BE1028366B1 - PIXEL SENSOR SYSTEM - Google Patents
PIXEL SENSOR SYSTEM Download PDFInfo
- Publication number
- BE1028366B1 BE1028366B1 BE20205564A BE202005564A BE1028366B1 BE 1028366 B1 BE1028366 B1 BE 1028366B1 BE 20205564 A BE20205564 A BE 20205564A BE 202005564 A BE202005564 A BE 202005564A BE 1028366 B1 BE1028366 B1 BE 1028366B1
- Authority
- BE
- Belgium
- Prior art keywords
- detectors
- row
- column
- buses
- bus
- Prior art date
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 99
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 26
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 claims description 22
- 230000004807 localization Effects 0.000 claims description 17
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 230000004931 aggregating effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 7
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 6
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 6
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 13
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 3
- 241000549343 Myadestes Species 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/0094—Sensor arrays
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/10—Plotting field distribution ; Measuring field distribution
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
De huidige uitvinding betreft een hogesnelheidssensorsysteem voor beeldvorming, waarbij single-photon detectoren in een architectuur voorzien worden die aangepast is voor het aan hoge snelheid verwerken van de output van de detectoren met hoge betrouwbaarheid voor het uitfilteren van valse positieven.The present invention relates to a high-speed imaging sensor system in which single-photon detectors are provided in an architecture adapted for high-speed processing of the output of the detectors with high fidelity to filter out false positives.
Description
t BE2020/5564t BE2020/5564
TECHNISCH DOMEIN De uitvinding heeft betrekking op een verbeterd systeem en verbeterde methodiek voor hogesnelheidsbeeldvorming, waarbij in beperkte tijdspannes en sterk beperkte fotonbudgetten, een omgeving op betrouwbare gecapteerd kan worden.TECHNICAL DOMAIN The invention relates to an improved system and method for high-speed imaging, in which an environment can be reliably captured in limited time spans and strongly limited photon budgets.
STAND DER TECHNIEK In de stand der techniek wordt bij scanning active imaging een lichtstraal, typisch een laser, bewogen over een te capteren gebied, en wordt per tijdstip de locatie waar de straal invalt, vastgelegd via meerdere beeldsensoren. Door de verschillen in locatie vanuit de verschillende standpunten (sensoren) te verwerken, kan de effectieve afstand tot het beschenen doelwit bepaald worden, via triangulatie. Een dergelijke meting legt een voxel vast. De snelheid waarmee dit procedé kan uitgevoerd worden, de voxelrate, wordt enerzijds begrensd door enerzijds de snelheid waarmee het scannen met de lichtstraal gebeurt, maar anderzijds ook (het sterkst) beperkt door de verwerkingstijd die nodig is door de sensoren om de gereflecteerde lichtstralen te detecteren, zeker ten opzichte van achtergrondstraling (ambient light) en algemene thermische noise. Door specifiek deze tweede issue aan te pakken, kan de beeldvorming gevoelig versneld worden. Teneinde een voxelrate van tientallen of zelfs honderden miljoenen voxels per second te kunnen bereiken, moet iedere voxel vastgelegd worden in een tijdspanne van maximaal 10 ns. Hierdoor moet de sensor ook geschikt zijn om met beperkte fotonbudgetten (i.e. gedetecteerde invallende fotonen op de sensor die voldoende zijn voor een detectie) te kunnen opereren, zoals bijvoorbeeld 10 fotonen. Gezien de beperkte tijdspanne voor de verwerking, zal slechts een beperkt aantal fotonen kunnen opgevangen worden. Bestaande beeldverwerking- en vormingsystemen verwerken optische input verworven door de sensoren ofwel parallel voor alle pixels, in het geval van een zogenaamde ‘global shutter’, of gespreid over de tijd bij ‘rolling shutter’. In beide gevallen hebben typische beeldvormingssystemen een versterkingsfactor (gain) van 10 UV tot 1 mV per invallend elektron, om op die manier tot een signaal te komen dat een minimale detectiespanning overschrijdt en geregistreerd kan worden. In het bovenstaand bereik moet opgemerkt worden dat de bovengrens hiervan enkel door meer recente imagers kan gegarandeerd worden, die specifiek gemodificeerd zijn om fotonen te tellen, en focussen op zeer lage detectiehoeveelheden. Met dergelijke, gespecialiseerde sensoren kan voor 10 elektronen een signaal van 10 mV geproduceerd worden dat positief kan uitgelezen worden voor een bepaalde pixel. Om een invallend fotonpakket te detecteren, is een minimaal aantal van 10 fotonen nodig, die bovendien dus in een tijdspanne van 10 ns invallen op de sensor. Wat tot nu toe in de stand der techniek gebeurt, is het beperken van de blootstelingstijd van de sensor, tot bijvoorbeeld 10 ns, en vervolgens de sensor uit te lezen om via een drempelspanning een event (i.e. echte incidentie van gereflecteerde straal in plaats van een valse positieve uit ambient light of thermische noise) te detecteren. Het nadeel hiervan is dat dit, zeker bij imagers met hoge resolutie, dat de tijd nodig voor het uitlezen van de sensor het proces domineert, en typisch merkelijk hoger ligt dan 10 ns, waardoor hier een bottleneck optreedt.BACKGROUND ART In the state of the art, in scanning active imaging, a light beam, typically a laser, is moved over an area to be captured, and the location where the beam impinges is recorded at each point in time via multiple image sensors. By processing the differences in location from the different points of view (sensors), the effective distance to the illuminated target can be determined, via triangulation. Such a measurement captures a voxel. The speed at which this process can be carried out, the voxel rate, is limited on the one hand by the speed at which the scanning with the light beam takes place, but on the other hand is also (strongly) limited by the processing time required by the sensors to detect the reflected light beams. , especially in relation to background radiation (ambient light) and general thermal noise. By specifically tackling this second issue, imaging can be significantly accelerated. In order to achieve a voxel rate of tens or even hundreds of millions of voxels per second, each voxel must be captured in a time span of at most 10 ns. As a result, the sensor must also be suitable for operating with limited photon budgets (i.e. detected photons incident on the sensor that are sufficient for a detection), such as for instance 10 photons. Given the limited time span for processing, only a limited number of photons can be captured. Existing image processing and shaping systems process optical input acquired by the sensors either in parallel for all pixels, in the case of a so-called global shutter, or staggered over time in the case of rolling shutter. In both cases, typical imaging systems have a gain of 10 UV to 1 mV per incident electron, in order to achieve a signal that exceeds a minimum detection voltage and can be recorded. In the above range, it should be noted that the upper limit of this can only be guaranteed by more recent imagers, which have been specifically modified to count photons, and focus on very low detection rates. With such specialized sensors, a signal of 10 mV can be produced for 10 electrons, which can be read positively for a particular pixel. In order to detect an incident photon packet, a minimum number of 10 photons is required, which moreover therefore impinge on the sensor in a time span of 10 ns. What has been done in the prior art so far is to limit the exposure time of the sensor, for example to 10 ns, and then read the sensor to detect an event via a threshold voltage (ie true incidence of reflected beam instead of a false positive from ambient light or thermal noise). The disadvantage of this is that, especially with high-resolution imagers, the time required for reading the sensor dominates the process, and is typically significantly higher than 10 ns, causing a bottleneck here.
Een alternatief is de sensor zelf laten beslissen of een minimale hoeveelheid fotonen is waargenomen binnen een bepaalde tijdspanne, wat neerkomt op de detectie van een voxel, in plaats van de sensor uit te lezen en op basis van de uitgelezen data te beslissen of er al of niet een event plaatsvond. Een probleem hierbij is echter dat de tijd die de sensor nodig heeft om te evalueren of er al of niet een event heeft plaatsgevonden, nog te hoog ligt, en momenteel in de meest recente uitvoeringen, zoals bij de sensoren van Prophesee, nog steeds minstens 1 us is. Bovendien is het bij dergelijke uitvoeringen quasi onmogelijk om valse positieven, door ambient light of thermische noise, te onderscheiden van echte events.An alternative is to let the sensor decide for itself whether a minimum amount of photons has been detected within a certain time span, which amounts to the detection of a voxel, instead of reading the sensor and deciding based on the data read whether or not there is a voxel. no event took place. However, a problem with this is that the time it takes for the sensor to evaluate whether or not an event has occurred is still too high, and currently in the most recent versions, such as with the Prophesee sensors, still at least 1 us. Moreover, in such performances it is almost impossible to distinguish false positives, due to ambient light or thermal noise, from real events.
WO 2013/018006, US 2012/257789 en US 2018/262705 beschrijven verwante systemen in de stand der techniek, die echter niet slagen om de besproken problematieken voldoende op te lossen.WO 2013/018006, US 2012/257789 and US 2018/262705 describe related systems in the prior art, which, however, fail to sufficiently solve the discussed problems.
Momenteel bestaan er geen systemen van sensorarchitectuur die in staat zijn om de gewenste detectiesnelheden te bereiken onder de voorgestelde karakteristieken zoals fotonbudget.Currently, there are no systems of sensor architecture capable of achieving the desired detection rates under the proposed characteristics such as photon budget.
De huidige uitvinding beoogt een oplossing te vinden voor tenminste enkele van bovenvermelde problemen.The present invention aims to find a solution to at least some of the above-mentioned problems.
De uitvinding betreft een hogesnelheidssensorsysteem volgens de conclusies. De huidige architectuur betreft een systeem waarin hooggevoelige sensoren, zoals SPADs (single photon avalanche diodes) gebruikt om bij zeer geringe fotonbudgetten, wat een zeer korte scanning tijd toelaat, events waar te nemen, al of niet echte detecties of foute waarneming door ambient light of thermische noise. De combinatie van deze features maakt het mogelijk om zeer snel aan beeldvorming te doen, ook bij hoge resoluties.The invention relates to a high-speed sensor system according to the claims. The current architecture concerns a system in which highly sensitive sensors, such as SPADs (single photon avalanche diodes) are used to detect events at very low photon budgets, which allows a very short scanning time, whether or not real detections or incorrect perception by ambient light or thermal noise. The combination of these features makes it possible to perform imaging very quickly, even at high resolutions.
BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN Figuur 1 toont een schematische voorstelling weer van een rudimentaire versie van het systeem volgens de uitvinding. Figuur 2 toont een schematische voorstelling weer van een systeem (1) volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding. Figuur 3 toont een schematische voorstelling van een lichtgevoelige zone voorzien van detectoren en verbonden aan rij- en kolombussen.DESCRIPTION OF THE FIGURES Figure 1 shows again a schematic representation of a rudimentary version of the system according to the invention. Figure 2 shows a schematic representation of a system (1) according to an embodiment of the invention. Figure 3 shows a schematic representation of a photosensitive zone provided with detectors and connected to row and column buses.
Figuur 4A-C tonen verdere uitvoeringsvormen op basis van Figuur 3.Figures 4A-C show further embodiments based on Figure 3.
GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING Tenzij anders gedefinieerd hebben alle termen die gebruikt worden in de beschrijving van de uitvinding, ook technische en wetenschappelijke termen, de betekenis zoals ze algemeen begrepen worden door de vakman in het technisch veld van de uitvinding. Voor een betere beoordeling van de beschrijving van de uitvinding, worden de volgende termen expliciet uitgelegd.DETAILED DESCRIPTION Unless otherwise defined, all terms used in the description of the invention, including technical and scientific terms, have the meaning as generally understood by those skilled in the art of the invention. For a better assessment of the description of the invention, the following terms are explicitly explained.
“Een”, ”de” en “het” refereren in dit document aan zowel het enkelvoud als het meervoud tenzij de context duidelijk anders veronderstelt. Bijvoorbeeld, “een segment” betekent een of meer dan een segment.“A”, “the” and “the” refer to both the singular and the plural in this document unless the context clearly dictates otherwise. For example, “a segment” means one or more than one segment.
Wanneer “ongeveer” of “rond” in dit document gebruikt wordt bij een meetbare grootheid, een parameter, een tijdsduur of moment, en dergelijke, dan worden variaties bedoeld van +/-20% of minder, bij voorkeur +/-10% of minder, meer bij voorkeur +/-5% of minder, nog meer bij voorkeur +/-1% of minder, en zelfs nog meer bij voorkeur +/-0.1% of minder dan en van de geciteerde waarde, voor zoverre zulke variaties van toepassing zijn in de beschreven uitvinding.When "about" or "around" in this document is used with a measurable quantity, a parameter, a duration or moment, etc., variations of +/-20% or less, preferably +/-10% or less, more preferably +/-5% or less, even more preferably +/-1% or less, and even more preferably +/-0.1% or less than and of the quoted value, to the extent that such variations of are applicable in the described invention.
Hier moet echter wel onder verstaan worden dat de waarde van de grootheid waarbij de term “ongeveer”However, this should be understood to mean that the value of the quantity at which the term "approximately"
of"rond” gebruikt wordt, zelf specifiek wordt bekendgemaakt.or “around” is used, itself is specifically disclosed.
De termen “omvatten”, “omvattende”, “bestaan uit”, “bestaande uit”, “voorzien van”, “bevatten”, “bevattende”, “behelzen”, “behelzende”, “inhouden”, “inhoudende” zijn synoniemen en zijn inclusieve of open termen die de aanwezigheid van wat volgt aanduiden, en die de aanwezigheid niet uitsluiten of beletten van andere componenten, kenmerken, elementen, leden, stappen, gekend uit of beschreven in de stand der techniek.The terms “comprise”, “comprising”, “consist of”, “consisting of”, “include”, “contain”, “containing”, “include”, “include”, “contain”, “include” are synonyms and are inclusive or open terms designating the presence of the following, and which do not exclude or preclude the presence of other components, features, elements, members, steps known from or described in the art.
Het citeren van numerieke intervallen door de eindpunten omvat alle gehele getallen, breuken en/of reële getallen tussen de eindpunten, deze eindpunten inbegrepen.Citing numerical intervals through the endpoints includes all integers, fractions and/or real numbers between the endpoints, including these endpoints.
In een eerste aspect betreft de uitvinding een hogesnelheidssensorsysteem voor beeldvorming, waarbij het systeem één of meerdere lichtbronnen omvat, en een array omvat met een veelheid single-photon detectoren (enkelvoudige-fotondetector of SPD), dewelke detectoren ruimtelijk verdeeld zijn over de array in een substantiële matrix-vorm, bij voorkeur op regelmatige intervallen van elkaar, waarbij de SPD geschikt zijn voor het detecteren van enkelvoudige fotonen, en het detecteren van het enkelvoudige foton registreert met een detectiesignaal; waarbij het systeem verder een veelheid aan rijbussen en kolombussen omvat, en waarbij de detectoren gegroepeerd zijn in rijen en/of kolommen, en waarbij de detectoren per rij aan één of meerdere rijbussen verbonden zijn en/of waarbij de detectoren per kolom aan één of meerdere kolombussen verbonden zijn aan de kolombus voor het aggregeren van signalen van de detectoren, waarbij per rijbus enkel detectoren uit één van de rijen aangesloten zijn aan de rijbus voor het aggregeren van signalen van de detectoren, waarbij per kolombus enkel detectoren uit één van de kolommen aangesloten zijn; het systeem verder omvattende een evaluatiecircuit, waarbij de rijbussen en de kolombussen verbonden zijn aan het evaluatiecircuit, het evaluatiecircuit aangepast zijnde voor het evalueren van de geaggregeerde signalen van de rijbussen en de kolombussen aan de hand van vooraf bepaalde confirmatiepatronen ter confirmatie van de detectie van een invallend foton en lokalisatie daarvan, waarbij genoemde confirmatiepatronen temporele en spatiale voorwaarden omvatten, en waarbij een detectie geconfirmeerd wordt aan de hand van een voldoen van de signalen vanIn a first aspect, the invention relates to a high-speed imaging sensor system, the system comprising one or more light sources, and comprising an array having a plurality of single-photon detectors (single-photon detector or SPD), which detectors are spatially distributed over the array in an array. substantial matrix form, preferably at regular intervals, the SPD being capable of detecting single photons, and registering the detection of the single photon with a detection signal; the system further comprising a plurality of row buses and column buses, and wherein the detectors are grouped in rows and/or columns, and wherein the detectors per row are connected to one or more row buses and/or wherein the detectors per column are connected to one or more row buses column buses are connected to the column bus for aggregating signals from the detectors, whereby per row bus only detectors from one of the rows are connected to the row bus for aggregating signals from the detectors, whereby per column bus only detectors from one of the columns are connected are; the system further comprising an evaluation circuit, wherein the row buses and the column buses are connected to the evaluation circuit, the evaluation circuit being adapted to evaluate the aggregated signals of the row buses and the column buses according to predetermined confirmation patterns to confirm the detection of a incident photon and localization thereof, said confirmation patterns comprising temporal and spatial conditions, and wherein a detection is confirmed on the basis of a satisfaction of the signals from
> BE2020/5564 rijbussen en kolombussen aan een voorafbepaald patroon.> BE2020/5564 row buses and column buses on a predetermined pattern.
Daarbij betreffen de spatiale voorwaarden het waarnemen van een geaggregeerd signaal dat een detectiesignaal omvat uit minstens twee kolombussen horende bij aanpalende kolommen in een voorafbepaald tijdsvenster, en het waarnemen van een geaggregeerd signaal dat een detectiesignaal omvat in minstens twee rijbussen horende bij aanpalende rijen in een voorafbepaald tijdsvenster.In addition, the spatial conditions relate to detecting an aggregated signal comprising a detection signal from at least two column buses associated with adjacent columns in a predetermined time window, and detecting an aggregated signal comprising a detection signal from at least two row buses associated with adjacent rows in a predetermined time window. time window.
Tot nu toe worden single-photon detectoren zeer beperkt gebruikt door de hoge gevoeligheid, waardoor valse positieven de beeldvorming te sterk impacteren.Until now, single-photon detectors have had very limited use due to their high sensitivity, which means that false positives have too much impact on the imaging.
Bovendien, om deze valse positieven te verwijderen, is verdere processing nodig van de output van de SPD's, en wordt de verwerkingssnelheid verlaagd en de voordelen van SPD's de facto teniet gedaan.In addition, to remove these false positives, further processing of the output of the SPDs is required, and the processing speed is reduced and the benefits of SPDs are de facto negated.
De huidige uitvinding slaagt erin vals-positieve detectiesignalen weg te filteren door enerzijds de input die verwerkt moet worden te beperken door de sensoren te groeperen en de individuele signalen te aggregeren (rijbussen en kolombussen) en op die manier te verwerken, waarbij aan de hand van vooraf gedefinieerde confirmatiepatronen valse events verwijderd worden.The present invention succeeds in filtering out false-positive detection signals by, on the one hand, limiting the input to be processed by grouping the sensors and aggregating the individual signals (row buses and column buses) and processing in this way, using predefined confirmation patterns false events are removed.
Zo kan eveneens de (relatieve) locatie van de detecterende sensor terug bepaald worden uit de geaggregeerde info.In this way, the (relative) location of the detecting sensor can also be determined again from the aggregated info.
Het evaluatiecircuit controleert hierbij de signalen uit de bussen (rij- en kolom) en matcht deze aan de confirmatiepatronen om valse positieven te verwijderen.The evaluation circuit thereby checks the signals from the buses (row and column) and matches them to the confirmation patterns to remove false positives.
Deze confirmatiepatronen kunnen spatiale en/of temporele voorwaarden omvatten, waarbij spatiale voorwaarden gerelateerd zijn aan de (relatieve) positie van de sensoren (en/of de kolom- en/of rijbussen daarvan) waarvan het signaal een detectie aangeeft.These confirmation patterns may include spatial and/or temporal conditions, spatial conditions being related to the (relative) position of the sensors (and/or their column and/or row buses) whose signal indicates a detection.
Zo kan bij ontvangst van een signaal dat een detectie aangeeft uit twee kolombussen waarvan de sensoren naburig zijn (bijvoorbeeld kolom 17 en 18), dit geïnterpreteerd worden als een bevestiging dat het niet om een random misfire gaat door thermische noise bijvoorbeeld.For example, when a signal indicating a detection is received from two column buses whose sensors are adjacent (for example, columns 17 and 18), this can be interpreted as confirmation that it is not a random misfire due to thermal noise, for example.
Al of niet gecombineerd daarmee kunnen ook temporele voorwaarden opgelegd worden dewelke gerelateerd zijn aan het (absolute en/of relatieve) tijdstip waarop signalen een detectie aangeven, zoals de vereiste dat slechts bij ontvangst van twee (of meer) signalen die een detectie aangeven binnen een voorafbepaalde tijdspanne, dit als een echte event en detectie geïnterpreteerd wordt, en aldus geconfirmeerd wordt.Whether or not combined with this, temporal conditions can also be imposed that are related to the (absolute and/or relative) time at which signals indicate a detection, such as the requirement that only on receipt of two (or more) signals indicating a detection within a predetermined time span, this is interpreted as a real event and detection, and is thus confirmed.
De aanvrager merkte op dat in de meeste systemen in de stand der techniek, ofwel het evaluatiecircuit te veel input te verwerken kreeg, en dit dus niet in meer het geplande tijdsframe van 10 ns kon uitvoeren, of dat de sensoren zelf gemodificeerd werden om de data te preprocessen, wat resulteerde in oplossingen die bijzonder onpraktisch en/of duur zijn, doordat meer geavanceerde sensoren of add-ons nodig zijn om deze functionaliteit toe te laten. Bovendien is het niet mogelijk om de sensoren zelf de signalen op betrouwbare wijze te verwerken zonder rekening te houden met de input van andere sensoren. Om dit op te lossen, zouden alle sensoren onderling verbonden moeten worden qua input, wat zoals gezegd een hoge impact 5 heeft op kostprijs alsook energie-efficiëntie, snelheid en compactheid. In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvatten de spatiale voorwaarden het waarnemen van een geaggregeerd signaal dat een detectiesignaal omvat uit minstens twee kolombussen horende bij aanpalende kolommen in een voorafbepaald tijdsvenster, en het waarnemen van een geaggregeerd signaal dat een detectiesignaal omvat in minstens twee rijbussen horende bij aanpalende rijen in een voorafbepaald tijdsvenster.The Applicant noted that in most prior art systems, either the evaluation circuitry received too much input to process and thus could no longer perform it in the planned 10 ns time frame, or the sensors themselves were modified to allow the data to preprocess, resulting in solutions that are particularly impractical and/or expensive, as more sophisticated sensors or add-ons are required to enable this functionality. Moreover, it is not possible for the sensors themselves to reliably process the signals without taking into account the input from other sensors. To solve this, all sensors would have to be interconnected in terms of input, which as mentioned has a high impact on cost price as well as energy efficiency, speed and compactness. In a preferred embodiment, the spatial conditions comprise detecting an aggregated signal comprising a detection signal from at least two column buses associated with adjacent columns in a predetermined time window, and detecting an aggregated signal comprising a detection signal in at least two row buses associated with adjacent rows in a predetermined time window.
Het gebruiken van spatiale voorwaarden kan onder meer toegepast worden onder de vorm van zogenaamde coincidence detection, waarbij de (relatieve en/of absolute) fysieke locatie van de origine van meerdere ‘positieve’ signalen wordt vergeleken om deze zo te kunnen bevestigen aan de hand van probabilistische schattingen. Zo kan in bepaalde omstandigheden verwacht worden dat naburige of aanpalende kolomgroepen of rijgroepen (eventueel met bijkomende beperking qua ‘lengte’, het aantal sensoren per groep) een bepaalde kans hebben op een (essentieel) gelijktijdig (in zelfde tijdspanne) positief signaal dat verwaarloosbaar is, bijvoorbeeld in omstandigheden met beperkt ambient light. In andere omstandigheden kunnen de voorwaarden strenger gesteld worden om valse positieven te vermijden, door bijvoorbeeld drie of meer aanpalende groepen te vereisen om over een geconfirmeerde detectie te spreken. Bijkomend of alternatief kunnen ook eisen gesteld worden over de sterkte van de signalen (drempelwaarde) van de bussen om over een positieve detectie te spreken, wat verder afhangt van type sensor en gevoeligheid, alsook variatie op de gain van de sensor.The use of spatial conditions can be applied in the form of so-called coincidence detection, in which the (relative and/or absolute) physical location of the origin of several 'positive' signals is compared in order to be able to confirm these on the basis of probabilistic estimates. For example, in certain circumstances it can be expected that neighboring or adjacent column groups or row groups (possibly with an additional limitation in terms of 'length', the number of sensors per group) have a certain chance of an (essential) simultaneous (in the same period of time) positive signal that is negligible. , for example in conditions with limited ambient light. In other circumstances, the conditions can be made stricter to avoid false positives, for example by requiring three or more adjacent groups to speak of a confirmed detection. Additionally or alternatively, requirements can also be made about the strength of the signals (threshold value) of the buses in order to speak of a positive detection, which further depends on the type of sensor and sensitivity, as well as variation in the gain of the sensor.
Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van de relatieve locatie van de detectoren geassocieerd aan de kolombussen en rijbussen om op die manier de spatiale voorwaarden te kunnen verifiëren. Typisch wordt een array regelmatig onderverdeeld, met een vast aantal detectoren per kolombus en een vast aantal detectoren per rijbus (al of niet gelijk voor rijbussen en kolombussen), wat de logische programmering voor verificatie spatiale voorwaarden sterk vereenvoudigt. Eenmaal een detectiesignaal geconfirmeerd is, kan dan vanuit de gekende positie van de detectoren van rij- en kolombussen de effectieve locatie eenvoudig bepaald worden. Het aggregeren van de signalen van verschillende detectoren tot één signaal voor een kolom- of rijbus, verlicht de computationele vereisten sterk. Het nadeel dat hier normaliter aan gekoppeld gaat, is dat een deel van de informatie verloren gaat, namelijk dat slechts detectie kan geconfirmeerd worden voor een groep detectoren gekoppeld aan de kolom- of rijbus, maar dat niet kan gedetecteerd worden om welke detector(en) het specifiek gaat. Door dit zowel voor rij- als kolombussen uit te voeren, kan echter een detectie gelokaliseerd worden langs de kolombussen (equivalent aan een X-coördinaat in de array) en een detectie gelokaliseerd worden langs de rijbussen (equivalent aan een Y-coördinaat in de array), en samen een benaderende 2D positie gevend voor de locatie van de detectie.Preferably, use is made of the relative location of the detectors associated with the column buses and row buses in order to verify the spatial conditions. Typically, an array is regularly subdivided, with a fixed number of detectors per column bus and a fixed number of detectors per row bus (whether or not equal for row buses and column buses), which greatly simplifies logic programming for verifying spatial conditions. Once a detection signal has been confirmed, the effective location can then be easily determined from the known position of the detectors of row and column buses. Aggregating the signals from several detectors into one signal for a column or row bus greatly alleviates the computational requirements. The disadvantage that is normally linked to this is that some of the information is lost, namely that detection can only be confirmed for a group of detectors linked to the column or row bus, but it cannot be detected for which detector(s) it is specific. However, by doing this for both row and column buses, a detect can be located along the column buses (equivalent to an X coordinate in the array) and a detect located along the row buses (equivalent to a Y coordinate in the array ), and together giving an approximate 2D position for the location of the detection.
In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvatten de temporele voorwaarden een temporele overlap van het waarnemen van een geaggregeerd signaal omvattende een detectiesignaal van minstens één rijbus, en bij voorkeur minstens twee rijbussen horende bij aanpalende rijen, en van het waarnemen van een geaggregeerd signaal omvattende een detectiesignaal van minstens één, en bij voorkeur minstens twee kolombussen horende bij aanpalende kolommen, waarbij aan de hand van de kolombussen en rijbussen horende bij een geconfirmeerde detectie, de lokalisatie van de inval van het foton op de array bepaald wordt.In a preferred embodiment, the temporal conditions comprise a temporal overlap of sensing an aggregated signal comprising a detection signal of at least one row bus, and preferably at least two row buses associated with adjacent rows, and of sensing an aggregated signal comprising a detection signal of at least one, and preferably at least two column buses associated with adjacent columns, the localization of the incidence of the photon on the array being determined on the basis of the column buses and row buses associated with a confirmed detection.
Opnieuw kunnen de temporele voorwaarden afhankelijk van de omstandigheden strenger of losser ingesteld worden, en in bepaalde situaties zelfs dynamisch zodanig dat deze zich automatisch aanpassen op basis bijvoorbeeld van gemiddelde detectie van (al of niet vals-positieve) signalen in de bussen per tijdseenheid.Again, the temporal conditions can be set more strict or looser depending on the circumstances, and in certain situations even dynamically in such a way that they automatically adjust based on, for example, average detection of (false-positive or not) signals in the buses per unit of time.
Algemeen vereisen de temporele voorwaarden dat, om een detectie te confirmeren, dat de afzonderlijke detectiesignalen uit rijbus(sen) en kolombus(sen) overlappen, wat hier betekent dat het begin (leading edge) van de detectiesignalen binnen een voorafbepaalde tijdspanne vallen van elkaar, kleiner dan 100 ns, zoals bijvoorbeeld lager dan 50 ns, of bij voorkeur zelfs lager dan 10ns, 5 ns, 2.5 ns, 2ns, 1.5 ns, 1.0 ns, of zelfs lager. Bij voorkeur overlappen de detectiesignalen voor een substantieel gedeelte (minstens 25%, bij voorkeur minstens 50% of zelfs 75% overlappend). Deze eis zorgt ervoor dat willekeurige signalen door thermische noise en dergelijke, statistisch onwaarschijnlijk zijn gezien deze in twee verschillende detectoren quasi gelijktijdig zouden opgemerkt moeten worden. Om deze betrouwbaarheid op te drijven, kan de voorafbepaalde tijdspanne vernauwd worden en/of de mate van overlap, en/of eventuele andere factoren. Op basis hiervan kan ook bij detectie op meerdere rijbussen en/of kolombussen geverifieerd worden of het om afzonderlijke events gaat. Ten slotte kan bij detectie op meerdere rijbussen en meerdere kolombussen, ook de juiste matching uitgevoerd worden tussen de verschillende kolombussen en rijbussen door vergelijking van de graad van overlap. Als bvb. op t = 0.075 ns een signaal gedetecteerd wordt op kolombus 208, en op t = 2.45 ns op kolombus 472; en op t = 2.38 ns op rijbus 171 en op t = 0.081 ns op rijbus 23, kan afgeleid worden dat hoogstwaarschijnlijk twee events zijn gedetecteerd, één op positie (rijbus / kolombus) 208 / 23 en één op positie 472 / 171.In general, the temporal conditions require that, in order to confirm a detection, the separate detection signals from row bus(es) and column bus(es) overlap, meaning here that the beginning (leading edge) of the detection signals fall within a predetermined time span of each other, less than 100 ns, such as, for example, less than 50 ns, or preferably even less than 10 ns, 5 ns, 2.5 ns, 2 ns, 1.5 ns, 1.0 ns, or even less. Preferably, the detection signals overlap to a substantial extent (at least 25%, preferably at least 50% or even 75% overlapping). This requirement ensures that random signals due to thermal noise and the like are statistically unlikely as they should be detected almost simultaneously in two different detectors. To increase this reliability, the predetermined time span can be narrowed and/or the degree of overlap, and/or any other factors. Based on this, it can also be verified whether these are separate events when multiple row buses and/or column buses are detected. Finally, upon detection on multiple row buses and multiple column buses, the correct matching can also be performed between the different column buses and row buses by comparing the degree of overlap. If e.g. at t = 0.075 ns a signal is detected on column bus 208, and at t = 2.45 ns on column bus 472; and at t = 2.38 ns on row bus 171 and at t = 0.081 ns on row bus 23, it can be deduced that most likely two events have been detected, one at position (row bus / column bus) 208 / 23 and one at position 472 / 171.
Een tweede temporele correlatie wordt toegepast tussen opeenvolgende tijdsvensters. Immers, bij een scannend systeem is het te verwachten dat, indien bijvoorbeeld een juiste detectie is gebeurd in tijdsvenster 1, met gedetecteerde positie bvb [10,100], dat de verwachte detectie coordinaten voor tijdsvenster 2 hier dicht in de buurt zullen liggen. Op deze manier kan een overweging gemaakt worden om detecties die ver van de vorige gedetecteerde coordinaat liggen in beraad te houden en/of met mogelijke toekomstige informatie te bevestigen als waar of als vals. Op deze manier kan een spatio-temporele patroon gezocht worden in de detecties over een aantal tijdsvensters dat overeen moet komen of sterk moet lijken op het te verwachten patroon in functie van het scan patroon van de lichtbron. Het concept van de uitvinding reduceert dus de computationele load, door signalen van detectoren te aggregeren, waardoor effectieve events snel kunnen waargenomen voor een bepaalde bus, en weet dan door ingenieus gebruik te maken van bijkomende constraints om de precieze locatie van het event terug te vinden. Bij bijzondere voorkeur omvatten de spatiale voorwaarden het waarnemen van een geaggregeerd signaal dat een detectiesignaal omvat uit minstens twee kolombussen horende bij aanpalende kolommen in een voorafbepaald tijdsvenster, en het waarnemen van een geaggregeerd signaal dat een detectiesignaal omvat in minstens twee rijbussen horende bij aanpalende rijen in een voorafbepaald tijdsvenster, en waarbij genoemde confirmatiepatronen temporele en spatiale voorwaarden omvatten.A second temporal correlation is applied between successive time windows. After all, with a scanning system it is to be expected that, if for instance a correct detection has taken place in time window 1, with detected position, for instance [10,100], the expected detection coordinates for time window 2 will be close to this. In this way, consideration can be made to consider detections that are far from the previously detected coordinate and/or confirm as true or false with possible future information. In this way, a spatio-temporal pattern can be found in the detections over a number of time windows that should match or closely resemble the expected pattern as a function of the scanning pattern of the light source. The concept of the invention thus reduces the computational load, by aggregating signals from detectors, allowing effective events to be detected quickly for a given bus, and then knows by ingeniously using additional constraints to retrieve the precise location of the event. . Particularly preferably, the spatial conditions comprise sensing an aggregated signal comprising a detection signal from at least two column buses associated with adjacent columns in a predetermined time window, and sensing an aggregated signal comprising a detection signal from at least two row buses associated with adjacent rows in a predetermined time window, and wherein said confirmation patterns comprise temporal and spatial conditions.
Door zowel spatiale als temporele voorwaarden op te leggen, wordt de betrouwbaarheid van confirmatie van detectie sterk verbeterd. Bovendien is het op deze manier ook mogelijk om meerdere events in een tijdspanne correct te interpreteren zoals in voorgaande paragrafen besproken werd.By imposing both spatial and temporal conditions, the reliability of confirmation of detection is greatly improved. Moreover, in this way it is also possible to correctly interpret multiple events in a time span as discussed in previous paragraphs.
In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is elke SPD uniek verbonden aan één kolombus en uniek verbonden aan één rijbus. Het voordeel is hierbij dat het aantal detectoren beperkt wordt, en de locatie nauwkeuriger kan bepaald worden (X en Y coördinaat). Zo kan in een rij met 20 SPD’s die daaraan geassocieerd zijn, de eerste SPD's verbonden zijn aan een eerste rijbus voor die rij, de tweede 5 aan een tweede rijbus voor die rij, en de volgende sets van 5 aan een derde en vierde rijbus voor die 5 rij.In a preferred embodiment, each SPD is uniquely associated with one column bus and uniquely associated with one row bus. The advantage here is that the number of detectors is limited and the location can be determined more accurately (X and Y coordinate). For example, in a row with 20 SPDs associated therewith, the first SPDs can be connected to a first row bus for that row, the second 5 to a second row bus for that row, and the next sets of 5 to a third and fourth row bus for that row. that 5 row.
Elke SPD is dus maar verbonden aan één rijbus, maar omgekeerd kunnen de (rij)bussen verbonden zijn aan meerdere SPD's.Each SPD is therefore only connected to one bus, but conversely, the (driving) buses can be connected to several SPDs.
In een alternatieve voorkeurdragende uitvoeringsvorm is elke SPD uniek verbonden aan ofwel één kolombus ofwel één rijbus.In an alternative preferred embodiment, each SPD is uniquely associated with either one column bus or one row bus.
Een dergelijk systeem zal eenvoudiger zijn qua architectuur, maar hierbij wel meer detectoren gebruiken.Such a system will be simpler in architecture, but will use more detectors.
Een sterk voordeel is echter dat ‘foute’ detecties op een detector (door bijvoorbeeld ambient light en dergelijke) typisch niet zowel zullen doorgegeven worden aan kolom- en rijbus geassocieerd aan de detector, zoals in de vorige uitvoeringsvorm, hoewel dergelijke vals-positieven via andere voorwaarden kunnen uitgefilterd worden (zoals vereiste dat 2 of meer aanpalende bussen een detectiesignaal moeten ontvangen). In een verder voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvat de array M op N single- photon detectoren, dewelke in een matrix gepositioneerd zijn met M rijen en N kolommen, waarbij per rij de SPD's verdeeld zijn over twee of meer rijgroepen van, bij voorkeur in de rij opeenvolgende, SPD's, en waarbij eenzelfde verdeling van de SPD's per rij zich doorzet over alle rijen, waarbij de SPD's van een rijgroep verbonden zijn aan rijbus geassocieerd aan de rijgroep, en waarbij de spatiale voorwaarden bijkomend het waarnemen betreft van een geaggregeerd signaal dat een detectiesignaal omvat in minstens twee rijbussen horende bij aanpalende rijgroepen in een voorafbepaald tijdsvenster.A strong advantage, however, is that 'false' detections on a detector (by e.g. ambient light and the like) will typically not be passed to both column and row bus associated with the detector, as in the previous embodiment, although such false positives via other conditions can be filtered out (such as requirement that 2 or more adjacent buses must receive a detection signal). In a further preferred embodiment, the array comprises M on N single-photon detectors, which are positioned in a matrix with M rows and N columns, wherein per row the SPDs are distributed over two or more row groups of, preferably in the row consecutive, SPDs, and wherein the same distribution of the SPDs per row continues across all rows, the SPDs of a row group are connected to row bus associated with the row group, and wherein the spatial conditions additionally involve sensing an aggregated signal comprising a detection signal in at least two row buses associated with adjacent row groups in a predetermined time window.
Zo zijn er maximaal M rijbussen en N kolombussen, maar in de praktijk veel minder, gezien meerdere SPD's per rij- en kolombus gegroepeerd zijn.For example, there are a maximum of M row buses and N column buses, but in practice much less, since several SPDs are grouped per row and column bus.
In bepaalde omstandigheden, bij zeer hoge resoluties, ligt het aantal detectoren per rij zeer hoog, en is het computationeel efficiënter om de detectoren per rij verder te verdelen in een aantal rijgroepen per rij (bij voorkeur waarbij elke detector slechts bij één rijgroep kan horen, hoewel opties bestaan waarin een aantal tot zelfs alle detectoren tot twee of meer rijgroepen behoort), waarbij elke rijgroep een eigen geassocieerde rijbus heeft.In certain circumstances, at very high resolutions, the number of detectors per row is very high, and it is computationally more efficient to further divide the detectors per row into a number of row groups per row (preferably where each detector can belong to only one row group, although options exist in which some or even all detectors belong to two or more row groups), each row group having its own associated row bus.
Bij voorkeur beheert elke bus tussen de 1 en 20 detectoren, bij verdere voorkeur tussen 2 en 10, bij nog verdere voorkeur tussen 2 en 5, of zelfs tussen 2 en 4. Dit beperkt de hoeveelheid multiple events op een rijbus per tijdspanne, waardoor deze differentiatie minder rekenkracht vergt.Preferably, each bus manages between 1 and 20 detectors, more preferably between 2 and 10, even more preferably between 2 and 5, or even between 2 and 4. This limits the amount of multiple events on a row bus per time span, allowing it to differentiation requires less computing power.
Bovendien verhoogt de kans, bij een zeer groot aantal detectoren per rij zonder onderverdeling in rijgroepen, dat meerdere detectoren quasi-gelijktijdig een event waarnemen en dit bij de aggregatie van de signalen naar de rijbus, achteraf niet meer, of met beperkte zekerheid, te differentiëren valt. Een geschikte keuze van aantal detectoren per rijgroep zal deze problematiek sterk beperken, en aan de hand van statistische waarnemingen kan een geoptimaliseerd aantal bepaald worden, dat ook kan afhangen van de toepassing van de array (veel of weinig ambient light). In bepaalde uitvoeringsvormen kan het aantal detectoren per rijgroep ook dynamisch of manueel aangepast worden, om te kunnen inspelen op de omstandigheden. Zo kunnen er een aantal voorafbepaalde verdelingen bestaan waartussen kan gekozen worden. In een verder voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvat de array M op N single- photon detectoren dewelke in een matrix gepositioneerd zijn met M rijen en N kolommen, waarbij per kolom de SPD's verdeeld zijn over twee of meer kolomgroepen van, bij voorkeur in de kolom opeenvolgende, SPD's, en waarbij eenzelfde verdeling van de SPD's per kolom zich doorzet over alle kolommen, waarbij de SPD's van een kolomgroep verbonden zijn aan kolombus geassocieerd aan de kolomgroep, en waarbij de spatiale voorwaarden bijkomend het waarnemen betreft van een geaggregeerd signaal dat een detectiesignaal omvat in minstens twee kolombussen horende bij aanpalende kolomgroepen in een voorafbepaald tijdsvenster. Eenzelfde redenering als eerder beschreven voor de verdeling van de detectoren in een rij in rijgroepen, is hier van toepassing. Bij bijzonder voorkeur worden beide verdelingen (rijgroepen en kolomgroepen) gecombineerd zoals hierboven beschreven. Alternatief kunnen de detectoren afwisselend toegewezen worden aan de meerdere rijbussen en/of kolombussen, wat voordelen biedt bij de coïncidentiebepaling. Zo zal bij een impact die bijvoorbeeld meerdere aansluitende detectoren in één rij triggert (wat vaak gebeurt), dit leiden tot twee of meer rijbussen horende bij de rij die een detectie waarnemen. Bij een sequentiële verdeling zal dit leiden tot maar één rijbus die getriggerd wordt (tenzij het net twee detectoren betreffen die op de overgang tussen twee rijgroepen liggen).In addition, with a very large number of detectors per row without subdivision into row groups, the chance increases that several detectors detect an event quasi-simultaneously and cannot differentiate it afterwards, or with limited certainty, when aggregating the signals to the row bus. fall. A suitable choice of number of detectors per row group will greatly limit this problem, and on the basis of statistical observations an optimized number can be determined, which may also depend on the application of the array (much or little ambient light). In certain embodiments, the number of detectors per row group can also be dynamically or manually adjusted to accommodate the circumstances. Thus, there may be a number of predetermined distributions between which to choose. In a further preferred embodiment, the array comprises M on N single-photon detectors which are positioned in a matrix with M rows and N columns, wherein per column the SPDs are distributed over two or more column groups of SPDs, preferably consecutive in the column. , and wherein the same distribution of the SPDs per column continues over all columns, wherein the SPDs of a column group are connected to column bus associated with the column group, and wherein the spatial conditions additionally concern the detection of an aggregated signal comprising a detection signal in at least two column buses associated with adjacent column groups in a predetermined time window. The same reasoning as described earlier for the division of the detectors in a row into row groups applies here. Particularly preferably, both distributions (row groups and column groups) are combined as described above. Alternatively, the detectors can be alternately assigned to the multiple row buses and/or column buses, which offers advantages in the coincidence determination. For example, with an impact that triggers several adjacent detectors in one row (which often happens), this will lead to two or more row buses belonging to the row that detect a detection. With a sequential distribution, this will lead to only one row bus being triggered (unless it concerns just two detectors located on the transition between two row groups).
In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn de SPD's aangepast voor het voorzien van een signaal naar de verbonden rijbus en/of kolombus, waarbij genoemd signaal substantieel binair van aard is en het al of niet detecteren van invallend foton door de SPD weergeeft.In a preferred embodiment, the SPDs are adapted to provide a signal to the connected row bus and/or column bus, said signal being substantially binary in nature and representing whether or not the SPD detects incident photons.
In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is het systeem aangepast om de rijbussen en kolombussen met vastgezette tussenperiodes voor te laden, waarbij de rijbussen en kolombussen aangepast zijn om zich te ontladen bij ontvangst van een geaggregeerd signaal omvattende een detectiesignaal. In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is het evaluatiecircuit aangepast voor het controleren van ruimtelijke consistentie, waarbij een laatste lokalisatie van de inval van het foton op de array vergeleken wordt met één of meerdere voorgaande lokalisaties, en waarbij het evaluatiecircuit de laatste lokalisatie verwerpt bij detectie van een ruimtelijke discrepantie tussen de laatste lokalisatie en de voorgaande lokalisaties boven een voorafbepaalde, al of niet dynamische, bovengrens.In a preferred embodiment, the system is adapted to precharge the row buses and column buses at fixed intervals, the row buses and column buses being adapted to unload upon receipt of an aggregated signal including a detection signal. In a preferred embodiment, the evaluation circuitry is adapted to check spatial consistency, wherein a last localization of the photon incidence on the array is compared with one or more previous localizations, and wherein the evaluation circuitry rejects the last localization upon detection of a spatial discrepancy between the latest localization and the previous localizations above a predetermined, dynamic or non-dynamic, upper limit.
Door bovenstaande aanpassing kan op basis van historische gegevens, namelijk ‘gekende’ invalspositie van gereflecteerde straal, een ruwe filtering uitgevoerd worden die valse signalen verwijdert zonder dat hier veel rekenkracht aan besteed wordt in de verdere verwerking.Due to the above adjustment, on the basis of historical data, namely 'known' incidence position of the reflected beam, a rough filtering can be performed that removes false signals without much computing power being spent on this in further processing.
In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvat het systeem een synchronisatie- component voor het synchroniseren van de signalen uit de detectoren. Om de dispariteit te bepalen tussen de detectoren en de lichtbronnen, wordt een synchronisatie-component voorzien die deze temporeel op elkaar afstemt en synchroniseert. Dit kan onder meer bereikt worden door het fysiek verbinden van de elementen (detectoren en lichtbronnen) via kabel en via de kabel de elementen van een synchronisatiesignaal te voorzien. Alternatief kan het optische signaal (signaal van de lichtbronnen) op zichzelf een synchronisatiemoment voorzien dat verkregen wordt bij de acquisitie. Dit kan onder meer door het pulsen van het optisch signaal volgens een voorafbepaald patroon dat ‘herkend’ wordt, bijvoorbeeld als start van het scannen, waarbij alle sensoren dit kunnen gebruiken als een lokaal tijdstip 0, en daardoor onderling gesynchroniseerd zijn, alsook ten opzichte van de lichtbronnen. In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is het systeem aangepast om gedurende een gedeelte van een beeldvormingsprocedure enkel signalen van een variabele subset van de detectoren in rekening te brengen in het evaluatiecircuit tijdens de beeldvorming en signalen van detectoren niet in de subset weerhoudt, waarbij het systeem de detectoren in de subset selecteert op basis van voorgaande lokalisaties en optioneel op basis van oriëntatie en/of positionering van de één of meerdere lichtbronnen, waarbij de detectoren in de subset maximaal 25%, bij voorkeur maximaal 10%, van het totaal aantal detectoren omvat, en waarbij de detectoren in een subset samen gegroepeerd zijn.In a preferred embodiment, the system includes a synchronization component for synchronizing the signals from the detectors. In order to determine the disparity between the detectors and the light sources, a synchronization component is provided which temporally synchronizes and synchronizes them. This can be achieved, among other things, by physically connecting the elements (detectors and light sources) via cable and providing the elements with a synchronization signal via the cable. Alternatively, the optical signal (signal from the light sources) may per se provide a synchronization moment obtained upon acquisition. This can be done, inter alia, by pulsing the optical signal according to a predetermined pattern that is 'recognised', for example as the start of the scanning, whereby all sensors can use this as a local time 0, and are therefore mutually synchronized, as well as with respect to the light sources. In a preferred embodiment, the system is adapted to only consider signals from a variable subset of the detectors during a portion of an imaging procedure into the evaluation circuitry during imaging and not withhold signals from detectors in the subset, with the system incorporating the detectors into selects the subset based on previous localizations and optionally based on orientation and/or positioning of the one or more light sources, wherein the detectors in the subset comprises a maximum of 25%, preferably a maximum of 10%, of the total number of detectors, and wherein the detectors are grouped together in a subset.
In de praktijk zal per tijdspanne het grootste deel van de detectoren op de array geen event ervaren.In practice, most of the detectors on the array will not experience an event per time span.
Door het systeem aan te passen om slechts signalen van een deel van de detectoren te verwerken in het evaluatiecircuit (en een deel dus effectief te negeren), kan de computationele last sterk gereduceerd worden.By adapting the system to only process signals from a part of the detectors in the evaluation circuit (and thus effectively ignoring a part), the computational burden can be greatly reduced.
De moeilijkheid bestaat erin dat vooraf niet met zekerheid kan gesteld worden welke detectoren genegeerd mogen worden.The difficulty lies in the fact that it is not possible to determine with certainty in advance which detectors may be ignored.
Om die reden kan op statistische basis, en historische data, een schatting gemaakt worden van mogelijke variatie van de invalspositie van de gereflecteerde straal of stralen op het array, ten opzichte van de vorige gedetecteerde invalsposities, en bij voorkeur verder ook op basis van het scanning patroon van de lichtbron(nen). Door hiermee rekening te houden, kan een relevante zone gedefinieerd worden waar de gereflecteerde straal zal invallen met een voorafbepaalde statistische waarschijnlijkheid, waarbij detectoren buiten deze relevante zone niet in beschouwing genomen worden.For that reason, an estimate can be made on a statistical basis, and historical data, of possible variation of the incidence position of the reflected beam or beams on the array, relative to the previously detected incidence positions, and preferably also on the basis of the scanning pattern of the light source(s). Taking this into account, a zone of interest can be defined where the reflected beam will impinge with a predetermined statistical probability, not considering detectors outside this zone of interest.
Deze relevante zone kan substantieel cirkelvormig zijn, ovaal, rechthoekig, of grillig qua patroon.This zone of interest may be substantially circular, oval, rectangular, or jagged in pattern.
Op die manier moet een substantieel deel van de detectoren, zeker bij zeer grote arrays, niet in beschouwing genomen worden bij de verwerking.In this way, a substantial part of the detectors, especially with very large arrays, should not be taken into account during processing.
De bepaling van de relevante zone kan in bepaalde uitvoeringsvormen ook rekening houden met detecties in meerdere van de voorgaande tijdspannes, om zo een patroon hierin te herkennen waarmee rekening kan gehouden worden voor het voorspellen van de relevante zone.The determination of the zone of interest, in certain embodiments, may also take into account detections in several of the foregoing time periods, so as to recognize a pattern therein which can be taken into account in predicting the zone of interest.
Een zeer groot, bijkomend voordeel van het beperken tot een subset van de detectoren die actief zijn/in rekening gebracht worden, is dat op deze manier ook een groot aantal valse positieven (door thermische noise en dergelijke) niet verwerkt worden.A very large, additional advantage of limiting to a subset of the detectors that are active/charged is that in this way a large number of false positives (due to thermal noise and the like) are also not processed.
In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is het systeem aangepast om gedurende een gedeelte van een beeldvormingsprocedure slechts een variabele subset van detectoren te activeren tijdens de beeldvorming en detectoren niet in de subset deactiveert, waarbij het systeem de detectoren in de subset selecteert op basis van voorgaande lokalisaties en optioneel op basis van oriëntatie en/of positionering van de één of meerdere lichtbronnen, waarbij de detectoren in de subset maximaal 25%, bij voorkeur maximaal 10%, van het totaal aantal detectoren omvat, en waarbij de detectoren in een subset samen gegroepeerd zijn. In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvatten de detectoren single-photon avalanche dioden (SPAD), en zijn deze bij voorkeur SPADs.In a preferred embodiment, the system is adapted to activate only a variable subset of detectors during imaging during a portion of an imaging procedure and not deactivate detectors in the subset, the system selecting the detectors in the subset based on previous locations and optionally based on orientation and/or positioning of the one or more light sources, wherein the detectors in the subset comprise a maximum of 25%, preferably a maximum of 10%, of the total number of detectors, and the detectors in a subset are grouped together. In a preferred embodiment, the detectors comprise single-photon avalanche diodes (SPAD), and are preferably SPADs.
SPADs zijn halfgeleider-fotodetectoren die gebruik maken van een zeer hoge sperspanning, zodanig dat impactionisatie plaats vindt bij detectie, en er zo een lawine-effect optreedt, en dus een hoge stroom die zeer snel groeit. De keuze voor SPADs is deels gestoeld op de snelheid waarmee de impactionisatie bereikt wordt, en het eenvoudig ‘resetten’ van deze detectoren. In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn de detectoren voorzien van een quenching circuit dewelke het detectiesignaal van de detectoren normaliseert.SPADs are semiconductor photodetectors that use a very high reverse voltage, such that impact ionization takes place upon detection, causing an avalanche effect, and thus a high current that grows very quickly. The choice for SPADs is partly based on the speed at which the impact ionization is achieved, and the simple 'resetting' of these detectors. In a preferred embodiment, the detectors are provided with a quenching circuit which normalizes the detection signal from the detectors.
De aanwezigheid van een quenching circuit is noodzakelijk om de signalen (lawinestroom) te reduceren, om de detectoren te resetten, alsook om het signaal veroorzaakt door de lawinestroom te begrenzen. Het quenching circuit is bij voorkeur actief, bijvoorbeeld met behulp van een zogenaamde discriminator die de sperspanning reduceert, maar kan alternatief ook passief zijn, zoals in de vorm van een weerstand in serie met de detector. In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn per rijbus en per kolombus maximaal 100 detectoren, bij voorkeur maximaal 50 detectoren, verbonden.The presence of a quenching circuit is necessary to reduce the signals (avalanche current), to reset the detectors, as well as to limit the signal caused by the avalanche current. The quenching circuit is preferably active, for example using a so-called discriminator which reduces the reverse voltage, but can alternatively also be passive, such as in the form of a resistor in series with the detector. In a preferred embodiment, a maximum of 100 detectors, preferably a maximum of 50 detectors, are connected per row bus and per column bus.
Zoals aangegeven, is het efficiënter om het aantal detectoren per bus te begrenzen. Op deze manier is het eenvoudiger om meervoudige events op een bus te onderscheiden van elkaar, en kunnen er strengere spatiale voorwaarden opgelegd worden.As indicated, it is more efficient to limit the number of detectors per bus. In this way, it is easier to distinguish multiple events on a bus from each other, and stricter spatial conditions can be imposed.
In wat volgt, zullen een aantal specifieke uitvoeringsvormen in de praktijk besproken worden, alsook aan de hand van schematische voorstellingen in de figuren.In what follows, a number of specific embodiments will be discussed in practice, as well as with reference to schematic representations in the figures.
VOORBEELDEN In een eerste voorbeeld betreft de uitvinding een detectie-architectuur aangepast voor zeer snelle (i.e. over tijdspannes van 10 ns of minder) en laagdrempelige (i.e.EXAMPLES In a first example, the invention relates to a detection architecture adapted for very fast (i.e. over time spans of 10 ns or less) and low-threshold (i.e.
bij beperkte fotonbudgetten) fotondetectie, en vertaling daarvan naar duidelijk digitaal signaal om een event (effectieve detectie van gereflecteerde lichtstraal in tegenstelling tot ambient light of thermische noise) weer te geven.at limited photon budgets) photon detection, and translation thereof to a clear digital signal to represent an event (effective detection of reflected light beam as opposed to ambient light or thermal noise).
Figuur 1 geeft een schematische voorstelling weer van een rudimentaire versie van het systeem volgens de uitvinding, omvattende minstens één lichtbron (2) en één, bij voorkeur N, detectoren of sensoren (1) die een bepaald tafereel in de omgeving capteren. De lichtbron verlicht het tafereel met een lichtstraal (laser of LED), typisch in een voorgeprogrammeerd patroon en/of op sequentiële wijze, zoals het scannen van het tafereel via een lichtpunt (3) in een dynamisch patroon (4). De N detectoren (1) detecteren de positie van het lichtpunt (3) in het tafereel, bijvoorbeeld via triangulatie op basis van de output van de verschillende detectoren.Figure 1 shows a schematic representation of a rudimentary version of the system according to the invention, comprising at least one light source (2) and one, preferably N, detectors or sensors (1) that capture a particular scene in the environment. The light source illuminates the scene with a light beam (laser or LED), typically in a preprogrammed pattern and/or in a sequential manner, such as scanning the scene through a point of light (3) in a dynamic pattern (4). The N detectors (1) detect the position of the light point (3) in the scene, for example via triangulation based on the output of the different detectors.
Gezien het opzet van de uitvinding gericht is op het verwerken van miljoenen voxels per second, zonder het probleem te ‘brute forcen’, moet de snelheid waarmee gescand kan worden zeer hoog zijn, en de verwerking daarvan geoptimaliseerd worden gezien het beperkte fotonbudget en korte tijdsframe.Since the design of the invention is aimed at processing millions of voxels per second, without brute forcing the problem, the scanning speed must be very high, and its processing optimized given the limited photon budget and short time frame. .
Figuur 2 geeft een schematische voorstelling weer van een systeem (1) volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding, waarbij het systeem een lichtgevoelige zone (11) omvat, typisch een array van lichtgevoelige elementen of detectoren (bvb. SPAD) omvattend. Het systeem omvat verder een evalutie-circuit (12), dat een logica-circuit omvat, zoals een logische poort of variaties hierop, die verbonden is met de lichtgevoelige zone (11) en die aangepast is voor het determineren van de validiteit van de data verkregen van de detectoren van de lichtgevoelige zone. Verder omvat het systeem hier een logica-circuit (12 indien gecombineerd met logica-circuit voor valideren van de data) voor het samenvoegen van de data/signalen verkregen van de detectoren tot een (enkelvoudige) datastream. Ook kan het systeem een synchronisatie-component omvatten voor het synchroniseren van de datastream en het optische signaal van de lichtbron(nen) en/of de data van de verschillende detectoren.Figure 2 shows a schematic representation of a system (1) according to an embodiment of the invention, the system comprising a photosensitive zone (11), typically comprising an array of photosensitive elements or detectors (e.g. SPAD). The system further includes an evaluation circuit (12), which includes a logic circuit, such as a logic gate or variations thereof, connected to the photosensitive zone (11) and adapted to determine the validity of the data. obtained from the detectors of the photosensitive zone. Furthermore, the system here comprises a logic circuit (12 when combined with logic circuit for validating the data) for merging the data/signals obtained from the detectors into a (single) data stream. The system may also include a synchronization component for synchronizing the data stream and the optical signal from the light source(s) and/or the data from the different detectors.
In een eerste specifiekere versie van dit voorbeeld, conceptueel weergegeven in Figuur 3, omvat de lichtgevoelige zone (11) een veelheid van SPADs (21) opgesteld in een array met M rijen en N kolommen, waarbij iedere SPAD voorzien is van een quenching circuit, passief of actief, en waarbij de SPADs voorgesteld worden als een vierkante cel. Merk op dat de twee connectiepunten per cel puur visueel zijn, en dienen als verbindingspunt van de SPAD naar een rij- en/of kolombus. Alle SPADs zijn verbonden aan een kolombus (24) en aan een rijbus (23), waarbij per rij en/of kolom één of meerdere bussen voorzien zijn (bij voorkeur meerdere bussen per rij en per kolom, hoewel het mogelijk is om alle SPADs op een rij of kolom op één bus te connecteren). In Figuur 3 worden per rij 2 rijbussen en per kolom 2 kolombussen gebruikt, waarbij de SPADs afwisselend aan de ene of de andere bus aangesloten worden. Alternatief kan dit ook sequentieel gebeuren (eerste X opeenvolgende SPADs op eerste bus, rest op tweede bus). Bij detectie van een foton op SPAD, zal dit leiden tot detectie van een event op de geassocieerde rij- en kolombus. In Figuur 4A wordt het voorbeeld gegeven van een fotonimpact die gedetecteerd wordt op 4 verschillende, naburige SPADs (zie cirkel). Indien elke impact voldoende is om een detectie te triggeren op de SPAD (laagenergetische impact kan onvoldoende zijn om de SPAD tot avalanche breakdown te leiden), wordt een detectie doorgegeven op 4 rij(groep)bussen en 4 kolom(groep)bussen, zoals te zien is aan de hand van de signalen links voor de rijbussen, en onderaan voor de kolombussen.In a first more specific version of this example, conceptually depicted in Figure 3, the photosensitive zone (11) comprises a plurality of SPADs (21) arranged in an array of M rows and N columns, each SPAD having a quenching circuit, passive or active, and wherein the SPADs are represented as a square cell. Note that the two connection points per cell are purely visual, serving as the connection point from the SPAD to a row and/or column bus. All SPADs are connected to a column bus (24) and to a row bus (23), whereby one or more buses are provided per row and/or column (preferably several buses per row and per column, although it is possible to have all SPADs on a row or column on one bus). In Figure 3, 2 row buses are used per row and 2 column buses per column, whereby the SPADs are connected alternately to one or the other bus. Alternatively, this can also be done sequentially (first X consecutive SPADs on first bus, rest on second bus). Detection of a photon on SPAD will lead to detection of an event on the associated row and column bus. Figure 4A shows the example of a photon impact detected on 4 different, adjacent SPADs (see circle). If each impact is sufficient to trigger a detection on the SPAD (low energy impact may be insufficient to cause the SPAD to cause avalanche breakdown), a detection is propagated on 4 row (group) buses and 4 column (group) buses, as shown in can be seen by means of the signals on the left for the row buses, and below for the column buses.
In Figuur 4B wordt ook een event gedetecteerd op een enkele SPAD (linksboven, tweede rij, eerste kolom), die leidt tot een doorgegeven detectie op één rijbus en één kolombus.Also in Figure 4B, an event is detected on a single SPAD (top left, second row, first column), leading to a propagated detection on one row bus and one column bus.
Het evaluatiecircuit (12) die de signalen ontvangt van de rij- en kolombussen legt hierbij een aantal voorwaarden op voor het evalueren van de inkomende signalen, om al of niet een geconfirmeerde event aan te geven. Zo zal het evaluatie-circuit typisch solitaire events, zoals de detectie linksboven, beschouwen als een valse detectie, terwijl meervoudige detecties bij naburige bussen (zoals op rij 3-4, kolom 3-4), typisch wel zullen beschouwd worden als echte events.The evaluation circuit (12) which receives the signals from the row and column buses hereby imposes a number of conditions for evaluating the incoming signals, to indicate whether or not a confirmed event. For example, the evaluation circuitry will typically regard solitary events, such as the top left detection, as a false detection, while multiple detections on neighboring buses (such as on row 3-4, column 3-4) will typically be considered true events.
In Figuur 4C wordt nog een bijkomende solitaire event gedetecteerd op rij 5, kolomIn Figure 4C, an additional solitaire event is detected on row 5, column
2. Dit leidt tot een vermeend event op twee naburige kolombussen (kolombus 2 en 3), die echter afkomstig is van twee afzonderlijke events. Door echter ook rekening te houden met de rijbussen, kan men zien dat dit gaat om afzonderlijke solitaire events, die beiden weerhouden kunnen worden.2. This leads to a supposed event on two adjacent column buses (column bus 2 and 3), which, however, originates from two separate events. However, by also taking the busses into account, it can be seen that these are separate solitaire events, both of which can be retained.
Om te vermijden dat solitaire events kunnen leiden tot een patroon dat voldoet aan de voorwaarden van het evaluatie-circuit (voorafbepaald patroon of patronen), is het voordelig om voldoende bussen te voorzien per rij en kolom SPADs, gezien dit de kans beperkt om op naburige bussen toevallig events waar te nemen in eenzelfde tijdsframe.To avoid that solitary events can lead to a pattern that satisfies the conditions of the evaluation circuit (predetermined pattern or patterns), it is advantageous to provide enough buses per row and column of SPADs, as this limits the chance of hitting neighboring SPADs. buses happen to perceive events in the same time frame.
Echte events (i.e. echte impact van gereflecteerde lichtstraal op array) leiden normaliter echter wel tot detecties die voldoen aan de voorwaarden van het evaluatie-circuit, gezien het triggeren niet beperkt blijft tot één SPAD, maar ook één of meer naburige SPADs zal triggeren, en bovendien in een zeer beperkt tijdsframe, wat de correlatie tussen de afzonderlijke detecties zal bevestigen bij evaluatie.However, real events (ie real impact of reflected light beam on array) will normally lead to detections that meet the conditions of the evaluation circuit, as the triggering is not limited to one SPAD, but will also trigger one or more neighboring SPADs, and moreover, in a very limited time frame, which will confirm the correlation between the individual detections when evaluated.
De uitvinding maakt hierbij gebruik van coïncidentie detectie op basis van de ruimtelijke positie van de pixels (detectoren) in de array, door confirmatiepatronen te zoeken in de signalen van de rij- en kolombussen, om zo te bepalen of een echt fotonpakket (en dus een gereflecteerde lichtstraal) gedetecteerd werd. In Figuur 4C wordt een bijkomende maatregel voorzien, namelijk het beperken van de actieve/in rekening gebrachte detectoren tot een subset van de detectoren, door middel van een zogenaamde “enable window” (22). De term “enable window” draagt geen beperking op vorm of grootte, en kan dynamisch variëren hierin. Deze window fungeert als voorspellende zone waarin verwacht wordt het lichtpunt te detecteren op basis van historisch data (zoals voorgaande detecties, bewegingspatroon over vorige detecties heen, sterke van ambient licht, etc.). Op deze manier wordt een substantieel deel van de SPADs niet mee in rekening gebracht voor de lokalisatie van inval van de lichtstraal, wat enerzijds de valse positieven sterk reduceert (gezien deze voor een groot deel at random verspreid zijn, en door het aantal SPADs te beperken, het aantal valse detecties in dezelfde graad beperkt wordt), en anderzijds ook het aantal te verwerken signalen beperkt, en wordt vermeden dat de bussen — gesatureerd worden door solitaire events. Alternatief, of aanvullend aan voorgaande, kan ook de gevoeligheid van de detectoren aangepast worden, al of niet dynamisch, om op die manier verzadiging van de kolom- en/of rijbussen te vermijden. Als gevolg hiervan zal meer energie moeten gebruikt worden in het actief optisch signaal (i.e. lichtbron) om de kans op voldoende fotonen die samen invallen (coïncidentie) te verhogen. Op deze manier kan achtergrondstraling en thermische noise efficient gefilterd worden. Door een aantal confirmatiepatronen te definiëren, kan het systeem eenvoudig, snel (en eventueel dynamisch) aangepast worden voor verschillende situaties. Bijvoorbeeld kan in situaties met beperkt omgevingslicht, zoals ’s nachts, indoor, etc., de spatiale voorwaarde verwijderd of versoepeld worden. Ook kunnen ‘ongewenste’ events gefilterd worden door de ruwe detecties te vergelijken met een verwacht verlichtingspatroon, dat bijvoorbeeld rekening houdt met het patroon waarmee de verlichtingsbron het tafereel scant. Zo kan in een uitvoeringsvorm de lichtbron geprogrammeerd zijn om het tafereel te scannen aan de hand van een Lissajous patroon, wat een impact zal hebben op de waargenomen detecties, die typisch een soortgelijk patroon zullen aannemen, zij het verstoord. Hierbij kunnen dan sterk afwijkende detecties ten opzichte van het verwachte verlichtingspatroon verworpen worden als noise en dergelijk.The invention hereby makes use of coincidence detection based on the spatial position of the pixels (detectors) in the array, by looking for confirmation patterns in the signals of the row and column buses, in order to determine whether a real photon packet (and thus a reflected light beam) was detected. In Figure 4C, an additional measure is provided, namely limiting the active/charged detectors to a subset of the detectors, by means of a so-called “enable window” (22). The term “enable window” carries no limitation on shape or size, and may vary dynamically herein. This window acts as a predictive zone in which the light point is expected to be detected based on historical data (such as previous detections, movement pattern over previous detections, ambient light strength, etc.). In this way, a substantial part of the SPADs are not taken into account for the localization of incidence of the light beam, which on the one hand greatly reduces the false positives (since they are largely randomly distributed, and by limiting the number of SPADs , the number of false detections is limited to the same degree), and on the other hand also limits the number of signals to be processed, and the buses are prevented from being saturated by solitary events. Alternatively, or in addition to the foregoing, the sensitivity of the detectors can also be adjusted, dynamically or not, in order in this way to avoid saturation of the column and/or row buses. As a result, more energy will have to be used in the active optical signal (i.e. light source) to increase the chance of sufficient photons coincident (coincidence). In this way background radiation and thermal noise can be filtered efficiently. By defining a number of confirmation patterns, the system can be easily, quickly (and possibly dynamically) adapted for different situations. For example, in situations with limited ambient light, such as at night, indoor, etc., the spatial condition can be removed or relaxed. Also, 'unwanted' events can be filtered out by comparing the raw detections to an expected lighting pattern, which takes into account, for example, the pattern with which the lighting source scans the scene. Thus, in one embodiment, the light source may be programmed to scan the scene according to a Lissajous pattern, which will impact the sensed detections, which will typically adopt a similar pattern, albeit distorted. In this case, strongly deviating detections from the expected illumination pattern can be rejected as noise and the like.
In bepaalde uitvoeringsvormen kunnen bovendien meerdere ‘confirmatiestromen’ van geëvalueerde detecties die voldoen aan verschillende confirmatiepatronen in parallel gehouden worden. Zo kunnen deze afgetoetst worden aan metingen in latere tijdspannes om zo tot een grotere zekerheid te komen welke de correcte confirmatiestroom was.In addition, in certain embodiments, multiple "confirmation streams" of evaluated detections matching different confirmation patterns may be held in parallel. In this way, these can be checked against measurements in later time periods in order to achieve greater certainty which the correct confirmation flow was.
De communicatie van detector naar bus kan bijvoorbeeld via een pull-down (of pull- up) element aan de bus, waarbij een detectie een signaal genereert dat zorgt voor ontlading van de voorgeladen bus. Na afloop van elke tijdspanne van detectie worden de bussen terug voorgeladen ter afwachten van het voorkomen of niet van een detectie vanuit de SPAD. Het voordeel hiervan is dat deze pull-down ontladingen zeer eenvoudig detecteerbaar zijn voor het evaluatie-circuit. Optioneel kan een versterkercircuit voorzien worden voorafgaand aan het discretiseren van de signalen. Aan de hand hiervan, kan het systeem per tijdspanne een lijst voorzien van locaties in de array waar confirmatiepatronen gedetecteerd werden.The communication from detector to bus can, for example, be done via a pull-down (or pull-up) element on the bus, whereby a detection generates a signal that causes discharge of the precharged bus. At the end of each time span of detection, the buses are preloaded again to wait for the occurrence or not of a detection from the SPAD. The advantage of this is that these pull-down discharges are very easily detectable by the evaluation circuit. Optionally, an amplifier circuit may be provided prior to discretizing the signals. Based on this, the system can provide a list per time span of locations in the array where confirmation patterns were detected.
In een alternatieve uitvoeringsvorm, betreft de uitvinding een systeem waarbij het lichtgevoelig deel op 1 laag geimplementeerd is en de verwerkings-circuits en -logica op een 2de laag. De lagen zijn op elkaar gestapeld en verbonden met 1 of meer elektrische connecties per pixel of per pixel group. Het zoeken naar verwachte detectiepatronen in de sensor kan nu nog lokaler gebeuren, waarbij in plaats van detectiepatronen op projecties (rij-/kolombussen) een twee-dimensionaal patroon gezocht kan worden in elk sub-venster van de sensor array. Another embodiment of the invention introduced a stacking layer in which the spad detector triggers are combined and analysed. When working on a single layer, the assertions need to be monitored on the ‘projections’, either on column and row busses, or different projections such as diagonal or other busses. The introduction of a second layer provide more local monitoring of spad detector clusters, monitoring their co-inciding event creation. Due to the more local monitoring, less spad detector devices can be considered per cluster and saturation of the busses can be avoided when high amounts of ambient event are being generated.In an alternative embodiment, the invention relates to a system in which the photosensitive part is implemented on 1 layer and the processing circuitry and logic on a 2nd layer. The layers are stacked on top of each other and connected with 1 or more electrical connections per pixel or per pixel group. The search for expected detection patterns in the sensor can now be done even more locally, whereby instead of detection patterns on projections (row/column buses), a two-dimensional pattern can be searched in each sub-window of the sensor array. Another embodiment of the invention introduced a stacking layer in which the spad detector triggers are combined and analysed. When working on a single layer, the assertions need to be monitored on the 'projections', either on column and row busses, or different projections such as diagonal or other busses. The introduction of a second layer provide more local monitoring of spad detector clusters, monitoring their co-inciding event creation. Due to the more local monitoring, less spad detector devices can be considered per cluster and saturation of the busses can be avoided when high amounts of ambient event are being generated.
Also, the assertion pattern can now be considered as a 2 dimensional assertion pattern that can be compared with each detection cluster under test. When a match is found with the wanted assertion pattern a detection can be considered with high confidence.Also, the assertion pattern can now be considered as a 2 dimensional assertion pattern that can be compared with each detection cluster under test. When a match is found with the wanted assertion pattern a detection can be considered with high confidence.
In een alternatieve uitvoeringsvorm, betreft de uitvinding een systeem met een array aan pixels, waarbij elke pixel één of meerdere single-photon detectoren, bij voorkeur SPADs, omvat. De pixels kunnen daarbij (gedeeltelijk) overlappen, waarbij naburige pixels detectoren kunnen delen.In an alternative embodiment, the invention relates to an array of pixels, wherein each pixel comprises one or more single-photon detectors, preferably SPADs. The pixels can (partially) overlap, whereby neighboring pixels can share detectors.
Door thermische noise en achtergrondstraling die op de pixels invalt, zullen de detectoren een detectiesignaal uitsturen aan een rate gelijk aan de DCR (dark count rate) en BGR (background rate). Deze events zijn onderling niet temporeel gecorreleerd, waardoor de detectoren los van elkaar zullen getriggerd worden. Door in het confirmatiepatroon of de temporele en spatiale voorwaarden op te nemen dat enkel een detectie geconfirmeerd wordt wanneer één of meerdere SPADs in een pixel getriggerd worden in een voorafbepaalde tijdsframe, wordt het aanvaarden van valse positieven drastisch verminderd, gezien de events van valse positieven niet gecorreleerd zijn. In contrast daarmee, wanneer een pixel bestraald wordt met een actieve lichtstraal (ie. afkomstig van belichting van het tafereel door de lichtbron(nen)) binnen de voorafbepaalde tijdspanne (van bijvoorbeeld 10 ns), waarbij het energiebudget van de lichtstraal zodanig aangepast is dat een SPAD of andere detector die belicht wordt door een gereflecteerde straal, ook effectief één of meer fotonen waarneemt en zo getriggerd wordt. Op deze wijze verhoogt de kans ook sterk dat een pixel meerdere events waarneemt in de afzonderlijke detectoren of SPADs van de pixel. Dit berust verder op coïncidentie detectie. In de huidige uitvinding wordt het principe van coïncidentie detectie gebruikt als signaal zonder dat hierbij een exacte tijdsstempel voorzien wordt gekoppeld aan het event, gezien enkel de locatie van het event op de array nodig is. Een pixel kan op deze wijze coïncidentie events detecteren en doorgeven aan de kolom- en rijbus om aan te geven dat een event heeft plaatsgevonden. Het mechanisme voor evaluatie van de coïncidentie kan voorzien worden per pixel of alternatief per set pixels. Alternatief kan het ook geïntegreerd zijn in de periferie van de systemen, wat de array zelf sterk vereenvoudigt, gezien geen lokale coïncidentie evaluatie meer nodig is, en enkel quenching circuits. Elke SPAD zal een waarneming doorgeven aan de rij- en/of kolombus aan dewelke de SPAD geassocieerd is. De periferie kan hierbij een massief parallel verbonden digitaal circuit omvatten, dat over elke voorafbepaalde tijdspanne (10 ns) de toestand van de bus monitort. Indien in deze tijdspanne events gedetecteerd worden in: - 2 naburige kolommen en voor eenzelfde lijn (in geval een 2X1 confirmatiepatroon voldoende is); of - 2 naburige lijnen en voor eenzelfde kolom (voor een 1X2 confirmatiepatroon); of - 2 naburige lijnen en twee naburige kolommen (voor een 2x2 confirmatiepatroon); of - een ander voorafbepaald confirmatiepatroon; dan wordt een event geconfirmeerd en gerapporteerd. Vervolgens kan het eventueel voorzien worden van een tijdsstempel en gecommuniceerd worden aan een verder toestel.Due to thermal noise and background radiation incident on the pixels, the detectors will emit a detection signal at a rate equal to the DCR (dark count rate) and BGR (background rate). These events are not temporally correlated with each other, so the detectors will be triggered separately. By including in the confirmation pattern or temporal and spatial conditions that a detection is only confirmed when one or more SPADs in a pixel are triggered in a predetermined time frame, the acceptance of false positives is drastically reduced, since false positive events are not be correlated. In contrast, when a pixel is irradiated with an active light beam (i.e. from illumination of the scene by the light source(s)) within the predetermined time span (of e.g. 10 ns), the energy budget of the light beam is adjusted such that a SPAD or other detector illuminated by a reflected beam also effectively detects and triggers one or more photons. In this way, the probability also greatly increases that a pixel detects multiple events in the individual detectors or SPADs of the pixel. This further relies on coincidence detection. In the present invention, the principle of coincidence detection is used as a signal without providing an exact timestamp associated with the event, since only the location of the event on the array is needed. In this way, a pixel can detect coincidence events and pass it on to the column and row bus to indicate that an event has occurred. The coincidence evaluation mechanism may be provided per pixel or alternatively per set of pixels. Alternatively, it can also be integrated in the periphery of the systems, which greatly simplifies the array itself, since no local coincidence evaluation is needed anymore, and only quenching circuits. Each SPAD will pass an observation to the row and/or column bus to which the SPAD is associated. The periphery can herein comprise a massive parallel connected digital circuit, which monitors the state of the bus over every predetermined period of time (10 ns). If in this time span events are detected in: - 2 neighboring columns and for the same line (in case a 2X1 confirmation pattern is sufficient); or - 2 adjacent lines and for the same column (for a 1X2 confirmation pattern); or - 2 adjacent lines and two adjacent columns (for a 2x2 confirmation pattern); or - another predetermined confirmation pattern; then an event is confirmed and reported. It can then optionally be time-stamped and communicated to a further device.
Het is verondersteld dat de huidige uitvinding niet beperkt is tot de uitvoeringsvormen die hierboven beschreven zijn en dat enkele aanpassingen of veranderingen aan de beschreven voorbeelden kunnen toegevoegd worden zonder de toegevoegde conclusies te herwaarderen.It is believed that the present invention is not limited to the embodiments described above and that some modifications or changes may be added to the described examples without revising the appended claims.
Claims (15)
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US17/928,249 US20230217136A1 (en) | 2020-05-29 | 2021-05-28 | Pixel sensor system |
JP2022572393A JP2023528321A (en) | 2020-05-29 | 2021-05-28 | pixel sensor system |
IL298469A IL298469A (en) | 2020-05-29 | 2021-05-28 | Pixel sensor system |
PCT/IB2021/054688 WO2021240455A1 (en) | 2020-05-29 | 2021-05-28 | Pixel sensor system |
EP21736043.7A EP4158387B1 (en) | 2020-05-29 | 2021-05-28 | Pixel sensor system |
CN202180028732.XA CN115413320A (en) | 2020-05-29 | 2021-05-28 | Pixel sensor system |
KR1020227045288A KR20230017254A (en) | 2020-05-29 | 2021-05-28 | pixel sensor system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BE202005385 | 2020-05-29 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BE1028366A1 BE1028366A1 (en) | 2022-01-04 |
BE1028366B1 true BE1028366B1 (en) | 2022-01-11 |
Family
ID=71995767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BE20205564A BE1028366B1 (en) | 2020-05-29 | 2020-08-07 | PIXEL SENSOR SYSTEM |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BE (1) | BE1028366B1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120257789A1 (en) * | 2011-04-06 | 2012-10-11 | Jun Haeng Lee | Method and Apparatus for Motion Recognition |
WO2013018006A1 (en) * | 2011-08-03 | 2013-02-07 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Position-sensitive readout modes for digital silicon photomultiplier arrays |
US20180262705A1 (en) * | 2017-03-08 | 2018-09-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image processing device configured to regenerate timestamp and electronic device including the same |
-
2020
- 2020-08-07 BE BE20205564A patent/BE1028366B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120257789A1 (en) * | 2011-04-06 | 2012-10-11 | Jun Haeng Lee | Method and Apparatus for Motion Recognition |
WO2013018006A1 (en) * | 2011-08-03 | 2013-02-07 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Position-sensitive readout modes for digital silicon photomultiplier arrays |
US20180262705A1 (en) * | 2017-03-08 | 2018-09-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image processing device configured to regenerate timestamp and electronic device including the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BE1028366A1 (en) | 2022-01-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7541030B2 (en) | Temporal Jitter in LIDAR Systems | |
WO2021046547A1 (en) | Processing of lidar images | |
CN111274834B (en) | Reading of optical codes | |
WO1994008258A1 (en) | Apparatus and a method for classifying movement of objects along a passage | |
CN113412413B (en) | Systems and methods for imaging and sensing vibrations | |
US11169270B2 (en) | Solid-state imaging device | |
EP4160140A1 (en) | Three dimensional imaging system | |
BE1028366B1 (en) | PIXEL SENSOR SYSTEM | |
EP4158387B1 (en) | Pixel sensor system | |
EP4256778B1 (en) | Neighborhood-gated switching pixel sensor | |
BE1028950B1 (en) | NEIGHBORHOOD SWITCHED PIXEL SENSOR | |
EP4241051B1 (en) | Persistence filtering in spd arrays | |
Boehrer et al. | Laser warning and pointed optics detection using an event camera | |
BE1029563B1 (en) | Pixel array with dynamic lateral and temporal resolution | |
US11644553B2 (en) | Detection of reflected light pulses in the presence of ambient light | |
US6069358A (en) | Pulsed optical threat detection | |
Brown | Signal Conditioning and Feature Estimation for Profiling Sensor Systems | |
CN116400367A (en) | Light detection and ranging LiDAR readout integrated circuit, liDAR system and operation method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG | Patent granted |
Effective date: 20220111 |