DE102021203920A1 - Verzögerungsmessung, -überwachung und -kompensation eines Oszillatorsteuersystems - Google Patents

Verzögerungsmessung, -überwachung und -kompensation eines Oszillatorsteuersystems Download PDF

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Abstract

Ein Oszillatorsteuersystem, das Folgendes umfasst: eine Oszillatorstruktur; einen Phasenfehierdetektor, der dazu konfiguriert ist, ein Phasenfehlersignal auf der Basis eines verzögerten Ereigniszeitsignals und eines verzögerten Referenzsignals zu erzeugen; einen Analogsignalpfad, der zwischen die Oszillatorstruktur und den Phasenfehlerdetektor gekoppelt ist, wobei der Analogsignalpfad dazu konfiguriert ist, ein Ereigniszeitsignal zu empfangen und das verzögerte Ereigniszeitsignal zu produzieren; eine Steuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Referenzsignal zu erzeugen; eine Programmierbare-Verzögerung-Schaltung die dazu konfiguriert ist, das Referenzsignal zu empfangen und eine programmierbare Verzögerung an dem Referenzsignal hervorzurufen, wodurch das verzögerte Referenzsignal erzeugt wird; und eine Analoge-Verzögerung-Messschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Testsignal in den Analogsignalpfad einzubringen, ein verzögertes Testsignal aus dem Analogsignalpfad zu empfangen, eine analoge Verzögerung auf der Basis des verzögerten Testsignals zu messen, und ein Konfigurationssignal zu erzeugen, das dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung gemäß der gemessenen analogen Verzögerung einzustellen.

Description

  • Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LIDAR, Light Detection and Ranging) ist ein Fernerfassungsverfahren, das Licht in der Form eines gepulsten Lasers verwendet, um Entfernungen (variable Distanzen) zu einem oder mehreren Objekten in einem Sichtfeld zu messen. Im Einzelnen wird ein Mikroelektromechanisches-System-(MEMS)-Spiegel dazu verwendet, Licht über das Sichtfeld abzutasten. Arrays von Photodetektoren empfangen Reflexionen von durch das Licht beleuchteten Objekten, und die Zeit, die die Reflexionen benötigen, um an unterschiedlichen Sensoren in dem Photodetektor-Array anzukommen, wird bestimmt. Dies wird auch als Flugzeitmessung (Time-of-Flight, TOF) bezeichnet. LIDAR-Systeme bilden Tiefenmessungen und erstellen Distanzmessungen durch Zuordnen der Distanz zu Objekten auf der Basis der Flugzeitberechnungen. Somit können die Flugzeitberechnungen Distanz- und Tiefenkarten erstellen, die dazu verwendet werden können, Bilder zu erzeugen.
  • Ein LIDAR-Abtastsystem umfasst einen Abtastspiegel und eine entsprechende Schaltungsanordnung zum Abtasten eines Sichtfeldes. Der Abtastspiegel oszilliert um eine oder mehrere Abtastachsen, während derselbe das Sichtfeld abtastet. Die Fähigkeit zum genauen Erfassen der Positionsinformationen (z. B. ein Rotationswinkel) des Abtastspiegels um seine Abtastachse oder -achsen ist entscheidend für eine genaue Laseraussendung. Je genauer und präziser diese Positionsinformationen sind, desto genauer ist die Laseraussendung und die Lichtdetektion an dem Empfänger. Jedoch wird die Genauigkeit dieser Positionsinformationen einer typischen Positionserfassungsschaltungsanordnung durch eine Vielzahl von analogen Verzögerungen beeinträchtigt, die durch die Schaltungsanordnung zum Treiben und Erfassen an dem MEMS-Spiegel und durch den sich von der Schaltungsanordnung zum Treiben und Erfassen zu dem MEMS-Treiber erstreckenden Analogsignalpfad verursacht werden. Der Analogsignalpfad umfasst unterschiedliche Analogkomponenten (Stromzangen, Transimpedanzverstärker (TIAs, Transimpedance Amplifiers), Tiefpassfilter, usw.) und Leiterplatten-(PCB, Printed Circuit Board)-Verbindungen. Analoge Verzögerungen können bei Änderungen der Temperatur und des Alters des Systems variieren. Analoge Verzögerungen sind somit nicht statisch und können sich im Laufe der Zeit ändern. Analoge Verzögerungen können sich während eines Abtastbetriebes des Systems ändern. Falls diese analoge Verzögerung nicht richtig kompensiert wird, wird die Genauigkeit der Laseraussendung beeinträchtigt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Oszillatorsteuersystem, ein Verfahren zum Steuern einer Oszillatorstruktur und ein Lichtdetektion- und Entfernungsmessung-(LIDAR, Light Detection and Ranging)-Steuersystem mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Oszillatorsteuersystem gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Steuern einer Oszillatorstruktur gemäß Anspruch 9 und ein Lichtdetektion- und Entfernungsmessung-(LlDAR, Light Detection and Ranging)-Steuersystem gemäß Anspruch 15 gelöst.
  • Daher ist ein System zur Kompensation einer analogen Verzögerung wünschenswert, das dazu in der Lage ist, analoge Verzögerungen und Zeitablauffehler in Echtzeit zu kompensieren.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele sehen ein Oszillatorsteuersystem vor, das Folgendes umfasst: eine Oszillatorstruktur, die dazu konfiguriert ist, um eine Rotationsachse zu oszillieren; einen Phasenfehlerdetektor, der dazu konfiguriert ist, ein Phasenfehlersignal auf der Basis eines verzögerten Ereigniszeitsignals und eines verzögerten Referenzsignals zu erzeugen, wobei das verzögerte Ereigniszeitsignal gemessene Ereigniszeiten der um die Rotationsachse oszillierenden Oszillatorstruktur angibt und das verzögerte Referenzsignal erwartete Ereigniszeiten der um die Rotationsachse oszillierenden Oszillatorstruktur angibt; einen Analogsignalpfad, der zwischen die Oszillatorstruktur und den Phasenfehlerdetektor gekoppelt ist, wobei der Analogsignalpfad dazu konfiguriert ist, ein Ereigniszeitsignal zu empfangen, das die gemessenen Ereigniszeiten angibt, und eine analoge Verzögerung an dem Ereigniszeitsignal induziert, wodurch das verzögerte Ereigniszeitsignal erzeugt wird; eine Steuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Referenzsignal zu erzeugen, das die erwarteten Ereigniszeiten angibt, und auf der Basis des Phasenfehlersignals ein treibendes Signal zu erzeugen, um eine Oszillation der Oszillatorstruktur zu treiben; eine Programmierbare-Verzögerung-Schaltung, die mit einer programmierbaren Verzögerung konfiguriert ist, wobei die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung dazu konfiguriert ist, das Referenzsignal zu empfangen und die programmierbare Verzögerung an dem Referenzsignal hervorzurufen, wodurch das verzögerte Referenzsignal erzeugt wird; und eine Analoge-Verzögerung-Messschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Testsignal in den Analogsignalpfad einzubringen, ein verzögertes Testsignal aus dem Analogsignalpfad zu empfangen, die analoge Verzögerung auf der Basis des verzögerten Testsignals zu messen, und ein Konfigurationssignal zu erzeugen, das dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung der Programmierbare-Verzögerung-Schaltung gemäß der gemessenen analogen Verzögerung einzustellen.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele sehen ein Verfahren vor zum Steuern einer Oszillatorstruktur, die dazu konfiguriert ist, gemäß einem treibenden Signal um eine Rotationsachse zu oszillieren. Das Verfahren umfasst: Treiben der Oszillatorstruktur dahingehend, gemäß einem treibenden Signal um eine Rotationsachse zu oszillieren; Erzeugen, durch einen Phasenfehlerdetektor, eines Phasenfehlersignals auf der Basis eines verzögerten Ereigniszeitsignals und eines verzögerten Referenzsignals, wobei das verzögerte Ereigniszeitsignal gemessene Ereigniszeiten der um die Rotationsachse oszillierenden Oszillatorstruktur angibt und das verzögerte Referenzsignal erwartete Ereigniszeiten der um die Rotationsachse oszillierenden Oszillatorstruktur angibt; Hervorrufen, durch einen Analogsignalpfad, einer analogen Verzögerung an dem Ereigniszeitsignal, wodurch das verzögerte Ereigniszeitsignal erzeugt wird, wobei der Analogsignalpfad zwischen die Oszillatorstruktur und den Phasenfehlerdetektor gekoppelt ist; Erzeugen eines Referenzsignals, das die erwarteten Ereigniszeiten angibt; Erzeugen des treibenden Signals auf der Basis des Phasenfehlersignals dahingehend, eine Oszillation der Oszillatorstruktur zu treiben; Hervorrufen einer programmierbaren Verzögerung an dem Referenzsignal, wodurch das verzögerte Referenzsignal erzeugt wird; Einbringen eines Testsignals in den Analogsignalpfad; Hervorrufen, durch den Analogsignalpfad, der analogen Verzögerung an dem Testsignal, wodurch das verzögerte Testsignal erzeugt wird; Messen der analogen Verzögerung auf der Basis des eingebrachten Testsignals und des verzögerten Testsignals; und Erzeugen eines Konfigurationssignals, das dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung gemäß der gemessenen analogen Verzögerung einzustellen.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele sehen ein Lichtdetektion- und Entfernungsmessung-(LIDAR, Light Detection and Ranging)-Steuersystem vor, das Folgendes umfasst: einen Mikroelektromechanisches-System-(MEMS)-Spiegel, der dazu konfiguriert ist, um eine Rotationsachse zu oszillieren; einen Phasenfehlerdetektor, der dazu konfiguriert ist, ein Phasenfehlersignal auf der Basis eines verzögerten Ereigniszeitsignals und eines verzögerten Referenzsignals zu erzeugen, wobei das verzögerte Ereigniszeitsignal gemessene Ereigniszeiten des um die Rotationsachse oszillierenden MEMS-Spiegels angibt und das verzögerte Referenzsignal erwartete Ereigniszeiten des um die Rotationsachse oszillierenden MEMS-Spiegels angibt; einen Analogsignalpfad, der zwischen den MEMS-Spiegel und den Phasenfehlerdetektor gekoppelt ist, wobei der Analogsignalpfad dazu konfiguriert ist, ein Ereigniszeitsignal zu empfangen, das die gemessenen Ereigniszeiten angibt, und eine analoge Verzögerung an dem Ereigniszeitsignal induziert, wodurch das verzögerte Ereigniszeitsignal erzeugt wird; eine Steuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Referenzsignal zu erzeugen, das die erwarteten Ereigniszeiten angibt, und auf der Basis des Phasenfehlersignals ein treibendes Signal zu erzeugen, um eine Oszillation des MEMS-Spiegels zu treiben; eine Programmierbare-Verzögerung-Schaltung, die mit einer programmierbaren Verzögerung konfiguriert ist, wobei die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung dazu konfiguriert ist, das Referenzsignal zu empfangen und die programmierbare Verzögerung an dem Referenzsignal hervorzurufen, wodurch das verzögerte Referenzsignal erzeugt wird; und eine Analoge-Verzögerung-Messschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Testsignal in den Analogsignalpfad einzubringen, ein verzögertes Testsignal aus dem Analogsignalpfad zu empfangen, die analoge Verzögerung auf der Basis des verzögerten Testsignals zu messen, und ein Konfigurationssignal zu erzeugen, das dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung der Programmierbare-Verzögerung-Schaltung gemäß der gemessenen analogen Verzögerung einzustellen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Abtastsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Abtastsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 3 ein Signaldiagramm unterschiedlicher Signale, die durch einen MEMS-Treiber auf der Basis eines Spiegelwinkels θ und/oder einer Position erzeugt werden, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
    • 4 ein schematisches Blockdiagramm eines MEMS-Treibers gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen; und
    • 5 ein schematisches Blockdiagramm eines MEMS-Systems zum Treiben und Positionserfassen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich veranschaulichenden Zwecken dienen und nicht als einschränkend aufgefasst werden sollen. Während Ausführungsbeispiele z. B. dahingehend beschrieben werden, eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen aufzuweisen, ist dies nicht dahingehend aufzufassen, dass angezeigt wird, dass all diese Merkmale oder Elemente zum Implementieren von Ausführungsbeispielen erforderlich sind. Stattdessen können bei anderen Ausführungsbeispielen einige der Merkmale oder Elemente ausgelassen werden oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zusätzlich dazu können weitere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu den explizit gezeigten und beschriebenen bereitgestellt werden, beispielsweise herkömmliche Komponenten von Sensorbauelementen.
  • Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können dahingehend kombiniert werden, weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, sofern nicht explizit anders angegeben. Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. In einigen Fällen werden bekannte Strukturen und Bauelemente in Blockdiagrammform anstatt im Detail angezeigt, um die undeutliche Darstellung der Ausführungsbeispiele zu vermeiden.
  • Des Weiteren werden äquivalente oder gleiche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder gleicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Weil den gleichen oder funktional äquivalenten Elementen in den Figuren die gleichen Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit den gleichen Bezugszeichen bereitgestellt sind, ausgelassen werden. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt werden, wechselseitig austauschbar.
  • Verbindungen oder Kopplungen zwischen in den Zeichnungen gezeigten oder hierin beschriebenen Elementen können drahtbasierte Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, sofern nicht anders angegeben. Ferner können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche eingreifende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen eingreifenden Elementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, z. B. eine bestimmte Art von Signal zu übertragen oder eine bestimmte Art von Information zu übertragen, im Wesentlichen aufrechterhalten wird.
  • Bei der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordnungszahlen umfassen, wie z.B. „erste“, „zweite“ und/oder ähnliches, verschiedene Elemente verändern. Solche Elemente werden jedoch nicht durch die obigen Ausdrücke eingeschränkt. Zum Beispiel beschränken die obigen Ausdrücke nicht die Reihenfolge und/oder Bedeutung der Elemente. Die obigen Ausdrücke werden lediglich zum Zweck der Unterscheidung eines Elements von den anderen Elementen verwendet. Ein erstes Kästchen und ein zweites Kästchen bezeichnen beispielsweise unterschiedliche Kästchen, obwohl beide Kästchen sind. Zum Beispiel könnte ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden, und ebenso könnte ein zweites Element auch als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf optische Sensoren und optische Sensorsysteme und darauf, Informationen über optische Sensoren und optische Sensorsysteme zu erhalten. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, beispielsweise ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung wie etwa sichtbares Licht, Infrarot-(IR)-Strahlung oder eine andere Art von Beleuchtungssignal, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann ein Bildsensor ein Silizium-Chip in einer Kamera sein, der Photos von aus einer Linse kommendem Licht in Spannungen umwandelt. Je größer die aktive Fläche des Sensors, desto mehr Licht kann gesammelt werden, um ein Bild zu erzeugen.
  • Ein wie hierin verwendetes Sensorbauelement kann sich auf ein Bauelement beziehen, das einen Sensor und weitere Komponenten aufweist, beispielsweise eine Vorspannungsschaltungsanordnung, einen Analog-Digital-Wandler oder ein Filter. Ein Sensorbauelement kann auf einem einzelnen Chip integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Chips oder auch Komponenten außerhalb eines Chips zur Implementierung eines Sensorbauelementes verwendet werden können.
  • In Lichtdetektion- und Entfernungsmessung-(LIDAR, Light Detection and Ranging)-Systemen sendet eine Quelle Lichtpulse in ein Sichtfeld und das Licht wird durch Rückstreuung von einem oder mehreren Objekten reflektiert. Im Einzelnen ist LIDAR eine Direktflugzeit(Time-of-Flight, TOF)-System, bei dem die Lichtpulse (z. B. Laserstrahlen aus Infrarotlicht) in das Sichtfeld emittiert werden und ein Pixelarray die reflektierten Strahlen detektiert und misst. Beispielsweise empfängt ein Array von Photodetektoren Reflexionen von Objekten, die von dem Licht beleuchtet werden.
  • Unterschiede hinsichtlich von Rückkehrzeiten für jeden Lichtpuls über mehrere Pixel des Pixel-Arrays hinweg können dann dazu verwendet werden, digitale 3D-Darstellungen einer Umgebung zu erstellen, oder andere Sensordaten zu erzeugen. Beispielsweise kann die Lichtquelle einen einzelnen Lichtpuls emittieren, und ein Zeit-Digital-Wandler (TDC, Time-to-Digital Converter), der elektrisch mit dem Pixel-Array gekoppelt ist, kann von dem Zeitpunkt des Emittieren des Lichtpulses, was einem Startsignal entspricht, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem der reflektierte Lichtpuls an dem Empfänger empfangen wird (z. B. an dem Pixel-Array), was einem Stoppsignal entspricht, zählen. Die „Flugzeit“ des Lichtpulses wird dann in eine Distanz übersetzt.
  • Bei einem anderen Beispiel kann ein Analog-Digital-Wandler (ADC, Analog-to-Digital Converter) elektrisch mit dem Pixel-Array gekoppelt sein (z. B. mit dazwischenliegenden Elementen indirekt gekoppelt sein) zur Pulsdetektion und TOF-Messung. Beispielsweise kann ein ADC dazu verwendet werden, ein Zeitintervall zwischen Start-/Stoppsignalen mit einem geeigneten Algorithmus zu schätzen. Beispielsweise kann ein ADC dazu verwendet werden, ein analoges elektrisches Signal aus einer oder mehreren Photodioden zu detektieren, um ein Zeitintervall zwischen einem Startsignal (d. h. entsprechend einem Zeitablauf eines gesendeten Lichtpulses) und einem Stoppsignal (d. h. entsprechend einem Zeitablauf des Empfangens eines analogen elektrischen Signals an einem ADC) mit einem geeigneten Algorithmus zu schätzen.
  • Eine Abtastung wie etwa eine oszillierende horizontale Abtastung (z. B. von links nach rechts und rechts nach links eines Sichtfeldes) oder eine oszillierende vertikale Abtastung (z. B. von unten nach oben und oben nach unten eines Sichtfeldes) kann eine Szene auf kontinuierliche Abtastweise beleuchten. Jedes Absenden des Laserstrahls durch die Lichtquellen kann eine Abtastzeile in dem „Sichtfeld“ zur Folge haben. Durch das Emittieren aufeinanderfolgender Lichtpulse in unterschiedlichen Abtastrichtungen kann ein als das Sichtfeld bezeichneter Bereich abgetastet werden, und Objekte in dem Bereich können detektiert und abgebildet werden. Somit stellt das Sichtfeld eine Abtastebene mit einem Projektionszentrum dar. Es könnte auch eine Rasterabtastung verwendet werden.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Abtastsystems 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das LIDAR-Abtastsystem 100 ist eine optische Abtastvorrichtung, die einen Sender, einschließlich einer Beleuchtungseinheit 10, einer Sendeoptik 11 und eines eindimensionalen (1D-) Mikroelektromechanisches-System-(MEMS)-Spiegels 12, sowie einen Empfänger, einschließlich einer zweiten optischen Komponente 14 und eines Photodetektor-Arrays 15, umfasst.
  • Die Beleuchtungseinheit 10 umfasst mehrere Lichtquellen (z. B. Laserdioden oder lichtemittierende Dioden), die linear in einer Einzelbalkenform ausgerichtet sind und dazu konfiguriert sind, zum Abtasten eines Objektes verwendetes Licht auszusenden. Das durch die Lichtquellen emittierte Licht ist typischerweise Infrarotlicht, wobei auch Licht mit einer anderen Wellenlänge verwendet werden kann. Wie in dem Ausführungsbeispiel aus 1 ersichtlich ist, ist die Form des durch die Lichtquellen emittierten Lichtes in einer Richtung senkrecht zu der Senderichtung gespreizt, um einen Lichtstrahl mit einer länglichen Form senkrecht zu einer Aussendung zu bilden. Das aus den Lichtquellen ausgesendete Beleuchtungslicht wird auf die Sendeoptik 11 gerichtet, die dazu konfiguriert ist, jeden Laser auf einen eindimensionalen MEMS-Spiegel 12 zu fokussieren. Die Sendeoptik 11 kann beispielsweise eine Linse oder ein Prisma sein.
  • Wenn das Licht aus den Lichtquellen durch den MEMS-Spiegel 12 reflektiert wird, wird dasselbe vertikal ausgerichtet, um für jeden emittierten Laserstrahl eine eindimensionale vertikale Abtastzeile SL aus Infrarotlicht oder einen vertikalen Balken aus Infrarotlicht zu bilden. Jede Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 10 trägt zu einem unterschiedlichen vertikalen Bereich der vertikalen Abtastzeile SL bei. Somit können die Lichtquellen gleichzeitig aktiviert und gleichzeitig deaktiviert werden, um einen Lichtpuls mit mehreren Segmenten zu erhalten, wobei jedes Segment einer jeweiligen Lichtquelle entspricht. Jedoch kann auch jeder vertikale Bereich beziehungsweise jedes vertikale Segment der vertikalen Abtastzeile SL unabhängig aktiv oder inaktiv sein, indem eine entsprechende der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 ein- oder ausgeschaltet wird. Somit kann aus dem System 100 eine teilweise oder eine vollständige vertikale Abtastzeile SL aus Licht in das Sichtfeld ausgegeben werden.
  • Demgemäß ist der Sender des Systems 100 ein optischer Aufbau, der dazu konfiguriert ist, Laserstrahlen auf der Basis der Laserpulse zu erzeugen, wobei die Laserstrahlen eine längliche Form aufweisen, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Senderichtung der Laserstrahlen erstreckt.
  • Obwohl drei Laserquellen gezeigt sind, ist es ersichtlich, dass die Anzahl von Laserquellen nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann die vertikale Abtastzeile SL durch eine einzelne Laserquelle, zwei Laserquellen oder mehr als drei Laserquellen erzeugt werden.
  • Der MEMS-Spiegel 12 ist ein mechanischer beweglicher Spiegel (d. h. ein MEMS-Mikrospiegel), der auf einem Halbleiterchip (nicht gezeigt) integriert ist. Der MEMS-Spiegel 12 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist dazu konfiguriert, um eine einzelne Abtastachse zu rotieren, und kann als lediglich einen Freiheitsgrad zur Abtastung aufweisend beschrieben werden. Im Gegensatz zu 2D-MEMS-Spiegeln (2D-MEMS-Abtastvorrichtungen), ist bei dem 1D-MEMS-Spiegel die einzelne Abtastachse fest auf einem nicht-rotierenden Substrat und behält daher ihre räumliche Ausrichtung während der Oszillation des MEMS-Spiegels bei. Somit ist ein oszillierender 1D-MEMS-Spiegel vom Entwurf her robuster gegenüber Vibrationen und Schlägen als 2D-MEMS-Spiegel-Lösungen. Aufgrund dieser einzelnen Abtastrotationsachse wird der MEMS-Spiegel 12 als 1 D-MEMS-Spiegel oder 1 D-MEMS-Abtastvorrichtung bezeichnet.
  • Obwohl Ausführungsbeispiele die Verwendung von oszillierenden 1 D-MEMS-Spiegeln beschreiben, können die hierin beschriebenen Messverfahren auch auf 2D-MEMS-Spiegel erweitert werden. In diesem Fall werden beide Achsen eines einzelnen 2D-MEMS-Spiegels durch unterschiedliche Phasenregelschleifen (PLLs, Phase-Locked Loops) gesteuert, so dass eine analoge Verzögerung eines 2D-MEMS-Spiegels gemäß einer ersten Abtastachse gemessen und gemäß einer der hierin beschriebenen Techniken kompensiert wird, und eine analoge Verzögerung des 2D-MEMS-Spiegels gemäß einer zweiten Abtastachse gemessen und gemäß einer der hierin beschriebenen Techniken kompensiert wird. Es ist außerdem möglich, dass die unterschiedlichen PLLs in separaten MEMS-Treibern vorgesehen sind oder in einen einzelnen MEMS-Treiber für einen 2D-MEMS-Spiegel integriert sind.
  • Der MEMS-Spiegel 12 selbst ist ein nicht-linearer Resonator (d. h. ein in Resonanz befindlicher MEMS-Spiegel), der dazu konfiguriert ist, derart von „Seite zu Seite“ um eine Abtastachse 13 bei einer Resonanzfrequenz zu oszillieren, dass das von dem MEMS-Spiegel 12 reflektierte Licht (d. h. die vertikale Lichtabtastzeile) in einer horizontalen Abtastrichtung hin und her oszilliert. Der MEMS-Spiegel 12 ist aufgrund der Versteifung seiner Aufhängung stärker nicht-linear. Eine Abtastperiode oder eine Oszillationsperiode wird beispielsweise durch eine vollständige Oszillation von einem ersten Rand des Sichtfeldes (z. B. einer linken Seite) zu einem zweiten Rand des Sichtfeldes (z. B. einer rechten Seite) und dann zurück zu dem ersten Rand definiert. Eine Spiegelperiode des MEMS-Spiegels 12 entspricht einer Abtastperiode.
  • Somit wird das Sichtfeld in der horizontalen Richtung durch den vertikalen Lichtbalken abgetastet, indem der Winkel des MEMS-Spiegels 12 auf seiner Abtastachse 13 geändert wird. Beispielsweise kann der MEMS-Spiegel 12 dazu konfiguriert sein, bei einer Resonanzfrequenz von 2 kHz zwischen +/- 15 Grad zu oszillieren, um das Licht über +/- 30 Grad zu lenken, was den Abtastbereich des Sichtfeldes ausmacht. Somit kann das Sichtfeld Zeile für Zeile durch eine Rotation des MEMS-Spiegels 12 über seinen Bewegungsgrad abgetastet werden. Eine solche Sequenz durch den Bewegungsgrad (z. B. von -15 Grad zu +15 Grad) wird als einzelne Abtastung oder einzelner Abtastzyklus bezeichnet. Mehrere Abtastungen können dazu verwendet werden, Distanz- und Tiefenkarten sowie 3D-Bilder durch eine Verarbeitungseinheit zu erzeugen.
  • Obwohl der Sendespiegel im Kontext eines MEMS-Spiegels beschrieben wird, ist ersichtlich, dass andere oszillierende Spiegel verwendet werden können. Zusätzlich dazu ist die Resonanzfrequenz oder der Rotationsgrad nicht auf +2 kHz beziehungsweise +/- 15 Grad beschränkt, wobei sowohl die Resonanzfrequenz als auch das Sichtfeld gemäß der Anwendung vergrößert oder verkleinert werden können. Somit ist ein Abtastspiegel dazu konfiguriert, um eine Abtastachse zu oszillieren und die Laserstrahlen in unterschiedlichen Richtungen in ein Sichtfeld zu richten. Somit umfasst eine Sendetechnik ein Aussenden der Lichtstrahlen in das Sichtfeld von einem Sendespiegel, der um eine Abtastachse oszilliert, so dass die Lichtstrahlen als vertikale Abtastzeile SL in das Sichtfeld projiziert werden, welche sich horizontal über das Sichtfeld bewegt, während der Sendespiegel um die einzelne Abtastachse oszilliert.
  • Beim Auftreffen auf ein oder mehrere Objekte wird der ausgesendete vertikale Lichtbalken durch Rückstreuung als reflektierte vertikale Zeile zu dem LIDAR-Abtastsystem 100 zurückreflektiert, wobei die zweite optische Komponente 14 (z. B. eine Linse oder ein Prisma) das reflektierte Licht empfängt. Die zweite optische Komponente 14 richtet das reflektierte Licht auf das Photodetektor-Detektorarray 15, das das reflektierte Licht als Empfangszeile RL empfängt und dazu konfiguriert ist, elektrische Messsignale zu erzeugen. Die elektrischen Messsignale können dazu verwendet werden, eine 3D-Karte der Umgebung und/oder andere Objektdaten auf der Basis des reflektierten Lichtes zu erzeugen (z. B. über TOF-Berechnungen und -Verarbeitung).
  • Die Empfangszeile ist als vertikale Lichtspalte gezeigt, die sich entlang einer der Pixelspalten in einer Längsrichtung der Pixelspalte erstreckt. Die Empfangszeile weist drei Bereiche auf, die der in 1 gezeigten vertikalen Abtastzeile SL entsprechen. Wenn sich die vertikale Abtastzeile SL horizontal über das Sichtfeld bewegt, bewegt sich die vertikale Lichtspalte RL, die auf das 2D-Photodetektor-Array 15 trifft, auch horizontal über das 2D-Photodetektor-Array 15. Der reflektierte Lichtstrahl RL bewegt sich von einem ersten Rand des Photodetektor-Arrays 15 zu einem zweiten Rand des Photodetektor-Arrays 15, während sich die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL ändert. Die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL entspricht einer Senderichtung der Abtastzeile SL.
  • Das Photodetektor-Array 15 kann jegliche Art von Photodetektortyp sein; darunter Lawinenphotodioden (APD, Avalanche Photodiodes), Siliziumphotomultiplizierer (SiPM, Silicon Photomultipliers, Photozellen und/oder andere Photodiodenbauelemente.
  • Bilderfassungssensoren wie etwa ladungsgekoppelte Bauelemente, (CCDs, Charge-Coupled Devices) können die Photodetektoren sein. Bei den hierin bereitgestellten Beispielen ist das Photodetektor-Array 15 ein zweidimensionales (2D-) APD-Array, das ein Array aus APD-Pixeln aufweist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Photodetektor-Array 15 ein 1 D-Array sein, das eine einzelne Spalte von Photodioden umfasst. Die Aktivierung der Photodioden kann mit durch die Beleuchtungseinheit 10 emittierten Lichtpulsen synchronisiert werden. Im Gegensatz zu einem Array kann alternativ dazu kann eine einzelne Photodetektorzelle / ein einzelnes Photodetektorpixel verwendet werden. Beispielsweise kann eine einzelne Photodetektorzelle / ein einzelnes Photodetektorpixel im Falle eines 2x1 D-Abtastsenders in einer koaxialen LIDAR-Architektur verwendet werden.
  • Das Photodetektor-Array 15 empfängt reflektive Lichtpulse als Empfangszeile RL und erzeugt als Reaktion darauf elektrische Signale. Da die Sendezeit jedes Lichtpulses von der Beleuchtungseinheit 10 bekannt ist und da sich das Licht mit einer bekannten Geschwindigkeit bewegt, kann eine Flugzeitberechnung unter Verwendung der elektrischen Signale die Distanz von Objekten zu dem Photodetektor-Array 15 bestimmen. Eine Tiefenkarte kann die Distanzinformationen grafisch darstellen.
  • Bei einem Beispiel löst eine Mikrosteuerung für jede Distanzabtastung einen Laserpuls aus jeder der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 aus und startet einen Zeitmesser in einer Zeit-Digital-Wandler-(TDC, Time-to-Digital Converter)-Integrierte-Schaltung-(IC, Integrated Circuit). Der Laserpuls wird durch die Sendeoptik propagiert, durch das Zielfeld reflektiert und durch eine APD des APD-Arrays 15 erfasst. Die APD emittiert einen kurzen elektrischen Puls, der dann durch einen elektrischen Signalverstärker verstärkt wird. Eine Komparator-IC erkennt den Puls und sendet ein digitales Signal an den TDC, um den Zeitmesser zu stoppen. Die TDC verwendet eine Taktfrequenz, um jede Messung zu kalibrieren. Die TDC sendet die seriellen Daten der Zeitdifferenz zwischen den digitalen Start- und Stoppsignalen an die Mikrosteuerung, die jegliche fehlerhafte Lesungen herausfiltert, mehrere Zeitmessungen mittelt und die Distanz zu dem Ziel an der bestimmten Feldposition berechnet. Durch das Emittieren aufeinanderfolgender Lichtpulse in unterschiedliche Richtungen, die durch den MEMS-Spiegel festgelegt werden, kann eine Fläche (d. h. ein Sichtfeld) abgetastet werden, ein dreidimensionales Bild erzeugt werden, und Objekte in dem Bild detektiert werden.
  • Alternativ dazu können anstelle der Nutzung des TDC-Ansatzes, ADCs zur Signaldetektion und TOF-Messung verwendet werden. Beispielsweise kann jeder ADC dazu verwendet werden, ein elektrisches Signal aus einer oder mehrerer Photodioden zu detektieren, um ein Zeitintervall zwischen einem Startsignal (d. h. entsprechend einem Zeitablauf eines ausgesendeten Lichtpulses) und einem Stoppsignal (d. h. entsprechend einem Zeitablauf des Empfangens eines analogen elektrischen Signals an einem ADC) mit einem geeigneten Algorithmus zu schätzen.
  • Es ist ersichtlich, dass das oben beschriebene horizontale Abtastsystem 100 auch zur vertikalen Abtastung verwendet werden kann. In diesem Fall ist die Abtastanordnung derart angeordnet, dass die Abtastrichtung um 90° gedreht ist, so dass die Abtastzeile SL und die Empfangszeile RL sich in der vertikalen Richtung bewegen (d. h. von oben nach unten oder von unten nach oben). So ist die Abtastzeile eine horizontale Abtastzeile SL, die in das Sichtfeld projiziert wird, welche sich vertikal über das Sichtfeld bewegt, während der Sendespiegel um die einzelne Abtastachse oszilliert. Ferner bewegt sich die auf das 2D-Photodetektor-Array 15 auftreffende horizontale Lichtspalte RL vertikal über das 2D-Photodetektor-Array 15, während sich die horizontale Abtastzeile SL vertikal über das Sichtfeld bewegt.
  • Es ist ferner ersichtlich, dass ein LIDAR-Abtastsystem mehrere Abtastspiegel 12 und entsprechende Schaltungsanordnungen zum Abtasten unterschiedlicher Sichtfelder in der horizontalen und/oder vertikalen Richtung umfassen kann. Beispielsweise kann ein Fahrzeug mehrere Abtastspiegel umfassen, die an unterschiedlichen Stellen auf dem Fahrzeug angeordnet sind, um unterschiedliche Sichtfelder abzutasten. Alternativ dazu können die synchronisierten MEMS-Spiegel in einem 2x1 D-System, etwa einem Lissajous-Abtastsystem, verwendet werden. In diesem Fall sind die MEMS-Spiegel an derselben Stelle in dem Fahrzeug montiert und dazu konfiguriert, ein gleiches Sichtfeld abzutasten.
  • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm des LIDAR-Abtastsystems 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen zeigt 2 zusätzliche Funktionen des LIDAR-Abtastsystems 200, darunter beispielhafte Verarbeitungs- und Steuersystemkomponenten, etwa einen MEMS-Treiber, eine Empfängerschaltung und eine Systemsteuerung.
  • Das LIDAR-Abtastsystem 200 umfasst eine Sendereinheit 21, die für einen Emitterpfad des Systems 200 verantwortlich ist, und eine Empfängereinheit 22, die für einen Empfängerpfad des Systems 200 verantwortlich ist. Das System umfasst außerdem eine Systemsteuerung 23, die dazu konfiguriert ist, Komponenten der Sendereinheit 21 und der Empfängereinheit 22 zu steuern, und Rohdaten aus der Empfängereinheit 22 zu empfangen und daran eine Verarbeitung durchzuführen (z. B. über eine Digitalsignalverarbeitung), um Objektdaten (z. B. Punktwolkendaten) zu erzeugen. Somit umfasst die Systemsteuerung 23 zumindest einen Prozessor und/oder eine Prozessorschaltungsanordnung zum Verarbeiten von Daten, sowie eine Steuerschaltungsanordnung, etwa eine Mikrosteuerung, die dazu konfiguriert sind, Steuersignale zu erzeugen. Das LIDAR-Abtastsystem 200 kann außerdem einen Temperatursensor 26 umfassen.
  • Der MEMS-Spiegel 12 kann in einem in 2 gezeigten Chip-Package 27 verbaut sein, um den Spiegel zu schützen. Beispielsweise kann der MEMS-Spiegel 12 bei einem niedrigen Druck (d. h. bei einem Druck, der niedriger als der atmosphärische Druck ist) hermetisch in einem Chip-Package abgedichtet sein. Dieser niedrige Druck kann eine Niedrigdämpfungsumgebung bereitstellen, in der der MEMS-Spiegel 12 arbeitet.
  • Die Empfängereinheit 22 umfasst das Photodetektor-Array 15 sowie eine Empfängerschaltung 24. Die Empfängerschaltung 24 kann eine oder mehrere Schaltungsanordnungen oder Unterschaltungsanordnungen zum Empfangen und Verarbeiten von Informationen umfassen. Die Empfängerschaltung 24 kann die analogen elektrischen Signale aus den APD-Dioden des Photodetektor-Arrays 15 empfangen und die elektrischen Signale als analoge Rohdaten oder digitale Rohdaten an die Systemsteuerung 23 senden. Um die Rohdaten als digitale Daten zu senden, kann die Empfängerschaltung 24 einen ADC sowie ein feldprogrammierbares Gatter-Array (FPGA, Field-Programmable Gate Array) umfassen. Die Empfängerschaltung 24 kann außerdem Auslösungssteuersignale von der Systemsteuerung 23 empfangen, die eine Aktivierung einer oder mehrerer APD-Dioden auslösen. Die Empfängerschaltung 24 kann außerdem Gewinneinstellsteuersignale zum Steuern des Gewinns einer oder mehrerer APD-Dioden empfangen.
  • Die Sendereinheit 21 umfasst die Beleuchtungseinheit 10, den MEMS-Spiegel 12 und einen MEMS-Treiber 25, der dazu konfiguriert ist, den MEMS-Spiegel 12 zu treiben bzw. anzusteuern. Im Einzelnen betätigt und erfasst der MEMS-Treiber 25 die Rotationsposition des Spiegels und stellt der Systemsteuerung 23 Rotationsinformationen (z. B. einen Neigungswinkel oder Rotationsgrad um die Rotationsachse) des Spiegels bereit. Auf der Basis dieser Positionsinformationen werden die Laserquellen der Beleuchtungseinheit 10 durch die Systemsteuerung 23 ausgelöst und die Photodioden (z. B. APD-Dioden) werden aktiviert, um ein reflektiertes Lichtsignal zu erfassen und somit zu messen. Somit hat eine höhere Genauigkeit bei der Positionserfassung des MEMS-Spiegels eine genauere und präzisere Steuerung anderer Komponenten des LIDAR-Systems zur Folge.
  • Der MEMS-Treiber 25 kann auch Spiegelfrequenzen und -ströme unter Verwendung einer Kapazitätsänderung in einem Kammantriebsrotor und -stator einer Aktorstruktur messen und aufzeichnen, die dazu verwendet wird, den MEMS-Spiegel 12 zu treiben. Die Aktorstruktur des MEMS-Spiegels 12 umfasst ferner eine Aufhängungsstruktur, die den MEMS-Spiegel 12 in einem Spiegelrahmenkörper aufhängt. Somit kann der MEMS-Treiber 25 ferner eine Messschaltung umfassen, die dazu konfiguriert ist, eine oder mehrere Eigenschaften des hierin beschriebenen MEMS-Spiegels 12 zu messen. Der MEMS-Treiber 25 kann ferner eine Verarbeitungsschaltungsanordnung umfassen, einschließlich zumindest eines Prozessors (z. B. eine analoge Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und/oder eine digitale Signalverarbeitungsschaltungsanordnung), dazu konfiguriert, Messinformationen aus der Messschaltung zu verarbeiten, um eine mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 und/oder des Zustandes des Chip-Packages auszuwerten.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Systemsteuerung 23 Messinformationen von der Messschaltung des MEMS-Treibers 25 empfangen und daran eine Verarbeitung vornehmen. Somit kann die Systemsteuerung 23 ferner eine Verarbeitungsschaltungsanordnung umfassen, einschließlich zumindest eines Prozessors (z. B. eine analoge Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und/oder eine digitale Signalverarbeitungsschaltungsanordnung) dazu konfiguriert, Messinformationen von der Messschaltung zu verarbeiten, um eine mechanische Gesundheit des MEMS-Spiegels 12 und/oder des Zustandes des Chip-Packages auszuwerten.
  • Durch die Erfassung der Rotationsposition des MEMS-Spiegels 12 um seine Rotationsachse 13 kann der MEMS-Treiber 25 Nulldurchgangsereignisse (Nulldurchgang = ZC, Zero Crossing) des MEMS-Spiegels 12 erfassen. Ein Nulldurchgangsereignis ist ein Fall, in dem der MEMS-Spiegel 12 einen Rotationswinkel von 0° auf seiner Rotationsachse 13 aufweist. Genauer gesagt ist es der Moment, wenn der MEMS-Spiegel 12 parallel zu dem Rahmen oder in einer neutralen Position ist. Die neutrale Position kann auch als Ruheposition bezeichnet werden (z. B. wenn der MEMS-Spiegel 12 anhält, nachdem die treibende Kraft abgeschaltet ist). Da der MEMS-Spiegel 12 zwischen zwei Rotationsrichtungen (z. B. im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn) hin und her oszilliert, tritt ein Nulldurchgangsereignis während einer Abtastperiode zweimal auf - einmal, wenn der Spiegel in der ersten Rotationsrichtung oszilliert, und einmal, wenn der Spiegel in der zweiten Rotationsrichtung oszilliert. Es ist außerdem ersichtlich, dass Winkeldurchgangsereignisse bei einem anderen vordefinierten Winkel anstelle eines Nulldurchgangsereignisses verwendet werden können.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Ereigniszeit einem Nicht-Nulldurchgangsereignis entsprechen. Beispielsweise kann der erfasste Rotationswinkel ein anderer Winkel als 0° sein. Zum Zwecke der Erläuterung sind hierin beschriebene Beispiele jedoch in dem Kontext der Erfassung von Nulldurchgangsereignissen beschrieben.
  • Der MEMS-Treiber 25 ist dazu konfiguriert, jedes Nulldurchgangsereignis zu detektieren und einen Zeitablauf für jedes Ereignis aufzuzeichnen. Diese Zeitablaufinformationen (z. B. eine gemessene Nulldurchgangszeit) können dann als Positionsinformationen an die Systemsteuerung 23 gesendet werden. Im Einzelnen löst der MEMS-Treiber 25 bei jedem Nulldurchgangsereignis oder Winkeldurchgangsereignis eine Änderung in der Ausgabe eines Positionssignals (Position_L) aus.
  • 3 veranschaulicht ein Signaldiagramm unterschiedlicher Signale, die durch einen MEMS-Treiber 25 auf der Basis des Spiegelwinkels θ und/oder der Position, einschließlich eines Positionssignals (Position_L), erzeugt werden. Beispielsweise kann das Positionssignal (Position_L) ein gepulstes Signal sein, bei dem ein erster Pulsübergang (z. B. ein Abfallende-Flanke-Übergang) bei einem Nulldurchgang ausgelöst wird, während der Spiegel in einer ersten Rotationsrichtung (z. B. von links nach rechts) oszilliert, und ein zweiter Pulsübergang (z. B. Ansteigende-Flanke-Übergang) bei einem Nulldurchgang ausgelöst wird, während der Spiegel in einer zweiten Rotationsrichtung (z. B. von rechts nach links) oszilliert. Ferner ist das Signal „hoch“, wenn der Spiegel in eine Richtung zeigt (z. B. nach links zeigt) und das Signal ist „niedrig“, wenn der Spiegel in eine zweite Richtung zeigt (z. B. nach rechts zeigt). Somit gibt das Positionssignal nicht nur ein Nulldurchgangsereignis durch das Auslösen eines Pulsüberganges an, sondern gibt auch absolute Phaseninformationen an, indem die Richtungsneigung des Spiegels angegeben wird. Während sich das Intervall zwischen Nulldurchgangsereignissen vergrößert, tut dies auch die Frequenz des Positionssignals. Auf der Basis dieses Positionssignals kann eine Phase und/oder eine Frequenz von zwei oder mehr Positionssignalen verglichen werden.
  • Alternativ dazu kann durch den MEMS-Treiber 25 ein kurzer Puls bei jedem Nulldurchgangsereignis erzeugt werden, so dass ein gepulstes Positionssignal (Position_L) an die Systemsteuerung 23 ausgegeben wird. Das heißt, das Signal bleibt zwischen Nulldurchgangspulsen niedrig (oder hoch). In diesem Fall geben die absoluten Phaseninformationen an, welche Bewegungsrichtung des Spiegels fehlen würde. Auf der Basis dieses Positionssignals kann eine Phase und/oder eine Frequenz von zwei oder mehr Positionssignalen verglichen werden.
  • Der MEMS-Treiber 25 kann die Positionsinformation an die Systemsteuerung 23 senden, so dass die Systemsteuerung 23 die Positionsinformation dazu verwenden kann, das Auslösen der Laserpulse der Beleuchtungseinheit 10 und die Aktivierung der Photodioden des Photodetektor-Arrays 15 zu steuern. Die Positionsinformationen können durch die Systemsteuerung auch als Rückkopplungsinformationen verwendet werden, so dass die Systemsteuerung 23 über Steuersignale, die dem MEMS-Treiber 25 bereitgestellt werden, einen stabilen Betrieb des MEMS-Spiegels 12 aufrechterhalten kann und außerdem eine Synchronisierung mit anderen MEMS-Spiegeln aufrechterhalten kann.
  • Die Zeitablaufinformationen der Nulldurchgangsereignisse können durch den MEMS-Treiber 25 auch dazu verwendet werden, ein Phasentaktsignal (Phase_CLK) zu erzeugen. Das Phasentaktsignal ist ein Hochfrequenzsignal (z. B. 14 MHz) einer festen Anzahl von Pulsen, das feinkörnige Phaseninformationen des MEMS-Spiegels 12 bereitstellt. In diesem Fall wird die Spiegelbewegung unterteilt in äquidistante Stücke (beeinflusst durch Quantisierungsfehler eines Digital-Gesteuerter-Oszillator-(DCO)-Frequenzgenerators) in dem Zeitbereich. Ein „Stück“ kann als ein Unterabschnitt eines Zeitintervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgangsereignissen angesehen werden. Im Einzelnen wird das Zeitintervall zwischen zwei Nulldurchgangsereignissen (d. h. zwischen zwei Position_L-Signalen oder -Pulsen) in identische Teile aufgeteilt, so dass ein Signalpuls bei jedem Teil erzeugt wird. Somit ist das Phasentaktsignal ein Pulssignal, dessen Frequenz von dem Zeitintervall zwischen zwei Nulldurchgangsereignissen abhängt, wobei die Frequenz umso höher ist, desto kürzer das Zeitintervall ist. Somit unterteilt das Phasentaktsignal die Spiegelbewegung in eine wohldefinierte Anzahl von Phasenstücken. Der MEMS-Treiber 25 kann das Phasentaktsignal erzeugen und an die Systemsteuerung 23 ausgeben.
  • 3 veranschaulicht ferner ein Phasentaktsignal (Phase_CLK), das eine Anzahl von Pulsen pro Oszillationsperiode aufweist, wobei die Oszillationsperiode durch ein Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgangsereignissen definiert wird.
  • Der MEMS-Spiegel 12 umfasst eine Aktorstruktur, die dazu verwendet wird, den Spiegel zu treiben. Die Aktorstruktur umfasst ineinandergreifende Fingerelektroden, die aus ineinandergreifenden Spiegelkämmen und Rahmenkämmen bestehen, an denen durch den MEMS-Treiber 25 eine Antriebsspannung (d. h. ein Betätigungssignal oder treibendes Signal) angelegt wird. Die Antriebsspannung kann als Hochspannung (HV, High Voltage) bezeichnet werden. Die an der Fingerstruktur angelegte Antriebsspannung erzeugt eine entsprechende Kapazität. Die Antriebsspannung an der Fingerstruktur erzeugt eine treibende Kraft zwischen ineinandergreifenden Spiegelkämmen und den Rahmenkämmen, was ein Drehmoment an dem Spiegelkörper um die Rotationsachse erzeugt. Die Antriebsspannung HV kann ein- bzw. ausgeschaltet oder umgeschaltet werden (HV an/aus), was eine oszillierende treibende Kraft zufolge hat. Die oszillierende treibende Kraft bewirkt, dass der Spiegel auf seiner eigenen Rotationsachse zwischen zwei Extremen hin und her oszilliert. Abhängig von der Konfiguration kann diese Betätigung reguliert oder eingestellt werden, indem die Antriebsspannungsabschaltzeit, ein Spannungspegel der Antriebsspannung oder ein Tastverhältnis eingestellt wird.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein elektromagnetischer Aktor dazu verwendet werden, den MEMS-Spiegel 12 zu treiben. Für einen elektromagnetischen Aktor kann ein treibender Strom (d. h. ein Betätigungssignal oder treibendes Signal) verwendet werden, um die oszillierende treibende Kraft zu erzeugen. Daher ist es ersichtlich, dass Antriebsspannung / treibende Spannung und Antriebsstrom / treibender Strom hierin austauschbar verwendet werden können, um ein Betätigungssignal oder ein treibendes Signal anzugeben, und beide können im Allgemeinen als treibende Kraft bezeichnet werden.
  • Während der Spiegel oszilliert, ändert sich die Kapazität zwischen den Fingerelektroden gemäß der Rotationsposition des Spiegels. Der MEMS-Treiber 25 ist dazu konfiguriert, die Kapazität zwischen den ineinandergreifenden Fingerelektroden zu messen und daraus eine Rotationsposition oder Winkelposition des MEMS-Spiegels 12 zu bestimmen. Durch Überwachen der Kapazität kann der MEMS-Treiber 25 die Nulldurchgangsereignisse und einen Zeitablauf derselben detektieren, und kann den Neigungswinkel des MEMS-Spiegels 12 an jedem beliebigen Moment bestimmen. Der MEMS-Treiber 25 kann außerdem die gemessene Kapazität dazu verwenden, eine Spiegelfrequenz zu bestimmen, und die Informationen in einem Speicher an dem MEMS-Treiber 25 oder an der Systemsteuerung 23 aufzeichnen.
  • Das Erfassen der Position des MEMS-Spiegels 12 wird auf der Basis eines Detektors ausgeführt, der dazu konfiguriert ist, die Kapazität zu messen. Beispielsweise ändert sich die Geometrie der Fingerstruktur, während sich der MEMS-Spiegel bewegt, was eine Änderung der Geometrie der Kapazität zufolge hat. Während sich die Geometrie der Kapazität ändert, ändert sich die Kapazität selbst. Somit entspricht eine spezifische Kapazität direkt einer spezifischen Position (d. h. Neigungswinkel) des MEMS-Spiegels. Durch das Erfassen der Kapazität der Fingerstruktur kann der MEMS-Treiber 25 die Oszillationen des Spiegels überwachen und nachverfolgen, und eine spezifische Position des MEMS-Spiegels, einschließlich des Nulldurchgangs, bestimmen.
  • Eine Art und Weise die Kapazität zu messen, besteht darin, einen Strom zu messen, der durch die Fingerstruktur fließt, den gemessenen Strom in eine Spannung umzuwandeln, und dann die Spannung mit einer Kapazität und/oder einem Rotationswinkel in Wechselbeziehung zu setzen. Jedoch kann jedes Verfahren zum Messen der Kapazität verwendet werden. Außerdem wird eine Rotationsrichtung (z. B. positiv oder negativ, links nach rechts oder rechts nach links, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, usw.) auch durch Messen einer Änderung der Kapazität über die Zeit hinweg detektiert, wobei eine positive oder eine negative Änderung entgegengesetzte Rotationsrichtungen angibt. Der MEMS-Treiber 25 kann außerdem die Ströme und Spannungen, die während des Messens der Kapazität gemessen werden, aufzeichnen. Somit kann eine Erhöhung der Genauigkeit der Positionserfassung des Spiegels die Gesamtgenauigkeit des LIDAR-Systems verbessern.
  • Da der Spiegel mit einer Oszillationsfrequenz (z. B. 2 kHz) getrieben wird, durchkreuzt der Spiegel dann, wenn er in einer ersten Rotationsrichtung rotiert (z. B. links nach rechts oder im Uhrzeigersinn) eine Nullposition (d. h. 0°) zu einem bestimmten Zeitpunkt. Wenn der Spiegel in einer zweiten Rotationsrichtung rotiert (z. B. rechts nach links oder gegen den Uhrzeigersinn), gilt dasselbe: der Spiegel wird die Nullposition zu einem bestimmten Zeitpunkt durchkreuzen. Diese Fälle des Kreuzens der Nullposition können als Nulldurchgangsereignisse bezeichnet werden, die zu Nulldurchgangszeiten auftreten.
  • 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines MEMS-Treibers gemäß einem oder mehrerer Ausführungsbeispielen. Der MEMS-Treiber 25 umfasst einen analogen Kern 31, einen Phasenfehlerdetektor 32, eine Fehlerdetektions- und Fehlerkompensationseinheit 33, ein Schleifenfilter 34, einen digital gesteuerten Oszillator (DCO, Digitally Controlled Oscillator) 35 und einen Spiegeltreiber 36, die in einer Schleife angeordnet ist. Diese Schleife, zusammen mit dem MEMS-Spiegel 12, bildet eine Phasenregelschleife (PLL, Phase-Locked Loop), die der Frequenz des MEMS-Spiegels 12 folgt. Der MEMS-Treiber 25 umfasst ferner einen Richtungssignalgenerator 37 und einen Zerhackungssignalgenerator 38. Jedoch ist es ersichtlich, dass der Richtungssignalgenerator 37 und der Zerhackungssignalgenerator 38 auch außerhalb des MEMS-Treibers 25 bereitgestellt werden können. Der MEMS-Treiber 25 steht über elektrische Verbindungen, die dazu verwendet werden, Signale dazwischen zu senden, in elektrischer Kommunikation mit dem MEMS-Spiegel 12 und der Systemsteuerung 23.
  • Somit implementiert der MEMS-Treiber 25 eine analoge Schaltungsanordnung und eine digitale Schaltungsanordnung. Die analoge Schaltungsanordnung (d. h. der analoge Kern 31) umfasst einen oder mehrere Eingänge und Ausgänge, die mit dem MEMS-Spiegel 12 verbunden sind. Beispielsweise können ein oder mehrere Eingänge des analogen Kerns 31 analoge Signale von dem MEMS-Spiegel 12 empfangen, die mit der Position und Rotationsrichtung des Spiegels in Verbindung stehen. Zusätzlich dazu können ein oder mehrere Ausgänge des analogen Kerns 31 Steuersignale an dem MEMS-Spiegel 12 zum Steuern der Oszillation des Spiegels bereitstellen.
  • Der analoge Kern 31 umfasst eine analoge Schaltungsanordnung, die dazu konfiguriert ist, die Kapazität der Fingerstruktur des MEMS-Spiegel-Aktors zu messen, um zeitablaufkritische Ereignisse wie etwa Nulldurchgänge mit der Hilfe von Komparatoren zu messen. Somit misst die analoge Schaltungsanordnung eine Position des MEMS-Spiegels 12 um eine Rotationsachse und bestimmt Nulldurchgangszeiten in einer ersten Rotationsrichtung und in einer zweiten Rotationsrichtung. Die analoge Schaltungsanordnung ist außerdem dazu konfiguriert, Richtungsinformationen DL1L und DL1R zu erzeugen, die mit der Rotationsrichtung (z. B. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) des MEMS-Spiegels 12 in Beziehung stehen. Die verbleibende digitale Schaltungsanordnung implementiert die Intelligenz des Chips (Steuerung des Spiegels, Laserpulsauslösung, Auslösung der Photodiodenaktivierung, usw.). Dieser Ansatz ermöglicht digitale Signalverarbeitungslösungen, um systematische und nicht-systematische Fehlerquellen zu detektieren, die dann kompensiert werden können.
  • Der analoge Kern 31 ist dazu konfiguriert, gemessene Nulldurchgangszeiten ZCmeas des MEMS-Spiegels 12 zu erzeugen und auszugeben, die durch den Phasenfehlerdetektor 32 empfangen werden. Der analoge Kern 31 ist ferner dazu konfiguriert, Richtungsinformationen DL1L und DL1R, die sich auf die Rotationsrichtung (z. B. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) des MEMS-Spiegels 12 beziehen, an den Richtungssignalgenerator 37 bereitzustellen, der dazu konfiguriert ist, ein Richtungssignal d(n) (z. B. +1 oder -1) auf der Basis der Richtungsinformation DL1L und DL1R zu erzeugen.
  • Der Phasenfehlerdetektor 32 ist dazu konfiguriert, die gemessenen Nulldurchgangszeiten ZCmeas von dem analogen Kern 31 sowie Referenznulldurchgangszeiten ZCref von dem Spiegeltreiber 36 zu empfangen. Die Referenznulldurchgangszeiten ZCref sind erwartete Nulldurchgangszeiten des MEMS-Spiegels 12 basierend auf der Oszillationsfrequenz des Spiegels. Die Referenznulldurchgangszeiten ZCref werden durch den Spiegeltreiber 36 (d. h. durch die PLL) erzeugt.
  • Der Phasenfehlerdetektor 32 umfasst eine Komparatorschaltungsanordnung, die dazu konfiguriert ist, die gemessenen (tatsächlichen) Nulldurchgangszeiten ZCmeas und die Referenznulldurchgangszeiten ZCref zu vergleichen und eine Differenz derselben auszugeben. Somit ist der Phasenfehlerdetektor 32 dazu konfiguriert, den gemessenen Nulldurchgangszeitablauf mit einem erwarteten Nulldurchgangszeitablauf zu vergleichen und ein Fehlersignal p(n), das die Differenz zwischen dem gemessenen Nulldurchgangszeitablauf und dem erwarteten Nulldurchgangszeitablauf darstellt, zu erzeugen. Mit anderen Worten stellt das Phasenfehlersignal p(n) den Phasenfehler zwischen den gemessenen Nulldurchgangszeiten ZCmeas und den Referenznulldurchgangszeiten ZCref dar. Das Phasenfehlersignal p(n) wird für jeden Nulldurchgang des MEMS-Spiegels 12 aktiv ausgegeben.
  • Beispielsweise wird das Phasenfehlersignal p(n) null sein, wenn die gemessene Nulldurchgangszeit und erwartete Nulldurchgangszeit gleich sind. Ansonsten wird das Phasenfehlersignal einen Wert ungleich null annehmen, welcher der Differenz zwischen der gemessenen Nulldurchgangszeit und erwarteten Nulldurchgangszeit entspricht.
  • Zusätzlich dazu wird das Phasenfehlersignal p(n) für beide Rotationsrichtungen des Spiegels erzeugt. Falls beispielsweise eine Asymmetrie vorhanden ist, kann der Phasenfehlerdetektor 32 ein Phasenfehlersignal p(n) mit einem Wert von +3 entsprechend einer ersten Rotationsrichtung erzeugen und kann ein Phasenfehlersignal p(n) mit einem Wert von -3 entsprechend einer zweiten Rotationsrichtung erzeugen. Solange die Werte für die zwei Rotationsrichtungen nicht gleich sind, ist eine Asymmetrie vorhanden.
  • Jeder Durchlauf des MEMS-Spiegels (d. h. von links nach rechts oder rechts nach links) erzeugt einen Wert für das Phasenfehlersignal p(n). Im Einzelnen wird jedes Mal, wenn der MEMS-Spiegel 12 über einen Nulldurchgang rotiert, ein Zeitablauf des Nulldurchganges gemessen, und ein Phasenfehlersignal p(n) wird auf der Basis darauf im Vergleich zu der erwarteten Nulldurchgangszeit erzeugt. Somit stellt das PLL-Fehlerspektrum die Ausgabe des Phasendetektors im Laufe der Zeit dar (d. h. das Phasenfehlersignal im Laufe der Zeit).
  • Die Fehlerdetektions- und Fehlerkompensationseinheit 33 ist dazu konfiguriert, das Phasenfehlersignal p(n) von dem Phasenfehlerdetektor 32 zu empfangen, periodische Jitter-Komponenten zu detektieren, die periodischen Jitter-Komponenten aus dem Phasenfehlersignal p(n) zu entfernen, um ein kompensiertes Phasenfehlersignal pcorr(n) zu erzeugen. Die Fehlerdetektions- und Fehlerkompensationseinheit 33 empfängt außerdem das Richtungssignal d(n) von dem Richtungssignalgenerator 37.
  • Das kompensierte Phasenfehlersignal pcorr(n) reduziert den Jitter der PLL wirksam, was eine höhere Präzision beim Erfassen und Steuern des MEMS-Spiegels 12 ermöglicht sowie eine höhere Präzision beim Steuern der Beleuchtungseinheit 10 ermöglicht. Im Einzelnen ermöglicht das Entfernen der periodischen Jitter-Komponenten aus dem Phasenfehlersignal p(n) eine genauere Spiegelpositionssignalisierung (d. h. Spiegelpositionsinformationen), was genauere Laseraussendungen und eine genauere Steuerung des Spiegels ermöglicht.
  • Die Fehlerdetektions- und Fehlerkompensationseinheit 33 umfasst eine DSP-Struktur, die aus einer Schaltungsanordnungslogik (z. B. Addierer, Subtrahierer, Multiplizierer, Integratoren, Dividierer und dergleichen) besteht, welche gekoppelt ist, um eine Signalverarbeitungskette zu bilden, die dazu konfiguriert ist, periodische Jitter-Komponenten zu detektieren und kompensieren. Im Einzelnen ist die DSP-Struktur dazu konfiguriert, die zwei hervorstechenden Fehlerquellen der Spiegelasymmetrie und des zerhackungsinduzierten periodischen Jitters zu messen und zu kompensieren.
  • Das korrigierte Phasendetektorsignal pcorr(n) wird dazu verwendet, das Signal FDCO des DCO 35 abzuleiten, und bildet eine Basis für die durch den Spiegeltreiber 36 erzeugten Spiegelpositionsinformationen. Im Einzelnen gibt die Fehlerdetektions- und Fehlerkompensationseinheit 33 das korrigierte Phasendetektorsignal pcorr(n) an das Schleifenfilter 34 aus, welches entweder eine Proportional-Integral-(PI)-Steuerung oder eine Proportional-Integral-Derivativ-(PID)-Steuerung implementiert, um den DCO 35 zu inkrementieren, um die Phase des DCO 35 einzustellen.
  • Da die periodischen Jitter-Komponenten in dem korrigierten Phasendetektorsignal pcorr(n) nicht vorhanden sind, wird die Phase des Signals FDCO des DCO 35 durch diese Jitter-Komponenten nicht beeinflusst und entspricht auf genauerer Weise der Phase des MEMS-Spiegels 12. Der DCO 35 stellt dem Spiegeltreiber 36 das Signal FDCO auf der Basis des Wertes des DCO-Zählers 35a bereit.
  • Der Spiegeltreiber 36 ist ein Spiegelplaner, der einen Unterzeitablauf des MEMS-Spiegels 12 auf der Basis des Signals FDCO bestimmt. Somit umfasst der Spiegeltreiber 36 zumindest einen Prozessor zum Ausführen einer Zeitablaufanalyse und -planung. Basierend auf dem Unterzeitablauf ist der Spiegeltreiber 36 dazu konfiguriert, eine Antriebsspannung HV als Steuersignal zu erzeugen, um die Oszillation des MEMS-Spiegels 12 zu steuern. Im Einzelnen wird die Antriebsspannung HV (z. B. 100 V) zwischen an und aus umgeschaltet und wird an die zuvor beschriebene Aktorstruktur des MEMS-Spiegels 12 angelegt. Der Spiegeltreiber 36 ist nicht nur dazu konfiguriert, die treibende Spannung HV ein- und auszuschalten, kann jedoch auch die Spannung auf jeglichen Pegel treiben (z. B. vollständig an, zur Hälfte aus, usw.).
  • Der Spiegeltreiber 36 bestimmt Spiegelpositionsinformationen auf der Basis des Signals FDCO und gibt die Spiegelpositionsinformationen an die Systemsteuerung 23 aus. Die Spiegelpositionsinformation geben aktiv eine Position des MEMS-Spiegels 12 an. Die Systemsteuerung 23 kann die Spiegelpositionsinformationen dazu verwenden, den Zeitablauf der Laserpulse der Beleuchtungseinheit 10 zu steuern. Die Spiegelpositionsinformationen können außerdem dazu verwendet werden, den Aktivierungszeitablauf der Dioden des Fotodetektor-Arrays 15 zu steuern.
  • Der Spiegeltreiber 36 kann außerdem die erwarteten Nulldurchgangszeiten ZCref auf der Basis der Spiegelpositionsinformationen bestimmen.
  • 5 ist ein schematisches Blockdiagramm eines MEMS-Systems zum Treiben und Positionserfassen 500 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Im Einzelnen kann das MEMS-System zum Treiben und Positionserfassen 500 zumindest teilweise in dem in 2 und 4 gezeigten MEMS-Treiber 25 implementiert sein. Das MEMS-System zum Treiben und Positionserfassen 500 umfasst ferner den MEMS-Spiegel 12, mit dem die MEMS-Schaltungsanordnung zum Treiben und Positionserfassen des Systems 500 gekoppelt ist.
  • Wie oben erwähnt ist, umfasst der MEMS-Spiegel 12 selbst eine Aktorstruktur, die dazu verwendet wird, den Spiegel um eine Abtastachse zu treiben. Die Aktorstruktur umfasst außerdem Antriebskondensatoren, die durch die Erfassungsschaltungsanordnung verwendet werden, um eine Kapazität derselben zu messen, um die Rotationsposition oder Winkelposition des MEMS-Spiegels 12 zu detektieren. Ein Teil einer analogen Gesamtverzögerung beim Erfassen der Positionsinformationen kann durch die Antriebskondensatoren verursacht werden.
  • Das MEMS-System zum Treiben und Positionserfassen 500 umfasst einen Phasenfehlerdetektor 32 (z. B. einen Phasenkomparator) als Eingang einer Phasenregelschleife-(PLL, Phase-Locked Loop)-Schaltung, die dazu verwendet wird, den MEMS-Spiegel 12 zu synchronisieren. Der Phasenfehlerdetektor 32, der ein analoger oder digitaler Phasendetektor sein kann, ist mit einem Erfassungsrückkopplungspfad gekoppelt, der dazu verwendet wird, tatsächliche Nulldurchgänge des MEMS-Spiegels 12 zu detektieren. Der Erfassungsrückkopplungspfad ist ein Analogsignalpfad SA , der unterschiedliche analoge Komponenten (Stromzangen, Transimpedanzverstärker (TIAs, Transimpedance Amplifiers), Tiefpassfilter, usw.) und Leiterplatten-(PCB, Printed Circuit Board)-Verbindungen umfasst, von denen jede auch zu einem Teil der analogen Gesamtverzögerung beim Erfassen der Positionsinformationen (z. B. Nulldurchgangsinformation) beiträgt. Die Analoge-Erfassung-Schaltungsanordnung, darunter der analoge Kern 31, des Erfassungsrückkopplungspfades ist dazu konfiguriert, einen Nulldurchgang an dem MEMS-Spiegel 12 zu detektieren und ein Nulldurchgangssignal ZCmeas zu erzeugen, das angibt, dass ein Nulldurchgangsereignis aufgetreten ist.
  • Demgemäß ist ein Analoge-Verzögerung-Block 42 in dem Erfassungsrückkopplungspfad bereitgestellt und stellt die analoge Gesamtverzögerung dar, die zwischen dem MEMS-Spiegel 12 und dem Phasenfehlerdetektor 32 auftritt. Somit wird der Zeitablauf des tatsächlichen Nulldurchgangssignals, das einem während einer Oszillation des MEMS-Spiegels 12 detektierten tatsächlichen Nulldurchgang entspricht, durch den Analoge-Verzögerung-Block 42 verzögert. Diese Verzögerung durch den Analoge-Verzögerung-Block 42 hat ein verzögertes Nulldurchgangssignal (DZCmeas) zur Folge, das durch den Phasenfehlerdetektor 32 empfangen wird. Falls die analoge Gesamtverzögerung des verzögerten Nulldurchgangssignals auf geeignete Weise kompensiert wird, wird der Laseraussendungsschaltungsanordnung dann auf präzise Weise der erfasste Nulldurchgang des MEMS-Spiegels 12 signalisiert. Wie oben erwähnt ist, ist die analoge Verzögerung jedoch nicht statisch und erfordert während eines Abtastbetriebes und über die Lebensdauer des LIDAR-Systems hinweg eine Überwachung in Echtzeit.
  • Das MEMS-System zum Treiben und Positionserfassen 500 umfasst ferner eine Steuerung 43, die eine digitale Steuerung, eine analoge Steuerung oder eine Mischung daraus sein kann. Bei dem aktuellen Beispiel ist die Steuerung 43 als digitale Steuerung implementiert und kann ein digitaler Abschnitt der PLL sein, die den Phasendetektor 32 umfasst. Somit kann die digitale Steuerung 43 die Fehlerdetektions- und Fehlerkompensationseinheit 33, das Schleifenfilter 34, den DCO 35 und den Spiegeltreiber 36 umfassen, die in einer Rückkopplungsschleife mit dem MEMS-Spiegel 12, dem Analoge-Verzögerung-Block 42 und dem Phasenfehlerdetektor 32 angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass der MEMS-Spiegel 12 und der Analoge-Verzögerung-Block 42, die zumindest teilweise den analogen Kern 31 darstellen, Teil des Rückkopplungspfades der PLL sind.
  • Die digitale Steuerung 43 erzeugt ein Nulldurchgangsreferenzsignal ZCref, das erwartete Nulldurchgangszeiten des oszillierenden MEMS-Spiegels 12 angibt. Beispielsweise kann die digitale Steuerung 43 (d. h. der Spiegeltreiber 36) erwartete Nulldurchgangszeiten bestimmen, bei denen erwartet wird, dass der MEMS-Spiegel 12 einen Nulldurchgang hat, auf der Basis von seiner getriebenen Oszillationsfrequenz, Unterzeitablaufinformationen und einem Systemmodell.
  • Eine Programmierbare-Verzögerung-Schaltung 44 empfängt das Nulldurchgangsreferenzsignal ZCref von der digitalen Steuerung 43 und kompensiert das Nulldurchgangsreferenzsignal ZCref, beispielsweise durch Induzieren einer Verzögerung an dem Signal, auf der Basis einer erwarteten analogen Verzögerung. Die erwartete analoge Verzögerung ist in die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung 44 programmiert und ist als eine programmierbare analoge Verzögerung konfigurierbar. Bei einigen Beispielen kann die programmierbare Verzögerung sowohl für analoge als auch digitale Verzögerungen verantwortlich sein.
  • Folglich erzeugt die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung 44 ein verzögertes Nulldurchgangsreferenzsignal (DZCref) auf der Basis des Nulldurchgangsreferenzsignals und der erwarteten analogen Verzögerung. Es ist beabsichtigt, dass die erwartete analoge Verzögerung der analogen Gesamtverzögerung des Analoge-Verzögerung-Blocks 42 entspricht, so dass die Verzögerung des verzögerten Nulldurchgangsreferenzsignals (DZCref) der Verzögerung des verzögerten Nulldurchgangssignals (DZCmeas) entspricht. Wenn die Verzögerungen gleich groß sind, sollten die Phasen des verzögerten Nulldurchgangsreferenzsignals (DZCref) und des verzögerten Nulldurchgangssignals (DZCmeas) mit einer Phasendifferenz von null miteinander ausgerichtet sein.
  • Der Phasenfehlerdetektor 32 ist dazu konfiguriert, das verzögerte Nulldurchgangsreferenzsignal (DZCref) und das verzögerte Nulldurchgangssignal (DZCmeas) zu empfangen, die Phasen derselben zu vergleichen, und ein Fehlersignal p(n) auf der Basis einer Phasendifferenz oder eines Phasenfehlers zwischen den zwei Signalen zu erzeugen. Die digitale Steuerung 43 ist dazu konfiguriert, das Fehlersignal p(n) zu empfangen und die Spannung HV auf der Basis der Antriebsspannung HV derart einzustellen, dass die PLL und der MEMS-Spiegel 12 synchronisiert werden. Beispielsweise kann die Ausgabe des DCO eingestellt werden, um die Phasen des verzögerten Nulldurchgangsreferenzsignals (DZCref) und des verzögerten Nulldurchgangssignals (DZCmeas) übereinstimmend zu halten.
  • Die digitale Steuerung 43 ist außerdem dazu konfiguriert, das Positionssignal (Position_L) und das Phasentaktsignal (Phase_CLK) auf der Basis von aus der PLL extrahierten Signalen zu erzeugen. Die digitale Steuerung 43 kann außerdem ein Richtungssignal (Richtung_L) auf der Basis des Positionssignals (Position_L) erzeugen, wobei das Richtungssignal (Richtung_L) die Rotationsrichtung des MEMS-Spiegels 12 angibt. Diese Signale werden an die Systemsteuerung 23 gesendet, um die Aussendegenauigkeit (z. B. Zeitablaufgenauigkeit) der ausgesendeten Laserstrahlen relativ zu einer Winkelposition des MEMS-Spiegels 12 zu verbessern.
  • Das MEMS-System zum Treiben und Positionserfassen 500 umfasst ferner eine Analoge-Verzögerung-Messschaltung 45. Die Verzögerungsmessschaltung 45 ist dazu konfiguriert, einen Auslösepuls (d. h. ein Testsignal) zu erzeugen und während einer normalen Laufzeit des MEMS-Spiegels 12 in einen oder mehrere Einbringungspunkte entlang des Analogsignalpfades SA (z. B. der Erfassungsrückkopplungspfad) einzubringen. Beispielsweise können ausgelöste Signalpulse in die Treiberschaltungsanordnung (z. B. die Antriebskondensatoren) an dem MEMS-Spiegel 12, in Signalleitungen der PCB oder in ein oder mehreren Komponenten (Stromzangen, TIAs, Tiefpassfilter, usw.), die entlang des Analogsignalpfades SA angeordnet sind, eingebracht werden. Wenn ein Puls in die Treiberschaltungsanordnung des MEMS-Spiegels 12 eingebracht wird, ist die Einbringung auf Fälle beschränkt, in denen die Antriebsspannung HV ausgeschaltet ist und die Antriebskondensatoren entladen sind.
  • Ein eingebrachter Puls verlässt den analogen Verzögerungsblock 42 schließlich, indem sich derselbe durch den zumindest einen Abschnitt des Analogsignalpfades SA ausbreitet, und wird durch die Verzögerungsmessschaltung 45 empfangen. Als Folge einer Verzögerung, die durch eine oder mehrere analoge Komponenten verursacht wird, wird der eingebrachte Puls unter einem ähnlichen Prinzip verzögert, welches bewirkt, dass das Nulldurchgangssignal ZCmeas verzögert ist. Die Verzögerungsmessschaltung 45 ist dazu konfiguriert, den verzögerten Puls zu empfangen und eine Verzögerungsperiode zu messen, welche eine Zeit zwischen einem Aussenden des eingebrachten Pulses und einem Empfangen des verzögerten Pulses ist. Diese Verzögerungsperiode stellt eine gemessene analoge Verzögerung dar, die einem Abschnitt des Analogsignalpfades SA entspricht, durch den sich der eingebrachte Auslösepuls ausbreitet.
  • Die Verzögerungsmessschaltung 45 ist ferner dazu konfiguriert, die programmierbare analoge Verzögerung (d. h. die erwartete analoge Verzögerung) der Programmierbare-Verzögerung-Schaltung 44 anzupassen oder neu zu programmieren. Um dies zu erreichen, kann die Verzögerungsmessschaltung 45 ein Konfigurationssignal Sc an die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung 44 senden, welches die programmierbare analoge Verzögerung auf der Basis der gemessenen analogen Verzögerung einstellt. Folglich kann die programmierbare analoge Verzögerung periodisch während einer Laufzeit des MEMS-Spiegels 12 aktualisiert werden, um sich dynamisch ändernden analogen Verzögerungen Rechnung zu tragen. Dadurch wird die Phase des verzögerten Nulldurchgangsreferenzsignals neu mit der Phase des verzögerten Nulldurchgangssignals (DZCmeas) auf einer periodischen Basis ausgerichtet, und präzise MEMS-Positionsinformationen können der Systemsteuerung 23 und ihrer Laseraussendeschaltungen bereitgestellt werden.
  • Zusätzlich dazu ist die Verzögerungsmessschaltung 45 ferner dazu konfiguriert, die gemessene analoge Verzögerung mit einer Erwartete-Verzögerung-Bandbreite (z. B. mit einem Erwartete-Verzögerung-Schwellwert) zu vergleichen. Unter der Bedingung, dass die gemessene analoge Verzögerung den Erwartete-Verzögerung-Schwellwert überschreitet (z. B. größer als derselbe ist), kann die Verzögerungsmessschaltung 45 dazu konfiguriert sein, einen Funktionssicherheits-(FuSa, Functional Safety)-Alarm zu erzeugen, der angibt, dass ein korrekter Betrieb des gesamten Systems beispielsweise aufgrund eines Komponentenausfalls oder einer Komponentenalterung nicht garantiert werden kann. Der FuSa-Alarm kann beispielsweise an eine elektronische Steuereinheit (ECU, Electronic Control Unit) eines Fahrzeuges gesendet werden, welche einen Benutzer darauf hinweist, dass eine Reparatur des LIDAR-Systems erforderlich ist. Somit kann die Verzögerungsmessschaltung 45 dazu verwendet werden, die Gesamtfunktionssicherheit des LIDAR-Systems zu überwachen sowie die Kompensation analoger Verzögerung in der Schaltungsanordnung des MEMS-Spiegels 12 und des MEMS-Treibers 25 zu verbessern.
  • Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können zumindest teilweise in Hardware, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden. Verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken können zum Beispiel innerhalb eines oder mehrerer Prozessoren implementiert werden, einschließlich einem oder mehreren Mikroprozessoren, Digitalsignalprozessoren (DSP), anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbaren Logikarrays (FPGA), programmierbaren Logiksteuerungen (PLC) oder einer beliebigen anderen äquivalenten, integrierten oder diskreten Logikschaltungsanordnungen sowie beliebigen Kombinationen solcher Komponenten. Der Begriff „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltungsanordnungen“ kann sich allgemein auf eine beliebige der vorstehenden Logikschaltungsanordnungen allein oder in Kombination mit anderen Logikschaltungsanordnungen oder beliebigen anderen äquivalenten Schaltungsanordnungen beziehen. Auch kann ein Hardware einschließendes Steuergerät eine oder mehrere Techniken dieser Anmeldung durchführen. Eine Steuereinheit kann elektrische Signale und digitale Algorithmen verwenden, um ihre Empfangs-, Analyse- und Steuerfunktionen auszuführen, die ferner Korrekturfunktionen umfassen können. Solche Hardware, Software und Firmware kann zur Unterstützung der in dieser Anmeldung beschriebenen verschiedenen Techniken innerhalb desselben Bauelementes oder innerhalb separater Bauelemente implementiert werden.
  • Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Offenbarung kann bzw. können als nichtflüchtiges computerlesbares Aufzeichnungsmedium implementiert sein, auf dem ein Programm aufgezeichnet ist, dass Verfahren/Algorithmen verkörpert, um den Prozessor anzuweisen, die Verfahren/Algorithmen auszuführen. Somit können auf einem nichtflüchtigen computerlesbaren Aufzeichnungsmedium elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sein, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenarbeiten (oder damit zusammenarbeiten können), so dass die jeweiligen Verfahren/Algorithmen ausgeführt werden. Das nichtflüchtige computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann beispielsweise eine CD-ROM, eine DVD, eine Blu-Ray-Scheibe, ein RAM, ein ROM, ein PROM, ein EPROM, ein EEPROM, ein FLASH-Speicher ein elektronisches Speicherelement sein.
  • Der Fachmann wird erkennen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele offenbart wurden, verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, mit denen einige der Vorteile der hier offenbarten Konzepte erzielt werden, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Dem Durchschnittsfachmann wird sich erschließen, dass andere Komponenten, die dieselben Funktionen erfüllen, auf geeignete Weise substituiert werden können. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zu erwähnen ist, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine spezielle Figur erklärt wurden, mit Merkmalen von anderen Figuren, und zwar auch von nicht explizit erwähnten, kombiniert werden können. Es ist beabsichtigt, dass solche Modifikationen des allgemeinen Erfindungskonzeptes von den angefügten Ansprüchen und deren Rechtsäquivalenten abgedeckt sind.

Claims (22)

  1. Ein Oszillatorsteuersystem, das folgende Merkmale aufweist: eine Oszillatorstruktur, die dazu konfiguriert ist, um eine Rotationsachse (13) zu oszillieren; einen Phasenfehlerdetektor (32), der dazu konfiguriert ist, ein Phasenfehlersignal (p(n)) auf der Basis eines verzögerten Ereigniszeitsignals und eines verzögerten Referenzsignals zu erzeugen, wobei das verzögerte Ereigniszeitsignal gemessene Ereigniszeiten der um die Rotationsachse (13) oszillierenden Oszillatorstruktur angibt und das verzögerte Referenzsignal erwartete Ereigniszeiten der um die Rotationsachse (13) oszillierenden Oszillatorstruktur angibt; einen Analogsignalpfad (SA), der zwischen die Oszillatorstruktur und den Phasenfehlerdetektor (32) gekoppelt ist, wobei der Analogsignalpfad (SA) dazu konfiguriert ist, ein Ereigniszeitsignal zu empfangen, das die gemessenen Ereigniszeiten angibt, und eine analoge Verzögerung an dem Ereigniszeitsignal induziert, wodurch das verzögerte Ereigniszeitsignal erzeugt wird; eine Steuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Referenzsignal zu erzeugen, das die erwarteten Ereigniszeiten angibt, und auf der Basis des Phasenfehlersignals (p(n)) ein treibendes Signal zu erzeugen, um eine Oszillation der Oszillatorstruktur zu treiben; eine Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44), die mit einer programmierbaren Verzögerung konfiguriert ist, wobei die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) dazu konfiguriert ist, das Referenzsignal zu empfangen und die programmierbare Verzögerung an dem Referenzsignal hervorzurufen, wodurch das verzögerte Referenzsignal erzeugt wird; und eine Analoge-Verzögerung-Messschaltung (45), die dazu konfiguriert ist, ein Testsignal in den Analogsignalpfad (SA) einzubringen, ein verzögertes Testsignal aus dem Analogsignalpfad (SA) zu empfangen, die analoge Verzögerung auf der Basis des verzögerten Testsignals zu messen, und ein Konfigurationssignal (Sc) zu erzeugen, das dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung der Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) gemäß der gemessenen analogen Verzögerung einzustellen.
  2. Das Oszillatorsteuersystem gemäß Anspruch 1, bei dem: die gemessenen Ereigniszeiten gemessene Nulldurchgangszeiten (ZCmeas) sind, bei denen ein Rotationswinkel der Oszillatorstruktur 0° beträgt, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert, und die erwarteten Ereigniszeiten erwartete Nulldurchgangszeiten (ZCref) sind, bei denen erwartet wird, dass der Rotationswinkel der Oszillatorstruktur 0° beträgt.
  3. Das Oszillatorsteuersystem gemäß Anspruch 2, bei dem der Phasenfehlerdetektor (32) dazu konfiguriert ist, Zeitablaufdifferenzen zwischen den gemessenen Nulldurchgangszeiten (ZCmeas) und den erwarteten Nulldurchgangszeiten (ZCref) zu bestimmen, wobei eine Zeitablaufdifferenz für jede der gemessenen Nulldurchgangszeiten (ZCmeas) und eine jeweilige der erwarteten Nulldurchgangszeiten (ZCref) bestimmt wird, und das Phasenfehlersignal (p(n)) repräsentativ für die bestimmten Zeitablaufdifferenzen zu erzeugen.
  4. Das Oszillatorsteuersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem: die Analoge-Verzögerung-Messschaltung (45) dazu konfiguriert ist, das Testsignal in den Analogsignalpfad (SA) einzubringen, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert, und die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung einzustellen, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert.
  5. Das Oszillatorsteuersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem: die Analoge-Verzögerung-Messschaltung (45) dazu konfiguriert ist, das Testsignal periodisch in den Analogsignalpfad (SA) einzubringen, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert, und die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung periodisch einzustellen, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert.
  6. Das Oszillatorsteuersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Analogsignalpfad (SA) eine Analogschaltungsanordnung umfasst, die mit der Oszillatorstruktur gekoppelt ist.
  7. Das Oszillatorsteuersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) dazu konfiguriert ist, das Konfigurationssignal (Sc) zu empfangen, die programmierbare Verzögerung einzustellen, und das verzögerte Referenzsignal auf der Basis der eingestellten programmierbaren Verzögerung und des Referenzsignals zu erzeugen.
  8. Das Oszillatorsteuersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem: die Analoge-Verzögerung-Messschaltung (45) dazu konfiguriert ist, die gemessene analoge Verzögerung mit einem Verzögerungsschwellwert zu vergleichen, und unter einer Bedingung, dass die gemessene analoge Verzögerung den Verzögerungsschwellwert überschreitet, ein Alarmsignal zu erzeugen, das einen Systemausfall angibt.
  9. Ein Verfahren zum Steuern einer Oszillatorstruktur, die dazu konfiguriert ist, gemäß einem treibenden Signal um eine Rotationsachse (13) zu oszillieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Treiben der Oszillatorstruktur dahingehend, gemäß einem treibenden Signal um eine Rotationsachse (13) zu oszillieren; Erzeugen, durch einen Phasenfehlerdetektor (32), eines Phasenfehlersignals (p(n)) auf der Basis eines verzögerten Ereigniszeitsignals und eines verzögerten Referenzsignals, wobei das verzögerte Ereigniszeitsignal gemessene Ereigniszeiten der um die Rotationsachse (13) oszillierenden Oszillatorstruktur angibt und das verzögerte Referenzsignal erwartete Ereigniszeiten der um die Rotationsachse (13) oszillierenden Oszillatorstruktur angibt; Hervorrufen, durch einen Analogsignalpfad (SA), einer analogen Verzögerung an dem Ereigniszeitsignal, wodurch das verzögerte Ereigniszeitsignal erzeugt wird, wobei der Analogsignalpfad (SA) zwischen die Oszillatorstruktur und den Phasenfehlerdetektor (32) gekoppelt ist; Erzeugen eines Referenzsignals, das die erwarteten Ereigniszeiten angibt; Erzeugen des treibenden Signals auf der Basis des Phasenfehlersignals (p(n)) dahingehend, eine Oszillation der Oszillatorstruktur zu treiben; Hervorrufen einer programmierbaren Verzögerung an dem Referenzsignal, wodurch das verzögerte Referenzsignal erzeugt wird; Einbringen eines Testsignals in den Analogsignalpfad (SA); Hervorrufen, durch den Analogsignalpfad (SA), der analogen Verzögerung an dem Testsignal, wodurch das verzögerte Testsignal erzeugt wird; Messen der analogen Verzögerung auf der Basis des eingebrachten Testsignals und des verzögerten Testsignals; und Erzeugen eines Konfigurationssignals (SC), das dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung gemäß der gemessenen analogen Verzögerung einzustellen.
  10. Das Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem: die gemessenen Ereigniszeiten gemessene Nulldurchgangszeiten (ZCmeas) sind, bei denen ein Rotationswinkel der Oszillatorstruktur 0° beträgt, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert, und die erwarteten Ereigniszeiten erwartete Nulldurchgangszeiten (ZCref) sind, bei denen erwartet wird, dass der Rotationswinkel der Oszillatorstruktur 0° beträgt.
  11. Das Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem: das Einbringen des Testsignals in den Analogsignalpfad (SA) ausgeführt wird, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert, und das Einstellen der programmierbaren Verzögerung ausgeführt wird, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert.
  12. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, das ferner folgende Schritte aufweist: periodisches Einbringen des Testsignals in den Analogsignalpfad (SA), während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert; und periodisches Einbringen der programmierbaren Verzögerung, während die Oszillatorstruktur um die Rotationsachse (13) oszilliert.
  13. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, das ferner folgenden Schritt aufweist: Erzeugen des verzögerten Referenzsignals auf der Basis der eingestellten programmierbaren Verzögerung und des Referenzsignals.
  14. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, das ferner folgende Schritte aufweist: Vergleichen der gemessenen analogen Verzögerung mit einem Verzögerungsschwellwert; und unter einer Bedingung, dass die gemessene analoge Verzögerung den Verzögerungsschwellwert überschreitet, Erzeugen eines Alarmsignals, das einen Systemausfall angibt.
  15. Ein Lichtdetektion- und Entfernungsmessung-(LIDAR, Light Detection and Ranging)-Steuersystem, das folgende Merkmale aufweist: einen Mikroelektromechanisches-System-(MEMS)-Spiegel (12), der dazu konfiguriert ist, um eine Rotationsachse (13) zu oszillieren; einen Phasenfehlerdetektor (32), der dazu konfiguriert ist, ein Phasenfehlersignal (p(n)) auf der Basis eines verzögerten Ereigniszeitsignals und eines verzögerten Referenzsignals zu erzeugen, wobei das verzögerte Ereigniszeitsignal gemessene Ereigniszeiten des um die Rotationsachse (13) oszillierenden MEMS-Spiegels (12) angibt und das verzögerte Referenzsignal erwartete Ereigniszeiten des um die Rotationsachse (13) oszillierenden MEMS-Spiegels (12) angibt; einen Analogsignalpfad (SA), der zwischen den MEMS-Spiegel (12) und den Phasenfehlerdetektor (32) gekoppelt ist, wobei der Analogsignalpfad (SA) dazu konfiguriert ist, ein Ereigniszeitsignal zu empfangen, das die gemessenen Ereigniszeiten angibt, und eine analoge Verzögerung an dem Ereigniszeitsignal induziert, wodurch das verzögerte Ereigniszeitsignal erzeugt wird; eine Steuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Referenzsignal zu erzeugen, das die erwarteten Ereigniszeiten angibt, und auf der Basis des Phasenfehlersignals (p(n)) ein treibendes Signal zu erzeugen, um eine Oszillation des MEMS-Spiegels (12) zu treiben; eine Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44), die mit einer programmierbaren Verzögerung konfiguriert ist, wobei die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) dazu konfiguriert ist, das Referenzsignal zu empfangen und die programmierbare Verzögerung an dem Referenzsignal hervorzurufen, wodurch das verzögerte Referenzsignal erzeugt wird; und eine Analoge-Verzögerung-Messschaltung (45), die dazu konfiguriert ist, ein Testsignal in den Analogsignalpfad (SA) einzubringen, ein verzögertes Testsignal aus dem Analogsignalpfad (SA) zu empfangen, die analoge Verzögerung auf der Basis des verzögerten Testsignals zu messen, und ein Konfigurationssignal (Sc) zu erzeugen, das dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung der Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) gemäß der gemessenen analogen Verzögerung einzustellen.
  16. Das LIDAR-Steuersystem gemäß Anspruch 15, bei dem: die gemessenen Ereigniszeiten gemessene Nulldurchgangszeiten (ZCmeas) sind, bei denen ein Rotationswinkel des MEMS-Spiegels (12) 0° beträgt, während der MEMS-Spiegel (12) um die Rotationsachse (13) oszilliert, und die erwarteten Ereigniszeiten erwartete Nulldurchgangszeiten (ZCref) sind, bei denen erwartet wird, dass der Rotationswinkel des der MEMS-Spiegels (12) 0° beträgt.
  17. Das LIDAR-Steuersystem gemäß Anspruch 16, bei dem der Phasenfehlerdetektor (32) dazu konfiguriert ist, Zeitablaufdifferenzen zwischen den gemessenen Nulldurchgangszeiten (ZCmeas) und den erwarteten Nulldurchgangszeiten (ZCref) zu bestimmen, wobei eine Zeitablaufdifferenz für jede der gemessenen Nulldurchgangszeiten (ZCmeas) und eine jeweilige der erwarteten Nulldurchgangszeiten (ZCref) bestimmt wird, und das Phasenfehlersignal (p(n)) repräsentativ für die bestimmten Zeitablaufdifferenzen zu erzeugen.
  18. Das LIDAR-Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem: die Analoge-Verzögerung-Messschaltung (45) dazu konfiguriert ist, das Testsignal in den Analogsignalpfad (SA) einzubringen, während der MEMS-Spiegel (12) um die Rotationsachse (13) oszilliert, und die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung einzustellen, während der MEMS-Spiegel (12) um die Rotationsachse (13) oszilliert.
  19. Das LIDAR-Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem: die Analoge-Verzögerung-Messschaltung (45) dazu konfiguriert ist, das Testsignal periodisch in den Analogsignalpfad (SA) einzubringen, während der MEMS-Spiegel (12) um die Rotationsachse (13) oszilliert, und die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) dazu konfiguriert ist, die programmierbare Verzögerung periodisch einzustellen, während der MEMS-Spiegel (12) um die Rotationsachse (13) oszilliert.
  20. Das LIDAR-Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der Analogsignalpfad (SA) eine Analogschaltungsanordnung umfasst, die mit dem MEMS-Spiegel (12) gekoppelt ist.
  21. Das LIDAR-Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die Programmierbare-Verzögerung-Schaltung (44) dazu konfiguriert ist, das Konfigurationssignal (Sc) zu empfangen, die programmierbare Verzögerung einzustellen, und das verzögerte Referenzsignal auf der Basis der eingestellten programmierbaren Verzögerung und des Referenzsignals zu erzeugen.
  22. Das LIDAR-Steuersystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem: die Analoge-Verzögerung-Messschaltung (45) dazu konfiguriert ist, die gemessene analoge Verzögerung mit einem Verzögerungsschwellwert zu vergleichen, und unter einer Bedingung, dass die gemessene analoge Verzögerung den Verzögerungsschwellwert überschreitet, ein Alarmsignal zu erzeugen, das einen Systemausfall angibt.
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