一种单元共享式的动态范围可调激光成像系统的制作方法

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.为了克服上述问题，niclass等人于2013年发表文章a 100
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m range10
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frame/s 340
×
96
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pixel time
‑
of
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flight depth sensor in 0.18
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μm cmos和federica villa等人于2014年发表文章cmos imager with 1024spads and tdcs for single
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photon timing and 3
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d time
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of
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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
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frames/s,252
×
144spad flash lidar with 1728dual
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clock 48.8
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ps tdcs,and pixel
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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
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counting,timing and gated
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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。
4.以上发明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。
5.本发明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。


技术实现要素：

6.本发明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技术领域。
7.本发明是这样实现的：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。
8.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)。
9.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，
…
，第n
‑
1像素单元，n的数量为共享的像素单元数量，根据所设置的共享单元数量，共享单元控制模块(6)通过多路选择器与数字逻辑门将接收的脉冲信号输出至所有共享的像素单元中tdc的stop输入端，将clk输入端的时钟信号输出至主像素单元中tdc的count输入端，并将主像素单元中tdc的计数器高位信号输出至第二像素单元中tdc的count输入端，第二像素单元中tdc的计数器高位信号输出至第三像素单元中tdc的count
输入端,
…
,第n
‑
2像素单元中tdc的计数器高位信号输出至第n
‑
1像素单元中tdc的count输入端；当激光器(1)输出电脉冲信号至多个像素单元(51)中tdc(54)的start输入端，电脉冲信号的上升沿触发n个共享的像素单元的tdc开始工作，当n个共享的像素单元中任一像素单元的单光子探测器探测到光子时输出模拟信号至qc，qc接收到相应的模拟信号后输出脉冲信号至共享单元控制模块(6)，共享单元控制模块(6)将接收到的脉冲信号输出至n个共享的像素单元中tdc的stop输入端，脉冲信号的上升沿触发n个共享的像素单元共同输出一个宽动态范围的tof量化值。
10.所述片上时钟输出模块(4)是延时锁相环(dll)或锁相环(pll)的任何一种，其功能是用于提供稳定的低频时钟信号和多相时钟信号，同时多相时钟具有分相均匀的特性，其中低频时钟信号输出至共享单元控制模块(6)，多相时钟信号输出至所有像素单元(51)中tdc(54)的c输入端。
11.所述像素单元(51)的单光子探测器(52)是基于硅(silicon)、锗(germanium)、铟镓砷(ingaas)或者铟镓砷/磷化铟(ingaas/inp)的半导体单光子雪崩二极管，以及基于超导纳米线的单光子探测器的任何一种。
12.所述tdc(54)中高段tdc的计数功能通过计数器实现，该计数器可以是同步加法器或异步加法器的任何一种，其功能是对count1输入端时钟信号的上升沿计数；tdc(54)中高段tdc和低段tdc的寄存功能通过具有存储记忆功能的数字逻辑电路实现，这些数字逻辑电路可以是rs寄存器，d寄存器，rs触发器和d触发器等的任何一种。
附图说明
13.图1是单元共享式的动态范围可调激光成像系统原理框图，它由激光器(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。
14.图2是以两个像素单元共享的实施例系统原理框图，它由激光器(101)、外部输入参考时钟信号(102)、外部输入单元控制信号(103)、片上时钟输出模块(104)、像素单元阵列(105)、共享单元控制模块(106)和读出电路(107)组成。
15.图3是单元共享控制模块(106)对两个像素单元(151)进行共享的具体连接图，它由共享单元控制模块(106)、像素单元1(301)、像素单元2(302)组成。
16.图4是像素单元(151)中tdc(154)的内部结构，它由高段tdc(401)与低段tdc(402)组成。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述。
18.如图2为以两个像素单元共享的实施例系统原理框图，该系统由激光器(101)、外部输入参考时钟信号(102)、外部输入单元控制信号(103)、片上时钟输出模块(104)、像素单元阵列(105)、共享单元控制模块(106)和读出电路(107)组成，其中像素单元阵列(105)由64x64个像素单元(151)组成，每个像素单元(151)的内部结构与连接方式均相同，每个像素单元(151)由单光子雪崩光电二极管(spad)(152)、淬灭电路(qc)(153)和时间数字转换
电路(tdc)(154)组成；系统工作时，外部输入单元控制信号(103)串行输入数字信号至像素单元阵列(105)中共享单元控制模块(106)的cnt输入端，根据所输入的数字信号设置64x64个像素单元(151)进行一个或两个像素单元共享；外部输入参考时钟信号(102)输入参考时钟信号至片上时钟输出模块(104)，片上时钟输出模块(104)输出稳定的时钟信号至共享单元控制模块(106)的clk输入端，同时输出多个稳定的多相时钟信号至64x64个像素单元(151)中tdc的多个c输入端，多相时钟信号具有分相均匀的特性；当激光器(101)发射光脉冲信号，同时输出电脉冲信号至多个像素单元(151)中tdc(154)的start输入端，脉冲信号的上升沿触发多个像素单元(151)开始按所设置的共享数量进行工作，当像素单元阵列(105)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(107)，读出电路(107)将输入的数字信号串行输出至片外，当像素单元阵列(105)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。
19.如图2实施例中所述像素单元(151)中单光子探测器(152)的功能是探测光子并在探测到光子时输出模拟信号至qc(154)；qc(154)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(106)；tdc(157)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(157)输出计数器高位信号至共享单元控制模块(106)；时钟输出模块(104)是延时锁相环(dll)，其功能是用于提供稳定的低频时钟信号和多相时钟信号，同时多相时钟信号具有分相均匀的特性，其中低频时钟信号输出至共享单元控制模块(106)的clk输入端，多相时钟信号输出至所有像素单元(51)中tdc(154)的多个c输入端。
20.如图3为单元共享控制模块(106)对两个像素单元(151)进行共享的具体连接图，该具体连接图由共享单元控制模块(106)、像素单元1(301)、像素单元2(302)组成，其中共享单元控制模块(106)由或门(303)、多路选择器1(304)、多路选择器2(305)、多路选择器3(306)、多路选择器4(307)组成，像素单元1(301)由spad1(308)、qc1(309)、tdc1(310)组成，像素单元2(302)由spad2(311)、qc2(312)、tdc2(313)组成；spad1(308)与spad2(311)分别输出模拟信号至qc1(309)与qc2(312)，qc1(309)与qc2(312)分别输出脉冲信号至共享单元控制模块(106)中或门(303)的两个输入端与多路选择器1(304)与多路选择器2(305)的0输入端，或门(303)的输出连接至多路选择器1(304)与多路选择器2(305)的1输入端，多路选择器1(304)与多路选择器2(305)的输出分别连接至tdc1(310)与tdc2(313)的stop输入端；共享单元控制模块(106)clk输入端连接至多路选择器3(306)与多路选择器4(307)的0输入端，多路选择器3(306)的1输入端与地相接，多路选择器4(307)的1输入端与tdc1(310)输出的计数器高位信号相接，多路选择器3(306)与多路选择器4(307)的输出分别连接至tdc1(310)与tdc2(313)的count输入端，多路选择器1(304)、多路选择器2(305)与多路选择器4(307)的控制端与共享单元控制模块(106)的cnt输入端相接，多路选择器3(306)的控制端与地相接。
21.如图3中可以通过外部输入单元控制信号(103)输入0或1的数字信号至共享单元控制模块(106)的cnt输入端，共享单元控制模块(106)设置一个像素单元或两个像素单元进行单元共享；当外部输入单元控制信号(103)输入0数字信号时，共享单元控制模块(106)
设置一个像素单元进行共享，像素单元1(301)与像素单元2(302)分别为一个共享的像素单元，通过多路选择器3(306)和多路选择器4(307)，共享单元控制模块(106)中clk输入端的时钟信号分别输入至tdc1(310)与tdc2(313)的count输入端，当start输入端输入脉冲信号时，脉冲信号上升沿分别触发tdc1(310)与tdc2(313)的高段tdc开始工作，同时tdc1(310)与tdc2(313)的低段tdc输出tof量化值a1与tof量化值a2至读出电路(107)，当spad1或spad2接收到光子时，qc1(309)或qc2(312)分别通过多路选择器1(304)或多路选择器2(305)输出脉冲信号至tdc1(310)或tdc2(313)的stop输入端，脉冲信号的上升沿触发tdc1(310)或tdc2(313)的高段tdc输出tof量化值b1或tof量化值b2至读出电路(107)，同时触发tdc1(310)或tdc2(313)的低段tdc输出tof量化值c1或tof量化值c2至读出电路(107)，像素单元1(301)的tof量化值为b1 a1
‑
c1,像素单元2(302)的tof量化值为b2 a2
‑
c2；当外部输入单元控制信号(103)输入1数字信号时，共享单元控制模块(106)设置两个像素单元进行共享，像素单元1(301)与像素单元2(302)为一个共享的像素单元，像素单元1(301)为主像素单元，像素单元2(302)为第二像素单元，通过多路选择器3(306)或多路选择器4(307)，共享单元控制模块(106)中clk输入端的时钟信号输入至tdc1(310)的count输入端，tdc1(310)输出的计数器高位信号输入至tdc2(313)的count输入端，此时tdc2(313)的高段计数器与tdc1(310)的高段计数器级联形成位数更高位的计数器，当start输入端输入脉冲信号时，脉冲信号上升沿触发tdc1(310)与tdc2(313)级联的高段tdc开始工作，同时tdc1(310)的低段tdc输出tof量化值a11至读出电路(107)，当spad1或spad2接收到光子时，qc1(309)或qc2(312)分别通过或门(303)、多路选择器1(304)和多路选择器2(305)输出脉冲信号至tdc1(310)和tdc2(313)的stop输入端，脉冲信号的上升沿触发tdc1(310)和tdc2(313)的高段tdc同时输出tof量化值b11至读出电路(107)，同时触发tdc1(310)和tdc2(313)的低段tdc输出tof量化值c11至读出电路(107)，共享的像素单元的tof量化值为b11 a11
‑
c11。
22.如图4为所述像素单元(151)中tdc(154)的内部结构，其中tdc(154)由高段tdc(401)与低段tdc(402)组成；d触发器en输入端为高电平有效，当en输入端为高电平时，d触发器正常工作，当en输入端为低电平时，d触发器q输出端输出低电平，d触发器为上升沿触发；高段tdc(401)的计数器为由d触发器组成的异步二进制加法计数器(403)，寄存器(404)由d触发器组成，低段tdc(402)的寄存器阵列(405)由d触发器；其中高段tdc(401)中异步二进制加法计数器(403)的高位输出端输出计数器高位信号，异步二进制加法计数器(403)对count端输入信号的上升沿计数，寄存器(405)寄存异步二进制加法计数器(403)的输出信号，低段tdc(402)的寄存器阵列(406)寄存多个c输入端输入的多相时钟信号，当start输入端输入脉冲信号时，脉冲信号上升沿触发异步二进制加法计数器(403)开始对count端输入信号的上升沿计数，同时使低段tdc(402)的寄存器阵列(405)寄存多相时钟信号，当stop输入端输入脉冲信号时，脉冲信号上升沿触发高段tdc(401)的寄存器(404)寄存异步二进制加法计数器(403)输出端的信号，同时使低段tdc(402)的寄存器阵列(405)寄存多相时钟信号。