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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für eine Lichtquelle mit einer Kapazität, mit einer Ladeeinheit, einem Entladeschalter, einer Steuereinheit mit Messeinheit und Auswerteeinheit, um die Energie bei der Abgabe eines Lichtimpulses der Lichtquelle zu ermitteln.
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Derartige Treiberschaltungen werden häufig für die Steuerung von Lichtquellen, insbesondere Laserlichtquellen, mit einer Kapazität eingesetzt, wie sie beispielsweise in Lidar-Systemen vorkommen. Lidar-Systeme oder Lidar-Sensoren (LiDAR: Light Detection And Ranging) sind eine Art von optischen Sensoren, die in vielen Anwendungsfällen eingesetzt werden können, um die Umgebung des Sensors zu erfassen und schließlich auszuwerten. Beispielsweise finden in Fahrzeugen Lidar-Sensoren Anwendung, um die Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen und entsprechende Regelungen von Komponenten des Fahrzeugs vorzunehmen. Beispielsweise können Lidar-Sensoren eingesetzt werden, wenn Abstandsmessungen zum vorausfahrenden Fahrzeug erfolgen sollen. Auch beim autonomen oder teilautonomen Fahren von Fahrzeugen, bei dem ein selbständiges und automatisches Abbremsen, Lenken und Beschleunigen des Fahrzeugs möglich ist, werden Lidar-Sensoren eingesetzt, um eine Umgebung im Bereich des Fahrzeugs zu beobachten und Objekte innerhalb des Umgebungsbereichs zu detektieren. Verwendet werden hierbei häufig Verfahren zur direkten Lichtlaufzeitmessung, bei denen einzelne Ereignisse detektiert werden.
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Lidar-Systeme oder Lidar-Sensoren umfassen in der Regel eine Vielzahl von Fotodetektoren oder Fotodioden, die in Form einer Matrix angeordnet sind, und eine Lidar-Empfänger-Schaltung, um die detektierten Signale auszuwerten. Dabei werden von Lichtquellen gepulste Lichtsignale ausgesendet, an einem Objekt reflektiert und dann von der Lidar-Empfänger-Schaltung auf Basis der von den Detektoren ermittelten Signale ausgewertet.
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Die in Lidar-Sensoren häufig verwendeten Laserlichtquellen oder Laserdioden unterliegen gesetzlichen Anforderungen, beispielsweise im Hinblick auf die Augensicherheit. Die abgestrahlte Energiemenge darf nicht zu groß sein, um Personen in der Umgebung der Lidar-Systeme zu gefährden. Gegebenenfalls muss die abgegebene durchschnittliche Energiemenge begrenzt werden. Die abgegebene Energiemenge muss periodisch gemessen werden, um eine Überschreitung des maximalen Grenzwerts vor einer Gefährdung zu erkennen und das LiDAR-System in einen sicheren Zustand zu überführen.
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Die einwandfreie Funktionstüchtigkeit des Lidar-Systems ist insbesondere beim autonomen Fahren von entscheidender Bedeutung. Wenn von der Laserlichtquelle kein Lichtimpuls ausgesendet wird, können auch keine reflektierten Lichtimpulse empfangen werden, sodass Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs nicht erkannt werden. Bei einer fehlerhaften oder defekten Lichtquelle kann keine Überwachung der Umgebung erfolgen. Deshalb ist es wichtig, eine einwandfreie Funktion der Lichtquelle zu kennen. Dies wird in der Regel durch Messung der abgegebenen Energie der Lichtquelle und einen Vergleich mit einem nötigen minimalen Grenzwert sichergestellt.
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Um die abgegebene Energie der Lichtquelle zu messen, besteht zum einen die Möglichkeit, den Strom durch die Lichtquelle zu detektieren. Eine derartige Messung ist jedoch kompliziert, aufwendig und somit teuer. Beispielsweise kommen in Lidar-Systemen kurze Pulse mit hohen Strömen zum Einsatz, bei denen eine Begrenzungs- oder Mess-Einheit im Strompfad die Leistung des Treibers deutlich reduziert. Die weitere Möglichkeit ist, den abgegebenen Lichtimpuls mit einer optischen Messanordnung zu detektieren. Auch dieses Verfahren ist sehr aufwendig zu realisieren und deshalb teuer. Insbesondere müssen auf den Platinen und Leiterplatten der Lidar-Systeme Raum für optische Überwachungssysteme zusätzlich vorgesehen werden, sodass die Baugröße vergrößert wird, was als sehr nachteilig angesehen wird. Zudem ist eine kontrollierte optische Kopplung zwischen Messeinheit und Lichtquelle nötig, die einen Teil der Ausgangsleistung zur Messung benötigt und zusätzliche Verluste im optischen Pfad einführt.
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Es besteht somit ein hoher Bedarf am Stand der Technik, eine einfache Überwachung der von einer Laserlichtquelle abgegebenen Energie durchzuführen.
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Gelöst wird die vorliegende Aufgabe mit einer Treiberschaltung für eine Lichtquelle mit einer Kapazität mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Lasermodul zum Ansteuern einer Laserlichtquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 8, mit einem Lidar-System zum Erkennen von Objekten in der Umgebung des Lidar-Systems mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Die in Lidar-Systemen zur Erzeugung eines Lichtimpulses verwendeten Lichtquellen umfassen in der Regel eine Laserlichtquelle und eine Kapazität, die geladen wird und für die Abgabe des Lichtimpulses innerhalb weniger Mikrosekunden oder Nanosekunden entladen wird. Im Rahmen der Erfindung wurde hierbei erkannt, dass in der Regel die Kapazität oder die Zuleitungen zur Kapazität, also zwischen Treiberschaltung und Kapazität der Lichtquelle oder zwischen Kapazität und Laserlichtquelle die entscheidenden Faktoren für die Zuverlässigkeit der Lichtquelle sind. Eine Lichtquelle wird hierbei als Laserlichtquelle und zugehöriger Kapazität definiert. Es hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass es bei bekannter Kapazität der Lichtquelle ausreicht, die Spannung vor der Abgabe des Lichtimpulses und nach der Abgabe des Lichtimpulses zu messen. Hieraus kann eine für die abgegebene elektrische Energie charakteristische Größe ermittelt werden. Durch eine Messung der optischen und elektrischen Energie nach der Produktion und vor Einbau des Systems kann eine gute Korrelation zwischen optischer und elektrischer Energie am gegebenen Arbeitspunkt erzielt werden, sodass bei einer Abweichung der elektrischen Energie vom Zielwert mit großer Wahrscheinlichkeit auch eine Abweichung der optischen Energie zu erwarten ist.
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In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Treiberschaltung für eine Lichtquelle mit einer Kapazität, umfassend eine Steuerschnittstelle mit einem Steuerport zum Empfangen von Steuersignalen, bevorzugt von einer Kontrolleinheit, einen Spannungsport zum Anschluss an eine Spannungsquelle und einen Masseanschluss zum Anschluss an eine Schaltungsmasse. Die Schaltungsmasse wird als „Ground“ bezeichnet und kann beispielsweise das Bezugspotenzial für die Schaltung, einer übergeordneten Schaltung oder Platine, eines Lidar-Systems, eines Geräts oder ähnliches sein.
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Die Treiberschaltung umfasst weiter eine Ausgangsschnittstelle mit einem Ladeport zum Ausgeben eines Ladestrom für eine angeschlossene Lichtquelle und mit einem Entladeport für die Lichtquelle sowie mit einem Masseport zum Anschluss an die Schaltungsmasse. Eine Ladeeinheit der Treiberschaltung ist dazu eingerichtet, um eine Verbindung zwischen dem Ladeport und dem Spannungsport herzustellen und die Lichtquelle mit Spannung zu versorgen, die an die Treiberschaltung angeschlossen sein kann. Ein Entladeschalter der Treiberschaltung ist dazu eingerichtet, eine Verbindung zwischen Entladeport und Masseport zum Anschluss an die Schaltungsmasse herzustellen, um einen Stromfluss durch eine an die Treiberschaltung angeschlossene Lichtquelle zur Abgabe eines Lichtimpulses zu bewirken.
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Die Treiberschaltung umfasst eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Ladeeinheit und des Entladeschalters, wobei die Steuereinheit eine Messeinheit und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der von der angeschlossenen Lichtquelle abgegebenen Energie umfasst. Die Messeinheit ist dazu eingerichtet, um eine Vor-Puls-Spannung am Ladeport zu messen, sobald die Kapazität der Lichtquelle geladen ist und um eine Nach-Puls-Spannung am Ladeport zu messen, sobald die Kapazität der Lichtquelle entladen ist. Die Messung am Ladeport erfolgt jeweils zwischen Ladeport und Masseport. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, um eine Auswertung der gemessenen Vor-Puls-Spannung und Nach-Puls-Spannung vorzunehmen und aus der Spannungsdifferenz auf die von der Lichtquelle abgegebene Energie zu schließen und um ein Kontrollsignal zu erzeugen und dieses über die Steuerschnittstelle der Treiberschaltung abzugeben. Bevorzugt wird das Kontrollsignal an eine an der Steuerschnittstelle angeschlossene Kontrolleinrichtung übermittelt.
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Die Treiberschaltung hat den Vorteil, dass sie Anschlussmöglichkeiten für eine Lichtquelle, umfassend eine Laserlichtquelle und eine Kapazität, bietet und die Möglichkeit vorsieht, um über eine Ladeeinheit und einen Entladeschalter die Steuerung zum Laden und Entladen der Kapazität der Lichtquelle vorzunehmen und so einen Lichtimpuls zu erzeugen. Dabei kann mittels der Messeinheit und entsprechendes Schalten der Ladeeinheit und des Entladeschalters die Spannung über der angeschlossenen Kapazität der Lichtquelle gemessen werden und daraus eine charakteristische Größe für die abgegebene Energie der Lichtquelle ermittelt werden. Eine derartige Schaltung lässt sich sehr einfach aufbauen, ist robust und zuverlässig. Zudem ist eine derartige Treiberschaltung kostengünstig und lässt sich in hohen Stückzahlen produzieren.
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Die Treiberschaltung bietet den Vorteil, dass während der Messung der Spannung über der Kapazität sowohl der Ladeschalter (Ladeeinheit) als auch der Entladeschalter hochohmig geschaltet werden können und so eine offene Verbindung zwischen der Treiberschaltung (bzw. einem Anschlussport für die Lichtquelle, sogenannter Ladeport) und der Kapazität der Lichtquelle erkannt werden kann. Dies ist sehr wichtig, da bei einer offenen Verbindung die Kapazität nicht geladen wird und somit kein Lichtimpuls ausgesendet wird. Würde man die Ladeeinheit (z.B. einen PMOS-Ladeschalter) während der Spannungsmessung vor dem Puls (Lichtimpuls) nicht hochohmig schalten, würde die Steuereinheit bzw. deren Messeinheit (z.B. ein ADC) die Betriebsspannung messen (z.B. 40V) und keinen Fehler ausgeben. Auch die Messung nach dem Puls würde eine erwartet niedrige Spannung liefern, da der Ladeport durch Leckströme entladen wird, sobald der Ladeschalter zum Pulsen hochohmig geschaltet wird. Der Ladeschalter muss vor dem Puls hochohmig geschaltet werden, um die Messung nach dem Puls nicht zu beeinflussen. Eine Diagnose würde also keinen Fehler liefern, obwohl keine Energie durch die Lichtquelle geflossen ist. Durch Abschalten der Ladeeinheit (z.B. eines Ladeschalters) bei der Spannungsmessung vor dem Puls kann man diesen Fehler jedoch erkennen, da ohne Verbindung zwischen Ladeport und Kapazität der Ladeport nur eine sehr geringe parasitäre Kapazität hat. Diese wird durch die parasitäre Last der Steuereinheit (z.B. des ADCs) entladen, sodass vor dem Puls eine deutlich zu geringe Spannung detektiert wird.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Lasermodul zum Ansteuern einer Lichtquelle, umfassend die Lichtquelle mit einer Laserlichtquelle zum Aussenden eines Lichtimpulses für eine Lidar-Schaltung und eine Kapazität zur Energieversorgung der Laserlichtquelle. Das Lasermodul umfasst weiter eine Treiberschaltung, wie sie oben beschrieben ist. Hierbei ist die Lichtquelle an den Ladeport, den Masseport und den Entladeport angeschlossen. Die Lichtquelle kann mittels der Treiberschaltung entsprechend gesteuert werden, wobei die bei der Abgabe eines Lichtimpulses abgegebene Energie ermittelt wird. Ein derartiges Lasermodul lässt sich recht kompakt aufbauen und günstig in hohen Stückzahlen herstellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Lidar-System zum Erkennen von Objekten in der Umgebung des Lidar-Systems, umfassend ein Lasermodul wie oben beschrieben zum Aussenden einer optischen Strahlung im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich und umfassend einen Lidar-Empfänger mit einer Lidar-Empfänger-Schaltung und mit wenigstens einer Fotodiode zum Empfang von an einem Objekt reflektierter optischer Strahlung. Das Lidar-System umfasst weiter eine Kontrolleinrichtung zum Ansteuern des Lasermoduls und zum Auslesen der Lidar-Empfänger-Schaltung, um Objekte in der Umgebung des Lidar-Systems zu detektieren und zu erkennen und um daraus weitere Steuersignale, beispielsweise für ein Fahrzeug oder für das autonome oder teilautonome Fahren eines Fahrzeugs, zu generieren.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Fahrzeug mit einer Treiberschaltung wie oben beschrieben, mit einem Lasermodul wie oben beschrieben oder mit einem entsprechenden Lidar-System.
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Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein entsprechendes Verfahren und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird oder in einem Mikroprozessor implementiert ist und auf diesem ausgeführt wird.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können das Verfahren und das Computerprogrammprodukt entsprechend der für die Vorrichtung in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Treiberschaltung umfasst die Ladeeinheit eine Stromquelle und/oder einen Ladeschalter. Der Ladeschalter ist bevorzugt als CMOS-Transistor oder als PMOS-Transistor ausgebildet. Die Stromquelle kann beispielsweise durch einen stromgetriebenen Transistor realisiert werden. Hierbei ist es möglich, einen vorgegebenen Ladestrom für eine bestimmte Zeit einzuprägen und dabei die Zeit des Ladevorgangs der Kapazität zu messen. Dadurch kann man die tatsächliche Kapazität während des Betriebs bestimmen und gegen einen Referenzwert prüfen, der beispielsweise vor Inbetriebnahme der Treiberschaltung bzw. des Lasermoduls mit Lichtquelle und Treiberschaltung ermittelt wurde. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit für unerkannte Ausfälle über die Lebenszeit und kann zum Erreichen hoher Sicherheitsanforderungen (z.B. automotive safety level ASIL C oder D) umgesetzt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Treiberschaltung sieht vor, die Entladeschaltung als CMOS-Transistor oder als PMOS-Transistor oder als NMOS-Transistor auszubilden. Je nach verwendeter Schaltungstechnologie werden die entsprechenden Transistoren verbaut.
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Eine alternative Ausführungsform der Treiberschaltung sieht vor, die Entladeschaltung als Gallium-Nitrid Transistor (GaN-FET) umzusetzen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Treiberschaltung dazu eingerichtet, um die Ladeeinheit in eine Offenstellung derart zu schalten, dass eine Verbindung zwischen Kapazität der angeschlossenen Lichtquelle und dem Spannungsport unterbrochen wird. Die Ladeeinheit ist bevorzugt dazu ausgebildet, um die Offenstellung einzunehmen, bevor die Messeinheit eine Spannungsmessung ausführt. Dies ist besonders vorteilhaft, da somit zuverlässig sichergestellt werden kann, dass keine Spannung zwischen dem Ladeport und dem Masseport gemessen wird, wenn die Kapazität der angeschlossenen Lichtquelle nicht geladen ist. Andernfalls könnte bei geschlossener Ladeeinheit, also wenn eine Verbindung zwischen dem Ladeport und dem Spannungsport besteht, die Betriebsspannung der Treiberschaltung gemessen werden, unabhängig davon, ob eine Lichtquelle angeschlossen ist und ob eine Kapazität der Lichtquelle geladen ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Treiberschaltung sieht vor, dass die Treiberschaltung mehrere Ladeports für mehrere Lichtquellen aufweist. Hierzu sind an den mehreren Ladeports jeweils eine Lichtquelle mit Laserlichtquelle und Kapazität angeschlossen. Besonders bevorzugt umfasst die Treiberschaltung vier Ladeports, um insgesamt vier Lichtquellen anzuschließen und anzusteuern. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Treiberschaltung mehrere Ladeports, jedoch bevorzugt nur einen Entladeport. Mehrere Ladeport sind notwendig, um die einzelnen Lichtquellen separat schalten und ansteuern zu können. Ein gemeinsamer Entladeport ist hierfür ausreichend.
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Wenn die Treiberschaltung mehrere Ladeports aufweist, umfasst bevorzugt die Steuereinheit der Treiberschaltung einen Multiplexer, der jeden Ladeport mit dem Eingang der Steuereinheit verbindet. Vorzugsweise hat die Steuereinheit lediglich einen Eingang bzw. Ausgang, um eine Messung an den einzelnen Ladeports durchzuführen. Beim Vorhandensein mehrerer Ladeports ist bevorzugt die Ladeeinheit so ausgebildet, dass jeder Ladeport separat mit der Spannungsversorgung, also dem Spannungsport, verbunden werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ladeeinheit mehrere Ladeschalter, bevorzugt für jeden Ladeport einen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann die Ladeeinheit eine Stromquelle umfassen, kombiniert mit mehreren Schaltern, nämlich für jeden Ladeport einen Schalter, um die Stromquelle jeweils an den entsprechenden Ladeport anschließen zu können bzw. eine Verbindung herstellen zu können. In einer bevorzugten Ausführungsform der Treiberschaltung mit mehreren Ladeports sind also mehrere Ladeschalter vorgesehen, bevorzugt ist die Anzahl von Ladeports und Ladeschaltern gleich.
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In einer bevorzugten Ausführung der Treiberschaltung ist die Steuereinheit oder sind Teile der Steuereinheit als eine Analog-Digital-Conversion-Schaltung, ADC, ausgebildet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Treiberschaltung ist so ausgebildet, dass der Ladeport mit der Steuereinheit verbunden ist, besonders bevorzugt, dass die Messeinheit der Steuereinheit mit dem Ladeport verbunden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Lasermodul mehrere Lichtquellen, bevorzugt vier Lichtquellen. Die Treiberschaltung hat in diesem Fall mehrere Ladeports für mehrere Lichtquellen, Vorzugsweise verfügen die mehreren Lichtquellen über einen Common Cathode Port, also über einen gemeinsamen Kathodenanschluss, der an den einen Entladeport der Treiberschaltung angeschlossen ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Laserlichtquelle eine Laserdiode ist. Laserdioden sind in unterschiedlichen Ausführungsform bekannt. Sie sind besonders geeignet, um eine sehr fokussierte, optische Strahlung auszusenden. Zudem lassen Sie sich schnell ein- und ausschalten, sodass Laserimpulse und Lichtimpulse mit hohen Anstiegs- und Abfallflanken in kleinen Schaltzeiten realisieren lassen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Lasermoduls sieht, dass die Treiberschaltung in einem Chip oder einem IC umfasst ist. Vorzugsweise hat die Treiberschaltung ein Gehäuse. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die eine oder die mehreren Lichtquellen auf dem Gehäuse der Treiberschaltung angeordnet. Auf diese Weise sind die Verbindungsdrähte zwischen dem Ladeport bzw. Entladeport und der Lichtquelle sehr kurz. Hierdurch wird die parasitäre Induktivität der Zuleitungen reduziert. Insgesamt lässt sich auf diese Weise ein sehr kompaktes Lasermodul herstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Lasermodul eine Kontrolleinheit, die an dem Steuerport der Treiberschaltung angeschlossen ist, und die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, um ein Kontrollsignal der Treiberschaltung zu empfangen und zu verarbeiten. Dieses Kontrollsignal kann beispielsweise Informationen umfassen, ob die gemessene Spannung in einem vorgegebenen Bereich ist. Beispielsweise kann das Signal eine Information umfassen, dass die Vor-Puls-Spannung vor Abgabe des Lichtimpuls und nach dem Laden der Kapazität der Lichtquelle in einem vorgegebenen Bereich ist, beispielsweise in einem Bereich zwischen Betriebsspannung und einer unteren Grenze von wenigstens 70 % der Betriebsspannung, 80 % der Betriebsspannung oder 90 % der Betriebsspannung.
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Erfindungsgemäß wird die von einem Lasermodul abgegebene Energie mittels eines Verfahrens mit mehreren Schritten ermittelt. Bei einem oben beschriebenen Lasermodul mit der oben genannten Treiberschaltung wird zunächst eine Verbindung der Kapazität der Lichtquelle mit einer Spannungsversorgung hergestellt. Dies erfolgt mittels der Ladeeinheit der Treiberschaltung, vorzugsweise mittels eines Ladeschalters. Sobald die Kapazität geladen ist, wird in einem bevorzugten Schritt die Verbindung zwischen Kapazität und Spannungsport der Treiberschaltung getrennt, sodass kein weiterer Ladestrom in die Kapazität fließen kann. In der Regel erfolgt die Trennung nach einer vorgegebenen Zeit, die sich aus den charakteristischen Daten der Kapazität sowie der Größe des Ladestroms ergibt. Vorzugsweise liegt der Zeitpunkt, zu dem die Trennung der Verbindung erfolgt, nach dem Zeitpunkt, zu dem die Kapazität geladen ist, in der Regel wenige Mikrosekunden später. Vorzugsweise erfolgt die Trennung vor der Messung der Spannung über der Kapazität.
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Dieser Schritt des Trennens vor Durchführung der Messung ist von daher besonders bevorzugt, da bei einer offenen Verbindung zwischen dem Ladeport und der Treiberschaltung und der Kapazität die Kapazität nicht geladen würde, und somit kein Lichtimpuls ausgesendet werden würde. Wäre der Ladeschalter bzw. die Ladeeinheit aktiv, beispielsweise der PMOS-Ladeschalter, während die Spannung vor der Abgabe des Pulses gemessen wird, würde die Steuereinheit die Betriebsspannung messen, also die Spannung, die am Spannungsport anliegt. Es würde jedoch kein Fehler ausgegeben werden. Auch eine Messung nach dem Puls würde eine niedrige Spannung (Nach-Puls-Spannung) liefern, da der Ladeport durch Leckströme entladen werden würde. Eine Diagnose würde also keinen Fehler liefern, obwohl keine Energie durch die Laserlichtquelle geflossen ist und kein Lichtimpuls ausgesendet wurde.
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Durch Schalten des Ladeschalters, also durch Öffnen des Ladeschalters bzw. der Ladeeinheit bei Messung vor dem Puls, kann dieser Fehler jedoch erkannt werden, da ohne eine Verbindung zwischen dem Ladeport der Treiberschaltung und der Kapazität der Ladeport nur eine sehr geringe parasitäre Kapazität hat. Diese wird durch die parasitäre Last in der Steuereinheit entladen, sodass man vor dem Impuls eine deutlich zu geringe Spannung detektieren würde. Dies ergibt sich insbesondere dann, wenn die Steuereinheit einen ADC umfasst, also einen Analog Digital Converter.
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Nachdem in einem weiteren Schritt die Vor-Puls-Spannung an der Kapazität gemessen wurde, erfolgt das Entladen der Kapazität über die Laserlichtquelle durch Schließen des Entladeschalters. Hierbei wird ein Lichtimpuls abgegeben.
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Im Anschluss an die Abgabe des Lichtimpulses erfolgt nach einer Delay-Zeit die Messung der Nach-Puls-Spannung an der Kapazität. Die Delay-Zeit ist so gewählt, dass sich die Spannung am Ladeport nach dem Puls wieder stabilisiert hat. Bevorzugt sollte die Restschwingung mit beispielsweise +/- 1 % vernachlässigbar sein. Sie kann deutlich kürzer als die Messzeit sein und bevorzugt in der Größenordnung der Lichtimpulsdauer liegen. Die Messzeit für das Messen der Spannung an der Kapazität beträgt auch hier einige Nanosekunden, vorzugsweise wenigstens drei Nanosekunden, bevorzugt wenigstens fünf Nanosekunden, sehr bevorzugt wenigstens zehn Nanosekunden, weiter bevorzugt wenigstens 50 Nanosekunden, weiter bevorzugt wenigstens 100 Nanosekunden, weiter bevorzugt wenigstens 200 Nanosekunden. Vorzugsweise ist die Messzeit jedoch kleiner als 250 Nanosekunden, weiter bevorzugt kleiner 50 Nanosekunden, weiter bevorzugt kleiner 20 Nanosekunden, sehr bevorzugt kleiner oder gleich zehn Nanosekunden, besonders bevorzugt kleiner gleich fünf Nanosekunden.
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Im Anschluss an die Durchführung an der Nach-Puls-Spannungsmessung wird die Kapazität wieder geladen, sodass der nächste Lichtimpuls abgegeben werden kann. Die Ladezeit liegt dabei in der Größenordnung von einer Mikrosekunde, bevorzugt ist sie größer als 0,5 Mikrosekunden, besonders bevorzugt größer als 0,9 Mikrosekunden, weiter bevorzugt größer als 1,5 Mikrosekunden, sehr bevorzugt größer als zwei Mikrosekunden. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Ladezeit der Kapazität jedoch kleiner als fünf Mikrosekunden, weiter bevorzugt kleiner als 2,5 Mikrosekunden, weiter bevorzugt kleiner 1,5 Mikrosekunden, sehr bevorzugt kleiner 1,1 Mikrosekunden, sehr bevorzugt kleiner 0,9 Sekunden.
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Sobald die Messergebnisse der Spannungsmessung vorliegen, also die Vor-Puls-Spannung und die Nach-Puls-Spannung bekannt sind, wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine für die abgegebene Energie charakteristische Größe ermittelt. Bevorzugt ist die charakteristische Größe die Spannungsdifferenz zwischen der geladenen Kapazität und der entladenen Kapazität nach dem Lichtimpuls. Aus der Spannungsgröße lässt sich bei Kenntnis der Kapazität auf den Energieinhalt bzw. die abgegebene Energie schließen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht weitere Schritte vor. Diese werden insbesondere dann ausgeführt, wenn die charakteristischen Grö-ßen der Kapazität nicht bekannt sind oder wenn das Problem adressiert werden soll, dass der Strom durch die Laserlichtquelle mit der Größe der Kapazität korreliert und somit nicht unbedingt unabhängige Fehlerfälle detektiert werden können. Um die Abdeckung von Fehlern zu verbessern, kann statt einem Ladeschalter die Ladeeinheit als Stromquelle mit einem bekannten Strom ausgebildet werden, um die Kapazitäten zu laden. Dabei wird die Zeit des Ladevorgangs gemessen. Aufgrund des Stroms und der Ladezeit kann die tatsächliche Größe der Kapazität während des Betriebs bestimmt werden. Diese kann gegen einen Referenzwert, der beispielsweise während eines Kalibriervorgangs oder Kalibriermessvorgangs ermittelt wird, geprüft werden. Dies kann beispielsweise durch einen einfachen Vergleich erfolgen. Auf diese Weise lässt sich ermitteln, ob die Kapazität fehlerfrei arbeitet.
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Die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht also das Messen der Ladezeit der Kapazität vor, wenn sie mittels einer Stromquelle mit bevorzugt konstantem und bekanntem Strom geladen wird. Ein Vergleich der gemessenen Ladezeit mit einer in einem Speicher hinterlegten Ladezeit als Referenzwert ermöglicht eine Beurteilung, ob die Kapazität intakt ist. Auf dieser Basis kann zum einen entschieden werden bzw. beurteilt werden, ob die Kapazität während des Vorgangs intakt ist. Zum anderen kann beurteilt werden, ob die verwendete Lichtquelle, also die Laserlichtquelle mit Kapazität, intakt ist. Optional kann in einem weiteren Schritt ein Kontrollwert erzeugt werden, der an eine beispielsweise externe Kontrolleinheit ausgegeben wird.
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Eine weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit und Überprüfung des Lasermoduls kann dadurch erfolgen, dass das Lasermodul am Ende der Produktion kalibriert wird. In diesem Fall wird die Lichtleistung und die Spannung an der Kapazität vor dem Lichtimpuls und nach dem Lichtimpuls gemessen. Die Lichtleistung kann beispielsweise optisch detektiert werden. In einem weiteren Schritt werden Minimal- und Maximalwerte für diese Spannungen auf dem Chip, beispielsweise in der Treiberschaltung oder einer Speichereinheit der Treiberschaltung abgespeichert. Für die Spannungswerte vor und nach der Abgabe eines Lichtimpulses können auch Bereiche angegeben werden, beispielsweise ein Toleranzband von ± 10 % des jeweiligen Wertes oder ein ähnliches Toleranzband mit anderen Werten. Sollten die Minimalwerte und Maximalwerte der Spannungen unterschritten bzw. überschritten werden, wird ein Fehler erkannt und ausgegeben. In vielen Anwendungsfällen reicht eine derartige Kalibrierung aus, um die Sicherheit deutlich zu erhöhen. Es müssten schon mehrere Defekte gleichzeitig auftreten, um einen Fehler mit dieser Methode nicht zu ermitteln.
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Ist beispielsweise die Kapazität aufgrund eines Defekts kleiner als angenommen und ist der Strom durch die Laserlichtquelle ebenfalls kleiner als angenommen, so kann die gemessene Spannung vor Abgabe des Lichtimpulses (Vor-Puls-Spannung) und nach Abgabe des Lichtimpulses (Nach-Puls-Spannung) möglicherweise in dem vorgegebenen Limit liegen, sodass kein Fehler detektiert wird. In diesem Fall würde also eine falsche negative Schlussfolgerung gezogen werden. Derartige Fehler lassen sich aber ausschließen, wenn die Einheit eine Stromquelle mit bekanntem Strom umfasst, um die Kapazitäten zu laden, wie oben beschrieben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Prinzipschaltbild eines Lasermoduls mit einer Treiberschaltung;
- 2 ein Lidar-System mit einem Lasermodul nach 1;
- 3 eine Detailzeichnung des Lasermoduls mit vier Lichtquellen;
- 4a, b den Spannungsverlauf über der Kapazität mit und ohne Fehler;
- 5 den Spannungsverlauf über der Kapazität während der Abgabe mehrerer Lichtimpulse;
- 6 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit dem Lasermodul aus 1; und
- 7 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 bis 3 zeigen ein erfindungsgemäßes Lasermodul 10 mit einer Treiberschaltung 20 und einem Lichtmodul 32, das eine oder mehrere Lichtquellen umfassen kann. In 1 hat das Lichtmodul 32 vier Lichtquellen 30, die mit der Treiberschaltung 20 verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße Treiberschaltung 20 hat eine Steuereinheit 22, umfassend eine Messeinheit 24 und eine Auswerteeinheit 26. Die Steuereinheit 22 ist dazu ausgebildet, einen Entladeschalter 28 und eine Ladeeinheit 40 anzusteuern. Die Messeinheit 24 und die Auswerteeinheit 26 sind dazu ausgebildet, die Energie zu bestimmen, die von einer angeschlossenen Lichtquelle 30 abgegeben wird. Die Messeinheit 24 ist dazu ausgebildet, eine Vor-Puls-Spannung an einem Ladeport 46 zu messen, wobei die Messung zwischen dem Ladeport 46 und einem Masseport 48 erfolgt. Die Messung findet statt, sobald eine Kapazität der Lichtquelle 30 geladen ist.
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Die Messeinheit 22 ist weiterhin dazu eingerichtet, um eine Nach-Puls-Spannung an dem Ladeport 46 zu messen, sobald eine Kapazität der angeschlossenen Lichtquelle 30 entladen ist.
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Die Auswerteeinheit 26 nimmt eine Auswertung der gemessenen Spannungen, also der Vor-Puls-Spannung und der Nach-Puls-Spannung, vor und ermittelt die Spannungsdifferenz und schließt auf Basis der ermittelten Spannungsdifferenz auf die Energie, die von der Lichtquelle abgegeben wird, wenn ein Lichtimpuls erzeugt wird. Die Auswerteeinheit 26 ist weiterhin dazu ausgebildet, ein Kontrollsignal zu erzeugen und über eine Steuerschnittstelle 52 abzugeben. An die Steuerschnittstelle 52 kann beispielsweise eine optionale Kontrolleinheit 54 angeschlossen sein, wie in 1 gezeigt.
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2 zeigt ein Lidar-System 12 mit einem Lasermodul 10, wie in 1 gezeigt, mit einem Lidar-Empfänger 14, der eine Lidar-Empfänger-Schaltung 16 und ein Fotodioden-Array 19 mit wenigstens einer Fotodiode zum Empfangen von optischer Strahlung, die an einem Objekt reflektiert wird, umfasst. Bevorzugt ist eine Mehrzahl von Fotodioden umfasst, die in dem Fotodioden-Array 19 bevorzugt in Spalten und Zeilen angeordnet sind. Das Lidar-System 12 umfasst darüber hinaus eine Kontrolleinrichtung 13, zum Ansteuern des Lasermoduls und zum Auslesen der Empfängerschaltung. Das Lidar-System 12 ist folglich dazu ausgebildet, optische Lichtimpulse mittels des Lasermoduls 10 abzustrahlen und um die an einem Objekt in der Nähe des Lidar-Systems 12 reflektierte, optische Strahlung mit dem Lidar-Empfänger zu empfangen, auszuwerten und ein Informationssignal zu erzeugen, das eine Information zur Umgebung des Lidar-Systems umfasst, beispielsweise Informationen zu dem Abstand eines Objekts in der Nähe des Lidar-Systems 12.
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In 3 ist das Lasermodul 10 im Detail gezeigt. Das Lichtmodul 32 umfasst in der hier gezeigten Ausführungsform vier Lichtquellen 30, die jeweils eine Laserlichtquelle 34 und eine Kapazität 36 aufweisen. Die gezeigten Induktivitäten 38 sind parasitäre Induktivitäten der Zuleitung von den Ladeports 46 zu den Kapazitäten 36. Die Laserlichtquellen 34 der vier Lichtquellen 30 sind in Form einer Laserdiode ausgebildet.
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Jede der Lichtquellen ist an einem eigenen Ladeport 46 der Treiberschaltung 20 angeschlossen. Jeder der Ladeports 46 ist mit einer eigenen Ladeeinheit 40, die als Ladeschalter 42 ausgebildet ist, mit einem Spannungsport 54 verbunden sein, an dem eine Spannungsquelle (hier nicht dargestellt) angeschlossen ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Ladeeinheit 40 als Stromquelle ausgebildet werden, sodass auf die Ladeschalter 42, die in dem gezeigten Beispiel als PMOS-Transistor 44 ausgebildet sind, verzichtet werden kann.
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Die einzelnen Ladeports 46 sind mit den Ladeschaltern 42 und mit der Steuereinheit 22 verbunden. Die Steuereinheit 22 umfasst bevorzugt einen Multiplexer 56, sodass die vier Ladeports 46 abwechselnd und gezielt mit der Steuereinheit 22 derart verbunden werden können, dass jeweils nur der gewünschte Ladeport 46 angesteuert werden und eine Messung zwischen dem angesteuerten Ladeport 46 und dem Masseport 48 erfolgen kann.
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Um einen Lichtimpuls mit der ersten Lichtquelle 34a abzugeben, wird der erste Ladeschalter 42a durchgeschaltet. Ein Ladestrom fließt dann von dem Spannungsport 54 durch den Ladeschalter 42a an den Ladeport 46a, um die Kapazität 36a der Lichtquelle 30a zu laden. Die Ansteuerung des Ladeschalters 42a erfolgt mittels des Multiplexers 56. Sobald die Kapazität 36a geladen ist, erfolgt eine Messung zwischen dem Ladeport 46a und dem Masseport 48. Dies ist die „Vor-Puls-Spannung“ der ersten Lichtquelle 30a. Im Anschluss an die Messung wird der Ladeschalter 42a wieder geöffnet und hat damit den gleichen Zustand wie alle anderen Ladeschalter 42. Nun schaltet der gemeinsame Entladeport 50 durch, sodass die Kapazität 36a über die Laserlichtquelle 34a entladen wird und der Strom über den Entladeport 50 zu dem Masseanschluss 58 fließt, der mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Sobald der Lichtimpuls von der linken Lichtquelle 34a abgegeben wurde, öffnet der Entladeschalter 28 wieder. Nun wird erneut eine Messung zwischen dem Ladeport 46a und dem Masseport 48 durchgeführt, wobei die „Nach-Puls-Spannung“ über der Kapazität 36a gemessen wird. Die Steuereinheit 22, die mittels der Messeinheit 24 die Messungen ausgeführt hat, wertet nun die aufgenommenen Spannungen mittels der Auswerteeinheit 26 aus und gibt ein Kontrollsignal über die bidirektionale Steuerschnittstelle 52 und den Steuerport 53 aus, beispielsweise an eine angeschlossene Kontrolleinheit 60, wie in 1 gezeigt.
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Die 4a und 4b zeigen den Spannungsverlauf an der Kapazität 36 der Lichtquelle 30 über die Zeit.
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4a zeigt den Fall, in dem zu Beginn der Messung der Vor-Puls-Spannung die Kapazität 36, die in der Größenordnung von einem Nanofarad (ein nF) liegt, ausfällt, beispielsweise zerstört wird. In diesem Fall folgt eine Entladung der Kapazität über den Kapazitätsteiler zwischen der Kapazität 36 und der parasitären Kapazität der Steuereinheit 22, die im Bereich von wenigen Picofarad (pF) liegt.
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4b hingegen zeigt den Fall, bei dem die Kapazität 36 in Takt ist. Der minimale Spannungsabfall aufgrund des kapazitive Teilers mit der Steuereinheit 22 fällt aufgrund der unterschiedlich hohen Kapazitäten nicht ins Gewicht und ist in der Praxis vernachlässigbar.
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5 zeigt den Spannungsverlauf an der Kapazität 36 einer Lichtquelle 30 über der Zeit. Gezeigt sind mehrere Ladevorgänge der Kapazität, gefolgt von Entladevorgängen, in denen die Kapazität über die Laserlichtquelle 34 entladen wird, die einen Lichtimpuls abgibt.
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Während einer Ladezeitspanne 100 wird die Kapazität 36 aufgeladen. Sobald die Kapazität 36 vollständig geladen wird, schließt sich eine Entladezeitspanne 102 an. Während der Entladezeitspanne 102 wird die Kapazität entladen und ein Lichtimpuls von der zugehörigen Lichtquelle abgegeben. In dieser Zeitspanne fällt die Spannung der Kapazität auf einen Minimalwert ab. Nach vollständigem Entladen erfolgt eine Zeitverzögerungspanne 104, die auch als Delay-Zeit bezeichnet wird. Daran schließt sich eine Messzeitspanne 106 an, in der eine Messung der Spannung an der Kapazität erfolgt. In diesem Fall wird die Nach-Puls-Spannung gemessen, also die Spannung an der Kapazität nach Abgabe des Lichtimpulses.
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An die Messzeitspanne 106 anschließend erfolgt wiederum eine Ladezeitspanne 100, in der die Kapazität geladen wird. Hieran schließt sich eine weitere Messzeitspanne 108 für die Messung der Vor-Puls-Spannung an der Kapazität 36 an, also bevor die Kapazität wieder entladen wird. Folglich folgt der Messzeitspanne 108 wieder eine Entladezeitspanne 102 und eine Zeitverzögerungsspanne 104, bevor ein neues Laden der Kapazität 36 während einer Ladezeitspanne 100 stattfindet.
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In dem hier gezeigten Beispiel wird also während eines Lade- und Entladevorgangs der Kapazität zur Abgabe eines Lichtimpulses lediglich eine der beiden interessierenden Spannungen gemessen, nämlich entweder die Vor-Puls-Spannung oder die Nach-Puls-Spannung. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass zwischen einem Entladen der Kapazität und einem erneuten Laden lediglich die sehr kurze Verzögerungszeitspanne 104 liegt, wenn keine Messung der Nach-Puls-Spannung erfolgt. In diesem Fall kann also der nachfolgende Lichtimpuls schneller abgegeben werden. Insgesamt führt diese Vorgehensweise dazu, dass mehr Lichtimpulse ausgesendet werden können, sodass die Genauigkeit eines Lidar-Systems und/oder dessen Robustheit verbessert wird.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, bei jedem Lade- und Entladevorgang, also bei jeder Lichtpulsabgabe, sowohl Vor-Puls-Spannung als auch Nach-Puls-Spannung zu messen. In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass bei lediglich jedem zweiten abgegebenen Lichtimpuls eine Spannungsmessung erfolgt und dann abwechselnd die Messung der Vor-Puls-Spannung und der Nach-Puls-Spannung. Folglich wird also nur bei jedem vierten Lade-/Entladevorgang die Vor-Puls-Spannung gemessen und ebenfalls bei jedem vierten, um zwei Pulse versetzten Lade-/Entladevorgang die Nach-Puls-Spannung.
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6 zeigt ein Fahrzeug 70 mit einem erfindungsgemäßen Lasermodul 10, das eine Treiberschaltung 20 umfasst. Das Lasermodul 10 kann Teil eines Lidar-Systems 12 oder eines anderen Lidar-Sensors sein.
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7 zeigt eine schematische Abbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln der von einem Lasermodul 10 abgegebenen Energie. In einem ersten Schritt S10 erfolgt das Herstellen einer Verbindung der Kapazität 36 der Lichtquelle 30 mit einer Spannungsversorgung. Das Herstellen erfolgt mittels einer Ladeeinheit 40. In einem zweiten Schritt des Messens S12 wird an der Kapazität 36 eine Vor-Puls-Spannung gemessen, sobald die Kapazität geladen ist. Ein Schritt des Entladens S14 schließt sich an, indem die Kapazität 36 über die Laserlichtquelle 34 entladen wird. Der Entladevorgang wird durch Schließen des Entladeschalters 28 initiiert, wobei ein Lichtimpuls von der Laserlichtquelle 34 abgegeben wird. Ein weiterer Verfahrensschritt S16 schließt sich an, indem ein Messen einer Nach-Puls-Spannung an der Kapazität 36 erfolgt. In einem weiteren Schritt des Ermittelns S18 wird eine charakteristische Größe für die abgegebene Energie aus der gemessenen Vor-Puls-Spannung und der gemessenen Nach-Puls-Spannung ermittelt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen den Schritten S10 und S12 ein weiterer Schritt S20 des Trennens der Verbindung zwischen der Kapazität 36 und einem Spannungsport 54 erfolgen. Der Schritt S20 wird vor der Durchführung der Messung der Spannung, sei es Nach-Puls-Spannung oder Vor-Puls-Spannung, durchgeführt. Bevorzugt wird das Trennen der Verbindung gemäß S20 durchgeführt, sobald die Kapazität 36 geladen ist.
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Die hier aufgezeigten Verfahrensschritte können auch in anderer Reihenfolge als angegeben erfolgen. Zwischen den einzelnen Schritten können weitere Verfahrensschritte stattfinden. Auch können mehrere Verfahrensschritte einzeln oder in Gruppen wiederholt oder in anderer Reihenfolge wiederholt auftreten.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
