Title:
Optoelektronischer Sensor mit im Geiger-Modus betriebenen Lawinenphotodiodenelementen
Kind Code:
U1
Abstract:

Optoelektronischer Sensor (10) mit einem Lichtempfänger (20), der eine integrierte Schaltung (34) mit einer Vielzahl von Lawinenphotodiodenelementen (100) zur Erfassung von Empfangslicht aus einem Überwachungsbereich (16) aufweist, die jeweils mit einer Vorspannung oberhalb einer Durchbruchspannung vorgespannt und somit in einem Geiger-Modus betrieben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung (34) zugleich Auswertungsstrukturen (24, 26) zur Auswertung eines Empfangssignals der Lawinenphotodiodenelemente (100) aufweist.



Application Number:
DE202013105389U
Publication Date:
02/27/2015
Filing Date:
11/26/2013
Assignee:
SICK AG, 79183 (DE)
International Classes:
Other References:
Aull et al., "Geiger-Mode Avalanche Photodiodes for Three Dimensional Imaging", Lincoln Laboratory Journal 13(2), 2002, Seiten 335-350
Attorney, Agent or Firm:
Hehl, Ulrich, Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., 79183, Waldkirch, DE
Claims:
1. Optoelektronischer Sensor (10) mit einem Lichtempfänger (20), der eine integrierte Schaltung (34) mit einer Vielzahl von Lawinenphotodiodenelementen (100) zur Erfassung von Empfangslicht aus einem Überwachungsbereich (16) aufweist, die jeweils mit einer Vorspannung oberhalb einer Durchbruchspannung vorgespannt und somit in einem Geiger-Modus betrieben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung (34) zugleich Auswertungsstrukturen (24, 26) zur Auswertung eines Empfangssignals der Lawinenphotodiodenelemente (100) aufweist.

2. Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Auswertungsstrukturen (24, 26) eine Empfangssignalaufbereitungseinheit (26) aufweisen.

3. Sensor (10) nach Anspruch 2, wobei die Empfangssignalaufbereitungseinheit (24) einen Verstärker, einen Filter oder einen A/D-Wandler aufweist.

4. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrierte Schaltung (34) einen Referenzkanal (22) umfasst.

5. Sensor (10) nach Anspruch 4, wobei der Referenzkanal (22) mindestens ein in einem Geigermodus betriebenes Lawinenphotodiodenelement (100) aufweist.

6. Sensor (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Auswertungsstrukturen (24, 26) dafür ausgebildet sind, ein Referenzsignal des Referenzkanals (22) auszuwerten.

7. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrierte Schaltung (34) einen Sendertreiber (28) für einen Lichtsender (12) des Sensors (10) aufweist.

8. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrierte Schaltung (34) einen Spannungsregler (30) zur Versorgung der Lawinenphotodiodenelemente (100) aufweist.

9. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrierte Schaltung (34) ein Temperaturmesselement (32) aufweist.

10. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lawinenphotodiodenelemente (100) eine Durchbruchspannung von höchstens 70V, insbesondere von höchstens 50V, 30V oder 15V aufweisen und/oder wobei die Lawinenphotodiodenelemente (100) in einem CMOS-Prozess hergestellt sind, insbesondere als Matrixstruktur auf einem gemeinsamen Substrat.

11. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein entfernungsmessender Sensor mit einem Lichtsender (12) zum Aussenden von Lichtpulsen und einer Lichtlaufzeitmesseinheit (26) ist, um eine Lichtlaufzeit zwischen dem Sendezeitpunkt eines ausgesandten Lichtpulses und einem Empfangszeitpunkt des von einem Lawinenphotodiodenelement (100) aus dem Überwachungsbereich (16) empfangenen Lichtpulses zu messen.

Description:

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit einem Lichtempfänger nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Optoelektronische Sensoren gibt es in einem breiten Spektrum, das von eindimensionalen Lichtschranken und Lichttastern über Laserscanner bis zu Kameras reicht. Über die reine Objekterfassung hinaus, die beispielsweise durch energetische Auswertung erreicht wird, bestimmen entfernungsmessende Systeme auch eine Distanz zu dem Objekt. Triangulationssensoren empfangen dazu ein von dem Objekt reflektiertes Lichtsignal eines versetzt zu dem Lichtempfänger angeordneten Lichtsenders mit einem ortsauflösenden Empfänger und berechnen eine Entfernung nach dem Triangulationsprinzip aus der Empfangsposition. Distanzsensoren nach dem Lichtlaufzeitprinzip messen die Laufzeit eines Lichtsignals, die über die Lichtgeschwindigkeit der Entfernung entspricht. Man unterscheidet herkömmlich die pulsbasierte und die phasenbasierte Messung. In einem Pulslaufzeitverfahren wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Zeit bis zum Empfang einer Remission oder Reflexion des Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist. Die Grenze zwischen den beiden Verfahren lässt sich aber nicht immer scharf ziehen, denn etwa bei komplexen Pulsmustern wird ein Pulslaufzeitverfahren einem Phasenverfahren ähnlicher als einer klassischen Einzelpulsmessung.

Mit Hilfe der Distanzinformation werden auch dreidimensionale Bilder oder sogenannte Tiefenkarten erfassbar. Ein Scanner tastet dazu mit einem Lichtstrahl den Überwachungsbereich ab, während eine 3D-Kamera für jedes ihrer Pixel statt oder neben der Helligkeitsinformation auch eine Distanzinformation bestimmt. Dazu wird beispielsweise in jedem Pixel eine Lichtlaufzeitmessung implementiert.

In den meisten Fällen und besonders bei der Entfernungsmessung muss der Sensor zwischen Nutzlicht, beispielsweise eines eigenen oder zugeordneten Lichtsenders, und Umgebungslicht oder Störungen von anderen Lichtquellen unterscheiden können. Je nach Anwendung, etwa in besonders hellen Umgebungen, bei schlecht remittierenden Zielobjekten oder großen Messentfernungen, kann dies bei äußerst geringem Nutzlichtpegel eine sehr anspruchsvolle Aufgabe sein.

Um auch geringe Empfangsintensitäten nachweisen zu können, werden herkömmlich in manchen optoelektronischen Sensoren Lawinenphotodioden eingesetzt (APD, Avalanche Photo Diode). Das einfallende Licht löst hier einen kontrollierten Lawinendurchbruch (Avalanche Effect) aus. Dadurch werden die durch einfallende Photonen erzeugten Ladungsträger vervielfacht, und es entsteht ein Photostrom, der zu der Lichtempfangsintensität proportional, dabei aber wesentlich größer ist als bei einer einfachen PIN-Diode. Für Lawinenphotodioden muss mit entsprechendem Aufwand eine hohe Versorgungsspannung bereitgestellt werden. Außerdem sind zur Einhaltung von Spannungsnormen Abstandserweiterungen der Leiterbahnen erforderlich. Aus diesen Gründen werden in bekannten Sensoren Lawinenphotodioden als eigene Bauteile mit Hochspannungsversorgung und einem Transimpedanzverstärker zur Signalaufbereitung verbaut, und die verstärkten Signale werden von einem zusätzlichen Baustein wie einem Mikrocontroller oder einem FPGA (Field Programmable Gate Array) ausgewertet. Das hat erhebliche Nachteile in Bezug auf zusätzlichen Platzbedarf sowie Kosten für die Bauteile und die Bestückung.

Einfache Photodioden werden herkömmlich auch mit einer Aufwertung auf einem Chip integriert. Das führt zwar zu kleinen, kostengünstigen Sensoren, begrenzt aber zugleich ganz erheblich deren Leistungsfähigkeit. Die Signaldynamik wird eingeschränkt, und zusätzliche Schutzmaßnahmen werden erforderlich, die aber selbst Artefakte im Zeitverhalten nach sich ziehen, und dies muss erneut korrigiert werden.

In der Arbeit von Aull et al., „Geiger-Mode Avalanche Photodiodes for Three Dimensional Imaging“, Lincoln Laboratory Journal 13(2), 2002, Seiten 335–350, wird die Verwendung von Lawinenphotodioden im sogenannten Geiger-Modus für Laserradar diskutiert. Im Geiger-Modus ist die Lawinenphotodiode oberhalb der Durchbruchspannung vorgespannt, so dass bereits ein einziger, durch ein einzelnes Photon freigesetzter Ladungsträger eine Lawine auslöst, die dann aufgrund der hohen Feldstärke sämtliche verfügbaren Ladungsträger rekrutiert. Die Lawinenphotodiode zählt somit wie der namensgebende Geigerzähler Einzelereignisse. Lawinenphotodioden im Geiger-Modus werden auch als SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) bezeichnet. Mit Problemen wie Baugröße, Designeinschränkungen oder Herstellkosten befasst sich diese Arbeit aber nicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Leistungsfähigkeit bekannter miniaturisierter optoelektronischer Sensoren zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor nach Anspruch 1 gelöst. Ein Lichtempfänger dieses Sensors weist eine Vielzahl von im Geiger-Modus betriebenen Lawinenphotodiodenelementen auf. Die Erfindung geht dann von dem Grundgedanken aus, dass die integrierte Schaltung dieses Lichtempfängers zugleich weitere Elemente umfasst. Der Lichtempfänger und die weiteren Elemente sind demnach vorzugsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte integriert und entstehen im selben Herstellungsprozess aus demselben Wafer. Ein Beispiel hierfür ist ein ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).

Die mit dem Lichtempfänger integrierten zusätzlichen Elemente sind beispielsweise Auswertungsstrukturen zur Auswertung des Empfangssignals. Das schließt aber nicht aus, dass noch eigene Bausteine für Teile der Auswertung, etwa eine Signalvorverarbeitung oder eine übergeordnete Verwertung der Auswertungsergebnisse vorgesehen sind. Bevorzugt sind möglichst viele derjenigen Auswertungsschritte integriert, die in einem Sensor für generische Anwendungen benötigt werden, während eine übergeordnete individuelle Auswertung für Spezialanwendungen in eigener Hardware stattfindet.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass sich Lawinenphotodioden im Geiger-Modus aufgrund ihrer hohen intrinsischen Verstärkung besonders gut für kleine Sensoren eignen, deren mögliche optische Öffnung begrenzt ist und die deshalb nur geringe Signale empfangen. Die Integration des Lichtempfängers mit zusätzlichen Elementen, insbesondere Auswertungsstrukturen, unterstützt die Miniaturisierung und senkt die Herstellkosten, da weniger Leiterplattenfläche benötigt wird und weniger Elemente bestückt werden müssen.

Die Auswertungsstrukturen weisen bevorzugt eine Empfangssignalaufbereitungseinheit auf. Die Empfangssignalaufbereitungseinheit umfasst beispielsweise Elemente wie einen Verstärker, einen Filter oder einen A/D-Wandler. Eine mögliche Implementierung eines Verstärkers besteht darin, eine höhere Versorgungsspannung an die Lawinenphotodiodenelemente anzulegen. Das erhöht zwar nicht das Einzelsignal, das wegen des Geiger-Modus‘ praktisch ein Deltapuls ist. Es erhöht aber die Wahrscheinlichkeit, dass ein Lawinenphotodiodenelement im Geiger-Modus überhaupt anspricht, so dass bei summarischer Betrachtung des Lichtempfängers effektiv eine Verstärkung resultiert. Eine andere Möglichkeit ist, das Ausgangssignal einer unterschiedlichen Anzahl von Lawinenphotodiodenelemente zusammenzufassen. Als Filter kommen unter anderem Frequenzfilter in Betracht, beispielsweise ein Bandpass. Zur digitalen Weiterverarbeitung in digitalen Auswertungsstrukturen wird das Signal der Lawinenphotodiodenelemente digitalisiert.

Die integrierte Schaltung umfasst bevorzugt einen Referenzkanal. Dies ermöglicht Messungen mit höherer Präzision. Beispielsweise ist ein optischer Referenzkanal vorgesehen, bei dem beispielsweise über einen Lichtleiter ein Anteil des Lichts eines Lichtsenders des Sensors auf einen Referenzempfänger ausgekoppelt wird.

Der Referenzkanal weist bevorzugt mindestens ein in einem Geigermodus betriebenes Lawinenphotodiodenelement auf. Das Referenzsignal wird damit möglichst vergleichbar mit dem Messsignal. Die für den Referenzkanal genutzten Lawinenphotodiodenelemente können eine eigene, zweite Matrix neben der ersten Matrix für die eigentliche Messung bilden. Für eine solche Referenzmatrix genügen auch weniger Lawinenphotodiodenelemente, da die über die Referenzmessung auszugleichenden Effekte üblicherweise weniger dynamisch sind, so dass größere Zeitintervalle für Mittelungen zur Verfügung stehen.

Die Auswertungsstrukturen sind bevorzugt dafür ausgebildet, ein Referenzsignal des Referenzkanals auszuwerten. In einem einfachen Beispiel wird dadurch lediglich die Funktion des Lichtsenders oder eine ausreichende optische Ausgangsleistung sichergestellt. Weiterhin können Amplitudenverhältnisse in Mess- und Referenzkanal verglichen werden. Bei einer Lichtlaufzeitmessung müssen interne Signallaufzeiten berücksichtigt werden, die aber Driften beispielsweise durch Alterung oder Temperaturschwankungen unterliegen. Dies kann mit Hilfe des Referenzsignals dynamisch korrigiert werden.

Die integrierte Schaltung weist bevorzugt einen Sendertreiber für einen Lichtsender des Sensors auf. Der Sendertreiber steuert beispielsweise eine Modulation des Sendesignals oder stellt Pulse mit einem gewünschten Zeitverhalten bereit. Durch die Integration wird dafür kein zusätzliches Bauteil benötigt.

Die integrierte Schaltung weist bevorzugt einen Spannungsregler zur Versorgung der Lawinenphotodiodenelemente auf. Der Sensor selbst wird üblicherweise nur mit einer geringen Spannung von beispielsweise 10 Volt versorgt. Die Lawinenphotodiodenelemente benötigen aber höherer Spannungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lawinenphotodioden ist aber keine Hochspannung erforderlich, sondern es genügen 30–50 Volt, so dass die Integration des Spannungsreglers möglich ist. Die integrierte Spannungsregelung ist auch deshalb besonders vorteilhaft, weil der effektive Verstärkungsfaktor der Vielzahl im Geiger-Modus betriebener Lawinenphotodiodenelemente von der Spannung abhängt. Für eine genaue Spannungsregelung ist deshalb von Vorteil, wenn sich die Regelung in derselben integrierten Schaltung abspielt. Wenn der Spannungsregler als Schaltregler implementiert ist, können die Schaltereignisse mit Messpausen synchronisiert werden, um Störungen zu minimieren.

Die integrierte Schaltung weist bevorzugt ein Temperaturmesselement auf. Dadurch wird ohne zusätzliches Bauteil eine Temperaturkompensation beispielsweise der Versorgungsspannung und damit der summarischen Verstärkung oder von internen Signallaufzeiten ermöglicht.

Die Lawinenphotodiodenelemente weisen bevorzugt eine Durchbruchspannung von höchstens 70V, insbesondere von höchstens 50V, 30V oder 15V auf. Eine Hochspannungsversorgung wie bei herkömmlich genutzten Lawinenphotodioden kann damit entfallen, und es werden erheblich geringere Herstellkosten möglich.

Die Lawinenphotodiodenelemente sind vorzugsweise in einem CMOS-Prozess hergestellt, insbesondere als Matrixstruktur auf einem gemeinsamen Substrat. Der Lichtempfänger wird somit kostengünstig verfügbar. Ein CMOS-Bauteil ermöglicht unter anderem kleine Strukturen und somit auch eine im Vergleich zu einer herkömmlichen Lawinenphotodiode deutlich herabgesetzte Durchbruchspannung. Ein CMOS-Prozess erlaubt auch auf besonders einfache Weise die Integration weiterer Schaltungsteile mit den Lawinenphotodiodenelementen. Zugleich genügt ein Standard-CMOS-Prozess, um durch die Lawinenphotodiodenelemente eine sehr hohe Bandbreite und hohe intrinsische Verstärkung zu erreichen.

Der Sensor ist bevorzugt ein entfernungsmessender Sensor mit einem Lichtsender zum Aussenden von Lichtpulsen und einer Lichtlaufzeitmesseinheit, um eine Lichtlaufzeit zwischen dem Sendezeitpunkt eines ausgesandten Lichtpulses und einem Empfangszeitpunkt des von einem Lawinenphotodiodenelement aus dem Überwachungsbereich empfangenen Lichtpulses zu messen. Die Lichtlaufzeitmesseinheit ist ein Beispiel für Auswertungsstrukturen, die mindestens teilweise mit dem Lichtempfänger in eine gemeinsame Schaltung integriert sind.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:

1 eine Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensors; und

2 ein beispielhaftes vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Lawinenphotodiode im Geiger-Modus.

1 zeigt eine Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensors 10. Bei dem Sensor 10 handelt es sich beispielsweise um einen Entfernungstaster, der aus der Lichtlaufzeit eines ausgesandten und wieder empfangenen Lichtstrahls die Entfernung zu einem angetasteten Objekt misst. Die Erfindung hängt aber nicht von dem konkreten Sensorprinzip ab und betrifft ebenso andere einstrahlige und mehrdimensionale optoelektronische Sensoren einschließlich der einleitend kurz vorgestellten Lichtschranken, Laserscanner, Kameras und 3D-Kameras.

Der Sensor 10 weist einen Lichtsender 12 auf, beispielsweise eine Laserdiode, die Sendelicht durch eine Sendeoptik 14 in einen Überwachungsbereich 16 aussendet. Wird das Sendelicht dort an einem Objekt remittiert oder reflektiert, so kehrt es als Empfangslicht zurück und wird von einer Empfangsoptik 18 auf einen Lichtempfänger 20 mit einer Vielzahl von in Pixeln angeordneter Lichtempfangselemente in Form von Lawinenphotodioden geleitet. Ein Teil des Sendelichts wird am Lichtsender 12 ausgekoppelt, beispielsweise mit Hilfe eines Lichtleiters, und direkt, ohne den Lichtweg durch den Überwachungsbereich 16, auf einen Referenzempfänger 22 ebenfalls mit einer Vielzahl von in Pixeln angeordneten Lichtempfangselementen in Form von Lawinenphotodioden geführt.

Das jeweilige Empfangssignal des Lichtempfängers 20 und des Referenzempfängers wird über eine Signalaufbereitung 24 einer Steuer- und Auswertungseinheit 26 zugeführt. Dabei können die Empfangssignale unterschiedlich oder beispielsweise das Empfangssignal des Referenzempfängers gar nicht aufbereitet werden. Die Positionen der Funktionsblöcke in 1 sind nicht einschränkend zu verstehen. So kann beispielsweise zumindest ein Teil der Signalaufbereitung 24 oder der Auswertungseinheit 26 unmittelbar bei den Pixeln des Lichtempfängers 20 vorgesehen sein.

Ein Sendertreiber 28 ist mit der Auswertungseinheit 26 und dem Lichtsender 12 verbunden. Dadurch kann der Lichtsender 12 gesteuert werden, etwa um Pulse zu festgelegten Zeitpunkten oder ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal auszusenden. Ein Spannungsregler 30 versorgt den Lichtempfänger 20 und den Referenzempfänger 22 und ist ebenfalls mit der Auswertungseinheit 26 verbunden, um die Versorgung zu steuern. Außerdem ist ein Temperaturfühler 32 vorgesehen, dessen Temperaturmesswert der Auswertungseinheit 26 zur Verfügung gestellt wird.

Die Lichtempfangselemente des Lichtempfängers 20 und des Referenzempfängers 22 sind Lawinenphotodioden, die zur Erfassung von Empfangslicht im Geiger-Modus betrieben werden. Zur Erläuterung zeigt 2 ein beispielhaftes vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Lawinenphotodiode. In der Praxis handelt es sich um ein Halbleiterbauteil, dessen nicht dargestellter Aufbau hier als bekannt vorausgesetzt wird. Die Lawinenphotodiode 100 zeigt zum einen das Verhalten einer Diode 102. Sie hat eine Kapazität, die durch einen parallel geschalteten Kondensator 104 repräsentiert wird. Der mögliche Lawinendurchbruch erzeugt Ladungsträger, deren Ursprung in dem Ersatzschaltbild als Stromquelle 106 dargestellt wird. Der Lawinendurchbruch wird durch ein auftreffendes Photon 108 ausgelöst, wobei dieser Vorgang wie ein Schalter 110 wirkt. Nach außen ist die Lawinenphotodiode über einen Widerstand 112 mit einer Stromquelle 114 verbunden. Zwischen dieser Stromquelle und einem weiteren Widerstand 116 kann an einem Punkt 118 das Ausgangssignal betrachtet werden.

Im Bereitschaftszustand liegt über der Diode 102 eine Spannung oberhalb der Durchbruchspannung an. Erzeugt dann ein einfallendes Photon 108 ein Ladungsträgerpaar, so schließt dies gleichsam den Schalter 110, so dass die Lawinenphotodiode über die Stromquelle 106 mit Ladungsträgern geflutet wird. Neue Ladungsträger entstehen aber nur, solange das elektrische Feld stark genug bleibt. Wird durch die Stromquelle 106 der Kondensator 104 so weit entladen, dass die Durchbruchspannung unterschritten ist, so kommt die Lawine von selbst zum Erliegen („passive quenching“). Danach wird der Kondensator 104 von der äußeren Stromquelle 114 über den Widerstand 112 wieder aufgeladen, bis wieder eine Spannung über der Durchbruchspannung an der Diode 102 anliegt. Es gibt alternative Ausgestaltungen, in denen die Lawine von außen erkannt und daraufhin eine Entladung unter die Durchbruchspannung ausgelöst wird („active quenching“).

Während der Lawine steigt das Ausgangssignal am Punkt 118 rapide und unabhängig von der Intensität des auslösenden Lichts, hier eines Photons 108, auf einen Maximalwert an und fällt dann nach dem Löschen der Lawine wieder ab. Die Pulsform ist am Punkt 118 angedeutet. Die Zeitkonstante des Abfalls, welche eine Totzeit der Lawinenphotodiode 100 angibt, bestimmt sich aus der Kapazität des Kondensators 104 und dem Widerstand 112 und liegt typischerweise im Bereich einiger bis einiger zehn Nanosekunden. Die Totzeit ist keine absolute Totzeit, denn sobald die Vorspannung groß genug ist, um eine Lawine zu unterstützen, kann das Ausgangssignal auch wieder ansteigen, allerdings nicht im gleichen Maße wie aus dem Bereitschaftszustand. Der Verstärkungsfaktor liegt typischerweise in einer Größenordnung von 10^5 bis 10^7 und ergibt sich im Wesentlichen aus der maximalen Anzahl von Ladungsträgern, die von der Lawine in der Lawinenphotodiode 100 rekrutiert werden können.

Fällt das zu messende Ereignis in die Totzeit, so ist die Lawinenphotodiode 100 weitgehend blind. Die Lawinenphotodiode 100 reagiert auch auf jedes Einzelereignis mit dem gleichen Signal, das Abwarten einer ausreichenden Totzeit und Auslösen eines Ladungsträgerpaares vorausgesetzt. Allein ist eine Lawinenphotodiode 100 deshalb weitgehend ungeeignet, um eine Empfangsintensität zu bewerten. Außerdem kann ein einzelnes Photon des Umgebungslichts oder ein einziges Ladungsträgerpaar aufgrund von Dunkelrauschen genügen, um eine Lawine auszulösen, die nichts mit dem zu messenden Ereignis zu tun hat.

Auf dem Lichtempfänger 20 und dem Referenzempfänger 22 ist eine Vielzahl von einzelnen Lawinenphotodiodenelementen 100 vorgesehen. Ein entsprechendes Bauelement kann beispielsweise in einem CMOS-Prozess hergestellt werden. Die Durchbruchspannung der Lawinenphotodiodenelemente 100 ist deutlich geringer als bei herkömmlichen Lawinenphotodioden und beträgt beispielsweise höchstens 70V oder sogar nur 15V–30V.

Da die Lichtempfangselemente im Geiger-Modus bereits auf ein einzelnes Photon und dann mit einem praktisch einheitlichen Signal antworten, ist ein einzelnes Lichtempfangselement sehr fremdlichtanfällig, und das Signal ist auch kein gutes Maß für die Intensität des Empfangslichts. Deshalb ist es vorteilhaft, mehrere oder sogar alle Lichtempfangselemente des Lichtempfängers 20 beziehungsweise des Referenzempfängers 22 analog oder digital miteinander zu verknüpfen. Die genannten Nachteile werden dann durch die Statistik aufgehoben, und zudem werden weniger Schaltungselemente für die Auswertung benötigt.

Um den in 1 gezeigten Sensor 10 möglichst kompakt und kostengünstig aufzubauen, sind praktisch alle Funktionselemente des Sensors 10, nämlich Lichtempfänger 20, Referenzempfänger 22, Signalaufbereitung 24, Auswertungseinheit 26, Sendertreiber 28, Spannungsregler 30 und Temperaturfühler 32 Teil derselben integrierten Schaltung 34. Das ist sozusagen die maximal integrierte Ausführungsform, die besonders vorteilhaft ist. Alle Funktionselemente sind somit in einem gemeinsamen Prozess hergestellt, etwa als ein ASIC.

Die Erfindung umfasst jedoch auch andere Ausführungsformen. Zunächst werden manche Funktionselemente, wie der Referenzempfänger 22 oder der Temperaturfühler 32, nicht in jedem Sensor 10 benötigt. Außerdem gibt es Ausführungsformen, in denen nur einige und nicht alle genannten Funktionselemente in einer gemeinsamen integrierten Schaltung 34 mit dem Lichtempfänger 20 zusammengefasst sind. Dabei sind alle Unterkombinationen denkbar, beispielsweise Lichtempfänger 20 mit Referenzempfänger 22, Lichtempfänger 20 mit Signalaufbereitung 24, Lichtempfänger 20 mit zumindest Teilen der Auswertungseinheit 26, Lichtempfänger 20 mit Sendertreiber 28, Lichtempfänger 20 mit Spannungsregler 30 und weitere Kombinationen auch mit drei oder mehr der Funktionselemente.

Ein Lichtempfänger 20, der auf im Geiger-Modus betriebenen Lichtempfangselementen beruht, ermöglicht schon für sich eine sehr kompakte Bauweise, wodurch sich die benötigte Leiterplattenfläche minimiert und Gehäusegröße wie Verlustleistung reduziert werden. Die Signalaufbereitung 24 benötigt wegen der hohen intrinsischen Verstärkung keinen eigenen Verstärker mehr. Die Digitalisierung erfolgt direkt bei den Lichtempfangselementen. Durch die hohe Integrationsfähigkeit meist digitaler Rechenmodule besteht die Möglichkeit, Filterfunktionen wie Korrelationen auszuführen oder Rauschquellen wie Fremdlichtstörer oder Dunkelauslöser zu unterdrücken.

Während für die Signalverarbeitung Störeinflüsse möglichst reduziert werden sollen, ist es zur Bewertung der Signalintegrität unter Umständen wichtig zu wissen, welche Störsignale vorhanden sind. Beispielsweise ist für die Signalverarbeitung sinnvoll, den Anteil des Gleichstroms möglichst frühzeitig zu eliminieren. Dennoch kann die Information über die Höhe dieses Signals dazu genutzt werden, die Verstärkung des Lichtempfängers 20 oder von doch vorhandenen zusätzlichen Verstärkerstufen so anzupassen, dass das Rauschen einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Das Abgreifen und die Weiterverarbeitung dieses Zwischensignals ist durch die Integration besonders einfach und reduziert die Störkopplung auf das Nutzsignal.

Der Referenzempfänger 22 wird trotz Integration mit dem Lichtempfänger 20 vorzugsweise so geometrisch angeordnet, dass Referenz- und Nutzsignal voneinander getrennt bleiben. Es ist parallele wie sequentielle Auswertung von Referenz- und Nutzsignal denkbar. Durch Integration auf der gleichen Chipeinheit, den gleichen Temperaturbereich und den gleichen Herstellungsprozess werden nicht nur Kosten reduziert und Bauraum gespart, die Signale sind zudem von vorneherein, ohne jede zusätzliche Maßnahme, besonders gut vergleichbar. Zur weiteren Kosten- und Flächenreduktion ist möglich, den Referenzempfänger 22 kleiner auszubilden als den Lichtempfänger 20, beispielsweise den Referenzempfänger 22 mit nur zehn Lichtempfangselementen gegenüber hundert Lichtempfangselementen des Lichtempfängers 20 auszustatten. Die geringere Anzahl führt zu einer geringeren Mittelung, aber dies kann durch längere Messzeiten des sich nur langsam ändernden Referenzsignals ausgeglichen werden.

Durch die Integration besteht weiterhin die Möglichkeit, dass der Lichtempfänger 20 von demselben Chip aus gesteuert wird. So können abhängig von Temperatur, Nutzsignal, Störsignal oder geometrischer Anordnung zwischen Lichtsender 12, Lichtempfänger 20 und Objekt die Auslösewahrscheinlichkeit und damit die Verstärkung des Empfangssignals durch Anpassen der Versorgungsspannung oder Aktivieren und Deaktivieren bestimmter Lichtempfangselemente gesteuert werden. Alternativ kann auch die Schwelle für ein Schaltsignal verändert werden.

Ein direkter Ausgleich der Temperaturabhängigkeit auf dem Chip ist möglich. Dies erfolgt durch einen vorbestimmten Temperaturverlauf, welcher durch die physikalischen Gegebenheiten der Technologie von Lawinenphotodioden im Geiger-Modus bekannt und sehr stabil ist.

Die Integration der Versorgung, insbesondere des Spannungsreglers 30, wird durch die drastische Reduzierung des Bedarfs gegenüber einer herkömmlichen Lawinenphotodiode überhaupt erst möglich. Dazu dient beispielsweise ein Schaltregler oder eine Dioden- beziehungsweise Kondensatorkaskade. Als Schaltregler wird vorzugsweise ein solcher gewählt, der nur wenige nicht integrierbare Bauteile aufweist, etwa eine externe Spule oder einen externen Kondensator. Für eine kapazitive Verdopplung oder Vervielfachung der Spannung, etwa um eine Versorgungsspannung des Sensors 10 von zehn Volt auf für den Lichtempfänger 20 benötigte dreißig Volt anzuheben, ist auch eine vollständige Integration möglich.

Die Schaltvorgänge der Spannungserzeugung können zu der Signalaussendung und Signalerfassung synchron ausgelegt werden, so dass Schaltvorgänge dann stattfinden, wenn gerade keine Messung erfolgt. Dadurch treten keine Messfehler aufgrund von Störspitzen auf. Durch die hohe intrinsische Verstärkung ist dieses Problem aber auch schon im Vorfeld reduziert.

Mittels analoger oder digitaler Nachbearbeitung der Versorgungsspannung ist eine gezielte Veränderung beispielsweise für die Temperatur oder Verstärkung möglich. Das Empfangssignal kann auch moduliert werden oder die Empfindlichkeit des Sensors 10 abhängig von der Nutzsignalstärke oder der Störsignalstärke eingestellt werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Aull et al., „Geiger-Mode Avalanche Photodiodes for Three Dimensional Imaging“, Lincoln Laboratory Journal 13(2), 2002, Seiten 335–350 [0007]