Технология SPAD: основа фотодетекторов нового поколения

По мере развития технологий оптического зондирования, 3D-восприятия и лазерного диапазона фотодетекторы становятся все более чувствительными и точными. Промышленность перешла от обычных PIN-фотодиодов и лавинных фотодиодов (APD) к однофотонным лавинным диодам, широко известным как SPAD.

SPAD способен обнаруживать чрезвычайно слабые световые сигналы вплоть до однофотонного уровня. Его высокая чувствительность, возможность точного времени и совместимость с полупроводниковой интеграцией делают его ключевой технологией для прямого диапазона времени полета (dToF), LiDAR, 3D-изображения, обнаружения при слабом освещении и других передовых приложений зондирования.

Как работает SPAD?

SPAD – это тип лавинного фотодиода, работающего в режиме Гейгера. В отличие от обычного PIN-фотодиода или APD в линейном режиме, который обычно должен накапливать измеримое количество света перед получением полезного электрического сигнала, SPAD может реагировать на приход отдельного фотона.

Устройство обратно смещено выше своего напряжения пробоя. Когда фотон входит в активную область и генерирует пару электрон-дырка, это может вызвать быстрый процесс лавинного умножения. Это превращает чрезвычайно слабое оптическое событие в обнаруживаемый электрический импульс.

Затем цепь закалки останавливает лавину и сбрасывает SPAD, чтобы он мог обнаружить следующий фотон.

В сочетании с преобразователем времени в цифру (TDC) система может записывать интервал времени между излучением лазерного импульса и приходом отраженных фотонов. Расстояние до цели рассчитывается с использованием:

Расстояние = скорость света × время полета ÷ 2

Разделение на два учитывает, что лазер перемещается от датчика к цели, а затем возвращается к приемнику.

Этот метод прямого тайминга является основой диапазона dToF. Для сравнения, системы непрямого времени полета (iToF) оценивают расстояние, измеряя фазовый сдвиг модулированного света. Эти две технологии отвечают различным требованиям к зондированию, в то время как DToF на основе SPAD особенно подходит для приложений, требующих обнаружения на больших расстояниях, точного времени или надежной работы со слабыми обратными сигналами.

Основные преимущества технологии SPAD

1.Однофотонная чувствительность

Наиболее важной особенностью SPAD является его способность обнаруживать очень слабые оптические сигналы.

В дальнем диапазоне только небольшая часть излучаемого лазерного света может вернуться к приемнику. Отраженный сигнал становится еще слабее, когда цель имеет темную, малоотражающую или неправильную поверхность.

Приемники на основе SPAD могут обнаруживать эти ограниченные возвращающиеся фотоны и накапливать их в течение нескольких лазерных импульсов. Это позволяет системе извлекать полезную информацию о расстоянии, не полагаясь только на значительно более высокую мощность лазера.

Фактическая производительность обнаружения по-прежнему зависит от полной оптической системы, включая лазерный источник, приемную оптику, длину волны, эффективность обнаружения фотонов, отражательную способность цели и алгоритмы обработки сигналов.

2 Надежная производительность при сильном внешнем свете

Солнечный свет и искусственные инфракрасные источники могут вводить большое количество фонового шума в систему оптического зондирования. Датчики dToF на основе SPAD решают эту проблему с помощью точной временной корреляции.

Приемник ищет фотоны, прибывающие в ожидаемое временное окно после каждого лазерного импульса. Измерение времени, оптическая фильтрация и обработка на основе гистограммы помогают отличить действительный обратный сигнал от случайно прибывающих фоновых фотонов.

Это делает диапазон на основе SPAD хорошо подходящим для наружной и промышленной среды. Однако сопротивление окружающему свету достигается за счет полной архитектуры датчика, а не только за счет устройства SPAD.

3.Точное решение

Технология SPAD может поддерживать очень точное время прибытия фотонов. В сочетании с TDC высокого разрешения он позволяет точно измерять короткие временные интервалы и небольшие различия в длине оптического пути.

Для систем лазерного диапазона и LiDAR эта возможность синхронизации поддерживает точное измерение расстояния и пространственную реконструкцию. Он также может использоваться для идентификации более чем одного обратного сигнала от одного и того же лазерного импульса.

Многократное обнаружение возврата полезно, когда лазер сталкивается с несколькими объектами или поверхностями вдоль своего пути, такими как растительность перед зданием, прозрачные материалы или частично закупоренные цели.

Помимо диапазона, точное время фотона также ценно в флуоресцентной визуализации, квантовой связи, спектроскопии с временным разрешением и других научных приложениях.

4. Компактная полупроводниковая интеграция

Современные CMOS-совместимые процессы позволяют интегрировать SPAD-детекторы, схемы закалки, TDC и цифровые процессоры в компактные полупроводниковые устройства.

Такой уровень интеграции позволяет уменьшить размер всего сенсорного модуля и упрощает его установку в ограниченном пространстве. Он также поддерживает разработку портативных и встроенных продуктов, таких как:

• Ручные лазерные дальномеры
• модули зондирования БПЛА
• Мобильные роботы
• Умные устройства контроля доступа
• Промышленное измерительное оборудование
• Компактные 3D сенсорные системы

Потребление энергии зависит от количества пикселей SPAD, частоты измерений и архитектуры обработки. Тем не менее, высокоинтегрированные конструкции SPAD могут обеспечить эффективный баланс между чувствительностью, размером и потреблением энергии.

5. Надежность твердого состояния

Детекторы SPAD представляют собой твердотельные полупроводниковые устройства без механических сканирующих компонентов внутри самого детектора. Это дает им сильный потенциал для стабильной работы в системах, подверженных вибрации, ударам или частым движениям.

В сочетании с соответствующим тепловым управлением, калибровкой и защитным корпусом модули на основе SPAD могут быть адаптированы к промышленным объектам, наружному оборудованию, логистике холодильных цепей и другим требовательным условиям эксплуатации.

Окончательный экологический рейтинг и диапазон рабочих температур зависят от конструкции модуля датчика.

Где используется технология SPAD?

Технология SPAD уже внедряется на промышленных, потребительских, медицинских и научных рынках.

В промышленной автоматизации он может поддерживать обнаружение препятствий AGV и погрузчика, измерение размеров груза, мониторинг безопасности и восприятие окружающей среды роботами.

В потребительском и коммерческом оборудовании датчики на основе SPAD могут использоваться в лазерных дальномерах, БПЛА, интеллектуальных замках, мобильных устройствах и других компактных сенсорных продуктах.

Медицинские и медико-биологические приложения включают флуоресцентную визуализацию, оптический анализ с временным разрешением и выбранные биомедицинские системы зондирования. В научных исследованиях детекторы SPAD широко связаны с визуализацией LiDAR, астрономией, квантовой оптикой и однофотонным измерением.

Принцип зондирования остается аналогичным в этих приложениях, но оптическая конструкция, матрица детектора, электроника синхронизации и алгоритмы оптимизированы для различных требований к измерениям.

От технологии SPAD к практическому продукту: лазерный ранжирующий модуль XD-S200S

Модуль лазерного диапазона XD-S200S представляет собой практическое применение технологии dToF на основе SPAD в компактном продукте.

Он сочетает в себе архитектуру детектора SPAD с высокоточным TDC для измерения времени возврата лазерных импульсов. Это позволяет модулю обнаруживать слабые отраженные сигналы и выполнять стабильные измерения расстояния в сложных условиях.

Встроенная многооборотная обработка помогает идентифицировать различные отраженные сигналы в пределах пути измерения, в то время как температурная компенсация предназначена для повышения согласованности данных при изменении условий эксплуатации.

Благодаря своей компактной, высокоинтегрированной конструкции XD-S200S может быть встроен в портативные дальномеры, промышленные сенсорные терминалы, интеллектуальное оптоэлектронное оборудование и другие устройства, требующие надежного измерения расстояния.

Преобразуя однофотонное обнаружение и точное время в удобные данные о расстоянии, модуль упрощает интеграцию передовой технологии SPAD в реальные продукты.

Будущее SPAD-ощущения

Поскольку массивы CMOS SPAD продолжают совершенствоваться, технология движется к более высокому разрешению, меньшему размеру, более низкой стоимости системы и более эффективной обработке.

Ожидается, что будущие датчики на основе SPAD обеспечат более плотную информацию о глубине и лучшую интеграцию с интеллектуальными алгоритмами восприятия. Это расширит их роль в 3D-видении, роботизированной навигации, промышленной автоматизации, взаимодействии человека и машины и биомедицинской визуализации.

SPAD — это больше, чем высокочувствительный фотоприемник. Это становится важной основой для следующего поколения интеллектуальных устройств, которые должны воспринимать расстояние, глубину и чрезвычайно слабые оптические сигналы с большей точностью.