[发明专利]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

说明书

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。