本发明专利技术提供的是一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统，激光器(1)、外部输入参考时钟信号(2)、外部输入单元控制信号(3)、片上时钟输出模块(4)、像素单元阵列(5)、共享单元控制模块(6)和读出电路(7)组成，实现了激光成像系统动态范围可调的功能，该系统可广泛应用于增强现实和虚拟现实、汽车、飞行训练以及医学成像等领域。学成像等领域。学成像等领域。
【技术实现步骤摘要】
一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统
[0001]本专利技术提供的是一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统，由激光器、外部输入参考时钟信号、外部输入单元控制信号、片上时钟输出模块、像素单元阵列、共享单元控制模块和读出电路组成，实现了激光成像系统动态范围可调的功能，该系统可广泛应用于增强现实和虚拟现实、汽车、飞行训练以及医学成像等领域。
技术介绍
[0002]基于光子飞行时间(TOF)的激光雷达成像系统是集光电学、微电子、图像处理和计算机技术于一体的现代高新技术，广泛应用于增强现实和虚拟现实、汽车、飞行训练以及医学成像等领域；高灵敏度、快速反应时间和低定时抖动使单光子雪崩二极管(SPAD)成为激光成像系统中传感器像素阵列的单光子探测器优选者；但SPAD形成像素还需要淬灭电路和时间数字转换电路，这降低了传感器像素阵列的填充因子，即单光子探测器的感光面积与总像素面积的比率，从而降低传感器的探测速率和系统的成像速度；因此，将传感器像素阵列单元的非感光面积减少来获取高的填充因子，从而增加探测概率是首要之选，但无可避免的是，这将会导致时间数字转换电路面积的减少，从而导致传感器像素阵列单元无法实现宽动态范围。
[0003]为了克服上述问题，Niclass等人于2013年发表文章A 100
‑
m range10
‑
frame/s 340
×
96
‑
pixel time
‑
of
‑
flight depth sensor in 0.18
‑
μm CMOS和Federica Villa等人于2014年发表文章CMOS Imager With 1024SPADs and TDCs for Single
‑
Photon Timing and 3
‑
D Time
‑
of
‑
Flight，他们都是每个像素单元共用片上时钟模块产生的时钟信号，在高填充因子下实现恒定的时间分辨率与恒定的动态范围；C.Zhang等人于2019年发表文章A 30
‑
frames/s,252
×
144SPAD flash LiDAR with 1728dual
‑
clock 48.8
‑
ps TDCs,and pixel
‑
wise integrated histogramming，该文章的像素阵列结构使用TDC共享架构，实现高填充因子，每个像素单元共用片上时钟模块产生的时钟信号，实现恒定的时间分辨率与恒定的动态范围；Federica Villa等人于2018年发表文章SPADs and TDCs for photon
‑
counting,timing and gated
‑
imaging at 30ps resolution and 60％efficiency，该文章的像素阵列结构具有超高的读出效率与高精度，在高填充因子下每个像素单元共用片上时钟模块产生的时钟信号，实现恒定的时间分辨率与恒定的动态范围。
[0004]以上专利技术存在以下缺陷和不足：传感器像素阵列系统通过共用片上时钟模块产生的时钟信号来实现恒定分辨率下的动态范围测量，由于传感器像素阵列在制作以后内部结构已经恒定，当在实际应用中需要增大或减小激光成像系统的动态范围时，只能通过重新制作传感器像素阵列才能改变动态范围，这不仅会增加设计成本，而且还会浪费大量时间。
[0005]本专利技术公开了一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统，该系统中的像素单元通过共享的形式，根据所设置的共享像素单元数量，将像素单元阵列中的所有像素单元与其相邻的像素单元进行共享，在保持共享像素单元时间分辨率不变以及填充因子不变的前提下，提高像素单元的动态范围；尤其是当大型像素阵列的传感器需要进行更深的成像
深度或更大动态范围时，通过这种像素共享结构，可以将共享像素单元的动态范围增加N倍，N为像素阵列中像素单元的个数，例如：64x64的像素阵列，当像素单元需要更大的动态范围时，将两个像素单元进行共享，像素阵列的分辨率由64x64的变成64x32，共享像素单元的动态范围增加一倍，以此类推，当将六十四个像素单元进行共享时，像素阵列的分辨率由64x64的变成64x1，共享像素单元的动态范围增加六十四倍。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统，可广泛应用于增强现实和虚拟现实、汽车、飞行训练以及医学成像等领域，属于单光子计时测距成像
[0007]本专利技术是这样实现的：所述系统由激光器(1)、外部输入参考时钟信号(2)、外部输入单元控制信号(3)、片上时钟输出模块(4)、像素单元阵列(5)、共享单元控制模块(6)和读出电路(7)组成，其中像素单元阵列(5)由多个像素单元(51)组成，每个像素单元(51)的内部结构与连接方式均相同，每个像素单元(51)由单光子探测器(52)、淬灭电路(QC)(53)和时间数字转换电路(TDC)(54)组成；系统工作时，外部输入单元控制信号(3)串行输入数字信号至像素单元阵列(5)中共享单元控制模块(6)的CNT输入端，根据所输入的数字信号设置多个像素单元(51)进行不同数量的共享；外部输入参考时钟信号(2)输入参考时钟信号至片上时钟输出模块(4)，片上时钟输出模块(4)输出稳定的时钟信号至共享单元控制模块(6)的CLK输入端，同时输出多个稳定的多相时钟信号至多个像素单元(51)中TDC的多个C输入端；当激光器(1)发射光脉冲信号时，同时输出电脉冲信号至多个像素单元(51)中TDC(54)的START输入端，脉冲信号的上升沿触发多个像素单元(51)开始按所设置的共享数量进行工作，当像素单元阵列(5)中任一共享的像素单元接收到光子时，共享的像素单元将测量出光子的飞行时间(TOF量化值)并以数字信号的形式依次输出至读出电路(7)，读出电路(7)将输入的数字信号串行输出至片外，当像素单元阵列(5)中所有共享的像素单元完成数据读出时，系统完成一帧的测量。
[0008]所述像素单元(51)中单光子探测器(52)的功能是探测光子并在探测到光子时输出模拟信号至QC(54)；QC(54)的功能是接收单光子探测器的模拟信号并输出脉冲信号至共享单元控制模块(6)；TDC(57)由高段TDC与低段TDC组成，其功能是测量出TOF量化值并转换为数字信号的形式，高段TDC为计数器与多个寄存器，对COUNT输入端的时钟信号计数并寄存高段TDC的计数结果，低段TDC为寄存器阵列，寄存多个C输入端的多相时钟信号，同时TDC(57)输出计数器高位信号至共享单元控制模块(6)。
[0009]所述共享单元控制模块(6)的功能是通过不同的输入端口接收所有像素单元(51)中QC输出的脉冲信号，同时通过不同的输入端口接收所有像素单元(51)中TDC输出的计数器本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统，其特征是：由激光器(1)、外部输入参考时钟信号(2)、外部输入单元控制信号(3)、片上时钟输出模块(4)、像素单元阵列(5)、共享单元控制模块(6)和读出电路(7)组成，其中像素单元阵列(5)由多个像素单元(51)组成，每个像素单元(51)的内部结构与连接方式均相同，每个像素单元(51)由单光子探测器(52)、淬灭电路(QC)(53)和时间数字转换电路(TDC)(54)组成；系统工作时，外部输入单元控制信号(3)串行输入数字信号至像素单元阵列(5)中共享单元控制模块(6)的CNT输入端，根据所输入的数字信号设置多个像素单元(51)进行不同数量的共享；外部输入参考时钟信号(2)输入参考时钟信号至片上时钟输出模块(4)，片上时钟输出模块(4)输出稳定的时钟信号至共享单元控制模块(6)的CLK输入端，同时输出多个稳定的多相时钟信号至多个像素单元(51)中TDC的多个C输入端；当激光器(1)发射光脉冲信号时，同时输出电脉冲信号至多个像素单元(51)中TDC(54)的START输入端，脉冲信号的上升沿触发多个像素单元(51)开始按所设置的共享数量进行工作，当像素单元阵列(5)中任一共享的像素单元接收到光子时，共享的像素单元将测量出光子的飞行时间(TOF量化值)并以数字信号的形式依次输出至读出电路(7)，读出电路(7)将输入的数字信号串行输出至片外，当像素单元阵列(5)中所有共享的像素单元完成数据读出时，系统完成一帧的测量。2.根据权利要求1所述的一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统，其特征是：所述像素单元(51)中单光子探测器(52)的功能是探测光子并在探测到光子时输出模拟信号至QC(54)；QC(54)的功能是接收单光子探测器的模拟信号并输出脉冲信号至共享单元控制模块(6)；TDC(57)由高段TDC与低段TDC组成，其功能是测量出TOF量化值并转换为数字信号的形式，高段TDC为计数器与多个寄存器，对COUNT输入端的时钟信号计数并寄存高段TDC的计数结果，低段TDC为寄存器阵列，寄存多个C输入端的多相时钟信号，同时TDC(57)输出计数器高位信号至共享单元控制模块(6)。3.根据权利要求1所述的一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统，其特征是：所述共享单元控制模块(6)的功能是通过不同的输入端口接收所有像素单元(51)中QC输出的脉冲信号，同时通过不同的输入端口接收所有像素单元(51)中TDC输出的计数器高位信号；在共享的像素单元中以一个像素单元为主像素单元，其余像素单元为第二像素单元，第三像素单元，
【专利技术属性】
技术研发人员：陈梓东，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。