具有光子計數(shù)器的低功率成像系統(tǒng)及操作像素陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體來說涉及光電檢測器，且更具體來說，本發(fā)明針對于包含光子計數(shù)器的成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]硅光電倍增管(SiPM)是能夠檢測低強度單一者(低到單一光子)的一種類型的光電檢測器。SiPM裝置可使用數(shù)字計數(shù)器來對入射光子進行計數(shù)直到達到入射光子的閾值計數(shù)為止。SiPM為由蓋格(Geiger)模式光子檢測單元(例如制作于硅襯底中的單光子雪崩二極管(SPAD))的陣列構(gòu)成的半導(dǎo)體光敏裝置。蓋格模式光子檢測單元具有被偏置超出其擊穿電壓使得每一電子-空穴對可觸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散電脈沖的雪崩倍增過程的p-n結(jié)。單一光子或多個光子將不改變來自光子檢測單元的所得脈沖的振幅，因為觸發(fā)雪崩倍增過程僅需要單一光子。主動地或被動地使雪崩猝滅，此對光子檢測單元進行復(fù)位，使得其可檢測進一步的入射光子。
[0003]數(shù)字計數(shù)器的位計數(shù)的增加將增加入射光子的準確度及/或計數(shù)，然而，此也將增加由SiPM需要的硅面積及功率消耗。需要大硅面積的計數(shù)器可阻止電路到測量裝置中的實施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本申請案涉及一種成像系統(tǒng)，其包括:像素陣列，其包含多個像素，其中所述像素中的每一者包含經(jīng)耦合以響應(yīng)于入射光而檢測光子的單光子雪崩二極管(SPAD);光子計數(shù)器，其包含于讀出電路中，耦合到每一像素以對由每一像素檢測到的光子的數(shù)目進行計數(shù)，其中所述光子計數(shù)器經(jīng)耦合以在針對每一像素達到閾值光子計數(shù)時停止對每一像素中的光子進行計數(shù)；控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作，所述控制電路包含經(jīng)耦合以對在每一像素檢測到所述閾值光子計數(shù)之前逝去的曝光時間進行計數(shù)的曝光時間計數(shù)器，其中針對所述像素陣列的每一像素組合相應(yīng)曝光時間計數(shù)與光子計數(shù)。
[0005]本申請案進一步涉及一種操作像素陣列的方法，其包括:將像素陣列的像素曝光于入射光；對由每一像素檢測到的光子進行計數(shù)；停止對達到閾值光子計數(shù)的像素中的光子的計數(shù)；保存已達到所述閾值光子計數(shù)的像素的逝去曝光時間計數(shù)；保存在曝光時間計數(shù)器已達到閾值曝光時間計數(shù)之后尚未達到所述閾值光子計數(shù)的像素的所述閾值曝光時間計數(shù)；以及針對所述像素陣列的每一像素組合相應(yīng)曝光時間計數(shù)與光子計數(shù)。
【附圖說明】
[0006]參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實施例，其中在所有各視圖中相似參考編號指代相似部件，除非另有規(guī)定。
[0007]圖1是展示根據(jù)本發(fā)明的教示包含耦合到光子計數(shù)器的單光子雪崩二極管(SPAD)的實例性像素的示意圖。
[0008]圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有耦合到曝光時間計數(shù)器及光子計數(shù)器的SPAD的實例性像素陣列的實例性成像系統(tǒng)的圖式。
[0009]圖3是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的教示用以操作包含具有耦合到曝光時間計數(shù)器及光子計數(shù)器的SPAD的像素陣列的成像系統(tǒng)的一個實例的處理的實例性流程圖。
[0010]圖4是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的教示用以操作包含具有耦合到曝光時間計數(shù)器及光子計數(shù)器的SPAD的像素陣列的成像系統(tǒng)的一個實例的處理的另一實例性流程圖。
[0011]在圖式的所有數(shù)個視圖中，對應(yīng)參考字符指示對應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，圖中的元件是為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪制。舉例來說，為了有助于改進對本發(fā)明的各種實施例的理解，圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對于其它元件放大。此外，通常未描繪在商業(yè)上可行的實施例中有用或必需的常見而眾所周知的元件以便促進對本發(fā)明的這各種實施例的較不受阻擋的觀察。
【具體實施方式】
[0012]在以下描述中，陳述眾多特定細節(jié)以便提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了，不需要采用所述特定細節(jié)來實踐本發(fā)明。在其它實例中，未詳細描述眾所周知的材料或方法以避免使本發(fā)明模糊。
[0013]在本說明書通篇中對“一個實施例”、“一實施例”、“一個實例”或“一實例”的提及意指結(jié)合所述實施例或?qū)嵗枋龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇的各個位置中短語“在一個實施例中”、“在一實施例中”、“一個實例”或“一實例”的出現(xiàn)未必全部指代同一實施例或?qū)嵗４送?，在一或多個實施例或?qū)嵗?，可以任何適合組合及/或子組合的形式來組合特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可包含于集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所描述的功能性的其它適合組件中。另外，應(yīng)了解，隨本文提供的各圖用于向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員解釋的目的且圖式未必按比例繪制。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的教示的實例描述一種包含具有帶有光子計數(shù)器的單光子雪崩二極管(SPAD)的像素陣列的低功率成像系統(tǒng)。如將論述，利用具有根據(jù)本發(fā)明的教示的光子計數(shù)器的SPAD的成像系統(tǒng)使得可同時進行全局快門及高動態(tài)范圍(HDR)成像兩者。在一個實例中，可堆疊成像系統(tǒng)中所包含的芯片以便使得大量生產(chǎn)更實際。在各種實例中，與利用SPAD光子計數(shù)器的其它HDR應(yīng)用相比，實質(zhì)上減少了功率消耗。
[0015]為了圖解說明，假定SPAD輸出負載電容器具有1fF的電容及3V的輸出擺幅。對于借助20位計數(shù)器及60MHz的最大計數(shù)器速率實現(xiàn)的60fps速度，對應(yīng)電流將為1.8 μ A。進一步假定SPAD以20V操作，則最大功率將為每像素36 μ W。因此，對于I百萬像素圖像傳感器，對應(yīng)功率消耗將為36W，此對于大量生產(chǎn)來說大得不可接受，且還將耗散過量的熱以致為不實際的且實質(zhì)上使SPAD性能降級。
[0016]圖1是展示根據(jù)本發(fā)明的教示可用于提供低功率成像系統(tǒng)的耦合到光子計數(shù)器的實例性像素的示意圖。特定來說，圖1中所描繪的實例展示包含于像素陣列中的多個像素Ρ1100Α到PnlOON。在一個實例中，像素P1100A到PnlOON彼此實質(zhì)上類似。如所描繪的實例中所展示，像素P1100A包含耦合到猝滅元件Mq104的SPAD102。在所述實例中，輸出信號Vqut106指示何時檢測到來自入射光的光子hv。借助讀出電路116讀出輸出信號Vqut106，在所圖解說明的實例中，讀出電路116包含可對由每一像素PllOOA到PnlOON檢測到的光子的數(shù)目進行計數(shù)的光子計數(shù)器150。
[0017]在圖1中所展示的實例中，應(yīng)了解，包含多個像素P1100A到PnlOON的像素陣列包含于第一芯片108中，且包含光子計數(shù)器150的讀出電路116包含于第二芯片110中。在所述實例中，第一芯片108與第二芯片110堆疊到一起。應(yīng)了解，根據(jù)本發(fā)明的教示，通過將多個像素P1100A到PnlOON包含于與第二芯片110中的讀出電路分離的芯片108上，包含多個像素P1100A到PnlOON及讀出電路116的光子計數(shù)器150的成像系統(tǒng)的大量生產(chǎn)為較實際的。
[0018]圖2是展示根據(jù)本發(fā)明的教示包含具有耦合到曝光時間計數(shù)器及光子計數(shù)器的SPAD的實例性像素陣列的成像系統(tǒng)212的圖式。特定來說，如所描繪的實例中所展示，成像系統(tǒng)212包含耦合到控制電路218及讀出電路216的像素陣列214，讀出電路216包含耦合到功能邏輯220的光子計數(shù)器250。在一個實例中，像素陣列214為圖像傳感器像素(例如，像素P1、P2、P3、...、Pn)的二維(2D)陣列。應(yīng)注意，圖2的像素陣列214中的像素P1、P2、...Pn可為圖1的像素單元P1100A到PnlOON的實例，且圖2的讀出電路216及光子計數(shù)器250可為圖1的讀出電路116及光子計數(shù)器150的實例，且下文所提及的類似命名及編號的元件類似于如上文所描述而耦合及發(fā)揮作用。如所圖解說明，像素P1...Pn被布置成多個行(例如，行Rl到Ry)及多個列(例如，列Cl到Cx)以獲取人、地點、物體等的圖像數(shù)據(jù)，接著可使用所述圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)所述人、地點、物體等的2D圖像。
[0019]在一個實例中，在光子計數(shù)器250已對已由每一像素單元Ρ1、Ρ2、Ρ3、...、Pn檢測的光子進行計數(shù)之后，可接著將由讀出電路216通過輸出信號206讀出的光子計數(shù)圖像數(shù)據(jù)傳送到功能邏輯220。功能邏輯220可簡單地存儲所述圖像數(shù)據(jù)或甚至通過應(yīng)用圖像后效果(例如，剪裁、旋轉(zhuǎn)、移除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或其它)來操縱所述圖像數(shù)據(jù)。在一個實例中，控制電路218耦合到像素陣列214以控制像素陣列214的操作特性。在一個實例中，控制電路218經(jīng)耦合以產(chǎn)生用于控制每一像素單元的光子計數(shù)及圖像獲取的全局快門信號。在所述實例中，所述全局快門信號同時啟用像素陣列214內(nèi)的所有像素P1、P2、P3、...Pn以使像素陣列