WO2021001177A1

WO2021001177A1 - Lidar-empfangseinheit

Info

Publication number: WO2021001177A1
Application number: PCT/EP2020/067139
Authority: WO
Inventors: Ralf Beuschel
Original assignee: Ibeo Automotive Systems GmbH
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2021-01-07
Also published as: KR20220016230A; CA3140197A1; EP3994496A1; US20220252701A1; IL289491A; CN113994229A; JP7338904B2; KR102636878B1; DE102019209697A1; JP2022538244A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Empfangseinheit (16) in Focal Plane Array-Anordnung, mit: einer Vielzahl an Sensorelementen (24) zum Empfangen von Lichtpulsen einer Lidar-Sendeeinheit (14); und mehreren Routingkanälen (32) zum Transportieren von Signalen der Sensorelemente zu einem Randbereich (R) der Lidar-Empfangseinheit, wobei jeweils mehrere Sensorelemente in einer Makrozelle (26, 26') angeordnet sind, die einem Sendeelement (22) der Lidar-Sendeeinheit zugeordnet ist; jeweils mehrere Makrozellen ein Makrozellen-Cluster (32) bilden und jeweils mehrere Makrozellen-Cluster in mehreren Zeilen (Z1, Z2, Z3) angeordnet sind; und die Routingkanäle die mehreren Zeilen jeweils zwischen benachbarten Makrozellen-Clustern einer Zeile queren und zum Transportieren der Signale in einer Richtung orthogonal zu den Zeilen ausgebildet sind. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Lidar-Messvorrichtung (10) zum Detektieren eines Objekts (12) in einer Umgebung eines Fahrzeugs (14).

Description

Lidar-Empfangseinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lidar-Empfangseinheit in Focal Plane Array- Anordnung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Lidar-Messvorrichtung zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs.

Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder, fahrerlose Trans portsysteme etc.) umfassen eine Vielzahl an Systemen, die einem Fahrer bzw. Bedie ner Informationen zur Verfügung stellen und/oder einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahr zeugs sowie gegebenenfalls andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden. Durch die fortschrei tende Entwicklung im Bereich der autonom und teilautonom fahrenden Fahrzeuge werden der Einfluss und der Wirkungsbereich von Fahrerassistenzsystemen (Advan ced Driver Assistance Systems, ADAS) und autonom operierenden Transportsystemen immer größer. Durch die Entwicklung immer präziserer Sensoren ist es möglich, die Umgebung zu erfassen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs vollständig oder teil weise ohne Eingriff des Fahrers zu kontrollieren.

Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung ist dabei die Lidartechnik (light detection and ranging). Ein Lidarsensor basiert auf der Aussendung von Lichtpul sen und der Detektion des reflektierten Lichts. Mittels einer Laufzeitmessung kann ein Abstand zum Ort der Reflexion berechnet werden. Durch eine Auswertung der emp fangenen Reflexionen kann eine Detektion eines Ziels erfolgen. Hinsichtlich der tech nischen Realisierung des entsprechenden Sensors wird zwischen scannenden Syste men, die zumeist basierend auf Mikrospiegeln funktionieren, und nichtscannenden Systemen, bei denen mehrere Sende- und Empfangselemente statisch nebeneinan derliegend angeordnet sind (insb. sog. Focal Plane Array-Anordnung), unterschieden.

In diesem Zusammenhang wird in der WO 2017/081294 Al ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Distanzmessung beschrieben. Es wird eine Verwendung einer Sendematrix zum Aussenden von Messpulsen und einer Empfangsmatrix zum Empfangen der Messpulse offenbart. Beim Senden der Messpulse werden Untermen gen der Sendelemente der Sendematrix aktiviert.

Eine Herausforderung im Bereich der nicht-scannenden Lidar-Messsysteme liegt in der Anordnung der Sensorelemente in einem Empfangsarray und im Routing der Sig nale der Sensorelemente zum Rand des Empfangsarrays. Einerseits soll eine möglichst hohe Dichte der Sensorelemente des Arrays erreicht werden. Andererseits soll ein effizientes Routing der Signale zum Rand des Arrays für die weitere Verarbeitung er möglicht werden. Zudem sollen eine hohe Auflösung bzw. eine gute Detektion ge währleistet werden.

Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen Ansatz zum effizienten Auslesen eines Arrays von Sensorelementen bereitzustellen. Insbe sondere soll ein Array realisiert werden, bei dem blinde Bereiche weitestgehend ver mieden werden. Zudem soll eine hohe Auflösung erreicht werden.

Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt eine Lidar- Empfangseinheit in Focal Plane Array-Anordnung, mit:

einer Vielzahl an Sensorelementen zum Empfangen von Lichtpulsen einer Lidar- Sendeeinheit; und

mehreren Routingkanälen zum Transportieren von Signalen der Sensorelemente zu einem Randbereich der Lidar-Empfangseinheit, wobei

jeweils mehrere Sensorelemente in einer Makrozelle angeordnet sind, die einem Sen deelement der Lidar-Sendeeinheit zugeordnet ist;

jeweils mehrere Makrozellen ein Makrozellen-Cluster bilden und jeweils mehrere Makrozellen-Cluster in mehreren Zeilen angeordnet sind; und

die Routingkanäle die mehreren Zeilen jeweils zwischen benachbarten Makrozellen- Clustern einer Zeile queren und zum Transportieren der Signale in einer Richtung or thogonal zu den Zeilen ausgebildet sind.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Lidar- Messvorrichtung zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs, mit:

einer Lidar-Empfangseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche; einer Lidar-Sendeeinheit mit einer Vielzahl an Sendeelementen zum Aussenden von Lichtpulsen; und

einer Steuereinheit zum Ansteuern der Lidar-Sendeeinheit und zum Auswerten der Signale der Sensorelemente, um das Objekt zu detektieren.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann die Lidar- Messvorrichtung bzw. die Lidar-Sendeeinheit entsprechend der für die Lidar- Empfangseinheit in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen aus geführt sein.

Die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit sind dazu ausgebildet, Lichtpulse einer entsprechenden Lidar-Sendeeinheit zu empfangen. Mehrere Sensorelemente bilden gemeinsam eine Makrozelle. Mehrere Makrozellen bilden gemeinsam ein Makrozel- len-Cluster. Die Makrozellen-Cluster der Lidar-Empfangseinheit sind in Zeilen ange ordnet. Um die Signale, die beim Empfangen eines Lichtpulses in einem Sensorele ment entstehen, auszuwerten, müssen diese über Routingkanäle von den Sensorele menten weg zu einem Randbereich der Lidar-Empfangseinheit transportiert werden. Die Routingkanäle sind erfindungsgemäß im Wesentlichen orthogonal zu den Zeilen angeordnet. Ein Routingkanal verläuft jeweils zwischen zwei benachbarten Makrozel- len-Clustern einer Zeile. Insbesondere handelt es sich bei der Lidar -Empfangseinheit um einen Mikrochip, auf dem die Sensorelemente angeordnet sind, und die Signale müssen in einen Randbereich des Chips, in dem sich die entsprechende Auswer teelektronik befindet, geroutet werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Routing-Kanäle wird ein effizientes Wei terleiten der Signale der Sensorelemente in den Randbereich der Lidar- Empfangseinheit erreicht. Es wird möglich, bei einer zeilenweisen Auslegung der Li dar-Empfangseinheit und der Lidar-Sendeeinheit bzw. bei einer zeilenweisen Ansteue rung der Lidar-Sendeeinheit ein Routing der Signale orthogonal zu den Zeilen zu errei chen. Hierdurch kann im Fernbereich eine hohe Performance sichergestellt werden. Im Nahbereich ergeben sich aufgrund des Routings zwar Lücken, wodurch die Auflö- sung reduziert wird. Allerdings ist die effektive Ortsauflösung verbessert, da die Lidar- Messvorrichtung mit einer konstanten Winkelauflösung arbeitet. Ein effizientes Rou ting wird erreicht. Eine hohe Auflösung ist realisierbar. Durch die Verwendung einer Focal Plane Array-Anordnung ergibt sich eine hohe Robustheit gegenüber Erschütte rungen. Die Lebensdauer der Lidar-Messvorrichtung wird verbessert. Zudem ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Fertigbarkeit. Eine kosteneffiziente Realisierung wird möglich.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden jeweils zwei Makrozellen ein Makrozellen- Cluster. Die zwei Makrozellen des Makrozellen-Clusters sind vorzugsweise parallel zu den Zeilen angeordnet. Dadurch, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Makrozel- len-Clustern einer Zeile ein Routingkanal verläuft, können die zwei Makrozellen des Makrozellen-Clusters von beiden Seiten aus ausgelesen werden. Es ergibt sich eine effiziente Auslesbarkeit. Durch eine Anordnung der Makrozellen parallel zu den Zeilen ergibt sich eine gute Kontaktierbarkeit.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Makrozellen-Cluster einer ersten Zeile gegenüber den Makrozellen-Clustern einer zweiten Zeile, die der ersten Zeile benach bart ist, versetzt angeordnet. Durch die versetzte Anordnung (Interlace-Struktur) wer den vertikale (orthogonal zu den Zeilen) Blindbereiche, in denen keine Detektionen erfolgen können, vermieden. Es ergibt sich eine verbesserte Erkennung von Objekten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung verlaufen die Routingkanäle in Kanalabschnitten zwischen den Zeilen parallel zu den Zeilen. Zumindest abschnittsweise können die Ka näle parallel zu den Zeilen verlaufen. Dennoch werden die Signale orthogonal zu den Zeilen aus dem Array heraustransportiert. Die parallel zu den Zeilen verlaufenden Ka nalabschnitte sind dabei insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Makrozellen-Cluster zweier benachbarter Zeilen versetzt zueinander angeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Abstand zwischen benachbarten Makrozel len-Clustern einer Zeile größer als ein Abstand zwischen benachbarten Makrozellen- Clustern in benachbarten Zeilen. Zusätzlich oder alternativ sind zwischen benachbar ten Zeilen jeweils Vorverarbeitungselemente zum Auslesen der Sensorelemente an geordnet. Die Vorverarbeitungselemente umfassen dabei vorzugsweise einen Transis tor. Die Abstände werden vorzugsweise so gewählt, dass sich eine möglichst hohe Dichte der Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit ergibt. Möglichst viele Senso relemente sollen auf einem Chip angeordnet sein. Das Routing erfolgt jeweils zwi schen benachbarten Makrozellen-Clustern einer Zeile. Zwischen den Zeilen sind Vor verarbeitungselemente angeordnet, die zumeist vergleichsweise weniger Platz benö tigen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein ganzzahliges Vielfaches eines Durchmessers der Sensorelemente verschieden von einem Abstand zwischen Mittelpunkten der zu geordneten Sendeelementen der Lidar-Sendeeinheit. Dadurch, dass jeweils mehrere Sensorelemente einen Lichtpuls eines Sendeelements empfangen, können sich durch Alignment-Fehler schlechtere Detektionen ergeben. Durch eine entsprechende Wahl des Durchmessers der Sensorelemente bzw. des Abstands zwischen Mittelpunkten der zugeordneten Sendeelemente kann eine Ausbalancierung bzw. Mittelung dieser Fehler erfolgen. Es ergibt sich sozusagen dadurch eine Nivellierung der Fehler, dass mindestens eine Makrozelle nicht vollständig in ihrer Abbildungsposition auf dem Empfangsarray mit dem zugeordneten Sendeelement übereinstimmt. Es ergibt sich eine verbesserte Detektion von Objekten im Sinne einer besserten Verwendbarkeit der Sensordaten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwischen Makrozellen eines Makrozellen- Clusters Sensorelemente mit verringerter Empfindlichkeit angeordnet. Insbesondere können Sendeelemente verwendet werden, die eine Metallisierung auf einer Öffnung aufweisen und somit weniger Photonen empfangen. Hierdurch ergibt sich eine bes serte Abgrenzbarkeit zwischen benachbarten Makrozellen eines Makrozellen-Clusters. Eine verbesserte Detektion von Objekten wird erreicht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Lidar-Empfangseinheit eine Auswer teelektronik zum zeilenweisen Auslesen der Sensorelemente. Die Auswerteelektronik ist vorzugsweise ebenfalls auf dem Chip angeordnet. Die Signale der Sensorelemente werden ausgewertet, um eine Objektdetektion zu ermöglichen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst ein Makrozellen-Cluster zwischen 14 und 34 Sensorelemente. Unter einer Focal Plane Array-Anordnung versteht sich eine Konfiguration der Senso relemente (bzw. der Sendeelemente) im Wesentlichen in einer Ebene. Eine Lidar- Empfangseinheit ist insbesondere ein Mikrochip mit den entsprechenden Sensorele menten. Eine Lidar-Sendeeinheit ist ebenfalls insbesondere ein Mikrochip mit den entsprechenden Sendeelementen. Die Empfangs- und Sendeeinheit können auch ge meinsam auf einem Mikrochip angeordnet sein. Die Sensorelemente sind auf einem Chip in Matrixform angeordnet. Die Sensorelemente sind über eine Fläche des Chips der Lidar-Empfangseinheit verteilt. Unter einem Lichtpuls einer Lidar-Sendeeinheit wird insbesondere ein Puls von Laserlicht verstanden. Eine Umgebung eines Fahr zeugs umfasst insbesondere einen von dem Fahrzeug aus sichtbaren Bereich im Um feld des Fahrzeugs.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lidar-

Messvorrichtung zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Lidar-Sendeeinheit zum Aussenden von Lichtpulsen;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lidar-

Empfangseinheit; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Makrozelle einer erfindungsgemäßen

Lidar-Empfangseinheit.

In der Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Lidar-Messvorrichtung 10 zum Detektieren eines Objekts 12 in einer Umgebung eines Fahrzeugs 14 dargestellt. Die Lidar-Messvorrichtung 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in das Fahrzeug 14 integriert. Das Objekt 12 in der Umgebung des Fahrzeugs 14 kann beispielsweise ein anderes Fahrzeug oder auch ein statisches Objekt (Verkehrsschild, Haus, Baum etc.) bzw. ein anderer Verkehrsteilnehmer (Fußgänger, Radfahrer etc.) sein. Die Lidar- Messvorrichtung 10 ist vorzugsweise im Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs 14 montiert und kann insbesondere die Umgebung des Fahrzeugs 14 vor dem Fahrzeug auswerten. Beispielsweise kann die Lidar-Messvorrichtung 10 in die vordere Stoß stange integriert sein.

Die erfindungsgemäße Lidar-Messvorrichtung 10 umfasst eine Lidar-Empfangseinheit 16 sowie eine Lidar-Sendeeinheit 18. Weiterhin umfasst die Lidar-Messvorrichtung 10 eine Steuereinheit 20 zum Ansteuern der Lidar-Sendeeinheit 18 und zum Auswerten der Signale der Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16.

Vorzugsweise sind sowohl die Lidar-Empfangseinheit 16 als auch die Lidar- Sendeeinheit 18 in Focal Plane Array-Konfiguration ausgebildet. Die Elemente der je weiligen Vorrichtung sind im Wesentlichen in einer Ebene auf einem entsprechenden Chip angeordnet. Der Chip der Lidar-Empfangseinheit bzw. der Lidar-Sendeeinheit ist in einem Brennpunkt einer entsprechenden Optik (Sendeoptik oder Empfangsoptik) angeordnet. Insbesondere sind Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit bzw. Sen deelemente der Lidar-Sendeeinheit 18 im Brennpunkt der jeweiligen Empfangs- bzw. Sendeoptik angeordnet. Diese Optik kann beispielsweise durch ein optisches Linsen system ausgebildet sein.

Die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 sind vorzugsweise als SPAD (Single Photon Avalanche Diode) ausgebildet. Die Lidar-Sendeeinheit 18 umfasst mehrere Sendeelemente zum Aussenden von Laserlicht bzw. Laserpulsen. Die Sendeelemente sind vorzugsweise als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ausgebildet. Die Sendeelemente der Lidar-Sendeeinheit 18 sind über eine Fläche eines Sendechips ver teilt sind. Die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 sind über eine Fläche des Empfangschips verteilt.

Dem Sendechip ist eine Sendeoptik zugewiesen, dem Empfangschip ist eine Emp fangsoptik zugewiesen. Die Optik bildet ein aus einem Raumbereich eintreffendes Licht auf den jeweiligen Chip ab. Der Raumbereich entspricht dem Sichtbereich der Lidar-Messvorrichtung 10, der auf Objekte 12 untersucht bzw. sensiert wird. Der Raumbereich der Lidar-Empfangseinheit 16 bzw. der Lidar-Sendeeinheit 18 ist im We sentlichen identisch. Die Sendeoptik bildet ein Sendeelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs repräsentiert. Das Sendeelement sendet entsprechend Laserlicht in diesen Raumwinkel aus. Die Sendeelemente decken ge meinsam den gesamten Raumbereich ab. Die Empfangsoptik bildet ein Sensorelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Die An zahl aller Sensorelemente deckt den gesamten Raumbereich ab. Sendeelemente und Sensorelemente, die denselben Raumwinkel betrachten, bilden aufeinander ab und sind entsprechend einander zugewiesen bzw. zugeordnet. Ein Laserlicht eines Sende elements bildet im Normalfall immer auf das zugehörige Sensor-element ab. Günsti gerweise sind mehrere Sensorelemente innerhalb des Raumwinkels eines Sendeele ments angeordnet.

Zur Ermittlung bzw. Detektion von Objekten 12 innerhalb des Raumbereichs führt die Lidar-Messvorrichtung 10 einen Messvorgang durch. Ein solcher Messvorgang umfasst einen oder mehrere Messzyklen, je nach konstruktivem Aufbau des Messsystems und dessen Elektronik. Vorzugsweise wird hierbei in der Steuereinheit 20 ein TCSPC- Verfahren (Time Correlated Single Photon Counting Verfahren) verwendet. Hierbei werden einzelne eintreffende Photonen detektiert, insbesondere durch eine SPAD, und der Zeitpunkt der Auslösung des Sensorelements (Detektionszeitpunkt) in einem Speicherelement abgelegt. Der Detektionszeitpunkt steht im Verhältnis zu einem Re ferenzzeitpunkt, zu dem das Laserlicht ausgesendet wird. Aus der Differenz lässt sich die Laufzeit des Laserlichts ermitteln, woraus der Abstand des Objekts 12 bestimmt werden kann.

Ein Sensorelement der Lidar-Empfangseinheit 16 kann einerseits von dem Laserlicht und andererseits von Umgebungsstrahlung ausgelöst werden. Ein Laserlicht trifft bei einem bestimmten Abstand des Objekts 12 immer zur gleichen Zeit ein, wohingegen die Umgebungsstrahlung jederzeit dieselbe Wahrscheinlichkeit bereitstellt, ein Senso relement auszulösen. Bei der mehrfachen Durchführung einer Messung, insbesondere mehrerer Messzyklen, summieren sich die Auslösungen des Sensorelements bei dem Detektionszeitpunkt, der der Laufzeit des Laserlichts bezüglich der Entfernung des Objekts entspricht, auf. Demgegenüber verteilen sich die Auslösungen durch die Um gebungsstrahlung gleichmäßig über die Messdauer eines Messzyklus. Eine Messung entspricht dem Aussenden und anschließendem Detektieren des Laserlichts. Die in dem Speicherelement abgelegten Daten der einzelnen Messzyklen eines Messvor gangs ermöglichen eine Auswertung der mehrfach ermittelten Detektionszeitpunkte, um auf den Abstand des Objekts 12 zu schließen. Ein Sensorelement ist günstigerweise mit einem TDC (Time to Digital Converter) ver bunden. Der TDC legt den Zeitpunkt des Auslösens des Sensorelements in dem Spei cherelement ab. Ein solches Speicherelement kann beispielsweise als Kurzzeitspeicher oder als Langzeitspeicher ausgebildet sein. Der TDC füllt für einen Messvorgang ein Speicherelement mit den Zeitpunkten, zu denen die Sensorelemente ein eintreffen des Photon detektieren. Dies lässt sich graphisch durch ein Histogramm darstellen, welches auf den Daten des Speicherelements basiert. Bei einem Histogramm ist die Dauer eines Messzyklus in sehr kurze Zeitabschnitte unterteilt (sogenannte Bins). Wird ein Sensorelement ausgelöst, so erhöht der TDC den Wert eines Bins um 1. Es wird der Bin aufgefüllt, welcher der Laufzeit des Laserpulses entspricht, also die Diffe renz zwischen Detektionszeitpunkt und Referenzzeitpunkt.

In der Fig. 2 ist schematisch die Struktur der Lidar-Sendeeinheit 18 dargestellt. Der Chip umfasst mehrere Sendeelemente 22, die in einem Array (Matrix) angeordnet sind. Beispielsweise können mehrere Tausend Sendeelemente verwendet werden. Die Sendeelemente 22 werden zeilenweise angesteuert. Zur besseren Übersichtlichkeit ist nur ein Sendeelement 22 mit einem Bezugszeichen versehen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Zeilen 0..ny-l jeweils eine Vielzahl an Sendeelementen O..hc-l. Beispielsweise können 100 Zeilen (ny = 100) und 128 Sendeelemente pro Zeile (nx = 128) vorgesehen sein. Der Zeilenabstand Alzwischen den Zeilen kann im Bereich einiger Mikrometer, beispielsweise 40 miti, liegen. Der Elementabstand A2 zwischen Sendeelementen 22 in derselben Zeile kann in einer ähnlichen Größenordnung liegen.

In der Fig. 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Lidar-Empfangseinheit 16 darge stellt. Die Lidar-Empfangseinheit 16 umfasst eine Vielzahl an Sensorelementen 24. Die Sensorelemente sind jeweils in Makrozellen 26, 26' angeordnet, wobei eine Makrozel le 26, 26' diejenigen Sensorelemente 24 umfasst, die gemeinsam einem einzelnen Sendeelement 22 der Lidar-Sendeeinheit zugeordnet sind. Jeweils zwei Makrozel len 26, 26' sind in einem Makrozellen-Cluster 30 angeordnet. Die mehreren Makrozel- len-Cluster 30 sind in mehreren Zeilen Zi, Z₂, Z₃ angeordnet. Zwischen jeweils zwei benachbarten Makrozellen-Clustern 30 sind Routingkanäle 32 angeordnet, die die Zei len Zi, Z2, Z₃ queren und dazu ausgebildet sind, die Signale der Sensorelemente 24 zu einem Randbereich R der Lidar-Empfangseinheit 16 zu transportieren. In der Darstellung der Fig. 3 sind weiterhin schematisch zwei beispielhafte Spotpositi onen 28, 28' markiert, die den Positionen von zugeordneten Sendeelementen der Li- dar-Sendeeinheit im Array der Lidar-Empfangseinheit 16 entsprechen.

Es versteht sich, dass in der Fig. 3 lediglich ein Ausschnitt des Aufbaus des Chips der Lidar-Empfangseinheit 16 dargestellt ist, um die Anordnung der Sensorelemente 24, Routingkanäle 32, Makrozellen 26 und Makrozellen-Cluster 30 zu visualisieren. Der Chip dehnt sich in der Darstellung nach oben und zur Seite weiter aus. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Makrozellen der Anzahl der Sendelemente der Lidar- Sendeeinheit 18. Zur besseren Übersichtlichkeit sind jeweils nicht alle Sensorelemente 24 bzw. Makrozellen 26, 26' und Makrozellen-Cluster 30 mit Bezugszeichen versehen.

Wie dargestellt, verlaufen die Routingkanäle 32 im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zwischen benachbarten Makrozellen-Clustern 30 und transportieren die Signa le in eine Richtung orthogonal zum Verlauf der Zeilen Zi, Z₂, Z₃. Im dargestellten Aus führungsbeispiel weisen die Routingkanäle dabei Kanalabschnitte 34 auf, die in einem Bereich zwischen den Zeilen parallel zu den Zeilen verlaufen. Hierdurch wird es mög lich, dass die Makrozellen-Cluster 30 einer ersten Zeile, gegenüber den Makrozellen- Clustern 30 einer zweiten Zeile, die der ersten Zeile benachbart ist, versetzt angeord net sind. Dies bewirkt, dass in vertikaler Richtung keine vertikalen Blindbereiche ent stehen. Die Makrozellen-Cluster 30 sind insoweit in einer Interlace-Struktur angeord net. In den Lücken einer Zeile werden die Sensorelemente bzw. Spots der benachbar ten Zeile angeordnet.

Wie im dargestellten Ausführungsbeispiel weiterhin gezeigt, ist ein Abstand A3 zwi schen benachbarten Makrozellen-Clustern 30 einer Zeile größer als ein Abstand A4 zwischen benachbarten Makrozellen-Clustern 30 in benachbarten (nebeneinanderlie genden) Zeilen. Innerhalb des Abstands A3 bzw. zwischen den Makrozellenclustern verlaufen die Routingkanäle 32. Zwischen den Zeilen Zi, Z2, Z₃ können zudem Vorver arbeitungselemente angeordnet sein, vorzugsweise Transistoren.

Im Randbereich des Chips der Lidar-Empfangseinheit 16 kann eine Auswerteelektronik 38 vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist, die Sensorelemente 24 zeilenweise aus zulesen bzw. die Signale der Sensorelemente weiterzuverarbeiten. In der Fig. 4 ist schematisch ein einzelnes Makrozellen-Cluster 30 dargestellt. Im dar gestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Makrozellen-Cluster 30 insgesamt 28 Sen sorelemente 24 bzw. zwei Makrozellen 26, 26'. Zwischen den beiden Makrozellen 26, 26' bzw. am Rand einer oder beider Makrozellen 26, 26' sind im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel zwei Sensorelemente mit verringerter Empfindlichkeit 36, 36' angeord net. Beispielsweise kann es sich bei den Sensorelementen mit verringerter Empfind lichkeit 36, 36' um Sensorelemente mit einer Metallisierung auf der Öffnung handeln, sodass weniger Photonen empfangen werden können. Die Sensorelemente mit ver ringerter Empfindlichkeit 36, 36' können auch als Apertur-SPADs bezeichnet werden. Es versteht sich, dass auch eine andere Anzahl an Sensorelementen mit verringerter Empfindlichkeit verwendet werden kann.

In der Darstellung sind zwei beispielhafte Spotpositionen 28, 28' markiert, die Positio nen von Sendeelementen repräsentieren, die den Makrozellen 26, 26' zugeordnet sind. Dadurch, dass ein ganzzahliges Vielfaches eines Durchmessers Ds der Sensorele mente verschieden ist von einem Abstand DA zwischen Mittelpunkten von zugeordne ten Sendeelementen der Lidar-Sendeeinheit, die an den Positionen PI und P2 liegen, wird eine Ausbalancierung von Ausrichtungsfehlern (Alignmentfehlern) erreicht. Die höchste Photonendichte wird jeweils in der Mitte der Spotpositionen 28, 28' der Sen deelemente auf dem Makrozellen-Cluster empfangen. In anderen Worten empfangen die Empfangselemente in den Mitten der Spotposition 28, 28' jeweils die höchste Photonendichte. Dadurch, dass die Spotposition 28, 28' nicht exakt gegenüber dem Array der Lidar-Empfangseinheit ausgerichtet werden können, würde ein Abstand DA, der einem ganzzeiligen Vielfachen des Abstands Ds entspricht dazu führen, dass beide Spotposition 28, 28' gut bzw. schlecht getroffen werden. Durch die erfindungsgemäße Wahl der Abstände Ds und DA wird dies vermieden und eine Nivellierung der Fehler im Falle einer ungenauen Ausrichtung erreicht.

Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend be schrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht ein schränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsfor men beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche. In den Patentansprüchen schließen die Wörter„umfassen" und„mit" nicht das Vor handensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der Undefinierte Artikel„ein" oder „eine" schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprü chen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren ver schiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.

Bezugszeichen

10 Lidar-Messvorrichtung

12 Objekt

14 Fahrzeug

16 Lidar-Empfangseinheit

18 Lidar-Sendeeinheit

20 Steuereinheit

22 Sendeelement

24 Sensorelement

26 Makrozelle

28 Spotposition

30 Makrozellen-Cluster

32 Routingkanal

34 Kanalabschnitt

36, 36' Sensorelement mit verringerter Empfindlichkeit

Claims

Patentansprüche

1. Lidar-Empfangseinheit (16) in Focal Plane Array-Anordnung, mit:

einer Vielzahl an Sensorelementen (24) zum Empfangen von Lichtpulsen einer Lidar-Sendeeinheit (18); und

mehreren Routingkanälen (32) zum Transportieren von Signalen der Sensorel emente zu einem Randbereich (R) der Lidar-Empfangseinheit, wobei

jeweils mehrere Sensorelemente in einer Makrozelle (26, 26') angeordnet sind, die einem Sendeelement (22) der Lidar-Sendeeinheit zugeordnet ist;

jeweils mehrere Makrozellen ein Makrozellen-Cluster (30) bilden und jeweils mehrere Makrozellen-Cluster in mehreren Zeilen (Zi, Z₂, Z₃) angeordnet sind; und

die Routingkanäle die mehreren Zeilen jeweils zwischen benachbarten Makro- zellen-Clustern einer Zeile queren und zum Transportieren der Signale in einer Richtung orthogonal zu den Zeilen ausgebildet sind.

2. Lidar-Empfangseinheit (16) nach Anspruch 1, wobei

jeweils zwei Makrozellen ein Makrozellen-Cluster (30) bilden; und

die zwei Makrozellen des Makrozellen-Clusters vorzugweise parallel zu den Zei len (Zi, Z2, Z₃) angeordnet sind.

3. Lidar-Empfangseinheit (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Makrozellen-Cluster (30) einer ersten Zeile (Zi, Z2, Z3) gegenüber den Mak- rozellen-Clustern einer zweiten Zeile, die der ersten Zeile benachbart ist, ver setzt angeordnet sind.

4. Lidar-Empfangseinheit (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Routingkanäle (32) in Kanalabschnitten (34) zwischen den Zeilen (Zi, Z2, Z₃) parallel zu den Zeilen verlaufen.

5. Lidar-Empfangseinheit (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (A₃) zwischen benachbarten Makrozellen-Clustern (30) einer Zei le (Zi, Z2, Z₃) größer ist als ein Abstand (A₄) zwischen benachbarten Makrozel len-Clustern in benachbarten Zeilen; und/oder zwischen benachbarten Zeilen (Zi, Z2, Z3) jeweils Vorverarbeitungselemente zum Auslesen der Sensorelemente (24) angeordnet sind, wobei die Vorverar beitungselemente vorzugsweise einen Transistor umfassen.

6. Lidar-Empfangseinheit (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein ganzzahliges Vielfaches eines Durchmessers (Ds) der Sensorelemente (24) verschieden ist von einem Abstand ( DA) zwischen Mittelpunkten der zugeord neten Sendeelemente (22) der Lidar-Sendeeinheit (18).

7. Lidar-Empfangseinheit (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen Makrozellen (26, 26') eines Makrozellen-Clusters (30) Sensorelemen te (24) mit verringerter Empfindlichkeit angeordnet sind.

8. Lidar-Empfangseinheit (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Auswerteelektronik (38) zum zeilenweisen Auslesen der Sensorelemente (24).

9. Lidar-Empfangseinheit (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Makrozellen-Cluster (30) zwischen 14 und 34 Sensorelemente (24) umfasst.

10. Lidar-Messvorrichtung (10) zum Detektieren eines Objekts (12) in einer Umge bung eines Fahrzeugs (14), mit:

einer Lidar-Empfangseinheit (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche; einer Lidar-Sendeeinheit (18) mit einer Vielzahl an Sendeelementen (22) zum Aussenden von Lichtpulsen; und

einer Steuereinheit (20) zum Ansteuern der Lidar-Sendeeinheit und zum Aus werten der Signale der Sensorelemente (24), um das Objekt zu detektieren.