DE102020124564A1 - Linse für ein mechanikloses LIDARSystem für eine Drohne - Google Patents

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Linse zur Verwendung in einem LIDAR-System. Das LIDAR-System umfasst ein Laser-Modul, das ein lineares Laser-Array aus n Lasern aufweist, und ein Fotodetektoren-Array und eine Abbildungsoptik. Die Linse weitet jeden der Laserstrahlen in eine Richtung senkrecht zur Laserstrahlachsenebene auf, sodass sich Lichtfächer in Lichtfächerebenen senkrecht zur Lichtstrahlachsenebene ergeben. Die Abbildungsoptik bildet eine Projektion der Laserstrahlfächer im Fernfeld wieder auf n Fotodetektorenzeilen mit m Pixeln ab. Die Linse ist so ausgeformt, dass der Wert der Beleuchtungsintensitätsdichte auf ein erstes beliebiges Fotodetektorpixel des Fotodetektor-Array vom Wert der Beleuchtungsintensitätsdichte eines zweiten beliebigen Fotodetektorpixel des Fotodetektor-Array nicht wesentlich abweicht. Ausgestaltungsvorschriften für die Berechnung der beiden Oberflächen der Linse, um diesen Zweck zu erreichen, werden für verschiedene praxisrelevante Fälle angegeben.

Description

• Diese deutsche Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2020 002 441.6 vom 07.01.2020 und der deutschen Patentanmeldung DE 10 2020 114 784.8 vom 03.06.2020 in Anspruch.
• Oberbegriff
• Die Erfindung richtet sich auf die Optik für ein besonders leichtes und energiesparendes Laser-Modul und ein darauf basierendes LIDAR-System ohne mechanische Teile.
• Allgemeine Einleitung
• LIDAR (Abkürzung für englisch: light detection and ranging), auch Ladar (laser detection and ranging), ist eine dem Radar verwandte Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Fernmessung atmosphärischer Parameter. Statt der Radiowellen wie beim Radar werden Laserstrahlen verwendet. Im Stand der Technik werden bevorzugt mechanische Spiegel für die Ablenkung der Laserstrahlen in verschiedene Richtungen benutzt.
• Stand der Technik
• Aus der DE 10 2009 060 873 A1 ist eine Treiberschaltung für eine LED bekannt. Die technische Lehre der DE 10 2009 060 873 A1 lässt darüber hinaus offen, wie die Bauteile montiert werden sollen, um die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in optimaler Weise zu minimieren.
• Aus der DE 10 2016 116 368 A1 ist ein Treiberschaltkreis für lichtemittierende optoelektronische Komponenten bekannt (siehe 1 der DE 10 2016 116 368 A1 ), bei der der Ladeschaltkreis (Bezugszeichen 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14 der DE 10 2016 116 368 A1 ) einen Kondensator (Bezugszeichen 18-21 der DE 10 2016 116 368 A1 ) über einen Serienwiderstand (Bezugszeichen 3 der DE 10 2016 116 368 A1 ) lädt. Die lichtemittierenden optoelektronischen Komponenten (Bezugszeichen 22 bis 25 der DE 10 2016 116 368 A1 ) sind mit ihren Kathoden zu einem ersten Sternpunkt zusammengeschaltet. Ein Ansteuerschalter (Bezugszeichen 26 der
  DE 10 2016 116 368 A1 ) verbindet diesen Sternpunkt mit dem Bezugspotenzial (Bezugszeichen GND der DE 10 2016 116 368 A1 ), wenn eine oder mehrere der lichtemittierenden optoelektronischen Komponenten Licht emittieren sollen. Der Pufferkondensator (Bezugszeichen 9 der
  DE 10 2016 116 368 A1 ) dient zu einer schnellen Ladung der eigentlichen Energiereserven (Bezugszeichen 18 bis 21 der DE 10 2016 116 368 A1 ).
• Die DE 10 2016 116 368 A1 weist den Nachteil auf, dass der Vorwiderstand zu einer schlechteren Energiebilanz führt. Die technische Lehre der DE 10 2016 116 368 A1 lässt darüber hinaus offen, wie die Bauteile montiert werden sollen, um die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in optimaler Weise zu minimieren.
• Aus der US 10 193 304 B2 ist eine Treiberschaltung bekannt, bei der die Ladung der Kondensatoren so erfolgt, dass der Strom unter der Ansprechschwelle der Laser bleibt. Die technische Lehre der US 10 193 304 B2 lässt offen, wie die Bauteile montiert werden sollen, um die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in optimaler Weise zu minimieren.
• Aus der EP 2 002 519 A2 (2 der EP 2 002 519 A2 ) ist ein kompakter, komplexer Aufbau mit vier Lagen (2 Leiterplatten, Kondensatoren, Laser und Schalt-IC) bekannt, der für die hier gesuchte Lösung noch zu komplex und zu langsam ist.
• Aus der EP 3 301473 A1 ist eine Ansteuerschaltung für eine einzelne LED bekannt, die zur Aussendung kurzer Impulse geeignet ist. Wie die in der EP 3 301473 A1 geforderte geringe Induktivität erreicht werden kann, wird nicht offenbart.
• Aus der DE 10 2016 116 369 A1 ist eine LED Treiberschaltung bekannt, bei der jede LED über einen eigenen Ansteuerschalter verfügt, was den Aufwand vergrößert und die Kompaktheit der Vorrichtung verschlechtert.
• Aus der DE 10 2008 021 588 A1 ist eine Laseransteuerschaltung bekannt, bei der mehrere Ansteuerschalter parallelgeschaltet sind, sodass diese zeitversetzt zueinander Pulse generieren können und zwischen den Pulsen abkühlen können, während die anderen Ansteuerschalter die weiteren Pulse erzeugen können.
• Aus der DE 10 2017 121 713 A1 sind Ansteuerschalter bekannt, die aus Untereinheiten bestehen, bei denen jede Untereinheit einen eigenen Kondensator zur Bereitstellung der Schaltenergie aufweist.
• Aus der DE 19 914 362 A1 und der DE 19 514 062 A1 ist eine Steuereinrichtung für einen Gas-Laser bekannt.
• Aus der US 9 185 762 B2 ( DE 10 2014 105 482 A1 ) ist eine Schaltung zur Verringerung der Ausschaltzeit einer Laser-Diode bekannt.
• Aus der DE 10 2017 100 879 A1 ist eine Schaltung zum schnellen Ein- und Ausschalten einer einzelnen Laser-Diode bekannt. Dort wird auch ein Aufbaubeispiel gegeben. Eine günstige Lösung für mehrere Laser-Dioden wird nicht angegeben.
• Aus der DE 10 2018 106 860 A1 ist die direkte Verbindung zwischen einem Laser-Die eines Einzellasers und dem Die eines integrierten Ansteuerschalters bekannt. Der Ansteuerschalter ist dabei zwischen Versorgungsspannung und Anode der Laser-Diode geschaltet, was, wie im Folgenden noch klarwerden wird, eine besonders kompakte Lösung für ein Laser-Array verhindert.
• Aus der DE 10 2016 116 875 A1 ist eine Treiberschaltung (z. B. 12 der DE 10 2016 116 875 A1 ) mit einem gemeinsamen Ansteuerschalter (Bezugszeichen S3 der DE 10 2016 116 875 A1 ) für mehrere Laser (Bezugszeichen D1, D7 der DE 10 2016 116 875 A1 ) bekannt, bei der der gemeinsame Ansteuerschalter (Bezugszeichen S3 der DE 10 2016 116 875 A1 ) an die Kathoden der Laser angeschlossen ist und diese mit dem Bezugspotenzial verbinden kann. Die Energie für den Laserpuls kommt dabei aus einer gemeinsamen Speicherkapazität (Bezugszeichen C der DE 10 2016 116 875 A1 ). Die Laser werden über separate Schalter selektiert (Bezugszeichen S2 der DE 10 2016 116 875 A1 ). Diese Schaltung hat den Nachteil, dass über diese Schalter (Bezugszeichen S2 der DE 10 2016 116 875 A1 ) eine parasitäre Spannung abfällt.
• Aus der DE 10 2006 036 167 B4 ist eine Lasertreiberschaltung bekannt, bei der die Resonanzen der parasitären Induktivitäten und der Kapazitäten so abgestimmt sind, dass sie vorbestimmte Eigenschaften der zu erzeugenden Lichtpulse unterstützen.
• Aus der US 6 697 402 B2 ist ein Lasertreiber mit einer Laserstromerfassung über einen Shunt-Widerstand zwischen Kathodenanschluss und Bezugspotenzial bekannt.
• Aus der US 9 368 936 B1 ist eine einzelne Treiberschaltung bekannt. Eine Spule wird als Energiespeicher verwendet.
• Aus der US 9 155 146 B2 ist eine Schaltung zur Energieversorgung einer LED-Kette bekannt.
• Aus der DE 10 2018 106 861 A1 ist die Ansteuerung einer Laser-Diode mit einer H-Brücke bekannt.
• Aus der DE 19 546 563 C2 ist eine Treiberschaltung bekannt, bei der der Ladeschaltkreis durch eine Induktivität von der Laser-Diode für die kurze Zeit der Lichtpulsemission abgeklemmt wird, wenn der Ansteuertransistor die Lichtemission initiiert.
• Aufgabe
• Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
• Lösung der Aufgabe
• Kern des hier vorgestellten Vorschlags ist ein Laser-Modul, dass die Aussendung besonders schnell ansteigender Laser-Pulse erlaubt. Wir nehmen beispielhaft an, dass das Laser-Modul n linear nebeneinander angeordnete Laser umfasst. Bei den Lasern handelt es sich bevorzugt um Halbleiterlaser, die bevorzugt einen gemeinsamen Kathodenkontakt besitzen.
• Das vorgeschlagene Laser-Modul besitzt somit ein lineares Laser-Array aus n Lasern, wobei n für eine ganze positive Zahl größer gleich 1, besser größer gleich 2, besser größer gleich 4, besser größer gleich 8, besser größer gleich 16 steht. Bevorzugt ist die Zahl n der Laser eine Potenz von 2. Die Laser sind dabei bevorzugt längs einer ersten Linie mit einem ersten Abstand von Laser zu Laser angeordnet. Bevorzugt sind die Laser in gleicher Weise ausgeführt. Bevorzugt sind die Laser in einem gemeinsamen Kristall gefertigt.
• Jedem Laser der n Laser ist bevorzugt genau ein Kondensator von n Kondensatoren als jeweilige Energiequelle für seinen Laserpuls zugeordnet. Ob ein Laser beim nächsten Pulssignal einen Laserpuls aussendet oder nicht, bestimmt sich bevorzugt danach, ob der diesem Laser zugeordnete Kondensator zuvor vor dem Eintreffen des Pulssignals durch eine Ladeschaltung aufgeladen wurde oder nicht. Diese n Kondensatoren werden nun bevorzugt längs einer zweiten Linie angeordnet. Diese zweite Linie der Anordnung der Kondensatoren ist bevorzugt parallel der ersten Linie der Anordnung der Laser. Der zweite Abstand von Kondensator zu Kondensator für die n Kondensatoren, die längs dieser zweiten Linie angeordnet sind, ist bevorzugt gleich dem ersten Abstand von Laser zu Laser, mit dem die Laser längs der ersten Linie angeordnet sind. Es ergibt sich somit ein lineares Kondensator-Array aus n Kondensatoren.
• Des Weiteren weist das Laser-Modul einen Ansteuerschalter auf, der zur Zündung der Laser mit geladenen, diesen Lasern zugeordneten Kondensatoren dient.
• Damit ein Laser mit Eintreffen des Pulssignals einen Laserpuls aussenden kann, muss der diesem Laser zugeordnete Kondensator zuvor durch einen, diesem Kondensator zugeordneten Ladeschaltkreis geladen worden sein. Das Lasermodul umfasst daher bevorzugt n Ladeschaltkreise, wobei ein Ladeschaltkreis der n Ladeschaltkreise selektiv jeweils einen Kondensator der n Kondensatoren, im Folgenden der diesem Ladeschaltkreis zugeordnete Kondensator genannt, über eine Ladezuleitungsinduktivität laden kann. Es wurde im Zuge der Ausarbeitung der Erfindung erkannt, dass sich die Größe dieser Ladungszuleitungsinduktivität für die Entladegeschwindigkeit des jeweiligen Kondensators und damit für die Steilheit der Pulsflanke positiv auswirkt, da diese Induktivität die Ladeschaltung von dem Kondensator für hohe Frequenzen trennt. Somit wirken sich Ausgangskapazitäten der Ladeschaltung bei steilen Laserflanken bei einer großen Ladungszuleitungsinduktivität nicht mehr aus. Der Laser-Puls wird also durch die sperrende Ladungszuleitungsinduktivität potenziell steiler.
• Somit ist bevorzugt jedem Kondensator der n Kondensatoren jeweils ein Laser der n Laser als diesem Kondensator zugeordneter Laser zugeordnet. Mit dem Eintreffen des Pulssignals wird der Ansteuerschalter geschlossen. Der Ansteuerschalter ist dabei bevorzugt ein Transistor einer integrierten Schaltung. Durch das Schließen des Ansteuerschalters entlädt der Ansteuerschalter denjenigen Kondensator der n Kondensatoren, der geladen ist, über den diesem Kondensator zugeordneten Laser und einer Entladeleitungsinduktivität, die diesen Kondensator bevorzugt mit der Anode des Lasers verbindet. Der zugeordnete Laser kann natürlich nur dann einen Laserpuls mit dem Eintreffen des Pulssignals und dem darauffolgenden Schließen des Ansteuerschalters aussenden, wenn der diesem Laser zugeordnete Kondensator zuvor durch die Ladeschaltung geladen war. Durch das Schließen des Ansteuerschalters mit dem Eintreffen des Pulssignals verbindet bevorzugt der Ansteuerschalter bevorzugt die Kathode des Lasers mit einem Bezugspotenzial. Natürlich sind auch Schaltungen denbar/vorstellbar/möglich , in denen die Anode und die Kathode des Lasers vertauscht sind. Diese funktionsäquivalenten Schaltungen und Anordnungen sind von den Ansprüchen ausdrücklich mitumfasst.
• Es ist somit eine wesentliche erfindungsgemäße Erkenntnis, dass der Wert der Ladezuleitungsinduktivität möglichst hoch sein sollte, während die Induktivität der Entladeleitungsinduktivität möglichst klein sein sollte. Zur Entladeleitungsinduktivität trägt dabei die Verbindung von der beispielhaft hier verwendeten Anode des Lasers zu seinem Kondensator und die Zuleitungsinduktivität vom Kondensator zum Bezugspotenzial bei. Die gesamte Entladeleitungsinduktivität sollte dabei möglichst gering sein. Es wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung erkannt, dass es besser ist, für die Verbindung mehrere dünne Bonddrähte für diese Verbindungen zu verwenden als einen dicken Bonddraht mit hoher Stromtragfähigkeit, da die Gesamtinduktivität der mehreren parallel geschalteten Bonddrähte niedriger liegt. Zwar kommt es zu einer transformatorischen Koppelwirkung zwischen den parallel gesetzten Bonddrähten, die Vorteile der niedrigen Gesamtinduktivität und damit der schnellen Schaltzeiten überwiegen jedoch massiv.
• Die Ladungszuleitungsinduktivität wird maximiert. Die Bonddrahtlänge zur Verbindung des ersten Anschlusses des Kondensators mit der ihm zugeordneten Ladeschaltung wird daher bevorzugt maximiert, um diese Ladungszuleitungsinduktivität im Rahmen des Möglichen zu maximieren und so eine maximale Separation zwischen den parasitären Ausgangskapazitäten der Ladeschaltung und der Anode des Lasers zu erhalten.
• Somit ist bevorzugt der Wert der Ladezuleitungsinduktivität größer als der Wert der Entladeleitungsinduktivität.
• Bevorzugt umfasst das Laser-Modul einen integrierten Schaltkreis, bei dem die Kathoden der n Laser des linearen Laser-Arrays aus n Lasern zu einem Sternpunkt bonddrahtlos zusammengeschaltet sind. Bevorzugt wird dazu das Laser-Modul mit einem gemeinsamen Rückseitenkontakt, der in dem hier vorgestellten Beispiel die gemeinsame Kathode der n Laser darstellt, direkt mit einem Kontakt des Ansteuerschalters verbunden, sodass dieser Ansteuerschalter mit einem Anschluss praktisch induktivitätslos mit den Kathoden der n Laser verbunden ist. Der Kristall des integrierten Schaltkreises leitet dabei die Abwärme der n-Laser weiter. Bevorzugt ist die Rückseite des linearen Laser-Arrays somit thermisch und elektrisch leitfähig mit einem Kontakt des Ansteuerschalters verbunden, der bevorzugt monolithisch in den Kristall der bevorzugt verwendeten integrierten Schaltung integriert ist. Diese Verbindung kann durch Klebung oder Lötung oder eine andere geeignete elektrisch und thermisch leitende Verbindungstechnik wie z. B. Thermokompression von Bond-Balls hergestellt oder eine andere Flip-Chip-Montage-Technik werden. Bevorzugt ist der Stapel aus dem Kristall des linearen Laser-Arrays und dem Kristall der integrierten Schaltung mit dem Ansteuerschalter und bevorzugt mit der Ladeschaltung thermisch und bevorzugt auch elektrisch leitend mit der Rückseite der integrierten Schaltung auf einer Wärmesenke, beispielsweise mittels thermisch und bevorzugt elektrisch leitender Klebung oder Lötung montiert.
• Wie bereits erwähnt, sind der Ansteuerschalter und bevorzugt die n Ladeschaltkreise für die n Kondensatoren des Kondensatoren-Arrays Teil der integrierten Schaltung. Der Ansteuerschalter ist bevorzugt bonddrahtlos mit dem ersten Sternpunkt, der die Kathoden der n Laser miteinander verbindet, elektrisch verbunden.
• In den Kristall des integrierten Schaltkreises sind, wie erwähnt, bevorzugt der Ansteuerschaltkreis und die n Ladeschaltungen in die, der Rückseite des Kristalls gegenüberliegende aktive Oberfläche integriert. Somit sind die n Ladeschaltkreise Teil der aktiven Oberfläche der integrierten Schaltung. D. h. sie sind relativ zur Dicke des Kristalls im Wesentlichen direkt unter der Oberfläche des Kristalls bzw. an dessen Oberfläche, wie bei integrierten Schaltkreisen üblich, platziert. Parallel zu dem linearen Laser-Array aus n Lasern ist nun auch das lineare Kondensator-Array aus n Kondensatoren auf der aktiven Oberfläche des monolithischen Kristalls der integrierten Schaltung angebracht.
• Diese Parallelität bezieht sich dabei nicht nur auf eine zeitliche Parallelität, sondern auch auf eine räumliche Parallelität. Die n Laser des Laser-Arrays sind bevorzugt längs einer ersten geraden Linie angeordnet. Die n Kondensatoren des Kondensatoren-Arrays sind bevorzugt längs einer zweiten geraden Linie angeordnet, die erstens bevorzugt parallel zur zweiten Linie ist oder zweitens als an der Unterseite des Kondensator-Arrays liegend gedacht werden kann.. Ebenso kann die erste Linie als an der Unterseite des Laser-Arrays liegend gedacht werden. Die erste Linie und die zweite Linie definieren dann eine Ebene, die mit der aktiven Oberfläche des Kristalls der elektrischen Schaltung bevorzugt gleich ist oder zumindest im Wesentlichen zu dieser Oberfläche parallel und nur so wenig durch Befestigungsmittel, wie beispielsweise Kleber oder Lot, von dieser beabstandet ist, dass hier von einer Gleichheit im Wesentlichen gesprochen werden kann.
• Jeder Kondensator der n Kondensatoren des Kondensator-Arrays weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der erste Anschluss des Kondensators des linearen Kondensator-Arrays ist zur Induktivitätsreduktion durch eine Mehrfach-Bondung mit einer ersten Bonddrahtlänge mit der Anode des diesem Kondensator zugeordneten Lasers des linearen Laser-Arrays aus n Lasern verbunden. Die zweiten Anschlüsse der n Kondensatoren des Kondensator-Arrays sind zu einem zweiten Sternpunkt zusammengeschaltet. Dieser zweite Sternpunkt ist zur weiteren Induktivitätsreduktion mit einer Mehrzahl von Bonddrähten mit einer zweiten Bonddrahtlänge mit einem Bezugspotenzialkontakt auf der aktiven Oberfläche des Kristalls der integrierten Schaltung verbunden. Diese Konstruktion hat wesentliche Vorteile. Wenn nur einer der Kondensatoren der n Kondensatoren des Kondensator-Arrays durch die ihm zugeordnete Ladeschaltung aufgeladen wurde und alle anderen Kondensatoren nicht geladen sind, sind diese ungeladenen Kondensatoren im Wesentlichen auf eine Spannung nahe 0V aufgeladen. Mit dem Eintreffen des Pulssignals verbindet nun der Ansteuerschalter den ersten Sternpunkt mit dem Bezugspotenzial. Zum Ersten wird dadurch der betreffende zuvor aufgeladene Kondensator über den ihm zugeordneten Laser entladen. Zum Zweiten werden aber die ersten Anschlüsse aller anderen Kondensatoren über ihre Laser ebenfalls mit dem Bezugspotenzial verbunden. Da die zugehörigen Kondensatoren dieser Laser ungeladen sind, erzwingen diese übrigen Kondensatoren, dass das Potenzial der zweiten Anschlüsse dieser Kondensatoren, die den zweite Sternpunkt bilden, sich ebenfalls nahe des Bezugspotenzials bewegen müssen. Bevorzugt sind die ersten Anschlüsse der Kondensatoren des linearen Kondensator-Arrays, über jeweils einen Bonddraht mit einer dritten Bonddrahtläge, der den zweiten Sternpunkt kreuzt, mit der dem jeweiligen Kondensator der n Kondensatoren des Kondensator-Arrays zugeordneten Ladeschaltung der n Ladeschaltungen verbunden. Die dritte Bonddrahtlänge ist dabei bevorzugt länger als die zweite Bonddrahtlänge. Die zweite Bonddrahtlänge ist dabei bevorzugt länger als die erste Bonddrahtlänge.
• Dieses so definierte Laser Modul kann in einem LIDAR-System eingesetzt werden. Es wird vorgeschlagen, dazu die folgende Grundstruktur eines LIDAR-Systems anzuwenden:
• Das vorgeschlagene LIDAR System umfasst bevorzugt das besagte lineare Laser-Array aus n Lasern, ein lineares Fotodetektor-Array aus n*m Fotodetektoren, eine Ansteuerschaltung für die n Laser, n*m Empfangsschaltungen für die n*m Fotodetektoren und eine Auswerteschaltung für die Messsignale der n*m Empfangsschaltungen. Die Optik des LIDAR-Systems umfasst auf der Laser-Seite bevorzugt eine Powell-Linse, oder eine funktionsäquivalente Optik, die im Folgenden von dem Begriff Powell-Linse mit umfasst wird, und auf der Fotodetektorseite bevorzugt eine zweite Optik, im Folgenden als Empfängerlinse bezeichnet. Jeder Laser der n Laser emittiert einen jeweiligen Laserstrahl bei Bestromung mit elektrischem Strom. Die Powell-Linse weitet bevorzugt jeden Laserstrahl dieser potenziell n Laserstrahlen der n Laser bei Emission durch einen der n Laser zu einem Lichtfächer von potenziell n Lichtfächern, die jeweils einer der n Laser zugeordnet sind, auf. In der Realität wird jeder Lichtfächer einen stark elliptischen Intensitätsquerschnitt quer zu seiner Ausbreitungsrichtung aufweisen. Im Sinne dieser Schrift wird in der Beschreibung vereinfachend angenommen, dass die kleine Halbachse der Querschnittsellipse ein Längenmaß von praktisch 0 besitzt. Da der reale Querschnitt von 0 m verschieden ist, wird hierdurch die Beanspruchung nicht eingeschränkt. Diese Annahme von 0 m Fächerdicke dient also nur der Vereinfachung der Beschreibung. Jeder Lichtfächer hat einen Öffnungswinkel. Jeder Lichtfächer besitzt eine Lichtfächerebene und einem Fächerursprungspunkt. Die Powell-Linse wird so relativ zum linearen Laser-Array der n Laser angeordnet, dass bevorzugt alle Flächennormalen der n Fächerebenen der n Lichtfächer der n Laser in einer bevorzugt gemeinsamen Ebene untereinander und zusammen mit der geraden Linie liegen, längs derer bevorzugt die n Laser angeordnet sind. Bevorzugt erzeugen die n Laser des Laser-Arrays n Laserstrahlen, deren n Lichtfächer senkrecht zu ihrer jeweiligen Fächerebene um einen im Wesentlichen gemeinsamen Fächerursprungspunkt herum um einen jeweiligen Fächerwinkel gegenüber einem frei wählbaren Lichtfächer der n Lichtfächer um eine im Wesentlichen gemeinsame Rotationsachse durch diesen Fächerursprungspunkt gekippt sind.
• Auf der Fotodetektorenseite findet eine ähnliche Verkippung statt. Jeder der Fotodetektoren besitzt typischerweise bereits konstruktiv bedingt eine Empfangskeule, die die raumrichtungsabhängige Empfindlichkeit des jeweiligen Fotodetektors beschreibt. Bevorzugt werden alle n*m Fotodetektoren in gleicher Weise ausgeführt. Bevorzugt werden sie auf einem Halbleiterkristall monolithisch integriert. Bevorzugt handelt es sich um eine oder n Fotodetektorenzeilen, wobei je Fotodetektorenzeile in der betreffenden Fotodetektorenzeile die m Fotodetektoren linear längs einer geraden Linie angeordnet sind. Es ist aber auch denkbar, nur eine Zeile von Fotodetektoren zu verwenden. Bei den n*m Fotodetektoren handelt es sich bevorzugt um Halbleiterbauelemente. Beispielsweise kommen Lawinenfotodioden (englisch: avalanche photodiode (APD)) und/oder Einzel-Photonen-Lawinenfotodioden (englisch: single-photon avalanche diode (SPAD)) in Frage. Die Empfängerlinse deformiert die n*m Empfangskeulen der n*m Fotodetektoren zu n*m Empfangsfächern. Auch hier wird wieder zur Vereinfachung angenommen, dass die Empfangsfächer eine Empfangsfächerdicke von im Wesentlichen 0 m aufweisen. In der Realität ist diese Annahme nicht richtig und der Empfangsfächer ist analog zum Lichtfächer der Laser in Wirklichkeit nur eine Empfangskeule mit typischerweise stark elliptischen Querschnitt. Auch diese Vereinfachung einer Annahme einer Empfangsfächerdicke von 0 m soll hier nur der Vereinfachung der Beschreibung dienen und schränkt daher die Beanspruchung nicht ein. Die n*m Empfangsfächer besitzen nun jeweils eine Empfangsfächerebene. Es werden somit n*m Empfangsfächerebenen durch die zweite Optik definiert. Jede Empfangsfächerebene der n*m Empfangsfächerebenen der n*m Fotodetektoren ist nicht parallel zu den n Laserfächerebenen der n Lichtfächer der n Laser. Bevorzugt ist jede Empfangsfächerebene der n*m Empfangsfächerebenen der m Fotodetektoren senkrecht jeder der n Laserfächerebenen der n Lichtfächer der n Laser. Es ergeben sich somit bevorzugt k=n * m Kreuzungslinien, die die Empfindlichkeitslinie einer Paarung aus dem Empfangsfächer eines der n*m Empfangsfächer, der einem Fotodetektor der n*m Fotodetektoren zugeordnet ist, und einem Lichtfächer der n Lichtfächer darstellen, der einem Laser der n Laser zugeordnet ist.
• Die Powel-Linse nimmt im System zwei Funktionen wahr. Diese Funktionen können auf die 2 Oberflächen der Powel-Linse verteilt werden. Die beiden Funktionen können allerdings auch mit einer einzelnen Linsenoberfläche implementiert werden. Diese beiden Funktionen sind
1. a. die vertikale Fokussierung aller Laser und
2. b. das sogenannte horizontale Flat-Fielding der Laserleistung, also die Gleichverteilung der LASER-Leistung, um die Sensorzeilen homogen auszuleuchten, wobei diese Gleichverteilung simultan für alle Laser erfolgt.
• Eine geeignete Zylinderoberfläche realisiert im Wesentlichen die Funktion a. Terme höherer Ordnung erweitern die mathematische Funktion, die die Zylinderoberfläche beschreibt, um die Abbildungsfehler zu minimieren. Der vertikale Krümmungsradius ist eine Funktion des horizontalen Abstands zur Mitte der Linse, was einen besseren Fokus an den Enden der Linien bewirkt.
• Ein Polynom für die Oberflächenform der Linse implementiert die zweite Funktion b. Das Polynom beschreibt die Dicke der Linse als Funktion des horizontalen Abstands zur Mitte. Hierdurch kann die Linse praktisch fast beliebig die Energie der LASER-Strahlen horizontal umverteilen.
• Eine durch ein Polynom beschriebene horizontalen Krümmung der Linse als Funktion des horizontalen Abstands zur Mitte ergibt eine weitere Optimierung. Dieses Polynom ermöglicht Korrektur der (Kissen-) Verzerrung der Linse.
• Alle Polynome haben auch einen schwachen Einfluss auf die jeweils anderen Funktionen (vertikale Fokussierung, horizontale Energieverteilung, Verzerrungskorrektur), sodass bei der Optimierung alle Parameter aufeinander abgestimmt werden müssen. Hierzu wird iterativ immer erst eine Funktion optimiert. Dann werden nacheinander die entstandenen Fehler in den anderen Funktionen korrigiert. Durch zyklisches Wiederholen stabilisiert sich die Konstruktion bei typischerweise immer kleiner werdenden Fehlern. Das Ganze wird nun wiederholt, bis die Fehler klein genug sind.
• Die im Zuge der Ausarbeitung der Erfindung beispielhaft ermittelten Parameter sind noch nicht zu 100% optimiert, aber besser, als im Stand der Technik.
• Die Gleichungen für die Linse lauten:
• Gleichung der Vorderseite: $$\begin{array}{l}\text{z}=\text{RY}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|-\text{Sign}\left(\text{RY}\right)\ast \text{Sqrt}\left({\text{RY}}^2-{\text{y}}^2\right)+\text{PB}2\ast {\text{x}}^2+\text{PB}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|+\text{PB}4\ast {\text{x}}^4+\text{PB}6\ast {\text{x}}^6+\text{PC}2\ast {\text{x}}^2+\text{PC}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\\ \text{mit RY}=\text{R0Y}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\end{array}$$
  
• Hierbei steht Sign() für die Signum-Funktion und Sqrt() für die Wurzel des Funktionsparameters.
• Hierbei steht z für den Abstand zur x-y-Mittenfläche. Die optische Achse ist die z-Achse.
• Gleichung der Rückseite: $$\text{z}=-\left(\text{d}+\text{PC}2\ast {\text{x}}^2+\text{PC}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\right)$$

  
• Hierbei bedeuten:

x

horizontale Achse

y

vertikale Achse

z

optische Achse

R0Y Krümmungsradius des Zylinderterms, der die Brennweite bestimmt. R0Y =12.6mm wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung benutzt. Dieser Krümmungsradius wird durch den Abstand von Laser zu Laser von Lasern und den Abstand der Sensoren in der Sensorzeile, sowie durch die Brennweite der Empfängerlinse bestimmt. Es gilt dabei $${\text{f}}_{\text{tx}}{\text{/p}}_{\text{tx}}={\text{f}}_{\text{rx}}{\text{/p}}_{\text{rx}}\left(\text{f: Brennweite}\text{, p: Pitch}\text{, tx: Laser}\text{, rx: Sensor}\right)$$

mit

ftx

Brennweite der Linse der Laser

frx

Brennweite der Linse der Sensorzeile

ptx

Abstand von Laser zu Laser

prx

Abstand von Empfänger zu Empfänger in der Sensorzeile

d

Dicke der Linse im optischen Zentrum. Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde d = 2.2mm benutzt.

AR2, AR3

Koeffizienten der Polynome höherer Ordnung für den Gradienten der Krümmung.

PB2, PB3, PB4, PB6

Koeffizienten, die den horizontalen Dickenverlauf der Linse beschreiben.

PC2, PC3

beschreiben die Krümmung der Linse (beide Oberflächen gleich).

• Im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung wurden verschiedene Linsen angefertigt und ausgetestet.
• Die Parameter einer ersten Linse lauteten: $$\text{AR}2=\mathrm{0,}\text{ AR}3=\mathrm{0,}$$

  

  $$\text{PB}2=-\mathrm{0.0085,}\text{ PB3}=\mathrm{0.0008,}\text{ PB4}=\mathrm{0,}\text{ PB6}=\mathrm{0,}$$

  

  $$\text{PC2}=\mathrm{0,}\text{ PC3}=0$$

  
• Die Parameter einer zweiten Linse lauteten: $$\text{AR2}=\mathrm{0.01,}\text{ AR}3=\mathrm{0.0006,}$$

  

  $$\text{PB}2=-\mathrm{0.0085,}\text{ PB3}=\mathrm{0.0008,}\text{ PB4}=\mathrm{0,}\text{ PB6}=\mathrm{0,}$$

  

  $$\text{PC2}=\mathrm{0,}\text{ PC3}=0$$

  
• Die Parameter einer dritten Linse lauteten: $$\text{AR2}=\mathrm{0.01,}\text{ AR}3=\mathrm{0.0005,}$$

  

  $$\text{PB}2=-\mathrm{0.015,}\text{ PB3}=\mathrm{0.0015,}\text{ PB4}=-\mathrm{0.000024,}\text{ PB6}=\mathrm{0,}$$

  

  $$\text{PC2}=\mathrm{0,}\text{ PC3}=0$$

  
• Die Parameter einer vierten Linse lauteten: $$\text{AR2}=\mathrm{0.028,}\text{ AR}3=-\mathrm{0.0028,}$$

  

  $$\text{PB}2=-\mathrm{0.0115,}\text{ PB3}=\mathrm{0.00038,}\text{ PB4}=-\mathrm{0.000034,}\text{ PB6}=\mathrm{0.00000013,}$$

  

  $$\text{PC2}=\mathrm{0.028,}\text{ PC3}=-0.0032$$

  
• Die Ansteuerschaltung veranlasst nun zu einem Aussendezeitpunkt einen Laser der n Laser zur Emission eines Laserlichtpulses. Eine Kontrollschaltung veranlasst hierzu vor der Emission beispielsweise eine Ladeschaltung der n Ladeschaltungen des zuvor beschriebenen Laser-Moduls, den ihr zugeordneten Kondensator der n Kondensatoren aufzuladen. Alle anderen Kondensatoren sollen ungeladen sein und auch für die Dauer des Verfahrens zur Aussendung eines Lichtpulses durch den dem zu ladenden Kondensator zugeordneten Laser ungeladen bleiben. Nach Abschluss des Ladevorgangs, der beispielsweise zeitgesteuert nach einer vordefinierten oder berechneten Zeit gestoppt wird oder nach dem Erreichen oder Überschreiten einer Kondesatorzielspannung gestoppt wird, wird bevorzugt die Ladeschaltung von dem zu ladenden Kondensator, beispielsweise durch einen Schalter und/oder durch hochohmig Schalten des Ausgangs der Ladeschaltung getrennt. Nachdem die bevorzugt eine Kombination aus Laser und Kondensator der n Paare aus Laser und zugeordnetem Kondensator auf diese Weise scharf durch diese Aufladung des Kondensators geschaltet ist kann nun die schlagartige Entladung des Kondensators über den Laser und den Ansteuerschalter durch Schließen des Ansteuerschalters erfolgen. Hierzu erzeugt bevorzugt eine Kontrollschaltung, die bevorzugt Teil der Ansteuerschaltung ist, ein Pulssignal, das bevorzugt den besagten Ansteuerschalter des zuvor beschriebenen Laser-Moduls schließt und somit beispielsweise die Kathode des Lasers mit dem Bezugspotenzial verbindet. Der geladene Kondensator ist bevorzugt mit seinem zweiten Anschluss mit diesem Bezugspotenzial verbunden und bevorzugt mit seinem ersten Anschluss mit der Anode des Lasers verbunden. Somit wird nun über den ihm zugeordneten Laser der zuvor geladene Kondensator schlagartig entladen. Der Laser emittiert einen Lichtpuls. Die anderen Laser der n Laser emittieren keinen Lichtpuls, da ihre zugeordneten Kondensatoren nicht geladen wurden. Theoretisch ist es möglich mehr als einen Kondensator zu laden und dann nach und nach verschiedene Muster zu verwenden und dann wieder auf den einfachen Fall eines einzigen geladenen Kondensators zurückzurechnen.
• Der Lichtpuls wird nun über die besagte Powell-Linse zu dem lichtpulsemittierenden Laser zugehörigen Lichtfächer aufgeweitet und in den Freiraum vor der Vorrichtung emittiert. In diesem Freiraum trifft der Lichtpuls dann nach einer ersten Lichtlaufzeit auf ein hier beispielhaft angenommenes Hindernis und wird dort als reflektierter Lichtpuls zurückreflektiert. Nach einer zweiten Lichtlaufzeit erreicht der reflektierte Lichtpuls dann die zweite Optik, die die Photonen des reflektierten Lichtpulses auf die n*m Fotodetektoren verteilt. Hierbei ordnet die zweite Optik dann ein Photon des reflektierten Lichtpulses einem Fotodetektor der n*m Fotodetektoren zu, wenn der Ausbreitungsvektor des betreffenden Photons richtungsmäßig in dem entsprechenden Empfindlichkeitsfächer der diesem Fotodetektor zugeordnet ist liegt. Anders ausgedrückt, wenn die Richtung aus der das Photon kam, in dem Empfindlichkeitsfächer liegt.
• Bevorzugt jeder Fotodetektor der n*m Fotodetektoren und die diesem Fotodetektor zugeordnete Empfangsschaltung der n Empfangsschaltungen erfassen somit das jeweils reflektierte Licht dieses jeweiligen Laserpulses innerhalb ihres jeweiligen Empfangsfächers. Darüber hinaus verfügen die Empfangsschaltungen bevorzugt über Mittel, um die Laufzeit des Lichtpulses ab dem Aussendezeitpunkt bis zum Empfangszeitpunkt in dem Fotodetektor zu erfassen. Somit ergeben sich bevorzugt für jeden Laserpuls n*m Lichtlaufzeitinformationen, die die Lichtlaufzeit eines Lichtpulses vom Aussenden zu einem Aussendezeitpunkt durch einen Laser bis zum Empfang durch jeweils einen Fotodetektor der n*m Fotodetektoren als reflektierter Lichtpuls jeweils repräsentieren. Diese Lichtlaufzeitinformationen können mittels der Lichtgeschwindigkeit, beispielsweise der Lichtgeschwindigkeit in Luft, in eine Länge bzw. in einen Abstand umgerechnet werden.
• Wird diese Messung für jeden der n Laser durchgeführt, so erhält man aus den daraus sich ergebenden n Messungen k=n x m Lichtlaufzeitwerte und damit k=n x m Abstände.
• Um diese Abstände zu erhalten, gibt die jeweilige Empfangsschaltung den jeweiligen Messwert für den Empfangszeitpunkt des jeweiligen Laserpulses an der jeweiligen Fotodiode an die Auswerteschaltung weiter. Diese erhält von der Auswerteschaltung die Information welcher Laser der n Laser den Lichtpuls abgegeben hat. Hieraus kann die Auswerteschaltung dann feststellen, welche Empfindlichkeitslinie zu welchem Abstand gehört. Zur Erinnerung: Eine Empfindlichkeitslinie entsteht im Sinne dieser Schrift aus der Paarung aus dem Empfangsfächer eines der n*m Empfangsfächer, der einem Fotodetektor der n*m Fotodetektoren zugeordnet ist, und einem Lichtfächer der n Lichtfächer, der einem Laser der n Laser zugeordnet ist.
• Nachdem dann alle n Laser des Laser-Arrays einmal einen Lichtpuls abgegeben haben ergeben sich für die k Empfindlichkeitslinien k Abstände. Werden diese auf der Empfindlichkeitslinie abgetragen, so ergibt sich für jede Empfindlichkeitslinie genau ein Punkt, der die Reflektion des Lichtpulses für den Lichtfächer dieser Empfindlichkeitslinie verursacht hat und von dem Fotodetektor mit dem Empfindlichkeitsfächer dieser Empfindlichkeitslinie empfangen wurde. Auf diese Weise werden somit k=n x m im dreidimensionalen Raum bestimmt, die vorzugsweise aus dem Abstandsempfindlichkeitslinien-Koordinatensystem beispielsweise in ein kartesisches Koordinatensystem zu weiteren Verwendung umgerechnet werden können.
• Die Auswerteschaltung erstellt somit eine dreidimensionale Pixelwolke aus dem Winkel des Laserfächers des jeweiligen Laserpulses und dem Winkel des jeweiligen Empfangsfächers des jeweiligen Fotodetektors und dem jeweiligen Empfangszeitpunkt des jeweiligen Laserpulses am jeweiligen Fotodetektor bezogen auf den jeweiligen Aussendezeitpunkt.
• Es ist besonders vorteilhaft, wenn die n Flächennormalen der n Lichtfächer Winkelabstände (α_1,2, α_2,3, α_3,4, bis α_n-2,n-1, α_n-1,n) aufweisen, die zwischen jeweils zwei benachbarten Lichtfächern im Wesentlichen gleich sind.
• Ebenso ist es besonders vorteilhaft, wenn die n*m Flächennormalen der n*m Empfindlichkeitsfächer m Winkelabstände (β_1,2, β_2,3, β_3,4, bis β_m-2,m-1, β_m-1,m) in der Horizontalen aufweisen, die zwischen jeweils zwei benachbarten Empfindlichkeitsfächern im Wesentlichen gleich sind.
• Es ist besonders vorteilhaft das weiter oben beschriebene Laser-Modul in einem zuvor beschriebenen LIDAR-System einzusetzen.
• Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Laser-Modul mit einem linearen Laser-Array aus n Lasern, mit n als ganzer positiver Zahl. Die n-Laser sind bevorzugt auf einem Modulträger und/oder einem Treiber-IC montiert. Jeder Laser-Strahl jedes Lasers weist eine Laser-Strahlachse auf. Alle Laser-Strahlachsen und/oder mindestens zwei Laserstrahlachsen scheiden sich in einem Punkt. Darauf aufbauend kann eine Zusammenstellung von m Laser-Modulen, mit m als ganzer positiver Zahl, definiert werden, bei der jedes Laser-Modul ein lineares Laser-Array aus n Lasern aufweist, mit n als ganzer positiver Zahl, und wobei die Laser eines jeden Moduls in gleicher Weise durchnummeriert werden können und wobei jeder Laser-Strahl jedes Lasers eine Laser-Strahlachse aufweist und wobei sich die alle Laser-Strahlachsen der k-ten Laser, mit 0<k≤n, aller m Laser-Module in einem Punkt schneiden und/oder wobei sich die Laser-Strahlachsen der k-ten Laser, mit 0<k≤n, von mindestens zwei der m Laser-Module in einem Punkt schneiden.
• Besser ist jedoch, wenn sich die alle m*n Laser-Strahlachsen aller n*m Laser aller m Laser-Module in einem Punkt schneiden. Alternativ können sich zumindest zwei Laser-Strahlachsen von mindestens zwei Lasern der n*m Laser aller m Laser-Module in einem Punkt schneiden.Das Treiber-IC ist bevorzugt die besagte integrierte Schaltung. Ein solches Treiber-IC hat bevorzugt eine rechteckige Form. Das Treiber-IC weist dann zwei Schmalseiten und zwei Langseiten als Kanten auf. Das Treiber-IC weist bevorzugt an einer ersten Kante des Rechtecks seiner Form, die eine Schmalseite ist, Kontakte oder einen Kontakt (DisC) auf, die dazu bestimmt und geeignet sind einen oder mehrere Rückseitenkontakte von Lasern zu kontaktieren. Das IC weist an seiner zweiten Kante des Rechtecks seiner Form, die eine Schmalseite ist, Kontakte (VDDA, GNDA, VDDD, GNDD, VDDP, GNDP, VDDH, GND) auf, die der Energieversorgung des Treiber-ICs und/oder der besagen Laser (D1 bis Dn) und/oder zugehöriger Energiespeicher (C1 bis Cn) dienen. Die erste Kante liegt dabei der zweiten Kante gegenüber.
• Das Treiber-IC weist bevorzugt an einer dritten Kante des Treiber-ICs, die eine Langseite ist, mindestens einen Transfer-Kontakt für ein Signal auf, das an andere Treiber-ICs weitergegeben werden kann. Das Treiber-IC weist an einer vierten Kante des Treiber-ICs, die eine Langseite ist, einen weiteren Transfer-Kontakt auf, der elektrisch mit dem Transferkontakt verbunden ist.
• Bevorzugt ist einer der Transferkontakte ein Kontakt für ein Rücksetzsignal (RES), der das Treiber-IC in einen definierten Zustand versetzt. Bevorzugt ist ein Transferkontakt ein Kontakt für ein TriggerSignal (TRIG), der das Treiber-IC in einem vorbestimmten Signalzustand dazu veranlasst, seine Laser (D1 bis Dn) abzufeuern, sofern dies aufgrund des Systemzustands vorgesehen ist. Bevorzugt sind ein oder mehrere Transfer-Kontakte zur Kontaktierung von Signalen eines Datenbusses bestimmt. Der eine oder die mehreren Transfer-Kontakte an der einen Kante des Treiber-ICs, die eine Langseite ist, sind bevorzugt mit einem oder mehreren korrespondieren Transfer-Kontakten an der gegenüberliegenden Kante des Treiber-ICs, die die gegenüberliegende Langseite ist, direkt elektrisch verbunden. Es ist aber auch denkbar, dass ein linearer Datenbus (z.B. ein LIN-Bus) zumindest zeitweise durch die Treiber-ICs als Busknoten unterbrochen wird und interne Vorrichtungsteile des Treiber-ICs die Daten auf der einen Seite des Treiber-ICs in Empfang nehmen und auf der anderen Seite des ICs ggf. auch modifiziert weitersenden kann. In dem Fall werden die Signale des einen oder der mehreren Transfer-Kontakte an der einen Kante des Treiber-ICs, die eine Langseite ist, vor der Weiterleitung an einen oder mehrere korrespondiere Transfer-Kontakten an der gegenüberliegenden Kante des Treiber-ICs, die die gegenüberliegende Langseite ist, in einer Teilvorrichtung des Treiber-ICs, insbesondere in einer Datenbusschnittstelle, verarbeitet.
• Des Weiteren umfasst diese Schrift die Offenlegung einer Zusammenstellung von Laser-Modulen, insbesondere ein LIDAR-System, mit mehreren, mindestens aber zwei Laser-Modulen, einem ersten Laser-Modul und einem zweiten Laser-Modul, wobei die Laser-Module eine rechteckige Form mit zwei Schmalseiten und zwei Langseiten haben und wobei die Laser-Module mit Ihren Langseiten nebeneinander angeordnet sind.
• Die Laser-Module weisen jeweils ein anreihbares Treiber-IC, wie zuvor beschrieben, auf.
• Die Treiber-ICs der Lasermodule sind typischerweise hinsichtlich der genutzten Transfer-Kontakte ihrer Treiber-ICs baugleich. Jeweils ein Transfer-Kontakt des Treiber-ICs des ersten Laser-Moduls ist dann bevorzugt mit dem korrespondierenden Transfer-Kontakt des Treiber-ICs des zweiten Laser-Moduls mittels eines einzigen Bonddraht pro solch einem Transfer-Kontakt-Paar elektrisch verbunden. Dies hat den Vorteil, dass nur geringe Verluste entstehen. Die ist insbesondere für eine schnelle synchrone Übertragung des Trigger-Signals (TRIG) vorteilhaft, da alle Laser zeitgerecht zünden sollen und damit ihr Strahlungspaket aussenden sollen.
• Die Erfindung umfasst auch ein spezielles Kondensator-Array für ein Laser-Modul und/oder für eine Zusammenstellung von Laser-Modulen und/oder für die Verwendung zusammen mit einem Treiber-IC, wie zuvor beschrieben. Das Kondensator-Array ist rechteckig und weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Das Kondensator-Array weist n Kontakte (K1' bis Kn') aufgereiht längs einer ersten Kante des Rechtecks auf der Oberfläche des Kondensator-Arrays auf. Das Kondensator-Array weist einen weiteren Kontakt (KG') auf, der sich längs einer zweiten Seite des Rechtecks auf der Oberseite des Kondensator-Arrays erstreckt. Die zweite Seite des Rechtecks liegt der ersten Seite des Rechtecks gegenüber. Die Erstreckung des weiteren Kontakts (KG') längs der dritten und vierten Seite ist kürzer als die Erstreckung der dritten Kante des Rechtecks des am nächsten liegenden Kontakts der n Kontakte (K1' bis Kn') längs der dritten Kante des Rechtecks. Die Erstreckung des weiteren Kontakts (KG') längs der dritten und vierten Seite ist kürzer als die Erstreckung der vierten Kante des Rechtecks des am nächsten liegenden Kontakts der n Kontakte (K1' bis Kn') längs der vierten Kante des Rechtecks. Das Kondensator-Array weist einen Rückseitenkontakt (KR) auf, der die Unterseite des Kondensator-Arrays bedeckt. Jeder der n Kontakte (K1' bis Kn') bildet mit dem Rückseitenkontakt (KR) eine Kapazität (C1 bis Cn), wobei der weitere Kontakt (KG') mit dem Rückseitenkontakt (KR) eine weitere Kapazität (CVDD) bildet und wobei die Kondensatoren (Ca bis Cn und CVDD) ein gemeinsames Dielektrikum aufweisen, das sich zwischen den n Kontakten (K1' bis Kn') und dem weiteren Kontakt (KG') einerseits und dem Rückseitenkontakt (KR) erstreckt.
• Die vorgestellten Vorrichtungen können als LIDAR-Vorrichtung oder als Teil einer solchen LIDAR-Vorrichtung in einer mobilen Vorrichtung verwendet werden. Dabei kann beispielsweise die mobile Vorrichtung insbesondere ein Roboter oder ein Flugkörper oder ein Raumflugkörper oder ein Schiffskörper oder ein Wasserfahrzeug oder ein Fahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder Flugzeug oder ein Raumfahrzeug sein.
• Die vorgestellten Vorrichtungen können als LIDAR-Vorrichtung oder als Teil einer solchen LIDAR-Vorrichtung in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden. Sie können beispielsweise in einer Vorrichtung zur Erfassung der Form eines Gegenstands oder eines Gebäudes oder in einer Vorrichtung zur Automatisierung von Prozessen oder in einer Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen der Form dreidimensionaler Körper eingesetzt werden.
• Vorteil
• Das vorgeschlagene Laser-Modul ermöglicht die Erzeugung kurzer Lichtimpulse für das vorgeschlagene LIDAR-System, das keine beweglichen Teile erfordert. Die Vorteile sind darauf nicht beschränkt.
• Figurenliste
• 1 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der erste Laser einen Laserpuls abgibt.
• 2 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der zweite Laser einen Laserpuls abgibt.
• 3 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der dritte Laser einen Laserpuls abgibt.
• 4 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der vierte Laser einen Laserpuls abgibt.
• 5 zeigt eine beispielhafte Verschaltung für das vorgeschlagene LIDAR-System.
• 6 zeigt einen vorgeschlagenen Aufbau eines Laser-Moduls für das LIDAR-System der 5.
• 7 zeigt eine Anordnung mit mehreren Laser-Modulen der 6.
• 8 zeigt Kondensator-Arrays (C1 bis C4 Und CVDD) für die Verwendung in einem Laser-Modul entsprechend der 7 in der Aufsicht und die interne Verschaltung des Kondensator Arrays.
• 9 zeigt die Struktur eines vorgeschlagenen Treiber-ICs in der Aufsicht.
• 10 zeigt die Anreihung der Laser-Module auf Treiber-IC-Ebene.
• 11 Zeigt die Ausrichtung der Laser-Module der 10 längs einer gebogenen Linie.
• 12 zeigt eine beispielhafte Powell-Linse.
• 13 zeigt eine beispielhafte Anordnung des Sendesystems mit der Senderlinse und des Empfängersystems mit der Empfängerlinse.
• 14 zeigt ein reales Messergebnis als Punktwolke in einem beispielhaften kartesischen Koordinatensystem als Zielkoordinatensystem mit n=16 Lasern und m=256 Fotodetektoren in der Fotodetektorenzeile.
• 15 zeigt eine vorschlagsgemäße Drohne mit anmontiertem LIDAR-Modul.
• 16 zeigt die optimale Positionierung der Abtastpunkte auf einer ebenen Fläche, die in einem gewissen Abstand zum Sensorsystem aufgestellt ist und deren Flächennormale parallel zur Messachse des Sensorsystems ausgerichtet ist.
• 17 zeigt eine Linse ohne Korrekturpolynome.
• 18 zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der ersten Linse mit AR2=0.01, AR3=0.0006, PB2=-0.0085, PB3=0.0008, PB4=0, B6=0, PC2=0, PC3=0.
• 19 zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der zweiten Linse mit AR2=0.01, AR3=0.0005, PB2=-0.015, PB3=0.0015, PB4=-0.000024, PB6=0, PC2=0, PC3=0.
• 20 zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der dritten Linse mit AR2=0.028, AR3=-0.0028, PB2=-0.0115, PB3=0.00038, PB4=-0.000034, PB6=0.00000013, PC2=0.028, PC3=-0.0032.
• Beschreibung der Figuren
• Figur 1
• 1 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern (D1, D2, D3, D4) und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der erste Laser (D1) einen Laserpuls abgibt. Der erste Laser (D1) der beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) gibt einen Lichtpuls ab, der durch die Senderlinse, die vorzugsweise eine Powell-Linse ist, zu einem ersten Lichtfächer (LF1) aufgeweitet wird. Der erste Lichtfächer (LF1) ist gestrichelt eingezeichnet. Der erste Lichtfächer (LF1) beleuchtet einen ersten Streifen des Raumes im Vorraum des LIDAR Systems. Eine Empfängerlinse bildet diesen ausgeleuchteten ersten Streifen auf ein lineares Sensor-Array aus Fotodioden ab. Der ausgeleuchtete erste Streifen ist von dem zweiten ausgeleuchteten Streifen der 2 und von dem dritten ausgeleuchteten Streifen der 3 und von dem vierten ausgeleuchteten Streifen der 4 verschieden. In dem Beispiel der 1 umfasst das Sensor-Array 256 Fotodioden. Diese Sensorzeile nimmt somit eine Zeile auf. Bevorzugt ist die Empfängerlinse ebenfalls eine Powell-Linse.
• Figur 2
• 2 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern (D1, D2, D3, D4) und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der zweite Laser (D2) einen Laserpuls abgibt. Der zweite Laser (D2) der beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) gibt einen Lichtpuls ab, der durch die Senderlinse, die vorzugsweise eine Powell-Linse ist, zu einem zweiten Lichtfächer (LF2) aufgeweitet wird. Der zweite Lichtfächer (LF2) ist gestrichelt eingezeichnet. Der zweite Lichtfächer (LF2) beleuchtet einen zweiten Streifen des Raumes im Vorraum des LIDAR Systems. Eine Empfängerlinse bildet diesen ausgeleuchteten zweiten Streifen auf ein lineares Sensor-Array aus Fotodioden ab. Der ausgeleuchtete zweite Streifen ist von dem ersten ausgeleuchteten Streifen der 1 und von dem dritten ausgeleuchteten Streifen der 3 und von dem vierten ausgeleuchteten Streifen der 4 verschieden. In dem Beispiel der 2 umfasst das Sensor-Array 256 Fotodioden. Diese Sensorzeile nimmt somit eine Zeile auf. Bevorzugt ist die Empfängerlinse ebenfalls eine Powell-Linse.
• Figur 3
• 3 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern (D1, D2, D3, D4) und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der dritte Laser (D3) einen Laserpuls abgibt. Der dritte Laser (D3) der beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) gibt einen Lichtpuls ab, der durch die Senderlinse, die vorzugsweise eine Powell-Linse ist, zu einem dritten Lichtfächer (LF3) aufgeweitet wird. Der dritte Lichtfächer (LF3) ist gestrichelt eingezeichnet. Der dritte Lichtfächer (LF3) beleuchtet einen dritten Streifen des Raumes im Vorraum des LIDAR Systems. Eine Empfängerlinse bildet diesen ausgeleuchteten dritten Streifen auf ein lineares Sensor-Array aus Fotodioden ab. Der ausgeleuchtete dritte Streifen ist von dem zweiten ausgeleuchteten Streifen der 2 und von dem ersten ausgeleuchteten Streifen der 1 und von dem vierten ausgeleuchteten Streifen der 4 verschieden. In dem Beispiel der 3 umfasst das Sensor-Array 256 Fotodioden. Diese Sensorzeile nimmt somit eine Zeile auf. Bevorzugt ist die Empfängerlinse ebenfalls eine Powell-Linse.
• Figur 4
• 4 zeigt den Strahlengang eines beispielhaften LIDAR-Systems mit beispielhaft n=4 Lasern (D1, D2, D3, D4) und beispielhaft m=256 Fotodetektoren in der Aufsicht und der Seitenansicht, wobei der vierte Laser (D4) einen Laserpuls abgibt. Der vierte Laser (D4) der beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) gibt einen Lichtpuls ab, der durch die Senderlinse, die vorzugsweise eine Powell-Linse ist, zu einem vierten Lichtfächer (LF4) aufgeweitet wird. Der vierte Lichtfächer (LF4) ist gestrichelt eingezeichnet. Der vierte Lichtfächer (LF4) beleuchtet einen vierten Streifen des Raumes im Vorraum des LIDAR Systems. Eine Empfängerlinse bildet diesen ausgeleuchteten vierten Streifen auf ein lineares Sensor-Array aus Fotodioden ab. Der ausgeleuchtete vierte Streifen ist von dem zweiten ausgeleuchteten Streifen der 2 und von dem dritten ausgeleuchteten Streifen der 3 und von dem ersten ausgeleuchteten Streifen der 1 verschieden. In dem Beispiel der 4 umfasst das Sensor-Array 256 Fotodioden. Diese Sensorzeile nimmt somit eine Zeile auf. Bevorzugt ist die Empfängerlinse ebenfalls eine Powell-Linse.
• Figur 5
• 5 zeigt eine beispielhafte Verschaltung für das vorgeschlagene LIDAR-System. Eine Steuerschaltung (CTR) veranlasst eine Ladeschaltung der n Ladeschaltungen (B1 bis Bn) über eine dieser Ladeschaltung zugeordnete Ladeleitung der n Ladeleitungen (K1 bis Kn) einen Kondensator der n Kondensatoren (C1 bis Cn) zu laden. Jede Ladeleitung der n Ladeleitungen (K1 bis Kn) weist dabei einen zugeordneten Widerstand (von n Widerständen RZ1 bis RZn) und eine Induktivität (von n Induktivitäten LZ1bis LZn) auf. Jede der Ladeleitungen (K1 bis Kn) ist bevorzugt mit einem ersten Anschluss genau eines Kondensators von n Kondensatoren (C1 bis Cn) verbunden. Der zweite Anschluss jedes Kondensators der n Kondensatoren (C1 bis Cn) ist mit dem Bezugspotenzial über eine Leitung verbunden. Jede der Leitungen zwischen einem zweiten Anschluss eines Kondensators der n Kondensatoren (Cq bis Cn) und dem Bezugspotenzial umfasst einen Widerstand (von n Widerständen RC1 bis RCn) und eine Induktivität (von n Induktivitäten LC1 bis LCn). Die Anode bevorzugt genau eines Lasers der n Laser (D1 bis Dn) ist bevorzugt mit einem ersten Kontakt bevorzugt genau eines Kondensators der n Kondensatoren (C1 bis Cn) über bevorzugt genau eine Entladeleitung der n Entladeleitungen (K1' bis Kn') verbunden. Die Kathoden der n Laser (D1 bis Dn) sind zu einem gemeinsamen ersten Sternpunkt (DisC) zusammengeschaltet. Dieser gemeinsame Sternpunkt wird mit Eintreffen des Pulssignals (G_dis ) durch den Ansteuerschalter (T_dis) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden, das mit dem zweiten Kontakt der n Kondensatoren (C1 bis Cn) verbunden ist.
• Ein beispielhafter Buffer (Buf) erzeugt aus dem Pulsvorsignal (PL) das Pulssignal (G_dis ). Die Steuerschaltung (CTR) kann bevorzugt dieses Pulsvorsignal (PL) erzeugen, wenn der Ladevorgang für den zu ladenden Kondensator durch die zugehörige Ladeschaltung abgeschlossen ist und die Ladeschaltung neutral geschaltet ist.
• Ein Stützkondensator (CVDD) ist bevorzugt Teil des Kondensatorarrays der n Kondensatoren (C1 bis Cn) Der Stützkondensator (CVDD) stabilisiert die Versorgungsspannung (VDD) oder eine andere systemrelevante Spannung. Er dient dazu, ein Übersprechen der Stromstöße bei Zündung der Laser zu verhindern.
• Der Stützkondensator (CVDD) ist mit seinem ersten Kontakt über eine Leitungsinduktivität (LZV) in der Zuleitung zum Stützkondensator (CVDD) und über einen Leitungswiderstand (RZV) in der Zuleitung zum Stützkondensator (CVDD) mit der Versorgungsspannung (VDD) oder einer Leitung ähnlicher Funktion verbunden, die zu stabilisieren ist.
• Der Stützkondensator (CVDD) ist mit seinem zweiten Kontakt über einen Leitungswiderstand (RCV) und über eine Leitungsinduktivität (LCV) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden.
• Figur 6
• 6 zeigt einen vorgeschlagenen Aufbau eines Laser-Moduls für das LIDAR-System der 5. Basis des Moduls ist das Treiber-IC. Das Treiber-IC ist bevorzugt eine monolithisch integrierte Schaltung. Es umfasst bevorzugt die Steuerschaltung (CTR) und alle anderen CMOSmikrointegrierbaren Schaltungsteile der 5. Dies wären beispielsweise aber nicht nur, die Steuerschaltung (CTR), der Buffer (Buf), der Ansteuerschalter (T_dis), und die n Ladeschaltungen (B1 bis Bn). Des Weiteren kann eine Steuerschaltung (CTR) beispielsweise einen Mikrorechner mit Speicher Schnittstellen und CPU umfassen. Diese bilden zusammen die Ansteuerschaltung. In dem Beispiel der 6 werden beispielhaft n=4 Laser (D1 bis D4) verwendet, die auf einem gemeinsamen Kristall gefertigt sind und ein lineares Laser-Array bilden. Die Unterseite dieses Kristalls bildet die gemeinsame Kathode, die als erster Sternpunkt (DisC) mit einem Ansteuerschalter elektrisch verbunden ist, der in dem Kristall des Treiber-ICs gefertigt ist und an dessen aktiver Oberfläche liegt. Durch diese Flip-Chip-Montage ist es möglich, diese Verbindung mit nur geringen parasitären Induktivitäts- und Widerstandswerten zu realisieren, was die Flankensteilheit der Laserpulse erhöht. Die thermische Kühlung der n Laser erfolgt also über den Kristall des Treiber-ICs. Die 4 Kondensatoren (C1 bis C4) sind ebenfalls als ein gemeinsames Plättchen ausgeführt. In dem Beispiel der 6 sind die zweiten Kontakte der 4 Kondensatoren (C1 bis C4) durch einen gemeinsamen Kontakt miteinander verbunden. Der erste Kontakt eines jeden Kondensators (C1 bis C4) ist mit dem ihm zugeordneten Laser der vier Laser (D1 bis D4) über eine entsprechende Entladeleitung der vier Entladeleitungen (K1' bis K4') verbunden. Die Entladeleitungen (K1' bis K4') sind durch die gewählte Anordnung besonders kurz. Die Mehrfachbondung der Entladeleitungen (K1' bis K4') führt zu einer weiteren Reduktion der parasitären Induktivität und damit zu einer weiteren Erhöhung der Flankensteilheit. Ebenso führen die kurzen Bonddrähte der Verbindung zwischen dem zweiten Sternpunkt und dem Bezugspotenzial zusammen mit der Mehrfachbondung zu einer Reduktion der parasitären Induktivität auf dieser Verbindung. Auch dies erhöht die Flankensteilheit des ausgesandten Lichtpulses.
• Die relativ langen Bonddrähte der Ladeleitungen (K1 bis Kn) sind für die Flankensteilheit eher förderlich.
• Ein Stützkondensator (CVDD) ist Teil des Kondensator-Arrays. Der Stützkondensator (CVDD) ist auf einer Unterseite mit einem zweiten Anschluss mit einem sehr kleinen Leitungswiderstand (RCV) und einer sehr kleinen Leitungsinduktivität (LCV) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden. Der erste Anschluss des Stützkondensators (CVDD) ist mit dem virtuellen Knoten (KG') der Versorgungsspannung (VDD) verbunden. Der virtuelle Knoten (KG') der Versorgungsspannung (VDD) ist mit sehr kurzen Bond-Drähten mit der Versorgungsspannung (VDD) verbunden. Dadurch ist der virtuelle Knoten (KG') der Versorgungsspannung (VDD) mit einem sehr kleinen Leitungswiderstand (RZV) und einer sehr kleinen Leitungsinduktivität (LZV) mit der Versorgungsspannung (VDD) verbunden.
• Figur 7
• 7 zeigt eine Anordnung mit mehreren Laser-Modulen der 6. Bevorzugt wird die Ansteuerlogik und die Steuerung dabei so gestaltet, dass immer nur ein Laser eines Laser-Moduls einen Lichtpuls erzeugt.
• Figur 8
• 8 zeigt einen Kondensator-Array (C1 bis C4 Und CVDD) für die Verwendung in einem Laser-Modul entsprechend der 7 in der Aufsicht (8A), in einer Seitenansicht (8B) und die interne Verschaltung des Kondensator Arrays (8C).
• Das Kondensator-Array (C1 bis Cn und CVDD) ist bevorzugt rechteckig. Die Kontaktflächen für die Entladeleitungen (K1' bis Kn') sind bevorzugt längs einer ersten Kante des Rechtecks nebeneinander angeordnet. Der Abstand von Mitte einer Kontaktfläche der Entladeleitung zur Mitte der nächsten Kontaktfläche der nächsten Entladeleitung entspricht dabei bevorzugt dem Abstand vom Schwerpunkt des entsprechenden Lasers der Laser (D1 bis Dn der 6). Die Laser und diese Kontaktflächen des Kondensator-Arrays (C1 bis Cn und CVDD) weisen also bevorzugt den gleichen Pitch = Abstand von Mitte zu Mitte auf. In dem Beispiel der 8 ist dieser Abstand beispielhaft 500µm.
• Längs der ersten Kante des Rechtecks gegenüberliegenden zweiten Kante des Rechtecks erstreckt sich die Kontaktfläche für den virtuellen Knoten KG' der Versorgungsspannung (VDD), die dem ersten Anschluss des Stützkondensators (CVDD) entspricht.
• Bevorzugt erstreckt sich die Kontaktfläche für den virtuellen Knoten KG' der Versorgungsspannung (VDD) entlang der gesamten zweiten Kante des Rechtecks. In dem Beispiel der 8 beträgt die Länge dieser Erstreckung etwas weniger als 2000 µm.
• Die ggf. n Kontaktflächen für die Entladeleitungen (K1' bis Kn') nehmen daher nur einen Abschnitt längs der ersten Kante des Rechtecks ein, der kleiner als 1/n der Länge der ersten Kante des Rechtecks ist. In dem Beispiel der 8 ist diese Erstreckung nur 375 µm. Die Fläche dieser Kontakte ist in der 8 beispielhaft 0,17 mm².
• Die Erstreckung der ggf. n Kontaktflächen für die Entladeleitungen (K1' bis Kn') längs der dritten und vierten Kante des Rechtecks, die in dem Beispiel der 8 450 µm beträgt, ist daher typischerweise länger als die Erstreckung der Kontaktfläche für den virtuellen Knoten KG' der Versorgungsspannung (VDD), die in dem Beispiel der 8 100 µm beträgt. Die Fläche der Kontaktfläche für den virtuellen Knoten KG' der Versorgungsspannung (VDD) beträgt in etwa 0,2 mm².
• Ein Rückseitenkontakt (KR) bildet den gemeinsamen Kontakt zum Anschluss des gemeinsamen Bezugspotenzials (GND).
• Das Material zwischen den Kontaktflächen für die Knoten (K1' bis Kn' und KG') bildet das Dielektrikum des Kondensator-Arrays. Zwischen jeweils einer Kontaktfläche für die Knoten (K1' bis Kn' und KG') und dem Rückseitenkontakt (KR) bildet sich dann so jeweils einer der Kondensatoren (C1 bis Cn und CVDD) aus.
• Das Beispiel der 8 ist auf n=4 zur besseren Übersicht (wie auch die anderen Beispiele dieser Schrift) beschränkt.
• Figur 9
• 9 zeigt die Struktur eines einzelnen vorgeschlagenen Treiber-ICs in der Aufsicht. Die Struktur ist grob vereinfacht und auf die wesentlichen Informationen zur Ermöglichung der Nacharbeit beschränkt.
• Wie an anderen Stellen in dieser Schrift ist die Anzahl n der Laser (D1 bis Dn) des Moduls auf n=4 zur besseren Übersicht beispielhaft beschränkt. Für eine andere Anzahl n von Lasern können die Prinzipien dieser Schrift entsprechend angewendet werden. Hier wird n statt 4 verwendet, auch wenn die Figur n=4 zeigt. n soll in dieser Schrift stets eine ganz positive Zahl sein.
• Oben befinden sich beispielhaft vier Kontaktflächen für die Rückseitenkontakte der beispielhaften vier Laser (D1 bis D4) des später aufzusetzenden Laser-Moduls. Jede der vier Kontaktflächen ist mit dem ersten Sternpunkt (DisC) verbunden. Statt vier separaten Kontaktflächen ist natürlich auch eine einzelne Kontaktfläche denkbar.
• Darunter befindet sich ein Kontakt (GND), der mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden ist. Auf diese Kontaktfläche wird das Kondensator-Array (C1 bis Cn und CVDD) aufgesetzt. Dies verbindet den Rückseitenkontakt (KR) des Kondensator-Arrays (C1 bis Cn und CVDD) mit dem Bezugspotenzial (GND).
• Darunter befindet sich eine Kontaktfläche für die Bonddrähte, mit denen der erste Kontakt des Stützkondensators (CVDD) des Kondensator-Arrays (C1 bis Cn und CVDD), der der virtuelle Knoten (KG') der Versorgungsspannung (VDD) ist, mit der Versorgungsspannung (VDD) verbunden wird.
• Darunter befinden sich die n Bondflächen (hier beispielhaft n=4) für die Ausgänge der Treiberschaltungen (B1 bis Bn) (hier n=4). Mittels langer Bonddrähte, die die Ladeleitungen (K1 bis Kn) (hier n=4) darstellen, werden von dort die Kondensatoren (C1 bis Cn) der Energiereserven der Laser (D1 bis Dn) (hier n=4) durch die Treiberschaltungen (B1 bis Bn) geladen.
• In dem Beispiel der 8 benötigt das vorgeschlagene Treiber-IC mehrere Versorgungsspannungen über mehrere Versorgungsspannungskontakte (VDDA, GNDA, VDDD, GNDD, VDDP, GNDP, VDDH, GNDH). Es wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung erkannt, dass es günstig ist, die Versorgungsspannungen niederohmig über die den Lasern gegenüberliegende Kante des Treiber-ICs dem Treiber-IC zu führen, da so jedes Treiber-IC seine eigene niederohmige Zuleitung besitzen kann.
• Des Weiteren wurde erkannt, dass Signale, die auch hochohmig an die Treiber-ICs gehen können, durch die ICs quer durchgeschleift werden können. In dem Beispiel der 9 sind dies beispielsweise das Rücksetzsignal (RST), das horizontal mit einem entsprechenden Anschluss auf der gegenüberliegenden Seite des Treiber-ICs verbunden ist. Des Weiteren ist dies in dem Beispiel der 9 als Beispiel für einen Datenbus ein SPI-Datenbus. Der Eingang des SPI-Datenbusses (MOSI) und der Ausgang des SPI-Datenbusses (MISO) und der Takt des SPI-Datenbusses (SCK) haben Entsprechungen auf der gegenüberliegenden Seite des Treiber-ICs. Auch ein Auswahlsignal (Englisch: Chip-Select (CS)) wird durchgeschleift. Das Zündsignal (TRIG) zum Abfeuern des Laser-Pulses wird auch von einer Seite des Treiber-ICs zugeführt und zur anderen Seite unverändert durchgeschleift.
• Mit der Flanke dieses Zündsignals werden die Laser der Module abgefeuert.
• Der guten Form halber ist ein Beispiel für ein weiteres Signal (Pulse), das an alle Treiber-ICs geht aufgeführt, das ebenfalls durchgeschleift wird. Es kann sich beispielsweise um ein Diagnose-Signal einer Diagnoseschnittstelle handeln.
• Figur 10
• 10 zeigt die Anreihung mehrerer, hier Laser-Module der 9 auf Treiber-IC-Ebene.
• Die Kontakte an den Längsseiten zweier benachbarter Treiber-ICs sind durch Bonddrähte miteinander verbunden. Es wird deutlich, dass diese Konstruktion die niederohmige Versorgung aller Laser-Module mit elektrischer Energie sicherstellt, da die Steuersignale durchgeschleift werden.
• Figur 11
• 11 Zeigt die Ausrichtung der Laser-Module der 10 längs einer gebogenen Linie (KL). Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung des Laser-Strahl-Fächers sich massiv vereinfacht. Zum Ersten können die Laser-Module senkrecht zu dieser gekrümmten Linie (KL) ausgerichtet sein. Zum Zweiten können innerhalb eines Laser-Moduls die Laser längs dieser gekrümmten Linie ausgerichtet sein, sodass letztlich alle Laser aller Module längs dieser gekrümmten Line ausgerichtet sind. Die gekrümmte Linie kann konvex oder konkav sein. Der Laserstrahl jedes Lasers jedes Laser-Moduls weist eine Laserstrahlachse auf. Sind nur die Laser-Module längs der gekrümmten Linie (KL) ausgerichtet und ist diese gekrümmte Linie ein Kreissegment so schneiden sich die Laserstrahlachsen des ersten Lasers (D1) aller Laser-Module in einem Punkt im Raum. Dieser kann auch hinter den Lasern liegen.
• Sind die Laser (D1 bis Dn) eines Laser-Moduls längs einer gekrümmten Linie (KL) ausgerichtet, so schneiden sich die Laserstrahlachsen der Laser (D1 bis Dn) des Laser-Moduls in einem Punkt.
• Sind die Laser (D1 bis Dn) aller Laser-Module längs einer gekrümmten Linie (KL) ausgerichtet, so schneiden sich die Laserstrahlachsen der Laser (D1 bis Dn) aller Laser-Module in einem Punkt.
• Eine Ausrichtung nur eines Teils der Laser und/oder nur eines Teils der Laser-Module längs der gekrümmten Linie (KL) ist ausdrücklich von der Beanspruchung mit umfasst.
• Figur 12
• 12 zeigt eine beispielhafte Powell-Linse. Die Oberfläche ist auf der ersten Oberfläche (OF1) um eine erste Achse (A1) gewölbt und auf der zweiten Oberfläche (OF2) um eine zweite Achse (A2) gewölbt. Dabei sind die beiden Achsen senkrecht zueinander orientiert.
• Figur 13
• 13 zeigt eine beispielhafte Anordnung des Sendesystems mit der Senderlinse und des Empfängersystems mit der Empfängerlinse.
• Figur 14
• 14 zeigt ein reales Messergebnis als Punktwolke in einem beispielhaften kartesischen Koordinatensystem als Zielkoordinatensystem mit n=16 Lasern und m=256 Fotodetektoren in der Fotodetektorenzeile.
• Figur 15
• 15 zeigt eine vorschlagsgemäße Drohne mit anmontiertem vorschlagsgemäßem LIDAR-Modul. Das vorschlagsgemäße Lidar-Modul kann für Drohen sehr gut eingesetzt werden, weil es besonders leicht ist und keine mechanischen Teile, wie beispielsweise Schwingspiegel aufweist.
• Andere Lösungen aus dem Stand der Technik sind nicht so kompakt und können diese Informationen nicht bei diesem kleinen Gewicht und dem kleinen Energieverbrauch liefern.
• Das vorgeschlagene LIDAR-System kann aber auch in anderen Fahrzeugen, Schwimmkörpern, Flugkörper, Schienenfahrzeugen, als Scanner in der Automatisierungstechnik und dergleichen eingesetzt werden.
• Figur 16
• 16 soll das Problem verdeutlichen. In der waagerechten sind als Rechtecke die Abbilder der Laserdiodenstrahlen eingezeichnet. Der Strahl einer Laserdiode hat typischerweise einen elliptischen Querschnitt. Wird nun längs einer Hauptachse dieser Querschnittsellipse die Intensität ermittelt und in ein xy-Diagramm eingetragen, dass als x-Achse die Position längs dieser Hauptachse und als y-Achse die Strahlungsintensität aufweist, so zeigen Laserdioden hier typischerweise eine Gaußförmige Intensitätsverteilung. Durch die Optik wird der Laserstrahl einer Laserdiode nun in einer Richtung aufgeweitet, sodass sich im Idealfall im Fernfeld auf einer Projektionsfläche senkrecht zur optischen Achse der Aufweitungslinse und des Lasers ein rechteckförmiger, gleichmäßig ausgeleuchteter Bereich ergeben sollte. Aufgrund von Abbildungsfehlern ist dies aber nicht der Fall. In der 16 sind senkrechte Linien eingezeichnet. Die Fläche eines Rechteckstücks eines der waagerechten Rechtecke, die sich zwischen je zwei senkrechten Linien befindet soll bei Beleuchtung durch den diesem Rechteck zugehörigen Laser stets die gleiche Lichtmenge von Rechteckstück zu Rechteckstück enthalten. Im Idealfall sollten also alle Rechteckstücke gleich sein und wie in 16 dargestellt positioniert sein. Im Realfall weist die Optik aber Fehler auf und der Laserstrahlquerschnitt zeigt eine Gaußförmige statt einer rechteckförmigen Intensitätsverteilung über den Querschnitt.
• Die 16 bis 20 zeigen jeweils nur den linken oberen Quadranten, da das Projektionsfeld rechteckförmig ist und daher zwei zueinander senkrechte Symmetrieachsen aufweist.
• Die Kamera mit den Fotodetektoren bildet die bestrahlten Punkte auf die n Fotodetektorenzeilen mit je m Fotodetektoren ab. In den Beispielen der 16 bis 20 wird davon ausgegangen, dass das Fotodetektoren-Array zu n=16 Zeilen und m=256 Pixel organisiert ist. Jeder der n Laser des Laser-Moduls beleuchtet dabei eine Zeile. Die Optik weitet dann den Laserstrahl eines j-ten Lasers der n Laser mit 1≤j≤n=16 zu der Zeile auf. Der Laserstrahl des j-ten Lasers wird somit in der Horizontalen aufgeweitet. Die Dichte bzw. der Abstand der senkrechten Linien der 16 repräsentiert die gewünschte Energiedichte im Fernfeld. Jeder Laser der n Laser des Laser-Moduls beleuchtet somit eine Zeile des Bildes, die dann durch eine Zeile des Fotodetektor-Arrays, hier beispielhaft ein Fotodetektor-Array mit 16 Fotodetektorzeilen mit jeweils 256 Fotodetektoren, abgetastet wird. Die normale Intensitätsverteilung über die Zeile ohne Korrektur ist aufgrund der gaußförmigen Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahlquerschnitts ebenfalls eine Gaußverteilung. Das zu beheben ist die Aufgabe der hier beanspruchten Erfindung.
• Jeder der n Fotodetektorzeilen ist in den Beispielen der 16 bis 20 genau einem Laser zugeordnet.
• Statt dessen kann aber durch eine Defokussierung auch jeder der n Laser k Fotodetektorzeilen mittels Reflexion um Fahrzeugumfeld beleuchten. Die Anzahl der möglichen Fotodetektorenzeilen ist dann (k+n). Somit ist es sinnvoll in dem Fall dann (n+k)*m Fotodetektoren zu verwenden, die in k+n Fotodetektorzeilen organisiert sind. Jedem der n Laser sind dann genau k Fotodetektorzeilen zugeordnet.
• Statt der Defokussierung können auch Multisegmentlinsen verwendet werden.
• Die n Laser sind bevorzugt innerhalb des Laser-Moduls in einem eindimensionalen Laser-Array senkrecht zur Aufweitungsebene der Fotodetektorzeilen angeordnet.
• Der Vollständigkeit halber sollte erwähnt werden, dass aus Platzgründen an anderer Stelle in diesem Dokument beispielhaft von n=4 Laser pro Laser-Modul ausgegangen wird, um die Darstellung zu verbessern.
• Figur 17
• zeigt die erste Linse ohne Korrekturpolynome. Lediglich die Parameter B2 und B3 sind von 0 verschieden. Die Gleichungen lauten dementsprechend : $$\text{z}=\text{R0Y}-\text{Sign}\left(\text{R0Y}\right)\ast \text{Sqrt}\left({\text{R0Y}}^2-{\text{y}}^2\right)+\text{PB}2\ast {\text{x}}^2+\text{PB}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\text{ und z}=-\text{d}.$$

  
• Wie leicht in 17 zu erkennen ist, weicht die Energieverteilung an den Rändern und vor allem in den Ecken signifikant von der gewünschten Verteilung der 16 ab.
• Figur 18
• zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der ersten Linse mit AR2=0.01, AR3=0.0006, PB2=-0.0085, PB3=0.0008, PB4=0, PB6=0, PC2=0, PC3=0. Die Gleichungen lauten somit nun: $$\begin{array}{l}\text{z}=\text{RY}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|-\text{Sign}\left(\text{RY}\right)\ast \text{Sqrt}\left({\text{RY}}^2-{\text{y}}^2\right)+\text{PB}2\ast {\text{x}}^2+\text{PB}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\\ \text{mit RY}=\text{R0Y}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\text{ und z}=-\text{d}.\end{array}$$

  
• Figur 19
• zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der zweiten Linse mit AR2=0.01, AR3=0.0005, PB2=-0.015, PB3=0.0015, PB4=-0.000024, PB6=0, PC2=0, PC3=0. Die Gleichungen lauten somit nun: $$\begin{array}{l}\text{z}=\text{RY}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|-\text{Sign}\left(\text{RY}\right)\ast \text{Sqrt}\left({\text{RY}}^2-{\text{y}}^2\right)+\text{PB}2\ast {\text{x}}^2+\text{PB}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|+\text{PB}4\ast {\text{x}}^4\\ \text{mit RY}=\text{R0Y}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\text{ und z}=-\text{d}.\end{array}$$

  
• Die Verteilung der Energie ist schon fast optimal.
• Figur 20
• zeigt eine Linse entsprechend den Parametern der dritten Linse mit AR2=0.028, AR3=-0.0028, PB2=-0.0115, PB3=0.00038, PB4=-0.000034, PB6=0.00000013, PC2=0.028, PC3=-0.0032. Die Gleichungen lauten somit nun: $$\begin{array}{l}\text{z}=\text{RY}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|-\text{Sign}\left(\text{RY}\right)\ast \text{Sqrt}\left({\text{RY}}^2-{\text{y}}^2\right)+\text{PB}2\ast {\text{x}}^2+\text{PB}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|+\text{PB}4\ast {\text{x}}^4+\text{PB}6\ast {\text{x}}^6+\text{PC}2\ast {\text{x}}^2+\text{PC}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\\ \text{mit RY}=\text{R0Y}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\text{ und z}=-\left(\text{d}+\text{PC2}\ast {\text{x}}^2+\text{PC}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\right).\end{array}$$

  
• Wie der Figur zu entnehmen ist, ist die Verteilung nun nahezu optimal und die Fehler sind im Realfall vernachlässigbar.
• Glossar
• Powell Linsen
• Powell-Linsen dienen der Erzeugung eines linienförmigen Strahlprofils aus einer gaußförmigen Intensitätsverteilung. Entlang der Linie wird bevorzugt eine homogene Intensitätsverteilung erzeugt, senkrecht dazu bleibt die Gaußverteilung des Lasers erhalten. Linienoptiken lassen sich mit einem Öffnungswinkel von wenigen Grad bis über 90° herstellen.
• Die Powell Funktion ist jedoch nur eine sekundäre Aufgabe dieser Linsen im Rahmen der hier offengelegten technischen Lehre. Die primäre Aufgabe ist die Fokussierung aller Laserstrahlen in vertikaler Richtung. Eine Optik, die diese Funktion erfüllt wird im Sinne dieser Schrift bereits als Powell-Linse bezeichnet und von den Ansprüchen umfasst. Die Fokussierung aller Laserstrahlen in vertikaler Richtung wird durch die andere Zylinderseite der beispielsweise in 8 abgebildeten Linse beispielsweise erzielt. Die Powell Funktion wäre insofern als nicht unbedingt nötig, da auch eine Gaußverteilung in horizontaler Richtung für den hier beschriebenen Zweck akzeptabel wäre. In einem solchen Fall würde die Vorrichtung eine größere Messreichweite in Vorwärtsrichtung als seitwärts Richtung aufweisen, was je nach Anwendungsfall tatsächlich gewollt sein kann. Es ist möglich beide Funktionen in einer Oberfläche zu integrieren. Die andere Seite einer solchen Linse ist dann ggf. flach. Diese Linse wäre ebenfalls von den Ansprüchen umfasst. Eine solche Linse im Sinne dieser Schrift zeichnet sich also durch eine vertikale Fokussierung aus. Man könnte dann auch konsequenterweise bei einer solchen Linse statt von einer Powell-Linse von einer „Scanlinse“ sprechen, die von den Ansprüchen natürlich mit umfasst ist.
• Bezugszeichenliste

A1

erste Achse;

A2

zweite Achse;

B1

erste Ladeschaltung für den ersten Kondensator (C1), der den ersten Laser (D1) ggf. mit elektrischer Energie im Falle einer Lichtpulserzeugung versorgt;

B2

zweite Ladeschaltung für den zweiten Kondensator (C2), der den zweiten Laser (D2) ggf. mit elektrischer Energie im Falle einer Lichtpulserzeugung versorgt;

B3

dritte Ladeschaltung für den dritten Kondensator (C3), der den dritten Laser (D3) ggf. mit elektrischer Energie im Falle einer Lichtpulserzeugung versorgt;

Bn

n-te Ladeschaltung für den n-ten Kondensator (Cn), der den n-ten Laser (Dn) ggf. mit elektrischer Energie im Falle einer Lichtpulserzeugung versorgt;

Buf

Treiber, der das Pulsvorsignal (PL) zum Pulssignal (G_dis ) verstärkt;

C1

erster Kondensator, der die Energiereserve für den ersten Laser (D1) darstellt;

C2

zweiter Kondensator, der die Energiereserve für den zweiten Laser (D2) darstellt;

C3

dritter Kondensator, der die Energiereserve für den dritten Laser (D3) darstellt;

Cn

n-ter Kondensator, der die Energiereserve für den n-ten Laser (Dn) darstellt;

CS

Auswahlsignal;

CTR

Steuerschaltung, die die n Ladeschaltungen (B1 bis Bn) steuert und das Pulsvorsignal (PL) erzeugt. Die Steuerschaltung veranlasst eine der n

CVDD

Ladeschaltungen typischerweise einen der n Kondensatoren vor der Erzeugung eines Lichtpulses durch einen der n Laser zu laden, schaltet dann bevorzugt alle Ladeschaltungen bevorzugt ab bzw. die Ladeausgänge bevorzugt aller Ladeschaltungen hochohmig und schließt dann den Ansteuerschalter (T_dis), was die Lichtpulserzeugung initiiert. Die Steuerschaltung wiederholt diesen Vorgang bevorzugt, bis alle n Laser bevorzugt genau einmal einen Lichtpuls abgegeben haben und beginnt dann bevorzugt wieder von vorne mit dem nächsten Durchgang; Stützkondensator zur Stabilisierung der Betriebsspannung (VDD);

D1

erster Laser;

D2

zweiter Laser;

D3

dritter Laser;

D4

vierter Laser;

DisC

Erster Sternpunkt. Am ersten Sternpunkt sind bevorzugt die Kathoden der Laser (D1 bis Dn) angeschlossen. Der erste Sternpunkt wird bei Eintreffen eines Pulssignals (G_dis ) durch den Ansteuerschalter (T_dis) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden. Sofern einer der Kondensatoren (C1 bis Cn) zuvor geladen wurde, erfolgt dann die Entladung dieses Kondensators über den entsprechenden Laser, der dann einen Lichtpuls abgibt;

Dn

n-ter Laser;

Gdis

Pulssignal;

GND

Bezugspotenzial;

GNDA

analoges Bezugspotenzial;

GND D

digitales Bezugspotenzial;

GND H

Bezugspotenzial für die hohe Versorgungsspannung;

GNDP

Bezugspotenzial der Schnittstellen;

K1

erste Ladeleitung, über die die erste Ladeschaltung (B1) den ersten Kondensator (C1) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den ersten Laser (D1) lädt;

K1'

erste Entladeleitung, über die der erste Laser (D1) den ersten Kondensator (C1) entlädt, wenn der Ansteuerschalter (T_dis) durch das Pulssignal (G_dis ) geschlossen ist;

K2

zweite Ladeleitung, über die die zweite Ladeschaltung (B2) den zweiten Kondensator (C2) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den zweiten Laser (D2) lädt;

K2'

zweite Entladeleitung, über die der zweite Laser (D2) den zweiten Kondensator (C2) entlädt, wenn der Ansteuerschalter (T_dis) durch das Pulssignal (G_dis ) geschlossen ist;

K3

dritte Ladeleitung, über die die dritte Ladeschaltung (B3) den dritten Kondensator (C3) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den dritten Laser (D3) lädt;

K3'

dritte Entladeleitung, über die der dritte Laser (D3) den dritten Kondensator (C3) entlädt, wenn der Ansteuerschalter (T_dis) durch das Pulssignal (G_dis ) geschlossen ist;

KG'

virtueller Knoten der Versorgungsspannung (VDD);

KL

optionale gekrümmte Linie, längs derer die Lasermodule ausgerichtet werden.

Kn

n-te Ladeleitung, über die die n-te Ladeschaltung (Bn) den n-ten Kondensator (Cn) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den n-ten Laser (Dn) lädt;

Kn'

n-te Entladeleitung, über die der n-te Laser (Dn) den n-ten Kondensator (Cn) entlädt, wenn der Ansteuerschalter (T_dis) durch das Pulssignal (G_dis ) geschlossen ist;

KR

Rückseitenknoten (=Rückseitenkontakt) des Kondensator-Arrays;

LC1

Induktivität der Leitung, mit der der zweite Kontakt des ersten Kondensators (C1) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;

LC2

Induktivität der Leitung, mit der der zweite Kontakt des zweiten Kondensators (C2) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;

LC3

Induktivität der Leitung, mit der der zweite Kontakt des dritten Kondensators (C3) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;

LCn

Induktivität der Leitung, mit der der zweite Kontakt des n-ten Kondensators (Cn) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;

LCV

Leitungsinduktivität zwischen dem zweiten Anschluss des Stützkondensators (CVDD) und dem Bezugspotenzial (GND);

LF1

erster Lichtfächer des ersten Lasers (D1), wenn der erste Laser (D1) einen Lichtpuls abgibt;

LF2

zweiter Lichtfächer des zweiten Lasers (D2), wenn der zweite Laser (D2) einen Lichtpuls abgibt;

LF3

dritter Lichtfächer des dritten Lasers (D3), wenn der dritte Laser (D3) einen Lichtpuls abgibt;

LF4

vierter Lichtfächer des vierten Lasers (D4), wenn der vierte Laser (D4) einen Lichtpuls abgibt;

LZ1

Induktivität der ersten Ladeleitung (K1), über die die erste Ladeschaltung (B1) den ersten Kondensator (C1) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den ersten Laser (D1) lädt;

LZ2

Induktivität der zweiten Ladeleitung (K2), über die die zweite Ladeschaltung (B2) den zweiten Kondensator (C2) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den zweiten Laser (D2) lädt;

LZ3

Induktivität der dritten Ladeleitung (K3), über die die dritte Ladeschaltung (B3) den dritten Kondensator (C3) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den dritten Laser (D3) lädt;

LZn

Induktivität der n-ten Ladeleitung (Kn), über die die n-te Ladeschaltung (Bn) den n-ten Kondensator (Cn) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den n-ten Laser (Dn) lädt;

LZV

Leitungsinduktivität der Zuleitung zum Stützkondensator (CVDD);

MOSI

Eingang des SPI-Datenbusses;

MISO

Ausgang des SPI-Datenbusses;

OF1

erste Oberfläche;

OF2

zweite Oberfläche;

Pulse

weiteres Signal, dass an alle Module geht;

R1

beispielhafter erster lokaler Radiusvektor für die Krümmung der ersten Oberfläche (OF1) um eine beispielhafte erste Achse (A1);

R2

beispielhafter zweiter lokaler Radiusvektor für die Krümmung der zweiten Oberfläche (OF2) um eine beispielhafte zweite Achse (A2);

PL

Pulsvorsignal;

RC1

Widerstand der Leitung, mit der der zweite Kontakt des ersten Kondensators (C1) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;

RC2

Widerstand der Leitung, mit der der zweite Kontakt des zweiten Kondensators (C2) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;

RC3

Widerstand der Leitung, mit der der zweite Kontakt des dritten Kondensators (C3) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;

RCn

Widerstand der Leitung, mit der der zweite Kontakt des n-ten Kondensators (Cn) an das Bezugspotenzial angeschlossen ist;

RCV

Leitungswiderstand zwischen dem zweiten Anschluss des Stützkondensators (CVDD) und dem Bezugspotenzial (GND);

RST

Rücksetzsignal;

RZ1

Widerstand der ersten Ladeleitung (K1), über die die erste Ladeschaltung (B1) den ersten Kondensator (C1) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den ersten Laser (D1) lädt;

RZ2

Widerstand der zweiten Ladeleitung (K2), über die die zweite Ladeschaltung (B2) den zweiten Kondensator (C2) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den zweiten Laser (D2) lädt;

RZ3

Widerstand der dritten Ladeleitung (K3), über die die dritte Ladeschaltung (B3) den dritten Kondensator (C3) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den dritten Laser (D3) lädt;

RZV

Leitungswiderstand der Zuleitung zum Stützkondensator (CVDD);

RZn

Widerstand der n-ten Ladeleitung (Kn), über die die n-te Ladeschaltung (Bn) den n-ten Kondensator (Cn) ggf. vor einer Lichtpulserzeugung durch den n-ten Laser (Dn) lädt;

SCK

Taktsignal des SPI-Datenbusses;

Tdis

Ansteuerschalter. Der Ansteuerschalter ist bevorzugt ein Transistor;

VDD

Versorgungsspannung;

VDDA

analoge Versorgungsspannung;

VDDD

digitale Versorgungsspannung;

VDDH

hohe Versorgungsspannung;

VDDP

Versorgungsspannung der Schnittstellen;

• Liste der zitierten Schriften
• DE 19 514 062 A1 ,
• DE 19 546 563 C2 ,
• DE 19 914 362 A1 ,
• DE 10 2006 036 167 B4 ,
• DE 10 2008 021 588 A1 ,
• DE 10 2009 060 873 A1 ,
• DE 10 2014 105 482 A1 ,
• DE 10 2016 116 368 A1 ,
• DE 10 2016 116 369 A1 ,
• DE 10 2016 116 875 A1 ,
• DE 10 2017 100 879 A1 ,
• DE 10 2017 121 713 A1 ,
• DE 10 2018 106 861 A1 ,
• EP 2 002 519 A2 ,
• EP 3 301 473 A1 ,
• US 6 697 402 B2 ,
• US 9 185 762 B2 ,
• US 9 368 936 B1 ,
• US 10 193 304 B2 ,
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102020002441 [0001]
• DE 102020114784 [0001]
• DE 102009060873 A1 [0004, 0139]
• DE 102016116368 A1 [0005, 0006, 0139]
• US 10193304 B2 [0007, 0139]
• EP 2002519 A2 [0008, 0139]
• EP 3301473 A1 [0009, 0139]
• DE 102016116369 A1 [0010, 0139]
• DE 102008021588 A1 [0011, 0139]
• DE 102017121713 A1 [0012, 0139]
• DE 19914362 A1 [0013, 0139]
• DE 19514062 A1 [0013, 0139]
• US 9185762 B2 [0014, 0139]
• DE 102014105482 A1 [0014, 0139]
• DE 102017100879 A1 [0015, 0139]
• DE 102018106860 A1 [0016]
• DE 102016116875 A1 [0017, 0139]
• DE 102006036167 B4 [0018, 0139]
• US 6697402 B2 [0019, 0139]
• US 9368936 B1 [0020, 0139]
• US 9155146 B2 [0021]
• DE 102018106861 A1 [0022, 0139]
• DE 19546563 C2 [0023, 0139]

Claims (4)

1. Linse zur Verwendung in einem LIDAR-System, wobei das LIDAR-System ein Laser-Modul umfasst und wobei das Laser-Modul ein lineares Laser-Array aus n Lasern, mit n als ganzer positiver Zahl größer 1, umfasst und wobei jeder der n-Laser einen Laserstrahl mit einem elliptischen oder runden Intensitätsquerschnitt aussenden kann und wobei jeder der Laserstrahlen eine Laserstrahlachse aufweist und wobei die Laserstrahlachsen im Wesentlichen in einer gemeinsamen Laserstrahlachsenebene mit einer optischen Achse liegen und wobei die Linse jeden der Laserstrahlen in eine Richtung senkrecht zur Laserstrahlachsenebene aufweitet, sodass sich für jeden der n Laserstrahlen ein Lichtfächer in einer Lichtfächerebene senkrecht zur Lichtstrahlachsenebene ergibt und wobei das Lidar-System ein Fotodetektoren-Array und eine Abbildungsoptik aufweist und wobei das Fotodetektoren-Array mit n Fotodetektorenzeilen mit m Fotodetektorpixeln aufweist, wobei m eine ganze positive Zahl ist und wobei die Abbildungsoptik die Projektion der Laserstrahlfächer im Fernfeld auf eine ideal homogen weiße und/oder im Wesentlichen ideal diffus einheitlich und gleichmäßig reflektierende Projektionsebene senkrecht zur optischen Achse in Form eines Projektionsbildes der Laserstrahlfächer wieder auf die n Fotodetektorenzeilen als Abbildungsbild der Laserstrahlfächer abbildet und gekennzeichnet dadurch dass die Linse so ausgeformt ist, dass bei einer gegebenen Abbildungsoptik der Wert der Beleuchtungsintensität eines zugehörigen ersten Ausschnitts der Abbildung der Projektion eines ersten Laserstrahlfächers auf ein erstes beliebiges Fotodetektorpixel des Fotodetektor-Array vom Wert der Beleuchtungsintensität eines zugehörigen zweiten Ausschnitts der Abbildung der Projektion eines zweiten Laserstrahlfächers auf ein zweites beliebiges Fotodetektorpixel des Fotodetektor-Array um nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% und/oder nicht mehr als 2% abweicht und - wobei der erste Ausschnitt vom zweiten Ausschnitt verschieden ist und - wobei der erste Laserstrahlfächer vom zweiten Laserstrahlfächer verschieden sein kann, aber nicht muss und - wobei das erste Fotopixel vom zweiten Fotopixel verschieden ist und - wobei die Linse eine erste Oberfläche und eine ihr gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist und - wobei die erste Oberfläche durch eine Funktion der Form $$\begin{array}{l}\text{z}=\text{RY}+\text{AR}2\ast {\text{x}}^2+\text{AR}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|-\text{Sign}\left(\text{RY}\right)\ast \text{Sqrt}\left({\text{RY}}^2-{\text{y}}^2\right)+\text{PB}2\ast {\text{x}}^2\\ +\text{PB}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|+\text{PB}4\ast {\text{x}}^4+\text{PB}6\ast {\text{x}}^6+\text{PC}2\ast {\text{x}}^2+\text{PC}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\end{array}$$

   

   mit RY= R0Y+AR2*x²+AR3* |x³| beschrieben wird und - wobei die zweite Oberfläche durch eine Funktion der Form $\text{z}=-\left(\text{d}+\text{PC}2\ast {\text{x}}^2+\text{PC}3\ast \left|{\text{x}}^{\text{3}}\right|\right)$

   

   beschrieben wird und - wobei die Parameter PB2 und PB3 von Null verschieden sind und - wobei zumindest zwei der Parameter AR2 und/oder AR3 und/oder PB4 und/oder PB6 und/oder PC2 und/oder PC3 von Null verschieden sind.
2. Linse nach Anspruch 1 - wobei die Parameter AR2 und AR3 von Null verschieden sind und - wobei zumindest zwei der Parameter PB4 und/oder PB6 und/oder PC2 und/oder PC3 von Null verschieden sind.
3. Linse nach Anspruch 2 - wobei die Parameter PB4 und PB6 von Null verschieden sind und - wobei zumindest zwei der Parameter PC2 und/oder PC3 von Null verschieden sind.
4. Linse nach Anspruch 3 - wobei die Parameter PC2 und PC3 von Null verschieden sind.

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