TWI857941B - 焦平面陣列、焦平面陣列之像素輸出處理電路、及雷射測距設備 - Google Patents

Abstract

提供了具有複數個雷射測距像素(LRF)之焦平面陣列(FPA)之像素輸出處理電路。各別LRF像素響應於感測到反射之雷射脈衝而輸出高頻類比信號。該像素輸出處理電路包括公用網路和偵測電路。該公用網路連接到該等LRF像素中之每一者之放大電晶體，以用於接收自該等各別LRF像素輸出之類比信號。該偵測電路耦合到該公用網路，並響應於偵測到該公用網路已接收到高頻類比信號而輸出脈衝標誌。

Description

焦平面陣列、焦平面陣列之像素輸出處理電路、及雷射測距 設備

本揭示案係關於焦平面陣列，並且更具體地係關於具有雷射測距(LRF)能力之像素輸出處理電路。

焦平面陣列(FPA)可以包括接收自目標反射之雷射脈衝之像素陣列。FPA可以執行雷射測距(LRF)操作以確定自在FPA附近共同定位之雷射源到由雷射源輸出之雷射脈衝所針對之物體之距離。藉由測量自雷射源到目標並再次返回之雷射脈衝之飛行時間(TOF)來確定距離。LRF技術可以確定到目標之距離。

能夠LRF之習知像素藉由在像素中執行比較並在像素中存儲代表TOA之類比或數位值來確定偵測到之反射雷射脈衝之到達時間(TOA)。在習知之數位實施方案中，比較器之輸出鎖存數位計數器值，該數位計數器值存儲在像素之記憶體中並稍後由讀出電路讀出。在習知之類比實施方案中，比較器之輸出將類比斜坡值鎖存到像素之本地電容器上，該值稍後由讀出電路讀出。習知實施方案使用包括在像素中之諸如高帶寬放大器、比較器和/或存儲裝置之組件。

雖然習知之方法和系統通常被認為適合其預期目的，但是在此項技術中仍然需要像素輸出處理電路，其在像素外部並具有LRF能力。本揭示案提供了針對該問題之解決方案。

下面闡述之實施例之目的和優點將在下面之闡述中闡述並且顯而易見。所示實施例之其他優點將藉由書面闡述及其權利要求以及附圖中特別指出之裝置、系統和方法來實現和獲得。

為了達成此等和其他優點並且根據所示實施例之目的，在一個態樣中，揭示了一種具有複數個雷射測距像素(LRF)之焦平面陣列(FPA)之像素輸出處理電路。各別LRF像素響應於感測反射之雷射脈衝而輸出高頻類比信號。像素輸出處理電路包括公用網路和偵測電路。公用網路連接到LRF像素中之每一者之放大電晶體，以用於接收自各別LRF像素輸出之類比信號。偵測電路耦合到公用網路，並響應於偵測到公用網路已接收到高頻類比信號而輸出脈衝標誌。

在實施例中，像素輸出處理電路還包括同步電路，該同步電路使脈衝標誌與已知定時信號和來自雷射源之雷射脈衝之發射中之至少一者同步。在實施例中，偵測電路包括比較器和放大器中之至少一者。在實施例中，比較器將與公用網路相關聯之電壓和與參考網路相關聯之電壓進行比較。

另外，在實施例中，整個偵測電路在該等像素中之每一者之外部。在實施例中，LRF像素中之每一者包括在FPA之第一像素子集中，並且FPA之第二像素子集之像素不耦合到像素輸出處理電路。

在實施例中，偵測電路包括比較器和感測放大器中之至少一者。

另外，在實施例中，偵測電路包括至少一個電壓模式感測放大器。在實施例中，至少一個電壓模式感測放大器將與公用網路相關聯之電壓和與參 考網路相關聯之電壓進行比較。在實施例中，放大電晶體作為上拉或下拉裝置中之至少一者來耦合到電壓模式感測放大器。

此外，在實施例中，同步電路包括計數裝置，其響應於來自雷射源之雷射脈衝之發射之通知而開始計數；以及計數器鎖存器，其響應於脈衝標誌輸出之通知而保存指示計數器計數之計數值。

在實施例中，藉由LRF像素中之一者來感測所反射之雷射脈衝與輸出脈衝標誌之間的時間間隔小於10ns。在實施例中，藉由LRF像素中之一者來感測所反射之雷射脈衝與輸出脈衝標誌之間的時間間隔小於5ns。在實施例中，藉由LRF像素中之一者來感測所反射之雷射脈衝與輸出脈衝標誌之間的時間間隔小於2ns。

在實施例中，輸出脈衝標誌之定時與FPA和藉以反射由LRF像素信號感測之雷射脈衝之物體之間的距離成比例。

根據本揭示案之其他態樣，提供了一種FPA，其包括雷射測距(LRF)像素陣列和像素輸出處理電路。

根據本揭示案之其他態樣，揭示了一種LRF設備，其包括雷射源、具有LRF像素陣列之FPA，以及像素輸出處理電路。

10:放大電晶體

20:參考放大電晶體

100:像素輸出處理電路

102:放大電晶體陣列

104:雷射源

106:公用網路

108:比較器

110:第一輸入端子

111:偵測電路

112:第二輸入端子

114:輸出端子

118:「或」電路

120:輸入端子

124:偏置/複位電晶體

130:計數器鎖存器

132:脈衝時間戳/時間戳

150:計數器

160:同步電路

170:處理裝置

200:FPA

202:LRF模式主動像素

204:非LRF模式主動像素

206:參考像素

210:FPA控制電路

212:主動像素陣列

300:感測放大器

302:主動LRF模式像素

306:輸入/輸出端子

308:電流偏置裝置

310:緩衝器

312:輸出線

330:參考緩衝器

336:參考輸入端子

352:電晶體

354:電晶體

356:電晶體

358:電晶體

360:第一端子

362:第二端子

364:第三端子

366:第四端子

368:源極端子

370:汲極端子

372:端子

380:均衡電晶體

400:像素輸出處理電路

408:比較器

502:LRF模式主動像素

為了使熟習本揭示案所屬領域之技術人士容易理解如何在適當實驗之情況下製作和使用本揭示案之裝置和方法，下面將參考某些附圖詳細闡述其實施例，其中：圖1示出了根據本揭示案實施例之用於具有雷射測距(LRF)能力之像素陣列之像素輸出處理電路之實例性實施例之示意圖；圖2示出了根據本揭示案實施例之包括具有LRF能力之像素之FPA之實例性實施例之示意圖； 圖3示出了根據本揭示案實施例之用於處理連接到感測放大器之LRF像素之輸出之實例感測放大器之示意圖；以及圖4示出了根據本揭示案實施例之用於具有LRF能力之像素陣列之像素輸出處理電路之另一實例性實施例。

現在將參考附圖，其中相同之附圖標記表示本揭示案之類似結構特徵或態樣。出於解釋和說明而非限制之目的，圖1中示出根據本揭示案之連接到焦平面陣列(FPA)之雷射測距(LRF)像素陣列之像素輸出處理電路之實例性實施例之示意圖，並且該像素輸出處理電路大體上用附圖標記100表示。圖2-4中提供根據本揭示案或其態樣之像素輸出處理電路之其他實施例，如將闡述。

如下面更詳細闡述，像素輸出處理電路100可以包括在包含像素陣列之焦平面(FPA)陣列中。像素輸出處理電路100可以處理自LRF像素陣列輸出之信號。LRF像素陣列可以是FPA之整個像素陣列或FPA之像素陣列之子陣列。藉由各別像素之放大電晶體10，LRF像素陣列連接到像素輸出處理電路100。放大電晶體10組態在放大電晶體陣列102中，該放大電晶體陣列102對應於LRF像素陣列之組態。在所示之實施例中，放大電晶體陣列102是具有列R0-R7和行C0-C7之8X8陣列，但是陣列之大小不限於所示之實例。

LRF像素被定義為具有雷射測距(LRF)能力之像素。為了被認為具有LRF能力，此像素能夠在其輸入處接收短持續時間(幾奈秒到幾十奈秒)之光電流脈衝，並且在輸入脈衝光電流事件之10ns內在其輸出處提供電壓響應。放大電晶體陣列102之每個放大電晶體10對應於一個LRF像素。放大電晶體10在輸出信號LRF_common上引起輸出電壓擺動，指示LRF像素何時感測到高頻信號。輸出信號LRF common上之電壓擺動由像素輸出處理電路100感測，在那裡對其進行分析以確定到達時間。

如下面進一步詳細闡述，像素輸出處理電路100可以藉由一個或多個LRF像素執行到達時間偵測和LRF輸出信號之時間戳生成。可以相對於指示雷射源104發射原始雷射脈衝之同步數位信號來處理時間戳，以確定原始雷射脈衝信號之發射與一個或多個LRF像素所感測到之反射雷射脈衝之偵測之間的飛行時間。雷射源104與FPA共同定位或位於相對於FPA之固定位置，使得可以應用已知之飛行時間偏移。

在實施例中，FPA是單模FPA，其中像素陣列中包括之該等像素中之每一者是單模LRF像素。在實施例中，FPA是多模FPA，其可以執行成像、雷射脈衝偵測和LRF之兩個或更多個功能。多模FPA可以包括單模和/或多模像素。單模像素被組態為執行成像、雷射脈衝偵測和LRF之一個操作。多模像素被組態為執行成像、雷射脈衝偵測和LRF之兩個或更多個操作。

在多模FPA之實例應用中，單模FPA或多模FPA可以包括在一個設備中，例如用於與軍用雷射指示器發射並自目標反射之雷射脈衝相關之雷射測距以及可選成像之攝像機，該等雷射脈衝諸如近外(NIR)、短波長紅外(SWIR)、中波長紅外(MWIR)、長波長紅外(LWIR)。還設想了對於短持續時間、高頻光脈衝來獲取影像並執行測距之攝像機之其他應用。

例如，攝像機可以是SWIR攝像機，其可用於偵測反射雷射信號之到達時間並為其加上時間戳，該等反射雷射信號通常是短波紅外波段中可見之波長。或者，LRF像素還可以用於偵測非SWIR波長之反射雷射脈衝並為其加上時間戳，或者由具有短脈衝持續時間之其他高頻脈衝能量發射器發射之脈衝，例如紫外、可見或中波脈衝或其它所接收之電磁信號，例如x射線之脈衝。

由於反射之雷射信號可以具有在短波紅外波段中可見之波長，脈衝之寬度大約為幾奈秒到幾十奈秒，因此像素輸出處理電路100使用足以偵測反射之雷射脈衝並為其加上時間戳之幾奈秒之高時間解析度。

在所示之實例中，像素輸出處理電路100包括用於行C0-C7之每一行之一個公用網路106。每個公用網路106自行Cj中之每個放大電晶體10接收信號LF_Common_Cj(對於j

0

7)。

在所示之實例中，在LRF像素內部，閘極輸入VDI_RiCj(對於0

i

7且0

i

7)被施加到電晶體陣列102中之位置RiCj處之每個放大電晶體10之閘極，其中Ri表示列，Cj表示行。在所示之實例中，為每一行提供一個公用網路106。每一行之公用網路106與行中之每個放大電晶體10之放大電晶體10耦合，形成用於行Cj中之放大電晶體10輸出之LRF_common_Cj信號之公用網路。

每個公用網路106由粗線繪示，其中粗體圖形用於說明目的以示出電連接並形成公用網路之互連(例如，導線或跡線)，而不是指示相對於其他互連之結構差異。每個公用網路106包括在所示電路元件之間共同連接之互連。每一行之公用網路106還耦合到偏置/複位電晶體124。每個偏置/複位電晶體124操作以向與其耦合之相關公用網路106提供穩態電流偏置，或者週期性地複位相關聯之公用網路106以準備LRF信號偵測操作。

在任何時刻，若輸出到行Cj之一之公用網路106之一個或多個LRF_common_Cj信號為高，則沿該行發送之LRF_common_Cj信號為高，否則信號為低。在任何時刻，一個或多個VDI_RiCj信號可以響應於一個或多個LRF像素中之光電流脈衝而經歷電壓增量。一個或多個VDI_RiCj信號上之電壓增量將藉由放大電晶體10起作用，自而在相關聯之LRF_common_Cj，公用網路106上產生電壓增量。行信號LRF_common_Cj可以隨後由下游LRF電路處理以偵測到達時間並生成時間戳。在所示之實例中，示出了偏置電晶體124，其連接到每個行公用網路106。偏置電晶體124用於提供小之偏置電流或負載，完成由放大電晶體10和偏置電晶體124形成之放大器。替代地或另外地，偏置電晶體124 可以以數位方式操作並且用作複位裝置。在這種組態中，偏置電晶體VBIAS_Cj之閘極將在脈衝雷射事件之預期到達之前被脈衝化，將公用網路106複位為已知之複位電壓。

在所示之實例中，為每一行Cj提供比較器108。每個比較器108具有第一輸入端子110、第二輸入端子112和輸出端子114。自輸出端子114輸出之信號之電壓位準表示在輸入到第一輸入端子110和第二輸入端子112之信號之電壓之間出現足夠之差分。

對於每個比較器108，將對應於比較器108之行之公用網路106提供給比較器108之第一輸入端子110。將參考信號VREF提供給第二輸入端子112。若提供給第一輸入端子110之信號充分超過施加到第二端子112之閾值信號，則自輸出端子114輸出之信號為高，否則自輸出端子114輸出之信號為低。因此，在任何時刻，若由於輸出到公用網路106之任何LRF_common_Cj信號提供之高信號而使由行提供之信號為高，則來自比較器108之輸出為高，否則來自比較器108之輸出為低。

比較器108可以實現為能夠辨別小電壓增量之任何差分或單端放大器，偵測延遲不超過10ns，並且響應於偵測，在其輸出處產生足以被視為邏輯1，高或邏輯0，低之電壓擺動。

每個比較器108之輸出端子114耦合到「或」電路118之輸入端子120。提供相應之輸入端子120用於每個比較器108之輸出。「或」電路118對在其每個輸入端子120處提供之信號應用「或」函數。因此，若來自任何或所有比較器108之輸出為高，則「或」電路118自其輸出端子122輸出脈衝標誌信號。脈衝標誌之輸出表示已偵測到反射之雷射脈衝。

「或」電路將確定連接之比較器108中之任何一個是否已在其輸出處斷言高，邏輯1值。在替代組態中，「及」閘可用於偵測任何連接之比較器 108之輸出處是否存在邏輯0，低。在該組態中，比較器108將被組態為若未偵測到事件則斷言邏輯1，高，並且若偵測到事件則斷言邏輯0，低。在替代實例性實施例中，「反或」閘或「反及」閘可用於產生脈衝標誌。

像素輸出處理電路100不限於特定組態。例如，在實施例中，為每個放大電晶體10提供不同之公用網路106。在實施例中，為放大電晶體10之組合提供不同之公用網路106，放大電晶體10之組合可以包括一個或多個列，多於一個行，或者用於一個或多個列和/或行之一部分。可以為所有放大電晶體10提供單個公用網路106。

類似地，在實施例中，為每個放大電晶體10提供不同之比較器108。在實施例中，為放大電晶體10之組合提供不同之比較器108，放大電晶體10之組合可以包括一個或多個列，多於一個行，或者用於一個或多個列和/或行之一部分。可以為所有放大電晶體10提供單個比較器108。在所示之實例中，放大電晶體10安置在LRF像素中之每一者內並連接到LRF陣列之LRF像素外部之公用網路106。比較器108和「或」電路118安置在LRF陣列之LRF像素之外部。信號VDI_RiCj和參考信號VREF2在每個相應之LRF像素內部施加到放大電晶體10。

VDI_RiCj表示LRF像素內部之電壓，其響應於像素輸入處之短持續時間光電流脈衝而經歷電壓增量。VREF2表示施加到放大電晶體10之源極之偏置電壓源。穩態VDI_RiCj電壓和VREF2之間的差異影響放大電晶體之放大特性以及自VDI_RiCj上之差量到輸出端子122處之脈衝標誌指示之響應時間。

像素輸出處理電路100之有利特徵在於，在實施例中，輸出信號LRF_common_Cj是自每個放大電晶體10輸出之類比信號，並且直接提供給行Cj之公用網路106。類比信號由指定用於行Cj之比較器108和「或」電路118 處理，其中比較器108和「或」電路118在相應之LRF像素外部，自而最小化LRF像素中包括之組件之數量和大小。

像素輸出處理電路100進一步使由「或」電路118輸出之表示由任何LRF像素偵測到反射雷射脈衝之脈衝標誌信號與雷射源104輸出原始雷射脈衝之傳輸進行同步。像素輸出處理電路100輸出LRF像素偵測到反射雷射脈衝之時間之數位時間戳，其中時間戳與原始雷射脈衝之發射同步。時間戳表示雷射脈衝之飛行時間。飛行時間包括自雷射源104發射到產生脈衝標誌之時間。處理裝置170可以處理飛行時間以確定自雷射源104到目標之距離。

該同步可以例如藉由同步電路160來完成。同步電路160可包括計數器鎖存器130和計數器150。計數器150藉由以規則之時間間隔遞增計數器值來對接收計數器時鐘之時間進行計數。這樣，計數器值代表時間之流逝。計數器150可以是自由運行，或者可以在每次讀出計數器鎖存器130之後複位。計數器鎖存器130可以是例如鎖存(即存儲)特定時間處之計數器值之寄存器或記憶體元件。可以將計數器鎖存器130讀出到處理裝置或用戶以進行另外之處理。

雷射源104可以在相對於雷射源104朝向目標發射原始雷射脈衝之時間之已知時間將計數器複位發送到計數器150。然後計數器150將響應計數器時鐘而遞增和計數。在接收到脈衝標誌時，計數器值之當前值作為到達時間值或脈衝時間戳132被鎖存在計數器鎖存器130中。或者，若來自雷射源之計數器複位信號不可用，則可以響應於替代之同步信號(例如，成像幀定時信號)來複位計數器值(例如，初始化為零)。另外，在接收到計數器複位時，計數器150開始計數。

在由「或」電路118輸出脈衝標誌時，當前計數器值作為時間戳132作為偵測時間值被鎖存在計數器鎖存器130中。若響應於雷射源脈衝發射定時信號來複位計數器值，則時間戳132表示飛行時間並且可用於確定自雷射源104 到目標之距離。若響應於替代同步信號來複位計數器值，則時間戳132表示到達時間。像素輸出處理電路100不限於計數器150之特定組態或計數器值複位之源。

像素輸出處理電路100之時間解析度基於LRF模式主動像素之時間解析度和比較器108，「或」電路118，計數器鎖存器130和計數器150之時間解析度，其可受到此等組件之信噪比解析度(SNR)和與計數器150相關之時鐘抖動影響。值得注意之是，像素輸出處理電路100之時間解析度與像素輸出處理電路100之範圍偵測極限無關，使得在範圍和時間解析度之間不存在折衷。

在實施例中，藉由LRF模式主動像素中之一者來感測所反射之雷射脈衝和輸出脈衝標誌之間的時間間隔小於10ns。在實施例中，藉由LRF模式主動像素中之一者來感測所反射之雷射脈衝和輸出脈衝標誌之間的時間間隔小於5ns。在實施例中，藉由LRF模式主動像素中之一者來感測所反射之雷射脈衝和輸出脈衝標誌之間的時間間隔小於2ns。由於6ns之時間解析度相當於用於確定雷射源和目標之間的距離之約1米範圍之解析度，因此10ns之時間解析度對於相對長距離之應用(例如1000m +/- 2m)是足夠的，而對於較短距離或較小公差，例如1000m +/- 1m或500m +/- 0.5m，5ns或2ns之時間解析度可能是足夠的。

圖2示出了包括像素陣列之FPA 200，其中像素陣列可以包括子陣列，例如LRF模式主動像素202之第一子陣列；非LRF模式主動像素204之第二子陣列，其中第二子陣列包括第一子陣列；以及參考像素206之第三子陣列。因此，主動像素陣列212包括LRF模式和非LRF模式主動像素202，204。FPA控制電路210可以耦合到主動像素204，用於選擇施加到LRF模式像素和非LRF模式像素之偏置。圖1所示之像素輸出處理電路100可以耦合到LRF模式主動像素202。

LRF模式主動像素202是以LRF模式操作之像素，例如由於包括組件和/或電路和/或接收促進LRF能力之偏置信號。例如，如在與本專利申請案同時提交並且其全部內容都併入本文中之標題為「MULTIMODE ROIC PIXEL WITH LASER RANGE FINDING(LRF)CAPABILITY」之共同未決美國專利申請案中所闡述，包括在LRF模式像素中之有助於LRF能力之組件可以包括用於偏置輸入緩衝器之偏置線，用於使沿高頻路徑傳播之高頻信號之輸出傳遞之放大電晶體，以及用於自FPA模式主動像素外部之放大電晶體輸出信號之輸出線。

例如，非LRF模式主動像素204不在LRF模式下操作，因為它們不包括組件和/或電路和/或接收偏置信號以促進LRF能力。在實施例中，LRF模式主動像素202和非LRF模式主動像素204可以具有相同之架構，而由像素接收之偏置信號確定像素是LRF模式主動像素202還是非LRF模式主動像素204。

可以基於若干因素確定LRF模式主動像素202之子陣列之大小和位置，例如像素間距、像素靈敏度、像素帶寬和雷射源能量。在實施例中，基於預期之反射雷射光斑尺寸和預期使用情況之能量，LRF模式主動像素202之子陣列可以是8×8多模LRF像素之陣列，而不限於特定尺寸。另外，LRF模式主動像素202之子陣列可以安置在主動像素陣列212之中心，而不限於這種佈置。

參考像素206之第三子陣列可用於向FPA 200之像素輸出處理電路提供參考輸入，例如圖3中所示並在下面更詳細地闡述之感測放大器(SA)300。參考像素206可以圍繞主動成像區域外部之主動像素陣列，在FPA 200之外圍安置，但不限於特定組態。參考像素206可以是光學黑色參考像素，意味著它們不感測光學信號，亦被稱為安靜像素或暗像素。每個參考像素206可以具有與LRF模式主動像素202相同之結構，但是被組態為光學黑色，例如，被金屬或一些其他材料覆蓋以阻擋入射光到達像素之電路，因此它不「看到」任何光 信號。來自參考像素206之輸出可以作為參考信號提供給像素輸出處理電路之SA，例如圖3中所示之SA 300。

參考圖4，示出了電壓模式SA之實施例之示意圖，該電壓模式SA用作LRF像素之8×8陣列之所選行(在本實例中為行0)像素輸出處理電路400，例如圖2中所示之主動LRF模式像素202之子陣列。在實施例中，代替電壓模式SA，SA可以被組態為電流模式SA，對行電路進行適當之修改，包括消除偏置電晶體124。SA 300連接到陣列之行0之一個或多個LRF像素。在實施例中，連接行可以包括LRF像素陣列之一行或多行中之任何行之一部分或整行，其中陣列不限於特定大小。

SA 300還連接到兩個或更多個參考LRF像素，其中兩個或更多個LRF像素中之每一個具有對應之參考LRF像素以平衡SA 300之輸入負載。參考像素、LRF像素和SA 300創建自參考比較器，其中來自參考像素之輸出用作閾值電壓，自LRF像素輸出之電壓與該閾值電壓進行比較。具體地，SA 300比較來自兩個或更多個LRF像素和對應之參考LRF像素之輸出，以偵測由任何LRF像素感測之脈衝。SA 300輸出信號VOUT_LRF_C0(其中C0表示行0)，其具有在偵測到雷射脈衝時改變之位準(例如，電壓或電流位準)，其中位準改變之時間可以與原始雷射脈衝之輸出同步，如關於圖1中所示之同步電路160所闡述。

在實施例中，SA 300之參考輸入端子336可以連接到替代參考電壓VREF而不是參考放大電晶體20。替代參考電壓VREF可以藉由若干方法中之任何一種來產生，包括數位類比轉換器(DAC)、外部電壓源，或被設計來輸出與LRF像素之DC穩態輸出電壓接近的電壓之替代性電壓參考發生電路。

SA 300放大功能用差分放大器實現，該差分放大器包括複數個電晶體，包括電晶體352、354、356、358和308。輸入/輸出端子306連接到緩衝器310，並將信號SA_C0(其中C0表示行0)提供給緩衝器310。緩衝器310輸出所 選行之輸出信號VOUT_LRF_C0。參考輸入/輸出端子336連接到參考緩衝器330，並將信號SA_REF_C0提供給緩衝器330。緩衝器310、330可以是例如逆變器之放大器。

SA 300還包括電流偏置裝置308和均衡電晶體380。例如，電流偏置裝置308可以是NMOS電晶體，其用作SA 300之恆定電流源。電流偏置裝置308可包括單個裝置，例如NMOS電晶體。在替代實施例中，放大器電晶體352、354、356、358可以實現為NMOS電晶體，並且電流偏置裝置308可以實現為PMOS電晶體。在SA 300被賦能之前，均衡器電晶體380均衡在輸入/輸出端子306和輸入/輸出參考端子336上提供之電壓，以便提高來自LRF像素與參考LRF像素之輸出之間的比較之準確性，以便偵測脈衝並且輸出具有指示脈衝偵測之位準之VOUT_LRF_C0。

SA 300之組件，即差分放大器電路，均衡器電晶體380和緩衝器電路310和330在行0中之兩個或更多個LRF像素以及對應之參考像素之外部。因此，可以最小化LRF像素中包括之組件之數量，此等組件之佔用面積以及LRF像素之功耗。

行0之兩個或更多個放大電晶體10形成線路「或」電路之上拉部分，上拉部分由放大電晶體10和偏置電晶體124形成。線路「或」電路之每個這樣之上拉部分可以連接到輸入/輸出端子306(其中線路「或」電路之上拉部分之偏置電晶體124未在圖3中示出)。在該組態中，在行0上之任何像素中偵測到之雷射脈衝事件在SA 300之輸入/輸出端子306處引起電壓增量。在所示之實例中，來自兩個或更多個放大電晶體10中之每一個之類比輸出，包括LRF_common_RiC0(對於列Ri，其中r=在[0,7]之間的兩個或更多個值)，作為SA 300之輸入被連接至輸入/輸出端子306。

類似地，行0之兩個或更多個參考放大電晶體20形成參考線路「或」電路之上拉部分。來自兩個或更多個參考放大電晶體20之類比輸出組合在一起，意味著參考放大電晶體20之源極或汲極端子連接到參考輸入/輸出端子336，形成參考網路。在所示之實例中，來自兩個或更多個參考放大電晶體20中之每一個之輸出(包括Ref_common_RiC0)(對於列r，r=[0,7]之間的兩個或更多個值)作為SA 300之輸入，藉由參考輸入/輸出端子336被連接。

電晶體352、356各自包括第一端子360和第二端子362。第一端子360是源極和汲極端子中之一個，第二端子362是源極和汲極端子中之另一個。電晶體354、358各自包括第三端子364和第四端子366。第三端子364是源極和汲極端子中之一個，第四端子366是源極和汲極端子中之另一個。電晶體356之第二端子連接到電晶體358之第一端子。電晶體356之第二端子連接到電晶體358之第一端子。電晶體352和356之第一端子360各自連接到均衡器電晶體380之相應之源極和汲極端子368、370。電晶體354和358之第四端子366都連接到電流偏置裝置308之端子(源極或汲極)372。電流偏置裝置308之另一個端子(源極或汲極)接地。

與信號EN互補之信號^EN被施加到均衡器電晶體380和電流偏置裝置308之閘極。控制^EN以在比較之前接通電流偏置電晶體380以均衡輸入/輸出端子306和參考輸入/輸出端子336，然後關閉電流偏置電晶體380以允許進行比較。

緩衝器310(可以是放大器或反相器)用於緩衝輸出信號SA_C0。緩衝器310自行0之輸出線312輸出VOUT_LRF_C0。若LRF像素之一之輸出之絕對幅度大於相應參考像素之輸出之絕對幅度，則觸發SA 300之輸出VOUT_LRF_C0。

在實施例中，信號VOUT_LRF_C0可以被視為脈衝標誌。例如，根據性能要求，單個SA 300可用於8×8陣列，其輸入形成64個LRF像素和64個參考像素，其中SA 300之輸出被視為脈衝標誌。

因此，當連接到SA 300之一個或多個LRF像素之輸出信號與其對應之參考像素之輸出信號充分不同時，自SA 300輸出脈衝標誌信號。脈衝標誌信號可以被視為可以進一步處理之二進制或數位信號，例如用於確定飛行時間和到目標之距離。

在實施例中，可以為每個行或列提供SA 300，或者為LRF像素之任何子集提供SA 300，而不管佈置如何。在該實施例中，可以藉由將為每個行Cj產生之VOUT_LRF_Cj(對於行j，0

j

7)輸入到「或」電路(例如圖1中所示之「或」電路118)來產生脈衝標誌。在這種情況下，脈衝標誌可以是自「或」電路輸出之信號。

在所示之實例中，在圖3中，儘管僅示出了兩個放大電晶體10，但是可以存在例如整個行(例如，八個)放大電晶體10和連接到SA 300之相應(例如，八個)參考放大電晶體20，一個放大電晶體10和一個參考放大電晶體20用於行0中之每一行。在實施例中，SA 300可以與用於行(0-7)之任何所選行之像素之放大電晶體連接，包括多於一行之組合，其可以包括所有行。在實施例中，連接到SA 300之兩個或更多個LRF像素可以來自LRF像素陣列之列和行之任何組合。

在SA 300之操作中，響應於被提供作為SA 300之輸入之上拉(或下拉，若如此組態)部分之類比輸出，對連接至行(圖3之實例中之行0)之所有放大電晶體10之源極之公用網路，輸入/輸出端子306進行充電或放電。可以理解，公用網路可以連接到任何一組放大電晶體10。由電晶體308、352、354、356、358和380形成之比較器或放大器監視公用網路輸入/輸出端子306，以獲得指示 在連接到公用網路之任何LRF像素上偵測到之高頻信號之響應，並創建脈衝標誌SA_C0(或VOUT_LRF_C0)。藉由將公用網路與參考公用網路進行比較，SA 300可以確定任何放大電晶體10之類比輸出何時指示偵測到高頻信號。藉由該比較，SA 300可以感測何時以足夠之位準產生公用網路，輸入/輸出端子306之放電(或充電)，並且作為響應，輸出脈衝標誌。

參考圖4，示出了像素輸出處理電路之另一實例性實施例。在該實例中，提供了像素輸出處理電路400，其具有與圖1所示之像素輸出處理電路100類似之組態。為了簡潔起見，不再重複像素輸出處理電路400之與像素輸出處理電路100中之類似部分相同或等同之部分之闡述。如在像素輸出處理電路100中那樣，像素輸出處理電路400之LRF像素被分組在各行中，但是在實施例中可以替代地被分組為單獨之列，多行和/或多列，或者一個或更多列和/或行之一部分。處理分組之LRF像素之輸出，結果是輸出脈衝標誌，其被提供給對脈衝標誌信號進行同步之電路。對脈衝標誌信號進行同步之電路可以與像素輸出處理電路100相同之方式組態，例如，包括計數器鎖存器130，接收來自雷射源104之計數器複位之計數器150，以及處理裝置170。

在圖1所示之實施例中，分組之LRF像素在其放大電晶體10之汲極處連接在一起並連接到比較器108(或連接到相應SA之輸入/輸出306，例如圖3中所示之SA 300)。但是，在圖4之實施例中，分組之LRF像素在其放大電晶體10之汲極處連接在一起，每個公用網路106連接到單個比較器408(或連接到單個SA之輸入/輸出306，例如圖3所示之SA 300)。在圖1所示之實例中，在圖4中，不需要「或」閘(諸如圖1中所示之「或」電路118)來產生脈衝標誌。而是，脈衝標誌可以直接自比較器408之輸出端子114輸出。

圖1和4中之比較器108和408可以表示由監視公用網路106之圖3之電晶體308、352、354、356、358和380形成之SA 300之比較器(放大器)。 公用網路可以代表圖3之輸入/輸出端子306，圖1和4中所示之參考信號VREF可以藉由參考像素206(圖2中示出)之參考放大電晶體20(圖3中示出)來提供。參考信號VREF可以藉由若干裝置產生，包括參考像素、DAC、外部電壓源或替代電壓參考產生電路。

每個圖1、3和4表示一個或多個偵測電路111之實施例。圖1中之偵測電路111包括：與每個相應行相關聯之比較器108和接收比較器108之輸出並且輸出脈衝標誌之「或」電路118。圖4之實施例中所示之偵測電路111包括：與像素陣列之所有像素相關聯之單個比較器。圖3之實施例中所示之偵測電路111是感測放大器300，其與行0相關聯。除了屬於LRF像素之組件之外，感測放大器300包括圖3所示之組件，例如放大電晶體10和參考放大電晶體20。感測放大器300是實例感測放大器，並且不限於所示之實例組態。

圖1、3和4中所示之組態將放大電晶體10和參考放大電晶體20繪示為PMOS電晶體。然而，在實施例中，放大電晶體10和參考放大電晶體20可以被組態為NMOS電晶體，並且相應地組態SA，如熟習此項技術者將理解的。

如上所述並在附圖中示出之本揭示案之方法和系統提供LRF像素，其中用於數位化、比較或緩衝信號之組件被提供在LRF像素之外。用於處理來自LRF像素之類比輸出之電路可以提供幾奈秒範圍內之時間解析度。

雖然已經參考實施例示出和闡述了本揭示案之設備和方法，但是熟習此項技術者將容易理解，在不脫離本揭示案之精神和範疇之情況下，可以對其進行改變和/或修改。

10:放大電晶體

100:像素輸出處理電路

102:放大電晶體陣列

104:雷射源

106:公用網路

108:比較器

110:第一輸入端子

111:偵測電路

112:第二輸入端子

114:輸出端子

118:「或」電路

120:輸入端子

122:脈衝標誌

124:偏置/複位電晶體

130:計數器鎖存器

132:脈衝時間戳/時間戳

150:計數器

160:同步電路

170:處理裝置

Claims (23)

1. 一種焦平面陣列(FPA)之像素輸出處理電路，該FPA具有複數個雷射測距(LRF)像素，該像素輸出處理電路包括：公用網路(common net)，該公用網路連接到該等LRF像素中的每一者之放大電晶體，以用於接收自各別LRF像素輸出之類比信號(analog signals)，其中各別LRF像素響應於感測到反射之雷射脈衝而輸出高頻類比信號，其中該等LRF像素中的每一者係包括在該FPA之第一像素子集中，並且該FPA之第二像素子集不耦合到該像素輸出處理電路；以及耦合到該公用網路之偵測電路，該偵測電路響應於偵測到該公用網路已經接收到高頻類比信號而輸出脈衝標誌(pulse flag)。
2. 如申請專利範圍第1項之像素輸出處理電路，其進一步包括同步電路，該同步電路使該脈衝標誌與已知定時信號和來自雷射源之雷射脈衝之發射中之至少一者進行同步。
3. 如申請專利範圍第1項之像素輸出處理電路，其中該偵測電路包括比較器和放大器中之至少一者。
4. 如申請專利範圍第3項之像素輸出處理電路，其中該比較器將與該公用網路相關聯之電壓和與參考網路相關聯之電壓進行比較。
5. 如申請專利範圍第1項之像素輸出處理電路，其中整個偵測電路在該等像素中之每一者之外部。
6. 如申請專利範圍第1項之像素輸出處理電路，其中該偵測電路包括至少一個電壓模式感測放大器。
7. 如申請專利範圍第6項之像素輸出處理電路，其中該至少一個電壓模式感測放大器將與該公用網路相關聯之電壓和與參考網路相關聯之電壓進行比較。
8. 如申請專利範圍第6項之像素輸出處理電路，其中該等放大電晶體作為上拉或下拉裝置中之至少一者來耦合到該電壓模式感測放大器。
9. 如申請專利範圍第2項之像素輸出處理電路，其中該同步電路包括：計數裝置，其響應於來自該雷射源之雷射脈衝之發射之通知而開始計數；以及計數器鎖存器，其響應於該脈衝標誌之輸出之通知而保存指示該計數器計數之計數值。
10. 如申請專利範圍第1項之像素輸出處理電路，其中藉由該等LRF像素中之一者來感測該所反射之雷射脈衝與輸出該脈衝標誌之間的時間間隔小於10ns。
11. 如申請專利範圍第1項之像素輸出處理電路，其中藉由該等LRF像素中之一者來感測該所反射之雷射脈衝與輸出該脈衝標誌之間的時間間隔小於5ns。
12. 如申請專利範圍第1項之像素輸出處理電路，其中藉由該等LRF像素中之一者來感測該所反射之雷射脈衝與輸出該脈衝標誌之間的時間間隔小於2ns。
13. 如申請專利範圍第1項之像素輸出處理電路，其中輸出該脈衝標誌之定時與該FPA和藉以反射由該等LRF像素信號感測之雷射脈衝之物體之間的距離成比例。
14. 一種焦平面陣列(FPA)，其包括：雷射測距(LRF)像素陣列，各別LRF像素響應於感測到反射之雷射脈衝而輸出高頻類比信號；以及像素輸出處理電路，該像素輸出處理電路包括：公用網路，該公用網路連接到該等LRF像素中的每一者之放大電晶體，以用於接收自各別LRF像素輸出之類比信號，各別LRF像素響應於感測到 反射之雷射脈衝而輸出高頻類比信號，其中該等LRF像素中的每一者係包括在該FPA之第一像素子集中，並且該FPA之第二像素子集不耦合到該像素輸出處理電路；以及耦合到該公用網路之偵測電路，該偵測電路響應於偵測到該公用網路已經接收到高頻類比信號而輸出脈衝標誌。
15. 如申請專利範圍第14項之FPA，其中該像素輸出處理電路進一步包括同步電路，該同步電路使該脈衝標誌與已知定時信號和來自雷射源之雷射脈衝之發射中之至少一者進行同步。
16. 如申請專利範圍第14項之FPA，其中該偵測電路包括比較器和感測放大器中之至少一者。
17. 如申請專利範圍第14項之FPA，其中整個偵測電路在該等像素中之每一者之外部。
18. 如申請專利範圍第14項之FPA，其中該等LRF像素為多模像素，其被組態為執行獲取成像、雷射脈衝偵測和LRF之兩個或更多個操作。
19. 如申請專利範圍第14項之FPA，其中該等雷射脈衝具有一波長，其在近外(NIR)、短波長紅外(SWIR)、中波長紅外(MWIR)、長波長紅外(LWIR)波段之一者。
20. 一種雷射測距(LRF)設備，其包括：雷射源；具有雷射測距像素陣列(LRF)之焦平面陣列(FPA)，各別LRF像素響應於感測到反射之雷射脈衝而輸出高頻類比信號；像素輸出處理電路，該像素輸出處理電路包括：公用網路，該公用網路連接到該等LRF像素中的每一者之放大電晶體，以用於接收自各別LRF像素輸出之類比信號，其中該等LRF像素中的每一 者係包括在該FPA之第一像素子集中，並且該FPA之第二像素子集不耦合到該像素輸出處理電路；以及耦合到該公用網路之偵測電路，該偵測電路響應於偵測到該公用網路已經接收到高頻類比信號而輸出脈衝標誌。
21. 如申請專利範圍第20項之LRF設備，其中整個偵測電路在所述像素中之每一者之外部。
22. 如申請專利範圍第20項之LRF設備，其中該等LRF像素為多模像素，其被組態為執行獲取成像、雷射脈衝偵測和LRF之兩個或更多個操作。
23. 如申請專利範圍第20項之LRF設備，其中該等雷射脈衝具有一波長，其在近外(NIR)、短波長紅外(SWIR)、中波長紅外(MWIR)、長波長紅外(LWIR)波段之一者。