基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路的制作方法

本发明涉及一种基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，属于单光子计时测距成像技术领域。

背景技术：

基于光子飞行时间(timeofflight，tof)测量的单光子计时测距成像技术，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，其中集成的雪崩光电二极管(avalanchephotondiode，apd)探测器可感应单个光子并触发光电流信号，读出电路(readoutintegratedcircuit，roic)将此电流信号转换为电压脉冲信号，再由阈值比较器检测出表征光子到达时刻的stop信号，结合光子发射的start时刻，由roic中各像素内的时间数字转换器(time-to-digitalconverter，tdc)得到各像素的tof量化值，将所有像素的tof量化值串行读出到外部计算机中，再通过计算机结合相关图像处理算法对读出的数据进行处理，最终实现对被测目标的距离检测和轮廓成像。工作在盖革模式下的apd探测器，具有单光子探测灵敏度、暗计数率低、响应时间快、高增益、高信噪比、高稳定性、宽光谱响应范围、全固态结构以及体积小、重量轻、功耗低等显著特点，由此构成的单光子计时测距成像，同样继承了灵敏度高、分辨率高和快速高效等优点，尤其适合微弱光强检测，在诸如夜视系统、激光雷达探测、无人机监测、机器人视觉等众多研究领域中都有着现实的应用潜力。近年来，对新型单光子探测器及相应的高性能roic系统研究已成为国内外诸多研究机构和商业公司的重点关注领域。

作为apd探测器和图像处理系统之间的前端信号检测处理电路，roic直接决定了整个单光子计时测距成像系统的性能，其中基于tdc的tof测量技术，其像素单元具备抗干扰能力强，时序简单等显著优点，具有模数转换器无可替代的优势。为配合盖革模式下apd的正常探测和淬灭，apd及其roic必须工作在门控帧频探测模式下，一个完整的门控周期(即完整的一帧周期)可分为两个阶段：门控信号en的有效窗口内启动apd以检测光子，en的有效窗口外则传输获得的tof量化值。单帧量化模式下，通常en的有效窗口最大不能超出阵列像素内tdc的检测量程，roic在激光发射的同时启动各阵列像素内的tdc在en的有效窗口内开始高频计数，直到各像素内的apd检测到被测目标反射回的光子并产生stop信号后，立刻停止像素内的tdc量化并锁存各像素的tof量化值，并在en的有效窗口外将锁存的tof量化值读出，即在一帧内得到一次探测产生的包含被测目标距离信息和景深信息的完整tof量化值。

对于激光雷达等远距离探测应用，需要具备远距离捕捉动态目标轨迹的能力，则要求roic系统能实现对宽动态范围目标的高性能成像。但在特定的时间分辨率指标约束下，驱动阵列像素内tdc计数的时钟周期很小，单帧量化模式下的roic只能依靠增加阵列像素内tdc的计数器位数来增加系统的探测量程，因此会消耗相当多的像素面积，减小apd探测器的填充因子，从而降低roic的整体探测性能，并且探测量程无法有效扩展。此外，随着对成像质量要求的不断提高，roic系统的阵列规模和成像速度不断提升。对于较长时间的tof量化，在单帧量化模式下则意味着roic中各阵列像素内的tdc将长时间处在高频计数状态，系统功耗则急剧增加。过高的系统功耗不仅严重影响apd探测器的探测性能和roic工作时序的可靠性，也会对系统芯片的封装和散热提出更高的要求从而增加了成本和设计复杂度。很明显，过高的系统功耗已成为影响roic系统规模扩展的首要限制因素，roic阵列规模的持续扩展强烈依赖于降低roic的系统功耗。从系统功耗降低、节省芯片面积、检测性能提升等成效考虑，一种能根据被测目标距离自适应动态调节其量化模式的宽量程低功耗读出电路系统，具有显著的实际工程应用价值。

技术实现要素：

单帧量化模式下，忽略门控信号en下降沿强制触发产生的tof量化值，将所有阵列像素中的最小tof量化值定义为被测目标空间距离对应的距离tof值，将各阵列像素的tof量化值与最小tof量化值的差值定义为被测目标表面不同位置处对应的景深tof值，距离tof值加上相应的景深tof值即为被测目标在一次探测中生成的完整tof值。对于远距离探测，距离tof值通常远大于被测目标的最大可测景深tof值，在单帧量化模式中无法兼顾宽量程和高分辨的共同要求，导致系统功耗巨大。实际上，对于光子计时测距成像系统，仅景深tof值对被测目标轮廓成像有效，因此若宽动态范围的距离tof值仅通过一个辅助像素单元来检测量化，而阵列像素内的tdc仅用于检测窄动态范围的景深tof值，阵列像素内tdc的同步高频计数时间将大幅度压缩，同时量化位数也可明显缩减，tof量化和数据传输引入的功耗将大幅缩减；但是，由于精确的距离tof值很难获取，需要测试所有阵列像素的tof值才能获取(最小值)，如果仅通过辅助像素检测某一个或几个像素的tof值，无法判断距离tof值的实际大小。为此，采用对被测目标进行距离tof值预估和预留最大可测景深tof值的策略，将单帧量化模式下各阵列像素对应的完整tof值分为两帧进行量化，第一帧采用中低频时钟驱动辅助像素单元内的tdc对被测目标的空间距离进行粗量化，此时量程较大但对时间分辨精度要求较低，得到距离tof的近似估值，辅助像素工作带来的功耗占系统功耗比重极低，可基本忽略；第二帧先启动激光发射使光子预先飞行一段时间，通过带置位端的定时计数单元控制，配置光子预飞行时间比第一帧辅助像素内tdc量化得到的距离tof估值略短，理想情况下光子预飞行时间即为距离tof估值减去预留的最大可测景深tof值，光子预飞行时间结束后通过定时计数单元输出一个标志信号来启动所有阵列像素内的tdc同时工作，完成对被测目标表面不同位置处对应的景深tof值的细量化。同时为满足对被测目标表面不同位置处景深tof值的正确量化，阵列像素内的tdc在高频计数状态下的探测量程需大于2倍以上预留的最大可测景深tof值，避免因距离tof预估和信号传输延迟等非理想因素导致某些阵列像素tof的量化值存在严重误码。显然，对被测目标采取距离tof值预估策略和预留合适的最大可测景深tof值，可将对被测目标的距离和景深探测在时域上分步完成，有效解决了探测量程与时间分辨率的严重对立制约，带来阵列系统功耗成倍的降低。

本发明是要在不影响阵列读出电路的面积和时间分辨率指标的条件下，解决在传统单帧量化模式下，因阵列像素面积约束导致的系统探测量程无法有效扩展的问题和大规模阵列读出电路在对远距离目标细分辨探测时因阵列tdc长时间同步高频计数带来的高功耗问题。为此，提出了一种基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，对于远距离的被测目标，读出电路被配置在双帧复用量化模式下，将连续相邻两帧内以不同方式探测到的数据综合处理，得到一次探测产生的包含被测目标距离信息和景深信息的完整tof量化值，满足探测量程与时间分辨率之间的共同要求，减小芯片面积，降低系统功耗；对于近距离的被测目标(与被测目标最大可测景深同等量级)，读出电路被配置在单帧量化模式下，在一帧内得到一次探测产生的包含被测目标距离信息和景深信息的完整tof量化值，同时也消除了双帧量化模式下的量化盲区。两种量化模式下，阵列像素内的阵列型tdc同时工作的时间均很短，系统检测量化都具备低功耗特性。

为实现上述目的，本发明具体采用的技术方案如下：

基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，包括由多个阵列像素单元构成的二维面阵、面阵外围附加的辅助像素单元、量化模式配置模块、时序控制模块及片内时钟产生电路；

所述阵列像素单元均包含apd探测器输入端口、aqc接口电路、阵列型tdc以及寄存器；

其中，apd探测器，用于在门控信号en的有效窗口内检测单光子，窗口内随机到达的单光子信号可迅速触发盖革模式下的apd雪崩并产生脉冲电流信号；

aqc接口电路，用于对apd产生的雪崩电流进行i-v转换，产生可表征光子到达apd时刻的电压脉冲信号stop，利用即刻产生的stop及其相关信号控制mos开关管上拉apd的阳极电位，进而减小apd的反偏电压，将雪崩电流淬灭，完成当前帧的单光子探测；

阵列型tdc，采用异步二进制计数器与同步伪随机计数器构成的计数型tdc结构，在稳定的高频计数时钟驱动下，用于对各阵列像素tof进行周期计数量化；

寄存器，用于锁存来自共享的相位均分的多相时钟状态数据，实现对各阵列像素tof的细分辨作用，在门控信号en的有效窗口外，将各阵列像素锁存的完整tof量化数据以串行方式读出；

辅助像素单元，用于共享其邻近多个阵列像素单元内的apd探测器和aqc接口电路，无需另加apd探测器，像素内采用二进制同步加法计数器构成的计数型tdc结构，在中低频时钟的驱动下，用于对辅助像素tof进行周期计数量化，得到被测目标空间距离对应的距离tof的近似估值；

量化模式配置模块，用于根据当前帧辅助像素tof的量化值大小，自适应地选择下一帧读出电路的数据量化模式；

时序控制模块，用于产生系统时序控制信号，完成各像素tof量化值的探测并有序传输；

片内时钟产生电路，用于产生读出电路系统正常工作所需的各种频率的时钟信号。

所述的基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，包括步骤：

步骤1.系统上电并复位后的第一帧，阵列像素不工作，辅助像素正常工作，读出电路被设置在双帧复用量化模式下，第一帧用于对被测目标的当前距离进行大致搜索，被测目标距离tof的近似估值即在en有效窗口内辅助像素锁存的tof量化值；

步骤2.通过多位二进制数值比较器，将当前帧内辅助像素tof的量化值与预设的阈值进行比较，数值比较器的比较结果作为下一帧读出电路量化模式的选择信号；

步骤3.若当前帧内辅助像素tof的量化值小于预设的阈值时，确认被测目标距离较近，下一帧读出电路将被配置在单帧量化模式，单帧量化模式下的多相时钟信号与门控信号en被同时加载进阵列像素，且每一帧各阵列像素tof的量化值都包含了被测目标的距离信息和景深信息；

步骤4.若当前帧内辅助像素tof的量化值大于预设的阈值时，确认被测目标距离较远，下一帧读出电路将被配置在双帧复用量化模式，该模式下通过带置位端的定时计数单元控制，使得多相时钟信号延迟门控信号en一段延时后再被加载进阵列像素，延时大小由当前帧辅助像素tof的量化值和预设的最大可测景深tof值共同决定，每一帧阵列像素tof的量化值仅包含被测目标的景深信息，被测目标的距离信息需同时将当前帧辅助像素tof的量化值和下一帧阵列像素tof的量化值读出并综合处理来得到；

步骤5.读出电路在每一帧门控信号en的有效窗口外，采用诸如(a1，0)、(a2，b1)、(a3，b2)的流水线形式，读出每一帧辅助像素tof的量化值(a)和所有阵列像素tof的量化值(b)，若当前读出电路工作在双帧复用量化模式，则通过对连续相邻两帧内具有相同数字编号的a和b综合处理，得到一次探测产生的包含被测目标距离信息和景深信息的完整tof量化值；反之，若读出电路工作在单帧量化模式则只采用阵列像素tof的量化值b；流水线读出方式保证了在双帧复用量化模式下读出电路工作的等效帧频近似不变。上述两种量化模式下，阵列型tdc同时工作的时间均很短，系统检测量化都具备低功耗特性。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述的片内时钟产生电路选用基于pll或dll的闭环高稳定多相时钟，用于提供高中低频多种时钟信号，其中中低频时钟信号用于驱动辅助像素单元内tdc的计数工作，同时提供的高频多相时钟具有分相均匀的特性，用于实现阵列像素内tdc的周期计数量化和细分辨功能。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

①本发明在不影响读出电路系统时间分辨率性能的前提下，以近似为0的额外硬件资源消耗为代价，实现超宽量程探测，其理论量程可以通过增加辅助像素内的计数器位数无限扩展；

②由于被测目标的距离tof由辅助像素单独量化，阵列像素内tdc的计数位数可以大幅压缩，阵列像素的面积限制得到缓解，阵列像素的数据传输位数也大幅压缩，读出电路的数据传输时间和数据传输功耗将大幅下降；

③由于阵列像素内tdc的量程仅与被测目标的最大可测景深tof同等量级，在远距离探测时，双帧复用量化模式相对经典的单帧量化模式可进一步降低系统功耗，且读出电路规模越大，探测距离越远，双帧复用量化模式带来的能耗降低效益越显著；此外，基于量化模式配置模块，读出电路系统可根据被测目标的距离远近，自适应调节其数据量化模式，消除了双帧量化模式下的量化盲区，保证了读出电路系统的宽动态范围探测。

附图说明

图1为本发明所述的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路的架构示意图；

图2为本发明所述的apd及aqc接口电路示意图；

图3为本发明所述的阵列型tdc示意图；

图4为本发明所述的辅助像素单元示意图；

图5为本发明所述的量化模式配置模块示意图；

图6为本发明所述的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路工作时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作更进一步的说明。

如图1所示的基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路的架构示意图，包括由阵列像素单元构成的二维像素面阵、面阵外围附加的辅助像素单元、量化模式配置模块、时序控制模块及片内时钟产生电路。其中，高频多相时钟可通过h树型驱动网络传输到各个阵列像素单元内，减少因时钟偏差造成阵列像素tof的量化误码。

具体地，所述的二维像素面阵共包含m×n个阵列像素单元，每个阵列像素单元结构均相同。所述的阵列像素单元均包含apd探测器输入端口、aqc接口电路、阵列型tdc以及寄存器；所述的apd探测器，在门控信号en的有效窗口内被偏置在盖革模式，窗口内随机到达的单光子信号可迅速触发apd雪崩并产生脉冲电流信号；所述的aqc接口电路，用于对apd产生的雪崩电流进行i-v转换，产生可表征光子到达apd时刻的电压脉冲信号stop，利用即刻产生的stop及其相关信号控制mos开关管上拉apd的阳极电位，进而减小apd的反偏电压，将雪崩电流淬灭，完成当前帧的单光子探测；所述的阵列型tdc，在稳定的高频计数时钟驱动下，用于对各阵列像素tof进行周期计数量化，同时像素内的寄存器，用以锁存来自共享的相位均分的多相时钟状态数据，实现对各阵列像素tof的细分辨作用，在门控信号en的有效窗口外，将各阵列像素锁存的完整tof量化数据以串行方式读出；

其中，所述的apd探测器及aqc接口电路的具体结构如图2所示，包括用来模拟apd特性的反向偏置的二极管、nmos管m1～m6、pmos管m7～m12和或门or，其中m6和m12采用标准阈值mos管，其余均采用高压标准阈值mos管。图中in点的总寄生电容cin由两部分构成：cs为apd的结电容，cc为in点到地的寄生电容之和，包括apd阳极对地的电容、电路在in点产生的寄生电容(连接in点的各mos管栅源漏寄生电容等)。图中m7为门控管，栅端接门控信号en，实现门控功能。m2为复位管，栅端接apd复位信号rec，复位apd探测器至盖革模式。m1的源和漏短接，栅端接rec的反相信号，用于抑制时钟馈通效应。m8为主动淬灭管，栅端接或门的输出，加速apd探测器的淬灭进程。阈值比较器采用m3和m9实现，栅端接in，其翻转阈值的大小取决于两管的宽长比。由m4和m10构成了反相器，其栅端接检测比较器的输出stopb，一方面将信号整形并提高输出的驱动能力，另一方面将信号反向，得到与in点极性相同的上升沿信号，供后续的读出电路系统使用。or或门输入接stopb信号和rec信号用于避免淬灭管和复位管同时导通产生竞争现象。m5、m11、m6、m12构成电平转换电路，输出标准电压的stop脉冲信号供后续读出电路使用。

上述的阵列型tdc如图3所示，采用伪三段式结构，其中高段采用异步二进制计数器与同步伪随机计数器构成的伪两段式计数型tdc，在稳定的高频计数时钟hck0驱动下，用于对各阵列像素tof进行周期计数量化，同时通过像素内的寄存器组，在stop信号上升沿处锁存四个共享的均匀分相高频时钟hck0～hck3的相位状态数据，经数据读出译码可实现thck0/8的时间分辨率，thck0为高频计数时钟信号hck0的时钟周期，实现对各阵列像素tof的细量化。2bit异步二进制计数器的高位输出作为驱动同步伪随机计数器工作的输入时钟，降低了同步伪随机计数器的计数时钟频率从而有效降低阵列像素内阵列型tdc的计数功耗。异步二进制计数器和伪随机计数器均通过多路选择器(mux)控制完成时钟计数和数据传输两种模式的切换，且伪随机计数器仅需一个mux便可完成模式切换，有效节省了像素面积。传输门(tg)用于在stop信号上升沿到来后切断高频计数时钟hck0来停止tdc量化，通过tg低建立保持时间的数据暂存特性，和d触发器搭配形成的复合采样结构还能有效降低数据采样的误码率。

所述的面阵外围附加的辅助像素单元如图4所示，共享其邻近多个阵列像素单元内的apd探测器和aqc接口电路，无需另加apd探测器，像素内采用二进制同步加法计数器构成的计数型tdc结构，在中低频时钟信号lck的驱动下，该计数器在每一帧都对辅助像素tof进行周期计数量化，得到被测目标空间距离对应的距离tof估值，并将该距离tof估值分别锁存在读出寄存器和置位寄存器中，其中读出寄存器内存储的数据在当前帧门控信号en的有效窗口外被读出供后续处理，而置位寄存器中存储的数据在当前帧门控信号en的下降沿处被送入量化模式配置模块。其中图4(a)中的初相误差控制模块用于调节lck_in信号上升沿使其总是滞后于en上升沿，且最大不超过1个lck信号周期，保证因初相失配造成的量化误差总是使得最终辅助像素tof的量化值偏大，便于在双帧复用量化模式下的配置合适的光子预飞行时间。

上述的量化模式配置模块如图5所示，其工作原理是：

在当前帧门控信号en的下降沿处通过一个d触发器采样多位二进制数值比较器的比较结果compare，得到量化模式切换选择judge。若采样到多位二进制数值比较器的比较结果为高电平1，下一帧读出电路将被配置在单帧量化模式，下一帧门控信号en和多相时钟信号hck0～hck3将同时被加载进阵列像素单元中，阵列像素tof的量化值同时包含被测目标的距离信息和景深信息。若采样到多位二进制数值比较器的比较结果为低电平0，下一帧读出电路将被配置在双帧复用量化模式，下一帧复位信号reset上升沿到来时将对一个带置位端的定时减法计数器进行预置数，预置数值即为当前帧辅助像素单元内置位寄存器中存储的距离tof估值。在与辅助像素单元内相同的中低频时钟信号lck的驱动下，定时减法计数器在下一帧门控信号en的有效窗口内进行定时计数，定时值设定为比当前帧测得的距离tof估值略小(小大约一个预留的最大可测景深tof值加上一个中低频lck周期)，当定时计数完毕后将标志信号flag变为高电平，同时门控时钟使能信号en_hck被置为高电平，选通多相时钟信号hck0～hck3至阵列像素单元，下一帧阵列像素tof的量化值仅包含被测目标的景深信息，通过与当前帧辅助像素测得的距离tof估值综合处理，便可形成被测目标在一次探测产生的同时包含被测目标距离信息和景深信息的完整tof值。此外，通过一个定时加法计数器输出的标志信号cut，来控制en_hck信号的高电平持续时间不超过阵列像素内阵列型tdc的探测量程，避免阵列像素内tdc由于多余计数产生额外功耗。

上述的时序控制模块，采用异步二进制计数器定时控制的方法将数据传输时间分为多个时间段，且多行像素共用一个串行输出端口，不同时间段内选通相应行对应的低频传输时钟，在低频传输时钟的驱动下基于多路并行的输出方式将相应行的像素数据通过共用的串行输出端口有序读出。

上述的片内时钟产生电路，采用基于pll或dll的闭环高稳定多相时钟，提供高中低频多种时钟信号，其中中低频时钟信号lck用于驱动辅助像素单元内tdc的计数工作，同时提供的高频多相时钟hck0～hck3具有分相均匀的特性，用于实现阵列像素内tdc的周期计数量化和细分辨功能。

图6是本发明所述的基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路的工作时序示意图，具体可分为以下几个阶段：

1)读出电路系统上电后，首先通过reset_hck信号复位片内时钟产生电路和模式切换信号judge，随后加载低频参考时钟信号，等待约10μs的时钟锁定延迟时间后，通过全局复位信号reset复位除片内时钟产生电路和aqc接口电路外的其他系统模块，reset信号下降沿之后经过若干延迟，门控信号en上升沿到来同时发射激光进行探测，在en信号上升沿之后的一小段固定延迟后，rec信号上升沿到来复位aqc接口电路使apd探测器工作在盖革模式下，至此读出电路系统复位完毕，读出电路第一帧被配置在双帧复用量化模式下。

2)第一帧门控信号en的上升沿到来后，选通中低频计数时钟lck进入辅助像素，辅助像素内的二进制同步加法计数器在门控信号en的有效窗口内进行加法计数，此时flag信号为低电平，且输入阵列像素单元的高频多相时钟hck0～hck3被屏蔽。当共享的apd探测器检测到被测目标反射回的光子后迅速感应出雪崩电流后，aqc接口电路对雪崩电流进行i-v转换并输出表征光子到达的上升脉冲信号stop，锁存辅助像素内二进制同步加法计数器的计数值，该计数值被分别存储到两组寄存器中。其中一组寄存器中存储的计数值被送入多位二进制数值比较器与预设的阈值进行比较，得到比较结果compare，另外一组寄存器中存储的计数值在第一帧en的有效窗口外被有序读出供后续处理，将读出的计数值转换为时间量即为图中辅助像素tof量化值a1。

3)在第一帧门控信号en的下降沿处采样多位二进制数值比较器的比较结果compare，得到用来调节下一帧读出电路探测模式的模式控制信号judge，当judge＝0，说明距离tof估值大于人为预先设定的阈值，被判定为远距离探测，读出电路在第二帧将被配置在双帧复用量化模式，门控时钟使能信号en_hck由第二帧带置位端的定时减法计数器输出的flag信号决定，当定时减法计数结束后，flag输出变为高电平同时高频多相时钟hck0～hck3被送入各阵列像素内，在第二帧en的有效窗口外输出仅包含被测目标景深信息的阵列像素tof的量化值，即图中阵列像素tof量化值b1。因此在双帧量化模式下，被测目标一次探测产生的包含距离信息和景深信息的完整tof即为a1+b1-tremain，其中a1-tremain即为第二帧定时减法计数器的计数时间，tremain为计数预留时间，应至少大于一个预留的最大可测景深tof值。

4)反之，若在当前帧的en下降沿处采样judge＝1，即被判定为近距离探测，读出电路在下一帧将被配置在单帧量化模式，并在en的有效窗口外将输出同时包含被测目标距离信息和景深信号的阵列像素tof量化值(如图6中阵列像素tof量化值的c1、c2)。

综上，本发明提出的基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，可以根据被测目标距离的远近，动态调节数据量化模式从而显著降低探测功耗。通过增加辅助像素单元内tdc的计数位数可有效拓宽系统探测量程，消除单帧量化模式下探测量程与像素面积之间的约束。本发明适用于任意规模的阵列读出电路，且阵列规模越大，探测距离越远，量化模式切换带来的低功耗探测效益就越高。

以上结合附图对本发明的具体实施方式做了详细说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做各种变化，都应当视为属于本发明的保护范围。