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EP-4239370-B1 - LIGHT MODULE AND LIDAR DEVICE COMPRISING AT LEAST ONE SUCH LIGHT MODULE

EP4239370B1EP 4239370 B1EP4239370 B1EP 4239370B1EP-4239370-B1

Inventors

  • SROWIG, ANDRE
  • Finkeldey, Fabian

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20210107

Claims (4)

  1. An optical unit for a LIDAR device, the LIDAR device being provided with - one or more light modules, each light module being provided with - a carrier (TR) provided with an upper side (TRO), in which a circuit die with integrated circuits is arranged, - wherein the circuit die has an upper side, - a transistor (T dis ), in particular a power transistor, formed in the upper side of the circuit die, - wherein the transistor (T dis ) has a conduction path (LPF) which can be switched to a conducting or blocking state, said path having a first end portion (LPF1) and a second end portion (LPF2), of which the first end portion (LPF1) is electrically connected with a first conduction path terminal field (TAF1) and the second end portion (LPF2) is electrically connected with a second conduction path terminal field (TAF2), which are both exposed at the upper side (TRO) of the carrier (TR), and wherein the transistor (T dis ) comprises a control terminal (GT dis ) for switching the conduction path (LPF) to a conducting or blocking state, - a light-emitting diode die (D1D) comprising a light-emitting diode, in particular a light-emitting diode die comprising a laser diode, with a lower side comprising a first terminal field (DAF1) and an upper side comprising a second terminal field (DAF2), - wherein the light-emitting diode die (D1D) is arranged with its first terminal field (DAF1) located on the first conduction path terminal field (TAF1) of the transistor (T dis ), and these two terminal fields are electrically connected with one another, - a charge storage component (LSBT) comprising a charge storage (C1 to Cn), said component comprising a lower side having a first terminal field (LAF1) and an upper side having a second terminal field (LAF2), - wherein the charge storage component (LSBT) is arranged with its first terminal field (LAF1) located on the second conduction path terminal field (TAF2) of the transistor (T dis ), and these two terminal fields are electrically connected with one another, - at least one first bonding wire (BD1) which electrically connects the second terminal field (DAF1) of the light-emitting diode die (D1D) with the second terminal field (LAF2) of the charge storage component (LSBT), - a charging circuit (B1 to Bn) for charging the charge storage component (LSBT) with electric charge, the circuit being integrated in the circuit die and having an output, and - a control circuit (CTR) for controlling the transistor (T dis ) and the charging circuit (B1 bis Bn), the control circuit being integrated in the circuit die, - wherein the charging circuit (B1 bis Bn) has assigned thereto a charge terminal field (AF) exposed on the upper side (TRO) of the carrier (TR), with which the output of the charging circuit (B1 bis Bn) is electrically connected, - wherein the charge terminal field (AF) of the charging circuit (B1 bis Bn) is electrically connected with the second terminal field (LAF2) of the charge storage component (LSBT) via at least one second bonding wire (BD2), and - wherein the control circuit (CTR) controls the charging circuit (B1 bis Bn) to charge the charge storage component (LSBT) up to a degree of charge necessary for the generation of a light pulse by the light-emitting diode die (D1D) and then controls the transistor (T dis ) to switch its conduction path (LPF) to a conducting state, - wherein the light-emitting diode die (D1D) of each light module emits a light beam with an elliptical cross-section, - wherein each light beam has a light beam axis, - wherein the light beam axes of the light diode dies (D1D) of each light module are substantially located on a common light beam axis plane, and an optical axis is located in the light beam axis plane, - a lens arranged on the optical axis, which expands each light beam in a direction perpendicular to the laser beam axis plane, so that for each of the light beams, a light fan is obtained in a light fan plane perpendicular to the light beam axis plane, - a photo sensor (S) with a photo detector array comprising a plurality of photo detector lines each having a plurality of photo detector pixels, and - imaging optics for real optical imaging of a scene illuminated by the light fans onto the photo sensor (S), - wherein the imaging optics images the projection of the light beam fans in the far field onto an ideally homogeneously white or substantially diffusely, uniformly and homogeneously reflecting projection plane perpendicular to the optical axis of the light beam axis plane onto the photo sensor (S) as an image of the scene in the form of a projection image of the light beam fans. - wherein - the lens is formed such that the value of the illumination intensity of a first section of the image of the projection of a first light beam fan onto a first photo detector pixel of the photo detector array of the photo sensor (S) differs by no more than 10%, or by no more than 5%, or by no more than 2% from the value of the illumination intensity of a second section of the image of the projection of the first light beam fan, different from the first section, onto a second photo detector pixel, different from the first photo detector pixel, or of a second light beam fan onto a second photo detector pixel different from the first photo detector pixel of the photo detector array of the photo sensor (S), - the lens has a first surface and a second surface facing away therefrom, - the first surface is defined by a function in the form of z = RY + AR 2 * x 2 + AR 3 * x 3 − Sign RY * Sqrt RY 2 − y 2 + PB 2 * x 2 + PB 3 * x 3 + PB 4 * x 4 + PB 6 * x 6 + PC 2 * x 2 + PC 3 * x 3 with RY = R 0 Y + AR 2 * x 2 + AR 3 * x 3 , Sign() as a signum function of a function parameter, Sqrt() as the square root of a function parameter, x for a point along the width of the lens, y for a point along the height of the lens, z for a point along the thickness and thus along the direction of the optical axis, starting from the x-y center plane of the lens, and R0Y as a radius of curvature of the lens, - the second surface is defined by a function in the form of z = − d + PC 2 * x 2 + PC 3 * x 3 , where d is the thickness of the lens in the optical center, - wherein the parameters PB2 and PB3 are different from zero, and - at least two of the parameters AR2, AR3, PB4, PB6, PC2 und PC3 are different from zero.
  2. The optical unit according to claim 1, characterized in that - the parameters AR2 and AR3 are different from zero, and - at least two of the parameters PB4, PB6, PC2 and PC3 are different from zero.
  3. The optical unit according to claim 2, characterized in that - the parameters PB4 and PB6 are different from zero, and - at least one of the parameters PC2 and PC3 is different from zero.
  4. The optical unit according to claim 3, characterized in that both parameters PC2 and PC3 are different from zero.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul und eine LIDAR-Vorrichtung mit mindestens einem derartigen Lichtmodul sowie ferner eine Optik für eine LIDAR-Vorrichtung und eine integrierte Schaltung, insbesondere Treiberschaltung, z.B. für eine LIDAR-Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung auch die Anwendung einer LIDAR-Vorrichtung sowie eine Optikeinheit für eine LIDAR-Vorrichtung. LIDAR (Abkürzung für englisch: light 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 Licht- oder Laserstrahlen verwendet. Werden also beispielsweise Halbleiterlaser eingesetzt, so spricht man mitunter auch von LADAR (Abkürzung für englisch: light amplification by stimulation emission of radiation detection and ranging). Im Stand der Technik werden bevorzugt mechanische Spiegel für die Ablenkung der Licht- oder Laser-strahlen in verschiedene Richtungen benutzt. Aus DE-A-10 2009 060 873 ist eine Treiberschaltung für eine LED bekannt, wobei offengelassen ist, wie die Bauteile montiert werden sollen, um die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in optimaler Weise zu minimieren. In DE-A-10 2008 062 544 ist eine Laser-Array-Schaltung beschrieben. Aus DE-A-10 2016 116 368 ist ein Treiberschaltkreis für lichtemittierende optoelektronische Komponenten bekannt. Gemäß Fig. 1 dieser Schrift lädt der Aufladeschaltkreis 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14 einen Kondensator 18 bis 21 über einen Serienwiderstand 3. Die lichtemittierenden optoelektronischen Komponenten 22 bis 25 sind mit ihren Kathoden zu einem ersten Sternpunkt zusammengeschaltet. Ein Ansteuerschalter 26 verbindet diesen Sternpunkt mit dem Bezugspotenzial GND, wenn eine oder mehrere der lichtemittierenden optoelektronischen Komponenten Licht emittieren sollen. Ein Pufferkondensator Aufladeschaltkreises 9 dient der schnellen Ladung des eigentlichen Energiereservekondensators 18 bis 21. Bei diesem bekannten Konzept beeinträchtigt der Serienwiderstand die Energiebilanz. Aus US-B-10 193 304 ist eine Treiberschaltung bekannt, bei der die Aufladung der Kondensatoren derart erfolgt, dass der Strom unter der Ansprechschwelle der Laser bleibt. Aus EP-A-2 002 519 (siehe Fig. 2) ist ein kompakter Aufbau mit vier Lagen (zwei Leiterplatten, Kondensatoren, Laser und Schalt-IC) bekannt, der für die im Rahmen der Erfindung gesuchte Lösung zu komplex ist und zu langsam arbeitet. Aus EP-A-3 301 473 ist eine Ansteuerschaltung für eine einzelne LED bekannt, die zur Aussendung kurzer Impulse geeignet ist. Wie die erforderliche Induktivität erreicht werden kann, ist nicht beschrieben oder gezeigt. Aus DE-A-10 2016 116 369 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 DE-A-10 2008 021 588 ist eine Laseransteuerschaltung bekannt, bei der mehrere Ansteuerschalter parallelgeschaltet sind, so dass diese zeitversetzt zueinander Pulse generieren und zwischen den Pulsen abkühlen können, während andere Ansteuerschalter die weiteren Pulse erzeugen können. Aus DE-A-10 2017 121 713 sind Ansteuerschalter bekannt, die aus Untereinheiten bestehen, bei denen jede Untereinheit einen eigenen Kondensator zur Bereitstellung der Schaltenergie aufweist. Aus DE-A-199 14 362 und DE-A-19 514 062 ist jeweils eine Steuereinrichtung für einen Gas-Laser bekannt. Aus US-B-9 185 762 (DE-A-10 2014 105 482) ist eine Schaltung zur Verringerung der Ausschaltzeit einer Laser-Diode bekannt. Aus der DE-A-10 2017 100 879 ist eine Schaltung zum schnellen Ein- und Ausschalten einer einzelnen Laser-Diode bekannt. Dort wird auch ein Aufbaubeispiel gegeben. Aus DE-A-10 2018 106 860 und US-A-2018/0045882 sind zwei Varianten einer direkten 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. In DE-A-10 2018 106 860 ist ein Laserdioden-Modul beschrieben, bei dem mehrere Ladungsspeicherkondensatoren und mehrere Laserdioden-Dies auf einem Substrat angeordnet sind. Die elektrische Verbindung der Laserdioden mit einem Ansteuer-IC kann über einen Bonddraht erfolgen. Die Verbindung der Ladungsspeicherkondensatoren mit dem Ansteuer-IC erfolgt über einen Leiterrahmen (Lead Frame). Aus US-A-2018/0045882 ist ein Laser-Modul bekannt, bei dem auf einem Schaltungs-Die ein als Kantenemitter ausgebildete Laserdioden-Die sowie ein Ladungsspeicherkondensator angeordnet sind. In dem Schaltungs-Die ist unter anderem ein Leistungstransistor zum elektrischen Verbinden des Ladungsspeicherkondensators mit der Laserdiode angeordnet. Der Leitungspfad des Leistungstransistors ist über zwei Oberflächenkontakte des Schaltungs-