關于硅光電倍增管，也就是SiPM，為了更好地體現(xiàn)其基本形態(tài)和功能，濱松很早以前將其命名為Multi-Pixel Photon Counter（多通道光子計數(shù)器），即MPPC。所以，其實市面上所說的MPPC和SiPM是一種器件。同樣，Single Photon Avalanche Diode（SPAD）在濱松的命名為SPPC。
MPPC（硅光電倍增管，SiPM）作為新一代的半導體光電器件，因為其高增益等特性，在許多應用中都獲得了極高的期待，LiDAR也是其中一。在LiDAR的應用中，PDE（Photo Detection Efficiency，即光子探測效率），一直以來是MPPC被比較突出看中的一個特性。的確，這至關重要，且是越高越好，不過有一個問題是我們需要充分認識到的，那就是PDE的提升，需要建立在器件"延時脈沖"問題的解決上，以此MPPC才能在LiDAR應用中真正地發(fā)揮出更好的作用。
一，LiDAR應用中使用MPPC/SiPM需要注意的問題
MPPC由于其10五次方~10六次方的內(nèi)部增益而受到關注，在電信號信噪比的計算中，我們可以看出器件的增益對于整體電學信噪比的提升作用，如APD的SNR計算公式：
如果將增益M放在后面的熱噪聲中，可以發(fā)現(xiàn)，增益對于信噪比的貢獻，在于降低了后端電路的探測下限。MPPC也是一樣，而且其增益更高。不過隨著增益的提升，背景光噪聲的影響變得非常重要，很可能在強背景光中使器件直接飽和而失去對下一次接收信號的響應。通過下面這個簡單的對比實驗，可以更直觀的看到這個問題：
我們使用相同接收光路（入射孔徑、濾波片可切換）和相同面積的三種器件作為接收端模擬200m距離時的情況，其中入射孔徑（Aperture）使用2mm的光闌，在100lux時的信號如下：
如果將背景光提升為100Klux，連續(xù)白噪聲將會淹沒此時未經(jīng)信號處理的APD探測器，而MPPC仍然可以分辨出此時的信號。如下圖：
但如果將光闌孔徑提升至8mm或更大，APD的信號會再次出現(xiàn)，MPPC噪聲急劇增加，而SPPC完全飽和抑制。因此，在增益型器件中，增益越大對于后端噪聲的反向抑制能力越強，而抗光噪聲的能力卻越弱。
對于MPPC來說，如何設計接收角度，是它在LiDAR應用中至關重要的一點。要么使用小入射光孔徑和使用窄帶濾光片，要么增加探測器通道數(shù)進行角度分割。如此才能更好的提取信號，利用好其高增益的特點。
MPPC的高增益有助于消除后期的電噪聲，但是帶來的了光噪聲的劣勢。要想用好MPPC，只能減少光噪聲。而通過光學系統(tǒng)的處理或MPPC陣列的角度分割，將視場角縮小，則可以達到效果。
二，關于延時脈沖
雖然PDE的高低是衡量MPPC探測效率的關鍵參數(shù)，但在激光雷達中，還有一個至關重要的參數(shù)---串擾Crosstalk。
根據(jù)以上表格可以看出，瞬時性串擾的主要來源是光，包括通道間直接光子串擾和器件表面反射光子串擾。在使用單光子源測試時出現(xiàn)的光串擾脈沖波形如下：
延時性脈沖的來源則為電子串擾，包含后脈沖和延時串擾脈沖兩種。同一像素中，電子延時釋放形成后脈沖，而電子擴散到相鄰像素會產(chǎn)生延時串擾脈沖。
在單光子信號入射的情況下，恢復時間內(nèi)產(chǎn)生的后脈沖幅值小于信號脈沖，而恢復時間內(nèi)產(chǎn)生的延時串擾脈沖則維持相同的幅度。請注意，如果在恢復時間之外，這兩種原因產(chǎn)生的延遲性串擾不可區(qū)分。濱松將這兩種串擾信號統(tǒng)稱為Delayed pulse（延時脈沖）。
在實際LiDAR的應用中，當有強光返回時，會有很高概率產(chǎn)生20us以上的拖尾，影響下一次脈沖的接收。強光入射后產(chǎn)生的長時間拖尾為Delayed pulse（延時脈沖）造成，這一階段，MPPC中不斷有電子串到相鄰的多個像素且有概率產(chǎn)生后脈沖，從而影響下一次脈沖的探測。由于該信號是器件本身產(chǎn)生的多個信號的疊加，外部電路也無法消除其影響，只能從器件的基礎結構出發(fā)進行根本性的改進。
三，濱松對MPPC/SiPM延時脈沖問題的改進
通過長時間的努力，濱松新型的MPPC產(chǎn)品已極大程度上解決了此問題，其延時脈沖概率會從S13720系列的38%降低到1%。濱松也已經(jīng)在短時間內(nèi)，將MPPC的PDE水平大幅提升，以更好的滿足應用的需求。
鄂公網(wǎng)安備 42011502001385號 鄂ICP備2021012849號 
