CN114089314A - 一种探测器接收模块和探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种探测器接收模块，其特征在于，包括：阵列型接收部，所述接收部包含以阵列类型布置的多个光电转化单元，所述光电转化单元沿着返回光传播方向上游包含透射率调整的滤光层，所述滤光层的透射率可依据控制模块调整，通过在像素级别设置透射率调整层，可以使得对于激光(波长范围800nm‑1000nm)实现选择性高效透射，并通过控制模块实现对于透射率调整层的透射率与温度、电压等等建立关系，进而通过改变温度和/或电压实现对于所述调整层的透射率的调整，从而实现对于光源波长的适应性。

Description

一种探测器接收模块和探测系统

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种探测器接收模块和探测系统。

背景技术

随着探测技术的发展，激光测距作为一种主动探测类型的探测系统，其较多采用飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，利用距离信息可以形成具有深度信息的三维图像信息，其具有越来越多并且广泛的应用，例如自动驾驶和手机三维拍照等等应用。

在实际的探测过程中，按照探测原理可分为直接飞行时间测距法(DTOF)，其利用单光子探测阵列实现直接测距效果，可以采用SPAD(单光子雪崩二极管)阵列型探测，此处并不限定，还包含间接获得飞行时间的方法测量距离，这种可以采用相位差方案来实现该原理，相位差方法中使用较多的0°、90°、180°和270°四相位方法，在这两种方主动型探测系统大多采用激光源作为探测系统的发射光源，为了实现更高的探测精度需要对于背景或者其他干扰光进行过滤，也就是需要在像素级别上设置滤光层，这样可以过滤掉背景光和其他干扰光，从而实现更高的检测效率，也能够使探测器阵列的感光单元接收到的信息光占比更多，也将更大地提升接收模块的信噪比S/N，普通滤光层对于特定波长段的光源发射的激光能做到最优化的投射，但是其对于波长变化的适应性较差，在激光发射的波长范围改变时(例如光源发射器的温度变化，或者为了适应场景而调整发射的激光光波长等等)，探测器阵列的滤光层可能对于变化后的激光波长存在一定的过滤可能性，进而将进一步影响信号获取的信噪比，这些将进一步影响探测器的可靠与数据真实性，因此，设计出一种能够适应光源发射光波长变化，且对于视场中多对象复杂探测场景下的精确型探测器是亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种接收模块，以解决现有探测单元不能应对激光发射光源波长变化而得到最优信噪比保证准确高效探测对象距离的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种探测器接收模块，其特征在于，包括：阵列型接收部，所述接收部包含以阵列类型布置的多个光电转化单元，所述光电转化单元沿着返回光传播方向上游包含透射率调整的滤光层，所述滤光层的透射率可依据控制模块调整。

可选地，所述控制模块为电压控制模块，所述电压控制模块通过不同电压连接所述透射率调整的滤光层，并通过不同的电压改变所述透射率调整的滤光层的透射率特性。

可选地，所述控制模块为温度控制模块，所述温度调整单元依照透射率参数调整所述接收模块的温度。

可选地，所述滤光层沿返回光传播方向的上游还包含微透镜。

可选地，所述滤光层的透射率最高值对应的波长范围为800-1000nm。

可选地，所述滤光层的厚度按照所述返回光的光程为(2k+1)/4波长准则布置，其中k为自然数。

第二方面，本申请实施例提供了一种使用第一方面探测器接收模块的探测系统，其特征在于，包含发射出射光的光源，阵列型接收部，所述接收部包含以阵列类型布置的多个光电转化单元，所述光电转化单元沿着返回光传播方向上游包含透射率调整的滤光层，所述滤光层的透射率可依据控制模块调整。

可选地，所述控制模块为电压控制模块，所述电压控制模块通过不同电压连接所述透射率调整的滤光层，并通过不同的电压改变所述透射率调整的滤光层的透射率特性。

可选地，所述控制模块为温度控制模块，所述温度调整单元依照透射率参数调整所述接收模块的温度。

可选地，所述滤光层的透射率最高值对应的波长范围为800-1000nm，所述光源出射光波长范围为800-1000nm。

本申请的有益效果是：提供了一种探测器接收模块，其特征在于，包括：阵列型接收部，所述接收部包含以阵列类型布置的多个光电转化单元，所述光电转化单元沿着返回光传播方向上游包含透射率调整的滤光层，所述滤光层的透射率可依据控制模块调整；如此，在像素级别设置透射率调整层，可以使得对于激光实现选择性高效透射，并通过控制模块实现对于透射率调整层的透射率与温度、电压等等建立关系，进而通过改变温度和/或电压实现对于所述调整层的透射率的调整，从而实现对于光源波长的适应性，也保证了在一定波长范围，例如本发明主要采用的800nm-1000nm的激光，激光源的发射波长也在此范围内变化，因此能够适应性地调整保证探测器阵列的高信噪比特性，实现了快速准确的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的探测系统工作原理示意图；

图2为本申请实施例提供的使用透射率调整的滤光层像素单元示意图；

图3为本申请实施例提供的透射率调整层原理示意图；

图4为本申请实施例提供的未采用透射率调整的滤光层光线反射损失示意图；

图5为本申请实施例提供的采用透射率调整的滤光层光线反射损失示意图；

图6为本申请实施例提供的一种控制模块示意图；

图7为本申请实施例提供的利用温度来调整滤光层折射率的示意图；

图8为本申请实施例提供的利用电压来调整滤光层折射率示意图；

图9为本申请实施例提供的在探测发射光波长范围内透射率变化范围示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

图1为本申请实施例提供的一种探测系统示意图。如图1示意了探测系统获取目标的基本原理，控制模块120控制光源110发射探测光，光源可以为LED或者激光源，此处为了考虑人眼安全等一般选择光源为具有近红外波长的激光源，激光源可以选择VSCEL阵列型激光源，此处并不限定，激光源本身的发射单元的角度可以进行自主调整，或者多个发射单元组成模块，形成可被调整发射角度的模块，此处并不限定具体的实现方式，探测器阵列被配置为可调整角度的方案即可，光源110至少部分单元发射探测光，当然也包含了全部发出发射光和部分发出发射光的场景此处不做限定，发射光经过探测目标反射后返回阵列型接收模块130，按照测量原理可以将返回信息的接收阵列分为相位差方案的ITOF测量阵列或者直接获得飞行时间的DTOF单光子测量阵列，例如可以为单光子雪崩二极管阵列(SPAD)阵列，此处并不限定，处理模块150通过阵列型接收模块130接收到的返回光信息得到被探测物的最终目标信息，此处的最终目标信息也就是被探测物的距离信息，也可以依据该信息进一步反馈至控制模块120，进而调整光源110，使得光源110按照不同的强度或者光亮发射探测光，或者经过调整部分方向上的发射光光量相等，此处不具体限定，在实际的使用中为了保证探测系统的人眼安全性，需要采用近红外波段的发射光来实现探测，应用较多的波长范围为800nm-1000nm的波长范围内，为了能够保证阵列型接收模块130的探测信噪比高，需要对于背景光等信号进行滤除，同时需要增强红外激光800nm-1000nm的透射率，这样将能更准确地实现三维的图像获取，或者其他场景数据的应用，此处并不限定。

图2为本申请实施例提供的使用透射率调整的滤光层像素单元示意图；在该示意图中像素单元采用背照工艺，保证了金属布线层105不会对于光吸收部PD 104的吸收效率产生影响，保证了整个单元或者整个模块的转移效率，在光吸收部PD 104返回光传播方向的上游位置设置透射率调整的滤光层102,透射率调整的滤光层102与PD 104之间可以包含填充层103，其可以利用二氧化硅或者氮化硅等材料制成，透射率调整的滤光层102的基本原理将在下图3的叙述中进行详细描述，此处不再详细描述，进一步在透射率调整的滤光层102沿着返回光传播方向的上游还布置有微透镜101，微透镜101可以由玻璃、树脂等等材料来布置，实现对于光线的聚焦等功能。

图3为本申请实施例提供的透射率调整层原理示意图；光学元件表面的反射，不仅影响光学元件的通光能量；而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光，影响光学仪器的成像质量。为了解决这些问题，通常在光学元件的表面镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是为了减小元件表面的反射光，这样的膜叫光学增透膜(或减反膜)，按照被检测对象最优透射率配置该层膜也就是本申请透射率调整的滤光层，从能量守恒的角度对光学增透膜的增透原理给予分析。一般情况下，当光入射在给定的材料的光学元件的表面时，所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时，反射光与透射光的总能量等于入射光的能量。即满足能量守恒定律。当光学元件表面镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配。对增透膜而言，分配的结果使反射光的能量减小，透射光的能量增大。由此可见，增透膜的作用使得光学元件表面反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小。光就有这样的特性:通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强。

可以进行定量分析：光从一种介质反射到另一种介质时，在两种介质的交界面上将发生反射和折射，把反射光强度与入射光强度的比值叫做反射率。用ρ表示ρ＝(A’/A)²，A和A’分别表示反射光和入射光的振幅。

设入射的光强度为1，则反射光的强度为ρ，在不考虑吸收及散射情况下，折射光的强度为(1-ρ)。根据菲涅尔公式和折射定律可知:当入射角很小时，光从折射率n₁的介质射向折射率n₂介质，反射率为

在介质表面镀一层增透膜，设空气、薄膜、介质的折射率分别为n₁、n₂、n₃,薄膜厚度为d，如图3所示，如果把入射光线的强度仍设为1，光线1是入射光线经过空气与薄膜的界面一次反射形成的，则其强度为ρ₁；光线2入射光线经过空气与薄膜的界面两次折射和薄膜与介质的界面一次反射而形成的，其强度为(1-ρ₁)²ρ₂；光线3是入射光线经过空气与薄膜的界面两次折射、一次反射和薄膜与介质的界面两次反射而形成的，其强度为(1-ρ₁)²ρ₁ρ₂。如果n₁＝1、n₂＝1.34、n₃＝1.8，则光线1的强度为0.021，光线2的强度为0.02，光线3的强度为0.0000088，此光束以后反射到空气中的强度将更小。由此可见，返回空气中的光线主要是1和2，而其它的光线强度非常小可以略去不计。那么，只要光线1和2满足振幅相等，正好反相时，则相互抵消，整个系统的反射光能量接近零。根据增透膜增透过程中能量守恒，透射过去的光能量得到了增强，几乎使全部光透射过去。

通过上面的分析我们知道，只要使光线1和2的振幅相等，并且正好反相，这层薄膜就起到了理想的增透作用。欲使光线1和2振幅相等，即强度相等，则(由于非常小，非常接近1，所以，只要就可以实现1和2振幅相等。又因

所以1和2振幅相等的条件是:

化简上式，薄膜的折射率应满足

一般空气折射率n₁为1，n₂为玻璃折射率为1.5，则增透膜的折射率为1.23，所以人们选择增透膜的折射率应等于1.23或接近它。由于折射率小于氟化镁(折射率为1.38)的镀膜材料很难找到，所以，现在一般都用氟化镁镀制增透膜。

另外，要使光线1和2正好反相，对薄膜的厚度有一定的要求。当光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失。对于玻璃上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空气的折射率之间，所以，当光从空气透过薄膜射向玻璃时，光线1在空气与薄膜的交界面反射时有半波损失，光线2在薄膜与介质的交界面反射时也有半波损失。所以，当光从空气透过介质薄膜垂直射入玻璃时，光线1和2要干涉相消，只要光线1和光线2的光程相差半个波。则让薄膜厚度，或者光线2在布置的膜的厚度中行驶的光程为

(k为自然数，λ为光在薄膜中波长)，这样光线1经薄膜传播一个来回比光线2多行

因为光是波，具有周期性，所以不管k为哪个自然数，光线1与光线2的光程只要相差半个波长，就能达到目的。在这里还要强调光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失。而当时，这样光线1和2返回空气中时都经历了一次半波损失，相互抵消，可以不考虑半波损失，通过按照800-1000nm范围的波长设计出该层透射率调整的滤光层，一方面可以计算出对于可见光中大部分波长的光将增强了反射的效果，保证了三维图像传感器获取到的信息中包含的激光返回光的占比，这样就有效地提升了图像传感器的信噪比。

图4为本申请实施例提供的未采用透射率调整的滤光层光线反射损失示意图；图4相当于为现有技术的示意图，像素单元的微透镜401下游的填充层403中未设置透射率调整的滤光层，这样一方面在光进入PD 404之前在界面位置处存在反射现象，有效的信息光较多的被反射，影响PD 404接收到的有效信号光的比例，另一方面背景光在界面处也存在较多反射，这将引起获取信息的准确性，例如存在闪耀、白点等现象，增加了噪音影响，不利于获得信息的准确性。

图5为本申请实施例提供的采用透射率调整的滤光层光线反射损失示意图；与图4的申请不同，图5的结构增加了透射率调整的滤光层502，其余结构与功能与图4相同，此处不再详细描述，通过增加透射率调整的滤光层502，信息光的透射率增强，被反射的信息光也减小具体原理可以参照图3部分描述，由于可见的背景光与信息光的波长存在着较大差异，当信息光(波长范围800-1000nm)在透射率调整的滤光层502形成相干相销的减弱效应时，可见光可能出现反射率被增强的相干相长现象，因此可以保证PD 504对于有效信息光的吸收率增强而对于背景光的吸收率减小，从而保证了像素单元乃至整个探测器接收模块具有更高的信噪比。

图6为本申请实施例提供的一种控制模块示意图，如图6所示，控制模块606，可以利用温度控制特性改变接收阵列607的温度，进而实现对于607中的透射率调整的滤光层透射率的调整，例如透射率调整的滤光层透射率与温度存在一定的关系，这样可以通过例如热管、电子制冷、风扇风冷等等方案实现对于模块温度进行调整，此时可以通过光源发射光波长而改变温度控制模块的温度响应。例如改变风扇转速，电子制冷的电压等等方式实现不同的温度响应，进而对于阵列中的像素单元实现与光源发射光波长变化而得到最优的透射率，实现最大的信噪比，提高探测效率。

图7为本申请实施例提供的利用温度来调整滤光层折射率的示意图，如图所示708可以与图6的控制模块606相连接或者直接为控制模块606的一部分或者延伸部分，当控制模块606为温度控制模块时，通过多个导热部709将温度快速传递至透射率调整的滤光层702，导热部可以通过像素内Bounding硅穿孔(TSV)等技术实现，这样控制模块温度响应可以迅速地传递至透射率调整的滤光层702，而不需要使得整个阵列温度改变至预设值，这样可以保证透射率调整的滤光层702工作效率，也不至于对于阵列中其他部分产生较大的影响，保证了器件的可靠性。

图8为本申请实施例提供的利用电压来调整滤光层折射率示意图，如图可以通过在透射率调整的滤光层802的两个相对面上增加导电层810，利用控制模块此处为电压控制模块的电压变化，实现施加在透射率调整的滤光层802两端的电压改变，进而改变透射率调整的滤光层802的透射率，实现与光源相适应的最优透射率的效果，为了保证光的透射率特性同时为了保证光反射损失小的特性，导电层810为透明电极材料，且在靠近微透镜一侧的透明电极和离微透镜层较远的一侧的透明电极光学参数可以有所差别，电极的折射率参数可以处于树脂与二氧化硅折射率之间，这样可以进一步减小界面反射效应。

图9为本申请实施例提供的在探测发射光波长范围内透射率变化范围示意图，示意了一种随着波长变化而需要调整透射率调整的滤光层以实现最优透射率附近的控制特性参数，当然图9仅为一种示例性关系和透射率调整层设置之后通过控制模块作用而得到的之一的实验预期结果示意图，本发明并不限定效果仅为图9所示的一种方式，当然本发明目标是依据发射光源的波长范围800-1000nm而实现透射率保持在一定的均值附近例如95％或者98％，此处也不限定，通过本发明的如此设计实现了对于激光测距系统的接收单元最大信噪比，实现测距系统的准确性和数据的可信度。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测器接收模块，其特征在于，包括：阵列型接收部，所述接收部包含以阵列类型布置的多个光电转化单元，所述光电转化单元沿着返回光传播方向上游包含透射率调整的滤光层，所述滤光层的透射率可依据控制模块调整。

2.如权利要求1所述的探测器接收模块，其特征在于，所述控制模块为电压控制模块，所述电压控制模块通过不同电压连接所述透射率调整的滤光层，并通过不同的电压改变所述透射率调整的滤光层的透射率特性。

3.如权利要求1所述的探测器接收模块，其特征在于，所述控制模块为温度控制模块，所述温度调整单元依照透射率参数调整所述接收模块的温度。

4.如权利要求1所述的探测器接收模块，其特征在于，所述滤光层沿返回光传播方向的上游还包含微透镜。

5.如权利要求1所述的探测器接收模块，其特征在于，所述滤光层的透射率最高值对应的波长范围为800-1000nm。

6.如权利要求1所述的探测器接收模块，其特征在于，所述滤光层的厚度按照所述返回光的光程为(2k+1)/4波长准则布置，其中k为自然数。

7.一种使用权利要求1所述探测器接收模块的探测系统，其特征在于，包含发射出射光的光源，阵列型接收部，所述接收部包含以阵列类型布置的多个光电转化单元，所述光电转化单元沿着返回光传播方向上游包含透射率调整的滤光层，所述滤光层的透射率可依据控制模块调整。

8.如权利要求7所述的探测系统，其特征在于，所述控制模块为电压控制模块，所述电压控制模块通过不同电压连接所述透射率调整的滤光层，并通过不同的电压改变所述透射率调整的滤光层的透射率特性。

9.如权利要求7所述的探测系统，其特征在于，所述控制模块为温度控制模块，所述温度调整单元依照透射率参数调整所述接收模块的温度。

10.如权利要求7所述的探测系统，其特征在于，所述滤光层的透射率最高值对应的波长范围为800-1000nm，所述光源出射光波长范围为800-1000nm。

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