CN113218504A - 具有单光子雪崩二极管和环境光水平检测的成像系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有单光子雪崩二极管和环境光水平检测的成像系统。本发明公开一种光探测和测距(LIDAR)成像系统，该LIDAR成像系统包括基于单光子雪崩二极管(SPAD)的半导体器件。该LIDAR成像系统还可包括光源，该光源被配置为发射光，使得该半导体器件暴露于环境光和激光的反射型式两者。可包括环境光水平检测电路，以基于来自该半导体器件的输出信号来确定该环境光的亮度。该环境光水平检测电路可包括多个比较器，该多个比较器接收不同的参考信号并且耦接到相应的计数器。可使用来自该计数器的结果来确定场景中的该环境光的该亮度。然后可使用所确定的亮度来辨别该环境光和该光的该反射型式。

Description

具有单光子雪崩二极管和环境光水平检测的成像系统

本申请要求于2020年1月21日提交的临时专利申请号62/963648的权益，该临时专利申请据此全文以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及成像系统，并且更具体地，涉及包括用于单光子检测的单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。

背景技术

现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。每个像素通常包括光敏元件诸如光电二极管，这些光敏元件接收入射光子(入射光)并把光子转变为电信号。

常规图像传感器可以多种方式受到有限功能的影响。例如，一些常规图像传感器可能无法确定从图像传感器到正在成像的物体的距离。常规图像传感器也可具有低于期望的图像质量和分辨率。

为了提高对入射光的灵敏度，有时可在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。单光子雪崩二极管可能够进行单光子检测。

本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。

附图说明

图1为根据一个实施方案的示出示例性单光子雪崩二极管(SPAD)像素的电路图。

图2为根据一个实施方案的示例性硅光电倍增器的图示。

图3为根据一个实施方案的具有快速输出端子的示例性硅光电倍增器的示意图。

图4为根据一个实施方案的包括微小区阵列(SPAD二极管)的示例性硅光电倍增器的图示。

图5为根据实施方案的包括基于SPAD的半导体器件的示例性成像系统的示意图。

图6为根据一个实施方案的包括具有电压比较器的环境光水平检测电路的示例性光探测和测距(LIDAR)模块的示意图。

图7为根据一个实施方案的具有电流比较器的示例性环境光水平检测电路的示意图。

图8A和图8B为根据一个实施方案的分别示出在强环境光条件和弱环境光条件下来自基于SPAD的半导体器件的信号随时间推移的曲线图。

图9为根据一个实施方案的示出在一个环境跟踪回路上的环境光水平检测电路中的计数器的计数的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及包括基于硅光电倍增器(SiPM)的传感器的成像系统。

一些成像系统包括图像传感器，该图像传感器通过将撞击光子转换成在传感器阵列内的像素光电二极管中积聚的(收集的)电子或空穴来感测光。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压被提供给传感器的输出端子。在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟像素电压也可随后在片上被转换成数字等同物，并且在数字域中以各种方式进行处理。

另一方面，在硅光电倍增器(SiPM)器件中，光子检测原理不同。每个SiPM像素可由多个光感测二极管(例如，单光子雪崩二极管)形成。每个单光子雪崩二极管(SPAD)都偏置在远高于其击穿点，并且当入射光子生成电子或空穴时，该载流子会通过正在生成的附加的载流子启动雪崩击穿。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够很容易被与SiPM像素相关联的读出电路检测到。能够通过将二极管偏置降低于其击穿点来停止(或淬灭)雪崩过程。因此，SiPM像素内的每个单光子雪崩二极管(SPAD)可包括用于停止雪崩的被动和/或主动淬灭电路。

可以通过两种方法来使用此概念。首先，可只是对到达的光子进行计数(例如，在低光度应用中)。其次，可使用SiPM像素来测量从同步光源到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(ToF)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。

图1是示例性SPAD器件202的电路图。如图1所示，SPAD器件202包括与淬灭电路206串联耦接在第一电源电压端子210(例如，接地电源电压端子)和第二电源电压端子208(例如，正电源电压端子)之间的SPAD 204。具体地讲，SPAD器件202包括具有连接到电源电压端子210的阳极端子和直接连接到淬灭电路206的阴极端子的SPAD 204。包括与淬灭电阻器206串联连接的SPAD 204的SPAD器件202有时统称为光触发单元或“微小区”。在SPAD器件202的操作期间，电源电压端子208和210可用于将SPAD 204偏置到高于击穿电压的电压(例如，将偏置电压Vbias施加到端子208)。击穿电压是能够施加到SPAD 204的不会导致二极管中的泄漏电流呈指数级增加的最大反向电压。当SPAD 204以这种方式反向偏置在击穿电压之上时，单光子的吸收可通过碰撞电离触发短时间但是相对较大的雪崩电流。

淬灭电路206(有时称为淬灭元件206)可用于将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压的水平。将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压将停止雪崩过程和对应的雪崩电流。有多种方法来形成淬灭电路206。淬灭电路206可为被动淬灭电路或主动淬灭电路。一旦雪崩启动，被动淬灭电路无需外部控制或监测即可自动淬灭雪崩电流。例如，图1示出了使用电阻器部件来形成淬灭电路206的示例。这是被动淬灭电路的一个示例。

被动淬灭电路的这个示例仅仅是示例性的。主动淬灭电路也可用在SPAD器件202中。主动淬灭电路可减少SPAD器件202复位所花费的时间。这可允许SPAD器件202以比使用被动淬灭电路时更快的速率检测入射光，从而改善SPAD器件的动态范围。主动淬灭电路可调节SPAD淬灭电阻。例如，在检测到光子之前，将淬灭电阻设置为较高的值，然后一旦检测到光子并且雪崩淬灭，就将淬灭电阻最小化以减少恢复时间。

SPAD器件202还可包括读出电路212。有多种方式形成读出电路212以从SPAD器件202获得信息。读出电路212可包括对到达的光子进行计数的脉冲计数电路。另选地或除此之外，读出电路212可包括用于测量光子飞行时间(ToF)的飞行时间电路。光子飞行时间信息可用于执行深度感测。在一个示例中，光子可由模拟计数器计算以形成作为对应像素电压的光强度信号。也可以通过将光子飞行时间转换为电压来获得ToF信号。包括在读出电路212中的模拟脉冲计数电路的示例仅是示例性的。如果需要，读出电路212可包括数字脉冲计数电路。如果需要，读出电路212还可包括放大电路。

图1中读出电路212耦接到二极管204和淬灭电路206之间的节点的示例仅是示例性的。读出电路212可耦接到端子208或SPAD器件的任何所需部分。在一些情况下，淬灭电路206可被认为与读出电路212成一整体。

因为SPAD器件可检测单个入射光子，所以SPAD器件可有效地成像具有低光水平的场景。每个SPAD可检测在给定时间段内接收的光子的数量(例如，使用包括计数电路的读出电路)。然而，如上所述，每当接收到光子并且开始雪崩电流时，必须在准备好检测另一个光子之前对SPAD器件进行淬灭和复位。当入射光水平增加时，复位时间变得限制于SPAD器件的动态范围(例如，一旦入射光水平超过给定水平，则在复位时立即触发SPAD器件)。

可将多个SPAD器件分组在一起以帮助增加动态范围。图2是SPAD器件202的示例性组220的电路图。SPAD器件的组或阵列有时可被称为硅光电倍增器(SiPM)。如图2所示，硅光电倍增器220可包括在第一电源电压端子208和第二电源电压端子210之间并联耦接的多个SPAD器件。图2示出了并联耦接的N个SPAD器件202(例如，SPAD器件202-1，SPAD器件202-2，SPAD器件202-3，SPAD器件202-4，......，SPAD器件202-N)。在给定的硅光电倍增器220中可包括多于两个的SPAD器件，多于十个的SPAD器件，多于一百个的SPAD器件，多于一千个的SPAD器件等。

每个SPAD器件202在本文中有时可被称为SPAD像素202。尽管未在图2中明确示出，用于硅光电倍增器220的读出电路可测量来自硅光电倍增器中全部SPAD像素的组合输出电流。以此方式配置，可增加包括SPAD像素的成像系统的动态范围。当接收到入射光子时，不保证每个SPAD像素具有触发的雪崩电流。SPAD像素可具有在接收到入射光子时触发雪崩电流的相关联概率。存在在光子到达二极管时产生电子的第一概率，然后是电子触发雪崩电流的第二概率。光子触发雪崩电流的总概率可称为SPAD的光子检测概率(PDP)。每个SPAD器件还可具有相关联的光子检测效率(PDE)，该光子检测效率为填充因数和PDP的乘积。因此，在硅光电倍增器中将多个SPAD像素分组在一起允许直接测量传入的入射光。例如，如果单个SPAD像素的PDE为50％并且在某个时间段内接收到一个光子，则不会检测到光子的可能性为50％。利用图2的硅光电倍增器220，四个SPAD像素中的两个可能将检测光子，从而改善所提供的时间段的图像数据。

图2的示例仅是示例性的，其中所述多个SPAD像素202共享硅光电倍增器220中的公共输出。就包括具有用于所有SPAD像素的公共输出的硅光电倍增器的成像系统而言，成像系统在成像场景时可能不具有任何分辨率(例如，硅光电倍增器可仅检测单个点处的光子通量)。可能有利的是使用SPAD像素在阵列上获得图像数据，以允许成像场景的更高分辨率的再现。在诸如这些情况下，单成像系统中的SPAD像素可具有逐个像素读出能力。另选地，可在成像系统中包括硅光电倍增器的阵列(每个硅光电倍增器包括多于一个的SPAD像素)。来自每个像素或来自每个硅光电倍增器的输出可用于生成成像场景的图像数据。该阵列可能够在线阵列(例如，具有单行多列或单列多行的阵列)或具有多于十个、多于一百个或多于一千个的行和/或列的阵列中进行独立检测(无论是在硅光电倍增器中使用单个SPAD像素还是多个SPAD像素)。

如上所述，虽然SPAD像素有多个可能的用例，但是用于检测入射光的基础技术是相同的。使用SPAD像素的器件的所有上述示例统称为基于SPAD的半导体器件。包括具有共同输出的多个SPAD像素(微小区)的硅光电倍增器可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个像素读出能力的SPAD像素阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个硅光电倍增器读出能力的硅光电倍增器阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。

图3示出了硅光电倍增器30。如图3所示，SiPM 30具有电容耦接到每个阴极端子31的第三端子35，以便提供来自SPAD 33的雪崩信号的快速读出。当SPAD 33发射电流脉冲时，在阴极31处产生的电压变化的一部分将经由互电容耦接到第三(“快速”)输出端子35中。使用第三端子35进行读出避免了由于与偏置淬灭电阻器的顶部端子的偏置电路相关联的相对较大的RC时间常数而导致的受损瞬态性能。

本领域的技术人员应当理解，硅光电倍增器包括如图4所示的主总线44和次总线45。次总线45可直接连接到每个单独的微小区25。然后将次总线45耦接到主总线44，所述主总线连接到与端子37和35相关联的接合焊盘。通常，次总线45在微小区25的列之间竖直延伸，而主总线44邻近微小区25的外行水平地延伸。

图5为包括光探测和测距(LIDAR)成像系统的示例性系统的示意图。图5的系统100可为车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)、监控系统、医学成像系统、一般机器视觉系统或任何其他期望类型的系统。

系统100可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为了实现这些功能，成像系统可包括输入输出设备，诸如小键盘、按钮、输入输出端口、操纵杆和显示器。附加的存储和处理电路，诸如易失性和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)、微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路和/或其它处理电路，也可包括在成像系统中。

输入输出设备可包括与基于SPAD的半导体器件结合工作的输出设备。例如，在成像系统中可包括发光部件(诸如激光器104)以发射光(例如，红外线或任何其他期望类型的光)。

系统100包括基于LIDAR的成像系统102，有时称为LIDAR模块。LIDAR模块102可用于捕获场景的图像并且测量到场景中的障碍物的距离。

在车辆安全系统中，可由车辆安全系统使用来自LIDAR模块的信息来确定车辆周围的环境状况。例如，车辆安全系统可包括系统诸如停车辅助系统、自动或半自动巡航控制系统、自动制动系统、防撞系统、车道保持系统(有时称为车道漂移避免系统)、行人检测系统等。在至少一些情况下，LIDAR模块可形成半自主或自主无人驾驶车辆的一部分。

LIDAR模块102可包括激光器104，该激光器发射光108以照亮障碍物110。激光器可发射任何期望波长的光108(例如，红外线、可见光等)。光学器件和光束转向装备106可用于将来自激光器104的光束朝向障碍物110导向。光108可照亮障碍物110并作为反射112返回LIDAR模块。光学器件和光束转向装备106中的一个或多个透镜可将反射光112聚焦到硅光电倍增器(SiPM)114(有时称为SiPM传感器114或基于SPAD的半导体器件114)上。

硅光电倍增器114为单光子雪崩二极管(SPAD)器件。换句话讲，硅光电倍增器114可包括多个单光子雪崩二极管(微小区)。可使用SPAD像素来测量从同步光源(例如，激光器104)到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(ToF)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。

基于SPAD的半导体器件114可具有任何数量的SPAD像素(例如，两个、多于两个、多于十个、多于一百个、多于一千个、多于一百万个等)。在一些基于SPAD的半导体器件中，每个SPAD像素可由相应的滤色器元件和/或微透镜覆盖。基于SPAD的半导体器件114可任选地包括附加的电路，诸如逻辑门、数字计数器、时间数字转换器、偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模数(ADC)转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、地址电路等。

LIDAR模块102还可包括发射器116和接收器118。LIDAR处理电路120可控制发射器116从激光器104发射光(例如，发射器116可为激光器的驱动器)。接收器118可包括一个或多个比较器，该一个或多个比较器被配置为确定由硅光电倍增器所接收的一个或多个信号的幅值。LIDAR处理电路120可从接收器118(和SiPM 114)接收数据。基于来自SiPM 114的数据，LIDAR处理电路120可确定到障碍物110的距离。LIDAR处理电路120可与系统处理电路101通信。系统处理电路101可基于来自LIDAR模块102的信息采取对应的动作(例如，在系统级上)。

LIDAR处理电路120和/或系统处理电路101可用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、数据格式化、调整白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。例如，在自动聚焦操作期间，处理电路可处理由SPAD像素采集的数据，以确定将感兴趣的对象聚焦所需的透镜移动(例如，光学器件和光束转向装备106中的透镜的移动)的幅值和方向。处理电路可处理由SPAD像素采集的数据，以确定场景的深度图。接收器118、LIDAR处理电路120、环境水平检测电路126和/或系统处理电路可全部共同地、在一些子集中和/或单独地称为处理电路。

基于LIDAR的成像系统102的性能可能受到环境光水平的影响。如图5所示，除了来自障碍物110的反射112之外，SiPM 114可接收来自环境光源124的环境光122。环境光122影响由SiPM 114感测的光量。此噪声可能会对LIDAR模块的性能产生不利影响。

为了校正环境光噪声，LIDAR模块102可包括环境光水平检测电路126(有时称为环境水平检测电路126、环境水平检测126等)。环境水平检测电路126可从场景中提取环境光水平。然后，LIDAR处理电路120可使用环境光水平来设定对象检测阈值。

环境水平检测电路126可监视由SiPM 114检测到的所有脉冲的振幅。基于脉冲振幅的最近历史，环境水平检测电路估计环境水平并将环境水平提供给LiDAR处理电路120。LiDAR系统可使用此信息来适当设定用于辨别有效脉冲振幅的阈值，从而更可靠地检测目标。换句话讲，阈值用于确定所接收的脉冲是由来自环境光源124的光(振幅低于阈值)或来自障碍物110的反射(振幅高于阈值)引起的。

环境光检测电路126的操作原理是监视通过一组预定义阈值水平辨别的所有SiPM脉冲的计数率(CR)，该组阈值水平区分SiPM脉冲是源自环境光还是源自激光脉冲(来自激光器104)。不相关环境光脉冲的计数率(CR)将显著高于与激光器104相关的脉冲的计数率(例如，来自障碍物110的反射源自激光器104)。由于SiPM传感器灵敏度可降至1光子(PE)，因此以PE表示SiPM脉冲振幅以及阈值水平是可行的。与1光子相关联的信号幅值(例如，电压或电流幅值)可针对特定系统预先确定，并且可作为已知值存储在系统内。

系统可在环境光水平检测电路中使用至少2个可调阈值。在具有2个可调阈值的情况下，环境光水平检测电路可分别区分低于和高于较低阈值水平和较高阈值水平的计数率。系统可将阈值调整一个PE间隔，以找到低于较低阈值的计数率显著高于高于较高阈值的计数率的水平。这两个阈值之间的水平为近似环境光阈值。使用两个阈值的示例仅仅是示例性的。使用更多的阈值水平可提高设定阈值水平的准确性。

图6是示出具有环境光检测电路的LIDAR模块的示例性图的示意图。LIDAR模块可包括多个LIDAR信道。信道可指SiPM传感器中SPAD的相应子集的输出。如先前所提及的，SiPM传感器上的所有SPAD都可具有公共输出(例如，传感器可具有单个信道)。在其他实施方案中，相应的SPAD组可具有相应的输出(例如，传感器可具有不同的信道)。与每个不同信道相关联的SPAD组可被称为硅光电倍增传感器像素，或者可简称为硅光电倍增传感器上的单独硅光电倍增器。

每个LIDAR信道可在接收器118中具有对应的放大器。如图所示，信道1具有放大器A1，信道2具有放大器A2等。放大器的输出可耦接到主LIDAR电路(信号处理电路)118P。放大器的输入和输出都可称为来自硅光电倍增器114的输出信号。换句话讲，来自传感器114的放大的信号仍可被称为来自传感器114的输出信号。信号处理电路可包括用于识别来自放大器的信号幅值的一个或多个比较器。每个比较器可具有唯一幅值的对应参考信号。比较器的输出指示来自基于SPAD的半导体器件114的信号是大于还是小于对应参考信号。这些比较器输出可(例如，由LIDAR控制器120)使用来识别输出信号的近似幅值。一个或多个数模转换器(DAC)可用于为信号处理电路118P提供参考信号。如果需要，在环境光检测电路126中使用的DAC还可向信号处理电路118P中的一个或多个比较器提供参考信号。

信号处理电路118P的参考信号可被设定为等于由环境光检测电路126确定的环境光水平的水平。利用这种布置，可由比较器检测到源自激光器的脉冲(例如，LIDAR系统的反射脉冲)。可忽略源自环境光的脉冲。参考信号可任选地被设定为比环境光水平高一定量(以在检测阈值与环境光水平之间提供附加的缓冲)。

接收器118还可任选地包括极零补偿和DC偏移消除块。极零补偿和DC偏移消除块可用于形成传感器信号并消除DC偏移。

为简单起见，在图6中，示出了仅用于一个信道的环境光检测电路126。然而，应当理解，每个信道可具有相应的环境光检测电路126。在一些情况下，可使用多路复用电路来将环境光检测电路选择性地连接到多个LIDAR输出信道中的一个LIDAR输出信道。

在图6的示例中，环境光检测电路126包括四个比较器(128-1、128-2、128-3和128-4)。环境光检测电路126可包括用于为比较器生成参考信号的参考信号发生电路131。比较器128-1、128-2、128-3和128-4可为电压比较器或电流比较器。如果比较器为电压比较器，则每个比较器可从电路131接收相差1PE电压的参考信号。如果比较器为电流比较器，则每个比较器可从电路131接收相差1PE电流的参考信号。

在图6中，比较器128-1、128-2、128-3和128-4为电压比较器。在该示例中，参考信号发生电路131包括数模转换器(DAC)130。数模转换器130为每个比较器设定参考输入(例如，参考电压)。每个比较器的参考输入可相差1PE。这个示例仅仅为示例性的。参考输入可相差变化的间隔或任何期望幅值的均匀间隔。在一个示例中，比较器128-1的参考输入可为3.5PE，比较器128-2的参考输入可为2.5PE，比较器128-3的参考输入可为1.5PE，并且比较器128-4的参考输入可为0.5PE。每个比较器还在另一个比较器输入处接收来自硅光电倍增器的输出(例如，传感器输入)。每个比较器具有相关联的计数器，该计数器对传感器输入超过参考输入的次数进行计数。相关联的计数器可为数字计数器或模拟计数器。

考虑其中平均环境光水平为约2.0PE的示例。计数器1和计数器2将具有少量计数(因为在发生障碍物检测时，感测到的光将仅超过2.5PE和3.5PE)。计数器3和计数器4将具有大量计数(因为环境光水平经常会超过1.5PE和0.5PE，并且因此触发计数器3和4)。

当计数器4(例如，与最低阈值相关联的计数器)溢出时或者当给定长度(例如，时间、来自计数器4的计数等)的监视循环结束时，环境光水平检测控制器132可重置计数器。环境光水平检测控制器132可将环境光水平输出到LIDAR处理电路120(有时称为LIDAR控制器120)。如果计数器2上的计数的数量低而计数器3上的计数的数量高，则环境跟踪回路控制器132可确定环境光水平介于比较器128-2的参考输入和比较器128-3的参考输入之间。可使用一个或多个阈值来识别“低”数量的计数和“高”数量的计数。阈值可为预先确定的且不变的，或者可任选地由参考信号发生电路131基于实时条件来改变。

作为一个示例，如果计数低于第一阈值(例如，小于10个计数、小于8个计数、小于5个计数、小于3个计数等)，则环境跟踪回路控制器132可将计数识别为低。如果计数高于第二阈值(例如，具有与第一阈值相同的幅值或不同的幅值)，则环境跟踪回路控制器132可将计数识别为高。第二阈值可为多于3个计数、多于5个计数、多于10个计数、多于15个计数等。

如果计数器2计数大量计数(例如，在环境光水平增加到约3.0PE的情形下)，则环境代码可增加一，并且控制器132可重新开始计数。在该示例中，新阈值水平(用于比较器)可为4.5PE、3.5PE、2.5PE和1.5PE。类似地，如果计数器3计数较小数字，则环境代码可减小。

环境代码(以及提供给比较器的对应参考信号)可在循环之间更新1PE，在循环之间更新2PE，在循环之间更新多于2PE等。例如，考虑对于给定的监视循环，比较器的参考输入为3.5PE、2.5PE、1.5PE和0.5PE的情形。如果计数器1和计数器2具有大量计数(例如，在实际环境光水平为约4.0PE的情形下)，则环境代码可增加二，并且控制器132可重新开始计数。在该示例中，新阈值水平可为5.5PE、4.5PE、3.5PE和2.5PE。对于这些新的参考值，计数器1和2将具有低计数，而计数器3和计数器4将具有高计数。因此，环境光水平被确定为介于3.5PE和4.5PE之间。

LIDAR控制器120可从接收器118中的信号处理电路118P接收信号(例如，指示来自基于SPAD的半导体器件114的脉冲幅值的信号)。LIDAR控制器120可向环境跟踪回路控制器发送停止和开始控制信号。LIDAR控制器120还可从环境跟踪回路控制器132接收所确定的环境水平。

如图6所示，可将来自DAC 130的输出任选地提供给信号处理电路118P。以这种方式，信号处理电路118P可使用DAC输出来确定适当的阈值，以用于辨别来自环境光的脉冲和来自反射激光的脉冲。

图7是由电流比较器形成的示例性环境水平检测电路126的示意图。如果需要，图7中的环境水平检测电路126可用作图6中的环境水平检测电路。如图7所示，包括一系列电流比较器128-1、128-2…128-N。每个比较器具有对应的计数器。每个计数器耦接到环境光跟踪控制器132。

每个电流比较器在一个端子处接收来自基于SPAD的半导体器件114的输出。在另一端子处，每个电流比较器接收参考电流。参考电流从比较器128-1的某个初始值I_O处开始。对于每个后续比较器，电流的幅值都减小一个PE(例如，对于比较器128-2，I_O–1PE；对于比较器128-N，I_O–NPE)。

环境光水平检测电路126包括电流源152。多个pMOS(p型金属氧化物半导体)器件154耦接到电流源。环境光水平检测电路126还包括多个nMOS(n型金属氧化物半导体)器件156。附加器件耦接到每个比较器参考输入，以逐渐降低提供给比较器的参考电流。控制这些器件的电源端子以在环境光水平检测电路中的每个相应比较器之间实现期望的电流降。如图7所示，第一数模转换器(DAC)158耦接在pMOS器件和nMOS器件之间。

图7还示出了可如何包括向LIDAR接收器(例如，图6中的接收器118的信号处理电路118P)提供输出的第二数模转换器(DAC)160。来自DAC160的输出可用作接收器中的比较器的参考信号。

图8A和图8B为检测到的PE随时间推移的曲线图。图8A示出了具有强环境光的情形。如图所示，通常最多计数5PE。然而，这些计数仍然低于与对象检测相关联的峰值142。在图8B中，环境光水平较低。如图所示，通常最多计数2PE。同样，这些值低于与对象检测相关联的峰值142。

图9为示出包括环境光水平检测电路的LIDAR模块的示例性测量波形的图示。在该示例中，图6中的计数器1、计数器2、计数器3和计数器4的阈值分别被设定为6.5PE、5.5PE、4.5PE和3.5PE。如图所示，计数仅在障碍物检测峰值142期间超过5.5PE。因此，计数器1和计数器2保持为0，直到峰值142，并且在峰值142之后具有计数1。同时，计数器3和计数器4很多情况下由环境光峰值触发。计数器3以计数18结束环境跟踪回路，而计数器4以计数31结束环境跟踪回路。在一个环境跟踪回路计数周期之后，可任选地重置计数器。

在该示例中，来自计数器1和计数器2的结果可被分类为低(例如，低于阈值)，而来自计数器3和计数器4的结果可被分类为高(例如，高于阈值)。因此，环境跟踪回路控制器132可确定环境光水平介于计数器2和计数器3的参考水平之间(例如，介于4.5PE和5.5PE之间)。

总而言之，该LIDAR模块能够监视SiPM脉冲的高度，并且能够通过搜索以足够大的计数率存在的最高脉冲来确定环境光水平。相比之下，与激光器相关的脉冲(具有较高振幅)的计数率显著较低。根据指示，器件运行SiPM脉冲的监视循环并且基于SiPM脉冲的高度对它们进行计数。器件可根据需要运行该监视循环，并且可使用对多个水平的监视来了解在环境光水平发生变化的情况下如何进行调整。监视循环可具有固定的时间长度、固定的计数数量，或者可作为移动平均值来完成。监视循环可与LIDAR系统的测量循环同时执行。换句话讲，当LIDAR系统正在发射激光脉冲以识别场景中的对象时，环境光水平电路可能会同时监视来自硅光电倍增器的脉冲以识别环境光水平。

这些技术允许LIDAR系统动态地调整阈值水平，以在宽且不可预测的照明条件范围下辨别目标(例如，识别障碍物)。

根据一个实施方案，一种系统可包括：半导体器件，该半导体器件包括单光子雪崩二极管；信号处理电路，该信号处理电路被配置为从半导体器件接收输出信号；和环境光水平检测电路，该环境光水平检测电路被配置为从半导体器件接收输出信号并基于输出信号确定环境光水平。

根据另一实施方案，环境光水平检测电路可包括多个比较器和多个计数器，并且每个计数器可耦接到对应的比较器。

根据另一实施方案，多个比较器中的每个比较器可被配置为在相应的第一输入端子处接收输出信号，并且在相应的第二输入端子处接收相应的参考信号。

根据另一实施方案，每个第二输入端子处的相应参考信号可具有唯一幅值。

根据另一实施方案，多个比较器中的每个比较器可为电压比较器，并且每个第二输入端子处的相应参考信号可具有唯一的电压幅值。

根据另一实施方案，多个比较器中的每个比较器可为电流比较器，并且每个第二输入端子处的相应参考信号可具有唯一的电流幅值。

根据另一实施方案，多个比较器中的每个比较器可具有相应的第一输入端子和第二输入端子。

根据另一实施方案，第一输入端子中的每个第一输入端子可接收输出信号。

根据另一实施方案，环境光水平检测电路可包括参考信号发生电路，该参考信号发生电路被配置为向每个第二输入端子提供具有唯一幅值的参考信号。

根据另一实施方案，环境光水平检测电路可包括控制器，该控制器被配置为基于多个计数器中的每个计数器处的计数来确定环境光水平。

根据另一实施方案，该系统还可包括被配置为发射光的激光器。半导体器件可被配置为接收来自激光器的光的反射型式，并且信号处理电路可被配置为使用由环境光水平检测电路检测到的环境光水平来辨别由环境光引起的输出信号和由来自激光器的光的反射型式引起的输出信号。

根据一个实施方案，一种可与被配置为发射光的光源一起操作的系统可包括：半导体器件，该半导体器件包括单光子雪崩二极管，其中半导体器件暴露于环境光和光的反射型式两者；环境光水平检测电路，该环境光水平检测电路被配置为基于来自半导体器件的输出信号来确定环境光的亮度；以及处理电路，该处理电路被配置为基于由环境光水平检测电路确定的亮度来辨别环境光和光的反射型式。

根据另一实施方案，环境光水平检测电路可包括多个比较器，该多个比较器接收逐渐减小的参考信号。

根据另一实施方案，环境光水平检测电路还可包括多个计数器，并且每个计数器可被配置为对输出信号超过相应比较器的相应参考信号的次数进行计数。

根据另一实施方案，环境光水平检测电路可被配置为在环境光跟踪循环完成之后，基于每个计数器所计数的次数来确定环境光的亮度。

根据另一实施方案，环境光水平检测电路可包括多个电压比较器，该多个电压比较器接收具有逐渐减小的电压的参考信号。

根据另一实施方案，环境光水平检测电路可包括多个电流比较器，该多个电流比较器接收具有逐渐减小的电流的参考信号。

根据一个实施方案，一种光探测和测距(LIDAR)成像系统可包括：硅光电倍增器；多个比较器，该多个比较器具有相应的第一输入和第二输入，其中每个第一输入被配置为从硅光电倍增器接收输出信号；参考信号发生电路，该参考信号发生电路被配置为向第二输入中的每个第二输入提供不同的参考信号；和多个计数器，该多个计数器各自被配置为对输出信号超过相应比较器的相应参考信号的次数进行计数。

根据另一实施方案，LIDAR成像系统还可包括接收器，该接收器被配置为从耦接到接收器和多个计数器的硅光电倍增器和LIDAR处理电路接收输出信号。

根据另一实施方案，不同的参考信号可各自具有与相邻参考信号的幅值相差一个光子水平的幅值。

前述内容仅仅是对本发明原理的例示性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种系统，所述系统包括：

半导体器件，所述半导体器件包括单光子雪崩二极管；

信号处理电路，所述信号处理电路被配置为从所述半导体器件接收输出信号；和

环境光水平检测电路，所述环境光水平检测电路被配置为从所述半导体器件接收所述输出信号并基于所述输出信号确定环境光水平。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述环境光水平检测电路包括多个比较器和多个计数器，并且其中每个计数器耦接到对应的比较器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个比较器中的每个比较器被配置为在相应的第一输入端子处接收所述输出信号并在相应的第二输入端子处接收相应参考信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其中每个第二输入端子处的所述相应参考信号具有唯一幅值。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述多个比较器中的每个比较器为电压比较器，并且其中每个第二输入端子处的所述相应参考信号具有唯一的电压幅值。

6.根据权利要求3所述的系统，其中所述多个比较器中的每个比较器为电流比较器，并且其中每个第二输入端子处的所述相应参考信号具有唯一的电流幅值。

7.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个比较器中的每个比较器具有相应的第一输入端子和第二输入端子，其中所述第一输入端子中的每个第一输入端子接收所述输出信号，并且其中所述环境光水平检测电路包括参考信号发生电路，所述参考信号发生电路被配置为向每个第二输入端子提供具有唯一幅值的参考信号。

8.一种能够与被配置为发射光的光源一起操作的系统，所述系统包括：

半导体器件，所述半导体器件包括单光子雪崩二极管，其中所述半导体器件暴露于环境光和该光的反射型式两者；

环境光水平检测电路，所述环境光水平检测电路被配置为基于来自所述半导体器件的输出信号来确定所述环境光的亮度；和

处理电路，所述处理电路被配置为基于由所述环境光水平检测电路确定的所述亮度来辨别所述环境光和该光的所述反射型式。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述环境光水平检测电路包括多个比较器，所述多个比较器接收逐渐减小的参考信号，其中所述环境光水平检测电路还包括多个计数器，其中每个计数器被配置为对所述输出信号超过相应比较器的所述相应参考信号的次数进行计数，并且其中所述环境光水平检测电路被配置为在环境光跟踪循环完成之后，基于每个计数器所计数的所述次数来确定所述环境光的所述亮度。

10.一种光探测和测距LIDAR成像系统，所述LIDAR成像系统包括：

硅光电倍增器；

多个比较器，所述多个比较器具有相应的第一输入和第二输入，其中每个第一输入被配置为从所述硅光电倍增器接收输出信号；

参考信号发生电路，所述参考信号发生电路被配置为向所述第二输入中的每个第二输入提供不同的参考信号；和

多个计数器，所述多个计数器各自被配置为对所述输出信号超过相应比较器的所述相应参考信号的次数进行计数。

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