CN111983589A - 单光子雪崩二极管（spad）微单元阵列及其操作方法 - Google Patents

单光子雪崩二极管（spad）微单元阵列及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例总体上涉及单光子雪崩二极管(SPAD)微单元阵列及其操作方法。一种数字光检测器，包括时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，该时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；单光子雪崩二极管(SPAD)，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，该SPAD包括内部耦合在阳极端子与阴极端子之间的内部电容器；以及主动抑制‑再充电电路，其由时钟信号触发。该主动抑制‑再充电电路被配置为基于时钟信号而被激活和停用，其中主动抑制‑再充电电路被配置为在激活主动抑制‑再充电电路的条件下，为内部电容器再充电，并且其中主动抑制‑再充电电路被配置为在停用主动抑制‑再充电电路的条件下，使内部电容器放电。

Description

单光子雪崩二极管(SPAD)微单元阵列及其操作方法
技术领域
本公开总体上涉及光电检测器阵列，更具体地涉及一种单光子雪崩二极管(SPAD)微单元阵列。
背景技术
光检测和测距(LIDAR)是一种遥感方法，其使用脉冲激光形式的光来测量与视场中一个或多个物体相距的范围(可变距离)。具体地，光朝向物体传输。单个光电检测器或光电检测器阵列接收来自被光照射的物体的反射，并且确定反射到达光电检测器阵列中各种传感器所花费的时间。这也称为测量飞行时间(ToF)。LIDAR系统形成深度测量，并且通过基于飞行时间计算将距离映射到物体进行距离测量。因此，飞行时间计算可以创建可以用于生成图像的距离图和深度图。
光电检测器阵列生成模拟电信号，该模拟电信号需要转换为数字域，以便执行ToF测量。例如，ADC可以用于信号检测和ToF测量。在这种情况下，每个ADC可以用来检测来自一个或多个光电二极管的模拟电信号，以使用适当算法估计开始信号(即，与传输的光脉冲的时间相对应)与停止信号(即，与在ADC处接收模拟电信号的定时相对应)之间的时间间隔。另外，在ADC接收到模拟电信号之前，电信号可以通过跨阻放大器(TIA)，该跨阻放大器将模拟电信号从例如电流转换为电压。因此，使用典型光电检测器阵列的LIDAR接收器需要TIA和ADC来获取LIDAR传感器数据并且执行ToF测量。最终需要更多功率，并且导致测量精度降低以及响应时间变慢。
因此，可能期望一种可以用于LIDAR接收器系统的数字光电检测器阵列。
发明内容
一个或多个实施例提供了一种数字光检测器，包括时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，该时钟信号具有以预先确定的频率生成的时钟脉冲；单光子雪崩二极管(SPAD)，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，该SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在阳极端子与阴极端子之间的内部电容器；以及主动抑制-再充电电路，其由时钟信号触发。该主动抑制-再充电电路被配置为基于时钟信号而被激活和停用，其中主动抑制-再充电电路被配置为在激活主动抑制-再充电电路的条件下为内部电容器再充电，并且其中主动抑制-再充电电路被配置为在停用主动抑制-再充电电路的条件下使内部电容器放电。
一个或多个实施例提供一种数字光检测器的操作方法。该方法包括：提供偏置电压电位；生成时钟信号，该时钟信号具有以预先确定的频率生成的时钟脉冲；响应于接收到光子而接通单光子雪崩二极管(SPAD)并且生成雪崩电流，其中该SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在阳极端子与阴极端子之间的内部电容器；基于时钟信号来控制主动抑制-再充电电路的激活状态；在激活主动抑制-再充电电路的条件下，为内部电容器充电；以及在停用主动抑制-再充电电路的条件下，使内部电容器放电。
一个或多个实施例提供了一种数字硅光电倍增管(SiPM)设备，包括时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，该时钟信号具有以预先确定的频率生成的时钟脉冲；以及微单元阵列。每个微单元包括单光子雪崩二极管(SPAD)，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，该SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在阳极端子与阴极端子之间的内部电容器；主动抑制-再充电电路，其由时钟信号触发，其中主动抑制-再充电电路被配置为基于时钟信号而被激活和停用，其中该主动抑制-再充电电路被配置为在激活主动抑制-再充电电路的条件下，为内部电容器充电，其中主动抑制-再充电电路被配置为在停用主动抑制-再充电电路的情况下，使内部电容器放电；以及数字输出，其被配置为输出与在主动抑制-再充电电路的输出节点处生成的电位相对应的数字值。该数字SiPM设备还包括求和电路，其被配置为从微单元阵列接收数字值，并且基于数字值的和来生成针对SiPM的数字像素值。
一个或多个实施例提供了一种同步操作数字硅光电倍增管(SiPM)的多个单光子雪崩二极管(SPAD)的方法。该方法包括：提供偏置电压电位；生成时钟信号，该时钟信号具有以预先确定的频率生成的时钟脉冲；向数字SiPM的多个微单元提供时钟信号，其中多个微单元中的每个微单元包括多个SPAD中的对应SPAD、以及由时钟信号触发的对应的主动抑制-再充电电路；基于时钟信号来控制每个主动抑制-再充电电路的激活状态；在激活对应主动抑制-再充电电路的条件下，为多个SPAD中的对应SPAD的内部电容器充电；以及在停用主动抑制-再充电电路的条件下，使多个SPAD中的对应SPAD的内部电容器放电。
一个或多个实施例提供一种系统，其被配置为灵活配置至少一个硅光电倍增管(SiPM)。该系统包括微单元阵列，每个微单元包括单光子雪崩二极管(SPAD)，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，该SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在阳极端子与阴极端子之间的内部电容器；主动抑制-再充电电路，其由时钟信号触发，其中该主动抑制-再充电电路被配置为基于时钟信号而被激活和停用，其中主动抑制-再充电电路被配置为在激活主动抑制-再充电电路的条件下，为内部电容器再充电，其中主动抑制-再充电电路被配置为在停用主动抑制-再充电电路的情况下，使内部电容器放电；以及数字输出，其被配置为输出与在主动抑制-再充电电路的输出节点处生成的电位相对应的数字值。该系统还包括控制器，该控制器被配置为对微单元阵列的一部分微单元进行动态分组以形成SiPM。
附图说明
本文中，参考附图，对实施例进行描述。
图1是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统的示意图；
图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统的示意性框图。
图3A是根据一个或多个实施例的数字SiPM像素(即，2D SiPM像素)的示意图；
图3B是根据一个或多个实施例的2D SiPM像素阵列的示意图；
图4图示了根据一个或多个实施例的配置有同步主动再充电的数字微单元；
图5A至图5D图示了根据一个或多个实施例的与晶体管串联布置的SPAD的主动再充电周期；
图6是根据一个或多个实施例的数字传感器元件的示意图；
图7A和图7B图示了根据一个或多个实施例的可配置数字SiPM的概念；以及
图8是根据一个或多个实施例的层级加法器树的示意图。
具体实施方式
在下文中，参照附图，对各种实施例进行详细描述。应当指出，这些实施例仅用于说明目的，而不应被解释为限制。例如，虽然实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但是这不应被解释为表明需要所有这些特征或元件来实现实施例。取而代之的是，在其他实施例中，特征或元件中的一些特征或元件可以被省略，或者可以由备选特征或元件替换。此外，可以提供除了明确示出和描述的特征或元件之外的其他特征或元件，例如，传感器设备的传统部件。
除非另外特别指出，否则可以组合来自不同实施例的特征以形成其他实施例。关于实施例中的一个实施例所描述的变化或修改还可以适用于其他实施例。在一些实例中，以框图的形式而非详细地示出了公知结构和设备，以免模糊实施例。
进一步地，在以下描述中使用等同或相似附图标记表示等同或相似元件或具有等同或相似功能的元件。由于在附图中相同或功能等同的元件被赋予相同附图标记，所以可以省略针对具有相同附图标记的元件的重复描述。因此，为具有相同或相似附图标记的元件提供的描述可以相互交换。
除非另有说明，否则附图中所示出的或本文中所描述的元件之间的连接或耦合可以是基于有线的连接或无线连接。更进一步地，只要基本上维持连接或耦合的一般目的(例如，传输某种信号或传输某种信息)，这种连接或耦合就可以是无需附加中间元件的直接连接或耦合，或者可以是具有一个或多个附加中间元件的间接连接或耦合。
在本公开中，包括序数的表达(诸如“第一”、“第二”等)可以修改各种元件。然而，这样的元件不受以上表达的限制。例如，以上表达不会限制元件的顺序和/或重要性。上述表达仅用于将一个元件与其他元件区分开的目的。例如，尽管第一框和第二框都是框，但是它们指示不同的框。对于其他示例，在不背离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，同样，第二元件也可以被称为第一元件。
实施例涉及光学传感器和光学传感器系统，并且涉及获得关于光学传感器和光学传感器系统的信息。传感器可以是指将要测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的部件。物理量可以例如包括电磁辐射，诸如可见光、红外(IR)辐射或其他类型的照射信号、电流或电压，但不限于此。例如，图像传感器可以是相机内部的硅芯片，其将来自透镜的光的光子转换为电压。传感器的主动区域越大，就可以收集越多的光来创建图像。
如本文中所使用的传感器设备可以是指包括传感器和其他部件(例如，偏置电路系统、模数转换器或滤波器)的设备。尽管在其他实施例中，多个芯片或芯片外部的部件可以用于实现传感器设备，但是传感器设备可以集成在单个芯片上。
在光检测和测距(LIDAR)系统中，光源将光脉冲传输到视场中，并且光通过后向散射从一个或多个物体反射。具体地，LIDAR是直接飞行时间(ToF)系统，其中光脉冲(例如，红外光的激光束)被发射到视场中，并且像素阵列检测并且测量反射束。例如，光电检测器阵列接收来自被光照射的物体的反射。
当前，光电检测器阵列可以用于测量反射光。光电检测器阵列可以是一维(1D)阵列，其由以单列布置的多个光电检测器(像素)行组成；还可以是二维(2D)阵列，其由以网格状装置布置的多个光电检测器(像素)行和多个光电检测器(像素)列组成。每个像素行或相邻像素行组可以作为原始数字数据形式的测量信号而被读出。每个测量信号可以包括与选择的一个或多个像素行相对应的、来自单个像素列或来自两个或更多个像素列的数据。
然后，每个光脉冲跨越像素阵列的多个像素的返回时间的差异可以用于制作环境的数字3D表示或生成其他传感器数据。例如，光源可以发射单个光脉冲，并且电耦合到像素阵列的接收器电路可以从发射光脉冲的时间(与开始信号相对应)开始计数，直到在接收器处(即，在像素阵列处)接收到反射光脉冲的时间(与停止信号相对应)为止。然后，光脉冲的“飞行时间”被变换为距离。
诸如摆动水平扫描之类的扫描(例如，从视场的左到右和从右到左)可以以连续扫描方式照射场景。光源每次激发激光束都会在“视场”中产生扫描线。通过沿不同的扫描方向发射连续的光脉冲，可以扫描被称为视场的区域，并且可以检测并成像该区域内的物体。因此，视场表示具有投影中心的扫描平面。还可以使用光栅扫描。
图1是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统100的示意图。LIDAR扫描系统100是光学扫描设备，包括发射器，其包括照射单元10、发射器光学器件11、以及一维(1D)MEMS反射镜12(1D MEMS扫描器)；以及接收器，其包括主光学器件14和光学接收器15。图示中的光学接收器15是2D光电检测器阵列15。如根据图2所进一步所描述的，接收器还可以包括接收器电路系统，诸如数据采集/读出电路系统和数据处理电路系统。
虽然这种装置表示一种LIDAR系统的一个示例，但是应当领会，还可以使用其他类型的LIDAR系统，诸如用于闪光灯LIDAR的LIDAR系统。另外，可以旋转LIDAR扫描系统100，以沿不同的扫描方向进行扫描。例如，LIDAR扫描系统100可以被旋转90°，以在竖直方向上而非水平方向上扫描。因此，本文中所描述的实施例不限于特定类型的光发射器或TOF系统，并且还可以应用于其他类型的TOF系统。
返回到图1，光电检测器阵列15(无论其是2D阵列还是1D阵列)被布置为使得预期视场竖直地映射在光电检测器阵列15的竖直延伸部上。接收光束将依据接收的光束的竖直角度而仅击中检测器阵列的特定行或行组。预期视场还水平地映射在2D光电检测器阵列的水平延伸部上。
光电检测器阵列15是数字光电检测器阵列(即，数字硅光电倍增管阵列)。数字光电检测器阵列包括数字硅光电倍增管(SiPM)阵列。每个SiPM包括多个微单元，每个微单元包括单光子雪崩二极管(SPAD)。因此，每个SiPM包括SPAD阵列。
单光子雪崩二极管(SPAD)是一种固态光电检测器，其中光子生成的载流子(经由内部光电效应)可以触发持续时间短但相对较大的雪崩电流。这种雪崩通过被称为碰撞电离的机制产生，凭借这种机制，载流子(电子和/或空穴)通过大电位梯度(电压)被加速为高动能。如果载流子的动能足够(根据块状材料的电离能)，则其他载流子就会从原子晶格中释放出来。因此，在一些情况下，载流子的数目从仅有的单个载流子呈指数增长。结果，SPAD是在高于击穿的情况下操作的光电二极管，其中每个检测的光子都会产生雪崩，因此，可以将每个检测的光子计数。
像雪崩光电二极管(APD)一样，当反向偏置时，SPAD利用p–n结的入射辐射触发的雪崩电流。SPAD与APD之间的根本区别在于，SPAD被专门设计为在远高于其击穿电压的反向偏置电压的情况下操作。这种操作也称为盖革模式(与APD情况下的线性模式相对)。这类似于盖革计数器。
在该示例中，照射单元10包括三个光源(例如，激光二极管或发光二极管)，其以单条形式线性对齐，并且被配置为传输用于扫描物体的视场的光。尽管还可以使用具有另一波长的光，但是由光源发射的光通常是红外光。从图1的实施例中可以看出，由光源发射的光的形状在垂直于传输方向的方向上扩散，以形成垂直于传输方向的、具有长方形形状的光束。从光源传输的照射光被引导朝向发射器光学器件11，该发射器光学器件11被配置为将每个激光聚焦到一维MEMS反射镜12上。例如，发射器光学器件11可以是透镜或棱镜。
当被MEMS反射镜12反射时，来自光源的光竖直对齐，以针对每个发射的激光束形成红外光的一维竖直扫描线SL或红外光的竖直条。照射单元10的每个光源有助于构成竖直扫描线SL的不同竖直区域。因此，可以同时地激活和同时地停用光源以获得具有多个竖直分段的光脉冲，其中每个竖直分段与相应的光源相对应。然而，通过接通或关断照射单元10的光源中的对应的光源，竖直扫描线SL的每个竖直区域或分段还可以独立活动或不活动。因此，光的部分或整个竖直扫描线SL可以从系统100输出到视场中。
因而，系统100的发射器是光学装置，其被配置为基于激光脉冲来生成激光束，该激光束具有在垂直于激光束的传输方向的方向上延伸的长方形形状。从图1中可以看出，光源中的每个光源与视场中的不同垂直区域相关联，使得每个光源仅将竖直扫描线照射到与光源相关联的竖直区域中。例如，第一光源照射到第一竖直区域中，而第二光源照射到与第一竖直区域不同的第二竖直区域中。
另外，虽然示出了三个激光源，但是应当领会，激光源的数目不被它们所限制。例如，竖直扫描线SL可以由单个激光源、两个激光源或三个以上的激光源生成。
MEMS反射镜12是集成在半导体芯片(未示出)上的机械移动反射镜(即，MEMS微反射镜)。根据该实施例的MEMS反射镜12被配置为围绕单个扫描轴旋转，并且可以说仅具有一个自由度用于扫描。与2D-MEMS反射镜(2D MEMS扫描器)不同，在1D MEMS反射镜中，单个扫描轴固定到非旋转衬底，因此在MEMS反射镜的摆动期间维持其空间方位。由于旋转的该单个扫描轴，MEMS反射镜12被称为1D MEMS反射镜或1D MEMS扫描器。应当领会，还可以使用围绕两个正交扫描轴线摆动的2D MEMS反射镜。通常，1D MEMS反射镜将激光的扫描线传输到视场中。相比之下，2D MEMS反射镜将激光的扫描斑传输到视场中。
MEMS反射镜12被配置为围绕单个扫描轴线13“边对边”摆动，使得从MEMS反射镜12反射的光(即，光的竖直扫描线)在水平扫描方向上来回摆动。扫描周期或摆动周期例如由从视场的第一边缘(例如，左侧)到视场的第二边缘(例如，右侧)然后再返回到第一边缘的一个完整摆动定义。MEMS反射镜12的反射镜周期与扫描周期相对应。
因此，通过改变MEMS反射镜12在其扫描轴线13上的角度，视场在水平方向上由竖直光条进行扫描。例如，MEMS反射镜12可以被配置为沿水平扫描方向在+/-15度之间摆动，以使光转向超过+/-30度(即，60度)，构成视场的水平扫描范围。因此，可以通过MEMS反射镜12在其运动程度上的旋转来逐线扫描视场。经过运动度(例如，从-15度到+15度，反之亦然)的一个这种序列被称为单次扫描。因此，每个扫描周期使用两次扫描。多次扫描可以被用于生成距离图和深度图，并且通过处理单元生成3D图像。深度图和图像的水平分辨率取决于MEMS反射镜12的旋转角在两次扫描之间的递增步长的大小。
虽然在MEMS反射镜的上下文中对透射镜进行了描述，但是应当领会，还可以使用其他1D反射镜或甚至2D反射镜。另外，旋转程度不限于+/-15度，并且视场可以根据应用增加或减小。因此，一维扫描反射镜被配置为围绕单个扫描轴摆动，并且将不同方向上的激光束引导到视场中。因此，传输技术包括将光束从围绕单个扫描轴摆动的透射镜传输到视场中，使得光束作为竖直扫描线SL而被投射到视场中，其随着透射镜围绕单个扫描轴摆动而横跨视场水平地移动。与使用激光点的用于扫描视场的2D扫描反射镜(其要求发射器更多次发射来扫描视场)相比较，使用1D扫描反射镜的LIDAR系统可以使用照射单元10(即，发射器)的更宽松的发射率。另外，与2D扫描反射镜相比较，使用1D扫描镜的LIDAR系统通常更能抵抗冲击和振动，因此非常适合于汽车应用。
在撞击一个或多个物体时，传输的竖直光条通过向后朝向的LIDAR扫描系统100后向散射反射，作为反射竖直线线，其中第二光学部件14(例如，透镜或棱镜)接收反射光。第二光学部件14将反射光引导到光电检测器阵列15上，该光电检测器阵列15接收反射光作为接收线RL并且被配置为生成电测量信号。光电检测器阵列15基于接收的光来生成数字测量信号。电测量信号可以用于基于反射光(例如，经由ToF计算和处理)来生成环境和/或其他物体数据的3D图。
接收线RL被示为光的竖直列，其在像素列的纵向方向上沿着像素列中的一个像素列延伸。接收线具有与图1所示的竖直扫描线SL的竖直区域相对应的三个竖直区域。在竖直扫描线SL跨越视场水平地移动时，入射在2D光电检测器阵列15上的光RL的竖直列也跨越2D光电检测器阵列15水平地移动。在反射光束RL的接收方向改变时，反射光束RL从光电检测器阵列15的第一边缘移动到光电检测器阵列15的第二边缘。反射光束RL的接收方向与扫描线SL的传输方向相对应。
在使用1D光电检测器阵列而非2D光电检测器阵列的系统中，每个光束(即，每个接收线RL)被投射到检测器阵列的列上。
光电检测器阵列15由光电倍增管(SiPM)阵列构成。每个SiPM可以被称为SiPM像素或SiPM单元。每个SiPM包括多个微单元(即，SPAD单元)，每个微单元包括SPAD。在本文中所提供的示例中，光电检测器阵列15是包括SiPM像素的阵列的二维(2D)SiPM阵列。如上文所指出的，光电检测器阵列15可以是包括单个光电二极管列的1D阵列。光电二极管的激活可以与照射单元10所发射的光脉冲同步。
光电检测器阵列15接收反射光脉冲作为接收线RL，并且响应于此而生成电信号。由于从照射单元10传输每个光脉冲的时间已知，并且因为光以已知速度行进，所以使用电信号的飞行时间计算可以确定物体与光电检测器阵列15相距的距离。深度图可以绘制距离信息。
在一个示例中，对于每个距离采样，微控制器触发来自照射单元10的光源中的每个光源的激光脉冲，并且还启动时间数字转换器(TDC)集成电路(IC)中的计时器。激光脉冲通过传输光学器件传播，被目标场反射，并且由光电检测器阵列15的一个或多个接收光电二极管捕获。每个接收光电二极管发射短电脉冲，该短电脉冲由读出电路读出。
比较器IC识别脉冲并且将数字信号发送到TDC以停止计时器。TDC使用时钟频率校准每个测量。TDC向微控制器发送开始数字信号与停止数字信号之间的差分时间的串行数据，该微控制器会过滤掉任何误差读数，对多个时间测量求平均，并且计算与特定场位置处的目标相距的距离。通过在由MEMS反射镜12建立的不同方向上发射连续光脉冲，可以扫描区域(即，视场)，可以生成三维图像，并且可以检测该区域内的物体。
当作为竖直扫描线SL的激光能量脉冲从MEMS反射镜12的表面进入视场时，反射脉冲在激光照射视场中的物体时出现。这些反射脉冲作为光的竖直列到达光电检测器阵列15，这些反射脉冲的宽度例如为一个光电检测器像素并且其长度在纵向方向上至少部分地沿着光电检测器阵列15的像素列竖直地横跨。也就是说，像素列中的所有光电检测器像素或像素列的光电检测器像素的一部分可以接收光条。例如，在一个实例中，照射单元10的所有光源可以用于生成扫描线SL/接收线RL。在这种情况下，接收线RL可以在纵向方向上沿着整个像素列延伸。在另一实例中，仅光源的的子集可以用于生成扫描线SL/接收线RL。在这种情况下，接收线可以在纵向方向上仅沿着像素列的一部分延伸。
在一些实例中，两个或更多个像素列可以接收来自同一光条的光。例如，当接收的光条的一部分撞击在两个光电检测器像素之间的区域上时，两个像素列可以接收光。在这种情况下，两个像素列可以在宽度方向上被单个光条部分地照射。
另一方面，如上所述，如果照射单元10生成部分竖直扫描线SL，则仅光电检测器阵列15的部分像素列可以在纵向方向上被照射。
光电检测器阵列15被配置为基于反射光(例如，经由TOF计算和处理)来生成用于生成环境的3D图的数字测量信号(电信号)。
图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统200的示意性框图。具体地，图2示出了LIDAR扫描系统200的附加特征，其包括示例处理和控制系统部件，诸如MEMS驱动器、接收器电路和系统控制器。
LIDAR扫描系统200包括发射器单元21，其负责系统200的发射器路径；以及接收器单元22，其负责系统200的接收器路径。该系统还包括系统控制器23，其被配置为控制发射器单元21和接收器单元22的部件，以及从接收器单元22接收原始数据并且对其执行处理(例如，经由数字信号处理)用于生成物体数据(例如，点云数据)。因此，系统控制器23包括用于处理数据的信号处理链的至少一个处理器和/或处理电路系统(例如，比较器和数字信号处理器(DSP))、以及控制电路系统(诸如微控制器)，该控制电路系统被配置为生成控制信号。LIDAR扫描系统200还可以包括传感器26，诸如温度传感器，其向系统控制器23提供传感器信息。
发射器单元21包括照射单元10、MEMS反射镜12、以及MEMS驱动器25，该MEMS驱动器25被配置为驱动MEMS反射镜12。具体地，MEMS驱动器25致动并且感测反射镜的旋转位置，并且向系统控制器23提供反射镜的位置信息(例如，围绕旋转轴线的倾斜角或旋转度)。基于该位置信息，照射单元10的激光源由系统控制器23触发，光电二极管被激活以感测，因此测量反射光信号。因此，MEMS反射镜的位置感测的更高准确性使得对LIDAR系统的其他部件进行更准确和精确的控制。
接收器单元22包括光电检测器阵列15以及接收器电路24，该接收器电路24包括模拟读出电路。如下文所更详细地描述的，光电检测器阵列15的SiPM单元可以耦合到接收器电路24的读出频道，该接收器电路从该接收频道接收电信号。附加地，光电检测器阵列15的每行可以通过多路复用器选择性地耦合到接收器电路24并且与之解耦。耦合到接收器电路24的像素、行或列可以被称为活动像素、行或列，而未耦合到接收器电路24的像素、行或列可以被称为不活动像素、行或列。
模拟读出电路包括N个模拟输出频道(例如，32个频道)，其被配置为读出从光电检测器阵列15的耦合行的选择的像素所接收的测量信号。更进一步地，可以从耦合行选择多于一个的像素，多个行可以同时地被耦合到输出频道，并且可以从每个耦合行中选择一个或多个像素。在输出频道上从光电检测器阵列15一次采集数字数据可以被称为数字样本，并且每个输出频道可以被用于采集不同的数字样本。每个样本还与样本时间相对应，在该时间处，从一个或多个像素读出测量信号。
因此，接收器电路24可以从光电检测器阵列15的光电检测器接收数字电信号，并且向模数转换器(ADC)传输电信号作为原始数字数据，以用于ToF测量以及物体数据(例如，3D点云数据)的生成。
接收器电路24还可以从系统控制器23接收触发控制信号，其触发一个或多个微单元的激活，反之禁用一个或多个微单元。因此，系统控制器23可以控制哪些SPAD被启用以及哪些SPAD被禁用。读出电路24又可以被配置为激活或停用光电检测器阵列15的特定SPAD。接收器电路24还可以接收用于控制一个或多个光电检测器的增益的增益设置控制信号。
图3A是根据一个或多个实施例的数字SiPM像素1(即，2D SiPM像素)的示意图。图3B是根据一个或多个实施例的2D SiPM像素阵列的示意图。
具体地，光电检测器阵列15由布置成行和列的数字SiPM像素1的阵列组成。数字SiPM像素1包括微单元2的阵列，每个微单元2包括与抑制电路4串联的SPAD 3，该抑制电路4包括晶体管SR。如下文所更详细描述的，晶体管SR的行为与具有导通电阻Ron的数字开关类似。因此，每个SiPM像素包括SPAD的阵列。换句话说，单个SiPM像素可以被称为SPAD阵列，并且每个SPAD可以被称为SPAD像素。
每个SPAD本质上都是二进制设备，要么光子已经撞击了它，要么没有撞击它。在接收到光子后，SPAD 3生成电脉冲。SiPM所生成的信号的强度通过在测量时隙内对其活动的SPAD所生成的输出脉冲的数目进行计数(光子计数)或者通过检测未解决每个光子事件的所有SPAD的累积电流来获得，同时信号的时间依赖的波形通过测量输出信号的时间分布(光子定时)来获得。后者可以借助于在时间相关的单光子计数(TCSPC)中操作SPAD检测器来获得。
具体地，SPAD是一种固态光电检测器，其中光子生成的载流子(经由内部光电效应)可以触发持续时间短但相对较大的雪崩电流。这种雪崩通过称为碰撞电离的机制产生，凭借这种机制，载流子(电子和/或空穴)通过大电位梯度(电压)被加速为高动能。如果载流子的动能足够(根据块状材料的电离能)，则其他载流子就会从原子晶格中释放出来。因此，在一些情况下，载流子的数目从仅有的单个载流子呈指数增长。
雪崩电流迅速上升[亚纳秒上升时间]到毫安范围内的宏观稳定水平。如果主载流子是光生载流子，则雪崩脉冲的前沿[使用皮秒时间抖动]标记所检测的光子的到达时间。通过将内部电容所存储的偏置电压VBIAS降低到击穿电压VBD或以下，电流一直持续到雪崩被抑制为止。内部电容是SPAD的杂散电容或寄生电容，并且在图5A至图5D中由内部电容器CD表示。
发生这种情况时，较低电场不再能够加速载流子以与晶格原子碰撞离子化，因此电流停止。为了能够检测到另一光子，必须把内部电容处的偏置电压再次升高(即，充电)到高于击穿电压。该再充电时间导致SPAD失明或停用，直到内部电容被再充电到高于击穿电压为止。负责抑制雪崩电流并且随后为内部电容再充电的电路称为抑制电路4。抑制电路4表示主动抑制和再充电电路(即，主动抑制-再充电电路)，其是抑制和再充电电路，并且可以是对SPAD 3执行主动抑制和再充电的晶体管或其他电路。主动抑制和再充电电路与被动抑制和再充电电路不同，被动抑制和再充电电路仅由被动元件(诸如电阻器)组成，不会被主动地触发。
该操作需要一个合适电路，该电路感测雪崩电流的前沿，生成与雪崩累积同步的标准输出脉冲，通过将偏置降低到击穿电压或以下来抑制雪崩，并且将光电二极管恢复到操作电平(即，高于击穿电压)。
通过将晶体管SR与SPAD 3串联耦合，可以把每个微单元2构建为数字传感器，从而使SiPM 1整体上成为整个数字传感器。结果，SiPM 1的输出无需放大器来放大其所生成的信号，也无需ADC以转换为数字域。它具有非常低的噪声(接近光子发射极限)，并且由于不需要TIA或ADC，所以需要的功耗低。
附加地，可以选择性地激活和停用每个SPAD。例如，可以将SPAD选择性地耦合(激活)到SiPM的输出或与SiPM的输出解耦(停用)，或者选择性地激活或停用其相应抑制电路，使得SPAD不再再充电到操作电平。然而，应当领会，SPAD的激活和停用不限于这些示例技术。
附加地，SPAD的阵列可以是SPAD的1D阵列或SPAD的2D阵列。例如，SiPM像素可以包括SPAD的1D阵列，其中SPAD以单线(例如，单个SPAD行)布置。这种类型的SiPM像素可以称为1D SiPM像素。多个1D SiPM像素(每个像素的输出都耦合到读出频道)可以用于创建SPAD的2D阵列。
备选地，SiPM像素可以包括SPAD的2D阵列，其中SPAD在形成多个行和列的两个方向上布置。这种类型的SiPM像素可以称为2D SiPM像素。每个2D SiPM像素具有耦合到读出频道的、自己的输出。不管是1D阵列还是2D阵列，每个SiPM像素都会生成电信号，该电信号输出到对应的读出频道，该对应读出频道将电信号提供给信号处理链(未图示)。
在图3A中所示的示例中，包括十二个微单元2。因此，该SiPM1具有以阵列布置的十二个SPAD。SiPM像素1的输出根据SPAD 3所生成的电信号进行累加。例如，如果阵列中只有一个SPAD在测量周期期间检测到光子，则SiPM像素的输出可能具有强度I。另一方面，如果阵列中的五个SPAD每个都在测量周期期间检测到光子，则SiPM像素1的输出可能具有强度5I。如果阵列中的所有SPAD均在测量周期期间检测到光子，则SiPM像素1的输出可能具有强度12I。结果，SiPM像素1中的所有SPAD3的贡献相加以生成输出信号。SiPM像素的数目和每个SiPM像素内的SPAD像素的数目是完全可配置的。
图4图示了根据一个或多个实施例的配置有同步主动再充电的数字微单元。具体地，更详细地提供了图3A的数字微单元2。数字微单元2包括SPAD 3以及包括晶体管SR的主动抑制-再充电电路4。另外，提供了包括电平移位器5和1位存储器设备6的微单元读出电路。例如，1位存储器设备6可以是时钟控制的D触发器。
晶体管SR包括被配置为沿着设备的两个传导路径端子结构或传导路径电极(例如，源极/发射极和漏极/集电极)之间的主电流路径传导主电流。另外，可以借助于控制电极(有时称为栅电极)来控制主电流路径。在从例如信号发生器接收到对应的控制信号时，控制电极可以将晶体管SR设置为导通状态或阻断状态(即，接通或关断)中的一个状态。控制信号可以通过具有受控值的电压信号或电流信号来实现。例如，在栅极端子和源极端子两端施加正输入电压信号将使设备保持处于“ON”状态，而使输入栅极信号为零或略微为负将使其变为“OFF”。
虽然示出了晶体管SR被布置在SPAD 3的低侧(即，在SPAD 3与接地之间)处，但是它还可以布置在SPAD 3的高侧处(即，在SPAD 3与偏置电压VBIAS之间)。晶体管SR表示由时钟触发的主动抑制-再充电电路。当晶体管关断时，它抑制SPAD 3，而当它接通时，它为SPAD 3再充电。应当领会，由时钟触发的主动抑制-再充电电路不限于单个晶体管，并且可以包括一个或多个其他电路元件，其基于时钟信号来执行主动抑制和再充电的等同功能。还应当领会，主动抑制-再充电电路可以包括或可以不包括晶体管。
数字微单元2包括输入端子IN(即，晶体管SR的控制端子)，其耦合到时钟信号发生器7(例如，摆动器)以接收时钟信号CLK。在该示例中，时钟信号是1GHz信号，但可以基于期望充电时间进行配置。SiPM 1中的每个微单元2接收相同时钟信号并且包括对应的1位存储器设备6。此外，SiPM阵列中的每个微单元可以接收相同时钟信号，并且包括对应的1位存储器设备6。
时钟信号CLK基于SPAD 3是否处于其操作模式(即，其关断条件)来主动接通和关断晶体管SR。当SPAD 3处于操作模式时，其行为与断开开关类似，并且被视为关断。因此，耦合在SPAD 3与晶体管SR之间的节点OUT1被拉低(即，模拟逻辑低)。当SPAD 3接收到光子时，SPAD 3的行为与闭合开关类似，并且接通，从而将节点OUT1拉高(即，模拟逻辑高)到偏置电压VBIAS。电平移位器5从节点OUT1接收模拟值，并且将该模拟值转换为对应的数字值(即，数字逻辑低或数字逻辑高)。
依据主动抑制-再充电电路(例如，晶体管SR)放置在SPAD 3的低侧还是高侧，并且还依据电平移位器5(它可以是反相的)的具体实现方式，如果未检测到光子，针对SPAD/微单元的数字二进制信号可以为0，并且如果检测到光子，则为1，反之亦然。
当SPAD 3处于其操作模式时，晶体管SR保持关断，而不管时钟信号的值如何。另一方面，在SPAD 3的内部电容器CD(即，杂散电容或寄生电容)由于接收的光子而被放电之后并且在保持时间以后，时钟脉冲(例如，高时钟值)接通晶体管SR以为内部电容器CD充电，以便使SPAD 3置回其操作模式。
在该示例中，晶体管SR可以是n沟道晶体管。当晶体管SR接通时，SPAD 3的内部电容器CD能够通过偏置电压VBIAS再充电到高于SPAD 3的击穿电压VBD。如果内部电容器CD已经放电到等于或低于击穿电压VBD，则该再充电发生。如果SPAD 3的电容器CD已经被充电到高于击穿电压VBD，则由于晶体管SR保持关断，所以再充电不会发生。取而代之的是，SPAD 3的内部电容器CD保持高于击穿电压VBD，等待被光子触发。因此，在内部电容器CD已经通过接收的光子放电之后，时钟信号主动地为SPAD 3的内部电容器CD再充电。
另外，由于所有微单元2接收相同时钟信号CLK，所以SPAD 3在每个时钟周期上同步地再充电。通过主动地为SPAD 3同步地再充电，所有SPAD同步地置于其操作模式(即，其关断条件)。也就是说，尚未放电的那些SPAD维持处于其操作模式，而自上一时钟周期以来已经被光子放电的那些SPAD则被再充电并且返回其操作模式，以准备检测另一光子。结果，在每个时钟周期上，整个SiPM或SiPM的阵列可以主动地并且同步地设置为操作模式。
此外，晶体管SR允许SPAD 3的内部电容器CD被放电与随后被再充电之间的保持时间。保持时间允许在SPAD之间进行同步再充电。如果没有保持时间，则SPAD可能相对于彼此异步再充电。例如，如果使用电阻器代替晶体管SR，则在光子击中SPAD之后，SPAD立即进入再充电阶段。结果，SPAD基于接收的光子来在不同的时间进行充电和放电，导致输出模拟信号，其需要其他信号处理、求平均等。相比之下，在同步再充电的情况下，生成数字信号，因为所有SPAD都被同步设置为处于其操作模式，准备被光子触发，，。每个时钟周期SiPM的测量结果是其SPAD的数字累加信号。
时钟信号CLK的时钟脉冲被配置为使得能够通过1位存储器设备6进行数据捕获。作为时钟控制的D触发器，1位存储器设备6被配置为捕获由电平移位器5在每个时钟脉冲(高时钟值)处传输的位值，并且存储和保持捕获的位值，直到下一时钟周期(或直到数据值发生改变)为止。因此，输出OUT2处的位值是从电平移位器5接收的位值，其代表OUT1处的值，该位值是由于1位存储器设备6在其时钟输入接收的时钟脉冲而被捕获。捕获的位值在保持时间内存储，直到开始下一时钟周期的下一时钟脉冲为止。
保持时间允许已经在时钟周期期间由于接收的光子而放电的所有SPAD进行充电，并且在下一时钟周期开始之前重新进入操作模式。在下一时钟周期处，1位存储器设备6通过捕获由电平移位器5传输的位值来跟随在其数据输入处接收的位值，该位值可以是新位值或与前一时钟周期相同的位值。1位存储器设备6的输出OUT2传输数字信号作为微单元2的输出。
根据该配置，在没有使用放大器(例如，TIA)或ADC的情况下形成数字传感器，从而提供了低功率解决方案。更进一步地，SPAD在短死区时间和高时间分辨率的情况下通过固定高速时钟信号CLK再充电。
图5A至图5D图示了根据一个或多个实施例的与晶体管串联布置的SPAD的主动再充电周期。具体地，示出了四个阶段的周期，其包括图5A中的(再)充电阶段、图5B中的操作模式(关断条件)阶段、图5C中的光子触发(放电)阶段、以及图5D中的保持时间阶段。
图5A至图5D分别示出了图3和图4所示的微单元2的SPAD 3和晶体管SR的示意图。SPAD 3由内部电阻RD、击穿电压VBD、开关S、以及内部电容CD(即，寄生电容)表示。晶体管SR由开关SR和内部导通电阻Ron表示。SPAD 3和晶体管两者都耦合到偏置电源VBIAS的相对的端子。具体地，SPAD 3的阴极连接到偏置电源VBIAS的负端子或接地电位，而晶体管耦合在SPAD 3的阳极与偏置电源VBIAS的正端子之间。
在图5A所示的(再)充电阶段期间，晶体管SR通过CLK的时钟脉冲而接通，并且电子电流I流过内部电容CD，以通过晶体管SR将内部电容充电到包括导通电阻Ron的偏置电压VBIAS。SPAD 3关断，因此开关S断开。为内部电容CD充电的时间常数由CD*Ron表示。一旦内部电容CD被充电到偏置电压VBIAS，SPAD 3就被认为处于操作模式。
在图5B所示的操作模式阶段期间，SPAD 3保持关断。附加地，晶体管SR也被关断。结果，内部电容CD保持偏置电压VBIAS，并且没有电流流动通过电路。电路保持处于该操作模式(关断条件)，直到接收到光子并且在SPAD 3处触发雪崩。
在图5C的光子触发(放电)阶段期间，SPAD 3由于接收到的光子激活，并且开关S闭合。通过闭合开关S生成雪崩电流ID，并且内部电容CD通过内部电阻RD放电到击穿电压VBD。用于使内部电容CD放电的时间常数由CD*Ron表示。在该阶段期间，晶体管SR保持关断。一旦内部电容CD被放电到击穿电压VBD，SPAD就关断，从而导致开关S关断(即，断开)。
在图5D的保持阶段期间，时钟信号CLK施加保持时间直到下一时钟脉冲为止。保持时间是在内部电容CD被放电到击穿电压VBD的时间与下一时钟脉冲发生的时间之间的时间段。在保持时间期间，SPAD 3不导通(即，开关S关断)，晶体管SR关断(即，开关SR关断)，内部电容CD保持在击穿电压VBD，并且没有电流流动通过电路。在下一时钟脉冲处，晶体管SR由于在其控制端子处接收到高时钟信号而接通，并且电路进入图5A所示的再充电阶段。然后，重复该周期。
图6是根据一个或多个实施例的数字传感器元件的示意图。该数字传感器元件包括SiPM 1，其包括微单元2的16×16阵列、求和电路8、以及寄存器9。每个微单元2表示SPAD3。在该示例中，每个微单元列经由对应的读出频道电耦合到求和电路8，用于从中接收数字输出。备选地，求和电路8可以经由对应读出频道被电耦合到每个微单元行，用于从中接收一个或多个数字输出。求和电路8在时钟信号CLK的每个时钟周期内对接收的数字输出求和并且将求和的值传输到寄存器9。对于所示的时钟周期，输出值12被提供给表示在该时钟周期内接收到光子的SiPM 1中的12个SPAD的寄存器。结果，生成右侧所示的时间序列数字信号(即，随时间变化的数字信号)，其具有每个时钟周期的值。每个值都是0与最大值之间的离散值。在16×16微单元阵列中，最大离散值为256，每个时钟周期总共257个可能的离散信号电平。
经由另一示例并且返回参考图3A，如果SiPM 1中的零个SPAD在测量周期期间(例如，在时钟周期期间)检测到光子，则SiPM 1所输出的像素值可以具有表示最小像素值的值0。如果SiPM 1中只有一个SPAD在测量周期期间检测到光子，则SiPM 1输出的像素值可能具有值1。另一方面，如果SiPM 1中的五个SPAD每个都在测量周期期间检测到光子，则SiPM 1所输出的像素值可以具有值5。如果SiPM 1中的所有SPAD均在测量周期内检测到光子，则SiPM 1所输出的像素值可以具有表示最大值像素值的值12。
因而，由求和电路8在时钟信号CLK的每个时钟周期中将由它们各自的输出OUT2所提供的SiPM 1中的所有SPAD的贡献相加，以生成用于SiPM的求和的数字值。该求和的数字值是表示由SPAD为单个SiPM 1生成的所有位值的和的像素值。在SiPM的阵列中，每个SiPM在每个时钟周期内输出像素值，该像素值用于生成图像。
设置在系统控制器23中的数字信号处理器(DSP)30还可以分析时间序列数字信号，并且将接收的激光光子与接收的环境光光子(即，背景光光子)区分开。更具体地，DSP30可以将与接收的(后向散射的)激光相对应的像素值与仅与由环境光产生的噪声相对应的像素值区分开。DSP 30可以通过检测时序数字信号中超过预先确定的阈值TH的峰值来做到这点。峰值指示在SiPM处接收的光子的集中数目，这通常在接收到后向散射激光时发生。低于阈值TH的像素值通常指示至少在一适当电平上不存在后向散射激光，并且是环境光的结果。
图7A和图7B图示了根据一个或多个实施例的可配置数字SiPM的概念。在该概念中，SPAD被组合为任意组以产生可配置数字SiPM。
在图7A中，提供了数字SiPM 1的6×6阵列，其中每个SiPM 1包括微单元的16×16阵列。另外，示出了两个示例后向散射激光束RX1和RX2。
激光束RX1是在1D MEMS反射镜扫描器中形成的所接收的激光的接收线。由于接收光学器件的非理想特性，所以接收线弯曲。结果，激光束RX1至少部分地投射在布置在所有SiPM行以及SiPM列中的两个SiPM列中的十二个SiPM上。
激光束RX2是形成在2D MEMS反射镜扫描器中的所接收的激光的接收斑。激光束RX2可以被投射在一个或多个相邻SiPM上。在该示例中，激光束RX2投射到四个不同SiPM的部分上。
系统控制器23可以基于所传输的激光束的传输方向(即，MEMS反射镜12围绕其一个或两个扫描轴线的位置)和接收器光学元件的已知特性两者来估计预期在其处接收到激光束的阵列上的位置。
在任一情况下，当使用固定SiPM配置时，多个SiPM可以仅接收激光信号的部分。因而，加法器电路的加法器可以被配置为将预期从中接收到光的目标SiPM的数字像素值相加，而忽略来自预期在其处没有接收到光的SiPM的输出。附加地或备选地，可以激活或启用预期从中接收到光的目标SiPM，而可以停用或禁用其余SiPM。然而，在固定SiPM配置中，目标SiPM所占据的区域大于检测激光信号所需的区域。因此，在那些像素处接收到的环境光比必要环境光多，从而导致检测到更多噪声并且降低信噪比(SNR)。
备选地，在图7B中，该阵列可以用作微单元的96×96阵列，其可以基于期望光的位置来动态灵活地被分组为数字SiPM 41。在这种情况下，SiPM 41不是固定的而是通过在扫描操作的运行时期间根据需要将相邻微单元分组在一起而形成的。可以以16×16的方式或通过使用其他阵列大小完成微单元的分组。当后向散射光跨越微单元阵列移动时，分组可以在扫描操作期间改变。也就是说，分组可以与接收的光束一起跨越整个微单元阵列移动。更进一步地，可以基于投射到阵列上的后向散射光的形状来选择分组。
这可以大大提高SNR，因为可以使接收到后向散射激光信号的区域最大，同时使没有接收到激光信号的区域最小。在灵活配置中优化使用SPAD不仅可以帮助使背景光的影响最小，而且还使功耗最小，并且还可以通过增加或减小SiPM 41的尺寸来变化像素分辨率。更进一步地，由于可以创建SiPM 41来校正由其非理想特性引起的任何变形，所以可以使用具有更高特征缺陷的廉价光学器件。更进一步地，在信号太强以至于无法提高动态范围的情况下，可以禁用阵列的某些区域。
系统控制器23被配置为预测要接收到后向散射激光的阵列的区域，并且标识阵列的特定区域中的微单元2，以将其分组为一个或多个SiPM 41。该区域基于监测传输的激光束的传输方向(即，MEMS反射镜12围绕其一个或两个扫描轴线的位置)和接收器光学器件的已知特性来进行预测。系统控制器23可以启用被分组为一个或多个SiPM 41的微单元2，同时禁用在一个或多个SiPM 41之外(即，在预测区域之外)的微单元2。在传输的激光束以不同传输方向发射到视场中时，可以在逐次发射的基础上改变启用的微单元的配置和SiPM41的形成。
附加地或备选地，系统控制器23可以根据形成SiPM 41的微单元的分组来重新配置加法器电路，使得加法器电路从微单元的分组中接收数字值并且将它们相加在一起以生成针对形成的SiPM 41的像素值。因此，系统控制器23可以将加法器电路中的加法器分组重新配置为符合每个配置的SiPM 41。
因此，两个分组方法包括：对加法器，加法器电路进行分组，或停用单个微单元2。
对加法器进行分组导致使用分层方法来添加大量位。例如，可以使用朴素方法或华莱士树。本文中，可以选择加法器分支以集中于特定矩形区域(即，SiPM 41的区域)。可以选择附加加法器分支以集中于与第二SiPM相对应的第二矩形区域，依此类推。这可以通过沿着行添加列，然后沿着阵列边缘添加行来实现(反之亦然)。
停用不与目标SiPM 41相对应的区域中的微单元是定义形成一个或多个目标SiPM41的活动微单元组的另一方式。这种技术可以被用于产生一个或多个SiPM，反之停用任何任意形状的微单元区域。
图8是根据一个或多个实施例的分层加法器树800的示意图。分层加法器树800包括表示上述加法器电路的五个分层的加法器的层级。分层加法器树800还包括求和电路8，其接收加法器电路的输出。加法器树总共添加32个位，但是输出6个位以表示结果。
第一层级(层级1)包括第一多个加法器81，每个加法器81电耦合到不同的相邻对的微单元的输出OUT2。例如，当定义一行具有三十二个微单元的SiPM 41时，可以使用十六个加法器81。在该示例中，每个加法器81可以是生成2位输出值的半加法器(HA)。
在第二层级(层级2)中，分层加法器树800包括第二多个加法器82，每个加法器82耦合到不同的对的相邻加法器81。加法器82每个都可以使用全加法器(FA)和半加法器形成，并且生成3位输出值。
在第三层级(层级3)中，层级分层器树800包括多个第三加法器83，每个加法器耦合到不同的对的相邻加法器82。加法器83每个都可以使用两个全加法器和一个半加法器形成，并且生成4位输出值。
在第四层级(层级4)中，层级分层器树800包括第四多个加法器84，每个加法器耦合到不同的对的相邻加法器83。每个加法器84可以使用三个全加法器和一个半加法器形成，并且生成5位输出值。此外，四个1位触发器(FF)86可以耦合在加法器83与84之间以进行流水线化。
在第五层级(层级5)中，层级分层器树800包括第五加法器85，每个第五加法器85耦合到一对相邻加法器84。加法器85可以使用四个全加法器和一个半加法器形成，并且生成6位输出值，其表示针对SiPM 41的微单元行的数字值。6位输出值可以被传输到包括六个1位触发器的时钟控制的存储器设备87。六个触发器捕获加法器85在时钟信号CLK的每个时钟周期处输出的6位值，并且将该6位值输出到求和电路8。求和电路8将从每个微单元行接收的6位值相加，其定义SiPM 41以生成SiPM 41的像素值。
提供了一个或多个实施例的附加示例。
光电检测器阵列包括SiPM的阵列，其中每个SiPM包括多个微单元，每个微单元包括SPAD。多个微单元单元可以被分组为一个或多个SiPM像素，其中分组为SiPM像素可以是：灵活的(经由配置文件或控制信号)；连续的(即，SiPM像素可以包括一组几何上连续的微单元)；不连续的(即，SiPM像素可以包括两组或更多组在几何上彼此分开或不连续的微单元)，可以包括有意使之失明或无偏置的非检测微单元，该多个微单元被配置为被动态分组为多个SiPM像素，和/或一个或多个SiPM可以在时钟周期之间快速产生，并且可以“即时的(on-the-fly)”重新配置。
另外，全局复位可以被应用于整个微单元阵列或微单元阵列的一部分。
另外，光子计数可以同步地开始。
另外，在两次连续复位之间的时间期间，SiPM像素中的光子计数的数目可以以数字方式进行。
鉴于以上所述，每个像素被配置为以非常高的定时分辨率记录入射光信号的时间序列。对于模拟光电检测器，这需要非常快的ADC。由于与目标相距的距离由脉冲的到达时间确定，所以定时分辨率直接地确定了距离分辨率。所需的典型时序分辨率约为1ns，从而导致ADC的采样率约为1GHz。
根据一个或多个实施例，所有SPAD同步运行(即，活动)。每个时钟周期一次，每个SPAD处的光电检测的结果存储在对应的D触发器中，并且对SPAD进行再充电。所有活动SPAD同时进行该操作。同样，SPAD的各个位的求和以该时钟速率进行。其结果是从像素中的每个像素获得非常快的值的流，实际上是每纳秒一个值。
根据一个或多个实施例，SPAD被自由分组(即，在动态基础上)作为可配置数字SiPM，以有效即时定义“像素”。这些“像素”不限于固定光栅，而在SPAD阵列中的大小、形状和位置可以变化。这允许传感器将像素与光脉冲的形状和预期位置更精确地匹配。通过减小或增大“像素”的尺寸，还可以灵活增大或减小分辨率。如图7A和图7B所示，这对于在像素阵列处接收圆形光斑的2D扫描LIDAR以及与全部接收线一起工作的1D LIDAR都起作用。在后一情况下，最显而易见的是：线在微单元阵列上细分为各个像素。由于“像素”的位置可以自由变化，所以传感器还可以补偿光学元件的畸变，从而允许更廉价透镜的使用。
实际上，在任何给定时间，微单元阵列的仅一小部分可以是活动的。这可以减少功耗，但同样重要的是，它还可以减少被传送的数据的数量。不可能在芯片外以1GHz从整个阵列传送数据。例如，在使用垂直线的1D LIDAR传感器中，只能同时传送来自32个像素的数据。
还应当指出，噪声和范围，TIA、ADC和功耗都是当前APD解决方案的主要难点，本实施例可以改善或消除所有这些难点。
尽管本文中所描述的实施例涉及LIDAR系统，但是应当理解，SiPM可以用于其他应用。因此，整个SiPM和数字光电检测器阵列仅限于LIDAR。
另外，尽管已经在装置的上下文中对一些方面进行了描述，但是显而易见的是，这些方面也表示对对应方法的描述，其中框或设备与方法步骤或方法步骤的特征相对应。类似地，在方法步骤的上下文中描述的各个方面也表示对对应装置的对应框或项或特征的描述。方法步骤中的一些或全部方法步骤可以由(或使用)硬件装置(如例如，微处理器、可编程计算机或电子电路)执行。在一些实施例中，一些一个或多个方法步骤可以由这种装置执行。
依据某些实现要求，本文中所提供的实施例可以以硬件或软件来实现。可以使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质(例如，软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或FLASH存储器)执行该实现方式，这些电子可读控制信号与可编程计算机系统合作(或能够合作)，从而执行相应方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读介质。
指令可以由诸如一个或多个中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等同集成或分立逻辑电路之类的一个或多个处理器执行。因而，如本文中所使用的，术语“处理器”是指任何前述结构或适合于实现本文中所描述的技术的任何其他结构。另外，在一些方面中，本文中所描述的功能可以在专用硬件和/或软件模块内提供。此外，该技术可以在一个或多个电路或逻辑元件中完全实现。
上述示例性实施例仅是说明性实施例。应当理解，对于本领域的其他技术人员而言，本文中所描述的装置和细节的修改和变化是显而易见的。因此，意图是仅仅通过所附的专利权利要求的范围来限制，而不是通过本文中的实施例的描述和解释所呈现的特定的细节来限制。

Claims (39)

1.一种数字光检测器，包括：
时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，所述时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；
单光子雪崩二极管SPAD，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，所述SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在所述阳极端子与所述阴极端子之间的内部电容器；以及
主动抑制-再充电电路，其由所述时钟信号触发，其中所述主动抑制-再充电电路被配置为基于所述时钟信号而被激活和停用；
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在激活所述主动抑制-再充电电路的条件下，为所述内部电容器再充电，以及
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在停用所述主动抑制-再充电电路的条件下，使所述内部电容器放电。
2.根据权利要求1所述的数字光检测器，其中所述主动抑制-再充电电路包括：
输出节点；以及
控制端子，其耦合到所述时钟信号发生器，其中所述控制端子被配置为接收所述时钟信号，以基于充电条件被满足而为所述内部电容器主动充电；
其中在所述内部电容器处于放电状态的同时接收到所述时钟信号的时钟脉冲的条件下，所述充电条件被满足。
3.根据权利要求2所述的数字光检测器，其中
所述主动抑制-再充电电路包括与所述SPAD串联耦合的晶体管，以及
所述晶体管包括所述控制端子。
4.根据权利要求3所述的数字光检测器，其中所述晶体管在所述输出节点处耦合到所述SPAD。
5.根据权利要求2所述的数字光检测器，其中所述内部电容器响应于所述SPAD接收到所述光子而放电。
6.根据权利要求2所述的数字光检测器，其中当所述内部电容器的电容器电压小于偏置电压电位时，所述内部电容器处于所述放电状态。
7.根据权利要求6所述的数字光检测器，其中
所述SPAD具有小于所述偏置电压电位的击穿电压，以及
当所述内部电容器的电容器电压等于或小于所述击穿电压时，所述内部电容器处于所述放电状态。
8.根据权利要求6所述的数字光检测器，其中
所述主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述充电条件被满足而接通，从而将所述内部电容器充电到所述偏置电压电位，以及
所述主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述内部电容器被充电到所述偏置电压电位而关断，并且保持关断直到所述充电条件被再次满足为止。
9.根据权利要求8所述的数字光检测器，其中所述SPAD被配置为响应于所述内部电容器放电到所述放电状态而关断，并且保持关断直到接收到另一光子为止。
10.根据权利要求8所述的数字光检测器，其中
所述内部电容器响应于所述SPAD接收到所述光子而被放电，以及
所述时钟信号发生器和所述主动抑制-再充电电路在所述内部电容器被放电到所述放电状态的时间与所述充电条件被满足或在使得所述内部电容器能够充电到所述偏置电压电位之前被再次满足的时间之间强加一个保持时间。
11.根据权利要求2所述的数字光检测器，还包括：
电平移位器，其耦合到所述输出节点并且被配置为将所述输出节点处的输出电位转换为数字值；以及
时钟控制的1位存储器设备，其被配置为从所述时钟信号发生器接收所述时钟信号，从所述电平移位器接收所述数字值，并且在每个时钟周期的基础上在所述时钟信号的每个时钟脉冲处输出所述数字值。
12.根据权利要求11所述的数字光检测器，其中
所述SPAD和所述主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述SPAD被接通而在所述输出节点处生成第一电位，以及
所述SPAD和所述主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述SPAD被关断而在所述输出节点处生成第二电位。
13.根据权利要求12所述的数字光检测器，其中所述SPAD被配置为响应于所述内部电容器被放电到所述放电状态而关断，并且保持关断直到接收到另一光子为止。
14.根据权利要求1所述的数字光检测器，其中所述内部电容器是所述SPAD的杂散电容或寄生电容。
15.一种操作数字光检测器的方法，所述方法包括：
提供偏置电压电位；
生成时钟信号，所述时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；
响应于接收到光子而接通单光子雪崩二极管SPAD并且生成雪崩电流，其中所述SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在所述阳极端子与所述阴极端子之间的内部电容器；
基于所述时钟信号来控制主动抑制-再充电电路的激活状态；
在激活所述主动抑制-再充电电路的条件下，为所述内部电容器充电；以及
在停用所述主动抑制-再充电电路的条件下，使所述内部电容器放电。
16.根据权利要求15所述的方法，其中为所述内部电容器充电还包括：满足充电条件，其中在所述内部电容器处于放电状态的同时接收到所述时钟信号的时钟脉冲的条件下，所述充电条件被满足。
17.一种数字硅光电倍增管SiPM设备，包括：
时钟信号发生器，其被配置为生成时钟信号，所述时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；
微单元阵列，其中每个微单元包括：
单光子雪崩二极管SPAD，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，所述SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在所述阳极端子与所述阴极端子之间的内部电容器；以及
主动抑制-再充电电路，其由所述时钟信号触发，其中所述主动抑制-再充电电路被配置为基于所述时钟信号而被激活和停用；
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在激活所述主动抑制-再充电电路的条件下，为所述内部电容器再充电，
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在停用所述主动抑制-再充电电路的条件下，使所述内部电容器放电；以及
数字输出，其被配置为输出与在所述主动抑制-再充电电路的输出节点处生成的电位相对应的数字值；以及
求和电路，其被配置为从所述微单元阵列接收数字值并且基于所述数字值的和来生成针对所述SiPM的数字像素值。
18.根据权利要求17所述的数字SiPM设备，其中每个主动抑制-再充电电路包括：
控制端子，其耦合到所述时钟信号发生器，其中所述控制端子被配置为接收所述时钟信号，以基于充电条件被满足而为对应的SPAD的所述内部电容器主动充电；
其中在所述对应的SPAD的所述内部电容器处于放电状态的同时接收到所述时钟信号的时钟脉冲的条件下，所述充电条件被满足。
19.根据权利要求17所述的数字SiPM设备，其中所述内部电容器响应于所述SPAD接收到所述光子而被放电。
20.根据权利要求18所述的数字SiPM设备，其中当所述内部电容器的电容器电压小于偏置电压电位时，所述内部电容器处于所述放电状态。
21.根据权利要求20所述的数字SiPM设备，其中
每个SPAD的击穿电压均小于所述偏置电压电位，以及
每个内部电容器被配置为当所述内部电容器的电容器电压等于或小于所述击穿电压时，处于所述放电状态。
22.根据权利要求21所述的数字SiPM设备，其中
每个主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述充电条件被满足而接通，从而将所述主动抑制-再充电电路的内部电容器充电到所述偏置电压电位，以及
每个主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述主动抑制-再充电电路的内部电容器被充电到所述偏置电压电位而关断，并且保持关断直到所述充电条件被再次满足为止。
23.根据权利要求22所述的数字SiPM设备，其中每个SPAD被配置为响应于所述SPAD的内部电容器放电到所述放电状态而关断，并且保持关断直到接收到另一光子为止。
24.根据权利要求22所述的数字SiPM设备，其中
每个内部电容器被配置为响应于所述内部电容器的SPAD接收到所述光子而被放电，以及
所述时钟信号发生器和每个主动抑制-再充电电路在相应内部电容器被放电到所述放电状态的时间与所述相应内部电容器的所述充电条件被满足或在使得所述相应内部电容器能够充电到所述偏置电压电位之前被再次满足的时间之间强加一个保持时间。
25.根据权利要求17所述的数字SiPM设备，其中每个微单元还包括：
电平移位器，其耦合到所述输出节点并且被配置为将所述输出节点处的输出电位转换为数字值；以及
时钟控制的1位存储器设备，其被配置为从所述时钟信号发生器接收所述时钟信号，从所述电平移位器接收所述数字值，并且在每个时钟周期的基础上在所述时钟信号的每个时钟脉冲处输出所述数字值。
26.根据权利要求25所述的数字SiPM设备，其中
所述SPAD和每个主动抑制-再充电电路被配置为响应于对应的SPAD被接通而在所述输出节点处生成第一电位，以及
所述SPAD和每个主动抑制-再充电电路被配置为响应于所述对应的SPAD被关断而在所述输出节点处生成第二电位。
27.根据权利要求26所述的数字SiPM设备，其中每个SPAD被配置为响应于所述SPAD的内部电容器放电到放电状态而被关断，并且保持关断直到接收到另一光子为止。
28.根据权利要求17所述的数字SiPM设备，其中所述微单元的阵列在所述时钟信号的每个时钟周期被同步再充电。
29.根据权利要求17所述的数字SiPM设备，其中在所述时钟信号的每个时钟脉冲上，处于放电状态的经放电的SPAD被同步再充电，使得所述经放电的SPAD中的每个经放电的SPAD的对应的内部电容器被充电到偏置电压电位。
30.一种同步操作数字硅光电倍增管SiPM的多个单光子雪崩二极管SPAD的方法，所述方法包括：
提供偏置电压电位；
生成时钟信号，所述时钟信号由以预先确定的频率生成的时钟脉冲组成；
向所述数字SiPM的多个微单元提供所述时钟信号，其中所述多个微单元中的每个微单元包括所述多个SPAD中的对应的SPAD、以及由所述时钟信号触发的对应的主动抑制-再充电电路；
基于所述时钟信号来控制每个主动抑制-再充电电路的激活状态；
在所述对应的主动抑制-再充电电路被激活的条件下，为所述多个SPAD中的对应的SPAD的内部电容器充电；以及
在所述对应的主动抑制-再充电电路被停用的条件下，使所述多个SPAD中的对应的SPAD的内部电容器放电。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括：
基于在每个对应的主动抑制-再充电电路的控制端子处接收到的所述时钟信号并且基于每个对应的主动抑制-再充电电路对应的SPAD的充电条件被满足，控制每个对应的主动抑制-再充电电路的所述激活状态，其中在当对应的SPAD的内部电容器处于放电状态的同时接收到所述时钟信号的时钟脉冲的条件下，所述充电条件被满足。
32.根据权利要求30所述的方法，还包括：
在所述时钟信号的每个时钟脉冲处对从所述多个微单元输出的数字值求和，以基于所述数字值的和来生成针对所述SiPM的数字像素值。
33.根据权利要求30所述的方法，还包括：
在所述时钟信号的每个时钟周期为所述多个微单元同步再充电。
34.根据权利要求30所述的方法，还包括：
在时钟信号的每个时钟脉冲上，为处于放电状态的经放电的SPAD同步再充电，使得所述经放电的SPAD中的每个经放电的SPAD的对应的内部电容器被充电到所述偏置电压电位。
35.一种系统，被配置为灵活配置至少一个硅光电倍增管SiPM，所述系统包括：
微单元阵列，每个微单元包括：
单光子雪崩二极管SPAD，其被配置为响应于接收到光子而接通并且生成雪崩电流，所述SPAD包括阳极端子、阴极端子、以及内部耦合在所述阳极端子与所述阴极端子之间的内部电容器；
主动抑制-再充电电路，其由所述时钟信号触发，其中所述主动抑制-再充电电路被配置为基于所述时钟信号而被激活和停用；
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在激活所述主动抑制-再充电电路的条件下，为所述内部电容器再充电，
其中所述主动抑制-再充电电路被配置为在停用所述主动抑制-再充电电路的条件下，使所述内部电容器放电；以及
数字输出，其被配置为输出与在所述主动抑制-再充电电路的输出节点处生成的电位相对应的数字值；控制器，其被配置为对所述微单元阵列的微单元的部分进行动态分组以形成SiPM。
36.根据权利要求35所述的系统，其中所述控制器被配置为确定预期要从中接收后向散射激光的所述微单元阵列的区域，确定位于所确定的区域中的所述微单元的部分，并且将所确定的微单元的部分分组在一起以形成所述SiPM。
37.根据权利要求36所述的系统，其中
预期要从中接收后向散射激光的所述微单元阵列的所述区域随时间而改变，以及
所述控制器被配置为在所述区域随时间而改变时，重新配置所述SiPM。
38.根据权利要求37所述的系统，还包括：
求和电路，其被配置为从所述微单元的部分接收数字值并且基于所述数字值的和来生成针对所述SiPM的数字像素值。
39.根据权利要求35所述的系统，还包括：
求和电路，其被配置为从所述微单元的部分接收数字值并且基于所述数字值的和来生成针对所述SiPM的数字像素值。
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