CN111337899B - 芯片级光探测和测距设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的芯片级LiDAR设备包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、与激光源连接的分束器；多个波导，每个波导均与分束器连接；多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。该芯片级LiDAR设备可大批量生产，适用于成本、重量、功率和形状因素受限制的应用领域。本发明还对应公开该芯片级LiDAR设备的制造方法。

Description

芯片级光探测和测距设备及其制造方法
技术领域
本发明的实施例总体上涉及遥感技术，尤其涉及芯片级光探测和测距(LiDAR)设备以及制造该设备的方法。
背景技术
LiDAR设备可以通过利用激光脉冲照射环境中的物体并测量物体反射脉冲来测量到该物体的距离。LiDAR设备通常利用高级光学和旋转组件来创建广阔的视野，但是这种实现方式往往体积庞大且昂贵。固态LiDAR传感器往往成本较低，但其尺寸仍然较大。
由于固态LiDAR传感器具有明显优势：可靠性更高，使用寿命更长，尺寸更小，重量更轻，成本更低，因此，在许多系统，例如高级驾驶员辅助系统(ADAS)中，此类LiDAR传感器将是首选。因此，如何将LiDAR设备的结构及应用优化成为研究难题。
发明内容
本发明所描述的为芯片级LiDAR设备及其制造方法的各种实施例。各种实施例使得LiDAR设备的大批量生产成为可能，可用于成本、重量、功率和形状因素受限制的应用领域。
在一个实施例中，芯片级LiDAR设备包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、与激光源连接的分束器，分别与分束器连接的多个波导和多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。
根据本发明的一方面，芯片级LiDAR设备可包括具有三层的芯片。第一层包括多个微机械(MEMS)反射镜。第二层包括激光源、连接到激光源的分束器、分别连接到分束器的多个波导和多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。第三层包括接收单元，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该第一层、第二层、第三层使用晶片键合和/或焊料键合竖直地互相连接。
在一个实施例中，第二层和第三层通过晶片键合相互连接，第一层和第三层通过焊料键合相互连接。一个或多个间隔物被用于在所述第一层与所述第三层之间产生间隔，以使来自第二层的激光源的激光束可以被导向至第一层上的相应的MEMS反射镜上。
在可选实施例中，第一层和第二层直接连接，而在第一层和第三层之间不设置任何间隔物。在本实施例中，第一层可以是具有预定厚度的玻璃面板；玻璃面板的厚度使来自第二层的激光源的激光束能够被导向至第一层的相应MEMS反射镜上。
在一个实施例中，可以有相等数量的MEMS反射镜、波导和光束偏转器。每个波导可以对应一个不同的光束偏转器，每个光束偏转器可以对应一个不同的MEMS反射镜。多个光束偏转器中的每一个将来自激光源的一个或多个激光束偏转出平面，从第二层偏转到第一层上相应的MEMS反射镜。一个或多个激光束通过相应的波导从激光源被引导到光束偏转器。多个MEMS反射镜中的每一个均耦合至一个或多个致动器，该致动器被配置为以Z字形或螺旋形图案对MEMS反射镜进行扫描，从而将来自激光源的激光束导向至一个或多个不同方向。
在一个实施例中，第三层中的接收单元包括空间滤波器，根据第一层上的每个MEMS反射镜正在扫描的一个或多个方向而动态形成孔，该孔使得从一个或多个方向反射的光子能够通过该空间滤波器。
根据本发明的另一方面，一种制造芯片级光探测和测距(LiDAR设备的方法包括制造具有多个第一管芯的第一晶圆，每个第一管芯上均形成有照相集成电路(PIC)管芯，其中每个PIC管芯包括激光源、连接到激光源的光束分束器、多个波导，每个波导均连接到光束分离器，以及多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。该方法还包括制造具有多个第二管芯的第二晶圆，每个第二管芯上形成有多个单光子雪崩二极管(SPAD)，其中每个第二管芯将接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。该方法还包括将第一晶圆和所述第二晶圆背对背连接以形成集成晶圆；以及将该集成晶圆分为多个集成管芯。
在一个实施例中，该方法还包括制造具有多个第三管芯的第三晶圆，每个第三管芯上均形成有微机械(MEMS)反射镜；然后将第三晶圆分成不同的第三管芯。该方法还包括将多个第三管芯中的一个或多个连接到玻璃面板上；以及将玻璃面板连接到多个集成管芯之一。在一个实施例中，玻璃面板和集成管芯通过焊料键合互相连接。
上面的概述并非包括本发明所有方面的详尽内容。可以预期，本发明包括从上述各方面的所有合适组合中实践的所有系统和方法，以及本发明的具体实施例中所公开的系统和方法。
本发明的各个实施例的其他功能和优点将从附图和下面的详细描述中显而易见。
附图说明
在附图中通过示例而非限制的方式展示本公开的实施例，其中相同的附图标记指示相同的元件。
图1展示为根据一实施例可以在其中实施本发明的实施例的示例LiDAR设备。
图2展示为根据一实施例的具有动态空间滤波器的示例LiDAR设备。
图3A和3B展示如图2所示的LiDAR设备的示例实施例。
图4展示图2所示的LiDAR设备的另一示例实施例。
图5A-5B展示根据一实施例的空间滤波器的另一示例实施例。
图6为根据一实施例的示例芯片级LiDAR设备的侧视图的框图。
图7为根据一实施例的另一示例芯片级LiDAR设备的侧视图的框图。
图8进一步展示根据一实施例的示例芯片级LiDAR设备。
图9为根据一实施例的另一示例芯片级LiDAR设备。
图10A-10E展示根据一实施例的制造芯片级LiDAR设备的过程。
图11展示根据一实施例的制造芯片级LiDAR设备的示例过程1100。
具体实施方式
以下描述和附图是说明性的，并且不应解释为限制性的。描述了许多具体细节以提供对各种实施例的透彻理解。但是，在某些情况下，为了提供实施例的简要讨论，没有描述众所周知的或常规的细节。
固态LiDAR设备
图1展示为根据一实施例可以在其中实施本发明的实施例的示例LiDAR设备。
示例LiDAR设备可以是固态LiDAR设备101，其可以通过用激光脉冲照射环境中的物体来测量到物体的距离。反射的激光脉冲和波长的返回时间的差异可用于创建环境的点云。点云可以提供空间位置和深度信息，以用于识别和跟踪物体。
如图1所示，该LiDAR设备101包括激光脉冲发射单元104、激光脉冲扫描器105、激光脉冲接收单元109和控制单元107。激光脉冲发射单元104可以包括一个或多个可发射包含不同频率的光子的短脉冲激光束的激光发射器。
例如，在图1中，激光脉冲发射单元104发射出射激光脉冲束113。该出射激光脉冲束113可以由激光脉冲扫描仪105使用各种机构(包括微机电系统(MEMS)反射镜以及一个或多个光学相控阵列(OPA)朝一个或多个方向转向或扫描。该一个或多个方向中的每一个可以被称为转向方向或扫描方向。与每个转向方向相关联的竖直角度和水平角度可以分别被称为转向角度或扫描角度。激光脉冲扫描仪105可以使一个或多个激光脉冲束朝某个转向方向转向。每个激光脉冲束可以具有固定数量的脉冲。
控制单元107可以包括以硬件、软件、固件或其组合实现的控制逻辑。该控制逻辑107可以以协调的方式驱动LiDAR设备101的其他单元或子系统104、105和109，并可以执行一种或多种数据处理算法以执行一种或多种用于信号滤波和目标检测操作。例如，控制单元107可以使激光脉冲发射单元104和激光脉冲扫描仪105同步，使得激光脉冲扫描仪105可对水平视场进行多线扫描。
激光脉冲接收单元109可以使用一个或多个成像透镜(例如，成像透镜115)收集从目标物体103反射的一个或多个激光脉冲束(例如，激光脉冲束112)，并将一个或多个光电探测器(例如，光电探测器117)上的激光脉冲束聚焦。每个光电检测器可为高灵敏度光电二极管，例如，线性模式雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩二极管(SPAD)。一个或多个光电探测器可以将激光脉冲的反射光束中的光子转换为电。激光脉冲接收单元109可以将入射在每个光电检测器上的返回信号发送到控制单元107以进行处理。
在一个实施例中，激光脉冲发射单元104中的激光二极管可以以脉冲模式操作，其中脉冲以固定间隔(例如，每几微秒)重复。可以根据LiDAR设备101的预定性能参数来选择用于为激光二极管提供适当的偏置和调制电流的激光二极管和激光驱动电路。示例性地，性能参数可以包括所需的最大扫描空间范围和分辨率。
动态空间过滤器
在图1所示的示例LiDAR设备中，各种类型的噪声(例如，环境光和电子噪声)可能会对LiDAR设备101的SNR产生负面影响。当激光脉冲接收单元109接收到散射的环境光时，光电检测器(例如光电检测器117)会饱和，特别是当环境光为在很宽的波长范围内都具有巨大功率的太阳光时。太阳光引起的噪声可能比由来自明亮表面(如陆块、雪和厚云)的反射激光脉冲所表示的弱LiDAR信号高几个数量级。
为了增加LiDAR设备的探测范围，可以使用用于鲁棒抑制环境光和高速采集返回信号的技术。但是，由于固态LiDAR设备中没有机械旋转扫描仪和机械探测器扫描仪，因此，一些在机电LiDAR设备中有效的环境光滤波技术在固态LiDAR设备中可能不可行。
例如，在机电LiDAR设备中，环境光过滤技术是使用单个雪崩光电二极管(APD)或少量APD作为光电探测器，由于其尺寸小，没有入射到光电探测器上的光子会被自动过滤掉，因此可以有效地作为自然空间滤波器。由于在机电LiDAR设备中存在机械旋转扫描仪和机械探测器扫描仪，因此自然空间滤波器将在机电LiDAR设备中起作用。机械旋转扫描仪和机械检测仪扫描仪会将从大反射面反射的所需信号准确地引导到光电检测器，其光子倍增增益可以进一步提高机电LiDAR设备的信噪比(SNR)，从而增大其探测范围。
然而，在诸如LiDAR设备101之类的固态LiDAR设备中，由于固态LiDAR设备不具有机械旋转扫描仪或机械探测器扫描仪，因此难以使用单个APD或少量APD作为自然空间滤波器。因此，这种固态LiDAR设备将会丢失从具有大反射表面的目标物体反射的信号。尽管APD像素阵列(例如2D焦平面阵列)可用于补偿机械激光扫描仪和机械检测器扫描仪的缺乏，以使固态LiDAR设备能够接收来自大反射的更多反射信号，但是这样的像素阵列由于其较大尺寸而将失去其自然的空间滤波能力。此外，某些APD像素阵列(例如，线性模式APD像素阵列)在技术上较困难且制造成本过高。
因此，为了增加诸如LiDAR设备101之类的固态LiDAR设备的探测范围，盖革模式(Geiger-mode)单光子雪崩二极管(SPAD)的2D像素阵列将被用作光电探测器，并与位于2D像素阵列之前的独立动态空间滤波器耦合。
SPAD的二维像素阵列可以包括多列SPAD，每列SPAD都在竖直方向上并联连接。具有单列SPA的简单2D SPAD阵列将不可取，这是由于以这样的简单SPAD阵列作为光电探测器的固态LiDAR设备将需要激光脉冲扫描仪的每个竖直转向角度对应于该简单SPAD阵列上的单个SPAD。因此，该配置将具有许多缺点。例如，在该配置中，作为光电探测器的每个SPAD都需要时间数字转换器(TDC)，这会减小光电探测器上有源区域的填充系数。此外，在该配置中，每个SPAD光电探测器(其具有不可忽略的死区时间)可能由于黑暗事件和/或环境光而丢失所反射的光子。
然而，在本文所公开的2D像素阵列中，一个TDC可以用于一列SPAD，从而增加有源区域的填充系数。此外，针对某个竖直转向角度，使用一列SPAD而不是一个SPAD作为光电探测器可以避免由于与每个SPAD光电探测器相关联的死区时间而丢失所反射的光子。
在一个实施例中，可以基于LiDAR设备的当前转向方向或转向角度来动态地打开和关闭空间过滤器，从而有效地阻挡来自除当前转向方向以外的方向的环境光和其他噪声。通过空间滤波器的信号被定向到2D像素阵列中的一列或多列。大尺寸2D像素阵列和动态配置的空间滤波器的结合可以弥补固态LiDAR设备中机械激光扫描仪和机械检测器扫描仪的缺乏。这样的组合可以提高设备的SNR，而无需大幅度增加制造成本。
如本文中所使用的，转向方向是指竖直转向角度和水平转向角度的组合，反射脉冲从该竖直转向角度和水平转向角度进入LiDAR系统的激光接收单元，或者其中所发射的激光脉冲被转向。例如，将5度的竖直角和0度的水平角的组合视为一个方向，而将5度的竖直角和5度的水平角的组合视为另一方向。在本公开中，扫描角度或转向方向可互换使用，扫描激光脉冲和转向激光脉冲也可互换使用。
本公开中描述的各方面、实施方式和实施例还可以克服与SPAD相关的死区时间问题。通过将来自不同方向的入射激光脉冲束定向到2D像素阵列的不同列，像素阵列中的SPAD列在记录光子之后可以有足够的时间恢复到其原始状态，并做好准备记录来自不同方向的其他光子。
图2展示根据一个实施例的具有动态空间滤波器的示例LiDAR设备。
如图2所示，该激光脉冲接收单元109可包括一个或多个成像透镜(例如，成像透镜202)、空间滤波器201、光学中继透镜(例如，圆柱透镜)212以及2D SPAD阵列213。空间滤波器201可以放置在成像镜头202的像平面上，并可以使用电致变色显示器、微机械反射镜阵列、与偏振器组合的液晶显示器(LCD)，以及润湿显示器来实现。空间滤波器201可以包括分割区域的阵列，每个分割区域表示能够被打开和关闭的光透射区域。
在一个实施例中，当使用LCD实现空间滤波器时，打开分割区域将把分割区域从低光透射区域变为高光透射区域。相反，关闭分割区域将使分割区域从高光传输区域变为低光投射区域。高光透射区域将允许来自一个或多个已知方向的信号和噪声通过空间滤波器201，而低光投射区域将基本阻止信号和噪声到达该区域。
在一个实施例中，空间滤波器201可以被配置为在低光透射区域处仅阻挡具有特定波长(例如，预定范围内的波长)的信号和噪声，或者允许具有特定波长的信号和噪声通过高光透射区域。
每个分割区域可与信号和噪声进入激光脉冲接收单元109的特定方向对应，并且与将由目标物体形成的图像的像素对应。可选地，多个分割的区域可与图像的像素对应。
可基于激光脉冲扫描器105使激光脉冲转向的方式来动态打开空间滤波器201上的一个或多个分割区域以形成孔。
例如，当激光脉冲扫描仪105使激光脉冲水平、竖直转向时，激光脉冲扫描器105将一束发出的激光脉冲转向到单一分割区域相对应的方向，响应于此，该单一的分割区域被打开。当出射激光脉冲束(例如，出射激光脉冲束203)朝竖直N度和水平M度的方向转向时，对应的反射激光脉冲束(例如，反射激光脉冲束205)可以从该方向进入激光脉冲接收单元109。控制单元107可以打开空间滤波器201上的相应分割区域，使该分割区域作为孔211。控制单元107可以协调孔211的位置和激光脉冲的转向方向，使得成像透镜202可以将反射激光脉冲205的光束聚焦到孔211。在穿过孔211之后，反射激光脉冲205的光束可以由光学中继透镜212作为激光条投射到2D SPAD阵列213的一列上，该列可被预先配置为接收来自特定水平角度的反射信号。来自与孔相对应的方向以外的所有其他方向的噪声(例如环境光)将被阻挡。
作为另一实施例，当激光脉冲扫描仪105仅竖直引导激光脉冲束时，多个分割区域可作为单个单元被打从而形成孔211。因此，孔211将对应于竖直角度(例如，竖直角度M)。而作为孔211而被打开的分割区域的数量则可基于LiDAR设备的预定分辨率来确定。每个竖直转向角度打开的分割区域越多，LiDAR设备的分辨率则越高。多个打开的分割区域中的每一个还对应于处于该竖直角度的水平角度(例如，水平角度M)。
在该实施例中，输出激光脉冲束203表示以该竖直转向角发射的所有输出激光脉冲。在一种实施方式中，出射激光束203可以通过衍射光学元件(例如，衍射漫射器)或柱面透镜来水平扩展。因此，从水平扩展的激光束203反射的反射激光脉冲束205可以表示来自该竖直转向角度的所有反射激光脉冲。反射激光脉冲束205的一部分可以穿过孔211中的打开的分割区域之一。反射激光脉冲束205的一部分对应于竖直转向角度的水平转向角度，且可作为激光条投射在2D SPAD阵列213的一列上，正如由控制单元107配置或编程那般。因此，处于该竖直角度的反射激光脉冲束205的将由光学中继透镜212作为多个激光条投射在2D SPAD阵列213中的多列上。
空间滤波器201上孔211的位置可以基于出射激光束的竖直转向角度或者基于激光束的竖直转向角度和水平转向角度的组合来动态改变。空间滤波器201抑制噪声的能力可以由消光比来确定，该消光比被定义为孔211中的分割区域的数量与整个空间滤波器201中的分割区域的总数量之比。
在一个实施例中，打开或关闭分割区域所花费的时间可以确定LiDAR设备101的刷新率。例如，LiDAR设备101可以以范围从亚毫秒到几毫秒的时间段来打开或关闭分割区域。
在一个实施例中，2D SPAD阵列213可包括在竖直方向上并联连接但在水平方向上可单独寻址的SPAD。该2D SPAD阵列213可针对给定的竖直转向角度下的每个水平转向角度提供在盖革模式下操作的SPAD列，以节省检测死区时间。
在一个实施例中，控制单元107可被编程用于设定竖直扫描，该竖直扫描的方式为：在控制单元107完成从当前竖直扫描中读出输出信号之前、并且在2D SPAD阵列213中的预定数量的SPAD(例如，所有SPAD)经过其死区时间之前，激光脉冲扫描仪105不扫描下一竖直转向角度的激光脉冲。
在一个实施例中，控制单元107可以执行一种或多种数据处理算法以处理从2DSPAD阵列213输出的数据。该2D SPAD阵列213的输出强度与返回到成像透镜202的光子的数量成比例。由于探测器噪声和周围环境在某一帧内的光子数量上趋于相对均匀，因此控制单元107可以将在特定时间范围内(例如2-4ns)返回的多个光子显示为用于模拟探测系统的较高幅度电脉冲，或者显示为具有集成的时间数字转换器(TDC)，从而将一个或多个事件与2-D SPAD阵列213的探测器噪声和环境光区分开。
上述的动态空间滤波器201可以结合控制单元107和LiDAR设备101中的一个或多个其他子系统工作，以便通过抑制来自除了与空间滤波器201中的孔211相对应的一个或多个方向之外的方向的噪声来减少到达光电探测器的噪声。由于环境光和散粒噪声是正相关的，因此减少环境光也可以减少散粒噪声。减少与相对不变的反射激光信号耦合的噪声将增大LiDAR设备101的SNR。
为了进一步增加LIDAR设备101的SNR，可以对控制单元107进行编程以抑制空间滤波器201无法阻挡的噪声。该噪声可包括环境光和通过孔211的任何其他类型的噪声；以及通过空间滤波器201的关闭的分割区域到达2D SPAD阵列213的残余环境光，这是由于关闭的分割区域可能无法阻挡100％的所有波长的光。
在一个实施例中，控制单元107可以使用预定的信号分析算法215对来自2D SPAD阵列213的输出数据执行信号分析。信号分析算法215可以针对每个探测范围探测激光脉冲的固定时间模式，并使用该固定时间模式来识别来自2D SPAD阵列213的数据输出的反射激光脉冲信号。
作为说明性示例，激光脉冲发射单元104针对每个探测范围发射固定数量的激光脉冲；对于给定的激光脉冲发射单元104，激光束中的激光脉冲之间的时间间隔趋于相对固定。这些时间间隔可以形成从一个范围检测到另一个范围检测不变的时间模式。控制单元107可以使用时间模式来识别反射激光脉冲信号。与时间模式不匹配的光子则很可能是噪声，可以被丢弃。
图3A和图3B展示如图2所示的LiDAR设备101的示例实施例。
如图3A和图3B所示，图2所示的LiDAR设备101的激光脉冲扫描仪105正使激光脉冲在竖直和水平方向上转向。相应地，响应于激光脉冲扫描器105在竖直角度X和水平角度A的方向上控制输出的激光脉冲，空间滤波器301上的X行309中的单个分割区域则被打开以用作A孔307。该A孔307使来自该方向的反射脉冲束305得以穿过空间滤波器301，如图3A所示。
在图3B中，激光脉冲扫描仪105在竖直角度X以不同的水平角度(例如水平角度B)控制激光脉冲。作为响应，不同的分割区域被打开以用作B孔321，从而使来自竖直角度X和水平角度B方向的反射脉冲束306得以穿过空间滤波器301。当激光脉冲扫描仪105在该特定方向上进行扫描时，可以关闭与先前扫描方向相对应的A孔307。因此，在该特定实施例中，在任何特定时间，空间滤波器301中仅有一个分割区域可以处于打开状态以用作孔。
类似地，紧靠B孔321的分割区域322可以被打开以用作下一个孔，以允许来自下一个转向方向的反射激光脉冲穿过空间滤波器301。重复上述过程，直到激光脉冲扫描仪105完成在X度的竖直角度下的扫描。空间滤波器301的每一行中的分割区域的数量可以基于目标物体的图像的预定分辨率来确定。每个分割区域可以对应于目标物体图像中的一个像素。
作为2D SPAD阵列213上不同的激光条315和325，通过每个孔的反射激光脉冲可以由光学中继透镜212投射在不同的列317和323上。
当激光脉冲扫描仪105开始扫描下一个方向的激光脉冲时，控制单元107可被编程为从2D SPAD阵列213上对应于前一个方向的一列读出数据。或者，控制单元107可被编程为，在激光脉冲扫描仪105完成竖直角度X的激光脉冲转向后，从整个2D SPAD阵列213读出数据。
激光脉冲扫描仪105可以以与激光脉冲扫描仪105以竖直角度X扫描激光脉冲相同的方式来扫描处于与Y行310和Z行311对应的不同竖直角度的激光脉冲。
控制单元107可被编程为使空间滤波器301上的每个孔的位置与每个扫描方向同步，且将通过每个孔的激光脉冲作为不同的激光条投射在2D SPAD阵列213上的不同列上。
图4展示图2所示的LiDAR设备101的另一示例实施例。
如图4所示，出射激光脉冲束仅被竖直地转向，其中处于特定竖直转向角度(例如，竖直角度X)的每个出射激光脉冲束(例如，具有光束高度418的出射激光脉冲束406)通过衍射光学元件415或柱面透镜以有角度的方式水平扩展。经水平扩展的激光束的发散角416可以由预定的视场(FOV)和预定探测范围来确定。
对于每个竖直转向角度，可以打开空间滤波器301上的一行分割区域(例如，X行309)以用作该竖直转向角度的孔。从该竖直转向角度到达空间滤波器301的反射激光脉冲404的光束可以穿过该行中的每个分割区域401、403和405。光学中继透镜(例如，圆柱透镜)212可以将已经通过空间滤波器301的激光脉冲作为不同的激光条413、415、417投射到2DSPAD阵列213的不同列407、409、411。可以沿着LiDAR设备101中的竖直轴进行一次扫描来生成目标物体的完整3D点云。
在一个实施例中，空间滤波器301上的分割区域可以对应于目标物体的LiDAR图像的像素以及转向方向。LiDAR设备101可以使激光脉冲在一定范围的转向方向上(特定竖直角度下的水平角度)并行转向，由此增大系统的数据吞吐量并降低LiDAR设备的刷新率。相比之下，图3A-3B中所示的LiDAR设备可能受到激光脉冲扫描仪的速度和/或空间过滤器上分割区域可以打开和关闭的速度的限制。图3A-3B中的LiDAR设备也具有更高的刷新率。
在一个实施例中，LiDAR设备101可以具有双轴LiDAR配置，并可将激光脉冲扫描仪105和探测系统置于与光束扩展方向相同的方向，以减少盲点。
图5A-5B展示根据一个实施例的空间滤波器的示例实施方式。此处实施的空间滤波器可以为图2、图3A、图3B以及图4中所示的空间滤波器。
参照图5A，基于LCD的空间滤波器500包括位于两透明电极层503和507之间的孔层。该孔层可为液晶层505。第一线性偏振器层501和第二线性偏振器层508分别设置在第一透明电极层503的顶部和第二透明电极层507的下方。在一个实施例中，由于铁电液晶的快速开关特性及其自然二元态，铁电液晶可以用作液晶层505。在另一个实施例中，可使用不同类型的液晶。与铁电液晶不同，其他类型的液晶改变激光脉冲入射光束的偏振度，使之在很大程度上与施加的电压成正比。
第一透明电极层503可以通过将多个透明水平电极条连接到一个常见的物理结构而形成。这些水平电极条可以彼此平行放置。在一个实施例中，电极条可以平行于在其上实现激光脉冲接收单元109的集成电路的表面。如图2、图3A、图3B和图4所示，透明电极条503的层体可以面向成像透镜202。水平电极条513为多个透明电极条的示例。
第二透明电极层507可通过将竖直于第一透明电极层503中的电极条的多个透明电极条附着在共同的物理结构上而形成。竖直电极条511为透明电极条的示例。竖直电极条和水平电极条中的每一个可以由氧化铟锡(ITO)或二氧化钛(TiO 2)制成。
第二透明电极层507上的每个竖直电极条可以与第一透明电极层503上的每个水平电极条交叉。竖直电极条和水平电极条彼此交叉的部分对应于液晶层505上的像素区域。液晶层505上的像素区域是空间滤波器500上的可以动态地开启和关闭的分割区域。
图5B展示出这样的分割区域515，即液晶层505上与水平电极条513和竖直电极条511彼此交叉的区域相对应的区域。
在一个实施例中，为了打开分割区域515，如图2所示的控制单元107可以将第一电压(例如，10V)施加到水平电极条513，并施加第二电压(例如，-10V)到竖直电极条511。两种电压的差值会将分割区域515处的液晶转化为电容。由于电容的暂时存在，穿过分割区域515的激光脉冲偏振可以保持不变。因此，在分割区域515处的液晶可以用作空间滤波器500上的高光透射区域(即孔)。当对水平电极条513施加第一电压，对液晶层507的每个竖直电极条施加第二电压时，可以打开一整行分割区域，作为与竖直转向角度对应的孔。
可以通过停止向层511中的水平电极条513和竖直电极条施加电压，关闭按上述方式打开的分割区域51。在水平电极条513无电压施加的情况下，入射的激光脉冲光束经过第一偏振器层510后，可由分割区域513内的液晶将其偏振配置为旋转90度。偏振度旋转90度的激光脉冲束将被第二偏振器层509阻挡。
类似地，可以通过停止向用于形成分割区域的行的电极条施加电压来关闭整行分割区域。本领域技术人员将认识到，如果没有电压施加到形成分割区域的竖直电极条和水平电极条，则分割区域首先将处于关闭状态。
芯片级LiDAR设备
图6为根据一个实施例的示例芯片级LiDAR设备的侧视图的框图。
如图6所示，芯片级LiDAR设备601包括芯片602，该芯片602具有MEMS反射镜层611、照相集成电路(PIC)层605和SPAD层604。PIC层605可包括激光源、分束器和多个波导。激光源发射的激光束可被导向至MEMS反射镜层611中的多个MEMS反射镜608、610上。MEMS反射镜608、610可以将出射激光束617和623导向至目标物体。每一激光束的一部分作为入射激光束619、621从目标物体反射到SPAD层中，从而将反射的激光束转换为电信号。
芯片级LiDAR设备601还包括印刷电路板(PCB)613，该PCB 613通过多条导线602向芯片602供电；并使用现场可编程门阵列(FPGA)控制MEMS反射镜608、610的运动。
如进一步所示，在MEMS反射镜层613和SPAD层604之间可设置多个间隔物607、612，以在MEMS反射镜层611和SPAD层604之间产生间隔。由于PIC 605和SPAD层604通过晶片键合彼此连接，间隔物607、612在PIC层605和MEMS反射镜层611之间产生间隔，使得来自PIC层605上的激光源的激光束能够被引导到MEMS反射镜层611上的相应MEMS反射镜上。例如，在PIC层605和MEMS反射镜层611之间可以有0.5-1mm的间隔。
在一个实施例中，SPAD层604的尺寸大于PIC层605的尺寸。尺寸的大小确定了芯片级LiDAR设备601的视场，而PIC层605的尺寸则与成本相关。通常，PIC层605越大，PIC层的制造成本越昂贵。因此，为了确保较大的视野和较低的成本，SPAD层604的尺寸大于PIC层605的尺寸。
由于SPAD层604朝向透镜615，因此在SPAD层604背对背粘合到PIC层605之后，SPAD层604的背面可能会存在未被PIC层605覆盖的空间。该未覆盖的区域可用于支撑间隔物。在一种实施方式中，SPAD层604和MEMS反射镜层611之间可以存在三个或更多个间隔物。
图7为根据一个实施例的另一示例芯片级LiDAR设备的侧视图的框图。在图7中，并没有采用间隔物来形成间隔以引导激光束到达各自对应的MEMS镜像层，而是将MEMS反射镜层611的厚度设置成大致等于由PIC层605和MEMS反射镜层611之间的间隔物产生的间隔。由于MEMS反射镜层611为玻璃或另一种透明材料，因此MEMS反射镜层611的厚度可以使来自PIC层605上的激光源的激光束直接照射到MEMS反射镜层611上对应的MEMS反射镜上。
图8进一步展示根据一个实施例的示例芯片级LiDAR设备。SPAD层604可为制造有多个光电探测器电路的硅管芯。在一个实施例中，SPAD层604可包括多个SPAD阵列，例如图2中所示的SPAD阵列213。
PIC层605也可为硅管芯，其包括激光源807、分束器809以及多个波导811、812、815和817。每个波导为物理结构，其通过限制激光束的扩展到一维或二维，以最小的能量损失来引导激光束。
在一个实施例中，激光源为激光二极管，其可在脉冲模式下工作，脉冲每隔几微秒重复一次。本示例芯片级LiDAR设备中使用的激光和激光驱动电路的特性可根据LiDAR设备所需要的性能参数，例如所需的最大扫描空间范围和分辨率进行选择。
在本实施例中，每个波导的一端连接到分束器811，而另一端连接到多个分束器819、822、823和825中的一个。分束器811为将来自激光源808的各激光束直接分割成多个激光束的光学设备。与直接来自激光源808的原始激光束相比，每个分割的激光束的光功率较小。
每个光束偏转器可将激光束从相应的PIC层605的波导面外以预定的固定角度偏转到MEMS层611上相应的MEMS反射镜。每个光束偏转器可为光栅、反射镜、棱镜或其任何组合。在一个实施例中，PIC层605可包括两个或更多个激光源，每个激光源耦合到不同的偏转器。
透明的MEMS反射镜层611可由玻璃或任何其他透明材料制成，且可包括多个MEMS反射镜829、830、831和833。每个MEMS反射镜可与一个或多个由现场可编程门阵列(FPGA)子系统控制的二维驱动器耦合。例如，该FPGA子系统为12位。可以使用FPGA系统的不同通道对来控制每个MEMS镜像的X轴和Y轴。FPGA子系统可以提供每个轴旋转到预定的程度(如±20°)，并且可以以Z字形或螺旋形的方式控制每个MEMS反射镜。在此控制下，一对偏转器和MEMS反射镜可以覆盖各种尺寸的方位(即，水平)角和高度(即，竖直)角。FPGA子系统可以使用MEMS反射镜的角度和对应的激光脉冲束的定时来跟踪激光脉冲的出射激光脉冲束的方位角和高度角。
在一个实施例中，偏转器819和MEMS反射镜826可以形成一对，偏转器822和MEMS反射镜827可以形成一对，偏转器823和MEMS反射镜829可以形成一对，且偏转器825MEMS反射镜831可以成对。每一对偏转器和MEMS反射镜覆盖特定角度范围，例如最大32°的方位角和高度角。所有成对的偏转器和MEMS反射镜可以覆盖所需的角度范围。
图8使用偏转器825和MEMS反射镜831来说明激光束的典型路径。如图所示，由激光源807发射的激光束被分成多束激光束，其中分离出的激光束之一被波导817引导到偏转器825，继而偏转器825将激光束导向MEMS反射镜831。MEMS反射镜831由一个或多个致动器控制，以使出射激光束837转向期望的角度。当发出的激光束击中目标物体后，与PIC层605侧相反的SPAD层605侧的SPAD阵列反射并接收一部分激光束938。
图9为根据实施例的另一示例芯片级LiDAR设备。如图所示，SPAD层604包括如图2、图3A-3B和图4中所述的空间滤波器902以及光学中继透镜910。
当MEMS反射镜826、827、829和831将激光束901、903、905和907引导到一个或多个目标物体时，反射的激光束可以穿过空间滤波器902上动态形成的孔以入射到SPAD层604上的SPAD阵列上。
如进一步所示，多个间隔物(例如，间隔物911、912、913)可用于在SPAD层604和空间滤波器902之间形成间隔，从而使光学中继透镜910能够将通过空间滤波器902、904、906、908的反射激光束投射到SPAD层604上的SPAD的不同列上。
图10A-10E展示根据一个实施例的制造芯片级LiDAR设备的过程。
在图10A中，晶圆1001上可以形成多个管芯(如管芯1037)，每个管芯代表上述的SAD层。尽管晶圆1001仅示出了9个管芯，但是晶圆1001上的管芯的数量可以高达数万个。如图进一步所示，还可以制造具有多个PIC管芯(例如，管芯1006)的晶圆1005，其上的管芯数量等于晶圆1001上的管芯数量。图10还示出了晶圆1003具有多个管芯，每个管芯上形成有MEMS反射镜(例如，MEMS反射镜1004)。
在图10B中，可以将晶圆1001翻转并将其与晶圆1005对齐，以便可以在低温下使用晶片键合技术将晶圆1001和晶圆1005背对背地互相连接。在一个实施例中，可将晶圆1001背面的相应焊盘(例如，焊盘1002)和晶圆1005背面的焊盘中的焊凸块熔化，以将两个晶圆接合在一起。
在图10C中，将在晶圆层面上被集成的两个晶圆1001、1005切成多个3D集成管芯1015-1031，每个3D集成管芯均包括PIC管芯和SPAD管芯。
在图10D中，可以将晶圆1003切成多个管芯，每个管芯包括MEMS反射镜。晶圆1003上的MEMS反射镜的数量随晶圆1003的尺寸而变化。在一个实施例中，可以使用基于聚合物的粘合剂将一组MEMS反射镜胶合到玻璃面板1041上。一组MEMS反射镜中的MEMS反射镜的数量等于PIC管芯中的波导的数量。
在图10E中，可以在上面粘贴有MEMS反射镜的硅玻璃面板1041上以及3D集成管芯1025的SPAD管芯的背面上进行标记。玻璃面板1041和3D集成管芯1025可以使用焊料键合将它们互相连接，在标记处设有多个间隔物以将玻璃面板1941和集成管芯1025分隔开。
在一个实施例中，如果玻璃面板1041足够厚，则玻璃面板1041和SPAD管芯之间不需要间隔物；玻璃面板1041可以使用焊料键合直接连接到PIC管芯。
图11展示根据一个实施例的制造芯片级LiDAR设备的示例过程1100。
在方框1101中，制造具有多个照相集成电路(PIC)管芯的第一晶圆，其中每个PIC管芯包括：激光源；与激光源连接的分束器；多个波导，每个波导连接到分束器；以及多个光束偏转器，每个光束偏转器与多个波导之一耦合。在方框1102中，制造具有多个管芯的第二晶圆，其中每个管芯上具有多个单光子雪崩二极管(SPAD)，用于接收和处理来自激光源的一个或多个激光束的反射激光信号。在方框1103中，将第一晶圆和第二晶圆背对背连接以形成集成晶圆。在方框1104中，将集成晶圆分成多个集成管芯。
如上文所示和所述的一些或所有组件可以以软件，硬件或其组合实施。例如，该组件可以被实施为安装并存储在永久性存储设备中的软件，该软件可以由处理器(未示出)加载并执行以执行本申请描述的整个过程或操作。可替代地，该组件可以被实施为编程或嵌入到诸如专用硬件(例如，集成电路(例如，专用IC或ASIC)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA))中的可执行代码，该专用硬件可以通过相应的驱动程序和/或操作系统从应用程序进行访问。此外，该组件可以被实施为处理器或处理器核心中的专用硬件逻辑，作为可由软件组件经由一个或多个专用指令访问的指令集的一部分。
在对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示方面介绍了前述详细说明的某些部分。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地向本领域其他技术人员传达其工作实质的方式。这里的算法通常被认为是产生期望结果的自洽的操作序列。该操作为需要对物理量进行物理操纵的操作。
所有这些和类似术语将与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非从上述讨论中另外明确指出，否则，应当了解，在整个说明书中，利用比如所附权利要求中阐述的那些术语的讨论内容涉及操纵表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电学)量的数据并将这些数据变换为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储设备、传输设备或显示设备内的物理量的其他数据的计算机系统、或类似电子计算设备的动作和过程。
本公开的实施例还涉及一种用于执行本文中的操作的设备。这样的计算机程序存储在非暂态计算机可读介质中。机器可读介质包括用于以可由机器(例如，计算机)读取的形式存储信息的任何机构。例如，机器可读(例如，计算机可读)介质包括机器(例如，计算机)可读存储介质(例如，只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备)。
前述图中描绘的过程或方法可以由包括硬件(例如，电路系统、专用逻辑等)、软件(例如，实施在非暂态计算机可读介质上)或二者的组合的处理逻辑来执行。虽然上文中按照一些顺序操作描述了过程或方法，但是应该了解，可以按不同的顺序执行所描述的操作中的一些操作。而且，可以并行地而非顺序地执行一些操作。
本公开的实施例并未参考任何特定编程语言来描述。可理解的是，可以使用各种编程语言来实施本文中所描述的本公开的实施例的教导。
在前述说明书中，已经参照本公开的特定示例性实施例描述了本公开的实施例。显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中所阐述的本发明的更广泛精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种修改。因此，说明书和附图应被视为具有说明性意义而非局限性意义。

Claims (20)

1.一种芯片级光探测和测距设备，包括：
第一层，所述第一层上形成有多个微机械反射镜；
第二层，包括：
激光源；
与所述激光源连接的分束器；
多个波导，每个所述波导均与所述分束器连接；以及
多个光束偏转器，每个所述光束偏转器与多个所述波导的之一耦合；以及
第三层，包括接收单元，用于接收和处理来自所述激光源的一个或多个激光束的反射激光信号；
其特征在于：所述第一层、所述第二层以及所述第三层竖直地互相连接，在水平方向上，所述第二层位于所述第一层和所述第三层之间；
所述接收单元包括空间滤波器，所述空间滤波器包括第一透明电极层、第二透明电极层以及液晶层，所述第二透明电极层上的每个竖直电极条与所述第一透明电极层上的每个水平电极条交叉，所述液晶层上与每个所述水平电极条和每个所述竖直电极条彼此交叉的区域形成多个分割区域，一个或多个所述分割区域被动态地打开时形成孔。
2.根据权利要求1所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：所述第二层和所述第三层通过晶片键合互相连接，且所述第一层和所述第三层通过焊料键合互相连接。
3.根据权利要求2所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：一个或多个间隔物被用于在所述第一层与所述第三层之间产生间隔，以使来自所述第二层的所述激光源的激光束被引导至所述第一层的相应的微机械反射镜上。
4.根据权利要求2所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：所述第二层和所述第三层通过晶片键合互相连接，且所述第一层和所述第二层通过焊料键合直接互相连接。
5.根据权利要求4所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：所述第一层为具有预定厚度的玻璃面板，所述玻璃面板使得来自所述第二层的所述激光源的激光束能够被导向至所述第一层的相应的微机械反射镜上。
6.根据权利要求1所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：所述微机械反射镜的数量、所述波导的数量和光束偏转器的数量相同，其中，每个所述波导对应一个不同的所述光束偏转器，且每个所述光束偏转器对应所述第一层上的一个不同的所述微机械反射镜。
7.根据权利要求6所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：多个所述光束偏转器中的每一个将来自所述激光源的一个或多个激光束偏转出平面，从所述第二层偏转到所述第一层的相应微机械反射镜。
8.根据权利要求7所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：所述一个或多个激光束通过相应的波导从所述第二层的所述激光源被导向至所述光束偏转器。
9.根据权利要求1所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：所述第一层上的多个所述微机械反射镜中的每一个均与一个或多个致动器耦合，所述致动器被配置为以Z字形或螺旋形图案对所述微机械反射镜进行扫描，以将来自所述激光器的激光束导向至一个或多个不同方向。
10.根据权利要求9所述的芯片级光探测和测距设备，其特征在于：所述空间滤波器上的所述孔根据所述第一层上的每个微机械反射镜正在扫描的一个或多个方向而动态形成，所述孔使得从一个或多个方向反射的光子能够通过所述空间滤波器。
11.一种制造芯片级光探测和测距设备的方法，包括：
制造具有多个第一管芯的第一晶圆，每个所述第一管芯上均形成有照相集成电路管芯，其中每个所述照相集成电路管芯包括：激光源、连接到所述激光源的光束分离器、多个波导，每个所述波导均连接到所述光束分离器，以及多个光束偏转器，每个所述光束偏转器与多个所述波导之一耦合；
制造具有多个第二管芯的第二晶圆，每个所述第二管芯上形成有多个单光子雪崩二极管管芯，其中每个所述第二管芯将接收和处理来自所述激光源的一个或多个激光束的反射激光信号；
所述第一晶圆和所述第二晶圆背对背连接以形成集成晶圆；以及
将所述集成晶圆分为多个集成管芯；
其中，每个所述第二管芯上形成空间滤波器，所述空间滤波器包括第一透明电极层、第二透明电极层以及液晶层，所述第二透明电极层上的每个竖直电极条与所述第一透明电极层上的每个水平电极条交叉，所述液晶层上与每个所述水平电极条和每个所述竖直电极条彼此交叉的区域形成多个分割区域，一个或多个所述分割区域被动态地打开时形成孔。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
制造具有多个第三管芯的第三晶圆，每个所述第三管芯上均形成有微机械反射镜；以及
将所述第三晶圆分成不同的第三管芯。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
将多个所述第三管芯中的一个或多个连接到玻璃面板上；以及
将所述玻璃面板连接到多个所述集成管芯之一。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述玻璃面板和所述集成管芯通过焊料键合互相连接。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述微机械反射镜的数量、所述波导的数量和所述光束偏转器的数量相同，其中，每个所述波导对应一个不同的所述光束偏转器，且每个所述光束偏转器对应一个不同的所述微机械反射镜。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述单光子雪崩二极管管芯包括排列成二维阵列的多个光电检测器，每个所述光电检测器为单光子雪崩二极管，且所述集成管芯的所述单光子雪崩二极管管芯的尺寸大于所述集成管芯的所述照相集成电路管芯的尺寸。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：一个或多个间隔物被用于在所述玻璃面板与所述集成管芯的所述照相集成电路管芯之间产生间隔，以使所述激光束被导向至与所述玻璃面板连接的相应的微机械反射镜上。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述玻璃面板和所述集成管芯的所述照相集成电路管芯通过焊料键合直接互相连接。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述玻璃面板具有预定厚度，所述玻璃面板使得来自所述照相集成电路管芯的所述激光源的激光束能够被导向至所述玻璃面板中相应的微机械反射镜上。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述玻璃面板上的所述微机械反射镜的数量与所述照相集成电路管芯的所述波导的数量相同。
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