[发明专利]LIDAR探测器阵列的扩展动态范围和降低功率成像

说明书

一种光探测和测距（LIDAR）探测器电路，包括多个探测器像素，其中探测器像素中的每个或相应探测器像素包括多个探测器元件。至少一个控制电路被配置为提供一个或多个探测器控制信号，该信号选择性地激活相应探测器像素的探测器元件中的一个或多个，以限定包括探测器元件的第一子集的第一有效探测面积以用于第一图像采集，以及包括探测器元件的第二子集的第二有效探测面积以用于第二图像采集。还讨论了相关的设备和操作方法。

优先权要求

本申请要求2019年3月6日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请号62/814,452的优先权的权益，该美国临时专利申请的公开通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本公开一般涉及成像，并且更具体地，涉及基于光探测和测距（LIDAR）的成像。

背景技术

基于飞行时间（ToF）的成像用于许多应用中，包括测距、深度剖析和3D成像（例如，光探测和测距（LIDAR））。ToF 3D成像系统可以分类为间接ToF或直接ToF系统。直接ToF测量包括直接测量由LIDAR系统的发射器元件发射辐射和由LIDAR系统的探测器元件感测从物体或其他目标的反射之后的辐射之间的时间长度。由此，可以确定到目标的距离。在特定的应用中，反射辐射的感测可以使用单光子探测器的探测器阵列，诸如单光子雪崩二极管（SPAD）探测器阵列来执行。SPAD探测器阵列可以用作成像应用中的固态探测器，在成像应用中期望高灵敏度和定时分辨率。

SPAD基于p-n结器件，其例如通过或响应于具有期望脉冲宽度的选通信号而被偏置超过其击穿区域。高反向偏置电压生成足够的电场量值，使得引入器件耗尽层中的单个电荷载流子可以经由碰撞电离而引起自持雪崩。雪崩被淬灭电路主动或被动地淬灭，以允许器件“重置”来探测另外的光子。起始电荷载流子可以借助于单个入射光子撞击高场区域而光电地生成。正是这一特征，产生了“单光子雪崩二极管”的名称。这种单光子探测操作模式通常被称为“盖革模式”。

发明内容

本文中描述的一些实施例提供了方法、系统和设备，其包括电子电路，该电子电路提供了 LIDAR系统，包括一个或多个发射器元件（包括一个或多个发光器件或激光器，诸如表面发射或边缘发射激光二极管；本文中通常称为发射器，其响应于发射器控制信号而输出光学信号）、一个或多个探测器元件（包括光电探测器，诸如光电二极管，包括雪崩光电二极管和单光子雪崩探测器；本文中通常称为探测器，其响应于入射光而输出探测信号），和/或一个或多个控制电路，其被配置为选择性地操作探测器元件的不同子集以用于相应图像采集周期。

具体地，本公开的实施例涉及包括一个或多个探测器像素的探测器阵列，其中相应探测器像素包括用于从场景收集光学信息的多个探测器元件（例如，SPAD），在本文中也称为复合像素。在一些实施例中，探测器阵列的功耗可以通过以下来降低：实现每个像素多于一个SPAD，将确定的或最佳数量的SPAD的输出选择性地收集到处理电路，并且经由控制器或控制电路在每个像素、每个区域的基础上或以全局的形式或方式调整该确定的或最佳数量的SPAD（其在图像采集期间是活动的），从而改变探测器阵列的多探测器像素中的一个或多个像素的活动或有效探测面积。通过响应于撞击在每个像素/区域/阵列上的入射光的光子通量或强度，动态地调整每个像素的有效探测面积，可以增加像素、阵列的区域或上至整个阵列的动态范围。

根据本公开的一些实施例，光探测和测距（LIDAR）系统或探测器电路包括多个探测器像素，其中探测器像素中的每个或相应探测器像素包括多个探测器元件。至少一个控制电路被配置为提供一个或多个探测器控制信号，该信号选择性地激活相应探测器像素的探测器元件中的一个或多个，以限定包括探测器元件的第一子集的第一有效探测面积以用于第一图像采集，以及包括探测器元件的第二子集的第二有效探测面积以用于第二图像采集。第一和第二图像采集可以与相应的照明条件和/或距离范围相关联。

在一些实施例中，至少一个控制电路被配置为分别响应于入射光的第一和第二强度，提供一个或多个探测器控制信号以用于第一和第二图像采集。