DE102020124564A1 - Lens for a mechanically-free LIDAR system for a drone - Google Patents
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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
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
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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
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.
- 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
- a. die vertikale Fokussierung aller Laser und
- 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.
- a. the vertical focusing of all lasers and
- 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:
- Front side equation:
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:
Hierbei bedeuten:
- x
- horizontale Achse
- y
- vertikale Achse
- z
- optische Achse
- 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).
- x
- horizontal axis
- y
- vertical axis
- z
- optical axis
- 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:
Die Parameter einer zweiten Linse lauteten:
Die Parameter einer dritten Linse lauteten:
Die Parameter einer vierten Linse lauteten:
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 (
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 (
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 (
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 der5 .6th shows a proposed structure of a laser module for the LIDAR system of FIG5 . -
7 zeigt eine Anordnung mit mehreren Laser-Modulen der6 .7th shows an arrangement with several laser modules in FIG6th . -
8 zeigt Kondensator-Arrays (C1 bis C4 UndCVDD ) für die Verwendung in einem Laser-Modul entsprechend der7 in der Aufsicht und die interne Verschaltung des Kondensator Arrays.8th shows capacitor arrays (C1 to C4 andCVDD ) for use in a laser module according to7th 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 der10 längs einer gebogenen Linie.11 Shows the alignment of thelaser 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
Figur 2Figure 2
Figur 3Figure 3
Figur 4Figure 4
Figur 5Figure 5
Ein beispielhafter Buffer (
Ein Stützkondensator (
Der Stützkondensator (
Der Stützkondensator (
Figur 6Figure 6
Die relativ langen Bonddrähte der Ladeleitungen (
Ein Stützkondensator (
Figur 7Figure 7
Figur 8Figure 8
Das Kondensator-Array (
Längs der ersten Kante des Rechtecks gegenüberliegenden zweiten Kante des Rechtecks erstreckt sich die Kontaktfläche für den virtuellen Knoten
Bevorzugt erstreckt sich die Kontaktfläche für den virtuellen Knoten
Die ggf. n Kontaktflächen für die Entladeleitungen (
Die Erstreckung der ggf. n Kontaktflächen für die Entladeleitungen (
Ein Rückseitenkontakt (
Das Material zwischen den Kontaktflächen für die Knoten (
Das Beispiel der
Figur 9Figure 9
Wie an anderen Stellen in dieser Schrift ist die Anzahl n der Laser (
Oben befinden sich beispielhaft vier Kontaktflächen für die Rückseitenkontakte der beispielhaften vier Laser (
Darunter befindet sich ein Kontakt (
Darunter befindet sich eine Kontaktfläche für die Bonddrähte, mit denen der erste Kontakt des Stützkondensators (
Darunter befinden sich die n Bondflächen (hier beispielhaft n=4) für die Ausgänge der Treiberschaltungen (
In dem Beispiel der
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
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 (
Figur 10Figure 10
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
Sind die Laser (
Sind die Laser (
Eine Ausrichtung nur eines Teils der Laser und/oder nur eines Teils der Laser-Module längs der gekrümmten Linie (
Figur 12Figure 12
Figur 13Figure 13
Figur 14Figure 14
Figur 15Figure 15
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
Die
Die Kamera mit den Fotodetektoren bildet die bestrahlten Punkte auf die n Fotodetektorenzeilen mit je m Fotodetektoren ab. In den Beispielen der
Jeder der n Fotodetektorzeilen ist in den Beispielen der
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
Wie leicht in
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:
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:
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:
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
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 bisBn ) steuert und das Pulsvorsignal (PL ) erzeugt. Die Steuerschaltung veranlasst eine der nControl circuit that controls the n charging circuits (B1 toBn ) 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 bisDn ) angeschlossen. Der erste Sternpunkt wird bei Eintreffen eines Pulssignals (Gdis ) durch den Ansteuerschalter (Tdis) mit dem Bezugspotenzial (GND ) verbunden. Sofern einer der Kondensatoren (C1 bisCn ) 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 toDn ) 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 toCn ) 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
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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 -
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DE 10 2016 116 875 A1 DE 10 2016 116 875 A1 -
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US 10 193 304 B2 US 10 193 304 B2
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