CN111108407A

CN111108407A - 半导体主体和用于飞行时间测量的方法

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Publication number: CN111108407A
Application number: CN201880061170.7A
Authority: CN
Inventors: 克里·格洛弗; 曼弗雷德·卢埃格尔; 罗伯特·卡佩尔; 克里斯蒂安·莫特娜; 马里奥·曼宁格; 格奥尔格·勒雷尔
Original assignee: Ams AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: US11686826B2; KR20200037861A; WO2019057898A1; TW201923379A; TWI802594B; EP3460508A1; KR102523828B1; JP2021501875A; JP6986626B2; CN111108407B; US20200300989A1

Abstract

半导体主体包括：用于驱动光源(LS)的驱动器(DRV)；至少两个探测器(RD、D1至D4)，每个包括雪崩二极管(AD)；时间数字转换器装置(CA、C1至C4)，耦合到至少两个探测器(RD、D1至D4)的输出；存储器(ME、RM、M1至M4)，耦合到时间数字转换器装置(CA、C1至C4)，并且配置为存储至少一个直方图；以及评估单元(EU)，耦合到驱动器(DRV)和存储器(ME、RM、M1至M4)。

Description

半导体主体和用于飞行时间测量的方法

本公开涉及一种半导体主体、一种飞行时间传感器和一种用于飞行时间测量的方法。

本公开涉及飞行时间测量设备的领域。这些设备发送光脉冲，并且测量直到反射光到达设备的探测器电路所需的时间。

本公开的目的是提供一种半导体主体、一种飞行时间传感器和一种用于飞行时间测量的方法，所述方法允许多于一个目标的探测。

所述目的由独立权利要求的主题解决。另外的实施例和发展在从属权利要中定义。

除非另有说明，上述定义也适用于以下描述。

在一个实施例中，半导体主体包括：用于驱动光源的驱动器；至少两个探测器，每个探测器包括至少一个雪崩二极管；时间数字转换器装置，耦合到至少两个探测器的输出；存储器，耦合到时间数字转换器装置，并且配置为存储至少一个直方图；以及评估单元耦合到驱动器和存储器。

有利地，产生直方图使得能够探测至少两个目标或物体。

在一个实施例中，至少一个直方图包括由至少两个探测器中的一个探测器接收的信息。另外的直方图可以包括由至少两个探测器中的另一个探测器接收的信息。

每个探测器可以包括雪崩二极管或雪崩二极管阵列。雪崩二极管阵列包括多于一个雪崩二极管。

在一个实施例中，半导体主体包括至少三个探测器、至少四个探测器或至少五个探测器。每个探测器的输出可以耦合到时间数字转换器装置。

在一个实施例中，存储器分为几个存储器、存储器部分或存储器区域。

在一个实施例中，至少两个探测器实施为第一探测器至第四探测器。第一探测器至所述第四探测器可以设置为正方形或条状或两个条状。第一探测器至第四探测器可以位于正方形或矩形的四个角上。第一探测器至第四探测器可以位于直线上，可选地以相等的距离位于直线上。将探测器设置为正方形或条状允许使用视差效果来将测量范围扩展到较小的距离。例如，探测器能够沿着条状设置，该条状定义的方向垂直于光源与探测器之间的连接线定义的方向。

在一个实施例中，第一探测器至第四探测器、时间数字转换器装置和存储器配置为产生并存储图像的四个不同区域的直方图。四个区域可以是图像的四个象限或在轴上线性设置的四个区域。

在一个实施例中，时间数字转换器装置包括至少一个时间数字转换器、至少两个时间数字转换器、至少三个时间数字转换器或至少四个时间数字转换器。时间数字能够缩写为TD。探测器的数量可以等于或高于TD转换器的数量。

在一个实施例中，时间数字转换器装置包括第一时间数字转换器至第四时间数字转换器，缩写为TD转换器或TDC，耦合到第一探测器至第四探测器和存储器。因此，第一TD转换器将第一探测器耦合到存储器，并且产生第一直方图。相应的，第二TD转换器至第四TD转换器将第二探测器至第四探测器耦合到存储器，并且产生第二直方图至第四直方图。

在一个实施例中，第一时间数字转换器至第四时间数字转换器中的至少一个包括：具有耦合到探测器的输入的环形振荡器、耦合到环形振荡器的输出的计数器，以及传输电路。传输电路耦合到环形振荡器、计数器和存储器。传输电路可以配置为捕获环形振荡器和计数器的当前状态、将捕获的状态解码为时间戳以及根据时间戳将数据传输到存储器中。在一个示例中，如上所述，第一时间数字转换器至第四时间数字转换器中的每一个包括环形振荡器、计数器和传输电路。

在一个实施例中，至少两个探测器中的一个实施为用于接收表示零距离的光子的参考探测器。因此，至少两个探测器可以包括参考探测器和第一探测器至第四探测器。

在进一步发展中，时间数字转换器装置包括耦合到参考探测器的参考TD转换器。参考TD转换器可以耦合到存储器。参考TD转换器可以产生参考直方图。或者，参考探测器可以耦合到TD转换器装置并且给TD转换器装置提供起始信号。起始信号可以施加到第一TD转换器至第四TD转换器。

在一个实施例中，驱动器配置为产生一系列脉冲，每个脉冲具有等于或少于1ns的持续时间，可选地少于500ps。有利地，持续时间可以例如少于200ps。

在一个实施例中，驱动器配置为使得脉冲的持续时间是可编程的。持续时间可以设置为使得持续时间少于空间分辨率除以光速。

在一个实施例中，半导体主体包括通信单元、时钟单元和耦合到至少两个探测器的雪崩二极管的电荷泵。通信单元耦合到评估单元，并且配置为将数据传送到外部设备。

在进一步发展中，半导体主体包括至少一个低压差稳压器，缩写为LDO。LDO可以耦合到TD转换器装置。

在一个实施例中，飞行时间传感器包括半导体主体和光源。飞行时间缩写为TOF。

在一个实施例中，光源实现为垂直腔面发射激光器，缩写为VCSEL，或垂直外腔面发射激光器，缩写为VECSEL。

在一个实施例中，光源由连接到半导体主体的另外的半导体主体实现。连接可以通过引线键合、倒装芯片技术或裸片到裸片键合来实现。

在一个实施例中，飞行时间传感器包括光学器件。光学器件可以包括透镜。或者，光学器件可以没有透镜。光学器件，例如一个或更多个透镜，可以配置为用于成像。例如，为了在探测器处创建图像，光学器件位于至少两个探测器的焦点或焦平面处。在一些实施例中，单个光学器件或单个透镜能够用于在每个探测器处创建图像。

在一个实施例中，飞行时间传感器包括遮光材料。遮光材料包括一个孔或多个孔。光源发射光，并且第一探测器至第四探测器通过一个孔或多个孔接收光。光学器件可以位于一个孔或多个孔中。

在一个实施例中，遮光材料在参考探测器与第一探测器至第四探测器之间形成屏障。因此，第一探测器至第四探测器不直接从光源接收光。

在一个实施例中，一种用于飞行时间测量的方法包括：

-提供驱动器信号以驱动光源，

-通过包括至少一个雪崩二极管的至少两个探测器接收光子，

-通过时间数字转换装置将由至少两个探测器接收的信号转换成至少一个直方图，并且存储至少一个直方图，以及

-通过评估单元基于至少一个直方图执行计算。

在一个实施例中，计算的结果可以是距离信号，距离信号包括关于从光源到物体的距离与物体到至少两个探测器的距离之和的信息。距离信号可以包括关于从光源到另外的物体的距离与另外的物体到至少两个探测器的距离之和的信息。因此，距离信号可以包含关于多个物体的信息，例如，两个、三个或三个以上物体。

在进一步发展中，第一探测器至第四探测器接收光子。第一探测器至第四探测器接收来自不同区域的光子，例如第一区域至第四区域的光子。计算的结果可以是第一距离信号，第一距离信号包括关于从光源到在第一区域中的物体的距离与在第一区域中的物体到第一探测器的距离之和的信息。相应地，计算的结果可以是第二距离信号至第四距离信号，第二距离信号至第四距离信号包括关于从光源到在第二区域至第四区域中的物体的距离与在第二区域至第四区域中的物体到第二探测器至第四探测器的距离之和的信息。

用于飞行时间测量的方法可以例如通过根据以上定义的实施例中的一个的半导体主体和/或飞行时间传感器来实现。

在一个实施例中，TOF传感器实现为飞行时间片上系统。片上系统能够缩写为SOC。

在一个实施例中，TOF传感器实施为提供集成到单个设备中的距离测量部件的片上系统。TOF传感器可选地提供直接TOF测量。有利地，TOF传感器提供片上信息的处理以产生距离的测量并实现高精度。

在一个实施例中，TOF传感器中的光脉冲宽度较窄，使得能够使用TDC/直方图方法精确地测量返回脉冲时间。

在一个实施例中，TOF传感器或TOF测量系统包括VCSEL和单个芯片。光脉冲驱动器的全部、接收和处理在单个芯片上提供。VCSEL产生光脉冲。TOF测量系统能够测量绝对距离或距离。与SPAD/TDC/直方图结构结合的窄光脉冲能够探测多个物体。

装置和方法提供一种直接TOF距离测量片上系统。装置，也称为TOF传感器，包括多个光子采集传感器、多个时间数字转换器(缩写为TD转换器)、多个直方图、存储器、微处理器、用于通信的I/O电路以及产生窄脉冲的光源驱动器。方法提供将直方图转换成到多个物体的距离的数据处理。

直接飞行时间基于测量从目标反射的脉冲到达传感器所需的时间。这个技术能够利用多个周期上的多个脉冲来收集更多的数据以提高信噪距离。将这些周期性样本收集到直方图中，然后进行处理以确定距离。非常窄的脉冲允许多个物体的探测。方法使用直方图来表示到多个物体的距离，该直方图能够看作是在视野内可见的物体的深度图。

在一个实施例中，TOF传感器还包括：给SPAD或SPAD阵列提供高电压的电荷泵、用于在TOF传感器中提供功率控制的低压差稳压器(缩写为LDO)、给各种块提供时钟的振荡器以及提供高速时钟的锁相环(缩写为PLL)。典型的TOF系统或TOF传感器可以由几个分立的部件组成。在本公开中，所有部件(除了光源)设置在单个芯片上。TOF传感器实施直接TOF技术。通过TOF传感器获得的直方图包含的信息不仅是到视野(FOV)中的所有物体的平均距离。这在许多情况下是有利的，例如当TOF传感器放置在产生串扰的玻璃盖片后面时，当物体在大墙前面时，当FOV中有多个物体(例如，两个人)和许多其他情况时。

系统或TOF传感器的应用领域是用于移动设备(近距离、自动对焦辅助)或工业应用的传感器。

自动对焦辅助能够通过TOF传感器执行。距离用于快速聚焦相机。这在弱光环境中特别有用，在该环境下相机成像系统无法使用对比来确定距离。

TOF传感器包括半导体主体、VCSEL和相关透镜/孔。TOF传感器可以称为模块、光学传感器装置或系统。相机自动对焦可以在移动电话中实现。移动电话相机可以实现为前置相机和/或后置相机。前置相机用于需要较短探测距离的自拍。后置相机通常需要较长距离测量。相机通常称为激光探测自动对焦或LDAF。

有利地，诸如相机的产品执行多个物体探测。特定的好处可以是减少或消除工厂校准的需要。另一个好处可以是对于玻璃盖片上的污染的影响免疫或补偿(无需客户干预)的能力。

在一个实施例中，直接TOF片上系统装置包括：驱动器，用于驱动产生窄脉冲的光源；多个子系统，用于接收大量反射光脉冲并且将其转换成到达时间的直方图；微处理器，用于控制并且处理接收的直方图数据，并且将其转换为距离；电路，用于将数据传送到外部设备；时钟和控制系统；低压差稳压器，缩写为LDO，用于功率管理；以及电荷泵，电荷泵用于为SPAD提供高电压。

在一个实施例中，驱动器产生用于光源的窄脉冲。驱动器包括眼睛安全验证电路。驱动器配置为产生具有可编程脉冲宽度的脉冲。

在一个实施例中，每个子系统接收大量反射光脉冲，并且将其转换成直方图。每个子系统包括SPAD接收器子系统、TD转换器子系统和直方图存储器存储子系统。

在一个实施例中，SPAD接收器子系统包括淬灭电路；多个SPAD，每个SPAD能够被启用/禁用；脉冲发生电路；和将脉冲传输到TD转换器子系统的电路。

在一个实施例中，TD转换器子系统包括：环形振荡器和计数器；用于捕获环形振荡器和计数器的当前状态的电路；用于将捕获的状态解码为时间戳的电路；以及用于将数据传输到直方图子系统中的电路。

在一个实施例中，直方图存储器存储子系统包括用于使用时间戳索引存储器位置的电路、用于读取、递增和保存数据到存储器位置的电路以及允许通过微处理器子系统读取和写入直方图数据的电路。

在一个实施例中，微处理器子系统包括用于从直方图读取数据的电路、用于程序和数据存储的RAM、用于程序和固定参数存储的ROM、用于计算的评估单元或数据处理单元以及用于与其它片上系统进行数据交换的电路。

在一个实施例中，I/O电路包括I2C数据接收器和数据发射器系统、中断机制和通用I/O引脚驱动器。

在一个实施例中，时钟和控制系统包括用于产生内部基准时钟的振荡器、用于从振荡器产生高速时钟的PLL、电压/电流基准和用于控制启动顺序和电源故障的上电复位电路。

在一个实施例中，多个传感器包括四个信号接收器传感器。四个传感器设置为正方形。或者，四个传感器设置为叶柄状或多个条状或一个条状。

在一个实施例中，多个传感器中的一个是参考通道。参考通道与四个接收器传感器分开。参考通道有意接收表示零距离的一部分传输信号。

在一个实施例中，在系统中，程序代码经由I/O电路下载并且存储在RAM中。或者，程序代码存储在ROM中。

在一个实施例中，实现特定的系统设计使得直方图存储器是256条目深，微处理器RAM是32k字节，微处理器ROM是32k字节，微处理器是Cortex M0处理器，有128个SPAD，其中，两组SPAD共享单个TD转换器。这仅是可能的系统的示例。

在一个实施例中，一种用于处理来自直方图的数据以提取距离数据的方法包括步骤：

-校准系统以确定不同接收传感器之间的时序差异的步骤，

-处理参考通道以确定脉冲的起始的步骤，

-调整多个直方图通道以将每个通道的时序调整到共同的时间的步骤，

-处理直方图并且在直方图中确定一个或多个物体的位置的步骤，以及

-向外部系统传送数据的步骤。

在一个实施例中，校准系统的步骤对内部时钟或外部晶体时钟执行校准。

在一个实施例中，实施调整多个直方图通道以将每个通道的时序调整到共同的时间的步骤，使得直方图组的尺寸尽可能精细地或直方图组的尺寸尽可能粗糙地接近光脉冲的宽度。

在一个实施例中，处理直方图并且在直方图中确定一个或多个物体的位置的步骤包括步骤中的至少一个：

-探测单个物体，

-探测多个物体，

-报告物体的特征，以及

-排除或减去固定的物体(诸如玻璃盖片)。

在一个实施例中，实现向外部系统传送数据的步骤，使得通信单元或接口电路是中断驱动的或轮询的或定时的。

在一个实施例中，一种用于控制系统的方法包括步骤中的至少一个：

-用于上电时初始化系统的步骤，

-用于开始采集的步骤，

-用于设置采集时序的步骤，

-用于确定采集长度的步骤，

-用于周期性重复采集的步骤，以及

-用于启用/禁用SPAD的任何组合的步骤。

实施例的附图的以下描述可以进一步示出和解释半导体主体、飞行时间传感器和用于飞行时间测量的方法的方面。具有相同结构和相同效果的设备和电路部件分别以相同的附图标记显示。只要设备或电路部件在不同附图中在功能方面彼此对应，对以下附图中的每一个的描述不重复。

图1A和1B示出了飞行时间传感器的示例实施方式；

图2示出了飞行时间传感器的半导体主体的示例实施方式；

图3示出了飞行时间传感器的半导体主体的示例实施方式的细节；

图4示出了单个物体的测量过程的示例性示例；

图5示出了单个物体的测量过程的示例性直方图；

图6A示出了两个物体的测量过程的示例性示例；

图6B示出了两个物体的测量过程的示例性直方图；

图7示出了具有四个区域的图像的示例；

图8A示出了飞行时间传感器的半导体主体的示例实施方式；以及

图8B示出了飞行时间传感器的示例实施方式。

图1A示出了飞行时间传感器(缩写为TOF传感器)SE的示例实施方式。TOF传感器SE包括光源LS。光源LS能够称为光发射器。光源LS是激光二极管，诸如VCSEL或VECSEL。例如，这些类型的激光器可以配置为发射在电磁光谱的红外部分中的光。

TOF传感器SE包括耦合到光源LS的半导体主体SB。半导体主体SB还能够称为半导体裸片或芯片或单片集成电路。半导体主体SB实施为单个探测器裸片，例如实施为通过CMOS工艺制造的单个半导体集成电路。半导体主体SB包括测量块MEB和评估单元EV。评估单元EV能够实施为处理电路或数据处理电路。评估单元EV耦合到测量块MEB。评估单元EV配置为从外部电路输入数据并且将数据输出到外部电路。

此外，半导体主体SB包括具有耦合到光源LS的输出的驱动器DRV。另外，半导体主体SB包括耦合到驱动器DRV、测量块MEB与评估单元EV的控制单元CU。控制单元CU给驱动器DRV提供控制信号SC来驱动光源LS。或者，控制单元CU和评估单元EV可以组合在诸如微处理器、微控制器或状态机的电路中。

半导体主体SB包括至少两个探测器，即第一探测器D1和参考探测器RD。每个探测器RD、D1包括至少一个雪崩二极管。每个探测器RD、D1可以包括雪崩二极管或雪崩二极管阵列。雪崩二极管或雪崩二极管阵列实现为单光子雪崩二极管，缩写为SPAD。

半导体主体SB包括时间数字转换器装置(缩写为TD转换器装置)CA，。第一探测器D1的输出耦合到TD转换器装置CA。参考探测器RD的输出也耦合到TD转换器装置CA。半导体主体SB还包括存储器ME，该存储器耦合到TD转换器装置CA与评估单元EV。存储器ME可以实现为直方图存储器。

因此，测量块MEB包括第一探测器D1、参考探测器RD、TD转换器装置CA与存储器ME。

信号处理和飞行时间计算在包括第一探测器D1与参考探测器RD的同一半导体主体SB上执行。这些部件一起集成到在同一半导体主体SB上制造的包括第一探测器D1与参考探测器RD的集成电路IC中。

第一探测器D1和参考探测器RD集成到半导体主体SB中。第一探测器D1和参考探测器RD在光学和空间上分开。探测器D1、RD能够实施为单个SPAD或SPAD阵列。参考探测器RD配置为用于光学参考信号的测量并且产生电参考信号SR。第一探测器D1配置为用于光学测量信号的测量并且产生电测量信号SM。

TOF传感器SE包括第一光学器件和第二光学器件L1、L2。第一光学器件L1包括第一透镜。第二光学器件L2包括第二透镜。透镜具有光学透镜形状，诸如球形或圆柱形形状。透镜可以充当凹透镜和/或凸透镜(或其组合)，并且可以将发射或反射光聚焦在目标TG和/或第一探测器D1上。例如，第一透镜和/或第二透镜能够与光源LS和/或探测器D1以及另外的探测器对齐，来在探测器位置处创建图像。

或者，第一透镜和/或第二透镜可以省略。TOF传感器SE可以没有第一光学器件L1。TOF传感器SE可以没有第二光学器件L2。

在工作中，光源LS发射具有IR或UV/可见光中的发射波长或发射光谱的光。有利地，红外发射是人类视觉看不见的。光源LS的发射通常是被调制的，例如，发射是脉冲调制的；或由连续波调制的，例如正弦波或方波。例如，脉冲可以具有在kHz或MHz范围中的频率。实际调制频率取决于例如TOF传感器SE是用于近距离应用还是自动对焦应用，并且确定飞行时间的范围。

光源LS定位为使得至少一部分发射光经由第一光学器件L1离开TOF传感器SE。实际上，大多数发射光可以经由第一光学器件L1离开TOF传感器SE。该部分光(表示测量部分)最终至少部分地被外部物体或目标TG反射。第一探测器D1位于TOF传感器SE中，使得反射光可以通过第二光学器件L2进入TOF传感器SE，并且因此由第一探测器D1探测。第一探测器D1响应于探测到的光生成测量信号SM。通过目标TG将光源LS与第一探测器D1连接的光学路径建立测量路径P1，并且沿着测量路径P1行进的光形成光的测量光束。如图1A所示，外部目标TG位于TOF传感器SE的外部。

可选地，TOF传感器SE包括在第二光学器件L2与第一探测器D1之间的滤光器OF。背景光BL可能被引导到TOF传感器SE。滤光器OF配置为吸收可能的背景光BL的至少一部分。滤光器OF可以例如吸收大部分背景光BL，并且因此可以充当环境光滤光器。

此外，建立参考路径P3，并且将光源LS与参考探测器RD光学连接，而不需要经过任何外部目标。例如，参考路径P3保持在TOF传感器SE内部。为了飞行时间测量，光的参考部分沿着参考路径P3行进并且形成光的参考光束。参考光束的光由参考探测器RD至少部分地探测，该参考探测器继而基于探测到的光产生参考信号SR。参考光束的光由在TOF传感器SE内部的内部反射产生。

测量信号SM是测量路径P1的飞行时间特性的度量，并且能够转换成关于在TOF传感器SE与目标TG之间的距离D的信息。

通常，光源LS构成电连接到但不可以集成到半导体主体SB中的外部部件。在这个示例中，驱动器DRV集成到半导体主体SB中，并且光源LS是设置在TOF传感器SE的未示出的载体上的VCSEL激光二极管。光源LS在TOF传感器SE的封装内部。

驱动器DRV根据控制信号SC驱动光源LS。继而，光源LS响应于控制信号SC的各个触发脉冲而发射一系列电磁辐射的感测脉冲。通常，对于控制信号SC中的每个触发脉冲，光源LS发射一个发送脉冲。电磁辐射具有来自光谱的可见、IR或UV部分的波长。

发送脉冲通过第一光学器件L1引导并且沿着测量路径P1进行，在下文中表示为发射脉冲EP。目标TG发射作为对发射脉冲EP的响应的反射脉冲RP。最终，反射脉冲RP由第一探测器D1探测。通过在TOF传感器SE内部的反射，发送脉冲的一部分可以被耦合出来并且作为起始脉冲SP引导到参考探测器RD，在光学上表示发送脉冲发射的时刻或发射脉冲EP发射的时刻。在探测到起始脉冲SP后，参考探测器RD给TD转换器装置CA提供起始信号ST，用于开始测量在发射脉冲与接收脉冲之间的时间段Td。因此，在探测到接收脉冲之后，第一探测器D1给TD转换器装置CA提供停止信号SO。TD转换器装置CA确定表示在发送脉冲与收到脉冲之间的时间段Td的相应差值。

对于熟练的读者应该显而易见的是，起始信号ST和停止信号SO的使用仅是可能用于确定所述时间段Td的几个选择中的一个。例如，也能够通过例如控制信号SC的各个触发脉冲来触发起始。

TD转换器装置CA给存储器ME提供先前确定的表示时间段Td的差值，以将该差值累加到第一直方图中。评估单元EV配置为基于对第一直方图的评估来产生表示飞行时间的输出信号OS。控制单元CU配置为产生具有一系列触发脉冲的控制信号SC。触发脉冲的序列包括第一触发脉冲和多个随后的触发脉冲。

将部件集成到单个半导体主体SB中实现了片上系统，简称为SOC，并且使飞行时间系统的实施方式与使用位于不同半导体主体上的各种部件相比，更加简单和便宜。有利地，TOF传感器SE实现了与基于深度图的实施方式的高度集成。

如图1A所示，TOF传感器SE包括能够是VCSEL的光源LS、第一探测器D1(也称为光子传感器)、将光聚焦到目标TG上和/或将从目标TG接收的光聚焦到第一探测器D1上的可选的光学器件L1、L2、以及将所接收的光限制为与所发送的光相同带宽的滤光器OF。在图1A中，示出了TOF传感器SE的框图，该传感器可以称为系统、模块或光学传感器装置。TOF传感器SE配置为完成飞行时间测量，缩写为TOF测量。这种TOF传感器SE中的一个示例能够是与TD转换器和直方图存储器耦合的基于SPAD的系统/装置模块。

图1B示出了图1A所示的装置的示例。移动通信设备DV包括TOF传感器SE。例如，TOF测量的目标TG可以是人。光执行脉冲往返。飞行时间(TOF)测量的方法是测量辐射在距离D上行进需要多长时间。一旦测量了时间段Td，就能够通过已知光的速度c来容易地推导距离D。能够使用以下公式：

D＝Td·c/2，

其中D是在目标TG与TOF传感器SE之间的距离，Td是测量的时间段，以及c是光的速度(大约0.3m/nsec)。评估单元EV使用直方图确定测量的时间段Td。直方图实施了深度图。

图2示出了半导体主体SB的示例，该半导体主体是上述半导体主体的进一步发展。半导体主体SB包括参考子系统RS。参考子系统RS包括具有至少一个雪崩二极管的参考探测器RD。参考子系统RS可以包括参考时间数字控制器RC，缩写为参考TD转换器。参考子系统RS可以包括参考存储器RM，该参考存储器可以称为参考直方图存储器。

此外，半导体主体SB包括至少一个子系统，该子系统包括探测器、TD转换器和存储器。探测器包括至少一个雪崩二极管。半导体主体SB的第一子系统SU1包括第一探测器D1、第一TD转换器C1和第一存储器M1。第一存储器M1可以称为第一直方图存储器。第一存储器M1可以是存储器ME的一部分。例如，半导体主体SB包括第二子系统SU2，该第二子系统具有第二探测器D2、第二TD转换器C2和可以称为第二直方图存储器的第二存储器M2。另外，半导体主体SB包括第三子系统SU3和第四子系统SU4，该第三子系统和第四子系统具有第三探测器D3和第四探测器D4、第三TD转换器C3和第四TD转换器C4以及可以称为直方图存储器的第三存储器M3和第四存储器M4。

TD转换器装置CA包括第一TD转换器C1至第四TD转换器C4。TD转换器装置CA可以包括参考TD转换器RC。存储器ME可以包括第一存储器M1至第四存储器M4。

另外，半导体主体SB包括电荷泵CP，该电荷泵在其输出侧上耦合到参考子系统RS和第一子系统SU1至第四子系统SU4。半导体主体SB包括评估单元EV。此外，半导体主体SB包括存储器ME。评估单元EV可以实现为微处理器、微控制器或状态机。此外，评估单元EV可以包括存储器ME。存储器ME可以实现为随机存取存储器(简称RAM)和/或只读存储器(缩写为ROM)和/或电可擦只读存储器(缩写为EPROM)。另外，半导体主体SB包括时钟单元CLU。时钟单元CLU包括振荡器OSC和/或锁相环PLL。

如图1A所示的控制单元CU使用模拟电路CAA来实施，该模拟电路包括至少一个低压差稳压器和/或诸如参考电压电路的参考电路。模拟电路CAA连接到驱动器DRV。

另外，半导体主体SB包括通信单元IF。通信单元IF可以实现为接口，例如实现为I/O电路、I2C接口或实现为I2C通用接口(I2C GPIO)。此外，半导体主体SB包括上电复位电路POC。半导体主体SB可以包括总线系统BS，该总线系统将块、单元和电路DRV、CA、CLU、PLL、OSC、EV、IF、RS和SU1至SU4彼此耦合。

参考探测器RD的雪崩二极管接收光学参考信号。参考子系统RS提供以参考直方图的形式存储的数据。参考直方图存储在参考存储器RM中。参考存储器RM与存储器ME分离。

在未示出的替代实施例中，用于存储参考直方图的参考存储器RM可以是存储器ME的区域。

第一探测器D1至第四探测器D4的雪崩二极管接收光学测量信号。相应地，第一子系统SU1至第四子系统SU4的TD转换器C1至C4提供存储在第一直方图至第四直方图中的数据。第一直方图至第四直方图存储在第一存储器M1至第四存储器M4中。第一存储器M1至第四存储器M4与存储器ME分离。

在未示出的替代实施例中，第一存储器M1至第四存储器M4可以由存储器ME实施。评估单元EV给存储器ME提供第一直方图至第四直方图和参考直方图。

如图2所示，半导体主体SB包括几个部件。为了简化引用，三个部件将称为S-T-H子系统或块。S-T-H子系统包括：探测外部反射光的单光子雪崩二极管(SPAD)、捕获每个光子的到达时间的TD转换器和记录每个光子的到达时间的直方图。其他部件包括：用于驱动VCSEL窄脉冲的驱动器DRV、配置为给SPAD阵列提供高电压的电荷泵CP、用于在设备中提供功率控制的低压差稳压器(简称LDO)、为各种块提供时钟的振荡器OSC、提供高速时钟的锁相环(PLL)、可以实施为具有相关RAM和ROM的微处理器的评估单元EV以及给外部部件提供通信的通信单元IF。

S-T-H子系统中的几个能够实施为提供多个区域。这样能够提供来自图像的四个不同区域的光子的探测，诸如如图7所示。另外，能够在与VCSEL输出相邻处提供参考S-T-H子系统RS，以记录VCSEL脉冲起始的准确时间。这反过来能够用于补偿VCSEL脉冲随温度的变化或随时间的变化。

多个SPAD/TDC/直方图子系统SU1至SU4随着可编程微处理器系统的实施允许TOF传感器SE的配置和适应不同的应用程序。

所述方法使用直方图来表示到多个物体TG的距离，该直方图能够看作是在视野内可见的物体的深度图。在存在多个物体TG的各种条件中，TOF传感器SE可以精确地测量距离。一个这种示例是在具有玻璃盖片的系统中，其中玻璃盖片能够暴露于环境污染下。

图3示出了半导体主体SB的细节，该半导体主体是上述示例的进一步发展。第一探测器D1包括连接到雪崩二极管AD的淬灭电路QC。电荷泵CP耦合到雪崩二极管AD。第一TD转换器C1包括延迟线DL和将延迟线DL的输出耦合到延迟线DL的输入的逻辑门LG。延迟线DL包括串联连接的多个反相元件。起始信号ST提供给逻辑门LG的另外的输入。例如，逻辑门LG可以实施为与非门。因此，延迟线DL和逻辑门LG的组合实现了环形振荡器。环形振荡器由在图3右侧的环表示。延迟线DL的输出连接到第一TD转换器C1的计数器CO。因此，一系列反向元件的最后一个反向元件可以连接到计数器CO。延迟线DL的另外的输出和计数器CO的输出连接到第一TD转换器C1的锁存器LA的输入。锁存器LA可以实现为存储元件。雪崩二极管AD的输出经由脉冲发生器ACI耦合到锁存器LA的触发输入。环形振荡器包括延迟线DL和逻辑门LG。

此外，第一TD转换器C1包括在其输入侧连接到锁存器LA的解码器DEC。解码器DEC耦合到第一存储器M1，该第一存储器是指存储与第一子系统SU1的第一探测器D1相对应的第一直方图的存储区域。第一存储器M1连接到将第一存储器M1的输出耦合到第一存储器M1的输入的递增单元INU。锁存器LA、解码器DEC和递增单元INU是传输电路CF的部分。

起始信号ST提供给逻辑门LG。在起始信号ST之后，环形振荡器工作，直到雪崩二极管AD由光子触发。光子是从滤光器OF接收的光的一部分。雪崩二极管AD经由脉冲发生器ACI产生提供给锁存器LA的触发输入的停止信号SO。当停止信号SO到达时，延迟线DL的状态和计数器CO的计数值存储在锁存器LA中。因此，由多个反向元件提供的逻辑状态和计数值存储在锁存器LA中。解码存储在锁存器LA中的信息使得将地址提供给第一存储器M1。在由解码器DEC解码的地址处的存储在第一存储器M1中的数据被增加1，并且再次存储在第一存储器M1中。第一存储器M1的输出连接到用于数据处理的评估单元EV。

如图3所示，第一SPAD子系统SU1包括两个关键元件：在探测到光子之后允许快速恢复的淬灭电路QC和给第一TD转换器C1提供方形脉冲的脉冲发生器ACI。第一TD转换器C1包括具有使能信号的环形振荡器，随后是被解码来提供每个光子的到达时间的锁存器LA和计数器CO。第一直方图在第一存储器M1中实现，其中到达时间是地址，并且数据是光子在预定的测量时间期间到达的次数，该时间可以是例如非常小但特定的时间。

几个雪崩二极管AD能够连接到单个TD转换器。这些雪崩二极管AD中的每一个能够启用/禁用以允许根据到目标TA的距离D来调节灵敏度。因此，第一探测器D1可以包括雪崩二极管阵列。将这种阵列的雪崩二极管的输出信号组合来产生停止信号SO。组合可以由OR组合实现。

可以实现其他探测器，诸如第二探测器D2至第四探测器D4，以及可选地还有参考探测器RD，诸如图3所示的第一探测器D1。

例如，可以实现其他TD转换器，诸如第二TD转换器C2至第四TD转换器C4，以及可选地还有参考转换器RC，例如图3所示的第一TD转换器C1。

图4示出了单个物体TG的测量过程的示例性示例。在图4中，示出了TOF传感器SE的时序。时序图根据时间t在上一行示出发射脉冲EP，也称为输出光脉冲，并且在下一行示出反射脉冲RP。在图4中，示出了具有重复率的一系列五个发射脉冲EP1至EP5、从物体TG反射的相关的反射脉冲RP1和RP2、以及源于噪声或背景光BL的光子的附加反射脉冲RP3、RP4。此外，很明显的是，不是所有间隔都可以接收导致脉冲的光子。

图5示出了由单个物体或目标TG的测量过程产生的示例性直方图。在TOF传感器SE中，VCSEL脉冲重复许多次，例如可能几百万个脉冲。然后测量接收的每个光子的到达时间并且将其存储在直方图中。直方图记录背景光子和从目标或物体TG反射的光子。如图1B所示的示例中的情况可以产生如图5所示的直方图。在直方图中，示出了根据组数N的光子的数量NH。组也能够称为桶。

在所述示例中，脉冲宽度TP可以是500ps，表示约为75mm或约为3英寸的距离。直方图具有64组，表示约为4.8m的最大距离。物体位于约为1m处。背景噪声(环境光或日光)可以以恒定的背景水平出现。

图6A示出了两个物体或目标TG、TG'的测量过程的示例性示例。直接飞行时间是基于测量从目标TA反射的脉冲到达TOF传感器SE所需的时间。这个技术能够利用多个周期的多个脉冲来收集更多的数据以提高信噪比。将这些周期性样本收集到直方图中，并且然后进行处理以确定距离D。非常窄的脉冲允许多个物体TG、TG'的探测。在图6A所示的示例中，发射脉冲EP可以具周期性样本收集到直方图中，并且然后进行处理以确定距离D。非常窄的脉冲允许多个物体TG、TG'的探测。在图6A所示的示例中，发射脉冲EP可以具有500ps的持续时间TP，并且测量两个时间段Td、Td'，从而得到两个距离D、D'。

图6B示出了图6A所示的两个物体的测量过程的示例性直方图。如图6B所示，只要物体TG、TG'相隔一定距离，TOF传感器SE就具有探测多个物体TG、TG'的能力。

图7示出了具有四个区域的图像的示例。图像包括矩形RE，该矩形细分为叠加在图像上的四个象限I、II、III、IV。第一子模块SU1的第一探测器D1接收来自第一象限I的光子。相应地，第二子系统SU2至第四子系统SU4的第二探测器D2至第四探测器D4接收来自第二象限至第四象限II、III、IV的光子。因此，第一子系统SU1至第四子系统SU4提供关于能够在图像的第一象限至第四象限I、II、III、IV中找到的物体的信息。多个SPAD/TDC/直方图能够用多种方法组织。一种方法是正方形定位。该方法能够用于将场景聚焦到一个图像中，并且将图像分成多个象限。

图8A示出了半导体主体SB的示例，该半导体主体是上述实施例的进一步发展。第一子系统SU1至第四子系统SU4的第一探测器D1至第四探测器D4以一种常规的方式实现，例如以阵列的方式。阵列可以是二乘二阵列。第一探测器D1至第四探测器D4可以位于矩形R或正方形的四个角上。第一探测器D1至第四探测器D4连接到第一TD转换器C1至第四TD转换器C4，所述转换器连接到第一存储器M1至第四存储器M4以存储第一直方图至第四直方图。参考探测器RD连接到参考TD转换器RC，所述转换器连接到参考存储器RM以存储参考直方图。第一探测器D1至第四探测器D4配置为探测来自如图7所示的四个象限的光子。存储器ME可以包括第一存储器M1至第四存储器M4和参考存储器RM。

或者，半导体主体SB包括另外的探测器。探测器可以形成二乘二阵列之外的其他阵列，诸如三乘三阵列或四乘四阵列或更大的或另外的阵列。

另外但未示出的，半导体主体SB包括驱动器DRV、评估单元EV和另外的如图1A或图2所示的单元和电路。图8A示出了半导体主体SB的俯视图。

第一探测器D1至第四探测器D4和参考探测器RD包括雪崩二极管或多于一个雪崩二极管。如果探测器包括多于一个雪崩二极管，所述探测器的雪崩二极管可以以诸如阵列的常规的方式设置。

在替代的未示出的实施例中，第一探测器D1至第四探测器D4设置在直线上。因此，TOF传感器SE确定由设置在图像中的直线上的四个区域产生的四个直方图。

图8B示出了TOF传感器SE的示例实施方式，该传感器是上述示例的进一步发展。在图8B中，示出了包括半导体主体SB和光源LS的TOF传感器SE的横截面。半导体主体SB和光源LS设置在载体CR上。光源LS实现为VCSEL。光源LS产生光，光从TOF传感器SE的内表面反射回来并且由参考子系统RS的参考探测器RD接收。另外，光经由覆盖层CV发射并且能够被未示出的物体TA接收。由物体TA发射的光能够经由包括在覆盖层CV中的透镜的第二光学器件L2被第一子系统至第四子系统的第一探测器D1至第四探测器D4接收。第一探测器D1至第四探测器D4通过第二光学器件L1从不同象限接收光。例如，光学器件能够用于在四个探测器D1至D4处创建图像，例如通过将探测器对准光学器件的焦平面。换句话说，探测器位于光学器件、一组透镜或具有成像功能的单个透镜的后面。

TOF传感器SE包括遮光材料BM。遮光材料BM包括孔。光源LS通过孔发射光。第一光学器件L1和/或遮光材料BM可以形成孔。

遮光材料BM包括另外的孔。第一探测器D1至第四探测器D4通过另外的孔接收光。第一光学器件L1和/或遮光材料BM可以形成另外的孔。

遮光材料BM在参考探测器RD与第一探测器D1至第四探测器D4之间形成屏障。因此，第一探测器D1至第四探测器D4不直接从光源LS接收光。

如图2和图8A所示，TOF传感器SE的半导体主体SB包括四个子系统，即第一子系统SU1至第四子系统SU4。或者，TOF传感器SE的子系统的数量可以是一个、两个、三个或多于四个。因此，TD转换器装置CA包括至少一个TD转换器、至少两个TD转换器、至少三个TD转换器或至少四个TD转换器。

如图2和图8A所示，TOF传感器SE的半导体主体SB包括参考子系统RS，该参考子系统具有参考探测器RD和参考TD转换器RC。

或者，如图1A所示，TOF传感器SE的半导体主体SB没有参考TD转换器RC。参考探测器RD的信号用于产生第一TD转换器C1至第四TD转换器C4的起始信号ST。因此，如图2和图8A所示的参考TD转换器RC和参考存储器RM可以省略。

在替代的未示出的实施例中，光源LS直接附着在半导体主体SB的顶部上。

附图标记

ACI 脉冲发生器

AD 雪崩二极管

BL 背景光

BM 遮光材料

BS 总线系统

CA 时间数字转换器装置

CAA 模拟电路

CF 传输电路

CO 计数器

CP 电荷泵

CLU 时钟单元

CR 载体

CU 控制单元

CV 覆盖层

C1至C4 时间数字转换器

D、D' 距离

DEC 解码器

DL 延迟线

DRV 驱动器

DV 移动通信设备

D1至D4 探测器

EP 发射脉冲

EV 评估单元

IF 通信单元

INU 递增单元

LA 锁存器

LG 逻辑门

LS 光源

L1 第一光学器件

L2 第二光学器件

ME 存储器

MEB 测量块

M1至M4 存储器

N 组数

NH 光子的数量

OF 滤光器

OS 输出信号

OSC 振荡器

PLL 锁相环

POC 上电复位电路

P1 测量路径

P3 参考路径

QC 淬灭电路

R、RE 矩形

RC 参考时间数字转换器

RD 参考探测器

RM 参考存储器

RP 反射脉冲

RS 参考子系统

SB 半导体主体

SC 控制信号

SE 飞行时间传感器

SM 测量信号

SO 停止信号

SR 参考信号

ST 起始信号

SU1至SU4 子系统

t 时间

Td、Td' 测量时间段

TG、TG' 目标

TP 持续时间

Claims

1.一种半导体主体，包括：

-驱动器(DRV)，其用于驱动光源(LS)，

-至少两个探测器(RD、D1至D4)，每个探测器包括至少一个雪崩二极管(AD)，

-时间数字转换器装置(CA、C1至C4)，其耦合到所述探测器(RD、D1至D4)的输出，

-存储器(ME、RM、M1至M4)，其耦合到所述时间数字转换器装置(CA、C1至C4)，并且配置为存储至少一个直方图，以及

-评估单元(EV)，其耦合到所述驱动器(DRV)和所述存储器(ME、RM、M1至M4)。

2.根据权利要求1所述的半导体主体，

其中，所述至少两个探测器(RD、D1至D4)实施为方形或条状布置的第一探测器至第四探测器(D1至D4)。

3.根据权利要求2所述的半导体主体，

其中，所述第一探测器至所述第四探测器(D1至D4)、所述时间数字转换器装置(CA、C1至C4)和所述存储器(ME、M1至M4)配置为产生并且存储图像的四个不同区域的直方图。

4.根据权利要求2或3所述的半导体主体，

其中，所述时间数字转换器装置(CA、C1至C4)包括第一时间数字转换器至第四时间数字转换器(C1至C4)，其耦合到所述第一探测器至所述第四探测器(D1至D4)和所述存储器(ME、M1至M4)。

5.根据权利要求4所述的半导体主体，

其中，所述第一时间数字转换器至所述第四时间数字转换器(C1至C4)中的至少一个包括：

-环形振荡器(DL、LG)，其具有耦合到所述探测器(D1至D4)的输入，

-计数器(CO)，其耦合到所述环形振荡器(DL、LG)的输出，和

-传输电路(CF)，配置为捕获所述环形振荡器(DL、LG)和所述计数器(CO)的当前状态，将捕获的状态解码为时间戳，并且根据所述时间戳将数据传输到所述存储器(ME、M1至M4)中。

6.根据权利要求1至5之一所述的半导体主体，

其中，所述至少两个探测器(RD、D1至D4)中的一个实施为用于接收表示零距离的光子的参考探测器(RD)。

7.根据权利要求1至6之一所述的半导体主体，

其中，所述驱动器(DRV)配置为产生一系列脉冲，每个脉冲具有等于或少于1ns的持续时间(TP)。

8.根据权利要求7所述的半导体主体，

其中，所述驱动器(DRV)配置为使得所述持续时间(TP)能够被编程。

9.根据权利要求1至8之一所述的半导体主体，包括：

-时钟单元(CLU)，

-电荷泵(CP)，其耦合到所述至少两个探测器(RD、D1至D4)，和

-通信单元(IF)，其耦合到所述评估单元(EV)，并且配置为将数据传送到外部设备。

10.一种飞行时间传感器，包括根据权利要求1至9之一所述的半导体主体(SB)，以及光源(LS)。

11.根据权利要求10所述的飞行时间传感器，

其中，所述光源(LS)实现为垂直腔面发射激光器或垂直外腔面发射激光器。

12.根据权利要求10或11所述的飞行时间传感器，

其中，所述光源(LS)由连接到所述半导体主体(SB)的另外的半导体主体实现。

13.根据权利要求10至12之一所述的飞行时间传感器，

其中，所述飞行时间传感器(SE)包括遮光材料(BM)，所述遮光材料包括孔。

14.根据权利要求13所述的飞行时间传感器，

其中，所述遮光材料(BM)在所述参考探测器(RD)与所述第一探测器至所述第四探测器(D1至D4)之间形成屏障。

15.一种用于飞行时间测量的方法，包括：

-提供驱动器信号以驱动光源(LS)，

-通过至少两个探测器(RD、D1至D4)接收光子，每个探测器具有至少一个雪崩二极管(AD)，

-通过时间数字转换器装置(CA、C1至C4)将由所述至少两个探测器(RD、D1至D4)接收的信号转换成至少一个直方图，并且存储所述至少一个直方图，以及

-通过评估单元(EV)基于所述至少一个直方图执行计算。