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方案

本申请案揭示一种具有光子计数器的低功率成像系统及一种操作像素阵列的方法。一种成像系统包含像素阵列，所述像素阵列包含多个像素。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。读出电路中所包含的光子计数器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。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的数目进行计数的曝光时间计数器。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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体来说涉及光电检测器，且更具体来说，本专利技术针对于包含光子计数器的成像系统。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
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。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。附图说明参考以下各图描述本专利技术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。图1是展示根据本专利技术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。图2是展示根据本专利技术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。图3是图解说明根据本专利技术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。图4是图解说明根据本专利技术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。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专利技术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专利技术的这各种实施例的较不受阻挡的观察。具体实施方式在以下描述中，陈述众多特定细节以便提供对本专利技术的透彻理解。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专利技术。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专利技术模糊。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专利技术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。根据本专利技术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，利用具有根据本专利技术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。为了图解说明，假定SPAD输出负载电容器具有10fF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1.8μA。进一步假定SPAD以20V操作，则最大功率将为每像素36μW。因此，对于1百万像素图像传感器，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。图1是展示根据本专利技术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P1100A到Pn100N。在一个实例中，像素P1100A到Pn100N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VOUT106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VOUT106，在所图解说明的实例中，读出电路116包含可对由每一像素P1100A到Pn100N检测到的光子的数目进行计数的光子计数器150。在图1中所展示的实例中，应了解，包含多个像素P1100A到Pn100N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，根据本专利技术的教示，通过将多个像素P1100A到Pn100N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Pn100N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。图2是展示根据本专利技术的教示包含具有耦合到曝光时间计数器及光子计本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2013.12.09 US 14/100,9411.一种成像系统，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。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以存储从
所述多个像素读出的图像数据的功能逻辑。
3.根据权利要求1所述的成像系统，其中每一像素进一步包含耦合到每一SPAD
的猝灭元件。
4.根据权利要求1所述的成像系统，所述像素阵列中的所述多个像素被布置成多
个行及多个列。
5.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述像素阵列包含于第一芯片中，且其
中所述读出电路包含于第二芯片中，其中所述第一及第二芯片堆叠在一起。
6.根据权利要求1所述的成像系统，其中针对所述像素阵列的每一像素组合所述
相应曝光时间计数与光子计数以确定所述像素阵列的每一像素的像素帧值。
7.根据权利要求1所述的成像系统，其中针对所述像素阵列的每一像素组合所述
相应曝光时间计数与光子计数以确定所述像素阵列的每一像素的像素子帧值。
8.根据权利要求7所述的成像系统，其中平均像素帧值为所述像素阵列的每一像

\t素的帧的所有像素子帧值的平均值。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：代铁军，王睿，
申请(专利权)人：全视科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US