[发明专利]具有改进的时间数字转换电路的LIDAR系统

说明书

本发明题为具有改进的时间数字转换电路的LIDAR系统。本发明公开了一种光探测和测距(LIDAR)系统，该系统可包括激光器和由从目标场景反射的激光触发的多个单光子雪崩二极管(SPAD)。该LIDAR系统可以全局快门模式操作，因此该SPAD中的每一个均可包括其自己的时间数字转换电路。为了减小针对每个二极管实现该电路所需的面积，可使用周期性直方图化来操作该电路，其中可使用对应于该激光的发射和该SPAD的检测的第一时间段来确定飞行时间值的第一位，可使用为该第一时间段的一半的第二时间段来确定该飞行时间值的第二位，等等。通过这种方式，该电路可准确地确定该信号峰值，同时需要更少的面积和存储器需求。

技术领域

本发明整体涉及成像系统，并且更具体地涉及基于LIDAR(光探测和测距)的成像系统。

背景技术

常规的LIDAR成像系统利用光(通常是相干激光脉冲)照亮目标，并且测量从目标反射的返回时间以确定到目标的距离，并且测量光强度以生成场景的三维图像。LIDAR成像系统包括直接飞行时间电路和照射目标的激光器。飞行时间电路可确定激光脉冲(例如，已被目标反射)的飞行时间，从而确定到目标的距离。在直接飞行时间LIDAR系统中，针对形成图像传感器的单光子雪崩二极管(SPAD)像素阵列中的每个像素确定该距离。

尽管可使用以卷帘快门模式操作的图像传感器来实现直接飞行时间技术，但可能难以在全局快门系统中实现直接飞行时间技术。具体地，在每个SPAD像素中实现专用飞行时间电路可能需要过多的面积。此外，如果在SPAD像素之间共享飞行时间电路，则可降低帧速率。

因此，期望能够为直接飞行时间LIDAR系统提供改进的时间数字转换电路。

附图说明

图1是包括LIDAR成像系统的例示性系统的示意图。

图2是根据一个实施方案的示出例示性单光子雪崩二极管像素的电路图。

图3是根据一个实施方案的例示性硅光电倍增器的图示。

图4是根据一个实施方案的与LIDAR系统的SPAD像素相关联的例示性处理电路的图示。

图5是根据一个实施方案的执行周期性直方图化的例示性过程的图示。

图6是根据一个实施方案的与LIDAR系统的SPAD像素相关联的例示性时间戳电路、直方图和峰值检测电路和门控逻辑电路的图示。

图7是根据一个实施方案的使用周期性直方图化操作来操作LIDAR系统的例示性方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及具有直接飞行时间能力的LIDAR系统。

一些成像系统包括图像传感器，该图像传感器通过将撞击光子转换成在传感器阵列内的像素光电二极管中积聚的(收集的)电子或空穴来感测光。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压被提供给传感器的输出端子。在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟像素电压也可随后在片上被转换成数字等同物，并且在数字域中以各种方式进行处理。

另一方面，在光探测和测距(LIDAR)器件(诸如结合图1至图4所述的器件)中，光子检测原理是不同的。LIDAR器件可包括朝目标对象/场景发射光的光源，诸如激光器。LIDAR器件中的光感测二极管可偏置到略高于其击穿点，并且当来自激光器的入射光子(例如，从目标对象/场景反射的光)生成电子或空穴时，该载流子引发雪崩击穿，同时生成附加的载流子。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与SPAD相关联的读出电路被容易地检测。需要通过将二极管偏置降低到低于其击穿点来停止(即，淬灭)雪崩过程。