像素传感器系统的制作方法

1.本发明涉及用于高速成像的改进系统和改进方法，其中可以在有限的时间跨度和非常有限的光子预算内可靠地捕获环境。


背景技术：

2.在现有技术中，在扫描主动成像中，光束，典型的是激光，在要捕获的区域上移动，并且经由多个图像传感器在每个时间点记录光束撞击的地点。通过处理来自不同视点(传感器)的地点差异，可以经由三角测量确定到照明目标的有效距离。这样的测量捕获体素。可以执行此过程的速度，即体素速率，一方面受到用光束进行扫描的速度的限制，但另一方面也(最强烈地)受到传感器检测反射光束所需的处理时间的限制，尤其是与背景辐射(环境光)和一般热噪声相关。通过专门解决该第二个问题，可以显著加速成像。
3.为了实现每秒数千万甚至数亿体素的体素速率，每个体素必须在最多10ns的时间跨度内被捕获。因此，传感器还必须适合于以有限的光子预算(即检测到的入射在传感器上的足以进行检测的光子)操作，诸如，例如10个光子。鉴于处理的时间跨度有限，只能捕获有限数量的光子。
4.现有的图像处理和成像系统处理由传感器获取的光学输入，或者在所谓的“全局快门”的情况下针对所有像素并行处理，或者在“滚动快门”的情况下随时间推移进行处理。在这两种情况下，典型的成像系统具有每个入射电子10μv至1mv的增益因子，以便实现超过最小检测电压并且可以被记录的信号。在上述范围内，需要注意的是，这个上限只能由较新的成像器来保证，这些成像器已经过专门修改以对光子进行计数，并且专注于非常低的检测速率。使用这种专用传感器，可以为10个电子产生10mv信号，其可以针对特定像素被主动读取。为了检测入射光子包，需要10个光子的最小数量，这些光子而且因此在10ns的时间跨度内撞击传感器。迄今为止，现有技术所做的是将传感器的曝光时间限制为例如10ns，然后读取传感器以经由阈值电压触发事件(即反射光束的真实入射而不是由于环境光或热噪声而导致的假阳性)。这样的缺点是，尤其是在高分辨率成像器的情况下，读取传感器所需的时间在整个过程中占主要，并且典型地显著高于10ns，从而在此处造成瓶颈。
5.替代方案是让传感器自己决定在某个时间跨度内是否已检测到最少数量的光子，这相当于体素的检测，而不是读取传感器并且根据读取的数据决定是否发生事件。但是，这样做的问题是传感器评估事件是否已发生所需的时间仍然太长，并且目前在最新版本中，诸如prophesee传感器，仍然至少为1μs。此外，在这样的实施例中，几乎不可能将由于环境光或热噪声引起的假阳性与真实事件区分开来。
6.wo 2013/018006描述了具有spad检测器以检测光子入射的检测器阵列。但是，该系统并不适合实现本发明的目的，即减少假阳性。wo'006使用来自spad的信号在行和列中的聚合来以这种方式确定精确位置，而无需单独读取每个spad。但是，这仍然会产生许多无法过滤掉的来自环境噪声等的信号。
7.us 2012/257789描述了源自传感器输出的事件中的信号处理，该传感器输出经由
空间/时间条件识别运动并且标识运动集群。但是，用于此的输入仅在信号的后处理中被处理，这在本发明中被避免(在预处理中发生)。因此，us'789会“盲目地”传递所有传感器数据，以至于瓶颈在后处理中再次出现。
8.us 2018/262705描述了一种用于检测缺陷像素的技术，其中可以使用基于时间的条件。但是，该申请绝不适合解决当前问题。
9.这两个文件都没有在任何地方描述任何spd或spad，而本发明解决的问题主要与spd(并且尤其是与spad)的固有特征有关，即由于环境光等造成的大量噪声。
10.目前，没有任何传感器体系架构系统能够在所提出的特征(诸如光子预算)下实现期望的检测速率。
11.本发明旨在为上述问题中的至少一些问题找到解决方案。


技术实现要素：

12.本发明涉及根据权利要求所述的高速传感器系统。当前体系架构涉及一种系统，其中使用高灵敏度传感器(诸如，spad(单光子雪崩二极管))以非常低的光子预算检测事件，其允许非常短的扫描时间，无论是真检测还是由环境光或热噪声导致的假检测。这些特征的组合使得即使在高分辨率下也能够非常快速地执行成像。
附图说明
13.图1示出了根据本发明的系统的基本版本的示意图。
14.图2示出了根据本发明的实施例的系统(1)的示意图。
15.图3示出了设置有检测器并且连接到行和列总线的光敏区的示意图。
16.图4a-c示出了基于图3的进一步实施例。
具体实施方式
17.除非另有定义，否则本发明描述中使用的所有术语，包括技术和科学术语，具有本发明所属领域的技术人员通常理解的含义。为了更好地理解本发明的描述，明确解释了以下术语。
18.在本文档中，“一个”和“该”同时指单数和复数，除非上下文另有预设。例如，“一个段”是指一个或多个段。
19.当术语“左右”或“大约”在本文档中与可测量的数量、参数、持续时间或时刻等一起使用时，那么变化意味着与所引用的值相比为约20％或更少，优选地约10％或更少，更优选地约5％或更少，甚至更优选地约1％或更少，并且甚至更优选地约0.1％或更少，以及为所引用的值，只要这些变化适用于所描述的发明。但是，必须理解的是，在使用术语“大约”或“左右”的情况下，所使用的量的值本身是专门公开的。
20.术语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“由
……
组成(consist of)”、“由
……
组成(consisting of)”、“设置有”、“具有(have)”、“有(having)”、“包括(include)”、“包括(including)”、“包含(contain)”、“包含(containing)”是同义词并且是包含性或开放性的术语，这些术语指示后续内容的存在，并且不排除或阻止其它部件、特性、元件、构件、步骤的存在，如现有技术中已知或公开的。
21.通过端点引用数值区间包括端点之间的所有整数、分数和/或实数，包括这些端点。
22.在第一方面，本发明涉及一种高速成像传感器系统，该系统包括一个或多个光源，并且包括具有多个单光子检测器(或spd)的阵列，这些检测器以大致矩阵的形式，优选地距离彼此以规则的间隔在空间上分布在整个阵列上，其中spd能够检测单个光子，并且使用检测信号记录对单个光子的检测；系统还包括多个行总线和列总线，并且其中检测器按行和/或列分组，并且其中每行的检测器连接到一个或多个行总线和/或其中每列的检测器连接到列总线上的一个或多个列总线以聚合来自检测器的信号，其中来自这些行中的一行的仅每行总线的检测器连接到该行总线以聚合来自检测器的信号，其中来自这些列中的一列的仅每列总线的检测器被连接；该系统还包括评估电路，其中行总线和列总线连接到评估电路，评估电路适于对照预先确定的确认模式评估来自行总线和列总线的聚合信号，以确认检测到入射光子和其地点确定，所述确认模式包括时间和/或空间条件，并且其中基于行总线和列总线信号与预先确定的模式的符合性来确认检测。
23.到目前为止，单光子检测器由于其高灵敏度而很少使用，这意味着假阳性对成像具有太大影响。此外，为了去除这些假阳性，需要对spd的输出进行进一步处理，并且降低了处理速度和实际上否定了spd的好处。本发明成功地通过以下方式过滤掉假阳性检测信号：一方面，通过对传感器进行分组和聚合各个信号(行总线和列总线)来限制要处理的输入并以这种方式处理它们，其中假事件根据预定义的确认模式去除。以这种方式，也可以从聚合信息中确定检测传感器的(相对)地点。评估电路由此检查来自总线(行和列)的信号并且将它们与确认模式匹配以去除假阳性。这些确认模式可以包括空间和/或时间条件，空间条件与其信号指示检测的传感器(和/或它们的列和/或行总线)的(相对)位置相关。例如，在从其传感器相邻的两个列总线(例如，第17列和第18列)(和/或两个行总线)接收到指示检测的信号时，这可以例如被解释为它不是由于热噪声而导致的随机误射的确认。无论是否与此组合，还可以施加与信号指示检测的(绝对和/或相对)时间相关的时间条件，诸如要求仅在预先确定的时间段内接收到指示检测的两个(或更多个)信号时，这才被解释为真实事件和检测到，并因此被确认。
24.申请人指出，在大多数现有技术系统中，要么评估电路接收到太多要处理的输入并且因此无法再执行调度的10ns时间帧，要么传感器本身被修改以提供数据预处理，从而导致特别不切实际和/或昂贵的解决方案，因为需要更复杂的传感器或附件(add-ons)来启用这种功能。此外，传感器本身不可能在不考虑来自其它传感器的输入的情况下可靠地处理信号。为了解决这个问题，所有传感器都必须在输入方面相互连接，如上所述，这对成本价格以及能量效率、速度和紧凑性有大的影响。
25.在优选实施例中，空间条件包括在预先确定的时间窗口中检测到来自与相邻列相关联的至少两个列总线的包括检测信号的聚合信号，以及在预先确定的时间窗口中检测到与相邻行相关联的至少两个行总线中的包括检测信号的聚合信号。
26.例如，空间条件的使用可以以所谓的重合(coincidence)检测的形式应用，其中比较几个“阳性”信号的起源的(相对和/或绝对)物理地点，以便能够基于概率估计确认它们。例如，在某些情况下，可以预期相邻的或邻近的列组或行组(可能在“长度”、每组的传感器数量方面有附加限制)有(基本上)同时(在同一时间跨度内)的可忽略的阳性信号的某种机
会，例如在环境光有限的条件下。在其它情况下，可以使条件更严格以避免假阳性，例如通过要求三个或更多个相邻组来表明已确认的检测。附加地或替代地，还可以对构成阳性检测所需的总线的信号强度(阈值)设置要求，这进一步取决于传感器的类型和灵敏度，以及传感器增益的变化。
27.优选地，使用与列总线和行总线相关联的检测器的相对地点以便能够验证空间条件。典型的，阵列被规则细分，每列总线具有固定数量的检测器并且每行总线具有固定数量的检测器(无论行总线和列总线是否相等)，这极大地简化了用于验证空间条件的逻辑编程。一旦确认了检测信号，就可以根据行和列总线的检测器的已知位置轻松确定有效地点。将来自几个检测器的信号聚合成一个用于列或行总线的信号极大地减轻了计算需求。通常与此相关的缺点是丢失了一些信息，即只能对连接到列或行总线的一组检测器确认检测，但无法检测到哪个(些)检测器专门涉及。但是，通过对行总线和列总线执行此操作，可以沿着列总线(相当于阵列中的x坐标)定位检测，以及沿着行总线(相当于阵列中的y坐标)定位检测，并且一起给出检测地点的近似2d位置。
28.在优选实施例中，时间条件包括检测到来自至少一个行总线并且优选地与相邻行相关联的至少两个行总线的包括检测信号的聚合信号，以及检测到来自至少一个列总线并且优选地与相邻列相关联的至少两个列总线的包括检测信号的聚合信号的时间重叠，光子在阵列上的入射地点基于与确认的检测相关联的列总线和行总线来确定。
29.同样，时间条件可以取决于情况设置得更严格或更宽松，并且在某些情况下甚至以这样的方式动态地进行：它们基于例如每单位时间内总线中信号的平均检测(无论是否为假阳性)自动调整。
30.通常，时间条件要求，为了确认检测，来自(一个或多个)行总线和(一个或多个)列总线的单独检测信号重叠，这意味着检测信号的开始(前沿)落在彼此预先确定的时间跨度之内，小于100ns，诸如，例如小于50ns，或者优选地甚至小于10ns、5ns、2.5ns、2ns、1.5ns、1.0ns或甚至更小。优选地，检测信号在很大程度上重叠(至少25％，优选地至少50％或甚至75％重叠)。这种要求确保由于热噪声等导致的随机信号在统计上是不太可能的，因为它们必须在两个不同的检测器中几乎同时被检测到。为了增加这种可靠性，可以变窄预先确定的时间跨度和/或重叠程度，和/或任何其它因素。基于此，还可以验证在几个行总线和/或列总线上检测的情况下是否涉及单独的事件。最后，在多个行总线和多个列总线上进行检测时，也可以在不同的列总线和行总线之间通过比较重叠程度执行正确匹配。例如，如果在t＝0.075ns时在列总线208上检测到信号，并且在t＝2.45ns时在列总线472上检测到信号；并且在t＝2.38ns时在行总线171上检测到信号并且在t＝0.081ns时在行总线23上检测到信号，那么可以推断出最有可能检测到两个事件，一个在位置(行总线/列总线)208/23，一个在位置472/171。
31.在连续的时间窗口之间应用第二时间相关性。毕竟，使用扫描系统，可以预期，例如，如果在时间窗口1中发生了正确的检测，其具有检测到的位置(例如[10,100])，那么，时间窗口2的预期检测坐标将接近于此。以这种方式，可以考虑保持远离先前检测到的在考虑之中的坐标的检测，和/或用可能的未来信息确认它们是真还是假。以这种方式，可以在多个时间窗口上的检测中寻找时间空间模式，该时间空间模式根据光源的扫描模式应该与预期模式匹配或非常相似。
[0032]
因此，本发明的概念通过聚合来自检测器的信号来减少计算负载，从而允许针对给定总线快速检测到有效事件，然后通过巧妙地使用附加约束来设法检索到事件的精确地点。
[0033]
在特别优选的实施例中，评估电路包括一个或多个简单电路，其评估来自两个或更多个相邻行总线/列总线的聚合信号，并且仅当来自两个或更多个相邻行总线的聚合信号显示检测到和/或来自两个或更多个相邻列总线的聚合信号显示检测到时才确认检测到。例如，评估电路可以作为单独的电路提供，该单独的电路接收来自两个(或更多个，取决于要求)行总线/列总线的聚合信号作为输入，并且在两个(或所有n个)都为阳性时确认它们(即显示检测到)。一种这样做的方法是在电路中使用逻辑and门或多个晶体管(用作开关)，使得仅在两个阳性输入之后发生阳性输出。每“组”总线(取决于空间条件)都连接到可以确认或拒绝对该组的检测的晶体管。如果规定多于两条相邻总线显示用于确认的阳性聚合信号，那么这可以借助于例如串联的几个晶体管来完成。对此的其它实现也构成本发明的一部分，并且以上示例仅用于说明目的。
[0034]
在通过评估电路确认检测的情况下，然后可以简单地确定阵列上的物理地点(行总线和列总线允许简单的x-y定位)，这记录真实的检测并且将其继续传递到处理层，并且不传递假阳性。
[0035]
由此，可以定义大小为m
×
n spad的宏像素，其中可以定位已确认的检测。例如，如果在同一时间段内在第17行和第18行中生成表示检测的聚合信号，并且在该时间段中在第33和34列中也生成表示检测的聚合信号，那么可以在2
×
2spad的宏像素(17-18；33-34)中确认检测。取决于空间要求，宏像素的大小可以变化，诸如2
×
1、1
×
2、3
×
2、2
×
3、3
×
3、3
×
1、1
×
3等。此外，在一些情况下可以选择将确认检测的地点变窄(在后处理中)到宏像素的中心，特别是当需要多于2个相邻检测时。
[0036]
在特定实施例中，评估电路可以在不同的用于确认的空间和/或时间条件之间进行调整，即用于相邻聚合信号的更长间隔，以指示检测(通过添加将“阳性”聚合信号—或甚至每个检测器的阳性信号—转变成在时间和振幅上固定长度的可控信号的电路)，或调整指示检测的相邻聚合信号的数量。
[0037]
wo'006描述了spad阵列，其中每行和每列的spad连接到or门，然后将检测到信号的行和列被耦合以定位光子的撞击。当然，这并没有考虑到当前的问题，即假阳性，因此很多噪声被传递到处理层。本发明通过对两个或更多相邻行/列施加附加条件，即多重检测来拒绝这些错误的结果。
[0038]
特别优选地，空间条件包括在预先确定的时间窗口中检测到来自与相邻列相关联的至少两个列总线的包括检测信号的聚合信号，以及在预先确定的时间窗口中检测到与相邻行相关联的至少两个行总线中的包括检测信号的聚合信号，并且其中所述确认模式包括时间的和空间条件。
[0039]
通过施加空间和时间条件两者，极大地提高了检测确认的可靠性。此外，通过这种方式，还可以如前几节所述正确解释时间跨度内的多个事件。
[0040]
在优选实施例中，每个spd与一个列总线唯一地连接并且与一个行总线唯一地连接。这里的优势是检测器数量有限，并且可以更准确地确定地点(x和y坐标)。例如，在具有与此相关联的20个spd的行中，第一5个spd可以连接到该行的第一行总线，第二5个连接到
该行的第二行总线，并且接下来的5个的组连接到该行的第三和第四行总线。因此，每个spd仅连接到一个行总线，但相反地，行总线可以连接到几个spd。
[0041]
在替代的优选实施例中，每个spd或者与一个列总线或者与一个行总线唯一地连接。这样的系统在体系架构上会更简单，但会使用更多的检测器。但是，强大的优势是检测器上的“假”检测(例如，由于环境光等导致)通常不会传递到与检测器相关联的列和行总线，如在前面的实施例中那样，尽管这样的假阳性可以经由其它条件(诸如，要求2个或更多个相邻总线必须接收到检测信号)被过滤掉。
[0042]
在另外的优选实施例中，阵列包括m
×
n个单光子检测器，它们位于具有m行和n列的矩阵中，其中每行的spd分布在两个或更多个spd的行组上，优选地在行中连续，并且其中每行的spd的相同分布在所有行上继续，其中行组的spd连接到与行组相关联的行总线，并且其中空间条件附加地涉及在预先确定的时间窗口中检测到与相邻行组相关联的至少两个行总线中的包括检测信号的聚合信号。例如，最多有m行总线和n列总线，但实际上要少得多，因为每个行和列总线都有几个spd被分组。
[0043]
在某些情况下，在非常高的分辨率下，每行的检测器数量非常高，并且将每行的检测器进一步划分为每行的多个行组(优选地每个检测器只能属于一个行组，但是存在一些或甚至所有检测器属于两个或更多个行组的选项)在计算上更高效，每个行组都有其自己的关联行总线。优选地，每条总线管理1到20个之间的检测器，更优选地2到10个之间，还更优选地2到5个之间，或者甚至2到4个之间。这限制了行总线上的每个时间跨度多个事件的数量，使得这种区分需要更少的计算力。此外，在每行有非常多的检测器而没有细分为行组的情况下，几个检测器几乎同时地检测到事件的机会增加，并且当将信号聚合到行总线时，这无法在事后进行区分，或以有限的确定性区分。每行组的检测器数量的合适选择将极大地限制这个问题，并且可以根据统计观察确定优化的数量，其也可能取决于阵列的应用(环境光多或少)。在特定实施例中，也可以动态地或手动地调整每行组的检测器数量以适应情况。因此，可能存在许多可从中选择的预先确定的分布。
[0044]
在还有的优选实施例中，阵列包括m
×
n个单光子检测器，它们位于具有m行和n列的矩阵中，其中每列的spd分布在两个或更多个spd的列组上，优选地在列中连续，并且其中每列的spd的相同分布在所有列上继续，其中列组的spd连接到与列组相关联的列总线，并且其中空间条件附加地涉及在预先确定的时间窗口中检测到与相邻列组相关联的至少两个列总线中的包括检测信号的聚合信号。
[0045]
与前面针对将一行中的检测器划分为行组所描述的相同的推理在这里也适用。特别优选地，如上所述组合两种分布(行组和列组)。
[0046]
替代地，可以将检测器交替分配给多个行总线和/或列总线，这在重合确定方面提供了优势。例如，在触发一行中的几个连续检测器的撞击的情况下(这种情况经常发生)，这将导致与行相关联的两个或更多个行总线检测到检测。在顺序分布的情况下，这将导致仅一个行总线被触发(除非它仅涉及位于在两个行组之间过渡上的两个检测器)。
[0047]
在优选实施例中，spd适于向连接的行总线和/或列总线提供信号，所述信号本质上是基本上二进制的并且表示spd是否检测到入射光子。
[0048]
在优选实施例中，系统适于以固定间隔对行总线和列总线进行预充电，行总线和列总线适于在接收到包括检测信号的聚合信号时放电。
[0049]
在优选实施例中，评估电路适于检查空间一致性，其中将入射在阵列上的光子的地点的最近的确定与一个或多个先前的地点确定进行比较，并且其中评估电路在检测到最近的地点确定与先前的地点确定之间的空间差异高于预先确定的、动态的或非动态的上限时拒绝最近的地点确定。
[0050]
使用上述调整，基于历史数据，即反射光束的“已知”入射位置，可以执行去除假信号的粗过滤，而无需在进一步处理中在这方面花费大量计算力。
[0051]
在优选实施例中，该系统包括用于同步来自检测器的信号的同步部件。
[0052]
为了确定检测器和光源之间的差异，提供了暂时地对齐和同步它们的同步部件。这尤其可以通过经由电缆物理连接元件(检测器和光源)并且经由电缆提供具有同步信号的元件等来实现。替代地，光信号(来自光源的信号)本身可以提供在采集期间获得的同步时刻。这尤其可以通过根据被“识别”为例如扫描的开始的预先确定模式脉冲光信号等来完成，其中所有传感器都可以将其用作本地时间0，并且从而相互同步，以及相对于光源同步。
[0053]
在优选实施例中，系统适于在成像过程的一部分期间的成像期间仅考虑来自评估电路中的可变子集的检测器的信号而非考虑来自子集中的检测器的信号，其中系统基于先前的地点确定和可选地基于一个或多个光源的朝向和/或定位选择子集中的检测器，其中子集中的检测器包括检测器的总数的最多25％、优选地最多10％，并且子集中的检测器被分组在一起。
[0054]
在实践中，阵列上的大多数检测器不会在每个时间跨度经历事件。通过使系统适于在评估电路中仅处理来自一部分检测器的信号(从而有效地忽略一部分)，可以极大地减少计算负担。困难在于事实上不可能预先有确定性地确定哪些检测器可以被忽略。因此，基于统计和历史数据，并且优选地还基于(一个或多个)光源的扫描模式，可以估计阵列上一个或多个反射光束的入射位置相对于先前检测到的入射位置的可能的变化。考虑到这一点，可以定义关注区域，其中反射光束将以预先确定的统计概率撞击，而不考虑该关注区域之外的检测器。该关注区域可以是基本上圆形、椭圆形、矩形或锯齿状图案。以这种方式，检测器的相当部分，特别是在非常大的阵列的情况下，不需要在处理中考虑。在某些实施例中，关注区域的确定还可以考虑在几个前述时间跨度中的检测，以便识别其中可以在预测关注区域时考虑的模式。
[0055]
限制为活动/所考虑的检测器的子集的非常大的附加优势是，以这种方式(由于热噪声等导致的)大量假阳性也不会被处理。
[0056]
在优选实施例中，系统适于在成像过程的一部分期间的成像期间仅激活可变的子集的检测器，并且不停用子集中的检测器，其中系统基于先前的地点确定并且可选地基于一个或多个光源的朝向和/或定位选择子集中的检测器，其中子集中的检测器包括检测器的总数的最多25％、优选地最多10％，并且子集中的检测器被分组在一起。
[0057]
在优选实施例中，检测器包括单光子雪崩二极管(spad)，并且优选地是spad。
[0058]
spad是使用非常高的反向电压，使得在检测时发生碰撞电离，从而导致雪崩效应，并因此产生快速增长的高电流的半导体光电检测器。spad的选择部分基于实现碰撞电离的速度，以及这些检测器的简单“重置”。
[0059]
在优选实施例中，检测器设置有使来自检测器的检测信号归一化的猝灭电路。
[0060]
猝灭电路的存在对于减少信号(雪崩电流)、重置检测器和限制雪崩电流引起的信
号是必要的。猝灭电路优选地是有源的，例如借助于所谓的降低反向电压的鉴别器，但替代地也可以是无源的，诸如以与检测器串联的电阻器的形式。
[0061]
在优选实施例中，每个行总线和每个列总线连接最多100个检测器，优选地最多50个检测器。
[0062]
如所指示的，限制每个总线的检测器数量是更高效的。以这种方式，容易将总线上的多个事件彼此区分开来，并且可以施加严格的空间条件。
[0063]
基于确认的检测，仅在处理层中为此确定入射光子的时间戳，这在现有技术系统中针对每个信号(包括假阳性)发生。可以通过在共同导致确认检测的单独聚合信号上的时间戳差异以多种方式来完成这样的确定。例如，可以始终选择最早的信号，因为这意味着当时已经存在碰撞。替代地，可以选择与确认的检测相关联的时间戳的平均值，以便针对中间值或甚至针对最近的时间戳解决任何硬件错误(或至少减少其影响)。最后，可以从与不同行和列相关联的时间戳之间的时间差异中获得附加的信息，这可以提供有关入射光子的进一步见解。
[0064]
在下文中，将在实践中并参考图中的示意图来讨论多个具体实施例。
[0065]
示例
[0066]
在第一示例中，本发明涉及检测体系架构，其适于非常快速(即，在10ns或更短的时间跨度内)且低阈值(即，具有有限的光子预算)的光子检测，并且适于将其转化成清晰的数字信号以表示事件(有效检测反射光束，而不是环境光或热噪声)。
[0067]
图1示出了根据本发明的系统的基本版本的示意图，包括至少一个光源(2)和一个(优选地n个)捕获环境中的特定场景的检测器或传感器(1)。光源用光束(激光或led)照亮场景，通常以预编程模式和/或以顺序方式，诸如以动态模式(4)通过光点(3)扫描场景。n个检测器(1)例如经由基于不同检测器的输出的三角测量来检测场景中光点(3)的位置。
[0068]
由于本发明的设计旨在在不暴力破解问题的情况下每秒处理数百万体素，因此扫描速度必须非常高，并且在光子预算有限且时间帧短的情况下对其处理进行优化。
[0069]
图2示出了根据本发明的实施例的系统(1)的示意图，其中该系统包括光敏区(11)，其通常包括光敏元件或检测器(例如，spad)的阵列。该系统还包括评估电路(12)，其包括连接到光敏区(11)并且适于确定从光敏区的检测器获得的数据的有效性的逻辑电路，诸如逻辑门或其变体。此处该系统还包括用于将从检测器获得的数据/信号合并成(单个)数据流的逻辑电路(12)(当与用于验证数据的逻辑电路结合时)。该系统还可以包括用于同步数据流和来自(一个或多个)光源的光信号和/或来自不同检测器的数据的同步部件。
[0070]
在图3中概念性示出的该示例的第一更具体的版本中，光敏区(11)包括布置成m行和n列的阵列的多个spad(21)，每个spad具有无源或有源的淬灭电路，并且其中spad被表示为方形单元格。注意的是，每个单元格的两个连接点是纯可视的，用作从spad到行和/或列总线的连接点。所有spad都连接到列总线(24)和行总线(23)，其中每行和/或每列设置一个或多个总线(优选地每行和每列几个总线，但是将一行或一列上的所有spad都连接到一个总线也是可以的)。在图3中，每行使用2个行总线，并且每列使用2个列总线，由此spad交替地连接到一个或另一个总线。替代地，这也可以按顺序完成(前x个连续的spad在第一总线上，其余在第二总线上)。
[0071]
在spad上检测到光子后，这将导致在相关联的行和列总线上检测到事件。
[0072]
图4a示出了在4个不同的相邻spad上检测到的光子碰撞的示例(参见圆圈)。如果任何碰撞足以触发spad上的检测(低能量碰撞可能不足以触发spad雪崩击穿)，那么检测在4个行(组)总线和4个列(组)总线上传递，如由左侧的针对行总线的信号所示，以及如由底部的针对列总线的信号所述所示。
[0073]
在图4b中，也在单个spad(左上方，第二行，第一列)上检测到事件，这导致在一个行总线和一个列总线上的检测传递。接收来自行总线和列总线的信号的评估电路(12)在此施加了多个用于评估传入信号的条件，以指示确认或未确认的事件。例如，评估电路通常将独立事件(诸如左上方检测)视为假检测，而相邻总线上(诸如第3-4行、第3-4列上)的多个检测通常被视为真实事件。
[0074]
在图4c中，在第5行第2列上检测到另外的独立事件。这导致两个相邻列总线(列总线2和3)上的假定事件，但是，其源自两个单独的事件。但是，通过还考虑行总线，可以看出这些是单独的独立事件，可以将两者都考虑在内。
[0075]
为了避免独立事件可能导致满足评估电路条件的模式(一个或多个预先确定的模式)，为spad的每行和每列提供足够的总线是有利的，因为这限制了在同一时间帧内意外观察到相邻总线上的事件的机会。
[0076]
但是，真实事件(即，阵列上的反射光束的实际碰撞)通常会导致满足评估电路的条件的检测，因为触发不限于一个spad，而是还会触发一个或多个相邻spad，并且此外，在非常有限的时间帧内，其将在评估时确认各个检测之间的相关性。
[0077]
通过在行和列总线的信号中寻找确认模式，本发明在此利用基于阵列中像素(检测器)的空间位置的重合检测，以便确定是否检测到真正的光子包(并因此确定是否检测到反射光束)。
[0078]
在图4c中，提供了附加测量，即借助于所谓的“启用窗口”(22)将活动的/所考虑的检测器限制到检测器的子集。术语“启用窗口”对形状或大小没有限制，并且在本文中可以动态变化。该窗口充当其中基于历史数据(诸如，先前的检测、先前检测上的移动模式、环境光的强度等)预计将检测到光点的预测性区。以这种方式，在光束入射的地点确定中没有考虑相当部分的spad，这一方面极大减少了假阳性(因为它们主要是随机分布的，并且通过限制spad的数量，假检测的数量被限制到相同的程度)，并且另一方面也限制了要处理的信号数量，并且避免了总线由于独立事件而饱和。
[0079]
作为前述的替代或附加，还可以动态地或非动态地调整检测器的灵敏度，以避免以这种方式使列和/或行总线饱和。因此，在有源光信号(即光源)中必须使用更多能量，以增加足够的光子撞击在一起(重合)的可能性。以这种方式，可以高效地过滤背景辐射和热噪声。
[0080]
通过定义多个确认模式，系统可以容易、快速(并且可能动态地)适于不同的情况。例如，在环境光有限的情况下，诸如在夜间、室内等，可以去除或放松空间条件。还可以通过将原始检测与预计照明模式进行比较来过滤掉“非期望的”事件，例如考虑光源扫描场景的模式。因此，在一个实施例中，可以对光源进行编程以根据lissajous模式扫描场景，这将影响观察到的检测，该观察到的检测即便失真也将通常采用类似模式。在这种情况下，强烈偏离预计照明模式的检测可以作为噪声等被拒绝。
[0081]
此外，在某些实施例中，可以并行保持评估检测的与不同确认模式匹配的多个“确
认流”。以这种方式，这些可以在以后的时间跨度中对照测量值进行检查，以便关于正确的确认流是哪个实现更大的确定性。
[0082]
例如，从检测器到总线的通信可以经由总线上的下拉(或上拉)元件来完成，由此检测产生确保预充电总线的放电的信号。在检测的每个时间跨度结束时，总线再次预充电以等待由spad进行的检测的发生与否。这样的做的优势是这些下拉放电很容易被评估电路检测到。可选地，可以在离散这些信号之前提供放大器电路。
[0083]
基于此，系统可以提供阵列中检测到确认模式的地点的每个时间跨度的列表。
[0084]
在替代实施例中，本发明涉及其中光敏部分在第1层上实现并且处理电路系统和逻辑在第二层上实现的系统。这些层堆叠在彼此的顶部，并且每个像素或每个像素组与一个或多个电气连接连接。在传感器中搜索预计的检测模式现在可以甚至更多地在本地完成，由此，代替投影(行/列总线)上的检测模式，可以在传感器阵列的每个子窗口中搜索二维模式。
[0085]
本发明还涉及高速成像传感器系统，该系统包括一个或多个光源，并且包括具有多个单光子检测器(或spd)的阵列，这些检测器以大致矩阵的形式(优选地距离彼此以规则的间隔)在空间上分布在整个阵列，其中spd能够检测单个光子，并且使用检测信号记录对单个光子的检测；该系统还包括多条总线，并且其中检测器被分组到两个或更多个检测器的集群中，并且其中每个集群的检测器连接到用于聚合来自集群的检测器的信号的一条总线，每个总线只有来自集群之一的检测器被连接；该系统还包括评估电路，其中评估电路设置有集群的相对定位，总线连接到评估电路，评估电路适于对照预先确定的确认模式评估来自总线的聚合信号以确认入射光子的检测及其定位，其中所述确认模式包括时间的和/或空间条件，所述确认模式尤其基于集群的相对定位，并且其中通过来自总线的信号与预先确定的模式的符合性来确认检测。
[0086]
本发明的另一个实施例引入了堆叠层，其中spad检测器触发器被组合和分析。当在单层上工作时，需要在或者在列总线和行总线上的“投影”上，或者在诸如对角线或其它总线之类的不同投影上监视断言。第二层的引入提供了对spad检测器集群的更多本地监视，从而监视它们重合的事件创建。由于更多的本地监视，每个集群可以考虑更少的spad检测器设备，并且在生成大量环境的事件时可以避免总线饱和。
[0087]
此外，断言模式现在可以被视为二维断言模式，其可以与每个处于测试的检测集群进行比较。当发现与想要的断言模式匹配时，可以认为检测具有高置信度。
[0088]
在替代的实施例中，本发明涉及像素阵列，其中每个像素包括一个或多个单光子检测器，优选地为spad。像素可以(部分地)重叠，由此相邻像素可以共享检测器。
[0089]
由于热噪声和背景辐射入射到像素上，检测器将以等于dcr(暗计数速率)和bgr(背景速率)的速率发射检测信号。这些事件在时间上彼此不相关，因此将单独触发检测器。通过在确认模式或时间的和空间条件中包括仅当像素中的一个或多个spad在预先确定的时间帧内被触发时才确认检测，假阳性的接受率大幅度降低，因为假阳性事件不相关。
[0090]
作为对照，当在预先确定的时间跨度(例如，10ns)内用有源光束(即源自(一个或多个)光源对场景的照明)照射像素时，其中调整光束的能量预算，使得被反射光束照明的spad或其他检测器也能有效地检测，并且因此触发一个或多个光子，像素检测到像素的spad或单独的检测器中的多个事件的概率也极大地增加。这进一步依赖于重合检测。在本
发明中，使用重合检测的原理作为信号而不提供与事件相关联的确切时间戳，因为只需要阵列上的事件的地点。
[0091]
像素可以以这种方式检测重合事件并将它们传递到列和行总线上以指示事件已发生。
[0092]
可以按每像素或替代地按每个像素的集合提供重合评估机制。替代地，它也可以集成在系统的外围，这极大地简化了阵列本身，因为不再需要本地重合评估，而只需要猝灭电路。每个spad将向与spad相关联的行和/或列总线传递观察结果。外围在本文中可以包括大规模并行连接的数字电路，其在每个预先确定的时间跨度(10ns)内监视总线的状态。如果在此时间跨度中在以下各项中检测到事件：
[0093]-2个相邻列并且对于同一行(在2
×
1确认模式足够的情况下)；或者
[0094]-2个相邻行并且对于同一列(对于1
×
2确认模式)；或者
[0095]-2个相邻行和两个相邻列(对于2
×
2确认模式)；或者
[0096]-另一个预先确定的确认模式；
[0097]
那么确认并且报告事件。然后它可以可选地被加时间戳并且传送到另一个设备。
[0098]
本发明不应被解释为限于上述实施例，并且可以将某些修改或改变添加到所描述的示例而不必重新评估所附权利要求。