CN112397542B - 图像传感模组及时间飞行器件、电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及电子设备技术领域，具体是关于一种图像传感模组及时间飞行器件、电子设备，所述图像传感模组包括：感光模块、滤光模块和计数模块，所述感光模块包括多个单光子雪崩二极管；所述滤光模块设于所述感光模块的进光侧，所述滤光模块包括多个滤光单元，每个所述滤光单元对应一所述单光子雪崩二极管，多个滤光单元中包括至少两种波段的滤光单元；所述计数模块分别连接多个所述单光子雪崩二极管，所述计数器模组用于对所述单光子二极管响应光信号产生电流的次数进行计数。能够实现微弱光线条件下的彩色成像。

Description

图像传感模组及时间飞行器件、电子设备
技术领域
本公开涉及电子设备技术领域，具体而言，涉及一种图像传感模组及时间飞行器件、电子设备。
背景技术
图像传感器通常通过光电二极管将光信号转换为电信号，然后通过电信号获取相应像素的灰阶值，进而形成图像。光电二极管工作于二极管的反偏区，光电二极管工作时光电二极管产生的电荷数与入射光字数呈线性正比关系。但是光电二极管在工作时其有效工作范围有限，也即是入射光线的强度大于指定阈值时光电二极管才能工作于反偏区。如此导致在光线强度小于预设阈值时，光电二极管无法工作。从而导致图像传感器在微光照射时成像质量较差或者无法成像。
发明内容
本公开的目的在于提供一种图像传感模组及时间飞行器件、电子设备，进而使得图像传感器能够实现微光成像。
根据本公开的第一个方面，提供一种图像传感模组，所述图像传感模组包括：
感光模块，所述感光模块包括多个单光子雪崩二极管；
滤光模块，所述滤光模块设于所述感光模块的进光侧，所述滤光模块包括多个滤光单元，每个所述滤光单元对应一所述单光子雪崩二极管，多个滤光单元中包括至少两种波段的滤光单元；
计数模块，所述计数模块分别连接多个所述单光子雪崩二极管，所述计数器模组用于对所述单光子二极管接收的光子进行计数。
根据本公开的第二个方面，提供一种时间飞行器件，其特征在于，所述时间飞行器件包括：
发射模组，所述发射模组用于发射探测光；
图像传感模组，所述图像传感模组用于接收反射的探测光，并形成深度图像；
所述图像传感模组包括：
感光模块，所述感光模块包括多个单光子雪崩二极管；
滤光模块，所述滤光模块设于所述感光模块的进光侧，所述滤光模块包括多个滤光单元，每个所述滤光单元对应一所述单光子雪崩二极管，多个滤光单元中包括至少两种波段的滤光单元；
计数模块，所述计数模块分别连接多个所述单光子雪崩二极管，所述计数器模组用于对所述单光子二极管响应光信号产生电流的次数进行计数，并检测所述单光子雪崩二极管检测到光子的时间。
根据本公开的第三个方面，提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的图像传感模组。
根据本公开的第四个方面，提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的时间飞行器件。
本公开实施例提供的图像传感模组，通过在具有多个单光子雪崩二极管的感光模块的出光侧设置滤光模块，滤光模块包括多个滤光单元，通过滤光单元将预设波段的光线传输至单光子雪崩二极管，计数模块和单光子雪崩二极管连接，通过计数模块确定预设时间内通过每个滤光单元的光子数，能够确定通过每个滤光单元的光线的强度，从而确定每个像素的灰阶至，实现图像传感模组的成像，由于单光子雪崩二级光能够响应单光子产生感测电流，从而使图像传感器模组能够实现微弱光线条件下的成像。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开示例性实施例提供的第一种图像传感模组的示意图；
图2为本公开示例性实施例提供的一种图像传感模组的框图；
图3为本公开示例性实施例提供的第二种图像传感模组的示意图；
图4为本公开示例性实施例提供的一种单光子雪崩二极管的示意图；
图5为本公开示例性实施例提供的第三种图像传感模组的示意图；
图6为本公开示例性实施例提供的第四种图像传感模组的示意图；
图7a至图7g为本公开示例性实施例提供的滤光单元的分布示意图；
图8a至图8f为本公开示例性实施例提供的不同光照强度下单光子雪崩二极管接收光子数量的统计图；
图9为本公开示例性实施例提供的TCSPC示意图；
图10为本公开示例性实施例提供的一种时间飞行器件的示意图；
图11为本公开示例性实施例提供的一种电子设备的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
本公开示例性实施例首先提供一种图像传感模组01，如图1和图2所示，图像传感模组01包括：感光模块100、滤光模块200和计数模块300，感光模块100包括多个单光子雪崩二极管110；滤光模块200设于感光模块100的进光侧，滤光模块200包括多个滤光单元210，每个滤光单元210对应一单光子雪崩二极管110，多个滤光单元210中包括至少两种波段的滤光单元210；计数模块300分别连接多个单光子雪崩二极管110，计数器模组用于对单光子二极管接收的光子进行计数。
本公开实施例提供的图像传感模组01，通过在具有多个单光子雪崩二极管110的感光模块100的出光侧设置滤光模块200，滤光模块200包括多个滤光单元210，通过滤光单元210将预设波段的光线传输至单光子雪崩二极管110，计数模块300和单光子雪崩二极管110连接，通过计数模块300确定预设时间内通过每个滤光单元210的光子数，能够确定通过每个滤光单元210的光线的强度，从而能够实现图像传感模组01的成像，由于单光子雪崩二级光能够响应单光子产生感测电流，从而使图像传感器模组能够实现微弱光线条件下的彩色成像。
进一步的，本公开实施例提供的图像传感模组01还包括控制模块400，控制模块400和计数模块300连接，控制模块400用于根据计数模块300在预设时间内的计数，确定单光子雪崩二极管110对应的像素的灰阶值。
下面将对本公开实施例提供的图像传感模组01的各部分进行详细说明：
感光模块100包括多个单光子雪崩二极管110，多个单光子雪崩二极管110阵列式分布，单光子雪崩二极管110可以响应单个光子产生电流，工作时只要有单个光子如设在有源区既可以产生饱和大电流信号。单光子雪崩二极管110可以是背照式单光子雪崩二极管110或者前照式单光子雪崩二极管110。
如图3所示，单光子雪崩二极管110可以是背照式单光子雪崩二极管。单光子雪崩二极管110包括：衬底111、雪崩层112和阴极层113，衬底111上具有阳极区1111，衬底111上设置有第一容置部1112，第一容置部1112位于阳极区1111远离滤光模块200的一侧；雪崩层112设于衬底111的第一容置部1112；阴极层113设于雪崩层112，并且阴极层113位于雪崩层112远离阳极区1111的一侧，阳极区1111和计数模块300连接。当然在实际应用中，计数器模块300也可以和阴极层113连接。
如图4所示，感光模块100中的多个单光子雪崩二极管110可以通过保护环120分隔，保护环120可以是绝缘保护层，保护环120一方面将多个单光子雪崩二极管110绝缘隔离，另一方面保护环120能够保护单光子雪崩二极管110。
保护环120可以是封闭的环状结构，一个保护环120内可以设置一个或者多个单光子雪崩二极管110。当一个保护环120内设置多个单光子雪崩二极管110时，多个单光子雪崩二极管110可以通过隔离槽隔离，比如，多个单光子雪崩二极管110可以通过浅槽隔离130(STI，Shallow trench isolation)进行隔离。
在此，本公开实施例提供的是一种n+/p-well结构的单光子雪崩二极管110，其仅是示例性说明，本公开实施例提供的单光子雪崩二极管110也可以是其他n+/p-well结构的雪崩型光电二极管，本公开实施例并不以此为限。
当多个单光子雪崩二极管110通过浅槽隔离130隔离时，如图4所示，单光子雪崩二极管110还可以包括阴极扩散层114，阴极扩散层114设于雪崩层112和阴极层113之间。通过在阴极层113和雪崩层112之间中再做一层阴极扩散层114，将雪崩层112121从阴极层113表面移入远离表面的区域，如此能够使雪崩区远离浅槽隔离130。由于浅槽隔离130界面处Si-SiO2有大量陷阱能级，能够俘获载流子，导致雪崩层112电场很强，被俘获的载流子如果离雪崩层112很近，将很容易进入雪崩层112引发雪崩电离，造成器件误击穿，最终结果是使得器件DCR(Dark count rate，暗计数率)过大，通过阴极扩散层114能够解决上述问题。
示例的，第一容置部1112远离阳极区1111的一侧具有第一开口1113(该开口位于衬底111的一表面)。在衬底111上设置有阶梯孔，该阶梯孔可以是阶梯方孔或者阶梯圆孔。雪崩层112可以设于该阶梯孔的底部，阶梯孔为盲孔，阶梯孔的底部是指阶梯孔远离第一开口1113的一端。阴极扩散层114设于雪崩层112远离阶梯孔底部的一侧，阴极扩散层114远离雪崩层112的一侧可以暴露于阶梯孔的第一开口1113。阴极层113嵌于阴极扩散层114，并且阴极层113暴露于阴极扩散层114远离雪崩层112的表面。在雪崩层112和阴极扩散层114相互接触的表面中，阴极扩散层114接触面的面积大于雪崩层112接触面的面积。衬底111中的阶梯孔的第一开口1113所在的一面可以延伸至和阴极层113远离雪崩层112的表面平齐。衬底111中的阶梯孔的第一开口1113所在的一面可以延伸至浅槽隔离130的底端。浅槽隔离130的底端是指浅槽隔离130嵌入衬底111的一端。浅槽隔离130的顶端面和阴极扩散层114的顶端面平齐。
浅槽隔离130的深度大于阴极层113的深度，并且浅槽隔离130的深度小于阴极扩散层114的深度。其中，此处所说的深度是指各器件在从阴极层113到雪崩层112方向上的距离。浅槽隔离130的深度可以是1至3微米。
浅槽隔离130可以通过氮化硅掩膜经过淀积、图形化、刻蚀硅后形成槽，并在槽中填充淀积氧化物。在形成浅槽隔离130过程中，首先可以先在半导体衬底111上沉积一层氮化硅层，然后图案化该氮化硅层形成硬掩膜；然后接着蚀刻衬底111，在相邻的阴极扩散层114之间形成沟槽；最后在沟槽中填入氧化物形成元件浅槽隔离130。示例的，浅槽隔离130的截面形状可以是梯形，填充的氧化物可以是二氧化硅。
阴极层113和阴极扩散层114掺杂有第一类型掺杂物，雪崩层112和衬底111掺杂有第二类型掺杂物。示例的，阴极层113可以是n型重掺杂半导体层(比如n型重掺杂硅层)。阴极扩散层114可以n型掺杂半导体层(比如n型硅)，其掺杂浓度小于阴极层113。雪崩层112可以是p型重掺杂半导体层(比如p型重掺杂硅层)。衬底111可以是可以p型掺杂半导体层(比如p型硅)，其掺杂浓度小于雪崩层112。
本公开实施例中采用n+/p-well型pn结设计，n+/p-well雪崩击穿时以电子电离为主，电子迁移率比空穴迁移率高约3倍，因此电子电离比空穴电离更容易。使得图像传感器的灵敏度提高，也即是光子探测效率更高。并且采用p型衬底111，通常在CMOS工艺中均选用p衬底111，首先通常集成电路倾向于采用NMOS晶体管为主，因为NMOS晶体管是电子导电，电子迁移率是同等条件PMOS晶体管中空穴迁移率的3倍左右；其次，p型衬底111上可以直接做NMOS晶体管，p型硅做衬底111可以直接接地，能够降低图像传感器运行时的偏压，并且稳定降低噪声信号。
在背照式单光子雪崩二极管110中采用n+/p-well技术，雪崩区主要在p-well(p阱)中由电子电离产生。电子电离概率高于空穴电离概率约3倍。背照式图像传感器中n+/p-well采用电子雪崩电离，电离率高，光子探测效率PDE高。
当图像传感模组01为背照式图像传感器时，在单光子雪崩二极管110阵列远离进光侧的一侧设置有信号采集电路。该信号采集电路用于将单光子雪崩二极管110阵列中的电信号输出。比如，可以通过扫描的方式逐行或者逐列输出电信号。计数模块300可以通过信号采集电路和单光子雪崩二极管110连接。
或者，如图5所示，单光子雪崩二极管110可以是前照式单光子雪崩二极管。单光子雪崩二极管110可以包括衬底111；阴极层113、雪崩层112和阳极层，阴极层113设于衬底111靠近滤光模块200的一侧，阴极层113上设置有第二容置部；雪崩层112嵌于阴极层113远离衬底111的一侧；阳极层设于雪崩层112远离衬底111的一侧，计数模块300和阳极层连接。
感光模块100中的多个单光子雪崩二极管110可以通过保护环120分隔，保护环120可以是绝缘保护层，保护环120一方面将多个单光子雪崩二极管110绝缘隔离，另一方面保护环120能够保护单光子雪崩二极管110。
保护环120可以是封闭的环状结构，一个保护环120内可以设置一个或者多个单光子雪崩二极管110。当一个保护环120内设置多个单光子雪崩二极管110时，多个单光子雪崩二极管110可以通过隔离槽隔离，比如，多个单光子雪崩二极管110可以通过浅槽隔离130(STI，Shallow trench isolation)进行隔离。
当一保护环120内包括多个单光子雪崩二极管110时，同一保护环120内的多个单光子雪崩二极管110中任意两个相邻的单光子雪崩二极管110中的雪崩层112121通过浅槽隔离130进行隔离，浅槽隔离130的深度大于阳极层的深度且小于雪崩层112的深度。
阴极层113包括第一类型掺杂物，雪崩层112、阳极层和衬底111包括第二类型掺杂物，并且雪崩层112的掺杂浓度小于于阳极层的掺杂浓度。示例的，阴极层113可以n型重掺杂半导体层，阴极层113形成n阱。阳极层可以是p型重掺杂半导体层，雪崩层112可以是p型掺杂半导体，雪崩层112的掺杂浓度小于阳极层。
在此，本公开实施例提供的是一种p+/n-well结构的单光子雪崩二极管110，其仅是示例性说明，本公开实施例提供的感光像素模块也可以用于其他p+/n-well结构的雪崩型光电二极管，本公开实施例并不以此为限。
当图像传感模组01为前照式图像传感器时，在单光子雪崩二极管110阵列进光侧设置有信号采集电路。该信号采集电路用于将单光子雪崩二极管110阵列中的电信号输出。比如，可以通过扫描的方式逐行或者逐列输出电信号。计数模块300可以通过信号采集电路和单光子雪崩二极管110连接。
如图6所示，滤光模块200可以是彩色滤光阵列，滤光模块200包括多个滤光单元210，每个滤光单元210对应一单光子雪崩二极管110，多个滤光单元210中包括至少两种波段的滤光单元210。其中，一个滤光单元210可以对应深度图像中的一个像素，也即是一个单光子雪崩二极管110对应深度图像中的一个像素。
其中，多个滤光单元210包括第一波段滤光单元211、第二波段滤光单元212和第三波段滤光单元213，第一波段滤光单元211、第二波段滤光单元212和第三波段滤光单元213交错分布，并且第一波段滤光单元211、第二波段滤光单元212和第三波段滤光单元213的滤光波段不同。当然在实际应用中多个滤光单元210也可以包括更多波段的滤光单元210，本公开实施例并不以此为限。
第一波段滤光单元211可以是红色滤光单元210，该红色滤光单元210用于透过红光(580nm-700nm)。第二波段滤光单元212可以是绿色滤光单元210，该绿色滤光单元210用于透过绿光(484nm-560nm)。第三波段滤光单元213可以是蓝色滤光单元210，该蓝色滤光单元210用于透过蓝光(400nm-484nm)。
示例的，滤光模块200包括拜耳滤光片，拜耳滤光片设于感光模块100的进光侧，拜耳滤光片上的每个滤光单元210对应一单光子雪崩二极管110。也即是滤光模块200中滤光单元210的排布方式可以是RGBG的形式。
在实际应用中，滤光模块200也可以包括其他颜色组合的滤光片，比如滤光模块200可以包括红色滤光单元210、黄色滤光单元210和蓝色滤光单元210；或者滤光模块200可以包括紫色滤光单元210、黄色滤光单元210和蓝色滤光单元210；红色滤光单元210、黄色滤光单元210、蓝色滤光单元210和紫色滤光单元210等。图7a至图7g示出了一些可行的滤光单元210的分布方式。
计数模块300包括时间数字转换器，时间数字转换器和单光子雪崩二极管110连接，用于对单光子二极管响应光信号产生电流的次数进行计数，并检测单光子雪崩二极管110检测到光子的时间。
时间数字转换器可以通过时间相关单光子计数技术(TCSPC,Time-CorrelatedSingle Photon Counting)记录单光子雪崩二极管110接收到光子的时间和次数。可以通过TCSPC直方图确定预设时间内单光子雪崩二极管110接收到的光子数量。
光照强度和光子数正相关，因此通过计数模块300对预设时间内进入单光子雪崩二极管110的光子数进行记录，根据预设时间内单光子雪崩二极管110接收的光子数能够确定深度图像上对应像素点的灰阶(通过线性变换等方式)。图像传感模组01根据灰阶和滤光单元210的颜色能够生成彩色图像，也即是实现了微光条件下的彩色成像。
图8a至图8f，分别示出了相对光照强度从1增加至100时，时间数字转换器在预设时间内采集到的信号峰值的统计次数。其中，图8a中相对光照强度为1，信号峰值的统计次数为8次；图8b中相对光照强度为10，信号峰值的统计次数为45次；图8c中相对光照强度为25，信号峰值的统计次数为92次；图8d中相对光照强度为50，信号峰值的统计次数为216次；图8e中相对光照强度为75，信号峰值的统计次数为317次；图8f中相对光照强度为100，信号峰值的统计次数为375次。具体见表1：
表1
相对光强 峰值信号数 总数
1 8 131
10 45 296
25 92 592
50 216 1138
75 317 1729
100 375 2090
从表1可得，单光子雪崩二极管110响应光照产生电信号，并且通过时间数字转换器统计的次数和光照强度正相关，因此照射光强弱变化可以影响直方图中峰值的强度统计次数以及总的统计次数。并且光强对峰值强度，或者对总统计次数的影响，是呈近似现线性关系的。由此，在传感器相应单光子雪崩二极管110测得的峰值统计次数，可以通过简单的线性变换转换为对应的光的强度值。其中，对应的每个单光子雪崩二极管110的TCSPC统计次数可以是10～10000次，主要取决于不同单光子雪崩二极管的量子效率。
进一步的，本公开实施例提供的图像传感模组01不仅可以用于彩色成像，本公开实施例提供的图像传感模组01还可以用于时间飞行器件，作为时间飞行器件的接收模组，比如直接时间飞行器件。
该图像传感模组01接收发射模组发射并经障碍物反射的光线，根据接收到反射光子的时间确定障碍物深度。可以通过TCSPC确定障碍物的深度。TCSPC采用高重复频率的脉冲激光器作为光源，使用单光子探测器(SPAD)做为接收单元，进行多次重复测量。由时间数字转换器(TDC)记录探测到光子时对应的时间信息。其工作过程如图9所示，图9最上面的图是真实的激光强度和测量时间，图中标注了从测量起始时间到激光峰值的时间t[time-of-flight]，这个时间t乘以光速再除以2(考虑探测光光发射和被物体反射一个来回)即是障碍物到电子设备的距离。图9中间的部分代表了测量的具体过程，每个测量周期(图中每个c)接收到不超过一个光子。当一个周期开始时，时间数字转换器被触发，如果探测到一个光子，则在相应的时间窗格(图9中下面的直方图每个格子对应一个时间单位)计数加1。如果该周期内没有探测到光子，则不计数。经过多次信号周期的计数积累，最终在存储装置内可以以直方图的形式重建出波形信息。多周期测量能够避免噪声信号干扰，提高测量精度。
发射模组可以采用940nm的红外光作为探测光，940nm属于红外光，人眼不可见，不影响使用场景，并且940nm仍在Si材料的探测范围内，有足够的光电转化效率；太阳光谱中940nm光由于被大气层吸收，地表分布较少，即背景光较少，因此测量距离时信噪比较高。
在此基础上，第一波段、第二波段和第三波段为可见光波段；多个滤光单元210还包括：第四波段滤光单元214，第四波段率光单元为红外滤光单元210(940nm)。当然在实际应用中也可以通过其他波段的探测光进行深度探测，相应的滤光单元210的波段也随之变化。比如，以红光作为探测光，此时红色滤光单元210对应的单光子雪崩二极管110可以作为时间飞行器件的接收二极管。或者，采用自然光作为探测光此时多个滤光单元210对应的单光子雪崩二极管110均可以作为时间飞行器件的接收二极管。
本公开实施例提供的图像传感模组01，通过在具有多个单光子雪崩二极管110的感光模块100的出光侧设置滤光模块200，滤光模块200包括多个滤光单元210，通过滤光单元210将预设波段的光线传输至单光子雪崩二极管110，计数模块300和单光子雪崩二极管110连接，通过计数模块300确定预设时间内通过每个滤光单元210的光子数，能够确定通过每个滤光单元210的光线的强度，从而能够实现图像传感模组01的成像，由于单光子雪崩二级光能够响应单光子产生感测电流，从而使图像传感器模组能够实现微光成像。并且本公开实施例提供的传感模组还可以用作时间飞行器件的接收模组，因此能够节约电子设备内的器件降低电子设备的成本，节约电子设备内的空间，有利于电子设备的轻薄化。
本公开示例性实施例还提供一种时间飞行器件，如图10所示，时间飞行器件包括：发射模组02和图像传感模组01，发射模组02用于发射探测光；图像传感模组01用于接收反射的探测光，并形成深度图像。发射模组02和图像传感模组01可以设于同一基板03上。
图像传感模组01包括：感光模块100、滤光模块200和计数模块300，感光模块100包括多个单光子雪崩二极管110；滤光模块200设于感光模块100的进光侧，滤光模块200包括多个滤光单元210，每个滤光单元210对应一单光子雪崩二极管110，多个滤光单元210中包括至少两种波段的滤光单元210；计数模块300分别连接多个单光子雪崩二极管110，计数器模组用于对单光子二极管响应光信号产生电流的次数进行计数，并检测单光子雪崩二极管110检测到光子的时间。
进一步的，本公开实施例提供的时间飞行器件还可以包括：控制模块400，控制模块400和计数模块300连接，控制模块400用于单光子雪崩二极管110检测到光子的时间确定被测物体的距离。
发射模组02可以包括垂直腔面激光发射器阵列，垂直腔面激光发射器阵列用于发射探测光，比如探测光可以是红外光。红外光，人眼不可见，不影响使用场景，并且红外光仍在Si材料的探测范围内，有足够的光电转化效率；太阳光谱中红外光由于被大气层吸收，地表分布较少，即背景光较少，因此测量距离时信噪比较高。滤光模块200包括相应波段的滤光单元210。
该图像传感模组01接收发射模组发射并经障碍物反射的光线，根据接收到反射光子的时间确定障碍物深度。可以通过TCSPC确定障碍物的深度。TCSPC采用高重复频率的脉冲激光器作为光源，使用单光子雪崩二极管110做为接收单元，进行多次重复测量。由时间数字转换器记录探测到光子时对应的时间信息。其工作过程如图9所示，图9最上面的图是真实的激光强度和测量时间，图中标注了从测量起始时间到激光峰值的时间t[time-of-flight]，这个时间t乘以光速再除以2(考虑探测光光发射和被物体反射一个来回)即是障碍物到电子设备的距离。图9中间的部分代表了测量的具体过程，每个测量周期(图中每个c)接收到不超过一个光子。当一个周期开始时，时间数字转换器被触发，如果探测到一个光子，则在相应的时间窗格(图9中下面的直方图每个格子对应一个时间单位)计数加1。如果该周期内没有探测到光子，则不计数。经过多次信号周期的计数积累，最终在存储装置内可以以直方图的形式重建出波形信息。多周期测量能够避免噪声信号干扰，提高测量精度。
本公开实施例提供的时间飞行器件，通过在具有多个单光子雪崩二极管110的感光模块100的出光侧设置滤光模块200，滤光模块200包括多个滤光单元210，通过滤光单元210将预设波段的光线传输至单光子雪崩二极管110，计数模块300和单光子雪崩二极管110连接，通过计数模块300确定预设时间内通过每个滤光单元210的光子数，能够确定通过每个滤光单元210的光线的强度，从而能够实现图像传感模组01的成像，由于单光子雪崩二级光能够响应单光子产生感测电流，从而使图像传感器模组能够实现微光成像。并且本公开实施例提供的传感模组还可以用作时间飞行器件的接收模组，因此能够节约电子设备内的器件降低电子设备的成本，节约电子设备内的空间，有利于电子设备的轻薄化。
本公开实施例还提供一种电子设备，该电子设备可以包括上述的图像传感模组01。或者该电子设备可以包括上述的时间飞行器件10。也即是本公开实施例提供的图像传感模组01可以作为彩色成像的图像传感器使用，也可以和发射模组02配合作为时间飞行器件10使用。
本公开实施例提供的电子设备可以是手机、平板电脑、增强现实眼镜、车载设备和摄像机等。
下面以电子设备为手机为例对本公开实施例提供的电子设备进行详细说明：
如图11所示，该电子设备还可以包括中框20、主板30、显示屏70和电池40等器件，显示屏70、中框20与后盖50形成一收容空间，用于容纳电子设备的其他电子元件或功能模块。同时，显示屏70形成电子设备的显示面，用于显示图像、文本等信息。显示屏70可以为液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)或有机发光二极管显示屏(Organic Light-Emitting Diode，OLED)等类型的显示屏。
显示屏70上可以设置有玻璃盖板。其中，玻璃盖板可以覆盖显示屏70，以对显示屏70进行保护，防止显示屏70被刮伤或者被水损坏。
显示屏70可以包括显示区域以及非显示区域。其中，显示区域执行显示屏70的显示功能，用于显示图像、文本等信息。非显示区域不显示信息。非显示区域可以用于设置摄像头、受话器、接近传感器等功能模块。在一些实施例中，非显示区域可以包括位于显示区域上部和下部的至少一个区域。
显示屏70可以为全面屏。此时，显示屏70可以全屏显示信息，从而电子设备具有较大的屏占比。显示屏70只包括显示区域，而不包括非显示区域。
中框20可以为中空的框体结构。其中，中框20的材质可以包括金属或塑胶。主板30安装在上述收容空间内部。例如，主板30可以安装在中框20上，并随中框20一同收容在上述收容空间中。主板30上设置有接地点，以实现主板30的接地。
主板30上可以集成有马达、麦克风、扬声器、受话器、耳机接口、通用串行总线接口(USB接口)、接近传感器、环境光传感器、陀螺仪以及处理器等功能模块中的一个或多个。同时，显示屏70可以电连接至主板30。
其中，传感器模组可以包括深度传感器、压力传感器、陀螺仪传感器、气压传感器、磁传感器、加速度传感器、距离传感器、接近光传感器、指纹传感器、温度传感器、触摸传感器、环境光传感器及骨传导传感器等。处理器可以包括应用处理器(ApplicationProcessor，AP)、调制解调处理器、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)、图像信号处理器(Image Signal Processor，ISP)、控制器、视频编解码器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、基带处理器和/或神经网络处理器(Neural-etworkProcessing Unit，NPU)等。其中，不同的处理单元可以是独立的器件，也可以集成在一个或多个处理器中。
主板30上还设置有显示控制电路。显示控制电路向显示屏70输出电信号，以控制显示屏70显示信息。发光控制单元和变色控制单元可以设于主板。
电池40安装在上述收容空间内部。例如，电池40可以安装在中框20上，并随中框20一同收容在上述收容空间中。电池40可以电连接至主板30，以实现电池40为电子设备供电。其中，主板30上可以设置有电源管理电路。电源管理电路用于将电池40提供的电压分配到电子设备中的各个电子元件。
后盖50用于形成电子设备的外部轮廓。后盖50可以一体成型。在后盖50的成型过程中，可以在后盖50上形成后置摄像头孔、指纹识别模组安装孔等结构。本公开实施例提供的图像传感模组01可以设于中框70或者主板30，时间飞行器件10可以设于中框70或者主板30，并且时间飞行器件10或者图像传感模组01暴露于电子设备的后盖50。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

1.一种时间飞行器件，其特征在于，所述时间飞行器件包括：
发射模组，所述发射模组用于发射探测光；
图像传感模组，所述图像传感模组用于接收反射的探测光，并形成深度图像，所述图像传感模组包括感光模块、滤光模块和计数模块，所述感光模块包括多个单光子雪崩二极管，所述滤光模块设于所述感光模块的进光侧，所述滤光模块包括多个滤光单元，每个所述滤光单元对应一所述单光子雪崩二极管，多个滤光单元中包括至少两种波段的滤光单元，所述计数模块分别连接多个所述单光子雪崩二极管，所述计数模块用于对所述单光子雪崩二极管接收到的光子进行计数；
控制模块，所述控制模块和所述计数模块连接，所述控制模块用于根据所述计数模块在预设时间内的计数确定所述单光子雪崩二极管对应的像素的灰阶值，并且根据所述单光子雪崩二极管接收到光子的时间确定被测物体的距离。
2.如权利要求1所述的时间飞行器件，其特征在于，所述单光子雪崩二极管包括：
衬底，所述衬底上具有阳极区，所述衬底上设置有第一容置部，所述第一容置部位于所述阳极区远离所述滤光模块的一侧，所述阳极区和所述计数模块连接；
雪崩层，所述雪崩层设于所述衬底的第一容置部；
阴极层，所述阴极层设于所述雪崩层，并且所述阴极层位于所述雪崩层远离所述阳极区的一侧。
3.如权利要求1所述的时间飞行器件，其特征在于，所述单光子雪崩二极管包括：
衬底；
阴极层，所述阴极层设于所述衬底靠近所述滤光模块的一侧；
雪崩层，所述雪崩层嵌于所述阴极层远离所述衬底的一侧；
阳极层，所述阳极层设于所述雪崩层远离所述衬底的一侧，所述计数模块和所述阳极层连接。
4.如权利要求1所述的时间飞行器件，其特征在于，多个所述滤光单元包括第一波段滤光单元、第二波段滤光单元和第三波段滤光单元，第一波段滤光单元、第二波段滤光单元和第三波段滤光单元交错分布，并且所述第一波段滤光单元、第二波段滤光单元和第三波段滤光单元的滤光波段不同。
5.如权利要求4所述的时间飞行器件，其特征在于，所述滤光模块包括：
拜耳滤光片，所述拜耳滤光片设于所述感光模块的进光侧，所述拜耳滤光片上的每个滤光单元对应一所述单光子雪崩二极管。
6.如权利要求4所述的时间飞行器件，其特征在于，所述第一波段、第二波段和第三波段为可见光波段；
所述多个滤光单元还包括：
第四波段滤光单元，所述第四波段率光单元为红外滤光单元。
7.如权利要求1所述的时间飞行器件，其特征在于，所述计数模块包括：
时间数字转换器，所述时间数字转换器和所述单光子雪崩二极管连接，用于对所述单光子雪崩二极管响应光信号产生电流的次数进行计数，并检测所述单光子雪崩二极管接收到光子的时间。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求1-7任一所述的时间飞行器件。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112799097B (zh) * 2021-04-14 2023-11-28 深圳阜时科技有限公司 深度图和灰度图的获取方法、深度相机、以及电子设备
TW202346892A (zh) * 2022-05-30 2023-12-01 神盾股份有限公司 距離感測裝置及其感測方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106303306A (zh) * 2015-06-22 2017-01-04 豪威科技股份有限公司 具有单光子雪崩二极管和传感器平移的成像系统，及相关的方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7262402B2 (en) * 2005-02-14 2007-08-28 Ecole Polytechnique Federal De Lausanne Integrated imager circuit comprising a monolithic array of single photon avalanche diodes
US9299732B2 (en) * 2013-10-28 2016-03-29 Omnivision Technologies, Inc. Stacked chip SPAD image sensor
US9608027B2 (en) * 2015-02-17 2017-03-28 Omnivision Technologies, Inc. Stacked embedded SPAD image sensor for attached 3D information
US10312275B2 (en) * 2017-04-25 2019-06-04 Semiconductor Components Industries, Llc Single-photon avalanche diode image sensor with photon counting and time-of-flight detection capabilities
CN111769126B (zh) * 2020-06-16 2024-06-07 Oppo广东移动通信有限公司 感光像素模块、图像传感器及电子设备

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106303306A (zh) * 2015-06-22 2017-01-04 豪威科技股份有限公司 具有单光子雪崩二极管和传感器平移的成像系统，及相关的方法

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