KR102526443B1

KR102526443B1 - 광자의 비행 시간을 결정하기 위한 히스토그램 판독 방법 및 회로

Info

Publication number: KR102526443B1
Application number: KR1020197019374A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 존 버클리; 존 칼튼 잭슨
Original assignee: 센스엘 테크놀로지스 엘티디.
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2023-04-26
Also published as: CN110073244B; CN116859368A; CN110073244A; US10416293B2; DE112017005641T5; KR20190093611A; US20180164415A1; WO2018108934A1

Abstract

히스토그램 판독 회로가 기술된다. 판독 회로는 레이저 클럭의 도달 시간 및 광 센서로부터의 신호 출력을 정의하는 시간 스탬프를 연속적으로 보고하도록 구성된 시간-디지털 변환기(time to digital converter, TDC)를 포함한다. 메모리는 TDC 이벤트를 저장하기 위해 제공된다. 프로그램 가능 프로세서는 상태 머신을 구현하도록 구성되며, 상태 머신은 TDC 이벤트가 검출되는 경우 타임-스탬프를 저장하도록 동작 가능하고; 광 센서에 의해 검출되는 각각의 광자의 비행 시간을 결정하며; 계산된 각각의 비행 시간을 사용하여 메모리 위치 어드레스를 지정하며; 메모리 위치들을 시간-빈으로서 사용하여 TDC 데이터 값의 히스토그램을 구축하고; TDC 이벤트의 최대 개수가 존재하는 최대 메모리 위치에 대한 포인터를 유지한다. 계산기는 처리를 위해 최대 메모리 위치 및 하나 이상의 인접한 시간-빈의 한 측의 값을 판독하도록 동작 가능하다.

Description

광자의 비행 시간을 결정하기 위한 히스토그램 판독 방법 및 회로

본 발명은 광자의 비행 시간을 결정하기 위한 히스토그램 판독 방법 및 회로에 관한 것이다. 본 발명은 또한 광자 검출기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 광전자 증배관(photomultiplier)과 같은 고감도 광자 검출기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 레이저 범위 측정 [LIDAR] 어플리케이션에 사용되는 반도체 광전자 증배관 (SiPM 또는 SPM)에 관한 것이나, 배타적이지는 않다.

TDC(Time to Digital Converter)는 하위 1ns 해상도로 이벤트의 시간을 기록할 수 있는 매우 높은 정밀도의 카운터/타이머로 간주될 수 있다. TDC는 레이저 펄스로부터 타겟으로, 다시 포토 센서로의 광자의 비행 시간을 측정하는데 사용될 수 있다. TDC에 의해 제공되는 디지털 시간은 대응하는 메모리 위치에 액세스하기 위한 어드레스로 사용된다. 각각의 메모리 위치는 TDC의 최하위 비트와 동일한 시간 간격에 대응한다. 그 후, 메모리 위치는 증가된다. 다중 측정은 메모리에서 히스토그램을 구축하는 결과를 초래한다. 히스토그램 판독 기술은 전통적으로 메모리로부터 컴퓨터로 모든 판독 내용을 주기적으로 스트리밍하는 것을 포함한다. 컴퓨터는 데이터를 분석하여 피크의 위치를 결정한다. 범위를 결정하기 위해, 컴퓨터는 관심 영역(피크 영역)을 선택하고, 실제 피크를 결정하기 위해 가우시안 피트(Gaussian fit)를 수행하였다. 이 기술은 많은 양의 데이터를 스트리밍하고 복잡한 계산을 구현하는데 과도한 시간을 필요로 한다. 빠른 어플리케이션에서, 이 기술을 사용하는데 걸리는 시간은 용납될 수 없다.

따라서, 종래 기술의 단점 중 적어도 일부를 처리하는 광자의 비행 시간을 결정하기 위한 히스토그램 판독 방법 및 회로를 제공할 필요가 있다.

본 발명은 히스토그램 판독 회로에 관한 것으로서, 이는

TDC(time to digital converter) 이벤트가 검출되는 경우 타임-스탬프(time-stamp)를 보고하도록 구성된 TDC;

상기 TDC 이벤트를 저장하기 위한 메모리;

상태 머신을 구현하도록 구성된 프로그램가능 프로세서로서, 상기 상태 머신은:

TDC 이벤트가 검출되는 경우 타임-스탬프를 저장하고,

광자의 비행 시간을 결정하며,

메모리 위치를 어드레스하기 위해 계산된 각각의 비행 시간을 사용하고,

상기 메모리 위치를 사용하여 상기 TDC 이벤트의 히스토그램을 시간-빈(time-bin)으로 구축하며,

가장 많은 개수의 TDC 이벤트가 상주하는 최대 메모리 위치에 포인터를 유지하도록 동작 가능한, 프로그램가능 프로세서; 및

처리를 위해 하나 이상의 인접한 시간-빈 및 최대 메모리 위치의 값을 판독하도록 동작 가능한 계산기를 포함한다.

일 양태에 있어서, 메모리는 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈을 포함한다.

또 다른 양태에 있어서, 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈 중 하나는 히스토그래밍에 사용되지만, 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈 중 다른 하나의 내용은 클리어된다.

예시적인 양태에 있어서, 상태 머신은 적어도 하나의 플래그를 유지하고, 적어도 하나의 플래그는 히스토그래밍 동안 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈 중 어느 것이 활성인지를 나타내지만, 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈 중 다른 하나는 비활성이다.

추가의 양태에 있어서, 상태 머신은 적어도 2개의 변수를 추적한다.

일 양태에 있어서, 적어도 2개의 변수는 피크 포인터(peak pointer) 및 피크값(peak value)을 포함한다.

또 다른 양태에 있어서, 상태 머신은 상기 시간-빈의 내용을 판독하고 어드레스를 증가시켜 새로운 시간-빈 어드레스를 생성한다.

추가의 양태에 있어서, 새로운 시간-빈 값은 피크값 포인터의 현재 시간-빈 값과 비교된다.

또 다른 양태에 있어서, 새로운 시간-빈 값이 피크값 포인터의 현재 시간-빈 값보다 더 큰 경우, 새로운 시간-빈 값은 피크값으로 복사되고 새로운 시간-빈 어드레스는 피크 포인터로 복사된다.

일 양태에 있어서, 상태 머신은 또 다른 TDC 이벤트를 대기한다. 바람직하게는, 상태 머신은 측정치를 획득하는데 필요한 미리 정의된 레이저 사이클 횟수에 도달했는지 여부를 검사한다.

추가의 양태에 있어서, 미리 정의된 레이저 사이클 횟수에 도달된 경우, 상기 상태 머신은 메모리 위치를 판독하고, 상기 메모리 위치는 피크 포인트 어드레스 이전의 하나 이상의 위치, 피크 포인트 어드레스의 위치, 및 피크 포인터 어드레스 이후의 하나 이상의 위치이다.

일 양태에 있어서, 상태 머신은 5개의 메모리 위치를 판독하고, 상기 5개의 메모리 위치는 피크 포인터 어드레스 이전의 2개의 위치, 피크 포인터 어드레스의 위치, 및 피크 포인터 어드레스 이후의 2개의 위치이다.

또 다른 양태에 있어서, 판독값은 전력 및 피크 위치 데이터를 결정하기 위해 계산기에 의해 획득된다.

일 양태에 있어서, 상태 머신은, TDC 이벤트를 저장하기 위해 다음의 미리 정의된 레이저 사이클 횟수에 대해 활성화되도록 이전에 클리어된 다른 메모리 모듈로 포인터를 리버스한다.

본 개시는 또한 제1항의 회로를 이용하여 광자의 비행 시간을 결정하는 히스토그램 판독 방법에 관한 것으로서,

(ⅰ) TDC를 사용하여 레이저 펄스로부터 타겟으로 그리고 다시 포토 센서로 되돌아가는 광자의 비행 시간을 측정하는 단계;

(ⅱ) 대응하는 메모리 위치에 액세스하기 위해 디지털 시간을 어드레스로서 사용하는 단계 - 각 메모리 위치는 TDC의 최하위 비트와 동일한 시간 간격에 대응함-;

(ⅲ) 메모리 위치를 증가시키는 단계;

상기 (ⅰ) 내지 (ⅲ) 단계를 복수 회 반복함으로써 히스토그램을 생성하는 단계 - 각 메모리 위치는 TDC가 특정 시간을 기록한 횟수를 보고하고, 미리 결정된 횟수의 샘플 이후에 메모리 위치는 대부분의 TDC 시간이 기록된 피크 영역을 포함할 것임-; 및

광자의 비행 시간을 결정하기 위해 상기 피크 영역을 분석하는 단계를 포함한다.

일 양태에 있어서, 설정된 사이클 시간 이후, 상태 머신은 히스토그램의 기록을 중지하고 최대 위치의 값과 하나 이상의 인접한 시간-빈 중 어느 한 측을 판독한다.

또 다른 양태에 있어서, 이후 판독값은 ToF 값을 계산하기 위해 계산 모듈로 전달된다.

추가의 양태에 있어서, 계산 모듈은 ToF를 계산하기 위해 가중 평균을 사용한다.

일 양태에 있어서, 분자는 16으로 스케일업(scaled up)된다.

추가의 양태에 있어서, 계산 모듈은 ToF 값을 실시간으로 출력한다.

예시적인 양태에 있어서, 계산 모듈은 활동 레벨의 표시로서 판독값을 합산하도록 프로그램된다.

또 다른 양태에 있어서, 계산 모듈은 TDC의 LSB보다 낮은 정확도로 ToF 값을 계산하도록 동작 가능하다.

본 개시는 또한 LiDAR 범위 측정 시스템에 관한 것으로,

히스토그램 판독 회로로서,

상기 TDC 이벤트를 저장하기 위한 메모리;

TDC 이벤트가 검출되는 경우 타임-스탬프를 저장하고,

광자의 비행 시간을 결정하며,

처리를 위해 하나 이상의 인접한 시간-빈 및 최대 메모리 위치의 값을 판독하도록 동작 가능한 계산기를 포함하는, 히스토그램 판독 회로; 및

상기 히스토그램 판독 회로에 동작 가능하게 결합된 광 검출기를 포함한다.

일 양태에 있어서, 광 검출기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(single photon avalanche diode, SPAD)를 포함한다.

또 다른 양태에 있어서, 광 검출기는 실리콘 광전자 증배관을 포함한다.

본 개시는 또한 2D 이미징 시스템에 관한 것으로서,

히스토그램 판독 회로로서,

상기 TDC 이벤트를 저장하기 위한 메모리;

TDC 이벤트가 검출되는 경우 타임-스탬프를 저장하고,

광자의 비행 시간을 결정하며,

처리를 위해 하나 이상의 인접한 시간-빈 및 최대 메모리 위치의 값을 판독하도록 동작 가능한 계산기를 포함하는, 히스토그램 판독 회로;

레이저 광 펄스를 2D 영역으로 전환하기 위한 스캐너; 및

일 양태에 있어서, 광 검출기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)의 어레이를 포함한다.

추가의 양태에 있어서, 광 검출기는 실리콘 광전자 증배관의 어레이를 포함한다.

본 교시는 또한 광자의 비행 시간을 결정하기 위한 판독 회로에 관한 것으로서, 상기 판독 회로는:

레이저 펄스로부터 타겟으로 그리고 다시 포토 센서로 되돌아가는 광자의 비행 시간을 측정하기 위한 TDC;

메모리 모듈;

판독 모듈로서,

(ⅰ) TDC를 사용하여 레이저 펄스로부터 타겟으로 그리고 다시 포토 센서로 되돌아가는 광자의 측정된 ToF를 판독하고,

(ⅱ) 대응하는 메모리 위치에 액세스하기 위해 디지털 시간을 어드레스로서 사용하며 - 각 메모리 위치는 TDC의 최하위 비트와 동일한 시간 간격에 대응함-;

(ⅲ) 메모리 위치를 증가시키고,

상기 (ⅰ) 내지 (ⅲ) 단계를 복수 회 반복하도록 동작 가능한, 판독 모듈; 및

광자의 비행 시간을 결정하기 위해 상기 피크 영역을 분석하도록 동작 가능한 히스토그램 계산 모듈을 포함하며,

각 메모리 위치는 TDC가 특정 시간을 기록한 횟수를 보고하고,

미리 결정된 횟수의 샘플 이후에, 메모리 위치는 대부분의 TDC 시간이 기록된 피크 영역을 포함할 것이다.

이들 및 다른 특징들은 본 교시의 이해를 돕기 위해 제공된 이하의 도면을 참조하여 더 잘 이해될 것이다.

본 교시는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 기술될 것이다:
도 1은 실리콘 광전자 증배관의 예시적인 구조를 도시한다.
도 2는 예시적인 실리콘 광전자 증배관의 개략적인 회로도이다.
도 3은 직접 ToF 범위 측정을 위한 예시적인 기술을 도시한다.
도 4는 ToF 범위 측정을 사용하여 생성된 예시적인 히스토그램을 도시한다.
도 5는 ToF 범위 측정을 사용하여 생성된 예시적인 히스토그램을 도시한다.
도 6은 본 교시에 따라 ToF를 결정하기 위한 판독 회로를 도시한다.
도 7은 도 6의 판독 회로에 의해 구현되는 상태 머신을 나타내는 흐름도를 도시한다.
도 8a는 도 6의 판독 회로를 사용하여 생성된 예시적인 히스토그램을 도시한다.
도 8b는 도 6의 판독 회로를 사용하여 생성된 예시적인 히스토그램을 도시한다.
도 9는 본 교시에 따라 ToF를 결정하기 위한 판독 회로의 최상위 레벨 설계를 도시한다.
도 10은 도 9의 판독 회로를 사용하여 처리되는 예시적인 값을 도시한다.
도 11은 도 9의 판독 회로로부터의 데이터를 사용하는 시뮬레이션된 그래프를 도시한다.
도 12는 또한 본 교시에 따른 LiDAR 범위 측정 시스템을 도시한다.
도 13은 또한 본 교시에 따른 LiDAR 2D 이미징 시스템을 도시한다.

본 발명은 이제 광자의 비행 시간을 결정하기 위한 예시적인 히스토그램 판독 방법 및 회로를 참조하여 이하에서 기술될 것이다. 예시적인 방법은 교시의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 어떠한 방식으로도 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 또한, 임의의 한 도면을 참조하여 기술된 회로 요소 또는 구성 요소는 본 발명의 교시의 사상을 벗어나지 않으면서 다른 도면 또는 다른 등가 회로 요소의 회로 요소 또는 구성 요소와 상호 교환될 수 있다. 설명의 간략화 및 명료화를 위해, 적절한 것으로 고려되는 경우에 대응하거나 유사한 요소를 나타내기 위해 도면들 사이에서 참조 부호가 반복될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

처음에 도 1을 참조하면, 가이거 모드 포토 다이오드의 어레이를 포함하는 실리콘 광전자 배증관(100)이 도시된다. 도시된 바와 같이, 퀀치 저항기는 애벌랜치 전류를 제한하는데 사용될 수 있는 각각의 포토 다이오드에 인접하여 구비된다. 포토 다이오드는 알루미늄 또는 유사한 전도성 트랙킹(conductive tracking)에 의해 공통 바이어싱(common biasing) 및 접지 전극에 전기적으로 연결된다. 다이오드의 양단에 바이어스 전압을 인가하기 위해 포토 다이오드의 어레이의 애노드가 공통 접지 전극에 연결되고 어레이의 캐소드가 전류 제한 저항기를 통해 공통 바이어스 전극에 연결되는 종래의 실리콘 광전자 배증관(100)에 대한 회로 개략도(200)가 도 2에 도시되어 있다.

실리콘 광전자 배증관(100)은 작고, 전기적과 광학적으로 절연된 가이거 모드 포토 다이오드(215)의 고밀도 어레이를 통합한다. 각각의 포토 다이오드(215)는 퀀치 저항기(220)에 직렬로 결합된다. 각각의 포토 다이오드(215)는 마이크로 셀이라 불린다. 마이크로 셀의 개수는 전형적으로 mm² 당 100 내지 3000 개이다. 그 후, 모든 마이크로 셀의 신호가 합산되어서 SiPM(200)의 출력을 형성한다. 단순화된 전기 회로가 도 2의 개념을 설명하기 위해 제공된다. 각 마이크로 셀은 동일하고 독립적으로 광자를 검출한다. 이들 각각의 개별적인 2진수 검출기로부터의 방전 전류의 합은 유사한 아날로그 출력을 형성하기 위해 결합되기 때문에, 입사 광자 플럭스의 크기에 대한 정보를 제공할 수 있다.

각 마이크로 셀은 마이크로 셀이 가이거 항복을 겪을 때마다 매우 균일하고 양자화된 전하량을 생성한다. 마이크로 셀(및 따라서 검출기)의 이득은 전자의 전하에 대한 출력 전하의 비율로 정의된다. 출력 전하는 과전압 및 마이크로 셀 커패시턴스로부터 계산될 수 있다.

G는 마이크로 셀의 이득이고,

C는 마이크로 셀의 커패시턴스이며,

△V는 과전압이고,

q는 전자의 전하이다.

저전력, 고성능 SiPM 기술로부터의 이점을 기대하고 있는 범위 측정 및 감지 어플리케이션이 점점 늘어나고 있다. LiDAR는 모바일 범위 검색, 자동차 고급 운전 보조 시스템(Advanced Drivber Assistance System, ADAS), 제스처 인식, 및 3D 매핑과 같은 어플리케이션에 점차 더 많이 채용되고 있는 다방면 기술이다. 포토 센서로서 SiPM 센서를 채용하는 것은, 특히나 모바일 및 대량 생산 제품의 경우에 애벌랜치 포토 다이오드(avalanche photodiode, APD), PIN 다이오드, 및 광전자 배증관 튜브(photomultiplier tube, PMT)와 같은 대안적인 센서 기술에 비해 많은 이점을 가진다.

예시적인 직접 ToF 범위 측정 시스템(300)의 기본 구성 요소는 도 3에 도시되어 있다. 직접 ToF 기술에서, 주기적인 레이저 펄스(305)는, 전형적으로 적외선 영역에서 안구 안전 전력 및 파장으로 타겟(307)에 지향된다. 목표(307)는 레이저 광자를 산란 및 반사시키고, 광자 중 일부는 검출기(315) 쪽으로 다시 반사된다. 검출기(315)는 검출된 레이저 광자 (및 노이즈로 인해 일부 검출된 광자)를 전기 신호로 변환하고, 이후 그 전기 신호는 타이머(325)에 의해 타임-스탬프(timestamped)된다.

비행 시간, t는 이하의 식

으로부터 목표까지의 거리 D를 계산하는데 사용될 수 있다. 여기서, c= 광의 속도이고 △t= 비행 시간이다. 센서(315)는 되돌아온 레이저 광자를 노이즈(주변 광)으로부터 구별해야만 한다. 레이저 펄스 당 적어도 하나의 타임-스탬프가 캡쳐된다. 이를 단일-샷(single-shot) 측정이라고 한다. 검출된 레이저 펄스의 타이밍이 높은 정밀도 및 정확도로 추출될 수 있는 범위 측정치를 생성하기 위해 많은 단일샷 측정치로부터의 데이터가 결합되는 경우 신호 대 노이즈 비율이 극적으로 개선될 수 있다.

레이저(315)가 펄스될 때마다, 획득 시스템은 단일-샷 측정을 수행한다. 레이저 전력 및 타겟까지의 거리를 포함하는 많은 요인에 따라, 펄스 당 검출된 레이저 광자의 개수가 낮을 수 있다. 이상적으로, 각각의 검출된 광자는 타임-스탬프될 것이다. 대체로, 하나 이상의 타임-스탬프가 포함된 많은 단일-샷 타이밍 측정치는 결합되어 프레임을 생성한다. 단일 프레임의 코스를 통해 얻은 완전히 타이밍 데이터는 도 4에 도시된 바와 같이 히스토그램의 형태로 플롯(plotted)될 수 있다. 시스템 범위 측정 성능은 히스토그램 데이터의 품질에 의해 제한되며, 이는 차례로 시스템 파라미터의 영향을 받는다.

본 발명은 광 소스로부터 타겟으로 그리고 포토 센서로 되돌아오는 광자의 비행 시간을 결정하기 위해 실시간으로 히스토그래밍하는 기술을 기술한다. TDC(Time to Digital Converter)는 레이저 펄스로부터 타겟으로 그리고 포토 센서로 되돌아가는 광자의 비행 시간을 측정하는데 사용된다. 디지털 시간은 대응하는 메모리 위치에 액세스하기 위한 어드레스로서 사용된다. 각 메모리 위치는 TDC의 최하위 비트와 동일한 시간 간격에 대응한다. 그 후, 메모리 위치가 증가된다. 다중 측정값은 전자 장치가 메모리에서 히스토그램을 구축하게 하고, 시간-빈(time-bin)이라고 불리는 각 메모리 위치는 TDC가 특정 시간을 기록한 횟수를 보고할 것이다. 설정된 횟수의 샘플 이후에, 메모리 위치는 TDC 시간의 대부분이 기록된 피크 영역을 포함할 것이다. 이 피크를 분석함으로써, 적합한 알고리즘을 사용하여 광자의 비행 시간이 단일 시간-빈의 폭보다 낮은 정확도로 결정될 수 있다.

초기에, 히스토그래밍 기술의 발전은 시간-빈의 모든 내용을 호스트 컴퓨터에 주기적으로 스트리밍하는 것과 관련된다. 그 후, 호스트 컴퓨터는 데이터를 분석하여 피크의 위치를 결정한다. 도 5는 범위 측정 데이터의 전형적인 플롯(plot)을 도시한다. 되돌아온 레이저 광자가 검출되는 경우에 대응하는 거대한 피크를 갖는 거짓 이벤트로 인해 일정한 노이즈 레벨을 포함한다는 것이 보여질 수 있다. 범위를 결정하기 위해, 호스트 컴퓨터는 관심 영역(피크 영역)을 선택하고 실제 피크를 결정하기 위해 가우시안 피트(Gaussian fit)를 수행하였다. 이러한 기술은 성공적이라고 입증되었지만, 대용량 데이터(32K × 16 비트 단어)를 스트리밍하고 복잡한 계산을 구현해야 하는, 극히 시간 소모적인 것으로 나타났다. 실용적인 어플리케이션에서는, 이 기술을 사용하는데 걸리는 시간은 용납될 수 없다.

도 6을 참조하면, 계산을 수행하기 위한 상태 머신을 구현함으로써 큰 데이터의 패킷을 전송할 필요성을 제거하여 이러한 문제를 해결하는 본 발명에 따른 예시적인 판독 회로(400)를 도시한다. 판독 회로(400)는 판독 프로세서(405), TDC(410), 한 쌍의 메모리 블럭(415A, 415B), 및 피크 및 전력 계산기(420)를 포함한다. TDC(410)는 서브 1ns 해상도로 이벤트의 시간을 기록할 수 있는 매우 높은 정밀도의 카운터/타이머이다. TDC는 레이저 펄스로부터 타겟으로 그리고 포토 센서로 되돌아가는 광자의 비행 시간을 측정하는데 사용된다. TDC에서 제공하는 디지털 시간은 대응하는 메모리 위치에 액세스하기 위한 어드레스로서 사용된다. 각 메모리 위치는 TDC의 최하위 비트와 동일한 시간 간격에 대응한다. 그 후, 메모리 위치는 증가된다. 다중 측정값은 판독 회로가 메모리에서 히스토그램을 구축하게 하고, 시간-빈이라고 불리는 각 메모리 위치는 TDC가 특정 시간을 기록한 횟수를 보고할 것이다. 설정된 횟수의 샘플 이후에, 메모리 위치는 TDC 시간의 대부분이 기록된 피크 영역을 포함할 것이다. 이 피크를 분석함으로써, 적합한 알고리즘을 사용하여 광자의 비행 시간이 단일 시간-빈의 폭보다 낮은 정확도로 결정될 수 있다.

판독 회로(400)의 동작은 도 7의 흐름도(500)를 참조하여 기술된다. 초기에, 메모리 블록(415A, 415B)의 내용은 내용이 0으로 설정되도록 클리어된다(단계 1). 판독 프로세서(405)는 2개의 동일한 메모리 블록(415A, 415B)을 사용하는 상태 머신을 구현하도록 구성된다. 작동 시 한 메모리 블록이 클리어되고, 그 동안 다른 메모리는 히스토그래밍에 사용된다. 상태 머신은 메모리 블록(415A)에서 히스토그래밍을 시작한다(단계 2). 판독 프로세서(405)는 피크 포인터(Peak Pointer, PP) 및 피크값(Peak Value, PV)의 두 변수를 유지한다. 초기화시 이러한 변수는 0으로 설정된다(단계 3). 상태 머신은 TDC에 의해 검출된 이벤트를 대기한다. 이러한 이벤트가 없는 시간 동안, 상태 머신은 '다른' 메모리 블록(415B)의 메모리 위치를 클리어한다. 상태 머신의 클락이 이벤트 속도보다 훨씬 크기 때문에, 상태 머신은 이벤트를 기다리는 동안 모든 버퍼 위치를 클리어할 수 있다(단계 4). 이벤트가 레이저 펄스로 인한 것이 아닌 경우, 상태 머신은 다른 이벤트에 대해 폴링(poll)하기 위해 다시 루프한다(단계 5). 만약 레이저 펄스인 경우, TDC에서 이벤트의 시간이 저장된다(단계 6). 상태 머신은 TDC에 의해 검출된 이벤트를 대기한다. 이러한 이벤트가 없는 시간 동안, 상태 머신은 다른 메모리 블록(415A 또는 415B)의 메모리 위치를 클리어한다(단계 7). 이벤트가 되돌아온 광자로 인한 것인 경우, 이벤트의 시간은 저장되고 상태 머신은 단계 9로 점프한다. 그렇지 않으면, 상태 머신은 단계 12로 점프한다. 그 후, 레이저의 시간은 광자 시간으로부터 감산되어 시간-빈에 대한 어드레스를 생성한다(단계 9).

상태 머신은 이제 어드레스를 사용하여 시간-빈의 내용을 판독하고 증가시킨 후, 이를 다시 작성한다(단계 10). 이 새로운 시간-빈 값은 피크값(PV)의 현재 값과 비교된다. 만약 새로운 시간-빈 값이 피크값의 현재 값보다 더 큰 경우, 새로운 시간-빈 값은 PV로 복사되고 시간-빈 어드레스는 피크 포인터(PP)로 복사된다. 그 후, 상태 머신은 다른 광자 이벤트를 얻기 위해 다시 점프한다(단계 7). 프로세스는 단계 7로 다시 스위치하여 각 레이저 사이클에 대해 다수의 광자 이벤트를 포스트한다(단계 11). 상태 머신은 단계 8, 12, 13에서 새로운 레이저 펄스가 검출되는 경우 이 상태로 진행한다. 상태 머신은 이제 측정값을 획득하는데 필요한 미리 정의된 레이저 사이클 횟수에 도달했는지 검사한다. 만약 완료되지 않은 경우, 새로운 사이클에 대해 단계 6에서 상태 머신은 레이저 이벤트에 대한 TDC 값을 저장하기 위해 되돌아간다(단계 12). 만약 사이클 카운트가 완료되면, 상태 머신은 5개의 메모리 위치를 판독하고, 이러한 5개의 메모리 위치는 PP 어드레스 이전의 2개의 위치, PP 어드레스에서의 위치, 및 PP 어드레스 이후의 2개의 위치이다(단계 13). 이후, 이들 5개의 값은 전력 및 피크 위치 데이터를 결정하기 위해 피크 및 전력 계산기(420)에 제공된다(단계 14). 이러한 계산된 값들은 상태 머신에 의해 시스템에 보고된다(단계 15). 마지막으로, 상태 머신은 이제 (이전 히스토그래밍 중에 클리어된) 다른 메모리 블록에 포인터를 넘기고 단계3으로 되돌아가서 프로세스를 반복한다(단계 16).

흐름도(500)로부터, 각각의 레이저 클럭에 대해 다수의 센서 이벤트가 처리된다는 것을 볼 수 있다. 초기에, 이러한 설계는 첫번째 센서 이벤트만 처리한 후 다음 레이저 클럭 이벤트를 대기하였다. 그러나, 이는 높은 주변 광 레벨로 작동하는 경우에 불량한 결과를 주는 것으로 밝혀졌다. 원치 않는 광자(노이즈)가 많기 때문에, 광자 중 하나가 먼저 검출될 가능성이 높다. 다수의 센서 이벤트를 처리함으로써 신호 이벤트를 처리할 가능성이 상당히 향상되었다.

도 8a는 단일 센서 이벤트에 대한 히스토그램을 도시하고, 도 8b는 높은 주변 광에서 다수의 센서 이벤트 처리에 대한 히스토그램을 도시한다. 단일 센서 이벤트 처리에 대해, 광 노이즈는 즉시 검출되어 실제 신호가 손실되는 것을 도 8a에서 볼 수 있다. 그러나, 본 교시에 따라 도 8b에서 기술된 바와 같이 다수의 센서 이벤트를 처리함으로써, 실제 신호 광자가 검출되어 신호의 도달 시간에 대응하는 지배 피크를 가지는 비교적 부드러운 노이즈 플로어를 초래한다.

도 9는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(field programmable gate array, FPGA)를 사용하여 도 7의 상태 머신을 구현하도록 구성될 수 있는 히스토그램 판독 회로(900)의 예시적인 최상위 레벨 설계를 도시한다. FPGA는 판독 프로세서(405) 및 TDC(410)를 구현하도록 프로그램될 수 있다. TDC는 레이저 클락의 도착 시간과 센서로부터의 신호 출력을 정의하는 타임-스탬프를 연속적으로 보고한다. 이벤트가 레이저 클락으로부터 검출되는 경우 타임-스탬프는 FPGA에 의해 저장된다. 그 후, FPGA 판독 프로세서는 센서 회로 출력으로부터 모든 TDC 이벤트를 판독하고 감산(센서 시간-레이저 클락 시간) 하여 센서에 의해 검출된 각 광자의 비행 시간을 결정한다. 이는 레이저 클락으로부터 다른 이벤트가 검출될 때까지 반복된다.

각각의 계산된 비행 시간(센서 시간 - 레이저 클락 시간)은 FPGA에서의 메모리 어드레스에 사용된다. 이 위치의 내용은 판독되고, 증가된 다음, 그 위치에 다시 기록된다. 따라서, 상태 FPGA 프로세서는 메모리 위치를 시간-빈으로 사용하여 TDC 데이터 값의 히스토그램을 구축한다. 이와 동시에, 상태 머신은 가장 높은 카운트가 상주하는 위치에 포인터를 유지한다.

설정된 사이클 시간 후에, 상태 머신은 히스토그램 기록을 중지하고 최대 위치(피크)의 값 및 2개의 인접한 시간-빈 중 어느 한 측을 판독한다. 이러한 5개의 값과 첫번째 값의 절대 메모리 어드레스는 처리를 위해 피크 및 전력 계산기로 전달된다.

도 6에서 2개의 메모리 어드레스 블록(415A, 415B)이 있다는 것을 볼 수 있다. 이는 히스토그래밍을 위한 플립-플롭 버퍼(flip-flop buffer)를 구현하기 위해 수행된다. 히스토그래밍 기술은 모든 빈을 0으로 설정하고 시작하는 것을 필요로 한다. 플립-플롭 메모리 버퍼를 구현함으로써, 판독 프로세서는 히스토그래밍 프로세스를 수행할 수 있고, 그 동안에 다음 사이클을 위해 준비된 다른 버퍼를 클리어할 수 있다.

최상위 레벨 설계는 예시로서 ALTERA Cyclone Ⅲ FPGA를 사용하여 구현될 수 있다. 그러나, 본 발명의 교시를 특정 유형의 FPGA로 제한하려는 것은 아니다. 설계는 세가지 모듈, 즉, READOUT, Lpb_ram_dq0, 및 HIST CALC을 포함한다. 판독 모듈은 히스토그래밍 프로세스를 수행하는 주 판독 상태 머신을 포함한다. Lpb_ram_dq0 모듈은 히스토그램 데이터를 저장하기 위한 메모리 블록을 제공한다. 2개의 FLIP-FLOP 블록은 단순히 어드레스의 MSB 상태(어드레스 비트 10)를 토글링(toggling)함으로써 구현된다. HIST CALC 모듈은 5개의 빈의 값을 수신하고 에너지 및 거리(가중 평균) 결과를 생성한다. I/O 신호의 목적은 표 1에 기술되어 있다.

피크 및 전력 계산기(420)는 5개의 피크 빈 값을 수신하고, 이로부터 타이밍에 대한 정확한 값을 결정한다. 도 10은 두가지 데이터 세트의 간단한 예시를 도시한다. FPGA는 가중 평균을 사용하여 고해상도 타이밍을 계산한다. 가중 평균을 계산하기 위한 공식은 다음과 같다:

FPGA가 부동 소수점 계산을 구현할 수 없기 때문에 분자는 16배로 커진다. 이는 나누기가 수행된 후에 해상도를 유지한다. 따라서, 'a'와 'b'의 경우 FPGA 계산은 이하와 같다:

이 값들은 16 비트 출력(피크 위치)로 보고된다. 이 모듈은 또한 신호 피크(전력)의 강도를 나타내는 5개 빈의 합 또한 보고한다.

READOUT 모듈은 첫번째 빈의 위치를 BIN OFFSET으로 출력으로서 보고한다. 따라서, 이 데이터로부터 FPGA에 인터페이스하는 호스트 프로세서는 광자의 고해상도 타이밍을 매우 신속하게 결정할 수 있다. 이전 예시에서, 두 경우 모두에서 BIN OFFSET이 232이고 TDC의 LSB가 250ps라고 가정하면, 'a'와 'b'의 고해상도 타이밍은

이다.

두가지 모두에 대한 피크값은 6이지만, 주변 빈의 영향은 상당히 다른 값을 초래한다는 것을 알 수 있다. 이로부터, ToF 값은 TDC의 LSB보다 낮은 정확도로 측정될 수 있음을 볼 수 있다.

설계(900)의 예시적인 시뮬레이션이 도 11에 도시되어 있다. 표준 I/O 신호 뿐만 아니라 상태 머신(READOUT SM)의 상태 또한 포함된다. 예시적인 실시예에서의 설명을 용이하게 하기 위해 다음을 가정한다:

1. TDC는 레이저 및 광자 이벤트를 검색하고, 입력 TDCLK에 펄스를 생성하며 TDDATA 13 비트 입력에서 델타 시간(광자 시간 - 레이저 시간)을 보고한다.

2. 상태 머신은 14개의 이벤트가 수신된 후 데이터 획득을 완료할 것이다.

히스토그램 데이터의 축적의 시작은 입력 RUN 신호의 LO-HI 전환으로 표시된다. 일단 이것이 발생하면, 상태 머신은 이벤트에 대해 TDCLK 입력을 폴링한다. TDCLK 이벤트를 폴링하는 동안, 상태 머신은 '다른' 히스토그램 버퍼에서 메모리를 연속하여 클리어한다.

TDCLK 이벤트가 검출되는 경우, 상태 머신은 TDDATA의 값을 판독하고 이 값을 메모리 버퍼의 어드레스로 사용한다. 이 메모리 위치의 내용을 판독하고, 증가시킨 다음, 새 값이 다시 기록된다. 또한, 상태 머신은 가장 큰 빈 값의 위치를 정의하는 포인터를 유지한다. 이 프로세스는 흐름도(500)에 기술되어 있다.

전체 이벤트(이 경우에는 14)가 완료되면, 상태 머신은 피크 BIN 값과 양 측의 2개 값을 HIST_CALC 모듈로 전달하여 5개의 빈의 가중 평균 및 총 전력을 결정한다. 도 11의 하단 프레임은 획득이 끝난 시점에서의 영역을 확대한 것이다. 가중 평균 값(0x2D)의 결과가 계산되기 전에 ~60㎱의 지연이 있음을 알 수 있다. 따라서, 가중 계산 및 5개의 빈의 시작을 정의하는 BINOFF 출력을 이용하여 정확한 범위 측정 거리가 결정될 수 있다.

도 12를 참조하면, 도 6을 참조하여 기술된 바와 같이 판독 회로(400)에 동작 가능하게 결합된 SPAD 또는 SiPM 디바이스(1010)를 포함하는 LiDAR 범위 측정 시스템(1000)이 도시되어 있다. 드라이버 회로(1015)는 클락에 의해 구동되어 레이저 펄스를 발생시킨다. 동일한 클락은 또한 TDC(405)의 시작을 트리거하는데 사용된다. 되돌아온 광자는 SPAD/SiPM 디바이스(1010)에 의해 검출된다. 그 후, 판별 회로(1020)는 이들 이벤트를 디지털 펄스로 변환한다. TDC(405)는 방출된 광자와 되돌아온 광자 간의 차이를 곱한다. 이들 델타 시간값은 히스토그램을 플로팅하고 광자에 의해 이동된 거리를 계산하기 위해 판독 회로(400)에 공급된다.

도 13을 참조하면, 도 6을 참조하여 기술한 바와 같이 판독 회로(400)에 동작 가능하게 결합된 SPAD 또는 SiPM 디바이스의 어레이(2010)를 포함하는 LiDAR 2D 이미징 시스템(2000)이 도시되어 있다. 다중-레이저 다이오드 드라이버 회로(2015)는 클럭에 의해 구동되어 레이저 펄스를 발생시킨다. 동일한 클럭은 또한 다중-채널 TDC(410)의 시작을 트리거하는데 사용된다. 되돌아온 광자는 SPAD/SiPM 디바이스의 어레이(2010)에 의해 검출된다. 다중-채널 판별 회로(2020)는 이들 이벤트를 디지털 펄스로 변환한다. TDC(410)는 방출된 광자와 되돌아온 광자 사이의 차이를 곱한 것이다. 이들 델타 시간은 다수의 히스토그램을 플로팅하고 광자에 의해 이동된 거리를 계산하기 위해 판독 회로(400)에 공급된다.

판독 상태 머신은 또한 레이저 광 펄스를 2D 영역로 전환시키는 스캐너(2035)를 제어한다. 다중-채널 판별기(2020)는 어레이(2010) 내의 특정 SiPM 또는 SPAD에 기초하여 이벤트를 TDC(410)의 상이한 입력으로 전달한다. TDC(410)는 델타 시간 값을 채널 ID로 스탬프하여 판독 회로(400)가 어레이(2010) 내의 특정 픽셀을 식별할 수 있게 한다. 따라서, 판독 프로세서(405)는 'N'이 어레이(2010) 내의 센서들의 개수인 경우에 'N' 개의 히스토그램 메모리 블록을 유지할 것을 필요로 한다.

통상의 기술자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상술한 실시예들에 대한 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 방식으로, 본 발명의 교시는 첨부된 청구 범위에 비추어 필요하다고 판단되는 경우에만 제한된다는 것을 이해할 것이다. 반도체 광전자 배증관이라는 용어는 실리콘 광전자 배증관[SiPM], 마이크로 픽셀 광자 카운터[MPPC], 마이크로픽셀 애벌랜치 포토 다이오드[MAPD]와 같은 임의의 고체 상태 광전자 배증관 디바이스를 포함하나 이에 국한되지는 않는다.

이와 유사하게, 본원에서 사용되는 경우에 포함하는/포함하다는 언급된 특징, 정수(integer), 단계, 또는 구성 요소의 존재를 특정하기 위해서 사용되지만 하나 이상의 추가 특징, 정수, 단계, 구성 요소, 또는 그들의 집합의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니다.

Claims

히스토그램 판독 회로로서,
TDC(time to digital converter) 이벤트가 검출되는 경우 타임-스탬프(time-stamp)를 보고하도록 구성된 TDC;
상기 TDC 이벤트를 저장하기 위한 메모리;
상태 머신을 구현하도록 구성된 프로그램가능 프로세서로서, 상기 상태 머신은:
검출된 모든 TDC 이벤트에 대한 각각의 타임-스탬프를 저장하고,
광자들의 비행 시간을 결정하며,
계산된 각각의 비행 시간을 사용하여 각각의 메모리 위치를 어드레스하고,
복수의 메모리 위치를 사용하여 상기 TDC 이벤트의 히스토그램을 대응하는 시간-빈(time-bin)으로 구축하며,
최대 개수의 TDC 이벤트가 상주하는 최대 메모리 위치에 포인터(PP)를 유지하도록 동작 가능한, 프로그램가능 프로세서; 및
처리를 위해 하나 이상의 인접한 시간-빈 및 최대 메모리 위치의 값을 판독하도록 동작 가능한 계산기를 포함하는,
히스토그램 판독 회로.
제1항에 있어서,
상기 메모리는 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈을 포함하는,
히스토그램 판독 회로.
제2항에 있어서,
상기 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈 중 하나는 히스토그래밍에 사용되지만, 상기 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈 중 다른 하나의 내용은 클리어되는,
히스토그램 판독 회로.
제3항에 있어서,
상기 상태 머신은 적어도 하나의 플래그를 유지하고, 상기 적어도 하나의 플래그는 히스토그래밍 동안 상기 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈 중 어느 것이 활성인지를 나타내지만, 상기 제1 메모리 모듈 및 제2 메모리 모듈 중 다른 하나는 비활성인,
히스토그램 판독 회로.
제1항에 있어서,
상기 상태 머신은 적어도 2개의 변수를 추적하는,
히스토그램 판독 회로.
제5항에 있어서,
상기 적어도 2개의 변수는 피크 포인터(peak pointer) 레지스터 및 피크값(peak value) 레지스터를 포함하는,
히스토그램 판독 회로.
제6항에 있어서,
상기 상태 머신은 시간-빈의 값을 판독하고 상기 값을 증가시켜 새로운 시간-빈의 값을 생성하는,
히스토그램 판독 회로.
제7항에 있어서,
상기 새로운 시간-빈의 값은 상기 피크값 레지스터의 현재 값과 비교되는,
히스토그램 판독 회로.
제8항에 있어서,
상기 비교에서 상기 새로운 시간-빈의 값이 상기 피크값 레지스터의 값보다 큰 경우, 상기 새로운 시간-빈의 값은 상기 피크값 레지스터에 복사되고 상기 시간-빈의 어드레스는 상기 피크 포인터 레지스터에 복사되는,
히스토그램 판독 회로.
제9항에 있어서,
상기 상태 머신은 순차적으로 또 다른 TDC 이벤트를 대기하는,
히스토그램 판독 회로.
제1항에 있어서,
상기 상태 머신은 측정치를 획득하는데 필요한 미리 정의된 레이저 사이클 횟수에 도달했는지 여부를 검사하는,
히스토그램 판독 회로.
제11항에 있어서,
상기 미리 정의된 레이저 사이클 횟수에 도달된 경우, 상기 상태 머신은 대응하는 복수의 메모리 위치로부터 복수의 데이터 값을 판독하고, 상기 대응하는 복수의 메모리 위치는 피크 포인터 어드레스 이전의 하나 이상의 메모리 위치로부터 시작하여, 피크 포인터 어드레스의 메모리 위치, 및 피크 포인터 어드레스 이후의 하나 이상의 메모리 위치인,
히스토그램 판독 회로.
제12항에 있어서,
상기 상태 머신은 5개의 메모리 위치를 판독하고, 상기 5개의 메모리 위치는 피크 포인터 어드레스 이전의 2개의 메모리 위치, 피크 포인터 어드레스에서의 메모리 위치, 및 피크 포인터 어드레스 이후의 2개의 메모리 위치인,
히스토그램 판독 회로.
제12항에 있어서,
상기 복수의 데이터 값은 전력 및 피크 위치 데이터를 결정하기 위해 상기 계산기에 의해 획득되는,
히스토그램 판독 회로.
제3항에 있어서,
상기 상태 머신은, TDC 이벤트를 저장하기 위해 다음의 미리 정의된 레이저 사이클 횟수에 대해 활성화되도록 이전에 클리어된 다른 메모리 모듈로 포인터를 리버스하는,
히스토그램 판독 회로.
제1항의 회로를 이용한 히스토그램 판독 방법으로서,
(ⅰ) TDC를 사용하여 레이저 펄스로부터 타겟으로 그리고 다시 포토 센서로 되돌아가는 광자의 비행 시간을 측정하는 단계;
(ⅱ) 대응하는 메모리 위치에 액세스하기 위해 디지털 시간을 어드레스로서 사용하는 단계 - 각 메모리 위치는 TDC의 최하위 비트와 동일한 시간 간격에 대응함-;
(ⅲ) 메모리 위치를 증가시키는 단계;
상기 (ⅰ) 내지 (ⅲ) 단계를 복수 회 반복함으로써 히스토그램을 생성하는 단계 - 각 메모리 위치는 TDC가 특정 시간을 기록한 횟수를 보고하고, 미리 결정된 횟수의 샘플 이후에 메모리 위치는 대부분의 TDC 시간이 기록된 피크 영역을 포함할 것임-;
최대 개수의 TDC 이벤트가 상주하는 최대 메모리 위치에 포인터를 유지하는 단계; 및
처리를 위해 하나 이상의 인접한 시간-빈 및 최대 메모리 위치의 값을 판독함으로써 상기 피크 영역을 분석하는 단계를 포함하는,
히스토그램 판독 방법.
제16항에 있어서,
설정된 사이클 시간 이후, 상태 머신은 히스토그램의 기록을 중지하고 최대 위치의 값과 하나 이상의 인접한 시간-빈 중 어느 한 측을 판독하는,
히스토그램 판독 방법.
제17항에 있어서,
이후 판독값은 ToF 값을 계산하기 위해 계산 모듈로 전달되는,
히스토그램 판독 방법.
제18항에 있어서,
상기 계산 모듈은 ToF를 계산하기 위해 가중 평균을 사용하는,
히스토그램 판독 방법.
제19항에 있어서,
분자는 16으로 스케일업(scaled up)되는,
히스토그램 판독 방법.
제18항에 있어서,
상기 계산 모듈은 상기 ToF 값을 실시간으로 출력하는,
히스토그램 판독 방법.
제18항에 있어서,
상기 계산 모듈은 활동 레벨의 표시로서 판독값을 합산하도록 프로그램되는,
히스토그램 판독 방법.
제18항에 있어서,
상기 계산 모듈은 TDC의 LSB보다 낮은 정확도로 ToF 값을 계산하도록 동작 가능한,
히스토그램 판독 방법.
LiDAR 범위 측정 시스템에 있어서,
제1항에 따른 히스토그램 판독 회로; 및
상기 히스토그램 판독 회로에 동작 가능하게 결합된 광 검출기를 포함하는,
LiDAR 범위 측정 시스템.
제24항에 있어서,
상기 광 검출기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(single photon avalanche diode, SPAD)를 포함하는,
LiDAR 범위 측정 시스템.
제24항에 있어서,
상기 광 검출기는 실리콘 광전자 증배관을 포함하는,
LiDAR 범위 측정 시스템.
LiDAR 2D 이미징 시스템으로서,
제1항에 따른 히스토그램 판독 회로;
상기 히스토그램 판독 회로에 동작 가능하게 결합된 광 검출기; 및
레이저 광 펄스를 2D 영역으로 전환하기 위한 스캐너를 포함하는,
LiDAR 2D 이미징 시스템.
제27항에 있어서,
상기 광 검출기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)의 어레이를 포함하는,
LiDAR 2D 이미징 시스템.
제27항에 있어서,
상기 광 검출기는 실리콘 광전자 증배관의 어레이를 포함하는,
LiDAR 2D 이미징 시스템.