CN112543535A - 用于控制照明源的驱动电流的装置 - Google Patents

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Abstract

一些实施例涉及用于控制照明源的驱动电流的装置。一种装置包括：照明源，该照明源被配置成用于当被以大于阈值电流的电流驱动时发光；驱动器电路，该驱动器电路被配置成用于以可控电流驱动该照明源，该驱动器电路至少由第一输入值控制；至少一个照明检测器，该至少一个照明检测器被配置成用于检测由该照明源发射的光；以及监测电路，该监测电路被配置成用于接收来自该照明检测器的输出并且提供该第一输入值。

Description

用于控制照明源的驱动电流的装置
本申请是申请日为2017年6月23日、申请号为201710491745.6、发明名称为“用于控制照明源的驱动电流的装置”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
一些实施例涉及一种装置，并且具体地而非排他性地涉及一种具有光敏器件阵列的装置。
背景技术
单光子雪崩二极管(SPAD)飞行时间传感器通常包括单光子雪崩二极管阵列以及采用垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)形式的照明源。由驱动器电路为垂直空腔表面发射激光器提供电流，该驱动器电路通常被配置为能够控制经过激光器的电流，以便产生脉冲或其他波形输出。
通常，垂直空腔表面发射激光器具有阈值电流，高于该阈值电流则激光器能够发光(并且类似地，低于该阈值电流则激光器不能发出任何东西)。
然而，此阈值电流水平不能很好地被限定并且可能基于许多变量(诸如温度和工艺变化)而显著变化。
发明内容
根据第一个方面，提供了一种装置，该装置包括：照明源，该照明源被配置成用于当被以大于阈值电流的电流驱动时发光；驱动器电路，该驱动器电路被配置成用于以可控电流驱动该照明源，该驱动器电路至少由第一输入值控制；至少一个照明检测器，该至少一个照明检测器被配置成用于检测由该照明源发射的光；以及监测电路系统，该监测电路系统被配置成用于接收来自该照明检测器的输出并且提供该第一输入值。
该监测电路系统可以包括：环境补偿器，该环境补偿器被配置成用于接收来自该至少一个照明检测器的该输出并且输出经环境补偿的值；参数确定器，该参数确定器被配置成用于基于该经环境补偿的值确定待比较的至少一个参数值；参数比较器，该参数比较器被配置成用于将该至少一个参数值与至少一个阈值进行比较；以及偏移发生器，该偏移发生器被配置成用于基于来自该参数比较器的输出控制该驱动器电路提供该可控电流。
该参数确定器可以被配置成用于从该至少一个照明检测器中选择经环境补偿的最小强度值。
该参数比较器可以被配置成用于比较该经环境补偿的最小强度值与第一阈值，并且其中，该偏移发生器可以被配置成用于在该经环境补偿的最小强度值接近或低于该第一阈值的情况下控制该驱动器电路增大该可控电流。
该第一该阈值可以为零。
该参数比较器可以被配置成用于对该经环境补偿的最小强度值与第二阈值进行比较，并且其中，该偏移发生器可以被配置成用于在该经环境补偿的最小强度值接近或高于该第二阈值的情况下控制该驱动器电路减小该可控电流。
该第二阈值可以高于零。
该参数确定器可以被配置成用于基于对经环境补偿的值的时间序列进行的傅里叶分析来确定基本频率信号强度与谐波频率信号强度的比率。
该参数比较器可以被配置成用于对该基本频率信号强度与谐波频率信号强度的比率与第一阈值进行比较，并且其中，该偏移发生器可以被配置成用于在该基本频率信号强度与谐波频率信号强度的比率接近或低于该第一阈值的情况下控制该驱动器电路增大该可控电流。
该参数确定器可以被配置成用于基于对经环境补偿的值的时间序列进行的傅里叶分析来确定基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率。
该参数比较器可以被配置成用于对该基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率与第二阈值进行比较，并且其中，该偏移发生器可以被配置成用于在该基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率接近或高于该第二阈值的情况下控制该驱动器电路减小该可控电流。
该监测电路系统可以被配置成用于提供以下各项中的至少一项：该第一输入值，以便对以脉冲模式操作的该照明源进行预偏置，从而使得在脉冲被启动之前以基本上在该阈值电流上的电流驱动该照明源；以及该第一输入值，以便对以时变波模式操作的该照明源进行预偏置，从而使得该照明源针对该可控电流的任何增大进行基本上线性的响应。
该照明源可以是以下各项中的至少一项：垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)；以及发光二极管。
该装置可以是基于单光子雪崩二极管的范围检测传感器，其中，该照明检测器可以包括以下各项中的至少一项：单光子雪崩二极管返回阵列；以及单光子雪崩二极管参考阵列。
根据第二方面，提供了一种方法，该方法包括：提供照明源，该照明源被配置成用于当被以大于阈值电流的电流驱动时发光；利用驱动器电路以可控电流驱动该照明源，该驱动器电路至少由第一输入值控制；用至少一个照明检测器检测由该照明源发射的光；以及在监测电路系统处接收来自照明检测器的该输出；以及使用该监测电路系统控制该第一输入值。
使用该监测电路系统控制该第一输入值可以包括：基于该接收的照明检测器输出而生成经环境补偿的值；基于该经环境补偿的值确定至少一个参数值；对该至少一个参数值与至少一个阈值进行比较；以及基于该比较控制该驱动器电路提供该可控电流。
确定该至少一个参数值可以包括选择经环境补偿的最小强度值。
对该至少一个参数值与该至少一个阈值进行比较可以包括对该经环境补偿的最小强度值与第一阈值进行比较，并且基于该比较控制该驱动器电路提供该可控电流可以包括在该经环境补偿的最小强度值接近或低于该第一阈值的情况下控制该驱动器电路增大该可控电流。
该第一该阈值可以为零。
对该至少一个参数值与该至少一个阈值进行比较可以包括对该经环境补偿的最小强度值与第二阈值进行比较，并且其中，基于该比较来控制该驱动器电路提供该可控电流可以包括在该经环境补偿的最小强度值接近或高于该第二阈值的情况下控制该驱动器电路减小该可控电流。
该第二阈值可以高于零。
基于该经环境补偿的值参数确定器确定至少一个参数值可以包括基于对经环境补偿的值的时间序列进行的傅里叶分析确定基本频率信号强度与谐振频率强度的比率。
对该至少一个参数值与该至少一个阈值进行比较可以包括将该基本频率信号强度与谐振频率信号强度的比率与第一阈值进行比较，并且其中，基于该比较来控制该驱动器电路提供该可控电流可以包括在该基本频率信号强度与谐振频率信号强度的比率接近或低于该第一阈值的情况下控制该驱动器电路增大该可控电流。
基于该经环境补偿的值参数确定器确定至少一个参数值可以包括基于对经环境补偿的值的时间序列进行的傅里叶分析确定基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率。
对该至少一个参数值与该至少一个阈值进行比较可以包括对该基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率与第二阈值进行比较，并且其中，该基于该比较来控制该驱动器电路提供该可控电流可以包括在该基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率接近或高于该第二阈值的情况下控制该驱动器电路减小该可控电流。
基于该比较控制该驱动器电路提供该可控电流可以包括提供以下各项中的至少一项：该第一输入值，以便对以脉冲模式操作的该照明源进行预偏置，从而使得在脉冲启动之前以基本上在该阈值电流上的电流驱动该照明源；以及该第一输入值，以便对以时变波模式操作的该照明源进行预偏置，从而使得该照明源针对该可控电流的任何增大进行基本上线性的响应。
该照明源可以是以下各项中的至少一项：垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)；以及发光二极管。
该方法可以是一种用于操作基于单光子雪崩二极管的范围检测传感器的方法，其中，用至少一个照明检测器检测由该照明源发射的光可以包括以下各项中的至少一项：用单光子雪崩二极管返回阵列检测由该照明源发射的光；以及用单光子雪崩二极管参考阵列检测由照明源发出的光。
附图说明
现将仅通过举例的方式并且参照附图来描述一些实施例，在附图中：
图1示出了示例电流驱动波形的示意图，其中，不同的偏移电流水平被应用至该波形；
图2示出了根据一些实施例的用于控制驱动电流的示例装置的示意图；
图3示出了流程图，该流程图示出了根据第一组实施例的示例装置的操作；
图4示出了流程图，该流程图示出了根据第二组实施例的示例装置的操作；以及
图5示出了流程图，该流程图示出了根据第三组实施例的示例装置的操作；
具体实施方式
本文所采用的概念用于实施和配置SPAD TOF传感器模块以及具体地驱动电流偏移，以便尝试设置偏移，从而使得该偏移与独立于垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的工艺参数或操作参数的VCSEL阈值电流要求相匹配。
如前所述，VCSEL要求高于阈值水平的驱动电流以便产生输出。为了实现此目的，使用偏移值来操作驱动器。
此偏移值通常可以被配置为稍微低于使驱动器提供电流所需的水平的值。
当以脉冲模式对激光器进行操作时，SPAD TOF传感器通常要求VCSEL能够快速地接通和关断。驱动器被配置成用于像开关一样操作，并且在设计时并未过多考虑开关轮廓的上升或下降的形状。
尽管脉冲的关断并未决定性地取决于VCSEL阈值(或接通)电流，为了在更高频率下产生快速切换，驱动器可以提供偏移从而使得VCSEL处于或非常接近阈值电流水平。因此，为了能够实现快速开关频率，如在此所描述的概念是这样一个概念：其中，VCSEL操作被监测，以便确定用于驱动器的偏置电压是否引起以尽可能接近阈值水平值来操作驱动器。
SPAD TOF传感器(以及也VCSEL)也可以被操作用于产生不同于脉冲的所需波形。在这种情况下，驱动器可以被配置成用于调制驱动电流，从而使得VCSEL产生具有时变波形的光强输出。有用时变波形的示例是正弦波。在这种示例中，驱动器偏移应当被设计或配置为使得驱动电流在VCSEL中操作阈值(或最小操作值)上，以便对驱动电路的任何调制都产生光强的有效时变变化。优选进一步地，时变光强波形与驱动器调制之间的关系为线性的(或者尽可能接近地为线性关系)。
垂直空腔表面发射激光器的阈值未被很好地限定，并且可能受许多不同运算参数的影响。例如，已知的是，工艺变化可能引起在两个装置中阈值之间的差异。进一步地，即使针对单个器件，阈值也可能基于操作温度和供电电压以及其他特性而显著地变化。
例如，图1示出了以显著地低于阈值、在阈值上以及高于阈值的偏移值来操作VCSEL的影响。
例如，为了保证VCSEL产生较快且线性的响应，驱动器可以使用显著地高于阈值的偏移值来进行操作。然而，通过显著高于阀值地操作激光器，总是存在添加到光强中的DC(或偏移)分量。这增大了来自光子散射噪声贡献的噪声，并且从而减小了信噪比(在接收器处)。这种效果在图1中通过在右侧的应用到高偏移值的正弦波的光强输出与时间的图153来示出。
然而，如果偏移值太低，则VCSEL产生失真或非线性响应。这在图1中通过在左侧的应用到低偏移值的正弦波的光强输出与时间的图151来示出，其中，正弦波信号中的一些被削波。
在偏移值约为阈值的情况下，则输出表示对输入的线性表示。这在图1中通过正弦波的光强输出与时间的中心图152来示出，该正弦波示出既不被削波也不包含显著更多噪声的光强。
如下文描述的本申请的概念是装置和方法，所述装置和方法用于监测VCSEL的输出强度(并且在可能的情况下使用例如合适的SPAD ToF传感器装置)以便调谐偏移电流从而使得偏移电流匹配或考虑操作驱动器并且驱动发光器件(诸如VCSEL)所需的阈值电流的变化性。
关于图2，示出了用于实施该概念的实施例的示例装置。该装置在一些实施例中可能是SPAD ToF传感器器件。
所示的装置包括垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)101，该垂直空腔表面发射激光器被配置成用于基于由驱动器103提供的供电电流(以及电压)来生成光强。
驱动器103进一步被配置成用于生成电流，该电流的一部分基于来自偏移发生器105的输入而被控制。
该装置可以被配置为使得VCSEL的输出具有到参考阵列107的内部路径(或寄生路径)。换言之，由VCSEL产生的光被内部地耦合至第一单光子雪崩二极管(SPAD)阵列，该第一单光子雪崩二极管阵列可以提供由VCSEL产生的光强的参考值。
该装置可以进一步被配置为使得VCSEL的输出具有到返回阵列109的外部路径或空闲空间路径。换言之，由VCSEL产生的光可以外部地耦合至至少一个另外的单光子雪崩二极管(SPAD)阵列，该至少一个另外的单光子雪崩二极管阵列可以提供由VCSEL产生并且已经从外部对象反射的光强的参考值。
在下面的示例中，参考阵列107被用于产生参考信号，然而，在一些实施例中，返回阵列109可能与参考阵列107一样使用或替代参考阵列107。例如，在一些实施例中，该装置可以不具有参考阵列107，并且反而使用返回阵列来产生参考信号。
该装置可以进一步包括环境补偿器111。环境补偿器111被配置成用于接收来自参考阵列107和/或返回阵列109的参考信号并且确定表示VCSEL的光强的合适的经环境补偿的信号。换言之，环境补偿器111可以被配置成用于从参考信号中移除任何环境分量。
该装置可以进一步包括最低仓选择器/参数确定器113。最低仓选择器/参数确定器113可以被配置成用于接收来自环境补偿器的经环境补偿的参考信号并且选择合适的参数进行输出。在一些实施例中，合适的参数是最低仓值。
该装置可以进一步包括参数比较器115。该参数比较器可以被配置成用于接收参数(如最低仓值)并且将参数与参数值(例如所限定仓值)进行比较。该比较的输出可以被传送到偏移发生器105和/或被用于控制偏移发生器的输出。如前所述，偏移发生器105被配置成用于生成偏移值，该偏移值有待供应至驱动器以及在此所描述的用于监测和跟踪偏移电压以维持偏移的反馈回路，从而使得VCSEL‘在’阈值上并且因此能够产生以非失真的方式变化但是没有生成任何有效的dc或偏移水平的光强波动。
关于图3，更详细地描述了根据第一组实施例在图2中所示的装置的示例操作。在本示例中，正弦波形和偏移值由偏移发生器生成并且通过驱动器使VCSEL生成时变光强。参考阵列可以捕获与时变正弦波驱动器输出相关联的光强的直方图。
通过步骤301在图3中示出了捕获来自参考阵列的正弦驱动器输出的直方图的操作。
环境补偿器然后可以使用单独的环境仓来减去环境(或暗计数率)计数，或者通过使用时间窗口来建立环境水平。
通过步骤303在图3中示出了产生经环境补偿的值的操作。
最低仓选择器然后可以确定并选择最低仓值。换言之，其可以选择并输出与正弦波的最小值相关联的最小检测强度值并且从而反反映偏移值。
通过步骤305在图3中示出了确定最低仓值的操作。
参数比较器然后可以对最低仓值与期望水平值进行比较。例如，期望水平值可以是零值。在最低仓值变得太接近零值的这种实施例中，比较器可以控制偏移发生器增大阈值并且从而移动VCSEL远离水平阈值。类似地，在最低仓值太高和/或高于预定值的情况下，偏移发生器可以被配置成用于减小偏移电流。
通过步骤307在图3中示出了对最低仓值与零值进行比较并且基于该比较来控制偏移值的操作。在一些实施例中，操作可以然后重复这些步骤以便维持对偏移电流值的监测。虽然上文所示的示例(以及下文所示的示例)描述了简单的单一阈值比较和控制机制，但是应当理解的是，任何合适的跟踪方法都可以用来监测VCSEL的输出并且在在紧密限定的范围内维持VCSEL的操作。因此，例如，可以采用多于一个阈值来跟踪和控制在两个值之间限定的输出和/或滞后范围，以防止偏移值的连续变化。
图4示出了与图3类似的方法，但是关于脉冲发生模式的操作。从而在图4所示的示例中，仅针对驱动器使用预偏置偏移值，而不使用正弦波和偏移信号。预偏置偏移值由偏移发生器生成并且通过驱动器可以引起VCSEL生成可见输出。参考阵列可以捕获与预偏置驱动器输出相关联的光强的直方图。
通过步骤401在图4中示出了捕获来自参考阵列的预偏置驱动器输出的直方图的操作。
环境补偿器然后可以使用单独的环境仓来减去环境(或暗计数率)计数，或者通过使用时间窗口来建立环境水平。
通过步骤403在图3中示出了产生经环境补偿的值的操作。
参数确定器然后可以确定并选择用于进行比较的值。例如，当正在尝试控制预偏置值恰好低于阈值时，可以选择的用于进行比较的值可以是最小仓值。然而，在一些实施例中，可以使用最小仓值或一些平均仓值。
通过步骤405在图3中示出了确定最低仓值的操作。
参数比较器然后可以对最低仓值与至少一个期望水平值进行比较。例如，期望水平值可以是接近但不为零的值。在最低仓值大于该值的这种实施例中，然后比较器可以控制偏移发生器减小预偏置值并且从而控制VCSEL以大约水平阈值进行操作。类似地，在最低仓值低于该值的情况下，然后偏置发生器可以被配置成用于增大预偏置水平。
通过步骤407在图4中示出了对最低仓值与阈值进行比较以及基于该比较来控制偏移值的操作。在一些实施例中，操作可以然后重复这些步骤以便维持对预偏置偏移电流值的监测。
图5进一步示出了与在图3中示出的操作类似的方法，在图3中时变波形是具有偏移分量的正弦波，但是其中所确定或选择的参数基于对(经环境补偿的)参考阵列信号进行的傅里叶分析。使用傅里叶分析使得能够确定远离基本谐波强度的谐波强度。在这种实施例中，偏移可能被控制为使得在失真水平太高的情况下该偏移被增大。
在本示例中，正弦波形和偏移值由偏移发生器生成并且通过驱动器使VCSEL生成时变光强。参考阵列可以捕获与时变正弦波驱动器输出相关联的光强的直方图。
通过步骤501在图5中示出了捕获来自参考阵列的正弦驱动器输出的直方图的操作。
环境补偿器然后可以使用单独的环境仓来减去环境(或暗计数率)计数，或者通过使用时间窗口来建立环境水平。
通过步骤503在图3中示出了产生经环境补偿的值的操作。
参数选择器然后可以将傅里叶转换应用到经环境补偿的值，并且进一步确定基本频率强度、谐振频率强度(并且在一些实施例中进一步地dc或零频率强度)。谐波强度与基本强度的比率然后可以被生成至比较器。在一些实施例中，dc与基本强度的比率还可以被生成并且传送至比较器。
通过步骤505在图5中示出了执行傅里叶变换以及确定和输出该(多个)比率的操作。
参数比较器然后可以对该(多个)比率与期望水平值进行比较，并且比较的结果用于控制偏移值。例如，当谐波频率与基本频率的比率增大时，其表示因为VCSEL正以太低而无法允许非失真响应的偏移进行操作所以正弦波正在失真的情形，并且从而偏移可能被增大。类似地，当dc与基本频率强度的比率增大时，其表示偏移分量太高的情况，并且从而偏移可能被减小。
通过步骤507在图5中示出了对该(这些)比率与该(这些)比较值进行比较并且基于该比较来控制偏移值的操作。在一些实施例中，操作可以然后重复这些步骤以便维持对偏移电流值的监测。
一些实施例可以使用其他传感器来代替SPAD。这些传感器可以是能够接收光强度、到达时间、频率或相位或振幅/强度调制、波长(颜色)或其他信息的集成光敏元件。
应当理解，上述安排可至少部分地由集成电路、芯片集、封装在一起或封装在不同封装体中的一个或多个裸片、分立电路或这些选项的任何组合来实现。
上文描述了具有不同变体的各种实施例。应当指出的是，本领域技术人员可以结合这些各种实施例和变体的各种要素。
这种变更、修改和改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在在本发明的范围内。因此，前面的描述仅是示例的，而并不旨在为限制性的。本发明仅根据下面的权利要求书及其等效物中所限定的那样进行限制。

Claims (14)

1.一种用于控制驱动器电流的方法，包括：
提供照明源，所述照明源被配置成当被以大于阈值电流的电流驱动时发光；
利用驱动器电路以可控电流驱动所述照明源，所述驱动器电路至少由第一输入值控制；
使用至少一个照明检测器检测由所述照明源发射的光；以及
在监测电路系统处接收来自所述照明检测器的信号；
从接收的信号确定经环境补偿的值；
基于所述经环境补偿的值，通过选择经环境补偿的最小强度值来确定待比较的参数值；以及
使用所述监测电路系统基于所述参数值控制所述第一输入值。
2.一种用于控制驱动器电流的装置，包括：
照明源，被配置成当被以大于阈值电流的电流驱动时发光；
驱动器电路，被配置成以可控电流驱动所述照明源，所述驱动器电路由第一输入值控制；
照明检测器，被配置成检测由所述照明源发射的光；以及
监测电路系统，被配置成接收来自所述照明检测器的输出并且提供所述第一输入值，其中，所述监测电路系统包括：
环境补偿器，被配置成接收来自所述照明检测器的所述输出，并且输出经环境补偿的值；
参数确定器，被配置成基于所述经环境补偿的值，通过从所述至少一个照明检测器中选择经环境补偿的最小强度值来确定待比较的参数值；
参数比较器，所述参数比较器被配置成将所述参数值与至少一个阈值进行比较；以及
偏移发生器，所述偏移发生器被配置成基于来自所述参数比较器的输出来控制所述驱动器电路以提供所述可控电流。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述参数比较器被配置成比较所述经环境补偿的最小强度值与第一阈值，并且其中所述偏移发生器被配置成在所述经环境补偿的最小强度值接近或低于所述第一阈值时，控制所述驱动器电路增大所述可控电流。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述第一阈值为零。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述参数比较器被配置成将所述经环境补偿的最小强度值与第二阈值进行比较，并且其中所述偏移发生器被配置成在所述经环境补偿的最小强度值接近或高于所述第二阈值时，控制所述驱动器电路减小所述可控电流。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述第二阈值高于零。
7.如权利要求2所述的装置，其中所述参数确定器被配置成基于对经环境补偿的值的时间序列进行的傅立叶分析，来确定基本频率信号强度与谐波频率信号强度的比率。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述参数比较器被配置成对所述基本频率信号强度与谐波频率信号强度的比率与第一阈值进行比较，并且其中所述偏移发生器被配置成在所述基本频率信号强度与谐波频率信号强度的比率接近或低于所述第一阈值的情况下，控制所述驱动器电路增大所述可控电流。
9.如权利要求7所述的装置，其中所述参数确定器被配置成基于对经环境补偿的值的时间序列进行的傅里叶分析，来确定基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述参数比较器被配置成对所述基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率与第二阈值进行比较，并且其中所述偏移发生器被配置成在所述基本频率信号强度与零或dc频率信号强度的比率接近或高于所述第二阈值的情况下，控制所述驱动器电路减小所述可控电流。
11.如权利要求2所述的装置，其中所述监测电路系统被配置成提供所述第一输入值，以便对以脉冲模式操作的所述照明源进行预偏置，从而使得在脉冲启动之前用基本上在所述阈值电流上的电流驱动所述照明源。
12.如权利要求2所述的装置，其中所述监测电路系统被配置成提供所述第一输入值，以便对以时变波模式操作的所述照明源进行预偏置，从而使得所述照明源针对所述可控电流的任何增大进行基本上线性的响应。
13.如权利要求2所述的装置，其中所述照明源包括垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)或发光二极管。
14.如权利要求2所述的装置，其中所述装置是基于单光子雪崩二极管的距离检测传感器，并且其中所述照明检测器包括单光子雪崩二极管返回阵列或单光子雪崩二极管参考阵列。
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