WO2022053300A1 - Optisches messsystem und verfahren zum messen einer entfernung oder einer geschwindigkeit eines objekts - Google Patents

Optisches messsystem und verfahren zum messen einer entfernung oder einer geschwindigkeit eines objekts Download PDF

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Definitions

  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • FMCW LIDAR systems frequency modulated continuous wave- modulated continuous wave LIDAR systems
  • laser light sources with correspondingly high power are required.
  • An optical measuring system comprises a large number of devices for emitting electromagnetic radiation, which are set up to emit a signal simultaneously, and a modulation device for changing a frequency of the electromagnetic radiation emitted in each case.
  • the optical measuring system also includes a large number of detectors that are suitable for detecting a superimposed signal, which includes the emitted electromagnetic radiation and electromagnetic radiation reflected by an object, and a measuring device, the measuring device being suitable to be sequentially connected to each one of the plurality of detectors.
  • the modulation device is suitable for increasing the frequency of the respectively emitted electromagnetic radiation during a first period of time t1, the measuring device being connected to each individual one of the plurality of detectors during the first period of time.
  • the modulation device can also be suitable for reducing the frequency of the respectively emitted electromagnetic radiation during a second time period t2, with the measuring device being connected to each one of the plurality of detectors during the second time period.
  • a measuring time during which the measuring device is connected to one of the plurality of detectors is the same for at least two of the detectors.
  • a measuring time during which the measuring device is connected to one of the plurality of detectors can be selected as a function of a distance of the respective detector from the object.
  • a device for emitting electromagnetic radiation and a detector are each integrated in a semiconductor layer stack.
  • the device for emitting electromagnetic radiation and the detector are stacked vertically one above the other in the semiconductor layer stack.
  • the multiplicity of detectors can be arranged over a substrate, and the measuring device is integrated into the substrate.
  • a field of view of the devices for emitting electromagnetic radiation can be determined by a dimension of an aperture stop of the device for emitting electromagnetic radiation.
  • a method for measuring a distance or a speed of an object includes changing an emission frequency of a plurality of devices for emitting electromagnetic radiation and simultaneously emitting electromagnetic radiation through the plurality of devices, as a result of which the electromagnetic radiation is incident on the object.
  • the method further comprises the detection of a respective mixed signal, which comprises electromagnetic radiation reflected from the object and electromagnetic radiation emitted by one of the plurality of devices for emitting electromagnetic radiation, by a plurality of detectors, with one of each of the detectors Detection signal is obtained.
  • the method also includes the acquisition of the detection signal by a measuring device, the measuring device being connected to each individual one of the plurality of detectors in succession.
  • the frequency of the respectively emitted electromagnetic radiation is increased, with the measuring device being connected to each one of the plurality of detectors during the first time period.
  • the frequency of the respectively emitted electromagnetic radiation can be reduced, with the measuring device being connected to each individual one of the plurality of detectors during the second period of time.
  • a measuring time during which the measuring device is connected to one of the plurality of detectors is the same for at least two of the detectors.
  • a measuring time during which the measuring device is connected to one of the plurality of detectors is selected as a function of a distance of the respective detector from the object.
  • Fig. 1A is a view of an optical measurement system according to embodiments.
  • Fig. 1B illustrates a measurement arrangement for use in the optical measurement system according to embodiments.
  • Fig. IC illustrates the field of view of an electromagnetic radiation emitting device.
  • Fig. 2A shows a time profile of the frequency.
  • Fig. 2B illustrates the chronological sequence of the measurement method described.
  • 3A shows a schematic cross-sectional view of a component of the optical measurement system.
  • FIG. 3B illustrates details of the component shown in FIG. 3A according to embodiments.
  • wafer or “semiconductor substrate” used in the following description may include any semiconductor-based structure that has a semiconductor surface. Wafer and structure are to be understood as that they include doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers optionally supported by a base substrate, and other semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material may be grown on a growth substrate of a second semiconductor material, such as a GaAs substrate, a GaN substrate, or a Si substrate, or of an insulating material, such as a sapphire substrate.
  • a second semiconductor material such as a GaAs substrate, a GaN substrate, or a Si substrate, or of an insulating material, such as a sapphire substrate.
  • the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride semiconductor compounds through which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, AlGaInBN, phosphide semiconductor compounds through which For example, green or longer-wave light can be generated, such as GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, Al InGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • Other examples of semiconductor materials may include silicon, silicon-germanium, and germanium.
  • the term "semiconductor" also includes organic semiconductor materials
  • substrate generally includes insulating, conductive, or semiconductor substrates.
  • vertical as used in this specification is intended to describe an orientation that is essentially Chen perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction can correspond to a growth direction when layers are grown, for example.
  • lateral and horizontal as used in this specification are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be the surface of a wafer or a chip (die), for example.
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
  • electrically connected means a low-impedance electrical connection between the connected elements.
  • the electrically connected elements do not necessarily have to be directly connected to one another. Further elements can be arranged between electrically connected elements.
  • electrically connected also includes tunnel contacts between the connected elements.
  • Fig. 1A shows a schematic view of an optical measurement system 20 according to embodiments.
  • the one in Fig. 1A comprises a large number of devices 103 for emitting electromagnetic radiation 16 .
  • the large number of devices for emitting electromagnetic radiation are suitable for simultaneously emitting a signal. According to further embodiments, only part of the configuration shown in FIG. 1A simultaneously emit a signal.
  • the optical measuring system 20 also has a modulation device 140 .
  • the modulation device 140 is suitable for changing a frequency of the electromagnetic radiation respectively emitted by the devices 103 .
  • the optical measuring system 20 also has a large number of detectors 105 .
  • the detectors 105 are suitable for detecting a superimposed signal which includes the emitted electromagnetic radiation 16 and electromagnetic radiation 17 reflected on an object 15 . The manner in which the radiations are superimposed is explained below with reference to FIG. 1B will be explained in more detail.
  • the optical measuring system also includes a measuring device 141 .
  • the measuring device 141 is suitable for being connected to each one of the plurality of detectors 105 in succession.
  • a switch 143 can be provided, which connects the measuring device 141 to the individual detectors 105 in succession. Because the measuring device 141 can be connected to each individual one of the plurality of detectors 105 one after the other, the number of measuring devices 141 can be saved. As a result, the optical measuring system can be implemented in a space-saving, compact and cost-effective manner.
  • Fig. 1B schematically illustrates a measurement principle of the optical measurement system according to embodiments.
  • the measuring principle corresponds to that of an FMCW LIDAR system.
  • a laser beam 16 is emitted from an electromagnetic radiation emitting device 103 , reflected by an object 15 and enters the detector 105 as a reflected beam 17 .
  • the reflected beam 17 is superimposed with a reference beam 16'.
  • the beam 16' may be split from the emitted beam 16, for example by partial reflection.
  • the beam 17 is, for example, coherent with the beam 16' and can be superimposed on it with the correct phase.
  • the reference beam 16' represents a LO (local oscillator) frequency ff.
  • the frequency of the reflected beam 17 is delayed due to the difference in transit time which results from the reflection on the object and corresponds to the frequency f a .
  • the difference between f a and f L o is a measure of the movement and distance of the object 15. For example, the distance and speed of an object can be determined from this difference. This means that the optical measuring system can be used to determine the difference between f a and f L o .
  • the reflected beam 17 is coherently superimposed on the reference beam 16' and detected by the detector 105.
  • the difference frequency of the reflected beam 17 and the reference beam 16' is determined.
  • the detector 105 is one possible implementation of a mixer.
  • the mixed signal can be represented as follows:
  • the signal detected by the detector 105 is thus a periodic signal which corresponds in frequency to the difference between f a and f L o .
  • the signal detected by the detector 105 is recorded by a measuring device 141, for example an analog/digital converter.
  • the generated digital signal is then fed to an evaluation device 142 .
  • the frequency of the signal and thus the difference between f a and f L o are determined.
  • the optical measuring system also includes a modulation device 140 .
  • the modulation device 140 can contain a current source 149 , for example.
  • the modulation device 140 can be suitable for modulating the current intensity respectively impressed into the devices for emitting electromagnetic radiation, for example in the range of a few pA. This will be explained in more detail below with reference to FIGS. 3A and 3B.
  • Fig. IC illustrates the field of view 150 of an electromagnetic radiation emitter 103 .
  • the field of view 150 is essentially determined by the dimensions of the aperture stop 115 of the device 103 .
  • the term "is essentially determined by the dimension of the aperture stop 115" can mean that additional lenses or other optical devices for beam expansion can be provided.
  • a lens or other optical device for beam expansion expands the laser beam without a time delay, for example among generated partial beams.
  • Fig. 2A shows the time profile of the frequency in the upper part.
  • the solid line shows the frequency of the beam 16 emitted from the device 103
  • the dotted line shows the frequency of the beam 17 reflected from the object 15.
  • FIG. The difference between the two frequencies is a measure of the distance and the speed of the object to be detected.
  • the frequency of the emitted beam 16 is continuously increased by the modulation device 140 until a value f max is reached.
  • the emission frequency is then continuously reduced until a frequency f min is reached.
  • the frequency of the reflected beam 17 follows the frequency of the emitted beam 16 in a corresponding manner with a certain time offset. In general, a period of time in which the frequency increases and then decreases back to the initial value f min is ⁇ T .
  • FIG. 2A shows the time course of the difference frequency between the emitted beam 16 and the reflected beam 17 .
  • this difference is smaller than in a second range in which the frequency decreases again. Because measurements are carried out both in the first and in the second area, both the speed and the distance of the reflecting object 15 can be determined.
  • the frequency of the respectively emitted electromagnetic radiation 16 is increased within a first period of time ti.
  • the frequency of the respectively emitted electromagnetic radiation is reduced again.
  • the measuring device 141 is successively number of detectors 105 is connected. Furthermore, during the period of time t2, the measuring device 141 is connected to each one of the plurality of detectors 105 in succession.
  • the complexity of the measuring device can be significantly reduced in this way.
  • the first and the second time period is selected such that it corresponds to a measuring time of the respective detector.
  • the first and second time periods are selected in such a way that they each correspond to the measurement time summed up over the picture elements. More specifically, the first period of time corresponds to the measurement time for a plurality of pixels. Furthermore, the second period of time can correspond to the measurement time for a large number of pixels.
  • the speed at which the frequency is changed can be adapted to the number of pixels or detectors 105 to be read out.
  • the measurement time can be 1 ps in each case.
  • the time it takes for the electromagnetic radiation to travel to and from the object can be about 2 ps at a distance of 200 m.
  • a measurement time of about 3 ps would result for the detector of a first picture element of an arrangement.
  • the measurement time increases by 1 gs . This means that in a first period of time of 30 gs, a total of 28 detectors can be read out one after the other with a measuring device 141 . In this way, the object can be detected very quickly.
  • the measurement time for the conventional FMCW LIDAR system with a scanning device for each individual pixel would be approx. 3 gs, whereby this measuring time includes the actual measuring time as well as the time that the laser beam needs to move to the object and back again.
  • the measuring device or analog-to-digital converter 141 can be connected to each of the plurality of detectors 105 in succession.
  • a readout process can be carried out with only one or a reduced number of analog-to-digital converters.
  • a measuring frequency can be increased to a multiple of the usual measuring frequency.
  • the maximum frequency can also correspond to the usual maximum frequency.
  • the measurement duration for the individual detectors can vary.
  • the measurement duration can be dynamically adjusted to the distance of the object. For example, a longer measuring time can be selected for a closer object. In this way, a better resolution can be achieved depending on the distance.
  • the individual detectors 105 may be arranged in any positional relationship to the electromagnetic radiation emitting devices 103 .
  • the detector 105 and the device 103 for emitting electromagnetic radiation can be arranged on a common substrate 100 .
  • the detector 105 and the device 103 for emitting electromagnetic radiation can be arranged vertically one above the other. This is for example in FIG. 3A illustrates.
  • detector 105 and device 103 for emitting electromagnetic beams can be formed in a common semiconductor layer stack 109 .
  • the device 103 for emitting electromagnetic radiation can be implemented as a surface-emitting laser diode, for example as a VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser). This is illustrated, for example, in FIG. 3B.
  • VCSEL vertical cavity surface-emitting laser
  • Fig. 3B shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component, in which the device 103 for emitting electromagnetic radiation consists of a Plural number of surface emitting laser diode elements 122 is built on.
  • a large number of individual surface-emitting laser diode elements 122 are arranged between a first resonator mirror 110 and a second resonator mirror 120 .
  • the individual surface-emitting laser diode elements 122 are connected to one another via tunnel junctions 127 .
  • the semiconductor layer stack 109 thus has a large number of active zones 125 which are connected to one another, for example via tunnel junctions 127 .
  • the semiconductor layer stack 109 can have more than three, for example about six or more than six, surface-emitting laser diode elements 122 .
  • the surface-emitting laser diode elements 122 can furthermore have suitable semiconductor layers of the first and second conductivity type, each of which is adjacent to the active zone 125 and connected to it.
  • the tunnel junctions 127 can each have sequences of p ++ -doped layers and n ++ -doped layers, via which the individual surface-emitting laser diode elements 122 can be connected to one another.
  • the p ++ and n ++ doped layers are reverse connected to the associated surface emitting laser diode elements 122 .
  • the layer thicknesses of the individual semiconductor layers of the surface-emitting laser diode elements 122 are dimensioned in such a way that the tunnel junctions 127 are arranged, for example, at nodes of the standing wave that forms. In this way, the emission wavelength of the device 103 for emitting electromagnetic radiation can be stabilized.
  • Higher power densities can be achieved by stacking a plurality of laser elements 122 on top of one another and furthermore smaller line widths of the emitted laser beam can be achieved.
  • the sequence of very highly doped layers of the first and second conductivity type and, optionally, intermediate layers represent a tunnel diode. Using these tunnel diodes, the respective surface emitting laser diode elements 122 can be connected in series.
  • Fig. 3B shows a device 103 for emitting electromagnetic radiation, in which a plurality of surface-emitting laser diode elements 122 are stacked one on top of the other.
  • the device 103 for emitting electromagnetic radiation can also contain only a single surface-emitting laser diode element 122 .
  • the laser diode elements 122 contain, for example, aperture diaphragms 115 for conducting current in the respective laser diode element.
  • the field of view 150 of the device 103 for emitting electromagnetic radiation is essentially determined by the dimensions of the aperture stop 115 of the device 103 .
  • Fig. 3B also shows a modulation device 140 for modulating the frequency of the respectively emitted electromagnetic radiation.
  • the modulation device can have a current source 149 .
  • a current intensity impressed in each case into the device 103 designed as a surface-emitting laser diode for the emission of electromagnetic radiation can be modulated by the modulation device 140 .
  • Due to the modulation of the applied current there is a modulation of the charge carrier density, which leads to a change in the refractive index in the optical resonator.
  • the wavelength is shifted.
  • a temperature increase which also leads to a change in the emission wavelength. Accordingly, the emission wavelength can be modulated in the MHz to GHz range.
  • both the detector 105 and the device 103 for emitting electromagnetic radiation can be implemented in any other way.
  • a method for measuring a distance or a speed of an object includes changing (S100) an emission frequency of a plurality of devices for emitting electromagnetic radiation and the simultaneous emission (S105) of electromagnetic radiation by the plurality of devices, whereby the electromagnetic radiation onto the object (17) shines.
  • the method further includes detecting (S110) a respective mixed signal, which comprises electromagnetic radiation reflected from the object and electromagnetic radiation emitted by one of the plurality of devices for emitting electromagnetic radiation, by a plurality of detectors, with a detection signal from each of the detectors is obtained.
  • the method further includes acquiring (S120) the detection signal by a measuring device, wherein the measuring device is sequentially connected to each one of the plurality of detectors.

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Abstract

Ein optisches Messsystem (20) weist eine Vielzahl von Vorrichtungen (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung auf, die eingerichtet sind, gleichzeitig ein Signal zu emittieren. Das optische Messsystem (20) weist ferner eine Modulationseinrichtung (140) zur Veränderung einer Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) und eine Vielzahl von Detektoren (105) auf, die geeignet sind, ein Überlagerungssignal, welches die emittierte elektromagnetische Strahlung (16) sowie an einem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) umfasst, nachzuweisen, sowie eine Messeinrichtung (141), wobei die Messeinrichtung (141) geeignet ist, nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden zu werden.

Description

OPTISCHES MESSSYSTEM UND VERFAHREN ZUM MESSEN EINER ENTFERNUNG ODER EINER GESCHWINDIGKEIT EINES OBJEKTS
LIDAR- ( "Light Detection and Ranging" - ) Systeme , insbesondere FMCW- LIDAR-Systeme ( „frequency modulated continous wave"- modulierte Dauerstrich-LIDAR-Systeme ) werden in zunehmendem Maße in Fahrzeugen, beispielsweise zum autonomen Fahren, eingesetzt . Beispielsweise werden sie eingesetzt , um Abstände zu messen oder Gegenstände zu erkennen . Um Obj ekte in größerer Entfernung zuverlässig erkennen zu können, sind Laser- Lichtquellen mit entsprechend hoher Leistung erforderlich .
Generell wird versucht , bestehende LIDAR-Systeme zu verbessern .
Insbesondere werden Anstrengungen unternommen, ein kostengünstiges und platzsparendes Auslesekonzept für derartige LIDAR- Systeme bereit zu stellen .
Gemäß Aus führungs formen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert .
Ein optisches Messsystem umfasst eine Viel zahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung, die eingerichtet sind, gleichzeitig ein Signal zu emittieren, und eine Modulationseinrichtung zur Veränderung einer Frequenz der j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung . Das optische Messsystem umfasst ferner eine Viel zahl von Detektoren, die geeignet sind, ein Uberlagerungssignal , welches die emittierte elektromagnetische Strahlung sowie an einem Obj ekt reflektierte elektromagnetische Strahlung umfasst , nachzuweisen, und eine Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung geeignet ist , nacheinander mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren verbunden zu werden .
Beispielsweise ist die Modulationseinrichtung geeignet , während einer ersten Zeitspanne tl die Frequenz der j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung zu erhöhen, wobei die Messeinrichtung während der ersten Zeitspanne mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren verbunden wird .
Die Modulationseinrichtung kann weiterhin geeignet sein, während einer zweiten Zeitspanne t2 die Frequenz der j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung zu verringern, wobei die Messeinrichtung während der zweiten Zeitspanne mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren verbunden wird .
Beispielsweise ist eine Mess zeit , während der die Messeinrichtung mit einem der Viel zahl von Detektoren verbunden ist , für mindestens zwei der Detektoren gleich .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann eine Mess zeit , während der die Messeinrichtung mit einem der Viel zahl von Detektoren verbunden ist , in Abhängigkeit von einer Entfernung des j eweiligen Detektors zum Obj ekt auswählbar sein .
Gemäß Aus führungs formen sind j eweils eine Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung und ein Detektor in einen Halbleiterschichtstapel integriert . Beispielsweise sind die Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung und der Detektor vertikal übereinandergestapelt in dem Halbleiterschichtstapel angeordnet .
Beispielsweise kann die Viel zahl von Detektoren über einem Substrat angeordnet sein, und die Messeinrichtung ist in das Substrat integriert . Gemäß Aus führungs formen kann ein Gesichts feld der Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung durch eine Abmessung einer Aperturblende der Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung bestimmt sein .
Ein Verfahren zum Messen einer Entfernung oder einer Geschwindigkeit eines Obj ekts umfasst das Verändern einer Emissionsfrequenz einer Viel zahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung und gleichzeitiges Emittieren von elektromagnetischer Strahlung durch die Viel zahl von Vorrichtungen, wodurch die elektromagnetische Strahlung auf das Obj ekt einstrahlt . Das Verfahren umfasst weiterhin das Nachweisen j eweils eines Mischsignals , das von dem Obj ekt reflektierte elektromagnetische Strahlung sowie die von einer der Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung emittierte elektromagnetische Strahlung umfasst , durch eine Viel zahl von Detektoren, wobei von j edem der Detektoren ein Nachweissignal erhalten wird . Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen des Nachweissignals durch eine Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung nacheinander mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren verbunden wird .
Beispielsweise wird während einer ersten Zeitspanne tl die Frequenz der j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung erhöht , wobei die Messeinrichtung während der ersten Zeitspanne mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren verbunden wird .
Weiterhin kann während einer zweiten Zeitspanne t2 die Frequenz der j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung verringert werden, wobei die Messeinrichtung während der zweiten Zeitspanne mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren verbunden wird . Gemäß Aus führungs formen ist eine Mess zeit , während der die Messeinrichtung mit einem der Viel zahl von Detektoren verbunden ist , für mindestens zwei der Detektoren gleich .
Gemäß Aus führungs formen wird eine Mess zeit , während der die Messeinrichtung mit einem der Viel zahl von Detektoren verbunden ist , in Abhängigkeit von einer Entfernung des j eweiligen Detektors zum Obj ekt ausgewählt .
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung . Die Zeichnungen veranschaulichen Aus führungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung . Weitere Aus führungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung . Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt . Gleiche Bezugs zeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen .
Fig . 1A ist eine Ansicht eines optischen Messsystems gemäß Aus führungs formen .
Fig . 1B veranschaulicht eine Messanordnung zur Anwendung in dem optischen Messsystem gemäß Aus führungs formen .
Fig . IC veranschaulicht das Sichtfeld einer Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung .
Fig . 2A zeigt einen zeitlichen Verlauf der Frequenz .
Fig . 2B veranschaulicht die zeitliche Reihenfolge des beschriebenen Messverfahrens . Fig. 3A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Komponente des optischen Messsystems.
Fig. 3B veranschaulicht Einzelheiten der in Fig. 3A gezeigten Komponente gemäß Aus führungs formen .
Fig. 4 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen.
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorderseite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat", die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage , und weitere Halbleiterstrukturen einschließen . Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial , beispielsweise einem GaAs-Substrat , einem GaN- Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material , beispielsweise auf einem Saphirsubstrat , gewachsen sein .
Je nach Verwendungs zweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren . Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes , blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AIN, AlGaN, AlGalnN, Al- GalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs , AlGaAs , InGaAs , Al InGaAs , SiC, ZnSe , ZnO, Ga2Ü3, Diamant , hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien . Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren . Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Sili zium, Sili zium- Germanium und Germanium umfassen . Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begri f f „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein .
Der Begri f f „Substrat" umfasst generell isolierende , leitende oder Halbleitersubstrate .
Der Begri f f "vertikal" , wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentli- chen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden" eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden" umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
Soweit hier die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt. Fig . 1A zeigt eine schematische Ansicht eines optischen Messsystems 20 gemäß Aus führungs formen . Das in Fig . 1A dargestellte optische Messsystem umfasst eine Viel zahl von Vorrichtungen 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung 16 . Die Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung ist geeignet , gleichzeitig ein Signal zu emittieren . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann auch nur ein Teil der in Fig . 1A dargestellten Vorrichtungen 103 gleichzeitig ein Signal emittieren . Das optische Messsystem 20 weist ferner eine Modulationseinrichtung 140 auf . Die Modulationseinrichtung 140 ist geeignet , eine Frequenz der von den Vorrichtungen 103 j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung zu verändern . Das optische Messsystem 20 weist darüber hinaus eine Viel zahl von Detektoren 105 auf . Die Detektoren 105 sind geeignet , ein Überlagerungssignal , welches die emittierten elektromagnetische Strahlung 16 sowie an einem Obj ekt 15 reflektierte elektromagnetische Strahlung 17 umfasst , nachzuweisen . Die Art und Weise der Überlagerung der Strahlungen wird nachfolgend in Bezug auf Fig . 1B näher erläutert werden .
Das optische Messsystem umfasst ferner eine Messeinrichtung 141 . Die Messeinrichtung 141 ist geeignet , nacheinander mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren 105 verbunden zu werden . Beispielsweise kann ein Schalter 143 vorgesehen sein, der die Messeinrichtung 141 nacheinander mit den einzelnen Detektoren 105 verbindet . Dadurch, dass die Messeinrichtung 141 nacheinander mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren 105 verbindbar ist , kann die Anzahl an Messeinrichtungen 141 eingespart werden . Als Ergebnis kann das optische Messsystem platzsparend, kompakt und kostengünstig realisiert werden .
Fig . 1B veranschaulicht schematisch ein Messprinzip des optischen Messsystems gemäß Aus führungs formen . Das Messprinzip entspricht dem eines FMCW-LIDAR-Systems . Ein Laserstrahl 16 wird von einer Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung 103 emittiert, durch ein Objekt 15 reflektiert und tritt als reflektierter Strahl 17 in den Detektor 105 ein. Der reflektierte Strahl 17 wird mit einem Referenzstrahl 16' überlagert. Der Strahl 16' kann beispielsweise von dem emittierten Strahl 16 abgeteilt werden, beispielsweise durch teilweise Reflexion. Der Strahl 17 ist beispielsweise kohärent zum Strahl 16' und kann mit diesem phasengenau überlagert werden. Der Referenzstrahl 16' stellt eine LO- (lokaler Oszillator- ) Frequenzff dar. Die Frequenz des reflektierten Strahls 17 ist aufgrund des Laufzeitunterschieds, der sich durch die Reflexion an dem Objekt ergibt, verzögert und entspricht der Frequenz f a . Die Differenz zwischen fa und fLo ist ein Maß für die Bewegung und Entfernung des Objekts 15. Beispielsweise kann aus dieser Differenz dir Entfernung und Geschwindigkeit eines Objekts ermittelt werden. Das heißt, durch das optische Messsystem ist die Differenz zwischen fa und fLo zu ermitteln.
Der reflektierte Strahl 17 wird mit dem Referenzstrahl 16' kohärent überlagert und durch den Detektor 105 nachgewiesen. Die Differenzfrequenz des reflektierten Strahls 17 und des Referenzstrahls 16' wird ermittelt. Der Detektor 105 ist eine mögliche Implementierung eines Mischers. Das Mischsignal kann wie folgt dargestellt werden:
Figure imgf000011_0001
Das von dem Detektor 105 detektierte Signal ist somit ein periodisches Signal, das Frequenz der Differenz aus fa und fLo entspricht. Das von dem Detektor 105 detektierte Signal wird durch eine Messeinrichtung 141, beispielsweise einen Analog- Digital-Wandler , erfasst. Das erzeugte digitale Signal wird sodann einer Auswerteeinrichtung 142 zugeführt . Die Frequenz des Signals und damit die Di f ferenz aus fa und fLo werden ermittelt .
Wie in Fig . 1B weiterhin dargestellt ist , umfasst das optische Messsystem weiterhin eine Modulationseinrichtung 140 . Die Modulationseinrichtung 140 kann beispielsweise eine Stromquelle 149 enthalten . Die Modulationseinrichtung 140 kann geeignet sein, die j eweils in die Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung eingeprägte Stromstärke zu modulieren, beispielsweise im Bereich von einigen pA. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 3A und 3B näher erläutert werden .
Fig . IC veranschaulicht das Sichtfeld 150 einer Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung . Das Gesichtsfeld 150 wird gemäß Aus führungs formen im Wesentlichen durch die Abmessung der Aperturblende 115 der Vorrichtung 103 bestimmt . Genauer gesagt , gibt es gemäß Aus führungs formen keine Scaneinheit , die einen Winkelbereich abtastet , wodurch letztendlich eine Fläche eines zu bestrahlenden Obj ekts 15 bestrahlt wird . Der Begri f f „wird im Wesentlichen durch die Abmessung der Aperturblende 115 bestimmt" kann gemäß Aus führungs formen bedeuten, dass zusätzliche Linsen oder andere optische Vorrichtungen zur Strahlaufweitung vorgesehen sein können . Anders als bei einer Scaneinheit weitet eine Linse oder eine andere optische Vorrichtung zur Strahlaufweitung den Laserstrahl ohne zeitliche Verzögerung beispielsweise unter erzeugten Teilstrahlen auf . Gemäß Aus führungs formen umfasst die in Fig . 1A gezeigte Viel zahl von Vorrichtungen 103 eine derart hohe Anzahl an Vorrichtungen 103 , die mit entsprechendem Abstand angeordnet sind, so dass es möglich ist , die Fläche des Obj ekts gleichmäßig zu bestrahlen . Fig . 2A zeigt im oberen Teil den zeitlichen Verlauf der Frequenz . Hier zeigt die durchgezogene Linie die Frequenz des von der Vorrichtung 103 emittierten Strahls 16 , und die gepunktete Linie zeigt die Frequenz des von dem Obj ekt 15 reflektierten Strahls 17 . Die Di f ferenz zwischen den beiden Frequenzen ist ein Maß für die Entfernung und die Geschwindigkeit des nachzuweisenden Obj ekts . Wie im oberen Teil der Fig . 2A weiterhin dargestellt ist , wird die Frequenz des emittierten Strahls 16 durch die Modulationseinrichtung 140 kontinuierlich erhöht , bis ein Wert fmax erreicht ist . Sodann wird die Emissions frequenz kontinuierlich verringert , bis eine Frequenz fmin erreicht ist . In entsprechender Weise mit einem gewissen zeitlichen Versatz folgt die Frequenz des reflektierten Strahls 17 der Frequenz des emittierten Strahls 16 . Generell beträgt eine Zeitdauer, in der sich die Frequenz erhöht und wieder auf den Ausgangswert fmin erniedrigt , ÄT .
Im unteren Teil der Fig . 2A ist der zeitliche Verlauf der Di fferenz frequenz zwischen dem emittierten Strahl 16 und dem reflektierten Strahl 17 dargestellt . Wie zu sehen ist , ist , solange die Frequenz bis zu einem Wert fmax zunimmt , diese Di f ferenz kleiner als in einem zweiten Bereich, in dem die Frequenz wieder abnimmt . Dadurch, dass Messungen sowohl im ersten als auch im zweiten Bereich durchgeführt werden, können sowohl Geschwindigkeit als auch Entfernung des reflektierenden Obj ekts 15 ermittelt werden .
Wie in Fig . 2B veranschaulicht ist , wird innerhalb einer ersten Zeitspanne ti die Frequenz der j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung 16 erhöht . Während einer zweiten Zeitspanne t2 wird die Frequenz der j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung wieder verringert . Gemäß Aus führungs formen ist nun vorgesehen, dass während der ersten Zeitspanne ti die Messeinrichtung 141 nacheinander mit j edem einzelnen der Viel- zahl von Detektoren 105 verbunden wird. Weiterhin wird während der Zeitspanne t2 die Messeinrichtung 141 nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren 105 verbunden.
Gegenüber einer Anordnung, bei der man für jedes Bildelement, d.h. für jeden Detektor 105 eine eigene Messvorrichtung bzw. einen Analog-Digital-Wandler vorsieht, kann auf diese Weise die Komplexität der Messeinrichtung deutlich verringert werden .
Bei einem herkömmlichen FMCW-LIDAR-System mit einer Abtastvorrichtung, bei der der ausgestrahlte Laserstrahl durch beispielsweise eine Scaneinheit das Objekt "abtastet", wird die erste und die zweite Zeitspanne derart ausgewählt, dass sie einer Messzeit des jeweiligen Detektors entspricht.
Gemäß den hier beschriebenen Aus führungs formen hingegen wird die erste und die zweite Zeitspanne derart ausgewählt, dass sie jeweils der über die Bildelemente auf summierten Messzeit entspricht. Genauer gesagt, entspricht die erste Zeitspanne der Messzeit für eine Vielzahl von Pixeln. Weiterhin kann die zweite Zeitspanne der Messzeit für eine Vielzahl von Pixeln entsprechen .
Beispielsweise kann die Geschwindigkeit, mit der die Frequenz verändert wird, an die Anzahl der auszulesenden Bildelemente bzw. Detektoren 105 angepasst werden. Beispielsweise kann die Messzeit jeweils 1 ps betragen. Weiterhin kann, in Abhängigkeit von der Entfernung von dem Objekt die Zeitdauer, die die elektromagnetische Strahlung benötigt, um sich bis zum Objekt und wieder zurück zu bewegen, bei einer Entfernung von 200 m etwa 2 ps betragen. In diesem Fall würde sich für den Detektor eines ersten Bildelements einer Anordnung eine Messzeit von etwa 3 ps ergeben. Weiterhin würde für jede weiteren Detektor 105 sich die Mess zeit um 1 gs erhöhen . Das heißt , bei einer ersten Zeitspanne von 30 gs können mit einer Messeinrichtung 141 insgesamt 28 Detektoren nacheinander ausgelesen werden . Auf diese Weise ist eine sehr schnelle Erfassung des Obj ekts möglich .
Im Vergleich dazu würde die Mess zeit bei dem herkömmlichen FMCW-LIDAR-System mit einer Abtastvorrichtung für j edes einzelne Bildelement ca . 3 gs betragen, wobei diese Mess zeit die eigentliche Mess zeit sowie die Zeit beinhaltet , die der Laserstrahl benötigt , um sich zum Obj ekt und wieder zurück zu bewegen .
Gegenüber einem System, bei dem das Signal für j edes Bildelement zeitgleich auf gezeichnet und über einen ADC ( „Analog- Digital-Wandler" ) ausgelesen wird, und beispielsweise anschließend eine Fourier-Trans formation durchgeführt wird, sind bei einem 100 MHz FM-Signal Abtastraten von beispielsweise mehr als 500 MHz pro Pixel erforderlich . Dies kann beispielsweise unter Verwendung von einer Viel zahl von ADC-Wandlern erreicht werden .
Wie beschrieben worden ist , ist die Messeinrichtung oder der Analog-Digital-Wandler 141 mit j edem einzelnen der Viel zahl von Detektoren 105 nacheiander verbindbar . Entsprechend kann bei Verwendung des beschriebenen optischen Messsystems ein Auslesevorgang mit nur einem oder einer verringerten Anzahl an Analog-Digital-Wandlern durchgeführt werden .
Da bei Aus führungs formen, wie vorstehend beschrieben worden ist , die Mess zeit für ein Bildelement deutlich verkürzt werden kann, kann eine Mess frequenz auf ein Mehrfaches der üblichen Mess frequenz erhöht werden . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die maximale Frequenz aber auch der üblichen Maximal frequenz entsprechen .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die Messdauer für die einzelnen Detektoren variieren . Beispielsweise kann die Messdauer dynamisch an die Entfernung des Obj ekts angepasst werden . Beispielsweise kann für ein dichter gelegenes Obj ekt eine längere Mess zeit ausgewählt werden . Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der Entfernung eine bessere Auflösung erreicht werden .
Wie in Fig . 1A dargestellt ist , können die einzelnen Detektoren 105 in beliebiger Positionsbeziehung zu den Vorrichtungen 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung angeordnet sein . Beispielsweise können der Detektor 105 und die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung auf einem gemeinsamen Substrat 100 angeordnet sein . Beispielsweise können der Detektor 105 und die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung vertikal übereinander angeordnet sein . Dies ist beispielsweise in Fig . 3A veranschaulicht .
Gemäß Aus führungs formen können Detektor 105 und Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahl in einem gemeinsamen Halbleiterschichtstapel 109 ausgebildet sein . Gemäß Ausführungs formen kann die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung als oberflächenemittierende Laserdiode realisiert sein, beispielsweise als VCSEL ( „vertical cavity surface emitting laser" ) . Dies ist beispielsweise in Fig . 3B veranschaulicht .
Fig . 3B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements , bei dem die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung aus einer Viel zahl von oberflächenemittierenden Laserdiodenelementen 122 auf gebaut ist .
Zwischen einem ersten Resonatorspiegel 110 und einem zweiten Resonatorspiegel 120 ist eine Viel zahl von einzelnen oberflächenemittierenden Laserdiodenelementen 122 angeordnet . Die einzelnen oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 sind über Tunnelübergänge 127 miteinander verbunden .
Der Halbleiterschichtstapel 109 weist somit eine Viel zahl aktiver Zonen 125 auf , die beispielsweise über Tunnelübergänge 127 miteinander verbunden sind . Auf diese Weise kann der Halbleiterschichtstapel 109 mehr als drei , beispielsweise etwa sechs oder mehr als sechs oberflächenemittierende Laserdiodenelemente 122 aufweisen . Die oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 können weiterhin geeignete Halbleiterschichten vom ersten und zweiten Leit f ähigkeitstyp aufweisen, die j eweils an die aktive Zone 125 angrenzen und mit dieser verbunden sind .
Die Tunnelübergänge 127 können j eweils Abfolgen von p++- dotierten Schichten sowie n++-dotierten Schichten aufweisen, über die j eweils die einzelnen oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 miteinander verbunden werden können . Die p++- und n++-dotierten Schichten sind in Sperrrichtung mit den zugehörigen oberflächenemittierenden Laserdiodenelementen 122 verbunden . Gemäß Aus führungs formen sind die Schichtdicken der einzelnen Halbleiterschichten der oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 derart bemessen, dass die Tunnelübergänge 127 beispielsweise an Knoten der sich ausbildenden stehenden Welle angeordnet sind . Auf diese Weise kann die Emissionswellenlänge der Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung stabilisiert werden . Durch Stapelung mehrerer Laserelemente 122 übereinander können höhere Leistungsdichten und weiterhin geringere Linienbreiten des emittierten Laserstrahls erreicht werden . Die Abfolge von sehr hoch dotierten Schichten des ersten und zweiten Leit f ähigkeitstyps sowie optional von Zwischenschichten stellen eine Tunneldiode dar . Unter Verwendung dieser Tunneldioden können die j eweiligen oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 in Reihe geschaltet werden .
Fig . 3B zeigt eine Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung, bei der mehrere oberflächenemittierenden Laserdiodenelemente 122 übereinander gestapelt sind . Gemäß Aus führungs formen kann die Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung auch nur ein einzelnes oberflächenemittierendes Laserdiodenelement 122 enthalten . Die Laserdiodenelemente 122 enthalten beispielsweise Aperturblenden 115 Apertur zur Stromführung in dem j eweiligen Laserdiodenelement . Wie unter Bezugnahme auf Fig . IC erläutert worden ist , wird gemäß Aus führungs formen das Gesichts feld 150 der Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung im Wesentlichen durch die Abmessung der Aperturblende 115 der Vorrichtung 103 bestimmt .
Fig . 3B zeigt weiterhin eine Modulationseinrichtung 140 zur Modulation der Frequenz der j eweils emittierten elektromagnetischen Strahlung . Beispielsweise kann die Modulationseinrichtung eine Stromquelle 149 aufweisen . Eine j eweils in die als oberflächenemittierende Laserdiode ausgeführte Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung eingeprägte Stromstärke kann durch die Modulationseinrichtung 140 moduliert werden . Aufgrund der Modulation der eingeprägten Stromstärke ergibt sich eine Modulation der Ladungsträgerdichte , was zu einer Veränderung des Brechungsindex im optischen Resonator führt . Als Folge wird die Wellenlänge verschoben . Weiterhin wird durch eine erhöhte Ladungsträgerdichte eine Temperaturer- höhung verursacht, welche ebenfalls zu einer Veränderung der Emissionswellenlänge führt. Entsprechend kann die Emissionswellenlänge im MHz- bis GHz-Bereich moduliert werden.
Selbstverständlich können sowohl Detektor 105 als auch Vorrichtung 103 zur Emission elektromagnetischer Strahlung in beliebig anderer Weise realisiert werden.
Fig. 4 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen. Ein Verfahren zum Messen einer Entfernung oder einer Geschwindigkeit eines Objekts umfasst das Verändern (S100) einer Emissionsfrequenz einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung und das gleichzeitiges Emittieren (S105) von elektromagnetischer Strahlung durch die Vielzahl von Vorrichtungen, wodurch die elektromagnetische Strahlung auf das Objekt (17) einstrahlt. Das Verfahren umfasst weiterhin das Nachweisen (S110) jeweils eines Mischsignals, das von dem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung sowie die von einer der Vielzahl von Vorrichtungen zur Emission elektromagnetischer Strahlung emittierte elektromagnetische Strahlung umfasst, durch eine Vielzahl von Detektoren, wobei von jedem der Detektoren ein Nachweissignal erhalten wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen (S120) des Nachweissignals durch eine Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren verbunden wird.
Obwohl hierin spezifische Aus führungs formen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Aus führungs formen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Aus führungs formen abdecken . Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt .
BEZUGSZEICHENLISTE
10 optoelektronische Halbleitervorrichtung
15 Obj ekt
16 emittierter Strahl
16 ' Referenzstrahl
17 reflektierter Strahl
20 optisches Messsystem
100 Substrat
103 Vorrichtung zur Emission elektromagnetischer Strahlung
105 Detektor
109 Halbleiterschichtstapel
110 erster Resonatorspiegel
111 zweite Halbleiterschicht
112 erste Halbleiterschicht
113 I solationsschicht
114 erste Kontaktschicht
115 Aperturblende
116 zweite Kontaktschicht
117 erstes Detektorkontaktelement
118 zweites Detektorkontaktelement
120 zweiter Resonatorspiegel
122 oberflächenemittierendes Laserdiodenelement
125 aktive Zone
127 Tunnelübergang
130 erstes Kontaktelement
135 zweites Kontaktelement
140 Modulationseinrichtung
141 Messeinrichtung
142 Auswerteinrichtung
143 Schalter
149 Stromquelle
150 Sichtfeld
S 100 Verändern einer Emissions frequenz S105 gleichzeitiges Emittieren von elektromagnetischer
Strahlung
S110 Nachweisen jeweils eines Mischsignals
S120 Erfassen des Nachweissignals

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optisches Messsystem (20) mit einer Vielzahl von Vorrichtungen (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung, die eingerichtet sind, gleichzeitig ein Signal zu emittieren; einer Modulationseinrichtung (140) zur Veränderung einer Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) ; einer Vielzahl von Detektoren (105) , die geeignet sind, ein Überlagerungssignal, welches die emittierte elektromagnetische Strahlung (16) sowie an einem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) umfasst, nachzuweisen, und einer Messeinrichtung (141) , wobei die Messeinrichtung (141) geeignet ist, nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden zu werden.
2. Optisches Messsystem (20) nach Anspruch 1, bei dem die Modulationseinrichtung (140) geeignet ist, während einer ersten Zeitspanne tl die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) zu erhöhen, wobei die Messeinrichtung (141) während der ersten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (015) verbunden wird.
3. Optisches Messsystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Modulationseinrichtung (140) geeignet ist, während einer zweiten Zeitspanne t2 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) zu verringern, wobei die Messeinrichtung (141) während der zweiten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden wird .
4. Optisches Messsystem (20) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem eine Messzeit, während der die Messeinrichtung (141) mit einem der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden ist, für mindestens zwei der Detektoren (105) gleich ist.
5. Optisches Messsystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Messzeit, während der die Messeinrichtung
(141) mit einem der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden ist, in Abhängigkeit von einer Entfernung des jeweiligen Detektors (105) zum Objekt auswählbar ist.
6. Optisches Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeweils eine Vorrichtung (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung und ein Detektor (105) in einen Halbleiterschichtstapel (109) integriert sind.
7. Optisches Messsystem (20) nach Anspruch 6, bei dem die Vorrichtung (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung und der Detektor (105) vertikal übereinandergestapelt in dem Halbleiterschichtstapel (109) angeordnet sind.
8. Optisches Messsystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vielzahl von Detektoren (105) über einem Substrat (100) angeordnet ist und die Messeinrichtung (141) in das Substrat (100) integriert ist.
9. Optisches Messsystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gesichtsfeld (150) der Vorrichtungen
(103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung durch eine Abmessung einer Aperturblende (115) der Vorrichtung (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung bestimmt wird.
10. Verfahren zum Messen einer Entfernung oder einer Geschwindigkeit eines Objekts (15) mit Verändern (S100) einer Emissionsfrequenz einer Vielzahl von Vorrichtungen (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung; gleichzeitiges Emittieren von elektromagnetischer Strahlung durch die Vielzahl von Vorrichtungen (103) , wodurch die elektromagnetische Strahlung auf das Objekt (17) einstrahlt;
Nachweisen (S110) jeweils eines Mischsignals, das von dem Objekt (15) reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) sowie die von einer der Vielzahl von Vorrichtungen (103) zur Emission elektromagnetischer Strahlung emittierte elektromagnetische Strahlung (16) umfasst, durch eine Vielzahl von Detektoren (105) , wobei von jedem der Detektoren (105) ein Nachweissignal erhalten wird;
Erfassen (S120) des Nachweissignals durch eine Messeinrichtung (141) , wobei die Messeinrichtung (141) nacheinander mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem während einer ersten Zeitspanne tl die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) erhöht wird, wobei die Messeinrichtung (141) während der ersten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem während einer zweiten Zeitspanne t2 die Frequenz der jeweils emittierten elektromagnetischen Strahlung (16) verringert wird, wobei die Messeinrichtung (141) während der zweiten Zeitspanne mit jedem einzelnen der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem eine Messzeit, während der die Messeinrichtung (141) mit einem der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden ist, für mindestens zwei der Detektoren (105) gleich ist. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem eine Messzeit, während der die Messeinrichtung (141) mit einem der Vielzahl von Detektoren (105) verbunden ist, in Abhängigkeit von einer Entfernung des jeweiligen Detektors (105) zum Objekt (15) ausgewählt wird.
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