DE112016001187T5 - Strahllenkungs-Ladarsensor - Google Patents

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DE112016001187T5
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Patrick B. Gilliland
Roger Stettner
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Continental Advanced Lidar Solutions US LLC
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Abstract

Es wird ein Strahllenkungssystem für einen Ladarsensor vorgeschlagen, der mit begrenzter Lasersendeleistung arbeitet, wie es für eine Luftfahrzeug- oder Automobil-Anwendung typisch sein kann. Das Ladarsystem macht außerdem Gebrauch von optischen Verstärkerelementen im Empfänger, welche dazu dienen, das Signalrauschverhältnis am Empfänger zu verbessern, wenn die verfügbare Lasersendeleistung durch Energie-, Abmessungs- und/oder Kostenbeschränkungen eingeschränkt ist. In einer Ausführungsform wird die Kalibrierung jedes Pixels in dem Ladarsensor durch ein elektrisches Verstärkerarray mit einer Anzahl von Pixelverstärkern bereitgestellt. Jeder Pixelverstärker kann individuell auf ein passendes Detektorelement kalibriert werden, um so die Änderungen im Dunkelstrom und in der Verstärkung zwischen allen Pixeln in dem Detektorarray zu eliminieren. Eine Anzahl von neuen Detektorarraydesigns wird beschrieben, welche Kosten senken und die Leistung verbessern können, und es wird ein neues Low-Cost- und High-Performance-Packaging für das Detektorarray, das Verstärkerarray und ein integrierter Ausleseschaltkreis eingeführt.

Description

  • Hintergrund
  • Gebiet der Erfindung
  • Die hierin offenbarten Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine 3D-Bilderzeugung und die Identifizierung und das Tracking von Objekten, und insbesondere Ladarsensoren für mobile Anwendungen, wie zum Beispiel Verkehrsgefährdungsvermeidung, Zusammenstoßvermeidung und autonome Navigation. Die Erfindung löst die Probleme, welche sich aus dem Betrieb eines Ladarsensors mit einer begrenzten optischen Leistungsausgabe ergeben.
  • Stand der Technik
  • Die 3D-Abbildungstechnologie, welche in Stettner et al., US-Patent-Nummern 5,446,529 , 6,123,989 und 6,414,746 offenbart ist, stellt mit einem einzelnen Lichtpuls, typischerweise gepulstes Laserlicht, alle Informationen eines herkömmlichen 2D-Bildes zusammen mit den Koordinaten der dritten Dimension bereit; dabei werden die 3D-Koordinaten von allen im Bildfeld liegenden Gegenständen bereitgestellt. Diese Verwendung wird typischerweise als Blitz- bzw. Flash-3D-Abbildung bezeichnet, in Analogie mit herkömmlichen digitalen 2D-Kameras, welche Blitzeinrichtungen als eine unabhängige Lichtquelle verwenden. Wie bei herkömmlichen 2D-Digitalkameras wird das Licht durch eine Linse auf die Fokalebene des Ladarsensors fokussiert, der ein Array von Pixeln enthält, welches ein Fokalebenen-Array genannt wird (FPA). Im Falle eines Ladarsensors sind diese Pixel „smart” und können Daten sammeln, welche einen Prozessor in die Lage versetzen, die Paketumlaufzeit des Laserpulses zu reflektierenden Merkmalen am Objekt von Interesse zu berechnen.
  • Es wurden viele Systeme vorgeschlagen, um die Herausforderung der Verwendung optischer Abbildungs- und Videokameras in einem Fahrzeugsystem zu erfüllen, um 3D-Karten von Szenen und Modellen von festen Objekten zu erzeugen, und um die 3D-Datenbank zum Navigieren, Lenken und Vermeiden von Kollisionen mit stationären oder sich bewegenden Objekten zu verwenden. Stereosysteme, holographische Aufnahmesysteme und solche, welche eine Form aus einer Bewegung heraus erfassen, waren nicht in der Lage, eine adäquate Leistung bei einer solchen Anwendung zu zeigen, wohingegen 3D Ladar-basierte Systeme die Fähigkeit gezeigt haben, 3D-Bilder von Objekten und verkehrsbezogenen Merkmalen in dem Weg eines sich bewegenden Fahrzeuges, oder eines, das sich auf einem kreuzenden Pfad bewegt, schnell mit ausreichender Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erfassen, um das Host-Fahrzeug in die Lage zu versetzen, Kollisionen und verkehrsbezogene Unfälle zu vermeiden und entlang des „besten” Weges zu lenken. Zur Herstellung eines kostengünstigen und robusten Designs liegt die Verwendung eines Halbleiter-Laserpulssenders mit einer begrenzten optischen Ausgabeleistung auf der Hand.
  • Es ist deshalb wünschenswert, einen Ladarsensor bereitzustellen, welcher in der Lage ist, mit einem Niedrigenergie-Halbleiterlaserarray betrieben zu werden, um das Bildfeld des Ladarsensors auszuleuchten. Es ist weiterhin wünschenswert, dass der Ladarsensor in der Lage ist, den gesamten das Fahrzeug umgebenden Bereich abzubilden, und ermöglicht, andere sich bewegende Fahrzeuge, verkehrsbezogene Gefahrensituationen sowie Fußgänger zu vermeiden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Ladarsensor gemäß den vorliegenden Ausführungsformen umfasst einen Halbleiter-Pulslaser, um eine Szene im Bildfeld des Ladarsensors zu beleuchten. Typischerweise wird ein einzelner sehr starker Laserpuls optisch über dem gesamten Bildfeld durch eine feststehende Streuoptik optisch gestreut. Die reduzierte Leistung des Halbleiterlasers kann durch eine verbesserte Empfindlichkeit des Ladarempfängers verschoben werden, oder durch räumliches Bündeln der Ausgabe des Halbleiterlasers, und durch Sweepen des gebündelten Strahles über dem Bildfeld. Ein Fokalebenen-Array von optischen Detektoren wird hinter einer Lichtempfangs- und Fokussierlinse positioniert, und ein integrierter Ausleseschaltkreis wird mit den elektrischen Ausgängen der Detektoren des Fokalebenen-Arrays verbunden. Innerhalb des integrierten Ausleseschaltkreises verstärkt und detektiert ein Array von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen die eintreffenden Lichtpulse, welche in den Detektorelementen des Fokalebenen-Arrays in elektrische Pulse umgewandelt worden sind. Jeder elektrische Einheitszellenschaltkreis wird mit einem Hochgeschwindigkeits-Zeittaktgeber verbunden, wobei sich in jeder Einheitszelle ein digitales Zeitelement befindet. Das Zählen des digitalen Zeitelements wird durch den Blitz des die Szene beleuchtenden optischen Pulses gestartet, wobei das Zeitelement die Anzahl von Zyklen des Taktgebers zählt. Der digitale Zähler wird zum Zeitpunkt der Detektion eines elektrischen Pulses in der Einheitszelle „eingefroren”, was zum Zeitpunkt des Eintreffens eines eingehenden optischen Pulses passiert. Daher kann der Abstand zu jeder reflektierenden Oberfläche innerhalb des Bildfeldes des Ladarsystems sensiert und digital gemessen werden.
  • In alternativen Ausführungsformen kann jeder Ladarsensor ein optisches Verstärkungselement im optischen Empfangspfad umfassen, zwischen der Lichtbündelungs- und Fokussierlinse und dem Fokalebenen-Array der optischen Detektoren. Dieses optische Verstärkungselement kann optisch gepumpt werden, wie im Beispiel eines Erbium-dotierten Faserverstärkers, oder elektrisch gepumpt werden wie im Fall eines optischen Halbleiterverstärkers.
  • In weiteren Ausführungsformen kann jeder Ladarsensor ein Fokalebenen-Array von Detektoren aus Indiumgalliumarsenid aufweisen, das auf einem Substrat aus Indiumphosphid, Galliumarsenid oder Silizium gebildet wird. In einer weiteren Ausführungsform kann ein elektrisches Verstärkerarray zwischen dem Fokalebenen-Array der optischen Detektoren und dem integrierten Ausleseschaltkreis angeordnet werden. In noch einer weiteren Ausführungsform können das elektrische Verstärkerarray und der integrierte Ausleseschaltkreis mit Durchkontaktierungen durch das Substrat versehen sein, um Drahtverbindungen zu eliminieren, wodurch die kostengünstige und wenig Platz beanspruchende Umhausung (Packaging) des Fokalebenen-Arrays und des integrierten Ausleseschaltkreises ermöglicht werden.
  • Die erörterten Merkmale, Funktionen und Vorteile können unabhängig voneinander in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erzielt werden, oder können in noch weiteren Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, von denen weitere Details mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen ersichtlich sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Darstellung eines typischen optische-Überlast-Scenarios mit einem ersten Ladarsensor vorne rechts an einem Fahrzeug, wobei der Sensor intensives von einem im Straßenbelag eingebetteten Retroreflektor zurückgestreutes Licht empfängt, und von einem Stoppschild, welches ebenfalls in seiner Oberfläche eingebettete retroreflektierende Elemente aufweist;
  • 2 zeigt eine Lösung für das in 1 dargestellte optische-Überlast-Scenario. Zwei vorwärts gerichtete Ladarsensoren sind an der Front des Fahrzeuges positioniert, wobei der Ladarsensor auf der rechten Seite, die am nächsten zu dem Abstrahlwinkel des Retroreflektors ist, auf einen von dem am weitesten links angeordneten Ladarsensor abgestrahlten Laserpuls reagiert. Bidirektionale Verbindungen sind zwischen den Ladarsensoren dargestellt, welche dem am weitesten rechts befindlichen Ladarsensor ein präzises Time-Zero-Referenzsignal bereitstellen, was die Ausstrahlung eines eine Szene beleuchtenden Laserpulses von den am weitesten links befindlichen Ladarsensor kennzeichnet, und umgekehrt;
  • 3 ist ein Blockdiagramm, welches die Elemente einer typischen Fahrzeuginstallation zeigt, einschließlich der elektrischen Fahrzeugsysteme, CPU, und der Sub-Systeme, welche die Fahrzeugaufhängung regeln, eine Inertial-Navigationsreferenz und GPS-Referenzen bereitstellen, Entscheidungen zum Auslösen von Airbags treffen und über eine Duplex-Funkverbindung mit der Außenwelt kommunizieren;
  • 4 ist ein Blockdiagramm eines Strahllenkungs-Ladarsensors, welches die Funktionen und Verbindungen zwischen dem Ladarsensor-Steuerprozessor beschreibt, und von Sub-Systemen zum Erzeugen von Laserbeleuchtungspulsen, zum Empfangen der reflektierten Laserpulse, zum Reduzieren der Daten, zum Speichern der Bilder und zum Identifizieren von Objekten in den Bilddatensätzen;
  • 5 ist ein Blockdiagramm einer Einheitszelle des integrierten Ausleseschaltkreises (ROIC) aus 4;
  • 6A ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Strahllenkungsmechanismusses, der einen Kantenstrahllaser, einen Block mit feststehendem Spiegelwinkel und einen MEMS-Typ-Mikrospiegel aufweist, der zu einer Auslenkung in zwei Achsen fähig ist;
  • 6B ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Strahllenkungsmechanismusses, der zwei Kantenlaser, zwei Stablinsen und zwei MEMS-Typ-Mikrospiegel aufweist, die zu einer Auslenkung in zwei Achsen fähig sind;
  • 6C ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Strahllenkungsmechanismusses, der einen Kantenstrahllaser, eine Stablinse und eine Kaskade von zwei MEMS-Typ-Mikrospiegeln aufweist, die zu einer Auslenkung in zwei Achsen fähig sind;
  • 6D ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Strahllenkungsmechanismusses, der einen Vertikal-Kavität-Oberflächenlaser, ein Siliziumsubstrat und einen MEMS-Typ-Mikrospiegel aufweist, der zu einer Auslenkung in zwei Achsen fähig ist;
  • 6E zeigt eine perspektivische Ansicht der in 6B gezeigten Struktur, und das gepixelte Fernfeldmuster, welches von dem gepulsten Lasersender überstrichen („gesweept”) wird;
  • 7A ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Verstärkungsblockes, welche ein verschmolzenes Faserbündel von Erbium-dotierten Fasern zeigt, wobei an jede der vier Seiten ein streuendes optisches Planelement gekoppelt ist;
  • 7B ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Verstärkungsblockes, welche die Anordnung eines Arrays von Vertikal-Kavität-Oberflächenlasern (VCSEL) an einer von vier Seiten zeigt;
  • 7C ist eine Draufsicht auf den optischen Verstärkungsblock aus 7C, welche ein verschmolzenes Faserbündel von Erbium-dotierten Fasern zeigt, wobei an jede von vier Seiten ein streuendes optisches Planelement gekoppelt ist, und wobei ein VCSEL-Array an jede der vier Seiten gekoppelt ist;
  • 8 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Ladarsensors mit einem optischen Verstärkungsblock von verschmolzenen Fasern, welche optisch durch ein VCSEL-Array gepumpt werden, das über ein streuendes Element und einen dichroitischen 45°-Spiegel gekoppelt ist;
  • 9 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Ladarsensors mit einem Array von optischen Halbleiterverstärkern (SOAs), die in dem Lichtempfangspfad positioniert sind;
  • 10A ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines individuellen Elements des Arrays von optischen Halbleiterverstärkern (SOAs) aus 9;
  • 10B ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines individuellen Elements des Arrays von optischen Halbleiterverstärkern (SOAs) aus 9, welche die Bildung auf einem optischen Planelement zeigt;
  • 11 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines hybriden Fokalebenen-Arrays (FPA), das ein InGaAs-Detektorarray verwendet, das auf einer metamorphen Epitaxieschicht gewachsen wurde, welche auf einem kostengünstigen GaAs-Substrat gewachsen wurde. Das Detektorarray ist an einem integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) angebracht, welcher eine Anzahl von „Front-to-Back”-Verbindungen aufweist, welche mit Hilfe von durch das Substrat hindurch verlaufenden Kontaktierungen hergestellt wurden.
  • 12 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines hermetischen Gehäuses, welches das Hybrid-Fokalebenen-Array (FPA) aus 11 enthält;
  • 13 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines hybriden Fokalebenen-Arrays (FPA), welches ein InGaAs-Detektorarray verwendet, das auf einer metamorphen Epitaxieschicht gewachsen wurde, welche auf einem kostengünstigen GaAs-Substrat gewachsen wurde. Das Detektorarray ist an einem elektrischen Verstärkerarray mit elektrischen „Front-to-Back”-Kontakten angebracht, welche mit Hilfe von durch das Substrat verlaufenden Kontaktierungen (TSVs) hergestellt wurden. Das Verstärkerarray ist an einem Substrat angebracht, welches eine hermetische Fensterabdeckung aufweist. Auf der Rückseite des Substrats ist ein integrierter Ausleseschaltkreis (ROIC) angebracht.
  • 14 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines hybriden Fokalebenen-Arrays (FPA), welches ein Array von diskreten InGaAs-Detektoren verwendet, die an einem elektrischen Verstärkerarray mit elektrischen „Front-to-Back”-Kontakten befestigt sind, welche mit Hilfe von durch das Substrat verlaufenden Durchkontaktierungen hergestellt wurden. Das Verstärkerarray ist an einem gedruckten Schaltkreissubstrat befestigt. Auf der Rückseite des Schaltkreissubstrats ist ein integrierter Ausleseschaltkreis (ROIC) befestigt.
  • 15A zeigt einen Siliziumwafer, der an einen Wafer von Indiumphosphid mit einer epitaktischen Schicht aus Indiumgalliumarsenid gebondet ist, welche für die Bildung eines P-intrinsisch-N(PIN)-Detektor geeignet ist;
  • 15B zeigt den an den Siliziumwafer gebondeten Indiumphosphid-Wafer, wobei ein Großteil der Indiumphosphid-Wafer-Dicke entfernt wurde;
  • 15C zeigt die Bildung von isolierten Mesas einer PIN-Struktur in der Indiumgalliumarsenid-Epitaxieschicht durch Erzeugung von Gräben im Indiumphosphid und einer Epitaxieschicht von Indiumgalliumarsenid;
  • 15D zeigt die Bildung sowohl von Anoden- als auch Kathoden-Kontakten auf den isolierten PIN-Mesastrukturen;
  • 16 zeigt eine Draufsicht auf das Detektorarray aus 16D, befestigt an einem Unterstützungs-Schaltkreissubstrat, und mit einer Anzahl von Entkopplungskondensatoren, die entlang der Länge angebracht sind;
  • 17 zeigt ein Schema für ein Pixel-Verstärkerelement des Verstärkerarrays aus 13 bis 14 und mit einem Detektorelement eines Detektorarrays der in 4, 5, 8 und 11 bis 16 beschriebenen Typen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Diese Anmeldung enthält neue Gegenstände, die sich auf die vorherigen Patente US 5,696,577 , US 6,133,989 , US 5,629,524 , US 6,414,746 , US 6,362,482 , D463,383 sowie US-Patentanmeldung Nr. 10/066340 mit Anmeldedatum vom 31. Januar 2002 und als US 2002/0117340 A1 veröffentlicht, deren Offenbarungen hier durch Bezugnahme mit enthalten sind.
  • Die hierin offenbarten Ausführungsformen ermöglichen ein kompaktes Abbildungs-Ladarsystem mit verbesserter Leistung. Die Anwendungen für ein solches System können automobile Kollisionsvermeidung und autonomes Navigieren sein, Gelände-Mapping, Landen und Andocken sowie 3D-Film-/Graphik-Aufnahmen sein. Die Verbesserungen umfassen einen optischen Verstärkungsblock, der aus einem Array von Erbium-dotierten Fasern konstruiert oder in einem Halbleiter gebildet werden kann. In einer Multi-Ladar-Installation wird eine Möglichkeit zur Koordinierung der Beleuchtungspulse eines ersten Ladarsenders mit dem Empfänger eines zweiten Ladars beschrieben, was die Einflüsse von Sättigung aufgrund eines Rand-Reflektors im Bildfeld reduzieren kann. Zusätzlich wird eine Anzahl von Verbesserungen an der Detektorarray-Subanordnung aufgezeigt. Die Hybrid-Anordnung des Detektorarrays und des integrierten Ausleseschaltkreises (ROIC) verkörpern eine Anzahl von neuartigen Merkmalen. Die Verwendung eines separaten Analogverstärkerarrays, das zwischen dem Detektorarray und dem Auslese-IC angeordnet ist, ermöglicht eine gesteigerte Systemresponsivität. Siliziumdurchkontaktierungen (TSVs) werden auf dem Verstärkerarray und auf dem Auslese-IC verwendet, um eine kompakte Hybrid-Fokalebenen-Array(FPA)-Anordnung zu ermöglichen, welche kostengünstig zusammenzusetzen ist und aufgrund einer Reduktion in der parasitären Induktanz in dem Package eine höhere elektrische Leistung bzw. Performance aufweist. Es werden außerdem zwei neue Detektortechnologien beschrieben. Eine PIN-Detektorstruktur von Indiumgalliumarsenid ist auf einer gestrainten metamorphen Schicht über einem Galliumarsenidsubstrat gebildet, was die Bearbeitung von kostengünstigen Galliumarsenid-Wafern bis zu sechs Zoll Durchmesser zulässt. Die zweite Detektorstruktur umfasst eine InGaAs-PIN-Struktur, welche auf dem Waferlevel an ein kostengünstiges Siliziumsubstrat gebondet ist. Diese Technologie ermöglicht eine erweiterte thermische Leistung sowie Standardprozesse zum Löt-Bump-Verbinden. Die Verwendung eines Laserstrahl-Lenkmechanismusses ermöglicht, dass der Ladarsensor das Bildfeld in einer Anzahl von sequentiellen Schritten beleuchtet, was das Spitzenleistungserfordernis für den Laserstrahl reduziert. Die Verwendung eines Strahllenkungsmechanismusses ermöglicht die Verwendung von Halbleiter-Pulslasern, welche dafür bekannt sind, eine geringere Leistungsausgabe als ihre Festkörper-Gegenstücke aufzuweisen. Es wird eine Anzahl von Laserstrahllenkungsdesigns beschrieben, welche ermöglichen, dass ein Ladarsensor einen Halbleiter-Pulslaser mit geringerer Leistung verwendet, und welche den Strahl schrittweise durch das Bildfeld scannen.
  • Ein Fahrzeug-montiertes Ladarsystem kann eine Anzahl von seitlich montierten, Heck-montierten oder nach vorne gerichteten Ladarsensoren des hierin beschriebenen Typs umfassen. Diese Ladarsensoren können mit einer zentralen Ladarsystemsteuerung verbunden sein, welche die verfügbaren Daten von jedem der unabhängigen Ladarsensoren in ein zusammengesetztes 3D-Bild des unmittelbaren Bereiches in einem vollen, das Fahrzeug umgebenden, 360°-Umkreis zusammensetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform können herkömmliche 2D-Standbilder oder -videosequenzen verwendet werden, um die Qualität der 3D-Festkörper und Szene-Abbildungen zu verbessern.
  • Bei einer Fahrzeuganwendung kann der Ladarsensor in einem Frontscheinwerfer, in einem Rücklicht oder in einer anderen Zusatzleuchtenanordnung eingegliedert sein. Der Ladarsensor kann außerdem Teil einer Rückfahrleuchte, Rückspiegelanordnung sein, oder hinter einer Öffnung in einer Stoßstange oder Frontgrillanordnung angebracht sein, oder kann oben hinter der Windschutzscheibe, an einem Dachelement oder in einer Modulanordnung durch einen Ausschnitt hindurch in einem Karosserieblech an der Außenseite des Fahrzeuges befestigt sein. Der Ladarsensor umfasst typischerweise eine hybride Anordnung eines Fokalebenen-Arrays und eines integrierten Ausleseschaltkreises, wobei der Auslese-IC als ein Array von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen angeordnet ist, und wobei jede Einheitszelle dazu ausgebildet ist, in ein Array mit identischem Abstand und Reihenfolge als das entsprechende Fokalebenen-Array (FPA) hinein zu passen. Der Ladarsensor ist in einer bevorzugten Ausführungsform in der Lage, in einer, wie oben beschriebenen, Flash-Betriebsart zu arbeiten, oder in einer Multi-Puls-Betriebsart, oder in einer gepulsten Continuous-Wave-Betriebsart, je nachdem, wie es die Situation erfordert. Das Ladarsystem mit dem Ladarsensor kann außerdem eine Anzahl von Eigenschaften aufweisen, welche ein vollständiges 3D-Objekt-Modellieren und -Tracking ermöglichen, als auch Szenen-Erweiterungen, welche aus dem Zusammenführen von 2D- und 3D-Datenbanken abgeleitet werden, und ein Verwalten sowohl von 3D-Ladarsensoren als auch herkömmlichen 2D-Videokameras ermöglichen.
  • Jeder der lichtempfindlichen Detektoren des FPA weist einen Ausgang auf, der ein elektrisches Antwortsignal von einem reflektierten Teil der Laserlichtausgabe produziert. Die elektrischen Antwortsignale werden mit einem integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) mit einem entsprechenden Array von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen verbunden. Jeder der elektrischen Einheitswellenschaltkreise weist einen Eingang auf, der mit einem von den lichtempfindlichen Detektorausgängen verbunden ist, einen elektrischen Antwortsignal-Verstärker und einen Demodulator, und einen Abstandsmessschaltkreis, der mit einem Ausgang des elektrischen Antwortsignal-Demodulators verbunden ist. Der Demodulator kann ein Spannungsabtaster und Analogschieberegister zum Speichern von sequentiellen Abtastungen der elektrischen Antwortsignale sein, oder kann einen Mixer, Integrator oder einen Optimalfilter (Matched Filter) umfassen. In der Abtastbetriebsart verwendet jede Einheitszelle einen Referenztakt, um die Abtastungen zeitlich abzustimmen, welche in Antwort auf die aufgenommene Reflexion des Laserlichts von einer Zieloberfläche vorgenommen werden. Die Demodulation kann auch außerhalb des integrierten Ausleseschaltkreises vorgenommen werden, und zwar durch einen schnellen Digitalprozessor, der nach einer Sequenz von digitalisierten Abtastungen von jedem Pixel arbeitet. Der schnelle Digitalprozessor kann Algorithmen anwenden, welche gewichtete Summen sequentieller Analogabtastungen verwenden, oder welche schnelle Fourier-Transformationen, eine Faltung, Integration, Differenzierung, Kurvenanpassung oder andere Digitalverfahren an den digitalisierten Analogabtastungen der elektrischen Antwort anwenden. Der schnelle Digitalprozessor kann außerdem Algorithmen anwenden, welche die Wegstrecke von anderen Objekten sowie Objekte voneinander isolieren oder aufteilen. Solche Objekte können Automobile, Fahrräder, Motorräder, Lastwagen, Personen, Tiere, Wände, Verkehrszeichen, Straßenhindernisse usw. sein. Diese Algorithmen können eine Position und Ausrichtung berechnen, als auch eine Objektgeschwindigkeit. Objekte, ihre Ausrichtung, Position und Geschwindigkeit können für eine weitere Bearbeitung und Entscheidungsfindung an einen Zentralcomputer übertragen werden. Jeder Einheitszellenschaltkreis weist die Fähigkeit auf, die Form des zurückgeführten Ladarpulses zu bewahren, und Eingriffe hinsichtlich der Form der Oberfläche innerhalb einer Pixelgrenze vorzunehmen, bei Projektion in einem Abstand von dem Fokalebenen-Array, und zwar auf Grundlage der Form des reflektierten Lichtpulses. Der Abstandsmessschaltkreis ist weiterhin mit einem Referenzsignal verbunden, das eine Nullabstand-Referenz für die modulierte Laserlichtausgabe bereitstellt.
  • 1 zeigt eine Situation, welche eine der Herausforderungen darstellt, welche bei einer praktischen Anwendung eines Ladarsensors der vorliegenden Erfindung auftreten. In dieser Darstellung weist ein Fahrzeug 2 einen langreichweitigen Ladarsensor 4 auf, der in einer Frontscheinwerferanordnung an der Front des Fahrzeuges angebracht ist. Das zugehörige Beleuchtungsmuster 6 hat eine Fächerform, wie es durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Das Beleuchtungsmuster 6 reflektiert von dem „Katzenauge”-artigen Retroreflektor 12, der in den Straßenbelag beim Zebrastreifen 20 eingebettet ist und einen reflektierten Strahl 14 erzeugt. Katzenaugen-Retroreflektoren sind prismatische Reflektoren, welche analog zu einem Triple-Spiegel (corner cube) auf dem Gebiet der Optik sind. Katzenaugen-Retroreflektoren wurden entwickelt, um unter Bedingungen mit wenig Licht und gar kein Licht hervorragende Straßenmarkierungen bereitzustellen. Das Beleuchtungsmuster 6 reflektiert außerdem von der Oberfläche des retroreflektierenden Stoppzeichens 16, wobei der reflektierte Strahl 18 erzeugt wird. Viele Stoppzeichen verwenden eine retroreflektierende Beschichtung, wie zum Beispiel 3MTM Diamond GradeTM-Reflexionsbeschichtung, welche im Verkehr für Gefahr-, Vorschrift-, Richtzeichen sowie Verkehrseinrichtungen verwendet wird. Die Beschichtung ist hoch-reflektiv, haltbar, und erfüllt unter allen Licht- und Wetterbedingungen ein weites Spektrum an Zeichen-Sichtbarkeitserfordernissen. Andere Stoppzeichen verwenden eine erweiterte Beschichtung mit einer prismatischen Mikrostruktur, wie zum Beispiel 3MTM High Intensity Prismatic(HIP)-Beschichtung. Diese Beschichtung stellt ein hohes Maß an Retroreflektivität für unterschiedliche Verkehrssituationen bereit und weist eine ausgezeichnete Langzeit-Reflektivität und Haltbarkeit auf. Ein zweiter langreichweitiger Ladarsensor 8 mit einem Beleuchtungsmuster 10 ist in einer Frontscheinwerferanordnung auf der Fahrerseite des Fahrzeuges 2 montiert. Der retroreflektierte Strahl 14 und der retroreflektierte Strahl 18 repräsentieren sehr intensive optische Signale, welche das Potential haben, die Detektoren des Fokalebenen-Arrays des Ladarsensors 4 zu übersteuern bzw. zu sättigen. Die intensiven retroreflektierten Strahlen 14 und 18 können außerdem ein optisches Übersprechen in dem Fokalebenen-Array des Ladarsensors 4 erzeugen.
  • 2 zeigt die Vorteile der vorliegenden Erfindung. Das Beleuchtungsmuster 10 des langreichweitigen Ladarsensors, der in der Fahrerseiten-Frontscheinwerferanordnung 8 eingebettet ist, beleuchtet den Katzenaugen-Retroreflektor 12 nunmehr in einem schiefen Winkel. Der beifahrerseitige Ladarsensor 4 ist ausgeschaltet oder befindet sich zwischen Pulsintervallen. Die Reflexion 22 von dem Katzenaugen-Retroreflektor 12 bei schräger Beleuchtung ist wie von einer gewöhnlichen Zerstreuungsreflektoroberfläche und wird nicht die intensive niedrige Divergenzeigenschaft des prismatischen Katzenaugen-Retroreflektors 12 aufweisen, und zwar bei Beleuchtung mit Licht unter normalem Einfallswinkel von dem beifahrerseitigen langreichweitigen Ladarsensor 4, wie es in 1 gezeigt ist. Um eine genaue Abstandsmessung bei Vorhandensein der intensiven Reflexionen von einem Retroreflektor 12 zu erzeugen, der senkrecht zu dem Beleuchtungsstrahl des langreichweitigen Ladarsensors 4 positioniert ist, wird der beifahrerseitige Ladarsensor 4 in einer Nur-Aufnahme-Betriebsart zwischen Pulsen betrieben, welche der Sensor in regelmäßigen Abständen bzw. Intervallen aussenden kann. Der kooperierende fahrerseitige Ladarsensor 8 beleuchtet die Szene und den Katzenaugen-Retroreflektor 12. Für eine genaue Messung des Abstandes zu dem Retroreflektor 12, bzw. zu einem beliebigen Objekt im Bildfeld, muss der beifahrerseitige Ladarsensor einen Hinweis über die Ausstrahlung eines beleuchtenden Laserpulses von dem fahrerseitigen Ladarsensor 8 empfangen. Dieser Hinweis kann auf einem von zwei Pfaden kommen, wobei der erste ein Laser-Flash-Signal direkt von dem fahrerseitigen Ladarsensor 8 über bidirektionale Verbindungen 24 ist. Die bidirektionalen Verbindungen 24 können entweder elektrische Verbindungen oder Faseroptik-Verbindungen sein, abhängig von der Konstruktion des Fahrzeuges. Der zweite Pfad für einen Hinweis der Übertragung eines Beleuchtungspulses kann von einer zentralen Ladarsystemsteuerung 28 über bidirektionale Verbindungen 26 kommen. Beide Ansätze können mit ähnlichen Ergebnissen eingesetzt werden, sobald das System hinsichtlich der durch die Übertragung des Laser-Flash-Signals über die bidirektionalen Verbindungen 24 oder 26 verursachten Verzögerungen kalibriert ist. Ebenso kann der fahrerseitige Ladarsensor 8 in einer Nur-Empfang-Betriebsart betrieben werden, wobei der die Szene beleuchtende Laserpuls von dem beifahrerseitigen Lasersender im Ladarsensor 4 kommt. Außerdem ist eine Anzahl von kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 dargestellt, welche an den Ecken des Fahrzeuges 2 in den üblichen Karosserieausschnitten für Blinker, Rückleuchten, Bremsleuchten usw. angebracht sind. Außerdem sind in den gleichen Anordnungen 32, in welchen die kurzreichweitigen Ladarsensoren untergebracht sind, Fahrzeug-Signalleuchten montiert, wie zum Beispiel Blinklichter, Rücklichter, Bremslichter und 2D-Kameras 40 für sichtbares Licht oder Infrarot. Die langreichweitigen Ladarsensoren 34 können außerdem den Raum in den Frontscheinwerferanordnungen 4, 8 zusammen mit den 2D-Kameras 40 für sichtbares oder Infrarotlicht mit nutzen.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, welches Details einer Ladarsystemsteuerung 30 und die Verbindungen mit den kooperierenden Systemen eines Host-Fahrzeuges 2 zeigt. Die Ladarsystemsteuerung 30 ist eine Zwischenfunktion, welche alle 3D-Daten integriert, welche von den verschiedenen am Host-Fahrzeug installierten Ladarsensoren aufgenommen wurden, während sie den Status dieser Sensoren überwacht und für diese Sensoren Steuereingaben bereitstellt. Die Ladarsystemsteuerung 30 kann bei einigen Fahrzeugkonstruktionen als ein Teil einer Software oder Hardware innerhalb der Fahrzeug-CPU 48 zusammengefasst werden. Die Ladarsystemsteuerung 30 überträgt Anweisungen an die kurzreichweitigen Ladarsensoren SRU1-4 32, und an die langreichweitigen Ladarsensoren LRU1-2 34. Ein Glasfaser- und Kabelbaum 26 stellt die physischen Mittel zum Übertragen der Anweisungen von der Ladarsystemsteuerung 30 zu den verschiedenen Ladarsensoren bereit. 3D-Daten- und Statussignale werden von den verschiedenen Ladarsensoren über den Glasfaser- und Kabelbaum 26 zurück an die Ladarsystemsteuerung 30 übertragen. Ebenso werden Befehlssignale an eine Anzahl (n) von 2D-Kameras 40 gesendet, wobei Status- und Bilddaten von den 2D-Kameras über den Kabelbaum 26 an die Ladarsystemsteuerung 30 zurückgegeben werden. Beide der langreichweitigen Sensoreinheiten 34 verbinden sich über einen Satz von bidirektionalen Verbindungen, welche die Sender und Empfänger innerhalb jeder langreichweitigen Sensoreinheit 34 logisch umfassen, die physischen Mittel des Glasfaser- und Kabelbaums 26, und die Sender und Empfänger der Ladarsystemsteuerung 30. Jede kurzreichweitige Sensoreinheit 32 verbindet sich über einen Satz von bidirektionalen Verbindungen, welche die Sender und Empfänger innerhalb jeder kurzreichweitigen Sensoreinheit logisch umfassen, die physischen Mittel des Glasfaser- und Kabelbaums 26, und die Sender und Empfänger der Ladarsystemsteuerung 30. Bei einigen Installationen können Verbindungen direkt zwischen Ladarsensoren 34 über bidirektionale Verbindungen 24 hergestellt werden. Die Ladarsystemsteuerung 30, einschließlich D/A- und A/D-Signalumwandlern, kann vollständig oder teilweise auf einem integrierten Ausleseschaltkreis angeordnet sein (in 4). Die Ladarsystemsteuerung 30 kann eine Szene-Bearbeitungs-Funktion aufweisen, welche ermöglicht, die von jedem der in Betrieb gesetzten Ladarsensoren empfangenen 3D-Frames zu einer zusammengesetzten 3D-Abbildung des gesamten Raums direkt vor und neben dem Fahrzeug 2 zusammenzusetzen, und kann außerdem die 3D-Abbildung mit 2D-Bilddaten, welche von einer Anzahl (n) von 2D-Still- bzw. Videokameras 40 empfangen wurden, zusammenführen, um eine Erweiterung von Auflösung, Farbe und Kontrast bereitzustellen. Das Hinzufügen herkömmlicher 2D-Still- bzw. Videokameras 40 gibt dem System eine erweiterte Fähigkeit zur Objektidentifizierung. Die Ladarsystemsteuerung 30 empfängt Statusdaten von den Ladarsensoren, wobei Lasertemperatur, übertragene Laserpulsleistung und Pulsform, Empfängertemperatur, Hintergrundlichtpegel usw. angezeigt werden, und trifft Entscheidungen hinsichtlich Einstellungen globaler Eingabeparameter für die verschiedenen zu steuernden Ladarsensoren. Globale Einstellungen für Detektorbias, Ausleseempfindlichkeit, Aufnahmemodi, Filterbandbreite usw. können von der Ladarsystemsteuerung 30 an einen gegebenen Ladarsensor gesendet werden, der die lokalen Einstellungen überstimmen kann, welche ursprünglich von einem innerhalb eines bestimmten Ladarsensors residierenden lokalen Steuerprozessor eingestellt bzw. angepasst wurden. Die Ladarsystemsteuerung 30 kann außerdem einen internen nicht-flüchtigen Speicher aufweisen, um einen Speicherort für die Programme bereitzustellen, welche auf der Ladarsystemsteuerung 30 laufen, und der verwendet werden kann, um Statusdaten und andere Daten abzuspeichern, welche für den Systemstart nützlich sind. In der Ladarsystemsteuerung 30 residiert ein Kommunikationsanschluss (Comm Port) zum Übermitteln von Daten- und Steuerbefehlen und Statussignalen über bidirektionale Verbindungen 42. Der Kommunikationsanschluss ist typischerweise ein Ethernetanschluss oder Gigabit-Ethernetanschluss, kann aber auch ein CAN-Bus, USB, IEEE 1394, InfiniBand, oder eine andere Art von Datenanschluss bzw. -port sein, und ist dabei derart verbunden, um bidirektionale Kommunikationen mit den elektrischen Fahrzeugsystemen und einer zentralen Bearbeitungseinheit 48 bereitzustellen. Die Verbindungen 42 können optisch, elektrisch oder eine Kombination aus beidem sein, und umfassen alle Sender und Empfänger, welche notwendig sind, um die Datensignale in beiden Richtungen zu konditionieren und zu übertragen. Die 3D-Abstandsdaten, welche aus den Reflexionen des modulierten Laserlichts abgeleitet wurden, ermöglichen eine Festlegung eines anfänglichen Objektmodells, und ermöglichen eine gewisse Objektidentifikation, welche in einem Prozessor der am Fahrzeug 2 installierten individuellen Ladarsensoren stattfindet. Verfeinerungen des Objektmodells können auf höheren Ebenen im System vorgenommen werden, wo Daten von den mehreren Sensoren mit den Daten von vorherigen Frames integriert werden können. Diese Möglichkeit des Betrachtens vergangener („historischer”) Daten als auch aktueller Daten ermöglicht eine Betrachtung verschiedener Verkehrsgefährdungen und Kollisionsgefahren aus einer Mehrzahl von Blickwinkeln, wenn sich das Fahrzeug 2 vorwärts bewegt, wodurch einige Schatten eliminiert werden, während zusätzliche Gestalt-Informationen aus der Betrachtung von mehreren Blickwinkeln hergeleitet werden.
  • Jeder der individuellen Ladarsensoren kann Datenprozessoren umfassen, um die Bearbeitungslast auf der Ladarsystemsteuerung 30, der Fahrzeug-CPU 48 und dem Kollisions-Prozessor 44 zu reduzieren; beispielsweise zum Entwickeln der Punktwolke und zum Isolieren/Segmentieren von Objekten im Bildfeld und der Objektgeschwindigkeit aus der Punktwolke. Herkömmliche 2D-Kameras 40 für sichtbares Licht oder Infrarotlicht können in das Ladarsensor-Subsystem eingebettet sein, und können Teil einer Subanordnung sein, welche einen Ladarsensor enthält. Eine Anzahl (n) von weiteren 2D-Still- oder -Videokameras 56 für sichtbares Licht kann sich direkt mit dem Fahrzeug-Kollisionsprozessor 44 verbinden und kann Szene-Daten produzieren, welche komplementär zu den 3D-Daten sind, welche durch die verschiedenen am Fahrzeug angebrachten Ladarsensoren erzeugt worden sind. Die 2D-Still- oder -Videokameras 56 können außerdem entweder bei Wellenlängen sichtbaren Lichts oder Infrarotlichts betrieben werden. Bidirektionale elektrische Verbindungen 42 dienen außerdem dazu, 3D-Datenkarten, Status- und Steuersignale zwischen der Ladarsystemsteuerung 30 und den elektrischen Fahrzeugsystemen und der zentralen Bearbeitungseinheit (CPU) 48 zu übertragen. Im Inneren des Fahrzeuges kann ein elektronisches „Gehirn” alle Funktionen des Fahrzeuges 2 sowie typischerweise alle weiteren Subsysteme und Coprozessoren steuern. Das elektronische Gehirn, bzw. die zentrale Bearbeitungseinheit (CPU 48), ist hierbei aus den elektrischen Basissystemen des Fahrzeuges zusammengesetzt, einschließlich Batterie, Frontscheinwerfer, Kabelbaum usw. Das Fahrzeugaufhängungssystem 46 empfängt Steuerbefehle und sendet einen Status zurück, und zwar über bidirektionale elektrische Verbindungen, wobei es in der Lage ist, die Fahrzeug(fahr-)höhe, Federungsrate und Dämpfungsrate jedes Fahrzeugrads unabhängig zu modifizieren. Eine Inertialreferenz 50 weist außerdem eine vertikale Referenz bzw. einen Schwerkraftsensor für eine Eingabe an die CPU 48 auf. Eine GPS-Referenz 54 kann ebenfalls mit der Fahrzeug-CPU 48 verbunden sein. Die GPS-Referenz 54 kann außerdem eine Datenbank aller verfügbarer Straßen und Zustände in dem Gebiet aufweisen, welche periodisch über einen Drahtloslink aktualisierbar ist. Außerdem kann eine Duplex-Funkverbindung 52 mit der CPU 48 verbunden werden, und kann dabei direkt mit anderen Fahrzeugen in unmittelbarer Nähe direkt kommunizieren, und dabei Position, Geschwindigkeit, Richtung und fahrzeugspezifische Informationen mitteilen, um eine Kollisionsvermeidung und freien Verkehrsfluss zu ermöglichen. Die Duplex-Funkverbindung kann außerdem lokale Positionsreferenzen, Straßendaten, Wetterbedingungen und andere Informationen empfangen, welche für den Betrieb des Fahrzeuges 2 wichtig sind, und zwar von einer zentralen Straßenzustandsdatenbank über entlang der Strecke installierte Antennen oder Mobilfunkstationen. Das Fahrzeug 2 kann außerdem Fahrzeugstatus- und Straßenzustandsaktualisierungen an die zentrale Straßenzustandsdatenbank über die Funkverbindung 52 bereitstellen, wodurch ermöglicht wird, dass die zentrale Straßenzustandsdatenbank über jedes mit Ladarsensoren und einer Funkverbindung ausgestattetes Fahrzeug erweitert wird. Eine Kollisionsprozessor- und Airbagsteuereinheit 44 verbindet sich ebenfalls bidirektional mit der CPU 48, wobei sie Eingaben von einer Anzahl von Beschleunigungsmessern, Bremssensoren, Raddrehsensoren, Ladarsensoren usw. empfängt. Die ACU 44 trifft Entscheidungen hinsichtlich des zeitlichen Verhaltens und des Auslösens von Airbags und anderen Rückhaltesystemen. Obwohl das System aus 3 als in das Fahrzeug 2, an dem das System normalerweise installiert ist, integriert dargestellt ist und welches in der Regel ein Automobil ist, sind das System und jede der beschriebenen Komponenten und Subsysteme für eine Installation in einer beliebigen Anzahl von sich bewegenden Fahrzeugen oder stationären Plattformen konstruiert.
  • 4 ist ein Blockdiagramm eines Ladarsensors, welches sowohl langreichweitige Ladarsensoren 34 als auch kurzreichweitige Sensoren 32 beschreibt, die für die bevorzugte Ausführungsform typisch sind. Hauptsächliche hierbei beschriebene Verbesserungen umfassen das Hinzufügen eines Strahllenkungsmechanismusses 70, eines optischen Verstärkungsblocks 76, eines elektronischen Verstärkerarrays 80 und neuartige Detektor- und Fokalebenen-Array(FPA)-Packagingoptionen. Die erste Ausführungsform stellt ein 128×128 bzw. 128×64-Detektorarray 78 von lichtdetektierenden Elementen bereit, welches unter Verwendung eines Hybrid-Zusammensetzverfahrens auf einem integrierten Ausleseschaltkreis 82 gestapelt ist. In weiteren Ausführungsformen des Designs werden M×N-Fokalebenen-Arrays von lichtdetektierenden Elementen eingesetzt, wobei M und N Werte von 2 bis 1024 und mehr aufweisen. Die in 4 dargestellten funktionalen Elemente können zunächst mit Bezug auf die Elemente eines typischen langreichweitigen Ladarsensors 34 beschrieben werden. Ein Steuerprozessor 58 steuert die Funktionen der Hauptkomponenten des Ladarsensors 34. Der Steuerprozessor 58 verbindet den gepulsten Lasersender 68 über bidirektionale elektrische Verbindungen (mit Schnittstellenlogik, Analog-zu-Digital(A/D) und Digital-zu-Analog(D/A)-Wandlern 66), welche Befehle von dem Steuerprozessor 58 zu dem Pulslasersender 68 übertragen und Monitorsignale von dem Pulslasersender 68 zu dem Steuerprozessor 58 zurückgeben. Die Schnittstellenlogik, einschließlich Analog-zu-Digital(A/D) und Digital-zu-Analog(D/A)-Wandler 66, kann vollständig oder teilweise in einem integrierten Schaltkreis residieren. Ein lichtempfindlicher Diodendetektor (Flash-Detektor) 67 ist an der Rückseite des Lasers platziert, um so einen Teil des durch den Pulslasersender 68 produzierten Laserlichtpulses abzufangen. Ein optischer Testpuls des austretenden Laserpulses, der von einer optischen Abtasteinrichtung von der Vorderseite des gepulsten Lasersenders 68 aufgenommen wird, wird zu einer Ecke des Detektorarrays 78 als ein automatisches Abstandskorrektions(ARC)-Signal geroutet, typischerweise über ein Faseroptikkabel. Der Pulslasersender 68 kann ein Festkörperlaser, ein Monoblocklaser, ein Halbleiterlaser, ein Faserlaser oder ein Array aus Halbleiterlasern sein. Der Sender kann außerdem mehr als einen individuellen Laser einsetzen, um die Datenrate zu erhöhen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Pulslasersender 68 ein Array aus Vertikalkavität-Oberflächenemittern (VCSELs). In einer alternativen Ausführungsform ist der Pulslasersender 68 ein scheibenförmiger Festkörperlaser aus Erbium-dotiertem Phosphatglas, das mit 976 nm-Halbleiterlaserlicht gepumpt wird.
  • Im Betrieb initiiert der Steuerprozessor 58 einen Laserbeleuchtungspuls durch Aussenden eines Logikbefehls oder eines Modulationssignals zum Pulslasersender 68, der durch Aussenden eines intensiven Blitzes von Laserlicht durch den Strahllenkungsmechanismus 70 und die Übertragungsoptik 72 reagiert. Im Falle eines Q-geswitchten Festkörperlasers auf Basis von Erbiumglas, Neodym-YAG, oder einem anderen Festkörperverstärkungsmedium, kann ein einfacher Bi-Level-Logikbefehl die Pumplaserdioden starten, welche für eine Zeitdauer in das Verstärkungsmedium einstrahlen, was schließlich zu einem einzelnen „Flash” des Pulslasersenders 68 führt. In dem Fall eines Halbleiterlasers, der elektrisch gepumpt wird, und augenblicklich durch Modulation des in die Laserdiode injizierten Stromsignals moduliert werden kann, ist ein Modulationssignal von eher allgemeiner Natur möglich, und kann mit einem wesentlichen vorteilhaften Effekt verwendet werden. Das Modulationssignal kann ein Flat-topped-Rechteckpuls oder ein trapezförmiger Puls sein, oder ein gaußförmiger Puls oder eine Abfolge von Pulsen. Das Modulationssignal kann außerdem sein: sinusförmig, torgesteuert (gated) oder gepulst sinusförmig, gewobbelt sinusförmig, oder eine frequenzmodulierte Sinuswelle, oder eine amplitudenmodulierte Sinuswelle, oder eine pulsbreitenmodulierte Serie von Pulsen. Das Modulationssignal wird typischerweise in einem Speicher 64 als eine Lookup-Tabelle digitaler Speicherwörter gespeichert, welche repräsentativ für Analogwerte sind, wobei die Lookup-Tabelle sequentiell durch den Steuerprozessor 58 ausgelesen und durch einen Onboard-Digital-zu-Analog(D/A)-Wandler 66 in Analogwerte umgewandelt wird, und an den Treiberschaltkreis des Pulslasersenders 68 übergeben wird. Die Kombination aus einer in dem Speicher 64 gespeicherten Lookup-Tabelle und einem D/A-Wandler, zusammen mit den notwendigen Logikschaltkreisen, Taktgebern und Zeitgebern 62, welche in dem Steuerprozessor 58 resident sind, umfasst zusammen einen Arbiträr-Funktionsgenerator(AWG)-Schaltkreisblock. Der AWG-Schaltkreisblock kann alternativ in einen Lasertreiber als Teil des Pulslasersenders 68 eingebettet sein. Die Transmissionsoptik 72 zerstreut den durch den Pulslasersender 68 erzeugten hochintensiven Spot im Wesentlichen gleichförmig über dem gewünschten durch den Ladarsensor 34 abzubildenden Bildfeld. Ein optischer Teststrahl des ausgesandten Laserpulses (als ARC-Signal bezeichnet) wird außerdem zu dem Detektorarray 78 über eine optische Faser gesendet. Einige Pixel in einer Ecke des Detektorarrays 78 werden von dem ARC(automatische Abstandskorrektur)-Signal beleuchtet, was eine Zero-Time-Referenz für die Zeitschaltkreise in dem integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) 82 herstellt. Jede Einheitszelle des integrierten Ausleseschaltkreises 82 weist einen zugewiesenen Zeitschaltkreis auf, der durch einen aus dem ARC-Signal abgeleiteten elektrischen Puls zum Zählen gestartet wird. Alternativ kann das Flash-Detektor 67-Signal als eine Null-Referenz in einer zweiten Zeitbetriebsart verwendet werden. Obwohl das ARC-Signal einwandfrei einige der variablen Verzögerungen entfernt, welche mit der Transitzeit durch das Detektorarray 78 verbunden sind, sind zusätzliche Kosten und Komplexität das Ergebnis. Bei gegebenen digitalen Darstellungen der Bildframes kann die gleiche Aufgabe in Software/Firmware mit einem geeigneten eingebetteten Prozessor durchgeführt werden, wie zum Beispiel einem Datenreduktionsprozessor 86. Wenn ein Teil des übertragenen Laserpulses von einem Merkmal in der Szene im Bildfeld des Ladarsensor 34 reflektiert wird, dann kann er auf eine Empfangsoptik 74 treffen, welche typischerweise die Linse einer Frontscheinwerferanordnung und ein Array aus Mikrolinsen auf dem Detektorarray 78 umfasst. Alternative Ausführungsformen verwenden verstärkte Detektoren, welche nicht die Verwendung von Mikrolinsen erfordern. Weitere alternative Ausführungsformen der Empfangsoptik 74 verwenden Beugungsarrays, um das eintreffende Licht auf die individuellen Elemente des Detektorarrays 78 zu sammeln und zu bündeln. Gepulstes Laserlicht, das von einem Merkmal in der Szene in dem Bildfeld der Empfangsoptik 74 reflektiert wird, wird auf ein individuelles Detektorelement des Detektorarrays 78 fokussiert. Dieses optische Signal des reflektierten Laserlichts wird dann von dem betroffenen Detektorelement detektiert und in einen elektrischen Strompuls umgewandelt, welcher dann durch einen zugeordneten Pixelverstärkerschaltkreis eines optionalen Verstärkerarrays 80 und den elektrischen Einheitszellenschaltkreis des integrierten Ausleseschaltkreises 82 verstärkt wird, wobei die Laufzeit (time of flight) gemessen wird. Daher ist der Abstand zu jedem reflektiven Merkmal in der Szene in dem Bildfeld mit Hilfe des Ladarsensors 34 messbar. Das Detektorarray 78, das Verstärkerarray 80 und der integrierte Ausleseschaltkreis 82 können ein Array mit einer Größe von M×N oder N×M sein. Der Steuerprozessor 58 steuert den Strahllenkungsmechanismus 70 derart, um den Ausgabestrahl des Pulslasersenders 68 in einen ausgewählten Abschnitt der Szene in den nach vorne gerichteten Pfad des Fahrzeuges 2 abzulenken, wie es in 1 dargestellt ist.
  • Weiterhin mit Bezug auf 4 kann die Empfangsoptik 74 eine konvexe Linse, eine sphärische Linse, eine zylindrische Linse oder ein Beugungsgitterarray sein. Ein optionaler mechanischer Verschluss kann von dem Steuerprozess 58 verwendet werden, um das System zu kalibrieren bzw. das Detektorarray 78 zu schützen. Diese Funktion wird detailliert in Verbindung mit 9 beschrieben. Empfangsoptik 74 sammelt das von der Szene reflektierte Licht und fokussiert das gesammelte Licht auf das Detektorarray 78. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Detektorarray 78 in einem dünnen Film aus Galliumarsenid gebildet, das epitaktisch auf einem Indiumphosphid-Halbleitersubstrat abgeschieden ist. Typischerweise würde das Detektorarray 78 einen Satz von Kathodenkontakten aufweisen, welche dem Licht ausgesetzt sind, und einen Satz von Anodenkontakten, welche elektrisch mit dem unterstützenden Verstärkerarray 80 und dem integrierten Ausleseschaltkreis 82 durch eine Anzahl von auf dem Detektorarray 78 abgeschiedenen Indiumbumps verbunden sind. Die Kathodenkontakte der individuellen Detektoren des Detektorarrays 78 werden dann auf der beleuchteten Seite des Arrays mit einem Detektor-Biasspannung-Gitter verbunden. Jeder Anodenkontakt der Detektorelemente des Detektorarrays 78 ist daher unabhängig mit einem Eingang eines Pixelverstärkers eines optionalen Verstärkerarrays 80 verbunden, oder direkt mit einem elektronischen Einheitszellenschaltkreis des integrierten Ausleseschaltkreises 82. Diese herkömmliche Hybridanordnung des Detektorarrays 78 und des integrierten Ausleseschaltkreises 82 kann weiterhin verwendet werden, jedoch kann eine neue Technologie die Zwischen-Element-Kopplung, bzw. das Übersprechen, reduzieren, und auch einen Leck-(Dunkel-)Strom reduzieren und die Wirksamkeit der individuellen Detektorelemente des Detektorarrays 78 verbessern. Weitere Detektorarraystrukturen werden hierin aufgezeigt und in Verbindung mit 11, 15 und 16 beschrieben. Der integrierte Ausleseschaltkreis 82 umfasst ein rechtwinkeliges Array aus elektrischen Einheitszellenschaltkreisen. Jede Einheitszelle hat die Fähigkeit, einen Niedriglevel-Fotostrom zu verstärken, der von einem optoelektronischen Detektorelement des Detektorarrays 78 empfangen wurde, und die Verstärkerausgabe abzutasten. Typischerweise ist die Einheitszelle außerdem in der Lage, das Vorhandensein eines elektrischen Pulses in der Pixelverstärkerausgabe zu detektieren, welcher einem Lichtpuls zugeordnet ist, der von der Szene reflektiert und von dem Detektorelement des Detektorarrays 78 abgefangen worden ist. Das Detektorarray 78 kann ein Array aus Avalanche-Fotodioden sein, die zu einer Verstärkung von Fotoelektronen fähig sind, und kann durch ein eintreffendes Lichtsignal bei der gewünschten Wellenlänge moduliert werden.
  • Die Detektorarray 78-Elemente können außerdem P-intrinsisch-N(PIN)-Fotodioden oder N-intrinsisch-P(NIP)-Fotodioden sein, wobei der dominante Träger jeweils aus Löchern oder Elektronen besteht. Im Fall einer NIP-Detektorstruktur würde der entsprechende ROIC 82 die Polarität der Bias-Spannungen und Verstärkereingänge entsprechend eingestellt haben. Die Hybridanordnung des Detektorarrays 78 und des integrierten Ausleseschaltkreises 82 der bevorzugten Ausführungsform wird in 11 bis 17 gezeigt, wobei die Anordnung dann auf einer Unterstützungsschaltkreisanordnung befestigt wird, typischerweise auf einem FR-4-Substrat oder einem Keramiksubstrat. Die Schaltkreisanordnung stellt typischerweise eine Unterstützungsschaltung bereit, welche eine aufbereitete Spannung zuführt, ein Referenztaktsignal, Kalibrierkonstanten und Auswahleingänge für die Auslesespalte und -reihe, zusammen mit anderen Unterstützungsfunktionen, während Abstands- und Intensitäts-Ausgaben von dem integrierten Ausleseschaltkreis 82 für die individuellen Elemente des Detektorarrays 78 empfangen und registriert werden. Viele dieser Unterstützungsfunktionen können in RISC(Reduced Instruction Set Computer)-Prozessoren umgesetzt werden, welche auf dem gleichen Schaltkreissubstrat resident sind. Ein Detektorbias-Wandlerschaltkreis 96 wendet eine zeitlich variierende Detektorbias an dem Detektorarray 78 an, welcher optimale Detektorbiasniveaus bereitstellt, um die Gefahren von Sättigung im Nah-Bildfeld des Detektorarrays 78 zu reduzieren, während die Möglichkeit der Detektion von fernen Objekten im Bildfeld des Detektorarrays 78 maximiert wird. Die Einhüllende der zeitlich variierenden Detektorbias, welche vom Detektorbiaswandler 96 zugeführt wird, wird durch den Steuerprozessor 58 auf Grundlage eines Feedbacks von dem Datenreduktionsprozessor 86 beschrieben, wobei die Reflektivität und der Abstand von Objekten oder Punkten in der Szene in dem Bildfeld des Detektorarrays 78 angezeigt werden. Der Steuerprozessor 58 stellt außerdem mehrere Takt- und Zeitsignale von einem Zeitabstimmungskern 62 an den integrierten Ausleseschaltkreis 82, den Datenreduktionsprozessor 86, die Analog-zu-Digital-Wandler 84, den Objekt-Tracking-Prozessor 98 und an ihre zugewiesenen Speicher bereit. Der Steuerprozessor 58 benötigt eine temperaturstabilisierte bzw. temperaturkompensierte Frequenzreferenz 94, um eine Vielzahl von Takt- und Zeitsignalen zu erzeugen.
  • Eine temperaturstabilisierte Frequenzreferenz 94 kann ein temperaturkompensierter Kristalloszillator (TCXO), ein dielektrischer Resonatoroszillator (DRO), oder eine Oberflächenakustikwellen-Einrichtung (SAW) sein. Der Zeitabstimmungskern 62, der im Steuerprozessor 58 resident ist, kann einen Hochfrequenz-Abstimmoszillator, programmierbare Vorteiler-Teiler (Prescaler Deviders), Phasenvergleicher und Fehlerverstärker umfassen.
  • Weiterhin mit Bezug auf 4 weisen der Steuerprozessor 58, der Datenreduktionsprozessor 86 und der Objekt-Tracking-Prozessor 98 jeweils einen zugewiesenen Speicher zum Abspeichern von Programmen, Daten, Konstanten und den Ergebnissen aus den Operationen und Berechnungen auf. Diese Speicher, welchen jeweils ein Begleit-Digital-Prozessor zugeordnet ist, können ROM, EPROM oder einen anderen nicht-flüchtigen Speicher, wie zum Beispiel Flash, umfassen. Sie können außerdem einen flüchtigen Speicher umfassen, wie zum Beispiel SPAN oder DRAN, wobei sowohl der flüchtige als auch der nicht-flüchtige Speicher in jeden der entsprechenden Prozessoren integriert sein können. Ein gemeinsamer Frame-Speicher 88 dient dazu, eine Anzahl von Frames zu halten, wobei jeder Frame das aus einem einzelnen Laserpuls resultierende Bild ist. Sowohl der Datenreduktionsprozessor 86 als auch der Objekt-Tracking-Prozessor 98 können 3D-Bildbearbeitung ausführen, um die Last auf einer Szene-Bearbeitungseinheit zu reduzieren, welche normalerweise einem Higher-Level-Prozessor zugeordnet ist, beispielsweise der Ladarsystemsteuerung 30. Es gibt zwei Betriebsarten der Datenkollektion, wobei die erste SULAR ist, oder ein progressiver Tiefenscan. Jeder Laserpuls resultiert typischerweise in zwanzig Daten-„Scheiben”, ähnlich einem CAT-Scan, wobei jede „Scheibe” als eine einzelne Seite in dem gemeinsamen Frame-Speicher 88 abgespeichert werden kann. Bei jeder Pixel-Abtastung in einem zwei Nanosekunden-Intervall sind die „Scheiben” jeweils eine Schicht des Bildraumes mit etwa 30 cm-Abständen in der Tiefe. Die 20 Scheiben repräsentieren einen Datenrahmen, wobei die Abtastung für einen nachfolgenden Laserpuls bei 6 m weiter in der Tiefe gestartet werden kann, so dass der gesamte Bildraum von bis zu 300 m Abstand bzw. in der Tiefe in einer Abfolge von 50 Laserbeleuchtungspulsen gesweept werden kann, wobei jede Laserpuls-Antwort aus 20 „Scheiben” von Daten besteht, die in einem einzelnen Frameeintrag gehalten werden. In einigen Fällen kann der Frame-Speicher groß genug sein, um alle 50 Datenframes zu halten. Die Anzahl der gespeicherten Scheiben könnte ausreichend sein, um jeden beliebigen relevanten Abstand abzubilden, wobei keine Trigger-Mode-Operation erforderlich ist. Die Reduktion der Daten kann dann in einem externen Computer stattfinden, wie in dem Fall, wo Daten zum Abbilden einer Unterwasseroberfläche, oder eines Waldes mit Baumbedeckung, oder irgendeiner statischen Landschaft genommen wurden, wo intelligente Nachbearbeitungstechniken mit Software eine bessere Genauigkeit oder Auflösung ergeben können. Eine zweite Datenerfassungsbetriebsart ist die TRIGGER-Betriebsart, wo die individuellen Pixel jeweils nach einer Pulsantwort suchen, wobei bei Erreichen eines bestimmten Pulsschwellenwertkriterium die 20 analogen Abtastungen, welche die Puls-Ankunftszeit umgeben, in den Pixel-Analog-Speichern gehalten werden, wobei ein laufender Digitalzähler mit einer nominalen Abstandsmessung „eingefroren” wird. Die 20 Analog-Abtastungen werden von jedem Pixel über die „A”- und „B”-Ausgänge des integrierten Ausleseschaltkreises 82 ausgegeben, welche die verschachtelten Reihen- oder Spalten-Werte der 128×128 Pixel des vorliegenden Designs repräsentieren. Die „A”- und „B”-Ausgänge sind Analogausgänge, wobei die dort präsentierten Analog-Abtastungen mit Hilfe des Zweikanal-Analog-zu-Digital(A/D)-Wandlers 84 in Digitalwerte umgewandelt werden. „Verschachtelung der Ausgänge” bedeutet, dass einer der Ausgänge („A”) die ungeradzahligen Zeilen des Auslese-IC 82 ausliest, wobei der andere Ausgang („B”) die geradzahligen Zeilen des Auslese-IC 82 ausliest. Größere Detektorarrays 78 und Auslese-ICs 82 können mehr als zwei Analogausgänge aufweisen. Die Digitalausgänge der A/D-Wandler 84 sind mit den Eingängen des Datenreduktionsprozessors 86 verbunden. Die A/D-Wandler 84 können außerdem in dem integrierten Ausleseschaltkreis 82 integriert sein. Die Digitalausgänge sind typischerweise 10- oder 12-Bit-Digitaldarstellungen der unkorrigierten Analog-Abtastungen, welche an jedem Pixel des Auslese-IC 82 gemessen wurden, wobei jedoch andere Darstellungen mit mehr oder weniger Bits verwendet werden können, und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung. Die Rate der Digitalausgänge hängt von der Framerate und der Anzahl der Pixel in dem Array ab. In der TRIGGER-Betriebsart wurde ein Großteil der Datenreduktion bereits vorgenommen, da der gesamte Abstands- oder Tiefen-Raum in dem Zeitrahmen eines einzelnen Laserpulses gesweept werden kann, wobei der Datenreduktionsprozessor 86 lediglich auf den 20 Analog-Abtastungen operieren würde, welche in jeder Einheitszelle gespeichert sind, um die nominale Abstandsmessung zu verbessern, welche von jedem Pixel (Einheitszelle) des Arrays empfangen wurde. Der Datenreduktionsprozessor 86 bereitet die von jedem Pixel empfangenen nominalen Abstandsmessungen auf, indem die Analog-Abtastungen an die Form des ausgehenden Laserbeleuchtungspulses kurvenangepasst werden, der durch das Referenz-ARC-Pulssignal beibehalten wird. Diese Pulse sind typischerweise gaußförmig, können jedoch quadratisch, trapezförmig, halbsinusförmig, kardinalsinusförmig usw. sein, wobei die Anpassungsalgorithmen Fourier-Analyse, Least-Squares-Analyse oder eine polynomische, exponentielle usw. Anpassung verwenden können. Die Abstandsmessungen können außerdem durch eine Kurvenanpassung an eine wohlbekannte charakteristische Referenzpulsform aufbereitet werden. In der TRIGGER-Erfassungsbetriebsart muss der Framespeicher 88 lediglich ein „Punktwolken”-Bild für jeden Beleuchtungslaserpuls halten. Der Begriff „Punktwolke” bezieht sich auf ein Bild, das durch den Abstand und die Intensität des reflektierten Lichtpulses erzeugt wurde, wie dieser durch jeden Pixel des 128×128-Arrays des vorliegenden Designs detektiert worden ist. In der TRIGGER-Betriebsart dient der Datenreduktionsprozessor 86 in den meisten Fällen dazu, die Abstands- und Intensitäts(R&I)-Messungen aufzubereiten, welche von jedem Pixel gemacht wurden, bevor die R&I-Daten über den Datenbus 87 an den Framespeicher 88 übergeben wurden, wobei keine „Scheiben”-Daten oder Analog-Abtastungen in dem Speicher gehalten werden, und zwar unabhängig von den R&I-„Punktwolken”-Daten in dieser Erfassungsbetriebsart. Der Framespeicher 88 stellt individuelle oder mehrfache Frames bzw. Voll-Punktwolken-Bilder über den Datenbus 90 für den Steuerprozessor 58 bereit, und nach Bedarf über den Datenbus 89 für einen optionalen Objekt-Tracking-Prozessor 98.
  • Wie ebenfalls in 4 gezeigt ist, können der Datenreduktionsprozessor 86 und der Steuerprozessor 58 vom gleichen Typ sein, ein reduzierter-Befehlssatz-(RISC)-Digitalprozessor mit Hardwareimplementation von Ganzzahl- und Fließpunkt-Arithmetikeinheiten. Der Objekt-Tracking-Prozessor 98 kann ebenfalls vom gleichen Typ wie die RISC-Prozessoren 86 und 58 sein, kann aber in einigen Fällen ein Prozessor mit größerer Leistung sein, welche für hochkomplexe Graphikbearbeitung geeignet ist. Der Objekt-Tracking-Prozessor 98 kann zusätzlich zu den Hardware-implementierten Ganzzahl- und Fließpunkt-Arithmetikeinheiten eine Anzahl von Hardware-implementierten Matrix-Arithmetikfunktionen aufweisen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: Matrix-Determinante, Matrix-Multiplikation und Matrix-Inversion. Im Betrieb steuert der Steuerprozessor 58 das Verstärkerarray 80, den integrierten Ausleseschaltkreis 82, die A/D-Wandler 84, den Framespeicher 88, den Datenreduktionsprozessor 86 und den Objekt-Tracking-Prozessor 98 über einen bidirektionalen Steuerbus 92, welcher dem Haupt-Steuerprozessor 58 ermöglicht, Befehle auf einer Prioritätsbasis an die abhängigen Peripherfunktionen zu übergeben: Verstärkerarray 80, Auslese-IC 82, A/D-Wandler 84, Framespeicher 88, Datenreduktionsprozessor 86 und Objekt-Tracking-Prozessor 98. Der bidirektionale Steuerbus 92 dient außerdem dazu, Status- und Prozessparameter-Daten an den Steuerprozessor 58 zurückzugeben, und zwar von dem Verstärkerarray 80, dem Auslese-IC 82, den A/D-Wandlern 84, dem Framespeicher 88, dem Datenreduktionsprozessor 86 und dem Objekt-Tracking-Prozessor 98. Der Datenreduktionsprozessor 86 bereitet die nominalen Abstandsdaten auf und passt alle Pixel-Intensitäts-Daten an, welche aus den digitalisierten Analog-Abtastungen entwickelt wurden, welche von den A/D-Wandlern 84 empfangen wurden, und gibt über einen unidirektionalen Datenbus 87 einen Vollbild-Frame an den Framespeicher 88 aus, welcher ein Dualport-Speicher ist, der die Kapazität hat, in Abhängigkeit von der Anwendung mehrere tausend Frames zu halten. Der Objekt-Tracking-Prozessor 98 weist einen internen Speicher mit ausreichend Kapazität auf, um mehrere Bilddatenframes zu halten, was Multiframe-Synthese-Prozesse ermöglicht, einschließlich Videokompression, Singleframe oder Multiframe-Auflösungserweiterung, Statistikbearbeitung und Objektidentifikation und -Tracking. Die Ausgaben des Objekt-Tracking-Prozessors 98 werden über den unidirektionalen Datenbus 99 an einen Kommunikationsanschluss (Comm port) 60 übertragen, der in dem Steuerprozessor 58 resident sein kann. Alle Scheibendaten, Abstands- und Intensitätsdaten, Steuerung sowie Kommunikationen laufen dann zwischen dem Kommunikationsanschluss 60 und einer zentralisierten Ladarsystemsteuerung 30, und zwar über bidirektionale Verbindungen 26 (3). Spannungs- und Masseverbindungen (nicht dargestellt) können über eine elektromechanische Schnittstelle zugeführt werden. Die bidirektionalen Verbindungen 26 können elektrische oder optische Übertragungsleitungen sein, wobei die elektromechanische Schnittstelle ein DB-25-Elektrikverbinder sein kann, oder ein optischer und elektrischer Hybridverbinder, oder ein spezieller Fahrzeugverbinder, der dazu ausgebildet ist, Signale für den Ladarsensor 34 bidirektional zu übertragen. Die bidirektionalen Verbindungen 26 würden außerdem mit der Ladarsystemsteuerung 30 verbunden sein, und zwar in dem Fall einer Hilfs-Leuchtenanordnung, welche darin einen kurzreichweitigen Ladarsensor 32 eingebettet haben kann. Die bidirektionalen Verbindungen 26 können serielle Highspeed-Verbindungen sein, wie zum Beispiel Ethernet, Universal Serial Bus (USB) oder Glasfaser, oder können auch parallele Highspeed-Verbindungen sein, wie zum Beispiel InfiniBand usw., oder können eine Kombination aus seriellen und parallelen Highspeed-Verbindungen sein, ohne hierauf beschränkt zu sein. Die bidirektionalen Verbindungen 26 dienen außerdem dazu, Information zum Steuerprozessor 58 hochzuladen, einschließlich Programmaktualisierungen für den Datenreduktionsprozessor 86, den Objekt-Tracking-Prozessor 98, und GPS-Referenzdaten als auch anwendungsspezifische Steuerparameter für die übrigen Funktionsblöcke des Ladarsensors 34 hochzuladen. Die Inertial- und Vertikal-Referenz 50 (siehe 3) stellt außerdem Daten für die kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 und für die langreichweitigen Ladarsensoren 34 von dem Host-Fahrzeug 2 über die elektrischen Fahrzeugsysteme und die CPU 48 und die Ladarsystemsteuerung 30 nach Bedarf bereit. Ebenso können alle anderen Daten von dem Host-Fahrzeug 2, welche für den Ladarsensor 34 nützlich sein können, auf die gleiche Art und Weise wie die Inertial- und Vertikalreferenzdaten bereitgestellt werden. Die Inertial- und Vertikalreferenzdaten können zusätzlich zu den externen Positionen und Referenzen von dem Steuerprozessor 58 verwendet werden, welche Positions- und Inertialreferenzdaten an den Datenreduktionsprozessor 86 für eine Anpassung der Abstands- und Intensitätsdaten übertragen können, und an den Objekt-Tracking-Prozessor 98 für eine Verwendung bei Multiframe-Datensyntheseprozessen. Die Vertikalreferenz stellt im Allgemeinen eine Messung hinsichtlich Beschleunigung und Neigung bereit, und ist dazu ausgebildet, einen Höhenwinkel auszulesen, und einen Drallwinkel (analog zu Neigung) mit Bezug zu einer horizontalen Ebenenoberfläche normal zur Schwerkraft. Die kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 verwenden typischerweise einen Halbleiterlaser, welcher auf mehrere unterschiedliche Arten moduliert werden kann. Die langreichweitigen Ladarsensoren 34 verwenden typischerweise einen q-geswitchten Festkörperlaser, welcher einen einzelnen Ausgabepuls mit einem Gauss-Profil erzeugt. Die Pulsform eines Festkörperlasers dieses Typs ist nicht einfach modulierbar, und muss deshalb als „wie ist” von dem Empfängerabschnitt eines langreichweitigen Ladarsensors 34 behandelt werden. Die Funktionen der kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 des Typs, wie sie typischerweise in einer Hilfs-Leuchtenanordnung eingebettet ist, wie zum Beispiel ein Rücklicht, ein Blinker, oder ein Parklicht, sind mit einigen Ausnahmen die gleichen wie die Funktionen der langreichweitigen Ladarsensoren. Die langreichweitigen Ladarsensoren 34 und die kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 können sich lediglich in der Art des verwendeten Lasers und der Art der Lasermodulation unterscheiden. Die Übertragungsoptik 72 und die Empfangsoptik 74 können sich ebenfalls unterscheiden, und zwar hinsichtlich des engeren Bildfelds bei den langreichweitigen Ladarsensoren 34. Unterschiede hinsichtlich der übertragenen Laserpulsmodulation zwischen den langreichweitigen Ladarsensoren 34 und den kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 können durch die flexible Natur der Auslese-IC 82-Abtastmodi ausgeglichen werden, und die Programmierbarkeit des Datenreduktionsprozessors 86. Das Host-Fahrzeug 2 kann eine Anzahl von Verbinderaufnahmen aufweisen, welche üblicherweise für weibliche Verbinderstecker für USB, Ethernet, RJ-45 oder eine andere Schnittstellenverbindung verfügbar sind, und welche alternativ verwendet werden können, um langreichweitige Ladarsensoren 34 oder kurzreichweitige Ladarsensoren 32 des hierin beschriebenen Typs anzubringen.
  • Weiterhin mit Bezug auf 4 ist es sinnvoll, eine Variante eines kurzreichweitigen Ladarsensors 32 zu diskutieren. Bei einem kurzreichweitigen Ladarsensor 32 ist in beträchtlichem Maße weniger Übertragungsleistung erforderlich, was die Verwendung eines Halbleiterlasers und Multipuls-Modulationen ermöglicht. Ein Beispiel eines Halbleiterlasers ist der Vertikalkavität-Oberflächenemitter-Laser (VCSEL), der in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, da er eine Anzahl von vorteilhaften Eigenschaften aufweist. Ein VCSEL hat typischerweise ein kreisrundes Strahlprofil, und weist an der Öffnung geringere Spitzenleistungsdichten auf. VCSELs erfordern außerdem weniger sekundäre mechanische Operationen, wie zum Beispiel Spalten, Polieren, und können relativ einfach zu Arrays gebildet werden. Die Verwendung eines Halbleiterlasers ermöglicht die maßgeschneiderte Erzeugung eines Antriebsstrompulses, um so eine Gauss-förmige optische Pulsform mit lediglich geringen Abweichungen zu produzieren. Die VCSEL-Antwortzeit liegt im Subnanosekundenbereich, und die typische optische Pulsbreite kann 5 bis 100 ns bei halber Leistung betragen. In der Darstellung der 4 würden der VCSEL und der Lasertreiber Teil des Pulslasersenders 68 sein, wobei die gewünschte Puls- bzw. Wellenform selber mit Hilfe eines Digital-zu-Analog-Wandlers 66 erzeugt wird, welcher eine typischer Konversionsrate von 200 bis 300 MHz aufweist, so dass alle Abweichungen in der Ausgabepulsform vom Gauss-förmigen Ideal in der Lookup-Tabelle im Speicher 64 kompensiert werden können, welcher dem Steuerprozessor 58 zugeordnet ist, welcher als die digitale Referenz für die Antriebsstromwellenform dient, welche dem Lasertreiber innerhalb des Pulslasersenders 68 durch den D/A-Wandler zugeführt wird. Ein Gauss-förmiges Einzelpuls-Modulationsschema funktioniert gut bei kurzen Abständen, und zwar bei der gegebenen begrenzten optischen Leistung, welche von einem VCSEL verfügbar ist. Eine Erweiterung des Bereiches eines VCSEL-Senders kann unter Verwendung intelligenterer Modulationsschemata erreicht werden, wie zum Beispiel Multipuls-Sequenzen, Sinuswellen-Bursts usw. Der VCSEL und die Modulationsschemata, wie sie hierin mit Bezug auf den kurzreichweitigen Ladarsensor 32 beschrieben werden, sind eine Alternative zu dem Festkörperlaser, der typischerweise in einem Pulslasersender 68 eines langreichweitigen Ladarsensors 34 verwendet wird. Die Verwendung eines VCSEL-Arrays in einem Pulslasersender 68 hat das Potential, Kosten, Abmessungen, Energieverbrauch zu reduzieren und/oder die Zuverlässigkeit zu verbessern. Ladarsensoren können an vielen Stellen am Fahrzeug 2 angebracht werden: Frontscheinwerfer, Hilfsleuchten, Türbleche, Rückspiegel, Stoßstangen usw. Bei Ausstattung mit einem empfindlicheren Detektorarray 78, wie zum Beispiel einem Image-Tube-FPA, kann ein Ladarsensor des hierin beschriebenen Typs ein VCSEL-Array als eine Beleuchtungsquelle verwenden, wobei viel größere Abstände unterstützt werden können. Bei Bezug auf die Hauptfunktionen des Ladarsensors aus 4 ist es manchmal praktisch, auf den „optischen Transmitter” als diejenigen Funktionen zu verweisen, welche den Lichtburst zum Beleuchten der Szene in dem Bildfeld unterstützen und/oder erzeugen. Diese Elemente wären typischerweise der Steuerprozessor 58, welcher den Prozess startet, der Pulslasersender 68, der Strahllenkungsmechanismus 70 und die Übertragungsoptik 72. Der Begriff „optischer Empfänger” kann verwendet werden, um auf diejenigen Elemente zu verweisen, welche zum Sammeln des von der Szene in dem Bildfeld reflektierten Lichtes notwendig sind, zum Filtern des empfangenen Lichtes, zum Umwandeln des empfangenen Lichtes in eine Mehrzahl von gepixelten elektrischen Signalen, zum Verstärken dieser gepixelten elektrischen Signale, zum Detektieren der Pulse bzw. ihrer Modulation, zum Ausführen der Abstandsmessungen und zum Aufarbeiten oder Reduzieren der empfangenen Daten. Diese Funktionen würden die Empfangsoptik 74, den optischen Verstärkungsblock 76, das Detektorarray 78, das Verstärkerarray 80, den Auslese-IC 82, die A/D-Wandler 84 und den Datenreduktionsprozessor 86 umfassen.
  • Die in 5 dargestellte Einheitszellenelektronik ist gut dazu ausgebildet, mit einem Gauss-förmigen Einzelpuls-Modulationsschema zu funktionieren, und funktioniert vorteilhafter Weise auch mit anderen Modulationsschemata, einschließlich Sequenzen von Flat-topped-Pulsen, Gauss-förmigen oder sonstwie geformten Pulsen. Diese Pulse können eine variable Breite und Abstand aufweisen, um Doppeldeutigkeiten hinsichtlich des Abstandes zu reduzieren, und können außerdem zufällige Pulssequenzen sein, oder in anderen Fällen Barker-kodierte Pulssequenzen. Beim typischen Betrieb eines kurzreichweitigen Ladarsensors 32 mit einem Halbleiterlaser, der einen einzelnen Gauss-förmigen Ausgabepuls erzeugt, wird ein Teil des von einer Oberfläche im Bildfeld des kurzreichweitigen Ladarsensors 32 reflektierten gepulsten Laserlichts durch die Empfangsoptik 74 gebündelt und fokussiert, geht durch den optischen Verstärkungsblock 76 und fällt auf ein individuelles Detektorelement 100 des Detektorarrays 78. Das individuelle Element 100 ist typischerweise eine Avalanche-Fotodiode, kann aber auch ein PIN oder NIP oder eine andere Struktur sein. Jedes individuelle Element 100 des Detektorarrays 78 wird in einem halbleitenden Film gebildet, bestehend aus Silizium, Indiumgalliumarsenid, Indiumgalliumarsenidphosphid, Aluminiumgalliumarsenid, Indiumgalliumnitrid oder anderen halbleitenden Komponenten, welche für die Wellenlänge dieses Betriebs geeignet sind. Jedes individuelle Element 100 wird mit einer Spannung über ein Bias-Spannung-Verteilungsnetzwerk VDET 102 vorgespannt. Das auf das individuelle Detektorelement 100 auftreffende reflektierte Lichtsignal wird in ein elektronisches Signal umgewandelt, typischerweise einen Fotostrom, und durch einen Eingangsverstärker 104 verstärkt, typischerweise einen Transimpedanzverstärker. Die Ausgabe des Eingangsverstärkers 104 wird an einen Trigger-Schaltkreis 106 als auch an eine Anzahl von Analogabtastgatter 108 verteilt. Jedes Analogabtastgatter 108 hat einen Ausgang, der mit einer Analogspeicherzelle 120 verbunden ist. Der Trigger-Schaltkreis 106 ist typischerweise ein Schwellenwertspannungskomparator, der zum Triggern eingestellt ist, wenn ein Puls empfangen wird, welcher einen vorgegebenen Betrag überschreitet, obwohl andere Pulsdetektionsschemata verwendet werden können. Nach einer mit Hilfe eines Verzögerungsschaltkreises 110 programmierbaren Verzögerung wird der Zustand des Umlaufwählers 112 durch den Logikübergang der Triggerschaltkreis 106-Ausgabe „eingefroren”, falls die Einheitszelle in der TRIGGER-Betriebsart betrieben wird. Vor der Detektion eines empfangenen Pulses durch den Trigger-Schaltkreis 106 bringt der Abtasttakt 114 den Zustand des Umlaufwählers 112 dazu, fortzuschreiten, wodurch einer der Abtaststeuerausgänge S1 bis S3 aktiviert wird, was wiederum eine Abtastung der Eingangsverstärker 104-Ausgabe durch eines der Abtastgatter 108 verursacht. Die Anzahl an Übergängen des Abtasttaktes 114 wird durch den Zähler 116 gezählt, wenn der Umlaufwähler 112 einen Logikübergang an den Zähler 116 für jeden Zyklus des Abtasttaktes nach Freigabe der aktiven Low-Reset-Leitung 118 ausgibt. Der Umlaufwähler 112 kann durch die Ausgänge S1 bis S3 der Reihe nach durchschalten, oder kann in Abhängigkeit von der Programmierung eine unterschiedliche Sequenz aufweisen. Ein zweiter Umlaufwähler 112 und Abtasttakt 114 können parallel zueinander operieren, zusammen mit dem Zähler 116, den Analog-Abtastgattern 108 und den Analog-Speicherzellen 120. Die Kombination aus Abtasttakt 114, Zähler 116, Umlaufwähler 112, Abtastgattern 108 und Speicherzellen 120 kann als eine Einheitszellen-Abtaststruktur 122 bezeichnet werden, angedeutet durch die mit kurzen Strichen markierte Umrandung. Zwei, drei oder mehrere dieser Abtaststrukturen 122 können parallel an dem Ausgang des Eingangsverstärkers 104 betrieben werden, mit den weiter unten zu beschreibenden Vorteilen einer solchen Struktur hinsichtlich Abstands-Doppeldeutigkeit. In 5 sind drei Abtastgatter 108 und Analog-Speicherzellen 120 gezeigt, wobei die Anzahl auf einigen Auslese-ICs 82 mehrere 100 oder noch mehr betragen kann. Sowie alle Analog-Abtastdaten erfasst worden sind, startet ein Steuerbefehl von dem Steuerprozessor 58 einen Auslesezyklus durch Aktivieren der Ausgabesteuerung 124 und des Ausgabeverstärkers 126, um die Inhalte der Analog-Speicherzellen 120 in einer vorgegebenen Reihenfolge auszulesen.
  • Bei einem typischen kurzreichweitigen Ladarsensor 32, und unter der Annahme eines 1 cm2-VCSEL-Arrays mit einer 5 kW/cm2-Leistungsdichte, und in Abhängigkeit von der Reflektivität der Objekte im Bildfeld, und der Responsivität und des Überschussrauschens des Detektorarrays 78, kann der wirksame Bereich des Gauss-förmigen Einzelpulsmodulationsschemas im Bereich von 10 bis 20 m liegen, und zwar unter Verwendung einer einfachen Schwellenwertdetektionstechnik.
  • Um nicht auf ein großes VCSEL-Array zugreifen zu müssen, welches teuer sein dürfte und einen großen Entladungskondensator erfordern dürfte, um einen großen Strompuls bereitzustellen, können intelligentere Modulations- und Detektionstechniken verwendet werden, um zusätzliche Bearbeitungsfunktionen zu erzeugen, um das Signal-Rausch-Verhältnis effektiv zu erhöhen, und somit den Bereich des kurzreichweitigen Ladarsensors 32 zu erweitern, ohne die Spitzenleistung erhöhen zu müssen. In einem ersten Modulationsschema, welches eine Gauss-förmige Einzelpulsmodulation erzeugt, kann eine Detektionstechnik angewendet werden, welche die digitalisierten Analogabtastungen von jedem elektrischen Einheitszellenschaltkreis verwendet, und diese Abtastwerte in einem digitalen Optimalfilter (matched filter) bearbeitet, um den Schwerpunkt des empfangenen Pulses herauszufinden, was zu einer beträchtlichen Bearbeitungszunahme führt. Die aus dieser Struktur resultierenden Bearbeitungssteigerungen sind proportional zur Quadratwurzel der Anzahl an Abtastwerten, die in dem Filteralgorithmus verwendet werden. Beispielsweise könnte ein elektrischer Einheitszellenschaltkreis mit 256 analogen Speicherzellen 120 eine Bearbeitungssteigerung von 16 erzielen, falls alle verfügbaren Analogabtastwerte in einem Optimalfilteralgorithmus verwendet würden, unter der Annahme einer Gauss-förmigen Einzelpulsmodulation und einer normalen Rauschverteilung. Der Begriff „Bearbeitungssteigerung” wird hier verwendet, um die Zunahme in dem effektiven Signalrauschverhältnis (SNR) zu beschreiben, welche durch Ausführen der beschriebenen Operationen an Spannungsabtastwerten erreicht wird. Unter der Annahme, dass das gepulste Laserlicht gleichförmig in ausreichender Weise über dem Bildfeld der Empfangsoptik 74 verteilt ist, nimmt der effektive Bereich des Ladar ebenfalls mit der Quadratwurzel der übertragenen Leistung (bzw. SNR) zu, und eine Zunahme im Abstand von bis zu 40 bis 80 m könnte das Ergebnis sein. Eine Gauss-förmige Einzelpulsmodulation könnte charakteristisch entweder für einen Festkörperlaser oder einen Halbleiterlaser mit einem einfachen Treiber sein, und kann deshalb ein Merkmal entweder eines langreichweitigen Ladarsensors 34 oder eines kurzreichweitigen Ladarsensors 32 sein.
  • Der elektronische Einheitszellenschaltkreis aus 5 ist für eine Einzelpulsmodulation gut angepasst, oder auch für komplexere Modulationsszenarien. In einem zweiten Modulationsschema kann ein VCSEL-Array, das mit einer Reihe von Barker-kodierten flat-topped-Rechteck- bzw. Gauss-Pulsen moduliert wird, mit der Einheitszellenelektronik aus 5 abgetastet und mit dem Datenreduktionsprozessor 86 hinsichtlich Abstands- und Intensitätsabschätzungen analysiert werden. In einem dritten Modulationsschema ermöglicht ein mit einer gepulsten Sinuswelle moduliertes VCSEL-Array die Reflexion von mehr kumulativer Energie von einem Merkmal in einer Szene in dem Bildfeld entweder des kurzreichweitigen Ladarsensors 32 oder eines langreichweitigen Ladarsensors 34 ohne Zunahme in der Spitzenleistung. Jeder Peak einer gepulsten Sinuswelle wird eine separate Reflexion von einem Objekt bzw. Merkmal in der Szene in dem Bildfeld des Ladarsensors 52 aufweisen, wobei der elektrische Einheitszellenschaltkreis aus 5 dem Ladarsensorempfänger ermöglicht, auf die kumulative Energie von vielen dieser reflektierten Pulse unter Verwendung eines Minimums an Verschaltungen zu reagieren. Die Wellenform in einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Anzahl von Sinuswellenzyklen, wobei die Anzahl recht groß sein könnte, und zwar abhängig von einer Anzahl von Faktoren. Die Empfänger-Verschaltung der in 5 gezeigten Einheitszellenelektronik ist in der Lage, die kumulative Energie der zurückgegebenen Pulsspitzen abzutasten bzw. synchron zu detektieren. Zwei Abtastbetriebsarten können von der in 5 gezeigten Einheitszellenabtaststruktur unterstützt werden. Bei Erfassen von Analogabtastwerten von Einzelpuls- oder Multipuls-Sequenzen, wobei Analogabtastwerte einer eingehenden Wellenform sequentiell erfasst werden, würde die Abtast-Impedanzsteuerung 128 (Z) für den Umlaufwähler 112 auf einen Minimalwert eingestellt sein. Die Abtastfrequenz des Abtasttaktes 114 würde außerdem derart eingestellt sein, um 10 oder vielleicht 20 Analogabtastwerte während jeder Pulsbreite zu erzeugen. Wenn die Abtast-Impedanzsteuerung 128 auf ein Minimum eingestellt ist, dann werden die Abtastwertsteuerungen S1, S2, S3 mit voller Spannung während eines Abtastzyklusses aktiviert. Da jedes Abtastgatter 108 ein Feldeffekttransistor ist, wird eine Zunahme der Abtastwertsteuerspannung S1 bis S3 die Gatter-Quell-Spannung an dem Abtast-FET erhöhen, wodurch die Impedanz des Kanals zwischen Quelle und Senke abgesenkt wird, und wobei die Abtastgatter-Impedanz auf ein Minimum gesetzt wird. Wenn die Abtastgatter 108-Impedanz auf ein Minimum eingestellt ist, dann lädt sich der Speicherkondensator, der als eine Analog-Speicherzelle 120 dient, schnell auf die am Ausgang des Eingangsverstärkers 104 anliegende Spannung auf. Diese Betriebsart kann als „unmittelbare Spannungsabtastung” bezeichnet werden, um diese Betriebsart von einer zweiten Abtastbetriebsart zu unterscheiden, welche ausgewählt wird, wenn die Abtast-Impedanzsteuerung 128 auf einen höheren oder selbst den Maximalwert eingestellt ist. Wenn die Abtast-Impedanzsteuerung 128 für hohe Impedanz ausgewählt ist, oder einen maximalen Reihenwiderstandswert, dann befänden sich die Ausgänge S1 bis S3 bei bzw. in der Nähe von Minimalspannungen, wenn diese aktiviert sind, was zu einer geringeren Gatter-Quell-Spannung an jedem Abtastgatter-FET 108 führt, und somit zu einem höheren Abtastgatter-Reihenwiderstand in dem Kanal zwischen Quelle und Senke jedes Abtastgatter 108-FET. Bei Einstellung des Reihenwiderstands der Abtastgatter 108 auf einen hohen oder maximalen Wert besteht die Wirkung darin, dass sich ein R-C-Filter entwickelt, wobei der Analog-Speicher-Zelle 120-Speicherkondensator als ein integrierender Kondensator funktioniert. Diese zweite Abtastbetriebsart kann sehr nützlich sein, wenn eine sinusförmige Modulation an dem Pulslasersender 68 in dem Fall angewendet wird, wo der Laser ein Halbleiterlaser ist, typischerweise ein Hochleistungs-VCSEL. Durch Anwenden eines Abtasttaktes an dem durch S1 betriebenen Abtastgatter 108, welches die gleiche Frequenz wie die sinusförmige Modulation ist, werden eine Summenfrequenz und eine Differenzfrequenz in dem abgetasteten Signal sein, wobei der Analog-Speicher-Zelle 120-Speicherkondensator die Summenfrequenz herausfiltern wird, und wobei die Differenzfrequenz Null sein wird, dabei lediglich eine Gleichspannungskomponente zurücklassend, welche eine trigonometrische Funktion des Phasenunterschieds sein wird. über eine Anzahl von Zyklen der sinusförmigen Modulation vom Ausgang des Eingangsverstärkers 104 wird diese Gleichspannung als der Sinus bzw. Kosinus des Phasenunterschieds zwischen den übertragenen und empfangenen Wellenformen hervorgehen. Dieser Phasenunterschied ist proportional zum Abstand zu einer reflektierenden Oberfläche. Um die Bearbeitungsverstärkung zu verbessern, wird das zweite Abtastgatter, welches von dem S2-Signal angetrieben wird, durch die gleiche Abtasttaktfrequenz angetrieben, jedoch um 90° in der Phase verschoben, wobei die größere der zwei Gleichspannungen, bzw. ein Verhältnis der zwei Spannungen, zur Abschätzung der Phase und dadurch des Abstandes verwendet werden kann. Typischerweise wird ein Verhältnis bevorzugt, da es die Variationen der Amplitude der eingehenden Sinuswelle als ein Fehlerterm entfernt. Diese Art von Detektion beruht auf „In-Phase” und „Quadratur-Phase”-Ortsreferenzen und wird oftmals als ein „I & Q”-Detektionsschema bezeichnet. Daher können die Abtastgatter 108 in einer ersten Abtastbetriebsart als Sofort-Spannungsabtaster betrieben werden, oder als Frequenzmischer in einer zweiten Abtastbetriebsart, abhängig vom Zustand der Abtast-Impedanzsteuerung 128 und der von dem Abtasttakt 114 angewendeten Frequenz. In der ersten Abtastbetriebsart kann die Form eines Pulses oder einer Sequenz von Pulsen erfasst werden, und in einer zweiten Abtastbetriebsart kann eine periodische Wellenformmodulation, wie zum Beispiel eine Sinuswelle, durch den Frequenzmischeffekt und Integration über einen Speicherkondensator demoduliert werden, was zu einer Phasenmessung und dadurch zu einer Abstandsmessung führt. Eine Demodulation innerhalb des elektrischen Einheitszellenschaltkreises reduziert die Daten zu einem frühen Zeitpunkt, wodurch die Erfordernisse für Speicher und schnelle Digitalprozessoren reduziert werden. Alternativ kann die Demodulation einer Sinuswelle oder anderen periodischen Wellenformen in einem Datenreduktionsprozessor 86 an den digitalisierten Darstellungen der Analogabtastwerte durchgeführt werden, unter der Voraussetzung einer schnellen Arithmetikeinheit und des geeigneten Algorithmusses. Dies veranschaulicht die Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Sofort-Spannungsabtastbetriebsart, da der Datenreduktionsprozessor 86 dazu ausgebildet sein kann, um PWD, CSC, FIR-Filter, IIR-Filter, I & Q oder eine Reihe von Kurvenanpassungsalgorithmen für eine Erhöhung des SNR ablaufen zu lassen, eine Phase zu messen oder auf sonstige Art Abstandsmessfehler zu reduzieren.
  • 6A zeigt eine Mittelabschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform des gepulsten Lasersenders 68, einen Flash-Detektor 67 und einen Strahllenkungsmechanismus 70. Ein Siliziumsubstrat 130 wird mit Hilfe von Photolithographie und MEMS-Herstellungstechniken bearbeitet, um einen Hohlraum 142, ein Cantilever-Biegeelement 138 und zwei zurückgesetzte Bereiche zum Anbringen eines Kantenstrahllasers 132 und einer Strahlkonditionierlinse 134 aufzuweisen. Die Strahlkonditionierlinse 134 ist typischerweise eine Kugellinse oder eine Stablinse, kann jedoch auch von anderer Art sein, welche für ein Zirkularisieren und/oder Kollimieren des elliptischen Ausgabestrahls des Kantenstrahllasers 132 nützlich ist. Ein Winkelblock 136 wird verwendet, um den konditionierten Ausgabestrahl des Kantenstrahllasers 132 auf die Spiegeloberfläche 146 des Biegeelements 138 umzulenken. Die Spiegeloberfläche 146 kann Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Titan oder ein anderes reflektives Metall sein, und kann auch ein Stapel aus mehreren Metallschichten sein. Die Spiegeloberfläche 146 kann außerdem ein dielektrischer Multischicht-Reflektor sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Saphir, Kalziumfluorid oder einer anderen geeigneten dielektrischen Schicht bzw. Film gebildet ist. Im Betrieb wird eine Differenzspannung zwischen kammförmigen Kontakten 148 angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des Biegeelements 138 zu verursachen. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 138 nach oben biegen (über die obere Oberfläche des Substrats 130). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 138 nach unten in Richtung auf das Innere der Kavität 142 verbiegen. In Abhängigkeit des Vorzeichens der an die kammförmigen Kontakte 148 angelegten Differenzspannung wird die Spannungsbeanspruchung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Art und Weise kann der ausgegebene optische Strahl 140 durch einen Winkel θ gefahren werden, wie es in der Darstellung gezeigt ist.
  • Der Winkel θ befindet sich typischerweise im Bereich von 17° und kann in weniger als einer Millisekunde durchgefahren werden, und in einigen Fällen in weniger als 100 μs, und zwar in Abhängigkeit der Besonderheiten des Designs. An der Rückseite des Kantenstrahllasers 132 befindet sich eine Kantendetektions-PIN-Diode 144, welche als ein Detektor für optische Leistung angeordnet ist, um den durch die Rückseite des Kantenstrahllasers 132 ausgestrahlten Leistungsanteil abzufangen. Der gepulste Lasersender 68 weist neben dem Laser 132 eine Reihe von weiteren Komponenten auf, einschließlich eines elektrischen Antriebsschaltkreises und einer elektronischen Schnittstelle zu dem Steuerprozessor 58. Diese Schaltkreise sind hier nicht dargestellt, sondern wurden in anderen Publikationen bereits beschrieben. Ebenso weist der Flash-Detektor 67 außer der PIN-Diode 144 weitere Komponenten auf, einschließlich eines elektrischen Verstärkers und eines Schwellenwertdetektionsschaltkreises. Diese Schaltkreise wurden ebenfalls detailliert in anderen Publikationen beschrieben und haben für die vorliegende Erfindung nur eine periphere Bedeutung.
  • 6B zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Strahllenkungsmechanismusses 70. Mehrere Ausführungsformen des Strahllenkungsmechanismusses 70 werden bevorzugt, wobei jede jeweils in Verbindung mit 6A, 6B, 6C und 6D beschrieben wird. Die Betriebsart des Strahllenkungsmechanismusses 70 wird dann in Verbindung mit den Funktionen des Ladarsensors 32, 34 beschrieben. Ein Siliziumsubstrat 150 wird mit Hilfe von Photolithographie und MEMS-Herstellungstechniken bearbeitet, um eine Kavität 156, ein Cantilever-Biegeelement 158 und zwei zurückgesetzte Bereiche zum Anbringen eines Kantenstrahllasers 152 und einer Strahlkonditionierlinse 154 auf einer ersten Oberfläche aufzuweisen. Die Strahlkonditionierlinse 154 ist typischerweise eine Kugellinse oder eine Stablinse, kann aber auch von einer anderen Art sein, welche zum Zirkularisieren und/oder Kollimieren des elliptischen Ausgabestrahls des Kantenstrahllasers 152 nützlich ist. Der Ausgabestrahl des Kantenstrahllasers 152 wird durch Linse 154 gelenkt, um auf die Spiegeloberfläche 160 des Biegeelements 158 zu treffen. Die Spiegeloberfläche 160 kann Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Titan oder ein anderes reflektives Metall sein, und kann ein Stapel aus mehreren Metallschichten bzw. -filmen sein. Die Spiegeloberfläche 160 kann außerdem ein dielektrischer Multischicht-Reflektor sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Saphir, Kalziumfluorid oder einem anderen geeigneten dielektrischen Film gebildet ist. Im Betrieb wird eine Differenzspannung zwischen kammförmigen Kontakten 162 angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des Biegeelements 158 zu bewirken. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 158 nach oben biegen (über die obere Oberfläche des Substrats 150). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 158 nach unten in Richtung auf das Innere der Kavität 156 biegen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der an den kammförmigen Kontakten 162 angelegten Differenzspannung wird die Verspannung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Weise kann der ausgegebene optische Strahl 164 durch einen Winkel θ gefahren werden, wie es in der Darstellung gezeigt ist. Der Winkel θ liegt typischerweise im Bereich von 17°, und kann in weniger als einer Millisekunde durchfahren werden, und in einigen Fällen in weniger als 100 ms, in Abhängigkeit von den Besonderheiten des Designs. Eine komplementäre Struktur kann auf der Rückseite des Substrats 150 in der gleichen Art und Weise ausgebildet sein, wobei die identische Struktur in Kombination mit der Struktur auf der ersten Oberfläche verwendet wird, um einen Winkel von 2θ zu durchfahren, was dann im Bereich von 34° wäre. In einigen Fällen ist die Struktur auf der Rückseite des Substrats 150 durch Zusammensetzen von zwei ähnlichen MEMS-Substraten 150 und 151 gebildet, und zwar mittels Waferbonding oder anderen Verfahren. Eine gestrichelte Linie 166 zeigt, wo die zwei Substrate 150 und 151 miteinander verbunden sind.
  • 6C zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer dritten Ausführungsform des Strahllenkungsmechanismusses 70. Ein erstes Siliziumsubstrat 168 wird mit Hilfe von Photolithographie und MEMS-Herstellungstechniken bearbeitet, um eine Kavität 178 und ein erstes Cantilever-Biegeelement 180 sowie zwei zurückgesetzte Bereiche zum Anbringen eines Kantenstrahllasers 170 und einer Strahlkonditionierlinse 172 auf der oberen Oberfläche aufzuweisen. Ein dritter zurückgesetzter Bereich 175 ist mit Hilfe von MEMS-Techniken gebildet, wie zum Beispiel chemisch-mechanisches Polieren. Der zurückgesetzte Bereich 175 weist ein geneigtes Profil an den Seitenwänden sowie eine Spiegeloberfläche 174 auf. Die Strahlkonditionierlinse 172 ist vertikal von der Mittellinie des Ausgabestrahls des Lasers 170 verschoben und lenkt den Strahl auf die Spiegeloberfläche 174 um. Die Strahlkonditionierlinse 172 ist typischerweise eine Kugellinse oder eine Stablinse, kann jedoch auch von einem anderen Typ sein, der für ein Zirkularisieren und/oder Kollimieren des elliptischen Ausgabestrahls des Kantenstrahllasers 170 nützlich ist. Der optische Strahl wird dann auf die Spiegeloberfläche 190 eines zweiten Biegeelements 188 gelenkt. Das zweite Biegeelement 188 ist aus einem zweiten Siliziumsubstrat 184 gebildet, welches eine darin mit Hilfe von MEMS-Verfahren gebildete Kavität 186 aufweist. Das zweite Siliziumsubstrat 184 ist auf dem ersten Siliziumsubstrat 168 positioniert und mit diesem gebondet. Der Bonding-Prozess kann ein Klebemittel, ein Epoxidmittel oder anderes chemisches/physisches Mittel für eine Oberflächenaktivierung umfassen. Die Spiegeloberfläche 190 kann Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Titan oder ein anderes reflektives Metall sein, und kann ein Stapel aus mehreren Metallfilmen sein. Die Spiegeloberfläche 190 kann außerdem ein dielektrischer Multischicht-Reflektor sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Saphir, Kalziumfluorid oder einem anderen geeigneten dielektrischen Film gebildet ist. Im Betrieb wird zwischen kammförmigen Kontakten 192 eine Differenzspannung angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des zweiten Biegeelements 188 zu bewirken. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 188 nach oben biegen (über die obere Oberfläche des zweiten Siliziumsubstrats 184). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 188 nach unten zu dem Inneren der Kavität 186 biegen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der an die kammförmigen Kontakte 192 angelegten Differenzspannung wird die Verspannung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Weise kann der ausgegebene optische Strahl 194 durch einen Winkel von etwa 17° gefahren werden, wie es in der Darstellung gezeigt ist. Der durch das zweite Biegeelement 188 umgelenkte ausgegebene Strahl trifft dann auf die Spiegeloberfläche 182 des ersten Biegeelements 180. Im Betrieb wird zwischen den kammförmigen Kontakten 176 eine Differenzspannung angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des ersten Biegeelements 180 zu bewirken. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 180 nach oben verbiegen (über die obere Oberfläche des Siliziumsubstrats 168). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 180 nach unten in Richtung auf das Innere der Kavität 178 verbiegen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der an die kammförmigen Kontakte 176 angelegten Differenzspannung wird die Verspannung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Weise kann der ausgegebene optische Strahl 194 durch einen Winkel θ im Bereich von 34° gefahren werden, und zwar aufgrund der aus den zwei MEMS-Biegeelementen gebildeten Kaskade. Der Winkel θ kann in weniger als 1 ms durchfahren werden, und in einigen Fällen in weniger als 100 μs, und zwar abhängig von den Besonderheiten des Designs.
  • 6D zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer vierten Ausführungsform des Strahllenkungsmechanismusses 70. Ein Siliziumsubstrat 196 wird mit Hilfe von Fotolithographie und MEMS-Herstellungstechniken verarbeitet, um eine Kavität 198, ein Cantilever-Biegeelement 200 und eine geneigte Spiegeloberfläche 204 aufzuweisen. Ein Oberflächenemitter (VCSEL) 206 ist an der Bodenfläche des Siliziumsubstrats 196 angebracht. Der Ausgabestrahl des VCSEL-Lasers 206 ist typischerweise kreisförmig und muss in der Regel nicht konditioniert werden, kann jedoch bei einigen Designs eine vor dem Strahl angeordnete Fokussier- und/oder Kollimier-Linse aufweisen. Der optische Ausgabestrahl des VCSEL-Lasers 206 wird durch die geneigte Spiegeloberfläche 204 umgelenkt, um auf die Spiegeloberfläche 202 des Biegeelements 200 zu treffen. Die Spiegeloberflächen 202, 204 können Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Titan oder ein anderes reflektives Metall sein, und können aus einem Stapel von mehreren Metallfilmen sein. Die Spiegeloberflächen 202, 204 können außerdem ein dielektrischer Multischicht-Reflektor sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Saphir, Kalziumfluorid oder einem anderen geeigneten dielektrischen Film gebildet ist. Im Betrieb wird zwischen kammförmigen Kontakten 208 eine Differenzspannung angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des Biegeelements 200 zu bewirken. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 200 nach oben verbiegen (über die obere Oberfläche des Substrats 196). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 200 nach unten in Richtung auf das Innere der Kavität 198 verbiegen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der an den kammförmigen Kontakten 208 angelegten Differenzspannung wird die Verspannung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Weise kann der ausgegebene optische Strahl 210 durch einen Winkel θ gefahren werden, wie es in der Darstellung gezeigt ist. Der Winkel θ ist typischerweise im Bereich von 17°, und kann in weniger als 1 ms durchfahren werden, und in einigen Fällen in weniger als 100 μs, und zwar in Abhängigkeit von den Besonderheiten des Designs.
  • 6E zeigt eine perspektivische Darstellung der in 6B gezeigten Struktur, und das gepixelte Fernfeld-Muster 165, welches mit dem gepulsten Lasersender 168 durchfahren wird. Im Betrieb ermöglichen die Vorteile des Strahllenkungsmechanismusses 70, dass für den gepulsten Lasersender 68 eine viel geringere Spitzenleistung erforderlich ist. Hierbei wird ein 1×8-Zeilenarray von auf einem ersten Substrat 150 angebrachten Kantenstrahllasern 152 gezeigt, eine Stablinse 154 und Biegeelemente 158 mit verspiegelten Oberflächen 160. Der Einfachheit halber wird hier ein 8×8-Fernfeld-Muster 165 gezeigt. Dabei kann die gesamte Energie 164 jedes Kantenstrahllasers 152 auf einen einzelnen Pixel im Bildfeld des Ladarsensors (32, 34) gerichtet werden. Jeder Pixel ist in einem bestimmten festen Winkel angeordnet, wobei die Aufgabe des gepulsten Lasersenders 68 darin besteht, die Pixel im Bildfeld zu beleuchten, wobei der Ladarsensor den Abstand zu jedem auf diese Weise beleuchteten Pixel berechnen wird. In dem Fall eines Festkörperlasers, wie zum Beispiel Neodym-YAG-Erbium-Glas, wird die beleuchtende Energie in einem großen Puls ausgestoßen, wobei das gesamte Fernfeld 165 beleuchtet werden muss. Ein typisches Detektorarray ist ein quadratisches Array aus 128×128 Pixeln, das heißt insgesamt 16384 Pixel. Im Falle eines 1 Millijoule-Lasers würde dies bedeuten, dass etwa 61 Mikrojoule auf jeden Pixel in dem Fernfeld zugeführt wird. Der Vorteil des lenkbaren Lasersenders wird an diesem Beispiel aufgezeigt. Ein 61 Mikrojoule-Halbleiterlaser liegt sicherlich im Bereich des Möglichen, wohingegen ein 1 Millijoule-Halbleiterlaser unter Berücksichtigung des momentanen Standes der Technik relativ unpraktisch wäre. Eine ähnliche Struktur (nicht dargestellt) ist auf der Rückseite auf dem zweiten Substrat 151 zusammengesetzt, was auf wirksame Art und Weise die Breite des beleuchteten Raumes 165 verdoppeln kann.
  • 7A zeigt eine perspektivische Darstellung eines optischen Verstärkerblockes 76, der in dem Ladarsensor-Empfangspfad positioniert werden kann, um schwache optische Rückkehrsignale zu verstärken, welche von entfernten oder wenig reflektierenden Objekten im Bildfeld reflektiert werden. In diesem Fall umfasst der optische Verstärkungsblock ein rechtwinkeliges Faserschmelzbündel 212, welches aus einer Anzahl von individuellen Erbium-dotierten Fasern 216 erzeugt wird. Eine Streuplatte 214 ist an jede der vier Seiten gebondet, welche durch ein Pumplaser-Diodenarray beleuchtet werden.
  • 7B zeigt eine perspektivische Darstellung der Anordnung des optischen Verstärkungsblockes 76. Ein Pumplaser-VCSEL-Array 218, bestehend aus einer Anzahl von VCSEL-Lasern 220, ist an eine Subanordnung aus einem Faserschmelzbündel 212 und Streuplatten 214 gebondet. Eingehendes reflektiertes Licht tritt in jede Erbium-dotierte Faser 216 des Faserschmelzbündels 212 an einer exponierten Endfläche ein. Der Faserquerschnitt wird hier als rechtwinkelig oder quadratisch gezeigt, allerdings können auch andere Faserquerschnitte verwendet werden, welche hexagonal, kreisförmig usw. sind.
  • 7C zeigt eine Endansicht der vervollständigten Anordnung des optischen Verstärkungsblockes 76, wobei ein Pumplaser-VCSEL-Array 218 gezeigt wird, das an die Außenfläche jeder Streuplatte 214 gebondet ist. Elektrische Kontakte 222 für eine Anode und Kathode jedes individuellen VCSEL 220 des VCSEL-Array 218 sind an die Außenfläche des VCSEL-Arrays 218 mit Hilfe von Durchkontaktierungen gebracht, welche durch das Substrat geätzt und metallbeschichtet sind. Eingehendes reflektiertes Licht tritt in jede Erbium-dotierte Faser 216 des Faserschmelzbündels 212 bei der exponierten Endfläche ein. Der Faserquerschnitt ist hier als rechtwinkelig oder quadratisch gezeigt, jedoch können andere Faserquerschnitte verwendet werden, welche hexagonal, kreisförmig usw. sind.
  • 8 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des optischen Verstärkungsblockes 76. Anstelle des Erbium-dotierten Faserbündels 212, welches wie in 7A–C gezeigt seitlich gepumpt wird, pumpt dieses Design die Erbium-dotierten Fasern 216 des Faserschmelzbündels 212 vom Ende her. Ein Empfängergehäuse 224 weist einen zylindrischen Flansch 226 auf, der ein optischer Schnellverschluss ist, und kann Innengewinde zum Anbringen einer externen Linsenanordnung 228 aufweisen. Der zylindrische Flansch 226 kann alternativ eine bajonettartige optische Befestigung bereitstellen, welche über komplementäre Merkmale am Körper der Linsenanordnung 228 in Eingriff gebracht werden kann. Die Linsenanordnung 228 kann eine Mehrzahl von Linsenelementen 230 aufweisen, welche hier als eine konvexe Linse gezeigt sind. Es können allerdings auch andere Linsentypen verwendet werden, einschließlich konkaver, asphärischer und diffraktiver Arrays für das Linsenelement 230. Jedes Linsenelement 230 ist innerhalb einer Ausnehmung 232 angebracht, welche auf einer Innenfläche der Linsenanordnung 228 ausgebildet ist. Eine Mehrzahl von O-Ringen 234 kann verwendet werden, um eine Elastizität zwischen den starren Linsenelementen 230 und dem Metallkörper der Linsenanordnung 228 bereitzustellen. Im Betrieb geht reflektiertes Licht 236 durch die Linsenelemente 230 und das dichroitische optische Planelement 238 hindurch, und trifft auf das Faserschmelzbündel 212. Reflektiertes Licht 236 liegt typischerweise bei der 1,54 μm-Wellenlänge der Erbium-Glas-Laser, oder in dem 1530 bis 1650 nm-Band der im Indiumphosphid ausgebildeten Halbleiterlaser. Das dichroitische optische Planelement 238 lässt ein breites Band an Wellenlängen im Bereich von 1530 bis 1650 μm durch und reflektiert Licht in einem engeren Band um 980 nm. Ein rechtwinkeliges Array von 980 Pumplaserdioden 240 ist in einer Ausnehmung in der Seitenwand des Empfängergehäuses 224 unter einem Winkel zu der Fortpflanzungsrichtung des reflektierten Lichts 236 positioniert. Bei diesem Design ist jedes Element 242 des Laserdiodenarrays 240 ein VCSEL, welches einen optischen Strahl 244 erzeugt, der auf einen Diffusor 246 trifft, und zwar in Antwort auf ein durch elektrische Kontakte 241 zugeführtes elektrisches Antriebssignal. Der Diffusor 246 ist typischerweise ein Beugungsgitter oder ein holographisches Linsenelement, welches das Licht von jedem optischen Strahl 244 gleichmäßig über der Ausgangsfläche des Diffusors 246 verteilt, was hier als eine Anzahl von kleineren optischen Ausgabestrahlen 248 dargestellt ist, wobei jeder aus einem einzelnen Eingangsstrahl 244 erzeugt wurde. Auf diese Art und Weise wird eine äußerst gleichmäßige Säule von Licht erzeugt, welche jede Erbium-dotierte Faser 216 des Faserschmelzbündels 212 gleichmäßig beleuchten wird. Die Ausgabestrahlen 248 treffen auf die Unterseite des dichroitischen optischen Planelements 238 und werden zu der Eingangsseite des Faserschmelzbündels 212 reflektiert. Auf diese Weise werden die Erbium-dotierten Fasern 216, welche zusammen in dem Faserschmelzbündel 212 verschmolzen sind, optisch mit Energie bei einer Wellenlänge von 980 nm gepumpt. Am anderen Ende des Faserschmelzbündels 212 befindet sich ein weiteres dichroitisches optisches Planelement 250, welches ebenso die Eigenschaft hat, ein breites Band an Wellenlängen im Bereich von 1530 bis 1650 μm durchzulassen, und Licht in einem engeren Band um 980 nm herum zu reflektieren. Wenn das abgeschwächte Pumplicht aus dem Faserschmelzbündel 212 austritt, trifft es auf die reflektierende Oberfläche des dichroitischen optischen Planelements 250 und wird durch das Faserschmelzbündel für einen zweiten Durchgang zurückgegeben, wodurch die Wirksamkeit des optischen Pumpprozesses erhöht wird. Das dichroitische optische Planelement 250 lässt außerdem das reflektierte Lichtsignal passieren, welches durch die Erbium-dotierten Fasern 216 verstärkt worden ist, welche als Erbium-dotierte Faserverstärker wirken, die mit Hilfe des Pumplaser-Diodenarrays 240 optisch in einem angeregten Zustand gepumpt wurden. Das Pumplaser-Diodenarray 240 kann 1,2 ms vor der Aussendung eines beleuchtenden Pulses gestartet werden, um das maximale Niveau angeregter Zustände in den Erbium-dotierten Fasern 216 des Faserschmelzbündels 212 zu ermöglichen, um die maximale optische Verstärkung zu erzeugen. Die Fluoreszenzzeit des Erbium-dotiertes Glases beträgt 1,2 ms, so dass die maximale Verstärkung in etwa diesen Vorsprung benötigt bei der zeitlichen Steuerung der Anwendung des elektrischen Antriebssignals, um das Laserdiodenarray 240 über die elektrischen Kontakte 241 zu pumpen. Neue Arten von Erbium-dotierten Fasern, dotiert mit Nanopartikeln, können Dotierniveaus von mehr als 10% aufweisen, im Vergleich zu einem Niveau von 2–3% bei älteren Produkten. Dies ermöglicht eine viel höhere Verstärkung pro Länge der Faser. Erzeugnisse, wie zum Beispiel die DrakaElite-Faser von Draka Communications und QX-Erbium-dotierte Phosphatglasfasern von Kigre Incorporated, zeigen solche Eigenschaften und sind für das vorliegende Design gut geeignet. Außerdem erzeugt ein Verfahren zum Verwenden einer Ytterbium-Dotierung, um die Erbium-Dotierung zu sensibilisieren, und Verwenden von 1480 nm-Pumplicht 26 dB Verstärkung in lediglich 8,8 cm (3,5 Zoll) Faserlänge im L-Band (1575 bis 1630 nm). Dieses Verfahren würde einen Wechsel der Wellenlänge des gepulsten Lasersenders 68 und Änderungen an den dichroitischen optischen Planelementen 238 und 250 erfordern. In der Schrift mit dem Titel „High-Gain Short-Length Phosphate Glass Erbium-Ytterbium-Doped Fiber Amplifyers”, Autoren Ayman M. Samara et al. vom Optoelectronics and Optical Communication Center, Department of Physics, UNC Charlotte, Charlotte, NC, beschreiben die Struktur und die Verfahrensweise, um die Ytterium-sensibilisierten Ebium-dotierten Fasern zu verwenden. Weiterhin wird in dem Paper mit dem Titel „The Gain Performance of Ytterbium Doped Fiber Amplifier”, von Parekhan M. Jaff et al., am Department of Physics, University of Sulaymania, Kurdistan, Irak, die Leistung einer Nur-Ytterbium-dotierten Faser aufgezeigt, welche Verstärkungen von mehr als 20 dB für sehr kurze Faserlängen produziert, wobei sich wiederum die optimale Pumpwellenlänge zu 910 nm und die optimale Pulsübertragungswellenlänge zu 975 nm verschiebt. Wiederum sind Änderungen an der Wellenlänge des gepulsten Lasersenders 68 und Änderungen an den dichroitischen optischen Planelementen 238 und 250 erforderlich. Unter der Voraussetzung geeigneter Niveaus optischen Pumpens, Pumpwellenlänge, Pulsübertragungswellenlänge und Faserzusammensetzung, wird erwartet, dass optische Verstärkungen von mehr als 20 dB mit einer kurzen (< 6 Zoll bzw. 15 cm) Länge einer Erbium-dotierten Faser 216 realisiert werden können. Für noch höhere Verstärkungen können längere Faserabschnitte mit Hilfe des vorliegenden Designs eingesetzt werden.
  • Schließlich tritt das verstärkte reflektierte Licht 236 aus der Ausgangsseite des Faserschmelzbündels 212 aus und fällt auf das Detektorarray 78. In der Darstellung ist das Detektorarray 78 an dem Verstärkerarray 80 befestigt, welches wiederum an einem Schaltkreissubstrat 252 befestigt ist. Das Schaltkreissubstrat 252 wird durch vier Schrauben 254 an Ort und Stelle gehalten, obgleich andere Befestigungsmittel verwendet werden können, einschließlich Vernieten mit deformierbarem Plastik, Reflow-Löten, Nieten, Metallklammern und/oder Klebe-/Epoxid-Systeme. Auf der Rückseite des Schaltkreissubstrats 252 ist der integrierte Ausleseschaltkreis 82 montiert, der über Durchkontaktierungen im Schaltkreissubstrat 252 mit dem Verstärkerarray 80 verbunden ist. Alternativ kann die Fokalebenen-Array(FPA)-Anordnung, welche aus Detektorarray 78, Verstärkerarray 80, Schaltkreissubstrat 252 und Auslese-IC (ROIC) 82 besteht, ersetzt werden durch irgendeine der in 11 bis 17 beschriebenen Optionen einer Anzahl von unterschiedlichen-Optionen.
  • 9 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer dritten Ausführungsform des optischen Verstärkungsblockes 76. Das Empfängergehäuse 224, der zylindrische Flansch 226, die Linsenanordnung 228, die Linsenelemente 230, das dichroitische optische Planelement 250, das Schaltkreissubstrat 252, Befestigungsmittel 254, Detektorarray 78, elektronisches Verstärkerarray 80 und der ROIC 82 sind von ähnlichem oder identischem Design wie das Design aus 8, obschon die Länge des Empfängergehäuses 224 reduziert worden ist. Das Faserschmelzbündel 212 ist ersetzt durch ein Vertikalkavität-Halbleiterverstärker(VCSOA)-Array 256. Das VCSOA-Array 256 ist auf einem Indium-Phosphit-Substrat gebildet, wobei die Struktur und Formation detailliert in Verbindung mit 10 beschrieben wird. Bei einem alternativen Design kann das Indium-Phosphit-Substrat durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt und durch ein optisches Glasplanelement ersetzt werden. Die individuellen VCSOA-Elemente 264 verstärken optisch eingehendes reflektiertes Licht 236. Der VCSOA 264-optische Verstärkungsbereich wird elektrisch über elektrische Verbindungen 258 gepumpt. Elektrische Verbindungen 258 sind in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Flachbandkabel mit einer Isolierung 260 um jeden Leiter der elektrischen Verbindungen 258 hergestellt. Verbindungen an der Rückseite des VCSOA-Arrays 256 sind mit Hilfe von durch das Substrat verlaufenden Durchkontaktierungen 262 hergestellt. Im Betrieb wirkt die dichroitische Platte 250 als ein optischer Filter, der sichtbares und Infrarotlicht aus der Umgebung davon abhält, das Detektorarray 78 zu erreichen. Ein optionaler mechanischer Verschluss 257 kann elektrisch durch einen Aktuator 259 betätigt werden, der mit dem Systemsteuerungsprozessor 58 über einen oder mehrere Drähte 263 verbunden ist, welche durch die Isolierung 261 von dem Gehäuse der Linsenanordnung 228 isoliert sind. Der mechanische Verschluss 257 kann ein Jalousie-Verschluss, ein Rotationsverschluss, ein Klappenverschluss oder ein Gleitverschluss sein. Der Aktuator 259 kann ein Linearaktuator sein, oder ein kleiner elektrischer Motor oder Schrittmotor mit Drehausgabe, abhängig von der Art des in der Ausführungsform spezifizierten Verschlusses.
  • 10A zeigt eine Mittelabschnittdarstellung eines VCSOA-Elements 264. Eingehendes reflektiertes Licht 236 tritt durch eine Antireflexions(AR)-Beschichtung 266 in das VCSOA ein, und geht durch das Substrat 268 hindurch, welches in dem Phosphit sein kann, oder in einer alternativen Ausführungsform ein optisches Planelement. Ein Bragg-Spiegel (DBR) 270 am oberen Bereich der Kavität schwächt das reflektierte Licht 236 ab, bevor es in den Verstärkungsbereich 272 eintritt, welcher ein Quantentopf(NQW)-Material ist, das auf die Wellenlänge der Lichtpuls-Übertragung und -Reflexion abgestimmt ist. Das reflektierte Lichtsignal 236 wird dann in dem Verstärkungsbereich verstärkt, der elektrisch über die elektrische Anode 278- und Kathode 280-Kontakte elektrisch gepumpt worden ist. Ein DBR 274 am Boden der Kavität sperrt die optische Mode ein, wobei Mehrfachdurchgänge durch den Verstärkungsbereich zugelassen werden, was eine Art Resonanzverstärker erzeugt. Schließlich stellt eine AR-Beschichtung 276 eine optimale Transmission für das Detektorarray 78 bereit. Mit etwas Vorsicht muss vorgegangen werden, um die Kavität nicht zu stark zu pumpen, da ansonsten eine Laser-Mode angeregt werden kann. Die Struktur kann die eines VCSEL sein, der unterhalb des Laser-Schwellenwertes betrieben wird. Die DBRs können in Indiumphosphid (InP) ausgebildet sein, welches dotiert worden ist, um einen kontrastierenden Brechungsindex zu erzeugen, oder die Struktur kann in Indiumgalliumarsenid (InGaAs), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) oder einem anderen geeigneten Opto-Halbleiter ausgebildet sein, und zwar in Abhängigkeit von der Transmissionswellenlänge.
  • 10B zeigt die Art und Weise, in der die VCSOA-Elemente 264 durch Waferbonding gebildet werde können. Bei diesem Prozess ist ein optisches Planelement 268 der Ausgangspunkt, wobei eine AR-Beschichtung 266 auf der oberen Oberfläche abgeschieden wird. Auf der unteren Oberfläche des optischen Planelements 268 wird durch abwechselnde Schichten eines dielektrischen Materials ein oberster DBR 270 gebildet, wobei das dielektrische Material ein beliebiges optisches Material sein kann, wie zum Beispiel Borsilikatglass, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Titanoxid, Magnesiumfluorid, Zinksulfid, Indiumantimonid usw. Diese Schichten werden typischerweise durch physische Dampfabscheidung (PVD) aufgebracht. Ein InP-Wafer mit einem Quantentopf-Verstärkungsbereich 272 auf seiner oberen Oberfläche wird dann an die Unterseite des optischen Planelements 268 gebondet, wobei der Großteil des freigelegten InP-Substrats dann mit Hilfe von CMP entfernt wird. Ein unterer DBR 274 wird dann durch abwechselnde Schichten dielektrischen Materials auf eine ähnliche Art und Weise wie der obere DBA 270 gebildet. Schließlich wird eine AR-Beschichtung 276 aufgebracht, Mesa-Strukturen geätzt und ein Metallmuster abgeschieden, um elektrische Anode 278- und Kathode 280-Kontakte zu bilden.
  • 11 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Fokalebenen-Arrays mit einem Detektorarray 78. Bei dieser Ausführungsform wird das Detektorarray 78 auf einem kostengünstigen Galliumarsenid(GaAs)-Substrat 282 gebildet. Eine dünne metamorphe Schicht 284 aus gradiertem Indiumgalliumaluminiumarsenid (InGaAlAs) auf dem GaAs-Substrat gewachsen, um ein an das InGaAs angepasstes Kristallstrukturgitter zu erzeugen. Eine dünne Schicht aus InGaAs 286 wird dann epitaktisch gewachsen. Schließlich wird ein Stapel aus epitaktischen Schichten aus InGaAs gewachsen, und dann als p-Typ, n-Typ oder intrinsisch dotiert. Dieser Schichtstapel wird dann zur Bildung der Mesas (Mesa-Strukturen) 288 geätzt. Der epitaktische Stapel kann einen PIN-, NIP- oder APD-Detektortyp bereitstellen. Gezeigt ist eine n-up-PIN-Konfiguration, wobei das n-Typ-Material durch das Substrat hindurch beleuchtet wird, und das p-Typ-Material am Scheitelpunkt jeder Mesa-Struktur 288. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in dieser 12 Detektoren dargestellt, obwohl ein Array mit 128×128 Detektorelementen 288 typisch ist. Metall wird dann in einem Gittermuster abgeschieden, wobei ein gemeinsamer Kathodenkontakt 290 erzeugt wird. Die Anodenverbindungen jedes Detektorelements 288 werden durch Indiumbumps 292 zu einem Verstärkereingang einer Einheitszelle des integrierten Ausleseschaltkreises (ROIC) 82 hergestellt. Die Indiumbumps 292 können kalt-gebondet sein, oder können in einer alternativen Ausführungsform zur Herstellung der elektrischen Verbindungen mit Wiederaufschmelzlöten (Reflow-Löten) erzeugt werden. Der integrierte Ausleseschaltkreis 82 weist eine Anzahl von durch das Substrat hindurchgehenden Durchkontaktierungen (TSVs) 294 auf, welche die Verschaltung auf der Oberseite des ROIC 82 mit der Rückseite verbinden. Es können Bondpads 296 verwendet werden, um über Drahtbonds 298 einige elektrische Verbindungen mit Leitpads 300 auf einem Unterstützungsschaltkreissubstrat 302 herzustellen. Weitere elektrische Verbindungen werden von dem ROIC 82 zu dem Schaltkreissubstrat 302 mit Hilfe von Lötkugeln 304 hergestellt. Der ROIC 82-Die kann eutektisch an dem Schaltkreissubstrat 302 angebracht werden über Lotmaterial 306 oder alternativ durch ein thermisch leitfähiges Epoxidmaterial.
  • 12 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung eines bevorzugten Packaging-Designs eines Fokalebenen-Arrays mit einem Detektorarray 78. Das Detektorarray 78 kann ein rechtwinkeliges M×N-Array sein, wobei N und M irgendwo zwischen zwei bis mehreren hundert Pixeln entlang jeder Achse sein können. Das Schaltkreissubstrat 302 ist typischerweise eine Keramik: Entweder Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berryliumoxid, und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung. Ein Leiter 314 wird typischerweise mit Hilfe eines additiven Dickschichtprozesses gebildet, wobei leitfähige Tinten durch eine Siebdruckmaske oder eine Schablone aufgetragen werden und dann bei einer erhöhten Temperatur eingebrannt werden. Der Leiter 314 kann außerdem in einem Dünnschichtprozess gebildet werden, wo die gesamte obere Oberfläche des Schaltkreissubstrats 302 durch einen leitfähigen Film bedeckt wird, der durch Sputtern oder physische Dampfabscheidung (PVD) abgeschieden wird. Die Oberfläche des Schaltkreissubstrats 302 wird dann mit einem Fotolack strukturiert und geätzt, wie bei einem typischen Prozess für eine gedruckte Schaltkreisplatine (PCB). eine Dickfilmisolierschicht 308 wird dann unter Verwendung von Siebdruck oder Schablone gedruckt und eingebrannt. In der Isolierschicht 308 werden Öffnungen für gefüllte leitfähige Durchkontaktierungen 310 gelassen, welche dann in dem gleichen Schritt wie ein Bildrahmen-geformtes leitfähiges Pad 312 gedruckt und eingebrannt werden. Der ROIC 82 mit dem angebrachten Detektorarray 78 wird dann eutektisch an dem Schaltkreissubstrat 302 mit Lotmaterial 306 oder alternativ mit einem thermisch leitfähigen Epoxidmaterial angebracht. Elektrische Verbindungen werden von dem ROIC 82 zu dem Schaltkreissubstrat 302 über Lötkugeln 304 hergestellt, welche vor dem Verschließen der Anordnung in Form von Lötpaste aufgetragen werden. Als Nächstes wird eine hermetische Fensterabdeckung, welche aus einem in einem CoVar®-Rahmen 318 gehaltenen flachen Fensterglas 320 besteht, mit Hilfe einer kontinuierlichen Lötraupe 316 angebracht. Der Rahmen 318 ist für eine verbesserte Lötbarkeit Nickel- und Gold-beschichtet. Das Fensterglas 320 muss nicht eben sein, sondern kann eine linsenförmige Krümmung aufweisen. Das Fensterglas 320 kann außerdem einen auf einer Oberfläche in der Form eines dünnen optischen Films aufgebrachten Filter aufweisen, welcher das gesamte Licht bis auf eine Wellenlänge von Interesse zurückweist: Typischweise 1,54 bis 1,57 μm bei der vorliegenden Ausführungsform. Der Rahmen 318 kann durch Extrudieren oder maschinelle Bearbeitung gebildet werden, oder kann in einem Tiefziehverfahren gebildet werden, wo er einen größeren Radius in der Ecke aufweisen kann, wo er mit dem Fensterglas 320 zusammenkommt, und somit die Gestalt einer rechteckigen Wanne annimmt. Das Fensterglas 320 wird am Rahmen 318 mit Hilfe eines Frittenabdichtungsverfahrens angebracht, wo eine Niedrigtemperatur-Glaslegierung in einer Frittenpulverform aufgebracht wird und die Anordnung dann erhitzt wird, bis das Glasfrittenpulver wieder aufschmilzt, so dass das Fensterglas 320 dauerhaft am Rahmen 318 angebracht ist. Auf diese Art und Weise kann ein kostengünstiges, aber dennoch hermetisches und hochleistungsfähiges Gehäuse für die FPA-Anordnung hergestellt werden.
  • 13 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer weiteren bevorzugten Packaging-Ausführungsform eines FPA mit einem Detektorarray 78, welcher ein Verstärkerarray umfasst, um den Eingangsverstärker, der jeder Einheitszelle des ROIC 82 zugeordnet ist, zu ersetzen und zu erweitern. Der Unterschied zu der Ausführungsform der 12 besteht in einer einfachen Änderung, wobei der ROIC 82 zur Rückseite des Schaltkreissubstrats 302 verlagert ist, während der Detektor nunmehr auf einem zweidimensionalen Verstärkerarray 80 positioniert ist. Der ROIC 82 wird typischerweise in einem Hochgeschwindigkeits-CMOS-Verfahren hergestellt. Das verwendete Verfahren weist eine sehr hohe Dichte auf, wobei ein Großteil des verfügbaren Einheitszellenbereiches durch Abtastverschaltungen und analoge Speicherzellen aufgebracht wird. Dies beschränkt die Schaltkreis-Designer in ihren Möglichkeiten, einen Transimpedanz-Verstärker mit hoher Verstärkung von der Art zu realisieren, die in dem Verstärkerarray 80 in der vorliegenden Ausführungsform verkörpert ist. Das Verstärkerarray 80 führt zwei wichtige Funktionen aus: Die erste besteht in der Verstärkung der von den Detektorelementen 288 empfangenen Niedrigniveau-Fotoströmen. Da die für das Verstärkerarray 80 ausgewählte Technologie ein BiCMOS-Verfahren ist, sind Verstärkerschaltkreise mit hoher Vorwärtsverstärkung möglich. Die Verfügbarkeit des gesamten Einheitszellenbereiches für den Transimpedanz-Verstärker bedeutet, dass ein ausreichender Bias-Strom verfügbar ist, um die gewünschte Verstärkung zu erzeugen, ohne Leistungsdichte-Regeln für die Herstellung des Verstärkerarrays 80 zu verletzen. Die zweite von dem Verstärkerarray 80 ausgeführte wichtige Funktion besteht in der Transformation der Ausgabeimpedanz der Detektorelemente 288 von einer sehr hohen Impedanz zu einer viel geringeren Impedanz, welche für eine Transmission durch das Substrat 302 geeignet ist. Das Design der Pixelverstärkerverschaltung des Verstärkerarrays 80 wird in Verbindung mit 17 erörtert. Jeder Pixelverstärker des Verstärkerarrays 80 weist einen Eingang auf, der mit einem Anschluss eines Detektorelements 288 des Detektorarrays 78 durch eine Indiumkugel oder eine Lötkugel 330 verbunden ist, und weist typischerweise einen Einfach-endigen Ausgang auf, der über eine TSV 322 mit einer Lötkugel 324 auf der Rückseite verbunden ist. Die Lötkugel 324 wird wieder aufgeschmolzen, um sie mit einer zweiten TSV 326 in dem Schaltkreissubstrat 302 zu verbinden, das durch eine weitere Lötkugel 328 mit einem Eingang eines elektrischen Einheitszellenschaltkreises des ROIC 82 verbunden ist. Elektrische Verbindungen mit dem Verstärkerarray 80 können über Metallpads 314 oder TSVs 326 hergestellt werden, nachdem das Gehäuse wie in Bezug auf 12 beschrieben zusammengesetzt und abgedichtet ist. Das Schaltkreissubstrat 302 ist typischerweise eine Dickschichtkeramik: Entweder Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berryliumoxid, abhängig von der Anwendung, kann aber auch ein Dünnschichtschaltkreis sein. Wie in 12 ist eine hermetische Fensterabdeckung, welche aus einem in einem CoVar®-Rahmen 318 gehaltenen ebenen Fensterglas 320 besteht, mit Hilfe einer kontinuierlichen Lötraupe angebracht.
  • 14 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer weiteren bevorzugten Fokalebenen-Array-Ausführungsform, welche ein Detektorarray 78 verwendet, das aus einem zweidimensionalen Array diskreter Detektorelemente 332 besteht. Jedes diskrete Detektorelement 332 wird durch epitaktisches Wachsen von p-Typ-, n-Typ- und intrinsischen Schichten von InGaAs auf einem InP-Substrat unter Verwendung herkömmlicher Verfahren gebildet, wobei Mesas durch Ätzen in den „Straßen” zwischen den Detektorelementen 332 gebildet werden. Die diskreten Detektorelemente 332 werden dann getestet und markiert und durch Anritzen und Brechen oder durch Zerschneiden vereinzelt. Individuelle Detektorelemente 332 können in der vorliegenden Ausführungsform so klein sein wie 0,2 bis 0,4 mm. Die gezeigten diskreten Detektorelemente 332 weisen auf der oberen Oberfläche sowohl Anoden- und Kathoden-Kontakte auf, welche mit Hilfe von durch das Substrat hindurchgehenden Durchkontaktierungen 352 oder durch laterale Bearbeitung der n-Typ und p-Typ-Schichten erzeugt werden können. Die individuellen Detektorelemente 332 können leistungsgradiert sein und werden dann mit Hilfe eines Bestückungsroboters auf dem Verstärkerarray 80 platziert. Moderne Bestückungsroboter weisen sehr hohe Durchsätze auf und sind in der Lage, Komponenten mit Merkmalen so klein wie 0,2 mm zu handhaben. Jedes Detektorelement 332 ist mit einem Pixelverstärker 336 des Verstärkerarrays 80 über Lötkugeln 334 verbunden. Die Lötkugeln 334 verbinden die Anode und die Kathode des Detektorelements 332 mit einem Pixelverstärkereingang und einem Biasspannungausgang, der durch den Pixelverstärker zu dem Detektorelement 332 zugeteilt wird. Eine durch das Substrat hindurchgehende Durchkontaktierung 338 verbindet die Pixelverstärkerausgänge mit der Rückseite des Verstärkerarrays 80, wo es über eine Lötkugel 340 mit einem Metallpad 342 auf dem Schaltkreissubstrat 302 verbunden ist. Eine durch das Substrat hindurchgehende Durchkontaktierung 344 verbindet Metallpads 342 mit der Rückseite des Substrats 302 und mit Metallpads 346. Die Metallpads 346 sind über Lötkugeln 348 mit einem elektrischen Einheitszellenschaltkreis des Auslese-IC 82 verbunden. In den Lücken zwischen diskreten Detektorelementen 332 wird eine kohlenstoffbeladene Epoxidtinte 354 verteilt und ausgehärtet, was eine optische Isolierung zwischen den Detektorelementen 332 des Detektorarrays 78 bereitstellt. Aus diesem Grund ist die Möglichkeit eines optischen Übersprechens zwischen Pixeln in dem Bild deutlich reduziert. Die Epoxidtinte 354 kann auf dieselbe Art und Weise wie Fotolack aufgebracht, fotobelichtet und entwickelt werden, oder kann unter Verwendung einer Spritze und eines Roboter-Translationstisches aufgebracht werden. Die Epoxytinte 354 kann in einer alternativen Ausführungsform mit weiteren IR-absorbierenden Materialien, wie zum Beispiel Germanium usw., beladen sein. Die Metallpads 350 stellen einen Ort für den Rahmen 318 der hermetischen Fensterabdeckung bereit, um an Ort und Stelle verlötet zu werden, wie es in 12 und 13 gezeigt ist. Deshalb wird der reflektierte Lichtpuls detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt, verstärkt und für eine Transmission durch ein unterstützendes Schaltkreissubstrat konditioniert wird, und mit dem Eingang eines Auslese-IC verbunden, der für eine Verstärkung, einen Schwellenwert und eine digitale Abtastung der analogen Wellenform des reflektierten Lichtpulses designed ist. All dies wird auf optimale Art und Weise durch die Struktur aus 14 erreicht.
  • 15A zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer bevorzugten Detektorarray 78-Ausführungsform, welche in der FPA-Packaging-Ausführungsform der 13 umgesetzt ist. Das Detektorarray 78 wird mit Hilfe einer Waferbondingtechnik hergestellt. Ein hochdotiertes p-Typ InP-Substrat 364 weist eine InGaAs-PIN-Struktur auf, die darauf epitaktisch gebildet ist, mit einer n-Typ-Schicht 358 über der intrinsischen Schicht 360 gewachsen, welcher über der p-Typ-Schicht 362 gebildet ist. Dieses InP-Substrat 364 wird dann unter Verwendung von hydrophilem Bonden bei hoher Temperatur an den Siliziumwafer 356 gebondet, oder mit Hilfe eines Raumtemperatur-Verfahrens unter Verwendung von Oberflächenaktivierung. Das Raumtemperatur-Verfahren wird bevorzugt und ist eine Funktion der Waferbondinganlage von Mitsubishi, MWB 04/06E. 15B zeigt den nächsten Schritt in der Bearbeitung des Arrays, wobei der Großteil des InP-Substrats durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt wurde. Unten in 15B ist der verbliebene Halbleiterfilm des p-Typ-InP 364 gezeigt, der das CMP-Ausdünnverfahren überstanden hat. Diese Entfernung von Material ermöglicht die Bildung von Mesa-Strukturen 366 durch Strukturieren und Ätzen des gebondeten Wafers unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterverfahrentechniken, wie es in 15C gezeigt ist. Schließlich werden Ohmsche Kontakte gebildet, und es werden Metallelektroden sowohl für die gemeinsamen Kathode 368- und die individuellen Anode 370-Kontakte für jedes Detektorelement 288 des Detektorarrays 78 abgeschieden. Die bevorzugte Metallisierung ist Ti/Pt/Au, obwohl Ti/Me/Au oder andere Anordnungen verwendet werden können. Die Struktur kann invertiert sein, oder kann für eine größere Empfindlichkeit eine Avalanche-Fotodiode sein. Im Betrieb wird eine positive Biasspannung von 2 bis 10 Volt Gleichspannung an die Kathode jedes Detektorelements 288 über die Kathodenkontakte 368 angelegt, die am Rand des Arrays und in den Lücken zwischen den Mesas sichtbar sind, welche ein 2D-Gittermuster bilden. Der Anodenkontakt 370 wird mit dem Eingang eines Pixelverstärkers verbunden, wobei die PIN-Diode in einer Revers-Bias-Betriebsart betrieben wird. Dieses InGaAs-PIN auf dem Silizium-Detektorarray 78 ermöglicht ein vereinfachtes und zuverlässigeres Herstellungsverfahren. Normalerweise müssen InGaAs-PIN-Dioden auf einem Gitter-angepassten InP-Substrat aufgewachsen werden. Allerdings weist der Silizium-ROIC 82, an den das Detektorarray 78 dann gebondet wird, einen viel unterschiedlicheren Koeffizienten der thermischen Expansion (CTE) auf als das InP. Da Servicetemperaturen über einen 100°C-Bereich variieren können, können seitliche Verspannungen akkumulieren und Lötverbindungen in einem herkömmlichen InP/Silizium-ROIC-Hybrid-FPA aufbrechen. Indium verbleibt selbst bei sehr niedrigen Temperaturen von –55°C verformbar, weshalb ein Indiumbond eine bevorzugte Option in einer typischen InP/Silizium-ROIC-Kombination ist. Das neue Design der 15 erzeugt ein Hybrid-In-GaAs-Detektorarray 78 auf einem Siliziumsubstrat 356, welches den CTE von Silizium aufweist, was die Verwendung von herkömmlichen Löttechniken für ein Bonden des Detektorarrays 78 an den Silizium-ROIC 82 bzw. das Verstärkerarray 80 ermöglicht.
  • 16 zeigt eine Draufsicht auf das Packaging bzw. Gehäuse aus 13 mit entfernter Fensterabdeckung. Das Schaltkreissubstrat 302 weist ein Bildrahmen-förmiges Metallisierungsmuster 312 auf, das geeignet ist, um den Rahmen 318 der Fensterabdeckung an Ort und Stelle anzulöten. Das Detektorarray 78 ist an das Verstärkerarray 80 gebondet, wobei eine Anzahl von Kondensatoren 372 innerhalb des Gehäuseumfangs dargestellt sind, welche nützlich sind, um die an das Detektorarray 78 und das Verstärkerarray 80 angelegten Biasspannungen zu entkoppeln. Außerdem ist eine Anzahl von Widerständen 374 und Spulen 376 gezeigt. Die Widerstände 374 können zum Einstellen von Schwellenwerten, Anpassen von Ausgabeniveaus usw. verwendet werden. Die Spulen 376 können als Filterelemente verwendet werden, oder um Spitzen in den Pulsschaltkreisen zu erzeugen. Andere Elektronikkomponenten, wie zum Beispiel Kristalle, Dioden usw., können innerhalb des Detektorarray 78-Gehäuses nützlich sein, und können auf ähnliche Art und Weise platziert und angelötet werden.
  • 17 zeigt die Details eines bevorzugten Designs eines Pixelverstärkers 336 des Verstärkerarrays 80. Das Detektorelement 288 ist ein bevorzugtes Design einer PIN-Diode, und wird in der SPICE-Simulation durch die Komponenten innerhalb der gestrichelten Linie 288 gebildet. Der Fotostrom I1 variiert typischerweise zwischen 2 bis 100 μA, wobei die parasitäre Kapazität der PIN-Diode bei umgekehrtem Bias typischerweise 0,3 Pikofarad oder weniger beträgt. Ein Differenzverstärker, der aus NPN-Transistoren Q3 und Q4 besteht, stellt eine ausreichende Verstärkung bereit, um die Transimpedanz-Verstärkung von 75 kΩ durch den Widerstand R2 zu erzeugen. Die Differenzverstärkerstruktur wird vervollständigt durch eine variable Stromquelle I2, einen Beschleunigungs-Kondensator C2 und den Basisschaltkreis von Q4. Der Strom durch I2 ist normalerweise eingestellt auf 1,2 mA, kann aber großzügig variieren, um Änderungen in der gewünschten Verstärkung zu erzielen. Der Basisschaltkreis von Q4 ist lediglich ein variabler Spannungsgenerator VOFF, der in Reihe mit dem Widerstand R10 ist. Der Kollektor von Q4 ist direkt mit der +5 VDC-Versorgung verbunden. Der Kollektor von Q3 ist mit einer variablen Stromquelle I3 verbunden, und mit dem Zweite-Stufe-Verstärkereingang, welcher lediglich der Emitter von Q8 ist. Im Betrieb weist das Detektorelement 288 einen Reverse-Bias-Leckstrom (Dunkelstrom) auf, welcher von einem Detektorelement zu einem anderen etwas variieren kann. Diese Variation im Biasstrom produziert eine Offset-Spannung, welche durch Einstellen des variablen Spannungsgenerators VOFF ausgenullt werden kann. VOFF ist typischerweise auf 1,5 VDC eingestellt, kann aber leicht um ±10% verändert werden, um Variationen in den Detektorelementen 288 zu kompensieren. VOFF kann außerdem verändert werden, um die Effekte von Temperatur und Alter hinsichtlich des Verstärkerschaltkreises und der Detektorelemente 288 zu kompensieren. Jede dieser Quellen für einen Gleichspannungsfehler können mit Hilfe des Schaltkreises aus 17 kompensiert werden, indem VOFF in geeigneter Weise eingestellt wird durch die VCTRL-Ausgabe der Verstärkung und den Offset-Einstellungsschaltkreis 378. Widerstand R2 hat typischerweise 75 kΩ, kann jedoch für eine Anpassung an unterschiedliche Anwendungen geändert werden, und zwar in einem Bereich von 5 kΩ bis 125 kΩ. Eine optionale invertierende Pufferverstärkerstufe kann verwendet werden, um den Pixelverstärker 336 an die vorherigen ROIC 82-Eingänge anzupassen. Diese optionale Invertierungsstufe besteht aus einem Transistor Q8, der in Reihe mit Widerstand R7 verbunden ist, als eine Entsättigungsdiode zum Invertieren des Verstärkers Q7. R7 kann in einigen Ausführungsformen durch eine Stromquelle mit einem kleinen Strom von 5–10 μA ersetzt werden. Der Emitter von Q7 ist mit einer 1,14 VDC Biasspannung verbunden; in diesem Fall gebildet durch den Widerstandsteiler von R1 und R3. Der Kollektor von Q7 ist der Ausgang, und wird über einen Widerstand R8 mit der positiven Biasspannungsversorgung verbunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist +5 VDC verfügbar, und wird verwendet, um eine höhere Leistung bereitzustellen, wobei das Design jedoch mit 3,3 VDC und 2,5 VDC-Versorgungsspannungen getestet worden ist, obwohl Verstärkung, Offsets und Bias-Einstellungen für einen geeigneten Spielraum angepasst werden müssen. Im Betrieb werden die DC-Fehler genullt, indem die VCTRL-Eingabe an den Anpassungsschaltkreis 378 variiert wird, während das Detektorarray 78 unterhalb der Biasspannung liegt und durch einen mechanischen Verschluss 257 abgedunkelt wird. Das Detektorarray 78 kann außerdem teilweise abgedunkelt werden, indem der elektrische Treiber für das VCSOA-Array 256 bei Systemen entfernt wird, welche derart ausgestattet sind. Sobald die Offsets genullt sind, wird der Wert in einer Speicherzelle innerhalb des Anpassungsschaltkreises 378 durch einen Übergang an dem LATCH-Eingang gelatched.
  • Die Einstellpunkte der Verstärkungspunkte für jeden Pixelverstärker 336 können dann hergestellt werden, indem ein zerstreuter Laserpuls an der Empfangslinse des Ladarsensors angewendet wird, oder auf dem Subanordnungs-Niveau. Ein nützliches Verfahren zur Bestimmung der Verstärkungseinstellpunkte besteht darin, das Detektorarray 78 mit einer gleichförmig gepulsten Beleuchtung auf zwei oder drei Niveaus zu fluten: Typischerweise mit einem Maximum-Niveau, einem Niedrig-Niveau und einem Mittelbereich-Niveau. Die Verstärkung des Pixelverstärkers wird durch die Menge des durch die spannungsgesteuerte Stromquelle IC bereitgestellten Stroms eingestellt, wobei der Strom durch die spannungsgesteuerte Stromquelle I3 eingestellt wird, um die Änderungen in I2 zu verfolgen, um an dem Kollektor von Q3 optimale Last- und Bias-Zustände zu erzeugen. Auf jedem Niveau wird jeder Pixelverstärker 336 wiederum ausgewählt, indem die Reihen-Auswahl (RSEL) und Spalten-Auswahl(CSEL)-Ausgänge aktiviert werden, und wobei das ausgegebene elektrische Signalniveau mit Hilfe des ROIC 82 ausgelesen wird. Es wird dann durch den Steuerungsprozessor eine Verstärkungsanpassung berechnet, und die Verstärkung wird durch die GCTRL-Eingabe in dem Pixelverstärker angepasst. Die GCTRL-Eingabe, als auch weitere Eingaben an den Anpassungsschaltkreis 378, können direkt mit dem Steuerprozessor 58 verbunden werden, oder können durch den ROIC 82 geleitet werden. Die MODE-Eingabe ist auf die Kalibrierungsbetriebsart eingestellt, wobei der GCTRL-Wert in dem Anpassungsschaltkreis 378 durch einen Übergang an dem LATCH-Eingang gelatched wird. Weitere Einstellpunkte auf der Verstärkungskurve für den Pixelverstärker 336 werden auf dieselbe Art und Weise bei dem einen oder den zwei verbleibenden optischen Eingangsleistungsniveaus bestimmt, in Abhängigkeit von der ausgewählten Kalibrierungsbetriebsart. Die MODE-Leitung wird getoggelt, um auf diese anderen Einstellpunkte zuzugreifen. In der Schnelle-Verstärkung-Betriebsart wird die MODE-Auswahlleitung auf eine Empfindlichkeits-Zeitsteuer(STC)-Betriebsart eingestellt. Wenn die STC-Betriebsart ausgewählt ist, wird die anfängliche Verstärkung auf den geringsten Wert eingestellt, um die Möglichkeit starker Reflexionen von dem Nahfeld zu reduzieren, wobei eine Anzahl von Pixeln gesättigt wird, und in benachbarte Pixel „überlaufen”, was als „Aufblühen” bezeichnet wird und in Verbindung mit 1 erläutert ist. Zum Zeitpunkt des Ausstrahlens des beleuchtenden Laserpulses wird die GCTAL-Eingangsspannung erhöht, und die Verstärkung wird schnell von einem ersten Niedrigverstärkung-Einstellpunkt zu einem zweiten Hochverstärkung-Einstellpunkt geramped. Dieses Rampen wird über eine kurze Rampenzeit TR ausgeführt, welche durch den Bereich festgelegt wird, bei dem eine maximale Verstärkung gewünscht ist. TR beträgt für Kurzbereich-Systeme oftmals nur 200 ns, kann jedoch für Systeme mit der Möglichkeit für einen größeren Bereich 1–10 μs betragen. Typischerweise würde ein Bereich von 300 m (1000 Fuß) eine 2 μs betragende Zweiwege-Laufzeit erfordern, so dass die Verstärkung auf den Maximalwert in 2 μs oder weniger hochgefahren (das heißt geramped) würde, und zwar in Abhängigkeit von der in dem Beleuchtungslaserpuls übertragenen Leistung.
  • In den hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wurde eine Anzahl von digitalen Prozessoren identifiziert, von denen einige dem Host-Fahrzeug zugeordnet sind, einige dem Ladar-Subsystem und wiederum einige individuellen Ladarsensoren. Die Aufteilung und Bezeichnung dieser unterschiedlichen Digitalprozessoren wurde mit dem Wissen eines Ingenieurs vorgenommen, wobei andere Aufteilungs- und Bezeichnungsregeln werden können, ohne den Umfang oder beabsichtigen Erfindungsgedanken zu ändern, oder die Anwendbarkeit der Erfindung zu beeinträchtigen. Die Funktion dieser dem Fahrzeug zugeordneten Prozessoren, das heißt die Fahrzeug-CPU 48 sowie die Kollisionsprozessor- und Airbagsteuereinheit 44, können in einigen zukünftigen Ausführungsformen in einem einzelnen Digitalprozessor kombiniert werden. Eine kombinierte Fahrzeug-CPU 48 und Kollisionsprozessor- und Airbagsteuereinheit 44 kann außerdem eine Ladarsystemsteuerung 30 umfassen, welche normalerweise dem Ladar-Subsystem zugeordnet ist. Die Ladarsystemsteuerung 30 (einschließlich des Steuerprozessors 58) kann in einigen alternativen Ausführungsformen als ein Stand-Alone-Schaltkreis eliminiert werden, wobei diejenigen Funktionen, welche normalerweise von der Ladarsystemsteuerung 30 ausgeführt werden, wie hierin beschrieben, dann mit Hilfe einer leistungsfähigeren Fahrzeug-CPU 48 ausgeführt würden. Ebenso könnte der Objekt-Tracking-Prozessor 98 des individuellen Ladarsensors in die Fahrzeug-CPU 48 integriert werden, wie auch andere Ladarsensorprozessoren, wie zum Beispiel der Datenreduktionsprozessor 86 und der Steuerprozessor 58. Dies würde einem Trend hinsichtlich größerer Zentralisierung der Rechenleistung im Fahrzeug folgen. Ein Trend hin zu einer Dezentralisierung kann andererseits auch stattfinden, wobei einige alternative Ausführungsformen in zunehmendem Maße die Bearbeitungsleistung in das Ladarsensor-Subsystem runter verlagern (4). In weiteren alternativen Ausführungsformen, möglicherweise in einem Roboterfahrzeug, wo lediglich ein einzelner Ladarsensor installiert sein könnte, könnte im Wesentlichen die gesamte Bearbeitungsleistung in den individuellen Ladarsensor selber eingegliedert sein. Der Begriff „Digitalprozessor” kann generisch verwendet werden, um entweder digitale Steuerungen oder digitale Computer zu beschreiben, da viele Steuerungen auch reine mathematische Berechnungen oder eine Datenreduktion ausführen können, und da viele digitale Computer auch Steuerfunktionen ausführen können. Ob ein digitaler Prozessor als eine Steuerung oder ein Computer bezeichnet wird, ist eine in der Beschreibung vorgenommene Unterscheidung, und soll nicht die Anwendung oder Funktion von irgendeiner Vorrichtung beschränken.
  • Nachdem nunmehr verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung detailliert in dem Sinne der Patentvorschriften beschrieben worden sind, wird der Fachmann Modifikationen und Ergänzungen an den hierin offenbarten spezifischen Ausführungsformen erkennen. Solche Modifikationen liegen innerhalb des Umfangs und Grundgedankens der vorliegenden Offenbarung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (33)

  1. Ladarsystem, umfassend: einen ersten Ladarsensor und einen zweiten Ladarsensor; wobei der erste Ladarsensor aufweist: einen Lasersender mit einer Pulslaserlichtausgabe, der Licht bei einer ersten Wellenlänge durch eine Streuoptik sendet, welches dazu angepasst ist, eine reflektierende Oberfläche in einem ersten Bildfeld des ersten Ladarsensors zu beleuchten, einen Time-Zero-Referenzausgang, der mit dem zweiten Ladarsensor durch ein Kabel verbunden ist, wobei der Time-Zero-Referenzausgang dazu angepasst ist, den Beginn der Pulslaserlichtausgabe zu signalisieren, wobei der zweite Ladarsensor aufweist: ein zweites Bildfeld, welches das erste Bildfeld überlappt, einen Time-Zero-Referenzeingang, der mit dem Kabel verbunden ist, einen Time-Zero-Referenzschaltkreis, der mit dem Time-Zero-Referenzeingang verbunden ist, und wobei der Time-Zero-Referenzschaltkreis einen elektrischen Time-Zero-Referenz-Ausgang aufweist, Empfangsoptiken, welche dazu angepasst sind, das von der reflektierenden Oberfläche reflektierte Pulslaserlicht zu sammeln und zu konditionieren, ein zweidimensionales Array von lichtempfindlichen Detektoren, welche bei einer Fokalebene der Empfangsoptiken positioniert sind, wobei jeder der lichtempfindlichen Detektoren einen gepixelten Abschnitt der von der Oberfläche reflektierten Pulslaserlichtausgabe auffängt, und wobei jeder lichtempfindliche Detektor einen Ausgang aufweist, der ein elektrisches Response-Signal produziert, einen Detektor-Bias-Schaltkreis, der mit einem Spannungsverteilungsraster des Arrays von lichtempfindlichen Detektoren verbunden ist, einen integrierten Ausleseschaltkreis mit einem Taktschaltkreis und einer Mehrzahl von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen, und wobei jeder der elektrischen Einheitszellenschaltkreise einen Eingang aufweist, der mit dem Taktschaltkreis und mit dem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang verbunden ist, und einen Verstärker mit einem Eingang aufweist, welcher mit einem der Ausgänge der lichtempfindlichen Detektoren verbunden ist, und wobei jeder Verstärker einen Ausgang und einen Pulsdetektionsschaltkreis aufweist, der mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, und wobei der Pulsdetektionsschaltkreis einen Endausgang aufweist, einen Zähler, der mit dem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang und mit dem Taktschaltkreis verbunden ist, wobei der Zähler zum Zählen durch den elektrischen Time-Zero-Referenzausgang gestartet wird, und wobei der Zähler beim Zählen durch den Endausgang gestoppt wird und mit diesem verbunden ist, und wobei der Zähler eine Ausgang aufweist, welcher proportional zum Abstand zu der Oberfläche ist.
  2. Ladarsystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Ladarsensor an einem Fahrzeug befestigt ist.
  3. Ladarsystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Ladarsensor einen Spannungsabtastschaltkreis aufweist, der mit dem Ausgang jedes der Verstärker verbunden ist.
  4. Ladarsystem nach Anspruch 1, wobei das Kabel ein Faseroptikkabel ist.
  5. Ladarsystem nach Anspruch 1, wobei das Kabel wenigstens einen elektrischen Leiter aufweist.
  6. Ladarsystem nach Anspruch 1, wobei der Lasersender wenigstens einen Halbleiterlaser umfasst.
  7. Ladarsystem nach Anspruch 1, wobei der Lasersender ein Festkörperlaser ist.
  8. Ladarsystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Ladarsensor in eine Anordnung integriert ist, die aus der folgenden Menge ausgewählt ist: ein Frontscheinwerfer, ein Blinklicht, ein Rücklicht, ein Parklicht und ein Bremslicht.
  9. Ladarsensor, umfassend: einen Lasersender, welcher einen Strahl gepulsten Laserlichts produziert, das dazu ausgebildet ist, eine reflektierende Oberfläche in einem Bildfeld des Ladarsensors zu beleuchten, einen Strahllenkungsmechanismus mit einer reflektierenden Fläche, dazu ausgebildet, den Laserlichtausgabestrahl in wenigstens einer Achse über das Bildfeld zu lenken, einen Time-Zero-Referenzschaltkreis mit einem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang, wobei der elektrische Time-Zero-Referenzausgang dazu ausgebildet ist, den Beginn einer Pulslaserlichtausstrahlung zu signalisieren, Empfangsoptiken, welche dazu ausgebildet sind, das von der reflektierenden Oberfläche reflektierte Pulslaserlicht zu sammeln und zu konditionieren, ein zweidimensionales Array von lichtempfindlichen Detektoren, welche bei einer Fokalebene der Empfangsoptiken positioniert sind, wobei jeder der lichtempfindlichen Detektoren einen gepixelten Abschnitt der von der Oberfläche reflektierten Pulslaserlichtausgabe auffängt, und wobei jeder lichtempfindliche Detektor einen Ausgang aufweist, der ein elektrisches Response-Signal produziert, einen Detektor-Bias-Schaltkreis, der mit einem Spannungsverteilungsraster des Arrays von lichtempfindlichen Detektoren verbunden ist, einen integrierten Ausleseschaltkreis mit einem Taktschaltkreis und einer Mehrzahl von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen, und wobei jeder der elektrischen Einheitszellenschaltkreise einen Eingang aufweist, der mit dem Taktschaltkreis und mit dem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang verbunden ist, und einen Verstärker mit einem Eingang aufweist, welcher mit einem der Ausgänge der lichtempfindlichen Detektoren verbunden ist, und wobei jeder Verstärker einen Ausgang und einen Pulsdetektionsschaltkreis aufweist, der mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, und wobei der Pulsdetektionsschaltkreis einen Endausgang aufweist, einen Zähler, der mit dem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang und mit dem Taktschaltkreis verbunden ist, wobei der Zähler zum Zählen durch den elektrischen Time-Zero-Referenzausgang gestartet wird, und wobei der Zähler beim Zählen durch den Endausgang gestoppt wird und mit diesem verbunden ist, und wobei der Zähler eine Ausgang aufweist, welcher proportional zum Abstand zu der Oberfläche ist.
  10. Ladarsensor nach Anspruch 9, wobei der Ladarsensor an einem Fahrzeug befestigt ist.
  11. Ladarsensor nach Anspruch 9, wobei der Lasersender ein Array von Halbleiterlasern ist.
  12. Ladarsensor nach Anspruch 9, wobei der Ladarsensor in eine Anordnung integriert ist, ausgewählt aus der folgenden Menge: Ein Frontscheinwerfer, ein Blinklicht, ein Rücklicht, ein Parklicht und ein Bremslicht.
  13. Ladarsensor nach Anspruch 9, wobei die Empfangsoptiken einen elektromechanischen Verschluss aufweisen, der in einem Lichtempfangspfad angebracht ist.
  14. Ladarsensor nach Anspruch 9, wobei das zweidimensionale Array von lichtempfindlichen Detektoren in epitaktischen Schichten von Indiumgalliumarsenid gebildet ist, das über einer metamorphen Schicht von Indiumgalliumaluminiumarsenid gewachsen ist.
  15. Ladarsensor nach Anspruch 9, wobei der Strahllenkungsmechanismus ein MEMS-Typ-Biegeelement ist.
  16. Ladarsensor nach Anspruch 9, wobei der Strahllenkungsmechanismus auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist.
  17. Ladarsensor, umfassend: einen Lasersender mit einer Ausgabe von gepulstem Laserlicht, welcher dazu ausgebildet ist, eine reflektierende Oberfläche in einem Bildfeld des Ladarsensors zu beleuchten, einen Time-Zero-Referenzschaltkreis mit einem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang, wobei der elektrische Time-Zero-Referenzausgang dazu ausgebildet ist, den Beginn einer Pulslaserlichtausstrahlung zu signalisieren, Empfangsoptiken, welche dazu ausgebildet sind, das von der reflektierenden Oberfläche reflektierte gepulste Laserlicht zu sammeln und zu konditionieren, einen optischen Verstärkungsblock mit einer Eingangsfläche, welcher derart positioniert ist, um das gesammelte und konditionierte gepulste Laserlicht zu empfangen, und wobei der Verstärkungsblock das gepulste Laserlicht optisch verstärkt und das optisch verstärkte gepulste Laserlicht zu einer Ausgabefläche überträgt, ein zweidimensionales Array von lichtempfindlichen Detektoren, welche derart positioniert sind, um Licht von der Ausgabefläche des optischen Verstärkungsblocks abzufangen, und wobei jeder der lichtempfindlichen Detektoren einen gepixelten Abschnitt des von der Oberfläche reflektierten gepulsten Laserlichts abfängt, und wobei jeder lichtempfindliche Detektor einen Ausgang aufweist, welcher ein elektrisches Response-Signal produziert, einen Detektor-Bias-Schaltkreis, der mit einem Spannungsverteilungsraster des Arrays von lichtempfindlichen Detektoren verbunden ist, einen integrierten Ausleseschaltkreis mit einem Taktschaltkreis und einer Mehrzahl von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen, und wobei jeder der elektrischen Einheitszellenschaltkreise einen Eingang aufweist, der mit dem Taktschaltkreis und mit dem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang verbunden ist, und einen Verstärker mit einem Eingang aufweist, welcher mit einem der Ausgänge der lichtempfindlichen Detektoren verbunden ist, und wobei jeder Verstärker einen Ausgang und einen Pulsdetektionsschaltkreis aufweist, der mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, und wobei der Pulsdetektionsschaltkreis einen Endausgang aufweist, einen Zähler, der mit dem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang und mit dem Taktschaltkreis verbunden ist, wobei der Zähler zum Zählen durch den elektrischen Time-Zero-Referenzausgang gestartet wird, und wobei der Zähler beim Zählen durch den Endausgang gestoppt wird und mit diesem verbunden ist, und wobei der Zähler eine Ausgang aufweist, welcher proportional zum Abstand zu der Oberfläche ist.
  18. Ladarsensor nach Anspruch 17, wobei der Ladarsensor an einem Fahrzeug angebracht ist.
  19. Ladarsensor nach Anspruch 17, wobei der Lasersender ein Array von Halbleiterlasern ist.
  20. Ladarsensor nach Anspruch 17, wobei der Ladarsensor in eine Anordnung integriert ist, welche aus der folgenden Menge ausgewählt ist: ein Frontscheinwerfer, ein Blinklicht, ein Rücklicht, ein Parklicht sowie ein Bremslicht.
  21. Ladarsensor nach Anspruch 17, wobei die Empfangsoptik einen elektromechanischen Verschluss aufweist, der in einem Lichtempfangspfad angeordnet ist.
  22. Ladarsensor nach Anspruch 17, wobei das zweidimensionale Array von lichtempfindlichen Detektoren in epitaktischen Schichten von Indiumgalliumarsenid gebildet ist, das über einer metamorphen Schicht von Indiumgalliumaluminiumarsenid gewachsen ist.
  23. Ladarsensor nach Anspruch 21, wobei das zweidimensionale Array von lichtempfindlichen Detektoren in epitaktischen Schichten von Indiumgalliumarsenid gebildet ist, das an ein Siliziumsubstrat gebondet ist.
  24. Ladarsensor nach Anspruch 17, wobei der optische Verstärkungsblock ein Bündel von Erbium-dotierten Fasern ist.
  25. Ladarsensor nach Anspruch 17, wobei der optische Verstärkungsblock ein optischer Vertikale-Kavität-Halbleiterverstärker ist.
  26. Ladarsensor, umfassend: einen Lasersender mit einer Ausgabe von gepulstem Laserlicht, welcher dazu ausgebildet ist, eine reflektierende Oberfläche in einem Bildfeld des Ladarsensors zu beleuchten, einen Time-Zero-Referenzschaltkreis mit einem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang, wobei der Time-Zero-Referenzausgang dazu ausgebildet ist, den Beginn einer gepulsten Laserlichtausstrahlung zu signalisieren, eine Empfangsoptik, welche dazu ausgebildet ist, das von der reflektierenden Oberfläche reflektierte Pulslaserlicht in dem Bildfeld zu sammeln und zu konditionieren, ein zweidimensionales Array von lichtempfindlichen Detektoren, welche bei einer Fokalebene der Empfangsoptik positioniert sind, wobei jeder der lichtempfindlichen Detektoren einen gepixelten Abschnitt von von der Oberfläche reflektierten Pulslaserlichts abfängt, und wobei jeder lichtempfindliche Detektor einen Ausgang aufweist, welcher ein elektrisches Response-Signal erzeugt, einen Detektor-Bias-Schaltkreis, der mit einem Spannungsverteilungsraster des Arrays von lichtempfindlichen Detektoren verbunden ist, ein Verstärkerarray mit einer Mehrzahl von Pixelverstärkern, wobei jeder Pixelverstärker mit einem Eingang an einem Ausgang eines der lichtempfindlichen Detektoren verbunden ist, und wobei das Verstärkerarray einen elektrischen Pixelverstärkerausgang aufweist, einen integrierten Ausleseschaltkreis mit einem Taktschaltkreis und einer Mehrzahl von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen, wobei jeder der elektrischen Einheitszellenschaltkreise einen mit dem Taktschaltkreis verbundenen Eingang aufweist und einen mit einem der elektrischen Pixelverstärkerausgänge verbundenen Analogeingang aufweist, wobei jeder elektrische Einheitszellenschaltkreis außerdem einen Pulsverstärker aufweist, der mit dem Analogeingang verbunden ist, und wobei der Pulsverstärker einen Ausgang aufweist, einen Pulsdetektionsschaltkreis, der mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, und wobei der Pulsdetektionsschaltkreis einen Endausgang aufweist, einen Zähler, der mit dem elektrischen Time-Zero-Referenzausgang und mit dem Taktschaltkreis verbunden ist, wobei der Zähler zum Zählen durch den elektrischen Time-Zero-Referenzausgang gestartet wird, und wobei der Zähler beim Zählen durch den Endausgang gestoppt wird und mit diesem verbunden ist, und wobei der Zähler eine Ausgang aufweist, welcher proportional zum Abstand zu der Oberfläche ist.
  27. Ladarsensor nach Anspruch 26, wobei der Ladarsensor an einem Fahrzeug angebracht ist.
  28. Ladarsensor nach Anspruch 26, wobei der Lasersender ein Array von Halbleiterlasern ist.
  29. Ladarsensor nach Anspruch 26, wobei der Ladarsensor in einer Anordnung integriert ist, welche aus der folgenden Menge ausgewählt ist: ein Frontscheinwerfer, ein Blinklicht, ein Rücklicht, ein Parklicht sowie ein Bremslicht.
  30. Ladarsensor nach Anspruch 26, wobei die Empfangsoptik einen elektromechanischen Verschluss aufweist, der in dem Lichtempfangspfad angeordnet ist.
  31. Ladarsensor nach Anspruch 26, wobei das zweidimensionale Array von lichtempfindlichen Detektoren in epitaktischen Schichten von Indiumgalliumarsenid gebildet ist, das an ein Siliziumsubstrat gebondet ist.
  32. Ladarsensor nach Anspruch 26, wobei der Pixelverstärker eine Offset-Steuerung aufweist.
  33. Ladarsensor nach Anspruch 26, wobei der Pixelverstärker eine Verstärkungssteuerung aufweist.
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