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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor, umfassend mindestens zwei Detektorelementanordnungen, die jeweils mindestens zwei Detektorelemente umfassen.
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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-Lawinendetektoren (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, SPAD-Detektoren mit einem erhöhten dynamischen Funktionsbereich zu bauen.
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WO 2018 091 640 A2 offenbart einen Detektor zum Bestimmen einer Position mindestens eines Objekts umfassend mindestens zwei optische Sensoren, wobei jeder optische Sensor mindestens einen lichtempfindlichen Bereich aufweist. Jeder optische Sensor ist dazu ausgelegt, mindestens ein Sensorsignal als Reaktion auf eine Beleuchtung seines jeweiligen lichtempfindlichen Bereichs durch den Lichtstrahl zu erzeugen, wobei mindestens eine Auswertevorrichtung zum Bestimmen mindestens einer Längskoordinate des Objekts aus den Sensorsignalen konfiguriert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein optischer Sensor der eingangs genannten Art bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der Detektorelementanordnungen in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts vor einer zweiten Detektorelementanordnung angeordnet ist, wobei die erste Detektorelementanordnung teilweise lichtdurchlässig ist, sodass die erste Detektorelementanordnung eine höhere Lichtintensität des zu absorbierenden Lichts erreicht als die zweite Detektorelementanordnung.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße optische Sensor hat den Vorteil, dass selbst bei einer fast binären Ansprecheigenschaft der einzelnen Detektorelemente (zum Beispiel wenn die Detektorelemente APD oder SPAD sind) ein intensives Lichtsignal nicht automatisch zu einem dauerhaften Ansprechen der Detektorelemente beider Detektorelementanordnungen führt. So können beispielsweise bei einem nahen oder stark reflektierenden Objekt ein oder mehrere Detektorelemente der ersten Detektorelementanordnung dauerhaft ein Signal ausgeben und damit kein time-of-flight-Signal mehr liefern, während die in Einstrahlrichtung des reflektierten Lichts „dahinter“ angeordneten Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung nur teilweise ein Signal ausgeben und somit weiterhin ein time-of-flight-Signal und eine Entfernungsbestimmung erlauben.
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Die Detektorelementanordnungen können jeweils in einer Ebene angeordnet sein, die in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts übereinandergestapelt sind. Es ist auch möglich, das drei, vier, fünf oder mehr Detektorelementanordnungen übereinandergestapelt sind, wobei die weiter „unten“ liegenden Detektorelementanordnungen jeweils weniger reflektiertes Licht erhalten als die direkt darüber liegende Detektorelementanordnung. Jede Detektorelementanordnung absorbiert einen Teil des einfallenden Lichtes und lässt einen Teil des Lichtes durch zur der/den weiter „unten“ liegenden Detektorelementanordnung/en. Weiter „unten“ bedeutet hier stets in Einfallrichtung des zu detektierenden Lichts weiter entfernt vom Licht reflektierenden Objekt beziehungsweise einem Lichteinfallfenster des optischen Sensors.
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Jede Detektorelementanordnung kann eine Vielzahl von Detektorelementen umfassen, also zum Beispiel zwei, drei, vier, fünf oder mehr Detektorelemente, insbesondere 32, 42, 52 usw. im Falle einer quadratischen Matrixanordnung. Die Anzahl und/oder die Größe der Detektorelemente in den Detektorelementanordnungen kann sich unterscheiden.
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Die Detektorelemente und/oder die Detektorelementanordnungen können komplett oder teilweise transparent sein. Transparent bedeutet dabei zum Beispiel, dass die Detektorelemente Licht einer vom LiDAR verwendeten Wellenlänge (zum Beispiel im Infrarotbereich) nur teilweise, also beispielsweise zwischen 50 % - 95 % absorbieren, sodass noch ein wesentlicher Teil des Lichts die darunterliegende Detektorelementanordnung erreichen kann. Durch eine Anpassung der relativen Größen der Detektorelemente, ihrer Dicken und der Detektormaterialien in den Detektorelementanordnungen können ebenfalls die relativen Lichtmengen, die die einzelnen Detektorelemente erreichen, eingestellt werden.
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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 ist mindestens ein Detektorelement eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD), vorzugsweise sind alle Detektorelemente der ersten und zweiten Detektorelementanordnungen (und gegebenenfalls weiterer Detektorelementanordnungen) Einzelphotonen-Lawinendioden. Für SPAD ist die erfindungsgemäße Anordnung der Detektorelemente besonders vorteilhaft, da ein größerer Bereich von Lichtstärken, Objektentfernungen, Objektreflektivitäten zuverlässig erfasst werden kann. Die erste Detektorelementanordnung ist dann beispielsweise bei größeren Objektentfernungen beziehungsweise geringerem Reflektionsvermögen des zu detektierenden Objekts zuverlässiger, während die zweite (oder sogar eine eventuelle dritte oder vierte etc.) Detektorelementanordnung 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 Lichtintensitäten) auf.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Detektorelemente mindestens einer der Detektorelementanordnungen in einer ebenen Matrixanordnung angeordnet. Die Detektorelemente sind vorzugsweise in der Matrix in äquidistanten Spalten und Reihen angeordnet. Jede Matrixanordnung kann aus einem Wafer hergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes Detektorelement mit einem eigenen Ausleseschaltkreis verbunden. Jedes Detektorelement kann dann wie ein Pixel ausgelesen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise von mindestens einer Detektorelementanordnung in einer gemeinsamen Matrixanordnung mit den Detektorelementen der Detektorelementanordnung angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt eine größere Variabilität in der Anzahl der verwendeten Detektorelementanordnung. Sie hat jedoch den Nachteil, dass jede der Detektorelementanordnungen Detektorfläche an die Ausleseschaltkreise verliert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise von mindestens einer Detektorelementanordnung in der Matrixanordnung einer anderen, angrenzenden Detektorelementanordnung angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt es, insbesondere in der ersten Detektorelementanordnung die nutzbare Detektorfläche zu maximieren.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise von mindestens zwei Detektorelementanordnungen in einer separaten Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung angrenzend zu einer der beiden Detektorelementanordnungen angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt es, insbesondere in der ersten Detektorelementanordnung die nutzbare Detektorfläche zu maximieren und gleichzeitig eine größere Variabilität in der Anzahl der verwendeten Detektorelementanordnungen zu erreichen. Beispielsweise kann dann in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts zuerst die erste Detektorelementanordnung, dann die zweite Detektorelementanordnung und dann eine Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung angeordnet (übereinandergestapelt) sein. Die Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung kann auch die Ausleseschaltkreise von drei, vier, fünf oder mehr Detektorelementanordnungen umfassen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise jeweils so angeordnet, dass sie in Einstrahlrichtung nicht direkt vor einem darunterliegenden Detektorelement angeordnet sind. Da die Ausleseschaltkreise tendenziell weniger transparent sind als die Detektorelemente, vermeidet man dadurch eine deutlich ungleichmäßige Transmission des Lichts insbesondere durch die erste Detektorelementanordnung. Die Ausleseschaltkreise können aber auch grundsätzlich in die unterste Detektorebene verlagert werden (zum Beispiel die zweite Detektorelementanordnung oder eine separate Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung zum Beispiel in der dritten Ebene), sodass dieses Problem komplett umgangen werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung weniger lichtempfindlich als die Detektorelemente der ersten Detektorelementanordnung. Diese Ausführungsform ist dann besonders vorteilhaft, wenn die erste Detektorelementanordnung einen relativ hohen Transmissionsgrad aufweist, zum Beispiel aufgrund der Materialwahl und/oder einer geringen Dicke bei gewünschter kompakter Bauweise, und daher beispielsweise immer noch mehr als 50 % der ursprünglichen Lichtintensität der zweiten Detektorelementanordnung erreicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung eine kleinere Fläche auf als die Detektorelemente der ersten Detektorelementanordnung. Das ist ein relativ einfacher Weg, um sicherzustellen, dass die Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung weniger empfindlich sind als die Detektorelemente der ersten Detektorelementanordnung (insbesondere bei empfindlichen Detektorelementen wie SPAD). Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung aus einem anderen Detektormaterial herzustellen, dass bei der vom Sensor verwendeten Wellenlänge weniger stark anspricht.
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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 ein Detail eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,
- 2 und 3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,
- 4 und 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors, und
- 6 und 7 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 wird ein Detail eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt. Der optische Sensor 1 umfasst eine erste Detektorelementanordnung 2, die mindestens zwei Detektorelemente 3 umfasst, sowie eine zweite Detektorelementanordnung 4, die mindestens zwei Detektorelemente 5 umfasst. Die erste Detektorelementanordnung 2 ist in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts vor der zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet. Die erste Detektorelementanordnung 2 ist teilweise lichtdurchlässig (insbesondere im vom optischen Sensor verwendeten Wellenlängenbereich, zum Beispiel Nahinfrarot), sodass die erste Detektorelementanordnung 2 eine höhere Lichtintensität des zu absorbierenden Lichts erreicht als die zweite Detektorelementanordnung 4. In 1 ist dies dadurch angedeutet, dass nur etwa 50 % der ursprünglichen Lichtintensität die zweite Detektorelementanordnung 4 erreicht. Es ist aber auch möglich, dass ein deutlich geringerer Anteil der Lichtintensität, zum Beispiel 5 - 50 %, bevorzugt 5 - 20 % die zweite Detektorelementanordnung 4 erreicht.
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Dadurch, dass die von den Detektorelementen 5 abgedeckte Fläche hier ebenfalls geringer ist als die von den Detektorelementen 3 abgedeckte Fläche, kann ebenfalls der Lichtintensitätsbereich eingestellt werden, in dem die zweite Detektorelementanordnung 4 zuverlässig arbeitet.
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Es können auch weitere Detektorelementanordnungen (eine dritte, vierte, fünfte etc.) unterhalb der zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet sein, damit über einen möglichst breiten Bereich der Lichtintensität immer zumindest eine Detektorelementanordnung ein optimales Detektionsverhalten aufweist (die Detektorelemente 3, 5 also weder dauerangesprochen werden, noch gar kein Signal ausgeben).
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2 und 3 zeigen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung, während 3 eine Schnittdarstellung des optischen Sensors 1 darstellt. Die Detektorelemente 3, 5 sind jeweils in den Detektorelementanordnungen 2, 4 in ebenen Matrixanordnungen angeordnet. Die Detektorelemente 2, 4 sind in den Matrizen in äquidistanten Spalten und Reihen angeordnet. Jede Matrixanordnung kann dabei aus einem Wafer hergestellt werden.
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Die Anzahl der dargestellten Detektorelemente 3, 5 von je 16 Stück ist nur beispielhaft und kann sich je nach Anwendung unterscheiden. Die Detektorelementanordnungen 2, 4 können auch unterschiedliche Anzahlen an Detektorelemente 3, 5 umfassen.
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Jedes Detektorelement 3 der ersten Detektorelementanordnung 2 ist mit je einem eigenen Ausleseschaltkreis 6 verbunden und jedes Detektorelement 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 ist mit je einem eigenen Ausleseschaltkreis 7 verbunden. Jedes Detektorelement 3, 5 kann dann wie ein Pixel ausgelesen werden.
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In dieser Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise 6, 7 der beiden Detektorelementanordnungen 2, 4 jeweils in einer gemeinsamen Matrixanordnung mit den Detektorelementen 3, 5 der jeweiligen Detektorelementanordnungen 2, 4 angeordnet.
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4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. 4 zeigt eine Explosionsdarstellung, während 5 eine Schnittdarstellung des optischen Sensors 1 darstellt.
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Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Ausleseschaltkreise 6 der Detektorelemente 3 der ersten Detektorelementanordnung 2 in der Matrixanordnung der angrenzenden zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet sind. Die Ausleseschaltkreise 7 der Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 sind ebenfalls in der Matrixanordnung der zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt es, in der ersten Detektorelementanordnung 2 die nutzbare Detektorfläche zu maximieren.
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6 und 7 zeigen eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. 6 zeigt eine Explosionsdarstellung, während 7 eine Schnittdarstellung des optischen Sensors 1 darstellt.
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Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsformen dadurch, dass die Ausleseschaltkreise 6, 7 der ersten Detektorelementanordnung 2 und der zweiten Detektorelementanordnung 4 in einer separaten Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung 8 angrenzend zu der zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet sind. Diese Ausführungsform erlaubt es, insbesondere in der ersten Detektorelementanordnung die nutzbare Detektorfläche zu maximieren und gleichzeitig eine größere Variabilität in der Anzahl der verwendeten Detektorelementanordnungen zu erreichen. In Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts ist also zuerst die erste Detektorelementanordnung 2, dann die zweite Detektorelementanordnung 4 und dann die Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung 8 angeordnet.
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Die Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 können in allen drei Ausführungsformen der 2 bis 7 weniger lichtempfindlich als die Detektorelemente 3 der ersten Detektorelementanordnung 2 sein. Die Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 weisen eine kleinere Fläche auf als die Detektorelemente 3 der ersten Detektorelementanordnung 2. Das ist ein relativ einfacher Weg, um sicherzustellen, dass die Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 weniger empfindlich sind als die Detektorelemente 3 der ersten Detektorelementanordnung 2. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 2 mit einer anderen Dicke und/oder aus einem anderen Detektormaterial herzustellen, das bei der vom optischen Sensor 1 verwendeten Wellenlänge weniger stark anspricht.
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Es ist auch möglich bei drei, vier, fünf oder mehr gestapelten Detektorelementanordnungen die jeweilige Größe der Detektorelemente Schritt für Schritt entlang der Einfallrichtung des zu detektierenden Lichts zu verringern und so die Lichtempfindlichkeit der Detektorelemente von Detektorelementanordnung zu Detektorelementanordnung immer weiter zu reduzieren.
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Die erste Detektorelementanordnung 2 ist in allen drei dargestellten Ausführungsformen in der Lage, mit einer sehr hohen Empfindlichkeit zu messen. Dies ermöglicht es, niedrige Lichtintensitäten zu messen, die typischer Weise bei LiDAR-Sensoren für schwach reflektierende Objekte auftreten und/oder für solche, die weit vom optischen Sensor entfernt sind (> 50m). Das Restlicht, das von der ersten Detektorelementanordnung 2 nicht absorbiert wird, trifft dann auf die zweite Detektorelementanordnung 4. Auf diese Weise kann der optische Sensor 1 sowohl Objekte messen, die sich fern vom optischen Sensor 1 befinden, als auch nahe beziehungsweise hochreflektierende Objekte wie Retroreflektoren. Der Gesamtdetektor hat daher eine höhere Dynamik und funktionale Reichweite als herkömmliche Sensoren, insbesondere solche mit SP AD-Detektorelementen.
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Der optische Sensor 1, wie in dieser Erfindung beschrieben, kann durch 3D-Stapelung und Bonding von Wafern hergestellt werden. Zukünftig könnte aber auch eine Fertigung auf einem einzelnen Wafer möglich sein, wie es heute für Tandemsolarzellen der Fall ist.
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Der optische Sensor kann in verschiedenen LiDAR-Architekturen eingesetzt werden, einschließlich rotierender Scanner (wie Velodyne-Sensoren), Drehspiegelscanner (wie Ibeo Lux), Mikrospiegelscanner und Solid State LiDAR (siehe zum Beispiel
US 2018 252 59 624 ).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018091640 A2 [0003]
- US 201825259624 [0035]
