[发明专利]使用多个雪崩光电二极管元件检测光

说明书

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。

技术领域

本发明涉及光接收器和使用多个雪崩光电二极管元件检测光的方法。

背景技术

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)。

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，Timeof 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。

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

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。