CN102576071A - 具有可活动抑制的光子敏感元件、尤其spad的光子探测器、以及具有这种光子探测器的距离测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明推荐了一种光子探测器（1），其除了可活动抑制的光子敏感元件（5）之外还具有光子透射元件（7）。该光子探测器构造用于比如通过改变该光子透射元件（7）的吸收特性或散焦特性来改变由该光子透射元件（7）所透射的并投射到该光子敏感元件（5）上的光子强度。这样该可活动抑制的光子敏感元件就可以总是在最佳工作区域附近并在可活动抑制区域之下被运行，其中该光子敏感元件比如可以作为SPAD（SinglePhotonAvalancheDiode；单光子雪崩二极管）来构造。另外本发明还阐述了具有这种光子探测器的一种距离测量设备。

Description

具有可活动抑制的光子敏感元件、尤其SPAD的光子探测器、以及具有这种光子探测器的距离测量设备

技术领域

本发明涉及具有至少一个可活动抑制的（paralysierbaren）光子敏感元件的一种光子探测器，其中该光子敏感元件比如可以利用一种SPAD（Single Photon Avalanche Diode；Einzelphotonenlawineddiode；单光子雪崩二极管）来构造。另外本发明还涉及具有这种光子探测器的距离测量设备。

背景技术

已知有如下的距离测量设备，其把时间调制的光束在目标对象的方向上对准，其中应该确定该目标对象到该测量设备的距离，并且该距离测量设备至少部分地探测从所针对的目标对象反射或散射返回的光线并将其用于确定要测量的距离。典型的测量范围在此处于从几厘米至几百米的距离范围内。

为了能够测量至目标对象的距离，可以确定从该测量设备向该目标对象发送并在返回之后在该测量设备中所探测到的光子的传播时间，并由此确定所期望的距离。比如可以发送短的光脉冲，并测量光脉冲从发送直至探测到之间的传播时间。代替地可以对光束在其强度上进行时间调制，比如光强的周期性调制，并利用在发送的与探测的光信号之间的相位偏移，以确定传播时间并从而确定至目标对象的距离。激光距离测量的原理以比如利用激光束强度的连续调制的术语“Time of Flight Ranging，飞行时间”而众所周知。

为了能够良好地探测从目标对象返回的光线以及尤其其时间调制，并且为了能够在需要的情况下与背景光线相区分，采用具有特殊特性的光探测器、其在此也称作光子探测器，可能是有利的。比如已开发了如下的距离测量设备，其中借助SPAD来探测返回的光线。SPAD可以实现非常良好的探测敏感性，直至探测到单个的光子。与其输出信号是模拟的并且输出信号的强度与入射的光强相关的许多其他光探测器相反，SPAD可以提供具有很大程度上相同强度脉冲的数字信号，其中每个脉冲都表示探测到一个光子，并从而由SPAD所提供的数字信号再现光子计数率。SPAD用作光探测器所具有的可能的优点可能是，SPAD可以与CMOS技术兼容地来制造，并从而能够造价合理地比如集成在用于测量信号分析的集成电路中。

当然已注意到，采用SPAD来探测返回光线的距离测量设备尤其在极度光线强烈的测量条件下不能提供足够可靠的测量结果。

发明内容

可能需要一种距离测量设备或一种适合这种测量设备的光子探测器，其允许在不同的光线情况下进行可靠的距离确定或光子探测。

已注意到，所确定的光子敏感元件、诸如SPAD在一光子投射之后在可能处于比如1至100ns范围内的某一静止时间（Totzeit）不能重新激活。在这种情况下也可谈及可活动抑制响应特性。比如在图4中示意性所示（见曲线101），由一个单个的SPAD所确定的计数率在吸收光子率微小的情况下大致与光子吸收率成比例。当然该计数率在光子吸收率约小于该SPAD的静止时间倒数1/τ时开始饱和。在更高的光子吸收率时该计数率甚至可能下降，因为在其从之前的一个探测事件完全恢复之前，在这种高光子吸收率下该SPAD已经再次被触发，从而几个探测事件不再一定通过单个探测信号来信号通知，而是该SPAD可以提供延长的输出信号，这可对应于该SPAD的一个延长的静止时间。可活动抑制的探测器诸如SPAD的效率从而可能在高光子流情况下急剧下降，尤其一旦由该SPAD所吸收的光子率相对于该SPAD的静止时间倒数变大时。

本发明的想法所基于是，基于前述的优点把可活动抑制的光子敏感元件、诸如SPAD用作光子探测器，并且另外还给该光子探测器构造有光子透射元件，其中该光子透射元件构造用于改变通过该光子透射元件透射的并投射到该光子敏感元件上的光子强度。

所述光子强度在此可以理解为每单位时间投射到该光子敏感元件的探测面上的光子率（Rate von Photonen），以s^-1m^-2来表示。代替地所述光子强度也可以理解为所照射光功率与每面积的直接关系，以瓦m^-2来表示。

为了改变通过该光子透射元件所透射的光子强度，该光子透射元件可以构造用于改变它的光子吸收特性。比如可能是有利的是：在光路中在该光子敏感元件之前设置一个光子透射元件，其吸收特性可以有源（aktiv）或无源（passiv）地被改变，从而投射到该光子探测器的光必须首先穿过该光子透射元件，并在那里被部分吸收，然后以可能降低的光子强度而投射到该光子敏感元件上。该吸收特性在此可以通过光子透射元件的整个平面、优选均匀地变化。

代替地，该光子透射元件也可以实施为孔径光阑或可变光阑。通过可变光阑的相应开或闭可以改变所透射的光子强度。也就是说，作为可变光阑而构造的光子透射元件的吸收特性随着可变光阑的当前调节而变化。

该光子透射元件也可以构造用于通过散焦来降低所透射的光子强度。也就是说，光子透射元件可以如此来构造，使得所透射的光线有目的地被散焦，也即比如所透射光束的截面有目的地被扩展，以如此来降低光子强度，也即每面积上所投射光子的数量。在必要时光甚至如此强烈地散焦，使得进入该光子探测器中的光子实际不再全部投射到该光子敏感元件上。

如此来构造该光子探测器，使得通过该光子透射元件所透射并投射到该光子敏感元件上的光子强度根据投射到该光子透射元件上的光子强度而变化，这可能是有利的。也就是说，比如该光子透射元件的吸收特性或散焦特性可以根据所照射的光子强度而变化。比如该光子透射元件可以在照射高光子强度下比在低光子强度下更强烈地吸收或更强地散焦。这样，通过事先由该光子透射元件合适地降低从外部投射到该光子探测器的光子强度，投射到该可活动抑制的光子敏感元件上的光子强度可以与该光子敏感元件的特性相匹配。

通过改变通过该光子透射元件所透射并投射到该光子敏感元件上的光子强度而有助于该可活动抑制的光子敏感元件的光子计数率的最大化，这尤其可能是有利的。比如可能有利的是：在非常高的光子强度的情况下，如其比如由于非常强的背景光线而在测量时可能出现的那样，借助该光子透射元件如此来降低投射到该光子敏感元件上的光子强度，使得该光子敏感元件一方面被照射足够的光，以保持大的信噪比，但另一方面不投射太多的光线，因为否则该光子敏感元件的计数率可能由于其可活动抑制的特性而再次下降，并从而可能降低该光子探测器的整体效率。

该光子透射元件可以构造用于无源地根据投射到该光子透射元件上的光子强度来改变所透射的光子强度。“无源”在此意味的是，可以放弃有源调节和/或放弃透射性光子透射元件的能量供应，并且其可以替代地自动改变它的光学特性。比如该光子透射元件可以利用一种光致变色材料来构造，其在光线照射下本身变色，从而投射的光子强度越高，吸收越高。对此代替地或者补充地，该光子探测器也可以另外具有一个光子强度测量装置和一个控制装置，并构造用于借助该控制装置有源地根据由该光子强度测量装置所测量的光子强度来改变通过该光子透射元件所透射的光子强度。该光子强度测量装置在此比如可以作为单独的光传感器来构造，其测量投射的光强并把一个相应的测量信号续传到该控制装置，该控制装置于是相应地控制该光子透射元件。

或者该光子探测器的光子敏感元件本身也可以用作光子强度测量装置，以把说明所照射光子强度的测量信号传导到该控制装置，从而该控制装置可以相应地控制该光子透射元件，并从而该光子传感器能够关于投射到该光子敏感元件的光子强度来进行自我调节。比如可以实施第一测量并确定计数率。该光子透射元件的吸收于是可以进行变化，并实施第二测量。该第二测量的计数率然后可以与该第一测量相比较，选择较高的并从而迭代地确定该光子透射元件的最佳或足够好的调节。

比如可以如此来实现对该光子透射元件的光学特性的有源影响，即该光子透射元件利用液晶来构造。该光子透射元件在这种情况下可以称作为可变液晶衰减元件（“variable liquid crystal attenuator，可变液晶衰减器”）。代替地可以相应地将具有不均匀透射和吸收特性的不同过滤器插入或转入该光子探测器的光路中。比如可以将由吸收材料构成的楔不同距离地插入该光子探测器内的光程中，从而在该吸收楔中由照射的光子所经历的光学路径长度可以进行变化，并从而能够相应地调节所透射的光子强度。代替地可以在该光程中设置以上下重叠的电介质层形式、与电介质镜类似的光学元件，并通过改变光学元件与射线途径的角度由该光学元件来相应地影响反射或透射。作为其他的代替方案，也可以采用可相对旋转的极化过滤器来作为可调节的光子透射元件。

可以单独地或相互组合地来实现对光子透射元件光学特性的有源或无源影响的前述可能性。

该光子透射元件可以作为该光子探测器中可活动抑制的光子敏感元件的附加组成部分来构造，并包含有一个或多个部件。代替地该光子透射元件也可以与该光子探测器中总归具有的一个或多个光学部件一起来构造。比如位于该光子探测器光学光程中的光学部件可以构造有在其透射上可变化的层、比如由自我上色的材料来构造的层。这样就可以省略例如过滤器的附加机械支架，并从而降低了复杂性、构造尺寸和成本。也可以考虑在探测器-芯片组中设置过滤器。

总之本发明的一个观点是，在可活动抑制的光子敏感元件之前设置光学衰减元件散焦元件，其中该衰减/散焦元件可以根据光子强度来降低入射到该光子敏感元件上的光子数量。可活动抑制的光子敏感元件和在其透射中可变的光子透射元件的这种组合可以在高光学强度的范围内大大提高所探测光子的数量，其方式是，大大减弱入射的光强并从而能够偏移可活动抑制探测器的最佳工作范围。同时该布置可以在低光强的范围中将信号损失保持为微小，其方式是，在光强微小的情况下仅致使对投射光线进行微小的光学减弱。

在测量光学信号时，信噪比通常随着投射光子的数量增加而上升，其中所述光子在探测器上被探测，也即形成探测信号。在可活动抑制探测器的情况下存在一个区域，在该区域中光强的增加可能导致所探测光子的数量下降，如在图4中右侧所示的图可看出的那样。在该区域中信噪比可能增大，其方式是，投射在该可活动抑制探测器上的光子强度被有目的地减弱。

如果所述的光子探测器比如被应用在一个距离测量设备中、有时也称作激光距离测量设备，以光学测量到目标对象的距离，那么该距离测量设备的功能大多与信噪比紧密相关。根据所述的光子探测器的特性，从而该距离测量设备的工作范围可以扩展到较高的光强，并从而提高了信噪比（SNR）。这尤其可以有利于动态范围的扩大，比如对于在亮的阳光下或在暗的房间内进行测量时。另一方面，可能在测量时间不变的情况下可达到测量值静态精确度的提高，或者在静态精确度不变的情况下可达到必要的测量时间的缩短。

本发明的可能的观点、优点和扩展已在前文中参照本发明的各个的实施方式进行了阐述。说明、所属附图以及权利要求包含有许多组合特征。专业人员把这些特征、尤其不同实施例的特征也单独地考虑，并组合成有意义的其他组合。

附图说明

下面参照附图来阐述本发明的实施例以及其中所包含的分观点。附图仅仅是示意性的，并且不是真正按比例的。在附图中相同的或类似的参考符号表示相同的或类似的元件。

图1示出根据本发明一个实施方式的具有无源运行光子透射元件的光子探测器。

图2示出了根据本发明一个实施方式的具有无源受控光子透射元件的光子探测器。

图3示出了根据本发明一个实施方式的具有有源受控散焦的光子探测器。

图4示出了不同探测器类型的与吸收光子率相关的计数率图。

图5示出了根据本发明一个实施方式的用于光学距离测量的距离测量设备。

具体实施方式

图1示出了光子探测器1，其中在机壳3中设置有一个可活动抑制的光子敏感元件5和一个光子透射元件7。从外部投射的光束11穿过窗口9进入机壳3中，并首先投射到该光子透射元件7上。该光子透射元件7在此是一个至少部分透明的、由光致变色材料构成的光学部件，其中该材料在较高光强下具有较高的光吸收。光致变色材料的一个例子可以是菲并吡喃（Phenanthropyran）。由此能够实现，即使入射光束11应具有非常高的光强，通过该光子透射元件7所透射的、最终投射到该可活动抑制的光子敏感元件5上的光束13也不具有过高的光子强度。由该光子敏感元件5所探测的结果在输出15上被输出。

在所示的实施例中，该可活动抑制的光子敏感元件借助一个SPAD来构造。利用由PDP（Photon Detection Probability，光子探测概率）所描述的概率，投射到该SPAD上的光子触发二极管的雪崩击穿，其中该雪崩击穿可以在输出上作为脉冲而被探测。在击穿之后该SPAD必须再次被预加压，以能够对另一光子敏感，也即能够生成另一探测脉冲。该SPAD不能重新被激励的时间被称作静止时间τ。如果在达到为生成探测脉冲所需的预加压阈值之前，由于该SPAD的充电过程或恢复过程而投射的光子产生了另一雪崩击穿，那么该静止时间就可延长。该探测器可被活动抑制。在假定波松分布条件下由具有静止时间τ的一个可活动抑制的光子敏感元件在时间间隔ΔT期间所能探测的光子的数量k可以描述为

其中N是吸收的光子率。

图4中曲线101示出了与吸收光子率有关的可活动抑制探测器的计数率特性。对于可活动抑制探测器，所探测的光子的数量具有一个最大值，该最大值在所示的曲线101中处于约25MHz处。吸收光子率的进一步提高降低了所探测光子的数量。在该辖区、也即在该活动抑制区域中运行时，其中在该活动抑制区域中由于非常高的光子强度至少发生光子敏感元件的部分活动抑制，投射到该光子敏感元件5上的透射光线13的光子强度的降低可能导致可探测的光子数量的增大。在计数事件的最大值附近，由光子透射元件7所引起的投射光子强度的降低也可以被利用，以增大该光子探测器的动态范围。可以通过该光子透射元件7来选择如此大大地降低光子强度，使得该光子敏感元件5总是运行于该活动抑制区域之下，从而其能够被用于强度测量。该计数结果在此不再必须与入射光束11的光强成比例，但仍然能够实现短时光强波动的探测，比如在照射在强度上时间周期调制的测量光线11时其可以出现在激光距离测量设备中。

在图4中的曲线103示出了根据本发明一个实施例的光子探测器的理想化特性。在吸收光子率低时，比如在低于10MHz的区域中，该光子探测器具有线性的响应特性。在约10MHz至约25MHz的范围中该光子探测器的响应特性开始饱和。而常规的可活动抑制的光子敏感元件在吸收光子率更高的情况下还具有减少的计数率，如在曲线101中所示，在根据本发明的光子探测器中，借助可变的光子透射元件，可以达到在高吸收光子率下也总是仅仅如此多的光子投射到该光子敏感元件上，使得其大致在最佳的工作点中被运行。也就是说，该光子透射元件可以如此被调节，使得所透射的光平均具有约20-30MHz的光子率。所照射的光子强度的短时波动在此优选地没有由该光子透射元件来补偿，从而这种短时的强度波动可以继续由该光子敏感元件来探测。

仅仅出于比较目的，在图4中还用曲线107再现了一个理想的线性响应特性，并用曲线105再现了具有静止时间τ的非可活动抑制的光子敏感元件的响应特性。

图2示出了光子探测器的一个可替选实施方式1`。在所透射的光束13中设置了一个小的反射镜17，该反射镜把所透射光线的一部分偏转到比如以常规光敏感二极管形式的一个光子强度测量装置19上。由该二极管所测量的光子强度被引导到一个控制或调节装置21，该控制装置于是对该光子透射元件7`在其所透射的光子强度方面进行有源控制或调节。该光子透射元件在此可以作为部分透明的、可变的液晶衰减元件来构造，其中可以视由该控制装置21所提供的信号而定地来调节光线传输特性。

图3示出了根据本发明另一实施方式的光子探测器的可替选扩展1``。在该情况中该光子透射元件7``借助两个相对可偏移的透镜23、25而构造用于或多或少程度地聚焦所透射的光束13。视该控制装置21的控制而定，从而所照射的光11穿过该光子透射元件7``而聚焦到该光子敏感元件5``的或多或少大的子平面上，并从而改变所投射的光子强度。

在图5中以示意的方式示出了利用最重要的部件来进行光学距离测量的一种根据本发明的距离测量设备210，以阐述其功能。

该距离测量设备210具有机壳211，在该机壳中设置有用于发送光学测量射束213的光子源212以及用于探测从目标对象215返回的测量射束216的光子探测器214。

该光子源212包含有一个光源，其在所示的实施例中通过一个半导体激光二极管218来实现。该激光二极管218以人眼可见光束222的形式发送一个激光束220。该激光二极管218为此通过一个控制设备224而被运行，该控制设备通过相应的电子装置来产生该激光二极管218的电输入信号219的时间调制。通过二极管电流的这种调制，能够实现对该光学测量射束213同样以所期望的形式在其强度上进行时间调制，其中该测量射束被用于距离测量。

该激光射束220接着穿过以物镜228形式的一个准直光学装置226，其在图5中以简化的方式以单个透镜的形式示出。该物镜228在该实施例中可选地位于一个调节模拟装置（Verstellmimik）232上，其中该调节模拟装置原则上能够在全部三个空间方向上来改变该物镜的位置，比如出于调整目的。但该准直光学装置226或者也可以已经是该激光二极管218的组成部分或者与其相固定连接。

穿过该物镜228之后，获得了该测量射线213的、以近似平行光束237形式的比如幅度调制的信号，其中该光束沿着该光子源212的光轴238而传播。

在该光子源212中此外还可以具有一个优选可开关的射线偏转器240，其如此来构造，以把该测量射线213完全或部分地绕过该目标对象215直接地、也即在设备内部偏转到该接收装置214上。这样就可以生成设备内部的参照段242，该参照段构造用于该测量装置的校准以及平衡。

如果利用该测量装置210来实施距离测量，那么该测量射线213就穿过在该测量装置210前壁245中的光学窗口244而离开该测量装置的机壳211。比如可以通过快门246来保证该光学窗口244的打开。为了进行真正的测量，该距离测量装置210然后被对准一个目标对象215，其中应该确定该目标对象至该测量装置210的距离248。在所期望的目标对象215上所反射或散射的信号216以返回射束249或250的形式形成了返回的光学测量射线216，其某一部分再次返回到该测量装置210中。

通过该测量装置10前壁245上的入射窗口247，返回的测量射线216输入耦合到该测量装置210中，并然后如图5所示投射到一个接收光学装置252上。

在图5中为了说明示例地示出两个不同目标对象距离248的两个返回的测量射束249及250。对于大的对象距离，其中大可以解释为相对于接收光学装置252的焦距而言是大的，从该目标对象215返回的光学测量射线216近似平行于光子探测器214的光轴251而入射。这种情况在图5的实施例中通过该测量射束249来表示。随着对象距离的变小，在该距离测量设备中入射的返回测量射线216由于视差而相对于该光子探测器14的光轴251倾斜得越来越大。作为这种返回测量射束的例子，在图5中在该距离测量设备的邻近区域中示出了该射束250。

在图5中同样仅示意地通过一个单个透镜来表示的该接收光学装置252把返回的测量射线216的射束聚焦到在该光子探测器214中所设置的光子敏感元件5的探测面66上。该接收光学装置252在此利用一种光致变色材料来构造，使得视所投射的光强而定地不同程度地着色，从而该接收光学装置252同时还可以行使该光子透射元件7的任务。

该光子敏感元件5具有至少一个光敏SPAD以探测光学测量射束。通过在该探测面266中所设置的一个或多个SPAD，其中这些SPAD可单个地或成组组合地在像素中成矩阵状布置并与分析装置236相连接，入射的返回测量射线216被转换为电信号255，并被传输至该分析装置236中的其他分析单元。该电信号255在此由于SPAD的固有特性而可以看作为数字信号，该信号再现投射到该探测面266的相应像素上的光子的脉冲序列。

由单个SPAD或SPAD组合所生成的探测信号可以被传输给在该分析装置236中所包含的一个或多个距离确定装置。距离确定装置可以累加探测信号，并由此生成一个信号，该信号对应于投射到相应SPAD上的光信号或光强的与时间有关的强度。通过把该信号与一个激励信号相联系，其中该激励信号表明了由该光子源所发射的光子率的时间变化曲线，就可以推断从该光子源至该目标对象并再次返回到该光子探测器的光子飞行时间。如果该光子源对所发送的光线比如进行正弦状周期调制，那么就可以由在所发送的和所探测的测量射线之间的相位差来确定飞行时间。由所确定的飞行时间就可以最终推断至该目标对象的距离。

Claims (12)

1.光子探测器（1），具有：

可活动抑制的光子敏感元件（5），以及

光子透射元件（7），

其中该光子探测器（1）构造用于改变通过该光子透射元件（7）所透射的并投射到该光子敏感元件上的光子强度。

2.根据权利要求1所述的光子探测器，其中该光子透射元件（7）构造用于通过吸收来降低所透射的光子强度。

3.根据权利要求1或2所述的光子探测器，其中该光子透射元件（7）构造用于通过散焦来降低所透射的光子强度。

4.根据权利要求1至3之一所述的光子探测器，其中该光子探测器（1）构造用于根据投射到该光子透射元件（7）上的光子强度来改变通过该光子透射元件（7）所透射的并投射到该光子敏感元件上的光子强度。

5.根据权利要求1至4之一所述的光子探测器，其中该光子探测器（1）构造用于通过改变通过该光子透射元件（7）所透射的并投射到该光子敏感元件上的光子强度来促使该可活动抑制的光子敏感元件（5）的光子计数率的最大化。

6.根据权利要求1至5之一所述的光子探测器，其中该光子透射元件（7）构造用于无源地根据投射到该光子透射元件（7）上的光子强度来改变所透射的光子强度。

7.根据权利要求1至6之一所述的光子探测器，另外还具有光子强度测量装置（19）和控制装置（21），其中该光子探测器（1）构造用于借助该控制装置（21）有源地根据由该光子强度测量装置（19）所测量的光子强度来改变所透射的光子强度。

8.根据权利要求1至7之一所述的光子探测器，其中该光子透射元件（7）利用光致变色材料来构造。

9.根据权利要求1至8之一所述的光子探测器，其中该光子透射元件（7）构造有关于其开孔截面可变的可变光阑。

10.根据权利要求1至9之一所述的光子探测器，其中该光子透射元件（7）利用液晶来构造。

11.根据权利要求1至10之一所述的光子探测器，其中该可活动抑制的光子敏感元件（5）构造有至少一个SPAD。

12.用于测量至目标对象（215）的距离的距离测量设备（210），具有：

光子源（212），用于向该目标对象（215）发送光子；

根据权利要求1至11之一所述的用于探测从该目标对象（215）返回的光子的光子探测器（1）；

分析装置（236），用于基于光子的传播时间来确定距离。

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