使用多个雪崩光电二极管元件检测光制造技术

本申请涉及使用多个雪崩光电二极管元件检测光。提出了一种光接收器(22)，该光接收器具有多个雪崩光电二极管元件(24)，这些雪崩光电二极管元件各自可以在高于击穿电压的偏置电压下进行偏置并且因此可以在盖革模式下运行，其中雪崩光电二极管元件(24)构成多个组，并且该光接收器具有控制单元(30)，以改变相应组的雪崩光电二极管元件(24)的灵敏度。在此，控制单元(30)被设计成分别在分配给一组雪崩光电二极管元件的至少一个时间点改变该组雪崩光电二极管元件(24)的灵敏度，其中不同的时间点被分配给这些组。

Detection of light using multiple avalanche photodiode elements

【技术实现步骤摘要】
使用多个雪崩光电二极管元件检测光本专利技术涉及根据权利要求1或15的前序部分的光接收器和使用多个雪崩光电二极管元件检测光的方法。光接收器具有根据入射的接收光产生电信号的功能。简单的光电二极管的指示灵敏度在许多应用情况中是不够的。在雪崩光电二极管(APD，AvalanchePhotoDiode)中，入射光触发受控的雪崩击穿(AvalancheEffect(雪崩效应))。因此，由入射的光子产生的带电粒子倍增，并且产生与光接收强度成比例但在此明显大于简单PIN二极管的光电流。在所谓的盖革模式中，雪崩光电二极管被偏置到(Bias)高于击穿电压(Breakdownvoltage)，使得由单光子释放的单个带电粒子就已经可以触发雪崩，该雪崩随后由于高场强而吸收所有可用的带电粒子。因此，如命名的盖革计数器一样，雪崩光电二极管可以对单个事件进行计数。盖革模式下的雪崩光电二极管也被称为SPAD(单光子雪崩二极管)。因此，盖革APDS或SPAD是基于半导体的、非常快速的、高灵敏度的光电二极管。高灵敏度的一个缺点在于，不仅有效光光子，而且由外来光、光学串扰或暗噪声引起的弱干扰事件，都可能触发雪崩击穿。然后，该干扰事件使测量结果具有与接收的有效光相等的相对强的信号，并且由此还不能从信号中区分出来。随后，雪崩光电二极管的灵敏度在约5ns至100ns的死区时间(Totzeit)或恢复时间内大幅降低，使得该灵敏度在此期间对于进一步的测量实际上是无效的。因此，通常以统计方式对多个SPAD进行评估。典型的带有SPAD的硅光电倍增管(SiPM)具有几千个SPAD。带有SPAD的光接收器也适于通过激光脉冲来测量距离的光飞行时间(TOF，TimeofFlight)测量。在此，例如TDC(时间数字转换器)在激光脉冲的发送时间点开始，并且在激光脉冲被目标对象反射之后接收到激光脉冲时再次停止。例如，在无光接收的情况下有大量暗事件或者大量外来光照射的较高温度下，所描述的死区时间效应可能会干扰测量能力。在任何情况下，在确定接收时间点时都应该考虑到这一点，因为否则测量值将被歪曲，特别是当恢复时间内被目标对象反射回来的光子的数量显著超过像素总数时如此。但是，现有技术对此没有提供令人满意的解决方案。EP2708914A1公开了一种用于拍摄深度图的基于SPAD的传感器，其中由MEMS反射镜偏转的发射光束扫描场景。在每种情况下，只有以下SPAD是激活的，在这些SPAD上使通过发射光束照亮的场景区域成像。这有助于通过扫描分辨位置，但并没有以任何方式改善被扫描的位置处的相应的距离测量。从EP3270182A1已知另一种具有盖革模式的雪崩光电二极管的传感器。这些雪崩光电二极管的灵敏度通过偏置电压被动态地调整(anpassen)。在一个实施方式中，灵敏度最初被设置为低，并随后根据光的传播速度增加。因此，提高了由于最初灵敏度较低尚未被触发的雪崩光电二极管即使在远处对象的回波上也可供使用的概率。但在不利条件下(例如，大量外来光)，这种措施是不够的，并且仍未完全考虑由于死区时间的效应而引起的测量值的歪曲。在EP3339887A1中，提出了一种用于基于SPAD的光接收器的所谓电子光阑。通过在光接收器上不同地调整偏置电压或在读取时抑制特定SPAD的信号，电子光阑确保灵敏度的空间分布。作为示例性图案，提出了具有交替激活和未激活的SPAD的棋盘。然后，该图案保持固定，并且因此不再进一步讨论该图案有哪些益处。DE102014207599A1公开了一种光电探测器，其每个像点具有多个雪崩光电二极管，这些雪崩光电二极管依次彼此有时间延迟地被激活。单个激活的持续时间小于再生时间，但是在像点的雪崩光电二极管的总和上，持续时间大于再生时间，使得能够实现连续操作。然而为此，每个像点需要大数量的雪崩光电二极管。此外，所有像点的激活顺序均相同，使得相应激活的雪崩光电二极管的空间分布没有灵活性。因此，本专利技术的任务在于改进雪崩光电二极管对测量的适应性。该任务通过根据权利要求1或权利要求15的光接收器和使用多个雪崩光电二极管元件检测光的方法来解决。如果高于击穿电压的偏置电压(偏压)被施加到雪崩光电二极管元件上，则这些雪崩光电二极管元件在盖革模式下运行。雪崩光电二极管元件被组合成多个组，其中一组的雪崩光电二极管元件特别以图案状分布在光接收器上。控制单元可以逐组地改变雪崩光电二极管元件的灵敏度。本专利技术基于以时间顺序调节多个组的灵敏度的基本思想。因此，借助多个组将时间分布添加至空间分布。为这些组分配了不同的时间点，优选以完全不同的方式进行分配，使得没有两个时间点是相同的。在所分配的时间点，一组雪崩光电二极管被设置到与该时间点和/或该组相关联的灵敏度。该灵敏度可以是配置或存储值，但还可以通过电路预先设定，例如通过雪崩光电二极管的互连电路中的电阻值、电容等。优选地，灵敏度的变化包括激活或去激活(deaktivieren)的极端情况，特别是以在线性模式和盖革模式之间切换的形式。在这两者之间，灵敏度的系数为105-106，这相当于激活和去激活。本专利技术的优点在于，实现了对测量要求具有高度灵活性和适应性。为此，雪崩光电二极管的多个组被适当地分布在表面上，并且这些组的灵敏度以一定的时间顺序被调整。这特别地可以针对光飞行时间测量进行优化，以便通过黑白偏移(Schwarz-Weiβ-Verschiebung)来有效且低成本地校正测量误差或避免测量误差。此外，为了改进信噪比和功耗低，减少了交替激活的暗触发器例如在两个组的情况下减少到大约一半。优选地，控制单元被设计成通过升高偏置电压以高于击穿电压来激活雪崩光电二极管元件和/或通过降低偏置电压以低于击穿电压去激活这些雪崩光电二极管元件。在这里，灵敏度不仅逐渐地改变，而且还通过在线性模式(APD模式)和盖革模式之间的切换来激活和/或去激活。优选地，控制单元被设计成通过分配给一组的、高于击穿电压的过电压来改变灵敏度。击穿电压是盖革模式所需的最小偏置电压。然而，准确地说，在该极限值下，光子探测效率(PDE)和增强仍然为零。只有当偏置电压超过击穿电压时，入射光子才会被转换成相应的盖革电流脉冲，其中触发概率随着过电压而增加。因此，借助不同的过电压实现了在不同灵敏度的组下的逐渐的灵敏度控制。还可以设想的是，为同一组在两个不同的时间点赋予不同的过电压以及由此不同的灵敏度。优选地，设置了光飞行时间测量单元，该光飞行时间测量单元被设计成根据雪崩光电二极管元件的信号来确定光脉冲的光飞行时间。为此，优选地，从信号导出的接收时间点例如借助TDC与发射光脉冲的以光学或电学方式获得的参考时间点进行比较。由于在盖革模式的单个雪崩光电二极管中，测量事件与干扰事件是不可区分的，所以优选对多个雪崩光电二极管或测量重复使用统计方法。优选地，时间点为每个组定义至少一个适应时间窗口，在该适应时间窗口的起始处，控制单元将雪崩光电二极管元件设置到分配给该组的灵敏度，并且在该适应时间窗口的结束处，控制单元将雪崩光电二极管元件设置到先前的灵敏度。特别地，适应时间窗口是激活时间窗口，在该激活时间窗口的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光接收器(22)，具有多个雪崩光电二极管元件(24)，所述雪崩光电二极管元件各自能够在高于击穿电压的偏置电压下进行偏置并且因此能够在盖革模式下运行，其中所述雪崩光电二极管元件(24)形成多个组，并且所述光接收器具有控制单元(30)，以改变相应组的雪崩光电二极管元件(24)的灵敏度，/n其特征在于，/n所述控制单元(30)被设计成分别在分配给一组雪崩光电二极管元件的至少一个时间点改变所述一组雪崩光电二极管元件中的雪崩光电二极管元件(24)的灵敏度，其中不同的时间点被分配给这些组。/n

【技术特征摘要】
20180817 DE 102018120141.91.一种光接收器(22)，具有多个雪崩光电二极管元件(24)，所述雪崩光电二极管元件各自能够在高于击穿电压的偏置电压下进行偏置并且因此能够在盖革模式下运行，其中所述雪崩光电二极管元件(24)形成多个组，并且所述光接收器具有控制单元(30)，以改变相应组的雪崩光电二极管元件(24)的灵敏度，
其特征在于，
所述控制单元(30)被设计成分别在分配给一组雪崩光电二极管元件的至少一个时间点改变所述一组雪崩光电二极管元件中的雪崩光电二极管元件(24)的灵敏度，其中不同的时间点被分配给这些组。


2.根据权利要求1所述的光接收器(22)，其中，所述控制单元(30)被设计成通过升高所述偏置电压以高于所述击穿电压来激活雪崩光电二极管元件(24)和/或通过降低所述偏置电压以低于所述击穿电压来去激活雪崩光电二极管元件(24)。


3.根据权利要求1或2所述的光接收器(22)，其中，所述控制单元(30)被设计成通过分配给所述一组雪崩光电二极管元件的、高于所述击穿电压的过电压来改变灵敏度。


4.根据前述权利要求中任一项所述的光接收器(22)，其中，设置了光飞行时间测量单元(28)，所述光飞行时间测量单元被设计成根据所述雪崩光电二极管元件(24)的信号确定光脉冲的光飞行时间。


5.根据前述权利要求中任一项所述的光接收器(22)，其中，所述时间点定义每组雪崩光电二极管元件的至少一个适应时间窗口，在所述适应时间窗口的起始处，所述控制单元(30)将所述雪崩光电二极管元件(24)设置到分配给该组雪崩光电二极管元件的灵敏度，并且在所述适应时间窗口的结束处，所述控制单元(30)将所述雪崩光电二极管元件(24)设置到先前的灵敏度。


6.根据前述权利要求中任一项所述的光接收器(22)，其中，不同组的时间点被分布在事件时间窗口上。


7.根据权利要求6所述的光接收器(22)，其中，所述事件时间窗口具有与光脉冲相对应的持续时间。


8.根据前述权利要求中任一项所述的光接收器(22)，其中，所述时间点被分布成使得另一组雪崩光电二极管元件(24)各自交替为特别灵敏的，特别是以周期性的重复而各自交替为特别灵敏的。


9.根据前述权利要求中任一项所述的光接收器(22)，其中所述雪崩光电二极管元件(24)形成矩阵布置，并且其中在将所述矩阵布置划分成由栅格元件(32)组成的栅格时，每个组在每个栅格...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨沙·施泰因科格勒，马丁·马拉，克劳斯·克莱门斯，
申请(专利权)人：西克股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE