[发明专利]光检测和测距传感器

说明书

本公开涉及光检测和测距传感器。电光学装置(18)包括激光光源(20)、光束控制装置(24)以及感测元件(44)的阵列(28)，所述激光光源(20)发射至少一束光脉冲，光束控制装置(24)跨目标场景(22)传输并扫描该至少一个光束。每个感测元件输出指示感测元件上的单个光子的入射时间的信号。光收集光学器件(27)将被传输的光束扫描到的目标场景成像到阵列上。电路(50)被耦接以仅在阵列的选定区域(70)中致动感测元件并且与扫描至少一个光束同步地扫过阵列上的选定区域。

本申请是申请号为201680074428.8、申请日为2016年12月8日、发明名称为“光检测和测距传感器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明整体涉及光电装置，并且具体地涉及光检测和测距(激光雷达)传感器。

背景技术

现有和新兴的消费者应用对实时三维成像器的需求日益增长。这些成像装置，通常也称为光检测和测距(激光雷达)传感器，通过用光束照亮目标场景并分析反射的光学信号使得能够实现目标场景上的每个点的距离(以及通常强度)—称为目标场景深度-的远程测量。确定到目标场景上每个点的距离的常用技术包括向目标场景发送光束，之后进行往返时间的测量，即飞行时间(ToF)，光束从光源传播到目标场景并返回到在光源附近的探测器所花费的时间。

用于基于ToF的LiDAR的合适探测器由单光子雪崩二极管(SPAD)阵列提供。SPAD，也称为盖革模式雪崩光电二极管(GAPD)，是能够以非常高的到达时间分辨率捕获单个光子的检测器，其数量级为几十皮秒它们可用专用半导体工艺或标准CMOS工艺制造。在单个芯片上制成的SPAD传感器阵列已经在3D成像相机中用于实验。Charbon等人在“SPAD-BasedSensors”(发表在TOF Range-Imaging Cameras(Springer-Verlag,2013)中) 中提供了SPAD技术的有用回顾，其以引用方式并入本文。

在SPAD中，p-n结在远高于结的击穿电压的水平下反向偏置。在该偏置下，电场非常高，以至于由于入射光子而注入耗尽层的单个电荷载体可触发自持雪崩。雪崩电流脉冲的前缘标记检测到的光子到达时间。电流一直持续到通过将偏置电压降低到或低于击穿电压来淬灭雪崩。后一功能由淬灭电路执行，该淬灭电路可仅仅包括与SPAD串联的高电阻整流器负载，或者可另选地包括有源电路元件。

发明内容

本文下面描述的本发明的实施方案提供了改进的LiDAR传感器及其使用方法。

因此，根据本发明的实施方案，提供了一种电光装置，其包括激光光源、光束控制装置和感测元件阵列，所述激光光源被配置为发射至少一束光脉冲，所述光束控制装置被配置为跨目标场景传输和扫描所述至少一个光束。每个感测元件被配置成输出指示感测元件上的单个光子入射的时间的信号。光收集光学器件被配置将被传输的光束扫描的目标场景成像到阵列上。电路被耦接成致动仅阵列的选定区域中的感测元件并在与所述至少一个光束的扫描同步的情况下扫过阵列上的选定区域。

在一些实施方案中，电路被配置为选择区域使得在扫描期间的任何时刻所述选定区域包含光收集光学器件将由所述至少一个光束照亮的目标场景的区域成像到其上的阵列的一部分。选定区域可包括一个感测元件或多个感测元件。

在所公开的实施方案中，电路被配置为处理由感测元件输出的信号，以便确定目标场景中的点的相应距离。通常，感测元件包括单光子检测器，诸如单光子雪崩二极管(SPAD)。

在一些实施方案中，激光光源被配置为沿不同的相应光束轴线发射至少两个光束，使得在扫描期间的任何时刻光收集光学器件将由所述至少两个光束照亮的目标场景的相应区域成像到不同的相应的感测元件上。在这些实施方案中，光束控制装置被配置为在二维扫描中跨目标场景扫描所述至少两个光束，并且电路被配置为以对应于二维扫描的二维图案扫过阵列上的选定区域。例如，二维扫描可形成光栅图案，其中所述至少两个光束的相应光束轴线相对于光栅图案的扫描线方向相互横向地偏移。