[发明专利]用于激光雷达的单光子TOF图像传感器

说明书

本发明公开了一种单光子TOF传感器，包括：单光子TOF图像传感器探测元件，用于检测入射光子并发生雪崩，产生雪崩电流：单光子TOF图像传感器探测元件，用于检测入射光子并发生雪崩，产生雪崩电流：主动淬灭‑恢复电路，用于淬灭所述单光子TOF图像传感器探测元件的雪崩状态，并将其恢复到盖格模式，同时产生一个数字信号作为STOP信号；时间数字转换器，时间数字转换器，用于计算接收到作为START信号的光脉冲与接收到所述STOP信号的时间差；数字信号读出电路，用于将所述时间差数据读出。本发明采用的主动淬灭电路可有效降低死时间；且易于集成，面积小，可实现大规模的阵列式单光子图像传感器。

技术领域

本发明涉及单光子TOF图像传感器领域，尤其涉及一种用于激光雷达的单光子TOF图像传感器。

背景技术

低成本三维图像传感器近年来在自动驾驶等领域有着良好的应用前景。基于单光子雪崩二极管的三维图像传感器具有很多优点，例如较高的灵敏度可以检测较弱光；其时间分辨率很低，通常在几十到几百皮秒之问；单光子雪崩二极管经过淬灭-恢复之后，输出的信号为数字信号，便于后续的系统电路设计以及信号处理。传统的基于III-V族单光子雪崩二极管工作电压高通常为几十伏特，并且难于与后续电路单片集成，基于CMOS的单光子图像传感器则成本较低，且易于小型化集成。

目前的TOF传感器主要基于两种原理，基于传统光电二极管的间接飞行时间测量，以及基于单光子探测器的直接飞行时间测量。前者利用间接计算相位延时的方法获得距离信息，该种方式对成像系统要求较低但是计算较为复杂且探测距离较短。现有的单光子TOF图像传感器存在的问题是单光子雪崩二极管暗噪声降低了图像传感器的动态范围，且较长的死时间限制了器件的光子计数速率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种用于激光雷达的单光子TOF图像传感器，以至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种单光子TOF传感器，包括：

单光子TOF图像传感器探测元件，用于检测入射光子并发生雪崩，产生雪崩电流；

主动淬灭-恢复电路，用于淬灭所述单光子TOF图像传感器探测元件的雪崩状态，并将其恢复到盖格模式，同时产生一个数字信号作为STOP信号；

时间数字转换器，用于计算接收到作为START信号的光脉冲与接收到所述STOP信号的时间差；

数字信号读出电路，用于将所述时间差数据读出；

其中，所述光脉冲发射至所述时间数字转换器的时刻与所述光子入射至所述单光子TOF图像传感器探测元件的时刻相同。

在进一步的实施方案中，所述单光子TOF图像传感器探测元件为工作在盖格模式的单光子雪崩二极管，且所述单光子雪崩二极管为P+/N-Well结构。

在进一步的实施方案中，所述单光子雪崩二极管包括P阱，位于所述单光子雪崩二极管的有源区边缘。

在进一步的实施方案中，所述单光子雪崩二极管还包括多晶硅保护环，位于所述P阱的上表面。

在进一步的实施方案中，所述主动淬灭-恢复电路是采用带有反馈回路的延时可调的淬灭-恢复电路。

在进一步的实施方案中，所述主动淬灭-恢复电路包括：两个反相器、延时链和主动淬灭使能信号电路，其中，三者依次串联形成所述反馈回路。

在进一步的实施方案中，所述的单光子TOF图像传感器还包括锁相环，与所述时间数字转换器相连，用于提供8相时钟。

在进一步的实施方案中，所述时间数字转换器基于所述锁相环8相时钟计数。