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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor, umfassend mindestens eine Detektorelementanordnung, die mindestens zwei Detektorelemente umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem ein LiDAR-System umfassend einen derartigen optischen Sensor.
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Stand der Technik
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Hoch- und vollautomatische Fahrzeuge (Level 3 - 5) werden in den nächsten Jahren auf öffentlichen Straßen immer häufiger eingesetzt werden. Alle bekannten Konzepte von automatisierten Fahrzeugen erfordern eine Kombination verschiedener Wahrnehmungssensoren, wie Kameras, Radar und LiDAR (Light Detection and Ranging). Letztere sind Laserscanner, die einen kurzen Puls Laserlicht aussenden und das von einem Objekt reflektierte Licht erfassen. LiDAR-Sensoren berechnen dann den Abstand des Objekts aus der gemessenen Laufzeit. Für die Detektoren sind verschiedene Technologien bekannt, darunter Lawinen-Photodioden (APD, Avalance Photodiode) und Einzelphotonen-Lawinendioden (SPAD, Single Photon Avalance Diode). SPAD-Detektoren weisen eine sehr hohe Empfindlichkeit auf und ermöglichen es dem LiDAR-Sensor, bis zu sehr großen Reichweiten (~ 200 m) zu messen. Ihre binäre Erfassungscharakteristik (Photon detektiert oder nicht detektiert) bedeutet jedoch einen niedrigen Dynamikbereich für den Detektor. Darüber hinaus können solche LiDAR-Scanner Probleme haben, Objekte in der Nähe des Sensors genau zu erkennen. Insbesondere das stark reflektierte Signallicht eines nahen Objekts kann ein permanentes Signal im SPAD-Detektor auslösen und führt zu einem Laufzeitfehler und damit zu einem Abstandsfehler in der LiDAR-Messung. Der gleiche Fehler kann bei stark reflektierenden Objekten wie Retroreflektoren wie Katzenaugen auf der Straße auftreten. Es ist daher notwendig, Wege zu finden, insbesondere optische Sensoren mit SPAD-Detektoren mit einem erhöhten dynamischen Funktionsbereich zu bauen.
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WO 2018 091 638 A1 zeigt einen Detektor zum Bestimmen einer Position von mindestens einem Objekt. Der Detektor umfasst mindestens zwei optische Sensoren, die in einer Matrix 115 angeordnet sein können, wobei die einzelnen Sensoren unterschiedlich groß sein können. Die Sensoren können SPAD-Dioden sein. Das System ist jedoch kein aktives, sondern ein passives Detektorsystem, das sich insbesondere von LIDAR-Systemen abgrenzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein optischer Sensor der eingangs genannten Art bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Detektorelement eine Einzelphotonen-Lawinendiode oder eine Lawinen-Photodiode ist, wobei ein erstes Detektorelement eine höhere Ansprechempfindlichkeit aufweist als ein zweites Detektorelement.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße optische Sensor hat den Vorteil, dass selbst bei der fast binären Ansprecheigenschaft der einzelnen Detektorelemente (insbesondere wenn alle Detektorelemente SPAD oder APD sind) ein intensives Lichtsignal nicht automatisch zu einem dauerhaften Ansprechen jeweils beider Detektorelemente der einzelnen Detektorelementanordnungen führt. So können beispielsweise bei einem nahen oder stark reflektierenden Objekt die ersten Detektorelemente (mit höherer Ansprechempfindlichkeit) dauerhaft ein Signal ausgeben und damit kein time-of-flight-Signal mehr liefern, während die zweiten Detektorelemente (mit niedriger Ansprechempfindlichkeit) nur teilweise (beziehungsweise zeitweise) ein Signal ausgeben und somit weiterhin ein time-of-flight-Signal und eine Entfernungsbestimmung des Objekts erlauben.
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Die Detektorelementanordnungen können in einer Ebene angeordnet sein, die im Wesentlichen senkrecht in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass drei, vier, fünf oder mehr Detektorelementanordnungen in dieser Ebene angeordnet sind.
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Der optische Sensor kann eine Vielzahl von Detektorelementanordnungen umfassen, also zum Beispiel zwei, drei, vier, fünf oder mehr Detektorelementanordnungen, insbesondere 32, 42, 52 und so weiter im Falle einer quadratischen Matrixanordnung der Detektorelementanordnungen. Die Anzahl und/oder die Größe der Detektorelemente in den einzelnen Detektorelementanordnungen kann sich unterscheiden oder jede Detektorelementanordnung kann dieselbe Anordnung von Detektorelementen umfassen.
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Für SPAD ist die erfindungsgemäße Anordnung der Detektorelemente besonders vorteilhaft, da ein größerer Bereich von Lichtstärken, Objektentfernungen und Objektreflektivitäten zuverlässig erfasst werden kann. Die ersten Detektorelemente (mit höherer Ansprechempfindlichkeit) sind dann beispielsweise bei größeren Objektentfernungen beziehungsweise geringerem Reflektionsvermögen des zu detektierenden Objekts zuverlässiger, während die zweiten (oder sogar eventuelle dritte oder vierte etc.) Detektorelemente bei geringeren Objektentfernungen beziehungsweise hohem Reflektionsvermögen des zu detektierenden Objekts zuverlässiger arbeiten. Insgesamt weist der optische Sensor dann eine deutlich höhere Zuverlässigkeit in einem breiteren Parameterbereich (insbesondere bei hohen und niedrigen Lichtstärken) auf. Vorzugsweise sind alle Detektorelemente Einzelphotonen-Lawinendioden oder Lawinen-Photodioden (alle eins von beidem oder Mischungen). Besonders bevorzugt sind alle Detektorelemente Einzelphotonen-Lawinendioden.
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Unter einer unterschiedlichen Ansprechempfindlichkeit der Detektorelemente ist im Rahmen dieser Anmeldung das Folgende zu verstehen: In einem gewissen Bereich von Lichtstärken (in einem Wellenlängenbereich, in dem die Detektorelemente empfindlich sind, beispielsweise im Infrarotbereich) haben die ersten Detektorelemente eine höhere Wahrscheinlichkeit ein Detektionssignal auszugeben als die zweiten Detektorelemente jeweils bei derselben Lichtstärke. Ist die Lichtstärke extrem gering oder sehr hoch, ist selbstverständlich wieder kein Unterschied im Ansprechverhalten der Detektorelemente zu erwarten (beide kein Signal beziehungsweise Dauersignal). Die Detektorelemente jeder Detektorelementanordnung weisen dann verschiedene Lichtstärkenbereiche auf, in denen sie optimal detektionsfähig sind, also sowohl empfindlich genug sind, um ein Signal ausgeben zu können aber noch kein Dauersignal ausgeben, wobei sich die Bereiche möglichst teilweise überschneiden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Detektorelement der Detektorelementanordnung senkrecht zu einer Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts eine größere Fläche auf als das zweite Detektorelement der Detektorelementanordnung. Eine unterschiedliche Fläche der Detektorelemente ist ein einfacher Weg, eine unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich können die Detektorelemente auch eine unterschiedliche Dicke in Einstrahlrichtung (also die ersten Detektorelemente eine höhere Dicke) aufweisen und/oder ein unterschiedliches Detektormaterial aufweisen, um eine unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit der ersten Detektorelemente gegenüber den zweiten Detektorelementen zu erreichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der optische Sensor mindestens vier Detektorelementanordnungen umfassend jeweils mindestens zwei Detektorelemente, wobei die Detektorelementanordnungen in einer ebenen Matrixanordnung angeordnet sind. Die Matrix kann eine rechteckige, quadratische, elliptische oder kreisförmige Matrixanordnung der Detektorelementanordnungen sein. Die Detektorelementanordnungen formen dann Detektorgruppen in der Matrixanordnung. Die Matrixanordnung kann aus einem Wafer hergestellt werden, was die Herstellung vereinfacht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes Detektorelement mit einem eigenen Ausleseschaltkreis verbunden. Die Ausleseschaltkreise dienen dann der individuellen Signalauslesung jedes Detektorelements und ermöglichen eine separate Entfernungsbestimmung. Jedes Detektorelement kann dann wie ein Pixel ausgelesen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise mindestens einer Detektorelementanordnung in einer gemeinsamen Ebene mit den Detektorelementen der Detektorelementanordnung angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt eine geringe Dicke des optischen Sensors sowie eine größere Variabilität in der Anzahl der verwendeten Detektorelementanordnungen und Detektorelemente pro Detektorelementanordnung. Sie hat jedoch den Nachteil, dass jede der Detektorelementanordnungen Detektorfläche an die Ausleseschaltkreise verliert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise mindestens einer Detektorelementanordnung in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts hinter den einzelnen Detektorelementen angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt eine Maximierung der für Detektorelemente nutzbaren Fläche, führt aber auch zu einer größeren Dicke des optischen Sensors.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise von mindestens vier Detektorelementanordnungen in einer separaten Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung angrenzend zu einer Matrixanordnung der Detektorelementanordnungen angeordnet. Die Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung ist dann bevorzugt in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Licht hinter den Detektorelementanordnungen angeordnet, sodass diese nicht verdeckt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst mindestens eine Detektorelementanordnung ein drittes Detektorelement, wobei das dritte Detektorelement eine niedrigere Ansprechempfindlichkeit aufweist als das erste Detektorelement und das zweite Detektorelement. Somit kann ein noch größerer dynamischer Bereich von Lichtstärken durch die Detektorelementanordnungen abgedeckt werden. Vorzugsweise weisen dann alle Detektorelementanordnungen drei derartige unterschiedliche Detektorelemente auf. Es ist auch möglich, dass mindestens eine Detektorelementanordnung auch ein viertes Detektorelement umfasst, wobei das vierte Detektorelement eine niedrigere Ansprechempfindlichkeit aufweist als das erste Detektorelement, das zweite Detektorelement und das dritte Detektorelement. Entsprechendes ist für ein fünftes Detektorelement, sechstes Detektorelement und so weiter vorstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das dritte Detektorelement der Detektorelementanordnung senkrecht zu einer Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts eine kleinere Fläche auf als das erste Detektorelement und das zweite Detektorelement der Detektorelementanordnung. Dies ist eine einfache Möglichkeit, die beschriebene Abstufung in der Ansprechempfindlichkeit der Detektorelemente zu erreichen. Wenn mindestens eine Detektorelementanordnung ein viertes Detektorelement umfasst, ist es auch möglich, dass das vierte Detektorelement der Detektorelementanordnung senkrecht zu einer Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts eine kleinere Fläche aufweist als das erste Detektorelement, das zweite Detektorelement und das dritte Detektorelement der Detektorelementanordnung. Entsprechendes ist für ein fünftes Detektorelement, sechstes Detektorelement und so weiter vorstellbar.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein LiDAR-System bereitgestellt, umfassend mindestens einen optischen Sensor nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, sowie mindestens einen optischen Emitter, der dazu eingerichtet ist, Licht in einem Wellenlängenbereich zu emittieren, in dem die Detektorelemente lichtempfindlich sind. Vorzugsweise ist der optische Emitter ein Infrarotemitter (zum Beispiel Infrarotlaser) und die Detektorelemente sind zumindest im Infrarotbereich empfindlich. Der optische Emitter und der optische Sensor können in einer statischen oder einer gemeinsam rotierenden Anordnung ausgebildet sein. Ein LiDAR-System mit einer statischen Anordnung kann beispielsweise rotierende optische Elemente wie Spiegel oder Prismen umfassen um ebenfalls ein Abtasten der Umgebung zu ermöglichen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 und 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,
- 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors, und
- 4 und 5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 und 2 zeigen eine Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1, umfassend mehrere Detektorelementanordnungen 2 (hier 4x4 = 16, aber jede andere Anzahl an Detektorelementanordnungen ist ebenfalls vorstellbar). 1 zeigt eine geschnittene Ansicht, während 2 eine Draufsicht des optischen Sensors 1 zeigt. Die Detektorelementanordnungen 2 umfassen jeweils zwei Detektorelemente 3, 4. Mindestens ein Detektorelement 3, 4 ist eine Einzelphotonen-Lawinendiode oder eine Lawinen-Photodiode. Es können auch alle Detektorelemente Einzelphotonen-Lawinendioden sein oder beispielsweise eine Mischung von Einzelphotonen-Lawinendioden und Lawinen-Photodioden, für die Detektorelemente Verwendung finden.
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In jeder Detektorelementanordnung weist ein erstes Detektorelement 3 eine höhere Ansprechempfindlichkeit auf als ein zweites Detektorelement 4. Dies wird hier dadurch erreicht, dass das erste Detektorelement 3 der Detektorelementanordnung 2 senkrecht zu einer Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts eine größere Fläche aufweist als das zweite Detektorelement 4 der Detektorelementanordnung 2. Dies ist in 1 durch die angedeuteten Lichtstrahlen dargestellt, wobei mehr Licht auf die ersten Detektorelemente 3 fällt als auf die zweiten Detektorelemente 4. Aufgrund der nahezu binären Ansprecheigenschaft von Einzelphotonen-Lawinendioden und Lawinen-Photodioden führt diese Ausgestaltung dazu, dass die ersten Detektorelemente bereits bei einer geringeren Lichtstärke detektionsfähig sind, also beispielsweise lichtschwache und/oder weit entfernte Objekte gut detektieren können. Gleichzeitig können die zweiten Detektorelemente 4 auch bei deutlich höheren Lichtstärken als die ersten Detektorelemente 3 eine Entfernungsbestimmung eines Objekts ermöglichen, da sie nur zeitweise ein Signal ausgeben, während die ersten Detektorelemente 3 bereits ein Dauersignal ausgeben und somit einen Entfernungsfehler erzeugen.
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Die Detektorelementanordnungen 2 sind hier und in den folgenden Ausführungsformen in einer ebenen Matrixanordnung in einem Träger 7 angeordnet, es sind aber auch andere Anordnungsformen vorstellbar.
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Jedes Detektorelement 3, 4 ist mit einem eigenen Ausleseschaltkreis 5, 6 verbunden. In dieser Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise 5, 6 in einer gemeinsamen Ebene beziehungsweise dem gemeinsamen Träger 7 mit den Detektorelementen 3, 4 der Detektorelementanordnungen 2 angeordnet.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 in Draufsicht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Detektorelementanordnungen jeweils auch ein drittes Detektorelement 8 umfassen, wobei das dritte Detektorelement 8 jeweils eine niedrigere Ansprechempfindlichkeit aufweist als das erste Detektorelement 3 und das zweite Detektorelement 4.
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Das dritte Detektorelement 8 jeder Detektorelementanordnung 2 weist senkrecht zu einer Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts eine kleinere Fläche auf als das erste Detektorelement 3 und das zweite Detektorelement 4 der Detektorelementanord nu ng.
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Auch hier ist jedes Detektorelement 3, 4, 8 mit einem eigenen Ausleseschaltkreis 5, 6, 9 verbunden. Die Ausleseschaltkreise 5, 6, 9 sind in einer gemeinsamen Ebene beziehungsweise dem gemeinsamen Träger 7 mit den Detektorelementen 3, 4, 8 der Detektorelementanordnungen 2 angeordnet.
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4 und 5 zeigen eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. 5 zeigt eine geschnittene Ansicht, während 4 eine Draufsicht des optischen Sensors 1 zeigt.
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Die dritte Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform, bis darauf, dass die Ausleseschaltkreise 5, 6 der Detektorelementanordnungen 2 in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts (in 5 von oben nach unten) hinter den einzelnen Detektorelementen 3, 4 angeordnet sind. Die Ausleseschaltkreise 5, 6 der Detektorelementanordnungen 2 sind in einer separaten Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung in einem Träger 10 angrenzend zu einer Matrixanordnung in dem Träger 7 der Detektorelementanordnung 2 angeordnet. Die dritte Ausführungsform erlaubt es, die nutzbare Detektorfläche zu maximieren, führt aber zu einer größeren Bauhöhe des optischen Sensors 1.
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Die dritte Ausführungsform ist selbstverständlich auch mit drei, vier, fünf oder mehr jeweils weniger ansprechempfindlichen Detektorelementen 3, 4, 8 in einem Teil der Detektorelementanordnungen 2 oder jeder Detektorelementanordnung 2 vorstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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