EP3724682A1 - Anordnung und verfahren zur ermittlung einer entfernung wenigstens eines objekts mit lichtsignalen - Google Patents

Anordnung und verfahren zur ermittlung einer entfernung wenigstens eines objekts mit lichtsignalen

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EP3724682A1
EP3724682A1 EP18807934.7A EP18807934A EP3724682A1 EP 3724682 A1 EP3724682 A1 EP 3724682A1 EP 18807934 A EP18807934 A EP 18807934A EP 3724682 A1 EP3724682 A1 EP 3724682A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
time
signals
group
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18807934.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Beuschel
Michael Kiehn
Michael KÖHLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microvision Inc
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Ibeo Automotive Systems GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG, Ibeo Automotive Systems GmbH filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP3724682A1 publication Critical patent/EP3724682A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
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    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak

Definitions

  • the invention is based on an arrangement or a method for determining a distance of at least one object with light signals according to the preamble of the independent claims.
  • US 2004/0233942 A1 discloses a system and a method for measuring the phase of a modulated optical signal.
  • so-called single-photon detectors SPDs are used to receive.
  • this type of detectors which include the SPADs (single photon avalanche derivatives), have a so-called dead time.
  • the inventive arrangement or inventive method for determining a distance of at least one object with light signals having the features of the independent claims have the advantage that by the use of different groups of light receiving elements, wherein the first group has a higher sensitivity for the conversion of the light signals in has electrical signals as the second group of light receiving elements, the short-range can be detected particularly well.
  • Short-range monitoring is particularly important for a variety of reasons:
  • the front panel transfer function should be monitored for self-diagnostics of the LiDAR sensor. Objects prior to the LiDAR system must be detectable at a distance of a few centimeters, i. H. Objects that are approaching should not disappear in this near-field. Safety regulations for lasers may require that the emitted light output be reduced when a person or object is very close to the LiDAR sensor.
  • the light receiving elements which are designed, for example, as SPAD cells
  • the SPAD cells can trigger.
  • the SPAD cells have a so-called dead time. This can be about 10 to 20 nanoseconds, after which again a new detection of light signals is possible.
  • the pulse width is then, for example, 5 nanoseconds, no measurement is possible.
  • a front screen can create a direct optical feedback between transmitter and receiver. If the system is designed for a long range of, for example, 200 m, high-energy light signals and very sensitive receiver elements must be used.
  • Typical SPAD receive cells have a dead time of 10 to 20 nanoseconds, which corresponds to a near range of 1.5 to 3 meters, in which no object can be detected.
  • the invention can also be used for related systems.
  • the arrangement according to the invention or the method according to the invention makes it possible to compensate for a dead time which, for example, the light-receiving elements of the first group can be compensated for by the provision of suitable light-receiving elements for the second group. Ie. the dead time then plays no role at close range.
  • a dead time which, for example, the light-receiving elements of the first group can be compensated for by the provision of suitable light-receiving elements for the second group. Ie. the dead time then plays no role at close range.
  • an arrangement and a method for determining a distance of at least one object with light signals are proposed, which have no blindness in the important short-range.
  • the arrangement for determining a distance of at least one object with light signals is a compact arrangement, which is, for example, surrounded by a housing by either only a receiving part for the light signals or a combination with a transmitting part for the light signals.
  • the components of the arrangement are distributed and not grouped locally.
  • the distance between the object and the arrangement is the connection through a stretch between these two things.
  • the object is a spatial form that reflects light signals. It may, for example, be a vehicle, a pedestrian, a bicycle, a stone or other objects.
  • the light signals are usually laser signals, but other light signals are possible that were not emitted by a laser.
  • the first group of light-receiving elements which convert the light signals into first electrical signals, are, for example, so-called single-photon avalanche diodes (SPADs). These SPADs have a high blocking voltage, so that one photon is enough to trigger the avalanche effect in these diodes.
  • the avalanche breakdown must be stopped by an active or passive quench circuit in order to prevent destruction of the component. Stopping avalanche breakdown and restoring readiness to receive a SPAD diode takes about 10 to 20ns. During this time, no further detection is possible.
  • SiPMs Silicon photomultipliers
  • Such single-photon avalanche diodes are usually made of silicon.
  • compound semiconductors are also possible.
  • the operating mode of such diodes is also referred to as Geiger mode.
  • APD avalanche photodiodes
  • the signal processing can be software functions and / or hardware functions. If hardware components are present, they can be combined in one hardware component or divided into different hardware components.
  • the first signal processing determines the distance based on the first electrical signals by means of a time-correlated photon count in dependence on a start signal for the emission of the light signals.
  • the object detection can be present here
  • TCSPC time-correlated single phonon counting
  • This measuring method known in German as time-correlated photon counting, is a technique for measuring light intensities that change over time. In this case, a measurement is repeated many times and the individual temporally correlated photons in relation to the excitation pulse are sorted according to their measured time into a so-called TCSPC histogram. This typically has a temporal channel resolution or class width of 0.1 to 1 ns and represents the time course of the light backscattered by a laser pulse.
  • the start signal is, for example, a signal of a pulse generator which drives a laser driver.
  • the start signal for the emission of the light signals is output from a transmitter circuit. It is read into the signal processing via an interface.
  • emission of the light signals is meant the emitted light from the transmitter circuit.
  • the light-receiving elements of the first group have a higher sensitivity for the conversion of the light signals into electrical signals than the light-receiving elements of the second group.
  • SPADs or SiPMs for the first group and photodiodes or avalanche photodiodes for the second group can be used.
  • Under the sensitivity of the light receiving elements for the reception of Lichtsig- signals is to understand how the relationship between radiated light and the electrical output signal looks like.
  • analog photodetectors such as APDs
  • low sensitivity means that more light is required to produce the same photocurrent than higher sensitivity photoreceivers.
  • SPAD photodetectors low sensitivity photocells have a lower probability of detecting a photon than high sensitivity receiving cells.
  • the second signal processing is different from the time-correlated photon counting. While the first electrical signals of, for example, SPAD diodes can be processed directly digitally, the second electrical signals are preferably analog signals which must be digitized at a very high sampling rate. Conventional high-sample-rate analog-to-digital conversion is costly and requires a lot of power. In combination with the time-correlated photon counting, it is particularly advantageous to use a cost-effective sequential analog-to-digital conversion.
  • the second signal processing determines on the basis of the second electrical signals by means of a time-correlated sequential scanning in response to the start signal, the distance to the object.
  • Time-correlated sequential sampling is a versatile method of digitizing periodically recurring electrical signals. In the present lidar application, a sampling rate between 1 GHz and 10 GHz for an analogue photodetector signal is to be achieved. This is possible with known analog-to-digital converters only at high cost and high energy consumption.
  • the time-correlated sequential sampling the property is exploited that periodically recurring signals can be digitized over several signal periods. In this case, an analog input signal is sampled over several signal periods, whereby the parameters for the sampling are selectively varied. The sampling thus takes place sequentially over several signal periods. Subsequently, the results of the individual measurements are temporally related to the period of the input signal, ie time correlated. This then results in the sampled signal in higher temporal resolution or quality.
  • the characteristic of the TCSPC distance measuring method is utilized, in which a laser pulse is transmitted repeatedly with a known signal period.
  • the light backscattered by an object may, on the one hand, be e.g. be evaluated with SPAD photodeketors, wherein the individual photon events are entered in a time-synchronized histogram.
  • Parallel arranged analog receiving elements can also receive the light signal. Since the light pulse is emitted many times, the sampling can be performed sequentially over several periods of the pulse emission. Since the period of the pulse transmission is known, it is easy to bring the measured values of the sequential sampling into the correct temporal relationship.
  • the time-correlated sequential sampling for the second electrical signals compares the preferred analog values with at least one ram signal and supplies an output signal of a first and inverted to a second time-digital conversion, the first and second time signals Digital conversion are started by the start signal and the output side are connected to a histogram.
  • the histogram is filled with the second histogram values.
  • the ramp signal is an ascending voltage signal equal to a sawtooth signal.
  • TDC time-to-digital converter
  • a TDC may output the arrival time for each incoming pulse.
  • the time interval between two pulses is determined with a TDC.
  • the measurement can be started and stopped when a rising or falling edge of a signal pulse exceeds a corresponding threshold.
  • a time-to-digital conversion is a method for determining a time between, for example, two pulses and converting them into a digital word.
  • a counter can be used, which is activated by a start and a stop signal, for example. The received light pulse or the emitted light pulse.
  • a so-called interpolation is used.
  • a delay circuit can be used.
  • the first group have single-photon avalanche diodes as the light-receiving elements and the second group photodiodes or avalanche photodiodes as light-receiving elements.
  • Photodiodes convert received light into electrical current. In avalanche photodiodes or avalanche photodiodes, an avalanche effect is added. This makes these photodiodes more sensitive than conventional photodiodes.
  • the photodiodes or the avalanche photodiodes are arranged on the edge of a semiconductor component on which the single-photon avalanche diodes are located.
  • the photodiodes or the avalanche photodiodes are arranged on the edge of a semiconductor component on which the single-photon avalanche diodes are located.
  • Avalanche photodiodes are arranged between the single-photon avalanche diodes, preferably column by column or separated by rows.
  • the first and second light-receiving elements have a common receiving optical system.
  • the photodiodes or avalanche photodiodes next to the semiconductor device.
  • the light-receiving elements of the first and the second group each have an associated receiving optics.
  • the optics can be adapted to these respective light receiving elements.
  • At least one ramp counter is provided, which is increased with each start signal up to a predetermined final value in its count, the count is output to at least one digital-to-analog converter, the output side with the Comparator is connected.
  • the reciprocal of a rise time of the at least one ramp signal is an integer multiple of the frequency of the pulses of the time-correlated photon measurement. This has proven to be an advantageous ratio.
  • Fig. 5 shows another surface of a semiconductor device with light receiving elements of the first and the second group and
  • FIG. 6 shows a flow chart of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a vehicle V, which moves in the direction R.
  • the vehicle V has the LiDAR modules Li1 to Li6.
  • a LiDAR module is a transmitting device for sending light signals and the receiving arrangement according to the invention for receiving the then reflected light signals.
  • These LiDAR modules detect the environment of the vehicle V. More or less LiDAR modules can be used and also at other locations of the vehicle V. Therefore, the object OB is detected by the LiDAR module Li1.
  • the LiDAR modules Li1 to Li6 have a receiver arrangement according to the invention and a transmitter device which, as described above, uses a laser array to send the laser pulses in order to then receive the laser pulses reflected at the object OB with a SPAD array and then to evaluate them in accordance with the time-correlated photon count to determine the distance between the object OB and the vehicle V.
  • the time-of-flight method is used for this.
  • Fig. 2 shows a first block diagram of the arrangement according to the invention.
  • a transmitting device is also shown via the block diagram.
  • the transmitting device has a pulse generator PG which supplies a laser driver LD with pulse signals.
  • the laser driver drives the laser L, which emits light which is correspondingly emitted into the surroundings by the optics 01.
  • the pulse generator PG transmits the start signal, which also goes to the laser driver, to the signal processor S of the arrangement according to the invention.
  • the start signal is supplied to a time-correlated photon count zPz1 and a time-correlated sequential scan zPz2.
  • the evaluation of the received light signals is synchronized with the emission of the light signals of the transmitter circuit.
  • the arrangement according to the invention is symbolized here by way of example by only one representative of the first and second group of light-receiving elements. Both light-receiving elements have their own associated optics. It is possible to use only a single optic.
  • the optics are labeled 02 and 03, the optics of the laser 01.
  • the optic 03 guides the light to the second group of light receiving elements.
  • Optic 02 directs the light onto a single-photon avalanche diode SPAD, which uses an avalanche effect to convert even single photons into electrical current.
  • the first and second group of the light receiving elements thus use the same light source L for the distance measurement (distance).
  • this diode receives corresponding photons, an event is created which is fed to time-correlated photon counting zPz1. Depending on the timing of this event, a corresponding time is entered in a histogram. This is very often repeated either within a pulse group or a single pulse.
  • the photodiode PD is under a bias VPD.
  • VPD Alternatively, an avalanche photodiode may be used.
  • This photocurrent is supplied after a time-dependent threshold determination of a time-correlated sequential sampling zPz2 and also entered in a histogram as the corresponding time.
  • An evaluation A determines the distance of the arrangement to the object OB as a function of these histogram values and thus ultimately also of the start signal. This value is output. It is possible that the evaluation A is located in another control unit and that in this case histogram values are transmitted directly or even only an intermediate value.
  • FIG. 3 shows in a second block diagram the arrangement according to the invention in turn in combination with a transmitter circuit.
  • the start signal is transmitted from the pulse generator PG to the signal evaluations of the arrangement according to the invention.
  • the time-correlated photon counting with time-to-digital conversion TDC1 and the time-correlated sequential scanning with TDC2 and TDC3 are executed.
  • the event signal from the single-photon avalanche diode SPAD is transmitted as an event to the first time-to-digital conversion TDC1.
  • the output signal of the photodiode PD is applied via a transimpedance amplifier TIA to a comparator Comp and thereby to the positive input.
  • a ramp signal generated from a counter and a digital-to-analog converter is given.
  • the comparator outputs an output signal that is output to a second time-to-digital conversion TDC2 as an event. Inverted, this event is output to a third time-to-digital conversion TDC3.
  • the output signals of the two time-to-digital conversions TDC2 and TDC3 are entered in a second histogram H2.
  • the counter signal of the ramp counter RC also enters the histogram H2.
  • the ramp counter RC is also triggered by the start signal Start.
  • the time-to-digital conversions measure the time of the so-called events in relation to the start signal.
  • the photodiode or the avalanche photodiode are arranged in the optical reception path parallel to the SPAD receiving elements.
  • the photocurrent is converted to a voltage by the transimpedance amplifier TIA.
  • the rise time of the sawtooth signal generated by the ramp counter RC and the digital-to-analog converter is a multiple of the pulse generator frequency as shown above. There are alternatives for that.
  • the binary value is transmitted to the digital-to-analog converter, which converts this into an analog ramp signal.
  • the ramp counter reaches a defined value, it is stopped and the measurement result can be evaluated.
  • the output signal of the comparator is connected to the two time-to-digital conversions 2 and 3 as shown above.
  • the first time-to-digital converter TDC2 measures the times when the output signal of the photodetector exceeds the value of the ramp signal.
  • the second time-to-digital converter TDC3 receives the inverted comparator signal and measures the times when the photodetector signal falls below the value of the ramp signal.
  • the ramp signal generator also outputs a digital counter value that corresponds to the ramp threshold. The time intervals in which the photodetector signal is above the value of the ramp signal are recorded in the histogram.
  • Measurement cycle all histogram values are initialized with the value zero. Whenever the photodetector signal exceeds the ramp signal, the corresponding bins are filled with the current counter value of the ramp counter. Smaller values are overwritten with larger ones in subsequent measurement cycles when the photodetector signal is above the ramp signal. When the ramp counter reaches the maximum value, the ramp generator must be stopped. The data in the histogram are ready for evaluation and a new measuring cycle can be started by resetting the counter.
  • FIG. 4 shows that the surface of a semiconductor receiver module which has the single-photon avalanche diodes SPADA in a large field and the photodiodes PDC in a small side region. It is possible for the photodiodes to be located at different edge regions of the semiconductor component, but preferably as gaps or as rows. Alternatively, it is shown in FIG. 5 that photodiodes or avalanche photodiodes and SPADs alternate in columns through PD1 through PD3 and SPAD1 through SPAD3.
  • FIG. 6 shows a flow chart of the method according to the invention.
  • first electrical signals are generated with the first group of light-receiving elements.
  • second electrical signals are generated by the conversion of the second group of light receiving elements.
  • the arrangement according to the invention determines the distance of the arrangement to an object from the first and the second electrical signals.

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Abstract

Es wird eine Anordnung bzw. ein Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung zu wenigstens einem Objekt vorgeschlagen, wobei die Lichtsignale durch eine erste Gruppe von Lichtempfangselementen in erste elektrische Signale gewandelt werden. Die Lichtsignale werden weiterhin durch eine zweite Gruppe von Lichtempfangselementen in zweite elektrische Signale gewandelt. Anhand der ersten elektrischen Signale wird mittels einer zeitkorrelierten Photonenzählung in Abhängigkeit von einem Startsignal für die Emission der Lichtsignale die Entfernung ermittelt. Weiterhin wird anhand der zweiten elektrischen Signale die Entfernung mittels einer weiteren Signalverarbeitung, die verschieden von der zeitkorrelierten Photonenzählung ist, bestimmt. Die zweite Gruppe hat eine geringere Empfindlichkeit für die Wandlung der Photonen in elektrischen Strom als die erste Gruppe.

Description

Anordnung und Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen
Anordnung und Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung bzw. einem Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung von wenigstens einem Objekt mit Lichtsignalen nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
Aus US 2004/0233942 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Messung der Pha- se eines modulierten optischen Signales bekannt. Dabei werden zum Empfang sogenannte Single-Photon-Detektoren SPDs verwendet. Weiterhin wird angegeben, dass diese Art von Detektoren, zu denen die SPADs (single photon avalanche dio- des) gehören, eine sogenannte Totzeit aufweisen.
Die erfindungsgemäße Anordnung bzw. erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verwendung von unterschiedlichen Gruppen von Lichtempfangselementen, wobei die erste Gruppe eine höhere Empfindlichkeit für die Wandlung der Lichtsignale in elektrische Signale aufweist als die zweite Gruppe der Lichtempfangselemente, der Nahbereich besonders gut erfasst werden kann. Die Überwachung des Nahbereichs ist aus verschiedenen Gründen besonders wichtig: Die Übertragungsfunktion der Frontplatte soll für die Selbstdiagnose des LiDAR-Sensors überwacht werden. Objek- te vor dem LiDAR-System müssen detektierbar mit einer Entfernung von wenigen Zentimetern sein, d. h. Objekte, die sich annähern, sollen in diesem Nahbereich nicht verschwinden. Sicherheitsvorschriften für Laser können es erfordern, dass die emi- tierte Lichtleistung reduziert wird, wenn eine Person oder ein Objekt sich sehr nah sich zum LiDAR-Sensor befindet.
Problematisch ist auch, dass ein reflektierter Lichtimpuls an einer gemeinsamen Frontscheibe vor der Sende- und Empfangseinrichtung die Lichtempfangselemente, die bspw. als SPAD-Zellen ausgebildet sind, auslösen kann. Nach einer solchen Auslösung haben die SPAD-Zellen eine sogenannte Totzeit. Diese kann ca. 10 bis 20 Nanosekunden betragen, nach der wieder eine erneute Detektion von Lichtsignalen möglich ist. Auch ist während des Versendens der Lichtsignale, die Impulsbreite ist dann bspw. 5 Nanosekunden, ist keine Messung möglich. Durch eine Frontscheibe kann eine direkte optische Rückkopplung zwischen Sender und Empfänger entstehen. Ist das System auf eine große Reichweite von bspw. 200m ausgelegt, müssen Lichtsignale mit hoher Energie und sehr empfindliche Empfangselemente verwendet werden. Daher reicht eine geringe Rückstreuung der Frontscheibe von bspw. 1 % zur vollständigen Blendung des Empfängers. Bei typischen SPAD-Empfangszellen ergibt sich eine Totzeit von 10 bis 20 Nanosekunden, die einem Nahbereich von 1 ,5 bis 3 Metern entspricht, in dem kein Objekt erkannt werden kann. Neben dem Lidar- System ist die Erfindung auch für verwandte Systeme einsetzbar.
Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung bzw. das erfindungsge- mäße Verfahren, dass eine Totzeit, die bspw. die Lichtempfangselemente der ersten Gruppe aufweisen, durch das Vorsehen von geeigneten Lichtempfangselementen für die zweite Gruppe kompensiert werden kann. D. h. die Totzeit spielt dann im Nahbereich keine Rolle mehr. Insgesamt werden demnach eine Anordnung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen vorgeschlagen, die in dem wichtigen Nahbereich keine Blindheit aufweisen.
Bei der Anordnung zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen handelt es sich um eine kompakte Anordnung, die bspw. mit einem Gehäuse umgeben ist, indem sich entweder nur ein Empfangsteil für die Lichtsignale oder auch eine Kombination mit einem Sendeteil für die Lichtsignale befindet. Alter- nativ ist es möglich, dass auch die Komponenten der Anordnung verteilt und nicht örtlich zusammengefasst sind.
Die Entfernung zwischen dem Objekt und der Anordnung ist die Verbindung durch eine Strecke zwischen diesen beiden Dingen. Bei dem Objekt handelt es sich um eine räumliche Form, die Lichtsignale reflektiert. Es kann sich bspw. um ein Fahr- zeug, einen Fußgänger, ein Fahrrad, einen Stein oder andere Gegenstände handeln. Bei den Lichtsignalen handelt es sich üblicherweise um Lasersignale, es sind jedoch auch andere Lichtsignale möglich, die nicht von einem Laser ausgestrahlt wurden.
Die erste Gruppe von Lichtempfangselementen, die die Lichtsignale in erste elektrische Signale wandeln, sind bspw. sogenannte Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs). Diese SPADs sind mit einer hohen Sperrspannung versehen, sodass bereits ein Photon ausreicht, um den Lawineneffekt in diesen Dioden auszulösen. Der Lawinendurchbruch muss durch eine aktive oder passive Quench-Schaltung ge- stoppt werden, um eine Zerstörung des Bauteils zu verhindern. Das Stoppen des Lawinendurchbruchs und die Wiederherstellung der Empfangsbereitschaft einer SPAD Diode benötigt ca. 10 bis 20ns. In dieser Zeit ist keine weitere Detektion mög- lich.
In LiDAR-Anwendungen kann es sein, dass verschiedene solcher Dioden zu Makrodioden zusammengefasst werden, indem die Ausgangssignale miteinander bspw. verodert werden oder aufsummiert werden. Bspw. verwenden Siliziumphotomultiplier (SiPMs) eine einfache analoge Summation der Ausgangssignale mehrer SPAD Dioden. Solche Single-Photon-Avalanche-Dioden werden üblicherweise aus Silizium hergestellt. Es sind jedoch auch Verbindungshalbleiter möglich. Der Betriebsmodus solcher Dioden wird auch als Geigermodus bezeichnet.
Bei der zweiten Gruppe handelt es sich bspw. um Photodioden oder Lawinen- Photodioden (engl. Avalanche Photo Diodes = APD), die die Lichtsignale in zweite elektrische Signale wandeln.
Bei der Signalverarbeitung kann es sich um Software-Funktionen und/oder Hardware-Funktionen handeln. Liegen Hardware-Bausteine vor, können diese in einem Hardware-Baustein zusammengefasst sein oder auf verschiedene Hardware- Bausteine aufgeteilt sein.
Die erste Signalverarbeitung bestimmt anhand der ersten elektrischen Signale mittels einer zeitkorrelierten Photonenzählung in Abhängigkeit von einem Startsignal für die Emission der Lichtsignale die Entfernung. Die Objektdetektion kann vorliegend bei- spielsweise mit dem Messprinzip TCSPC (Time-Correlated Single Phonton Counting) vorgenommen werden. Diese in Deutsch als zeitkorrelierte Photonenzählung be- zeichnete Messmethode ist eine Technik zur Messung sich zeitlich schnell ändernder Lichtintensitäten. Dabei wird eine Messung vielfach wiederholt und die einzelnen zeit- lich korrelierten Photonen in Bezug zum Anregungsimpuls werden entsprechend ih- rer gemessenen Zeit in ein sogenanntes TCSPC-Histogramm einsortiert. Dieses be- sitzt typischerweise eine zeitliche Kanalauflösung bzw. Klassenbreite von 0,1 bis 1 ns und gibt den zeitlichen Verlauf des von einem Laserpuls zurückgestreuten Lichts wieder. Dadurch gelingt eine sehr genaue Zeitmessung des zurückgestreuten Laserimpulses. Bspw. wird ein Objekt von einer Sendeeinrichtung mit vielen Photonen getroffen, die dann durch die Empfängeranordnung empfangen werden. Durch das häufige Wiederholen dieser Photonenbestimmung ist es möglich, den Lichtimpuls bzgl. seiner Flugzeit und Amplitude genau zu bestimmen. Nachdem die Messung abgeschlossen wurde, werden die Zeiten der lokalen Maximalwerte im Histogramm ermittelt. Die zeitliche Lage der Maximalwerte ermöglicht die Distanzbestimmung zu einem oder mehreren Objekten.
Bei dem Startsignal handelt es sich bspw. um ein Signal eines Pulsgenerators, der einen Lasertreiber antreibt. Damit wird eine Synchronisierung der Signalverarbeitung der empfangenen Lichtsignale mit dem emittierten Lichtsignal erreicht. Dies vereinfacht die Signalverarbeitung. Das Startsignal für die Emission der Lichtsignale wird von einer Senderschaltung ausgegeben. Es wird über eine Schnittstelle in die Signalverarbeitung eingelesen. Mit Emission der Lichtsignale ist das ausgestrahlte Licht von der Senderschaltung gemeint. Alternativ ist es möglich, vom ausgestrahlten Licht einen Teil der Empfängerschaltung zuzuführen. Dort wird dann dieser Teil in ein elektrisches Signal gewandelt.
Die Lichtempfangselemente der ersten Gruppe weisen eine höhere Empfindlichkeit für die Wandlung der Lichtsignale in elektrische Signale auf als die Lichtempfangselemente der zweiten Gruppe. Dabei können bspw. SPADs oder SiPMs für die erste Gruppe und Photodioden oder Lawinen-Photodioden für die zweite Gruppe verwendet werden. Unter der Empfindlichkeit der Lichtempfangselemente für den Empfang von Lichtsig- nalen ist zu verstehen, wie der Zusammenhang zwischen eingestrahltem Licht und dem elektrischen Ausgangssignal aussieht. Bei analogen Photodetektoren wie APDs bedeutet eine niedrige Empfindlichkeit, dass mehr Licht erforderlich ist, um den gleichen Photostrom zu bewirken als bei solchen Lichtempfangselementen mit höherer Empfindlichkeit. Bei SPAD Photodetektoren weisen Photozellen mit niedriger Empfindlichkeit eine niedrigere Wahrscheinlichkeit für die Detektion eines Photons auf als Empfangszellen mit hoher Empfindlichkeit.
Die zweite Signalverarbeitung ist verschieden von der zeitkorrelierten Photonenzählung. Während die ersten elektrischen Signale der bspw. SPAD Dioden direkt digital verarbeitet werden können, handelt es sich bei den zweiten elektrischen Signalen vorzugsweise um analoge Signale, die mit einer sehr hohen Abtastrate digitalisiert werden müssen. Eine konventionelle Analog-Digitalwandlung mit hoher Abtastrate verursacht hohe Kosten und benötigt viel Energie. In der Kombination mit der zeitkorrelierten Photonenzählung ist es insbesondere vorteilhaft, eine kostengünstige se- quenzielle Analog-Digitalwandlung zu verwenden.
Entsprechendes gilt für das erfindungsgemäße Verfahren.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der in den unabhängigen Patentansprü- chen angegebenen Anordnung bzw. Verfahrens zur Ermittlung einer Entfernung we- nigstens eines Objekts mit Lichtsignalen möglich.
Die zweite Signalverarbeitung bestimmt anhand der zweiten elektrischen Signale mittels einer zeitkorrelierten sequenziellen Abtastung in Abhängigkeit von dem Startsignal die Entfernung zu dem Objekt. Die zeitkorrelierte sequenzielle Abtastung ist ein vielseitig anwendbares Verfahren zur Digitalisierung periodisch wiederkehrender elektrischer Signale. In der vorliegenden Lidar-Anwendung soll eine Abtastrate zwi- schen 1 GHz und 10 GHz für ein analoges Photodetektorsignal erreicht werden. Dies ist mit bekannten Analog-zu-Digitalwandlern nur mit hohen Kosten und hohem Energieaufwand möglich. Bei der zeitkorrelierten sequenziellen Abtastung wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass periodisch wiederkehrende Signale über mehrere Signalperioden digitalisiert werden können. Dabei wird ein analoges Eingangssignal über mehrere Signalperioden abgetastet, wobei die Parameter für die Abtastung gezielt variiert werden. Die Abtastung erfolgt also sequenziell über mehrere Signalperioden. Anschließend werden die Ergebnisse der Einzelmessungen mit der Periode des Eingangssignals in zeitlichen Bezug gesetzt, also zeitlich korreliert. Daraus ergibt sich dann das abgetastete Signal in höherer zeitlicher Auflösung oder Qualität.
In der konkreten Anwendung wird die Eigenschaft des TCSPC Distanzmessverfah- rens ausgenutzt, bei dem ein Laserpuls wiederholt mit einer bekannten Signalperiode ausgesendet wird. Das von einem Objekt zurückgestreute Licht kann einerseits z.B. mit SPAD Photodeketoren ausgewertet werden, wobei die einzelnen Photonenereignisse in einem zeitlich synchronisierten Histogramm eingetragen werden. Parallel dazu angeordnete analoge Empfangselemente können ebenfalls das Lichtsignal empfangen. Da der Lichtpuls vielfach ausgesendet wird, kann die Abtastung sequenziell über mehrere Perioden der Pulsaussendung erfolgen. Da die Periode der Puls- aussendung bekannt ist, ist es einfach die Messwerte der sequenziellen Abtastung in den korrekten zeitlichen Zusammenhang zu bringen.
Dabei ist es vorteilhaft, dass die zeitkorrelierte sequenzielle Abtastung für die zweiten elektrischen Signale die vorzugsweisen analogen Werte mit wenigstens einem Ram- pensignal vergleicht und ein Ausgangssignal einer ersten und invertiert einer zweiten Zeit-Digital-Wandlung zuführt, wobei die erste und die zweite Zeit-Digital-Wandlung durch das Startsignal gestartet werden und ausgangsseitig mit einem Histogramm verbunden sind. Das Histogramm wird mit den zweiten Histogrammwerten befüllt. Bei dem Rampensignal handelt es sich um ein aufsteigendes Spannungssignal gleich einem Sägezahnsignal.
Eine unterstützende Messmethode zur Objektdetektion ist ein sogenannter TDC (Ti- me-to-Digital Converter, Zeit-Digital-Wandlung). Dies ist ein Gerät, um Zustände zu erkennen und eine digitale Darstellung der Zeit bereitzustellen, die zwischen zwei Ereignissen aufgetreten ist. Beispielsweise kann ein TDC die Ankunftszeit für jeden ankommenden Impuls ausgeben. Insbesondere das Zeitintervall zwischen zwei Impulsen wird mit einem TDC ermittelt. Dabei kann die Messung gestartet und gestoppt werden, wenn eine aufsteigende oder fallende Flanke eines Signalimpulses einen entsprechenden Schwellenwert übertrifft. Eine Zeit-Digital-Wandlung ist ein Verfahren, um eine Zeit beispielsweise zwischen zwei Impulsen zu bestimmen und in ein Digitalwort umzusetzen. Dazu kann bspw. ein Zähler verwendet werden, der durch ein Start- und ein Stoppsignal bspw. des empfangenen Lichtimpulses bzw. des ausgesendeten Lichtimpulses aktiviert wird. Um den Fehler zu Beginn und zu Ende des durch den Zähler ermittelten Zählerstandes zu bestimmen, wird eine sogenannte Interpolation verwendet. Dazu kann eine Verzögerungsschaltung verwendet werden.
Es ist jedoch auch möglich, zwei zueinander verstimmte Oszillatoren zu verwenden oder eine sogenannte Überabtastung bspw. eine Vierfach-Überabtastung zu ver- wenden und damit das Signal abzutasten. Durch den Zählerstand und die Werte, die aus der Interpolation gewonnen werden zu Beginn der Zählung und zu Ende der Zählung, kann dann die Zeit und damit die Flugzeit genau gemessen werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die erste Gruppe Single-Photon-Avalanche-Dioden als die Lichtempfangselemente und die zweite Gruppe Photodioden oder Avalanche- Photodioden als Lichtempfangselemente aufweisen.
Photodioden wandeln empfangenes Licht in elektrischen Strom um. Bei den sogenannten Lawinen-Photodioden oder Avalanche-Photodioden kommt ein Lawineneffekt hinzu. Damit sind diese Photodioden empfindlicher als herkömmliche Photodio- den.
Vorteilhaft ist auch, dass die Photodioden oder die Avalanche-Photodioden am Rande eines Halbleiterbausteins, auf dem sich die Single-Photon-Avalanche-Dioden be- finden, angeordnet sind. Alternativ ist es möglich, dass die Photodioden oder
Avalanche-Photodioden zwischen den Single-Photon-Avalanche-Dioden angeordnet sind, vorzugsweise spaltenweise oder zeilenweise getrennt. In diesem Fall weisen die ersten und zweiten Lichtempfangselemente eine gemeinsame Empfangsoptik auf. Weiterhin ist es möglich, die Photodioden oder Avalanche-Photodioden neben dem Halbleiterbaustein zu platzieren. In diesem Fall weisen die Lichtempfangselemente der ersten und der zweiten Gruppe jeweils eine zugeordnete Empfangsoptik aufweisen. Damit kann die Optik auf diese jeweiligen Lichtempfangselemente angepasst werden.
Weiterhin es vorteilhaft, dass zur Erzeugung des wenigstens einen Rampensignals wenigstens ein Rampenzähler vorgesehen ist, der mit jedem Startsignal bis zu einem vorgegebenen Endwert in seinem Zählwert erhöht wird, wobei der Zählwert an wenigstens einen Digital-Analog-Wandler ausgegeben wird, der ausgangsseitig mit dem Vergleicher verbunden ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Kehrwert einer Anstiegszeit des wenigstens ei- nen Rampensignals ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Pulse der zeitkorrelierten Photonenmesssung ist. Dies hat sich als vorteilhaftes Verhältnis erwiesen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Fahrzeug mit LiDAR-Modulen,
Fig. 2 ein erstes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 3 ein zweites Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 4 die Oberfläche eines Halbleiterbausteins mit Lichtempfangselementen der ers- ten und zweiten Gruppe,
Fig. 5 eine weitere Oberfläche eines Haltleiterbausteins mit Lichtempfangselementen der ersten und der zweiten Gruppe und
Fig. 6 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug V, das sich in die Richtung R bewegt. Das Fahrzeug V weist die LiDAR-Module Li1 bis Li6 auf. Bei einem LiDAR-Modul handelt es sich um eine Sendeeinrichtung zur Versendung von Lichtsignalen und der erfindungsgemäßen Empfangsanordnung zum Empfang von den dann reflektierten Lichtsignalen. Diese LiDAR-Module erfassen die Umgebung des Fahrzeugs V. Es können mehr oder weniger LiDAR-Module verwendet werden und auch an weiteren Stellen des Fahrzeugs V. Daher wird das Objekt OB durch das LiDAR-Modul Li1 erfasst. Durch eine Entfernungsbestimmung und entsprechende Charakterisierung anhand der Bewegungsparameter des Objekts ist es möglich, auf eine mögliche Kollision zu schlie- ßen und entsprechende Bewegungen des Fahrzeugs V zu beeinflussen, um nicht mit dem Objekt OB zu kollidieren.
Die LiDAR-Module Li1 bis Li6 weisen eine erfindungsgemäße Empfängeranordnung auf und eine Sendereinrichtung, die wie oben beschrieben mit einem Laserarray die Laserimpulse versendet, um die am Objekt OB reflektierten Laserimpulse dann mit einem SPAD-Array zu empfangen und dann entsprechend mit der zeitkorrelierten Photonenzählung auszuwerten, um die Entfernung zwischen dem Objekt OB und dem Fahrzeug V zu bestimmen. Dafür wird die Time-of-Flight-Methode verwendet.
Fig. 2 zeigt ein erstes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung. Dabei ist zusätzlich auch über das Blockschaltbild eine Sendeeinrichtung gezeigt. Die Sendeeinrichtung weist einen Pulsgenerator PG auf, der einen Lasertreiber LD mit Pulssig- nalen versorgt. Der Lasertreiber treibt in Abhängigkeit von diesen Signalen den Laser L an, der Licht emitiert, das durch die Optik 01 entsprechend in die Umgebung ausgestrahlt wird. Vom Pulsgenerator PG wird das Startsignal, das auch an den Laser- treiber geht, auch an die Signalverarbeitung S der erfindungsgemäßen Anordnung übertragen. Das Startsignal wird dabei einer zeitkorrelierten Photonenzählung zPz1 und einer zeitkorrelierten sequenziellen Abtastung zPz2 zugeführt. Damit ist die Auswertung der empfangenen Lichtsignale synchronisiert mit der Emission der Lichtsignale der Senderschaltung. Die erfindungsgemäße Anordnung ist hier beispielhaft durch lediglich einen Vertreter der ersten und zweiten Gruppe der Lichtempfangselemente symbolisiert. Beide Lichtempfangselemente haben eigene zugeord- nete Optiken. Es ist möglich, nur eine einzige Optik zu verwenden. Die Optiken sind mit 02 und 03 bezeichnet, die Optik des Lasers mit 01 . Die Optik 03 führt das Licht auf die zweite Gruppe der Lichtempfangselemente. Die Optik 02 führt das Licht auf eine Single-Photon-Avalanche-Diode SPAD, die ei- nen Lawineneffekt nutzt, um auch nur einzelne Photonen in elektrischen Strom zu wandeln. Die erste und zweite Gruppe der Lichtempfangselemente nutzen also die selbe Lichtquelle L für die Distanzmessung (Entfernung).
Empfängt diese Diode entsprechende Photonen, wird ein Event kreiert, der zeitkorrelierten Photonenzählung zPz1 zugeführt wird. In Abhängigkeit der zeitlichen Positionierung dieses Events wird eine entsprechende Zeit in ein Histogramm eingetragen. Dies wiederholt sich sehr oft entweder innerhalb einer Pulsgruppe oder eines einzel- nen Pulses.
Ähnlich geschieht es bei der zweiten Gruppe der Lichtempfangselemente, die hier durch die Photodiode PD symbolisiert sind. Auch die Photodiode ist unter einer Vorspannung VPD. Es kann alternativ eine Lawinen-Photodiode verwendet werden. Dieser Photostrom wird nach einer zeitabhängigen Schwellwertbestimmung einer zeitkorrelierten sequenziellen Abtastung zPz2 zugeführt und ebenfalls in ein Histogramm als entsprechende Zeit eingetragen. Eine Auswertung A bestimmt in Abhängigkeit von diesen Histogrammwerten und damit letztlich auch dem Startsignal die Entfernung der Anordnung zu dem Objekt OB. Dieser Wert wird ausgegeben. Es ist möglich, dass die Auswertung A in einem anderen Steuergerät sitzt und dass vorlie- gend direkt Histogrammwerte übertragen werden oder auch nur ein Zwischenwert.
Fig. 3 zeigt in einem zweiten Blockschaltbild die erfindungsgemäße Anordnung wie- derum in Kombination mit einer Senderschaltung. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Elemente. Wiederum wird das Startsignal vom Pulsgenerator PG an die Sig- nalauswertungen der erfindungsgemäßen Anordnung übertragen. Hier wird nun die zeitkorrelierte Photonenzählung mit Zeit-Digital-Wandlung TDC1 und die zeitkorrelierte sequenzielle Abtastung mit TDC2 und TDC3 ausgeführt. Das Eventsignal von der Single-Photon-Avalanche-Diode SPAD wird als Event an die erste Zeit-Digital- Wandlung TDC1 übertragen. In das Histogramm H1 wird für jeden Event entspre- chende Zeit eingetragen. Das Ausgangssignal der Photodiode PD wird über einen Transimpedanzverstärker TIA an einen Komparator Comp und dabei an den positiven Eingang gegeben. An den negativen Eingang wird ein Rampensignal, das aus einem Zähler und einem Digital-Analog-Wandler erzeugt wurde, gegeben. In Abhängigkeit von der Differenz gibt der Komparator ein Ausgangssignal aus, das an eine zweite Zeit-Digital-Wandlung TDC2 ausgegeben wird als Event. Invertiert wird dieses Event an eine dritte Zeit- Digital-Wandlung TDC3 ausgegeben. Die Ausgangssignale der beiden Zeit-Digital- Wandlungen TDC2 und TDC3 werden in ein zweites Histogramm H2 eingetragen. In das Histogramm H2 geht auch das Zählersignal des Rampenzählers RC ein. Der Rampenzähler RC ist auch vom Startsignal Start getriggert.
Die Zeit-Digital-Wandlungen messen die Zeit der sogenannten Events bezogen auf das Startsignal. Letztlich sind die Photodiode oder die Lawinen-Photodiode in dem optischen Empfangspfad parallel zu den SPAD Empfangselementen angeordnet..
Der Photostrom wird in eine Spannung durch den Transimpedanzverstärker TIA gewandelt. Die Anstiegszeit des Sägezahnsignals, das durch den Rampenzähler RC und den Digital-Analog-Wandler erzeugt wird, ist wie oben dargestellt ein Vielfaches der Pulsgeneratorfrequenz. Dazu gibt es Alternativen. Mit jedem Start eines Pulsgenerators wird der Zähler um eins erhöht. Der Binärwert wird zum Digital-Analog- Wandler übertragen, der dies in ein analoges Rampensignal umsetzt. Wenn der Rampenzähler einen definierten Wert erreicht, wird er gestoppt und das Messresultat kann ausgewertet werden. Das Ausgangssignal des Komparators ist wie oben dar- gestellt an die beiden Zeit-Digital-Wandlungen 2 und 3 angeschlossen. Der erste Zeit-Digital-Wandler TDC2 misst die Zeiten, wenn das Ausgangssignal des Photode- tektors den Wert des Rampensignals überschreitet. Der zweite Zeit-Digital-Wandler TDC3 empfängt das invertierte Komparatorsignal und misst die Zeiten, wenn das Photodetektorsignal unter den Wert des Rampensignals absinkt. Der Rampensignal- generator gibt auch einen digitalen Zählerwert aus, der dem Rampenschwellwert entspricht. Die Zeitintervalle, in denen das Photodetektorsignal über dem Wert des Rampensignals liegt, werden im Histogramm aufgezeichnet. Zu Beginn des
Messzykluses sind alle Histogrammwerte mit dem Wert Null initialisiert. Wann immer das Photodetektorsignal das Rampensignal übertrifft, werden die korrespondierenden Bins mit dem aktuellen Zählerwert des Rampenzählers gefüllt. Kleinere Werte werden mit größeren überschrieben in nachfolgenden Messzyklen, wenn das Pho- todetektorsignal über dem Rampensignal ist. Wenn der Rampenzähler den Maxi- malwert erreicht, ist der Rampengenerator anzuhalten. Die Daten im Histogramm sind bereit für eine Auswertung und ein neuer Messzyklus kann durch das Zurück- setzen des Zählers gestartet werden.
In Fig. 3 ist die Auswertung der beiden Histogramme nicht explizit dargestellt, aber auch sie kann wie in Figur 2 vorhanden sein.
Fig. 4 zeigt, dass die Oberfläche eines Halbleiterempfängerbausteins, der in einem großen Feld die Single-Photon-Avalanche-Dioden SPADA aufweist und in einem kleinen Seitenbereich die Photodioden PDC. Es ist möglich, dass an verschiedenen Randbereichen des Halbleiterbausteins sich die Photodioden befinden, vorzugsweise aber als Spalte oder als Zeilen. Alternativ dazu wird in Fig. 5 gezeigt, dass sich Photodioden oder Lawinenphotodioden und SPADs spaltenweise abwechseln durch PD1 bis PD3 und SPAD1 bis SPAD3.
In Fig. 6 wird ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In Verfahrensschritt 600 werden erste elektrische Signale mit der ersten Gruppe der Lichtempfangselemente erzeugt. Gleichzeitig werden im Verfahrensschritt 601 zweite elektrische Signale durch die Wandlung der zweiten Gruppe der Lichtempfangselemente erzeugt. Aus den ersten und den zweiten elektrischen Signalen ermittelt in Verfahrensschritt 602 die erfindungsgemäße Anordnung die Entfernung der Anord- nung zu einem Objekt.
Bezuaszeichen
LI 1 bis Li6 Laser-LiDAR- odule
OB Objekt
R Richtung
V Fahrzeug
LD Lasertreiber
L Laser
PG Pulsgenerator
01 , 02, 03 Optik
VSPAD Vorspannung für SPAD
VPD Vorspannung für Photodiode
SPAD Single-Photon-Avalanche-Diode
PD Photodiode
RQ Qench-Widerstand
zPz1 , 2 zeitkorrelierte Photonenzählung
A Auswertung
S Signalverarbeitung
TDC1 bis 3 Zeit-Digital-Wandlung
H1 , 2 Histogramm
RC Rampenzähler
DA Digital-Analog-Wandlung
TIA Transimpedanzverstärker
Comp Komparator
I Inverter
SPADA Feld von SPADs
PDC Spalte von Photodioden
PD1 bis 3 Spalten von Photodioden
SPAD1 bis 3 Spalten von Single-Photon-Avalanche-Dioden
600 bis 602 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Ermittlung einer Entfernung wenigstens eines Objekts mit Lichtsignalen mit:
- einer ersten Gruppe von Lichtempfangselementen, die die Lichtsignale in ers- te elektrische Signale wandeln,
- einer zweiten Gruppe von Lichtempfangselementen, die die Lichtsignale in zweite elektrische Signale wandeln,
- einer ersten Signalverarbeitung, die anhand der ersten elektrischen Signale mittels einer zeitkorrelierten Photonenzählung in Abhängigkeit von einem Startsignal für die Emission der Lichtsignale die Entfernung ermittelt,
- einer zweiten Signalverarbeitung, die sich von der ersten Signalverarbeitung unterscheidet und die anhand der zweiten elektrischen Signale in Abhängig- keit von dem Startsignal die Entfernung ermittelt,
- die Lichtempfangselemente der ersten Gruppe weisen eine höhere Empfind- lichkeit für die Wandlung der Lichtsignale in die elektrischen Signale auf als die Lichtempfangselemente der zweiten Gruppe.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Signal- verarbeitung eine zeitkorrelierte sequenzielle Abtastung ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten elektrischen Signale analog sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitkorre- lierte sequenzielle Abtastung die zweiten elektrischen Signale mit wenigstens ei- nem Rampensignal vergleicht und ein Ausgangssignal dieses Vergleichs einer ersten Zeit-Digital-Wandlung und invertiert einer zweiten Zeit-Digital-Wandlung zuführt, wobei die erste und die zweite Zeit-Digital-Wandlung durch das Startsignal gestartet werden und ausgangsseitig mit einem Histogramm verbunden sind, um dieses Histogramm mit Histogrammwerten zu füllen.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe Single-Photon-Avalanche-Dioden oder Siliziumphoto- multiplier als Lichtempfangselemente und die zweite Gruppe Photodioden oder Avalanche-Photodioden als Lichtempfangselemente aufweisen.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden oder die Avalanche-Photodioden am Rande eines Halbleiterbausteins, auf dem sich die Single-Photon-Avalanche-Dioden befinden, angeordnet sind.
7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodioden oder Avalanche-Photodioden zwischen den Single-Photon-Avalanche-Dioden an- geordnet sind, vorzugsweise spaltenweise oder zeilenweise getrennt.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfangselemente der ersten und der zweiten Gruppe jeweils eine zugeordnete Empfangsoptik aufweisen.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des wenigstens einen Rampensignals wenigstens ein Rampenzähler vorgesehen ist, der mit jedem Startsignal bis zu einem vorge- gebenen Endwert in seinem Zählwert erhöht wird, wobei der Zählwert an wenigstens einen Digital-Analog-Wandler ausgegeben wird, der ausgangsseitig mit dem Vergleicher verbunden ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kehrwert einer Anstiegszeit des wenigstens einen Rampensignals ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Pulse der zeitkorrelierten Photonenzählung ist.
1 1 .Verfahren zur Ermittlung einer Entfernung zu wenigstens einem Objekt mit Licht- signalen mit folgenden Verfahrensschritten:
- Die Lichtsignale werden durch eine erste Gruppe von Lichtempfangselemen- ten in erste elektrische Signale gewandelt.
- Die Lichtsignale werden durch eine zweite Gruppe von Lichtempfangselemente in zweite elektrische Signale gewandelt. - Anhand der ersten elektrischen Signale wird mittels einer zeitkorrelierten Pho- tonenzählung in Abhängigkeit von einem Startsignal für die Emission der Lichtsignale die Entfernung ermittelt
- Anhand der zweiten elektrischen Signale wird mit mittels einer weiteren Signalverarbeitung, die verschieden von der zeitkorrelierten Photonenzählung ist, in Abhängigkeit von dem Startsignal die Entfernung ermittelt.
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