CN115508812A - 一种用于spad自校准的像素电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请通过提供一种用于SPAD像素的自校准电路，其特征在于，包括：SPAD，用于接收光子；淬灭模块，所述淬灭模块的输出端口与所述SPAD连接；计数模块，与所述SPAD连接，用于统计所述SPAD接收的所述光子的数目并输出；电压调节模块，与所述计数模块连接，并根据所述计数模块的输出调节所述淬灭模块的输入端口，使得施加在SPAD上的过压(淬灭模块输入端口电压‑SPAD的击穿电压)保持恒定。这样，可以通过给每一个SPAD设置自校准电路，使得SPAD阵列中每一个SPAD像素的PDE相等，即每个SPAD接收到的有效光子数相同，避免SPAD阵列中所有SPAD连接同一操作电压导致的测距误差的问题。
Description
技术领域
本申请涉及自校准电路领域，特别涉及一种用于SPAD自校准的像素电路及其方法。
背景技术
飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。
而直接飞行时间探测(Direct Time of flight，DTOF)作为TOF的一种，DTOF技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等优点，受到了越来越广泛的关注。
一般地，在一些DTOF测距应用中，可以使用包括单光子检测器(例如单光子)在内的光电探测器阵列来执行反射辐射的单光子雪崩二极管(Single Photon AvalancheDiode，SPAD)阵列。一个或多个光电探测器可以限定阵列的探测器像素。SPAD阵列可以在可能需要高灵敏度和定时分辨率的成像应用中用作固态光电探测器。SPAD基于半导体结(例如，p-n结)，例如，当通过或响应于具有期望脉冲宽度的选通信号而被偏置到其击穿区域之外时，该半导体结可以检测入射光子。高的反向偏置电压会产生足够大小的电场，从而使引入器件耗尽层的单个电荷载流子可以通过碰撞电离引起自持雪崩。
光子触发雪崩电流的总概率可称为SPAD的光子检测效率(PhotonDetectionEfficiency,PDE)。一般来讲，人们期望SPAD具有较高的PDE，因为这提高了器件的灵敏度和性能。然而，增加过偏压量可导致增加PDE，一般地，由于工艺差异，在同一个芯片的不同位置上的SPAD器件的击穿电压不同，然而阵列中所有的SPAD连接同一操作电压，因此，不同的SPAD器件的过压不同，即操作电压与击穿电压的差值不同。这样会导致阵列中不同的SPAD的PDE不同，从而导致DTOF测距的误差。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种用于SPAD自校准的像素电路，以解决现有SPAD阵列中所有SPAD连接同一操作电压导致的测距误差的问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种用于SPAD像素的自校准电路，其特征在于，包括：SPAD，用于接收光子；淬灭模块，所述淬灭模块的输出端口与所述SPAD连接；计数模块，与所述SPAD连接，用于统计所述SPAD接收的所述光子的数目并输出；电压调节模块，与所述计数模块连接，并根据所述计数模块的输出调节所述淬灭模块的输入端口，使得施加在SPAD上的过压保持恒定。
可选地，所述过压是预先设定的值。
可选地，所述淬灭模块是被动淬灭电路或者主动淬灭电路。
可选地，所述SPAD通过电容连接所述计数模块。
可选地，所述计数模块是同步计数器。
第二方面，本申请提供了一种用于SPAD像素的自校准方法，其特征在于，包括：
淬灭模块向SPAD施加淬灭电压；
所述SPAD接收光子；
计数模块统计所述SPAD接收所述光子产生的脉冲的数目；
电压调节模块根据所述光子的数目调节所述淬灭电压，使得SPAD工作时的过压恒定。
可选地，所述过压是预先设定的值。
可选地，所述淬灭模块是被动淬灭电路或者主动淬灭电路。
可选地，所述SPAD通过电容连接所述计数模块。
可选地，所述计数模块是同步计数器。
本申请的有益效果是：通过提供一种用于SPAD像素的自校准电路，其特征在于，包括：SPAD，用于接收光子；淬灭模块，所述淬灭模块的输出端口与所述SPAD连接；计数模块，与所述SPAD连接，用于统计所述SPAD接收的所述光子的数目并输出；电压调节模块，与所述计数模块连接，并根据所述计数模块的输出调节所述淬灭模块的输入端口，使得施加在SPAD上的过压(淬灭模块输入端口电压-SPAD的击穿电压)保持恒定。这样，可以通过给每一个SPAD设置自校准电路，使得SPAD阵列中每一个SPAD像素的PDE相等，即每个SPAD接收到的有效光子数相同，避免SPAD阵列中所有SPAD连接同一操作电压导致的测距误差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种探测系统示意图；
图2为本申请实施例提供光子计数统计直方图的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种像素自校准的电路框图；
图4为本申请实施例提供的一种像素自校准的电路图；
图5为本申请实施例提供的一种SPAD像素自校准的方法流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
一般地，光在极其微弱时会离散成一个个的光子，称为单光子。单光子信号由于强度微弱且粒子性显著，常规技术难以对其检测，被认为是光电探测技术的极限，DTOF技术克服了光电探测技术的难点，实现单光子检测。
DTOF，是直接根据脉冲发射和接收的时间差来测算距离。激光发射的瞬间，电子时钟被激活。光束操纵单元将脉冲引导到所需方向。脉冲从探测目标反射回来，一部分被光电探测器所接收。在响应中，与前端电子器件连接的光电探测器产生电信号，从而使时钟生效。通过测量飞行时间Δt，计算出与反射物体之间的距离d，计算式为d＝cΔt/2，其中c指光在介质中的速度。
图1为本申请实施例提供的一种探测系统示意图。如图1，示意了探测系统获取目标的基本原理，处理单元120控制光源110发出发射光，光源可以为LED或者激光源，此处为了考虑人眼安全等一般选择光源为具有近红外波长的激光源，激光源可以选择VSCEL阵列型激光源，此处并不限定，光源110至少部分单元发射探测光，当然也包含了全部发出发射光和部分发出发射光的场景此处不做限定，为了实现能量集中和系统工作的高效性，通常使用部分输出单元输出发射光，接收模块130包含SPAD单光子雪崩二极管探测单元，这样可以实现对于微弱能量下的准确探测。
在实际的探测过程中，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，通过数以万次的发射由统计结果获得最终的目标距离信息，脉冲激光经过探测目标140反射返回处于包含雪崩状态SPAD的阵列型接收模块，其中处于雪崩状态的探测单元可以接收返回的信号，返回的信号可以是发射脉冲光束的回波并形成光子信号，当接收模块的SPAD被施加高的偏置电压时，接收模块的SPAD单元处于雪崩状态，因此可以感测背景光或者返回信号光的光子，再利用处理模块的统计功能，对于触发事件进行大量的统计，通过统计结果构造出直方图，再对于直方图的触发概率高的时间段信息输出即可实现对于探测目标140的距离信息获取。
在DTOF测距中由于阵列传感器的像素单元为SPAD(单光子雪崩光电二极管)器件，其工作在盖格模式下，在盖革模式下，雪崩光电二极管吸收光子会产生电子-空穴对，在高反偏电压产生的强电场作用下电子-空穴对被加速，从而获得足够的能量，然后与晶格发生碰撞，形成连锁效应，结果形成大量的电子-空穴对，引发雪崩现象，电流成指数增长。此时SPAD的增益理论上是无穷的，单个光子就能够使SPAD的光电流达到饱和，因此SPAD成为高性能单光子探测系统的首选。
另外，时间相关单光子计数法(TCSPC，Time correlated singlephotoncounting)测量光子时间信息的基本思想是将光子看作一个随机事件，对光子重复进行多个周期的测量后进行统计。
如图2所示，在光信号非常微弱且探测频率很高时，有的周期内可能探测不到光子，有的周期内能够探测到一个光子，将光子的探测时间对应到某个时间段，这样在进行大量的重复测量后，对各时间段内的光子数目进行统计就能得到光子随时间变化的频率分布直方图，对直方图拟合即可获得光信号的强度变化。
然而，光子触发雪崩电流的总概率可称为SPAD的光子检测效率(PDE)。一般来讲，人们期望SPAD具有较高的PDE，因为这提高了器件的灵敏度和性能。然而，增加过偏压量，即过压，可导致增加PDE。
一般地，由于工艺差异，在同一个芯片的不同位置上的SPAD器件的击穿电压不同，然而阵列中所有的SPAD连接同一操作电压，因此，不同的SPAD器件的过压不同，即操作电压与击穿电压的差值不同。这样会导致阵列中不同的SPAD的PDE不同，从而导致DTOF测距的误差。
因此，本申请提出了一种SPAD的自校准电路，用于减小像素阵列中不同的SPAD的过压的差异，减小像素阵列中不同的SPAD的PDE的差距，从而提高DTOF的测距精度。
如图3所示，该SPAD自校准电路包括：SPAD，用于接收光子；
淬灭模块，所述淬灭模块的输出端口与所述SPAD连接；
计数模块，与所述SPAD连接，用于统计所述SPAD接收的所述光子的数目并输出；
电压调节模块，与所述计数模块连接，并根据所述计数模块的输出调节所述淬灭模块的输入端口，使得施加在SPAD上的过压保持恒定。
需要说明的是，该SPAD上的过压是指淬灭模块输入端口电压与SPAD的击穿电压之差。
下面，以淬灭模块是电阻为例，结合图4，说明本申请的SPAD提供的自校准电路的工作原理。
在SPAD阵列开始工作之前，该像素电路对SPAD像素进行校准。首先发射固定的光子数(图中未示出发射端)，阵列(图中未示出)中的SPAD像素401接收光子，然后，计数器404对接收到的光子数进行计数，将计数结果输出至电压调节模块403，电压调节模块403根据计数结果，调节淬灭电阻402上的电压，使得施加在SPAD阵列中的每一个SPAD上的过压的值相等。
因此，具有该自校准电路的SPAD阵列，可以通过给每一个SPAD设置自校准电路，使得SPAD阵列中每一个SPAD像素的PDE相等，即每个SPAD接收到的有效光子数相同，避免SPAD阵列中所有SPAD连接同一操作电压导致的测距误差的问题。
此外，本申请还提供了一种SPAD像素自校准的方法，如图5所示。
S1，向SPAD施加淬灭电压；
示例性地，淬灭模块向SPAD像素施加淬灭电压，该步骤是在SPAD开始接受光子之前，对SPAD进行淬灭和复位。
S2，SPAD接收光子；
示例性地，当SPAD淬灭完成，发射端向探测物体发射光子之后，SPAD像素接受探测物体返回的光子，并触发SPAD像素的雪崩。
S3，统计接收到的光子产生的脉冲数；
示例性地，每一次SPAD像素被触发为雪崩状态就代表接收到了光子，如前所述，根据接受到的光子的时间和数目可以生成脉冲统计直方图，统计模块可以根该直方图，统计接受到的探测物体返回的光子产生的脉冲数。
S4，根据脉冲数调节淬灭电压，使得SPAD工作时的过压恒定；
电压调节模块接受到统计模块的输出后，根据统计模块统计的脉冲数，调节淬灭模块的电压，使得SPAD工作时的过压恒定。
需要说明的是，SPAD工作时的过压是指淬灭模块输入端口电压与SPAD的击穿电压之差。
需要说明的是，该过压是预先设定的值。例如，3V。
需要说明的是，淬灭模块是被动淬灭电路或者主动淬灭电路
这样，可以通过给每一个SPAD设置自校准电路，使得SPAD阵列中每一个SPAD像素的PDE相等，即每个SPAD接收到的有效光子数相同，避免SPAD阵列中所有SPAD连接同一操作电压导致的测距误差的问题。
上述方法应用于前述实施例提供的探测装置，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于SPAD像素的自校准电路，其特征在于，包括：
SPAD像素，用于接收光子；
淬灭模块，所述淬灭模块的输出端口与所述SPAD连接；
计数模块，与所述SPAD连接，用于统计所述SPAD接收的所述光子的数目并输出；
电压调节模块，与所述计数模块连接，并根据所述计数模块的输出调节所述淬灭模块的输入端口，使得施加在SPAD上的过压保持恒定。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述过压是预先设定的值。
3.如权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述淬灭模块是被动淬灭电路或者主动淬灭电路。
4.如权利要求1至3任一项所述的电路，其特征在于，所述SPAD通过电容连接所述计数模块。
5.如权利要求1至4任一项所述的电路，其特征在于，所述计数模块是同步计数器。
6.一种用于SPAD像素的自校准方法，其特征在于，包括：
淬灭模块向SPAD施加淬灭电压；
所述SPAD接收光子；
计数模块统计所述SPAD接收所述光子产生的脉冲的数目；
电压调节模块根据所述脉冲的数目调节所述淬灭电压，使得SPAD工作时的过压恒定。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述过压是预先设定的值。
8.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，淬灭模块是被动淬灭电路或者主动淬灭电路。
9.如权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于，所述SPAD通过电容连接所述计数模块。
10.如权利要求6至9任一项所述的方法，其特征在于，所述计数模块是同步计数器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |