KR20180115799A - 라이더 수신기들에 대한 활성 영역 선택 - Google Patents
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Abstract
본원에 제공되는 기술들은 라이더 수신기의 센서의 활성 영역을 변경함으로써 라이더 송신기 이외의 광원들로부터의 잡음을 감소시키는 광학 센서를 제공하는 것에 관한 것이다. 광학 센서는 행-선택 및 열-선택 트랜지스터들을 갖는 SPAD들(single photon avalanche devices)의 2차원 어레이를 포함할 수 있으며, 여기서 행들 및 열들은 라이더 수신기에서 검출된 반사되는 레이저 광의 예측된 스폿 크기 및 각도에 기반하여 선택된다. 다른 것들 중에서도, 이것은 라이더 수신기 내의 부분들을 이동시킬 필요성을 제거하거나 감소시킬 수 있다.
Description
[0001]
라이더(LIDAR; Light Detection And Ranging)는, 타겟을 레이저 광으로 조명하고 반사된 레이저 광에 대응하는 펄스를 판독함으로써 거리를 측정하는 측량 기술(surveying technology)이다. 라이더는 종종 풍경(landscape)의 토폴로지를 결정하는 데 활용되고, 라이더는 차량들과 차량들 주변의 물체들 간의 거리들을 결정하는 것을 돕기 위해 현대 차량들에서 일반적으로 사용된다. 그러나, 라이더 수신기의 센서가 매우 민감할 수 있기 때문에, 그 센서는 라이더 송신기 이외의 광원들로부터의 광으로부터의 잡음에 취약하다.
[0002]
본원에 제공되는 기술은, 라이더 수신기의 센서의 활성 영역을 변경함으로써 라이더 송신기 이외의 광원들로부터의 잡음을 감소시키는 광학 센서를 제공하는 것에 관한 것이다. 광학 센서는 행(row)-선택 및 열(column)-선택 트랜지스터들을 갖는 SPAD들(single photon avalanche devices)의 2차원 어레이를 포함할 수 있고, 여기서 행들 및 열들은 라이더 수신기에서 검출된 반사된 레이저 광의 예측된 스폿(spot) 크기 및 각도에 기반하여 선택된다. 다른 것들 중에서도, 이것은 라이더 수신기 내의 부분들을 이동시킬 필요성을 제거하거나 감소시킬 수 있다.
[0003]
본 개시내용에 따른 예시적인 광학 센서는 복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD들의 어레이를 포함한다. 각각의 SPAD는 저항성 엘리먼트, 용량성 엘리먼트 및 광(photo) 검출 엘리먼트를 가질 수 있고, 제1 입력, 제2 입력 및 출력을 더 포함한다. 복수의 행들의 각각의 행은, 활성화될 때, 행 내의 각각의 SPAD의 제1 입력이 바이어스 전압을 수신하게 하는 대응하는 행-선택 트랜지스터를 가질 수 있다. 복수의 행들의 각각의 열은 열 내의 각각의 SPAD의 제2 입력과 연결된 대응하는 열-선택 트랜지스터를 가질 수 있다. 각각의 열에 대해, 열 내의 각각의 SPAD의 출력은 그 열에 대한 열 출력과 연결될 수 있다.
[0004]
광학 센서의 실시예들은 다음의 특징들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 각각의 SPAD의 광 검출 엘리먼트는 APD(avalanche photodiode)를 포함할 수 있다. 행-선택 트랜지스터들 및 열-선택 트랜지스터들은 BJT들(bipolar junction transistors)을 포함할 수 있다. 행-선택 트랜지스터들 및 열-선택 트랜지스터들은 FET들(field-effect transistors)을 포함할 수 있다. 각각의 SPAD는 용량성 엘리먼트와 SPAD의 출력 사이에 커플링된 저항기를 포함할 수 있다. 각각의 열 출력은 트랜스 임피던스 증폭기(trans impedance amplifier)의 입력에 추가로 연결될 수 있다.
[0005]
본 개시내용에 따른, 복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD들(single photon avalanche devices)의 어레이의 일부를 활성화하는 예시적인 방법은, 바이어스 전압을 복수의 행들의 서브세트 및 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 제공함으로써 SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하는 단계, 및 SPAD들의 어레이 내의 복수의 열들 각각의 출력을 판독하는 단계를 포함한다.
[0006]
방법은 다음의 특징들 중 하나 또는 그 초과를 더 포함할 수 있다. 각각의 SPAD는 APD(avalanche photodiode)를 포함할 수 있다. 방법은, 바이어스 전압을 복수의 행들의 서브세트 및 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 제공하기 위해 행-선택 BJT들(bipolar junction transistors) 및 열-선택 BJT들을 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은, 바이어스 전압을 복수의 행들의 서브세트 및 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 제공하기 위해 행-선택 FET들(field-effect transistors) 및 열-선택 FET들을 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 각각의 SPAD는 SPAD의 용량성 엘리먼트와 출력 사이에 커플링된 저항기를 포함할 수 있다. SPAD들의 어레이 내의 복수의 열들 각각의 출력을 판독하는 단계는 트랜스 임피던스 증폭기를 사용하여 SPAD들의 어레이 내의 복수의 열들 각각의 출력을 증폭하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 행-선택 트랜지스터 및 열-선택 트랜지스터를 활성화함으로써, 바이어스 전압을 복수의 행들의 서브세트 및 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 제공하기 위해 프로세싱 유닛을 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0007]
본 개시내용에 따른 예시적인 장치는 바이어스 전압을 복수의 행들의 서브세트 및 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD(single photon avalanche device)에 제공함으로써 복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하기 위한 수단, 및 SPAD들의 어레이 내의 복수의 열들 각각의 출력을 판독하기 위한 수단을 포함한다.
[0008]
장치는 다음의 특징들 중 하나 또는 그 초과를 더 포함할 수 있다. 각각의 SPAD는 APD(avalanche photodiode)를 포함할 수 있다. SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하기 위한 수단은 행-선택 BJT들(bipolar junction transistors) 및 열-선택 BJT들을 포함할 수 있다. SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하기 위한 수단은 행-선택 FET들(field-effect transistors) 및 열-선택 FET들을 포함할 수 있다. 각각의 SPAD는 SPAD의 용량성 수단과 출력 사이에 커플링된 전기 저항을 제공하기 위한 수단을 포함할 수 있다. SPAD들의 어레이 내의 복수의 열들 각각의 출력을 판독하기 위한 수단은 SPAD들의 어레이 내의 복수의 열들 각각의 출력을 증폭하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하기 위한 수단은, 행-선택 트랜지스터 및 열-선택 트랜지스터를 활성화함으로써 바이어스 전압을 복수의 행들의 서브세트 및 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 제공하기 위한 프로세싱 수단을 포함할 수 있다.
[0009]
다양한 실시예들의 성질 및 이점들의 이해는 다음의 도면들을 참조로 실현될 수 있다.
[0010] 도 1은 일 실시예에 따른, 본원에서 논의되는 기술들을 활용할 수 있는 라이더 시스템의 간략화된 블록도이다.
[0011] 도 2는 일 실시예에 따른, SiPM(silicon photomultiplier)의 간략화된 개략도이다.
[0012] 도 3은 상이한 실시예에 따른, SiPM의 간략화된 개략도이다.
[0013] 도 4는 일 실시예에 따른, SPAD(single photon avalanche device)의 개략도이다.
[0014] 도 5는 일부 실시예들에 따른, SiPM의 일부의 활성화를 가능하게 하는 방법(400)의 흐름도이다.
[0010] 도 1은 일 실시예에 따른, 본원에서 논의되는 기술들을 활용할 수 있는 라이더 시스템의 간략화된 블록도이다.
[0011] 도 2는 일 실시예에 따른, SiPM(silicon photomultiplier)의 간략화된 개략도이다.
[0012] 도 3은 상이한 실시예에 따른, SiPM의 간략화된 개략도이다.
[0013] 도 4는 일 실시예에 따른, SPAD(single photon avalanche device)의 개략도이다.
[0014] 도 5는 일부 실시예들에 따른, SiPM의 일부의 활성화를 가능하게 하는 방법(400)의 흐름도이다.
[0015]
다음 설명은 단지 실시예(들)를 제공하며, 본 개시내용의 범위, 적용가능성 또는 구성을 제한하려는 의도가 아니다. 오히려, 실시예(들)의 다음 설명은 당업자들에게 실시예를 구현할 수 있게 하는 설명을 제공할 것이다. 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 엘리먼트들의 기능 및 어레인지먼트에 다양한 변경들이 이루어질 수 있음이 이해된다.
[0016]
본 개시내용은 일반적으로 선택 가능한 영역 및 라이더(LIDAR; Light Detection And Ranging) 수신기가 더 양호한 신호 대 잡음비들을 제공하는 것을 가능하게 하는 것에 관한 것이지만, 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 본원에 제공되는 기술들이 다른 애플리케이션들(예컨대, 3D 및/또는 의료 영상)에서 그리고 다른 원하는 결과들을 위해 활용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0017]
라이더는, 레이저 광(예컨대, 라이더 송신기로부터의 하나 또는 그 초과의 레이저 빔들)으로 타겟을 조명하고 반사된 레이저 광에 대응하는 펄스를 판독함으로써 거리를 측정하는 측량 기술이다. 라이더는 종종 풍경의 토폴로지를 결정하는 데 활용되고, 라이더는 차량들과 차량들 주변의 물체들 간의 거리들을 결정하는 것을 돕기 위해 (예컨대, 자동-운전 및/또는 다른 특징들을 구현하기 위해) 현대 차량들에서 일반적으로 사용된다. 일부 구현들에서, 예컨대, 펄스는 대략 300 ps일 수 있다.
[0018]
도 1은, 라이더 시스템의 기본 기능을 예시하는 라이더 시스템의 실시예의 간략화된 블록도이다. 예시된 바와 같이, 라이더 시스템(100)은 라이더 송신기(130)(레이저(135) 및 빔-스티어링 광학기(133)를 포함함), 라이더 수신기(120)(필터링 광학기(122), 포커싱 광학기(124) 및 센서(126)를 포함함), 및 프로세싱 유닛(110)을 포함할 수 있다. 당업자는, 라이더 시스템(100)의 대안적인 실시예들이 도 1에 도시된 컴포넌트들에 대한 부가적인 또는 대안적인 컴포넌트들을 포함할 수 있음을 인식할 것이다. 예컨대, 컴포넌트들은, 원하는 기능성, 제조상의 관심사항들 및/또는 다른 요인들에 따라 추가, 제거, 결합 또는 분리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 라이더 수신기 및 라이더 송신기는 별개의 프로세싱 유닛들 또는 그의 동작을 제어하는 다른 회로를 가질 수 있다.
[0019]
일반적으로, 라이더 시스템(100)의 동작은 다음과 같다. 프로세싱 유닛(110)은 레이저(135)가 빔-스티어링 광학기에 공급되는 레이저 빔(137)을 생성하게 한다. 빔-스티어링 광학기(133)는, 라이더 시스템(100)의 FOV(field of view)를 스캔하는 송신되는 레이저 빔(140)을 생성하기 위해 (예컨대, Risley 프리즘 쌍, MEMS(micro electromechanical systems) 반사기들 및/또는 다른 수단을 사용하여) 레이저 빔(137)의 방향 및/또는 스폿 크기를 조정한다. 송신되는 레이저 빔(140)의 방향이 빔-스티어링 광학기(133)의 축으로부터의 각도(170)에 의해 측정될 수 있음이 유의될 수 있다. 축이 임의적으로 결정될 수 있고, 다수의 각도들이 2차원(또는 그 초과의 차원)에서 이러한 아이디어를 확장하는 데 사용될 수 있음이 또한 유의될 수 있다. 그렇게 하면, 송신되는 레이저 빔(140)은 FOV 내의 물체(150)에서 반사되어, 라이더 수신기(120)에 의해 검출되는 반사된 레이저 빔(160)을 생성한다. 필터링 광학기(122)는 원하지 않는 광(예컨대, 레이저(135)에 의해 생성된 파장(들) 이외의 광의 파장)을 필터링하기 위해 사용될 수 있고, 포커싱 광학기(124)는 반사된 레이저 빔(160)을 센서(126)의 광-감지 표면으로 투사하는 데 사용될 수 있다. 이어서, 센서(126)는, 프로세싱 유닛(110)이 물체의 거리를 결정하는 것을 가능하게 하는 정보를 프로세싱 유닛(110)에 제공할 수 있다. 빔-스티어링 광학기(133)가 라이더 시스템(100)의 전체 FOV를 스캔할 때, 반사되는 레이저 광이 라이더 수신기에 의해 수신되고, 프로세싱 유닛(110)은 라이더 시스템(100)의 전체 FOV 내의 많은 물체들의 거리를 결정할 수 있다.
[0020]
라이더 수신기의 센서(126)는 APD(avalanche photo diode) 또는 실리콘 포토멀티플라이어(silicon photomultiplier)와 같은 고속 센서를 포함할 수 있다. 라이더 송신기 이외의 광원들로부터의 광이 광 검출기(photodetector)로 떨어질 때, 신호 대 잡음비(SNR)가 저하된다. 예컨대, 태양으로부터의 광은 산탄 잡음(shot noise)을 생성한다. 양호한 SNR에 대해, 필터링 광학기(122) 및 포커싱 광학기(124)는, 다른 광원들로부터의 광을 최소화하면서, 라이더 송신기로부터 발생된 가능한 한 많은 광을 센서(126)에 넣도록 설계될 수 있다.
[0021]
센서(126)는 SPAD들(single photon avalanche devices)(본원에서 "SPAD 마이크로셀들" 또는 "SPAD 셀들"로 또한 지칭됨)의 어레이를 포함하는 SiPM(silicon photomultiplier)을 포함할 수 있으며, 단일 광자(photon)는 짧은 시간 기간 동안에 SPAD를 트리거링할 수 있다. SPAD가, 트리거링되는 동안, 더 이상 광에 민감하지 않을 수 있다. 즉, 광자가 SPAD에 의해 검출될 때, SPAD는 포화되고, SPAD의 용량성 엘리먼트가 방전될 때까지 그 상태로 유지되고, 이로써 출력에서 스파이크를 생성한다(이는, 예컨대, 측정된 거리를 결정하기 위해 프로세싱 유닛(110)과 같은 다운스트림 회로에 의해 측정됨). SPAD들이 작게 제조되고 퀀칭(quenching) 저항기들과 함께 연결되면, SiPM의 출력은 광 검출기에 도달하는 광의 함수이다. 본원에 설명된 실시예들이 SPAD들을 활용하지만, 다른 실시예들이 다른 광자 검출 수단을 활용할 수 있음이 인지될 것이다.
[0022]
SiPM들이 매우 민감할 수 있기 때문에, 센서(126)는 잡음(즉, 반사된 레이저 빔(160) 이외의 광)에 취약할 수 있다. 그리고 필터링 광학기(122)가 이러한 잡음의 양을 감소시키는 것을 돕지만, 필터링 광학기(122)는 이러한 잡음을 제거하지는 않는다. 또한, 다른 라이더 시스템들이 라이더 시스템(100) 부근에서 동작하는 상황들에서(이를테면, 다수의 자동차-기반 라이더 시스템들이 고밀도 트래픽에서 사용중일 때), 필터링 광학기(122)는 다른 라이더 시스템들(100)의 라이더 송신기들로부터 생성된 광을 필터링(filter out)하지 않을 수 있다.
[0023]
본원에 제시된 기술에 따라, SNR은, 반사된 레이저 빔(160)에 의해 조명될 것으로 예상되는, 센서(126)의 일부분만을 선택적으로 활성화함으로써 더 증가될 수 있다. 즉, 빔-스티어링 광학기(133)가 라이더 시스템(100)의 동작 동안 임의의 주어진 시간에서 송신된 레이저 빔(140)의 각도(170) 및 스폿 크기를 결정하기 때문에, 라이더 시스템(100)은 추가로, 반사된 레이저 빔(160)의 예상되는 각도 및 스폿 크기를 결정할 수 있다. 이어서, 이러한 정보를 사용하여, 라이더 시스템(100)은, 센서(126)의 어떤 SPAD들이 반사되는 레이저 광에 의해 조명될 가능성이 있는지를 결정할 수 있다. 이와 같이, 그리고 본원에 개시된 기술들에 따라, 센서(126)에 대한 SNR은 위치 및 크기 둘 모두에서 자신의 활성 영역을 동적으로 변경할 수 있는 SiPM을 갖는 센서(126)를 활용함으로써 추가로 개선될 수 있다. 다른 것들 중에서도, 이것은 라이더 수신기 내의 부분들을 이동시킬 필요성을 제거하거나 감소시킬 수 있다.
[0024]
도 2는 일 실시예에 따른 SiPM(200)의 간략화된 개략도이다. 위에 언급된 바와 같이, SiPM(200)은 도 1의 센서(126)에 통합될 수 있다. 여기서, SiPM은 SPAD들의 어레이를 포함하고, 각각의 SPAD(210)는 저항성, 용량성 및 광 감지 엘리먼트들, 이를테면, 저항기, 커패시터 및 포토다이오드를 각각 포함한다. 당업자는, 원하는 기능에 따라 변동될 수 있는, 이러한 엘리먼트들의 통상적인 값들 및/또는 다른 특성들을 인지할 것이다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 커패시턴스의 값들은 펨토패럿 범위(femtofarad range) 내에 있을 수 있고, 구현에 사용된 저항은, 어레이 설계가 최적화되는 방법에 따라 광범위한 값들에 걸쳐 있을 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 퀀치 저항기(quench resistor)에 대해 작용하는 커패시턴스의 RC 시간 상수는 10 nS 이하일 수 있다. 이들 실시예들에서, 도 3의 각각의 커패시터와 직렬인 저항기는 제로(예컨대, 저항기가 생략됨)로부터, 10 nS보다 더 짧은 RC 시간 상수를 생성하는 임의의 값까지의 범위 중 어딘가에 있을 수 있다. 다른 실시예들은 이러한 예의 값들을 초과하는 그리고/또는 이 값 미만인 값들을 가질 수 있다.
[0025]
어레이의 크기가 원하는 기능성에 따라 변동될 수 있음이 이해될 것이다. 즉, 도 2에 예시된 SiPM(200)이 예시된 25개의 SPAD들만을 갖지만, 실시예들은 원하는 기능성에 따라 더 많거나 더 적은 수의 SPAD들을 가질 수 있다. 일부 실시예들은, 예컨대, 수백, 수천 또는 수백만 개 또는 그 초과의 SPAD들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전체 SiPM(및 선택적으로 도 2에 도시된 추가 회로의 일부)은 단일 반도체 다이 상에 구현될 수 있다. 당업자는 도 2에 도시된 기본 레이아웃에 대한 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 사실을 인지할 것이다. 어레이가 SiPM(200)으로서 설명되지만, 일부 실시예들이 실리콘 이외에 또는 이에 대한 대안으로서의 재료들을 활용하는 포토멀티플라이어 어레이들을 활용할 수 있다는 것이 또한 유의될 수 있다.
[0026]
이러한 실시예에서, SiPM(200)은 복수의 행-선택 트랜지스터들(220)뿐만 아니라 복수의 열-선택 트랜지스터들(230)을 활용하여, 제어 회로(이를테면, 마이크로프로세서 또는 다른 프로세싱 회로)가, 이들 트랜지스터들을 활성화함으로써, 특정 순간에 감지하기 위해 어레이 내의 어떤 SPAD들을 사용할지를 선택하는 것을 가능하게 한다. 즉, 이들 행-선택 트랜지스터들(220) 및 열-선택 트랜지스터들(230)은, 활성화될 때, 제어 회로가 SiPM(200)의 특정 서브세트를 "활성화"하는 것을 가능하게 할 수 있다. 원하는 기능성, 제조 관심사항들 및/또는 다른 요인들에 따라, 이들 트랜지스터들은 NPN, PNP, N- 또는 P- 채널 MOSFET들 또는 다른 타입들을 포함할 수 있다. 일반적으로 말하자면, 트랜지스터의 크기는, 그 트랜지스터에 의해 병렬로 구동되는 모든 퀀치 저항기들보다 실질적으로 더 작은, 드레인과 소스(RDS(on)) 사이의 온(on) 저항을 갖기에 충분히 크거나, 2 볼트 초과의 강하 없이 행 또는 열에 의해 필요로 되는 최악-경우 전류를 구동시키기에 충분히 작을 수 있다. 일부 실시예들에서, 전압 정격(rating)은 30V 또는 가능하게는 그 초과일 수 있다. 그러나, 이것은 사용된 광 검출기에 따라 변동될 수 있다.
[0027]
SPAD 및 APD 둘 모두는 바이어스 전압(240)에 의해 설정된 바이어스 전압의 양에 민감하다. 센서의 항복(breakdown) 전압까지, SPAD 및 APD의 게인은 최대 광자 당 하나의 전자일 수 있다. 센서의 효율로 인해, 실제 감도는 실질적으로 광자 당 하나의 전자 미만일 수 있다. 그러나, 바이어스 전압이 항복 전압 이상으로 증가할 때, APD 및 SPAD의 감도가 증가한다. (도 2에 도시된 바와 같이) 캐소드들이 행들에 연결되고 애노드들이 열들에 연결된 매트릭스로의 SiPM SPAD 마이크로셀들의 어레인지먼트에 대해, 높은 게인을 갖는 활성 영역을 선택하기 위해 바이어스 전압을 행들 및 열들에 드라이빙함으로써, 높은 게인 셀들의 영역이 달성될 수 있다. 높은 역 바이어스가 없는 선택되지 않은 셀들은 매우 낮은 게인을 갖는 반면에, 활성 영역(행- 및 열-선택 트랜지스터들을 사용하여 선택됨)은 20^5 또는 그 초과의 게인을 갖는다. 다수의 인접한 행들 및 다수의 인접한 열들을 선택함으로써, 원하는 정사각형 또는 직사각형 영역이 선택될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들은 비-직사각형 영역이 선택될 수 있도록 수정될 수 있다.
[0028]
SPAD 셀들의 그루핑(grouping)은, 동일한 행 또는 열에 속하는 모든 셀들을 고려하지 않고, 열 단위(column by column), 행 단위(row by row) 또는 SPAD 셀들의 임의적인 그루핑일 수 있다. SPAD 셀들에서 구동의 극성(polarity)이 역 바이어싱(reverse biase)되는 한, 애노드들 및 캐소드들이 교체되거나, 행들 및 열들이 교환되면, 도 2에 예시된 구조(뿐만 아니라 아래의 도 3의 구조)가 작동한다는 것이 유의될 수 있다.
[0029]
각각의 SPAD로부터의 신호 레벨은 상당히 높을 수 있다. 이러한 값은 얼마나 많은 SPAD 셀들이 함께 연결되는지에 의존한다. 예컨대, 단일 SPAD 셀은 단독으로 5V를 생성할 수 있지만, 단일 SPAD 셀이 동일한 열에서 1000개의 다른 SPAD 셀들과 함께 연결되면, 다른 셀의 로딩(loading)은 그 전압을 5mV로 강하할 것이다. 다른 실시예들은 원하는 기능성에 따라 더 높거나 더 낮은 신호 레벨들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, SPAD들의 더 작은 어레이들에 대해, 용량성 커플링된 셀 출력들 모두는 함께 결합되어(tied) 단일 출력을 형성할 수 있다. 바이어싱되지 않은 SPAD 셀들은 광자에 의해 타격(hit)되는 것에 대한 최소 응답을 생성할 것인 반면에, 바이어싱된 셀들은 광자 당 전자들에 관련하여 매우 높은 게인을 가질 것이다. 어레이 크기가 더 커짐에 따라, 용량성 커플링된 출력들은 마이크로셀들의 그룹들로 분해되고, 연결된 셀들 사이의 전압 분할(voltage division)로 인해 신호 레벨이 너무 작게 되는 것을 방지하기 위해 멀티플렉서 또는 피크 검출기에 연결될 필요가 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 스위치들의 세트 또는 멀티플렉서가 사용되면, 이는 도 3의 각각의 행의 출력에(증폭기 뒤에) 있을 수 있다. 대안적인 실시예들은 각각의 증폭기 앞의 행들을 연결할 수 있지만, 활성 셀들로부터의 신호는 총수의 셀들에 의해 분할될 것이다. 매우 큰 어레이들(예컨대, 수백 개의 마이크로셀들 또는 그 초과를 갖는 어레이들)에 대해, 마이크로셀 그룹들은, 합산되거나 멀티플렉싱되기 전에 증폭될 수 있다. 이것은, 신호가 증폭 전에 너무 약해지는 것을 방지함으로써 신호 대 잡음비를 더 개선할 것이다.
[0030]
도 2에서, 결합 회로(이를테면, 멀티플렉서들 및/또는 증폭기들)는 도시되지 않았지만, 원하는 기능성에 따라 사용될 수 있다는 것이 유의될 수 있다. SiPM(200)의 열들 각각은, SiPM(200)의 출력을 검출하는 데 활용되는 출력(도 2에서 "OUT"로 라벨링됨)을 갖는다. 결합 회로가 활용되면, 결합 회로는 도 3에 예시된 실시예와 유사한 방식으로 이들 열 출력들 중 하나 또는 그 초과를 결합할 수 있다.
[0031]
도 3은 상이한 실시예에 따른 SiPM(300)의 간략화된 개략도이다. 여기서, 행-선택 트랜지스터들(320) 및 열-선택 트랜지스터들(330)은 FET들(field-effect transistors)이다. 다른 실시예들은 부가적으로 또는 대안적으로 제조 관심사항들, 원하는 기능성 및/또는 다른 요인들에 따라 다른 타입들의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 각각의 SPAD 셀(310)은, 도 3의 SPAD 셀들(310)이 다른 SPAD들의 커패시턴스들의 영향들을 감소시키기 위해 부가적인 출력 저항기 엘리먼트를 포함한다는 점에서, 도 2의 SPAD 셀들(210)과 약간 상이하다. 이어서, 하위-구동-세기 신호는, 검출을 위해 전달되기 전에, 구동 세기를 증가시키기 위해 트랜스 임피던스 증폭기들(TIA들)(350)의 층에 의해 증폭된다. TIA들(350) 외에 또는 이에 대한 대안으로 광대역 증폭기들이 활용될 수 있음이 유의될 수 있다. 도 2의 SiPM(200)이 유사한 방식으로 TIA들(350)을 활용할 수 있다는 것이 추가로 유의될 수 있다.
[0032]
그러나, 이러한 출력 저항성 엘리먼트들이 선택적이라는 것이 유의되어야 한다. BJT들(bipolar junction transistors) 및/또는 FET들(이를테면, 도 2 및 3에 각각 예시된 것들)을 활용하는 실시예들은 원하는 기능성에 따라 그러한 부가적인 저항성 엘리먼트들을 포함하거나 생략하도록 선택할 수 있다. 이러한 부가적인 저항성 엘리먼트들의 존재 및/또는 값은, 출력 펄스가 형상화되는 방법을 결정할 수 있다. 당업자는, 그러한 부가적인 저항성 엘리먼트들을 포함할지 여부 및 그들이 무슨 값들을 가질 수 있는지를 결정하는 데 활용될 수 있는 요인들을 인지할 것이다. 일부 실시예들에서, 이들 저항성 엘리먼트들은 간단히 기생(parasitic) 저항성 엘리먼트들일 수 있다.
[0033]
도 2에서와 같이, 실시예들은 원하는 기능성에 따라, 도 3에 예시된 SiPM(300)에 예시된 것들보다 더 많거나 더 적은 수의 SPAD들을 사용할 수 있다. 다시, 실시예들은, 예컨대, 수백, 수천 또는 수백만 개의 SPAD들(또는 그 초과)을 포함할 수 있다.
[0034]
이전에 표시된 바와 같이, 도 2 및 3에서 각각 활용된 바이어스 전압들(240 및 340)은, (행- 및 열-선택 트랜지스터들을 통해) 활성화될 때, SPAD들의 감도를 결정하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 바이어스 전압들은 동적일 수 있어서, SiPM이, 예컨대, 조명 조건들 및/또는 다른 요인들에 따라 가변적으로 민감한 출력을 제공하는 것을 가능하게 한다. SPAD의 바이어스 전압을 조정하는 것은 감도를 변경할 수 있다. 바이어스 값은 활성인 셀들 모두에 대해 동일할 가능성이 있을 것이다(비활성 셀들은 바이어싱되지 않음). 다른 실시예들에서, 이러한 바이어스 전압들은 정적이고 그리고/또는 공장에서 설정될 수 있다.
[0035]
라이더 애플리케이션에서, 활성 행들 및 열들은, 레이저가 발사되기 마이크로초 또는 그 초과 전에 선택될 수 있다. 이전에 표시된 바와 같이, 행-선택 트랜지스터들(220, 320) 및 열-선택 트랜지스터들(230, 330)을 활성화화는 데 사용되는 행- 및/또는 열-선택 신호들은 프로세싱 유닛 또는 다른 로직(예컨대, 도 1의 프로세싱 유닛(110))에 의해 생성될 수 있고, 이는 라이더 송신 회로와 통신하고 그리고/또는 라이더 송신 회로의 제어 하에 있을 수 있다. 이와 같이, 프로세싱 유닛 또는 다른 로직은, 라이더 송신 회로가 레이저 빔을 송신할 각도 및/또는 스폿 크기를 알 수 있고, 알려진 각도 및/또는 스폿 크기에 대응하여 SiPM에서 SPAD들의 행들 및 열들을 선택할 수 있다. 라이더 송신 회로가 레이저 빔을 발사할 때 SiPM의 대응하는 SPAD들이 활성화되면(그리고 SPAD들의 나머지는 비활성 상태로 유지됨), 이는 SiPM이 더 높은 SNR, 결과적으로 더 정확한 라이더 기능을 제공하는 것을 가능하게 할 것이다.
[0036]
도 4는 실시예에 따른 단일 SPAD의 개략도이다. 여기서, SPAD는 전류-제한 또는 바이어스/퀀치 저항기(410), 고속 용량성 구조(420), 선택적인 출력 저항기(430) 및 포토다이오드(440)를 포함한다. 위에 표시된 바와 같이, 입력 바이어스 전압은 광 검출 감도를 결정할 수 있다. 전류-제한 또는 바이어스/퀀치 저항기(410)에 대한 값은, 포토다이오드(440)가 광을 검출할 때, 인출되는 전류의 양을 제한하도록 결정될 수 있다. 용량성 구조(420) 및 선택적인 출력(디커플링) 저항기(430)에 대한 값들은, SPAD들의 출력을 결합 및/또는 측정하는 데 활용되는 회로에 대한 요건들에 기반하여 알려진 기술들에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에 따라, SPAD의 모든 컴포넌트들(및 실제로 전체 SiPM 및 선택적으로 TIA들과 같은 지원 회로)은 단일 반도체 다이 상에 구현될 수 있다. 이러한 다이는 집적 회로(IC) 패키지로 패키징되어, 더 큰 라이더 또는 다른 이미징 디바이스들에 활용될 수 있다.
[0037]
도 5는 일부 실시예들에 따른, SiPM의 일부의 활성화를 가능하게 하는 방법(500)의 흐름도이다. 대안적인 실시예들이 도 5에 예시된 것들로부터 부가적인 또는 대안적인 기능들을 활용할 수 있음이 이해될 것이다.
[0038]
블록(510)에서, 복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD들의 어레이에서, SPAD들의 어레이의 일부분은 행들의 서브세트 및 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 바이어스 전압을 제공함으로써 활성화된다. 도 2-3에 도시된 실시예들에서 예시된 바와 같이, 바이어스 전압은, 대응하는 행-선택 및/또는 열-선택 트랜지스터들을 활성화함으로써 각각의 SPAD의 입력들에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 SPAD는 제1 입력, 제2 입력, 및 출력과 전기적으로 연결된 저항성, 용량성 및 광 검출 엘리먼트들을 포함하며, 복수의 행들의 각각의 행은, 활성화될 때, 행 내의 각각의 SPAD의 제1 입력들이 바이어스 전압을 수신하게 하는 대응하는 행-선택 트랜지스터를 갖고, 복수의 행들의 각각의 열은 열 내의 각각의 SPAD의 제2 입력들과 연결된 대응하는 열-선택 트랜지스터를 가지며, 각각의 열에 대해, 열 내의 각각의 SPAD의 출력들은 그 열에 대한 열 출력과 연결된다. 이전에 설명된 바와 같이, 이러한 트랜지스터들의 활성화는 트랜지스터들을 활성화하기 위한 신호들을 생성하도록 구성된 프로세싱 유닛(이를테면, 마이크로프로세서) 및/또는 다른 로직으로 행해질 수 있다. 활성화를 위해 선택된 행들 및 열들은, 반사된 레이저 광을 수신할 것으로 예상되는 그러한 SPAD들에 대응할 수 있다(이러한 결정은 또한 프로세싱 유닛 및/또는 다른 로직에 의해 이루어질 수 있음).
[0039]
블록(520)에서, SPAD들의 어레이의 열들 각각의 출력이 판독된다. 이전에 표시된 바와 같이, 이것은 다양한 타입들의 회로 중 임의의 것에 의해 행해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 출력들이 정확하게 판독되는 것을 보장하기 위해, 멀티플렉서는 블록(510)에서 선택된 SPAD들의 열들의 출력들만을 판독하기 위해 활용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 이들 출력들은 TIA들 및/또는 다른 타입들의 증폭기들에 의해 증폭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력들은 프로세싱 유닛(이를테면, 도 1의 프로세싱 유닛(110)) 및/또는 다른 프로세싱 회로에 제공될 수 있다.
[0040]
본원에 설명된 다른 실시예들에서와 같이, 도 5에 예시된 방법(500)은 원하는 기능성에 따라 변동될 수 있다. 예컨대, 블록(510)에서 활용되는 트랜지스터들은 BJT들(bipolar junction transistors) 및/또는 FET들(field-effect transistors)을 포함할 수 있다. 각각의 SPAD는 SPAD의 출력과 커플링된 출력 저항기를 포함할 수 있다.
[0041]
특정 요건들에 따라 상당한 변형들이 이루어질 수 있음이 당업자들에게 명백할 것이다. 예컨대, 커스터마이징된 하드웨어가 또한 사용될 수도 있고, 그리고/또는 특정 엘리먼트들이 하드웨어, (애플릿들 등과 같은 포터블 소프트웨어를 포함하는) 소프트웨어, 또는 이 둘 모두로 구현될 수 있다. 또한, 네트워크 입력/출력 디바이스들과 같은 다른 컴퓨팅 디바이스들에 대한 접속이 이용될 수 있다.
[0042]
첨부된 도면들을 참조하여, 메모리를 포함할 수 있는 컴포넌트들은 비-일시적 기계 판독 가능 매체들을 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 "기계 판독 가능 매체" 및 "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 기계가 특정 방식으로 작동하게 하는 데이터의 제공에 관여하는 임의의 저장 매체를 지칭한다. 위에서 제공된 실시예들에서는, 실행을 위해 프로세싱 유닛들 및/또는 다른 디바이스(들)에 명령들/코드를 제공하는 데 다양한 기계 판독 가능 매체들이 수반될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 기계 판독 가능 매체들은 이러한 명령들/코드를 저장 및/또는 반송(carry)하는 데 사용될 수 있다. 많은 구현들에서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 물리적 그리고/또는 유형의 저장 매체이다. 이러한 매체는 비휘발성 매체들, 휘발성 매체들, 및 송신 매체들을 포함하지만 이에 한정된 것은 아닌 많은 형태들을 취할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체들의 일반적인 형태들은, 예컨대, 자기 및/또는 광학 매체들, 펀치카드들, 페이퍼테이프, 홀들의 패턴들을 가진 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM, EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 이후에 설명되는 반송파, 또는 컴퓨터가 명령들 및/또는 코드를 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다.
[0043]
본원에서 논의한 방법들, 시스템들 및 디바이스들은 예들이다. 다양한 실시예들은 다양한 절차들 또는 컴포넌트들을 적절히 생략, 치환 또는 추가할 수 있다. 예컨대, 특정 실시예들에 관해 설명되는 특징들은 다양한 다른 실시예들로 조합될 수 있다. 실시예들의 서로 다른 양상들 및 엘리먼트들이 비슷한 방식으로 결합될 수 있다. 본원에서 제공된 도면들의 다양한 컴포넌트들은 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 또한, 기술이 진화하며, 이에 따라 엘리먼트들 중 다수는 본 개시내용의 범위를 그러한 특정 예들로 한정하지 않는 예들이다.
[0044]
주로 일반적인 용법의 이유들로, 이러한 신호들을 비트들, 정보, 값들, 엘리먼트들, 심벌들, 문자들, 변수들, 항들, 번호들, 숫자들 등으로 지칭하는 것이 때로는 편리하다고 판명되었다. 그러나 이러한 또는 유사한 용어들 전부는 적절한 물리량들과 연관되어야 하며 단지 편리한 라벨들일 뿐이라고 이해되어야 한다. 구체적으로 달리 명시되지 않는다면, 상기 논의로부터 명백하듯이, 본 명세서 전반에서 "프로세싱," "컴퓨팅," "계산," "결정," "확인," "식별," "연관," "측정," "수행" 등과 같은 용어들을 이용한 논의들은 특수 목적의 컴퓨터 또는 유사한 특수 목적의 전자 컴퓨팅 디바이스와 같은 특정 장치의 동작들 또는 프로세스들과 관련이 있다고 인식된다. 따라서, 본 명세서와 관련하여, 특수 목적의 컴퓨터 또는 유사한 특수 목적의 전자 컴퓨팅 디바이스는 특수 목적의 컴퓨터 또는 비슷한 특수 목적의 전자 컴퓨팅 디바이스의 메모리들, 레지스터들, 또는 다른 정보 저장 디바이스들, 송신 디바이스들 또는 디스플레이 디바이스들 내에서 물리적 전자량, 전기량 또는 자기량으로서 통상적으로 표현되는 신호들을 조작하거나 변환할 수 있다.
[0045]
본원에서 사용된 것과 같은 "및" 그리고 "또는"이라는 용어들은 이러한 용어들이 사용되는 맥락에 적어도 부분적으로 좌우되는 것으로도 또한 예상되는 다양한 의미들을 포함할 수 있다. 통상적으로, "또는"이 A, B 또는 C와 같이 리스트를 연관시키는 데 사용된다면, 여기서는 배타적인 의미로 사용되는 A, B 또는 C는 물론, 여기서는 포괄적인 의미로 사용되는 A, B 그리고 C를 의미하는 것으로도 의도된다. 또한, 본원에서 사용된 "하나 또는 그 초과"라는 용어는 임의의 특징, 구조 또는 특성을 단수로 설명하는 데 사용될 수 있거나 특징들, 구조들 또는 특성들의 어떤 결합을 설명하는 데 사용될 수 있다. 그러나 이는 단지 예시적인 예일 뿐이며 청구 대상은 이러한 예로 한정되는 것은 아니라는 점이 유의되어야 한다. 게다가, "~ 중 적어도 하나"라는 용어는, A, B 또는 C와 같은 리스트를 연관시키는 데 사용된다면, A, B 및/또는 C의 임의의 결합, 이를테면 A, AB, AA, AAB, AABBCCC 등을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
[0046]
여러 실시예들을 설명했지만, 본 개시내용의 사상을 벗어나지 않으면서 다양한 변형들, 대안적인 구성들 및 등가물들이 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 엘리먼트들은 단지 더 큰 시스템의 컴포넌트일 수 있으며, 여기서는 다른 규칙들이 본 발명의 적용에 우선하거나 아니면 이를 수정할 수 있다. 또한, 위의 엘리먼트들이 고려되기 전, 도중 또는 이후에 다수의 단계들이 수행될 수 있다. 이에 따라, 위의 설명은 본 개시내용의 범위를 한정하지 않는다.
Claims (20)
- 광학 센서로서,
복수의 행(row)들 및 복수의 열(column)들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이를 포함하고,
각각의 SPAD는 저항성 엘리먼트, 용량성 엘리먼트, 및 광 검출 엘리먼트(photo detection element)를 갖고, 그리고 제1 입력, 제2 입력, 및 출력을 더 포함하고;
상기 복수의 행들의 각각의 행은, 활성화될 때, 상기 행에서의 각각의 SPAD의 상기 제1 입력으로 하여금 바이어스 전압(bias voltage)을 수신하게 하는 대응하는 행-선택 트랜지스터를 갖고;
상기 복수의 행들의 각각의 열은 상기 열에서의 각각의 SPAD의 상기 제2 입력과 연결된 대응하는 열-선택 트랜지스터를 갖고; 그리고
각각의 열에 대해, 상기 열에서의 각각의 SPAD의 출력은 상기 열에 대한 열 출력과 연결되는,
광학 센서. - 제1 항에 있어서,
각각의 SPAD의 광 검출 엘리먼트는 APD(avalanche photodiode)를 포함하는,
광학 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 행-선택 트랜지스터들 및 열-선택 트랜지스터들은 BJT(bipolar junction transistor)들을 포함하는,
광학 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 행-선택 트랜지스터들 및 열-선택 트랜지스터들은 FET(field-effect transistor)들을 포함하는,
광학 센서. - 제1 항에 있어서,
각각의 SPAD는 상기 SPAD의 출력과 상기 용량성 엘리먼트 사이에 커플링된 저항기를 포함하는,
광학 센서. - 제1 항에 있어서,
각각의 열 출력은 추가로 트랜스 임피던스 증폭기(trans impedance amplifier)의 입력에 연결되는,
광학 센서. - 복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이의 일부를 활성화하는 방법으로서,
상기 복수의 행들의 서브세트 및 상기 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 바이어스 전압을 제공함으로써 상기 SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하는 단계; 및
상기 SPAD들의 어레이 내의 상기 복수의 열들 각각의 출력을 판독하는 단계를 포함하는,
복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이의 일부를 활성화하는 방법. - 제7 항에 있어서,
각각의 SPAD는 APD(avalanche photodiode)를 포함하는,
복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이의 일부를 활성화하는 방법. - 제7 항에 있어서,
상기 복수의 행들의 서브세트 및 상기 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 상기 바이어스 전압을 제공하기 위해 행-선택 BJT(bipolar junction transistor)들 및 열-선택 BJT들을 사용하는 단계를 더 포함하는,
복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이의 일부를 활성화하는 방법. - 제7 항에 있어서,
상기 복수의 행들의 서브세트 및 상기 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 상기 바이어스 전압을 제공하기 위해 행-선택 FET(field-effect transistor)들 및 열-선택 FET들을 사용하는 단계를 더 포함하는,
복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이의 일부를 활성화하는 방법. - 제7 항에 있어서,
각각의 SPAD는 상기 SPAD의 출력과 용량성 엘리먼트 사이에 커플링된 저항기를 포함하는,
복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이의 일부를 활성화하는 방법. - 제7 항에 있어서,
상기 SPAD들의 어레이 내의 상기 복수의 열들 각각의 출력을 판독하는 단계는 트랜스 임피던스 증폭기를 사용하여 상기 SPAD들의 어레이 내의 상기 복수의 열들 각각의 출력을 증폭하는 단계를 포함하는,
복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이의 일부를 활성화하는 방법. - 제7 항에 있어서,
행-선택 및 열-선택 트랜지스터들을 활성화함으로써, 상기 복수의 행들의 서브세트 및 상기 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 상기 바이어스 전압을 제공하기 위해 프로세싱 유닛을 사용하는 단계를 더 포함하는,
복수의 행들 및 복수의 열들을 갖는 SPAD(single photon avalanche device)들의 어레이의 일부를 활성화하는 방법. - 장치로서,
복수의 행들의 서브세트 및 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD(single photon avalanche device)에 바이어스 전압을 제공함으로써 상기 복수의 행들 및 상기 복수의 열들을 갖는 SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하기 위한 수단; 및
상기 SPAD들의 어레이 내의 상기 복수의 열들 각각의 출력을 판독하기 위한 수단을 포함하는,
장치. - 제14 항에 있어서,
각각의 SPAD는 APD(avalanche photodiode)를 포함하는,
장치. - 제14 항에 있어서,
상기 SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하기 위한 수단은 행-선택 BJT(bipolar junction transistor)들 및 열-선택 BJT들을 포함하는,
장치. - 제14 항에 있어서,
상기 SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하기 위한 수단은 행-선택 FET(field-effect transistor)들 및 열-선택 FET들을 포함하는,
장치. - 제14 항에 있어서,
각각의 SPAD는 상기 SPAD의 출력과 용량성 수단 사이에 커플링된 전기 저항을 제공하기 위한 수단을 포함하는,
장치. - 제14 항에 있어서,
상기 SPAD들의 어레이 내의 상기 복수의 열들 각각의 출력을 판독하기 위한 수단은 상기 SPAD들의 어레이 내의 상기 복수의 열들 각각의 출력을 증폭하기 위한 수단을 더 포함하는,
장치. - 제14 항에 있어서,
상기 SPAD들의 어레이의 일부를 활성화하기 위한 수단은, 행-선택 및 열-선택 트랜지스터들을 활성화함으로써 상기 복수의 행들의 서브세트 및 상기 복수의 열들의 서브세트 내의 각각의 SPAD에 상기 바이어스 전압을 제공하기 위한 프로세싱 수단을 포함하는,
장치.
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