CN114137548A - 光电探测装置、包括其的激光雷达及使用其的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电探测装置，包括多个像素，其中至少一个像素包括：多个探测器，配置成可接收入射的光信号并转换为电信号，所述多个探测器的光子探测效率不完全相同；和处理单元，与所述探测器耦接以接收所述电信号，配置成可对所述电信号进行信号处理并输出。通过本发明的实施例，提高了激光雷达接收端的动态范围，提高了激光雷达的性能。

Description

光电探测装置、包括其的激光雷达及使用其的探测方法

技术领域

本发明大致涉及光电技术领域，尤其涉及一种光电探测装置、包括该光电探测装置的激光雷达及使用该光电探测装置的探测方法。

背景技术

单光子探测技术具有超高灵敏度、超快响应速度等优点，能够检测到光的最小能量粒子，是目前一种较为重要的探测方法。单个光子的能量极小，要想检测到单光子，就必须采用特殊的光电器件。单光子雪崩二极管，是特指工作电压高于击穿电压的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)，也称为盖革模式SPAD。SPAD以其高雪崩增益、快响应速度、低功耗等优点成为单光子探测的最佳器件选择。

激光雷达可利用SPADs阵列作为接收端。SPAD的工作原理在于SPAD基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制对光电流进行放大，从而提高检测的灵敏度。现有的SPADs阵列，采用减小单个SPAD光敏面面积、增加SPAD单元个数的方法来提高探测精度，每个SPAD单元与一个读出电路连接，采用时间数字转换器(TDC)获取电信号。采用这样的工艺，在一个大小固定的面积里平均分配每个SPAD单元的面积，然后每个SPAD单独做TDC信号读出和数据处理是效果最好的，但这样后端的TDC和数据处理就非常耗费资源。

常用的节省资源的方法是将多个SPAD连接至同一个读出电路，构成一个像素，将一个像素内多个SPAD叠加的信号进行读出和数据处理，从而减少TDC个数，降低数据处理量。现有的SPADs阵列上所有的SPAD的光子探测效率(PDE)都是一致的，而SPAD灵敏度高，非常容易饱和，若PDE设置的较大，在环境光较强时信噪比低；若PDE设置的较小，则不利于激光雷达的远距离探测。以一个像素中有四个SPAD为例，若PDE＝5％，则认为20个光子可以造成一个SPAD雪崩并输出一个计数，这种情况下80个光子就能使整个像素饱和，光子数再多(光强高)像素也无法区分。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

本发明通过改变光敏面面积大小或者加载的偏压使不同SPADs的动态响应不一致，解决了SPADs阵列作为激光雷达接收端动态响应范围小的问题。

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提出一种光电探测装置，包括多个像素，其中至少一个像素包括：

多个探测器，配置成可接收入射的光信号并转换为电信号，所述多个探测器的光子探测效率不完全相同；和

处理单元，与所述探测器耦接以接收所述电信号，配置成可对所述电信号进行信号处理并输出。

根据本发明的一个方面，其中所述探测器为单光子雪崩光电二极管。

根据本发明的一个方面，其中所述多个探测器的光敏面面积大小不完全相同。

根据本发明的一个方面，其中所述多个探测器上加载的偏压不完全相同。

根据本发明的一个方面，其中所述至少一个像素还包括与所述多个探测器相对应的多个偏压施加单元，所述多个偏压施加单元与相对应的探测器耦接，并用于在其上施加不完全相同的偏压。

根据本发明的一个方面，其中所述多个像素中的每一个像素均包括：

多个探测器，配置成可接收入射的光信号并转换为电信号，所述多个探测器的光子探测效率不完全相同；

处理单元，与所述探测器耦接以接收所述电信号，配置成可对所述电信号进行信号处理并输出。

根据本发明的一个方面，其中所述多个像素的动态响应范围相同。

本发明还涉及一种激光雷达，包括：

发射单元，配置成发射探测激光束用于探测目标物；

如上任一项所述的光电探测装置，所述光电探测装置配置成可接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波。

本发明还涉及一种使用如上任一项所述的光电探测装置进行探测的方法，包括：

发射探测激光束；

通过所述光电探测装置的多个探测器接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波，并将其转换为电信号；

通过所述处理单元对所述电信号进行信号处理并输出。

本发明的实施例在一个像素中设置多个SPAD单元，通过改变光敏面面积大小或者加载的偏压使不同SPAD单元的光子探测效率不同，提高了单个像素和SPADs阵列的动态响应范围，减少处理单元的数量，进而降低了数据处理所占用的资源和功耗，提高了激光雷达的性能。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的框图；

图2示出了根据本发明一个实施例的多个探测器的示意图；

图3A示出了根据本发明的一个实施例的一个探测器上加载偏压的电路图；

图3B示出了根据本发明一个实施例的多个探测器上加载偏压的示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的框图；和

图5示出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的探测方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的框图，下面结合图1对所述光电探测装置100作详细说明。如图所示，所述光电探测装置100包括多个像素，如图中的像素101、像素102、像素103、像素104，其中至少一个像素包括多个探测器和处理单元。以像素101为例，所述像素101包括探测器11、探测器12、探测器13和处理单元10，其中所述多个探测器11、12、13构成探测器阵列，配置成可接收入射的光信号并转换为电信号，所述多个探测器11、12、13的光子探测效率不完全相同；所述处理单元10与所述探测器11、探测器12、探测器13分别耦接以接收所述电信号，配置成可对所述电信号进行信号处理并输出，如模拟前端电路(AFE)。一个像素可连接至同一AFE，继而连接至同一数据处理电路，如时间数字转换器(TDC)，输出与时间和光子数相关的数字信号。另外优选的，所述像素101的多个(图中为三个)探测器的光子探测效率完全不同。

对于像素102、像素103、像素104，也可包括多个探测器和处理单元。对于每个像素，其中的多个探测器的光子探测效率可以是相同的，也可以如像素101一样是不完全相同的。这些都在本发明的范围内。另外，图1中示出了四个像素101、102、103和104分别具有各自的处理单元10、20、30和40，本领域技术人员容易构思出也可以将两个或更多个处理单元集成在一起。例如优选的，所述光电探测装置100可以具有一个处理单元，该处理单元具有多个输入通道，分别连接到像素101、102、103和104中的各个探测器的输出，从而同时地、或者按照一定时序地对各个像素的探测器的输出电信号进行处理。

本领域技术人员能够理解，所述光电探测装置100可以根据需要包括更多个像素，每个像素也可以根据需要包括更多个探测器，例如可以是6个或者8个甚至几十到几百个，另外不同像素所包括的探测器的数目可以相同也可以不同，这些都在本发明所保护的范围内。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述探测器为单光子雪崩光电二极管。单光子雪崩二极管是特指工作电压高于击穿电压的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)，也称为盖革模式SPAD。单光子雪崩二极管以其高雪崩增益、快响应速度、低功耗等优点成为单光子探测的最佳器件选择。

图2示出了根据本发明一个实施例的多个探测器的示意图，如图中的像素101所示，其包括四个探测器，分别为探测器11、探测器12、探测器13和探测器14，四个探测器的光敏面面积大小不完全相同。所述探测器11、探测器12、探测器13和探测器14分别具有面积大小不完全相同的光敏面，因此它们接收到的光子数就不完全相同，这样就得到了四种不完全相同的光子探测效率。光敏面大的探测器(例如单光子雪崩二极管)其对应的光子探测效率相对较高，更容易接收到入射的光子并产生电信号输出，有利于在弱光环境下进行探测；光敏面小的探测器对应的光子探测效率相对较低，较不容易接收到入射的光子并产生电信号的输出，不容易饱和，有利于在强光环境下进行探测。像素101内的各个探测器的光子探测效率不同，从而提高所述像素101的动态响应范围，通过改变每个像素内每个探测器的光敏面面积大小，可以分别提高每个像素的动态响应范围，使得光电探测装置100的动态响应范围扩大。

根据本发明的一个优选实施例，其中所述每个像素内的多个探测器的光敏面积大小设置为完全不相同，例如图2所示的，所述探测器11、探测器12、探测器13、探测器14的光敏面面积设置为依次增大，增大光敏面面积相当于增大了感光面，因此光敏面面积大的探测器对应的光子探测效率就更高。与现有工艺中平均分配每个SPAD单元的面积、每个SPAD连接一个读出电路的方案相比，本实施例采用多个SPAD组成一个像素，连接至同一处理单元，降低了数据处理所占用的资源，进而有利于降低激光雷达的功耗。与现有工艺中多个面积相同的SPAD组成一个像素、连接一个读出电路的方案相比，本实施例一个像素内的多个SPAD光敏面大小不同，相应的光子探测效率不同，即可在同样的像素面积内获得更大的动态响应范围，提高激光雷达的探测能力。

除了在单个像素内设置光敏面不完全相同的多个探测器以外，还可以通过在多个探测器上加载不同的偏压来使得探测器的光子探测效率不完全相同。图3A示出了其中一个探测器上加载偏压的电路图，图3B示出了根据本发明的一个实施例的多个探测器上加载偏压的示意图。

图3A示意性示出了被动淬灭的探测器11的电路，其中所述探测器(单光子雪崩二极管，SPAD)11加载大于击穿电压V_BD的偏压V_bias，V_bias通过淬灭电阻RL加载到SPAD的阴极，SPAD的阳极通过采样电阻Rs接地，光子入射产生的雪崩脉冲信号Vout从Rs上引出。光子到达之前，SPAD两端电压为V_bias，处于激活状态，一旦有光子到达触发雪崩，瞬间增大的雪崩电流在RL上引起很大的压降，SPAD上的电压被降低至V_BD以下，使雪崩淬灭；之后，V_bias又对SPAD充电，使其恢复到激活待检测状态。对于每个探测器，当其上施加不同的偏压V_bias时，可以获得不同的光子探测效率，通常偏压越大，光子探测效率越高。

如图3B所示，以像素101为例，其中所述像素101包括四个探测器，分别为探测器11、探测器12、探测器13和探测器14，以上述方式在一个像素内每个探测器上加载不完全相同大小的偏压，可以分别提高或降低每个像素内不同探测器的光子探测效率，以使得光电探测装置100每个像素的动态响应范围扩大。图3B中，所述四个探测器的光敏面面积设置为相同，所述四个探测器上加载的偏压不完全相同，因此所述四个探测器具有不完全相同的光子探测效率，从而提高所述像素101的动态响应范围。

根据本发明的一个实施例，其中所述每个像素内部的多个探测器上加载的偏压都设置为完全不相同，另外不同像素之间的动态响应范围可以设置为一致。

根据本发明的一个实施例，为了向探测器施加偏压，所述至少一个像素还包括与所述多个探测器相对应的多个偏压施加单元，所述多个偏压施加单元与相对应的探测器耦接，并用于在其上施加不完全相同的偏压。所述偏压施加单元例如可包括电压型数模转换器，其接收数字脉冲序列，根据该数字脉冲序列生成模拟电压输出信号，用于为相对应的探测器提供偏置电压。一个像素中的多个探测器可连接至同一处理单元，如模拟前端电路(AFE)，继而连接至同一数据处理电路，如时间数字转换器(TDC)，输出与时间和光子数相关的数字信号。通过为探测器提供不同的偏置电压，使得一个像素内各个探测器的光子探测效率不完全相同，可以提高该像素整体的动态响应范围。

根据本发明的一个实施例，其中所述多个像素中的每一个像素均包括多个探测器和处理单元，例如图1所示的，所述像素101、像素102、像素103、像素104分别都包括三个探测器和一个处理单元，其中所述三个探测器分别与所述处理单元耦接。所述每一个像素中的多个探测器配置成可接收入射的光信号并转换为电信号，所述多个探测器的光子探测效率不完全相同；所述处理单元与所述探测器耦接以接收所述电信号，配置成可对所述电信号进行信号处理并输出。根据本发明的一个实施例，其中所述多个像素的动态响应范围相同。

上面描述了改变像素的动态响应范围的两个实施例，分别是通过使得像素内的多个探测器具有不同的光敏面面积，以及通过改变探测器的偏置电压来实现的，本领域技术人员也可以构思将两种方案结合在一起，例如所述多个像素中的每一个像素的内部可以配置成使得多个探测器的光敏面面积大小不同，或多个探测器上所施加的偏压大小不同，也可以配置成多个探测器的光敏面面积大小不同的同时在其上分别加载不同的偏压，这样可以进一步增大每个像素的动态响应范围。

本发明还涉及一种激光雷达，如图4示出的根据本发明一个实施例的激光雷达400的框图，所述激光雷达400包括发射单元410和所述光电探测装置100，其中所述发射单元410配置成发射探测激光束L1用于探测目标物OB；所述光电探测装置100配置成可接收所述探测激光束L1在目标物OB上反射后的回波L1’。

图5示出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的探测方法的流程图。所述探测方法500使用图4中所示的光电探测装置100，对与所述光电探测装置100有一定距离的目标物OB进行探测。下面将结合图5对所述光电探测装置的探测方法500作详细说明。如图所示，所述探测方法500包括以下步骤：

在步骤S501：发射探测激光束。参照图4，所述激光雷达400的发射单元410发射探测激光束L1至目标物OB所在的周围环境中，对所述目标物OB进行探测。

在步骤S502：通过所述光电探测装置的多个探测器接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波，并将其转换为电信号。步骤S501中出射的探测激光束在遇到目标物OB后，发生漫反射，反射回来的部分回波L1’被如上所述的光电探测装置100的多个探测器接收，并将所述回波信号转换为电信号。

在步骤S503：通过所述处理单元对所述电信号进行信号处理并输出。所述处理单元根据所述电信号，计算实际探测的光子数。

本发明通过改变光电探测器的至少一个像素内部多个探测器的光敏面面积大小或/和其上加载的偏压的大小，使不同探测器的光子探测效率不一致以提高所述整个光电探测装置的动态响应范围。本发明的实施例与传统的光电探测装置相比，扩大了激光雷达接收端的动态响应范围，提高了回波信号可探测性。

当环境光噪声相同时，光子探测效率大的探测器容易饱和，光子探测效率小的探测器不容易饱和，仍能探测出有效信号。光子探测效率小的探测器有利于强光下的探测，光子探测效率大的探测器有利于弱光下的探测。环境光弱的时候，光子探测效率大的探测器更容易探测到有效信号，环境光强的时候，光子探测效率大的探测器容易饱和而探测不到目标，但光子探测效率小的探测器由于没有饱和还可以探测到有效信号。由此可知，采用不同光子探测效率的探测器组成光电探测装置的像素，进而组成激光雷达接收端光电探测装置，能够提高光电探测装置的动态响应范围，有利于激光雷达在不同环境光条件下、对不同距离的目标物都具有更强的探测能力。

本发明的实施例针对不同强弱的回波都能测得准确的信号，降低环境光的影响，提高了激光雷达的探测精度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光电探测装置，包括多个像素，其中至少一个像素包括：

多个探测器，配置成可接收入射的光信号并转换为电信号，所述多个探测器的光子探测效率不完全相同；和

处理单元，与所述探测器耦接以接收所述电信号，配置成可对所述电信号进行信号处理并输出。

2.如权利要求1所述的光电探测装置，其中所述探测器为单光子雪崩光电二极管。

3.如权利要求2所述的光电探测装置，其中所述多个探测器的光敏面面积大小不完全相同。

4.如权利要求2或3所述的光电探测装置，其中所述多个探测器上加载的偏压不完全相同。

5.如权利要求4所述的光电探测装置，其中所述至少一个像素还包括与所述多个探测器相对应的多个偏压施加单元，所述多个偏压施加单元与相对应的探测器耦接，并用于在其上施加不完全相同的偏压。

6.如权利要求1所述的光电探测装置，其中所述多个像素中的每一个像素均包括：

多个探测器，配置成可接收入射的光信号并转换为电信号，所述多个探测器的光子探测效率不完全相同；

处理单元，与所述探测器耦接以接收所述电信号，配置成可对所述电信号进行信号处理并输出。

7.如权利要求6所述的光电探测装置，其中所述多个像素的动态响应范围相同。

8.一种激光雷达，包括：

发射单元，配置成发射探测激光束用于探测目标物；

如权利要求1-7中任一项所述的光电探测装置，所述光电探测装置配置成可接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波。

9.一种使用如权利要求1-7中任一项所述的光电探测装置进行探测的方法，包括：

发射探测激光束；

通过所述光电探测装置的多个探测器接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波，并将其转换为电信号；

通过所述处理单元对所述电信号进行信号处理并输出。

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