KR20230109105A - Lidar를 위한 공유 판독 다중 spad 이벤트 충돌 복구 - Google Patents

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KR20230109105A
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춘지 왕
와이빙 미쉘 왕
홍유 웬디 왕
쯔-칭 펑
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 개시는 비행시간 검출을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 광자 활동을 캡처하는 광검출기 회로에는 둘 이상의 광검출기가 있을 수 있다. 중첩 펄스 폭 동안 적어도 두 개의 광자가 수신되는 경우, 광검출기의 응답을 처리하여 처음 광자의 도착의 리딩 에지 및 마지막 광자의 도착의 리딩 에지를 리턴하는 로직이 있다.

Description

LIDAR를 위한 공유 판독 다중 SPAD 이벤트 충돌 복구{SHARED READOUT MULTIPLE SPAD EVENT COLLISION RECOVERY FOR LIDAR}
본 개시는 일반적으로 LIDAR 시스템에서 물체를 검출하는 방법에 관한 것으로, 특히, 펄스를 수신하여 광자를 검출하는 방법에 관한 것이다.
단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)는 정확한 광자 도달 시간을 제공할 수 있다. SPAD는 직접 비행 시간(dTOF; direct time-of-flight) 빛/광자 감지 및 거리 측정(LIDAR) 센서에 사용될 수 있다. 하나 이상의 SPAD로부터의 신호는 이진 사각 펄스로 처리될 수 있다. 이러한 신호는 비행 시간(ToF) 히스토그램을 구축하기 위해 신호로부터 타임스탬프를 분석할 수 있는 시간-디지털 변환기(TDC)에 공급될 수 있다. 신호는 여러 사이클 동안 판독될 수 있으며, ToF를 측정하기 위해 히스토그램이 처리될 수 있다. SPAD에 의한 광자 감지는 SPAD 데드 타임으로 인해 LIDAR 센서 정확도와 정밀도에 영향을 미칠 수 있다. 현재의 방법으로는 정확도와 정밀도를 달성하기 위해 상당한 에너지와 면적을 사용하게 된다. 에너지와 면적이 적으면서 정확하고 정밀한 LIDAR 센서가 필요하다.
이 배경기술 단락에서 개시되는 상기 정보는 본 개시의 배경에 대한 이해를 증진시키기 위한 것이므로, 선행 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하고자하는 과제는 성능이 향상된 비행 시간(time-of-flight) 검출 방법 및 센서를 제공하는 것이다.
몇몇 실시예 따른 펄스 폭 w를 출력하는 복수의 광검출기를 포함하는 센서에 대한 비행 시간(time-of-flight) 검출 방법은, 적어도 2개의 광검출기로부터의 펄스를 결합하여 결합 펄스를 형성하는 단계; 상기 결합된 펄스의 리딩 에지 타임스탬프 t1을 계산하는 단계; 상기 결합된 펄스의 트레일링 에지 타임스탬프 t2를 계산하는 단계; 상기 트레일링 에지 타임스탬프와 상기 리딩 에지 타임스탬프 간의 차이를 결정하는 단계; 및 상기 차이가 w보다 크다는 결정에 근거하여, t1 및 t2 - w를 출력하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예 따른 센서는, 적어도 하나의 광검출기 회로를 포함하는 광검출기 회로 어레이; 상기 적어도 하나의 광검출기 회로를 위한 공유 판독 라인; 및 시간-디지털 변환기(TDC) 어레이를 포함한다.
도 1은 예시적인 ToF 센서의 다이어그램을 도시한다.
도 2는 예시적인 실시 예의 개시에 따른 레이저 펄스 추정의 비교도를 도시한다.
도 3은 예시적인 실시 예에 따른 예시의 ToF 센서의 타이밍도를 도시한다.
도 4는 예시적인 실시 예에 따른 ToF를 계산하는 예시적인 방법을 도시한다.
도 5는 예시적인 실시 예에서 사용될 수 있는 회로의 예시적인 로직을 도시한다.
도 6은 예시적인 실시 예에서 사용될 수 있는 회로의 예시적인 대안 로직을 도시한다.
도 7은 도 6의 상세한 구현 회로일 수 있는 회로를 도시한다.
도 8은 예시적인 실시 예에 따른 광검출기 어레이 상의 광검출기의 예시적인 레이아웃을 도시한다.
도 9는 예시적인 실시 예에 따른 예시의 회로를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 보다 구체적으로 설명하며, 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 본 명세서에서 설명되는 실시 예에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 실시 예는 본 개시가 철저하고 완전해질 수 있도록 예시로서 제공되며, 본 개시의 측면 및 특징을 당업자에게 충분히 전달할 것이다. 따라서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시의 측면 및 특징에 대한 완전한 이해를 위해 필요하지 않은 프로세스, 요소 및 기술에 대해서는 설명하지 않을 수 있다. 다른 설명이 없는 한, 첨부한 도면 및 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내므로, 설명은 생략한다.
도면에서, 요소, 계층 및 영역의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장 및/또는 단순화될 수 있다. "밑에", "아래", "하부", "위에", "상부" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어는, 도면에 예시된 바와 같이 다른 요소(들) 또는 특징(들)에 대한 하나의 요소 또는 특징의 관계를 설명하기 위해서 설명의 용이성을 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향에 추가하여 사용 중 또는 작동 중인 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도된 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집히는 경우, 다른 요소 또는 특징의 "밑에" 또는 "아래" 또는 "하부"로 설명된 요소는 다른 요소 또는 특징의 "위"를 향하게 될 수 있다. 따라서, 예시의 용어 "밑에" 및 "아래"는 위와 아래의 방향을 모두 포함할 수 있다. 그렇지 않고 장치는 회전(예: 90도 회전 또는 다른 방향)될 수도 있는데 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 설명은 이에 따라 해석되어야 한다.
"제1", "제2", "제 3" 등의 용어가 다양한 요소, 구성요소, 영역, 계층 및/또는 부분을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성 요소, 영역, 계층 및/또는 부분은 이들 용어에 의해 제한되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 이들 용어는 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 계층 또는 부분을 다른 요소, 구성 요소, 영역, 계층 또는 부분과 구별하기 위해 사용된다. 따라서, 이하에서 설명되는 제1 요소, 구성요소, 영역, 계층 또는 부분은 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 제2 요소, 구성요소, 영역, 계층 또는 부분으로 명명될 수 있다.
요소 또는 계층이 다른 요소 또는 계층과 "위에 놓이거나", "연결되거나" "결합되는" 것으로 언급되는 경우, 그것은 다른 요소나 계층에 바로 위에 놓이거나 연결되거나 결합될 수 있거나, 이들 상에 하나 이상의 중간 요소나 계층이 존재할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 요소 또는 계층이 2개의 요소 또는 계층 "사이에" 있는 것으로 언급되는 경우, 이는 두 요소 또는 계층 사이에 유일한 요소 또는 계층일 수 있으며, 하나 이상의 중간 요소 또는 계층이 또한 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하기 위한 것은 아니다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 한다. 이 명세서에서 사용될 때, "포함하다", "포함하는", "구비하다", "구비하는"과 같은 용어는 명시된 기능, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 더욱 이해될 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 관련된 나열된 항목 중 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. "다음 중 적어도 하나"와 같은 표현은 요소의 목록 앞에 올 때, 요소의 전체 목록을 수정하고 목록의 개별적 요소를 수정하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바오 같이, 용어 "실질적으로", "약" 및 이와 유사한 용어는 정도의 용어가 아니라 근사치의 용어로 사용되며, 당업자가 인식할 수 있는 측정 또는 계산된 값의 고유한 변동을 설명하기 위한 것이다. 또한, 본 개시의 실시 예를 설명할 때 "~할 수 있다"의 사용은 "본 개시의 하나 이상의 실시 예"를 의미한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "사용하다", "사용하는" 및 "사용된"은 각각 용어 "이용하다", "이용하는" 및 "이용된"과 동의어로 간주될 수 있다. 또한, 용어 "예시적인"은 예 또는 예시를 위한 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술적, 과학적인 용어 포함)는 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어는 관련 기술 및/또는 본 명세서의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명시적으로 정의되지 않는 한 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다는 것이 더욱 이해될 것이다. 본 명세서에 사용되는 용어 "직경"은 원형 또는 구형 형상의 직경, 또는 비원형 또는 비구형 형상의 등가 직경을 의미할 수 있다.
도 1은 관련 기술의 ToF 센서 시스템(100)의 다이어그램을 도시한다.
광원(102)은 물체(106) 상으로 광(104)을 방출할 수 있다. 광원(102)은 레이저 또는 다른 광원일 수 있다. 방출된 광(104)은 펄스 또는 일련의 펄스일 수 있다. 방출된 광(104)은 펄스 폭을 가질 수 있다. 펄스 폭은 미리 결정될 수 있다. 상승 에지, 안정기 및 하강 에지가 있는 구형파일 수 있다. 광(104)은 물체(106)에서 반사될 수 있고 광(110)으로서 반사될 수 있다. 광원(102)으로부터 물체(106)까지의 거리는 L일 수 있고, 이는 대략 렌즈(116)와 물체(106) 사이의 거리일 수 있다. 반사된 광(110)은 렌즈(116)에 들어갈 수 있고 그 다음 광검출기 회로 어레이(120)에 의해 수신될 수 있다. 광검출기 회로 어레이(120)와 렌즈(116) 사이의 거리는 초점 거리(flens)라고 부를 수 있으며 거리(L)보다 실질적으로 작을 수 있다. 따라서, 본 개시의 목적을 위해, 초점 거리(flens)는 무시될 수 있고 광검출기 회로 어레이(120)와 물체(106) 사이의 거리는 광원(102)과 물체(106) 사이의 거리와 실질적으로 동일할 수 있다.
광검출기 회로 어레이(120)는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD), 광다이오드(PD), 또는 다른 감광성 광검출기로 구성될 수 있다. 광검출기 회로 어레이(120)는 단일 광검출기(122)를 포함할 수 있거나, N x M 광검출기(122)를 포함할 수 있으며, 여기서 N과 M은 0보다 큰 양의 정수이다. 하나 이상의 광검출기(122)는 광검출기 회로를 포함할 수 있으며, 이는 도 7에서 더 상세히 설명될 것이다. 제어기(126)는 광원(102) 및 광검출기 회로 어레이(120)를 제어할 수 있다. 광검출기 회로 어레이(120)의 광검출기(122)가 더 상세히 도시되고 이하 논의될 것이다.
광검출기(122)는 하나 이상의 SPAD일 수 있다. 광검출기(122)는 퀀칭(quenching) 회로 R(Q)에 결합된 SPAD일 수 있고 또한 SPAD와 퀀칭 회로 사이에 결합된 인버터(128)로 도시된 아날로그-디지털 전압 변환기에 결합될 수 있다. 광검출기(122)로부터 프로세서 제어기(126) 또는 다른 프로세서로 채널 데이터를 전송할 수 있는, 판독(130)이 있을 수 있다. 그래프(124)는 광자를 수신하는 광검출기(122)를 도시한다. 시간(131)에서 광자가 수신되면, V(OUT)에서 큰 전압 강하가 발생할 수 있으며 그 후 전압은 퀀칭 회로를 사용하여 정상 상태 전압으로 복귀할 수 있다. 신호(133)로 알려질 수 있는 디지털 파형은 광검출기(122)의 다이오드에서 발생하는 애벌랜치 항복에 대한 응답으로서 아날로그-디지털 변환기로부터 출력될 수 있다.
SPAD형 광검출기(122)는 광자를 검출한 후 퀀칭(132)을 수행할 수 있다. 퀀칭은 SPAD가 광자를 감지할 수 없는 기간일 수 있다. 퀀칭은 "데드 타임"이라고 지칭될 수 있다. 데드 타임 동안, 더 일찍 도착한 광자는 SPAD를 트리거할 수 있으며, 이로 인해 SPAD가 역 바이어스가 복원될 때까지 나중에 도착한 광자를 감지하지 못하게 만들 수 있다. 이러한 현상을 "파일업(pile-up)"이라고 할 수 있다. 파일업은 광자 검출 속도, 신호 대 잡음비(SNR)를 감소시키고, 측정된 펄스 형태가 실제 펄스 형태에서 벗어나게 만들 수 있다.
ToF LIDAR 시스템의 정확도와 정밀도는 신호 대 잡음비 감소와 펄스 형태 측정 왜곡 때문일 수 있는, 파일업에 의해 제한될 수 있다. 파일업 현상을 완화하기 위해서, 능동적인 퀀칭을 사용하여 데드 타임을 줄일 수 있다. 능동적 퀀칭에는 칩에 많은 물리적 공간을 차지할 수 있는 복잡한 회로를 필요로 할 수 있다.
대안적으로, 다중 SPAD 신호를 결합하거나 병합함으로써 파일업이 완화될 수 있다. SPAD 신호는 일련의 이진 사각 펄스로 변환될 수 있다. 단일 SPAD의 신호는 먼저 그래프(124)에서와 같이 이진 사각 펄스로 변환될 수 있다. 그런 다음 이러한 신호는 OR, XOR 또는 합산(미도시)과 같은 함수를 사용하여 결합되거나 병합될 수 있다. OR 함수를 사용하여 신호를 결합하면 하나 이상의 SPAD가 동시에 트리거되고 하나의 이벤트만 기록될 수 있는 이벤트 충돌이 발생할 수 있다. XOR 함수를 사용하면 신호를 결합하고 이벤트 수를 보존할 수 있지만, 출력 타임스탬프는 이벤트 시간을 정확하게 나타내지 않을 수 있다. 추가 처리를 필요로 할 수 있으며, 이는 센서(100)에서 이벤트를 감지하기 위해 더 긴 지연을 초래할 수 있다. 마지막으로 합산을 사용할 수 있지만, 이것은 이진 표현을 넘어 데이터를 인코딩하려면 추가의 비트 또는 판독 라인을 필요로 할 수 있다. 이벤트 충돌을 고려하여 충돌 복구를 제공하는 함수 및 덜 복잡하고 더 적은 면적을 차지하는 회로에 대한 필요성이 대두되고 있다.
도 2는 레이저 펄스 추정 메커니즘의 비교도(200)를 도시한다.
데이터(200)는 광원(102)에 의해 전송되고 광검출기 회로 어레이(120)에 의해 수신된 구형파의 재구성일 수 있다. x축에 비행 시간 척도가 있을 수 있으며, 이것은 시간 단위일 수 있다. y축에는 이벤트 비율 단위가 있을 수 있으며, 이는 전압 또는 수신된 광자의 수이거나 다른 단위일 수 있다.
각각의 ToF 센서는 도 1에 도시된 것과 동일하거나 상이할 수 있는 여러 광검출기 회로 어레이(120)를 이용할 수 있다. 데이터(201)는 광검출기 회로 어레이(120) 구성이 독립적으로 기록하는 2 x 2 SPAD 광검출기 어레이일 수 있는 구형파 추정을 나타낼 수 있으며, 데이터는 결과를 결정하기 위해 각 광검출기 또는 광검출기(122) 그룹에 대해 처리될 수 있고, 즉, SPAD에 대한 공유 판독 라인이 없을 수 있고 각 SPAD는 자체 공유 판독 라인을 가질 수 있다. 공유 판독 라인은 다음 도면에서 논의될 것이다. 데이터(202)는 광검출기 회로 어레이(120) 구성이 충돌 복구를 갖는 2 x 2 SPAD 광검출기 어레이일 수 있는 구형파 추정을 나타낼 수 있다. 본 명세서에 개시된 충돌 복구는 후속 도면에서 보다 상세하게 설명될 것이다. 데이터(203)는 광검출기 회로 어레이(120) 구성이 충돌 복구 없이 OR 로직 및 공유 판독 라인을 사용하는 2 x 2 SPAD 광검출기 어레이일 수 있는 구형파 추정을 나타낼 수 있다. OR 로직은 OR 연산을 등가로 수행하는 모든 회로일 수 있다. 데이터(204)는 광검출기 회로 어레이(120) 구성이 단일 SPAD 광검출기일 수 있는 구형파 추정을 나타낼 수 있다.
후속 도면에서 보다 상세하게 설명되는 예시의 실시 예는, 광원(102)에 의해 방출된 파형을 대략적으로 재현할 수 있는 데이터(202)를 사용할 수 있으며, 이는 현재 예에서 구형파일 수 있다. 데이터(201)는 광원(102)에 의해 방출된 파형을 재생성할 수 있지만 하드웨어 설계에서 더 많은 판독 라인을 사용할 수 있으며, 이로 인해 풋프린트가 더 크고 폼 팩터가 더 큰 결과를 가져올 수 있다. 데이터(202)는 광원(102)에 의해 방출된 파형을 대략적으로 재현할 수 있으며 충돌 복구와 함께 하나의 판독 라인을 사용할 수 있으므로, 하드웨어 구현의 풋프린트와 전체 폼 팩터를 줄일 수 있다. 데이터(203)는 데이터(202)에서 사용된 것과 동일한 수의 SPAD를 사용할 수 있지만, 충돌 복구 없이 더 강력한 파일업을 겪게 되므로 구형파 표현이 더 왜곡될 수 있다. 데이터(204)는 더 강력한 파일업이 될 수 있는 단일 SPAD일 수 있다. 데이터(202)는 이하 더 자세히 논의된다.
도 3은 본 개시에 따른 예시의 ToF 센서의 타이밍도(300)를 도시한다.
예에서, 광검출기 회로 어레이(120)에는 3개의 SPAD(광검출기(122))가 있을 수 있다. 다른 실시 예에서, 다른 수 및 유형의 광검출기(122)가 사용될 수 있다. 각 SPAD는 출력 채널을 가질 수 있다. 광검출기(122)가 광자를 검출하면, 출력 채널에 펄스가 있을 수 있다. 광검출기(122)와 관련된 출력 채널은 고정된 폭을 갖는 사각 펄스를 생성할 수 있지만, 펄스 모양은 다른 모양일 수 있다. 광자의 도달 시간을 나타내는 리딩 에지(leading edge), SPAD가 활성화된 시간을 나타내는 펄스 폭 및 광자 감지 이벤트의 끝을 나타내는 트레일링 에지(trailing edge)가 있을 수 있다. 다수의 채널은 OR 로직을 사용하여 결합될 수 있으며, 추가 처리 로직이 사용될 수 있으며, 이는 이하에서 후속 도면을 참조하여 설명될 것이다.
타이밍도(300)에서, 3개의 채널(301, 302, 303)을 구비하는, 3개의 SPAD를 갖는 예시적인 광검출기 회로 어레이(120)가 있다. "OR 결과" 채널(304)이 있을 수 있으며, 여기서 로직 OR 연산은 채널(301~303)에 적용된다. 채널(301)의 펄스는 제1 리딩 에지(306), 펄스 폭(305)(w로 지칭될 수 있음), 및 제1 트레일링 에지(307)로 표현될 수 있다. 제1 리딩 에지(306) 및 트레일링 에지(307)는 각각 제1 광자의 도달 시간 및 제1 광자 검출 이벤트의 종료 시간을 나타내는 타임스탬프를 가질 수 있다. 채널(302)은 제2 리딩 에지(308) 및 제2 트레일링 에지(309)를 갖는 펄스를 가질 수 있다. 제2 리딩 에지(308) 및 트레일링 에지(309)는 각각 제2 광자의 도달 시간 및 제2 광자 검출 이벤트의 종료 시간을 나타내는 타임스탬프를 가질 수 있다. 채널(303)은 펄스 폭 w 및 리딩 및 트레일링 에지(참조부호 없음)를 갖는 유사한 출력을 가질 수 있다.
채널(301-303)은 아날로그 신호의 디지털 변환일 수 있다. 채널(301-303)의 각 광검출기(122)와 관련된 데드 타임이 있을 수 있다. 도 1에 설명된 바와 같이, 광자는 시간(131)에 도달할 수 있고 펄스 폭(133)의 채널 출력을 갖는 각각의 광검출기(122)에는 펄스 파형이 있을 수 있으며, 이는 그래프(124)에 도시된 바와 같이 데드 타임(132)을 포함할 수 있다. 다시 도 3을 참조하면, 데드 타임(313)이 있을 수 있다. 데드 타임(313) 동안, 광검출기는 다른 광자에 응답하지 않을 수 있다. 데드 타임을 보상하기 위해, 하나 이상의 채널이 있을 수 있다. 도 3의 예에는, 3개의 채널이 있을 수 있다. 하나 이상의 채널을 로직 OR 연산과 결합하면 한 채널 내에서의 데드 타임의 제한을 일부 극복할 수 있다. 더 구체적으로, 광검출기 회로 어레이(120)의 제1 광검출기(122)가 데드 타임을 겪고 있는 경우, 광검출기 회로 어레이(120)의 다른 광검출기(122)는 여전히 입사 광자에 응답하여 제1 광검출기(122)의 신호와 ("OR") 결합되는 신호를 생성할 수 있다.
채널(304)은 OR 로직을 사용하여 채널(301-303)의 조합을 나타낼 수 있다. 결합된 펄스는 각각 t1 및 t2로 지칭될 수 있는, 결합된 리딩 에지(310) 및 결합된 트레일링 에지(311)를 가질 수 있다. 제1 펄스 이벤트의 경우, 결합된 리딩 에지(310)는 제2 리딩 에지(308)와 동일한 타임스탬프를 가질 수 있다. 결합된 트레일링 에지(311)는 제1 트레일링 에지(307)와 동일한 타임스탬프를 가질 수 있다. 즉, 도착한 제1 광자의 리딩 에지 타임스탬프와 도착한 마지막 광자의 트레일링 에지 타임스탬프가 기록된다. 두 개 이상의 광자 도착 이벤트가 겹치는 기간을 갖는 것에 기반하여, 결합된 OR 펄스는 가장 빠르고 가장 늦은 광자 도착을 캡처할 수 있다. 수신 채널에 2개 이상의 펄스가 있는 경우, 결합된 펄스 폭은 원래 펄스 폭(305)과 (도착 시간이 동일한 것에 기반하여) 동일하나 (도착 시간이 동일하지 않은 것에 기반하여) 더 클 수 있다.
펄스 폭(305)의 정보를 이용하여, 처음 및 마지막 광자의 도착 시간을 계산할 수 있다. 제1 광자 도달 시간은 결합된 리딩 에지(310)일 수 있으며, 이는 타이밍도(300)의 예에서 제2 리딩 에지(308)와 동일할 수 있다. 마지막 광자 도달 시간은 결합된 트레일링 에지(311)에서 펄스 폭(305)을 빼서 계산할 수 있으며, 이는 타이밍도(300)의 예에서 제1 리딩 에지(306)일 수 있다.
요약하면, 결합된 트레일링 에지(311)에서 결합된 리딩 에지(310)를 뺀 것이 펄스 폭(305)보다 더 크면(t2-t1 > w), 로직(300)은 두 개의 타임스탬프를 리턴할 수 있다: 처음 광자 도달 시간(이 경우 제2 리딩 에지(308)) 및 마지막 광자 도달 시간(이 경우 제1 리딩 에지(306)). 이것을 충돌 복구라고 할 수 있다.
결합된 트레일링 에지(311)에서 결합된 리딩 에지(310)를 뺀 값이 펄스 폭(305)보다 작거나 같으면(t2 - t1 <= w), 하나의 타임스탬프만 리턴될 수 있다. 예를 들어, 제3 채널(303)은 제3 리딩 에지 타임스탬프(312)를 가질 수 있다. 해당 기간 동안 채널(301 및 302)에 겹치는 리딩 에지 및 펄스가 없을 수 있다. 그러므로, OR 로직 및 추가 조건부 복구 로직을 사용하는 결과적인 리딩 에지는 리딩 에지 타임스탬프(312)일 수 있는 하나의 타임스탬프만 리턴할 수 있다.
도 4는 이전에 언급된 충돌 복구 기술을 사용할 수 있는 ToF를 계산하는 예시적인 방법(400)을 도시한다.
방법(400)의 블록(401-413)은 임의의 순서로, 심지어 병렬로 발생할 수 있다. 더구나, 블록은 본 개시의 교시에 따라 방법(400)으로부터 추가되거나 제거될 수 있다.
블록(401)은 광검출기 회로 어레이(120)의 광검출기(122)에 대한 펄스 폭(305)의 보정을 도시한다. 일 실시 예에서, 펄스는 SPAD 펄스 출력일 수 있다. 보정은 ToF 시스템 설계시 미리 결정될 수 있다. 광원에 대해 펄스 폭(w)이 결정될 수 있다. 펄스 폭(w)는 시스템 설계에서 결정될 수 있다. 펄스 폭은 광검출기 회로 어레이(120)의 광검출기(122)에 의해 캡처될 만큼 충분히 넓을 수 있다. 펄스는 아날로그 펄스일 수 있고 디지털 펄스로 바뀔 수 있다.
펄스 폭은 1피코초 내지 1마이크로초 범위일 수 있다. 블록(401)의 펄스는 사각 펄스일 수 있으며, 이는 리딩 에지 및 트레일링 에지를 가질 수 있다. 리딩 에지는 타임스탬프를 가질 수 있고 트레일링 에지는 이와 연관된 타임스탬프를 가질 수 있다. 펄스 폭은 고정될 수 있다. 보정된 펄스 폭은 각 채널에서 사용할 수 있다. 광 검출기(122) 당 하나의 채널이 있을 수 있다.
블록(403)은 OR 로직을 사용하여 다중 채널을 함께 결합하는 것을 나타낸다. 함께 결합된 채널이 최종 채널이 될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 세 개의 채널(301-303)과 하나의 결과 채널(304)의 예가 있다. 다른 실시 예에서, 결합된 채널을 만드는 데 사용되는 하나 이상의 채널이 있을 수 있다. 다중 펄스는 상술된 바와 같이, 단일 SPAD의 데드 타임을 보상하기 위해 OR 로직과 결합될 수 있다. 신호들은 함께 결합된다. 그 결과 광자를 보다 정확하게 감지할 수 있다.
블록(405)은 블록(403)으로부터 형성된 결합된 채널의 결합된 펄스에 기여하는 펄스의 리딩 및 트레일링 에지 타임스탬프 t1 및 t2를 각각 얻는 것을 나타낸다. 결과 채널의 각 펄스에 대해, 제1 광자의 도착 시간을 나타낼 수 있는 리딩 에지 타임스탬프가 있을 수 있고 마지막 광자의 도착 시간의 끝을 나타낼 수 있는 트레일링 에지 타임스탬프가 있을 수 있다. 각 펄스에 대해 하나 이상의 광자 도착이 있을 수 있다.
블록(407)에서, 로직은 아래 비교 방정식에서 나타낸 바와 같이, 결합된 채널 펄스의 트레일링 에지의 타임스탬프에서 결합된 채널 펄스의 리딩 에지를 뺀후이것이 펄스 폭보다 큰지에 대해 확인할 수 있다:
(t2-t1) > w
트레일링 에지 타임스탬프 t2와 리딩 에지 타임스탬프 t1 사이의 차이가 w보다 크다고 결정하면, 블록(409)의 로직이 수행된다. 트레일링 에지 타임스탬프 t2와 리딩 에지 타임스탬프 t1 사이의 차이가 w보다 작거나 같으면, 블록(411)의 로직이 수행된다.
블록(409)은 트레일링 에지 타임스탬프 t2와 리딩 에지 타임스탬프 t1 사이의 차이가 w보다 크다고 결정한 것에 기초하는 블록(407)의 출력 로직을 나타낸다. 리딩 에지 타임스탬프 t1의 값 및 펄스 폭과 트레일링 에지 타임스탬프 간의 차이(t2-w)가 리턴될 수 있다.
블록(411)은 트레일링 에지 타임스탬프 t2와 리딩 에지 타임스탬프 t1 사이의 차이가 w보다 작거나 같다고 결정한 것에 기초하는 블록(407)의 출력 로직을 나타낸다. 리딩 에지 타임스탬프 t1의 값이 리턴될 수 있다.
블록(413)은 예시적인 방법(400)의 종료 상태를 나타낸다. 리턴된 타임스탬프 또는 타임스탬프는 도 1의 거리 L을 결정하는데 사용될 수 있는 히스토그램을 구축하는데 사용될 수 있다. 두 개의 값을 리턴하여(해당되는 경우), 거리 L을 더 정확하게 추정할 수 있다.
도 5는 예시적인 실시 예에서 사용될 수 있는 회로의 예시적인 로직(500)을 도시한다.
광검출기 및 퀀칭 회로를 포함할 수 있는 제1 광검출기(501)가 있을 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 광검출기는 SPAD일 수 있지만, 광다이오드 또는 기타 광검출기일 수 있다. 유사하게, 제2 광검출기(502), 제3 광검출기(503) 및 제4 광검출기(504)가 있을 수 있다. 광검출기(501-504)는 OR 로직 게이트(505)를 사용하여 결합될 수 있다. 일 예에서, 광검출기(501-504) 및 게이트(505)는 도 3의 타이밍 로직(300)의 구현에서 사용될 수 있다. 게이트(505)로부터의 출력일 수 있는 공유되는 판독 라인(506)이 있을 수 있다.
광자가 제1 광검출기(501)에 도달하면, 그것은 다이오드를 통해 전류의 서지를 유발할 수 있는 애벌런치 브레이크다운을 유발할 수 있다. 퀀칭 회로는 전류 펄스를 전압 펄스로 변환할 수 있다. 퀀칭 회로는 또한 계속해서 발생하는 애벌랜치 항복을 감소시키거나 제거할 수 있으며 제1 광검출기(501)를 그 초기 상태로 재설정할 수 있다. 동일한 프로세스가 광검출기(502-504)에서도 발생할 수 있다. 광검출기(501-504)로부터 생성된 전압 펄스는 OR 로직 게이트(505)에 입력될 수 있다. OR 로직 게이트(505)는 모든 광검출기(501-504) 사이에서 공유될 수 있으며, 개별 펄스를 단일 출력으로 결합할 수 있다.
도 6은 예시적인 실시 예에서 사용될 수 있는 회로의 예시의 대체 로직(600)을 도시한다.
SPAD, 광다이오드 또는 기타 광검출기일 수 있는 광검출기(601-604)가 있을 수 있다. 광검출기(601-604)는 퀀칭 회로를 가질 수 있다. 광검출기(601-604)는 OR 등가 로직 게이트(605)에 대한 입력을 가질 수 있다. OR 등가 로직 게이트(605)는 OR 로직을 초래할 수 있는 임의의 등가 로직일 수 있다. 예를 들어, 도 5의 OR 로직 게이트(505)는 도 6의 로직 게이트(605)로, 즉 NAND 게이트 및 인버터로 대체될 수 있다. 도시되지 않은 다른 등가의 OR 로직이 있을 수 있다.
도 5 및 6은 공유 OR 게이트에 4개의 입력 광검출기를 도시하지만, 펄스가 입력되어 OR 로직 연산을 사용하여 하나의 출력으로 병합되는 임의 개수의 광검출기가 있을 수 있다.
도 7은 도 6의 상세한 구현 회로일 수 있는 회로(700)를 도시한다.
광검출기 회로(701)는 4개의 광검출기로 도시된다. 일 실시 예에서, 회로(701)는 광검출기의 2 x 2 어레이로 정렬될 수 있다. 즉, 하나의 회로(701)에 있는 총 4개의 광검출기에 대해 각각 하나의 광검출기의 2 x 2 배열이 있을 수 있다. 회로(701)는 4개의 광검출기를 갖는 하나의 픽셀일 수 있다. 다른 실시 예에서, 회로(701)는 픽셀의 2 x 2 어레이로 정렬될 수 있는 픽셀당 하나의 광검출기를 갖는 4개의 픽셀일 수 있다. 즉, 픽셀의 2 x 2 배열이 있을 수 있으며, 여기서 각 픽셀은 하나의 광검출기를 가질 수 있다. 더 일반적으로, 일 예에서, 회로(701)는 하나의 픽셀에 있는 광검출기의 그룹일 수 있다. 다른 예에서, 회로(701)는 픽셀당 하나 이상의 광검출기를 갖는 픽셀 그룹일 수 있다.
회로(701)의 각 광검출기에 대해, 광검출기와 전원을 접지에 연결하는 저항성 요소의 역할을 할 수 있는 직렬 연결된 퀀칭 트랜지스터(Mq) 및 인에이블 트랜지스터(ENBL)가 있을 수 있다. 또한 각 광검출기의 출력에 연결된 인버터(707)가 있을 수 있다. 회로(701)가 사용되지 않을 때, 인에이블 트랜지스터(ENBL)는 전력을 보존하기 위해 턴오프될 수 있다. 등가 OR 로직 게이트(705)는 4개의 입력 NAND 게이트(709) 및 4개의 인버터(707)를 포함할 수 있다. OR 로직 게이트(705)의 출력일 수 있는 OR 게이트(708)의 출력이 있을 수 있다.
OR 로직 게이트(705)는 NMOS 풀다운 트랜지스터 및 선택 트랜지스터(SEL)를 통해 출력 버스(706)에 연결될 수 있다.
출력 버스(706)는 공유 판독 라인으로 알려져 있을 수 있으며, 즉, 광자 검출 이벤트의 판독은 OR 로직 게이트(705)에 의해 결합된 후 회로(701)의 모든 광검출기에 의해 공유될 수 있다. 그 다음 신호는 도시되지 않은 시간-디지털 변환기(TDC)로 흐를 수 있다.
도 8은 예시적인 실시 예의 광검출기 어레이 상의 광검출기의 예시적인 레이아웃(800)을 도시한다.
일 예에서, 2x2 어레이로 배열된 4개의 SPAD를 포함할 수 있는 트랜지스터 회로(801)가 있을 수 있다. 회로(701) 내에는 임의의 수의 SPAD가 있을 수 있고 n개의 열과 m개의 행을 갖는 어레이 형식으로 배열될 수 있다. 다른 실시 예에서, 광검출기는 임의의 다른 유형의 광검출기일 수 있다.
도 9는 예시적인 실시 예의 예시의 회로(900)를 도시한다.
광원(미도시)으로부터 아날로그 신호를 수신하는 광검출기 회로 어레이(901)가 있을 수 있다. 광검출기 회로 어레이(901)는 하나 이상의 광검출기(122), 연관된 OR 로직, 및 추가 처리를 위해 TDC 어레이에 데이터를 전송하는 광검출기 출력 버스(907)를 포함할 수 있다. 광검출기 회로 어레이(901)는 M x N 광검출기 회로(902)로 구성될 수 있으며, 여기서 M 및 N은 1보다 크거나 동일한 정수 값이다. 광검출기 회로(902)는 M x N 광검출기 및 관련 회로로 구성될 수 있으며, 여기서 M 및 N은 1 보다 크거가 동일한 정수 값이다.
일 실시 예에서, 광검출기 회로(902)는 도 7의 회로(700)의 설계일 수 있다. 다른 실시 예에서, 광검출기 회로(902)는 SPAD, 광다이오드, 또는 다른 검출기일 수 있는 하나 이상의 광검출기를 포함할 수 있다. 출력 버스(903)는 광검출기 어레이(901)에 걸쳐 연장될 수 있다. 출력 버스(903)는 각각의 광검출기 회로(902)에 대한 공유 판독 라인을 포함할 수 있다. 광검출기 회로 어레이(901)의 각 광검출기 회로(902)에 대해, TDC 모듈(904)에 데이터를 전송할 수 있는 출력 버스(903)가 있을 수 있다. TDC 모듈(904)은 도 3 및 도 4에 설명된 바와 같이 리딩 에지 및 트레일링 에지 타임스탬프를 계산할 수 있다.
일 실시 예에서, 광검출기 어레이(901)의 동일한 행의 광검출기 회로(902)는 동일한 출력 버스(903)를 공유할 수 있다. 광검출기 회로 어레이(901)에서 광검출기의 행 당 하나의 출력 버스(903)가 있을 수 있다. 다른 실시 예에서, 광검출기 그룹 당 하나의 출력 버스(903)가 있을 수 있다. 예를 들어, 광검출기 회로(902)는 한 그룹의 광검출기일 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 출력 버스(903)에 연결된 광검출기 회로 어레이(901)에 광검출기의 다른 조합이 있을 수 있다.
광검출기 회로 어레이(901)의 하나 이상의 광검출기로부터의 신호는 처리를 위해 TDC 모듈(904)로 전송될 수 있다. 일 실시 예에서, 출력 버스(903) 당 하나의 TDC 모듈(904)이 있을 수 있다. 동작 동안, 광검출기 또는 광검출기 회로는 열 시프트 레지스터(906)를 통해 선택될 수 있다. 선택 SEL 신호는 광검출기 회로 어레이(901)에 전송되어 광검출기를 선택하할 수 있다. SEL 신호는 광검출기 회로 내의 선택 트랜지스터를 켤 수 있고 선택된 광검출기 출력 값이 출력 버스(903)로 전송되도록 할 수 있다. 출력 펄스는 펄스가 처리될 수 있는 TDC 모듈(904)에 공급될 수 있다. ASIC 로직 코어(905)는 추가 분석을 위해 이러한 타임스탬프를 저장할 수 있다. ASIC 로직 코어(905)는 또한 TDC 모듈(904) 및 열 시프트 레지스터(906)의 동작을 제어할 수 있다.
본 명세서에 설명된 주제 및 동작의 실시 예는 본 명세서에 개시된 구조 및 이들의 구조적 등가물, 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함하여, 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어에 구현될 수 있다. 본 명세서에 기술된 주제의 실시 예는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램, 즉 데이터 처리 장치에 의해 실행되거나 데이터 처리 장치의 작동을 제어하기 위해 컴퓨터 저장 매체에 인코딩된, 즉, 컴퓨터 프로그램 명령의 하나 이상의 모듈로 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프로그램 명령은 인위적으로 생성된 전파 신호, 예를 들어, 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위해 적절한 수신기 장치로 전송하기 위한 정보를 인코딩하기 위해 생성되는 기계 생성 전기, 광학 또는 전자기 신호에 인코딩될 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독 가능 저장 장치, 컴퓨터 판독 가능 저장 기판, 랜덤 또는 직렬 액세스 메모리 어레이 또는 장치, 또는 이들의 조합일 수 있거나 이에 포함될 수 있다. 또한, 컴퓨터 저장 매체는 전파되는 신호가 아니지만, 컴퓨터 저장 매체는 인위적으로 생성된 전파 신호로 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 소스 또는 목적지일 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 또한 하나 이상의 개별 물리적 구성 요소 또는 매체(예를 들어, 여러 개의 CD, 디스크 또는 기타 저장 장치)일 수 있거나 이에 포함될 수 있다. 추가적으로, 본 명세서에서 설명되는 동작들은 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 저장 장치에 저장되거나 다른 소스로부터 수신된 데이터에 대해 데이터 처리 장치가 수행하는 동작으로 구현될 수 있다.
본 명세서는 많은 특정 구현 세부 사항을 포함할 수 있지만, 이 구현 세부 사항은 청구된 주제의 범위에 대한 제한으로 해석되어서는 안 되고, 오히려 특정 실시 예에 특정한 특징의 설명으로 해석되어야 한다. 별도의 실시 예와 관련하여 본 명세서에 설명된 특정 특징은 단일 실시 예에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시 예의 맥락에서 설명된 다양한 특징은 또한 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 다중 실시 예에서 구현될 수 있다. 더구나, 특징은 특정 조합으로 작용하는 것으로 상술되고 청구되고 있지만, 청구된 조합의 하나 이상의 특징이 일부 경우에 조합에서 제거될 수 있으며 청구된 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변형에 관한 것일 수 있다.
유사하게, 동작이 도면에서 특정 순서로 도시되어 있지만, 이것은 이 동작들이 도시된 특정 순서 또는 순차적인 순서로 수행되어야 하거나 모든 도시된 동작이 수행되어 원하는 결과를 얻어야 하는 것을 필요로 한다고 이해되어서는 안된다. 특정 상황에서는, 멀티태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시 예에서 다양한 시스템 구성요소의 분리가 모든 실시 예에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명된 프로그램 구성 요소 및 시스템은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품에 함께 통합되거나 여러 소프트웨어 제품에 패키지될 수 있음을 이해해야 한다.
따라서, 주제의 특정 실시 예가 본 명세서에서 설명되었다. 다른 실시 예는 다음 청구항의 범위 내에 있다. 일부 경우에, 청구범위에 명시된 동작은 다른 순서로 수행되어도 여전히 바람직한 결과를 얻을 수 있다. 추가적으로, 첨부된 도면에 도시된 프로세스는 바람직한 결과를 달성하기 위해, 도시된 특정 순서 또는 순차적인 순서를 반드시 필요로 하는 것은 아니다. 특정 구현에서는, 멀티태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수 있다.
당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 본 명세서에서 설명된 혁신적인 개념은 광범위한 범위의 애플리케이션에 대해 수정 및 변경될 수 있다. 따라서, 청구된 주제의 범위는 위에서 논의된 특정 예시적인 교시에 제한되어서는 안 되고, 대신 다음 청구항 및 이들의 등가물에 의해 정의된다.

Claims (18)

  1. 펄스 폭 w를 출력하는 복수의 광검출기를 포함하는 센서에 대한 비행 시간(time-of-flight) 검출 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    적어도 2개의 광검출기로부터의 펄스를 결합하여 결합 펄스를 형성하는 단계;
    상기 결합된 펄스의 리딩 에지 타임스탬프 t1을 계산하는 단계;
    상기 결합된 펄스의 트레일링 에지 타임스탬프 t2를 계산하는 단계;
    상기 트레일링 에지 타임스탬프와 상기 리딩 에지 타임스탬프 간의 차이를 결정하는 단계; 및
    상기 차이가 w보다 크다는 결정에 근거하여, t1 및 t2 - w를 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차이가 w보다 작거나 동일하다는 결정에 근거하여, t1을 출력하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄스를 결합하는 단계는 OR 함수 또는 OR 등가 함수를 사용하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리딩 에지 타임스탬프 t1은 제1 광자의 도착 시간을 나타내는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 폭은 1피코초에서 1마이크로초 사이인, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 출력된 t1 및 t2 - w 정보는 비행 시간을 계산하는 데 사용되는, 방법.
  7. 적어도 하나의 광검출기 회로를 포함하는 광검출기 회로 어레이;
    상기 적어도 하나의 광검출기 회로를 위한 공유 판독 라인; 및
    시간-디지털 변환기(TDC) 어레이를 포함하는, 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광검출기 회로는 M x N 광검출기 어레이를 포함하고, M과 N은 양의 정수이고, M 또는 N 중 적어도 하나는 1보다 크며, 상기 공유 판독 라인은 상기 광검출기 회로의 상기 M x N 광검출기 어레이에 의해 공유되는, 센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광검출기 회로 어레이는 M x N 광검출기 회로 어레이를 포함하고, M 및 N은 양의 정수이고 M 또는 N 중 적어도 하나는 1보다 크며, 상기 공유 판독 라인은 상기 광검출기 회로 어레이의 상기 M x N 광검출기 회로 어레이에 의해 공유되는, 센서.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 광검출기 회로는 하나 이상의 픽셀인, 센서.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 광검출기 회로 어레이는 광검출기 회로의 행과 열을 포함하고, 상기 광검출기 회로 어레이의 광검출기 회로의 각 행에 대해 하나의 공유 판독 라인이 존재하는, 센서.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 광검출기 회로 어레이의 적어도 하나의 광검출기 회로는 복수의 광검출기를 포함하는, 센서.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 광검출기 회로의 적어도 하나의 광검출기는 SPAD 또는 광다이오드인, 센서.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 광검출기 회로는 상기 M x N 광검출기 어레이로부터의 펄스를 결합하기 위한 OR 로직 또는 OR 등가 로직을 더 포함하는, 센서.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 광검출기 회로 어레이의 적어도 하나의 광검출기 회로는 상기 적어도 하나의 광검출기 회로 내로부터의 펄스를 결합하기 위한 OR 로직 또는 OR 등가 로직을 더 포함하는, 센서.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 광검출기 회로 어레이는 상기 M x N 광검출기 회로 어레이로부터의 펄스를 결합하기 위한 OR 로직 또는 OR 등가 로직을 더 포함하는, 센서.
  17. 제7항에 있어서,
    상기 TDC 어레이는 광검출기 회로당 하나의 TDC를 더 포함하는, 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 TDC는 펄스의 리딩 및 트레일링 에지에 대한 타임스탬프를 등록하는, 센서.
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