CN114167387A - 直接飞行时间DToF传感器及其延迟校正方法 - Google Patents

直接飞行时间DToF传感器及其延迟校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种直接飞行时间DToF传感器及其延迟校正方法，所述DToF传感器包括：单光子雪崩二极管SPAD单元，被配置为当偏置电压大于雪崩击穿电压时，根据光生载流子产生雪崩电流，初始化电路，其配置为对直接飞行时间传感器进行初始化，并且对电路重置阶段由暗计数及环境光造成的雪崩进行采集，淬灭电路，其被配置为用于淬灭雪崩电流，时间数字转换器TDC，其被配置为用于记录SPAD单元的击穿时刻信息，以及存储器，其被配置为用于存储关于所述TDC记录的击穿时刻信息的直方图。

Description

直接飞行时间DToF传感器及其延迟校正方法
技术领域
本公开总体上涉及传感器领域，特别的，涉及基于单光子雪崩二极管(SinglePhoton Avalanche Diode，SPAD)的直接飞行时间(DToF,direct time of flight)传感器，以及其信号延迟校正方法。
背景技术
直接飞行时间传感器(DToF)技术被认为是最优越的传感器技术之一，由于它的出现，引起了在各种应用场景中应用的移动设备中装载3D摄像头的趋势，并且随着物联网技术以及半导体技术的发展，其应用领域还将继续得到拓展，此外，对其性能进行提升的相应研究也正在进行。
直接飞行时间(DToF)传感器是一种主动光传感器，至少包含发射端Tx和接收端Rx两个主要部分。Tx发射短脉冲激光，照射到被测物体，部分激光反射后被Rx接受。由于Tx与Rx存在同步信号，控制电路可以记录激光在空中来回飞行的时间t,已知光速C，可以得到物体的距离d＝1/2*C*t。
发明内容
技术问题
DToF传感器的时间分辨率可达皮秒(ps)级，具有高时间灵敏度，对传感器内部存在的各种非理想特性造成的延迟十分敏感，延迟包括但不限于以下三个方面：
1)导线造成的延迟，控制信号从控制器经导线传导到芯片内部器件会有一定延迟；
2)布局造成的延迟，芯片内部空间有限，器件物理空间布局上和控制器信号发射端存在差异，距离较近的信号延迟小，距离远的信号延迟大；以及
3)器件或功能电路的工作延迟，器件或功能电路工作存在固有延迟，同时由于工艺问题，工作延迟在不同位置也会存在不均一的现象。
这些延迟最终会导致DToF传感器输出信号失真。
目前常规解决方案是，在标准距离下对DToF芯片进行校正，但校正本身对设备精度要求较高，且费时费力。
解决方案
本发明提出了一种基于SPAD的传感器电路及其控制信号，所述传感器电路被配置为对特定时间段内的暗计数及环境光造成的雪崩进行采集，其中，暗计数是指没有入射光子撞击SPAD时载波触发的雪崩事件，其包括由于温度和隧道效应产生的雪崩事件。经过多次测量，形成一个独特的直方图峰位Peakref，各个SAPD像素峰位Peakref的差异即为各像素上的所提到的延迟信息的综合。选取合适的基准，计算得到SPAD的Peakref偏移量，对SPAD像素输出的时间信息综合以上偏移量，即可完成对SPAD像素的时间延迟校正，得到真实的探测时间。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，包括：单光子雪崩二极管SPAD单元，被配置为当偏置电压大于雪崩击穿电压时，根据光生载流子产生雪崩电流，初始化电路，其配置为对直接飞行时间传感器进行初始化，并且对电路重置阶段由暗计数及环境光造成的雪崩进行采集，淬灭电路，其被配置为用于淬灭雪崩电流，时间数字转换器TDC，其被配置为用于记录SPAD单元的击穿时刻信息，以及存储器，其被配置为用于存储关于所述TDC记录的击穿时刻信息的直方图。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，其中，所述初始化电路包括第一晶体管，所述第一晶体管连接在所述SPAD单元和接地节点之间，并且根据所述直接飞行时间DToF传感器的重置信号来导通和关断。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，其中，所述初始化电路包括第二晶体管，所述第二晶体管连接在所述SPAD单元和接地节点之间，并且根据所述直接飞行时间DToF传感器的使能信号来导通和关断，其中，所述使能信号在所述重置信号结束前开始，并且在所述重置信号结束后结束。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，其中，所述第一晶体管具有第一等效电阻，所述第一等效电阻被配置为使得如果在所述重置信号有效期间发生雪崩，则所述SPAD单元的输出电压小于第一阈值电压。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，其中，所述第二晶体管具有第二等效电阻，所述第二等效电阻被配置为使得如果在所述重置信号有效期间发生雪崩，则当所述重置信号结束之后，所述SPAD单元的输出电压大于第二阈值电压。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，其中，所述时间数字转换器TDC被配置为使得所述时间数字转换器TDC的重置结束时间与所述直接飞行时间DToF传感器的重置信号的结束时间相同。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，其中，所述时间数字转换器TDC被配置为使用所述直接飞行时间DToF传感器的重置信号来进行重置。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，其中，所述淬灭电路被配置为使得所述淬灭电路的开启时间不得晚于所述初始化电路的结束时间。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器，其中，所述存储器被配置为根据直方图的峰位信息生成用于延迟校正的参考值。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器的延迟校正方法，包括：针对不同SPAD单元，对在直接飞行时间DToF传感器的重置阶段内由暗计数及环境光造成的雪崩进行采集，从而为每个SPAD单元生成用于校准的峰位值，并且从生成的用于校准的峰位值中选择基准值，对目标对象的距离进行测量，以及基于所选择的基准值来对所述目标对象的距离进行校正。
根据本公开的实施例，提出了一种直接飞行时间DToF传感器的延迟校正方法，其中，从生成的用于校准的峰位值中选择基准值包括根据峰位值的大小来选择基准值。
技术效果
本公开提供了一种基于SPAD直接飞行时间DToF传感器及其延迟校正方案，通过简单的电路设计，搭配对应控制信号波形，简易高效的完成了SPAD的延迟校正，以保证SPAD芯片达到精准测量，节省了复杂校正的时间和成本。
附图说明
从以下结合附图的描述中，本公开的特定实施例的上述和其他方面、特征和优点将变得更加明显，其中：
图1示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的初始化电路的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的控制信号输出的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的控制信号输出的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的Vout处电压输出波形的示意图；
图6示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的无延迟校正设计的直方图输出；以及
图7示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的带延迟校正设计的直方图输出。
具体实施方式
在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。
贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。
在本专利文件中，变换块的应用组合以及子变换块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，变换块的应用组合以及子变换块的划分层级可以具有不同的方式。
以下讨论的图1至图7以及用于描述本专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅作为说明，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的系统或设备中实施。
图1示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的示意图。
在图1中，基于SPAD的传感器电路100包括单光子雪崩二极管(Single PhotonAvalanche Diode，SPAD)单元101、初始化电路102、淬灭电路103、时间数字转换器(Time toDigital Convertor，TDC)104和存储器105。其中，SPAD单元101被配置为当偏置电压大于雪崩击穿电压时(过反偏状态)，光生载流子触发极大增益的自持式雪崩电流,即，工作在盖革模式。当SPAD处于过反偏时,由于光子的触发，SPAD会产生自持续电流。初始化电路102被配置为对SPAD的传感器电路100进行初始化，并且对电路重置阶段由暗计数及环境光造成的雪崩进行采集。然而，在基于SPAD的传感器电路100中，如果对雪崩电流不采取任何抑制措施,雪崩过程将会持续下去直至器件永久性损坏，所以通常在雪崩倍增效应发生后需要快速降低SPAD两端的电压来抑制雪崩。淬灭电路103的被配置为减小SPAD的反偏电压至雪崩电压以下,进而淬灭雪崩电流，直到能够实现新的测量。TDC 104被配置为用于记录SPAD单元的击穿时刻信息。并且存储器105被配置为用于存储关于所述TDC记录的击穿时刻信息的直方图。其中，根据本发明的实施例，存储器105包括静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)、EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory，可擦写可编程只读存储器)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器)、闪存等。
图2示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的初始化电路的示意图。
参考图2，通过传感器电路的初始化电路通过晶体管Mos1和晶体管Mos2来实现对电路重置阶段由暗计数及环境光造成的雪崩进行采集。在图2中，通过晶体管Mos1和晶体管Mos2提供Vrst电压和Enable电压来为于SPAD的传感器电路提供初始化操作。其中，晶体管Mos1的等效电阻较小，而晶体管Mos2的等效电阻较大。通过在传感器电路初始化的重置期间，导通晶体管Mos1和晶体管Mos2，来使得在初始化期间，如果发生雪崩，则会在SPAD单元流过一定量的电流，并且使得SPAD单元的Vout端输出一定的电压。TDC电路通过对改电压进行记录来对SPAD的雪崩进行记录，并且通过直方图生成器来生成相应的峰值信息。
图3示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的控制信号输出的示意图。
参考图3，通过将Reset信号变为高电平来触发SPAD的传感器电路重置，并且同时使得SPAD的传感器电路进行放电初始化操作，在SPAD的传感器电路进行放电初始化操作期间，Enable信号保持为高电平。由于晶体管Mos1的等效电阻较小，因此，当Reset信号为高电平时，导通的晶体管Mos1使得Vout端电压较低，以进行充分的放电初始化。Mos1等效电阻较小目的为可以快速初始化，即图5中放电初始化，电阻越小，初始化时间越短。此外，当放电初始化完成后且Reset信号为高电平时，如果由于暗计数及环境光造成的雪崩发生，则会使得SPAD单元流过一定量的电流，但是由于晶体管Mos1的等效电阻较小，Vout端电压仍然保持为较低，例如，此时Vout端电压小于第一阈值。
当重置信号接收，即，Reset信号从高电平变为低电平时，晶体管Mos1关断，而Enable信号保持高电平，使得晶体管Mos2保持在导通状态。由于晶体管Mos2的等效电阻较大，导致Vout端电压增大，例如，此时Vout端电压大于第二阈值。根据上述操作，在电路重置阶段由于暗计数及环境光造成的雪崩所产生的电流使得与晶体管Mos2连接的SPAD单元的Vout端在重置信号Reset结束后，能够输出可以被TDC 104单元记录的电压，从而实现了对于电路重置阶段由于暗计数及环境光造成的雪崩的记录。其反应为在电路的直方图输出中还存在与延迟相关的峰值，并且可以使用其来进行校正。
此外，TDC 104单元控制信号如图3所示，当初始化电路开始进行初始化操作之后，TDC 104单元的重置信号Tdc_Reset变为高电平，并且该信号Tdc_Reset与初始化电路的重置信号Reset同时结束。此后，TDC 104单元的使能信号Tdc_Enable从低电平变为高电平，以获取初始化电路102重置结束时的信号输出，从而把SPAD的传感器电路实际的重置完成的时间记录下来。TDC 104单元的使能信号Tdc_Enable在从低电平变为高电平，从而可以记录在SPAD单元中发生的雪崩。经过TDC及直方图模块，形成一个每个像素特有的直方图峰，峰位信息即可作为延迟校正的参考值。
图4示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的控制信号输出的示意图。
参考图4，图4与图3的不同之处在于TDC 104单元的重置信号Tdc_Reset变为高电平的时刻与初始化电路的重置信号Reset变为高电平的时刻相同，并且该信号Tdc_Reset与初始化电路的重置信号Reset同时结束。因此，TDC104单元的重置信号Tdc_Reset与初始化电路的重置信号Reset可以使用相同的信号来进行处理，从而节省电路的开销和成本。图4中的其他控制信号与图3中的相同，以用于记录在电路重置后到初始化电路结束操作之前的时间段内由于暗计数及环境光造成的雪崩。对于相同的控制信号的特征在此不再赘述。
图5是示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的Vout处电压输出波形的示意图.
参考图5，当初始化电路102工作完成后，即，RESET信号从高电平变为低电平，使得晶体管Mos1被关断后，淬灭电路103开始工作，以将Vout电压升高。根据本发明的一个实施例，淬灭电路103的开启时间不晚于初始化电路102工作完成之前，以使得在初始化电路完成工作之后，即可淬灭并输出雪崩信号，即便后续有激光开启，SPAD也不会对其进行感应，如图5所示。
图6是示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的无延迟校正设计的直方图输出。
参考图6，当传感器电路无延迟校正设计时，其仅仅对目标物体对激光的反射进行记录，以反映目标物体的距离。
图7是示出了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器电路的带延迟校正设计的直方图输出。
参考图7，在存在基于SPAD的传感器电路的延迟校正设计时，除了目标对象反射形成的峰位值之外，还存在用于校正的校准峰位值。例如，SPAD像素pixel1的ref峰位在100，pixel2的ref峰位在102,此时，如果选取峰位值100作为校准的基准值，测pixel1的Target峰位无需进行延迟校正，pixel2的Target峰位需减去2，即可完成对Target峰位延迟校正。根据本发明的实施例，对校准的基准值的选择方式可以包括多种方式，例如，可以根据目标对象的距离范围来选择用于校准的基准值，或者可以基于用于校正的校准峰位值的大小来选择用于校准的基准值。
根据本发明的实施例，提供了基于SPAD的延迟校正方案，通过简单的电路设计，搭配对应控制信号波形，简易高效的完成了SPAD的延迟校正，以保证SPAD芯片达到精准测量，节省了复杂校正的时间和成本。
在本发明中，文本和附图仅作为示例提供，以帮助理解本公开。它们不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。尽管已经提供了某些实施例和示例，但是基于本文所公开的内容，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所示的实施例和示例进行改变。
本发明中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。

Claims (11)

1.一种直接飞行时间DToF传感器，包括：
单光子雪崩二极管SPAD单元，被配置为当偏置电压大于雪崩击穿电压时，根据光生载流子产生雪崩电流，
初始化电路，其配置为对直接飞行时间传感器进行初始化，并且对电路重置阶段由暗计数及环境光造成的雪崩进行采集，
淬灭电路，其被配置为用于淬灭雪崩电流，
时间数字转换器TDC，其被配置为用于记录SPAD单元的击穿时刻信息，以及
存储器，其被配置为用于存储关于所述TDC记录的击穿时刻信息的直方图。
2.根据权利要求1所述的直接飞行时间DToF传感器，其中，所述初始化电路包括第一晶体管，所述第一晶体管连接在所述SPAD单元和接地节点之间，并且根据所述直接飞行时间DToF传感器的重置信号来导通和关断。
3.根据权利要求1所述的直接飞行时间DToF传感器，其中，所述初始化电路包括第二晶体管，所述第二晶体管连接在所述SPAD单元和接地节点之间，并且根据所述直接飞行时间DToF传感器的使能信号来导通和关断，
其中，所述使能信号在所述重置信号结束前开始，并且在所述重置信号结束后结束。
4.根据权利要求2所述的直接飞行时间DToF传感器，其中，所述第一晶体管具有第一等效电阻，所述第一等效电阻被配置为使得如果在所述重置信号有效期间发生雪崩，则所述SPAD单元的输出电压小于第一阈值电压。
5.根据权利要求3所述的直接飞行时间DToF传感器，其中，所述第二晶体管具有第二等效电阻，所述第二等效电阻被配置为使得如果在所述重置信号有效期间发生雪崩，则当所述重置信号结束之后，所述SPAD单元的输出电压大于第二阈值电压。
6.根据权利要求1所述的直接飞行时间DToF传感器，其中，所述时间数字转换器TDC被配置为使得所述时间数字转换器TDC的重置结束时间与所述直接飞行时间DToF传感器的重置信号的结束时间相同。
7.根据权利要求1所述的直接飞行时间DToF传感器，其中，所述时间数字转换器TDC被配置为使用所述直接飞行时间DToF传感器的重置信号来进行重置。
8.根据权利要求4所述的直接飞行时间DToF传感器，其中，所述淬灭电路被配置为使得所述淬灭电路的开启时间不得晚于所述初始化电路的结束时间。
9.根据权利要求1所述的直接飞行时间DToF传感器，其中，所述存储器被配置为根据直方图的峰位信息生成用于延迟校正的参考值。
10.一种直接飞行时间DToF传感器的延迟校正方法，包括：
针对不同SPAD单元，对在直接飞行时间DToF传感器的重置阶段内由暗计数及环境光造成的雪崩进行采集，从而为每个SPAD单元生成用于校准的峰位值，并且从生成的用于校准的峰位值中选择基准值，
对目标对象的距离进行测量，以及
基于所选择的基准值来对所述目标对象的距离进行校正。
11.根据权利要求10所述的延迟校正方法，其中，从生成的用于校准的峰位值中选择基准值包括根据峰位值的大小来选择基准值。
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