TWI703340B - 適用於遠程飛行時間應用的雙模堆疊式光倍增器 - Google Patents

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Abstract

一種光倍增器像素單元包含經耦合以偵測一入射光子之一光子偵測器。一淬滅電路經耦合以淬滅該光子偵測器中之一突崩電流。一啟用電路耦合至該光子偵測器以回應於一啟用信號而啟用及停用該光子偵測器。一緩衝電路耦合至該光子偵測器以回應於在該光子偵測器中觸發之該突崩電流而產生具有一脈衝寬度間隔之一數位輸出信號。一數位轉類比轉換器之複數個輸入之第一者耦合至該緩衝電路以接收一數位輸出信號。該數位轉類比轉換器經耦合以產生一類比輸出信號，該類比輸出信號之量值回應於在該數位轉類比轉換器之該複數個輸入之各者處在該脈衝寬度間隔內同時接收之數位輸出信號之一總數目。

Description

適用於遠程飛行時間應用的雙模堆疊式光倍增器
本發明大體上係關於光感測器，並且特定言之(但非排他性地)，係關於可用於遠程飛行時間應用的光倍增器。
隨著三維(3D)應用之普及在例如成像、電影、遊戲、電腦、使用者介面及類似者之應用中持續增長，對3D相機之關注正在增加。創建3D影像之一典型被動方式係使用多個相機來擷取立體影像或多個影像。使用立體影像，可對影像中之物件進行三角量測以創建3D影像。此三角量測技術之一個缺點係難以使用小裝置創建3D影像，此係因為為了創建三維影像，各相機之間必須存在最小分離距離。另外，此技術較複雜，因此需要大量電腦處理能力以便即時創建3D影像。
針對需要即時獲取3D影像之應用，有時利用基於光學飛行時間量測之主動深度成像系統。飛行時間系統通常採用：一光源，其將光導向一物件；一感測器，其偵測自物件反射之光；以及一處理單元，其基於光行進至物件並自物件行進所花費之往返時間來計算至物件之距離。在典型飛行時間感測器中，由於自光偵測區至感測節點之高轉移效率，經常使用光電二極體。
獲取3D影像之一持續挑戰係：在遠程應用中，例如(例如)飛行時間(TOF)光偵測及測距(LiDAR)應用及類似者，中午在室外存在之大量背景光歸因於大量環境光而使得偵測反射光脈衝變得更加困難。特定言之，因為每秒皆有如此之多之光子到達，所以很難在一非常大之背景信號之外偵測到如此之弱之TOF信號。
揭示用於使用適用於遠程飛行時間系統之一光感測系統中之雙模堆疊式光倍增器來感測光子之方法及設備。在以下描述中，闡述諸多特定細節以提供對該實例之透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，能夠在不具有一或多個特定細節之情況下或配合其他方法、組件、材料等等實踐本文所描述之技術。在其他情況下，未展示或詳細地描述眾所周知之結構、材料或操作以避免混淆某些態樣。
貫穿本說明書之對“一實例”或“一實施例”之參考意指結合該實例所描述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一實例中。因此，貫穿在本說明書之各種地方出現片語“在一實例中”或“在一實施例中”未必皆係指同一實例。此外，特定特徵、結構或特性可依任何適合方式組合於一或多個實例中。
貫穿本說明書，使用若干此項技術之術語。此等術語具有其出自之此項技術之一般意義，除非本文具體定義或其使用背景另有明確指示。應注意，可貫穿此文獻互換使用元件名稱及符號(例如，Si與矽)；然而，兩者具有相同含義。
如將展示，揭示可用於感測光子之雙模堆疊式光倍增器之實例。在各種實例中，根據本發明之教示，即使在明亮環境光條件下，光子偵測器陣列亦可用於偵測光子，此使得所揭示實例雙模堆疊式光倍增器適用於遠程飛行時間應用，例如LiDAR應用或類似者。在各種實例中，各包含每像素一或多個光子偵測器(例如蓋格模式單光子突崩二極體(SPAD))之光倍增器像素單元包含在所揭示雙模堆疊式光倍增器之像素陣列中。藉由每像素具有多個光子偵測器或SPAD，即使在來自環境光之大量光子亦可能入射在像素陣列上之明亮環境光條件下，亦可偵測到弱TOF信號。
此外，在各種實例中，在判定特定SPAD遭受不良高暗計數率(DCR)效能之情況下，可根據需要個別地或數位地啟用或停用各光子偵測器或SPAD。因而不需要僅因為包含在光倍增器像素單元中之SPAD之一者遭受不可接受之DCR效能就停用包含複數個SPAD之整個光倍增器像素單元。相反，根據本發明之教示，只有效能不良之SPAD可被數位地停用，而光倍增器像素單元中之剩餘效能正常SPAD可保持啟用以偵測光子。
此外，即使數位啟用電路在所揭示光倍增器像素單元中具有個別啟用及停用高DCR SPAD之特徵，類比電路亦在所揭示實例光倍增器像素單元中組合以提供高時序精度及邊緣偵測，改良信雜比(SNR)效能，以及與數位實施方案相比減少整體電晶體計數。根據本發明之教示，所揭示光倍增器像素單元中之數位電路及類比電路兩者之此組合導致光倍增器像素單元之雙模或數位轉類比混合本質。此外，在各種實施例中，根據本發明之教示，光倍增器像素單元亦可使用堆疊技術來實施，其為所包含之像素電路提供無填充因數或光靈敏度損失之額外益處，以支援光倍增器像素單元之操作。
圖1係展示根據本發明之教示之包含雙模堆疊式光倍增器之一遠程飛行時間光感測系統100之一實例之方塊圖。特定言之，如所描繪實例中所展示，飛行時間光感測系統100包含一光源102、一透鏡116、包含複數個光倍增器像素單元122之一像素陣列120以及一控制器126。控制器126經耦合以控制光源102及包含在像素陣列120中之複數個光倍增器像素單元122之操作。另外，控制器126亦可經耦合以處理自像素陣列120讀出之資訊。
如實例中所展示，像素陣列120定位在距透鏡116之一焦距flens 處。在實例中，光源102及透鏡116定位在距物件130之一距離L處。應瞭解，未按比例繪示圖1，並且在一實例中，焦距flens 大體上小於透鏡116與物件130之間之距離L。因此，應瞭解，出於本發明之目的，根據本發明之教示，出於飛行時間量測之目的，距離L與距離L+焦距flens 大體上相等。如所繪示，出於解釋目的，像素陣列120及控制器126被表示為單獨組件。然而，應瞭解，像素陣列120及控制器126可全部整合至同一堆疊晶片感測器上。在其他實施例中，像素陣列120及控制器126可整合至一非堆疊標準平面感測器上。
此外，應瞭解，圖1中所展示之實例像素陣列120繪示為經配置至複數個列及複數個行中之光倍增器像素單元122之一二維(2D)陣列。因而，應瞭解，2D像素陣列120可適合於獲取物件130之一3D影像。在另一實例中(參見例如圖4)，應瞭解，根據本發明之教示，像素陣列120亦可實施為可用於線掃描感測器應用或類似者之光倍增器像素單元122之一維陣列。此外，在又一實例中，應瞭解，若像素陣列120亦可包含在不需要飛行時間量測之光感測系統中，並且在此等系統中，則不需要光源102。
然而，返回參考圖1中描繪之實例，飛行時間光感測系統100係一3D相機，其利用像素陣列120基於飛行時間量測來計算待成像之一場景(例如，物件130)之影像深度資訊。飛行時間光感測系統100甚至可在具有明亮環境光182之條件下(例如，在中午之室外)操作，並且像素陣列120中之各光倍增器像素單元122可判定物件130之對應部分之深度資訊，使得可產生物件130之一3D影像。藉由量測光自光源102傳播至物件130並返回至飛行時光感測系統100之往返時間來判定深度資訊。
如所繪示，光源102 (例如，一垂直腔表面發射雷射)經組態以在一距離L上向物件130發射包含光脈衝106之光104。然後，經發射光104作為經反射光110自物件130反射，其中一些在一距離L上朝向飛行時光感測系統100傳播，並作為影像光入射在像素陣列120上。像素陣列120中之各光倍增器像素單元122包含一或多個光子偵測器(例如，一或多個SPAD)以偵測影像光並將影像光轉換為一輸出信號。
如所描繪實例中所展示，經發射光104之脈衝(例如，脈衝106)自光源102傳播至物件130並返回至複數個像素120之往返時間可用於使用以下等式(1)及(2)中之以下關係判定距離L：
Figure 02_image001
其中c係光速，大約等於3×108 m/s，且TTOF 對應於往返時間，其為光106之脈衝往返於圖1中所展示之物件130所花費之時間量。因此，一旦知道往返時間，便可計算距離L並隨後將距離用於判定物件130之深度資訊。
如所繪示實例中所展示，控制器126經耦合以控制像素陣列120 (包含光倍增器像素單元122)及光源102，並且包含邏輯，其在被執行時致使飛行時間光感測系統100執行操作以用於判定往返時間。可至少部分地基於由一時間轉數位轉換器產生之時序信號(參見例如圖2至圖4)來判定往返時間。時序信號表示光源102何時發射光及光倍增器像素單元122何時偵測到影像光。
圖2係展示根據本發明之教示之可包含在圖1之飛行時間光感測系統100中之一雙模堆疊式光倍增器像素單元222之一實例之一功能方塊圖。應瞭解，圖2之光倍增器像素單元222可為例如圖1之像素陣列120中所包含之複數個光倍增器像素單元122之一者之一實例，且下文參考之類似命名及編號之元件因此等似於上文描述般耦合及起作用。如所描繪實例中所展示，圖2之光倍增器像素單元222包含經耦合以偵測一入射光子210之一光子偵測器208。在一實例中，光子偵測器208包含一矽光倍增器(SiPM)，諸如一蓋革模式(GM)單光子突崩光電二極體(SPAD)，使得入射光子210適於在光子偵測器208中觸發一突崩電流IAV ，從而回應於光子偵測器208偵測入射光子210而在一輸出電壓信號VOUT 中引起一對應電壓尖峰。一淬滅電路212耦合至光子偵測器208以淬滅突崩電流IAV ，從而致使輸出電壓信號VOUT 重設。
在判定光子偵測器208係有一缺陷之情況下，諸如(例如)若光子偵測器具有一不可接受之高暗計數率(DCR)，則將一啟用電路242耦合至光子偵測器208以回應於一數位啟用信號而個別地啟用及停用光子偵測器208。在所描繪實例中，應瞭解，根據本發明之教示，光子偵測器208 (及對應支援電路)可為包含在光倍增器像素單元222中之複數個光子偵測器(如圖2中用虛線所指示)之一者，並且在光倍增器像素單元222中之其他光子偵測器可被啟用，而光子偵測器208被停用。
繼續圖2中描繪之實例，緩衝電路244耦合至光子偵測器208，以回應於光子偵測器208中觸發之突崩電流IAV 或輸出電壓VOUT ，產生具有一脈衝寬度間隔280之一數位輸出信號DOUT1 258A。具有複數個輸入之一數位轉類比轉換器246耦合至緩衝電路244。如所描繪實例中所展示，緩衝電路244係複數個緩衝電路之一者，並且數位轉類比轉換器246之一對應輸入經耦合以接收緩衝電路244之數位輸出DOUT1 258A。在操作中，根據本發明之教示，數位轉類比轉換器246經耦合以產生一類比輸出信號AOUT 260，類比輸出信號AOUT 260之量值係回應於在數位轉類比轉換器之複數個輸入之各者處在脈衝寬度間隔280內同時接收之數位輸出信號DOUT1 258A…DOUTN 258N之總數目。
如所描繪之實例中所展示，一臨限偵測電路248包含經耦合以自數位轉類比轉換器246接收類比輸出信號AOUT 260之一第一輸入，及經耦合以接收一參考信號VREF 264之一第二輸入。在一實例中，參考信號VREF 264係一臨限電壓，並且臨限偵測電路248經耦合以將類比輸出信號AOUT 260與參考信號VREF 264進行比較，以回應於類比輸出信號AOUT 260與參考信號VREF 264之一比較而產生一起始信號TDC_START 262。一時間轉數位轉換器電路224經耦合以自臨限偵測電路248接收起始信號TDC_START 262。在一實例中，根據本發明之教示，時間轉數位轉換器電路224經耦合以回應於在數位轉類比轉換器246之複數個輸入處在脈衝寬度間隔280內同時接收之數位輸出信號DOUT1 258A…DOUTN 258N之一臨限值數目而處理時間。在一實例中，判定往返時間可至少部分地基於由時間轉數位轉換器電路224產生之時序信號。時序信號表示光源102何時發射光及光子偵測器208何時偵測入射光子210。
在一實例中，光子偵測器208安置在一第一晶圓252中，諸如一感測器晶圓，並且包含淬滅電路212、啟用電路242、緩衝電路244、數位轉類比轉換器246、臨限偵測電路248，且時間轉數位轉換器電路224之其他電路安置在一單獨第二晶圓254中，諸如一像素電路晶圓，其以堆疊晶片方案與第一晶圓252堆疊。在所繪示之實例中，第一晶圓252中之光子偵測器208藉由第一晶圓252與第二晶圓254之間之介面處之堆疊點256耦合至第二晶圓254中之淬滅電路212。因而，應瞭解，根據本發明之教示，光倍增器像素單元222使用堆疊技術來實施，其為所包含之像素電路提供無填充因數或光靈敏度損失之額外益處，以支援光倍增器像素單元222之操作。
圖3係展示根據本發明之教示之包含可包含在圖1之飛行時間光感測系統100中之數位部分及類比部分兩者之一雙模堆疊式光倍增器像素單元322之一實例之一示意圖。應瞭解，圖3之光倍增器像素單元322可為例如圖1之像素陣列120或圖2之光倍增器像素單元222中所包含之複數個光倍增器像素單元122之一者之一實例，且下文參考之類似命名及編號之元件因此等似於上文描述般耦合及起作用。
類似於圖2之實例光倍增器像素單元222，圖3之光倍增器像素單元322包含經耦合以偵測一入射光子310之一光子偵測器308。在所描繪之實例中，光子偵測器308係使用一蓋革模式(GM)單光子突崩光電二極體(SPAD)實施之一矽光倍增器(SiPM)，使得入射光子310適於在光子偵測器308中觸發一突崩電流IAV ，從而回應於光子偵測器308偵測到入射光子310而在一輸出電壓信號VOUT 378中引起一對應向下電壓轉變。一淬滅電路312耦合在一過量電壓VEX 與光子偵測器308之間以控制淬滅突崩電流IAV ，從而致使輸出電壓信號VOUT 378如所展示般恢復。
在實例中，光子偵測器308之SPAD根據等式(3)被反向偏壓：
Figure 02_image003
其中VBIAS 係SPAD之反向偏壓，VBD 係SPAD之崩潰電壓。在實例中，VBIAS ＞ VBD ，使得VEX 係超出SPAD之崩潰電壓之過量偏壓。
如將論述，在所描繪實例中，根據本發明之教示，淬滅電路312係一主動淬滅電路，其控制SPAD之恢復，使得輸出電壓信號VOUT 378在由光子偵測器308中之突崩電流IAV 引起之向下電壓轉變之後之一特定時間間隔之後回升至高於一臨限電壓(例如，如用相對於輸出電壓信號VOUT 378之一水平虛線所展示)，此導致各緩衝電路344在數位輸出信號DOUT 358中產生一恒定或固定脈衝寬度間隔380。在另一實例中，應瞭解，緩衝電路344可整合至各自淬滅電路312之設計中。
在判定光子偵測器308被識別為有缺陷之情況下，諸如(例如)若光子偵測器之SPAD具有一不可接受之高暗計數率(DCR)，則將一啟用電路342耦合至光子偵測器308，以回應於一數位啟用信號SPAD_EN 368個別地啟用及停用光子偵測器308。在所描繪實例中，應瞭解，根據本發明之教示，光子偵測器308可為包含在光倍增器像素單元322中之複數個光子偵測器之一者，且光倍增器像素單元322中之其他光子偵測器可保持啟用，而光子偵測器308停用。在一實例中，啟用電路342包括耦合在一電壓參考終端與光子偵測器308之SPAD之間之一電晶體。例如，在圖3中所描繪之實例中，啟用電路342包括耦合在一接地終端與光電偵測器308之SPAD之一陰極之間之一電晶體。在另一實例中，當然應瞭解，若交換SPAD之p-n接面極性，則可反轉極性。在操作中，當啟用電路342之電晶體回應於數位啟用信號SPAD_EN 368而導通時，光子偵測器308之SPAD之陰極接地以個別地停用光子偵測器308之SPAD。
在一實例中，藉由執行一暗圖框校準可將光子偵測器308之SPAD識別為有缺陷，其中使用啟用信號SPAD_EN 368及用計數電路365在DOUT 358處量測之輸出計數率(由陣列中之所有像素共用)來個別地循序地定址陣列中之所有SPAD。例如，在一實例中，具有一高DCR (例如，前5%)之光子偵測器308之SPAD然後可經由啟用信號SPAD_EN 368被停用。在一實例中，DOUT 358可經組態為至公共匯流排之一N位元輸出。然後，亦可在一並行操作模式(例如，在晶片啟動時)使用N位之DOUT 358來掃掠光子偵測器308之所有可用SPAD，然後，經由耦合至計數電路365，用於量測光子偵測器308中之SPAD之各者之DCR，且因此判定哪些SPAD係低雜訊及哪些係高雜訊SPAD。
繼續圖3中描繪之實例，數位部分364A之緩衝電路344耦合至光子偵測器308，以回應於在光子偵測器308中觸發之突崩電流IAV 或輸出電壓VOUT 378而產生具有一脈衝寬度間隔380之數位輸出信號DOUT1 358A。在所繪示之實例中，緩衝電路344係如所展示般利用耦合至n電晶體372之p電晶體374實施之一反相器以回應於由光子偵測器310回應於在光子偵測器308中回應於入射光子310而觸發之突崩電流IAV 而產生之輸出電壓VOUT 378而產生數位輸出信號DOUT1 358A。應瞭解，緩衝電路344之反相器將光子偵測器308與數位轉類比轉換器以及光倍增器像素單元322之類比部分346中包含之後續級隔離，包含存在於類比輸出電壓AOUT 360處之原本將劣化SPAD裝置效能之所有寄生電容。
特定言之，如所描繪實例中所展示，光子偵測器308、猝滅電路312、啟用電路342及緩衝電路344包含在光倍增器像素單元322之第一數位部分364A中，而一數位轉類比轉換器包含在光倍增器像素單元322之一類比部分346中。如所展示，第一數位部分364A係複數個數位部分364A、364B、...364N之一者，其耦合至類比部分346及計數電路365，如上文論述。
包含在類比部分346中之數位轉類比轉換器具有複數個輸入，其中各者耦合至來自數位部分364A、364B…364N之一對應緩衝電路344。如所描繪實例中所展示，包含在類比部分346中之數位轉類比轉換器之各對應輸入經耦合以接收來自數位部分364A、364B…364N之緩衝電路344之數位輸出DOUT1 358A ... DOUTN 358N之一對應位元。在操作中，根據本發明之教示，類比部分346中之數位轉類比轉換器經耦合以產生一類比輸出信號AOUT 360，其量值係回應於在類比部分346中之數位轉類比轉換器之複數個輸入之各者處在脈衝寬度間隔380內同時接收之數位輸出信號DOUT1 358A…DOUTN 358N之一總數目。
在所繪示之實例中，類比部分中之數位轉類比轉換器包含並聯耦合之複數個切換電流源376A、376B、... 376N。複數個切換電流源376A、376B、... 376N之各者用一對應電晶體374A、374B、... 374N切換，電晶體374A、374B、... 374N經耦合以回應於自光倍增器像素單元322之一對應數位部分364A、364B、... 364N接收之一對應數位輸出信號DOUT1 358A ... DOUTN 358N而切換。
如所展示，根據本發明之教示，一輸出電阻器ROUT 366耦合至複數個切換電流源376A、376B、... 376BN，使得來自複數個切換電流源376A、376B、... 376N之電流之總和藉由輸出電阻器ROUT 366在脈衝寬度間隔380內傳導以產生跨越輸出電阻器ROUT 366之類比輸出信號AOUT 360。因此，可使用等式(4)中定義之以下關係來判定跨越輸出電阻器ROUT 366之類比輸出信號AOUT 360之值：
Figure 02_image005
其中NSPAD 表示在脈衝寬度間隔380內已偵測到一入射光子310之光子偵測器308之數目，IBIAS 表示回應於數位輸出信號DOUT1 358A ... DOUTN 358N而已導通之各切換電流源376A、376B、... 376N之電流值，並且ROUT 表示ROUT 366之電阻值。因此，根據本發明之教示，由於IBIAS 及ROUT 係固定的，因此AOUT 之量值與在脈衝寬度間隔380內回應於入射光子310而觸發之SPAD之數目成比例。
如所描繪實例中所展示，一臨限偵測電路348利用一比較器電路來實施，該比較器電路包含：一第一輸入(例如，非反相輸入)，其經耦合以接收來自類比部分346之數位轉類比轉換器之類比輸出信號AOUT 360；以及一第二輸入(例如，反相輸入)，其經耦合以接收一參考信號VREF 364。在實例中，參考信號VREF 364係臨限電壓，並且臨限偵測電路348經耦合以將類比輸出信號AOUT 360與參考信號VREF 364進行比較以回應於類比輸出信號AOUT 360與參考信號VREF 364之間之一比較而產生一起始信號TDC_START 362。
一時間轉數位轉換器電路324經耦合以接收來自臨限偵測電路348之起始信號TDC_START 362。在一實例中，根據本發明之教示，時間轉數位轉換器電路324經耦合以回應於在數位轉類比轉換器346之複數個輸入處在脈衝寬度間隔380內同時接收之數位輸出信號DOUT1 358A…DOUTN 358N之一臨限值數目而處理時間。換言之，藉由為參考信號VREF 364選擇對應於一偵測臨限值之一臨限電壓，時間轉數位轉換器電路324可適於僅在脈衝寬度間隔380期間已觸發光子偵測器308中之所需數目個SPAD時才處理時間。因而，可設定參考信號VREF 364之臨限電壓，使得臨限偵測電路348在一高背景光計數率下存在一大光脈衝時觸發。在一實例中，判定往返時間可至少部分地基於由時間轉數位轉換器電路324產生之時序信號。時序信號表示光源102何時發射光以及光子偵測器308何時偵測入射光子310。
在操作中，應注意，針對飛行時間計算，可存在兩種不同之作業系統之方式。例如，時間轉數位轉換器電路324可由系統組態(1)以在光被發出時在圖框之開始處開始，然後在接收至信號時停止；或者(2)以在接收光時開始，然後在圖框結束時停止(即達到最大偵測範圍)。使用第二種方法之優點在於電力消耗減少，此係因為即使未由信號光子觸發SPAD像素時間轉數位轉換器電路324亦無需在整個飛行時間內運行。
圖4係展示根據本發明之教示之可在包含雙模堆疊式光倍增器之一遠程飛行時間系統中使用之光感測系統400之另一實例之一方塊圖。如所描繪實例中所展示，光感測系統400包含一像素陣列420，其包含具有對應光子偵測器408之複數個光倍增器像素單元422。應瞭解，圖4之光倍增器像素單元422及光子偵測器408可為圖3之光倍增器像素單元322及光子偵測器308或圖2之光倍增器像素單元222及光子偵測器208或包含在圖1之像素陣列120中之光倍增器像素單元122之實例，且下文參考之類似命名及編號之元件因此等似於上文描述般耦合及起作用。
應注意，在圖4中描繪之實例中，各光倍增器像素單元422包含複數個光子偵測器408，並且圖4中所繪示之像素陣列420實例係光倍增器像素單元422之一維陣列。因而，圖4中所描繪之實例像素陣列420繪示一線掃描感測器。然而，應瞭解，在其他實例中，像素陣列420亦可實施為一二維陣列以擷取二維影像。
進一步注意，圖4中描繪之實例包括一光源402，使得可基於自光源402發射之光404自物件430反射回至像素陣列420之往返時間來判定飛行時間資訊，如上文進一步詳細論述。應瞭解，在另一實例中，在包含像素陣列420以偵測光子之應用中可省略光源402，例如正電子發射斷層成像(PET)掃描應用及類似者，並且不需要飛行時間資訊。
返回參考所繪示之實例，光感測系統400亦包含像素陣列讀出電路414、時間轉數位轉換器424及控制器426，控制器426包含像素陣列控制電路418以控制像素陣列420之操作。如所論述，在一實例中，控制器426可耦合至一光源402以將光404發射至一物件430，物件430將光420反射回像素陣列420以用於遠程飛行時間應用。在一實例中，根據本發明之教示，控制器426可包含處理器、記憶體及各種其他功能邏輯以處理自像素陣列420讀出之資訊。應注意，光感測系統400可依一堆疊晶片方案實施。如先前實例中所提及，像素陣列420可包含在一感測器晶圓中，而像素陣列讀出電路414、時間轉數位轉換器424、包含像素陣列控制電路418之控制器(可包含一或多個處理器及記憶體之邏輯) 426 (如圖4中所繪示)可包含在一單獨像素電路晶圓中。在一實例中，根據本發明之教示，像素電路晶圓可實施為一專用積體電路(ASIC)晶粒。在實例中，感測器晶圓及像素電路晶圓在製造期間被堆疊及耦合在一起以實施根據本發明之教示之一飛行時間光感測系統。在其他實施例中，可利用光感測系統400之一非堆疊實施方案。例如，感測器晶圓(包含像素陣列420)、像素陣列讀出電路414、時間轉數位轉換器424及控制器426 (包含控制電路418)可製造在同一矽基板上。一般而言，應瞭解，根據本發明之教示，光感測系統400可依堆疊解決方案及非堆疊解決方案兩者來實施。
本發明之所繪示之實例之以上描述(包含摘要中所描述之內容)不意欲為窮舉性或將本發明限於所揭示之精確形式。儘管本文描述本發明之特定實例係出於繪示性目的，但熟習此項技術者將認識到，在本發明範疇內各種修改係可能的。
依據以上詳細描述可對本發明做出此等修改。隨附申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限於本說明書中所揭示之特定實例。實情係，本發明之範疇全部由隨附申請專利範圍判定，隨附申請專利範圍應如申請專利範圍解釋之既定原則來解釋。
100‧‧‧遠程飛行時間光感測系統 102‧‧‧光源 104‧‧‧經發射光 106‧‧‧光脈衝 110‧‧‧經反射光 116‧‧‧透鏡 120‧‧‧像素陣列 122‧‧‧光倍增器像素單元 126‧‧‧控制器 130‧‧‧物件 182‧‧‧環境光 208‧‧‧光子偵測器 210‧‧‧入射光子 212‧‧‧淬滅電路 222‧‧‧雙模堆疊式光倍增器像素單元 224‧‧‧時間轉數位轉換器電路 242‧‧‧啟用電路 244‧‧‧緩衝電路 246‧‧‧數位轉類比轉換器 248‧‧‧臨限偵測電路 252‧‧‧第一晶圓 254‧‧‧第二晶圓 256‧‧‧堆疊點 258A‧‧‧數位輸出DOUT1 258N‧‧‧數位輸出信號DOUTN 260‧‧‧類比輸出信號AOUT 262‧‧‧始信號TDC_START 264‧‧‧參考信號VREF 280‧‧‧脈衝寬度間隔 308‧‧‧光子偵測器 310‧‧‧入射光子 312‧‧‧淬滅電路 322‧‧‧光倍增器像素單元 324‧‧‧時間轉數位轉換器電路 342‧‧‧啟用電路 344‧‧‧緩衝電路 346‧‧‧類比部分 348‧‧‧臨限偵測電路 358‧‧‧DOUT 358A‧‧‧數位輸出信號DOUT1 358N‧‧‧數位輸出信號DOUTN 358B‧‧‧數位輸出信號DOUT2 360‧‧‧類比輸出信號AOUT 362‧‧‧起始信號TDC_START 364‧‧‧參考信號VREF 364A‧‧‧數位部分 364B‧‧‧數位部分 364N‧‧‧數位部分 365‧‧‧計數電路 366‧‧‧輸出電阻器ROUT 368‧‧‧數位啟用信號SPAD_EN 372‧‧‧n電晶體 374‧‧‧p電晶體 374A‧‧‧對應電晶體 374B‧‧‧對應電晶體 374N‧‧‧對應電晶體 376A‧‧‧切換電流源 376B‧‧‧切換電流源 376N‧‧‧切換電流源 378‧‧‧輸出電壓信號VOUT 380‧‧‧脈衝寬度間隔 400‧‧‧光感測系統 402‧‧‧光源 404‧‧‧光 408‧‧‧光子偵測器 414‧‧‧像素陣列讀出電路 418‧‧‧像素陣列控制電路 420‧‧‧光 422‧‧‧光倍增器像素單元 424‧‧‧時間轉數位轉換器 426‧‧‧控制器 430‧‧‧物件
參考以下諸圖描述本發明之非限制性及非窮舉實例，其中相似元件符號貫穿各種視圖指代相似部分，除非另有規定。
圖1係展示根據本發明之教示之包含雙模堆疊式光倍增器之一遠程飛行時間光感測系統之一實例之一方塊圖。
圖2係展示根據本發明之教示之可包含在圖1之飛行時間感測系統中之一雙模堆疊式光倍增器像素單元之一實例之一功能方塊圖。
圖3係展示根據本發明之教示之包含可包含在圖1之飛行時間光感測系統中之數位部分及類比部分兩者之一雙模堆疊式光倍增器像素單元之一實例之一示意圖。
圖4係展示根據本發明之教示之可在包含雙模堆疊式光倍增器像素單元之一遠程飛行時間系統中使用之光感測系統之另一實例之一方塊圖。
對應參考字元貫穿附圖之若干視圖指示對應組件。熟習此項技術者應瞭解，圖式中之元件出於簡單及清楚之目的而繪示，且未必係按比例繪製。例如，圖式中一些元件之尺寸相對於其他元件可被誇大以幫助提高對本發明之各種實施例之理解。此外，為了促進對本發明之此等各種實施例之更容易之觀察，通常不描繪在商業上可行之實施例中有用之或必需之常見但熟知之元件。
208‧‧‧光子偵測器
210‧‧‧入射光子
212‧‧‧淬滅電路
222‧‧‧雙模堆疊式光倍增器像素單元
224‧‧‧時間轉數位轉換器電路
242‧‧‧啟用電路
244‧‧‧緩衝電路
246‧‧‧數位轉類比轉換器
248‧‧‧臨限偵測電路
252‧‧‧第一晶圓
254‧‧‧第二晶圓
256‧‧‧堆疊點
258A‧‧‧數位輸出DOUT1
258N‧‧‧數位輸出信號DOUTN
260‧‧‧類比輸出信號AOUT
262‧‧‧始信號TDC_START
264‧‧‧參考信號VREF
280‧‧‧脈衝寬度間隔

Claims (20)

  1. 一種光倍增器(photomultiplier)像素單元，其包括：一光子偵測器，其經耦合以偵測一入射光子，其中該入射光子適於在該光子偵測器中觸發一突崩電流(avalanche current)；一淬滅(quenching)電路，其耦合至該光子偵測器以淬滅該突崩電流；一啟用(enable)電路，其耦合至該光子偵測器以回應於一啟用信號而啟用及停用該光子偵測器；一緩衝電路，其耦合至該光子偵測器以回應於在該光子偵測器中觸發之該突崩電流而產生具有一脈衝寬度間隔(pulse width interval)之一數位輸出信號；及一數位轉類比轉換器，其具有複數個輸入，其中該緩衝電路係複數個緩衝電路之一第一者，其中該數位轉類比轉換器之該等輸入之一第一者耦合至該複數個緩衝電路之該第一者以接收複數個數位輸出信號之各自一者，其中該數位轉類比轉換器經耦合以產生一類比輸出信號，該類比輸出信號之量值(magnitude)回應於在該數位轉類比轉換器之該複數個輸入之各者處在該脈衝寬度間隔內同時接收之數位輸出信號之一總數目。
  2. 如請求項1之光倍增器像素單元，其進一步包括：一臨限偵測電路，其具有：一第一輸入，其經耦合以接收來自該數位轉類比轉換器之該類比輸出信號；及一第二輸入，其經耦合以接收一參考信號，其中該臨限偵測電路經耦合以回應於該類比信號及該參考信號而 產生一起始信號；及一時間轉數位轉換器電路，其經耦合以接收該起始信號，其中該時間轉數位轉換器電路經耦合以回應於在該數位轉類比轉換器之該複數個輸入處在該脈衝寬度間隔內同時接收之數位輸出信號之一臨限值數目而處理時間。
  3. 如請求項2之光倍增器像素單元，其中該光子偵測器安置在一第一晶圓中，且其中該淬滅電路、該啟用電路、該緩衝電路、該數位轉類比轉換器、該臨限偵測電路及該時間轉數位轉換器電路安置在一第二晶圓中，該第二晶圓以一堆疊晶片方案與該第一晶圓堆疊。
  4. 如請求項1之光倍增器像素單元，其中該光子偵測器包括一蓋革模式單光子突崩光電二極體(SPAD)。
  5. 如請求項4之光倍增器像素單元，其中該啟用電路包括耦合在一電壓參考終端與該SPAD之間之一電晶體，其中該電晶體經耦合以回應於該啟用信號而被切換以個別地啟用及停用該SPAD。
  6. 如請求項1之光倍增器像素單元，其中該淬滅電路包括一主動淬滅電路，該主動淬滅電路經耦合以產生針對該數位輸出信號之該脈衝寬度間隔之一恒定寬度。
  7. 如請求項1之光倍增器像素單元，其中該緩衝電路包括一反相器，該 反相器經耦合以回應於由該光子偵測器回應於在該光子偵測器中回應於該入射光子而觸發之該突崩電流而產生之一輸出電壓而產生該數位輸出信號，其中該反相器將該光子偵測器與數位轉類比轉換器隔離。
  8. 如請求項1之光倍增器像素單元，其中該光子偵測器、該淬滅電路、該啟用電路及該緩衝電路包含在該光倍增器像素單元之一數位部分中，其中該數位轉類比轉換器包含在該光倍增器像素單元之一類比部分中，其中數位部分係複數個數位部分之一者，且其中該光倍增器像素單元包含耦合至該類比部分之該複數個數位部分。
  9. 如請求項1之光倍增器像素單元，其中該數位轉類比轉換器包括：並聯耦合之複數個切換電流源，其中該複數個切換電流源之各者回應於該複數個緩衝電路之對應一者之一各自數位輸出信號而被切換；及一輸出電阻器，其耦合至該複數個切換電流源，其中來自該複數個切換電流源之一總和電流在該脈衝寬度間隔內傳導通過該輸出電阻器，以產生跨越該輸出電阻器之該類比輸出信號。
  10. 一種光感測系統，其包括：一像素陣列，其包含複數個光倍增器像素單元，其中各像素單元包括：一光子偵測器，其經耦合以偵測一入射光子，其中該入射光子適於在該光子偵測器中觸發一突崩電流；一淬滅電路，其耦合至該光子偵測器以淬滅該突崩電流； 一啟用電路，其耦合至該光子偵測器以回應於一啟用信號而啟用及停用該光子偵測器；一緩衝電路，其耦合至該光子偵測器以回應於在該光子偵測器中觸發之該突崩電流而產生具有一脈衝寬度間隔之一數位輸出信號；及一數位轉類比轉換器，其具有複數個輸入，其中該緩衝電路係複數個緩衝電路之一第一者，其中該數位轉類比轉換器之該輸入之一第一者耦合至該複數個緩衝電路之該第一者以接收複數個數位輸出信號之各自一者，其中該數位轉類比轉換器經耦合以產生一類比輸出信號，該類比輸出信號之量值回應於在該數位轉類比轉換器之該複數個輸入之各者處在該脈衝寬度間隔內同時接收之數位輸出信號之一總數目；及一控制器，其耦合至該像素陣列以控制該複數個光倍增器像素單元之操作，其中該控制器進一步經耦合以處理該類比輸出信號。
  11. 如請求項10之光感測系統，其中該光感測系統包含在一線掃描感測器中。
  12. 如請求項10之光感測系統，其進一步包括耦合至該控制器之一光源，其中該光源經耦合以朝向一物件發射光，使得該所發射光自該物件反射至該像素陣列以基於來自該光源之該光之一飛行時間來判定自該像素陣列至該物件之一距離。
  13. 如請求項10之光感測系統，其中各像素單元進一步包括： 一臨限偵測電路，其具有：一第一輸入，其經耦合以接收來自該數位轉類比轉換器之該類比輸出信號；及一第二輸入，其經耦合以接收一參考信號，其中該臨限偵測電路經耦合以回應於該類比信號及該參考信號而產生一起始信號；及一時間轉數位轉換器電路，其經耦合以接收該起始信號，其中該時間轉數位轉換器電路經耦合以回應於在該數位轉類比轉換器之該複數個輸入處在該脈衝寬度間隔內同時接收之數位輸出信號之臨限值數目而處理時間。
  14. 如請求項13之光感測系統，其中該光子偵測器安置在一第一晶圓中，且其中該淬滅電路、該啟用電路、該緩衝電路、該數位轉類比轉換器、該臨限偵測電路及該時間轉數位轉換器電路安置在一第二晶圓中，該第二晶圓以一堆疊晶片方案與該第一晶圓堆疊。
  15. 如請求項10之光感測系統，其中該光子偵測器包括蓋革模式單光子突崩光電二極體(SPAD)。
  16. 如請求項15之光感測系統，其中該啟用電路包括耦合在一電壓參考終端與該SPAD之間之一電晶體，其中該電晶體經耦合以回應於該啟用信號而被切換以個別地啟用及停用該SPAD。
  17. 如請求項10之光感測系統，其中該淬滅電路包括一主動淬滅電路，該主動淬滅電路經耦合以產生針對該數位輸出信號之該脈衝寬度間隔之一 恒定寬度。
  18. 如請求項10之光感測系統，其中該緩衝電路包括一反相器，該反相器經耦合以回應於由該光子偵測器回應於在該光子偵測器中回應於該入射光子而觸發之該突崩電流而產生之一輸出電壓而產生該數位輸出信號，其中該反相器將該光子偵測器與該數位轉類比轉換器隔離。
  19. 如請求項10之光感測系統，其中該光子偵測器、該淬滅電路、該啟用電路及該緩衝電路包含在各像素單元之一數位部分中，其中該數位轉類比轉換器包含在各像素單元之一類比部分中，其中數位部分係複數個數位部分之一者，且其中各像素單元包含耦合至該類比部分之該複數個數位部分。
  20. 如請求項10之光感測系統，其中該數位轉類比轉換器包括：並聯耦合之複數個切換電流源，其中該複數個切換電流源之各者回應於該複數個緩衝電路之對應一者之一各自數位輸出信號而被切換；及一輸出電阻器，其耦合至該複數個切換電流源，其中來自該複數個切換電流源之一總和電流在該脈衝寬度間隔內傳導通過該輸出電阻器，以產生跨越該輸出電阻器之該類比輸出信號。
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