使用单信道时间数字转换的基于光子的检测的制作方法

1.各种实施例的方面是针对使用光学件来通过使用如用于光检测和测距(light detection and ranging，lidar)以及其它目的的单光子雪崩光电二极管(single-photon avalanche photodiode，spad)技术来检测目标区域中的对象的位置。


背景技术：

2.spad技术和lidar在许多技术领域中发挥着越来越重要的作用。一个此类领域是如可在感测对象的相对移动中使用的范围检测的领域。在车辆应用中，此类型的检测可用于结合非自主驾驶和，归因于高范围和角分辨率，自主驾驶两者提供辅助。spad是由于其独特性质(例如可通过平面装置结构实现的对单个光子的高灵敏度、高时间分辨率和高阵列分辨率)而用于汽车lidar的有利接收器技术(例如，基于cmos的spad)。
3.spad还促进用于短距离和低噪声环境应用(例如荧光使用寿命显微镜)的飞行时间测量的有效技术。为了适应长距离和高噪声环境，除了光学带通滤波器和有限视场外，还需要全面的范围门控技术，因为噪声诱发性检测会阻挡信号，例如，日光光子。
4.要在更长的范围内、更高的精度和/或更高的噪声环境中实现spad在各种应用中的有效使用，面临许多挑战。


技术实现要素：

5.各种例子实施例是针对例如上文所阐述的那些问题和/或其它问题，其可从关于例如可在光检测和测距(lidar)系统中使用的spad接收器的操作的以下公开内容变得显而易见。
6.根据某些例子方面，本公开是针对操作例如可与lidar系统结合使用的spad接收器。spad接收器具有用于使用单信道时间数字转换器(time-to-digital converter，tdc)的多个光子检测的spad电路系统，并且此类光子检测在检测之后中止以便建立有效的预限定关断周期。作为响应，spad电路系统在后续接通周期内再充电，在所述后续接通周期期间，spad电路系统取消中止(或待命)以用于另外的光子检测和处理。此类处理可包括范围计算。
7.在某些更具体例子中，本公开的方面涉及如上文异步地操作此类spad接收器以便实现使用单信道tdc的多个光子检测。
8.在又另外具体例子中，本公开的方面涉及：将预定关断周期设置为比与检测时间实例(或光子的检测的实例)相关联的后脉冲周期长；避免装置固有噪声诱发性光子检测；响应于用于测量两个连续光子计数的集合之间的时间差的事件而驱动单信道tdc；以及记录相应光子检测的对应飞行时间(times-of-flight，tof)的时间差测量。
9.在其它具体例子中，本公开的方面是针对根据以上方面中的一个或多个实施的系统和电路布置。例如，此类系统和电路布置可具有包括以下各项的组合中的任一个的spad接收器：发射器照明器、发射器驱动器、接收器spad阵列、spad门控电路、tdc阵列、光子计数
器、加法器或累加器、直方图电路系统、存储器电路系统和经编程以执行信号检测的数字信号处理器。
10.以上论述/概要并非意图描述本公开的每一个实施例或每一实施方案。以下图式和具体实施方式还举例说明了各种实施例。
附图说明
11.结合附图考虑以下具体实施方式可更全面地理解各种例子实施例，其中：
12.图1是示出根据本公开的用于基于spad的光和范围检测系统的活动的示例性集合和数据流的流程图；
13.图2a是示出根据本公开的基于spad的光和范围检测系统的例子的图；
14.图2b是示出根据本公开的基于spad的光和范围检测系统的例子的更详细图；
15.图3是示出根据本公开的基于spad的光和范围检测系统的活动的示例性集合和/或数据流的流程图；
16.图4是示出根据本公开的示例性基于spad的光和范围检测系统中的活动和信号与时间的图；以及
17.图5是根据本公开的使用来自示例性基于spad的光和范围检测系统的数据的光子计数的数目与时间的图表。
18.虽然本文中所论述的各种实施例能够接受修改和替代形式，但各种实施例的方面已在图式中借助于例子示出且将详细地描述。然而，应理解，并不意图将本公开限制于所描述的特定实施例。相反，意图是涵盖落入包括权利要求书中限定的方面的本公开的范围内所有的修改、等效物和替代方案。此外，如在本技术案通篇中所使用的术语“例子”仅借助于说明，而非限制。
具体实施方式
19.本公开的方面被认为适用于多种不同类型的设备、系统和方法，包括涉及使用单光子雪崩二极管(spad)接收器系统来表征到目标的距离以及使用光子计数来表征接收器信号的信噪比(snr)的那些设备、系统和方法。在某些实施方案中，当在距离测距和信号强度确定的上下文中使用时，本公开的方面示出为有益的。这可包括例如机器人导航、周边安全或制图等领域。在一些实施例中，此类异步spad接收器系统可有益于例如自主车辆上所使用的实施方案的光检测和测距(lidar)。作为具体例子，此类系统可用于量化关于目标环境的3d信息，例如汽车前方的车道，例如行人位置、接近车辆等。虽然未必如此受到限制，但通过使用此类示例性上下文的非限制性例子的以下论述可理解各个方面。
20.因此，在以下描述中，阐述各种具体细节以描述本文呈现的具体例子。然而，对本领域的技术人员应显而易见的是，可在没有下文给出的所有具体细节的情况下实践一个或多个其它例子和/或这些例子的变化形式。在其它情况下，未详细地描述众所周知的特征以免混淆本文中的例子的描述。为了便于说明，可在不同图中使用相同附图标记来指代相同元件或相同元件的额外实例。同样，尽管在一些情况下可在各个图式中描述方面和特征，但应了解，来自一个图式或实施例的特征可与另一图式或实施例的特征组合，即使所述组合并未明确示出或明确描述为组合。
21.根据本公开的具体例子，实施例是针对或涉及一种方法，其中spad接收器可包括用于检测传入光子且在使用例如单信道时间数字转换器(tdc)的同时使用多个光子检测的spad电路。此示例性方法还可涉及在光子检测后使光子检测中止或取消待命以用于预限定关断周期，并且作为响应，再充电spad电路。关断周期必须比tdc定时加上读出阶段的最大值长。在再充电之后，spad电路可取消中止(或待命)以允许在后续接通周期期间的光子检测。在各种例子实施例中，spad电路可实施为一个spad电路或被布置成并行和同时操作的多个spad电路。
22.在其它具体例子中，本公开是针对一种使用spad接收器以用于至少一个对象的lidar检测的方法。在此类上下文中术语“对象”是指能够反射所发出光的物理结构，例如示例性车辆应用中的车辆。在此具体例子中，spad接收器可被配置成以便在异步模式中操作。异步模式可允许使用单信道tdc的多个光子检测。同样，此类异步spad操作可在随机时间实现多个光子检测，由此实现均匀信号灵敏度。
23.在本公开的又另一具体例子中，实施例是针对或涉及一种方法，其中通常响应于发射器驱动器-照明器布置、具有发射器驱动器-照明器布置和/或与发射器驱动器-照明器布置集成的spad接收器包括：接收器spad阵列、spad门控电路、tdc阵列、光子计数器、加法器或累加器、直方图电路系统、存储器电路系统和经编程以执行信号检测和相关计算(例如飞行时间或tof)的数字信号处理器。
24.现在转向图式，图1是示出具有基于spad的光和范围检测系统的相关联数据流的活动的示例性集合的流程图。spad电路系统110表示光子检测电路，其可包括一个spad电路或多个协作操作的spad电路以用于相对于对象的光子检测。通过spad电路系统110的光子检测可以事件驱动的方式操作，其中spad电路系统110的后续中止或取消待命，如块120处所示出，发生达持续预限定周期。中止的此预限定周期可被称为关断周期，用于有效地停用通过spad电路系统110的光子检测。关断周期比tdc定时加上读出阶段的最大值长。在关断周期之后，spad电路系统110可再充电130(例如，以用于待命)以用于后续另外检测(接通)周期。关断周期可比后脉冲周期长以避免或缓解装置固有噪声诱发性光子检测。通过光子检测确定个别接通周期。在通过spad电路进行光子检测之后，通过另外电路系统(如下文另外的例子所论述)实现光和定时检测140。
25.根据上文结合图1的论述，图2a示出基于spad的光子检测装置和/或系统的例子，所述基于spad的光子检测装置和/或系统包括发射器(驱动器-照明器-透镜)布置和spad接收器布置，如可结合lidar设备实施。在此例子中，两个布置均由信号处理电路系统210集成和控制。发射器布置包括：光学驱动器212，其响应于来自信号处理电路系统210的控制；照明器214，其发射脉冲光学(光)输出；以及发射器透镜216，其朝向或在包括描绘为220的一个或多个对象的目标区域(出于论述目的如此定位而未按比例)处聚焦光。照明器214可任选地由驱动器电路212供电，所述驱动器电路又由信号处理电路系统210控制，如可经由具有时钟驱动器和存储器电路系统的微控制器电路系统实施更详细的电平(未示出)。由照明器214发射的光子的部分可由目标区域中的对象220反射。这些入射光子可穿过光学前端225(例如，包括透镜和光带通滤波器)以分别聚焦且过滤返回的光子以供信号处理电路系统210处理。信号处理电路系统210还可控制驱动器212，并且此类信号处理电路系统210还可被实施以控制或包括更具体离散光信号处理电路块(例如，spad接收器阵列、spad门控电
路、tdc阵列、光子计数器、加法器或累加器和直方图电路中的一个或多个)的经集成集合。
26.图2b示出在汽车lidar系统中可能使用的基于spad的光和范围检测系统的更详细例子。在此例子中，控制器(例如，微计算机)245负责使光子定时和处理在两个方向上同步，并且同时与发射器布置协作，所述发射器布置包括：光学驱动器250，其响应于来自控制器245的控制；照明器255，其发射脉冲光学(光)输出；以及发射器透镜257，其朝向或在包括一个或多个对象(未示出)的目标区域处聚焦光。图2b中的系统的接收侧可包括前端电路，如同图2a一样，具有滤波器262和透镜264。从前端电路，通过光集成电路230处理所接收光，所述光集成电路用于检测和累加(用于计数)在例如上文所论述的某些时间期间传递到电路230的光信号中的光子的数目。定时电路235从电路230中汲取且从控制器245中汲取定时信号以用于计数和tof处理，所述定时信号又由块240使用，所述块包括如下文另外论述的直方图(基于存储器的阵列电路285)。从块230，由用于存储器(例如，ram)290的数字信号处理器295开发和输出的测量信号，如可用于与lidar和/或在一些例子中与系统的测试或校准相关联的常规数据。
27.更具体地说，图2b中的控制器245(如可由内部或外部时钟驱动)操作，使得控制器245可将定时参考发送到照明器255(经由驱动器电路250)且发送到电路230、光子计数器260和tdc 265以使时间起点同步以用于正确飞行时间(tof)估计。在块230内，门控电路270负责spad阵列275的异步操作以及门控来自spad阵列275的输出以用于到tdc阵列265的时间数字转换。在其它具体例子中，spad阵列275和/或相关光子检测电路系统可与个别门控电路270和tdc 265的各种形式中的任一个一起操作。
28.在某些电平或检测周期后，经由spad阵列275处理的信号可在预限定关断周期中中止(例如，停用电路或舍弃检测的结果)，在所述预限定关断周期之后，所中止电路再充电以用于后续光子检测。此中止可例如在块235内实施(以暂停经由spad阵列275处理的检测到的信号到块240的电路系统中的流动)。
29.在另一实施例中，此类spad电路系统275可与单个门控电路系统270集群。在操作期间，可控制门控电路系统270(和/或其周围输入/输出电路系统)以实现上文所论述的中止、再充电和粗糙定时活动。尽管图2b中未单独地示出，但例如延迟缓冲器等定时电路系统可用于将参考关断周期提供到spad和tdc以使定时起点同步。可替换的是，可在外部提供此类参考。无论spad活动以何种方式发生(例如，个别的或集群为群组)，spad电路系统275可局部驱动，从而消除对高频全局时钟分布的需要，并且由此减少spad阵列275上的基于时钟的偏移。
30.继续图2b的块235；tdc阵列265的定时参考重置，其中spad的接通周期发生在上升沿处，其中tdc用于表征从一组连续光子检测到下一组连续光子检测的周期。在各种例子中，使用专用的时间数字转换电路系统和/或其它可替换实施方案以及(例如，与模数转换器(analog-to-digital converter，adc)耦合的时间模拟转换器(time-to-analog converter，tac))实施tdc，这可为适当的且适合于提供如本文中所描述的此类时间测量。同样，在使用以上方面的各种其它相关实施例中，tdc可以像素级集成或经由用于列/行解码、多路复用等的逻辑电路系统跨越列、行或其它区段共享。同样根据相关方面，本公开的例子可在正向和反向模式中实施此类tdc的操作(其中正向模式意味着将参考信号作为开始信号且将spad检测作为结束信号)，并且在反向模式中反之亦然。
31.在某些更详细实验实施例中，根据以上例子中的每一个，spad电路系统(包括至少一个spad电路)可被布置成使用单信道tdc中的多个光子检测来检测入射光。如上文，此检测可涉及且导致使光子检测中止或取消待命持续预限定关断周期的步骤。在关断周期期间，spad电路系统可再充电。任选地，关断周期可比与检测时间实例相关联的后脉冲周期长，以避免或缓解装置固有噪声诱发性光子检测；作为例子，经由对电路系统和/或其它基于实验的估计的测试，此关断周期可设置得足够长以使得此类装置固有噪声诱发性光子检测为可忽略的且包括和考虑用于处理最近光子检测的tdc电路系统所需的时间。在再充电之后，spad电路系统可取消中止(或再待命)以允许在后续接通周期期间的光子检测。
32.在根据图2b的此类具体例子中，块235的tof检索器280可合并来自光子计数器阵列260和tdc输出(来自tdc阵列265)的光子计数以估计实际tof，并且从其中tof存储和读出方案用于另外处理。作为例子，从块235的tof检索器280，可通过首先将数据存储在例如直方图电路285的存储器阵列中来处理此类数据，所示出数字信号处理器295经由存储器电路(ram)290从所述直方图电路检索和读出所述数据。
33.其它例子可指定不同硬件(即，电路系统)要求。在一个例子(未示出)中，此类硬件使用加法器以在tof数据到达时递增所述tof数据，并且在相关例子中，可用额外存储器实施同步读出以存储多个tof。可替换的是，递增的tof数据可以事件驱动的方式读出。在这些和以上例子中，每获取循环的tof的最大数目可与关断周期成反比。类似地，在直方图电路285中生成的直方图数据可同步地或以事件驱动的方式以每一范围(如由发射器布置所瞄准的)更新。在多个获取循环(或等效地测量)之后，可将电路285中的直方图传送到数字信号处理块295，其中可确定目标距离。控制时钟将取决于实施方案而变化(如虚线所示出以反映同步更新和/或异步更新)。多个块，例如图2b中的230、235、240可或可不集成到单个形状因子中，如可结合电路性能要求或规范指定。
34.根据图1、2a和2b中所示出的例子，图3是示出用于基于单像素链spad的光和范围检测系统的活动的示例性集合和/或数据流的流程图。在此例子中，异步地操作spad和tdc(在正向模式中)，并且以如上文结合图2b所论述的方式中的一个实施事件驱动读出。块310通过使控制器(或例如图2b的245的控制单元)激活用于使得光朝向目标区域发射的发射器布置来开始过程以检测目标区域中的对象。tdc和计数器(块320)在每一获取循环之后重置，同步以获取时钟循环。在所反射光子检测(块330)后，spad可保持关断(中止)达预定时间。同样，如340中所示出，在光子检测后，递增光子计数器且读取tdc。接下来，如在块350处所描绘，使用新定时数据和先前定时数据计算tof。在各种更具体例子实施例中，关断周期比后脉冲周期长大约百分之五到百分之二十五，这取决于某些设计特定的因素。作为例子，此类因素可包括将避免装置固有噪声诱发性光子检测的程度和/或确保关断周期包括tdc转换和读出周期所需(所考虑)的时间。在这些和相关例子中的其它例子中，关断周期可设置为比后脉冲周期长一定程度，所述程度至少足以考虑tdc转换时间且避免/缓解不止可忽略的装置固有噪声诱发性光子检测，并且不会太大而使得具有指定(例如，均匀)灵敏度的全目标范围变得受损。
35.如块360所表示，spad再充电(例如，通过施加过量偏置电压)，因此返回到用于后续检测的盖革模式(geiger mode)。在上文所论述的例子中，spad可不与获取循环时钟同步，并且可继续操作直到后续检测为止。因此，在图像帧上，在日光条件下均匀地覆盖检测
范围。假定恒定入射噪声光子速率，可根据入射光子速率和如下死区时间来设置阻挡目标返回光子(pb)的概率：
[0036][0037]
其中r
噪声
指代噪声光子检测速率且t
死区
指代死区时间。spad(pd)的光子检测概率可用二项式分布和在泊松分布(poisson distribution)之后用背景光建模。接着，光子检测概率可表达为：
[0038][0039]
其中r指代目标返回光子检测速率。光子检测概率的解释可理解如下：第一项是spad在检测之前尚未由噪声触发的概率，并且第二项是在概率随时间以指数规律减小的时间t处的目标返回光子检测概率。因此，如在块370处，检测的tof可更新且存储在直方图中。如在块380处所描绘，可接着输出直方图数据以用于如在块390处的另外处理，例如，到图2b的数字处理电路系统295和存储器电路290，用于到目标的距离的计算，以及其它项目。应注意，在此例子中，可按需要多次重复块310到360。类似地，可按需要重复块330到360以完成检测帧。
[0040]
结合实验实施例，图4示出在异步spad操作的获取循环期间的例子时序图，其中发射被示出为410。图示出可结合检测帧(例如，发射之间的时间)发生的事件中的一些事件。在420处，竖直线识别经由如先前所论述的例子中所例示的光子检测电路系统的入射光子触发。这随后触发所涉及spad电路系统关断，由此在430处中止检测。spad随后通过控制器电路系统(未示出)接通并且待命以发信号通知下一个光子检测。在光子检测之后的一段时间之后，读出所计算结果，如在440处所描绘。当已满足检测帧时，如在450处所描绘，tdc重置。
[0041]
结合相关实验实施例，图5是示出基于从也根据本公开的以上例子的用异步门控操作且在高背景噪声环境中操作的示例性基于spad的光和范围检测系统获得的数据的光子计数的数目与时间的图表。在此例子中，异步操作允许在包括100m的距离范围处检测。显著信噪比可归因于每获取的多个光子检测。图5中所示出的光子计数的突然减小，如返回信号之后所示出，是阴影效应。目标距离下的返回信号光子速率的增加导致增加的光子阻挡概率，如阴影或阴影区域中所示出(如可结合以上等式2表征)。效应是取决于位置的(如在目标返回信号之后显而易见的)，并且具有由增加的光子检测速率体现的信号强度相依性，如显著效应中所示出。甚至在相对有噪声的环境中，根据本公开的例子，此类有效光子检测可在单个获取循环中发生，并且在所保留帧速率下实现出人意料地高的snr。同样，背景光的随机性质在随机时刻触发spad，其理论上覆盖在多个测量上具有均匀灵敏度的全目标范围，由此减少集群边缘效应。此外，每测量的光子计数的数目导致每帧的光子计数增加，从而实现与将以其它方式实现相比改进的信噪比。在使用上文所表征的实施方案的某些具体例子中(例如，如图2b中所描绘)，每获取循环的光子检测的数目与关断周期和背景噪声成反比。
[0042]
例示朝向(例如，左/右、上/下和上方/下方)的术语和说明可在本文中使用以指代元件的相对位置，如用于仅论述根据本公开的此类例子的图式中所示出。应理解，术语仅用于方便标记并且在实际使用中，此类所公开的方面可不同于在图式中所示出和/或如以其它方式所论述的朝向来进行定向。
[0043]
还应了解，呈现本公开的例子方面以描述和/或示出可示出为或使用例如块、模块、装置、系统、单元、控制器和/或其它电路类型描绘(例如，图2b的附图标记245描绘如本文所描述的块/模块)的术语的各种电路或电路系统的有用实施方案。此类电路或电路系统与其它元件一起使用以例证可在形式或结构、步骤、功能、操作、活动等中如何实行某些实施例。作为例子，其中此类电路或电路系统可对应于逻辑电路系统(其可指代或包括经编码/经配置cpu)，在一个例子中，逻辑电路系统可通过执行“直方图更新”且还“计算tof”而进行过程或方法(有时“算法”)，并且在另一例子中，逻辑电路系统可通过执行这些相同活动/操作而进行过程或方法，并且此外，“spad再充电”还后接或结合“直方图被发送以用于另外的数字信号处理”。
[0044]
例如，在上文所论述的某些实施例中，如可在图2a和2b中示出的方法中进行的，一个或多个模块是被配置和被布置成用于实施这些操作/活动的离散逻辑电路或可编程逻辑电路。在某些实施例中，此类可编程电路是一个或多个计算机电路,包括用于存储和存取作为一组(或多组)指令执行(和/或用作限定可编程电路如何执行配置数据)的程序的存储器电路系统，以及由执行相关步骤、功能、操作、活动等的可编程电路使用的如图3中所描述的算法或过程。取决于应用，指令(和/或配置数据)可被配置成在逻辑电路中实施，其中指令(无论其特征是否在于目标代码、固件或软件的形式)存储在存储器(电路)中且可从存储器存取。作为另一例子，其中本说明书可参考“第一[结构类型]”、“第二[结构类型]”等，其中[结构类型]可用术语诸如[“电路”、“电路系统”等]替换，形容词“第一”和“第二”不用于暗示任何结构描述或提供任何实质性意义；相反，这类形容词仅为英语先行词以区分一个命名类似的结构与另一个命名类似的结构(例如，“被配置成转换...的第一电路”解释为“被配置成转换...的电路”)。
[0045]
基于以上论述和说明，本领域的技术人员将易于认识到可对各种实施例作出各种修改和改变，而无需严格地遵循在本文中所示出和描述的示例性实施例和应用。例如，如图式中例示的方法可涉及以各种次序进行的步骤，其中保留本文的实施例的一个或多个方面，或可涉及更少或更多的步骤，例如图3中的步骤。此类修改并不脱离本公开的各个方面(包括在权利要求书中阐述的方面)的真实精神和范围。