CN114981680A - 光模块和具有至少一个这种光模块的LiDAR设备 - Google Patents

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Abstract

光模块具有带有电路裸片的载体(TR),其中在载体(TR)的上侧(TRO)上发光二极管裸片(D1D)和分配给该发光二极管裸片的电荷存储部件(LSBT)借助于裸片到裸片接合电连接到晶体管(Tdis)的传导路径连接场(TAF1、TAF2)。两个裸片与晶体管(Tdis)之间的传导路径(LPF)之间的电连接尽可能短。在两个裸片的上侧分别存在连接场(DAF2、LAF2),它们通过短接合线(BD1)相互连接。该放电回路在减少寄生电感和欧姆电阻方面进行了优化。电荷存储部件(LSBT)借助于充电电路(B1)充电,该充电电路通过第二接合线(BD2)电连接到电荷存储部件(LSBT)。第二接合线(BD2)比第一接合线(BD1)长。所述光模块可以是LiDAR设备的一部分,该LiDAR设备可以具有特殊的光学***。晶体管(Tdis)的驱动器电路同样可以以特殊方式设计。

Description

光模块和具有至少一个这种光模块的LiDAR设备
相关申请的交叉引用
本PCT申请要求下列德国国家专利申请的优先权,其内容通过引用并入本申请主题:2020年1月7日的102020100142.8、2020年4月23日的102020111075.8,2020年6月3日的102020114782.1和2020年9月22日的102020124564.5。
技术领域
本发明涉及一种光模块和一种具有至少一个这种光模块的LiDAR设备,以及还涉及一种用于LiDAR设备的光学***和一种集成电路,特别是驱动器电路,例如用于LiDAR设备。本发明还涉及LiDAR设备的应用以及用于LiDAR设备的光学单元。
背景技术
LiDAR(light detection and ranging的英文缩写:光探测和测距)是一种与雷达相关的用于光学距离测量和速度测量以及用于远程测量大气参数的方法。代替如在雷达中的无线电波,使用光束或激光束。因此,例如如果使用半导体激光器,则有时会称为LADAR(light amplification by stimulation emission of radiation detection andranging英语的缩写,通过辐射探测和测距的激励发射进行光放大)。在现有技术中,优选使用机械镜将光束或激光束偏转到不同方向上。
从DE-A-102009060873已知一种用于LED的驱动器电路,其中对于应当如何安装部件才能以最佳方式最小化寄生电感和电容保持开放。
在DE-A-102008062544中描述了一种激光阵列电路。
DE-A-10 2016 116 368公开了一种用于发光光电子组件的驱动器电路。根据该文献的图1,充电电路2、3、4、5、9、10、11、12、13、14通过串联电阻3对电容器18至21充电。发光光电子组件22到25的阴极一起连接到第一星形点。如果一个或多个发光光电子组件应当发光,则控制开关26将该星形点连接到参考电位GND。缓冲电容器充电电路9用于对实际储能电容器18至21进行快速充电。在这个已知概念中,所述串联电阻损害了能量平衡。
US-B-10 193 304公开了一种驱动器电路,其中以电流保持低于激光器的响应阈值的方式对电容器充电。
EP-A-2 002 519(参见图2)公开了一种具有四层(两个印刷电路板、电容器、激光器和开关IC)的紧凑结构,该结构对于在本发明范围内寻求的解决方案来说太复杂且工作太慢。
EP-A-3 301 473公开了一种适用于发射短脉冲的单个LED的驱动器电路。没有描述或展示如何实现所需要的电感。
DE-A-10 2016 116 369公开了一种LED驱动器电路,其中每个LED都具有自己的控制开关,这增大了耗费并恶化了设备的紧凑性。
DE-A-10 2008 021 588公开了一种激光控制电路,其中多个控制开关并联连接,从而这些控制开关可以生成相对于彼此有时间偏移的脉冲并且可以在脉冲之间冷却,而其他控制开关可以产生另外的脉冲。
DE-A-10 2017 121 713公开了控制开关,所述控制开关由子单元组成,其中每个子单元具有自己的电容器以提供开关能量。
DE-A-199 14 362和DE-A-19 514 062分别公开了一种用于气体激光器的控制装置。
US-B-9 185 762(DE-A-10 2014 105 482)公开了一种用于减少激光二极管的关断时间的电路。
DE-A-10 2017 100 879公开了一种用于快速接通和关断单个激光二极管的电路。在该文献中还给出了构造示例。
DE-A-10 2018 106 860和US-A-2018/0045882公开了单个激光器的激光器裸片和集成控制开关的裸片之间的直接连接的两种变体。在此,控制开关连接在供电电压和激光二极管的阳极之间,如在下文中还要阐述的,这阻碍了激光阵列的特别紧凑的解决方案。
DE-A-10 2018 106 860描述了一种激光二极管模块,其中多个电荷存储电容器和多个激光二极管裸片布置在一个衬底上。激光二极管可以通过接合线与控制IC电连接。电荷存储电容器通过引线框架与控制IC连接。
US-A-2018/0045882公开了一种激光器模块,其中构造为边缘发射器的激光二极管裸片以及电荷存储电容器布置在电路裸片上。在该电路裸片中尤其布置了用于将电荷存储电容器与激光二极管电连接的功率晶体管。功率晶体管的传导路径可以通过电路裸片的两个表面接触部接触。附加地,所述电路裸片具有两个另外的表面接触部,这些另外的表面接触部用于与电荷存储电容器和激光二极管裸片的相应接触部电连接。电荷存储电容器的第二接触部借助于柔性印刷电路板连接到用于功率晶体管的传导路径的两个表面接触部之一。以同样的方式,激光二极管裸片的第二接触部通过柔性印刷电路板连接到用于功率晶体管的传导路径的另一接触部。因此,从电容器流向激光二极管以激发激光二极管的电流流过两个柔性印刷电路板并通过所述传导路径。该电流回路通过激光二极管和电路裸片中形成的电荷存储电容器之间的电连接来闭合。该电流回路的总长度相对较大,因此要担心由寄生电感引起的电损耗和损害。
DE-A-10 2016 116 875描述了一种驱动器电路。根据该文献的图12,该驱动器电路具有用于多个激光器D1、D7的公共控制开关S3,其中所述公共控制开关S3连接到激光器的阴极并且能够将阴极连接到参考电位。激光脉冲的能量在该文献中取自公共存储器容量C。通过单独的开关S2选择所述激光器。该已知电路具有在该开关S2两端降落有寄生电压的缺点。
DE-B-10 2006 036 167公开了一种激光驱动器电路,其中寄生电感和电容的谐振协调一致,使得它们支持要产生的光脉冲的预定特性。
US-B-6 697 402描述了一种激光驱动器,其中通过阴极连接端和参考电位之间的分流电阻检测激光电流。
US-B-9 368 936公开了单个驱动器电路。线圈用作储能器。
US-B-9 155 146描述了一种用于为LED串供应能量的电路。
DE-A-10 2018 106 861公开了控制具有H桥的激光二极管。
DE-C-195 46 563公开了一种驱动器电路,其中当控制晶体管启动光发射时,在光脉冲发射的短时间内通过来自激光二极管的电感断开充电电路。
发明内容
本发明的任务是创建一种特别用于LiDAR设备的光模块,该光模块避免了现有技术的上述缺点并具有额外的优点。
此外,本发明的另一任务是借助于一个或多个根据本发明的光模块来创建无需待移动组件的LiDAR设备。最后,本发明的又一任务是说明一种优化的成像光学器件和实现带状照明光的光学器件,所述光学器件主要用于LiDAR设备。最后,本发明的再一个任务是创建一种驱动器电路,特别是用于短时传导大电流(电流脉冲)的功率晶体管。
本发明的这些任务通过权利要求1、23、25、46、47和51的主题来解决。根据本发明的这些主题的各种设计是从属权利要求的主题。
本发明因此创造了一种光模块,包括
-设置有上侧的载体,在所述载体中布置了具有集成电路的电路裸片,
-其中所述电路裸片具有上侧,
-形成在所述电路裸片的上侧中的晶体管,特别是功率晶体管,
-其中所述晶体管具有导通或截止的可切换传导路径,所述传导路径具有第一端区域(Endbereich)和第二端区域,其中所述第一端区域电连接到第一传导路径连接场,而所述第二端区域电连接到第二传导路径连接场,所述第一传导路径连接场和所述第二传导路径连接场均暴露在所述载体的上侧上,并且其中所述晶体管具有用于导通和截止所述传导路径的控制连接端,
-具有发光二极管的发光二极管裸片,特别是具有激光二极管的发光二极管裸片,包括具有第一连接场的下侧和具有第二连接场的上侧,
-其中所述发光二极管裸片以其第一连接场(Anschlussfeld)平放地布置在所述晶体管的第一传导路径连接场上,并且这两个连接场彼此电连接,
-具有电荷存储器的电荷存储部件,所述电荷存储部件包括具有第一连接场的下侧和具有第二连接场的上侧,
-其中所述电荷存储部件以其第一连接场平放地布置在所述晶体管的第二传导路径连接场上,并且这两个连接场彼此电连接,
-至少一个第一接合线,其将发所述光二极管裸片的第二连接场与所述电荷存储部件的第二连接场电连接,
-集成在所述电路裸片中并具有输出端的充电电路,用于为所述电荷存储部件充电,以及
-集成在所述电路裸片中的控制电路,用于控制所述晶体管和所述充电电路,
-其中给所述充电电路分配有充电连接场,该充电连接场暴露在所述载体的上侧上并且与所述充电电路的输出端电连接,
-其中所述充电电路的充电连接场通过至少一个第二接合线与所述电荷存储部件的第二连接场电连接,以及
-其中所述控制电路控制所述充电电路以将所述电荷存储部件充电至由所述发光二极管裸片产生光脉冲所需要的充电程度,然后控制所述晶体管以导通其传导路径。
根据本发明的光模块具有载体,具有集成电路的电路裸片位于所述载体中。所述电路裸片借助于引线框架接触,也就是具有多个导线舌片或导线指状物的引线框架,所述导线舌片或导线指状物终止于位于载体上侧的连接场中。可以说,载体是典型地由塑料制成的外壳,电路裸片和引线框架嵌入在所述外壳中。
在降低寄生阻抗、特别是寄生电感方面对光模块的各个组件的电连接进行了优化,从而可以在更短的时间内生成高电流脉冲,所述高电流脉冲确保高能量、大功率的光脉冲。
为此,在电路裸片的上侧或上侧附近存在晶体管,该晶体管典型地是功率晶体管。与该晶体管的传导路径电连接的是发光二极管裸片的两个连接场之一。该发光二极管裸片优选地是激光二极管裸片,并且适宜地通过裸片到裸片接合连接到形成在载体上侧中的暴露的连接场,该连接场通过引线框架并在电路裸片内与所述晶体管的传导路径的两个端区域之一电连接。这种连接应该尽可能短,因此尤其是将所述晶体管直接布置在电路裸片上侧之中或下方是有利的。因此晶体管的有源区位于电路裸片的上侧。在此现在也布置了通常是电容器的电荷存储部件。所述电荷存储部件也构造为裸片,并且具有位于下侧的连接场,该连接场与所述晶体管的另一个传导路径连接场电连接。所述充电电路具有集成在电路裸片中的充电电路,该充电电路由同样集成在电路裸片中的控制电路控制。与充电电路的连接通过引线框从电路裸片引出到载体的上侧,并在那里在连接场中结束,该连接场借助于(第二)接合线与电荷存储部件的上侧连接场电连接。电荷存储部件本身现在又用明显短于第二接合线的第一接合线连接到发光二极管裸片,而且该第二接合线将发光二极管裸片的上侧连接区与电荷存储部件连接。最后,电路裸片的控制电路还控制晶体管,而且中间连接了同样集成在电路裸片中的驱动器电路。该驱动器电路的可能设计将在下面进一步详细讨论。
根据本发明的光模块的混合结构确保了寄生电感和欧姆电阻以及电容的最小化,而且特别是在由晶体管的传导路径、发光二极管裸片和电荷存储部件确定的放电回路中。优选地,最后提到的两个组件直接并排地布置在载体的上侧上,使得第一接合线可以实施得尽可能短。用于晶体管的载体的上侧传导路径连接场与晶体管的实际传导路径之间的连接也得到了优化,从而在此寄生阻抗也最大程度地最小化。充电回路包括所述充电电路的输出端、第二接合线和电荷存储部件,并且同样在减少由于电感和电阻以及电容引起的寄生影响方面得到了优化。原则上已经发现,所述充电回路的寄生电感可以完全有利地大于放电回路的寄生电容。因为在晶体管导通的情况下闭合放电回路时,从电荷存储部件与充电回路的电连接以某种方式受到了阻断,从而电荷存储器有效地为发光二极管在优选尽可能短的时间内供应最大电能并迅速增加。为此同样重要的还有,利用用于晶体管的电开关脉冲的大边缘陡度来以脉动的形式控制晶体管也是有帮助的。这又通过有利地相应关闭的驱动器电路来支持,这将在后面讨论。
如前所述,有利的是,
-至少一个第一接合线具有第一寄生电感和第一寄生欧姆电阻,
-至少一个第二接合线具有第二寄生电感和第二寄生欧姆电阻,
-所述发光二极管裸片的第一连接场与所述晶体管的传导路径的第一端区域的电连接具有第三寄生电感和第三寄生欧姆电阻,并且
-所述电荷存储部件的第一连接场和所述晶体管的传导路径的第二端区域之间的电连接具有第四寄生电感和第四寄生欧姆电阻,
-所述充电电路的输出端与分配给所述充电电路的充电连接场的电连接具有第五寄生电感和第五寄生欧姆电阻,
-其中所述第一寄生电感、所述第三寄生电感和所述第四寄生电感之和的大小小于所述第三寄生电感和所述第五寄生电感之和的大小,并且特别是小于所述第三寄生电感和所述第五寄生电感之和的1/2或小于1/4或小于1/5。
第一接合线的长度特别是可以小于第二接合线的长度的1/2或小于1/3或小于1/5。第一寄生电感和/或第一寄生欧姆电阻的值有利地小于第二寄生电感和/或第二寄生欧姆电阻的值。两个接合线的寄生电感或欧姆电阻优选地小于上述另外的寄生电感或欧姆电阻。还有利的是,所述第一寄生欧姆电阻、所述第三寄生欧姆电阻和所述第四寄生欧姆电阻之和的大小小于所述第三欧姆电阻和第五欧姆电阻之和的大小,并且特别是小于所述第三欧姆电阻和所述第五欧姆电阻之和的1/2或小于1/4或小于1/5。
如上所述,
-彼此电连接的组件,即所述发光二极管裸片、所述电荷存储部件、所述至少一个第一接合线和晶体管连同其传导路径一起形成具有第一寄生电感和第一寄生欧姆电阻的放电回路,以及
-所述电荷存储部件以及其通过至少一个第二接合线与所述充电电路的输出端的电连接形成充电回路,该充电回路具有第二寄生电感和第二寄生欧姆电阻,
-其中所述第一寄生电感小于所述第二寄生电感,并且特别是小于第二电感的1/2或小于1/4或小于1/5。
有利的还有,所述第一寄生欧姆电阻小于所述第二寄生欧姆电阻,并且特别是小于所述第二寄生欧姆电阻的1/2或小于1/4或小于1/5。
已经发现,适宜的可能是,多个第一接合线彼此并联连接地使用,并且多个第二接合线本身也彼此并联连接地使用,以实现发光二极管裸片的上侧连接场、电荷存储部件和充电电路的连接场的上述电连接。
在本发明的另一有利设计中,可以设置多个发光二极管裸片和多个电荷存储部件,其中
-给每个发光二极管裸片分配有一个电荷存储部件,
-所述载体的上侧针对每个发光二极管裸片具有与所述晶体管的传导路径的第一端区域电连接的暴露的第一连接场,并且针对每个电荷存储部件具有与所述晶体管的传导路径的第二端区域电连接的暴露的第二连接场,
-在所述电路裸片中针对每个电荷存储部件集成了分配给该电荷存储部件的充电电路,并且在所述载体的上侧为每个充电电路布置了暴露的连接场,
-每个发光二极管裸片以其第一连接场平放地布置在所述晶体管的相关联的第一传导路径连接场上,并且这两个连接场彼此电连接,
-每个电荷存储部件以其第一连接场平放地布置在所述晶体管的相关联的第二传导路径连接场上,并且这两个连接场彼此电连接,
-每个发光二极管裸片的第二连接场借助于至少一个第一接合线与分配给相应发光二极管裸片的电荷存储部件的第二连接场连接,
-每个充电电路的连接场借助于至少一个第二接合线与分配给相应充电电路的电荷存储部件的第二连接场连接,并且
-其中所述控制电路顺序控制所述充电电路以将相应电荷存储部件充电至由分配给相应电荷存储部件的发光二极管裸片产生光脉冲所需的充电程度,并且在控制下一个充电电路之前控制所述晶体管以导通其传导路径。
光模块的上述设计现在具有唯一的晶体管,该晶体管可选择闭合多个放电回路之一,每个放电回路包括不同的发光二极管和不同的电荷存储器。所有的发光二极管互连成共同的第一星形点(例如发光二极管的阴极),并与所述晶体管的传导路径的一个端区域连接。所述传导路径的另一个端区域例如与参考电位连接,电荷存储器的一个接触部也连接到该参考电位,而电荷存储器的另一个接触部又连接到发光二极管的另一个未连接到所述晶体管的接触部(例如连接到其阳极)。这些电荷存储器在控制电路的控制下顺序充电。然后在每个充电过程之后,所述晶体管导通,从而然后只有以下发光二极管发光,所述发光二极管的相关联的电荷存储器已充电。该电路概念简化了电路结构和开关元件的数量,因为仅需要唯一的晶体管,该晶体管应有利地构造为具有大面积以具有所需要的电流承载能力。如果要使用多个这种晶体管,则很快会达到涉及每个电路裸片的晶体管数量的极限。
在上述实施例中,可以在所述载体的上侧为晶体管设置多个单独的第一和第二传导路径连接场。然而,由于晶体管的传导路径的两个端区域分别与电路的星形点连接(例如,一方面是所有发光二极管的阳极,另一方面是所有电荷存储器的一个接触部),因此还可以在载体的上侧形成晶体管的共同的并且因此面积较大的第一传导路径连接场以及共同的并且因此同样相应大的第二传导路径连接场。
如上所述,所述发光二极管裸片优选地具有激光二极管,即激光二极管裸片,其中将激光二极管构造为边缘发射器是适宜的。
在本发明的另一有利设计中,可以为了供电电压电位设置暴露在所述载体的上侧上的第一供电电压连接场,其中可以在所述晶体管的第二传导路径连接场上,或者如果存在多个这种第二传导路径连接场则在所述晶体管的所有这些第二传导路径连接场上或者在所有这些第二传导路径连接场共同的第二传导路径连接场上施加供电电压参考电位。
此外,形成缓冲电容器的缓冲电容器部件可以适宜地设置有下侧和上侧,在所述下侧上布置有第一连接场,并且在所述上侧上布置有第二连接场,其中所述缓冲电容器部件以其第一连接场平放地布置在一个或多个第二传导路径连接场上或所有这些第二传导路径连接场共同的第二传导路径连接场上,并且两侧的连接场相互连接,以及其中所述缓冲电容器部件的第二连接场通过至少一个第三接合线与第一供电电压连接场电连接。
为了最小化连接发光二极管裸片的上侧连接场和相关联的电荷存储部件的第一接合线的长度,有利的是,所述发光二极管裸片和所述电荷存储部件沿着两条并排的线分别连续地布置,其中每个发光二极管裸片和分配给所述发光二极管裸片的每个电荷存储部件彼此相对地布置。
当使用具有多个发光二极管裸片的光模块时,每个发光二极管裸片都定义了一个光轴,从所涉及的发光二极管裸片发出的光束沿着该光轴定向,其中发光二极管裸片连续布置所沿着的线
-围绕中心点以圆弧形延伸,并且所述发光二极管裸片的光轴相对于该圆弧形线径向延伸,或
-直线延伸,并且所述发光二极管裸片的光轴与该线垂直。
有利的是,典型地用作电荷存储器的电容器和上面已经提到的缓冲电容器被构造为公共部件,其包括具有公共下侧连接场的下侧和具有至少一个第一上侧连接场和第二上侧连接场的上侧、以及在下侧连接场为一方与至少一个第一上侧连接场和第二上侧连接场为另一方之间的电介质,其中所述缓冲电容器形成在所述第二上侧连接场和下侧连接场的位于该第二上侧连接场下方的子区域之间,并且每个电荷存储电容器形成在另外的第一上侧连接场和下侧连接场的位于该相应第一上侧连接场下方的子区域之间。
如上所述,所述载体具有浇注料,在所述浇注料中嵌入了具有多个导体舌片的引线框架和与所述导体舌片电连接的电路裸片,其中所述导体舌片具有在所述载体的上侧处暴露的连接场。
适宜地借助于数字电压信号来控制根据本发明的发光模块的特别是设计为功率晶体管的晶体管,所述数字电压信号自然没有足够的功率来控制例如功率MOSFET的相对大面积的栅极。功率晶体管可以理解为多个单个晶体管的并联电路。每个单个晶体管具有单个控制连接端(例如以栅电极的形式),其中单个控制连接端的整体形成功率晶体管的整体控制连接端。现在为了可以均匀地切换功率晶体管,必须将数字控制信号施加到每个单个控制连接端上。在此还应注意,典型地以数字技术设计的控制电路的输出端与每个单个控制连接端之间的电连接的长度具有相同的大小并在其分布中以对应的几何形状设计。
在这种背景下,已发现有利的是,
-所述电路裸片的晶体管被构造为以模拟电路技术实现的压控整体晶体管,其具有整体控制连接端和整体传导路径,用于通过所述整体传导路径传导电流以及截止电流,
-其中所述整体控制连接端在所述电路裸片的控制连接端整体面上延伸,
-所述控制电路具有以数字电路技术实现的驱动器电路,用于控制整体晶体管的整体控制连接端以传导和截止电流,或者所述电路裸片具有以数字电路技术实现的可由控制电路控制的驱动器电路,用于控制所述整体晶体管的整体控制连接端以传导和截止电流,
-其中所述整体晶体管被划分为多个以模拟电路技术实现的单个晶体管或具有多个这种单个晶体管,
-其中每个单个晶体管具有单个控制连接端并且每个单个晶体管的单个控制连接端都在裸片的控制连接端单个面上延伸,所述控制连接端单个面同样大小或均匀地分布在所述整体晶体管的控制连接端整体面上,
-其中所述驱动器电路包括多个单驱动器电路,每个单驱动器电路具有一个输入端和u个输出端,其中u是大于或等于2的自然整数,所述单驱动器电路被分层地划分为不同级,其中第i级的单个晶体管电路的输出端与第(i+l)级的u个单驱动器电路的输入端连接,其中i等于1到v,而v是大于或等于2的自然整数,(即其中每个单驱动器电路都具有u的扇出,其中u是大于或等于2的自然整数),
-其中第i级的单驱动器电路和第(1+l)级的单驱动器电路的布置形成自相似结构,第(i+l)级的单驱动器电路的输入端连接到第i级的单驱动器电路的输出端,
-其中第i级的自相似结构的面积大于第(i+l)级的自相似结构的面积,并且第i+1级的自相似结构与产生其的第i级的自相似结构相互嵌套(verschachtelt),并且
-其中第v级的单驱动器电路的输出端与单个晶体管的控制连接端单个面连接。
如上所述,通过每个驱动级的各个自相似结构的嵌套,确保电连接线路(包括各个驱动级的单驱动器电路的电连接和电路组件)具有相同的长度并且在它们的几何取向和它们的几何分布方面是相同的或者相似的,即例如是对称的或镜像对称的。
通过将控制电路的一个唯一的晶体管控制信号“扩展”为大量单个数字信号——每个数字信号只需控制单个晶体管的相对较小面积的电极,可以优化开关时间和边缘陡度,使得可以用由功率晶体管切换的高能电流脉冲工作并且可以控制发光二极管,优选充电二极管。
在本发明的另一有利设计中可以规定,每个单驱动器电路具有一个输入端和四个输出端,第i级的每个单驱动器电路和第i+1级的四个单驱动器电路连同第i级的单驱动器电路的4个输出端与(第i+l)级的4个单驱动器电路的输入端的电连接一起形成H型结构,其中第i+1级的单驱动器电路布置在H型结构的4个端部,并且第i级的单驱动器电路布置在这4个端部之间的中心,以及所述H型结构对不同的级具有相同的取向。
此外可能适宜的是,每个单驱动器电路具有一个输入端和两个输出端,第i级的每个单驱动器电路布置在第(i+1)级的两个单驱动器电路之间的中心,并且连同第i级的单驱动器电路的两个输出端与第(i+l)级的两个单驱动器电路的输入端的电连接一起形成直线结构,以及这些自相似结构对于不同的级分别彼此旋转90°。
此外有利的是,所述单驱动器电路被构造为逆变器电路并且所述单个晶体管被构造为功率晶体管,特别是MOSFET。数字逆变器电路是用于根据本发明的该设计在驱动器电路的多个驱动级中使用的单驱动器电路的最简单概念。
在光模块的连接场的几何设计和布置方面可能适宜的是,所述载体的上侧具有矩形形状,该矩形形状具有两个纵向边缘和两个比这些纵向边缘短的横向边缘,其中所述晶体管的至少一个第一传导路径连接场布置在两个横向边缘之一上,并且在另一个横向边缘上布置了用于为控制电路、至少一个充电电路、至少一个电荷存储部件和至少一个发光二极管裸片供应能量的连接场。
在本发明的有利设计中可以规定,在所述载体的上侧的每个纵向边缘上布置有至少一对传输信号连接场的两个传输信号连接场之一,所述传输信号连接场彼此电连接并且用于输送为电路裸片确定的传输信号,例如复位信号、诊断信号、总线通信信号、用于触发由至少一个发光二极管裸片产生光脉冲的触发信号,其中在多个光模块并排布置的情况下,所述传输信号可以从一个光模块相应转发到相邻的光模块或在其电路裸片中处理后从一个光模块相应转发到相邻的光模块。
在本发明的另一有利设计中可以规定,所述光模块并排布置,其中它们的上侧的纵向边缘彼此相邻布置,特别是在纵向边缘平行对齐的情况下,其中两个分别相邻的光模块的相同传输信号连接场对的传输信号连接场相互电连接。
还可能有利的是,所有并排布置的光模块的发光二极管裸片布置在公共的弧形弯曲线上或布置在直线上。
此外,根据本发明,上述任务还通过一种用于光学扫描空间并记录代表所述空间的距离图像的LiDAR设备来解决,所述LiDAR设备包括
-根据上述设计中的一个或多个的至少一个光模块,其中在控制所涉及的发光二极管裸片时,从每个光模块的每个发光二极管裸片发出具有椭圆形或卵形光束横截面或具有圆形横截面的光束,该椭圆形或卵形光束横截面具有第一半轴和比第一半轴更长的第二半轴,
-发射器光学元件,用于通过沿第二半轴拉伸椭圆形或卵形光束横截面并沿第一半轴压缩所述光束横截面或反过来而将每个发光二极管裸片的光束扩展成指向待扫描空间的具有线型和/或狭缝型横截面的光束扇,或通过拉伸圆形光束横截面而将每个发光二极管裸片的光束扩展成指向待扫描空间的具有线型和/或狭缝型横截面的光束扇,
-其中由并排布置的发光二极管裸片产生的锥形光束作为光束扇以不同角度进入所述空间,
-具有大量光电探测器的光电传感器,这些光电探测器布置在与至少一个光模块的发光二极管裸片的总数相同数量的行或列中,其中每行或每列具有相同数量的光电探测器,
-接收光学元件,用于将来自待扫描空间的潜在反射光引导到所述光电传感器上,其中潜在产生的反射光可能由于相应的光束扇而入射到所述光电传感器的多行或多列光电探测器中的另外的行或列上,以及
-评估单元,用于评估光电探测器的信号以确定距离信息和/或确定待扫描空间的距离图像。
因此,根据本发明的LiDAR设备与多个被顺序控制的发光二极管一起工作,以在穿过所输出的典型地具有椭圆形或卵形横截面或者具有圆形横截面的各个光束群之后转换为线型的光束条纹。每个光束线在此投射到要成像的场景(即要记录的距离图像)的另外的线形或条形区域。针对每个条纹从那里连续反射的光通过成像接收光学器件到达具有大量特别是构造为光电二极管的光电探测器的二维光电传感器的各个行或列。因此,光电传感器的曝光在此以“卷帘快门”的方式进行。然后由评估单元评估各个光电探测器信号。在此,所述评估可以根据飞行时间概念或根据强度地进行。
前面描述的LiDAR设备的优点是它无需任何机械装置即可工作,因为它不需要可移动部件。
接收光学元件因此适宜地是成像透镜或典型地在相机中使用的成像物镜。发射器光学元件可以具有柱面透镜和鲍威尔透镜,或者可以具有结合这两种透镜类型的功能的透镜。
使用鲍威尔透镜的优点在于,可以补偿光束横截面积上强度分布的不均匀性。这种光强度不均匀性典型地发生在高斯辐射器中,并且特别是可以在边缘发射器发光二极管或激光二极管中出现。通过鲍威尔透镜或通过具有对应表面的特殊透镜,在光束条纹的纵向延伸上的光强度不均匀性可以得到补偿,如根据本发明用于LiDAR设备中使用的那样。
在本发明的有利设计中,可以设置至少两个光模块,其中每个光模块的发光二极管裸片分别沿着在预给定角度上延伸的圆弧线并排布置,并且各相邻的光模块相对于彼此旋转预给定角度地布置。
在本发明的另一有利设计中,可以设置至少两个光模块,其中每个光模块的发光二极管裸片沿直线并排布置,并且各相邻的光模块相对于彼此旋转一个角度地布置,使得光模块的那些在每个光模块的发光二极管裸片连续序列中布置在相同位置处的发光二极管裸片的光轴相交于公共点。发光二极管裸片的这种布置的优点是现在每个发光二极管裸片到发射器光学元件透镜的距离是相同的。
根据按照本发明的LiDAR设备的替代方案,所述LiDAR设备配备有
-根据上述一项或多项的具有一个唯一发光二极管裸片的光模块,其中在控制时从所述发光二极管裸片发出具有椭圆形或卵形光束横截面或具有圆形横截面的的光束,所述椭圆形或卵形光束横截面具有第一半轴和比第一半轴长的第二半轴,
-发射器光学元件,用于通过沿第二半轴拉伸椭圆形或卵形光束横截面以及沿第一半轴压缩所述光束横截面或反过来将所述发光二极管裸片的光束扩展成指向待扫描空间的具有线型和/或狭缝型横截面的光束扇,或通过拉伸圆形光束横截面将所述发光二极管裸片的光束扩展成指向待扫描空间的具有线型和/或狭缝型横截面的光束扇,
-可移动的光学偏转元件,用于将所述光束扇以不同的角度偏转到待扫描空间,以借助于扫过所述待扫描空间的所述光束扇来扫描所述空间,
-具有大量按行和列布置的光电二极管的光电传感器,
-接收光学元件,用于将来自待扫描空间的潜在反射光引导向所述光电传感器,
-其中由于以不同角度偏转到所述空间中的每个光束扇而产生的潜在反射光投射到所述光电传感器的多行或多列光电探测器中的不同行或列上,以及
-评估单元,用于评估所述光电探测器的信号以确定距离信息和/或确定待扫描空间的距离图像。
在LiDAR设备的这种变体中,与可移动的机械元件一起工作,即例如与可摆动镜或聚合物光学器件一起工作。这种原则上已知的可移动光学元件的示例可以在EP-A-3660574或US-A-2020/0264462中作为MEMS镜形式的微机械/微电***(MEMS)以及在WO-A2008/035983和WO-A-2018/154139中作为具有压电驱动器的聚合物光学元件找到。因此有利地,在具有可移动光学偏转元件的LiDAR***中,根据本发明的电路概念可以用于对发光二极管裸片进行高能的并且具有最大可能边缘陡度的电控制,使得可以产生高强度、足够长的光脉冲。
在LiDAR设备的上述变体的适宜扩展中可以规定,所述光学偏转元件以折射方式工作并且特别是构造为棱镜,或者所述光学偏转元件以反射方式工作并且特别是构造为镜子。
LiDAR设备的上述两种变体都使用光电传感器,其中光电探测器按行和列布置。根据构造,对于分配给各个光电探测器的电子开关元件而言,在传感器芯片上相邻光电探测器行或相邻光电探测器列之间需要空间,因此单个的光电探测器行或光电探测器列无法检测整个条纹状照明场景。然而,如果现在光电传感器或整个LiDAR设备围绕一个轴振荡,其中检测相应的振荡角或倾斜角,则在检测振荡过程中每个倾斜角的场景时,也可以检测到照明场景的那些之前已经被映射到相邻行之间的空隙上的条纹状区域。由此增加了记录场景所使用的分辨率。
因此,在这方面有利的是,设置倾斜运动装置,用于倾斜至少一个光模块或用于倾斜多个光模块的布置或用于倾斜光电传感器,其中根据发光二极管裸片或光模块发射光和/或光电传感器接收反射光所采取的相应倾斜角来评估光电传感器的光电探测器的信号。
替代地或附加地,还可以规定
-每个发光二极管裸片发射光束作为具有椭圆形或卵形或圆形光束横截面的扫描光束,
-所述发射器光学元件将扫描光锥扩展成扫描光扇,所述扫描光扇位于光扇平面内,
-所有发光二极管裸片的扫描光束的扫描光扇相对于彼此偏移一角度偏移量,
-潜在的反射辐射基本上以反射光锥的形式从待扫描空间中的由扫描光扇照亮的扫描点发出,以及
-所述接收光学元件将反射光锥成像到所述光电传感器的光电探测器列或光电探测器行上,所述反射光锥可能从待扫描空间的由扫描光扇照射的扫描点发出。
在本发明的另一适宜设计中可以规定:
-所述发光二极管裸片并排布置成一行,所述发光二极管裸片的取向与光电传感器的光电探测器列的取向相同,并且
-每个扫描光扇照射待扫描空间中的扫描点,所述扫描点并排布置成一行,所述扫描点的取向与光电传感器的光电探测器行的取向相同。
在本发明的有利设计中还可以规定,
-所述发光二极管裸片并排布置成一行,所述发光二极管裸片的取向与光电传感器的光电探测器行的取向相同,并且
-每个扫描光扇照射待扫描空间中的扫描点,所述扫描点并排布置成一行,所述扫描点的取向与光电传感器的光电探测器行的取向相同。
在本发明的另一适宜设计中可以规定:
-所述发光二极管裸片并排布置成一行,所述发光二极管裸片的取向与光电传感器的光电探测器列的取向相同,并且
-每个扫描光扇照射待扫描空间中的扫描点,所述扫描点并排布置成一行,所述扫描点的取向与光电传感器的光电探测器列的取向相同。
此外,在本发明的适宜设计中可以规定
-所述发光二极管裸片并排布置成一行,所述发光二极管裸片的取向与光电传感器的光电探测器行的取向相同,并且
-每个扫描光扇照射待扫描空间中的扫描点,所述扫描点并排布置成一行,所述扫描点的取向与光电传感器的光电探测器列的取向相同。
就LiDAR设备的光学特性而言,有利的是,所述发射器光学元件具有透镜,该透镜具有光轴并且具有特别是基本上长方体的形状,具有在所述光轴的延伸方向上取向的厚度和高度、宽度,并且具有第一主侧和背离该第一主侧的第二主侧,所述光轴分别穿过所述第一主侧和所述第二主侧,
-其中所述第一主侧具有平坦表面,
-其中所述第二主侧具有表面,所述表面被构造为由凸的突起和凹的凹陷形成的叠加,所述凹的凹陷布置在所述透镜的宽度延伸段的中心,
-其中所述突起围绕位于所述透镜外部的假想的第一轴线延伸,而所述凹陷围绕同样位于所述透镜外部的第二轴线延伸,所述第二轴线垂直于所述第一轴线定向。
所述发射器光学元件的主侧的这种配置是有利的,因为可以使用于照亮场景的条纹状区域的各个子区段的强度均匀。所述发射器光学元件可以具有一个或多个透镜。两个主侧于是形成由一个透镜或多个透镜构成的组的端面。第一主侧可以朝向待记录的场景,使得第二主侧朝向一个或多个光模块。然而,也可以第一主侧朝向一个或多个光模块而第二主侧朝向场景。
在上述发射器光学元件中有利地规定,所述第一轴线位于与透镜的第一主侧邻接的半空间中,并且所述第二轴线位于与所述透镜的第二主侧邻接的半空间中。
在发射器光学元件的替代设计中,所述发射器光学元件具有透镜,所述透镜具有光轴,具有特别是基本上长方体的形状,具有在所述光轴的延伸方向上取向的厚度、高度和宽度,并且具有第一主侧和背离该第一主侧的第二主侧,所述光轴分别穿过所述第一主侧和所述第二主侧,
-其中所述第一主侧被构造为由平坦表面和布置在所述透镜的宽度延伸段的中心的凹的第一凹陷以及所述透镜的指向第二主侧的弯曲部的叠加,所述弯曲部在所述凹陷的两侧的区域中朝向第二主侧,
-其中所述第二主侧构造为凸的第一突起和凸的第二突起的叠加,所述凸的第二突起布置在所述透镜的宽度延伸段的中心,
-其中所述第一突起围绕布置在透镜外部的假想的第一轴线延伸,
-其中所述第二突起围绕同样布置在透镜外部的假想的第二轴线延伸,所述第二轴线垂直于所述第一轴线定向,并且
-其中所述凹陷围绕同样布置在透镜外部的假想的第三轴延伸,所述第三轴平行于所述第二轴线定向。
在此还可以有利地规定,所述第一轴线和所述第二轴线和所述第三轴位于与透镜的第一主侧邻接的半空间中,并且所述透镜的在第一主侧的凹陷两侧的区域中的弯曲部围绕第四轴延伸,所述第四轴平行于所述第二轴线和所述第三轴延伸并且位于与第二主侧邻接的第二半空间中。
所述透镜的可能设计可以通过以下方式给出:
-第一主侧具有由如下形式的函数
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|+PB4*x4+PB6*x6+PC2*x2+PC3*|x3|
定义的面,
其中
RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|,
Sign()为函数参数的符号函数,
sqrt()为函数参数的根,
x表示沿透镜宽度的点,
y表示沿透镜高度的点,
z表示从透镜的x-y中心平面出发沿透镜厚度并因此沿透镜光轴的点,
ROY为透镜的曲率半径,
-第二主侧具有由如下形式的函数
z=-(d+PC2*x2+PC3*|x3|)
定义的面,
其中d为光学中心处的透镜厚度,
-其中参数PB2和PB3不为零,并且
-参数AR2、AR3、PB4、PB6、PC2和PC3中的至少两个不为零。
在此可以规定,参数AR2和AR3不为零并且参数PB4、PB6、PC2和PC3中的至少两个不为零和/或参数PB4和PB6不为零并且参数PC2和PC3中的至少一个不为零和/或参数PC2和PC3不为零。
具有根据本发明的光模块的根据本发明的LiDAR设备的应用领域是多种多样的。从而例如一个或多个光模块和所述LiDAR设备可以用于
-探测静止或移动平台的环境中或静止或移动平台的环境的子区域中的对象,特别是自主移动平台,特别是自主移动平台,例如机器人或静止或行驶的车辆,特别是自主行驶的车辆,例如特别是用于运输人员或货物的水上、陆地或空中交通工具,或
-在制造过程的自动化中探测对象,或
-生命体和/或生物的生物器官的非侵入性成像,或
-生物组织的研究,或
-在探测空间中创建对象的三维距离图像,和/或
-监视建筑物的环境。
已经在上面描述功率晶体管的驱动器电路用于通过功率晶体管的较大控制电极产生稳定的数字信号的优点。根据本发明,该驱动器电路现在作为用于对电流进行开关的集成电路设置有
-裸片,
-在裸片中以模拟电路技术实现的压控整体晶体管,具有整体控制连接端和整体传导路径,用于通过整体传导路径传导电流并用于截止电流,
-其中整体控制连接端在裸片的控制连接端整体面上延伸,
-在裸片中以数字电路技术实现的驱动器电路,用于控制整体晶体管的整体控制连接端来导通和截止电流,
-其中每个单个晶体管具有单个控制连接端并且单个晶体管的单个控制连接端分别在裸片的控制连接端单个面上延伸,这些控制连接端单个面同样大小或均匀地分布在整体晶体管的控制连接端整体面上,
-其中所述驱动器电路具有大量单驱动器电路,每个单驱动器电路具有一个输入端和u个输出端,其中u是大于或等于2的自然整数,所述单驱动器电路被分层地划分为不同级,其中第i级的单个晶体管电路的输出端与第(i+l)级的u个单驱动器电路的输入端连接,其中i等于1到v,而v是大于或等于2的自然整数,(即其中每个单驱动器电路都具有u的扇出,其中u是大于或等于2的自然整数),
-其中第i级的单驱动器电路和第(1+l)级的单驱动器电路的布置形成自相似结构,第(i+l)级的单驱动器电路的输入端连接到第i级的单驱动器电路的输出端,
-其中第i级的自相似结构的面积大于第(i+l)级的自相似结构的面积,并且第i+1级的自相似结构与产生其的第i级的自相似结构相互嵌套,并且
-其中第v级的单驱动器电路的输出端与单个晶体管的控制连接端单个面连接。
在本发明的另一有利设计中可以规定,每个单驱动器电路具有一个输入端和四个输出端,第i级的每个单驱动器电路和第i+1级的四个单驱动器电路连同第i级的单驱动器电路的4个输出端与(第i+l)级的4个单驱动器电路的输入端的电连接一起形成H型结构,其中第i+1级的单驱动器电路布置在H型结构的4个端部,并且第i级的单驱动器电路布置在这4个端部之间的中心,以及所述H型结构对不同的级具有相同的取向。
在本发明的另一有利设计中可以规定,每个单驱动器电路具有一个输入端和两个输出端,第i级的每个单驱动器电路布置在第(i+1)级的两个单驱动器电路之间的中心,并且连同第i级的单驱动器电路的两个输出端与第(i+l)级的两个单驱动器电路的输入端的电连接一起形成直线结构,以及这些自相似结构对于不同的级分别彼此旋转90°。
在本发明的有利设计中还可以规定,这些单驱动器电路被构造为逆变器电路并且所述单个晶体管被构造为功率晶体管,特别是MOSFET。
上面已经讨论了用于照射场景的LiDAR设备的光学单元。根据一种变体,LiDAR设备具有一个或多个光模块,
-其中每个发光二极管裸片发射具有椭圆形或圆形横截面的光束,
-其中每个光束都有光束轴,
-其中所述光束轴基本上位于共同的光束轴平面中并且所述光束轴平面定义了光轴,
-具有布置在所述光束轴平面的光轴上的透镜,所述透镜将每个光束在垂直于激光光束轴平面的方向上扩展,从而在垂直于光束轴平面的光扇平面中为每个光束产生了一个光扇,
-具有带有光电探测器阵列的光电传感器,该光电探测器阵列具有多个光电探测器行,每个光电探测器行具有大量光电探测器像素,以及
-具有成像光学器件,用于将由光扇照射的场景真实地光学成像到所述光电传感器上,
-其中所述成像光学器件将远场中的光束扇在理想均匀白色的和/或基本上理想漫射统一且均匀反射的投影平面上的投影以光束扇的投影图像的形式成像到光电传感器上作为所述场景的投影图像,所述投影平面垂直于光束轴平面的光轴。
在所述LiDAR设备中
-所述透镜被成型为使得第一光束扇的投影在光电传感器的光电探测器阵列的第一光电探测器像素上的成像的第一区段的照明强度值与第一光束扇的投影在光电传感器的光电探测器阵列的不同于第一光电探测器像素的第二光电探测器像素上的成像的不同于第一区段的第二区段的照明强度值或与第二光束扇的投影在光电传感器的光电探测器阵列的不同于第一光电探测器像素的第二光电探测器像素上的成像的不同于第一区段的第二区段的照明强度值相差不超过10%或不超过5%或不超过2%,
-所述透镜具有第一表面和背离第一表面的第二表面,
-所述第一表面由如下形式的函数
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|+PB4*x4+PB6*x(6+PC2*x2+PC3*|x3|
定义,
其中
RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|,
Sign()为函数参数的符号函数,
sqrt()为函数参数的根,
x表示沿透镜宽度的点,
y表示沿透镜高度的点,
z表示从透镜的x-y中心平面出发沿透镜厚度并因此沿透镜光轴的点,
ROY为透镜的曲率半径,
-第二表面由如下形式的函数
z=-(d+PC2*x2+PC3*|x3|)
定义,
其中d为光学中心处的透镜厚度,
-其中参数PB2和PB3不为零,并且
-参数AR2、AR3、PB4、PB6、PC2和PC3中的至少两个不为零。
在此可以规定,参数AR2和AR3不为零并且参数PB4、PB6、PC2和PC3中的至少两个不为零和/或参数PB4和PB6不为零并且参数PC2和PC3中的至少一个不为零和/或参数PC2和PC3不为零。第一表面可以面向场景,使得第二表面面向一个或多个光模块。透镜的相反的结构或安装也是可能的。
如上所述,特别是在LiDAR设备中应用时希望能够产生尽可能高能量的光脉冲。这是通过用控制脉冲的高边缘陡度来脉动式地控制(优选功率)晶体管来进行的。晶体管控制的准备通常借助于以数字电路技术实现的电路组件来进行,然而这些电路组件最终必须控制面积比较大的功率晶体管。对于均匀分布在功率晶体管的控制电极表面上的相同强度的控制而言,必须采取特殊的预防措施,就已知的而言,这些预防措施在现有技术中尚未得到令人满意的解决。
基于图23示例性地解释现有技术。图23示出了示例性的根据现有技术的减少到主要部件的电路,该电路用于借助于驱动器电路I和例如场效应晶体管M以及未详细说明的控制电路CTR来控制激光二极管LD,控制电路CTR在该情况下示例性地是根据图5的电路块CTR。未详细说明的预驱动器电路或控制电路CTR的确切结构与以下列出的考虑无关,因此不再进一步解释。
驱动器电路I具有一个输入端和一个输出端。激光二极管LD包括阴极和阳极。激光二极管LD也可以是发光二极管。场效应晶体管M包括栅极连接端、漏极连接端和源极连接端。
预驱动器电路(这里示例性地实现为控制CTR)与驱动器电路I的输入端导电连接。驱动器电路I的输出端与场效应晶体管M的栅极连接端导电连接。在图23中,场效应晶体管M示例性地显示为自导通p沟道MOSFET。场效应晶体管M的漏极连接端与激光二极管LD的阴极电连接。激光二极管LD的阳极与第一参考电位HV电连接。场效应晶体管M的源极连接端与第二参考电位Gnd电连接。第二参考电位Gnd的绝对值小于第一参考电位HV。
在这种用于控制激光二极管LD或发光二极管的电路中,控制电路CTR和驱动器电路I以及场效应晶体管M实现为CMOS架构中的彼此分离的块或实现为分立部件。
为了借助于短的高电流脉冲控制脉动式的激光二极管或发光二极管,在现有技术中,GaN场效应晶体管特别是作为具有外部分立预驱动器的分立部件或具有集成的预驱动器的CMOS大电流晶体管而已知。
因此,本发明所基于的另外的任务在于提供一种解决方案,该解决方案避免了现有技术的上述缺点并且具有另外的优点。本发明的一个重要方面应是避免对最大可实现的开关速度的迄今为止明显的和干扰性的限制,这种限制是由于具有低电阻的大电流MOS晶体管的平面伸展导致的显著的信号传播时间而产生的,特别是栅极信号的信号传播时间。
因此,这里提出的本发明的核心是一种光模块,特别是一种激光器模块,其允许发射具有更大边缘陡度的相对较长、高能、强度大的激光脉冲或光脉冲。假设所述激光器模块包括n个线性并排布置的激光器。这些激光器优选地是半导体激光器,它们优选地具有公共的阴极接触部。下面在提及激光器模块或激光器时,应理解为同义并且概括为具有LED形式的光源的光模块。
所提出的激光器模块因此具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,其中n代表大于或等于1、例如大于或等于2或大于或等于4或大于或等于8或大于或等于16的正整数。激光器的数量n优选地是2的幂。在此,激光器优选地沿着第一(假想的)线并排布置,其中激光器与激光器之间具有第一距离。激光器优选地以相同方式设计。激光器优选地以共同的晶体制造。
优选地,向n个激光器中的每一个恰好分配n个电容器中的一个电容器作为其激光脉冲的相应能量源。优选地,激光器是否在下一个脉冲信号时发射激光脉冲是根据分配给该激光器的电容器在产生脉冲信号之前是否已由充电电路充电来确定的。n个电容器优选地沿着第二(假想的)线并排布置。该电容器布置的第二线优选地平行于激光布置的第一线延伸。沿着该第二线布置的n个电容器的电容器与电容器之间的第二距离优选地等于激光器与激光器之间的第一距离,沿着第一线布置的激光器彼此之间相隔所述第一距离。由此产生由n个电容器组成的线性电容器阵列。
此外,激光器模块具有控制开关,该控制开关用于利用来自分配给相应激光器的电容器的电荷来触发和运行激光器。
为了使激光器能够在脉冲信号到达时发射激光脉冲,分配给该激光器的电容器必须先前由分配给该电容器的充电电路充电。因此,激光器模块优选地包括n个充电电路,其中每个充电电路能够通过充电线路电感选择性地对n个电容器中的另外的电容器(下文称为分配给该充电电路的电容器)充电。在本发明的开发过程中已经认识到,该充电线路电感的大小对相应电容器的放电速度以及因此对脉冲边缘的陡度具有积极影响,因为该电感将充电电路与用于高频的电容器分开。因此大的充电线路电感的情况下,充电电路的输出电容不再对陡峭的激光边缘产生影响。因此,由于有截止作用的充电线路电感,激光脉冲可能变得更陡峭。
因此,优选地向n个电容器中的每一个相应分配n个激光器中的一个作为分配给该电容器的激光器。当脉冲信号到达时闭合控制开关。在此,该控制开关优选是集成电路的晶体管。通过闭合所述控制开关,所述控制开关经由分配给n个电容器中已充电的那个电容器的激光器和放电线路电感对该电容器放电,该放电线路电感优选地将该电容器与激光器的阳极连接。仅当分配给该激光器的电容器先前已由充电电路充电时,所分配的激光器才能在脉冲信号到达以及控制开关随后闭合时发射激光脉冲。通过在电脉冲信号到达时闭合控制开关,控制开关优选地将激光器的阴极连接到参考电位。当然,其中激光器的阳极和阴极互换的电路也是可想到的或可提出的或可能的。这些功能等效电路和布置明确地包括在本发明中。
因此,根据本发明的重要发现是,充电线路电感的值应尽可能高,而放电线路电感应尽可能小。在此,例如从激光器的阳极到激光器的电容器的连接线路和从电容器到参考电位的馈送线路电感对放电线路电感有贡献。在此,总的放电线路电感应尽可能低。在开发本发明的过程中以及认识到,使用多个细接合线代替具有高载流能力的一个粗接合线进行连接是有利的,因为多个并联连接的接合线的总电感低于粗接合线的寄生电感。虽然并联的接合线之间产生变压器耦合效应,但总电感低以及因此开关时间快的优点是主要的。
将充电线路电感最大化。因此,优选将用于将电容器的第一连接端连接到分配给该电容器的充电电路的接合线的长度最大化,以尽可能增加充电线路电感并且从而获得充电电路的寄生输出电容和激光器阳极之间的最大分离。
因此,充电线路电感的值优选地大于并且特别是显著大于放电线路电感的值。
激光器模块优选地包括集成电路,其中由n个激光器(即激光器行)组成的线性激光器阵列的激光器的阴极无接合线地一起连接到星形点。为此,激光器模块优选地通过公共背侧接触部直接与控制开关的接触部连接,在这里提出的示例中,所述公共背侧接触部是n个激光器的公共阴极,从而该控制开关的一个连接端实际上没有电感地连接到n个激光器的阴极。集成电路的晶体(即裸片)会导出n个激光器的损耗热。因此,线性激光器阵列的背侧优选地以导热和导电的方式连接到控制开关的接触部,所述控制开关优选地单片集成到优选使用的集成电路的晶体中。这种连接可以通过粘接或焊接或其他合适的导电和导热连接技术制造,例如接合球的热压缩或其他倒装芯片组装技术。优选地,由线性激光器阵列的晶体(裸片)或单个二极管激光器的晶体(裸片)和具有控制开关并且优选地具有充电电路的集成电路的晶体(裸片)构成的堆叠以导热并且优选地还导电的方式以集成电路的背侧组装在散热器上,例如借助于导热的和优选导电的粘接或焊接。
如已经提到的,控制开关和优选地用于单行电容器阵列的n个电容器的n个充电电路是集成电路的一部分。控制开关优选地无接合线地电连接到第一星形点,该第一星形点例如将n个激光器的阴极彼此连接。
如所提到的,在集成电路的晶体中,控制电路和n个充电电路优选地集成在与晶体背侧相对的有源表面中。因此,n个充电电路是集成电路的有源表面的一部分,这意味着它们基本上直接放置在晶体的表面下方或晶体表面上。与n个激光器组成的线性激光器阵列平行,由n个电容器组成的线性电容器阵列现在也安装在集成电路的单片晶体(裸片)的有源表面上。
这种并行性在此不仅涉及时间并行性,而且还涉及空间并行性。激光器阵列的n个激光器优选地沿着第一直线布置。电容器阵列的n个电容器优选沿着第二直线布置,该第二直线首先优选平行于第二直线,或者其次可以设想位于电容器阵列的下侧。同样,可以设想第一线位于激光器阵列的下侧。于是第一线和第二线限定了一个平面,该平面优选地与所述电路的晶体的有源表面重合或至少基本上平行于该表面并且通过诸如粘接剂或焊料的固定装置仅与该表面稍微间隔开,使得这里可以说所述平面和所述裸片的表面基本相同。
电容器阵列的n个电容器中的每一个具有第一连接端和第二连接端。线性电容器阵列的每个电容器的第一连接端通过具有第一接合线长度的多重接合连接到n个激光器组成的线性激光器阵列的分配给该电容器的激光器的阳极,以减少放电线路电感。电容器阵列的n个电容器的第二连接端一起连接到第二星形点。该第二星形点通过具有第二接合线长度的多个接合线连接到集成电路晶体的有源表面上的参考电位接触部,以进一步减小放电线路电感。这种结构具有显著的优点。如果电容器阵列的n个电容器中只有一个电容器已通过分配给该电容器的充电电路充电,而所有其他电容器均未充电,则这些未充电的电容器基本上被充电到了接近0V的电压或远远不足以“点燃”分配给所述其他电容器的激光器的低电压。当脉冲信号到达时,控制开关现在将第一星形点连接到参考电位。首先,由此所涉及的先前已充电的电容器通过分配给该电容器的激光器放电。然而,其次,所有其他电容器的第一连接端通过它们的激光器同样连接到参考电位。由于这些激光器的相关联的电容器基本上未充电,这些剩余的电容器迫使形成第二星形点的电容器的第二连接端的电位同样必须接近于参考电位。优选地,线性电容器阵列的电容器的第一连接端相应地通过具有第三接合线长度并与第二星形点相交的接合线连接到n个充电电路中分配给该电容器阵列的n个电容器中的相应电容器的充电电路。在此,第三接合线长度优选地长于第二接合线长度。第二接合线长度在此优选地长于第一接合线长度。
以这种方式限定的激光器模块可用于LiDAR***。提出使用LiDAR***的以下基本结构:
所提出的LiDAR***优选地包括由n个激光器组成的所述线性激光器阵列、具有由n×m个光电探测器(以下有时也称为光电二极管)组成的2D光电探测器阵列和具有在每n个列或行中的m个光电探测器(m作为整数大于并且主要远大于1)的光电传感器、用于n个激光器的控制电路、用于n×m个光电探测器的n×m个接收电路和用于n×m个接收电路的测量信号的评估电路。LiDAR***的光学器件包括在激光器侧,即对于激光束的优选鲍威尔透镜,或功能等效的光学器件,该光学器件下面应包括在术语鲍威尔透镜中,并且包括在光电探测器侧,即在从被激光以条纹方式依次照射的场景到光电传感器的光束路径中的优选第二光学器件,下面称为接收器透镜。当通电时,n个激光器中的每一个都发射相应的激光束。鲍威尔透镜优先将每个激光束扩展成光扇。实际上,每个光扇都将具有横向于其传播方向的强椭圆辐射横截面。在本发明的含义下,在说明书中简单地假设横截面椭圆或横截面卵的短半轴具有实际0cm的长度。由于实际横截面不同于0cm,本发明并不限于此。这种0厘米扇形厚度的假设仅用于简化描述。每个光扇都具有开口角度。每个光扇都具有光扇平面和扇形原点。鲍威尔透镜相对于n个激光器的线性激光器阵列布置,使得优选地,n个激光器的光扇的n个光扇平面的表面法线优选地彼此位于公共平面内并且与优选地沿其布置n个激光器的直线一起。激光器阵列的n个激光器优选地产生n个激光束,这些激光束的n个光扇垂直于它们相应的扇形平面地在基本上共同的扇形原点处相对于n个光扇中一个可自由选择的光扇倾斜了相应的扇形角,而且是关于穿过该扇形原点的基本上公共的旋转轴线。
类似的倾斜发生在光电探测器侧。由于结构所导致,每个光电探测器典型地已经具有接收波瓣,所述接收波瓣描述了相应光电探测器的与空间方向相关的灵敏度。所有n×m个光电探测器优选地以相同方式设计。它们优选地单片集成在半导体晶体上。优选地是一个光电探测器行或n个光电探测器行,其中对于所涉及光电探测器行中的每行光电探测器而言,m个光电探测器沿直线线性布置。然而,也可以想到只使用一行光电探测器。n×m个光电探测器优选地是半导体器件。例如,雪崩光电二极管(英语:avalanche photodiode(APD))和/或单光子雪崩光电二极管(英语:single-photon avalanche diode(SPAD))也在考虑之列。接收器透镜将n×m个光电探测器的n×m个接收波瓣变形为n×m个接收扇。在这里,为了简单起见再次假设接收扇具有基本上为0cm的接收扇厚度。实际上,这个假设是不正确的,并且接收扇类似于激光器的光扇实际上是具有典型强椭圆横截面的接收波瓣。这种假设接收扇厚度为0cm的简化在此也应只是用于简化描述,因此不限制本发明。现在n×m个接收扇中的每个接收扇都具有接收扇平面。因此,通过第二光学器件定义了n×m个接收扇平面。n×m个光电探测器的n×m个接收扇平面中的每个接收扇平面不平行于n个激光器的n个光扇的n个激光器扇平面。n×m个光电探测器的n×m个接收扇平面中的每个接收扇平面优选地垂直于n个激光器的n个光扇的n个激光器扇平面中的每一个。因此优选地产生k=n×m个交叉线,这些交叉线表示由n×m个接收扇中分配给n×m个光电探测器之一的接收扇与n个光扇中分配给n个激光器之一的光扇的配对的灵敏度线。鲍威尔透镜在***中执行两个功能。这些功能可以分布到鲍威尔透镜的两个表面。然而,这两个功能也可以用单个透镜表面来实现。这两个功能是:
a.所有激光器的垂直聚焦,和
b.激光器功率的所谓水平平场,即激光器功率的均匀分布,以均匀地照射要记录的图像的一行,其中这种均匀分布对于所有激光器都相同地进行。
柱体表面基本上实现了功能a。更高阶的项扩展了描述柱体表面的数学函数,以最小化成像误差。垂直曲率半径是距透镜中心的水平距离的函数,这导致在线末端处的更好聚焦。
透镜表面形状的多项式实现了函数b。该多项式将透镜的厚度描述为距中心的水平距离的函数。由此,透镜实际上几乎可以以任何方式水平地重新分配激光束的能量。
由多项式描述的作为距中心的水平距离的函数的透镜的水平曲率产生了进一步的优化。该多项式使得可以校正透镜的(枕形)失真。
所有多项式对各个其他功能(垂直聚焦、水平能量分配、失真校正)的影响也很弱,从而在优化期间必须将所有参数相互协调。为此,总是首先迭代优化一个函数。然后先后校正其他函数中出现的错误。通过循环的重复使结构稳定,同时误差典型地越变越小。现在重复整个过程,直到错误足够小为止。
在本发明的开发过程中示例性确定的参数尚未完全优化,但它们比现有技术更好。
透镜的方程为:
正侧表面结构的方程:
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|+PB4*x4+PB6*x6+PC2*x2+PC3*|x3|其中RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|
这里Sign()代表符号函数,Sqrt()代表函数参数的根。
这里z代表到x-y中心平面的距离,其中光轴是z轴。
背侧表面结构的方程:
z=-(d+PC2*x2+PC3*|x3|)
这里:
x表示水平轴
y表示纵轴
z表示光轴
ROY表示确定焦距的柱体曲率半径。ROY=12.6mm在本发明中用作示例。该曲率半径由激光器到激光器的距离、传感器行中传感器之间的距离以及接收器透镜的焦距确定。在此适用:
ftx/ptx=frx/prx
其中
ftx表示激光器透镜的焦距
frx表示传感器行的透镜焦距
ptx表示激光到激光的距离
prx表示传感器行中接收器到接收器的距离
d表示光学中心处的透镜厚度。在本发明中示例性地适用d=2.2mm
AR2、AR3表示曲率梯度的高阶多项式的系数
PB2、PB3、PB4、PB6表示描述透镜的水平厚度变化过程的系数
PC2、PC3表示描述透镜曲率的系数(两个表面相同)。
在本发明的开发范围中测试了各种透镜。
第一透镜的参数如下:
AR2=0,AR3=0
PB2=-0.0085,PB3=0.0008,PB4=0,PB6=0
PC2=0,PC3=0
第二透镜的参数如下:
AR2=0.01,AR3=0.0006
PB2=-0.0085,PB3=0.0008,PB4=0,PB6=0
PC2=0,PC3=0
第三透镜的参数如下:
AR2=0.01,AR3=0.0005
PB2=-0.015,PB3=0.0015,PB4=-0.000024,PB6=0
PC2=0,PC3=0
第四透镜的参数如下:
AR2=0.028,AR3=-0.0028
PB2=-0.0115,PB3=0.00038,PB4=-0.000034,PB6=0.00000013
PC2=0.028,PC3=-0.0032
下面描述根据本发明的示例性LiDAR***的电功能。
控制电路现在促使n个激光器之一在发射时刻发射激光脉冲。为此,在发射之前,监控电路例如促使前述激光器模块的n个充电电路之一对分配给该充电电路的电容器充电。所有其他电容器应是未充电的,并在用于由分配给待充电电容器的激光器发射光脉冲的过程的持续时间内保持不充电。在充电过程完成之后——该充电过程例如在预定义或计算的时间之后时间控制地停止或在达到或超过电容器目标电压之后时间控制地停止,优选地将充电电路与待充电电容器分离,例如通过开关和/或通过将充电电路的输出端切换到高欧姆。在通过对电容器充电而以这种方式突然切换n个由激光器和分配的电容器组成的配对中的激光器和电容器的组合之一之后,可以经由激光器和控制开关通过闭合该控制开关来突然进行该电容器的放电。为此,优选地是控制电路一部分的监控电路优选地产生脉冲信号,该脉冲信号优选地闭合所述控制开关并且因此例如将激光器的阴极连接到参考电位。已充电的电容器优选地通过其第二连接端连接到该参考电位并且优选地通过其第一连接端连接到激光器的阳极。因此,先前已充电的电容器经由分配给它的激光器突然放电。该激光器发射光脉冲。n个激光器中的其他激光器不发射光脉冲,因为分配给它们的电容器未充电或未足够充电。从理论上讲,可以为多于一个电容器充电,然后逐渐使用不同的充电模式,然后再回到唯一电容器充电的简单情况。
光脉冲现在通过所述鲍威尔透镜扩展为光扇,并发射到设备前面的自由空间中。然后在该自由空间中,光脉冲在第一光传播时间之后投射到在此示例性假设的对象上并且在那里作为反射光脉冲被反射回来。然后在第二光传播时间之后,反射光脉冲到达第二光学器件,该第二光学器件将反射光脉冲的光子分布到n×m个光电探测器上。在这里,当所涉及光子的传播矢量按照方向位于分配给n×m个光电探测器之一的对应灵敏度扇中时,或者换句话说,当所述光子来的方向位于灵敏度扇形范围中时,第二光学器件将反射光脉冲的光子分配给该光电探测器。
因此,优选地每个光电探测器和分配给该光电探测器的接收电路检测该激光脉冲在它们的相应接收扇内的反射光。此外,接收电路优选地具有用于检测光脉冲从发射时刻到光电传感器中的接收时刻的传播时间的装置。因此,优选地,对于每个激光脉冲产生n×m个光传播时间信息,所述光传播时间信息代表光脉冲从激光器发射的时刻(发射时刻)到作为被场景反射的光脉冲由各个光电探测器接收的时刻(接收时刻)的光传播时间。所述光传播时间信息可以借助于光速(例如空气中的光速)转换为长度或距离。
如果对n个激光器中的每一个都执行该测量,则从由此产生的n个测量结果中获得k=n×m光传输时间值,因此k=n×m个距离,即针对分配给光电二极管的每个像素获得一个距离。
为了获得这些距离,相应接收电路将针对相应光电二极管处接收到相应激光脉冲的时刻的相应测量值转发给评估电路。所述评估电路从控制电路获得关于n个激光器中的哪一个已经发射光脉冲的信息。由此,评估电路然后可以确定哪个灵敏度线属于哪个距离。应当注意,本发明意义上的灵敏度线由n×m个光电二极管之一的接收扇和n个激光器的光扇之一组成的配对产生。
在激光器阵列的所有n个激光器都发射过一次光脉冲之后,对k个灵敏度线产生k个距离。如果将这些距离绘制在灵敏度线上,则对于每个灵敏度线恰好产生一个点导致该灵敏度线的光扇的光脉冲反射并被具有该灵敏度线的灵敏度扇的光电传感器接收。由此,通过这种方式确定了三维空间中的k=n×m个距离,这些距离优选可以从距离灵敏度线坐标系转换为例如笛卡尔坐标系以供进一步使用。
因此,所述评估电路根据相应激光脉冲的激光扇的角度和相应光电探测器的相应接收扇的角度以及相应激光脉冲在相应光电探测器处的相对于相应发射时刻的相应接收时刻来产生三维像素云。
特别有利的是,n个光扇的n个表面法线具有角距离(a1,2,a2,3,a3,4,到an-2,n-1,an-1,n),这些角距离在每两个相邻光扇之间基本上相同。
同样特别有利的是,n×m个灵敏度扇的n×m个表面法线在水平方向上具有m个角距离(b1,2,b2,3,b3,4,至bm-2,m-1,bm-1,m),所述角距离分别在两个相邻的灵敏度扇之间也是基本相同的。
特别有利的是,在如上所述的LiDAR***中使用上述激光器模块。
本发明还包括具有由n个激光器组成的线性激光器阵列的激光器模块,其中n是正整数。n个激光器优选地安装在模块载体和/或驱动器IC上。每个激光器的每个激光束具有激光束轴。所有激光束轴和/或至少两个激光束轴相交于一点。基于此,可以定义p个激光器模块的组合,其中p为正整数,其中每个激光器模块具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,其中n为正整数,并且其中每个模块的激光器可以以相同的方式编号,并且其中每个激光器的每个激光束具有激光束轴,并且其中所有p个激光器模块的每第k个激光器(0<k≤n)的激光束轴相交于一个公共点,和/或其中p个激光器模块中的至少两个的每第k个激光器(0<k≤n)的激光束轴相交于一点。
但是更好的是,所有p个激光器模块的所有n×p个激光器的激光束轴相交于一个公共点。替代地,所有p个激光器模块的n×p个激光器中的至少两个激光器的至少两个激光束轴可以相交于一点。驱动器IC优选地是所述集成电路。这种驱动器IC优选地具有矩形形状。于是驱动器IC具有两个窄边和两个长边作为边缘区段。驱动器IC优选地在矩形的由一个窄边形成的第一边缘区段上具有多个接触部或一个接触部DisC,其用于并适合于与二极管激光器的一个或多个背侧接触部接触。IC在其矩形的由另一个窄边形成的第二边缘区段上具有接触部VDDA、GNDA、VDDD、GNDD、VDDP、GNDP、VDDH、GND,所述接触部用于向驱动器IC和/或所述激光器D1至Dn和/或属于该激光器的储能器(即电容器C1至Cn)供应能量。第一边缘区段在此与第二边缘区段相对。
驱动器IC优选地在其矩形的由一个长边形成的第三边缘区段上具有用于信号的至少一个传输接触部,该信号可以转发到其他驱动器IC。驱动器IC在其矩形的由另一长边形成的第四边缘区段上具有与另一个驱动器IC的传输接触部电连接的另外的传输接触部。
传输接触部之一优选地是用于复位信号RES的接触部,该复位信号将驱动器IC置于限定的状态中。优选地,传输接触部是用于触发信号TRIG的接触部,该触发信号促使驱动器IC在预定的信号状态下对其激光器D1至Dn的控制,只要这是基于***状态而规定的。优选地,一个或多个传输接触部被确定用于接收以接触数据总线的信号。在驱动器IC的一个边缘区段上的一个或多个传输接触部优选地直接电连接到相邻驱动器IC的相对边缘上的一个或多个对应的传输接触部。然而也可以想到,线性数据总线(例如LIN总线)至少暂时由作为总线节点的驱动器IC中断,并且驱动器IC的内部设备部件在驱动器IC的一侧接收数据,而在该IC的另一侧必要时也将所述数据加以修改地进一步发送出去。在这种情况下,在驱动器IC的一个边缘区段上的一个或多个传输接触部的信号在被转发到相邻驱动器IC的相对边缘区段上的一个或多个对应的传输接触部之前在驱动器IC的子设备中受到处理,特别是在数据总线接口中受到处理。
此外,本发明包括激光器模块的组合,特别是组合为具有至少两个激光器模块,即具有至少第一激光器模块和第二激光器模块的LiDAR***,其中所述激光器模块基本上具有带有两个窄边和两个长边的长方体形,其中所述激光器模块以其长边并排布置。
如上所述,每个激光器模块在长方体形外壳中都具有驱动器IC,所述驱动器IC彼此并排地布置在载体上。
激光器模块的驱动器IC典型地在其驱动器IC中使用的传输接触部方面是相同设计的。于是,第一激光器模块的驱动器IC的每个传输接触部优选地与第二激光器模块的驱动器IC的对应传输接触部借助于每个这样的传输接触部对的唯一接合线电连接。这样做的优点是只产生很小的损耗。这对于触发信号TRIG的快速、同步传输是特别有利的,因为所有激光器将以时间上彼此协调的方式连续启动并且因此应当发射它们的辐射包。
本发明还包括用于激光器模块和/或用于激光器模块的组合和/或用于与驱动器IC一起使用的特殊电容器阵列,分别如上所述。例如,该电容器阵列具有矩形形状并且具有上侧和下侧。所述电容器阵列在其上侧上具有沿所述矩形的第一边缘排列的n个接触部K1'至Kn'。所述电容器阵列具有在电容器阵列的上侧上沿所述矩形的第二边缘延伸的另外的接触部KG'。所述矩形的第二边缘与所述矩形的第一边缘相对。所述另外的接触部KG'沿着第三和第四边缘延伸的距离比所述矩形的第三和第四边缘的伸展短,并且与接触部K1'到Kn'有距离地结束。所述电容器阵列具有覆盖电容器阵列下侧的下侧接触部KR。n个接触部K1'至Kn'中的每一个与背侧接触部KR形成电容C1至Cn,其中另外的接触部KG'与背侧接触部KR形成另外的电容CVDD,以及其中电容器C1至Cn和CVDD具有公共电介质,该电介质在一方的n个接触部K1'至Kn'和另外的接触部KG'与另一方的下侧接触部KR之间延伸。
所提出的设备可以用作LiDAR***或用作移动设备中的这种LiDAR***的一部分。在此,例如所述移动设备特别可以是机器人或导弹或太空导弹或舰船或水上车辆或车辆或轨道车辆或飞机或航天器。通过移动设备的振荡,可以提高被照射场景的距离信息的分辨率。
所提出的设备可以用作LiDAR***或用作自动化技术中这种LiDAR***的一部分。例如,所述设备可以用在用于检测物体或建筑物的形状的设备中,或者用在用于使过程自动化的设备中,或者用在用于对三维体的形状进行三维检测的设备中。
所提出的激光器模块使得能够为不需要可移动部件的LiDAR***产生短的光脉冲。然而,优点不限于此。
如上所述并在权利要求书中对特征进行定义的光模块、公共电容器部件、多个光模块的组合、电路裸片和用于切换电流的集成电路被视为也可以彼此独立地实施的独立发明。这同样适用于权利要求书的各个从属权利要求的特征,这些从属权利要求定义了独立的发明,即不必强制地仅与其他从属权利要求的其他特征相关。
本发明或本发明的各个方面的上述和/或以下描述的特征应被理解为彼此独立的、单独的特征,即使它们是结合其他特征进行描述的,这些特征可以单独地并且与必要时结合它们描述的其他特征一起独立实现并且对本发明是重要的。
就上文和下文提到的来自二极管的“光”或反射光而言,这首先是指在可见光的波长范围之外的波长范围内的光。然而,本发明也可以用可见光来实现。
附图说明
下面基于多个实施例更详细地描述本发明。在此具体地:
图1以俯视图和侧视图示出了示例性LiDAR***的光束路径,该***示例性地具有n=4个激光器和传感器的示例性地m=256个光电探测器,其中第一激光器发射激光脉冲并且其激光表面照射图像的第一行,该第一行由传感器的第一行光电二极管通过光反射来检测,
图2以俯视图和侧视图示出了具有四个激光器和256个光电探测器的LiDAR***的光束路径,其中第二激光器发射激光脉冲,
图3以俯视图和侧视图示出了具有四个激光器和256个光电探测器的LiDAR***的光束路径,其中第三激光器发射激光脉冲,
图4以俯视图和侧视图示出了具有四个激光器和256个光电探测器的LiDAR***的光束路径,其中第四激光器发射激光脉冲,
图5示出了所提出的LiDAR***的示例性互连,
图6示出了用于图5的LiDAR***的激光器模块的建议结构,
图7示出了混合结构的示意图,该结构由具有电路裸片并且具有各种电部件和电子部件的载体组成,这些电部件和电子部件与载体的一个主侧上的连接场进行裸片对裸片连接,
图8示出了具有图6的多个激光器模块的布置,
图9A、图9B、图9C示出了用在根据图7的激光器模块中的电容器阵列C1至C4和CVDD的俯视图、侧视图和电容器阵列的内部互连,
图10以俯视图示出了所提出的驱动器IC的结构,
图11示出了激光器模块在驱动器IC层面上的串接排列,
图12示出了图11的激光器模块沿着曲线的取向,
图13示出了在沿着曲线布置时在一个唯一载体上具有16个激光二极管的替代光模块的俯视图,
图14示出了示例性鲍威尔透镜,
图15示出了具有发射透镜的发射***和具有接收透镜的接收***的示例性布置,
图16示出了作为示例性笛卡尔坐标系中的点云的真实测量结果,该笛卡尔坐标系作为具有n=16个激光器和光电探测器行中m=256个光电探测器的目标坐标系,
图17示出了根据本发明的无人机,在该无人机上安装了LiDAR模块,
图18示出了在平坦表面上的扫描点的最佳定位,所述平坦表面在距传感器***一定距离处设立并且其表面法线平行于该传感器***的测量轴取向,
图19示出了没有校正多项式的透镜,
图20示出了参数为AR2=0.01,AR3=0.0006,PB2=-0.0085,PB3=0.0008,PB4=0,B5=0,PC2=0,PC3=0,的透镜,
图21示出了参数为AR2=0.01,AR3=0.0005,PB2=-0.015,PB3=0.0015,PB4=-0.000024,PB6=0,PC2=0,PC3=0的透镜,
图22示出了参数AR2=0.028,AR3=-0.0028,PB2=-0.0115,PB3=0.00038,PB4=-0.000034,PB6=0.00000013,PC2=0.028,PC3=-0.0032的透镜,
图23示出了根据现有技术的简化为基本元件的示例性电路,用于借助于驱动器电路I和未详细说明的预驱动器电路以及场效应晶体管M来控制激光二极管LD,
图24在图部分(a)至(f)中基于电路图和电路布局简化了自相似性的基本概念,
图25在图部分(a)中作为棒状布局示出了根据本发明的自相似结构的基本结构的简化示出的布局,并且在图部分(b)中示出了如何组合另外的基本结构,从而最终得到根据本发明的自相似结构,以及
图26示出了电路布局的自相似性的简化表示。
具体实施方式
在图1到图4的实施例中示意性地示出了LiDAR***的组件,该LiDAR***具有激光二极管行LDZ形式的发射器、2D(光电二极管)传感器S形式的接收器以及用于将激光束扇出为强椭圆的横截面以照射要记录的距离图像的一行的透镜(发射透镜SL和柱面透镜ZL)和用于对分别照射的行成像的透镜(接收透镜EL),所述激光二极管行由n=4个激光器D1、D2、D3、D4组成,所述2D传感器S具有4行,每行有n=256个光电二极管。
图1以俯视图和侧视图示出了当第一激光器D1发射激光脉冲时LiDAR***的光束路径。第一激光器D1发射光脉冲,该光脉冲由优选具有鲍威尔透镜的透镜SL、ZL扩展成第一光扇LF1。第一光扇LF1以虚线示出。第一光扇LF1照射LiDAR***前面的空间或场景(距离图像)的第一条纹。接收透镜EL将被照亮的第一(图像)条纹成像到传感器S的一行上。在图1(以及在图2至图4)中通过虚线和实线示出了将被照射图像条纹的两端处的两个图像点成像到传感器S的所涉及光电二极管行的两端处的两个光电二极管上。被照亮的第一图像条纹不同于被照亮的第二图像条纹(图2)、不同于被照亮的第三图像条纹(图3)并且不同于被照亮的第四图像条纹(图4)。在图1的示例中,传感器阵列每行包括256个光电二极管。该传感器行因此记录一个图像条纹。接收透镜EL优选地也是鲍威尔透镜。
图2以俯视图和侧视图示出了当第二激光器D2发射激光脉冲时LiDAR***的光束路径。第二激光器D2发射光脉冲,该光脉冲由优选具有鲍威尔透镜的透镜SL、ZL扩展成第二光扇LF2。第二光扇LF2以虚线示出。第二光扇LF2照射LiDAR***前面的空间或场景(距离图像)的第二条纹。接收透镜EL将被照亮的第二条纹成像到传感器S的一行上。被照亮的第二图像条纹不同于图1的被照亮的第一图像条纹、不同于图3的被照亮的第三图像条纹并且不同于图4的被照亮的第四图像条纹。
图3以俯视图和侧视图示出了当第三激光器D3发射激光脉冲时LiDAR***的光束路径。第三激光器D3发射光脉冲,该光脉冲由优选具有鲍威尔透镜的透镜SL、ZL扩展成第三光扇LF3。第三光扇LF3以虚线示出。第三光扇LF3照射LiDAR***前面的空间或场景(距离图像)的第三条纹。接收透镜EL将被照亮的第三条纹成像到传感器S的一行上。被照亮的第三图像条纹不同于图2的被照亮的第二图像条纹、不同于图1的被照亮的第一图像条纹并且不同于图4的被照亮的第四图像条纹。
图4以俯视图和侧视图示出了当第四激光器D4发射激光脉冲时LiDAR***的光束路径。第四激光器D4发射光脉冲,该光脉冲由优选具有鲍威尔透镜的透镜SL、ZL扩展成第四光扇LF4。第四光扇LF4以虚线示出。第四光扇LF4照射LiDAR***前面的空间或场景(距离图像)的第四条纹。接收透镜EL将被照亮的第四条纹成像到传感器S的一行上。被照亮的第四图像条纹不同于图2的被照亮的第二图像条纹、不同于图3的被照亮的第三图像条纹并且不同于图1的被照亮的第一图像条纹。
图5示出了用于所提出的LiDAR***的示例性电路。控制电路CTR促使n个充电电路B1至Bn之一经由分配给该充电电路的充电线路K1至Kn对电容器C1至Cn充电。N个充电线路K1至Kn中的每一个在此都具有(尤其是寄生的)电阻RZ1至RZn和寄生电感LZ1至LZn。充电线路K1至Kn中的每一个优选地连接到n个电容器C1至Cn中的恰好一个电容器的第一连接端。n个电容器C1至Cn中的每一个电容器的第二连接端经由线路连接到参考电位。电容器C1至Cn的第二连接端与参考电位之间的每条线路包括寄生电阻RC1至RCn和寄生电感LC1至LCn。n个激光器D1至Dn中优选地恰好一个激光器的阳极优选地经由n个放电线路K1'至Kn'中优选地恰好一个放电线路连接到n个电容器C1至Cn中优选地恰好一个电容器的第一连接端。n个激光器D1至Dn的阴极相互连接成公共的第一星形点DisC。当脉冲信号Gdis到达时,该公共星形点通过控制开关Tdis连接到参考电位GND。n个电容器C1至Cn的第二连接端也连接到参考电位GND。
示例性缓冲器Buf从预脉冲信号PL产生用于断开控制开关Tdis的脉冲信号Gdis。优选地,在相关联的充电电路B1至Bn对要充电的电容器的充电过程结束并且将所涉及的充电电路B1至Bn切换为中性时,控制电路CTR能够产生该预脉冲信号PL。
辅助电容器CVDD优选地是n个电容器C1至Cn的电容器阵列KA的一部分。辅助电容器CVDD可以稳定供电电压VDD或其他***相关电压。该辅助电容器的作用是防止在启动激光器时产生的电流浪涌对例如车辆的连接到供电电压VDD的其他组件的影响,其中供电电压VDD作为车载网络电压。
辅助电容器CVDD的第一连接端经由线路电感LZV和线路电阻RZV连接到供电电压VDD。
辅助电容器CVDD的第二连接端经由线路电阻RCV和线路电感LCV连接到参考电位GND。
图6示出了用于图5的LiDAR***的激光器模块的结构的实施例。
该模块的基础是驱动器IC。驱动器IC优选地是单片集成电路。驱动器IC优选地包括图5的控制电路CTR和所有其他微集成(例如CMOS)电路部件。这例如可以(但并不仅仅)是控制电路CTR、缓冲器Buf、控制开关Tdis和n个充电电路B1至Bn。此外,控制电路CTR可以包括例如具有存储器、接口和CPU的微型计算机。这些一起形成控制电路。在图6的示例中,使用例如n=4个激光器D1至D4,这些激光器制造在公共晶体上并形成线性激光器阵列。该晶体的下侧形成激光二极管的公共阴极,该公共阴极作为第一星形点DisC与控制开关电连接,该控制开关在驱动器IC的晶体中制造并在该控制开关处具有有源表面。通过倒装芯片组装可以实现这种只具有低寄生电感值和低电阻值的连接,这增加了激光脉冲的边缘陡度。n个激光器通过驱动器IC的晶体进行热冷却。四个电容器C1至C4也被设计为公共部件。在图6的示例中,四个电容器C1至C4的第二连接端通过公共接触部彼此连接。每个电容器C1至C4的第一连接端与四个激光器DI至D4中分配给该电容器的激光器相应地经由四个放电线路K1'至K4'之一连接。通过所选择的布置,放电线路K1'至K4'特别短。所示的放电线路K1'至K4'的多重接合线连接导致寄生电感的进一步降低,并因此导致边缘陡度的进一步增加。同样地,作为电容器C1至Cn的公共连接点的(第二)星形点DisK与参考电位之间的连接的短接合线连同多重接合线连接一起导致减小该线路连接的寄生电感降低。这也增加了所发射的光脉冲的边缘陡度。
充电线路K1至Kn的相对较长的接合线更有利于边缘陡度,因为它们防止或很大程度上抑制了电容器C1至Cn的电荷经由这些充电线路K1至Kn的放电。
如图所示,辅助电容器CVDD可以是电容器阵列KA的一部分。辅助电容器CVDD在下侧上通过具有非常低的线路电阻RCV和非常低的线路电感LCV的第二连接端连接到参考电位GND。辅助电容器CVDD的第一连接端连接到供电电压VDD的虚拟节点KG'。供电电压VDD的虚拟节点KG'通过非常短的接合线连接到供电电压VDD。由此,供电电压VDD的虚拟节点KG'以非常低的线路电阻RZV和非常低的线路电感LZV连接到供电电压VDD。
作为根据图5的电路的实现,在图7中示意性地示出了激光器模块的混合结构,该激光器模块具有例如塑料浇注料作为载体TR。电路裸片和引线框架嵌入在载体TR中;为清楚起见,电路裸片和引线框架均未示出。控制电路CTR、晶体管驱动器Buf和充电电路B1至Bn被设计为电路裸片的集成电路。此外,晶体管Tdis尽可能靠近电路裸片的上侧。如图5和图7所示,晶体管Tdis具有传导路径LPF,其端部区域LPF1、LPF2经由第一传导路径连接场TAF1和第二传导路径连接场TAF2电引导至上侧TRO。激光二极管D1至Dn位于第一传导路径连接场TAF1上并且以它们所涉及的裸片D1D的下侧第一连接场DAF1按照裸片到裸片接合的方式电连接到第一传导径连接场TAF1。以同样的方式,电容器C1至Cn连接到晶体管Tdis的一个或多个第二传导路径连接场TAF2。为此,每个电容器C1例如构造为单独的电荷存储部件LSBT,其中所有电容器C1至Cn也可以组合地形成公共的电荷存储部件(参见在该背景下示例性地图6的电容器阵列KA)。电荷存储部件LSBT具有下侧的第一连接场LAF1,该第一连接场通过裸片到裸片接合电连接到第二传导路径连接场TAF2。
激光二极管裸片D1D的上侧以及电荷存储部件LSBT的上侧分别具有借助于短的第一接合线BD1彼此电连接的第二连接场DAF2和LAF2。这些第一接合线BD1形成线路K1'至Kn'。
附加地,电容器C1至Cn分别经由较长的第二接合线BD2电连接到分配给该电容器的充电电路B1至Bn的位于载体TR的上侧TRO上的连接场AF。还示出了第三接合线BD3,其将施加在载体TR的上侧连接场上的供电电压电位VDD连接到辅助或缓冲电容器CVDD,该辅助或缓冲电容器CVDD本身通过其第二接触部连接到参考电位GND。为此,辅助或缓冲电容器CVDD被设计为单独的部件或集成在电容器阵列KA中的部件,该部件同样例如通过裸片到裸片接合电连接到第二传导路径连接场TAF2,参考电位就施加在该第二传导路径连接场上。
在图7中,通过扩展的线路对可视化了根据图5的电路的放电回路和充电回路中的哪些寄生组件对应于混合结构的各个组件。在此应注意的是,最终引线框架(图7中未示出)和同样未在图7中示出的电路裸片中的内部连接也会对寄生组件产生影响。
最后,在图7中还示出图26ff表示驱动器Buf和晶体管Tdis的细节图示。驱动器Buf的输出端连接到晶体管的控制连接端GTdis
图8示出了具有多个图6的激光器模块的布置。控制逻辑和控制器在此优选地设计为使得所有激光器模块中总是只有一个激光器产生光脉冲,其中所有并排布置的激光器的控制在时间上连续地从一个激光器到例如相邻的激光器进行。
图9A、图9B和图9C以俯视图(图9A)、侧视图(图9B)和电容器阵列的内部互连(图9C)示出了在根据图8的激光器模块中使用的具有电容器C1至C4和CVDD的电容器阵列KA。
由C1到Cn和CVDD组成的电容器阵列KA优选为矩形。放电线路K1'至Kn'的接触面在上侧上优选地沿着该矩形的第一边缘并排布置(参见图9A)。从用于连接放电线路的接触面的中心到用于连接下一个放电线路的接触面的中心的距离在此优选地对应于对应激光器(参见图6中的D1至Dn)的几何重心之间的距离。因此,激光器和电容器阵列KA的接触面优选地具有相同的间距=从中心到中心的距离。在图9的示例中,该距离示例性地为500μm。
供电电压VDD的虚拟节点KG'的接触面沿着该矩形的与该矩形的第一边缘相对的第二边缘延伸,所述供电电压对应于辅助电容器CVDD的第一连接端。
优选地,供电电压VDD的虚拟节点KG'的接触面沿着该矩形的整个第二边缘延伸。在图9的示例中,该延伸的长度略小于2000μm。
因此,用于连接放电线路K1'至Kn'的必要时n个接触面仅占据沿所述矩形的第一边缘的一个区段,该区段小于所述矩形的第一边缘的长度的1/n。在图9的示例中,该延伸仅为375μm。这些接触部的面积在图9中示例性地为0.17mm2
因此,放电线路K1'到Kn'的必要时n个接触面沿着所述矩形的第三和第四边缘的延伸(在本示例中为450μm)典型地长于供电电压VDD的虚拟节点KG'的接触面的延伸(在本示例中为100μm)。供电电压VDD的虚拟节点KG'的接触面的大小约为0.2mm2
电容器阵列KA(参见图9B)的下侧接触部KR形成用于连接公共参考电位GND的公共接触部。
节点K1'至Kn'和KG'的接触面之间的材料形成电容器阵列KA的电介质。然后在节点K1'至Kn'和KG'的每个接触面与下侧接触部KR之间分别形成电容器C1至Cn和CVDD之一。
为了更清楚起见,图9的示例(与本说明书的其他示例一样)针对n=4,但这绝不应理解为限制性的。
图10以俯视图示出了单个的所提出的驱动器IC的结构。该结构被大大简化并仅限于基本特征。
如本说明书其他地方已经提到的,为了更好的概述,模块的激光器D1到Dn的数量n被示例性地限制为n=4。本说明书的原理可以对应地应用于激光器的其他数量n。这里使用n而不是数字4,即使图中示出的是n=4。在此,n总是应理解为正整数。
在驱动器IC的上侧上示例性地存在四个接触面,用于激光器模块的示例性的四个激光器D1至D4的背侧接触部。四个接触面中的每一个都连接到第一星形点DisC。当然,代替四个单独的接触面的单个接触面也是可以想到的。
关于图10中驱动器IC的图示的取向,在接触面DisC下方存在连接到参考电位GND的接触面GND。电容器阵列KA就放置在该接触面上。这将电容器阵列KA的下侧接触部KR连接到参考电位GND。
同样关于驱动器IC的图示的取向,在接触面GND下方存在用于接合线的接触面VDD,电容器阵列KA的辅助电容器CVDD的第一连接端通过该接触面VDD与供电电压VDD连接,所述第一连接端是供电电压VDD的虚拟节点KG'。
在接触面VDD的下方(再次关于驱动器IC的图示的取向)存在用于驱动器电路B1至Bn(这里n=4)的输出端的n个接合面(这里示例性地n=4)。借助于表示充电线路K1至Kn(这里n=4)的长接合线,从那里通过驱动器电路B1至Bn给用作激光器D1至Dn(这里n=4)的储能器的电容器C1至Cn充电。
在图10的示例中,所提出的驱动器IC需要经由多个供电电压接触部VDDA、GNDA、VDDD、GNDD、VDDP、GNDP、VDDH、GNDH的多个供电电压。在开发本发明时认识到有利的是,经由驱动器IC的与激光器相对的边缘以低欧姆将供电电压馈送给驱动器IC,因为由此每个驱动器IC可以具有其自己的低欧姆馈线。
此外已经认识到,也可以高欧姆地施加到驱动器IC上的信号可以横向地经过IC地循环通过。在图10的示例中,这例如是复位信号RST,该复位信号水平连接到驱动器IC的相对侧上的对应连接端。此外,这在图10的示例中示出SPI数据总线作为数据总线的示例。SPI数据总线的输入MOSI和SPI数据总线的输出MISO以及SPI数据总线的时钟SCK在驱动器IC的相对侧上具有对应物。选择信号(英语:Chip-Select CS)也循环通过。将用于发射激光脉冲的启动信号输送到驱动器IC一侧上的连接端TRIG,并且无变化地循环到另一侧。
模块的激光器利用该启动信号的边缘来发射。
将输送给所有驱动器IC并且同样循环通过的信号的另一个可选的示例施加到连接端Pulse上。例如,该信号可以是诊断接口的诊断信号。
图11示出了图10的多个激光器模块在驱动器IC层面上的并排排列。
两个相邻驱动器IC的长边上的接触面通过接合线相互连接。很明显,这种结构确保了向所有激光器模块低欧姆地供应电能,因为控制信号是循环通过的。
图12示出了图11的激光器模块沿曲线KL的取向。这样做的优点是大大简化了激光束扇的产生。首先,激光器模块可以垂直于该曲线KL地取向。其次,在一个激光器模块内,激光器可以沿着该曲线KL取向,从而最终所有模块的所有激光器都沿着该曲线KL取向。曲线KL可以是凸的或凹的。每个激光器模块的每个激光器的激光束都具有激光束轴。如果仅激光器模块沿着曲线KL取向并且曲线KL是圆弧区段,则所有激光器模块的每个第一激光器D1的激光束轴在空间中相交于一个公共点。该公共点也可以位于激光器后面。
如果激光器模块的激光器D1至Dn沿着弯曲圆线KL取向,则该激光器模块的激光器D1至Dn的激光束轴相交于一点。
如果所有激光器模块的激光器D1至Dn沿着公共的弯曲圆线KL取向,则所有激光器模块的激光器D1至Dn的激光束轴相交于一点。
不应排除仅部分激光器和/或仅部分激光器模块沿着曲线KL取向。
本发明不限于多个光模块的并排或串接排列,例如每个光模块具有四个激光二极管裸片。从而例如图8、图11和图12中所示的至少四个光模块的布置也可以通过唯一的光模块来实现,于是激光二极管裸片沿着直线或沿着曲线KL布置在该光模块上(参见图13)。沿着具有较大尺寸的这种光模块的外边缘布置了用于上述信号和电压的连接场,这些信号和电压将施加到一个或多个光模块上。整体光模块可以具有公共的因此大面积的电容器阵列KA或具有多个电容器子阵列。
图14示出了示例性的鲍威尔透镜。表面在第一表面OF1上围绕第一轴线A1弯曲并且在第二表面OF2上围绕第二轴线A2弯曲。在此两个轴相互垂直定向。ME表示与透镜的z延伸(在光轴方向上的延伸)相关的透镜中心处的x-y中心平面。
图15示出了具有发射透镜的发射***和具有接收透镜的接收***的示例性布置。以分解图和示意性方式示出了具有n=4个激光二极管的激光二极管(阵列)行LDZ,如以上示例性描述的,以及具有n=4行的传感器S,每行例如具有256个像素。例如,如果使用四个激光器模块,如图8、图11和图12所示,则得到具有16个激光二极管的激光二极管行LDZ和具有16行á例如256个像素的光电传感器。
图16示出了在作为目标坐标系的示例性笛卡尔坐标系中的点云的真实测量结果,其中具有n=16个激光器和以光电探测器行的m=256个光电探测器。
图17示出了根据本发明的无人机,其安装了根据本发明的LiDAR***。根据本发明的LiDAR***可以很好地用于无人机,因为该LiDAR***特别轻且没有诸如振荡镜的机械部件。
其他来自现有技术的解决方案不那么紧凑并且不能在这种低重量和低功耗的同时提供这种信息。
然而,所提出的LiDAR***也可以在其他车辆、浮体、导弹、轨道车辆中用作自动化技术中的扫描仪等。有利的是,车辆执行振荡式俯仰运动,从而可以扫描由传感器的相邻光电探测器行之间的距离引起的距离图像中的“间隙”,由此可以提高图像分辨率。为每个俯仰角记录完整的距离图像,然后将来自光电探测器行的信息组合成完整的图像。也就是说,由此还获得了关于距离图像的区域的信息,这些区域将被成像到传感器的相邻光电探测器行之间的空隙上而无需执行俯仰运动。
图18应当说明照明条纹内的激光的光强分布可能出现的不均匀性问题。在水平方向上,将激光二极管光束在穿过发射器光学元件SLE后的成像作为矩形示出。来自激光二极管的光束典型地具有椭圆形横截面。如果现在沿着该横截面椭圆或该横截面卵的主轴确定强度并绘制到xy图表中,该xy图表具有沿着该主轴的位置作为x轴以及辐射强度作为y轴,则激光二极管典型地在此展现出高斯强度分布。现在通过该光学器件将激光二极管的激光束在一个方向上扩展,从而理想情况下,在远场中,在垂直于扩展透镜和激光器的光轴的投影表面上应当得到矩形的均匀照明区域。但是,由于成像误差,情况并非如此。在图18中示出了垂直线。位于每两个垂直线之间的水平矩形之一的矩形块的表面在被属于该矩形的激光器照射时对不同的矩形块应始终获得相同的光量。因此,在理想情况下,所有的矩形块都应该是相同的并且如图18所示定位。然而,在真实情况下,光学器件存在误差,并且激光束横截面表现为横截面上的高斯强度分布,而不是矩形强度分布。
图18至图22中的每一个仅示出了发射器光学元件SLE的投影场的左上象限,该投影场是矩形的并且因此具有由两个相互垂直的对称轴分开的四个象限。
带有光电探测器的相机将照射点成像到n个光电探测器行上,每个光电探测器行具有q个光电探测器。在图18至图22的示例中,假设光电探测器阵列具有n=16行和q=256个像素。激光器模块的n个激光器中的每个激光器在此照射一行。然后,光学器件根据行的宽度对n个激光器中第j个激光器的激光束进行扩展,其中1≤j≤n=16。因此,第j个激光器的激光束在水平方向上扩展。图18的垂直线的密度或间距代表远场中期望的能量密度。激光器模块的n个激光器中的每个激光器因此照射图像的一行,然后由光电探测器阵列的行扫描该图像的行,这里该光电探测器阵列示例性地是具有16个光电探测器行的光电探测器阵列,每行具有256个光电探测器。由于激光束横截面内的高斯强度分布,未经校正的行上的正态强度分布同样是高斯分布。解决此问题是这里描述的光学器件的任务。
在图18至图22的示例中,向n个光电探测器行中的每一行分配恰好一个激光器。
然而,相反,n个激光器中的每一个激光器也可以通过散焦借助于车辆环境中的反射来照射r个光电探测器行。于是可能的光电探测器行数为r+n。因此有意义的是,在这种情况下使用(n+r)×q个光电探测器,这些光电探测器按r+n个光电探测器行组织。然后向n个激光器中的每一个激光器分配恰好r个光电探测器行。
也可以使用多段透镜来代替散焦。
n个激光器优选地以垂直于光电探测器行的扩展平面的一维激光器阵列布置在激光器模块内。
为完整起见应当提到的是,由于篇幅原因,本文其他地方假设每个激光器模块示例性地具有n=4个激光器以简化显示。
图19示出了没有校正多项式的第一透镜。只有参数B2和B3不为0。因此,等式为:
z=ROY-Sign(ROY)*Sqrt(ROY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|以及z=-d。
如基于图19可以看出的,边缘处的能量分布并且尤其是拐角处的能量分布明显偏离图18的期望分布。
图20示出了根据第一透镜的参数的透镜,其中AR2=0.01,AR3=0.0006,PB2=-0.0085,PB3=0.0008,PB4=0,PB6=0,PC2=0,PC3=0。等式因此现在为:
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|,其中RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|,以及z=-d。
图21示出了根据第二透镜的参数的透镜,其中AR2=0.01,AR3=0.0005,PB2=-0.015,PB3=0.0015,PB4=-0.000024,PB6=0,PC2=0,PC3=0。因此等式现在为:
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|+PB4*x4,其中RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|,以及z=-d。
能量的分布已经几乎是最优的。
图22示出了根据第三透镜的参数的透镜,其中AR2=0.028,AR3=-0.0028,PB2=-0.0115,PB3=0.00038,PB4=-0.000034,PB6=0.00000013,PC2=0.028,PC3=-0.0032.因此等式现在为:
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|+PB4*x4+PB6*x6+PC2*x2+PC3*|x3|,其中RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|,以及z=-(d+PC2*x2+PC3*|x3|)。
从图22可以看出,分布现在几乎是最优的,并且在真实情况下误差可以忽略不计。
在各种技术应用中,激光二极管或发光二极管由驱动器电路控制,而且典型地借助于短的大电流脉冲。在开关时间短的情况下,在驱动器电路中流过大电流。在驱动器电路中使用的具有低漏极-源极电阻的大电流CMOS晶体管在大表面上延伸,这限制了开关速度,因为栅极信号的传播速度有限。作为应用示例提及LiDAR***。
在根据本发明的上述类型的驱动器电路的自相似结构中,根据本发明通过以下方式来解决任务,即,将驱动器电路和预驱动器分成块,这些块分别包含驱动器晶体管的一小部分连同对应的预驱动器。块中的驱动器电路和预驱动器的尺寸被确定为,使得在该块内实现期望的开关时间。为了实现期望的驱动器电流强度,将多个块相互连接,并添加了进一步的预驱动器级。各个块的这种相互连接在根据本发明的自相似结构中进行,如下面所解释的。在此,将栅极信号以平衡的方式引导至子块,以实现同时开关。通过分层构建的预驱动器和驱动器电路的嵌套以及所有关键网络通过芯片上侧的直接连接和经过平衡的信号布线,使得所提出的基于自相似子结构的架构能够实现大规模可缩放的大电流开关,同时保持高的开关速度。
将驱动器电路细分为单独的块(以下称为基本结构)以及将这些基本结构组合成自相似结构将基于附图更详细地解释。为了更简单的显示,以下不再区分驱动器电路和预驱动器,并且为简单起见还仅提到驱动器。
这种描述意义上的基本结构表示在自相似结构中以不同比例尺和嵌套按照相似方式不断重复出现的结构。
将一个级的单驱动器电路的每个输出端与下一级的单驱动器电路的输入端的互连的始终保持相同的设计(而且是既在布局层面中又在电路层面中)的嵌套的本发明概念具有以下优点:从第一级的单驱动器电路的输入端到最后一级的每个单驱动器电路的输出端的电路路径的长度总是相同的。这些信号路径的走向和结构也是类似的或对称的或成组对称点对称的,从而总体上也会产生相同的寄生效应,例如寄生电感和寄生欧姆电阻以及可能的寄生电容。所有这一切确保了在大量的单个子区域中向功率晶体管的相对大的控制电极场同时供应控制信号,该控制信号本身优选地以数字方式产生并且由于大量的级而在控制电极表面的每个子区域中是电稳定的。为此特别是通过将单驱动器电路实现为数字逆变器电路来确保。
这里提出的概念包括电路层面上的自相似性和布局层面上的自相似性。两种类型的自相似性在此分别单独地和共同地要求保护。
图24基于电路图和电路布局简化地示出了本发明所基于的电路架构的自相似性的基本概念。图24包括六个图24(a)至24(f),将在下面解释这些图。左侧的三个图24(a)至24(c)简化地示出了电路图方面的自相似结构的概念。右侧的三个图24(d)至24(f)简化地示出了在对应的布局方面的自相似结构的概念。
图24(a)示出了第一结构B0'的示例性电路图。第一结构B0'具有第一结构B0'的第一连接端S0和第一结构B0'的第二连接端G0以及第一结构B0'的第三连接端GND0。第一结构B0'包括第一驱动器的第一部分I0和第一场效应晶体管的第一部分M0。第一驱动器的第一部分I0具有第一和第二连接端。第一场效应晶体管的第一部分M0具有栅极连接端和漏极连接端以及源极连接端。第一基本结构B0'的第一连接端S0导电连接到第一场效应晶体管的第一部分M0的漏极连接端。第一结构B0'的第三连接端GND0导电连接到第一场效应晶体管的第一部分M0的源极连接端。第一结构B0'的第二连接端G0导电连接到第一驱动器的第一部分I0的第一连接端。第一驱动器的第一部分I0的第二连接端与第一场效应晶体管的第一部分M0的栅极连接端导电连接。
因此,图24(d)示出了第一结构B0'的简化布局图示。第一场效应晶体管的第一部分M0和第一驱动器的第一部分I0显示为相邻的矩形。
图24(b)示出了图24(a)的n个结构B0'示例性组合成第一基本结构B1'。变量n在此代表大于1的自然数。n优选地等于4。第一基本结构B1'具有第一基本结构B1'的第一连接端S1和第一基本结构B1'的第二连接端G1以及第一基本结构B1'的第三连接端GND1。第一基本结构B1'包括n个结构B0'。n个结构B0'的n个第一连接端S0<1;n>导电连接到第一基本结构B1'的第一连接端S1。
n个结构B0'的n个第三连接端GND0<l;n>导电连接到第一基本结构B1'的第三连接端GND1。
第一基本结构B1'包括第二驱动器的第一部分I1。第二驱动器的第一部分I1具有第一连接端和第二连接端。
第二驱动器的第一部分I1的第一连接端与第一基本结构B1'的第二连接端G1导电连接。第二驱动器的第一部分I1的第二连接端与n个结构B0'的n个第二连接端G0<1;n>导电连接。
图24(e)示出了第一基本结构B1'的简化布局图示。这里,第一基本结构B1'包括四个结构B0'和第二驱动器的第一部分I1。通过第一驱动器的各个部分的相邻定位形成第一驱动器的另外的部分或整个第一驱动器。通过第一场效应晶体管的各个部分的相邻定位形成第一场效应晶体管的另外的部分或整个第一场效应晶体管。
图24(c)示出了图24(b)的n个第一基本结构B1'组合成第一自相似结构B2'。变量n在此代表大于1的自然数。n优选地等于4。第一自相似结构B2'具有第一自相似结构B2'的第一连接端S2和第一自相似结构B2'的第二连接端G2以及第一自相似结构B2'的第三连接端GND2。第一自相似结构B2'包括n个第一结构B1'。n个第一基本结构B1'的n个第一连接端S1<1;n>导电连接到第一自相似结构B2'的第一连接端S1。n个第一基本结构B1'的n个第三连接端GND1<1;n>与第一自相似结构B2'的第三连接端GND2导电连接。
第一自相似结构B2'包括第三驱动器的第一部分I2。第三驱动器的第一部分I3具有第一连接端和第二连接端。
第三驱动器的第一部分I2的第一连接端与第一自相似结构B2'的第二连接端G2导电连接。第三驱动器的第一部分I3的第二连接端与n个第一基本结构B1'的n个第二连接端G1<1;n>导电连接。
图24(f)示出了第一自相似结构B2'的简化布局图示。这里,第一自相似结构B2'包括四个第一基本结构B1'和第三驱动器的第一部分I2。通过第一驱动器的各个部分的相邻定位形成第一驱动器的另外的部分或整个第一驱动器。通过第一场效应晶体管的各个部分的相邻定位形成第一场效应晶体管的另外的部分或整个第一场效应晶体管。
可以任意继续基于第一自相似结构B2'及其最小自相似单元(即第一基本结构B1')扩展至更大的自相似结构。
随着布局图示的进一步简化,结构的自相似性以及将驱动器和晶体管细分为不同的块变得更加清晰。
图25(a)在左侧示出了根据本发明的自相似结构的基本结构作为棒布局的简化示出的布局。图25(b)示出了如何组合另外的基本结构,从而最终产生根据本发明的自相似结构。
在图25中,驱动器部件简化地作为黑点示出。本发明意义上的驱动器部件表示驱动器的能够独立工作的部分。因此,可以将驱动器划分为多个在空间上彼此分离的驱动器部件,这些驱动器部件由于它们在根据本发明的自相似结构中的布置而共同产生与一个空间上不分离的驱动器相同的功能。在本说明书中,术语“驱动器部件”和“驱动器的一部分”同义地使用。
场效应晶体管的各部分在图25(b)中以简化形式显示为矩形虚线表面F1、F2、F3、F4。本发明意义上的场效应晶体管部件表示场效应晶体管的能够独立工作的部分。因此可以将场效应晶体管划分为多个可能在空间上彼此分离的场效应晶体管部件,这些场效应晶体管部件由于它们在根据本发明的自相似结构中的布置共同产生与一个空间上未划分的场效应晶体管相同的功能。在本说明书中,术语“场效应晶体管部件”和“场效应晶体管的一部分”同义地使用。
首先描述图25(a)中所示的基本结构。第一驱动器部件T1经由第一线路L1导电连接到第二线路L2。第一线路L1和第二线路L2彼此成直角地延伸。第一线路L1和第二线路L2的连接部位位于第二线路L2的路段中点。第二线路L2将第二驱动器部件T2和第三驱动器部件T3彼此导电连接。第二驱动器部件T2和第三驱动器部件T3关于第一线路L1和第二线路L2的连接部位对称地布置。
第一驱动器部件T1经由第三线路L3导电连接到第四线路L4。在这个示例中,第三线路L3和第四线路L4彼此成直角地延伸。第三线路L3和第四线路L4的连接部位位于第四线路L4的路段中点。第四线路L4将第四驱动器部件T4和第五驱动器部件T5彼此导电连接。第四驱动器部件T4和第五驱动器部件T5关于第三线路L3和第四线路L4的连接部位对称地布置。
第一驱动器部件T1因此位于假想矩形的中心点,第二驱动器部件T2和第三驱动器部件T3以及第四驱动器部件T4和第五驱动器部件T5放置在该假想矩形的拐角处。
所描述的基本结构可以如下所述继续,其中产生越来越多的这样的基本结构。这将基于图25(b)加以解释。所描述的基本结构的第五驱动器部件T5在这里位于另外的基本结构的几何中心。第五驱动器部件T5经由第五线路L5导电连接到第六线路L6。第五线路L5和第六线路L6彼此成直角地布置。第五线路L5与第六线路L6的连接部位位于第六线路L6的中点。第六线路L6将第六驱动器部件T6和第七驱动器部件T7彼此导电连接。第六驱动器部件T6和第七驱动器部件T7关于第五线路L5和第六线路L6的连接部位对称地布置。
第五驱动器部件T5经由第七线路L7与第八线路L8导电连接。第七线路L7和第八线路L8彼此成直角地布置。第七线路L7和第八线路L8的连接部位位于第八线路L8的中点。第八线路L8将第八驱动器部件T8和第九驱动器部件T9彼此导电连接。第八驱动器部件T8和第九驱动器部件T9关于第七线路L7和第八线L8的连接部位对称地布置。
因此,在这种新的基本结构中,第五驱动器部件T5现在位于矩形的中心,第六驱动器部件T6和第七驱动器部件T7以及第八驱动器部件T8和第九驱动器部件T9放置在该矩形的拐角处。对应地,位于这样的矩形的拐角处的每个其他驱动器部件也可以是另外的基本结构的中心。第一驱动器部件T1同样可以位于另外的基本结构(未示出)的这种矩形的拐角上。
此外,位于这种矩形的拐角上的每个驱动器部件,即在所示示例中的第二驱动器部件T2或第三驱动器部件T3或第四驱动器部件T4或第五驱动器部件T5或第六驱动器部件T6或第七驱动器部件T7或第八驱动器部件T8或第九驱动器部件T9,与四个场效应晶体管部件导电连接。
在图25(b)中,这基于第二驱动器部件T2示出。第二驱动器部件T2导电连接到第一场效应晶体管部件F1和第二场效应晶体管部件F2以及第三场效应晶体管部件F3和第四场效应晶体管部件F4。在此,第一场效应晶体管部件F1位于第三场效应晶体管部件F3上方并且在第二场效应晶体管部件F2的左侧。第四场效应晶体管部件F4位于第二场效应晶体管部件F2下方并且在第三场效应晶体管部件F3的右侧。第二驱动器部件T2因此位于由四个场效应晶体管部件F1、F2、F3、F4形成的矩形的中心。
四个场效应晶体管部件F1、F2、F3、F4作为公共功能单元一起形成场效应晶体管。为了避免具有低漏极-源极电阻的场效应晶体管扩展到大表面上,将场效应晶体管对应地划分为四个场效应晶体管部件F1、F2、F3、F4。类似地,将驱动器划分为所描述的驱动器部件。
图26示出了本发明所基于的电路布局的自相似性的简化图示。驱动部分简化地作为黑点示出。场效应晶体管的各部分简化地显示为矩形虚线表面。图26现在示出了将图25中描述的基本结构更广泛地组合成更大的自相似结构。根据图25中描述的原理,可以在每个驱动器部件上再次添加这样的基本结构,并且可以任意地继续所示的自相似结构。场效应晶体管部件在这里仅示例性针对基本结构示出,并且也可以添加到另外的基本结构中。
图26示出了根据本发明的自相似结构的布局的俯视图。在这里可以看出,由于所有导电连接都位于同一平面中,因此只需要一个金属化层。在第一信号连接端DP处馈入信号。第一信号连接端DP优选地与驱动器部件导电连接,该驱动器部件位于自相似结构的几何中心。由此利用了由基本结构或自相似结构的对称性导致的平衡的信号布线。
驱动器电路的这种自相似结构——其中嵌套地划分驱动器和晶体管,使得至少在一些实现方式中与具有分立部件的电路相比以及与具有非嵌套和/或非自相似结构化的驱动器的集成电路相比提高最大可实现的开关速度。因此,根据本发明的驱动器电路的自相似结构可以用于受益于在高电流情况下的短开关时间的所有应用中。嵌套的驱动器和预驱动器可以在裸片上以CMOS工艺制造,这实现了具有附加CMOS常见功能(数字配置,集成脉冲整形和诊断电路)的单片驱动器IC。与具有分离的驱动器块和预驱动器块的CMOS架构相比,根据本发明的嵌套式架构可以更好地伸缩,其中比使用分立构造实现更快的上升时间和更紧凑的***解决方案。
然而,优点不限于此。特别地,上述驱动器电路不限于用于发光二极管或激光二极管的脉冲操作,或者例如不限于在LiDAR设备中应用这种脉冲操作。从而晶体管的脉冲操作也可以用于开关电源、DC-DC转换器以及任何产生陡峭的电信号上升沿的地方。
上面已经基于诸如“驱动器部件”和“场效应晶体管部件”的术语解释了驱动器电路。这些术语相当于单驱动器电路(作为驱动部分)和单个晶体管(作为场效应晶体管部件)。在图26中,GSA表示晶体管Tdis的整体控制连接端。该整体控制连接端具有控制连接端整体面GF,该控制连接端整体面按规律地细分为用于晶体管Tdis的单个晶体管(未示出)的大量控制连接端单个面GFE。将这些控制连接端单个面中的四个控制连接端单个面或四个单个控制连接端ESA分别分配给单驱动器电路T1至T9的四个输出端(参见例如图26中的单驱动器电路T2和T9,它们的输出端对应地连接到四个单个晶体管F1至F4)。
例如,在图25(a)中示出了驱动器电路的倒数第二级。然后图25(b)示出了驱动器电路的最后一级,而且是仅针对源自T5的驱动器电路结构,该驱动器电路结构例如对应于图26的右下拐角区域。
如特别是基于图26看出的,图26中所示的驱动器电路具有四级,其中与连接端DP连接的圆点示出第一级的单驱动器电路,而对应于圆点T6、T7、T8和T9的单驱动器电路(也参见图25)示出了最后一级的单驱动器电路。在图25和图26的实施例中,H形结构逐级递减。自相似结构的这种按规律布置的优点是,从连接端DP开始到第四级的单驱动器电路的信号传播路径总是构造为相同的长度并且总是具有构造为相同或以电路技术相似地构造。这在图26中基于两条虚线示出,这两条虚线从连接端DP开始通向第四级的不同的单驱动器电路。
通过驱动器电路的各个驱动级的嵌套的特殊设计,可以为以数字电路技术实现的驱动器电路设置大量的数字输出端,这些数字输出端现在均匀分布在以模拟电路技术实现的功率晶体管的相对较大的电极上,并且在将信号施加在驱动器电路的输入端时,同时在这些数字输出端输出数字输出信号。每个数字输出信号现在“供应”单个晶体管的控制连接端单个面,其中所有单个晶体管现在同时开关,因此整体晶体管快速而有效地产生高能量的电流脉冲,该电流脉冲促使激光器产生强大的光脉冲。
本发明具有下述特征组中的至少一个或几个,或者下述特征组中的一个或多个特征组的一个或几个特征:
1.激光器模块
-具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,
-具有由n个电容器组成的线性电容器阵列,
-具有控制开关,
-具有n个充电电路,
-其中n是大于2的正整数,并且
-其中所述电容器阵列的电容器具有第一连接端和第二连接端,并且
-其中n个充电电路中的一个充电电路可以通过分配给该充电电路和该电容器的充电线路电感以及该电容器的第一连接端而选择性地相应地对n个电容器中的一个电容器(以下称为分配给该充电电路的电容器)进行充电,以及
-其中给n个电容器中的每个电容器各自分配n个激光器中的一个激光器作为分配给该电容器的激光器,并且
-其中所述控制开关通过分配给该电容器的激光器和布置在激光器和该电容器的第一连接端之间并且分配给该电容器和该激光器的放电线路来对n个电容器中已充电的电容器电感放电,以及
-其中所分配的激光器于是相应地仅在分配给该激光器的电容器已充电时才发射激光脉冲,并且所述控制开关将该激光器连接到参考电位,以及
-其中分配给电容器的充电线路电感的值大于分配给该电容器的放电线路电感的值,并且
-其中激光器与控制开关之间的电感值以及控制开关和参考电位之间的电感值小于充电线路电感值并且小于放电馈线电感值。
2.根据数字1的激光器模块,
-具有集成电路,
-其中由n个激光器组成的线性激光器阵列的n个激光器的阴极无接合线地一起连接到星形点,并且
-其中所述控制开关是所述集成电路的一部分,并且
-其中所述控制开关与所述星形点无接合线地连接。
3.根据前述数字中的一个或多个的激光器模块,
-具有在带有有源表面的单片晶体中的集成电路,
-其中n个充电电路是所述集成电路的有源表面的一部分,并且
-其中与由n个激光器组成的线性激光器阵列平行地将由n个电容器组成的线性电容器阵列彼此平行地安装在所述集成电路的单片晶体的有源表面上,并且
-其中所述线性电容器阵列的电容器的第一连接端通过具有第一接合线长度的多重接合连接到所述线性激光器阵列的分配给该电容器的激光器的阳极,并且
-其中所述电容器阵列的n个电容器的第二连接端一起连接到第二星形点,并且
-其中所述第二星形点通过具有第二接合线长度的多个接合线连接到所述集成电路的晶体的有源表面上的参考电位接触部,并且
-其中所述电容器的第一连接端通过具有第三接合线长度的接合线连接到分配给该电容器的充电电路,所述具有第三接合线长度的接合线与所述第二星形点交叉,并且
-其中第三接合线长度长于第二接合线长度,并且
-其中第二接合线长度长于第一接合线长度。
4.LiDAR***,
-具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,和
-具有由m个光电探测器组成的线性光电探测器阵列,和
-具有用于n个激光器的控制电路,和
-具有用于m个光电探测器的接收电路,和
-具有用于m个接收电路的测量信号的评估电路,和
-具有鲍威尔透镜或功能等效的光学器件,所述功能等效的光学器件下面也包括在术语鲍威尔透镜中,
-具有第二光学器件,下面称为接收透镜,
-其中每个激光器在通以电流时发射激光束,并且
-其中所述鲍威尔透镜将这样的激光束扩展成具有光扇平面和扇形原点的光扇,并且
-其中n个激光器产生n个激光束,n个激光束的n个光扇垂直于它们相应的扇平面地围绕基本上公共的扇形原点倾斜,
-其中所述接收透镜将m个光电探测器的m个接收波瓣变形为m个接收扇,每个接收扇具有接收扇平面,并且
-其中所述接收扇平面中的每个接收扇平面不平行于激光扇平面,并且
-其中特别地,所述接收扇平面中的每个接收扇平面垂直于激光扇平面,
-其中所述控制电路促使n个激光器中的一个激光器在发射时刻发射激光脉冲,并且
-其中m个光电探测器及其相应的接收电路检测相应激光脉冲的相应的反射光和在其相应接收扇内的相应接收时刻,以及
-其中相应的接收电路将相应激光脉冲在相应光电二极管处的接收时刻的相应测量值转发到所述评估电路,并且
-其中所述评估电路根据相应激光脉冲的激光扇的角度和相应光电探测器的相应接收扇的角度以及关于相应的发射时刻相应激光脉冲在相应光电探测器处的相应接收时刻来创建三维像素云。
5.根据前一数字的LiDAR***,
-其中n个光扇的n个表面法线具有角距离(a1,2,a2,3,a3,4至an-2,n-1,an-1,n),这些角距离在每两个相邻光扇之间基本上相同。
6.根据前两个数字中的一个或多个的LiDAR***,具有根据数字1至3中的一个或多个的激光器模块。
7.驱动器电路,其中
-驱动器I0、I1、I2和晶体管M0、T至T9被划分为块B0'、B1'、B2',以及
-各个块B0'、B1'、B2'的互连是自相似结构。
8.驱动器电路,其中
-驱动器I0、I1、I2和晶体管M0、T至T9被划分为块B0'、B1'、B2',以及
-各个块B0'、B1'、B2'的互连是电路层面上的自相似结构。
9.驱动器电路,其中
-驱动器I0、I1、I2和晶体管M0、T至T9被划分为块B0'、B1'、B2',以及
-各个块B0'、B1'、B2'的互连是布局层面上的自相似结构。
10.驱动器电路,包括
-第一驱动器部件T1,和
-第二驱动器部件T2,和
-第三驱动器部件T3,和
-第四驱动器部件T4,和
-第五驱动器部件T5,和
-第一线路L1,和
-第二线路L2,和
-第三线路L3,和
-第四线路L4,和
-其中第一驱动器部件T1经由第一线路L1与第二线路L2导电连接,并且
-其中第一线路L1和第二线路L2彼此垂直,并且其中第一线路L1和第二线路L2的连接部位位于第二线路L2的路段中点,并且
-其中第二线路L2将第二驱动器部件T2和第三驱动器部件T3彼此导电连接,并且
-其中第二驱动器部件T2和第三驱动器部件T3关于第一线路L1和第二线路L2的连接部位对称地布置,并且
-其中第一驱动器部件T1通过第三线路L3与第四线路L4导电连接,并且
-其中第三线路L3和第四线路L4彼此垂直,并且
-其中第三线路L3和第四线路L4的连接部位位于第四线路L4的路段中点,并且
-其中第四线路L4将第四驱动器部件T4和第五驱动器部件T5彼此导电连接,并且
-其中第四驱动器部件T4和第五驱动器部件T5关于第三线路L3和第四线路L4的连接部位对称地布置,并且
-其中每个驱动器部件T1、T2、T3、T4、T5可以导电连接到晶体管部件,并且
-其中每个驱动器部件T1、T2、T3、T4、T5也可以同时是另外的相同构造的驱动器电路的一部分,从而这些驱动器电路的组合是自相似结构。
11.LiDAR***,其中该LiDAR***具有至少一个根据数字1至4中的一项或多项的驱动器电路,用于控制至少一个激光二极管或发光二极管LD。
12.集成电路,具有
-驱动器I0、I1、I2,和
-晶体管N0、T1至T9,
-其中驱动器I0、I1、I2和晶体管N0、T1至T9被细分为各个相互连接的块B0'、B1'、B2',并且各个块B0'、B1'、B2'的互连形成自相似结构。
13.根据数字12的集成电路,其中各个块B0'、B1'、B2'的互连在电路层面上形成自相似结构。
14.根据数字12的集成电路,其中各个块B0'、B1'、B2'的互连在布局层面上形成自相似结构。
15.根据数字12到14之一的集成电路,其中所述自相似结构包括具有输入端和输出端的第一驱动器部件T1、具有输入端和输出端的第二驱动器部件T2、具有输入端和输出端的第三驱动器部件T3、具有输入端和输出端的第四驱动器部件T4以及具有输入端和输出端的第五驱动器部件T5,以及从第一驱动器部件T1的输出端延伸的直线的第一线路L1、与第一线路L1垂直延伸的直线的第二线路L2、从第一驱动器部件T1的输出端朝着与第一线路L1的延伸方向相反的方向延伸的直线的第三线路L3和与第三线路L3垂直并因此平行于第二线路L2延伸的直线的第四线路L4,
-其中第一线路L1连接到第二线路L2并且它们的连接部位位于第二线路L2的路段中点,
-其中第二线路L2将第二驱动器部件T2和第三驱动器部件T3的输入端相互连接,由此第二驱动器部件T2和第三驱动器部件T3关于第一线路L1和第二线路L2的连接部位对称地布置,
-其中第三线路L3连接到第四线路L3并且它们的连接部位位于第四线路L4的路段中点,
-其中第四线路L4将第四驱动器部件T4和第五驱动器部件T5的输入端相互连接,由此第四驱动器部件T4和第五驱动器部件T5关于第三线路L3和第四线路L4的连接部位对称地布置,并且
-其中第一驱动器部件T1位于第一线路L1与第二线路L2的连接部位和第三线路L3与第四线路L4的连接部位之间的中间。
16.根据数字15的集成电路,其中第一线路L1被构造为彼此平行延伸的两个第一线路段,两个第二线路段从第一线路段开始朝着相反的方向延伸,其中一个第一线路段和一个第二线路段将第一驱动器部件T1的输出端连接到第二驱动器部件T2的输入端,而另一个第一线路段和另一个第二线路段将第一驱动器部件T1的输出端连接到第三驱动器部件T3的输入端,并且第三线路被构造为相互平行的两个第三线路段,两个第四线路段从两个第三线路段朝着相反的方向延伸,其中一条第三线路段和一个第四线路段将第一驱动器部件T1的输出端连接到第四驱动器部件T4的输入端,而另一个第三线路段和另一个第四线路段将第一驱动器部件T1的输出端连接到第五驱动器部件T5的输入端。
17.根据数字15或16的集成电路,其中第二、第三、第四和第五驱动器部件T2、T3、T4、T5中的每一个连接到至少一个晶体管部件M0、T1到T9或连接到一组相对于驱动器部件T2、T3、T4、T5点对称布置的晶体管部件M0、T1至T9。
18.根据数字15或16的集成电路,其中第二、第三、第四和第五驱动器部件T2、T3、T4、T5中的每一个可以构成五个驱动器部件T1、T2、T3、T4、T5和4个线路L1、L2、L3、L4的另一组的第一驱动器部件,它们根据数字4被构造、布置和连接。
19.LiDAR***,包括
-至少一个激光或发光二极管形式的二极管,以及
-用于对至少一个二极管进行脉动式控制的驱动器电路,
-其中所述驱动器电路根据前述数字中的一个或多个构造。
20.激光器模块,
-具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,其中n是正整数,
-具有带有控制开关的由n个电容器组成的线性电容器阵列,
-具有n个充电电路,
-其中n是大于2的正整数,并且
-其中所述电容器阵列的电容器具有第一连接端和第二连接端,并且
-其中n个充电电路中的一个充电电路可以通过分配给该充电电路和该电容器的充电线路电感和该电容器的第一连接端而选择性地相应地对n个电容器中的一个电容器(以下称为分配给该充电电路的电容器)进行充电,并且
-其中给n个电容器中的每个电容器相应地分配n个激光器中的一个激光器作为分配给该电容器的激光器,并且
-其中所述控制开关对n个电容器中已充电的电容器通过分配给该电容器的激光器和布置在激光器和该电容器的第一连接端之间并且分配给该电容器和该激光器的放电线路电感来放电,以及
-其中所分配的激光器于是相应地仅在分配给该激光器的电容器已充电时才发射激光脉冲,并且所述控制开关将该激光器连接到参考电位,以及
-其中分配给电容器的充电线路电感的值大于分配给该电容器的放电线路电感的值,并且
-其中激光器与控制开关之间的电感值以及控制开关和参考电位之间的电感值小于充电线路电感值并且小于放电馈线电感值。
21.根据前一数字的激光器模块,
-具有集成电路,
-其中由n个激光器组成的线性激光器阵列的n个激光器的阴极无接合线地一起连接到星形点,并且
-其中所述控制开关是所述集成电路的一部分,并且
-其中所述控制开关与所述星形点无接合线地连接。
22.根据前两个数字中的一个或多个的激光器模块,
-具有在带有有源表面的单片晶体中的集成电路,
-其中n个充电电路是所述集成电路的有源表面的一部分,并且
-其中与由n个激光器组成的线性激光器阵列平行的由n个电容器组成的线性电容器阵列彼此平行地安装在所述集成电路的单片晶体的有源表面上,并且
-其中所述线性电容器阵列的电容器的第一连接端通过具有第一接合线长度的多重接合连接到所述线性激光器阵列的分配给该电容器的激光器的阳极,并且
-其中所述电容器阵列的n个电容器的第二连接端一起连接到第二星形点,并且
-其中所述第二星形点通过具有第二接合线长度的多个接合线连接到所述集成电路的晶体的有源表面上的参考电位接触部,并且
-其中所述电容器的第一连接端通过具有第三接合线长度的接合线连接到分配给该电容器的充电电路,所述具有第三接合线长度的接合线与所述第二星形点交叉,并且
-其中第三接合线长度长于第二接合线长度,并且
-其中第二接合线长度长于第一接合线长度。
23.激光器模块,
-具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,其中n是正整数,
-其中n个激光器安装在模块载体和/或驱动器IC上,并且
-其中每个激光器的每个激光束具有激光束轴,并且
-所有激光束轴和/或至少两个激光束轴在一个点相交。
24.p个激光器模块的组合,其中p为正整数,
-其中每个激光器模块具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,其中n为正整数,并且
-其中每个模块的激光器可以以相同的方式编号,并且
-其中每个激光器的每个激光束具有激光束轴,并且
-其中所有p个激光器模块的第k个激光器(0<k≤n)的所有激光束轴相交于一点,和/或
-其中p个激光器模块中的至少两个的第k个激光器(0<k≤n)的激光束轴相交于一点。
25.p个激光器模块的组合,其中p为正整数,
-其中每个激光器模块具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,其中n为正整数,并且
-其中每个模块的每个激光器的每个激光束具有激光束轴,并且
-其中所有p个激光器模块的所有p×n个激光器的所有p×n个激光束轴相交于一点,和/或
-所有p个激光器模块的p×n个激光器中的至少两个激光器的至少两个激光束轴相交于一点。
26.用于根据数字20至23中的一个或多个的激光器模块或用于根据数字24或25的激光器模块的组合的驱动器IC,
-其中所述驱动器IC具有矩形形状,
-其中所述驱动器IC具有两个窄边和两个长边作为边缘,
-其中所述驱动器IC在其矩形形状的由一个窄边形成的第一边缘上具有多个接触部或一个接触部DisC,其用于并适合于与激光器的一个或多个背侧接触部接触,
-其中所述IC在其矩形形状的由另一个窄边形成的第二边缘上具有接触部VDDA、GNDA、VDDD、GNDD、VDDP、GNDP、VDDH、GND,这些接触部用于向所述驱动器IC和/或所述激光器D1至Dn和/或属于所述激光器的储能器C1至Cn供应能量,并且-其中第一边缘与第二边缘相对。
27.根据数字26的驱动器IC,
-其中所述驱动器IC在该驱动器IC的是长边的第三边缘上具有用于信号的至少一个传输接触部,该信号可以转发到其他驱动器IC,并且
-其中所述驱动器IC在该驱动器IC的是长边的第四边缘上具有与所述传输接触部电连接的另外的传输接触部。
28.根据数字27的驱动器IC,其中一个传输接触部是用于复位信号RES的接触部,该复位信号将驱动器IC置于限定的状态中。
29.根据数字27的驱动器IC,其中一个传输接触部是用于触发信号TRIG的接触部,该触发信号促使所述驱动器IC在预定的信号状态下使其激光器D1至Dn发射,只要这是基于***状态而规定的。
30.根据数字27的驱动器IC,
-其中一个或多个传输接触部被确定用于接触数据总线的信号,并且
-其中在所述驱动器IC的一个是长边的边缘上的一个或多个传输接触部直接电连接到所述驱动器IC的相对边缘上的一个或多个对应的传输接触部,所述相对边缘是相对的长边,或
-其中在所述驱动器IC的是长边的边缘上的一个或多个传输接触部的信号在被转发到所述驱动器IC的是相对的长边的相对边缘上的一个或多个对应的传输接触部之前在所述驱动器IC的子设备中受到处理,特别是在数据总线接口中受到处理。
31.激光器模块的组合,特别是LiDAR***,
-具有多个但至少两个激光器模块,即第一激光器模块和第二激光器模块,
-其中所述激光器模块具有带有两个短边和两个长边的矩形形状,以及
-其中所述激光器模块以其长边并排布置,并且
-其中所述激光器模块分别具有根据数字17至30中的一个或多个的驱动器IC,并且
-其中所述激光器模块的驱动器IC在其驱动器IC所使用的传输接触部方面具有相同设计,
-其中第一激光器模块的驱动器IC的传输接触部相应借助于每个这样的传输接触部配对的唯一接合线电连接到第二激光器模块的驱动器IC的对应传输接触部。
32.LiDAR***,
-具有由n个激光器组成的线性激光器阵列,和
-具有由m个光电探测器组成的线性光电探测器阵列,和
-具有用于n个激光器的控制电路,和
-具有用于m个光电探测器的接收电路,和
-具有用于m个接收电路的测量信号的评估电路,和
-具有鲍威尔透镜或功能等效的光学器件,所述功能等效的光学器件下面也包括在术语鲍威尔透镜中,
-具有第二光学器件,下面称为接收透镜,
-其中每个激光器在通以电流时发射激光束,并且
-其中所述鲍威尔透镜将这样的激光束扩展成具有光扇平面和扇形原点的光扇,并且
-其中n个激光器产生n个激光束,n个激光束的n个光扇垂直于它们各自的扇平面地围绕基本上公共的扇形原点倾斜,
-其中所述接收透镜将m个光电探测器的m个接收波瓣变形为m个接收扇,每个接收扇具有接收扇平面,并且
-其中所述接收扇平面中的每个接收扇平面不平行于激光扇平面,并且
-其中特别地,所述接收扇平面中的每个接收扇平面垂直于激光扇平面,
-其中所述控制电路促使n个激光器中的一个激光器在发射时刻发射激光脉冲,并且
-其中m个光电探测器及其各自的接收电路检测各自激光脉冲的相应反射光和在其各自接收扇内的各自的接收时刻,以及
-其中相应的接收电路将相应激光脉冲在相应光电二极管处的接收时刻的相应测量值转发到所述评估电路,并且
-其中所述评估电路根据相应激光脉冲的激光扇的角度和相应光电探测器的相应接收扇的角度以及相应激光脉冲在相应光电探测器处关于相应的发射时刻的相应接收时刻来创建三维像素云。
33.根据前一数字的LiDAR***,其中n个光扇的n个表面法线具有角距离a1,2,a2,3,a3,4至an-2,n-1,an-1,n,这些角距离在每两个相邻光扇之间基本上相同。
34.根据前述两个数字中的一个或多个的LiDAR***,
-具有根据数字20至23中的一个或多个的激光器模块,和/或具有根据数字24和/或25和/或31的激光器模块的组合和/或具有根据数字26至30中的一个或多个的驱动器IC。
35.用于激光器模块,特别是根据数字20至23中的一个或多个的激光器模块和/或用于根据数字24和/或25和/或31的激光器模块的组合和/或用于与根据数字26至30中的一个或多个驱动器IC一起使用的电容器阵列,
-其中所述电容器阵列是矩形,并且
-其中所述电容器阵列具有上侧和下侧,并且
-其中所述电容器阵列在所述电容器阵列的上侧上具有沿所述矩形的第一边缘排列的n个接触部K1'至Kn',并且
-其中所述电容器阵列具有在所述电容器阵列的上侧上沿所述矩形的第二边缘延伸的另外的接触部KG',并且
-其中所述矩形的第二边缘与所述矩形的第一边缘相对,并且
-其中所述另外的接触部KG'沿着第三和第四边缘的延伸段比n个接触部K1'至Kn'中的最靠近所述矩形的第三边缘的接触部沿着所述矩形的第三边缘的延伸段短,并且
-其中所述另外的接触部KG'沿着第三和第四边缘的延伸段比n个接触部K1'至Kn'中最靠近所述矩形的第四边缘的接触部沿着所述矩形的第四边缘的延伸段短,并且
-其中所述电容器阵列具有覆盖所述电容器阵列的下侧的背侧接触部KR,并且
-其中n个接触部K1'至Kn'中的每一个与背侧接触部KR形成电容C1至Cn,并且
-其中另外的接触部KG'与背侧接触部KR形成另外的电容CVDD,以及其中电容器Ca至Cn和CVDD具有公共电介质,该电介质在一方的n个接触部K1'至Kn'以及另外的接触部KG'与另一方的背侧接触部KR之间延伸。
36.
-根据数字20至23中的一个或多个的激光器模块,和/或
-根据数字24和/或25和/或31中的一个或多个的激光器模块的组合,和/或
-根据数字26到30中的一个或多个的驱动器IC,和/或
-根据设置32至34中的一个或多个的LiDAR***和/或根据数字35的电容器阵列在移动设备中的用途,其中所述移动设备特别可以是机器人或导弹或空间导弹或舰船或水上车辆或车辆或轨道车辆或飞机或航天器。
37.
-根据数字20至23中的一个或多个的激光器模块,和/或
-根据数字24和/或25和/或31中的一个或多个的激光器模块的组合,和/或
-根据数字26到30中的一个或多个的驱动器IC,和/或
-根据设置32至34中的一个或多个的LiDAR***和/或根据数字35的电容器阵列
在用于检测物体或建筑物的形状的设备中的用途,或
在用于使过程自动化的设备中的用途,或
在用于三维检测三维体的形状的设备中的用途。
38.用于使用在LiDAR***中的透镜,
-其中所述LiDAR***包括激光器模块,并且
-其中所述激光器模块包括由n个激光器组成的线性激光器阵列,其中n是大于1的正整数,并且
-其中n激光器中的每一个可以发射具有椭圆或圆形强度横截面的激光束,并且
-其中每个激光束具有激光束轴,并且
-其中这些激光束轴基本上位于具有光轴的公共激光束轴平面中,并且
-其中透镜将每个激光束朝着垂直于激光束轴平面的方向扩展,使得对于n个激光束中的每一个激光束,在垂直于光束轴平面的光扇平面中产生光扇,并且
-其中所述LiDAR***包括光电探测器阵列和成像光学器件,并且
-其中所述光电探测器阵列具有n个光电探测器行,每个光电探测器行具有m个光电探测器像素,其中m是正整数,并且
-其中所述成像光学器件将远场中的光束扇在理想均匀白色的和/或基本上理想漫射统一和均匀反射的投影平面上的投影以光束扇的投影图像的形式再次成像到n个光电探测器行上作为所述激光束扇的投影图像,所述投影平面垂直于光轴,并且
-其中所述透镜被成型为使得在给定成像光学器件的情况下,第一激光束扇的投影在光电探测器阵列的第一任意光电探测器像素上的成像的所属的第一区段的照明强度值与第二激光束扇的投影在所述光电探测器阵列的第二任意光电探测器像素上的成像的所属的第二区段的照明强度值相差不超过10%和/或不超过5%和/或不超过2%,并且
-其中第一区段不同于第二区段,并且
-其中第一激光束扇可以不同于第二激光束扇,但不是必须的,并且
-第一光电像素不同于第二光电像素,并且
-其中所述透镜具有第一表面和与第一表面相对的第二表面,以及
-其中第一表面由如下形式的函数
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|+PB4*x4+PB6*x6+PC2*x2+PC3*|x3|
描述,其中RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|,并且
-其中第二表面由z=-(d+PC2*x2+PC3*|x3|)形式的函数描述,并且
-其中参数PB2和PB3不为零,并且
-其中参数AR2和/或AR3和/或PB4和/或PB6和/或PC2和/或PC3中的至少两个不为零。
39.根据数字38的透镜,
-其中参数AR2和AR3不为零,并且
-其中参数PB4和/或PB6和/或PC2和/或PC3中的至少两个不为零。
40.根据数字39的透镜,
-其中参数PB4和PB6不为零,并且
-其中参数PC2和/或PC3中的至少两个不为零。
41.根据数字40的透镜,其中参数PC2和PC3不为零。
词汇表
鲍威尔透镜
鲍威尔透镜用于从椭圆形或卵形高斯光束(即具有高斯形强度分布)产生线形光束轮廓。优选地沿着线产生均匀的强度分布,而激光的高斯分布保持垂直于该线。可以制造具有几度到超过90°的孔径角的线光学器件。
然而,鲍威尔功能只是这些透镜在这里描述的技术教导的范围中的次要任务。主要任务是将所有激光束在垂直方向上聚焦。实现该功能的光学器件在本文的含义内已称为鲍威尔透镜,并包含在权利要求书中。所有激光束在垂直方向上的聚焦例如通过图14和图19至图22示出的透镜的另一侧实现。鲍威尔功能不是必需的,因为水平方向上的高斯分布对于这里描述的目的也是可接受的。在这种情况下,设备在正向方向上的测量作用范围将比在侧向方向上的测量作用范围大,这根据应用情况实际上可能是期望的。可以将两种功能集成到一个表面中。这种透镜的另一侧于是必要时是平坦的。该透镜也包含在权利要求中。因此,本发明意义内的这种透镜的特征在于垂直聚焦。在这种透镜的情况下,因此也可以称为“扫描透镜”而不是鲍威尔透镜,这当然也包括在本发明中。
附图标记列表
A1 第一轴线
A2 第二轴线
AF 充电电路的连接场
B0' 第一结构
B1 第一电容器C1的第一充电电路,该第一电容器为第一激光器D1供应电能以产生光脉冲
B1' 第一基本结构
B2 第二电容器C2的第二充电电路,所述第二电容器为第二激光器D2供应电能以产生光脉冲
B2' 第一自相似结构
B3 第三电容器C3的第三充电电路,所述第三电容器为第三激光器D3供应电能以产生光脉冲
BD1 第一接合线
BD2 第二接合线
BD3 第三接合线
Bn 用于第n电容器Cn的第n充电电路,必要时,在产生光脉冲的情况下,该电容器为第n激光器Dn供应电能
Buf 将预脉冲信号PL放大为脉冲信号Gdis的驱动器
C1 第一电容器,作为第一激光D1的能量储备器
C2 第二电容器,作为第二激光器D2的能量储备器
C3 第三电容器,作为第三激光器D3的能量储备器,
Cn 第n电容器,作为第n激光器Dn的能量储备器
CS 选择信号
CTR控制n个充电电路B1至Bn并产生预脉冲信号PL的控制电路。该控制电路促使n个充电电路之一典型地在n个激光器之一产生光脉冲之前对n个电容器之一充电,然后优选地关闭所有充电电路或者优选将所有充电电路的充电输出端切换为高欧姆,然后合控制开关Tdis,从而启动光脉冲的产生。所述控制电路重复这个过程,直到所有n个激光器优选恰好发射了一次光脉冲,然后再次从头开始下一轮
CVDD用于稳定运行电压VDD的辅助电容器
D1 第一激光器
D1D 激光二极管裸片
D2 第二激光器
D3 第三激光器
D4 第四激光器
DAF1 激光二极裸片的第一连接场
DAF2 激光二极管裸片的第二连接场
DisC 第一星形点和第一星形点的接触面。激光器D1至Dn的阴极优选地连接到第一星形点。当脉冲信号Gdis到达时,第一星形点通过控制开关Tdis连接到参考电位GND。如果电容器C1至Cn之一先前已充电,则该电容器然后通过对应的激光器放电,然后该激光器发射光脉冲。
DisK 第二星形点,作为电容器C1到Cn的公共连接点
Dn 第n激光器
DP 第一信号连接端
DR 无人机
EL 接收透镜
ESA 单个晶体管的单个控制连接端
F1 第一场效应晶体管部件
F2 第二场效应晶体管部件
F3 第三场效应晶体管部件
F4 第四场效应晶体管部件
G0 第一结构B0'的第二连接端
G1 第一基本结构B1'的第二连接端
G0<l;n>n个结构B0'的n个第二连接端
G1<l;n>n个第一基本结构B1'的n个第二连接端
Gdis 脉冲信号
GF 控制连接端整体面
GFE 控制连接端单个面
GND 参考电位、参考电位的接触面
GNDA 模拟参考电位
GNDD 数字参考电位
GNDH 高供电电压的参考电位
GNDP 接口的参考电位
GND0 第一结构B0'的第三连接端
GND1 第一基本结构B1'的第三连接端
GND2 第一自相似结构B2'的第三连接端
GND0<l;n>n个结构B0'的n个第三连接端
GND1<l;n>n个第一基本结构B1'的n个第三连接端
GSA 晶体管的整体控制连接端
GTdis 晶体管的控制连接端
HV 第一参考电位
I 驱动器电路
I0 第一驱动器的第一部分
I1 第二驱动器的第一部分
I2 第三驱动器的第一部分
L1 第一线路
L2 第二线路
L3 第三线路
L4 第四线路
L5 第五线路
L6 第六线路
L7 第七线路
L8 第八线路
LD 激光二极管
M 场效应晶体管
M0 第一场效应晶体管的第一部分
K1 第一充电线路,在第一激光器D1产生光脉冲之前,第一充电电路B1通过该充电线路对第一电容器C1充电
K1' 第一放电线路,当控制开关Tdis通过脉冲信号Gdis闭合时,第一激光器D1通过该放电线路对第一电容器C1放电
K2 第二充电线路,在第二激光器D2产生光脉冲之前,第二充电电路B2通过该充电线路对第二电容C2进行充电
K2' 第二放电线路,当控制开关Tdis通过脉冲信号Gdis闭合时,第二激光器D2通过该放电线路对第二电容器C2放电
K3 第三充电线路,在第三激光器D3产生光脉冲之前,第三充电电路B3通过该充电线路对第三电容器C3充电
K3' 第三放电线路,当控制开关Tdis通过脉冲信号Gdis闭合时,第三激光器D3通过该放电线路对第三电容器C3放电
KA 电容器阵列
KG' 供电电压VDD的虚拟节点
KL 可选的曲线,激光器模块和/或其激光器沿该曲线取向。
Kn 第n充电线路,在第n激光器Dn产生光脉冲之前,第n充电电路Bn通过该充电线路对第n电容器Cn充电
Kn' 第n放电线路,当控制开关Tdis通过脉冲信号Gdis闭合时,第n激光器Dn通过该放电线路对第n电容器Cn放电
KR 电容器阵列的下侧接触部
L LiDAR***
LAF1 电荷存储部件的第一连接场
LAF2 电荷存储部件的第二连接场
LC1 将第一电容器Cl的第二接触部连接到参考电位的线路的电感
LC2 将第二电容器C2的第二接触部连接到参考电位的线路的电感
LC3 将第三电容器C3的第二接触部连接到参考电位的线路的电感
LCn 将第n电容器Cn的第二接触部连接到参考电位的线路的电感
LCV 辅助电容器CVDD的第二连接端与参考电位GND之间的线路电感
LF1 第一激光器D1的第一光扇
LF2 第二激光器D2的第二光扇
LF3 第三激光器D3的第三光扇
LF4 第四激光器D4的第四光扇
LDZ 激光二极管行
LPF 晶体管的传导路径
LPF1 传导路径的第一端区域
LPF2 传导路径的第二端区域
LSBT 电荷存储部件
LZ1 第一充电线路K1的电感,在第一激光器D1产生光脉冲之前,第一充电电路B1通过该第一充电线路对第一电容器C1充电
LZ2 第二充电线路K2的电感,在第二激光器D2产生光脉冲之前,第二充电电路B2通过该第二充电线路对第二电容C2进行充电
LZ3 第三充电线路K3的电感,在第三激光器D3产生光脉冲之前,第三充电电路B3通过该第三充电线路对第三电容器C3充电
LZn 第n充电线路Kn的电感,在第n激光器Dn产生光脉冲之前,第n充电电路Bn通过该第n充电线路对第n电容器Cn充电
LZV 到辅助电容器CVDD的馈电线的线路电感
ME 透镜的中心平面
MOSI SPI数据总线的输入端
MISO SPI数据总线的输出端
OF1 第一透镜表面
OF2 第二透镜表面
PL 鲍威尔透镜
Pulse 输送到所有模块的示例信号
R1 第一表面OF1关于示例性第一轴线A1的曲率的示例性第一局部半径矢量
R2 第二表面OF2关于示例性第二轴线A2的曲率的示例性第二局部半径矢量
PL 预脉冲信号
RC1 将第一电容器C1的第二接触部连接到参考电位的线路的电阻
RC2 将第二电容器C2的第二接触部连接到参考电位的线路的电阻
RC3 将第三电容器C3的第二接触部连接到参考电位的线路的电阻
RCn 将第n电容器Cn的第二接触部连接到参考电位的线路的电阻
RCV 在辅助电容器CVDD的第二连接端与参考电位GND之间的线路电阻
RST 复位信号
RZ1 第一充电线路K1的电阻,在第一激光器D1产生光脉冲之前,第一充电电路B1通过该第一充电线路对第一电容器C1充电
RZ2 第二充电线路K2的电阻,在第二激光器D2产生光脉冲之前,第二充电电路B2通过该第二充电线路对第二电容C2进行充电
RZ3 第三充电线路K3的电阻,在第三激光器D3产生光脉冲之前,第三充电电路B3通过该第三充电线路对第三电容器C3充电
RZV 至辅助电容器CVDD的馈电线的线路电阻
RZn 第n充电线路Kn的电阻,在第n激光器Dn产生光脉冲之前,第n充电电路Bn通过该第n充电线路对第n电容器Cn充电
S 光电传感器
S0 第一结构B0'的第一连接端
S1 第一基本结构B1'的第一连接端
S2 第一自相似结构B2'的第一连接端
S0<l;n>n个结构B0'的n个第一连接端
S1<l;n>n个第一基本结构B1'的n个第一连接端
SCKSPI 数据总线的时钟信号
SL 发射透镜
SLE 发射器光学元件
TAF1 第一传导路径连接场
TAF2 第二传导路径连接场
Tdis 控制开关,优选构造为晶体管
TR 载体
TRIG 启动信号的连接端
TRO 载体上侧
T1 第一驱动器部件
T2 第二驱动器部件
T3 第三驱动器部件
T4 第四驱动器部件
T5 第五驱动器部件
T6 第六驱动器部件
T7 第七驱动器部件
T8 第八驱动器部件
T9 第九驱动器部件
VDD 供电电压和供电电压的接触面
VDDA 模拟供电电压
VDD 数字供电电压
VDDH 高供电电压
VDDP 接口的供电电压
ZL 柱面透镜
文献列表
DE-A-195 14 062
DE-C-195 46 563
DE-A-199 14 362
DE-B-10 2006 036 167
DE-A-10 2008 021 588
DE-A-10 2008 062 544
DE-A-10 2009 060 873
DE-A-10 2014 105 482
DE-A-10 2016 116 368
DE-A-10 2016 116 369
DE-A-10 2016 116 875
DE-A-10 2017 100 879
DE-A-10 2017 121 713
DE-A-10 2018 106 860
DE-A-10 2018 106 861
EP-A-2 002 519
EP-A-3 301 473
EP-A-3 660 574
US-A-2018/0045882
US-A-2020/0264426
US-B-6 697 402
US-B-9 115 146
US-B-9 185 762
US-B-9 368 936
US-B-10 193 304
WO-A-2008/035983
WO-A-2018/154139。

Claims (54)

1.一种光模块,包括
-设置有上侧(TRO)的载体(TR),在其中布置有具有集成电路的电路裸片,
-其中所述电路裸片具有上侧,
-形成在所述电路裸片的上侧中的晶体管(Tdis),特别是功率晶体管,
-其中所述晶体管(Tdis)具有导通或截止的可切换传导路径(LPF),所述传导路径具有第一端区域(LPF1)和第二端区域(LPF2),其中所述第一端区域(LPF1)电连接到第一传导路径连接场(TAF1),而所述第二端区域(LPF2)电连接到第二传导路径连接场(TAF2),所述第一传导路径连接场和所述第二传导路径连接场均暴露在所述载体(TR)的上侧(TRO)上,并且其中所述晶体管(Tdis)具有用于导通和截止地切换所述传导路径(LPF)的控制连接端(GTdis),
-具有发光二极管的发光二极管裸片(D1D),特别是具有激光二极管的发光二极管裸片,包括具有第一连接场(DAF1)的下侧和具有第二连接场(DAF2)的上侧,
-其中所述发光二极管裸片(D1D)以其第一连接场(DAF1)平放地布置在所述晶体管(Tdis)的第一传导路径连接场(TAF1)上,并且这两个连接场彼此电连接,
-具有电荷存储器(C1-Cn)的电荷存储部件(LSBT),所述电荷存储部件包括具有第一连接场(LAF1)的下侧和具有第二连接场(LAF2)的上侧,
-其中所述电荷存储部件(LSBT)以其第一连接场(LAF1)平放地布置在所述晶体管(Tdis)的第二传导路径连接场(TAF2)上,并且这两个连接场彼此电连接,
-至少一个第一接合线(BD1),其将发所述光二极管裸片(D1D)的第二连接场(DAF1)与所述电荷存储部件(LSBT)的第二连接场(LAF2)电连接,
-集成在所述电路裸片中并具有输出端的充电电路(B1-Bn),用于为所述电荷存储部件(LSBT)充电,以及
-集成在所述电路裸片中的控制电路(CTR),用于控制所述晶体管(Tdis)和所述充电电路(B1-Bn),
-其中给所述充电电路(B1-Bn)分配充电连接场(AF),该充电连接场暴露在所述载体(TR)的上侧(TRO)上并且与所述充电电路(B1-Bn)的输出端电连接,
-其中所述充电电路(B1-Bn)的充电连接场(AF)通过至少一个第二接合线(BD2)与所述电荷存储部件(LSBT)的第二连接场(LAF2)电连接,以及
-其中所述控制电路(CTR)控制所述充电电路(B1-Bn)以将所述电荷存储部件(LSBT)充电至由所述发光二极管(D1D)产生光脉冲所需要的充电程度,然后控制所述晶体管(Tdis)以切换为导通其传导路径(LPF)。
2.根据权利要求1所述的光模块,其特征在于,
-至少一个第一接合线(BD1)具有第一寄生电感和第一寄生欧姆电阻,
-至少一个第二接合线(BD2)具有第二寄生电感和第二寄生欧姆电阻,
-所述发光二极管裸片(D1D)的第一连接场(DAF1)与所述晶体管(Tdis)的传导路径(LPF)的第一端区域(LPF1)的电连接具有第三寄生电感和第三寄生欧姆电阻,并且
-所述电荷存储部件(LSBT)的第一连接场(LAF1)与所述晶体管(Tdis)的传导路径(LPF)的第二端区域(LPF2)之间的电连接具有第四寄生电感和第四寄生欧姆电阻,
-所述充电电路(B1-Bn)的输出端与分配给所述充电电路(B1-Bn)的充电连接场(AF)的电连接具有第五寄生电感和第五寄生欧姆电阻,
-其中所述第一寄生电感、所述第三寄生电感和所述第四寄生电感之和的大小小于所述第三寄生电感和所述第五寄生电感之和的大小,并且特别是小于所述第三寄生电感和所述第五寄生电感之和的1/2或小于其1/4或小于其1/5。
3.根据权利要求2所述的光模块,其特征在于,所述第一寄生欧姆电阻、所述第三寄生欧姆电阻和所述第四寄生欧姆电阻之和的大小小于所述第三欧姆电阻和第五欧姆电阻之和的大小,并且特别是小于所述第三欧姆电阻和所述第五欧姆电阻之和的1/2或小于其1/4或小于其1/5。
4.根据权利要求1至3之一所述的光模块,其特征在于,
-彼此电连接的组件,即所述发光二极管裸片(D1D)、所述电荷存储部件(LSBT)、所述至少一个第一接合线(BD1)和晶体管(Tdis)连同其传导路径(LPF)一起形成具有第一寄生电感和第一寄生欧姆电阻的放电回路,以及
-所述电荷存储部件(LSBT)以及其通过至少一个第二接合线(BD2)与所述充电电路(B1-Bn)的输出端的电连接形成充电回路,该充电回路具有第二寄生电感和第二寄生欧姆电阻,
-其中所述第一寄生电感小于所述第二寄生电感,并且特别是小于第二电感的1/2或小于其1/4或小于其1/5。
5.根据权利要求4所述的光模块,其特征在于,所述第一寄生欧姆电阻小于所述第二寄生欧姆电阻,特别是小于所述第二寄生欧姆电阻的1/2或小于1/4或小于1/5。
6.根据权利要求1至5之一所述的光模块,其特征在于多个第一接合线(BD1)和多个第二接合线(BD2)。
7.根据权利要求1至6之一所述的光模块,其特征在于,
-多个发光二极管裸片(D1D)和多个电荷存储部件(LSBT),
-其中向每个发光二极管裸片(D1D)分配一个电荷存储部件(LSBT),
-其中所述载体(TR)的上侧(TRO)针对每个发光二极管裸片(D1D)具有与所述晶体管(Tdis)的传导路径(LPF)的第一端区域(LPF1)电连接的暴露的第一传导路径连接场(TAF1),并且针对每个电荷存储部件(LSBT)具有与所述晶体管(Tdis)的传导路径(LPF)的第二端区域(LPF2)电连接的暴露的第二传导路径连接场(TAF2),
-其中在所述电路裸片中针对每个电荷存储部件(LSBT)集成了分配给该电荷存储部件的充电电路(B1-Bn),并且在所述载体(TR)的上侧(TRO)为每个充电电路(B1-Bn)布置了暴露的充电连接场(AF),
-其中每个发光二极管裸片(D1D)以其第一连接场(DAF1)平放地布置在所述晶体管(Tdis)的所分配的第一传导路径连接场(TAF1)上,并且这两个连接场彼此电连接,
-其中每个电荷存储部件(LSBT)以其第一连接场(LAF1)平放地布置在所述晶体管(Tdis)的所分配的第二传导路径连接场(TAF2)上,并且这两个连接场彼此电连接,
-其中每个发光二极管裸片(D1D)的第二连接场(DAF2)借助于至少一个第一接合线(BD1)与分配给相应发光二极管裸片(D1D)的电荷存储部件(LSBT)的第二连接场(LAF2)连接,
-其中每个充电电路(B1-Bn)的充电连接场(AF)借助于至少一个第二接合线(BD2)与分配给相应充电电路(B1-Bn)的电荷存储部件(LSBT)的第二连接场(LAF2)连接,并且
-其中所述控制电路(CTR)顺序控制所述充电电路(B1-Bn)以将相应电荷存储部件(LSBT)充电至由分配给相应电荷存储部件(LSBT)的发光二极管裸片(D1D)产生光脉冲所需的充电程度,并且在控制下一个充电电路(B1-Bn)之前控制所述晶体管(Tdis)以切换为导通其传导路径(LPF)。
8.根据权利要求7所述的光模块,其特征在于,所述第一传导路径连接场被构造为单个公共第一传导路径连接场的子区域,和/或所述第二传导路径连接场被构造为单个的公共第二传导路径连接场的子区域。
9.根据权利要求1至8之一所述的光模块,其特征在于,所述至少一个发光二极管裸片(D1D)被实现为具有构造为边缘发射器的激光二极管的激光二极管裸片。
10.根据权利要求1至9之一所述的光模块,其特征在于用于供电电压电位(VDD)的暴露在所述载体(TR)的上侧(TRO)上的第一供电电压连接场,其中能够在所述晶体管(Tdis)的第二传导路径连接场(TAF2)上,或者如果存在多个这种第二传导路径连接场则在所述晶体管的所有这些第二传导路径连接场上或者在所有这些第二传导路径连接场共同的第二传导路径连接场上施加供电电压参考电位(GND)。
11.根据权利要求10所述的光模块,其特征在于形成缓冲电容器(CVDD)的缓冲电容器部件,其具有下侧和上侧,在所述下侧上布置有第一连接场,在所述上侧上布置有第二连接场,其中所述缓冲电容器部件以其第一连接场平放地布置在一个或多个所述第二传导路径连接场上或所有这些第二传导路径连接场共同的第二传导路径连接场上,并且两侧的连接场相互连接,以及其中所述缓冲电容器部件的第二连接场通过至少一个第三接合线(BD3)与所述第一供电电压连接场电连接。
12.根据权利要求7或权利要求8至11之一所述的光模块,如果直接或间接引用权利要求7,其特征在于,所述发光二极管裸片(D1D)和所述电荷存储部件(LSBT)沿着两条并排的线分别连续地布置,其中每个发光二极管裸片(D1D)和分配给所述发光二极管裸片(D1D)的每个电荷存储部件(LSBT)彼此相对地布置,以最小化电连接它们的第二连接场的第一接合线(BD1)的长度。
13.根据权利要求12所述的光模块,其特征在于,每个发光二极管裸片(D1D)都定义了一个光轴,从所涉及的发光二极管裸片(D1D)发出的光束沿着该光轴定向,其中发光二极管裸片(D1D)连续布置所沿着的线
-围绕中心点以圆弧形延伸,并且所述发光二极管裸片(D1D)的光轴相对于该圆弧形线径向延伸,或
-直线延伸,并且所述发光二极管裸片(D1D)的光轴与该线垂直。
14.根据权利要求1至13之一所述的光模块,其特征在于,所述或每个电荷存储部件(LSBT)具有电荷存储电容器(C1-Cn)。
15.根据权利要求14和11所述的光模块,其特征在于,一个或多个所述电荷存储部件(LSBT)和所述缓冲电容器部件被构造为公共部件(KA),其包括具有公共下侧连接场的下侧和具有至少一个第一上侧连接场和第二上侧连接场的上侧,以及在下侧连接场为一方与至少一个第一上侧连接场以及第二上侧连接场为另一方之间的电介质,其中所述缓冲电容器形成在所述第二上侧连接场和所述下侧连接场的位于该第二上侧连接场下方的子区域之间,并且每个电荷存储电容器形成在另外的第一上侧连接场和所述下侧连接场的位于该相应第一上侧连接场下方的子区域之间。
16.根据权利要求1至15之一所述的光模块,其特征在于,所述载体(TR)具有浇注料,在所述浇注料中嵌入了具有多个导体舌片的引线框架和与所述导体舌片电连接的电路裸片,其中所述导体舌片具有在所述载体(TR)的上侧(TRO)处暴露的连接场。
17.根据权利要求1至16之一所述的光模块,其特征在于,
-所述电路裸片的晶体管(Tdis)在其中被构造为以模拟电路技术实现的压控的整体晶体管,其具有整体控制连接端(GSA)和整体传导路径,用于通过所述整体传导路径传导电流并用于截止该电流,
-其中所述整体控制连接端(GSA)在所述电路裸片的控制连接端整体面(GF)上延伸,
-所述控制电路(CTR)具有以数字电路技术实现的驱动器电路,用于控制所述整体晶体管的整体控制连接端(GSA)以传导和截止电流,或者所述电路裸片具有以数字电路技术实现的、可由所述控制电路控制的驱动器电路,用于控制所述整体晶体管的整体控制连接端(GSA)以传导和截止电流,
-其中所述整体晶体管被划分为多个以模拟电路技术实现的单个晶体管或具有多个这种单个晶体管,
-其中每个单个晶体管具有单个控制连接端(ESA)并且每个单个晶体管的单个控制连接端(ESA)都在所述裸片的控制连接端单个面上延伸,所述控制连接端单个面同样大小或均匀地分布在所述整体晶体管的控制连接端整体面(GF)上,
-其中所述驱动器电路包括多个单驱动器电路(T1-T9),每个单驱动器电路具有一个输入端和u个输出端,其中u是大于或等于2的自然整数,所述单驱动器电路被分层地划分为不同级,其中第i级的单个晶体管电路的输出端与第(i+l)级的u个单驱动器电路的输入端连接,其中i等于1到v,而v是大于或等于2的自然整数,
-其中第i级的单驱动器电路和第(1+l)级的单驱动器电路的布置形成自相似结构,第(i+l)级的单驱动器电路的输入端连接到第i级的单驱动器电路的输出端,
-其中第i级的自相似结构的面积大于第(i+l)级的自相似结构的面积,并且第i+1级的自相似结构与产生其的第i级的自相似结构相互嵌套,并且
-其中第v级的单驱动器电路(T1-T9)的输出端与单个晶体管的控制连接端单个面(GFE)连接。
18.根据权利要求17所述的光模块,其特征在于,每个单驱动器电路(T1-T9)具有一个输入端和四个输出端,第i级的每个单驱动器电路(T1-T9)和第i+1级的四个单驱动器电路(T1-T9)连同第i级的单驱动器电路(T1-T9)的4个输出端与(第i+l)级的4个单驱动器电路(T1-T9)的输入端的电连接一起形成H型结构,其中第i+1级的单驱动器电路(T1-T9)布置在H型结构的4个端部,并且第i级的单驱动器电路(T1-T9)布置在这4个端部之间的中心,以及所述H型结构对于不同的级具有相同的取向。
19.根据权利要求18所述的光模块,其特征在于,每个单驱动器电路具有一个输入端和两个输出端,第i级的每个单驱动器电路布置在第(i+1)级的两个单驱动器电路之间的中心,并且连同第i级的单驱动器电路的两个输出端与第(i+l)级的两个单驱动器电路的输入端的电连接一起形成直线结构,以及所述自相似结构对于不同的级分别彼此旋转90°。
20.根据权利要求17至19之一所述的光模块,其特征在于,所述单驱动器电路(T1-T9)被构造为逆变器电路并且所述单个晶体管被构造为功率晶体管,特别是MOSFET。
21.根据权利要求1至20之一所述的光模块,其特征在于,所述载体(TR)的上侧(TRO)具有矩形形状,该矩形形状具有两个纵向边缘和两个比所述纵向边缘短的横向边缘,其中所述晶体管(Tdis)的至少一个第一传导路径连接场(TAF1)布置在两个横向边缘之一上,并且在另一个横向边缘上布置了用于为所述控制电路(CTR)、所述至少一个充电电路(B1-Bn)、所述至少一个电荷存储部件(LSBT)和所述至少一个发光二极管裸片(DID)供应能量的连接场。
22.根据权利要求21所述的光模块,其特征在于,在所述载体(TR)的上侧(TRO)的每个纵向边缘上布置至少一对传输信号连接场的两个传输信号连接场之一,所述传输信号连接场彼此电连接并且用于输送为电路裸片确定的传输信号例如复位信号、诊断信号、总线通信信号、用于触发由所述至少一个发光二极管裸片产生光脉冲的触发信号,其中在多个光模块并排布置的情况下,所述传输信号能够从一个光模块分别转发到相邻的光模块或在其电路裸片中处理后从一个光模块分别转发到相邻的光模块。
23.根据权利要求22所述的多个光模块的布置,其特征在于,所述光模块彼此并排布置,其中所述光模块的上侧的纵向边缘彼此相邻布置,特别是在纵向边缘平行取向的情况下,其中两个分别相邻的光模块的相同传输信号连接场对的传输信号连接场相互电连接。
24.根据权利要求23所述的装置,其特征在于,所有并排布置的光模块的发光二极管裸片(D1D)布置在公共的弧形弯曲线上或布置在直线上。
25.一种用于光学扫描空间并记录代表所述空间的距离图像的LiDAR设备,包括
-至少一个根据权利要求7或在直接或间接引用权利要求7的情况下根据权利要求8至24之一所述的光模块,其中在控制所涉及的发光二极管裸片(D1D)时,从每个光模块的每个发光二极管裸片(D1D)发出具有椭圆形或卵形光束横截面或具有圆形横截面的光束,该椭圆形或卵形光束横截面具有第一半轴和比第一半轴更长的第二半轴,
-发射器光学元件(SLE),用于通过沿第二半轴拉伸椭圆形或卵形光束横截面以及沿第一半轴压缩所述光束横截面或反过来而将每个发光二极管裸片的光束扩展成指向待扫描空间的具有线型和/或狭缝型横截面的光束扇,或通过拉伸圆形光束横截面将每个发光二极管裸片的光束扩展成指向待扫描空间的具有线型和/或狭缝型横截面的光束扇,
-其中由并排布置的发光二极管裸片(D1D)产生的锥形光束作为光束扇以不同角度进入所述空间,
-具有多个光电探测器的光电传感器(S),所述光电探测器布置在与所述至少一个光模块的发光二极管裸片(D1D)的总数相同数量的行或列中,其中每行或每列具有相同数量的光电探测器,
-接收光学元件(EL),用于将来自待扫描空间的潜在反射光引导到所述光电传感器(S)上,其中潜在产生的反射光由于相应的光束扇而投射到所述光电传感器的多行或多列光电探测器中的另外的行或列上,以及
-评估单元,用于评估所述光电探测器的信号以确定距离信息和/或确定待扫描空间的距离图像。
26.根据权利要求25所述的LiDAR设备,其特征在于,所述接收光学元件具有成像透镜。
27.根据权利要求25或26所述的LiDAR设备,其特征在于,所述发射器光学元件具有柱面透镜和鲍威尔透镜,或者所述发射器光学元件具有结合了柱面透镜和鲍威尔透镜的功能的透镜。
28.根据权利要求25至27之一所述的LiDAR设备,其特征在于至少两个光模块,其中每个光模块的发光二极管裸片分别沿着在预给定角度上延伸的圆弧线并排布置,并且相邻的光模块分别相对于彼此旋转预给定角度地布置。
29.根据权利要求25至27中任一项所述的LiDAR设备,其特征在于至少两个光模块,其中每个光模块的发光二极管裸片沿直线并排布置,并且相邻的光模块分别相对于彼此旋转一个角度地布置,使得所述光模块的那些在每个光模块的发光二极管裸片(D1D)连续序列中布置在相同位置处的发光二极管裸片的光轴相交于公共点。
30.一种用于光学扫描空间并记录代表所述空间的距离图像的LiDAR设备,包括
-具有唯一发光二极管裸片的根据权利要求1至24之一所述的光模块,其中在控制时从所述发光二极管裸片(D1D)发出具有椭圆形或卵形光束横截面或具有圆形横截面的光束,所述椭圆形或卵形光束横截面具有第一半轴和比第一半轴长的第二半轴,
-发射器光学元件(SLE),用于通过沿第二半轴拉伸椭圆形或卵形光束横截面以及沿第一半轴压缩所述光束横截面或反过来而将所述发光二极管裸片(D1D)的光束扩展成指向待扫描空间的具有线型和/或狭缝型横截面的光束扇,或通过拉伸圆形光束横截面将所述发光二极管裸片的光束扩展成指向待扫描空间的具有线型和/或狭缝型横截面的光束扇,
-可运动的光学偏转元件,用于将所述光束扇以不同的角度偏转到待扫描空间,以借助于扫过所述待扫描空间的所述光束扇来扫描所述空间,
-具有多个按行和列布置的光电二极管的光电传感器(S),
-接收光学元件(EL),用于将来自待扫描空间的潜在反射光引导到所述光电传感器(S)上,
-其中由于以另外的角度偏转到所述空间中的每个光束扇而产生的潜在反射光投射到所述光电传感器(S)的多行或多列光电探测器中的另外的行或列上,以及
-评估单元,用于评估所述光电探测器的信号以确定距离信息和/或确定待扫描空间的距离图像。
31.根据权利要求30所述的LiDAR设备,其特征在于,所述光学偏转元件以折射方式工作并且特别是构造为棱镜,或者所述光学偏转元件以反射方式工作并且特别是构造为镜子。
32.根据权利要求25至31中任一项所述的LiDAR设备,其特征在于倾斜运动装置,用于倾斜所述至少一个光模块或用于倾斜多个光模块的布置或用于倾斜所述光电传感器,其中根据所述发光二极管裸片或所述光模块发射光和/或所述光电传感器接收反射光所采取的相应倾斜角来评估所述光电传感器的光电探测器的信号。
33.根据权利要求25至32之一所述的LiDAR设备,其特征在于,
-每个发光二极管裸片(D1D)发射光束作为具有椭圆形或卵形或圆形光束横截面的扫描光束,
-所述发射器光学元件(SLE)将所述扫描光锥扩展成扫描光扇,所述扫描光扇位于光扇平面内,
-所有发光二极管裸片(D1D)的扫描光束的扫描光扇相对于彼此偏移一角度偏移,
-潜在的反射辐射基本上以反射光锥的形式从待扫描空间中的由扫描光扇照射的扫描点发出,以及
-所述接收光学元件(EL)将反射光锥成像到所述光电传感器的光电探测器列或光电探测器行上,所述反射光锥可能从待扫描空间的由扫描光扇照射的扫描点发出。
34.根据权利要求33所述的LiDAR设备,其特征在于,
-所述发光二极管裸片(D1D)并排布置成一行,所述发光二极管裸片的取向与所述光电传感器(S)的光电探测器列的取向相同,并且
-每个扫描光扇照射待扫描空间中的扫描点,所述扫描点并排布置成一行,所述扫描点的取向与所述光电传感器(S)的光电探测器行的取向相同。
35.根据权利要求33所述的LiDAR设备,其特征在于,
-所述发光二极管裸片(D1D)并排布置成一行,所述发光二极管裸片的取向与所述光电传感器(S)的光电探测器行的取向相同,并且
-每个扫描光扇照射待扫描空间中的扫描点,所述扫描点并排布置成一行,所述扫描点的取向与所述光电传感器(S)的光电探测器行的取向相同。
36.根据权利要求33所述的LiDAR设备,其特征在于,
-所述发光二极管裸片(D1D)并排布置成一行,所述发光二极管裸片的取向与所述光电传感器(S)的光电探测器列的取向相同,并且
-每个扫描光扇照射待扫描空间中的扫描点,所述扫描点并排布置成一行,所述扫描点的取向与所述光电传感器(S)的光电探测器列的取向相同。
37.根据权利要求33所述的LiDAR设备,其特征在于,
-所述发光二极管裸片(D1D)并排布置成一行,所述发光二极管裸片的取向与所述光电传感器(S)的光电探测器行的取向相同,并且
-每个扫描光扇照射待扫描空间中的扫描点,所述扫描点并排布置成一行,所述扫描点的取向与所述光电传感器(S)的光电探测器列的取向相同。
38.根据权利要求25至37之一所述的LiDAR设备,其特征在于,
-所述发射器光学元件(SLE)具有透镜,该透镜具有光轴并且具有在所述光轴的延伸上取向的厚度、高度和宽度,并且具有第一主侧和背离该第一主侧的第二主侧,所述光轴分别穿过所述第一主侧和所述第二主侧,
-其中所述第一主侧具有平坦表面,
-其中所述第二主侧具有表面,所述表面被构造为由凸的突起和凹的凹陷形成的叠加,所述凹的凹陷布置在所述透镜的宽度延伸段的中心,
-其中所述突起围绕位于所述透镜外部的假想的第一轴线延伸,而所述凹陷围绕同样位于所述透镜外部的第二轴线延伸,所述第二轴线垂直于所述第一轴线定向。
39.根据权利要求38所述的LiDAR设备,其特征在于,所述第一轴线位于与所述透镜的所述第一主侧邻接的半空间中,所述第二轴线位于与所述透镜的第二主侧邻接的半空间中。
40.根据权利要求25至37之一所述的LiDAR设备,其特征在于,
-所述发射器光学元件(SLE)具有透镜,所述透镜具有光轴并且具有在所述光轴的延伸上取向的厚度、高度和宽度,并且具有第一主侧和背离该第一主侧的第二主侧,所述光轴分别穿过所述第一主侧和所述第二主侧,
-其中所述第一主侧被构造为由平坦表面和布置在所述透镜的宽度延伸段的中心的凹的第一凹陷以及所述透镜的指向第二主侧的弯曲部的叠加,所述弯曲部在所述凹陷的两侧的区域中朝向第二主侧,
-其中所述第二主侧构造为凸的第一突起和凸的第二突起的叠加,所述凸的第二突起布置在所述透镜的宽度延伸段的中心,
-其中所述第一突起围绕布置在透镜外部的假想的第一轴线延伸,
-其中所述第二突起围绕同样布置在透镜外部的假想的第二轴线延伸,所述第二轴线垂直于所述第一轴线定向,并且
-其中所述凹陷围绕同样布置在透镜外部的假想的第三轴延伸,所述第三轴平行于所述第二轴线定向。
41.根据权利要求40所述的LiDAR设备,其特征在于,所述第一轴线和所述第二轴线和所述第三轴位于与所述透镜的第一主侧邻接的半空间中,所述透镜的在第一主侧的凹陷两侧的区域中的弯曲部围绕第四轴延伸,所述第四轴平行于所述第二轴线和所述第三轴延伸并且位于与第二主侧邻接的第二半空间中。
42.根据权利要求38至41之一所述的LiDAR设备,其特征在于,
-所述第一主侧具有由如下形式的函数
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|+PB4*x4+PB6*x6+PC2*x2+PC3*|x3|
定义的面,
其中
RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|,
Sign()为函数参数的符号函数,
Sqrt()为函数参数的根,
x表示沿透镜宽度的点,
y表示沿透镜高度的点,
z表示从透镜的x-y中心平面出发沿透镜厚度并因此沿透镜光轴的点,
ROY为透镜的曲率半径,
-所述第二主侧具有由如下形式的函数
z=-(d+PC2*x2+PC3*|x3|)
定义的面,
其中d为光学中心处的透镜厚度,
-其中参数PB2和PB3不为零,并且
-参数AR2、AR3、PB4、PB6、PC2和PC3中的至少两个参数不为零。
43.根据权利要求42所述的LiDAR设备,其特征在于,
-参数AR2和AR3不为零,并且
-参数PB4、PB6、PC2和PC3中的至少两个参数不为零。
44.根据权利要求43所述的LiDAR设备,其特征在于,
-参数PB4和PB6不为零,并且
-参数PC2和PC3中的至少一个不为零。
45.根据权利要求44所述的LiDAR设备,其特征在于,两个参数PC2和PC3都不为零。
46.一个或多个根据权利要求1至24之一所述的光模块或根据权利要求25至45之一所述的LiDAR设备用于以下方面的用途,
-探测静止或移动平台的环境中或静止或移动平台的环境的子区域中的对象,特别是自主移动平台,特别是自主移动平台例如机器人或静止或行驶的车辆,特别是自主行驶的车辆,例如特别是用于运输人员或货物的水上、陆地或空中交通工具,或
-在制造过程的自动化中探测对象,或
-生命体和/或生物的生物器官的非侵入性成像,或
-生物组织的研究,或
-在探测空间中创建对象的三维距离图像,和/或
-监视建筑物的环境。
47.一种用于对电流进行开关的集成电路,特别是在一个或多个根据权利要求1至24之一的光模块或根据权利要求25至45之一的LiDAR设备中,所述集成电路包括
-裸片,
-在所述裸片中以模拟电路技术实现的压控整体晶体管,其具有整体控制连接端和整体传导路径,用于通过所述整体传导路径传导电流并用于截止电流,
-其中所述整体控制连接端在所述裸片的控制连接端整体面上延伸,
-在所述裸片中以数字电路技术实现的驱动器电路,用于控制所述整体晶体管的整体控制连接端来导通和截止电流,
-其中每个单个晶体管具有单个控制连接端并且所述单个晶体管的单个控制连接端分别在所述裸片的控制连接端单个面上延伸,所述控制连接端单个面同样大小或均匀地分布在所述整体晶体管的控制连接端整体面上,
-其中所述驱动器电路具有多个单驱动器电路,每个单驱动器电路具有一个输入端和u个输出端,其中u是大于或等于2的自然整数,所述单驱动器电路被分层地划分为不同级,其中第i级的单个晶体管电路的输出端与第(i+l)级的u个单驱动器电路的输入端连接,其中i等于1到v,而v是大于或等于2的自然整数,
-其中第i级的单驱动器电路和第(1+l)级的单驱动器电路的布置形成自相似结构,第(i+l)级的单驱动器电路的输入端连接到第i级的单驱动器电路的输出端,
-其中第i级的自相似结构的面积大于第(i+l)级的自相似结构的面积,并且第i+1级的自相似结构与产生其的第i级的自相似结构相互嵌套,并且
-其中第v级的单驱动器电路的输出端与所述单个晶体管的控制连接端单个面连接。
48.根据权利要求47所述的集成电路,其特征在于,每个单驱动器电路具有一个输入端和四个输出端,第i级的每个单驱动器电路和第i+1级的四个单驱动器电路连同第i级的单驱动器电路的4个输出端与第(i+l)级的4个单驱动器电路的输入端的电连接一起形成H型结构,其中第i+1级的单驱动器电路布置在H型结构的4个端部,并且第i级的单驱动器电路布置在这4个端部之间的中心,以及所述H型结构对于不同的级具有相同的取向。
49.根据权利要求47所述的集成电路,其特征在于,每个单驱动器电路具有一个输入端和两个输出端,第i级的每个单驱动器电路布置在第(i+1)级的两个单驱动器电路之间的中心,并且连同第i级的单驱动器电路的两个输出端与第(i+l)级的两个单驱动器电路的输入端的电连接一起形成直线结构,以及这些自相似结构对于不同的级分别彼此旋转90°。
50.根据权利要求47至49之一所述的集成电路,其特征在于,所述单驱动器电路被构造为逆变器电路并且所述单个晶体管被构造为功率晶体管,特别是MOSFET。
51.一种用于LiDAR设备的光学单元,
-其中所述LiDAR设备设有
-一个或多个根据权利要求1至24之一的光模块,
-其中每个发光二极管裸片(D1D)发射具有椭圆形或圆形横截面的光束,
-其中每个光束具有光束轴,
-其中所述光束轴基本上位于共同的光束轴平面中并且所述光束轴平面限定光轴,
-布置在所述光束轴平面的光轴上的透镜,所述透镜将每个光束在垂直于激光光束轴平面的方向上扩展,从而在垂直于光束轴平面的光扇平面中针对每个光束而获得光扇,
-具有光电探测器阵列的光电传感器(S),该光电探测器阵列具有多个光电探测器行,每个光电探测器行具有多个光电探测器像素,以及
-成像光学器件,用于将由光扇照射的场景真实地光学成像到所述光电传感器(S)上,
-其中所述成像光学器件将远场中的光束扇在理想均匀白色的和/或基本上理想漫射统一和均匀反射的投影平面上的投影以光束扇的投影图像的形式成像到所述光电传感器(S)上作为所述场景的投影图像,所述投影平面垂直于所述光束轴平面的光轴,
-其中
-所述透镜被成型为使得第一光束扇的投影在所述光电传感器(S)的光电探测器阵列的第一光电探测器像素上的成像的第一区段的照明强度值与所述第一光束扇的投影在所述光电传感器(S)的光电探测器阵列的不同于所述第一光电探测器像素的第二光电探测器像素上的成像的不同于所述第一区段的第二区段的照明强度值或与第二光束扇的投影在所述光电传感器(S)的光电探测器阵列的不同于所述第一光电探测器像素的第二光电探测器像素上的成像的不同于所述第一区段的第二区段的照明强度值相差不超过10%或不超过5%或不超过2%,
-所述透镜具有第一表面和背离所述第一表面的第二表面,
-所述第一表面由如下形式的函数
z=RY+AR2*x2+AR3*|x3|-Sign(RY)*Sqrt(RY2-y2)+PB2*x2+PB3*|x3|+PB4*x4+PB6*x6+PC2*x2+PC3*|x3|
定义,
其中
RY=ROY+AR2*x2+AR3*|x3|,
Sign()为函数参数的符号函数,
Sqrt()为函数参数的根,
x表示沿透镜宽度的点,
y表示沿透镜高度的点,
z表示从透镜的x-y中心平面出发沿透镜厚度并因此沿透镜光轴的点,
ROY为透镜的曲率半径,
-所述第二表面由如下形式的函数
z=-(d+PC2*x2+PC3*|x3|)
定义,
其中d为光学中心处的透镜厚度,
-其中参数PB2和PB3不为零,并且
-参数AR2、AR3、PB4、PB6、PC2和PC3中的至少两个参数不为零。
52.根据权利要求51所述的光学单元,其特征在于,
-参数AR2和AR3不为零,并且
-参数PB4、PB6、PC2和PC3中的至少两个参数不为零。
53.根据权利要求52所述的光学单元,其特征在于,
-参数PB4和PB6不为零,并且
-参数PC2和PC3中至少一个不为零。
54.根据权利要求53所述的光学单元,其特征在于,参数PC2和PC3都不为零。
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