CN114303071A

CN114303071A - 成像系统和检测方法

Info

Publication number: CN114303071A
Application number: CN202080046477.7A
Authority: CN
Inventors: 延斯·霍弗里希特
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2022-04-08
Also published as: WO2020259928A1; US20220357452A1; EP3990941A1

Abstract

一种成像系统包括光发射器(LE)、检测器阵列(DA)和同步电路(SC)。光发射器(LE)设置为发射经调制的强度的光，其中，强度在帧(A、B、A')的采集期间被单调调制。同步电路(SC)被设置为使采集与光发射器(LE)同步。

Description

成像系统和检测方法

本发明涉及光检测、测距、激光雷达(LIDAR)和系统领域。此外，本发明涉及成像系统。更具体地，本发明涉及具有用于距离测量的集成LIDAR功能的成像系统。特别地，本发明涉及具有距离测量能力的高分辨率成像器。

现有技术主要通过所谓的飞行时间(TOF)方法来处理光学测距系统，其中，发射光脉冲并用时间-数字转换器TDC计算该光脉冲传播的时间。

当前最先进的LIDAR系统能够分为三类：

(1)具有可移动零件和对表面的连续扫描的扫描LIDAR系统。迄今为止，这种系统例如用于自动驾驶。

(2)具有固态照明系统的LIDAR系统，其中许多点被投射到表面上。这种系统可以做得小而紧凑；原则上适用于小型化，并且例如用于移动设备中。

(3)LIDAR系统，其中CMOS成像器与接收调制器结合使用。迄今为止，这种系统仅限于手持设备，而且不能小型化，因为需要分立的光学部件。

图7和图8均示出了上述现有技术方法(1)和(2)的工作原理。图1示出了LIDAR系统，其中，光源(例如激光器)正朝物体发射光脉冲，光脉冲在物体处被反射。图8示出了LIDAR系统，其中，反向传播的光脉冲由适当的光电检测器检测。光脉冲发射与接收光脉冲之间的时间差用时间-数字转换器TDC来测量。

在这两种情况下，光脉冲由光源(通常为激光器)发射并偏转到几个物体上，并在那里被反射。然后，反向传播的光脉冲被适当的光电检测器(例如雪崩光电检测器或SPAD)收集。光脉冲发射与接收光脉冲之间的时间差是由时间-数字转换器TDC测量或计数的。在这种系统中，通常一个单个激光束或所谓的点云被发射到场景中。因此，分辨率被限至为仅单个或几百个像素。

在第三种方法(3)中，光脉冲通常不是由单个或多个准直激光束发射。相反，具有一定视场FOV的光源或激光束以几度的量级顺序均匀地照射场景。反射后，光脉冲用CMOS成像传感器或传感器阵列收集。图像传感器本身配置为使得其具有建在其顶部的调制器，以调制输入信号的强度或相位。首先，记录未经调制的图像Idc。然后，采集经过调制的图像Imod。进行调制使得调制器在帧的开始处衰减信号。在帧结束时，调制器允许完全透明并且信号不再衰减。

此时，在采集两个帧之后，距离图像作为经过调制的图像和未经调制的图像的函数被计算。尽管该系统可与超过1M像素的CMOS成像传感器一起工作，但包括偏振分束器和复杂调制器的光学路径的集成仍然是一个挑战。

US 8471895涉及高分辨率三维成像的系统和方法。该参考文献公开了基于上述方法(3)的LIDAR系统。调制器集成在检测器的顶部。调制器由电光普克尔斯元件制成，该电光普克尔斯元件由晶体材料(诸如铌酸锂)制成。尽管已知这种系统是起作用的，但由于调制器材料的价格，其成本非常高。此外，与CMOS成像传感器的集成具有挑战性。

US 10218962涉及高分辨率三维成像的系统和方法。该参考文献描述与上述第一个参考文献类似的LIDAR系统，不同之处在于采用了两个传感器阵列，而不是一个具有连续帧的传感器阵列。此外，光源可以具有附接到其上的漫射器或任何其他装置以减少其相干性从而减少散斑。

US 2017/0248796 A1涉及一种3D成像系统。该参考文献显示了在相邻像素顶部上使用正交偏振状态以减少闪烁并抑制其他不想要的效果。同样，在接收侧采用调制原理。光学路径中需要偏振分束器，使得系统大而笨重。

目的是提供一种允许更容易集成的成像系统和检测方法。

这些目的通过独立权利要求的主题来实现。进一步的发展和实施例在从属权利要求中描述。

应当理解的是，除非另有说明，否则与任何一个实施例相关的任何特征可以单独使用，或与本文所述的其他特征结合使用，也可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或与任何其他实施例的任何组合使用。此外，在不脱离所附权利要求所限定的成像系统和检测方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等同部分和修改。

以下涉及光检测、测距、激光雷达(LIDAR)和系统领域中的改进构思。一方面在于对光源的调制而不是对接收器的调制。此外，简化了光束路径，从而例如能够将偏振分束器PBS集成到CMOS成像传感器中。

在至少一个实施例中，成像系统包括光发射器，该光发射器设置为发射经过调制的强度的光。在采集帧期间，强度被单调调制。此外，成像系统包括检测器阵列和同步电路以使采集与光发射器同步。

例如，光发射器包括光源(诸如发光二极管或半导体激光二极管)。一种类型的半导体激光二极管包括表面发射激光器，诸如垂直腔面发射激光器或VCSEL或者边缘发射激光器。VCSEL结合了诸如表面发射的特性，其提供在可寻址阵列方面的设计灵活性、低阈值电流、提高的可靠性和使用晶圆级制造工艺的可能性。光发射器的另一种选择是使用发光二极管(LED)。LED也是表面发射器件，但其局限性在于辐射是非相干的，并且与定向激光束相比具有典型的朗伯发射特性。例如，光发射器包括或连接到调制电路，该调制电路设置为调制光发射器的强度。调制电路的一个示例是激光驱动器电路。

通常，光源或光发射器具有一个或更多个特征发射波长。例如，光发射器的发射波长位于近红外NIR。例如，其他波长可以包括可见光或紫外线、红外线(IR)或远红外线(FIR)。在一个实施例中，光发射器的波长可以是可见光波长。在另一个实施例中，光发射可以在人眼不可见的红外波长范围中。在优选实施例中，发射波长能够为850nm或940nm。窄波长带宽(特别是在超温的情况下)允许在接收器端(例如在检测器阵列处)进行更有效的过滤，从而提高信噪比(SNR)。例如，VCSEL激光器支持这一点。这种类型的激光器允许发射垂直圆柱光束，这使得集成到成像系统中较简单。使用一个或多个漫射器能够使激光的发射均匀，以均匀地照射场景。

检测器阵列包括一个或更多个光电检测器，所述一个或更多个光电检测器在下文表示为像素。通常，像素实现为设置或集成到阵列中的固态或半导体光电检测器。示例包括CCD或CMOS成像传感器、单光子雪崩二极管阵列、SPAD或其他类型的雪崩二极管、APD。这些类型的光电检测器对光(诸如NIR、VIS和UV)敏感，这促进了借助于光发射器在发射中使用窄脉冲宽度。

同步电路设置为借助于一侧的光发射器同步光的发射，和借助于另一侧的检测器阵列同步光的检测。同步电路可以控制用于检测的时间帧与脉冲发射之间的延迟。例如，可以根据要检测的距离或距离范围来设置脉冲的结束与检测开始之间的延迟。完成一个距离测量周期所需的时间取决于成像系统和外部目标之间的距离。

检测器阵列被布置为采集一个或更多个连续图像(在下文中表示为帧)。为了采集帧，检测器阵列可以在曝光时间的持续时间内使用阵列的像素对入射光进行整合。连续帧的采集可以以帧速率(帧速率例如以帧每秒表示)进行。在该上下文中，术语“调制”涉及在采集作为参考的帧期间定义的光强度变化。换言之，对光发射器而不是检测器进行调制，并以调制的强度发射光。该调制在数学意义上是单调的，即光强度的变化能够借助于单调函数(例如时间的单调函数)来描述。当且仅当函数完全不增加，或者完全不减少时，其才被称为单调的。通常，调制可以单调增加或单调减少。单个帧的持续时间设置了调制强度的时间。调制也可以分别与作为参考的单个脉冲相关。

在操作期间，光发射器例如朝外部目标发射光。所发射的光最终击中外部目标，在目标处被反射或散射，并返回到成像系统，检测器阵列在成像系统最终检测到返回光。朝场景中较近目标发射的光在击中较近目标时可以具有与照射场景中较远目标的光相比不同的调制阶段。因此，距离被编码在由像素产生的信号中，或者通过从阵列创建的图像进行编码。到反射或散射点的距离能够根据图像来计算，例如，通过基于每个像素的相对强度或根据整个图像来计算。

该方法不同于常见的飞行时间概念，后者依赖于测量发送光与接收光(例如发射给定的光脉冲与接收所述脉冲)之间的时间。

大多数最先进的系统是利用朝目标发射单个或多个光脉冲(即激光束)。这限制了能够采集的像素或点的数量。将这种TOF应用与现代最先进的CMOS成像传感器进行比较时尤其如此。只有少数现有技术示例充分利用了CMOS成像传感器的像素数。此时，这些现有技术反过来具有以下问题：接收器是复杂且昂贵的，主要是由于光束路径包括偏振分束器、部分平行的两个成像传感器以及昂贵的铌酸锂调制器或不可靠的聚合物调制器；两者都构建了普克尔斯元件。

改进构思减少了对复杂接收器架构的需要。相反，线性系统的系统复杂性从接收器部分地转移到发射器，在发射器产生经过调制的照明以及场景的直流照明。改进构思使高分辨率LIDAR系统能够适用于各种应用，尤其是汽车和自动驾驶。所提出的技术提供了一种成像系统，该成像系统仅扩展到几百像素点云的单激光束偏转。

在至少一个实施例中，至少检测器阵列和同步电路集成到同一芯片中。例如，芯片包括通用集成电路，至少检测器阵列和同步电路集成到该通用集成电路中。通常，光发射器和通用集成电路设置在共享载体或衬底上并且经由该共享载体或该衬底彼此电接触。然而，在其他实施方式中，光发射器也可以集成到通用集成电路中。集成允许紧凑的设计，减少电路板空间要求，在有限的空间设计中实现轻巧的系统设计。此外，可以降低光束路径的复杂性。在同一芯片上实施(例如嵌入在同一传感器封装件中)允许称为闪光系统的成像系统，该成像系统能够一次性观察完整的视场(FOV)。这种成像系统可以发射例如在近红外(NIR)波长区域中的短的光脉冲。例如，一部分能量在距离上被返回和转换、可选地在强度和最终速度上被返回和转换。通过多次取样，可以滤除噪声(检测到的光不是发射脉冲的反射)。

在至少一个实施例中，成像系统包括调制电路。调制电路设置为借助于光发射器来驱动光的发射。例如，调制电路设置成激光驱动器并且可操作以调制光发射器的强度。光的发射能够是脉冲的，使得由于调制，至少一些脉冲具有根据时间(例如给定脉冲的持续时间)单调增加或单调减少的强度分布。调制电路也可以集成到同一集成电路或芯片中。由于调制，至少一些脉冲具有根据时间单调增加或单调减少的强度分布。

例如，在调制电路或激光驱动器的控制下，光发射器发射光脉冲而不是连续波。调制电路可以驱动光发射器发射恒定的(例如随时间变化恒定的)强度的脉冲。可选的，调制电路可以驱动光发射器来发射具有经过调制的强度的脉冲。给定脉冲的强度或者由于调制而单调增加。为了使脉冲强度被认为根据时间单调地增加，脉冲的强度不一定非要增加，其只是不能减少。然而，给定脉冲的强度还可以在调制期间单调降低。为了使脉冲强度被认为根据时间单调地降低，脉冲的强度不一定非得降低，而是不能增加。

在至少一个实施例中，同步电路可操作以控制在用于检测的时间帧与光发射之间的延迟。同步可以控制在用于检测的时间帧与脉冲发射之间的延迟。例如，可以根据要检测的距离或距离范围来设置脉冲结束与检测开始之间的延迟。

在至少一个实施例中，检测器阵列包括具有偏振功能的像素。例如，能够使用集成的偏振敏感光电二极管。在EP 3261130 A1中公开了一种可能的传感器，其通过引用并入本文。

例如，检测器阵列可以具有分别与像素相关联的片上偏振器。这种结构可以使用CMOS技术来集成。替代地，偏振器能够使用涂有抗反射材料的气隙纳米线栅置于片上，该抗反射材料抑制了闪烁和重影。这种片上设计减少了偏振串扰并提高了消光比。替代地，检测器阵列可以分别用设置在像素上方的偏振器的层来补充。偏振器的层不一定与检测器阵列集成。例如，偏振器的层包括多个设置在该层中的偏振器，使得当这些偏振器安装在检测器阵列的顶部时分别与像素重合。

偏振器能够由水平线或垂直线的阵列来实施，该阵列可以由金属制成也可以由其他介电材料或半导体材料制成。相邻的光电二极管可能具有不同的偏振器定向，以检测光的不同偏振状态。可以存在仅一个金属层，可选地是金属1，其中后端线的其余部分是透明的。然而，也能够设想包括半导体材料或介电材料的偏振器。此外，高对比度光栅可以通过使用例如多晶硅或其他栅极材料集成在CMOS工艺中。

在成像系统的运行期间，可以使用光发射器照射场景。通常，场景包括多个外部目标，这些外部目标均可以反射或散射光。光在目标的反射或散射通常会产生偏振光，诸如垂直于入射光的平面中的线性偏振光。偏振还可以受到外部目标的材料特性(例如它们的表面特性)的影响。因此偏振在由检测器阵列采集的图像中是可见的。例如，通过照射场景，通常在图像中采集具有不同距离的多个外部目标。然而，给定的目标可能显示出与其特性相似或相同的偏振，例如，它们的表面特征在被照射的表面上可能不会发生显著变化。相比之下，不同距离下的其他目标可能会显示出不同的偏振。因此，具有偏振功能的像素可以进一步提高所得图像的对比度和信噪比，使得在图像中不同的外部目标更容易被区分。

在至少一个实施例中，相邻像素具有正交偏振函数。使用具有不同偏振函数的相邻像素允许检测偏振光的更多线性角度，例如0°和90°或者180°和270°。例如，这可以通过比较相邻像素之间传输的强度的上升和下降来实现。

在至少一个实施例中，四个像素的单元分别具有四种不同的偏振函数。例如，所述单元补充有与四个不同角度(诸如0°、45°、90°和135°)的像素相关联的偏振器。四个像素的每个单元可以组合为计算单元，使得对于给定的计算单元可以收集四个传感器信号。来自计算单元的传感器信号经由不同的定向偏振器进行关联，并允许计算偏振度和偏振方向。

在至少一个实施例中，光发射器的发射波长大于800nm且小于10000nm。在至少一个实施例中，光发射器的发射波长为840nm至1610nm。这些光谱范围中的检测基本上是红外的，并导致了稳健的发射和检测。此外，这些光谱范围中的光基本上是不可见的，并且会被人类视觉掩盖。

在至少一些实施例中，成像系统可用于执行LIDAR检测方法，例如基于在US8471895中讨论的构思。

在至少一个实施例中，成像系统还包括处理单元，诸如微控制器或处理器。处理单元被布置成例如经由调制电路控制光发射器以发射第一未经调制的光脉冲，以便使用检测器阵列采集第一图像。此外，经由调制电路控制光发射器以发射第二经过调制的光脉冲，以便使用检测器阵列采集第二图像。处理单元还设置为处理第一图像和第二图像以计算从第二图像与第一图像的比率推断出的LIDAR图像，并且确定LIDAR图像中物体的距离。

检测可以涉及该示例操作序列。

1)发射具有恒定辐照度的光脉冲，

2)采集“恒定图像”例如作为第一帧期间的第一图像，

3)发射经过调制的光脉冲，

4)采集“经过调制的图像”例如作为第二帧期间的第二图像，

5)通过将“经过调制的图像”除以“恒定图像”来计算LIDAR图像。

在至少一个实施例中，检测方法用第一光脉冲和第二光脉冲照射场景。第一光脉冲是未经调制的以便采集第一图像。第二光脉冲是经过调制的以便采集第二图像。例如，在采集帧期间，强度是经过单调调制的。可以使用上述成像系统来执行该方法。

在至少一个实施例中，图像的顺序也能够是颠倒的。即，首先采集经过调制的图像，然后采集未经调制的图像。

在至少一个实施例中，场景的物体的距离根据第一图像和第二图像确定。

在至少一个实施例中，根据第二图像与第一图像的比率推断出LIDAR图像，并且根据LIDAR图像确定场景的距离信息。

到一个或更多个物体的距离能够根据LIDAR图像的相对强度来确认。例如，随着光源的强度线性降低，使得场景中较远的物品接收较高的强度。近处的物体接收的强度较小。这些差异在LIDAR图像中可以是显而易见的，并提供了距离的测量。不需要对检测器进行调制。

在至少一个实施例中，车辆(诸如汽车或其他机动车辆)包括根据下面讨论的改进构思的成像系统。车载电子装置(例如高级驾驶辅助系统ADAS)嵌入在车辆中。成像系统设置为向车载电子装置提供输出信号。可能的应用包括汽车(诸如自动驾驶、防撞、安全和监控)以及工业和自动化和消费电子产品。

从成像系统和车辆的各种实施方式和实施例中容易得到检测方法的进一步实施方式，反之亦然。

相对于呈现了实施例的示例的附图，在下文中更详细地描述了上面所提出的构思。在下面呈现的实施例和附图中，相似或相同的元件设有相同的附图标记。然而，附图所示的元素及其彼此之间的大小关系不应被视为真实的比例，相反，个别元素(诸如层、部件和区域)可以被放大以实现更好的说明或更好的理解。

图1示出了成像系统的示例，

图2示出了具有偏振功能的检测器阵列的示例实施例，

图3示出了具有高对比度光栅偏振器的示例检测器阵列的横截面，

图4示出了LIDAR检测方法的示例实施例，

图5示出了LIDAR检测方法的示例实施例，

图6示出了光源的示例时序图，

图7示出了现有技术LIDAR检测方法的示例实施例，以及

图8示出了现有技术LIDAR检测方法的另一示例实施例。

图1示出了一个示例成像系统。成像系统包括光源LS、检测器阵列DA和同步电路SC，它们与载体CA相邻设置并电耦合到载体CA。例如，载体包括用于提供电连接和机械支撑的衬底。检测器阵列和同步电路集成在同一芯片CH中，构成通用集成电路。通常，光源和通用集成电路设置在载体上并且经由该载体彼此电接触。成像系统的部件嵌入在传感器封装件(未示出)中。另外的部件(诸如执行检测方法的处理单元(例如处理器或微处理器)和ADC等)也设置在传感器封装件中并且可以集成到同一集成电路中。

光源LS包括光发射器，诸如表面发射激光器，该表面发射激光器诸如垂直腔表面发射激光器或VCSEL。光发射器具有一种或更多个特征发射波长。例如，光发射器的发射波长位于近红外NIR，例如大于800nm且小于10000nm。LIDAR应用可以依赖于光发射器在840nm至1610nm的发射波长范围，这导致了稳健的发射和检测。该范围能够由VCSEL提供。

检测器阵列DA包括一个或更多个光电检测器或像素。像素阵列形成成像传感器。像素是偏振敏感的。成像传感器的相邻像素是偏振敏感的，该相邻像素各自具有以棋盘图案设置的正交偏振状态。这将在下面更详细地讨论。

成像系统包括调制电路(未示出)，该调制电路设置为借助于光发射器调制发射强度。在激光器(诸如VCSEL)的情况下，调制电路能够实现为激光器驱动电路。调制电路也可以集成在设置在传感器封装件中的通用集成电路中。在另一实施例中，激光驱动器可以位于外部，其中在激光驱动器与包括检测器阵列的传感器ASIC之间同步。

同步电路SC设置在同一个传感器封装件中，并且可以集成在通用集成电路中。同步电路被布置成借助于光发射器和/或借助于检测器阵列(例如，作为帧A和帧B)来同步光的发射(例如，恒定脉冲和调制光脉冲)。

图2示出了具有偏振功能的检测器阵列的示例实施例。检测器阵列DA或成像传感器包括像素，这些像素如图所示排列在像素图中。成像传感器的特征能够在于相邻像素具有不同的偏振状态。附图分别示出了具有与像素相关联的片上偏振器的检测器阵列。这种结构可以使用CMOS技术来集成。相邻像素具有正交偏振函数，例如具有水平偏振的像素PxH和具有垂直偏振的像素PxV。在EP 3261130 A1中公开了所述检测器阵列的实施例，其通过引用并入本文。

图3示出了具有高对比度光栅偏振器的示例检测器阵列的横截面。该示例对应于EP 3261130 A1的图1，并在此引用以方便参考。EP 3261130 A1中检测器阵列的其余实施例并未被排除，而是通过引用并入。

图3中所示的光电检测器、检测器阵列包括半导体材料(例如其可以是硅)的衬底1。阵列的光电检测器或像素适用于检测电磁辐射、特别是检测特定波长范围内的光(诸如NIR)，并且设置在衬底1中，例如在通用集成电路中。检测器阵列可以包括任何传统的光电检测器结构，因此在图3中仅通过衬底1中的传感器区域2示意性地表示。传感器区域2可以作为衬底1的层连续延伸，或者可以根据光电检测器阵列被分成多个部分。

衬底1可以至少在与传感器区域2相邻的区域中被掺杂以获得导电性，并且传感器区域2可以完全地或在单独的部分中被掺杂以获得相反类型的导电性。如果衬底1具有p型导电性，则传感器区域2具有n型导电性，反之亦然。因此，在传感器区域2的边界处形成pn结8或多个pn结8，并且通过施加合适的电压能够作为光电二极管或光电二极管阵列来操作。这只是一个例子，光电检测器阵列可以包括不同的结构。

在传感器区域2外侧的衬底1中可以设置包括高于相邻半导体材料的导电率的导电率的接触区域10或多个接触区域10，特别是通过更高的掺杂浓度设置。包括高于传感器区域2的导电率的导电率的另外的接触区域20或多个另外的接触区域20可以设置在与传感器区域2或传感器区域2的一部分相邻的衬底1中。能够在每个接触区域10上施加电触点11并且能够在每个另外的接触区域20上施加另外的电触点21以用于外部电连接。

绝缘区域3可以形成在传感器区域2上方。绝缘区域3是对要检测的电磁辐射透明的或至少部分透明的，并且对于相关的感兴趣波长具有折射率。例如，绝缘区域3包括介电材料(如场氧化物)。如果半导体材料是硅，则能够通过硅的局部氧化(LOCOS)在衬底1的表面处产生场氧化物。如图3所示，随着氧化期间材料体积的增加，场氧化物从衬底表面的平面突出。

在传感器区域2上方的绝缘区域3的表面13上，栅格元件4彼此相距距离d设置。例如，栅格元件4能够直接设置在绝缘区域3的表面13上。栅格元件4可以具有相同的宽度w，并且任意两个相邻栅格元件4之间的距离d可以是相同的。宽度w和距离d之和为节距p，该节距是由栅格元件4形成的规则网格的最小周期。栅格元件4的长度1垂直于其宽度w，如图3所示，其中一个栅格元件4在透视图中以虚线显示隐藏轮廓。

栅格元件4对要检测的电磁辐射是透明的或至少部分透明的，并且对于相关波长具有折射率。例如，栅格元件4可以包括多晶硅、氮化硅或五氧化二铌。将多晶硅用于栅格元件4具有以下优点：栅格元件4能够在CMOS工艺中与多晶硅电极等的形成一起形成。

绝缘区域3的折射率低于栅格元件4的折射率。绝缘区域3是权利要求中记载的较低折射率区域的示例。

栅格元件4由另一较低折射率区域覆盖。在根据图3的光电检测器设备中，栅格元件4由介电层5覆盖，该介电层5包括低于栅格元件4的折射率的折射率。特别地，介电层5可以包括在CMOS工艺中用来形成布线的金属间介电层的例如硼磷硅玻璃(BPSG)或二氧化硅。栅格元件4因此嵌入在较低折射率的材料中并且形成高对比度光栅偏振器。

抗反射涂层7可以涂覆在栅格元件4上。通过去除栅格元件4上方的介电层5、沉积适用于抗反射涂层7的材料以及用介电层5的介电材料填充开口可以形成该抗反射涂层。特别地，可以设置有抗反射涂层7以使入射辐射的相位与其在衬底1中的传播常数相匹配。例如，如果衬底1包括硅，则抗反射涂层7的折射率可以至少大约为硅的折射率的平方根。例如，氮化硅可以用于抗反射涂层7。

栅格元件4的阵列形成高对比度光栅，其可以与包括高品质因数的谐振器相当。对于平行于栅格元件4的纵向延伸(即垂直于图3所示的横截面的平面)的电场矢量的矢量分量，高对比度光栅构成了反射器。由于折射率之间的差异，在栅格元件4中和在位于栅格元件4之间的另外的较低折射率的区域5、15的部分中，入射电磁波的光学路径长度是不同的。因此，入射电磁波到达较低折射率区域3、6的表面13、16，该表面形成高对比度光栅的底部，其中，在已经通过栅格元件4的部分与已经在栅格元件4之间传播的部分之间具有相移。高对比度光栅能够设计为使特定波长的相移π或180°，使得所讨论的部分彼此抵消。因此，高对比度光栅构成特定波长和偏振的反射器。

当电场矢量的矢量分量横向于栅格元件4的纵向延伸时，电磁波基本上不受干扰地通过栅格元件4并在下方的衬底1内被吸收。因此在半导体材料中生成电子-空穴对。由入射辐射产生的电荷载流子产生电流，通过该电流检测辐射。可选地，电压在相反方向上施加至pn结8。

栅格元件4可以包括恒定的宽度w，并且相邻栅格元件4之间的距离d也可以是恒定的，使得高对比度光栅形成规则网格。定义了网格最短周期的这种光栅的节距p是一个栅格元件4的宽度w和距离d之和。对于栅格元件阵列4作为高对比度光栅偏振器的应用，节距p通常小于较低折射率n_low1区域的材料中的电磁辐射的波长和/或小于另外的较低折射率n_low2区域的材料中的电磁辐射的波长或者甚至小于栅格元件4中的波长。在较低折射率n_low1区域中，要检测的电磁辐射在真空中的波长λ₀变为λ₁＝λ₀/n_low1。在较低折射率n_low2的另一区域中，波长变为λ₂＝λ₀/n_low2。如果n_high是栅格元件4的折射率，则在栅格元件4中，波长λ₀变为λ₃＝λ₀/n_high，λ₃<λ₀/n_low1，λ₃<λ₀/n_low2。该尺寸表示在上述光电检测器设备中用作偏振器的高对比度光栅与传统衍射光栅之间的差异。

节距p可以大于栅格元件4中电磁辐射的四分之一波长。如果要检测的电磁辐射的波长在真空中为λ₀，则p>λ₃/4＝λ₀/(4n_high)。这将在上述检测器阵列中用作偏振器的高对比度光栅与深亚波长光栅区分开来。栅格元件4的长度l可选地大于栅格元件4中电磁辐射的波长λ₃＝λ₀/n_high。

因此，基于高对比度光栅的偏振器减轻了衍射光栅的严格的制造公差和层厚度控制的缺点；对于深亚波长光栅，需要非常小的结构，因此需要非常先进的光刻技术。具有高对比度光栅偏振器的检测器阵列能够用于广泛的应用。其他优点包括：针对要排除的偏振状态的提高的消光系数以及针对期望的偏振状态的增强的响应度。

图4示出了检测方法(例如LIDAR检测方法)的示例实施例。光源(例如VCSEL激光器)被调制使得该光源发射经过调制的光脉冲。例如，调制电路可作为激光驱动器电路运行，即电路借助于VCSEL驱动光发射。光发射是脉冲的并且脉冲的强度是经过调制的，即至少一些脉冲具有根据时间单调增加或单调减少的强度分布。附图中经过调制的光脉冲的特征在于其以高强度开始。然而，调制电路也能够驱动VCSEL发射具有恒定辐照度(即恒定强度分布)的光脉冲。在被发射后，任一光脉冲传播，直到它被场景的一个或更多个物体反射或散射。被反射或散射的光返回到成像系统，在成像系统中检测器阵列最终检测到返回光。图5中示出了反向传播路径。

图5示出了检测方法(例如LIDAR检测方法)的一个示例实施例。光脉冲传播，直到它被场景的一个或更多个物体反射或散射。被反射或散射的光返回到成像系统，在成像系统中检测器阵列最终检测到返回光。光脉冲保持其调制，使得检测器阵列检测随距离变化的经过调制的强度。

成像系统或LiDAR系统由于其设置在紧凑的传感器封装件中，还可以包括专用光学器件，并且允许一次性观察完整的视场(FOV)，因此被称为闪光系统。这种闪光系统通常适用于中短范围(0-100米)；并且通过一次性捕捉完整的场景，还能够正确地检测到多个物体和具有高相对速度的物体。同步电路控制用于检测的时间帧与光的发射之间的延迟、例如用于检测的时间帧与脉冲发射之间的延迟。脉冲结束与检测开始之间的延迟可以例如根据要检测的距离或距离范围来设置。

检测可以涉及该示例操作序列：

1)发射具有恒定辐照度的光脉冲，

2)采集“恒定图像”例如作为第一帧期间的第一图像，

3)发射经过调制的光脉冲，

下面的图6示出了光源的时序图。

在第一帧A中，光源以某个水平运行，从而在没有时间调制的情况下照射场景。目的是采集稳态或dc图像。根据应用，这种图像可以是灰度的或彩色的。在第二帧(即帧B)中，光源的强度被例如单调地调制，例如线性地降低，使得场景中较远的物品接收较高的强度。近处的物体接收的强度较小。

当然，调制也可以在另一个方向上进行，但是对于较远的物体来说，考虑到光信号强度的自然降低，它可能更适合以更高的强度工作。

脉冲和经过调制的脉冲的发射和/或借助于检测器的检测(例如帧A和帧B)是借助于同步电路来同步的。实际上，光发射器、检测器阵列和同步电路可以都设置在同一传感器封装件中，其中至少检测器阵列和同步电路集成在同一集成电路中。另外的部件(诸如执行检测方法的微处理器和ADC等)也可以设置在同一传感器封装件中并且集成到同一集成电路中。

应当注意的是，到目前为止，上述示例并非详尽的，并且对于本领域技术人员来说，还可以设想出类似的实施例。除了具有单片集成的偏光器之外，成像传感器还可以具有由塑料膜制成的偏光器。除了所提出的单管芯方法外，还可以采用多个成像传感器。此外，还可以设想没有偏振器的系统。可能的应用包括汽车(诸如自动驾驶、碰撞预防、安全和监控)、工业和自动化以及消费电子产品。

附图标记说明

1 衬底

2 传感器区域

3 绝缘区域

4 栅格元件

5 介电层

7 抗反射涂层

8 pn结

10 接触区域

11 触点

13 表面

20 另外的接触区域

21 另外的触点

d 距离

p 节距

w 宽度

A、A' 帧

B 帧

CA 载体、衬底

CH 芯片

DA 检测器阵列

LE 光发射器

PxH 具有水平偏振器的像素

PxV 具有垂直偏振器的像素

SC 同步电路

Claims

1.一种成像系统，包括：

-光发射器(LE)，其被布置成发射经调制的强度的光，其中所述强度在帧(A、B、A')的采集期间被单调调制，

-检测器阵列(DA)，以及

-同步电路(SC)，用于使采集与所述光发射器(LE)同步。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其中

-至少所述检测器阵列(DA)和所述同步电路(SC)被集成到同一芯片(CH)中，和/或

-所述成像包括传感器封装件，所述传感器封装件包围集成到同一芯片(CH)中的检测器阵列(DA)和同步电路(SC)以及光发射器(LE)。

3.根据权利要求1或2所述的成像系统，还包括：

-调制电路，其被布置成借助于所述光发射器(LE)驱动光的发射，和/或

-光的发射是脉冲的，使得由于调制，至少一些脉冲具有根据时间单调增加或单调减少的强度分布。

4.根据权利要求1至3之一所述的成像系统，其中，所述同步电路(SC)可操作以控制光的发射与用于检测的时间帧之间的延迟。

5.根据权利要求4所述的成像系统，其中，所述光的发射是脉冲的，并且所述同步电路(SC)分别在用于检测的时间帧开始与脉冲的结束之间设置延迟。

6.根据权利要求1至5之一所述的成像系统，其中，所述检测器阵列(DA)包括具有偏振功能的像素。

7.根据权利要求1至6之一所述的成像系统，其中，相邻像素具有正交偏振功能。

8.根据权利要求1至6之一所述的成像系统，其中

-所述检测器阵列(DA)包括四个像素的单元，以及

-单元分别具有四种不同的偏振功能。

9.根据权利要求1至8之一所述的成像系统，其中

-所述光发射器(LE)的发射波长大于800nm且小于10000nm，和/或

-所述光发射器(LE)的发射波长为840nm至1610nm。

10.根据权利要求1至9之一所述的成像系统，其中，所述光发射器(LE)包括至少一个半导体激光二极管，诸如表面发射激光器、垂直腔面发射激光器、VCSEL或边缘发射激光器。

11.根据权利要求3至9之一所述的成像系统，还包括处理单元，所述处理单元设置为：

-经由所述调制电路控制所述光发射器(LE)以发射第一未经调制的光脉冲，以便使用所述检测器阵列(DA)采集第一图像，

-经由所述调制电路控制所述光发射器(LE)以发射第二经过调制的光脉冲，以便使用所述检测器阵列(DA)采集第二图像，并且所述处理单元还布置成

-处理所述第一图像和所述第二图像以计算从所述第二图像与所述第一图像的比率推断出的LIDAR图像，并且确定所述LIDAR图像中物体的距离。

12.一种车辆，包括

-根据权利要求1至11之一所述的成像系统以及

-嵌入在所述车辆中的车载电子器件，其中：

-所述成像系统设置为向所述车载电子器件提供输出信号。

13.一种检测方法，其中使用以下光脉冲来照射场景：

-用第一未经调制的光脉冲照射以便采集第一图像，以及

-用第二经过调制的光脉冲照射以便采集第二图像。

14.根据权利要求13所述的检测方法，其中，根据所述第一图像和所述第二图像确定所述场景的物体的距离。

15.根据权利要求14所述的检测方法，其中，从所述第二图像与所述第一图像的比率推断LIDAR图像，并且从所述LIDAR图像确定所述场景的距离信息。