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使用缩放直方图化TDC的闪光LiDAR 传感器
申请号	CN202280060837.8	申请日	2022-09-07	公开(公告)号	CN117918001A	公开(公告)日	2024-04-23
申请人	索利德维尔公司;			发明人	曺俊熙;
摘要	本发明涉及一种使用缩放直方图化时间‑数字转换器(TDC)的闪光LiDAR 传感器。本发明的一个方面是一种包括多个像素的LiDAR传感器，其中所述多个像素中的每一个包括使用直方图方法的TDC，所述TDC通过使用M/2个上下计数器(UDC)来执行直方图操作，并且所述TDC将要测量的区段划分为M个时间箱，并且所述M个时间箱中的每一个被分配为对应于所述M/2个UDC的上计数或下计数。
权利要求	1.一种LiDAR 传感器，包括：多个像素，其中所述多个像素中的每一个包括使用直方图方法的时间‑数字转换器(TDC)，所述时间‑数字转换器(TDC)通过使用M/2个上下计数器(UDC)来执行直方图操作，并且所述时间‑数字转换器(TDC)将要测量的区段划分为M个时间箱，并且所述M个时间箱中的每一个被分配为对应于所述M/2个上下计数器(UDC)的上计数或下计数。 2.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中所述M个时间箱包括对于所述M/2个上下计数器(UDC)中的每一个具有基本上相同长度的对应于上计数的时间箱和对应于下计数的时间箱，并且当由于背景光引起的噪声脉冲均匀地分布在所述M个时间箱中时，由于噪声脉冲引起的所述上计数和所述下计数在所述M/2个上下计数器(UDC)中的每一个中执行基本上相同的次数，使得所述背景光的影响被抵消。 3.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中所述时间‑数字转换器(TDC)包括执行多个步骤的第一模式(粗略模式)，以及每次执行所述多个步骤时，与前一步骤相比，要测量的区段减小到1/M。 4.根据权利要求3所述的LiDAR传感器，其中通过将在第(n‑1)步中具有最高脉冲强度的时间箱划分为M个时间箱来产生多个步中的第n步骤的M个时间箱，并且与第(n‑1)步骤的时间箱相比，第n步骤的时间箱的长度基本上减小到1/M。 5.根据权利要求4所述的LiDAR传感器，其中将与对于所述第一模式的所述多个步骤中的每个步骤具有最高脉冲强度的时间箱相对应的代码，判定为第一模式飞行时间(ToF_coarse)的部分代码。 6.根据权利要求5所述的LiDAR传感器，其中所述第一模式(粗略模式)包括第一至第三步骤，并且 M是4并且为每个步骤产生四个时间箱，将代码00(2)、01(2)、10(2)和11(2)顺序地分配给所述四个时间箱，并且将在第一步骤(步骤C1)中具有最强脉冲强度的时间箱的代码判定为所述第一模式飞行时间(ToF_coarse)的前两位，将在第二步骤(步骤C2)中具有最强脉冲强度的时间箱的代码判定为所述第一模式飞行时间(ToF_coarse)的中间两位，并且将在第三步骤(步骤C3)中具有最强脉冲强度的时间箱的代码判定为所述第一模式飞行时间(ToF_coarse)的后两位，使得通过所述第一至第三步骤判定6位的第一模式ToF_coarse。 7.根据权利要求3所述的LiDAR传感器，其中所述时间‑数字转换器(TDC)还包括第二模式(精细模式)，在所述第二模式(精细模式)中产生M个时间箱，所述M个时间箱的长度小于在所述第一模式(粗略模式)的最后步骤中产生的时间箱的长度，并且预定相位被分配给所述第二模式(精细模式)的M个时间箱中的每一个。 8.根据权利要求7所述的LiDAR传感器，其中 M＝4，并且存在两个上下计数器(UDC)，并且所述两个上下计数器的计数值用于判定所述第二模式的ToF(ToF_Fine)值。 9.根据权利要求7所述的LiDAR传感器，其中所述上下计数器UDC对在所述第一模式中通过重合检测电路CDC产生的信号进行计数，并且所述上下计数器(UDC)对在所述第二模式中没有通过重合检测电路(CDC)的信号进行计数。 10.根据权利要求1所述的LiDAR传感器，其中所述上下计数器(UDC)是异步/同步混合型计数器。 11.根据权利要求10所述的LiDAR传感器，其中所述上下计数器(UDC)中的每一个包括多个触发器，并且所述多个触发器中的至少一些触发器接收与其余触发器在时钟输入端子处接收的信号不同的信号。 12.根据权利要求11所述的LiDAR传感器，其中从光检测信号产生的信号SiPM被施加到所述多个触发器中的任何一个的时钟输入端子，并且从所述SiPM信号被施加到其时钟输入端子的触发器的输出信号所产生的信号，被施加到所述多个触发器中的其他触发器的时钟输入端子。 13.根据权利要求12所述的LiDAR传感器，其中其中所述SiPM信号被施加到其时钟输入端子的触发器是：处理最低有效位(LSB)的触发器。
说明书全文	使用缩放直方图化TDC的闪光LiDAR 传感器技术领域 [0001] 本发明涉及LiDAR传感器。具体地，本发明涉及使用缩放直方图化时间‑数字转换器(TDC)的闪光LiDAR传感器。背景技术 [0002] 最近，随着在移动设备或无人驾驶车辆上运行的元宇宙应用已经引起关注，对获取深度图像的需求正在增加。基于飞行时间(ToF)技术的光检测和测距传感器(LiDAR传感器)是实时距离测量的有力候选之一。根据提取的深度图信息是激光脉冲之间的时间差还是照射光与反射光之间的调制相位差，ToF技术可以主要分为直接ToF(dToF)和间接ToF(iToF)。iToF传感器用于提供高空间分辨率和低深度误差，但是通常通过低光学增益和调制波形的周期来限制最大距离。另外，iToF传感器易受背景光影响并且在室外环境中具有缺点。相比之下，使用高灵敏度单光子雪崩二极管(SPAD)的dToF传感器可以将其可检测范围扩展到数百米。另外，使用具有重合检测电路(CDC)的时间相关单光子计数(TCSPC)方法的时间‑数字转换器(TDC)有效地衰减背景光以使dToF传感器适合于室外使用。 [0003] 鉴于考虑到眼睛安全而限制光输出密度的事实，可能需要通过将有限输出的光集中到小区域中来增加最大距离的单点或1‑D线型发射器。在这种情况下，需要用于配备有发射器和检测器两者的1‑D LiDAR模块的旋转镜来使用小视场(FoV)扫描周围物体。然而，支撑即使在恶劣环境中也应该高度耐用的精密光学系统的扫描结构具有不仅尺寸大而且难以廉价实现的问题。 [0004] 在移动应用中，即使检测范围小于几十米，小尺寸、成本有效的LiDAR传感器也是合适的，并且因此目前正在密集开发不使用旋转设备的全闪光LiDAR传感器。它们试图通过采用3D堆叠过程和共享时间‑数字转换器来减小像素尺寸和增加空间分辨率，但是仍然存在许多有待解决的挑战。 [0005] 阻碍像素减少的最重要的问题之一是存储与阵列大小成比例的数十GS/s的ToF数据的大容量存储器。由于TCSPC方法需要绘制收集的ToF值的直方图，因此它需要记录每次激光发射从像素阵列产生的所有数据。现有的LiDAR传感器使用通过将直方图函数集成到称为直方图TDC(hTDC)的TDC中来为每个时间箱指定计数器的方法。该方法具有计数器占据大面积的问题，因为计数器的数量响应于深度分辨率而增加。 [0006] LiDAR传感器的另一个问题是由背景光引起的噪声。LiDAR传感器应当通过将光与背景光分离来检测从对象反射的光，但是当背景光强时，存在通过将反射光与背景光分离来检测反射光不容易的问题。发明内容 [0007] 技术问题 [0008] 本发明的目的是提供一种可以通过减少背景光的影响来增加距离(深度)信息的准确性的LiDAR传感器。 [0009] 本发明的目的是提供一种可以减少存储器需求的LiDAR传感器。 [0010] 本发明的目的是提供一种能够有效地增加帧速率的LiDAR传感器。 [0011] 本发明的目的是提供一种即使在不使用具有高带宽的计数器的情况下也可以处理高速光检测信号的LiDAR传感器。 [0012] 技术方案 [0013] 为了实现上述目的，本发明的一个方面是一种包括多个像素的LiDAR传感器，其中所述多个像素中的每一个包括使用直方图方法的时间‑数字转换器(TDC)，所述时间‑数字转换器(TDC)通过使用M/2个上下计数器(UDC)来执行直方图操作，所述时间‑数字转换器(TDC)将要测量的区段划分为M个时间箱(Time Bin)，并且所述M个时间箱中的每一个被分配为对应于所述M/2个上下计数器(UDC)的上计数或下计数。 [0014] 在所述LiDAR传感器中，所述M个时间箱可以包括对于所述M/2个上下计数器(UDC)中的每一个具有基本上相同长度的对应于上计数的时间箱和对应于下计数的时间箱，并且当由于背景光引起的噪声脉冲均匀地分布在所述M个时间箱中时，由于噪声脉冲引起的所述上计数和所述下计数在所述M/2个上下计数器(UDC)中的每一个中可以执行基本上相同的次数，使得所述背景光的影响可以被抵消。 [0015] 在所述LiDAR传感器中，所述时间‑数字转换器(TDC)可以包括执行多个步骤的第一模式(粗略模式)，并且每当执行所述多个步骤时，与前一步骤相比，要测量的区段可以减小到1/M。 [0016] 在所述LiDAR传感器中，可以通过将在第(n‑1)步中具有最高脉冲强度的时间箱划分为M个时间箱来产生多个步中的第n步骤的M个时间箱，并且与第(n‑1)步骤的时间箱相比，第n步骤的时间箱的长度可以基本上减小到1/M。 [0017] 在所述LiDAR传感器中，可以将与对于所述第一模式的所述多个步骤中的每个步骤具有最高脉冲强度的时间箱相对应的代码判定为第一模式飞行时间(ToF_coarse)的部分代码。 [0018] 在所述LiDAR传感器中，所述第一模式(粗略模式)可以包括第一至第三步骤，M是4并且可以为每个步骤产生四个时间箱，可以将代码00(2)、01(2)、10(2)和11(2)顺序地分配给所述四个时间箱，并且可以将在第一步骤(步骤C1)中具有最强脉冲强度的时间箱的代码判定为所述第一模式飞行时间(ToF_coarse)的前两位，可以将在第二步骤(步骤C2)中具有最强脉冲强度的时间箱的代码判定为所述第一模式飞行时间(ToF_coarse)的中间两位，并且可以将在第三步骤(步骤C3)中具有最强脉冲强度的时间箱的代码判定为所述第一模式飞行时间(ToF_coarse)的后两位，使得通过所述第一至第三步骤判定6位的第一模式ToF_coarse。 [0019] 在所述LiDAR传感器中，所述时间‑数字转换器(TDC)还可以包括第二模式(精细模式)，可以在所述第二模式(精细模式)中产生M个时间箱，所述M个时间箱的长度小于在所述第一模式(粗略模式)的最后步骤中产生的时间箱的长度，并且预定相位可以被分配给所述第二模式(精细模式)的M个时间箱中的每一个。 [0020] 在所述LiDAR传感器中，M＝4，并且可以存在两个上下计数器(UDC)，并且所述两个上下计数器的计数值可以用于判定所述第二模式的ToF(ToF_Fine)值。 [0021] 在所述LiDAR传感器中，所述上下计数器UDC可以对在所述第一模式中通过重合检测电路CDC产生的信号进行计数，并且所述上下计数器(UDC)可以对在所述第二模式中没有通过重合检测电路(CDC)的信号进行计数。 [0022] 在所述LiDAR传感器中，所述上下计数器(UDC)可以是异步/同步混合型计数器。 [0023] 在所述LiDAR传感器中，所述上下计数器(UDC)中的每一个可以包括多个触发器，并且所述多个触发器中的至少一些触发器可以接收与其余触发器在时钟输入端子处接收的信号不同的信号。 [0024] 在所述LiDAR传感器中，从光检测信号产生的信号SiPM可以被施加到所述多个触发器中的任何一个的时钟输入端子，并且从所述SiPM信号被施加到其时钟输入端子的触发器的输出信号所产生的信号，可以被施加到所述多个触发器中的其他触发器的时钟输入端子。 [0025] 在所述LiDAR传感器中，其中所述SiPM信号被施加到其时钟输入端子的触发器可以是处理最低有效位(LSB)的触发器。 [0026] 有益效果 [0027] 根据本发明的LiDAR传感器，可以通过减少背景光的影响来增加距离(深度)信息的准确性。 [0028] 根据本发明的LiDAR传感器，可以减少存储器需求。 [0029] 根据本发明的LiDAR传感器，可以有效地增加帧速率。 [0030] 根据本发明的LiDAR传感器，即使在不使用具有高带宽的计数器的情况下也可以处理高速光检测信号。附图说明 [0031] 图1示出了作为本发明实施例的使用两个上下计数器的DIQS hTDC的概念性操作原理。 [0032] 图2说明性地图示了使用上下计数器抑制由背景光引起的噪声的原理。 [0033] 图3图示了根据实施例的像素内时间‑数字转换器(TDC)。 [0034] 图4示例性地示出了重合检测电路(CDC)的操作。 [0035] 图5图示了图3中的上下计数器的计数操作部分的放大图。 [0036] 图6图示了根据本发明实施例的上下计数器。 [0037] 图7和图8图示了图6所示的上下计数器的操作波形。具体实施方式 [0038] 在下文中，将通过说明性附图详细描述本发明的一些实施例。在每幅附图中向组成元件添加附图标记时，应当注意，即使在不同的附图中示出相同的组成元件，也尽可能多地给予相同的附图标记。此外，在描述本发明时，如果确定相关的已知配置或功能的详细描述可能模糊本发明的主旨，则将省略其详细描述。 [0039] 此外，在描述本发明的组成元件时，可以使用诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语。这些术语仅用于将该组成元件与其它组成元件区分开，并且该组成元件的性质、顺序或次序不受该术语的限制。当组成元件被描述为“连接”、“组合”或“耦合”到另一组成元件时，该组成元件可以直接连接或耦合到另一组成元件。但是应当理解，另一组成元件可以“连接”、“组合”或“耦合”在相应的组成元件之间。 [0040] 图1示出了使用两个上下计数器的增量强度四元搜索(DIQS)直方图化时间‑数字转换器(hTDC)的概念性操作原理。这里，DIQS hTDC表示根据本发明实施例的直方图TDC方法。 [0041] 在第一模式(粗略模式)的第一步骤STEP_C1中，DIQS hTDC可以将对应于最大可检测范围的整个时段基本上相等地划分为多个时间箱UP_A、UP_B、DN_A和DN_B，并且通过在脉冲发生时累积每个时间箱中的脉冲计数来掌握由目标对象反射的光所在的时间箱。在图1中，图示了将时间箱划分为四个时间箱UP_A、UP_B、DN_A、DN_B的情况，但是时间箱的数量不限于四个。在下文中，“时间箱”也简称为“箱”。 [0042] 例如，如果箱被划分为4个箱，则它们可以被识别如下。在四个箱中，由UP_A和UP_B组成的第一对和由DN_A和DN_B组成的第二对可以通过上下计数器(UDC)的计数操作是增加还是减小来分类。也就是说，UP_A箱和UP_B箱的第一对可以对应于上计数，并且DN_A箱和DN_B箱的第二对可以对应于下计数。位于奇数的箱UP_A、DN_A和位于偶数的箱UP_B和DN_B可以属于不同的上下计数器(UDC)。例如，位于奇数的箱UP_A和DN_A可以对应于第一上下计数器UDC_A，并且位于偶数的箱UP_B和DN_B可以对应于第二上下计数器UDC_B。以这种方式，产生由UP_A、UP_B、DN_A和DN_B组成的四个箱，其中的每一个可以依次对应于2位数字ToF代码00(2)、01(2)、10(2)和11(2)中的每一个(00(2)中的括号中的数字2等表示二进制数)。箱UP_A、UP_B、DN_A和DN_B的名称的最后字母A和B中的每一个表示对应的上下计数器(UDC)。 [0043] 当光电二极管(例如，SPAD)检测入射光并产生脉冲时，上下计数器(UDC)值可以根据脉冲所属的时间箱而增加或减小。例如，当在UP_A箱的区段中产生脉冲时，第一上下计数器UDC_A可以增加，当在UP_B箱的区段中产生脉冲时，第二上下计数器UDC_B可以增加，当在DN_A箱的区段中产生脉冲时，第一上下计数器UDC_A可以减小，并且当在DN_B箱的区段中产生脉冲时，第二上下计数器UDC_B可以减小。 [0044] 在重复脉冲计数之后，可以根据哪个值大于另一个值及其符号是什么，通过比较两个上下计数器(UDC)的绝对值来分配ToF代码。为具有大绝对值的上下计数器(UDC)的ID的A和B可以分别将2位ToF_coarse代码的最低有效位(LSB)确定为0和1(通过在每个步骤产生2位并经过所有三个步骤STEP_C1、C2、C3，最终的ToF_coarse可以是6位)。2位ToF_coarse代码的最高有效位(MSB)被设置为具有大绝对值的上下计数器(UDC)值的符号，并且正值和负值可以分别被映射到0和1。例如，如果UDC_A的值为‑5并且UDC_B的值为‑3，则由于UDC_A的绝对值更大，LSB＝0，并且由于UDC_A的值为负，MSB＝1，并且因此ToF代码可以被设置为10(2)。 [0045] 参考图1中的示例，由于在STEP_C1中由入射到光电二极管(SPAD)上的光产生的脉冲(SiPM_E；下面将详细描述SiPM_E)位于DN_A箱中，所以UDC_A执行下计数并且具有负值，并且UDC_B具有值0，因为没有增加或减小。因此，ToF_coarse<5:4>(在第一模式(粗略模式)中，在每个步骤处产生2位ToF_coarse代码，并且ToF_coarse代码通过三个步骤STEP_C1、C2、C3具有6位值。STEP_C1是第一步骤并且判定6位ToF_coarse代码的前2位，并且因此它被表示为ToF_coarse<5:4>)可以被设置为10(2)。这意味着检测到的光属于DN_A箱。 [0046] 在第二步骤STEP_C2中，可以将在第一步骤STEP_C1中确定脉冲所属于(或如果存在多个脉冲则确定具有最强脉冲强度)的箱(图1的示例中的DN_A)的区段被划分为要分配的四个箱。也就是说，使用其区段长度是第一步骤STEP_C1的1/4的四个箱再次划分第一步骤STEP_C1中的DN_A箱的区段，并且可以以该顺序向其分配UP_A、UP_B、DN_A和DN_B。 [0047] 在第二步骤STEP_C2中，可以根据与第一步骤STEP_C1类似的程序来确定ToF_coarse<3:2>值。参考图1中的示例，在第二步骤STEP_C2中，由于SiPM_E脉冲属于UP_A箱(假设脉冲的位置与在第一步骤中相同)，所以可以将00(2)分配给ToF_coarse<3:2>。在图1中，为了便于解释，示出了一个SiPM_E脉冲作为示例，但是通常通过将其重复若干次来掌握脉冲的位置。在这种情况下，如上所述，可以通过比较第一上下计数器UDC_A和第二上下计数器UDC_B的绝对值的大小及其符号来确定代码，这与当存在一个SiPM_E脉冲时确定代码的原理基本上相同。 [0048] 在第三步骤STEP_C3中，可以将在第二步骤STEP_C2中确定脉冲所属于的箱(图1的示例中的UP_A箱)的区段再次被划分为要分配的四个箱。也就是说，可以使用区段长度为第二步骤STEP_C2中区段长度的1/4的四个箱再次划分第二步骤STEP_C2中的UP_A箱的区段，并且可以按该顺序向其分配UP_A、UP_B、DN_A和DN_B。 [0049] 在第三步骤STEP_C3中，可以根据与前一步骤类似的程序来确定ToF_coarse<1:0>值。参考图1的示例，在第三步骤STEP_C3中，由于SiPM_E脉冲属于UP_B箱，所以可以将01(2)分配给ToF_coarse<1:0>。 [0050] 如果执行所有步骤1、2和3(STEP_C1、C2、C3)，则可以判定ToF_coarse<5：0>的所有6位值。在图1的示例中，ToF_coarse<5：0>具有值100001(2)。 [0051] 当执行第一、第二和第三步骤STEP_C1、C2、C3时，脉冲所在的区段可以从对应于最3 大可检测范围的整个时段变窄到减小到其(1/4)的时间范围。例如，当利用具有48m的最大检测距离的传感器执行第一模式(粗略模式)的第一、第二和第三步骤STEP_C1、C2、C3时，第三步骤STEP_C3中的箱的时间长度可以减小到几ns以类似于SiPM_E脉冲的宽度，并且可以前进到第二模式(精细模式)。因此，根据该实施例，它可以被理解为缩放型直方图TDC，因为每当第一模式(粗略模式)中执行步骤时，与前一步骤相比，将要测量的区段减小预定倍数。 [0052] 在第一模式(粗略模式)中基于dToF方法提取深度信息之后，可以使用第二模式(精细模式)来实现更高的分辨率。例如，在通过第一模式(粗略模式)提取ToF_coarse<5：0>值之后，可以在第二模式(精细模式)中使用基于iToF方法的相位检测技术来提取更精确的深度信息。 [0053] 在第二模式(精细模式)中使用四个箱可以与在第一模式(粗略模式)中相同。在第二模式(精细模式)中，可以通过获得四个箱中的每个箱的强度从相位差中提取深度信息。在第二模式(精细模式)中使用的四个箱可以以与第一模式(粗略模式)中类似的方式配置。四个箱UP_A、UP_B、DN_A和DN_B可以分别表示0度、90度、180度和270度的相位延迟。 [0054] 当参考图1通过示例说明性地描述时，为在第二模式(精细模式)的第四步骤STEP_F中计数的脉冲的SiPM_L可以是与在第一模式(粗略模式)中使用的脉冲SiPM_E相比不通过重合检测电路(CDC)的信号(下面将详细描述SiPM_L脉冲)。如图1所示，SiPM_L脉冲可以在多个箱内发生。第一上下计数器UDC_A和第二上下计数器UDC_B可以根据每当SiPM_L脉冲信号发生时的对应箱执行上或下计数。在图1的示例中，由于UP_A箱的强度(脉冲产生频率)强于DN_A箱的强度，因此第一上下计数器UDC_A将具有正计数值，并且第二上下计数器UDC_B也将具有正计数值，因为DN_B箱中不存在脉冲发生而UP_B箱的强度是强的。另外，由于UP_B箱的强度强于UP_A箱的强度，因此第二上下计数器UDC_B将具有比第一上下计数器UDC_A的正值更大的正值。当对于为由入射在SPAD上光发生的脉冲SiPM_L的计数以这种方式结束时，第一上下计数器UDC_A的值可以作为A<8:0>的9位输出，并且第二上下计数器UDC_B的值可以作为B<8:0>的9位输出(图1图示了使用9位上下计数器的情况，但是作为上下计数器的位数，可以根据情况使用不同的值)。可以使用通过第二模式(精细模式)获得的第一上下计数器UDC_A的计数值和第二上下计数器UDC_B的计数值来计算ToF_Fine，如下面的等式1所示。 [0055] [0056] 这里，c是光速(km/s)，并且T_LSB是第一模式(粗略模式)的最后步骤STEP_C3中的一个时间箱的长度。 [0057] 可以通过利用在第二模式(精细模式)中通过四个箱UP_A、UP_B、DN_A和DN_B获得的四个相位数据来获得高分辨率深度信息。 [0058] 在该实施例中，可以通过在第一模式(粗略模式)和第二模式(精细模式)中使用上下计数器来抑制由背景光引起的噪声，并且将参考图2描述其原理。 [0059] 图2图示了背景光强度(BGL)的情况，其中信号背景比(SBR)约为1/100。这里，假设背景光在整个区段上均匀分布。在使用现有的UP计数器的示例中，反射光信号出现在UP_B箱中，并且背景光(BGL)的强度是高的。因此，存在的问题是，不容易准确地检测反射光信号所在的箱，因为没有反射光信号的A计数器和具有反射光信号的B计数器的计数值在这样短的时间段内达到饱和以至于难以区分两个计数器的计数值。 [0060] 在该实施例中，使用上下计数器对差值进行计数，并且因此与使用上计数器的现有方法相比，可以减小背景光(BGL)的影响。在图2的示例中，假设反射光信号出现在DN_A箱中。当BGL均匀分布时，UP_A箱和DN_A箱中的背景光(BGL)的强度几乎相同，并且因此UP_A箱中的上计数和DN_A箱中的下计数彼此抵消，使得UDC_A不被背景光(BGL)饱和。因此，通过多次重复执行，反射光信号可以在UDC_A中累积到足够的大小。在UDC_B的情况下，由于UP_B箱和DN_B箱中的BGL的强度几乎相同，因此UP_B箱中的上计数和DN_B箱中的下计数彼此抵消，并且因此UDC_B的计数值基本上保持值0，从而使得可以在不饱和状态下检测重复信号。 [0061] 如参考图1和图2所描述的，该实施例的DIQS hTDC方法可以通过使用通过上下计数器的直方图方法来减少背景光的影响并减少存储器需求。另外，该实施例的DIQS hTDC方法可以通过使用在第一模式(粗略模式)的每个步骤中将搜索周期减小1/4的缩放方法减少子帧的数量来增加帧速率并减少存储器需求。如果在每个步骤处将搜索周期减小1/4，背景光的强度减小1/4同时保持信号强度。因此，信号背景比(SBR)在每个步骤处也增加4倍，并且因此可以快速减少背景光的影响。 [0062] 图1和图2图示了存在两个上下计数器，在每个步骤处产生四个箱，并且在三个步骤中执行第一模式(粗略)，但是这些具体数字仅仅是为了便于解释的示例，并且该实施例不限于这些数字。 [0063] 当应用和扩展参考图1和图2描述的原理时，时间‑数字转换器(TDC)通过使用M/2个上下计数器(UDC)来执行直方图操作，时间‑数字转换器(TDC)将要测量的区段划分为M个时间箱，并且M个时间箱中的每一个可以被分配为对应于M/2个上下计数器(UDC)的上计数或下计数。 [0064] 这里，M个时间箱包括对于M/2个上下计数器(UDC)中的每一个具有基本上相同的长度的对应于上计数的时间箱和对应于下计数的时间箱，并且当由于背景光引起的噪声脉冲均匀分布在M个时间箱中时，由于噪声脉冲引起的上计数和下计数可以在M/2个上下计数器UDC中的每一个中执行基本上相同的次数，使得背景光的影响可以被抵消。 [0065] 此外，时间‑数字转换器(TDC)可以包括执行多个步骤的第一模式(粗略模式)，并且每当执行多个步骤时，与前一步骤相比，要测量的区段可以减小到1/M。在LiDAR传感器中，可以通过将在第(n‑1)步骤中具有最高脉冲强度的时间箱划分为M个时间箱来产生多个步骤中的第n步骤的M个时间箱，并且与第(n‑1)步骤的时间箱相比，第n步骤的时间箱的长度可以显著减小到1/M。可以将与对于第一模式的多个步骤的每个步骤具有最高脉冲强度的时间箱相对应的代码判定为第一模式飞行时间(ToF_coarse)的部分代码。 [0066] 另外，时间‑数字转换器(TDC)还可以包括第二模式(精细模式)，并且可以在第二模式(精细模式)中产生M个时间箱，所述M个时间箱的长度小于在第一模式(粗略模式)的最后步骤中产生的时间箱的长度，并且可以将预定相位分配给第二模式(精细模式)的M个时间箱中的每一个。在第二模式(精细模式)中，优选的是产生四个时间箱以用于相位差计算。 [0067] 图3图示了根据一个实施例的LiDAR传感器100。LiDAR传感器100可以包括时钟树110、行解码器120、列解码器/多路复用器130、偏置电路140、锁相环(PLL)电路150和多个像素200。 [0068] 行解码器120可以在列数据总线(未示出)上顺序地驱动每行像素的数据以用于读出数据。 [0069] 列解码器/多路复用器130可以顺序地将列数据总线上驱动的数据连接到输出焊盘(未示出)。 [0070] 偏置电路140可以产生将由光电二极管(SPAD)内部的像素内电路使用的偏置电压。 [0071] PLL电路150可以产生由像素内电路使用的时钟。例如，PLL电路150可以从外部接收50MHz的参考时钟，产生400MHz的主时钟，并且将其提供给时钟树110。 [0072] 时钟树110可以产生由像素内电路使用的多个时钟。例如，时钟树110均可以将从PLL电路150接收的400MHz的主时钟除以1/2 7次，以产生由400MHz、200MHz、100MHz、...、3.125MHz组成的8个时钟，并将它们提供给时钟重复器260。 [0073] 这里，时钟树110、行解码器120、列解码器/多路复用器130、偏置电路140和锁相环(PLL)电路150的详细描述可能会模糊本发明的要点，并且因此将省略其详细描述。 [0074] 多个像素200可以例如以矩阵形式布置在LiDAR传感器100中。说明性地，多个像素200中的一些可以共享时钟重复器260。图3图示了四个像素200共享一个时钟重复器260。 [0075] 时钟重复器260可以将从时钟树110提供的各种频率的时钟提供给对应的像素200。例如，时钟重复器260可以将从时钟树110提供的八个时钟发送给像素200。在像素200中实现的TDC可以使用从时钟重复器260提供的多个时钟来执行参考图1描述的DIQS hTDC过程。 [0076] 每个像素200可以包括多个光电二极管211和TDC。在图3中，SPAD被图示为光电二极管。SPAD是在该实施例中使用的最期望的器件，因为它可以以高灵敏度检测光，但是该实施例的光电二极管不限于SPAD，并且可以使用其他类型的光电二极管。另外，图3图示了每个像素200包括六个SPAD 211的情况，但是不限于此。 [0077] 在图3的实施例中，TDC可以是在每个像素200内实现的像素内类型。下面，将作为示例描述在每个像素内实现的TDC的操作。这里，TDC的功能可以粗略地理解为从通过SPAD的光学检测产生的脉冲信号中提取时间信息并将其转换为数字值。由TDC产生的时间信息可以用于产生深度图。 [0078] SPAD 211的输出信号可以通过单个稳定电路212、XOR门215、掩模电路214等输出。可以提供单个稳定电路212、XOR门215和掩模电路214以对应于每个SPAD 211。 [0079] 单个稳定电路212可将从SPAD 211输出的脉冲转换为具有预定脉冲宽度的信号并输出该信号。由于为每个SPAD 211提供单个稳定电路212，因此可将多个SPAD 211的输出脉冲改变为具有相同的脉冲宽度。 [0080] XOR门215和屏蔽电路214可以确定输出从单个稳定电路212接收的信号的时间点。例如，六个SPAD 211的输出中的每一个可以在由相应的屏蔽电路214指定的时间点输出到OR门221。从多个SPAD 211输出的信号可以通过OR门221转换为其中信号被连续布置的串行信号。也就是说，OR门221的输出可以是其中响应于六个SPAD 211的输出脉冲而产生的具有基本上相同脉冲宽度的脉冲被连续布置的信号。 [0081] 图3所示的单个稳定电路212、XOR门215、掩模电路214和OR门221仅仅是将多个SPAD 211的输出信号转换为串行信号并将该信号发送到后一级的结构的示例，并且该实施例不限于该结构。 [0082] OR门221本身的输出可以是SiPM_L信号，并且由通过重合检测电路(CDC)222的SiPM_L信号产生的信号可以是SiPM_E信号。将参考图4描述使用重合检测电路(CDC)222从SiPM_L信号产生SiPM_E信号的方法。 [0083] 在图4的示例中，当在SiPM_L信号(401)中出现下降沿时，WIN_CDC信号可以从‘低’状态切换到‘高’状态。WIN_CDC信号保持‘高’状态的时间t_CDC可以是预设时间(例如，5ns)。如果在WIN_CDC信号保持‘高’状态的时间t_CDC内在SiPM_L信号中没有出现另外的下降沿，则不产生SiPM_E信号，并且WIN_CDC的信号可以返回到“低”状态。当在SiPM_L信号中出现另一下降沿(402)时，WIN_CDC信号再次从‘低’状态切换到‘高’状态。如果在WIN_CDC信号保持‘高’状态的时间内在SiPM_L信号中出现另外的下降沿(403)，则SiPM_E信号从‘高’状态切换到‘低’状态，并且可以产生SiPM_E信号404。在该实施例中，图示了当在WIN_CDC信号为“高”的状态下检测到SiPM_L信号两次或更多次时产生SiPM_E信号，但是可以不同地设置用于产生SiPM_E信号的SiPM_L信号的数量。 [0084] 因此，重合检测电路(CDC)222可以被理解为确定在预定时间段t_CDC内在多个SPAD中是否同时产生脉冲(检测到光)的电路。考虑到SPAD是高灵敏度的光检测元件，重合检测电路(CDC)222可以用于增加光检测信号的可靠性。 [0085] 图4所示的重合检测电路(CDC)222的操作仅是用于描述其功能的示例，并且重合检测电路(CDC)222的操作不限于这种形式。例如，只要保持上述原理，可以相反地设置SiPM_L、SiPM_E和WIN_CDC信号中的“低”和“高”状态。此外，可以根据情况选择性地使用重合检测电路(CDC)222。 [0086] 再次参考图3，为OR门221的输出的SiPM_L信号和通过重合检测电路(CDC)222产生的SiPM_E信号被输入到第一多路复用器223，并且从SiPM_L信号和SiPM_E信号中选择的信号可以用作SiPM信号。在参考图1的示例性描述中，SiPM_E信号用于第一模式(粗略模式)，而SiPM_L信号用于第二模式(精细模式)。可以根据情况适当地确定将SiPM_L信号和SiPM_E信号中的哪一个用作SiPM信号。 [0087] 接下来，可以通过两个上下计数器对SiPM信号的脉冲进行计数。在图5中放大并示出了描述图3中的上下计数器的计数操作的部分。 [0088] 参考图5，产生四个时间箱UP_A、UP_B、DN_A和DN_B，并且两个上下计数器UDC_A和UDC_B可以执行对应于脉冲所在的时间箱的计数操作。 [0089] 在图5的示例中，背景噪声脉冲(BGL)和反射光脉冲(加阴影线的IR)在SiPM脉冲中混合。图示了在四个时间箱的每一个中均匀地产生两个背景噪声脉冲(BGL)，并且在DN_A箱中产生两个反射光脉冲(IR)。由于两个背景噪声脉冲(BGL)属于UP_A箱，UDC_A执行上计数两次，并且由于两个背景噪声脉冲(BGL)和两个反射光脉冲(IR)属于DN_A箱，UDC_A执行下计数四次，并且因此，它可以具有通过执行两次下计数获得的值(加阴影线)。UDC_B由于属于UP_B箱的两个背景噪声脉冲(BGL)而执行上计数两次，并且由于属于DN_B箱的两个背景噪声脉冲(BGL)而执行下计数两次，并且因此，它可以具有基本上0的计数值。两个上下计数器UDC_A和UDC_B的计数值可以分别输出到后一级(A[8:0]，B[8:0])。 [0090] 图5所示的两个上下计数器UDC_A和UDC_B的计数操作的细节可以如参考图1所描述的那样应用。 [0091] 再次参考图3，第二多路复用器231接收存储在存储器250中的ToF和为UDC_A的输出的A[8:0]作为输入，并且可以选择性地输出两个值中的一个。存储在存储器250中的ToF可以是例如通过参考图1描述的第一模式(粗略模式)获得的ToF_coarse。 [0092] 第三多路复用器232接收从时钟重复器260接收的TCNT和为UDC_B的输出的B[8:0]作为输入，并且可以选择性地输出两个值中的一个。 [0093] 比较器233可以比较并输出从第二多路复用器231输入的值和从第三多路复用器232输入的值。例如，第二多路复用器231可以输出ToF，第三多路复用器232可以输出TCNT，并且比较器233可以输出比较ToF和TCNT的结果。替代地，第二多路复用器231可以输出A[8: 0]，第三多路复用器232可以输出B[8:0]，并且比较器233可以输出比较A[8:0]和B[8:0]的结果。 [0094] 比较器233的输出可以被输入到第一模式(粗略模式)的ToF_coarse判定单元241和时间箱窗口判定单元242。 [0095] ToF_coarse判定单元241可以接收比较器233比较A[8:0]和B[8:0]的结果。如先前参考图1所描述的，ToF_coarse判定单元241可以根据比较第一上下计数器UDC_A和第二上下计数器UDC_B的计数值(A[8:0]，B[8:0])的绝对值的结果和具有更大绝对值的值的符号来判定ToF_coarse值。为此目的，ToF_coarse判定单元241可以从比较器233接收比较A[8:0]和B[8:0]的结果，根据该结果判定ToF_coarse值，并且将该结果发送到存储器250。存储器250可以逐步存储由ToF_coarse判定单元241判定的ToF_coarse值，并且当所有三个步骤完成时存储6位ToF_coarse值。 [0096] 箱窗口判定单元242可以从比较器233接收比较ToF和TCNT的结果，并且在适当的时间处使用该结果来产生具有适当长度的箱。TCNT可以被理解为从000000(2)开始并逐一上计数的值。箱窗口判定单元242可以从当TCNT变得等于或大于ToF时的时间点处产生箱。例如，当第一模式(粗略模式)的第一步骤STEP_C1完成并且判定ToF_coarse＝10(2)时，该时间点处的ToF变为100000(2)。TCNT的上计数从000000(2)开始，以便找到第二步骤STEP_C2的执行时间点，并且当TCNT变为等于或大于为该时间点处的ToF的值的100000(2)时，箱窗口判定单元242可以开始产生箱。根据它是第一模式的哪个步骤，预设值可以用于箱T_win的长度。例如，在第一模式的第一步骤STEP_C1中可以将箱T_win的长度设置为80ns(如果搜索范围是320ns)，在第二步骤STEP_C2中可以将箱T_win的长度设置为减小到其1/4的 20ns，并且在第三步骤STEP_C3中可以将箱T_win的长度设置为减小到其1/4的5ns。也就是说，箱窗口判定单元242可以被理解为判定用于在前一步骤中检测到脉冲的箱内新产生具有前一步骤长度的1/4长度的四个箱的定时。 [0097] 在图3的示例中，包括在每个像素200中的单个稳定电路212、XOR门215、掩模电路214、OR门221、重合检测电路(CDC)222、第一多路复用器223、两个上下计数器UDC_A和UDC_B、第二多路复用器231、第三多路复用器232、比较器233、ToF_coarse判定单元241、箱窗口判定单元242、存储器250等可以被理解为仅仅是描述该实施例的DIQS hTDC的原理的示例，并且该实施例的DIQS hTDC不限于这种结构。该实施例的DIQS hTDC可以通过以相同的方式应用与参考附图描述的原理相同的原理以各种修改的结构来实现。 [0098] 图6至图8图示了根据本发明实施例的上下计数器(UDC)及其操作波形。图6所示的上下计数器600是异步/同步混合型计数器，并且可以处理具有非常小的脉冲宽度(例如，500ps)的SiPM信号。 [0099] 参考图6，上下计数器600可以包括多个触发器和多个与门、OR门、XOR门等。根据实施例，多个触发器可以包括两个D触发器601和607以及十个T触发器602至606和608至612。 [0100] 第一至第六触发器601至606可以包括在第一上下计数器UDC_A中，并且第七至第十二触发器607至612可以包括在第二上下计数器UDC_B中。 [0101] 在包括在第一上下计数器UDC_A中的第二至第六触发器602至606中，与输入到第四至第六触发器604至606的时钟输入端子的信号不同的信号可以被施加到第二和第三触发器602和603的时钟输入端子。因此，第一上下计数器UDC_A可以被理解为异步/同步混合型计数器，因为包括在该实施例的第一上下计数器UDC_A中的一些触发器彼此同步地操作，但是一些触发器彼此不同步地操作。也就是说，包括在第一上下计数器UDC_A中的多个触发器中的至少一些可以在其时钟输入端子处接收与输入到其余触发器的信号不同的信号。 [0102] 具体地，为从光检测信号产生的信号的SiPM信号可以被施加到第二触发器602的时钟输入端子，并且可以与SiPM信号的边沿同步地操作。从第二触发器602的输出信号产生的信号可以被施加到第三触发器603的时钟输入端子。另外，从第三触发器603的输出信号产生的信号可以被施加到第四触发器604至第六触发器606的时钟输入端子。相同的信号被施加到第四触发器604至第六触发器606的时钟输入端子，使得第四触发器604至第六触发器606可以彼此同步地操作。也就是说，从光检测信号产生的信号SiPM可以被施加到多个触发器中的任何一个触发器的时钟输入端子，并且从其中SiPM信号被施加到其时钟输入端子的触发器的输出信号产生的信号可以被施加到其他触发器的时钟输入端子。在这种情况下，其中SiPM信号被施加到其时钟输入端子的触发器602可以是处理最低有效位(LSB)的触发器。 [0103] 通过将高频SiPM施加到第一上下计数器UDC_A中的第二触发器602的时钟输入端子，负责LSB部分的第二触发器602可以响应于为高速信号的SiPM而操作。因此，第一上下计数器UDC_A可以在不具有高带宽的情况下处理高速SiPM信号。 [0104] 通常，SiPM信号的脉冲宽度约为几百ps(例如，500ps)。如果假设第一上下计数器UDC_A使用同步方法，则第一上下计数器UDC_A应当具有2GHz或更大的带宽以能够正常操作。另一方面，该实施例的第一上下计数器UDC_A可以通过使用异步/同步混合方法在不具有高带宽的情况下对为高速信号的SiPM信号进行计数。 [0105] 第二上下计数器UDC_B也可以以与第一上下计数器UDC_A相同的方式实现。 [0106] 图7图示了参考图1描述的第一模式(粗略模式)中的操作。 [0107] 在图7中，UD_A可以是判定UDC_A是向上计数还是向下计数的信号。例如，如果当UD_A处于“高”状态时出现SiPM信号，则UDC_A可以被向上计数，并且如果当UD_A处于“低”状态时出现SiPM信号，则UDC_A可以被向下计数。信号UD_B也可以用于以相同的方式判定UDC_B是向上计数还是向下计数。 [0108] EN_A可以是判定是否对UDC_A进行计数的信号。例如，如果当EN_A处于“高”状态时出现SiPM信号，则UDC_A可以被向上/向下计数，并且当EN_A处于“低”状态时，即使出现SiPM信号，也可以不对UDC_A进行计数。EN_B也可以用于判定是否以相同的方式对UDC_B进行计数。 [0109] UD_A、UD_B、EN_A和EN_B可以被理解为用于控制上下计数器UDC_A和UDC_B的信号。CLK_win可以是用于产生用于控制上下计数器UDC_A和UDC_B的信号UD_A、UD_B、EN_A和EN_B的时钟信号。 [0110] 如上所述，SiPM是基于光电二极管SPAD检测光的信号而产生的信号，并且可以被理解为将由上下计数器UDC_A和UDC_B进行计数的目标信号。A[8:0]和B[8:0]可以分别是上下计数器UDC_A和UDC_B的计数值。 [0111] 在图7中，T_b的值分别为32、33、34和35的四个区段可以被理解为四个箱。例如，当假设在第一模式的第一步骤中判定ToF_coarse＝10(2)并且在第二步骤中判定ToF_coarse＝00(2)时，直到第二步骤的ToF_coarse＝1000XX(2)(‘X’表示没有值还未被确定。由于第三步骤还未被执行，所以后两位尚未被确定)。在这种情况下，在第三步骤中，将从100000(2)开始到100011(2)产生四个箱，并且因此可以理解，四个箱被逐一分配给十进制数32、33、34和35。 [0112] 在区段32中，UD_A处于“高”状态，并且EN_A处于“高”状态，并且因此如果在该区段中出现SiPM脉冲的边沿，则UDC_A可以执行上计数。在区段33中，UD_B处于“高”状态，并且EN_B处于“高”状态，并且因此如果在该区段中出现SiPM脉冲的边沿，则UDC_B可以执行上计数。在区段34中，UD_A处于“低”状态，并且EN_A处于“高”状态，并且因此如果在该区段中出现SiPM脉冲的边沿，则UDC_A可以执行下计数。在区段35中，UD_B处于“低”状态并且EN_B处于“高”状态，并且因此如果在该区段中出现SiPM脉冲的边沿，则UDC_B可以执行下计数。在图7的示例中，在区段33中出现SiPM的上升沿，并且因此UDC_B执行上计数并且B[8:0]值增加1(在图7中，图示了使用SiPM信号的上升沿，但是可以根据电路实施方式使用其下降沿)。 [0113] 图8图示了参考图1描述的第二模式(精细模式)中的操作。如参考图3和图4所描述的，在第二模式(精细模式)中，不通过CDC电路的SiPM_1信号可以用作SiPM信号，并且在这种情况下，SiPM信号可以包括更多的脉冲。 [0114] 图8图示了与图7相比CLK_win的频率加倍并且控制信号UD_A、EN_A、UD_B和EN_B的频率也加倍的状态。因此，图8中的第二模式(精细模式)中的箱的长度是图7中的第一模式(粗略模式)中的箱的长度的一半。 [0115] 图8图示了SiPM信号包括五个脉冲的情况，并且在五个脉冲中，第一和第二上升沿出现在UP_B区段中，第三和第四上升沿出现在DN_A区段中，并且最后一个上升沿出现在DN_B区段中。因此，第一上下计数器UDC_A具有‑2至两个下计数的值，并且第二上下计数器UDC_B具有+1至两个上计数和一个下计数的值。 [0116] 以这种方式，图6所示的第一上下计数器UDC_A和第二上下计数器UDC_B可以通过控制信号UD_A、EN_A、UD_B和EN_B响应于四个箱中的每一个对高速SiPM信号执行上/下计数操作，并且箱的长度也可以被调整。特别地，第一上下计数器UDC_A和第二上下计数器UDC_B具有通过使用异步/同步混合方法在不具有高带宽的情况下处理高速SiPM信号的优点。 [0117] 除非相反地具体说明，否则上述诸如“包括”、“包含”或“具有”的术语是指对应的组成元素可以是固有的，并且因此应当被解释为能够包括其他组成元素而不是排除其他组成元素。除非另有定义，否则所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。常用术语(诸如字典中定义的术语)应当被解释为与相关技术的上下文中的含义一致，并且不应当以理想化或过于正式的意义来解释，除非在本发明中明确定义。 [0118] 上面的描述仅仅是对本发明的技术思想的示例性解释，并且本发明所属技术领域的普通技术人员将能够在不脱离本发明的必要特性的情况下对其进行各种修改和变化。因此，本发明中公开的实施例并不旨在限制本发明的技术思想，而是旨在对其进行解释，并且本发明的技术思想的范围不受这些实施例的限制。本发明的保护范围应当根据下面的权利要求来解释，并且在其等同范围内的所有技术思想应当被解释为包括在本发明的权利范围内。