WO2019115184A1

WO2019115184A1 - Anordnung und verfahren zur ermittlung einer entfernung wenigstens eines objekts mit lichtsignalen

Info

Publication number: WO2019115184A1
Application number: PCT/EP2018/081990
Authority: WO
Inventors: Ralf Beuschel; Michael Kiehn; Michael KÖHLER
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag; Ibeo Automotive Systems GmbH
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2019-06-20
Also published as: JP2021507263A; CN111656219B; EP3724682A1; CA3085648C; CN111656219A; IL275402A; DE102017222974A1; US20210165079A1; US11644539B2; CA3085648A1; KR20210002445A

Abstract

Es wird eine Anordnung bzw. ein Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung zu wenigstens einem Objekt vorgeschlagen, wobei die Lichtsignale durch eine erste Gruppe von Lichtempfangselementen in erste elektrische Signale gewandelt werden. Die Lichtsignale werden weiterhin durch eine zweite Gruppe von Lichtempfangselementen in zweite elektrische Signale gewandelt. Anhand der ersten elektrischen Signale wird mittels einer zeitkorrelierten Photonenzählung in Abhängigkeit von einem Startsignal für die Emission der Lichtsignale die Entfernung ermittelt. Weiterhin wird anhand der zweiten elektrischen Signale die Entfernung mittels einer weiteren Signalverarbeitung, die verschieden von der zeitkorrelierten Photonenzählung ist, bestimmt. Die zweite Gruppe hat eine geringere Empfindlichkeit für die Wandlung der Photonen in elektrischen Strom als die erste Gruppe.

Description

Anordnung und Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung bzw. einem Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung von wenigstens einem Objekt mit Lichtsignalen nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.

Aus US 2004/0233942 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Messung der Pha- se eines modulierten optischen Signales bekannt. Dabei werden zum Empfang sogenannte Single-Photon-Detektoren SPDs verwendet. Weiterhin wird angegeben, dass diese Art von Detektoren, zu denen die SPADs (single photon avalanche dio- des) gehören, eine sogenannte Totzeit aufweisen.

Die erfindungsgemäße Anordnung bzw. erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verwendung von unterschiedlichen Gruppen von Lichtempfangselementen, wobei die erste Gruppe eine höhere Empfindlichkeit für die Wandlung der Lichtsignale in elektrische Signale aufweist als die zweite Gruppe der Lichtempfangselemente, der Nahbereich besonders gut erfasst werden kann. Die Überwachung des Nahbereichs ist aus verschiedenen Gründen besonders wichtig: Die Übertragungsfunktion der Frontplatte soll für die Selbstdiagnose des LiDAR-Sensors überwacht werden. Objek- te vor dem LiDAR-System müssen detektierbar mit einer Entfernung von wenigen Zentimetern sein, d. h. Objekte, die sich annähern, sollen in diesem Nahbereich nicht verschwinden. Sicherheitsvorschriften für Laser können es erfordern, dass die emi- tierte Lichtleistung reduziert wird, wenn eine Person oder ein Objekt sich sehr nah sich zum LiDAR-Sensor befindet.

Problematisch ist auch, dass ein reflektierter Lichtimpuls an einer gemeinsamen Frontscheibe vor der Sende- und Empfangseinrichtung die Lichtempfangselemente, die bspw. als SPAD-Zellen ausgebildet sind, auslösen kann. Nach einer solchen Auslösung haben die SPAD-Zellen eine sogenannte Totzeit. Diese kann ca. 10 bis 20 Nanosekunden betragen, nach der wieder eine erneute Detektion von Lichtsignalen möglich ist. Auch ist während des Versendens der Lichtsignale, die Impulsbreite ist dann bspw. 5 Nanosekunden, ist keine Messung möglich. Durch eine Frontscheibe kann eine direkte optische Rückkopplung zwischen Sender und Empfänger entstehen. Ist das System auf eine große Reichweite von bspw. 200m ausgelegt, müssen Lichtsignale mit hoher Energie und sehr empfindliche Empfangselemente verwendet werden. Daher reicht eine geringe Rückstreuung der Frontscheibe von bspw. 1 % zur vollständigen Blendung des Empfängers. Bei typischen SPAD-Empfangszellen ergibt sich eine Totzeit von 10 bis 20 Nanosekunden, die einem Nahbereich von 1 ,5 bis 3 Metern entspricht, in dem kein Objekt erkannt werden kann. Neben dem Lidar- System ist die Erfindung auch für verwandte Systeme einsetzbar.

Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung bzw. das erfindungsge- mäße Verfahren, dass eine Totzeit, die bspw. die Lichtempfangselemente der ersten Gruppe aufweisen, durch das Vorsehen von geeigneten Lichtempfangselementen für die zweite Gruppe kompensiert werden kann. D. h. die Totzeit spielt dann im Nahbereich keine Rolle mehr. Insgesamt werden demnach eine Anordnung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen vorgeschlagen, die in dem wichtigen Nahbereich keine Blindheit aufweisen.

Bei der Anordnung zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen handelt es sich um eine kompakte Anordnung, die bspw. mit einem Gehäuse umgeben ist, indem sich entweder nur ein Empfangsteil für die Lichtsignale oder auch eine Kombination mit einem Sendeteil für die Lichtsignale befindet. Alter- nativ ist es möglich, dass auch die Komponenten der Anordnung verteilt und nicht örtlich zusammengefasst sind.

Die Entfernung zwischen dem Objekt und der Anordnung ist die Verbindung durch eine Strecke zwischen diesen beiden Dingen. Bei dem Objekt handelt es sich um eine räumliche Form, die Lichtsignale reflektiert. Es kann sich bspw. um ein Fahr- zeug, einen Fußgänger, ein Fahrrad, einen Stein oder andere Gegenstände handeln. Bei den Lichtsignalen handelt es sich üblicherweise um Lasersignale, es sind jedoch auch andere Lichtsignale möglich, die nicht von einem Laser ausgestrahlt wurden.

Die erste Gruppe von Lichtempfangselementen, die die Lichtsignale in erste elektrische Signale wandeln, sind bspw. sogenannte Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs). Diese SPADs sind mit einer hohen Sperrspannung versehen, sodass bereits ein Photon ausreicht, um den Lawineneffekt in diesen Dioden auszulösen. Der Lawinendurchbruch muss durch eine aktive oder passive Quench-Schaltung ge- stoppt werden, um eine Zerstörung des Bauteils zu verhindern. Das Stoppen des Lawinendurchbruchs und die Wiederherstellung der Empfangsbereitschaft einer SPAD Diode benötigt ca. 10 bis 20ns. In dieser Zeit ist keine weitere Detektion mög- lich.

In LiDAR-Anwendungen kann es sein, dass verschiedene solcher Dioden zu Makrodioden zusammengefasst werden, indem die Ausgangssignale miteinander bspw. verodert werden oder aufsummiert werden. Bspw. verwenden Siliziumphotomultiplier (SiPMs) eine einfache analoge Summation der Ausgangssignale mehrer SPAD Dioden. Solche Single-Photon-Avalanche-Dioden werden üblicherweise aus Silizium hergestellt. Es sind jedoch auch Verbindungshalbleiter möglich. Der Betriebsmodus solcher Dioden wird auch als Geigermodus bezeichnet.

Bei der zweiten Gruppe handelt es sich bspw. um Photodioden oder Lawinen- Photodioden (engl. Avalanche Photo Diodes = APD), die die Lichtsignale in zweite elektrische Signale wandeln.

Bei der Signalverarbeitung kann es sich um Software-Funktionen und/oder Hardware-Funktionen handeln. Liegen Hardware-Bausteine vor, können diese in einem Hardware-Baustein zusammengefasst sein oder auf verschiedene Hardware- Bausteine aufgeteilt sein.

Die erste Signalverarbeitung bestimmt anhand der ersten elektrischen Signale mittels einer zeitkorrelierten Photonenzählung in Abhängigkeit von einem Startsignal für die Emission der Lichtsignale die Entfernung. Die Objektdetektion kann vorliegend bei- spielsweise mit dem Messprinzip TCSPC (Time-Correlated Single Phonton Counting) vorgenommen werden. Diese in Deutsch als zeitkorrelierte Photonenzählung be- zeichnete Messmethode ist eine Technik zur Messung sich zeitlich schnell ändernder Lichtintensitäten. Dabei wird eine Messung vielfach wiederholt und die einzelnen zeit- lich korrelierten Photonen in Bezug zum Anregungsimpuls werden entsprechend ih- rer gemessenen Zeit in ein sogenanntes TCSPC-Histogramm einsortiert. Dieses be- sitzt typischerweise eine zeitliche Kanalauflösung bzw. Klassenbreite von 0,1 bis 1 ns und gibt den zeitlichen Verlauf des von einem Laserpuls zurückgestreuten Lichts wieder. Dadurch gelingt eine sehr genaue Zeitmessung des zurückgestreuten Laserimpulses. Bspw. wird ein Objekt von einer Sendeeinrichtung mit vielen Photonen getroffen, die dann durch die Empfängeranordnung empfangen werden. Durch das häufige Wiederholen dieser Photonenbestimmung ist es möglich, den Lichtimpuls bzgl. seiner Flugzeit und Amplitude genau zu bestimmen. Nachdem die Messung abgeschlossen wurde, werden die Zeiten der lokalen Maximalwerte im Histogramm ermittelt. Die zeitliche Lage der Maximalwerte ermöglicht die Distanzbestimmung zu einem oder mehreren Objekten.

Bei dem Startsignal handelt es sich bspw. um ein Signal eines Pulsgenerators, der einen Lasertreiber antreibt. Damit wird eine Synchronisierung der Signalverarbeitung der empfangenen Lichtsignale mit dem emittierten Lichtsignal erreicht. Dies vereinfacht die Signalverarbeitung. Das Startsignal für die Emission der Lichtsignale wird von einer Senderschaltung ausgegeben. Es wird über eine Schnittstelle in die Signalverarbeitung eingelesen. Mit Emission der Lichtsignale ist das ausgestrahlte Licht von der Senderschaltung gemeint. Alternativ ist es möglich, vom ausgestrahlten Licht einen Teil der Empfängerschaltung zuzuführen. Dort wird dann dieser Teil in ein elektrisches Signal gewandelt.

Die Lichtempfangselemente der ersten Gruppe weisen eine höhere Empfindlichkeit für die Wandlung der Lichtsignale in elektrische Signale auf als die Lichtempfangselemente der zweiten Gruppe. Dabei können bspw. SPADs oder SiPMs für die erste Gruppe und Photodioden oder Lawinen-Photodioden für die zweite Gruppe verwendet werden. Unter der Empfindlichkeit der Lichtempfangselemente für den Empfang von Lichtsig- nalen ist zu verstehen, wie der Zusammenhang zwischen eingestrahltem Licht und dem elektrischen Ausgangssignal aussieht. Bei analogen Photodetektoren wie APDs bedeutet eine niedrige Empfindlichkeit, dass mehr Licht erforderlich ist, um den gleichen Photostrom zu bewirken als bei solchen Lichtempfangselementen mit höherer Empfindlichkeit. Bei SPAD Photodetektoren weisen Photozellen mit niedriger Empfindlichkeit eine niedrigere Wahrscheinlichkeit für die Detektion eines Photons auf als Empfangszellen mit hoher Empfindlichkeit.

Die zweite Signalverarbeitung ist verschieden von der zeitkorrelierten Photonenzählung. Während die ersten elektrischen Signale der bspw. SPAD Dioden direkt digital verarbeitet werden können, handelt es sich bei den zweiten elektrischen Signalen vorzugsweise um analoge Signale, die mit einer sehr hohen Abtastrate digitalisiert werden müssen. Eine konventionelle Analog-Digitalwandlung mit hoher Abtastrate verursacht hohe Kosten und benötigt viel Energie. In der Kombination mit der zeitkorrelierten Photonenzählung ist es insbesondere vorteilhaft, eine kostengünstige se- quenzielle Analog-Digitalwandlung zu verwenden.

Entsprechendes gilt für das erfindungsgemäße Verfahren.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der in den unabhängigen Patentansprü- chen angegebenen Anordnung bzw. Verfahrens zur Ermittlung einer Entfernung we- nigstens eines Objekts mit Lichtsignalen möglich.

Die zweite Signalverarbeitung bestimmt anhand der zweiten elektrischen Signale mittels einer zeitkorrelierten sequenziellen Abtastung in Abhängigkeit von dem Startsignal die Entfernung zu dem Objekt. Die zeitkorrelierte sequenzielle Abtastung ist ein vielseitig anwendbares Verfahren zur Digitalisierung periodisch wiederkehrender elektrischer Signale. In der vorliegenden Lidar-Anwendung soll eine Abtastrate zwi- schen 1 GHz und 10 GHz für ein analoges Photodetektorsignal erreicht werden. Dies ist mit bekannten Analog-zu-Digitalwandlern nur mit hohen Kosten und hohem Energieaufwand möglich. Bei der zeitkorrelierten sequenziellen Abtastung wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass periodisch wiederkehrende Signale über mehrere Signalperioden digitalisiert werden können. Dabei wird ein analoges Eingangssignal über mehrere Signalperioden abgetastet, wobei die Parameter für die Abtastung gezielt variiert werden. Die Abtastung erfolgt also sequenziell über mehrere Signalperioden. Anschließend werden die Ergebnisse der Einzelmessungen mit der Periode des Eingangssignals in zeitlichen Bezug gesetzt, also zeitlich korreliert. Daraus ergibt sich dann das abgetastete Signal in höherer zeitlicher Auflösung oder Qualität.

In der konkreten Anwendung wird die Eigenschaft des TCSPC Distanzmessverfah- rens ausgenutzt, bei dem ein Laserpuls wiederholt mit einer bekannten Signalperiode ausgesendet wird. Das von einem Objekt zurückgestreute Licht kann einerseits z.B. mit SPAD Photodeketoren ausgewertet werden, wobei die einzelnen Photonenereignisse in einem zeitlich synchronisierten Histogramm eingetragen werden. Parallel dazu angeordnete analoge Empfangselemente können ebenfalls das Lichtsignal empfangen. Da der Lichtpuls vielfach ausgesendet wird, kann die Abtastung sequenziell über mehrere Perioden der Pulsaussendung erfolgen. Da die Periode der Puls- aussendung bekannt ist, ist es einfach die Messwerte der sequenziellen Abtastung in den korrekten zeitlichen Zusammenhang zu bringen.

Dabei ist es vorteilhaft, dass die zeitkorrelierte sequenzielle Abtastung für die zweiten elektrischen Signale die vorzugsweisen analogen Werte mit wenigstens einem Ram- pensignal vergleicht und ein Ausgangssignal einer ersten und invertiert einer zweiten Zeit-Digital-Wandlung zuführt, wobei die erste und die zweite Zeit-Digital-Wandlung durch das Startsignal gestartet werden und ausgangsseitig mit einem Histogramm verbunden sind. Das Histogramm wird mit den zweiten Histogrammwerten befüllt. Bei dem Rampensignal handelt es sich um ein aufsteigendes Spannungssignal gleich einem Sägezahnsignal.

Eine unterstützende Messmethode zur Objektdetektion ist ein sogenannter TDC (Ti- me-to-Digital Converter, Zeit-Digital-Wandlung). Dies ist ein Gerät, um Zustände zu erkennen und eine digitale Darstellung der Zeit bereitzustellen, die zwischen zwei Ereignissen aufgetreten ist. Beispielsweise kann ein TDC die Ankunftszeit für jeden ankommenden Impuls ausgeben. Insbesondere das Zeitintervall zwischen zwei Impulsen wird mit einem TDC ermittelt. Dabei kann die Messung gestartet und gestoppt werden, wenn eine aufsteigende oder fallende Flanke eines Signalimpulses einen entsprechenden Schwellenwert übertrifft. Eine Zeit-Digital-Wandlung ist ein Verfahren, um eine Zeit beispielsweise zwischen zwei Impulsen zu bestimmen und in ein Digitalwort umzusetzen. Dazu kann bspw. ein Zähler verwendet werden, der durch ein Start- und ein Stoppsignal bspw. des empfangenen Lichtimpulses bzw. des ausgesendeten Lichtimpulses aktiviert wird. Um den Fehler zu Beginn und zu Ende des durch den Zähler ermittelten Zählerstandes zu bestimmen, wird eine sogenannte Interpolation verwendet. Dazu kann eine Verzögerungsschaltung verwendet werden.

Es ist jedoch auch möglich, zwei zueinander verstimmte Oszillatoren zu verwenden oder eine sogenannte Überabtastung bspw. eine Vierfach-Überabtastung zu ver- wenden und damit das Signal abzutasten. Durch den Zählerstand und die Werte, die aus der Interpolation gewonnen werden zu Beginn der Zählung und zu Ende der Zählung, kann dann die Zeit und damit die Flugzeit genau gemessen werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die erste Gruppe Single-Photon-Avalanche-Dioden als die Lichtempfangselemente und die zweite Gruppe Photodioden oder Avalanche- Photodioden als Lichtempfangselemente aufweisen.

Photodioden wandeln empfangenes Licht in elektrischen Strom um. Bei den sogenannten Lawinen-Photodioden oder Avalanche-Photodioden kommt ein Lawineneffekt hinzu. Damit sind diese Photodioden empfindlicher als herkömmliche Photodio- den.

Vorteilhaft ist auch, dass die Photodioden oder die Avalanche-Photodioden am Rande eines Halbleiterbausteins, auf dem sich die Single-Photon-Avalanche-Dioden be- finden, angeordnet sind. Alternativ ist es möglich, dass die Photodioden oder

Avalanche-Photodioden zwischen den Single-Photon-Avalanche-Dioden angeordnet sind, vorzugsweise spaltenweise oder zeilenweise getrennt. In diesem Fall weisen die ersten und zweiten Lichtempfangselemente eine gemeinsame Empfangsoptik auf. Weiterhin ist es möglich, die Photodioden oder Avalanche-Photodioden neben dem Halbleiterbaustein zu platzieren. In diesem Fall weisen die Lichtempfangselemente der ersten und der zweiten Gruppe jeweils eine zugeordnete Empfangsoptik aufweisen. Damit kann die Optik auf diese jeweiligen Lichtempfangselemente angepasst werden.

Weiterhin es vorteilhaft, dass zur Erzeugung des wenigstens einen Rampensignals wenigstens ein Rampenzähler vorgesehen ist, der mit jedem Startsignal bis zu einem vorgegebenen Endwert in seinem Zählwert erhöht wird, wobei der Zählwert an wenigstens einen Digital-Analog-Wandler ausgegeben wird, der ausgangsseitig mit dem Vergleicher verbunden ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Kehrwert einer Anstiegszeit des wenigstens ei- nen Rampensignals ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Pulse der zeitkorrelierten Photonenmesssung ist. Dies hat sich als vorteilhaftes Verhältnis erwiesen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 ein Fahrzeug mit LiDAR-Modulen,

Fig. 2 ein erstes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 3 ein zweites Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 4 die Oberfläche eines Halbleiterbausteins mit Lichtempfangselementen der ers- ten und zweiten Gruppe,

Fig. 5 eine weitere Oberfläche eines Haltleiterbausteins mit Lichtempfangselementen der ersten und der zweiten Gruppe und

Fig. 6 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug V, das sich in die Richtung R bewegt. Das Fahrzeug V weist die LiDAR-Module Li1 bis Li6 auf. Bei einem LiDAR-Modul handelt es sich um eine Sendeeinrichtung zur Versendung von Lichtsignalen und der erfindungsgemäßen Empfangsanordnung zum Empfang von den dann reflektierten Lichtsignalen. Diese LiDAR-Module erfassen die Umgebung des Fahrzeugs V. Es können mehr oder weniger LiDAR-Module verwendet werden und auch an weiteren Stellen des Fahrzeugs V. Daher wird das Objekt OB durch das LiDAR-Modul Li1 erfasst. Durch eine Entfernungsbestimmung und entsprechende Charakterisierung anhand der Bewegungsparameter des Objekts ist es möglich, auf eine mögliche Kollision zu schlie- ßen und entsprechende Bewegungen des Fahrzeugs V zu beeinflussen, um nicht mit dem Objekt OB zu kollidieren.

Die LiDAR-Module Li1 bis Li6 weisen eine erfindungsgemäße Empfängeranordnung auf und eine Sendereinrichtung, die wie oben beschrieben mit einem Laserarray die Laserimpulse versendet, um die am Objekt OB reflektierten Laserimpulse dann mit einem SPAD-Array zu empfangen und dann entsprechend mit der zeitkorrelierten Photonenzählung auszuwerten, um die Entfernung zwischen dem Objekt OB und dem Fahrzeug V zu bestimmen. Dafür wird die Time-of-Flight-Methode verwendet.

Fig. 2 zeigt ein erstes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung. Dabei ist zusätzlich auch über das Blockschaltbild eine Sendeeinrichtung gezeigt. Die Sendeeinrichtung weist einen Pulsgenerator PG auf, der einen Lasertreiber LD mit Pulssig- nalen versorgt. Der Lasertreiber treibt in Abhängigkeit von diesen Signalen den Laser L an, der Licht emitiert, das durch die Optik 01 entsprechend in die Umgebung ausgestrahlt wird. Vom Pulsgenerator PG wird das Startsignal, das auch an den Laser- treiber geht, auch an die Signalverarbeitung S der erfindungsgemäßen Anordnung übertragen. Das Startsignal wird dabei einer zeitkorrelierten Photonenzählung zPz1 und einer zeitkorrelierten sequenziellen Abtastung zPz2 zugeführt. Damit ist die Auswertung der empfangenen Lichtsignale synchronisiert mit der Emission der Lichtsignale der Senderschaltung. Die erfindungsgemäße Anordnung ist hier beispielhaft durch lediglich einen Vertreter der ersten und zweiten Gruppe der Lichtempfangselemente symbolisiert. Beide Lichtempfangselemente haben eigene zugeord- nete Optiken. Es ist möglich, nur eine einzige Optik zu verwenden. Die Optiken sind mit 02 und 03 bezeichnet, die Optik des Lasers mit 01 . Die Optik 03 führt das Licht auf die zweite Gruppe der Lichtempfangselemente. Die Optik 02 führt das Licht auf eine Single-Photon-Avalanche-Diode SPAD, die ei- nen Lawineneffekt nutzt, um auch nur einzelne Photonen in elektrischen Strom zu wandeln. Die erste und zweite Gruppe der Lichtempfangselemente nutzen also die selbe Lichtquelle L für die Distanzmessung (Entfernung).

Empfängt diese Diode entsprechende Photonen, wird ein Event kreiert, der zeitkorrelierten Photonenzählung zPz1 zugeführt wird. In Abhängigkeit der zeitlichen Positionierung dieses Events wird eine entsprechende Zeit in ein Histogramm eingetragen. Dies wiederholt sich sehr oft entweder innerhalb einer Pulsgruppe oder eines einzel- nen Pulses.

Ähnlich geschieht es bei der zweiten Gruppe der Lichtempfangselemente, die hier durch die Photodiode PD symbolisiert sind. Auch die Photodiode ist unter einer Vorspannung VPD. Es kann alternativ eine Lawinen-Photodiode verwendet werden. Dieser Photostrom wird nach einer zeitabhängigen Schwellwertbestimmung einer zeitkorrelierten sequenziellen Abtastung zPz2 zugeführt und ebenfalls in ein Histogramm als entsprechende Zeit eingetragen. Eine Auswertung A bestimmt in Abhängigkeit von diesen Histogrammwerten und damit letztlich auch dem Startsignal die Entfernung der Anordnung zu dem Objekt OB. Dieser Wert wird ausgegeben. Es ist möglich, dass die Auswertung A in einem anderen Steuergerät sitzt und dass vorlie- gend direkt Histogrammwerte übertragen werden oder auch nur ein Zwischenwert.

Fig. 3 zeigt in einem zweiten Blockschaltbild die erfindungsgemäße Anordnung wie- derum in Kombination mit einer Senderschaltung. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Elemente. Wiederum wird das Startsignal vom Pulsgenerator PG an die Sig- nalauswertungen der erfindungsgemäßen Anordnung übertragen. Hier wird nun die zeitkorrelierte Photonenzählung mit Zeit-Digital-Wandlung TDC1 und die zeitkorrelierte sequenzielle Abtastung mit TDC2 und TDC3 ausgeführt. Das Eventsignal von der Single-Photon-Avalanche-Diode SPAD wird als Event an die erste Zeit-Digital- Wandlung TDC1 übertragen. In das Histogramm H1 wird für jeden Event entspre- chende Zeit eingetragen. Das Ausgangssignal der Photodiode PD wird über einen Transimpedanzverstärker TIA an einen Komparator Comp und dabei an den positiven Eingang gegeben. An den negativen Eingang wird ein Rampensignal, das aus einem Zähler und einem Digital-Analog-Wandler erzeugt wurde, gegeben. In Abhängigkeit von der Differenz gibt der Komparator ein Ausgangssignal aus, das an eine zweite Zeit-Digital-Wandlung TDC2 ausgegeben wird als Event. Invertiert wird dieses Event an eine dritte Zeit- Digital-Wandlung TDC3 ausgegeben. Die Ausgangssignale der beiden Zeit-Digital- Wandlungen TDC2 und TDC3 werden in ein zweites Histogramm H2 eingetragen. In das Histogramm H2 geht auch das Zählersignal des Rampenzählers RC ein. Der Rampenzähler RC ist auch vom Startsignal Start getriggert.

Die Zeit-Digital-Wandlungen messen die Zeit der sogenannten Events bezogen auf das Startsignal. Letztlich sind die Photodiode oder die Lawinen-Photodiode in dem optischen Empfangspfad parallel zu den SPAD Empfangselementen angeordnet..

Der Photostrom wird in eine Spannung durch den Transimpedanzverstärker TIA gewandelt. Die Anstiegszeit des Sägezahnsignals, das durch den Rampenzähler RC und den Digital-Analog-Wandler erzeugt wird, ist wie oben dargestellt ein Vielfaches der Pulsgeneratorfrequenz. Dazu gibt es Alternativen. Mit jedem Start eines Pulsgenerators wird der Zähler um eins erhöht. Der Binärwert wird zum Digital-Analog- Wandler übertragen, der dies in ein analoges Rampensignal umsetzt. Wenn der Rampenzähler einen definierten Wert erreicht, wird er gestoppt und das Messresultat kann ausgewertet werden. Das Ausgangssignal des Komparators ist wie oben dar- gestellt an die beiden Zeit-Digital-Wandlungen 2 und 3 angeschlossen. Der erste Zeit-Digital-Wandler TDC2 misst die Zeiten, wenn das Ausgangssignal des Photode- tektors den Wert des Rampensignals überschreitet. Der zweite Zeit-Digital-Wandler TDC3 empfängt das invertierte Komparatorsignal und misst die Zeiten, wenn das Photodetektorsignal unter den Wert des Rampensignals absinkt. Der Rampensignal- generator gibt auch einen digitalen Zählerwert aus, der dem Rampenschwellwert entspricht. Die Zeitintervalle, in denen das Photodetektorsignal über dem Wert des Rampensignals liegt, werden im Histogramm aufgezeichnet. Zu Beginn des

Messzykluses sind alle Histogrammwerte mit dem Wert Null initialisiert. Wann immer das Photodetektorsignal das Rampensignal übertrifft, werden die korrespondierenden Bins mit dem aktuellen Zählerwert des Rampenzählers gefüllt. Kleinere Werte werden mit größeren überschrieben in nachfolgenden Messzyklen, wenn das Pho- todetektorsignal über dem Rampensignal ist. Wenn der Rampenzähler den Maxi- malwert erreicht, ist der Rampengenerator anzuhalten. Die Daten im Histogramm sind bereit für eine Auswertung und ein neuer Messzyklus kann durch das Zurück- setzen des Zählers gestartet werden.

In Fig. 3 ist die Auswertung der beiden Histogramme nicht explizit dargestellt, aber auch sie kann wie in Figur 2 vorhanden sein.

Fig. 4 zeigt, dass die Oberfläche eines Halbleiterempfängerbausteins, der in einem großen Feld die Single-Photon-Avalanche-Dioden SPADA aufweist und in einem kleinen Seitenbereich die Photodioden PDC. Es ist möglich, dass an verschiedenen Randbereichen des Halbleiterbausteins sich die Photodioden befinden, vorzugsweise aber als Spalte oder als Zeilen. Alternativ dazu wird in Fig. 5 gezeigt, dass sich Photodioden oder Lawinenphotodioden und SPADs spaltenweise abwechseln durch PD1 bis PD3 und SPAD1 bis SPAD3.

In Fig. 6 wird ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In Verfahrensschritt 600 werden erste elektrische Signale mit der ersten Gruppe der Lichtempfangselemente erzeugt. Gleichzeitig werden im Verfahrensschritt 601 zweite elektrische Signale durch die Wandlung der zweiten Gruppe der Lichtempfangselemente erzeugt. Aus den ersten und den zweiten elektrischen Signalen ermittelt in Verfahrensschritt 602 die erfindungsgemäße Anordnung die Entfernung der Anord- nung zu einem Objekt.

Bezuaszeichen

LI 1 bis Li6 Laser-LiDAR- odule

OB Objekt

R Richtung

V Fahrzeug

LD Lasertreiber

L Laser

PG Pulsgenerator

01 , 02, 03 Optik

VSPAD Vorspannung für SPAD

VPD Vorspannung für Photodiode

SPAD Single-Photon-Avalanche-Diode

PD Photodiode

RQ Qench-Widerstand

zPz1 , 2 zeitkorrelierte Photonenzählung

A Auswertung

S Signalverarbeitung

TDC1 bis 3 Zeit-Digital-Wandlung

H1 , 2 Histogramm

RC Rampenzähler

DA Digital-Analog-Wandlung

TIA Transimpedanzverstärker

Comp Komparator

I Inverter

SPADA Feld von SPADs

PDC Spalte von Photodioden

PD1 bis 3 Spalten von Photodioden

SPAD1 bis 3 Spalten von Single-Photon-Avalanche-Dioden

600 bis 602 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen mit:

- einer ersten Gruppe von Lichtempfangselementen, die die Lichtsignale in ers- te elektrische Signale wandeln,

- einer zweiten Gruppe von Lichtempfangselementen, die die Lichtsignale in zweite elektrische Signale wandeln,

- einer ersten Signalverarbeitung, die anhand der ersten elektrischen Signale mittels einer zeitkorrelierten Photonenzählung in Abhängigkeit von einem Startsignal für die Emission der Lichtsignale die Entfernung ermittelt,

- einer zweiten Signalverarbeitung, die sich von der ersten Signalverarbeitung unterscheidet und die anhand der zweiten elektrischen Signale in Abhängig- keit von dem Startsignal die Entfernung ermittelt,

- die Lichtempfangselemente der ersten Gruppe weisen eine höhere Empfind- lichkeit für die Wandlung der Lichtsignale in die elektrischen Signale auf als die Lichtempfangselemente der zweiten Gruppe.

2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Signal- verarbeitung eine zeitkorrelierte sequenzielle Abtastung ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten elektrischen Signale analog sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitkorre- lierte sequenzielle Abtastung die zweiten elektrischen Signale mit wenigstens ei- nem Rampensignal vergleicht und ein Ausgangssignal dieses Vergleichs einer ersten Zeit-Digital-Wandlung und invertiert einer zweiten Zeit-Digital-Wandlung zuführt, wobei die erste und die zweite Zeit-Digital-Wandlung durch das Startsignal gestartet werden und ausgangsseitig mit einem Histogramm verbunden sind, um dieses Histogramm mit Histogrammwerten zu füllen.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe Single-Photon-Avalanche-Dioden oder Siliziumphoto- multiplier als Lichtempfangselemente und die zweite Gruppe Photodioden oder Avalanche-Photodioden als Lichtempfangselemente aufweisen.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden oder die Avalanche-Photodioden am Rande eines Halbleiterbausteins, auf dem sich die Single-Photon-Avalanche-Dioden befinden, angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden oder Avalanche-Photodioden zwischen den Single-Photon-Avalanche-Dioden an- geordnet sind, vorzugsweise spaltenweise oder zeilenweise getrennt.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfangselemente der ersten und der zweiten Gruppe jeweils eine zugeordnete Empfangsoptik aufweisen.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des wenigstens einen Rampensignals wenigstens ein Rampenzähler vorgesehen ist, der mit jedem Startsignal bis zu einem vorge- gebenen Endwert in seinem Zählwert erhöht wird, wobei der Zählwert an wenigstens einen Digital-Analog-Wandler ausgegeben wird, der ausgangsseitig mit dem Vergleicher verbunden ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kehrwert einer Anstiegszeit des wenigstens einen Rampensignals ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Pulse der zeitkorrelierten Photonenzählung ist.

1 1 .Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung zu wenigstens einem Objekt mit Licht- signalen mit folgenden Verfahrensschritten:

- Die Lichtsignale werden durch eine erste Gruppe von Lichtempfangselemen- ten in erste elektrische Signale gewandelt.

- Die Lichtsignale werden durch eine zweite Gruppe von Lichtempfangselemente in zweite elektrische Signale gewandelt. - Anhand der ersten elektrischen Signale wird mittels einer zeitkorrelierten Pho- tonenzählung in Abhängigkeit von einem Startsignal für die Emission der Lichtsignale die Entfernung ermittelt

- Anhand der zweiten elektrischen Signale wird mit mittels einer weiteren Signalverarbeitung, die verschieden von der zeitkorrelierten Photonenzählung ist, in Abhängigkeit von dem Startsignal die Entfernung ermittelt.