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基于运行时间的距离测量中的TDC共享的装置和方法

阅读：412发布：2020-05-11

专利汇可以提供基于运行时间的距离测量中的TDC共享的装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种用于距离测量的装置，包括一个或数个光学检测器模块和读出模块。每个光学检测器模块包括多个光学检测器元件，所述光学检测器元件包括一个或数个光学检测器和计数器，每个光学检测器元件处于活动状态或处于非活动状态。另外，每个光学检测器模块包括定时器元件和存储器元件，定时器元件被配置为确定当前时间值，定时器元件被配置为连续地更新当前时间值，存储器元件用于存储所存储的多个时间值。读出模块被配置为：对于每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的处于非活动状态的的每个光学检测器元件，根据该光学检测器元件的计数器的计数值以及根据存储在存储器元件中的多个时间值，确定和输出针对该光学检测器元件的时间值。，下面是基于运行时间的距离测量中的TDC共享的装置和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于距离测量的装置，包括一个或数个光学检测器模块(1100，1200)和读出模块(1500)，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块包括：
多个光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)，所述光学检测器元件包括一个或数个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)和指示计数值的计数器(1115，
1125，1135，1215，1225，1235)，每个光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)处于活动状态或处于非活动状态，
定时器元件(1180，1280)，被配置为确定当前时间值，所述定时器元件(1180，1280)被配置为连续更新当前时间值，
存储器元件(1190，1290)，用于存储所存储的多个时间值，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块中处于活动状态的每个光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)被配置为响应于在该光学检测器元件的所述一个或数个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)处检测到了光学事件而进行反应，
其中，该光学检测器元件的反应包括向该光学检测器模块的定时器元件(1180，1280)以及至少向该光学检测器模块中处于活动状态的每个其他光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)输出信号，
其中，所述定时器元件(1180，1280)被配置为在接收到来自该光学检测器元件的信号时，在所述存储器元件(1190，1290)中存储当前时间值，作为所存储的多个时间值中的时间值，
其中，处于活动状态的每个其他光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)被配置为在接收到来自该光学检测器元件的信号时增加该其他光学检测器元件的计数器(1115，1125，1135，1215，1225，1235)的计数值，
其中，处于非活动状态的每个其他光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，
1230)被配置为不响应于来自该光学检测器元件的信号来增加该其他光学检测器元件的计数器(1115，1125，1135，1215，1225，1235)的计数值，
其中，所述光学检测器元件的反应包括将该光学检测器元件设置为非活动状态，以及其中，所述读出模块(1500)被配置为，对于所述一个或数个光学检测器模块(1100，
1200)中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)中处于非活动状态的每个光学检测器元件，根据该光学检测器元件的计数器(1115，1125，1135，1215，1225，1235)的计数值以及根据存储在所述存储器元件(1190，1290)中的所述多个时间值来确定和输出针对该光学检测器元件的时间值。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述读出模块(1500)被配置为：对于所述一个或数个光学检测器模块(1100，
1200)中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)中处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值，使得所述读出模块(1500)基于该光学检测器元件的计数器(1115，1125，
1135，1215，1225，1235)的计数值来确定存储在所述存储器元件(1190，1290)中的哪个时间值是该光学检测器元件的时间值。
3.根据权利要求1所述的装置，
其中，每个光学检测器模块(1100，1200)的定时器元件(1180，1280)被配置为：响应于来自该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)中的一个光学检测器元件的信号来将当前时间值存储在所述存储器元件(1190，1290)中，作为所存储的多个时间值中的时间值，使得存储在所述存储器元件(1190，1290)中的时间值以按时间排序的方式按时间顺序存储，使得存储在所述存储器元件(1190，1290)中的每个时间值包括在时间顺序中的时间位置，并且
其中，所述读出模块(1500)被配置为：对于所述一个或数个光学检测器模块(1100，
1200)中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)中处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值，使得所述读出模块(1500)使用该光学检测器元件的计数器(1115，1125，
1135，1215，1225，1235)的计数值来确定以所述时间顺序存储的时间值中作为该光学检测器元件的时间值的时间值所包括的时间位置。
4.根据权利要求3所述的装置，
其中，每个光学检测器模块(1100，1200)的定时器元件(1180，1280)被配置为：响应于来自该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)中的任何光学检测器元件的信号来将当前时间值存储在所述存储器元件(1190，1290)中，作为所存储的所述多个时间值中的时间值，使得存储在所述存储器元件(1190，1290)中的所述多个时间值以按时间排序的方式存储在存储器堆栈上，或以按时间排序的方式存储为链式链表，或以按时间排序的方式存储，使得对于所存储的按时间排序的时间值中的每个时间值，附加的数字指示所存储的按时间排序的时间值中该时间值位于哪个位置。
5.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述读出模块(1500)被配置为：使用存储在所述存储器元件(1190，1290)中的所述多个时间值中的时间值来建立存储在所述存储器元件(1190，1290)中的时间值的时间顺序，使得存储在所述存储器元件(1190，1290)中的每个时间值包括所述时间顺序中的时间位置，并且
其中，所述读出模块(1500)被配置为：对于所述一个或数个光学检测器模块(1100，
1200)中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)中处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值，使得所述读出模块(1500)使用该光学检测器元件的计数器(1115，1125，
1135，1215，1225，1235)的计数值来确定所存储的按时间排序的时间值中作为该光学检测器元件的时间值的时间值位于所述存储器元件(1190，1290)中的哪个位置。
6.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述光学检测器元件的反应包括：在将该光学检测器元件被设置为非活动状态之前，增加该光学检测器元件的计数器(1115，1125，1135，1215，1225，1235)的计数值。
7.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述光学检测器元件的反应包括将该光学检测器元件设置为非活动状态，而不增加该光学检测器元件的计数器(1115，1125，1135，1215，1225，1235)。
8.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件的一个或数个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)中的每个光学检测器是光电二极管。
9.根据权利要求8所述的装置，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件的光电二极管是单光子雪崩光电二极管，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件还包括猝灭和重置单元，所述猝灭和重置单元被配置用于在单光子雪崩光电二极管处检测到光学事件之后重置所述单光子雪崩光电二极管。
10.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件包括恰好一个光学检测器。
11.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件包括两个或更多个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)。
12.根据权利要求11所述的装置，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块中处于活动状态的每个光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)被配置为：在通过该光学检测器元件的两个或数个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)中的至少一个光学检测器检测到了光学事件时已进行反应。
13.根据权利要求11所述的装置，
其中，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块中处于活动状态的每个光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)被配置为：仅在通过该光学检测器元件的所述两个或更多个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)中的至少两个光学检测器检测到了光学事件时进行反应。
14.根据权利要求1所述的装置，
其中，两个或更多个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)被布置为两列或更多列，使得所述两列或更多列中的每一列包括所述两个或更多个光学检测器模块(1100，1200)中的恰好一个光学检测器模块的所有光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)。
15.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述装置被配置为执行距离测量，使得在距离测量开始时，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)处于活动状态，以及
其中，所述装置被配置为通过所述读出模块(1500)执行以下操作来停止距离测量：在所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)处于非活动状态时，对于所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块，确定针对该光学检测器模块的每个光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)的时间值。
16.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述装置被配置为执行距离测量，使得在距离测量开始时，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)处于活动状态，以及
其中，所述装置被配置为在开始距离测量后经过了预定时间之后，通过所述读出模块(1500)通过以下操作来停止距离测量：对于所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)中处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值。
17.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述装置被配置为执行距离测量，使得在距离测量开始时，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)处于活动状态，以及
其中，所述装置被配置为：在所述光学检测器模块(1100，1200)中的任何光学检测器模块的任何光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)的所述一个或数个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)处检测到光学事件后经过了预定时间之后，通过所述读出模块(1500)执行以下操作来停止距离测量：对于所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)中处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值。
18.一种借助于装置进行距离测量的方法，所述装置包括一个或数个光学检测器模块(1100，1200)和读出模块(1500)，所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块包括多个光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)、定时器元件(1180，1280)和存储器元件(1190，1290)，所述多个光学检测器元件(1110，1120，1130，
1210，1220，1230)包括一个或数个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)和指示计数值的计数器(1115，1125，1135，1215，1225，1235)，每个光学检测器元件(1110，1120，
1130，1210，1220，1230)处于活动状态或处于非活动状态，所述定时器元件(1180，1280)被配置为确定当前时间值，所述定时器元件(1180，1280)连续更新所述当前时间值，所述存储器元件(1190，1290)被配置用于存储所存储的多个时间值，所述方法包括：
在所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，1230)中处于活动状态的每个光学检测器元件中，响应在该光学检测器元件的所述一个或数个光学检测器(1111，1121，1131，1211，1221，1231)处检测到了光学事件，通过该光学检测器元件进行反应，
其中，通过该光学检测器元件进行反应包括向该光学检测器模块的定时器元件(1180，
1280)以及至少向该光学检测器模块中处于活动状态的每个其他光学检测器元件(1110，
1120，1130，1210，1220，1230)发送和输出信号，
其中，所述定时器元件(1180，1280)被配置为响应于来自该光学检测器元件的信号，在所述存储器元件(1190，1290)中存储当前时间值，作为所存储的多个时间值中的时间值，其中，当通过处于活动状态的每个其他光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，
1230)接收到来自该光学检测器元件的信号时，所述每个其他光学检测器元件增加其计数器(1115，1125，1135，1215，1225，1235)的计数值，
其中，当通过处于非活动状态的每个其他光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，
1220，1230)接收到来自该光学检测器元件的信号时，所述每个其他光学检测器元件不增加其计数器(1115，1125，1135，1215，1225，1235)的计数值，
其中，通过检测到了光学事件的光学检测器元件来进行反应包括将该光学检测器元件设置为非活动状态，以及
其中，所述方法包括：对于所述一个或数个光学检测器模块(1100，1200)中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件(1110，1120，1130，1210，1220，
1230)中处于非活动状态的每个光学检测器元件，根据该光学检测器元件的计数器(1115，
1125，1135，1215，1225，1235)的计数值以及根据存储在所述存储器元件(1190，1290)中的多个时间值，确定和输出时间值。
19.一种计算机程序，包括用于执行根据权利要求18的方法的程序代码。

说明书全文

基于运行时间的距离测量中的TDC共享的装置和方法

技术领域

[0001] 本申请涉及用于距离测量的装置和方法，具体涉及用于基于运行时间的距离测量中的TDC共享的装置和方法。

背景技术

[0002] CMOS图像传感器技术提供了高速实时记录测量信号的有效方法。这在时间关键型系统中拍摄三维(3D)距离图像时非常有利。脉冲运行时间方法和连续调制的光方法用于非接触式深度检测。这里，对由有源辐射源发射并由目标物体反射的红外激光的运行时间进行测量。这被称为LIDAR(光检测和测距)。这里介绍的方法的重点是共享运行时间测量所需的电路部件，其允许提高填充因子或空间，从而制造高分辨率传感器。除了许多其他应用领域之外，这些特征对于汽车行业尤其具有前景。可能的应用是ADAS(高级驾驶员辅助系统)系统、自动驾驶和航空电子设备。

[0003] 特别是在安全相关系统中对可靠性提出了很高的要求。因此，在紧急制动系统中，必须实时且可靠地检测与存在于汽车前方的物体的距离。这里的高分辨率传感器允许精确地检测环境，因为可以更好地将物体分类，并且可以更好地估计其运动方向和速度。高填充因子还允许检测源自低反射率的远程物体的弱光信号。由于汽车工业中预期的法定压力，对这种智能系统有很大的需求或者预期，所以该应用领域具有相当大的市场潜力。现有的CMOS距离测量方法已经能够以非常高的速率(高达数个kfps)记录距离图像，这使得汽车行业中的许多应用成为可能。

[0004] 用于距离确定的直接运行时间测量是基于测量光或激光信号从在有源的源处发射、在物体处反射、到在传感器处被检测所花费的时间。电子时间测量设备，如TDC(时间数字转换器)，用于测量该时间。这些具有集成电路形式的时间测量设备可以直接集成在传感器上。在所谓的闪光方法中，与传感器的视场(FOV)相对应的整个目标场景被同时曝光。相比而言，在扫描方法中，传感器的各个图像点或像素各自以组、线或列的形式一个接一个地曝光。为了使测量系统具有尽可能高的效率，当使用闪光方法时，必须在所有像素中并行地执行运行时间测量。如在图2(a)中以三个像素组成的列为例所示出的，这可以例如通过在每个像素中集成TDC来实现。然而，由于TDC的复杂性，这导致了较小的、一位数范围的填充因子，填充因子的示例为1％[1]、3.14％[2]或3.5％[3]。为了提高填充因子，TDC可以放置在其他地方，即在光敏传感器区域的外部。另外，为了在更大的阵列中保持较低的布线复杂性，可以在数个像素之间共享一个TDC。然而，这限制了传感器像素的完全并行功能。文献基本上公开了一种实现用于数个像素的TDC的构思[4]、[5]、[6]、[7]。

[0005] 图2(a)示出了每像素包括一个TDC的列的电路框图，图2(b)示出了共享TDC(b)的列的电路框图。

[0006] 另外，图2(a)和图2(b)示出了多个QR(猝灭和重置)单元，每个QR单元在响应于光学事件而开始了(强)电流之后，通过停止SPAD中的电流以及(如果适用的话)对SPAD再充电来重置相应的SPAD。

[0007] 如该构思中的图2(b)所示，像素经由1比特信号线和k比特地址总线连接到TDC。1比特信号线以“线或(wired-OR)”方式连接，使得当在任何像素中检测到事件时，这会将信号线拉至定义的信号电平。TDC识别该电平的改变，然后TDC将当前时间存储在存储器元件中。为了识别哪个像素检测到了结果，除了信号线上的电平改变之外，对应的像素还将单个地址施加到地址总线上，该地址与时间戳一起被存储在存储器中。因此，地址总线宽度k取决于所连接的像素数量。例如，在16个像素的情况下，将需要4比特地址总线。通过将时间戳与像素的地址相关联，可以为每个像素确定所测量的运行时间。

[0008] 图3示出了共享TDC的信号波形图。特别地，图3示出了针对信号线的示例性信号波形和针对三个像素的两比特地址总线。在像素1中寄存了光子之后，同样将信号线拉至高，同时将像素1的地址00施加到地址总线上。在TDC中，将当前时间值001与地址00一起存储在存储器中。这同样适用于像素2和3中的其他光子。这意味着，当根据存储器值11001评估时，测量值110可以与地址为01的像素相关联，在这种情况下，地址01对应于像素2。

[0009] 通过使用根据[4]、[5]、[6]、[7]中的构思的共享TDC，可以将TDC放置在相关区域的外部，从而将传感器的填充因子提高到28％[4]、6％[5]或10.47％[7]。此外，垂直信号线的数量现在是1+k而不是n，n等于TDC的时间戳的宽度，k表示数据总线的宽度。这既可以被认为是优点又可以被认为是缺点，取决于共享TDC的像素的数量以及时间戳的宽度。在文献的示例中，地址总线的宽度小于TDC的宽度，这意味着共享的TDC将导致更低的布线复杂性。另外，不再需要经由像素来将信号引导到TDC(如时钟信号、调节电压)。根据TDC的设置，所检测到的时间标记的数量可以小于像素的数量，然而，这将导致信息的丢失。根据[4]，这可以通过对一组像素使用数个TDC来解决，其中，对于无损测量，TDC的数量必须等于所连接的像素的数量。根据TDC的体系结构，实现用于存储时间标记的附加存储器可能也是足够的。

[0010] 该构思的其他问题是在一列的数个像素中同时进行光子检测。由于垂直线以“线或(wired-OR)”方式连接，所以时间测量将被正确地触发，然而，地址总线将包含无效值，这意味着将会错误地分配所测量的时间值，或者将违反负责存储的锁存器的建立或保持时间，这进而将导致前面提到的两个问题之一。发明内容

[0011] 提供了根据权利要求1的装置、根据权利要求18的方法和根据权利要求19的计算机程序。

[0012] 提供了一种用于距离测量的装置，包括一个或数个光学检测器模块和一个读出模块。一个或数个光学检测器模块中的每个光学检测器模块包括多个光学检测器元件，所述光学检测器元件包括一个或数个光学检测器和指示计数值的计数器，其中每个光学检测器元件处于活动状态或非活动状态。此外，每个光学检测器模块包括：定时器元件，被配置为确定当前时间值，所述定时器元件被配置为连续地更新当前时间值；以及存储器元件，用于存储所存储的多个时间值。该装置的读出模块被配置为：对于所述一个或数个光学检测器模块中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件中处于非活动状态的每个光学检测器元件，根据该光学检测器元件的计数器的计数值以及根据存储在存储器元件中的所述多个时间值，确定和输出针对该光学检测器元件的时间值。

[0013] 另外，提供了一种用于距离测量的装置，包括一个或数个光学检测器模块和一个读出模块。

[0014] 所述一个或数个光学检测器模块中的每个光学检测器模块包括多个光学检测器元件，所述光学检测器元件包括一个或数个光学检测器和指示计数值的计数器，每个光学检测器元件处于活动状态或非活动状态。

[0015] 另外，每个光学检测器模块包括：定时器元件，被配置为确定当前时间值，定时器元件被配置为连续地更新当前时间值；以及存储器元件，用于存储所存储的多个时间值。

[0016] 所述一个或数个光学检测器模块中的每个光学检测器模块的处于活动状态的每个光学检测器元件被配置为响应于在该光学检测器元件的所述一个或数个光学检测器处检测到了光学事件而进行反应。

[0017] 所述光学检测器元件的反应包括向该光学检测器模块的定时器元件以及至少向该光学检测器模块的处于活动状态的每个其他光学检测器元件输出信号。

[0018] 所述定时器元件被配置为响应于接收到来自该光学检测器元件的信号，在存储器元件中存储当前时间值，作为所存储的多个时间值中的时间值。

[0019] 处于活动状态的每个其他光学检测器元件被配置为在接收到来自该光学检测器元件的信号时增加该其他光学检测器元件的计数器的计数值。

[0020] 另外，处于非活动状态的每个其他光学检测器元件被配置为不响应于来自该光学检测器元件的信号来增加该其他光学检测器元的计数器的计数值。

[0021] 所述光学检测器元件的反应包括将该光学检测器元件设置为非活动状态。

[0022] 该装置的读出模块1500被配置为：对于一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件中处于非活动状态的每个光学检测器元件，根据该光学检测器元件的计数器的计数值以及根据存储在存储器元件中的多个时间值，确定和输出针对该光学检测器元件的时间值。

[0023] 此外，提供了一种借助于装置进行距离测量的方法，该装置包括一个或数个光学检测器模块和读出模块。所述一个或数个光学检测器模块的每个光学检测器模块包括多个光学检测器元件、定时器元件和存储器元件。所述多个光学检测器元件包括一个或数个光学检测器和指示计数值的计数器。因此，每个光学检测器元件处于活动状态或处于非活动状态。定时器元件被配置为确定当前时间值，所述定时器元件连续地更新当前时间值。存储器元件被配置用于存储所存储的多个时间值。该方法包括：

[0024] 在所述一个或数个光学检测器模块中的每个光学检测器模块的光学检测器元件中的处于活动状态的每个光学检测器元件中，响应于在该光学检测器元件的所述一个或数个光学检测器处检测到了光学事件，通过该光学检测器元件来进行反应。

[0025] 通过该光学检测器元件进行反应包括向该光学检测器模块的定时器元件以及至少向该光学检测器模块的处于活动状态的每个其他光学检测器元件发送和输出信号。

[0026] 定时器元件被配置为响应于来自该光学检测器元件的信号，在存储器元件中存储当前时间值，作为所存储的多个时间值中的时间值。

[0027] 在处于活动状态的每个其他光学检测器元件接收到来自该光学检测器元件的信号时，这些其他光学检测器元件中的每个光学检测器元件将增加其计数器的计数值。

[0028] 在处于非活动状态的每个其他光学检测器元件接收到来自该光学检测器元件的信号时，这些其他光学检测器元件中的每个光学检测器元件将增加其计数器的计数值。

[0029] 通过检测到了光学事件的光学检测器元件来进行反应包括将该光学检测器元件设置为非活动状态。

[0030] 另外，该方法包括：对于所述一个或数个光学检测器模块中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件中处于非活动状态的的每个光学检测器元件，根据该光学检测器元件的计数器的计数值以及根据存储在存储器元件中的多个时间值，确定和输出时间值。

[0031] 下面将参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

附图说明

[0032] 图1示出了根据实施例的用于距离测量的装置。

[0033] 图2(a)示出了每像素有TDC的列的电路框图，图2(b)示出了共享TDC的列的电路框图。

[0034] 图3示出了共享TDC的信号波形图。

[0035] 图4示出了根据实施例的电路框图和信号波形图。

[0036] 图5示出了根据实施例的CMOS线传感器。

具体实施方式

[0037] 首先，将仅示例性地采用图4的特别示例来讨论本发明的构思，以便提高对具体示例的理解。

[0038] 本发明涉及在二维阵列(例如列)的数个像素中共享TDC的构思，其中连接线的数量不与像素的数量成比例。类似于文献中所提到的构思，所有像素经由共享的1比特信号线连接到TDC，该信号线以“线或(wired-OR)”方式连接。当在其中一个像素中检测到事件时，该像素将信号线置于定义的电位，随之TDC存储当前时间值。如图4所示，除了用于事件检测的基本电路之外，每个像素还包含由信号线馈电的计数器。

[0039] 对应地，计数器随着所涉及的像素的每次事件检测而连续计数。由于计数器将仅连续计数直到计数器所在的像素自身检测到事件，因此测量周期结束时的计数对应于TDC按时间先后顺序存储的时间戳的数量。这意味着可以通过读出计数来将时间戳与像素相关联。

[0040] 图4示出了根据实施例的电路框图和信号波形图。

[0041] 因此，图4中的信号波形图示例性地示出了信号线上的信号波形以及像素和TDC的计数。当在像素1中检测到事件时，信号线被短时间拉高，TDC识别信号的这种改变，随之TDC存储当前时间值001。将信号线上的脉冲施加到所有像素的计数器，这就是这些计数器增加其计数值的原因。当在像素1中检测到事件时，相应的计数器被禁用。在所示的示例中，在被禁用之前，计数器仍然对其自己的像素的事件进行计数。也可以想到其他变型。当在像素3中检测到事件时，再次存储当前时间值011，并且到目前为止尚未检测到事件的所有像素的计数器增加。因此，像素1的计数器将保持其值。类似地，当在像素2中检测到事件时，写下时间值并且仅像素2中的剩余计数器增加。在循环结束时，计数器1、2和3分别包含值01、11和10。TDC的时间标记按时间先后顺序为001、011和110。然后根据该信息，可以将时间标记与像素相关联，意味着第一时间标记属于像素1，第三时间标记属于像素2，第二时间标记属于像素3。

[0042] 为了避免额外的信号线，经由也用于触发TDC的线路来读出像素的计数器。由于此处的数据只能按顺序读出，因此各个组(在该示例中为列)是并行读出的。一个示例：考虑256×256像素的阵列，其中一列的256个像素共享TDC。256个像素需要宽度为8比特的计数器。另外，每个TDC最多可以存储256个时间标记。当读出每个时钟的时间标记时，需要65536个时钟周期来用于读出。为了不增加读出所有数据所需的时钟周期数，必须并行读出8列像素的计数。在本示例中，使用5OMHz时钟来进行读出将有1.31ms的持续时间。然而，如果可以最大可能地并行读出所有256列，则需要2048个时钟周期来读出计数，在使用所提到的
50MHz的情况下，这将对应于40.96μs。然而，在这种情况下，必须并行读出32个时间标记，从而使得所需的焊盘数量为256+32n，n表示时间标记的宽度。这意味着12比特的宽度需要640个焊盘。通过在列的顶端同时读出可以实现进一步加速，在这种情况下，垂直信号线的数量(在列的情况下)将不增加，但所需的焊盘数量将加倍。该构思也减轻了数个像素中同时发生事件的问题。如果在信号线为高时，在另一个像素中存在事件，则信号线上的电平将不再改变。对应地，TDC将不会产生新的时间标记。另外，在测量周期结束之后，两个像素具有相同的计数值，意味着相同的时间戳与这两个像素相关联。只要两个事件之间的距离短于信号线上的脉冲宽度，这种行为就会适用。在TDC的分辨率小于脉冲宽度的情况下，这将导致分辨率降低，因为相同的计数值在与第一个事件相关联时还与第二个事件相关联，尽管这种这可能仅在稍后不久就发生。除了脉冲宽度之外，两个事件之间的时间最短距离也受到TDC转换的持续时间的限制。为了防止信号线的高相位被时间偏移事件再次延长，可以借助于电路技术实现以下操作：当在一个事件情况下线路已经为高时，在像素处将不产生使高相位延长的输出脉冲。为了减小阻塞持续时间，代替具有上升沿和下降沿的脉冲，可以仅将该线路反相。这将大约将阻塞持续时间减半并同时降低功耗，因为线路仅需要重新充电一次。

[0043] 如已经解释的，像素TDC可以是外源的，即放置在光敏传感器区域外部，以便提高SPAD(单光子雪崩二极管)矩阵的填充因子。由此产生在相关像素区域外部对TDC的共享使用提高了SPAD传感器的填充因子，根据应用从3％提高至高于50％。另外，通过减少垂直信号线的数量，在标准CMOS中也可以集成相当大的SPAD矩阵，因为例如使用3D混合集成不再是绝对必要的。根据共享TDC的像素的数量以及时间戳的宽度，可以对于相应的应用实现在线路数量和最小深度分辨率之间的有利折衷。通过相比于TDC的总线宽度来减小地址总线宽度，使用共享TDC导致布线复杂性降低。另外，不再需要经由像素来将信号引导到TDC(如时钟信号、调节电压)。如果TDC的时间分辨率小于脉冲宽度，则前者将降低，然而，这与中高距离范围无关，因为以10到20厘米粗略量化的深度图对于例如在物距为20米的汽车中触发碰撞警报来说绝对是足够的。在近距离范围内，可以通过简单的电测量来增加深度分辨率，例如通过不使用所有线路来产生事件。另外，为了减小阻塞持续时间，可以容易地将线路反相，代替具有上升沿和下降沿的脉冲。这将大约将阻塞持续时间减半并同时降低功耗，因为线路仅需要重新充电一次。由于操作底层CMOS组合技术的灵活方式，以这种方式可以通过合适的方式响应大多数不同的场景。

[0044] 下面将描述本发明的一般实施例：

[0045] 图1示出了根据实施例的用于距离测量的装置，包括一个或数个光学检测器模块1100、1200和读出模块1500。

[0046] 一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块包括多个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230，所述光学检测器元件包括一个或数个光学检测器1111、1121、1131、1211、1221、1231(如每个SPAD)和指示计数值的计数器1115、1125、1135、1215、1225、1235，每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230处于活动状态或处于非活动状态。

[0047] 另外，每个光学检测器模块1100、1200包括定时器元件1180、1280和存储器元件1190、1290，定时器元件1180、1280被配置为确定当前时间值，定时器元件1180、1280被配置为连续地更新当前时间值，存储器元件1190、1290用于存储所存储的多个时间值。

[0048] 一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的处于活动状态的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230被配置为响应于在该光学检测器元件1110的一个或数个光学检测器1111处检测到了光学事件而进行反应。

[0049] 光学检测器元件1110的反应包括向该光学检测器模块1100的定时器元件1180以及至少向该光学检测器模块的处于活动状态的每个其他光学检测器元件1120、1130输出信号。

[0050] 定时器元件1180被配置为在接收到来自该光学检测器元件的信号时，在存储器元件1190中存储当前时间值，作为所存储的多个时间值中的时间值。

[0051] 处于活动状态的每个其他光学检测器元件1120被配置为在接收到来自该光学检测器元件的信号时增加其计数器的计数值。

[0052] 另外，处于非活动状态的每个其他光学检测器元件1130被配置为不响应于来自该光学检测器元件的信号来增加其计数器的计数值。

[0053] 光学检测器元件1110的反应包括将该光学检测器元件1110设置为非活动状态。

[0054] 该装置的读出模块1500被配置为：对于一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个检测器模块，至少对于该光学检测器模块的光学检测器元件中处于非活动状态的每个光学检测器元件，根据该光学检测器元件的计数器的计数值以及根据存储在存储器元件中的多个时间值，确定和输出针对该光学检测器元件的时间值。

[0055] 以下是对本发明优选实施例的讨论：

[0056] 根据实施例，读出模块1500可以例如被配置为：对于一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个检测器模块，至少对于处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值，使得读出模块1500基于该光学检测器元件的计数器1115、
1125、1135、1215、1225、1235的计数值确定存储在存储器元件1190、1290中的哪个时间值是该光学检测器元件的时间值。

[0057] 在一个实施例中，光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的定时器元件1180、1280可以例如被配置为：响应于来自该光学检测器模块的任何光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230的信号来将当前时间值存储在存储器元件1190、1290中，作为所存储的多个时间值中的时间值，使得存储在存储器元件1190、1290中的时间值以按时间排序的方式以时间顺序存储，使得存储在存储器元件1190、1290中的每个时间值包括时间顺序中的时间位置。因此，读出模块1500可以例如被配置为：对于一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个检测器模块，至少对于处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值，使得读出模块1500将使用该光学检测器元件的计数器1115、1125、1135、1215、1225、1235的计数值来确定在以时间顺序存储的时间值中作为该光学检测器元件的时间值的时间值所包括的时间位置。

[0058] 根据实施例，每个光学检测器模块1100、1200中的定时器元件1180、1280可以例如被配置为：响应于来自任何光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230的信号来将当前时间值存储在存储器元件1190、1290中，作为所存储的多个时间值中的时间值，使得存储在存储器元件1190、1290中的多个时间值以按时间排序的方式存储在存储器堆栈上，或以按时间排序的方式存储为链式链表，或者以按时间排序的方式存储使得对于所存储的按时间排序的时间值中的每个时间值，附加的数字指示所存储的按时间排序的时间值中该时间值位于哪个位置。

[0059] 在一个实施例中，读出模块1500可以例如被配置为：使用存储在存储器元件1190、1290中的多个时间值中的时间值来建立存储在存储器元件1190、1290中的时间值的时间顺序，使得存储在存储器元件1190、1290中的每个时间值包括时间顺序中的时间位置。因此，读出模块1500可以例如被配置为：对于一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个检测器模块，至少对于处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值，使得读出模块1500使用该光学检测器元件的计数器1115、1125、1135、1215、
1225、1235的计数值来确定所存储的按时间排序的时间值中作为该光学检测器元件的时间值的时间值位于存储器元件1190、1290中的哪个位置处。

[0060] 根据实施例，光学检测器元件的反应可以例如包括：在将该光学检测器元件设置为非活动状态之前，增加该光学检测器元件的计数器1115、1125、1135、1215、1225、1235的计数值。

[0061] 在一个实施例中，光学检测器元件的反应可以例如包括将该光学检测器元件设置为非活动状态，而不增加该光学检测器元件的计数器1115、1125、1135、1215、1225、1235。

[0062] 根据实施例，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块中，每个光学检测器元件的一个或数个光学检测器中的每个光学检测器可以是例如光电二极管。

[0063] 在一个实施例中，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块中，每个光学检测器元件的光电二极管可以是例如单光子雪崩光电二极管。因此，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件可以还包括猝灭和重置单元，猝灭和重置单元被配置用于在单光子雪崩光电二极管处检测到光学事件之后重置单光子雪崩光电二极管。

[0064] 根据实施例，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件可以例如包括恰好一个光学检测器。

[0065] 在一个实施例中，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件可以例如包括两个或更多个光学检测器。

[0066] 根据实施例，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块中处于活动状态的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230可以被配置为：在通过该光学检测器元件的两个或数个光学检测器中的至少一个光学检测器检测到了光学事件时已进行反应。

[0067] 在一个实施例中，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块中处于活动状态的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230可以例如被配置为：仅在通过该光学检测器元件的两个或更多个光学检测器中的至少两个光学检测器检测到了光学事件时进行反应。

[0068] 在一个实施例中，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块中处于活动状态的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230可以例如被配置为：仅在通过该光学检测器元件的两个或更多个光学检测器中的所有光学检测器检测到了光学事件时进行反应。

[0069] 根据实施例，两个或更多个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230可以例如被布置成两列或更多列，使得两列或更多列中的每一列包括两个或更多个光学检测器模块1100、1200中的恰好一个光学检测器模块的所有光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230。

[0070] 在一个实施例中，该装置可以例如被配置为执行距离测量，使得在距离测量开始时，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230处于活动状态。因此，该装置可以例如被配置为通过读出模块1500执行以下操作来停止距离测量：在一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230处于非活动状态时，对于一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块，确定针对该光学检测器模块的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230的时间值。

[0071] 根据实施例，该装置可以例如被配置为执行距离测量，使得在距离测量开始时，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230处于活动状态。因此，该装置可以例如被配置为在开始距离测量后经过了预定时间之后，通过读出模块1500执行以下操作来停止距离测量：对于一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块，至少对于处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值。

[0072] 在一个实施例中，该装置可以例如被配置为执行距离测量，使得在距离测量开始时，一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块的每个光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230处于活动状态。因此，该装置可以例如被配置为在光学检测器模块1100、1200中的一个光学检测器模块的光学检测器元件1110、1120、1130、1210、1220、1230之一的一个或数个光学检测器处检测到光学事件后经过了预定时间之后，通过读出模块1500执行以下操作来停止距离测量：对于一个或数个光学检测器模块1100、1200中的每个光学检测器模块，至少对于处于非活动状态的每个光学检测器元件，确定针对该光学检测器元件的时间值。

[0073] 下面将描述特别实施例。图5示出了根据实施例的具有四个重合子SPAD和8×256个像素的CMOS线传感器，其中实现了所提出的读出构思的CMOS线传感器。因此，图5示出了具有集成的4倍重合的8×256个SPAD矩阵的电路框图。AQR意指有源淬灭和重置。

[0074] 实现了具有8行和256列的SPAD矩阵传感器。这里的特点是底层像素不是仅由一个SPAD单元构成的，而是包括4个单独的SPAD，这4个单独的SPAD与重合逻辑相组合，用于有效的背光抑制。这里实现的包括8×256个像素的阵列被设置成使得一列的8个像素共享TDC。对于8个像素，需要宽度为3比特的计数器。TDC被实现用于存储8个时间标记。每个时钟读出一个时间标记，因此需要2048个时钟周期用于读出。为了不增加读出整个数据所需的时钟周期数，将3列中的像素计数并行读出。在本实现方式中，如果使用25MHz的时钟，则读出将具有2048个时钟×1/25MHz＝81.92μs的持续时间。随后，经由数字芯片接口进行读出。在此处所示的实现方式中，通过将TDC放置在其他地方(在该实例中在下方矩阵外围)，仍然可以在增加了像素复杂度的情况下(如在该实例中每个像素中4倍重合)实现大约20％的填充因子。如果将TDC集成在像素中，则填充因子将降低至3％以下。通过使用微透镜，填充因子可以增加到80％以上，对应于非常详细的成像。

[0075] 除了提到的集成CMOS传感器的实施例之外，所提出的方法还可以通过硅光子倍增器(SiPM)或雪崩二极管以集成方式实现，或者以具有分立器件的分布式方式实现，以及作为纯计算机程序实现。这里所提供的构思也可以借助于晶圆到晶圆、芯片到晶圆或芯片到芯片的接合(包括相应的读出组合技术)，在诸如CMOS或III-V 半导体等不同技术下以不同的结构尺寸而用在3D混合集成中。除了汽车行业中提到的应用之外，该方法还可以转移到其他应用领域，例如医疗技术、分析学或航空电子设备。

[0076] 尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是应当清楚的是，这些方面也表示对相应方法的描述，使得装置的块或设备也对应于相应的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中或作为方法步骤描述的方面也表示对对应的块或项或者对应装置的特征的描述。可以由(或使用)硬件设备(诸如，微处理器、可编程计算机或电子电路)来执行一些或全部方法步骤。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的某一些或数个可以由这种装置来执行。

[0077] 根据某些实现要求，本发明的实施例可以用硬件或软件实现，或者至少部分用硬件实现，或至少部分用软件实现。可以使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质(例如，软盘、DVD、蓝光光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬盘驱动器或另一磁存储器或光学存储器)来执行实现，该电子可读控制信号与可编程计算机系统协作或者能够与之协作从而执行相应方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

[0078] 根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作从而执行本文所述的方法之一。

[0079] 通常，可以将本发明的实施例实现为具有程序代码的计算机程序产品，程序代码可操作以在计算机程序产品在计算机上运行时执行方法之一。

[0080] 程序代码可以例如存储在机器可读载体上。

[0081] 其他实施例包括用于执行本文所述的方法之一的计算机程序，其中，该计算机程序存储在机器可读载体上。换言之，本发明方法的实施例因此是包括程序代码的计算机程序，程序代码用于在计算机程序在计算机上运行时执行本文所述的方法之一。

[0082] 因此，本发明方法的另一实施例是其上记录有计算机程序的数据载体(或者数字存储介质或计算机可读介质)，该计算机程序用于执行本文所述的方法之一。数据载体或数字存储介质或计算机可读介质通常是有形的和/或非易失性的。

[0083] 因此，本发明方法的另一实施例是表示计算机程序的数据流或信号序列，所述计算机程序用于执行本文所述的方法之一。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接(例如，经由互联网)传送。

[0084] 另一实施例包括处理装置，例如，计算机或可编程逻辑器件，所述处理装置被配置为或适于执行本文所述的方法之一。

[0085] 另一实施例包括其上安装有计算机程序的计算机，该计算机程序用于执行本文所述的方法之一。

[0086] 根据本发明的另一实施例包括被配置为向接收机传递计算机程序的装置或系统，所述计算机程序用于执行本文所述的方法之一。可以电子地或光学地执行传输。接收器可以是例如计算机、移动设备、存储设备等。装置或系统可以例如包括用于向接收器传送计算机程序的文件服务器。

[0087] 在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列FPGA)可以用于执行本文所述的方法的功能中的一些或全部。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以执行本文所述的方法之一。通常，在一些实施例中，方法由任何硬件设备来执行。这可以是通用硬件，例如，计算机处理器(CPU)或专用于方法的硬件(例如，ASIC)。

[0088] 上述实施例对于本发明的原理仅是说明性的。应当理解的是，本文所述的布置和细节的修改和变形对于本领域其他技术人员将是显而易见的。因此，旨在仅由所附专利权利要求的范围而不由通过描述和解释本文的实施例的方式给出的具体细节来限制本发明。

[0089] 文献

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