DE102020206388A1 - Ein array von einzelphotonen-lawinendioden-(spad-)mikrozellen und deren betrieb - Google Patents

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Boris KIRILLOV
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Abstract

Ein digitaler Lichtdetektor umfasst einen Taktsignalgenerator, der dazu ausgebildet ist, ein Taktsignal zu erzeugen, das aus Taktimpulsen besteht, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD), die dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf den Empfang eines Photons einen Lawinenstrom einzuschalten und zu erzeugen, wobei die SPAD einen internen Kondensator umfasst, der intern zwischen einen Anodenanschluss und einen Kathodenanschluss gekoppelt ist; und eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung, die durch das Taktsignal ausgelöst wird. Die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung ist dazu ausgebildet, auf Basis des Taktsignals aktiviert und deaktiviert zu werden, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist, wieder aufzuladen, und wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist, zu entladen.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Photodetektor-Arrays und insbesondere ein Array von Einzelphotonen-Lawinendioden-(SPAD-)Mikrozellen (SPAD = single-photon avalanche diode).
  • Light Detection and Ranging (LIDAR) ist ein Fernabtastverfahren, das Licht in Form eines gepulsten Lasers verwendet, um Entfernungen (variable Abstände) zu einem oder mehreren Objekten in einem Sichtfeld zu messen. Insbesondere wird Licht zum Objekt hin übertragen. Einzelne Photodetektoren oder Arrays von Photodetektoren empfangen Reflexionen von Objekten, die durch das Licht beleuchtet werden, und es wird die Zeit bestimmt, die die Reflexionen benötigen, um zu verschiedenen Sensoren in dem Photodetektor-Array zu gelangen. Dies wird auch als Messung der Laufzeit (Flugzeit, engl.: time-of-flight, ToF) bezeichnet. LIDAR-Systeme bilden Tiefenmessungen aus und führen Entfernungsmessungen durch, indem sie die Entfernung zu Objekten auf Basis der Laufzeitberechnungen abbilden. Auf diese Weise können aus den Laufzeitberechnungen Distanz- und Tiefenkarten erstellt werden, die zur Erzeugung von Bildern verwendet werden können.
  • Photodetektor-Arrays erzeugen analoge elektrische Signale, die in die digitale Domäne umgewandelt werden müssen, um ToF-Messungen durchzuführen. Beispielsweise können ADCs (ADC = analog-digital-converter; Analog-Digital-Wandler) zur Signalerkennung und ToF-Messung verwendet werden. In diesem Fall kann jeder ADC dazu verwendet werden, ein analoges elektrisches Signal von einer oder mehreren Photodioden zu detektieren, um mit einem geeigneten Algorithmus ein Zeitintervall zwischen einem Startsignal (d.h. entsprechend dem Timing (der Zeitspanne) eines übertragenen Lichtimpulses) und einem Stoppsignal (d.h. entsprechend dem Timing des Empfangs eines analogen elektrischen Signals an einem ADC) abzuschätzen. Darüber hinaus kann das elektrische Signal, bevor ein ADC ein analoges elektrisches Signal empfängt, einen Transimpedanzverstärker (TIA, transimpedance amplifier) durchlaufen, der das analoge elektrische Signal z.B. von Strom in Spannung umwandelt. Ein LIDAR-Empfänger mit einem typischen Photodetektor-Array benötigt daher TIAs und ADCs zur Erfassung von LIDAR-Sensordaten und zur Durchführung von ToF-Messungen. Dies erfordert letztendlich mehr Leistung und führt zu weniger präzisen Messungen und langsameren Ansprechzeiten.
  • Daher kann ein digitales Photodetektor-Array, das in LIDAR-Empfängersystemen verwendet werden kann, wünschenswert sein.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen digitalen Lichtdetektor, ein Verfahren zum Betreiben eines digitalen Lichtdetektors, eine digitale Silizium-Photomultiplikator (SiPM; SiPM = Silicon Photomultiplier)-Vorrichtung, ein Verfahren zum synchronen Betreiben einer Vielzahl von Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs) eines digitalen Silizium-Photomultiplikators (SiPM) und ein System bereitzustellen, das dazu ausgebildet ist, mindestens einen Silizium-Photomultiplikator (SiPM) mit verbesserten Eigenschaften flexibei zu konfigurieren.
  • Diese Aufgabe wird durch einen digitalen Lichtdetektor gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben eines digitalen Lichtdetektors gemäß Anspruch 15, eine digitale Silizium-Photomultiplikator (SiPM)-Vorrichtung gemäß Anspruch 17, ein Verfahren zum synchronen Betreiben einer Vielzahl von Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs) eines digitalen Silizium-Photomultiplikators (SiPM) gemäß Anspruch 30 und ein System, das dazu ausgebildet ist, mindestens einen Silizium-Photomultiplikator (SiPM) gemäß Anspruch 35 flexibel zu konfigurieren, gelöst.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele schaffen einen digitalen Lichtdetektor, der einen Taktsignalgenerator umfasst, der dazu ausgebildet ist, ein Taktsignal mit Taktimpulsen zu erzeugen, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD), die dazu ausgebildet ist, sich einzuschalten und als Reaktion auf den Empfang eines Photons einen Lawinenstrom zu erzeugen, wobei die SPAD einen Anodenanschluss, einen Kathodenanschluss und einen internen Kondensator umfasst, der intern zwischen den Anodenanschluss und den Kathodenanschluss geschaltet ist; und eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung (engl.: active quenching-recharging circuit), die durch das Taktsignal ausgelöst wird. Die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung ist dazu ausgebildet, auf Basis des Taktsignals aktiviert und deaktiviert zu werden, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist, wieder aufzuladen und wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist, zu entladen.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum betreiben eines digitalen Lichtdetektors. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Vorspannungspotentials; das Erzeugen eines Taktsignals mit Taktimpulsen, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; das Einschalten einer Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD) und das Erzeugen eines Lawinenstroms als Reaktion auf den Empfang eines Photons, wobei die SPAD einen Anodenanschluss, einen Kathodenanschluss und einen internen Kondensator umfasst, der intern zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; das Steuern eines Aktivierungszustands einer Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung auf Basis des Taktsignals; das Aufladen des internen Kondensators unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist; und das Entladen des internen Kondensators unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele schaffen eine digitale Silizium-Photomultiplikator-(SiPM)-Vorrichtung, die einen Taktsignalgenerator, der dazu ausgebildet ist, ein Taktsignal mit Taktimpulsen zu erzeugen, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; und ein Array von Mikrozellen umfasst. Jede Mikrozelle umfasst: eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD), die dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf den Empfang eines Photons eingeschaltet zu werden und einen Lawinenstrom zu erzeugen, wobei die SPAD einen Anodenanschluss, einen Kathodenanschluss und einen internen Kondensator umfasst, der intern zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung, die durch das Taktsignal ausgelöst wird, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung so ausgebildet ist, auf Basis des Taktsignals aktiviert und deaktiviert zu werden, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist, wieder aufzuladen, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedinung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist, zu entladen; und einen digitalen Ausgang, der dazu ausgebildet ist, einen digitalen Wert auszugeben, der einem an einem Ausgangsknoten der Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung erzeugten Potential entspricht. Die digitale SiPM-Vorrichtung umfasst ferner eine Summierschaltung, die dazu ausgebildet ist, digitale Werte des Mikrozellen-Arrays empfängt u empfangen und auf Basis einer Summe der digitalen Werte einen digitalen Pixelwert für den SiPM zu erzeugen.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum synchronen Betreiben einer Vielzahl von Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs) eines digitalen Silizium-Photomultiplikators (SiPM). Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Vorspannungspotentials; das Erzeugen eines Taktsignals mit Taktimpulsen, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; das Bereitstellen des Taktsignals an eine Vielzahl von Mikrozellen des digitalen SiPM, wobei jede der Vielzahl von Mikrozellen eine entsprechende SPAD der Vielzahl von SPADs und eine entsprechende Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung umfasst, die durch das Taktsignal ausgelöst wird; das Steuern eines Aktivierungszustands jeder Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung auf Basis des Taktsignals; das Aufladen eines internen Kondensators einer entsprechenden SPAD der Vielzahl von SPADs unter der Bedingung, dass die entsprechende Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist; und das Entladen eines internen Kondensators einer entsprechenden SPAD der Vielzahl von SPADs unter der Bedingung, dass die entsprechende Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist.
  • Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele schaffen ein System, das dazu ausgebildet, mindestens ein Silizium-Photomultiplikator (SiPM) flexibel zu konfigurieren. Das System umfasst ein Array von Mikrozellen, von denen jede einzelne Folgendes umfasst: eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD), die dazu ausgebildet, sich als Reaktion auf den Empfang eines Photons einzuschalten und einen Lawinenstrom zu erzeugen, wobei die SPAD einen Anodenanschluss, einen Kathodenanschluss und einen internen Kondensator umfasst, der intern zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung, die durch das Taktsignal ausgelöst wird, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, auf Basis des Taktsignals aktiviert und deaktiviert zu werden, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist, wieder aufzuladen, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist, zu entladen; und einen digitalen Ausgang, der dazu ausgebildet, ist einen digitalen Wert auszugeben, der einem an einem Ausgangsknoten der Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung erzeugten Potential entspricht. Das System umfasst ferner eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, einen Teil der Mikrozellen des Arrays von Mikrozellen dynamisch zu gruppieren, um ein SiPM zu bilden.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, bei denen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines LIDAR-Scansystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist;
    • 2 ein schematisches Blockschaltbild eines LIDAR-Abtastsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist;
    • 3A ein schematisches Diagramm eines digitalen SiPM-Pixels (d.h. eines 2D-SiPM-Pixels) gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist;
    • 3B ein schematisches Diagramm eines 2D-SiPM-Pixelarrays gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist;
    • 4 eine digitale Mikrozelle zeigt, die mit synchroner, aktiver Wiederaufladung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ausgebildet ist;
    • 5A-5D einen Aktive-Wiederaufladung-Zyklus einer in Reihe mit einem Transistor angeordneten SPAD gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen zeigen;
    • 6 eine schematische Darstellung eines digitalen Sensorelements gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist;
    • 7A und 7B ein Konzept eines konfigurierbaren digitalen SiPM gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen zeigt; und
    • 8 ein schematisches Diagramm eines hierarchischen Addiererbaums gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsbeispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend zu verstehen sind. Zum Beispiel können Ausführungsbeispiele zwar so beschrieben werden, dass sie eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen aufweisen, dies ist jedoch nicht als Hinweis darauf zu verstehen, dass all diese Merkmale oder Elemente für die Umsetzung von Ausführungsbeispielen erforderlich sind. Stattdessen können bei anderen Ausführungsbeispielen einige der Merkmale oder Elemente weggelassen oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Zusätzlich können weitere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu den explizit gezeigten und beschriebenen vorgesehen sein, z.B. konventionelle Komponenten von Sensorvorrichtungen.
  • Merkmale aus verschiedenen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. In einigen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen eher in Blockdiagrammform als im Detail dargestellt, um die Ausführungsbeispiele nicht zu verdecken.
  • Ferner werden äquivalente oder ähnliche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder ähnlicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Da gleiche oder funktionell äquivalente Elemente in den Figuren die gleichen Bezugszeichen erhalten, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, weggelassen werden. Daher sind die Beschreibungen für Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen gegenseitig austauschbar.
  • Verbindungen oder Kopplungen zwischen den in den Zeichnungen gezeigten oder hierin beschriebenen Elementen können drahtgebundene Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, sofern nicht anders angegeben. Darüber hinaus können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche intervenierende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen intervenierenden Elementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, z.B. zur Übertragung einer bestimmten Art von Signal oder zur Übertragung einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen beibehalten wird.
  • In der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordnungszahlen umfassen, wie z.B. „erste“, „zweite“ und/oder ähnliches, verschiedene Elemente verändern. Solche Elemente werden jedoch nicht durch die obigen Ausdrücke eingeschränkt. Zum Beispiel beschränken die obigen Ausdrücke nicht die Reihenfolge und/oder Bedeutung der Elemente. Die obigen Ausdrücke werden lediglich zum Zweck der Unterscheidung eines Elements von den anderen Elementen verwendet. Ein erstes Kästchen und ein zweites Kästchen bezeichnen beispielsweise unterschiedliche Kästchen, obwohl beide Kästchen sind. Zum Beispiel könnte ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden, und ebenso könnte ein zweites Element auch als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf optische Sensoren und optische Sensorsysteme und auf die Gewinnung von Informationen über optische Sensoren und optische Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel in ein Strom- oder Spannungssignal. Die physikalische Größe kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung, wie sichtbares Licht, Infrarot (IR)-Strahlung oder eine andere Art von Beleuchtungssignal, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Ein Bildsensor kann beispielsweise ein Siliziumchip in einer Kamera sein, der Photonen des von einer Linse kommenden Lichts in Spannungen umwandelt. Je größer die aktive Fläche des Sensors ist, desto mehr Licht kann gesammelt werden, um ein Bild zu erzeugen.
  • Eine Sensorvorrichtung, wie sie hier verwendet wird, kann sich auf eine Vorrichtung beziehen, die einen Sensor und weitere Komponenten aufweist, zum Beispiel eine Vorspannungsschaltung, einen Analog-Digital-Wandler oder einen Filter. Eine Sensorvorrichtung kann auf einem einzigen Chip integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Vielzahl von Chips oder auch chipfremde Komponenten zur Implementierung einer Sensorvorrichtung verwendet werden können.
  • Bei Light Detection and Ranging (LIDAR)-Systemen sendet eine Lichtquelle Lichtimpulse in ein Sichtfeld und das Licht wird von einem oder mehreren Objekten durch Rückstreuung reflektiert. Insbesondere ist LIDAR ein direktes Laufzeit-System, bei dem die Lichtpulse (z.B. Laserstrahlen aus Infrarotlicht) in das Sichtfeld emittiert werden und ein Pixelarray die reflektierten Strahlen detektiert und misst. Ein Array von Photodetektoren empfängt zum Beispiel Reflexionen von Objekten, die vom Licht beleuchtet werden.
  • Derzeit kann ein Photodetektor-Array zur Messung des reflektierten Lichts verwendet werden. Das Photodetektor-Array kann ein eindimensionales (1 D-)Array sein, das aus mehreren Zeilen von Photodetektoren (Pixel) besteht, die in einer einzigen Säule angeordnet sind, oder ein zweidimensionales (2D-)Array, das aus mehreren Zeilen und Säulen von Photodetektoren besteht, die in einer gitterartigen Anordnung angeordnet sind. Jede Pixelreihe oder Gruppe benachbarter Pixelreihen kann als Messsignal in Form von digitalen Rohdaten ausgelesen werden. Jedes Messsignal kann Daten von einer einzelnen Pixelsäule oder von zwei oder mehr Pixelsäulen enthalten, die der ausgewählten Pixelzeile oder den ausgewählten Pixelzeilen entsprechen.
  • Unterschiede in den Rückkehrzeiten für jeden Lichtpuls über mehrere Pixel des Pixelarrays können dann verwendet werden, um digitale 3D-Darstellungen einer Umgebung zu erstellen oder andere Sensordaten zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Lichtquelle einen einzelnen Lichtimpuls aussenden, und eine Empfängerschaltung, die elektrisch mit dem Pixelarray gekoppelt ist, kann vom Zeitpunkt der Aussendung des Lichtimpulses, entsprechend einem Startsignal, bis zu einem Zeitpunkt des Empfangs des reflektierten Lichtimpulses am Empfänger (d.h. am Pixelarray), entsprechend einem Stoppsignal, zählen. Die „Laufzeit“ des Lichtimpulses wird dann in eine Entfernung übersetzt.
  • Eine Abtastung wie z.B. eine oszillierende horizontale Abtastung (z.B. von links nach rechts und von rechts nach links eines Sichtfeldes) kann eine Szene in einer kontinuierlichen Abtastweise beleuchten. Jedes Abfeuern des Laserstrahls durch die Lichtquellen kann zu einer Abtastzeile im „Sichtfeld“ führen. Durch das Emittieren von aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen in verschiedenen Abtastrichtungen kann ein als Sichtfeld bezeichneter Bereich abgetastet und Objekte innerhalb dieses Bereichs erkannt und abgebildet werden. Somit stellt das Sichtfeld eine Abtastebene mit einem Projektionszentrum dar. Es könnte auch ein Raster-Scan verwendet werden.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines LIDAR-Abtastsystems 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das LIDAR-Abtastsystem 100 ist eine optische Abtastvorrichtung, die einen Sender mit einer Beleuchtungseinheit 10, einer Senderoptik 11 und einem eindimensionalen (1D-)MEMS-Spiegel 12 (1D-MEMS-Scanner) und einen Empfänger mit einer Primäroptik 14 und einem optischen Empfänger 15 umfasst. Der optische Empfänger 15 in der Abbildung ist ein 2D-Photodetektor-Array 15, kann aber alternativ auch ein 1D-Photodetektor-Array sein. Der Empfänger kann ferner Empfängerschaltungen umfassen, wie z.B. Datenerfassungs-/Ausleseschaltungen und Datenverarbeitungsschaltungen, wie gemäß 2 näher beschrieben wird.
  • Obwohl diese Anordnung ein Beispiel für eine Art eines LIDAR-Systems darstellt, wird einleuchten, dass auch andere Arten von LIDAR-Systemen, wie z.B. jene, die im Flash-LIDAR verwendet werden, verwendet werden können. Zusätzlich kann das LIDAR-Abtastsystem 100 gedreht werden, um in eine andere Abtastrichtung abzutasten. Beispielsweise kann das LIDAR-Scansystem 100 um 90° gedreht werden, um in vertikaler statt in horizontaler Richtung abzutasten. Daher sind die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht auf einen bestimmten Typ Lichtsender oder ToF-System beschränkt und können auch auf andere Typen von ToF-Systemen angewendet werden.
  • Um auf 1 zurückzukommen, ist das Photodetektor-Array 15, sei es ein 2D-Array oder ein 1D-Array, so angeordnet, dass ein vorgesehenes Sichtfeld vertikal auf die vertikale Ausdehnung des Photodetektor-Arrays 15 abgebildet wird. Ein empfangener Lichtstrahl trifft je nach dem vertikalen Winkel des empfangenen Lichtstrahls nur auf eine bestimmte Reihe oder Gruppe oder Reihen des Detektor-Arrays. Das vorgesehene Sichtfeld kann weiter horizontal auf die horizontale Ausdehnung eines 2D-Photodetektor-Arrays abgebildet werden.
  • Das Photodetektor-Array 15 ist ein digitales Photodetektor-Array (d.h. ein Array von digitalen Silizium-Photomultiplikatoren). Das digitale Photodetektor-Array umfasst ein Array von digitalen Silizium-Photomultiplikatoren (SiPMs). Jeder SiPM weist eine Vielzahl von Mikrozellen auf, wobei jede Mikrozelle eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD) aufweist. Somit weist jeder SiPM ein Array von SPADs auf.
  • Eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD) ist ein Festkörper-Photodetektor, bei der ein photonenerzeugter Träger (über den internen photoelektrischen Effekt) einen kurzzeitigen, aber relativ großen Lawinenstrom auslösen kann. Diese Lawine wird durch einen Mechanismus namens Stoßionisation erzeugt, wobei Träger (Elektronen und/oder Löcher) durch einen großen Potentialgradienten (Spannung) auf hohe kinetische Energien beschleunigt werden. Wenn die kinetische Energie eines Trägers ausreicht (in Abhängigkeit von der lonisationsenergie des Schüttguts), werden weitere Träger aus dem Atomgitter freigesetzt. Die Anzahl der Träger steigt damit exponentiell an, zum Teil schon ab einem einzelnen Träger. Ein SPAD ist folglich eine oberhalb des Durchbruchs betriebene Photodiode, bei der jedes detektierte Photon zu einer Lawine führt und demzufolge jedes detektierte Photon gezählt werden kann.
  • SPADs, wie Lawinen-Photodioden (APDs, avalanche photodiodes), nutzen den durch einfallende Strahlung ausgelösten Lawinenstrom eines p-n-Übergangs aus, wenn sie in Sperrrichtung betrieben werden. Der grundlegende Unterschied zwischen SPADs und APDs besteht darin, dass SPADs speziell für den Betrieb mit einer Sperrvorspannung weit über der Durchbruchspannung ausgelegt sind. Diese Art des Betriebs wird auch als Geiger-Modus bezeichnet (im Gegensatz zum linearen Modus für den Fall einer APD). Dies steht in Analogie zu einem Geigerzähler.
  • Bei diesem Beispiel umfasst die Beleuchtungseinheit 10 drei Lichtquellen (z. B. Laserdioden oder Leuchtdioden), die linear in Einzelschienenformation ausgerichtet und dazu ausgebildet sind, das Licht zu übertragen, das zur Abtastung des Sichtfeldes auf Objekte verwendet wird. Das von den Lichtquellen emittierte Licht ist üblicherweise Infrarotlicht, obwohl auch Licht mit einer anderen Wellenlänge verwendet werden kann. Wie aus dem Ausführungsbeispiel von 1 ersichtlich ist, wird die Form des von den Lichtquellen emittierten Lichts in einer Richtung senkrecht zur Transmissionsrichtung gestreut, um einen Lichtstrahl mit einer länglichen Form senkrecht zu einer Transmissionsrichtung zu bilden. Das von den Lichtquellen übertragene Beleuchtungslicht wird auf die Sendeoptik 11 gerichtet, die dazu ausgebildet ist, jeden Laser auf einen eindimensionalen MEMS-Spiegel 12 zu fokussieren. Die Sendeoptik 11 kann z.B. eine Linse oder ein Prisma sein.
  • Wenn es durch den MEMS-Spiegel 12 reflektiert wird, wird das Licht der Lichtquellen vertikal ausgerichtet, um für jeden emittierten Laserschuss eine eindimensionale vertikale Abtastzeile SL (scanning line) aus Infrarotlicht oder einen vertikalen Balken aus Infrarotlicht zu bilden. Jede Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 10 trägt zu einem anderen vertikalen Bereich der vertikalen Abtastzeile SL bei. So können die Lichtquellen gleichzeitig aktiviert und gleichzeitig deaktiviert werden, um einen Lichtimpuls mit mehreren vertikalen Segmenten zu erhalten, wobei jedes vertikale Segment einer entsprechenden Lichtquelle entspricht. Jeder vertikale Bereich oder jedes vertikale Segment der vertikalen Abtastzeile SL kann jedoch auch unabhängig voneinander aktiv oder inaktiv sein, indem eine entsprechende der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 ein- oder ausgeschaltet wird. Auf diese Weise kann eine teilweise oder vollständige vertikale Abtastzeile SL von Licht aus dem System 100 in das Sichtfeld ausgegeben werden.
  • Dementsprechend ist der Sender des Systems 100 eine optische Anordnung, die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlen auf Basis der Laserpulse zu erzeugen, wobei die Laserstrahlen eine längliche Form haben, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Übertragungsrichtung der Laserstrahlen erstreckt. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist jede der Lichtquellen einem anderen vertikalen Bereich im Sichtfeld zugeordnet, so dass jede Lichtquelle eine vertikale Abtastzeile nur in den vertikalen Bereich beleuchtet, der der Lichtquelle zugeordnet ist. Zum Beispiel leuchtet die erste Lichtquelle in einen ersten vertikalen Bereich und die zweite Lichtquelle in einen zweiten vertikalen Bereich, der sich von dem ersten vertikalen Bereich unterscheidet.
  • Obwohl zudem drei Laserquellen gezeigt werden, wird einleuchten, dass die Anzahl der Laserquellen nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann die vertikale Abtastzeile SL durch eine einzige Laserquelle, zwei Laserquellen oder mehr als drei Laserquellen erzeugt werden.
  • Der MEMS-Spiegel 12 ist ein mechanischer beweglicher Spiegel (d.h. ein MEMS-Mikrospiegel), der auf einem Halbleiterchip integriert ist (nicht gezeigt). Der MEMS-Spiegel 12 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist dazu ausgebildet, sich um eine einzige Abtastachse zu drehen, und man kann sagen, dass er nur einen Freiheitsgrad für das Abtasten hat. Im Unterschied zu 2D-MEMS-Spiegeln (2D-MEMS-Scanner) ist beim 1D-MEMS-Spiegel die einzelne Abtastachse an einem nicht rotierenden Substrat befestigt und behält daher ihre räumliche Orientierung während der Schwingung des MEMS-Spiegels bei. Aufgrund dieser einzigen Abtastdrehachse wird der MEMS-Spiegel 12 als 1D-MEMS-Spiegel oder 1D-MEMS-Scanner bezeichnet. Es wird einleuchten, dass auch 2D-MEMS-Spiegel, die um zwei orthogonale Abtastachsen schwingen, verwendet werden können. Üblicherweise überträgt ein 1D-MEMS-Spiegel eine Abtastzeile aus Laserlicht in das Sichtfeld. Im Gegensatz dazu überträgt ein 2D-MEMS-Spiegel einen Abtastpunkt aus Laserlicht in das Sichtfeld.
  • Der MEMS-Spiegel 12 ist dazu ausgebildet, „von Seite zu Seite“ um eine einzige Abtastachse 13 zu schwingen, so dass das vom MEMS-Spiegel 12 reflektierte Licht (d. h. die vertikale Abtastzeile des Lichts) in einer horizontalen Abtastrichtung hin und her schwingt. Eine Abtastperiode oder Schwingungsperiode ist beispielsweise definiert durch eine vollständige Schwingung von einer ersten Kante des Sichtfeldes (z.B. linke Seite) zu einer zweiten Kante des Sichtfeldes (z.B. rechte Seite) und dann wieder zurück zur ersten Kante. Eine Spiegelperiode des MEMS-Spiegels 12 entspricht einer Abtastperiode.
  • Somit wird das Sichtfeld in horizontaler Richtung durch den vertikalen Lichtstrahl abgetastet, indem der Winkel des MEMS-Spiegels 12 auf seiner Abtastachse 13 verändert wird. Zum Beispiel kann der MEMS-Spiegel 12 dazu ausgebildet sein, zwischen +/-15 Grad in horizontaler Abtastrichtung zu schwingen, um das Licht über +/-30 Grad (d.h. 60 Grad) zu lenken, die den horizontalen Abtastbereich des Sichtfeldes ausmachen. Auf diese Weise kann das Sichtfeld Zeile für Zeile durch eine Drehung des MEMS-Spiegels 12 um den Grad seiner Bewegung abgetastet werden. Eine solche Sequenz durch den Grad der Bewegung (z.B. von -15 Grad bis +15 Grad oder umgekehrt) wird als Einzelabtastung bezeichnet. Daher werden für jede Abtastperiode zwei Abtastungen verwendet. Mehrere Abtastungen können verwendet werden, um Entfernungs- und Tiefenkarten sowie 3D-Bilder durch eine Verarbeitungseinheit zu erzeugen. Die horizontale Auflösung der Tiefenkarten und Bilder hängt von der Größe der inkrementellen Drehwinkelschritte des MEMS-Spiegels 12 ab, die zwischen den Abtastungen vorgenommen werden.
  • Obwohl der Übertragungsspiegel im Zusammenhang mit einem MEMS-Spiegel beschrieben wird, wird einleuchten, dass auch andere 1 D-Spiegel oder sogar 2D-Spiegel verwendet werden können. Darüber hinaus ist der Grad der Drehung nicht auf +/-15 Grad begrenzt und das Sichtfeld kann je nach Anwendung vergrößert oder verkleinert werden. Somit ist ein eindimensionaler Abtastspiegel dazu ausgebildet, um eine einzige Abtastachse zu schwingen und die Laserstrahlen in verschiedene Richtungen in ein Sichtfeld zu lenken. Daher umfasst eine Übertragungstechnik die Übertragung der Lichtstrahlen in das Sichtfeld von einem Übertragungsspiegel, der um eine einzige Abtastachse schwingt, so dass die Lichtstrahlen als eine vertikale Abtastzeile SL in das Sichtfeld projiziert werden, die sich horizontal über das Sichtfeld bewegt, während der Übertragungsspiegel um die einzige Abtastachse schwingt. LIDAR-Systeme, die 1D-Abtastspiegel verwenden, können eine entspanntere Aufnahmerate der Beleuchtungseinheit 10 (d.h. des Senders) verwenden, im Vergleich zu 2D-Abtastspiegeln, die Laserpunkte zum Abtasten des Sichtfeldes verwenden, was mehr Aufnahmen für den Sender erfordert, um ein Sichtfeld abzutasten. Darüber hinaus sind LIDAR-Systeme, die 1D-Abtastspiegel verwenden, im Vergleich zu 2D-Abtastspiegeln üblicherweise robuster gegen Stöße und Vibrationen und eignen sich daher gut für Anwendungen in der Automobilindustrie.
  • Beim Auftreffen auf ein oder mehrere Objekte wird der übertragene vertikale Lichtstrahl durch Rückstreuung in Richtung des LIDAR-Abtastsystems 100 als reflektierte vertikale Zeile reflektiert, wo die zweite optische Komponente 14 (z.B. eine Linse oder ein Prisma) das reflektierte Licht empfängt. Die zweite optische Komponente 14 lenkt das reflektierte Licht auf das Photodetektor-Array 15, das das reflektierte Licht als Empfangszeile RL (receiving line) empfängt und dazu ausgebildet ist, elektrische Messsignale zu erzeugen. Das Photodetektor-Array 15 erzeugt auf Basis des empfangenen Lichts ein digitales Messsignal. Die digitalen Messsignale können zur Erzeugung einer 3D-Karte der Umgebung und/oder anderer Objektdaten auf Basis des reflektierten Lichts verwendet werden (z.B. durch ToF-Berechnungen und -Verarbeitung).
  • Die Empfangszeile RL wird als vertikale Lichtsäule dargestellt, die sich entlang einer der Pixelsäulen in Längsrichtung der Pixelsäule erstreckt. Die Empfangszeile hat drei vertikale Bereiche, die den in 1 dargestellten vertikalen Bereichen der vertikalen Abtastzeile SL entsprechen. Da sich die vertikale Abtastzeile SL horizontal über das Sichtfeld bewegt, bewegt sich die vertikale Lichtsäule RL, die auf das 2D-Photodetektor-Array 15 einfällt, ebenfalls horizontal über das 2D-Photodetektor-Array 15. Der reflektierte Lichtstrahl RL bewegt sich von einer ersten Kante des Photodetektor-Detektor-Arrays 15 zu einer zweiten Kante des Photodetektor-Detektor-Arrays 15, wenn sich die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL ändert. Die Empfangsrichtung des reflektierten Lichtstrahls RL entspricht einer Übertragungsrichtung der Abtastzeile SL.
  • Bei einem System, das ein 1D-Photodetektor-Array anstelle eines 2D-Photodetektor-Arrays verwendet, wird jeder Lichtstrahl (d.h. jede Empfangszeile RL) auf die Säule des Detektor-Arrays projiziert.
  • Das Photodetektor-Array 15 besteht aus einem Array von Silizium-Photomultiplikatoren (SiPMs, silicon photomultipliers). Jeder SiPM kann als ein SiPM-Pixel oder eine SiPM-Zelle bezeichnet werden. Jeder SiPM umfasst mehrere Mikrozellen (d.h. SPAD-Zellen), wobei jede Mikrozelle einen SPAD umfasst. Bei den hier vorgesehenen Beispielen ist das Photodetektor-Array 15 ein zweidimensionales (2D-)SiPMs-Array, das ein Array von SiPM-Pixeln aufweist. Wie oben erwähnt, kann das Photodetektor-Array 15 ein 1D-Array sein, das eine einzelne Säule von Photodioden umfasst. Die Aktivierung der Photodioden kann mit Lichtimpulsen synchronisiert werden, die von der Beleuchtungseinheit 10 emittiert werden.
  • Das Photodetektor-Array 15 empfängt als Empfangsleitung RL reflektierende Lichtimpulse und erzeugt als Reaktion darauf digitale elektrische Signale. Da die Übertragungszeit jedes Lichtimpulses von der Beleuchtungseinheit 10 bekannt ist und sich das Licht mit bekannter Geschwindigkeit ausbreitet, kann eine Laufzeitberechnung, anhand der elektrischen Signale die Entfernung von Objekten vom Photodetektor-Array 15 bestimmen. Eine Tiefenkarte kann die Entfernungsinformationen aufzeichnen.
  • Bei einem Beispiel löst eine Mikrosteuerung für jede Abstandsabtastung einen Laserpuls von jeder der Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 aus und startet außerdem einen Timer in einem integrierten Schaltkreis (IC, integrated circuit) eines Zeit/Digital-Wandlers (time-to-digital converter, TDC). Der Laserpuls breitet sich durch die Sendeoptik aus, wird vom Zielfeld reflektiert und von einer oder mehreren Empfangsphotodioden des Photodetektor-Arrays 15 eingefangen. Jede Empfangsphotodiode sendet einen kurzen elektrischen Impuls aus, der von der Ausleseschaltung ausgelesen wird.
  • Ein Komparator IC erkennt den Impuls und sendet ein digitales Signal an den TDC, um den Timer zu stoppen. Der TDC verwendet eine Taktfrequenz, um jede Messung zu kalibrieren. Der TDC sendet die seriellen Daten der Differenzzeit zwischen den digitalen Start- und Stoppsignalen an die Mikrosteuerung, die alle Fehlerauslesungen herausfiltert, den Mittelwert aus mehreren Zeitmessungen bildet und die Entfernung zum Ziel an dieser bestimmten Feldposition berechnet. Durch Aussenden von aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen in verschiedene Richtungen, die durch den MEMS-Spiegel 12 festgelegt werden, kann ein Bereich (d.h. ein Sichtfeld) abgetastet, ein dreidimensionales Bild erzeugt und Objekte innerhalb des Bereichs erfasst werden.
  • Wenn ein Puls der Laserenergie als vertikale Abtastzeile SL von der Oberfläche des MEMS-Spiegels 12 in das Sichtfeld eintritt, erscheinen reflektierende Pulse, wenn das Laserlicht ein Objekt im Sichtfeld beleuchtet. Diese Reflexionsimpulse treffen als eine vertikale Lichtsäule am Photodetektor-Array 15 ein, die beispielsweise die Breite eines Photodetektor-Pixels und eine Länge haben kann, die sich vertikal zumindest teilweise entlang einer Pixelsäule des Photodetektor-Arrays 15 in einer Längsrichtung erstreckt. Das heißt, dass alle Photodetektor-Pixel in einer Pixelsäule oder ein Teil der Photodetektor-Pixel der Pixelsäule den Lichtstrahl empfangen können. Zum Beispiel können in einem Fall alle Lichtquellen der Beleuchtungseinheit 10 verwendet werden, um die Abtastzeile SL/Empfangszeile RL zu erzeugen. In diesem Fall kann sich die Empfangszeile RL entlang einer vollen Pixelsäule in Längsrichtung erstrecken. In einem anderen Fall kann eventuell nur eine Teilmenge der Lichtquellen zur Erzeugung der Abtastzeile SL/Empfangszeile RL verwendet werden. In diesem Fall wird sich die Empfangszeile eventuell nur entlang eines Teils der Pixelsäule in Längsrichtung erstrecken.
  • In einigen Fällen können zwei oder mehr Pixelsäulen Licht von demselben Lichtbalken empfangen. Beispielsweise können zwei Pixelsäulen Licht empfangen, wenn ein Teil des empfangenen Lichtbalkens auf einen Bereich zwischen zwei Photodetektor-Pixeln auftrifft. In diesem Fall können zwei Pixelsäulen teilweise durch einen einzigen Lichtbalken in Breitenrichtung beleuchtet werden.
  • Andererseits wird dann, wenn, wie oben beschrieben, eine partielle vertikale Abtastzeile SL von der Beleuchtungseinheit 10 erzeugt wird, eventuell nur eine partielle Pixelsäule des Photodetektor-Arrays 15 in Längsrichtung beleuchtet.
  • Das Photodetektor-Array 15 ist dazu ausgebildet, digitale Messsignale (elektrische Signale) zu erzeugen, die zur Erzeugung einer 3D-Karte der Umgebung auf Basis des reflektierten Lichts (z.B. durch ToF-Berechnungen und -Verarbeitung) verwendet werden.
  • 2 ist ein schematisches Blockschaltbild des LIDAR-Abtastsystems 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Insbesondere zeigt 2 zusätzliche Merkmale des LIDAR-Abtastsystems 200, einschließlich beispielhafter Verarbeitungs- und Steuersystemkomponenten wie einen MEMS-Treiber, eine Empfängerschaltung und eine Systemsteuerung.
  • Das LIDAR-Abtastsystem 200 umfasst eine Sendereinheit 21, die für einen Emitterpfad des Systems 200 zuständig ist, und eine Empfängereinheit 22, die für einen Empfängerpfad des Systems 200 zuständig ist. Das System umfasst auch eine Systemsteuerung 23, die dazu ausgebildet ist, die Komponenten der Sendereinheit 21 und der Empfängereinheit 22 zu steuern und digitale Rohdaten von der Empfängereinheit 22 zu empfangen und diese zu verarbeiten (z.B. über digitale Signalverarbeitung), um Objektdaten (z.B. Punktwolkendaten) zu erzeugen. Somit umfasst die Systemsteuerung 23 mindestens einen Prozessor und/oder Prozessorschaltkreis (z.B. Komparatoren und digitale Signalprozessoren (DSPs, digital signal processors)) einer Signalverarbeitungskette zur Verarbeitung von Daten, sowie Steuerschaltkreise, wie z.B. eine Mikrosteuerung, die zur Erzeugung von Steuersignalen ausgebildet ist. Das LIDAR-Abtastsystem 200 kann auch einen Sensor 26, wie z.B. einen Temperatursensor, umfassen, der Sensorinformationen an die Systemsteuerung 23 liefert.
  • Die Sendereinheit 21 umfasst die Beleuchtungseinheit 10, den MEMS-Spiegel 12 und einen MEMS-Treiber 25, der für die Ansteuerung des MEMS-Spiegels 12 ausgebildet ist. Insbesondere betätigt und erfasst der MEMS-Treiber 25 die Drehposition des Spiegels und liefert Positionsinformationen (z.B. Neigungswinkel oder Grad der Drehung um die Drehachse) des Spiegels an die Systemsteuerung 23. Basierend auf diesen Positionsinformationen werden die Laserquellen der Beleuchtungseinheit 10 durch die Systemsteuerung 23 angesteuert und die Photodioden aktiviert, um ein reflektiertes Lichtsignal zu erfassen und somit zu messen. Auf diese Weise führt eine höhere Genauigkeit bei der Positionsabtastung des MEMS-Spiegels zu einer genaueren und präziseren Steuerung anderer Komponenten des LIDAR-Systems.
  • Die Empfängereinheit 22 umfasst das Photodetektor-Array 15 sowie eine Empfängerschaltung 24, die eine digitale Ausleseschaltung umfasst. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben werden wird, kann eine SiPM-Zelle des Photodetektor-Arrays 15 mit einem Auslesekanal der Empfängerschaltung 24 gekoppelt werden, die die elektrischen Signale von dieser empfängt. Zusätzlich kann jede Zeile des Photodetektor-Arrays 15 selektiv durch einen Multiplexer mit der Empfängerschaltung 24 gekoppelt und entkoppelt werden. Ein Pixel, eine Reihe oder eine Säule, das bzw. die mit der Empfängerschaltung 24 gekoppelt ist, kann als aktiv bezeichnet werden, während ein Pixel, eine Reihe oder eine Säule, das bzw. die nicht mit der Empfängerschaltung 24 gekoppelt ist, als inaktiv bezeichnet werden kann.
  • Die Ausleseschaltung umfasst N Ausgangskanäle (z.B. 32 Kanäle), die dazu ausgebildet sind, Messsignale auszulesen, die von einem ausgewählten Pixel einer gekoppelten Reihe des Photodetektor-Arrays 15 empfangen werden. Darüber hinaus können mehr als ein Pixel aus einer gekoppelten Reihe ausgewählt werden, es können mehrere Reihen gleichzeitig an einen Ausgangskanal gekoppelt werden, und es können ein oder mehrere Pixel aus jeder gekoppelten Reihe ausgewählt werden. Eine Erfassung digitaler Daten vom Photodetektor-Array 15 auf einem Ausgangskanal kann als digitale Abtastung bezeichnet werden, und jeder Ausgangskanal kann zur Erfassung verschiedener digitaler Abtastungen verwendet werden. Jede Abtastung entspricht ferner einer Abtastzeit, zu der Messsignale von einem oder mehreren Pixeln ausgelesen werden.
  • Somit kann die Empfängerschaltung 24 die digitalen elektrischen Signale von den Photodetektoren des Photodetektor-Arrays 15 empfangen und die elektrischen Signale als digitale Rohdaten an die Systemsteuerung 23 zur ToF-Messung und Erzeugung von Objektdaten (z.B. 3D-Punktwolkendaten) übertragen.
  • Die Empfängerschaltung 24 kann auch Trigger-Steuersignale von der Systemsteuerung 23 empfangen, die eine Aktivierung einer oder mehrerer Mikrozellen auslöst oder umgekehrt eine oder mehrere Mikrozellen deaktiviert. Somit kann die Systemsteuerung 23 steuern, welche SPADs aktiviert und welche deaktiviert werden. Der Ausleseschaltkreis 24 wiederum kann dazu ausgebildet sein, bestimmte SPADs des Photodetektor-Arrays 15 zu aktivieren oder zu deaktivieren. Die Empfängerschaltung 24 kann auch Steuersignale zur Verstärkungseinstellung empfangen, um die Verstärkung eines oder mehrerer Photodetektoren zu steuern.
  • 3A ist ein schematisches Diagramm eines digitalen SiPM-Pixels 1 (d.h. eines 2D-SiPM-Pixels) gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. 3B ist ein schematisches Diagramm eines 2D-SiPM-Pixel-Arrays gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.
  • Insbesondere besteht das Photodetektor-Array 15 aus einem Array von digitalen SiPM-Pixeln 1, die in Reihen und Säulen angeordnet sind. Das digitale SiPM-Pixel 1 umfasst ein Array von Mikrozellen 2, von denen jede eine SPAD 3 in Reihe mit einer Löschschaltung 4 umfasst, die einen Transistor SR umfasst. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, verhält sich der Transistor SR wie ein digitaler Schalter mit einem Einschaltwiderstand Ron. Somit weist jedes SiPM-Pixel eine Anordnung von SPADs auf. Mit anderen Worten, ein einzelnes SiPM-Pixel kann als SPAD-Array bezeichnet werden, und jedes SPAD kann als SPAD-Pixel bezeichnet werden.
  • Jede SPAD ist von Natur aus ein binäres Gerät - entweder ein Photon hat sie getroffen oder es hat sie nicht getroffen. Beim Empfang eines Photons erzeugt eine SPAD 3 einen elektrischen Impuls. Die Intensität des von einem SiPM erzeugten Signals erhält man durch Zählen (Photonenzählung) der Anzahl der Ausgangsimpulse, die von seinen aktiven SPADs innerhalb eines Messzeitschlitzes erzeugt werden, oder durch Erfassen des kumulativen Stroms aller SPADs, die nicht jedes Photonenereignis auflösen, während die zeitabhängige Wellenform des Signals durch Messen der zeitlichen Verteilung des Ausgangssignals (Photon Timing) erhalten wird. Letzteres kann durch den Betrieb des SPAD-Detektors in zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung (TCSPC, time-correlated single photon counting) erhalten werden.
  • Insbesondere ist eine SPAD ein Festkörper-Photodetektor, bei dem ein photonenerzeugter Träger (über den internen photoelektrischen Effekt) einen kurzzeitigen, aber relativ großen Lawinenstrom auslösen kann. Diese Lawine wird durch einen Mechanismus namens Stoßionisation erzeugt, bei der Träger (Elektronen und/oder Löcher) durch einen großen Potentialgradienten (Spannung) auf hohe kinetische Energien beschleunigt werden. Wenn die kinetische Energie eines Trägers ausreicht (in Abhängigkeit von der Ionisationsenergie des Schüttguts), werden weitere Träger aus dem Atomgitter befreit. Die Anzahl der Träger steigt damit exponentiell an, zum Teil schon ab einem einzigen Träger.
  • Der Lawinenstrom steigt rasch [Sub-Nanosekunden-Aufstiegszeit] auf ein makroskopisch stabiles Niveau im Milliampere-Bereich an. Wenn der Primärträger photogeneriert wird, markiert die Vorderkante des Lawinenimpulses [mit Pikosekunden-Zeit-Jitter] die Ankunftszeit des detektierten Photons. Der Strom fließt weiter, bis die Lawine durch Absenken der von der internen Kapazität gespeicherten Vorspannung VBIAS (BIAS = Vorspannung) auf oder unter die Durchbruchspannung VBD gelöscht wird. Die interne Kapazität ist eine Streu- oder parasitäre Kapazität der SPAD und wird in 5A-5D durch einen internen Kondensator CD dargestellt.
  • Wenn dies eintritt, ist das niedrigere elektrische Feld nicht mehr in der Lage, die Träger zur Stoßionisierung mit Gitteratomen zu beschleunigen, daher bricht der Strom ab. Um ein weiteres Photon detektieren zu können, muss die Vorspannung an der inneren Kapazität wieder über die Durchbruchspannung angehoben (d.h. wieder aufgeladen) werden. Diese Wiederaufladezeit führt dazu, dass die SPAD blockiert oder deaktiviert wird, bis die interne Kapazität wieder über die Durchbruchspannung aufgeladen ist. Die Schaltung, die für die Löschung des Lawinenstroms und die anschließende Wiederaufladung der inneren Kapazität verantwortlich ist, wird als Löschschaltung 4 bezeichnet. Die Löschschaltung 4 ist repräsentativ für eine Aktives-Löschen- und Wiederaufladen-Schaltung (d.h. eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung) und kann ein Transistor oder eine andere Schaltung sein, die eine aktive Löschung und Wiederaufladung der SPAD 3 durchführt. Eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung unterscheidet sich von einer Passives-Löschen- und Wiederaufladen-Schaltung, die ausschließlich passive Komponenten wie z.B. einen Widerstand aufweist, der nicht aktiv angesteuert wird.
  • Dieser Vorgang erfordert eine geeignete Schaltung, die die Anströmkante des Lawinenstroms abtastet, einen Standardausgangsimpuls synchron mit dem Lawinenaufbau erzeugt, die Lawine durch Absenken der Vorspannung auf oder unter die Durchbruchspannung löscht und die Photodiode wieder auf Betriebsniveau (d.h. oberhalb der Durchbruchspannung) bringt.
  • Durch die Reihenschaltung eines Transistors SR mit einer SPAD 3 wird es möglich, jede Mikrozelle 2 als digitalen Sensor aufzubauen, wodurch der SiPM 1 als Ganzes zu einem vollständig digitalen Sensor wird. Folglich ist für den Ausgang des SiPM 1 kein Verstärker zur Verstärkung des erzeugten Signals und kein ADC zur Umwandlung in den digitalen Bereich erforderlich. Er hat ein sehr geringes Rauschen (nahe der Photonenschussgrenze) und benötigt wenig Strom, da keine TIAs oder ADCs erforderlich sind.
  • Zusätzlich kann jede SPAD selektiv aktiviert und deaktiviert werden. Dies kann z.B. durch selektives Koppeln (Aktivieren) oder Entkoppeln (Deaktivieren) einer SPAD an einen Ausgang des SiPMs oder durch selektives Aktivieren oder Deaktivieren der jeweiligen Löschschaltung erfolgen, so dass sich die SPAD nicht mehr bis auf ein Betriebsniveau auflädt. Es wird jedoch einleuchten, dass die Aktivierung und Deaktivierung einer SPAD nicht auf diese beispielhaften Technologien beschränkt ist.
  • Zusätzlich kann ein Array von SPADs ein 1D-Array von SPADs oder ein 2D-Array von SPADs sein. Zum Beispiel kann ein SiPM-Pixel ein 1 D-Array von SPADs umfassen, in dem die SPADs in einer einzigen Zeile angeordnet sind (z.B. eine einzige Reihe von SPADs). Diese Art von SiPM-Pixel kann als 1D-SiPM-Pixel bezeichnet werden. Mehrere 1D-SiPM-Pixel, jedes mit einem eigenen Ausgang, der an einen Auslesekanal gekoppelt ist, können zur Erstellung eines 2D-Arrays von SPADs verwendet werden.
  • Alternativ kann ein SiPM-Pixel ein 2D-Array von SPADs umfassen, in dem die SPADs in zwei Richtungen angeordnet sind und mehrere Zeilen und Säulen bilden. Diese Art von SiPM-Pixel kann als 2D-SiPM-Pixel bezeichnet werden. Jedes 2D-SiPM-Pixel hat einen eigenen Ausgang, der an einen Auslesekanal gekoppelt ist. Unabhängig davon, ob es sich um ein 1D- oder 2D-Array handelt, erzeugt jedes SiPM-Pixel ein elektrisches Signal, das an einen entsprechenden Auslesekanal ausgegeben wird, der das elektrische Signal an eine Signalverarbeitungskette liefert (nicht abgebildet).
  • Das in 3A gezeigte Beispiel umfasst zwölf Mikrozellen 2. Dieses SiPM 1 hat also zwölf SPADs, die in einem Array angeordnet sind. Die Ausgabe des SiPM-Pixels 1 ist entsprechend den von den SPADs 3 erzeugten elektrischen Signalen kumulativ. Wenn beispielsweise während einer Messperiode nur eine SPAD in dem Array ein Photon detektiert, kann der Ausgang des SiPM-Pixels eine Intensität I haben. Wenn andererseits fünf SPADs in dem Array jeweils ein Photon während einer Messperiode detektieren, kann der Ausgang des SiPM-Pixels 1 eine Intensität 5I haben. Wenn alle SPADs im Array während einer Messperiode jeweils ein Photon detektieren, kann der Ausgang des SiPM-Pixels 1 eine Intensität von 12I haben. Infolgedessen werden die Beiträge aller SPADs 3 im SiPM-Pixel 1 addiert, um das Ausgangssignal zu erzeugen. Die Anzahl der SiPM-Pixel und die Anzahl der SPAD-Pixel innerhalb jedes SiPM-Pixels sind vollständig konfigurierbar.
  • 4 zeigt eine digitale Mikrozelle, die mit synchroner, aktiver Wiederaufladung gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ausgebildet ist. Insbesondere die digitale Mikrozelle 2 von 3A ist ausführlicher dargestellt. Die digitale Mikrozelle 2 umfasst eine SPAD 3 und eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung 4, die den Transistor SR umfasst. Darüber hinaus ist eine Mikrozellen-Ausleseschaltung mit einem Pegelwandler 5 und einer 1-Bit-Speichervorrichtung 6 vorgesehen. Die 1-Bit-Speichervorrichtung 6 kann z.B. ein getaktetes D-Flip-Flop sein.
  • Der Transistor SR umfasst eine Konfiguration zum Leiten eines Hauptstroms entlang eines Hauptstrompfades zwischen zwei Leitungspfad-Anschlussstrukturen oder Leitungspfad-Elektroden (z.B. der Source/Emitter und dem Drain/Kollektor) der Vorrichtung. Darüber hinaus kann der Hauptstrompfad mit Hilfe einer Steuerelektrode, manchmal auch als Gate-Elektrode bezeichnet, gesteuert werden. Nach Empfang eines entsprechenden Steuersignals, z.B. von einem Signalgenerator, kann die Steuerelektrode den Transistor SR in einen leitenden oder einen sperrenden Zustand (d.h. ein (on) oder aus (off)) versetzt werden. Ein Steuersignal kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal mit einem geregelten Wert sein. Wenn z.B. ein positives Eingangsspannungssignal über das Gate und die Source-Anschlüsse angelegt wird, bleibt der Baustein in seinem eingeschalteten Zustand („ON“), während das Eingangsgate-Signal auf null oder leicht negativ gesetzt wird, wodurch es ausgeschaltet wird („OFF“).
  • Obwohl gezeigt wird, dass der Transistor SR auf der unteren Seite der SPAD angeordnet ist (d.h. zwischen der SPAD 3 und Masse), kann er auch auf der oberen Seite der SPAD 3 angeordnet sein (d.h. zwischen der SPAD 3 und der Vorspannung VBIAS). Der Transistor SR ist repräsentativ für eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung, die durch einen Takt ausgelöst wird. Wenn der Transistor ausgeschaltet wird, löscht er die SPAD 3 und wenn er eingeschaltet wird, lädt er die SPAD 3 wieder auf. Es wird einleuchten, dass die durch einen Taktgeber ausgelöste Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung nicht auf einen einzelnen Transistor beschränkt ist und ein oder mehrere andere Schaltungselemente umfassen kann, die eine gleichwertige Funktion der aktiven Löschung und Wiederaufladung auf Basis eines Taktsignals erfüllen. Es wird auch einleuchten, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung einen Transistor umfassen kann oder auch nicht.
  • Die digitale Mikrozelle 2 umfasst einen Eingangsanschluss IN (d.h. einen Steueranschluss des Transistors SR), der mit einem Taktsignalgenerator 7 (z.B. einem Oszillator) gekoppelt ist, um ein Taktsignal CLK zu empfangen. Bei diesem Beispiel ist das Taktsignal ein 1-GHz-Signal, das aber auf Basis der gewünschten Wiederaufladezeit konfigurierbar sein kann. Jede Mikrozelle 2 im SiPM 1 empfängt das gleiche Taktsignal und umfasst eine entsprechende 1-Bit-Speichervorrichtung 6. Darüber hinaus kann jede Mikrozelle in einem SiPM-Array dasselbe Taktsignal empfangen und eine entsprechende 1-Bit-Speichervorrichtung 6 umfassen.
  • Das Taktsignal CLK schaltet den Transistor SR aktiv ein und aus, je nachdem, ob sich die SPAD 3 in ihrer Betriebsart (d.h. im Aus-Zustand) befindet oder nicht. Wenn sich eine SPAD 3 im Betriebsmodus befindet, verhält sie sich wie ein offener Schalter und gilt als ausgeschaltet. Daher wird der Knoten OUT1, der zwischen der SPAD 3 und dem Transistor SR gekoppelt ist, nach unten gezogen (d. h. analoge Logik niedrig). Wenn eine SPAD 3 ein Photon empfängt, verhält sich die SPAD 3 wie ein geschlossener Schalter und schaltet sich ein, wobei der Knoten OUT1 auf die Vorspannung VBIAS hochgezogen wird (d.h. analoge Logik hoch). Der Pegelwandler 5 empfängt den analogen Wert von dem Knoten OUT1 und übersetzt den analogen Wert in einen entsprechenden digitalen Wert (d.h. digitale Logik niedrig oder digitale Logik hoch).
  • Je nachdem, ob die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung (z.B. der Transistor SR) auf der niedrigen oder der hohen Seite der SPAD 3 angeordnet ist und auch je nach der speziellen Implementierung des Pegelwandlers 5 (er könnte invertierend sein) könnte das digitale, binäre Signal für die SPAD/Mikrozelle entweder 0 sein, wenn kein Photon detektiert wurde und 1, wenn ein Photon detektiert wurde, oder umgekehrt.
  • Wenn sich die SPAD 3 in ihrem Betriebsmodus befindet, bleibt der Transistor SR unabhängig vom Wert des Taktsignals ausgeschaltet. Andererseits, nachdem der interne Kondensator CD (d.h. die Streu- oder parasitäre Kapazität) der SPAD 3 aufgrund eines empfangenen Photons entladen wurde, und nach einer Haltezeit schaltet ein Taktimpuls (z.B. ein hoher Taktwert) den Transistor SR ein, um den internen Kondensator CD zu laden, um die SPAD 3 wieder in ihren Betriebsmodus zu versetzen.
  • Bei diesem Beispiel kann der Transistor SR ein n-Kanal-Transistor sein. Während der Transistor SR eingeschaltet ist, kann der interne Kondensator CD der SPAD 3 durch die Vorspannung VBIAS bis über die Durchbruchspannung VBD der SPAD 3 wieder aufgeladen werden, wenn der interne Kondensator CD auf oder unter die Durchbruchspannung VBD entladen wurde. Wenn der Kondensator CD der SPAD 3 bereits bis über die Durchbruchspannung VBD aufgeladen ist, erfolgt keine Wiederaufladung, da der Transistor SR ausgeschaltet bleibt. Stattdessen bleibt der interne Kondensator CD der SPAD 3 oberhalb der Durchbruchspannung VBD und wartet auf die Auslösung durch ein Photon. Somit lädt das Taktsignal den internen Kondensator CD der SPAD 3 aktiv wieder auf, nachdem der interne Kondensator CD durch ein empfangenes Photon entladen wurde.
  • Da zudem alle Mikrozellen 2 das gleiche Taktsignal CLK empfangen, werden die SPADs 3 bei jedem Taktzyklus synchron wieder aufgeladen. Durch das aktive synchrone Wiederaufladen der SPADs 3 werden alle SPADs synchron in ihren Betriebsmodus (d.h. in ihren Aus-Zustand) versetzt. Das heißt, die SPADs, die nicht entladen wurden, werden in ihrem Betriebsmodus gehalten, und die SPADs, die seit dem vorhergehenden Taktzyklus durch ein Photon entladen wurden, werden wieder aufgeladen und in ihren Betriebsmodus zurückgebracht, bereit, ein anderes Photon zu detektieren. Auf diese Weise kann ein ganzes SiPM oder ein Array von SiPMs bei jedem Taktzyklus aktiv und synchron in den Betriebsmodus versetzt werden.
  • Darüber hinaus sieht der Transistor SR eine Haltezeit zwischen dem Entladen und dem anschließenden Wiederaufladen des internen Kondensators CD der SPAD 3 vor. Die Haltezeit ermöglicht eine synchrone Wiederaufladung zwischen den SPADs. Ohne die Haltezeit würden die SPADs asynchron zueinander wieder aufgeladen werden. Würde z.B. anstelle des Transistors SR ein Widerstand verwendet, würde die SPAD nach dem Auftreffen eines Photons auf die SPAD sofort in die Wiederaufladephase eintreten. Folglich laden und entladen sich SPADs zu unterschiedlichen Zeiten, basierend auf den empfangenen Photonen, was zur Ausgabe eines analogen Signals führt, das eine weitere Signalverarbeitung, Mittelwertbildung usw. erfordert. Im Gegensatz dazu wird bei der synchronen Wiederaufladung ein digitales Signal erzeugt, da alle SPADs synchron in ihren Betriebsmodus veresetzt werden und bereit sind, durch ein Photon ausgelöst zu werden. Das Messergebnis eines SiPMs pro Taktzyklus ist das digital kumulierte Signal seiner SPADs.
  • Die Taktimpulse des Taktsignals CLK sind dazu ausgebildet, die Datenerfassung durch die 1-Bit-Speichervorrichtung 6 zu ermöglichen. Als getaktetes D-Flip-Flop ist die 1-Bit-Speichervorrichtung 6 dazu ausgebildet, bei jedem Taktimpuls (hoher Taktwert) einen vom Pegelwandler 5 übertragenen Bitwert zu erfassen und den erfassten Bitwert bis zum nächsten Taktzyklus (oder bis zur Änderung des Datenwerts) zu speichern und zu halten. Somit ist der Bitwert an Ausgang OUT2 der vom Pegelwandler 5 empfangene Bitwert, der repräsentativ für den Wert an OUT1 ist, der als Ergebnis eines von der 1-Bit-Speichervorrichtung 6 an ihrem Takteingang empfangenen Taktimpulses erfasst wird. Der erfasste Bitwert wird für eine Haltezeit bis zum nächsten Taktimpuls gespeichert, der den nächsten Taktzyklus startet.
  • Die Haltezeit ermöglicht es allen SPADs, die aufgrund eines empfangenen Photons während eines Taktzyklus entladen wurden, sich wieder aufzuladen und vor dem Beginn des nächsten Taktzyklus wieder in den Betriebsmodus zurückzukehren. Beim nächsten Taktzyklus folgt die 1-Bit-Speichervorrichtung 6 dem an ihrem Dateneingang empfangenen Bitwert, indem sie den vom Pegelwandler 5 übertragenen Bitwert erfasst, bei dem es sich um einen neuen Bitwert oder denselben Bitwert wie beim vorherigen Taktzyklus handeln kann. Der Ausgang OUT2 der 1-Bit-Speichervorrichtung 6 überträgt ein digitales Signal als Ausgabe der Mikrozelle 2.
  • Entsprechend dieser Konfiguration wird ein digitaler Sensor ohne den Einsatz von Verstärkern (z.B. TIAs) oder ADCs gebildet, wodurch eine Niedrigleistungslösung bereitgestellt wird. Darüber hinaus werden die SPADs mit einem festen, schnellen Taktsignal CLK mit kurzer Leerlaufzeit und hoher Zeitauflösung wieder aufgeladen.
  • 5A-5D zeigen einen Aktive-Wiederaufladung-Zyklus einer SPAD, die in Reihe mit einem Transistor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen angeordnet ist. Insbesondere wird ein Zyklus mit vier Stufen gezeigt, einschließlich einer (Wieder-)Aufladestufe in 5A, einer Betriebsmodus-(Aus-Zustand)-Stufe in 5B, einer Photonenauslöse-(Entladungs-)Stufe in 5C und einer Haltezeitstufe in 5D.
  • 5A-5D zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer SPAD 3 und eines Transistors SR der in 3 und 4 gezeigten Mikrozelle 2. Die SPAD 3 wird durch einen Innenwiderstand RD, eine Durchbruchspannung VBD, einen Schalter S und eine interne Kapazität CD (d.h. parasitäre Kapazität) dargestellt. Der Transistor SR wird durch einen Schalter SR und einen internen Einschaltwiderstand Ron dargestellt. Sowohl die SPAD 3 als auch der Transistor sind an entgegengesetzte Anschlüsse der Vorspannungsversorgung VBIAS gekoppelt. Insbesondere ist die Kathode der SPAD 3 mit dem negativen Anschluss der Vorspannungsversorgung VBIAS oder einem Massepotential verbunden, und der Transistor ist zwischen der Anode der SPAD 3 und dem positiven Anschluss der Vorspannungsversorgung VBIAS gekoppelt.
  • Während der in 5A gezeigten (Wieder-)Aufladestufe wird der Transistor SR durch einen Taktimpuls CLK eingeschaltet und ein Elektronenstrom I fließt durch die interne Kapazität CD, um die interne Kapazität durch den Transistor SR auf die Vorspannung VBIAS aufzuladen, einschließlich des Einschaltwiderstandes Ron. Die SPAD 3 ist ausgeschaltet und somit ist der Schalter S offen. Die Zeitkonstante für das Aufladen der internen Kapazität CD wird durch CD*Ron dargestellt. Sobald die interne Kapazität CD auf die Vorspannung VBIAS aufgeladen ist, wird die SPAD 3 als im Betriebsmodus befindlich betrachtet.
  • Während der in 5B dargestellten Betriebsmodusstufe bleibt die SPAD 3 ausgeschaltet. Zusätzlich ist auch der Transistor SR ausgeschaltet. Folglich hält die interne Kapazität CD die Vorspannung VBIAS und es fließt kein Strom durch die Schaltung. Die Schaltung bleibt in diesem Betriebsmodus (Aus-Zustand), bis ein Photon empfangen wird und eine Lawine an der SPAD 3 auslöst.
  • Während der Photonenauslösestufe (Entladung) in 5C wird die SPAD 3 durch das empfangene Photon aktiviert und der Schalter S geschlossen. Durch das Schließen des Schalters S wird ein Lawinenstrom ID erzeugt und die innere Kapazität CD wird über den Innenwiderstand RD auf die Durchbruchspannung VBD entladen. Die Zeitkonstante für die Entladung der inneren Kapazität CD wird durch CD*Ron dargestellt. Während dieser Phase bleibt der Transistor SR ausgeschaltet. Sobald die innere Kapazität CD auf die Durchbruchspannung VBD entladen ist, wird die SPAD abgeschaltet, was dazu führt, dass der Schalter S ausgeschaltet (d.h. geöffnet) wird.
  • Während der Haltestufe in 5D wird durch das Taktsignal CLK eine Haltezeit bis zum nächsten Takt vorgegeben. Die Haltezeit ist ein Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt der Entladung der internen Kapazität CD auf die Durchbruchspannung VBD und dem Zeitpunkt des nächsten Taktimpulses. Während der Haltezeit ist die SPAD 3 nichtleitend (d.h. der Schalter S ist ausgeschaltet), der Transistor SR ist ausgeschaltet (d.h. der Schalter SR ist ausgeschaltet), die interne Kapazität CD wird auf der Durchbruchspannung VBD gehalten, und es fließt kein Strom durch die Schaltung. Beim nächsten Taktimpuls schaltet sich der Transistor SR durch den Empfang eines hohen Taktsignals an seinem Steueranschluss ein, und die Schaltung geht in die in 5A dargestellte Wiederaufladestufe über. Der Zyklus wiederholt sich dann.
  • 6 ist eine schematische Darstellung eines digitalen Sensorelements gemäß einer oder mehrerer Ausführungsbeispiele. Das digitale Sensorelement umfasst ein SiPM 1, das ein 16x16-Array von Mikrozellen 2, eine Summierschaltung 8 und ein Register 9 umfasst. Jede Mikrozelle 2 ist repräsentativ für eine SPAD 3. Bei diesem Beispiel ist jede Mikrozellensäule über einen entsprechenden Auslesekanal elektrisch mit der Summierschaltung 8 gekoppelt, um von dort eine digitale Ausgabe zu empfangen. Alternativ kann die Summierschaltung 8 über einen entsprechenden Auslesekanal elektrisch mit jeder Mikrozellenreihe gekoppelt werden, um von dort einen oder mehrere digitale Ausgänge zu empfangen. Die Summierschaltung 8 summiert die empfangenen digitalen Ausgänge und überträgt für jeden Taktzyklus des Taktsignals CLK einen Summenwert an das Register 9. Für den gezeigten Taktzyklus wird ein Ausgangswert von 12 an das Register geliefert, das die 12 SPADs im SiPM 1 repräsentiert, die während dieses Taktzyklus ein Photon empfangen haben. Dadurch wird ein digitales Zeitreihensignal (d.h. ein digitales Signal über die Zeit), wie rechts dargestellt, erzeugt, das für jeden Taktzyklus einen Wert hat. Jeder Wert ist ein diskreter Wert zwischen 0 und dem Maximalwert. In einem 16x16-Mikrozellen-Array beträgt der maximale diskrete Wert 256, was insgesamt 257 möglichen diskreten Signalpegeln pro Taktzyklus entspricht.
  • Als weiteres Beispiel und in Bezug auf 3A, wenn Null SPADs im SiPM 1 während einer Messperiode (z.B. während eines Taktzyklus) ein Photon detektieren, kann der vom SiPM 1 ausgegebene Pixelwert den Wert 0 haben, was einem minimalen Pixelwert entspricht. Wenn nur eine SPAD im SiPM 1 während einer Messperiode ein Photon detektiert, kann der von dem SiPM 1 ausgegebene Pixelwert den Wert 1 haben. Wenn andererseits fünf SPADs im SiPM 1 während einer Messperiode jeweils ein Photon detektieren, kann der von dem SiPM 1 ausgegebene Pixelwert den Wert 5 haben. Wenn alle SPADs im SiPM 1 während einer Messperiode jeweils ein Photon detektieren, kann der vom SiPM 1 ausgegebene Pixelwert einen Wert von 12 haben, was einen maximalen Pixelwert darstellt.
  • Dementsprechend werden die Beiträge aller SPADs in einem SiPM 1, die von ihrem jeweiligen Ausgang OUT2 geliefert werden, pro Taktzyklus des Taktsignals CLK durch die Summierschaltung 8 addiert, um einen summierten Digitalwert für den SiPM zu erzeugen. Dieser summierte Digitalwert ist ein Pixelwert, der eine Summe aller Bitwerte darstellt, die von der SPAD für ein einzelnes SiPM 1 erzeugt werden. In einem Array von SiPMs gibt jedes SiPM pro Taktzyklus einen Pixelwert aus, der zur Erzeugung eines Bildes verwendet wird.
  • Ein in der Systemsteuerung 23 vorgesehener digitaler Signalprozessor (DSP) 30 kann das digitale Zeitreihensignal weiter analysieren und empfangene Laserphotonen von empfangenen Umgebungslichtphotonen (d.h. Hintergrundlichtphotonen) unterscheiden. Genauer gesagt kann der DSP 30 Pixelwerte, die dem empfangenen (rückgestreuten) Laserlicht entsprechen, von Pixelwerten unterscheiden, die nur dem aus dem Umgebungslicht resultierenden Rauschen entsprechen. Der DSP 30 kann dies tun, indem er eine Spitze im digitalen Zeitreihensignal erkennt, die einen vorgegebenen Schwellenwert TH überschreitet. Ein Peak ist ein Indikator für eine konzentrierte Anzahl von Photonen, die am SiPM empfangen werden, was üblicherweise beim Empfang von rückgestreutem Laserlicht auftritt. Pixelwerte unterhalb des Schwellenwertes TH zeigen üblicherweise an, dass rückgestreutes Laserlicht nicht vorhanden ist, zumindest nicht in nennenswertem Umfang, und sind das Ergebnis von Umgebungslicht.
  • 7A und 7B veranschaulichen ein Konzept eines konfigurierbaren digitalen SiPM gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Bei diesem Konzept werden SPADs zu beliebigen Gruppen zusammengefasst, um konfigurierbare digitale SiPMs zu erstellen.
  • In 7A ist ein 6 x 6 Array von digitalen SiPMs 1 vorgesehen, wobei jedes SiPM 1 ein 16 x 16 Array von Mikrozellen aufweist. Zusätzlich werden zwei Beispiele für rückgestreute Laserstrahlen RX1 und RX2 gezeigt.
  • Der Laserstrahl RX1 ist eine Empfangszeile des empfangenen Laserlichts, die in einem 1D-MEMS-Spiegelscanner gebildet wird. Die Empfangszeile ist aufgrund von nicht-idealen Eigenschaften der Empfangsoptik gekrümmt. Folglich wird der Laserstrahl RX1 zumindest teilweise auf zwölf SiPMs projiziert, die in allen SiPM-Reihen und zwei der SiPM-Säulen angeordnet sind.
  • Der Laserstrahl RX2 ist ein Empfangspunkt des empfangenen Laserlichts, der in einem 2D-MEMS-Spiegelscanner gebildet wird. Der Laserstrahl RX2 kann auf ein oder mehrere benachbarte SiPMs projiziert werden. Bei diesem Beispiel wird der Laserstrahl RX2 auf Abschnitte von vier verschiedenen SiPMs projiziert.
  • Die Position auf dem Array, an der der Empfang der Laserstrahlen erwartet wird, kann von der Systemsteuerung 23 sowohl auf Basis der Übertragungsrichtung des gesendeten Laserstrahls (d.h. einer Position des MEMS-Spiegels 12 um seine ein oder zwei Abtastachsen) als auch der bekannten Eigenschaften der Empfängeroptik abgeschätzt werden.
  • In beiden Fällen ist es bei Verwendung einer festen SiPM-Konfiguration möglich, dass mehrere SiPMs nur einen Teil des Lasersignals empfangen. Entsprechend könnten die Addierer einer Addierschaltung so ausgebildet sein, dass sie die digitalen Pixelwerte der Ziel-SiPMs addieren, bei denen ein Lichtempfang erwartet wird, während die Ausgänge der SiPMs, bei denen kein Lichtempfang erwartet wird, ignoriert werden. Zusätzlich oder alternativ können Ziel-SiPMs, bei denen der Lichtempfang erwartet wird, aktiviert oder freigeschaltet werden, während die übrigen SiPMs deaktiviert oder gesperrt werden können. In einer festen SiPM-Konfiguration nehmen die Ziel-SiPMs jedoch eine größere Fläche ein, als zur Erfassung des Lasersignals erforderlich ist. Daher wird an diesen Pixeln mehr Umgebungslicht als nötig empfangen, was zu mehr detektiertem Rauschen und einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, signal to noise ratio) führt.
  • Alternativ kann das Array in 7B als ein 96x96 Array von Mikrozellen verwendet werden, das dynamisch und flexibel in digitale SiPMs 41 gruppiert werden kann, basierend auf der Position des erwarteten Lichts. In diesem Fall sind die SiPMs 41 nicht fixiert, sondern werden gebildet, indem benachbarte Mikrozellen während der Laufzeit eines Abtastvorgangs wie gewünscht gruppiert werden. Die Gruppierung der Mikrozellen kann in einer 16x16-Weise oder unter Verwendung anderer Array-Größen erfolgen. Die Gruppierungen können während eines Abtastvorgangs geändert werden, wenn sich das rückgestreute Licht über das Mikrozellen-Array bewegt. Das heißt, die Gruppierung kann sich zusammen mit dem empfangenen Lichtstrahl über das gesamte Mikrozellen-Array bewegen. Darüber hinaus können die Gruppierungen auf Basis der Form des rückgestreuten Lichts, das auf das Array projiziert wird, ausgewählt werden.
  • Dies kann das SNR drastisch verbessern, da der Bereich, in dem ein rückgestreutes Lasersignal empfangen wird, maximiert werden kann, während der Bereich, in dem das Lasersignal nicht empfangen wird, minimiert wird. Die Optimierung der Verwendung von SPADs in einer flexiblen Konfiguration kann nicht nur helfen, den Einfluss des Hintergrundlichts zu minimieren und den Stromverbrauch zu senken, sondern auch die Pixelauflösung durch Vergrößerung oder Verkleinerung der SiPMs 41 zu variieren. Darüber hinaus können kostengünstigere Optiken mit höheren charakteristischen Fehlergrößen verwendet werden, da die SiPMs 41 so gestaltet werden können, dass Verzerrungen korrigiert werden, die aus ihren nicht-idealen Eigenschaften resultieren. Außerdem können bestimmte Bereiche des Arrays deaktiviert werden, in denen das Signal zu stark ist, um den Dynamikbereich zu verbessern.
  • Die Systemsteuerung 23 ist dazu ausgebildet, einen Bereich des Arrays, an dem rückgestreutes Laserlicht empfangen werden soll, vorherzusagen und die Mikrozellen 2 in dem bestimmten Bereich des Arrays zu identifizieren, die in ein oder mehrere SiPMs 41 gruppiert werden sollen. Die Region kann auf Basis der Überwachung der Übertragungsrichtung des gesendeten Laserstrahls (d.h. einer Position des MEMS-Spiegels 12 um seine eine oder zwei Abtastachsen) und der bekannten Eigenschaften der Empfängeroptik vorhergesagt werden. Die Systemsteuerung 23 kann die Mikrozellen 2, die in dem einen oder mehreren SiPMs 41 gruppiert sind, aktivieren, während sie die Mikrozellen 2, die sich außerhalb des einen oder der mehreren SiPMs 41 befinden (d.h. außerhalb des vorhergesagten Bereichs), deaktiviert. Die Konfiguration der aktivierten Mikrozellen und die Bildung von SiPMs 41 kann auf einer Schuss-pro-Schuss-Basis geändert werden, da die durchgelassenen Laserstrahlen in verschiedenen Übertragungsrichtungen in das Sichtfeld geschossen werden.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Systemsteuerung 23 die Addierschaltung entsprechend den Gruppierungen von Mikrozellen, die ein SiPM 41 bilden, so rekonfigurieren, dass die Addierschaltung digitale Werte von den Gruppierungen von Mikrozellen empfängt und diese addiert, um einen Pixelwert für das gebildete SiPM 41 zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Systemsteuerung 23 die Gruppierungen von Addierern in der Addierschaltung so rekonfigurieren, dass sie mit jedem konfigurierten SiPM 41 übereinstimmen.
  • Somit umfassen zwei Gruppierungsansätze die Gruppierung von Addierern, die Addiererschaltung oder die Deaktivierung einzelner Mikrozellen 2.
  • Die Gruppierung von Addierern resultiert in der Addition einer großen Anzahl von Bits unter Verwendung eines hierarchischen Ansatzes. Beispielsweise kann ein naiver Ansatz oder ein Wallace-Baum verwendet werden. Hier können Addiererzweige ausgewählt werden, um sich auf einen bestimmten rechteckigen Bereich (d.h. einen Bereich des SiPM 41) zu konzentrieren. Zusätzliche Addiererzweige können ausgewählt werden, um auf einen zweiten rechteckigen Bereich zu fokussieren, der einem zweiten SiPM entspricht, und so weiter. Dies kann durch das Hinzufügen von Säulen entlang der Reihen und dann durch das Hinzufügen von Reihen entlang der Array-Kante (oder umgekehrt) erreicht werden.
  • Die Deaktivierung von Mikrozellen in Bereichen, die nicht den Ziel-SiPMs 41 entsprechen, ist eine weitere Möglichkeit, Gruppen von aktiven Mikrozellen zu definieren, die ein oder mehrere Ziel-SiPMs 41 bilden. Diese Technik kann verwendet werden, um ein oder mehrere SiPMs oder umgekehrt deaktivierte Mikrozellbereiche beliebiger Form zu erzeugen.
  • 8 ist ein schematisches Diagramm eines hierarchischen Addiererbaums 800 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Der hierarchische Addiererbaum 800 umfasst fünf hierarchische Ebenen von Addierern, die für die oben erwähnte Addiererschaltung repräsentativ sind. Der hierarchische Addiererbaum 800 umfasst auch eine Summierschaltung 8, die ein Ausgangssignal der Addiererschaltung empfängt. Der Addiererbaum addiert insgesamt 32 Bit, gibt aber 6 Bit aus, um das Ergebnis darzustellen.
  • Die erste Ebene (Ebene 1) umfasst eine erste Mehrzahl von Addierern 81, von denen jeder elektrisch mit einem Ausgang OUT2 eines anderen benachbarten Paares von Mikrozellen gekoppelt ist. Zum Beispiel können sechzehn Addierer 81 verwendet werden, wenn ein SiPM 41 mit zweiunddreißig Mikrozellen in einer Reihe definiert wird. Bei diesem Beispiel kann jeder Addierer 81 ein Halbaddierer (HA) sein, der einen 2-Bit-Ausgangswert erzeugt.
  • In der zweiten Ebene (Ebene 2) umfasst der hierarchische Addiererbaum 800 eine zweite Mehrzahl von Addierern 82, die jeweils mit einem anderen Paar benachbarter Addierer 81 gekoppelt sind. Die Addierer 82 können jeweils unter Verwendung eines Volladdierers (FA) und eines Halbaddierers gebildet werden und erzeugen einen 3-Bit-Ausgabewert.
  • In der dritten Ebene (Ebene 3) umfasst der hierarchische Addiererbaum 800 eine dritte Mehrzahl von Addierern 83, die jeweils mit einem anderen Paar benachbarter Addierer 82 gekoppelt sind. Die Addierer 83 können jeweils mit zwei Volladdierern und einem Halbaddierer gebildet werden und erzeugen einen 4-Bit-Ausgabewert.
  • In der vierten Ebene (Ebene 4) umfasst der hierarchische Addiererbaum 800 eine vierte Mehrzahl von Addierern 84, die jeweils mit einem anderen Paar benachbarter Addierer 83 gekoppelt sind. Die Addierer 84 können jeweils mit drei Volladdierern und einem Halbaddierer gebildet werden und erzeugen einen 5-Bit-Ausgabewert. Zusätzlich können vier 1-Bit-Flip-Flops (FF) 86 zwischen den Addierern 83 und 84 zum Pipelining gekoppelt werden.
  • In der fünften Ebene (Ebene 5) umfasst der hierarchische Addiererbaum 800 einen fünften Addierer 85, der jeweils mit einem Paar benachbarter Addierer 84 gekoppelt ist. Der Addierer 85 kann mit vier Volladdierern und einem Halbaddierer gebildet werden und erzeugt einen 6-Bit-Ausgabewert, der einen digitalen Wert für die Reihe der Mikrozellen des SiPM 41 darstellt. Der 6-Bit-Ausgabewert kann zu einer getakteten Speichervorrichtung 87 übertragen werden, die sechs 1-Bit-Flip-Flops umfasst. Die sechs Flip-Flops erfassen bei jedem Taktzyklus des Taktsignals CLK den vom Addierer 85 ausgegebenen 6-Bit-Wert und geben den 6-Bit-Wert an eine Summierschaltung 8 aus. Die Summierschaltung 8 addiert den von jeder Mikrozellenreihe, die den SiPM 41 definiert, erhaltenen 6-Bit-Wert, um einen Pixelwert für den SiPM 41 zu erzeugen.
  • Es werden zusätzliche Beispiele für ein oder mehrere Ausführungsbeispiele gegeben.
  • Ein Photodetektor-Array umfasst ein Array von SiPMs, wobei jedes SiPM eine Vielzahl von Mikrozellen aufweist, wobei jede Mikrozelle einen SPAD aufweist. Die Vielzahl von Mikrozellenzellen kann zu einem oder mehreren SiPM-Pixeln gruppiert werden, wobei die Gruppierung zu SiPM-Pixeln wie folgt erfolgen kann: flexibel (über eine Konfigurationsdatei oder Steuersignale); kontinuierlich (d.h. ein SiPM-Pixel kann eine Gruppe von Mikrozellen aufweisen, die geometrisch zusammenhängend sind); diskontinuierlich (d.h. ein SiPM-Pixel kann zwei oder mehr Gruppen von Mikrozellen aufweisen, die geometrisch voneinander getrennt oder nicht aneinander angrenzend sind), kann nicht detektierende Mikrozellen umfassen, die absichtlich blind oder nicht vorgespannt gebildet sind, die Vielzahl der Mikrozellen ist dazu ausgebildet, dynamisch in eine Vielzahl von SiPM-Pixeln gruppiert zu werden und/oder das eine oder die mehreren SiPMs können schnell, zwischen Taktzyklen, und während des Betriebs (engl.: on-the-fly) rekonfigurierbar erzeugt werden.
  • Darüber hinaus kann ein umfassender Reset auf das gesamte Array von Mikrozellen oder auf einen Teil des Arrays von Mikrozellen angewendet werden.
  • Darüber hinaus kann die Photonenzählung synchron gestartet werden.
  • Darüber hinaus kann eine Anzahl von Photonenzählungen in einem SiPM-Pixel während einer Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Resets digital durchgeführt werden.
  • In Anbetracht der obigen Ausführungen ist jedes Pixel dazu ausgebildet, die Zeitreihe des einfallenden Lichtsignals mit sehr hoher zeitlicher Auflösung aufzuzeichnen. Bei einem analogen Photodetektor erfordert dies einen sehr schnellen ADC. Da die Entfernung zum Ziel durch die Ankunftszeit des Impulses bestimmt wird, bestimmt die Zeitauflösung direkt die Entfernungsauflösung. Typische erforderliche Timing-Auflösungen liegen in der Größenordnung von 1ns, was zu einer Abtastrate eines ADC von etwa 1 GHz führt.
  • Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen werden alle SPADs synchron betrieben (d.h. sie sind aktiv). Einmal pro Taktzyklus wird das Ergebnis der Photodetektion bei jedem SPAD in einem entsprechenden D-Flip-Flop gespeichert und die SPAD wird wieder aufgeladen. Alle aktiven SPADs tun dies zur gleichen Zeit. Ebenso erfolgt bei dieser Taktrate die Summierung der einzelnen Bits der SPADs. Das Ergebnis ist ein sehr schneller Strom von Werten aus jedem der Pixel, nämlich ein Wert pro Nanosekunde.
  • Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen werden die SPADs frei (d.h. auf dynamischer Basis) als konfigurierbares digitales SiPM gruppiert, um „Pixel“ während des Betriebs effektiv zu definieren. Diese „Pixel“ sind nicht auf ein festes Raster beschränkt, sondern können in Größe, Form und Position im SPAD-Array variieren. Dadurch kann der Sensor die Pixel genauer an die Form und die erwartete Position der Lichtimpulse anpassen. Es ist auch möglich, die Auflösung durch Verkleinerung oder Vergrößerung der „Pixel“ flexibel zu erhöhen oder zu verringern. Wie in 7A und 7B gezeigt ist, funktioniert dies sowohl für das 2D-Abtast-LIDAR, bei dem runde Lichtpunkte am Pixelarray empfangen werden, als auch für das 1D-LIDAR, das mit ganzen Empfangszeilen arbeitet. Im letzteren Fall ist es am offensichtlichsten: die Zeile wird auf dem Mikrozellen-Array in einzelne Pixel unterteilt. Da die Lage der „Pixel“ frei variieren kann, kann der Sensor auch Verzerrungen durch die Optik ausgleichen, was die Verwendung von kostengünstigeren Linsen ermöglicht.
  • Effektiv ist eventuell nur ein kleiner Teil des Mikrozellenarrays zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv. Dies reduziert den Stromverbrauch, aber ebenso wichtig ist, dass dadurch auch die übertragene Datenmenge reduziert wird. Es wäre nicht möglich, die Daten des gesamten Arrays bei 1 GHz vom Chip zu übertragen. Beispielsweise ist es einem 1D-LIDAR-Sensor, der vertikale Zeilen verwendet, es eventuell nur möglich, Daten von 32 Pixeln gleichzeitig zu übertragen.
  • Es wird ferner angemerkt, dass Rauschen und Reichweite, TIAs, ADCs und Stromverbrauch allesamt wichtige Schwachpunkte der gegenwärtigen APD-Lösungen sind, die alle durch die vorliegenden Ausführungsbeispiele verbessert oder beseitigt werden können.
  • Obwohl sich die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele auf ein LIDAR-System beziehen, versteht es sich, dass der SiPM auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden kann.
  • Daher sind der SiPM und das digitale Photodetektor-Array als Ganzes nicht auf LIDAR beschränkt.
  • Darüber hinaus sind zwar einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben worden, aber es ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle Verfahrensschritte können von (oder unter Verwendung von) einer Hardware-Vorrichtung, wie z.B. einem Mikroprozessor, einem programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung, ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
  • Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können die hier bereitgestellten Ausführungsbeispiele in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, z.B. einer Diskette, einer DVD, eines Blue-Ray, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers erfolgen, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem zusammenarbeiten (oder zusammenarbeiten können), so dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Daher kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
  • Befehle können von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, wie z.B. einer oder mehreren Zentralverarbeitungseinheiten (CPU; CPU = Central Processing Unit), digitalen Signalprozessoren (DSPs), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs; ASIC = Application Specific Integrated Circuits), FPGAs (FPGA = Field Programmable Logic Arrays) oder anderen gleichwertigen integrierten oder diskreten Logikschaltungen. Entsprechend bezieht sich der Begriff „Prozessor“, wie er hier verwendet wird, auf jede der vorgenannten Strukturen oder jede andere Struktur, die für die Implementierung der hier beschriebenen Technologien geeignet ist. Darüber hinaus kann die hier beschriebene Funktionalität in einigen Aspekten in speziellen Hardware- und/oder Softwaremodulen bereitgestellt werden. Die Technologien können auch vollständig in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen implementiert sein.
  • Die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsbeispiele haben lediglich veranschaulichenden Charakter. Es versteht sich von selbst, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der hier beschriebenen Details für andere Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, nur durch den Umfang der anhängigen Patentansprüche begrenzt zu sein und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die durch Beschreibung und Erklärung der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele präsentiert werden.

Claims (39)

  1. Digitaler Lichtdetektor, der Folgendes aufweist: einen Taktsignalgenerator, der dazu ausgebildet ist, ein Taktsignal zu erzeugen, das aus Taktimpulsen besteht, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD), die dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf den Empfang eines Photons einen Lawinenstrom einzuschalten und zu erzeugen, wobei die SPAD einen Anodenanschluss, einen Kathodenanschluss und einen internen Kondensator aufweist, der intern zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; und eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung, die durch das Taktsignal ausgelöst wird, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, auf Basis des Taktsignals aktiviert und deaktiviert zu werden, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist, wieder aufzuladen; und wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist, zu entladen.
  2. Digitaler Lichtdetektor gemäß Anspruch 1, bei dem die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung Folgendes aufweist: einen Ausgangsknoten; und einen Steueranschluss, der mit dem Taktsignalgenerator gekoppelt ist, wobei der Steueranschluss dazu ausgebildet ist, das Taktsignal zu empfangen, um den internen Kondensator auf Basis einer erfüllten Ladebedingung aktiv aufzuladen, wobei die Ladebedingung unter der Bedingung erfüllt ist, dass ein Taktimpuls des Taktsignals empfangen wird, während sich der interne Kondensator in einem entladenen Zustand befindet.
  3. Digitaler Lichtdetektor gemäß Anspruch 2, bei dem: die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung einen Transistor umfasst, der mit der SPAD in Reihe geschaltet ist, und der Transistor den Steueranschluss aufweist.
  4. Digitaler Lichtdetektor gemäß Anspruch 3, bei dem der Transistor mit der SPAD am Ausgangsknoten gekoppelt ist.
  5. Digitaler Lichtdetektor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der interne Kondensator als Reaktion darauf, dass die SPAD das Photon empfängt, entladen wird.
  6. Digitaler Lichtdetektor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem sich der interne Kondensator im entladenen Zustand befindet, wenn eine Kondensatorspannung des internen Kondensators kleiner als ein Vorspannungspotential ist.
  7. Digitaler Lichtdetektor gemäß Anspruch 6, bei dem: die SPAD eine Durchbruchspannung hat, die kleiner als das Vorspannungspotential ist, und der interne Kondensator sich im entladenen Zustand befindet, wenn eine Kondensatorspannung des internen Kondensators gleich oder kleiner als die Durchbruchspannung ist.
  8. Digitaler Lichtdetektor gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem: die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion darauf, dass die Aufladebedingung erfüllt ist, einschaltet und dadurch den internen Kondensator auf das Vorspannungspotential auflädt, und die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion darauf, dass der interne Kondensator auf das Vorspannungspotential aufgeladen ist, abzuschalten und ausgeschaltet zu bleiben, bis die Ladebedingung wieder erfüllt ist.
  9. Digitaler Lichtdetektor nach Anspruch 8, bei dem die SPAD dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion auf die Entladung des internen Kondensators in den entladenen Zustand abzuschalten und ausgeschaltet zu bleiben, bis sie ein weiteres Photon empfängt.
  10. Digitaler Lichtdetektor gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem: der interne Kondensator als Reaktion darauf, dass die SPAD das Photon empfängt, entladen wird, und der Taktsignalgenerator und die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung eine Haltezeit zwischen einer Zeit, in der der interne Kondensator in den entladenen Zustand entladen wird, und einer Zeit, in der die Ladebedingung erfüllt oder wieder erfüllt ist, bevor eine Ladung des internen Kondensators auf das Vorspannungspotential ermöglicht wird.
  11. Digitaler Lichtdetektor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, der ferner Folgendes aufweist: einen Pegelwandler, der mit dem Ausgangsknoten gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Ausgangspotential am Ausgangsknoten in einen digitalen Wert umzuwandeln; und eine getaktete 1-Bit-Speichervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Taktsignal vom Taktsignalgenerator zu empfangen, den digitalen Wert vom Pegelwandler zu empfangen und den digitalen Wert bei jedem Taktimpuls des Taktsignals auf einer Pro-Taktzyklus-Basis auszugeben. I
  12. Digitaler Lichtdetektor gemäß Anspruch 11, bei dem: die SPAD und die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet sind, als Reaktion auf das Einschalten der SPAD ein erstes Potential am Ausgangsknoten zu erzeugen, und die SPAD und die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet sind, als Reaktion auf das Ausschalten der SPAD ein zweites Potential am Ausgangsknoten zu erzeugen.
  13. Digitaler Lichtdetektor gemäß Anspruch 12, bei dem die SPAD dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf die Entladung des internen Kondensators in den entladenen Zustand abzuschalten und ausgeschaltet zu bleiben, bis sie ein weiteres Photon empfängt.
  14. Digitaler Lichtdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der interne Kondensator eine Streukapazität oder eine parasitäre Kapazität der SPAD ist.
  15. Verfahren zum Betreiben eines digitalen Lichtdetektors, bei dem das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen eines Vorspannungspotentials; Erzeugen eines Taktsignals, das aus Taktimpulsen besteht, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; Einschalten einer Ein-Photonen-Lawinendiode (SPAD) und Erzeugen eines Lawinenstroms als Reaktion auf den Empfang eines Photons, wobei die SPAD einen Anodenanschluss, einen Kathodenanschluss und einen internen Kondensator aufweist, der intern zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; Steuern eines Aktivierungszustands einer Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung auf Basis des Taktsignals; Aufladen des internen Kondensators unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist; und Entladen des internen Kondensators unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Laden des internen Kondensators ferner die Erfüllung einer Ladebedingung einschließt, wobei die Ladebedingung unter der Bedingung erfüllt wird, dass ein Taktimpuls des Taktsignals empfangen wird, während sich der interne Kondensator in einem entladenen Zustand befindet.
  17. Digitale Silizium-Photomultiplikator-Vorrichtung (SiPM-Vorrichtung), die Folgendes aufweist: einen Taktsignalgenerator, der dazu ausgebildet ist, ein Taktsignal zu erzeugen, das aus Taktimpulsen besteht, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; ein Array von Mikrozellen, wobei jede Mikrozelle Folgendes aufweist: eine Ein-Photonen-Lawinendiode (SPAD), die dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion auf den Empfang eines Photons einzuschalten und einen Lawinenstrom zu erzeugen, wobei die SPAD einen Anodenanschluss, einen Kathodenanschluss und einen internen Kondensator aufweist, der intern zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung, die durch das Taktsignal ausgelöst wird, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, auf Basis des Taktsignals aktiviert und deaktiviert zu werden, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, sie den internen Kondensator unter der Bedingung wieder aufzuladen, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung zu entladen, in der die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist; und einen digitalen Ausgang, der dazu ausgebildet ist, einen digitalen Wert auszugeben, der einem an einem Ausgangsknoten der Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung erzeugten Potential entspricht; und eine Summierschaltung, die dazu ausgebildet ist, digitale Werte aus dem Array von Mikrozellen zu empfangen und auf Basis einer Summe der digitalen Werte einen digitalen Pixelwert für den SiPM zu erzeugen.
  18. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der jede Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung Folgendes aufweist: einen Steueranschluss, der mit dem Taktsignalgenerator gekoppelt ist, wobei der Steueranschluss dazu ausgebildet ist, das Taktsignal zu empfangen, um den internen Kondensator einer entsprechenden SPAD auf Basis einer erfüllten Ladebedingung aktiv aufzuladen, wobei die Ladebedingung unter der Bedingung erfüllt ist, dass ein Taktimpuls des Taktsignals empfangen wird, während sich der interne Kondensator der entsprechenden SPAD in einem entladenen Zustand befindet.
  19. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 17 oder 18, bei der der interne Kondensator als Reaktion darauf, dass die SPAD das Photon empfängt, entladen wird.
  20. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, bei der sich der interne Kondensator im entladenen Zustand befindet, wenn eine Kondensatorspannung des internen Kondensators kleiner als ein Vorspannungspotential ist.
  21. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der: jede SPAD eine Durchbruchspannung hat, die kleiner als das Vorspannungspotential ist, und jeder interne Kondensator im entladenen Zustand konfiguriert wird, wenn seine Kondensatorspannung gleich oder kleiner als die Durchbruchspannung ist.
  22. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 21, bei der: jede Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion darauf, dass die Ladebedingung erfüllt ist, einzuschalten, wodurch ihr interner Kondensator auf das Vorspannungspotential aufgeladen wird, und jede Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion darauf, dass ihr interner Kondensator auf das Vorspannungspotential aufgeladen ist, auszuschalten und ausgeschaltet zu bleiben, bis die Ladebedingung wieder erfüllt ist.
  23. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 22, bei der jede SPAD so ausgebildet ist, sich als Reaktion darauf, dass sich ihr interner Kondensator in den entladenen Zustand entlädt, abzuschalten und ausgeschaltet zu bleiben, bis sie ein weiteres Photon empfängt.
  24. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 22 oder 23, bei der: jeder interne Kondensator dazu ausgebildet ist, als Reaktion darauf, dass seine SPAD das Photon empfängt, entladen wird, und der Taktsignalgenerator und jede Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung eine Haltezeit zwischen einer Zeit, in der ein jeweiliger interner Kondensator in den entladenen Zustand entladen wird, und einer Zeit, in der die Ladebedingung für den jeweiligen internen Kondensator erfüllt oder wieder erfüllt ist, bevor eine Ladung des jeweiligen internen Kondensators auf das Vorspannungspotential ermöglicht wird.
  25. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, bei der jede Mikrozelle ferner Folgendes aufweist: einen Pegelwandler, der mit dem Ausgangsknoten gekoppelt und dazu ausgebildet ist, ein Ausgangspotential am Ausgangsknoten in den digitalen Wert umzuwandeln; und eine getaktete 1-Bit-Speichervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Taktsignal vom Taktsignalgenerator zu empfangen, den digitalen Wert von dem Pegelwandler zu empfangen und den digitalen Wert bei jedem Taktimpuls des Taktsignals auf einer Pro-Taktzyklus-Basis auszugeben.
  26. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der: die SPAD und jede Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet sind, als Reaktion auf das Einschalten einer entsprechenden SPAD ein erstes Potential am Ausgangsknoten zu erzeugen, und die SPAD und jede Aktives-LÖschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf das Ausschalten der entsprechenden SPAD ein zweites Potential am Ausgangsknoten zu erzeugen.
  27. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß Anspruch 26, bei der jede SPAD dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion darauf, dass sich ihr interner Kondensator in einen entladenen Zustand entlädt, abzuschalten und ausgeschaltet zu bleiben, bis sie ein weiteres Photon empfängt.
  28. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 27, bei der das Array von Mikrozellen bei jedem Taktzyklus des Taktsignals synchron wieder aufgeladen wird.
  29. Digitale SiPM-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 28, bei der bei jedem Taktimpuls des Taktsignals entladene SPADs, die sich in einem entladenen Zustand befinden, synchron wieder aufgeladen werden, so dass ein entsprechender interner Kondensator jeder der entladenen SPADs auf ein Vorspannungspotenzial aufgeladen wird.
  30. Verfahren zum synchronen Betreiben einer Vielzahl von Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs) eines digitalen Silizium-Photovermultiplikators (SiPM), wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen eines Vorspannungspotentials; Erzeugen eines Taktsignals, das aus Taktimpulsen besteht, die mit einer vorbestimmten Frequenz erzeugt werden; Bereitstellen des Taktsignals für eine Vielzahl von Mikrozellen des digitalen SiPM, wobei jede der Vielzahl von Mikrozellen eine entsprechende SPAD der Vielzahl von SPADs und eine entsprechende Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aufweist, die durch das Taktsignal ausgelöst wird; Steuern eines Aktivierungszustands jeder Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung auf Basis des Taktsignals; Aufladen eines internen Kondensators einer entsprechenden SPAD der Vielzahl von SPADs unter der Bedingung, dass die entsprechende Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist; und Entladen eines internen Kondensators einer entsprechenden SPAD der Vielzahl von SPADs unter der Bedingung, dass die entsprechende Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist.
  31. Verfahren gemäß Anspruch 30, das ferner Folgendes aufweist: Steuern des Aktivierungszustands jeder entsprechenden Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung auf Basis des an ihrem Steueranschluss empfangenen Taktsignals und auf Basis der Erfüllung einer Ladebedingung ihrer entsprechenden SPAD, wobei die Ladebedingung unter der Bedingung erfüllt ist, dass ein Taktimpuls des Taktsignals empfangen wird, während sich ein interner Kondensator einer entsprechenden SPAD in einem entladenen Zustand befindet.
  32. Verfahren gemäß Anspruch 30 oder 31, das ferner Folgendes aufweist: eine Summierung digitaler Werte, die von der Vielzahl von Mikrozellen bei jedem Taktimpuls des Taktsignals ausgegeben werden, um einen digitalen Pixelwert für den SiPM basierend auf einer Summe der digitalen Werte zu erzeugen.
  33. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 30 bis 32, das ferner Folgendes aufweist: synchrones Wiederaufladen der Vielzahl von Mikrozellen bei jedem Taktzyklus des Taktsignals.
  34. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 30 bis 33, das ferner Folgendes aufweist: synchrones Wiederaufladen entladener SPADs, die sich in einem entladenen Zustand befinden, bei jedem Taktimpuls des Taktsignals, so dass ein entsprechender interner Kondensator jeder der entladenen SPADs auf das Vorspannungspotential aufgeladen wird.
  35. System, das dazu ausgebildet, ist mindestens einen Silizium-Photomultiplikator (SiPM) flexibel zu konfigurieren, wobei das System Folgendes aufweist: ein Array von Mikrozellen, wobei jede Folgendes aufweist: eine Einzelphotonen-Lawinendiode (SPAD), die dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf den Empfang eines Photons eingeschaltet zu werden und einen Lawinenstrom zu erzeugen, wobei die SPAD einen Anodenanschluss, einen Kathodenanschluss und einen internen Kondensator aufweist, der intern zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung, die durch das Taktsignal ausgelöst wird, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, auf Basis des Taktsignals aktiviert und deaktiviert zu werden, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung aktiviert ist, aufzuladen, wobei die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung dazu ausgebildet ist, den internen Kondensator unter der Bedingung, dass die Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung deaktiviert ist, zu entladen; und einen digitalen Ausgang, der dazu ausgebildet ist, einen digitalen Wert auszugeben, der einem an einem Ausgangsknoten der Aktives-Löschen/Wiederaufladen-Schaltung erzeugten Potential entspricht; eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, einen Teil der Mikrozellen des Arrays von Mikrozellen dynamisch zu gruppieren, um einen SiPM zubilden.
  36. System gemäß Anspruch 35, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, einen Bereich des Arrays von Mikrozellen zu bestimmen, in dem rückgestreutes Laserlicht erwartet wird, den Anteil der Mikrozellen zu bestimmen, der sich in dem bestimmten Bereich befindet, und den bestimmten Anteil der Mikrozellen zu gruppieren, um den SiPM auszubilden.
  37. System aus Anspruch 36, bei dem: der Bereich des Arrays von Mikrozellen, an dem rückgestreutes Laserlicht empfangen werden soll, sich mit der Zeit ändert, und die Steuerung dazu ausgebildet ist, den SiPM zu rekonfigurieren, wenn sich der Bereich mit der Zeit ändert.
  38. System gemäß Anspruch 37, das ferner Folgendes aufweist: eine Summierschaltung, die dazu ausgebildet ist, digitale Werte aus dem Teil der Mikrozellen zu empfangen und auf Basis einer Summe der digitalen Werte einen digitalen Pixelwert für den SiPM zu erzeugen.
  39. System nach gemäß der Ansprüche 35 bis 38, das ferner Folgendes aufweist: eine Summierschaltung, die dazu ausgebildet ist, digitale Werte aus dem Teil der Mikrozellen zu empfangen und auf Basis einer Summe der digitalen Werte einen digitalen Pixelwert für den SiPM zu erzeugen.
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