CN110998360B - 聚合用于全数字单片帧平均接收器的非成像spad架构 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及包括单片单芯片接收器的系统和方法。示例系统包括多个宏像素，每个宏像素由单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列组成。该系统还包括通信地耦合到多个宏像素的相应部分的多个流水线加法器。该系统还包括被配置为执行操作的控制器。该操作包括：在监听周期期间，在多个流水线加法器的每个流水线加法器处，从多个宏像素的相应部分接收相应光电信号。该操作还包括：使多个流水线加法器中的每个流水线加法器提供包括一系列帧的输出，所述一系列帧提供在给定监听周期期间触发的多个宏像素的相应部分的SPAD的平均数量。

Description

聚合用于全数字单片帧平均接收器的非成像SPAD架构
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月7日提交的美国申请No.15/670,082的优先权，其内容通过引用合并于此。
背景技术
除非本文另外指出，否则本节中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且通过包含在本节中不被承认是现有技术。
光检测和测距(LIDAR)设备可以估计在给定环境中到对象的距离。例如，LIDAR系统的发射器子系统可以发射近红外光脉冲，可以与系统环境中的对象发生相互作用。至少一部分光脉冲可以被重定向回LIDAR(例如，由于反射或散射)并由接收器子系统检测。传统的接收器子系统可以包括多个检测器和被配置为确定具有高时间分辨率(例如，约400ps)的相应光脉冲的到达时间的对应控制器。LIDAR系统与给定对象之间的距离可以基于与给定对象相互作用的对应光脉冲的飞行时间来确定。
发明内容
本公开涉及包括单片单芯片接收器的系统和方法。单芯片接收器可以用作全数字“LIDAR片上引擎”。利用这种架构的示例性系统和方法不需要包括并入模拟电路的前端。相反，单片LIDAR接收器可用于从SPAD阵列接收数字或类似数字信号，并执行所有其他信号处理和信号分析，以计算数字域中的范围和强度。
在第一方面，提供一种系统。所述系统包括多个宏像素。多个宏像素中的每个宏像素包括单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列。每个SPAD被配置为当响应于检测到来自系统外部环境的光而被触发时提供相应光电信号。所述系统还包括多个流水线加法器。多个流水线加法器中的每个流水线加法器通信地耦合到多个宏像素的相应部分。所述系统另外包括控制器，包括存储器和至少一个处理器。至少一个处理器执行存储在存储器中的指令以执行操作。所述操作包括：在监听周期期间，在多个流水线加法器的每个流水线加法器处，接收来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号。所述操作还包括：使多个流水线加法器中的每个流水线加法器基于来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号提供输出。输出包括一系列帧。所述一系列帧中的每个帧包括在给定监听周期期间触发的多个宏像素的相应部分的SPAD器件的平均数量。
在第二方面，提供一种方法。所述方法包括：在监听周期期间，在多个流水线加法器的每个流水线加法器处，接收来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号。多个宏像素中的每个宏像素包括单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列。每个SPAD被配置为在响应于检测到来自外部环境的光而被触发时提供相应光电信号。多个流水线加法器中的每个流水线加法器通信地耦合到多个宏像素的相应部分。所述方法还包括：使多个流水线加法器中的每个流水线加法器基于来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号来提供输出。输出包括一系列帧，并且一系列帧中的每个帧包括在给定监听周期期间触发的多个宏像素的相应部分的SPAD器件的平均数量。
通过阅读以下详细描述，并且在适当的情况下参考附图、其他方面、实施例和实现方式对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1A示出根据示例实施例的系统。
图1B示出根据示例实施例的SPAD块。
图2示出根据示例实施例的系统。
图3示出根据示例实施例的几个曲线图。
图4示出根据示例实施例的方法。
具体实施方式
本文描述了示例性方法、设备和系统。应当理解，词语“示例”和“示例性”在本文中被用来表示“用作示例、例子或说明”。本文中描述为“示例”或“示例性”的任何实施例或特征不是必需理解为比其他实施例或特征优选或有利。在不脱离本文提出的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。
因此，本文描述的示例实施例并不意味着是限制性的。如本文一般描述和附图所示，本公开的各方面可以以多种不同构型进行布置，替换，组合，分离和设计，所有这些构想均在本文中考虑。
此外，除非上下文另有说明，否则在每个附图中示出的特征可以彼此结合使用。因此，在理解并非每个示例性实施例都需要所有图示特征的情况下，通常应将附图视为一个或多个总体实施例的组成部分。
Ⅰ.概述
可以以一维或二维阵列格式制造单光子雪崩二极管(SPAD)。这种SPAD检测器阵列可以与光检测和测距(LIDAR)系统一起使用以获得关于LIDAR系统周围的环境的信息。在一些情况下，本文描述的LIDAR系统可以与自主或半自主车辆一起操作。
在一些实施例中，每个SPAD阵列可以包括数千个单元元件(例如，1024、2048或更多个单元元件)。在这种情况下，SPAD阵列的输出可以包括数字或伪数字(例如，模拟阶梯信号)波形，其可以包括指示在任何给定的“监听周期”(例如，2微秒)中已经触发了阵列的多少个SPAD单元元件的信息和每个单元元件被触发时的时间戳。因此，SPAD阵列的输出信号可以使其自身适于全数字处理。
在示例实施例中，LIDAR系统可以包括多个光发射器(例如，近红外激光器)和多个SPAD阵列。每个SPAD阵列可以对应于相应的光发射器。在这种情况下，每个光发射器可以被配置为将光脉冲发射到外部环境中。在与环境中的对象相互作用时，光脉冲的至少一部分可以被反射或散射回LIDAR系统和对应SPAD阵列。对应SPAD阵列可以被配置为检测反射光脉冲的至少一部分。
示例系统和方法包括单片单芯片接收器，可以用作全数字“LIDAR片上引擎”。利用这种架构的示例性系统和方法可以在无需具有模拟电路的前端的情况下运行。替代地，单片LIDAR接收器可用于从SPAD阵列接收数字或类似数字的信号，并执行其他信号处理和信号分析，以计算数字域中的范围和强度。
在示例实施例中，多个SPAD阵列(例如，16、32、64或更多个阵列)可以向一个或多个加法器级、缓冲器和数据流水线提供数字或类似数字的信号。数据流水线可以耦合到快速存储器，诸如SRAM块。在这种情况下，加法器级和流水线可以以串行或并行方式向存储器提供平均帧。在一些实施例中，每个帧可以包括每个SPAD阵列在两个或更多个监听周期内触发的SPAD单元元件的平均数量。在其他实施例中，对于每个SPAD阵列，每个帧可以包括在监听周期(例如，2微秒)的每个时间仓(例如，400皮秒)期间触发的SPAD单元元件的数量。
存储器可以将平均帧提供给脉冲处理块以进行处理。例如，脉冲处理块可以被配置为处理帧以确定脉冲到达时间(例如，确定范围的时间戳)、强度、第一力矩(例如，质心)和/或第二力矩，这可能有助于确定“混合”像素(在其中光脉冲击中对象边缘)。在一些实现方式中，脉冲处理块可以包括大约200,000个电阻晶体管逻辑(RTL)门，但是不同数量和类型的数字逻辑门是可能的并且在本文中被考虑。
在示例实施例中，脉冲处理块可以将每个帧的数字信号转换为每个SPAD阵列的幅度和范围信号。基于系统时钟信号，本文描述的系统的脉冲处理块和其他元件可以以同步方式操作。作为一个示例，系统时钟信号可以包括400皮秒(ps)的时钟周期，但是其他周期也是可能的。在一些示例中，系统时钟信号可以基于可变时钟，其可以被调整以匹配发射块的对应时钟和/或与发射块的对应时钟同步。在其他实施例中，发射块和脉冲处理块可以共享相同时钟信号/源。
在进行脉冲处理之后，可以将脉冲处理块的输出(可以包括系统周围环境的部分或360度点云)提供给高速串行接口，诸如外围组件互连快速(PCIe)总线。PCIe总线可以提供到车辆控制器、无线通信接口等的本地通信链接。
可选地，可以禁用或忽略间质单元(interstitial cell)以避免SPAD阵列之间的串扰，间质单元可以包括接近第二SPAD阵列的对应单元的第一SPAD阵列的SPAD单元。此外，SPAD阵列可以与流水线、存储器、数字逻辑和/或高速串行接口集成在相同晶片/芯片上。另外地或可选地，SPAD阵列可以通过任何数量的三维芯片或晶片规模杂交技术或背面制造技术(诸如但不限于凸点键合，晶圆键合和晶圆通孔(例如，硅通孔(TSV))等)耦合到系统的一个或多个其他元件。
Ⅱ.示例系统
图1A和图1B示出根据示例实施例的系统100的各种部分。在一些实施例中，系统100可以包括用于光检测和测距(LIDAR)系统的接收器子系统。这种LIDAR系统可以被配置为在给定环境中提供关于一个或多个对象(例如，位置、形状等)的信息(例如，点云数据)。在示例实施例中，LIDAR系统可以向车辆提供点云信息、对象信息、地图信息或其他信息。车辆可以是半自动或全自动车辆。例如，车辆可以是自动驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人驾驶卡车或无人驾驶机器人。本文考虑了其他类型的车辆和LIDAR系统。
如图1A所示，系统100的一些或全部元件可以被布置在基底102上。基底102可以包括半导体晶片基底(例如，硅晶片)，尽管其他材料和衬底类型也是可能的。
在一些实施例中，基底102可以包括第一表面。在这种情况下，第一表面可以沿着基底102的主平面布置，并且系统100的一些或全部元件可以沿着基底102的第一表面布置。
系统100包括SPAD块110。SPAD块110包括SPAD阵列112。SPAD阵列112包括以二维阵列格式(例如，正方形阵列、矩形阵列、六边形密排阵列、或不规则阵列)布置的多个SPAD器件114。多个SPAD器件114中的每个SPAD被配置为当响应于检测到来自系统100的外部环境的光而被触发时提供相应的光电信号。例如，每个SPAD可以被配置为检测包括1550nm或780nm中的至少一个波长的光。将理解，其他波长是可能的并且在本文中可以考虑。此外，尽管在本公开中具体讨论了SPAD器件，但是其他光电检测器类型也是可能的。
在示例实施例中，SPAD阵列112可以包括2N个SPAD器件。例如，在一些实施例中，N可以是10或11。也就是说，SPAD阵列112可以包括1024或2048个SPAD器件114。将理解，更大或更小值的N以及更大或更小对应数量的SPAD器件114是可能的并且可以考虑。
SPAD阵列112中的SPAD器件被配置为检测来自共享视场的光。在示例实施例中，系统100可以包括成像光学器件184。在这种情况下，SPAD阵列112可以用于通过成像光学器件184检测来自共享视场的光。
转到图1B，根据示例实施例，SPAD块110可以包括SPAD阵列112，其可以被划分、划界或以其他方式分离为多个宏像素118。在这种情况下，多个宏像素118中的每个宏像素(例如，宏像素A118a、宏像素B 118b、宏像素C 118c和宏像素D 118d)包括SPAD器件的阵列。换句话说，SPAD阵列112可以被分割成多个宏像素118，每个宏像素118由SPAD阵列112的相应部分组成。
此外，如参照图1A示出和描述的，多个流水线加法器116可以通信地耦合到宏像素118。例如，每个流水线加法器(例如，N位流水线加法器116a-d)可以通信地耦合到相应的宏像素118a-d。
在示例实施例中，每个宏像素(例如，宏像素118a-d)可以具有至少8％的光子检测效率。给定宏像素的光子检测效率可以是给定宏像素的SPAD的光子检测概率(PDP)乘以SPAD填充因子(例如，有效SPAD面积/总面积)。
返回图1A，系统100包括多个N位流水线加法器116。N位流水线加法器116耦合到SPAD阵列112的相应部分。也就是说，多个SPAD器件114的相应部分可以通信地耦合到相应N位流水线加法器116。在示例实施例中，每个流水线加法器116可以是10位流水线加法器或11位流水线加法器。其他比特精度加法器是可能的并且可以考虑。
系统100还包括帧聚合块130。帧聚合块130通信地耦合到多个N位流水线加法器116。帧聚合块130可以包括被配置为聚合和/或缓冲连续数据帧的设备。帧聚合块130可以包括加法器电路和/或数字缓冲器电路，被配置为缓冲至少2F个连续数据帧，其中F为至少六。将理解，F可以大于或小于六。
加法器电路可以包括多个N+F位加法器132，并且数字缓冲器电路可以包括多个N+F位缓冲器134。在示例实施例中，帧聚合块130可以被配置为聚合最大数量的帧，最多包括2F个数据帧。
系统100包括具有存储器154和至少一个处理器152的控制器150。在示例实施例中，存储器154包括静态随机存取存储器块，包括至少5千字节(kilobytes)*(N+F)，其中F为至少6。至少一个处理器152可以包括例如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。本文考虑了被配置为执行软件指令的其他类型的处理器、计算机或设备。存储器154可以包括非暂时性计算机可读介质，诸如但不限于只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、非易失性随机存取存储器(例如闪存)、固态驱动器(SSD)、硬盘驱动器(HDD)、压缩盘(CD)、数字视频磁盘(DVD)、数字磁带、读/写(R/W)CD、R/W DVD等。
控制器150可以包括布置在车辆上的计算机、外部计算机或移动计算平台，诸如智能手机、平板设备、个人计算机、可穿戴设备等。另外或可选地，控制器150可以包括或可以是连接到远程计算机系统，诸如云服务器。在示例实施例中，控制器150可以被配置为执行本文描述的一些或所有方法块或步骤。
作为示例，至少一个处理器152可以执行存储在存储器154中的指令，以执行特定操作。操作可以包括本文描述的功能、块或步骤中的一些或全部。在一些实施例中，不同计算设备或控制器可以以各种组合来执行本文描述的各种功能、块或步骤。
例如，操作可以包括，在监听周期期间，在多个N位流水线加法器116的每个流水线加法器处，接收来自多个SPAD阵列112或宏像素118a-d的相应部分的相应光电信号。尽管在图1B中示出了四个宏像素，但是将理解，更多或更少的宏像素是可能的并且在本文中可以考虑。例如，在一些实施例中，多个宏像素118可以包括16、32或64个宏像素中的至少一个。
在一些实施例中，每个宏像素(例如，宏像素118a-d)可以包括1024或2048个SPAD。将理解，其他实施例可以包括具有更多或更少的SPAD元件的宏像素。除其他可能性外，每个宏像素的SPAD元件数量可以基于所希望的动态范围、所希望的背景照明抗扰性、所希望的信噪比(SNR)、当前或预期的成像场景和/或LIDAR系统的其他系统级考虑。
在示例实施例中，每个宏像素可以对应于单独的LIDAR通道。例如，LIDAR系统可以包括16、32或256个光发射器/检测器对，或更多。每个光发射器/检测器对可以被认为是这种LIDAR系统的单个通道。在这种情况下，对每个LIDAR通道，宏像素可以被配置为低级光感测能力。即，相应宏像素可以被配置为在非成像、光子聚集的基础上进行操作，以帮助评估飞行时间测距功能。
操作包括使多个流水线加法器116中的每个流水线加法器(例如，N位流水线加法器116a-d)基于来自多个宏像素118的相应部分的相应光电信号来提供输出。输出包括一系列帧。在这种情况下，一系列帧中的每个帧可以包括在给定监听周期期间触发的多个宏像素118的相应部分的SPAD器件的平均数量。
在示例实施例中，监听周期可以在300-500皮秒的闭区间内。将理解，监听周期可以包括另一持续时间或持续时间范围。这样的其他实施例都在本文中考虑。
在示例实施例中，可以将多个宏像素118、多个流水线加法器116和控制器150布置在基板102上，以提供单片单芯片接收器。
在一些实施例中，系统100可以另外包括通信地耦合到帧聚合块130的脉冲处理块160。在这种情况下，控制器150可以被配置为执行附加操作，诸如使脉冲处理块160基于一系列帧确定脉冲到达时间或脉冲强度中的至少一个。在一些示例中，脉冲处理块160可以包括至少200,000个电阻晶体管逻辑(RTL)门。将理解，更多或更少的RTL门是可能的并且在本文中可以考虑。
在一些示例实施例中，系统100还包括输出块170。输出块170可以通信地耦合到脉冲处理块160。输出块170包括高速串行接口172。在这种情况下，控制器150可以被配置为执行进一步的操作，诸如使输出块170基于处理后的一系列帧来提供串行输出。串行输出可以被提供给例如对象识别块、导航块或另一种类型的车辆感知/动作处理或算法。
在示例实施例中，高速串行接口172包括通信地耦合到车辆控制器或无线通信接口(例如，通信接口180)中的至少一个的外围组件互连快速(PCIe)总线。
在一些实施例中，系统100包括时钟182。时钟182可以被配置为提供一个或多个本地和/或全局时钟信号。与多个宏像素118、多个流水线加法器116、帧聚集块130、脉冲处理块160和输出块170相关联的至少一些操作是基于时钟信号的。
系统100可以包括通信接口180。通信接口180可以被配置为提供系统100的相应元件之间的通信链路，诸如控制器150、SPAD块110、帧聚合块130、脉冲处理块160、输出块170、成像光学器件184、时钟182、一个或多个计算网络和/或其他车辆。
通信接口180可以是例如被配置为直接或经由通信网络在一个或多个其他车辆、传感器或本文描述的其他元件之间提供有线或无线通信的系统。为此，通信接口180可以包括天线和芯片组，用于直接或经由通信网络与其他车辆、传感器，服务器或其他实体进行通信。通常，芯片组或通信接口180可以被布置为根据一种或多种类型的无线通信(例如，协议)进行通信，诸如蓝牙、蓝牙低能耗(BLE)、IEEE 802.11中描述的通信协议(包括任何IEEE802.11修订版)、蜂窝技术(诸如GSM、CDMA、UMTS、EV-DO、WiMAX或LTE)、ZIGBEE、专用短距离通信(DSRC)和射频识别(RFID)通信等。通信接口180也可以采用其他形式。
图2示出根据示例实施例的系统200。系统200示出如本文所述的SPAD器件的可能布置。在一些实施例中，系统200可以与参照图1A示出和描述的SPAD块110或SPAD阵列112相似或相同。
系统200可以包括基板202、第一宏像素210和第二宏像素220。第一宏像素210可以包括第一多个SPAD器件212，且第二宏像素220可以包括第二多个SPAD器件222。在一些实施例中，SPAD器件212和222可以沿着基板202的表面以正方形阵列或矩形阵列布置。其他布置也是可能的，诸如六边形密堆积阵列或不规则阵列。尽管在图2中示出了两个宏像素210和220，但是在本公开的上下文中可以考虑更多或更少的宏像素。
在一些实施例中，SPAD设备212和222可以光学耦合到相应微透镜213和223。也就是说，在一些示例中，微透镜阵列可以耦合到每个宏像素。微透镜213和223可以包括折射或衍射光学器件。其他类型的光学设备也是可能的。例如，光学设备可以被配置为聚焦光、准直光、发散光或以其他方式调节外部环境与相应SPAD器件212和22之间的光路。
尽管在此未示出，但是在一些示例实施例中，多个SPAD器件114的相应SPAD可以例如通过晶圆通孔和/或凸点键合的相应阵列的方式耦合到第二基板上的光电检测器输出电路(例如，读出集成电路(ROIC))。本文考虑了涉及检测器/电路杂交的其他实施例。
图3示出根据示例实施例的曲线图300和曲线图310。曲线图300包括在相应时间仓期间触发的SPAD单元元件的整数数量。在一些实施例中，时间仓的每个持续时间可以是400皮秒，但是其他持续时间是可能的并且可以考虑。如曲线图300所示，数据可以包括某些特征，诸如局部峰值302和304。趋势线306可以指示随时间触发的SPAD单元元件的滚动平均数量。趋势线306可以包括数字或伪数字(例如，模拟阶梯信号)波形。
曲线图310可以包括每时间仓触发的SPAD单元元件的平均数量。具体地，曲线图310可以包括趋势线316，该趋势线316包括在一个或多个监听周期内触发的SPAD元件的平均数量。在示例实施例中，监听周期可以是2微秒。然而，可以考虑更长或更短的监听周期。如图所示，曲线图310可以包括趋势线306的时间压缩版本，如参考图3所示和所述。也就是说，曲线图300的局部峰值302和304可以被表示为曲线图310中的局部峰值312和314。将理解，不同的场景(例如，由于外部环境的视场中的各种对象或变化对象)可以提供不同的趋势线形状和值。
如本文其他地方所述，趋势线306和趋势线316的各种特征可用于确定例如外部环境中到给定对象的距离。此外，趋势线306和/或趋势线316可以至少部分地由脉冲处理块160或和系统100的另一元件来处理，如图1A示出和描述。例如，脉冲处理块160可以被配置为处理一个或多个帧(例如，来自一个或多个监听周期的信息)，以便确定一个或多个脉冲到达时间或飞行时间测量。附加地或可选地，脉冲处理块160可以基于趋势线306或趋势线316确定强度、第一力矩(例如，质心)或第二力矩(例如，方差)。其他类型的处理可以通过脉冲处理块160执行以便提供关于外部环境中的对象的信息(例如，点云)。
Ⅲ.示例方法
图4示出根据示例实施例的方法400。方法400可以全部或部分地由系统100、SPAD块110、控制器150或系统200来执行，如参照图1A、图1B和图2示出和描述。方法400可以包括与参照图1A、图1B和图2示出和描述的相似或相同的元件。将理解，与本文明确公开的步骤或块相比，方法400可以包括更少或更多的步骤或块。此外，方法400的各个步骤或块可以以任何顺序执行，并且每个步骤或块可以执行一次或多次。
块402包括，在监听周期期间，在多个流水线加法器的每个流水线加法器处，接收来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号。多个宏像素中的每个宏像素包括单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列。每个SPAD被配置为当响应于检测到来自外部环境的光而被触发时提供相应光电信号。多个流水线加法器中的每个流水线加法器通信地耦合到多个宏像素的相应部分。
在包括LIDAR系统的发送块的实施例中，光源可以发射光脉冲，其可以与外部环境中的对象相互作用。光源可以被布置成接近接收器块或被布置在另一位置。在示例实施例中，光源可以包括被配置为发射近红外光脉冲的一个或多个激光器。至少一部分发射的光脉冲可以被外部环境中的对象反射或散射回SPAD器件。在这种情况下，SPAD器件可以接收反射或散射的光，这些光可以指示外部环境中的对象。
块404包括使多个流水线加法器中的每个流水线加法器基于来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号来提供输出。输出包括一系列帧，并且一系列帧中的每个帧包括在给定监听周期期间触发的多个宏像素的相应部分的SPAD器件的平均数量。在一些实施例中，输出可以类似于图形300和310的输出，如图3示出和描述。
方法400可以可选地包括使帧聚合块聚合一系列帧。在这种情况下，帧聚合块包括加法器电路和数字缓冲器电路，其中，聚合帧的最大数量至少为2F，其中F为至少6。
附加地或可选地，方法400可以包括使脉冲处理块基于一系列帧来确定脉冲到达时间或脉冲强度的至少一个。在这种情况下，方法400可以可选地包括基于处理的一系列帧使输出块提供串行输出。
附图中所示的特定布置不应视为限制性的。应当理解，其他实施例可以包括比给定图中所示的每个元件更多或更少的元件。此外，一些示出的元件可以被组合或省略。更进一步，说明性实施例可以包括图中未示出的元件。
表示信息处理的步骤或块可以对应于可以被配置为执行本文描述的方法或技术的特定逻辑功能的电路。可选地或附加地，表示信息处理的步骤或块可以对应于模块、段、物理计算机(例如，现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))或程序代码的一部分(包括相关数据)。程序代码可以包括一个或多个可由处理器执行的指令，用于在方法或技术中实现特定逻辑功能或动作。程序代码和/或相关数据可以存储在任何类型的计算机可读介质上，诸如包括磁盘、硬盘驱动器或其他存储介质的存储设备。
计算机可读介质还可以包括非暂时性计算机可读介质，诸如短时间存储数据的计算机可读介质，诸如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(RAM)。计算机可读介质还可以包括非暂时性计算机可读介质，长时间存储程序代码和/或数据。因此，计算机可读介质可以包括二级或永久长期存储，例如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、压缩盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读介质也可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。例如，计算机可读介质可以被认为是计算机可读存储介质或有形存储设备。
尽管已经公开了各种示例和实施例，但是其他示例和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。各种公开的示例和实施例是出于说明的目的，而不是要进行限制，其真实范围由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种光检测和测距(LIDAR)系统，包括：
多个宏像素，其中，多个宏像素中的每个宏像素包括单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列，其中，每个SPAD被配置为当响应于检测到来自系统的外部环境的光而被触发时提供相应光电信号；
多个流水线加法器，其中，多个流水线加法器中的每个流水线加法器通信地耦合到多个宏像素的相应部分；以及
控制器，包括存储器和至少一个处理器，其中，至少一个处理器执行存储在存储器中的指令以执行操作，所述操作包括：
在监听周期期间，在多个流水线加法器的每个流水线加法器处，接收来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号；和
使多个流水线加法器中的每个流水线加法器基于来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号提供输出，其中，输出包括一系列帧，其中，所述一系列帧中的每个帧包括在给定监听周期期间触发的多个宏像素的相应部分的SPAD的平均数量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，多个宏像素、多个流水线加法器和控制器被布置在基板上，以提供单片单芯片接收器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，多个宏像素包括2N个宏像素，并且多个流水线加法器包括N位流水线加法器，其中，N至少为10。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括帧聚合块，通信地耦合到多个流水线加法器，其中所述操作还包括使帧聚合块对一系列帧进行聚合，其中所述帧聚合块包括加法器电路和数字缓冲器电路，其中聚合帧的最大数量至少为2F，其中，F至少为6。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，存储器包括静态随机存取存储块，包含至少5千字节*(N+F)，其中，F至少为6。
6.根据权利要求4所述的系统，还包括脉冲处理块，通信地耦合到帧聚合块，其中，所述操作还包括使脉冲处理块基于一系列帧确定脉冲到达时间或脉冲强度中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，脉冲处理模块包括至少200,000个电阻晶体管逻辑(RTL)门。
8.根据权利要求6所述的系统，还包括输出块，其中输出块通信地耦合至脉冲处理块，其中输出块包括高速串行接口，其中所述操作还包括使输出块基于处理后的一系列帧提供串行输出。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，高速串行接口包括外围组件互连快速(PCIe)总线，通信地耦合到车辆控制器或无线通信接口中的至少一个。
10.根据权利要求8所述的系统，还包括：时钟，被配置为提供时钟信号，其中，多个宏像素、多个流水线加法器、帧聚合块、脉冲处理块和输出块的至少一些操作基于时钟信号。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，每个SPAD被配置为检测包括1550nm或780nm中的至少一个的波长的光。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，每个宏像素的光子检测效率包括在给定宏像素中给定SPAD的光子检测概率(PDP)乘以SPAD填充因子，其中每个宏像素的光子检测效率至少为8％。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，监听周期在300到500皮秒的闭区间内。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括微透镜阵列，耦合到每个宏像素。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，每个宏像素包括1024或2048个SPAD中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，多个宏像素包括16、32或64个宏像素中的至少一个。
17.一种光检测和测距(LIDAR)方法，包括：
在监听周期期间，在多个流水线加法器的每个流水线加法器处，接收来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号，其中多个宏像素中的每个宏像素包括单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列，其中每个SPAD被配置为当响应于检测到来自外部环境的光而被触发时提供相应光电信号，其中多个流水线加法器中的每个流水线加法器通信地耦合到多个宏像素的相应部分；以及
使多个流水线加法器中的每个流水线加法器基于来自多个宏像素的相应部分的相应光电信号来提供输出，其中，输出包括一系列帧，其中，所述一系列帧中的每个帧包括在给定监听周期期间触发的多个宏像素的相应部分的SPAD的平均数量。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：使帧聚合块对一系列帧进行聚合，其中所述帧聚合块包括加法器电路和数字缓冲器电路，其中聚合帧的最大数量至少为2F，其中，F至少为6。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：使脉冲处理块基于一系列帧确定脉冲到达时间或脉冲强度中的至少一个。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：使输出块基于处理后的一系列帧提供串行输出。
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