CN112578365A - 一种集成电源管理模块的探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电源管理模块的探测系统，包含发射端，所述发射端包含驱动集成电路，包含至少部分后续电路的集成化阵列型接收端，用于接收所述发射端发射的出射光经视场被探测物反射的返回光信号，并转化为电信号；电源管理模块，输出至少包含发射端需求的驱动电压和接收端阵列单元工作电压；所述电源管理模块与所述驱动电路或阵列型接收端集成组成集成模块化结构，通过在探测系统中集成电源管理模块形成整体的模块化结构，实现了探测系统的小型化和高集成化设计，并且能够适应更多场景，保证探测系统应用场景的最大化拓展。

Description

一种集成电源管理模块的探测系统

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种集成电源管理模块的探测系统。

背景技术

作为一种在场景中测量与物体相距距离的方法，飞行时间(TOF)技术被开发出来。这种TOF技术可以应用于各种领域，如汽车工业、人机界面和游戏、机器人等。一般来说，TOF技术的工作原理是用光源发出的已调制光照射场景，并观察场景中物体反射的反射光。而在现有探测系统中为了保证探测过程中可以获得更高的探测效率同时也保证探测系统具有更宽广的视野，目前采用较多的是一种阵列型接收模块，阵列型接收模块中可以有成千上万的像素单元，每个像素单元可以为CCD或者CMOS型等等类型的二极管，此处并不限定只以此两种类型二极管组成阵列型接收模块。

例如更典型的阵列型接收模块其通常被布置于光学(透镜)系统的焦平面上，因此也将这种阵列型接收模块称为焦平面型阵列接收模块，随着芯片小型化和高集成度的要求不断增加，系统对于各种电压模式要求也越来越高，例如在单光子雪崩二极管阵列型探测系统中，为了保证探测器实现高灵敏度的探测，需要施加高于雪崩阈值的反偏电压，例如大于20V的反偏电压，对于一些淬灭方案例如采用主动淬灭方式，还需要保证雪崩二极管快速淬灭，这需要可靠的钳位电压例如18V等等，而在另外一种场景中，例如ITOF测距中需要对于驱动电压有精度要求，例如激光器发射器对于电源电压要求为3.3V，精度要求为偏差不超过1％，而探测阵列单元工作的电源电压又通常为3.6V等等不相同的要求，除此之外还包含模拟信号调节电路(例如，“模拟前端”Analog Front End，简称AFE)，也需要不同的驱动电压，例如行选驱动电压等等，在很多场景下实际输入电源不能够满足探测系统对于不同类型电源电压的需求，因此需要开发出一种具有集中的电压配置功能的探测系统，不仅能够满足探测系统的探测需求，实现系统更高的集成化和小型化要求，还能够保证系统内控制精确保证系统对于高效可靠探测结果输出的要求。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测器阵列异常像素的识别方法，以解决现有技术阵列型探测模块无法被高效识别出异常像素，导致不合格品被使用或者在使用过程中无法准确恒定地输出准确的探测结果等等的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

本申请实施例提供了一种集成电源管理模块的探测系统，包含发射端，所述发射端包含驱动集成电路，包含至少部分后续电路的集成化阵列型接收端，用于接收所述发射端发射的出射光经视场被探测物反射的返回光信号，并转化为电信号；电源管理模块，输出至少包含发射端需求的驱动电压和接收端阵列单元工作电压；所述电源管理模块与所述驱动电路或阵列型接收端集成组成集成模块化结构。

可选地，所述电源管理模块与所述驱动电路集成所述的模块化结构，所述电源管理模块与所述驱动集成电路封装为整体的模块化结构。

可选地，所述电源管理模块与所述阵列型接收端集成所述的模块化结构，所述电源管理模块与所述列型接收端封装为整体的模块化结构。

可选地，所述接收端阵列单元为单光子雪崩二极管，所述电源管理模块输出的接收端工作电压大于所述单光子雪崩二极管的阈值电压。

可选地，所述电源管理模块输出的驱动电压为可调节的电压。

可选地，所述电源管理模块输出的接收端阵列单元工作电压为可调节的电压。

可选地，所述电源管理模块还包含共用的通讯接口单元，所述通讯接口单元还用于为所述驱动集成电路或集成化的阵列型接收端提供通讯连接。

可选地，所述电源管理模块还至少输出具有第三电压值的第三输出电压。

可选地，所述电源管理模块包含线性电源单元和/或开关电源单元。

可选地，所述电源管理模块还包含拓展电压输出单元。

本申请的有益效果是：

本申请实施例提供的一种集成电源管理模块的探测系统，包含发射端，所述发射端包含驱动集成电路，包含至少部分后续电路的集成化阵列型接收端，用于接收所述发射端发射的出射光经视场被探测物反射的返回光信号，并转化为电信号；电源管理模块，输出至少包含发射端需求的驱动电压和接收端阵列单元工作电压；所述电源管理模块与所述驱动电路或阵列型接收端集成组成集成模块化结构，通过本发明的探测系统设计，能够将探测系统的不同电压需求统一集成化设计，由电源管理模块统一配给，进一步通过将电源管理模块与驱动电路或阵列型接收端集成最终组成模块化结构，从而使得整个设计实现了系统功能多样化，满足不同探测需求，还保证了整个系统小型化的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为现有技术提供的一种探测系统设计示意图；

图2为本申请实施例提供的一种在发射端的驱动部集成电源管理模块的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种在接收端集成电源管理模块的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种电源管理模块的功能化示意图；

图5为本申请实施例提供的一种在DTOF探测系统中电源管理模块提供不同电压输出的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种阵列型接收端设计示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

目前采用的探测系统基本组成包含发射端和阵列型接收端，发射端可以包括但不仅限于半导体激光器、固体激光器、也可包括其他类型的激光器，当采用半导体激光器作为光源时，可以采用垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical-cavity surface-emittinglaser)或者边发射半导体激光器EEL(edge-emitting laser)，此处仅为示例性说明并不作具体限定，光发射模块发射出正弦波或者方波或者三角波等等，在测距应用中多为具有一定波长的激光，例如950nm等等的红外激光(最优地为近红外激光)，发射光被投射向视场内，视场内存在的被探测物可以反射投射的激光进而形成返回光，返回光进入探测系统中被光接收端捕获。接收端包含阵列型布置的探测单元，可以包含光电转化部，例如CMOS、CCD等等组成的阵列型传感器，还可以包含多个镜头可以形成多于一个的像平面，也就是接收模块包含了多于一个的像平面，接收模块的光电转化部位于之一的像平面处，其可以最常用的四相位方案接收而获得0°、90°、180°和270°的延时接收信号，当然也可以为能够被施加高于阈值电压的反偏电压的雪崩二极管单元组成的阵列型单元，为了保证在二极管阵列中光电转化部转化的信号输出转化为最终信息的结果需要依靠模拟电路和数字电路的结合来实现，一般而言数字电路的电压需求设计比较统一，但是由于模拟电路器件本身的需求，不同的功能模块需要的电压不同，在一些特殊的情景下对于输出电压的精度也有特殊的要求，如图1所示为了保证探测系统的正常运作，发射端和接收端具有独立的电压供给单元，例如驱动模块需要驱动电压的输入进而保证其输出光电二极管的激发信号，从而完成发射端的光信号输出，接收端的阵列型接收模块需要工作电压保证光电信号的转化和信号的传出，另外还需要模拟电路的配合保证信号的传递，更进一步时钟工作电路需要驱动电压等等，当然不排除部分电路可以通过使用探测系统的装置提供的电压进行工作，然而对于不能借用的电压现有技术的方案需要进行复杂的设计，还有可能导致部分已设计完成的部分进行改变，如此将造成极大的浪费，甚至在一些情况下在现有系统尺寸的要求下，无法实现相应模块的布局。

图2为本发明提供的一种改进结构的探测系统，系统对于使用的装置无法提供的电压进行了整体化设计，也就是将其他规格的电压整理到一个统一的模块中，该模块可以实现不同电压值和不同精度电压的输出，由此完成整个的探测系统小型化设计前提下还能完成更多和更全面的功能设计，为了实现系统对于电源管理模块的集成，可以采用混合集成电路工艺来实现，该方案主要思路为单独地设计图2中的driver驱动电路和电源管理模块，再以电源管理模块的基片为基片集合独立设计完成的电源模块，如此形成电源管理模块与所述驱动集成电路封装为整体的模块化结构，另一种实现方案为直接在相同的基片上设计driver驱动电路和电源管理模块的电路部件，如此实现整体化设计的方案，再通过后续的封装实现，电源管理模块与所述驱动集成电路封装为整体的模块化结构，实际生产中也不局限于这两种方案，最终结果为在激光器的驱动电路中集成了电源管理模块，进而整个设计成为了一个整体，而外部只需要提供电源管理模块所需要的共工作电压即可，如此的结构实现了模块化设计思路，也实现了设计灵活，稳定性较好的效果，电源管理模块可以输出驱动电路工作所需的电压201，也可以输出阵列型接收模块工作的电压202，例如DTOF阵列中的超过雪崩阈值的电压，可以为超过20V的电压，ITOF中单元工作电压，可以为3.6V等等，此处不再限定，电源管理模块还可以输出非这两种电压之外的其他电压203和204等等，例如DTOF工作中的钳位电压，模拟电路中的其他电压等等，此处并不限定于此。

图3为本发明提供的另一种改进结构的探测系统，与图2不同在于，本实施例中所述电源管理模块与所述阵列型接收端集成所述的模块化结构，封装的方案当然可以采用图2中类似的方式形成封装的模块化结构，此处并不限定，更优地情况为图2中的实现方式，主要是由于当采用图3方式，电源模块中的操作可以产生开关瞬变,这种瞬变可能耦合到探测系统的其他部分,例如在一个或多个实际场景信息的捕获过程中或在获取先前捕获的离散时间距离信息(例如,读出和采样)过程中引入噪声,这种噪声可能对用户不利,例如在获取的信息中呈现不想要的伪像干扰,在光谱或飞行时间成像等其他应用中,在低光照条件下或在获取的最终信息中降低信噪比，而在设计中将电源管理模块集成在接收端中或多或少地存在这一问题，本发明并不排除在接收端集成电源管理模块的方案，而这一问题可以通过隔离电路或者信号处理等方式减弱甚至消除。

图4为电源管理模块所具有的输出或者功能的示意图，电源管理模块可以包含开关电源和/或线性电源单元，图4展示了包含两种模式电源单元的管理模块，通过两种模式电源布置实现了对于场景中不同电压或者不同精度电压输出的适应，当然也不限定只能包含这两种模式的电源单元，还可以包含不间断电源(UPS)、逆变电源等等，为了保证探测系统可拓展功能或者检修时检修器供电等等问题，所述电源管理模块还包含拓展电压输出单元。

图5以一种特殊的探测系统DTOF探测方法下的单光子雪崩二极管探测模式下系统包含电源管理模块的情况进行说明，其中电源管理模块采用与图2相同的集成思路设计，所述电源管理模块接收电池的输入电压，可以转化多种输出电压，其中V5为电源管理模块输出的激光器工作电压，为了保证对于场景的适应性，例如场景内背景光特别强和背景光特别弱等等情况需要输出的电压V5值可调，当然调整信号可以由处理模块或者控制模块给出，此处并不限定，530可以为选择模块，在一些特殊的场景下探测器中的探测单元需要部分工作，此时选择模块在电压V1的驱动下可以完成相应单元或者特定行被选中，540为单光子雪崩之后主动淬灭的钳位模块，例如其工作电压V2可以为低于雪崩阈值的电压值，可以低1-3V等等此处并不限定，550可以为雪崩二极管组成的阵列型感光模块，为了使探测单元处于雪崩状态其工作电压V4可以为高于雪崩阈值的电压值，当然系统中可能包含其他有特殊需求的模块，需要电源管理模块输出其他电压值的电压，当然为了适应电路发热等等引起的噪声影响，控制模块可以获得系统中特定位置处温度结果进而产生控制信号，调整阵列型探测模块的工作电压，当然这种调整也可以是发射端的驱动电压被调整，此处并不限定，510和520分别为接收端的通讯接口和发射端的通讯接口，通过本发明的集成化设计将通讯结构也进行了共用，如此实现了系统的高效化和高集成化设计，也简化了系统复杂度，在这种设计下，相比而言独立的电源管理模块应用于探测系统上虽然能实现功能，但是整个系统的面积将增加，这样将不能适应系统的小型化集成化的要求，可能导致整个系统无法满足用户需求。

图6为一种本发明的探测系统接收端的布局示意图，接收端包含阵列型接收模块和周边布局的外围电路可以包含模拟电路和/或数字电路，其中阵列型接收模块的放大图为右侧所示，包含透镜部6401和探测单元基体部6402，透镜部包含多个透镜单元，透镜单元可以为具有预定曲率的微透镜单元组成，当然为了保证对于返回光的最大限度的利用透镜部也可以包含多于1层的结构，此处并不限定具体的实现方案，在更优的情况下基体部6402可以设置于透镜部6401对应的焦平面位置，这样可以保证探测像素单元能够最大限度地获取准确的返回光信息，在此情况下透镜部6401的透镜能构建一个光通道，使得探测单元的光敏部接收的信号处于相应的焦点位置附近，探测单元基体部6402中包含阵列型布置的光敏像素阵列，光敏像素可以通过在半导体基体部6402上掺杂形成CCD或者CMOS等等类型的光敏单元，同时半导体基体部6402还可以包含在像素单元读出中使用的所有模拟信号处理电路，像素电平控制电路和模数转化电路(ADC)等等，在电路与光敏单元的位置关系布置时，可以采用沿返回光传播方向上光敏单元的上游布置电路层的前照工艺，或者在沿返回光传播方向上光敏单元的下游布置电路层的背照工艺，此处并不限定具体的实现方式，当然光敏单元和部分电路可以设置于不同的半导体层，再利用堆叠工艺实现更高的集成化设计，当然在此结构下周边布置的电路可以包含电源管理模块，利用图2中类似的两种封装方案之一形成集成了电源管理模块的模块化结构形式，此处也并不限定具体的实现方案。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，包含发射端，所述发射端包含驱动集成电路，包含至少部分后续电路的集成化阵列型接收端，用于接收所述发射端发射的出射光经视场被探测物反射的返回光信号，并转化为电信号；电源管理模块，输出至少包含发射端需求的驱动电压和接收端阵列单元工作电压；所述电源管理模块与所述驱动电路或阵列型接收端集成组成集成模块化结构。

2.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述电源管理模块与所述驱动电路集成所述的模块化结构，所述电源管理模块与所述驱动集成电路封装为整体的模块化结构。

3.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述电源管理模块与所述阵列型接收端集成所述的模块化结构，所述电源管理模块与所述列型接收端封装为整体的模块化结构。

4.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述接收端阵列单元为单光子雪崩二极管，所述电源管理模块输出的接收端工作电压大于所述单光子雪崩二极管的阈值电压。

5.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述电源管理模块输出的驱动电压为可调节的电压。

6.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述电源管理模块输出的接收端阵列单元工作电压为可调节的电压。

7.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述电源管理模块还包含共用的通讯接口单元，所述通讯接口单元还用于为所述驱动集成电路或集成化的阵列型接收端提供通讯连接。

8.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述电源管理模块还至少输出具有第三电压值的第三输出电压。

9.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述电源管理模块包含线性电源单元和/或开关电源单元。

10.如权利要求1所述的集成电源管理模块的探测系统，其特征在于，所述电源管理模块还包含拓展电压输出单元。

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