KR20230058691A - 비행 시간 회로 및 비행 시간 방법 - Google Patents

Abstract

본 개시내용은 일반적으로 비행 시간 회로에 관한 것으로서, 상기 비행 시간 회로는:
광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호를 획득하는 것; 및
상기 애벌런치 신호를 상기 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하는 것으로 구성된다.

Description

비행 시간 회로 및 비행 시간 방법

본 개시내용은 일반적으로 비행 시간 회로(time-of-flight circuitry) 및 비행 시간 방법(time-of-flight method)에 관한 것이다.

일반적으로, 단일 광자 애벌런치 검출기(Single Photon Avalanche Detector, SPAD)가 알려져 있다. 단일 광자를 검출할 수 있는 것 외에도, SPAD는 광자가 SPAD에 입사하는 시간을 알 수 있는 고유의 특징을 가지고 있다. 따라서, SPAD는 거리 검출을 위해, 예를 들어 라이다(lidar) 및 3D 카메라 응용을 위해, 또는 일반적으로 비행 시간(time-of-flight, TOF) 디바이스에서 사용될 수 있다.

일반적으로, 알려진 TOF 디바이스에 대해, 적용되는 하나의 기술은 간접 TOF(iTOF)이며, 여기서 검출된 광에 대한 방출된 광의 위상 시프트가 TOF 디바이스와 장면(scene) 사이의 거리를 측정하기 위해 결정된다. iTOF에서, 검출된 광은, (전형적으로) 전류 보조 광자 복조기(Current assisted photonic demodulator, CAPD) 상의 입사 광을 측정하기 위해, 복조 함수들(전형적으로 4개의 복조 함수들, 그러나 또한 더 많거나 더 적은 것이 사용될 수 있음)에 기초하여 처리된다. 광이 검출되는 시간-윈도우는 복조 함수의 도움으로 측정되고, 위상-시프트는 각각의 시간-윈도우와의 아크탄젠트 관계로부터 나온 결과이다. 이것은 I 및 Q 복조로도 알려져 있다.

또 다른 TOF 기술은, 방출되고 반사된 광의 왕복 지연(즉, 리터럴(literal) 비행 시간)이 측정되는 직접 TOF(dTOF)라고 알려져 있다. 전형적으로, SPAD는 광 이벤트를 검출하기 위해 적용되고, 이러한 광 이벤트의 시간은 히스토그램에 저장되고, 차례대로 판독된다. 광속에 기초하여, 거리가 계산될 수 있다.

TOF 디바이스들이 존재하지만, 비행 시간 회로 및 비행 시간 방법을 제공하는 것이 일반적으로 바람직하다.

제1 양태에 따르면, 본 개시내용은 광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치(avalanche) 신호를 획득하고; 애벌런치 신호를 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 애벌런치 신호를 처리하도록 구성되는 비행 시간 회로를 제공한다.

제2 양태에 따르면, 본 개시내용은 광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호를 획득하는 단계; 및 애벌런치 신호를 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 애벌런치 신호를 처리하는 단계를 포함하는 비행 시간 방법을 제공한다.

추가 양태들은 종속 청구항들, 이하의 설명 및 도면들에 제시된다.

실시예들은 첨부 도면들과 관련하여 예시로서 설명된다:
도 1은 SPAD 회로, 스위치 제어 회로, 및 스위치 제어 회로에 의해 구동되는 2개의 평균화 복조기를 갖는 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로(TOF 수신기)의 실시예를 도시한다.
도 2는 도 1의 비행 시간 회로의 동작의 과도 신호를 도시하며, 이에 따라 사인 및 코사인 복조 함수의 사용을 설명한다.
도 3은 도 2의 96 나노 초에서의 이벤트 주위의 신호의 일부를 줌인한다.
도 4는 단일 평균화 복조기를 구현하는 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로(TOF 수신기)의 추가 실시예를 도시한다.
도 5는 60개의 이벤트에 대해 실행된 10의 샘플 평균 길이를 갖는 시뮬레이션을 도시하는 것으로, 그 중 6개의 이벤트는 DCR + BL 이벤트이고 54개의 이벤트는 TOF 이벤트이다.
도 6은 800개의 이벤트에 대해 실행된 200의 샘플 평균 길이를 갖는 시뮬레이션을 도시하는 것으로, 그 중 720개의 이벤트는 DCR + BL 이벤트이고, 80개는 TOF 이벤트이다.
도 7은 제1 입력 노드 상의 신호가 하이일 때 제1 게이팅 회로가 이벤트를 SPAD 회로로부터 평균화 복조기로 전달하고, 제2 입력 노드 상의 신호가 하이일 때 제2 게이팅 회로가 이벤트를 SPAD 회로로부터 평균화 복조기로 전달하는 2개의 게이팅 회로에 기초하여 2개의 시간 윈도우를 정의하는 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로(TOF 수신기)의 추가 실시예를 나타낸다.
도 8은 도 7의 제1 입력 노드를 신호로 구동하고 도 7의 제2 입력 노드를 또 다른 신호로 구동함으로써, 장면 조명 광원 펄스 이후의 시간 도메인이 2개의 동일한 길이의 비중첩 부분으로 분할되는 경우의 과도 신호를 도시한다.
도 9는 장면 조명 광원 펄스 이후의 시간 도메인이 3개의 동일한 부분으로 분할되고, 3개의 다른 신호를 갖는 각각의 부분이 5 나노초로 중첩되는 경우의 과도 신호를 도시한다.
도 10은 사인 및 코사인 함수와 유사한 결과를 얻기 위한 삼각 복조 함수인 대안 복조 함수의 예시를 도시하고, 이에 따라 복조 함수의 생성 및 TOF 추정을 위한 사후 계산을 간소화한다.
도 11은 사인 및 코사인 복조 함수와 4배 더 높은 주파수를 갖는 추가의 사인 및 코사인 복조 함수를 갖는, 4개의 평균화 복조기에서 동시에 및 병렬로 동작될 수 있는 4개의 복조 함수를 도시한다.
도 12는 평균화 복조기들에 접속될 때 이들이 시간상 어느 부분공간(Q1, Q2, Q3 또는 Q4)에 TOF 도달 이벤트들이 존재하는지를 드러내게 하는 대안 복조 함수의 예를 도시한다.
도 13은 각각 자신의 스위치 제어 회로 및 평균화 복조기를 이용하여 동작하지만, 동시에 단일 평균 출력 노드 상에서 동작하는 2개의 SPAD 회로를 갖는 본 개시내용에 따른 TOF 수신기의 추가 실시예를 도시한다.
도 14는 평균화 복조기에 쉽게 이용가능한 스위치 제어 회로로부터의 신호를 사용하여 비동기 리셋 입력을 갖는 추가적인 아날로그 광자 카운터를 갖는 본 개시내용에 기초한 TOF 수신기의 추가 실시예를 도시한다.
도 15는 어레이 통합을 위해 행 라인 및 열 라인과 통합된 본 개시내용의 TOF 수신기(91)를 구현한다.
도 16은 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 예시를 도시한 블록도이다.
도 17은 차량 외부 정보 검출 섹션 및 이미징 섹션의 설치 위치의 예시를 설명하는 보조도이다.
도 18은 비행 시간 카메라의 실시예를 나타낸다.
도 19는 본 개시내용에 따른 비행 시간 방법의 블록도를 나타낸다.
도 20은 본 개시내용에 따른 거리의 계산을 위한 예시를 나타낸다.

도 1을 참조한 실시예의 상세한 설명이 제공되기 전에, 일반적인 설명이 이루어진다.

본 개시내용은 특정 실시예에 대해 그리고 특정 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 설명된 도면은 단지 개략적이고 비제한적인 것이다. 도면에서 구성요소들 중 일부의 크기는 과장될 수 있고 예시적인 목적을 위해 축척대로 도시되지 않을 수 있다. 치수 및 상대 치수는 본 개시내용의 실시에 대한 실제 축소에 반드시 대응하는 것은 아니다. 상이한 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 또는 유사한 구성요소를 지칭하며, 이러한 경우에서 동일한 구성요소의 반복 설명은 생략된다.

청구항에서 사용되는 "포함하는"이라는 용어는 그 후에 열거되는 수단에 제한되는 것으로서 해석되지 않아야 한다는 점이 주목되어야 한다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 디바이스"라는 표현의 범위는 컴포넌트 A 및 B만으로 구성되는 디바이스로 제한되지 않아야 한다.

유사하게, "결합된"이라는 용어는 직접적인 접속으로만 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 표현 "디바이스 B에 결합된 디바이스 A"의 범위는 디바이스 A의 출력이 디바이스 B의 입력에 직접 접속되는 디바이스 또는 시스템으로 제한되지 않아야 한다. 이는 다른 디바이스 또는 수단을 포함하는 경로일 수 있는 A의 출력과 B의 입력 사이의 경로가 존재함을 의미한다.

처음에 언급된 바와 같이, TOF 디바이스는 일반적으로 알려져 있다. iTOF(indirect Time-of-Flight)는 전형적으로 위상 시프트를 결정하기 위해 복조 함수를 사용하는 CAPD(Current Assisted Photonic Demodulator) 기술에 기초하는 반면, dTOF(direct Time-of-Flight)는 전형적으로 비행 시간을 결정하기 위해 히스토그램들을 사용하는 SPAD(Single Photon Avalanche Detector) 기술에 기초한다.

그러나, 히스토그램의 이용은 통상적으로 복잡한 판독 회로를 초래할 수 있다는 것이 인식되었고, 일반적으로, 예를 들어 더 작은 TOF 디바이스가 생성될 수 있고 비용이 감소될 수 있도록 회로를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.

따라서, 일부 경우에 히스토그램의 사용을 자제하는 것이 바람직할 수 있다는 것이 인식되었다.

또한, 일부 경우에 iTOF가 dTOF보다 적은 동작 전력을 요구하지만, iTOF는 dTOF보다 광학적으로 덜 민감할 수 있다. 그러나, dTOF는 그것의 픽셀 크기 및 그것의 복잡성으로 인해 더 낮은 해상도를 가질 수 있다.

따라서, 일부 경우에, 양쪽 기술의 이점을 (적어도 부분적으로) 갖는 것이 바람직할 수 있다는 것이 인식되었다.

더욱이, SPAD는 또한 반도체에서 열적으로 생성되고, 통계적으로 분포된 소수 캐리어, 또는 다크 카운트(dark count)로도 불리고 다크 카운트 레이트(dark count rate)(DCR)로 표현되는 캐리어의 터널링(tunneling)을 야기할 수 있다는 점이 인식되었다.

광이 TOF 수신기(예를 들어, SPAD)에 입사할 때, 통상적으로, 광의 상이한 원점들, 예를 들어, 펄스형 레이저 광원의 장면에서의 반사로부터 발생하는 상관된 광자들(TOF 광자), 또는 장면에서의 타겟 영역 상에 반사되는 배경 광(background light)(BL)으로부터의 비상관된 광자들이 존재한다. 도달 시간의 히스토그램을 만드는 것은 전형적으로 BL과 DCR의 합에 대한 일정한 레벨, 및 상관된 TOF 광자에 기초한 피크를 야기한다.

적은 수의 픽셀(예를 들어, 픽셀들의 선형 어레이 또는 픽셀들의 제한된 해상도 어레이)에 대해, BL 및 DCR의 부정적인 효과는 무시되거나 심지어 제거될 수 있다. 예를 들어, 시간의 한 시점은 시간 디지털 변환(TDC)을 달성하기 위해 카운터들을 사용함으로써 기록될 수 있고, 이러한 데이터는 히스토그램 빌드업을 달성하기 위해 디지털 신호 프로세서(DSP)에 통신될 수 있고, 최종적으로 TOF 거리를 추정하기 위해 임계값이 적용될 수 있다. 더 높은 해상도(즉, 더 많은 픽셀) 및/또는 높은 BL 레벨로 스케일링할 때, 데이터 혼잡 및 더 높은 전력 소모는 일부 경우들에서 문제가 될 수 있다.

따라서, 이것은 3D 이미지 감지 분야에서 픽셀별로 단일 광자 검출, 신호 복조 및 로컬 평균화를 사용하는 회로 및 방법을 제공함으로써 극복될 수 있다는 것이 인식되었다.

일반적으로, 본 개시내용에 따른 효과는, 일부 경우들에서, 대응하는 회로가 (알려진 TOF 회로에 비해) 특히 작게 만들어질 수 있고, 그에 의해 고해상도 이미징 센서를 구성하기 위해 어레이 포맷으로 배치될 수 있다는 것일 수 있다.

따라서, 일부 실시예는, 광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호를 획득하고; 애벌런치 신호를 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 애벌런치 신호를 처리하도록 구성되는 비행 시간 회로에 관한 것이다.

비행 시간 회로는 CPU(중앙 처리 유닛), GPU(그래픽 처리 유닛), FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이) 또는 이 분야에 공지된 임의의 다른 (마이크로)프로세서와 같은, 비행 시간 신호, 특히 본 개시내용에 따른 애벌런치 신호를 평가하도록 구성 가능한 임의의 회로를 포함할 수 있다. 또한, 2개의 CPU들, CPU 및 GPU의 조합 등과 같은, 위에 언급된 구성요소들의 조합이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 예상될 수 있다. 더욱이, 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로는 일반적으로 알려진 바와 같이, 카메라(예를 들어, 비행 시간 카메라), 스마트폰 또는 임의의 다른 휴대용 디바이스, 개인용 컴퓨터, 서버, 또는 이들의 조합 등과 같은 임의의 전자 디바이스에 관련될 수 있고, 일반적으로, 비행 시간 회로는 본 개시내용을 그와 관련하여 제한하지 않고, 임의의 이러한 디바이스, 또는 자동차 어플리케이션, 소비자 전자 어플리케이션, 의료 어플리케이션, 산업 어플리케이션 등을 포함하는 임의의 다른 디바이스/장치에서 구현될 수 있다.

이러한 비행 시간 회로를 이용하면, (예를 들어) 픽셀별로 집적될 수 있고, 착신 이벤트를 복조하고 평균화하는 작은 회로가 제공될 수 있다.

본 개시내용에 따르면, 일부 실시예에서, 예를 들어 비행 시간 및 결과의 신뢰도를 추정하는 것을 허용하는 2개의 전압을 얻는 것이 가능할 수 있다. 이것은 신호 대 잡음비 및 평균화 길이에 의존하는 정확도 및 정밀도로 달성될 수 있다. 신호 대 잡음비(SNR)는, 예를 들어, 배경 조명(BL) 및 다크 카운트 레이트(DCR) 이벤트의 수 당 TOF 이벤트의 수로서 정의될 수 있다.

일부 실시예에서, (광 검출) 이벤트를 국부적으로 처리함으로써, 전력 소산이 제한된 채로 있고, 데이터 트래픽 혼잡이 회피된다. 또한, 일부 실시예에서, 입사 광 강도 레벨의 사전 지식을 요구하지 않고서, 입사 광 전력의 큰 동적 범위가 지원된다. 본 개시내용의 픽셀 어레이는, 예를 들어, 로컬 평균화를 중단하거나 리셋할 필요없이 비동기적으로 판독될 수 있다. 각각의 픽셀에서의(즉, 다수의 비행 시간 회로가 존재하는 경우에 본 개시내용에 따른 각각의 비행 시간 회로에서의) 평균화는, 예를 들어, 표준 2D 이미지 센서와 비슷한 이미지 데이터 전송 레이트를 갖는 DSP에 대한 데이터 통신으로 더 보완될 수 있다. 픽셀에서의 신호 복조의 다른 시스템(예를 들어, CAPD)과 비교하여, 본 개시내용의 일부 실시예에 따르면, 각각이 연속적으로 기록될 필요가 있는 상이한 측정 프레임들과 함께 작동하는 것이 요구되지 않을 수 있다. 모든 평균화된 복조 전압은 동시에 측정/취득될 수 있어서, 비교적 낮은 광 입력 레벨들을 갖는 고속 거리 추적 및 동작이 가능하다.

또한, 단일 층의 전자 장치로 제조되는 3D-TOF 이미지 센서에서 사용될 수 있지만 3D 적층 구성에서도 매우 바람직한, 일부 실시예에서 SPAD에 대한 검출 층 및 후속 데이터 처리를 위한 층과 같은 여러 반도체 층이 상이한 기능을 위해 적층되게 하는, 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로에 기초로 하는 시스템이 제공될 수 있다.

애벌런치 신호는 광 검출 이벤트에 응답하여 생성되는 신호일 수 있다. 예를 들어, 광 이벤트 검출기(예를 들어, SPAD(single photon avalanche diode), 애벌런치 포토다이오드) 상에 입사되는 단일 광자 또는 복수의 광자가 광 검출 이벤트로서 제공될 수 있으며, 따라서 광 이벤트 검출기 내의 전압의 변화(예를 들어, 강하 또는 상승)를 유발할 수 있다.

통상적으로, 일반적으로 비행 시간 분야에 공지된 바와 같이, 임의의 광 검출 이벤트는 애벌런치 신호를 유발할 수 있다. 그러나, 비행 시간 디바이스(예를 들어, 카메라) 또는 독립형 광원은 펄스화된 광을 방출하도록 구성될 수 있으며, 펄스화된 광은 장면(예를 들어, 객체)에서 반사된 후에 광 이벤트 검출기에서 측정된다. 이러한 경우들에서, 광이 그것의 방출로부터 그것의 검출까지 필요로 하는 시간(즉, 비행 시간 또는 왕복 지연)을 결정하고, 이에 의해 장면까지의 거리를 표시하는 것이 바람직할 수 있다.

이러한 알려진 비행 시간 방법에 대해, 그것은 통상적으로 본 기술분야에서 직접 비행 시간(direct time-of-flight)(dToF)으로 지칭된다. 알려진 dToF 디바이스에서, 생성된 이벤트들이 카운트되고, 왕복 지연을 결정하기 위해 판독되는 히스토그램에 저장될 수 있다.

그러나, 본 개시내용에 따르면, 애벌런치 신호는 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 처리될 수 있다.

이러한 맥락에서, 교대는 하나의 처리 기간(즉, 애벌런치 신호가 광 검출 이벤트와 상관되는 기간) 동안 복조 신호의 적어도 2개의 상이한 반복 값(예를 들어, 전압 값 또는 전압 레벨)이 존재할 수 있는 것을 포함할 수 있다.

더욱이, 교대 신호는 오프셋을 가질 수 있으며, 이러한 교대는 신호의 극성 변화로 제한되지 않는다.

예를 들어, 적어도 하나의 복조 신호는 주기적일 수 있다(예를 들어, 직사각형 함수, 사인 함수 등). 복수의 복조 신호가 존재하는 경우, 복조 신호들은 상이한 함수들에 기초할 수 있다고 예상될 수 있다. 예를 들어, 제1 복조 신호는 사인 함수에 기초할 수 있고, 제2 복조 신호는 직사각형 함수에 기초할 수 있지만, 그와 관련하여 본 개시내용을 제한하지 않는다. 물론, 이것은 2개보다 많은 복조 신호를 갖는 실시예로 또한 확장될 수 있다(예를 들어, 3개의 복조 신호의 경우, 3개의 상이한 함수가 사용될 수 있고/거나 3개의 상이한 위상 시프트가 사용될 수 있거나 이들의 혼합일 수 있음).

애벌런치 신호(또는 애벌런치 신호의 수정된 버전, 예를 들어, 필터링, 평활화, 변환, 및/또는 이와 유사한 것)는 적어도 하나의 복조 신호와 중첩될 수 있다. 복조 신호의 변화로 인해, (수정된) 애벌런치 신호가 적어도 하나의 복조 신호와 중첩되는 시점이 결정될 수 있다. 각각의 지연들을 고려하여, 애벌런치 신호는 광 검출 이벤트와 상관될 수 있다. 예를 들어, 애벌런치 신호의 생성의 시점과 광 검출 이벤트의 시점 사이의 지연이 (예를 들어, 캘리브레이션으로 인해) 알려질 수 있다. 대안적으로, 애벌런치 신호는 적어도 하나의 복조 신호와 중첩될 수 있고, 중첩된 신호와 광 검출 신호 사이의 지연이 (예를 들어, 캘리브레이션으로 인해) 알려질 수 있어, 광 검출 이벤트의 시점이 도출될 수 있다.

즉, 광이 광 이벤트 검출기에 입사하는 시점은 애벌런치 신호를 적어도 하나의 복조 신호와 중첩시킴으로써 결정될 수 있다. 적어도 하나의 복조 신호의 타이밍이 조정될 수 있기 때문에, 적어도 하나의 복조 신호를 판독함으로써 (대략적으로) 정확한 시점들이 결정될 수 있다. 따라서, 광 검출 이벤트의 시점(또는 시간 간격)은 적어도 하나의 복조 신호의 변화의 시점을 검출함으로써 결정될 수 있다.

일부 실시예에서, 비행 시간 회로는 광 검출 이벤트의 시점을 전압으로서 저장하도록 추가로 구성된다.

예를 들어, 애벌런치 신호는 위에서 이미 논의한 바와 같이 전압 강하에 기초할 수 있다. 따라서, 광 검출 이벤트에 응답하여 전압 신호가 생성될 수 있다. 애벌런치 신호와 적어도 하나의 복조 신호를 중첩시키기 위해, 적어도 하나의 복조 신호는 전압 신호에도 기초할 수 있다.

따라서, 애벌런치 신호에 기초한 적어도 하나의 복조 신호의 전압의 변화가 검출되어, 예를 들어, 디지털적으로 또는 유사하게 전압 저장소에 저장될 수 있다.

예를 들어, 전압(예를 들어, 전압 값 또는 레벨)은 적어도 하나의 커패시터에 저장될 수 있다. 적어도 하나의 커패시터의 전압 곡선(예를 들어, 시간에 따라 커패시터에 저장된 전압)을 판독하면, 광 검출 이벤트의 시점이 결정될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 복조 신호의 변화가 검출될 때마다, 적어도 하나의 커패시터의 전압이 적응될 수 있어, 광 검출 이벤트의 시점은 (각각의 지연들을 고려하여) 커패시터에서의 전압 적응에 의해 표시될 수 있다.

더욱이, 2개(또는 그 이상)의 복조 신호의 경우에, 2개(또는 그 이상)의 커패시터는 2개(또는 그 이상)의 복조 신호가 애벌런치 신호로 인해 변경되는 각각의 전압들을 저장할 수 있다. 그에 의해, 광 검출 이벤트의 시점이 보다 정확하게 결정될 수 있다.

일부 실시예에서, 전압은 애벌런치 신호의 잡음을 감소시키기 위해 제1 커패시터와 제2 커패시터의 단락에 응답하여 제1 커패시터에서 저장된다(제1 및 제2 커패시터는 일부 실시예에서 비행 시간 회로의 일부임).

예를 들어, 애벌런치 신호는 복조 신호와 2번 중첩될 수 있다. 제1 중첩에 기초하여, 발생된 신호는 제2 커패시터에 공급될 수 있다. 그러나, 제2 커패시터는 제1 커패시터보다 더 낮은 커패시턴스를 가질 수 있다(예를 들어, 100배 더 낮음). 그 후, 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이에 단락 회로가 형성될 수 있고, 그에 의해 병렬 신호 라인에서, 애벌런치 신호를 이미 중첩된 복조/애벌런치 신호(이전에 결과 신호로서 명명됨)에 공급하고, 동시에 제1 커패시터에 의해 제2 커패시터를 드레인한다. 그에 의해, 애벌런치 신호의 암전류가 감소된다.

일부 실시예에서, 적어도 하나의 복조 신호는 서로에 대해 위상 시프트될 수 있는 제1 및 제2 복조 신호를 포함한다.

예를 들어, 이미 논의된 바와 같이, 적어도 하나의 복조 신호는 사인 함수에 기초할 수 있다. 그러나, 주기성으로 인해, 동일한 전압 값이 동일한 시점에 할당될 수 있는 경우가 있을 수 있고, 그에 의해 적어도 하나의 복조 신호가 애벌런치 신호로 인해 변하는 시점을 결정함에 있어서 잠재적인 모호성을 초래한다.

이러한 정확한 시점은 사인 함수에 대해 위상 시프트된 복조 신호를 도입함으로써 결정될 수 있다.

예를 들어, 직사각형 함수, 톱니 함수, 삼각형 함수 등이 또한 제1 및 제2 복조 신호에 대한 기초일 수 있기 때문에, 그와 관련하여 본 개시내용을 제한하지 않고서, 제1 복조 신호는 사인 함수에 기초할 수 있고 제2 복조 신호는 코사인 함수에 기초할 수 있다.

따라서, 애벌런치 신호는 제1 및 제2 복조 신호와 중첩될 수 있다. 그러나, 각각의 중첩된 신호들은 제1 및 제2 복조 신호의 위상 시프트로 인해 상이하게 보일 수 있다. (위에서 논의된 바와 같은) 각각의 커패시터의 전압의 결정과 관련하여 각각의 중첩 신호를 비교함으로써, 하나의 복조 신호만을 이용하는 것보다 광 검출 이벤트의 시점의 더 정확한 결정을 제공하는 것이 가능하다.

일부 실시예에서, 제1 및 제2 복조 신호는 삼각 함수에 기초한다.

이러한 실시예에서, 사인 및 코사인 함수의 순수한 사용을 넘어서는, 임의의 중첩된 삼각 함수, 또는 삼각 함수에 기초하여 기술될 수 있는 임의의 함수(예를 들어, 직사각형 함수, 또는 이와 유사한 것)가 예상될 수 있다. 이러한 실시예에서, 삼각 함수는 전술한 모호성을 줄이는 것(또는 완전히 방지하는 것)을 가능하게 하는 방식으로 선택될 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 및 제2 복조 신호는 동시에 인가된다. 예를 들어, 사인 및 코사인 함수가 사용되는 경우, 이들은 병렬 회로들에서 동일한 애벌런치 신호에 적용될 수 있으며, 이러한 회로들은 시점의 비교 가능한 결정을 갖기 위해 서로 유사할 수 있으며, 따라서 전술한 모호성이 필터링될 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 및 제2 복조 신호는 연속적으로 인가된다. 이것은 애벌런치 신호가 각각의 복조 신호와 중첩되는 하나의 회로만이 존재하는 경우일 수 있다. 전술한 모호성을 필터링하기 위해, 애벌런치 신호가 제1 복조 신호와 중첩되고, 또한 제1 복조 신호 후에 제2 복조 신호와 중첩하기 위해 지연 회로에 병렬로 공급되는 것이 예상될 수 있다.

일부 실시예에서, 적어도 하나의 교대 복조 신호는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 주기적 복조 신호를 포함한다.

일부 실시예에서, 비행 시간 회로는 윈도잉에 기초하여 애벌런치 신호를 처리하도록 더 구성된다. 예를 들어, 윈도잉은 애벌런치 신호의 제1 부분이 제1 윈도우에서 처리되고 애벌런치 신호의 제2 부분이 제2 윈도우에서 처리되도록 수행될 수 있으며, 이는 아래에 더 논의될 것이다. 더욱이, 윈도잉은 단일 윈도우로 수행될 수 있다.

일부 실시예에서, 광 검출 이벤트는, 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 광이 광 이벤트 검출기에 입사하는 시점을 나타낸다.

일부 실시예는, 광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호를 획득하는 단계; 및 애벌런치 신호를 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 애벌런치 신호를 처리하는 단계를 포함하는 비행 시간 방법에 관한 것이다.

비행 시간 방법은 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로로 수행될 수 있거나, 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있으며, 따라서 비행 시간 회로에 대해 이루어지는 설명은 비행 시간 방법에도 적용된다.

일부 실시예에서, 비행 시간 방법은 본 명세서에 논의되는 바와 같이, 광 검출 이벤트의 시점을 전압으로서 저장하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 전압은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 적어도 하나의 커패시터에서 저장된다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 전압은 애벌런치 신호의 잡음을 감소시키기 위해 제1 커패시터와 제2 커패시터의 단락에 응답하여 제1 커패시터에서 저장된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 복조 신호는 서로에 대해 위상 시프트된 제1 및 제2 복조 신호를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 복조 신호는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 삼각 함수에 기초한다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 복조 신호는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 동시에 인가된다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 복조 신호는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 연속적으로 인가된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 교대 복조 신호는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 주기적 복조 신호를 포함한다. 일부 실시예에서, 비행 시간 방법은 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 예를 들어 단일 윈도우를 이용하여, 또는 애벌런치 신호의 제1 부분이 제1 윈도우에서 처리되고 애벌런치 신호의 제2 부분이 제2 윈도우에서 처리되도록, 윈도잉에 기초하여 애벌런치 신호를 처리하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 광 검출 이벤트는, 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 광이 광 이벤트 검출기에 입사하는 시점을 나타낸다.

본 명세서에서 설명되는 바와 같은 방법은 또한 일부 실시예에서 컴퓨터 및/또는 프로세서 상에서 수행될 때 컴퓨터 및/또는 프로세서로 하여금 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램으로서 구현된다. 일부 실시예에서, 또한, 위에서 설명된 프로세서와 같은 프로세서에 의해 실행될 때, 본 명세서에 설명된 방법이 수행되게 하는 컴퓨터 프로그램 제품을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 기록 매체가 제공된다.

일부 실시예는, 광자의 검출 시에 이벤트를 생성하기 위한 SPAD 회로, 변조 전압을 샘플링하기 위한 제1 신호, 샘플을 평균 출력에 포함시키기 위한 제2 신호를 생성하기 위한 스위치 제어 회로, 및 제1 신호에 응답하여 이 복조 전압을 샘플링하고 제2 신호에 응답하여 TOF 거리의 추정을 위해 출력 노드 상의 그 출력 전압에 이 샘플을 포함하는 그 입력 노드에 인가된 복조 전압을 갖는 평균화 복조기를 포함하는, 거리의 추정을 위한 비행 시간 수신기에 관한 것이다. 다른 실시예에서, 입력 노드 상의 신호에 의해 결정되는 기간들 동안 출력 전압 내의 샘플들의 포함을 금지하는 게이팅 회로가 배치된다.

이러한 실시예에 대해, 그것은 도면들의 다음의 설명에서 더 언급될 것이다.

도 1로 돌아가면, 결국에는 평균화 복조기(120 및 121)를 구동하도록 구성된 스위치 제어 회로(110)를 구동하도록 구성된 SPAD 회로(100)를 포함하는 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로(90)(또한 TOF 수신기라고도 함)가 도시되어 있다.

SPAD 회로(100)는 SPAD(1001) 상의 입사 광자에 응답하여 SPAD(1001)(단일 광자 애벌런치 검출기)의 캐소드의 노드 상의 전압을 나타내는 펄스 V_cat를 생성하도록 적응된 검출기를 적어도 포함한다.

일반적으로, 솔루션은 노드들(V_bias 및 V_anode) 상에 SPAD(1001)의 항복 전압보다 더 큰 전압 차이를 가지는 전압들을 인가함으로써 항복 전압 위로 바이어싱되는 애벌런치 광검출기(ADP)로서 구현될 수 있는 SPAD 검출기를 사용하는 것이다. 이 실시예에서 구현되는 예시로서, 21 볼트의 항복 전압으로 동작하는 SPAD(1001)에 대해, 노드(V_bias) 상의 전압은 3 볼트일 수 있고, 노드(V_anode)의 전압에서 20 볼트를 뺀 값은 전류가 흐르지 않을 때 SPAD에 대해 총 23 볼트일 수 있다. 그러면, 초과 바이어스 전압은 2 볼트이다. 검출되는 광자가 입사될 때(예를 들어, 일부 실시예에서, 모든 광자가 검출되는 것은 아닐 수 있음), SPAD(1001)의 캐소드 상의 네거티브 펄스(V_cathode)가 발생하여 SPAD 검출기 상의 전압을 아래로 또는 항복시(예시에서 3볼트로부터 1볼트로) 가져올 것이다.

SPAD 회로(100) 내부에 도시된 회로는 또한 노드(p1) 상에 디지털 출력을 만들기 위한 트립핑 레벨(V_trip)을 갖는 인버터(X1)를 갖는다. 출력 신호(V_p1)(도 1의 하부에 도시된 바와 같음)는 노드(p1) 상의 포지티브 펄스이고 신호(122)의 포지티브 에지에 대해 그것은 이벤트(본 개시내용에서 언급된 바와 같은 광 검출 이벤트임)로서 추가로 지칭될 것이다.

일부 실시예에서, 예를 들어, 검출기 바이어싱의 자동 퀀칭(auto-quenching), 펄스 성형(pulse shaping) 및/또는 변조의 기능성을 갖는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 더 복잡한 회로들이 SPAD 회로(100)에 집적될 수 있다. 일부 실시예에서 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로의 동작에 필요한 전부는, 광자가 SPAD(1001)에 입사하는 시간을 나타내는 상승 출력 에지(122)를 p1 상에 갖는 것이다. 실시예의 설명 전체에 걸쳐, 이벤트는 p1 상의 이 상승 에지(122)에 관한 것이지만, 실제로는 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 선호되는 경우, 네거티브 에지가 대안적으로 이벤트로서 또한 정의될 수 있다. 또한, 일반적으로, 본 개시내용은 펄스의 상승 또는 하강 에지의 개념으로 제한되지 않고, 예를 들어, 신호의 피크 검출은 또한 (추가적인 예를 언급하기 위해서만 그리고 이와 관련하여 본 개시내용을 제한하지 않고) (광 검출) 이벤트로서 지칭될 수 있다.

SPAD(1001)는 일반적으로 알려진 바와 같이 다크 카운트들을 더 가질 것이다: 이들은 유사한 에지들을 또한 생성할 수 있는 다크 전류로 인한 자발적 이벤트들이다. 그러나, 이러한 에지들은 통상적으로 무작위 순간들에 발생할 것이고, 따라서 입사 광자들로부터 발생하는 이벤트들을 모호하게 한다. 이러한 이벤트들이 발생하는 레이트를 다크 카운트 레이트(DCR)라고 한다. 본 개시내용의 일부 실시예에서, SPAD 회로(100)의 출력에서의 상승 에지(122)는 광자로부터 또는 DCR 이벤트로부터 유래하는 이벤트를 표시한다. 노드(p1) 상의 펄스(V_p1)의 하강 에지는 덜 유익한 것으로 간주될 수 있고, SPAD 회로(100)의 특정 구성요소들의 구현에 의존하여, 상승 에지(122)보다 가변 시간이 지난 후에 올 수 있다. 이 펄스는, 그의 타이밍 정보가 상승 에지(122)에 표시되어 있는 상태에서, 노드(p1) 상의 전압(V_p1)을 통해 스위치 제어 회로(110)로 전달된다.

일부 실시예에서, SPAD 회로(100)는 또한 애벌런치 광 검출기(APD)를 포함할 수 있는데, 그것은 항복 아래로 바이어싱되고, 디지털 출력 노드(p1) 상에 유사한 디지털 펄스가 구성될 수 있는 고유의 높은 이득을 가져서, 또한 광자의 도달 시간을 나타내는 p1 상의 상승 출력 에지(122)를 생성한다.

본 실시예의 스위치 제어 회로(110)는 적어도 2개의 신호를 출력한다. 각각의 이벤트에서, 평균화 복조기(120 및 121)의 입력(F1 및 F2)에 각각 인가된 복조 전압들과 (대략적으로) 동기화하여 노드(Vs1 및 Vs2) 상에서 샘플링하기 위해, 부착된 평균화 복조기(120 및 121) 내의 스위치(Xa1 및 Xa2)(이 실시예에서는 트랜지스터로서 구현됨)를 구동하기 위해 노드(q6) 상의 제1 신호가 제공된다. 노드(p6) 상의 제2 신호는 미리 결정된 기간 동안의 샘플링 동작 후에 스위치(Xb1 및 Xb2)를 도통시킴으로써 노드(Vs1 및 Vs2) 상의 샘플링된 전압들이 평균화 복조기(120 및 121)의 출력 노드(Avg1 및 Avg2) 상의 출력 평균 전압에서 각각 고려되게 하는, 스위치(Xb1 및 Xb2)를 구동하기 위한 신호이다. 노드(F1 및 F2) 상의 샘플링된 전압들은 커패시터(Cs1 및 Cs2) 상에 저장되고, 평균 전압들은 출력 노드(Avg1 및 Avg2)에 각각 결합되는 커패시터(Ci1 및 Ci2) 상에 저장된다.

도 2는 (SPICE)(Simulation program with integrated circuit emphasis) 과도 시뮬레이션에 기초한 동작을 도시한다. 곡선(200)은 40 ns마다 반복되는, 따라서 이 실시예에서 25 MHz의 펄스 반복률을 갖는 장면 조명 광원 펄스들을 나타낸다.

이 광은 장면을 펄스 방식으로 조명하고, 반사된 광(중 일부)은 SPAD 회로(100)에 의해 수신될 것이다. 장면 조명 광원은 LED 또는 레이저와 같이, 짧은 광 펄스들을 발생시킬 수 있는 임의의 유형일 수 있다. 비행 시간(TOF)에 의해 나타나는 지연에 의해, 순간들(601, 602, 603 및 604)에서 SPAD의 캐소드 전압에서의 딥(dip)(곡선(201))에 의해 도시된 바와 같이 이벤트가 트리거되는 것이 가능해진다. TOF 광자로 인해 이벤트가 트리거될 때, 그것은 본 명세서에서 TOF 이벤트로서 지칭된다. 또한, 장면으로부터의 반사된 광이 매우 희미할 수 있기 때문에, 소수의 광자만이 SPAD 회로(100)에 도달할 수 있고, 이들 중 일부만이 TOF 이벤트를 트리거할 수 있다. 곡선(201)은 TOF 지연 후에 트리거되고 따라서 TOF 이벤트일 수 있는, 순간들(601, 602 및 603)에서의 3개의 이벤트만을 도시한다. 제4 순간(604)에, 이 예시에서는 응답이 없다(예상될 수 있음에도 불구하고). 또한, 방출된 광 펄스(200)의 타이밍과 상관되지 않고서, SPAD(1001) 상에 입사되면 무작위 시간들에서 이벤트들을 발생시킬 수 있는, 배경 광(BL), 또는 주변 광으로부터 유래하는 광자들이 있을 수 있다. 또한, SPAD 회로(100)는 또한 무작위 시간들에서 다크 카운트 레이트(DCR) 이벤트들을 생성할 수 있다. 순간(605)에서, 이벤트가 발생하며, 그 이벤트는 BL로부터 유래하는지 또는 DCR로부터 유래하는지를 알 수 없다.

도 2의 예시에서, 복조 함수들은 평균화 복조기(120 및 121)의 입력(F1 및 F2)에 각각 인가되는 사인 및 코사인 전압(210 및 211)에 기초한다. 단일 전원 전압 도메인에 이를 유지하기 위해, 사인 및 코사인 전압들은 양의 1 볼트 오프셋을 가지며, 이들은 1 볼트의 진폭을 갖는다(즉, 이들 양자는 0과 2V 사이에서 발진함)(이와 관련하여 본 개시내용을 제한하지 않음).

매 이벤트마다, 스위치 제어 회로(100)는 노드(q6) 상의 전압이 미리 결정된 기간 동안 로우가 되게 한다. 그때까지, 신호(230 및 231)는 노드(F1 및 F2), 곡선들(210 및 211) 상의 그들 각각의 전압을 추종한다.

각각의 이벤트에 응답하여, q6은 로우가 되고, 스위치(Xa1 및 Xa2)는 도통하는 것을 멈추고, 노드(112 및 113) 상의 전압들이 그들의 마지막 값으로 유지되게 한다. 스위치 제어 회로(100)는 그 후, 신호(q6)가 로우로 된 후에, 노드 전압(p6)이 일시적으로 하이가 되게 한다. q6이 로우로 가는 것과 p6이 하이로 가는 것 사이에 기간이 있을 수 있고, 전압 샘플은 노드(112 및 113) 상에 머무를 것이다. 도 2(및 95 ns 주위의 이벤트 주위의 줌 인인 도 3)의 예시에서, 이 실시예에서 이들 에지들 사이에 매우 적은 시간이 존재하고, 이는 다른 실시예에서 요구되지 않는 것으로 간주될 수 있다.

p6이 하이인 기간 동안에는, 평균화 복조기(120 및 121) 각각의 스위치(Xb1 및 Xb2)의 도통으로 인해 커패시터(Cs1 및 Ci1) 사이에 그리고 커패시터(Cs2 및 Ci2) 사이에 의도된 단락이 존재한다.

평균화 복조기의 동작에 대한 설명은 제1 복조기(평균화 복조기(120))에 초점을 맞출 것이다. 동일한 이해가 본 개시내용의 다른 것에 적용되고, 여기서 잠재적인 수정이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 수 있다.

Cs1을 Ci1과 단락시킴으로써, 이러한 커패시터들 상의 전압들은 서로를 향해 이동할 것이고, 커패시터 비율(

)에 따라 공통 전압을 찾을 것이다. 평균화 커패시터(Ci1)는 샘플링 커패시터(Cs1)보다 훨씬 더 큰 것으로 가정된다. 비율이 100의 인수인 경우, 둘 사이에서 단락이 발생할 때, 더 큰 커패시터 상의 전압은 작은 커패시터의 전압을 향해 약 1%만큼 이동할 것이며, 작은 커패시터의 전압은 더 큰 커패시터를 향해 약 99%만큼 이동할 것이다. 따라서, 노드(Avg1) 상의 새로운 평균 전압에서, 최신 이벤트는 1%만큼 고려되고, 히스토리는 99%만큼 계속 존재한다. 샘플 평균화 길이 n을 커패시터 비율 n =

로서 정의하는 것이 가능하다. 이것은 n이 100과 동일할 때(즉, 커패시터 비율이 100과 동일할 때) 대략 고려되는 최근 100개의 샘플의 효과를 산출해낼 것이다. 따라서, 더 최근의 샘플은 1%를 카운트하는 반면, 99개 샘플 이전에 샘플링된 샘플은 훨씬 더 작은 가중치로 고려된다.

도 2 및 도 3의 시뮬레이션에서의 설명 목적을 위해, 4의 커패시터 비율이 선택되고, 예컨대 샘플 평균 길이 n은 4와 같을 수 있다(이와 관련하여 본 개시내용을 제한하지 않음). 도 3에서 (참조 번호 1010으로 표시된) 96 나노초 직전에, 606에서, 노드(F1)로부터 전압(210)을 추종하고 있었던 노드(112) 상의 전압(230)은 노드(q6) 상의 전압(220)이 강하하기 때문에 추종을 멈추고, 스위치(Xa1)는 전도를 멈춘다. 노드(p6) 상의 전압(222)은 이후 하이가 되어, 전압(230 및 240)(커패시터(Cs1 및 Ci1) 상의 전압임)을 이들의 각자의 용량성 값에 따라 서로를 향해 풀링한다. 노드(p6) 상의 하이 레벨(222)은 충분히 길게 지속되고 스위치 제어 회로(100)에 의해 좌우되는 로우로 다시 간다. 노드(Avg1) 상의 출력 전압(240)은 이후 평균화 길이 n에 의해 결정되는 가중치를 가진 최신 이벤트 데이터로 갱신된다.

나중의 시점에, 노드(q6) 상의 신호(220)는 다시 하이가 되어, 발생할 다음 이벤트를 준비한다.

노드(F1)과 노드(112) 사이에 하나보다 많은 스위치가 있는 대안 실시예가 예상될 수 있다. 일부 실시예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 노드(112)와 노드(Avg1) 사이에 하나 초과의 스위치가 있다.

일반적으로, 전압 샘플은 이벤트의 응답 시에 노드(F1) 상에 존재하는 복조 함수로부터 커패시턴스(Cs1)를 가지는 노드(112) 상으로 취해지고, 이후 더 큰 커패시터(Ci1)와의 전하 공유는 2개의 커패시터 사이에(노드(112)과 노드(Avg1) 사이에) 전도성 경로를 만듦으로써 수행된다.

이러한 동작 방법은 들어오는 이벤트들의 레이트로 샘플링이 발생하는 것을 제공한다.

도 1 내지 3과 관련하여 설명되는 실시예에서, 본 명세서에 설명된 비행 시간 회로를 갖는 비행 시간 디바이스(또는 수신기)는 극단적인 조건들에서 동작될 수 있다: 예를 들어, 극단적으로 긴 기간에 걸쳐(예를 들어, 1 내지 10 밀리초 동안) 매우 적은 수의 이벤트(예를 들어, 10 마이크로초마다 하나의 이벤트)만의 평균을 구하거나, 극단적으로 짧은 기간에 걸쳐(예를 들어, 수 마이크로초 동안) 많은 이벤트(예를 들어, 20 나노초마다 하나의 이벤트)의 평균을 구한다.

본 개시내용에 따른 TOF 수신기는 최적에 가깝게 작동할 수 있기 때문에 독립적으로, 즉 외부 지원을 필요로 하지 않고 동작할 수 있다. 고유의 높은 동적 범위(HDR)가 달성될 수 있다.

평균화 복조기(120) 내의 스위치들은 NMOS 패스-게이트들(Xa1 및 Xb1)이다. 일부 실시예에서, 그것들은 (대략) 동일한 순간에 전도하는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터, 또는 (다른 실시예에서) 단지 PMOS 패스-게이트들만을 가지는 풀-플레지(full-fledged) CMOS 스위치들로서 구현된다. 또한, 큰 샘플 평균화 길이 n을 달성하기 위해, 커패시터(Cs1)는 접속된 스위치들(Xa1 및 Xb1)의 확산 노드들의 기생 커패시턴스에 의해서만 구성될 수 있다. 또한, 예를 들어, 버랙터(varactor), 또는 그것에 병렬로 추가적인 커패시터를 추가하도록 구성되는 스위치를 사용함으로써 설정가능한 것으로서 Cs1을 제공하는 것이 예상될 수 있다. 이러한 방식으로, 샘플 평균화 길이 n은 설정 가능하고 가변적이 될 수 있다. 출력 평균화 커패시터(Ci1)는, 사용된 칩 기술에 가장 적합한 방식으로, 예를 들어, 게이트 커패시턴스, 폴리-폴리, 금속 핑거에 의해, 또는 동적 메모리(예를 들어, 금속 충전 트렌치)의 구현에 이용가능한 커패시터에 의해 제공될 수 있다.

전술한 고려 사항들은 그것의 입력(F2)에서 코사인 전압을 갖는 제2 평균화 복조기(121)에 대해, 그리고 본 개시내용의 모든 다른 평균화 복조기에 대해 유지된다. 그러나, 상황들에 따라 모든 평균화 복조기가 개별적으로 제공될 수 있으므로, 본 개시내용은 비행 시간 회로의 동일 실시예의 평균화 복조기들이 서로의 사본이 되기 위해 필요한 것으로 제한되지 않는다.

스위치 제어 회로(110)는 신호(q6)를 제공하기 위해 예시로서 인버터(X6)를 포함한다. 도 1의 컴포넌트들(X2, X3, X4 및 X5)은 원샷 회로를 구성한다: 이벤트의 발생시에, p1은 하이가 되고, 3개의 인버터들(X2, X3 및 X4)의 대기시간의 기간 동안 p4는 하이로 유지되며, 그 기간 동안 NAND 게이트(X5)의 출력(p6)은 대략 그 대기시간의 기간 동안 하이가 되지만, 노드(112 및 Avg1) 사이에서 상기 전하 공유를 이행하기에 충분히 길다.

스위치 제어 회로(110)는 단지 예시적인 회로이지만, 많은 다른 회로가 동일하거나 유사한 기능성을 달성할 수 있는데, 예를 들어, 크기에 대해 최적화되지만 이에 제한되지 않는다. 이 실시예에서, 신호(q6 및 p6)는 결코 동시에 하이가 되지 않도록 구성되어야 하는데, 즉, 이들은 스위치(Xa1 및 Xb1)가 동시에 도전되어 노드(Avg1) 상의 출력 전압을 손상시키는 것을 피하기 위해 비중첩 신호이어야 한다.

TOF에 기초하여 거리를 측정하기 위해, BL 및 DCR을 또한 갖는 경우에, 평균 복조에 기초한 2개의 측정이 필요할 수 있다. 도 1에서, 이것은 비행 시간 회로(90)당 2개의 평균화 복조기(120, 121)가 이용 가능한 동시 방식으로 행해진다.

도 4에서, 단일 평균화 복조기(123)를 포함하는 비행 시간 회로(91)(또는 TOF 수신기)의 일 실시예가 도시된다. 평균화 복조기(123)는 수개의 프레임, 예를 들어, 2개의 프레임에서 순차적으로(또는 연속적으로) 동작될 수 있다: 제1 프레임 동안, 노드(F1) 상에 복조 함수로서 사인을 적용함으로써 제1 평균 전압이 획득되고, 이어서 제2 프레임 동안 노드(F1) 상에 복조 함수로서 코사인을 적용함으로써 제2 평균 전압이 획득된다. 프레임들 둘 다는 예를 들어 각각 수백 마이크로초 동안 평균화 복조기(123)를 실행한다.

비행 시간 회로(91)는 예를 들어 도 1의 비행 시간 회로(90)보다 작게 구성될 수 있으며, 따라서 더 높은 해상도의 센서 어레이를 가능하게 한다.

도 5는 이 경우에서는 사인 및 코사인 함수를 노드(F1 및 F2) 상에 각각 인가되는 전압으로서 이용하는 평균화 복조 원리를 나타내는 시뮬레이션으로부터의 결과를 나타낸다.

이 시뮬레이션에서, 사인 및 코사인은, 도 2에서와 같이, 1 볼트의 진폭으로, 1 볼트의 오프셋 전압 주위에서 교대한다. 40 나노초의 기간이 가정되고, 샘플 평균화 길이 n은 10이다. 시뮬레이션의 총 길이는 60개의 이벤트를 나타내고, 그 중 54개의 이벤트는 TOF 이벤트들로부터 유래하고, 6개는 DCR 및/또는 BL 이벤트들로부터 무작위하게 유래한다. 도착 시퀀스는 현실적인 사용 사례로서 무작위화된다. TOF는 15 나노초이고, 장면 조명 광원의 펄스 폭은 2 나노초로 가정되며, 예를 들어, 레이저로 달성될 수 있는 것이다. 54개의 이벤트는 따라서 2 나노초의 펄스폭에 걸쳐 통계적으로 확산되어 있는 출발 시간을 가진다. 히스토그램 곡선(300)(히스토그램은 본 개시내용에 따라 필요하지 않지만, 알려진 직접 TOF 디바이스에서 통상적으로 사용되기 때문에, 이 예시를 위해 존재함)에서, 도달 시간은 40 나노초에 걸쳐 균등하게 확산된 400 피코초의 100개의 빈(bin)에 기록된다. 레이저의 2 나노초 펄스 폭 및 15 나노초 비행 시간으로 인해, 기록되는 대부분의 이벤트는 14 내지 16 나노초 사이에 존재한다.

노드(Avg1)(곡선 320) 및 노드(Avg2)(곡선 322) 상의 출력 평균 전압은 초기 조건으로서 약 1볼트를 갖는다. 곡선(310)은 아크탄젠트(또는 atan) 수학 함수를 이용하여 곡선들(320 및 322)의 값으로부터 계산된 추정된 TOF이다. 곡선(330)은 (1 볼트 오프셋의 감산 후의) 전압(320 및 322)의 RMS 값을 취함으로써 측정의 신뢰 레벨을 도시한다. 곡선들(320, 322, 310 및 330)에 대한 X-축은, 통계적으로 들어올 때 60개까지의 샘플 이벤트 수를 나타낸다. 곡선들(320 및 322)은 샘플 평균화 길이 n의 3 내지 4배(즉, 30 내지 40개의 샘플) 후에 그들의 최종 값으로 수렴하고, 그 동안(및 그 후) 6개의 DL 및/또는 DCR 샘플로 인해 킥업 및 킥다운된다.

계산된 TOF(310)는 예상되고 적용된 15 나노초 TOF에 가까운 값으로 상승한다. 샘플들 30 내지 60으로부터 평균 및 정밀도를 취하면, 평균은 14.9 나노초이고, 정밀도는 40 나노초 기간의 약 1 퍼센트인 400 피코초이다. 샘플 평균 길이가 10이기 때문에, 10개의 샘플마다 몇개의 의미있는 판독을 가져오는 것이 가능하며, 이는 마지막 30개의 샘플에 대해 4개의 판독을 산출하여, 원칙적으로 그의 근(root)에 의해 정밀도를 향상시켜 200 피코초의 정밀도로 한다. 각각의 사이클이 이벤트를 제공하고 있다고 가정하면, 60 사이클의 이 동작은 40 나노초의 60배(즉, 2천 4백 나노초)가 걸릴 것이다. BL 또는 DCR이 존재하지 않고, 광원 펄스폭이 사인 사이클 시간에 비해 매우 작은 경우, 신뢰 레벨 1(100%)이 달성될 것이다.

이 시뮬레이션에서, 신뢰 레벨을 10 퍼센트만큼 감소시키는 10 퍼센트의 BL 및/또는 DCR 이벤트가 있다. 다시 말하면, TOF 이벤트 대 총 이벤트 비가 90%이고, 90% 부근에서 진동하는 신뢰 레벨(330)을 전달한다. 기본적으로, 신뢰 레벨은, 곡선들(320 및 322)에서의 값의 RMS(1 볼트 오프셋만큼 감소됨)를 취함으로써, 하나의 복소 파를 구성하는 사인 및 코사인의 진폭으로서 고려될 수 있다.

도 6에 도시된 추가 시뮬레이션에서, (시뮬레이션된) 장면의 TOF 반사로부터 이용가능한 TOF 이벤트들보다 9배 더 많은 BL 및 DCR 이벤트가 있다: 80개의 TOF 이벤트에 대해 720개의 BL 및/또는 DCR 이벤트. 따라서, 이 시뮬레이션에서, TOF 이벤트 대 총 이벤트 비는 10 퍼센트이며, 이는 약 10 퍼센트의 신뢰 레벨(332)을 산출해낸다. TOF는 다시 15 나노초이고, 사이클 시간은 다시 40 나노초이고, 히스토그램 비닝(binning)은 다시 100이고, 광원 펄스 폭은 다시 2 나노초이다. 샘플 평균화 길이 n은 200으로 설정되어, 이러한 높은 잡음 조건들이 고려된다. 히스토그램은 다수의 통계적으로 확산된 이벤트들뿐만 아니라, 14 내지 16 나노초에서 피크에 이르는 TOF 이벤트들도 보여준다. TOF 이벤트의 수는 도 5에서보다 단지 약간 더 크다(80 대 54). 곡선들(324 및 326)은 노드(F1 및 F2)로부터의 평균화된 복조된 신호들을 예시하고, 그들의 진폭(이미 위에서 논의된 바와 같이, 1 볼트의 감산 이후)은 10배 더 높은 잡음 레벨(BL 및/또는 DCR)만큼 감소된다. 그러나, 324 및 326으로부터의 아크탄젠트 계산에 기초하는 추정치 TOF 거리(312)는 도 20을 참조하여 설명되는 iTOF에 대해 알려진 바와 같이 거리 추정치(312)의 충분한 시야를 여전히 제공한다.

곡선들(324 및 326)은 (많은 BL 및/또는 DCR 이벤트로 인해) 다소 변동하지만, 결과적인 TOF 곡선(312)은 다소 안정적이다. 400 내지 800 샘플 범위에서, 평균 TOF는 16.4 나노초이고, 정밀도는 40 나노초의 시간 간격 기간의 2.5%(즉, 1 나노초)이다.

다시, 매 200개의 샘플을 판독하고, 이러한 판독을 평균하는 것은 후반부에서의 정밀도를 500 피코초로 향상시킨다. 신뢰 레벨은 복소 진폭이 10 퍼센트로 감소된다는 것을 보여주고, 이에 의해, 연결된 DSP 또는 후속 데이터 프로세서는 결과가 약간 덜 정밀하다는 것과 TOF 결정의 정밀도 및 정확도를 더 개선하기 위해 추가 평균화가 아마도 필요할 것이라는 것을 알 수 있다.

본 개시내용에 따른 비행 시간 회로(92)의 추가 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 평균화 복조기가 다소 작은 영역에서 구현될 수 있다는 사실 때문에, 도 1에 도시된 것보다 더 많은 복조기 인스턴트들을 구현하는 것이 고려될 수 있다.

일부 실시예에서 그 옵션을 활용하는 하나의 방법은 TOF 시간 측정 간격을 여러 부분으로 분할하는 것이며, 예를 들어, 이들 각각은 평균화 복조기의 쌍에 의해 커버된다. 이를 달성하기 위해, 일부 실시예에서 모든 평균화 복조기에 공통인 단일 스위치 제어 회로(110)가 제공된다. 여기에 제시된 구현에서, 평균에 대한 샘플의 포함을 실행하는 신호(p5)가 게이트된다. 제1 (AND-)게이트(130)는, 노드(Window1) 상의 신호가 하이일 때에만 신호(p5)를 전달한다. 따라서, 노드(Window1)가 하이일 때 발생하는 이벤트들만이 신호(p61)를 표명함으로써 부착된 평균화 복조기(124 및 125)에 포함된다. 유사하게, 노드(Window2) 상의 전압이 하이일 때 발생하는 이벤트들만이 신호(p62)를 추가 (AND-)게이트(131)의 출력으로서 표명함으로써 부착된 평균화 복조기(126 및 127)에 통합된다.

이 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 노드(Window1) 상의 신호(260)는 처음 40 나노초 동안 하이이고, 노드(Window2) 상의 제2 신호(261)는 다음 40 나노초 동안 하이이다. 도 8의 예시적인 곡선들에서, 노드(Window2)가 하이(곡선(261))일 때에만 이벤트들이 존재하고(q6이 로우로 갈 때 발생함, 곡선(250)), 그 결과, 평균화 복조기(126 및 127)만이 그에 의해 업데이트된다. 부착된 프로세서는 평균화 복조기 쌍들 각각의 신뢰 레벨을 비교함으로써 신뢰 레벨을 이용하도록 구성될 수 있다. TOF가 제2 윈도우로 떨어진다고 가정할 때 노드(AvSin1 및 AvCos1) 상의 전압들의 RMS 값(1 볼트의 오프셋의 감산 이후)은 0에 가까울 것이고, 그 결과, 노드(AvSin2 및 AvCos2) 상의 전압들의 RMS 값(1 볼트의 감산 이후)은 증가할 것이다. 가장 높은 신뢰 레벨을 갖는 윈도우는 검색되는 TOF 지연을 포함하고, 다른 쌍은 무시될 수 있다. TOF 지연이 2개의 윈도우 사이의 가장자리에 속하게 되면, 신뢰 레벨들은 비슷한 진폭으로 될 것이고, Avsin1 및 Avsin2가 추가될 수 있으며, 답변도 이들 2개의 윈도우 사이의 가장자리에 가까워야 한다는 점을 고려하여, 추정된 TOF 위치를 아크탄젠트로 찾기 위해 Avcos1 및 Avcos2가 추가될 수 있다. 이러한 방식으로, 회로가 고등 타입의 CMOS에 있다고 가정할 때, 비행 시간 회로(92)에 대한 면적을 충분히 작게 유지하는 방식으로, 긴 거리가 많은 조각들, 예를 들어, 최대 20개의 조각들로 분할될 수 있다. 또한, 이러한 윈도우 분할에 따르면, BL 및 DCR은 또한 비례적으로 감소되어, TOF 측정의 정확도 및 정밀도를 개선한다.

윈도우 분할의 대안적인 방식은 윈도우들의 중첩, 예를 들어, 10 내지 20 퍼센트 중첩을 조직하는 것이다. 장면 조명 광원 펄스 폭이 중첩 시간보다 시간적으로 더 짧다면, 초기 광원 펄스 폭을 완전히 커버하는 적어도 하나의 윈도우가 항상 존재하는 것을 보장할 수 있다.

일부 실시예에서, 주어진 윈도우에서의 변조 함수는 무작위 이벤트들의 수용을 위해 제로 평균(1 볼트 오프셋을 고려하지 않음)을 가지므로, 예를 들어 사인 및 코사인 함수로 작업할 때, 윈도우는 전체 360도(즉, 1 주기)(또는 그것의 배수들)를 커버하는 것으로서 정의될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시내용의 교시에 따라 디지털 신호 프로세서(DSP)가 가장 큰 신뢰도 값을 갖는 쌍을 찾고 정확한 위상 및 TOF 거리를 검색하게 할 수 있을 것이다.

도 9에서 설명되는 이러한 실시예는, 곡선들(262, 263, 및 264)에 의한 3개의 윈도우를 보여준다. 사인 및 코사인 주기(곡선들(210 및 211))는 40 나노초이고, 윈도우 주기는 또한 40 나노초이며, 제2 윈도우(263)는 5 나노초 동안 제1 윈도우(262)와 중첩하고(267), 제3 윈도우(264)는 5 나노초 동안 제2 윈도우(263)와 중첩한다(268).

그러나, 본 개시내용은 도 9의 복조 함수로 한정되지 않는데, 이는 본 개시내용에서 제공되는 평균 복조 원리를 위해 많은 다른 복조 함수가 이용될 수 있기 때문이다.

장면 조명 광원 신호는 단 하나의 펄스보다 더 많을 수 있고, 그것은 그 자체가 사인파, 또는 PRBS 코딩된 파일 수 있고, 그것은 골드 코드 등을 포함할 수 있다. 적절한 복조 파형(들)과 조합하여, 본 개시내용의 원리들이 적용될 수 있고, 심지어 어쩌면 일부 경우들에서 각각의 SPAD 검출기에 국부적인 것일 수 있다.

윈도우를 사용하는 아이디어는 또한 여기에 제시되지 않은 방식들로 사용될 수 있다. 이들은 출력에서 잡음을 생성하는 DCR 및 BL 무작위 이벤트들을 제한하는 특성을 갖는다. 게이팅 윈도우, 변조 함수, 샘플 평균화 길이, 이들은 구현될 시스템에 따라 항상 스위칭될 수 있다. 윈도우는 평균화된 변조된 출력에 매우 적은 수의 BL 및 DCR 이벤트가 포함되는 방식으로 객체를 추종하기 위해 시간상 슬라이딩할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 예를 들어, 시간상 슬라이딩하는 단일 윈도우가 구현된다.

(자동차 어플리케이션에서 예상될 수 있는 바와 같이) 다수의 LIDAR가 동시에 그리고 서로 독립적으로 동작할 필요가 있는 환경에 대한 LIDAR를 설계할 때, 서로의 장면 조명 광 펄스 및 그들의 반사들로부터의 간섭을 제한하는 대처 전략을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 각각의 장면 조명 광 펄스를 (슈도)(pseudo) 무작위 지연만큼 지연시킴으로써 달성될 수 있다. 본 개시내용에서, 윈도잉 원리는 (본 개시내용을 그와 관련하여 제한함이 없이) 이러한 지연 기간들 동안 임의의 이벤트를 무시하기 위해 윈도우 함수를 사용함으로써, 이러한 동작 모드를 수용하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 복조 함수들은 지연 기간 직후에 재개될 수 있다. 이러한 방식으로, 주기적인 복조 함수들이 이러한 추가적인 중간 가변 무작위 지연들로 인해 더 이상 주기적이지 않은 것도 가능하다.

한 쌍의 복조 함수의 추가 실시예가 도 10에 도시되어 있다. "실제의(real)" 사인(210) 및 코사인(211)을 사용하는 대신에, 곡선(212)(슈도 사인) 및 곡선(213)(슈도 코사인)에 의해 각각 설명되는 바와 같은 삼각 함수를 사용하는 것이 가능하다. TOF 결정을 검색하는 것은 더 이상 아크탄젠트를 수반하지 않고, 대신에 곱셈, 나눗셈 및 덧셈을 수반한다는 것을 본 기술분야의 통상의 기술자라면 이해할 것이다. 또한, 신뢰 레벨은 (RMS 덧셈을 수행하는 대신에) 평균화된 출력들의 절대값들의 합만을 계산함으로써 계산하기에 더 쉬운 것으로 나타난다. 복조 신호들은 또한 칩 상에 더 쉽게 구성된다. 트리플렛 함수의 예시는 120도만큼 균일하게 확산되는 3개의 사인파 함수의 세트이며, 더 나은 정밀도 및 정확도를 발생시킨다(도시되지 않음).

도 11은 4개의 복조 함수의 적용의 실시예를 도시한다. 사인(210) 및 코사인(211) 복조 함수는 이전과 같이 적용되지만(도 10의 상부에 도시된 바와 같으므로, 참조 번호들은 생략됨), 이들은 함수들(210, 211)보다 4배 높은 주파수를 갖는 사인(214) 및 코사인(215) 복조 함수에 의해 보완된다. 4개의 함수 모두는 (도 7의 실시예에서와 같이) 4개의 평균화 복조기에서 동시에 및/또는 병렬로 동작할 수 있다. 사인(210) 및 코사인(211)은 TOF 이벤트들의 위치의 대략적인 추정치를 제공하고, 사인(214) 및 코사인(215)은 측정의 정밀도에 기여하는데, 아마도 4배의 정밀도 증가에 기여한다. 사인(214) 및 코사인(215)으로부터의 평균 복조된 값은 40 나노초 시간프레임에서 4개의 가능한 해를 제공하고, 사인(210) 및 코사인(211)으로부터의 평균 복조된 값들은 대강의 TOF 이벤트 위치를 제공함으로써 이들 중 3개를 제거할 것이다. 그것의 선택은 처리할 4개의 평균화된 복조 신호를 얻는 부착된 DSP 프로세서에서 수행될 수 있다.

도 12는 TOF 이벤트들이 어디에 위치하는지를 대략적으로 알아내기 위한 2개의 디지털 복조 함수를 도시한다. 복조 함수(265)는 Q1 및 Q2 동안 하이(2 볼트)이고 Q3 및 Q4 동안 로우(0 볼트)이다. 복조 함수(266)는 Q1 및 Q4 동안 하이이고 Q2 및 Q3 동안 로우이다. TOF 이벤트들이 15 나노초(도시되지 않음)에 있을 때, 복조 함수(265)의 평균 복조된 출력은 1 볼트보다 클 것이고, 복조 함수(266)의 평균 복조된 출력은 1보다 작을 것이다. 얼마나 더 큰지 그리고 더 적은지는 이전에 논의된 바와 같이, 신호 대 잡음비에 의존할 것이다. 잡음이 없는 경우, 2 볼트 및 0 볼트가 각각 출력될 것이다. 복조 함수(265)의 평균 복조된 출력이 1보다 클 것이고, 복조 함수(266)의 평균 복조된 출력이 1보다 작을 것이라는 사실로부터, 이 실시예에서, TOF 이벤트들이 Q2에서 수신된다고 결론지어진다.

이 실시예에서는, 1V와의 다소 간단한 비교가 충분하며, TOF 추정/결정을 위해 고차 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 필요하지 않다. 일부 실시예에서, 예를 들어 GREY-코드 방식으로 몇몇 더 많은 복조 함수가 추가될 수 있는데, 즉 복조 함수들에서의 에지들이 결코 동시에 발생하지 않는다(즉, 복조 함수들은 GREY-코드에 따라 시프트되고 변경될 수 있다). 이들 함수 각각이 본 개시내용에 따라 평균화되고 복조되고, 후속해서 1 볼트 임계 전압과 비교될 때, TOF 거리를 나타내는 디지털 워드가 ADC 및/또는 DSP 프로세서를 전혀 이용하지 않고 출력될 수 있다.

일반적으로 알려진 바와 같이, SPAD 검출기는 "데드-타임"을 가질 수 있다. 이것은 SPAD가 광자 또는 DCR 이벤트를 방금 수신한 후에 새로운 착신 이벤트에 대해 "블라인드"인 시간으로서 정의될 수 있다(즉, 새로운 이벤트는 검출 후의 데드-타임 동안 검출되지 않는다). 효과를 완화하기 위해, 다수의 SPAD이 병렬로 동작될 수 있어서, 하나의 SPAD가 트리거되었을 때, 다른 것들이 트리거를 위해 여전히 이용가능하다(동일한 이벤트가 다른 SPAD에서 검출되지 않기 때문에). 이들은 함께 단일 출력을 생성할 수 있다. 이 동작 원리가 또한 본 개시내용에서 고려되고, 이 경우에, 도 13의 원리가 이용될 수 있다.

이것은 노드(Fduo)에 적용될 수 있는 동일한 복조 함수를 사용해서 노드 "Averageduo"에서의 동일한 평균화 커패시터(Ci)에서 각각 동작하는 2개의 SPAD 회로(100 및 101), 2개의 제어 신호 생성기(100 및 101), 및 2개의 평균화 복조기(128 및 129)로 여기서 설명된다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 도 13의 시스템은 더 많은 SPAD 회로, 더 많은 복조 함수의 사용, 및 전술된 윈도잉 원리들 중 임의의 것의 사용으로 확장될 수 있다.

일부 어플리케이션들에서는, 입사광 레벨 입력에 대한 척도를 갖는 것이 유용할 수 있다. SPAD 회로(100)의 출력 펄스들을 카운팅하는 것은, 모든 이벤트들이 카운팅되도록 하는 하나의 옵션이다. 일부 실시예에서 구현되는 다른 옵션은 신호를 게이팅하고 특정 시간 윈도우들에 있는 이벤트들만을 포함하는 것이다. 디지털 및/또는 아날로그 카운터를 고려하는 것이 가능하며, 이들 각각은 일반적으로 공지된 바와 같이 그들의 장점 및 단점을 갖는다. 카운터에 의해 점유된 영역을 다소 작게 유지하기를 원하는 경우, 아날로그 카운터가 바람직할 수 있다.

그 경우, 본 개시내용의 실시예로서, 스위치 제어 회로(110)로부터의 (도 1을 참조하여 설명된 바와 같은) 신호(q6 및 p6)는 비동기 리셋 입력을 갖는 아날로그 광자 카운터(140)를 갖는 TOF 수신기(94)를 도시하는 도 14에 예시된 바와 같이 재사용된다. 노드(Count1) 상의 전압을 리셋한 후에, 노드(Reset) 상의 전압을 하이로 펄싱함으로써 카운팅이 시작될 수 있다. 노드(q6) 상에 하이를 가지면, 노드(114)는 스위치(Xc8)의 좌측에서 동일한 전압(Vmax)으로 된다. q6이 0 볼트로 떨어질 때, Vmax 전압은 노드(114)에 대략 닿고, 그 후에 신호(p6)가 하이로 유지되는 한, 스위치(Xd8)는 일시적으로 전도할 것이다. 출력 적분 커패시터(Ci8)보다 훨씬 더 작은 커패시터인 커패시터(Cs8)는 전하 공유를 통해, 노드(114 및 Count1) 상의 전압 사이의 전압 차이들 및 커패시터(Cs8 및 Ci8)의 상대 값들에 의해 결정되는 비율에 의존하는 스텝으로 노드(Count1) 상의 전압을 올릴 것이다.

이것은 더 큰 동적 범위를 제공하는 포화 카운터(saturating counter)를 구성하고, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다. 예를 들어 또한 동일한 신호들(q6 및 p6)에 의해 구동되는, 출력 노드에 추가되는 고정 전하 패킷들로 동작하는 순수 선형 카운터들도 (대안으로서 또는 추가로) 포함될 수 있다. 시간 윈도우들로 제한되는 이벤트들을 카운트하는 것이 필요한 경우에, 예를 들어 도 7로부터의 q6 및 p61을 사용하는 것이 가능하며, 따라서 p61은 게이팅된 신호이고, 카운터 값의 증가를 Window1가 하이일 때에만 존재하는 이벤트들로 제한한다. 도 15는 본 개시내용에 따른 TOF 수신기(95)(비행 시간 회로)를 도시하며, 이는 회로(400)를 사용하는 어레이 통합을 위해 행(810) 및 열 라인(811)과 통합된다(논의된 비행 시간 회로 중 임의의 것이 다수의 비행 시간 회로의 어레이에서 일반적으로 사용될 수 있다는 점에 유의해야 함). 후자의 회로는 전압 팔로워 트랜지스터(X20), 이 예시에서는 PMOS 트랜지스터를 포함하는데, 그 이유는 이러한 트랜지스터가 전압 공급 범위의 더 낮은 부분에서 충분히 동작할 것이기 때문이다. 트랜지스터(X22)는 패스 게이트로서 기능하고, 그것의 게이트가 행 라인(810)에 의해 로우로 구동될 때 전압 팔로워(X20)의 출력을 열 라인(811)에 접속시킨다.

이 분야의 통상의 기술자는 이러한 종류의 어레이 접속들을 그의 바람직한 토폴로지에 적응시켜, 평균화 복조기들로부터의 출력 전압들 각각 및 아마도 출력 카운터들 각각이 판독을 위해 접속되는 것을 확실히 할 수 있다.

트랜지스터(X20)는 출력 판독 체인에서 일종의 고정 픽셀 잡음으로서 보여질 수 있는 가변 게이트 오프셋을 가질 것이다. 이 효과를 완화시키기 위해 일종의 캘리브레이션이 고려될 수 있다. 펄스 장면 조명 광원을 턴 오프할 때, 상관되지 않은 이벤트들만이 발생할 것이고, 모든 평균화 복조기의 출력 노드들은 BL의 레벨에 관계없이 그들의 중간-상태로 가고, BL이 없더라도, DCR 이벤트들은 출력이 그것의 중간-상태로 가게 할 것이다. 각각의 픽셀에 대해 상이한 이 전압은, 일부 실시예에서, 예를 들어, 후속 DSP 유닛에 의해 널링(nulling) 기준 전압으로서 사용될 수 있다.

여기에 제시되거나 그에 기초하는 시스템 중 임의의 것은 이미지 센서에서 최신 기술에 공지된 다른 수단에 의해 보완될 수 있다. 예를 들어, 단일 광자 검출 회로에 대한 광 입력을 정성적으로 또는 정량적으로 개선하기 위해 마이크로 렌즈, 컬러 필터를 적용하는 것이 가능하다. 내부/외부 양자 효율, 응답성, 및 검출 확률을 개선하기 위한 임의의 수단이 적용될 수 있다. 예를 들어, SPAD 검출기 층이 CMOS 회로 웨이퍼와는 다른 웨이퍼/재료로부터 유래하는 3차원 적층이 행해질 수 있다. 배면 조명(BSI)이 적용될 수 있거나, 전류 보조가 적용될 수 있거나, 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기술이 적용될 수 있다. 본 개시내용의 제안된 실시예는 센서 어레이를 위한 픽셀로서 구현되어, 전체적으로 3D 이미지 센서를 만들 수 있다. 여러 신호가 복수의 픽셀에 대해 그룹화될 수 있거나, 윈도우, 복조 함수, 및 평균화 길이 n을 결정하는 신호를 정의하는 것들과 같이 전체 어레이에 대해 동일하다. 이 모두에 더하여, 표준 3T 또는 4T 이미지 센서 픽셀이 표준 이미지 감지를 동시에 수행하기 위해 추가될 수 있다. SPAD 회로(100)는 정규 SPAD를 포함할 수 있지만, 또한 항복(break-down) 미만에서 다이오드를 동작시키고 디지털 광자 도달 에지들 및 이벤트들을 여전히 달성하기 위해 선형 이득 모듈러스를 사용하는 것이 가능하도록, 이득을 가지는 애벌런치 광검출기(APD)를 포함하는, 단일 광자 검출을 달성하기 위한 임의의 다른 수단을 포함할 수 있다.

본 개시내용의 실시예에 따른 기술은 다양한 제품들에 적용가능하다. 예를 들어, 본 개시내용의 실시예에 따른 기술은 자동차, 전기 차량, 하이브리드 전기 차량, 오토바이, 자전거, 개인 이동 차량, 비행기, 드론, 선박, 로봇, 건설 기계, 농업 기계(트랙터) 등의 종류 중 임의의 것인 이동체에 포함되는 디바이스로서 구현될 수 있다.

도 16은 본 개시내용의 실시예에 따른 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 예시로서 차량 제어 시스템(7000)의 개략적 구성의 예시를 도시한 블록도이다. 차량 제어 시스템(7000)은 통신 네트워크(7010)를 통해 서로 연결된 복수의 전자 제어 유닛을 포함한다. 도 16에 도시된 예시에서, 차량 제어 시스템(7000)은 구동 시스템 제어 유닛(7100), 본체 시스템 제어 유닛(7200), 배터리 제어 유닛(7300), 차량 외부 정보 검출 유닛(7400), 차량 내부 정보 검출 유닛(7500), 및 통합 제어 유닛(7600)을 포함한다. 복수의 제어 유닛을 서로 접속하는 통신 네트워크(7010)는 예를 들어 제어기 영역 네트워크(CAN), 로컬 상호접속 네트워크(LIN), 로컬 영역 네트워크(LAN), 플렉스레이(FlexRay)(등록 상표) 등과 같은 임의의 표준을 따르는 차량 탑재 통신 네트워크일 수 있다.

제어 유닛들 각각은 다양한 종류의 프로그램에 따라 산술 처리를 수행하는 마이크로컴퓨터; 마이크로컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램들, 다양한 종류의 동작들에 사용되는 파라미터들 등을 저장하는 저장 섹션; 및 다양한 종류의 제어 대상 디바이스들을 구동하는 구동 회로를 포함한다. 제어 유닛들 각각은: 통신 네트워크(7010)를 통해 다른 제어 유닛들과의 통신을 수행하기 위한 네트워크 인터페이스(I/F); 및 유선 통신 또는 무선 통신에 의해 차량 내에서 그리고 차량 없이 디바이스, 센서 등과의 통신을 수행하기 위한 통신 I/F를 추가로 포함한다. 도 16에 도시된 통합 제어 유닛(7600)의 기능적 구성은 마이크로컴퓨터(7610), 범용 통신 I/F(7620), 전용 통신 I/F(7630), 포지셔닝 섹션(7640), 비콘 수신 섹션(7650), 차량 내부 디바이스 I/F(7660), 소리/이미지 출력 섹션(7670), 차량 탑재 네트워크 I/F(7680), 및 저장 섹션(7690)을 포함한다. 다른 제어 유닛들은 유사하게 마이크로컴퓨터, 통신 I/F, 저장 섹션 등을 포함한다.

구동 시스템 제어 유닛(7100)은 다양한 종류의 프로그램에 따라 차량의 구동 시스템에 관련된 디바이스들의 동작을 제어한다. 예를 들어, 구동 시스템 제어 유닛(7100)은 내연 기관, 구동 모터 등과 같은, 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 디바이스, 구동력을 바퀴들에 전달하기 위한 구동력 전달 메커니즘, 차량의 조향각을 조절하기 위한 조향 메커니즘, 차량의 제동력을 발생시키기 위한 제동 디바이스 등을 위한 제어 디바이스로서 기능한다. 구동 시스템 제어 유닛(7100)은, ABS(antilock brake system), ESC(electronic stability control) 등의 제어 디바이스로서의 기능을 가질 수 있다.

구동 시스템 제어 유닛(7100)은, 차량 상태 검출 섹션(7110)과 접속되어 있다. 차량 상태 검출 섹션(7110)은, 예를 들어, 차량 본체의 축 회전 이동의 각속도를 검출하는 자이로 센서, 차량의 가속도를 검출하는 가속도 센서, 및 액셀러레이터 페달의 조작량, 브레이크 페달의 조작량, 스티어링 휠의 조향각, 엔진 속도 또는 휠의 회전 속도 등을 검출하기 위한 센서들 중 적어도 하나를 포함한다. 구동 시스템 제어 유닛(7100)은 차량 상태 검출 섹션(7110)으로부터 입력된 신호를 이용하여 산술 처리를 수행하고, 내연 기관, 구동 모터, 전력 조향 디바이스, 브레이크 디바이스 등을 제어한다.

본체 시스템 제어 유닛(7200)은 다양한 종류의 프로그램에 따라 차량 본체에 제공되는 다양한 종류의 디바이스의 동작을 제어한다. 예를 들어, 본체 시스템 제어 유닛(7200)은 키리스 엔트리 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 디바이스, 또는 헤드램프, 백업 램프, 브레이크 램프, 방향 지시등, 안개 램프 등과 같은 다양한 종류의 램프들에 대한 제어 디바이스로서 기능한다. 이 경우, 다양한 종류의 스위치의 키 또는 신호에 대한 대안으로서 이동 디바이스로부터 송신되는 전파가 본체 시스템 제어 유닛(7200)에 입력될 수 있다. 본체 시스템 제어 유닛(7200)은 이러한 입력 전파 또는 신호를 수신하고, 차량의 도어 록 디바이스, 파워 윈도우 디바이스, 램프 등을 제어한다.

배터리 제어 유닛(7300)은, 다양한 종류의 프로그램에 따라 구동 모터의 전원인 2차 전지(7310)를 제어한다. 예를 들어, 배터리 제어 유닛(7300)에는, 2차 전지(7310)를 포함하는 배터리 디바이스로부터, 배터리 온도, 배터리 출력 전압, 배터리에 잔류하는 충전량 등에 관한 정보가 공급된다. 배터리 제어 유닛(7300)은 이들 신호를 이용하여 산술 처리를 수행하고, 2차 전지(7310)의 온도를 조절하기 위한 제어를 수행하거나 배터리 디바이스에 제공된 냉각 디바이스 등을 제어한다.

차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 차량 제어 시스템(7000)을 포함하는 차량의 외부에 관한 정보를 검출한다. 예를 들어, 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 이미징 섹션(7410) 및 차량 외부 정보 검출 섹션(7420) 중 적어도 하나와 접속된다. 이미징 섹션(7410)은 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로를 적응시키는 비행 시간 카메라, 스테레오 카메라, 단안 카메라, 적외선 카메라, 및 다른 카메라들 중 적어도 하나를 포함한다. 차량 외부 정보 검출 섹션(7420)은, 예를 들어, 현재 대기 상태 또는 기상 상태를 검출하기 위한 환경 센서, 및 차량 제어 시스템(7000)을 포함하는 차량의 주변 상의 다른 차량, 장애물, 보행자 등을 검출하기 위한 주변 정보 검출 센서 중 적어도 하나를 포함한다.

환경 센서는, 예를 들어, 강우를 검출하는 빗방울 센서, 안개를 검출하는 안개 센서, 햇빛의 정도를 검출하는 햇빛 센서, 및 강설을 검출하는 눈 센서 중 적어도 하나일 수 있다. 주변 정보 검출 센서는 본 개시내용에 따른 비행 시간 회로에 기초하는 초음파 센서, 레이더 디바이스, 및 LIDAR 디바이스(Light detection and Ranging device, 또는 Laser imaging detection and ranging device) 중 적어도 하나일 수 있다. 이미징 섹션(7410) 및 차량 외부 정보 검출 섹션(7420) 각각은 독립적인 센서 또는 디바이스로서 제공될 수 있거나, 복수의 센서 또는 디바이스가 통합된 디바이스로서 제공될 수 있다.

도 17은 이미징 섹션(7410) 및 차량 외부 정보 검출 섹션(7420)의 설치 위치의 일례를 도시한다. 이미징 섹션(7910, 7912, 7914, 7916, 및 7918)은 예를 들어, 차량(7900)의 전방 노즈, 사이드뷰 미러, 후방 범퍼, 및 후방 도어 상의 위치들 및 차량의 내부 내의 윈드실드의 상측 부분 상의 위치 중 적어도 하나에 배치된다. 전방 노즈에 제공된 이미징 섹션(7910) 및 차량의 내부 내의 윈드실드의 상측 부분에 제공된 이미징 섹션(7918)은 주로 차량(7900)의 전방의 이미지를 획득한다. 사이드뷰 미러들에 제공된 이미징 섹션(7912 및 7914)은 주로 차량(7900)의 측방의 이미지를 획득한다. 후방 범퍼 또는 후방 도어에 제공된 이미징 섹션(7916)은 차량(7900)의 후방의 이미지를 주로 획득한다. 차량의 내부 내의 윈드실드의 상측 부분에 제공되는 이미징 섹션(7918)은 주로 선행 차량, 보행자, 장애물, 신호, 교통 표지판, 차선 등을 검출하는 데 사용된다.

또한, 도 17은 각각의 이미징 섹션(7910, 7912, 7914, 및 7916)의 촬영 범위의 일례를 나타낸다. 이미징 범위 a는, 전방 노즈에 제공된 이미징 섹션(7910)의 이미징 범위를 나타낸다. 이미징 범위 b와 c는 각각 사이드뷰 미러들에 제공된 이미징 섹션(7912, 7914)의 이미징 범위들을 나타낸다. 이미징 범위 d는 후방 범퍼나 후방 도어에 제공된 이미징 섹션(7916)의 이미징 범위를 나타낸다. 위에서 본 차량(7900)의 조안 이미지(bird's eye image)는 예를 들어, 이미징 섹션(7910, 7912, 7914, 및 7916)에 의해 촬영된 이미지 데이터를 중첩시킴으로써 획득될 수 있다.

차량(7900)의 전방, 후방, 측방 및 코너, 그리고 차량의 내부 내의 윈드실드의 상측 부분에 제공되는 차량 외부 정보 검출 섹션(7920, 7922, 7924, 7926, 7928, 및 7930)은, 예를 들어, 초음파 센서 또는 레이더 디바이스일 수 있다. 차량(7900)의 전방 노즈, 후방 범퍼, 차량(7900)의 후방 도어, 및 차량의 내부 내의 윈드실드의 상측 부분에 제공되는 차량 외부 정보 검출 섹션(7920, 7926 및 7930)은 예를 들어 LIDAR 디바이스일 수 있다. 이들 차량 외부 정보 검출 섹션(7920 내지 7930)은 주로 선행 차량, 보행자, 장애물 등을 검출하는 데 사용된다.

도 16으로 되돌아가서, 설명을 계속한다. 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 이미징 섹션(7410)이 차량 외부의 이미지를 이미징하게 하고, 이미징된 이미지 데이터를 수신한다. 또한, 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)에 접속된 차량 외부 정보 검출 섹션(7420)으로부터 검출 정보를 수신한다. 차량 외부 정보 검출 섹션(7420)이 초음파 센서, 레이더 디바이스, 또는 LIDAR 디바이스인 경우, 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 초음파, 전자기파 등을 송신하고, 수신된 반사파의 정보를 수신한다. 수신된 정보에 기초하여, 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 사람, 차량, 장애물, 표지판, 노면 상의 캐릭터 등과 같은 물체를 검출하는 처리, 또는 그에 대한 거리를 검출하는 처리를 수행할 수 있다. 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 수신된 정보에 기초하여 강우, 안개, 노면 상태 등을 인식하는 환경 인식 처리를 수행할 수 있다. 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 수신된 정보에 기초하여 차량 외부의 물체까지의 거리를 계산할 수 있다.

또한, 수신된 이미지 데이터에 기초하여, 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 사람, 차량, 장애물, 표지판, 노면 상의 캐릭터 등을 인식하는 이미지 인식 처리, 또는 그에 대한 거리를 검출하는 처리를 수행할 수 있다. 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 수신된 이미지 데이터에 왜곡 정정, 정렬 등과 같은 처리를 적용하고, 복수의 상이한 이미징 섹션(7410)에 의해 이미징된 이미지 데이터를 조합하여 조안 이미지 또는 파노라마 이미지를 생성할 수 있다. 차량 외부 정보 검출 유닛(7400)은 상이한 이미징 부분들을 포함하는 이미징 섹션(7410)에 의해 이미징된 이미지 데이터를 사용하여 시점 변환 처리를 수행할 수 있다.

차량 내부 정보 검출 유닛(7500)은 차량의 내부에 관한 정보를 검출한다. 차량 내부 정보 검출 유닛(7500)은, 예를 들어, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출 섹션(7510)과 연결된다. 운전자 상태 검출 섹션(7510)은 운전자를 이미징하는 카메라, 운전자의 생물학적 정보를 검출하는 바이오센서, 차량의 내부 내의 사운드를 수집하는 마이크로폰 등을 포함할 수 있다. 바이오센서는, 예를 들면, 좌석 표면, 스티어링 휠 등에 배치되고, 좌석에 앉아 있는 탑승자 또는 스티어링 휠을 잡고 있는 운전자의 생체 정보를 검출한다. 운전자 상태 검출 섹션(7510)으로부터 입력된 검출 정보에 기초하여, 차량 내부 정보 검출 유닛(7500)은 운전자의 피로 정도 또는 운전자의 집중 정도를 계산할 수 있거나, 운전자가 졸고 있는지를 결정할 수 있다. 차량 내부 정보 검출 유닛(7500)은 사운드의 수집에 의해 획득된 오디오 신호를 잡음 제거 처리 등과 같은 처리에 종속시킬 수 있다.

통합 제어 유닛(7600)은 다양한 종류의 프로그램에 따라 차량 제어 시스템(7000) 내에서의 일반적인 동작을 제어한다. 통합 제어 유닛(7600)은 입력 섹션(7800)과 연결되어 있다. 입력 섹션(7800)은, 예를 들어, 터치 패널, 버튼, 마이크로폰, 스위치, 레버 등과 같은, 탑승자에 의한 조작을 입력할 수 있는 디바이스에 의해 구현된다. 통합 제어 유닛(7600)은 마이크로폰을 통한 음성 입력의 음성 인식에 의해 획득된 데이터를 공급받을 수 있다. 입력 섹션(7800)은, 예를 들어, 적외선 또는 다른 전파를 사용하는 원격 제어 디바이스, 또는 차량 제어 시스템(7000)의 동작을 지원하는 휴대폰, PDA(personal digital assistant) 등과 같은 외부 연결 디바이스일 수 있다. 입력 섹션(7800)은 예를 들어, 카메라일 수도 있다. 그 경우에, 탑승자는 제스처에 의해 정보를 입력할 수 있다. 대안으로서, 탑승자가 착용한 웨어러블 디바이스의 이동을 검출함으로써 획득되는 데이터가 입력될 수 있다. 또한, 입력 섹션(7800)은, 예를 들어, 상술한 입력 섹션(7800)을 사용하여 탑승자 등에 의해 입력된 정보에 기초하여 입력 신호를 생성하고, 생성된 입력 신호를 통합 제어 유닛(7600)에 출력하는 입력 제어 회로 등을 포함할 수 있다. 탑승자 등은 입력 섹션(7800)을 조작하는 것에 의해 차량 제어 시스템(7000)에 다양한 종류의 데이터를 입력하거나 차량 제어 시스템(7000)에 대한 처리 동작을 위한 지시를 제공한다.

저장 섹션(7690)은 마이크로컴퓨터에 의해 실행되는 다양한 종류의 프로그램을 저장하는 ROM(read only memory), 및 다양한 종류의 파라미터, 동작 결과, 센서 값 등을 저장하는 RAM(random access memory)을 포함할 수 있다. 또한, 저장 섹션(7690)은 하드 디스크 드라이브(HDD) 등과 같은 자기 저장 디바이스, 반도체 저장 디바이스, 광학 저장 디바이스, 자기-광학 저장 디바이스 등에 의해 구현될 수 있다.

범용 통신 I/F(7620)는 널리 사용되는 통신 I/F이며, 이 통신 I/F는 외부 환경(7750)에 존재하는 다양한 장치들과의 통신을 중재한다. 범용 통신 I/F(7620)는 이동 통신을 위한 글로벌 시스템(GSM(등록 상표)), 마이크로파 액세스를 위한 전세계 상호운용성(WiMAX(등록 상표)), 롱 텀 에볼루션(LTE(등록 상표)), LTE-어드밴스드(LTE-A) 등과 같은 셀룰러 통신 프로토콜, 또는 무선 LAN(Wi-Fi(wireless fidelity)(등록 상표)라고도 지칭됨), 블루투스(등록 상표) 등과 같은 다른 무선 통신 프로토콜을 구현할 수 있다. 범용 통신 I/F(7620)는, 예를 들어, 기지국 또는 액세스 포인트를 통해 외부 네트워크(예를 들어, 인터넷, 클라우드 네트워크, 또는 회사 특정 네트워크) 상에 존재하는 장치(예를 들어, 애플리케이션 서버 또는 제어 서버)에 접속할 수 있다. 그에 부가하여, 범용 통신 I/F(7620)는, 예를 들어, P2P(peer to peer) 기술을 사용하여 차량의 근방에 존재하는 단말(이 단말은, 예를 들어, 운전자, 보행자, 또는 점포의 단말, 또는 MTC(machine type communication) 단말임)에 연결할 수 있다.

전용 통신 I/F(7630)는 차량들에서 사용하기 위해 개발된 통신 프로토콜을 지원하는 통신 I/F이다. 전용 통신 I/F(7630)는, 예를 들어, 하위 계층으로서의 IEEE(institute of electrical and electronic engineers) 802.11p와 상위 계층으로서의 IEEE 1609의 조합인 WAVE(wireless access in vehicle environment), DSRC(dedicated short range communications), 또는 셀룰러 통신 프로토콜과 같은 표준 프로토콜을 구현할 수 있다. 전용 통신 I/F(7630)는 전형적으로, 차량과 차량 사이의 통신(차량 대 차량), 도로와 차량 사이의 통신(차량 대 인프라스트럭쳐), 차량과 가정 사이의 통신(차량 대 가정), 및 보행자와 차량 사이의 통신(차량 대 보행자) 중 하나 이상을 포함하는 개념으로서 V2X 통신을 수행한다.

포지셔닝 섹션(7640)은, 예를 들어, GNSS(global navigation satellite system) 위성으로부터의 GNSS 신호(예를 들어, GPS(global positioning system) 위성으로부터의 GPS 신호)를 수신함으로써 위치 결정을 수행하고, 차량의 위도, 경도, 및 고도를 포함하는 위치 정보를 생성한다. 그런데, 포지셔닝 섹션(7640)은 무선 액세스 포인트와 신호를 교환함으로써 현재 위치를 식별할 수 있거나, 또는 이동 전화, 개인 핸디폰 시스템(personal handyphone system)(PHS), 또는 측위 기능을 갖는 스마트폰과 같은 단말로부터 위치 정보를 획득할 수 있다.

비콘 수신 섹션(7650)은, 예를 들어 도로 등에 설치된 무선국으로부터 송신되는 전파 또는 전자파를 수신함으로써, 현재 위치, 혼잡, 폐쇄 도로, 필요 시간 등에 관한 정보를 취득한다. 그런데, 비콘 수신 섹션(7650)의 기능은 상술한 전용 통신 I/F(7630)에 포함될 수 있다.

차량 내부 디바이스 I/F(7660)는, 마이크로컴퓨터(7610)와 차량 내에 존재하는 다양한 차량 내부 디바이스(7760) 사이의 접속을 중재하는 통신 인터페이스이다. 차량 내부 디바이스 I/F(7660)는 무선 LAN, 블루투스(등록 상표), NFC(near field communication), 또는 WUSB(wireless universal serial bus)와 같은 무선 통신 프로토콜을 사용하여 무선 연결을 구축할 수 있다. 그에 부가하여, 차량 내부 디바이스 I/F(7660)는 도면들에 도시되지 않은 연결 단자(및 필요한 경우 케이블)를 통해 USB(universal serial bus), HDMI(high-definition multimedia interface)(등록상표), MHL(mobile high-definition link) 등에 의해 유선 연결을 구축할 수 있다. 차량 내부 디바이스들(7760)은, 예를 들어, 탑승자가 소유한 모바일 디바이스 및 웨어러블 디바이스, 및 차량에 운반되거나 부착된 정보 디바이스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 차량 내부 디바이스들(7760)은 또한 임의의 목적지로의 경로를 검색하는 내비게이션 디바이스를 포함할 수 있다. 차량 내부 디바이스 I/F(7660)는 이들 차량 내부 디바이스(7760)와 제어 신호 또는 데이터 신호를 교환한다.

차량 탑재 네트워크 I/F(7680)는 마이크로컴퓨터(7610)와 통신 네트워크(7010) 사이의 통신을 중재하는 인터페이스이다. 차량 탑재 네트워크 I/F(7680)는 통신 네트워크(7010)에 의해 지원되는 미리 결정된 프로토콜에 따라 신호 등을 전송 및 수신한다.

통합 제어 유닛(7600)의 마이크로컴퓨터(7610)는 범용 통신 I/F(7620), 전용 통신 I/F(7630), 포지셔닝 섹션(7640), 비콘 수신 섹션(7650), 차량 내부 디바이스 I/F(7660), 및 차량-장착형 네트워크 I/F(7680) 중의 적어도 하나를 통해 획득된 정보에 기초하여 다양한 종류들의 프로그램들에 따라 차량 제어 시스템(7000)을 제어한다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(7610)는 차량의 내부 및 외부에 관한 획득된 정보에 기초하여 구동력 발생 디바이스, 조향 메커니즘, 또는 제동 디바이스에 대한 제어 목표 값을 계산하고, 제어 커맨드를 구동 시스템 제어 유닛(7100)에 출력할 수 있다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(7610)는 차량에 대한 충돌 회피 또는 충격 완화, 추종거리에 기초하는 추종 주행, 차량 속도 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 차선으로부터의 차량의 이탈 경고 등을 포함하는 고급 운전자 보조 시스템(ADAS)의 함수를 구현하도록 의도된 협력 제어를 수행할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(7610)는, 차량의 주변에 관한 획득된 정보에 기초하여 구동력 발생 디바이스, 조향 메커니즘, 제동 디바이스 등을 제어하는 것에 의해, 운전자의 조작 등에 의존하지 않고 차량을 자율적으로 주행하게 하는, 자동 주행을 위해 의도된 협력 제어를 수행할 수 있다.

마이크로컴퓨터(7610)는 차량과 주변 구조물, 사람 등과 같은 물체 사이의 3차원 거리 정보를 생성하고, 범용 통신 I/F(7620), 전용 통신 I/F(7630), 포지셔닝 섹션(7640), 비콘 수신 섹션(7650), 차량 내부 디바이스 I/F(7660), 및 차량 탑재 네트워크 I/F(7680) 중 적어도 하나를 통해 획득된 정보에 기초하여, 차량의 현재 위치의 주변에 관한 정보를 포함하는 로컬 지도 정보를 생성할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(7610)는 획득된 정보에 기초하여 차량의 충돌, 보행자의 접근 등, 폐쇄 도로로의 진입 등과 같은 위험을 예측하고, 경고 신호를 생성할 수 있다. 경고 신호는, 예를 들어, 경고음을 발생하거나 경고 램프를 점등하는 신호일 수 있다.

사운드/이미지 출력 섹션(7670)은 사운드 및 이미지 중 적어도 하나의 출력 신호를, 차량의 탑승자 또는 차량의 외부에 정보를 시각적으로 또는 청각적으로 알릴 수 있는 출력 디바이스에 전송한다. 도 16의 예시에서는, 출력 디바이스로서, 오디오 스피커(7710), 디스플레이 섹션(7720), 및 계기 패널(7730)이 도시되어 있다. 디스플레이 섹션(7720)은, 예를 들어, 온보드 디스플레이 및 헤드업 디스플레이 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 디스플레이 섹션(7720)은 증강 현실(AR) 디스플레이 기능을 가질 수 있다. 출력 디바이스는 이러한 디바이스들 이외의 것일 수 있고, 헤드폰들, 탑승자에 의해 착용되는 안경 타입 디스플레이 등과 같은 웨어러블 디바이스, 프로젝터, 램프 등과 같은 다른 디바이스일 수 있다. 출력 디바이스가 디스플레이 디바이스인 경우, 디스플레이 디바이스는 마이크로컴퓨터(7610)에 의해 수행되는 다양한 종류의 처리에 의해 획득된 결과 또는 다른 제어 유닛으로부터 수신된 정보를 텍스트, 이미지, 테이블, 그래프 등과 같은 다양한 형태로 시각적으로 디스플레이한다. 또한, 출력 디바이스가 오디오 출력 디바이스인 경우, 오디오 출력 디바이스는 재생된 오디오 데이터 또는 사운드 데이터 등으로 구성되는 오디오 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 아날로그 신호를 청각적으로 출력한다.

부가적으로, 도 16에 도시된 예시에서 통신 네트워크(7010)를 통해 서로 접속된 적어도 2개의 제어 유닛은 하나의 제어 유닛으로 통합될 수 있다. 대안적으로, 각각의 개별 제어 유닛은 복수의 제어 유닛을 포함할 수 있다. 게다가, 차량 제어 시스템(7000)은 도면들에 도시되지 않은 다른 제어 유닛을 포함할 수 있다. 또한, 상기 설명에서 제어 유닛들 중 하나에 의해 수행되는 기능들의 일부 또는 전부는 다른 제어 유닛에 할당될 수 있다. 즉, 통신 네트워크(7010)를 통해 정보가 송수신되는 한, 임의의 제어 유닛에 의해 미리 결정된 산술 처리가 수행될 수 있다. 유사하게, 제어 유닛들 중 하나에 접속된 센서 또는 디바이스는 다른 제어 유닛에 접속될 수 있고, 복수의 제어 유닛은 통신 네트워크(7010)를 통해 검출 정보를 상호 송신 및 수신할 수 있다.

부가적으로, 본 실시예에 따른 정보 처리 디바이스(100)의 기능들을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램은, 제어 유닛들 중 하나 등에 구현될 수 있다. 또한, 이러한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독가능 기록 매체가 또한 제공될 수 있다. 기록 매체는, 예를 들어, 자기 디스크, 광 디스크, 광자기 디스크, 플래시 메모리 등이다. 또한, 전술한 컴퓨터 프로그램은, 예를 들어, 기록 매체를 사용하지 않고 네트워크를 통해 배포될 수 있다.

전술한 차량 제어 시스템(7000)에서, 본 명세서에 설명된 바와 같은 비행 시간 회로(90 내지 95)는 도 16에 도시된 응용 예시에서 통합 제어 유닛(7600)에 적용될 수 있다.

또한, 비행 시간 회로(90 내지 95)의 구성요소들의 적어도 일부는 도 16에 도시된 통합 제어 유닛(7600)을 위한 모듈(예를 들어, 단일 다이로 형성된 집적 회로 모듈) 내에 구현될 수 있다. 대안적으로, 비행 시간 회로들(90 내지 95) 중 임의의 것은 도 16에 도시된 차량 제어 시스템(7000)의 복수의 제어 유닛에 의해 구현될 수 있다.

도 19에서, 높은 수준에서, TOF 장치(시스템)(예를 들어, 스마트폰 또는 모바일 전화에 포함됨)의 실시예가 도시되어 있고, 이는 깊이 감지를 위해 또는 거리 측정을 제공하기 위해 이용될 수 있고, 여기서 논의된 방법을 수행하도록 구성되고 TOF 디바이스(1)의 제어를 형성하는 비행 시간 회로(8)를 갖는다(그리고, 이것은, 도시되지 않았지만, 일반적으로 통상의 기술자에게 공지된 대응하는 프로세서들, 메모리 및 스토리지를 포함한다).

ToF 디바이스(1)는 펄스 광원(2)을 갖고 (레이저 다이오드에 기초한) 발광 요소를 포함하며, 본 실시예에서, 발광 요소들은 협대역 레이저 요소들이다.

광원(2)은 광을 반사하는 장면(3)(관심 영역 또는 물체)에 펄스 광을 방출한다. 장면(3)에 반복적으로 광을 방출함으로써, 장면(3)은 일반적으로 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이 스캐닝될 수 있다. 반사된 광은 광학 스택(4)에 의해 광 검출기(5)로 포커싱된다.

광 검출기(5)는 픽셀들(광 검출 요소들)의 어레이에 형성된 다수의 SPAD에 기초하여 구현되는 이미지 센서(6), 및 장면(3)으로부터 반사된 광을 이미지 센서(6)에(이미지 센서(6)의 각각의 픽셀에) 포커싱하는 마이크로렌즈 어레이(7)를 갖는다.

발광 시간 정보는 광원(2)으로부터, 장면(3)으로부터 반사되는 광이 검출될 때, 이미지 센서(6)로부터 각각의 시간 정보를 또한 수신하는 비행 시간 측정 유닛(9)을 포함하는 회로 또는 제어부(8)에 공급된다. 광원(2)으로부터 수신된 방출 시간 정보 및 이미지 센서(6)로부터 수신된 도달 시간 정보에 기초하여, 비행 시간 측정 유닛(9)은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 복조 함수들로 애벌런치 신호를 처리하고, 그에 기초하여, 본 개시내용에 따른 비행 시간 방법을 구현함으로써 본 명세서에서 논의된 바와 같이 이미지 센서(6)와 장면(3) 사이의 거리(d)(깊이 정보)를 계산한다.

깊이 정보는 비행 시간 측정 유닛(9)으로부터 회로(8)의 3D 이미지 재구성 유닛(10)에 공급되고, 그것은 비행 시간 측정 유닛(9)으로부터 수신된 깊이 정보에 기초하여 장면(3)의 3D 이미지를 재구성(생성)한다.

TOF 센서에서, 레이저 광 비행의 시간은 광이 센서로 복귀하고 센서에 의해 검출될 때 이벤트, 예를 들어 검출된 광자를 검출함으로써 취득된다.

도 19는 본 개시내용에 따른 비행 시간 방법(20)을 블록도로 도시한다.

21에서, 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호가 획득된다.

22에서, 애벌런치 신호는 본 명세서에서 논의되는 바와 같이 애벌런치 신호를 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 처리된다. 특히, 이 실시예에서는, 사인 및 코사인 함수가 교대 복조 신호로서 적용된다.

23에서는, 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 적어도 하나의 커패시터에서 전압이 저장된다. 특히, 이 실시예에서는, 도 1의 비행 시간 회로(90)의 실시예에 도시된 바와 같이 2개의 커패시터가 사용된다.

도 20은 iTOF로부터 일반적으로 알려진 위상 및 신뢰도를 결정하기 위한 단위 원의 그래프(30)를 도시한다.

iTOF에서, 복조는 통상적으로 (그래프(30)의 x축 및 y축 상에 도시된) I 및 Q 값의 생성을 유발한다.

그러나, 본 개시내용에 따르면, 유사한 관계가 사용될 수 있다. 측정의 신뢰도는 화살표 R로 디스플레이되고, 여기서 화살표 R의 길이는 측정의 신뢰도를 나타낸다. 또한, 화살표 R과 x축 사이의 위상 P는 검출된 광의 위상 시프트를 나타낸다.

위상 P는 다음과 같이 주어진다:

여기서, Q는 직교 성분이고 I는 동상(in-phase) 성분이며, 이들은 함께 픽셀의 위상 성분 값(IQ 값)이다. 도 1 내지 6에 도시된 동작에서, Avg1 및 Avg2 상의 노드 전압들로부터 오프셋 전압이 감산되고, 이 오프셋은 1V로 설정된다.

그러면, 객체까지의 거리 d는 다음과 같이 주어진다:

여기서, c는 광속이고, f는 사용된 복조 사인 및 코사인 함수의 복조 주파수이다. 광 반사된 신호 RL의 진폭은 진폭 값에 비례하고, 여기서 진폭 값(진폭)은 다음과 같이 주어진다:

전술한 바와 같이, 진폭은 측정의 신뢰도에 대한 척도이다.

사인 함수에 기초하는 저장된 전압 값을 코사인 함수에 기초하는 저장된 전압 값으로 나누면, 이 몫에 적용되는 아크탄젠트는 이 거리에 비례하므로, 장면의 거리로 결론지어질 수 있다.

실시예는 방법 단계들의 예시적인 순서로 방법을 설명한다는 것을 인식해야 한다. 그러나, 방법 단계들의 특정 순서는 단지 예시적인 목적으로 주어지며, 구속적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 예를 들어, 도 19의 실시예에서 22 및 23의 순서는 교환될 수 있다. 방법 단계들의 순서화의 다른 변경들은 통상의 기술자에게 명백할 수 있다.

비행 시간 회로(90 내지 95) 중 임의의 것의 각각의 유닛들로의 분할은 단지 예시의 목적으로 이루어진 것이며, 본 개시내용은 특정 유닛들에서의 기능들의 임의의 특정 분할에 제한되지 않는다는 점에 유의한다. 예를 들어, 비행 시간 회로들(90 내지 95)은 각각의 프로그래밍된 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 등에 의해 구현될 수 있다.

일부 실시예에서, 또한, 전술된 프로세서와 같은 프로세서에 의해 실행될 때, 기술된 방법이 수행되도록 하는 컴퓨터 프로그램 제품을 저장하는 비-일시적 컴퓨터-판독가능한 기록 매체가 제공된다.

본 명세서에 설명되고 첨부된 청구항들에서 청구되는 모든 유닛들 및 독립체들은, 달리 언급되지 않는 한, 예를 들어 칩 상의 집적 회로 로직으로서 구현될 수 있고, 이러한 유닛들 및 독립체들에 의해 제공되는 기능은, 달리 언급되지 않는 한, 소프트웨어에 의해 구현될 수 있다.

위에서 설명된 개시내용의 실시예가 소프트웨어-제어된 데이터 처리 디바이스를 이용하여 적어도 부분적으로 구현되는 한, 이러한 소프트웨어 제어를 제공하는 컴퓨터 프로그램, 및 이러한 컴퓨터 프로그램이 제공되는 송신, 저장, 또는 다른 매체는 본 개시내용의 양태들로서 예상된다는 것이 인식될 것이다.

본 기술은 또한 아래에 설명되는 바와 같이 구성될 수 있다는 점에 주목한다.

(1) 비행 시간 회로로서,

광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호를 획득하고;

상기 애벌런치 신호를 상기 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하도록

구성되는, 비행 시간 회로.

(2) (1)의 비행 시간 회로로서, 상기 광 검출 이벤트의 시점을 전압으로서 저장하도록 추가로 구성되는, 비행 시간 회로.

(3) (2)의 비행 시간 회로로서, 상기 전압은 적어도 하나의 커패시터에 저장되는, 비행 시간 회로.

(4) (3)의 비행 시간 회로로서, 상기 전압은 상기 애벌런치 신호의 잡음을 감소시키기 위해 제1 커패시터와 제2 커패시터의 단락에 응답하여 상기 제1 커패시터에 저장되는, 비행 시간 회로.

(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 비행 시간 회로로서, 상기 적어도 하나의 복조 신호는 서로에 대해 위상 시프트된 제1 및 제2 복조 신호를 포함하는, 비행 시간 회로.

(6) (5)의 비행 시간 회로로서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 삼각 함수에 기초하는, 비행 시간 회로.

(7) (5) 및 (6) 중 어느 하나의 비행 시간 회로로서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 동시에 인가되는, 비행 시간 회로.

(8) (5) 및 (6) 중 어느 하나의 비행 시간 회로로서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 연속적으로 인가되는, 비행 시간 회로.

(9) (1) 내지 (8) 중 어느 하나의 비행 시간 회로로서,

윈도잉에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하도록 추가로 구성되는, 비행 시간 회로.

(10) (1) 내지 (9) 중 어느 하나의 비행 시간 회로로서, 상기 광 검출 이벤트는 광이 광 이벤트 검출기에 입사하는 시점을 나타내는, 비행 시간 회로.

(11) (1) 내지 (10) 중 어느 하나의 비행 시간 회로로서, 상기 적어도 하나의 교대 복조 신호는 주기적 복조 신호를 포함하는, 비행 시간 회로.

(12) 비행 시간 방법으로서,

광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호를 획득하는 단계; 및

상기 애벌런치 신호를 상기 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하는 단계

를 포함하는, 비행 시간 방법.

(13) (12)의 비행 시간 방법으로서, 상기 광 검출 이벤트의 시점을 전압으로서 저장하는 단계를 더 포함하는, 비행 시간 방법.

(14) (13)의 비행 시간 방법으로서, 상기 전압은 적어도 하나의 커패시터에 저장되는, 비행 시간 방법.

(15) (14)의 비행 시간 방법으로서, 상기 전압은 애벌런치 신호의 잡음을 감소시키기 위해 제1 커패시터와 제2 커패시터의 단락에 응답하여 상기 제1 커패시터에서 저장되는, 비행 시간 방법.

(16) (12) 내지 (15) 중 어느 하나의 비행 시간 방법으로서, 상기 적어도 하나의 복조 신호는 서로에 대해 위상 시프트되는 제1 및 제2 복조 신호를 포함하는, 비행 시간 방법.

(17) 구성 (16)의 비행 시간 방법으로서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 삼각 함수에 기초하는, 비행 시간 방법.

(18) (16) 및 (17) 중 어느 하나의 비행 시간 방법으로서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 동시에 인가되는 비행 시간 방법.

(19) (16) 및 (17) 중 어느 하나의 비행 시간 방법으로서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 연속적으로 인가되는 비행 시간 방법.

(20) (12) 내지 (19) 중 어느 하나의 비행 시간 방법으로서,

윈도잉에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 비행 시간 방법.

(21) (12) 내지 (20) 중 어느 하나의 비행 시간 방법으로서, 상기 광 검출 이벤트는 광이 광 이벤트 검출기에 입사하는 시점을 나타내는, 비행 시간 방법.

(22) (12) 내지 (21) 중 어느 하나의 비행 시간 방법으로서, 상기 적어도 하나의 교대 복조 신호는 주기적 복조 신호를 포함하는, 비행 시간 방법.

(21) 컴퓨터 상에서 수행될 때, 컴퓨터로 하여금 (11) 내지 (20) 중 어느 하나에 따른 방법을 수행하게 하는 프로그램 코드를 포함하는, 컴퓨터 프로그램.

(22) 프로세서에 의해 실행될 때, (11) 내지 (20) 중 어느 하나에 따른 방법이 수행되게 하는 컴퓨터 프로그램 제품을 저장하는, 비일시적 컴퓨터 판독가능 기록 매체.

Claims (20)

1. 비행 시간 회로(time-of-flight circuitry)로서,
   광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호를 획득하고;
   상기 애벌런치 신호를 상기 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하도록
   구성되는, 비행 시간 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 광 검출 이벤트의 시점을 전압으로서 저장하도록 추가로 구성되는, 비행 시간 회로.
3. 제2항에 있어서, 상기 전압은 적어도 하나의 커패시터에 저장되는, 비행 시간 회로.
4. 제3항에 있어서, 상기 전압은 상기 애벌런치 신호의 잡음을 감소시키기 위해 제1 커패시터와 제2 커패시터와 단락(shorting)에 응답하여 상기 제1 커패시터에 저장되는, 비행 시간 회로.
5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 복조 신호는 서로에 대해 위상 시프트된 제1 및 제2 복조 신호를 포함하는, 비행 시간 회로.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 삼각 함수에 기초하는, 비행 시간 회로.
7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 동시에 인가되는, 비행 시간 회로.
8. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 연속적으로 인가되는, 비행 시간 회로.
9. 제1항에 있어서, 윈도잉(windowing)에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하도록 추가로 구성되는, 비행 시간 회로.
10. 제1항에 있어서, 상기 광 검출 이벤트는 광이 광 이벤트 검출기에 입사하는 시점을 나타내는, 비행 시간 회로.
11. 비행 시간 방법으로서,
    광 검출 이벤트를 나타내는 애벌런치 신호를 획득하는 단계; 및
    상기 애벌런치 신호를 상기 광 검출 이벤트와 상관시키기 위해 적어도 하나의 교대 복조 신호에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하는 단계를 포함하는, 비행 시간 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 광 검출 이벤트의 시점을 전압으로서 저장하는 단계를 더 포함하는, 비행 시간 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 전압은 적어도 하나의 커패시터에 저장되는, 비행 시간 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 전압은 상기 애벌런치 신호의 잡음을 감소시키기 위해 제1 커패시터와 제2 커패시터의 단락에 응답하여 상기 제1 커패시터에서 저장되는, 비행 시간 방법.
15. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 복조 신호는 서로에 대해 위상 시프트된 제1 및 제2 복조 신호를 포함하는, 비행 시간 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 삼각 함수에 기초하는, 비행 시간 방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 동시에 인가되는, 비행 시간 방법.
18. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 복조 신호는 연속적으로 인가되는, 비행 시간 방법.
19. 제11항에 있어서, 윈도잉에 기초하여 상기 애벌런치 신호를 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 비행 시간 방법.
20. 제11항에 있어서, 상기 광 검출 이벤트는 광이 광 이벤트 검출기에 입사하는 시점을 나타내는, 비행 시간 방법.

Images