JP2021192518A - フルデジタルのモノリシックなフレーム平均化レシーバに関する非結像ｓｐａｄアーキテクチャの集約 - Google Patents

フルデジタルのモノリシックなフレーム平均化レシーバに関する非結像ｓｐａｄアーキテクチャの集約 Download PDF

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Abstract

【課題】単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成され、光パルスの飛行時間に基づいて光検出および測距を行う装置において、ＳＰＡＤアレイからデジタル信号を受信し、平均化処理を行う制御装置を備えるシステム及び方法を提供する。【解決手段】モノリシックな単一チップレシーバを含むシステムであって、各々がＳＰＡＤのアレイで構成されている複数のマクロピクセルと、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分に通信可能に結合された複数のパイプライン加算器と、を含む。システムの動作は、聴取期間の間に、各パイプライン加算器において、複数のマクロピクセルの光信号を受信し、所与の聴取期間の間にトリガされた複数のマクロピクセルのそれぞれの部分のＳＰＡＤの平均数を提供する一連のフレームを含む出力を提供させる。【選択図】図１Ｂ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その内容が、本明細書に参照によって援用される、２０１７年８月７日出願された米国特許出願第１５／６７０，０８２号に対する優先権を主張する。
本明細書において別段の指示がない限り、本セクションで記載される事項は、本出願の請求項に対する先行技術ではなく、かつ、本セクションに含めることにより先行技術として認められるものでもない。
光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）装置は、所与の環境における対象物までの距離を推測することができる。例えば、ＬＩＤＡＲシステムのエミッタサブシステムは、システムの環境において、対象物と相互作用することができる近赤外光パルスを放射することができる。光パルスの少なくとも一部は、（例えば、反射または散乱により）ＬＩＤＡＲの方へ戻され、かつレシーバサブシステムによって検出され得る。従来のレシーバサブシステムは、複数の検出器および、それぞれの光パルスの到着時刻を、高時間分解能（例えば、約４００ｐｓ）で判定するように構成された対応する制御装置を含み得る。ＬＩＤＡＲシステムと所与の対象物との間の距離は、所与の対象物と相互作用する、対応する光パルスの飛行時間に基づいて判定され得る。
本開示は、モノリシックな、単一チップレシーバを含むシステムおよび方法に関する。単一チップレシーバは、全デジタル「オンチップＬＩＤＡＲエンジン」として、動作可能であり得る。このようなアーキテクチャを利用する例示的なシステムおよび方法は、フロントエンド組み込みアナログ回路を含む必要がない。代わりに、モノリシックなＬＩＤＡＲレシーバは、ＳＰＡＤアレイからデジタルまたはデジタル的信号を受信するように動作可能であり、かつ、デジタル領域における範囲および強度を計算するために、すべての他の信号処理および信号分析を実行し得る。
第１の態様において、システムが提供される。本システムは、複数のマクロピクセルを含む。複数のマクロピクセルの各マクロピクセルは、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイを含む。各ＳＰＡＤは、システムの外部環境から光を検出することに応じてトリガされるときに、それぞれの光信号を提供するように構成されている。本システムはまた、複数のパイプライン加算器を含む。複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器は、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分に通信可能に結合されている。本システムは、メモリおよび少なくとも１つのプロセッサを有する制御装置をさらに含む。少なくとも１つのプロセッサは、動作を行うように、メモリに格納された命令を実行する。動作は、聴取期間の間に、複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器において、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分からそれぞれの光信号を受信することを含む。動作はまた、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分からのそれぞれの光信号に基づいて、複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器に出力を提供させることを含む。出力は、一連のフレームを含む。一連のフレームの各フレームは、所与の聴取期間の間にトリガされた、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分のＳＰＡＤ装置の平均数を含む。
第２の態様において、方法が提供される。本方法は、聴取期間の間に、複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器において、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分からそれぞれの光信号を受信することを含む。複数のマクロピクセルの各マクロピクセルは、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイを含む。各ＳＰＡＤは、外部環境から光を検出することに応じてトリガされるときに、それぞれの光信号を提供するように構成されている。複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器は、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分に通信可能に結合されている。本方法はまた、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分からのそれぞれの光信号に基づいて、複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器に、出力を提供させることを含む。出力は一連のフレームを含み、一連のフレームの各フレームは、所与の聴取期間の間にトリガされた、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分のＳＰＡＤ装置の平均数を含む。
他の態様、実施形態、および実装は、必要に応じて添付の図面を参照しながら以下の発明を実施するための形態を読むことにより、当業者には明らかになるであろう。
例示的な実施形態による、システムを示す。 例示的な実施形態による、ＳＰＡＤブロックを示す。 例示的な実施形態による、システムを示す。 例示的な実施形態による、いくつかのグラフを示す。 例示的な実施形態による、方法を示す。
例示的な方法、装置、およびシステムについて、本明細書において説明する。「例」および「例示的な」の語は、「例、事例、または例示としての役割を果たす」ことを意味するために本明細書で使用されることを理解すべきである。本明細書において、「例」または「例示的な」として説明されるあらゆる実施形態または特徴は、必ずしも、他の実施形態または特徴よりも、好ましいか、または有利であるとして解釈されるべきではない。本明細書において提示される主題の範囲から逸脱せずに、他の実施形態を利用し、また、他の変更を行うことができる。
このように、本明細書において説明される例示的な実施形態は、限定を意味しない。本開示の態様は、本明細書において全般的に記載されるように、また図面に示されるように、広範囲にわたる様々な構成に配置し、置換し、組み合わせ、分割し、および設計することができ、それらのすべてが本明細書で想到されている。
さらに、文脈によって別段に示唆されない限り、図のそれぞれに示される特徴は、互いに組み合わせて使用されてもよい。このように、示される特徴のすべてが各実施形態に必要なわけではないことを理解したうえで、図面は、全般的に、１つ以上の包括的な実施形態の構成要素の態様として見なされるべきである。
Ｉ．概要
単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）は、一次元または二次元アレイ形式で製造され得る。光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システム周辺の環境に関する情報を得るために、このようなＳＰＡＤ検出器アレイがＬＩＤＡＲシステムと共に利用され得る。場合によっては、本明細書において説明されるＬＩＤＡＲシステムは、自律または半自律車両と動作可能であってもよい。
いくつかの実施形態において、各ＳＰＡＤアレイは、数千個のセル素子（例えば、１０２４個、２０４８個、またはそれ以上のセル素子）を含み得る。このようなシナリオにおいて、ＳＰＡＤアレイの出力は、任意の所与の「聴取期間」（例えば、２マイクロ秒）および、各セル素子がトリガされるタイムスタンプにおいてトリガされたアレイのＳＰＡＤセル素子の数を示す情報を含み得るデジタルまたは擬似デジタル（例えば、アナログ階段信号）波形を含んでもよい。したがって、ＳＰＡＤアレイの出力信号は、全デジタル処理に適し得る。
例示的な実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、複数の光エミッタ（例えば、近赤外レーザ）および複数のＳＰＡＤアレイを含み得る。各ＳＰＡＤアレイは、それぞれの光エミッタに対応し得る。このようなシナリオにおいて、各光エミッタは、外部環境に光パルスを放射するように構成されてもよい。環境において対象物と相互作用する際に、少なくとも光パルスの一部が、ＬＩＤＡＲシステムおよび対応するＳＰＡＤアレイに向けて戻るように反射されるか、または散乱され得る。対応するＳＰＡＤアレイは、反射された光パルスの少なくとも一部を検出するように構成され得る。
例示的なシステムおよび方法は、全デジタル「チップ上のＬＩＤＡＲエンジン」として動作可能であり得るモノリシックな、単一チップレシーバを含む。このようなアーキテクチャを利用する例示的なシステムおよび方法は、アナログ回路を有するフロントエンドなしに機能し得る。代わりに、モノリシックなＬＩＤＡＲレシーバは、ＳＰＡＤアレイからデジタルまたはデジタル的信号を受信し、デジタル領域における範囲および強度を計算するための他の信号処理および信号分析を実行するように動作可能であり得る。
例示的な実施形態において、複数のＳＰＡＤアレイ（例えば、１６個、３２個、６４個、またはそれ以上のアレイ）は、デジタルまたはデジタル的信号を１つ以上の加算段、バッファ、およびデータパイプラインに提供し得る。データパイプラインは、ＳＲＡＭブロックなどの高速メモリに結合されてもよい。このようなシナリオにおいて、加算器段およびパイプラインは、メモリに直列式または並列式に、平均化されたフレームを提供してもよい。いくつかの実施形態において、各フレームは、２つ以上の聴取期間にわたって、ＳＰＡＤアレイごとにトリガされるＳＰＡＤセル素子の平均数を含み得る。他の実施形態において、各フレームは、ＳＰＡＤアレイごとに、聴取期間（例えば、２マイクロ秒）の各時間位置（例えば、４００ピコ秒）の間に、トリガされるＳＰＡＤセル素子の数を含み得る。
メモリは、平均化されたフレームを、処理のためのパルス処理ブロックに提供し得る。例えば、パルス処理ブロックは、パルス到着時刻（例えば、範囲を判定するためのタイムスタンプ）、強度、第１のモーメント（例えば、質量中心）、および／または第２のモーメントを判定するために、フレームを処理するように構成することができ、これは、「混合された」画素（光パルスが対象物の縁に当たる場所）の判定に役立ち得る。いくつかの実装形態において、パルス処理ブロックは、およそ２００，０００個の抵抗トランジスタ論理（ＲＴＬ）ゲートを含み得るが、本明細書において異なる数および種類のデジタル論理ゲートが可能であり、想到される。
例示的な実施形態において、パルス処理ブロックは、フレームごとのデジタル信号を、ＳＰＡＤアレイごとの、振幅および範囲信号に変換し得る。本明細書において説明されるシステムのパルス処理ブロックおよび他の素子は、システムクロック信号に基づいて、同期的に動作してもよい。一例として、システムクロック信号は４００ピコ秒（ｐｓ）のクロック期間を含み得るが、他の期間も可能である。いくつかの例において、システムクロック信号は、送信ブロックの対応するクロックに一致する、かつ／または同期するように調整可能であり得る可変クロックに基づいてもよい。他の実施形態において、送信ブロックおよびパルス処理ブロックは、同じクロック信号／ソースを共有してもよい。
パルス処理後、（システム周辺の環境の部分的または３６０度ポイントクラウドを含み得る）パルス処理ブロックの出力は、周辺構成要素相互接続エクスプレス（ＰＣＩｅ）バスなどの高速シリアルインターフェースに提供され得る。ＰＣＩｅバスは、車両制御装置、無線通信インターフェースなどにローカル通信リンクを提供し得る。
任意には、第２のＳＰＡＤアレイの対応するセルに近接する第１のＳＰＡＤアレイのＳＰＡＤセルを含み得る隙間セルは、ＳＰＡＤアレイ間のクロストークを回避するために無効化されるか、または無視され得る。さらに、ＳＰＡＤアレイは、パイプライン、メモリ、デジタル論理、および／または高速シリアルインターフェースと同じウエハ／チップ上で統合されてもよい。追加的にまたは代替的に、ＳＰＡＤアレイは、バンプ接着、ウエハ接着、および貫通ウエハビア（例えば、貫通シリコンビア（ＴＳＶ））などの、しかしそれらに限定されない、任意の数の三次元チップまたはウエハスケールハイブリダイゼーション技術または背面製造技術によって、システムの他の素子の内の１つ以上に結合されてもよい。
ＩＩ．例示的なシステム
図１Ａおよび図１Ｂは、例示的な実施形態による、システム１００の様々な部分を示す。いくつかの実施形態において、システム１００は、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムに関するレシーバサブシステムを含み得る。このようなＬＩＤＡＲシステムは、所与の環境における１つ以上の対象物（例えば、場所、形状など）に関する情報（例えば、ポイントクラウドデータ）を提供するように構成され得る。例示的な実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、ポイントクラウド情報、対象物情報、マッピング情報、または他の情報を車両に提供し得る。車両は、半自立または完全自律車両であり得る。例えば、車両は、自動運転自動車、自律型ドローン飛行機、自律型トラック、または自律型ロボットであり得る。他の種類の車両およびＬＩＤＡＲシステムが、本明細書において想到される。
図１Ａに示されるように、システム１００の素子の一部または全部は、基板１０２上に配置され得る。基板１０２は、半導体ウエハ基板（例えば、シリコンウエハ）を含み得るが、他の材料および基板種類も可能である。
いくつかの実施形態において、基板１０２は、第１の表面を含み得る。このようなシナリオにおいて、第１の表面は、基板１０２の主面に沿って配置され得、システム１００の素子の一部または全部は、基板１０２の第１の表面に沿って配置され得る。
システム１００は、ＳＰＡＤブロック１１０を含む。ＳＰＡＤブロック１１０は、ＳＰＡＤアレイ１１２を含む。ＳＰＡＤアレイ１１２は、二次元アレイ形式（例えば、正方形アレイ、長方形アレイ、六方最密充填構造アレイ、または不規則アレイ）で配置された複数のＳＰＡＤ装置１１４を含む。複数のＳＰＡＤ装置１１４の各ＳＰＡＤは、システム１００の外部環境から光を検出することに応じてトリガされるときに、それぞれの光信号を提供するように構成されている。例えば、各ＳＰＡＤは、１５５０ｎｍまたは７８０ｎｍのうちの少なくとも１つの波長を備える光を検出するように構成されてもよい。本明細書において、他の波長が可能であり、想到されることが理解されるであろう。さらに、ＳＰＡＤ装置について本開示において具体的に説明するが、他の種類の光検出器も可能である。
例示的な実施形態において、ＳＰＡＤアレイ１１２は、２N個のＳＰＡＤ装置を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態において、Ｎは、１０または１１であり得る。すなわち、ＳＰＡＤアレイ１１２は、１０２４個または２０４８個のＳＰＡＤ装置１１４を含み得る。Ｎより大きい値、またはＮより小さい値および、ＳＰＡＤ装置１１４の対応する数より大きい数、またはそれより小さい数が可能であり、想到されることが理解されるであろう。
ＳＰＡＤアレイ１１２におけるＳＰＡＤ装置は、共有された視野から光を検出するように構成されている。例示的な実施形態において、システム１００は、結像光学系１８４を含み得る。このようなシナリオにおいて、ＳＰＡＤアレイ１１２は、結像光学系１８４を介して、共有された視野から光を検出するように動作可能であってもよい。
図１Ｂを参照すると、ＳＰＡＤブロック１１０は、例示的な実施形態による、複数のマクロピクセル１１８に区分けされ、区別され、または他の方法で分離され得るＳＰＡＤアレイ１１２を含み得る。このようなシナリオにおいて、複数のマクロピクセル１１８の各マクロピクセル（例えば、マクロピクセルＡ１１８ａ、マクロピクセルＢ１１８ｂ、マクロピクセルＣ１１８ｃ、およびマクロピクセルＤ１１８ｄ）は、ＳＰＡＤ装置のアレイを含む。すなわち、ＳＰＡＤアレイ１１２は、各々がＳＰＡＤアレイ１１２のそれぞれの部分を構成する複数のマクロピクセル１１８に分割されてもよい。
さらに、図１Ａを参照して示され、説明されるように、複数のパイプライン加算器１１６が、マクロピクセル１１８に通信可能に結合され得る。例えば、各パイプライン加算器（例えば、Ｎビットのパイプライン加算器１１６ａ〜ｄ）は、それぞれのマクロピクセル１１８ａ〜ｄに通信可能に結合されてもよい。
例示的な実施形態において、各マクロピクセル（例えば、マクロピクセル１１８ａ〜ｄ）は、少なくとも８％の光子検出効率を有し得る。所与のマクロピクセルに関する光子検出効率は、ＳＰＡＤフィルファクタ（例えば、アクティブＳＰＡＤ面積／総面積）を乗じた所与のマクロピクセルのＳＰＡＤの光子検出確率（ＰＤＰ）とすることができる。
図１Ａに戻ると、システム１００は、複数のＮビットのパイプライン加算器１１６を含む。Ｎビットのパイプライン加算器１１６は、ＳＰＡＤアレイ１１２のそれぞれの部分に結合されている。すなわち、複数のＳＰＡＤ装置１１４のそれぞれの部分が、それぞれのＮビットのパイプライン加算器１１６に通信可能に結合され得る。例示的な実施形態において、各パイプライン加算器１１６は、１０ビットのパイプライン加算器または１１ビットのパイプライン加算器であり得る。他のビットの精度加算器も可能であり、想到される。
本システム１００はまた、フレーム集約ブロック１３０を含む。フレーム集約ブロック１３０は、複数のＮビットのパイプライン加算器１１６に通信可能に結合されている。フレーム集約ブロック１３０は、後続のデータフレームを集約し、かつ／またはバッファするように構成された装置を含み得る。フレーム集約ブロック１３０は、Ｆが少なくとも６である場合に、少なくとも２F個の後続のデータフレームをバッファするように構成された、加算器回路および／またはデジタルバッファ回路を含み得る。Ｆは６を上回るか、または下回ってもよいことが理解されよう。
加算器回路は複数の（Ｎ＋Ｆ）ビットの加算器１３２を含んでもよく、デジタルバッファ回路は、複数の（Ｎ＋Ｆ）ビットのバッファ１３４を含んでもよい。例示的な実施形態において、フレーム集約ブロック１３０は、最大２F個のデータフレーム数を集約するように構成されてもよい。
システム１００は、メモリ１５４および少なくとも１つのプロセッサ１５２を有する制御装置１５０を含む。例示的な実施形態において、メモリ１５４は、Ｆが少なくとも６である場合に、少なくとも５キロバイト＊（Ｎ＋Ｆ）を含む静的ランダムアクセスメモリブロックを備える。少なくとも１つのプロセッサ１５２は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含んでもよい。ソフトウェアの命令を実行するように構成された他の種類のプロセッサ、コンピュータ、または装置が、本明細書において想到される。メモリ１５４は、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラム可能読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電子的に消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（例えば、フラッシュメモリ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、デジタルテープ、読み取り／書き込み（Ｒ／Ｗ）ＣＤ、Ｒ／Ｗ ＤＶＤなどの、しかしそれらに限定されない、非一時的コンピュータ可読媒体を含んでもよい。
制御装置１５０は、車両、外部コンピュータ、または、スマートフォン、タブレット装置、パーソナルコンピュータ、ウェアラブル装置などのモバイルコンピューティングプラットフォーム上に配置されたコンピュータを含んでもよい。追加的にまたは代替的に、制御装置１５０は、クラウドサーバなどのリモートに位置するコンピュータシステムを含むか、または、それに接続されてもよい。例示的な実施形態において、制御装置１５０は、本明細書において説明される、一部または全部の方法ブロックまたはステップを実行するように構成され得る。
一例として、少なくとも１つのプロセッサ１５２は、特定の動作を実行するように、メモリ１５４に格納された命令を実行することができる。動作は、本明細書において説明される、機能、ブロック、またはステップの一部または全部を含んでもよい。いくつかの実施形態において、異なるコンピューティング装置または制御装置は、本明細書において説明される、様々な機能、ブロック、またはステップを様々な組み合わせで実行してもよい。
例えば、動作は、聴取期間の間に、複数のＮビットのパイプライン加算器１１６の各パイプライン加算器において、複数のＳＰＡＤアレイ１１２またはマクロピクセル１１８ａ〜ｄのそれぞれの部分からそれぞれの光信号を受信すること、を含み得る。４つのマクロピクセルが図１Ｂに示されているが、より多いか、またはより少ないマクロピクセルが本明細書において可能であり、想到されることが理解される。例えば、いくつかの実施形態において、複数のマクロピクセル１１８は、１６個、３２個、または６４個のマクロピクセルのうちの少なくとも１つを含み得る。
いくつかの実施形態において、各マクロピクセル（例えば、マクロピクセル１１８ａ〜ｄ）は、１０２４個または２０４８個のＳＰＡＤを含み得る。他の実施形態は、より多いか、またはより少ないＳＰＡＤ素子を含むマクロピクセルを含み得ることが理解されよう。マクロピクセルごとのＳＰＡＤ素子の数は、他の可能性の中でも特に、所望の動的範囲、所望の背景照明耐性、所望の信号対雑音比（ＳＮＲ）、現在のまたは予期される結像シナリオ、および／またはＬＩＤＡＲシステムの他のシステムレベルの考慮事項に基づき得る。
例示的な実施形態において、各マクロピクセルは、個別のＬＩＤＡＲチャンネルに対応し得る。例えば、ＬＩＤＡＲシステムは、１６個、３２個、または２５６個以上の光エミッタ／検出器の対を含んでもよい。各光エミッタ／検出器の対は、このようなＬＩＤＡＲシステムの単一のチャンネルと見なされ得る。このようなシナリオにおいて、マクロピクセルは、ＬＩＤＡＲチャンネルごとに低レベルの光感知能力に構成されてもよい。すなわち、それぞれのマクロピクセルは、飛行時間測距機能の評価を支援するために、非結像、光集約に基づいて、動作するように構成されてもよい。
動作は、複数のマクロピクセル１１８のそれぞれの部分からのそれぞれの光信号に基づいて、複数のパイプライン加算器１１６の各パイプライン加算器（例えば、Ｎビットのパイプライン加算器１１６ａ〜ｄ）に、出力を提供させること、を含む。出力は、一連のフレームを含む。このようなシナリオにおいて、一連のフレームの各フレームは、所与の聴取期間の間にトリガされた複数のマクロピクセル１１８のそれぞれの部分のＳＰＡＤ装置の平均数を含んでもよい。
例示的な実施形態において、聴取期間は、３００ピコ秒以上、５００ピコ秒以下の範囲内にあってもよい。聴取期間は、別の持続時間または持続時間の範囲を含み得ることが理解されよう。このような他の実施形態が、本明細書においてすべて想到される。
例示的な実施形態において、複数のマクロピクセル１１８、複数のパイプライン加算器１１６、および制御装置１５０は、モノリシックな単一チップレシーバを提供するように基板１０２上に配置されてもよい。
いくつかの実施形態において、本システム１００は、フレーム集約ブロック１３０に通信可能に結合されたパルス処理ブロック１６０をさらに含んでもよい。このようなシナリオにおいて、制御装置１５０は、一連のフレームに基づいて、パルス処理ブロック１６０に、パルス到着時刻またはパルス強度の内の少なくとも１つを判定させることなどの追加的な動作を実行するように構成され得る。いくつかの例において、パルス処理ブロック１６０は、少なくとも２００，０００個の抵抗トランジスタ論理（ＲＴＬ）ゲートを含んでもよい。より多いか、またはより少ないＲＴＬゲートが本明細書において可能であり、想到されることが理解されよう。
いくつかの例示的な実施形態において、システム１００はまた、出力ブロック１７０を含む。出力ブロック１７０は、パルス処理ブロック１６０に通信可能に結合されてもよい。出力ブロック１７０は、高速シリアルインターフェース１７２を含む。このようなシナリオにおいて、処理された一連のフレームに基づいて、制御装置１５０は、出力ブロック１７０に、シリアル出力を提供させることなどのさらなる動作を実行するように構成されてもよい。シリアル出力は、例えば、対象物認識ブロック、ナビゲーションブロック、または別の種類の車両の存在の把握／動作処理もしくはアルゴリズムに提供され得る。
例示的な実施形態において、高速シリアルインターフェース１７２は、車両制御装置または無線通信インターフェース（例えば、通信インターフェース１８０）のうちの少なくとも１つに通信可能に結合された周辺構成要素相互接続エクスプレス（ＰＣＩｅ）バスを含む。
いくつかの実施形態において、システム１００は、クロック１８２を含む。クロック１８２は、単数以上のローカルおよび／またはグローバルのクロック信号を提供するように構成されてもよい。複数のマクロピクセル１１８、複数のパイプライン加算器１１６、フレーム集約ブロック１３０、パルス処理ブロック１６０、および出力ブロック１７０に関連する少なくともいくつかの動作は、クロック信号に基づく。
システム１００は、通信インターフェース１８０を含み得る。通信インターフェース１８０は、制御装置１５０、ＳＰＡＤブロック１１０、フレーム集約ブロック１３０、パルス処理ブロック１６０、出力ブロック１７０、結像光学系１８４、クロック１８２、１つ以上のコンピューティングネットワーク、および／または他の車両などのシステム１００の様々な素子間の通信リンクを提供するように構成され得る。
通信インターフェース１８０は、例えば、直接または通信ネットワークを介して、本明細書において説明される、１つ以上の他の車両、センサ、または他の素子間に有線または無線通信を提供するように構成されたシステムであり得る。このために、通信インターフェース１８０は、直接または通信ネットワークを介して、他の車両、センサ、サーバ、または他のエンティティと通信するためのアンテナおよびチップセットを含んでもよい。チップセットまたは通信インターフェース１８０は全般的に、他の可能性の中でも特に、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ ＬＯＷ ＥＮＥＲＧＹ（ＢＬＥ）、ＩＥＥＥ ８０２．１１（ＩＥＥＥ ８０２．１１のあらゆる改訂を含む）に記載の通信プロトコル、セルラ技術（ＧＳＭ、ＣＤＭＡ、ＵＭＴＳ、ＥＶ−ＤＯ、ＷｉＭＡＸ、またはＬＴＥなど）、ＺＩＧＢＥＥ、専用狭域通信（ＤＳＲＣ）、および無線周波数識別（ＲＦＩＤ）通信などの１つ以上の種類の無線通信（例えば、プロトコル）にしたがって通信するように配置され得る。通信インターフェース１８０は、同様に他の形式を取ってもよい。
図２Ａは、例示的な実施形態による、システム２００を示す。本システム２００は、本明細書において説明されるように、ＳＰＡＤ装置の可能な配置を示す。いくつかの実施形態において、本システム２００は、図１Ａを参照して示され、説明されたようなＳＰＡＤブロック１１０またはＳＰＡＤアレイ１１２に類似するか、または同一であってもよい。
本システム２００は、基板２０２、第１のマクロピクセル２１０、および第２のマクロピクセル２２０を含み得る。第１のマクロピクセル２１０は、第１の複数のＳＰＡＤ装置２１２を含み、第２のマクロピクセル２２０は第２の複数のＳＰＡＤ装置２２２を含み得る。いくつかの実施形態において、ＳＰＡＤ装置２１２および２２２は、正方形アレイまたは長方形アレイで、基板２０２の表面に沿って配置され得る。六方最密充填構造アレイまたは不規則アレイなどの他の配置も可能である。２つのマクロピクセル２１０および２２０が図２に示されるが、より多いか、またはより少ないマクロピクセルが本開示の文脈内で想到されることが理解されよう。
いくつかの実施形態において、ＳＰＡＤ装置２１２および２２２は、それぞれのマイクロレンズ２１３および２２３に光学的に結合され得る。すなわち、いくつかの例において、マイクロレンズアレイは、各マクロピクセルに結合され得る。マイクロレンズ２１３および２２３は、屈折または回折光学系を含み得る。他の種類の光学装置も可能である。例えば、光学装置は、集光するか、光を平行にするか、光を発散するか、または他の方法で、外部環境とそれぞれのＳＰＡＤ装置２１２および２２との間の光路を調整するように構成され得る。
本明細書においては示されないが、いくつかの例示的な実施形態において、複数のＳＰＡＤ装置１１４のそれぞれのＳＰＡＤは、例えば、貫通ウエハビアおよび／またはバンプ接着のそれぞれのアレイによって、第２の基板上の光検出器出力回路（例えば、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ））に結合され得る。検出器／回路ハイブリダイゼーションを伴う他の実施形態が、本明細書において想到される。
図３は、例示的な実施形態による、グラフ３００およびグラフ３１０を示す。グラフ３００は、それぞれの時間位置の間にトリガされるＳＰＡＤセル素子の整数を含む。いくつかの実施形態において、時間位置はそれぞれ、４００ピコ秒の持続時間であり得るが、他の持続時間も可能であり、想到される。グラフ３００に示されるように、データは、局所的ピーク３０２および３０４などの特定の特長を含み得る。トレンドライン３０６は、経時的にトリガされるＳＰＡＤセル素子の転回平均数を示し得る。トレンドライン３０６は、デジタルまたは擬似デジタル（例えば、アナログ階段信号）波形を含み得る。
グラフ３１０は、時間位置ごとにトリガされるＳＰＡＤセル素子の平均数を含み得る。具体的には、グラフ３１０は、１つ以上の聴取期間にわたってトリガされるＳＰＡＤ素子の平均数を含むトレンドライン３１６を含み得る。例示的な実施形態において、聴取期間は、２マイクロ秒であり得る。しかし、より長い、またはより短い聴取期間が想到される。示されるように、グラフ３１０は、図３を参照して示され、説明されるようなトレンドライン３０６の時間圧縮されたバージョンを含んでもよい。すなわち、グラフ３００からの局所的ピーク３０２および３０４は、グラフ３１０において局所的ピーク３１２および３１４として表され得る。異なるシーンは（例えば、外部環境の視野における様々なまたは変化する対象物により）、異なるトレンドライン形状および値を提供し得ることが理解されよう。
本明細書において他の場所で説明するように、トレンドライン３０６およびトレンドライン３１６の様々な特徴が、例えば、外部環境における所与の対象までの距離を判定するために使用され得る。さらに、トレンドライン３０６および／またはトレンドライン３１６は、図１において示され、説明されるようなシステム１００のパルス処理ブロック１６０または、別の素子によって、少なくとも部分的に処理され得る。例えば、パルス処理ブロック１６０は、１つ以上のパルス到着時刻または飛行時間測定値を判定するために、１つ以上のフレーム（例えば、１つ以上の聴取期間からの情報）を処理するように構成され得る。追加的にまたは代替的に、パルス処理ブロック１６０は、トレンドライン３０６またはトレンドライン３１６に基づいて、強度、第１のモーメント（例えば、質量中心）、または第２のモーメント（例えば、分散）を判定し得る。他の種類の処理は、外部環境（例えば、ポイントクラウド）における対象物に関する情報を提供するために、パルス処理ブロック１６０によって実行され得る。
ＩＩＩ．例示的な方法
図４は、例示的な実施形態による、方法４００を示す。本方法４００は、図１Ａ、図１Ｂおよび図２を参照して示され、説明されたように、システム１００、ＳＰＡＤブロック１１０、制御装置１５０、またはシステム２００によって、全体として、または部分的に実行されてもよい。本方法４００は、図１Ａ、図１Ｂおよび図２を参照して示され、説明されたものと類似であるか、または同一である素子を含んでもよい。本方法４００は、本明細書において明示的に開示されるものよりも少ないか、または多いステップまたはブロックを含んでもよいことが理解されよう。さらに、本方法４００のそれぞれのステップまたはブロックは任意の順序で実行されてもよく、各ステップまたはブロックは、１回以上実行されてもよい。
ブロック４０２は、聴取期間の間に、複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器において、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分からそれぞれの光信号を受信すること、を含む。複数のマクロピクセルの各マクロピクセルは、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイを含む。各ＳＰＡＤは、外部環境から光を検出することに応じてトリガされるときに、それぞれの光信号を提供するように構成されている。複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器は、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分に通信可能に結合されている。
ＬＩＤＡＲシステムの送信ブロックを含む実施形態において、光源は、外部環境における対象物と相互作用し得る光パルスを放射することができる。光源はレシーバブロックに近位に配置されるか、または、別の場所に配置されてもよい。例示的な実施形態において、光源は、近赤外光パルスを放射するように構成された１つ以上のレーザを含み得る。放射された光パルスの少なくともの一部は、外部環境における対象物によって、ＳＰＡＤ装置に戻るように反射されるか、または散乱され得る。このようなシナリオにおいて、ＳＰＡＤ装置は、外部環境における対象物を示し得る、反射光、または散乱光を受信する場合がある。
ブロック４０４は、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分からのそれぞれの光信号に基づいて、複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器に、出力を提供させること、を含む。出力は一連のフレームを含み、一連のフレームの各フレームは、所与の聴取期間の間にトリガされた、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分のＳＰＡＤ装置の平均数を含む。いくつかの実施形態において、出力は、図３に示され、説明されるようなグラフ３００および３１０の出力と類似する場合がある。
本方法４００は、任意には、一連のフレームを集約することを、フレーム集約ブロックに行わせることを含んでもよい。このようなシナリオにおいて、フレーム集約ブロックは、加算器回路およびデジタルバッファ回路を含み、Ｆが少なくとも６である場合に、集約されたフレームの最大数は少なくとも２Ｆである。
追加的にまたは代替的に、本方法４００は、一連のフレームに基づいて、パルス到着時刻またはパルス強度のうちの少なくとも１つを判定することを、パルス処理ブロックに行わせること、を含んでもよい。このようなシナリオにおいて、本方法４００は、任意には、処理された一連のフレームに基づいて、シリアル出力を提供することを出力ブロックに行わせること、を含んでもよい。
図に示される特定の配置は限定するものとして見なされるべきではない。他の実施形態は、所与の図において示される各素子をより多く、またはより少なく含み得ることを理解すべきである。さらに、示される素子のうちのいくつかが組み合わせられるか、または省略されてもよい。さらに、示される実施形態は、図には示されない素子を含んでもよい。
情報の処理を表すステップまたはブロックは、本明細書に記載の方法または技術の具体的な論理機能を実行するように構成され得る、回路に対応し得る。代替的に、または追加的に、情報の処理を表すステップまたはブロックは、モジュール、セグメント、物理コンピュータ（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））、または（関連データを含む）プログラムコードの一部に相当し得る。プログラムコードは、本方法または技術における具体的な論理機能または動作を実装するためのプロセッサによって実行可能な１つ以上の命令を含み得る。プログラムコードおよび／または関連データは、ディスク、ハードドライブ、または他の記憶媒体を含む記憶装置などの任意の種類のコンピュータ可読媒体上に格納され得る。
コンピュータ可読媒体はまた、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの、短期間の間データを格納するコンピュータ可読媒体などの非一時的コンピュータ可読媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体はまた、より長い期間の間、プログラムコードおよび／またはデータを格納する非一時的コンピュータ可読媒体を含み得る。このように、コンピュータ可読媒体は、例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、光学または磁気ディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）などの二次的または永続的な長期間の記憶装置を含んでもよい。コンピュータ可読媒体はまた、任意の他の揮発性または不揮発性記憶システムであり得る。コンピュータ可読媒体は、例えば、コンピュータ可読記憶媒体、または、有形記憶装置と見なされ得る。
様々な例および実施形態が開示されてきたが、他の例および実施形態も当業者にとっては明らかであろう。様々な開示例および実施形態は例示の目的であり、以下の特許請求の範囲によって示される真の範囲によって、限定されることを意図しない。

Claims (20)

  1. システムであって、
    複数のマクロピクセルであって、前記複数のマクロピクセルの各マクロピクセルが単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイを備え、各ＳＰＡＤが、前記システムの外部環境から光を検出することに応じてトリガされるときに、それぞれの光信号を提供するように構成されている、複数のマクロピクセルと、
    複数のパイプライン加算器であって、前記複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器が前記複数のマクロピクセルのそれぞれの部分に通信可能に結合されている、複数のパイプライン加算器と、
    メモリおよび少なくとも１つのプロセッサを備えた制御装置であって、前記少なくとも１つのプロセッサが、動作を行うように前記メモリに格納された命令を実行し、前記動作が、
    聴取期間の間に、前記複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器において、前記複数のマクロピクセルの前記それぞれの部分からそれぞれの光信号を受信することと、
    前記複数のマクロピクセルの前記それぞれの部分からの前記それぞれの光信号に基づいて、前記複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器に、出力を提供させることであって、前記出力が一連のフレームを備え、前記一連のフレームの各フレームが、所与の聴取期間の間にトリガされた、前記複数のマクロピクセルの前記それぞれの部分のＳＰＡＤの平均数を含む、提供させることと、を含む、制御装置と、を備える、システム。
  2. 前記複数のマクロピクセル、前記複数のパイプライン加算器、および前記制御装置が、モノリシックな単一チップレシーバを提供するように、基板上に配置されている、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記複数のマクロピクセルが、２N個のマクロピクセルを含み、前記複数のパイプライン加算器がＮビットのパイプライン加算器を含み、Ｎが少なくとも１０である、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記複数のパイプライン加算器に通信可能に結合されたフレーム集約ブロックをさらに備え、前記動作が、前記フレーム集約ブロックに、前記一連のフレームを集約させ、前記フレーム集約ブロックが、加算器回路およびデジタルバッファ回路を備え、集約されたフレームの最大数が少なくとも２Fであり、Ｆが少なくとも６である、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記メモリが、少なくとも５キロバイト＊（Ｎ＋Ｆ）を含む静的ランダムアクセスメモリブロックを備え、Ｆが少なくとも６である、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記フレーム集約ブロックに通信可能に結合されたパルス処理ブロックをさらに備え、前記動作が、前記一連のフレームに基づいて、前記パルス処理ブロックに、パルス到着時刻またはパルス強度のうちの少なくとも１つを判定させること、をさらに含む、請求項４に記載のシステム。
  7. 前記パルス処理ブロックが、少なくとも２００，０００個の抵抗トランジスタ論理（ＲＴＬ）ゲートを備える、請求項６に記載のシステム。
  8. 出力ブロックをさらに備え、前記出力ブロックが前記パルス処理ブロックに通信可能に結合されており、前記出力ブロックが高速シリアルインターフェースを備え、前記動作が、前記処理された一連のフレームに基づいて、前記出力ブロックに、シリアル出力を提供させること、をさらに含む、請求項６に記載のシステム。
  9. 前記高速シリアルインターフェースが、車両制御装置または無線通信インターフェースのうちの少なくとも１つに通信可能に結合された、周辺構成要素相互接続エクスプレス（ＰＣＩｅ）バスを備える、請求項８に記載のシステム。
  10. クロック信号を提供するように構成されたクロックをさらに備え、前記複数のマクロピクセル、前記複数のパイプライン加算器、前記フレーム集約ブロック、前記パルス処理ブロック、および前記出力ブロックのうちの少なくともいくつかの動作が、前記クロック信号に基づく、請求項８に記載のシステム。
  11. 各ＳＰＡＤが、１５５０ｎｍまたは７８０ｎｍのうちの少なくとも１つの波長を備えた光を検出するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
  12. 各マクロピクセルの光子検出効率が、所与のマクロピクセルにおけるＳＰＡＤフィルファクタを乗じた所与のＳＰＡＤの光子検出確率（ＰＤＰ）を含み、各マクロピクセルの前記光子検出効率が少なくとも８％である、請求項１に記載のシステム。
  13. 前記聴取期間が、３００ピコ秒以上、５００ピコ秒以下の範囲内にある、請求項１に記載のシステム。
  14. 各マクロピクセルに結合された、マイクロレンズアレイをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  15. 各マクロピクセルが、１０２４個または２０４８個のうちの少なくとも１つの個数のＳＰＡＤを備える、請求項１に記載のシステム。
  16. 前記複数のマクロピクセルが、１６個、３２個、または６４個のうちの少なくとも１つの個数のマクロピクセルを備える、請求項１に記載のシステム。
  17. 聴取期間の間に、複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器において、複数のマクロピクセルのそれぞれの部分からそれぞれの光信号を受信することであって、前記複数のマクロピクセルの各マクロピクセルが単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイを備え、各ＳＰＡＤが、外部環境から光を検出することに応じてトリガされるときに、それぞれの光信号を提供するように構成されており、前記複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器が、前記複数のマクロピクセルのそれぞれの部分に通信可能に結合されている、受信することと、
    前記複数のマクロピクセルの前記それぞれの部分からの前記それぞれの光信号に基づいて、前記複数のパイプライン加算器の各パイプライン加算器に、出力を提供させることであって、前記出力が一連のフレームを備え、前記一連のフレームの各フレームが、所与の聴取期間の間にトリガされた、前記複数のマクロピクセルの前記それぞれの部分のＳＰＡＤの平均数を含む、提供させることと、を含む、方法。
  18. フレーム集約ブロックに、前記一連のフレームを集約させること、をさらに含み、前記フレーム集約ブロックが、加算器回路およびデジタルバッファ回路を備え、集約されたフレームの最大数が少なくとも２Fであり、Ｆが少なくとも６である、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記一連のフレームに基づいて、パルス処理ブロックに、パルス到着時刻またはパルス強度のうちの少なくとも１つを判定させること、をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記処理された一連のフレームに基づいて、出力ブロックに、シリアル出力を提供させること、をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
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