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2.图像传感器或成像传感器是可以检测辐射的空间强度分布的传感器。图像传感器通常通过电信号表示检测到的图像。基于半导体器件的图像传感器可以分为几种类型，其包括半导体电荷耦合器件(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)和n型金属氧化物半导体(nmos)。
3.如上所述，图像传感器除了用于捕获物体的二维(2d)图像(即，用于检测入射辐射的空间强度分布)之外，其还可以用于激光雷达(光检测和测距)系统，用于捕获物体的距离图像(即，用于检测入射辐射的空间距离分布)。
4.本文公开一种操作设备的方法，所述设备包括(a)包括雪崩光电二极管(apd)(i)，i＝1，
，n，所述雪崩光电二极管(i)包括吸收区(i)和放大区(i)，其中所述吸收区(i)被配置为从被所述吸收区(i)吸收的光子产生载流子，其中所述放大区(i)包括结(i)，在所述结(i)中具有结电场(i)，其中所述结电场(i)的值足以引起进入所述放大区(i)的载流子的雪崩，但不足以使所述雪崩自我维持，并且其中所述结(i)，i＝1，
，n，是离散的，(b)辐射源，以及(c)光学系统，所述方法包括：使用所述辐射源在时间点t1a发射第一照明光子的第一脉冲；对于i＝1，
，n，测量从t1a到时间点t1b(i)的飞行时间(1，i)，在所述时间点t1b(i)，所述第一照明光子中的一个光子从对应于所述雪崩光电二极管(i)的目标物体的表面光点(1，i)反弹后，通过所述光学系统返回所述雪崩光电二极管(i)；对于i＝1，
，n，基于所述飞行时间(1，i)，确定从所述设备到所述表面光点(1，i)的光点距离(1，i)；使用所述辐射源在时间点t2a发射第二照明光子的第二脉冲；对于j＝1，
，n，测量从t2a到时间点t2b(j)的飞行时间(2，j)，在所述时间点t2b(j)，所述第二照明光子中的一个光子从对应于所述雪崩光电二极管(j)的目标物体的表面光点(2，j)反弹后，通过所述光学系统返回所述雪崩光电二极管(j)；对于j＝1，
，n，基于所述飞行时间(2，j)，确定从所述设备到所述表面光点(2，j)的光点距离；并且对于k＝1，
，n，所述的比较所述光点距离(1，k)和所述光点距离(2，k)包括确定距离变化(k)，所述距离变化(k)是所述光点距离(1，k)和所述光点距离(2，k)之间的差。
6.根据实施例，所述方法进一步包括识别其绝对值超过预定正阈值的所述距离变化(k)，k＝1，
7.根据实施例，所述方法进一步包括确定所述被识别的所述距离变化(k)，k＝1，
，n，在所述吸收区(i)中的吸收区电场(i)没有高到足以在所述吸收区(i)中引起雪崩效应。
，n，所述雪崩光电二极管(i)进一步包括放大区(i’)，使得所述放大区(i)和所述放大区(i’)位于所述吸收区(i)的相对的两侧。
，n，所述第一层(i)是掺杂半导体，并且所述第二层(i)是重掺杂半导体。
，n，所述结(i)进一步包括夹在所述第一层(i)和所述第二层(i)之间的第三层(i)，并且，对于i＝1，
19.根据实施例，所述图像传感器进一步包括分别与所述第二层(i)，i＝1，
20.根据实施例，所述图像传感器进一步包括钝化材料，所述钝化材料被配置为钝化所述吸收区(i)，i＝1，
21.根据实施例，所述图像传感器进一步包括电连接到所述吸收区(i)，i＝1，
，n，所述结(i)通过(a)所述吸收区(i)的材料、(b)所述第一层(i)的材料或所述第二层(i)的材料、(c)绝缘材料或(d)掺杂半导体的保护环(i)与相邻连接的结分开。
，n，所述保护环(i)是与所述第二层(i)具有相同掺杂类型的掺杂半导体，并且，对于i＝1，
24.根据实施例，所述方法进一步包括如果至少有一个所述光点距离(1，k)和所述光点距离(2，k)，k＝1，
25.根据实施例，所述光学系统被配置为会聚入射在所述光学系统上的光子。
26.根据实施例，所述光学系统包括第一柱面透镜和第二柱面透镜，并且所述第一柱面透镜位于所述目标物体和所述第二柱面透镜之间。
27.根据实施例，所述第一柱面透镜被配置为在第一维度上会聚入射在其上的光子，所述第二柱面透镜被配置为在第二维度上进一步会聚穿过所述第一柱面透镜之后的所述入射光子，并且所述第一维度垂直于所述第二维度。
28.根据实施例，所述第一柱面透镜和所述第二柱面透镜的每个焦距均为正，并且所述第一柱面透镜的焦距比所述第二柱面透镜的焦距短。
29.图1示意示出当雪崩光电二极管(apd)处于线性模式时，作为入射在所述雪崩光电二极管上的光的强度的函数的所述雪崩光电二极管中的电流，以及当所述雪崩光电二极管处于盖革模式时，作为入射在所述雪崩光电二极管上的光的强度的函数的所述雪崩光电二极管中的电流。
30.图2a、图2b和图2c示意示出根据实施例的雪崩光电二极管的操作。
37.图6示出根据实施例的对所述激光雷达系统的所述操作进行总结和概括的流程图。
38.图7示出根据另一实施例的对所述激光雷达系统500的所述操作进行总结和概括的流程图。
39.图8a示意示出根据实施例的所述激光雷达系统的所述光学系统的透视图。
42.雪崩光电二极管(apd)是一种光电二极管，其在暴露于光时利用雪崩效应来产生电流。所述雪崩效应是一种过程，其中，材料中的自由载流子受到电场的强烈加速，随后与所述材料中的其他原子发生碰撞，从而使所述原子电离(撞击电离)并释放出额外的载流子，释放出来的所述载流子加速并与更多原子发生碰撞，释放更多的载流子——一种连锁反应。
43.碰撞电离是材料中的一个带能载流子可以通过产生其他载流子而失去能量的过程。例如，在半导体中，具有足够动能的电子(或空穴)可以将一个束缚电子从其束缚态(在价带中)中敲出，并将其提升到导带的状态，从而形成电子-空穴对。
44.雪崩光电二极管可以在盖革模式或线性模式下工作。当所述雪崩光电二极管在盖革模式下工作时，它可以被称为单光子雪崩二极管(spad)(也称为盖革模式雪崩光电二极管或g-雪崩光电二极管)。单光子雪崩二极管是在高于击穿电压的反向偏置下工作的雪崩光电二极管。这里“高于”是指所述反向偏压的绝对值大于所述击穿电压的绝对值
45.单光子雪崩二极管可以用于检测低强度的光(例如，低至单个光子)并以几十皮秒的抖动来发信号以提示所述光子的到达时间。在反向偏压(即，p-n结的p型区以比n型区低的电势偏置)高于p-n结的击穿电压的情况下，单光子雪崩二极管可以呈p-n结的形式。p-n
结的击穿电压是反向偏压，高于该值时，所述p-n结中的电流会呈指数增长。
46.雪崩光电二极管可以在线性模式下工作。在低于所述击穿电压的反向偏置下工作的所述雪崩光电二极管以线性模式工作，因为所述雪崩光电二极管中的所述电流与入射在所述雪崩光电二极管上的所述光的强度成正比。
47.图1示意示出当雪崩光电二极管处于线性模式时，作为入射在所述雪崩光电二极管上的光的强度的函数112的所述雪崩光电二极管中的电流，以及当所述雪崩光电二极管处于盖革模式时，作为入射在所述雪崩光电二极管上的光的强度的函数111的所述雪崩光电二极管中的电流(即，当雪崩光电二极管是单光子雪崩二极管时)。在盖革模式下，所述电流显示出随着所述光的强度急剧增加，然后达到饱和。在线性模式下，所述电流本质上与所述入射光的强度成正比。
48.图2a、图2b和图2c示意示出根据实施例的雪崩光电二极管的操作。图2a示出当光子(例如，x射线光子)被所述雪崩光电二极管的吸收区210吸收时，可以产生多个(一个x射线个)电子-空穴对。然而，为简单起见，仅示出一对电子-空穴对。所述吸收区210具有足够的厚度，因此对所述入射光子具有足够的吸收率(例如，＞80％或＞90％)。对于软x射线微米或更厚的硅层。所述吸收区210中的所述电场没有高到足以在所述吸收区210中引起雪崩效应。
49.图2b示出所述电子和空穴在所述吸收区210中沿相反方向漂移。图2c示出当所述电子(或空穴)进入放大区220时，在所述放大区220中发生雪崩效应，从而产生更多的电子和空穴。所述放大区220中的所述电场高到足以引起进入所述放大区220的载流子的雪崩，但不足以使所述雪崩效应自我维持。自我维持的雪崩是在外部触发因素消失后所述雪崩继续存在的现象，例如入射在所述雪崩光电二极管上的光子或漂移到所述雪崩光电二极管中的载流子。
50.所述放大区220中的电场可以是在所述放大区220中掺杂分布的结果。例如，所述放大区220可以包括p-n结或在其耗尽区中具有电场的异质结。用于所述雪崩效应的阈值电场(即，在其之上发生雪崩效应而在其之下不发生雪崩效应的电场)是所述放大区220的所述材料的特性。所述放大区220可以位于所述吸收区210的一侧或相对的两侧。
51.图3a示意示出基于雪崩光电二极管350(也称为传感元件350或像素350)阵列的图像传感器300的截面图。如图2a、图2b和图2c所示的示例，每个所述雪崩光电二极管350可以具有吸收区310和放大区312+313。所述图像传感器300中的至少一些或全部所述雪崩光电二极管350可以有它们的吸收区310连接在一起。即，所述图像传感器300可以有以在至少一些或全部所述雪崩光电二极管350之间共享的吸收层311的形式连接的吸收区310。
52.所述雪崩光电二极管350的放大区312+313是离散区。即，所述雪崩光电二极管350的放大区312+313没有连接在一起。在实施例中，所述吸收层311可以是诸如硅晶片的半导体晶片的形式。所述吸收区310可以是本征半导体或非常轻掺杂的半导体(例如，《10
掺杂剂/cm3、《109掺杂剂/cm3)，具有足够的厚度，从而对于感兴趣的入射光子(例如，x射线光子)具有足够(例如，》80％或》90％)的吸收率。
53.所述放大区312+313可以具有由至少两个层，层312和层313，形成的结315。所述结315可以是p-n结的异质结。在实施例中，所述层312是p型半导体(例如，硅)，并且所述层313是重掺杂的n型层(例如，硅)。所述短语“重掺杂”不是程度术语。重掺杂半导体的导电率可
与金属相媲美，并且本质上表现出线性正热系数。在重掺杂半导体中，掺杂能级合并为一个能带。重掺杂的半导体也称为简并半导体。
掺杂剂/cm3或更高的掺杂水平。所述层312和所述层313可以通过外延生长、掺杂剂注入或掺杂剂扩散形成。所述层312和所述层313的能带结构和掺杂水平可以选择，使得所述结315的耗尽区电场大于所述312层和所述313层的材料中的电子(或空穴)的雪崩效应的阈值电场，但没有高到导致自我维持的雪崩。即，当所述吸收区310中存在入射光子时，所述结315的耗尽区电场应引起雪崩，而所述吸收区310中没有更多入射光子时所述雪崩应停止。
55.所述图像传感器300可以进一步包括分别与所述雪崩光电二极管350的所述层313电接触的电极304。所述电极304被配置为收集流过所述雪崩光电二极管350的电流。所述图像传感器300可以进一步包括钝化材料303，所述钝化材料303被配置为钝化所述雪崩光电二极管350的所述吸收区310和所述层313的表面以减少在所述表面处的复合。
56.所述图像传感器300可以进一步包括电子层120，所述电子层120可包括电连接到所述电极304的电子系统。所述电子系统适用于处理或解释由入射在所述吸收区310上的辐射在所述雪崩光电二极管350中产生的电信号(即，所述载流子)。所述电子系统可以包括模拟电路，例如滤波器网络、放大器、积分器和比较器，或者数字电路，例如微处理器和存储器。所述电子系统可以包括一个或多个模拟数字转换器。
57.所述图像传感器300可以进一步包括：配置在与所述放大区312+313相对的所述吸收区310上的重掺杂层302，和位于所述重掺杂层302上的公共电极301。至少一些或全部所述雪崩光电二极管350的所述公共电极301可以连接在一起。至少一些或全部所述雪崩光电二极管350的所述重掺杂层302可以连接在一起。
58.当一个光子入射在所述图像传感器300上时，它可以被所述雪崩光电二极管350的其中之一个雪崩光电二极管350的所述吸收区310吸收，因此，在所述吸收区310中会产生载流子。所述载流子的一类(电子或空穴)向该所述雪崩光电二极管350之一的所述放大区312+313漂移。当载流子进入所述放大区312+313时，所述雪崩效应发生并引起所述载流子的放大。所述被放大的载流子可以通过该所述雪崩光电二极管350的其中之一个雪崩光电二极管350的所述电极304由所述电子层120收集，作为电流。
59.当该所述雪崩光电二极管350的其中之一个雪崩光电二极管350处于线性模式时，所述电流与每单位时间入射在所述吸收区310中的光子的数量成正比(即，与入射在该所述雪崩光电二极管350的其中之一个雪崩光电二极管350上的所述光的强度成正比)。可以编译所述雪崩光电二极管处的电流以表示光的空间强度分布，即，一个二维图像。所述放大的载流子可以选择通过该所述雪崩光电二极管350的其中之一个雪崩光电二极管350的所述电极304收集，并且所述光子的数量可以由所述载流子来确定(例如，利用所述电流的时间特性)。
60.所述雪崩光电二极管350的所述结315应是离散的，即，所述雪崩光电二极管的其中之一个雪崩光电二极管的所述结315不应与所述雪崩光电二极管的其中之另一个雪崩光电二极管的所述结315连接。在所述雪崩光电二极管350的一个所述结315处放大的载流子不应与另一个所述结315共享。
61.所述雪崩光电二极管的其中之一个雪崩光电二极管的所述结315可以(a)通过包
裹在所述结周围的所述吸收区的材料，(b)通过所述层312或所述层313的材料(c)通过包裹在所述结周围的绝缘材料，或(d)通过掺杂半导体的保护环而与相邻雪崩光电二极管的所述结315隔离。
62.如图3a所示，所述雪崩光电二极管350的每个所述层312可以是离散的，即，不与所述雪崩光电二极管的其中之另一个雪崩光电二极管的所述层312连接；所述雪崩光电二极管350的每个所述层313可以是离散的，即，不与另一个所述雪崩光电二极管的所述层313连接。图3b示出所述图像传感器300的变体，其中一些或全部所述雪崩光电二极管的所述层312连接在一起。
63.图3c示出所述图像传感器300的变体，其中所述结315被保护环316围绕。所述保护环316可以是绝缘体材料或掺杂半导体。例如，当所述层313是重掺杂的n型半导体时，所述保护环316可以是与所述层313相同材料但不重掺杂的n型半导体。所述保护环316可以存在于如图3a或图3b所示的所述图像传感器300中。
64.图3d示出所述图像传感器300的变体，其中所述结315具有夹在所述层312和所述层313之间的本征半导体层317。每个所述雪崩光电二极管350中的所述本征半导体层317可以是离散的，即，未与另一个雪崩光电二极管的其他本征半导体层317连接。一些或全部所述雪崩光电二极管350的所述本征半导体层317可以连接在一起。
65.图4a-图4h示意示出制造所述图像传感器300的方法。所述方法可以从获得半导体衬底411(图4a)开始。所述半导体衬底411可以是硅衬底。所述半导体衬底411可以是本征半导体或非常轻掺杂的半导体(例如，《10
掺杂剂/cm3、《109掺杂剂/cm3)，其具有足够的厚度，从而对于感兴趣的入射光子(例如，x射线光子)具有足够(例如，》80％或》90％)的吸收率。
66.在所述半导体衬底411的一侧上形成重掺杂层402(图4b)。可以形成所述重掺杂层402(例如，重掺杂p型层)以将合适的掺杂剂扩散或注入到所述半导体衬底411中。
67.在所述半导体衬底411的与所述重掺杂层402相对的一侧上形成掺杂层412(图4c)。所述层412可以具有10
掺杂剂/cm3的掺杂水平。所述层412可以与所述重掺杂层402具有相同(即，如果所述层402是p型，则所述层412是p型，如果所述层402是n型，则所述层412是n型)的掺杂类型。可以通过将合适的掺杂剂扩散或注入到所述半导体衬底411中或通过外延生长来形成所述层412。所述层412可以是连续的层或可以具有离散区。
68.可选的层417(图4d)可以形成在所述层412上。所述层417可以通过所述层412与所述衬底411的材料完全隔开。即，如果所述层412具有离散区，则所述层417具有离散区。所述层417是本征半导体。所述层417可以通过外延生长形成。
69.如果所述层417存在，则在所述层417上形成层413(图4e)，或者如果所述层417不存在，则在所述层412上形成所述层413。所述层413可以通过所述层412或所述层417与所述衬底411的材料完全分离。所述层413可以具有离散区。所述层413具有与所述层412相反类型(即，如果层412是p型，则层413是n型；如果层412是n型，则层413是p型)掺杂剂的重掺杂半导体。所述层413可以具有10
70.可以通过将合适的掺杂剂扩散或注入到所述衬底411中或通过外延生长来形成所述层413。所述层413、所述层412和所述层417如果存在，则形成离散的结415(例如，p-n结、p-i-n结、异质结)。
71.可选的保护环416(图4f)可以在所述结415的周围形成。所述保护环416可以是与所述层413掺杂类型相同但不重掺杂的半导体。
72.可以应用钝化材料403(图4g)来钝化所述衬底411、所述层412和所述层413的表面。可以形成电极404并通过所述层413将其电连接到所述结415。可以在所述重掺杂层402上形成公共电极401以用于与之进行电连接。
73.在单独衬底上的所述电子层120(图4h)可与图4g的结构结合，使得所述电子层120中的电子系统与所述电极404电连接，从而形成图像传感器300。
74.在实施例中，图3a-图3d的所述图像传感器300的俯视图在图5中示出。具体地讲，参考图5，所述图像传感器300可以包括以3行4列的矩形阵列布置的12个雪崩光电二极管350。图3a-图3d是根据不同实施例的图5的所述图像传感器300沿着线个截面图。通常，所述图像传感器300可以包括以任何方式布置的任意数量的雪崩光电二极管350。
75.在实施例中，图5示意示出激光雷达(光检测和测距)系统500。所述激光雷达系统500可以包括图像传感器300、光学系统510和电连接到所述图像传感器300的辐射源520。所述激光雷达系统500可以用于捕获诸如人脸、人、椅子、树木等物体的距离图像(也称为三维轮廓)。
76.在实施例中，所述激光雷达系统500在捕获物体的距离图像中的操作可以如下。首先，可以布置或配置(或两者都进行)所述激光雷达系统500，以使将要被捕获其距离图像的物体(称为目标物体)在所述激光雷达系统500的视场(fov)510f中。如果可能，还可以布置(或移动)所述目标物体，使其位于所述激光雷达系统500的所述视场510f中。例如，如果所述激光雷达系统500用于捕获人脸的距离图像，则所述激光雷达系统500可以布置或配置(或两者都进行)和/或该人可以移动，以使该人的脸在所述视场510f中并且面向所述激光雷达系统500。所有在所述视场510f中传播然后进入所述光学系统510的光子都被所述光学系统510引导到所述图像传感器300的所述12个雪崩光电二极管350。
垂直。换句线f具有直角金字塔的形状，其顶点是所述激光雷达系统500(或更具体地讲，是所述光学系统510)，而其基部510b是距离顶点很远的矩形(或为简单起见，将其设为无穷大)。因为所述光学系统510被认为是所述视场510f的顶点，故该顶点可以被称为顶点510。
78.在实施例中，所述视场510f可以被认为包括与所述图像传感器300的所述12个雪崩光电二极管350相对应的12个子视场(sub-fov)，使得所有在子视场中传播然后进入所述光学系统510的光子都被所述光学系统510引导到相应的雪崩光电二极管350。具体地讲，所述视场510f的所述基部510b可被认为包括以3行4列的阵列布置的12个基部矩形。每个基部矩形和所述顶点510形成表示所述12个子视场中的一个子视场的子金字塔。例如，所述基部矩形510b.1和所述顶点510形成一个子金字塔，所述子金字塔表示与所述雪崩光电二极管350.1相对应的所述子视场(为简单起见，此后，所述子金字塔、所述子视场和所述基部矩形使用相同的附图标记510b.1)。因此，在所述子视场510b.1中传播然后进入所述光学系统510的所有光子都被所述光学系统510引导到所述图像传感器300的相应雪崩光电二极管350.1。
79.在实施例中，当所述目标物体在所述激光雷达系统500的所述视场510f中时，所述辐射源520可以朝向所述目标物体发射照明光子脉冲(或闪光或爆发)520’，以照亮所述目
80.关于所述激光雷达系统500相对于所述雪崩光电二极管350.1的操作，假设所述相应的子视场510b.1通过表面光点540(也称为场景的一个点)与面向所述激光雷达系统500的目标物体的表面相交。进一步假设所述脉冲520’的光子从所述表面光点540反弹，返回到所述激光雷达系统500(或更具体地讲，是所述光学系统510)，并由所述光学系统510引导到相应的雪崩光电二极管350.1。因此，所述光子有助于引起所述雪崩光电二极管350.1中的载流子数量的尖峰(即，急剧增加)。从所述子视场510b.1中的所述表面光点540反弹，返回所述激光雷达系统500并进入所述雪崩光电二极管350.1的所述脉冲520’的光子越多，所述尖峰越大，则所述尖峰越容易被所述图像传感器300的所述电子层120检测到。
81.在实施例中，所述电子层120可以被配置为(a)测量从所述辐射源发射所述脉冲520’的时间到出现所述雪崩光电二极管350.1中的载流子数量的尖峰的时间的时间段(简称为飞行时间或简称为tof)，然后(b)基于测得的飞行时间，确定从所述激光雷达系统500到所述表面光点540的光点距离。在实施例中，用于确定所述光点距离的公式为：d＝1/2(c
tof)，其中d是光点距离，c是线m/s)。例如，如果测得的飞行时间为60ns，则d＝1/2(3
82.在替代实施例中，所述光点距离可以用光从所述激光雷达系统500传播到所述表面光点540所需要的时间来表示。在该替代实施例中，用于确定所述光点距离的公式为：d＝1/2tof。例如，如果测得的飞行时间为60ns，则d＝1/2(60ns)＝30ns。
83.在实施例中，所述激光雷达系统500相对于其他11个雪崩光电二极管350的操作类似于上述的所述激光雷达系统500相对于所述雪崩光电二极管350.1的操作。因此，所述激光雷达系统500总共确定从所述激光雷达系统500到所述12个子视场中的12个表面光点的12个光点距离。这12个光点距离包括上述的从所述激光雷达系统500到所述子视场510b.1中的表面光点540的一个光点距离。这12个光点距离构成了所述视场510f中所述目标物体的距离图像。换句线个光点距离，所述激光雷达系统500已经在所述视场510f中捕获了所述目标物体的距离图像。可以认为所述目标物体的所述距离图像具有以3行4列的矩形阵列布置的12个图像像素，其中所述12个图像像素包括上述的12个光点距离。
84.图6示出了总结和概括上述的所述激光雷达系统500的操作的流程图。在步骤610中，所述辐射源520朝向所述目标物体发射照明光子脉冲520’，从而照亮所述目标物体。从所述目标物体的表面反弹并返回所述激光雷达系统500的所述脉冲520’的光子被所述光学系统510引导至所述图像传感器300的n个雪崩光电二极管350(n为正整数)。所述返回光子在所述n个雪崩光电二极管350中的载流子的数量中产生n个尖峰。在步骤620中，对于所述n个雪崩光电二极管350中的每个雪崩光电二极管350，从所述辐射源520发射所述脉冲520’的时间，到所述照明光子的一个光子从对应于所述雪崩光电二极管350的目标物体的表面光点反弹后通过所述光学系统返回所述雪崩光电二极管350的时间，的所述飞行时间可以被确定。在步骤630中，对于每个雪崩光电二极管350，从所述激光雷达系统500到对应于所述雪崩光电二极管350的所述表面光点的光点距离可以被确定。换句线中，共同基于所述n个飞行时间可以确定所述目标物体的三维(3d)轮廓。
85.在实施例中，可以将所述被确定的所述目标物体的三维轮廓与先前已知的三维轮
廓进行匹配(即，与之相比较)。例如，所述被确定的三维轮廓可以是试图通过安全检查点以进入政府建筑物的人的面部轮廓，并且可以将所述被确定的三维轮廓与先前已知的禁止列表中的三维轮廓进行比较。如果存在匹配项，则该人可能会被拒绝进入。
86.在实施例中，所述光子脉冲520’可以包括红外光子。因为红外光子对于人的眼睛是安全的，因此所述激光雷达系统500可以安全地用于通常使人们靠近所述激光雷达系统500的应用中(例如，自动驾驶汽车、面部图像捕获等)。硅不能很好地吸收入射的红外光子(即，硅允许红外光子基本上不被吸收而通过)。因此，在现有技术的典型图像传感器的硅吸收区中产生的电信号(或载流子)相当弱，所以可能被所述典型图像传感器内的电噪声所遮盖。相反，本文公开的所述雪崩光电二极管350，即使由硅制成，通过所述雪崩效应显著放大了入射红外光子在所述硅吸收区310产生的电信号。因此，所述放大的电信号(即，上述的尖峰)可以容易地被所述电子层120检测到。这意味着主要包含硅的所述激光雷达系统500是起作用的。因为硅是相当便宜的半导体材料，所以主要包含硅的所述激光雷达系统500(在实施例中)制造起来相当便宜。
87.在上述实施例中，所述图像传感器300包括12个雪崩光电二极管350。通常，所述图像传感器300可以包括以任何方式(即，不一定以如上所述的矩形阵列)布置的n个雪崩光电二极管350(n为正整数)。所述图像传感器300具有的所述雪崩光电二极管350越多，捕获的距离图像具有的空间距离分辨率越高。如上所述，在n＞1的情况下，所述激光雷达系统500通常被称为闪光激光雷达系统。
88.对于n＝1的情况，所述图像传感器300仅具有1个雪崩光电二极管350。这种情况下，在实施例中，可以将所述视场510f变窄，例如是1
垂直。于是，照明光子的所述脉冲520’可以聚焦在所述狭窄的视场510f上，并且看起来像狭窄的光束，其基本上仅照射所述狭窄的视场510f中的所述目标物体。这种情况(n＝1)的优点在于，因为照明光子的所述脉冲520’的功率聚焦在狭窄的视场510f上，所以所述激光雷达系统500可以捕获远离所述激光雷达系统500的目标物体的距离图像。例如，这种情况(n＝1)的所述激光雷达系统500可以安装在飞行的飞机上，以在所述视场510f扫描地面(即，在所述激光雷达系统500捕获新的距离图像之前，将所述视场510f对准所述场景的新点)时按顺序捕获下方地面的距离图像。
89.在上述实施例中，所述图像传感器300的所述电子层120的所述电子系统包括飞行时间测量和光点距离确定所需的所有电子组件。在替代实施例中，所述激光雷达系统500可以进一步包括电连接到所述图像传感器300和所述辐射源520的单独的信号处理器(或者甚至是计算机)，使得所述电子层120的所述电子系统和所述信号处理器可以共同处理飞行时间测量和光点距离确定。因此，在所述替代实施例中，所述图像传感器300的所述电子层120不必包括飞行时间测量和光点距离计算所需的所有电子设备，因此可以更容易地被制造。
90.在实施例中，在上述捕获所述目标物体的距离图像之后，所述激光雷达系统500可以被用于以类似方式捕获更多距离图像。具体地讲，如果将所述激光雷达系统500安装在自动驾驶汽车上以监视周围的物体，则在捕获每个距离图像之前，可以布置或配置(或两者都进行)所述激光雷达系统500，以使将所述视场510f对准新的场景。例如，在捕获每个新的距离图像之前，可以使所述激光雷达系统500(或更具体地讲，所述视场510f)围绕穿过所述激光雷达系统500的垂直轴旋转40
91.替代地，如果所述激光雷达系统500用于监视房间的闯入者，则在实施例中，当所述激光雷达系统500依次(即，一个接一个地捕获距离图像)在所述视场510f中捕获所述房间物体的距离图像时，所述激光雷达系统500的所述视场510f相对于所述房间保持静止。
92.接下来，在实施例中，所述激光雷达系统500可以被配置为比较由所述激光雷达系统500在第一时间点捕获的第一距离图像和由所述激光雷达系统500在第二时间点捕获的第二距离图像，其中所述第二时间点是所述第一时间点之后的td秒。例如，可以将td选择为10秒，以使所述第一距离图像和所述第二距离图像相互重叠时，所述第一距离图像中的闯入者的图像不太可能与所述第二距离图像中的闯入者的图像重叠。
93.图7示出总结和概括所述激光雷达系统500在比较两个距离图像时的操作的流程图。在步骤710中，所述辐射源520在第一时间点t1a发射第一照明光子的第一脉冲。在步骤720中，对于所述n个雪崩光电二极管350中的每一个，飞行时间(1，i)可以被测量(即，i＝1，...，n)。在步骤730中，对于所述n个雪崩光电二极管350中的每一个，光点距离(1，i)可以被确定(即，i＝1，...，n)。在步骤740中，所述辐射源520在所述第一时间点t1a之后的第二时间点t2a发射第二照明光子的第二脉冲。在步骤750中，对于所述n个雪崩光电二极管350中的每一个，飞行时间(2，j)可以被测量(即，j＝1，...，n)。在步骤760中，对于所述n个雪崩光电二极管350中的每一个，光点距离(2，j)可以被确定(即，j＝1，...，n)。在步骤770中，对于所述n个雪崩光电二极管350中的每一个，光点距离(1，k)和光点距离(2，k)可以被比较(即，k＝1，...，n)。换句线a捕获的所述第一距离图像和所述第二距离图像进行比较。
94.在实施例中，所述第一距离图像和所述第二距离图像的所述比较可以包括如下所示的确定所述第一距离图像和所述第二距离图像之间的差异。可以通过从所述第一距离图像减去所述第二距离图像来获得表示所述第一距离图像和所述第二距离图像之间差异的大小为3
4的距离变化图像。具体地讲，假设所述第一距离图像包括12个光点距离d1(i)，i＝1，
，12，中的至少一个的绝对值(即，模数)超过预定的正阈值，则会触发警报。
95.接下来，在实施例中，基于如上所述获得的所述距离变化图像，所述激光雷达系统500可以被配置为识别在比较所述第一距离图像和所述第二距离图像时经历变化的12个像素位置的3
4阵列的可疑像素的位置。具体地讲，基于所述距离变化图像，所述激光雷达系统500可以被配置为如下所示的获得包括12个布尔图像像素(i)，i＝1，
，12，如果rc(i)的绝对值超过所述激光雷达系统500的用户预先指定的正阈值，则所述布尔图像的所述布尔图像像素(i)设置为真。否则，所述布尔图像的所述布尔图像像素(i)设置为假。所述为真的布尔型图像像素识别所述可疑像素位置。
96.接下来，在实施例中，所述激光雷达系统500可以被配置为对如上所述的识别出的所述可疑像素位置应用算法，以确定所述可疑像素位置在所述12个像素位置的所述3
4阵列内是否总体上具有人体的大小和形状。如果答案是肯定的，则所述激光雷达系统500可以被配置为触发安全警报系统以表明闯入者可能在房间中。
97.在实施例中，参考图5，所述光学系统510可以被配置为会聚从所述目标物体的表面反弹的返回光子，以朝向所述图像传感器300的所述传感元件350(例如，所述雪崩光电二极管350)产生会聚的返回光子。图8a示意示出根据实施例的所述光学系统510的透视图。所述光学系统510可以包括第一柱面透镜802和第二柱面透镜804。所述第一柱面透镜802和所述第二柱面透镜804可以彼此分离。
98.图8b示意示出根据另一实施例的所述光学系统510的透视图。在图8b的示例中，所述第一柱面透镜802和所述第二柱面透镜804可以相互连接。具体地讲，所述第一柱面透镜802的矩形面连接到所述第二柱面透镜804的矩形面。
99.在实施例中，所述第一柱面透镜802和所述第二柱面透镜804可以相互正交地布置，即，所述第一柱面透镜802的轴线b中的z方向上的虚线)垂直于所述第二柱面透镜804的轴线b中的y方向上的虚线.在实施例中，所述第一柱面透镜802和所述第二柱面透镜804的每个焦距均可以是正的。在图8a和图8b的示例中，所述第一柱面透镜802和所述第二柱面透镜804均可以具有平凸配置。在实施例中，所述第一柱面透镜802的焦距可以短于所述第二柱面透镜804的焦距。
101.图8c根据实施例示意示出包括所述第一柱面透镜802和所述第二柱面透镜804的所述光学系统510的操作(俯视图)。所述第一柱面透镜802可以位于所述目标物体810与所述第二柱面透镜804之间。所述第二柱面透镜804可以位于所述第一柱面透镜802与所述图像传感器300的所述传感元件350之间。
102.在图8c的示例中，所述第一柱面透镜802的轴线在z方向上(例如，指向x-y平面外)，并且所述第一柱面透镜802的曲面面向所述目标物体810。所述第二柱面透镜804的轴线在y方向上，并且所述第二柱面透镜804的曲面面向所述图像传感器300的所述传感元件350。
103.当所述目标物体810被由所述辐射源520(图5)产生的照明光子脉冲照射时，所产生的返回光子可撞击所述第一柱面透镜802的所述曲面上的不同位置。所述第一柱面透镜802可以在y维度(也称为第一维度)上会聚入射在其上的所述返回光子。所述第二柱面透镜804可以在z维度(也称为垂直于第一维度的第二维度)上进一步会聚穿过所述第一柱面透镜802之后的所述返回光子，使得会聚的所述返回光子朝向所述图像传感器300传播并被所述图像传感器300的传感元件350(图5)接收。
104.尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是为了说明的目的而不是限制性的，其真正的范围和精神应该以本文中的权利要求书为准。
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