makropixeln der Größe j x k zusammengefasst, und zwar insbesondere abgestimmt auf die Abbildungsgröße einer angenommenen Empfangsoptik 30 vor dem Sensor oder Lidar-System 1.
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Die einzelnen Ausgänge der SPAD-Pixel 22' werden unter Verwendung von Addierern 43 aufsummiert. Das Ergebnis wird über eigene Datenleitungen D aus dem Array geführt.
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Gegenüber einer individuellen Verdrahtung reduziert sich die Anzahl der benötigen Leitungen von j x k auf log2(j x k) mit entsprechender Aufrundung.
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Es können beliebig viele Gruppen 25, Bereiche oder Makropixel parallel betrieben werden, lediglich limitiert durch die Anzahl verfügbarer Auswerteeinheiten.
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Dargestellt sind noch die jeweiligen Spalten Ci mit i = 1, ..., m des Arrays mit zugeordneten Flipflops 46 und übergeordneten Addierern 44 und den Datenleitungen D.
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4 zeigt schematisch eine andere mögliche Ausführungsform für eine Verschaltung von Detektorelementen 22 in Form von SPAD-Pixeln 22' in einer erfindungsgemäß ausgestalteten Detektoranordnung 20.
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Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Ausführungsform sind hier zunächst nur noch die einzelnen j-Pixel einer Spalte Ci zusammengefasst.
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Weiterhin wurde beispielhaft davon ausgegangen, dass sich die Anordnung in horizontaler Richtung in der 4 auf k Pixel erstreckt.
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Um weitere Ausleseleitungen zu sparen, können die Speicherflipflops 22-4 der nicht aktivierten Pixel 22' verwendet werden, um die Ergebnisse der aktiven Pixel 22' wie bei einem Schieberegister zu den Auswerteschaltungen zu überführen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Ausleseschaltungen der Pixel 22' nach k Spalten miteinander verbunden sind. Dadurch lässt sich die aktivierte Gruppe 25 (ROI) in horizontaler Richtung flexibel an die Position der optischen Abbildung anpassen. Es kann jedoch lediglich ein Makropixel 24 pro Zeile gleichzeitig aktiv sein. Es werden k x log2(j) Datenleitungen D benötigt.
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Die Anordnung gemäß 4 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung insbesondere geeignet, ein Konzept zu realisieren, gemäß welchem SPAD-Pixel, deren Positionen einer aktuellen Position eines Bildpunktes entsprechen, zu einem dem Bildpunkt individuell zugeordneten Makropixel gruppiert und einem Makropixel zugeordnete SPAD-Pixel gemeinsam erfasst, ausgelesen und/oder ausgewertet werden.
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Wie oben bereits angedeutet wurde, wird dadurch erfindungsgemäß erreicht, dass trotz Verwendung mehrerer Pulse für eine Messung dieselbe laterale Auflösung erzielt wird, wie bei einem Vorgehen mit Einzelpulsen.
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Bei der Anordnung gemäß 4 sind noch der Multiplexbaustein 45 und das nachgeschaltete Flipflop 46 im Zusammenhang mit den Datenleitungen D erwähnenswert.
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Durch das synchrone Abtasten der Pixelergebnisse kann gleichzeitig und insbesondere implizit eine Zeitmessung erfolgen.
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Für jeden Auslesetakt steht die Amplitude des Messsignals der Pixel 22' zur Verfügung. Die Auflösung der Zeitmessung entspricht der Periodendauer des Auslesetaktes. Im Falle einer Verschaltung als Schieberegister mit nicht verwendeten Pixeln gemäß 4 lässt sich die Grundlaufzeit, die von einer Position i innerhalb des Arrays bis zur Auswerteschaltung benötigt wird, problemlos berücksichtigen. Ein Startsignal kann der Auswerteeinheit den Beginn einer Messung signalisieren, so dass die dann gültigen Amplitudendaten beispielsweise in einen Histogrammspeicher 40-3 geschrieben werden können. Auf Basis dieses Histogramms ist eine übliche Time-of-Flight-Messung oder - Signalauswertung möglich.
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5A bis 5C zeigen schematisch anhand von Graphen 110, 120 und 130 beispielhaft Signalverläufe, wie sie sich erfindungsgemäß einstellen. Auf den Abszissen 111, 121 und 131 ist jeweils die Zeit aufgetragen. Die Ordinaten 112, 122 und 132 zeigen gemäß der 5A das Auslesetaktsignal R als Funktion der Zeit t mit der Spur 113, gemäß der 5B das Messstartsignal S als Funktion der Zeit t mit der Spur 123 bzw. gemäß der 5C das Pixelsignal P oder Ausgabesignal O eines Pixels 22' als Funktion der Zeit t mit der Spur 133.
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Die Abschnitte oder Teilspuren 133-2 bis 133-4 bezeichnen die zu einer Messung gehörigen Daten, die nach der Flanke des Messstartsignals S einlaufen und ausgewertet werden. Für den Fall einer Schieberegisterverschaltung befindet sich zwischen der Flanke des Messstartsignals S und dem Spurabschnitt 133-2 ein Offset, der aber konstant und bekannt ist und aus der Position der aktivierten Pixel 22' hervorgeht. Damit kann dieser problemlos bei der Time-of-Flight-Messung korrigiert werden.
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Die in 5C die Spur 133 bildenden Teilspuren 133-1 bis 133-4 betreffen (i) mit der Teilspur 131-1 ungültige Daten zu einer Zeitspanne, bei der die Messung noch nicht begonnen hat, d.h. also vor der Flanke des Messstartsignals, (ii) mit der Teilspur 133-2 nach Beginn einer Messung gültige Daten mit Rauschen, (iii) mit der Teilspur 133-3 nach Beginn einer Messung gültige Daten mit Rauschen und einem empfangenen Pulssignal und (iv) nach Beginn einer Messung gültige Daten mit Rauschen, nachdem das empfangene Pulssignal abgeklungen ist.
