使用多个雪崩光电二极管元件检测光专利检索-雪崩击穿微电子学专利检索查询-专利查询网

使用多个雪崩光电 二极管元件检测光

阅读：523发布：2020-05-11

专利汇可以提供使用多个雪崩光电二极管元件检测光专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是使用多个雪崩光电二极管元件检测光专利的具体信息内容。

权利要求

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，
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，每个组在每个栅格元件(32)中具有至少一个雪崩光电二极管元件(24)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光接收器(22)，其中，两组雪崩光电二极管元件(24)形成棋盘图案。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光接收器(22)，其中，来自两个不同的组的每两个雪崩光电二极管元件(24a和24b)形成至少双雪崩光电二极管(124)，所述双雪崩光电二极管具有至少一个前雪崩光电二极管元件(24a)和至少一个后雪崩光电二极管元件(24b)，其中所述前雪崩光电二极管元件(24a)的雪崩击穿改变所述后雪崩光电二极管元件(24b)的灵敏度，特别是通过所述雪崩击穿引起所述后雪崩光电二极管元件(24b)上的偏置电压改变来改变所述后雪崩光电二极管元件(24b)的灵敏度，或反之亦然。
12.根据权利要求11所述的光接收器(22)，其中，所述双雪崩光电二极管(124)与互连单元(V、R1、R2、34)相关联，在雪崩击穿之前的静止状态中，所述互连单元将所述前雪崩光电二极管元件(24a)保持在高于所述击穿电压的偏置电压上，并且将所述后雪崩光电二极管元件(24b)保持在低于所述击穿电压的偏置电压上，或反之亦然，其中所述互连单元特别地具有分压电路(R1、R2、34)。
13.根据权利要求11或12所述的光接收器(22)，其中，设置了延迟电路，在所述前雪崩光电二极管元件(24a)中的雪崩击穿之后，所述延迟电路在预先设定的延迟时间之后激活或去激活所述后雪崩光电二极管元件(24b)，或反之亦然。
14.一种光电传感器(10)，具有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的光接收器(22)，其中，所述传感器(10)特别是测量距离的传感器(10)，所述测量距离的传感器具有用于发射光信号(14)的光发射器(12)和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发射所述光信号(14)与接收被监测区域(16)中的对象(18)漫反射的光信号(20)之间的光飞行时间来确定所述对象(18)的距离。
15.一种使用多个雪崩光电二极管元件(24)检测光(20)的方法，所述雪崩光电二极管元件(24)各自至少分阶段地在高于击穿电压的偏置电压下进行偏置并且因此在盖革模式下运行，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，
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，其中将不同的时间点分配给这些组。

说明书全文

使用多个雪崩光电 二极管元件检测光

[0001] 本发明涉及根据权利要求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。

[0002] 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，Avalanche Photo Diode)中，入射光触发受控的雪崩击穿(Avalanche Effect(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)。

[0003] 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。

[0004] 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，Time of Flight)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。

[0005] 但是，现有技术对此没有提供令人满意的解决方案。EP 2 708 914A1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。

[0006] 从EP 3 270 182 A1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。

[0007] 在EP 3 339 887 A1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。

[0008] DE 10 2014 207 599 A1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。

[0009] 因此，本发明的任务在于改进雪崩光电二极管对测量的适应性。

[0010] 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。

[0011] 本发明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。

[0012] 本发明的优点在于，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。

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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起始处激活雪崩光电二极管，并且在该激活时间窗口的结束处去激活这些雪崩光电二极管。可以有多个这样的时间窗口。可替代地，可以设想的是，借助时间点仅以级联的方式激活多个组或者将这些组设置到期望的灵敏度，而不将这些组共同地复位或者仅在较长的时间之后(例如,在测量结束时)将这些组共同地复位。

[0017] 优选地，不同的组的时间点分布在事件时间窗口上。因此，时间点是错开的，使得这些组划分事件时间窗口，优选规则地划分事件时间窗口。在此优选地，在每个瞬时只有一个组是激活的或特别灵敏的。可替代地，可以给定感兴趣的时间，例如，在预期的测量事件中，在这些感兴趣的时间多个组是激活的或特别灵敏的，或者反过来，可以创建屏蔽时间窗口，在这些屏蔽时间窗口中所有组都是未激活或不灵敏的。这种屏蔽的示例是光飞行时间测量中的前板反射(Frontscheibenreflex)，该前板反射将雪崩光电二极管元件不必要地偏置到死区时间中，这可以通过光脉冲发射后不久的未激活的时间间隔来避免。

[0018] 优选地，事件时间窗口具有与光脉冲对应的持续时间。特别地，利用光脉冲测量光飞行时间，并且该光脉冲涉及至多几纳秒长(如果可能的话甚至仅在皮秒范围内)的非常短的光脉冲。事件时间窗口不必正好具有光脉冲的持续时间，因为接收脉冲无论如何都会不理想地与发射脉冲相对应，因此数量级就足够了。

[0019] 可替代地，事件时间窗口与测量时间窗口相对应，例如与光脉冲在到达光飞行时间法的有效范围的边界的来回程上所需的持续时间相对应。然而，在这种情况下，接收脉冲通常仅在一个组中被探测到，最多在两个组中被探测到，使得这仅是针对由外来光和暗噪声引起的一般干扰的措施，但是几乎不能改善接收脉冲本身的测量分辨率。

[0020] 优选地，周期性地重复时间点的顺序，特别是通过一个事件时间窗口分别跟随着以相同方式处理的另一个事件时间窗口来重复时间点的顺序。因此，相应的时间窗口可以保持较短，在这些时间窗口中，一个组被设置到特定的灵敏度，并且经由周期性重复，即使有几个组也可以覆盖较大的时间区间。

[0021] 优选地，时间点以如下方式分布，使得在另一组的雪崩光电二极管元件各自交替为特别灵敏的。因此，灵敏的组根据由时间点预先设定的顺序彼此交替。特别地，在每种情况下只有一个组是激活的，而其余组是去激活的。优选地，仅存在几个组，即两个、三个、四个、五个或六个至十个组。如果这些组划分最多几纳秒的数量级的光飞行时间法的典型脉冲持续时间，则在通过所有组后仍完全没有跨过死区时间。但这也不是必然的，因为只有接收的光脉冲触发大部分的雪崩光电二极管。因此，通过优选的周期性地重复顺序，用仍然很大比例的不处于其死区时间中的雪崩光电二极管来检测接收脉冲。在接收脉冲之后，测量无论如何都会结束，直至所有雪崩光电二极管均已恢复的测量重复。对于多目标系统可以保留至少一个另外的组群以用于探测稍后的接收脉冲。

[0022] 优选地，雪崩光电二极管元件形成矩阵布置，其中在将矩阵布置划分成由栅格元件组成的栅格时，每个组在每个栅格元件中具有至少一个雪崩光电二极管元件。在此，n×m雪崩光电二极管的矩阵布置被划分成由带有i×j雪崩光电二极管的多个栅格元件组成的栅格。来自每个组的至少一个雪崩光电二极管位于每个栅格元件中。因此，在光接收器上产生相当大的灵敏度。

[0023] 优选地，两组雪崩光电二极管元件形成棋盘图案。在此，可以设想不同的粒度其中具有k个雪崩光电二极管的区域分别属于棋盘的相同图案元件。棋盘图案可以理解为由具有两组的栅格元件组成的栅格的特殊情况，其附加条件是在每相邻的栅格元件中，雪崩光电二极管的灵敏度的设置顺序相反。

[0024] 优选地，来自两个不同组的两个雪崩光电二极管分别形成至少双雪崩光电二极管，该双雪崩光电二极管具有至少一个前雪崩光电二极管和至少一个后雪崩光电二极管，其中前雪崩光电二极管的雪崩击穿改变后雪崩光电二极管的灵敏度。术语前雪崩光电二极管(Lawinenphotodiaode)和后雪崩光电二极管(Lawinenphotodiode)仅用于概念方面的可区分性并且遵循优选的时间顺序。事实上，两个雪崩光电二极管可以被构造成相同的或可更换角色。在双雪崩光电二极管中，后雪崩光电二极管被激活的时间点通过触发前雪崩光电二极管而被自动地控制。特别优选地，前雪崩光电二极管的雪崩击穿引起后雪崩光电二极管上的偏置电压变化。在此，可以设想的是在两个方向上的变化(即，升高和降低)，并且这种变化可以借助经适应的过电压来逐渐设置灵敏度或可以跨越击穿电压的阈值，并因此有效地激活或去激活后雪崩光电二极管。

[0025] 按次序地切换至少双雪崩光电二极管具有许多优点。这种切换对像素串扰产生抑制作用。通过以较高的过电压驱动完好的雪崩光电二极管而仅以击穿电压驱动有故障的雪崩光电二极管，可以抑制错误触发的有故障的雪崩光电二极管。可以减少在探测事件中引起雪崩消失的熄灭电阻并因此获得更高的输出信号。尤其通过串联前雪崩光电二极管和后雪崩光电二极管，光接收器的输出电容可以被减少到四分之一：用n/2个各自具有一半电容的双单元代替n个具有n个并联电容的单元。可以将双单元的概念扩展到具有k个雪崩光电二极管的链的k倍雪崩光电二极管，其中雪崩光电二极管中的雪崩随后分别改变在链中的下一个雪崩光电二极管的灵敏度。两个雪崩光电二极管之间的转换可以在没有电干扰的情况下进行，即在切换过程中不产生干扰信号。单独控制第二雪崩光电二极管的切换消耗是最小的并且例如仅需要耦合电阻。死区时间或恢复时间可能受到对耦合电阻和电容的选择的影响和控制。通过减少同时激活的相邻雪崩光电二极管的数量可以减少电串扰和光学串扰。

[0026] 优选地，双雪崩光电二极管与互连单元相关联，在雪崩击穿之前的静止状态下，该互连单元将前雪崩光电二极管保持在高于击穿电压的偏置电压上，并且将后雪崩光电二极管保持在低于击穿电压的偏置电压上。为此，特别地设置了分压电路，该分压电路是非常简单且低成本的实施方案。该分压电路对在数量级上是击穿电压两倍的总电压进行不对称地分配。在静止状态下，仅前雪崩光电二极管被供应为高于击穿电压并且因此是激活的。当雪崩击穿时，该前雪崩光电二极管变成低电阻的，使得现在后雪崩光电二极管上被施加更高的电压，该更高的电压使该后雪崩光电二极管越过击穿电压并且因此进入盖革模式且被激活。

[0027] 可替代地，总电压以及比例如下，使得前雪崩光电二极管和后雪崩光电二极管被供应不同的过电压，并且因此它们的灵敏度逐渐区分开，其中雪崩击穿改变灵敏度的比例。在另一个实施方式中，一个雪崩光电二极管中的雪崩击穿并不引起另一个雪崩光电二极管的激活，而是去激活，该另一个雪崩光电二极管的偏置电压被降低到击穿电压以下。因此，在静止状态下，两个雪崩光电二极管均是激活的。在接收信号强的情况下，接收的雪崩光电二极管抑制其对方的接收信号。这防止了过度控制，并且一旦第二雪崩光电二极管的偏置电压在接收的雪崩光电二极管中的雪崩事件之后再次立即上升到击穿电压以上时，该第二雪崩光电二极管就可供进一步探测使用而无需用于充电的恢复时间。

[0028] 可以为每个双雪崩光电二极管设置分压器以及由此相应施加的电压，但是对于多个雪崩光电二极管分压器还可以设置成并联连接，特别是设置成一行或一列。分配比可以由开关元件固定或设置。

[0029] 优选地，设置了延迟电路，在前雪崩光电二极管中的雪崩击穿后，该延迟电路在可预先设定的延迟时间之后激活或去激活后雪崩光电二极管。延迟时间可以由延迟电路的元件确定，或者该延迟时间可以通过控制装置进行设置。对分压器的比例的选择是影响经过跨越偏置电压所需的电压差的延迟时间的一种方案。

[0030] 在有利的改进方案中，设置了具有至少一个根据本发明的光接收器的光电传感器，其中该传感器被设计成用于距离测量和/或被设计成读码器和/或被设计用于数据传输。距离可以例如在三角测量扫描器或立体相机中通过三角测量来确定。光接收器在光电传感器中的其他非穷尽的应用是读码或数据传输或这些应用在传感器中的组合。

[0031] 特别优选地，该传感器是测量距离的传感器，其具有用于发射光信号的光发射器和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发射光信号与接收被监测区域中的对象漫反射(remittieren)的光信号之间的光飞行时间来确定对象的距离。优选地，光信号具有光脉冲，并且传感器根据脉冲法测量距离。在此，还可以设想更复杂的形式，例如双脉冲或者甚至脉冲代码。还可以相继地发射、接收多个光脉冲并且例如在脉冲平均法中共同以统计方式评估各个单独结果。根据光飞行时间原理，光飞行时间法可以用于一维距离扫描器、激光扫描仪或3D相机的图像传感器。

[0032] 根据本发明的方法可以以类似的方式扩展，并同时显示出类似的优点。这些有利的特征是示例性的，但在从属于独立权利要求的从属权利要求中非穷尽地进行了描述。附图说明

[0033] 下面将示例性地根据实施方式并参考附图更详细地解释本发明以及其他特征和优点。在附图中：

[0034] 图1示出了具有光接收器的光电传感器的示意图，该光接收器具有处于盖革模式的多个雪崩光电二极管元件；

[0035] 图2示出了由于死区时间仅部分被检测的接收脉冲的图示；

[0036] 图3示出了雪崩光电二极管元件的棋盘图案类型的在时间上交替激活的示意图；

[0037] 图4示出了接收脉冲的图示，该接收脉冲可以被依次激活的雪崩光电二极管元件组完整检测到；

[0038] 图5示出了顺序激活的雪崩光电二极管元件组的栅格划分的示意图；

[0039] 图6示出了依次激活的雪崩光电二极管元件的其他图案的示例；

[0040] 图7示出了具有两个雪崩光电二极管元件的双雪崩光电二极管的示意电路图，其中一个雪崩光电二极管元件中的雪崩击穿改变另一个雪崩光电二极管元件的灵敏度；

[0041] 图8示出了以类似于图3的棋盘图案类型的在时间上交替激活的图示，但是使用了根据图7的双雪崩光电二极管；以及

[0042] 图9示出了与分压器并联连接的多个双雪崩光电二极管的示意图。

[0043] 图1在作为单光束光扫描仪的实施方式中示出了光电传感器10的示意图。光发射器12(例如，LED或激光光源)将光信号14发射到监测区域16中。如果该光信号在监测区域遇到对象18，则光信号的一部分被漫反射或反射，并作为漫反射的光信号20返回至光接收器22。该光接收器22包括处于盖革模式的多个雪崩光电二极管元件24或多个SPAD。雪崩光电二极管元件24的接收信号由控制和评估单元26读取并且在该控制和评估单元进行评估。

[0044] 在图示中，仅非常示意性地且在纯功能性的层面上突出控制和评估单元26的两个区块，即光飞行时间测量单元28和控制单元30。光飞行时间测量单元28测量从发射光信号14到接收漫反射的光信号20的光飞行时间，并且通过光速将该光飞行时间换算成距离。如果传感器10具有与通过光飞行时间法确定距离不同的任务，则不存在光飞行时间测量单元
28。如下文将详细解释的，控制单元30能够逐组地改变雪崩光电二极管元件24的灵敏度。

[0045] 在实际的实施方式中，传感器10具有其他元件，特别是发射光学器件和接收光学器件以及接口，为了简化，这里不再讨论这些元件。图1中的光接收器22与控制和评估单元26的分离在实践中也是可设想的，但该分离主要用于阐述。优选地，这些元件至少部分地集成在共同的芯片上，该芯片的表面分为雪崩光电二极管元件24的光敏区域以及与单个雪崩光电二极管元件24或雪崩光电二极管元件24组相关联的、用于其评估与控制的电路。

[0046] 此外，覆盖光接收器22的一小部分的光发射器12的光学布置是纯示例性的。可替代地，还可以使用其他已知的光学解决方案，例如利用分束器和共同的光学器件的自动准直，或者光瞳分割，其中设置了两个分开的光学器件，并且光发射器和光接收器并排地布置。

[0047] 所示的单光束传感器10总体也仅理解为示例。监测区域16可以通过移动激光扫描仪中的光束来扩展，即通过旋转镜或者具有光发射器12和/或光接收器22的整体旋转的测量头来扩展。因此，可以组合多个单光束系统，以便形成具有多个主要为平行的光束的光网格(Lichtgitter)，该光网格特别是作为每个光束中的扫描光网格来进行测量或监测。可以用雪崩光电二极管元件24单独测量或以空间分辨的方式逐组地测量，从而产生3D相机。也可以设想移动系统，其中传感器10被可移动地安装。

[0048] 图2从上至下依次示出了雪崩光电二极管元件24的累积的接收信号在强接收脉冲范围内的时间曲线的三个图示。为此，绘制了触发的雪崩光电二极管元件24相对于时间的数量。图2的上部部分示出了整个接收脉冲，中部部分示出了接收脉冲的不再被接收的后部剩余部分，以及下部部分互补地示出接收脉冲的被接收的初始区域。

[0049] 在强接收脉冲的情况下，来自初始区域的接收脉冲的光子就已经触发所有可用的雪崩光电二极管元件24，使得整个光接收器22有效地进入饱和。所以在接收脉冲后部部分入射期间，所有或几乎所有雪崩光电二极管元件24都处于其死区时间，并且不再能对剩余接收脉冲的光子做出响应。

[0050] 现在，在真实测量中，脉冲形状不像图2的下部部分那样被清晰地分解和切断，因此不能简单地根据在此处未偏移的最大值来确定接收时间点。相反，在例如确定重心的真实的光飞行时间测量中会产生有误差的脉冲重建(Pulsrekonstruktion)。这导致飞行时间测量的误差，该误差取决于接收脉冲的强度和雪崩光电二极管元件24的死区时间。该系统误差是光飞行时间测量长期以来已知的黑白偏移或与强度相关的明暗误差的特殊表现，据此，现在在处于盖革模式的雪崩光电二极管元件24的情况下，测量与暗的对象18不同距离处的明的对象18。

[0051] 可以借助控制单元30按时间顺序对雪崩光电二极管元件24的灵敏度逐组地进行设置，以避免该系统误差，并且能够实现对接收脉冲的与强度无关地正确的重建。

[0052] 为此，在根据图3的第一实施例中，形成雪崩光电二极管元件24a-24b的两个交替的组，这两个雪崩光电二极管元件组在光接收器22上被布置成棋盘图案。如图3的左侧部分所示，首先，第一组雪崩光电二极管元件24a是激活的(黑色)，而第二组雪崩光电二极管元件24b是未激活的(白色)。配置随着定义的时间偏移被切换，现在如图3的右侧部分所示，第二组雪崩光电二极管元件24b是激活的(黑色)，而第一组雪崩光电二极管元件24a是未激活的(白色)。控制单元30可以以规则或不规则的顺序进行一次或更多次这种切换。

[0053] 如果现在强接收脉冲射到光接收器22上，则所有当前激活的雪崩光电二极管元件24a或24b在任何情况下均被触发，并且由此在随后的死区时间期间变得不灵敏。在切换之后，现在激活的、不处于其死区时间内的另一组雪崩光电二极管元件24b或24a仍然准备用于探测。

[0054] 图3所示的棋盘图案只是一个简单的示例。通常，光接收器22的n×m雪崩光电二极管元件24可以通过数字对(i,j)(1≤i≤n，i≤j≤m)明确寻址。现在，确定任意长度的I时间窗口Δtk，1≤k≤l，并且在每个时间窗口Δtk，针对雪崩光电二极管元件24在位置(i,j)处的灵敏度，预先给定了系数为ak(i,j)的矩阵。优选地，系数a(i,j)在最小灵敏度与最大灵敏度之间被归一化，并且仅选择性地采用针对激活和未激活的数字值(0,1)或者针对其间灵敏度的中间值。优选地，在雪崩光电二极管元件24中，这种中间值借助高于击穿电压的过电压的值来设置。例如，值0代表低于击穿电压，而值1代表明显高于击穿电压的舒适工作电压，该舒适工作电压的进一步升高几乎不会改变灵敏度。对于0和1之间的值，过电压被相应地缩放。

[0055] 通过后者描述的方式，在每个时间窗口Δtk中形成雪崩光电二极管24的新组，在极端情况下，这些新组分别仅由一个雪崩光电二极管24组成。优选地，为了更清楚的进行，仅形成几个组，这些组的组隶属关系随时间保持不变，并且在特定时间点仅改变一组的雪崩光电二极管元件24的灵敏度。尽管单独控制提供最大的灵活度，但是特别是对于每个雪崩光电二极管元件24的附加线路的消耗高，并且降低了占空因数(Füllfaktor)。而在固定的组隶属关系中可以使用共同的控制装置和线路。

[0056] 图4图示了另一个实施例。再次示出与图2类似的接收脉冲。接收脉冲的预期持续时间的时间窗口被划分，在此示例性地规则地划分，并且划分成六个子部分Δt1-Δt6。在这些时间窗口Δt1-Δt6的每个时间窗口中，分别激活六组雪崩光电二极管元件24中的不同的一组，使得准备探测的雪崩光电二极管元件24的群体在接收脉冲的整个持续时间内可供使用，在这些雪崩光电二极管元件中还没有触发雪崩击穿，并且这些雪崩光电二极管元件未处于其死区时间。因此，避免了如图2所示的在高光载荷或高强度梯度的情况下共同触发。根据雪崩光电二极管元件24的接收信号重建的电接收脉冲没有偏移的重心，而是真实地再现其脉冲形状并且因此抑制黑白误差。

[0057] 图5示出了在子部分Δt1-Δt6形成的雪崩光电二极管元件24的组在光接收器22上合适的可能的分布。在此，光接收器22被分成由栅格元件32组成的规则栅格，在图5中，这些栅格元件中仅有一个栅格元件用粗线突出显示。在每个栅格元件32内，设置了每个组的至少一个雪崩光电二极管元件24，诸如通过数字1…6标识。因此，在子部分Δt1中，雪崩光电二极管元件24在数字1时是激活的，并且相应地对于其他子部分Δt2-Δt6，雪崩光电二极管元件24在数字2…6时是激活的。另外可设想的是，通过栅格元件32改变由数字1…6标识的组的排列。此外，由图5图示的实施方式可以理解为图3中所示的实施方式的一般形式，其中棋盘图案来自二组到六组，并且类似地其他数量的组。

[0058] 有利地，子部分Δt1-Δt6的持续时间例如增加到接收脉冲的预期持续时间。各个持续时间Δt1-Δt6和顺序可以是有规律的，但还可以是变化的。也可以设想时间上的重叠，其中至少一个组仍然是激活的，而下一个组已经被激活。优选地，控制次序根据任意的周期模式重复，以便覆盖接收脉冲的未知时间位置，并且该控制次序可以与光信号14的发射时间点同步。

[0059] 所选择的六个子部分Δt1-Δt6或六个组的数量仅是一个示例。然而合理的是，不形成太多组，特别是最多十个组，以使每个组中仍然包含足够数量的雪崩光电二极管元件24。否则，利用过少的雪崩光电二极管元件24可能根本不可能检测到远处的和/或暗的对象
18的较弱的接收脉冲，主要因为来自远区域的接收光斑通常仅照亮光接收器22的一小部分，并且因此大多数雪崩光电二极管元件24即使在灵敏度最高的情况下也根本接收不到任何有效光光子。然而，来自远区域的小的接收光斑也可以通过均匀化的光学器件来避免(诸如在DE 10 2014 102 420 A1中所描述的)，由此不管距离如何整个光接收器22都尽可能均匀地被照亮。

[0060] 优选地，在为特定应用设计具体的激活次序和将雪崩光电二极管元件24布置成组时，考虑这些参数：光子流、总共可供使用的雪崩光电二极管元件24的数量、这些雪崩光电二极管元件的光子探测效率(PDE)和这些雪崩光电二极管元件的死区时间。

[0061] 图6再次图示了，不仅具体描述的栅格化的或棋盘形的模式可用于这种设计，而且原则上任意布置也可用于这种设计。在此，如图3所示，在观察的时间点激活的雪崩光电二极管元件24显示为黑色，未激活的雪崩光电二极管元件24显示为白色。也可以给出以下雪崩光电二极管元件24，这些雪崩光电二极管元件不属于任何组并且总是激活的、总是未激活的或者总是被设置到特定的灵敏度。另一方面，通过将这种雪崩光电二极管元件24视为另一个组，根本不必单独观察这种雪崩光电二极管元件24，这种雪崩光电二极管元件24在时间点零例如在接通时被设置到期望的灵敏度。

[0062] 图7示出了有利的实施方式的原理电路。在此，每两个雪崩光电二极管元件24a-24b互连在一起成为双雪崩光电二极管124，更确切地以如下方式，使得以可选择的时间偏移触发一个雪崩光电二极管元件24a-24b中的雪崩击穿导致灵敏度变化，特别是导致另一个雪崩光电二极管元件24b-24a的激活或去激活。可以说，所示的开关元件是完全或部分地集成到双雪崩光电二极管124中的控制单元30，该控制单元根据雪崩击穿动态地导出灵敏度切换的时间点。有利地，两个雪崩光电二极管元件24a-24b共享充电电阻Rk。

[0063] 两个雪崩光电二极管元件24a-24b部分地也被称为前雪崩光电二极管元件24a和后雪崩光电二极管元件24b。然而，这仅是遵循优选实施方式中的时间顺序的语言上的简化。在其他实施方式中，后雪崩光电二极管元件24b还可以是最先激活的，并且激活前雪崩光电二极管元件24a，一个雪崩光电二极管元件24a-24b暂时抑制另一个雪崩光电二极管元件24b-24a的激活，或者两个雪崩光电二极管元件24a-24b同时以相同或不同的灵敏度激活，其中在雪崩击穿后有针对性地改变对方的灵敏度。

[0064] 图7的原理电路应通过数例进行阐述。假设击穿电压为28V，则可提供57V的共同供应电压V。这通过由电阻R1和R2形成的分压电路不均匀地分布，即高于击穿电压的30V用于前雪崩光电二极管元件24a，而低于击穿电压的27V用于后雪崩光电二极管元件24b。电阻的合适值可以是R1＝300K并且R2＝270K。

[0065] 现在，如果照亮双雪崩光电二极管124，则只有被偏置为高于击穿电压的前雪崩光电二极管元件24a对此做出响应，因为后雪崩光电二极管元件24b不在盖革模式下运行，并且在相对比较中被视为未激活。由于前雪崩光电二极管元件24a中的雪崩击穿，该前雪崩光电二极管元件变成低电阻的，并且因此在后雪崩光电二极管元件24b两端的电压降增加，驱动该后雪崩光电二极管元件的偏置电压超过击穿电压，并且从而控制该后雪崩光电二极管元件进入盖革模式或激活该后雪崩光电二极管元件。

[0066] 电阻R1和R2的其他数值(因此，其他分压比)以及共同的供应电压的其他数值选择性地导致不同的过电压以及由此导致不同的灵敏度，诸如围绕更大的动态范围成像。随后，一个雪崩光电二极管元件24a-24b中的雪崩击穿使得另一个雪崩光电二极管元件24b-24a更容易受到过电压的影响。通过修改根据图7的互连电路可以实现的是，一个雪崩光电二极管元件24a-24b中的雪崩击穿反而使另一个雪崩光电二极管元件24b-24a更不敏感或甚至使其未激活。因此这意味着，一个雪崩光电二极管元件24a-24b由于另一个雪崩光电二极管元件24b-24a的雪崩击穿而暂时被保护，特别是在强光入射的情况下，因此在此之后，在死区时间期间仍然保留可检测的雪崩光电二极管元件24a-24b。

[0067] 图8示出了双雪崩光电二极管124的示例性的棋盘形布置，在此可以说，每两个雪崩光电二极管124是倒置的。否则将会产生可替代地设想的条纹图案，因为雪崩光电二极管元件24a-24b的最大程度的相应的位置偏差是低的。利用双雪崩光电二极管124的模式的原理，在每种情况下都无需外部控制就能够实现激活的时间顺序，使得特别地以特别简单的方式实现了接收脉冲的改进重构的上述优点并最终实现了明暗误差的补偿。在此，类似于图3，前雪崩光电二极管元件24a和后雪崩光电二极管元件24b分别形成两组中的一组，不同之处在于，在双雪崩光电二极管124中，相应的后雪崩光电二极管24b不是作为一组被共同激活，而是根据雪崩击穿被单独地激活。

[0068] 图8中所示的图案仅是一个示例。除了其他布置之外，还可以设想与各个非双雪崩光电二极管元件24的组合，这些非双雪崩光电二极管元件特别地形成多个如上对图2至图6所述的组。两个雪崩光电二极管元件24a-24b的双重互连的概念也可以扩展到k个雪崩光电二极管(k≥3)。另一种变型选项在于，将不同的雪崩光电二极管元件24a-24b例如通过不同尺寸的光敏面互连成双雪崩光电二极管124。

[0069] 图9示出了多个并联的双雪崩光电二极管124的并联连接的示例。如果需要，每两个双雪崩光电二极管124可以倒置。与图7相比，在这里对于每个双雪崩光电二极管124，偏置电压没有单独地分布在相应的两个雪崩光电二极管元件24a-24b上。相反，多个双雪崩光电二极管124并联连接，特别是一行或一列的所有双雪崩光电二极管124，并且经由共同的分压器34供电。可替代地，分压器34可以以如下方式设计，使得两个雪崩光电二极管元件24a-24b以彼此相反的顺序触发，从而使得双雪崩光电二极管124是近似“倒置”的。在多个双雪崩光电二极管124的布置中，这样的“倒置”和“非倒置”的双雪崩光电二极管124可以任意混合。

[0070] 此外，优选地，分压比是可变的，以便例如以不同的过电压和低于击穿电压的电压偏置雪崩光电二极管元件24a-24b。在进一步纯示例性地假设击穿电压为28V的情况下，变化范围可以是26V…35V或更高。由此，可以从外部控制双雪崩光电二极管124中雪崩击穿和激活对方之间的时间延迟或期望的灵敏度。对于如图7所示的单个双雪崩光电二极管124，即使在没有多个双雪崩光电二极管124并联的情况下，也可以设想可变地或从外部可改变地设置分压比。

[0071] 在使用合适的读取电路(诸如，例如在EP 3 124 992B1中所说明的)时，双雪崩光电二极管124甚至可以在高达千兆赫范围的高频下运行。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种用于ESD防护的依靠纵向BJT触发的SCR器件	2020-05-08	685
一种低压触发高维持电压可控硅整流器静电释放器件	2020-05-14	161
具有低击穿电压的雪崩光电二极管	2020-05-14	228
超结器件及其制造方法	2020-05-08	866
一种新型SPAD淬灭电路	2020-05-12	357
基于场控可调硅基发光的单片集成光电微显示器件	2020-05-13	137
光电探测电路、激光雷达和控制方法	2020-05-14	403
一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法	2020-05-08	403
一种雪崩光电二极管	2020-05-15	694
单光子雪崩二极管、主动式淬灭电路、脉冲式TOF传感器以及成像装置	2020-05-13	829

使用多个雪崩光电二极管元件检测光

使用多个雪崩光电二极管元件检测光

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：