CN102538955A - 辐射传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种辐射传感器，其包括：一个或者多个第一像素和一个或者多个第二像素。第一光学元件设置在第一像素和第二像素之上，并且具有第一视场。第二光学元件设置在一个或者多个第二像素之上，并且具有第二视场。第二光学元件定位在第一光学元件与一个或者多个第二像素之间，其中第一视场基本上比第二视场窄，并且基本上位于第二视场内。

Description

辐射传感器

技术领域

本发明涉及辐射传感器、组合的邻近和环境光传感器以及包括这种辐射传感器或者组合的邻近和环境光传感器的移动通信设备。

背景技术

环境光传感器典型地(例如，与照相机模块图像传感器相比)包括相对少量(例如，10×10阵列)的曝光敏感像素，以用于提供环境光水平的指示。由于环境光传感器不必能够捕获清晰的图像，所以仅需要少量的像素。环境光传感器在许多应用中使用，这些应用包括移动通信设备(诸如移动电话和PDA)、膝上式电脑、台式电脑、网络照相机等。

邻近传感器典型地包括辐射源和对应的检测器，该检测器也包括相对少量的曝光敏感像素。邻近感测通过以下实现：从辐射源发射光；捕获由物体反射回到检测器的光；以及处理所反射的光以确定物体的邻近。邻近传感器也在许多应用中使用，这些应用包括移动通信设备和车辆停放传感器。

环境光传感器和邻近传感器典型地形成在具有单独的传感器窗口的单独的芯片上。因此，当它们两者在单个设备中一起使用时，单独的环境光传感器和邻近传感器具有单独的占用面积，并且要求在设备外壳中的单独的传感器窗口。

发明内容

本公开的第一方面提供了一种辐射传感器，包括：一个或者多个第一像素和一个或者多个第二像素；设置在第一像素和第二像素之上并且具有第一视场的第一光学元件；以及设置在一个或者多个第二像素之上并且具有第二视场的第二光学元件，该第二光学元件定位在第一光学元件与一个或者多个第二像素之间，其中第一视场基本上比第二视场窄，并且基本上位于第二视场内。

典型地，第一光学元件定位在第二光学元件的视场内。

优选地，第一像素和第二像素形成在共同的衬底上。更优选地，第一像素和第二像素为同一像素阵列的部分。在一个实施例中，一个或者多个第一像素与一个或者多个第二像素邻近。这些特征最小化了辐射传感器的占用面积。这例如在空间有限的移动通信设备的设计中是有利的。

一个或者多个第一像素的视场基本上由所述第一像素元件决定，而第二像素的视场(或者组合的所有第二像素的视场)基本上由所述第二光学元件决定。因此，第一像素和第二像素可以用于要求不同视场的不同功能。例如但是并非排它的，根据本公开的第一方面的辐射传感器与辐射源(辐射源可以设置在与第一像素和第二像素相同的封装中，或者设置在单独的封装或单独的封装隔间中)组合时可以用作组合的辐射和邻近传感器。

典型地，第一光学元件和/或第二光学元件包括一个透镜、多个透镜或者折射性光学元件。

优选地，第一光学元件与第二光学元件之间的最短距离基本上等于第一光学元件的焦距。在该情况中，一个或者多个第二像素对第一光学元件的出射光瞳进行成像。这样，一个或者多个第二像素对第一视场内的入射在传感器上的光进行成像，就像基本上省略了第一光学元件一样。即，最小化了第一光学元件对由一个或者多个第二像素检测到的光水平的影响。

附加地或者备选地，第二光学元件与一个或者多个第二像素中的一个之间的最短距离小于第一光学元件与所述第二像素之间的最短距离。

在一个优选的实施例中，一个或者多个第二像素包括感测表面，并且第二光学元件形成在一个或者多个第二像素的感测表面上。

典型地，辐射吸收滤波器设置在第二光学元件与一个或者多个第二像素之间。这最小化了由第二像素检测到的带内环境辐射，从而最小化了散粒噪声。

典型地，第二光学元件包括回流的(reflowed)光阻剂。这是有利的，因为第二光学元件的制造可以被集成到现有的像素制造工艺中。

在一个实施例中，第二光学元件具有露出的凸面。第二光学元件可以包括一个或者多个露出的凸面，以用于将辐射汇聚到一个或者多个第二像素中的相应一个上。

在一个优选的实施例中，第二视场具有基本上在25°到45°之间的半角。

典型地，第二光学元件包括显微透镜。

优选地，该传感器包括多个第一像素。

附加地或者备选地，该传感器包括多个第二像素。在该情况中，第二光学元件可以包括多个透镜状元件。每个透镜状元件可以被设置在相应的第二像素之上。优选地，每个相应的透镜状元件的主光轴相对于每个相应的第二像素的主光轴偏移。典型地，透镜状元件是显微透镜。优选地，第一透镜状元件的视场与第二透镜状元件的视场交叠。

第一光学元件典型地具有露出的凸面。

在一个优选实施例中，第一光学元件安装在第一像素和第二像素之上。在该情况中，第一光学元件典型地安装在基本上透明的底座上。

第一像素和第二像素优选地是单光子雪崩检测器。然而，将理解，像素可以是任何其它备选的检测器，诸如可以例如配置在光传导模式中的硅光电二极管。

优选地，该传感器包括用于从第一像素读取信号的第一读出电路，以及用于从第二像素读取信号的、与第一读出电路不同的第二读出电路。

优选地，第一像素和/或第二像素设置有滤波器，这些滤波器透射基本上未衰减的第一波长的辐射并且阻止第二波长的辐射。在这两种像素都设置有滤波器的情况中，针对第一像素设置的滤波器透射基本上未衰减的第一波长的辐射并且阻止第二波长的辐射，而针对第二像素设置的滤波器阻止第一波长的辐射并且透射基本上未衰减的第二波长的辐射。

本公开的第二方面提供了组合的邻近和环境光传感器，其包括：一个或者多个第一像素和一个或者多个第二像素；设置在第一和第二像素之上并且具有第一视场的第一光学元件；以及设置在一个或者多个第二像素之上并且具有第二视场的第二光学元件，第二光学元件定位在第一光学元件与一个或者多个第二像素之间，其中第一视场基本上比第二视场窄，并且基本上位于第二视场内。

在一个实施例中，本公开的第二方面的组合的邻近和环境光传感器还包括辐射源。该辐射源可以设置在第一传感器封装隔间中，并且第一像素和第二像素设置在与第一传感器封装隔间光学上隔离的第二传感器封装隔间中。

本公开的第三方面提供了一种移动通信设备，其包括根据本公开的第一方面的辐射传感器或者根据本公开的第二方面的组合的邻近和环境光传感器。

附图说明

现在将参照附图仅通过实例的方式对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1是包括组合的邻近和环境光传感器和显示器的移动通信设备的示意图；

图2示出了在单个芯片上形成的组合的邻近和环境光传感器；

图3是图2的传感器封装的检测器隔间的示意性侧视图；

图4示出了可以设置在环境光感测像素之上的两个示例性可见光带通光学滤波器的频谱响应；

图5示出了可以设置在邻近感测像素之上的示例性IR-带通滤波器的频谱响应；

图6是形成在像素的感测表面上的显微透镜的示意性剖视图；

图7至图10图示了多个显微透镜的制造工艺；

图11示出了本公开的一个备选实施例，其包括多个环境光感测像素，其中每个环境光感测像素被具有不同视场的显微透镜覆盖；

图12是图示了相移提取方法的波示意图；

图13图示了基于SPAD的邻近传感器的可能的实现方式；以及

图14是基于SPAD的邻近传感器的框图。

具体实施方式

简介

由于对移动通信设备的外壳内的空间的不断增长的竞争，期望的是将环境光传感器和邻近传感器的功能组合在单个图像传感器芯片上。然而，这些功能具有相互矛盾的需求。例如，如以下说明的，环境光传感器要求宽的视场，而邻近传感器要求窄的视场。由于这些竞争需求，环境光传感器和邻近传感器典型地形成在具有单独的传感器窗口的单独芯片上，这些芯片具有大的组合占用面积。因此，存在如下需要，即解决这些竞争的需求，从而使得环境光感测功能和邻近感测功能可以组合在单个芯片上。

图1示出了包括显示器2、控制器4以及组合的邻近和环境光传感器10的移动通信设备1，该移动通信设备诸如移动电话、移动智能电话或者PDA。如以下描述的那样，传感器10的邻近感测功能和环境光感测功能组合在单个图像传感器芯片上，并且共享在移动通信设备1的外壳中的单个传感器窗口11。

应当理解，组合的环境光和邻近传感器10的占用面积基本上小于典型的单个环境光传感器和邻近传感器的组合的占用面积。

组合的邻近和环境光传感器

图2是组合的邻近和环境光传感器10的透视图，该传感器包括安装在共同的封装基座14上的辐射源12和辐射检测器13，该共同的封装基座14对于由辐射源12发射的辐射不透明。辐射源12可以例如(但是并非排它地)是在红外光谱区域(例如，在850nm)发射的经调制的发光二极管(LED)或者半导体激光二极管。在以下描述中，将假定源28是具有在850nm左右的发射光谱的LED。源12和检测器13设置在单独的传感器封装隔间15、16中，每个隔间包括从基座14竖直向上延伸的四个壁。源12和检测器13由隔间15、16的相对的壁而彼此光学隔离，其中相对的壁对由源12发射的辐射不透明。定制的半球形准直透镜17设置在源12之上，而包括半球形主收集透镜19的、基本上透明的(即，对由源12发射的辐射透明)覆盖玻璃18设置在检测器13之上。

图3是容纳检测器13的传感器封装隔间16的示意图。检测器13包括形成在衬底23之上的像素阵列22。定位在阵列22中的所有像素之上的主透镜19具有用于将入射光汇聚到像素阵列22之上的的、露出的半球状(凸)面。像素阵列22的像素具有面向主透镜19的下侧的光敏感(感测)表面29。

像素阵列22优选地包括相邻的单光子雪崩检测器(SPAD)的阵列。SPAD是基于超过其击穿区域而偏置的p-n结器件。高的反向偏置电压生成足够量级的电场，从而使得引入到该器件的耗尽层中的单个电荷载流子可以引起经由碰撞离子化的自给雪崩。主动或者被动地淬灭雪崩，以允许该器件“复位”以便检测进一步的光子。可以借助于击中高电场区域的单个入射光子而光电地生成初始电荷载流子。该特征导致了名称“单光子雪崩二极管”。该单光子检测操作模式通常称作“盖革(Geiger)模式”。

备选地，像素阵列22可以备选地包括任何其他合适的辐射传感器，诸如配置在光传导模式中的硅光电二极管。

像素阵列22包括至少一个环境光感测像素30，以及至少一个邻近感测像素32，这两者像素两者都设置在共同的芯片衬底23上，但是具有单独的信号读出电路。像素30、32可以彼此相邻。

本发明人已经发现，可以采用在阵列内的环境光感测像素30和邻近感测像素32的几乎任何布置来实现可靠的环境光和邻近感测。这是由于阵列22与由透镜19汇聚在阵列上的辐射斑相比较小。然而，至少一个环境光感测像素30优选地定位在阵列的中心，或者该阵列的中心附近(即，基本上与主透镜的主光轴对准)，以保持环境光感测像素的视场的部分对着主透镜中心。

具有在可见光电磁频谱中的通带的光学带通滤波器可以设置在环境光感测像素30之上。在图4中示出了两个示例性滤波器的频谱响应。在一个实施例中，滤波器可以包括与人眼的适光(photopic)响应相匹配的通带33(即，通带33包括在513nm至608nm之间的波长区域)。备选地，滤波器可以是包括透射具有在绿色可见光附近的波长的辐射的通带34的绿光带通滤波器。在图4中示出的绿光带通滤波器响应是不太优选的，这是由于其也透射具有在800nm之上的波长的红外辐射。该滤波器可以包括有机光阻剂材料中携带的颜料，并且可以通过光刻沉积并且图形化在像素30上。

可以在邻近检测像素32之上设置具有通带的窄带滤波器，该通带(至少其一部分)与辐射源12的输出频谱相匹配。在图5中示出了示例性滤波器的频谱响应。在该情况中，该滤波器具有以850nm左右为中心的钟形通带，该通带与辐射源12的通带相匹配，并且阻止所有其他波长的辐射。优选地，该滤波器具有全宽半峰线宽度(full-width-half-maximum line-width)，该线宽度小于辐射源的发射频谱的线宽度，从而最小化由邻近检测像素32检测的带内环境辐射的量。如上所述，该滤波器可以包括有机光阻剂材料中携带的颜料，并且可以通过光刻沉积并且图形化在像素30上。

辅透镜36定位在环境光感测像素30之上，辅透镜定位在主透镜19与环境光感测像素30之间。主透镜19与辅透镜36之间的最短距离d(见图3)优选地基本上等于主透镜19的焦距fprimary。这将在下文说明。在图2的实施例中，辅透镜可以是包括露出的半球形(凸)面的显微透镜。

本领域技术人员将理解，多个环境光感测像素30和邻近感测像素32可以设置在像素阵列22中，每个环境光感测像素设置有辅透镜36(并且每个邻近感测像素32并未设置有这样的辅透镜36)。

显微透镜

如图6所示的显微透镜36是形成在环境光感测像素30的感测表面29上并且与其紧密接触的三维(基本上透明的)结构，该显微透镜36用于将入射辐射37聚集朝向像素的所述感测表面29(基本上定位在像素的中心处)。显微透镜具有的特征尺度(直径)比主透镜19的尺寸小一个或者多个(多达例如6个或者7个)量级。此外，如以下所说明的那样，显微透镜在形成像素阵列本身的一个制造步骤中形成，并且因此被认为是像素阵列的“一部分”。它们是像素阵列的设计特征，该设计特征用于最大化像素在阵列中的填充因子。图6也示出了在相邻像素30的感测表面29之间延伸的像素电路39。

显微透镜可以分布在阵列22中的多个像素之上(每个像素上一个显微透镜)，以形成多个环境光感测像素30(参见以下描述的附图11)。例如但是非排它地，可以将环境光感测像素30的4x4阵列形成为像素阵列22的一部分。备选地，显微透镜可以设置在单个像素30之上。

显微透镜通过将光阻剂材料沉积在像素的感测表面上形成。这在图7中示出，图7中示出了光阻剂沉积在每个像素的感测表面上的4x4像素阵列。已经使用光刻(与像素结构对准)对光阻剂进行图形化，并且对其进行刻蚀以形成在图7中示出的结构。形成了光阻剂的列部分39的网格(每个像素一个网格)，每个网格具有宽度W1，并且隔开距离S1。图8示出了经过在图7中图示的线A-A’的横截面。每个列部分39具有高度H1。

显微透镜典型地与传感器的间距相匹配，即传感器像素距离等于S1+W1。在一个实施例中，这可以为4μm-10μm。

然后通过加热使光阻剂发生形变直至其在称为回流工艺的过程中熔化为止。这通过在相对低的温度(例如，200℃)——低于硅的典型制造温度(硅在该温度下制成像素22)，从而使得硅未被破坏。当显微透镜材料熔化时，表面张力促使其形成半球。图9和图10图示了在通过加热工艺使显微透镜发生形变之后的显微透镜。在加热工艺之后，列部分39具有宽度W2，并且隔开距离S2。图10示出了沿B-B’的横截面。每个列部分39在加热之后具有高度H2。在该工艺期间，显微透镜之间的体积和距离保持不变。然而，形状和高度确实改变，其中W2＞W1并且S2＜S1。H1决定H2，从其导出了显微透镜的汇聚特性和曲率。

显微透镜之间的初始间隔S1是关键的。为了构建有效的显微透镜，如果S1太大，则这将减低显微透镜的光收集效率。然而，如果S1太小，则两个相邻的显微透镜将接触，并且表面张力将阻止显微透镜正确地形成。术语“相邻”在该上下文中用来意味着两个显微透镜对应于在传感器的阵列上的相邻像素。在实践中，如果两个显微透镜是最接近的相邻者，并且存在它们在热作用下形变时融合的风险，则它们可以被视为是“相邻”的。S1理想地尽可能小。然而，对于显微透镜的形成而言，实用的值为1μm-2μm。

显微透镜优选地形成在可见光带通滤波器(在提供了可见光带通滤波器的情形下)的顶部，但是备选地可以形成在滤波器和像素30的感测表面之间。

将理解，辅透镜36不需要为显微透镜，并且可以备选地采用任何其他适当的辅透镜36。

邻近检测像素32典型地不由辅透镜覆盖。

视场

邻近检测像素32(没有辅透镜)的视场基本上由主透镜19的特性决定，而环境光感测像素30的视场基本上由辅透镜36的特性决定。

更具体而言，主透镜19为邻近感测像素32提供由像素32的敏感区域朝向主透镜19的中心的立体角决定的窄的视场。注意到，在提供了多个邻近感测像素的情况下，传感器的邻近感测功能的视场作为一个整体也受邻近感测像素32的数目和它们的间隔所影响。

辅透镜为环境光感测像素30提供了比邻近感测像素宽的视场。这是由于环境光感测像素30距辅透镜比邻近感测像素32距主透镜19近。更具体而言，辅透镜36(并且因此环境光感测像素30)的视锥半角θ_ALS(以及焦距f_secondary)由显微透镜36的厚度以及环境光感测像素30的直径决定。

f_secondary＝z_oxide/n_oxide

θ_ALS＝tan^-1(d_detector/2f_secondary)

其中：

f_secondary是辅透镜36的焦距；

z_oxide是显微透镜的厚度；

n_oxide是显微透镜的折射率；

θ_ALS是环境光感测像素视锥的半角；以及

d_detector是环境光感测像素检测器的直径。

图3图示了主透镜19(以及因此的邻近感测像素32)的较窄视场(或者视锥)40，以及辅透镜36(以及因此的环境光感测像素30)的较宽视场41。图3中还示出了主透镜19的视场40基本上位于辅透镜36的视场41内。双透镜设计因此为环境光感测像素30提供了用于环境光感测的宽的视场，并且为邻近检测像素32提供了用于邻近检测的窄的视场。以下将详细讨论对此的原因。

为了完整起见，注意到覆盖玻璃18基本上不影响环境光感测像素30或者邻近检测像素32的视场。

在图11中图示了用于实现针对环境光感测的宽的视场的备选方法，其中提供了多个环境光感测像素30(在该情况中为阵列)。包括多个显微透镜43的光学元件42设置在环境光感测像素30之上，从而使得相应的显微透镜43定位在相应的像素30之上。每个显微透镜相对于其相应的像素30偏移不同的预定距离(即，每个相应的透镜状元件的主光轴相对于每个相应的环境光感测像素30的主光轴偏移)，以便为每个像素提供不同的视场。光学元件42还包括设置在相邻显微透镜之间(并且在相邻像素之间)的金属分区44，以防止显微透镜43上的入射辐射被错误地引导到相邻的像素30上。虽然图11的显微透镜/像素组合的每个可以(但是不是必须具有)具有比图3的显微透镜/像素组合窄的视场，但是相应的视场交叠以形成对可靠的环境光感测来说足够宽的组合的视场。

注意到，在该情况中，主透镜19的视场基本上比像素30的组合的视场窄，并且基本上位于该组合的视场内。

将理解，在邻近感测像素32和环境光感测像素30被设置为同一像素阵列的部分的情况下，光学元件42可以包括没有显微透镜的空隙，而在该空隙中定位了邻近检测像素32。

在以下描述中，将假定采用图3的实施例。然而，将理解，下文描述的原理也同样可以适用于图11的实施例。

环境光感测

回过来参考图1，显示器2的感知亮度可以被极端(非常暗或者非常亮)的环境光水平所影响。传感器10的环境光感测功能为控制器4提供了环境光水平的指示，从而允许控制器4响应于环境光水平而修改显示器2的亮度。环境光感测像素30要求宽的视场，这是由于必须在可以影响显示器2的平坦表面的照明半球的至少显著部分的范围内检测环境光水平。然而，已经发现，环境光感测像素30不必要具有跨显示器2的表面的整个半球形(180°)视锥的视场。相反，环境光感测像素30可以具有与最有可能使显示器的感知亮度变暗的角度范围一致的视锥。典型地，在25°与45°之间的半角θ_ALS可以是足够的。这意味着环境光感测像素30需要8μm直径的检测器，并且显微透镜36应当在邻近感测像素32的敏感区域之上2.7μm至5.8μm之间。显微透镜和中间层的较薄的总厚度将导致较大的视锥。

可以通过读取(并且处理)由环境光感测像素30在其暴露给环境辐射时生成的电信号来简单地执行环境光感测。再次参照图3，辅透镜36(以及因此的环境光感测像素30)的视场41包括三个区域：外环x、与主透镜19的视场相对应的中心区域40以及在外环x与中心区域40之间的内环w。入射到外环x内的环境光感测像素30上的光基本上不受主透镜19的存在的影响。因此，入射到外环内的光直接入射在辅透镜41上，而不受主透镜19的影响。

相反地，主透镜19的存在基本上阻止入射到中心区域40和内环w内的光直接入射在辅透镜36上。因此，典型地将存在对以下的关注，即主透镜19的存在将显著地使由环境光感测像素30检测到的环境光水平失真。然而，本发明人已经意识到，环境光感测像素30对主透镜19的出射光瞳进行成像。本发明人还意识到，通过相对于像素阵列22布置主透镜19，使得主透镜19与环境光感测像素30之间的最短距离基本上等于主透镜19的焦距f_primary，从而由在中心区域40内的环境光感测像素30成像的场景的有效出射率类似于(乃至等于)在外环x内未受主透镜19影响的有效出射率。即，入射到传感器1上的中心区域内的光将被环境光感测像素30视为就像基本上省略了主透镜19一样。

由于定位在环境光感测像素30之上的滤波器仅透射可见光，所以由环境光感测像素30生成的电信号仅与环境辐射的可见光内容成比例(所有其他环境辐射被滤波器所阻挡)。这是有益的，因为仅环境辐射的可见光内容(而例如不是红外环境辐射)影响显示器的感知亮度。因此，向控制器4提供了精确的反馈数据，以控制显示器的亮度。如果环境光水平下降到某一阈值以下，则控制器4可以减小显示器2的亮度。类似地，如果环境光水平增加超过不同的阈值，则控制器4可以增加显示器2的亮度。

注意到，由于主透镜19的存在，窄的内环w对环境光感测像素30来说不“可见”。这可以通过将阈值的值改变到控制器4降低(和/或增加)显示器2的亮度之下(和/或之上)来进行补偿。然而，已经发现，在许多情况中这是不必要的。

优选地，辐射源12在执行环境光感测时停用。这可以通过控制器4来完成。

邻近感测

传感器10也可以用来检测物体到移动通信设备1的邻近。这通过以下完成：启用辐射源12以发射辐射；在传感器10的邻近检测像素32处检测由物体反射的辐射的一部分；以及用控制器4处理所反射的辐射以计算物体到移动通信设备1的邻近。该计算例如可以基于直接的飞行时间测量(direct time of flight measurement)。然而，可以使用任何适当的备选方法，诸如相移提取方法(参见下文)。如果发现物理足够靠近移动通信设备，则假定用户正在进行呼叫，并且控制器4可以完全关闭显示器2和/或停用该设备的一个或者多个用户控制，以防止用户无意地指示设备1执行任务。邻近检测像素32要求窄的视场，以最小化其捕获的带内环境辐射(即，在设置于邻近检测像素之上的窄带滤波器内的辐射)。由于从辐射源发射(并且从检测到其邻近的物体反射回来)的辐射在要求的邻近感测距离(典型地为0.01m至0.5m左右)范围内被典型地引导到该窄的视场内，所以可以检测到所反射的辐射的足够数量，以克服(最小化的)带内环境辐射水平，而不需要持续长时间来达到环境辐射水平的平均值。这允许使辐射源12的功耗最小化。

作为使邻近传感器基于直接的飞行时间测量的备选，可以使用相移提取方法。该方案对于在邻近检测应用中的SPAD是有利的，并且很好地适于实现所概括的距离方程(参见下文)的系统。这典型地对背景环境条件来说也是稳健性的，并且可以适于允许变化的调制波形状(即，正弦或者方波)。

重要的是理解距离方程推导，这是由于其指示了SPAD到相位提取紧邻检测的可用的简易性。

如下地根据光速和飞行时间(TOF)来确定距离：

s＝ct

其中s是距离，c是光速，并且t是时间。

对于邻近感测系统而言，由于存在发送路径和接收路径的事实，所以距离加倍。这样，在测距系统中测量的距离s由以下给出：

s＝1/2ct

由于光子TOF导致的时间偏移分量(＝‘t’)依赖于(与从辐射源12发射的辐射相比)波形的调制频率和相移量级。

t＝返回波形的偏移百分比×t_{mod_period}

并且如果t_{mod_period}＝1/f_mod，则：

$\⇒t=\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{f}$

$\⇒t=\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}\·f}$

单位为弧度。然后，通过将以上方程代入起始方程，则“距离方程”表达如下：

$\⇒s=\frac{c\·\mathrm{\φ}}{4\mathrm{\π}\·f}$

在该方程中的关键分量是φ，其是返回波形的偏移百分比的未知分量。以下部分讨论其如何确定。

由于c、f与π的值是常数；距离结果简单地与φ成比率缩放(接收的光波形相对于所发射的光波的偏移百分比)。图12显示了对于采用方波调制辐射源12的系统来说，可以如何确定φ。透射的和接收的波形相对彼此偏移了φ。通过分别测量到达箱体(bin)l和箱体2中的“a”和“b”的光子，可以如下地确定φ的值：

$\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}}=\frac{b_{\mathrm{count}}}{{(a+b)}_{\mathrm{count}}}$

在该类型的系统中，存在由辐射源调制频率设置的距离极限，这称为不模糊距离。从远离该距离的目标接收的光子可以通过在后续测量的合法箱体中错误地出现而引入混叠误差。由于通过调制过程实现距离的确定，所以期望最大化调制波形的边缘的数目，以便尽快地累积用于求平均目的的数据。然而，高的调制频率可以降低不模糊距离，并且在辐射源12的驱动器电路中引入更多的技术复杂性。因此，两个或者更多个不同的调制频率可以交织，或者交替使用，以便经由适当数据处理降低或者抵消混叠的光子的影响。

图13图示了基于SPAD的邻近传感器的可能实现方式(其被实现为组合的邻近和环境光传感器10的一部分)，以及关联的波形图。图13示出了连接到多工器202的SPAD 200(其用作邻近感测像素32)。来自多工器的输出通过计数器1和计数器2(204)。总体在200处示出的SPAD是标准类型的，其包括光电二极管210、p型MOSFET 212和非门214。

以表示相对光子到达量级的方式示出了时序波形。可见，添加了额外的相位，以实现对背景光水平偏移“c”的计算，但是如以上提到地，这可以通过使用与辐射源12的波长相匹配的、窄的光学带通滤波器来显著地降低。可以通过停用辐射源12以及测量在邻近感测像素32处的光子通量来确定元素“c”。在光学路径中采用了窄带IR滤波器的情况中，c的值可以仅表示滤波器通带的环境内容。对“c”的该测量然后可以在对所接收的光的相移“φ”的计算中接纳。

注意到，SPAD产生的散粒噪声与其生成的电子的数目成比例。因此，由邻近感测像素32检测到的带内环境光信号越大，则散粒噪声越大。因此，优选邻近感测像素32的视场被限制成使在邻近感测期间检测到的带内环境光辐射的数量最小化，从而使散粒噪声最小化。这降低了达到噪声的平均值所需的检测时间，并且因此改善了环境光感测功能的性能。

确定了针对a、b、c的计算结果，并且将它们写入到临时存储器存储或者I2C寄存器中。对相移φ的计算按如下地计算：

$\mathrm{\φ}=\frac{a_{\mathrm{count}}-c}{{(a+b)}_{\mathrm{count}}-2c}$

调制频率的预定选择通过为距离传感器的应用选择适当一个频率或者多个频率的专用逻辑或者主机系统执行。图13的邻近传感器依赖于可以透射到场景上的光的量、系统功耗以及目标反射率。

在图14中示出了传感器10的邻近感测功能所需的元件的方框图，其中像素阵列22是SPAD阵列。邻近传感器300包括在块302中的SPAD功能及其淬熄功能。淬熄可以是如示出的被动式或者任何其他适当的类型。SPAD的偏置电压可以通过电荷泵或者任何其他适当的设备304提供。该传感器还包括辐射源12(诸如LED或者半导体激光器)以及用于向辐射源施加所要求的调制的关联驱动器306。

传感器可以包括用于确定距离的距离计算逻辑模块。备选地，其可以设置在移动通信设备1中，可选地作为控制器4的一部分。传感器10也包括多工器和计数器308，以及诸如I2C模块之类的存储装置310。该传感器也可以包括用于钟控和后续定时信号生成目的的锁相环(PLL)。

SPAD和它们的读出电路的功耗依赖于入射光子到达率。可以通过以下方式来降低邻近感测功能的平均功耗，即以目标运动失真为代价使用例如～10Hz的速率的功率节省模式(诸如脉冲开/关操作)。

可以在1mm²裸片尺寸上实现传感器10，并且也可以在适当的裸片上实现I2C模块。主透镜19理想地给予邻近感测像素32大约30°的视场。由于传感器并不旨在“创建图像”，而是用于确保尽可能多的光子被检测到，因此主透镜19可以由注入模制的半球状元件制成。

应当注意到，术语“光学”、“照明”和“光”旨在覆盖频谱中的其他波长范围，并且不限于可见光谱。

虽然该详细描述已经阐述了本发明的某些实施例，但是所附权利要求书覆盖了根据各种修改和改进的、可能与所描述的实施例不同的本发明的其他实施例。例如，以上详细描述的设计可能适用于要求两种不同视场的任何辐射传感器。此外，可以代替主透镜和辅透镜设置任何适当的光学元件(具有适当的视场特性)。例如，可以采用包括折射光学元件或者多个透镜的光学元件来代替主透镜和/或辅透镜。

Claims (28)

1.一种辐射传感器，包括：

一个或者多个第一像素和一个或者多个第二像素；

设置在所述第一像素和所述第二像素之上并且具有第一视场的第一光学元件；以及

设置在所述一个或者多个第二像素之上并且具有第二视场的第二光学元件，所述第二光学元件定位在所述第一光学元件和所述一个或者多个第二像素之间，其中所述第一视场基本上比所述第二视场窄，并且基本上位于所述第二视场内。

2.根据权利要求1所述的辐射传感器，其中，所述第一光学元件定位在所述第二光学元件的所述视场内。

3.根据权利要求1或者2所述的辐射传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素形成在共同的衬底上。

4.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素是同一像素阵列的部分。

5.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述一个或者多个第一像素与一个或者多个第二像素邻近。

6.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第一和/或所述第二光学元件包括透镜、多个透镜或者折射性光学元件。

7.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第一光学元件与所述第二光学元件之间的最短距离基本上等于所述第一光学元件的焦距。

8.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第二光学元件与所述一个或者多个第二像素中的一个像素之间的最短距离小于所述第一光学元件与所述第二像素之间的最短距离。

9.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述一个或者多个第二像素包括感测表面，并且所述第二光学元件形成在所述一个或者多个第二像素的所述感测表面上。

10.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，进一步包括在所述第二光学元件与一个或者多个第二像素之间的辐射吸收滤波器。

11.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第二光学元件包括回流的光阻剂。

12.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第二光学元件具有露出的凸面。

13.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第二视场具有基本上在25°至45°之间的半角。

14.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第二光学元件包括显微透镜。

15.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其包括多个第一像素。

16.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其包括多个第二像素。

17.根据权利要求16所述的辐射传感器，其中，所述第二光学元件包括多个透镜状元件。

18.根据权利要求17所述的辐射传感器，其中，每个透镜状元件设置在相应的第二像素之上。

19.根据权利要求18所述的辐射传感器，其中，每个相应透镜状元件的主光轴相对于每个相应的第二像素的主光轴偏移。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的辐射传感器，其中，所述透镜状元件是显微透镜。

21.根据权利要求17-20中任一项所述的辐射传感器，其中，第一透镜状元件的视场与第二透镜状元件的视场交叠。

22.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第一光学元件具有露出的凸面。

23.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第一光学元件安装在所述第一像素和所述第二像素之上。

24.根据前述任一项权利要求所述的辐射传感器，其中，所述第一像素和所述第二像素是单光子雪崩检测器。

25.一种组合的邻近和环境光传感器，包括：

一个或者多个第一像素和一个或者多个第二像素；

设置在所述第一像素和所述第二像素之上并且具有第一视场的第一光学元件；以及

设置在所述一个或者多个第二像素之上并且具有第二视场的第二光学元件，所述第二光学元件定位在所述第一光学元件和所述一个或者多个第二像素之间，其中所述第一视场基本上比所述第二视场窄，并且基本上位于所述第二视场内。

26.根据权利要求25所述的组合的邻近和环境光传感器，进一步包括辐射源。

27.根据权利要求26所述的组合的邻近和环境光传感器，其中，所述辐射源设置在第一传感器封装隔间中，并且所述第一像素和第二像素设置在与所述第一传感器封装隔间光学上隔离的第二传感器封装隔间中。

28.一种包括根据权利要求1-24中任一项所述的辐射传感器或者根据权利要求25-27中任一项所述的组合的邻近和环境光传感器的移动通信设备。

Images