具有光子计数器的低功率成像系统及操作像素阵列的方法
【技术领域】
[0001]本发明大体来说涉及光电检测器，且更具体来说，本发明针对于包含光子计数器的成像系统。
【背景技术】
[0002]硅光电倍增管(SiPM)是能够检测低强度单一者(低到单一光子)的一种类型的光电检测器。SiPM装置可使用数字计数器来对入射光子进行计数直到达到入射光子的阈值计数为止。SiPM为由盖格(Geiger)模式光子检测单元(例如制作于硅衬底中的单光子雪崩二极管(SPAD))的阵列构成的半导体光敏装置。盖格模式光子检测单元具有被偏置超出其击穿电压使得每一电子-空穴对可触发转变为离散电脉冲的雪崩倍增过程的p-n结。单一光子或多个光子将不改变来自光子检测单元的所得脉冲的振幅，因为触发雪崩倍增过程仅需要单一光子。主动地或被动地使雪崩猝灭，此对光子检测单元进行复位，使得其可检测进一步的入射光子。
[0003]数字计数器的位计数的增加将增加入射光子的准确度及/或计数，然而，此也将增加由SiPM需要的硅面积及功率消耗。需要大硅面积的计数器可阻止电路到测量装置中的实施。
【发明内容】
[0004]本申请案涉及一种成像系统，其包括:像素阵列，其包含多个像素，其中所述像素中的每一者包含经耦合以响应于入射光而检测光子的单光子雪崩二极管(SPAD);光子计数器，其包含于读出电路中，耦合到每一像素以对由每一像素检测到的光子的数目进行计数，其中所述光子计数器经耦合以在针对每一像素达到阈值光子计数时停止对每一像素中的光子进行计数；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作，所述控制电路包含经耦合以对在每一像素检测到所述阈值光子计数之前逝去的曝光时间进行计数的曝光时间计数器，其中针对所述像素阵列的每一像素组合相应曝光时间计数与光子计数。
[0005]本申请案进一步涉及一种操作像素阵列的方法，其包括:将像素阵列的像素曝光于入射光；对由每一像素检测到的光子进行计数；停止对达到阈值光子计数的像素中的光子的计数；保存已达到所述阈值光子计数的像素的逝去曝光时间计数；保存在曝光时间计数器已达到阈值曝光时间计数之后尚未达到所述阈值光子计数的像素的所述阈值曝光时间计数；以及针对所述像素阵列的每一像素组合相应曝光时间计数与光子计数。
【附图说明】
[0006]参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。
[0007]图1是展示根据本发明的教示包含耦合到光子计数器的单光子雪崩二极管(SPAD)的实例性像素的示意图。
[0008]图2是展示根据本发明的教示包含具有耦合到曝光时间计数器及光子计数器的SPAD的实例性像素阵列的实例性成像系统的图式。
[0009]图3是图解说明根据本发明的教示用以操作包含具有耦合到曝光时间计数器及光子计数器的SPAD的像素阵列的成像系统的一个实例的处理的实例性流程图。
[0010]图4是图解说明根据本发明的教示用以操作包含具有耦合到曝光时间计数器及光子计数器的SPAD的像素阵列的成像系统的一个实例的处理的另一实例性流程图。
[0011]在图式的所有数个视图中，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为了有助于改进对本发明的各种实施例的理解，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件放大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这各种实施例的较不受阻挡的观察。
【具体实施方式】
[0012]在以下描述中，陈述众多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明了，不需要采用所述特定细节来实践本发明。在其它实例中，未详细描述众所周知的材料或方法以避免使本发明模糊。
[0013]在本说明书通篇中对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意指结合所述实施例或实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”的出现未必全部指代同一实施例或实例。此外，在一或多个实施例或实例中，可以任何适合组合及/或子组合的形式来组合特定特征、结构或特性。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能性的其它适合组件中。另外，应了解，随本文提供的各图用于向所属领域的技术人员解释的目的且图式未必按比例绘制。
[0014]根据本发明的教示的实例描述一种包含具有带有光子计数器的单光子雪崩二极管(SPAD)的像素阵列的低功率成像系统。如将论述，利用具有根据本发明的教示的光子计数器的SPAD的成像系统使得可同时进行全局快门及高动态范围(HDR)成像两者。在一个实例中，可堆叠成像系统中所包含的芯片以便使得大量生产更实际。在各种实例中，与利用SPAD光子计数器的其它HDR应用相比，实质上减少了功率消耗。
[0015]为了图解说明，假定SPAD输出负载电容器具有1fF的电容及3V的输出摆幅。对于借助20位计数器及60MHz的最大计数器速率实现的60fps速度，对应电流将为1.8 μ A。进一步假定SPAD以20V操作，则最大功率将为每像素36 μ W。因此，对于I百万像素图像传感器，对应功率消耗将为36W，此对于大量生产来说大得不可接受，且还将耗散过量的热以致为不实际的且实质上使SPAD性能降级。
[0016]图1是展示根据本发明的教示可用于提供低功率成像系统的耦合到光子计数器的实例性像素的示意图。特定来说，图1中所描绘的实例展示包含于像素阵列中的多个像素Ρ1100Α到PnlOON。在一个实例中，像素P1100A到PnlOON彼此实质上类似。如所描绘的实例中所展示，像素P1100A包含耦合到猝灭元件Mq104的SPAD102。在所述实例中，输出信号Vqut106指示何时检测到来自入射光的光子hv。借助读出电路116读出输出信号Vqut106，在所图解说明的实例中，读出电路116包含可对由每一像素PllOOA到PnlOON检测到的光子的数目进行计数的光子计数器150。
[0017]在图1中所展示的实例中，应了解，包含多个像素P1100A到PnlOON的像素阵列包含于第一芯片108中，且包含光子计数器150的读出电路116包含于第二芯片110中。在所述实例中，第一芯片108与第二芯片110堆叠到一起。应了解，根据本发明的教示，通过将多个像素P1100A到PnlOON包含于与第二芯片110中的读出电路分离的芯片108上，包含多个像素P1100A到PnlOON及读出电路116的光子计数器150的成像系统的大量生产为较实际的。
[0018]图2是展示根据本发明的教示包含具有耦合到曝光时间计数器及光子计数器的SPAD的实例性像素阵列的成像系统212的图式。特定来说，如所描绘的实例中所展示，成像系统212包含耦合到控制电路218及读出电路216的像素阵列214，读出电路216包含耦合到功能逻辑220的光子计数器250。在一个实例中，像素阵列214为图像传感器像素(例如，像素P1、P2、P3、...、Pn)的二维(2D)阵列。应注意，图2的像素阵列214中的像素P1、P2、...Pn可为图1的像素单元P1100A到PnlOON的实例，且图2的读出电路216及光子计数器250可为图1的读出电路116及光子计数器150的实例，且下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及发挥作用。如所图解说明，像素P1...Pn被布置成多个行(例如，行Rl到Ry)及多个列(例如，列Cl到Cx)以获取人、地点、物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地点、物体等的2D图像。
[0019]在一个实例中，在光子计数器250已对已由每一像素单元Ρ1、Ρ2、Ρ3、...、Pn检测的光子进行计数之后，可接着将由读出电路216通过输出信号206读出的光子计数图像数据传送到功能逻辑220。功能逻辑220可简单地存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实例中，控制电路218耦合到像素阵列214以控制像素阵列214的操作特性。在一个实例中，控制电路218经耦合以产生用于控制每一像素单元的光子计数及图像获取的全局快门信号。在所述实例中，所述全局快门信号同时启用像素阵列214内的所有像素P1、P2、P3、...Pn以使像素阵列