DE102020124564A1 - Lens for a mechanically-free LIDAR system for a drone - Google Patents

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Elmos Semiconductor SE
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Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Linse zur Verwendung in einem LIDAR-System. Das LIDAR-System umfasst ein Laser-Modul, das ein lineares Laser-Array aus n Lasern aufweist, und ein Fotodetektoren-Array und eine Abbildungsoptik. Die Linse weitet jeden der Laserstrahlen in eine Richtung senkrecht zur Laserstrahlachsenebene auf, sodass sich Lichtfächer in Lichtfächerebenen senkrecht zur Lichtstrahlachsenebene ergeben. Die Abbildungsoptik bildet eine Projektion der Laserstrahlfächer im Fernfeld wieder auf n Fotodetektorenzeilen mit m Pixeln ab. Die Linse ist so ausgeformt, dass der Wert der Beleuchtungsintensitätsdichte auf ein erstes beliebiges Fotodetektorpixel des Fotodetektor-Array vom Wert der Beleuchtungsintensitätsdichte eines zweiten beliebigen Fotodetektorpixel des Fotodetektor-Array nicht wesentlich abweicht. Ausgestaltungsvorschriften für die Berechnung der beiden Oberflächen der Linse, um diesen Zweck zu erreichen, werden für verschiedene praxisrelevante Fälle angegeben.The invention is directed to a lens for use in a LIDAR system. The LIDAR system comprises a laser module, which has a linear laser array of n lasers, and a photodetector array and imaging optics. The lens expands each of the laser beams in a direction perpendicular to the plane of the laser beam axis, so that light fans result in light fan planes perpendicular to the light beam axis plane. The imaging optics reproduce a projection of the laser beam fan in the far field onto n photodetector lines with m pixels. The lens is shaped in such a way that the value of the illumination intensity density on any first photodetector pixel of the photodetector array does not deviate significantly from the value of the illumination intensity density of any second photodetector pixel of the photodetector array. Design specifications for the calculation of the two surfaces of the lens in order to achieve this purpose are given for various practical cases.

Description

Diese deutsche Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2020 002 441.6 vom 07.01.2020 und der deutschen Patentanmeldung DE 10 2020 114 784.8 vom 03.06.2020 in Anspruch.This German patent application takes priority from the German patent application with the file number DE 10 2020 002 441.6 from 07.01.2020 and the German patent application DE 10 2020 114 784.8 from 03.06.2020 to claim.

OberbegriffGeneric term

Die Erfindung richtet sich auf die Optik für ein besonders leichtes und energiesparendes Laser-Modul und ein darauf basierendes LIDAR-System ohne mechanische Teile.The invention is directed to the optics for a particularly light and energy-saving laser module and a LIDAR system based on it without mechanical parts.

Allgemeine EinleitungGeneral introduction

LIDAR (Abkürzung für englisch: light detection and ranging), auch Ladar (laser detection and ranging), ist eine dem Radar verwandte Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Fernmessung atmosphärischer Parameter. Statt der Radiowellen wie beim Radar werden Laserstrahlen verwendet. Im Stand der Technik werden bevorzugt mechanische Spiegel für die Ablenkung der Laserstrahlen in verschiedene Richtungen benutzt.LIDAR (abbreviation for light detection and ranging), also Ladar (laser detection and ranging), is a radar-related method for optical distance and speed measurement as well as for remote measurement of atmospheric parameters. Instead of radio waves as in radar, laser beams are used. In the prior art, mechanical mirrors are preferably used for deflecting the laser beams in different directions.

Stand der TechnikState of the art

Aus der DE 10 2009 060 873 A1 ist eine Treiberschaltung für eine LED bekannt. Die technische Lehre der DE 10 2009 060 873 A1 lässt darüber hinaus offen, wie die Bauteile montiert werden sollen, um die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in optimaler Weise zu minimieren.From the DE 10 2009 060 873 A1 a driver circuit for an LED is known. The technical teaching of the DE 10 2009 060 873 A1 also leaves open how the components should be assembled in order to minimize parasitic inductances and capacitances in an optimal way.

Aus der DE 10 2016 116 368 A1 ist ein Treiberschaltkreis für lichtemittierende optoelektronische Komponenten bekannt (siehe 1 der DE 10 2016 116 368 A1 ), bei der der Ladeschaltkreis (Bezugszeichen 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14 der DE 10 2016 116 368 A1 ) einen Kondensator (Bezugszeichen 18-21 der DE 10 2016 116 368 A1 ) über einen Serienwiderstand (Bezugszeichen 3 der DE 10 2016 116 368 A1 ) lädt. Die lichtemittierenden optoelektronischen Komponenten (Bezugszeichen 22 bis 25 der DE 10 2016 116 368 A1 ) sind mit ihren Kathoden zu einem ersten Sternpunkt zusammengeschaltet. Ein Ansteuerschalter (Bezugszeichen 26 der
DE 10 2016 116 368 A1 ) verbindet diesen Sternpunkt mit dem Bezugspotenzial (Bezugszeichen GND der DE 10 2016 116 368 A1 ), wenn eine oder mehrere der lichtemittierenden optoelektronischen Komponenten Licht emittieren sollen. Der Pufferkondensator (Bezugszeichen 9 der
DE 10 2016 116 368 A1 ) dient zu einer schnellen Ladung der eigentlichen Energiereserven (Bezugszeichen 18 bis 21 der DE 10 2016 116 368 A1 ).
From the DE 10 2016 116 368 A1 a driver circuit for light-emitting optoelectronic components is known (see 1 the DE 10 2016 116 368 A1 ), in which the charging circuit (reference numerals 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14 of the DE 10 2016 116 368 A1 ) a capacitor (reference 18-21 of the DE 10 2016 116 368 A1 ) via a series resistor (reference number 3 of the DE 10 2016 116 368 A1 ) loads. The light-emitting optoelectronic components (reference numerals 22 to 25 of DE 10 2016 116 368 A1 ) are connected together with their cathodes to form a first star point. A control switch (reference numeral 26 of
DE 10 2016 116 368 A1 ) connects this star point with the reference potential (reference symbol GND of the DE 10 2016 116 368 A1 ) if one or more of the light-emitting optoelectronic components are to emit light. The buffer capacitor (reference number 9 of the
DE 10 2016 116 368 A1 ) is used to quickly charge the actual energy reserves (reference numerals 18 to 21 of the DE 10 2016 116 368 A1 ).

Die DE 10 2016 116 368 A1 weist den Nachteil auf, dass der Vorwiderstand zu einer schlechteren Energiebilanz führt. Die technische Lehre der DE 10 2016 116 368 A1 lässt darüber hinaus offen, wie die Bauteile montiert werden sollen, um die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in optimaler Weise zu minimieren.The DE 10 2016 116 368 A1 has the disadvantage that the series resistor leads to a poorer energy balance. The technical teaching of the DE 10 2016 116 368 A1 also leaves open how the components should be assembled in order to minimize parasitic inductances and capacitances in an optimal way.

Aus der US 10 193 304 B2 ist eine Treiberschaltung bekannt, bei der die Ladung der Kondensatoren so erfolgt, dass der Strom unter der Ansprechschwelle der Laser bleibt. Die technische Lehre der US 10 193 304 B2 lässt offen, wie die Bauteile montiert werden sollen, um die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in optimaler Weise zu minimieren.From the US 10 193 304 B2 a driver circuit is known in which the capacitors are charged in such a way that the current remains below the response threshold of the laser. The technical teaching of the US 10 193 304 B2 leaves open how the components should be assembled in order to minimize parasitic inductances and capacitances in an optimal way.

Aus der EP 2 002 519 A2 (2 der EP 2 002 519 A2 ) ist ein kompakter, komplexer Aufbau mit vier Lagen (2 Leiterplatten, Kondensatoren, Laser und Schalt-IC) bekannt, der für die hier gesuchte Lösung noch zu komplex und zu langsam ist.From the EP 2 002 519 A2 ( 2 the EP 2 002 519 A2 ) a compact, complex structure with four layers (2 circuit boards, capacitors, laser and switching IC) is known, which is still too complex and too slow for the solution sought here.

Aus der EP 3 301473 A1 ist eine Ansteuerschaltung für eine einzelne LED bekannt, die zur Aussendung kurzer Impulse geeignet ist. Wie die in der EP 3 301473 A1 geforderte geringe Induktivität erreicht werden kann, wird nicht offenbart.From the EP 3 301473 A1 a control circuit for a single LED is known which is suitable for emitting short pulses. Like the one in the EP 3 301473 A1 required low inductance can be achieved is not disclosed.

Aus der DE 10 2016 116 369 A1 ist eine LED Treiberschaltung bekannt, bei der jede LED über einen eigenen Ansteuerschalter verfügt, was den Aufwand vergrößert und die Kompaktheit der Vorrichtung verschlechtert.From the DE 10 2016 116 369 A1 an LED driver circuit is known in which each LED has its own control switch, which increases the complexity and worsens the compactness of the device.

Aus der DE 10 2008 021 588 A1 ist eine Laseransteuerschaltung bekannt, bei der mehrere Ansteuerschalter parallelgeschaltet sind, sodass diese zeitversetzt zueinander Pulse generieren können und zwischen den Pulsen abkühlen können, während die anderen Ansteuerschalter die weiteren Pulse erzeugen können.From the DE 10 2008 021 588 A1 a laser control circuit is known in which several control switches are connected in parallel so that these can generate pulses with a time offset from one another and can cool down between the pulses, while the other control switches can generate the further pulses.

Aus der DE 10 2017 121 713 A1 sind Ansteuerschalter bekannt, die aus Untereinheiten bestehen, bei denen jede Untereinheit einen eigenen Kondensator zur Bereitstellung der Schaltenergie aufweist.From the DE 10 2017 121 713 A1 control switches are known which consist of sub-units in which each sub-unit has its own capacitor for providing the switching energy.

Aus der DE 19 914 362 A1 und der DE 19 514 062 A1 ist eine Steuereinrichtung für einen Gas-Laser bekannt.From the DE 19 914 362 A1 and the DE 19 514 062 A1 a control device for a gas laser is known.

Aus der US 9 185 762 B2 ( DE 10 2014 105 482 A1 ) ist eine Schaltung zur Verringerung der Ausschaltzeit einer Laser-Diode bekannt.From the US 9 185 762 B2 ( DE 10 2014 105 482 A1 ) a circuit for reducing the switch-off time of a laser diode is known.

Aus der DE 10 2017 100 879 A1 ist eine Schaltung zum schnellen Ein- und Ausschalten einer einzelnen Laser-Diode bekannt. Dort wird auch ein Aufbaubeispiel gegeben. Eine günstige Lösung für mehrere Laser-Dioden wird nicht angegeben.From the DE 10 2017 100 879 A1 a circuit for switching a single laser diode on and off quickly is known. A setup example is also given there. A favorable solution for several laser diodes is not given.

Aus der DE 10 2018 106 860 A1 ist die direkte Verbindung zwischen einem Laser-Die eines Einzellasers und dem Die eines integrierten Ansteuerschalters bekannt. Der Ansteuerschalter ist dabei zwischen Versorgungsspannung und Anode der Laser-Diode geschaltet, was, wie im Folgenden noch klarwerden wird, eine besonders kompakte Lösung für ein Laser-Array verhindert.From the DE 10 2018 106 860 A1 the direct connection between a laser die of a single laser and the die of an integrated control switch is known. The control switch is connected between the supply voltage and the anode of the laser diode, which, as will become clear below, prevents a particularly compact solution for a laser array.

Aus der DE 10 2016 116 875 A1 ist eine Treiberschaltung (z. B. 12 der DE 10 2016 116 875 A1 ) mit einem gemeinsamen Ansteuerschalter (Bezugszeichen S3 der DE 10 2016 116 875 A1 ) für mehrere Laser (Bezugszeichen D1, D7 der DE 10 2016 116 875 A1 ) bekannt, bei der der gemeinsame Ansteuerschalter (Bezugszeichen S3 der DE 10 2016 116 875 A1 ) an die Kathoden der Laser angeschlossen ist und diese mit dem Bezugspotenzial verbinden kann. Die Energie für den Laserpuls kommt dabei aus einer gemeinsamen Speicherkapazität (Bezugszeichen C der DE 10 2016 116 875 A1 ). Die Laser werden über separate Schalter selektiert (Bezugszeichen S2 der DE 10 2016 116 875 A1 ). Diese Schaltung hat den Nachteil, dass über diese Schalter (Bezugszeichen S2 der DE 10 2016 116 875 A1 ) eine parasitäre Spannung abfällt.From the DE 10 2016 116 875 A1 is a driver circuit (e.g. 12th the DE 10 2016 116 875 A1 ) with a common control switch (reference symbol S3 of the DE 10 2016 116 875 A1 ) for several lasers (reference symbols D1, D7 of the DE 10 2016 116 875 A1 ) known, in which the common control switch (reference symbol S3 of the DE 10 2016 116 875 A1 ) is connected to the cathodes of the laser and can connect them to the reference potential. The energy for the laser pulse comes from a common storage capacity (reference symbol C of DE 10 2016 116 875 A1 ). The lasers are selected via separate switches (reference symbol S2 of DE 10 2016 116 875 A1 ). This circuit has the disadvantage that this switch (reference symbol S2 of the DE 10 2016 116 875 A1 ) a parasitic voltage drops.

Aus der DE 10 2006 036 167 B4 ist eine Lasertreiberschaltung bekannt, bei der die Resonanzen der parasitären Induktivitäten und der Kapazitäten so abgestimmt sind, dass sie vorbestimmte Eigenschaften der zu erzeugenden Lichtpulse unterstützen.From the DE 10 2006 036 167 B4 a laser driver circuit is known in which the resonances of the parasitic inductances and the capacitances are matched in such a way that they support predetermined properties of the light pulses to be generated.

Aus der US 6 697 402 B2 ist ein Lasertreiber mit einer Laserstromerfassung über einen Shunt-Widerstand zwischen Kathodenanschluss und Bezugspotenzial bekannt.From the US 6 697 402 B2 a laser driver with laser current detection via a shunt resistor between the cathode connection and reference potential is known.

Aus der US 9 368 936 B1 ist eine einzelne Treiberschaltung bekannt. Eine Spule wird als Energiespeicher verwendet.From the US 9 368 936 B1 a single driver circuit is known. A coil is used as an energy store.

Aus der US 9 155 146 B2 ist eine Schaltung zur Energieversorgung einer LED-Kette bekannt.From the US 9 155 146 B2 a circuit for supplying energy to an LED chain is known.

Aus der DE 10 2018 106 861 A1 ist die Ansteuerung einer Laser-Diode mit einer H-Brücke bekannt.From the DE 10 2018 106 861 A1 the control of a laser diode with an H-bridge is known.

Aus der DE 19 546 563 C2 ist eine Treiberschaltung bekannt, bei der der Ladeschaltkreis durch eine Induktivität von der Laser-Diode für die kurze Zeit der Lichtpulsemission abgeklemmt wird, wenn der Ansteuertransistor die Lichtemission initiiert.From the DE 19 546 563 C2 a driver circuit is known in which the charging circuit is disconnected by an inductance from the laser diode for the short time of the light pulse emission when the control transistor initiates the light emission.

Aufgabetask

Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.The proposal is therefore based on the object of creating a solution which does not have the above disadvantages of the prior art and has further advantages.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Kern des hier vorgestellten Vorschlags ist ein Laser-Modul, dass die Aussendung besonders schnell ansteigender Laser-Pulse erlaubt. Wir nehmen beispielhaft an, dass das Laser-Modul n linear nebeneinander angeordnete Laser umfasst. Bei den Lasern handelt es sich bevorzugt um Halbleiterlaser, die bevorzugt einen gemeinsamen Kathodenkontakt besitzen.The core of the proposal presented here is a laser module that allows the emission of particularly rapidly increasing laser pulses. We assume as an example that the laser module n is linear next to each other includes arranged lasers. The lasers are preferably semiconductor lasers, which preferably have a common cathode contact.

Das vorgeschlagene Laser-Modul besitzt somit ein lineares Laser-Array aus n Lasern, wobei n für eine ganze positive Zahl größer gleich 1, besser größer gleich 2, besser größer gleich 4, besser größer gleich 8, besser größer gleich 16 steht. Bevorzugt ist die Zahl n der Laser eine Potenz von 2. Die Laser sind dabei bevorzugt längs einer ersten Linie mit einem ersten Abstand von Laser zu Laser angeordnet. Bevorzugt sind die Laser in gleicher Weise ausgeführt. Bevorzugt sind die Laser in einem gemeinsamen Kristall gefertigt.The proposed laser module thus has a linear laser array of n lasers, where n stands for a whole positive number greater than or equal to 1, better greater than or equal to 2, better greater than or equal to 4, better greater than or equal to 8, better greater than or equal to 16. The number n of lasers is preferably a power of 2. The lasers are preferably arranged along a first line with a first distance from laser to laser. The lasers are preferably designed in the same way. The lasers are preferably manufactured in a common crystal.

Jedem Laser der n Laser ist bevorzugt genau ein Kondensator von n Kondensatoren als jeweilige Energiequelle für seinen Laserpuls zugeordnet. Ob ein Laser beim nächsten Pulssignal einen Laserpuls aussendet oder nicht, bestimmt sich bevorzugt danach, ob der diesem Laser zugeordnete Kondensator zuvor vor dem Eintreffen des Pulssignals durch eine Ladeschaltung aufgeladen wurde oder nicht. Diese n Kondensatoren werden nun bevorzugt längs einer zweiten Linie angeordnet. Diese zweite Linie der Anordnung der Kondensatoren ist bevorzugt parallel der ersten Linie der Anordnung der Laser. Der zweite Abstand von Kondensator zu Kondensator für die n Kondensatoren, die längs dieser zweiten Linie angeordnet sind, ist bevorzugt gleich dem ersten Abstand von Laser zu Laser, mit dem die Laser längs der ersten Linie angeordnet sind. Es ergibt sich somit ein lineares Kondensator-Array aus n Kondensatoren.Each laser of the n lasers is preferably assigned exactly one of n capacitors as the respective energy source for its laser pulse. Whether or not a laser emits a laser pulse with the next pulse signal is preferably determined by whether the capacitor assigned to this laser was previously charged by a charging circuit before the arrival of the pulse signal or not. These n capacitors are now preferably arranged along a second line. This second line of arrangement of the capacitors is preferably parallel to the first line of arrangement of the lasers. The second distance from capacitor to capacitor for the n capacitors which are arranged along this second line is preferably equal to the first distance from laser to laser with which the lasers are arranged along the first line. This results in a linear capacitor array made up of n capacitors.

Des Weiteren weist das Laser-Modul einen Ansteuerschalter auf, der zur Zündung der Laser mit geladenen, diesen Lasern zugeordneten Kondensatoren dient.Furthermore, the laser module has a control switch which is used to ignite the lasers with charged capacitors assigned to these lasers.

Damit ein Laser mit Eintreffen des Pulssignals einen Laserpuls aussenden kann, muss der diesem Laser zugeordnete Kondensator zuvor durch einen, diesem Kondensator zugeordneten Ladeschaltkreis geladen worden sein. Das Lasermodul umfasst daher bevorzugt n Ladeschaltkreise, wobei ein Ladeschaltkreis der n Ladeschaltkreise selektiv jeweils einen Kondensator der n Kondensatoren, im Folgenden der diesem Ladeschaltkreis zugeordnete Kondensator genannt, über eine Ladezuleitungsinduktivität laden kann. Es wurde im Zuge der Ausarbeitung der Erfindung erkannt, dass sich die Größe dieser Ladungszuleitungsinduktivität für die Entladegeschwindigkeit des jeweiligen Kondensators und damit für die Steilheit der Pulsflanke positiv auswirkt, da diese Induktivität die Ladeschaltung von dem Kondensator für hohe Frequenzen trennt. Somit wirken sich Ausgangskapazitäten der Ladeschaltung bei steilen Laserflanken bei einer großen Ladungszuleitungsinduktivität nicht mehr aus. Der Laser-Puls wird also durch die sperrende Ladungszuleitungsinduktivität potenziell steiler.So that a laser can emit a laser pulse when the pulse signal arrives, the capacitor assigned to this laser must have been charged beforehand by a charging circuit assigned to this capacitor. The laser module therefore preferably comprises n charging circuits, one charging circuit of the n charging circuits being able to selectively charge one of the n capacitors, hereinafter referred to as the capacitor assigned to this charging circuit, via a charging lead inductance. In the course of developing the invention, it was recognized that the size of this charge lead inductance has a positive effect on the discharge speed of the respective capacitor and thus on the steepness of the pulse edge, since this inductance separates the charging circuit from the capacitor for high frequencies. This means that output capacitances of the charging circuit no longer have any effect in the case of steep laser edges with a large charge lead inductance. The laser pulse is therefore potentially steeper due to the blocking charge lead inductance.

Somit ist bevorzugt jedem Kondensator der n Kondensatoren jeweils ein Laser der n Laser als diesem Kondensator zugeordneter Laser zugeordnet. Mit dem Eintreffen des Pulssignals wird der Ansteuerschalter geschlossen. Der Ansteuerschalter ist dabei bevorzugt ein Transistor einer integrierten Schaltung. Durch das Schließen des Ansteuerschalters entlädt der Ansteuerschalter denjenigen Kondensator der n Kondensatoren, der geladen ist, über den diesem Kondensator zugeordneten Laser und einer Entladeleitungsinduktivität, die diesen Kondensator bevorzugt mit der Anode des Lasers verbindet. Der zugeordnete Laser kann natürlich nur dann einen Laserpuls mit dem Eintreffen des Pulssignals und dem darauffolgenden Schließen des Ansteuerschalters aussenden, wenn der diesem Laser zugeordnete Kondensator zuvor durch die Ladeschaltung geladen war. Durch das Schließen des Ansteuerschalters mit dem Eintreffen des Pulssignals verbindet bevorzugt der Ansteuerschalter bevorzugt die Kathode des Lasers mit einem Bezugspotenzial. Natürlich sind auch Schaltungen denbar/vorstellbar/möglich , in denen die Anode und die Kathode des Lasers vertauscht sind. Diese funktionsäquivalenten Schaltungen und Anordnungen sind von den Ansprüchen ausdrücklich mitumfasst.Thus, one laser of the n lasers is preferably assigned to each capacitor of the n capacitors as a laser assigned to this capacitor. When the pulse signal arrives, the control switch is closed. The control switch is preferably a transistor of an integrated circuit. By closing the control switch, the control switch discharges that capacitor of the n capacitors that is charged via the laser assigned to this capacitor and a discharge line inductance which preferably connects this capacitor to the anode of the laser. The assigned laser can of course only emit a laser pulse with the arrival of the pulse signal and the subsequent closing of the control switch if the capacitor assigned to this laser was previously charged by the charging circuit. By closing the control switch when the pulse signal arrives, the control switch preferably connects the cathode of the laser to a reference potential. Of course, circuits are also conceivable / conceivable / possible in which the anode and the cathode of the laser are interchanged. These functionally equivalent circuits and arrangements are expressly included in the claims.

Es ist somit eine wesentliche erfindungsgemäße Erkenntnis, dass der Wert der Ladezuleitungsinduktivität möglichst hoch sein sollte, während die Induktivität der Entladeleitungsinduktivität möglichst klein sein sollte. Zur Entladeleitungsinduktivität trägt dabei die Verbindung von der beispielhaft hier verwendeten Anode des Lasers zu seinem Kondensator und die Zuleitungsinduktivität vom Kondensator zum Bezugspotenzial bei. Die gesamte Entladeleitungsinduktivität sollte dabei möglichst gering sein. Es wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung erkannt, dass es besser ist, für die Verbindung mehrere dünne Bonddrähte für diese Verbindungen zu verwenden als einen dicken Bonddraht mit hoher Stromtragfähigkeit, da die Gesamtinduktivität der mehreren parallel geschalteten Bonddrähte niedriger liegt. Zwar kommt es zu einer transformatorischen Koppelwirkung zwischen den parallel gesetzten Bonddrähten, die Vorteile der niedrigen Gesamtinduktivität und damit der schnellen Schaltzeiten überwiegen jedoch massiv. It is therefore an essential finding according to the invention that the value of the charge line inductance should be as high as possible, while the inductance of the discharge line inductance should be as small as possible. The connection from the anode of the laser, used here as an example, to its capacitor and the supply line inductance from the capacitor to the reference potential contribute to the discharge line inductance. The total discharge line inductance should be as low as possible. When working out the invention, it was recognized that it is better to use a plurality of thin bonding wires for these connections than a thick bonding wire with a high current-carrying capacity, since the total inductance of the multiple bonding wires connected in parallel is lower. Although there is a transformer coupling effect between the bond wires placed in parallel, the advantages of the low total inductance and thus the fast switching times predominate massively.

Die Ladungszuleitungsinduktivität wird maximiert. Die Bonddrahtlänge zur Verbindung des ersten Anschlusses des Kondensators mit der ihm zugeordneten Ladeschaltung wird daher bevorzugt maximiert, um diese Ladungszuleitungsinduktivität im Rahmen des Möglichen zu maximieren und so eine maximale Separation zwischen den parasitären Ausgangskapazitäten der Ladeschaltung und der Anode des Lasers zu erhalten.The charge lead inductance is maximized. The bond wire length for connecting the first connection of the capacitor to the charging circuit assigned to it is therefore preferably maximized in order to to maximize this charge lead inductance as far as possible and thus to obtain a maximum separation between the parasitic output capacitances of the charging circuit and the anode of the laser.

Somit ist bevorzugt der Wert der Ladezuleitungsinduktivität größer als der Wert der Entladeleitungsinduktivität.The value of the charge lead inductance is thus preferably greater than the value of the discharge lead inductance.

Bevorzugt umfasst das Laser-Modul einen integrierten Schaltkreis, bei dem die Kathoden der n Laser des linearen Laser-Arrays aus n Lasern zu einem Sternpunkt bonddrahtlos zusammengeschaltet sind. Bevorzugt wird dazu das Laser-Modul mit einem gemeinsamen Rückseitenkontakt, der in dem hier vorgestellten Beispiel die gemeinsame Kathode der n Laser darstellt, direkt mit einem Kontakt des Ansteuerschalters verbunden, sodass dieser Ansteuerschalter mit einem Anschluss praktisch induktivitätslos mit den Kathoden der n Laser verbunden ist. Der Kristall des integrierten Schaltkreises leitet dabei die Abwärme der n-Laser weiter. Bevorzugt ist die Rückseite des linearen Laser-Arrays somit thermisch und elektrisch leitfähig mit einem Kontakt des Ansteuerschalters verbunden, der bevorzugt monolithisch in den Kristall der bevorzugt verwendeten integrierten Schaltung integriert ist. Diese Verbindung kann durch Klebung oder Lötung oder eine andere geeignete elektrisch und thermisch leitende Verbindungstechnik wie z. B. Thermokompression von Bond-Balls hergestellt oder eine andere Flip-Chip-Montage-Technik werden. Bevorzugt ist der Stapel aus dem Kristall des linearen Laser-Arrays und dem Kristall der integrierten Schaltung mit dem Ansteuerschalter und bevorzugt mit der Ladeschaltung thermisch und bevorzugt auch elektrisch leitend mit der Rückseite der integrierten Schaltung auf einer Wärmesenke, beispielsweise mittels thermisch und bevorzugt elektrisch leitender Klebung oder Lötung montiert.The laser module preferably comprises an integrated circuit in which the cathodes of the n lasers of the linear laser array of n lasers are interconnected to form a star point without bonded wires. For this purpose, the laser module with a common rear-side contact, which in the example presented here represents the common cathode of the n lasers, is preferably connected directly to a contact of the control switch, so that this control switch is connected to the cathodes of the n lasers with practically no inductance . The crystal of the integrated circuit conducts the waste heat from the n-laser. The rear side of the linear laser array is thus preferably connected in a thermally and electrically conductive manner to a contact of the control switch, which is preferably monolithically integrated into the crystal of the integrated circuit that is preferably used. This connection can be made by gluing or soldering or another suitable electrically and thermally conductive connection technology such. B. Thermocompression of bond balls or another flip-chip assembly technique. The stack of the crystal of the linear laser array and the crystal of the integrated circuit with the control switch and preferably with the charging circuit is preferably thermally and preferably also electrically conductive with the back of the integrated circuit on a heat sink, for example by means of thermally and preferably electrically conductive bonding or soldering mounted.

Wie bereits erwähnt, sind der Ansteuerschalter und bevorzugt die n Ladeschaltkreise für die n Kondensatoren des Kondensatoren-Arrays Teil der integrierten Schaltung. Der Ansteuerschalter ist bevorzugt bonddrahtlos mit dem ersten Sternpunkt, der die Kathoden der n Laser miteinander verbindet, elektrisch verbunden.As already mentioned, the control switch and preferably the n charging circuits for the n capacitors of the capacitor array are part of the integrated circuit. The control switch is preferably electrically connected to the first star point, which connects the cathodes of the n lasers to one another, without a bond.

In den Kristall des integrierten Schaltkreises sind, wie erwähnt, bevorzugt der Ansteuerschaltkreis und die n Ladeschaltungen in die, der Rückseite des Kristalls gegenüberliegende aktive Oberfläche integriert. Somit sind die n Ladeschaltkreise Teil der aktiven Oberfläche der integrierten Schaltung. D. h. sie sind relativ zur Dicke des Kristalls im Wesentlichen direkt unter der Oberfläche des Kristalls bzw. an dessen Oberfläche, wie bei integrierten Schaltkreisen üblich, platziert. Parallel zu dem linearen Laser-Array aus n Lasern ist nun auch das lineare Kondensator-Array aus n Kondensatoren auf der aktiven Oberfläche des monolithischen Kristalls der integrierten Schaltung angebracht.In the crystal of the integrated circuit, as mentioned, the control circuit and the n charging circuits are preferably integrated into the active surface opposite the rear side of the crystal. The n charging circuits are thus part of the active surface of the integrated circuit. I. E. relative to the thickness of the crystal, they are essentially placed directly below the surface of the crystal or on its surface, as is customary in integrated circuits. In parallel to the linear laser array of n lasers, the linear capacitor array of n capacitors is now also attached to the active surface of the monolithic crystal of the integrated circuit.

Diese Parallelität bezieht sich dabei nicht nur auf eine zeitliche Parallelität, sondern auch auf eine räumliche Parallelität. Die n Laser des Laser-Arrays sind bevorzugt längs einer ersten geraden Linie angeordnet. Die n Kondensatoren des Kondensatoren-Arrays sind bevorzugt längs einer zweiten geraden Linie angeordnet, die erstens bevorzugt parallel zur zweiten Linie ist oder zweitens als an der Unterseite des Kondensator-Arrays liegend gedacht werden kann.. Ebenso kann die erste Linie als an der Unterseite des Laser-Arrays liegend gedacht werden. Die erste Linie und die zweite Linie definieren dann eine Ebene, die mit der aktiven Oberfläche des Kristalls der elektrischen Schaltung bevorzugt gleich ist oder zumindest im Wesentlichen zu dieser Oberfläche parallel und nur so wenig durch Befestigungsmittel, wie beispielsweise Kleber oder Lot, von dieser beabstandet ist, dass hier von einer Gleichheit im Wesentlichen gesprochen werden kann.This parallelism relates not only to a temporal parallelism, but also to a spatial parallelism. The n lasers of the laser array are preferably arranged along a first straight line. The n capacitors of the capacitor array are preferably arranged along a second straight line which, firstly, is preferably parallel to the second line or, secondly, can be thought of as lying on the underside of the capacitor array Laser arrays are thought to be lying down. The first line and the second line then define a plane that is preferably the same as the active surface of the crystal of the electrical circuit or at least substantially parallel to this surface and only as little spaced from it by fastening means such as glue or solder that one can essentially speak of equality here.

Jeder Kondensator der n Kondensatoren des Kondensator-Arrays weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der erste Anschluss des Kondensators des linearen Kondensator-Arrays ist zur Induktivitätsreduktion durch eine Mehrfach-Bondung mit einer ersten Bonddrahtlänge mit der Anode des diesem Kondensator zugeordneten Lasers des linearen Laser-Arrays aus n Lasern verbunden. Die zweiten Anschlüsse der n Kondensatoren des Kondensator-Arrays sind zu einem zweiten Sternpunkt zusammengeschaltet. Dieser zweite Sternpunkt ist zur weiteren Induktivitätsreduktion mit einer Mehrzahl von Bonddrähten mit einer zweiten Bonddrahtlänge mit einem Bezugspotenzialkontakt auf der aktiven Oberfläche des Kristalls der integrierten Schaltung verbunden. Diese Konstruktion hat wesentliche Vorteile. Wenn nur einer der Kondensatoren der n Kondensatoren des Kondensator-Arrays durch die ihm zugeordnete Ladeschaltung aufgeladen wurde und alle anderen Kondensatoren nicht geladen sind, sind diese ungeladenen Kondensatoren im Wesentlichen auf eine Spannung nahe 0V aufgeladen. Mit dem Eintreffen des Pulssignals verbindet nun der Ansteuerschalter den ersten Sternpunkt mit dem Bezugspotenzial. Zum Ersten wird dadurch der betreffende zuvor aufgeladene Kondensator über den ihm zugeordneten Laser entladen. Zum Zweiten werden aber die ersten Anschlüsse aller anderen Kondensatoren über ihre Laser ebenfalls mit dem Bezugspotenzial verbunden. Da die zugehörigen Kondensatoren dieser Laser ungeladen sind, erzwingen diese übrigen Kondensatoren, dass das Potenzial der zweiten Anschlüsse dieser Kondensatoren, die den zweite Sternpunkt bilden, sich ebenfalls nahe des Bezugspotenzials bewegen müssen. Bevorzugt sind die ersten Anschlüsse der Kondensatoren des linearen Kondensator-Arrays, über jeweils einen Bonddraht mit einer dritten Bonddrahtläge, der den zweiten Sternpunkt kreuzt, mit der dem jeweiligen Kondensator der n Kondensatoren des Kondensator-Arrays zugeordneten Ladeschaltung der n Ladeschaltungen verbunden. Die dritte Bonddrahtlänge ist dabei bevorzugt länger als die zweite Bonddrahtlänge. Die zweite Bonddrahtlänge ist dabei bevorzugt länger als die erste Bonddrahtlänge.Each capacitor of the n capacitors of the capacitor array has a first connection and a second connection. The first connection of the capacitor of the linear capacitor array is connected to the anode of the laser of the linear laser array of n lasers assigned to this capacitor by multiple bonding with a first bond wire length to reduce inductance. The second connections of the n capacitors of the capacitor array are connected together to form a second star point. This second star point is connected to a plurality of bonding wires with a second bonding wire length with a reference potential contact on the active surface of the crystal of the integrated circuit for further inductance reduction. This construction has significant advantages. If only one of the capacitors of the n capacitors of the capacitor array has been charged by the charging circuit assigned to it and all other capacitors are not charged, these uncharged capacitors are essentially charged to a voltage close to 0V. When the pulse signal arrives, the control switch now connects the first star point to the reference potential. Firstly, the previously charged capacitor in question is thereby discharged via the laser assigned to it. Second, the first connections of all other capacitors are also connected to the reference potential via their lasers. Since the associated capacitors of these lasers are uncharged, these remaining capacitors force the potential of the second connections of these capacitors, which form the second star point, to develop must also move close to the reference potential. The first connections of the capacitors of the linear capacitor array are preferably connected to the charging circuit of the n charging circuits assigned to the respective capacitor of the n capacitors of the capacitor array, each via a bond wire with a third bond wire layer crossing the second star point. The third bond wire length is preferably longer than the second bond wire length. The second bond wire length is preferably longer than the first bond wire length.

Dieses so definierte Laser Modul kann in einem LIDAR-System eingesetzt werden. Es wird vorgeschlagen, dazu die folgende Grundstruktur eines LIDAR-Systems anzuwenden:

  • Das vorgeschlagene LIDAR System umfasst bevorzugt das besagte lineare Laser-Array aus n Lasern, ein lineares Fotodetektor-Array aus n*m Fotodetektoren, eine Ansteuerschaltung für die n Laser, n*m Empfangsschaltungen für die n*m Fotodetektoren und eine Auswerteschaltung für die Messsignale der n*m Empfangsschaltungen. Die Optik des LIDAR-Systems umfasst auf der Laser-Seite bevorzugt eine Powell-Linse, oder eine funktionsäquivalente Optik, die im Folgenden von dem Begriff Powell-Linse mit umfasst wird, und auf der Fotodetektorseite bevorzugt eine zweite Optik, im Folgenden als Empfängerlinse bezeichnet. Jeder Laser der n Laser emittiert einen jeweiligen Laserstrahl bei Bestromung mit elektrischem Strom. Die Powell-Linse weitet bevorzugt jeden Laserstrahl dieser potenziell n Laserstrahlen der n Laser bei Emission durch einen der n Laser zu einem Lichtfächer von potenziell n Lichtfächern, die jeweils einer der n Laser zugeordnet sind, auf. In der Realität wird jeder Lichtfächer einen stark elliptischen Intensitätsquerschnitt quer zu seiner Ausbreitungsrichtung aufweisen. Im Sinne dieser Schrift wird in der Beschreibung vereinfachend angenommen, dass die kleine Halbachse der Querschnittsellipse ein Längenmaß von praktisch 0 besitzt. Da der reale Querschnitt von 0 m verschieden ist, wird hierdurch die Beanspruchung nicht eingeschränkt. Diese Annahme von 0 m Fächerdicke dient also nur der Vereinfachung der Beschreibung. Jeder Lichtfächer hat einen Öffnungswinkel. Jeder Lichtfächer besitzt eine Lichtfächerebene und einem Fächerursprungspunkt. Die Powell-Linse wird so relativ zum linearen Laser-Array der n Laser angeordnet, dass bevorzugt alle Flächennormalen der n Fächerebenen der n Lichtfächer der n Laser in einer bevorzugt gemeinsamen Ebene untereinander und zusammen mit der geraden Linie liegen, längs derer bevorzugt die n Laser angeordnet sind. Bevorzugt erzeugen die n Laser des Laser-Arrays n Laserstrahlen, deren n Lichtfächer senkrecht zu ihrer jeweiligen Fächerebene um einen im Wesentlichen gemeinsamen Fächerursprungspunkt herum um einen jeweiligen Fächerwinkel gegenüber einem frei wählbaren Lichtfächer der n Lichtfächer um eine im Wesentlichen gemeinsame Rotationsachse durch diesen Fächerursprungspunkt gekippt sind.
This laser module defined in this way can be used in a LIDAR system. It is suggested to use the following basic structure of a LIDAR system:
  • The proposed LIDAR system preferably comprises the said linear laser array of n lasers, a linear photodetector array of n * m photodetectors, a control circuit for the n lasers, n * m receiving circuits for the n * m photodetectors and an evaluation circuit for the measurement signals of the n * m receiving circuits. The optics of the LIDAR system preferably comprise a Powell lens on the laser side, or a functionally equivalent optic, which is also included in the term Powell lens below, and on the photodetector side preferably a second optic, hereinafter referred to as a receiver lens . Each laser of the n lasers emits a respective laser beam when energized with electrical current. The Powell lens preferably expands each laser beam of these potentially n laser beams of the n lasers when emitted by one of the n lasers to form a light fan of potentially n light fans that are each assigned to one of the n lasers. In reality, every fan of light will have a strongly elliptical intensity cross-section perpendicular to its direction of propagation. For the purposes of this document, the description assumes, for the sake of simplicity, that the small semiaxis of the cross-sectional ellipse has a length of practically zero. Since the real cross-section differs from 0 m, this does not limit the load. This assumption of a fan thickness of 0 m only serves to simplify the description. Each light fan has an opening angle. Each light fan has a light fan level and a fan origin point. The Powell lens is arranged relative to the linear laser array of the n lasers in such a way that preferably all surface normals of the n fan planes of the n light fans of the n lasers lie in a preferably common plane with one another and together with the straight line along which the n lasers are preferred are arranged. The n lasers of the laser array preferably generate n laser beams, the n light fans of which are tilted perpendicular to their respective fan plane around an essentially common fan origin point around a respective fan angle compared to a freely selectable light fan of the n light fans around an essentially common axis of rotation through this fan origin point .

Auf der Fotodetektorenseite findet eine ähnliche Verkippung statt. Jeder der Fotodetektoren besitzt typischerweise bereits konstruktiv bedingt eine Empfangskeule, die die raumrichtungsabhängige Empfindlichkeit des jeweiligen Fotodetektors beschreibt. Bevorzugt werden alle n*m Fotodetektoren in gleicher Weise ausgeführt. Bevorzugt werden sie auf einem Halbleiterkristall monolithisch integriert. Bevorzugt handelt es sich um eine oder n Fotodetektorenzeilen, wobei je Fotodetektorenzeile in der betreffenden Fotodetektorenzeile die m Fotodetektoren linear längs einer geraden Linie angeordnet sind. Es ist aber auch denkbar, nur eine Zeile von Fotodetektoren zu verwenden. Bei den n*m Fotodetektoren handelt es sich bevorzugt um Halbleiterbauelemente. Beispielsweise kommen Lawinenfotodioden (englisch: avalanche photodiode (APD)) und/oder Einzel-Photonen-Lawinenfotodioden (englisch: single-photon avalanche diode (SPAD)) in Frage. Die Empfängerlinse deformiert die n*m Empfangskeulen der n*m Fotodetektoren zu n*m Empfangsfächern. Auch hier wird wieder zur Vereinfachung angenommen, dass die Empfangsfächer eine Empfangsfächerdicke von im Wesentlichen 0 m aufweisen. In der Realität ist diese Annahme nicht richtig und der Empfangsfächer ist analog zum Lichtfächer der Laser in Wirklichkeit nur eine Empfangskeule mit typischerweise stark elliptischen Querschnitt. Auch diese Vereinfachung einer Annahme einer Empfangsfächerdicke von 0 m soll hier nur der Vereinfachung der Beschreibung dienen und schränkt daher die Beanspruchung nicht ein. Die n*m Empfangsfächer besitzen nun jeweils eine Empfangsfächerebene. Es werden somit n*m Empfangsfächerebenen durch die zweite Optik definiert. Jede Empfangsfächerebene der n*m Empfangsfächerebenen der n*m Fotodetektoren ist nicht parallel zu den n Laserfächerebenen der n Lichtfächer der n Laser. Bevorzugt ist jede Empfangsfächerebene der n*m Empfangsfächerebenen der m Fotodetektoren senkrecht jeder der n Laserfächerebenen der n Lichtfächer der n Laser. Es ergeben sich somit bevorzugt k=n * m Kreuzungslinien, die die Empfindlichkeitslinie einer Paarung aus dem Empfangsfächer eines der n*m Empfangsfächer, der einem Fotodetektor der n*m Fotodetektoren zugeordnet ist, und einem Lichtfächer der n Lichtfächer darstellen, der einem Laser der n Laser zugeordnet ist.A similar tilting takes place on the photodetector side. Each of the photodetectors typically has a receiving lobe due to its design, which describes the spatial direction-dependent sensitivity of the respective photodetector. All n * m photodetectors are preferably designed in the same way. They are preferably monolithically integrated on a semiconductor crystal. It is preferably one or n rows of photodetectors, the m photodetectors being arranged linearly along a straight line for each photodetector row in the relevant photodetector row. But it is also conceivable to use only one line of photo detectors. The n * m photodetectors are preferably semiconductor components. For example, avalanche photodiodes (APD) and / or single photon avalanche photodiodes (SPAD) can be used. The receiver lens deforms the n * m reception lobes of the n * m photodetectors into n * m reception fans. Here, too, for the sake of simplicity, it is assumed that the receiving compartments have a receiving compartment thickness of essentially 0 m. In reality, this assumption is not correct and the receiving fan, analogous to the light fan of the laser, is in reality only a receiving lobe with a typically strongly elliptical cross section. This simplification of an assumption of a receiving fan thickness of 0 m is only intended here to simplify the description and therefore does not limit the stress. The n * m receiving bins now each have a receiving bin level. Thus, n * m receiving fan levels are defined by the second optics. Each receiving fan level of the n * m receiving fan levels of the n * m photodetectors is not parallel to the n laser fan levels of the n light fans of the n lasers. Each receiving fan level of the n * m receiving fan levels of the m photodetectors is preferably perpendicular to each of the n laser fan levels of the n light fans of the n lasers. This results in preferably k = n * m crossing lines, which represent the sensitivity line of a pairing from the receiving fan of one of the n * m receiving fan, which is assigned to a photodetector of the n * m photodetectors, and a light fan of the n light fans, which is a laser n laser is assigned.

Die Powel-Linse nimmt im System zwei Funktionen wahr. Diese Funktionen können auf die 2 Oberflächen der Powel-Linse verteilt werden. Die beiden Funktionen können allerdings auch mit einer einzelnen Linsenoberfläche implementiert werden. Diese beiden Funktionen sind

  1. a. die vertikale Fokussierung aller Laser und
  2. b. das sogenannte horizontale Flat-Fielding der Laserleistung, also die Gleichverteilung der LASER-Leistung, um die Sensorzeilen homogen auszuleuchten, wobei diese Gleichverteilung simultan für alle Laser erfolgt.
The Powel lens has two functions in the system. These functions can be distributed over the 2 surfaces of the Powel lens. However, the two functions can also be implemented with a single lens surface. These two functions are
  1. a. the vertical focusing of all lasers and
  2. b. the so-called horizontal flat fielding of the laser power, i.e. the equal distribution of the LASER power in order to illuminate the sensor rows homogeneously, this equal distribution taking place simultaneously for all lasers.

Eine geeignete Zylinderoberfläche realisiert im Wesentlichen die Funktion a. Terme höherer Ordnung erweitern die mathematische Funktion, die die Zylinderoberfläche beschreibt, um die Abbildungsfehler zu minimieren. Der vertikale Krümmungsradius ist eine Funktion des horizontalen Abstands zur Mitte der Linse, was einen besseren Fokus an den Enden der Linien bewirkt.A suitable cylinder surface essentially realizes the function a. Higher order terms expand the mathematical function that describes the cylinder surface in order to minimize aberrations. The vertical radius of curvature is a function of the horizontal distance from the center of the lens, which gives better focus at the ends of the lines.

Ein Polynom für die Oberflächenform der Linse implementiert die zweite Funktion b. Das Polynom beschreibt die Dicke der Linse als Funktion des horizontalen Abstands zur Mitte. Hierdurch kann die Linse praktisch fast beliebig die Energie der LASER-Strahlen horizontal umverteilen.A polynomial for the surface shape of the lens implements the second function b. The polynomial describes the thickness of the lens as a function of the horizontal distance to the center. This allows the lens to redistribute the energy of the LASER rays horizontally in almost any way.

Eine durch ein Polynom beschriebene horizontalen Krümmung der Linse als Funktion des horizontalen Abstands zur Mitte ergibt eine weitere Optimierung. Dieses Polynom ermöglicht Korrektur der (Kissen-) Verzerrung der Linse.A horizontal curvature of the lens described by a polynomial as a function of the horizontal distance from the center results in a further optimization. This polynomial enables correction of the (pincushion) distortion of the lens.

Alle Polynome haben auch einen schwachen Einfluss auf die jeweils anderen Funktionen (vertikale Fokussierung, horizontale Energieverteilung, Verzerrungskorrektur), sodass bei der Optimierung alle Parameter aufeinander abgestimmt werden müssen. Hierzu wird iterativ immer erst eine Funktion optimiert. Dann werden nacheinander die entstandenen Fehler in den anderen Funktionen korrigiert. Durch zyklisches Wiederholen stabilisiert sich die Konstruktion bei typischerweise immer kleiner werdenden Fehlern. Das Ganze wird nun wiederholt, bis die Fehler klein genug sind.All polynomials also have a weak influence on the other functions (vertical focusing, horizontal energy distribution, distortion correction), so that all parameters must be coordinated with one another during optimization. For this purpose, one function is always first optimized iteratively. Then the errors in the other functions are corrected one after the other. Through cyclical repetition, the construction stabilizes itself with errors that are typically smaller and smaller. The whole thing is now repeated until the errors are small enough.

Die im Zuge der Ausarbeitung der Erfindung beispielhaft ermittelten Parameter sind noch nicht zu 100% optimiert, aber besser, als im Stand der Technik.The parameters determined by way of example in the course of developing the invention have not yet been optimized to 100%, but are better than in the prior art.

Die Gleichungen für die Linse lauten:

  • Gleichung der Vorderseite: z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | + PB 4 x 4 + PB 6 x 6 + PC 2 x 2 + PC 3 | x 3 | mit RY = R0Y + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 |
    Figure DE102020124564A1_0001
The equations for the lens are:
  • Front side equation: z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | - Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 - y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | + PB 4th x 4th + PB 6th x 6th + Pc 2 x 2 + Pc 3 | x 3 | with RY = R0Y + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 |
    Figure DE102020124564A1_0001

Hierbei steht Sign() für die Signum-Funktion und Sqrt() für die Wurzel des Funktionsparameters.Sign () stands for the Signum function and Sqrt () for the root of the function parameter.

Hierbei steht z für den Abstand zur x-y-Mittenfläche. Die optische Achse ist die z-Achse.Here, z stands for the distance to the x-y center surface. The optical axis is the z-axis.

Gleichung der Rückseite: z = ( d + PC 2 x 2 + PC 3 | x 3 | )

Figure DE102020124564A1_0002
Equation of the reverse: z = - ( d + Pc 2 x 2 + Pc 3 | x 3 | )
Figure DE102020124564A1_0002

Hierbei bedeuten:

x
horizontale Achse
y
vertikale Achse
z
optische Achse
R0Y Krümmungsradius des Zylinderterms, der die Brennweite bestimmt. R0Y =12.6mm wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung benutzt. Dieser Krümmungsradius wird durch den Abstand von Laser zu Laser von Lasern und den Abstand der Sensoren in der Sensorzeile, sowie durch die Brennweite der Empfängerlinse bestimmt. Es gilt dabei f tx /p tx = f rx /p rx ( f: Brennweite , p: Pitch , tx: Laser , rx: Sensor )
Figure DE102020124564A1_0003
mit
ftx
Brennweite der Linse der Laser
frx
Brennweite der Linse der Sensorzeile
ptx
Abstand von Laser zu Laser
prx
Abstand von Empfänger zu Empfänger in der Sensorzeile
d
Dicke der Linse im optischen Zentrum. Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde d = 2.2mm benutzt.
AR2, AR3
Koeffizienten der Polynome höherer Ordnung für den Gradienten der Krümmung.
PB2, PB3, PB4, PB6
Koeffizienten, die den horizontalen Dickenverlauf der Linse beschreiben.
PC2, PC3
beschreiben die Krümmung der Linse (beide Oberflächen gleich).
Here mean:
x
horizontal axis
y
vertical axis
z
optical axis
R0Y Radius of curvature of the cylinder term that determines the focal length. R0Y = 12.6mm was used in working out the invention. This radius of curvature is determined by the distance from laser to laser from lasers and the distance between the sensors in the sensor line, as well as by the focal length of the receiver lens. It applies here f tx / p tx = f rx / p rx ( f: focal length , p: pitch , tx: laser , rx: sensor )
Figure DE102020124564A1_0003
With
ftx
Focal length of the lens of the laser
frx
Focal length of the lens of the sensor line
ptx
Distance from laser to laser
prx
Distance from receiver to receiver in the sensor line
d
Thickness of the lens in the optical center. When working out the invention, d = 2.2mm was used.
AR2, AR3
Coefficients of the higher order polynomials for the gradient of the curvature.
PB2, PB3, PB4, PB6
Coefficients that describe the horizontal course of the thickness of the lens.
PC2, PC3
describe the curvature of the lens (both surfaces the same).

Im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung wurden verschiedene Linsen angefertigt und ausgetestet.As part of the development of the invention, various lenses were made and tested.

Die Parameter einer ersten Linse lauteten: AR 2 = 0,  AR 3 = 0,

Figure DE102020124564A1_0004
PB 2 = 0.0085,  PB3 = 0.0008,  PB4 = 0,  PB6 = 0,
Figure DE102020124564A1_0005
PC2 = 0,  PC3 = 0
Figure DE102020124564A1_0006
The parameters of a first lens were: AR 2 = 0, AR 3 = 0,
Figure DE102020124564A1_0004
PB 2 = - 0.0085, PB3 = 0.0008, PB4 = 0, PB6 = 0,
Figure DE102020124564A1_0005
PC2 = 0, PC3 = 0
Figure DE102020124564A1_0006

Die Parameter einer zweiten Linse lauteten: AR2 = 0.01,  AR 3 = 0.0006,

Figure DE102020124564A1_0007
PB 2 = 0.0085,  PB3 = 0.0008,  PB4 = 0,  PB6 = 0,
Figure DE102020124564A1_0008
PC2 = 0,  PC3 = 0
Figure DE102020124564A1_0009
The parameters of a second lens were: AR2 = 0.01, AR 3 = 0.0006,
Figure DE102020124564A1_0007
PB 2 = - 0.0085, PB3 = 0.0008, PB4 = 0, PB6 = 0,
Figure DE102020124564A1_0008
PC2 = 0, PC3 = 0
Figure DE102020124564A1_0009

Die Parameter einer dritten Linse lauteten: AR2 = 0.01,  AR 3 = 0.0005,

Figure DE102020124564A1_0010
PB 2 = 0.015,  PB3 = 0.0015,  PB4 = 0.000024,  PB6 = 0,
Figure DE102020124564A1_0011
PC2 = 0,  PC3 = 0
Figure DE102020124564A1_0012
The parameters of a third lens were: AR2 = 0.01, AR 3 = 0.0005,
Figure DE102020124564A1_0010
PB 2 = - 0.015, PB3 = 0.0015, PB4 = - 0.000024, PB6 = 0,
Figure DE102020124564A1_0011
PC2 = 0, PC3 = 0
Figure DE102020124564A1_0012

Die Parameter einer vierten Linse lauteten: AR2 = 0.028,  AR 3 = 0.0028,

Figure DE102020124564A1_0013
PB 2 = 0.0115,  PB3 = 0.00038,  PB4 = 0.000034,  PB6 = 0.00000013,
Figure DE102020124564A1_0014
PC2 = 0.028,  PC3 = 0.0032
Figure DE102020124564A1_0015
The parameters of a fourth lens were: AR2 = 0.028, AR 3 = - 0.0028,
Figure DE102020124564A1_0013
PB 2 = - 0.0115, PB3 = 0.00038, PB4 = - 0.000034, PB6 = 0.00000013,
Figure DE102020124564A1_0014
PC2 = 0.028, PC3 = - 0.0032
Figure DE102020124564A1_0015

Die Ansteuerschaltung veranlasst nun zu einem Aussendezeitpunkt einen Laser der n Laser zur Emission eines Laserlichtpulses. Eine Kontrollschaltung veranlasst hierzu vor der Emission beispielsweise eine Ladeschaltung der n Ladeschaltungen des zuvor beschriebenen Laser-Moduls, den ihr zugeordneten Kondensator der n Kondensatoren aufzuladen. Alle anderen Kondensatoren sollen ungeladen sein und auch für die Dauer des Verfahrens zur Aussendung eines Lichtpulses durch den dem zu ladenden Kondensator zugeordneten Laser ungeladen bleiben. Nach Abschluss des Ladevorgangs, der beispielsweise zeitgesteuert nach einer vordefinierten oder berechneten Zeit gestoppt wird oder nach dem Erreichen oder Überschreiten einer Kondesatorzielspannung gestoppt wird, wird bevorzugt die Ladeschaltung von dem zu ladenden Kondensator, beispielsweise durch einen Schalter und/oder durch hochohmig Schalten des Ausgangs der Ladeschaltung getrennt. Nachdem die bevorzugt eine Kombination aus Laser und Kondensator der n Paare aus Laser und zugeordnetem Kondensator auf diese Weise scharf durch diese Aufladung des Kondensators geschaltet ist kann nun die schlagartige Entladung des Kondensators über den Laser und den Ansteuerschalter durch Schließen des Ansteuerschalters erfolgen. Hierzu erzeugt bevorzugt eine Kontrollschaltung, die bevorzugt Teil der Ansteuerschaltung ist, ein Pulssignal, das bevorzugt den besagten Ansteuerschalter des zuvor beschriebenen Laser-Moduls schließt und somit beispielsweise die Kathode des Lasers mit dem Bezugspotenzial verbindet. Der geladene Kondensator ist bevorzugt mit seinem zweiten Anschluss mit diesem Bezugspotenzial verbunden und bevorzugt mit seinem ersten Anschluss mit der Anode des Lasers verbunden. Somit wird nun über den ihm zugeordneten Laser der zuvor geladene Kondensator schlagartig entladen. Der Laser emittiert einen Lichtpuls. Die anderen Laser der n Laser emittieren keinen Lichtpuls, da ihre zugeordneten Kondensatoren nicht geladen wurden. Theoretisch ist es möglich mehr als einen Kondensator zu laden und dann nach und nach verschiedene Muster zu verwenden und dann wieder auf den einfachen Fall eines einzigen geladenen Kondensators zurückzurechnen.The control circuit now causes one of the n lasers to emit a laser light pulse at an emission time. For this purpose, a control circuit causes, for example, a charging circuit of the n charging circuits of the laser module described above, the one assigned to it, before the emission Charge capacitor of the n capacitors. All other capacitors should be uncharged and also remain uncharged for the duration of the method for emitting a light pulse by the laser assigned to the capacitor to be charged. After completion of the charging process, which is, for example, stopped in a time-controlled manner after a predefined or calculated time or is stopped after reaching or exceeding a capacitor target voltage, the charging circuit of the capacitor to be charged is preferred, for example by a switch and / or by high-resistance switching of the output of the Charging circuit disconnected. After the preferably a combination of laser and capacitor of the n pairs of laser and associated capacitor is switched on in this way by this charging of the capacitor, the abrupt discharge of the capacitor can now take place via the laser and the control switch by closing the control switch. For this purpose, a control circuit, which is preferably part of the control circuit, preferably generates a pulse signal which preferably closes the said control switch of the laser module described above and thus, for example, connects the cathode of the laser to the reference potential. The charged capacitor is preferably connected to this reference potential with its second connection and preferably connected to the anode of the laser with its first connection. The previously charged capacitor is then suddenly discharged via the laser assigned to it. The laser emits a pulse of light. The other lasers of the n lasers do not emit a light pulse because their associated capacitors have not been charged. Theoretically, it is possible to charge more than one capacitor and then gradually use different patterns and then calculate back to the simple case of a single charged capacitor.

Der Lichtpuls wird nun über die besagte Powell-Linse zu dem lichtpulsemittierenden Laser zugehörigen Lichtfächer aufgeweitet und in den Freiraum vor der Vorrichtung emittiert. In diesem Freiraum trifft der Lichtpuls dann nach einer ersten Lichtlaufzeit auf ein hier beispielhaft angenommenes Hindernis und wird dort als reflektierter Lichtpuls zurückreflektiert. Nach einer zweiten Lichtlaufzeit erreicht der reflektierte Lichtpuls dann die zweite Optik, die die Photonen des reflektierten Lichtpulses auf die n*m Fotodetektoren verteilt. Hierbei ordnet die zweite Optik dann ein Photon des reflektierten Lichtpulses einem Fotodetektor der n*m Fotodetektoren zu, wenn der Ausbreitungsvektor des betreffenden Photons richtungsmäßig in dem entsprechenden Empfindlichkeitsfächer der diesem Fotodetektor zugeordnet ist liegt. Anders ausgedrückt, wenn die Richtung aus der das Photon kam, in dem Empfindlichkeitsfächer liegt.The light pulse is now widened via the said Powell lens to form the light fan belonging to the light pulse-emitting laser and emitted into the free space in front of the device. In this free space, the light pulse then hits an obstacle assumed here as an example after a first light travel time and is reflected back there as a reflected light pulse. After a second light travel time, the reflected light pulse then reaches the second optics, which distribute the photons of the reflected light pulse to the n * m photodetectors. The second optic then assigns a photon of the reflected light pulse to a photodetector of the n * m photodetectors if the propagation vector of the photon in question is directionally in the corresponding sensitivity fan assigned to this photodetector. In other words, if the direction from which the photon came lies in the sensitivity fan.

Bevorzugt jeder Fotodetektor der n*m Fotodetektoren und die diesem Fotodetektor zugeordnete Empfangsschaltung der n Empfangsschaltungen erfassen somit das jeweils reflektierte Licht dieses jeweiligen Laserpulses innerhalb ihres jeweiligen Empfangsfächers. Darüber hinaus verfügen die Empfangsschaltungen bevorzugt über Mittel, um die Laufzeit des Lichtpulses ab dem Aussendezeitpunkt bis zum Empfangszeitpunkt in dem Fotodetektor zu erfassen. Somit ergeben sich bevorzugt für jeden Laserpuls n*m Lichtlaufzeitinformationen, die die Lichtlaufzeit eines Lichtpulses vom Aussenden zu einem Aussendezeitpunkt durch einen Laser bis zum Empfang durch jeweils einen Fotodetektor der n*m Fotodetektoren als reflektierter Lichtpuls jeweils repräsentieren. Diese Lichtlaufzeitinformationen können mittels der Lichtgeschwindigkeit, beispielsweise der Lichtgeschwindigkeit in Luft, in eine Länge bzw. in einen Abstand umgerechnet werden.Preferably each photodetector of the n * m photodetectors and the receiving circuit of the n receiving circuits assigned to this photodetector thus detect the respectively reflected light of this respective laser pulse within their respective receiving fan. In addition, the receiving circuits preferably have means to detect the transit time of the light pulse from the time of transmission to the time of reception in the photodetector. Thus, n * m light transit time information is preferably obtained for each laser pulse, which represents the light transit time of a light pulse from transmission at a transmission time by a laser to reception by a respective photodetector of the n * m photodetectors as a reflected light pulse. This time-of-flight information can be converted into a length or a distance by means of the speed of light, for example the speed of light in air.

Wird diese Messung für jeden der n Laser durchgeführt, so erhält man aus den daraus sich ergebenden n Messungen k=n x m Lichtlaufzeitwerte und damit k=n x m Abstände.If this measurement is carried out for each of the n lasers, the resulting n measurements give k = n x m time-of-flight values and thus k = n x m distances.

Um diese Abstände zu erhalten, gibt die jeweilige Empfangsschaltung den jeweiligen Messwert für den Empfangszeitpunkt des jeweiligen Laserpulses an der jeweiligen Fotodiode an die Auswerteschaltung weiter. Diese erhält von der Auswerteschaltung die Information welcher Laser der n Laser den Lichtpuls abgegeben hat. Hieraus kann die Auswerteschaltung dann feststellen, welche Empfindlichkeitslinie zu welchem Abstand gehört. Zur Erinnerung: Eine Empfindlichkeitslinie entsteht im Sinne dieser Schrift aus der Paarung aus dem Empfangsfächer eines der n*m Empfangsfächer, der einem Fotodetektor der n*m Fotodetektoren zugeordnet ist, und einem Lichtfächer der n Lichtfächer, der einem Laser der n Laser zugeordnet ist.In order to obtain these distances, the respective receiving circuit forwards the respective measured value for the time of reception of the respective laser pulse at the respective photodiode to the evaluation circuit. This receives the information from the evaluation circuit which laser of the n lasers emitted the light pulse. From this, the evaluation circuit can then determine which sensitivity line belongs to which distance. As a reminder: In the sense of this document, a sensitivity line arises from the pairing of the receiving fan of one of the n * m receiving fans, which is assigned to one of the n * m photodetectors, and a light fan of the n light fans, which is assigned to one of the n lasers.

Nachdem dann alle n Laser des Laser-Arrays einmal einen Lichtpuls abgegeben haben ergeben sich für die k Empfindlichkeitslinien k Abstände. Werden diese auf der Empfindlichkeitslinie abgetragen, so ergibt sich für jede Empfindlichkeitslinie genau ein Punkt, der die Reflektion des Lichtpulses für den Lichtfächer dieser Empfindlichkeitslinie verursacht hat und von dem Fotodetektor mit dem Empfindlichkeitsfächer dieser Empfindlichkeitslinie empfangen wurde. Auf diese Weise werden somit k=n x m im dreidimensionalen Raum bestimmt, die vorzugsweise aus dem Abstandsempfindlichkeitslinien-Koordinatensystem beispielsweise in ein kartesisches Koordinatensystem zu weiteren Verwendung umgerechnet werden können.After all n lasers of the laser array have emitted a light pulse once, there are k distances for the k sensitivity lines. If these are plotted on the sensitivity line, there is exactly one point for each sensitivity line which caused the reflection of the light pulse for the light fan of this sensitivity line and was received by the photodetector with the sensitivity fan of this sensitivity line. In this way, k = n x m are thus determined in three-dimensional space, which can preferably be converted from the distance sensitivity line coordinate system, for example into a Cartesian coordinate system, for further use.

Die Auswerteschaltung erstellt somit eine dreidimensionale Pixelwolke aus dem Winkel des Laserfächers des jeweiligen Laserpulses und dem Winkel des jeweiligen Empfangsfächers des jeweiligen Fotodetektors und dem jeweiligen Empfangszeitpunkt des jeweiligen Laserpulses am jeweiligen Fotodetektor bezogen auf den jeweiligen Aussendezeitpunkt.The evaluation circuit thus creates a three-dimensional pixel cloud from the angle of the laser fan of the respective laser pulse and the angle of the respective receiving fan of the respective photodetector and the respective reception time of the respective laser pulse at the respective photodetector based on the respective transmission time.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die n Flächennormalen der n Lichtfächer Winkelabstände (α1,2, α2,3, α3,4, bis αn-2,n-1, αn-1,n) aufweisen, die zwischen jeweils zwei benachbarten Lichtfächern im Wesentlichen gleich sind.It is particularly advantageous if the n surface normals of the n light fans have angular distances (α 1,2 , α 2,3 , α 3,4 , to α n-2, n-1 , α n-1, n ) between two adjacent light fans are essentially the same.

Ebenso ist es besonders vorteilhaft, wenn die n*m Flächennormalen der n*m Empfindlichkeitsfächer m Winkelabstände (β1,2, β2,3, β3,4, bis βm-2,m-1, βm-1,m) in der Horizontalen aufweisen, die zwischen jeweils zwei benachbarten Empfindlichkeitsfächern im Wesentlichen gleich sind.It is also particularly advantageous if the n * m surface normals of the n * m sensitivity fans have m angular distances (β 1,2 , β 2,3 , β 3,4 , to β m-2, m-1 , β m-1, m ) have in the horizontal, which are essentially the same between two adjacent sensitivity compartments.

Es ist besonders vorteilhaft das weiter oben beschriebene Laser-Modul in einem zuvor beschriebenen LIDAR-System einzusetzen.It is particularly advantageous to use the laser module described above in a LIDAR system described above.

Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Laser-Modul mit einem linearen Laser-Array aus n Lasern, mit n als ganzer positiver Zahl. Die n-Laser sind bevorzugt auf einem Modulträger und/oder einem Treiber-IC montiert. Jeder Laser-Strahl jedes Lasers weist eine Laser-Strahlachse auf. Alle Laser-Strahlachsen und/oder mindestens zwei Laserstrahlachsen scheiden sich in einem Punkt. Darauf aufbauend kann eine Zusammenstellung von m Laser-Modulen, mit m als ganzer positiver Zahl, definiert werden, bei der jedes Laser-Modul ein lineares Laser-Array aus n Lasern aufweist, mit n als ganzer positiver Zahl, und wobei die Laser eines jeden Moduls in gleicher Weise durchnummeriert werden können und wobei jeder Laser-Strahl jedes Lasers eine Laser-Strahlachse aufweist und wobei sich die alle Laser-Strahlachsen der k-ten Laser, mit 0<k≤n, aller m Laser-Module in einem Punkt schneiden und/oder wobei sich die Laser-Strahlachsen der k-ten Laser, mit 0<k≤n, von mindestens zwei der m Laser-Module in einem Punkt schneiden.The invention further comprises a laser module with a linear laser array of n lasers, with n as a whole positive number. The n lasers are preferably mounted on a module carrier and / or a driver IC. Each laser beam of each laser has a laser beam axis. All laser beam axes and / or at least two laser beam axes differ at one point. Based on this, a combination of m laser modules, with m as an integer positive number, can be defined, in which each laser module has a linear laser array of n lasers, with n as an integer positive number, and the lasers of each Module can be numbered consecutively in the same way and each laser beam of each laser has a laser beam axis and all laser beam axes of the k-th lasers, with 0 <k≤n, of all m laser modules intersect at one point and / or wherein the laser beam axes of the k-th lasers, with 0 <k≤n, of at least two of the m laser modules intersect at one point.

Besser ist jedoch, wenn sich die alle m*n Laser-Strahlachsen aller n*m Laser aller m Laser-Module in einem Punkt schneiden. Alternativ können sich zumindest zwei Laser-Strahlachsen von mindestens zwei Lasern der n*m Laser aller m Laser-Module in einem Punkt schneiden.Das Treiber-IC ist bevorzugt die besagte integrierte Schaltung. Ein solches Treiber-IC hat bevorzugt eine rechteckige Form. Das Treiber-IC weist dann zwei Schmalseiten und zwei Langseiten als Kanten auf. Das Treiber-IC weist bevorzugt an einer ersten Kante des Rechtecks seiner Form, die eine Schmalseite ist, Kontakte oder einen Kontakt (DisC) auf, die dazu bestimmt und geeignet sind einen oder mehrere Rückseitenkontakte von Lasern zu kontaktieren. Das IC weist an seiner zweiten Kante des Rechtecks seiner Form, die eine Schmalseite ist, Kontakte (VDDA, GNDA, VDDD, GNDD, VDDP, GNDP, VDDH, GND) auf, die der Energieversorgung des Treiber-ICs und/oder der besagen Laser (D1 bis Dn) und/oder zugehöriger Energiespeicher (C1 bis Cn) dienen. Die erste Kante liegt dabei der zweiten Kante gegenüber.However, it is better if the all m * n laser beam axes of all n * m lasers of all m laser modules intersect at one point. Alternatively, at least two laser beam axes of at least two lasers of the n * m lasers of all m laser modules can intersect at one point. The driver IC is preferably the said integrated circuit. Such a driver IC preferably has a rectangular shape. The driver IC then has two narrow sides and two long sides as edges. The driver IC preferably has contacts or a contact ( DisC ), which are intended and suitable to contact one or more rear side contacts of lasers. The IC has contacts on its second edge of the rectangle of its shape, which is a narrow side ( VDDA , GNDA , VDDD , GNDD , VDDP , GNDP , VDDH , GND ), which the power supply of the driver IC and / or the said laser ( D1 to Dn ) and / or associated energy storage ( C1 to Cn ) serve. The first edge is opposite the second edge.

Das Treiber-IC weist bevorzugt an einer dritten Kante des Treiber-ICs, die eine Langseite ist, mindestens einen Transfer-Kontakt für ein Signal auf, das an andere Treiber-ICs weitergegeben werden kann. Das Treiber-IC weist an einer vierten Kante des Treiber-ICs, die eine Langseite ist, einen weiteren Transfer-Kontakt auf, der elektrisch mit dem Transferkontakt verbunden ist.The driver IC preferably has on a third edge of the driver IC, which is a long side, at least one transfer contact for a signal that can be passed on to other driver ICs. On a fourth edge of the driver IC, which is a long side, the driver IC has a further transfer contact which is electrically connected to the transfer contact.

Bevorzugt ist einer der Transferkontakte ein Kontakt für ein Rücksetzsignal (RES), der das Treiber-IC in einen definierten Zustand versetzt. Bevorzugt ist ein Transferkontakt ein Kontakt für ein TriggerSignal (TRIG), der das Treiber-IC in einem vorbestimmten Signalzustand dazu veranlasst, seine Laser (D1 bis Dn) abzufeuern, sofern dies aufgrund des Systemzustands vorgesehen ist. Bevorzugt sind ein oder mehrere Transfer-Kontakte zur Kontaktierung von Signalen eines Datenbusses bestimmt. Der eine oder die mehreren Transfer-Kontakte an der einen Kante des Treiber-ICs, die eine Langseite ist, sind bevorzugt mit einem oder mehreren korrespondieren Transfer-Kontakten an der gegenüberliegenden Kante des Treiber-ICs, die die gegenüberliegende Langseite ist, direkt elektrisch verbunden. Es ist aber auch denkbar, dass ein linearer Datenbus (z.B. ein LIN-Bus) zumindest zeitweise durch die Treiber-ICs als Busknoten unterbrochen wird und interne Vorrichtungsteile des Treiber-ICs die Daten auf der einen Seite des Treiber-ICs in Empfang nehmen und auf der anderen Seite des ICs ggf. auch modifiziert weitersenden kann. In dem Fall werden die Signale des einen oder der mehreren Transfer-Kontakte an der einen Kante des Treiber-ICs, die eine Langseite ist, vor der Weiterleitung an einen oder mehrere korrespondiere Transfer-Kontakten an der gegenüberliegenden Kante des Treiber-ICs, die die gegenüberliegende Langseite ist, in einer Teilvorrichtung des Treiber-ICs, insbesondere in einer Datenbusschnittstelle, verarbeitet.One of the transfer contacts is preferably a contact for a reset signal (RES), which puts the driver IC into a defined state. A transfer contact is preferably a contact for a trigger signal (TRIG), which causes the driver IC to switch its laser ( D1 to Dn ) to fire, if this is intended due to the system status. One or more transfer contacts are preferably intended for making contact with signals from a data bus. The one or more transfer contacts on one edge of the driver IC, which is a long side, are preferably directly electrically connected to one or more corresponding transfer contacts on the opposite edge of the driver IC, which is the opposite long side . However, it is also conceivable that a linear data bus (eg a LIN bus) is at least temporarily interrupted by the driver ICs as bus nodes and internal device parts of the driver IC receive and record the data on one side of the driver IC the other side of the IC can also transmit modified if necessary. In that case, the signals of the one or more transfer contacts on one edge of the driver IC, which is a long side, are transmitted to one or more corresponding transfer contacts on the opposite edge of the driver IC, which is the long side opposite long side is processed in a partial device of the driver IC, in particular in a data bus interface.

Des Weiteren umfasst diese Schrift die Offenlegung einer Zusammenstellung von Laser-Modulen, insbesondere ein LIDAR-System, mit mehreren, mindestens aber zwei Laser-Modulen, einem ersten Laser-Modul und einem zweiten Laser-Modul, wobei die Laser-Module eine rechteckige Form mit zwei Schmalseiten und zwei Langseiten haben und wobei die Laser-Module mit Ihren Langseiten nebeneinander angeordnet sind.Furthermore, this document includes the disclosure of a combination of laser modules, in particular a LIDAR system, with several, but at least two laser modules, a first laser module and a second laser module, the laser modules having a rectangular shape with two narrow sides and two long sides and the laser modules are arranged with their long sides next to each other.

Die Laser-Module weisen jeweils ein anreihbares Treiber-IC, wie zuvor beschrieben, auf.The laser modules each have a stackable driver IC, as described above.

Die Treiber-ICs der Lasermodule sind typischerweise hinsichtlich der genutzten Transfer-Kontakte ihrer Treiber-ICs baugleich. Jeweils ein Transfer-Kontakt des Treiber-ICs des ersten Laser-Moduls ist dann bevorzugt mit dem korrespondierenden Transfer-Kontakt des Treiber-ICs des zweiten Laser-Moduls mittels eines einzigen Bonddraht pro solch einem Transfer-Kontakt-Paar elektrisch verbunden. Dies hat den Vorteil, dass nur geringe Verluste entstehen. Die ist insbesondere für eine schnelle synchrone Übertragung des Trigger-Signals (TRIG) vorteilhaft, da alle Laser zeitgerecht zünden sollen und damit ihr Strahlungspaket aussenden sollen.The driver ICs of the laser modules are typically identical in terms of the transfer contacts used in their driver ICs. In each case one transfer contact of the driver IC of the first laser module is then preferably electrically connected to the corresponding transfer contact of the driver IC of the second laser module by means of a single bonding wire per such transfer contact pair. This has the advantage that there are only minor losses. This is particularly advantageous for fast, synchronous transmission of the trigger signal (TRIG), since all lasers should ignite in time and thus emit their radiation packet.

Die Erfindung umfasst auch ein spezielles Kondensator-Array für ein Laser-Modul und/oder für eine Zusammenstellung von Laser-Modulen und/oder für die Verwendung zusammen mit einem Treiber-IC, wie zuvor beschrieben. Das Kondensator-Array ist rechteckig und weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Das Kondensator-Array weist n Kontakte (K1' bis Kn') aufgereiht längs einer ersten Kante des Rechtecks auf der Oberfläche des Kondensator-Arrays auf. Das Kondensator-Array weist einen weiteren Kontakt (KG') auf, der sich längs einer zweiten Seite des Rechtecks auf der Oberseite des Kondensator-Arrays erstreckt. Die zweite Seite des Rechtecks liegt der ersten Seite des Rechtecks gegenüber. Die Erstreckung des weiteren Kontakts (KG') längs der dritten und vierten Seite ist kürzer als die Erstreckung der dritten Kante des Rechtecks des am nächsten liegenden Kontakts der n Kontakte (K1' bis Kn') längs der dritten Kante des Rechtecks. Die Erstreckung des weiteren Kontakts (KG') längs der dritten und vierten Seite ist kürzer als die Erstreckung der vierten Kante des Rechtecks des am nächsten liegenden Kontakts der n Kontakte (K1' bis Kn') längs der vierten Kante des Rechtecks. Das Kondensator-Array weist einen Rückseitenkontakt (KR) auf, der die Unterseite des Kondensator-Arrays bedeckt. Jeder der n Kontakte (K1' bis Kn') bildet mit dem Rückseitenkontakt (KR) eine Kapazität (C1 bis Cn), wobei der weitere Kontakt (KG') mit dem Rückseitenkontakt (KR) eine weitere Kapazität (CVDD) bildet und wobei die Kondensatoren (Ca bis Cn und CVDD) ein gemeinsames Dielektrikum aufweisen, das sich zwischen den n Kontakten (K1' bis Kn') und dem weiteren Kontakt (KG') einerseits und dem Rückseitenkontakt (KR) erstreckt.The invention also comprises a special capacitor array for a laser module and / or for a combination of laser modules and / or for use together with a driver IC, as described above. The capacitor array is rectangular and has a top and a bottom. The capacitor array has n contacts ( K1 ' to Kn ' ) lined up along a first edge of the rectangle on the surface of the capacitor array. The capacitor array has another contact ( KG ' ), which extends along a second side of the rectangle on the top of the capacitor array. The second side of the rectangle is opposite the first side of the rectangle. The extension of the further contact ( KG ' ) along the third and fourth sides is shorter than the extension of the third edge of the rectangle of the closest contact of the n contacts ( K1 ' to Kn ' ) along the third edge of the rectangle. The extension of the further contact ( KG ' ) along the third and fourth sides is shorter than the extension of the fourth edge of the rectangle of the closest contact of the n contacts ( K1 ' to Kn ' ) along the fourth edge of the rectangle. The capacitor array has a back contact ( KR ) covering the underside of the capacitor array. Each of the n contacts ( K1 ' to Kn ' ) forms with the rear contact ( KR ) a capacity ( C1 to Cn ), the other contact ( KG ' ) with the rear contact ( KR ) another capacity ( CVDD ) and where the capacitors (Ca to Cn and CVDD ) have a common dielectric between the n contacts ( K1 ' to Kn ' ) and the further contact ( KG ' ) on the one hand and the rear contact ( KR ) extends.

Die vorgestellten Vorrichtungen können als LIDAR-Vorrichtung oder als Teil einer solchen LIDAR-Vorrichtung in einer mobilen Vorrichtung verwendet werden. Dabei kann beispielsweise die mobile Vorrichtung insbesondere ein Roboter oder ein Flugkörper oder ein Raumflugkörper oder ein Schiffskörper oder ein Wasserfahrzeug oder ein Fahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder Flugzeug oder ein Raumfahrzeug sein.The presented devices can be used as a lidar device or as part of such a lidar device in a mobile device. For example, the mobile device can in particular be a robot or a missile or a spacecraft or a ship's hull or a watercraft or a vehicle or a rail vehicle or aircraft or a spacecraft.

Die vorgestellten Vorrichtungen können als LIDAR-Vorrichtung oder als Teil einer solchen LIDAR-Vorrichtung in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden. Sie können beispielsweise in einer Vorrichtung zur Erfassung der Form eines Gegenstands oder eines Gebäudes oder in einer Vorrichtung zur Automatisierung von Prozessen oder in einer Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen der Form dreidimensionaler Körper eingesetzt werden.The devices presented can be used as a LIDAR device or as part of such a LIDAR device in automation technology. They can be used, for example, in a device for recording the shape of an object or a building or in a device for automating processes or in a device for three-dimensional recording of the shape of three-dimensional bodies.

Vorteiladvantage

Das vorgeschlagene Laser-Modul ermöglicht die Erzeugung kurzer Lichtimpulse für das vorgeschlagene LIDAR-System, das keine beweglichen Teile erfordert. Die Vorteile sind darauf nicht beschränkt.The proposed laser module enables the generation of short light pulses for the proposed LIDAR system, which does not require any moving parts. The benefits are not limited to this.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der erste Laser einen Laserpuls abgibt. 1 shows the beam path of an exemplary LIDAR system with, for example, n = 4 lasers and, for example, m = 256 photodetectors in a top view and a side view, the first laser emitting a laser pulse.
  • 2 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der zweite Laser einen Laserpuls abgibt. 2 shows the beam path of an exemplary LIDAR system with, for example, n = 4 lasers and, for example, m = 256 photodetectors in a top view and a side view, the second laser emitting a laser pulse.
  • 3 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der dritte Laser einen Laserpuls abgibt. 3 shows the beam path of an exemplary LIDAR system with, for example, n = 4 lasers and, for example, m = 256 photodetectors in a top view and a side view, the third laser emitting a laser pulse.
  • 4 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der vierte Laser einen Laserpuls abgibt. 4th shows the beam path of an exemplary LIDAR system with, for example, n = 4 lasers and, for example, m = 256 photodetectors in a top view and a side view, the fourth laser emitting a laser pulse.
  • 5 zeigt eine beispielhafte Verschaltung für das vorgeschlagene LIDAR-System. 5 shows an example of an interconnection for the proposed LIDAR system.
  • 6 zeigt einen vorgeschlagenen Aufbau eines Laser-Moduls für das LIDAR-System der 5. 6th shows a proposed structure of a laser module for the LIDAR system of FIG 5 .
  • 7 zeigt eine Anordnung mit mehreren Laser-Modulen der 6. 7th shows an arrangement with several laser modules in FIG 6th .
  • 8 zeigt Kondensator-Arrays (C1 bis C4 Und CVDD) für die Verwendung in einem Laser-Modul entsprechend der 7 in der Aufsicht und die interne Verschaltung des Kondensator Arrays. 8th shows capacitor arrays ( C1 to C4 and CVDD ) for use in a laser module according to 7th in the top view and the internal wiring of the capacitor array.
  • 9 zeigt die Struktur eines vorgeschlagenen Treiber-ICs in der Aufsicht. 9 shows the structure of a proposed driver IC in plan view.
  • 10 zeigt die Anreihung der Laser-Module auf Treiber-IC-Ebene. 10 shows the alignment of the laser modules on driver IC level.
  • 11 Zeigt die Ausrichtung der Laser-Module der 10 längs einer gebogenen Linie. 11 Shows the alignment of the laser modules 10 along a curved line.
  • 12 zeigt eine beispielhafte Powell-Linse. 12th shows an exemplary Powell lens.
  • 13 zeigt eine beispielhafte Anordnung des Sendesystems mit der Senderlinse und des Empfängersystems mit der Empfängerlinse. 13th shows an exemplary arrangement of the transmitter system with the transmitter lens and the receiver system with the receiver lens.
  • 14 zeigt ein reales Messergebnis als Punktwolke in einem beispielhaften kartesischen Koordinatensystem als Zielkoordinatensystem mit n=16 Lasern und m=256 Fotodetektoren in der Fotodetektorenzeile. 14th shows a real measurement result as a point cloud in an exemplary Cartesian coordinate system as the target coordinate system with n = 16 lasers and m = 256 photodetectors in the photodetector line.
  • 15 zeigt eine vorschlagsgemäße Drohne mit anmontiertem LIDAR-Modul. 15th shows a proposed drone with an attached LIDAR module.
  • 16 zeigt die optimale Positionierung der Abtastpunkte auf einer ebenen Fläche, die in einem gewissen Abstand zum Sensorsystem aufgestellt ist und deren Flächennormale parallel zur Messachse des Sensorsystems ausgerichtet ist. 16 shows the optimal positioning of the scanning points on a flat surface which is set up at a certain distance from the sensor system and whose surface normal is aligned parallel to the measuring axis of the sensor system.
  • 17 zeigt eine Linse ohne Korrekturpolynome. 17th shows a lens without correction polynomials.
  • 18 zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der ersten Linse mit AR2=0.01, AR3=0.0006, PB2=-0.0085, PB3=0.0008, PB4=0, B6=0, PC2=0, PC3=0. 18th shows a lens corresponding to the parameters of the first lens with AR2 = 0.01, AR3 = 0.0006, PB2 = -0.0085, PB3 = 0.0008, PB4 = 0, B6 = 0, PC2 = 0, PC3 = 0.
  • 19 zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der zweiten Linse mit AR2=0.01, AR3=0.0005, PB2=-0.015, PB3=0.0015, PB4=-0.000024, PB6=0, PC2=0, PC3=0. 19th shows a lens corresponding to the parameters of the second lens with AR2 = 0.01, AR3 = 0.0005, PB2 = -0.015, PB3 = 0.0015, PB4 = -0.000024, PB6 = 0, PC2 = 0, PC3 = 0.
  • 20 zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der dritten Linse mit AR2=0.028, AR3=-0.0028, PB2=-0.0115, PB3=0.00038, PB4=-0.000034, PB6=0.00000013, PC2=0.028, PC3=-0.0032. 20th shows a lens corresponding to the parameters of the third lens with AR2 = 0.028, AR3 = -0.0028, PB2 = -0.0115, PB3 = 0.00038, PB4 = -0.000034, PB6 = 0.00000013, PC2 = 0.028, PC3 = -0.0032.

Beschreibung der FigurenDescription of the figures

Figur 1Figure 1

1 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern (D1, D2, D3, D4) und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der erste Laser (D1) einen Laserpuls abgibt. Der erste Laser (D1) der beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) gibt einen Lichtpuls ab, der durch die Senderlinse, die vorzugsweise eine Powell-Linse ist, zu einem ersten Lichtfächer (LF1) aufgeweitet wird. Der erste Lichtfächer (LF1) ist gestrichelt eingezeichnet. Der erste Lichtfächer (LF1) beleuchtet einen ersten Streifen des Raumes im Vorraum des LIDAR Systems. Eine Empfängerlinse bildet diesen ausgeleuchteten ersten Streifen auf ein lineares Sensor-Array aus Fotodioden ab. Der ausgeleuchtete erste Streifen ist von dem zweiten ausgeleuchteten Streifen der 2 und von dem dritten ausgeleuchteten Streifen der 3 und von dem vierten ausgeleuchteten Streifen der 4 verschieden. In dem Beispiel der 1 umfasst das Sensor-Array 256 Fotodioden. Diese Sensorzeile nimmt somit eine Zeile auf. Bevorzugt ist die Empfängerlinse ebenfalls eine Powell-Linse. 1 shows the beam path of an exemplary LIDAR system with exemplary n = 4 lasers ( D1 , D2 , D3 , D4 ) and exemplarily m = 256 photodetectors in the top view and the side view, whereby the first laser ( D1 ) emits a laser pulse. The first laser ( D1 ) the exemplary n = 4 laser ( D1 to D4 ) emits a light pulse that passes through the transmitter lens, which is preferably a Powell lens, to a first light fan ( LF1 ) is expanded. The first fan of light ( LF1 ) is shown in dashed lines. The first fan of light ( LF1 ) illuminates a first strip of the room in the anteroom of the LIDAR system. A receiver lens images this illuminated first strip onto a linear sensor array of photodiodes. The illuminated first strip is of the second illuminated strip 2 and of the third illuminated strip of 3 and of the fourth illuminated strip of the 4th different. In the example of the 1 the sensor array comprises 256 photodiodes. This sensor line thus takes up one line. The receiver lens is also preferably a Powell lens.

Figur 2Figure 2

2 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern (D1, D2, D3, D4) und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der zweite Laser (D2) einen Laserpuls abgibt. Der zweite Laser (D2) der beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) gibt einen Lichtpuls ab, der durch die Senderlinse, die vorzugsweise eine Powell-Linse ist, zu einem zweiten Lichtfächer (LF2) aufgeweitet wird. Der zweite Lichtfächer (LF2) ist gestrichelt eingezeichnet. Der zweite Lichtfächer (LF2) beleuchtet einen zweiten Streifen des Raumes im Vorraum des LIDAR Systems. Eine Empfängerlinse bildet diesen ausgeleuchteten zweiten Streifen auf ein lineares Sensor-Array aus Fotodioden ab. Der ausgeleuchtete zweite Streifen ist von dem ersten ausgeleuchteten Streifen der 1 und von dem dritten ausgeleuchteten Streifen der 3 und von dem vierten ausgeleuchteten Streifen der 4 verschieden. In dem Beispiel der 2 umfasst das Sensor-Array 256 Fotodioden. Diese Sensorzeile nimmt somit eine Zeile auf. Bevorzugt ist die Empfängerlinse ebenfalls eine Powell-Linse. 2 shows the beam path of an exemplary LIDAR system with exemplary n = 4 lasers ( D1 , D2 , D3 , D4 ) and exemplarily m = 256 photodetectors in the plan view and the side view, whereby the second laser ( D2 ) emits a laser pulse. The second laser ( D2 ) the exemplary n = 4 laser ( D1 to D4 ) emits a light pulse that passes through the transmitter lens, which is preferably a Powell lens, to a second light fan ( LF2 ) is expanded. The second fan of light ( LF2 ) is shown in dashed lines. The second fan of light ( LF2 ) illuminates a second strip of the room in the anteroom of the LIDAR system. Forms a receiver lens this illuminated second strip onto a linear sensor array of photodiodes. The illuminated second strip is of the first illuminated strip 1 and of the third illuminated strip of 3 and of the fourth illuminated strip of the 4th different. In the example of the 2 the sensor array comprises 256 photodiodes. This sensor line thus takes up one line. The receiver lens is also preferably a Powell lens.

Figur 3Figure 3

3 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern (D1, D2, D3, D4) und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der dritte Laser (D3) einen Laserpuls abgibt. Der dritte Laser (D3) der beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) gibt einen Lichtpuls ab, der durch die Senderlinse, die vorzugsweise eine Powell-Linse ist, zu einem dritten Lichtfächer (LF3) aufgeweitet wird. Der dritte Lichtfächer (LF3) ist gestrichelt eingezeichnet. Der dritte Lichtfächer (LF3) beleuchtet einen dritten Streifen des Raumes im Vorraum des LIDAR Systems. Eine Empfängerlinse bildet diesen ausgeleuchteten dritten Streifen auf ein lineares Sensor-Array aus Fotodioden ab. Der ausgeleuchtete dritte Streifen ist von dem zweiten ausgeleuchteten Streifen der 2 und von dem ersten ausgeleuchteten Streifen der 1 und von dem vierten ausgeleuchteten Streifen der 4 verschieden. In dem Beispiel der 3 umfasst das Sensor-Array 256 Fotodioden. Diese Sensorzeile nimmt somit eine Zeile auf. Bevorzugt ist die Empfängerlinse ebenfalls eine Powell-Linse. 3 shows the beam path of an exemplary LIDAR system with exemplary n = 4 lasers ( D1 , D2 , D3 , D4 ) and exemplarily m = 256 photodetectors in the top view and the side view, whereby the third laser ( D3 ) emits a laser pulse. The third laser ( D3 ) the exemplary n = 4 laser ( D1 to D4 ) emits a light pulse that passes through the transmitter lens, which is preferably a Powell lens, to a third light fan ( LF3 ) is expanded. The third fan of light ( LF3 ) is shown in dashed lines. The third fan of light ( LF3 ) illuminates a third strip of the room in the anteroom of the LIDAR system. A receiver lens images this illuminated third strip onto a linear sensor array of photodiodes. The illuminated third strip is of the second illuminated strip 2 and of the first illuminated strip of 1 and of the fourth illuminated strip of the 4th different. In the example of the 3 the sensor array comprises 256 photodiodes. This sensor line thus takes up one line. The receiver lens is also preferably a Powell lens.

Figur 4Figure 4

4 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern (D1, D2, D3, D4) und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der vierte Laser (D4) einen Laserpuls abgibt. Der vierte Laser (D4) der beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) gibt einen Lichtpuls ab, der durch die Senderlinse, die vorzugsweise eine Powell-Linse ist, zu einem vierten Lichtfächer (LF4) aufgeweitet wird. Der vierte Lichtfächer (LF4) ist gestrichelt eingezeichnet. Der vierte Lichtfächer (LF4) beleuchtet einen vierten Streifen des Raumes im Vorraum des LIDAR Systems. Eine Empfängerlinse bildet diesen ausgeleuchteten vierten Streifen auf ein lineares Sensor-Array aus Fotodioden ab. Der ausgeleuchtete vierte Streifen ist von dem zweiten ausgeleuchteten Streifen der 2 und von dem dritten ausgeleuchteten Streifen der 3 und von dem ersten ausgeleuchteten Streifen der 1 verschieden. In dem Beispiel der 4 umfasst das Sensor-Array 256 Fotodioden. Diese Sensorzeile nimmt somit eine Zeile auf. Bevorzugt ist die Empfängerlinse ebenfalls eine Powell-Linse. 4th shows the beam path of an exemplary LIDAR system with exemplary n = 4 lasers ( D1 , D2 , D3 , D4 ) and exemplarily m = 256 photo detectors in the plan view and the side view, whereby the fourth laser ( D4 ) emits a laser pulse. The fourth laser ( D4 ) the exemplary n = 4 laser ( D1 to D4 ) emits a light pulse that passes through the transmitter lens, which is preferably a Powell lens, to a fourth fan of light ( LF4 ) is expanded. The fourth fan of light ( LF4 ) is shown in dashed lines. The fourth fan of light ( LF4 ) illuminates a fourth strip of the room in the anteroom of the LIDAR system. A receiver lens images this illuminated fourth strip onto a linear sensor array of photodiodes. The illuminated fourth strip is of the second illuminated strip 2 and of the third illuminated strip of 3 and of the first illuminated strip of 1 different. In the example of the 4th the sensor array comprises 256 photodiodes. This sensor line thus takes up one line. The receiver lens is also preferably a Powell lens.

Figur 5Figure 5

5 zeigt eine beispielhafte Verschaltung für das vorgeschlagene LIDAR-System. Eine Steuerschaltung (CTR) veranlasst eine Ladeschaltung der n Ladeschaltungen (B1 bis Bn) über eine dieser Ladeschaltung zugeordnete Ladeleitung der n Ladeleitungen (K1 bis Kn) einen Kondensator der n Kondensatoren (C1 bis Cn) zu laden. Jede Ladeleitung der n Ladeleitungen (K1 bis Kn) weist dabei einen zugeordneten Widerstand (von n Widerständen RZ1 bis RZn) und eine Induktivität (von n Induktivitäten LZ1bis LZn) auf. Jede der Ladeleitungen (K1 bis Kn) ist bevorzugt mit einem ersten Anschluss genau eines Kondensators von n Kondensatoren (C1 bis Cn) verbunden. Der zweite Anschluss jedes Kondensators der n Kondensatoren (C1 bis Cn) ist mit dem Bezugspotenzial über eine Leitung verbunden. Jede der Leitungen zwischen einem zweiten Anschluss eines Kondensators der n Kondensatoren (Cq bis Cn) und dem Bezugspotenzial umfasst einen Widerstand (von n Widerständen RC1 bis RCn) und eine Induktivität (von n Induktivitäten LC1 bis LCn). Die Anode bevorzugt genau eines Lasers der n Laser (D1 bis Dn) ist bevorzugt mit einem ersten Kontakt bevorzugt genau eines Kondensators der n Kondensatoren (C1 bis Cn) über bevorzugt genau eine Entladeleitung der n Entladeleitungen (K1' bis Kn') verbunden. Die Kathoden der n Laser (D1 bis Dn) sind zu einem gemeinsamen ersten Sternpunkt (DisC) zusammengeschaltet. Dieser gemeinsame Sternpunkt wird mit Eintreffen des Pulssignals (Gdis ) durch den Ansteuerschalter (Tdis) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden, das mit dem zweiten Kontakt der n Kondensatoren (C1 bis Cn) verbunden ist. 5 shows an example of an interconnection for the proposed LIDAR system. A control circuit ( CTR ) causes a charging circuit of the n charging circuits ( B1 to Bn ) via one of the n charging lines assigned to this charging circuit ( K1 to Kn ) one of the n capacitors ( C1 to Cn ) to load. Each charging line of the n charging lines ( K1 to Kn ) has an associated resistance (of n resistances RZ1 to RZn ) and an inductance (of n inductances LZ1bis LZn ) on. Each of the charging lines ( K1 to Kn ) is preferred with a first connection of exactly one capacitor out of n capacitors ( C1 to Cn ) connected. The second terminal of each capacitor of the n capacitors ( C1 to Cn ) is connected to the reference potential via a cable. Each of the lines between a second connection of a capacitor of the n capacitors (Cq to Cn ) and the reference potential includes a resistor (of n resistors RC1 to RCn ) and an inductance (of n inductances LC1 to LCn ). The anode prefers exactly one of the n lasers ( D1 to Dn ) is preferably with a first contact, preferably exactly one of the n capacitors ( C1 to Cn ) over preferably exactly one discharge line of the n discharge lines ( K1 ' to Kn ' ) connected. The cathodes of the n lasers ( D1 to Dn ) are to a common first star point ( DisC ) interconnected. This common star point is activated with the arrival of the pulse signal ( G dis ) through the control switch (T dis ) with the reference potential ( GND ) connected to the second contact of the n capacitors ( C1 to Cn ) connected is.

Ein beispielhafter Buffer (Buf) erzeugt aus dem Pulsvorsignal (PL) das Pulssignal (Gdis ). Die Steuerschaltung (CTR) kann bevorzugt dieses Pulsvorsignal (PL) erzeugen, wenn der Ladevorgang für den zu ladenden Kondensator durch die zugehörige Ladeschaltung abgeschlossen ist und die Ladeschaltung neutral geschaltet ist.An exemplary buffer ( Buf ) generated from the pulse pre-signal ( PL ) the pulse signal ( G dis ). The control circuit ( CTR ) can prefer this pulse pre-signal PL ) when the charging process for the capacitor to be charged has been completed by the associated charging circuit and the charging circuit is switched to neutral.

Ein Stützkondensator (CVDD) ist bevorzugt Teil des Kondensatorarrays der n Kondensatoren (C1 bis Cn) Der Stützkondensator (CVDD) stabilisiert die Versorgungsspannung (VDD) oder eine andere systemrelevante Spannung. Er dient dazu, ein Übersprechen der Stromstöße bei Zündung der Laser zu verhindern.A backup capacitor ( CVDD ) is preferably part of the capacitor array of n capacitors ( C1 to Cn ) The backup capacitor ( CVDD ) stabilizes the supply voltage ( VDD ) or another system-relevant voltage. It is used to prevent crosstalk of the current surges when the laser is ignited.

Der Stützkondensator (CVDD) ist mit seinem ersten Kontakt über eine Leitungsinduktivität (LZV) in der Zuleitung zum Stützkondensator (CVDD) und über einen Leitungswiderstand (RZV) in der Zuleitung zum Stützkondensator (CVDD) mit der Versorgungsspannung (VDD) oder einer Leitung ähnlicher Funktion verbunden, die zu stabilisieren ist.The backup capacitor ( CVDD ) is with its first contact via a line inductance ( LZV ) in the feed line to the backup capacitor ( CVDD ) and via a line resistance ( RZV ) in the feed line to the backup capacitor ( CVDD ) with the supply voltage ( VDD ) or a line with a similar function that needs to be stabilized.

Der Stützkondensator (CVDD) ist mit seinem zweiten Kontakt über einen Leitungswiderstand (RCV) und über eine Leitungsinduktivität (LCV) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden.The backup capacitor ( CVDD ) is connected to its second contact via a line resistance ( RCV ) and via a line inductance ( LCV ) with the reference potential ( GND ) connected.

Figur 6Figure 6

6 zeigt einen vorgeschlagenen Aufbau eines Laser-Moduls für das LIDAR-System der 5. Basis des Moduls ist das Treiber-IC. Das Treiber-IC ist bevorzugt eine monolithisch integrierte Schaltung. Es umfasst bevorzugt die Steuerschaltung (CTR) und alle anderen CMOSmikrointegrierbaren Schaltungsteile der 5. Dies wären beispielsweise aber nicht nur, die Steuerschaltung (CTR), der Buffer (Buf), der Ansteuerschalter (Tdis), und die n Ladeschaltungen (B1 bis Bn). Des Weiteren kann eine Steuerschaltung (CTR) beispielsweise einen Mikrorechner mit Speicher Schnittstellen und CPU umfassen. Diese bilden zusammen die Ansteuerschaltung. In dem Beispiel der 6 werden beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) verwendet, die auf einem gemeinsamen Kristall gefertigt sind und ein lineares Laser-Array bilden. Die Unterseite dieses Kristalls bildet die gemeinsame Kathode, die als erster Sternpunkt (DisC) mit einem Ansteuerschalter elektrisch verbunden ist, der in dem Kristall des Treiber-ICs gefertigt ist und an dessen aktiver Oberfläche liegt. Durch diese Flip-Chip-Montage ist es möglich, diese Verbindung mit nur geringen parasitären Induktivitäts- und Widerstandswerten zu realisieren, was die Flankensteilheit der Laserpulse erhöht. Die thermische Kühlung der n Laser erfolgt also über den Kristall des Treiber-ICs. Die 4 Kondensatoren (C1 bis C4) sind ebenfalls als ein gemeinsames Plättchen ausgeführt. In dem Beispiel der 6 sind die zweiten Kontakte der 4 Kondensatoren (C1 bis C4) durch einen gemeinsamen Kontakt miteinander verbunden. Der erste Kontakt eines jeden Kondensators (C1 bis C4) ist mit dem ihm zugeordneten Laser der vier Laser (D1 bis D4) über eine entsprechende Entladeleitung der vier Entladeleitungen (K1' bis K4') verbunden. Die Entladeleitungen (K1' bis K4') sind durch die gewählte Anordnung besonders kurz. Die Mehrfachbondung der Entladeleitungen (K1' bis K4') führt zu einer weiteren Reduktion der parasitären Induktivität und damit zu einer weiteren Erhöhung der Flankensteilheit. Ebenso führen die kurzen Bonddrähte der Verbindung zwischen dem zweiten Sternpunkt und dem Bezugspotenzial zusammen mit der Mehrfachbondung zu einer Reduktion der parasitären Induktivität auf dieser Verbindung. Auch dies erhöht die Flankensteilheit des ausgesandten Lichtpulses. 6th shows a proposed structure of a laser module for the LIDAR system of FIG 5 . The module is based on the driver IC. The driver IC is preferably a monolithic integrated circuit. It preferably includes the control circuit ( CTR ) and all other CMOS micro-integrable circuit parts of the 5 . For example, this would not only be the control circuit ( CTR ), the buffer ( Buf ), the control switch (T dis ), and the n charging circuits ( B1 to Bn ). Furthermore, a control circuit ( CTR ) include, for example, a microcomputer with memory interfaces and CPU. Together these form the control circuit. In the example of the 6th for example n = 4 lasers ( D1 to D4 ), which are manufactured on a common crystal and form a linear laser array. The underside of this crystal forms the common cathode, which is the first star point ( DisC ) is electrically connected to a control switch which is made in the crystal of the driver IC and is located on its active surface. This flip-chip assembly makes it possible to realize this connection with only low parasitic inductance and resistance values, which increases the edge steepness of the laser pulses. The thermal cooling of the n lasers takes place via the crystal of the driver IC. The 4 capacitors ( C1 to C4) are also designed as a common plate. In the example of the 6th are the second contacts of the 4 capacitors ( C1 to C4) are connected to each other by a common contact. The first contact of each capacitor ( C1 to C4) and the laser assigned to it are the four lasers ( D1 to D4 ) via a corresponding discharge line of the four discharge lines ( K1 ' to K4 '). The discharge lines ( K1 ' to K4 ') are particularly short due to the chosen arrangement. The multiple bonding of the discharge lines ( K1 ' to K4 ') leads to a further reduction in the parasitic inductance and thus to a further increase in the edge steepness. The short bond wires of the connection between the second star point and the reference potential, together with the multiple bonding, also lead to a reduction in the parasitic inductance on this connection. This also increases the edge steepness of the emitted light pulse.

Die relativ langen Bonddrähte der Ladeleitungen (K1 bis Kn) sind für die Flankensteilheit eher förderlich.The relatively long bonding wires of the charging cables ( K1 to Kn ) are more conducive to the slope.

Ein Stützkondensator (CVDD) ist Teil des Kondensator-Arrays. Der Stützkondensator (CVDD) ist auf einer Unterseite mit einem zweiten Anschluss mit einem sehr kleinen Leitungswiderstand (RCV) und einer sehr kleinen Leitungsinduktivität (LCV) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden. Der erste Anschluss des Stützkondensators (CVDD) ist mit dem virtuellen Knoten (KG') der Versorgungsspannung (VDD) verbunden. Der virtuelle Knoten (KG') der Versorgungsspannung (VDD) ist mit sehr kurzen Bond-Drähten mit der Versorgungsspannung (VDD) verbunden. Dadurch ist der virtuelle Knoten (KG') der Versorgungsspannung (VDD) mit einem sehr kleinen Leitungswiderstand (RZV) und einer sehr kleinen Leitungsinduktivität (LZV) mit der Versorgungsspannung (VDD) verbunden.A backup capacitor ( CVDD ) is part of the capacitor array. The backup capacitor ( CVDD ) is on a lower side with a second connection with a very low line resistance ( RCV ) and a very low line inductance ( LCV ) with the reference potential ( GND ) connected. The first connection of the backup capacitor ( CVDD ) is associated with the virtual node ( KG ' ) the supply voltage ( VDD ) connected. The virtual node ( KG ' ) the supply voltage ( VDD ) is connected to the supply voltage ( VDD ) connected. This makes the virtual node ( KG ' ) the supply voltage ( VDD ) with a very low line resistance ( RZV ) and a very low line inductance ( LZV ) with the supply voltage ( VDD ) connected.

Figur 7Figure 7

7 zeigt eine Anordnung mit mehreren Laser-Modulen der 6. Bevorzugt wird die Ansteuerlogik und die Steuerung dabei so gestaltet, dass immer nur ein Laser eines Laser-Moduls einen Lichtpuls erzeugt. 7th shows an arrangement with several laser modules in FIG 6th . The control logic and the control are preferably designed in such a way that only one laser of a laser module ever generates a light pulse.

Figur 8Figure 8

8 zeigt einen Kondensator-Array (C1 bis C4 Und CVDD) für die Verwendung in einem Laser-Modul entsprechend der 7 in der Aufsicht (8A), in einer Seitenansicht (8B) und die interne Verschaltung des Kondensator Arrays (8C). 8th shows a capacitor array ( C1 to C4 and CVDD ) for use in a laser module according to 7th in supervision ( 8A) , in a side view ( 8B) and the internal wiring of the capacitor array ( 8C ).

Das Kondensator-Array (C1 bis Cn und CVDD) ist bevorzugt rechteckig. Die Kontaktflächen für die Entladeleitungen (K1' bis Kn') sind bevorzugt längs einer ersten Kante des Rechtecks nebeneinander angeordnet. Der Abstand von Mitte einer Kontaktfläche der Entladeleitung zur Mitte der nächsten Kontaktfläche der nächsten Entladeleitung entspricht dabei bevorzugt dem Abstand vom Schwerpunkt des entsprechenden Lasers der Laser (D1 bis Dn der 6). Die Laser und diese Kontaktflächen des Kondensator-Arrays (C1 bis Cn und CVDD) weisen also bevorzugt den gleichen Pitch = Abstand von Mitte zu Mitte auf. In dem Beispiel der 8 ist dieser Abstand beispielhaft 500µm.The capacitor array ( C1 to Cn and CVDD ) is preferably rectangular. The contact surfaces for the discharge lines ( K1 ' to Kn ' ) are preferably arranged next to one another along a first edge of the rectangle. The distance from the center of a contact surface of the discharge line to the center of the next contact surface of the next discharge line preferably corresponds to the distance from the center of gravity of the corresponding laser of the laser ( D1 to Dn the 6th ). The lasers and these contact surfaces of the capacitor array ( C1 to Cn and CVDD ) therefore preferably have the same pitch = distance from center to center. In the example of the 8th this distance is 500 µm, for example.

Längs der ersten Kante des Rechtecks gegenüberliegenden zweiten Kante des Rechtecks erstreckt sich die Kontaktfläche für den virtuellen Knoten KG' der Versorgungsspannung (VDD), die dem ersten Anschluss des Stützkondensators (CVDD) entspricht.The contact surface for the virtual node extends along the second edge of the rectangle opposite the first edge of the rectangle KG ' the supply voltage ( VDD ) connected to the first connection of the backup capacitor ( CVDD ) corresponds.

Bevorzugt erstreckt sich die Kontaktfläche für den virtuellen Knoten KG' der Versorgungsspannung (VDD) entlang der gesamten zweiten Kante des Rechtecks. In dem Beispiel der 8 beträgt die Länge dieser Erstreckung etwas weniger als 2000 µm.The contact area for the virtual node preferably extends KG ' the supply voltage ( VDD ) along the entire second edge of the rectangle. In the example of the 8th the length of this extension is a little less than 2000 µm.

Die ggf. n Kontaktflächen für die Entladeleitungen (K1' bis Kn') nehmen daher nur einen Abschnitt längs der ersten Kante des Rechtecks ein, der kleiner als 1/n der Länge der ersten Kante des Rechtecks ist. In dem Beispiel der 8 ist diese Erstreckung nur 375 µm. Die Fläche dieser Kontakte ist in der 8 beispielhaft 0,17 mm2.The possibly n contact surfaces for the discharge lines ( K1 ' to Kn ' ) therefore only occupy a section along the first edge of the rectangle which is less than 1 / n the length of the first edge of the rectangle. In the example of the 8th this extension is only 375 µm. The area of these contacts is in the 8th for example 0.17 mm 2 .

Die Erstreckung der ggf. n Kontaktflächen für die Entladeleitungen (K1' bis Kn') längs der dritten und vierten Kante des Rechtecks, die in dem Beispiel der 8 450 µm beträgt, ist daher typischerweise länger als die Erstreckung der Kontaktfläche für den virtuellen Knoten KG' der Versorgungsspannung (VDD), die in dem Beispiel der 8 100 µm beträgt. Die Fläche der Kontaktfläche für den virtuellen Knoten KG' der Versorgungsspannung (VDD) beträgt in etwa 0,2 mm2.The extension of any n contact surfaces for the discharge lines ( K1 ' to Kn ' ) along the third and fourth edges of the rectangle, which in the example of 8th 450 μm is therefore typically longer than the extension of the contact area for the virtual node KG ' the supply voltage ( VDD ), which in the example of the 8th 100 µm. The area of the contact surface for the virtual node KG ' the supply voltage ( VDD ) is about 0.2 mm 2 .

Ein Rückseitenkontakt (KR) bildet den gemeinsamen Kontakt zum Anschluss des gemeinsamen Bezugspotenzials (GND).A back contact ( KR ) forms the common contact for connecting the common reference potential ( GND ).

Das Material zwischen den Kontaktflächen für die Knoten (K1' bis Kn' und KG') bildet das Dielektrikum des Kondensator-Arrays. Zwischen jeweils einer Kontaktfläche für die Knoten (K1' bis Kn' und KG') und dem Rückseitenkontakt (KR) bildet sich dann so jeweils einer der Kondensatoren (C1 bis Cn und CVDD) aus.The material between the contact surfaces for the nodes ( K1 ' to Kn ' and KG ' ) forms the dielectric of the capacitor array. Between each contact surface for the nodes ( K1 ' to Kn ' and KG ' ) and the rear contact ( KR ) one of the capacitors ( C1 to Cn and CVDD ) out.

Das Beispiel der 8 ist auf n=4 zur besseren Übersicht (wie auch die anderen Beispiele dieser Schrift) beschränkt.The example of 8th is limited to n = 4 for a better overview (like the other examples in this document).

Figur 9Figure 9

9 zeigt die Struktur eines einzelnen vorgeschlagenen Treiber-ICs in der Aufsicht. Die Struktur ist grob vereinfacht und auf die wesentlichen Informationen zur Ermöglichung der Nacharbeit beschränkt. 9 shows the structure of a single proposed driver IC in plan view. The structure is roughly simplified and limited to the essential information to enable rework.

Wie an anderen Stellen in dieser Schrift ist die Anzahl n der Laser (D1 bis Dn) des Moduls auf n=4 zur besseren Übersicht beispielhaft beschränkt. Für eine andere Anzahl n von Lasern können die Prinzipien dieser Schrift entsprechend angewendet werden. Hier wird n statt 4 verwendet, auch wenn die Figur n=4 zeigt. n soll in dieser Schrift stets eine ganz positive Zahl sein.As in other places in this document, the number n of lasers is ( D1 to Dn ) of the module is limited to n = 4 for a better overview. The principles of this document can be applied accordingly for a different number n of lasers. Here n is used instead of 4, even if the figure shows n = 4. In this script, n should always be a completely positive number.

Oben befinden sich beispielhaft vier Kontaktflächen für die Rückseitenkontakte der beispielhaften vier Laser (D1 bis D4) des später aufzusetzenden Laser-Moduls. Jede der vier Kontaktflächen ist mit dem ersten Sternpunkt (DisC) verbunden. Statt vier separaten Kontaktflächen ist natürlich auch eine einzelne Kontaktfläche denkbar.At the top there are four contact surfaces for the rear contacts of the four lasers ( D1 to D4 ) of the laser module to be attached later. Each of the four contact surfaces is connected to the first star point ( DisC ) connected. Instead of four separate contact areas, a single contact area is of course also conceivable.

Darunter befindet sich ein Kontakt (GND), der mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden ist. Auf diese Kontaktfläche wird das Kondensator-Array (C1 bis Cn und CVDD) aufgesetzt. Dies verbindet den Rückseitenkontakt (KR) des Kondensator-Arrays (C1 bis Cn und CVDD) mit dem Bezugspotenzial (GND).Below is a contact ( GND ), which is connected to the reference potential ( GND ) connected is. The capacitor array ( C1 to Cn and CVDD ) put on. This connects the back contact ( KR ) of the capacitor array ( C1 to Cn and CVDD ) with the reference potential ( GND ).

Darunter befindet sich eine Kontaktfläche für die Bonddrähte, mit denen der erste Kontakt des Stützkondensators (CVDD) des Kondensator-Arrays (C1 bis Cn und CVDD), der der virtuelle Knoten (KG') der Versorgungsspannung (VDD) ist, mit der Versorgungsspannung (VDD) verbunden wird.Underneath there is a contact surface for the bonding wires with which the first contact of the backup capacitor ( CVDD ) of the capacitor array ( C1 to Cn and CVDD ) that the virtual node ( KG ' ) the supply voltage ( VDD ) with the supply voltage ( VDD ) is connected.

Darunter befinden sich die n Bondflächen (hier beispielhaft n=4) für die Ausgänge der Treiberschaltungen (B1 bis Bn) (hier n=4). Mittels langer Bonddrähte, die die Ladeleitungen (K1 bis Kn) (hier n=4) darstellen, werden von dort die Kondensatoren (C1 bis Cn) der Energiereserven der Laser (D1 bis Dn) (hier n=4) durch die Treiberschaltungen (B1 bis Bn) geladen.Below that are the n bond areas (here n = 4 as an example) for the outputs of the driver circuits ( B1 to Bn ) (here n = 4). By means of long bond wires that connect the charging cables ( K1 to Kn ) (here n = 4), from there the capacitors ( C1 to Cn ) the energy reserves of the lasers ( D1 to Dn ) (here n = 4) through the driver circuits ( B1 to Bn ) loaded.

In dem Beispiel der 8 benötigt das vorgeschlagene Treiber-IC mehrere Versorgungsspannungen über mehrere Versorgungsspannungskontakte (VDDA, GNDA, VDDD, GNDD, VDDP, GNDP, VDDH, GNDH). Es wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung erkannt, dass es günstig ist, die Versorgungsspannungen niederohmig über die den Lasern gegenüberliegende Kante des Treiber-ICs dem Treiber-IC zu führen, da so jedes Treiber-IC seine eigene niederohmige Zuleitung besitzen kann.In the example of the 8th the proposed driver IC requires several supply voltages via several supply voltage contacts ( VDDA , GNDA , VDDD , GNDD , VDDP , GNDP , VDDH , GNDH ). When working out the invention, it was recognized that it is advantageous to lead the supply voltages to the driver IC with low resistance via the edge of the driver IC opposite the lasers, since each driver IC can thus have its own low-resistance supply line.

Des Weiteren wurde erkannt, dass Signale, die auch hochohmig an die Treiber-ICs gehen können, durch die ICs quer durchgeschleift werden können. In dem Beispiel der 9 sind dies beispielsweise das Rücksetzsignal (RST), das horizontal mit einem entsprechenden Anschluss auf der gegenüberliegenden Seite des Treiber-ICs verbunden ist. Des Weiteren ist dies in dem Beispiel der 9 als Beispiel für einen Datenbus ein SPI-Datenbus. Der Eingang des SPI-Datenbusses (MOSI) und der Ausgang des SPI-Datenbusses (MISO) und der Takt des SPI-Datenbusses (SCK) haben Entsprechungen auf der gegenüberliegenden Seite des Treiber-ICs. Auch ein Auswahlsignal (Englisch: Chip-Select (CS)) wird durchgeschleift. Das Zündsignal (TRIG) zum Abfeuern des Laser-Pulses wird auch von einer Seite des Treiber-ICs zugeführt und zur anderen Seite unverändert durchgeschleift.It was also recognized that signals that can also go to the driver ICs with high resistance can be looped through the ICs. In the example of the 9 are these, for example, the reset signal ( RST ), which is horizontally connected to a corresponding connector on the opposite side of the driver IC. Furthermore, this is in the example of 9 an SPI data bus as an example of a data bus. The input of the SPI data bus ( MOSI ) and the output of the SPI data bus ( MISO ) and the clock rate of the SPI data bus ( SCK ) have counterparts on the opposite side of the driver IC. Also a selection signal (English: Chip-Select ( CS )) is looped through. The ignition signal (TRIG) for firing the laser pulse is also supplied from one side of the driver IC and looped through unchanged to the other side.

Mit der Flanke dieses Zündsignals werden die Laser der Module abgefeuert.The modules' lasers are fired with the edge of this ignition signal.

Der guten Form halber ist ein Beispiel für ein weiteres Signal (Pulse), das an alle Treiber-ICs geht aufgeführt, das ebenfalls durchgeschleift wird. Es kann sich beispielsweise um ein Diagnose-Signal einer Diagnoseschnittstelle handeln.For the sake of good form is an example of another signal ( Pulse ), which goes to all driver ICs, which is also looped through. For example, it can be a diagnostic signal from a diagnostic interface.

Figur 10Figure 10

10 zeigt die Anreihung mehrerer, hier Laser-Module der 9 auf Treiber-IC-Ebene. 10 shows the arrangement of several, here laser modules of the 9 at driver IC level.

Die Kontakte an den Längsseiten zweier benachbarter Treiber-ICs sind durch Bonddrähte miteinander verbunden. Es wird deutlich, dass diese Konstruktion die niederohmige Versorgung aller Laser-Module mit elektrischer Energie sicherstellt, da die Steuersignale durchgeschleift werden.The contacts on the long sides of two adjacent driver ICs are connected to one another by bonding wires. It becomes clear that this construction ensures the low-resistance supply of all laser modules with electrical energy, since the control signals are looped through.

Figur 11Figure 11

11 Zeigt die Ausrichtung der Laser-Module der 10 längs einer gebogenen Linie (KL). Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung des Laser-Strahl-Fächers sich massiv vereinfacht. Zum Ersten können die Laser-Module senkrecht zu dieser gekrümmten Linie (KL) ausgerichtet sein. Zum Zweiten können innerhalb eines Laser-Moduls die Laser längs dieser gekrümmten Linie ausgerichtet sein, sodass letztlich alle Laser aller Module längs dieser gekrümmten Line ausgerichtet sind. Die gekrümmte Linie kann konvex oder konkav sein. Der Laserstrahl jedes Lasers jedes Laser-Moduls weist eine Laserstrahlachse auf. Sind nur die Laser-Module längs der gekrümmten Linie (KL) ausgerichtet und ist diese gekrümmte Linie ein Kreissegment so schneiden sich die Laserstrahlachsen des ersten Lasers (D1) aller Laser-Module in einem Punkt im Raum. Dieser kann auch hinter den Lasern liegen. 11 Shows the alignment of the laser modules 10 along a curved line ( KL ). This has the advantage that the generation of the laser beam fan is massively simplified. First, the laser modules can be perpendicular to this curved line ( KL ) be aligned. Second, the lasers within a laser module can be aligned along this curved line, so that ultimately all lasers of all modules are aligned along this curved line. The curved line can be convex or concave. The laser beam of each laser of each laser module has a laser beam axis. Are only the laser modules along the curved line ( KL ) and if this curved line is a segment of a circle, the laser beam axes of the first laser intersect ( D1 ) of all laser modules in one point in space. This can also be behind the lasers.

Sind die Laser (D1 bis Dn) eines Laser-Moduls längs einer gekrümmten Linie (KL) ausgerichtet, so schneiden sich die Laserstrahlachsen der Laser (D1 bis Dn) des Laser-Moduls in einem Punkt.Are the lasers ( D1 to Dn ) of a laser module along a curved line ( KL ), then the laser beam axes of the lasers intersect ( D1 to Dn ) of the laser module in one point.

Sind die Laser (D1 bis Dn) aller Laser-Module längs einer gekrümmten Linie (KL) ausgerichtet, so schneiden sich die Laserstrahlachsen der Laser (D1 bis Dn) aller Laser-Module in einem Punkt.Are the lasers ( D1 to Dn ) of all laser modules along a curved line ( KL ), then the laser beam axes of the lasers intersect ( D1 to Dn ) of all laser modules in one point.

Eine Ausrichtung nur eines Teils der Laser und/oder nur eines Teils der Laser-Module längs der gekrümmten Linie (KL) ist ausdrücklich von der Beanspruchung mit umfasst.Alignment of only part of the lasers and / or only part of the laser modules along the curved line ( KL ) is expressly included in the use.

Figur 12Figure 12

12 zeigt eine beispielhafte Powell-Linse. Die Oberfläche ist auf der ersten Oberfläche (OF1) um eine erste Achse (A1) gewölbt und auf der zweiten Oberfläche (OF2) um eine zweite Achse (A2) gewölbt. Dabei sind die beiden Achsen senkrecht zueinander orientiert. 12th shows an exemplary Powell lens. The surface is on the first surface ( OF1 ) around a first axis ( A1 ) arched and on the second surface ( OF2 ) around a second axis ( A2 ) arched. The two axes are oriented perpendicular to each other.

Figur 13Figure 13

13 zeigt eine beispielhafte Anordnung des Sendesystems mit der Senderlinse und des Empfängersystems mit der Empfängerlinse. 13th shows an exemplary arrangement of the transmitter system with the transmitter lens and the receiver system with the receiver lens.

Figur 14Figure 14

14 zeigt ein reales Messergebnis als Punktwolke in einem beispielhaften kartesischen Koordinatensystem als Zielkoordinatensystem mit n=16 Lasern und m=256 Fotodetektoren in der Fotodetektorenzeile. 14th shows a real measurement result as a point cloud in an exemplary Cartesian coordinate system as the target coordinate system with n = 16 lasers and m = 256 photodetectors in the photodetector line.

Figur 15Figure 15

15 zeigt eine vorschlagsgemäße Drohne mit anmontiertem vorschlagsgemäßem LIDAR-Modul. Das vorschlagsgemäße Lidar-Modul kann für Drohen sehr gut eingesetzt werden, weil es besonders leicht ist und keine mechanischen Teile, wie beispielsweise Schwingspiegel aufweist. 15th shows a proposed drone with the proposed LIDAR module attached. The proposed lidar module can be used very well for threats because it is particularly light and has no mechanical parts, such as oscillating mirrors.

Andere Lösungen aus dem Stand der Technik sind nicht so kompakt und können diese Informationen nicht bei diesem kleinen Gewicht und dem kleinen Energieverbrauch liefern.Other prior art solutions are not as compact and cannot provide this information with this small weight and low energy consumption.

Das vorgeschlagene LIDAR-System kann aber auch in anderen Fahrzeugen, Schwimmkörpern, Flugkörper, Schienenfahrzeugen, als Scanner in der Automatisierungstechnik und dergleichen eingesetzt werden.The proposed LIDAR system can, however, also be used in other vehicles, floating bodies, missiles, rail vehicles, as scanners in automation technology and the like.

Figur 16Figure 16

16 soll das Problem verdeutlichen. In der waagerechten sind als Rechtecke die Abbilder der Laserdiodenstrahlen eingezeichnet. Der Strahl einer Laserdiode hat typischerweise einen elliptischen Querschnitt. Wird nun längs einer Hauptachse dieser Querschnittsellipse die Intensität ermittelt und in ein xy-Diagramm eingetragen, dass als x-Achse die Position längs dieser Hauptachse und als y-Achse die Strahlungsintensität aufweist, so zeigen Laserdioden hier typischerweise eine Gaußförmige Intensitätsverteilung. Durch die Optik wird der Laserstrahl einer Laserdiode nun in einer Richtung aufgeweitet, sodass sich im Idealfall im Fernfeld auf einer Projektionsfläche senkrecht zur optischen Achse der Aufweitungslinse und des Lasers ein rechteckförmiger, gleichmäßig ausgeleuchteter Bereich ergeben sollte. Aufgrund von Abbildungsfehlern ist dies aber nicht der Fall. In der 16 sind senkrechte Linien eingezeichnet. Die Fläche eines Rechteckstücks eines der waagerechten Rechtecke, die sich zwischen je zwei senkrechten Linien befindet soll bei Beleuchtung durch den diesem Rechteck zugehörigen Laser stets die gleiche Lichtmenge von Rechteckstück zu Rechteckstück enthalten. Im Idealfall sollten also alle Rechteckstücke gleich sein und wie in 16 dargestellt positioniert sein. Im Realfall weist die Optik aber Fehler auf und der Laserstrahlquerschnitt zeigt eine Gaußförmige statt einer rechteckförmigen Intensitätsverteilung über den Querschnitt. 16 should clarify the problem. The images of the laser diode beams are drawn in as rectangles in the horizontal one. The beam from a laser diode typically has an elliptical cross-section. If the intensity is now determined along a main axis of this cross-sectional ellipse and entered in an xy diagram that shows the position along this main axis as the x-axis and the radiation intensity as the y-axis, then laser diodes typically show a Gaussian intensity distribution. The optics widen the laser beam of a laser diode in one direction, so that in the ideal case a rectangular, evenly illuminated area should result on a projection surface perpendicular to the optical axis of the widening lens and the laser in the far field. However, this is not the case due to imaging errors. In the 16 vertical lines are drawn. The area of a rectangular piece of one of the horizontal rectangles that is located between two vertical lines should always contain the same amount of light from rectangular piece to rectangular piece when illuminated by the laser associated with this rectangle. Ideally, all rectangle pieces should be the same and as in 16 be positioned as shown. In the real case, however, the optics show errors and the laser beam cross-section shows a Gaussian instead of a rectangular intensity distribution over the cross-section.

Die 16 bis 20 zeigen jeweils nur den linken oberen Quadranten, da das Projektionsfeld rechteckförmig ist und daher zwei zueinander senkrechte Symmetrieachsen aufweist.The 16 to 20th each show only the upper left quadrant, since the projection field is rectangular and therefore has two mutually perpendicular axes of symmetry.

Die Kamera mit den Fotodetektoren bildet die bestrahlten Punkte auf die n Fotodetektorenzeilen mit je m Fotodetektoren ab. In den Beispielen der 16 bis 20 wird davon ausgegangen, dass das Fotodetektoren-Array zu n=16 Zeilen und m=256 Pixel organisiert ist. Jeder der n Laser des Laser-Moduls beleuchtet dabei eine Zeile. Die Optik weitet dann den Laserstrahl eines j-ten Lasers der n Laser mit 1≤j≤n=16 zu der Zeile auf. Der Laserstrahl des j-ten Lasers wird somit in der Horizontalen aufgeweitet. Die Dichte bzw. der Abstand der senkrechten Linien der 16 repräsentiert die gewünschte Energiedichte im Fernfeld. Jeder Laser der n Laser des Laser-Moduls beleuchtet somit eine Zeile des Bildes, die dann durch eine Zeile des Fotodetektor-Arrays, hier beispielhaft ein Fotodetektor-Array mit 16 Fotodetektorzeilen mit jeweils 256 Fotodetektoren, abgetastet wird. Die normale Intensitätsverteilung über die Zeile ohne Korrektur ist aufgrund der gaußförmigen Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahlquerschnitts ebenfalls eine Gaußverteilung. Das zu beheben ist die Aufgabe der hier beanspruchten Erfindung.The camera with the photodetectors images the irradiated points on the n photodetector rows with m photodetectors each. In the examples of the 16 to 20th it is assumed that the photodetector array is organized with n = 16 lines and m = 256 pixels. Each of the n lasers in the laser module illuminates one line. The optics then expand the laser beam of a j-th laser of the n lasers with 1 ≤ j n = 16 to the line. The laser beam of the j-th laser is thus expanded horizontally. The density or the distance between the vertical lines of the 16 represents the desired energy density in the far field. Each laser of the n lasers of the laser module thus illuminates a line of the image, which is then scanned by a line of the photodetector array, here as an example a photodetector array with 16 photodetector lines with 256 photodetectors each. The normal intensity distribution over the line without correction is also a Gaussian distribution due to the Gaussian intensity distribution within the laser beam cross section. To remedy this is the object of the invention claimed here.

Jeder der n Fotodetektorzeilen ist in den Beispielen der 16 bis 20 genau einem Laser zugeordnet.Each of the n photodetector lines is in the examples of 16 to 20th assigned to exactly one laser.

Statt dessen kann aber durch eine Defokussierung auch jeder der n Laser k Fotodetektorzeilen mittels Reflexion um Fahrzeugumfeld beleuchten. Die Anzahl der möglichen Fotodetektorenzeilen ist dann (k+n). Somit ist es sinnvoll in dem Fall dann (n+k)*m Fotodetektoren zu verwenden, die in k+n Fotodetektorzeilen organisiert sind. Jedem der n Laser sind dann genau k Fotodetektorzeilen zugeordnet.Instead of this, however, each of the n lasers can also illuminate k photodetector lines by means of reflection around the vehicle environment by means of defocusing. The number of possible photodetector lines is then (k + n). In this case, it is therefore sensible to use (n + k) * m photodetectors, which are organized in k + n photodetector rows. Exactly k photodetector lines are then assigned to each of the n lasers.

Statt der Defokussierung können auch Multisegmentlinsen verwendet werden.Instead of defocusing, multi-segment lenses can also be used.

Die n Laser sind bevorzugt innerhalb des Laser-Moduls in einem eindimensionalen Laser-Array senkrecht zur Aufweitungsebene der Fotodetektorzeilen angeordnet.The n lasers are preferably arranged within the laser module in a one-dimensional laser array perpendicular to the expansion plane of the photodetector rows.

Der Vollständigkeit halber sollte erwähnt werden, dass aus Platzgründen an anderer Stelle in diesem Dokument beispielhaft von n=4 Laser pro Laser-Modul ausgegangen wird, um die Darstellung zu verbessern.For the sake of completeness, it should be mentioned that for reasons of space elsewhere in this document, n = 4 lasers per laser module are assumed as an example in order to improve the representation.

Figur 17Figure 17

zeigt die erste Linse ohne Korrekturpolynome. Lediglich die Parameter B2 und B3 sind von 0 verschieden. Die Gleichungen lauten dementsprechend : z = R0Y Sign ( R0Y ) Sqrt ( R0Y 2 y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 |  und z = d .

Figure DE102020124564A1_0016
shows the first lens without correction polynomials. Only the parameters B2 and B3 are different from 0. The equations are accordingly: z = R0Y - Sign ( R0Y ) Sqrt ( R0Y 2 - y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | and Z = - d .
Figure DE102020124564A1_0016

Wie leicht in 17 zu erkennen ist, weicht die Energieverteilung an den Rändern und vor allem in den Ecken signifikant von der gewünschten Verteilung der 16 ab.How easy in 17th can be seen, the energy distribution at the edges and especially in the corners deviates significantly from the desired distribution of the 16 from.

Figur 18Figure 18

zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der ersten Linse mit AR2=0.01, AR3=0.0006, PB2=-0.0085, PB3=0.0008, PB4=0, PB6=0, PC2=0, PC3=0. Die Gleichungen lauten somit nun: z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | mit RY = R0Y + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 |  und z = d .

Figure DE102020124564A1_0017
shows a lens corresponding to the parameters of the first lens with AR2 = 0.01, AR3 = 0.0006, PB2 = -0.0085, PB3 = 0.0008, PB4 = 0, PB6 = 0, PC2 = 0, PC3 = 0. The equations are now: z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | - Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 - y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | with RY = R0Y + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | and Z = - d .
Figure DE102020124564A1_0017

Figur 19Figure 19

zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der zweiten Linse mit AR2=0.01, AR3=0.0005, PB2=-0.015, PB3=0.0015, PB4=-0.000024, PB6=0, PC2=0, PC3=0. Die Gleichungen lauten somit nun: z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | + PB 4 x 4 mit RY = R0Y + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 |  und z = d .

Figure DE102020124564A1_0018
shows a lens corresponding to the parameters of the second lens with AR2 = 0.01, AR3 = 0.0005, PB2 = -0.015, PB3 = 0.0015, PB4 = -0.000024, PB6 = 0, PC2 = 0, PC3 = 0. The equations are now: z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | - Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 - y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | + PB 4th x 4th with RY = R0Y + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | and Z = - d .
Figure DE102020124564A1_0018

Die Verteilung der Energie ist schon fast optimal.The distribution of energy is almost optimal.

Figur 20Figure 20

zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der dritten Linse mit AR2=0.028, AR3=-0.0028, PB2=-0.0115, PB3=0.00038, PB4=-0.000034, PB6=0.00000013, PC2=0.028, PC3=-0.0032. Die Gleichungen lauten somit nun: z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | + PB 4 x 4 + PB 6 x 6 + PC 2 x 2 + PC 3 | x 3 | mit RY = R0Y + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 |  und z = ( d + PC2 x 2 + PC 3 | x 3 | ) .

Figure DE102020124564A1_0019
shows a lens corresponding to the parameters of the third lens with AR2 = 0.028, AR3 = -0.0028, PB2 = -0.0115, PB3 = 0.00038, PB4 = -0.000034, PB6 = 0.00000013, PC2 = 0.028, PC3 = -0.0032. The equations are now: z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | - Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 - y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | + PB 4th x 4th + PB 6th x 6th + Pc 2 x 2 + Pc 3 | x 3 | with RY = R0Y + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | and Z = - ( d + PC2 x 2 + Pc 3 | x 3 | ) .
Figure DE102020124564A1_0019

Wie der Figur zu entnehmen ist, ist die Verteilung nun nahezu optimal und die Fehler sind im Realfall vernachlässigbar.As can be seen from the figure, the distribution is now almost optimal and the errors are negligible in the real case.

Glossarglossary

Powell LinsenPowell lenses

Powell-Linsen dienen der Erzeugung eines linienförmigen Strahlprofils aus einer gaußförmigen Intensitätsverteilung. Entlang der Linie wird bevorzugt eine homogene Intensitätsverteilung erzeugt, senkrecht dazu bleibt die Gaußverteilung des Lasers erhalten. Linienoptiken lassen sich mit einem Öffnungswinkel von wenigen Grad bis über 90° herstellen.Powell lenses are used to generate a linear beam profile from a Gaussian intensity distribution. A homogeneous intensity distribution is preferably generated along the line; perpendicular to this, the Gaussian distribution of the laser is retained. Line optics can be produced with an opening angle from a few degrees to over 90 °.

Die Powell Funktion ist jedoch nur eine sekundäre Aufgabe dieser Linsen im Rahmen der hier offengelegten technischen Lehre. Die primäre Aufgabe ist die Fokussierung aller Laserstrahlen in vertikaler Richtung. Eine Optik, die diese Funktion erfüllt wird im Sinne dieser Schrift bereits als Powell-Linse bezeichnet und von den Ansprüchen umfasst. Die Fokussierung aller Laserstrahlen in vertikaler Richtung wird durch die andere Zylinderseite der beispielsweise in 8 abgebildeten Linse beispielsweise erzielt. Die Powell Funktion wäre insofern als nicht unbedingt nötig, da auch eine Gaußverteilung in horizontaler Richtung für den hier beschriebenen Zweck akzeptabel wäre. In einem solchen Fall würde die Vorrichtung eine größere Messreichweite in Vorwärtsrichtung als seitwärts Richtung aufweisen, was je nach Anwendungsfall tatsächlich gewollt sein kann. Es ist möglich beide Funktionen in einer Oberfläche zu integrieren. Die andere Seite einer solchen Linse ist dann ggf. flach. Diese Linse wäre ebenfalls von den Ansprüchen umfasst. Eine solche Linse im Sinne dieser Schrift zeichnet sich also durch eine vertikale Fokussierung aus. Man könnte dann auch konsequenterweise bei einer solchen Linse statt von einer Powell-Linse von einer „Scanlinse“ sprechen, die von den Ansprüchen natürlich mit umfasst ist.However, the Powell function is only a secondary task of these lenses in the context of the technical teaching disclosed here. The primary task is to focus all laser beams in the vertical direction. An optic that fulfills this function is already referred to as a Powell lens in the context of this document and is covered by the claims. All laser beams are focused in the vertical direction by the other side of the cylinder, for example in 8th shown lens achieved for example. The Powell function would not be absolutely necessary, since a Gaussian distribution in the horizontal direction would also be acceptable for the purpose described here. In such a case, the device would have a greater measuring range in the forward direction than in the sideways direction, which can actually be desired depending on the application. It is possible to integrate both functions in one surface. The other side of such a lens is then possibly flat. This lens would also be encompassed by the claims. Such a lens in the sense of this document is therefore characterized by vertical focusing. One could then logically speak of such a lens instead of a Powell lens as a “scan lens”, which is of course also included in the claims.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

A1A1
erste Achse;first axis;
A2A2
zweite Achse;second axis;
B1B1
erste Ladeschaltung für den ersten Kondensator (C1), der den ersten Laser (D1) ggf. mit elektrischer Energie im Falle einer Lichtpulserzeugung versorgt;first charging circuit for the first capacitor ( C1 ), the first laser ( D1 ) possibly supplied with electrical energy in the case of a light pulse generation;
B2B2
zweite Ladeschaltung für den zweiten Kondensator (C2), der den zweiten Laser (D2) ggf. mit elektrischer Energie im Falle einer Lichtpulserzeugung versorgt;second charging circuit for the second capacitor ( C2 ), which uses the second laser ( D2 ) possibly supplied with electrical energy in the case of a light pulse generation;
B3B3
dritte Ladeschaltung für den dritten Kondensator (C3), der den dritten Laser (D3) ggf. mit elektrischer Energie im Falle einer Lichtpulserzeugung versorgt;third charging circuit for the third capacitor ( C3 ), which uses the third laser ( D3 ) possibly supplied with electrical energy in the case of a light pulse generation;
BnBn
n-te Ladeschaltung für den n-ten Kondensator (Cn), der den n-ten Laser (Dn) ggf. mit elektrischer Energie im Falle einer Lichtpulserzeugung versorgt;nth charging circuit for the nth capacitor ( Cn ), which uses the nth laser ( Dn ) possibly supplied with electrical energy in the case of a light pulse generation;
BufBuf
Treiber, der das Pulsvorsignal (PL) zum Pulssignal (Gdis ) verstärkt;Driver that sends the pulse pre-signal ( PL ) to the pulse signal ( G dis ) reinforced;
C1C1
erster Kondensator, der die Energiereserve für den ersten Laser (D1) darstellt;first capacitor, which provides the energy reserve for the first laser ( D1 ) represents;
C2C2
zweiter Kondensator, der die Energiereserve für den zweiten Laser (D2) darstellt;second capacitor, which provides the energy reserve for the second laser ( D2 ) represents;
C3C3
dritter Kondensator, der die Energiereserve für den dritten Laser (D3) darstellt;third capacitor, which provides the energy reserve for the third laser ( D3 ) represents;
CnCn
n-ter Kondensator, der die Energiereserve für den n-ten Laser (Dn) darstellt;nth capacitor, which is the energy reserve for the nth laser ( Dn ) represents;
CSCS
Auswahlsignal;Selection signal;
CTRCTR
Steuerschaltung, die die n Ladeschaltungen (B1 bis Bn) steuert und das Pulsvorsignal (PL) erzeugt. Die Steuerschaltung veranlasst eine der nControl circuit that controls the n charging circuits ( B1 to Bn ) controls and the pulse pre-signal ( PL ) generated. The control circuit causes one of the n
CVDDCVDD
Ladeschaltungen typischerweise einen der n Kondensatoren vor der Erzeugung eines Lichtpulses durch einen der n Laser zu laden, schaltet dann bevorzugt alle Ladeschaltungen bevorzugt ab bzw. die Ladeausgänge bevorzugt aller Ladeschaltungen hochohmig und schließt dann den Ansteuerschalter (Tdis), was die Lichtpulserzeugung initiiert. Die Steuerschaltung wiederholt diesen Vorgang bevorzugt, bis alle n Laser bevorzugt genau einmal einen Lichtpuls abgegeben haben und beginnt dann bevorzugt wieder von vorne mit dem nächsten Durchgang; Stützkondensator zur Stabilisierung der Betriebsspannung (VDD);Charging circuits typically charging one of the n capacitors before generating a light pulse by one of the n lasers, then preferably switching off all charging circuits or the charging outputs preferably of all charging circuits at high resistance and then closing the control switch (T dis ), which initiates the generation of light pulses. The control circuit preferably repeats this process until all n lasers have emitted a light pulse, preferably exactly once, and then preferably starts again from the beginning with the next pass; Back-up capacitor to stabilize the operating voltage ( VDD );
D1D1
erster Laser;first laser;
D2D2
zweiter Laser;second laser;
D3D3
dritter Laser;third laser;
D4D4
vierter Laser;fourth laser;
DisCDisC
Erster Sternpunkt. Am ersten Sternpunkt sind bevorzugt die Kathoden der Laser (D1 bis Dn) angeschlossen. Der erste Sternpunkt wird bei Eintreffen eines Pulssignals (Gdis ) durch den Ansteuerschalter (Tdis) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden. Sofern einer der Kondensatoren (C1 bis Cn) zuvor geladen wurde, erfolgt dann die Entladung dieses Kondensators über den entsprechenden Laser, der dann einen Lichtpuls abgibt;First star point. The cathodes of the lasers are preferred at the first star point ( D1 to Dn ) connected. The first star point is activated when a pulse signal is received ( G dis ) through the control switch (T dis ) with the reference potential ( GND ) connected. If one of the capacitors ( C1 to Cn ) was previously charged, this capacitor is then discharged via the corresponding laser, which then emits a light pulse;
DnDn
n-ter Laser;n-th laser;
GdisGdis
Pulssignal;Pulse signal;
GNDGND
Bezugspotenzial;Reference potential;
GNDAGNDA
analoges Bezugspotenzial;analog reference potential;
GND DGND D
digitales Bezugspotenzial;digital reference potential;
GND HGND H
Bezugspotenzial für die hohe Versorgungsspannung;Reference potential for the high supply voltage;
GNDPGNDP
Bezugspotenzial der Schnittstellen;Reference potential of interfaces;
K1K1
erste Ladeleitung, über die die erste Ladeschaltung (B1) den ersten Kondensator (C1) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den ersten Laser (D1) lädt;first charging line via which the first charging circuit ( B1 ) the first capacitor ( C1 ) possibly before a light pulse is generated by the first laser ( D1 ) loads;
K1'K1 '
erste Entladeleitung, über die der erste Laser (D1) den ersten Kondensator (C1) entlädt, wenn der Ansteuerschalter (Tdis) durch das Pulssignal (Gdis ) geschlossen ist;first discharge line through which the first laser ( D1 ) the first capacitor ( C1 ) discharges when the trigger switch (T dis ) is triggered by the pulse signal ( G dis ) closed is;
K2K2
zweite Ladeleitung, über die die zweite Ladeschaltung (B2) den zweiten Kondensator (C2) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den zweiten Laser (D2) lädt;second charging line via which the second charging circuit ( B2 ) the second capacitor ( C2 ) possibly before a light pulse is generated by the second laser ( D2 ) loads;
K2'K2 '
zweite Entladeleitung, über die der zweite Laser (D2) den zweiten Kondensator (C2) entlädt, wenn der Ansteuerschalter (Tdis) durch das Pulssignal (Gdis ) geschlossen ist;second discharge line through which the second laser ( D2 ) the second capacitor ( C2 ) discharges when the trigger switch (T dis ) is triggered by the pulse signal ( G dis ) closed is;
K3K3
dritte Ladeleitung, über die die dritte Ladeschaltung (B3) den dritten Kondensator (C3) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den dritten Laser (D3) lädt;third charging line via which the third charging circuit ( B3 ) the third capacitor ( C3 ) possibly before a light pulse is generated by the third laser ( D3 ) loads;
K3'K3 '
dritte Entladeleitung, über die der dritte Laser (D3) den dritten Kondensator (C3) entlädt, wenn der Ansteuerschalter (Tdis) durch das Pulssignal (Gdis ) geschlossen ist;third discharge line through which the third laser ( D3 ) the third capacitor ( C3 ) discharges when the trigger switch (T dis ) is triggered by the pulse signal ( G dis ) closed is;
KG'KG '
virtueller Knoten der Versorgungsspannung (VDD);virtual node of the supply voltage ( VDD );
KLKL
optionale gekrümmte Linie, längs derer die Lasermodule ausgerichtet werden.optional curved line along which the laser modules are aligned.
KnKn
n-te Ladeleitung, über die die n-te Ladeschaltung (Bn) den n-ten Kondensator (Cn) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den n-ten Laser (Dn) lädt;nth charging line, via which the nth charging circuit ( Bn ) the nth capacitor ( Cn ) possibly before a light pulse is generated by the nth laser ( Dn ) loads;
Kn'Kn '
n-te Entladeleitung, über die der n-te Laser (Dn) den n-ten Kondensator (Cn) entlädt, wenn der Ansteuerschalter (Tdis) durch das Pulssignal (Gdis ) geschlossen ist;nth discharge line through which the nth laser ( Dn ) the nth capacitor ( Cn ) discharges when the trigger switch (T dis ) is triggered by the pulse signal ( G dis ) closed is;
KRKR
Rückseitenknoten (=Rückseitenkontakt) des Kondensator-Arrays;Back side node (= back side contact) of the capacitor array;
LC1LC1
Induktivität der Leitung, mit der der zweite Kontakt des ersten Kondensators (C1) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;Inductance of the line with which the second contact of the first capacitor ( C1 ) is connected to the reference potential;
LC2LC2
Induktivität der Leitung, mit der der zweite Kontakt des zweiten Kondensators (C2) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;Inductance of the line with which the second contact of the second capacitor ( C2 ) is connected to the reference potential;
LC3LC3
Induktivität der Leitung, mit der der zweite Kontakt des dritten Kondensators (C3) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;Inductance of the line with which the second contact of the third capacitor ( C3 ) is connected to the reference potential;
LCnLCn
Induktivität der Leitung, mit der der zweite Kontakt des n-ten Kondensators (Cn) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;Inductance of the line with which the second contact of the nth capacitor ( Cn ) is connected to the reference potential;
LCVLCV
Leitungsinduktivität zwischen dem zweiten Anschluss des Stützkondensators (CVDD) und dem Bezugspotenzial (GND);Line inductance between the second connection of the backup capacitor ( CVDD ) and the reference potential ( GND );
LF1LF1
erster Lichtfächer des ersten Lasers (D1), wenn der erste Laser (D1) einen Lichtpuls abgibt;first light fan of the first laser ( D1 ) when the first laser ( D1 ) emits a light pulse;
LF2LF2
zweiter Lichtfächer des zweiten Lasers (D2), wenn der zweite Laser (D2) einen Lichtpuls abgibt;second light fan of the second laser ( D2 ) when the second laser ( D2 ) emits a light pulse;
LF3LF3
dritter Lichtfächer des dritten Lasers (D3), wenn der dritte Laser (D3) einen Lichtpuls abgibt;third light fan of the third laser ( D3 ) when the third laser ( D3 ) emits a light pulse;
LF4LF4
vierter Lichtfächer des vierten Lasers (D4), wenn der vierte Laser (D4) einen Lichtpuls abgibt;fourth light fan of the fourth laser ( D4 ) when the fourth laser ( D4 ) emits a light pulse;
LZ1LZ1
Induktivität der ersten Ladeleitung (K1), über die die erste Ladeschaltung (B1) den ersten Kondensator (C1) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den ersten Laser (D1) lädt;Inductance of the first charging line ( K1 ), via which the first charging circuit ( B1 ) the first capacitor ( C1 ) possibly before a light pulse is generated by the first laser ( D1 ) loads;
LZ2LZ2
Induktivität der zweiten Ladeleitung (K2), über die die zweite Ladeschaltung (B2) den zweiten Kondensator (C2) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den zweiten Laser (D2) lädt;Inductance of the second charging line ( K2 ), via which the second charging circuit ( B2 ) the second capacitor ( C2 ) possibly before a light pulse is generated by the second laser ( D2 ) loads;
LZ3LZ3
Induktivität der dritten Ladeleitung (K3), über die die dritte Ladeschaltung (B3) den dritten Kondensator (C3) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den dritten Laser (D3) lädt;Inductance of the third charging line ( K3 ), via which the third charging circuit ( B3 ) the third capacitor ( C3 ) possibly before a light pulse is generated by the third laser ( D3 ) loads;
LZnLZn
Induktivität der n-ten Ladeleitung (Kn), über die die n-te Ladeschaltung (Bn) den n-ten Kondensator (Cn) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den n-ten Laser (Dn) lädt;Inductance of the nth charging line ( Kn ), via which the nth charging circuit ( Bn ) the nth capacitor ( Cn ) possibly before a light pulse is generated by the nth laser ( Dn ) loads;
LZVLZV
Leitungsinduktivität der Zuleitung zum Stützkondensator (CVDD);Line inductance of the feed line to the backup capacitor ( CVDD );
MOSIMOSI
Eingang des SPI-Datenbusses;Input of the SPI data bus;
MISOMISO
Ausgang des SPI-Datenbusses;Output of the SPI data bus;
OF1OF1
erste Oberfläche;first surface;
OF2OF2
zweite Oberfläche;second surface;
PulsePulse
weiteres Signal, dass an alle Module geht;another signal that goes to all modules;
R1R1
beispielhafter erster lokaler Radiusvektor für die Krümmung der ersten Oberfläche (OF1) um eine beispielhafte erste Achse (A1);exemplary first local radius vector for the curvature of the first surface ( OF1 ) around an exemplary first axis ( A1 );
R2R2
beispielhafter zweiter lokaler Radiusvektor für die Krümmung der zweiten Oberfläche (OF2) um eine beispielhafte zweite Achse (A2);exemplary second local radius vector for the curvature of the second surface ( OF2 ) around an exemplary second axis ( A2 );
PLPL
Pulsvorsignal;Pulse pre-signal;
RC1RC1
Widerstand der Leitung, mit der der zweite Kontakt des ersten Kondensators (C1) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;Resistance of the line with which the second contact of the first capacitor ( C1 ) is connected to the reference potential;
RC2RC2
Widerstand der Leitung, mit der der zweite Kontakt des zweiten Kondensators (C2) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;Resistance of the line with which the second contact of the second capacitor ( C2 ) is connected to the reference potential;
RC3RC3
Widerstand der Leitung, mit der der zweite Kontakt des dritten Kondensators (C3) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;Resistance of the line with which the second contact of the third capacitor ( C3 ) is connected to the reference potential;
RCnRCn
Widerstand der Leitung, mit der der zweite Kontakt des n-ten Kondensators (Cn) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;Resistance of the line with which the second contact of the nth capacitor ( Cn ) is connected to the reference potential;
RCVRCV
Leitungswiderstand zwischen dem zweiten Anschluss des Stützkondensators (CVDD) und dem Bezugspotenzial (GND);Line resistance between the second connection of the backup capacitor ( CVDD ) and the reference potential ( GND );
RSTRST
Rücksetzsignal;Reset signal;
RZ1RZ1
Widerstand der ersten Ladeleitung (K1), über die die erste Ladeschaltung (B1) den ersten Kondensator (C1) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den ersten Laser (D1) lädt;Resistance of the first charging line ( K1 ), via which the first charging circuit ( B1 ) the first capacitor ( C1 ) possibly before a light pulse is generated by the first laser ( D1 ) loads;
RZ2RZ2
Widerstand der zweiten Ladeleitung (K2), über die die zweite Ladeschaltung (B2) den zweiten Kondensator (C2) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den zweiten Laser (D2) lädt;Resistance of the second charging line ( K2 ), via which the second charging circuit ( B2 ) the second capacitor ( C2 ) possibly before a light pulse is generated by the second laser ( D2 ) loads;
RZ3RZ3
Widerstand der dritten Ladeleitung (K3), über die die dritte Ladeschaltung (B3) den dritten Kondensator (C3) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den dritten Laser (D3) lädt;Resistance of the third charging line ( K3 ), via which the third charging circuit ( B3 ) the third capacitor ( C3 ) possibly before a light pulse is generated by the third laser ( D3 ) loads;
RZVRZV
Leitungswiderstand der Zuleitung zum Stützkondensator (CVDD);Line resistance of the feed line to the backup capacitor ( CVDD );
RZnRZn
Widerstand der n-ten Ladeleitung (Kn), über die die n-te Ladeschaltung (Bn) den n-ten Kondensator (Cn) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den n-ten Laser (Dn) lädt;Resistance of the nth charging line ( Kn ), via which the nth charging circuit ( Bn ) the nth capacitor ( Cn ) possibly before a light pulse is generated by the nth laser ( Dn ) loads;
SCKSCK
Taktsignal des SPI-Datenbusses;Clock signal of the SPI data bus;
TdisTdis
Ansteuerschalter. Der Ansteuerschalter ist bevorzugt ein Transistor;Control switch. The control switch is preferably a transistor;
VDDVDD
Versorgungsspannung;Supply voltage;
VDDAVDDA
analoge Versorgungsspannung;analog supply voltage;
VDDDVDDD
digitale Versorgungsspannung;digital supply voltage;
VDDHVDDH
hohe Versorgungsspannung;high supply voltage;
VDDPVDDP
Versorgungsspannung der Schnittstellen;Supply voltage of the interfaces;

Liste der zitierten SchriftenList of the cited writings

  • DE 19 514 062 A1 , DE 19 514 062 A1 ,
  • DE 19 546 563 C2 , DE 19 546 563 C2 ,
  • DE 19 914 362 A1 , DE 19 914 362 A1 ,
  • DE 10 2006 036 167 B4 , DE 10 2006 036 167 B4 ,
  • DE 10 2008 021 588 A1 , DE 10 2008 021 588 A1 ,
  • DE 10 2009 060 873 A1 , DE 10 2009 060 873 A1 ,
  • DE 10 2014 105 482 A1 , DE 10 2014 105 482 A1 ,
  • DE 10 2016 116 368 A1 , DE 10 2016 116 368 A1 ,
  • DE 10 2016 116 369 A1 , DE 10 2016 116 369 A1 ,
  • DE 10 2016 116 875 A1 , DE 10 2016 116 875 A1 ,
  • DE 10 2017 100 879 A1 , DE 10 2017 100 879 A1 ,
  • DE 10 2017 121 713 A1 , DE 10 2017 121 713 A1 ,
  • DE 10 2018 106 861 A1 , DE 10 2018 106 861 A1 ,
  • EP 2 002 519 A2 , EP 2 002 519 A2 ,
  • EP 3 301 473 A1 , EP 3 301 473 A1 ,
  • US 6 697 402 B2 , US 6 697 402 B2 ,
  • US 9 185 762 B2 , US 9 185 762 B2 ,
  • US 9 368 936 B1 , US 9 368 936 B1 ,
  • US 10 193 304 B2 , US 10 193 304 B2 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • DE 19914362 A1 [0013, 0139]DE 19914362 A1 [0013, 0139]
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  • DE 102014105482 A1 [0014, 0139]DE 102014105482 A1 [0014, 0139]
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  • DE 102018106860 A1 [0016]DE 102018106860 A1 [0016]
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  • DE 19546563 C2 [0023, 0139]DE 19546563 C2 [0023, 0139]

Claims (4)

Linse zur Verwendung in einem LIDAR-System, wobei das LIDAR-System ein Laser-Modul umfasst und wobei das Laser-Modul ein lineares Laser-Array aus n Lasern, mit n als ganzer positiver Zahl größer 1, umfasst und wobei jeder der n-Laser einen Laserstrahl mit einem elliptischen oder runden Intensitätsquerschnitt aussenden kann und wobei jeder der Laserstrahlen eine Laserstrahlachse aufweist und wobei die Laserstrahlachsen im Wesentlichen in einer gemeinsamen Laserstrahlachsenebene mit einer optischen Achse liegen und wobei die Linse jeden der Laserstrahlen in eine Richtung senkrecht zur Laserstrahlachsenebene aufweitet, sodass sich für jeden der n Laserstrahlen ein Lichtfächer in einer Lichtfächerebene senkrecht zur Lichtstrahlachsenebene ergibt und wobei das Lidar-System ein Fotodetektoren-Array und eine Abbildungsoptik aufweist und wobei das Fotodetektoren-Array mit n Fotodetektorenzeilen mit m Fotodetektorpixeln aufweist, wobei m eine ganze positive Zahl ist und wobei die Abbildungsoptik die Projektion der Laserstrahlfächer im Fernfeld auf eine ideal homogen weiße und/oder im Wesentlichen ideal diffus einheitlich und gleichmäßig reflektierende Projektionsebene senkrecht zur optischen Achse in Form eines Projektionsbildes der Laserstrahlfächer wieder auf die n Fotodetektorenzeilen als Abbildungsbild der Laserstrahlfächer abbildet und gekennzeichnet dadurch dass die Linse so ausgeformt ist, dass bei einer gegebenen Abbildungsoptik der Wert der Beleuchtungsintensität eines zugehörigen ersten Ausschnitts der Abbildung der Projektion eines ersten Laserstrahlfächers auf ein erstes beliebiges Fotodetektorpixel des Fotodetektor-Array vom Wert der Beleuchtungsintensität eines zugehörigen zweiten Ausschnitts der Abbildung der Projektion eines zweiten Laserstrahlfächers auf ein zweites beliebiges Fotodetektorpixel des Fotodetektor-Array um nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% und/oder nicht mehr als 2% abweicht und - wobei der erste Ausschnitt vom zweiten Ausschnitt verschieden ist und - wobei der erste Laserstrahlfächer vom zweiten Laserstrahlfächer verschieden sein kann, aber nicht muss und - wobei das erste Fotopixel vom zweiten Fotopixel verschieden ist und - wobei die Linse eine erste Oberfläche und eine ihr gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist und - wobei die erste Oberfläche durch eine Funktion der Form z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | + PB 4 x 4 + PB 6 x 6 + PC 2 x 2 + PC 3 | x 3 |
Figure DE102020124564A1_0020
mit RY= R0Y+AR2*x2+AR3* |x3| beschrieben wird und - wobei die zweite Oberfläche durch eine Funktion der Form z = ( d + PC 2 x 2 + PC 3 | x 3 | )
Figure DE102020124564A1_0021
beschrieben wird und - wobei die Parameter PB2 und PB3 von Null verschieden sind und - wobei zumindest zwei der Parameter AR2 und/oder AR3 und/oder PB4 und/oder PB6 und/oder PC2 und/oder PC3 von Null verschieden sind.
Lens for use in a LIDAR system, wherein the LIDAR system comprises a laser module and wherein the laser module comprises a linear laser array of n lasers, with n as an integer greater than 1, and wherein each of the n- Laser can emit a laser beam with an elliptical or round intensity cross-section and wherein each of the laser beams has a laser beam axis and wherein the laser beam axes lie essentially in a common laser beam axis plane with an optical axis and wherein the lens expands each of the laser beams in a direction perpendicular to the laser beam axis plane, so that For each of the n laser beams, a light fan results in a light fan plane perpendicular to the light beam axis plane, and the lidar system has a photodetector array and imaging optics, and the photodetector array has n photodetector rows with m photodetector pixels, where m is a whole positive number and where the imaging opti k the projection of the laser beam fan in the far field onto an ideally homogeneous white and / or essentially ideally diffuse uniformly and uniformly reflecting projection plane perpendicular to the optical axis in the form of a projection image of the laser beam fan back onto the n photodetector lines as an image of the laser beam fan and characterized in that the lens is shaped so that with a given imaging optics, the value of the illumination intensity of an associated first section of the image of the projection of a first laser beam fan onto any first photodetector pixel of the photodetector array is equal to the value of the lighting intensity of an associated second section of the image of the projection of a second laser beam fan onto a Any second photodetector pixel of the photodetector array deviates by no more than 10% and / or no more than 5% and / or no more than 2% and - wherein the first section differs from the second section ve is different and - wherein the first laser beam fan can be different from the second laser beam fan, but does not have to be and - where the first photo pixel is different from the second photo pixel and - where the lens has a first surface and a second surface opposite it and - where the first surface by a function of form z = RY + AR 2 x 2 + AR 3 | x 3 | - Sign ( RY ) Sqrt ( RY 2 - y 2 ) + PB 2 x 2 + PB 3 | x 3 | + PB 4th x 4th + PB 6th x 6th + Pc 2 x 2 + Pc 3 | x 3 |
Figure DE102020124564A1_0020
with RY = R0Y + AR2 * x 2 + AR3 * | x 3 | and - the second surface being described by a function of shape z = - ( d + Pc 2 x 2 + Pc 3 | x 3 | )
Figure DE102020124564A1_0021
and - where the parameters PB2 and PB3 are different from zero and - where at least two of the parameters AR2 and / or AR3 and / or PB4 and / or PB6 and / or PC2 and / or PC3 are different from zero.
Linse nach Anspruch 1 - wobei die Parameter AR2 und AR3 von Null verschieden sind und - wobei zumindest zwei der Parameter PB4 und/oder PB6 und/oder PC2 und/oder PC3 von Null verschieden sind.Lens after Claim 1 where the parameters AR2 and AR3 are different from zero and where at least two of the parameters PB4 and / or PB6 and / or PC2 and / or PC3 are different from zero. Linse nach Anspruch 2 - wobei die Parameter PB4 und PB6 von Null verschieden sind und - wobei zumindest zwei der Parameter PC2 und/oder PC3 von Null verschieden sind.Lens after Claim 2 - where the parameters PB4 and PB6 are different from zero and - where at least two of the parameters PC2 and / or PC3 are different from zero. Linse nach Anspruch 3 - wobei die Parameter PC2 und PC3 von Null verschieden sind.Lens after Claim 3 - where the parameters PC2 and PC3 are different from zero.
DE102020124564.5A 2020-01-07 2020-09-22 Lens for a mechanically-free LIDAR system for a drone Pending DE102020124564A1 (en)

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US17/788,681 US20230023489A1 (en) 2020-01-07 2021-01-07 Light module and lidar apparatus having at least one light module of this type

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