CN113466892A - 具有改进的时间数字转换电路的lidar系统 - Google Patents

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Abstract

本发明题为具有改进的时间数字转换电路的LIDAR系统。本发明公开了一种光探测和测距(LIDAR)系统，该系统可包括激光器和由从目标场景反射的激光触发的多个单光子雪崩二极管(SPAD)。该LIDAR系统可以全局快门模式操作，因此该SPAD中的每一个均可包括其自己的时间数字转换电路。为了减小针对每个二极管实现该电路所需的面积，可使用周期性直方图化来操作该电路，其中可使用对应于该激光的发射和该SPAD的检测的第一时间段来确定飞行时间值的第一位，可使用为该第一时间段的一半的第二时间段来确定该飞行时间值的第二位，等等。通过这种方式，该电路可准确地确定该信号峰值，同时需要更少的面积和存储器需求。

Description

具有改进的时间数字转换电路的LIDAR系统
技术领域
本发明整体涉及成像系统，并且更具体地涉及基于LIDAR(光探测和测距)的成像系统。
背景技术
常规的LIDAR成像系统利用光(通常是相干激光脉冲)照亮目标，并且测量从目标反射的返回时间以确定到目标的距离，并且测量光强度以生成场景的三维图像。LIDAR成像系统包括直接飞行时间电路和照射目标的激光器。飞行时间电路可确定激光脉冲(例如，已被目标反射)的飞行时间，从而确定到目标的距离。在直接飞行时间LIDAR系统中，针对形成图像传感器的单光子雪崩二极管(SPAD)像素阵列中的每个像素确定该距离。
尽管可使用以卷帘快门模式操作的图像传感器来实现直接飞行时间技术，但可能难以在全局快门系统中实现直接飞行时间技术。具体地，在每个SPAD像素中实现专用飞行时间电路可能需要过多的面积。此外，如果在SPAD像素之间共享飞行时间电路，则可降低帧速率。
因此，期望能够为直接飞行时间LIDAR系统提供改进的时间数字转换电路。
附图说明
图1是包括LIDAR成像系统的例示性系统的示意图。
图2是根据一个实施方案的示出例示性单光子雪崩二极管像素的电路图。
图3是根据一个实施方案的例示性硅光电倍增器的图示。
图4是根据一个实施方案的与LIDAR系统的SPAD像素相关联的例示性处理电路的图示。
图5是根据一个实施方案的执行周期性直方图化的例示性过程的图示。
图6是根据一个实施方案的与LIDAR系统的SPAD像素相关联的例示性时间戳电路、直方图和峰值检测电路和门控逻辑电路的图示。
图7是根据一个实施方案的使用周期性直方图化操作来操作LIDAR系统的例示性方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及具有直接飞行时间能力的LIDAR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，在光探测和测距(LIDAR)器件(诸如结合图1至图4所述的器件)中，光子检测原理是不同的。LIDAR器件可包括朝目标对象/场景发射光的光源，诸如激光器。LIDAR器件中的光感测二极管可偏置到略高于其击穿点，并且当来自激光器的入射光子(例如，从目标对象/场景反射的光)生成电子或空穴时，该载流子引发雪崩击穿，同时生成附加的载流子。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与SPAD相关联的读出电路被容易地检测。需要通过将二极管偏置降低到低于其击穿点来停止(即，淬灭)雪崩过程。
在LIDAR器件中，SPAD像素可用于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。该方法需要时间数字转换电路来确定自发射激光以来所经过的时间量，从而确定到目标对象的距离。在全局快门模式下，每个SPAD像素可能需要其自己的时间数字转换电路(以允许同时读出每个SPAD像素生成的信号)。然而，传统上这样做需要像素上更大的面积，或者做出折衷(例如，降低帧速率)以共享电路。相反，可通过改进相关的处理技术来优化时间数字转换电路以减小像素上所需的面积。
图1是包括LIDAR成像系统的例示性系统的示意图。图1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(也称为目标)的距离。
例如，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模块可包括激光器104，该激光器发射光108以照亮障碍物110(在本文也称为目标或场景)。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的光束导向障碍物110。光108可照亮障碍物110并且作为反射112返回LIDAR模块。光学器件和光束导向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)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。在单光子雪崩二极管(SPAD)器件中，光感测二极管被偏置到高于其击穿点。当入射光子生成电子或空穴时，该载流子引发雪崩击穿，同时生成附加的载流子。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与SPAD相关联的读出电路被容易地检测。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，每个SPAD可包括用于停止雪崩的被动和/或主动淬灭电路。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。
图2中示出了SPAD像素的示例。如图2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208(例如，接地电源电压端子)和第二电源电压端子210(例如，正电源电压端子)之间的SPAD 204。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。击穿电压是能够施加的且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以这种方式偏置到高于击穿电压时，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。一旦启动，被动猝灭电路可自动猝灭雪崩电流，而无需外部控制或监视。例如，图2示出了使用电阻器来形成淬灭电路206的示例。这是被动淬灭电路的一个示例。雪崩启动后，产生的电流会迅速将器件的容量进行放电，从而将SPAD处的电压降低至击穿电压附近。与淬灭电路206中的电阻器相关联的电阻可能导致最终电流低于维持其自身所要求的电流。然后可将SPAD复位到击穿电压之上，以便能够检测另一个光子。
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2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例示性的。读出电路212可耦接到SPAD器件的任何期望的部分。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了多少光子(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)。此外，SPAD器件可用于LIDAR系统中，以确定光在从外部对象反射之后何时返回。
可将多个SPAD器件分组在一起以帮助增加动态范围。SPAD器件的组或阵列可被称为硅光电倍增器(SiPM)。在给定的硅光电倍增器中可包括两个SPAD器件、多于两个SPAD器件、多于十个SPAD器件、多于一百个SPAD器件、多于一千个SPAD器件等。图3中示出了分组在一起的多个SPAD器件的示例。
图3是SPAD器件202的例示性组220的电路图。SPAD器件的组可被称为硅光电倍增器(SiPM)。如图3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3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中可包括多于两个SPAD器件、多于十个SPAD器件、多于一百个SPAD器件、多于一千个SPAD器件等。
在本文中，每个SPAD器件可称为SPAD像素202。尽管未在图3中明确示出，但用于硅光电倍增器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，可增加包括SPAD像素的成像系统的动态范围。然而，如果需要，每个SPAD像素可具有单独的读出电路。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的光子检测效率(PDE)。因此，在硅光电倍增器中将多个SPAD像素分组在一起允许更准确地测量传入的入射光。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3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并且允许对入射光进行更精确的测量。
在硅光电倍增器中具有公共输出的多个SPAD像素的示例仅为示例性的。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)。
返回图1，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和激光器104。LIDAR处理电路120还可接收来自接收器118(和SiPM 114)的数据。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可包括时间数字转换器(TDC)电路132和自主动态分辨率电路134。时间数字转换器电路132可使用时间值(例如，在激光器发射光和SiPM 114接收反射之间)来获得表示到障碍物110的距离的数字值。
使用多个激光周期来实现对直接飞行时间(ToF)LIDAR的读出，以基于由SPAD和时间数字转换器(TDC)生成的时间戳在存储器中创建直方图。直方图的峰值用于确定激光信号行进到目标并返回到传感器所花费的时间。然而，生成所有时间戳的直方图可能需要非常大的存储器以及太大而不能与全局快门操作兼容的面积。此外，尝试生成部分直方图仍然需要较大的TDC，这浪费了功率，并且容易出现边界错误。因此，需要改进的TDC电路和直方图生成。
如图4所示，每个SPAD像素202(或SiPM 114)可与TDC电路400相关联，该TDC电路响应于由SPAD像素检测到的电荷而生成直方图。SPAD像素202(或SiPM 114)可耦接到时间戳电路402。每次LIDAR模块102(诸如利用激光器104)生成激光脉冲时，以及每次响应于光子触发SPAD像素或SiPM时，时间戳402都可生成时间戳信息。可在对光的发射和检测加了时间戳之后，将数据传递到直方图和峰值检测电路404。直方图和峰值检测电路404可用于确定在时间戳信息内出现峰值的位置(例如，在给定时间段内SPAD像素/SiPM被触发的次数最多的位置)。直方图电路404可利用周期性直方图化方法，其中基于数据中的相对峰值，使用较小时间段来迭代地分析来自SPAD像素的数据。具体地，周期性直方图化方法可允许减少存储器、大小和功率需求，以及增加对边界错误的鲁棒性。
SPAD门控406可耦接在直方图和峰值检测电路404与SPAD像素202之间。具体地，可响应于来自直方图和峰值检测电路404的反馈来调整SPAD门控406以改变所分析的所时间段。例如，如果直方图和峰值检测电路404确定在周期性直方图化的第一周期期间在所分析的时间段的前半段中已经出现峰值，则可调整SPAD门控406以仅在与下一周期中的前一时间段的前半段相对应的新时间段期间收集光样本。这可通过周期性直方图化迭代地重复，直到找到具有期望显著性的峰值。如先前所讨论的，该方法可减少电路400的存储器、大小和功率需求。因此，每个SPAD像素可具有专用电路400，该专用电路可允许LIDAR系统以全局快门模式操作。然而，这仅仅是例示性的。一般来讲，如果需要，可在以卷帘快门模式操作的LIDAR系统中实现电路400和/或周期性直方图化方案。
图5中示出了周期性直方图化过程的示例。如图5所示，SPAD像素202(或SiPM)可耦接到TDC 502(其可对应于图4的TDC电路400)。SPAD像素202和TDC 502可一起响应于已被外部对象反射的激光而生成带时间戳信号。具体地，SPAD像素202和TDC 502可生成带时间戳信号的多个周期。在每个周期中，带时间戳数据504的一部分可存储在存储器506中。响应于该数据，可产生直方图508，其中可确定峰值。
周期1可分析带时间戳数据504的第一位504A。第一位504A可以是带时间戳数据504的最高有效位(即，最粗位)。具体地，与第一位504A相关联的数据可存储在存储器506中。可响应于存储在存储器506中的数据而产生直方图508A。具体地，直方图508A可用于确定在位置510A处出现在时间段T1上的峰值。时间段T1可对应于激光发射和检测所需的时间量，并且可小于100ns、小于50ns、小于45ns、大于30ns或任何其他期望的时间长度。由于峰值出现在时间段T1的后半段中，因此周期2可集中在与时间段T1的后半段相等的新时间段T2上。另外，处理电路可确定飞行时间值的最高有效位(MSB)的值为1(如果峰值落入时间段的前半段，则为0)。飞行时间值的MSB可以是飞行时间值的最粗位。
在周期2中，激光器可发射光，并且SPAD像素可在新的时间段T2期间检测反射光，该新的时间段是T1时间段的一半(例如，与原始时间段T1的后半段相对应的时间段)。由SPAD像素生成的信号可作为时间戳数据504的第二位504B存储在存储器506中。相对于最高有效位，第二位504B可以是时间戳数据504的第二最粗位。第二位504B可类似于上文在周期1中所述的那样进行分析。具体地，第二位504B的信号可绘制在对应于新时间段T2的直方图上。如图所示，直方图508B的峰值510B出现在时间段T2的前半段。由于峰值出现在时间段T2的前半段，因此周期3可集中在与时间段T2的前半段相等的新时间段T3上。另外，处理电路可确定相对于MSB的下一位(例如，相对于MSB的第二最粗位)的值为0(如果峰值落入时间段的后半段中，则为1)。
在周期3中，可针对第三位504C重复该过程。相对于最高有效位，第三位504C可以是时间戳数据504的第三最粗位。如图所示，直方图508C中的峰值510C出现在时间段T3的后半段。因此，下一周期(如果有的话)可集中在与时间段T3的后半段相等的新时间段上，并且处理电路可确定相对于MSB的下一位(例如，相对于MSB的第三最粗位)的值为1。该过程可迭代地继续，因为需要很多的位，或者至少因为需要很大的显著性。例如，可执行三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个、少于十个或多于6个周期以产生6位、多于4位或少于64位的飞行时间数据。在一些示例中，最终周期可产生飞行时间值的多于一位、多于两位、少于六位或任何其他期望数量的位。最终周期可产生飞行时间值的最低有效位(LSB)。飞行时间值的LSB可以是飞行时间值的最细(例如，最小粗糙)位。一般来讲，可使用任何期望数量的周期来将飞行时间数据确定为任何期望的显著性值。尽管图5示出了不同位置处的峰值，但这仅仅是例示性的。一般来讲，每个直方图中峰值的位置将基于由LIDAR系统成像的场景而变化。图6中示出了可用于执行周期性直方图化的例示性电路。
如图6所示，TDC电路400可包括SPAD像素202、时间戳电路402、直方图和峰值检测电路404以及逻辑门控406。这些部分可与上文结合图4所描述的相同，其中细节如图6所示。SPAD像素202可耦接到时间戳电路402，该时间戳电路可包括计数器，该计数器包括延迟触发器(DFF)604A、604B和604C。计数器可从多路复用器602接收时钟信号CLK1、CLK2、CLK3和CLK4。DFF 604D可耦接到计数器和SPAD像素202，并且输出到直方图和峰值检测电路404。
直方图和峰值检测电路404可包括存储器606和峰值检测电路608。存储器606可暂时存储由SPAD像素202和时间戳电路402生成的时间戳信息(例如，可在结合图5所述的周期性直方图化过程期间存储该信息)。在涉及直方图化过程的多个周期之后，可通过线610输出所确定的飞行时间值(TOF)。在每个单独的周期之后(例如，在最终周期之前)，峰值检测电路608的输出可被传递到逻辑门控404。
逻辑门控404可包括门控逻辑电路612，该门控逻辑电路可通过延迟线614接收峰值检测电路608的输出和关于激光输入616的信息(例如，使得正确的定时可归因于激光的发射)。门控逻辑电路612可响应于峰值检测电路的输出来调整SPAD像素202收集光的时间段(例如，门控逻辑电路612可掩蔽先前时间段的一半以形成电路将要分析的新时间段，如结合图5所述)。除了由SPAD像素202收集光的缩短的时间段之外，时钟信号可被选择为具有更高的频率(例如，CLK2可用于周期2并且可具有比用于周期1的CLK1更高的频率)。例如，与前一周期相比，用于任何给定周期的时钟信号均可具有两倍的频率(以对应于减半的时间段)。换句话讲，与前一周期相比，任何给定周期的时间段均可具有两倍的分辨率。通过这种方式，TDC电路400可初始提供粗测量，之后在后续周期中提供更精细的测量，这除了先前讨论的面积和准确性益处之外，还可允许降低TDC的功率消耗。
在图6的实施方案中，电路400被配置为具有四个直方图化周期，如时间戳电路402的结构所示。然而，这以及电路400的其他部分仅仅是例示性的。一般来讲，电路400可具有任何期望的架构，以便执行具有任何期望数量的周期的周期性直方图化过程。在图7中示出一种操作图4和图6的电路400的方法。
如图7所示，在步骤710处，LIDAR系统可发射激光，并且可响应于激光的反射来触发SPAD像素或SiPM。具体地，在SiPM中，某些SPAD可能被反射光触发，而某些SPAD可能未被触发。由任何给定区域中的反射光触发的SPAD的数量可被转换为反映在被分析场景的各个部分处的光距离的信号。
在步骤720处，时间戳电路可对由SPAD生成的信号加时间戳以形成第一信息位。第一信息位可以是最高有效信息位，并且可以是由SPAD和时间戳电路生成的最粗位。
在步骤730处，可由直方图电路对带时间戳信号进行直方图化，以确定峰值是在时间段的前半段还是在时间段的后半段。如果峰值在时间段的前半段，则电路可为飞行时间的最高有效位(在本文也称为第一位)分配值0，或者如果峰值在时间段的后半段，则分配值1。
在步骤740处，门逻辑电路可掩蔽时间段的无信号峰值的一半。换句话讲，门逻辑电路可被配置为仅分析具有信号峰值的时间段，这可允许电路以附加的置信度来确定峰值的位置。
在步骤750处，LIDAR系统可发射激光，并且可响应于激光的反射来触发SPAD像素或SiPM。具体地，在SiPM中，某些SPAD可能被反射光触发，而某些SPAD可能未被触发。由任何给定区域中的反射光触发的SPAD的数量可被转换为反映在被分析场景的各个部分处的光距离的信号。
在步骤760处，时间戳电路可对由SPAD生成的信号加时间戳以形成下一个信息位(例如，相对于最高有效信息位的下一个最粗信息位)。由于激光发射和SPAD检测的时间段是先前时间段的一半，因此可增加频率(并且因此提高分辨率)，从而允许在信号中包括更精细的时间戳信息。
在步骤770处，可由直方图电路对带时间戳信号进行直方图化，以确定峰值是在时间段的前半段还是在时间段的后半段。如果峰值在时间段的前半段，则电路可为飞行时间的下一个最粗位(相对于最高有效位)分配值0，或者如果如果峰值在时间段的后半段，则分配值1。
如线780所示，可针对任何数量的期望周期，诸如四个周期，五个周期、多于三个周期或任何其他期望数目的周期，重复该过程。在已执行期望数量的周期之后，可从电路中读出飞行时间值。
在任何上述实施方案中，应当理解，可使用硅光电倍增器(包括多个具有公共输出的SPAD像素)来代替单个SPAD像素。
在本发明的各种实施方案中，一种光探测和测距器件可包括：单光子雪崩二极管；时间戳电路，该时间戳电路耦接到单光子雪崩二极管；直方图和峰值检测电路，该直方图和峰值检测电路耦接到时间戳电路；和门控逻辑电路，该门控逻辑电路耦接在直方图和峰值检测电路与单光子雪崩二极管之间。直方图和峰值检测电路可被配置为对由单光子雪崩二极管和时间戳电路生成的带时间戳信号执行周期性直方图化。
根据一个实施方案，时间戳电路可包括具有至少三个延迟触发器的计数器。
根据一个实施方案，时间戳电路可被配置为限定带时间戳信号的第一时间段，并且其中直方图和峰值检测电路被配置为确定带时间戳信号的峰值是出现在第一时间段的前半段还是出现在第二时间段的后半段。
根据一个实施方案，门控逻辑电路可被配置为基于峰值的位置来掩蔽第一时间段的一半以限定第二时间段。
根据一个实施方案，直方图和峰值检测电路可包括存储器和峰值检测电路，其中存储器插置在峰值检测电路和时间戳电路之间。
根据一个实施方案，峰值检测电路可被配置为在完成周期性直方图化之后通过输出线输出飞行时间值。
根据一个实施方案，光探测和测距器件还可包括通过延迟线耦接到门控逻辑电路的激光信号输入，其中时间戳电路可被配置为基于激光信号输入来对由单光子雪崩二极管产生的信号加时间戳。
根据一个实施方案，直方图和峰值检测电路可被配置为在通过输出线输出飞行时间值之前执行周期直方图的至少三个周期。
根据各种实施方案，一种操作光探测和测距器件的方法可包括执行周期性直方图化的第一周期，以及执行周期性直方图化的第二周期。执行周期性直方图化的第一周期可包括：发射激光并且使用单光子雪崩二极管像素来检测激光的反射；对由单光子雪崩二极管像素生成的信号加时间戳以形成对应于第一时间段的第一位；以及确定带时间戳信号的峰值是在第一时间段的前半段还是在第一时间段的后半段。执行周期性直方图化的第二周期可包括掩蔽第一时间段的无带时间戳信号的峰值的一半以限定第二时间段。
根据一个实施方案，执行周期性直方图化的第二周期还可包括：发射激光并且使用单光子雪崩二极管像素来检测激光的附加反射；对由单光子雪崩二极管像素生成的附加信号加时间戳以形成对应于第二时间段的第二位；以及确定附加带时间戳信号的峰值是在第二时间段的前半段还是在第二时间段的后半段。第二时间段的分辨率可以是第一时间段的两倍。
根据一个实施方案，确定带时间戳信号的峰值是在第一时间段的前半段还是在第一时间段的后半段可包括如果峰值在前半段，则为飞行时间值的最高有效位分配值0，以及如果峰值在后半段，则为最高有效位分配值1。
根据一个实施方案，执行周期性直方图化的第二周期可包括为飞行时间值的第二最粗位(相对于最高有效位)分配值，并且该方法还可包括执行周期性直方图化的第三周期以便为飞行时间值分配第三最粗位(相对于最高有效位)，以及执行周期性直方图化的第四周期以便为飞行时间值分配至少第四最粗位(相对于最高有效位)。
根据一个实施方案，该方法还可包括在执行周期性直方图化的第四周期之后，通过输出线读出飞行时间值。
根据一个实施方案，对由单光子雪崩二极管像素生成的信号加时间戳以形成对应于第一时间段的第一位可包括形成对应于小于50ns的时间长度的第一位。
根据一个实施方案，执行周期性直方图化的第四周期以便为飞行时间值分配至少第四位可包括为飞行时间值分配相对于最高有效位的第四最粗位，相对于最高有效位的第五最粗位，和相对于最高有效位的第六最粗位(在本文也称为最低有效位)，并且其中通过输出线读出飞行时间值可包括读出六位飞行时间值。
根据各种实施方案，一种光探测和测距器件可包括：单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管被配置为响应于光而生成信号；激光器；门控逻辑电路，该门控逻辑电路耦接在单光子雪崩二极管和激光器之间，其中门控逻辑电路被配置为响应于激光器的发射而激活单光子雪崩二极管；时间戳电路，该时间戳电路耦接到单光子雪崩二极管并且被配置为以某一时间段对由单光子雪崩二极管生成的信号加时间戳；和直方图和峰值检测电路，该直方图和峰值检测电路耦接在时间戳电路和门控逻辑电路之间，其中直方图和峰值检测电路被配置为：确定信号的峰值是出现在时间段的前半段还是出现在时间段的后半段；以及基于峰值是出现在时间段的前半段还是出现在时间段的后半段来生成飞行时间值的位。
根据一个实施方案，直方图和峰值检测电路可被配置为如果峰值出现在时间段的前半段，则为飞行时间值的位分配值0，并且其中直方图和峰值检测电路可被配置为如果峰值出现在时间段的后半段，则为飞行时间值的位分配值1。
根据一个实施方案，门控逻辑电路可被配置为掩蔽时间段的一半以产生附加时间段，其中激光器可被配置为在附加时间段期间发射附加光，其中单光子雪崩二极管可被配置为响应于附加光的反射而生成附加信号，并且其中直方图和峰值检测电路可被配置为基于附加信号的峰值来生成飞行时间值的附加位。
根据一个实施方案，直方图和峰值检测电路可被配置为执行周期性直方图化的至少四个周期以产生至少六位的飞行时间值。
根据一个实施方案，第一时间段可小于50ns，并且其中附加时间段可为第一时间段的一半。
根据一个实施方案，一种光探测和测距器件包括：单光子雪崩二极管；时间戳电路，该时间戳电路耦接到单光子雪崩二极管；直方图和峰值检测电路，该直方图和峰值检测电路耦接到时间戳电路，其中直方图和峰值检测电路被配置为对由单光子雪崩二极管和时间戳电路生成的带时间戳信号执行周期性直方图化；和门控逻辑电路，该门控逻辑电路耦接在直方图和峰值检测电路与单光子雪崩二极管之间。
根据另一个实施方案，时间戳电路包括具有至少三个延迟触发器的计数器。
根据另一个实施方案，时间戳电路被配置为限定带时间戳信号的第一时间段，并且直方图和峰值检测电路被配置为确定带时间戳信号的峰值是出现在第一时间段的前半段还是出现在第二时间段的后半段。
根据另一个实施方案，门控逻辑电路被配置为基于峰值的位置来掩蔽第一时间段的一半以限定第二时间段，直方图和峰值检测电路包括存储器和峰值检测电路，该存储器插置在峰值检测电路和时间戳电路之间，该峰值检测电路被配置为在完成周期性直方图化之后通过输出线输出飞行时间值，并且光探测和测距器件还包括通过延迟线耦接到门控逻辑电路的激光信号输入。时间戳电路被配置为基于激光信号输入对由单光子雪崩二极管产生的信号加时间戳，并且直方图和峰值检测电路被配置为在通过输出线输出飞行时间值之前执行周期性直方图化的至少三个周期。
根据一个实施方案，一种操作光探测和测距器件的方法包括执行周期性直方图化的第一周期以及执行周期性直方图化的第二周期。执行第一周期包括：发射激光并且使用单光子雪崩二极管像素来检测激光的反射；对由单光子雪崩二极管像素生成的信号加时间戳以形成对应于第一时间段的第一位；以及确定时间戳信号的峰值是在第一时间段的前半段还是在第一时间段的后半段。执行第二周期包括掩蔽第一时间段的无带时间戳信号的峰值的一半以限定第二时间段。
根据另一个实施方案，执行周期性直方图化的第二周期还包括：发射激光并且使用单光子雪崩二极管像素来检测激光的附加反射；对由单光子雪崩二极管像素生成的附加信号加时间戳以形成对应于第二时间段的第二位，其中第二时间段的分辨率是第一时间段的分辨率的两倍；以及确定附加带时间戳信号的峰值是在第二时间段的前半段还是在第二时间段的后半段。
根据另一个实施方案，确定带时间戳信号的峰值是在第一时间段的前半段还是在第一时间段的后半段包括如果峰值在第一时间段的前半段，则为飞行时间值的最高有效位分配值0，以及如果峰值在第一时间段的后半段，则为最高有效位分配值1，对由单光子雪崩二极管像素生成的信号加时间戳以形成对应于第一时间段的第一位包括形成对应于小于50ns的时间长度的第一位，并且执行周期性直方图化的第二周期包括相对于最高有效位，为飞行时间值的第二最粗位分配值。该方法还包括：执行周期性直方图化的第三周期以相对于最高有效位为飞行时间值分配第三最粗位；执行周期性直方图化的第四周期以相对于最高有效位为飞行时间值分配至少第四最粗位，其中执行周期性直方图化的第四周期以便为飞行时间值分配至少第四最粗位包括为飞行时间值分配第四最粗位、相对于最高有效位的第五最粗位和相对于最高有效位的第六最粗位，并且其中通过输出线读出飞行时间值包括读出六位飞行时间值；以及在执行周期性直方图化的第四周期之后，通过输出线读出飞行时间值。
根据一个实施方案，一种光探测和测距器件包括：单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管被配置为响应于光而生成信号；激光器；门控逻辑电路，该门控逻辑电路耦接在单光子雪崩二极管和激光器之间，其中门控逻辑电路被配置为响应于激光器的发射而激活单光子雪崩二极管；时间戳电路，该时间戳电路耦接到单光子雪崩二极管并且被配置为以某一时间戳对由单光子雪崩二极管生成的信号加时间戳；和直方图和峰值检测电路，该直方图和峰值检测电路耦接在时间戳电路和门控逻辑电路之间，其中直方图和峰值检测电路被配置为：确定信号的峰值是出现在时间段的前半段还是出现在时间段的后半段；以及基于峰值是出现在时间段的前半段还是出现在时间段的后半段来生成飞行时间值的位。
根据另一个实施方案，直方图和峰值检测电路被配置为如果峰值出现在时间段的前半段，则为飞行时间值的位分配值0，并且直方图和峰值检测电路被配置为如果峰值出现在时间段的后半段，则为飞行时间值的位分配值1。
根据另一个实施方案，门控逻辑电路被配置为掩蔽时间段的一半以产生附加时间段，激光器被配置为在附加时间段期间发射附加光，单光子雪崩二极管被配置为响应于附加光的反射而生成附加信号，直方图和峰值检测电路被配置为基于附加信号的峰值来生成飞行时间值的附加位，直方图和峰值检测电路被配置为执行周期直方图的至少四个周期以产生至少六位的飞行时间值，并且第一时间段小于50ns，并且其中附加时间段是第一时间段的一半。
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)

1.一种光探测和测距器件，所述光探测和测距器件包括：
单光子雪崩二极管；
时间戳电路，所述时间戳电路耦接到所述单光子雪崩二极管；
直方图和峰值检测电路，所述直方图和峰值检测电路耦接到所述时间戳电路，其中所述直方图和峰值检测电路被配置为对由所述单光子雪崩二极管和所述时间戳电路生成的带时间戳信号执行周期性直方图化；和
门控逻辑电路，所述门控逻辑电路耦接在所述直方图和峰值检测电路与所述单光子雪崩二极管之间。
2.根据权利要求1所述的光探测和测距器件，其中所述时间戳电路包括具有至少三个延迟触发器的计数器。
3.根据权利要求2所述的光探测和测距器件，其中所述时间戳电路被配置为限定所述带时间戳信号的第一时间段，并且其中所述直方图和峰值检测电路被配置为确定所述带时间戳信号的峰值是出现在所述第一时间段的前半段还是出现在所述第二时间段的后半段。
4.根据权利要求3所述的光探测和测距器件，其中所述门控逻辑电路被配置为基于所述峰值的位置来掩蔽所述第一时间段的一半以限定第二时间段，其中所述直方图和峰值检测电路包括存储器和峰值检测电路，其中所述存储器插置在所述峰值检测电路和所述时间戳电路之间，其中所述峰值检测电路被配置为在完成所述周期性直方图化之后通过输出线输出飞行时间值，所述光探测和测距器件还包括：
激光信号输入，所述激光信号输入通过延迟线耦接到所述门控逻辑电路，其中所述时间戳电路被配置为基于所述激光信号输入来对由所述单光子雪崩二极管产生的所述信号加时间戳，并且其中所述直方图和峰值检测电路被配置为在通过所述输出线输出所述飞行时间值之前执行周期性直方图化的至少三个周期。
5.一种操作光探测和测距器件的方法，所述方法包括：
执行周期性直方图化的第一周期，包括：
发射激光并且使用单光子雪崩二极管像素来检测所述激光的反射，
对由所述单光子雪崩二极管像素生成的信号加时间戳以形成对应于第一时间段的第一位，以及
确定所述带时间戳信号的峰值是在所述第一时间段的前半段还是在所述第一时间段的后半段；以及
执行周期性直方图化的第二周期，包括：
掩蔽所述第一时间段的无所述带时间戳信号的所述峰值的一半以限定第二时间段。
6.根据权利要求5所述的方法，其中执行所述周期性直方图化的第二周期还包括：
发射激光并且使用所述单光子雪崩二极管像素来检测所述激光的附加反射；
对由所述单光子雪崩二极管像素生成的附加信号加时间戳以形成对应于所述第二时间段的第二位，其中所述第二时间段的分辨率是所述第一时间段的所述分辨率的两倍；以及
确定所述附加带时间戳信号的峰值是在所述第二时间段的前半段还是在所述第二时间段的后半段。
7.根据权利要求6所述的方法，其中确定所述带时间戳信号的所述峰值是在所述第一时间段的所述前半段还是在所述第一时间段的所述后半段包括如果所述峰值在所述第一时间段的所述前半段，则为飞行时间值的最高有效位分配值0，以及如果所述峰值在所述第一时间段的所述后半段，则为所述最高有效位分配值1，其中对由所述单光子雪崩二极管像素生成的信号加时间戳以形成对应于所述第一时间段的第一位包括形成对应于小于50ns的时间长度的所述第一位，并且其中执行所述周期性直方图化的第二周期包括相对于所述最高有效位，为所述飞行时间值的第二最粗位分配值，所述方法还包括：
执行周期性直方图化的第三周期以相对于所述最高有效位为所述飞行时间值分配第三最粗位；
执行周期性直方图化的第四周期以相对于所述最高有效位为所述飞行时间值分配至少第四最粗位，其中执行所述周期性直方图化的第四周期以便为所述飞行时间值分配至少所述第四最粗位包括为所述飞行时间值分配所述第四最粗位、相对于所述最高有效位的第五最粗位和相对于所述最高有效位的第六最粗位，并且其中通过所述输出线读出所述飞行时间值包括读出六位飞行时间值；以及
在执行所述周期性直方图化的第四周期之后，通过输出线读出所述飞行时间值。
8.一种光探测和测距器件，所述光探测和测距器件包括：
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管被配置为响应于光而生成信号；
激光器；
门控逻辑电路，所述门控逻辑电路耦接在所述单光子雪崩二极管和所述激光器之间，其中所述门控逻辑电路被配置为响应于所述激光器的发射而激活所述单光子雪崩二极管；
时间戳电路，所述时间戳电路耦接到所述单光子雪崩二极管并且被配置为以某一时间段对由所述单光子雪崩二极管生成的所述信号加时间戳；和
直方图和峰值检测电路，所述直方图和峰值检测电路耦接在所述时间戳电路和所述门控逻辑电路之间，其中所述直方图和峰值检测电路被配置为：确定所述信号的峰值是出现在所述时间段的前半段还是出现在所述时间段的后半段；以及基于所述峰值是出现在所述时间段的前半段还是出现在所述时间段的后半段来生成飞行时间值的位。
9.根据权利要求8所述的光探测和测距器件，其中所述直方图和峰值检测电路被配置为如果所述峰值出现在所述时间段的所述前半段，则为所述飞行时间值的所述位分配值0，并且其中所述直方图和峰值检测电路被配置为如果所述峰值出现在所述时间段的所述后半段，则为所述飞行时间值的所述位分配值1。
10.根据权利要求9所述的光探测和测距器件，其中所述门控逻辑电路被配置为掩蔽所述时间段的一半以产生附加时间段，其中所述激光器被配置为在所述附加时间段期间发射附加光，其中所述单光子雪崩二极管被配置为响应于所述附加光的反射而生成附加信号，其中所述直方图和峰值检测电路被配置为基于所述附加信号的峰值来生成所述飞行时间值的附加位，其中所述直方图和峰值检测电路被配置为执行周期性直方图化的至少四个周期以产生至少六位的飞行时间值，并且其中所述第一时间段小于50ns，并且其中所述附加时间段是所述第一时间段的一半。
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