[發明專利]具有調制靈敏度的SPAD檢測器

有效

• 申請號: 201880008411.1
• 申請日: 2018-01-24
• 公開（公告）號: CN110235024B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 萬代新悟;A·K·J·麥克瑪霍恩;C·L·尼克拉斯;T·歐吉雅;T·凱特茨;M·拉芬費爾德
• 申請（專利權）人: 蘋果公司
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S17/89;G01S17/894;G01S7/486;G01S7/4865
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 鄒丹

隨時間調制SPAD檢測器中一個或多個單光子雪崩二極管(SPAD)的靈敏度。可調制所有SPAD的靈敏度，或者可以不同于針對SPAD的一個區段的方式調制SPAD的另一個區段的靈敏度。本文公開了用于調制靈敏度的各種技術。

相關申請的交叉引用

本專利合作條約專利申請要求2017年1月25日提交的名稱為“SPAD DetectorHaving Modulated Sensitivity”(具有調制靈敏度的SPAD檢測器)的美國臨時專利申請No.62/450,499的優先權，該專利申請以引用方式如同完全公開那樣并入本文。

技術領域

所述實施方案總體涉及SPAD檢測器，即，使用單光子雪崩二極管(SPAD)的光檢測器。更具體地講，本公開實施方案涉及用于調制SPAD檢測器的靈敏度的各種技術。

背景技術

SPAD檢測器用于多種應用，諸如低光檢測應用、飛行時間(TOF)應用以及時間相關單光子計數應用。SPAD檢測器通常包括SPAD像素的陣列，其中每個SPAD像素包括SPAD以及相關的偏置和/或讀出電路。每個SPAD包括光敏區，該光敏區被配置為檢測低水平的光(最低為單個光子)并且生成對應的輸出信號。當入射到SPAD像素的SPAD上的光子是來自發射光脈沖的對象的反射的一部分時，輸出信號可用于估計發射光脈沖后光子在SPAD處的到達時間?？墒褂枚鄠€此類到達時間來估計與對象的距離。

SPAD通常對光子具有恒定的靈敏度，而與SPAD之間的距離d和反射光子的對象無關。在對象靠近SPAD檢測器的情況下，從該對象反射的光中的光子比在對象距SPAD檢測器更遠的情況下更快地并且常常以更高數量入射到SPAD檢測器的SPAD。另外，從具有較高反射率的對象反射的光中的光子可以比從具有較低反射率的對象反射的光中的光子以更高的數量入射到SPAD。當一個或多個光子入射到SPAD時，光子可觸發雪崩事件。被觸發的SPAD(即，已觸發雪崩事件的SPAD)將產生對應于SPAD的觸發時間的輸出脈沖信號。在雪崩事件或觸發之后，SPAD將飽和并且具有再充電“死區時間”，在此期間，SPAD不能用于檢測光子。從更靠近或反射率更高的對象反射的發射光子可在早期使SPAD飽和，并且使得SPAD不能用于檢測從處于預期檢測范圍內的對象反射的光子。這會導致對與預期檢測范圍內的對象的距離形成不正確或不可用的估計。

為了補償SPAD飽和，可通過降低像素陣列中SPAD的靈敏度來降低SPAD檢測器的光子檢測效率。然而，降低靈敏度會降低由SPAD產生的信號的信噪比。

發明內容

本文所述的實施方案隨時間調制單光子雪崩二極管(SPAD)檢測器的靈敏度。在一個方面中，SPAD檢測器具有包括參考子陣列和成像子陣列的SPAD像素陣列。一種用于操作像素陣列的方法包括使用參考子陣列中的參考SPAD檢測時間以啟用成像子陣列中的成像SPAD的操作，以及響應于檢測到時間，啟用成像SPAD的操作，使得成像SPAD檢測光子。然后基于每個所檢測光子的飛行時間構造不均勻直方圖。不均勻直方圖包括表示第一時間跨度的第一分箱和表示不同的第二時間跨度的第二分箱。第一分箱向SPAD檢測器提供對光子的第一靈敏度，并且第二分箱提供對光子的與第一靈敏度不同的第二靈敏度。

在另一方面中，一種SPAD檢測器包括具有多條像素線的像素陣列。在一個實施方案中，每條像素線是像素列。時間到數字(TDC)陣列電路可操作地連接到像素陣列。TDC陣列電路包括TDC電路的陣列，其中TDC電路的子集可操作地連接到每個相應的像素線。存儲器可操作地連接到TDC陣列電路。存儲器被配置為存儲不均勻直方圖。不均勻直方圖包括表示第一時間跨度的第一分箱和表示不同的第二時間跨度的第二分箱。第一分箱向SPAD檢測器提供對光子的第一靈敏度，并且第二分箱提供對光子的與第一靈敏度不同的第二靈敏度。