CN116449337A - 像素电路、光电传感器、ToF装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于单个感光像素的像素电路、光电传感器、ToF装置以及电子设备；其中，像素电路被配置为与感测光信号的发射周期同步感测来自测量场景的光子，像素电路包括一个单光子雪崩二极管及一个淬灭重置电路，淬灭重置电路连接单光子雪崩二极管，淬灭重置电路被配置为在一个发射周期内对单光子雪崩二极管进行多次淬灭重置，使得单光子雪崩二极管能够在一个发射周期内多次感测光子而输出雪崩电流。通过上述方式，本申请提高信噪比以及光子感测的精度。

Description

像素电路、光电传感器、ToF装置及电子设备

技术领域

本申请涉及ToF感测技术领域，特别是涉及用于ToF感测的像素电路、光电传感器、ToF装置及设备。

背景技术

ToF(Time of Flight)技术，就是利用时间相关单光子计数(Time-CorrelatedSingle-Photon Counting，TCSPC)技术来测量场景中物体距离的一种测距方式。TOF装置按照预设的发射周期向测量场景发射感测光信号，通过光感器件，比如：单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)，接收来自测量场景的光信号并生成对应的光感应信号后，根据所述光感应信号对光信号的飞行时间进行测量和计数，然后对记录飞行时间做直方图统计，选取出现频率最高的飞行时间用来计算待测物体的深度(距离)信息。

然而，在一个发射周期内，光感器件不单会接收到测量场景中的目标物体反射的感测光信号，还会接收到环境光，环境光太强不仅会引起光感器件产生大量的光感应信号噪声，而且会降低所述光感器件对被目标物体反射回来的感测光信号的感测概率，从而影响了ToF装置的信噪比。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供用于单个感光像素的像素电路、光电传感器、ToF装置及电子设备，能够提高光信号感测的信噪比。

为解决上述技术问题，本申请采用的第一个技术方案是：提供一种用于单个感光像素的像素电路，被配置为与感测光信号的发射周期同步感测来自测量场景的光子，该像素电路包括：一个单光子雪崩二极管及一个淬灭重置电路；

其中，所述淬灭重置电路连接所述单光子雪崩二极管，所述淬灭重置电路被配置为在一个发射周期内对所述单光子雪崩二极管进行多次淬灭重置，使得所述单光子雪崩二极管能够在一个发射周期内多次感测光子而输出雪崩电流。

为解决上述技术问题，本申请采用的第二个技术方案是：提供一种用于单个感光像素的像素电路，被配置为与感测光信号的发射周期同步感测来自测量场景的光子，所述像素电路包括至少两个单光子雪崩二极管、至少两个淬灭重置电路及计时电路。所述至少两个单光子雪崩二极管被配置为感测来自测量场景的光子而输出雪崩电流。所述至少两个淬灭重置电路分别对应连接所述至少两个单光子雪崩二极管，所述淬灭重置电路被配置为在一个发射周期内对所述单光子雪崩二极管进行淬灭重置。所述至少两个单光子雪崩二极管并联连接至所述计时电路，所述计时电路被配置为响应于所述至少两个单光子雪崩二极管在一个发射周期内总共至少两次感测光子而生成与光子感测时间对应的计时数据。

为解决上述技术问题，本申请采用的第三个技术方案是：提供一种光电传感器，该光电传感器包括至少一个上述的像素电路。

为解决上述技术问题，本申请采用的第四个技术方案是：提供一种ToF装置，该ToF装置包括：发射组件、接收组件和处理电路。

发射组件用于发射感测光信号；接收组件包括至少一个上述的像素电路，用于接收感测光信号经外部对象反射回来的光子；处理电路连接发射组件和接收组件，处理电路用于接收每个像素电路在多个发射周期的计时数据，并统计每个像素电路在多个发射周期的计时数据，得到计时结果。

为解决上述技术问题，本申请采用的第五个技术方案是：提供一种电子设备，该电子设备包括处理器、存储器和如上述的ToF装置，ToF装置和存储器分别耦接处理器，处理器用于控制ToF装置。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，通过设置一个感光像素的单光子雪崩二极管能够在一个发射周期内多次感测光子输出相应的雪崩电流，如此能够提高一个发射周期内可感测到被外部对象反射回来的感测光信号的概率，提高信噪比，减少误差，使得最后的计时结果更精确，最后得出的飞行时间更为精确。

附图说明

图1是本申请电子设备实施例的电路结构示意框图；

图2是本申请ToF装置实施例的电路结构示意框图；

图3是本申请ToF装置实施例的一光子计数直方图的示意图；

图4是本申请ToF装置实施例的因环境光而产生堆积效应的光子计数直方图的示意图；

图5是本申请ToF装置实施例的因感测光信号而产生堆积效应的光子计数直方图的示意图；

图6是本申请像素电路实施例的第一实施方式的一电路结构示意图；

图7是本申请像素电路实施例中的多重标记时数转换器的开始和停止信号的示意图；

图8A是本申请像素电路实施例中可选存储方式一的逻辑示意图；

图8B是本申请像素电路实施例中可选存储方式二的逻辑示意图；

图8C是本申请像素电路实施例中可选存储方式三的逻辑示意图；

图9是本申请像素电路实施例中的淬灭重置电路的输出电压的变化示意图；

图10是本申请像素电路实施例中的感测光信号发射和光子接收的波形示意图；

图11是图6中像素电路的淬灭重置电路另一实现方式的电路示意图；

图12是本申请像素电路实施例的第一实施方式另一电路结构示意图；

图13是本申请像素电路实施例中的图像像素的结构示意图；

图14是本申请像素电路实施例的第二实施方式的一电路结构示意图；

图15是本申请像素电路实施例的第二实施方式的另一电路结构示意图。

图16是本申请像素电路实施例的多发射周期的光子计数过程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1所示，本申请电子设备实施例描述的电子设备100可以为具有ToF(Time ofFlight，ToF)功能的电子设备100，可以用于三维(3D)信息感测或者空间距离测定，例如具体可以用于人脸识别、手势识别、姿势或动作识别、自动驾驶、机器视觉、建筑物识别，场景识别建模、增强现实(Augmented Reality,AR)/虚拟现实(Virtual Reality,VR)、测距、接近感测、即时定位和地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)、或3D图绘制等。电子设备100可以包括智能手机、平板电脑、计算机、笔记本电脑、台式电脑、智能可穿戴设备、智能门锁、车载电子设备、医疗、航空等有三维(3D)信息感测功能需求的设备或者装置。

电子设备100可以是基于直接飞行时间(direct Time of Flight,dToF)原理的设备，也可以是基于间接飞行时间(indirect Time of Flight,iToF)原理的设备。其中，dToF技术是基于时间相关单光子计数(Time-Correlated Single Photon Counting，TCSPC)测量场景中物体距离的一种测距方式。TCSPC可以通过重复发射和接收感测光信号，对光子事件(如单个光子从发射到接收的过程)的时间信息进行统计分析，以获得反射感测光信号的目标物体的相关三维信息。

以下对电子设备100的一种示例性结构进行描述：

如图1所示，电子设备100可以包括处理器110和存储器120。处理器110与存储器120耦接。

处理器110可以用于控制电子设备100的操作，处理器110还可以称为中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)。处理器110可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器110还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、图像处理器(ISP)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器110也可以是任何常规的处理器等。

存储器120可以用于存储计算机程序，例如为随机存储器(Random AccessMemory，RAM)，也可以为只读存储器(Read-Only Memory，ROM)，或者其他类型的存储设备。具体地，存储器120可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。在一些实施例中，存储器120中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一条程序代码。存储器120中存储的计算机程序能够被处理器110执行，进而可以控制电子设备100的运行，实现相关的操作和功能。

当然，只读存储器(Read-Only Memory，ROM)例如可以是可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)，其用作外部高速缓存，随机例如可以是静态随机存取存储器(StaticRAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synch link DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。

在一些实施方式中，电子设备100还可以包括：外围设备接口130和至少一个外围设备。处理器110、存储器120和外围设备接口130之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与外围设备接口130相连。具体地，外围设备可以包括：射频电路140、显示屏150、音频电路160和电源170中的一种或多种。

外围设备接口130可被用于将I/O(Input/output，输入/输出)相关的至少一个外围设备连接到处理器110和存储器120。在一些实施例中，处理器110、存储器120和外围设备接口130可以被集成在同一芯片或电路板上。在一些其他实施方式中，处理器110、存储器120和外围设备接口130中的任意一个或两个可以在单独的芯片或电路板上实现，本实施例不加以限定。

射频电路140用于接收和发射射频(Radio Frequency，RF)信号，也称电磁信号。射频电路140通过电磁信号与通信网络以及其他通信设备进行通信。射频电路140将电信号转换为电磁信号进行发送，或者，将接收到的电磁信号转换为电信号。可选地，射频电路140包括：天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、调谐器、振荡器、数字信号处理器、编解码芯片组、用户身份模块卡等等。射频电路140可以通过至少一种无线通信协议来与其它终端进行通信。该无线通信协议包括但不限于：万维网、城域网、内联网、各代移动通信网络(2G、3G、4G及5G)、无线局域网和/或无线保真(Wireless Fidelity，Wi-Fi)网络。在一些实施例中，射频电路140还可以包括近距离无线通信(Near Field Communication，NFC)有关的电路，本申请对此不加以限定。

显示屏150用于显示用户界面(User Interface，UI)。该用户界面可以包括图形、文本、图标、视频及其它们的任意组合。当显示屏150是触摸显示屏时，显示屏150还具有采集在显示屏150的表面或表面上方的触摸信号的能力。该触摸信号可以作为控制信号输入至处理器110进行处理。此时，显示屏150还可以用于提供虚拟按钮和/或虚拟键盘，也称软按钮和/或软键盘。在一些实施方式中，显示屏150可以为一个，设置在电子设备100的前面板。在另一些实施方式中，显示屏150可以为至少两个，分别设置在电子设备100的不同表面或呈折叠设计；在另一些实施方式中，显示屏150可以是柔性显示屏，设置在电子设备100的弯曲表面上或折叠面上。甚至，显示屏150还可以设置成非矩形的不规则图形，也即异形屏。显示屏150可以采用液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)等材质制备。

音频电路160可以包括麦克风和扬声器。麦克风用于采集用户及环境的声波，并将声波转换为电信号输入至处理器110进行处理，或者输入至射频电路140以实现语音通信。出于立体声采集或降噪的目的，麦克风可以为多个，分别设置在电子设备100的不同部位。麦克风还可以是阵列麦克风或全向采集型麦克风。扬声器则用于将来自处理器110或射频电路140的电信号转换为声波。扬声器可以是传统的薄膜扬声器，也可以是压电陶瓷扬声器。当扬声器是压电陶瓷扬声器时，不仅可以将电信号转换为人类可听见的声波，也可以将电信号转换为人类听不见的声波以进行测距等用途。在一些实施例中，音频电路160还可以包括耳机插孔。

电源170用于为电子设备100中的各个组件进行供电。电源170可以是交流电、直流电、一次性电池或可充电电池。当电源170包括可充电电池时，该可充电电池可以是有线充电电池或无线充电电池。有线充电电池是通过有线线路充电的电池，无线充电电池是通过无线线圈充电的电池。该可充电电池还可以用于支持快充技术。

如图1所示，电子设备100还可以包括ToF装置200。在一些实施例中，ToF装置200可以用于实现dToF功能，对测量场景中的外部对象进行感测以获得外部对象的三维(3D)信息。关于上述本申请电子设备实施例的ToF装置200的描述可以参见以下本申请ToF装置实施例的详细描述。

如图2所示，本申请ToF装置实施例描述的ToF装置200可以包括发射组件210、接收组件220以及处理电路230。处理电路230可以耦接处理器110，发射组件210和接收组件220。

发射组件210可以用于向测量场景发射感测光信号，其中的一部分感测光信号会被测量场景中的外部对象反射回来而被接收组件220接收。发射组件210在一个检测帧内周期性地发射感测光信号N次，即一个检测帧可以包括N个感测光信号的发射周期，N为大于1的自然数。

可选地，感测光信号可以为具有预设频率的光脉冲，发射组件210按照预设频率周期性地发射光脉冲作为感测光信号。预设频率比如可以为10Hz-10KHz，进一步可以为30HZ-200Hz，当然可以根据具体的情况进行相应的设置或调整，在此不做限定。

可选地，感测光信号例如为可见光、红外光或近红外光，波长范围例如为390纳米(nm)-780nm、700nm-1400nm、800nm-1000nm。

可选地，在一些实施例中，发射组件210可以包括光源211、驱动电路212和发射光学器件213。光源211用于发射光脉冲。光源211可以为光源阵列，包括至少两个发光单元，例如光源阵列可以为M×N的发光单元阵列。其中，M、N均为大于1的自然数。

可选地，发光单元可以为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser,VCSEL)、边发射激光器(Edge Emitting Laser,EEL)、发光二极管(LightEmitting Diode,LED)、激光二极管(Laser Diode,LD)等形式的光源。其中，边发射激光器可以为法布里泊罗(Fabry Perot,FP)激光器、分布式反馈(Distribute Feedback,DFB)激光器、电吸收调制激光器(Electro-absorption Modulated,EML)等，本申请实施例对此不做限定。驱动电路212与光源211连接，驱动电路212与处理电路230连接，驱动电路212能够接收处理电路230的驱动信号，进而用于驱动光源211发射感测光信号。

发射光学器件213可以用于对光源211发出的光束进行调制以形成向测量场景发出的感测光信号。发射光学器件213例如包括衍射光学元件(Diffractive OpticalElement,DOE)，可以用于对光源211发射的感测光信号进行衍射，以对感测光信号进行复制并扩展，使得经调制后的感测光信号能够覆盖到测量场景中更大的空间范围。在其他一些实施例中，发射光学器件213还可以包括柱透镜、光栅、微透镜阵列等光学器件，本申请对此不做限定。

可选地，发射光学器件213还可以包括第一透镜单元，可以用于将光源211发射的光进行准直或者汇聚。

发射组件210发射的至少部分感测光信号被测量场景中的外部对象反射回来后能够被接收组件220接收并感测到。经外部对象反射回来的感测光信号的发射时刻与接收时刻之间的时间差被称为感测光信号的飞行时间t。通过计算反射回来被接收组件220感测到的感测光信号在飞行时间t内经过的距离可以获得反射该感测光束的外部对象的距离信息D＝(c*t)/2，c为光速。其中，感测光信号的飞行时间t可以通过对接收组件220感测到光子所产生的光感应信号的时间计数分布进行统计分析而获得。

接收组件220具有与发射周期对应的检测周期。可选地，检测周期和发射周期同步。接收组件220可以根据计时的精度将一个检测周期划分为M个时间分箱(块)，比如1、2……M，M为大于1的自然数。接收组件220可以包括光电传感器221。可选地，光电传感器221可以包括单个感光像素或多个感光像素形成的像素阵列。感光像素用于接收来自测量场景的光信号并输出对应的光感应信号。应理解，来自测量场景的光信号包括环境光的光子和被反射回来的感测光信号的光子。感光像素包括至少一个光感器件。可选地，光感器件例如为电荷耦合元件(Charge-Coupled，Device，CCD)、互补金属氧化物半导体(ComplementaryMeta1Oxide Semiconductor，CMOS)，雪崩光电二极管(APD)，单光子雪崩二极管(SPAD)、多个SPAD并联设置的硅光电倍增光(Silicon Photomultiplier,SiPM)和/或其他合适的光感器件。当然，多个感光像素之间也可以不呈阵列排布，例如可以呈不规则方式排布。

接收组件220还可以包括接收光学器件222，用于将来自测量场景的光信号进行调制后，例如：准直或者汇聚，传输至对应的感光像素。

处理电路230用于处理接收组件220接收光信号对应产生的光感应信号以获得外部对象的三维信息。在一些实施方式中，处理电路230可以包括计数单元、统计单元、飞行时间获取单元和距离获取单元。计数单元被配置为根据接收组件220接收光信号对应输出的光感应信号的时间在对应的时间分箱内累积计数，时间分箱为时数转换器(Time-to-Digital Convertor，TDC)记录光感应信号产生时刻所能分辨的最小时间间隔。亦即，接收组件220每成功感测到一个光信号会输出相应的光感应信号，计数单元根据该光感应信号的产生时刻在对应的时间分箱内累计加一。

可选地，统计单元可被配置为对各个对应时间分箱内的光感应信号计数进行统计，以生成相应的光子计数直方图(如图3所示)。其中，光子计数直方图的横坐标表示各个对应时间分箱的时间戳，光子计数直方图的纵坐标表示各个对应时间分箱内累计的光感应信号计数值。可选地，统计单元可以为直方图电路。

在感测过程中，大量环境光的光子也会被接收组件220接收而产生相应的光感应信号计数。由于环境光造成的光子事件是随机的，这些环境光的光子被感测而在各个时间分箱内留下计数的概率趋于相同，构成测量场景的噪音背底(Noise Level)，在环境光强度较高的测量场景中，测得的噪音背底的平均水平相对较高，在环境光较低的场景中，测得的噪音背底的平均水平相对较低。在此基础上，从外部对象反射回来的感测光信号被接收而对应产生的光感应信号计数叠加在噪音背底上，使得与该感测光信号被接收时刻对应的时间分箱内的光感应信号计数会明显高于其他时间分箱的光感应信号计数，进而形成突出的信号峰。可以理解的是，信号峰的计数高度会受到感测光信号的光发射功率、外部对象的反射率、ToF装置200的探测范围等因素的影响，信号峰的宽度会受到发射的感测光信号宽度、接收组件220的光感器件和TDC的时间抖动等因素的影响。由此，飞行时间获取单元可以根据与信号峰的峰值对应的时间分箱的时间戳与产生该信号峰的相关感测光信号的发射时刻之间的时间差获得被外部对象反射回来而被接收组件220接收到的相关感测光信号的飞行时间。距离获取单元可被配置为根据由光子计数直方图确定的相关感测光信号的飞行时间获得反射相关感测光信号的外部对象与发射组件210之间的距离信息，例如为测量场景中外部对象与发射组件210上发出相关感测光信号的位置之间的连线距离。

应理解，发射组件210与接收组件220可以并排相邻设置，发射组件210的出光面与接收组件220的入光面均朝向ToF装置200的同一侧，发射组件210与接收组件220的间距的取值范围例如可以为2毫米(mm)至20mm。由于发射组件210与接收组件220之间靠得比较近，感测光信号从发射组件210到外部对象的发射路径与反射后从外部对象到接收组件220的返回路径虽然不是完全相等，但两者均远大于发射组件210与接收组件220的间距，可以视为近似相等。由此，可以根据被物体反射回来的感测光信号的飞行时间t的一半与光速c的乘积来计算外部对象与ToF装置200之间的距离信息。

处理电路230可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理电路230还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、图像处理器(ISP)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器。当然，处理电路230还可以是目前满足ToF图像感测、控制和处理的其他类型的电路，在此不做限制。当然，ToF装置200也可以包括存储器240，存储器240可与处理电路230耦接，或者内置于处理电路230内。关于ToF装置200的存储器240的描述可以参见电子设备100的存储器120的描述，在此不再赘述。

如图3所示，图3示出了一个示意的光子计数直方图。图中信号峰的峰值对应的时间分箱具有最多的光感应信号计数，记为最大峰值计数，从图中还可以获取到半峰宽等信息。图3中示出的噪音背底是由于环境光所引起的(可参见后续内容的描述)，在环境光较弱的情况下，噪音背底不会影响最大峰值计数的分辨。因此，仍能够清楚地分辨出最大峰值计数以及半峰宽。最大峰值计数所对应的时间分箱与相应感测光信号的发射时刻之差即可作为该检测帧的飞行时间tof。图3所示的一个正常信号峰在峰值前后的时间分箱内的计数值呈高斯分布，即信号峰的峰值处的计数值最高，峰值两侧的时间分箱的计数值逐渐减少。

可选地，在一些实施例中，采用SPAD作为感光像素的光感器件来感测来自测量场景的光信号。SPAD可以具有两个状态，其一是盖革状态，其二是淬灭状态。SPAD处于盖革状态下，其能够用于探测光子，可以认为盖革状态是工作状态，此时光子射入到该SPAD存在一定概率被触发雪崩效应。SPAD每次雪崩后处于淬灭状态，无法继续感测光子输出光感应信号，可以认为淬灭状态是非工作状态。处于淬灭状态的SPAD需要经过重置后才能恢复至盖革状态继续感测光子，淬灭状态的持续时间即为SPAD的死区时间。因此，在一个发射周期内，死区时间的长短会影响到SPAD探测光子的次数。死区时间太长，则会使得SPAD在发生一次雪崩效应后无法及时重置，难以探测到该发射周期内后续到达的光子。

在一些实施例中，SPAD在一个发射周期内只响应接收到的单个光子而对应雪崩一次，到下一个发射周期开始前对SPAD进行淬灭重置后才能再次感测光信号。由于整个接收组件220中的SPAD总数有限，在一个发射周期内，每雪崩掉一个SPAD，接收组件220中能够感测光子的SPAD数量就会减少，对后续返回的光子的感测概率也随之降低。在这种情况下，如图4所示，若测量场景中的环境光较强，环境光的光子引发的光感应信号计数堆积在发射周期刚开始的时间分箱内，形成堆积效应(Pile-Up Effect)。因堆积效应会雪崩掉大量的SPAD，使得在同一发射周期的后续时段没有足够数量的SPAD能用来感测外部对象反射回来的携带有外部对象三维信息的感测光信号，无法在与感测光信号返回时间对应的时间分箱内形成突出的信号峰而导致感测光信号的相关计数被淹没在噪音背底中无法分辨。如图5所示，若感测光信号的发射功率相对过高，反射回来的感测光信号的光子数量太多，在信号峰的峰值之前的时间分箱内产生的大量光感应信号计数使得过多的SPAD已发生雪崩效应而没有剩下足够数量的SPAD充分感测出与信号峰的峰值所在时间分箱内实际应有的光感应信号计数。此种情况下，信号峰实际峰值的光感应信号计数值过低而无法凸显出来，而峰值之前的时间分箱的光感应信号计数成为了伪峰值(即图5中的伪峰值计数)，呈现出伪峰值相较于实际峰值(即图5中的实际峰值计数)前移的堆积效应，进而导致测量出来的外部对象的深度值不准确。

由以上内容可以知道，无论是环境光引起的堆积效应还是发射的感测光信号引起的堆积效应，都会导致没有足够的SPAD在同一发射周期的后续时段内返回的感测光信号，进而使得光子计数直方图出现畸变，影响到计算出来的飞行时间tof的准确性。

为了改善这一技术问题，本申请的技术方案可以提高像素阵列221感测反射回来的感测光信号的光子的概率，以提高ToF装置200的信噪比和飞行时间测量的准确度。

如图6所示，像素阵列221可以包括多个感光像素，每个感光像素包括一个像素电路300。像素电路300可以被配置为使得单个SPAD能够在一个发射周期内多次响应来自测量场景的光信号并在对应时间分箱内计数，以增加感测到被外部对象反射回来的感测光信号的概率。关于像素电路300的具体描述可以参见下述本申请像素电路实施例描述的像素电路300。

像素电路300可以用于探测光信号并按照探测到光信号的时间在对应的时间分箱进行计数。在一些实施方式中，像素电路300可以包括至少一个SPAD310、淬灭重置电路320和计时电路330，SPAD310分别连接至淬灭重置电路320和计时电路330，计时电路330连接至处理电路230。可选地，像素电路300还可以包括脉冲整形电路340，脉冲整形电路340可以连接于计时电路330与SPAD310之间，用于对SPAD310发生雪崩效应时产生的光感应信号进行整形处理。

在一些实施方式中，像素电路300可以包括两个或两个以上的SPAD310，两个或两个以上的SPAD310均连接至淬灭重置电路320，淬灭重置电路320可以对与之相连接的任何一个SPAD310进行淬灭重置以使得SPAD恢复至可以响应光子的工作状态。在另一些实施方式中，淬灭重置电路320的数量可以与SPAD310的数量相同，也即两个或两个以上的SPAD310分别与两个或两个以上的淬灭重置电路320一一对应连接，每个SPAD310由各自对应的淬灭重置电路320进行淬灭重置。

淬灭重置电路320可配置为在一个发射周期内对相应的SPAD310进行多次淬灭重置，使得SPAD310能够在一个发射周期内多次感测光子以输出相应的光感应信号，换言之，SPAD310可以在一个发射周期内感测多个光子。在本实施例中，“多次”或“多个”可以包括两个或两个以上。例如，在一些实施方式中，淬灭重置电路320对一个SPAD310在一个发射周期内进行至少两次淬灭重置，使得一个SPAD310在一个发射周期内能够对应感测至少两个光子。对应地，在一些实施例中，处理电路230还可以包括淬灭调节单元，淬灭调节单元被配置为控制感光像素在一个发射周期内对于光信号的感测次数。可选地，淬灭调节单元可以进一步配置为调节光感器件在相邻两次感测之间的停止时间(死区时间)，进而可以改变光感器件在一个发射周期内的对于光信号的感测次数。淬灭重置电路320可以连接处理电路230。例如，淬灭重置电路320可以根据处理电路230的淬灭调节单元的控制信号调节在一个发射周期内对SPAD310进行淬灭重置的次数。淬灭重置电路320例如为主动式淬灭重置电路，具体可以为主动淬灭主动充电式的主动式淬灭重置电路320。当然，淬灭重置电路320也可以为被动式淬灭重置电路，具体可以为被动淬灭主动充电式或者被动淬灭被动充电式的被动式淬灭重置电路。

计时电路330可被配置为响应于至少一个SPAD310各自在一个发射周期内多次感测光子输出的光感应信号而生成与光子感测时间对应的计时数据，并发送给处理电路230。具体地，SPAD310感测到一个光子后输出雪崩电流作为对应的光感应信号，计时电路330根据光感应信号的生成时间产生一个计时数据，不同的光子在同一发射周期“陆续”到达至少一个SPAD310后，计时电路330可以产生与接收到的光子的感测时间对应的计时数据。换言之，至少一个SPAD310在一个发射周期内可以感测到多个光子，计时电路330可以产生与所接收光子的数量对应的计时数据。计时数据例如为时间分箱对应的时间戳。处理电路230可以用于接收像素电路300在多个发射周期的计时数据，并统计每个像素电路300在多个发射周期的计时数据，得到计时结果。计时结果例如为光子计数直方图或最终的飞行时间tof等。

计时电路330可以与发射组件210同步工作，在发射组件210发射感测光信号的同时，计时电路330能够同步产生开始信号，进而开始计时，在像素电路300感测到光子时，计时电路330能够相应产生计时信号，进而能够记录光子被光感器件感测到的时间。

通过控制淬灭重置电路320在一个发射周期内对SPAD310进行多次淬灭重置，使得至少一个SPAD310能够在一个发射周期内多次感测光子并对应输出相应的光感应信号，同时计时电路330可以在一个发射周期内产生与所感测到的光子的感测时间各自对应的计时数据，如此SPAD310在一个发射周期内感测到光子发生雪崩效应后能够及时得到淬灭重置而再次用于感测同一发射周期“迟到”的其他光子，进而能够减少在第一次雪崩效应后因无法再感测同一个发射周期内后续返回的其他光子而导致丢失反射回来的感测光信号计数的概率，如此能够有效降低环境光过强等对光子计数的影响，提高信噪比，减少计数误差，使得最后的计时结果更精确，最后得出的飞行时间tof更为精确。ToF装置200可以具有多种探测模式。多种探测模式可以包括近距离探测模式、中等距离探测模式和远距离探测模式。远距离探测模式的探测距离大于中等距离探测模式以及近距离探测模式的探测距离，中等距离探测模式的探测距离大于近距离探测模式的探测距离。近距离探测模式的探测距离的范围例如为1.5cm-5m，中等距离探测模式的探测距离的范围例如为5m-100m，远距离探测模式的探测距离的范围例如为100m-300m。

在ToF装置200的实际工作中，可以通过获取至少第一个发射周期内所测得的感测光信号发射和接收之间时间差以计算外部对象的大致空间距离(ToF装置200与外部对象之间的距离)，处理电路230基于该第一个发射周期的数据计算出的大致空间距离来确定使用何种探测模式进行工作。可选地，ToF装置200也可以通过获取前面多个发射周期所测得的时间差的均值分别计算外部对象的大致空间距离。可选地，ToF装置200还可以在正式测量之前，依次在各探测模式下进行至少一个发射周期的初步感测，进而可以根据各探测模式下的初步感测所得到的外部对象的大致空间距离进行综合判断，进而得出初步距离值，进一步利用初步距离值确定正式测量采用何种探测模式。比如，在近距离探测模式下进行初步感测所得出的距离为53m，在中等距离探测模式下进行初步感测所得出的距离为65m，在远距离探测模式下进行初步感测所得出的距离为58m，可以将上述三个初步感测得到的距离进行综合计算，比如均值计算或者加权平均等，计算出初步距离值属于中等距离探测模式对应的探测距离范围，ToF装置200可以确定将中等距离探测模式作为正式测量的探测模式。当然，ToF装置200还可以根据由其他装置(比如卫星定位装置)得出ToF装置200和外部对象的地理位置信息(比如经纬度)，利用两者的地理位置信息计算大致的空间距离，进而确定要采用的探测模式。

本实施例可以具有多种实施方式，以下示例性地举出其中几种。

(一)第一实施方式：

如图6所示，计时电路330可以包括多重标记时数转换器(Multiple Time TaggingTime to Digital Converter，MTT-TDC)331。多重标记时数转换器331可以连接至少一个SPAD310。多重标记时数转换器331能够响应于SPAD310在一个发射周期内多次感测光子对应输出光感应信号的时间分别记录多个时间戳。可以理解的是，计时数据可以包括时间戳。

换言之，多重标记时数转换器331能够在一个发射周期起始时开始同步计时，在一个发射周期内可以响应SPAD多次感测光子对应输出的多个光感应信号的时间分别产生的多个计时信号，进而记录多个计时信号对应的时间戳。比如，多重标记时数转换器331在0ns的时候开始工作，在10ns的时候产生一个计时信号而记录一个时间戳，在23ns的时候产生一个计时信号而又记录一个时间戳。如图7所示，多重标记时数转换器331可以在发射周期开始同步产生一个开始信号，并且记录开始信号的上升沿或者下降沿以开始计时。在一个发射周期内，多重标记时数转换器331可以对应产生的多个计时信号的上升沿或者下降沿记录多个时间戳t₁，t₂，……，t_n等。

如此，SPAD310在一个发射周期内多次感测光子时，多重标记时数转换器331可以在该发射周期内响应于多次感测光子的时间而产生相应次数的计时信号，记录相应次数的时间戳。

如图8A-8C所示，计时电路330可以包括多个寄存器333。多个寄存器333可以连接多重标记时数转换器331。每个寄存器333可以用于存储一个时间戳，多个寄存器333能够存储多重标记时数转换器331记录的SPAD310在一个发射周期内多次感测到光子的多个时间戳。可选地，多个寄存器333可以内置于多重标记时数转换器331内。寄存器333的数量理应越多越好。但寄存器333越多会占据越多的物理空间，还会提高硬件成本。因此，寄存器333的存储逻辑具有如下可选的方式：

可选的存储方式一：在一个发射周期内，多个寄存器333可被配置为存储多重标记时数转换器331最先记录的多个时间戳而丢弃后续记录的时间戳，存储的时间戳数量可以预先设定并根据实际情况进行调整。此种逻辑可以适用于近距离探测模式，因为在近距离探测时，感测光信号的光子反射回来较快而且较多，那么SPAD310受环境光影响较低，进而采用存储最早记录的多个时间戳也能较大概率记录到反射回来的感测光信号，在保障数据有效性的同时可以减少对存储空间的占用。

比如，多个寄存器333的数量为4个，SPAD310在一个周期内感测光子而发生雪崩效应的次数可达到15次。当SPAD310实际发生雪崩效应的次数大于4次时，多个寄存器333可以记录SPAD310前4次发生雪崩效应的时间戳，也即记录触发SPAD310前4次雪崩效应的光子的到达时间，后续无论SPAD310再被触发多少次雪崩效应都直接丢弃而不记录，此种方式可以适用于近距离探测模式。

如图8A所示，多重标记时数转换器331在一个发射周期内首先依次记录第3、8、12和14时间分箱对应的时间戳。由于时间戳是依次产生的，那么第3、8、12和14时间分箱内对应的时间戳依次被4个寄存器333所存储。接着，多重标记时数转换器331继续记录该发射周期的第17和20时间分箱对应的时间戳。由于此种方式只记录最早的4个时间戳，那么如图8A所示，则寄存器333直接丢弃第17和20时间分箱对应的时间戳而不存储。

可选的存储方式二：在一个发射周期内，多个寄存器333用于存储多重标记时数转换器331最后记录的多个时间戳，存储的时间戳数量可以预先设定并根据实际情况进行调整。此种逻辑可以适用于中等距离探测模式或者远距离探测模式。因为，在中等距离探测的场景下，感测光信号的光子反射回来较慢，需要时间较长才能被感测到而且数量较少，那么SPAD310在感测过程中受环境光影响的时间较长，最先记录的时间戳往往可能是由于环境光的光子所引起的，因此存储多重标记时数转换器331最后记录的多个时间戳，能有效提高记录到经外部对象反射回来的感测光信号的时间戳的概率，在保障数据有效性的同时可以减少对存储空间的占用。

比如，多个寄存器333的数量为4个，SPAD310在一个发射周期内感测光子而发生雪崩效应的次数可达到15次。当SPAD310实际发生雪崩效应的次数大于4次时，多个寄存器333可以存储SPAD最后4次发生雪崩效应的时间戳，也即存储触发SPAD310最后4次雪崩效应的光子的到达时间。在一个发射周期内，SPAD310后续发生雪崩效应的时间戳覆盖之前的发生雪崩效应的时间戳，此种方式可以适用于中等距离探测模式或远距离探测模式。

如图8B所示，多重标记时数转换器331在一个发射周期内首先依次记录第3、8、12和14时间分箱对应的时间戳。由于时间戳是依次产生的，那么第3、8、12和14时间分箱内对应的时间戳依次被4个寄存器333存储。接着，多重标记时数转换器331继续记录该发射周期的第17和20时间分箱对应的时间戳。由于此种方式记录最后的4个时间戳，如图8B所示，在记录第17个时间分箱对应的时间戳时，第8、12、14和17时间分箱对应的时间戳为最后记录的四个时间戳，则将第17时间分箱对应的时间戳覆盖第3时间分箱对应的时间戳。同理，在记录第20时间分箱对应的时间戳时，第12、14、17和20时间分箱对应的时间戳为最后记录的四个时间戳，则将第20时间分箱对应的时间戳覆盖第8时间分箱对应的时间戳。4个寄存器333最终存储的时间戳为最后记录的4个时间戳。

可选的存储方式三：在一个发射周期内，多个寄存器333用于存储多重标记时数转换器331最后记录的且不小于预设阈值的多个时间戳，存储时间戳的数量可以预先设定并根据实际情况进行调整。此种逻辑可以适用于中等距离探测模式或远距离探测模式。

比如，多个寄存器333的数量为4个，SPAD310在一个发射周期内感测光子而发生雪崩的次数可达到15次。若SPAD310发生雪崩的时间戳大于预设阈值，则寄存器333就存储该时间戳，若SPAD310发生雪崩的时间戳大于或等于预设阈值的次数大于4次时，则存储其中最后记录的4个时间戳，相当于按时间戳的先后顺序更新寄存器333，依次覆盖其中最早记录的时间戳，而小于预设阈值的时间戳则被丢弃。不同的探测模式对应的预设阈值可以不同，比如中等距离探测模式的预设阈值小于远距离探测模式的预设阈值。预设阈值和所探测的距离相关联，可以根据在实际探测中预估的探测距离进行设置。当然，每个探测模式中可以设置多个预设阈值供用户进行选择。

如图8C所示，多重标记时数转换器331在一个发射周期内首先依次记录第3、6、8、12和14时间分箱对应的时间戳，假设预设阈值为第4个时间分箱对应的时间戳。第6、8、12和14时间分箱对应的时间戳大于预设阈值，而第3时间分箱对应的时间戳小于预设阈值，则第6、8、12和14时间分箱依次被4个寄存器333所存储。接着，多重标记时数转换器331依次记录该发射周期的第17和20时间分箱对应的时间戳。由于此种方式记录最后的且大于预设阈值的时间戳。在记录第17时间分箱对应的时间戳时，第8、12、14和17时间分箱对应的时间戳为最后记录的四个时间戳，而且第17个时间分箱对应的时间戳大于预设阈值，则其会覆盖第6时间分箱对应的时间戳而存储在该寄存器333。同理，在记录第20个时间分箱对应的时间戳时也是如此处理。

处理电路230可以根据探测模式选择寄存器333的存储方式。可选地，处理电路230包括存储选择单元(在图2中示出但未标注)，存储选择单元可以根据ToF装置200的探测模式选择相对应的寄存器333的存储方式，例如存储选择单元在ToF装置200以近距离探测模式进行探测时选择上述可选的存储方式一，在ToF装置200以中等距离探测模式或远距离探测模式进行探测时选择上述可选的存储方式二或者可选的存储方式三。

不同的探测模式可以对应不同的淬灭重置次数，淬灭重置次数可以由处理电路230的控制信号进行控制。例如，处理电路230可以用于生成与探测模式相对应的控制信号，并将控制信号发送给淬灭重置电路320。具体地，淬灭调节单元可以生成与各探测模式相对应的控制信号，并将控制信号发送给淬灭重置电路320。淬灭重置电路320在控制信号下对SPAD310进行淬灭重置。淬灭重置电路320可以根据控制信号控制SPAD310在一个发射周期内进行相应次数的淬灭重置。

在不同的探测模式下，处理电路230给淬灭重置电路320发送的控制信号可以不同。例如，在一个发射周期内，近距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数小于中等距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数和远距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数，中等距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数小于远距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数。

假设近距离探测模式、中等距离探测模式以及远距离探测模式分别所需要的飞行时间最多为33.3ns，0.66ms和2ms。

在近距离探测模式下，因为光子飞行的时间较短，感测光信号可以较为集中地被SPAD310感测到，进而受到环境光等因素引起的堆积效应不明显。与此同时，一检测帧内可以有足够多的发射周期(例如，在60HZ的帧率下，5m的探测距离大致可以有检测次数50万次，一个检测帧为1/60s＝16700000ns，16700000/33.3≈50万次，假设SPAD310的雪崩概率(SPAD310的性能参数之一)在所感测到的光信号的波长为905nm处为15％，则可以发生雪崩效应的次数大于为7.5万次)。此时，即便存在环境光引发雪崩效应的噪音，也可以确保有足够多的光子计数，因此环境光所导致的噪音背底较低，对光子计数的影响较为微弱。在此种近距离探测模式下，通过控制信号控制淬灭重置电路320对相应的SPAD310进行淬灭重置的次数可以较少，比如可以为1-3次，具体可以根据实际情况进行确定或者调节。

当距离远的时候，在上百米的检测距离下，ToF装置200工作在远距离探测模式。在远距离探测模式下，一个检测帧内的发射周期(如在60Hz的帧率下，200m的距离检测次数大约有1.25万次，当SPAD310的雪崩概率在905nm处为15％，则可以发生雪崩效应的次数大约为1875次)会因为距离太远导致该发射周期内的发生雪崩效应的次数过低，致使光子计数直方图的信噪比非常弱，从而影响飞行时间的测量精度。此外，因为环境光过强，SPAD310在发射周期内非常容易会被噪音所淹没，所以可能导致发生的1875次雪崩效应可能会存在大量噪音而非由感测光信号经由外部对象反射回的光子所引起。在本实施例中，通过控制信号控制淬灭重置电路320对SPAD310进行多次淬灭重置，配合多重标记时数转换器331去实现一个发射周期内的多次记录发生雪崩效应的时间，如此可以尽量增加感测到感测光信号经由外部对象反射回的光子的概率，进而提高信噪比。

因此，设置近距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数小于中等距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数和远距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数，中等距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数小于远距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数，能够有效地适应不同探测距离，提高光子计数的信噪比，进而提升探测的有效性。

在一个像素电路300中SPAD310的数量以及淬灭重置电路320的数量可以具有多种实施方式：

如图6所示，在一些实施方式中，SPAD管310的数量可以为一个，淬灭重置电路320的数量也为一个。淬灭重置电路320用于在一个发射周期内对SPAD310进行至少两次淬灭重置，以使得SPAD310能够在一个发射周期内至少感测两次光子。多重标记时数转换器331连接SPAD310，进而可以响应于该SPAD310在一个发射周期内多次感测光子对应输出光感应信号的时间而记录相应多个时间戳。

在一些实施方式中，淬灭重置电路320例如为主动式淬灭重置电路，以主动淬灭的方式进行工作，进而可以通过调节死区时间的长短来控制在一个发射周期内对SPAD310的淬灭重置次数。通过主动淬灭重置的方式，可以实现压缩SPAD310的死区时间，在一个发射周期内发生第一次雪崩效应之后可以快速地淬灭重置，进而实现在该发射周期内至少再一次处于盖革状态以探测该发射周期内后续到达的光子，最终实现能够在一个发射周期内多次感测光子。

SPAD310处于盖革状态下，其反向偏置电压大于或者等于其击穿电压。SPAD310处于淬灭状态下，其反向偏置电压小于其击穿电压。

如图6所示，淬灭重置电路320可以调节施加至SPAD310的反向偏置电压。具体地，淬灭重置电路320可以包括淬灭重置子电路321和开关子电路322。淬灭重置子电路321连接第一电源323和相应的SPAD310的阴极。开关子电路322连接第二电源324和相应的SPAD310的阴极，相应的SPAD310的阳极接地。

在开关子电路322处于闭合状态下，对相应的SPAD310的阴极放电，使得相应的SPAD310处于淬灭状态。开关子电路322处于闭合状态是指开关子电路322导通第二电源324和相应的SPAD310。对相应的SPAD310的阴极放电是指降低SPAD310的阴极的电压，或者可以说第二电源324拉低SPAD310的阴极的电位，进而使得SPAD处于淬灭状态。对SPAD310的阴极放电，使得SPAD310的反向偏置电压小于其击穿电压，进而使得相应的SPAD310处于淬灭状态。

在开关子电路322处于断开状态下，淬灭重置子电路321对相应的SPAD310的阴极充电，使得相应的SPAD310处于盖革状态。开关子电路322处于断开状态是指断开第二电源324和SPAD310的阴极之间的连接通路，进而使得淬灭重置子电路321连接SPAD310的阴极，通过向SPAD310输出电压，进而提高SPAD310的阴极的电压，或者说是拉高SPAD310的阴极的电位。对SPAD310的阴极充电，使得SPAD310的反向偏置电压大于其击穿电压，进而使得相应的SPAD310处于盖革状态。

可选地，第二电源324输出的电压值小于相应的SPAD310的击穿电压，且小于淬灭重置子电路321对相应的SPAD310的阴极充电的电压值。第二电源324输出的电压值小于SPAD310的击穿电压，在开关子电路322处于闭合状态下时，第二电源324可以减低SPAD310的反向偏置电压至击穿电压之下，使得SPAD310处于淬灭状态。

可选地，淬灭重置子电路321对相应的SPAD310的阴极充电的输出电压大于SPAD310的击穿电压，进而在开关子电路322处于断开状态下，淬灭重置子电路321可以增大SPAD310的反向偏置电压至击穿电压之上，使得SPAD310处于盖革状态。

如图6所示，开关子电路322可以包括控制端3221、第一端3222和第二端3223。控制端3221可以用于接收控制信号。具体地，控制端3221可以连接处理电路230，进而接收处理电路230发送的控制信号。第一端3222连接第二电源324。第二端3223连接相应的SPAD310的阴极。控制信号用于控制第一端3222和第二端3223断开或者闭合。例如，开关子电路322为晶体管，具体地可以为三极管或者场效应晶体管等，或者是包括三极管或场效应晶体管在内的开关电路。

通过设置淬灭重置电路320能够在SPAD310发生雪崩效应后，在很短时间内(比如3-10ns)让SPAD310恢复到盖革状态从而能继续感测光子。SPAD310在一个发射周期内的最大雪崩次数可以为1-N中的任意值，N的取值要取决于死区时间。如图9所示，通过淬灭重置电路320调节SPAD310的偏置电压进而调节死区时间t_s。具体地可以通过减少其反向偏置电压低于击穿电压的时间t_p，进而可以缩短死区时间t_s，增大非死区时间。如此可以调节N的取值，目的在于使得SPAD310在一个发射周期内可以发生多次雪崩效应。通过设置多重标记时数转换器331，记录SPAD310发生多次雪崩效应分别对应产生的多个光感应信号的对应时间戳，最终统计一个检测帧内各时间分箱对应的时间戳得出光子计数直方图。

如图10所示，假设光源211的发射周期为T，由于SPAD310存在死区时间，完成一次光信号检测最短时间为t_c，因此一个发射周期内最大探测次数N＝T/t_c次。在一个检测帧内的最大探测次数为H*N(H为一个检测帧内的发射周期数)。在本实施例中，采用淬灭重置调节死区时间的方式(通过控制SPAD310的反向偏置电压低于击穿电压的时间)，从而可以增加发生SPAD310在一个发射周期内发生雪崩效应的次数，增加感测到感测光信号经外部对象反射回的光子的概率。

具体可以基于光信号的发射功率、外部对象的距离和SPAD310的雪崩概率以及工艺水平等因素来确定死区时间调整策略，进而调整死区时间的大小，使得一个发射周期内的探测次数N也会相应的变化。若在200m的距离下，一个检测帧内的发射光信号的次数为1.25万次(即发射周期数为1.25万)，若调整死区时间为11ns时可以实现一个发射周期内单个SPAD的探测次数N为12次，当SPAD310的雪崩概率在905nm处为15％，则一个检测镇内单个SPAD的雪崩次数大约为1.25*12*15％＝2.25万次。因此，相比于前述内容提到的1875次，在这2.25万次中，检测到由感测光信号所引发的雪崩效应的概率大幅提升。因此，大幅度增加SPAD310可发生的雪崩效应的次数，进而增加感测到由感测光信号反射回来的光子引发的雪崩效应的概率(如图10所示)，进而可以改善感测光信号很容易因堆积效应而丢失的情况，能够实现更好的信噪比，如此就可以用更小的发射功率或者实现更远的有效探测距离。

可选地，淬灭重置电路320也可以为被动式淬灭重置电路，其能够在一个发射周期内对SPAD310多次淬灭重置，使得SPAD310能够感测多个光子。具体地，如图11所示，淬灭重置电路320可以包括电源组件3201和电阻3202，电源组件3201用于在SPAD310的两端施加反向偏置电压，电阻3202和SPAD310串联。在SPAD310探测到光子后发生雪崩效应产生雪崩电流，使得电路中的电流增大。而通过电阻串联的方式能够抑制电路中的电流，由于电阻3202两端的电压分压作用能够把SPAD310两端的电压拉低，此时SPAD310处于淬灭状态，等电流被持续抑制而消耗完后，SPAD310的两端施加的反向偏置电压就能升高，高于其击穿电压，此为被动淬灭被动充电式的淬灭重置电路。当然，在SPAD310发生雪崩效应后通过电阻3202抑制电路而处于淬灭状态后，可以通过主动施加电压快速提高SPAD310两端的反向偏置电压，此为被动淬灭主动充电式的淬灭重置电路。

在其他实施例中，对于被动式淬灭重置电路和主动式淬灭重置电路可以具体根据探测模式进行选择或者调整。比如在近距离探测模式下，ToF装置200可以选择被动式淬灭重置电路对SPAD310进行淬灭重置。在中等距离探测模式下或者远距离探测模式下，ToF装置200可以选择主动式淬灭重置电路对SPAD310进行淬灭重置。

可选地，淬灭重置电路320可以同时包括被动式淬灭重置电路和主动式淬灭重置电路，具体可以包括被动淬灭被动充电式淬灭重置电路、被动淬灭主动充电式淬灭重置电路以及主动淬灭主动充电式淬灭重置电路，像素电路300还可以包括淬灭选择电路，淬灭选择电路连接淬灭重置电路320，用于选择被动淬灭被动充电式淬灭重置电路、被动淬灭主动充电式淬灭重置电路以及主动淬灭主动充电式淬灭重置电路中的任一者。处理电路230的淬灭调节单元可以进一步产生淬灭选择信号，淬灭选择电路可以根据淬灭选择信号选择相应方式的淬灭重置电路。

在另一些实施方式中，在一个像素电路300的多个SPAD310中，每个SPAD310在一个发射周期内能够至少被相应的淬灭重置电路320淬灭一次，进而使得每个SPAD310在一个发射周期内都可以至少一次感测光子，那么多个SPAD310能够在一个发射周期内多次感测光子，进而增加感测到感测光信号经由外部对象反射回的光子的概率。

如图12所示，像素电路300包括多个SPAD310，多个SPAD310相互并联连接至计时电路330。具体地，多个SPAD310可以并联连接至多重标记时数转换器331。例如，SPAD310的数量为4个，该4个SPAD310并联连接至计时电路330，且并联连接至多重标记时数转换器331。每个SPAD310对应连接一个淬灭重置电路320。

多个SPAD310能够在一个发射周期内各自感测多个光子。具体而言，在一个像素电路300中，多个SPAD310并联连接。在其中一个SPAD310感测到光子最早发生雪崩效应后，其他未发生雪崩效应的SPAD310在同一个发射周期内还可以继续感测后续到达的光子，增加了感测到反射回来的感测光信号的概率，提高信噪比。

多重标记时数转换器331能够在一个发射周期内依次记录发生多次雪崩效应对应的时间戳，得到多个计时数据。例如，4个SPAD310并联连接至多重标记时数转换器331，在5ns的时间分箱时，其中一个SPAD310感测到光子而发生雪崩效应进而产生光感应信号，多重标记时数转换器331根据SPAD310产生的光感应信号而记录时间戳5ns，而还剩三个SPAD310没有发生雪崩效应，还可以被该发射周期内后续到达的光子触发雪崩效应，例如又一个SPAD310在21ns的时间分箱感测到光子而发生雪崩效应进而产生光感应信号，多重标记时数转换器331根据该光感应信号而记录时间戳21ns，如此多重标记时数转换器331可以在一个发射周期内能够记录与所感测的光子各自对应的时间戳。

当然，在一个发射周期内，每个SPAD310可以感测到一个光子，也可以感测到多个光子。具体地，可以通过淬灭重置电路320减少SPAD310发生雪崩效应后的死区时间，可以实现单个SPAD310在一个发射周期内发生多次感测电子而发生雪崩效应，具体可以参见上述的描述。

当然，图12中示意出的脉冲整形电路340的数量为一个，但并不是对脉冲整形电路340数量的限制，也可以对应每个SPAD310都配置脉冲整形电路340。

针对于上述在一个像素电路300内包括多个SPAD310的情况，以像素结构的角度进行示例性描述：

如图13所示，一个像素电路300中具有多个SPAD310。换言之，在一个感光像素中设置多个并联设置的SPAD310，利用多个小像素构建一个感光像素。具体地，采用多个并联的SPAD310结构，以多个小像素构成一个图像像素。每4个并联的小像素配置一个多重标记时数转换器331。

图13中的(a)结构示意出了一个感光像素，(c)结构示意出了一个感光像素仅配置一个SPAD310和时数转换器332。图12中的(b)结构示意出了通过4个小像素构建一个感光像素，每个小像素对应设置一个SPAD310，4个小像素的SPAD310连接至一个多重标记时数转换器331以对一个感光像素中的4个SPAD310产生的光感应信号记录时间戳。图12中的(d)结构示意出了一个感光像素包括4个并联连接的SPAD310，也即4个并联的小像素构建一个感光像素。图12中的(b)和(d)结构实际示意的就是第二种情况的方案，通过并联的多个SPAD310可以尽可能确保一个感光像素内较大概率有至少一个及以上的SPAD310并没有因为噪音信号等导致发生雪崩效应，从而能提高感测到同一发射周期内后续“迟到”的光子的概率，提升信噪比。

基于第一种实施方式的描述，ToF装置200的部分元件可以集成在光电传感器221。例如，光电传感器221可以包括至少一个像素电路300。多个像素电路300中的SPAD310可以呈阵列排布，每个像素电路300可以认为是一个像素单元。上述所提及的感光像素是光电传感器221的感光像素。进一步地，处理电路230也可以全部或部分集成在光电传感器内，即光电传感器221可以包括处理电路230的全部或部分的功能单元。当然，光电传感器221还可以包括光源211以及驱动电路212等。还可以集成其他的相关电路与部件在光电传感器221内，上述仅为示例，并不构成对光电传感器221以及本实施例的限制。

(二)第二实施方式：

第二种实施方式和第一种实施方式大致相同，第二种实施方式主要不同在于：可以将多重标记时数转换器331替换成至少两个时数转换器332。每个时数转换器332在一个发射周期可以记录一个时间戳，至少两个时数转换器332在一个发射周期内则能够记录至少两个时间戳，得到至少两个计时数据。

如图14和图15所示，一个像素电路300的计时电路330可以包括至少两个时数转换器332。至少两个时数转换器332分别连接一个SPAD310。至少两个时数转换器332能够响应于至少一个SPAD310在一个发射周期内至少两次感测光子相应输出的光感应信号而对应记录至少两个时间戳，以对应生成至少两个计时数据。

至少两个时数转换器332可以连接处理电路230。处理电路230可以控制至少两个时数转换器332的计时工作，接收计时数据。

在一些实施方式中，在处理电路230的控制下可以同时开始计时，可以在多次感测光子时各自产生相应的计时信号，记录相应的时间戳。例如，在一个发射周期内，一个SPAD310发生第一次雪崩效应时，一时数转换器332产生计时信号以记录一时间戳，发生第二次雪崩效应时，另一时数转换器332产生计时信号以记录另一时间戳。

在另一些实施方式中，至少两个时数转换器332可以依次开始工作，后一时数转换器332的开始信号和前一时数转换器332的计时信号同步，也即在前一个时数转换器332产生计时信号时，后一时数转换器332产生开始信号，如此后一时数转换器332所记录的时间戳需要加上前面启动的时数转换器332所记录的时间戳。例如，第一时数转换器332记录的时间戳为2ns，第二个时数转换器332在第一个时数转换器332产生计时信号时同步开始计时，记录的时间戳为2ns，那么第二个时数转换器332记录的真正时间戳应该为4ns。第三个时数转换器332在第二个时数转换器332产生计时信号时同步开始计时，记录的时间戳为2ns，那么第三个时数转换器332记录的真正时间戳应该为6ns。

如图14所示，在图6所示结构的基础上将至少两个时数转换器332替换多重标记时数转换器331，那么至少两个时数转换器332可以分别连接一个SPAD310，进而对该SPAD310在一个发射周期内至少两次感测光子发生雪崩而相应生成光感应信号的时间戳进行记录。

如图15所示，在图12所示结构的基础上将至少两个时数转换器332替换多重标记时数转换器331，至少两个时数转换器332可以分别连接多个SPAD310，进而对多个SPAD310在一个发射周期内总共至少两次感测光子发生雪崩而相应生成光感应信号的时间戳进行记录。当然，图14所示出的脉冲整形电路340的数量示意为一个，但并不限制脉冲整形电路340的数量，例如每个时数转换器332可以各自连接一个脉冲整形电路340。

关于第二实施方式未详细描述的内容，可以参见第一实施方式中的描述，在此不再赘述。上述第一实施方式和第二实施方式仅为本实施例的示例性实施方式，并不代表本实施例仅限于上述各实施方式。

基于上述实施例的内容描述，像素电路300的一个SPAD310在一个发射周期内可以多次感测光子而发生雪崩。通过计时电路330能够响应于单个SPAD310在一个发射周期内多次感测光子发生雪崩而对应生成的多个计时数据，并可在相应的时间分箱计数，同时也可能在连续的多个时间分箱内记录下雪崩信号，使得部分光子计数直方图在横坐标(时间分箱维度)上变宽。通过在一个发射周期内的多次记录雪崩信号，能够增加感测光信号反射回来的光子被感测到的概率。将一个检测帧内多个周期所记录时间分箱计数叠加统计，感测光信号经外部对象反射回的光子所在的时间戳的计数大概率是最大峰值计数，降低环境光的影响以提高信噪比，提高感测效率和精度。

如图16所示，一个检测帧包括多个发射周期，每个发射周期内记录下来的时间戳叠加在一起进行统计分析可以得到光信号的对应于感测时间分布的光子计数直方图，本申请的实施例通过增加SPAD在每个发射周期内感测光子进行时间计数的次数，在4个发射周期中，每个发射周期能够记录多次雪崩效应发生的时间，进而极大地增加了感测光信号经外部对象反射回的光子被感测到的概率，进而将4个发射周期的计时数据进行统计得到光子计数直方图，能够减少环境光等噪声的影响，提高信噪比。

即便本实施例的像素电路300无法完全避免环境光等噪声的影响，但相对于现有技术中实际的光子计数被太强的环境光淹没而导致感测光信号反射回的光子丢失而言，可以有效地提高ToF装置200的感测过程的信噪比，进而能够提高感测光信号对应的光子计数的最大峰值计数能够从噪音背底中分辨得出，提高探测的精度。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (18)

1.一种用于单个感光像素的像素电路，其特征在于，被配置为与感测光信号的发射周期同步感测来自测量场景的光子，所述像素电路包括：

一个单光子雪崩二极管；及

一个淬灭重置电路，连接所述单光子雪崩二极管，所述淬灭重置电路被配置为在一个发射周期内对所述单光子雪崩二极管进行多次淬灭重置，使得所述单光子雪崩二极管能够在一个发射周期内多次感测光子而输出雪崩电流。

2.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于，所述像素电路进一步包括：

计时电路，连接至所述单光子雪崩二极管，被配置为响应于所述单光子雪崩二极管在一个发射周期多次感测光子而生成与光子感测时间对应的计时数据。

3.根据权利要求2所述的像素电路，其特征在于：

所述计时电路包括多重标记时数转换器，所述多重标记时数转换器连接所述单光子雪崩二极管，能够响应于所述单光子雪崩二极管在一个所述发射周期内多次感测光子而记录多个时间戳，以生成所述计时数据。

4.根据权利要求2所述的像素电路，其特征在于：

所述计时电路包括至少两个时数转换器，所述至少两个时数转换器分别连接所述单光子雪崩二极管，所述至少两个时数转换器能够响应于所述单光子雪崩二极管在一个所述发射周期内多次感测光子而对应记录的至少两个时间戳，以生成所述计时数据。

5.根据权利要求3或4所述的像素电路，其特征在于：

所述计时电路包括多个时间寄存器，每个所述时间寄存器用于存储一个所述时间戳，所述多个时间寄存器能够在一个所述发射周期内存储所述单光子雪崩二极管多次感测光子而被记录的多个所述时间戳。

6.根据权利要求5所述的像素电路，其特征在于：

在一个所述发射周期内，所述多个时间寄存器用于存储最先记录的多个所述时间戳；或者，在一个所述发射周期内，所述多个时间寄存器用于存储最后记录的多个所述时间戳；或者，在一个所述发射周期内，所述多个时间寄存器用于存储最后记录的且不小于预设阈值的多个所述时间戳。

7.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于：所述淬灭重置电路为被动淬灭主动充电式淬灭重置电路、被动淬灭被动充电式淬灭重置电路及主动淬灭主动充电式淬灭重置电路中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于：

所述淬灭重置电路包括淬灭重置子电路和开关子电路，所述淬灭重置子电路连接第一电源和相应的所述单光子雪崩二极管的阴极，所述开关子电路连接第二电源和相应的所述单光子雪崩二极管的阴极，相应的所述单光子雪崩二极管的阳极接地；在所述开关子电路处于闭合状态下，对相应的所述单光子雪崩二极管的阴极放电，使得相应的所述单光子雪崩二极管处于淬灭状态，在所述开关子电路处于断开状态下，所述淬灭重置子电路对相应的所述单光子雪崩二极管的阴极充电，使得相应的所述单光子雪崩二极管处于盖革状态。

9.根据权利要求8所述的像素电路，其特征在于：

所述第二电源输出的电压值小于相应的所述单光子雪崩二极管的击穿电压，且小于所述淬灭重置子电路用于对相应的所述单光子雪崩二极管的阴极充电的输出电压，所述淬灭重置子电路用于对相应的所述单光子雪崩二极管的阴极充电的输出电压大于所述单光子雪崩二极管的击穿电压。

10.根据权利要求8所述的像素电路，其特征在于：

所述开关子电路包括控制端、第一端和第二端，所述控制端用于接收控制信号，所述第一端连接所述第二电源，所述第二端连接相应的所述单光子雪崩二极管的阴极，所述控制信号用于控制所述第一端和所述第二端断开或者闭合。

11.一种用于单个感光像素的像素电路，其特征在于，被配置为与感测光信号的发射周期同步感测来自测量场景的光子，所述像素电路包括：

至少两个单光子雪崩二极管，被配置为感测来自测量场景的光子而输出雪崩电流；

至少两个淬灭重置电路，分别对应连接所述至少两个单光子雪崩二极管，所述淬灭重置电路被配置为在一个发射周期内对所述单光子雪崩二极管进行淬灭重置；及

计时电路，所述至少两个单光子雪崩二极管并联连接至所述计时电路，所述计时电路被配置为响应于所述至少两个单光子雪崩二极管在一个发射周期内总共至少两次感测光子而生成与光子感测时间对应的计时数据。

12.根据权利要求11所述的像素电路，其特征在于：

所述计时电路包括多重标记时数转换器，所述至少两个单光子雪崩二极管并联连接至所述多重标记时数转换器，所述多重标记时数转换器能够响应于所述至少两个单光子雪崩二极管在一个所述发射周期内总共至少两次感测光子而记录多个时间戳，以生成所述计时数据。

13.根据权利要求11所述的像素电路，其特征在于：

所述计时电路包括至少两个时数转换器，所述至少两个时数转换器能够响应于所述单光子雪崩二极管在一个所述发射周期内多次感测光子而对应记录的至少两个时间戳，以生成所述计时数据。

14.一种光电传感器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-13任一项所述的像素电路。

15.一种ToF装置，其特征在于，包括：

发射组件，用于按照预设的发射周期发射感测光信号；

接收组件，包括至少一个如权利要求1-13任一项所述的像素电路，用于感测来自测量场景的光子；

处理电路，连接所述发射组件和所述接收组件，所述处理电路用于接收每个所述像素电路在多个所述发射周期的计时数据，并统计分析每个所述像素电路在多个所述发射周期的计时数据，得到飞行时间测距结果。

16.根据权利要求15所述的ToF装置，其特征在于：

所述ToF装置根据探测范围的远近程度具有多种探测模式，所述处理电路用于生成与所述探测模式相对应的控制信号，并将所述控制信号发送给所述至少一个淬灭重置电路，所述至少一个淬灭重置电路在所述控制信号下对所述至少一个单光子雪崩二极管进行淬灭重置。

17.根据权利要求16所述的ToF装置，其特征在于：

所述多种探测模式包括近距离探测模式、中等距离探测模式以及远距离探测模式，所述远距离探测模式的探测距离大于所述中等距离探测模式以及所述近距离探测模式的探测距离，所述中等距离探测模式的探测距离大于所述近距离探测模式的探测距离；

在一个所述发射周期内，所述近距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数小于所述中等距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数和所述远距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数，所述中等距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数小于所述远距离探测模式对应的控制信号控制淬灭重置的次数。

18.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和如权利要求15-17任一项所述的ToF装置，所述ToF装置和所述存储器分别耦接所述处理器，所述处理器用于控制所述ToF装置。