WO2021089347A1 - Optischer sensor - Google Patents

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WO2021089347A1
WO2021089347A1 PCT/EP2020/079920 EP2020079920W WO2021089347A1 WO 2021089347 A1 WO2021089347 A1 WO 2021089347A1 EP 2020079920 W EP2020079920 W EP 2020079920W WO 2021089347 A1 WO2021089347 A1 WO 2021089347A1
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WO
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detector element
detector
optical sensor
arrangement
elements
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PCT/EP2020/079920
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French (fr)
Inventor
Karl Christoph Goedel
Johannes Richter
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
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    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4868—Controlling received signal intensity or exposure of sensor

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor, comprising at least two detector element arrangements, each comprising at least two detector elements.
  • SPAD detectors have a very high sensitivity and enable the LiDAR sensor to measure up to very large ranges ( ⁇ 200 m). Their binary detection characteristics (photon detected or not detected) mean, however, a low dynamic range for the detector.
  • such LiDAR scanners can have problems accurately detecting objects in the vicinity of the sensor.
  • the strongly reflected signal light from a nearby object can trigger a permanent signal in the SPAD detector and lead to a runtime error and thus to a distance error in the LiDAR measurement.
  • the same error can occur with highly reflective objects like retroreflectors like cat's eyes on the street. It is therefore necessary to find ways find to build SPAD detectors with an increased dynamic functional range.
  • WO 2018091 640 A2 discloses a detector for determining a position of at least one object comprising at least two optical sensors, each optical sensor having at least one light-sensitive area. Each optical sensor is designed to generate at least one sensor signal in response to an illumination of its respective light-sensitive area by the light beam, at least one evaluation device being configured to determine at least one longitudinal coordinate of the object from the sensor signals.
  • an optical sensor of the type mentioned characterized in that a first of the detector element arrangements is arranged in the direction of incidence of the light to be absorbed in front of a second detector element arrangement, the first detector element arrangement being partially translucent so that the first detector element arrangement has a higher light intensity of the light to be absorbed Light reaches than the second detector element arrangement.
  • the optical sensor according to the invention has the advantage that even with an almost binary response property of the individual detector elements (for example, if the detector elements are APD or SPAD), an intense light signal does not automatically lead to a permanent response of the detector elements of both detector element arrangements.
  • the detector elements of the first detector element arrangement can permanently output a signal and thus no longer deliver a time-of-flight signal, while the detector elements of the second detector element arrangement arranged "behind" in the direction of the reflected light only partially output a signal and thus continue to allow a time-of-flight signal and distance determination.
  • the detector element arrangements can each be arranged in a plane, which are stacked one on top of the other in the direction of incidence of the light to be absorbed. It is also possible for three, four, five or more detector element arrangements to be stacked on top of one another, the detector element arrangements further “below” each receiving less reflected light than the detector element arrangement directly above. Each detector element arrangement absorbs part of the incident light and lets part of the light through to the detector element arrangement (s) further “below”. Further “down” here always means in the direction of incidence of the light to be detected further away from the light-reflecting object or a light incidence window of the optical sensor.
  • Each detector element arrangement can comprise a multiplicity of detector elements, that is to say for example two, three, four, five or more detector elements, in particular 3 2 , 4 2 , 5 2 etc. in the case of a square matrix arrangement.
  • the number and / or the size of the detector elements in the detector element arrangements can differ.
  • the detector elements and / or the detector element arrangements can be completely or partially transparent.
  • Transparent means, for example, that the detector elements only partially absorb light of a wavelength used by the LiDAR (for example in the infrared range), i.e. between 50% - 95%, so that a substantial part of the light can still reach the detector element arrangement below.
  • At least one detector element is a single photon avalanche diode (SPAD), preferably all detector elements of the first and second detector element arrangements (and possibly further detector element arrangements) single photon avalanche diodes.
  • the arrangement of the detector elements according to the invention is particularly advantageous for SPAD, since a larger range of light intensities, object distances, object reflectivities can be reliably detected.
  • the first detector element arrangement is then more reliable, for example, with greater object distances or lower reflectivity of the object to be detected, while the second (or even a possibly third or fourth etc.) detector element arrangement works more reliably with smaller object distances or high reflectivity of the object to be detected.
  • the optical sensor then has a significantly higher reliability in a broader parameter range (in particular with high and low light intensities).
  • the detector elements of at least one of the detector element arrangements are arranged in a planar matrix arrangement.
  • the detector elements are preferably arranged in equidistant columns and rows in the matrix.
  • Each matrix arrangement can be fabricated from one wafer.
  • each detector element is connected to its own readout circuit. Each detector element can then be read out like a pixel.
  • the read-out circuits of at least one detector element arrangement are arranged in a common matrix arrangement with the detector elements of the detector element arrangement.
  • This embodiment allows greater variability in the number of detector element arrangements used.
  • it has the disadvantage that each of the detector element arrangements loses detector surface to the readout circuits.
  • the read-out circuits of at least one detector element arrangement are arranged in the matrix arrangement of another, adjacent detector element arrangement.
  • This embodiment makes it possible, in particular in the first detector element arrangement, to maximize the usable detector area.
  • the readout circuits of at least two detector element arrangements are arranged in a separate readout circuit matrix arrangement adjacent to one of the two detector element arrangements.
  • This embodiment makes it possible, in particular in the first detector element arrangement, to maximize the usable detector area and at the same time to achieve greater variability in the number of detector element arrangements used.
  • the first detector element arrangement, then the second detector element arrangement and then a readout circuit matrix arrangement can then be arranged (stacked one on top of the other) in the direction of incidence of the light to be absorbed.
  • the readout circuit matrix arrangement can also comprise the readout circuits of three, four, five or more detector element arrangements.
  • the readout circuits are each arranged in such a way that they are not arranged directly in front of a detector element located below in the direction of irradiation. Since the readout circuits tend to be less transparent than the detector elements, this avoids a clearly uneven transmission of the light, in particular through the first detector element arrangement.
  • the readout circuits can, however, in principle also be relocated to the lowest detector level (for example the second detector element arrangement or a separate readout circuit matrix arrangement, for example in the third level), so that this problem can be avoided completely.
  • the detector elements of the second detector element arrangement are less sensitive to light than the detector elements of the first detector element arrangement.
  • This embodiment is particularly advantageous if the first detector element arrangement has a relatively high degree of transmittance, for example due to the choice of material and / or a small thickness with the desired compact design, and therefore still achieves more than 50% of the original light intensity of the second detector element arrangement, for example.
  • the detector elements of the second detector element arrangement have a smaller area than that Detector elements of the first detector element arrangement. This is a relatively simple way of ensuring that the detector elements of the second detector element arrangement are less sensitive than the detector elements of the first detector element arrangement (in particular in the case of sensitive detector elements such as SPAD). As an alternative or in addition, it is also possible to manufacture the detector elements of the second detector element arrangement from a different detector material that is less responsive at the wavelength used by the sensor.
  • Figure 1 shows a detail of an optical sensor according to the invention
  • Figures 2 and 3 a first embodiment of an optical sensor according to the invention
  • FIGS. 4 and 5 show a second embodiment of an optical sensor according to the invention.
  • FIGS. 6 and 7 show a third embodiment of an optical sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a detail of an optical sensor 1 according to the invention.
  • the optical sensor 1 comprises a first detector element arrangement 2, which comprises at least two detector elements 3, and a second detector element arrangement 4, which comprises at least two detector elements 5.
  • the first detector element arrangement 2 is arranged in front of the second detector element arrangement 4 in the direction of incidence of the light to be absorbed.
  • the first detector element arrangement 2 is partially translucent (in particular in the wavelength range used by the optical sensor, for example near-infrared), so that the first detector element arrangement 2 has a higher
  • the light intensity of the light to be absorbed is achieved by the second detector element arrangement 4. In FIG. 1, this is indicated by the fact that only about 50% of the original light intensity is the second
  • Detector element arrangement 4 achieved. However, it is also possible that a significantly lower proportion of the light intensity, for example 5-50%, preferably 5-20%, reaches the second detector element arrangement 4.
  • the area covered by the detector elements 5 is also smaller here than the area covered by the detector elements 3, the light intensity range in which the second detector element arrangement 4 works reliably can also be set.
  • detector element arrangements (a third, fourth, fifth, etc.) can also be arranged below the second detector element arrangement 4 so that at least one detector element arrangement always has an optimal detection behavior over the widest possible range of light intensity (i.e. the detector elements 3, 5 are neither permanently addressed, output no signal at all).
  • FIGS. 2 and 3 show a first embodiment of an optical sensor 1 according to the invention.
  • FIG. 2 shows an exploded view
  • FIG. 3 shows a sectional view of the optical sensor 1.
  • the detector elements 3, 5 are each arranged in the detector element arrangements 2, 4 in planar matrix arrangements.
  • the detector elements 2, 4 are arranged in equidistant columns and rows in the matrices. Each matrix arrangement can be produced from a wafer.
  • the number of illustrated detector elements 3, 5 of 16 pieces each is only an example and can differ depending on the application.
  • the detector element arrangements 2, 4 can also include different numbers of detector elements 3, 5.
  • Each detector element 3 of the first detector element arrangement 2 is connected to its own readout circuit 6 and each detector element 5 of the second detector element arrangement 4 is each connected to its own readout circuit 7 connected. Each detector element 3, 5 can then be read out like a pixel.
  • the readout circuits 6, 7 of the two detector element arrangements 2, 4 are each arranged in a common matrix arrangement with the detector elements 3, 5 of the respective detector element arrangements 2, 4.
  • FIGS. 4 and 5 show a second embodiment of an optical sensor 1 according to the invention.
  • FIG. 4 shows an exploded view
  • FIG. 5 shows a sectional view of the optical sensor 1.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that the readout circuits 6 of the detector elements 3 of the first detector element arrangement 2 are arranged in the matrix arrangement of the adjoining second detector element arrangement 4.
  • the readout circuits 7 of the detector elements 5 of the second detector element arrangement 4 are also arranged in the matrix arrangement of the second detector element arrangement 4. This embodiment makes it possible to maximize the usable detector area in the first detector element arrangement 2.
  • FIGS. 6 and 7 show a third embodiment of an optical sensor 1 according to the invention.
  • FIG. 6 shows an exploded view
  • FIG. 7 shows a sectional view of the optical sensor 1.
  • This embodiment differs from the previous embodiments in that the readout circuits 6, 7 of the first detector element arrangement 2 and the second detector element arrangement 4 are arranged in a separate readout circuit matrix arrangement 8 adjacent to the second detector element arrangement 4.
  • This embodiment makes it possible, in particular in the first detector element arrangement, to maximize the usable detector area and at the same time to achieve greater variability in the number of detector element arrangements used.
  • the first detector element arrangement 2, then the second detector element arrangement 4 and then the readout circuit matrix arrangement 8 are arranged.
  • the detector elements 5 of the second detector element arrangement 4 can be less sensitive to light than the detector elements 3 of the first detector element arrangement 2.
  • the detector elements 5 of the second detector element arrangement 4 have a smaller area than the detector elements 3 of the first detector element arrangement 2. This is a relatively simple way to ensure that the detector elements 5 of the second detector element arrangement 4 are less sensitive than the detector elements 3 of the first detector element arrangement 2 As an alternative or in addition, it is also possible to manufacture the detector elements 5 of the second detector element arrangement 2 with a different thickness and / or from a different detector material that is less responsive at the wavelength used by the optical sensor 1.
  • the first detector element arrangement 2 is able to measure with a very high sensitivity. This makes it possible to measure low light intensities, which typically occur with LiDAR sensors for weakly reflective objects and / or for those that are far away from the optical sensor (> 50m). The residual light that is not absorbed by the first detector element arrangement 2 then hits the second detector element arrangement 4. In this way, the optical sensor 1 can measure objects that are far from the optical sensor 1 as well as close or highly reflective objects such as retroreflectors . The overall detector therefore has a higher dynamic range and functional range than conventional sensors, in particular those with SPAD detector elements.
  • the optical sensor 1 as described in this invention can be manufactured by 3-D stacking and bonding of wafers. In the future, however, production on a single wafer could also be possible, as is the case today for tandem solar cells.
  • the optical sensor can be used in various LiDAR architectures, including rotating scanners (such as Velodyne sensors), rotating mirror scanners (such as Ibeo Lux), micromirror scanners, and solid state LiDAR (see for example US 2018252 59624).
  • rotating scanners such as Velodyne sensors
  • rotating mirror scanners such as Ibeo Lux
  • micromirror scanners such as micromirror scanners
  • solid state LiDAR see for example US 2018252 59624.

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Abstract

Es wird ein optischer Sensor (1) beschrieben, umfassend mindestens zwei Detektorelementanordnungen (2, 4), die jeweils mindestens zwei Detektorelemente (3, 5) umfassen. Bekannte optische (LiDAR-)Sensoren mit hochempfindlichen Detektorelementen, insbesondere mit SPAD-Dioden, weisen einen geringen dynamischen Funktionsbereich auf. Erfindungsgemäß wird ein optischer Sensor (1) der oben genannten Art bereitgestellt, bei dem eine erste der Detektorelementanordnungen (2) in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts vor einer zweiten Detektorelementanordnung (4) angeordnet ist. Die erste Detektorelementanordnung (2) ist teilweise lichtdurchlässig, sodass die erste Detektorelementanordnung (2) eine höhere Lichtintensität des zu absorbierenden Lichts erreicht als die zweite Detektorelementanordnung (4). Jedes Detektorelement (3) der ersten Detektorelementanordnung (2) ist mit je einem eigenen Ausleseschaltkreis (6) verbunden, und jedes Detektorelement (5) der zweiten Detektorelementanordnung (4) ist mit je einem eigenen Ausleseschaltkreis (7) verbunden. Jedes Detektorelement (3, 5) kann dann wie ein Pixel ausgelesen werden. Die Ausleseschaltkreise (6, 7) der beiden Detektorelementanordnungen (2, 4) sind jeweils in einer gemeinsamen Matrixanordnung mit den Detektorelementen (3, 5) der jeweiligen Detektorelementanordnungen (2, 4) angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise jeweils so angeordnet, dass sie in Einstrahlrichtung nicht direkt vor einem darunterliegenden Detektorelement angeordnet sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Detektorelemente (5) der zweiten Detektorelementanordnung (4) eine kleinere Fläche auf als die Detektorelemente (3) der ersten Detektorelementanordnung (2). Das ist ein relativ einfacher Weg, um sicherzustellen, dass die Detektorelemente (5) der zweiten Detektorelementanordnung (4) weniger empfindlich sind als die Detektorelemente (3) der ersten Detektorelementanordnung (2).

Description

Beschreibung
Titel
Optischer Sensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor, umfassend mindestens zwei Detektorelementanordnungen, die jeweils mindestens zwei Detektorelemente umfassen.
Stand der Technik
Hoch- und vollautomatische Fahrzeuge (Level 3 - 5) werden in den nächsten Jahren auf öffentlichen Straßen immer häufiger eingesetzt werden. Alle bekannten Konzepte von automatisierten Fahrzeugen erfordern eine Kombination verschiedener Wahrnehmungssensoren, wie Kameras, Radar und □DAR (Light Detection and Ranging). Letztere sind Laserscanner, die einen kurzen Puls Laserlicht aussenden und das von einem Objekt reflektierte Licht erfassen. LiDAR-Sensoren berechnen dann den Abstand des Objekts aus der gemessenen Laufzeit. Für die Detektoren sind verschiedene Technologien bekannt, darunter Lawinen-Photodioden (APD, Avalance Photodiode) und Einzelphotonen-Lawinendetektoren (SPAD, Single Photon Avalance Diode). SPAD-Detektoren weisen eine sehr hohe Empfindlichkeit auf und ermöglichen es dem LiDAR-Sensor, bis zu sehr großen Reichweiten (~ 200 m) zu messen. Ihre binäre Erfassungscharakteristik (Photon detektiert oder nicht detektiert) bedeutet jedoch einen niedrigen Dynamikbereich für den Detektor. Darüber hinaus können solche LiDAR-Scanner Probleme haben, Objekte in der Nähe des Sensors genau zu erkennen. Insbesondere das stark reflektierte Signallicht eines nahen Objekts kann ein permanentes Signal im SPAD-Detektor auslösen und führt zu einem Laufzeitfehler und damit zu einem Abstandsfehler in der LiDAR-Messung. Der gleiche Fehler kann bei stark reflektierenden Objekten wie Retroreflektoren wie Katzenaugen auf der Straße auftreten. Es ist daher notwendig, Wege zu finden, SPAD-Detektoren mit einem erhöhten dynamischen Funktionsbereich zu bauen.
WO 2018091 640 A2 offenbart einen Detektor zum Bestimmen einer Position mindestens eines Objekts umfassend mindestens zwei optische Sensoren, wobei jeder optische Sensor mindestens einen lichtempfindlichen Bereich aufweist. Jeder optische Sensor ist dazu ausgelegt, mindestens ein Sensorsignal als Reaktion auf eine Beleuchtung seines jeweiligen lichtempfindlichen Bereichs durch den Lichtstrahl zu erzeugen, wobei mindestens eine Auswertevorrichtung zum Bestimmen mindestens einer Längskoordinate des Objekts aus den Sensorsignalen konfiguriert ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein optischer Sensor der eingangs genannten Art bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der Detektorelementanordnungen in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts vor einer zweiten Detektorelementanordnung angeordnet ist, wobei die erste Detektorelementanordnung teilweise lichtdurchlässig ist, sodass die erste Detektorelementanordnung eine höhere Lichtintensität des zu absorbierenden Lichts erreicht als die zweite Detektorelementanordnung.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße optische Sensor hat den Vorteil, dass selbst bei einer fast binären Ansprecheigenschaft der einzelnen Detektorelemente (zum Beispiel, wenn die Detektorelemente APD oder SPAD sind) ein intensives Lichtsignal nicht automatisch zu einem dauerhaften Ansprechen der Detektorelemente beider Detektorelementanordnungen führt. So können beispielsweise bei einem nahen oder stark reflektierenden Objekt ein oder mehrere Detektorelemente der ersten Detektorelementanordnung dauerhaft ein Signal ausgeben und damit kein time-of-flight-Signal mehr liefern, während die in Einstrahlrichtung des reflektierten Lichts „dahinter“ angeordneten Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung nur teilweise ein Signal ausgeben und somit weiterhin ein time-of-flight-Signal und eine Entfernungsbestimmung erlauben. Die Detektorelementanordnungen können jeweils in einer Ebene angeordnet sein, die in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts übereinandergestapelt sind. Es ist auch möglich, das drei, vier, fünf oder mehr Detektorelementanordnungen übereinandergestapelt sind, wobei die weiter „unten“ liegenden Detektorelementanordnungen jeweils weniger reflektiertes Licht erhalten als die direkt darüber liegende Detektorelementanordnung. Jede Detektorelementanordnung absorbiert einen Teil des einfallenden Lichtes und lässt einen Teil des Lichtes durch zur der/den weiter „unten“ liegenden Detektorelementanordnung/en. Weiter „unten“ bedeutet hier stets in Einfallrichtung des zu detektierenden Lichts weiter entfernt vom Licht reflektierenden Objekt beziehungsweise einem Lichteinfallfenster des optischen Sensors.
Jede Detektorelementanordnung kann eine Vielzahl von Detektorelementen umfassen, also zum Beispiel zwei, drei, vier, fünf oder mehr Detektorelemente, insbesondere 32, 42, 52 usw. im Falle einer quadratischen Matrixanordnung. Die Anzahl und/oder die Größe der Detektorelemente in den Detektorelementanordnungen kann sich unterscheiden.
Die Detektorelemente und/oder die Detektorelementanordnungen können komplett oder teilweise transparent sein. Transparent bedeutet dabei zum Beispiel, dass die Detektorelemente Licht einer vom LiDAR verwendeten Wellenlänge (zum Beispiel im Infrarotbereich) nur teilweise, also beispielsweise zwischen 50 % - 95 % absorbieren, sodass noch ein wesentlicher Teil des Lichts die darunterliegende Detektorelementanordnung erreichen kann. Durch eine Anpassung der relativen Größen der Detektorelemente, ihrer Dicken und der Detektormaterialien in den Detektorelementanordnungen können ebenfalls die relativen Lichtmengen, die die einzelnen Detektorelemente erreichen, eingestellt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Detektorelement eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD), vorzugsweise sind alle Detektorelemente der ersten und zweiten Detektorelementanordnungen (und gegebenenfalls weiterer Detektorelementanordnungen) Einzelphotonen-Lawinendioden. Für SPAD ist die erfindungsgemäße Anordnung der Detektorelemente besonders vorteilhaft, da ein größerer Bereich von Lichtstärken, Objektentfernungen, Objektreflektivitäten zuverlässig erfasst werden kann. Die erste Detektorelementanordnung ist dann beispielsweise bei größeren Objektentfernungen beziehungsweise geringerem Reflektionsvermögen des zu detektierenden Objekts zuverlässiger, während die zweite (oder sogar eine eventuelle dritte oder vierte etc.) Detektorelementanordnung bei geringeren Objektentfernungen beziehungsweise hohem Reflektionsvermögen des zu detektierenden Objekts zuverlässiger arbeiten. Insgesamt weist der optische Sensor dann eine deutlich höhere Zuverlässigkeit in einem breiteren Parameterbereich (insbesondere bei hohen und niedrigen Lichtintensitäten) auf.
In einerweiteren Ausführungsform sind die Detektorelemente mindestens einer der Detektorelementanordnungen in einer ebenen Matrixanordnung angeordnet. Die Detektorelemente sind vorzugsweise in der Matrix in äquidistanten Spalten und Reihen angeordnet. Jede Matrixanordnung kann aus einem Wafer hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes Detektorelement mit einem eigenen Ausleseschaltkreis verbunden. Jedes Detektorelement kann dann wie ein Pixel ausgelesen werden.
In einerweiteren Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise von mindestens einer Detektorelementanordnung in einer gemeinsamen Matrixanordnung mit den Detektorelementen der Detektorelementanordnung angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt eine größere Variabilität in der Anzahl der verwendeten Detektorelementanordnung. Sie hat jedoch den Nachteil, dass jede der Detektorelementanordnungen Detektorfläche an die Ausleseschaltkreise verliert.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise von mindestens einer Detektorelementanordnung in der Matrixanordnung einer anderen, angrenzenden Detektorelementanordnung angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt es, insbesondere in der ersten Detektorelementanordnung die nutzbare Detektorfläche zu maximieren. In einerweiteren Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise von mindestens zwei Detektorelementanordnungen in einer separaten Ausleseschaltkreis- Matrixanordnung angrenzend zu einer der beiden Detektorelementanordnungen angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt es, insbesondere in der ersten Detektorelementanordnung die nutzbare Detektorfläche zu maximieren und gleichzeitig eine größere Variabilität in der Anzahl der verwendeten Detektorelementanordnungen zu erreichen. Beispielsweise kann dann in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts zuerst die erste Detektorelementanordnung, dann die zweite Detektorelementanordnung und dann eine Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung angeordnet (übereinandergestapelt) sein. Die Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung kann auch die Ausleseschaltkreise von drei, vier, fünf oder mehr Detektorelementanordnungen umfassen.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise jeweils so angeordnet, dass sie in Einstrahlrichtung nicht direkt vor einem darunterliegenden Detektorelement angeordnet sind. Da die Ausleseschaltkreise tendenziell weniger transparent sind als die Detektorelemente, vermeidet man dadurch eine deutlich ungleichmäßige Transmission des Lichts insbesondere durch die erste Detektorelementanordnung. Die Ausleseschaltkreise können aber auch grundsätzlich in die unterste Detektorebene verlagert werden (zum Beispiel die zweite Detektorelementanordnung oder eine separate Ausleseschaltkreis- Matrixanordnung zum Beispiel in der dritten Ebene), sodass dieses Problem komplett umgangen werden kann.
In einerweiteren Ausführungsform sind die Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung weniger lichtempfindlich als die Detektorelemente der ersten Detektorelementanordnung. Diese Ausführungsform ist dann besonders vorteilhaft, wenn die erste Detektorelementanordnung einen relativ hohen Transmissionsgrad aufweist, zum Beispiel aufgrund der Materialwahl und/oder einer geringen Dicke bei gewünschter kompakter Bauweise, und daher beispielsweise immer noch mehr als 50 % der ursprünglichen Lichtintensität der zweiten Detektorelementanordnung erreicht.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung eine kleinere Fläche auf als die Detektorelemente der ersten Detektorelementanordnung. Das ist ein relativ einfacher Weg, um sicherzustellen, dass die Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung weniger empfindlich sind als die Detektorelemente der ersten Detektorelementanordnung (insbesondere bei empfindlichen Detektorelementen wie SPAD). Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Detektorelemente der zweiten Detektorelementanordnung aus einem anderen Detektormaterial herzustellen, dass bei der vom Sensor verwendeten Wellenlänge weniger stark anspricht.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Detail eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,
Figuren 2 und 3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors,
Figuren 4 und 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors, und
Figuren 6 und 7 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 wird ein Detail eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt. Der optische Sensor 1 umfasst eine erste Detektorelementanordnung 2, die mindestens zwei Detektorelemente 3 umfasst, sowie eine zweite Detektorelementanordnung 4, die mindestens zwei Detektorelemente 5 umfasst. Die erste Detektorelementanordnung 2 ist in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts vor der zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet. Die erste Detektorelementanordnung 2 ist teilweise lichtdurchlässig (insbesondere im vom optischen Sensor verwendeten Wellenlängenbereich, zum Beispiel Nahinfrarot), sodass die erste Detektorelementanordnung 2 eine höhere Lichtintensität des zu absorbierenden Lichts erreicht als die zweite Detektorelementanordnung 4. In Figur 1 ist dies dadurch angedeutet, dass nur etwa 50 % der ursprünglichen Lichtintensität die zweite
Detektorelementanordnung 4 erreicht. Es ist aber auch möglich, dass ein deutlich geringerer Anteil der Lichtintensität, zum Beispiel 5 - 50 %, bevorzugt 5 - 20 % die zweite Detektorelementanordnung 4 erreicht.
Dadurch, dass die von den Detektorelementen 5 abgedeckte Fläche hier ebenfalls geringer ist als die von den Detektorelementen 3 abgedeckte Fläche, kann ebenfalls der Lichtintensitätsbereich eingestellt werden, in dem die zweite Detektorelementanordnung 4 zuverlässig arbeitet.
Es können auch weitere Detektorelementanordnungen (eine dritte, vierte, fünfte etc.) unterhalb der zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet sein, damit über einen möglichst breiten Bereich der Lichtintensität immer zumindest eine Detektorelementanordnung ein optimales Detektionsverhalten aufweist (die Detektorelemente 3, 5 also weder dauerangesprochen werden, noch gar kein Signal ausgeben).
Figuren 2 und 3 zeigen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Figur 2 zeigt eine Explosionsdarstellung, während Figur 3 eine Schnittdarstellung des optischen Sensors 1 darstellt. Die Detektorelemente 3, 5 sind jeweils in den Detektorelementanordnungen 2, 4 in ebenen Matrixanordnungen angeordnet. Die Detektorelemente 2, 4 sind in den Matrizen in äquidistanten Spalten und Reihen angeordnet. Jede Matrixanordnung kann dabei aus einem Wafer hergestellt werden.
Die Anzahl der dargestellten Detektorelemente 3, 5 von je 16 Stück ist nur beispielhaft und kann sich je nach Anwendung unterscheiden. Die Detektorelementanordnungen 2, 4 können auch unterschiedliche Anzahlen an Detektorelemente 3, 5 umfassen.
Jedes Detektorelement 3 der ersten Detektorelementanordnung 2 ist mit je einem eigenen Ausleseschaltkreis 6 verbunden und jedes Detektorelement 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 ist mit je einem eigenen Ausleseschaltkreis 7 verbunden. Jedes Detektorelement 3, 5 kann dann wie ein Pixel ausgelesen werden.
In dieser Ausführungsform sind die Ausleseschaltkreise 6, 7 der beiden Detektorelementanordnungen 2, 4 jeweils in einer gemeinsamen Matrixanordnung mit den Detektorelementen 3, 5 der jeweiligen Detektorelementanordnungen 2, 4 angeordnet.
Figuren 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Figur 4 zeigt eine Explosionsdarstellung, während Figur 5 eine Schnittdarstellung des optischen Sensors 1 darstellt.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Ausleseschaltkreise 6 der Detektorelemente 3 der ersten Detektorelementanordnung 2 in der Matrixanordnung der angrenzenden zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet sind. Die Ausleseschaltkreise 7 der Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 sind ebenfalls in der Matrixanordnung der zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt es, in der ersten Detektorelementanordnung 2 die nutzbare Detektorfläche zu maximieren.
Figuren 6 und 7 zeigen eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Figur 6 zeigt eine Explosionsdarstellung, während Figur 7 eine Schnittdarstellung des optischen Sensors 1 darstellt.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsformen dadurch, dass die Ausleseschaltkreise 6, 7 der ersten Detektorelementanordnung 2 und der zweiten Detektorelementanordnung 4 in einer separaten Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung 8 angrenzend zu der zweiten Detektorelementanordnung 4 angeordnet sind. Diese Ausführungsform erlaubt es, insbesondere in der ersten Detektorelementanordnung die nutzbare Detektorfläche zu maximieren und gleichzeitig eine größere Variabilität in der Anzahl der verwendeten Detektorelementanordnungen zu erreichen. In Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts ist also zuerst die erste Detektorelementanordnung 2, dann die zweite Detektorelementanordnung 4 und dann die Ausleseschaltkreis-Matrixanordnung 8 angeordnet. Die Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 können in allen drei Ausführungsformen der Figuren 2 bis 7 weniger lichtempfindlich als die Detektorelemente 3 der ersten Detektorelementanordnung 2 sein. Die Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 weisen eine kleinere Fläche auf als die Detektorelemente 3 der ersten Detektorelementanordnung 2. Das ist ein relativ einfacher Weg, um sicherzustellen, dass die Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 4 weniger empfindlich sind als die Detektorelemente 3 der ersten Detektorelementanordnung 2. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Detektorelemente 5 der zweiten Detektorelementanordnung 2 mit einer anderen Dicke und/oder aus einem anderen Detektormaterial herzustellen, das bei der vom optischen Sensor 1 verwendeten Wellenlänge weniger stark anspricht.
Es ist auch möglich bei drei, vier, fünf oder mehr gestapelten Detektorelementanordnungen die jeweilige Größe der Detektorelemente Schritt für Schritt entlang der Einfallrichtung des zu detektierenden Lichts zu verringern und so die Lichtempfindlichkeit der Detektorelemente von Detektorelementanordnung zu Detektorelementanordnung immer weiter zu reduzieren.
Die erste Detektorelementanordnung 2 ist in allen drei dargestellten Ausführungsformen in der Lage, mit einer sehr hohen Empfindlichkeit zu messen. Dies ermöglicht es, niedrige Lichtintensitäten zu messen, die typischer Weise bei LiDAR-Sensoren für schwach reflektierende Objekte auftreten und/oder für solche, die weit vom optischen Sensor entfernt sind (> 50m). Das Restlicht, das von der ersten Detektorelementanordnung 2 nicht absorbiert wird, trifft dann auf die zweite Detektorelementanordnung 4. Auf diese Weise kann der optische Sensor 1 sowohl Objekte messen, die sich fern vom optischen Sensor 1 befinden, als auch nahe beziehungsweise hochreflektierende Objekte wie Retroreflektoren. Der Gesamtdetektor hat daher eine höhere Dynamik und funktionale Reichweite als herkömmliche Sensoren, insbesondere solche mit SPAD-Detektorelementen. Der optische Sensor 1, wie in dieser Erfindung beschrieben, kann durch 3D- Stapelung und Bonding von Wafern hergestellt werden. Zukünftig könnte aber auch eine Fertigung auf einem einzelnen Wafer möglich sein, wie es heute für Tandemsolarzellen der Fall ist.
Der optische Sensor kann in verschiedenen LiDAR-Architekturen eingesetzt werden, einschließlich rotierender Scanner (wie Velodyne-Sensoren), Drehspiegelscanner (wie Ibeo Lux), Mikrospiegelscanner und Solid State LiDAR (siehe zum Beispiel US 2018252 59624).

Claims

Ansprüche
1. Optischer Sensor (1), umfassend mindestens zwei Detektorelementanordnungen (2, 4), die jeweils mindestens zwei Detektorelemente (3, 5) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der Detektorelementanordnungen (2) in Einstrahlrichtung des zu absorbierenden Lichts vor einer zweiten Detektorelementanordnung (4) angeordnet ist, wobei die erste Detektorelementanordnung (2) teilweise lichtdurchlässig ist, sodass die erste Detektorelementanordnung (2) eine höhere Lichtintensität des zu absorbierenden Lichts erreicht als die zweite Detektorelementanordnung (4).
2. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 1 , wobei mindestens ein Detektorelement eine Einzelphotonen-Lawinendiode ist, vorzugsweise wobei alle Detektorelemente (3, 5) der ersten und zweiten Detektorelementanordnungen (2, 4) Einzelphotonen-Lawinendioden sind.
3. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektorelemente (3, 5) mindestens einer der Detektorelementanordnungen (2, 4) in einer ebenen Matrixanordnung angeordnet sind.
4. Optischer Sensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedes Detektorelement (3, 5) mit einem eigenen Ausleseschaltkreis (6, 7) verbunden ist.
5. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 4, wobei die Ausleseschaltkreise (6, 7) von mindestens einer Detektorelementanordnung (2, 4) in einer gemeinsamen Matrixanordnung mit den Detektorelementen (3, 5) der Detektorelementanordnung (2, 4) angeordnet sind.
6. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Ausleseschaltkreise (6, 7) von mindestens einer Detektorelementanordnung (2, 4) in der Matrixanordnung einer anderen, angrenzenden Detektorelementanordnung (2, 4) angeordnet sind.
7. Optischer Sensor (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Ausleseschaltkreise (6, 7) von mindestens zwei
Detektorelementanordnungen (2, 4) in einer separaten Ausleseschaltkreis- Matrixanordnung (8) angrenzend zu einer der beiden Detektorelementanordnungen (2, 4) angeordnet sind.
8. Optischer Sensor (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Ausleseschaltkreise (6, 7) jeweils so angeordnet sind, dass sie in Einstrahlrichtung nicht direkt vor einem darunterliegenden Detektorelement (3, 5) angeordnet sind.
9. Optischer Sensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Detektorelemente (5) der zweiten Detektorelementanordnung (4) weniger lichtempfindlich sind als die Detektorelemente (3) der ersten Detektorelementanordnung (2).
10. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 9, wobei die Detektorelemente (5) der zweiten Detektorelementanordnung (4) eine kleinere Fläche aufweisen als die Detektorelemente (3) der ersten Detektorelementanordnung (2).
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