CN113767305A - Lidar探测器阵列的扩展动态范围和降低功率成像 - Google Patents

Abstract

一种光探测和测距（LIDAR）探测器电路，包括多个探测器像素，其中探测器像素中的每个或相应探测器像素包括多个探测器元件。至少一个控制电路被配置为提供一个或多个探测器控制信号，该信号选择性地激活相应探测器像素的探测器元件中的一个或多个，以限定包括探测器元件的第一子集的第一有效探测面积以用于第一图像采集，以及包括探测器元件的第二子集的第二有效探测面积以用于第二图像采集。还讨论了相关的设备和操作方法。

Description

LIDAR探测器阵列的扩展动态范围和降低功率成像

优先权要求

本申请要求2019年3月6日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请号62/814,452的优先权的权益，该美国临时专利申请的公开通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本公开一般涉及成像，并且更具体地，涉及基于光探测和测距（LIDAR）的成像。

背景技术

基于飞行时间（ToF）的成像用于许多应用中，包括测距、深度剖析和3D成像（例如，光探测和测距（LIDAR））。ToF 3D成像系统可以分类为间接ToF或直接ToF系统。直接ToF测量包括直接测量由LIDAR系统的发射器元件发射辐射和由LIDAR系统的探测器元件感测从物体或其他目标的反射之后的辐射之间的时间长度。由此，可以确定到目标的距离。在特定的应用中，反射辐射的感测可以使用单光子探测器的探测器阵列，诸如单光子雪崩二极管（SPAD）探测器阵列来执行。SPAD探测器阵列可以用作成像应用中的固态探测器，在成像应用中期望高灵敏度和定时分辨率。

SPAD基于p-n结器件，其例如通过或响应于具有期望脉冲宽度的选通信号而被偏置超过其击穿区域。高反向偏置电压生成足够的电场量值，使得引入器件耗尽层中的单个电荷载流子可以经由碰撞电离而引起自持雪崩。雪崩被淬灭电路主动或被动地淬灭，以允许器件“重置”来探测另外的光子。起始电荷载流子可以借助于单个入射光子撞击高场区域而光电地生成。正是这一特征，产生了“单光子雪崩二极管”的名称。这种单光子探测操作模式通常被称为“盖革模式”。

发明内容

本文中描述的一些实施例提供了方法、系统和设备，其包括电子电路，该电子电路提供了 LIDAR系统，包括一个或多个发射器元件（包括一个或多个发光器件或激光器，诸如表面发射或边缘发射激光二极管；本文中通常称为发射器，其响应于发射器控制信号而输出光学信号）、一个或多个探测器元件（包括光电探测器，诸如光电二极管，包括雪崩光电二极管和单光子雪崩探测器；本文中通常称为探测器，其响应于入射光而输出探测信号），和/或一个或多个控制电路，其被配置为选择性地操作探测器元件的不同子集以用于相应图像采集周期。

具体地，本公开的实施例涉及包括一个或多个探测器像素的探测器阵列，其中相应探测器像素包括用于从场景收集光学信息的多个探测器元件（例如，SPAD），在本文中也称为复合像素。在一些实施例中，探测器阵列的功耗可以通过以下来降低：实现每个像素多于一个SPAD，将确定的或最佳数量的SPAD的输出选择性地收集到处理电路，并且经由控制器或控制电路在每个像素、每个区域的基础上或以全局的形式或方式调整该确定的或最佳数量的SPAD（其在图像采集期间是活动的），从而改变探测器阵列的多探测器像素中的一个或多个像素的活动或有效探测面积。通过响应于撞击在每个像素/区域/阵列上的入射光的光子通量或强度，动态地调整每个像素的有效探测面积，可以增加像素、阵列的区域或上至整个阵列的动态范围。

根据本公开的一些实施例，光探测和测距（LIDAR）系统或探测器电路包括多个探测器像素，其中探测器像素中的每个或相应探测器像素包括多个探测器元件。至少一个控制电路被配置为提供一个或多个探测器控制信号，该信号选择性地激活相应探测器像素的探测器元件中的一个或多个，以限定包括探测器元件的第一子集的第一有效探测面积以用于第一图像采集，以及包括探测器元件的第二子集的第二有效探测面积以用于第二图像采集。第一和第二图像采集可以与相应的照明条件和/或距离范围相关联。

在一些实施例中，至少一个控制电路被配置为分别响应于入射光的第一和第二强度，提供一个或多个探测器控制信号以用于第一和第二图像采集。

在一些实施例中，至少一个控制电路可以被配置为基于探测器元件中的至少一个或与其有区别的环境光传感器的输出来确定入射光的第一和第二强度。

在一些实施例中，第一强度可以大于第二强度，并且第一有效探测面积可以小于第二有效探测面积。

在一些实施例中，第一和/或第二子集的探测器元件中的至少一个可以是偏振选择性的，即，被配置为探测入射光的多个偏振中的特定偏振的光。例如，探测器元件中的至少一个可以包括其上的偏振器。在一些实施例中，偏振器可以包括限定网格图案的金属化。在一些实施例中，金属化可以被配置为提供到LIDAR探测器电路的一个或多个元件的电连接。

在一些实施例中，至少一个控制电路被配置为分别基于与第一和第二图像采集对应的第一和第二距离范围，提供一个或多个探测器控制信号以用于第一和第二图像采集。

在一些实施例中，第一距离范围可以包括比第二距离范围更近的距离，并且第一有效探测面积可以小于第二有效探测面积。

在一些实施例中，第一和第二图像采集可以是图像帧的相应子帧。例如，第一和第二图像采集可以是对应于第一和第二距离范围的第一和第二探测窗口或选通窗口。

在一些实施例中，一个或多个探测器控制信号可以包括选通信号和/或子像素控制信号。选通信号可以被配置为针对相应子帧激活探测器像素以探测入射在其上的光子。子像素控制信号可以被配置为将相应探测器像素的探测器元件中的一个或多个的相应输出连接到至少一个控制电路。

在一些实施例中，至少一个控制电路可以被配置为提供一个或多个探测器控制信号，以独立于第一和第二图像采集来激活第一和/或第二子集的探测器元件中的至少一个。

在一些实施例中，第一和第二子集可以包括不同数量的探测器元件，和/或可以包括具有不同表面积的探测器元件中的一些。

在一些实施例中，多个探测器像素可以包括相应多个探测器元件，并且至少一个控制电路可以被配置为向多个探测器像素提供一个或多个探测器控制信号，以用于第一和第二图像采集。

根据本公开的一些实施例，一种操作光探测和测距（LIDAR）探测器电路的方法包括由耦合到多个探测器像素的至少一个处理器执行操作。操作包括提供一个或多个探测器控制信号，其选择性地激活探测器像素中的相应探测器像素的一个或多个探测器元件，以限定包括探测器元件的第一子集的第一有效探测面积以用于第一图像采集，以及包括探测器元件的第二子集的第二有效探测面积以用于第二图像采集。

根据本公开的一些实施例，一种光探测和测距（LIDAR）系统或探测器电路可以包括多个探测器像素，其中探测器像素中的每个或相应探测器像素包括多个探测器元件。至少一个控制电路被配置为基于与相应图像采集相关联的入射光条件和/或距离范围，动态地调整相应探测器像素的灵敏度和/或功耗以用于相应图像采集。

在一些实施例中，至少一个控制电路可以被配置为通过选择性地激活探测器元件的不同子集以改变相应探测器像素的有效探测面积以用于相应图像采集来动态地调整相应探测器像素的灵敏度和/或功耗。

在一些实施例中，不同的子集可以包括不同数量的探测器元件，和/或可以包括具有不同表面积的探测器元件中的一些。

在一些实施例中，探测器元件可以包括至少一个偏振选择性探测器元件。该至少一个控制电路可以被配置为通过基于与相应图像采集相关联的光条件选择性地激活至少一个偏振选择性探测器元件以用于相应图像采集来动态地调整相应探测器像素的灵敏度和/或功耗。

在一些实施例中，至少一个偏振选择性探测器元件可以包括其上的偏振器。偏振器可以包括限定网格图案的金属化，和/或可以被配置为提供到LIDAR探测器电路的元件的电连接。

在一些实施例中，至少一个控制电路可以被配置为独立于与相应图像采集相关联的入射光条件和/或距离范围来激活相应像素的探测器元件中的至少一个。

根据本公开的一些实施例，一种操作光探测和测距（LIDAR）探测器电路的方法包括由耦合到探测器像素的阵列的至少一个处理器执行操作。操作包括基于与相应图像采集相关联的入射光条件和/或距离范围，动态地调整探测器像素的阵列的相应探测器像素的灵敏度和/或功耗以用于相应图像采集，其中相应探测器像素包括多个探测器元件。

根据本公开的一些实施例，一种光探测和测距（LIDAR）探测器阵列包括多个探测器像素，其中探测器像素中的每个或相应探测器像素包括多个探测器元件。至少一个控制电路被配置为通过分别选择性地激活探测器元件的第一和第二子集以用于第一和第二图像采集来动态调整相应探测器像素的有效探测面积。

在一些实施例中，LIDAR探测器电路或系统可以被配置为耦合到自动驾驶车辆，并且相对于自动驾驶车辆的预期行驶方向定向。

在查阅以下附图和详细描述时，根据一些实施例的其他设备、装置和/或方法对于本领域技术人员来说将变得显而易见。意图的是，除了以上实施例的任何和所有组合之外所有这样的附加实施例都包括在本描述中，都在本发明的范围内，并且受所附权利要求保护。

附图说明

图1A是图示根据本公开的一些实施例的示例激光雷达（lidar）系统或电路的框图。

图1B是根据本公开的一些实施例的更详细地图示图1A的控制电路的框图。

图2A和图3A图示根据本公开的一些实施例的具有包括每个探测器像素多个探测器的复合探测器像素的示例探测器阵列。

图2B和3B是根据本公开的一些实施例的分别图示图2A和3A的示例复合探测器像素的电路图。

图4-9是图示根据本公开的一些实施例的包括每个像素多个探测器的复合探测器像素的示例的平面视图。

图10A和10B是图示根据本公开的一些实施例的包括偏振选择性探测器元件的复合探测器像素的示例的平面视图。

图11A是图示根据本公开的一些实施例的包括具有偏振选择性探测器元件的复合探测器像素的背侧照明（BSI）设备的示例的横截面视图。

图11B是图示根据本公开的一些实施例的包括具有偏振选择性探测器元件的复合探测器像素的前侧照明（FSI）设备的示例的横截面视图。

图12-20是图示根据本公开的一些实施例的包括每个像素多个探测器元件的各种复合探测器像素的示例的平面视图。

图21是图示根据本公开的一些实施例的启用/禁用电路的示例实现的电路图，该启用/禁用电路可以用于选择性地激活复合像素中的探测器元件的子集。

图22A和22B分别图示了根据本公开的一些实施例的堆叠复合探测器像素的示例实现的电路图和平面视图，该堆叠复合探测器像素包括分开操作的两个同心SPAD。

图23A和23B分别图示了根据本公开的一些实施例的堆叠复合探测器像素的示例实现的电路图和平面视图，该堆叠复合探测器像素包括组合操作的两个同心SPAD。

具体实施方式

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本公开可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免模糊本公开。意图的是，本文中公开的所有实施例都可以单独实现，或者以任何方式和/或组合来实现。关于一个实施例描述的方面可以并入不同的实施例中，尽管没有关于其具体描述。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合来组合。

本文中参考激光雷达应用和系统描述了本公开的实施例。激光雷达系统可以包括发射器阵列和探测器阵列，或者具有单个发射器和探测器阵列的系统，或者具有发射器阵列和单个探测器的系统。如本文中所描述的，一个或多个发射器可以限定发射器单元，并且一个或多个探测器可以限定探测器像素。闪光激光雷达系统可以通过在视场（FOV）或场景上在短持续时间（脉冲）内从发射器元件的阵列或阵列的子集发射光来获取图像。非闪光或扫描激光雷达系统可以通过在视场或场景上（连续地）光栅扫描光发射来生成图像帧，例如，使用点扫描或线扫描来发射每个点的所需功率，并顺序扫描以重建全视场FOV。

在图1A中示出可以根据本公开的实施例操作的LIDAR应用中的ToF测量系统或电路100的示例。激光雷达系统或电路100包括控制电路105、定时电路106、包括多个发射器115e的发射器阵列115和包括多个探测器101的探测器阵列110。探测器101包括飞行时间传感器（例如，单光子探测器（诸如SPAD）阵列）。发射器阵列115的发射器元件115e中的一个或多个可以限定发射器单元，所述发射器单元分别以由定时发生器或驱动器电路116控制的时间和频率发射光学照明脉冲或连续波信号（本文中通常称为光学信号或发射器信号）。在特定实施例中，发射器115e可以是脉冲光源，诸如LED或激光器（诸如垂直腔面发射激光器（VCSEL））。光学信号从目标150反射回来，并由探测器阵列110的一个或多个探测器元件101限定的探测器像素感测。控制电路105可以实现像素处理器，该像素处理器使用直接或间接ToF测量技术来测量和/或计算照明脉冲在从发射器阵列115到目标150并返回到探测器阵列110的探测器101的旅程中的飞行时间。

在一些实施例中，发射器模块或电路115可以包括发射器元件115e（例如，VCSEL）的阵列、耦合到发射器元件中的一个或多个的光学元件113、114（例如，（一个或多个）透镜113（诸如微透镜）和/或漫射器114）的对应阵列和/或驱动器电子装置116。光学元件113、114可以是可选的，并且可以被配置为提供从发射器元件115e输出的光的足够低的光束发散度，以便确保个体或多组发射器元件115e的照明场不显著重叠，并且还提供从发射器元件115e输出的光的足够大的光束发散度，以向观察者提供眼睛安全。

驱动器电子装置116可以各自对应于一个或多个发射器元件，并且可以各自响应于参考主时钟的定时控制信号和/或功率控制信号来操作，该功率控制信号例如通过控制到发射器元件115e的峰值驱动电流来控制由发射器元件115e输出的光的峰值功率。在一些实施例中，发射器阵列115中的发射器元件115e中的每个连接到相应的驱动器电路116并由其控制。在其他实施例中，发射器阵列115中的发射器元件115e（例如，彼此空间邻近的发射器元件115e）的相应组可以连接到同一驱动器电路116。驱动器电路或电路系统116可以包括一个或多个驱动器晶体管，其被配置为控制从发射器115e输出的光学信号的调制频率、定时和幅度/功率水平。

在一些实施例中，接收器/探测器模块或电路110包括探测器像素阵列（其中每个探测器像素包括一个或多个探测器101，例如SPAD）、接收器光学装置112（例如，用于在FOV190上收集光的一个或多个透镜）和接收器电子装置（包括定时电路106），其被配置为对探测器阵列110的全部或部分供电、启用和禁用，并向其提供定时信号。探测器像素能够以至少纳秒的精度被激活或去激活，并且可以是单独可寻址的、按组可寻址的和/或全局可寻址的。接收器光学装置112可以包括被配置为从能够由激光雷达系统成像的最大FOV收集光的宏透镜、用于提高探测像素的收集效率的微透镜、和/或用于降低或防止杂散光的探测的抗反射涂层。在一些实施例中，可以提供光谱过滤器111来使“信号”光（即，波长对应于从发射器输出的光学信号的波长的光）通过或者允许该“信号”光的通过，但是基本上拒绝或防止非信号光（即，波长不同于从发射器输出的光学信号的光）的通过。

探测器阵列110的探测器101连接到定时电路106。定时电路106可以锁相到发射器阵列115的驱动器电路116。可以控制探测器101中的每个或探测器组的灵敏度。例如，当探测器元件包括反向偏置光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、PIN二极管和/或盖革模式雪崩二极管（SPAD）时，可以调整反向偏置，由此，过偏置越高，灵敏度越高。当探测器元件101包括诸如CCD、CMOS光电门和/或光子混合设备（pmd）的积分设备时，可以调整电荷积分时间，使得更长的积分时间转化为更高的灵敏度。

从发射器115e中的一个或多个输出的光发射撞击在一个或多个目标150上并被一个或多个目标150反射，并且反射的光被探测器101中的一个或多个（例如，经由接收器光学装置112）探测为光学信号（本文中也称为返回信号、回波信号或回波），被转换为电信号表示（本文中称为探测信号），并且被处理（例如，基于飞行时间）以限定视场190的3-D点云表示170。如本文中描述的根据本公开的实施例的激光雷达系统的操作可以由一个或多个处理器或控制器，诸如图1A的控制电路105来执行。

图1B更详细地图示了控制电路105。控制电路105可以包括一个或多个控制电路，例如，发射器控制电路（也称为发射器电路），其被配置为经由发射器阵列115的驱动器电路116提供发射器控制信号，和/或探测器控制电路（也称为探测器电路），其被配置为经由探测器阵列110的定时电路106提供探测器控制信号，如本文中所描述的。如本文中使用的“选通”可以指代控制信号（本文中也称为选通信号或“选通”）的生成，该控制信号控制系统100的一个或多个探测器像素的激活的定时和/或持续时间（探测窗口或选通窗口）。例如，从控制电路105输出的探测器控制信号可以被提供给定时电路106的可变延迟线，该可变延迟线可以生成具有适当定时延迟的选通信号并将其输出给探测器阵列110。控制电路105还被配置为提供或控制附加探测器控制信号（本文中也称为子像素控制信号）的生成，该附加探测器控制信号选择性地激活像素中的各个探测器101，以控制像素内有效探测器101的数量。控制电路105还可以包括接收和处理从探测器阵列110输出的探测信号以基于其计算照明脉冲的飞行时间的处理电路，和/或被配置为协调发射器115e和探测器101的操作的定序器电路。更一般地，控制电路105可以包括一个或多个电路，其被配置为协调发射器115e和/或探测器101（在像素级和/或在单独的探测器级）的操作的定时和持续时间，例如，用于来自发射器115e的光学信号的脉冲之间的相应选通窗口，和/或作为响应处理从探测器101输出的探测信号。

如以上所指出的，探测窗口或选通窗口可以指代在（一个或多个）发射器（其同样可以响应于来自控制电路的相应发射器控制信号）的脉冲之间的时间时段或时间上一个或多个探测器像素（例如，响应于来自控制电路的相应选通信号）的激活和去激活的相应持续时间。可以选择脉冲之间的时间（其定义了激光周期，或者更一般地定义了发射器脉冲频率），或者脉冲之间的时间可以另外对应于LIDAR系统的期望成像距离范围。距离范围可以短于或等于在光学信号脉冲之间的时间期间光穿过的距离。每个选通窗口可以相对于发射器脉冲被不同地延迟，并且因此可以对应于距离范围的相应部分或子范围。每个选通窗口还可以对应于图像帧的相应图像采集子帧（或者更具体地，点云采集子帧，本文中通常称为子帧）。也就是说，每个图像帧包括多个子帧，子帧中的每个在时间时段上的相应选通窗口内采样或收集数据（例如，作为光子的累积），并且每个选通窗口覆盖或对应于距离范围的相应距离子范围。在将选通窗口移动到新的距离范围之前，可以读出子帧。如本文中描述的范围测量和选通窗口子范围对应基于发射脉冲的飞行时间。

探测器阵列110的探测器像素（例如，SPAD像素）的动态范围可以由它的饱和水平和它的噪声基底的比例来确定。虽然作为示例主要参考包括SPAD像素的探测器阵列进行描述，但是将理解，根据本公开的实施例，如本文中描述的探测器阵列不限于任何特定的光电探测器类型，并且可以使用其他类型的光电探测器（例如，雪崩光电二极管（APD）、PIN二极管等）。SPAD像素的光子通量饱和水平可以由SPAD像素的光子探测概率以及SPAD像素能够支持或探测的最大雪崩率来确定。对于给定的SPAD技术和过偏置，利用跨上至整个像素面积对入射光子进行聚焦的光学装置（例如，接收器光学装置112），探测概率可以由像素的填充因数来确定，该填充因数即包含有效探测区域或面积的像素面积的百分比。SPAD像素支持的雪崩率可以由像素的死区时间（即，在初始雪崩事件发生后SPAD不能探测入射光子的持续时间；也称为重置/再充电时间）以及像素的后脉冲统计（例如，由于捕获的电荷载流子从随后的雪崩事件而不是新的入射光子中释放而触发新雪崩的可能性）来确定。如果平均光子到达率与死区时间可比较，则SPAD可能没有足够的时间进行再充电，从而可能探测不到一些入射光子。如果后脉冲概率太高，相当大百分比的雪崩可能是后脉冲而不是光子探测的结果，使得探测到的雪崩可能不准确地指示入射光子。

死区时间和后脉冲概率两者都可以随着SPAD像素面积的增加而增加。死区时间可能取决于要再充电的电容。后脉冲可能取决于雪崩期间流动的总电荷，总电荷进而可能取决于SPAD像素的电容（并且因此取决于SPAD像素的表面积）。

在具有相对大量探测器元件（例如，SPAD）的阵列中，功耗也可能是成问题的。给SPAD充电所需的功率可能是SPAD的过偏置及其电容的函数。因此，较大表面积的SPAD可能比较小表面积的SPAD需要更高的操作功率，即使SPAD基于相同的技术和过偏置。在较高的光通量下，整个阵列的功耗可能非常高（例如，如下中的2.54W：“A 30-frames/s, 252 ×144 SPAD Flash LiDAR With 1728 Dual-Clock 48.8-ps TDCs, and Pixel-WiseIntegrated Histogramming”，Zhang等人，IEEE固态电路期刊2018）。

在一些LIDAR探测器应用中，环境条件可能从黑暗（没有环境光或环境光的强度低）到非常明亮（环境光的强度高）不等。在非常明亮的条件下，探测器可以被遮蔽。例如，对于基于SPAD的探测器阵列，光子通量可以如此高使得SPAD不能再充电，并且因此不能探测信号光子。照此，一些传统的基于SPAD的探测器阵列可以指定或限制操作到仅约50千勒克斯（klux）的最大环境光，然而可能合期望的是在更高的环境光的水平或强度下（例如，在100千勒克斯或更高下）操作。

一些基于SPAD的探测器阵列可以使用每个像素多个SPAD，以便降低背景或环境光探测（本文中也称为背景），例如，使用时间相关性来优先选择信号光子而不是不相关的背景光子。然而，这种操作可以大大降低探测到信号光子的概率，因为为了记录相关探测，可能需要多个重合的光子探测。这种探测器阵列也可能遭受像素中多个SPAD之间的串扰，所述多个SPAD根据定义是相关的。

本文中描述的一些实施例涉及探测器像素及其阵列，由此相应探测器像素包括多于一个探测器101（例如，多于一个SPAD），如以上所指出的，其可以被称为复合探测器像素。视场190的区域被（例如，均匀地）映射到像素面积或像素的有效面积。具体地，由探测器阵列110或系统100可探测的最小物体对向的角度可以被映射到相应的复合像素上。例如，如果接收器透镜112是F-θ透镜，则探测器阵列110中的探测器像素的间距可以对应于接收器透镜112的焦距乘以最小物体对向的角度。照此，物体可以由相应探测器像素的所有探测器101成像。控制单元或电路，诸如控制电路105，例如通过提供选通信号和子像素控制信号来确定或控制相应像素中的哪些和/或多少探测器101在给定的采集周期（例如，图像帧的相应点云采集子帧）内是有效的，所述选通信号和子像素控制信号激活相应像素和每个像素中的探测器101的子集（例如，不同的子集），以向一个或多个处理电路提供相应的输出。例如，控制电路105可以被配置为在指示较少反射的目标和/或对应于长范围选通窗口（对应于相对于探测器更远的距离范围）的采集周期期间，逐步激活每个像素更多的探测器101，以改善探测器101对较暗目标和/或在较长范围下的信号探测。相反，控制电路105可以被配置为在指示更多反射的目标和/或对应于短范围选通窗口（对应于相对于探测器更近的距离范围）的采集周期期间，激活每个像素更少的探测器101。也就是说，与在像素中可以包括多个（或多簇）二极管的一些硅光电倍增管阵列（SiPM）（诸如在美国专利号8,476,571中描述的）相比，本公开的实施例可以基于外部条件并以可寻址的方式选择性地激活像素中的二极管或探测器的子集。

在一些实施例中，来自每个探测器101（例如，SPAD）的直接或缓冲输出探测信号可以连接到公共处理电路，例如，通过一个或多个开关（作为示例，由图2B和3B中的PMOS晶体管实现）。探测器101可以限定探测器像素的子像素元件，并且可以由控制电路105可以（直接或间接）提供的（一个或多个）相应子像素控制信号来控制。控制电路105还可以（直接或间接）提供相应的选通信号，该选通信号在预定时间时并且在预定持续时间内激活和去激活探测器像素的子集，以限定探测器操作的相应选通窗口。也就是说，在一些实施例中，激活探测器元件101可以有两个方面，（i）响应于相应的选通信号，在选通窗口内激活或启用相应探测器像素（其每个包括多于一个探测器元件101），以确保相应探测器像素观察场景（或其对应部分），以及（ii）响应于相应的子像素控制信号，激活探测器像素中的探测器元件101的子集，以控制在激活该探测器像素的选通窗口内的有效探测器元件101的数量。本文中可以使用探测器控制信号来指代选通信号和/或子像素控制信号。照此，像素中的多个探测器元件中的每个都可以是可单独寻址的，并且可以根据选通信号（用于启用像素）和相应的子像素控制信号（用于启用像素的多个探测器元件中的该特定探测器元件）两者来激活。在一些实施例中，控制电路105可以是片上的（例如，在与探测器阵列的像素的堆叠布置中）或片外的。

在一些实施例中，控制电路105可以被配置为响应于探测到的环境光子（例如，基于从探测器阵列110的（一个或多个）像素和/或从专用环境光传感器输出的探测信号）来提供探测器控制信号。在特定示例中，通过从探测器阵列110输出的探测信号中获取帧或子帧，或者通过诸如环境光传感器（ALS）的另一传感器的操作，可以实现探测环境光以标识场景中的活动率（例如，光子活动水平）并相应地调整启用的探测器101的数量。在一些实施例中，可能优选的是从探测器阵列110获取帧或子帧，因为每个像素看到的活动率是已知的（例如，可以通过来自一个或多个其他像素的输出来验证），而ALS可以提供可能或可能不与来自探测器阵列110中的像素的输出匹配的更全局的指示。如果控制电路105确定光子通量高（即，基于对环境光的高水平或强度的探测），则像素中的探测器101的较小子集可以被激活（例如，像素的只有一个SPAD可以是有效的，即，被再充电并且其输出连接到处理电路）。如果控制电路105确定光子通量低（即，基于环境光的低水平或强度的探测），则像素中的探测器101的更大子集被激活（例如，像素的所有SPAD被激活，即，被再充电并且它们的相应输出连接到处理电路）。如果控制电路105确定光子通量中等（即，基于对环境光的中等水平或强度的探测），则像素中多于一个但少于所有的探测器101被激活（例如，像素的多于一个但少于所有的SPAD）。

控制电路105可以被配置为执行环境光强度的探测、关于探测器阵列110的哪些像素的（哪个或哪些）探测器101将被激活的确定、以及如期望的那样经常对像素的（一个或多个）探测器101的选择性激活（例如，响应于改变的环境光条件），本文中参考相应的图像采集或采集周期进行描述，用于说明而非限制的目的。同样地，尽管本文中参考选择性激活单个像素的探测器元件101以提供变化的有效探测面积进行了描述，但是将理解，控制电路105可以被配置为类似地或不同地控制探测器阵列110的其他像素的探测器元件101用于相应的图像采集或采集周期，例如，使得探测器阵列110的一个区域中的像素提供较大的有效探测面积，而探测器阵列110的另一个区域中的像素提供较小的有效探测面积（例如，响应于探测器阵列110的不同区域处或由所述不同区域成像的不同环境光条件）。

图2A和3A图示了根据本公开的一些实施例的包括每个探测器像素多个探测器101的示例探测器阵列和电路210和310。图2B和3B分别图示了图2A和3A的示例个体复合探测器像素和电路203和303。参考每个复合探测器像素203、303的探测器101的SPAD实现来描述图2A、2B、3A和3B的示例，但是根据本文中描述的实施例，也可以使用其他类型的光电探测器。

如图2A、2B、3A和3B中示出的，四个SPAD 101限定了每个复合探测器像素203、303，每个阵列210、310具有四个像素203、303。在如图2A和2B中示出的一些实施例中，每个像素203的SPAD 101的尺寸相同，也就是说，其中每个SPAD 101具有相同的有效表面积202。在如图3A和3B中示出的一些实施例中，每个像素303的多个SPAD 101中的每个的尺寸不同，例如，其中每个SPAD 101具有不同的有效表面积302、302'、302"和302"'。当像素303的SPAD101的子集被激活时，在同一像素303中具有不同有效表面积302、302'、302"和302"'的探测器元件101的这种配置可以提供对探测概率和功耗的附加控制。如图2B和3B中示出的，每个复合探测器像素203和303的有效探测面积可以响应于相应的子像素控制信号（例如，响应于改变的环境光条件）而变化。在图2B和3B的示例中，子像素控制信号被提供给晶体管175的相应栅极，晶体管175将探测器101中的每个的输出耦合到处理电路（诸如控制电路105）。

下面的表1提供了包含四个探测器的复合探测器像素的示例，每个探测器的尺寸不同（例如，像素中的每个SPAD具有不同的有效表面积，如图3A和3B中示出的）。然而，将理解，本文中描述的实施例不限于每个探测器像素四个探测器，并且如本文中描述的复合或多探测器像素可以各自包括具有相应（相同或不同）有效表面积的任何数量的光电探测器。此外，在探测器阵列的像素当中，每个像素的探测器数量不需要相同。

参考表1，探测器阵列的一个或多个探测器像素可以包括四个SPAD，SPAD#1-4。SPAD#1的有效表面积为1平方微米，并且SPAD#2、#3和#4的有效表面积分别为2、3和5平方微米。控制电路被配置为例如基于探测到的光通量，为一个或多个像素选择相应的设置（图示为设置1-11）（例如，其中每个设置包括激活SPAD——SPAD# 1-4的不同子集，并且因此限定每个像素不同的有效探测面积）。也就是说，控制电路提供相应的子像素控制信号，以选择性地激活相应复合探测器像素的探测器（SPAD# 1-4）中的一个或多个，从而限定一个或多个像素的不同有效探测面积以用于相应图像采集或采集周期。

设置	SPAD#1	SPAD#2	SPAD#3	SPAD#4		总有效探测面积
							1	1	0	0	0		1
2	0	1	0	0		2
							3	1	1	0	0		3
4	1	0	1	0		4
							5	0	1	1	0		5
6	1	1	1	0		6
							7	0	1	0	1		7
8	1	1	0	1		8
							9	1	0	1	1		9
10	0	1	1	1		10
							11	1	1	1	1		11

表1。

在一些实施例中，控制电路可以被配置为响应于改变的环境光条件，连续改变复合探测器像素中的有效探测器的数量，从而为相应采集周期提供不同的有效探测面积。因此，像素的有效探测面积可以是针对特定采集周期启用的探测器元件的相应有效表面积的总和。在图2A和2B的示例中，每个像素203的最大或总可用有效探测面积可以是四个有效表面面积202的总和。在图3A和3B的示例中，每个像素303的最大或总可用有效探测面积可以是有效表面积302、302'、302"和302"'的总和。

在上面表1中示出的示例中，探测器像素中的总可用有效探测面积是1+2+3+5=11平方微米。然而，在较高的光子通量条件下，每个像素较少数量的SPAD（例如，只有SPAD #1，具有1平方微米的有效面积）可以被激活（连接到处理电路并被充电）。在该示例中，SPAD #1的死区时间近似是SPAD #4的20%，并且近似是具有四个SPAD的相同总有效面积的单片SPAD（即，每个像素单个SPAD）的10%。因此，可以探测到高得多的光子通量。此外，在该示例中，SPAD #1的电容仅为四个组合的SPAD的电容的大约10%，并且因此与具有相似总有效探测面积（例如，11平方微米）的单片SPAD相比，每次雪崩的功耗可以降低到1/10倍。在较低的光子通量条件下，每个像素更多数量的SPAD（例如，所有四个SPAD # 1-4，具有11平方微米的有效面积）可以被激活，并且因此灵敏度和功耗可以与具有相似表面积的单片SPAD的灵敏度和功耗可比较或近似相等。也就是说，通过实现每个像素多个单独可控的探测器元件，本文中描述的实施例可以提供相对于具有每个像素相似表面积的单片探测器元件可比较的灵敏度，但是具有降低的功耗。

图4-9中示出了包括每个像素多个探测器的探测器阵列的进一步非限制性示例。具体地，图4图示了在一个像素403中包括四个探测器元件401的四元实现，其中四个探测器元件401中的每个都具有相同的尺寸和有效表面积402。图5图示了在一个像素503中包括两个探测器元件501的成对实现，其中两个探测器元件501中的每个具有相同的尺寸和有效表面积502。图6图示了在一个像素603中包括两个探测器元件601、601’的按比例成对实现，其中两个探测器元件601、601’中的每个具有不同的尺寸和有效表面积602和602’。

图7-9图示了这样配置的实施例，使得（例如，通过将像素的探测器元件居中定位）光场的复合探测器像素采样的一部分（例如，中心点）关于其他探测器元件何时被启用或禁用可以是不变的，以提供像素灵敏度调整。例如，不管像素中（一个或多个）其他探测器的激活状态如何，激活复合探测器像素的居中定位的探测器元件（本文中也称为居中采样）可以用于保持空间采样中心的调制传递函数（MTF）。如果像素电子装置被旋转或者另外不对称（例如，出于布局效率的原因），则这种像素控制方案也可以是不变的。具体地，图7和8图示了按比例四元实现，在一个像素703、803中包括具有较大有效表面积702’、802’的四个探测器元件701’、801’，以及具有较小有效表面积702、802的四个探测器元件701、801，以提供居中采样。图9图示了按比例成对实现，在一个像素903中包括具有不同尺寸和有效表面积902、902’的两个探测器元件901、901’，其中较小的探测器元件901提供居中采样。

本文中描述的进一步实施例可以提供复合探测器像素（根据以上参考图2-9描述的任何实施例），其包括一个或多个偏振选择性探测器元件，其可以被配置为选择性地探测具有一个或多个期望偏振的光。例如，在本文中描述的一些实施例中，偏振选择性可以通过在探测器像素中的探测器元件中的一个或多个上提供偏振器（诸如偏振网格）来实现。

根据一些实施例的偏振网格可以通过在探测器元件上（本文中参考BSI（背侧照明）和FSI（前侧照明）实施例两者进行描述）提供呈网格图案形状或限定网格图案的金属化而在CMOS中制造。太阳光具有高偏振，因此尽管这种网格图案可能会衰减期望的信号，但也可以提高信号与背景的比例，特别是从接收太阳光的反射表面。线网格偏振器可以用于标准铜（Cu）金属的近红外（NIR）波长范围。

照此，如果标准子帧（例如，如由一个或多个非偏振选择性探测器元件探测到的）揭示或指示饱和效应，则本文中描述的控制电路可以被配置为选择性地启用或切换到像素中的探测器元件的偏振选择性子集（例如，其上包括偏振网格的一个或多个探测器元件）。如本文中所描述的偏振选择性探测器元件可以降低眩光，眩光可能是由于从视场中的各种表面反射或反射掉的光的偏振造成的，因为这种眩光可能通过提升图像中的某些点（例如，其中光变成水平偏振的水表面和/或玻璃，诸如潮湿的路面和/或汽车挡风玻璃）处的背景而给ToF成像系统带来问题。

图10A和10B图示了根据本文中描述的一些实施例的包括至少一个偏振选择性探测器元件的复合探测器像素1003a、1003b的示例。如图10A和10B中示出的，金属化可以用于在复合像素1003a、1003b中的SPAD 1001a、1001b中的一个或多个上创建偏振网格1005a、1005b。具体地，图10A图示了复合像素1003a的俯视图或平面视图，该复合像素1003a包括四个大小相等的SPAD 1001a（即，具有相同的有效表面积1002a），其中垂直偏振网格1005a与像素1003a右上角的SPAD 1001a”重叠。图10B图示了复合像素1003b的俯视图或平面视图，该复合像素1003b包括四个具有不同有效表面积1002b、1002b’的SPAD 1001b，特别是两个较小的和两个较大的SPAD 1001b，其中水平偏振网格1005b与像素1003b右上角的较小SPAD1001b”重叠。将理解，每个像素1003a、1003b中的探测器元件1001a、1001b的相对数量和/或尺寸，以及包括偏振网格1005a、1005b的探测器元件1001a’、1001b’的数量和/或相对位置仅作为示例来图示，并且在本文中描述的实施例中包括SPAD数量、尺寸、形状和偏振网格极性（或角度）的任何组合。

根据本公开的实施例，复合探测器像素a中的一个或多个探测器元件的偏振选择性可以以各种方式实现。例如，图11A是图示了限定背侧照明（BSI）设备1100a的复合探测器像素的两个SPAD 1101a、1101a”的横截面视图，其中偏振网格1105a设置在像素1103a的背侧或背表面（像素1103a的光接收表面，其与包括探测器元件1101a、1101a”的前侧或前表面相对）上，并且仅与探测器元件1101a’中的一个（SPAD1）重叠。也就是说，偏振网格1105a选择性地设置在探测器元件1101a”的入射光路中，使得探测器元件1101a”是偏振选择性的。另一个可见探测器元件1101a （SPAD2）在其上不包括偏振网格1105a，并且因此相对于背侧上的入射光的探测是非偏振选择性的。金属化1106邻近像素1103a的前侧布线，用于与阵列和/或其他设备的元件的电连接。

图11B是图示限定前侧照明（FSI）设备1100b的复合探测器像素的两个SPAD1101b、1101b”的横截面视图，其中偏振网格1105b设置在像素1103b的前侧或前表面（像素1103b的光接收表面，其包括探测器元件1101b）上，并且仅与探测器元件1101b”中的一个（SPAD1）重叠。也就是说，偏振网格1105b选择性地设置在探测器元件1101b’的入射光路中，使得探测器元件1101b”是偏振选择性的。另一个可见探测器元件1101b （SPAD2）在其上不包括偏振网格1105b，并且因此相对于前侧上的入射光的探测是非偏振选择性的。在图11B的示例中，偏振网格1105b由金属化1106实现，金属化1106沿着邻近探测器元件1101b’的前侧选择性地布线，但是被布置或定位成以免与探测器元件1101b重叠（或阻碍其入射光路）。也就是说，图11B中的金属化1106提供了到阵列的元件和/或其他设备以及偏振网格1105b两者的电连接。将理解，虽然未图示，但是在FSI和BSI两者的技术实现中，滤色器和微透镜都可以在偏振网格上制造。

图12-20图示了根据本文中描述的各种实施例的各种复合探测器像素，包括每个像素多个探测器元件。图12-20中示出的示例中的每个图示了单个复合探测器像素，其中每个像素多个单独可选或可寻址的探测器元件。具体地，图12图示了在一个像素1203中包括四个探测器元件1201的四元实现，其中四个探测器元件1201中的每个都具有相同的尺寸和有效表面积1202。图13图示了像素1303，其具有每个象限四个探测器元件1301，使得像素1303包括16个探测器元件1301，每个探测器元件具有相同的尺寸和有效表面积1302。图14图示了像素1403，其具有每个象限一对探测器元件1401，使得像素1403包括八个探测器元件1401的阵列，每个探测器元件具有相同的尺寸和有效表面积1402。图15图示了包括每个像素1503的象限两个探测器元件1501的按比例四元实现，其中两个探测器元件1501具有不同的尺寸和有效表面积1502、1502’。

图16-20图示了复合探测器像素布置，包括每个像素多个探测器元件，其具有可以提供居中采样的一个或多个居中定位的探测器元件。也就是说，可以启用居中定位的探测器元件，而不管每个像素的剩余探测器元件中的一个或多个是启用还是禁用。具体地，图16图示了具有每个象限四个探测器元件的复合探测器像素布置1603，每个探测器元件具有包括四个较大的探测器元件1601’和四个较小的探测器元件1601以提供居中采样的按比例四元布置，使得像素包括32个探测器元件。图17图示了具有每个象限四个探测器元件的另一种复合探测器像素布置1703，每个探测器元件呈按比例四元布置，包括位于每个象限外围的四个较大的探测器元件1701’和中心布置在每个象限中的四个较小的探测器元件1701，以同样提供居中采样，具有每个像素32个探测器元件。

图18图示了具有每个象限四个探测器元件的复合探测器像素布置1803，每个探测器元件具有类似于图7的按比例四元实现，包括四个较大的探测器元件1801’和四个较小的探测器元件1801，以提供居中采样。图20图示了具有每个象限四个探测器元件的复合探测器像素布置2003，每个探测器元件具有类似于图18的按比例四元实现，具有四个较大的探测器元件2001’和四个较小的探测器元件2001，其中四个较小的探测器元件2001各自包括在其上的偏振网格2005，以提供偏振选择性居中采样。图19同样包括在每个象限中较小的、居中定位的探测器元件1901上的偏振网格1905，以提供偏振选择性居中采样，其中四个较大的探测器元件1901’位于复合探测器像素1903的每个象限的外围部分。

将理解，图12-20中示出的示例复合探测器像素配置是作为说明而非限制提供的，并且其他配置包括在本公开的范围内。照此，本文中描述的实施例可以提供对单个像素的可单独寻址的探测器元件的选择性激活，以响应于包括变化的环境光在内的变化的光条件来提供变化的有效探测面积和/或偏振选择性探测或拒绝。

图21是图示根据本文中描述的实施例的启用/禁用电路的示例实现的电路图，该启用/禁用电路可以用于响应于选通和子像素控制信号选择性地激活复合像素中的探测器元件的子集。具体地，图21图示了与门2110，其接收如本文中所描述的子像素控制信号和选通信号两者，以通过控制晶体管2175a和2175b的相应栅极来选择性地启用或禁用复合像素的SPAD 2101之一，并通过控制晶体管2180的栅极来进行重置/淬灭。在图21的示例中，子像素控制信号可以是像素本地的（例如，被编程在像素中的存储器中）或者是阵列全局的，具有不同的可能模式。子像素控制信号专用于激活复合像素中的单个SPAD 2101，而选通信号是全局的，并且作为整体激活像素。也就是说，在图21的示例中，响应于选通信号和子像素控制信号两者，激活SPAD 2101或其他探测器元件。然而，将理解，该实现仅作为示例提供，并且根据本文中描述的实施例可以使用其他实现。

图22A和23A是图示根据本公开的一些实施例的堆叠复合探测器像素的示例实现的电路图，包括具有不同有效探测面积的两个探测器元件，所述探测器元件可以基于操作环境的入射光条件和期望的灵敏度和/或功耗要求而被选择性地启用/禁用。图22B和23B分别图示了图22A和23A的复合探测器像素的平面视图。

参考图22A和22B，复合探测器像素2203包括在堆叠布置中的较小面积探测器元件（图示为SPAD 2201）和较大面积探测器元件（图示为SPAD 2201’）。更具体地，如图22B中示出的，像素2203包括与较小面积的SPAD 2201同心布置的SPAD 2201、2201’，所述较小面积的SPAD 2201相对于较大面积的SPAD 2201’居中或同心定位。如图22A中示出的，SPAD2201、2201’的输出在相应的接合界面处通过相应的晶体管2275a、2275b连接到相应的淬灭/处理电路2280a、2280b。晶体管2275a、2275b被配置为响应于施加到晶体管2275a、2275b的栅极端子的相应子像素控制信号，将SPAD 2201、2201’的输出电连接到相应的淬灭/处理电路2280a、2280b。也就是说，在图22A和22B的实施例中，当由相应的子像素控制信号启用时，每个SPAD 2201和2201’分别经由专用控制电路2275a/2280a和2275b/2280b单独地或彼此独立地操作，而不管两个SPAD 2201、2201’是否同时启用。

参考图23A和23B，复合探测器像素2303类似地包括较小面积和较大面积的SPAD2301和2301’（或其他探测器元件），较大面积的SPAD 2301’与较小面积的SPAD 2301堆叠布置，更具体地，与其同心布置，较小面积的SPAD 2301相对于较大面积的SPAD 2301’居中或同心定位。如图23A中示出的，SPAD 2301、2301’的输出在相应的接合界面处通过相应的晶体管2375a、2375b连接到共享淬灭/处理电路2380。晶体管2375a、2375b被配置为响应于施加到晶体管2375a、2375b的栅极端子的相应子像素控制信号，将SPAD 2301、2301’的输出电连接到共享淬灭/处理电路2380。在图23A和23B的实施例中，如果两个SPAD 2301、2301’中的任一个或任何被启用，则被启用的SPAD可以独立于被禁用的SPAD进行操作。如果两个SPAD 2301、2301’同时被启用，则SPAD 2301、2301’的相应输出被淬灭/处理电路2380组合或共同处理。也就是说，两个SPAD 2301、2301’可以组合，例如作为一个设备进行操作。图22A和23A中作为示例图示的连接和/或控制方案可以应用于本文中描述的任何复合像素和/或探测器元件子集。

本公开的实施例可以与用于基于探测阈值改变读出次数的操作结合使用，如例如在2020年1月3日提交的题为“High Dynamic Range Direct Time of Flight Sensor withSignal-Dependent Effective Readout Rate”的美国专利申请号16/733,463中描述的，该美国专利申请的公开通过引用并入本文中。例如，探测器元件或探测器像素的较小子集可以响应于基于发射器信号的较少周期（指示较近和/或较多反射的目标）的一个或多个读出而被激活（例如，响应于相应的选通信号和子像素控制信号），或者探测器元件或探测器像素的较大子集可以响应于基于发射器信号的较多周期（指示较远和/或较少反射的目标）的一个或多个读出而被激活。

本文中已经参考附图描述了各种实施例，在附图中示出了示例实施例。然而，这些实施例可以以不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开是透彻的和完整的，并向本领域技术人员充分传达发明的概念。对本文中描述的示例实施例以及一般原理和特征的各种修改将容易是显而易见的。在附图中，层和区域的尺寸和相对尺寸没有按比例示出，并且在一些实例中为了清楚起见可能被夸大。

示例实施例主要根据特定实现中提供的特定方法和设备来描述。然而，该方法和设备可以在其他实现中有效地操作。诸如“示例实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以指相同或不同的实施例以及多个实施例。将关于具有特定组件的系统和/或设备来描述实施例。然而，系统和/或设备可以包括相比于所示出的那些更少或附加的组件，并且在不脱离发明的概念的范围的情况下，可以对组件的布置和类型做出变化。

还将在具有一定步骤或操作的特定方法的上下文中描述示例实施例。然而，对于具有不同和/或附加步骤/操作以及与示例实施例不一致的不同顺序的步骤/操作的其他方法，所述方法和设备可以有效地操作。因此，本发明的概念不意图限于所示出的实施例，而是符合与本文中描述的原理和特征一致的最宽范围。

将理解，当一个元件被称为或图示为“在另一个元件上”、“连接到另一个元件”或“耦合到另一个元件”时，它可以直接在另一个元件上、连接到另一个元件或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”、“直接连接到另一个元件”或“直接耦合到另一个元件”时，不存在中间元件。

还将理解，尽管术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。

此外，相对术语，诸如“下”或“底”和“上”或“顶”，在本文中可以用于描述一个元件与另一个元件的关系，如图中图示的。将理解，除了图中描绘的定向之外，相对术语还旨在包括设备的不同定向。例如，如果其中一幅图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件的“下”侧的元件然后将被定向在其他元件的“上”侧。因此，示例性术语“下”可以包括“下”和“上”两种定向，这取决于图的特定定向。类似地，如果其中一幅图中的设备被翻转，则被描述为“在其他元件之下”或“在其他元件下面”的元件然后将被定向为“在其他元件之上”。因此，示例性术语“在……之下”或“在……下面”可以包括“在……之上”和“在……之下”两种定向。 本文中在本发明的描述中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如在本发明的描述和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。

还将理解，如本文中使用的术语“和/或”是指并包括相关联的列出项中的一个或多个的任何和所有可能的组合。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包括着”、“包含”和/或“包含着”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。

本文中参考图示描述了本发明的实施例，所述图示是本发明的理想化实施例（和中间结构）的示意性图示。照此，预期由于例如制造技术和/或公差而导致的图示的形状的变化。因此，图中图示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在图示设备区域的实际形状，并且不旨在限制本发明的范围。

除非另外定义，否则公开本发明的实施例时使用的所有术语，包括技术和科学术语，具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义，并且不必限于在描述本发明时已知的具体定义。因此，这些术语可以包括在这样的时间之后创建的等效术语。将进一步理解，术语，诸如在常用词典中定义的那些术语，应当被解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非在本文中明确如此定义，否则将不会以理想化或过于正式的意义来解释。本文中提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用以其整体并入。

本文中已经结合以上描述和附图公开了许多不同的实施例。将理解，字面上描述和说明这些实施例的每个组合和子组合将是过度重复和模糊的。因此，包括附图在内的本说明书应当被解释为构成对本文中描述的本发明实施例的所有组合和子组合以及制作和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应当支持对任何这样的组合或子组合的权利要求。

尽管本文中已经参考各种实施例描述了本发明，但是将领会到，在本发明原理的范围和精神内可以进行进一步的变化和修改。尽管采用了特定的术语，但是它们仅用于一般的和描述性的意义，而不是为了限制的目的，本发明的范围在所附权利要求中阐述。

Claims (22)

1.一种光探测和测距（LIDAR）探测器电路，包括：

多个探测器像素，所述探测器像素的相应探测器像素包括多个探测器元件；和

至少一个控制电路，被配置为提供一个或多个探测器控制信号，所述一个或多个探测器控制信号选择性地激活相应探测器像素的探测器元件中的一个或多个，以限定包括探测器元件的第一子集的第一有效探测面积以用于第一图像采集，以及包括探测器元件的第二子集的第二有效探测面积以用于第二图像采集。

2.根据权利要求1所述的LIDAR探测器电路，其中所述至少一个控制电路被配置为分别响应于入射光的第一和第二强度，提供所述一个或多个探测器控制信号以用于所述第一和第二图像采集。

3.根据权利要求2所述的LIDAR探测器电路，其中所述第一强度大于所述第二强度，并且其中所述第一有效探测面积小于所述第二有效探测面积。

4.根据权利要求2所述的LIDAR探测器电路，其中所述第一和/或第二子集的探测器元件中的至少一个是偏振选择性的。

5.根据权利要求4所述的LIDAR探测器电路，其中探测器元件中的至少一个包括其上的偏振器。

6.根据权利要求5所述的LIDAR探测器电路，其中所述偏振器包括限定网格图案的金属化。

7.根据权利要求1所述的LIDAR探测器电路，其中所述至少一个控制电路被配置为分别基于与所述第一和第二图像采集对应的第一和第二距离范围，提供所述一个或多个探测器控制信号以用于所述第一和第二图像采集。

8.根据权利要求7所述的LIDAR探测器电路，其中所述第一距离范围包括比所述第二距离范围更靠近相应探测器像素的距离，并且其中所述第一有效探测面积小于所述第二有效探测面积。

9.根据任一前述权利要求所述的LIDAR探测器电路，其中所述第一和第二图像采集包括图像帧的相应子帧，并且其中所述一个或多个探测器控制信号包括选通信号，所述选通信号被配置为针对相应子帧激活探测器像素以探测入射在其上的光子。

10.根据权利要求9所述的LIDAR探测器电路，其中所述一个或多个探测器控制信号包括子像素控制信号，所述子像素控制信号被配置为将相应探测器像素的探测器元件中的一个或多个的相应输出连接到所述至少一个控制电路。

11.根据任一前述权利要求所述的LIDAR探测器电路，其中所述至少一个控制电路被配置为提供所述一个或多个探测器控制信号，以独立于所述第一和第二图像采集来激活所述第一和/或第二子集的探测器元件中的至少一个。

12.根据任一前述权利要求所述的LIDAR探测器电路，其中所述第一和第二子集包括不同数量的探测器元件，和/或其中所述第一和第二子集包括具有不同表面积的探测器元件中的一些。

13.根据任一前述权利要求所述的LIDAR探测器电路，其中探测器像素中的每个包括相应多个探测器元件，并且其中所述至少一个控制电路被配置为向探测器像素中的每个提供所述一个或多个探测器控制信号，以用于所述第一和第二图像采集。

14.一种操作光探测和测距（LIDAR）探测器电路的方法，该方法包括：

由耦合到多个探测器像素的至少一个处理器执行操作，包括：

提供一个或多个探测器控制信号，其选择性地激活探测器像素的相应探测器像素的一个或多个探测器元件，以限定包括探测器元件的第一子集的第一有效探测面积以用于第一图像采集，以及包括探测器元件的第二子集的第二有效探测面积以用于第二图像采集。

15.一种光探测和测距（LIDAR）探测器电路，包括：

探测器像素阵列，所述阵列的相应探测器像素包括多个探测器元件；和

至少一个控制电路，被配置为基于与相应图像采集相关联的入射光条件和/或距离范围，动态地调整相应探测器像素的灵敏度和/或功耗以用于相应图像采集。

16.根据权利要求15所述的LIDAR探测器电路，其中所述至少一个控制电路被配置为通过选择性地激活探测器元件的不同子集以改变相应探测器像素的有效探测面积以用于相应图像采集来动态地调整相应探测器像素的灵敏度和/或功耗。

17.根据权利要求16所述的LIDAR探测器电路，其中所述不同子集包括不同数量的探测器元件，和/或具有不同表面积的探测器元件中的一些。

18.根据权利要求15所述的LIDAR探测器电路，其中相应探测器像素的探测器元件包括至少一个偏振选择性探测器元件，并且其中所述至少一个控制电路被配置为通过基于与相应图像采集相关联的入射光条件选择性地激活至少一个偏振选择性探测器元件以用于相应图像采集来动态地调整相应探测器像素的灵敏度和/或功耗。

19.根据权利要求18所述的LIDAR探测器电路，其中所述至少一个偏振选择性探测器元件包括其上的偏振器，其中所述偏振器包括限定网格图案的金属化。

20.根据权利要求15-19中任一项所述的LIDAR探测器电路，其中，所述至少一个控制电路被配置为独立于与相应图像采集相关联的入射光条件和/或距离范围来激活相应像素的探测器元件中的至少一个。

21.一种操作光探测和测距（LIDAR）探测器电路的方法，该方法包括：

由耦合到探测器像素的阵列的至少一个处理器执行操作，包括：

基于与相应图像采集相关联的入射光条件和/或距离范围，动态地调整所述阵列的相应探测器像素的灵敏度和/或功耗以用于相应图像采集，其中相应探测器像素包括多个探测器元件。

22.根据任一前述权利要求所述的LIDAR探测器电路，其中所述LIDAR探测器电路被配置为耦合到自动驾驶车辆，并且相对于自动驾驶车辆的预期行驶方向定向。

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