CN110235024B - 具有调制灵敏度的spad检测器 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

具有调制灵敏度的SPAD检测器
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。
在另一方面中，像素包括可操作地连接在节点和第一电压源之间的SPAD；选通晶体管，该选通晶体管可操作地连接在节点和基准电压源之间；以及淬火晶体管，该淬火晶体管可操作地连接在节点和第二电压源之间。选通晶体管被配置为接收选通信号，选通信号启用SPAD的操作和禁用SPAD的操作。在一些实施方案中，淬火晶体管的栅极可连接到第一开关和第二开关。第一开关连接到第一淬火信号，并且第二开关连接到不同于第一淬火信号的第二淬火信号。
在又一方面中，一种SPAD检测器包括像素阵列，该像素阵列包括布置成参考子阵列和成像子阵列的多个像素。像素阵列中的每个像素包括SPAD和可操作地连接到SPAD的淬火晶体管。恒定电压源可操作地连接到参考子阵列中的像素中的每个淬火晶体管的端子。开关阵列可操作地连接到像素阵列，并且开关阵列中的每个开关连接到成像子阵列中的相应像素线。在一个实施方案中，每条像素线是像素阵列中的像素列。可变电压源通过开关阵列中的相应开关可操作地连接到成像子阵列中的每条像素线中的像素中的每个淬火晶体管的端子。
在另一方面中，一种SPAD检测器包括：包括多个像素的像素阵列和可操作地连接到像素阵列的开关阵列。像素阵列中的每个像素包括SPAD和可操作地连接到SPAD的淬火晶体管。可变信号发生器或可变信号源通过开关阵列中的相应开关可操作地连接到像素阵列的每条像素线中的每个淬火晶体管的端子。可变信号发生器或可变信号源可向淬火晶体管提供可变电压输入信号、可变电流信号或其他输入信号。在一个实施方案中，全局电流源通过开关阵列中的相应开关可操作地连接到像素阵列中的每条像素线中的每个淬火晶体管的栅极。在另一个实施方案中，多个电流源可操作地连接到像素阵列。每条像素线中的每个淬火晶体管的栅极通过开关阵列中的相应开关可操作地连接到相应电流源。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将容易理解本公开，其中类似的附图标号指代类似的结构元件，并且其中：
图1示出了包括一个或多个SPAD检测器的系统的一个示例；
图2示出了线扫描系统的一个示例；
图3示出了SPAD系统中的发射器和SPAD检测器的扩展视图；
图4示出了由SPAD检测到的两个波形；
图5示出了操作SPAD检测器的示例方法的流程图；
图6示出了SPAD检测器的框图；
图7示出了均匀直方图的一个示例；
图8示出了不均匀直方图的一个示例；
图9示出了SPAD检测器中的示例像素的示意图；
图10示出了在脉冲重复间隔期间SPAD系统的操作的示例时序图；
图11A示出了TDC输出值和直方图分箱号的线性编码和非线性编码之间的第一组示例关系；
图11B示出了TDC输出值和直方图分箱号的线性编码和非线性编码之间的第二组示例关系；
图12示出了可用于执行图11B所示的代表性关系中所示的TDC输出值的非线性编码的示例方法；
图13A示出了可操作地连接到像素阵列的示例TDC阵列电路；
图13B示出了适用于图13A所示的TDC阵列电路中的TDC电路的框图；
图14示出了适合与图13A所示的TDC阵列电路一起使用的时钟电路的框图；
图15示出了可与图14中所示的时钟电路一起使用的示例时序图；
图16示出了SPAD检测器中另一示例像素的示意图；
图17示出了淬火晶体管的可切换栅极偏置的操作的一个示例；
图18示出了具有可被调制的灵敏度的像素阵列的框图；
图19示出了适合用作图18所示的像素阵列的第一像素阵列的框图；
图20示出了可由图19所示的VE信号发生器产生的示例VE信号；
图21示出了适合用作图18所示的像素阵列的第二像素阵列的框图；以及
图22示出了包括一个或多个SPAD检测器的电子设备的框图。
附图中的交叉阴影线或阴影的用途通常被提供以阐明相邻元件之间的边界并且还有利于附图的易读性。因此，存在或不存在无交叉阴影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料属性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特性、性质或属性的任何偏好或要求。
此外，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对例示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。
具体实施方式
现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求书限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
以下公开涉及SPAD检测器，即，使用单光子雪崩二极管(SPAD)的光检测器。SPAD检测器包括SPAD像素的阵列。每个SPAD像素(下文简称为“像素”)包括SPAD。每个像素还可包括相关联的偏置和/或控制电路元件，诸如可操作地连接至SPAD的淬火晶体管以及可操作地连接到SPAD的选通晶体管中的一个或多个。下文针对各种实施方案描述了另外的电路元件。
SPAD检测器可用作成像或测距系统的一部分，用于确定与视场(FOV)中的对象的距离。在许多此类距离确定中，光脉冲序列从一个或多个光源被发射到FOV中。一个或多个光源可包括例如一个或多个激光器。一个或多个光源可以是SPAD检测器的部件，或者可操作地与SPAD检测器联接。发射光脉冲通常具有短暂的持续时间，之后存在较长的光源关闭的时间段，并且SPAD检测器被用于检测来自FOV中的对象的发射光脉冲的反射。发射光脉冲的开始之间的时间段为脉冲重复间隔(PRI)。通过确定发射光脉冲和检测反射光子之间的飞行时间(TOF)，可确定与对象的距离。
使用SPAD检测器进行距离确定时，会产生各种问题。可能的情况是，成像阵列中的任何特定像素将仅检测每个反射脉冲的一个或几个反射光子。另外，像素中的特定SPAD可从环境光接收光子并在和与对象的距离无关的时间产生输出信号。另外，如前所述，反射光脉冲中的光子可在反射脉冲入射到SPAD检测器期间的任何时间由SPAD检测，因此SPAD检测反射光子的时间可能不与反射光脉冲的峰精确重合。接下来，从附近对象反射的光子可能不来自所关注的对象。
为了说明此类问题，针对像素获得多个所接收光子在多个PRI内的TOF。然后可将TOF值分布中检测到的峰值视为从所关注的对象反射的光子的实际TOF。TOF的此类统计测量可通过针对像素在多个PRI内记录的TOF值的直方图来实现。此类直方图的每个分箱表示PRI的特定时间子间隔，并且每个分箱可存储在该时间子间隔期间在所有PRI内在SPAD处接收的光子的计数，或等价地，具有在该时间子间隔内的飞行时间的光子的计数。每个分箱还有效地代表与对象的距离的范围。与较小的时间子间隔相关联的分箱提供了距离确定的更精细分辨率。
如上所述，对于检测反射光光子，不同距离的对象可能产生冲突问题。远离SPAD检测器的对象可能产生很少可检测的反射光子，而附近的对象可产生足够的反射光子以使像素饱和，从而导致TOF估计中的偏差。因此，改变SPAD的灵敏度(例如，通过调节其反向偏置)可改进对与远处对象的距离的估计，但降低与近处对象的估计距离的精确度。
公开的各种技术用于随时间改变SPAD检测器中的像素阵列的一个或多个区段的灵敏度，以解决上述问题和其他问题。可调制SPAD检测器中整个像素阵列的灵敏度，或者可以不同于针对像素阵列的一个区段的方式调制像素阵列的另一个区段的灵敏度。在一个非限制性示例中，像素阵列可对由发射器(例如，激光器)发射并被距SPAD检测器第一距离(例如，更接近SPAD检测器)定位的对象(例如，目标)反射的光具有第一灵敏度，并对由发射器发射并被距SPAD检测器第二距离(例如，更远离SPAD检测器)定位的对象反射的光具有更高的第二灵敏度。
在一个特定实施方案中，为至少一些SPAD构建的直方图是不均匀直方图。可通过将直方图构造为不均匀直方图来调制或调节此类SPAD的灵敏度。短语“不均匀直方图”是指分箱表示具有不同时间段的PRI的时间子间隔的直方图。(这将被表达为表示分箱具有不同的宽度，即使它是具有不同宽度的分箱的相应时间子间隔。)例如，直方图可包括具有第一宽度(每个宽度表示TOF值的范围)的第一组分箱和具有第二宽度(每个宽度表示TOF值的另一不同范围)的第二组分箱。继续该示例，第一组分箱中的每个分箱可表示两纳秒的时间段，并且第二组分箱中的每个分箱可表示四纳秒的时间段。总地来说，所有分箱都涵盖可能关注的最小TOF和最大TOF之间的时间跨度。该时间跨度可跨越整个PRI或仅其一部分。例如，如下文所论述的，在每个PRI开始处的初始时间间隔期间，SPAD可被禁用，以免检测任何光子。然后，在随后的时间子间隔中检测到的光子将增加存储在直方图的第一分箱中的光子计数。在其他实施方案中，可选择分箱以表示PRI的不止一个不同子间隔。每组分箱可包括一个或多个分箱。每组中的一些或全部分箱可彼此邻接或可分布在整个直方图中。
变化的分箱宽度为SPAD检测器提供不同的灵敏度。例如，第一组分箱中的一个或多个分箱的宽度可窄于第二组分箱中的一个或多个分箱的宽度。因此，第一组分箱可被认为具有精细的灵敏度或分辨率，并且第二组分箱具有粗糙的灵敏度。第一组分箱可用于检测从场景中更接近SPAD检测器的对象(例如，近处目标)反射的光子。粗糙灵敏度可用于检测从场景中更远离SPAD检测器的对象(例如，远处目标)反射的光子。
在另一个实施方案中，可通过改变SPAD的再充电时间来调制SPAD检测器的灵敏度。具体地讲，可通过调节由连接到SPAD的淬火晶体管所接收的一个或多个信号来修改再充电时间。例如，在一个实施方案中，可通过选择性地将栅极连接到两个或更多个栅极信号之一来改变施加到淬火晶体管的栅极的栅极信号，其中每个栅极信号导致不同的再充电时间。例如，一个栅极信号可产生较慢的再充电时间，而另一个栅极信号可导致较快的再充电时间。较慢的再充电时间可导致灵敏度调制，其中再充电瞬态的头段通过SPAD的第一灵敏度来表征，该第一灵敏度低于和再充电瞬态的尾段相关的SPAD的第二灵敏度。较快的再充电时间可导致SPAD具有最高灵敏度，同时表现出标称(最短)死区时间性能。
除此之外或另选地，可通过改变连接到淬火晶体管的端子的电压源来修改再充电时间。从电压源接收的信号的波形可具有任何给定的形状。该波形可一开始增大并沉降至稳态值。例如，该波形可包括线性增大的部分，该线性增大的部分使得SPAD的灵敏度线性地增大。在某个点处，该波形可转变到恒定值，这将SPAD的灵敏度保持在特定灵敏度(例如，最大灵敏度)。
下文将参考图1至图22来论述这些实施方案以及其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
图1示出了包括一个或多个SPAD检测器的系统100的一个示例，每个SPAD检测器包括像素阵列。系统100包括发射器102和相对于对象或目标106定位的SPAD检测器104。发射器102和SPAD检测器可以是单个单元。在图1中所示的系统中，发射器102和SPAD检测器104可各自分别表示一个或多个发射器和SPAD检测器。发射器102被定位成朝目标106或向视场中发射光，而SPAD检测器104被定位成检测从场景和/或目标106反射的光。
处理设备108可操作地连接到发射器102和SPAD检测器104。处理设备108使发射器102朝目标106发射光(发射光由箭头110表示)。可由SPAD检测器104检测从目标106和/或场景反射的光(反射光由箭头112表示)。处理设备108从SPAD检测器104接收输出信号或从居间信号处理部件(未示出)接收条件输出信号。处理设备108处理输出信号以确定与反射光、目标106和/或场景相关联的一个或多个特性。针对系统100论述的特定部件和操作是示例性的；在其他实施方案中，所论述的操作可以不同方式分布在部件之间。
系统100可被用作扫描视场(FOV)的电子设备的一部分，诸如移动电话中的相机。在扫描系统中，光被发射到FOV中，并且从发射光的反射确定关于FOV中的对象或目标的信息。扫描系统可在多个方向上从多个发射器发射光，或者通过在一个或多个方向上跨越FOV的部分或全部来扫掠(诸如来自激光器的)光而发射光。扫描系统可使用多个扫掠光发射器，其可在不同方向或模式中扫掠FOV。
另选地，系统100可为电子设备的一部分，其中FOV的照明不被扫描，而是在固定方向(诸如通过一个或多个发射器)被照明。在此类系统(例如，固定模式系统)中，可发射一个或多个光脉冲(例如，多个同时发射的脉冲)，并且每次发射可在一个或多个方向上定向或分配。例如，在面部识别系统中，可为第一组同时发射选择多个方向。然后可使用各种反射脉冲来检测用户的区别性面部特征。对于第二组发射而言，可重新选择并改变方向。
在一些实施方案中，在线扫描系统中使用SPAD检测器。图2示出了使用定位在环境202中的SPAD检测器的线扫描系统200的一个示例。虽然本说明书将在下文论述与线扫描系统200一起使用的实施方案，但本领域的技术人员将认识到，这些实施方案可如何与其他扫描系统(诸如固定模式系统)一起使用。线扫描系统200包括发射器204和SPAD检测器206。发射器204可被操作以在一个时间段内反复发射光脉冲218。每个发射光脉冲之间的时间段被称为脉冲重复间隔(PRI)。
总体来讲，光脉冲218在本文中被称为发射光束，或仅称为光束210。光束210可在任何给定时刻具有预期的照明面积、体积或发射图案。光束210被引导或导向视场(FOV)212，使得一次仅照明FOV 212的一个区段214(例如，线)。在FOV检测期间逐段扫描FOV 212。FOV检测周期为扫描FOV 212的所选择的部分所需的时间段。
返回到设备(例如，经由从目标和/或FOV 212中的场景反射)的光由透镜216接收，透镜将光引导到SPAD检测器206上。由于发射光束210为一系列光脉冲218，因此反射光由一系列光脉冲构成。如稍后将更详细所述，SPAD检测器206中的像素的区段通过一系列线扫描操作来检测反射光脉冲。每个扫描操作涉及多个光脉冲的发射和阵列的所选择的像素对反射光子的检测。每个线扫描操作扫描或读出像素阵列的一个区段(例如，一次两列或三列)中的像素。读出像素可涉及接收由像素的SPAD产生的输出信号，并且可能执行输出信号的放大或其他调节。当针对一个区段的像素的线扫描操作完成时，扫描另一区段的像素。在一个实施方案中，下一区段的像素包括先前线扫描操作中的一些像素。在另一个实施方案中，下一区段的像素包括来自先前线扫描操作中的像素的不同像素。该过程重复，直到阵列的所选像素子集内的所有像素都已被扫描。
在一个实施方案中，光束转向元件208(例如，反射镜)定位在发射器204的光学路径中，以将发射器204发射的光束210引导至FOV 212。光束转向元件208被配置为控制光束210的传播角度和路径，使得仅FOV 212的区段214在某一时间被照明。
在其他实施方案中，光束210可被以不同方式引导。例如，发射器204可包括多个发射器，每个发射器朝FOV 212的不同区段发射光。在另外的和/或其他实施方案中，发射器可被移动或旋转，以朝FOV 212的不同区段发射光。
图3示出了SPAD系统中的发射器和SPAD检测器的扩展视图。在例示的实施方案中，发射器300和SPAD检测器302设置在公共基板或支撑结构304上，但这不是必需的。在其他实施方案中，发射器300和SPAD检测器302可被定位在单独的基板上。
发射器300为在给定时间段内朝目标或FOV发射光306的激光器或其他合适的光源。在一些实施方案中，诸如在线扫描系统200中，发射器300在FOV检测周期期间重复发射光脉冲(例如，图2中的光脉冲218)，FOV检测周期也就是由系统分配用于检测FOV中的对象并确定其距离的时间间隔。由发射光脉冲的光子产生的波形通常具有基本上集中的形状，诸如对称钟形曲线形状(例如高斯形状)，但这种形状不是必需的。当目标308离SPAD检测器302足够远时，基本上未失真并且对应于所传输的光脉冲的波形的反射波形被接收在SPAD处或入射在SPAD上。所接收的波形表示入射在SPAD检测器302上的反射光脉冲中的光子的数量。如下文将进一步论述的，像素阵列的每个SPAD不太可能接收和检测(即，被导致雪崩)入射到SPAD检测器302上的每个反射光脉冲的多于有限数量的光子。
未失真反射波形400的示例在图4中示出。当透射光脉冲的波形为高斯形状时，入射在SPAD检测器302上的反射波形400的形状也基本上为高斯型，其可用于对TOF进行基本上精确的确定(点402)。TOF是发射器发射光脉冲和SPAD检测器检测到反射光脉冲中的光子之间经过的时间量的量度。反射波形400表示入射在SPAD检测器302上的反射光脉冲中随时间变化的光子数量。理想的是，可将TOF估计为从发射的高斯形状的峰至达到反射波形400的峰值振幅的时间。
然而，对于阵列中的任何特定SPAD像素而言，对于每个入射到阵列上的所接收反射光脉冲，通常仅检测到一些光子。这种情况的一个原因是个体SPAD在光子产生的雪崩电流输出之后具有电荷恢复时间。在电荷恢复时间期间，SPAD不能检测(即，被导致雪崩)其他到达的光子。但是对于在一个反射光脉冲期间检测到的那些光子而言，可诸如通过使用系统时钟来测量从发射光脉冲到雪崩输出的时间所经过的时间，从而确定飞行时间。通过在多个PRI内进行此类TOF测量，在特定SPAD处的TOF值的分布可形成对应于单个反射波形400的波形。
再次参见图3，当目标312接近SPAD检测器302时，或者目标具有高反射率(例如，反射镜)时，与从目标308接收的光子相比，反射光314中的光子更快地入射在SPAD检测器302上。反射光314中的光子可使得SPAD检测器302中的一个或多个SPAD饱和。在目标接近的情况下，在特定SPAD处检测到的光子更有可能来自所接收反射波形的初始部分，因此可利用小于基于所接收反射波形的峰值的TOF的TOF进行测量。在多个PRI内，特定SPAD的结果是失真的净所接收波形。使用失真波形的峰值可导致不正确的TOF确定。
更详细地讲，通过在SPAD中触发雪崩来检测光子之后，SPAD进入恢复或死区时间段，在该时间段中，SPAD不检测其他入射光子或对其作出响应。通常，死区时间段为10纳秒至100纳秒，这意味着在该时间量内，SPAD对后续光子是“盲的”。因此，当与激光脉冲的尾部进行比较时，SPAD将检测光子的概率在激光脉冲的头部(例如，当SPAD开始接收反射光时)更高。这些概率差异导致偏斜和更窄的所接收波形。虽然从远离SPAD检测器的对象反射的光子可能有相同的偏斜，但特定SPAD检测到任何一个反射脉冲中的任何光子的概率降低意味着在多个PRI内，特定SPAD可检测到朝向头部的那些光子具有更小偏置的光子。对于远离SPAD的对象，任何残余的偏斜或偏置将在与对象的估计距离中产生更小的相对误差。
失真所接收波形404的示例在图4中示出。失真所接收波形404在时间上偏移并且更接近零。此外，失真波形的形状更窄且高斯性更小。因此，将偏置误差406引入到TOF中，将TOF移位到不正确的更早TOF 408。一般来讲，更早的TOF 408指示SPAD检测器302与目标312之间的距离小于SPAD检测器302和目标312之间的实际距离。
SPAD系统内的内部反射也可影响TOF确定。通常，覆盖层316(图3)定位在发射器300和SPAD检测器302上方。覆盖层316可由任何合适的材料制成，包括玻璃和塑料。当光306传播穿过覆盖层316时，光306中的一些可反射离开覆盖层316以成为覆盖反射光318，并且取决于系统的光学设计，可到达SPAD检测器302。覆盖反射光318中的光子可被SPAD检测器302中的一个或多个SPAD检测到，这导致一个或多个SPAD进入死区时间段。因此，在一些情况下，SPAD不能检测从对象反射的反射光310、314中的光子，因为SPAD处于因为检测到从覆盖层316反射的覆盖反射光318中的光子而导致的死区时间段中。
通过调整像素阵列内各个SPAD或其区段的灵敏度，可以解决刚刚所论述的对象的近/远距离确定的问题。本文公开了用于随时间调制SPAD检测器的一个或多个区段的灵敏度的各种技术。SPAD检测器包括像素阵列，其中每个像素包括SPAD、可操作地连接到SPAD的淬火晶体管，以及可操作地连接到SPAD的选通晶体管。可调制SPAD检测器中整个像素阵列的灵敏度，或者可以不同于针对像素阵列的一个区段的方式调制像素阵列的另一个区段的灵敏度。在一个实施方案中，在光可从更靠近SPAD检测器的对象反射的时间段期间，SPAD的灵敏度可更低。相反，在光可从更远离SPAD检测器的对象反射的时间段期间，SPAD的灵敏度可更高(例如，最大化)。在一些实施方案中，可通过使用不均匀直方图确定TOF来实现灵敏度，而不必调节各个SPAD的电气输入(诸如偏压)。
图5示出了在线扫描操作期间操作SPAD检测器的示例方法的流程图。如前所述，本领域的技术人员将认识到，该方法可与FOV的其他类型的扫描操作一起使用。结合一个像素中的SPAD来描述该方法。本领域的技术人员将会认识到，该方法可同时或按顺序与多个像素中的SPAD一起使用。即，该方法可应用于接收或预期接收反射光脉冲的那些像素。如前所述，像素阵列中的像素被逐段扫描或读出。线扫描操作对应于像素阵列的一个区段(例如，两列或三列像素)的扫描。
一开始，如框500中所示，禁用SPAD的操作。SPAD可处于至少三种状态中的一种。“启用”或“激活”状态，其中SPAD区段被充分反向偏置，使得所接收的任何光子都能够触发雪崩输出信号；空闲状态，其中电力被提供给像素的部件，但不到入射到SPAD的光子能触发输出信号的程度；以及未通电状态(例如，未向SPAD施加反向偏置)。禁用状态涵盖空闲状态和未通电状态。结合图9更详细地描述用于禁用或选通SPAD的操作的示例技术。
然后在框502处，诸如通过处理设备108来确定是否启用SPAD。在被认为不可取和/或不重要的数据结束的一个时间段之后，可启用SPAD。例如，可在覆盖层反射时间段结束之后启用SPAD。在一个实施方案中，一个或多个单独的参考SPAD(即，下文相对于图6定义的参考像素的SPAD)被用于在禁用SPAD的时间段期间构造直方图。直方图用于确定应启用SPAD的时间。直方图可以是单独地且独立于在下述框506处构造并用于TOF确定的不均匀直方图构造的均匀或不均匀直方图。在另一方面中，启用SPAD的决定基于反射光脉冲的预计或预期位置。例如，在线扫描操作中，可基于系统对发射光脉冲的方向的了解，仅启用阵列的某些行中的像素。
在另一个实施方案中，可基于SPAD检测器与覆盖层之间的距离来选择从覆盖层反射光的时间段。该时间段被称为覆盖层反射时间段。可在覆盖层反射时间段期间禁用SPAD的操作，并且在覆盖层反射时间段结束后启用该操作。在另外的实施方案中，可在比仅覆盖层反射时间段长的时间内禁用SPAD。如果希望使用SPAD检测器将距系统某个距离之内的对象或目标从距离确定中排除，可以这样做。
返回图5，如果覆盖层反射时间段尚未结束，则该方法在框502处等待。当覆盖层反射时间段(或其后的延长量)结束时，该过程在框504处继续，在该框处启用SPAD的操作以检测从目标和/或场景反射的光中的光子。在框506处，SPAD检测光子并且构造不均匀直方图。在脉冲之间可禁用或不禁用SPAD，但可优选在脉冲之间禁用以节省功率并减小内部/近处对象反射的影响。结合图8更详细地论述示例不均匀直方图。在一些情况下，可针对每个像素构造不均匀直方图。在其他情况下，可针对超像素(例如，一组像素)构造不均匀直方图。
然后可在框508处确定线扫描操作是否已结束。如果未结束，该方法返回到框500。当线扫描操作结束时，该过程进行到框510，在该框处确定该线扫描操作是否为最后一个线扫描操作(例如，已扫描像素阵列中的所有SPAD)。如果该线扫描操作不是最后一个线扫描操作，则该过程在框512处继续，在该框处禁用SPAD并且执行下一个线扫描操作。下一个线扫描操作可包括在框504处启用的SPAD，或者可包括不同的SPAD。如果该线扫描操作是最后一个线扫描操作，则该方法进行至框514，在该框处禁用SPAD。
图6示出了SPAD检测器的框图。SPAD检测器600包括可操作地连接到读出和控制电路611的像素阵列602。读出和控制电路611由控制器610控制，该控制器可被实现为处理设备108的一部分或者实现为可操作地连接到处理设备108的独立部件。在一些实施方案中，读出和控制电路611可包括行级模拟前端(AF)电路阵列604、可操作地连接到AF电路阵列604的时间到数字转换器(TDC)阵列电路606，以及可操作地连接到TDC阵列电路606的存储器608中的任何或全部。在一些实施方案中，任选的编码器607可操作地连接在TDC阵列电路606和存储器608之间。
像素阵列602包括参考子阵列612和成像子阵列614。参考子阵列612被描绘为沿成像子阵列614的边缘定位的被称为参考像素的一行像素616。其他实施方案可包括各自包括一个或多个参考像素的一个或多个参考子阵列。另外，一个或多个参考子阵列可位于成像子阵列614之内或周围的任何给定位置处。
参考子阵列612中的参考像素616中的SPAD可用于检测从覆盖层反射的光中的光子，而成像子阵列614中被称为成像像素的像素618中的SPAD用于检测从FOV(例如，图2中的FOV 212)反射的光中的光子。参考像素的SPAD将被称为参考SPAD，并且成像像素的SPAD将被称为成像SPAD。在PRI开始处，当光子可反射离开覆盖层时，禁用成像子阵列614中的成像像素618中的SPAD。参考子阵列612中的参考像素616中的SPAD用于确定要启用成像像素618中的SPAD的时间。
在一些实施方案中，参考子阵列612中的参考像素616中的SPAD在PRI开始处被启用，并且在启用成像像素618中的SPAD时被禁用以降低功率消耗。另选地，参考像素616可被用作参考像素和成像像素两者。当成像像素618被启用时，参考像素616可从用作参考像素转变到用作成像像素。例如，与参考像素616中的SPAD相关联的输出可在与参考功能相关联的电路(例如，与参考功能相关联的TDC输出值)和与成像功能相关联的电路(例如，图10的上下文中具有不均匀特性的TDC输出值)之间切换。在一些示例中，在启用成像像素之前，可不禁用参考像素616，并且可能存在一些重叠，在重叠期间参考像素和成像像素均被启用。换句话讲，在给定的PRI期间，可在启用成像像素之前启用参考像素，并且可在禁用成像像素之前禁用参考像素。
在线扫描系统中，可在逐次扫描读出过程中读出像素阵列602。像素阵列602也可在使用移动照明源的系统中逐段读出。换句话讲，像素阵列602的各区段(例如，两列或三列像素)的成像像素618中的SPAD在相应时间被启用。在一些实施方案中，扫描操作之内可存在对各个像素的多次读出(例如，对于基于各个脉冲的测量)，使得读出不是逐区段执行的。在一个实施方案中，在覆盖层反射时间段期间仅启用参考子阵列612中的参考像素616中的SPAD，并且在线扫描操作期间仅启用成像子阵列614中的成像像素618中的SPAD。另选地，在覆盖层反射时间段期间以及在线扫描操作期间启用参考像素616中的SPAD。代表性反射光束620被示出为入射在像素阵列602上，并且具有交叉阴影线的像素表示其SPAD被启用以检测反射光束620中的光子的像素。
具有已启用SPAD的像素构成像素阵列602中的像素的子集。具有已启用SPAD的像素布置成图6中的非线性布置。具体地讲，在像素阵列的两个水平边缘附近具有已启用SPAD的像素形成弯曲(或偏移或交错)图案以考虑从透镜接收的反射光束620的形状。具有已启用SPAD的像素的其他非线性布置可包括此类像素的分段线性区段，或具有在一列或多列(但不在所有列中)中的一组一个或多个已启用像素的至少一行，或具有已启用像素的相邻行，其可具有定位在其间的一个或多个不活动行和/或在同一列中具有已启用像素(列中的已启用像素由一个或多个不活动行分隔)。在其他实施方案中，具有已启用SPAD的像素可被布置成线性布置，例如，它们可为跨越一组相邻行的像素。在这些实施方案的变型中，相邻行的特定列中的像素可不被启用。本领域的技术人员将认识到，具有已启用SPAD的像素的图案可布置成任何给定的布置。在一些示例中，已启用或活动像素可包括非连续像素或像素组(例如，在不采用线扫描系统的系统中)。
AF电路阵列604被配置为对像素阵列602执行行级信号读出。AF电路阵列604包括用于像素阵列602中的每条像素线(例如，行)的N个AF电路，其中N表示在一条或多条像素线中在任何给定时间的已启用SPAD的数量。因此，对于图6所示的实施方案而言，AF电路阵列604包括用于每一行的两个AF电路。在其他实施方案中，用于每一行的AF电路的数量可为N+X，其中X表示一个或多个附加AF电路。在一个实施方案中，一个或多个附加AF可使SPAD检测器600能够选择性地并且动态地调节具有同时启用的SPAD的像素的数量。
TDC阵列电路606包括用于像素阵列602中的每条像素线(例如，行)的N个TDC电路，其中N表示在一条或多条像素线中在任何给定时间的已启用SPAD的数量。因此，对于图6所示的实施方案而言，TDC阵列电路606包括用于每一行的两个TDC电路。在其他实施方案中，用于每一行的TDC电路的数量可为N+Y，其中Y表示一个或多个附加TDC电路。在一个实施方案中，附加TDC电路可使SPAD检测器600能够选择性地并且动态地调节具有同时启用的SPAD的像素的数量。
TDC电路测量入射到已启用SPAD上的光子的到达时间。因此，TDC输出值表示光子的到达时间。在FOV的线扫描期间，TDC输出值被用于构造具有已启用SPAD的每个像素的直方图(或“每个已启用SPAD的直方图”)。
结合图11A至图12更详细地论述任选的编码器607。在一个实施方案中，存储器608在N个直方图存储器中为像素阵列602中的每个像素线(例如，行)存储N个直方图，其中N表示在一条或多条像素线中在任何给定时间的已启用SPAD的数量。在其他实施方案中，用于每一行的直方图存储器的数量可为N+Z，其中Z表示一个或多个附加直方图存储器。
本文所述的实施方案针对每个已启用SPAD构建不均匀直方图。结合图8更详细地描述不均匀直方图。
控制器610为TDC阵列电路606产生定时信号。可使用任何适当的控制器。例如，控制器610可包括辅助电路(诸如相位锁定环电路或延迟锁定环电路)以生成参考定时信号。
一般来讲，已启用SPAD的直方图被构造成具有多个分箱，其中每个分箱表示发射器的每个PRI内的给定时间段或时间跨度。分箱时间跨度周期的总和等于PRI。另选地，分箱时间跨度周期的总和等于PRI的所选择的间隔，诸如排除PRI的初始子间隔和最终子间隔时。在均匀直方图中，由每个分箱表示的时间跨度是相同的时间长度。因此，在整个直方图中，分箱的“宽度”或时间跨度是一致的。直方图的每个分箱可用于存储在该分箱表示的时间跨度内由已启用SPAD在多个PRI内检测到的光子的总数。
图7示出了针对一个已启用SPAD的均匀直方图。直方图700在多个PRI内构造(参见图2)，并且表示在PRI期间由SPAD检测到的光子的总数。直方图700的垂直轴(例如，y轴)表示光子的数量，而水平轴(例如，x轴)表示时间。直方图700中的分箱702跨越PRI。每个分箱702表示PRI中特定时间跨度内的光子计数。例如，每个分箱702可表示在五纳秒跨度内检测到的光子的数量。
每当在已启用SPAD中触发雪崩时，计算对应于由对应TDC电路测量的TOF的“地址”，并且将对应于该地址的分箱递增一。直方图存储在存储器608中。
如前所述，短语“不均匀直方图”是指包括表示整个直方图中的不同时间跨度的分箱的直方图。图8中示出了示例不均匀直方图。不均匀直方图800包括具有第一宽度或时间跨度的第一组分箱802，具有第二宽度的第二组分箱804，具有第三宽度的第三组分箱806和具有第四宽度的第四组分箱808。各组分箱802、804、806、808可各自包括一个或多个分箱。
可使用不均匀直方图来有效地调制像素的灵敏度。不均匀的分箱宽度可被选择和固定，或者可诸如由处理设备108动态地改变。
在例示的实施方案中，第一组分箱802位于PRI的开始处和PRI的结束处。第一组分箱802产生SPAD检测器的粗糙分辨率或灵敏度。在PRI开始处的分箱802可具有与在PRI结束处的分箱802的那些分箱不同的粗糙分辨率。第二组分箱804定位在PRI开始处的第一组分箱802之后(例如，第一组分箱802的最左侧)。第二组分箱804产生SPAD检测器的精细分辨率或灵敏度。第三组分箱806位于第二组分箱804和第四组分箱808之间。第三组分箱806针对SPAD检测器产生的精细灵敏度比由第二组分箱804提供的精细灵敏度粗糙。第四组分箱808针对SPAD检测器产生的粗糙灵敏度比由第一组分箱802提供的粗糙灵敏度精细。换句话讲，第三组分箱806产生的灵敏度低于由第二组分箱804提供的灵敏度，但高于由第四组分箱808产生的灵敏度，并且第四组分箱808提供的灵敏度低于由第三组分箱806提供的灵敏度，并且高于由第一组分箱802提供的灵敏度。因此，SPAD检测器的灵敏度在PRI的开始处(第一组分箱802)是粗糙的，然后转变到更精细(或较不粗糙)的灵敏度(第二组分箱804)。然后，SPAD检测器的灵敏度在PRI中的剩余时间内通过转变到具有越来越粗糙或更不精细的灵敏度(例如，从第二组分箱804转变到第三组分箱806；从第三组分箱806转变到第四组分箱808；以及最终从第四组分箱808转变到第一组分箱802)而降低。通过这种方式，不同组的分箱802、804、806、808在PRI内调制SPAD检测器的灵敏度。
具体地讲，第一组分箱802中的分箱810的宽度各自跨越最大时间长度，这产生像素阵列的第一分辨率或灵敏度。通常，在PRI开始处和PRI结束处检测到的光子很少。因此，第一组分箱802中的分箱810跨越更长的时间段。如前所述，第一组分箱802中的分箱810向SPAD检测器提供最粗糙的分辨率或灵敏度。
第二组分箱804中的分箱812的宽度各自跨越最短的时间长度，以产生像素阵列的第二灵敏度。因此，第二组分箱804中的分箱812向SPAD检测器提供最精细的分辨率或灵敏度。
第三组分箱806中的分箱814的宽度各自跨越大于分箱812的宽度并且小于第四组分箱808中的分箱816的宽度的时间段。分箱814向SPAD检测器提供精细分辨率或灵敏度(小于最精细分辨率并且大于粗糙分辨率)。如前所述，第三组分箱806用于创建像素阵列的第三灵敏度。
第四组分箱808中的分箱816的宽度各自跨越大于分箱814的宽度并且小于第一组分箱802中的分箱810的宽度的时间段。第四组分箱808中的分箱816向SPAD检测器提供粗糙分辨率或灵敏度(小于精细分辨率并且大于最粗糙分辨率)。第四组分箱808产生像素阵列的第四灵敏度。
因此，可通过改变不均匀直方图800中的分箱宽度来随时间调制SPAD的灵敏度。最精细灵敏度可用于检测从场景中较近对象(例如，近处目标)，和/或从具有高反射率的对象反射的光子。最粗糙灵敏度用于检测从场景中较远对象(例如，远处目标)反射的光子。并且精细灵敏度和粗糙灵敏度被用于从位于近处对象和远处对象之间的对象反射的光子。
图9示出了SPAD检测器中的示例像素的示意图。SPAD 900在负电压源-VBD与获取输出电压VOUT的输出线路上的节点902之间连接。SPAD 900具有连接到负电压源-VBD的阳极以及连接到节点902的阴极，但其他实施方案不限于此配置。
选择晶体管904的第一端子和选通晶体管906的第一端子也连接到节点902。选通晶体管906的第二端子连接到基准电压(例如接地)。选择晶体管904的第二端子连接到淬火晶体管908的第一端子。淬火晶体管908的第二端子连接到电压源VE。选择晶体管904和选通晶体管906的栅极连接到公共输入线路910。将选通信号VGATE施加到输入线路910以启用并选择SPAD 900，并且可禁用和取消选择SPAD 900。换言之，选通信号VGATE确定SPAD 900的检测周期。在启用SPAD时，在输出线路VOUT上检测雪崩事件。输出线路VOUT可连接到(例如)图6的模拟前端电路阵列604。入射在已启用SPAD 900上的光子导致雪崩电流在电压源VE和-VBD之间流动。这在节点902处诱发VOUT的电压变化。这种电压变化可由AF电路阵列604检测和放大。
在图9中，选择晶体管904和淬火晶体管908被描绘为PMOS晶体管，选通晶体管906被示为NMOS晶体管。然而，其他实施方案可使用替代电路和电路配置。在其他实施方案中，选择晶体管904和淬火晶体管908可以是NMOS晶体管，并且选通晶体管906是PMOS晶体管。另选地，选择晶体管904、选通晶体管906和/或淬火晶体管908可被配置为不同类型的晶体管或电路。
图9中所示的像素还包括从正电源电压VE和输出线路VOUT连接的任选的快速再充电晶体管912。对于所示的像素而言，快速再充电晶体管912为PMOS晶体管。快速再充电晶体管912通过再充电信号VRCH 914进行选通。再充电信号VRCH 914可以与选通信号VGATE同步。
图10示出了在每个脉冲重复间隔期间SPAD系统的操作的示例时序图。当发射器在时间T0处发射光脉冲1002时，第N个PRI开始。在时间T0处，成像子阵列中的像素中的SPAD的选通信号(VGATE)处于禁用成像子阵列中的像素中的SPAD的第一信号电平1004处。在时间T0和时间T1之间，成像子阵列中的像素中的SPAD被禁用。参考子阵列中的像素中的一个或多个SPAD可输出指示在从覆盖层反射的光中检测到光子的信号1006。第一信号电平1004可延伸超过覆盖层反射时间间隔，并且可包括附加的时间间隔。
在时间T1处，VGATE信号的信号电平转变到第二信号电平1008，第二信号电平1008使得成像子阵列中的像素中的所选择的SPAD(或成像子阵列中的像素的区段中的SPAD)能够检测从目标和/或场景反射的光中的光子。虽然第一信号电平1004被描绘为高信号电平并且第二信号电平1008被示出为低信号电平，但这些信号电平不是必需的。在其他实施方案中，第一信号电平1004可以是低信号电平，并且第二信号电平1008可以是高信号电平。
在时间T1和时间T5之间，成像子阵列中的像素中的已启用SPAD产生表示所检测的光子的信号1010。时间T5可通过FOV中的对象的所选择的最大检测范围来确定。即，在FOV中位于足够远处，使得反射光脉冲在T5之后到达的对象不被认为是受关注的。另外，可基于以下假设来选择时间T5：在T5之后到达的光子更可能来自环境光源。在时间T5处，选通信号VGATE转变到第一信号电平1004，以禁用成像子阵列中的SPAD。第N个PRI在时间T6处结束。
图10中底部两个图示出了系统如何将由TDC输出值给出的触发SPAD(参考SPAD或成像SPAD)的不同时间与直方图分箱相关。在这两个曲线图中，垂直轴可包括对应于直方图的分箱的一组离散电平。水平轴示出了时间T0和T6之间被划分成子间隔的第N个PRI。对于特定子间隔内的TDC输出值(即，针对SPAD触发时间的数字值)，对应的分箱号(或地址)由图上的对应点的垂直坐标给出。如下文相对于图11A至图12所述，分箱号在垂直轴上均匀地分布。
在示例性实施方案中，参考SPAD的曲线图在时间T0和时间T3之间线性上升，使得该间隔中的TDC输出值被分离到参考SPAD的直方图的不同分箱中。对于时间T3和时间T6之间的TDC输出值，对应的分箱是最后记录的分箱，或者不被输入到参考SPAD的直方图的任何分箱中。在例示的实施方案中，参考SPAD仅用于参考信号，因此参考SPAD的TDC输出值在时间T3之后不被考虑或分析。在时间T3之后不考虑针对参考SPAD的TDC输出值是任选的，并且在其他实施方案中，可在时间T3之后考虑和/或分析针对参考SPAD的TDC输出值。
与参考子阵列中的像素中的SPAD的TDC输出值类似，成像子阵列中的像素中的SPAD的TDC输出值表示由SPAD检测到的光子的到达时间。底部图中的曲线图示出来自成像SPAD的位于时间T1和时间T5之间的TDC输出值如何与不均匀直方图的分箱号相关。在该时间段内，该曲线图不具有单一斜率。该曲线图的斜率在时间T1和时间T5之间变化。拐点与在第N个PRI期间构造的不均匀直方图相关联。
可使用若干技术获得成像SPAD中用于构造不均匀直方图的TDC输出值。一种技术可在TDC阵列电路产生TDC输出值时对TDC输出值进行编码。可通过压缩或编码TDC输出值来减小不均匀直方图的所需地址长度。
图11A示出了两个曲线图，它们涉及如何分配TDC输出值以首先产生诸如图7所示的均匀直方图，并且产生不均匀直方图，诸如图8所示。为了生成TDC输出值的均匀直方图，垂直轴给出直方图分箱号(或等价地，存储器中分箱的地址)，并且由从BIN 1直到BIN N的等距分箱号构成。因此，对于每个分箱，水平时间轴上的对应时间子间隔，诸如子间隔D1到D2和D2到D3，具有相等的宽度。曲线图1100示出了如何将从TDC阵列电路输出的TDC输出值分配给对应的分箱号。例如，如果雪崩事件的TDC输出值在时间1103处发生，则分箱8中的计数将递增一。
曲线图1101示出了可充当用于记录TDC输出值的直方图的基础的曲线。曲线图1101的斜率在PRI内变化。在例示的实施方案中，曲线图1101在TDC值的整个范围(例如，从D1至DMAX)上是平滑的。编码器电路(例如，编码器607)可用于产生任何任意的曲线图或曲线。表示开始时间和结束时间的特定TDC输出值D1到DMAX可在所有TDC电路之间共享，并且可存储在存储器电路(例如，SRAM)中，以便能够静态地或动态地重新编程。
另一种技术可在TDC阵列电路产生TDC输出值之后对TDC输出值进行后期编码。图11B示出了线性TDC输出值和经后期编码的TDC输出值的第二组曲线图。上文所述的曲线图1100被部分示出以用于比较。曲线图1102为图11A的曲线图1101的逐段线性近似。为了生成不均匀直方图，在这种情况下，垂直轴上的分箱号被描绘成由均匀步长分开，并且在分箱1到分箱M的范围内。因此，对应于在水平时间轴上标记的每个分箱的相应时间子间隔在宽度上不均匀。曲线图1102示出了用于构造不均匀直方图的TDC输出值。曲线图1102的斜率在PRI内变化。类似于图11A中所示的实施方案，编码器电路(例如，编码器607)可用于产生任何任意曲线。
图12示出了可用于对TDC输出值进行后期编码以生成不均匀直方图并产生图11B中所示的代表性曲线图的示例方法。该方法可由图6所示的编码器607来执行。对由TDC阵列电路中的每个TDC电路产生的每个TDC输出值(d)执行所示的过程。首先，在框1200处确定TDC输出值d是否小于或等于D1，其中D1表示对应于第一分箱地址转变的时间子间隔的开始时间。如果是，则该TDC输出值的分箱地址为零(框1202)。零分箱地址对应于图11中的子间隔或区域1104。
如果该TDC输出值d大于D1，该方法进行到框1204，在该框处确定该TDC输出值d是否大于D1且小于或等于D2，其中D2表示第二分箱地址转变的开始时间。如果是，则该TDC输出值的分箱地址为d-D1(框1206)。该分箱地址对应于图11中的区域1106之内的时间子间隔，区域1106中的所有子间隔具有相等的宽度。
如果该TDC输出值d大于D2，该方法进行到框1208，在该框处确定该TDC输出值d是否大于D2且小于或等于D3，其中D3表示第三分箱地址转变。如果是，则该TDC输出值的分箱地址为(D2-D1)+(d-D2)/2(框1210)。该分箱地址对应于图11中的区域1108。在区域1108中，可在不止一个分箱间分配TDC值，如图所示，但这些分箱的相应时间子间隔具有相等的宽度。然而，D2和D3之间的时间子间隔的宽度比D1和D2之间的时间子间隔更宽。因此，所得直方图的分箱对应于具有不均匀宽度的时间子间隔。
如果该TDC输出值d大于D3，该方法进行到框1212，在该框处确定该TDC输出值d是否大于D3且小于或等于DMAX，其中DMAX表示第四分箱地址转变。如果是，则该TDC输出值的分箱地址为(D2-D1)+(D3-D2)/2+(d-D3)/3(框1214)。该分箱地址对应于图11中的区域1110。
如果TDC输出值d不大于D3并且小于或等于DMAX，则该方法进行到框1216，在该框处确定TDC输出值d是否大于DMAX。如果是，则该TDC输出值的分箱地址为DMAX(框1218)。该分箱地址对应于图11中的区域1112。当TDC输出值d不大于DMAX时，不将分箱地址分配给该TDC输出值d(框1220)。
图12中所示的方法在分箱地址计算中对除法使用自然数。例如，在框1214处分箱地址计算为d(D2-D1)+(D3-D2)/2+(d-D3)/3。减法(D3-D2)被除以2，减法(d-D3)被除以3。在其他实施方案中，分数可用于一个或多个分箱地址计算中。
获得可用于构造不均匀直方图的不均匀TDC输出值的另一种技术涉及使用具有不同相位的TDC时钟信号。该技术是任选的，并且可与上文公开的方法结合使用，或单独使用。图13A示出了可操作地连接到像素阵列的示例TDC阵列电路。像素阵列1300包括参考子阵列1302和成像子阵列1304。成像子阵列1304中的每个像素1306可如图9所示进行配置。因此，针对像素1306的一个或多个选通信号(VGATE)由线1308上的像素阵列1300接收。处理设备(例如，图1中的处理设备108或图22中的处理设备2204)可使得一个或多个选通信号被传输到像素阵列1300，以启用成像子阵列1304中的选择像素1306中的SPAD。
如前所述，TDC阵列电路1310包括用于像素阵列1300中的每条像素线(例如，行1314)的N个TDC电路1312，其中N表示在任何给定时间启用的SPAD的数量。因此，N个TDC电路1312可操作地连接到像素阵列1300中的每个相应的行1314。在一些实施方案中，TDC阵列电路1310包括缓冲器或放大器1316，该缓冲器或放大器连接在TDC阵列电路1310中的相应TDC电路1312和可操作地连接到相应TDC电路1312的像素阵列1300中的行之间。放大器1316的一个示例是互阻抗放大器。
在例示的实施方案中，TDC阵列电路1310接收具有不同相位的时钟信号。具体而言，各自具有不同相位Φ0、Φ1、Φ2、Φ3的四个时钟信号(TDCCLKREF)被传输到可操作地连接到参考子阵列1302中的像素1318的一个或多个行的TDC电路1312。类似地，各自具有不同相位Φ0、Φ1、Φ2、Φ3的四个时钟信号(TDCCLKDIST)被传输到可操作地连接到成像子阵列1304中的像素1306的一个或多个行的TDC电路1312。尽管示出和描述了四种不同相位，但其他实施方案不限于本具体实施。可将任何数量的相位用于时钟信号。
图13B示出了适用于图13A所示的TDC阵列电路中的TDC电路的框图。每个TDC电路1312包括连接至每个时钟信号线1324的计数器1320和相位检测器1322。基于与任何相位相关联的时钟信号线1324上计数的时钟周期的数量和所有时钟信号线1324上的相位的状态来确定TOF。一个或多个寄存器1326连接到计数器1320和相位检测器1322。一个或多个寄存器1326用于存储在线扫描周期期间捕获的雪崩事件和TDC值。
图14示出了适合与图13A所示的TDC阵列电路一起使用的时钟电路的框图。控制器1400输出具有不同相位的三个时钟信号。在例示的实施方案中，TDCCLK0具有第一相位，TDCCLK1具有为TDCCLK0相位一半的第二相位(例如，慢两倍)，TDCCLK2具有为TDCCLK0相位四分之一的第三相位(例如，慢四倍)。第四时钟信号的值为零。在其他实施方案中，可使用不同的时钟信号和相位。
将时钟信号零、TDCCLK0、TDCCLK1和TDCCLK2输入到复用器1402中。复用器控制器1404将选择信号SELTDCCLK传输到复用器1402，以选择时钟信号来分配给像素阵列的成像子阵列中的像素。门1406(例如，与门)用于防止参考TDC时钟信号(TDCCLKREF)使用的四个相位在未使用TDCCLKREF时切换，从而节省功率(例如，参见图15中的TDCCLKREF波形)。信号ENTDCREF是由门1406接收的使能信号。本领域的技术人员将认识到，如果在图14的实施方案中使用不同于与门的电路或门，则信号ENTDCREF可改变。
当在图14所示的实施方案中接收TDC输出值时，对TDC输出值编码。因此，图6中所示的编码器607可被省略，这会减少SPAD检测器所需的管芯面积量。另外，图14的技术可节省功率，因为与快速时钟信号相比，较慢的时钟信号消耗较少的功率。
图15示出了可与图14中所示的时钟电路一起使用的示例时序图。顶部四个曲线图示出了时钟信号ENTDCREF、TDCCLK0、TDCCLK1和TDCCLK2。在时间T0处，禁用成像子阵列中的像素中的SPAD，使得选择信号SELTDCCLK选择具有零值的时钟信号。零值对应于图8所示的第一组分箱802中的最左分箱810。另外，ENTDCREF信号的信号电平处于高信号电平。
在时间T1处，像素阵列的检测周期开始并且选择信号SELTDCCLK选择第一时钟信号TDCCLK0。第一时钟信号TDCCLK0对应于图8中所示的第二组分箱804。换句话讲，基于第一时钟信号TDCCLK0，SPAD具有最精细分辨率或灵敏度。
在时间T2处，选择信号SELTDCCLK选择第二时钟信号TDCCLK1，并且ENTDCREF信号的信号电平转变到低信号电平。第二时钟信号TDCCLK1对应于图8中所示的第三组分箱806。换句话讲，响应于第二时钟信号TDCCLK1，SPAD具有精细分辨率或灵敏度。如先前所述，精细分辨率小于最精细分辨率并且大于粗糙分辨率。
最后，在时间T3处，选择信号SELTDCCLK选择第三时钟信号TDCCLK2。第三时钟信号TDCCLK2对应于图8中所示的第四组分箱808。响应于第三时钟信号TDCCLK2，SPAD具有粗糙分辨率或灵敏度。
在时间T4处，最大飞行时间结束并且选择信号SELTDCCLK选择具有零值的第四时钟信号。零值对应于图8所示的第一组分箱802中的最右分箱810。检测周期在时间T5处结束。
不均匀直方图是用于调制SPAD检测器的灵敏度的一种技术。改变一个或多个SPAD的再充电时间是可用于调制SPAD检测器的灵敏度的另一种技术。可使用调制或可变灵敏度来减少先前所论述的采样偏差。
图16示出了SPAD检测器中另一示例像素的示意图。SPAD 1600连接在电压源-VBD和节点1602之间。类似于图9的实施方案，SPAD 1600被绘示为具有连接到电压源-VBD的阳极以及连接到节点1602的阴极，但其他实施方案不限于此配置。在其他实施方案中，SPAD 1600的端子可互换，即，改变像素的晶体管的类型(极性)。
选择晶体管1604的第一端子和选通晶体管1606的第一端子也连接到节点1602。选通晶体管1606的第二端子连接到基准电压(例如接地)。选择晶体管1604的第二端子连接到淬火晶体管1608的第一端子，并且淬火晶体管1608的第二端子连接到电压源VE。选择晶体管1604和选通晶体管1606的栅极连接到公共输入线路1610。施加到公共输入线路1610的选通信号VGATE用于选择和启用SPAD 1600的操作以及取消选择和禁用SPAD 1600的操作。在启用SPAD时，在输出线路VOUT上检测雪崩事件。
淬火晶体管1608控制SPAD 1600的再充电时间。淬火晶体管1608的栅极可通过开关1611连接至第一淬火信号VSQCH并且通过开关1612连接至第二淬火信号VQCH。因此，淬火晶体管偏置可在两个不同信号电平之间切换。一个淬火信号诸如第一淬火信号VSQCH在PRI期间产生灵敏度受控时段。
当要使用灵敏度受控时段时，开关1611被闭合并且开关1612被打开。灵敏度受控时段可在PRI中更早地用于降低SPAD 1600对从靠近SPAD检测器的对象和/或具有更高反射率的对象反射的光子的灵敏度。例如，在选通信号VGATE启用SPAD 1600的操作之后，可在给定时间段内使用灵敏度受控时段。在其他实施方案中，可在一个或多个PRI期间使用多个灵敏度受控时段。
在灵敏度受控时段结束时，开关1611被打开并且开关1612被闭合。另一个淬火信号(诸如第二淬火信号VQCH)用于将SPAD 1600保持在给定灵敏度水平(例如，最大灵敏度)，同时提供通过淬火晶体管1608的最大再充电电流，以便达到标称再充电时间(例如，最短死区时间)。恒定灵敏度时段可用于保持(例如，最大化)SPAD 1600对从更远离SPAD检测器的对象和/或具有更低反射率的对象反射的光子的灵敏度。
在一些具体实施中，灵敏度受控时段是可调节的，并且可基于先前接收的光子(例如，在更早PRI期间接收的光子)的TOF被动态设定。除此之外或另选地，可在PRI之间动态调节VSQCH的信号电平，或基于SPAD检测器的FOV中的场景中的一个或多个特性调节该电平。例如，当调节VSQCH的信号电平时，可考虑场景的照明条件和/或先前确定的TOF。在其他实施方案中，灵敏度受控时段与标称再充电时间(即，最短死区时间)相同，因此淬火晶体管1608的栅极不在两个电压电平之间切换。在那些实施方案中，对第一淬火信号VSQCH的需要被排除，使得淬火晶体管1608的栅极保持连接到相同的电压电平VQCH。
图17示出了淬火晶体管的可切换栅极偏置的操作的一个示例。发射器在时间T0产生光脉冲。在时间T0和时间T1之间，选通信号VGATE处于禁用SPAD操作的信号电平。因此，节点1602上的信号电平为零，并且SPAD灵敏度为零。
在时间T1处，选通信号VGATE转变至启用SPAD操作的信号电平。基本上同时，开关1611被闭合并且开关1612被打开以将淬火晶体管的栅极连接到VSQCH。节点1602上的信号电平和SPAD灵敏度在时间T1和时间T2之间升高。因此，时间T1和时间T2之间的时间段被称为灵敏度受控时段。
在时间T2，开关1611被打开并且开关1612被闭合以将淬火晶体管的栅极连接到VQCH。将节点1602上的信号电平保持在VE，并且将SPAD灵敏度保持在给定水平(例如，最大灵敏度)。在时间T3处，选通信号VGATE转变至禁用SPAD操作的信号电平，且PRI在时间T4结束。
尽管图16中示出了两个栅极偏置信号，但其他实施方案不限于此配置。在一些具体实施中，淬火晶体管的栅极偏置可在三个或更多个栅极偏置信号之间切换以限定给定的SPAD灵敏度。
改变一个或多个SPAD的再充电时间是可用于调制SPAD检测器的灵敏度的第二种技术。改变连接到淬火晶体管的电压源是可用于调制SPAD的灵敏度的第三种方法。
图18示出了具有可被调制的灵敏度的像素阵列的框图。通过连接到淬火晶体管的端子的可变VE信号来调制一个或多个SPAD的灵敏度。像素阵列1800包括参考子阵列1802和成像子阵列1804。开关阵列1806连接到成像子阵列1804中的每条像素线(例如，像素列)，以选择性地将一条或多条像素线连接到可变VE信号1808。可变VE信号1808可具有任何给定的波形。参考子阵列1802中的像素中的SPAD可连接到恒定VE信号1810。
在一个实施方案中，可变VE信号1808被传输以选择一条或多条像素线(例如，一个或多个像素列)以降低功率消耗。例如，在例示的实施方案中，一组开关1812被闭合，而其他开关被打开，以仅将可变VE信号1808传输到像素1814中的已启用SPAD(由阴影线表示的已启用SPAD)。虽然四条像素线(例如，列)具有图18中的已启用SPAD，但其他实施方案可启用一条或多条像素线。
可通过任何合适的方式生成可变VE信号1808。例如，数模转换器可用于产生可变VE信号1808。另选地，单斜率电压斜变发生器可用于生成可变VE信号1808。
图19示出了适合用作图18所示的像素阵列的第一像素阵列的框图。在例示的实施方案中，通过可变VE信号和全局电流源调制一个或多个SPAD的灵敏度。像素阵列1900连接到开关阵列1902。开关阵列1902中的每个开关连接到相应的像素线(例如，列)以选择性地将一条或多条像素线连接到可变VE信号发生器1906和全局电流源1910。例如，开关1904被闭合以将淬火晶体管的端子连接到可变VE信号发生器1906。开关1908被闭合以将淬火晶体管的栅极连接到全局电流源1910。
可变VE信号发生器1906包括代码表1912、代码选择器1914和数模转换器(DAC)1916。当要在给定时间段内产生具有特定形状的VE信号时，存储在代码表1912中的输入代码用于在给定时间段期间重复地触发DAC 1916。
图20示出了可由图19所示的VE信号发生器和全局电流源产生的示例信号。曲线图2000表示由全局电流源1910产生的信号。曲线图2002示出了由DAC 1916产生的示例输出信号。可通过在给定时间段内将每个代码重复发送至DAC 1916来产生曲线图2002。
图21示出了适合用作图18所示的像素阵列的第二像素阵列的框图。如前所述，通过可变VE信号和局部电流源调制一个或多个SPAD的灵敏度。像素阵列2100连接到开关2106和电流源2104的阵列2102。每个开关2106和电流源2104连接到相应的像素线(例如，列)。每个开关2106选择性地将一条或多条像素线连接到可变VE信号发生器2108。
可变VE信号发生器2108类似于图19中的可变VE信号发生器1906。可变VE信号发生器2108包括代码表2110、代码选择器2112和数模转换器2114。当要在给定时间段内产生具有特定波形的VE信号时，存储在代码表2110中的输入代码用于在给定时间段期间重复地触发DAC 2114。
图22示出了可包括一个或多个SPAD检测器的电子设备的框图。电子设备2200包括一个或多个SPAD检测器2202、一个或多个处理设备2204、存储器2206、一个或多个网络接口2208、和电源2210，每个都将在下文中依次论述。
一个或多个处理设备2204可控制电子设备2200的一些或所有操作。一个或多个处理设备2204可直接或间接地与电子设备2200的基本上所有部件进行通信。例如，一个或多个系统总线2212或其他通信机构可在一个或多个SPAD检测器2202、一个或多个处理设备2204、存储器2206、网络接口2208和/或电源2210之间提供通信。在一些实施方案中，一个或多个处理设备2204可被配置为接收来自SPAD检测器2202的输出信号并且处理输出信号以确定与反射光、目标(例如，图1中的目标106)和/或场景相关联的一个或多个特性。
一个或多个处理设备2204可以实现为能够处理、接收或传输数据或指令的任何电子设备。例如，一个或多个处理设备2204可为微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或多个此类设备的组合。如本文所述，术语“处理器”意在涵盖单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元或一个或多个其他适当配置的计算元件。
存储器2206可存储可由电子设备2200使用的电子数据。例如，存储器2206可存储电数据或内容，诸如音频文件、文档文件、定时和控制信号等。存储器2206可被配置为任何类型的存储器。仅以举例的方式，存储器2206可以实现为任何组合形式的随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、可移除存储器或其他类型的存储元件。
网络接口2208可从用户或一个或多个其他电子设备接收数据。此外，网络接口2208可帮助向用户或其他电子设备传输数据。网络接口2208可通过无线连接或有线连接从网络接收数据或发送和传输电子信号。例如，可使用网络接口2208将一个或多个处理设备2204确定的光子计数传输至另一电子设备。
无线连接和有线连接的示例包括但不限于蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙和以太网。在一个或多个实施方案中，网络接口2208支持多种网络或通信机构。例如，网络接口2208可以与蓝牙网络上的另一个设备配对以向其他设备传输信号，同时通过Wi-Fi或其他有线连接或无线连接接收信号。
一个或多个电源2210可利用能够向电子设备2200提供能量的任何设备来实现。例如，电源2210可以是电池。除此之外或另选地，电源2210可以是电子设备2200通过电源线连接到的墙壁插座。除此之外或另选地，电源2210可以是电子设备2200通过无线连接或有线连接(诸如通用串行总线(USB)线缆等连接线缆)连接到的另一个电子设备。
在一些实施方案中，SPAD检测器2202被配置为背照式SPAD检测器。在此类实施方案中，像素阵列被定位成与SPAD检测器的光接收表面相邻，并且连接到像素阵列中的SPAD的电路(例如，选通晶体管、淬火晶体管等)定位在像素阵列下方。其他实施方案可以不同方式来配置SPAD检测器2202。
为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节即可实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可能的。

Claims (18)

1.一种用于操作单光子雪崩二极管SPAD检测器的方法，所述SPAD检测器包括像素阵列，所述像素阵列包括参考像素的参考子阵列和成像像素的成像子阵列，所述方法包括：
检测开始时间以使用所述参考子阵列中的参考像素中的参考SPAD来启用所述成像子阵列中的成像像素中的成像SPAD的操作；
响应于检测到所述开始时间，启用所述成像SPAD的所述操作，使得所述成像SPAD能够操作为检测光子；
针对每个所检测的光子确定相应的飞行时间；以及
基于每个所检测的光子的飞行时间构造不均匀直方图，其中所述不均匀直方图包括：
第一分箱，所述第一分箱具有第一宽度，其中所述第一分箱表示具有在第一飞行时间范围期间检测到的飞行时间的光子的第一计数；和
第二分箱，所述第二分箱具有不同于第一宽度的第二宽度，其中所述第二分箱表示具有在不同于所述第一飞行时间范围的第二飞行时间范围期间检测到的飞行时间的光子的第二计数。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在构造所述不均匀直方图之后禁用所述成像SPAD的所述操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
从相比第二目标更靠近所述SPAD检测器的第一目标反射的检测到的第一光子的第一飞行时间使所述第一分箱中的所述第一计数递增；以及
从所述第二目标反射的检测到的第二光子的第二飞行时间使所述第二分箱中的所述第二计数递增。
4.一种单光子雪崩二极管SPAD检测器，所述SPAD检测器包括：
像素阵列，所述像素阵列包括多条像素线，每个像素包括SPAD；
时间到数字转换器TDC阵列电路，所述TDC阵列电路可操作地连接到所述像素阵列，所述TDC阵列电路包括TDC电路的阵列，所述TDC电路的子集可操作地连接到每个相应的像素线；和
存储器，所述存储器可操作地连接到所述TDC阵列电路，所述存储器被配置为存储不均匀直方图，所述不均匀直方图包括：
具有第一宽度的第一分箱，所述第一分箱表示具有在第一飞行时间范围期间检测到的飞行时间的光子的第一计数；以及
具有不同于第一宽度的第二宽度的第二分箱，其中所述第二分箱表示具有在不同于所述第一飞行时间范围的第二飞行时间范围期间检测到的飞行时间的光子的第二计数。
5.根据权利要求4所述的SPAD检测器，还包括可操作地连接到所述TDC阵列电路的控制器，所述控制器被配置为为所述TDC阵列电路生成时钟信号。
6.根据权利要求4所述的SPAD检测器，其中：
所述SPAD检测器被包括在线扫描系统中；
所述像素阵列中的多条像素线被布置成行和列；
分区段扫描所述像素阵列中的所述像素，每个区段包括所述像素阵列中的所述列的子集；以及
所述TDC电路的每个子集中的若干TDC电路对应于每个区段中的每一行中的被扫描像素的子集。
7.根据权利要求6所述的SPAD检测器，其中：
所述像素阵列包括：
参考子阵列，所述参考子阵列包括参考像素；和
成像子阵列，所述成像子阵列包括成像像素；以及
所述SPAD检测器还包括可操作地连接到所述TDC阵列电路的控制器，所述控制器被配置为：
产生第一组时钟信号，所述第一组时钟信号包括具有第一相位的第一时钟信号和具有不同的第二相位的第二时钟信号；以及
产生第二组时钟信号，所述第二组时钟信号包括具有第三相位的第三时钟信号和具有不同的第四相位的第四时钟信号；
所述第一组时钟信号由连接到所述参考像素的所述TDC电路接收；并且
所述第二组时钟信号由连接到所述成像像素的所述TDC电路接收。
8.根据权利要求6所述的SPAD检测器，其中所述存储器被配置为存储多个不均匀直方图，并且每个不均匀直方图与每个区段的每一行中的每个被扫描像素相关联。
9.根据权利要求4所述的SPAD检测器，其中所述像素阵列包括：
参考子阵列，所述参考子阵列包括一个或多个参考像素；以及
成像子阵列，所述成像子阵列包括一个或多个成像像素。
10.根据权利要求9所述的SPAD检测器，其中所述成像子阵列中的每个成像像素包括：
SPAD，所述SPAD可操作地连接在节点和第一电压源之间；
选通晶体管，所述选通晶体管可操作地连接在所述节点和基准电压源之间；以及
淬火晶体管，所述淬火晶体管可操作地连接在所述节点和第二电压源之间，其中
所述选通晶体管被配置为启用所述SPAD的操作或禁用所述SPAD的所述操作。
11.根据权利要求9所述的SPAD检测器，其中可操作地连接到每个成像像素的每个TDC电路输出用于所述成像像素的多个TDC输出值，并且所述多个TDC输出值在所述成像像素的检测周期内不均匀地增大。
12.根据权利要求9所述的SPAD检测器，还包括可操作地连接在所述TDC阵列电路和所述存储器之间的编码器电路，其中：
可操作地连接到相应成像像素的每个TDC电路输出用于所述成像像素的多个TDC输出值，并且所述多个TDC输出值在所述成像像素的检测周期内线性地增大；以及
所述编码器电路被配置为对所述多个TDC输出值进行编码，使得多个经编码的TDC输出值在所述成像像素的检测周期内不均匀地增大。
13.根据权利要求9所述的SPAD检测器，其中所述参考子阵列被定位成与所述成像子阵列的边缘相邻。
14.根据权利要求4所述的SPAD检测器，其中所述不均匀直方图还包括：
第三分箱，所述第三分箱具有不同于所述第一宽度和所述第二宽度的第三宽度，所述第三分箱表示具有在第三飞行时间范围内的飞行时间的光子的第三计数，所述第三飞行时间范围不同于所述第一飞行时间范围和所述第二飞行时间范围二者。
15.一种单光子雪崩二极管SPAD检测器中的像素，所述像素包括：
SPAD，所述SPAD可操作地连接在节点和第一电压源之间；
选通晶体管，所述选通晶体管可操作地连接在所述节点和基准电压源之间；以及
淬火晶体管，所述淬火晶体管可操作地连接在所述节点和第二电压源之间，其中
所述选通晶体管被配置为接收选通信号，所述选通信号在第一时间启用所述SPAD的操作并随后在第二时间禁用所述SPAD的所述操作；
所述淬火晶体管的栅极连接到第一开关和第二开关；
所述第一开关连接到第一淬火信号；以及
所述第二开关连接到不同于所述第一淬火信号的第二淬火信号。
16.根据权利要求15所述的像素，其中所述第一时间和所述第二时间之间的时间间隔确定所述SPAD的检测周期，在所述检测周期期间，所述SPAD检测光子。
17.根据权利要求15所述的像素，其中：
所述第一淬火信号在所述SPAD中产生灵敏度受控时段，所述SPAD在所述灵敏度受控时段期间具有可变灵敏度；以及
所述第二淬火信号在所述SPAD中产生恒定灵敏度时段。
18.根据权利要求15所述的像素，还包括可操作地连接在所述淬火晶体管和所述选通晶体管之间的选择晶体管，其中所述选择晶体管的栅极和所述选通晶体管的栅极连接到公共输入线路。
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