[发明专利]具有调制灵敏度的SPAD检测器

说明书

随时间调制SPAD检测器中一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)的灵敏度。可调制所有SPAD的灵敏度，或者可以不同于针对SPAD的一个区段的方式调制SPAD的另一个区段的灵敏度。本文公开了用于调制灵敏度的各种技术。

相关申请的交叉引用

本专利合作条约专利申请要求2017年1月25日提交的名称为“SPAD DetectorHaving Modulated Sensitivity”(具有调制灵敏度的SPAD检测器)的美国临时专利申请No.62/450,499的优先权，该专利申请以引用方式如同完全公开那样并入本文。

技术领域

所述实施方案总体涉及SPAD检测器，即，使用单光子雪崩二极管(SPAD)的光检测器。更具体地讲，本公开实施方案涉及用于调制SPAD检测器的灵敏度的各种技术。

背景技术

SPAD检测器用于多种应用，诸如低光检测应用、飞行时间(TOF)应用以及时间相关单光子计数应用。SPAD检测器通常包括SPAD像素的阵列，其中每个SPAD像素包括SPAD以及相关的偏置和/或读出电路。每个SPAD包括光敏区，该光敏区被配置为检测低水平的光(最低为单个光子)并且生成对应的输出信号。当入射到SPAD像素的SPAD上的光子是来自发射光脉冲的对象的反射的一部分时，输出信号可用于估计发射光脉冲后光子在SPAD处的到达时间。可使用多个此类到达时间来估计与对象的距离。

SPAD通常对光子具有恒定的灵敏度，而与SPAD之间的距离d和反射光子的对象无关。在对象靠近SPAD检测器的情况下，从该对象反射的光中的光子比在对象距SPAD检测器更远的情况下更快地并且常常以更高数量入射到SPAD检测器的SPAD。另外，从具有较高反射率的对象反射的光中的光子可以比从具有较低反射率的对象反射的光中的光子以更高的数量入射到SPAD。当一个或多个光子入射到SPAD时，光子可触发雪崩事件。被触发的SPAD(即，已触发雪崩事件的SPAD)将产生对应于SPAD的触发时间的输出脉冲信号。在雪崩事件或触发之后，SPAD将饱和并且具有再充电“死区时间”，在此期间，SPAD不能用于检测光子。从更靠近或反射率更高的对象反射的发射光子可在早期使SPAD饱和，并且使得SPAD不能用于检测从处于预期检测范围内的对象反射的光子。这会导致对与预期检测范围内的对象的距离形成不正确或不可用的估计。

为了补偿SPAD饱和，可通过降低像素阵列中SPAD的灵敏度来降低SPAD检测器的光子检测效率。然而，降低灵敏度会降低由SPAD产生的信号的信噪比。

发明内容

本文所述的实施方案随时间调制单光子雪崩二极管(SPAD)检测器的灵敏度。在一个方面中，SPAD检测器具有包括参考子阵列和成像子阵列的SPAD像素阵列。一种用于操作像素阵列的方法包括使用参考子阵列中的参考SPAD检测时间以启用成像子阵列中的成像SPAD的操作，以及响应于检测到时间，启用成像SPAD的操作，使得成像SPAD检测光子。然后基于每个所检测光子的飞行时间构造不均匀直方图。不均匀直方图包括表示第一时间跨度的第一分箱和表示不同的第二时间跨度的第二分箱。第一分箱向SPAD检测器提供对光子的第一灵敏度，并且第二分箱提供对光子的与第一灵敏度不同的第二灵敏度。

在另一方面中，一种SPAD检测器包括具有多条像素线的像素阵列。在一个实施方案中，每条像素线是像素列。时间到数字(TDC)阵列电路可操作地连接到像素阵列。TDC阵列电路包括TDC电路的阵列，其中TDC电路的子集可操作地连接到每个相应的像素线。存储器可操作地连接到TDC阵列电路。存储器被配置为存储不均匀直方图。不均匀直方图包括表示第一时间跨度的第一分箱和表示不同的第二时间跨度的第二分箱。第一分箱向SPAD检测器提供对光子的第一灵敏度，并且第二分箱提供对光子的与第一灵敏度不同的第二灵敏度。