CN113272684A - 具有信号相关有效读出率的高动态范围直接飞行时间传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光探测与测距(LIDAR)***包括：发射器单元，其包括一个或多个配置为输出发射器信号的发射器元件；以及探测器阵列，其包括多个探测器元件。多个探测器元件中的相应探测器元件配置为响应于入射于其上的光子而输出探测信号。至少一个控制电路配置为在一个或多个发射器信号周期内接收从相应探测器元件输出的探测信号，响应于由探测信号指示的探测事件超过探测阈值而生成标志信号，并响应于标志信号而输出相应探测器元件的读出信号。本发明还论述了相关的装置及操作方法。

Description

具有信号相关有效读出率的高动态范围直接飞行时间传感器
优先权文件
本申请要求美国专利商标局的申请日为2019年01月04日、申请号为US 62/788,349的美国临时专利申请的优先权权益，其公开内容全文引用归并本文。
技术领域
本公开总体上涉及图像传感器，更具体地涉及光探测与测距(LIDAR)***中用于成像的图像传感器。
背景技术
基于飞行时间(ToF)的成像已用于许多应用中，包括测距、深度剖析和3D成像(例如，LIDAR)。直接飞行时间测量包括直接测量发射辐射与感测从对象或其他目标反射后的辐射之间的时间长度。根据该时长，能够确定距目标的距离。
可以使用图像传感器阵列来执行反射辐射的感测。在成像应用中，动态范围可指待成像的最亮目标与最暗目标之间的范围或比率。例如，专利公布文本US 2014/0022431和WO 2013/092666中描述了诸如CMOS图像传感器的高动态范围图像传感器。某些CMOS图像传感器可以包括多个光电探测器，诸如光电二极管，并可以每帧执行多个光电二极管读出。读出可为非破坏性，即光电二极管不必在读出时复位，使得光电二极管可以在读出操作之后继续积累电荷。在具体应用中，反射辐射的感测可以使用光电探测器阵列来执行，诸如单光子雪崩二极管(SPAD)阵列。一个或多个光电探测器可以定义阵列的探测器像素。
SPAD阵列可以在需要高灵敏度和定时分辨率的成像应用中用作固态探测器。SPAD是基于半导体结(例如，PN结)，当偏置超出其击穿区时，例如通过或响应具有期望脉冲宽度的选通信号，该半导体结可以探测入射光子。高反向偏压生成足够大小的电场，使得引入器件耗尽层的单个电荷载流子可通过碰撞电离引起自持雪崩。由猝灭电路主动猝灭(例如，通过降低偏压)或被动淬灭(例如，通过使用串联电阻器两端的压降)雪崩，以允许器件“复位”以探测更多光子。引发电荷载流子可通过单个入射光子撞击高场区而以光电方式产生。正是这一特征得出“单光子雪崩二极管”这个命名。这种单光子探测操作模式常称为“盖革模式(Geiger Mode)”。
在成像场景时，用于LIDAR应用的ToF传感器可包括对从目标反射的入射光子计时间戳和/或计数的电路。某些ToF像素方法可以使用数字或模拟电路来计入光子探测和光子到达时间，又称为时间戳。数字计数器电路可更易于实施和扩展，但在面积方面可能成本更高(例如，相对于阵列物理尺寸)。模拟计数器电路可更为紧凑，但可能遭遇有限的光子计数深度(位深)、噪声和/或均匀性问题。为了对入射光子计时间戳，某些基于SPAD阵列的ToF像素方法使用了时间数字转换器(TDC)、时间幅度转换器(TAC)或计数器加内插器，例如全局时间戳计数加TAC。
SPADS为异步的事件驱动器件，即响应于探测到入射光子的事件而输出探测信号。因而，跨共享介质的数字读出可能导致来自阵列中两个或多个SPAD的时间相关信号丢失。例如，Niclass等人所著的公开文献“A CMOS 64×48Single Photon Avalanche DiodeArray with Event-Driven Readout”(ESSCIRC 2006)描述了一种列级事件驱动读出方案，其中在列中触发(或“激发”)的第一像素可防止被列中的其他像素探测到，这可应用于低或中等光子率。第一像素可以输出后续电子处理设备的地址以识别列中的哪个像素探测到光子，从而允许非序行向(row-wise)探测。此外，Berkovich等人所著的公开文献“A Scalable20×20Fully Asynchronous SPAD-Based Imaging Sensor with AER Readout”描述了一种SPAD传感器，它可使用基于行请求和行确认操作的地址事件表示(AER)方案来确定读出阈值，其中当像素具有足够高的光子计数时，将地址传输到片外以待像素电压作为计数电压读出。仲裁器用于选择读出顺序，以防止同时发生多个读出操作而导致数据丢失。虽然可通过使用异步数字读出方案(如AER)实施的共享程度来减轻损耗，但这类技术可能增高电路复杂性，却不会显著改善损耗。
发明内容
本公开描述的某些实施例提供了LIDAR***，包括：一个或多个发射器单元(包括一个或多个半导体激光器，诸如表面或边缘发射激光二极管；本文中统称为发射器，其输出发射器信号)；一个或多个光探测器像素(包括一个或多个光电探测器，诸如半导体光电二极管，包括雪崩光电二极管和单光子雪崩探测器；本文统称为探测器，其响应于入射光而输出探测信号)；以及一个或多个控制电路，其配置为选择性操作发射器单元和/或探测器像素的子集(包括各自的发射器和/或其探测器)，以提供3D飞行时间(ToF)闪光LIDAR***。
根据本公开某些实施例，一种LIDAR***包括发射器单元、探测器阵列和至少一个控制电路。发射器单元包括一个或多个配置为输出发射器信号的发射器元件。探测器阵列包括多个探测器元件，其中多个探测器元件中的相应探测器元件配置为响应于入射于其上的光子而输出探测信号。至少一个控制电路配置为在一个或多个发射器信号周期内接收从相应探测器元件输出的探测信号，响应于由探测信号指示的探测事件超过探测阈值而生成标志信号，并响应于标志信号而输出相应探测器元件的读出信号。
在某些实施例中，读出信号可以包括第一读出信号和第二读出信号，并且至少一个控制电路可以配置为响应于发射器信号周期比第二读出信号更少而输出第一读出信号。
在某些实施例中，至少一个控制电路可以配置为分别响应于指示第一目标和第二目标的第一探测信号子集和第二探测信号子集而输出第一读出信号和第二读出信号，其中第一目标比第二目标更接近探测器阵列和/或反射性更强。
在某些实施例中，发射器信号周期的时段可以对应于距离范围。至少一个控制电路可以配置为响应于对应于距离范围的第一距离子范围的第一多个发射器信号周期而输出第一读出信号，并配置为响应于对应于距离范围中比第一距离子范围更远的第二距离子范围的第二多个发射器信号周期而输出第二读出信号。
在某些实施例中，相应探测器元件可以配置为分别响应于第一选通信号和第二选通信号而在对应于第一距离子范围和第二距离子范围的第一选通窗口和第二选通窗口期间输出探测信号。
在某些实施例中，第一多个发射器信号周期可以定义第一子帧，并且第二多个发射器信号周期可以定义第二子帧。
在某些实施例中，至少一个控制电路可以配置为响应于标志信号和顺序施加到探测器阵列中探测器元件的相应行或列的读信号而输出读出信号。
在某些实施例中，至少一个控制电路可以包括配置为存储由探测事件指示的数据的计数存储设备以及耦合到读线的读出存储器。至少一个控制电路可以配置为响应于标志信号而复位计数存储设备并将由探测事件指示的数据存储在读出存储器中，并响应于标志信号和读出信号而从读出存储器中输出读出信号。
在某些实施例中，读出信号可以包括计数信号和/或时间积分信号，并且LIDAR***可以配置为基于读出信号而计算光子的预计到达时间。
在某些实施例中，至少一个控制电路可以包括计数器电路和时间积分电路。计数器电路可以配置为对由探测信号指示的探测事件进行计数，生成表示探测事件数目的计数信号，并响应于探测事件数目超过探测阈值而输出标志信号。时间积分电路可以配置为基于相应探测事件时间而生成时间积分信号。
在某些实施例中，该***可以包括模数转换器，其可操作为响应于标志信号而转换耦合到计数器电路和/或时间积分电路的至少一条读线上的电压。控制电路可以配置为响应于读信号而将至少一条读线上的电压输出到模数转换器。
在某些实施例中，计数器电路和时间积分电路可以配置为响应于标志信号而分别复位计数信号和时间积分信号，并在无标志信号的情况下分别基于相应探测事件时间而继续计数探测事件和进行积分。
在某些实施例中，相应探测器元件可以配置为响应于在探测窗口期间入射于其上的光子而输出探测信号。至少一个控制电路可以配置为响应于以周期长于探测窗口的持续时间的过采样率对探测信号进行采样而生成标志信号。
在某些实施例中，至少一个控制电路可以配置为响应于由一个或多个探测器元件和/或至少一个其他传感器指示的实时环境和/或操作条件而置位和/或更改探测阈值。
在某些实施例中，探测信号可以指示面向相应探测器元件的目标的距离范围和/或反射率，并且至少一个控制电路可以配置为基于目标的距离范围和/或反射率而置位和/或更改探测阈值。
在某些实施例中，至少一个控制电路可以配置为在每探测器元件或每区域基础上将探测阈值应用于探测器阵列的探测器元件子集。
在某些实施例中，至少一个控制电路可以配置为操作一个或多个发射器来响应于第一读出信号而降低发射器信号的功率电平或响应于第二读出信号而增高发射器信号的功率电平。
在某些实施例中，至少一个控制电路可以配置为操作探测器阵列来响应于第一读出信号而激活较小的探测器元件子集或响应于第二读出信号而激活较大的探测器元件子集。
根据本公开某些实施例，一种操作LIDAR***的方法包括由至少一个控制电路执行的操作。所述操作包括：响应于入射于其上的光子而从包括多个探测器元件的探测器阵列的相应探测器元件接收探测信号，在从包括一个或多个发射器元件的发射器单元输出的一个或多个发射器信号周期内输出探测信号；响应于由探测信号超过探测阈值指示的探测事件而生成标志信号；以及响应于标志信号而输出相应探测器元件的读出信号。
在某些实施例中，读出信号可以包括第一读出信号和第二读出信号，并且第一读出信号可以响应于发射器信号周期比第二读出信号更少而输出。
在某些实施例中，第一读出信号和第二读出信号可以分别响应于指示第一目标和第二目标的第一探测信号子集和第二探测信号子集而输出，其中第一目标比第二目标更接近探测器阵列和/或反射性更强。
在某些实施例中，发射器信号周期的时段可以对应于距离范围。第一读出信号可以响应于对应于距离范围的第一距离子范围的第一多个发射器信号周期而输出，并且第二读出信号可以响应于对应于距离范围中比第一距离子范围更远的第二距离子范围的第二多个发射器信号周期而输出。
在某些实施例中，读出信号可以响应于标志信号和顺序施加到探测器阵列中探测器元件的相应行或列的读信号而输出。
根据本公开某些实施例，一种LIDAR***包括：发射器单元，其包括一个或多个配置为输出发射器信号的发射器元件；探测器阵列，其包括多个探测器元件，其中多个探测器元件中的相应探测器元件配置为响应于入射于其上的光子而输出探测信号；以及至少一个控制电路，其配置为在一个或多个发射器信号周期内接收从相应探测器元件输出的探测信号。至少一个控制电路包括：计数器电路，其配置为对由探测信号指示的探测事件进行计数，生成表示探测事件数目的计数信号，并响应于探测事件数目超过探测阈值而输出标志信号；以及时间积分电路，其配置为基于相应探测事件时间而生成时间积分信号。至少一个控制电路配置为响应于标志信号和顺序施加到探测器阵列中探测器元件的相应行或列的读信号而输出相应探测器元件的读出信号，包括计数信号和/或时间积分信号。
阅读下述附图和具体实施方式后，根据某些实施例的其他设备、装置和/或方法对于本领域技术人员而言更为清楚易懂。除上述实施例的任何和全部组合之外，所有这样的附加实施例旨在涵属于本说明书中，在本发明范围内，受所附权利要求保护。
附图说明
结合附图阅读时，根据下文关于具体实施例的细节描述可更清楚地理解实施例的其他特征，图中：
图1A和图1B示出根据本公开某些实施例LIDAR应用中的示例ToF测量***和相关组件；
图2是示出根据本公开某些实施例包括基于阈值读出的计数器和时间积分电路的ToF探测器像素的框图；
图3是示出根据本公开某些实施例包括模拟实施的计数器和时间积分电路的ToF探测器像素的框图；
图4是示出根据本公开某些实施例包括模拟实施的计数器和数字实施的时间积分电路的ToF探测器像素的框图；
图5是示出根据本公开某些实施例包括数字实施的计数器电路和模拟实施的时间积分电路的ToF探测器像素的框图；
图6是示出根据本公开某些实施例包括数字实施的计数器和时间积分电路的ToF探测器像素的框图；
图7是示出根据本公开某些实施例ToF探测器像素的操作的波形图；
图8是示出结合本公开某些实施例使用数据压缩方案的流程图；以及
图9A和图9B是示出根据本公开某些实施例LIDAR***中可使用的图像帧、子帧、发射器周期和选通窗口之间的关系图。
具体实施方式
在下文具体实施方式中阐明若干具体细节，以便全面理解本公开的实施例。然而，本领域技术人员应当理解，本发明可在不具备这些具体细节的情况下实行。在某些情况下，并未详细描述众所周知的方法、程序、组件和电路，以免本公开混淆。本文公开的所有实施例旨在可单独实施或以任何方式和/或组合联合。关于某一实施例描述的方面可归并不同的实施例，尽管未对其作出具体描述。亦即，全部实施例和/或任何实施例的特征可以任何方式和/或组合联合。
本文参照LIDAR应用和***描述了本公开实施例。LIDAR***可包括发射器阵列和探测器阵列，或具有单发射器和探测器阵列的***，或具有发射器阵列和单探测器的***。如本文所述，一个或多个发射器可以定义发射器单元，并且一个或多个探测器可以定义探测器像素。闪光LIDAR***可以获取图像，这是通过在视场(FoV)或场景上从发射器阵列或阵列子集以短期间(脉冲)发光，并探测从一个或多个探测器处的FoV中的一个或多个目标反射的回波信号。非闪光或扫描LIDAR***可以生成图像帧，这是通过在视场或场景上(连续)光栅扫描发光，例如，使用点扫描或线扫描来发射每点所需的功率，并顺序扫描以重构完整的FoV。
在本文所述的实施例中，探测窗口或选通窗口可以是指在发射器脉冲(其可响应于来自控制电路的相应发射器控制信号)的时间段或时间内激活和去激活一个或多个探测器(例如，同样响应于来自控制电路的相应探测器时间门/控制信号)的相应持续时间。相应探测窗口的相对定时和持续时间可以由本文描述的相应选通信号(Strobe<i>)来控制，在此情况下，探测窗口可以称为选通窗口。
在使用基于探测从目标反射的入射光子的ToF传感器的成像应用(诸如LIDAR)中，在宽泛的环境光条件下，待分辨的目标在目标范围内任何距离处可能具有高反射率或低反射率。ToF传感器可能需要高动态范围，才能探测或感测足够数目的信号光子(对应于从发射器阵列输出的光信号；与对应于环境光的背景光子相反)，以便能够分辨目标。例如，在强环境光下远距离的低反射率目标可能更难分辨，因为这些目标可能需要更多时间(例如，更多激光周期)积累信号光子。相比之下，近距离的目标可提供更多返回的信号光子，因此可能需要更少时间(例如，更少激光周期)积累足够的信号光子来分辨距离测量。
本文描述的某些实施例可能源自以下认识：如果ToF传感器的有效读出率固定为成像更远目标可能需要的读出率(或更一般地，置位为对应于特定距离范围处目标的最小帧率的值)，在某些情况下，可能在未积累足够的信号光子来准确分辨目标的情况下执行读出操作(即，过快)，和/或可能在对于更高信号光子返回而言不够快的速率下执行读出操作(即，过慢)，例如当装入移动车辆时可能遇到这种情况。具体地，可能有益的是，对于更近的目标，具有更高的可变读出率(即，更频繁，基于更少的样本或发射器周期)，因为这些目标更靠近移动的车辆。
本公开实施例涉及实施具有信号依赖可变读出率的ToF像素的单光子探测器阵列和相关的处理/控制电路。具体地，某些实施例提供了依赖信号的有效读出率ToF传感器，其ToF测量电路继续采样(非破坏性读出)探测器阵列的每个像素，即，通过在固定的时间窗或帧之后或独立于此地继续累积或计数光子，而不复位累积的计数值(本文又称为复位像素)，直至达到足够或预定的信号比。例如，某些实施例可以基于探测阈值(例如，阈值探测事件数目)执行操作以输出读出信号(本文又称为读出操作或读出)，使得每子帧的读出数目可以基于目标范围和/或反射率而变化。本公开实施例可以允许每子帧频率更高的读出或更高的读出率，用于更近或更多的反射目标(每次读出的发射器周期和数据样本更少，这可降低像素饱和度)，并允许每子帧频率更低的读出或更低的读出率，用于更远或更少的反射目标(每次读出的发射器周期和数据样本更多，这可降低像素噪点)。
探测阈值可以是阈值探测事件数目(本文又称为参考阈值计数值，诸如阈值光子计数值)，并可以基于探测到的环境和/或其他操作条件(例如，基于成像目标的范围和/或反射率)而在电子方面变化。这些操作可以在像素级或“像素内”执行(例如，每个探测器包括或提供输出到不与其他像素共享的专用电路，诸如存储和/或逻辑电路(包括相关器、计数器和/或时间积分器逻辑)。在特定实施例中，可以连续地非破坏性采样或扫描探测器阵列的每个探测器像素(例如，响应于时钟信号)，但控制电路可以配置为提供输出或读出(例如，读电压)并响应于指示已探测到阈值探测事件数目的信号(本文又称为标志信号或“标志”)复位光电二极管。
例如，可以在对应于特定距离子范围(即ToF传感器整体成像距离范围的一部分)的第一探测窗口期间对从探测器输出的探测信号进行采样(例如，周期性地，响应于时钟信号)。时钟信号或采样的频率可以允许在每个探测窗口上探测信号的多个样本。可以重复第一探测窗口(例如，在多个发射器周期内，不复位计数的探测事件)，直至探测到阈值探测事件数目为止。此时，可以执行读出操作(并与对应于特定距离子范围的子帧相关联)，并且可以在采样下一组探测信号之前复位探测事件计数。当已对传感器的整体成像距离范围的全部选通窗口执行读出操作时，即当已收集全部子帧的数据(以及进而成像距离范围的全部距离子范围)时，可以定义图像帧。
每子帧的读出数目(以及进而所收集的数据)可以基于已探测到的光子(或更一般地，探测事件)的数目而变化。例如，第一子帧(例如，对应于更多光子返回的更近距离子范围)可以包括更多读出，每个读出表示针对更少激光周期收集的数据，而第二子帧(例如，对应于更少光子返回的更远距离子范围)可以包括更少读出，每个读出表示针对更多激光周期收集的数据。在某些实施例中，读出率可以基于每像素而变化；例如，定位于探测器阵列的面向***部分的像素可以与定位于探测器阵列的面向中心部分的像素不同的读出率操作。
在某些实施例中，探测器可以在每个选通窗口期间以比提供最小期望帧率可能需要的速率更高的速率采样多次，本文称为过采样。亦即，探测器可以比特定距离范围内的目标所需的最小帧率高N倍的速率过采样。在某些实施例中，探测器阵列的每个像素可以配置为输出相应的标志信号，该标志信号指示与像素已接收到的光子计数的数目相关的电压(或数字代码，或数字“1”)。例如，包括与相应探测器元件相关联的计数器电路的探测器像素可以配置为基于指示探测到预设数目的光子的阈值而生成和输出该像素的标志。该标志可用于指示何时应读出像素(例如，输出子帧的探测数据)并复位，或留待继续累积计数(甚至超过预定持续时间结束)。用于生成标志的阈值可为可编程的，例如基于其他实时操作条件，诸如范围(例如，目标的距离范围)和/或目标反射率。指示实时操作条件的反馈信号可以由探测器阵列本身和/或其他探测器提供。
本公开某些实施例可以提供根据“卷帘快门”(而非事件驱动)方案操作的电路，其中定义每个像素的探测器可继续收集光子，直至接收到指示已探测到阈值探测事件数目(例如，阈值光子数目)的标志信号，并且顺序(例如，逐行或逐列)执行读出。例如，单标志信号可以与滚动读出组合，使得电路仅当置位标志信号(即，从低/“0”变换为高/“1”)时才处理读线上的电压。这种基于滚动读出的方案可以不同于事件驱动方案，后者通常需要仲裁行列架构来确保数据不会丢失。与在每一帧的末尾执行相应读操作并添加输出相比，本公开实施例还可有利的是，每个读操作可涉及一定量的读噪声，这可压覆指示探测到的较暗目标的信号光子的输出信号(例如，当固定帧尾时仅探测到少数反射信号光子时)。模数转换中的量化噪声也可能是执行此类多次读操作时的一个因素。
图1A和图1B示出根据本公开某些实施例的LIDAR应用中的示例性ToF测量***100a和100b以及相关组件。如图1A所示，***100a包括控制电路105、定时电路106、照明源(图示为包括多个发射器元件或发射器115e的发射器阵列115)以及包括多个探测器元件或探测器110d的探测器阵列110。每个探测器110d可以表示光电探测器(例如，光电二极管)，并且一个或多个探测器110d可以定义探测器阵列110的相应探测器像素。发射器阵列115的一个或多个发射器115e可以定义发射器单元，它们分别以由定时发生器或驱动电路116控制的时间和重复率发射辐射脉冲或连续波信号(例如，通过漫射器或滤光器114)。在特定实施例中，发射器115e可以为脉冲光源，诸如LED或激光器(诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)和/或边缘发射激光器)。
在某些实施例中，发射器模块或电路可以包括发射器元件115e的阵列115、耦合到一个或多个发射器元件(例如，透镜113(诸如微透镜)和/或扩散器114)的对应光学元件阵列113、114以及驱动电路116。在某些实施例中，发射器阵列115中的每个发射器元件115e连接到相应驱动电路116并由其驱动。在其他实施例中，发射器阵列115中的各组发射器元件115e(例如，空间上彼此接近的发射器元件115e)可以连接到同一驱动电路116。驱动电路116可以包括一个或多个驱动晶体管，其配置为控制从发射器115e输出的光发射信号的脉冲重复率、时序和幅度。
在某些实施例中，探测器模块或电路包括探测器110d的阵列110、接收器光学器件112(例如，一个或多个透镜，用来收集阵列110的FoV 190上的光)和接收器电子器件(包括定时电路106)，它们配置为对全部或部分探测器阵列110进行供电、启用和禁用，并向其提供相应的定时信号，例如以定义相应的帧率。接收器光学器件112可以包括：微距透镜，其配置为收集来自最大FoV且可由LIDAR***成像的光；光谱滤光片111，用来通过或允许通过足够高的“信号”光部分(即，波长对应于从发射器输出的光信号波长的光)但基本上拒绝或防止通过非信号或“背景”光(即，波长与从发射器输出的光信号不同的光)；微透镜，用来提高探测器像素的收集效率；和/或抗反射涂层，用来减少或防止探测到杂散光。探测器阵列110包括飞行时间传感器(例如，单光子探测器阵列，例如盖革模式雪崩二极管(例如，SPAD)。
定时电路106可以控制探测器阵列110的时序和增益/灵敏度。在某些实施例中，探测器阵列110的定时电路106可以锁相到发射器阵列115的驱动电路116。定时电路106还可以控制每一个探测器110d或定义探测器像素的多组探测器110d的灵敏度。例如，当探测器像素包括一个或多个反向偏置的盖革模式光电二极管(例如，SPAD)110d时，可以调整施加到探测器像素的每个光电二极管110d的反向偏压(例如，基于本文描述的电极107的电压差分)，由此过偏压越高，灵敏度越高。探测器110d可以至少纳秒精度激活或去激活，并可以是可单独寻址、可分组寻址和/或可全局寻址。
如图1A所示，从发射器阵列115的一个或多个发射器115e输出的发光射到一个或多个目标150上并自其反射，并且反射光被探测器阵列110的一个或多个探测器110d探测为回波信号，转换为电信号表示(本文称为探测信号)，并进行处理(例如，基于飞行时间)以定义视场190内场景的3D点云表示170。如本文所述，根据本公开实施例的LIDAR***的操作可以由一个或多个处理器或控制器(诸如图1A中的控制电路105或图1B中的处理器电路105’)执行。
图1B进一步示出根据本文描述某些实施例的LIDAR应用中的ToF测量***或电路100b的组件。电路100b可以包括处理器电路105’(诸如数字信号处理器(DSP))、控制照明源(参照激光发射器阵列115举例示出)时序的定时发生器116’以及单光子探测器阵列(参照单光子探测器阵列110举例示出)。处理器电路105’可以包括配置为协调发射器115e和探测器110d的操作的定序器电路。处理器电路105’还可以控制存储器存储操作，用于将由探测信号指示的数据存储在包含于其中或与其相异的非暂时性存储器或存储器阵列。
处理器电路105’和定时发生器116’可以实施图1A中的控制电路105和驱动电路116的某些操作。激光发射器阵列115在由定时发生器116’控制的时间发射激光脉冲130。来自激光脉冲130的光135被目标(例如图示为对象150)反射回来，并被单光子探测器阵列110感测到。处理器电路105’实施像素处理器，其在从发射器阵列115到对象150并返回到单光子探测器阵列110的途中测量激光脉冲130的ToF及其反射信号135。
控制电路105/处理器电路105’可以提供逻辑电路的模拟和/或数字实施，它们提供必要的定时信号(诸如猝灭和门控或选通信号)以控制阵列110的单光子探测器的操作，并处理自其输出的探测信号。例如，阵列110的单光子探测器可以仅在由选通信号定义的短门控间隔或时间门(即，选通窗口)期间响应于入射光子而生成探测信号。入射到探测/选通窗口之外的光子对单光子探测器的输出没有影响。
控制电路105/处理器电路105’可以配置为通过实施根据本文描述实施例的计数器和积分电路来响应于探测事件(例如，反射辐射中探测到的光子)而操作。计数器和积分电路可操作为响应于一个或多个探测器的输出而分别计数探测到的光子并积分表示探测到的光子的个体到达时间的信息。在本文中，计数器和积分电路又可分别称为光子计数器或计数电路以及时间或时间戳积分电路。基于从探测器阵列110中的相应光电探测器110d输出的探测信号，控制电路105/处理器电路105’可以配置为基于从积分电路输出的积分信号(例如，表示与光子到达时间相关联的时间戳的时间积分或求和)与从计数器电路输出的计数器信号(例如，表示探测事件的计数)的比率来计算光子猝发的预计到达时间。
本公开某些实施例可以提供配置为读出来自计数器电路的输出(例如，光子计数电压)和来自时间戳积分电路的输出(例如，累积的时间戳集)的电路，以响应于探测到阈值探测事件数目而进行ToF感测。例如，某些实施例可以提供电路，它们包括相应列中或与相应列相关联(例如，而非每个探测器像素中)的比较器，并可以配置为读出计数电压并比较计数电压与电压阈值(本文又称为Vref)。如果超过阈值，则经由n位模数转换器(ADC)转换计数电压(当n>2时)，并且也转换第二时间戳列。相反，一些用于高动态范围成像的常规方法可能仅读出计数电压或值。附加或替代实施例可以提供一种使用数字代码作为计数阈值来设置用于读出累积时间戳和计数值的标志的数字架构。
在本文描述的实例中，每个探测器像素可以包括相应计数器电路(模拟或数字)或与其相关联，该计数器电路配置为响应于由探测器像素探测到的光子计数数目超过(预设或可编程的)探测阈值。因此，控制电路可以基于标志信号而确定应读出和复位探测器像素，或者让其继续累积计数。用于生成标志的阈值可以为可变和/或可编程，例如基于目标的距离范围和/或反射率。下文关于图2至图4描述的计数器电路和/或时间积分电路可以全部或部分由图1A和图1B中的控制电路105和/或处理器电路105’根据本公开各种实施例来实施。
图2至图4是根据本公开某些实施例可用于ToF测量电路和***的LIDAR探测器像素和相关联的控制电路(呈像素内配置)的框图。例如，关于图2至图4描述的LIDAR探测器像素实施例可以由图1A和图1B中的ToF测量***100a和100b中的电路105/105’和探测器阵列110来实施。图5是示出可由图2至图4中的控制电路执行的操作的波形图。
现参照图2，LIDAR探测器像素210p包括耦合到探测器元件110d(例如单光子探测器，诸如SPAD)的输出端的控制电路205，以响应于探测窗口期间入射于其上的光子而接收从探测器元件110d输出的探测信号。探测器像素210p可以表示探测器阵列(诸如图1A和图1B中的探测器阵列110)的多个探测器像素之一。缓冲器217可以存储来自探测器110d的输出信号，例如探测信号，其作为输入提供给控制电路的计数器电路201和时间积分电路202。计数器电路201可以是模拟或数字计数器电路。同样，时间积分电路202可以是模拟或数字时间积分电路。在某些实施例中，缓冲器217可以是在读出期间使用的有源电路，用来向电路201和/或202提供模拟电压以供存储(例如，存储在相应电容器上)。
在图2所示的实例中，计数器电路201配置为接收一个或多个发射器信号周期内从探测器110d输出的探测信号，并输出表示由探测指示的探测事件数目的计数信号Vcount。例如，在探测器110d是诸如SPAD等单光子探测器的情况下，计数器电路201实施配置为响应于由探测器110d探测到的每个光子而递增计数信号Vcount的光子计数器电路。
时间积分电路202还配置为接收一个或多个发射器信号周期内从探测器110d输出的探测信号，并输出表示相应探测事件时间(例如，表示与由单光子探测器探测到的到达时间相关联的时间戳的时间积分或求和)的时间积分信号Vtime。由探测器像素210p提供的读出信号Vout(对于模拟信号)或Dout(对于数字信号，例如在电压Vout由ADC转换为Dout的情况下)可以包括计数信号Vcount和/或时间积分信号Vtime(取决于串行或并行输出)，进而可用于基于从时间积分电路202输出的时间积分信号Vtime与从计数器电路201输出的计数器信号Vcount的比率而计算光子猝发的预计到达时间。
控制电路205配置为响应于发射器信号周期的数目变化而在读线230(例如，列并行线)上输出来自探测器像素210p的信号Vout，这取决于来自FoV中目标的发射器信号的反射。具体地，计数器电路201配置为响应于由计数信号Vcount指示的探测事件(例如，光子计数)超过阈值Vref(例如，阈值光子计数值)而生成并输出标志信号Vthrs_met。亦即，如果计数信号Vcount大于阈值Vref，则计数器电路201配置为置位(即，从低/逻辑“0”变换为高/逻辑“1”)标志信号Vthrs_met，指示已探测到足够数目的光子来计算光子猝发的到达时间。因此，计数器电路201和时间积分电路202配置为响应于指示足够用于预计ToF的信号比的标志信号Vthrs_met，而非基于预定的发射器信号周期数目，分别输出计数信号Vcount或时间积分信号Vtime作为读出信号Dout。
如此，一些读出信号Dout可以基于相比其他更少的发射器信号周期而输出。例如，可以响应于指示更近和/或更强反射目标的探测信号而频率更高地(进而基于更少的发射器周期)输出读出信号Dout，因为可以响应于来自这类更近/更强反射目标的更多反射光子数目而更快地实现期望的信号比(例如，如响应于更少发射器周期数目而由计数信号Vcount超过阈值Vref所指示)。反之，可以响应于指示更远和/或更弱反射目标的探测信号而频率更低地(进而基于更多的发射器周期)输出读出信号，因为可以响应于来自这类更远/更弱反射目标的更少反射光子数目而更慢地实现期望的信号比(例如，如响应于更多发射器周期数目而由计数信号Vcount超过阈值Vref所指示)。
计数器电路201和时间积分电路202还配置为响应于标志信号Vthrs_met而分别复位计数信号Vcount和时间积分信号Vtime。在无标志信号Vthrs_met的情况下，计数器电路201和时间积分电路202配置为分别继续对探测事件进行计数并对由探测信号指示的相应到达时间进行积分(不复位Vcount和Vtime的值)，直至预定的期限为止。例如，在某些实施例中，控制电路205可以配置为如果在预定数目的发射器周期之后未生成标志信号Vthrs_met，则强制读出信号Dout的输出，以确保期望帧率最小化。
在图2的实例中，控制电路205配置为响应于接收到标志信号Vthrs_met与读信号RD、RD2组合而输出信号Vout。具体地，信号Vcount或Vtime分别响应于读信号RD或RD2而输出到读线230，并且标志信号Vthrs_met输出到启用线231并用作三态缓冲器218的启用信号，该三态缓冲器218配置为从探测器像素210p输出读出信号Dout。
根据卷帘快门(Rolling Shutter)方案，读信号RD、RD2可顺序施加到探测器阵列的相应行或列，例如逐行或逐列。图2示出多路复用读出方案(其中计数信号Vcount和时间积分信号Vtime分别响应于顺序施加的第一读信号RD和第二读信号RD2而在读线230上串行输出)，但应理解，在某些实施例中，可以使用并行读出方案(其中计数信号Vcount和时间积分信号Vtime分别响应于第一读信号RD和第二读信号RD2而在相应的读线上并行输出)。亦即，标志信号Vthrs_met可以与滚动读出方案配合使用，使得探测器像素210p仅当其行(或列)被读信号RD、RD2选择时输出读出信号Dout，并且置位标志信号Vthrs_met。
在某些实施例中，控制电路205可以包括多个存储器存储设备，以实施多级操作来响应于多个信号(例如，Vthresh_met和RD/RD2)而输出读出信号Dout。例如，控制电路205可以包括配置为存储由探测事件指示的数据的计数存储器(例如，计数电容器)以及耦合到读线230的读出存储器(例如，读出电容器)。在某些实施例中，读出电容器可以通过源极跟随器电路耦合到计数电容器与读线之间。响应于标志信号Vthrs_met，控制电路205可以复位计数存储器并将由探测事件指示的数据存储在读出存储器中。响应于读信号RD/RD2，控制电路205可以基于存储在读出存储器中的数据而输出读出信号Dout。如此，计数存储器可以与读出存储器解耦，以实施类全局快门的操作。
图3示出根据某些实施例的LIDAR探测器像素310p，其包括计数器电路301和时间积分电路302的模拟实施。LIDAR探测器像素310p可以另外执行与上文参照图2的LIDAR探测器像素210p描述的操作类似的操作。
现参照图3，LIDAR探测器像素310p包括耦合到探测器元件110d(例如单光子探测器，诸如SPAD)的输出端的控制电路305，并可以表示探测器阵列(诸如图1A和图1B中的探测器阵列110)的多个探测器像素之一。缓冲器217可以向电路301和/或302提供模拟电压以供存储(例如，存储在相应的电容器301a、302a上)。
计数器电路301为模拟电路，其配置为在一个或多个发射器信号周期内接收从探测器110d输出的探测信号，并输出表示由探测信号指示的探测事件数目的计数信号Vcount。例如，在探测器110d是诸如SPAD等单光子探测器的情况下，计数器电路301实施配置为响应于由探测器110d探测到的每个光子而递增计数信号Vcount的光子计数器电路。时间积分电路302为模拟电路，其也配置为在一个或多个发射器信号周期内接收从探测器110d输出的探测信号，并输出表示探测事件(例如，表示由单光子探测器探测到的光子到达的积分时间)的时间积分信号Vtime。
如图3所示，计数器电路301包括配置为响应于探测器110d的每个探测事件而被充电的计数存储器(图示为计数电容器301a)。类似地，时间积分电路302包括配置为响应于每个探测事件而被充电的时间戳存储器(图示为积分电容器302a)。具体地，计数器电路301和时间积分电路302中的每一个包括相应独立的电流源ISRC，其配置为响应于逻辑/信号调理电路306的输出而切换到对相应的电容器301a、302a充电，该逻辑/信号调理电路306在缓冲器217的输出端接收缓冲的探测信号。例如，时间积分电路302可以包括由逻辑/信号调理电路306、电流源ISRC和电荷转移放大器(CTA)电路实施的TAC电路，其中逻辑/信号调理电路306操作开关以使电流源ISRC连接到CTA电路。
计数器电路301包括比较器307，其配置为将计数电容器301a上的电压Vcount与阈值电压Vref进行比较。如果计数信号Vcount的电压值大于阈值电压值Vref，则计数器电路配置为在启用线231上置位并输出标志信号Vthrs_met，指示已探测到足够的光子来计算光子猝发的到达时间。可以例如根据卷帘快门方案来提供读信号RD、RD2，以将信号Vcount和Vtime输出到读线230。
更具体地，在图3的实例中，标志信号Vthrs_met用作列并行布置中的模数转换器(ADC)340的启用信号。基于标志信号Vthrs_met的值(低/逻辑“0”或高/逻辑“1”)，标志信号Vthrs_met可用于启动ADC 340对读线230上的电压进行模数转换，或让ADC 340处于待机状态。如果置位标志信号Vthrs_met，则由计数信号Vcount表示的电压值被ADC 340响应于读信号RD而转换为数字值并作为读信号Dout输出。随后(或同时，若存在平行读线)，由时间积分信号Vtime表示的电压值响应于读信号RD2而转换为数字值并作为读信号Dout输出。像素310p可以配置为在“1”标志之后或响应于“1”标志而输出标志信号Vthrs_met连同数据Dout(例如，片外)，并在“0”标志之后或响应于“0”标志而忽略读线230上的信号Vout。因此，信号Vout仅由ADC340响应于标志信号Vthrs_met(指示已满足阈值探测事件数目；本文又称为有效转换)和读信号RD/RD2(其可顺序(例如逐行)应用以在无仲裁的情况下多路复用接入公共读线230)而转换。
因此，控制电路305配置为响应于指示足够用于估计ToF的信号比的标志信号Vthrs_met，而非基于预定发射器信号周期数目，而输出读出信号Dout(表示计数信号Vcount或时间积分信号Vtime)。计数器电路301和时间积分电路302还配置为响应于标志信号Vthrs_met而生成相应的复位信号RST，以分别复位电容器301a、302a上所存储的计数信号Vcount和时间积分信号Vtime的值。在无标志信号Vthrs_met的情况下，计数器电路301和时间积分电路302配置为分别继续对探测事件进行计数并对由探测信号指示的相应到达时间进行积分(不复位Vcount和Vtime的值)，直至预定的期限为止(例如，对应于最小期望帧率的发射器周期数目)。
尽管图示为基于探测器像素310p中的比较器307生成标志信号Vthrs_met，但应理解，一旦响应于读信号RD而在公共总线或读线230上激活计数信号Vcount，便可由像素310p外的比较器生成标志信号Vthrs_met。例如，代替像素内的比较器307，某些实施例可以包括用于每一列的比较器，并且控制电路305可以监控计数信号Vcount的值，如果Vcount的值高于阈值Vref，则生成标志信号以将Vcount(和/或Vtime)输出到ADC 340。如此，并非每像素一个比较器，而是每列(或每行)一个比较器可用于降低面积需求。
因此，控制电路305配置为响应于发射器信号周期的数目变化而从探测器像素310p输出读出信号Dout。虽图示为单个ADC 340用于顺序转换计数信号Vcount和时间积分信号Vtime(通过分别响应于读信号RD和RD2而将两者复用到读线230上)，但应理解，在某些实施例中，ADC 340可以由并行列布置中的多个ADC来实施(一个用于Vtime，一个用于Vcount)。亦即，计数信号Vcount和时间积分信号Vtime可响应于一个读信号RD而在各读线上并行输出，每读线一个专用ADC。
虽图3中示为模拟电路301和302，但应理解，在某些实施例中可以使用电路301和/或302的数字实施。一些数字实施可能需要更高的复杂度，因为模拟计数器301的计数电容器301a(和/或模拟积分器302的积分电容器302b)可以用多个晶体管代替，这可能需要更高的功耗。此外，一些数字实施可能需要每列路由更多位来实现高动态范围。
图4示出根据某些实施例的LIDAR探测器像素410p的混合实施方式，包括计数器电路的模拟实施与时间积分电路的数字实施相结合。现参照图4，LIDAR探测器像素410p包括耦合到探测器元件110d(例如单光子探测器，诸如SPAD)的输出端的控制电路405，并可以表示探测器阵列(诸如图1A和图1B中的探测器阵列110)的多个探测器像素之一。控制电路405包括模拟计数器电路301和数字时间积分器电路402。
计数器电路301响应于发射器信号周期的数目变化而生成和置位标志信号Vthrs_met并输出信号Vcount的操作可以类似于上文参照图3描述的操作。同样，时间积分电路402的输入和输出可以类似于上文参照图3描述的时间积分电路。然而，时间积分电路402可以实施为数字电路402a，例如，使用时间数字转换器(TDC；其可以测量光子到达时间)和/或数字计数器(例如，时间戳累加器)来生成和输出时间积分信号Dtime。替代地，数字电路402a可以包括TDC和/或直方图生成器以生成和输出时间积分信号Dtime。因而，数字电路402a可以输出信号Dtime，其可以提供与由探测器110d探测到一个或多个光子相关联的时间戳的时间积分或时间求和的一位或多位数字表示。
在图4中，响应于读信号RD，分别在读线230a和230d上并行输出计数信号Vcount和时间积分信号Dtime。标志信号Vthrs_met充当ADC 340(以输出表示模拟计数信号的读出信号Dout)和数字读出电路409(以输出表示数字时间戳积分信号的读出信号Dout)两者的启用。
图5是根据某些实施例的LIDAR探测器像素510p的混合实施，包括计数器电路的数字实施与时间积分电路的模拟实施相结合。数字计数实施例(其中数字电路507用作光子计数器电路501)可以类似于上述模拟计数器电路301的方式操作，但潜在地以明显更高的读出率操作，因为数字值可以更快地从探测器像素阵列流送出来。
现参照图5，LIDAR探测器像素510p包括耦合到探测器元件110d(例如单光子探测器，诸如SPAD)的输出端的控制电路505，并可以表示探测器阵列(诸如图1A和图1B中的探测器阵列110)的多个探测器像素之一。控制电路505包括数字计数器电路501和模拟时间积分器电路302。
计数器电路501为数字电路，其配置为在一个或多个发射器信号周期内接收从探测器110d输出的探测信号，并输出表示由探测信号指示的探测事件数目的计数信号Dcount。例如，在探测器110d是诸如SPAD等单光子探测器的情况下，计数器电路501包括数字计数器和/或时间数字转换器(TDC)以实施用于对探测器110d处到达的各个光子进行计数的光子计数器电路507。
时间积分电路302是模拟电路，其还配置为接收一个或多个发射器信号周期内从探测器110d输出的探测信号，并输出表示相应探测事件时间(例如，表示与由单光子探测器探测到的到达时间相关联的时间戳的时间积分或求和)的时间积分信号Vtime。时间积分电路302响应于发射器信号周期的数目变化而生成和输出信号Vtime的操作可以类似于上文参照图3描述的操作。
如图5所示，响应于在缓冲器217的输出端处接收缓冲的探测信号的逻辑/信号调理电路306的输出，数字计数器507配置为将光子计数与阈值进行比较。如果光子计数达到或超过阈值，则计数器电路501配置为生成数字表示探测器已探测到的光子数目的计数信号Dcount，并置位和输出数字标志信号Thrs_met，表示已探测到足够的光子来计算光子猝发的到达时间。在图5中，例如使用计数信号的最高有效位(MSB)作为标志信号Thrs_met。但应理解，任何数字位或代码均可与像素内数字比较器结合使用。例如，可以使用以MSB和MSB-1作为输入的2输入与门。此外，阈值可为可逐像素编程，例如通过使用MSB、MSB-1或任何其他位或位组合作为标志信号Thrs_met。
在图5中，响应于读信号RD(例如，根据卷帘快门或滚动读出方案)，分别在读线230d和230a上并行输出计数信号Dcount和时间积分信号Vtime。标志信号Thrs_met充当ADC340(以输出表示数字时间积分信号的读出信号Dout)和数字读出电路409(以输出表示模拟计数信号的读出信号Dout)两者的启用。具体地，标志信号Thrs_met的置位指示有效转换，并在启用线231上输出，以启用ADC 340将时间积分信号VTIME的电压值转换为数字值以便作为读出信号Dout输出。标志信号Thrs_met的置位还向数字读出电路409指示光子计数值Dcount对于作为读出信号Dout输出有效。Dcount的全部位皆在连接到数字读出逻辑电路409的公共读线230d上提供。
图5所示的数字计数器电路501和模拟时间积分电路302实施可以允许同时或并行读出，每列仅一个ADC 340，并可以对ADC操作中涉及的噪声较不敏感。虽在图5的实例中，标志信号Thrs_met是在像素510p中生成，但应理解，在某些实施例中，标志信号Thrs_met可由像素510p外的比较器生成。例如，来自数字计数器507的输出Dcount可通过像素外数字读出逻辑与预定义阈值进行比较而在启用线231上输出标志信号Thrs_met，以向ADC 340指示转换有效，并向数字读出电路407指示光子计数Dcount对于读出有效。
图6示出根据某些实施例的LIDAR探测器像素610p，包括计数器电路和时间积分电路两者的数字实施。现参照图6，探测器像素610p包括耦合到探测器元件110d(例如单光子探测器，诸如SPAD)的输出端的控制电路605，并可以表示探测器阵列(诸如图1A和图1B中的探测器阵列110)的多个探测器像素之一。控制电路605包括数字计数器电路501和数字时间积分电路402。计数器电路501响应于发射器信号周期的数目变化而生成和输出标志信号Thrs_met和计数信号Dcount(分别到启用线231和读线230)的操作可以类似于上文参照图5描述的操作。时间积分电路402响应于发射器信号周期的数目变化而生成和输出时间积分信号Dtime的操作可以类似于上文参照图4描述的操作。
类似于图2和图3的实施例，公共输出线(读线230)在计数信号Dcount的光子计数位与时间积分信号Dtime的光子到达时间位之间共享，它们分别响应于读信号RD和RD2(例如，根据卷帘快门或滚动读出方案)而使用多路复用在读线上输出。但在某些实施例中，专用读线可以响应于一个读信号RD而并行输出每一组位(Dcount和Dtime)。此外，类似于图4和图5的实施例，对于数字读出电路409，标志信号Thrs_met充当数字读出电路409的启用，以输出表示数字计数信号Dcount或数字时间戳积分信号Dtime的读出信号Dout。因此，控制电路605配置为响应于指示足够用于估计ToF的信号比的标志信号Thrs_met，而非基于预定发射器信号周期数目，而输出读出信号Dout(表示计数信号Vcount或时间积分信号Vtime)。
在某些实施例中，光电探测器110d可以例如以比特定距离范围内的目标所需的最小帧率高约5倍至10倍的速率过采样。在模拟和/或混合探测器像素实施例中，如图2至图5所示，过采样可以对于ADC 340的读出线时间仍为可接受。例如，对于30帧每秒(fps)的最小帧率和每帧20时间门/子帧，子帧率可以是20时间门×30fps＝600子帧每秒。光电探测器110d过采样10倍将提供20时间门×30fps×10＝6000子帧每秒的有效子帧率。在本例中，所得的读出线时间(ADC上下)可为300/2×1/6000＝1.11μs(或分别对于时间积分和计数信号，如果需要两个读出，则为1.11μs/2＝0.55μs)。这样的读出时间可以与几兆像素相机的读出时间相当(例如，约400ns到1.11μs)。
图7中示出本文所述实施例的操作的示例时序图。如图7所示，对于由探测器阵列的探测器像素(诸如探测器阵列110的探测器像素210p)探测到的每个光子到达701，由计数器电路(诸如计数器电路201、301、501)响应于在探测窗口期间对从探测器像素输出的探测信号进行非破坏性采样而递增计数信号Vcount 710的值。可以在发射器信号115s的多个周期内探测光子到达701，而无需复位计数信号Vcount 710的值。
将计数信号Vcount 710的值与基准或阈值计数值Vref 705进行比较。阈值计数值Vref705可以由控制电路(诸如控制电路105和/或处理器电路105’)预定和/或可以由控制电路例如响应于指示实时操作条件的反馈信号(例如，来自一个或多个探测器)而更改。在某些实施例中，阈值计数值Vref 705可以在对应于相应距离范围和/或反射率值的预定值之间变化，这可以由反馈信号指示。
如图7所示，当计数信号Vcount 710的值超过计数阈值Vref 705时，置位标志信号Vthrs_met 715(即，从低/逻辑“0”变换为高/逻辑“1”)。在某些实施例中，响应于标志信号Vthrs_met 715变换为高状态，计数信号Vcount 710的值可以被复位和/或存储在不同的存储器中(例如，存储在读出存储器中)。类似地，响应于标志信号Vthrs_met 715变换为高状态，时间戳信号Vtime的值可以被复位和/或可以被存储在不同的存储器中。
仍参照图7，提供了读信号RD 725。在某些实施例中，可以根据基于卷帘快门的读出方案而提供读信号RD 725。例如，在探测器像素阵列中，可以逐行或逐列地将读信号RD725提供给相应的探测器像素。在某些实施例中，读信号RD725可呈周期性。响应于具有高逻辑状态的读信号RD 725和标志信号Vthrs_met 715，执行读出操作来输出信号Dout。
具体地，当Vcount 710的值不超过计数阈值Vref 705时(如读信号RD 725的第一脉冲所示)，标志信号Vthrs_met 710具有低状态，进而不执行读出操作。当Vcount 710的值超过计数阈值Vref 705时(如读信号725的第二脉冲所示)，标志信号Vthrs_met 715具有高状态，进而将信号Vout提供给读线。信号Vout 730可以包括计数值(例如，来自计数器电路201、301、401)或积分时间戳值(例如，来自时间积分电路202、302)，其可以并行输出(例如，响应于读信号RD725)或串行输出(例如，响应于相应的读信号RD和RD2)。
将标志信号Vthrs_met 715置位为高状态用于触发向ADC输出启用信号ADC_EN 535，响应于此，ADC将信号Vout 530的值转换为数字信号并输出指示有效转换的信号Dout(即，信号Vout包含高于探测阈值Vref505的有效数据)。读出电压信号Vout仅由ADC响应于标志信号Vthrs_met 515(指示已符合阈值探测事件数目)和读信号RD而转换，从而避免在不使用仲裁器的情况下，当多个像素时间上接近地到达阈值探测事件数目时可能发生数据丢失。
因此，可以响应于发射器信号115s的变化周期数目而执行信号Dout的读出数目或速率，这取决于何时已收集到足够的数据来执行光子到达时间501的估计。因而，每个子帧中的读出数目也可以变化，其中一些子帧(例如，对应于更近的距离子范围和/或包括更强反射目标)包含比其他子帧更多的读出。在某些实施例中，可以在输出子帧之后复位阵列的全部探测器像素。亦即，每个子帧的开始可以为全局，每个子帧中的每像素有多次读出和复位，逐行(或逐列)执行读出。因此，本文描述的实施例可提供借助卷帘快门的全局采集。
本文描述的控制电路可以配置为根据操作和/或环境条件来置位基准或阈值Vfref。在某些实施例中，控制电路可以配置为全局置位Vfref，即，将其置位为探测器阵列110中的一组探测器像素或全部探测器像素的公共值。在某些实施例中，控制电路可以配置为动态地置位Vfref，例如，基于环境光和/或其他环境条件的实时变化。例如，探测器阵列110和/或其他传感器可以提供指示一个或多个外界条件的反馈信号，并且控制电路可以配置为基于反馈信号而置位阈值电压Vref。
在某些实施例中，控制电路可以配置为静态地置位Vfref，但是在每像素的基础上。例如，响应于来自公共光源的探测器阵列110的多个探测器像素的照明，控制电路可以配置为探测或测量哪些探测器像素比其他探测器像素触发得更早(例如，由于探测器阵列110的非均匀性，诸如计数电容器的非均匀制造和/或像素当中的非均匀IR(电流-电阻)特性)，并可以执行校准步骤来置位各个探测器像素的相应阈值电压值Vref。
在某些实施例中，控制电路可以配置为按像素和/或探测器阵列110的区间/区域动态地置位Vfref。例如，控制电路可以配置为在任何给定时间确定探测器阵列110的哪些像素或区域正在成像更明或更暗的对象(例如，响应于探测到的光子)，并可以配置为基于阵列定向(例如，基于每个像素/阵列区间指向的目标)针对每个像素(或对应于阵列区域的像素组)动态地置位阈值电压Vref。
如上所述，本文描述的实施例可以根据卷帘快门方案来操作，例如，其中在行N+1之前，如果已达到阈值光子计数则读取行N。在某些实施例中，可以同时或并行读取每一行的计数器和时间积分器电路输出，例如，通过使用每列2个ADC的并行ADC布置(一个用于时间积分器电路，一个用于计数器电路)。在其他实施例中，可以顺序读取每一行的计数器和时间积分器电路输出，每列一个ADC。可以响应于指示分辨目标所需的光子计数的阈值数目的相应标志信号而读出每个探测器像素。
因此，根据本公开实施例的ToF测量电路可以提供诸多优势，包括但不限于以下实例。具体地，某些实施例可以允许选定过采样分辨率内的每像素的动态读出率。譬如，可以频率更高地读出指示更近和/或更明对象的探测信号，例如比更远对象快达10倍，以减少或避免探测器像素的饱和。此外，可以频率稍低地读出指示更远、更暗对象的探测信号，例如，当计数信号指示足够用于ToF计算的数据收集时，而非基于固定的帧尾(EoF)。如果计数信号在预定时间量内未指示足够的数据收集，也可以维持最小读出率。可编程光子计数阈值(用于生成标志信号)可根据距离范围、反射率和/或其他操作条件而变化，从而有效地提供可变子帧，该子帧针对更近/更强反射目标包括更多读出/更高有效像素帧率，而针对更远/更弱反射目标包括更少读出/更低有效像素帧率。此外，可维持如本文所述的操作方案，其中在探测器阵列中同时检查多个时间门或选通窗口(例如，通过相应的探测器像素)，这样就能节省功率。
某些实施例还可用于降低读出功耗，例如，通过防止无效测量的输出和转换(例如，其中执行读出来维持最小帧率，而非基于足够的数据收集)。此外，某些实施例可以配置为在相关数据与无关数据之间切换，例如，针对接近中程的目标，可收集足够的数据/信号光子进行准确的ToF测量。更一般地，本文描述的实施例可提供电路操作，使得像素读出率可跟踪或以其他方式随目标距离和/或反射率而变化。
关于模拟实施例，对电容器或积分器上的多个模拟电压求和可以提供关于平均化的优势(例如，降低噪声)；然而，当使用具有固定电压基准的ADC(模数转换器)时，***的动态范围可以随存储电压数而变化。其他缺陷可能包括因过采样而增高的探测器读出率，从而输入/输出率增高。此外，在帧读出时间内可能难免出现最低有效位(LSB，或n个LSB)的一些遗漏。
根据本公开实施例的另外的电路可以包括多个比较器，用于确定是否已探测到阈值数目的光子，例如每列一个比较器(其可以实施在像素外)。
某些实施例可以配置为当达到阈值光子计数值Vref时使光子计数器电路和/或时间戳积分器电路冻结状态(例如，维持其当前状态)，这样能够降低数据需求。在本文描述的一些数字电路实施中，数字计数器和/或数字时间积分电路可以配置为当达到阈值光子计数值时维持或冻结计数和/或时间戳值。在这样的数字电路实施中，可能无需单独的控制信号来读出计数，因为标志信号Thrs_met的输出可以操作ADC来转换计数和/或时间戳值。
图8示出根据本公开实施例用于降低处理需求和/或功耗的示例数据压缩操作。如图8所示，在某些实施例中，数据压缩方案可以与本文描述的一个或多个实施例结合使用，以便减少响应于一个或多个读出信号而从芯片读出的位数(即，降低数据吞吐量和功耗)。具体地，在某些情况下，计数信号Vcount的值在要求维持最小读出率的时间之前可以不超过阈值Vref，因此可以输出不包含有效像素光子计数或到达时间数据的读出信号。例如，数字读出信号Dout可以n位全0(或其他无效代码或数据)输出。这种包含无效数据的读出信号可以基于无标志信号Thrs_met的输出来标识。某些实施例并不包括这样的包含无效数据的读出信号以供进一步处理890(例如，片外)，而是可以利用数据压缩方案800，在将读出数据输出到探测器像素阵列110之外之前丢弃这种无效读出信号。即使在输出无效读出信号之后，输出这种无效读出信号的探测器像素也可继续累积数据(例如非破坏性地，无需复位计数和/或时间积分操作)。
图9A是示出一些LIDAR***中利用的帧、子帧、发射器周期(例如，激光周期)和选通窗口之间的关系图。图9B是示出将发射器信号周期(示为发射器信号Laser的脉冲)之间的时间段划分为i个选通窗口的图示，响应于相应的选通信号Strobe#1到Strobe<i>，每个选通窗口1至i定义了探测器(例如，SPAD)在相对于激光脉冲不同的相应延迟下的激活持续时间。
如图9A和图9B所示，在发射的激光脉冲之间具有特定持续时间的示例激光周期期间，可以激活具有特定持续时间的选通窗口。例如，在750kHz的操作频率下，激光周期可以约为1.3μs。各个激光周期内的相应持续时间(例如，激光脉冲之间的相应时隙或时间片)可以与相应选通窗口相关联。例如，激光周期的持续时间可以划分为多个潜在的选通窗口持续时间，例如每130ns划分为10个选通窗口。相应选通信号(例如，从电路105、105’输出或在其控制下)可以针对相应选通窗口定义探测器110d的定时和激活。图9A和图9B所示的时序仅作示例，根据本文所述的实施例，也可能有其他时序。
图像子帧可以是基于多个激光脉冲或激光周期，每个激光周期中激活一个选通窗口。例如，每个子帧中可以有大约1000个激光周期。每个子帧可以包括针对重复多个(例如，数千个)激光周期的相应选通窗口Strobe<i>收集的数据。Strobe<i>的每个子帧可以对应于整体成像距离范围的相应距离子范围，这是由激光周期的频率来定义。
因此，可以在由每个选通窗口定义的探测器激活的持续时间内以及在一个或多个激光周期内执行读出操作。如本文所述，每个子帧中包括的读出操作的数目可以根据何时达到期望的信号比而变化。例如，每个子帧可以包括来自变化数目的读出信号的数据，这些读出信号是基于光子计数阈值而非固定数目的激光周期而输出。如此，响应于指示更近或更强反射目标的探测信号，可以频率更高地(相对于激光周期)输出相应的读出信号。例如，子帧的读出率可以随着与子帧相关联的距离子范围(和对应的选通窗口)增高而降低。
应当理解，本文描述和图示的操作、电路和时序图仅为举例提供，而本文描述的积分器、计数器和/或其他电路的实施例决不限于这些示例实施方案。
虽本文主要关于探测器像素阵列的滚动读出方案予以描述，其中顺序选择每一行(例如，响应于读信号RD、RD2)，并且每一列包括用于相应读出线上的列并行输出的相应电路(例如，ADC、比较器)，但应理解，根据本文描述实施例的操作可类似地应用于阵列并行ADC架构，其中可对阵列的探测器像素子集(或“集群”)、即探测器阵列的像素子阵列并行执行读出操作。在某些实施例中，ADC可以在其对应的探测器像素子集或子阵列下以三维方式排列或堆叠。更一般地，与常规的列并行架构相反，读出电路***(数字或模拟)可以位于像素子集之下。例如，这种阵列并行(又称为像素并行或集群并行)ADC图像传感器架构可参阅公开文献“A 4.1Mpix 280fps Stacked CMOS Image Sensor with Array-Parallel ADCArchitecture for Region Control”，Takahashi等人著，2017年Symposium on VLSICircuits Digest ofTechnical Papers，第C244-C245页，其公开内容全文引用归并本文。
本公开实施例已参照基于光的测距***(诸如LIDAR)和相关操作方法予以描述，这些***配置为探测传入光子的数量和到达时间，以提供像素内取平均值而无需数字化并存储代表所捕获光子的直方图或其他数据。例如，某些实施例可以实施滚动质心计算技术，如参阅申请日为2019年11月19日、名称为“Digital Pixel”的美国专利申请US 16/688,043，其公开内容全文引用归并本文。与要求时间数字转换的时间戳求和及取平均值技术相比，这种用于估计ToA(到达时间)的滚动质心计算可以使用对触发的SPAD数目的滚动总和(每个SPAD没有单独的TDC操作)。
本公开某些实施例涉及使用数字和/或模拟电路方法实施ToF像素的单光子探测器阵列和相关控制电路，本文又称为“混合像素”。这种方法可以包括使用数字和模拟电路进行计数和/或加时间戳，这样能够减少功耗、面积、泄漏和/或数据大小，例如可参阅申请日为2019年12月05日、名称为“Hybrid CMM Pixel”的美国专利申请US 16/704,548，其公开内容全文引用归并本文。例如，如本文所述的ToF像素可用于基于CMM的ToF计算，即，发射器信号光子的到达时间(ToA)的质心计算。但应理解，本公开实施例不限于基于CMM的方法，并可应用于其他ToF方法和/或用于对光子探测事件进行计数/加时间戳的其他应用(例如，纯计数像素)。
此外，本公开实施例可以与用于动态更改发射器功率输出的操作结合使用，例如参阅申请日为2019年01月31日、名称为“Strobe Window Dependent IlluminationSchemes for Flash LIDAR”的美国临时专利申请US 62/799,116，其公开内容全文引用归并本文。例如，可以响应于一个或多个基于更少发射器信号周期的读出(指示更近和/或更强反射目标)而降低发射器信号的功率电平，或者可以响应于一个或多个基于更多发射器信号周期的读出(指示更远和/或更弱反射目标)而增高发射器信号的功率电平。
同样，本公开实施例可以与用于动态更改有源探测器数目的操作结合使用，例如参阅申请日为2019年3月6日、名称为“Extended Dynamic Range and Reduced PowerImaging and LIDAR SPAD Arrays”的美国临时专利申请US 62/814,452，其公开内容全文引用归并本文。例如，可以响应于一个或多个基于更少发射器信号周期的读出(指示更近和/或反射性更强的目标)而激活更小的探测器元件或探测器像素子集，或者可以响应于一个或多个基于更多发射器信号周期的读出(指示更远和/或反射更少的目标)而激活更大的探测器元件或探测器像素子集。
虽本文主要参照基于单光子探测的探测事件予以描述，但应理解，如本文所述的计数器电路和/或积分电路可以类似地可借助基于相关窗口内探测到两个或更多个光子的探测事件而操作。例如，每个探测器像素可以包括两个或更多个单光子探测器，并且控制电路可以包括或可响应于相关器电路(本文又称为相关器)的输出而操作。相关器响应于从一个或多个探测器输出的探测信号而提供标识探测事件的输出信号。例如，相关器可以响应于相对于彼此在预定持续时间或时间窗(本文称为相关窗口或相关时间)内从两个或更多个探测器输出的探测信号而标识探测事件，其中探测信号指示入射光子到达相关窗口内的到达时间。与对应于环境光的光子相比，对应于从发射器阵列115输出的光信号的光子可以在时间上相对接近地到达，因此相关器可以配置为基于相对于彼此在相关时间内的相应到达时间而区分信号光子。这类相关器例如可参阅申请日为2019年02月12日、名称为“Methods and Systems for High-Resolution Long Range Flash Lidar”的美国专利申请公布US 2019/0250257，其公开内容全文引用归并本文。
控制电路105/处理器电路105’小到足以允许三维堆叠的实施方案，例如，阵列110“堆叠”在控制电路105/处理器电路105’(和其他相关电路)的顶层，即尺寸调整为拟合阵列110的面积或占地内。例如，某些实施例可以在第一基板上实施探测器阵列110，在第二基板上实施电路105/105’的晶体管阵列，其中第一基板/晶片和第二基板/晶片以堆叠排列结合，例如参阅申请日为2019年10月30日、名称为“High Quantum Efficiency Geiger-ModeAvalanche Diodes Including High Sensitivity Photon Mixing Structures andArrays Thereof”的美国专利申请US16/668,271，其公开内容全文引用归并本文。
本文描述的LIDAR***和阵列可应用于ADAS(高级驾驶辅助***)、自主驾驶车辆、UAV(无人飞行器)、工业自动化、机器人、生物识别、建模、增强虚拟现实、3D映射和安全。在某些实施例中，发射器阵列的发射器元件可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在某些实施例中，发射器阵列可以包括具有数千个串联和/或并联电连接的分立发射器元件的非本地基板，其中驱动电路由集成在非本地基板上邻近发射器阵列的相应行和/或列的驱动晶体管来实施，例如参阅申请日为2018年04月12日、名称为“Ultra-Small Vertical CavitySurface Emitting Laser(VCSEL)and Arrays Incorporating the Same”的美国专利申请公布US 2018/0301872，其公开内容全文引用归并本文。
本文已参照表明示例性实施例的附图描述了各种实施例。但这些实施例可以体现为不同的形式，而不应解释局限于本文阐述的实施例。确切而言，提供这些实施例的目的是使本公开透彻完整，并将本发明构思充分传达给本领域技术人员。对本文描述的示例性实施例及一般原理和特征的各种修改将显而易见。在附图中，层和区的尺寸和相对尺寸未按比例绘制，而在某些情况下为清楚起见可能夸大。
示例性实施例主要是依据特定实施方式中提供的特定方法和设备来描述。然而，这些方法和设备可以在其他实施方式中有效地操作。诸如“示例实施例”、“某一实施例”和“另一实施例”等短语可以指相同或不同的实施例以及多个实施例。但关于具有某些组件的***和/或设备描述的实施例可以包括相比图示更少或更多的组件，在不脱离本发明构思范围的情况下，可对这些组件的布置和类型作出变更。还将在具有某些步骤或操作的特定方法的上下文中描述示例性实施例。然而，这些方法和设备可以针对具有不同和/或附加的步骤/操作以及不同顺序的步骤/操作的其他方法有效地操作，这与示例性实施例互不矛盾。因此，本发明构思并非旨在局限于所示的实施例，而是应覆盖符合本文描述的原理和特征的最宽范围。
本文使用的术语仅出于描述特定实施例的目的而不旨在限制示例性实施例。如本文所用，单数形式“一”、“一种”和“该”旨在也包含复数形式，除非上下文另作指明。还应理解，如本文所用，术语“包括”或“包含”为开放式，包括一个或多个记载的要素、步骤和/或功能，但不排除一个或多个未记载的要素、步骤和/或功能。术语“和/或”包括一个或多个相关列项的任何和全部组合。
应当理解，虽然本文可以使用术语第一、第二等来描述各种要素，但这些要素不应局限于这些术语。这些术语仅用于区分某一要素与另一要素。因此，在不背离本发明构思范围的情况下，下面论述的第一要素可称为第二要素。
还应理解，当某一要素称为连接或耦接至另一要素时，这一要素可直接连接或耦接至另一要素，或可存在中介要素。反之，当某一要素称为直接连接或直接耦接至另一要素时，则不存在中介要素。
本文所用的全部术语(包括科技术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义，除非另作定义。还应理解，诸如词典中常用定义的那些术语应解释为其含义与其在相关技术领域的语境含义一致，而不应采用理想化或过度正式化的解释，除非本文另作明确定义。
结合上文描述和附图，本文公开了许多不同的实施例。应当理解，不会逐字描述和说明这些实施例的每种组合和子组合以免不当赘述和混淆。据此，本说明书(包括附图)应解释为构成本文所述实施例的全部组合和子组合以及形成和使用这些组合和子组合的方式和过程的完整书面说明，并应支持权利要求涵盖任何这类组合或子组合。
在附图和说明书中，已揭示本公开的实施例，虽采用特定术语，但它们仅用于概述性和描述性含义而非处于限制目的，在所附权利要求中记载本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种光探测与测距(LIDAR)***，包括：
发射器单元，其包括一个或多个配置为输出发射器信号的发射器元件；
探测器阵列，其包括多个探测器元件，其中，所述多个探测器元件中的相应探测器元件配置为响应于入射于其上的光子而输出探测信号；以及
至少一个控制电路，其配置为在一个或多个发射器信号周期内接收从相应探测器元件输出的探测信号，响应于由所述探测信号指示的探测事件超过探测阈值而生成标志信号，并响应于所述标志信号而输出相应探测器元件的读出信号。
2.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中，所述读出信号包括第一读出信号和第二读出信号，且其中，所述至少一个控制电路配置为响应于发射器信号周期比所述第二读出信号更少而输出所述第一读出信号。
3.根据权利要求2所述的LIDAR***，其中，所述至少一个控制电路配置为分别响应于指示第一目标和第二目标的第一探测信号子集和第二探测信号子集而输出所述第一读出信号和所述第二读出信号，其中，所述第一目标比所述第二目标更接近所述探测器阵列和/或反射性更强。
4.根据权利要求2所述的LIDAR***，其中，所述发射器信号周期的时段对应于距离范围，其中，所述至少一个控制电路配置为响应于对应于所述距离范围中的第一距离子范围的第一多个发射器信号周期而输出所述第一读出信号，并配置为响应于对应于所述距离范围中比所述第一距离子范围更远的所述第二距离子范围的第二多个发射器信号周期而输出所述第二读出信号。
5.根据权利要求1所述的LIDAR***，其中，所述至少一个控制电路配置为响应于所述标志信号和顺序施加到所述探测器阵列中探测器元件的相应行或列的读信号而输出所述读出信号。
6.根据任一项前述权利要求所述的LIDAR***，其中，所述读出信号包括计数信号和/或时间积分信号，且其中，所述LIDAR***配置为基于所述读出信号而计算光子的预计到达时间。
7.根据权利要求6所述的LIDAR***，其中，所述至少一个控制电路包括：
计数器电路，其配置为对由所述探测信号指示的探测事件进行计数，生成表示探测事件数目的计数信号，并响应于所述探测事件数目超过所述探测阈值而输出所述标志信号；以及
时间积分电路，其配置为基于相应探测事件时间而生成所述时间积分信号。
8.根据权利要求7所述的LIDAR***，其中，所述计数器电路和所述时间积分电路配置为响应于所述标志信号而分别复位所述计数信号和所述时间积分信号，并在无标志信号的情况下分别基于相应探测事件时间而继续计数所述探测事件和进行积分。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的LIDAR***，其中，相应探测器元件配置为响应于在探测窗口期间入射于其上的光子而输出所述探测信号，且其中，所述至少一个控制电路配置为响应于以周期长于探测窗口的持续时间的过采样率对所述探测信号进行采样而生成所述标志信号。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的LIDAR***，其中，所述至少一个控制电路配置为响应于由一个或多个所述探测器元件和/或至少一个其他传感器指示的实时环境和/或操作条件而置位和/或更改所述探测阈值。
11.根据权利要求10所述的LIDAR***，其中，所述探测信号指示面向相应探测器元件的目标的距离范围和/或反射率，且其中，所述至少一个控制电路配置为基于所述目标的距离范围和/或反射率而置位和/或更改所述探测阈值。
12.根据权利要求10所述的LIDAR***，其中，所述至少一个控制电路配置为在每探测器元件或每区域基础上将所述探测阈值应用于所述探测器阵列的探测器元件子集。
13.根据权利要求2至5中任一项所述的LIDAR***，其中，所述至少一个控制电路配置为操作所述一个或多个发射器来响应于所述第一读出信号而降低所述发射器信号的功率电平或响应于所述第二读出信号而增高所述发射器信号的功率电平。
14.根据权利要求2至5中任一项所述的LIDAR***，其中，所述至少一个控制电路配置为操作所述探测器阵列来响应于所述第一读出信号而激活较小的探测器元件子集或响应于所述第二读出信号而激活较大的探测器元件子集。
15.一种操作光探测与测距(LIDAR)***的方法，所述方法包括通过至少一个控制电路执行以下操作：
响应于入射于其上的光子而从包括多个探测器元件的探测器阵列的相应探测器元件接收探测信号，在从包括一个或多个发射器元件的发射器单元输出的一个或多个发射器信号周期内输出探测信号；
响应于由探测信号超过探测阈值指示的探测事件而生成标志信号；以及
响应于标志信号而输出相应探测器元件的读出信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述读出信号包括第一读出信号和第二读出信号，且其中，所述第一读出信号响应于发射器信号周期比所述第二读出信号更少而输出。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一读出信号和所述第二读出信号分别响应于指示第一目标和第二目标的第一探测信号子集和第二探测信号子集而输出，其中，所述第一目标比所述第二目标更接近所述探测器阵列和/或反射性更强。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述发射器信号周期的时段对应于距离范围，其中，所述第一读出信号响应于对应于所述距离范围中的第一距离子范围的第一多个发射器信号周期而输出，并且所述第二读出信号响应于对应于所述距离范围中比所述第一距离子范围更远的第二距离子范围的第二多个发射器信号周期而输出。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，所述读出信号响应于所述标志信号和顺序施加到所述探测器阵列中探测器元件的相应行或列的读信号而输出。
20.一种光探测与测距(LIDAR)***，包括：
发射器单元，其包括一个或多个配置为输出发射器信号的发射器元件；
探测器阵列，其包括多个探测器元件，其中，所述多个探测器元件中的相应探测器元件配置为响应于入射于其上的光子而输出探测信号；以及
至少一个控制电路，其配置为在一个或多个发射器信号周期内接收从相应探测器元件输出的探测信号，其中，所述至少一个控制电路包括：
计数器电路，其配置为对由探测信号指示的探测事件进行计数，生成表示探测事件数目的计数信号，并响应于探测事件数目超过探测阈值而输出标志信号；以及
时间积分电路，其配置为基于相应探测事件时间而生成时间积分信号，
其中，所述至少一个控制电路配置为响应于所述标志信号和顺序施加到所述探测器阵列中探测器元件的相应行或列的读信号而输出相应探测器元件的读出信号，包括计数信号和/或时间积分信号。
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