CN105043539B - 用于运行光电探测器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行光电探测器的方法和装置。提供一种用于运行光电探测器(100)的方法。该光电探测器(100)具有每像点(102)多个可单独激活的雪崩光电二极管(104)。雪崩光电二极管(104)在激活状态下被构造用于当接收光量时提供电脉冲。该雪崩光电二极管(104)在电脉冲之后在再生周期内是光不敏感的。该方法具有激活像点(102)的雪崩光电二极管(104)中的至少两个的步骤。在此，雪崩光电二极管(104)彼此偏移一时长被激活，其中该时长小于再生周期。

Description

用于运行光电探测器的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于运行光电探测器的方法、一种相应的装置以及一种相应的计算机程序产品。

背景技术

光电二极管需要结构形式决定的光量，以便提供最小亮度值。雪崩光电二极管可以将显著较少的光量转换为电信号。

DE 10 2009 029 376 A1描述了一种具有可瘫痪的光子敏感元件的光子探测器以及一种具有这样的光子探测器的测距设备。

发明内容

在该背景下利用在此介绍的方案按照独立权利要求介绍一种用于运行光电探测器的方法、此外介绍一种使用该方法的装置以及最后介绍一种相应的计算机程序产品。有利的扩展方案由各自的从属权利要求和随后的说明给出。

当最小光量落到雪崩光电二极管的光敏感区域上时，雪崩光电二极管(也称为单光子雪崩二极管)触发电脉冲。在单个光子的情况下已经可以达到光量。在已提供了电脉冲之后，雪崩光电二极管需要固定的时间，直至其重新准备好，响应于最小光量的入射而提供另外的电脉冲。在该时间期间不能记录光。

按照在此介绍的方案，通过以下方式减小不敏感或盲的时间：在该时间之内释放另外的雪崩光电二极管，以便成像在电脉冲中的最小光量。

介绍一种具有每像点多个可单独激活的雪崩光电二极管的光电探测器，其中雪崩光电二极管在激活状态下被构造用于当接收光量时提供电脉冲，并且雪崩光电二极管在提供电脉冲之后在再生周期内是光不敏感的。

此外，介绍一种用于运行光电探测器的方法，其中该方法具有以下步骤：

激活像点的雪崩光电二极管中的至少两个，其中雪崩光电二极管彼此偏移一时长被激活，其中该时长小于再生周期。

光电探测器可以被理解为图像传感器。光电探测器可以具有多个像点或像素。像点可以按平面矩阵布置。雪崩光电二极管可以被理解为单光子光电二极管。光量可以取决于雪崩光电二极管的实施方式。光量可以是小的，使得射到雪崩光电二极管上的单个光子可以触发脉冲。再生周期可以是雪崩光电二极管为了在提供脉冲之后重新准备好提供另外的脉冲所需的时长。时长可以是光电探测器的采样率的倒数。

可以按时间顺序激活像点的雪崩光电二极管。在激活了像点的最后的雪崩光电二极管之后，可以重新激活像点的第一雪崩光电二极管。可以按次序激活像点的雪崩光电二极管。通过依次激活可以实现光电探测器的连续运行。

该时长可以大于数量的倒数乘以再生周期，以便能够实现无中断的检测。该时长可以取决于雪崩光电二极管的数量。像点具有越多的雪崩光电二极管，则该时长可以被设定为越短。

如果再生阶段应当持续更长时间，则该时长可以被延长小的时长，使得像点的第一雪崩光电二极管和接着所有其它雪崩光电二极管在其再生周期之后经过用作安全保留的空转阶段。由此可以确保连续的运行。

该方法可以具有去激活雪崩光电二极管的步骤。在激活雪崩光电二极管时开始的雪崩光电二极管的激活持续时间到期了之后，可以实施去激活的步骤，以便避免错误探测。激活持续时间可以是雪崩光电二极管应当保持激活的时长。在激活持续时间之后，在重新开始激活之前，可以等待标称的再生周期过去。

可以同时激活每像点至少两个雪崩光电二极管，以便量化所检测的光量。在此，当接收所需的光量、例如一个光子时，可以触发雪崩光电二极管之一。当光量双倍大、例如包括两个光子时，可以触发两个雪崩光电二极管。同时激活越多的雪崩光电二极管，则可以区分强度的越多分级。

该方法可以响应于起始时间点而开始。该时长可以是可变的。起始时间点例如可以是光脉冲的发送时间点。从起始时间点起可以测量时间，直至像点的雪崩光电二极管中的一个提供电脉冲。根据流逝的时间和在穿透的介质中的光速可以确定光脉冲经过了的空间路段。当光脉冲在对象处被反射时，与对象的距离取决于光电探测器的几何结构近似地相应于半个路段。

该方法可以具有在使用运行时间信号的情况下确定起始时间点的步骤。运行时间信号可以是在时间上经过的光脉冲的接收情况下在发出光脉冲和接收光脉冲之间已被确定的时长。也就是，运行时间信号可以代表基本知识。因此，当在该时长之内以小的概率预期其光脉冲时，可以匹配方法的起始时间点。

该方法可以具有设定时长的步骤，其中在更靠近起始时间点处比在进一步远离起始时间点处更小地设定时长，以便在更靠近起始时间点处获得比进一步远离起始时间点处更大的时间分辨率。通过在更靠近起始时间点处的更短的时长可以实现更精细的空间分辨率，于是在更大的距离中可以以更粗略的分辨率来检测。通过更精细的分辨率在光强度保持不变的情况下在时长之内的光量与在更粗略的分辨率的情况下相比变得更小。换言之，具有更粗略的分辨率的光电探测器的敏感性变得更大。

该方法可以响应于起始时间点而开始。在进一步远离该方法的起始时间点处可以同时激活比更靠近起始时间点处更多的雪崩光电二极管，以便随着距起始时间点的距离增加获得更大的敏感性。同时有效的雪崩光电二极管越多，则用于光的可能的命中面积变得越大。因为在进一步远离起始时间点处预期待接收的光脉冲具有较小的强度，因为该光脉冲通过介质被衰减，所以通过较大的敏感性可以继续确保可靠的接收。

此外，介绍一种用于运行光电探测器的装置，其中该光电探测器具有每像点多个可单独激活的雪崩光电二极管，其中雪崩光电二极管在激活状态下被构造用于当接收光量时提供电脉冲，并且雪崩光电二极管在电脉冲之后在再生周期内是光不敏感的，其中该装置具有以下特征：

用于激活像点的雪崩光电二极管中的至少两个的设备，其中雪崩光电二极管彼此偏移一时长被激活，其中该时长小于再生周期。

还可以通过本发明的装置形式的该实施变型方案快速且有效地解决本发明所基于的任务。

装置当前可以被理解为电设备，其处理传感器信号并且依据传感器信号输出控制和/或数据信号。该装置可以具有接口，该接口可以以硬件和/或软件方式来构造。在以硬件方式构造的情况下接口例如可以是所谓的系统ASIC的部分，该部分包含装置的不同功能。然而也可能的是，接口是特有的、集成的电路或至少部分地由分立的组件组成。在以软件方式构造的情况下接口可以是软件模块，其例如在微控制器上除了其它软件模块之外而存在。

还有利的是具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序，该程序代码可以被存储在机器可读的载体或存储介质、诸如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且特别是当程序产品或程序在计算机或装置上被实施时可以被用于执行、实现和/或控制按照上述实施方式之一的方法的步骤。

附图说明

在此介绍的方案下面根据附图示例性地更详细地进行解释。

图1示出按照本发明的一个实施例的光电探测器的图示；

图2示出在单个雪崩光电二极管的情况下探测光的时间流程；

图3示出在不同地成形的光脉冲的情况下雪崩光电二极管的探测时间点的图示；

图4a示出按照本发明的一个实施例具有可单独激活的雪崩光电二极管的像点的图示；

图4b示出按照本发明的一个实施例由偏移一时长被激活的雪崩光电二极管检测的不同的光脉冲的图示；

图5a示出按照本发明的一个实施例具有可按组地激活的雪崩光电二极管的像点的图示；

图5b示出按照本发明的一个实施例由偏移一时长被激活的雪崩光电二极管组检测的不同的光脉冲的图示；

图6a示出按照本发明的一个实施例具有可不同数量地激活的雪崩光电二极管的像点的图示；

图6b示出按照本发明的一个实施例由不同数量的雪崩光电二极管组检测的不同的光脉冲的图示；

图6c示出按照本发明的一个实施例由偏移不同时长被激活的不同大小的雪崩光电二极管组检测的不同的光脉冲的图示；

图7a示出按照本发明的一个实施例具有可偏移不同时长被激活的雪崩光电二极管的像点的图示；

图7b示出按照本发明的一个实施例由偏移不同时长被激活的雪崩光电二极管组检测的不同的光脉冲的图示；

图8示出按照本发明的一个实施例由不同大小的雪崩光电二极管组以不同大小的间隔检测的光脉冲的图示；

图9示出按照本发明的一个实施例的用于运行光电探测器的方法的流程图；和

图10示出按照本发明的一个实施例的用于运行光电探测器的装置的方框图。

在本发明的有利实施例的随后描述中为在不同图中示出的且起类似作用的元件使用相同或类似的附图标记，其中舍弃对这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示出按照本发明的一个实施例的光电探测器100的图示。

光电探测器100是示意性示出的并且在此例如具有四个像点102或像素102。光电探测器100可以称为SPAD成像器2×2并且可以每计数周期记录直至100个事件。像点102布置在由行和列组成的矩形栅格中。像点102可以称为SPAD像素5×5并且可以每计数周期各记录直至25个事件。每个像点102具有每像点102多个可单独激活的雪崩光电二极管104(为清楚起见每像点102各仅一个雪崩光电二极管104配备有附图标记)。雪崩光电二极管104可以称为SPAD微单元并且每计数周期各记录一个事件。

在该实施例中，光电探测器100具有每像点25个雪崩光电二极管104。雪崩光电二极管104同样布置在由行和列组成的矩形栅格中，其中每行和列并排或上下重叠地布置各五个雪崩光电二极管104。也就是，像点102是近似正方形的。雪崩光电二极管104在激活状态下被构造用于，当每雪崩光电二极管104接收光量时，提供各一个电脉冲。光量可以相应于单个光子。通过光量可以触发电脉冲。在雪崩光电二极管104输出了电脉冲之后，其在再生周期内是光不敏感的，也就是盲的。在该时间内入射的光子不触发脉冲。当雪崩光电二极管104处于去激活状态时，入射的光即使在用于触发电脉冲的光量之上也不触发电脉冲。

SPAD接收器100可以以不同的方式实现。以最简单的形式，其由单个SPAD单元104组成。该SPAD单元可以记录或计数各个光子的到达。但是，由于几纳秒、例如10纳秒直至50纳秒的内部复位时间，仅有限的计数率、例如每秒20兆计数(MCounts/s)至100MCounts/s是可能的，除此之外SPAD单元104处于饱和。此外，单个SPAD单元104在计数之内不记录，是否单个光子或多个光子到达了。

按照一个实施例，单个雪崩光电二极管104不具有针对用于触发电脉冲的光量的阈值。每个单个光子可以触发激活。因此，背景光原则上每时间单位产生一定的干扰计数率或激活。此外，激活也可以是热引起的，这可以称为暗计数率。但是出发点是，通过由有效的光源辐射的有效光，例如反射的激光脉冲，实现总计数率的可测量的提高或明显提高的计数率并且因此可以区分干扰光计数率和/或暗计数率或者接收的功率的噪声分量与有效计数率或接收的功率的信号分量。在有利的情况下，有效计数率在此比干扰光计数率/暗计数率明显更大。在不利的情况下，关系相反。但是通过具有测量的大量重复的长的测量时间可以提高信噪比并且因此然后也可以探测脉冲。

为了实现较高的敏感性，多个SPAD单元1104可以并排地、例如以矩阵形式并行运行。由此增大有效面积，记录更多光子。但是通过矩阵布置也可以实现方向选择性或角度分辨率，与在照相机的情况下在多个像素上的成像类似。可以连接矩阵布置的SPAD单元104，使得可以记录到达的光子的数量。通过在SPAD(宏)像素102和从多个宏像素102到SPAD成像器100的超结构100之内的微单元104的增加的数量可以实现具有高计数率和高空间分辨率的SPAD成像器100，类似于照相机的像素数量。通过高的计数率可以实现相对于由于环境光的错误计数的高不敏感性。

例如可以结合车辆的驾驶员辅助系统使用光电探测器100。在驾驶员辅助系统中近年来在市场上设立了大量舒适性功能，诸如自动巡航控制、停车引导、车道保持助手、交通指示牌识别；和安全功能，诸如渐进安全控制、车道偏离警告。目前，发展了高度自动化的行驶功能，其中责任越来越多地从驾驶员转移到车辆。为了实现，需要具有车辆环境的几乎无缝且无错的检测的最高可靠的传感器系统。激光雷达传感器可以满足该要求。

在不同的激光雷达技术的情况下这样的系统显得特别感兴趣，在这些系统中光脉冲朝不同的空间方向被发出并且由环境反射的光借助最高敏感的SPAD接收器(单光子雪崩二极管，探测各个光子)来接收。

图2示出在单个雪崩光电二极管的情况下对光的探测的时间流程。雪崩光电二极管例如是像点的组成部分，如在图1中示出的那样。在时间变化曲线上示出了该流程。在此，在一个轴上描绘了时间。横向于该轴提供了信号的强度。如果有效地接通雪崩光电二极管并且光量200落到雪崩光电二极管上，则雪崩光电二极管触发电脉冲202。换言之，当光子到达时点燃SPAD。电脉冲202的强度通过雪崩光电二极管的结构形式预先给定。在雪崩光电二极管输出了脉冲202之后，在再生周期204或复位时间204内，雪崩光电二极管变得不敏感。在再生周期204之内雪崩光电二极管不能提供电信号，即使所需的光量200落到雪崩光电二极管上。换言之，当光子到达时SPAD不记录。即使双重光量206落到准备好接收的且有效地接通的雪崩光电二极管上，也仅提供具有结构形式决定的大小或强度的电脉冲202。换言之，即使两个光子到达，也简单地点燃SPAD。

在例如由于在附近对象处反射的激光脉冲而较强的光脉冲到达时，在脉冲开始或在脉冲的上升边沿进行计数。

图3示出在不同地成形的光脉冲302、304、306的情况下雪崩光电二极管的探测时间点300的图示。探测时间点300在图表中被提供，该图表在横坐标上提供了时间并且在纵坐标上提供了信号强度。光脉冲302、304、306分别在最小强度的情况下开始和结束。光脉冲302、304、306分别具有强度最大值308，其近似地在一半脉冲持续时间之后出现。第一光脉冲302具有小的脉冲持续时间和小的最大强度308。第二光脉冲304具有小的脉冲持续时间和大的最大强度308。第三光脉冲306具有大的脉冲持续时间和大的最大强度308，其中第三光脉冲306具有比第二光脉冲304更小的最大强度308。当光的强度超过探测极限时，探测时间点300分别处于光脉冲302、304、306之一开始之后不久。换言之，在脉冲开始处SPAD点燃。也就是，以与实际开始小的时间偏移来检测光脉冲302、304、306。因为当单个雪崩光电二极管记录光量时单个雪崩光电二极管输出其电脉冲202，并且紧接着在其再生周期内不能提供其它脉冲，因此不检测光脉冲302、304、306的形状。电脉冲202取决于光脉冲302、304、306的形状具有与最大值308不同的时间偏移。

通过在此介绍的方案例如可以在激光雷达系统中不仅仅确定上升的脉冲边沿300，而是检测和分析总的脉冲形状。所接收的脉冲形状相对于发送的脉冲形状的改变给予对大气干扰、诸如雨、雾、雪、浪花或反射对象表面的延伸和位置、诸如“软的”灌木丛、“硬的”汽车、“长的、倾斜的”壁的提示。

图4a示出按照本发明的一个实施例的具有可单独激活的雪崩光电二极管104的像点102的图示。像点102基本上相应于图1中的像点之一。像点102在此具有16个可单独激活的雪崩光电二极管104。

换言之，图4a示出SPAD像素4×4。每计数周期直至16个事件在两纳秒栅格中等距离地被延展到32ns。

在一个实施例中，SPAD像素102由16个SPAD单元104组成，所述SPAD单元的单独的复位时间例如是32ns。通过逐步地以2ns的间隔(相应于15cm的距离)激活和去激活SPAD单元104，SPAD单元104分别在2ns内是有效的。在遍历所有SPAD单元104之后，以第一SPAD单元104重新开始。该运行方式可以被称为滚动。以这种方式实现间隔扫描或间隔采样。如果光脉冲到达，则可以利用该实施例检测脉冲持续时间，但还不能检测脉冲高度。

图4b示出按照本发明的一个实施例由偏移一时长被激活的雪崩光电二极管检测的不同的光脉冲302、304、306的图示。在此由如图4a中那样具有16个雪崩光电二极管的像点来检测光脉冲302、304、306。在该实施例中，每个雪崩光电二极管具有32ns的再生周期204。雪崩光电二极管彼此偏移两纳秒的时长被激活。因此，雪崩光电二极管可以输出电脉冲202、经过其再生周期204或复位时间204并且紧接着直接再次被激活。该时长也可以大于数量16的倒数乘以32ns的再生周期，以便能够实现无中断的检测。在两纳秒的时长到期之后再次去激活雪崩光电二极管，即使其已经不提供电脉冲，以便避免错误探测。因此，该时长相应于雪崩光电二极管每循环的激活持续时间。然后，雪崩光电二极管在相应于再生周期204的静止持续时间内保持去激活直到下一次激活。像点的剩下的15个雪崩光电二极管被偏移地激活和去激活，使得像点的雪崩光电二极管中的一个在有效状态下被偏移至少所有两纳秒并且因此准备好接收。一旦光脉冲302、304、306导致明显提高的计数率，就通过在激活雪崩光电二极管时偏移两纳秒导致两纳秒的时间分辨率。也就是可以将光脉冲302、304、306的脉冲长度400精确地确定为两纳秒。像点的雪崩光电二极管在此按时间顺序被激活。在此，在像点的最后的雪崩光电二极管被激活了之后，重新激活像点的第一雪崩光电二极管。

图5a示出按照本发明的一个实施例具有可按组地激活的雪崩光电二极管104的像点102的图示。像点102基本上相应于图1中的像点之一。与之不同地，像点102在此具有16个可单独激活的二极管组500。二极管组500分别由4个雪崩光电二极管104组成。也就是，在此可以同时激活每像点102至少两个雪崩光电二极管104，以便量化所检测的光量。换言之，图5a示出SPAD像素4×4×4，其中可同时激活四个SPAD。

在一个实施例中，SPAD像素102由64个SPAD单元104组成，其中四个分别在相同时间被激活。由此，除了脉冲持续时间之外还可以按四个高度级检测脉冲高度。

介绍一种利用特别的电路技术的SPAD接收器102，利用该SPAD接收器可以检测到达的光的信号形状。此外，在此介绍的电路技术能够实现较大的动态范围。

在此，有针对性地在时间上激活或去激活各个SPAD单元104。以这种方式，一些SPAD单元104例如可以记录脉冲的上升边沿，而在稍微延迟的时间点激活另外的SPAD单元104并且同样记录脉冲或脉冲形状。通过多倍的不同的推迟，因此可以在时间上采样脉冲。属于推迟的SPAD单元104的数量在此可以关于时间可变地被设计，使得可以实现更高的动态范围和/或更精细的采样和因此测量精确性。

图5b示出按照本发明的一个实施例由偏移一时长被激活的雪崩光电二极管组检测的不同的光脉冲302、304、306的图示。该组相应于图5a中的二极管组。光脉冲302、304、306相应于图3和图4b中的图示。如图4b中那样，二极管组彼此偏移两纳秒的时长被激活并且在两纳秒之后再次被去激活，以便能够实现光脉冲302、304、306的准连续检测。附加地，可以区分四个强度级502、504、506、508，因为或者一个雪崩光电二极管在该两纳秒之内提供一个电脉冲202、两个雪崩光电二极管在该两纳秒之内共同提供两个电脉冲202、三个雪崩光电二极管在该两纳秒之内共同提供三个电脉冲202或者四个雪崩光电二极管在该两纳秒之内共同提供四个电脉冲202。在此，四个脉冲202代表最高的强度级508；三个脉冲202代表第二最高的强度级506；两个脉冲202代表第三最高的强度级504并且一个脉冲202代表最低的强度级502。没有脉冲代表没有强度级，因为于是没有接收光量。通过强度级502、504、506、508可以除了脉冲长度400之外检测光脉冲的脉冲形状。

通过在此介绍的方案可以覆盖大的动态范围。在此可以达到直至140dB。由此可以同时检测在远的距离下具有极其少的光子的极其弱地进行反射的对象和在近场具有极其多的光子的极其强地进行反射的对象，而不会在距离测量中出现测量不精确性或接收器不会由于饱和而不再有测量能力。

在此处介绍的方案中可以精确地确定时间脉冲位置和因此所测量的相应于间隔值的运行时间，因为检测总的脉冲形状。

通过有针对性地、在时间上激活和去激活由多个SPAD单元组成的复合体中的各个SPAD单元，时间上推迟地激活或去激活的SPAD单元能够实现光信号302、304、306的采样。

图6a示出按照本发明的一个实施例具有可不同数量地激活的雪崩光电二极管104的像点102的图示。像点102基本上相应于图5a中的像点。与之不同地，像点具有64个由各四个雪崩光电二极管104组成的二极管组500。也就是，像点102具有264个雪崩光电二极管104。二极管组500的雪崩光电二极管104能够共同地激活。可以单独地控制二极管组500。在此也可以共同地且同时地激活多个二极管组500。二极管组500构成8×8矩阵。换言之，图6a示出SPAD像素4×4×(4-16)，其中可同时激活四至16个SPAD。

在一个实施例中，SPAD像素102由256个SPAD单元104组成，其中起初四个分别在相同时间被激活，但其数量随着时间增加到16个。由此接收器对于进一步远离的、通常更弱的反射变得更敏感。随之出现动态范围的提高。

图6b示出按照本发明的一个实施例由不同数量的雪崩光电二极管组检测的不同的光脉冲304、302的图示。光脉冲302、304相应于图3中的光脉冲。也就是，光脉冲302如在图4中那样具有小的脉冲长度400和小的最大强度。同样，光脉冲304如在图4中那样具有小的脉冲长度400以及大的最大强度。光脉冲302、304在图表中被示出，该图表在其横坐标上提供了时间。在纵坐标上提供了光的强度级或脉冲高度。时间在起始点600处开始。起始点600此处代表一个时间点，在该时间点发出光脉冲。光脉冲302、304代表发出的光脉冲的反射的光。在该实施例中，具有大的最大强度的光脉冲304比具有小的最大强度的光脉冲302更靠近起始点600、也就是更早地被检测。不同的最大强度代表在穿透发送光所穿过的介质时发出的和反射的光的衰减。光脉冲304按四个强度级502、504、506、508被检测。换言之，激活四个SPAD，由此像点是不太敏感的并且较少被分辨。光脉冲302按16个强度级被检测。换言之，激活16个SPAD。由此光脉冲302可以比光脉冲304更敏感地或更高地被分辨。为了设定不同的敏感性，在光脉冲304的情况下每时间步长同时激活四个雪崩光电二极管，而在光脉冲302的情况下每时间步长同时激活16个雪崩光电二极管。也就是，进一步远离起始点600比更靠近起始点600同时激活更多雪崩光电二极管，以便随着与起始点600的间隔增加获得更大的敏感性。

图6c示出按照本发明的一个实施例由偏移不同时长被激活的不同大小的雪崩光电二极管组检测的不同的光脉冲304、302的图示。该图示基本上相应于图6b中的图示。附加地，在此动用两个已知的时间点602、604。时间点602、604基于基本知识。该基本知识例如可以在先前的动作中获得。也就是，在使用运行时间信号的情况下确定起始点600。例如，在两个已知的时间点602、604前不久已经记录了各一个光脉冲302、304。时间点602、604分别标记光脉冲302、304的开始。在此从起始点600起直至第一时间点602，以每时间步长各一个二极管组运行像点，由此得出具有四个强度级的分辨率。从第一时间点602起以每时间步长各四个二极管组运行像点。如图6b中那样，由此得出16个强度级的分辨率。附加地，从第一时间点602起，时间步长从2ns缩短到半纳秒。由此得出更精确的时间分辨率。在读入了第二光脉冲304之后，直至第二时间点604重新以每时间步长一个二极管组、也就是以四个强度级运行像点。在此，时间步长可以再次被提高到每时间步长2ns。同样，时间步长可以保持在每时间步长半纳秒。从第二时间点604起，重新以每时间步长四个二极管组来运行图像传感器，这又导致16个可能的强度级。在此，将时间步长设置为每时间步长2ns。通过扩大的时间步长，雪崩光电二极管更长时间地有效。由此可以类似于具有较长曝光时间的摄影机，每时间步长更多光落到雪崩光电二极管上。也就是，图像传感器现在是更敏感的。

通过有针对性地、在时间上激活和去激活由多个SPAD单元组成的复合体中的各个SPAD单元，可以可变地设计在发出的和反射的光的运行时间期间激活/去激活的SPAD单元的数量。激活的单元的数量可以随着运行时间相应于对象的距离而增加。因此接收器对于更远离的对象的较弱的信号的敏感性可以增加。

在一个实施例中，例如从之前的测量中已知时间点602、604，其应当有针对性地被检测。首先直接在该时间点602、604之前进行SPAD单元的激活。提高同时有效的SPAD单元的数量和/或降低采样率。以这种方式可以通过现有的基本知识有针对性地提高敏感性和/或精确性。

图7a示出按照本发明的一个实施例具有可偏移不同时长被激活的雪崩光电二极管104的像点102的图示。像点相应于图6a中的像点并且具有264个雪崩光电二极管104。与之不同地，二极管组500在此包括用于16个强度级的16个雪崩光电二极管104。也就是，像点102具有16个二极管组500。换言之，图7a示出具有可适配的时间栅格的SPAD像素4×4×16。

在一个实施例中，SPAD像素102由256个SPAD单元104组成，其中16个分别在相同时间被激活。起初，SPAD单元104的逐步的激活和去激活以0.5ns的间隔被设定并且因此提高采样。随着时间增加或对象的预期的远离，又将采样时间提高到2ns。以这种方式除了所有之前的优点之外在附近区域内提高间隔精确性。此外，再次提高动态范围，因为较少光子以较小的采样步长落下。

图7b示出按照本发明的一个实施例由偏移不同时长被激活的雪崩光电二极管组检测的不同的光脉冲304、302的图示。光脉冲302、304相应于图6b中的光脉冲。如在图6c中那样，以0.5ns的间隔来采样光脉冲304。光脉冲302如在图6c中那样以2ns的间隔来采样。间隔在此取决于起始点600的时间间隔。起始点600经过时间越长，则间隔越大。两个光脉冲302、304以16个强度级来采样。换言之，激活各16个SPAD。在0.5ns间隔的情况下得出高的时间分辨率，在2ns的间隔的情况下得出较小的时间分辨率。也就是，在此介绍的流程响应于起始时间点600而开始。在此，时长是可变的。时长在更靠近起始时间点600处比在进一步远离起始时间点600处更小地被设定，以便在更靠近起始时间点600处获得比在进一步远离起始时间点600处更大的时间分辨率。

图8示出按照本发明的一个实施例由不同大小的雪崩光电二极管组以不同大小的间隔检测的光脉冲302的图示。光脉冲302相应于图3中具有小的振幅的短的光脉冲。光脉冲302以16个强度级来采样。

通过有针对性地、在时间上激活和去激活由多个SPAD单元组成的复合体中的各个SPAD单元，可以将激活/去激活的SPAD单元的数量高动态地与接收信号相匹配。

在此，激活时间和去激活时间以及激活和去激活的接收器的数量的控制可以源于先前的光信号的先前的采样值的分析。也就是，可以进行与测量情况的动态匹配。

通过在此介绍的方案可以检测例如脉冲信号的信号形状。得出动态范围的提高和测量精确性的提高。

在一个实施例中，进行SPAD单元的激活时间点和去激活时间点的高动态的适应性匹配。在基态下所有SPAD单元是有效的，以便实现最高的敏感性。在此检查，在预先给定的时间段之内是否点燃比通过背景光可预期的更多的SPAD单元，也就是是否可能存在上升的脉冲边沿800。由此淡出背景光并且仅少量的SPAD单元处于复位阶段。在脉冲边沿800处点燃的SPAD单元的数量代表在脉冲边沿800处的脉冲高度。由此确定，应当去激活多少还没被点燃的SPAD单元作为对于剩余脉冲302的保留。附加地可以匹配用于下一时间栅格的时间段和/或插入死时间802。

可以缩短时间栅格，以便能够检测具有较小的动态范围的上升的脉冲高度。在该下一时间栅格之内又确定激活的和点燃的SPAD单元的数量并且由此导出脉冲高度。如果新的脉冲高度更高，则从还被去激活的SPAD单元中激活例如更大数量和/或对于下一周期通过插入较大的死时间802来缩短有效的时间栅格。如果脉冲高度更低，则减小数量和/或降低死时间802。通过在此介绍的各时间栅格对SPAD单元的激活数量的控制和死时间802的匹配，能够以受限制数量的SPAD单元完整地检测脉冲302。甚至在脉冲长度大于复位时间的最不利的情况下，起初被点燃的SPAD单元和所有在脉冲持续时间400上被激活的SPAD单元的总和不高于可用的SPAD单元的数量。

换言之，在脉冲开始800之前激活所有SPAD，其中没有一个被触发。当触发的SPAD的数量大于极限：N1＜＜N0SPAD激活，识别边沿开始800。在边沿开始800之后触发的SPAD的数量增加：N3＞N2＞N1，或时间栅格更小或死时间802更大。在脉冲高度之后数量下降：N4＞N3，或时间栅格更大或死时间802更小。在脉冲302之后作为SPAD被激活并且没有一个被触发。

图9示出按照本发明的一个实施例的用于运行光电探测器的方法900的流程图。光电探测器每像点具有多个可单独激活的雪崩光电二极管。雪崩光电二极管在激活状态下被构造用于当接收光量时提供电脉冲。雪崩光电二极管在电脉冲之后在再生周期内是光不敏感的。方法900具有激活步骤902。在激活步骤902中激活像点的雪崩光电二极管中的至少两个。雪崩光电二极管彼此偏移一时长被激活。该时长小于再生周期。

在此介绍的方案描述一种动态单光子雪崩二极管SPAD定时。

可以通过快速计数器、例如TDC、时间至数字转换器进行时间测量，该快速计数器在发出激光束时启动并且在脉冲到达接收器时停止。于是，计数器读数相应于光运行时间并且因此相应于距离。就此可以确定各接收的脉冲的时间点，通常在上升边沿处。

在所有在此示出的实施例中，可以从上升脉冲边沿开始在相应于距离栅格的固定或可变的时间栅格内进行光子事件的计数。这样形成的直方图模拟总的脉冲形状。为了技术实现，例如可以使用计数器库，其在用于激光束的发送时间点的共同开始之后在识别了脉冲边沿之后逐步地以所设置的时间栅格停止并且在相应于距离栅格的每个步长中对事件计数并且存储。计数器库的长度明显小于用于完整的时间采样和AD转换的解决方案。这降低用于进一步的处理的数据开销、所需的芯片面积和成本。如果滚动地设计计数器库，则也可以依次检测一个发送脉冲的多个接收脉冲并且实现多目标能力。直方图内容可以极其快速地被复制到直方图存储器中。该直方图存储器的存储器开销远小于用于总的采样的存储器开销。例如，相应于150m的一微秒的采样在纳秒栅格中要求1000个存储器单元。计数器库和直方图在假设15ns的脉冲持续时间和三个待存储的脉冲的情况下要求45个存储器单元。

在此介绍的方案可以被用在针对驾驶员辅助系统的用于环境检测的2D和3D激光雷达传感器中。此外，在其它产品中的使用是可能的。例如在此介绍的方案可以被用在服务机器人技术中、机动车内部空间中的手势识别中、空间测量中、工作空间监视中、建筑空间监视中。

图10示出按照本发明的一个实施例的用于运行光电探测器的装置1000的方框图。在此，光电探测器基本上相应于图1中所示的光电探测器。装置1000具有用于激活光电探测器的像点的雪崩光电二极管中的至少两个的设备1002。该设备被构造用于将雪崩光电二极管彼此偏移一时长激活。在此，该时长小于再生周期。

所描述的和在图中示出的实施例仅是示例性地选择的。不同的实施例可以完全地或关于各个特征彼此组合。一个实施例也可以通过另外的实施例的特征来补充。

此外，在此介绍的方法步骤可以重复地以及按与所描述的顺序不同的顺序来实施。

如果实施例包括第一特征和第二特征之间的“和/或”关联，则这可以被解读为使得该实施例按照一种实施方式具有第一特征以及第二特征并且按照另一实施方式或者仅具有第一特征或者仅具有第二特征。

Claims (12)

1.一种用于运行光电探测器(100)的方法(900)，其中所述光电探测器(100)具有每像点(102)多个可单独激活的雪崩光电二极管(104)，其中雪崩光电二极管(104)在激活状态下被构造用于当接收光量(200)时提供电脉冲(202)，并且所述雪崩光电二极管(104)在提供所述电脉冲(202)之后在再生周期(204)内是光不敏感的，其中所述方法(900)具有以下步骤：

激活(902)像点(102)的雪崩光电二极管(104)中的至少两个，其中所述雪崩光电二极管(104)彼此偏移一时长被激活，其中所述时长小于所述再生周期(204)。

2.根据权利要求1所述的方法(900)，其中，按时间顺序激活所述像点(102)的雪崩光电二极管(104)，其中在激活了所述像点(102)的最后的雪崩光电二极管(104)之后，重新激活所述像点(102)的第一雪崩光电二极管(104)。

3.根据上述权利要求之一所述的方法(900)，其中，在激活步骤(902)中所述时长大于数量的倒数乘以所述再生周期(204)，以便能够实现无中断的检测。

4.根据上述权利要求之一所述的方法(900)，具有去激活雪崩光电二极管(104)的步骤，其中在激活(902)所述雪崩光电二极管(104)时开始的所述雪崩光电二极管(104)的激活持续时间到期之后，实施去激活的步骤，以便避免错误探测。

5.根据上述权利要求之一所述的方法(900)，其中，在激活步骤(902)中同时激活每像点(102)至少两个雪崩光电二极管(104)，以便量化所检测的光量(200)。

6.根据上述权利要求之一所述的方法(900)，其中，所述方法(900)响应于起始时间点(600)而开始，其中在激活步骤(902)中所述时长是可变的。

7.根据权利要求6所述的方法(900)，具有在使用运行时间信号的情况下确定所述起始时间点(600)的步骤。

8.根据权利要求6或7所述的方法(900)，具有设定所述时长的步骤，其中在更靠近所述起始时间点(600)处比在进一步远离所述起始时间点(600)处更小地设定所述时长，以便在更靠近所述起始时间点(600)处获得比在进一步远离所述起始时间点(600)处更大的时间分辨率。

9.根据上述权利要求之一所述的方法(900)，其中，所述方法(900)响应于起始时间点(600)而开始，其中在激活步骤(902)中在进一步远离所述方法(900)的起始时间点(600)处同时激活比在更靠近所述起始时间点(600)处更多的雪崩光电二极管(104)，以便随着距所述起始时间点(600)的距离增加获得更大的敏感性。

10.一种用于运行光电探测器(100)的装置(1000)，其中所述光电探测器(100)具有每像点(102)多个可单独激活的雪崩光电二极管(104)，其中雪崩光电二极管(104)在激活状态下被构造用于当接收光量(200)时提供电脉冲(202)，并且所述雪崩光电二极管(104)在提供所述电脉冲(202)之后在再生周期(204)内是光不敏感的，其中所述装置(1000)具有以下特征：

用于激活像点(102)的雪崩光电二极管(104)中的至少两个的设备(1002)，其中所述雪崩光电二极管(104)彼此偏移一时长被激活，其中所述时长小于所述再生周期(204)。

11.一种具有每像点(102)多个可单独激活的雪崩光电二极管(104)的光电探测器(100)，其中雪崩光电二极管(104)在激活状态下被构造用于当接收光量(200)时提供电脉冲(202)，并且所述雪崩光电二极管(104)在提供所述电脉冲(202)之后在再生周期(204)内是光不敏感的，其中像点(102)的雪崩光电二极管(104)中的至少两个能够彼此偏移一时长被激活，其中所述时长小于所述再生周期(204)。

12.一种机器可读的存储介质，具有在其上存储的计算机程序，该计算机程序被设立用于执行根据权利要求1所述的方法的所有步骤。