[发明专利]数字像素

说明书

光探测与测距(LIDAR)测量电路包括处理器电路，该处理器电路配置为接收在探测窗口期间响应于入射到多个探测器元件上的多个光子而从多个探测器元件输出的探测信号，并基于该探测信号来识别探测事件，并且基于在探测窗口的各个时间间隔处已经识别出的探测事件的各个数目的总和，来计算多个光子的估计到达时间。该处理器电路可以包括至少一个累加器电路，该累加器电路配置为基于响应于探测事件的每一个而增加的计数器信号以及对应于各个时间间隔的时钟信号，来输出在各个时间间隔处已经识别出的探测事件的各个数目的总和。

优先权要求

本申请要求于2018年11月19日在美国专利商标局提交的标题为“Digital Pixel(数字像素)”的第62/769,287号美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用合并于本文。

技术领域

本文的主题通常涉及图像传感器，并且更具体地涉及用于在光探测和测距(LIDAR)系统中成像的图像传感器。

背景技术

基于飞行时间(ToF)的成像用于许多应用，包括测距，深度剖析，以及3D成像(例如，LIDAR，在本文中也称为激光雷达)。直接飞行时间测量包括直接地测量发射辐射与从物体或其他目标反射之后感测辐射之间的时间的长度。由此，可以确定到目标的距离。

在一些应用中，可以使用包括单光子探测器的光电探测器阵列来执行反射辐射的感测，诸如使用单光子雪崩二极管(SPAD)阵列。一个或更多个光电探测器可以限定阵列的探测器像素。SPAD阵列可以在可能需要高灵敏度与定时分辨率的成像应用中用作固态光电探测器。SPAD基于半导体结(例如，p-n结)，当偏置超过半导体结的击穿范围时，例如，通过具有期望的脉冲宽度的选通信号或响应于具有期望的脉冲宽度的选通信号，半导体结可以探测到入射光子。高的反向偏置电压产生足够大的电场，以使引入器件的耗尽层的单个电荷载子能够通过碰撞电离引起自持的雪崩。可以通过猝灭电路主动地(例如，通过降低偏置电压)或被动地(例如，通过使用串联电阻器两端的压降)对雪崩进行猝灭，以使设备“复位”以探测另外的光子。初始电荷载子可以通过单个入射光子撞击高电场区域以光电方式产生。正是这一特征使“单光子雪崩二极管”的名称得到了体现。此操作的单光子探测模式常被称为“盖革模式”。

为了计数入射在SPAD阵列上的光子，某些ToF像素方法可能使用数字计数器或模拟计数器来指示光子的探测时间和到达时间，也称为是时间戳。数字计数器可能更易于实现和扩展，但是就面积而言(例如，相对于阵列的物理尺寸)可能更昂贵。模拟计数器可能更紧凑，但是可能会遭受有限的光子计数深度(位深度)、噪声和/或均匀性问题的困扰。

为了给入射光子加上时间戳，某些基于SPAD阵列的ToF像素方法已经使用了时间数字转换器(TDC)。TDC可以用于飞行时间成像应用中，以在单个时钟周期上提高定时分辨率。这种数字方法的一些优势可能包括TDC的尺寸倾向于随着技术节点而扩展，并且存储的值可以更稳健以防泄漏。

然而，TDC电路可能仅能够在单个测量周期中处理一个事件，这样SPAD阵列可能需要多个TDC。TDC可能也相对地耗电，这使得更大的阵列更难以实现。TDC还可能产生相对大量的数据，例如，每个光子一个16位时间戳。连接到TDC的单个SPAD可能每秒产生数百万个这样的时间戳。大于100,000像素的成像阵列因此可能相对于可用的输入/输出带宽或性能产生不可行的大的数据速率。

数据速率可以通过直方图时间戳压缩；但是，这可能涉及大量的内存资源，而这些内存资源在典型的ToF LIDAR系统中可能使用效率不高。例如，直方图块的存储深度(可能指示光子到达时间的各个子范围)通常地由峰值中的最大激光返回量设置，然而，实际上，许多或大多数直方图块将被稀疏地占用(例如，仅通过背景噪声)。此外，数千个时间块通常可以用来形成直方图，该直方图足以覆盖具有典型的TDC分辨率(例如，50-100ps)的LIDAR系统的典型的时间范围(例如微秒)。

发明内容