光电探测装置、相应的激光雷达及探测方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种光电探测装置，包括：探测部，所述探测部可接收入射的单光子并转换为电信号；滤光部，所述滤光部设置在所述探测部的光路上游，以对入射至所述探测部的光子进行过滤；处理单元，所述处理单元配置成可根据所述电信号与所述滤光部的透过率，确定所述实际入射光子的数目。通过本发明专利技术的实施例，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。能。能。

【技术实现步骤摘要】
光电探测装置、相应的激光雷达及探测方法


[0001]本公开大致涉及光电
，尤其涉及一种光电探测装置、相应的激光雷达及探测方法。

技术介绍

[0002]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)，工作在盖革模式下的雪崩光电二极管又被称作单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Photo Diode,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。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。盖革模式下，SPAD 的工作电压大于其雪崩击穿电压，这样能够保证即使单个光子入射激发出的载流子也能引起雪崩效应。激发的载流子漂移进入耗尽层，在SPAD中强电场的作用下，载流子被瞬间加速并获得足够的能量，不断地与晶格发生碰撞，新产生的载流子继续在电场的作用下撞击晶格，又会产生新的载流子，如此连锁反应，使得载流子的数量雪崩式增加，反向电流在纳秒甚至亚纳秒内上升至毫安培量级。然而雪崩是一种自维持行为，SPAD本身并不能自发地将其淬灭。为了保护SPAD，以免器件被大电流损坏，SPAD必须和淬灭电路配合使用，在雪崩发生后迅速将SPAD的偏压降至击穿电压以下，将雪崩淬灭，并快速再将SPAD的偏压拉回击穿电压以上，使得SPAD恢复到待检测光子的状态。因此，每探测到一个单光子，SPAD会倍增输出一个自然离散的电脉冲信号，再利用外围电路实现信号甄别并计数就能将湮没在噪声中的有用信号识别并提取出来。
[0003]目前，在激光雷达测距应用中的SPAD单元可分为两类，主动淬灭和被动淬灭。被动淬灭的SPAD单元如图8A所示。当光子到达时，图8A中被偏置在盖革模式下的二极管1触发雪崩，产生图8B中的雪崩电流aec，雪崩电流aec 在淬灭电阻R上产生电压(图8B中波形p2)，而后雪崩被淬灭，节点2被淬灭电阻R放电回地电位，二极管1重新回到盖革偏置区域。节点2的波形经过缓冲器后变成有一定驱动能力的数字脉冲p3(节点3)，输出给后级处理电路。缓冲器通常由多级反相器构成，翻转阈值固定。这个过程中可知SPAD存在死时间。主动淬灭的SPAD单元如图9A所示。当光子到达时，被偏置在盖革模式下的二极管1触发雪崩，产生图9B中的雪崩电流aec，此时连接二极管阳极和地的NMOS管截止(因为NMOS的栅极G的电压为0V),NMOS处于高阻的状态，雪崩电流在NMOS管漏极产生电压，而后雪崩被淬灭。节点2维持高电平(图9B中的波形p2)，直到经过时延T
DELAY
(典型值为几ns到几十ns)，高电平传播到栅极G(图9B中的波形pG)，使得NMOS导通，节点2被放电到 0V，二极管重新回到盖革偏置区域。节点2的脉冲宽度近似等于TDELAY的时长，而节点2的波形经过缓冲后变成有一定驱动能力的数字脉冲p3(节点3)，输出给后级处理电路。波形p3中的虚线部分表示SPAD的死时间，在虚线对应的时间段内，由于NMOS管持续导通将节点2拉到地电位，电路不处于正常工作、等
待光子到达的状态中，这段时间被视为死时间，直到NMOS管回到截止状态，电路重新回复到工作状态。
[0004]不管是主动淬灭还是被动淬灭，SPAD单元都有一个时间段处于电路未正常工作、无法测量光子的状态中。SPAD不能探测光子的这段时间叫做死时间 (Dead Time)。基于SPADs器件的自身特性，死时间是无法避免的，而由于死时间的存在，导致采用SPAD技术的探测器件的动态范围受限于其实际所采用的SPAD探测器的数量。其中，动态范围是用来描述SPADs器件接收光子的能力的物理量。例如，假定一个SPADs探测单元包括10x10个SPAD探测器构成的SPADs阵列，那么该探测单元一次最多可接收100个光子。亦即该探测单元的动态范围为1-100。如果一次接收的回波超过100个光子，如200或者更多个光子的时候，由于探测单元中的100个探测器都已经进入死时间，其余多的光子无法被测量。如果希望能够准确的测出所获得回波的光强，当前只能通过扩充探测单元中所用的SPAD探测器的数量，例如，将其扩充为20*10 的阵列，以实现对一次回波200个光子的测量等。
[0005]而对于采用硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，简称SiPM)的光电探测器来说，通常该种光电探测器采用多个SiPM单元(或可称为一个 pixel)来实现，每个SiPM单元采用多个并联的SPAD(参考图10A和图10B，图10A示意出了当前的一种SiPM的电路实现方式；图10B示意出了当前另一种具有快速输出的SiPM的电路实现方式)。并根据阵列整体一次接收到光子总量叠加电流输出一个脉冲，虽然其不会由于阵列中个别SPAD的死时间而影响测量，但显然，该光电探测器动态范围的上限也受到所采用的的SiPM单元本身所采用的SPAD个数的限制。
[0006]显然，该种方式下，如果要构建具有足够大的动态范围的探测单元，需要更多的SPAD探测器，器件成本增加，同时，由于器件数量增加，其相应的功耗也会极大的增加。当需要测量的信号光的光强极大时，其相应需要的探测单元的成本和功耗会变得非常大。
技术介绍
部分的内容仅仅是专利技术人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出一种具有大动态范围的激光雷达接收端，提高了单光子探测过程中接收端动态范围小的问题。
[0008]有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本专利技术提出一种光电探测装置，包括：
[0009]探测部，所述探测部可接收入射光的单光子并转换为电信号；
[0010]滤光部，所述滤光部设置在所述探测部的光路上游，以对入射至所述探测部的光束的光子进行过滤；
[0011]处理单元，所述处理单元配置成可根据所述电信号与所述滤光部的透过率，确定所述入射光的实际光强。
[0012]根据本专利技术的一个方面，所述探测部包括多个探测单元，所述滤光部包括多个透过率不同的滤光单元；并且，所述多个探测单元中至少有两个所述探测单元分别对应不同透过率的滤光单元。
[0013]根据本专利技术的一个方面，所述探测部的多个探测单元根据其对应的滤光单元的峰值透过率由低到高分别对应多个级别，其中，当级别较高的探测单元的连续饱和次数超过预定阈值时，采用级别较低的探测单元的探测信息进行测量。
[0014]根据本专利技术的一个方面，所述探测单元采用以下任一种来实现：
[0015]-SiPM单元；
[0016]-SPADs阵列。
[0017]根据本专利技术的一个方面，所述各个探测单元中分别包括多个探测器，所述探测器为单光子雪崩二极管，且各个所述探测器可分别单独寻址，其中，所述多个探测单元中包括至少一个探测单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电探测装置，包括：探测部，所述探测部可接收入射光的单光子并转换为电信号；滤光部，所述滤光部设置在所述探测部的光路上游，以对入射至所述探测部的光束的光子进行过滤；处理单元，所述处理单元配置成可根据所述电信号与所述滤光部的透过率，确定所述入射光的实际光强。2.根据权利要求1所述的光电探测装置，其中，所述探测部包括多个探测单元，所述滤光部包括多个透过率不同的滤光单元；并且，所述多个探测单元中至少有两个所述探测单元分别对应不同透过率的滤光单元。3.根据权利要求2所述的光电探测装置，其中，所述探测部的多个探测单元根据其对应的滤光单元的峰值透过率由低到高分别对应多个级别，其中，当级别较高的探测单元的连续饱和次数超过预定阈值时，采用级别较低的探测单元的探测信息进行测量。4.根据权利要求1或2所述的光电探测装置，其中，所述探测单元采用以下任一种来实现：-SiPM单元；-SPADs阵列。5.根据权利要求2所述的光电探测装置，其中，所述各个探测单元中分别包括多个探测器，其中，所述探测器为单光子雪崩二极管，且各个...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙恺，向少卿，
申请(专利权)人：上海禾赛科技有限公司，
类型：发明
国别省市：