[发明专利]基于运行时间的距离测量中的TDC共享的装置和方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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]。

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。

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。