用于测量到物体的距离的装置及方法以及信号处理装置与流程

1.在本发明的实施例中阐述的技术大体来说涉及距离感测，且更具体来说，涉及用于测量到物体的距离的装置及方法以及信号处理装置。


背景技术：

2.能够进行三维环境感测的测距传感器用于各种应用(例如自主驾驶、医学、机器人视觉、安全等)中。当前的三维(three
‑
dimensional，3d)感测方法利用立体匹配、光截面或飞行时间(time
‑
of
‑
flight，tof)途径中的一者。立体匹配方法通过使用两个照相机对物体上的特征进行三角测量来确定到物体的距离，所述两个照相机根据预设空间配置在空间上相对于彼此定位。然而，如果所述两个照相机之间不匹配，则立体匹配方法可能会提供不准确的三维距离测量。立体匹配方法的另一个缺点是其需要被观察物体的被动照明(passive illumination)。光截面法是基于对投射到物体上的激光束的三角测量。然而，这种技术需要昂贵的移动机械部件(例如激光器及检测器)。另一方面，飞行时间(tof)技术不需要任何机械部件，且可捕获接近非常高的帧速率的三维距离图。此外，基于飞行时间(tof)技术的三维距离测量传感器具有小的覆盖面积及相对低的制造成本。此外，tof三维测距传感器是基于直接(直接飞行时间(direct tof，dtof))或间接(间接飞行时间(indirect tof，itof))确定由照明器发射的光脉冲与由tof三维测距传感器检测的所接收反射信号之间的延迟。
3.dtof途径通常用于需要深度分辨率非常高的长(千米)距离测量的应 用中，而itof途径主要用于需要深度分辨率只有几厘米的中短(几十米)距离测量的应用中。因此，在需要长距离及高分辨率测量的应用中实施dtof技术可能优于itof技术。
4.然而，在存在例如暗计数率(dark
‑
count rate，dcr)及背景照明噪声等噪声源的情况下，基于dtof技术的dtof传感器的性能可能由于dtof传感器对噪声的高灵敏度而下降。 例如，与暗计数相关联的热产生的载流子可能触发dtof传感器产生假光子计数事件，这可能导致不准确的距离测量。
5.当前用于减少dtof传感器中的假光子计数事件的方法集中于向dtof传感器阵列添加多个冗余单光子雪崩二极管(single
‑
photon avalanche diode，spad)，这会急剧增加其覆盖面积及功耗，且将dtof传感器的实作方式限制于几个像素，这会降低图像分辨率。因此，当前用于对dtof传感器中的假光子计数事件进行滤波的方法并不完全令人满意。
6.在背景技术部分中公开的信息仅旨在为下面阐述的本发明的各种实施例提供背景，且因此背景部分可包括未必是现有技术信息(即，所属领域中的一般技术人员已知的信息)的信息。因此，在本背景技术部分中阐述当前命名的发明人的工作的范围内，所述工作以及在提出申请时可能不符合现有技术的说明的方面既不明确也不隐含地被认为是针对本公开的现有技术。


技术实现要素：

7.本发明实施例提供一种用于测量到物体的距离的装置，所述装置包括：光源，被配置成向所述物体发射调制信号；直接飞行时间传感器阵列，被配置成接收来自所述物体的反射信号，其中所述直接飞行时间传感器阵列包括多个单光子雪崩二极管；以及处理电路系统，耦合到所述直接飞行时间传感器阵列，并被配置成：从中心像素以及与所述中心像素正交及对角相邻的多个像素接收光子事件检测信号，因应于判断所接收的所述光子事件检测信号的总和是否大于预定阈值，来输出有效的光子检测信号。
8.本发明实施例提供一种用于处理从直接飞行时间传感器阵列接收的逐像素信号的信号处理装置，所述信号处理装置包括：逐像素信号处理电路，耦合到所述直接飞行时间传感器阵列，且被配置成：从中心像素以及与所述中心像素正交及对角相邻的多个像素接收光子事件检测信号，且因应于判断所接收的所述光子事件检测信号的总和是否大于预定阈值，来输出有效的光子检测信号；时间数字转换器，被配置成因应于接收到所述有效的光子检测信号，来量化入射在所述中心像素上的发射调制信号及反射信号的上升沿之间的时间间隔；以及直方图化逻辑电路，被配置成：累积在多个采集帧期间从所述时间数字转换器接收的多个量化时间测量值，且基于所述多个量化时间测量值的统计分布来确定深度信息。
9.本发明实施例提供一种用于测量从直接飞行时间传感器阵列到物体的距离的方法，所述方法包括：从中心像素以及与所述中心像素正交及对角相邻的多个像素接收光子事件检测信号；因应于判断所接收的所述光子事件检测信号的总和是否大于预定阈值，来输出有效的光子检测信号；因应于接收到所述有效的光子检测信号，使用时间数字转换器来量化入射在所述中心像素上的发射调制信号及反射信号的上升沿之间的时间间隔；累积在多个采集帧期间从所述时间数字转换器接收的多个量化时间测量值；以及基于所述多个量化时间测量值的统计分布来确定深度信息。
附图说明
10.下面参考以下各图来详细阐述本公开的各种示例性实施例。提供图式仅是为了说明的目的，并且仅绘示本公开的示例性实施例，以有利于读者理解本公开。因此，不应将图式视为对本公开的宽度、范围或适用性的限制。应当注意，为了清楚及易于说明起见，这些图式未必按比例绘制。
11.图1示出根据本公开一些实施例的具有脉冲调制光源及dtof传感器阵列的三维距离感测系统的方块图。
12.图2示出根据本公开一些实施例的具有3
×
3逐像素互相关光子检测系统的dtof传感器阵列的方块图。
13.图3a示出根据一些实施例的dtof传感器阵列的3
×
3子阵列。
14.图3b示出根据一些实施例的从光源发射的调制信号及在dtof传感器阵列处接收的反射信号的时序图。
15.图4a到图4c示出根据一些实施例的行或列逐像素激活方法的方块图。
16.图5示出根据一些实施例的3
×
3逐像素互相关光子检测系统的方块图。
17.图6示出根据一些实施例的5
×
5逐像素互相关光子检测系统的方块图。
18.图7a至图7c示出根据一些实施例，在各种阈值设置下从单个像素获得的光子计数直方图。
19.图8a至图8b示出根据一些实施例的dtof传感器中的噪声滤波方法的流程图。
20.图9示出根据一些实施例的dtof测距系统的方块图。
21.图10a至图10b是示出示例性dtof传感器的3d平面图的示意图。
22.图11a至图11c示意性地示出示例性dtof传感器的剖床平面图。
23.图12a至图12c示意性地示出示例性dtof传感器的剖床平面图，在spad检测器与相关联时间戳电路系统之间连接有时间放大器。
具体实施方式
24.下面参考附图来阐述本公开的各种示例性实施例，以使所属领域中的一般技术人员能够制作及使用本公开。对于所属领域中的一般技术人员来说将显而易见的是，在阅读本公开之后，在不脱离本公开的范围的情况下，可对本文阐述的实例进行各种改变或修改。因此，本公开不限于本文阐述及示出的示例性实施例及应用。此外，在本文中公开的方法中步骤的特定顺序及/或层次仅是示例性途径。基于设计偏好，所公开的方法或过程的步骤的特定顺序或层次可在保持在本公开的范围内的同时被重新布置。因此，所属领域中的一般技术人员将理解，本文公开的方法及技术以样本顺序呈现各种步骤或动作，且本公开不限于所呈现的特定顺序或层次，除非另有明确说明。
25.图1示出测量从dtof传感器117到三维物体109的距离111的三维距离感测系统100。在一个实施例中，光源101向三维物体109发射调制信号105。在某一实施例中，光源101可包括发光二极管(light
‑
emitting diode，led)或固态激光器103(例如波长介于850纳米(nm)到870纳米范围内的垂直腔面发射激光器(vertical
‑
cavity surface
‑
emitting laser，vcsel))的阵列。在一些实施例中，调制信号105可为方波或连续波(例如正弦波)。在一些实施例中，调制信号105可以预定周期性而周期性地产生。在另一个实施例中，调制信号105可使用包括环形振荡器及计数器的数字电路系统来产生。
26.反射信号107是从三维物体109反射，且由dtof传感器阵列系统115检测到。在一些实施例中，dtof传感器阵列系统115可包括光接收器113的二维阵列。在某一实施例中，dtof传感器阵列系统115可由spad光接收器来实作。如图1所示，dtof传感器117通过测量从光源101发射并由传感器阵列系统115捕获的光子的往返行程时间t
d
来操作。通过测量反射信号107相对于调制信号105的相位延迟来确定调制信号105及反射信号107中携带的光子的往返行程时间。然后通过下式来确定距离d 111：
[0027][0028]
其中c是在三维物体109及dtof传感器117所在的材料介质中的光速，且t
d
是从光源101发射并由传感器阵列系统115捕获的光子的往返行程时间。
[0029]
图2示出根据一些实施例的dtof传感器阵列系统200的方块图。dtof传感器阵列系统200包括二维正方形像素阵列221，二维正方形像素阵列221包括像素223及225a至225h，每个像素具有spad光检测器。在一些实施例中，可使用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)技术来实施spad光检测器。dtof传感
器阵列系统200还包括耦合到dtof传感器阵列221的信号处理电路系统。在一些实施例中，信号处理电路系统包括：行控制逻辑电路201，从二维像素阵列221中选择一行；及列读出逻辑电路203，被配置成从二维像素阵列221中选择一列。根据一些实施例，列读出逻辑203可包括被配置成量化发射信号及反射信号的上升沿之间的时间间隔的多个时间数字转换器(time to digital converter，tdc)211。在一些实施例中，dtof传感器阵列系统200提供由直方图化逻辑电路205产生的深度信息207，直方图化逻辑电路205将由tdc 211产生的量化时间间隔测量值累积到统计表示图(例如光子事件检测信号相对于量化时间测量值的直方图)中。在一些实施例中，直方图化逻辑电路205可在芯片上或芯片外实作。
[0030]
此外，如图2所示，dtof传感器阵列系统200可包括逐像素信号处理电路209，逐像素信号处理电路209被配置成对由像素223接收的假光子事件检测信号进行滤波。在各种实施例中，逐像素信号处理电路209可包括逻辑门219，逻辑门219被配置成基于例如从像素225a至225h或223中的任一者接收到光子事件检测信号来转变其二进制输出状态。逐像素信号处理电路209还可包括计数器逻辑电路217，计数器逻辑电路217由逻辑门219的二进制输出状态的转变触发，且被配置成对所接收的光子事件检测信号的数量进行计数。在一些实施例中，如图2所示，逐像素信号处理电路209可包括阈值转换逻辑电路215，阈值转换逻辑电路215将计数器逻辑217的输出与预定阈值n进行比较。在本公开的各种实施例中，阈值转换逻辑215可为量值比较器，所述量值比较器将从计数器逻辑217接收的输入与预定阈值n进行比较，以判断从计数器逻辑217接收的输入是否大于预定阈值n。在一些实施例中，预定阈值n是大于1的整数。在一些实施例中，n是在2到5范围内的整数值。此外，逐像素信号处理电路209可包括双状态机213，双状态机213被配置成基于阈值转换逻辑215的输出来改变其状态。例如，如果阈值转换逻辑215的输出指示从计数器逻辑217接收的输入大于预定阈值n，则双状态机213将其状态改变为“有效”。在一些实施例中，逐像素信号处理电路209的示例性优点在于，其通过处理从像素225a至225h或223中的任一者接收的互相关的光子检测事件来减少暗计数率(dcr)及背景照明噪声的影响。
[0031]
图3a示出dtof传感器阵列的由中心像素303、与中心像素303对角相邻的多个像素307a及与中心像素303正交相邻的多个像素305a至305d构成的3
×
3子阵列301。
[0032]
根据本公开的一些实施例，图3b所示的时序图提供互相关的光子检测途径的图形实例。如此，图3b示出从光源发射的调制信号311及反射信号313的时序图。此外，图3b还示出入射在图3a所示3
×
3子阵列上的反射信号315、319及321的时序图。由dtof传感器阵列的spad光接收器产生的反射信号315、319及321具有预定脉冲宽度317。此外，图3b示出由中心像素303及与中心像素303正交相邻的像素产生的假光子事件检测信号323及327的实例。就此来说，假光子事件检测信号323及327可能是由于dcr或背景噪声。
[0033]
图3b还示出有效的光子事件检测信号325。在一些实施例中，当中心像素303及至少两个其他相邻像素在有效视窗内的任何时间产生脉冲时，检测到有效的光子事件检测信号。在此实施例中，当从正交相邻的像素及对角相邻的像素接收的光子事件检测信号的数量为至少两个时，中心像素303登记有效的光子事件检测信号。在其他实施例中，有效视窗的宽度可相同于反射信号315、319及321的脉冲宽度。
[0034]
图4a至图4c示出根据一些实施例的用于相关检测过程的像素的逐像素激活的方块图。如图4a所示，对于每个中心像素，使用3
×
3逐像素互相关光子检测系统来收集光子检
测或spad雪崩事件。在本发明的一些实施例中，行控制逻辑可选择dtof传感器阵列中的三个相邻行。如此，对于中心像素411，从与中心像素411正交相邻的像素401、405、409及415以及从与中心像素411对角相邻的像素403、407、413及417收集光子检测或spad雪崩事件。 在此实施例中，对于dtof传感器阵列中的每个中心像素，从与中心像素相关联的正交相邻的像素及对角相邻的像素收集光子检测或spad雪崩事件。
[0035]
图4b示出从相邻像素收集光子检测或spad雪崩事件的替代方法。例如，如图4b所示，对于每个选定像素行419，从正交相邻的列像素421、423、425、427及429收集光子检测或spad雪崩事件。随后，根据图4b，对于选定像素行419的像素431，从选定像素行419中的每个像素收集来自水平相邻的像素的经组合光子检测或spad雪崩事件。根据本发明的另一个实施例，如图4c所示，行控制逻辑及列控制逻辑可通过激活行435、437及439以及列436、438及440来选择dtof传感器阵列的3
×
3子阵列。在此实施例中，从与中心像素正交相邻的像素及对角相邻的像素收集光子检测或spad雪崩事件。
[0036]
图5示出根据本发明一些实施例的3
×
3逐像素信号处理电路500的方块图。在一些实施例中，图5所示逐像素信号处理电路500对假光子事件检测信号进行滤波。例如，根据一个实施例，通过将由与中心像素503正交相邻的像素507、509、511及513产生的第一组信号与第一预定参数(w1)相乘且将由与中心像素503对角相邻的像素519、521、523及529产生的第二组信号与第二预定参数(w2)相乘，来处理由3
×
3子阵列501产生的信号。在一些实施例中，第一预定参数w1及第二预定参数w2可为标量。在其他实施例中，第一预定参数w1及第二预定参数w2可为具有不同或相同元素的长度为4的向量。例如，第一预定参数w1可为具有相同或不同元素w
11
、w
21
、w
31
、w
41
的向量w1＝(w
11
,w
21
,w
31
,w
41
)，且第二预定参数w2可为具有相同或不同元素w
12
、w
22
、w
32
、w
42
的向量w2＝(w
12
,w
22
,w
32
,w
42
)。
[0037]
如图5所示，在用第一预定参数w1及第二预定参数w2按比例缩放后，第一组信号及第二组信号分别在加法器515及525中进行组合。加法器515及525的相应输出517及527被传输到在逐像素信号处理电路531中实施的逐像素互相关光子计数器逻辑539中。此外，逐像素信号处理电路531可包括阈值转换逻辑537。就此来说，阈值转换逻辑537将计数器逻辑539的输出与预定阈值n进行比较，且如果计数器逻辑539的输出大于预定阈值n，则输出有效的信号。在本公开的各种实施例中，逐像素信号处理电路531还可包括延迟块543，延迟块543将从中心像素503接收的信号505延迟时间量t2。一般来说，延迟量t2大于信号505的脉冲视窗541(t1)。此外，逐像素信号处理电路531还可包括与门535，如果中心像素503产生光子事件检测信号且阈值转换逻辑537的输出有效，则与门535输出有效的光子事件检测信号533。
[0038]
图6示出根据本发明一些实施例的5
×
5逐像素信号处理电路600的方块图。例如，根据一个实施例，通过以下方式来处理由5
×
5子阵列601产生的信号：将由与中心像素603正交相邻且位于嵌入的以中心像素603为中心并具有中心像素603的3
×
3子阵列内的多个像素635产生的第一组信号633与第一预定参数(w1)相乘，且将由与中心像素603对角相邻且位于3
×
3子阵列内的多个像素627产生的第二组信号631与第二预定参数(w2)相乘。此外，如图6所示，由位于5
×
5子阵列601外围上且与中心像素603正交相邻的多个像素625(像素602a至602d)产生的第三组信号605与第三预定参数(w3)相乘。在一些实施例中，第一预定参数w1、第二预定参数w2及第三预定参数w3可为标量。在其他实施例中，第一预定参数
w1、第二预定参数w2及第三预定参数w3可为具有不同或相同元素的长度为4的向量。
[0039]
如图6所示，在用第一预定参数w1及第二预定参数w2按比例缩放后，第一组信号633及第二组信号631在加法器629中进行组合。此外，在用第三预定参数w3按比例缩放后，第三组信号605在加法器621中进行组合。加法器629及621的输出被传输到在逐像素信号处理电路619中实作的逐像素互相关光子计数器逻辑611中。此外，逐像素信号处理电路619可包括阈值转换逻辑电路613。就此来说，阈值转换逻辑电路613将计数器逻辑电路611的输出与预定阈值n进行比较。在本公开的各种实施例中，逐像素信号处理电路619还可包括延迟块609，延迟块609将从中心像素603接收的信号604延迟时间量t2。一般来说，延迟量t2大于信号604的脉冲视窗607(t1)。此外，逐像素信号处理电路619还可包括与门615，如果中心像素603产生光子事件检测信号且阈值转换逻辑613的输出有效，则与门615输出有效的光子事件检测信号617。
[0040]
图7a至图7c示出根据一些实施例，检测到的光子事件相对于针对各种预定阈值获得的tdc测量值的单像素直方图。图7a示出具有有效的光子检测峰值信号703a的单像素直方图701a，其是从不具有互相关光子检测系统的dtof传感器阵列获得的。此外，由于噪声引起的假光子事件检测信号也示于图7a中。就此来说，噪声基底(noise floor)707a比有效的光子检测峰值信号703a低一个量705a。此外，给定有效的光子检测峰值信号(703a)及噪声基底707a，可计算例如信噪比(signal
‑
to
‑
noise ratio，snr)等各种品质因数。图7b示出根据本发明各种实施例的具有有效的光子检测峰值信号703b的单像素直方图701b，其是从包括预设阈值n＝2的互相关光子检测系统的dtof传感器阵列获得的。此外，相关系数a1(w1)及a2(w2)分别被设定为1及1。在此实施例中，噪声基底707b比有效的光子检测峰值信号703b低一个量705b，量705b大于图7a所示的量705a。因此，图7b所示实施例中的所得信噪比大于图7a所示实施例中的信噪比。图7c示出根据本发明各种实施例的具有有效的光子检测峰值信号703c的单像素直方图701c，其是从包括预设阈值n＝4的互相关光子检测系统的dtof传感器阵列获得的。此外，在此实施例中，相关系数a1(w1)及a2(w2)分别被设定为2及1。如图7c所示，噪声基底707c比有效的光子检测峰值信号703c低一个量705c，量705c大于图7a至图7b所示的量705a或705b。因此，图7c所示实施例中的所得信噪比大于图7a或图7b所示实施例中的信噪比。
[0041]
图8a至图8b示出根据一些实施例的在dtof传感器中实施的假光子计数滤波方法的流程图。例如，图8a示出使用3
×
3逐像素互相关光子检测系统的假光子计数滤波方法的流程图。根据各种实施例，在步骤801中，dtof传感器在每个dtof采集帧期间激活二维dtof阵列中的三个连续像素行，并感测入射在所激活像素上的反射信号。在其他实施例中，在步骤801中，dtof传感器在每个dtof采集帧期间可激活二维dtof阵列中的所有像素，并感测入射在所激活像素上的反射信号。接下来，在步骤803中，对于每个像素，使用3
×
3逐像素互相关光子检测系统来收集光子事件检测信号或spad雪崩事件。在步骤807中，对于每个像素，当由逐像素互相关系统收集的光子事件检测信号或spad雪崩事件的总数大于预设阈值时，报告有效的光子事件检测信号。在步骤809中，tdc将有效的飞行时间测量值数字化。
[0042]
作为另一实例，图8b示出使用5
×
5逐像素互相关光子检测系统的假光子计数滤波方法的流程图。根据各种实施例，在步骤811中，dtof传感器在每个dtof采集帧期间激活二维dtof阵列中的五个连续像素行，并感测入射在所激活像素上的反射信号。在其他实施例
中，在步骤811中，dtof传感器在每个dtof采集帧期间可激活二维dtof阵列中的所有像素，并感测入射在所激活像素上的反射信号。接下来，在步骤813中，对于每个像素，使用5
×
5逐像素互相关光子检测系统来收集光子事件检测信号或spad雪崩事件。在步骤815中，对于每个像素，当由逐像素互相关系统收集的光子事件检测信号或spad雪崩事件的总数大于预设阈值时，报告有效的光子事件检测信号。在步骤817中，tdc将有效的飞行时间测量值数字化。
[0043]
图9示出根据本发明各种实施例的测距系统901的方块图。在一些实施例中，测距系统901可为被配置成实施本文阐述的各种方法的光检测及测距(light detection and ranging，lidar)传感器。在其他实施例中，测距系统901可在无人自主地面及空中运载工具中实作。此外，测距系统901也可在三维物体识别系统中实作。如图9所示，测距系统901包括处理器905、存储器903及dtof传感器907。
[0044]
在一些实施例中，dtof传感器907被实作为上面结合图5及图6阐述的dtof传感器中的一者。在一些实施例中，处理器905控制测距系统901的一般操作。此外，处理器905对从dtof传感器907接收的数据执行图像处理及分类算法。处理器905可包括一个或多个处理电路或模块，例如中央处理器(central processing unit，cpu)和/或通用微处理器、微控制器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)、可编程逻辑器件(programmable logic device，pld)、控制器、状态机、选通逻辑、分立硬件组件、专用硬件有限状态机或可实行计算或其他数据操纵的任何其他合适的电路、器件和/或结构的任意组合。
[0045]
可包括只读存储器(read
‑
only memory，rom)及随机存取存储器(random access memory，ram)两者的存储器903可向处理器905提供指令及数据。存储器903的一部分还可包括非易失性随机存取存储器(non
‑
volatile random access memory，nvram)。处理器905通常基于存储在存储器903内的程序指令来实行逻辑及算术运算。存储在存储器903中的指令(又称为软件)可由处理器905执行以实行本文阐述的方法。处理器905及存储器903一起形成存储及执行软件的处理系统。如本文所使用的“软件”意指可配置机器或器件来实行一个或多个期望功能或过程的任何类型的指令，无论被称为软件、固件、中间件、微代码等。指令可包括代码(例如，呈源代码格式、二进制代码格式、可执行代码格式或任何其他合适的代码格式)。当由所述一个或多个处理器执行时，所述指令使得处理系统实行本文阐述的各种功能。
[0046]
图10a示出示例性dtof传感器的三维平面图的示意图。在一些实施例中，图10a所示的三维平面图包括由反向偏置雪崩二极管的矩形阵列构成的spad阵列1009。在各种实施例中，spad阵列1009可集成在具有辅助组件的半导体器件的硅衬底上，所述辅助组件为例如读出控制电路系统1003、行控制电路系统1007、相关联时间数字转换(tdc)电路系统1005及直方图化电路系统1001。尽管这些各种辅助组件1001、1003、1005及1007可为硅系组件，但是应当理解，这些硅系组件可包含非硅和/或硅合金材料，例如各种氧化物、绝缘体或介电质(例如，氧化硅、氮化硅或氮氧化硅或不含硅的介电质)、各种硅合金(例如，硅
‑
锗或硅
‑
锗
‑
碳合金)、金属层或金属合金层等。此外，在各种实施例中，spad阵列1009以及辅助组件1001、1003、1005及1007可制作在不同的金属层上。例如，spad阵列1009可被图案化或刻蚀在半导体器件的顶部不透明层上，而辅助组件1001、1003、1005及1007可被图案化或刻蚀在
下部金属层上。
[0047]
在其他实施例中，spad阵列1009以及辅助组件1001、1003、1005及1007可被制作在结合在一起的堆叠晶片上，以在半导体器件上形成dtof传感器。根据各种实施例，堆叠晶片可包含硅、砷化镓或其他半导体材料。在所示实例中，顶部晶片可包括spad阵列1009，而底部晶片可包括辅助组件1001、1003、1005及1007。在其他实施例中，将辅助数字组件1001、1003、1005及1007放置在底部晶片上允许在顶部晶片上的spad阵列1009中实现非常高的填充因数。此外，由于顶部晶片可与底部晶片分开形成，因此可利用定制制作工艺来优化spad阵列1009在顶部晶片上的形成，而当在底部晶片上形成辅助数字组件1001、1003、1005及1007时，可保留传统的cmos工艺。
[0048]
在一些实施例中，spad阵列1009可通过金属迹线1002耦合到相关联tdc电路系统1005。在一个实施例中，金属迹线1002可包括微硅穿孔(micro
‑
through silicon via，μtsv)。μtsv可包含其中沉积的导电材料(例如，铜、多晶硅等)。如图10a所示，可制作用于spad阵列1009的每一行的至少一条金属迹线，以将由spad阵列1009的每一行产生的输出脉冲传输到底部晶片的相关联tdc电路系统1005。在各种实施例中，金属迹线1002可包括包含薄膜(例如，铝、铜等)的重布线层(redistribution layer，rdl)，以用于对spad阵列1009与相关联tdc电路系统1005之间的电连接进行重新路由及重布线。
[0049]
图10b示出dtof传感器的一种可能实作方式的三维平面图的示意图。图10b所示的示例性三维平面图类似于以上论述的图10a的三维平面图。然而，图10b的三维平面图包括附加金属迹线1008，附加金属迹线1008将spad阵列1009中的每个像素连接到集成在tdc 1005的矩形阵列内的tdc。更具体来说，在图10b的三维平面图中，spad阵列中的每个像素通过金属迹线1008连接到相关联tdc。因此，图10b的三维平面图为每个spad检测器提供个性化的读出及个性化的时间戳两者。
[0050]
图11a示意性地示出示例性dtof传感器的剖床平面图。在一些实施例中，示例性dtof传感器的剖床平面图可包括二维(two
‑
dimensional，“2d”)spad像素阵列1103。如图所示，每个像素被布置成行及列，以获取人、地点或物体的图像数据。此外，图11a所示的剖床平面图可包括行控制电路系统1101，行控制电路系统1101被配置成从行控制电路系统1007(图10a至图10b)接收行地址，并通过行控制路径1102向spad像素阵列1103提供对应的行控制信号，例如复位、行选择、电荷转移、双重转换增益及读出控制信号。此外，图11a中所示的剖床平面图还可包括通过一条或多条导电线1104耦合到spad像素阵列1103的每一列的列控制电路系统1105。就此来说，所述一条或多条导电线可用于从spad像素阵列1103读出图像信号，并用于向spad像素阵列1103中的像素供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在一些实施例中，在像素读出操作期间，可使用行控制电路系统1101来选择spad像素阵列1103中的像素行，且可沿着所述一条或多条导电线1104读出由所述像素行中的图像像素产生的图像信号。
[0051]
在各种实施例中，图11a的剖床平面图可包括图像读出电路系统，所述图像读出电路系统包括一个或多个时间数字转换器(tdc)电路系统1107及基于锁相回路(phase
‑
locked loop，pll)的时间参考产生模块1106。此外，tdc电路系统1107可被配置成测量飞行时间，并以大于参考时钟周期的分辨率为光子检测事件产生时间戳。在一些实施例中，pll模块1106可适用于为所述一个或多个tdc电路系统1107提供时钟信号。基于pll的定时参考
模块1106示于图11a中仅用于说明，且所述一个或多个tdc电路系统1107的定时参考可使用来自任何合适的定时模块的并行输出来产生；例如延迟锁定回路(delay locked loop，dll)、有源延迟线、无源延迟线等。
[0052]
图11b示出dtof传感器的另一种可能实作方式的剖床平面图。图11b所示的示例性剖床平面图类似于以上论述的图11a的剖床平面图。然而，图11b的剖床平面图包括时间振幅转换器(time
‑
to
‑
amplitude converter，tac)1109，tac 1109被配置成测量馈送到tac 1109的开始信号与停止信号之间的时间差。在一些实施例中，tac 1109输出模拟电压信号，所述模拟电压信号的信号高度和在接收开始信号与停止信号之间测量的时间差成比例。在进一步的实施例中，输出的模拟信号然后可以模拟形式被进一步处理，或者例如被下游模数转换器(analog
‑
digital converter，adc)数字化。此外，如图11b所示，剖床平面图可包括斜坡积分器1108，斜坡积分器1108连接到tac 1109，且被配置成在tac 1109接收到开始信号之后启动斜坡信号。在接收到停止信号之后，斜坡积分器1108达到和接收开始信号与停止信号之间的时间间隔成比例的固定电压值。
[0053]
图11c示出dtof传感器的另一种可能实作方式的剖床平面图。图11c所示的示例性剖床平面图类似于以上论述的图11a的剖床平面图。 然而，图11c的剖床平面图包括连接到列控制电路系统1105的单个tdc 1110。在一些实施例中，tdc 1110可被配置成检测并产生来自选定像素行的任何像素中的光子检测事件的时间戳。
[0054]
图12a示意性地示出示例性dtof传感器的剖床平面图，在spad像素阵列1103与基于计数器的tdc 1203之间连接有时间放大器(time amplifier，ta)1207。如图12a所示，剖床平面图可包括参考时钟1201。在此实施例中，每个基于计数器的tdc 1203的时间分辨率由参考时钟1201的频率决定，且其量化误差取决于参考时钟1201的周期。此外，基于计数器的tdc 1203可通过由开始脉冲及停止脉冲控制的异步二进制计数器来实作。例如，tdc 1203的异步二进制计数器可由参考时钟1201驱动，且通过开始脉冲来复位。异步二进制计数器的输出可通过停止脉冲来采样。来自异步二进制计数器的采样数据是和开始脉冲与停止脉冲之间的时间差成比例的数字输出。在一些实施例中，停止脉冲可由spad像素阵列1103中检测光子事件的像素触发，且开始脉冲可在发射调制光时触发。
[0055]
更高分辨率dtof传感器需要能够更准确地测量飞行时间。如此，图12a中所示的剖床平面图可包括ta 1207，ta 1207被配置成在输出处放大输入时间差，且因此改善基于计数器的tdc 1203的分辨率及动态范围。
[0056]
图12b示出具有时间放大器(ta)1207的dtof传感器的另一种可能实作方式的剖床平面图。图12b所示的示例性剖床平面图类似于以上论述的图12a的剖床平面图。然而，图12b的剖床平面图包括时间振幅转换器(tac)1109及连接到tac 1109并被配置成在tac 1109接收到开始信号后启动慢斜坡信号的慢斜坡积分器1205。
[0057]
图12c示出具有时间放大器(ta)1207的dtof传感器的另一种可能实作方式的剖床平面图。图12c所示的示例性剖床平面图类似于以上论述的图12a的剖床平面图。然而，图12c的剖床平面图包括通过ta 1207连接到列控制电路系统1105的单个tdc 1110。
[0058]
在一些实施例中，本发明提供一种用于测量距物体的距离的装置，所述装置包括被配置成向物体发射调制信号的光源及被配置成接收来自物体的反射信号的直接飞行时间(dtof)传感器阵列，其中所述直接飞行时间传感器阵列包括多个单光子雪崩二极管
(spad)。此外，在此实施例中，用于测量距物体的距离的装置可包括处理电路系统，耦合到所述直接飞行时间传感器阵列，所述处理电路系统从中心像素以及与所述中心像素正交及对角相邻的多个像素接收光子事件检测信号，且因应于判断所接收的所述光子事件检测信号的总和是否大于预定阈值，来输出有效的光子检测信号。此外，在其他实施例中，用于测量距物体的距离的装置可包括被配置成选择dtof传感器阵列中的一行像素的行控制逻辑电路及被配置成选择dtof传感器阵列中的一列像素的列控制逻辑电路。
[0059]
在相关实施例中，所述处理电路系统还包括：行控制逻辑电路，被配置成选择所述直接飞行时间传感器阵列中的一行像素；以及列控制逻辑电路，被配置成选择所述直接飞行时间传感器阵列中的一列像素。
[0060]
在相关实施例中，所述处理电路系统还包括：时间数字转换器，被配置成量化入射在由所述行控制逻辑电路及所述列控制逻辑电路选择的像素上的所述发射调制信号及所述反射信号的上升沿之间的时间间隔。
[0061]
在相关实施例中，所述处理电路系统还包括：直方图化逻辑电路，被配置成为所述直接飞行时间传感器阵列中的每个像素累积在多个采集帧期间从所述时间数字转换器接收的多个量化时间测量值。
[0062]
在相关实施例中，所述处理电路系统还被配置成利用第一预定参数按比例缩放从与所述中心像素正交相邻的像素接收的第一组光子事件检测信号，且利用第二预定参数按比例缩放从与所述中心像素对角相邻的像素接收的第二组光子事件检测信号。
[0063]
在相关实施例中，所述处理电路系统还被配置成利用第三预定参数按比例缩放从位于以所述中心像素为中心且与所述中心像素正交相邻的5
×
5矩形子阵列的外围上的像素接收的第三组光子事件检测信号。
[0064]
在相关实施例中，所述预定阈值是大于1的整数。
[0065]
在相关实施例中，所述处理电路系统还包括阈值转换逻辑电路，所述阈值转换逻辑电路被配置成判断经比例缩放的所述第一组光子事件检测信号、所述第二组光子事件检测信号及所述第三组光子事件检测信号的总和是否大于所述预定阈值。
[0066]
在相关实施例中，所述的装置还包括：逻辑与门，被配置成因应于从所述阈值转换逻辑电路接收到指示经比例缩放的所述第一组光子事件检测信号、所述第二组光子事件检测信号及所述第三组光子事件检测信号的所述总和大于所述预定阈值的信号及来自所述中心像素的延迟的光子事件检测信号，来输出有效的光子事件检测。
[0067]
在一些实施例中，一种用于处理从直接飞行时间(dtof)传感器阵列接收的逐像素信号的信号处理装置包括：逐像素信号处理电路，耦合到dtof传感器阵列，且被配置成：从中心像素以及与所述中心像素正交及对角相邻的多个像素接收光子事件检测信号，且因应于判断所接收的所述光子事件检测信号的总和是否大于预定阈值，来输出有效的光子检测信号；时间数字转换器(tdc)，被配置成因应于接收到所述有效的光子检测信号，来量化入射在所述中心像素上的发射调制信号及反射信号的上升沿之间的时间间隔；以及直方图化逻辑电路，被配置成累积在多个采集帧期间从所述时间数字转换器接收的多个量化时间测量值，且基于所述多个量化时间测量值的统计分布来确定深度信息。
[0068]
在进一步的实施例中，所述信号处理装置还可包括被配置成选择dtof传感器阵列中的一行像素的行控制逻辑电路，以及被配置成选择dtof传感器阵列中的一列像素的列控
制逻辑电路。
[0069]
在相关实施例中，所述逐像素信号处理电路还被配置成利用第一预定参数按比例缩放从与所述中心像素正交相邻的像素接收的第一组光子事件检测信号，且利用第二预定参数按比例缩放从与所述中心像素对角相邻的像素接收的第二组光子事件检测信号。
[0070]
在相关实施例中，所述逐像素信号处理电路还被配置成利用第三预定参数按比例缩放从位于以所述中心像素为中心且与所述中心像素正交相邻的5
×
5矩形子阵列的外围上的像素接收的第三组光子事件检测信号。
[0071]
在相关实施例中，所述统计分布包括所述多个量化时间测量值的出现频率。
[0072]
在其他实施例中，一种用于测量从直接飞行时间(dtof)传感器阵列到物体的距离的方法包括：从所述中心像素以及与所述中心像素正交及对角相邻的多个像素接收光子事件检测信号；因应于判断所接收的所述光子事件检测信号的总和是否大于预定阈值，来输出有效的光子检测信号；因应于接收到所述有效的光子检测信号，使用时间数字转换器(tdc)来量化入射在中心像素上的发射调制信号及反射信号的上升沿之间的时间间隔；累积在多个采集帧期间从所述时间数字转换器接收的多个量化时间测量值；以及基于所述多个量化时间测量值的统计分布来确定深度信息。
[0073]
在相关实施例中，所述预定阈值是大于1的整数。
[0074]
在相关实施例中，所述的方法进一步将在所述多个采集帧期间从所述时间数字转换器接收的所述多个量化时间测量值累积到直方图中。
[0075]
在相关实施例中，所述的方法还包括：利用第一预定参数按比例缩放从与所述中心像素正交相邻的像素接收的第一组光子事件检测信号，且利用第二预定参数按比例缩放从与所述中心像素对角相邻的像素接收的第二组光子事件检测信号。
[0076]
在相关实施例中，所述的方法还包括：利用第三预定参数按比例缩放从位于以所述中心像素为中心且与所述中心像素正交相邻的5
×
5矩形子阵列的外围上的像素接收的第三组光子事件检测信号。
[0077]
在相关实施例中，所述的方法还包括：判断经比例缩放的所述第一组光子事件检测信号、所述第二组光子事件检测信号及所述第三组光子事件检测信号的总和是否大于所述预定阈值。
[0078]
尽管以上已阐述了本公开的各种实施例，然而应理解，所述实施例仅以举例方式而非限制方式呈现。同样，各个图式可绘示示例性架构或配置，提供所述示例性架构或配置是为了使所属领域中的一般技术人员能够理解本公开的示例性特征及功能。然而，所属领域中的一般技术人员应理解，本公开并非仅限于所示出的示例性架构或配置，而是可使用各种替代架构及配置来实施。另外，如所属领域中的一般技术人员应理解，一个实施例的一个或多个特征可与本文中所述的另一实施例的一个或多个特征进行组合。因此，本公开的广度及范围不应受上述示例性实施例中的任一示例性实施例限制。
[0079]
还应理解，本文中每当使用例如“第一”、“第二”等称谓来提及元件时均不是笼统地限制所述元件的数量或次序。而是，本文中使用这些称谓作为区分两个或更多个元件或区分元件的实例的便捷手段。因此，提及“第一元件”和“第二元件”并不意味着仅可采用两个元件或者第一元件必须以某种方式在第二元件之前。
[0080]
另外，所属领域中的一般技术人员应理解，可使用各种不同的技术及技法中的任
一种来表示信息及信号。举例来说，数据、指令、命令、信息、信号、位及符号(举例来说，在以上说明中可能提及的)可由电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光学场或光学粒子或其任意组合来表示。
[0081]
所属领域中的一般技术人员还应理解，结合本文所公开的各个方面阐述的各种例示性逻辑区块、模块、处理器、构件、电路、方法及功能中的任一者可由电子硬件(例如，数字实施形式、模拟实施形式或两者的组合)、韧件、包含指令的各种形式的程序或设计代码(为方便起见，在本文中可被称为“软件”或“软件模块”)或这些技术的任意组合来实施。
[0082]
为清楚地例示硬件、韧件及软件的此种可互换性，以上已对各种例示性组件、区块、模块、电路及步骤在其功能方面进行了大体阐述。此种功能是被实施为硬件、韧件还是软件、抑或被实施为这些技术的组合取决于具体应用及施加于整个系统的设计约束条件。所属领域中的技术人员可针对每一具体应用以各种方式实施所阐述的功能，但此种实施决策不会导致脱离本公开的范围。根据各种实施例，处理器、器件、组件、电路、结构、机器、模块等可被配置成执行本文中所述的功能中的一个或多个功能。本文中针对规定操作或功能使用的用语“被配置成”或“被配置用于”是指处理器、器件、组件、电路、结构、机器、模块、信号等被实体构造成、编程成、排列成和/或格式化成执行规定操作或功能。
[0083]
此外，所属领域中的一般技术人员应理解，本文中所述的各种例示性逻辑区块、模块、器件、组件及电路可在集成电路(ic)内实施或由集成电路(ic)执行，所述集成电路可包括数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或其他可编程逻辑器件、或其任意组合。逻辑区块、模块及电路还可包括天线和/或收发器，以与网络内或器件内的各种组件进行通信。被编程成执行本文中的功能的处理器将变成专门编程的或专用的处理器，且可被实施为计算器件的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与dsp核的结合、或者执行本文中所述的功能的任何其他合适的配置。
[0084]
如果以软件的形式实施，则所述功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读媒体上。因此，本文中所公开的方法或算法的步骤可被实施为存储在计算机可读媒体上的软件。计算机可读媒体包括计算机存储媒体及通信媒体二者，包括任何可能够将计算机程序或代码从一个地方传递到另一地方的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。作为示例而非限制，这种计算机可读媒体可包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read
‑
only memory，eeprom)、只读光盘(compact disk
‑
rom，cd
‑
rom)或其他光盘存储器件、磁盘存储器件或其他磁性存储器件、或者可用于以指令或数据结构的形式存储所期望的程序代码且可由计算机存取的任何其他媒体。
[0085]
在本文件中，本文使用的用语“模块”是指用于执行本文中所述的相关功能的软件、韧件、硬件以及这些元件的任意组合。另外，为便于论述，各种模块被阐述为离散模块；然而，对于所属领域中的一般技术人员来说显而易见的是，可将两个或更多个模块组合形成单个模块，由所述单个模块执行根据本公开的实施例的相关功能。
[0086]
对本公开中所述的实施方式的各种修改对于所属领域中的技术人员来说将显而易见，且在不背离本公开的范围的条件下，本文中所定义的一般原理也可应用于其他实施
方式。因此，本公开并非旨在仅限于本文中所示的实施方式，而是符合与在以上权利要求书中所述的本文所公开新颖特征及原理一致的最宽广范围。