CN111656221B - Lidar接收单元 - Google Patents

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Abstract

焦平面阵列配置的LIDAR接收单元(12)，其包括：布置在宏单元(44)中的多个传感器元件(26)、多个读取元件(28)；其中，至少两个传感元件(26)被分配给宏单元(44)，每个传感器元件(26)可以被单独地激活或停用，或者传感元件(26)的组中的每个传感器元件(26)都被激活和停用。另外，描述了LIDAR接收单元的两个另外的实施例。

Description

LIDAR接收单元
技术领域
本发明涉及一种LIDAR接收单元。
背景技术
WO 2017081294中已知了一种LIDAR(Light Detection and Ranging，激光探测及测距)测量***。该LIDAR测量***包括发射单元、发射透镜、接收透镜和接收单元。发射单元的一个或多个发射元件发射激光，该激光通过发射透镜在不同的空间方向上散射。然后，激光在对象上反射并通过接收透镜而导向到接收单元。入射的反射激光被传感元件检测到。该***的优点在于：该***可以被以紧凑的方式构造并且是静态的，换句话说，发射元件或者传感元件不需要可移动的调节元件。
发射透镜定义了发射单元在其中发射激光的发射空间。该发射透镜也基本上与接收透镜是相同的。发射元件和传感元件以相同的空间配置方式布置在各个单元的平面上。一个传感元件被分配给一个发射元件，使得所得的一对经由各个透镜观察到相同的立体角。发射元件和传感元件的分布可以是例如行和列的形式。在最佳的情况下，由发射元件发射并在对象上反射的激光精确地撞击相应的传感元件。然而，例如由于所使用的透镜的成像误差，激光可能会被偏转，从而仅照射传感元件的部分表面。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种能够改善入射激光的检测的接收单元。
该目的通过根据本发明的一个方面的LIDAR接收单元来实现。其它优选实施例代表了本发明的有利的设计变型。
提出了一种用于LIDAR测量***的LIDAR接收单元。具有LIDAR接收单元的LIDAR测量***也实现了上述目的。特别地，LIDAR被设计为是静态的，即不可移动地布置在机动车辆上。LIDAR接收单元的基本特征是根据现有技术来设计的。LIDAR接收单元包括布置在宏单元中的多个传感元件。因此，不再像现有技术那样将一个发射元件分配给一个传感元件，而是将一个发射元件分配给一个宏单元，即分配给多个传感元件。因此，不能任意地定义接收单元上的宏单元，而是将其基本上分配给所定义的立体角。
LIDAR接收单元有利地以焦平面阵列配置来实现。接收单元的传感元件基本上布置在同一平面上，有利地布置在芯片上。接收单元也布置在位于接收透镜的焦点处LIDAR测量***上。特别地，LIDAR接收单元的传感元件布置在接收透镜的焦点处。
例如，传感元件可以由单光子雪崩二极管(在下文中也称为SPAD)形成。这种SPAD是一种雪崩二极管，其在单个光子到达时触发雪崩效应，从而能够使该光子被检测到。可以通过施加偏置电压来激活这样的SPAD。电压的相应降低导致SPAD被停用(即失活)。作为可替代的传感元件，例如可以使用硅光电倍增管，其也被称为SiPM。
宏单元内的布置意味着将传感元件组合成一个更大的复合单元。该复合单元或宏单元可以用硬件或软件来实现，其中前者优选地是以固定电路的形式。例如，该电路可以在布置有传感元件的芯片上实现。
另外，LIDAR接收单元具有多个读取元件。读取元件有利地被设计为时间数字转换器(TDC)。该读取元件检测传感元件或SPAD的触发，并将该检测结果传递给存储元件。存储元件优选地表示为直方图，其存储作为时间的函数的传感元件的触发。时间从发射元件发射激光开始，并且到测量周期完成时结束。这允许确定激光的飞行时间，并因此确定到对象的距离。关于本发明可以忽略读取元件和存储元件的具体技术设计。最终，重要的是，传感元件检测到在直方图内存储为数字值的光子，关键因素是自LIDAR测量***的相关发射元件发射激光以来经过的时间。
对于LIDAR测量***，使用TCSPC方法(时间对应单光子计数)是特别有利的。为了检测对象并确定对象的距离，执行包括多个这样的测量循环的测量过程。每个测量周期都填充直方图，在最后一次测量之后对直方图进行评估，以确定对象及其距离。
至少两个传感元件被分配给宏单元。宏单元的传感元件的数量大于两个是有利的，尤其是每个宏单元在两个和四十个传感元件之间。
传感元件可以是单独地或成组地被激活和停用。例如，这可以通过将SPAD硬件互连来完成，该SPAD可以单独地或成组地连接到控制电子设备。优选第一变型，根据该第一变型可以分别激活宏单元的每个传感元件。逐组激活有利地限于宏单元的传感元件的子集或总数，然后可以同时激活和停用它们。宏单元可以具有一个、两个、三个、四个或更多个传感元件的子集。
激活或停用单个传感元件或传感元件组的功能允许补偿干扰性因素。这些可能是上述的LIDAR测量装置的光学***的成像误差。因此，照明不佳或无法照明的传感元件被停用。相应地，激活照明良好或完全照明的传感元件。这同样适用于传感元件组。如有必要，必须在初始操作时或以一定的时间段内进行配置，在该配置中，可以通过选择最佳传感元件来补偿相关的静态误差源。
特别地，宏单元的传感元件的测量值用于评估相同的立体角。最终，这与将单个或多个评估元素分配给宏单元无关，只要在评估中将测量数据与相同的立体角一起使用即可。例如，不同的读取元件可以连接到相同的存储元件，该存储元件尤其表示为直方图。
另一个优点是降低了信噪比(或称SNR)。特别地，通过停用未被激光照射的传感元件来减少由于入射的环境辐射引起的背景噪声。
关于相关的传输单元的架构，这是特别有利的。这包括多个发射元件，它们在其芯片上相距较远。根据现有技术的相关联的接收单元具有在相同空间布置中的传感元件，其中每个传感元件具有在空间上相同布置的发射元件作为配对物。在现有技术中，在传感元件之间保留有空间，在该空间处不能检测到入射激光。在大多数情况下，例如设计为垂直腔表面发射激光器VCSEL的发射元件的直径大于传感元件(例如SPAD)的直径。因此，激光直径可以大于SPAD的面积。因此，有意义的是在接收单元上形成大量的SPAD，以便同时照射几个相邻的SPAD。因此，每个发射元件有利地在接收单元上形成多个传感元件，其根据前述以及随后的陈述相互作用以形成宏单元。
特别地，这在关于相关的发送单元的架构方面是有利的。这包括多个发射元件，它们在其芯片上相距相对较远。根据现有技术的相关联的接收单元具有在相同空间布置中的传感元件，其中，每个传感元件具有在空间上相同布置的发射元件作为其配对物。在现有技术中，在传感元件之间留有空间，在该空间处不能检测到入射激光。通常，被设计为垂直腔面发射激光器VCSEL的发射元件例如具有比传感元件(例如SPAD)更大的直径。因此，激光直径可以大于SPAD的表面积。因此，在接收单元上实现多个SPAD是可行的，这使得几个相邻的SPAD被同时照射。因此，每个发射元件的大量的传感元件有利地被形成在接收单元上，根据先前以及随后的实施例，这些传感元件相互作用以形成宏单元。
以下，将更详细地解释本发明的有利的变型。
提出了将传感元件仅连接到一个读取元件。另一方面，读取元件可以连接到一个以上的传感元件，特别是还连接到相同宏单元和/或不同宏单元的一个以上的传感元件。
因此，由传感元件检测到的入射光子在直方图中仅存储一次。另外，读取元件可以由多个传感元件操作，这提供了具有成本效益和空间优化的架构。读取元件只能读取一个活动的传感元件，因此连接到同一读取元件的停用的传感元件不会影响测量。最后，连接到同一读取单元的所有传感元件都被同时读取，但是只有一个活动的传感元件可以检测到光子。
有利地，第一宏单元的传感元件连接到至少一个第一读取元件，并且第二宏单元的传感元件连接到第二读取元件。
这样就能够相对于入射激光脉冲分别评估各个立体角。通过激活被照射的传感元件和停用未被照射的传感元件也可以实现上述优点。除了补偿成像误差之外，还可以应用提供其他有利效果的其他方法。但是，这些未在本说明书中描述。
宏单元的每个传感元件都可以连接到同一读取元件。然而，宏单元的每个传感元件也可以连接到单独的读取元件。或者，宏单元的两个或更多个传感元素子集可以分别连接到同一读取元件。因此，每个子集连接到不同的读取元件。在第一种情况下，宏单元被分配了一个读取元件，在第二种和第三种情况下，宏单元被分配了多个读取元件。然而，这三个设计变型不排除以下可能性：来自其他宏单元(例如第三宏单元)的其他传感元件可以连接到已经连接至第一宏单元的至少一个传感元件的读取元件。本节中提到的三个变型中的每一个都与以下段落中的陈述(或称描述)兼容。
当宏单元的至少一个传感元件被激活时，宏单元是活动的。LIDAR测量***通常会扫描它的环境，因此并非接收单元的所有宏单元都同时是活动的。相反，宏单元，特别是宏单元组，被一个接一个地激活和停用。在一个简单的例子中，在发射元件和传感元件为的矩形阵列图案，通过逐一扫描(即激活和停用)发射元件和传感元件来进行水平扫描。这也被称为扫描方法。特别地，这能够实现改善的方向分辨率，因为只有那些应该被照射的立体角的传感元件或宏单元才是活动的。
发射元件在测量周期的开始发射激光，并且相关的传感元件在测量周期的持续时间内处于活动状态。因此，读取元件可以读取与其连接的不同宏单元的传感元件。优选地，该读取元件仅连接至宏单元的传感元件，该宏单元在扫描过程中不同时处于活动状态。例如，在这个简单的例子中，位于同一行的传感元件可以连接到该行的同一读取元件。最后，扫描过程的顺序已经部分地由传感元件和读取元件的架构决定，或者在设计接收单元的架构时必须考虑扫描的类型。
活动的宏单元的传感元件和同时活动的其他宏单元的传感元件连接到不同的读取元件，或者不连接到相同的读取元件。换句话说，第一活动的宏单元的传感元件连接到至少一个第一读取元件，而同时激活的第二测量单元的传感元件连接到至少一个第二读取元件，以此类推以用于其他活动的测量单元。在这种情况下，相同时间意味着在同一测量周期内。可以将活动的宏单元的传感元件和同时不活动的宏单元的传感元件连接到同一读取元件，以便共享该读取元件。这允许将相同的读取元件用于连续活动的宏单元。当然，本节中的陈述也应该相对于先前的陈述来进行阅读，因为在宏单元中可以将读取元件分配给每个传感元件，还可以将读取元件分配给宏单元的传感元件的子组，或者亦可以将读取元件分配给宏单元的所有传感元件。
提出将读取元件连接到不同宏单元的多个传感元件，其中这些不同的宏单元在不同的测量周期内是活动的，或者这些宏单元中的两个永远不会同时处于活动状态。同时意味着在同一测量周期内。
在特别有利的配置中，一个读取元件仅连接到一个活动的宏单元的一个传感元件或者多个传感元件或者所有传感元件。
然而，与前面的陈述一致，这不排除读取元件也连接到非活动的宏单元的其他传感元件的可能性。
传感元件在接收单元上的空间布置通常基于发射元件在发射单元上的空间布置。在现有技术中，空间布置基本上是相同的，其中，一个发射元件和一个传感元件被分别分配给彼此。相对于现有技术，改进的接收单元上的传感元件基本上可以分为两种类型的传感元件。因此，在接收单元上形成第一传感元件，其对应于根据现有技术的传感元件的构造。例如，这可以是与发射元件的空间位置相对应的一个或多个传感元件。其他传感元件是第二传感元件，其布置在第一传感元件之间的空间中。有利地，它们围绕第一传感元件布置，以便通过选择性地激活和停用传感元件来补偿激光的任何偏转。传感元件布置在通常由芯片提供的平面上。然而，传感元件仅覆盖芯片的表面的一部分。特别地，出于功能和生产的原因，必须在相邻传感元件之间保持距离。另外，必须在芯片上保留用于电路或其他组件(例如用于读取元件)的空间。通常为圆形或椭圆形的激光通常比传感元件(特别是SPAD)在芯片上覆盖更大的面积，从而通常由入射激光照射多个传感元件。作为发射元件的VSCEL也已经具有比SPAD更大的表面积。因此，这种布置使得显著更好地利用入射激光来检测并进一步减少环境辐射。
如已经提到的那样，有利地激活仅被照射的传感元件，这是因为只有被激光照射的传感元件才可以贡献有意义的测量数据。未被发射元件的入射激光照射的传感元件仅测量环境辐射，从而降低了信噪比。有利地，被照射的传感元件具有至少50％的照射面积。激光有利地覆盖传感元件的表面积的至少50％。因此，仅激活被充分照射的传感元件可以改善信噪比。
进一步提出了传感元件和/或宏单元以正方形、矩形、对角线形或六边形图案布置。
下面的陈述同样适用于传感元件和宏单元。矩形图案基本上对应于传感元件在列和行中的布置，正方形图案的布置是矩形图案的特殊情况。另一布置变型是六边形图案，其为基本上圆形的激光光斑提供了最大的传感元件密度。矩形或正方形图案的优点是大量的传感元件被入射的激光撞击或照射。然而，矩形或正方形图案通常需要大的激光直径。当使用六边形图案时，被照射的传感元件的数量较小，例如从四个减少到三个被照射的传感元件。然而，即使减小了激光的直径也可以实现三个传感元件的照射。另外，在六边形图案的情况下，对于恒定不变的激光直径，被撞击的传感元件的平均照射面积要比在正方形或矩形图案的情况下大。这是由于与矩形或正方形图案相比，六边形图案固有的在传感器表面处的填充系数更高。对角线形图案对应于矩形图案的特定形状。对角线形图案具有可自由选择的角度，直线通过该角度倾斜。另外，相邻的行可以具有线形的偏移，该线形的偏移在行与行之间相同地连续，或者在行与行之间改变。
如果入射激光的直径有利地至少是两个传感元件(特别是SPAD)之间的距离的两倍大，则是特别有利的。该距离定义为传感元件中心点之间的距离。
在另一有利的设计变型中，相邻的传感元件之间的间距为5微米至15微米，尤其是十微米。
例如，发射单元中的发射元件之间的通常距离是40μm。因此，在第一传感元件之间存在用于另外的第二传感元件的空间。因此，在大约10μm的距离处，可以例如以行的形式添加大约三个另外的传感元件。在这种情况下，宏单元将包含4行传感元件。
还提出了根据一个优选实施例的用于LIDAR测量***的其他LIDAR接收单元，其也实现了所述目的。前面段落中的陈述也相应地适用于下面更详细描述的LIDAR接收单元。同样地，下面的陈述也不限于前述实施例。因此，下面的陈述也可以应用于上述的接收单元。
LIDAR测量***的LIDAR发射单元具有多个激光器形式的发射元件。发射元件发射的激光被对象反射，并由LIDAR测量***的LIDAR接收单元检测到。接收单元包括多个传感元件。这些传感元件可以根据先前的实施例进行设计。然而，没有意图限制于先前的实施例。
接收单元的传感元件的数量大于发射单元的发射元件的数量。上面已经使用第一和第二传感元件对此进行了阐释说明。这导致已经描述的优点，例如补偿所使用的发射和接收透镜的成像误差成为可能。
接收单元有利地以焦平面阵列布置来实现。因此，传感元件布置在平面中。测量***有利地具有接收透镜和发射透镜。接收透镜和发射透镜将各自的立体角分配给各自的发射元件和传感元件。传感元件可以以已经描述的矩形、正方形、对角线形或六边形图案的形式布置在接收单元上。根据前述实施例的宏单元中的传感元件的布置在这里也适用。
特别地，将接收单元上的至少两个传感元件分配给一个宏单元，其中，两个宏单元，尤其是两个同时活动的宏单元的传感元件被连接到不同的读取元件。
原则上，LIDAR测量***还设计有电子单元，该电子单元执行发射元件的控制，例如传感元件的控制，并且LIDAR测量***还可以包括控制、读取、存储和评估元件。特别地，电子设备控制元件的正确同步并确保测量***的正确测量操作。电子设备有利地建立了与机动车辆的其他部件的其他连接，以便传输所确定的数据，使得它们可以被进一步处理。特别地，该LIDAR接收单元和该LIDAR测量***被优化用于机动车辆。
进一步提出了每个传感器单元都可以被单独地激活。还提出了根据以上实施例中的至少一个在宏单元中实施传感元件。
上面已经详细地解释了优点。
另外，传感元件的数量有利地是比发射元件的数量大很多倍的整数。
相比较于发射元件，多个传感元件的使用提供了更大且可变地选择的检测区域，该检测区域可以通过选择性激活和停用而适合于入射的激光。因此，在活动的传感元件被正确地选择之后，始终可以最佳地检测到入射的激光。
特别有利地，传感元件由第一传感元件和第二传感元件组成，其中，第一传感元件基本上对应于发射单元的发射元件的空间布置，并且第二传感元件围绕第一传感元件分布。特别地，第二传感元件布置在第一传感元件之间。特别地，第二传感元件以圆形图案布置在第一传感元件的周围。例如，圆形布置可以由六边形、矩形或正方形图案形成。以上关于本发明的一个方面的陈述也是相应地适用的。
进一步提出，由宏单元的传感元件覆盖的检测器表面积基本上对应于入射激光的面积或发射单元的发射元件的面积的两倍、三倍或四倍。
入射激光的面积通常例如由于光学效应而较大，或者大于或等于发射元件的面积，其中传感元件的面积通常小于入射激光的面积并且也小于发射元件的面积。另外，由于功能和生产原因，在相邻的传感元件之间形成了空间，也称为中间空间。因此，在正常情况下，入射到接收单元上的激光覆盖包括中间空间的多个传感元件。因此，以这样的方式选择传感元件，使得它们，包括它们的中间空间，覆盖入射激光的多个区域。传感元件被中间元件覆盖的区域在下面也被称为检测器表面。特别有利的是，检测器表面至少是入射激光投射到接收元件上的面积的四倍，尤其是五倍。因子4基本上对应于入射激光相对于第一传感元件的预期偏差。检测器表面有利地是入射激光的面积的两倍到五倍。检测器表面有利地由单个宏单元的传感元件来形成。
以有利的方式，宏单元的传感元件的检测器表面的直径至少相当于激光直径或发射元件直径的两倍。
例如，激光也可以具有椭圆形的横截面。另外，发射元件也可以具有矩形形状。在这些情况下，直径由通过中心或对角线的最长直线路径来定义。
关于检测器表面与入射激光的面积或发射元件的面积之间的表面积之比的陈述在此也适用，并且应该比照纳入采用。
还提出了根据一个优选实施例的LIDAR测量***的LIDAR接收单元，其也实现了该目的。
前面段落中有关LIDAR接收单元和LIDAR测量***的陈述也相应地适用于下面更详细描述的LIDAR接收单元。同样地，以下陈述也不限于前述实施例。
最终，所有这些不同的LIDAR接收单元都代表同一思想的不同方面。LIDAR接收单元包括多个传感元件。这些可以根据以上的描述来进行设计。传感元件被细分为第一传感元件和第二传感元件。第一传感元件基本上以与发射单元的发射元件相同的空间配置来布置在接收单元的平面中。
现在将以容易理解的方式再次描述第一传感元件和第二传感元件的布置。复制具有发射元件的发射单元的概念，然后形成接收单元。因此，发射元件被传感元件代替。这些是第一传感元件。第一传感元件的空间配置与发射元件的空间配置相似，但是不必相同。尤其是可能发生小的偏移或位移。例如，这可能是由于以下的事实：多个传感元件和用于接收单元的六边形图案中的布置与发射单元的正方形或矩形图案面对。因此，第一传感元件的数量与发射元件的数量相同。代表第二传感元件的另外的传感元件布置在第一传感元件之间的自由空间中或第一传感元件周围。这增加了用于传感元件检测的可能的表面积，并且可以补偿由透镜或其他影响引起的任何成像误差。
LIDAR测量***的LIDAR发射单元具有多个激光器形式的发射元件。发射元件发射的激光被对象所反射，并由LIDAR测量***的LIDAR接收单元检测到。接收单元包括多个传感元件。这些传感元件可以根据先前的实施例来进行设计。然而，未意图限制于先前的实施例。
第一传感元件和第二传感元件形式的接收单元的传感元件的数量大于发射单元的发射元件的数量。
接收单元有利地以焦平面阵列布置的方式实现。因此，传感元件被布置在平面中。测量***有利地具有接收透镜和发射透镜。接收透镜和发射透镜将各自的立体角分配给各自的发射元件和传感元件。传感元件可以以已经描述的矩形或正方形或六边形图案的形式布置在接收单元上。根据先前实施例的宏单元中的传感元件的布置也适用于此。
特别地，将接收单元上的至少两个传感元件分配给一个宏单元，其中，两个宏单元，尤其是两个同时活动的宏单元的传感元件连接到不同的读取元件。
原则上，LIDAR测量***还设计有电子单元，该电子单元执行发射元件的控制，例如传感元件的控制，并且LIDAR测量***还可以包括控制、读取、存储和评估元件。特别地，电子设备控制元件的正确同步并确保测量***的正确测量操作。电子设备有利地建立了与机动车辆的其他部件的其他连接，以便传输所确定的数据，使得它们可以被进一步处理。特别地，该LIDAR接收单元和该LIDAR测量***被优化用于机动车辆。
每个传感元件可以有利地被分别激活。因此，以上针对单个或逐组激活和停用的陈述是适用的。另外，根据以上实施例中的至少一个的宏单元中的布置是特别有利的。
进一步提出由宏单元的传感元件覆盖的检测器区域基本上对应于入射激光的面积或发射单元的发射元件的面积的两倍、三倍或四倍。
入射激光的面积通常小于或等于发射元件的面积，其中传感元件的面积通常又小于入射激光的面积并且小于发射元件的面积。另外，出于功能和生产原因，在相邻的传感元件之间形成间隙，也称为中间空间。因此，在正常情况下，入射到接收单元上的激光覆盖包括中间空间在内的多个传感元件。因此，以这样的方式选择传感元件，使得它们，包括它们的中间空间，覆盖入射激光的多个区域。传感元件被中间元件覆盖的区域在下面也被称为检测器表面。特别有利的是，检测器表面至少是入射激光投射到接收元件上的面积的四倍，特别是五倍。因子4基本上对应于入射激光相对于第一传感元件的预期偏差。检测器表面有利地是入射激光的面积的两倍到五倍。检测器表面有利地由单个宏单元的传感元件形成。
以有利的方式，宏单元的传感元件的检测器表面的直径至少相当于激光的直径或发射元件直径的两倍。
例如，激光也可以具有椭圆形的横截面。另外，发射元件也可以具有矩形形状。在这些情况下，直径由通过中心或对角线的最长直线路径定义。
关于检测器表面与入射激光的面积或发射元件的面积之间的面积比的陈述在此也适用，并且应该比照纳入采用。
宏单元的第一传感元件和第二传感元件有利地具有检测器表面积，该检测器表面积是发射单元的相应的发射元件的入射激光的面积的至少两倍、三倍或四倍。
有利地，宏单元的第一传感元件和第二传感元件的检测器表面的直径对应于入射激光的直径或发射单元的相应发射元件的区域的至少两倍。
特别地，将接收单元上的至少两个传感元件分配给宏单元，其中，两个宏单元，尤其是两个同时活动的宏单元的传感元件连接到不同的读取元件。
进一步提出，宏单元也以行和列布置。此处，正方形、矩形、对角线形或六边形布置也是可能的。
宏单元可以与相邻的宏单元间隔开，或者可以在没有间隔的情况下紧邻相邻的宏单元布置。宏单元可以有一个间隔开的相邻的宏单元，同时还有一个直接相邻的(没有间隔)宏单元。特别地，宏单元的所有相邻的宏单元可以被间隔开或没有间隔地直接相邻。
有利地，在相邻行的宏单元之间形成间隙，其中相邻列的相邻单元被布置为没有间隙。例如，也可以形成宏单元的组，宏单元的组彼此间隔开，但是该组中的宏单元不与相邻的宏单元间隔开。在一个示例中，可以在传感器单元上形成两个宏单元的组，其中，按行和按列彼此相邻的组在它们的宏单元之间确实具有空间。
例如，诸如TDC的电子部件可以布置在这些中间空间中。
附图说明
使用以下附图中示出的多种设计变型再次更详细地解释本发明的示例。示出的附图中：
图1是LIDAR接收单元和LIDAR发射单元的示意图；
图2是LIDAR测量***的示意图；
图3是发射元件的激光在接收单元的传感元件上叠加的不同变型的示意图；
图4a和图4b是传感元件以正方形图案布置的示意图；
图5a、图5b和图5c是传感元件以六边形图案布置的示意图；
图6是传感元件以六边形图案布置的另一示意图；
图7是传感元件在芯片上以六边形图案布置的示意图；
图8是传感元件在芯片上以六边形图案布置的另一示意图。
具体实施方式
图1示出了用于LIDAR测量***10的LIDAR接收单元12和LIDAR发送单元14。在图2中再次在LIDAR测量***10内部示出了这种接收单元12和这种发射单元14。该***还包括接收透镜16和发射透镜18。该LIDAR测量***10被设计用于静态安装在机动车辆上，以便监视环境并确定从对象20到机动车辆的距离。例如，这种测量***可以用于自动驾驶。工作原理如下。
LIDAR发射单元14具有发射光脉冲的发射元件22。例如，这些发射元件22可以由一个或多个垂直腔面发射激光器(简称VCSEL)形成。由发射元件22发射的脉冲24穿过发射透镜18，而在对象20处被反射，并经由接收透镜16被引导到多个传感元件26中的一个上。这样的传感元件可例如由单光子雪崩二极管(也称为SPAD)来形成。
在图2中，为了简化附图，仅示出了一束光束25，该光束25旨在示出脉冲24的路径。借助于透镜16、透镜18以及多个发射元件22和传感元件26，该测量***10可以用于扫描对象的空间。由于相应的透镜16和透镜18，最终将特定的立体角分配给每个发射元件22和每个传感元件26。由传感元件26探测到的光脉冲24被读取元件28读取并传递给评估单元30，该评估单元30具有在其他组件之间的存储元件。飞行时间原理(也称为TOF)用于确定从机动车辆到对象20的距离。所发射的脉冲与直到到达接收单元12所经过的时间相关联，由此可以确定光脉冲24行进的距离。由控制单元32对发生的过程进行相应的协调。在这个设计变型中的读取元件由时间数字转换器(TDC)形成，该时间数字转换器填充代表了直方图的存储元件。但是，这些陈述是非常基础的，仅用于说明一般原理。这种设计变型绝不限制测量***的电子设计。为了不超出本文的范围，不能展示这些电子组件及其特定结构之间的所有交互。LIDAR测量***通过连接装置34与机动车辆的其他部件连接，相应的数据可以通过该连接装置34而传输。
图1再次以示意图更详细地示出了发射单元14和接收单元的结构。在这种情况下，发射单元具有多个发射元件22，该发射元件22在此被实现为VCSEL。仅示出了四个发射元件22，尽管芯片可以容纳更多的发射元件。发射元件以矩形图案布置在发射单元14的平面上。以列和行的布置作为示例而被选择。例如，该布置还可以以六边形图案或任何其他形式在平面上实现。发射单元被实现为焦平面阵列。因此，发射元件22被布置在平面36上，在这种情况下被布置在形成平面36的芯片42上。LIDAR测量***10的平面36被布置在发射透镜18的焦点处。发射元件22布置在发射透镜18的焦平面中。
接收单元12具有多个传感元件26，其中为了清楚起见，在附图中仅对一些传感元件26标有附图标记。这些发射元件，在这种情况下为SPAD 26，也被布置在由芯片40提供的平面38中。该平面38，特别是传感元件26，也布置在LIDAR测量***10上而作为接收透镜16的焦平面中的焦平面阵列。传感元件26的数量明显大于发射元件22的数量。在该设计变型中，发射元件22具有16个传感元件26。第一传感元件26a在每种情况下被分配给发射单元14的发射元件22的空间配置。换句话说，接收单元12是发射单元的副本，发射元件22被第一传感元件26a代替。将发射元件与传感元件进行比较，很明显，VCSEL的直径大于SPAD的直径。发射元件22的直径为De，传感元件26的直径为Ds。然而，在发射单元上在相邻的发射元件22之间存在间隙。
该间隙由另外的传感元件26填充在接收单元12上，这些传感元件在下文中被称为第二传感元件26b。为了清楚起见，附图标记26b在传感元件26的附图中仅以“b”示出，并且仅示出在最上一行。第一行的附图标记相应地代表其他行以及列。这些第二传感元件26b布置在第一传感元件26a之间的空间中。第二传感元件26b基本上围绕第一传感元件26a布置。
通过使用比发射元件22的数量更多的传感元件26，可以补偿透镜16和透镜18中的成像误差或其他影响。发射元件22具有比传感元件26更大的表面积。这意味着，接收单元12上的一些传感元件26被入射激光完全撞击，而其他传感元件有的仅被部分撞击，还有的根本不会被撞击。图3中的单个传感元件示出了这种情况的示例。在左侧的图中，示出了激光24与传感元件26完全重叠，在中间的图中示出了部分重叠，而在右侧的图中示出了小的重叠。仅示意性地示出了激光24相对于传感元件26的面积的直径DL。通常，激光24的直径DL很大，以至于即使多个传感元件26也可以被入射光覆盖。
传感元件26布置在宏单元44中。接收单元12上的每个宏单元通过虚线与空间上相邻的宏单元44划分开界限。每个发射元件22被分配给这样的宏单元44。作为示例，相应的划分也通过发射单元14上的虚线示出。宏单元由罗马数字I、II、III、IV、V等划分成列，并由***数字1、2、3、4、5等划分成行。发送单元14和接收单元12可以具有超过200的行和列。
每个宏单元具有至少一个第一传感元件26a和至少一个第二传感元件26b。在宏单元中被分组在一起的这些传感元件26被连接到读取元件28。该读取元件在传感元件26处检测入射的光子，并将其转发到评估单元，特别是存储单元。在此不解释在所检测到的光子的处理中的其他顺序。
显然，读取元件连接到宏单元44的所有传感元件26。传感元件可以全部被单独地激活。这受到可以施加到SPAD的偏置电压的影响。如果偏置电压超过特定值，则SPAD处于活动的状态。低于这个值的相应降低将停用SPAD。电压由控制单元来指定，该控制单元连接到每个SPAD。互连通过导体23来示例性地示出。为了清楚起见，仅在接收单元的第2行中实施。因此，在图1中仅画了一些附图标记23。每个传感元件26可以独立于其他传感元件26而被激活和停用。
因此，仅激活被激光24照射的传感元件26。这减少了由环境辐射引起的背景噪声，因为只有被激光24照射的传感元件才能提供有意义的测量结果。另外，通过有针对性的选择活动的传感元件26，可以校正透镜中的成像误差。此外，还可以补偿引起激光束24相对于第一传感元件26a偏移的其他影响。
传感元件26也可以组合成用于激活和停用的组，使得这些组可以同时被激活和停用。这些可以是例如宏单元44的传感元件26的子集或宏单元44的所有传感元件26。
图1中的接收单元12上的读取元件28形成在每行宏单元44中，并且连接到该特定行的所有传感元件26。但是，这种布置仅仅是一个示例。原则上，每个传感元件都可以有自己的读取元件。如果每行传感元件具有一个读取元件，则是特别有利的。作为示例，两个相邻的行可以具有公共的读取元件28，其中各行的每个传感元件26连接到该读取元件28。读取元件28还连接到一行的不同宏单元44的多个传感元件26。
作为一个示例，在接收单元的这种设计中，执行水平扫描过程。可替代地，除了诸如旋转或者设置随机扫描过程之类的其他顺序之外，垂直或对角线扫描过程也是可能的。列I的发射元件首先发射激光24，并且列I的所期望的传感元件26被同时激活。读取元件28可以处理入射激光24。在测量周期完成时，列I的传感元件被停用，而对于列II开始相同的操作，等等。由于读取单元28只能从激活的传感元件26或活动的宏单元44读取测量数据，因此有可能将单个读取单元28用于多个连续激活的宏单元44或传感元件26。然而，这种布置和过程描述仅仅是示例性的，并且对于接收单元而言，大量的布置选项和扫描变型是可能的。
在针对列I的第一测量周期中同时活动的宏单元的传感元件连接到不同的读取元件28。然而，在宏单元44中存在传感元件26与一个读取元件28同时连接，而所述宏单元不是同时活动的，也就是说是相邻的。
在图1中还可以看出，两个垂直相邻的宏单元44的传感元件26之间基本上没有形成空间，而在两个水平相邻的宏单元44之间形成了空间。该空间为其他电子组件的布置提供了装配空间。在列I和列II的传感元件之间形成了空间。在行1和行2的传感元件之间没有形成空间。宏单元的间距源自这些宏单元的传感元件之间的间距。
作为示例，图4示出了传感元件26的正方形布置。这里，图4a中的激光(其用带有附图标记24的圆圈示出)入射到宏单元44的中心。以圆形图案入射的激光的直径为DL，因此在这种情况下四个圆形传感元件26被激光所覆盖。如果光在无限远处于对象上进行反射，则这表示接收单元12上的激光的入射的理论点。四个黑色阴影或填充的传感元件26x被激活，显示为未填充的圆圈26y的传感元件26被停用。与未激活的传感元件26y相反，已激活的传感元件26x几乎完全被激光所覆盖，从而获得了最佳的信噪比。如果停用的传感元件26y也被激活，则仅信噪比将恶化。
图4b示出了与图4a相同的配置。由于接收透镜中的示例性成像误差，激光会偏移地入射到接收单元上。因此，与图4a相比，入射激光24被移位。代替四个被照射的传感元件26，现在仅两个传感元件26x被完全照射，而第三传感元件26x至少在很大程度上被照射。先前活动的传感元件26中的一个已经被停用，以保持最佳的信噪比。透镜的任何成像误差可能因宏单元而异，并且可以通过激活正确的传感元件26来进行补偿。
在图5所示的另一变型中，六边形图案被用于传感元件26。六边形图案或传感元件26的六边形布置实现了较高的填充密度，但是另一方面，活动的传感元件26x的数量被减少到3。然而，激光束的直径DL已经小于图4a和图4b的实施例中的直径。图5a示出了三个传感元件的最佳的理论上理想的照射，图5b示出了由于成像误差而引起的轻微偏移，使得一个传感元件被完全照射，而另外两个活动的传感元件至少在很大程度上被照射。图5c示出了在该***变型中的不良照射，其中两个活动的传感元件26x被激光24完全照射，并且两个停用的传感元件仅被照射一半。
另外，图6示出了具有六边形图案的另一变型，其中与图4a至图5c中的实施例相比，激光的直径DL进一步减小。这样的结果是，传感元件26x中的一个或两个总是被充分地照射，并因此是活动的。
图7以示意图示出了具有以六边形图案布置的基本上六边形形状的传感元件26的另一实际的示例。在这种情况下，示出了具有传感元件26和入射激光的芯片40。在入射激光24的最佳位置，两个传感元件26x被激活并且有利地几乎被完全照射。带有参考标记24a的圆圈表示了假定的激光的最大预期偏差，激光可以在该最大预期偏差内入射到宏单元44上。可以看出，停用的传感元件26y围绕激活的传感元件26x布置，在这种情况下，激活的传感元件26x是第一传感元件26a，而停用的传感元件26y是第二传感元件26b。传感元件26及其中间空间形成了检测器表面，从而基本上覆盖了激光的区域，该区域包括了由于干涉效应可能引起的偏转。在该示例中，检测器表面的直径Dd基本上对应于激光24的直径DL的两倍，其中，检测器表面相对于激光的最佳入射点居中布置或者围绕第一传感元件26a居中布置。基本上对应于检测器表面的圆24a的面积(或称区域)大约是激光24的区域(或称面积)的四倍。检测器表面的直径Dd通常至少为激光的直径DL的1.2、1.4、1.6、1.8或2倍。因此，检测器表面的面积基本上是入射激光的面积的至少1.5、2、3或4倍。
面积和直径的相应比例也相应地适用于先前的示例性实施例，尤其是图4a至图6。
图8再次示出了另一变型，其中与图7相比使用了甚至更小的激光束，并且传感元件的布置具有六边形形状。在这种情况下，芯片40上的两个宏单元44的传感元件26之间也存在水平和垂直间隙。这为其他电子设备创造了额外的空间。设计的其余部分基本上对应于附图描述中的以上陈述。
附图标记
10 LIDAR测量***
12 LIDAR接收单元
14 LIDAR发射单元
16 接收透镜
18 发射透镜
20 对象
22 发射元件、VCSEL
23 导线
24 激光、脉冲
24a 圆、激光的假定偏差
25 光束
26 传感元件、SPAD
26a 第一传感元件
26b 第二传感元件
26 活动的传感元件
26y 停用的传感元件
28 读取元件
30 评估单元
32 控制单元
34 连接装置
36 发射单元的平面
38 接收单元的平面
40 接收单元的芯片
42 发射单元的芯片
44 宏单元
DL 激光的直径
Dd 检测器表面的直径
De 发射元件的直径
Ds 传感元件的直径

Claims (8)

1.一种焦平面阵列配置的LIDAR接收单元，包括：
布置在宏单元中的多个传感元件，以及多个读取元件，
其中，所述读取元件被设计为时间数字转换器，并且
其中，至少两个传感元件分配给宏单元；
其中，每个传感元件能够被单独地激活和停用，或者传感元件的组中的每个传感元件都被激活和停用，
其中，每个传感元件仅被连接到一个读取元件，并且
其中，每个读取元件被连接到不同的宏单元的多个传感元件，其中，所述不同的宏单元在不同的测量周期内处于活动的状态，或者所述不同的宏单元中的两个宏单元永远不会同时处于活动的状态。
2.根据权利要求1所述的LIDAR接收单元，其中，
第一宏单元的传感元件连接到至少一个第一读取元件，并且
第二宏单元的传感元件连接到至少一个第二读取元件。
3.根据权利要求1所述的LIDAR接收单元，其中，
宏单元的所有传感元件连接到相同的读取元件。
4.根据权利要求1所述的LIDAR接收单元，其检测由具有多个激光器形式的发射元件的LIDAR发射单元发射并在对象处反射的激光，
其中，所述接收单元的传感元件的数量大于所述发射单元的发射元件的数量。
5.根据权利要求4所述的LIDAR接收单元，其中，
由宏单元的所述传感元件覆盖的检测器表面对应于入射激光的表面积或者发射元件的表面积的两倍、三倍或四倍。
6.根据权利要求4所述的LIDAR接收单元，其中，
所述宏单元的检测器表面的直径是激光的直径的至少两倍或发射元件的直径的至少两倍。
7.根据权利要求1所述的LIDAR接收单元，其检测由具有多个激光器形式的发射元件的LIDAR发射单元发射并在对象处反射的激光，所述LIDAR接收单元包括：
多个传感元件；
其中，
接收单元的平面中的第一传感元件具有与所述发射单元的发射元件相同的空间配置，并且
第二传感元件被布置在第一传感元件之间的中间空间内，和/或所述第二传感元件被布置围绕所述第一传感元件。
8.根据权利要求7所述的LIDAR接收单元，其中，
宏单元的第一传感元件和第二传感元件的检测器表面的直径是入射激光的直径的至少两倍或所述发射单元的相关发射元件的直径的至少两倍。
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