WO2020114740A1 - Lidar-system sowie kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2020114740A1
WO2020114740A1 PCT/EP2019/081148 EP2019081148W WO2020114740A1 WO 2020114740 A1 WO2020114740 A1 WO 2020114740A1 EP 2019081148 W EP2019081148 W EP 2019081148W WO 2020114740 A1 WO2020114740 A1 WO 2020114740A1
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lidar system
darkening
photodetectors
filter
photodetector
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PCT/EP2019/081148
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French (fr)
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Mustafa Kamil
Annemarie Holleczek
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Robert Bosch Gmbh
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Priority to JP2021531904A priority patent/JP2022511045A/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a LiDAR system which is set up to scan an environment with a light beam in order to acquire information about the environment, the LiDAR system being set up both
  • the present invention further relates to a motor vehicle with such a LiDAR system, the LiDAR system being operatively connected to the motor vehicle.
  • Such LiDAR systems and motor vehicles are generally known. For example, they have an avalanche photodiode as a photodetector, for example a single-photon avalanche diode (SPAD), or instead a silicon photomultiplier (SiPM) as a photodetector.
  • the LiDAR system can have a laser source in order to emit the light beam.
  • the photodetector is arranged to receive the light beam reflected from the environment.
  • Evaluation electronics can then receive the information, for example depth information, from received signals from the photodetector.
  • photodetectors become saturated too quickly when there is a lot of light, for example from highly reflective objects in the vicinity, or a low amount of light, for example from
  • DE 10 2014 207 599 A1 relates, for example, to a photodetector, in particular for LiDAR systems, with avalanche photodiodes that can be activated individually.
  • the avalanche photodiodes are activated offset to one another in order to cover a large dynamic range and to maintain measurement capability by avoiding saturation.
  • Dimming device in front of an optical receiving unit.
  • the problem is mentioned that a dynamic range is limited by an upper threshold above which the receiver is saturated.
  • the dimming device therefore has an electrochromatic or a photochromatic medium in order to
  • a LiDAR system (“electro-optical device”) is known from US 2017 176579 A, consisting of a laser source, a beam deflection, a photodetector, optics and corresponding electronics.
  • Patent Application Laid-Open discloses a system that successively activates detector pixels to increase a sensor's signal-to-noise ratio. It is apparent to the person skilled in the art from this teaching that this is an m-mirror-based implementation of the LiDAR system. However, they are
  • Flash uniform illumination pattern
  • US 2018 003821 A discloses a LiDAR system (“object detector”), consisting of several light sources, a photodetector, optics and appropriate electronics. The light sources are individually and sequentially controllable laser diodes. US 2018 003821 A discloses that everyone
  • Light source is assigned exactly one receiving element.
  • the pixels are read out individually and simultaneously / in parallel.
  • the detector type can be considered a SPAD
  • SPAD sensors with red, green and blue (RGB) color channels and with separate photodetectors are known.
  • DE 94 10 659 U1 discloses a receiving device for electromagnetic signals.
  • the device provides a time-variable attenuator to limit the dynamic range of a signal in order to avoid saturation effects.
  • An optoelectronic range finder is known from EP 3 171 201 B1.
  • An optical output power of a light emitter is appropriately varied by one
  • Receive signal in an intensity range evaluable by a receiver unit, which is above a lower detectability limit and below an upper saturation of the receiver unit.
  • EP 2 300 852 B1 describes a method for Doppler-LiDAR measurement of speeds, in which a number of laser pulses to be integrated on one detector per measurement depend on the intensity of the radiation coming from the medium. A dynamic range can be increased in this way.
  • a LiDAR system of the type mentioned at the outset is used for
  • Detector side would be necessary. This makes it easy to compensate for a too rapid saturation of all pixels with high light levels. Objects in / and about the environment can be detected regardless of their distance, such as a retroreflector in the near field,
  • the invention simplifies the provision of a LiDAR system with a high dynamic range.
  • the near field of the environment is at a distance of between 0 m and up to 50 m, preferably up to 40 m, particularly preferably up to 30 m, measured from a photodetector of the system.
  • the far field of the environment is at a distance of more than 30 m, preferably more than 40 m and particularly preferably more than 50 m, measured from a photodetector of the system.
  • the objects can be movable objects, such as, for example, people, vehicles or animals, and / or immovable objects, such as, for example, guardrails, walls, bridge pillars or the like.
  • LiDAR system is set up for
  • Evaluation electronics set up to statistically evaluate histograms of the photodetectors in order to determine the majority of reflectivity properties of the objects in the environment, and preferably to relate them in synchronism with their distance, in particular to the photodetector.
  • at least one of the photodetectors is one
  • the darkening filter preferably reduces the amount of light incident on the photodetector.
  • the darkening filter therefore reduces the darkening filter
  • Saturation probability of the photodetector so that the photodetector can in principle have any saturation probability ex works and the darkening filter adjusts, in particular reduces, the saturation probability.
  • all of the photodetectors can preferably be of identical design, which can reduce the manufacturing outlay and the costs.
  • a preferred filter is a neutral density (ND) filter.
  • ND filters also called gray filters, can be particularly good for reducing the
  • Saturation probability can be used as a darkening filter because they effectively reduce the amount of light that falls on the photodetector. This reduces the saturation probability of the downstream of the ND filter
  • the darkening filter is preferably a static optical filter. This means that a darkening performance is constant over time and cannot be controlled manually or automatically. This simplifies the construction and increases the reliability, since the filter does not have to have movable screens, active components or the like. This reduces the complexity and ensures high component availability. Instead of darkening filters, however, several of the photodetectors can also be present, which already differ from the factory
  • the photodetectors can preferably have different, but preferably static, relative to one another
  • Detection sensitivities can be established. Then the darkening filters for these photodetectors and thus space can be saved.
  • Some embodiments provide several darkening filters, which are arranged in a common filter matrix and form a common filter component. A compact design and simple handling of the
  • the filter matrix is preferably in optical reception path in front of a SPAD-based detector in SiPM configuration (SPAD array). It is particularly preferred that all darkening filters are arranged in the common filter matrix and form the common filter component.
  • the filter matrix preferably has rows and columns, the number of rows preferably being the same as the number of columns.
  • a preferred filter matrix is a modified Bayer filter, in which darkening filters with darkening of different degrees relative to one another are preferably adjacent and alternate.
  • the LiDAR system preferably has a first photodetector arrangement and a second photodetector arrangement, the first
  • Photodetector arrangement is set up for a first
  • the second photodetector arrangement is set up to have a second saturation probability, the first saturation probability being different from the second
  • Photodetector arrangements can be recognized. Each photodetector arrangement comprises one or more photodetectors. It is preferred that each
  • Photodetector arrangement comprises two or more photodetectors. It is preferred that all photodetectors are identical. The first
  • Saturation probability can be defined by first upstream darkening filters, which bring about a first darkening while the second
  • Saturation probability can be defined by second upstream darkening filters which bring about a second darkening which is different from the first darkening. It is therefore preferred that a degree of darkening by the upstream darkening filter defines the affiliation of the photodetectors to the respective photodetector arrangement.
  • the second saturation probability can also be embodied by the light sensitivity of the photodetectors of the second
  • the first darkening can be between 33% and 66% compared to the second darkening.
  • the first darkening filter only lets through between 33% and 66% of the amount of light like the second darkening filter, or the first darkening filter only lets between 33% and 66% of the maximum detection rate of the second one
  • Photodetector arrangement provided that there are no second darkening filters upstream. If, as is preferred, the darkening filter is a static filter, the darkening is constant over time. Detections in photodetectors with a strong darkening filter, for example a darkening of more than 50%, based on the amount of incident light, can preferably be assigned to a particularly bright object property and detections in photodetectors with a weak or no darkening filter, for example with a
  • Object property can be assigned, in particular by the
  • the LiDAR system has a third photodetector arrangement, the third photodetector arrangement being set up to have a third saturation probability, the third
  • Saturation probability is different from the first saturation probability and from the second saturation probability. In this way, a better graded sensitivity and an increased dynamic range of the LiDAR system can be achieved. It is preferred that all photodetectors of the third photodetector arrangement are identical to the photodetectors of the first and second photodetector arrangement and only third darkening filters with a third darkening that is different from the first darkening and the second darkening, or a special light sensitivity of the
  • the third darkening lies between the first and the second darkening, preferably in between. It is particularly preferred that the LiDAR system has at least one further one
  • each further photodetector arrangement having a further saturation probability which is different from all other of the photodetector arrangements. So can be a very finely graded Sensitivity and a very high dynamic range of the LiDAR system can be achieved.
  • two or more are
  • Photodetector arrangements arranged in a common detector matrix It is preferred that two or more of the photodetector arrangements form a common detector component. This has the advantage that the adjustment and configuration effort can be reduced because individual photodetector arrangements no longer have to be configured as a function of one another before commissioning, but two or more photodetector arrangements can be provided as a preconfigured common component. It is particularly preferred that all photodetector arrangements in the common
  • Detector matrix are arranged and form a common detector component.
  • the detector matrix preferably has rows and columns, the number of rows preferably being the same as the number of columns.
  • the number of rows and columns of the filter matrix preferably corresponds to the number of rows and columns of the
  • Photodiodes are made with the respective darkening filters in order to
  • the detector component and the filter component form a common component.
  • the filter component and the detector component can
  • the detector component and the filter component are preferably integrally connected to one another, in particular glued, in order to form the common component.
  • This can be a simple, inexpensive and efficient way of producing the common component.
  • the photodetectors are each individually encapsulated in an interior space that is formed between the filter component and the detector component. So each photodetector can be on the detector component well protected separately. In some embodiments, however, it is provided that several photodetectors are encapsulated in a common interior.
  • Photodetectors are single-photon avalanche photodiodes. Such
  • Single photon avalanche photodiodes are set up to count single photons. If there are too many photons in the optical path, the probability increases that SPADs connected in an SiPM are also saturated at the same time and are therefore no longer sensitive. However, since the individual darkening filters of the filter matrix only transmit as many photons as their attenuation level allows, SPADs behind them can receive just as many photons from highly reflective objects as in unfiltered or weakly filtered pixels with slightly reflective objects.
  • Detection ability also called arm probability, remains homogeneous.
  • Photodetector groups can be used. It is particularly preferred that all of the photodetectors are single-photon avalanche photodiodes. A large number of identical photodetectors can be used, which can reduce costs and simplify production. The use of the SPAD allows a significant reduction in exposure times, which common imagers demand in poor lighting conditions, preferably reduced from the order of milliseconds to the order of nanoseconds.
  • Photodetector arrangements exactly one photodetector. In some
  • Embodiments include one or more of the photodetector arrays two or more photodetectors. Preferably the number is on
  • Photodetectors for two or more or all photodetector arrangements are the same. Since the affiliation of the photodetectors to the photodetector arrangements is defined in embodiments by the upstream darkening filters, two or more darkening filters are preferred in terms of their
  • the filter matrix provides preferably two or more different darkenings are available, so that a corresponding number of photodetector arrangements is defined.
  • the number of identical darkening filters in the filter matrix is preferably the same for each of the different darkening. So there is
  • a 3x3 filter matrix preferably three darkening filters with a darkening of 33%, three further darkening filters with a darkening of 50% and three further darkening filters with a darkening of 66%, based on the incident light quantity, so that this results in a downstream 3x3 detector matrix , which comprises nine identical photodetectors, three
  • Photodetector arrangements can be defined. However, there is
  • a further, fourth photodetector arrangement with four photodetectors could be provided on the detector matrix, which is defined by four further darkening filters with 90% darkening in the filter matrix.
  • the detector matrix would then preferably have 13 identical photodetectors.
  • the motor vehicle of the type mentioned at the outset is also made available, an embodiment of the above
  • LiDAR system is operatively connected to the motor vehicle.
  • Detector side would be necessary.
  • the detection capability of the photodetectors can always be retained with a higher probability.
  • the invention simplifies the provision of the motor vehicle with a LiDAR system with a high dynamic range.
  • Preferred motor vehicles are passenger cars, trucks, and trailers.
  • the LiDAR system in the motor vehicle can be operatively connected to control units for at least partially automated driving functions via a suitable interface, especially for mono video partially automated driving.
  • the motor vehicle can also have 3D cameras.
  • FIG. 1 shows a LIDAR system according to a first embodiment of the invention with a common detector matrix and a common filter matrix, which is upstream of the detector matrix;
  • Figure 2 is a schematic plan view of a common detector component of the LiDAR system according to the first embodiment of the invention
  • Figure 3 is a side cross-sectional view through a portion of the
  • Figure 4 is a plan view of an alternative filter matrix according to a second embodiment of the invention.
  • the LiDAR system 1 shows a LiDAR system 1 in a first embodiment according to the invention.
  • the LiDAR system 1 is arranged in a motor vehicle (not shown) and is operatively connected to the motor vehicle.
  • Various details of the LiDAR system 1 known to the person skilled in the art have been omitted for the sake of simplicity, for example a laser source which serves to emit a light beam in order to scan an environment.
  • the LiDAR system 1 shown in FIG. 1 is set up to scan the environment with a light beam in order to record information about the environment, the LiDAR system being set up to include both highly reflective objects in a near field of the environment as well as low reflecting objects in a far field of the environment, as will be explained in detail below.
  • the LiDAR system 1 comprises a detector component 2 and a filter component 3.
  • the detector component 2 comprises a plurality of photodetectors 4, here nine identical photodetectors 4 by way of example, which are set up to have different saturation probabilities, as will be explained in more detail below.
  • the LiDAR system 1 is set up to distinguish the highly reflective objects in the near field from the low-reflecting objects in the far field from received signals from the plurality of photodetectors 4.
  • the near field, measured from the photodetector, is at a distance of about 0 m to 40 m, while the far field is at a distance of more than 40 m.
  • the individual photodetectors 4 are grouped into three photodetector arrangements, which are defined by the filter component 3, which is arranged upstream of the detector component 2 in the detection direction of the photodetectors 3.
  • the filter component 3 comprises a filter frame 5 and a filter matrix 6 with, here also nine, darkening filters 7a-c, three of which are identical, namely three each let through the same amount of light.
  • the filter matrix 6 is designed as a checkerboard-like modified Bayer filter.
  • Darkening filters 7a-c which each provide different darkening, are arranged adjacent to one another.
  • the photodetectors 4 are single-photon avalanche photodiodes and are all identical, so they can only count individual photons.
  • the darkening filter 7a-c which is located upstream of the photodetector 4, reduces the saturation probability of the photodetector 4, which is located downstream of the darkening filter 7a-c.
  • the affiliation of the photodetectors 4 to a respective photodetector arrangement thus only results from the relative amount of light for which the darkening filter 7a-c of the filter matrix 6, which is upstream of the respective photodetector 4, is transparent.
  • the detector component 2 thus comprises a common 3 ⁇ 3 detector matrix 8 with nine identical individual ones
  • the filter component 3 comprises the 3x3 filter matrix 6 with three darkening filters 7a, which each provide a first darkening and thus allow 75% of the incident light quantity to pass through, three more
  • the first saturation probability defined by the first darkening, the second saturation probability defined by the second darkening and the third saturation probability defined by the third darkening are the identical photodetectors 4 downstream of the darkening filters 7a-c different from each other.
  • Each of the nine photodetectors 4 is thus obviously assigned to exactly one of the photodetector arrangements, with each of the photodetectors 4 being preceded by a darkening filter 7a-c which is transparent to the amount of light that is to be received by the respective photodetector arrangement.
  • a design of the filter matrix 6 a design of the
  • FIG. 1 shows a first configuration according to the invention which, for the detector matrix 8, has a SiPM constellation of several,
  • the filter matrix 8 of different attenuation levels is arranged in the individual pixels of the optical reception path, so that each SPAD of the photodetectors 4 only photons of a selected one
  • Dynamic range can count.
  • stronger or weaker darkening filters 7a-c can be provided in a smaller or higher proportion.
  • FIG. 2 now shows a top view of the detector component 2.
  • the detector component 2 comprises the 3x3 detector matrix 8, which consists of the nine identical photodetectors, and a carrier plate 9, which carries the detector matrix 8. Without knowledge of the filter matrix 6, it is therefore not possible to see which of the nine identical ones
  • Photodetectors 4 to which photodetector arrangement is assigned In other words, this means that the assignment of the photodetectors 4 can also be changed by exchanging the filter matrix 6.
  • Each photodetector 4 is connected via an electronic conductor arrangement 10 to evaluation electronics 11, for example formed by an integrated evaluation control circuit.
  • the evaluation electronics 11 is set up to distinguish the highly reflective objects in the near field from the low-reflecting objects in the far field from received signals from the photodetectors 4 of the plurality of photodetectors 4.
  • Evaluation electronics 1 1 knows from a stored assignment table the assignment of the individual photodetectors 4 of the detector matrix 8 to the, here three, different photodetector arrangements and can, for example, receive a count signal from a photodetector 4, which is preceded by a darkening filter 7a with a first darkening, as a reception signal from the first
  • the evaluation electronics 1 1 is set up in the first embodiment to receive all
  • Evaluation electronics 1 1 set up from the received signals of the Photodetectors 4 to obtain depth information about the environment. Each photodetector 4 thus has a double function. Furthermore, the evaluation electronics 11 is set up to record and statistically evaluate histograms of the photodetectors 4, for example here
  • FIG. 2 shows a SPAD matrix, that is to say the detector component 2, in SiPM configuration for a single macropixel including interconnection and (if “backside illumination SPAD / SiPM are not used) non-active area with evaluation electronics 1 1. It is important that for the combined acquisition of light and dark image information but also the SiPM properties (parallel operation for the purpose of redundancy of the quickly saturable and thus inactive SPAD), a higher number of SPADs, i.e. photodetectors 4, in the macropixel matrix, the detector matrix 8, must be present as shown here (for example 4x4, 5x5, etc.).
  • FIG. 3 shows a lateral cross-sectional view through a section of the detector component 2 and the filter component 3.
  • Has filter matrix 6, is integrally connected to the detector component 2, which has the detector matrix 8.
  • the filter component 3 is glued to the detector component 2 at a connection point 12 in an edge region.
  • Detector component 2 and filter component 3 are permanently connected to one another.
  • the detector component 2 and the filter component 3 thus form a common component.
  • the photodetectors 4 are encapsulated in an interior space 13, which is formed between the detector component 2 and the filter component 3.
  • the individual photodetectors 4 are thus protected from external environmental influences, such as moisture.
  • a photodetector 4 is encapsulated individually in the interior 13. In other
  • Exemplary embodiments are two or more photodetectors 4 in
  • FIG. 3 shows an average image of an individual SPAD, that is to say photodetector 4, to illustrate the seamless connection of a filter matrix 6 to the semiconductor diode, photodetector 4, in a clean room process, for example with the aid of cohesive adhesive connections.
  • FIG. 4 shows a top view of an alternative filter matrix 6 according to a second embodiment of the invention. The filter matrix 6 is again as
  • the filter matrix 6 which is again arranged in the filter frame 5, is a 4x5 filter matrix 6 with four rows and five columns, that is to say twenty darkening filters 7a-d.
  • the detector matrix 8 in the second embodiment of the LiDAR system 1 has twenty identical detectors 4 in a 4x5 detector matrix 8, so that the design of the filter matrix 6 again corresponds to the design of the detector matrix 8 and a darkening filter 7a-d in each case the filter matrix 6 a photodetector 4 of the detector matrix 8, in
  • Direction of reception is upstream. Not only three, but four different darkening filters 7a-d are provided here, each of which transmits a different, reduced amount of light.
  • the LiDAR system 1 with the alternative filter matrix 6 from FIG. 4 thereby comprises an additional, fourth photodetector arrangement which is set up to have a fourth saturation probability.
  • the fourth photodetector arrangement which is set up to have a fourth saturation probability.
  • the darkening filter 7d provides a darkening that only one
  • the number of photodetectors 4 in the fourth photodetector arrangement is, as can be seen from FIG. 4, less than the number of photodetectors 4 in each of the other three
  • Photodetector arrangements in the second embodiment Illustratively in FIG. 4 are a darkening filter 7a with a first darkening, a darkening filter 7b with a second darkening, a darkening filter 7c with a third darkening and a darkening filter 7d with a fourth darkening
  • the LiDAR system 1 is provided, which is operatively connected to the LiDAR system 1, the LiDAR system 1 being set up to scan an environment with a light beam in order to record information about the surroundings.
  • the LiDAR system 1 is additionally set up for both highly reflective objects in the near field of the
  • the LiDAR system To detect the environment as well as low-reflecting objects in a far field of the environment and the LiDAR system has several photodetectors 4, which are set up to have different saturation probabilities.
  • a darkening filter 7a-d is placed in front of the photodetectors 4, so that the photodetectors 4 are set up not only to count photons, but also from the
  • Received signals from the photodetectors 4 can also be distinguished from highly reflective objects from low reflecting objects.
  • all darkening filters 7a-d are neutral density filters, also called ND filters.
  • the evaluation electronics 11 can then evaluate the information from the photodetectors 4 and output synchronous light and dark image information, for example.

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Abstract

Es wird ein LiDAR-System (1) beschrieben, das dafür eingerichtet ist, eine Umwelt mit einem Lichtstrahl abzutasten, um Informationen über die Umwelt zu erfassen. Das LiDAR-System (1) ist zudem dafür eingerichtet ist, sowohl hochreflektive Objekte in einem Nahfeld über die Umwelt als auch geringreflektierende Objekte in einem Fernfeld über die Umwelt zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System (1) mehrere Photodetektoren (4) aufweist, die dafür eingerichtet sind, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten zu haben. Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einem solchen LiDAR-System (1) beschrieben, das mit dem Kraftfahrzeug wirkverbunden ist.

Description

Beschreibung
Titel
LiDAR-Svstem sowie Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System, das dafür eingerichtet ist, eine Umwelt mit einem Lichtstrahl abzutasten, um Informationen über die Umwelt zu erfassen, wobei das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, sowohl
hochreflektive Objekte in einem Nahfeld der Umwelt als auch
geringreflektierende Objekte in einem Fernfeld der Umwelt zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug mit einem solchen LiDAR-System, wobei das LiDAR-System mit dem Kraftfahrzeug wirkverbunden ist.
Stand der Technik
Solche LiDAR-Systeme und Kraftfahrzeuge sind grundsätzlich bekannt. Sie weisen beispielsweise eine Lawinenphotodiode als einen Photodetektor auf, beispielsweise eine Einzelphotonen-Lawinenphotodiode (engl single-photon avalanche diode, SPAD), oder stattdessen einen Silizium-Photomultiplier (SiPM) als Photodetektor. Das LiDAR-System kann eine Laserquelle aufweisen, um den Lichtstrahl auszusenden. Der Photodetektor ist dafür angeordnet, den von der Umwelt reflektierten Lichtstrahl zu empfangen. Aus Empfangssignalen des Photodetektors kann dann eine Auswerteelektronik die Informationen, zum Beispiel Tiefeninformationen, erhalten.
Es kann Vorkommen, dass Photodetektoren bei hohem Lichtaufkommen, zum Beispiel von hochreflektierenden Objekten im Nahraum, zu schnell gesättigt werden oder auch ein niedriges Lichtaufkommen, zum Beispiel von
geringreflektierenden Objekten im Fernraum, gegenüber dem hohen
Lichtaufkommen untergeht. Die DE 10 2014 207 599 A1 betrifft beispielsweise einen Fotodetektor, insbesondere für LiDAR-Systeme, mit einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden. Die Lawinenfotodioden werden zueinander versetzt aktiviert, um einen großen Dynamikbereich abzudecken und eine Messfähigkeit durch Vermeidung einer Sättigung zu beizubehalten.
Die DE 10 2016 122 712 B3 offenbart einen optoelektronischen Sensor.
Angesprochen wird das Problem einer Sättigung, wenn sowohl ferne, dunkle Objekte wie auch nahe, spiegelnde oder glänzende Objekte beobachtet werden sollen. Als mögliche Lösungen werden Blenden, Verstärkung eines Empfängers oder eine situative Anpassung eines Senders erwähnt. Erfindungsgemäß wird dort eine Änderung der Lage, Größe und/oder Geometrie eines Lichtflecks auf dem Sensor vorgeschlagen.
Die DE 10 2006 003 785 A1 offenbart einen Sensor mit einer regelbaren
Abblendvorrichtung vor einer optischen Empfangseinheit. Erwähnt wird das Problem, dass ein Dynamikbereich durch eine obere Schwelle, ab der der Empfänger gesättigt ist, begrenzt ist. Die Abblendvorrichtung weist deshalb ein elektrochromatisches oder ein photochromatisches Medium auf, um die
Durchlässigkeit der Abblendvorrichtung in Abhängigkeit von der am Empfänger detektierten Strahlung zu regeln.
Aus der US 2017 176579 A ist beispielsweise ein LiDAR-System („electro-optical device“) bekannt, bestehend aus einer Laserquelle, einer Strahlablenkung, einem Photodetektor, Optiken sowie entsprechender Elektronik. Diese
Offenlegungsschrift offenbart ein System, das Detektorpixel sukzessive aktiviert, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines Sensors zu erhöhen. Dem Fachmann ist aus dieser Lehre ersichtlich, dass es sich hierbei um eine m-Spiegel-basierte Implementierung des LiDAR-Systems handelt. Allerdings sind die
Detektoreinheiten temporär parallel aktiv, da das LiDAR-System kein
scannendes, sondern ein gleichmäßiges Ausleuchtungsmuster („Flash“) bereitstellt.
In der US 2018 003821 A wird ein LiDAR-System („object detector“) offenbart, bestehend aus mehreren Lichtquellen, einem Photodetektor, Optiken sowie entsprechender Elektronik. Die Lichtquellen sind einzeln und nacheinander ansteuerbare Laserdioden. Die US 2018 003821 A offenbart, dass jeder
Lichtquelle genau ein Empfangselement zugeordnet ist. Die Pixel werden einzeln und gleichzeitig/parallel ausgelesen. Der Detektortyp kann als eine SPAD
ausgeführt werden und dies ist in der Beschreibung als eine mögliche
Ausführung genannt, aber in Abbildungen sieht ein Fachmann ein LiDAR-System mit Lawinenphotodioden (engl avalanche photo diode, APD).
Weiter sind grundsätzlich SPAD-Sensoriken mit Rot-, Grün- und Blau- (RGB-) Farbkanälen und mit separaten Photodetektoren bekannt.
Die DE 94 10 659 U1 offenbart eine Empfangsvorrichtung für elektromagnetische Signale. Die Vorrichtung sieht einen zeitlich variablen Abschwächer zur Begrenzung des Dynamikbereichs eines Signals vor, um Sättigungseffekte zu vermeiden.
Aus der EP 3 171 201 B1 ist ein optoelektronischer Entfernungsmesser bekannt. Eine optische Ausgangsleistung eines Lichtemitters wird passend variiert, um ein
Empfangssignal in einem von einer Empfängereinheit auswertbaren Intensitätsbereich zu erhalten, der oberhalb einer unteren Detektierbarkeitsgrenze und unterhalb einer oberen Sättigung der Empfangseinheit liegt.
Schließlich beschreibt die EP 2 300 852 B1 ein Verfahren zur Doppler-LiDAR- Messung von Geschwindigkeiten, bei dem eine Anzahl auf einem Detektor pro Messung zu integrierender Laserimpulse in Abhängigkeit von der Intensität der von dem Medium kommenden Strahlung erfolgt. So kann ein Dynamikumfang erhöht werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System der eingangs genannten Art zur
Verfügung gestellt, welches mehrere Photodetektoren aufweist, die dafür
eingerichtet sind, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten zu haben.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße LiDAR-System hat den Vorteil, dass sowohl
hochreflektive Objekte im Nahfeld wie auch geringreflektierende Objekte im Fernfeld erfasst werden können, ohne dass Anpassungen an der
Lasersendeleistung oder einstellbare Dynamikanpassungen auf der
Detektorseite notwendig wären. So ist eine Kompensation einer zu schnellen Sättigung aller Pixel bei hohem Lichtaufkommen auf einfache Weise möglich. Objekte in der/und über die Umwelt können unabhängig von ihrer Entfernung detektiert werden, wie beispielsweise ein Retroreflektor im Nahfeld,
vorzugsweise etwa am Heck eines vorausfahrenden Fahrzeugs. Die
Detektionsfähigkeit der Photodetektoren kann mit höherer Wahrscheinlichkeit stets erhalten bleiben. Die Erfindung vereinfacht die Bereitstellung eines LiDAR- Systems mit hohem Dynamikumfang.
Im Sinne der Erfindung liegt das Nahfeld der Umwelt in einer Entfernung von zwischen 0 m und bis zu 50 m, vorzugsweise bis zu 40 m, besonders vorzugsweise bis zu 30 m, gemessen ab einem Photodetektor des Systems.
Im Sinne der Erfindung liegt das Fernfeld der Umwelt in einer Entfernung von über 30 m, vorzugsweise über 40 m und besonders vorzugweise über 50 m, gemessen ab einem Photodetektor des Systems.
Die Objekte können im Sinne der Erfindung bewegliche Objekte sein, wie beispielsweise Menschen, Fahrzeuge oder Tiere, und/oder unbewegliche Objekte, wie beispielsweise Leitplanken, Mauern, Brückenpfeiler oder ähnliches.
Bevorzugt ist, dass das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, aus
Empfangssignalen der mehreren Photodetektoren die hochreflektiven Objekte in dem Nahfeld von den geringreflektierenden Objekten in dem Fernfeld zu unterscheiden. Dies hat den Vorteil, dass bereits das LiDAR-System selbst diese Unterscheidung vornehmen kann und dies nicht erst eine nachgelagerte externe Auswertung vornehmen muss. Hierzu kann das LiDAR-System eine
Auswerteelektronik aufweisen, die vorzugsweise dafür eingerichtet ist, Dunkel- und Hellbildinformationen synchronisiert auszuwerten und besonders
vorzugsweise synchronisiert auszugeben. Vorzugsweise ist die
Auswerteelektronik dafür eingerichtet, Histogramme der Photodetektoren statistisch auszuwerten, um mehrheitliche Reflektivitätseigenschaften der Objekte in der Umwelt zu ermitteln, sowie vorzugsweise zeitsynchron mit ihrer Entfernung, insbesondere zum Photodetektor, in Relation zu setzen. In Ausführungsformen ist mindestens einem der Photodetektoren ein
Abdunklungsfilter vorgelagert, um die Sättigungswahrscheinlichkeit des
Photodetektors zu verringern, der dem Abdunklungsfilter nachgelagert ist. Das Abdunklungsfilter verringert vorzugsweise die auf den Photodetektor einfallende Lichtmenge. Das Abdunklungsfilter verringert daher die
Sättigungswahrscheinlichkeit des Photodetektors, sodass der Photodetektor im Prinzip ab Werk eine beliebige Sättigungswahrscheinlichkeit haben kann und der Abdunklungsfilter die Sättigungswahrscheinlichkeit anpasst, insbesondere verringert. So können vorzugsweise alle Photodetektoren identisch ausgeführt sein, was den Herstellungsaufwand verringert und die Kosten senken kann.
Ein bevorzugtes Filter ist ein Neutraldichte- (ND-) Filter. ND-Filter, auch Graufilter genannt, können besonders gut zur Verringerung der
Sättigungswahrscheinlichkeit als Abdunklungsfilter eingesetzt werden, weil sie die Lichtmenge, die auf den Photodetektor einfällt, wirksam verringern. So sinkt die Sättigungswahrscheinlichkeit des dem ND-Filter nachgeordneten
Photodetektors. Vorzugsweise ist das Abdunklungsfilter ein statisches optisches Filter. Das bedeutet, dass eine Abdunklungsleistung zeitlich konstant ist und nicht manuell oder automatisch regelbar. Dies vereinfacht den Aufbau und erhöht die Zuverlässigkeit, da das Filter keine beweglichen Blenden, aktiven Bauteile oder ähnliches aufweisen muss. Dies verringert die Komplexität und sorgt für hohe Bauteilverfügbarkeit. Statt Abdunklungsfilter können aber auch mehrere der Photodetektoren vorhanden sein, die bereits ab Werk unterschiedliche
Sättigungswahrscheinlichkeiten haben, also keines vorgeschalteten
Abdunklungsfilters bedürfen. Vorzugsweise können die Photodetektoren dazu mit relativ zueinander unterschiedlichen, aber vorzugsweise statischen
Detektionsempfindlichkeiten hergestellt sein. Dann können die Abdunklungsfilter für diese Photodetektoren und damit Bauraum eingespart werden.
Manche Ausführungsformen sehen mehrere Abdunklungsfilter vor, die in einer gemeinsamen Filtermatrix angeordnet sind und ein gemeinsames Filterbauteil bilden. So kann eine kompakte Bauweise und einfache Handhabung der
Abdunklungsfilter erreichbar sein. Bevorzugt ist, dass jedes der Abdunklungsfilter einem der Photodetektoren vorgelagert ist. So ist jedem Abdunklungsfilter eindeutig ein Photodetektor zugeordnet, der wiederum eindeutig von einer Auswerteelektronik identifizierbar sein kann. Die Filtermatrix ist vorzugsweise im optischen Empfangspfad einem SPAD-basierten Detektor in SiPM-Konfiguration (SPAD-Array) vorgesetzt. Besonders bevorzugt ist, dass alle Abdunklungsfilter in der gemeinsamen Filtermatrix angeordnet sind und das gemeinsame Filterbauteil bilden. Vorzugsweise weist die Filtermatrix Zeilen und Spalten auf, wobei vorzugsweise die Anzahl der Zeilen gleich die Anzahl der Spalten ist.
Vorzugsweise sind drei oder mehr Zeilen und/oder drei oder mehr Spalten vorhanden, besonders vorzugsweise vier oder mehr Zeilen und/oder vier oder mehr Spalten, ganz besonders vorzugsweise mehr als fünf oder mehr Zeilen und/oder fünf oder mehr Spalten. Entsprechend ist eine bevorzugte Filtermatrix ein modifiziertes Bayer-Filter, in dem sich vorzugsweise Abdunklungsfilter mit relativ zueinander unterschiedlich starker Abdunklung benachbart sind und abwechseln.
Vorzugsweise weist das LiDAR-System eine erste Photodetektoranordnung und eine zweite Photodetektoranordnung auf, wobei die erste
Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine erste
Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, und die zweite Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine zweite Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, wobei die erste Sättigungswahrscheinlichkeit von der zweiten
Sättigungswahrscheinlichkeit verschieden ist. So können hochreflektive Objekte und geringreflektierende Objekte jeweils von einer anderen der
Photodetektoranordnungen erkannt werden. Jede Photodetektoranordnung umfasst einen oder mehrere Photodetektoren. Bevorzugt ist, dass jede
Photodetektoranordnung zwei oder mehr Photodetektoren umfasst. Bevorzugt ist, dass alle Photodetektoren identisch sind. Die erste
Sättigungswahrscheinlichkeit kann durch erste vorgelagerte Abdunklungsfilter definiert sein, die eine erste Abdunklung bewirken, während die zweite
Sättigungswahrscheinlichkeit durch zweite vorgelagerte Abdunklungsfilter definiert sein kann, die eine zweite Abdunklung bewirken, die von der ersten Abdunklung verschieden ist. Bevorzugt ist also, dass ein Grad der Abdunklung durch das vorgelagerte Abdunklungsfilter die Zugehörigkeit der Photodetektoren zu der jeweiligen Photodetektoranordnung definiert. In manchen
Ausführungsformen kann die zweite Sättigungswahrscheinlichkeit aber auch durch die Lichtempfindlichkeit der Photodetektoren der zweiten
Photodetektoranordnung selbst definiert sein, der zweiten
Photodetektoranordnung also keine zweiten Abdunklungsfilter vorgelagert sein. Die erste Abdunklung kann in Ausführungsformen zwischen 33 % und 66 % gegenüber der zweiten Abdunklung betragen. Vorzugsweise lässt das erste Abdunklungsfilter also nur zwischen 33 % und 66 % der Lichtmenge wie das zweite Abdunklungsfilter durch oder das erste Abdunklungsfilter lässt nur zwischen 33 % und 66 % der maximalen Detektionsrate der zweiten
Photodetektoranordnung durch, sofern dieser keine zweiten Abdunklungsfilter vorgelagert sind. Ist das Abdunklungsfilter, wie bevorzugt, ein statisches Filter, ist die Abdunklung über die Zeit konstant. Detektionen in Photodetektoren mit starkem Abdunklungsfilter, zum Beispiel einer Abdunklung von mehr als 50 %, bezogen auf die einfallende Lichtmenge, können vorzugsweise einer besonders hellen Objekteigenschaft zugeordnet werden und Detektionen in Photodetektoren mit schwachem oder keinem Abdunklungsfilter, zum Beispiel mit einer
Abdunklung von weniger als 50 %, können vorzugsweise einer dunklen
Objekteigenschaft zugeordnet werden, insbesondere durch die
Au swe rtee I e ktron i k .
Bevorzugt ist, dass das LiDAR-System eine dritte Photodetektoranordnung aufweist, wobei die dritte Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine dritte Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, wobei die dritte
Sättigungswahrscheinlichkeit von der ersten Sättigungswahrscheinlichkeit und von der zweiten Sättigungswahrscheinlichkeit verschieden ist. So können eine besser abgestufte Empfindlichkeit und ein gesteigerter Dynamikumfang des LiDAR-Systems erreicht werden. Bevorzugt ist, dass alle Photodetektoren der dritten Photodetektoranordnung identisch zu den Photodetektoren der ersten und zweiten Photodetektorenanordnung sind und nur dritte Abdunklungsfilter mit einer dritten Abdunklung, die von der ersten Abdunklung und von der zweiten Abdunklung verschieden ist, oder eine spezielle Lichtempfindlichkeit der
Photodetektoren, die von der Lichtempfindlichkeit der ersten und zweiten
Photodetektoranordnung unterschiedlich ist, die Zugehörigkeit der
Photodetektoren zu der dritten Photodetektoranordnung definiert. In
Ausführungsformen liegt die dritte Abdunklung zwischen der ersten und der zweiten Abdunklung, vorzugsweise in der Mitte dazwischen. Besonders bevorzugt ist, dass das LiDAR-System mindestens eine weitere
Photodetektoranordnung aufweist, wobei jede weitere Photodetektoranordnung eine weitere Sättigungswahrscheinlichkeit aufweist, die von allen anderen der Photodetektoranordnungen verschieden ist. So können eine sehr fein abgestufte Empfindlichkeit und ein sehr hoher Dynamikumfang des LiDAR-Systems erreicht werden.
In manchen Ausführungsformen sind zwei oder mehr der
Photodetektoranordnungen in einer gemeinsamen Detektormatrix angeordnet. Bevorzugt ist, dass zwei oder mehr der Photodetektoranordnungen ein gemeinsames Detektorbauteil bilden. Dies hat den Vorteil, dass der Justierungs und Konfigurationsaufwand sinken kann, weil vor Inbetriebnahme nicht länger einzelne Photodetektoranordnungen in Abhängigkeit voneinander konfiguriert werden müssen, sondern zwei oder mehr Photodetektoranordnungen als vorkonfiguriertes gemeinsames Bauteil bereitgestellt werden können. Besonders bevorzugt ist, dass alle Photodetektoranordnungen in der gemeinsamen
Detektormatrix angeordnet sind und ein gemeinsames Detektorbauteil bilden.
Vorzugsweise weist die Detektormatrix Zeilen und Spalten auf, wobei vorzugsweise die Anzahl der Zeilen gleich die Anzahl der Spalten ist.
Vorzugsweise sind drei oder mehr Zeilen und/oder drei oder mehr Spalten vorhanden, besonders vorzugsweise vier oder mehr Zeilen und/oder vier oder mehr Spalten, ganz besonders vorzugsweise mehr als fünf oder mehr Zeilen und/oder fünf oder mehr Spalten. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Zeilen und Spalten der Filtermatrix der Anzahl der Zeilen und Spalten der
Detektormatrix. So kann besonders einfach eine exakte Bedeckung der
Photodioden mit den jeweiligen Abdunklungsfiltern erfolgen, um die
verschiedenen Photodetektoranordnungen zu definieren.
Bevorzugt ist, dass das Detektorbauteil und das Filterbauteil ein gemeinsames Bauelement bilden. Das Filterbauteil und das Detektorbauteil können
beispielsweise hoch integriert in einem zusammenhängenden Reinraumprozess gefertigt und zu dem gemeinsamen Bauelement zusammengesetzt werden. Damit kann ein späterer Justageaufwand entfallen. Vorzugsweise sind das Detektorbauteil und das Filterbauteil miteinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verklebt, um das gemeinsame Bauelement zu bilden. Dies kann eine einfache, kostengünstige und effiziente Möglichkeit sein, das gemeinsame Bauelement zu fertigen. In Ausführungsformen sind die Photodetektoren jeweils einzeln in einem Innenraum, der zwischen Filterbauteil und Detektorbauteil gebildet ist, verkapselt. So kann jeder Photodetektor auf dem Detektorbauteil separat gut geschützt sein. In manchen Ausführungsformen ist jedoch vorgesehen, dass mehrere Photodetektoren in einem gemeinsamen Innenraum verkapselt sind.
Manche Ausführungsformen sehen vor, dass einer oder mehrere der
Photodetektoren Einzelphotonen-Lawinenphotodioden sind. Derartige
Einzelphotonen-Lawinenphotodioden sind dafür eingerichtet, einzelne Photonen zu zählen. Wenn zu viele Photonen im optischen Pfad vorhanden sind, steigt die Wahrscheinlichkeit an, dass auch in einer SiPM verschaltete SPAD zur gleichen Zeit insgesamt gesättigt und damit nicht mehr empfindlich sind. Da aber die einzelnen Abdunklungsfilter der Filtermatrix nur so viele Photonen transmittieren, wie ihre Dämpfungsstufe es zulässt, können dahinter liegende SPAD von stark reflektierenden Objekten genauso viele Photonen erhalten, wie in nicht oder in schwach gefilterten Pixeln bei gering reflektierenden Objekten. Die
Detektionsfähigkeit, auch Arm probability genannt, bleibt dadurch homogen. Die Homogenität wird umso besser, je mehr SPAD-Pixel, also einzelne
Photodetektoren, eine SiPM, also Detektormatrix, besitzt und je mehr
Filterstärken, also unterschiedliche Abdunklungsfilter und damit
Photodetektorgruppen, eingesetzt werden. Es ist besonders bevorzugt, dass alle der Photodetektoren Einzelphotonen-Lawinenphotodioden sind. So können eine Vielzahl an identischen Photodetektoren eingesetzt werden, was die Kosten reduzieren und die Herstellung vereinfachen kann. Die Verwendung der SPAD erlaubt eine deutliche Reduktion von Belichtungszeiten, die gängige Imager bei schlechten Lichtbedingungen einfordern, vorzugsweise von der Größenordnung Millisekunden verringert auf die Größenordnung Nanosekunden.
In einigen Ausführungsformen umfassen eine oder mehrere der
Photodetektoranordnungen genau einen Photodetektor. In manchen
Ausführungsformen umfassen eine oder mehrere der Photodetektoranordnungen zwei oder mehr Photodetektoren. Vorzugsweise ist die Anzahl an
Photodetektoren für zwei oder mehr oder alle Photodetektoranordnungen gleich. Da die Zugehörigkeit der Photodetektoren zu den Photodetektoranordnungen in Ausführungsformen durch die vorgeschalteten Abdunklungsfilter definiert wird, sind vorzugsweise zwei oder mehr Abdunklungsfilter hinsichtlich ihrer
Abdunklung identisch, sodass sie eine Photodetektoranordnung mit
entsprechender Anzahl an Photodetektoren definieren. Die Filtermatrix stellt vorzugsweise zwei oder mehr unterschiedliche Abdunklungen bereit, sodass eine entsprechende Anzahl an Photodetektoranordnungen definiert wird. Zudem ist die Anzahl identischer Abdunklungsfilter in der Filtermatrix für jede der unterschiedlichen Abdunklungen vorzugsweise gleich. Es gibt also
beispielsweise in einer 3x3-Filtermatrix vorzugsweise drei Abdunklungsfilter mit einer Abdunklung von 33 %, drei weitere Abdunklungsfilter mit einer Abdunklung von 50 % und drei weitere Abdunklungsfilter mit einer Abdunklung von 66 %, bezogen auf die einfallende Lichtmenge, sodass dadurch in einer nachgelagerten 3x3-Detektormatrix, die neun identische Photodetektoren umfasst, drei
Photodetektoranordnungen definiert werden können. Es gibt jedoch
Ausführungsformen, in denen in der Filtermatrix mit kleinerem oder höherem Anteil, verglichen mit den anderen Photodetektoranordnungen, vergleichsweise stärkere oder schwächere Filter vorgesehen sind. Zum Beispiel könnte eine weitere, vierte Photodetektoranordnung mit vier Photodetektoren auf der Detektormatrix vorgesehen sein, die durch vier weitere Abdunklungsfilter mit 90 % Abdunklung in der Filtermatrix definiert ist. Die Detektormatrix hätte dann vorzugsweise 13 identische Photodetektoren.
Erfindungsgemäß wird zudem das Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, wobei eine Ausführungsform des voranstehend
beschriebenen LiDAR-Systems mit dem Kraftfahrzeug wirkverbunden ist.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug hat den Vorteil, dass es durch das LiDAR- System sowohl hochreflektive Objekte im Nahfeld wie auch geringreflektierende Objekte im Fernfeld erfassen kann, ohne dass Anpassungen an der
Lasersendeleistung oder einstellbare Dynamikanpassungen auf der
Detektorseite notwendig wären. Die Detektionsfähigkeit der Photodetektoren kann mit höherer Wahrscheinlichkeit stets erhalten bleiben. Die Erfindung vereinfacht die Bereitstellung des Kraftfahrzeugs mit einem LiDAR-System mit hohem Dynamikumfang.
Bevorzugte Kraftfahrzeuge sind Personenkraftwagen, Lastkraftwagen,
Zweiräder, insbesondere Motorräder, und Busse. Das LiDAR-System kann in dem Kraftfahrzeug über eine geeignete Schnittstelle mit Steuereinheiten für zumindest teilweise automatisierte Fahrfunktionen wirkverbunden sein, insbesondere für Mono-Video-Partly-Automated-Driving. Das Kraftfahrzeug kann zudem 3D-Kameras aufweisen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein LIDAR-System gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer gemeinsamen Detektormatrix und einer gemeinsamen Filtermatrix, die der Detektormatrix vorgelagert ist;
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein gemeinsames Detektorbauteil des LiDAR-Systems gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 eine seitliche Querschnittsansicht durch einen Abschnitt der
Detektormatrix und der Filtermatrix gemäß Figur 1 ; und
Figur 4 eine Draufsicht auf eine alternative Filtermatrix gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist ein LiDAR-System 1 in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigt. Das LiDAR-System 1 ist in einem Kraftfahrzeug (nicht gezeigt) angeordnet und mit dem Kraftfahrzeug wirkverbunden. Verschiedene dem Fachmann bekannte Details des LiDAR-Systems 1 sind zur Vereinfachung weggelassen worden, wie beispielsweise eine Laserquelle, die dazu dient, einen Lichtstrahl auszusenden, um eine Umwelt abzutasten.
Das in Figur 1 gezeigte LiDAR-System 1 ist dafür eingerichtet, die Umwelt mit einem Lichtstrahl abzutasten, um Informationen über die Umwelt zu erfassen, wobei das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, sowohl hochreflektive Objekte in einem Nahfeld der Umwelt als auch geringreflektierende Objekte in einem Fernfeld der Umwelt zu erfassen, wie im Folgenden detailliert erläutert werden wird.
Das LiDAR-System 1 umfasst ein Detektorbauteil 2 und ein Filterbauteil 3. Das Detektorbauteil 2 umfasst mehrere Photodetektoren 4, hier beispielhaft neun identische Photodetektoren 4, die dafür eingerichtet sind, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten zu haben, wie im Folgenden genauer ausgeführt werden wird.
Das LiDAR-System 1 ist dafür eingerichtet, aus Empfangssignalen der mehreren Photodetektoren 4 die hochreflektiven Objekte in dem Nahfeld von den geringreflektierenden Objekten in dem Fernfeld zu unterscheiden. Das Nahfeld liegt hier, gemessen ab dem Photodetektor, in einer Entfernung von etwa 0 m bis 40 m, während das Fernfeld in einer Entfernung von mehr als 40 m liegt.
Die einzelnen Photodetektoren 4 sind im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel in drei Photodetektoranordnungen gruppiert, die durch das Filterbauteil 3 definiert sind, das dem Detektorbauteil 2 in Detektionsrichtung der Photodetektoren 3 vorgelagert ist. Das Filterbauteil 3 umfasst einen Filterrahmen 5 und eine Filtermatrix 6 mit, hier ebenfalls neun, Abdunklungsfiltern 7a-c, von denen jeweils drei identisch sind, nämlich jeweils drei dieselbe Lichtmenge hindurchlassen. Die Filtermatrix 6 ist als schachbrettartiges modifiziertes Bayerfilter ausgeführt.
Abdunklungsfilter 7a-c, die jeweils andere Abdunklungen bereitstellen, sind einander benachbart angeordnet.
Die Photodetektoren 4 sind Einzelphotonen-Lawinenphotodioden und alle identisch ausgeführt, sie können also nur einzelne Photonen zählen. Das Abdunklungsfilter 7a-c, das dem Photodetektor 4 vorgelagert ist, verringert die Sättigungswahrscheinlichkeit des Photodetektors 4, der dem Abdunklungsfilter 7a-c nachgelagert ist. Die Zugehörigkeit der Photodetektoren 4 zu einer jeweiligen Photodetektoranordnung ergibt sich somit nur daraus, für welche relative Lichtmenge das Abdunklungsfilter 7a-c der Filtermatrix 6, das dem jeweiligen Photodetektor 4 vorgelagert ist, durchlässig ist. Das Detektorbauteil 2 umfasst somit im gezeigten Ausführungsbeispiel eine gemeinsame 3x3-Detektormatrix 8 mit neun identischen einzelnen
Photodetektoren 4. Das Filterbauteil 3 umfasst die 3x3-Filtermatrix 6 mit drei Abdunklungsfiltern 7a, die jeweils eine erste Abdunklung bereitstellen und somit jeweils 75 % der einfallenden Lichtmenge hindurchlassen, drei weiteren
Abdunklungsfiltern 7b, die jeweils eine zweite Abdunklung bereitstellen und somit jeweils 25 % der einfallenden Lichtmenge hindurchlassen, und drei weiteren Abdunklungsfiltern 7c, die jeweils eine dritte Abdunklung bereitstellen und somit jeweils 50 % der einfallenden Lichtmenge hindurchlassen. Somit sind die erste Sättigungswahrscheinlichkeit, die durch die erste Abdunklung definiert ist, die zweite Sättigungswahrscheinlichkeit, die durch die zweite Abdunklung definiert ist, und die dritte Sättigungswahrscheinlichkeit, die durch die dritte Abdunklung definiert ist, der hinter den Abdunklungsfiltern 7a-c nachgelagerten identischen Photodetektoren 4 voneinander verschieden.
Die Photodetektoren 4, die hinter den drei Abdunklungsfiltern 7a mit der ersten Abdunklung angeordnet sind, bilden die erste Photodetektoranordnung, die hier aus drei identischen Einzelphotonen-Lawinenphotodioden besteht. Die
Photodetektoren 4, die hinter den drei Abdunklungsfiltern 7b mit der zweiten Abdunklung angeordnet sind, bilden die zweite Photodetektoranordnung, die hier aus drei weiteren identischen Einzelphotonen-Lawinenphotodioden besteht. Die Photodetektoren 4, die hinter den drei Abdunklungsfiltern 7c mit der dritten Abdunklung angeordnet sind, bilden die dritte Photodetektoranordnung, die hier aus drei weiteren identischen Einzelphotonen-Lawinenphotodioden besteht. Durch die drei unterschiedlich starken Abdunklungen sind die Photodetektoren 4 dafür eingerichtet, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten, im Vergleich mit anderen der Photodetektoren 4, zu haben, bei gleicher Lichtmenge, die auf jedes der vorgelagerten Abdunklungsfilter 7a-c einfällt.
Jeder der neun Photodetektoren 4 ist somit offensichtlich genau einer der Photodetektoranordnungen zugeordnet, wobei jedem der Photodetektoren 4 ein Abdunklungsfilter 7a-c vorgelagert ist, das für die Lichtmenge durchlässig ist, die durch die jeweilige Photodetektoranordnung empfangen werden soll. Das bedeutet, dass eine Gestaltung der Filtermatrix 6 einer Gestaltung der
Detektormatrix 8 entspricht, sodass jeweils einer der Abdunklungsfilter 7a-c einem der Photodetektoren 4 vorgelagert ist. Mit anderen Worten zeigt Figur 1 eine erste erfindungsgemäße Konfiguration, die für die Detektormatrix 8 eine SiPM-Konstellation aus mehreren,
zusammengeschalteten SPAD-Detektoren als Photodetektoren 4 vorsieht, hier beispielsweise als 3x3„Makropixel“. Vor dieser Detektormatrix 8 wird ein statisches Filter-Array, die Filtermatrix 8, unterschiedlicher Dämpfungsstufen in den einzelnen Pixel des optischen Empfangspfads angeordnet, sodass jede SPAD der Photodetektoren 4 nur Photonen eines ausgewählten
Dynamikbereichs zählen kann. Neben den hier gezeigten 9 Kanälen können anwendungsabhängig in anderen Ausführungsformen in kleinerem oder höherem Anteil stärkere oder schwächere Abdunklungsfilter 7a-c vorgesehen werden.
Figur 2 zeigt nun eine Draufsicht auf das Detektorbauteil 2. Das Detektorbauteil 2 umfasst die 3x3-Detektormatrix 8, die aus den neun identischen Photodetektoren besteht, und eine Trägerplatte 9, die die Detektormatrix 8 trägt. Ohne Kenntnis der Filtermatrix 6 ist also nicht erkennbar, welcher der neun identischen
Photodetektoren 4 zu welcher Photodetektoranordnung zugeordnet ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass durch einen Austausch der Filtermatrix 6 auch die Zuordnung der Photodetektoren 4 geändert werden kann.
Jeder Photodetektor 4 ist über eine elektronische Leiterbahnanordnung 10 mit einer Auswertelektronik 1 1 , beispielsweise gebildet durch einen integrierten Auswertesteuerungsschaltkreis, verbunden. Der Auswerteelektronik 11 ist dafür eingerichtet, aus Empfangssignalen der Photodetektoren 4 der mehreren Photodetektoren 4 die hochreflektiven Objekte in dem Nahfeld von den geringreflektierenden Objekten in dem Fernfeld zu unterscheiden. Die
Auswerteelektronik 1 1 kennt aus einer eingespeicherten Zuordnungstabelle die Zuordnung der einzelnen Photodetektoren 4 der Detektormatrix 8 zu den, hier drei, verschiedenen Photodetektoranordnungen und kann so zum Beispiel ein Zählsignal eines Photodetektors 4, dem ein Abdunklungsfilter 7a mit erster Abdunklung vorgelagert ist, als Empfangssignal aus der ersten
Photodetektoranordnung werten. Die Auswerteelektronik 1 1 ist im ersten Ausführungsbeispiel dafür eingerichtet, die Empfangssignale aller
Photodetektoren 4 zusammenzuführen und als gemeinsame Hell- und
Dunkelbildinformationen synchronisiert auszugeben. Gleichzeitig ist die
Auswerteelektronik 1 1 dafür eingerichtet, aus den Empfangssignalen der Photodetektoren 4 eine Tiefeninformation über die Umwelt zu erhalten. Jedem Photodetektor 4 kommt somit eine doppelte Funktion zu. Weiterhin ist die Auswerteelektronik 1 1 dafür eingerichtet, Histogramme der Photodetektoren 4 aufzuzeichnen und statistisch auszuwerten, um hier beispielsweise
Reflektivitätseigenschaften von Objekten zu ermitteln und zeitsynchron mit ihrer Entfernung in Relation zu setzen.
Mit anderen Worten zeigt Figur 2 einer SPAD-Matrix, also das Detektorbauteil 2, in SiPM-Konfiguration für einen einzigen Makropixel inklusive Verschaltung und (falls nicht„Backside-lllumination-SPAD/SiPM verwendet werden) nichtaktiver Fläche mit Auswerteelektronik 1 1. Wichtig ist, dass für die kombinierte Erfassung von Hell- und Dunkelbildinformationen aber auch gleichzeitig der SiPM- Eigenschaften (Parallelbetrieb zwecks Redundanz der schnell sättigbaren und damit inaktiven SPAD) eine höhere Anzahl von SPAD, also Photodetektoren 4, in der Makropixel-Matrix, der Detektormatrix 8, vorhanden sein muss als hier gezeigt (zum Beispiel 4x4, 5x5, usw.).
Figur 3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht durch einen Abschnitt des Detektorbauteils 2 und des Filterbauteils 3. Das Filterbauteil 3, das die
Filtermatrix 6 aufweist, ist mit dem Detektorbauteil 2, das die Detektormatrix 8 aufweist, stoffschlüssig verbunden. Zu diesem Zweck ist das Filterbauteil 3 mit dem Detektorbauteil 2 an einer Verbindungsstelle 12 in einem Randbereich verklebt. So sind Detektorbauteil 2 und Filterbauteil 3 permanent miteinander verbunden. Das Detektorbauteil 2 und das Filterbauteil 3 bilden also ein gemeinsames Bauelement. Die Photodetektoren 4 sind in einem Innenraum 13, der zwischen Detektorbauteil 2 und Filterbauteil 3 gebildet ist, verkapselt. So sind die einzelnen Photodetektoren 4 vor äußeren Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, geschützt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Photodetektor 4 einzeln im Innenraum 13 verkapselt. In anderen
Ausführungsbeispielen sind aber zwei oder mehr Photodetektoren 4 im
Innenraum 13 gemeinsam verkapselt. Mit anderen Worten zeigt Figur 3 eine Durchschnittsabbildung einer einzelnen SPAD, also Photodetektor 4, zur Darstellung der nahtlosen Anbindung einer Filtermatrix 6 an die Halbleiterdiode, den Photodetektor 4, in einem Reinraumprozess, zum Beispiel mithilfe stoffschlüssiger Klebeverbindungen. So wird ein verkapseltes gemeinsames Bauelement aus Detektorbauteil 2 und Filterbauteil 3 geschaffen. Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Filtermatrix 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Filtermatrix 6 ist wieder als
Bayerfilter ausgeführt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist die Filtermatrix 6, die wieder in dem Filterrahmen 5 angeordnet ist, eine 4x5- Filtermatrix 6 mit vier Zeilen und fünf Spalten, also zwanzig Abdunklungsfiltern 7a-d. Nicht gezeigt ist, dass die Detektormatrix 8 in der zweiten Ausführungsform des LiDAR-Systems 1 entsprechend zwanzig identische Detektoren 4 in einer 4x5-Detektormatrix 8 aufweist, sodass die Gestaltung der Filtermatrix 6 wieder der Gestaltung der Detektormatrix 8 entspricht und jeweils ein Abdunklungsfilter 7a-d der Filtermatrix 6 einem Photodetektor 4 der Detektormatrix 8, in
Empfangsrichtung, vorgelagert ist. Hier sind nicht nur drei, sondern vier unterschiedliche Abdunklungsfilter 7a-d bereitgestellt, von denen jedes eine andere verringerte Lichtmenge hindurchlässt.
Das LiDAR-System 1 mit der alternativen Filtermatrix 6 aus Figur 4 umfasst dadurch eine zusätzliche, vierte Photodetektoranordnung, die dafür eingerichtet ist, eine vierte Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben. Das vierte
Abdunklungsfilter 7d stellt nämlich eine Abdunklung bereit, die nur eine
Lichtmenge von 10 % hindurchlässt. Deshalb ist die vierte
Sättigungswahrscheinlichkeit von den ersten, zweiten und dritten
Sättigungswahrscheinlichkeiten verschieden. Die Photodetektoren 4, die hinter den drei weiteren Abdunklungsfiltern 7d mit vierter Abdunklung angeordnet sind, bilden die vierte Photodetektoranordnung, die aus drei der identischen
Einzelphotonen-Lawinenphotodioden besteht. Die Anzahl an Photodetektoren 4 in der vierten Photodetektoranordnung ist, wie aus Figur 4 hervorgeht, geringer als die Anzahl an Photodetektoren 4 in jeder der drei anderen
Photodetektoranordnungen im zweiten Ausführungsbeispiel. In Figur 4 sind veranschaulichend jeweils ein Abdunklungsfilter 7a mit erster Abdunklung, ein Abdunklungsfilter 7b mit zweiter Abdunklung, ein Abdunklungsfilter 7c mit dritter Abdunklung und ein Abdunklungsfilter 7d mit vierter Abdunklung mit
Bezugszeichen gekennzeichnet. Die jeweilige Schraffur weist auf jeweils weitere Abdunklungsfilter 7a-d mit jeweils Durchlässigkeit für gleiche Lichtmengen hin, die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit kein Bezugszeichen tragen. Auf diese Weise werden ein LiDAR-System 1 und ein Kraftfahrzeug
bereitgestellt, das mit dem LiDAR-System 1 wirkverbunden ist, wobei das LiDAR- System 1 dafür eingerichtet ist, eine Umwelt mit einem Lichtstrahl abzutasten, um Informationen über die Umweit zu erfassen. Dabei ist das LiDAR-System 1 zusätzlich dafür eingerichtet, sowohl hochreflektive Objekte in einem Nahfeld der
Umwelt als auch geringreflektierende Objekte in einem Fernfeld der Umwelt zu erfassen und das LiDAR-System weist dazu mehrere Photodetektoren 4 auf, die dafür eingerichtet sind, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten zu haben. In der gezeigten Lösung werden den Photodetektoren 4 jeweils ein Abdunklungsfilter 7a-d vorgelagert, sodass die Photodetektoren 4 dafür eingerichtet sind, nicht nur Photonen zu zählen, sondern aus den
Empfangssignalen der Photodetektoren 4 auch hochreflektive Objekte von geringreflektierenden Objekten unterschieden werden können. In den beiden gezeigten Ausführungsformen sind alle Abdunklungsfilter 7a-d Neutraldichtefilter, auch ND-Filter genannt. Die Auswertelektronik 11 kann dann die Informationen von den Photodetektoren 4 auswerten und beispielsweise synchrone Hell- und Dunkelbildinformationen ausgeben.

Claims

Ansprüche
1. LiDAR-System (1 ), das dafür eingerichtet ist, eine Umwelt mit einem
Lichtstrahl abzutasten, um Informationen über die Umwelt zu erfassen, wobei das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, sowohl hochreflektive Objekte in einem Nahfeld der Umwelt als auch geringreflektierende Objekte in einem Fernfeld der Umwelt zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System (1 ) mehrere Photodetektoren (4) aufweist, die dafür eingerichtet sind, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten zu haben.
2. LiDAR-System (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das LiDAR-System (1 ) dafür eingerichtet ist, aus Empfangssignalen der mehreren Photodetektoren (4) die hochreflektiven Objekte in dem Nahfeld von den geringreflektierenden Objekten in dem Fernfeld zu unterscheiden.
3. LiDAR-System (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mindestens einem der Photodetektoren (4) ein Abdunklungsfilter (7a-d) vorgelagert ist, um die Sättigungswahrscheinlichkeit des Photodetektors (4) zu verringern, der dem Abdunklungsfilter (7a-d) nachgelagert ist.
4. LiDAR-System (1 ) nach Anspruch 3, wobei mehrere Abdunklungsfilter (7a-d) vorgesehen sind, die in einer gemeinsamen Filtermatrix (6) angeordnet sind und ein gemeinsames Filterbauteil (3) bilden und jedes Abdunklungsfilter (7a-d) einem der Photodetektoren (4) vorgelagert ist.
5. LiDAR-System (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das LiDAR-System (1 ) eine erste Photodetektoranordnung und eine zweite Photodetektoranordnung aufweist, wobei die erste Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine erste Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, und die zweite Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine zweite Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, wobei die erste Sättigungswahrscheinlichkeit von der zweiten Sättigungswahrscheinlichkeit verschieden ist.
6. LiDAR-System (1 ) nach Anspruch 5, wobei das LiDAR-System (1 ) eine dritte Photodetektoranordnung aufweist, wobei die dritte Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine dritte Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, wobei die dritte Sättigungswahrscheinlichkeit von der ersten
Sättigungswahrscheinlichkeit und von der zweiten
Sättigungswahrscheinlichkeit verschieden ist.
7. LiDAR-System (1 ) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei zwei oder mehr der Photodetektoranordnungen in einer gemeinsamen Detektormatrix (8) angeordnet sind und ein gemeinsames Detektorbauteil (2) bilden.
8. LiDAR-System (1 ) nach Anspruch 4 und Anspruch 7, wobei das
Detektorbauteil (2) und das Filterbauteil (3) ein gemeinsames Bauelement bilden.
9. LiDAR-System (1 ), nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei einer oder mehrere der Photodetektoren (4) Einzelphotonen-Lawinenphotodioden sind.
10. Kraftfahrzeug mit einem LiDAR-System (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das LiDAR-System (1 ) mit dem Kraftfahrzeug wirkverbunden ist.
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