KR20230036978A - FLASH LiDAR SENSOR USING ZOOM HISTOGRAMMING TIME-TO-DIGITAL CONVERTER - Google Patents

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KR20230036978A
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조준희
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Abstract

The present invention relates to a flash LiDAR sensor using a zoom histogramming time-to-digital converter (TDC). An aspect of the present invention relates to a LiDAR sensor including a plurality of pixels, wherein each of the plurality of pixels includes a TDC using a histogram method, the TDC performs a histogramming operation using M/2 number of up-down counters (UDC), the TDC divides a section to be measured into M number of time bins, and each of the M number of time bins is allocated to correspond to either an up count or a down count of the M/2 number of UDCs. Therefore, provided is a LiDAR sensor capable of improving the accuracy of distance (depth) information by reducing the influence of background light.

Description

줌 히스토그래밍 TDC를 이용한 플래시 라이다 센서{FLASH LiDAR SENSOR USING ZOOM HISTOGRAMMING TIME-TO-DIGITAL CONVERTER}Flash lidar sensor using zoom histogramming TDC {FLASH LiDAR SENSOR USING ZOOM HISTOGRAMMING TIME-TO-DIGITAL CONVERTER}

본 발명은 라이다 센서(LiDAR sensor)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 줌 히스토그래밍 TDC(zoom histogramming time-to-digital converter)를 이용한 플래시 라이다 센서(flash LiDAR Sensor)에 관한 것이다.The present invention relates to a LiDAR sensor. Specifically, the present invention relates to a flash LiDAR sensor using a zoom histogramming time-to-digital converter (TDC).

최근 모바일 기기에서 구동되는 메타버스 애플리케이션이나 무인자동차가 주목을 받으면서 깊이 이미지 획득을 위한 요구가 증가하고 있다. 비행 시간(ToF; time of flight) 기술을 기반으로 한 광 검출 및 거리 측정 센서(LiDAR sensor)는 실시간 거리 측정의 유력한 후보 중 하나이다. ToF 기법은 깊이 맵(depth map) 추출 정보가 레이저 펄스의 시간차 또는 조사광과 반사광의 변조된 위상차 중의 어느 것인지에 따라 주로 직접 ToF(dToF)와 간접 ToF(iToF)로 분류할 수 있다. iToF 센서는 높은 공간 분해능과 낮은 깊이 오류를 제공하는데 유용하지만, 일반적으로 낮은 광학 이득과 변조 파형의 주기에 의해 최대 거리가 제한된다. 또한 iToF 센서는 배경광(background light)에 취약하여 실외 환경에서 단점을 가진다. 대조적으로, 고감도 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD; Single Photon Avalanche Diode)를 사용하는 dToF 센서는 탐지 가능한 범위를 수백 미터까지 확장할 수 있다. 또한, 동시 발생 감지 회로(CDC; Coincidence Detection Circuit)를 가지고 시간-상관 단일 광자 카운팅(TCSPC; Time-Correlated Single Photon Counting) 방법을 사용하는 시간-디지털 컨버터(TDC; Time-to-Digital Converter)는 배경광을 효과적으로 감쇄시켜 dToF 센서를 야외에서 사용하기에 적합하도록 한다.Recently, as metaverse applications or unmanned vehicles running on mobile devices are attracting attention, the demand for depth image acquisition is increasing. A light detection and ranging sensor (LiDAR sensor) based on time of flight (ToF) technology is one of the promising candidates for real-time distance measurement. The ToF technique can be mainly classified into direct ToF (dToF) and indirect ToF (iToF) depending on whether depth map extraction information is a time difference of laser pulses or a modulated phase difference between irradiation light and reflected light. iToF sensors are useful for providing high spatial resolution and low depth error, but their maximum distance is usually limited by their low optical gain and the period of the modulating waveform. In addition, the iToF sensor is vulnerable to background light, which has disadvantages in outdoor environments. In contrast, dToF sensors using highly sensitive single photon avalanche diodes (SPADs) can extend their detectable range to hundreds of meters. In addition, a Time-to-Digital Converter (TDC) using a Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) method with a Coincidence Detection Circuit (CDC) Effective attenuation of background light makes the dToF sensor suitable for outdoor use.

눈의 안전성을 고려하여 광출력 밀도가 제한된다는 점에서 보면, 한정된 출력의 광을 작은 영역에 집중시켜 최대 거리를 증가시키는 단일점 또는 1-D 라인형 이미터(emitter)가 바람직할 수 있다. 이 경우, 작은 시야(FoV; Field of View)를 사용하여 주변 물체를 스캔하려면 이미터와 검출기를 모두 갖춘 1-D 라이다 모듈용 회전 거울이 필요하다. 그러나 가혹한 환경에서도 내구성이 높아야 하는 섬세한 광학계를 지원하기 위한 스캐닝 구조는 사이즈가 클 뿐만 아니라 저렴하게 구현하기 어렵다는 문제가 있다. In view of eye safety considerations and limited light power density, a single point or 1-D line type emitter that increases the maximum distance by concentrating light of limited power into a small area may be desirable. In this case, a rotating mirror for a 1-D lidar module with both emitter and detector is required to scan surrounding objects using a small field of view (FoV). However, a scanning structure for supporting a delicate optical system that requires high durability even in a harsh environment has a problem in that it is not only large in size but also difficult to implement at low cost.

모바일 애플리케이션에서는 탐지 범위는 수십 미터 미만이더라도 작은 크기의 비용 효율적인 라이다 센서가 적합하므로 회전 장비를 사용하지 않는 풀-플래시(full-flash) 방식의 라이다 센서가 현재 집중적으로 개발되고 있다. 이들은 3D 적층 공정을 채택하고 TDC(Time-to-Digital Converter)를 공유해 픽셀 크기를 줄이고 공간 해상도를 높이려고 시도하고 있지만 여전히 해결해야 할 과제가 많다.In mobile applications, even if the detection range is less than several tens of meters, small-sized and cost-effective lidar sensors are suitable, so full-flash type lidar sensors that do not use rotating equipment are currently being intensively developed. They are attempting to reduce pixel size and increase spatial resolution by adopting a 3D stacking process and sharing a time-to-digital converter (TDC), but there are still many challenges to overcome.

픽셀 축소를 방해하는 가장 중요한 문제 중 하나는 어레이 크기에 비례하여 수십 GS/s의 ToF 데이터를 저장하는 대용량 메모리이다. TCSPC 방식은 수집된 ToF 값의 히스토그램을 그려야 하므로 모든 레이저 샷에 대해 픽셀 어레이에서 생성된 모든 데이터를 기록해야 한다. 기존의 라이다 센서는 히스토그램 기능을 히스토그램 TDC(hTDC; histogram TDC)라고 하는 TDC에 통합하면서 모든 시간 빈(time bin)에 대한 카운터를 지정하는 방식을 사용했는데, 이러한 방식은 깊이 분해능(depth resolution)에 대응하여 카운터의 수가 증가하므로 카운터가 넓은 영역을 차지한다는 문제가 있다. One of the most important issues hindering pixel shrinkage is the large memory capacity that stores tens of GS/s of ToF data proportional to the size of the array. The TCSPC method needs to draw a histogram of the collected ToF values, so it needs to record all the data generated by the pixel array for every laser shot. Existing lidar sensors used a method of integrating a histogram function into a TDC called histogram TDC (hTDC) and designating a counter for every time bin. Since the number of counters increases correspondingly, there is a problem that the counter occupies a wide area.

라이다 센서의 또 다른 문제는 배경광(background light)에 의한 노이즈이다. 라이다 센서는 피사체에서 반사되는 광을 배경광으로부터 분리하여 검출해야 하는데 배경광이 강한 경우 반사광을 배경광과 분리하여 검출하기가 쉽지 않다는 문제가 있다.Another problem with lidar sensors is noise caused by background light. The lidar sensor needs to separate and detect the light reflected from the subject from the background light. However, when the background light is strong, it is not easy to separate the reflected light from the background light and detect it.

본 발명의 일 목적은 배경광의 영향을 줄여 거리(깊이) 정보의 정확성을 높일 수 있는 라이다 센서를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a lidar sensor capable of increasing the accuracy of distance (depth) information by reducing the influence of background light.

본 발명의 일 목적은 메모리 요구를 줄일 수 있는 라이다 센서를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a lidar sensor capable of reducing memory requirements.

본 발명의 일 목적은 프레임 레이트를 효과적으로 증가시킬 수 있는 라이다 센서를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a lidar sensor capable of effectively increasing the frame rate.

본 발명의 일 목적은 높은 대역폭을 가지는 카운터를 사용하지 않고도 고속의 광 검출신호를 처리할 수 있는 라이다 센서를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a lidar sensor capable of processing a high-speed photodetection signal without using a counter having a high bandwidth.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 복수의 픽셀을 포함하는 라이다 센서에 있어서, 상기 복수의 픽셀의 각각은 히스토그램(histogram) 방식의 시간-디지털 컨버터(TDC)을 포함하고, 상기 시간-디지털 컨버터(TDC)는 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)를 활용하여 히스토그램 동작을 수행하되, 상기 시간-디지털 컨버터(TDC)는 측정 대상 구간을 M 개의 시간 빈(time bin)으로 나누고, 상기 M 개의 시간 빈의 각각은 상기 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 업 카운트와 다운 카운트의 어느 하나에 대응하도록 할당되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서이다.One aspect of the present invention for achieving the above object is a lidar sensor including a plurality of pixels, each of the plurality of pixels including a histogram-type time-to-digital converter (TDC), The time-to-digital converter (TDC) performs a histogram operation using M/2 up-down counters (UDC), and the time-to-digital converter (TDC) divides the measurement target section into M time bins. Divided by , and each of the M time bins is a lidar sensor, characterized in that allocated to correspond to one of the up count and down count of the M / 2 up-down counters (UDC).

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 M 개의 시간 빈에는 상기 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 각각에 대해 업 카운트에 대응되는 시간 빈과 다운 카운트에 대응되는 시간 빈이 실질적으로 동일한 길이로 포함되어, 배경광에 의한 노이즈 펄스가 상기 M 개의 시간 빈에 균일하게 분포하는 경우 상기 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 각각은 노이즈 펄스에 의한 업 카운트와 다운 카운트가 실질적으로 동일한 횟수로 실행되어 배경광에 의한 영향이 상쇄될 수 있다. In the lidar sensor, the M time bins include a time bin corresponding to an up count and a time bin corresponding to a down count of substantially the same length for each of the M/2 up-down counters (UDC) Therefore, when the noise pulses caused by the background light are uniformly distributed over the M time bins, each of the M/2 up-down counters UDC has substantially the same number of up counts and down counts due to the noise pulses. This can be done to cancel out the effect of background light.

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 시간-디지털 컨버터(TDC)는 복수의 단계(step)를 수행하는 제1 모드(coarse mode)를 포함하고, 상기 복수의 단계가 진행될 때마다 측정 대상 구간이 이전 단계에 비해 1/M으로 축소될 수 있다. In the lidar sensor, the time-to-digital converter (TDC) includes a first mode (coarse mode) for performing a plurality of steps, and each time the plurality of steps are performed, the measurement target section moves to the previous step. Compared to , it can be reduced to 1/M.

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 복수의 단계 중에서, 제n 단계의 M 개의 시간 빈은 제n-1 단계에서 펄스 강도가 가장 높았던 시간 빈을 다시 M개로 분할하여 생성되고, 제n 단계의 시간 빈은 제n-1 단계의 시간 빈에 비해 그 길이가 실질적으로 1/M으로 축소될 수 있다. In the lidar sensor, among the plurality of steps, the M time bins of the n-th step are generated by dividing the time bins having the highest pulse intensity in the n-1th step into M again, and the n-th step time bins. may be substantially reduced in length to 1/M compared to the time bin of the n-1th step.

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 제1 모드의 복수의 단계의 각 단계마다 펄스 강도가 가장 높은 시간 빈에 대응되는 코드가 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 일부 코드로 결정될 수 있다. In the lidar sensor, a code corresponding to a time bin having the highest pulse intensity at each step of a plurality of steps of the first mode may be determined as a partial code of the first mode time-of-flight (ToF_coarse).

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 제1 모드(coarse mode)는 제1 내지 제3 단계를 포함하고, 상기 M은 4로서 각 단계마다 시간 빈은 네 개가 생성되고, 상기 네 개의 시간 빈에는 순차적으로 00(2), 01(2), 10(2) 및 11(2)의 코드가 할당되며, 상기 제1 단계(step C1)에서 펄스 강도가 가장 강한 시간 빈의 코드가 상기 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 상위 2개 비트로 결정되고, 상기 제2 단계(step C2)에서 펄스 강도가 가장 강한 시간 빈의 코드가 상기 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 중위 2개 비트로 결정되며, 상기 제3 단계(step C3)에서 펄스 강도가 가장 강한 시간 빈의 코드가 상기 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 하위 2개 비트로 결정되어, 상기 제1 내지 제3 단계를 통해 6 비트의 상기 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)이 결정될 수 있다. In the lidar sensor, the first mode (coarse mode) includes the first to third steps, the M is 4, four time bins are generated for each step, and the four time bins are sequentially Codes of 00(2), 01(2), 10(2) and 11(2) are allocated, and the code of the time bin having the strongest pulse intensity in the first step (step C1) is the first mode flight time It is determined by the upper two bits of (ToF_coarse), and the code of the time bin having the strongest pulse intensity in the second step (step C2) is determined by the middle two bits of the first mode time-of-flight (ToF_coarse), and the third In step C3, the code of the time bin having the strongest pulse intensity is determined as the lower two bits of the first mode flight time (ToF_coarse), and the first mode flight of 6 bits through the first to third steps. Time (ToF_coarse) may be determined.

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 시간-디지털 컨버터(TDC)는 제2 모드(fine mode)를 더 포함하고, 상기 제2 모드(fine mode)에서는 상기 제1 모드(coarse mode)의 마지막 단계에서 생성된 시간 빈의 길이보다 작은 길이를 가지는 M개의 시간 빈이 생성되며, 상기 제2 모드(fine mode)의 상기 M개의 시간 빈에는 각각 소정의 위상이 할당될 수 있다. In the lidar sensor, the time-to-digital converter (TDC) further includes a second mode (fine mode), and the second mode (fine mode) is generated at the last stage of the first mode (coarse mode). M time bins having a length smaller than the length of the specified time bin are generated, and a predetermined phase may be assigned to each of the M time bins of the second mode (fine mode).

상기 라이다 센서에 있어서, M = 4이고, 상기 업-다운 카운터(UDC)는 2개이며, 상기 2개의 업-다운 카운터(UDC)의 카운트 값은 제2 모드의 ToF(ToF_fine) 값을 결정하는데 사용될 수 있다. In the lidar sensor, M = 4, the up-down counters (UDC) are two, and the count values of the two up-down counters (UDC) determine the ToF (ToF_fine) value of the second mode can be used to

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 제1 모드에서는 상기 업-다운 카운터(UDC)가 동시 발생 감지 회로(CDC)를 거쳐 생성된 신호를 카운트하고, 상기 제2 모드에서는 상기 업-다운 카운터(UDC)가 동시 발생 감지 회로(CDC)를 거치지 않은 신호를 카운트 할 수 있다. In the lidar sensor, in the first mode, the up-down counter (UDC) counts a signal generated through a simultaneous occurrence detection circuit (CDC), and in the second mode, the up-down counter (UDC) can count signals that have not passed through the simultaneous detection circuit (CDC).

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 업-다운 카운터(UDC)는 비동기/동기 혼합 방식의 카운터일 수 있다. In the lidar sensor, the up-down counter UDC may be an asynchronous/synchronous mixed counter.

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 업-다운 카운터(UDC)의 각각은 복수의 플립플롭(flip-flop)을 포함하고, 상기 복수의 플립플롭 중의 적어도 일부는 나머지 플립플롭과는 다른 신호를 클럭 입력단으로 입력 받을 수 있다. In the lidar sensor, each of the up-down counters (UDC) includes a plurality of flip-flops, and at least some of the plurality of flip-flops receive signals different from those of the other flip-flops as a clock input terminal. can be entered as

상기 라이다 센서에 있어서, 상기 복수의 플립플롭 중에서 어느 하나의 플립플롭의 클럭 입력단에는 광 검출 신호로부터 생성된 신호(SiPM)가 인가되고, 다른 플립플롭들의 클럭 입력단에는 SiPM 신호가 클럭 입력단에 인가된 상기 플립플롭의 출력 신호로부터 생성된 신호가 인가될 수 있다. In the lidar sensor, a signal (SiPM) generated from a photodetection signal is applied to a clock input terminal of one flip-flop among the plurality of flip-flops, and a SiPM signal is applied to a clock input terminal of other flip-flops. A signal generated from an output signal of the flip-flop may be applied.

상기 라이다 센서에 있어서, SiPM 신호가 클럭 입력단에 인가된 상기 플립플롭은 LSB(Least Significant Bit)를 처리하는 플립플롭일 수 있다. In the lidar sensor, the flip-flop to which the SiPM signal is applied to the clock input terminal may be a flip-flop that processes a least significant bit (LSB).

본 발명의 라이다 센서에 의하면, 배경광의 영향을 줄여 거리(깊이) 정보의 정확성을 높일 수 있다.According to the lidar sensor of the present invention, it is possible to increase the accuracy of distance (depth) information by reducing the influence of background light.

본 발명의 라이다 센서에 의하면, 메모리 요구를 줄일 수 있다.According to the lidar sensor of the present invention, memory requirements can be reduced.

본 발명의 라이다 센서에 의하면, 프레임 레이트를 효과적으로 증가시킬 수 있다.According to the lidar sensor of the present invention, the frame rate can be effectively increased.

본 발명의 라이다 센서에 의하면, 높은 대역폭을 가지는 카운터를 사용하지 않고도 고속의 광 검출신호를 처리할 수 있다.According to the lidar sensor of the present invention, a high-speed photodetection signal can be processed without using a counter having a high bandwidth.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 2개의 업-다운 카운터(UDC)를 사용하는 DIQS hTDC의 개념적 작동 원리를 도시한다.
도 2는 업-다운 카운터를 사용하여 배경광에 의한 노이즈를 억제하는 원리를 예시적으로 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 인-픽셀(In-Pixel) 시간-디지털 컨버터(TDC)를 예시한다.
도 4는 동시 발생 감지 회로(CDC)의 동작을 예시적으로 도시한다.
도 5는 도 3에서 업-다운 카운터에 의한 계수 동작 부분을 확대하여 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 업-다운 카운터를 예시한다.
도 7 및 도 8은 도 6에 예시된 업-다운 카운터의 동작 파형을 예시한다.
Figure 1 illustrates the conceptual operating principle of a DIQS hTDC using two up-down counters (UDC) as an embodiment of the present invention.
2 exemplarily illustrates a principle of suppressing noise caused by background light using an up-down counter.
3 illustrates an In-Pixel Time-to-Digital Converter (TDC) according to one embodiment.
4 exemplarily illustrates the operation of the coincidence detection circuit CDC.
FIG. 5 is an enlarged view of a counting operation part by an up-down counter in FIG. 3 .
6 illustrates an up-down counter according to one embodiment of the present invention.
7 and 8 illustrate operating waveforms of the up-down counter illustrated in FIG. 6 .

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used in describing the components of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, that element is directly connected or connectable to the other element, but there is another element between the elements. It will be understood that elements may be “connected”, “coupled” or “connected”.

도 1은 2개의 업-다운 카운터(UDC; up-down counter)를 사용하는 DIQS(delta-intensity quaternary search) hTDC(histogramming time-to-digital converter)의 개념적 작동 원리를 보여준다. 여기서, DIQS hTDC는 본 발명의 일 실시예에 따른 히스토그램 TDC 방식을 의미한다. 1 shows the conceptual working principle of a delta-intensity quaternary search (DIQS) histogramming time-to-digital converter (hTDC) using two up-down counters (UDCs). Here, DIQS hTDC means a histogram TDC method according to an embodiment of the present invention.

제1 모드(coarse mode)의 제1 단계(STEP_C1)에서, DIQS hTDC는 최대 탐지 가능 범위에 해당하는 전체 기간을 복수의 시간 빈(UP_A, UP_B, DN_A, DN_B)으로 실질적으로 균등하게 나누고, 펄스가 발생할 때 각각의 시간 빈(time bin)에 펄스 카운트를 누적하여 대상 물체에 의해 반사되는 광이 위치하는 시간 빈을 파악할 수 있다. 도 1에서는 시간 빈을 4개(UP_A, UP_B, DN_A, DN_B)로 나누는 경우를 예시하고 있으나, 시간 빈의 개수가 4개로 한정되는 것은 아니다. 이하 '시간 빈'(time bin)을 간략히 '빈'이라고 하기도 한다.In the first step (STEP_C1) of the first mode (coarse mode), the DIQS hTDC substantially equally divides the entire period corresponding to the maximum detectable range into a plurality of time bins (UP_A, UP_B, DN_A, DN_B), and pulses occurs, it is possible to determine the time bin in which the light reflected by the target object is located by accumulating pulse counts in each time bin. 1 illustrates a case in which time bins are divided into four (UP_A, UP_B, DN_A, and DN_B), but the number of time bins is not limited to four. Hereinafter, a 'time bin' is sometimes simply referred to as a 'bin'.

예를 들어, 빈을 4개로 나눌 경우 다음과 같이 식별될 수 있다. 4개의 빈 중 UP_A와 UP_B로 구성되는 첫 번째 쌍과 DN_A와 DN_B로 구성되는 두 번째 쌍은 업-다운 카운터(UDC)의 계수 작업이 증가인지 감소인지에 의해 분류될 수 있다. 즉, 첫 번째 쌍인 UP_A 빈과 UP_B 빈은 업 카운트(up count)에 해당하고, 두 번째 쌍인 DN_A 빈과 DN_B 빈은 다운 카운트(down count)에 해당할 수 있다. 홀수에 위치한 빈(UP_A, DN_A)과 짝수에 위치한 빈(UP_B, DN_B)은 서로 다른 업-다운 카운터(UDC)에 속할 수 있다. 예를 들어, 홀수에 위치한 빈(UP_A, DN_A)은 제1 업-다운 카운터(UDC_A)에 대응되고 짝수에 위치한 빈(UP_B, DN_B)은 제2 업-다운 카운터(UDC_B)에 대응될 수 있다. 이런 방식으로 UP_A, UP_B, DN_A, DN_B로 구성된 4개의 빈이 생성되고, 각각 2-비트 디지털 ToF 코드 00(2), 01(2), 10(2), 11(2)에 순서대로 대응할 수 있다(00(2) 등에서 괄호안의 숫자 2는 2진수를 의미함). 빈(UP_A, UP_B, DN_A, DN_B) 명칭의 마지막 문자 A와 B는 대응하는 업-다운 카운터(UDC)를 나타낸다. For example, dividing a bin into 4 can be identified as: Among the four bins, the first pair consisting of UP_A and UP_B and the second pair consisting of DN_A and DN_B can be classified according to whether the counting operation of the up-down counter (UDC) increases or decreases. That is, the first pair of UP_A bins and UP_B bins may correspond to an up count, and the second pair of DN_A bins and DN_B bins may correspond to a down count. Odd-numbered bins UP_A and DN_A and even-numbered bins UP_B and DN_B may belong to different up-down counters UDC. For example, odd-numbered bins UP_A and DN_A may correspond to the first up-down counter UDC_A, and even-numbered bins UP_B and DN_B may correspond to the second up-down counter UDC_B. . In this way, four bins composed of UP_A, UP_B, DN_A, and DN_B are generated, and each can correspond to 2-bit digital ToF codes 00(2), 01(2), 10(2), and 11(2) in order. (In 00(2), etc., the number 2 in parentheses means a binary number). The last letters A and B of the names of the bins (UP_A, UP_B, DN_A, DN_B) indicate the corresponding up-down counters (UDC).

광 다이오드(예, SPAD)가 입사광을 검출하여 펄스가 생성되면 업-다운 카운터(UDC) 값은 펄스가 속한 시간 빈에 따라 증가하거나 감소할 수 있다. 예를 들어, UP_A 빈의 구간에 펄스가 생성되면 제1 업-다운 카운터(UDC_A)를 증가시키고, UP_B 빈의 구간에 펄스가 생성되면 제2 업-다운 카운터(UDC_B)를 증가시키며, DN_A 빈의 구간에 펄스가 생성되면 제1 업-다운 카운터(UDC_A)를 감소시키고, DN_B 빈의 구간에 펄스가 생성되면 제2 업-다운 카운터(UDC_B)를 감소시킬 수 있다. When a pulse is generated by detecting incident light by a photodiode (eg, SPAD), the value of the up-down counter (UDC) may increase or decrease according to a time bin to which the pulse belongs. For example, when a pulse is generated in the section of the UP_A bin, the first up-down counter UDC_A is incremented, and if a pulse is generated in the section of the UP_B bin, the second up-down counter UDC_B is incremented, and When a pulse is generated in the section of the DN_B bin, the first up-down counter UDC_A is decremented, and when the pulse is generated in the section of the DN_B bin, the second up-down counter UDC_B is decremented.

펄스 카운트를 반복한 후 두 개의 업-다운 카운터(UDC)의 절대값을 비교하여 어느 값이 다른 값보다 큰지 및 그 부호가 무엇인지에 따라 ToF 코드가 할당될 수 있다. 절대값이 큰 업-다운 카운터(UDC)의 ID인 A와 B는 각각 2 비트 ToF_coarse 코드의 최하위 비트(LSB)를 0과 1로 결정할 수 있다(최종 ToF_coarse는 각 단계에서 2 비트씩 생성되어 세 단계(STEP_C1, C2, C3)를 모두 거치면 6 비트가 될 수 있다). 2 비트 ToF_coarse 코드의 최상위 비트(MSB)는 절대값이 큰 업-다운 카운터(UDC) 값의 부호로 설정되며, 양의 값과 음의 값은 각각 0과 1로 매핑 될 수 있다. 예를 들어, UDC_A의 값이 -5이고 UDC_B의 값이 -3인 경우, UDC_A의 절대값이 크므로 LSB = 0이 되고 UDC_A의 값이 음수이므로 MSB = 1이 되어, ToF 코드는 10(2)로 설정될 수 있다. After repeating the pulse count, the absolute values of the two up-down counters (UDCs) are compared, and a ToF code can be assigned depending on which value is greater than the other value and what its sign is. A and B, which are the IDs of up-down counters (UDC) with large absolute values, can determine the least significant bit (LSB) of the 2-bit ToF_coarse code as 0 and 1, respectively (the final ToF_coarse is generated by 2 bits at each step, Steps (STEP_C1, C2, C3) can be 6 bits). The most significant bit (MSB) of the 2-bit ToF_coarse code is set to the sign of an up-down counter (UDC) value having a large absolute value, and positive and negative values can be mapped to 0 and 1, respectively. For example, if the value of UDC_A is -5 and the value of UDC_B is -3, LSB = 0 because the absolute value of UDC_A is large and MSB = 1 because the value of UDC_A is negative, so the ToF code is 10(2 ) can be set.

도 1의 예시를 참조하면, 광 다이오드(SPAD)에 입사된 빛에 의해 생성된 펄스(SiPM_E; SiPM_E에 대해서는 아래에서 구체적으로 설명한다)가 STEP_C1에서 DN_A 빈에 위치하므로, UDC_A는 다운 카운트하여 음의 값을 가지게 되고, UDC_B는 증감이 없으므로 0의 값을 가진다. 따라서 ToF_coarse<5:4>(제1 모드(coarse mode)는 각 단계에서 2 비트의 ToF_coarse 코드를 생성하면서 세 단계(STEP_C1, C2, C3)를 거쳐 6 비트의 값을 가지게 된다. STEP_C1은 첫 단계로서 6 비트의 ToF_coarse 코드 중에서 상위 2 비트를 결정하게 되므로 ToF_coarse<5:4>라고 표현한다)는 10(2)으로 설정될 수 있다. 이는 검출된 빛이 DN_A 빈에 속한다는 것을 의미한다. Referring to the example of FIG. 1 , since a pulse generated by light incident on a photodiode (SPAD) (SiPM_E; SiPM_E will be described in detail below) is located in the DN_A bin in STEP_C1, UDC_A counts down to negative It has a value of , and UDC_B has a value of 0 because there is no increase or decrease. Therefore, ToF_coarse<5:4> (the first mode (coarse mode) generates a 2-bit ToF_coarse code at each step and has a 6-bit value through three steps (STEP_C1, C2, C3). STEP_C1 is the first step Since the upper 2 bits are determined among the 6-bit ToF_coarse codes, ToF_coarse<5:4>) can be set to 10(2). This means that the detected light belongs to the DN_A bin.

제2 단계(STEP_C2)에서는 제1 단계(STEP_C1)에서 펄스가 속한 것으로(또는 펄스가 여러 개인 경우 펄스 강도가 가장 강한 것으로) 판단된 빈(도 1의 예시에서는 DN_A)의 구간을 다시 4개의 빈으로 나누어 할당할 수 있다. 즉, 제1 단계(STEP_C1)의 DN_A 빈의 구간을 제1 단계(STEP_C1)에 비해 구간 길이가 1/4인 4개의 빈을 사용해 다시 분할하며, 순서대로 UP_A, UP_B, DN_A, DN_B가 할당될 수 있다. In the second step (STEP_C2), the section of the bin (DN_A in the example of FIG. 1) judged to belong to the pulse in the first step (STEP_C1) (or to have the strongest pulse intensity when there are multiple pulses) is divided into four bins again. It can be divided and allocated. That is, the section of the DN_A bin of the first step (STEP_C1) is divided again using four bins with a section length of 1/4 compared to that of the first step (STEP_C1), and UP_A, UP_B, DN_A, and DN_B are sequentially allocated. can

제2 단계(STEP_C2)에서 제1 단계(STEP_C1)와 유사한 절차에 따라 ToF_coarse<3:2> 값을 결정할 수 있다. 도 1의 예시를 참조하면, 제2 단계(STEP_C2)에서 SiPM_E 펄스는 UP_A 빈에 속하므로(펄스의 위치는 제1 단계와 동일하다고 가정한다) ToF_coarse<3:2>에는 00(2)가 할당될 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 SiPM_E 펄스 1개를 예시적으로 도시하고 있으나 일반적으로 여러 번 반복해서 펄스의 위치를 파악하게 되고, 이 경우 앞서 설명한 바와 같이 제1 업-다운 카운터(UDC_A)와 제2 업-다운 카운터(UDC_B)의 절대값 크기 비교 및 그 부호를 통해 코드를 결정할 수 있는데, SiPM_E 펄스가 1개인 경우 코드를 결정하는 원리와 실질적으로 동일하다.In the second step (STEP_C2), the ToF_coarse<3:2> value may be determined according to a procedure similar to that of the first step (STEP_C1). Referring to the example of FIG. 1, since the SiPM_E pulse belongs to the UP_A bin in the second step (STEP_C2) (it is assumed that the position of the pulse is the same as that of the first step), 00(2) is assigned to ToF_coarse<3:2>. can In FIG. 1, one SiPM_E pulse is exemplarily shown for convenience of explanation, but in general, the position of the pulse is repeatedly determined several times. In this case, as described above, the first up-down counter (UDC_A) and The code can be determined through comparison of the magnitudes of the absolute values of the two up-down counters (UDC_B) and their signs, which is substantially the same as the principle of determining the code when there is only one SiPM_E pulse.

제3 단계(STEP_C3)에서는 제2 단계(STEP_C2)에서 펄스가 속한 것으로 판단된 빈(도 1의 예시에서는 UP_A 빈)의 구간을 다시 4개의 빈으로 나누어 할당할 수 있다. 즉, 제2 단계(STEP_C2)의 UP_A 빈의 구간을 제2 단계(STEP_C2)에 비해 구간 길이가 1/4인 4개의 빈을 사용해 다시 분할하며, 순서대로 UP_A, UP_B, DN_A, DN_B가 할당될 수 있다. In the third step (STEP_C3), the section of the bin (the UP_A bin in the example of FIG. 1) determined to belong to the pulse in the second step (STEP_C2) may be divided into four bins and allocated. That is, the section of the UP_A bin of the second step (STEP_C2) is divided again using four bins with a section length of 1/4 compared to that of the second step (STEP_C2), and UP_A, UP_B, DN_A, and DN_B are sequentially allocated. can

제3 단계(STEP_C3)에서도 이전 단계와 유사한 절차에 따라 ToF_coarse<1:0> 값을 결정할 수 있다. 도 1의 예시를 참조하면, 제3 단계(STEP_C3)에서 SiPM_E 펄스는 UP_B 빈에 속하므로 ToF_coarse<1:0>에는 01(2)가 할당될 수 있다. In the third step (STEP_C3), the ToF_coarse<1:0> value may be determined according to a procedure similar to the previous step. Referring to the example of FIG. 1 , since the SiPM_E pulse belongs to the UP_B bin in the third step (STEP_C3), 01(2) may be assigned to ToF_coarse<1:0>.

제1, 2, 3 단계(STEP_C1, C2, C3)를 모두 거치면 6 비트의 ToF_coarse<5:0> 값이 모두 결정될 수 있다. 도 1의 예시에서는 ToF_coarse<5:0>가 100001(2) 값을 가지게 된다.After going through the first, second, and third steps (STEP_C1, C2, and C3), all 6-bit ToF_coarse<5:0> values can be determined. In the example of FIG. 1, ToF_coarse<5:0> has a value of 100001(2).

제1 모드(coarse mode)의 제1, 2, 3 단계(STEP_C1, C2, C3)를 거치면 최대 탐지 가능 범위에 해당하는 전체 기간에서 (1/4)3으로 축소된 시간 범위로 펄스가 위치하는 구간이 좁혀질 수 있다. 예를 들어, 최대 감지 거리 48m인 센서에서 제1 모드(coarse mode)의 제1, 2, 3 단계(STEP_C1, C2, C3)를 거치면 제3 단계(STEP_C3)의 빈의 시간 길이가 수 ns 정도로 축소되어 SiPM_E 펄스의 폭과 유사한 정도가 될 수 있고, 제2 모드(fine mode)로 진행할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면 제1 모드(coarse mode)에서 단계가 진행될 때마다 측정 대상 구간이 이전 단계에 비해 소정의 배수로 축소된다는 점에서 줌(zoom) 방식의 히스토그램 TDC라고 이해될 수 있다.After going through the first, second, and third steps (STEP_C1, C2, and C3) of the first mode (coarse mode), the pulse is located in a time range reduced by (1/4) 3 in the entire period corresponding to the maximum detectable range. The range may be narrowed. For example, in a sensor with a maximum detection distance of 48 m, when the first, second, and third steps (STEP_C1, C2, and C3) of the first mode (coarse mode) are performed, the time length of the bin in the third step (STEP_C3) is about several ns. It may be reduced to a degree similar to the width of the SiPM_E pulse, and may proceed to the second mode (fine mode). In this way, according to the present embodiment, each time a step is performed in the first mode (coarse mode), the measurement target section is reduced by a predetermined multiple compared to the previous step, which can be understood as a zoom-type histogram TDC.

제2 모드(fine mode)는 제1 모드(coarse mode)에서 dToF 방식에 기반하여 깊이 정보를 추출한 후 더 높은 분해능을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 모드(coarse mode)를 통해 ToF_coarse<5:0> 값을 추출한 후 제2 모드(fine mode)에서 iTOF 방식에 기반한 위상 검출 기법을 사용하여 더욱 정밀한 깊이 정보를 추출할 수 있다. The second mode (fine mode) may be used to achieve higher resolution after extracting depth information based on the dToF method in the first mode (coarse mode). For example, after extracting the ToF_coarse<5:0> value through the first mode (coarse mode), more precise depth information can be extracted using the phase detection technique based on the iTOF method in the second mode (fine mode). .

제2 모드(fine mode)에서도 네 개의 빈을 활용하는 것은 제1 모드(coarse mode)와 동일할 수 있다. 제2 모드(fine mode)에서는 4개의 빈에서의 각 빈의 강도를 획득함에 의해 위상차로부터 깊이 정보가 추출될 수 있다. 제2 모드(fine mode)에서 사용되는 4개의 빈은 제1 모드(coarse mode)에서와 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 네 개의 빈(UP_A, UP_B, DN_A 및 DN_B)은 각각 0도, 90도, 180도, 270도의 위상 지연을 나타낼 수 있다. Utilization of four bins in the second mode (fine mode) may be the same as in the first mode (coarse mode). In the second mode (fine mode), depth information may be extracted from the phase difference by acquiring the intensity of each bin in four bins. The four bins used in the second mode (fine mode) may be configured in a similar manner as in the first mode (coarse mode). The four bins (UP_A, UP_B, DN_A, and DN_B) may indicate phase delays of 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees, respectively.

도 1을 참조하여 예시적으로 설명하면, 제2 모드(fine mode)의 제4 단계(STEP_F)에서 카운트되는 펄스인 SiPM_L는 제1 모드(coarse mode)에 사용된 펄스 SiPM_E에 비해 동시 발생 감지 회로(CDC)를 거치지 않은 신호일 수 있다(SiPM_L 펄스에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다). 도 1에 예시된 바와 같이 SiPM_L 펄스는 복수의 빈에 걸쳐서 발생할 수 있다. 제1, 2 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)는 SiPM_L 펄스 신호가 발생할 때마다 대응하는 빈에 따라 업 또는 다운 카운트를 수행할 수 있다. 도 1의 예시에서, UP_A 빈의 강도(펄스 발생 빈도)가 DN_A 빈의 강도보다 강하므로 제1 업-다운 카운터(UDC_A)는 양의 카운트 값을 가질 것이고, UP_B 빈의 강도는 강함에 반해 DN_B 빈에서의 펄스 발생은 없으므로 제2 업-다운 카운터(UDC_B)도 양의 카운트 값을 가질 것이다. 또한, UP_B 빈의 강도가 UP_A 빈의 강도에 비해 더 강하므로 제2 업-다운 카운터(UDC_B)는 제1 업-다운 카운터(UDC_A)에 비해 더 큰 양의 값을 가질 것이다. 이러한 방식으로 SPAD에 입사된 광에 의해 발생하는 펄스인 SiPM_L에 대한 카운트가 종료되면 제1 업-다운 카운터(UDC_A)의 값이 9 비트의 A<8:0>으로 출력되고, 제2 업-다운 카운터(UDC_B)의 값이 9 비트의 B<8:0>로 출력될 수 있다(도 1은 9 비트의 업-다운 카운터를 사용하는 경우를 예시하고 있으나 업-다운 카운터의 비트 수는 상황에 따라 다른 값이 사용될 수 있다). ToF_Fine은 아래 수식 1과 같이 제2 모드(fine mode)를 통해 획득된 제1 업-다운 카운터(UDC_A)의 카운트 값과 제2 업-다운 카운터(UDC_B)의 카운트 값을 활용하여 산출될 수 있다.Illustratively, referring to FIG. 1, SiPM_L, which is a pulse counted in the fourth step (STEP_F) of the second mode (fine mode), is a simultaneous detection circuit compared to the pulse SiPM_E used in the first mode (coarse mode). It may be a signal that has not passed through (CDC) (the SiPM_L pulse will be described in detail below). As illustrated in FIG. 1 , SiPM_L pulses may occur across multiple bins. The first and second up-down counters UDC_A and UDC_B may perform an up or down count according to a corresponding bin whenever the SiPM_L pulse signal is generated. In the example of FIG. 1, the first up-down counter (UDC_A) will have a positive count value because the intensity (pulse generation frequency) of the UP_A bin is stronger than that of the DN_A bin, and the intensity of the UP_B bin is strong, whereas the intensity of the DN_B Since there is no pulse generation in the bin, the second up-down counter UDC_B will also have a positive count value. Also, since the intensity of the UP_B bin is stronger than that of the UP_A bin, the second up-down counter UDC_B will have a greater positive value than the first up-down counter UDC_A. In this way, when the count for SiPM_L, which is a pulse generated by light incident on the SPAD, is finished, the value of the first up-down counter (UDC_A) is output as 9-bit A<8:0>, and the second up-down counter (UDC_A) is output as A<8:0>. The value of the down counter (UDC_B) can be output as 9-bit B<8:0> (Figure 1 illustrates the case of using a 9-bit up-down counter, but the number of bits of the up-down counter is different values may be used). ToF_Fine can be calculated using the count value of the first up-down counter UDC_A and the count value of the second up-down counter UDC_B obtained through the second mode (fine mode) as shown in Equation 1 below. .

[수식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, c는 광속(km/s)이고, T_LSB는 제1 모드(coarse mode)의 마지막 단계(STEP_C3)에서의 하나의 시간 빈의 길이이다.Here, c is the speed of light (km/s), and T_LSB is the length of one time bin at the last step (STEP_C3) of the first mode (coarse mode).

제2 모드(fine mode)에서 4 개의 빈(UP_A, UP_B, DN_A, DN_B)을 통해 획득된 4 개의 위상 데이터를 활용함으로써 높은 분해능의 깊이 정보를 획득할 수 있다. In the second mode (fine mode), high-resolution depth information can be obtained by using four phase data acquired through four bins (UP_A, UP_B, DN_A, and DN_B).

본 실시예에서는 제1 모드(coarse mode)와 제2 모드(fine mode)에서 업-다운 카운터를 사용함으로써 배경광에 의한 노이즈를 억제할 수 있는데 그 원리를 도 2를 참조하여 설명한다. In this embodiment, noise caused by background light can be suppressed by using up-down counters in the first mode (coarse mode) and the second mode (fine mode). The principle will be described with reference to FIG. 2 .

도 2에서는 신호 대 배경 비율(SBR; Signal to Background Ratio)이 1/100 정도인 배경광(BGL; background light) 강도인 경우를 예시한다. 여기서 배경광은 전 구간에 걸쳐 균일하게 분포하는 것으로 가정한다. 기존의 업 카운터를 사용하는 경우의 예시에서 반사광 신호(signal)는 UP_B 빈에서 발생하고 있는데, 배경광(BGL)의 강도가 높아 반사광 신호(signal)가 없는 A 카운터와 반사광 신호(signal)가 있는 B 카운터의 카운트 값이 구별이 되기 어려울 정도의 단시간에 두 카운터의 값이 포화(saturation)에 도달하게 되어 반사광 신호(signal)가 위치하는 빈을 정확하게 검출하기가 쉽지 않다는 문제가 있다.FIG. 2 illustrates a case in which a signal to background ratio (SBR) is a background light (BGL) intensity of about 1/100. Here, it is assumed that the background light is uniformly distributed over the entire section. In the case of using the existing up counter, the reflected light signal (signal) is generated in the UP_B bin. There is a problem in that it is not easy to accurately detect a bin where a reflected light signal is located because the values of the two counters reach saturation in such a short period of time that the count values of the B counter are difficult to distinguish.

본 실시예에서는 업-다운 카운터를 사용하여 차이값을 카운트하므로 기존의 업 카운터를 사용하는 방식에 비해 배경광(BGL)의 영향을 줄일 수 있다. 도 2의 예시에서 반사광 신호(signal)는 DN_A 빈에서 발생하는 것을 가정하고 있다. 배경광(BGL)이 균일하게 분포하는 경우, UP_A 빈과 DN_A 빈에서의 배경광(BGL)의 강도는 거의 동일하므로 UP_A 빈에서의 업 카운트와 DN_A 빈에서의 다운 카운트가 서로 상쇄되어 배경광(BGL)에 의해 UDC_A가 포화되지 않는다. 따라서 여러 번에 걸친 반복 실행에 의해 반사광 신호(signal)는 UDC_A에 충분한 크기로 누적될 수 있다. UDC_B의 경우 UP_B 빈과 DN_B 빈에서의 배경광(BGL)의 강도가 거의 동일하므로 UP_B 빈에서의 업 카운트와 DN_B 빈에서의 다운 카운트가 서로 상쇄되어 UDC_B의 카운트 값은 실질적으로 0의 값을 유지하게 되므로 포화되지 않은 상태로 반복된 신호 검출이 가능하다.In this embodiment, since the difference value is counted using an up-down counter, the influence of the background light (BGL) can be reduced compared to the conventional method using an up-counter. In the example of FIG. 2 , it is assumed that the reflected light signal is generated in the DN_A bin. When the background light (BGL) is uniformly distributed, the intensity of the background light (BGL) in the UP_A bin and the DN_A bin is almost the same, so the up count in the UP_A bin and the down count in the DN_A bin cancel each other, resulting in a background light ( BGL) does not saturate UDC_A. Therefore, the reflected light signal can be accumulated to a sufficient size in UDC_A by repeated execution over several times. In the case of UDC_B, since the intensity of the background light (BGL) in the UP_B bin and the DN_B bin is almost the same, the up count in the UP_B bin and the down count in the DN_B bin cancel each other, so the count value of UDC_B remains substantially zero. Therefore, it is possible to detect repeated signals in a non-saturated state.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 실시예의 DIQS hTDC 방식은 업-다운 카운터를 통한 히스토그램 방식을 사용함으로써 배경광의 영향을 줄이고 메모리 요구를 감소시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 DIQS hTDC 방식은 제1 모드(coarse mode)의 각 단계마다 검색 주기를 1/4씩 축소시키는 줌 방식을 사용함으로써 서브 프레임 수를 줄여 프레임 속도(frame rate)를 높이고 메모리 요구를 감소시킬 수 있다. 각 단계마다 검색 주기가 1/4씩 줄어들면 신호 강도는 유지되면서 배경광의 강도가 1/4씩 감소하므로 신호 대 배경 비율(SBR) 역시 각 단계마다 4배씩 증가하여 배경광의 영향도 빠른 속도로 감소될 수 있다. As described with reference to FIGS. 1 and 2 , the DIQS hTDC method of the present embodiment can reduce the effect of background light and reduce memory requirements by using a histogram method through an up-down counter. In addition, the DIQS hTDC method of this embodiment uses a zoom method that reduces the search period by 1/4 for each step of the first mode (coarse mode), thereby reducing the number of subframes to increase the frame rate and reduce memory requirements. can reduce When the search period is reduced by 1/4 at each step, the background light intensity is reduced by 1/4 while maintaining the signal strength, so the signal-to-background ratio (SBR) also increases by 4 times at each step, so the effect of the background light is rapidly reduced. It can be.

도 1과 도 2에서 업-다운 카운터(UDC)는 2개이고, 각 단계마다 네 개의 빈이 생성되며, 제1 모드(coarse)는 세 단계로 수행되는 것으로 예시되어 있으나, 이와 같은 구체적인 수치는 설명의 편의를 위한 예시일 뿐, 본 실시예가 이러한 수치들로 한정되는 것은 아니다. In FIGS. 1 and 2, it is illustrated that there are two up-down counters (UDC), four bins are generated for each step, and the first mode (coarse) is performed in three steps. It is only an example for convenience, and the present embodiment is not limited to these numerical values.

도 1과 도 2를 참조하여 설명한 원리를 적용하여 확장해 보면, 시간-디지털 컨버터(TDC)는 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)를 활용하여 히스토그램 동작을 수행하되, 시간-디지털 컨버터(TDC)는 측정 대상 구간을 M 개의 시간 빈(time bin)으로 나누고, M 개의 시간 빈의 각각은 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 업 카운트와 다운 카운트의 어느 하나에 대응하도록 할당될 수 있다.Expanding by applying the principle described with reference to FIGS. 1 and 2, the time-to-digital converter (TDC) performs a histogram operation using M/2 up-down counters (UDC), but the time-to-digital converter ( TDC) divides the measurement target section into M time bins, and each of the M time bins is allocated to correspond to one of the up count and down count of M/2 up-down counters (UDC). can

여기서, M 개의 시간 빈에는 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 각각에 대해 업 카운트에 대응되는 시간 빈과 다운 카운트에 대응되는 시간 빈이 실질적으로 동일한 길이로 포함되어, 배경광에 의한 노이즈 펄스가 M 개의 시간 빈에 균일하게 분포하는 경우 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 각각은 노이즈 펄스에 의한 업 카운트와 다운 카운트가 실질적으로 동일한 횟수로 실행되어 배경광에 의한 영향이 상쇄될 수 있다.Here, the M time bins include time bins corresponding to the up count and time bins corresponding to the down count with substantially the same length for each of the M/2 up-down counters (UDCs), so that noise caused by background light is reduced. When the pulses are uniformly distributed over M time bins, each of the M/2 up-down counters (UDCs) performs substantially the same number of up-counts and down-counts by the noise pulses, canceling the effect of background light. It can be.

또한, 시간-디지털 컨버터(TDC)는 복수의 단계(step)를 수행하는 제1 모드(coarse mode)를 포함하고, 복수의 단계가 진행될 때마다 측정 대상 구간이 이전 단계에 비해 1/M으로 축소될 수 있다. 복수의 단계 중에서, 제n 단계의 M 개의 시간 빈은 제n-1 단계에서 펄스 강도가 가장 높았던 시간 빈을 다시 M개로 분할하여 생성되고, 제n 단계의 시간 빈은 제n-1 단계의 시간 빈에 비해 그 길이가 실질적으로 1/M으로 축소될 수 있다. 제1 모드의 복수의 단계의 각 단계마다 펄스 강도가 가장 높은 시간 빈에 대응되는 코드가 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 일부 코드로 결정될 수 있다. In addition, the time-to-digital converter (TDC) includes a first mode (coarse mode) that performs a plurality of steps, and each time a plurality of steps are performed, the measurement target section is reduced to 1/M compared to the previous step. It can be. Among the plurality of steps, M time bins of the n-th step are generated by dividing the time bins having the highest pulse intensity in the n-1th step into M again, and the time bins of the n-th step are generated by dividing the time bins having the highest pulse intensity in the n-1th step. Compared to bins, the length can be substantially reduced to 1/M. For each step of the plurality of steps of the first mode, a code corresponding to a time bin having the highest pulse intensity may be determined as a partial code of the first mode time-of-flight (ToF_coarse).

또한, 시간-디지털 컨버터(TDC)는 제2 모드(fine mode)를 더 포함하고, 제2 모드(fine mode)에서는 제1 모드(coarse mode)의 마지막 단계에서 생성된 시간 빈의 길이보다 작은 길이를 가지는 M개의 시간 빈이 생성되며, 제2 모드(fine mode)의 M개의 시간 빈에는 각각 소정의 위상이 할당될 수 있다. 제2 모드(fine mode)에서는 위상 차 계산을 위해 4개의 시간 빈이 생성되는 것이 바람직하다.In addition, the time-to-digital converter (TDC) further includes a second mode (fine mode), and in the second mode (fine mode), a length smaller than the length of the time bin generated in the last step of the first mode (coarse mode) M time bins having n are generated, and a predetermined phase may be assigned to each of the M time bins of the second mode (fine mode). In the second mode (fine mode), four time bins are preferably generated for phase difference calculation.

도 3은 일 실시예에 따른 라이다 센서(100)를 도시한다. 라이다 센서(100)는 클럭 트리(110), 로우 디코더(120), 칼럼 디코더/멀티플렉서(130), 바이어스(bias) 회로(140), PLL(phase locked loop) 회로(150), 및 다수의 픽셀(200)을 포함할 수 있다. 3 shows a lidar sensor 100 according to one embodiment. The lidar sensor 100 includes a clock tree 110, a row decoder 120, a column decoder/multiplexer 130, a bias circuit 140, a phase locked loop (PLL) circuit 150, and a number of may include pixels 200 .

로우(row) 디코더(120)는 데이터의 독출(read out)을 위해 각 행(row)의 픽셀들의 데이터를 칼럼(column) 데이터 버스(도면 미도시)에 순차적으로 구동하도록 할 수 있다. The row decoder 120 may sequentially drive data of pixels of each row to a column data bus (not shown) in order to read out data.

칼럼 디코더/멀티플렉서(130)는 칼럼 데이터 버스에 구동된 데이터들이 순차적으로 출력 패드(output pad, 미도시)에 연결되도록 할 수 있다.The column decoder/multiplexer 130 may sequentially connect data driven to the column data bus to output pads (not shown).

바이어스 회로(140)는 광 다이오드(SPAD) 내부의 인-픽셀(In-Pixel) 회로가 사용할 바이어스 전압을 생성할 수 있다.The bias circuit 140 may generate a bias voltage to be used by an in-pixel circuit inside the photodiode SPAD.

PLL 회로(150)는 인-픽셀(In-Pixel) 회로가 사용할 클럭을 생성할 수 있다. 예를 들어, PLL 회로(150)는 50MHz의 참조 클럭을 외부로부터 수신하고 400MHz의 마스터 클럭을 생성하여 클럭 트리(110)로 제공할 수 있다. The PLL circuit 150 may generate a clock to be used by an in-pixel circuit. For example, the PLL circuit 150 may receive a 50 MHz reference clock from the outside, generate a 400 MHz master clock, and provide the generated master clock to the clock tree 110 .

클럭 트리(110)는 인-픽셀(In-Pixel) 회로가 사용할 다수의 클럭을 생성할 수 있다. 예를 들어, 클럭 트리(110)는 PLL 회로(150)로부터 수신한 400MHz의 마스터 클럭을 1/2씩 7번 분주하여 400MHz, 200MHz, 100MHz, ... 3.125MHz로 구성된 8개의 클럭을 생성하고 클럭 리피터(260)에 제공할 수 있다.The clock tree 110 may generate multiple clocks for use by in-pixel circuits. For example, the clock tree 110 divides the master clock of 400 MHz received from the PLL circuit 150 7 times by 1/2 to generate 8 clocks consisting of 400 MHz, 200 MHz, 100 MHz, ... 3.125 MHz, clock repeater 260.

여기서, 클럭 트리(110), 로우 디코더(120), 칼럼 디코더/멀티플렉서(130), 바이어스 회로(140) 및 PLL(phase locked loop) 회로(150)에 대한 자세한 설명은 본 발명의 요지를 흐릴 수 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다. Here, a detailed description of the clock tree 110, row decoder 120, column decoder/multiplexer 130, bias circuit 140, and phase locked loop (PLL) circuit 150 may obscure the subject matter of the present invention. Therefore, a detailed description will be omitted.

다수의 픽셀(200)은 라이다 센서(100) 내에서, 예를 들어, 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 예시적으로, 복수의 픽셀(200) 중의 일부는 클럭 리피터(260)를 공유할 수 있다. 도 3에서는 4개의 픽셀(200)이 하나의 클럭 리피터(260)를 공유하는 것으로 예시하고 있다.A plurality of pixels 200 may be arranged in a matrix form, for example, within the lidar sensor 100 . Illustratively, some of the plurality of pixels 200 may share the clock repeater 260 . 3 illustrates that four pixels 200 share one clock repeater 260 .

클럭 리피터(260)는 클럭 트리(110)로부터 제공받은 다양한 주파수의 클럭을 대응하는 픽셀(200)들에 제공할 수 있다. 예를 들어, 클럭 리피터(260)는 클럭 트리(110)로부터 제공받은 8개의 클럭을 픽셀(200)에 전달할 수 있다. 픽셀(200) 내에 구현된 TDC는 클럭 리피터(260)로부터 제공받은 복수의 클럭을 사용하여 도 1을 참조하여 설명한 DIQS hTDC 과정을 수행할 수 있다.The clock repeater 260 may provide clocks of various frequencies provided from the clock tree 110 to corresponding pixels 200 . For example, the clock repeater 260 may transfer 8 clocks provided from the clock tree 110 to the pixel 200 . The TDC implemented in the pixel 200 may perform the DIQS hTDC process described with reference to FIG. 1 using a plurality of clocks provided from the clock repeater 260 .

각 픽셀(200)은 복수의 광 다이오드(211) 및 TDC를 포함할 수 있다. 도 3에서는 광 다이오드로 SPAD가 예시되어 있다. SPAD는 고감도로 광을 검출할 수 있어 본 실시예에 사용되기에 가장 바람직한 소자이지만, 본 실시예의 광 다이오드가 SPAD로 한정되는 것은 아니고 다른 타입의 광 다이오드가 사용될 수도 있다. 또한, 도 3은 각 픽셀(200)이 6개의 SPAD(211)를 포함하는 경우를 예시하고 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. Each pixel 200 may include a plurality of photodiodes 211 and a TDC. In FIG. 3, a SPAD is illustrated as a photodiode. The SPAD is the most desirable device to be used in this embodiment because it can detect light with high sensitivity, but the photodiode of this embodiment is not limited to the SPAD and other types of photodiodes may be used. In addition, FIG. 3 illustrates a case where each pixel 200 includes 6 SPADs 211, but is not limited thereto.

도 3의 실시예에서 TDC는 각각의 픽셀(200) 내에 구현된 인-픽셀(In-Pixel) 방식일 수 있다. 아래에서는 각 픽셀 내에 구현된 TDC의 동작을 예시적으로 설명한다. 여기서, TDC의 기능은 SPAD의 광 검출에 의해 발생하는 펄스 신호로부터 시간 정보를 추출하여 디지털 값으로 변환하는 것으로 개략적으로 이해될 수 있다. TDC에서 생성한 시간 정보는 깊이 맵(depth map)을 생성하는데 사용될 수 있다.In the embodiment of FIG. 3 , the TDC may be an in-pixel method implemented in each pixel 200 . Below, the operation of the TDC implemented in each pixel will be described as an example. Here, the function of the TDC can be schematically understood as extracting time information from a pulse signal generated by light detection of the SPAD and converting it into a digital value. Time information generated by the TDC may be used to generate a depth map.

SPAD(211)의 출력 신호는 단일 안정화 회로(212), XOR 게이트(215) 및 마스크 회로(214) 등을 통해 출력될 수 있다. 단일 안정화 회로(212), XOR 게이트(215) 및 마스크 회로(214)는 각각의 SPAD(211)에 대응하여 구비될 수 있다.An output signal of the SPAD 211 may be output through a single stabilization circuit 212, an XOR gate 215 and a mask circuit 214, and the like. A single stabilization circuit 212, an XOR gate 215, and a mask circuit 214 may be provided to correspond to each SPAD 211.

단일 안정화 회로(212)는 SPAD(211)로부터 출력되는 펄스를 미리 정해진 펄스 폭을 갖는 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 단일 안정화 회로(212)는 각각의 SPAD(211)마다 구비되어 있으므로, 복수의 SPAD(211)의 출력 펄스는 동일한 펄스 폭을 갖도록 변경될 수 있다.The single stabilization circuit 212 may convert the pulse output from the SPAD 211 into a signal having a predetermined pulse width and output the converted signal. Since the single stabilization circuit 212 is provided for each SPAD 211, the output pulses of the plurality of SPADs 211 can be changed to have the same pulse width.

XOR 게이트(215)와 마스크 회로(214)는 단일 안정화 회로(212)로부터 수신한 신호를 출력하는 시점을 결정할 수 있다. 예를 들어, 6개의 SPAD(211)의 출력은 각각 대응하는 마스크 회로(214)가 지정하는 시점에 OR 게이트(221)로 출력될 수 있다. 복수의 SPAD(211)로부터 출력된 신호들은 OR 게이트(221)를 통해 연속적으로 배열된 직렬 신호로 변환될 수 있다. 즉, OR 게이트(221)의 출력은 6개의 SPAD(211)의 출력 펄스에 대응하여 생성된 실질적으로 동일한 펄스 폭을 갖는 펄스들이 연속적으로 배열된 신호일 수 있다.The XOR gate 215 and the mask circuit 214 may determine when to output a signal received from the single stabilization circuit 212 . For example, the outputs of the six SPADs 211 may be output to the OR gate 221 at a point in time designated by the corresponding mask circuit 214 . Signals output from the plurality of SPADs 211 may be converted into serial signals continuously arranged through the OR gate 221 . That is, the output of the OR gate 221 may be a signal in which pulses having substantially the same pulse width generated corresponding to the output pulses of the six SPADs 211 are continuously arranged.

도 3에 예시된 단일 안정화 회로(212), XOR 게이트(215), 마스크 회로(214) 및 OR 게이트(221)는 복수의 SPAD(211)의 출력 신호들을 직렬 신호로 변환하여 후단으로 전달하는 구조의 일 예시일 뿐, 본 실시예가 이러한 구조로 한정되는 것은 아니다.The single stabilization circuit 212, the XOR gate 215, the mask circuit 214, and the OR gate 221 illustrated in FIG. 3 convert the output signals of the plurality of SPADs 211 into serial signals and transmit them to the next stage. It is only an example of, and the present embodiment is not limited to this structure.

OR 게이트(221)의 출력은 그 자체로 SiPM_L 신호가 될 수 있고, SiPM_L 신호가 동시 발생 감지 회로(CDC; 222)를 거쳐 생성된 신호는 SiPM_E 신호가 될 수 있다. 동시 발생 감지 회로(CDC; 222)를 사용하여 SiPM_L 신호로부터 SiPM_E 신호를 생성하는 방법에 대해서는 도 4를 참조하여 설명한다.The output of the OR gate 221 may itself become the SiPM_L signal, and the signal generated by passing the SiPM_L signal through the CDC 222 may become the SiPM_E signal. A method of generating the SiPM_E signal from the SiPM_L signal using the simultaneous occurrence detection circuit (CDC) 222 will be described with reference to FIG. 4 .

도 4의 예시에서, SiPM_L 신호에서 하강 에지가 발생할 때(401), WIN_CDC 신호가 'low' 상태에서 'high' 상태로 전환될 수 있다. WIN_CDC 신호가 'high' 상태를 유지하는 시간(t_CDC)은 미리 설정된 시간일 수 있다(예, 5ns). WIN_CDC 신호가 'high' 상태를 유지하는 시간(t_CDC) 내에 SiPM_L 신호에서 추가적인 하강 에지가 발생하지 않으면 SiPM_E 신호가 생성되지 않고 WIN_CDC 신호는 'low' 상태로 돌아갈 수 있다. SiPM_L 신호에서 또 다른 하강 에지가 발생할 때(402), WIN_CDC 신호는 다시 'low' 상태에서 'high' 상태로 전환되고, WIN_CDC 신호가 'high' 상태를 유지하는 시간 내에 SiPM_L 신호에서 추가적인 하강 에지가 발생하면(403) SiPM_E 신호가 'high' 상태에서 'low' 상태로 전환되며 SiPM_E 신호(404)가 생성될 수 있다. 본 실시예에서는 WIN_CDC 신호가 'high'인 상태에서 SiPM_L 신호가 2번 이상 감지되었을 때 SiPM_E 신호가 생성되는 것으로 예시하고 있지만, SiPM_E 신호 생성을 위한 SiPM_L 신호의 개수는 다르게 설정될 수 있다.In the example of FIG. 4 , when a falling edge occurs in the SiPM_L signal (401), the WIN_CDC signal may be switched from a 'low' state to a 'high' state. The time for which the WIN_CDC signal maintains a 'high' state (t_CDC) may be a preset time (eg, 5 ns). If an additional falling edge does not occur in the SiPM_L signal within the time (t_CDC) during which the WIN_CDC signal maintains the 'high' state, the SiPM_E signal is not generated and the WIN_CDC signal may return to the 'low' state. When another falling edge occurs on the SiPM_L signal (402), the WIN_CDC signal switches from the 'low' state to the 'high' state again, and within the time the WIN_CDC signal maintains the 'high' state, an additional falling edge on the SiPM_L signal occurs. When it occurs (403), the SiPM_E signal is switched from the 'high' state to the 'low' state, and the SiPM_E signal 404 may be generated. Although the present embodiment illustrates that the SiPM_E signal is generated when the SiPM_L signal is detected twice or more while the WIN_CDC signal is 'high', the number of SiPM_L signals for generating the SiPM_E signal may be set differently.

이와 같이, 동시 발생 감지 회로(CDC; 222)는 소정의 기간(t_CDC) 내에 복수의 SPAD에서 동시에 펄스가 발생하는지(광을 감지하는지) 여부를 판단하는 회로로 이해될 수 있다. SPAD는 고감도의 광 검출 소자임을 고려하여 광 검출 신호의 신뢰성을 높이기 위해 동시 발생 감지 회로(CDC; 222)를 사용할 수 있다. In this way, the simultaneous detection circuit CDC 222 may be understood as a circuit that determines whether pulses are simultaneously generated (sensing light) in a plurality of SPADs within a predetermined period (t_CDC). Considering that the SPAD is a high-sensitivity photodetection device, a simultaneous detection circuit (CDC) 222 may be used to increase the reliability of the photodetection signal.

도 4에 예시된 동시 발생 감지 회로(CDC; 222)의 동작은 그 기능을 설명하기 위한 일 예시일 뿐, 동시 발생 감지 회로(CDC; 222)의 동작이 이러한 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 앞서 설명한 원리가 유지되는 한, SiPM_L, SiPM_E, WIN_CDC 신호에서 'low'와 'high' 상태는 반대로 설정되어도 무방할 것이다. 또한, 동시 발생 감지 회로(CDC; 222)는 상황에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.The operation of the coincidence detection circuit (CDC) 222 illustrated in FIG. 4 is only an example for explaining its function, and the operation of the simultaneous occurrence detection circuit (CDC) 222 is not limited to this form. For example, as long as the principle described above is maintained, the 'low' and 'high' states of the SiPM_L, SiPM_E, and WIN_CDC signals may be set in reverse. In addition, the simultaneous detection circuit (CDC) 222 may be selectively used according to circumstances.

다시 도 3을 참조하면, OR 게이트(221)의 출력인 SiPM_L 신호 및 동시 발생 감지 회로(CDC; 222)를 통해 생성된 SiPM_E 신호는 제1 멀티플렉서(223)로 입력되어 SiPM_L 신호와 SiPM_E 신호 중에서 선택된 하나가 SiPM 신호로 사용될 수 있다. 도 1을 참조한 예시적인 설명에서 제1 모드(coarse mode)에서는 SiPM_E 신호를 사용했고, 제2 모드(fine mode)에서는 SiPM_L 신호를 사용했으나, 본 실시예가 이로 한정되는 것은 아니다. SiPM_L 신호와 SiPM_E 신호 중에서 어느 것을 SiPM 신호로 사용할지는 상황에 따라 적절히 결정될 수 있다.Referring back to FIG. 3 , the SiPM_L signal output from the OR gate 221 and the SiPM_E signal generated through the simultaneous detection circuit (CDC) 222 are input to the first multiplexer 223 and selected from among the SiPM_L and SiPM_E signals. One can be used as a SiPM signal. In the exemplary description with reference to FIG. 1 , the SiPM_E signal is used in the first mode (coarse mode) and the SiPM_L signal is used in the second mode (fine mode), but the present embodiment is not limited thereto. Which one of the SiPM_L signal and the SiPM_E signal is used as the SiPM signal may be appropriately determined according to circumstances.

다음으로, SiPM 신호의 펄스는 2 개의 업-다운 카운터에 의해 카운트(count)될 수 있다. 도 3에서 업-다운 카운터에 의한 카운트 동작을 설명하는 부분을 도 5에 확대하여 표시한다. Next, the pulses of the SiPM signal can be counted by two up-down counters. In FIG. 3 , a part explaining the counting operation by the up-down counter is enlarged and displayed in FIG. 5 .

도 5를 참조하면, 4개의 시간 빈(UP_A, UP_B, DN_A, DN_B)이 생성되고, 2개의 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)는 펄스가 위치하는 시간 빈에 대응하여 카운트 동작을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 5, four time bins (UP_A, UP_B, DN_A, and DN_B) are generated, and two up-down counters (UDC_A, UDC_B) can perform a count operation corresponding to the time bins where pulses are located. there is.

도 5의 예시에서 SiPM 펄스에는 백그라운드 노이즈 펄스(BGL)와 반사광 펄스(IR; 빗금 표시)가 혼합되어 있다. 백그라운드 노이즈 펄스(BGL)는 4개의 시간 빈에 균일하게 2개씩 펄스가 발생하고, 반사광 펄스(IR)는 DN_A 빈에서 2개가 발생하는 것으로 예시되어 있다. UDC_A는 UP_A 빈에 속한 2개의 백그라운드 노이즈 펄스(BGL)에 의해 두 번의 업 카운트가 수행되고, DN_A 빈에 속한 2개의 백그라운드 노이즈 펄스(BGL)와 2개의 반사광 펄스(IR)에 의해 4번의 다운 카운트가 수행되어, 결과적으로 두 번의 다운 카운트 값을 가질 수 있다(빗금 표시). UDC_B는 UP_B 빈에 속한 2개의 백그라운드 노이즈 펄스(BGL)에 의해 두 번의 업 카운트가 수행되고, DN_B 빈에 속한 2개의 백그라운드 노이즈 펄스(BGL)에 의해 2번의 다운 카운트가 수행되어, 결과적으로 실질적으로 0의 카운트 값을 가질 수 있다. 2개의 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)의 카운트 값은 각각 후단으로 출력될 수 있다(A[8:0], B[8:0]).In the example of FIG. 5 , a background noise pulse (BGL) and a reflected light pulse (IR; hatched) are mixed in the SiPM pulse. It is exemplified that two background noise pulses (BGL) are uniformly generated every two pulses in four time bins, and two reflected light pulses (IR) are generated in a DN_A bin. UDC_A is counted up twice by two background noise pulses (BGL) belonging to the UP_A bin, and counted down four times by two background noise pulses (BGL) and two reflected light pulses (IR) belonging to the DN_A bin. is performed, resulting in two count down values (hatched). UDC_B is up-counted twice by two background noise pulses (BGL) belonging to the UP_B bin and down-counted twice by two background noise pulses (BGL) belonging to the DN_B bin. It can have a count value of 0. The count values of the two up-down counters (UDC_A, UDC_B) may be output to the next stage (A[8:0], B[8:0]).

도 5에 예시된 2개의 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)에 의한 계수 동작의 구체적인 사항은 도 1을 참조하여 설명한 바가 적용될 수 있다.Details of the counting operation by the two up-down counters UDC_A and UDC_B illustrated in FIG. 5 may be applied as described with reference to FIG. 1 .

다시 도 3을 참조하면, 제2 멀티플렉서(231)는 메모리(250)에 저장된 ToF 와 UDC_A의 출력인 A[8:0]을 입력으로 받고, 두 값 중의 하나를 선택적으로 출력할 수 있다. 메모리(250)에 저장된 ToF는, 예를 들어 도 1을 참조하여 설명한 제1 모드(coarse mode)를 통해 획득된 ToF_coarse일 수 있다.Referring back to FIG. 3 , the second multiplexer 231 may receive as input A[8:0], which is an output of ToF and UDC_A stored in the memory 250, and selectively output one of the two values. The ToF stored in the memory 250 may be, for example, ToF_coarse obtained through the first mode (coarse mode) described with reference to FIG. 1 .

제3 멀티플렉서(232)는 클럭 리피터(260)로부터 수신한 TCNT와 UDC_B의 출력인 B[8:0]을 입력으로 받고, 두 값 중의 하나를 선택적으로 출력할 수 있다.The third multiplexer 232 may receive TCNT received from the clock repeater 260 and B[8:0], which is an output of UDC_B, as inputs, and may selectively output one of the two values.

비교기(233)는 제2 멀티플렉서(231)로부터 입력되는 값과 제3 멀티플렉서(232)로부터 입력되는 값을 비교하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 제2 멀티플렉서(231)는 ToF를 출력하고 제3 멀티플렉서(232)는 TCNT를 출력하며 비교기(233)는 ToF와 TCNT를 비교한 결과를 출력할 수 있다. 또는, 제2 멀티플렉서(231)는 A[8:0]을 출력하고 제3 멀티플렉서(232)는 B[8:0]을 출력하며 비교기(233)는 A[8:0]과 B[8:0]을 비교한 결과를 출력할 수 있다.The comparator 233 may compare a value input from the second multiplexer 231 and a value input from the third multiplexer 232 and output the result. For example, the second multiplexer 231 may output ToF, the third multiplexer 232 may output TCNT, and the comparator 233 may output a result of comparing ToF and TCNT. Alternatively, the second multiplexer 231 outputs A[8:0], the third multiplexer 232 outputs B[8:0], and the comparator 233 outputs A[8:0] and B[8: 0] can be output.

비교기(233)의 출력은 제1 모드(coarse mode)의 ToF_coarse 결정부(241)와 시간 빈 윈도우 결정부(242)로 입력될 수 있다. An output of the comparator 233 may be input to the ToF_coarse determiner 241 and the time bin window determiner 242 in the first mode (coarse mode).

ToF_coarse 결정부(241)는 비교기(233)가 A[8:0]과 B[8:0]을 비교한 결과를 수신할 수 있다. 앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, ToF_coarse 결정부(241)는 제1, 2 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)의 카운트 값(A[8:0], B[8:0])의 절대값을 비교한 결과 및 절대값이 큰 값의 부호에 따라 ToF_coarse 값을 결정할 수 있다. 이를 위해, ToF_coarse 결정부(241)는 비교기(233)로부터 A[8:0]과 B[8:0]의 비교 결과를 수신하고 그 결과에 따라 ToF_coarse 값을 결정하며, 그 결과를 메모리(250)에 전달할 수 있다. 메모리(250)는 ToF_coarse 결정부(241)에 의해 결정된 ToF_coarse 값을 단계별로 저장하여, 세 단계가 모두 종료될 때 6비트의 ToF_coarse 값을 저장할 수 있다. The ToF_coarse determiner 241 may receive a result of the comparator 233 comparing A[8:0] and B[8:0]. As described above with reference to FIG. 1, the ToF_coarse determiner 241 determines the absolute values of the count values A[8:0] and B[8:0] of the first and second up-down counters UDC_A and UDC_B. The ToF_coarse value can be determined according to the result of comparing values and the sign of a value having a large absolute value. To this end, the ToF_coarse determiner 241 receives the comparison result of A[8:0] and B[8:0] from the comparator 233, determines a ToF_coarse value based on the result, and stores the result in the memory 250. ) can be passed on. The memory 250 may store the ToF_coarse value determined by the ToF_coarse determiner 241 step by step, and store the 6-bit ToF_coarse value when all three steps are completed.

빈 윈도우 결정부(242)는 비교기(233)로부터 ToF와 TCNT를 비교한 결과를 수신하고, 그 결과를 활용하여 적절한 시점에 적절한 길이의 빈을 생성할 수 있다. TCNT는 000000(2)에서 시작해서 하나씩 업 카운트되는 값으로 이해될 수 있다. 빈 윈도우 결정부(242)는 TCNT가 ToF보다 같거나 커지는 시점부터 빈을 생성할 수 있다. 예를 들면, 제1 모드(coarse mode)의 제1 단계(Step_C1)가 종료되고 ToF_coarse = 10(2)로 결정된 경우, 이 시점에서의 ToF는 100000(2)가 된다. 제2 단계(Step_C2)의 실행 시점을 찾기 위해, TCNT는 000000(2)에서 업 카운트를 시작하고, TCNT가 이 시점에서의 ToF의 값인 100000(2) 이상이 되면 빈을 생성하기 시작할 수 있다. 빈의 길이(T_win)는 제1 모드의 어느 단계인지에 따라 미리 설정된 값이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 모드의 제1 단계(Step_C1)에서는 빈의 길이(T_win)가 80ns로 설정되고(검색 범위가 320ns인 경우), 제2 단계(Step_C2)에서는 빈의 길이(T_win)가 1/4로 축소된 20ns로 설정되며, 제3 단계(Step_C3)에서는 빈의 길이(T_win)가 다시 1/4로 축소된 5ns로 설정될 수 있다. 즉, 빈 윈도우 결정부(242)는 이전 단계에서 펄스가 검출된 빈 내에서 이전 단계에 비해 길이가 1/4인 4개의 빈을 새롭게 생성하기 위한 타이밍을 결정하는 것으로 이해될 수 있다.The bin window determiner 242 may receive a result of comparing ToF and TCNT from the comparator 233 and generate a bin having an appropriate length at an appropriate time by using the result. TCNT can be understood as a value starting at 000000 (2) and counting up one by one. The bin window determiner 242 may create bins from a time point when TCNT becomes equal to or greater than ToF. For example, when the first step (Step_C1) of the first mode (coarse mode) ends and ToF_coarse = 10(2) is determined, the ToF at this point becomes 10 0000(2). To find the execution point of the second step (Step_C2), TCNT starts counting up at 000000(2), and when TCNT reaches 10 0000(2) or more, which is the ToF value at this point, it can start creating bins. . A preset value may be used for the bin length (T_win) depending on which stage of the first mode. For example, in the first step (Step_C1) of the first mode, the bin length (T_win) is set to 80 ns (when the search range is 320 ns), and in the second step (Step_C2), the bin length (T_win) is set to 1 It is set to 20ns reduced by /4, and in the third step (Step_C3), the bin length (T_win) may be set to 5ns reduced by 1/4 again. That is, it may be understood that the bin window determiner 242 determines timing for newly generating four bins having a length of 1/4 of that of the previous step within the bin in which the pulse is detected in the previous step.

도 3의 예시에서, 각 픽셀(200)에 포함된 단일 안정화 회로(212), XOR 게이트(215), 마스크 회로(214), OR 게이트(221), 동시 발생 감지 회로(CDC; 222), 제1 멀티플렉서(223), 2개의 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B), 제2 멀티플렉서(231), 제3 멀티플렉서(232), 비교기(233), ToF_coarse 결정부(241), 빈 윈도우 결정부(242), 메모리(250) 등은 본 실시예의 DIQS hTDC의 원리를 설명하기 위한 하나의 예시로 이해될 수 있을 뿐, 본 실시예의 DIQS hTDC가 이러한 구조로 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 DIQS hTDC는 도면들을 참조하여 설명한 원리가 동일하게 적용되면서 다양한 변형된 구조로 구현이 가능할 것이다. In the example of FIG. 3 , each pixel 200 includes a single stabilization circuit 212, an XOR gate 215, a mask circuit 214, an OR gate 221, a simultaneous detection circuit (CDC; 222), a second 1 multiplexer 223, 2 up-down counters (UDC_A, UDC_B), 2nd multiplexer 231, 3rd multiplexer 232, comparator 233, ToF_coarse determiner 241, empty window determiner 242 ), memory 250, etc. can only be understood as an example for explaining the principle of the DIQS hTDC of this embodiment, but the DIQS hTDC of this embodiment is not limited to this structure. The DIQS hTDC of this embodiment can be implemented in various modified structures while the principle described with reference to the drawings is equally applied.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 업-다운 카운터(UDC) 및 그 동작 파형을 예시한다. 도 6에 예시된 업-다운 카운터(600)는 비동기/동기 혼합 방식으로서, 매우 작은 펄스 폭(예, 500ps)을 가지는 SiPM 신호를 처리할 수 있다. 6 to 8 illustrate an up-down counter (UDC) and its operating waveforms according to an embodiment of the present invention. The up-down counter 600 illustrated in FIG. 6 is an asynchronous/synchronous mixed method and can process a SiPM signal having a very small pulse width (eg, 500 ps).

도 6을 참조하면, 업-다운 카운터(600)는 복수의 플립플롭(flip-flop)과 다수의 AND, OR, XOR 게이트 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 복수의 플립플롭은 2개의 D-플립플롭(601, 607)과 10개의 T-플립플롭(602~606, 608~612)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6 , the up-down counter 600 may include a plurality of flip-flops and a plurality of AND, OR, and XOR gates. Depending on embodiments, the plurality of flip-flops may include two D flip-flops 601 and 607 and ten T-flops 602 to 606 and 608 to 612.

제1 내지 제6 플립플롭(601~606)은 제1 업-다운 카운터(UDC_A)에 포함되고, 제7 내지 제12 플립플롭(607~612)은 제2 업-다운 카운터(UDC_B)에 포함될 수 있다.The first to sixth flip-flops 601 to 606 are included in the first up-down counter UDC_A, and the seventh to twelfth flip-flops 607 to 612 are included in the second up-down counter UDC_B. can

제1 업-다운 카운터(UDC_A)에 포함되는 제2 내지 제6 플립플롭(602~606) 중에서 제2, 3 플립플롭(602, 603)의 클럭 입력단에는 제4 내지 제6 플립플롭(604 ~ 606)의 클럭 입력단과는 다른 신호가 인가될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 제1 업-다운 카운터(UDC_A)에 포함되는 플립플롭들 중의 일부는 서로 동기되어 동작하지만 일부는 동기되지 않고 동작한다는 점에서 제1 업-다운 카운터(UDC_A)는 비동기/동기 혼합 방식이라고 이해될 수 있다. 즉, 제1 업-다운 카운터(UDC_A)에 포함되는 복수의 플립플롭 중의 적어도 일부는 나머지 플립플롭과는 다른 신호를 클럭 입력단으로 입력받을 수 있다.Among the second to sixth flip-flops 602 to 606 included in the first up-down counter UDC_A, clock input terminals of the second and third flip-flops 602 and 603 have fourth to sixth flip-flops 604 to 606 . A signal different from that of the clock input terminal of 606) may be applied. In this way, some of the flip-flops included in the first up-down counter UDC_A of the present embodiment operate in synchronization with each other, but some operate out of synchronization, so that the first up-down counter UDC_A is asynchronous / It can be understood as a synchronous mixing method. That is, at least some of the plurality of flip-flops included in the first up-down counter UDC_A may receive signals different from those of the other flip-flops through the clock input terminal.

구체적으로, 제2 플립플롭(602)의 클럭 입력단에는 광 검출 신호로부터 생성된 신호인 SiPM 신호가 인가되어, SiPM 신호의 에지(edge)에 동기되어 동작할 수 있다. 제3 플립플롭(603)의 클럭 입력단에는 제2 플립플롭(602)의 출력 신호로부터 생성된 신호가 클럭 입력단에 인가될 수 있다. 또한, 제4 내지 제6 플립플롭(604 ~ 606)의 클럭 입력단에는 제3 플립플롭(603)의 출력 신호로부터 생성된 신호가 클럭 입력단에 인가될 수 있다. 제4 내지 제6 플립플롭(604 ~ 606)의 클럭 입력단에는 동일한 신호가 인가됨으로써 제4 내지 제6 플립플롭(604 ~ 606)은 서로 동기되어 동작할 수 있다. 즉, 복수의 플립플롭 중에서 어느 하나의 플립플롭의 클럭 입력단에는 광 검출 신호로부터 생성된 신호(SiPM)가 인가되고, 다른 플립플롭들의 클럭 입력단에는 SiPM 신호가 클럭 입력단에 인가된 플립플롭의 출력 신호로부터 생성된 신호가 인가될 수 있다. 이 때, SiPM 신호가 클럭 입력단에 인가된 플립플롭(602)은 LSB(Least Significant Bit)를 처리하는 플립플롭일 수 있다.Specifically, the SiPM signal, which is a signal generated from the photodetection signal, is applied to the clock input terminal of the second flip-flop 602 and operates in synchronization with the edge of the SiPM signal. A signal generated from an output signal of the second flip-flop 602 may be applied to a clock input terminal of the third flip-flop 603 . Also, a signal generated from an output signal of the third flip-flop 603 may be applied to a clock input terminal of the fourth to sixth flip-flops 604 to 606 . Since the same signal is applied to clock input terminals of the fourth to sixth flip-flops 604 to 606, the fourth to sixth flip-flops 604 to 606 can operate in synchronization with each other. That is, the signal (SiPM) generated from the photodetection signal is applied to the clock input terminal of one flip-flop among the plurality of flip-flops, and the output signal of the flip-flop to which the SiPM signal is applied to the clock input terminal of the other flip-flops. A signal generated from may be applied. At this time, the flip-flop 602 to which the SiPM signal is applied to the clock input terminal may be a flip-flop that processes a least significant bit (LSB).

제1 업-다운 카운터(UDC_A)에서 제2 플립플롭(602)의 클럭 입력단에 높은 주파수의 SiPM을 인가함으로써, LSB(least significant bit) 부분을 담당하는 제2 플립플롭(602)이 고속 신호인 SiPM에 대응하여 동작할 수 있다. 따라서 제1 업-다운 카운터(UDC_A)는 높은 대역폭(Bandwidth)을 가지지 않고도 고속의 SiPM 신호를 처리할 수 있다.By applying a high frequency SiPM to the clock input terminal of the second flip-flop 602 in the first up-down counter UDC_A, the second flip-flop 602 responsible for the least significant bit (LSB) part is a high-speed signal It can operate in response to SiPM. Therefore, the first up-down counter UDC_A can process a high-speed SiPM signal without having a high bandwidth.

통상 SiPM 신호의 펄스 폭은 수백 ps(예를 들어, 500ps) 정도이다. 만약 제1 업-다운 카운터(UDC_A)가 동기 방식을 사용한다고 가정하면, 제1 업-다운 카운터(UDC_A)가 2GHz 이상의 대역폭을 가져야 정상적으로 동작할 수 있을 것이다. 반면, 본 실시예의 제1 업-다운 카운터(UDC_A)는 비동기/동기 혼합 방식을 사용함으로써 높은 대역폭을 가지지 않고도 고속 신호인 SiPM 신호를 카운트 할 수 있다. Typically, the pulse width of a SiPM signal is on the order of hundreds of ps (eg, 500 ps). Assuming that the first up-down counter UDC_A uses a synchronous method, the first up-down counter UDC_A must have a bandwidth of 2 GHz or more to operate normally. On the other hand, the first up-down counter UDC_A of this embodiment can count the SiPM signal, which is a high-speed signal, without having a high bandwidth by using an asynchronous/synchronous mixed method.

제2 업-다운 카운터(UDC_B)도 제1 업-다운 카운터(UDC_A)와 동일한 방식으로 구현될 수 있다.The second up-down counter UDC_B may also be implemented in the same way as the first up-down counter UDC_A.

도 7은 도 1을 참조하여 설명한 제1 모드(coarse mode)에서의 동작을 예시한다. FIG. 7 illustrates an operation in the first mode (coarse mode) described with reference to FIG. 1 .

도 7에서 UD_A는 UDC_A를 업 카운트할지 다운 카운트할지를 결정하는 신호일 수 있다. 예를 들어, UD_A가 'high' 상태일 때 SiPM 신호가 발생하면 UDC_A를 업 카운트하고, UD_A가 'low' 상태일 때 SiPM 신호가 발생하면 UDC_A를 다운 카운트 할 수 있다. 신호 UD_B도 동일한 방식으로 UDC_B를 업 카운트할지 다운 카운트할지를 결정하는데 사용될 수 있다.In FIG. 7 , UD_A may be a signal for determining whether to up count or down count UDC_A. For example, when the SiPM signal is generated when UD_A is in a 'high' state, UDC_A may be up-counted, and if the SiPM signal is generated when UD_A is in a 'low' state, UDC_A may be counted down. Signal UD_B can also be used to determine whether to up count or down count UDC_B in the same way.

EN_A는 UDC_A를 카운트할지 여부를 결정하는 신호일 수 있다. 예를 들어, EN_A가 'high' 상태일 때 SiPM 신호가 발생하면 UDC_A를 업/다운 카운트하고, EN_A가 'low' 상태일 때에는 SiPM 신호가 발생하더라도 UDC_A를 카운트하지 않을 수 있다. EN_B도 동일한 방식으로 UDC_B를 카운트할지 여부를 결정하는데 사용될 수 있다.EN_A may be a signal that determines whether to count UDC_A. For example, if an SiPM signal is generated when EN_A is in a 'high' state, UDC_A may be up/down counted, and if EN_A is in a 'low' state, even if a SiPM signal is generated, UDC_A may not be counted. EN_B can also be used to determine whether to count UDC_B in the same way.

UD_A, UD_B, EN_A, EN_B는 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)를 제어하기 위한 신호로 이해될 수 있다. CLK_win은 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)의 제어를 위한 신호들(UD_A, UD_B, EN_A, EN_B)을 생성하는데 사용되는 클럭 신호일 수 있다.UD_A, UD_B, EN_A, and EN_B may be understood as signals for controlling the up-down counters UDC_A and UDC_B. CLK_win may be a clock signal used to generate signals UD_A, UD_B, EN_A, and EN_B for controlling the up-down counters UDC_A and UDC_B.

SiPM은 앞서 설명한 바와 같이 광 다이오드(SPAD)가 광을 검출한 신호에 기초하여 생성되는 신호로서, 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)가 카운트할 대상 신호로 이해될 수 있다. A[8:0]과 B[8:0]은 각각 업-다운 카운터 UDC_A, UDC_B의 카운트 값일 수 있다.As described above, the SiPM is a signal generated based on a signal detected by the photodiode SPAD, and may be understood as a target signal to be counted by the up-down counters UDC_A and UDC_B. A[8:0] and B[8:0] may be count values of up-down counters UDC_A and UDC_B, respectively.

도 7에서 T_b가 32, 33, 34, 35의 값을 각각 가지는 네 개의 구간은 네 개의 빈으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 제1 모드의 제1 단계에서 ToF_coarse = 10(2)가 결정되고 제2 단계에서 ToF_coarse = 00(2)가 결정된 상태를 가정하면, 2단계까지의 ToF_coarse = 1000XX(2)가 된다('X'는 값이 정해지지 않았음을 의미함. 3단계가 수행되지 않았으므로 하위 2개 비트는 아직 결정되지 않았음). 이 경우 제3 단계에서는 100000(2)에서 시작하여 100011(2)까지 네 개의 빈이 생성될 것이므로, 네 개의 빈은 십진수 32, 33, 34, 35에 하나씩 할당되는 것으로 이해될 수 있다. In FIG. 7 , four sections in which T_b has values of 32, 33, 34, and 35 may be understood as four bins. For example, assuming a state in which ToF_coarse = 10(2) is determined in the first stage of the first mode and ToF_coarse = 00(2) is determined in the second stage, ToF_coarse = 1000XX(2) up to the second stage ('X' means the value has not been determined. The lower two bits have not yet been determined as step 3 has not been performed). In this case, since four bins will be created starting from 100000(2) to 100011(2) in the third step, it can be understood that the four bins are assigned to decimal numbers 32, 33, 34, and 35, respectively.

구간 32에서 UD_A는 'high' 상태이고 EN_A는 'high' 상태이므로, SiPM 펄스의 에지가 이 구간에서 발생한다면 UDC_A는 업 카운트를 수행할 수 있다. 구간 33에서 UD_B는 'high' 상태이고 EN_B는 'high' 상태이므로, SiPM 펄스의 에지가 이 구간에서 발생한다면 UDC_B는 업 카운트를 수행할 수 있다. 구간 34에서 UD_A는 'low' 상태이고 EN_A는 'high' 상태이므로, SiPM 펄스의 에지가 이 구간에서 발생한다면 UDC_A는 다운 카운트를 수행할 수 있다. 구간 35에서 UD_B는 'low' 상태이고 EN_B는 'high' 상태이므로, SiPM 펄스의 에지가 이 구간에서 발생한다면 UDC_B는 다운 카운트를 수행할 수 있다. 도 7의 예시에서 구간 33에서 SiPM의 상승 에지가 발생하므로 UDC_B가 업 카운트를 수행하여 B[8:0] 값이 1 증가한다(도 7에서는 SiPM 신호의 상승 에지를 활용하는 것으로 예시되어 있으나, 회로 구현에 따라 하강 에지가 사용될 수도 있다). In interval 32, since UD_A is in a 'high' state and EN_A is in a 'high' state, if an edge of the SiPM pulse occurs in this interval, UDC_A may perform an up count. Since UD_B is in a 'high' state and EN_B is in a 'high' state in interval 33, if an edge of the SiPM pulse occurs in this interval, UDC_B may perform an up count. In interval 34, since UD_A is in a 'low' state and EN_A is in a 'high' state, if an edge of the SiPM pulse occurs in this interval, UDC_A may perform a down count. In interval 35, since UD_B is in a 'low' state and EN_B is in a 'high' state, if an edge of the SiPM pulse occurs in this interval, UDC_B may perform a down count. In the example of FIG. 7, since the rising edge of SiPM occurs in interval 33, UDC_B performs an up count and the value of B[8:0] increases by 1 (in FIG. 7, the rising edge of the SiPM signal is used. Depending on the circuit implementation, a falling edge may be used).

도 8은 도 1을 참조하여 설명한 제2 모드(fine mode)에서의 동작을 예시한다. 도 3, 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 제2 모드(fine mode)에서는 CDC 회로를 거치지 않은 SiPM_L 신호를 SiPM 신호로 사용할 수 있고, 이 경우 SiPM 신호는 더 많은 펄스를 포함할 수 있다.FIG. 8 illustrates an operation in the second mode (fine mode) described with reference to FIG. 1 . As described with reference to FIGS. 3 and 4 , in the second mode (fine mode), the SiPM_L signal that has not passed through the CDC circuit can be used as the SiPM signal, and in this case, the SiPM signal can include more pulses.

도 8에서는 도 7에 비해 CLK_win의 주파수가 2배로 높아지면서 제어신호들인 UD_A, EN_A, UD_B, EN_B도 모두 주파수가 2배로 높아진 상태를 예시한다. 따라서 도 8에서 제2 모드(fine mode)의 빈의 길이는 도 7의 제1 모드(coarse mode)에서의 빈의 길이에 비해 절반이 된다. FIG. 8 illustrates a state in which the frequency of CLK_win is doubled compared to FIG. 7 and the frequencies of all control signals UD_A, EN_A, UD_B, and EN_B are doubled. Accordingly, the length of the bin in the second mode (fine mode) in FIG. 8 is half that of the bin in the first mode (coarse mode) in FIG. 7 .

도 8에서 SiPM 신호는 5개의 펄스를 포함하고 있고, 그 중에서 첫 번째와 두 번째의 상승 에지는 UP_B 구간에서 발생하고, 세 번째와 네 번째의 상승에지는 DN_A 구간에서 발생하며, 마지막 상승 에지는 DN_B 구간에서 발생하는 경우를 예시하고 있다. 그 결과, 제1 업-다운 카운터(UDC_A)는 두 번의 다운 카운트를 통해 -2의 값을 가지게 되고, 제2 업-다운 카운터(UDC_B)는 두 번의 업 카운트와 한번의 다운 카운트를 통해 +1의 값을 가지게 된다.In FIG. 8, the SiPM signal includes 5 pulses, among which the first and second rising edges occur in the UP_B section, the third and fourth rising edges occur in the DN_A section, and the last rising edge A case that occurs in the DN_B section is exemplified. As a result, the first up-down counter UDC_A has a value of -2 through two down counts, and the second up-down counter UDC_B has a value of +1 through two up counts and one down count. will have the value of

이와 같이, 도 6에 예시된 제1, 2 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)는 제어신호 UD_A, EN_A, UD_B, EN_B에 의해 네 개의 빈의 각각에 대응하여 고속의 SiPM 신호에 대한 업/다운 카운트 동작을 수행할 수 있고, 빈의 길이도 조절이 가능하다. 특히, 제1, 2 업-다운 카운터(UDC_A, UDC_B)는 비동기/동기 혼합 방식을 사용함으로써 높은 대역폭을 가지지 않으면서도 고속의 SiPM 신호를 처리하는 장점이 있다.As such, the first and second up-down counters UDC_A and UDC_B illustrated in FIG. 6 correspond to each of the four bins by the control signals UD_A, EN_A, UD_B, and EN_B for up/down of the high-speed SiPM signal. A count operation can be performed, and the length of the bin can be adjusted. In particular, the first and second up-down counters UDC_A and UDC_B have an advantage of processing a high-speed SiPM signal without having a high bandwidth by using an asynchronous/synchronous mixed method.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as "comprise", "comprise" or "having" described above mean that the corresponding component may be inherent unless otherwise stated, and therefore do not exclude other components. It should be construed that it may further include other components. All terms, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Commonly used terms, such as terms defined in a dictionary, should be interpreted as consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present invention, they are not interpreted in an ideal or excessively formal meaning.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (13)

복수의 픽셀을 포함하는 라이다 센서에 있어서,
상기 복수의 픽셀의 각각은 히스토그램(histogram) 방식의 시간-디지털 컨버터(TDC)을 포함하고,
상기 시간-디지털 컨버터(TDC)는 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)를 활용하여 히스토그램 동작을 수행하되,
상기 시간-디지털 컨버터(TDC)는 측정 대상 구간을 M 개의 시간 빈(time bin)으로 나누고, 상기 M 개의 시간 빈의 각각은 상기 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 업 카운트와 다운 카운트의 어느 하나에 대응하도록 할당되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
In the lidar sensor including a plurality of pixels,
Each of the plurality of pixels includes a histogram-type time-to-digital converter (TDC),
The time-to-digital converter (TDC) performs a histogram operation using M/2 up-down counters (UDC),
The time-to-digital converter (TDC) divides the measurement target section into M time bins, and each of the M time bins is an up count and a down count of the M/2 up-down counters (UDC) Lidar sensor, characterized in that allocated to correspond to any one of.
청구항 1에 있어서,
상기 M 개의 시간 빈에는 상기 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 각각에 대해 업 카운트에 대응되는 시간 빈과 다운 카운트에 대응되는 시간 빈이 실질적으로 동일한 길이로 포함되어, 배경광에 의한 노이즈 펄스가 상기 M 개의 시간 빈에 균일하게 분포하는 경우 상기 M/2 개의 업-다운 카운터(UDC)의 각각은 노이즈 펄스에 의한 업 카운트와 다운 카운트가 실질적으로 동일한 횟수로 실행되어 배경광에 의한 영향이 상쇄되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 1,
The M time bins include time bins corresponding to up counts and time bins corresponding to down counts of substantially the same length for each of the M/2 up-down counters (UDCs), so that noise caused by background light is reduced. When the pulses are uniformly distributed over the M time bins, each of the M/2 up-down counters (UDC) performs an up-count and a down-count by the noise pulse substantially the same number of times, thereby reducing the effect of the background light. A lidar sensor characterized in that this is offset.
청구항 1에 있어서,
상기 시간-디지털 컨버터(TDC)는 복수의 단계(step)를 수행하는 제1 모드(coarse mode)를 포함하고,
상기 복수의 단계가 진행될 때마다 측정 대상 구간이 이전 단계에 비해 1/M으로 축소되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 1,
The time-to-digital converter (TDC) includes a first mode (coarse mode) performing a plurality of steps (step),
LiDAR sensor, characterized in that each time the plurality of steps proceeds, the measurement target section is reduced to 1 / M compared to the previous step.
청구항 3에 있어서,
상기 복수의 단계 중에서, 제n 단계의 M 개의 시간 빈은 제n-1 단계에서 펄스 강도가 가장 높았던 시간 빈을 다시 M개로 분할하여 생성되고, 제n 단계의 시간 빈은 제n-1 단계의 시간 빈에 비해 그 길이가 실질적으로 1/M으로 축소되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 3,
Among the plurality of steps, the M time bins of the n-th step are generated by dividing the time bins having the highest pulse intensity in the n-1th step into M again, and the n-th step time bins are generated by dividing the time bins having the highest pulse intensity in the n-1th step. A lidar sensor, characterized in that its length is substantially reduced to 1/M compared to the time bin.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 모드의 복수의 단계의 각 단계마다 펄스 강도가 가장 높은 시간 빈에 대응되는 코드가 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 일부 코드로 결정되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 4,
LiDAR sensor, characterized in that for each step of the plurality of steps of the first mode, the code corresponding to the time bin having the highest pulse intensity is determined as a partial code of the first mode flight time (ToF_coarse).
청구항 5에 있어서,
상기 제1 모드(coarse mode)는 제1 내지 제3 단계를 포함하고,
상기 M은 4로서 각 단계마다 시간 빈은 네 개가 생성되고, 상기 네 개의 시간 빈에는 순차적으로 00(2), 01(2), 10(2) 및 11(2)의 코드가 할당되며,
상기 제1 단계(step C1)에서 펄스 강도가 가장 강한 시간 빈의 코드가 상기 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 상위 2개 비트로 결정되고, 상기 제2 단계(step C2)에서 펄스 강도가 가장 강한 시간 빈의 코드가 상기 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 중위 2개 비트로 결정되며, 상기 제3 단계(step C3)에서 펄스 강도가 가장 강한 시간 빈의 코드가 상기 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)의 하위 2개 비트로 결정되어, 상기 제1 내지 제3 단계를 통해 6 비트의 상기 제1 모드 비행 시간(ToF_coarse)이 결정되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 5,
The first mode (coarse mode) includes first to third steps,
The M is 4, and four time bins are generated for each step, and codes of 00(2), 01(2), 10(2), and 11(2) are sequentially assigned to the four time bins,
In the first step (step C1), the code of the time bin having the strongest pulse intensity is determined as the upper two bits of the first mode time-of-flight (ToF_coarse), and in the second step (step C2), the code of the time bin having the strongest pulse intensity is determined. The code of the time bin is determined by the middle 2 bits of the first mode time of flight (ToF_coarse), and the code of the time bin having the strongest pulse intensity in the third step (step C3) is the first mode time of flight (ToF_coarse). It is determined by the lower two bits of , and the first mode flight time (ToF_coarse) of 6 bits is determined through the first to third steps.
청구항 3에 있어서,
상기 시간-디지털 컨버터(TDC)는 제2 모드(fine mode)를 더 포함하고,
상기 제2 모드(fine mode)에서는 상기 제1 모드(coarse mode)의 마지막 단계에서 생성된 시간 빈의 길이보다 작은 길이를 가지는 M개의 시간 빈이 생성되며,
상기 제2 모드(fine mode)의 상기 M개의 시간 빈에는 각각 소정의 위상이 할당되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 3,
The time-to-digital converter (TDC) further includes a second mode (fine mode),
In the second mode (fine mode), M time bins having a length smaller than the length of the time bins generated in the last step of the first mode (coarse mode) are generated,
A lidar sensor, characterized in that a predetermined phase is assigned to each of the M time bins of the second mode (fine mode).
청구항 7에 있어서,
M = 4이고, 상기 업-다운 카운터(UDC)는 2개이며,
상기 2개의 업-다운 카운터(UDC)의 카운트 값은 제2 모드의 ToF(ToF_fine) 값을 결정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 7,
M = 4, the up-down counter (UDC) is two,
A lidar sensor, characterized in that the count value of the two up-down counters (UDC) is used to determine the ToF (ToF_fine) value of the second mode.
청구항 7에 있어서,
상기 제1 모드에서는 상기 업-다운 카운터(UDC)가 동시 발생 감지 회로(CDC)를 거쳐 생성된 신호를 카운트하고,
상기 제2 모드에서는 상기 업-다운 카운터(UDC)가 동시 발생 감지 회로(CDC)를 거치지 않은 신호를 카운트하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 7,
In the first mode, the up-down counter (UDC) counts a signal generated through a simultaneous occurrence detection circuit (CDC),
In the second mode, the up-down counter (UDC) is a LiDAR sensor, characterized in that for counting signals that have not passed through the simultaneous occurrence detection circuit (CDC).
청구항 1에 있어서,
상기 업-다운 카운터(UDC)는 비동기/동기 혼합 방식의 카운터인 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 1,
The up-down counter (UDC) is a lidar sensor, characterized in that the counter of the asynchronous / synchronous mixed method.
청구항 10에 있어서,
상기 업-다운 카운터(UDC)의 각각은 복수의 플립플롭(flip-flop)을 포함하고,
상기 복수의 플립플롭 중의 적어도 일부는 나머지 플립플롭과는 다른 신호를 클럭 입력단으로 입력받는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 10,
Each of the up-down counters (UDC) includes a plurality of flip-flops,
LiDAR sensor, characterized in that at least some of the plurality of flip-flops receive a signal different from the rest of the flip-flops as a clock input terminal.
청구항 11에 있어서,
상기 복수의 플립플롭 중에서 어느 하나의 플립플롭의 클럭 입력단에는 광 검출 신호로부터 생성된 신호(SiPM)가 인가되고, 다른 플립플롭들의 클럭 입력단에는 SiPM 신호가 클럭 입력단에 인가된 상기 플립플롭의 출력 신호로부터 생성된 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 11,
The signal (SiPM) generated from the photodetection signal is applied to the clock input terminal of one flip-flop among the plurality of flip-flops, and the output signal of the flip-flop to which the SiPM signal is applied to the clock input terminal of the other flip-flops. A lidar sensor, characterized in that the signal generated from is applied.
청구항 12에 있어서,
SiPM 신호가 클럭 입력단에 인가된 상기 플립플롭은 LSB(Least Significant Bit)를 처리하는 플립플롭인 것을 특징으로 하는 라이다 센서.
The method of claim 12,
The flip-flop to which the SiPM signal is applied to the clock input terminal is a lidar sensor, characterized in that the flip-flop processes the least significant bit (LSB).
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