CN110308451A - 适用于远程飞行时间应用的双模式堆叠光电倍增管 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及适用于远程飞行时间应用的双模式堆叠光电倍增管。光电倍增管像素单元包含经耦合以检测入射光子的光子检测器。淬灭电路经耦合以淬灭所述光子检测器中的雪崩电流。启用电路耦合到所述光子检测器以响应于启用信号而启用及停用所述光子检测器。缓冲电路耦合到所述光子检测器以响应于在所述光子检测器中触发的所述雪崩电流而产生具有脉冲宽度间隔的数字输出信号。数/模转换器的多个输入中的第一者耦合到所述缓冲电路以接收数字输出信号。数/模转换器经耦合以产生模拟输出信号，所述模拟输出信号的量值响应于在所述数/模转换器的所述多个输入中的每一者处在所述脉冲宽度间隔内同时接收的数字输出信号的总数目。
Description
技术领域
本发明大体上涉及光传感器，并且特定来说(但非排他性地)，涉及可用于远程飞行时间应用的光电倍增管。
背景技术
随着三维(3D)应用的普及在例如成像、电影、游戏、计算机、用户接口及类似者的应用中持续增长，对3D相机的关注正在增加。创建3D图像的典型无源方式是使用多个相机来捕获立体图像或多个图像。使用立体图像，可对图像中的物体进行三角测量以创建3D图像。这种三角测量技术的一个缺点是难以使用小装置创建3D图像，这是因为为了创建三维图像，每一相机之间必须存在最小分离距离。另外，此技术较复杂，因此需要大量计算机处理能力以便实时创建3D图像。
针对需要实时获取3D图像的应用，有时利用基于光学飞行时间测量的有源深度成像系统。飞行时间系统通常采用：光源，其将光导向物体；传感器，其检测从物体反射的光；以及处理单元，其基于光行进到物体并从物体行进所花费的往返时间来计算到物体的距离。在典型的飞行时间传感器中，由于从光检测区到感测节点的高转移效率，经常使用光电二极管。
获取3D图像的持续挑战是：在远程应用中，例如(举例来说)飞行时间(TOF)光检测及测距(LiDAR)应用及类似者，中午在室外存在的大量背景光归因于大量环境光而使得检测反射光脉冲变得更加困难。特定来说，因为每秒都有如此之多的光子到达，所以很难在非常大的背景信号之外检测到此弱TOF信号。
发明内容
一方面，本申请案涉及一种光电倍增管像素单元，其包括：光子检测器，其经耦合以检测入射光子，其中所述入射光子适于在所述光子检测器中触发雪崩电流；淬灭电路，其耦合到所述光子检测器以淬灭所述雪崩电流；启用电路，其耦合到所述光子检测器以响应于启用信号而启用及停用所述光子检测器；缓冲电路，其耦合到所述光子检测器以响应于在所述光子检测器中触发的所述雪崩电流而产生具有脉冲宽度间隔的数字输出信号；及数/模转换器，其具有多个输入，其中所述缓冲电路是多个缓冲电路中的第一者，其中所述数/模转换器的所述输入中的第一者耦合到所述多个缓冲电路中的所述第一者以接收多个数字输出信号中的相应一者，其中所述数/模转换器经耦合以产生模拟输出信号，所述模拟输出信号的量值响应于在所述数/模转换器的所述多个输入中的每一者处在所述脉冲宽度间隔内同时接收的数字输出信号的总数目。
另一方面，本申请案涉及一种光感测系统，其包括：像素阵列，其包含多个光电倍增管像素单元，其中每一像素单元包括：光子检测器，其经耦合以检测入射光子，其中所述入射光子适于在所述光子检测器中触发雪崩电流；淬灭电路，其耦合到所述光子检测器以淬灭所述雪崩电流；启用电路，其耦合到所述光子检测器以响应于启用信号而启用及停用所述光子检测器；缓冲电路，其耦合到所述光子检测器以响应于在所述光子检测器中触发的所述雪崩电流而产生具有脉冲宽度间隔的数字输出信号；及数/模转换器，其具有多个输入，其中所述缓冲电路是多个缓冲电路中的第一者，其中所述数/模转换器的所述输入中的第一者耦合到所述多个缓冲电路中的所述第一者以接收多个数字输出信号中的相应一者，其中所述数/模转换器经耦合以产生模拟输出信号，所述模拟输出信号的量值响应于在所述数/模转换器的所述多个输入中的每一者处在所述脉冲宽度间隔内同时接收的数字输出信号的总数目；及控制器，其耦合到所述像素阵列以控制所述多个光电倍增管像素单元的操作，其中所述控制器进一步经耦合以处理所述模拟输出信号。
附图说明
参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考数字贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。
图1是展示根据本发明的教示的包含双模式堆叠光电倍增管的远程飞行时间光感测系统的一个实例的框图。
图2是展示根据本发明的教示的可包含在图1的飞行时间感测系统中的双模式堆叠光电倍增管像素单元的实例的功能框图。
图3是展示根据本发明的教示的包含可包含在图1的飞行时间光感测系统中的数字部分及模拟部分两者的双模式堆叠光电倍增管像素单元的实例的示意图。
图4是展示根据本发明的教示的可在包含双模式堆叠光电倍增管像素单元的远程飞行时间系统中使用的光感测系统的另一实例的框图。
对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。
具体实施方式
揭示用于使用适用于远程飞行时间系统的光感测系统中的双模式堆叠光电倍增管来感测光子的方法及设备。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿在本说明书的各种地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必皆是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合于一或多个实例中。
贯穿本说明书，使用若干所属领域的术语。这些术语具有其出自的所属领域的一般意义，除非本文具体定义或其使用背景另有明确指示。应注意，可贯穿此文献互换使用元件名称及符号(例如，Si与硅)；然而，两者具有相同含义。
如将展示，揭示可用于感测光子的双模式堆叠光电倍增管的实例。在各种实例中，根据本发明的教示，即使在明亮环境光条件下，光子检测器阵列也可用于检测光子，这使得所揭示实例双模式堆叠光电倍增管适用于远程飞行时间应用，例如LiDAR应用或类似者。在各种实例中，各自包含每像素一或多个光子检测器(例如盖格模式单光子雪崩二极管(SPAD))的光电倍增管像素单元包含在所揭示双模式堆叠光电倍增管的像素阵列中。通过每像素具有多个光子检测器或SPAD，即使在来自环境光的大量光子也可能入射在像素阵列上的明亮环境光条件下，也可检测到弱TOF信号。
此外，在各种实例中，在确定特定SPAD遭受不良高暗计数率(DCR)性能的情况下，可根据需要个别地或数字地启用或停用每一光子检测器或SPAD。因而不需要仅因为包含在光电倍增管像素单元中的SPAD中的一者遭受不可接受的DCR性能就停用包含多个SPAD的整个光电倍增管像素单元。相反，根据本发明的教示，只有性能不良的SPAD可被数字地停用，而光电倍增管像素单元中的剩余性能正常SPAD可保持启用以检测光子。
此外，即使数字启用电路在所揭示光电倍增管像素单元中具有个别启用及停用高DCR SPAD的特征，模拟电路也在所揭示实例光电倍增管像素单元中组合以提供高时序精度及边缘检测，改进信噪比(SNR)性能，以及与数字实施方案相比减少整体晶体管计数。根据本发明的教示，所揭示光电倍增管像素单元中的数字电路及模拟电路两者的此组合导致光电倍增管像素单元的双模式或数/模混合本质。此外，在各种实施例中，根据本发明的教示，光电倍增管像素单元还可使用堆叠技术来实施，其为所包含的像素电路提供无填充因子或光灵敏度损失的额外益处，以支持光电倍增管像素单元的操作。
图1是展示根据本发明的教示的包含双模式堆叠光电倍增管的远程飞行时间光感测系统100的一个实例的框图。特定来说，如所描绘实例中所展示，飞行时间光感测系统100包含光源102、透镜116、包含多个光电倍增管像素单元122的像素阵列120以及控制器126。控制器126经耦合以控制光源102及包含在像素阵列120中的多个光电倍增管像素单元122的操作。另外，控制器126还可经耦合以处理从像素阵列120读出的信息。
如实例中所展示，像素阵列120定位在距透镜116的焦距flens处。在实例中，光源102及透镜116定位在距物体130的距离L处。应了解，未按比例说明图1，并且在一个实例中，焦距flens大体上小于透镜116与物体130之间的距离L。因此，应了解，出于本发明的目的，根据本发明的教示，出于飞行时间测量的目的，距离L与距离L+焦距flens大体上相等。如所说明，出于解释目的，像素阵列120及控制器126被表示为单独组件。然而，应了解，像素阵列120及控制器126可全部集成到同一堆叠芯片传感器上。在其它实施例中，像素阵列120及控制器126可集成到非堆叠标准平面传感器上。
此外，应了解，图1中所展示的实例像素阵列120说明为经布置到多个行及多个列中的光电倍增管像素单元122的二维(2D)阵列。因而，应了解，2D像素阵列120可适合于获取物体130的3D图像。在另一实例中(参见例如图4)，应了解，根据本发明的教示，像素阵列120也可实施为可用于线扫描传感器应用或类似者的光电倍增管像素单元122的一维阵列。此外，在又一实例中，应了解，如果像素阵列120也可包含在不需要飞行时间测量的光感测系统中，并且在此类系统中，那么不需要光源102。
然而，返回参考图1中描绘的实例，飞行时间光感测系统100是3D相机，其利用像素阵列120基于飞行时间测量来计算待成像的场景(例如，物体130)的图像深度信息。飞行时间光感测系统100甚至可在具有明亮环境光182的条件下(例如，在中午的室外)操作，并且像素阵列120中的每一光电倍增管像素单元122可确定物体130的对应部分的深度信息，使得可产生物体130的3D图像。通过测量光从光源102传播到物体130并返回到飞行时光感测系统100的往返时间来确定深度信息。
如所说明，光源102(例如，垂直腔表面发射激光器)经配置以在距离L上向物体130发射包含光脉冲106的光104。然后，经发射光104作为经反射光110从物体130反射，其中一些在距离L上朝向飞行时光感测系统100传播，并作为图像光入射在像素阵列120上。像素阵列120中的每一光电倍增管像素单元122包含一或多个光子检测器(例如，一或多个SPAD)以检测图像光并将图像光转换为输出信号。
如所描绘实例中所展示，经发射光104的脉冲(例如，脉冲106)从光源102传播到物体130并返回到多个像素120的往返时间可用于使用以下等式(1)及(2)中的以下关系确定距离L：
其中c是光速，大约等于3×108m/s，且TTOF对应于往返时间，其为光106的脉冲往返于图1中所展示的物体130所花费的时间量。因此，一旦知道往返时间，就可计算距离L并随后将距离用于确定物体130的深度信息。
如所说明实例中所展示，控制器126经耦合以控制像素阵列120(包含光电倍增管像素单元122)及光源102，并且包含逻辑，其在被执行时致使飞行时间光感测系统100执行操作以用于确定往返时间。可至少部分地基于由时间/数字转换器产生的时序信号(参见例如图2到4)来确定往返时间。时序信号表示光源102何时发射光及光电倍增管像素单元122何时检测到图像光。
图2是展示根据本发明的教示的可包含在图1的飞行时间感测系统100中的双模式堆叠光电倍增管像素单元222的实例的功能框图。应了解，图2的光电倍增管像素单元222可为例如图1的像素阵列120中所包含的多个光电倍增管像素单元122中的一者的一个实例，且下文参考的类似命名及编号的元件因此类似于上文描述那样耦合及其作用。如所描绘实例中所展示，图2的光电倍增管像素单元222包含经耦合以检测入射光子210的光子检测器208。在一个实例中，光子检测器208包含硅光电倍增管(SiPM)，例如盖革模式(GM)单光子雪崩光电二极管(SPAD)，使得入射光子210适于在光子检测器208中触发雪崩电流IAV，从而响应于光子检测器208检测入射光子210而在输出电压信号VOUT中引起对应电压尖峰。淬灭电路212耦合到光子检测器208以淬灭雪崩电流IAV，从而致使输出电压信号VOUT复位。
在确定光子检测器208是有缺陷的情况下，例如(举例来说)如果光子检测器具有不可接受的高暗计数率(DCR)，那么将启用电路242耦合到光子检测器208以响应于数字启用信号而个别地启用及停用光子检测器208。在所描绘实例中，应了解，根据本发明的教示，光子检测器208(及对应支持电路)可为包含在光电倍增管像素单元222中的多个光子检测器(如图2中用虚线所指示)中的一者，并且在光电倍增管像素单元222中的其它光子检测器可被启用，而光子检测器208被停用。
继续图2中描绘的实例，缓冲电路244耦合到光子检测器208，以响应于光子检测器208中触发的雪崩电流IAV或输出电压VOUT，产生具有脉冲宽度间隔280的数字输出信号DOUT1258A。数/模转换器246具有耦合到缓冲电路244的多个输入。如所描绘实例中所展示，缓冲电路244是多个缓冲电路中的一者，并且数/模转换器246的对应输入经耦合以接收缓冲电路244的数字输出DOUT1258A。在操作中，根据本发明的教示，数/模转换器246经耦合以产生模拟输出信号AOUT260，模拟输出信号AOUT260量值是响应于在数/模转换器的多个输入中的每一者处在脉冲宽度间隔280内同时接收的数字输出信号DOUT1258A...DOUTN258N的总数目。
如所描绘的实例中所展示，阈值检测电路248包含经耦合以从数/模转换器246接收模拟输出信号AOUT260的第一输入，及经耦合以接收参考信号VREF264的第二输入。在一个实例中，参考信号VREF264是阈值电压，并且阈值检测电路248经耦合以将模拟输出信号AOUT260与参考信号VREF264进行比较，以响应于模拟输出信号AOUT260与参考信号VREF264的比较而产生起始信号TDC_START 262。时间/数字转换器电路224经耦合以从阈值检测电路248接收起始信号TDC_START 262。在一个实例中，根据本发明的教示，时间/数字转换器电路224经耦合以响应于在数/模转换器246的多个输入处在脉冲宽度间隔280内同时接收的数字输出信号DOUT1258A...DOUTN258N的阈值数目而处理时间。在一个实例中，确定往返时间可至少部分地基于由时间/数字转换器电路224产生的时序信号。时序信号表示光源102何时发射光及光子检测器208何时检测入射光子210。
在一个实例中，光子检测器208安置在第一晶片252中，例如传感器晶片，并且包含淬灭电路212、启用电路242、缓冲电路244、数/模转换器246、阈值检测电路248，且时间/数字转换器电路224的其它电路安置在单独第二晶片254中，例如像素电路晶片，其以堆叠芯片方案与第一晶片252堆叠。在所说明的实例中，第一晶片252中的光子检测器208通过第一晶片252与第二晶片254之间的界面处的堆叠点256耦合到第二晶片254中的淬灭电路212。因而，应了解，根据本发明的教示，光电倍增管像素单元222使用堆叠技术来实施，其为所包含的像素电路提供无填充因子或光灵敏度损失的额外益处，以支持光电倍增管像素单元222的操作。
图3是展示根据本发明的教示的包含可包含在图1的飞行时间光感测系统100中的数字部分及模拟部分两者的双模式堆叠光电倍增管像素单元322的实例的示意图。应了解，图3的光电倍增管像素单元322可为例如图1的像素阵列120或图2的光电倍增管像素单元222中所包含的多个光电倍增管像素单元122中的一者的一个实例，且下文参考的类似命名及编号的元件因此类似于上文描述那样耦合及其作用。
类似于图2的实例光电倍增管像素单元222，图3的光电倍增管像素单元322包含经耦合以检测入射光子310的光子检测器308。在所描绘的实例中，光子检测器308是使用盖革模式(GM)单光子雪崩光电二极管(SPAD)实施的硅光电倍增管(SiPM)，使得入射光子310适于在光子检测器308中触发雪崩电流IAV，从而响应于光子检测器308检测到入射光子310而在输出电压信号VOUT378中引起对应向下电压转变。淬灭电路312耦合在过量电压VEX与光子检测器308之间以控制淬灭雪崩电流IAV，从而致使输出电压信号VOUT378如所展示那样恢复。
在实例中，光子检测器308的SPAD根据等式(3)被反向偏置：
VEX＝VBIAS-VBD (3)
其中VBIAS是SPAD的反向偏压，VBD是SPAD的击穿电压。在实例中，VBIAS＞VBD，使得VEX是超出SPAD的击穿电压的过量偏压。
如将论述，在所描绘实例中，根据本发明的教示，淬灭电路312是有源淬灭电路，其控制SPAD的恢复，使得输出电压信号VOUT378在由光子检测器308中的雪崩电流IAV引起的向下电压转变之后的特定时间间隔之后回升到高于阈值电压(例如，如用相对于输出电压信号VOUT378的水平虚线所展示)，这导致每一缓冲电路344在数字输出信号DOUT358中产生恒定或固定脉冲宽度间隔380。在另一实例中，应了解，缓冲电路344可集成到相应淬灭电路312的设计中。
在确定光子检测器308被识别为有缺陷的情况下，例如(举例来说)如果光子检测器的SPAD具有不可接受的高暗计数率(DCR)，那么启用电路342耦合到光子检测器308，以响应于数字启用信号SPAD_EN368个别地启用及停用光子检测器308。在所描绘实例中，应了解，根据本发明的教示，光子检测器308可为包含在光电倍增管像素单元322中的多个光子检测器中的一者，且光电倍增管像素单元322中的其它光子检测器可保持启用，而光子检测器308停用。在一个实例中，启用电路342包括耦合在电压参考端子与光子检测器308的SPAD之间的晶体管。例如，在图3中所描绘的实例中，启用电路342包括耦合在接地端子与光电检测器308的SPAD的阴极之间的晶体管。在另一实例中，当然应了解，如果交换SPAD的p-n结极性，那么可反转极性。在操作中，当启用电路342的晶体管响应于数字启用信号SPAD_EN368而导通时，光子检测器308的SPAD的阴极接地以个别地停用光子检测器308的SPAD。
在一个实例中，通过执行暗帧校准可将光子检测器308的SPAD识别为有缺陷，其中使用启用信号SPAD_EN368及用计数电路365在DOUT358处测量的输出计数率(由阵列中的所有像素共享)来个别地循序地寻址阵列中的所有SPAD。例如，在一个实例中，具有高DCR(例如，前5％)的光子检测器308的SPAD然后可经由启用信号SPAD_EN368被停用。在一个实例中，DOUT358可经配置为到公共总线的N位输出。然后，还可在并行操作模式(例如，在芯片启动时)使用N位的DOUT358来扫掠光子检测器308的所有可用SPAD，然后，经由耦合到计数电路365，用于测量光子检测器308中的SPAD中的每一者的DCR，且因此确定哪些SPAD是低噪声及哪些是高噪声SPAD。
继续图3中描绘的实例，数字部分364A的缓冲电路344耦合到光子检测器308，以响应于在光子检测器308中触发的雪崩电流IAV或输出电压VOUT378而产生具有脉冲宽度间隔380的数字输出信号DOUT1358A。在所说明的实例中，缓冲电路344是如所展示那样利用耦合到n晶体管372的p晶体管374实施的反相器以响应于由光子检测器310响应于在光子检测器308中响应于入射光子310而触发的雪崩电流IAV而产生的输出电压VOUT378而产生数字输出信号DOUT1358A。应了解，缓冲电路344的反相器将光子检测器308与数/模转换器以及光电倍增管像素单元322的模拟部分346中包含的后续级隔离，包含存在于模拟输出电压AOUT360处的原本将劣化SPAD装置性能的所有寄生电容。
特定来说，如所描绘实例中所展示，光子检测器308、猝灭电路312、启用电路342及缓冲电路344包含在光电倍增管像素单元322的第一数字部分364A中，而数字/模拟转换器包含在光电倍增管像素单元322的模拟部分346中。如所展示，第一数字部分364A是多个数字部分364A、364B、...364N中的一者，其耦合到模拟部分346及计数电路365，如上文论述。
包含在模拟部分346中的数/模转换器具有多个输入，其中每一者耦合到来自数字部分364A、364B...364N的对应缓冲电路344。如所描绘实例中所展示，包含在模拟部分346中的数/模转换器的每一对应输入经耦合以接收来自数字部分364A、364B…364N的缓冲电路344的数字输出DOUT1358A...DOUTN358N的对应位。在操作中，根据本发明的教示，模拟部分346中的数/模转换器经耦合以产生模拟输出信号AOUT360，其量值是响应于在模拟部分346中的数/模转换器的多个输入中的每一者处在脉冲宽度间隔380内同时接收的数字输出信号DOUT1358A...DOUTN358N的总数目。
在所说明的实例中，模拟部分中的数/模转换器包含并联耦合的多个切换电流源376A、376B、...376N。多个切换电流源376A、376B、...376N中的每一者用对应晶体管374A、374B，...374N切换，晶体管374A、374B，...374N经耦合以响应于从光电倍增管像素单元322的对应数字部分364A、364B、...364N接收的对应数字输出信号DOUT1358A...DOUTN358N而切换。
如所展示，根据本发明的教示，输出电阻器ROUT366耦合到多个切换电流源376A、376B，...376BN，使得来自多个切换电流源376A、376B，...376N的电流的总和通过输出电阻器ROUT366在脉冲宽度间隔380内传导以产生跨越输出电阻器ROUT366的模拟输出信号Aout360。因此，可使用等式(4)中定义的以下关系来确定跨越输出电阻器ROUT366的模拟输出信号AOUT360的值：
AOUT＝NSPAD×IBIAS×ROUT (4)
其中NSPAD表示在脉冲宽度间隔380内已检测到入射光子310的光子检测器308的数目，IBIAS表示响应于数字输出信号DOUT1358A...DOUTN358N而已导通的每一切换电流源376A、376B、...376N的电流值，并且ROUT表示ROUT366的电阻值。因此，根据本发明的教示，由于IBIAS及ROUT是固定的，因此AOUT的量值与在脉冲宽度间隔380内响应于入射光子310而触发的SPAD的数目成比例。
如所描绘实例中所展示，阈值检测电路348利用比较器电路来实施，所述比较器电路包含：第一输入(例如，非反相输入)，其经耦合以接收来自模拟部分346的数/模转换器的模拟输出信号AOUT360；以及第二输入(例如，反相输入)，其经耦合以接收参考信号VREF364。在实例中，参考信号VREF364是阈值电压，并且阈值检测电路348经耦合以将模拟输出信号AOUT360与参考信号VREF364进行比较以响应于模拟输出信号AOUT360与参考信号VREF364之间的比较而产生起始信号TDC_START 362。
时间/数字转换器电路324经耦合以接收来自阈值检测电路348的起始信号TDC_START 362。在一个实例中，根据本发明的教示，时间/数字转换器电路324经耦合以响应于在数/模转换器346的多个输入处在脉冲宽度间隔380内同时接收的数字输出信号DOUT1358A...DOUTN358N的阈值数目而处理时间。换句话说，通过为参考信号VREF364选择对应于检测阈值的阈值电压，时间/数字转换器电路324可适于仅在脉冲宽度间隔380期间已触发光子检测器308中的所需数目个SPAD时才处理时间。因而，可设置参考信号VREF364的阈值电压，使得阈值检测电路348在高背景光计数率下存在大光脉冲时触发。在一个实例中，确定往返时间可至少部分地基于由时间/数字转换器电路324产生的时序信号。时序信号表示光源102何时发射光以及光子检测器308何时检测入射光子。
在操作中，应注意，针对飞行时间计算，可存在两种不同的操作系统的方式。例如，时间/数字转换器电路324可由系统配置(1)以在光被发出时在帧的开始处开始，然后在接收到信号时停止；或者(2)以在接收光时开始，然后在帧结束时停止(即达到最大检测范围)。使用第二种方法的优点在于电力消耗减少，这是因为即使未由信号光子触发SPAD像素时间/数字转换器电路324也无需在整个飞行时间内运行。
图4是展示根据本发明的教示的可在包含双模式堆叠光电倍增管的远程飞行时间系统中使用的光感测系统400的另一实例的框图。如所描绘实例中所展示，光感测系统400包含像素阵列420，其包含具有对应光子检测器408的多个光电倍增管像素单元422。应了解，图4的光电倍增管像素单元422及光子检测器408可为图3的光电倍增管像素单元322及光子检测器308或图2的光电倍增管像素单元222及光子检测器208或包含在图1的像素阵列120中的光电倍增管像素单元122的实例，且下文参考的类似命名及编号的元件因此类似于上文描述那样耦合及其作用。
应注意，在图4中描绘的实例中，每一光电倍增管像素单元422包含多个光子检测器408，并且图4中所说明的像素阵列420实例是光电倍增管像素单元422的一维阵列。因而，图4中所描绘的实例像素阵列420说明线扫描传感器。然而，应了解，在其它实例中，像素阵列420也可实施为二维阵列以捕获二维图像。
进一步注意到，图4中描绘的实例包括光源402，使得可基于从光源402发射的光404从物体430反射回到像素阵列420的往返时间来确定飞行时间信息，如上文进一步详细论述。应了解，在另一实例中，在包含像素阵列420以检测光子的应用中可省略光源402，例如正电子发射断层成像(PET)扫描应用及类似者，并且不需要飞行时间信息。
返回参考所说明的实例，光感测系统400还包含像素阵列读出电路414、时间/数字转换器424及控制器426，控制器426包含像素阵列控制电路418以控制像素阵列420的操作。如所论述，在一个实例中，控制器426可耦合到光源402以将光404发射到物体430，物体430将光420反射回像素阵列420以用于远程飞行时间应用。在一个实例中，根据本发明的教示，控制器426可包含处理器、存储器及各种其它功能逻辑以处理从像素阵列420读出的信息。应注意，光感测系统400可以堆叠芯片方案实施。如先前实例中所提及，像素阵列420可包含在传感器晶片中，而像素阵列读出电路414、时间/数字转换器424、包含像素阵列控制电路418的控制器(可包含一或多个处理器及存储器的逻辑)426(如图4中所说明)可包含在单独像素电路晶片中。在一个实例中，根据本发明的教示，像素电路晶片可实施为专用集成电路(ASIC)裸片。在实例中，传感器晶片及像素电路晶片在制造期间被堆叠及耦合在一起以实施根据本发明的教示的飞行时间光感测系统。在其它实施例中，可利用光感测系统400的非堆叠实施方案。举例来说，传感器晶片(包含像素阵列420)、像素阵列读出电路414、时间/数字转换器424及控制器426(包含控制电路418)可制造在同一硅衬底上。一般来说，应了解，根据本发明的教示，光感测系统400可以堆叠解决方案及非堆叠解决方案两者来实施。
不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。
依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。
Claims (20)
1.一种光电倍增管像素单元，其包括：
光子检测器，其经耦合以检测入射光子，其中所述入射光子适于在所述光子检测器中触发雪崩电流；
淬灭电路，其耦合到所述光子检测器以淬灭所述雪崩电流；
启用电路，其耦合到所述光子检测器以响应于启用信号而启用及停用所述光子检测器；
缓冲电路，其耦合到所述光子检测器以响应于在所述光子检测器中触发的所述雪崩电流而产生具有脉冲宽度间隔的数字输出信号；及
数/模转换器，其具有多个输入，其中所述缓冲电路是多个缓冲电路中的第一者，其中所述数/模转换器的所述输入中的第一者耦合到所述多个缓冲电路中的所述第一者以接收多个数字输出信号中的相应一者，其中所述数/模转换器经耦合以产生模拟输出信号，所述模拟输出信号的量值响应于在所述数/模转换器的所述多个输入中的每一者处在所述脉冲宽度间隔内同时接收的数字输出信号的总数目。
2.根据权利要求1所述的光电倍增管像素单元，其进一步包括：
阈值检测电路，其具有：第一输入，其经耦合以接收来自所述数/模转换器的所述模拟输出信号；及第二输入，其经耦合以接收参考信号，其中所述阈值检测电路经耦合以响应于所述模拟信号及所述参考信号而产生起始信号；及
时间/数字转换器电路，其经耦合以接收所述起始信号，其中所述时间/数字转换器电路经耦合以响应于在所述数/模转换器的所述多个输入处在所述脉冲宽度间隔内同时接收的数字输出信号的阈值数目而处理时间。
3.根据权利要求2所述的光电倍增管像素单元，其中所述光子检测器安置在第一晶片中，且其中所述淬灭电路、所述启用电路、所述缓冲电路、所述数/模转换器、所述阈值检测电路及所述时间/数字转换器电路安置在第二晶片中，所述第二晶片以堆叠芯片方案与所述第一晶片堆叠。
4.根据权利要求1所述的光电倍增管像素单元，其中所述光子检测器包括盖革模式单光子雪崩光电二极管SPAD。
5.根据权利要求4所述的光电倍增管像素单元，其中所述启用电路包括耦合在电压参考端子与所述SPAD之间的晶体管，其中所述晶体管经耦合以响应于所述启用信号而被切换以个别地启用及停用所述SPAD。
6.根据权利要求1所述的光电倍增管像素单元，其中所述淬灭电路包括有源淬灭电路，所述有源淬灭电路经耦合以产生针对所述数字输出信号的所述脉冲宽度间隔的恒定宽度。
7.根据权利要求1所述的光电倍增管像素单元，其中所述缓冲电路包括反相器，所述反相器经耦合以响应于由所述光子检测器响应于在所述光子检测器中响应于所述入射光子而触发的所述雪崩电流而产生的输出电压而产生所述数字输出信号，其中所述反相器将所述光子检测器与数/模转换器隔离。
8.根据权利要求1所述的光电倍增管像素单元，其中所述光子检测器、所述淬灭电路、所述启用电路及所述缓冲电路包含在所述光电倍增管像素单元的模拟部分中，其中所述数/模转换器包含在所述光电倍增管像素单元的模拟部分中，其中数字部分是多个数字部分中的一者，且其中所述光电倍增管像素单元包含耦合到所述模拟部分的所述多个数字部分。
9.根据权利要求1所述的光电倍增管像素单元，其中所述数/模转换器包括：
并联耦合的多个切换电流源，其中所述多个切换电流源中的每一者响应于所述多个缓冲电路中的对应一者的相应数字输出信号而被切换；及
输出电阻器，其耦合到所述多个切换电流源，其中来自所述多个切换电流源的总和电流在所述脉冲宽度间隔内传导通过所述输出电阻器，以产生跨越所述输出电阻器的所述模拟输出信号。
10.一种光感测系统，其包括：
像素阵列，其包含多个光电倍增管像素单元，其中每一像素单元包括：
光子检测器，其经耦合以检测入射光子，其中所述入射光子适于在所述光子检测器中触发雪崩电流；
淬灭电路，其耦合到所述光子检测器以淬灭所述雪崩电流；
启用电路，其耦合到所述光子检测器以响应于启用信号而启用及停用所述光子检测器；
缓冲电路，其耦合到所述光子检测器以响应于在所述光子检测器中触发的所述雪崩电流而产生具有脉冲宽度间隔的数字输出信号；及
数/模转换器，其具有多个输入，其中所述缓冲电路是多个缓冲电路中的第一者，其中所述数/模转换器的所述输入中的第一者耦合到所述多个缓冲电路中的所述第一者以接收多个数字输出信号中的相应一者，其中所述数/模转换器经耦合以产生模拟输出信号，所述模拟输出信号的量值响应于在所述数/模转换器的所述多个输入中的每一者处在所述脉冲宽度间隔内同时接收的数字输出信号的总数目；及
控制器，其耦合到所述像素阵列以控制所述多个光电倍增管像素单元的操作，其中所述控制器进一步经耦合以处理所述模拟输出信号。
11.根据权利要求10所述的光感测系统，其中所述光感测系统包含在线扫描传感器中。
12.根据权利要求10所述的光感测系统，其进一步包括耦合到所述控制器的光源，其中所述光源经耦合以朝向物体发射光，使得所述所发射的光从所述物体反射到所述像素阵列以基于来自所述光源的所述光的飞行时间来确定从所述像素阵列到所述物体的距离。
13.根据权利要求10所述的光感测系统，其中每一像素单元进一步包括：
阈值检测电路，其具有：第一输入，其经耦合以接收来自所述数/模转换器的所述模拟输出信号；及第二输入，其经耦合以接收参考信号，其中所述阈值检测电路经耦合以响应于所述模拟信号及所述参考信号而产生起始信号；及
时间/数字转换器电路，其经耦合以接收所述起始信号，其中所述时间/数字转换器电路经耦合以响应于在所述数/模转换器的所述多个输入处在所述脉冲宽度间隔内同时接收的数字输出信号的阈值数目而处理时间。
14.根据权利要求13所述的光感测系统，其中所述光子检测器安置在第一晶片中，且其中所述淬灭电路、所述启用电路、所述缓冲电路、所述数/模转换器、所述阈值检测电路及所述时间/数字转换器电路安置在第二晶片中，所述第二晶片以堆叠芯片方案与所述第一晶片堆叠。
15.根据权利要求10所述的光感测系统，其中所述光子检测器包括盖革模式单光子雪崩光电二极管SPAD。
16.根据权利要求15所述的光感测系统，其中所述启用电路包括耦合在电压参考端子与所述SPAD之间的晶体管，其中所述晶体管经耦合以响应于所述启用信号而被切换以个别地启用及停用所述SPAD。
17.根据权利要求10所述的光感测系统，其中所述淬灭电路包括有源淬灭电路，所述有源淬灭电路经耦合以产生针对所述数字输出信号的所述脉冲宽度间隔的恒定宽度。
18.根据权利要求10所述的光感测系统，其中所述缓冲电路包括反相器，所述反相器经耦合以响应于由所述光子检测器响应于在所述光子检测器中响应于所述入射光子而触发的所述雪崩电流而产生的输出电压而产生所述数字输出信号，其中所述反相器将所述光子检测器与所述数/模转换器隔离。
19.根据权利要求10所述的光感测系统，其中所述光子检测器、所述淬灭电路、所述启用电路及所述缓冲电路包含在每一像素单元的数字部分中，其中所述数/模转换器包含在每一像素单元的模拟部分中，其中数字部分是多个数字部分中的一者，且其中每一像素单元包含耦合到所述模拟部分的所述多个数字部分。
20.根据权利要求10所述的光感测系统，其中所述数/模转换器包括：
并联耦合的多个切换电流源，其中所述多个切换电流源中的每一者响应于所述多个缓冲电路中的对应一者的相应数字输出信号而被切换；及
输出电阻器，其耦合到所述多个切换电流源，其中来自所述多个切换电流源的总和电流在所述脉冲宽度间隔内传导通过所述输出电阻器，以产生跨越所述输出电阻器的所述模拟输出信号。
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