特表 2022-510816 デジタルピクセル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-28

(54)【発明の名称】デジタルピクセル

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/4865 20200101AFI20220121BHJP

   H04N 5/335 20110101ALI20220121BHJP

【ＦＩ】

G01S7/4865

H04N5/335

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021527984

(86)(22)【出願日】2019-11-19

(85)【翻訳文提出日】2021-07-19

(86)【国際出願番号】 US2019062099

(87)【国際公開番号】W WO2020106661

(87)【国際公開日】2020-05-28

(31)【優先権主張番号】62/769,287

(32)【優先日】2018-11-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520303014

【氏名又は名称】センス・フォトニクス，インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｓｅｎｓｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ， Ｉｎｃ．

(71)【出願人】

【識別番号】500219618

【氏名又は名称】ザ・ユニバーシティ・コート・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・エディンバラ

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｏｕｒｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100107319

【弁理士】

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100180231

【弁理士】

【氏名又は名称】水島 亜希子

(74)【代理人】

【識別番号】100096769

【弁理士】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】ヘンダーソン，ロバート

(72)【発明者】

【氏名】フィンケルシュタイン，ホッド

【テーマコード（参考）】

5C024

5J084

【Ｆターム（参考）】

5C024CY17

5C024CY45

5C024EX11

5C024GX03

5C024GY39

5C024GY41

5C024GY45

5C024HX32

5C024JX08

5J084AA05

5J084AD03

5J084BA04

5J084BA07

5J084BA36

5J084BA40

5J084BB02

5J084BB04

5J084CA03

5J084CA32

(57)【要約】

ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）測定回路は、ある検出窓の間に複数の検出器素子に入射した複数の光子に応じて複数の検出器素子から出力される検出信号を受信し、検出信号に基づいて検出イベントを特定し、検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数の合計に基づき、複数の光子の推定到達時間を計算するように構成されたプロセッサ回路を備える。プロセッサ回路は、検出イベントのそれぞれに応じてインクリメントされるカウンタ信号と、それぞれの時間間隔に対応するクロック信号とに基づき、それぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数の合計を出力するように構成された少なくとも１つのアキュムレータ回路を備えることができる。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのプロセッサ回路を備えるＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）測定回路であって、該少なくとも１つのプロセッサ回路は、
ある検出窓の間に複数の検出器素子に入射した複数の光子に応じて該複数の検出器素子から出力される検出信号を受信することと、
前記検出信号に基づいて検出イベントを特定することと、
前記検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された前記検出イベントのそれぞれの数の合計に基づき、前記複数の光子の推定到達時間を計算することと
を含む動作を実施するように構成されたものである、ＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項2】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
前記検出イベントのそれぞれに応じてインクリメントされるカウンタ信号と、前記それぞれの時間間隔に対応するクロック信号とに基づき、前記それぞれの時間間隔において特定された前記検出イベントの前記それぞれの数の前記合計を出力するように構成されたアキュムレータ回路を備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項3】

前記アキュムレータ回路は第１のアキュムレータ回路であり、前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
前記カウンタ信号に基づき、前記検出窓の間に特定された前記検出イベントの総数を示すカウント値を出力するように構成されている第２のアキュムレータ回路を更に備える、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項4】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
互いに対するそれぞれの相関時間内に出力される前記検出信号のそれぞれのサブセットに基づき前記検出イベントの前記特定を実施するように構成されるとともに、前記検出イベントのそれぞれの前記特定に応じて前記カウンタ信号をインクリメントするように構成されている相関回路を更に備える、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項5】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
前記それぞれのサブセットのそれぞれの前記検出信号の数を示す信号を出力するように構成されている並列カウンタ回路を更に備えており、
前記相関回路は、閾値数に対する前記それぞれのサブセットのそれぞれの前記検出信号の前記数に基づき、前記検出イベントの前記特定を実施するように構成されている、請求項４に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項6】

前記アキュムレータ回路は、前記クロック信号のそれぞれのパルスに応じて前記カウンタ信号のそれぞれの値を積算するように構成され、前記クロック信号の前記それぞれのパルスの周期は前記それぞれの時間間隔に対応する、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項7】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
前記検出窓の開始とは無関係に、前記検出窓に対応するストローブ信号と、前記特定によって示される前記検出イベントのうちの１つとに応じて、前記アキュムレータ回路に前記クロック信号を出力するように構成されているクロック回路を更に備える、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項8】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、前記検出窓の前記それぞれの時間間隔において特定された前記検出イベントの前記それぞれの数の前記合計と、前記検出窓の間に特定された前記検出イベントの総数を示すカウント値との比に基づき、前記複数の光子の前記推定到達時間を計算するように構成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項9】

前記検出窓は第１の検出窓を含み、前記動作は、
第２の検出窓の間に前記複数の検出器素子のうちの１つ以上に入射した第２の光子に応じて該複数の検出器素子のうちの１つ以上から出力される第２の検出信号を受信することを更に含み、
前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、前記第２の検出信号に基づいて前記推定到達時間の背景補正を実施するように構成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項10】

前記検出信号は、前記検出窓の間の前記光子のそれぞれの到達時間を示し、前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、前記それぞれの到達時間の時間－デジタル変換とは無関係に、前記複数の光子の前記推定到達時間を計算するように構成されている、請求項１～９のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項11】

ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）システムであって、
ある検出窓の間に単一光子検出器素子に入射した複数の光子に応じて検出信号を出力するように構成された前記単一光子検出器素子を備える検出器アレイと、
前記検出器アレイから出力される前記検出信号を受信し、前記検出信号に基づき検出イベントを特定し、前記検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された前記検出イベントのそれぞれの数の合計に基づき、前記複数の光子の推定到達時間を計算するように構成された少なくとも１つのプロセッサ回路と
を備えてなる、ＬＩＤＡＲシステム。

【請求項12】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
前記それぞれの時間間隔に対応するクロック信号のそれぞれのパルスに応じて、前記検出イベントのそれぞれに応じてインクリメントされるカウンタ信号のそれぞれの値を積算することにより、前記それぞれの時間間隔において特定された前記検出イベントの前記それぞれの数の前記合計を出力するように構成されている第１のアキュムレータ回路と、
前記カウンタ信号の前記それぞれの値のうちの１つに基づき、前記検出窓の間に特定された前記検出イベントの総数を示すカウント値を出力するように構成されている第２のアキュムレータ回路と
を備えており、
前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、前記合計と前記カウント値との比に基づき、前記複数の光子の前記推定到達時間を計算するように構成されている、請求項１１に記載のＬＩＤＡＲシステム。

【請求項13】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
互いに対するそれぞれの相関時間内に出力される前記検出信号のそれぞれのサブセットに基づき前記検出イベントを特定するように構成されるとともに、前記検出イベントのそれぞれに応じて前記カウンタ信号をインクリメントするように構成されている相関回路と、
前記相関回路によって特定される前記検出イベントのうちの１つと、前記検出窓に対応するストローブ信号とに応じて、前記クロック信号を出力するように構成されているクロック回路と
を更に備える、請求項１２に記載のＬＩＤＡＲシステム。

【請求項14】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
前記それぞれのサブセットのそれぞれの前記検出信号の数を示す信号を出力するように構成されている並列カウンタ回路を更に備え、
前記相関回路は、閾値数に対する前記それぞれのサブセットのそれぞれの前記検出信号の前記数に基づき、前記検出イベントを特定するように構成されている、請求項１３に記載のＬＩＤＡＲシステム。

【請求項15】

前記検出信号は、前記検出窓の間の前記光子のそれぞれの到達時間を示し、前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、前記それぞれの到達時間の時間－デジタル変換とは無関係に、前記複数の光子の前記推定到達時間を計算するように構成されている、請求項１１～１４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。

【請求項16】

ある検出窓の間に単一光子検出器素子に入射した光子のそれぞれの到達時間を示す、該単一光子検出器素子から出力される検出信号を受信するように構成されている少なくとも１つのプロセッサ回路を備える、ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）測定回路であって、
前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
前記検出信号に基づき前記検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数を合計して、前記それぞれの到達時間の時間－デジタル変換とは無関係に、前記光子の推定到達時間を計算するように構成されている１つ以上のアキュムレータ回路を備える、ＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項17】

前記１つ以上のアキュムレータ回路は、
前記それぞれの時間間隔に対応するクロック信号のそれぞれのパルスに応じて、前記検出イベントのそれぞれに応じてインクリメントされるカウンタ信号のそれぞれの値を積算することにより、前記合計を出力するように構成されている第１のアキュムレータ回路を含む、請求項１６に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項18】

前記１つ以上のアキュムレータ回路は、
前記カウンタ信号の前記それぞれの値のうちの１つに基づき、前記検出窓の間に特定された前記検出イベントの総数を示すカウント値を出力するように構成されている第２のアキュムレータ回路を更に含み、
前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、前記合計と前記カウント値との比に基づき、複数の前記光子の前記推定到達時間を計算するように構成されている、請求項１７に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項19】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
互いに対するそれぞれの相関時間内に出力される前記検出信号のそれぞれのサブセットに基づき前記検出イベントを特定するように構成されるとともに、前記検出イベントのそれぞれに応じて前記カウンタ信号をインクリメントするように構成されている相関回路と、
前記相関回路によって特定される前記検出イベントのうちの１つと前記検出窓に対応するストローブ信号とに応じて前記クロック信号を出力するように構成されているクロック回路と
を更に備える、請求項１７に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【請求項20】

前記少なくとも１つのプロセッサ回路は、
前記それぞれのサブセットのそれぞれの前記検出信号の数を示す信号を出力するように構成されている並列カウンタ回路を更に備え、
前記相関回路は、閾値数に対する前記それぞれのサブセットのそれぞれの前記検出信号の前記数に基づき、前記検出イベントを特定するように構成されている、請求項１９に記載のＬＩＤＡＲ測定回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書における主題は、包括的には画像センサに関し、より具体的には、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ：LIght Detection And Ranging）システムにおけるイメージング用の画像センサに関する。

【0002】

［優先権の主張］
本出願は、米国特許商標庁において、２０１８年１１月１９日付けで出願された「Digital Pixel」と題する米国仮特許出願第６２／７６９，２８７号からの優先権の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願の開示内容は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

【背景技術】

【0003】

タイム・オブ・フライト（ＴｏＦ：Time of flight）ベースのイメージングは、（例えば、ＬＩＤＡＲ、本明細書ではライダーとも称する）測距、深さ方向分析及び３Ｄイメージングを含む多数の用途で使用される。直接ＴｏＦ測定は、照射光の放出と物体又は他の標的からの反射後の照射光の検知との間の時間の長さを直接測定することを含む。この測定から、標的までの距離を求めることができる。

【0004】

いくつかの用途では、反射された照射光の検知は、単一光子アバランシェ・ダイオード（ＳＰＡＤ：Single Photon Avalanche Diode）アレイなどの、単一光子検出器を含む光検出器のアレイを用いて実施することができる。１つ以上の光検出器が、アレイの検出器ピクセルを規定することができる。ＳＰＡＤアレイは、高感度及びタイミング分解能を必要とする可能性があるイメージング用途において固体光検出器として用いることができる。ＳＰＡＤは、半導体接合（例えば、ｐ－ｎ接合）に基づき、半導体接合は、例えば、所望のパルス幅を有するストローブ信号により又はそうしたストローブ信号に応じて、その降伏領域を超えてバイアスがかけられると、入射光子を検出することができる。高い逆バイアス電圧により、デバイスの空乏層内に導入された単一の電荷キャリアが衝撃イオン化を介して自己持続型アバランシェをもたらすことができるように、十分な大きさの電界が発生する。クエンチ回路により、（例えば、バイアス電圧を低下させることにより）アクティブにアバランシェを消滅させるか、又は（例えば、直列に接続された抵抗器にわたる電圧降下を用いることにより）パッシブにアバランシェを消滅させて、更なる光子を検出するようにデバイスを「リセット」することができる。開始電荷キャリアは、高電界領域に突き当たる単一入射光子を用いて光電子的に生成することができる。「単一光子アバランシェ・ダイオード」という名称のもとであるのはこの特徴である。この単一光子検出動作モードは、「ガイガー（Geiger）モード」と称されることが多い。

【0005】

ＳＰＡＤのアレイに入射する光子を計数するために、いくつかのＴｏＦピクセル手法は、デジタルカウンタ又はアナログカウンタのいずれかを用いて、タイムスタンプ処理とも称される、光子の検出及び到達時間を示すことができる。デジタルカウンタは、実装及びスケーリングがより容易であり得るが、面積に関して（例えば、アレイの物理的サイズに関して）より費用がかかる可能性がある。アナログカウンタはより小型であり得るが、限られた光子計数深度（ビット深度）、ノイズ及び／又は不均一性の問題がある可能性がある。

【0006】

入射光子にタイムスタンプ処理を行うために、いくつかのＳＰＡＤアレイベースのＴｏＦピクセル手法は、時間－デジタル変換器（ＴＤＣ：Time-to-Digital Converter）を用いてきた。ＴＤＣは、ＴｏＦイメージング用途において、単一クロックサイクルの分解能を超えるようにタイミング分解能を増大させるために用いることができる。こうしたデジタル手法のいくつかの利点は、ＴＤＣのサイズがテクノロジノードにより拡大する傾向があり、記憶されたデータが漏れに対してよりロバストであり得る、ということを含む。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、ＴＤＣ回路は、単一測定サイクルにおいて１つのイベントしか処理することができず、ＳＰＡＤのアレイに対して複数のＴＤＣが必要とされる可能性がある。ＴＤＣはまた、比較的に電力を消費する可能性もあり、より大型のアレイを実装することがより困難となる。ＴＤＣはまた、比較的大量のデータ、例えば、光子ごとに１つの１６ビットタイムスタンプを発生させる可能性もある。ＴＤＣに接続された単一ＳＰＡＤが、１秒につき何百万ものこうしたタイムスタンプを発生させる可能性がある。したがって、１０００００ピクセルを超えるイメージングアレイが、利用可能な入出力帯域幅又は能力に対して実行できないほど大きいデータレートを発生させる可能性がある。

【0008】

タイムスタンプをヒストグラム化することによりデータレートを圧縮することができる。しかしながら、このことは、典型的なＴｏＦ ＬＩＤＡＲシステムで非効率的に用いられる可能性がある、相当なメモリ資源が必要となる可能性がある。例えば、（光子到達時間のそれぞれの部分範囲を示すことができる）ヒストグラムビンのメモリ深度は、通常、ピークにおける最大レーザー戻りによって設定されるが、実際には、多くの又は大部分のヒストグラムビンは、（例えば、背景ノイズのみにより）低密度に占有される。さらに、典型的なＴＤＣ分解能（例えば、５０ｐｓ～１００ｐｓ）でＬＩＤＡＲシステムの典型的な時間範囲（例えば、マイクロ秒）をカバーするのに十分なヒストグラムを形成するためには、何千もの時間ビンが一般的に使用される可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のいくつかの実施の形態によれば、ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）測定回路は、少なくとも１つのプロセッサ回路を備える。少なくとも１つのプロセッサ回路は、ある検出窓の間に複数の検出器素子に入射した複数の光子に応じて複数の検出器素子から出力される検出信号を受信することと、検出信号に基づいて検出イベントを特定することと、複数の光子の推定到達時間を計算することとを含む動作を実施するように構成されている。複数の光子の推定到達時間は、検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数の合計又は積算に基づいて計算される。

【0010】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、アキュムレータ回路を備えることができる。アキュムレータ回路は、検出イベントのそれぞれに応じてインクリメントされるカウンタ信号と、それぞれの時間間隔に対応するクロック信号とに基づき、それぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数の合計を出力するように構成することができる。例えば、アキュムレータ回路は、それぞれの時間間隔におけるクロック信号のそれぞれのパルスに応じて、検出窓にわたる時間間隔のそれぞれにおける検出イベントのそれぞれの数を積算するように構成された時間積算回路を定義することができる。

【0011】

いくつかの実施の形態では、アキュムレータ回路は第１のアキュムレータ回路とすることができ、少なくとも１つのプロセッサ回路は、第２のアキュムレータ回路を備えることができる。第２のアキュムレータ回路は、カウンタ信号に基づき、検出窓の間に特定された検出イベントの総数を示すカウント値を出力するように構成することができる。例えば、第２のアキュムレータ回路は、検出信号に基づいて特定された検出イベントの総数を合計するように構成された光子カウンタ回路を定義することができる。

【0012】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、相関回路を備えることができる。相関回路は、互いに対するそれぞれの相関時間内に出力される検出信号のそれぞれのサブセットに基づき、検出イベントのそれぞれを特定するように構成することができる。これらの検出信号は、相関検出信号と称される場合がある。相関回路は、検出イベントのそれぞれの特定に応じてカウンタ信号をインクリメントするように構成することができる。

【0013】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、並列カウンタ回路を備えることができる。並列カウンタ回路は、それぞれのサブセットのそれぞれの検出信号の数を示す信号を出力するように構成することができる。相関回路は、閾値数に対するそれぞれのサブセットのそれぞれの検出信号の数に基づき、検出イベントの特定を実施するように構成することができる。

【0014】

いくつかの実施の形態では、アキュムレータ回路は、クロック信号のそれぞれのパルスに応じてカウンタ信号のそれぞれの値を積算するように構成することができる。クロック信号のそれぞれのパルスの周期はそれぞれの時間間隔に対応することができる。

【0015】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、クロック回路を備えることができる。クロック回路は、検出窓の開始とは無関係に、検出窓に対応するストローブ信号と、特定によって示される検出イベントのうちの１つとに応じて、アキュムレータ回路にクロック信号を出力するように構成することができる。

【0016】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数の合計と、検出窓の間に特定された検出イベントの総数を示すカウント値との比に基づき、複数の光子の推定到達時間を計算するように構成することができる。

【0017】

いくつかの実施の形態では、検出窓は第１の検出窓とすることができ、動作は、第２の検出窓の間に複数の検出器素子のうちの１つ以上に入射する第２の光子に応じて複数の検出器素子のうちの１つ以上から出力される第２の検出信号を受信することを更に含むことができる。少なくとも１つのプロセッサ回路は、第２の検出信号に基づいて推定到達時間の背景補正を実施するように構成することができる。

【0018】

いくつかの実施の形態では、検出信号は、検出窓の間の光子のそれぞれの到達時間を示すことができ、少なくとも１つのプロセッサ回路は、それぞれの到達時間の時間－デジタル変換とは無関係に、複数の光子の推定到達時間を計算するように構成することができる。

【0019】

本発明のいくつかの実施の形態によれば、ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）システムは、検出器アレイ及び少なくとも１つのプロセッサ回路を備える。検出器アレイは、ある検出窓の間に単一光子検出器素子に入射した複数の光子に応じて検出信号を出力するように構成された単一光子検出器素子を備える。少なくとも１つのプロセッサ回路は、検出器アレイから出力される検出信号を受信し、検出信号に基づき検出イベントを特定し、検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数の合計に基づき、複数の光子の推定到達時間を計算するように構成されている。

【0020】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、第１のアキュムレータ回路及び第２のアキュムレータ回路を備えることができる。それぞれの時間間隔に対応するクロック信号のそれぞれのパルスに応じて、第１のアキュムレータ回路は、検出イベントのそれぞれに応じてインクリメントされるカウンタ信号のそれぞれの値を積算することにより、それぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数の合計を出力するように構成することができる。第２のアキュムレータ回路は、カウンタ信号のそれぞれの値のうちの１つに基づき、検出窓の間に特定された検出イベントの総数を示すカウント値を出力するように構成することができる。少なくとも１つのプロセッサ回路は、上記合計とカウント値との比に基づき、複数の光子の推定到達時間を計算するように構成することができる。

【0021】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、相関回路及びクロック回路を更に備えることができる。相関回路は、互いに対するそれぞれの相関時間内に出力される検出信号のそれぞれのサブセットに基づき検出イベントを特定するように構成することができ、検出イベントのそれぞれに応じてカウンタ信号をインクリメントするように構成することができる。クロック回路は、相関回路によって特定される検出イベントのうちの１つと検出窓に対応するストローブ信号とに応じてクロック信号を出力するように構成することができる。

【0022】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、並列カウンタ回路を更に備えることができる。並列カウンタ回路は、それぞれのサブセットのそれぞれの検出信号の数を示す信号を出力するように構成することができる。相関回路は、閾値数に対するそれぞれのサブセットのそれぞれの検出信号の数に基づき、検出イベントを特定するように構成することができる。

【0023】

いくつかの実施の形態では、検出信号は、検出窓の間の光子のそれぞれの到達時間を示すことができる。少なくとも１つのプロセッサ回路は、それぞれの到達時間の時間－デジタル変換とは無関係に、複数の光子の推定到達時間を計算するように構成することができる。

【0024】

本発明のいくつかの実施の形態によれば、ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）測定回路は、ある検出窓の間に単一光子検出器素子に入射した光子のそれぞれの到達時間を示す、単一光子検出器素子から出力される検出信号を受信するように構成されている少なくとも１つのプロセッサ回路を備える。少なくとも１つのプロセッサ回路は、検出信号に基づき検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数を合計して、それぞれの到達時間の時間－デジタル変換とは無関係に、光子の推定到達時間を計算するように構成されている１つ以上のアキュムレータ回路を備える。

【0025】

いくつかの実施の形態では、１つ以上のアキュムレータ回路は、第１のアキュムレータ回路及び第２のアキュムレータ回路を備えることができる。第１のアキュムレータ回路は、それぞれの時間間隔に対応するクロック信号のそれぞれのパルスに応じて、検出イベントのそれぞれに応じてインクリメントされるカウンタ信号のそれぞれの値を積算することにより、上記合計を出力するように構成することができる。

【0026】

いくつかの実施の形態では、１つ以上のアキュムレータ回路は、第２のアキュムレータ回路を更に含むことができる。第２のアキュムレータ回路は、カウンタ信号のそれぞれの値のうちの１つに基づき、検出窓の間に特定された検出イベントの総数を示すカウント値を出力するように構成することができる。少なくとも１つのプロセッサ回路は、上記合計とカウント値との比に基づき複数の光子の推定到達時間を計算するように構成することができる。

【0027】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、相関回路及びクロック回路を更に備えることができる。相関回路は、互いに対するそれぞれの相関時間内に出力される検出信号のそれぞれのサブセットに基づき検出イベントを特定するように構成することができ、検出イベントのそれぞれに応じてカウンタ信号をインクリメントするように構成することができる。クロック回路は、相関回路によって特定される検出イベントのうちの１つと検出窓に対応するストローブ信号とに応じてクロック信号を出力するように構成することができる。

【0028】

いくつかの実施の形態では、少なくとも１つのプロセッサ回路は、並列カウンタ回路を更に備えることができる。並列カウンタ回路は、それぞれのサブセットのそれぞれの検出信号の数を示す信号を出力するように構成することができる。相関回路は、閾値数に対するそれぞれのサブセットのそれぞれの検出信号の数に基づき、検出イベントを特定するように構成することができる。

【0029】

いくつかの実施形態による他のデバイス及び／又は方法は、以下の図面及び詳細な説明を検討することで当業者には明らかとなるであろう。全てのそのような追加の実施形態も、上記実施形態のありとあらゆる組合せに加えて、この説明内に含まれるとともに本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1A】本発明のいくつかの実施形態によるライダー用途における例示的なＴｏＦ測定システム及び関連コンポーネントを示す図である。

【図1B】本発明のいくつかの実施形態によるライダー用途における例示的なＴｏＦ測定システム及び関連コンポーネントを示す図である。

【図2】本発明のいくつかの実施形態による例示的なＣＭＭピクセルプロセッサを示す図である。

【図3】図２のＣＭＭピクセルプロセッサのコンポーネントの動作を示すタイミング図である。

【図4A】本発明のいくつかの実施形態によるライダーシステムで用いることができる、画像フレーム、サブフレーム、レーザーサイクル及び時間ゲートの間の関係を示す図である。

【図4B】本発明のいくつかの実施形態によるライダーシステムで用いることができる、画像フレーム、サブフレーム、レーザーサイクル及び時間ゲートの間の関係を示す図である。

【図5】本発明のいくつかの実施形態による例示的なアキュムレータ／積算器回路を示す図である。

【図6】本発明のいくつかの実施形態による例示的な並列カウンタ／加算器回路を示す図である。

【図7】本発明のいくつかの実施形態による例示的なゲーテッド・リング・オシレータ（ＧＲＯ：gated ring oscillator）を示す図である。

【図8】本発明のいくつかの実施形態によるＣＭＭピクセルプロセッサによって実施される動作の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本発明のいくつかの実施形態は、（本明細書では「デジタルピクセル」又は「ＣＭＭピクセル」とも称される）質量中心法（ＣＭＭ：Center-of-Mass Method）ベースの直接ＴｏＦ計算のためにデジタル信号処理を用いる、光学検出器素子のアレイ（例えば、ＳＰＡＤ等の単一光子検出器）に関する。本明細書に記載するＣＭＭピクセルは、標的までのタイム・オブ・フライト（したがって、標的の距離）を推定するために用いることができる、いくつかの実施形態では互いに対する相関時間又は相関窓にわたる、信号光子の到達時間（ＴＯＡ：times-of-arrival）の分布を表す質量中心を計算するように構成することができる。本明細書に記載するＣＭＭピクセルは、ＴＤＣの使用なしに（すなわち、それぞれのＴＤＡの時間－デジタル変換を実施することなく）入射光子を計数するように構成することができ、ピクセルレベル又は「ピクセル内」において（例えば、各ピクセルは、他のピクセルと共有しない、相関器、カウンタ及び／又は時間積算器論理回路等の専用回路に出力を提供する）多くのタイムスタンプを、いくつかの従来の手法よりも計算集約的でない及び／又は電力を大量消費しないものとすることができる方法により、積算することができる。

【0032】

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途における例示的なＴｏＦ測定システム１００ａ及び１００ｂと、関連するコンポーネントとを示す。図１Ａに示すように、システム１００ａは、制御回路１０５と、タイミング回路１０６と、（複数のエミッタ素子又はエミッタ１１５ｅを含むエミッタアレイ１１５として示す）照明源と、複数の検出器素子又は検出器１１０ｄを含む検出器アレイ１１０とを備える。各検出器１１０ｄは、光検出器（例えば、フォトダイオード）を表すことができ、１つ以上の検出器１１０ｄは、検出器アレイ１１０のそれぞれの検出器ピクセルを画定することができる。エミッタアレイ１１５の１つ以上のエミッタ１１５ｅは、タイミング発生器又はドライバ回路１１６によって制御される時間及び繰返し率で（例えば、ディフューザ又は光学フィルタ１１４を通して）照射パルス又は連続波信号をそれぞれ放出する、エミッタユニットを定義することができる。特定の実施形態では、エミッタ１１５ｅは、（垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）及び／又は端面発光レーザー等の）ＬＥＤ又はレーザー等のパルス光源とすることができる。

【0033】

いくつかの実施形態では、エミッタモジュール又は回路は、エミッタ素子１１５ｅのアレイ１１５と、エミッタ素子のうちの１つ以上に結合された光学素子１１３、１１４（例えば、（マイクロレンズ等の）レンズ１１３及び／又はディフューザ１１４）の対応するアレイと、ドライバ回路１１６とを含むことができる。いくつかの実施形態では、エミッタアレイ１１５におけるエミッタ素子１１５ｅのそれぞれは、それぞれのドライバ回路１１６に接続され且つそれによって制御される。他の実施形態では、エミッタアレイ１１５におけるエミッタ素子１１５ｅのそれぞれの群（例えば、互いに空間的に近接するエミッタ素子１１５ｅ）は、同じドライバ回路１１６に接続することができる。ドライバ回路１１６は、エミッタ１１５ｅから出力される光放出信号のパルス繰返し率、タイミング及び振幅を制御するように構成された、１つ以上のドライバトランジスタを含むことができる。

【0034】

いくつかの実施形態では、検出器モジュール又は回路は、検出器１１０ｄのアレイ１１０と、受光器光学系１１２（例えば、アレイ１１０のＦｏＶ１９０にわたって光を収集する１つ以上のレンズ）と、検出器アレイ１１０の全て又は一部に電力を供給し、それらをイネーブルにし、且つディスエーブルにするように構成されるとともに、検出器アレイ１１０の全て又は一部にタイミング信号を提供するように構成されている受光器電子回路（タイミング回路１０６を含む）とを含む。受光器光学系１１２は、ライダーシステムによって撮像することができる最大ＦｏＶからの光を収集するように構成されているマクロレンズ、「信号」光（すなわち、エミッタから出力された光信号の波長に対応する波長の光）の十分に高い部分を通すか又はその通過を可能にするが、非信号すなわち「背景」光（すなわち、エミッタから出力された光信号とは異なる波長の光）を実質的に排除するか又はその通過を阻止するスペクトルフィルタ１１１、検出器ピクセルの収集効率を向上させるマイクロレンズ、及び／又は迷光の検出を低減させるか又は阻止する反射防止コーティングを含むことができる。検出器アレイ１１０は、ＴｏＦセンサ（例えば、ガイガーモードアバランシェダイオード（例えば、ＳＰＡＤ）等の単一光子検出器のアレイ）を含む。

【0035】

タイミング回路１０６は、検出器アレイ１１０のタイミング及び利得／感度を制御することができる。検出器アレイ１１０用のタイミング回路１０６は、いくつかの実施形態では、エミッタアレイ１１５のドライバ回路１１６に位相ロックすることができる。タイミング回路１０６は、検出器１１０ｄのそれぞれ、又は検出器ピクセルを画定する検出器１１０ｄ群の感度も制御することができる。例えば、検出器ピクセルが１つ以上の逆バイアスガイガーモードフォトダイオード（例えば、ＳＰＡＤ）１１０ｄを含む場合、検出器ピクセルの各フォトダイオード１１０ｄに印加される逆バイアスを（例えば、本明細書に記載する電極１０７の電圧差に基づいて）調整することができ、それにより、オーバーバイアスが高いほど、感度が高くなる。検出器１１０ｄは、少なくともナノ秒精度でアクティベート又はディアクティベートすることができ、個々にアドレス指定可能であり、群単位でアドレス指定可能であり、及び／又はグローバルにアドレス指定可能であり得る。

【0036】

図１Ａに示すように、エミッタアレイ１１５のエミッタ１１５ｅのうちの１つ以上から出力される発光は、１つ以上の標的１５０に突き当たり、標的１５０によって反射され、反射光は、検出器アレイ１１０の検出器１１０ｄのうちの１つ以上によりエコー信号として検出され、電気信号表現（本明細書では、検出信号と称する）に変換され、視野１９０内のシーンの３Ｄ点群表現１７０を規定するように（例えば、ＴｏＦに基づいて）処理される。本明細書に記載する本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの動作は、図１Ａの制御回路１０５又は図１Ｂのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１０５’等、１つ以上のプロセッサ又はコントローラによって実施することができる。

【0037】

図１Ｂは、本明細書に記載するいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲ用途におけるＴｏＦ測定システム又は回路１００ｂのコンポーネントを更に示す。回路１００ｂは、（ＤＳＰ１０５’として示す）プロセッサ回路と、（例として、レーザーエミッタアレイ１１５に関して示す）照明源のタイミングを制御するタイミング発生器１１６’と、（例として、単一光子検出器アレイ１１０に関して示す）単一光子検出器のアレイとを含むことができる。ＤＳＰ１０５’及びタイミング発生器１１６’は、図１Ａの制御回路１０５及びドライバ回路１１６の動作のうちのいくつかを実施することができる。レーザーエミッタアレイ１１５は、タイミング発生器１１６’によって制御される時点でレーザーパルス１３０を放出する。レーザーパルス１３０からの光１３５は、（例として、物体１５０として示す）標的から反射され、単一光子検出器アレイ１１０によって検知される。ＤＳＰ１０５’は、エミッタアレイ１１５から物体１５０に且つ単一光子検出器アレイ１１０に戻る行程にわたり、レーザーパルス１３０及びその反射信号１３５のＴｏＦを測定するＣＭＭピクセルプロセッサを実装する。

【0038】

ＤＳＰ１０５’は、アレイ１１０の単一光子検出器の動作を制御するとともに、そこから出力される検出信号を処理するために必要なタイミング信号（消滅及びゲート制御又はストローブ信号等）を提供する、論理回路を含むことができる。例えば、アレイ１１０の単一光子検出器は、ストローブ信号によって画定される短いゲート制御間隔又はストローブ窓の間にのみ、入射光子に応じて検出信号を発生させることができる。ストローブ窓の外で入射する光子は、単一光子検出器の出力に影響を与えない。

【0039】

ＤＳＰ１０５’によって実装されるＣＭＭピクセルプロセッサは、何千ものレーザーパルス１３０と反射光１３５における光子戻りとにわたって集計された平均ＴｏＦの推定値を計算するように構成されている。ＤＳＰ１０５’は、本明細書ではアキュムレータとも称される、本明細書に記載する実施形態による１つ以上のアキュムレータ回路を実装することにより、反射光１３５における入射光子を計数するように構成することができる。アキュムレータは、単一光子検出器アレイ１１０における入射光子に応じて、単一光子検出器アレイ１１０から受信される入力を合計するように構成することができる。例えば、アキュムレータは、（時間－デジタル変換が必要でありうる）レーザーサイクル又は検出窓にわたる検出イベントのとき／時点（例えば、ＳＰＡＤ１１０ｄがトリガされた時点）に基づくのではなく、レーザーサイクル（又はその一部、本明細書では検出窓と称される）にわたって特定された検出イベントの数（例えば、トリガされたＳＰＡＤ１１０の数）に基づいて、レーザーパルス１３０のレーザーサイクルにわたって検出された入射光子の「ローリング（rolling）」質量中心（ＣＭ）を計算するように構成することができる。検出窓のタイミング及び持続時間は、本明細書に記載するストローブ信号（Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞）によって制御することができ、したがって、それはストローブ窓とも称されることがある。したがって、本発明の実施形態は、時間－デジタル変換動作を実施することなく、例えば、ＴＤＣを用いることなく、ＴｏＦを推定することができる。

【0040】

ＤＳＰ１０５’は、アナログ実施態様と比較して利点を提供することができる、本明細書に記載する論理回路のデジタル実施態様を提供することができる。特に、アナログ実施態様は、半導体プロセスにおけるサイズ及び／又は温度依存性に関して難題を課す可能性がある物理的コンポーネント（例えば、コンデンサ、抵抗器）の特性によって制限される可能性がある。例えば、抵抗器等の温度依存コンポーネントは、プロセス、電圧及び温度（ＰＶＴ）依存性に対する較正及び補償に関して制限を課す可能性がある。アナログ実施態様はまた、コンデンサにおける蓄積された電荷の漏れ及び／又は電気クロストーク等の問題に直面する可能性もある。ＤＳＰ１０５’等のデジタル実施態様は、アナログ実施態様が直面する可能性があるこれらの制限及び／又は他の制限とは無関係に動作することができる。ＤＳＰ１０５’（又は他のデジタル実施態様）はまた、３次元的に積層された実施態様を可能にするのに十分小さくすることもでき、アレイ１１０は、アレイ１１０の領域又はフットプリント内に適合するようなサイズであるＤＳＰ１０５’（及び他の関連回路）の上に「積層される」。

【0041】

図２は、本発明のいくつかの実施形態による（ＤＳＰ１０５’によって実装することができる）例示的なＣＭＭピクセルプロセッサ回路を示す。ＣＭＭピクセルプロセッサは、４×４ＳＰＡＤアレイ１１０で実装される１６個のＳＰＡＤから入力を受信するＳＰＡＤピクセルプロセッサ２０５として示されているが、より少ないか若しくは多い又は他の検出器アレイ（例えば、他の単一光子検出器のアレイ）を用いることができる。図３は、図２のＣＭＭピクセルプロセッサ２０５のコンポーネントの動作を示すタイミング図である。図４は、いくつかのライダーシステムで用いることができる画像フレーム、サブフレーム、レーザーサイクル及び（本明細書では、ストローブ窓又は検出窓とも称される）時間ゲートの間の関係を示す図である。時間ゲート／ストローブ窓は、入射光子を検出するためにアレイ１１０の１つ以上のＳＰＡＤがアクティブであるか又はイネーブルにされる（レーザーサイクルにおけるレーザーパルスの間の時間のそれぞれの部分に対応する）時間の持続時間を画定する。したがって、ストローブ窓又は検出窓は、本明細書に記載するようにそれぞれの時間間隔又は時間ステップｋに更に分割することができる、それぞれの測定間隔を画定することができる。数値は、限定ではなく例として記載している。

【0042】

図２に示すように、本明細書に記載するいくつかの実施形態は、時間－デジタル変換動作の実施（並びに関連する計算オーバーヘッド及び電力消費）なしに、持続時間の「タイムスライス」に対応する（例えば、レーザーパルスの間のレーザーサイクル又は周期のそれぞれの部分に対応する）（ストローブ信号Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞によって画定される）検出窓又はストローブ窓を用いる（ｉは、ストローブ窓が順序付けられる、レーザーサイクルにおけるｉ番目のストローブ窓を指す）、アキュムレータベースの質量中心計算を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、ストローブ窓は、時間の増大により逐次に順序付けることができる（例えば、各連続したストローブ窓は、レーザーパルス間の時間の後続する持続時間を表す）。しかしながら、ストローブ窓は、時系列順である必要はなく、すなわち、レーザーパルス間の時間の初期部分に対応するストローブ窓は、連続したストローブ窓において最初のストローブ窓である必要はないことが理解されるであろう。

【0043】

Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞の多くの繰返しは、Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞に対するサブフレームを画定するように（例えば、ピクセルで）集計され、サブフレーム１～ｉは画像フレームを画定する。Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞に対する各サブフレームは、レーザーサイクルの周波数によって画定される全体的なイメージング距離範囲のそれぞれの距離部分範囲に対応することができる。ストローブ窓は、後に時間ステップｋに関して言及する場合があり、ｋは、（本明細書においていくつかの例では、クロック信号ＦａｓｔＣｌｋに関して言及する）クロックによってサンプリングされるストローブ／検出窓におけるｋ番目の時間間隔を示す。クロックは、ストローブ窓持続時間よりも短い何らかの係数の（例えば、本明細書に記載するいくつかの例におけるよりも１０倍又は２０倍短い）周期を有することができる。

【0044】

図２を参照すると、（本明細書では、アキュムレータとも称される）アキュムレータ回路２０１、２０２は、検出窓の間又は検出窓にわたる入射光子の検出に応じて（ＳＰＡＤアレイに関して記載した）単一光子検出器アレイ１１０から出力される検出信号によって示される検出イベント（例えば、いくつかの実施形態では、時間窓内で相関される単一光子検出イベント）を累積及び積算するように動作可能である、プロセッサ又は制御回路２０５のレジスタであり得る。図２の例は、第１のアキュムレータ２０１及び第２のアキュムレータ２０２を含み、そこでは、第１のアキュムレータ２０１は、ストローブ窓にわたるそれぞれの時点で検出器アレイ１１０に入射する光子の検出を追跡するように構成されている、時間若しくは時間的アキュムレータ又は時間積算器として機能し、第２のアキュムレータ２０２は、ストローブ窓の間に検出された光子の総数に対応する光子カウントを収集する光子カウンタとして機能する。より詳細には、第１のアキュムレータ２０１は、検出された光子のそれぞれの到達時間の表現として検出窓のそれぞれの時間間隔又は時間ビン（すなわち、時間ステップｋ）の時点で特定された検出イベントの数を積算するように構成されており、第２のアキュムレータ２０２は、検出窓にわたって特定された検出イベントの総数を計数するように構成されている光子カウンタとして機能する。

【0045】

第１のアキュムレータ回路２０１及び第２のアキュムレータ回路２０２は、（例えば、検出器ピクセルごとの）それぞれのメモリアレイを提供し、そこでは、第１のメモリアレイは、それぞれの時間ビン又は時間ステップｋと検出イベントの数（例えば、入射光子（

【数1】

）に応じて信号を出力する（又は「発射される（fired）」ＳＰＡＤの数）との累積積のヒストグラムを有効に記憶し、第２のメモリアレイは、検出イベントのカウントの累積数を記憶する。時間間隔ごとの検出イベントの積算された数と検出窓ごとのカウントの数（すなわち、時間間隔ごとの検出イベントの平均数）との比を用いて、質量中心が計算される。本明細書に記載するようなストロービング構成では、データ収集が、常にレーザー発射の事前設定時間後に開始する可能性があり、且つ常にその後の事前設定された時間に終了する可能性がある、いくつかの従来の構成とは対照的に、ヒストグラムは、ストローブ窓の開始から終了まで（例えば、サブフレーム可変ストローブ）にのみ収集することができる。本明細書では主にストロービング構成に関して説明するが、本明細書に記載する実施形態は、データ収集が初期検出イベントによって開始される（したがって、ストローブ窓の開始に対して遅延する）いくつかの実施形態では、レーザーサイクルごとに単一プローブである（すなわち、レーザーパルス間の時間が単一ストローブ窓を画定する）構成においても同様に適用することができる。

【0046】

検出イベントは、プロセッサ回路２０５により、検出器アレイ１１０から出力される１つ以上の検出信号に基づいて特定することができる。いくつかの実施形態では、アキュムレータ２０１、２０２は、相関器２０３の出力に応じて動作可能であり得る。相関器２０３は、本明細書では相関窓又は相関時間と称される、２つ以上の検出器から互いに対する事前定義された時間の窓内で出力される検出信号に応じて検出イベントを特定する出力信号を提供し、そこでは、検出信号は、相関窓内の入射光子の到達時間を示す。エミッタアレイ１１５から出力される（信号光子とも称される）光信号に対応する光子が（背景光子とも称される）周囲光に対応する光子と比較して時間的に比較的近接して到達する可能性があるため、相関器２０３は、互いに対する相関時間内のそれぞれの到達時間に基づいて信号光子を識別するように構成されている。こうした相関器は、例えば、引用することにより本明細書の一部をなすものとする、「Methods and Systems for High-Resolution Long Range Flash Lidar」と題する米国特許出願公開第２０１９／０２５０２５７号に記載されている。すなわち、いくつかの実施形態では、本明細書に記載するピクセル内相関は、より詳細に後述するようなローリングＣＭＭ推定法を用いて、相関器によって画定される相関窓を満足させる検出イベントの分布の質量中心の計算を含むことができる。

【0047】

さらに、プロセッサ回路２０５は、背景除去（background subtraction：背景差分）計算等、背景補正動作を実施するように構成することができる。こうした背景補正計算は、本来は質量中心をストローブ窓の中心に向かわせる可能性がある、例えば太陽光又は他の周囲光状態からの背景光子を考慮することにより、検出イベントによって示される光の強度を補正することができる。いくつかの実施形態では、背景補正されたＴＯＡ（ＴＯＡ_{ｂｇ＿ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}）は、以下のように、本明細書に記載するローリングＣＭＭ推定方法を用いて計算することができ、

【数2】

式中、ＴＯＡ_ｍｅａｓは、検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された検出イベントのそれぞれの数の合計と、検出窓の間に特定された検出イベントの総数を示すカウント値との比に基づいた、複数の光子の推定到達時間であり、n_{ｂｇ＋ｓｉｇ}は、各検出窓の最後のカウント値であり、ｔ_{ｗｉｎ，ｍｉｄ}は、現検出窓の時間帯の中間の既知の時間であり、ｎ_ｂｇは、パッシブ検出窓の間の背景光子カウント値、又は別のパッシブ検出窓に基づく外挿されたカウント数であり、ｎ_ｓｉｇ＝ｎ_{ｂｇ＋ｓｉｇ}－ｎ_ｂｇは、同じピクセルに対する各検出窓の間のカウント値と最後のパッシブ検出窓カウンタのカウント値との計算された差であり、この値は、メモリに記憶されるか、又は（複数のサブフレームの場合は）メモリアレイに記憶されて、同じ検出窓のパッシブ出力が取得されるたびに置き換えられうる。背景光子カウントｎ_ｂｇ又は強度レベルは、例えば、レーザー照明のないフレームを検出し、又は代替的に、戻り信号又はエコー信号のないサブフレームを検出することにより（いずれも上述したパッシブ検出窓を提供することができる）、推定することができる。背景補正は、この背景情報を利用して、質量中心の計算に補正を適用することができ、外部ＦＰＧＡ若しくはＡＳＩＣにおいて、オンチップで実施することができ、及び／又はそれらによって実行されるソフトウェアにおいて実施することができる。背景除去に対するこうした動作は、例えば、米国特許出願公開第２０１９／０２５０２５７号において、より詳細に記載されている。

【0048】

プロセッサ回路２０５はまた、クエンチ及び充電動作を実施するように構成されている回路２０６も備える。複数の光子のバーストが実質的に同時にＳＰＡＤに到達する場合、それには、単一光子と同じ効果、すなわち、ＳＰＡＤを放電するという効果がある。ＳＰＡＤは、先行する光子によって放電されると、クエンチ及び充電回路２０６によって消滅及び充電されるまで、（図４Ａにおいて「不動時間」として示すように）バースト内の他の全ての光子に気づかない。いくつかの実施形態では、クエンチ及び充電回路２０６は、ストローブ窓の開始前にＳＰＡＤ１１０を充電するように構成されており、その理由は、第１のストローブ窓を除き、レーザーは既に発射されているためである。検出窓（及び光子の収集）の前に充電することにより、ＳＰＡＤがストローブ窓を通して完全に充電され、検出可能性が比較的に一定であることを確実にすることができる。各単一光子検出器に対するアクティブ及び／又はパッシブ消滅及び／又は充電回路もまた、例えば、米国特許出願公開第２０１９／０２５０２５７号に記載されている。

【0049】

いくつかの実施形態では、アキュムレータ２０１、２０２は、並列カウンタ２０４、相関器２０３及び相関カウンタ２０３ｃ、及び／又はゲーテッドクロック２０７からの出力に応じて動作可能であり得る。並列カウンタ２０４は、同時検出状態下であっても、アレイの複数のＳＰＡＤにおける光子の検出を示す出力信号Ｃ＜４：０＞を提供するように構成されている。相関器２０３は、所定の又は調整可能な相関窓内で到達する２つ以上の「相関する」光子の検出のみに応じて、検出イベントを示す出力信号Ｃｏｒｒを発生させるように構成されている。相関カウンタ２０３ｃは、各検出イベントに応じてカウンタ信号ＣＣ＜３：０＞をインクリメント及び出力するように構成されている。ゲーテッドクロック２０７は、クロック源信号ＦａｓｔＣｌｋを時間アキュムレータ２０２に提供するように、信号ＳｔｒｏｂｅＢ＜ｉ＞に基づいて制御されるように構成されている。クロック源信号ＦａｓｔＣｌｋは、時間ステップｋの数に対応する周波数でカウンタ信号ＣＣ＜３：０＞のサンプリングを提供する。

【0050】

ここで、図２のＳＰＡＤピクセルプロセッサ２０５のいくつかのコンポーネントの動作について、図３のタイミング図３００を参照して説明する。本明細書に記載する到達時間を示す時間測定は、（レーザーのパルス「Ｌａｓｅｒ」に関して示す）照明パルスの放出によって開始され、（そのうちの１つ以上を、本明細書では検出イベントと称される場合がある）入射光子の検出に応じてＳＰＡＤから出力される検出信号によって終了して、測定される時間が照明パルスのＴｏＦであるものとすることができる。

【0051】

図３の例では、ＳＰＡＤは、レーザーサイクルの開始時に（すなわち、図３に示すＬａｓｅｒの第１のパルスの直後の信号Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞の第１のストローブ窓において）、タイミング又はゲート制御回路によってストローブ窓の間イネーブルにされるが、レーザーサイクルの異なる部分に対応する他のストローブ窓に対して同様の動作を実施することができることが理解されるであろう。信号Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞の図示するストローブ窓は、次のストローブ窓（例えば、Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＋１＞）に移動する前に（例えば、信号Ｌａｓｅｒの何千ものサイクルにわたり）繰り返すことができる。すなわち、Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞によって表される各ストローブ窓は、レーザーパルス又は信号Ｌａｓｅｒ間の時間の一部分を表し、信号Ｌａｓｅｒの何千ものサイクルは、信号Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞の各ストローブ窓に割り付けることができる（そこでは、レーザーサイクルはｎ個の部分に分割することができ、ｉ＝１～ｎである）。図２の回路２０６は、タイミング又はゲート制御回路、アクティブクエンチ回路及びアクティブ充電回路を実装するものとして示す。

【0052】

図３を参照すると、タイミング図３００は、（図２のアレイ１１０における１６個のＳＰＡＤのうちの）４つのＳＰＡＤによって、それぞれの光子の検出に応じて出力される、例示的な検出信号ＳＰＡＤ＜３：０＞を示す。ＳＰＡＤアクティブクエンチ、アクティブ充電回路２０６の４つの出力信号ＡＱ＜３：０＞は、相関時間又は窓に基づく制御された持続時間のパルスを含む（例えば、相関時間又は窓は相関器２０３によって決定され、持続時間は外部電圧制御によって調整可能とすることができる）。並列カウンタ２０４は、ＡＱ＜３：０＞信号を非同期的に出力信号Ｃ＜２：０＞として合計し、いくつかのＳＰＡＤ１１０が相関窓内で実質的に同時に又は他の方法で検出信号パルスを出力すると、最大値（この例では２又は４）に達する。

【0053】

相関器２０３は、並列カウンタ２０４の出力Ｃ＜２：０＞が２の閾値以上であるとき、すなわち、複数のＳＰＡＤが相関窓内で光子を検出するとき、相関信号Ｃｏｒｒを出力して、検出イベントを示す。したがって、相関信号Ｃｏｒｒの各パルスは、それぞれの検出イベントの識別を表す。パルス信号Ｃｏｒｒの初期パルスにより、ゲーテッドクロック２０７は、（例えば、ストローブ窓の開始に対して遅延して）クロック源信号ＦａｓｔＣｌｋを出力することができる。クロック信号ＦａｓｔＣｌｋは、（例えば、ストローブ信号Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞の反転として示す、信号ＳｔｒｏｂｅＢ＜ｉ＞に応じて停止される）ストローブ窓の最後まで出力され、時間アキュムレータ２０１に対してクロック信号を提供する。クロック信号ＦａｓｔＣｌｋのパルスの周波数又は周期は、それぞれのストローブ又は検出窓における時間間隔ｋの数に対応することができる（例えば、ＦａｓｔＣｌｋの周期は、ストローブ窓の持続時間を時間間隔ｋの数で割った値に等しくなることができ、ＦａｓｔＣｌｋの周波数はその周期の逆数である）が、クロック信号ＦａｓｔＣｌｋは、ストローブ窓又は検出窓の開始時間とは無関係にイネーブルにされる。

【0054】

（例として４ビットカウンタとして示す）相関カウンタ２０３ｃもまた、パルス信号Ｃｏｒｒのパルスに応じて動作し、アキュムレータ２０１、２０２にカウンタ信号ＣＣ＜３：０＞を出力する。カウンタ信号ＣＣ＜３：０＞は、ストローブ窓の間に時間的に相関する検出信号（本明細書では、相関する検出イベントとも称される）の累計を提供する。特に、相関カウンタ２０３ｃは、信号Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞のストローブ窓の間に特定された相関する検出イベントの数を示すように、相関器２０３の出力Ｃｏｒｒによって示される各検出イベントに応じてカウンタ信号ＣＣ＜３：０＞をインクリメント及び出力するように構成されている。相関カウンタ２０３ｃ及び相関器２０３は、本明細書ではまとめて相関回路と称する場合がある。

【0055】

（例として２７ビットアキュムレータとして示す）時間アキュムレータ２０１は、本明細書に記載するように、クロック信号ＦａｓｔＣｌｋのそれぞれのパルスに応じて相関カウンタ２０３ｃから出力されるカウンタ信号ＣＣ＜３：０＞のそれぞれの値を積算することにより、ローリングＣＭＭ推定を実施して、読出し回路２０９に対する出力信号ＳＴ＜２６：０＞を発生させる。クロック信号ＦａｓｔＣｌｋの各クロックパルスが検出窓のそれぞれの時間間隔に対応するため、したがって、時間アキュムレータ２０１からの出力信号ＳＴ＜２６：０＞は、検出窓のそれぞれの時間間隔において特定された相関する検出イベントのそれぞれの数の合計を表す。

【0056】

ストローブ窓の最後に、相関する検出イベントＣＣ＜３：０＞の総数もまた、読出し回路２０９に信号Ｓ＜１７：０＞を出力する、（例として１８ビットアキュムレータとして示す）光子カウンタ２０２によって合計される。信号Ｓ＜１７：０＞は、検出窓の最後までに特定された相関する検出イベントの総数を示すカウント値を提供する。読出し回路２０９は、（例えば、各サブフレームの最後に）データ信号Ｄａｔａ＜４４：０＞を出力する。図４Ａ及び図４Ｂに関して後述するように、サブフレームが、複数の（例えば、何千もの）レーザーサイクルに対して繰り返されるそれぞれのストローブ窓に対して収集されたデータＳｔｒｏｂｅ＜ｉ＞を含むことができる。アキュムレータ２０１及び／又は２０２は、サブフレームの最後に信号ＦｒａｍｅＲｓｔによってリセットすることができる。プロセッサ回路２０５は、読出し回路から出力されるデータ信号Ｄａｔａ＜４４：０＞に基づき、特に、検出窓における時間間隔の総数だけオフセットする、時間アキュムレータ２０１から出力される合計と光子カウンタ２０２から出力されるカウント値との比に基づき、質量中心を計算するように構成されている。本明細書において考察する数値（例えば、ビット値、信号出力の数等）は、単に例として与えるものであり、決して本明細書に記載する実施形態を限定するものではない。

【0057】

図４Ａは、いくつかのライダーシステムにおいて利用される、画像フレーム、サブフレーム、レーザーサイクル及び時間ゲート（本明細書ではストローブ窓とも称される）の間の関係を示す図である。図４Ｂは、レーザーパルスの間の期間のｉ個のストローブ窓への分割を示す図であり、各ストローブ窓１～ｉは、それぞれのストローブ信号Ｓｔｒｏｂｅ＃１～Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞に応じて、レーザーパルスに関して異なるそれぞれの遅延で検出器（例えば、ＳＰＡＤ）に対するアクティベーションの持続時間を画定する。いくつかの実施形態では、各ストローブ窓１～ｉは、持続時間が同じであり得る。上述したように、画像フレームの各サブフレームに対して、各ストローブ窓の多くの繰返し（例えば、各ストローブ窓は何百又は何千ものレーザーパルスに対して繰り返される）を取り込むことができる。

【0058】

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、特定の持続時間を有するストローブ窓は、放出されるレーザーパルス間の特定の持続時間を有する例示的なレーザーサイクルの間にアクティベートすることができる。例えば、７５０ｋＨｚの動作周波数では、レーザーサイクルは約１．３μｓであり得る。個々のレーザーサイクル内の異なる持続時間（例えば、レーザーパルス間のそれぞれのタイムスロット又はタイムスライス）を、それぞれのストローブ窓と関連付けることができる。例えば、レーザーサイクルの持続時間は、例えば、それぞれ１３０ｎｓの１０個のストローブ窓など、複数の潜在的なストローブ窓持続時間へと分割することができる。（例えば、プロセッサ１０５、１０５’、２０５から又はその制御下で出力される）それぞれのストローブ信号は、それぞれのストローブ窓に対する検出器１１０ｄのタイミング及びアクティベーションを規定することができる。

【0059】

これらのストローブ窓のうちの第１のストローブ窓は、レーザーサイクル（例えば、１０００のレーザーサイクル）の第１の組の間に（第１のストローブ信号に応じて）アクティブとなることができ、ストローブ窓のうちの第２のストローブ窓は、レーザーサイクルの第２の組の間に（第２のストローブ信号に応じて）アクティブとなることができる。ストローブ窓は、それぞれのレーザーサイクルにわたって時間的に相互に排他的であるか又は部分的に重なることができ、単調に又は非単調に順序付けることができる。画像サブフレームは、関連するレーザーサイクルにより複数のレーザーパルスを含むことができ、レーザーサイクルのそれぞれにおいてストローブ窓はアクティブである。例えば、各サブフレームに約１０００のレーザーサイクルがあり得る。各サブフレームはまた、それぞれのストローブ窓に対して収集されるデータも表すことができる。ストローブ窓読出し動作は、（例えば、読出し回路２０９によって）各サブフレームの最後に実施することができ、（各サブフレームがそれぞれのストローブ窓に対応する）複数のサブフレームが各画像フレーム（例えば、各フレームに２０個のサブフレーム）を構成する。図４Ａ及び図４Ｂに示すタイミングは、単に例としてのものであり、本明細書に記載する実施形態により他のタイミングが可能であり得る。

【0060】

図５は、本発明のいくつかの実施形態による例示的なアキュムレータ／積算器回路５００を示す。例えば、アキュムレータ／積算器回路５００を用いて、本明細書に記載するようなアキュムレータ２０１及び／又は２０２を実装することができる。図５に示すように、回路５００は、複数の全加算器ＦＡ５０１、Ｄフリップフロップ５０２、マルチプレクサ５０４及びアップダウンカウンタ５０３を含む、インクリメント／デクリメントアキュムレータとして実装することができる。Ｄフリップフロップ５０２は、全加算器ＦＡ５０１に対する（例としてＡ＜０：４＞として示す）入力のそれぞれの合計Ｓとクロック信号Ｃｌｋとに応じて、（例としてＤ＜３１：０＞として示す）出力を提供する。全加算器ＦＡ５０１は、桁上げチェーンで実装され、それにより、１つの全加算器ＦＡ５０１の桁上げ出力（Ｃｏ）が、次の全加算器ＦＡ５０１の桁上げ入力（Ｃｉ）に接続される。チェーンにおける最後の全加算器ＦＡ５０１の桁上げ出力は、アップダウンカウンタ５０３に接続される。図５に示す実施態様は、当業者には理解されるものであり、単に例として提供されるため、更なる説明は省略する。

【0061】

図６は、本発明のいくつかの実施形態において用いることができる例示的な並列カウンタ／加算器回路６００を示す。例えば、並列カウンタ／加算器回路６００を用いて、本明細書に記載する並列カウンタ２０４を実装することができる。図６に示すように、回路６００は、入力ｂ＜１４：０＞に応じて出力ｄ＜３：０＞を提供するように接続されている複数の全加算器ＦＡ６０１を用いて実装することができる。図６に示す実施態様は、当業者には理解されるものであり、単に例として提供されるため、更なる説明は省略する。

【0062】

図７は、本発明のいくつかの実施形態によるゲーテッド・リング・オシレータ（ＧＲＯ：gated ring oscillator）回路７００の一例を示す。いくつかの実施形態では、ＧＲＯ回路７００を用いて、図２のゲーテッドクロック２０７を実装することができる。図７に示すように、ＧＲＯ７００は、Ｄフリップフロップ７０２と論理素子７０４の組合せとを用いて実装し、相関器２０３からの出力Ｃｏｒｒと（図３に示すように）ストローブ信号Ｓｔｒｏｂｅ＜ｉ＞の反転である信号ＳｔｒｏｂｅＢ＜ｉ＞とに応じてクロック信号ＦａｓｔＣｌｋを発生させることができる。クロック信号ＦａｓｔＣｌｋの周波数は、（例えば、ＣＭＯＳノードに対して１ＧＨｚ～５ＧＨｚに）比較的低くすることができる。このように比較的低い周波数によって、長いトランジスタを用いてオシレータの固有周波数を低速化することにより、電力消費を低減させるか又は最小限にすることができる。ＧＲＯ７００は、典型的には、強力なＰＶＴ感度を有することができ、時間によるジッタ及び不整合（例えば、約１％～２％）を蓄積する。

【0063】

いくつかの実施形態では、（例えば、数百ＭＨｚのクロック周波数を有する）グローバル自走クロック源を、Ｅｎａｂｌｅ信号によりピクセルアキュムレータにゲート入力することができる。いくつかの回路は、いくつかのＧＲＯベースの手法と比較して感度、ジッタ及び不整合を低減させることができる、こうしたグローバル自走クロック源を発生させるように、アレイを横切ってオシレータを結合することができる。こうした回路の不都合としては、オシレータが、ＳＰＡＤアクティビティの関数としてではなく連続的に実行し続ける可能性があるため、信号レベルとは無関係に電力を消費することを含み得る。

【0064】

図５～図７は、本明細書に記載するＣＭＭピクセルプロセッサのコンポーネントを実装するために用いることができる例示的な回路を示すが、本明細書に記載及び例示する回路は、単に例として提供されるものであることと、本明細書に記載するアキュムレータ、並列カウンタ及び／又は他の回路の実施形態は、これらの例示的な実施態様に決して限定されないこととが理解されるであろう。

【0065】

本明細書に記載するＣＭＭベースの直接ＴｏＦ計算に対する信号処理動作を実装する回路を含む本発明の実施形態により、例えば、用いることができるアキュムレータのビット深度（光子計数深度）に関して、計数及び／又は記憶要件を大幅に及び／又は徹底的に低減させることができる。

【0066】

本明細書に記載するいくつかの例は、（検出器又はマイクロセルにおける２００ＭＨｚの光子到達に等価である）ストローブ窓ごとに最大１６個の相関するイベントと、１５３８４のレーザーパルスに等価な２０ｍｓの最長サブフレームとで、８０ｎｓストローブ窓（１６個のストローブ）に関するアキュムレータのビットのビット深度又は数を示す。２００ｐｓクロック（ストローブにおいて４００クロック、この例では５１２に丸められる）では、相関する光子の最大数は２４６０００であり得る。したがって、時間アキュムレータは、１億２６００万カウントが必要である可能性がある。本明細書に記載するいくつかの実施形態では、４５ビットの最大総出力（又は、３７ビットの最小総出力）で、１８ビットの光子カウンタ２０２と２７ビットの時間アキュムレータ２０１とを用いることができる。この例では、実施態様は、アキュムレータにおける合計４５個のＤＦＦ（Ｄフリップフロップ）と、４個のＤＦＦカウンタと、並列カウンタ／アキュムレータにおける１９個のＦＡ（全加算器）と、１６個のアクティブクエンチと、３段ＧＲＯと、注入同期とを含むことができる。（例えば、Henderson他、「A 256×256 40nm/90nm CMOS 3D-Stacked 120dB-Dynamic-Range Reconfigurable Time-Resolved SPAD Imager」（2019 International Solid-State Circuits Conference, San Francisco, USA）に記載されているような）いくつかの従来の４×４ＳＰＡＤピクセルと比較すると、本明細書に記載するピクセルは、２０μｍ～２４μｍピッチまで低減し、約５μｍ～６μｍピッチＳＰＡＤを用いることができ、それにより、低減したＦａｓｔｃｌｋ周波数でより少ないビット及びより低い電力が可能になる。

【0067】

図８を参照して、（時間－デジタル変換動作を必要とするいくつかの従来のタイムスタンプ加算及び平均化技法と比較して）本発明の実施形態による質量中心計算技法によって提供される利点を示す更なる例について説明する。図８は、本発明の実施形態による、検出窓にわたる（矢印↓によって示す）検出イベントのヒストグラム８００を示す。いくつかの実施形態では、（タイムステップｋを含む）検出窓は、ＬＩＤＡＲエミッタのレーザーパルス間の複数のストローブ窓のうちの１つとすることができ、ストローブ窓は、エミッタのレーザーパルス間の時間の持続時間によって画定されるイメージング距離範囲のそれぞれの距離部分範囲に対応する。いくつかの実施形態では、（時間ステップｋを含む）検出窓は、エミッタのパルス間の時間の全持続時間を表すことができる。これらの例では、質量中心ＣＭは、以下の式を用いて計算することができ、

【数3】

式中、ＮＣは、レーザーサイクルの数（例えば、特定のストローブ窓及び関連する距離部分範囲に割り付けられたレーザーサイクルの総数）を指し、ＮＳは、ＳＰＡＤの数（例えば、検出器アレイにおけるＳＰＡＤの総数）であり、Ｔ（ｅ，ｆ）は、（レーザーサイクルの数ＮＣのうちの）サイクルｆにおけるレーザーパルスの時間に対する、ＳＰＡＤ検出イベント又はトリガｅの時間オフセットである。ＳＰＡＤがトリガしない場合、Ｔ（ｅ，ｆ）＝０である。

【0068】

上記ＣＭ式の分子は、（サイクルｆに対して）以下のように書き換えることができ、

【数4】

式中、ＮＳ（ｋ）は、レーザー周期若しくはサイクル（又は、特定のストローブ窓によって表されるその一部分）におけるタイムステップｋにおいてトリガされたＳＰＡＤの数であり、ＮＰは、レーザー周期又はストローブ窓におけるタイムステップの最大数である。この式の左側では、複数の個々のタイムスタンプを合計する必要がある。対照的に、本明細書に記載する実施形態による、上記式の右側は、各ＳＰＡＤに対してそれぞれのＴＤＣ動作を用いることなく決定することができる、トリガされたＳＰＡＤの数ＮＳ（ｋ）の（例えば、各連続的なタイムステップｋにおける）ローリング合計（rolling sum）として計算することができる。

【0069】

図８の例に示すように、レーザー周期におけるタイミング間隔ｋの（すなわち、各ストローブ窓における、又はレーザーサイクルごとに１つのストローブ窓しかない場合は各レーザーサイクルにおける）総数ＮＰ＝２０であり、アレイにおけるＳＰＡＤの数ＮＳ＝８（そのうちの７個が、入射光子に応じてトリガ（又は「発射」）される）である。上記に示したように、この例では、ＳＰＡＤ１は時間ステップｋ＝４において発射され、ＳＰＡＤ２は時間ステップｋ＝１０において発射され、ＳＰＡＤ３及び４は時間ステップｋ＝１２において発射され、ＳＰＡＤ５は時間ステップｋ＝１３において発射され、ＳＰＡＤ６は時間ステップｋ＝１５において発射され、ＳＰＡＤ７は時間ステップｋ＝１８において発射される。

【0070】

時間－デジタル変換動作を必要とするいくつかのタイムスタンプ平均化技法を用いて、質量中心を、以下のように、タイムスタンプの平均合計として（すなわち、７個のＳＰＡＤのそれぞれのトリガのそれぞれの時点の合計を平均することによって）計算することができる。
ＣＭ＝（４＋１０＋１２＋１２＋１３＋１５＋１８）／７＝１２
しかしながら、この例示的なタイムスタンプ平均化では、（例えば、７個の時分割多重化ＴＤＣ又はマルチイベントＴＤＣにより）７回の別個の時間－デジタル変換動作が必要である可能性がある。こうした動作は、例えば、Henderson他、「A CMOS SPAD sensor with a multievent folded flash time-to-digital converter for ultra-fast optical transient capture」（IEEE Sensors J., vol. 18, no. 8, pp. 3163-3173, Apr. 2018）に記載されている。こうした時間－デジタル変換動作のそれぞれは、著しい電力及び／又は装置面積を消費する可能性があり、それにより、小さいピクセルでの実装が阻止される可能性がある。さらに、（例えば、上記ＳＰＡＤ３及びＳＰＡＤ４に対して時間ステップｋ＝１２において示す）２つのＳＰＡＤにおける２つの光子の入射到達は、多くの方式では正確に変換されない可能性があり、その結果、１つのタイムスタンプしか発行されない。これは、パイルアップ歪みを表す可能性があり、推定平均到達時間を（不正確に）より早期の時点に重み付けする可能性がある。

【0071】

対照的に、本発明の実施形態による質量中心のローリング計算は、各時間ステップｋにおける、すなわち、各タイミング間隔ｋにおける又はその時点でトリガされたＳＰＡＤの数の合計を平均することにより、（発生した検出イベントの数を示す）発射されたＳＰＡＤの数ＮＳ（ｋ）の合計に基づくことができる。以下に示すように、こうした質量中心のローリング計算は、従来のタイムスタンプ平均化と同じ結果を提供するが、更なる時間－デジタル変換動作の計算複雑性及び電力要件なしに提供する。
ＣＭ＝２０－（１＋１＋１＋１＋１＋１＋２＋２＋４＋５＋５＋６＋６＋６＋７＋７）／７＝１２

【0072】

ローリング質量中心は、例として図２のＳＰＡＤピクセルプロセッサ２０５に示すように、並列加算器又はカウンタとアキュムレータとのカスケードによって計算することができる。計数される相関の数は、（例えば、数百ｐｓ、例えば、２００ｐｓ～５００ｐｓ、又は更には（標的距離範囲に応じて）最大１ｎｓの周期を有する）高速クロック２０７により、ローリング方式に積算することができ、多くのレーザーサイクルにわたって繰り返すことができる。したがって、本発明の実施形態によるローリング質量中心計算における計数された相関は、いくつかの従来のＴＤＣビンよりもはるかに粗であり得る（例えば、２０ｐｓ～１００ｐｓ）。

【0073】

本明細書に記載するいくつかの実施形態は、比較的短いゲート制御される時間間隔に対して好適である可能性があり、そこでは、同じＳＰＡＤの複数の発射の可能性は比較的低い可能性がある。他の実施形態では、並列カウンタ２０４は、（例えば、短い範囲にある標的の場合の）強度のレーザー戻りシナリオで発生する可能性があるような、複数のＳＰＡＤの入射発射（すなわち、２つ以上のＳＰＡＤが実質的に同時にトリガされる）を扱うことができ、したがって、パイルアップによる質量中心（ＣＭ）のスキューが回避される。すなわち、図３のタイミング図例に示すように、ストローブ窓において複数のＳＰＡＤをトリガすることができ、同じストローブ窓において複数回、ＳＰＡＤを発射させることができる（すなわち、ＳＰＡＤは、窓ごとに１回の発射に限定されない）。

【0074】

したがって、本発明の実施形態は、ストローブ窓において複数の相関光子イベントを処理することができる。ＳＰＡＤがストローブ窓ごとに複数回トリガすることが予期されるように、ピクセルごとの光子束が十分に高い実施形態では、フロントエンド回路は、相関時間又は窓に等しいホールドオフ時間を有するアクティブクエンチ、アクティブ充電回路（例えば、図２に示す回路２０６）（又は代替的に、単安定回路が続くパッシブクエンチ回路）を含むことができる。各ＳＰＡＤがストローブ窓ごとに２回以上発射する可能性が低いように、光子束が十分に低い（又は、ストローブ窓が十分に短い）実施形態では、（例えば、アームワンス（arm-once）ＭＯＳなどの）より複雑性の低い回路を用いて、レーザーサイクルの開始時に降伏電圧よりも高くＳＰＡＤを引き上げることができる。

【0075】

いくつかの実施形態では、アキュムレータ（例えば、図２のアキュムレータ回路２０１及び２０２）は、所定時間内に到達する光子群のみが推定到達時間の計算に用いられるように、相関器回路の出力に応じて（すなわち、相関する光子が検出された場合にのみ、例えば、図２の相関器２０３の出力に応じて）動作することができる。相関器出力信号は、アキュムレータ（複数の場合もある）に対する制御としての役割を果たすことができ、相関する光子検出に応じて検出イベント測定を可能にし、それ以外は、こうした検出イベント測定が発生しないようにし、それにより、計数要件及び電力消費を低減させることができる。

【0076】

いくつかの実施形態では、アキュムレータ（例えば、図２の時間アキュムレータ２０１）は、例えば、図２のゲーテッドクロック２０７からの出力としてのゲート制御されたクロック信号に応じて、動作することができる。例えば、いくつかの実施形態では、過度の電力消費を回避するために、ＮＳ（ｋ）＞ｔｈｒｅｔｈ（例えば、ｔｈｒｅｓｈ＝１、２、４、８）としてアキュムレータ段（高速クロックに対する主負荷）を制御するように、クロック信号をゲート制御することができ、そこで、ＮＳ（ｋ）は、各時間ステップｋにおいてトリガされたＳＰＡＤの数である。閾値（ｔｈｒｅｓｈ）は、それぞれの時間ゲート期間及び／又は周囲光レベルの検出の又はそれに対応する距離範囲オフセットに従って（例えば、図１Ａの制御回路１０５によって）変更することができる、可変閾値であり得る。可変閾値に対するｔｈｒｅｓｈ＝１の選択により、ダークカウント又は周囲照明に起因する非減衰背景信号を含む質量中心回路に、無相関信号光子イベントが供給される。検出イベントとしてみなす、相関窓内に到達しなければならない光子の閾値数を増大させる、可変閾値に対するより高い値（例えば、ｔｈｒｅｓｈ＝２、４、８）の選択により、背景電力を超えるピークレーザー電力があるとすれば、相関するレーザーパルス戻りを優先させながら、背景信号レベルを漸進的に抑制することができる。こうした閾値は、限定されないが二進数に関して記述され、これにより、例えば、図２におけるＣｏｒｒ信号としてＣ＜４：０＞信号又はワードの単一ビットを単に多重化することにより、より複雑性の低い相関器実施態様を提供することができる。ＮＳ（ｋ）＞ｔｈｒｅｓｈの他のより一般的な場合では、（潜在的により大きいハードウェア領域を備えた）復号器又はデジタル比較器を用いることができる。

【0077】

本明細書では、本開示の実施形態について、測定され及び／又はメモリにデータとして記憶される入来する光子の量を低減させるように構成されている、光ベースの測距測定システム（ライダー等）と、関連する動作方法とに関して説明してきた。特に、光子は、それらのそれぞれの到達時間の間の時間相関に基づいて選択的に捕捉されるか又は計数され、それにより、測定及び処理される入来する光子の量を低減させることができる。例えば、パルス化レーザーから且つ標的によって反射される光子は、比較的狭い時間窓で到達する可能性があるという認識に基づき、本明細書に記載する実施形態は、それにより、周囲光源（例えば、日光）からの無相関光子を排除しながら、これらの相関する光子を選択的に捕捉又は計数して、本明細書に記載するローリング質量中心計算技法を実施することにより、時間－デジタル変換なしにピクセル内平均化を提供することができる。すなわち、本明細書に記載する処理回路は、相関器回路によって画定される同じ相関窓において受光される信号光子の到達時間（ＴＯＡ）の計算を実施することができる。処理回路は、アレイにおけるそれぞれのＳＰＡＤにより、光子の（例えば、本明細書における時間アキュムレータ回路によって提供されるような）検出イベントの時間積算された数と（例えば、本明細書における光子カウンタ回路によって提供されるような）検出イベントのカウントとの比に基づき、光子のバーストの推定到達時間を計算するように構成することができる。

【0078】

本明細書に記載するライダーシステム及びアレイは、ＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance Systems：先進運転支援システム）、自律走行車、ＵＡＶ（unmanned aerial vehicles：無人航空機）、産業オートメーション、ロボティクス、バイオメトリクス、モデリング、拡張現実及び仮想現実、３Ｄマッピング並びにセキュリティに適用することができる。いくつかの実施形態では、エミッタアレイのエミッタ素子は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）とすることができる。例えば、その開示内容は引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許商標庁に２０１８年４月１２日に出願された、Burroughs他の米国特許出願公開第２０１８／０３０１８７２号に記載されているように、いくつかの実施形態では、エミッタアレイは、何千もの別個のエミッタ素子が直列に及び／又は並列に電気的に接続されている非ネイティブ基板を備えることができ、ドライバ回路が、エミッタアレイのそれぞれの行及び／又は列に隣接して非ネイティブ基板上に集積されたドライバトランジスタによって実装される。

【0079】

本明細書では、実施形態例を示す添付図面を参照して、様々な実施形態について説明してきた。しかしながら、これらの実施形態は、異なる形態で具現化することができ、本明細書に示す実施形態に限定するものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、当業者に本発明の概念を十分に伝えるように提供される。本明細書に記載した実施形態例並びに全体的な原理及び特徴に対する様々な変更形態が容易に明らかとなるであろう。図面において、層及び領域のサイズ及び相対サイズは、正確な尺度で示されてはおらず、場合によっては、明確にするために誇張されている可能性がある。

【0080】

例示的な実施形態は、主に、特定の実施態様において提供された特定の方法及びデバイスに関して記載してきた。しかしながら、それらの方法及びデバイスは、他の実施態様で有効に動作することができる。「例示的な実施形態」、「１つの実施形態」及び「別の実施形態」等の言い回しは、同じか又は異なる実施形態とともに複数の実施形態を指す場合がある。実施形態について、或る特定のコンポーネントを有するシステム及び／又はデバイスに関して説明してきた。しかしながら、そうしたシステム及び／又はデバイスは、示したものより少ないか又は追加のコンポーネントを含むことができ、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、それらのコンポーネントの配置及びタイプの変形形態を作成することができる。実施形態例について、或る特定のステップ又は動作を有する特定の方法に関してもまた記載してきた。しかしながら、そうした方法及びデバイスは、異なる及び／又は追加のステップ／動作、並びに、実施形態例とは一貫しない異なる順序でのステップ／動作を有する、他の方法に対しても有効に動作することができる。したがって、本発明の概念は、示した実施形態に限定されるようには意図されておらず、本明細書に記載した原理及び特徴と一貫する最も広い範囲が与えられるべきである。

【0081】

本明細書で使用した用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、例示的な実施形態を限定するようには意図されていない。本明細書で用いる場合の単数形「一（a、an）」及び「その（the）」は、別段文脈に明確な指示がない限り、同様に複数形を含むように意図される。本明細書で用いる場合の「備える（comprising、comprises）」という用語は、非限定的（open-ended）であり、１つ以上の述べられていない要素、ステップ及び／又は機能を排除することなく１つ以上の述べられている要素、ステップ及び／又は機能を含むこともまた理解されるであろう。「及び／又は」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のありとあらゆる組合せを含む。

【0082】

本明細書では、第１や第２などの用語を用いて様々な要素について記載している場合があるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素を別の要素から識別するためにのみ使用される。したがって、上記において考察する第１の要素は、本発明の概念の範囲から逸脱することなく第２の要素と呼ぶことができる。

【0083】

要素が別の要素に「接続されて」いるか又は「結合されて」いるものとして言及される場合、それは、他方の要素に直接接続又は結合することができ、又は介在する要素が存在する場合があることも理解されよう。対照的に、要素が別の要素に「直接接続されて」いるか又は「直接結合されて」いるという場合、介在する要素は存在しない。

【0084】

別段の定義のない限り、本明細書で用いる（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、本発明の概念が属する技術分野の当業者に一般に理解されるものと同じ意味を有する。一般に使用される辞書において定義されるもの等の用語は、関連技術に関連するそれらの意味と一貫する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において明示的な定義のない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されないことが更に理解されるであろう。

【0085】

本明細書において、上記の説明及び図面に関連して多くの異なる実施形態を開示してきた。これらの実施形態の全ての組合せ及び部分的組合せをそのまま説明し示すことは、過度に繰返しが多くわかりにくいものとなることが理解されるであろう。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書において説明される実施形態並びにそれらを作成し用いる方式及びプロセスの全ての組合せ及び部分的組合せの完全な明細書を構成すると解釈されるものとし、任意のそのような組合せ又は部分的組合せに対する特許請求の範囲を支持するものとする。

【0086】

図面及び明細書において、本開示の実施形態が開示されており、具体的な用語が採用されているが、それらは、一般的かつ説明的な意味でのみ使用され、限定を目的とするものではない。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】