时间数字转换的制作方法

本发明涉及例如用于飞行时间(tof)传感器的时间数字转换。

背景技术：

1、在光电检测中，时间数字转换器(tdc)为通常来自单光子雪崩二极管(spad)的每个检测事件创建时间戳。时间戳用于递增直方图中的相应的直条(bin)，显示每个时间段内检测到的事件数量。

2、在3d测距系统或激光雷达中，环境光或其他发射系统的存在填充了直方图，并且因此通过错误检测污染了信号检测。高环境光水平下的低信噪比可能会显著限制利用tof传感器检测信号的性能。

3、直方图存储器的空间是有限的，并且是芯片成本的主要原因。直方图存储器往往只在短距离处和在高噪声概率下填充。当前的实现需要大量存储器(根据检测发生的频率)来在直方图中存储事件数量。

4、时间相关单光子计数(tcspc)可以用于关联多个spad在其死时间内的spad检测事件并降低噪声。然而，tcspc要么在tdc之前需要更复杂的电路系统，要么在tdc之后需要在强大的cpu上进行后处理。额外的后处理可能会导致装置功耗的显著增加。

技术实现思路

1、本公开内容的目的是通过提出一种tcspc的替选方法并提供一种用于光电检测的电路来解决上面提到的问题中的至少一些，该电路包括用于暂时存储检测周期之间的时间戳的中间存储器单元，使得新时间戳可以与前一周期的时间戳进行比较。然后，重复时间戳的直方图的时间直条可以递增。

2、来自对象反射的“真实”信号检测将倾向于产生具有相同时间戳的多个连续事件信号(例如，由于与到对象的距离相同的时间延迟在多个检测周期内保持基本上相同)。另一方面，伪光信号和其他噪声源与信号触发无关，并且将倾向于提供暂态事件信号，该暂态事件信号生成从一个检测周期到下一个检测周期随机变化的时间戳。所提出的解决方案允许仅通过递增直方图的与在两个或更多个连续检测周期中重复的时间戳相对应的时间直条来过滤掉这样的暂态信号。每个检测周期对应于一个触发信号，例如电触发信号发射器或检测纠缠光子，并设置tdc的起始时间。

3、根据本公开内容的第一方面，提供了一种用于时间数字转换的电路(例如，诸如飞行时间tof传感器的光电检测器的读出电路的一部分或者连接到该读出电路)。该电路包括：时间数字转换器(tdc)，其被配置成接收触发信号和事件信号，并且为每个事件信号提供指示事件信号与相关联的触发信号之间的时间段的时间戳；以及第一存储器单元，其用于存储与一个触发信号相关联并且由tdc提供的一组时间戳。该电路还包括处理单元，其被配置成将存储在第一存储器单元中的一组时间戳与由tdc提供的新时间戳进行比较，以确定一致时间戳。

4、该电路还可以包括第二存储器单元，第二存储器单元用于存储包括多个时间直条的直方图，每个时间直条表示多个事件，其中，处理单元被配置成递增直方图的对应于一致时间戳的时间直条。

5、因此，第一存储器单元(中间存储器)可以存储来自前一检测周期(与前一触发信号相关联)的时间戳，这些时间戳可以与来自tdc的“新”时间戳进行比较，以确定任何时间戳是否一致。根据应用，时间戳可以指示例如，10ps到10ns的检测周期的时间段。过滤操作需要对每个直方图直条进行单个位读取、位写入和位比较操作。在这种情况下，一致指的是在它们各自的检测周期内指示相同时间段的时间戳。因此，即使当使用单个spad作为接收器时，本公开内容的实施方式也允许使用时间相关单光子计数(tcspc)类方案。

6、该电路通常被配置成用与后续触发信号相关联并且由tdc提供的多组新时间戳来重复覆写第一存储器单元中的一组存储的时间戳。如果使用多于一个的中间存储器单元来存储多个检测周期中的时间戳，则每个存储器单元可能不会在每个检测周期中被覆写。

7、有利地，第一存储器单元包含等于直方图中的时间直条数量的多个位，或等于直方图中的时间直条数量的倍数的多个位。在相等数量的位和时间直条的情况下，在存储的一组时间戳与要递增的时间直条之间存在简单的一对一对应关系。此外，与直方图存储器相比，第一存储器单元相对小，并且因此更便宜。因此，在将时间戳存储在直方图存储器中之前，硬件可以利用每个直方图直条的单个中间存储器位直接过滤tdc时间戳，其中如果中间存储器在前一次重复(检测周期)期间记录了检测，则处理单元将时间戳“存储”在直方图中。

8、处理单元还可以被配置成确定新时间戳何时与存储在第一存储器单元中的时间戳相差一个时间段(或预定义的多个时间段)，并且响应于这样的确定，可以递增直方图的对应于存储的时间戳或对应于新时间戳的时间直条。虽然处理单元被配置成至少确定连续检测周期之间的一致时间戳，但是它可以被配置成确定时间戳何时“几乎”一致(例如，相差检测周期的一个时间段的时间戳)。这种配置可以允许较低水平的过滤，这在使用时间上扩展或抖动的信号时、在信号波长波动时或在以相对大的速度对对象进行成像时可能是有利的。

9、该电路可以包括用于存储由tdc提供的各组时间戳的多个所述第一存储器单元，其中，处理单元还被配置成将相应的每组时间戳中的时间戳与由tdc提供的新时间戳进行比较，以确定一致时间戳。因此，处理单元可以被配置成在更多数量的连续检测周期中确定一致时间戳。例如，处理单元可以被配置成通过使用n个中间存储器单元来过滤掉在n个连续检测周期(中的全部或至少一个)上不一致的任何事件。这种配置可以提供更高水平的过滤，这在信号不在时间上波动或在时间上移动时可能是有利的。

10、该电路还可以包括用于在符合模式与单事件模式之间切换的切换单元，在符合模式中该电路被配置成使用第一存储器单元(中间存储器)来确定一致时间戳，在单事件模式中新时间戳被直接发送至外部单元或用于递增直方图的相应时间直条。这允许在测量模式(“单光子”和“符合光子”)之间切换，即，使用所提出的符合采集并且将来自tdc的时间戳直接存储在直方图存储器中。切换单元可以被配置成根据到达到tdc上的信号事件的历史或预期检测概率进行切换。切换单元还可以被配置成还决定另外使用传统的tcspc方法。例如，切换单元可以被配置成当噪声检测概率低于给定信号检测概率的预定阈值时从符合模式切换至单事件模式，和/或其中，切换单元被配置成当信号检测概率低于给定噪声检测概率的预定阈值时从符合模式切换至单事件模式。可以在噪声检测概率相对于信号检测概率的图中限定区域，并且切换单元可以被配置成当检测概率落在该区域内时使电路以一种模式操作，而当检测概率落在该区域外时使电路以另一种模式操作。

11、根据本公开内容的第二方面，提供了一种光电检测器(例如用于3d成像或测距的tof传感器)。光电检测器包括用于接收光并且作为响应提供事件信号的接收器。该检测器还包括根据第一方面的电路，其中该电路的tdc被配置成接收由接收器提供的事件信号。在激光雷达应用中，光电检测器通常还包括发射器，该发射器被配置成响应于接收到触发信号而发射光脉冲。

12、tdc通常被配置成接收提供给发射器的相同触发信号(例如，发送至发射器和tdc两者的电信号)。替选地，tdc可以被配置成接收由来自发射器的输出生成的触发信号。例如，该电路可以被配置成测量来自发射器的输出，并且响应于检测到光脉冲而向tdc提供触发信号。

13、发射器可以生成短光脉冲，例如由垂直腔面发射激光器vcsel提供的短光脉冲。发射器通常被配置成发射红外(ir)激光。例如，发射器可以被配置成发射波长为在850nm至1600nm的范围内的光。发射器可以被配置成具有非周期性重复速率(即，非周期性触发信号)，这可以用于减少或避免干扰不期望的信号源(例如类似的有源产品/装置)。重复速率可以在例如1khz到100mhz的范围内。

14、接收器可以包括一个或更多个单光子雪崩二极管(spad)、雪崩光电二极管(apd)、类似的检测器或这样的组合，这可能特别适合于tof应用。典型地，光电检测器包括像素阵列，每个像素包括诸如spad的光检测器。该spad或每个spad可以检测单个光子，并且作为响应提供相应的事件信号。

15、光电检测器可以包括多个所述电路以提供多个直方图。例如，光电检测器可以为每个接收器像素包括一个电路。然而，也可以将来自几个光检测器的信号馈送到单个tdc中。然后，每个像素与事件直方图相关联，该直方图可以用于确定到反射对象的距离。光电检测器还可以包括图像形成单元，该图像形成单元被配置成处理多个直方图，并且由此形成对象的图像。直方图可以一起用于形成对象的3d图像。每个像素可以由一个光检测器例如spad组成，或者可以包括多个光检测器。

16、根据本公开内容的第三方面，提供了一种使用根据第二方面的光电检测器进行光电检测的方法。该方法包括向发射器提供触发信号，每个触发信号与检测周期相关联，并且在每个检测周期中，用接收器接收光并作为响应向tdc提供一个或更多个事件信号，并且在tdc处，为每个事件信号提供时间戳。该方法还包括，在处理单元处，将时间戳与在先前检测周期中提供并存储在第一存储器单元中的一组时间戳进行比较，确定任何一致时间戳，以及递增直方图的与一致时间戳相对应的时间直条。

17、该方法还可以包括，在比较步骤之后的检测周期中，用由tdc提供的时间戳覆写存储在第一存储器单元中的一组时间戳。然后，在任意数量的检测周期中，可以用来自当前检测周期的时间戳与前一周期的时间戳进行比较来重复这些方法步骤。

18、该方法还可以包括使用直方图来形成对象的图像。通常，接收器的多个像素用于提供多个直方图，这些直方图一起可以用于形成对象的图像。触发信号可以是非周期性的(例如，以随机或伪随机延迟以固定间隔发送)。

19、本公开内容的实施方式与传统的tcspc兼容，并且与自适应符合控制技术兼容。这些实施方式可以提供许多优点。例如，由于直方图较小，存储器使用量可以减少高达50％。使用情况可以根据检测概率进行切换。例如，由于较少的后处理，还可以降低功耗。实施方式可以有利地用于重复信号的任何种类的相关检测和信号之间的已知相对延迟，例如距离测距、量子通信和其他使用类似tcspc的量子感测或荧光寿命测量的方法。因此，该电路可以用于诸如lidar的3d感测、诸如荧光或寿命测量的生物医学应用以及基于光子计数或tspc的其他应用。该电路甚至可以为单个检测器提供类似tcspc的符合。该电路可以用作tcspc的扩展或替代。