Titel

LiDAR-Svstem sowie Kraftfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System, das dafür eingerichtet ist, eine Umwelt mit einem Lichtstrahl abzutasten, um Informationen über die Umwelt zu erfassen, wobei das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, sowohl

hochreflektive Objekte in einem Nahfeld der Umwelt als auch

geringreflektierende Objekte in einem Fernfeld der Umwelt zu erfassen.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug mit einem solchen LiDAR-System, wobei das LiDAR-System mit dem Kraftfahrzeug wirkverbunden ist.

Stand der Technik

Solche LiDAR-Systeme und Kraftfahrzeuge sind grundsätzlich bekannt. Sie weisen beispielsweise eine Lawinenphotodiode als einen Photodetektor auf, beispielsweise eine Einzelphotonen-Lawinenphotodiode (engl single-photon avalanche diode, SPAD), oder stattdessen einen Silizium-Photomultiplier (SiPM) als Photodetektor. Das LiDAR-System kann eine Laserquelle aufweisen, um den Lichtstrahl auszusenden. Der Photodetektor ist dafür angeordnet, den von der Umwelt reflektierten Lichtstrahl zu empfangen. Aus Empfangssignalen des Photodetektors kann dann eine Auswerteelektronik die Informationen, zum Beispiel Tiefeninformationen, erhalten.

Es kann Vorkommen, dass Photodetektoren bei hohem Lichtaufkommen, zum Beispiel von hochreflektierenden Objekten im Nahraum, zu schnell gesättigt werden oder auch ein niedriges Lichtaufkommen, zum Beispiel von

geringreflektierenden Objekten im Fernraum, gegenüber dem hohen

Lichtaufkommen untergeht. Die DE 10 2014 207 599 A1 betrifft beispielsweise einen Fotodetektor, insbesondere für LiDAR-Systeme, mit einzeln aktivierbaren Lawinenfotodioden. Die Lawinenfotodioden werden zueinander versetzt aktiviert, um einen großen Dynamikbereich abzudecken und eine Messfähigkeit durch Vermeidung einer Sättigung zu beizubehalten.

Die DE 10 2016 122 712 B3 offenbart einen optoelektronischen Sensor.

Angesprochen wird das Problem einer Sättigung, wenn sowohl ferne, dunkle Objekte wie auch nahe, spiegelnde oder glänzende Objekte beobachtet werden sollen. Als mögliche Lösungen werden Blenden, Verstärkung eines Empfängers oder eine situative Anpassung eines Senders erwähnt. Erfindungsgemäß wird dort eine Änderung der Lage, Größe und/oder Geometrie eines Lichtflecks auf dem Sensor vorgeschlagen.

Die DE 10 2006 003 785 A1 offenbart einen Sensor mit einer regelbaren

Abblendvorrichtung vor einer optischen Empfangseinheit. Erwähnt wird das Problem, dass ein Dynamikbereich durch eine obere Schwelle, ab der der Empfänger gesättigt ist, begrenzt ist. Die Abblendvorrichtung weist deshalb ein elektrochromatisches oder ein photochromatisches Medium auf, um die

Durchlässigkeit der Abblendvorrichtung in Abhängigkeit von der am Empfänger detektierten Strahlung zu regeln.

Aus der US 2017 176579 A ist beispielsweise ein LiDAR-System („electro-optical device“) bekannt, bestehend aus einer Laserquelle, einer Strahlablenkung, einem Photodetektor, Optiken sowie entsprechender Elektronik. Diese

Offenlegungsschrift offenbart ein System, das Detektorpixel sukzessive aktiviert, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines Sensors zu erhöhen. Dem Fachmann ist aus dieser Lehre ersichtlich, dass es sich hierbei um eine m-Spiegel-basierte Implementierung des LiDAR-Systems handelt. Allerdings sind die

Detektoreinheiten temporär parallel aktiv, da das LiDAR-System kein

scannendes, sondern ein gleichmäßiges Ausleuchtungsmuster („Flash“) bereitstellt.

In der US 2018 003821 A wird ein LiDAR-System („object detector“) offenbart, bestehend aus mehreren Lichtquellen, einem Photodetektor, Optiken sowie entsprechender Elektronik. Die Lichtquellen sind einzeln und nacheinander ansteuerbare Laserdioden. Die US 2018 003821 A offenbart, dass jeder

Lichtquelle genau ein Empfangselement zugeordnet ist. Die Pixel werden einzeln und gleichzeitig/parallel ausgelesen. Der Detektortyp kann als eine SPAD

ausgeführt werden und dies ist in der Beschreibung als eine mögliche

Ausführung genannt, aber in Abbildungen sieht ein Fachmann ein LiDAR-System mit Lawinenphotodioden (engl avalanche photo diode, APD).

Weiter sind grundsätzlich SPAD-Sensoriken mit Rot-, Grün- und Blau- (RGB-) Farbkanälen und mit separaten Photodetektoren bekannt.

Die DE 94 10 659 U1 offenbart eine Empfangsvorrichtung für elektromagnetische Signale. Die Vorrichtung sieht einen zeitlich variablen Abschwächer zur Begrenzung des Dynamikbereichs eines Signals vor, um Sättigungseffekte zu vermeiden.

Aus der EP 3 171 201 B1 ist ein optoelektronischer Entfernungsmesser bekannt. Eine optische Ausgangsleistung eines Lichtemitters wird passend variiert, um ein

Empfangssignal in einem von einer Empfängereinheit auswertbaren Intensitätsbereich zu erhalten, der oberhalb einer unteren Detektierbarkeitsgrenze und unterhalb einer oberen Sättigung der Empfangseinheit liegt.

Schließlich beschreibt die EP 2 300 852 B1 ein Verfahren zur Doppler-LiDAR- Messung von Geschwindigkeiten, bei dem eine Anzahl auf einem Detektor pro Messung zu integrierender Laserimpulse in Abhängigkeit von der Intensität der von dem Medium kommenden Strahlung erfolgt. So kann ein Dynamikumfang erhöht werden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-System der eingangs genannten Art zur

Verfügung gestellt, welches mehrere Photodetektoren aufweist, die dafür

eingerichtet sind, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten zu haben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße LiDAR-System hat den Vorteil, dass sowohl

hochreflektive Objekte im Nahfeld wie auch geringreflektierende Objekte im Fernfeld erfasst werden können, ohne dass Anpassungen an der

Lasersendeleistung oder einstellbare Dynamikanpassungen auf der

Detektorseite notwendig wären. So ist eine Kompensation einer zu schnellen Sättigung aller Pixel bei hohem Lichtaufkommen auf einfache Weise möglich. Objekte in der/und über die Umwelt können unabhängig von ihrer Entfernung detektiert werden, wie beispielsweise ein Retroreflektor im Nahfeld,

vorzugsweise etwa am Heck eines vorausfahrenden Fahrzeugs. Die

Detektionsfähigkeit der Photodetektoren kann mit höherer Wahrscheinlichkeit stets erhalten bleiben. Die Erfindung vereinfacht die Bereitstellung eines LiDAR- Systems mit hohem Dynamikumfang.

Im Sinne der Erfindung liegt das Nahfeld der Umwelt in einer Entfernung von zwischen 0 m und bis zu 50 m, vorzugsweise bis zu 40 m, besonders vorzugsweise bis zu 30 m, gemessen ab einem Photodetektor des Systems.

Im Sinne der Erfindung liegt das Fernfeld der Umwelt in einer Entfernung von über 30 m, vorzugsweise über 40 m und besonders vorzugweise über 50 m, gemessen ab einem Photodetektor des Systems.

Die Objekte können im Sinne der Erfindung bewegliche Objekte sein, wie beispielsweise Menschen, Fahrzeuge oder Tiere, und/oder unbewegliche Objekte, wie beispielsweise Leitplanken, Mauern, Brückenpfeiler oder ähnliches.

Bevorzugt ist, dass das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, aus

Empfangssignalen der mehreren Photodetektoren die hochreflektiven Objekte in dem Nahfeld von den geringreflektierenden Objekten in dem Fernfeld zu unterscheiden. Dies hat den Vorteil, dass bereits das LiDAR-System selbst diese Unterscheidung vornehmen kann und dies nicht erst eine nachgelagerte externe Auswertung vornehmen muss. Hierzu kann das LiDAR-System eine

Auswerteelektronik aufweisen, die vorzugsweise dafür eingerichtet ist, Dunkel- und Hellbildinformationen synchronisiert auszuwerten und besonders

vorzugsweise synchronisiert auszugeben. Vorzugsweise ist die

Auswerteelektronik dafür eingerichtet, Histogramme der Photodetektoren statistisch auszuwerten, um mehrheitliche Reflektivitätseigenschaften der Objekte in der Umwelt zu ermitteln, sowie vorzugsweise zeitsynchron mit ihrer Entfernung, insbesondere zum Photodetektor, in Relation zu setzen. In Ausführungsformen ist mindestens einem der Photodetektoren ein

Abdunklungsfilter vorgelagert, um die Sättigungswahrscheinlichkeit des

Photodetektors zu verringern, der dem Abdunklungsfilter nachgelagert ist. Das Abdunklungsfilter verringert vorzugsweise die auf den Photodetektor einfallende Lichtmenge. Das Abdunklungsfilter verringert daher die

Sättigungswahrscheinlichkeit des Photodetektors, sodass der Photodetektor im Prinzip ab Werk eine beliebige Sättigungswahrscheinlichkeit haben kann und der Abdunklungsfilter die Sättigungswahrscheinlichkeit anpasst, insbesondere verringert. So können vorzugsweise alle Photodetektoren identisch ausgeführt sein, was den Herstellungsaufwand verringert und die Kosten senken kann.

Ein bevorzugtes Filter ist ein Neutraldichte- (ND-) Filter. ND-Filter, auch Graufilter genannt, können besonders gut zur Verringerung der

Sättigungswahrscheinlichkeit als Abdunklungsfilter eingesetzt werden, weil sie die Lichtmenge, die auf den Photodetektor einfällt, wirksam verringern. So sinkt die Sättigungswahrscheinlichkeit des dem ND-Filter nachgeordneten

Photodetektors. Vorzugsweise ist das Abdunklungsfilter ein statisches optisches Filter. Das bedeutet, dass eine Abdunklungsleistung zeitlich konstant ist und nicht manuell oder automatisch regelbar. Dies vereinfacht den Aufbau und erhöht die Zuverlässigkeit, da das Filter keine beweglichen Blenden, aktiven Bauteile oder ähnliches aufweisen muss. Dies verringert die Komplexität und sorgt für hohe Bauteilverfügbarkeit. Statt Abdunklungsfilter können aber auch mehrere der Photodetektoren vorhanden sein, die bereits ab Werk unterschiedliche

Sättigungswahrscheinlichkeiten haben, also keines vorgeschalteten

Abdunklungsfilters bedürfen. Vorzugsweise können die Photodetektoren dazu mit relativ zueinander unterschiedlichen, aber vorzugsweise statischen

Detektionsempfindlichkeiten hergestellt sein. Dann können die Abdunklungsfilter für diese Photodetektoren und damit Bauraum eingespart werden.

Manche Ausführungsformen sehen mehrere Abdunklungsfilter vor, die in einer gemeinsamen Filtermatrix angeordnet sind und ein gemeinsames Filterbauteil bilden. So kann eine kompakte Bauweise und einfache Handhabung der

Abdunklungsfilter erreichbar sein. Bevorzugt ist, dass jedes der Abdunklungsfilter einem der Photodetektoren vorgelagert ist. So ist jedem Abdunklungsfilter eindeutig ein Photodetektor zugeordnet, der wiederum eindeutig von einer Auswerteelektronik identifizierbar sein kann. Die Filtermatrix ist vorzugsweise im optischen Empfangspfad einem SPAD-basierten Detektor in SiPM-Konfiguration (SPAD-Array) vorgesetzt. Besonders bevorzugt ist, dass alle Abdunklungsfilter in der gemeinsamen Filtermatrix angeordnet sind und das gemeinsame Filterbauteil bilden. Vorzugsweise weist die Filtermatrix Zeilen und Spalten auf, wobei vorzugsweise die Anzahl der Zeilen gleich die Anzahl der Spalten ist.

Vorzugsweise sind drei oder mehr Zeilen und/oder drei oder mehr Spalten vorhanden, besonders vorzugsweise vier oder mehr Zeilen und/oder vier oder mehr Spalten, ganz besonders vorzugsweise mehr als fünf oder mehr Zeilen und/oder fünf oder mehr Spalten. Entsprechend ist eine bevorzugte Filtermatrix ein modifiziertes Bayer-Filter, in dem sich vorzugsweise Abdunklungsfilter mit relativ zueinander unterschiedlich starker Abdunklung benachbart sind und abwechseln.

Vorzugsweise weist das LiDAR-System eine erste Photodetektoranordnung und eine zweite Photodetektoranordnung auf, wobei die erste

Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine erste

Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, und die zweite Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine zweite Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, wobei die erste Sättigungswahrscheinlichkeit von der zweiten

Sättigungswahrscheinlichkeit verschieden ist. So können hochreflektive Objekte und geringreflektierende Objekte jeweils von einer anderen der

Photodetektoranordnungen erkannt werden. Jede Photodetektoranordnung umfasst einen oder mehrere Photodetektoren. Bevorzugt ist, dass jede

Photodetektoranordnung zwei oder mehr Photodetektoren umfasst. Bevorzugt ist, dass alle Photodetektoren identisch sind. Die erste

Sättigungswahrscheinlichkeit kann durch erste vorgelagerte Abdunklungsfilter definiert sein, die eine erste Abdunklung bewirken, während die zweite

Sättigungswahrscheinlichkeit durch zweite vorgelagerte Abdunklungsfilter definiert sein kann, die eine zweite Abdunklung bewirken, die von der ersten Abdunklung verschieden ist. Bevorzugt ist also, dass ein Grad der Abdunklung durch das vorgelagerte Abdunklungsfilter die Zugehörigkeit der Photodetektoren zu der jeweiligen Photodetektoranordnung definiert. In manchen

Ausführungsformen kann die zweite Sättigungswahrscheinlichkeit aber auch durch die Lichtempfindlichkeit der Photodetektoren der zweiten

Photodetektoranordnung selbst definiert sein, der zweiten

Photodetektoranordnung also keine zweiten Abdunklungsfilter vorgelagert sein. Die erste Abdunklung kann in Ausführungsformen zwischen 33 % und 66 % gegenüber der zweiten Abdunklung betragen. Vorzugsweise lässt das erste Abdunklungsfilter also nur zwischen 33 % und 66 % der Lichtmenge wie das zweite Abdunklungsfilter durch oder das erste Abdunklungsfilter lässt nur zwischen 33 % und 66 % der maximalen Detektionsrate der zweiten

Photodetektoranordnung durch, sofern dieser keine zweiten Abdunklungsfilter vorgelagert sind. Ist das Abdunklungsfilter, wie bevorzugt, ein statisches Filter, ist die Abdunklung über die Zeit konstant. Detektionen in Photodetektoren mit starkem Abdunklungsfilter, zum Beispiel einer Abdunklung von mehr als 50 %, bezogen auf die einfallende Lichtmenge, können vorzugsweise einer besonders hellen Objekteigenschaft zugeordnet werden und Detektionen in Photodetektoren mit schwachem oder keinem Abdunklungsfilter, zum Beispiel mit einer

Abdunklung von weniger als 50 %, können vorzugsweise einer dunklen

Objekteigenschaft zugeordnet werden, insbesondere durch die

Au swe rtee I e ktron i k .

Bevorzugt ist, dass das LiDAR-System eine dritte Photodetektoranordnung aufweist, wobei die dritte Photodetektoranordnung dafür eingerichtet ist, eine dritte Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben, wobei die dritte

Sättigungswahrscheinlichkeit von der ersten Sättigungswahrscheinlichkeit und von der zweiten Sättigungswahrscheinlichkeit verschieden ist. So können eine besser abgestufte Empfindlichkeit und ein gesteigerter Dynamikumfang des LiDAR-Systems erreicht werden. Bevorzugt ist, dass alle Photodetektoren der dritten Photodetektoranordnung identisch zu den Photodetektoren der ersten und zweiten Photodetektorenanordnung sind und nur dritte Abdunklungsfilter mit einer dritten Abdunklung, die von der ersten Abdunklung und von der zweiten Abdunklung verschieden ist, oder eine spezielle Lichtempfindlichkeit der

Photodetektoren, die von der Lichtempfindlichkeit der ersten und zweiten

Photodetektoranordnung unterschiedlich ist, die Zugehörigkeit der

Photodetektoren zu der dritten Photodetektoranordnung definiert. In

Ausführungsformen liegt die dritte Abdunklung zwischen der ersten und der zweiten Abdunklung, vorzugsweise in der Mitte dazwischen. Besonders bevorzugt ist, dass das LiDAR-System mindestens eine weitere

Photodetektoranordnung aufweist, wobei jede weitere Photodetektoranordnung eine weitere Sättigungswahrscheinlichkeit aufweist, die von allen anderen der Photodetektoranordnungen verschieden ist. So können eine sehr fein abgestufte Empfindlichkeit und ein sehr hoher Dynamikumfang des LiDAR-Systems erreicht werden.

In manchen Ausführungsformen sind zwei oder mehr der

Photodetektoranordnungen in einer gemeinsamen Detektormatrix angeordnet. Bevorzugt ist, dass zwei oder mehr der Photodetektoranordnungen ein gemeinsames Detektorbauteil bilden. Dies hat den Vorteil, dass der Justierungs und Konfigurationsaufwand sinken kann, weil vor Inbetriebnahme nicht länger einzelne Photodetektoranordnungen in Abhängigkeit voneinander konfiguriert werden müssen, sondern zwei oder mehr Photodetektoranordnungen als vorkonfiguriertes gemeinsames Bauteil bereitgestellt werden können. Besonders bevorzugt ist, dass alle Photodetektoranordnungen in der gemeinsamen

Detektormatrix angeordnet sind und ein gemeinsames Detektorbauteil bilden.

Vorzugsweise weist die Detektormatrix Zeilen und Spalten auf, wobei vorzugsweise die Anzahl der Zeilen gleich die Anzahl der Spalten ist.

Vorzugsweise sind drei oder mehr Zeilen und/oder drei oder mehr Spalten vorhanden, besonders vorzugsweise vier oder mehr Zeilen und/oder vier oder mehr Spalten, ganz besonders vorzugsweise mehr als fünf oder mehr Zeilen und/oder fünf oder mehr Spalten. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Zeilen und Spalten der Filtermatrix der Anzahl der Zeilen und Spalten der

Detektormatrix. So kann besonders einfach eine exakte Bedeckung der

Photodioden mit den jeweiligen Abdunklungsfiltern erfolgen, um die

verschiedenen Photodetektoranordnungen zu definieren.

Bevorzugt ist, dass das Detektorbauteil und das Filterbauteil ein gemeinsames Bauelement bilden. Das Filterbauteil und das Detektorbauteil können

beispielsweise hoch integriert in einem zusammenhängenden Reinraumprozess gefertigt und zu dem gemeinsamen Bauelement zusammengesetzt werden. Damit kann ein späterer Justageaufwand entfallen. Vorzugsweise sind das Detektorbauteil und das Filterbauteil miteinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verklebt, um das gemeinsame Bauelement zu bilden. Dies kann eine einfache, kostengünstige und effiziente Möglichkeit sein, das gemeinsame Bauelement zu fertigen. In Ausführungsformen sind die Photodetektoren jeweils einzeln in einem Innenraum, der zwischen Filterbauteil und Detektorbauteil gebildet ist, verkapselt. So kann jeder Photodetektor auf dem Detektorbauteil separat gut geschützt sein. In manchen Ausführungsformen ist jedoch vorgesehen, dass mehrere Photodetektoren in einem gemeinsamen Innenraum verkapselt sind.

Manche Ausführungsformen sehen vor, dass einer oder mehrere der

Photodetektoren Einzelphotonen-Lawinenphotodioden sind. Derartige

Einzelphotonen-Lawinenphotodioden sind dafür eingerichtet, einzelne Photonen zu zählen. Wenn zu viele Photonen im optischen Pfad vorhanden sind, steigt die Wahrscheinlichkeit an, dass auch in einer SiPM verschaltete SPAD zur gleichen Zeit insgesamt gesättigt und damit nicht mehr empfindlich sind. Da aber die einzelnen Abdunklungsfilter der Filtermatrix nur so viele Photonen transmittieren, wie ihre Dämpfungsstufe es zulässt, können dahinter liegende SPAD von stark reflektierenden Objekten genauso viele Photonen erhalten, wie in nicht oder in schwach gefilterten Pixeln bei gering reflektierenden Objekten. Die

Detektionsfähigkeit, auch Arm probability genannt, bleibt dadurch homogen. Die Homogenität wird umso besser, je mehr SPAD-Pixel, also einzelne

Photodetektoren, eine SiPM, also Detektormatrix, besitzt und je mehr

Filterstärken, also unterschiedliche Abdunklungsfilter und damit

Photodetektorgruppen, eingesetzt werden. Es ist besonders bevorzugt, dass alle der Photodetektoren Einzelphotonen-Lawinenphotodioden sind. So können eine Vielzahl an identischen Photodetektoren eingesetzt werden, was die Kosten reduzieren und die Herstellung vereinfachen kann. Die Verwendung der SPAD erlaubt eine deutliche Reduktion von Belichtungszeiten, die gängige Imager bei schlechten Lichtbedingungen einfordern, vorzugsweise von der Größenordnung Millisekunden verringert auf die Größenordnung Nanosekunden.

In einigen Ausführungsformen umfassen eine oder mehrere der

Photodetektoranordnungen genau einen Photodetektor. In manchen

Ausführungsformen umfassen eine oder mehrere der Photodetektoranordnungen zwei oder mehr Photodetektoren. Vorzugsweise ist die Anzahl an

Photodetektoren für zwei oder mehr oder alle Photodetektoranordnungen gleich. Da die Zugehörigkeit der Photodetektoren zu den Photodetektoranordnungen in Ausführungsformen durch die vorgeschalteten Abdunklungsfilter definiert wird, sind vorzugsweise zwei oder mehr Abdunklungsfilter hinsichtlich ihrer

Abdunklung identisch, sodass sie eine Photodetektoranordnung mit

entsprechender Anzahl an Photodetektoren definieren. Die Filtermatrix stellt vorzugsweise zwei oder mehr unterschiedliche Abdunklungen bereit, sodass eine entsprechende Anzahl an Photodetektoranordnungen definiert wird. Zudem ist die Anzahl identischer Abdunklungsfilter in der Filtermatrix für jede der unterschiedlichen Abdunklungen vorzugsweise gleich. Es gibt also

beispielsweise in einer 3x3-Filtermatrix vorzugsweise drei Abdunklungsfilter mit einer Abdunklung von 33 %, drei weitere Abdunklungsfilter mit einer Abdunklung von 50 % und drei weitere Abdunklungsfilter mit einer Abdunklung von 66 %, bezogen auf die einfallende Lichtmenge, sodass dadurch in einer nachgelagerten 3x3-Detektormatrix, die neun identische Photodetektoren umfasst, drei

Photodetektoranordnungen definiert werden können. Es gibt jedoch

Ausführungsformen, in denen in der Filtermatrix mit kleinerem oder höherem Anteil, verglichen mit den anderen Photodetektoranordnungen, vergleichsweise stärkere oder schwächere Filter vorgesehen sind. Zum Beispiel könnte eine weitere, vierte Photodetektoranordnung mit vier Photodetektoren auf der Detektormatrix vorgesehen sein, die durch vier weitere Abdunklungsfilter mit 90 % Abdunklung in der Filtermatrix definiert ist. Die Detektormatrix hätte dann vorzugsweise 13 identische Photodetektoren.

Erfindungsgemäß wird zudem das Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, wobei eine Ausführungsform des voranstehend

beschriebenen LiDAR-Systems mit dem Kraftfahrzeug wirkverbunden ist.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug hat den Vorteil, dass es durch das LiDAR- System sowohl hochreflektive Objekte im Nahfeld wie auch geringreflektierende Objekte im Fernfeld erfassen kann, ohne dass Anpassungen an der

Lasersendeleistung oder einstellbare Dynamikanpassungen auf der

Detektorseite notwendig wären. Die Detektionsfähigkeit der Photodetektoren kann mit höherer Wahrscheinlichkeit stets erhalten bleiben. Die Erfindung vereinfacht die Bereitstellung des Kraftfahrzeugs mit einem LiDAR-System mit hohem Dynamikumfang.

Bevorzugte Kraftfahrzeuge sind Personenkraftwagen, Lastkraftwagen,

Zweiräder, insbesondere Motorräder, und Busse. Das LiDAR-System kann in dem Kraftfahrzeug über eine geeignete Schnittstelle mit Steuereinheiten für zumindest teilweise automatisierte Fahrfunktionen wirkverbunden sein, insbesondere für Mono-Video-Partly-Automated-Driving. Das Kraftfahrzeug kann zudem 3D-Kameras aufweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein LIDAR-System gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer gemeinsamen Detektormatrix und einer gemeinsamen Filtermatrix, die der Detektormatrix vorgelagert ist;

Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein gemeinsames Detektorbauteil des LiDAR-Systems gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 3 eine seitliche Querschnittsansicht durch einen Abschnitt der

Detektormatrix und der Filtermatrix gemäß Figur 1 ; und

Figur 4 eine Draufsicht auf eine alternative Filtermatrix gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In der Figur 1 ist ein LiDAR-System 1 in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigt. Das LiDAR-System 1 ist in einem Kraftfahrzeug (nicht gezeigt) angeordnet und mit dem Kraftfahrzeug wirkverbunden. Verschiedene dem Fachmann bekannte Details des LiDAR-Systems 1 sind zur Vereinfachung weggelassen worden, wie beispielsweise eine Laserquelle, die dazu dient, einen Lichtstrahl auszusenden, um eine Umwelt abzutasten.

Das in Figur 1 gezeigte LiDAR-System 1 ist dafür eingerichtet, die Umwelt mit einem Lichtstrahl abzutasten, um Informationen über die Umwelt zu erfassen, wobei das LiDAR-System dafür eingerichtet ist, sowohl hochreflektive Objekte in einem Nahfeld der Umwelt als auch geringreflektierende Objekte in einem Fernfeld der Umwelt zu erfassen, wie im Folgenden detailliert erläutert werden wird.

Das LiDAR-System 1 umfasst ein Detektorbauteil 2 und ein Filterbauteil 3. Das Detektorbauteil 2 umfasst mehrere Photodetektoren 4, hier beispielhaft neun identische Photodetektoren 4, die dafür eingerichtet sind, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten zu haben, wie im Folgenden genauer ausgeführt werden wird.

Das LiDAR-System 1 ist dafür eingerichtet, aus Empfangssignalen der mehreren Photodetektoren 4 die hochreflektiven Objekte in dem Nahfeld von den geringreflektierenden Objekten in dem Fernfeld zu unterscheiden. Das Nahfeld liegt hier, gemessen ab dem Photodetektor, in einer Entfernung von etwa 0 m bis 40 m, während das Fernfeld in einer Entfernung von mehr als 40 m liegt.

Die einzelnen Photodetektoren 4 sind im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel in drei Photodetektoranordnungen gruppiert, die durch das Filterbauteil 3 definiert sind, das dem Detektorbauteil 2 in Detektionsrichtung der Photodetektoren 3 vorgelagert ist. Das Filterbauteil 3 umfasst einen Filterrahmen 5 und eine Filtermatrix 6 mit, hier ebenfalls neun, Abdunklungsfiltern 7a-c, von denen jeweils drei identisch sind, nämlich jeweils drei dieselbe Lichtmenge hindurchlassen. Die Filtermatrix 6 ist als schachbrettartiges modifiziertes Bayerfilter ausgeführt.

Abdunklungsfilter 7a-c, die jeweils andere Abdunklungen bereitstellen, sind einander benachbart angeordnet.

Die Photodetektoren 4 sind Einzelphotonen-Lawinenphotodioden und alle identisch ausgeführt, sie können also nur einzelne Photonen zählen. Das Abdunklungsfilter 7a-c, das dem Photodetektor 4 vorgelagert ist, verringert die Sättigungswahrscheinlichkeit des Photodetektors 4, der dem Abdunklungsfilter 7a-c nachgelagert ist. Die Zugehörigkeit der Photodetektoren 4 zu einer jeweiligen Photodetektoranordnung ergibt sich somit nur daraus, für welche relative Lichtmenge das Abdunklungsfilter 7a-c der Filtermatrix 6, das dem jeweiligen Photodetektor 4 vorgelagert ist, durchlässig ist. Das Detektorbauteil 2 umfasst somit im gezeigten Ausführungsbeispiel eine gemeinsame 3x3-Detektormatrix 8 mit neun identischen einzelnen

Photodetektoren 4. Das Filterbauteil 3 umfasst die 3x3-Filtermatrix 6 mit drei Abdunklungsfiltern 7a, die jeweils eine erste Abdunklung bereitstellen und somit jeweils 75 % der einfallenden Lichtmenge hindurchlassen, drei weiteren

Abdunklungsfiltern 7b, die jeweils eine zweite Abdunklung bereitstellen und somit jeweils 25 % der einfallenden Lichtmenge hindurchlassen, und drei weiteren Abdunklungsfiltern 7c, die jeweils eine dritte Abdunklung bereitstellen und somit jeweils 50 % der einfallenden Lichtmenge hindurchlassen. Somit sind die erste Sättigungswahrscheinlichkeit, die durch die erste Abdunklung definiert ist, die zweite Sättigungswahrscheinlichkeit, die durch die zweite Abdunklung definiert ist, und die dritte Sättigungswahrscheinlichkeit, die durch die dritte Abdunklung definiert ist, der hinter den Abdunklungsfiltern 7a-c nachgelagerten identischen Photodetektoren 4 voneinander verschieden.

Die Photodetektoren 4, die hinter den drei Abdunklungsfiltern 7a mit der ersten Abdunklung angeordnet sind, bilden die erste Photodetektoranordnung, die hier aus drei identischen Einzelphotonen-Lawinenphotodioden besteht. Die

Photodetektoren 4, die hinter den drei Abdunklungsfiltern 7b mit der zweiten Abdunklung angeordnet sind, bilden die zweite Photodetektoranordnung, die hier aus drei weiteren identischen Einzelphotonen-Lawinenphotodioden besteht. Die Photodetektoren 4, die hinter den drei Abdunklungsfiltern 7c mit der dritten Abdunklung angeordnet sind, bilden die dritte Photodetektoranordnung, die hier aus drei weiteren identischen Einzelphotonen-Lawinenphotodioden besteht. Durch die drei unterschiedlich starken Abdunklungen sind die Photodetektoren 4 dafür eingerichtet, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten, im Vergleich mit anderen der Photodetektoren 4, zu haben, bei gleicher Lichtmenge, die auf jedes der vorgelagerten Abdunklungsfilter 7a-c einfällt.

Jeder der neun Photodetektoren 4 ist somit offensichtlich genau einer der Photodetektoranordnungen zugeordnet, wobei jedem der Photodetektoren 4 ein Abdunklungsfilter 7a-c vorgelagert ist, das für die Lichtmenge durchlässig ist, die durch die jeweilige Photodetektoranordnung empfangen werden soll. Das bedeutet, dass eine Gestaltung der Filtermatrix 6 einer Gestaltung der

Detektormatrix 8 entspricht, sodass jeweils einer der Abdunklungsfilter 7a-c einem der Photodetektoren 4 vorgelagert ist. Mit anderen Worten zeigt Figur 1 eine erste erfindungsgemäße Konfiguration, die für die Detektormatrix 8 eine SiPM-Konstellation aus mehreren,

zusammengeschalteten SPAD-Detektoren als Photodetektoren 4 vorsieht, hier beispielsweise als 3x3„Makropixel“. Vor dieser Detektormatrix 8 wird ein statisches Filter-Array, die Filtermatrix 8, unterschiedlicher Dämpfungsstufen in den einzelnen Pixel des optischen Empfangspfads angeordnet, sodass jede SPAD der Photodetektoren 4 nur Photonen eines ausgewählten

Dynamikbereichs zählen kann. Neben den hier gezeigten 9 Kanälen können anwendungsabhängig in anderen Ausführungsformen in kleinerem oder höherem Anteil stärkere oder schwächere Abdunklungsfilter 7a-c vorgesehen werden.

Figur 2 zeigt nun eine Draufsicht auf das Detektorbauteil 2. Das Detektorbauteil 2 umfasst die 3x3-Detektormatrix 8, die aus den neun identischen Photodetektoren besteht, und eine Trägerplatte 9, die die Detektormatrix 8 trägt. Ohne Kenntnis der Filtermatrix 6 ist also nicht erkennbar, welcher der neun identischen

Photodetektoren 4 zu welcher Photodetektoranordnung zugeordnet ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass durch einen Austausch der Filtermatrix 6 auch die Zuordnung der Photodetektoren 4 geändert werden kann.

Jeder Photodetektor 4 ist über eine elektronische Leiterbahnanordnung 10 mit einer Auswertelektronik 1 1 , beispielsweise gebildet durch einen integrierten Auswertesteuerungsschaltkreis, verbunden. Der Auswerteelektronik 11 ist dafür eingerichtet, aus Empfangssignalen der Photodetektoren 4 der mehreren Photodetektoren 4 die hochreflektiven Objekte in dem Nahfeld von den geringreflektierenden Objekten in dem Fernfeld zu unterscheiden. Die

Auswerteelektronik 1 1 kennt aus einer eingespeicherten Zuordnungstabelle die Zuordnung der einzelnen Photodetektoren 4 der Detektormatrix 8 zu den, hier drei, verschiedenen Photodetektoranordnungen und kann so zum Beispiel ein Zählsignal eines Photodetektors 4, dem ein Abdunklungsfilter 7a mit erster Abdunklung vorgelagert ist, als Empfangssignal aus der ersten

Photodetektoranordnung werten. Die Auswerteelektronik 1 1 ist im ersten Ausführungsbeispiel dafür eingerichtet, die Empfangssignale aller

Photodetektoren 4 zusammenzuführen und als gemeinsame Hell- und

Dunkelbildinformationen synchronisiert auszugeben. Gleichzeitig ist die

Auswerteelektronik 1 1 dafür eingerichtet, aus den Empfangssignalen der Photodetektoren 4 eine Tiefeninformation über die Umwelt zu erhalten. Jedem Photodetektor 4 kommt somit eine doppelte Funktion zu. Weiterhin ist die Auswerteelektronik 1 1 dafür eingerichtet, Histogramme der Photodetektoren 4 aufzuzeichnen und statistisch auszuwerten, um hier beispielsweise

Reflektivitätseigenschaften von Objekten zu ermitteln und zeitsynchron mit ihrer Entfernung in Relation zu setzen.

Mit anderen Worten zeigt Figur 2 einer SPAD-Matrix, also das Detektorbauteil 2, in SiPM-Konfiguration für einen einzigen Makropixel inklusive Verschaltung und (falls nicht„Backside-lllumination-SPAD/SiPM verwendet werden) nichtaktiver Fläche mit Auswerteelektronik 1 1. Wichtig ist, dass für die kombinierte Erfassung von Hell- und Dunkelbildinformationen aber auch gleichzeitig der SiPM- Eigenschaften (Parallelbetrieb zwecks Redundanz der schnell sättigbaren und damit inaktiven SPAD) eine höhere Anzahl von SPAD, also Photodetektoren 4, in der Makropixel-Matrix, der Detektormatrix 8, vorhanden sein muss als hier gezeigt (zum Beispiel 4x4, 5x5, usw.).

Figur 3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht durch einen Abschnitt des Detektorbauteils 2 und des Filterbauteils 3. Das Filterbauteil 3, das die

Filtermatrix 6 aufweist, ist mit dem Detektorbauteil 2, das die Detektormatrix 8 aufweist, stoffschlüssig verbunden. Zu diesem Zweck ist das Filterbauteil 3 mit dem Detektorbauteil 2 an einer Verbindungsstelle 12 in einem Randbereich verklebt. So sind Detektorbauteil 2 und Filterbauteil 3 permanent miteinander verbunden. Das Detektorbauteil 2 und das Filterbauteil 3 bilden also ein gemeinsames Bauelement. Die Photodetektoren 4 sind in einem Innenraum 13, der zwischen Detektorbauteil 2 und Filterbauteil 3 gebildet ist, verkapselt. So sind die einzelnen Photodetektoren 4 vor äußeren Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, geschützt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Photodetektor 4 einzeln im Innenraum 13 verkapselt. In anderen

Ausführungsbeispielen sind aber zwei oder mehr Photodetektoren 4 im

Innenraum 13 gemeinsam verkapselt. Mit anderen Worten zeigt Figur 3 eine Durchschnittsabbildung einer einzelnen SPAD, also Photodetektor 4, zur Darstellung der nahtlosen Anbindung einer Filtermatrix 6 an die Halbleiterdiode, den Photodetektor 4, in einem Reinraumprozess, zum Beispiel mithilfe stoffschlüssiger Klebeverbindungen. So wird ein verkapseltes gemeinsames Bauelement aus Detektorbauteil 2 und Filterbauteil 3 geschaffen. Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Filtermatrix 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Filtermatrix 6 ist wieder als

Bayerfilter ausgeführt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist die Filtermatrix 6, die wieder in dem Filterrahmen 5 angeordnet ist, eine 4x5- Filtermatrix 6 mit vier Zeilen und fünf Spalten, also zwanzig Abdunklungsfiltern 7a-d. Nicht gezeigt ist, dass die Detektormatrix 8 in der zweiten Ausführungsform des LiDAR-Systems 1 entsprechend zwanzig identische Detektoren 4 in einer 4x5-Detektormatrix 8 aufweist, sodass die Gestaltung der Filtermatrix 6 wieder der Gestaltung der Detektormatrix 8 entspricht und jeweils ein Abdunklungsfilter 7a-d der Filtermatrix 6 einem Photodetektor 4 der Detektormatrix 8, in

Empfangsrichtung, vorgelagert ist. Hier sind nicht nur drei, sondern vier unterschiedliche Abdunklungsfilter 7a-d bereitgestellt, von denen jedes eine andere verringerte Lichtmenge hindurchlässt.

Das LiDAR-System 1 mit der alternativen Filtermatrix 6 aus Figur 4 umfasst dadurch eine zusätzliche, vierte Photodetektoranordnung, die dafür eingerichtet ist, eine vierte Sättigungswahrscheinlichkeit zu haben. Das vierte

Abdunklungsfilter 7d stellt nämlich eine Abdunklung bereit, die nur eine

Lichtmenge von 10 % hindurchlässt. Deshalb ist die vierte

Sättigungswahrscheinlichkeit von den ersten, zweiten und dritten

Sättigungswahrscheinlichkeiten verschieden. Die Photodetektoren 4, die hinter den drei weiteren Abdunklungsfiltern 7d mit vierter Abdunklung angeordnet sind, bilden die vierte Photodetektoranordnung, die aus drei der identischen

Einzelphotonen-Lawinenphotodioden besteht. Die Anzahl an Photodetektoren 4 in der vierten Photodetektoranordnung ist, wie aus Figur 4 hervorgeht, geringer als die Anzahl an Photodetektoren 4 in jeder der drei anderen

Photodetektoranordnungen im zweiten Ausführungsbeispiel. In Figur 4 sind veranschaulichend jeweils ein Abdunklungsfilter 7a mit erster Abdunklung, ein Abdunklungsfilter 7b mit zweiter Abdunklung, ein Abdunklungsfilter 7c mit dritter Abdunklung und ein Abdunklungsfilter 7d mit vierter Abdunklung mit

Bezugszeichen gekennzeichnet. Die jeweilige Schraffur weist auf jeweils weitere Abdunklungsfilter 7a-d mit jeweils Durchlässigkeit für gleiche Lichtmengen hin, die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit kein Bezugszeichen tragen. Auf diese Weise werden ein LiDAR-System 1 und ein Kraftfahrzeug

bereitgestellt, das mit dem LiDAR-System 1 wirkverbunden ist, wobei das LiDAR- System 1 dafür eingerichtet ist, eine Umwelt mit einem Lichtstrahl abzutasten, um Informationen über die Umweit zu erfassen. Dabei ist das LiDAR-System 1 zusätzlich dafür eingerichtet, sowohl hochreflektive Objekte in einem Nahfeld der

Umwelt als auch geringreflektierende Objekte in einem Fernfeld der Umwelt zu erfassen und das LiDAR-System weist dazu mehrere Photodetektoren 4 auf, die dafür eingerichtet sind, unterschiedliche Sättigungswahrscheinlichkeiten zu haben. In der gezeigten Lösung werden den Photodetektoren 4 jeweils ein Abdunklungsfilter 7a-d vorgelagert, sodass die Photodetektoren 4 dafür eingerichtet sind, nicht nur Photonen zu zählen, sondern aus den

Empfangssignalen der Photodetektoren 4 auch hochreflektive Objekte von geringreflektierenden Objekten unterschieden werden können. In den beiden gezeigten Ausführungsformen sind alle Abdunklungsfilter 7a-d Neutraldichtefilter, auch ND-Filter genannt. Die Auswertelektronik 11 kann dann die Informationen von den Photodetektoren 4 auswerten und beispielsweise synchrone Hell- und Dunkelbildinformationen ausgeben.