CN114706088A - 光学感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学感测装置。偏压电压产生电路于光学感测装置处于第一模式与第二模式时分别提供第一偏压电压与第二偏压电压给光感测二极管，以分别使光感测二极管提供飞时测距信号与环境光感测信号。淬熄电路于第一模式中将飞时测距信号提供给测距信号处理电路，并淬熄光感测二极管，并于第二模式中将环境光感测信号提供给光感测信号处理电路。

Description

光学感测装置
技术领域
本发明涉及一种感测装置，且特别是有关于一种光学感测装置。
背景技术
诸多现代电子装置中皆存在具有光子装置的集成芯片(Integrated chip，IC)。举例而言，包括影像传感器的光子装置用于相机、录像机及其他类型的摄影系统中来捕获影像。亦有光子装置广泛用于例如深度传感器等其他应用中，所述深度传感器用于飞行时间(time-of-flight，TOF)系统中以确定传感器与目标物体之间的距离。TOF系统的深度传感器可用于智能电话(例如，面部识别与相机对焦)、汽车、无人机、机器人等中。
以往若要整合TOF芯片与环境光感测芯片，会采用将两种不同的感光二极管(单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode)与环境光感测二极管(Ambient LightSensing Diode)与对应的电路放在同一个芯片的方式，由于两种不同的感光二极管所占的电路面积都很大，因此此方式将导致制造成本大幅增加。
发明内容
本发明提供一种光学感测装置，可大幅缩减电路面积，降低光学感测装置的制造成本。
本发明的光学感测装置包括偏压电压产生电路、光感测二极管以及淬熄电路。偏压电压产生电路于光学感测装置处于第一模式时提供第一偏压电压，于光学感测装置处于第二模式时提供第二偏压电压。光感测二极管，其阴极端耦接偏压电压产生电路，于第一模式中接收第一偏压电压而提供飞时测距信号，于第二模式中接收第二偏压电压而提供环境光感测信号。淬熄电路耦接光感测二极管的阳极端，于第一模式中将飞时测距信号提供给测距信号处理电路，并淬熄光感测二极管，于第二模式中，将环境光感测信号提供给光感测信号处理电路。
基于上述，本发明实施例的偏压电压产生电路可于光学感测装置处于第一模式与第二模式时分别提供第一偏压电压与第二偏压电压给光感测二极管，以分别使光感测二极管提供飞时测距信号与环境光感测信号，淬熄电路可于第一模式中将飞时测距信号提供给测距信号处理电路，并淬熄光感测二极管，并可于第二模式中将环境光感测信号提供给光感测信号处理电路。如此通过在不同模式中提供不同的偏压电压给光感测二极管，可使光感测二极管在不同模式中用于进行飞时测距或环境光感测，通过共享单一光感测二极管来缩减电路面积，降低光学感测装置的制造成本。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明实施例所绘示的光学感测装置的示意图。
图2是依照本发明另一实施例所绘示的光学感测装置的示意图。
图3是依照本发明实施例所绘示的缓冲放大电路的示意图。
图4是依照本发明另一实施例所绘示的光学感测装置的示意图。
图5是依照本发明另一实施例所绘示的光学感测装置的示意图。
图6是依照本发明实施例所绘示的模拟数字转换电路的示意图。
具体实施方式
为了使本发明之内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的组件/构件，系代表相同或类似部件。
以下请参照图1，图1是依照本发明一实施例所绘示的光学感测装置的示意图。光学感测装置100可包括偏压电压产生电路102、光感测二极管PD1以及淬熄电路104，偏压电压产生电路102耦接光感测二极管PD1的阴极，淬熄电路104耦接光感测二极管PD1的阳极。其中淬熄电路104可以为主动式或被动式，本发明并不限定。偏压电压产生电路102可于光学感测装置100处于第一模式时提供第一偏压电压至光感测二极管PD1，并于光学感测装置100处于第二模式时提供第二偏压电压至光感测二极管PD1，而使光感测二极管PD1在第一模式与第二模式中应用于不同的感测。
举例来说，在第一模式中，偏压电压产生电路102产生大于光感测二极管PD1的崩溃电压的第一偏压电压，以使光感测二极管PD1进入极度逆偏的状态，如此当一光子注入光感测二极管PD1的空乏层时，可触发光感测二极管PD1产生崩溃(avalanche)电流，而提供用于飞行时间量测的飞时测距信号。在第二模式中，偏压电压产生电路102产生电压值小于第一偏压电压的第二偏压电压(例如3.3V或1.6V，然不以此为限，只要能使光感测二极管PD1的空乏层捕捉到光子的电压值即可)，光感测二极管PD1接收第二偏压电压而处于逆偏状态，并反应空乏层捕捉到的光子产生光电流，而提供用于环境光感测的环境光感测信号。
淬熄电路104则可于第一模式中将光感测二极管PD1提供的飞时测距信号输出给与淬熄电路104耦接的测距信号处理电路PC1，并淬熄光感测二极管PD1，以使测距信号处理电路PC1依据飞时测距信号得知光源(未绘示)提供的光在光源与目标对象之间的往返时间，并依据此往返时间计算光源至对象之间的距离。淬熄电路104并于第二模式中将光感测二极管PD1提供的环境光感测信号输出给与淬熄电路104耦接的光感测信号处理电路PC2，以使光感测信号处理电路PC2依据环境光感测信号获取环境光信息(例如环境光强度，然不以此为限)。在本实施例中，光感测二极管PD1提供的环境光感测信号为直接输出给光感测信号处理电路PC2，然在其他实施例中，淬熄电路104与光感测信号处理电路PC2还可包括其他信号处理电路，举例来说，光感测二极管PD1提供的环境光感测信号还可通过模拟数字转换电路而被输出给光感测信号处理电路PC2。
如此在不同模式中提供不同的偏压电压给光感测二极管PD1，可使光感测二极管PD1在不同模式中用于进行飞时测距或环境光感测，通过共享单一光感测二极管PD1来缩减电路面积，大幅降低光学感测装置100的制造成本。
图2是依照本发明另一实施例所绘示的光学感测装置的示意图。在本实施例中，偏压电压产生电路102可包括电压产生电路202、204以及切换电路206，淬熄电路104可包括偏压电流源208、开关SW1以及SW2，此外，光学感测装置100还可包括缓冲放大电路210。其中，切换电路206耦接电压产生电路202、204以及光感测二极管PD1的阴极端，开关SW1耦接光感测二极管PD1的阳极端与偏压电流源208，开关SW2耦接光感测二极管PD1的阳极端与光感测信号处理电路PC2，其中偏压电流源208可例如以受控于偏压电压的晶体管来实施，然不以此为限。此外，缓冲放大电路耦接于光感测二极管PD1的阳极端与测距信号处理电路PC1之间。
电压产生电路202可产生第一偏压电压，电压产生电路204可产生第二偏压电压，切换电路206可受控于开关信号S1，而于第一模式中将电压产生电路202连接至光感测二极管PD1的阴极端，以提供第一偏压电压至光感测二极管PD1的阴极端，并于第二模式中将电压产生电路204连接至光感测二极管PD1的阴极端，以提供第二偏压电压至光感测二极管PD1的阴极端。
另一方面，在第一模式中，开关SW1受控于开关控制信号SC1而处于导通状态，开关SW2则受控于开关控制信号SC2而处于断开状态。如此，当光感测二极管PD1在第一模式中产生崩溃电流时，崩溃电流流经开关SW1与偏压电流源208将使得光感测二极管PD1的阳极端电压上升，从而淬熄光感测二极管PD1，光感测二极管PD1的阳极端电压随着光感测二极管PD1的关闭而回复到原本的电压(例如本实施例的接地电压)。缓冲放大电路210在第一模式中受控于使能控制信号EN1而处于被使能的状态，其可对光感测二极管PD1提供的飞时测距信号进行缓冲放大，并将飞时测距信号传送给测距信号处理电路PC1。此外，在第二模式中，开关SW1受控于开关控制信号SC1而处于断开状态，开关SW2受控于开关控制信号SC2而处于导通状态，缓冲放大电路210受控于使能控制信号EN1而处于被禁能的状态。如此，光感测信号处理电路PC2可接收光感测二极管PD1在第二模式中提供的环境光感测信号。
缓冲放大电路210的实施方式可如图3所示，包括晶体管M1～M5以及反向器302，在本实施例中使能控制信号EN1可包括使能控制信号ENA与ENB。晶体管M1与M2耦接于操作电压VDD与反向器302的输入端之间，晶体管M3、M4串接于反向器302的输入端与接地电压之间，晶体管M1与M4的控制端分别接收使能控制信号ENB与ENA，晶体管M2、M3的控制端耦接光感测二极管PD1的阳极端，晶体管M5耦接于反向器302的电源端与接地电压之间，晶体管M5的控制端接收使能控制信号ENA，反向器302的输出端耦接测距信号处理电路PC1，其中。晶体管M1、M4、M5可受控于使能控制信号ENA与ENB，而使缓冲放大电路210于第一模式中被使能，并于第二模式中被禁能。
图4是依照本发明另一实施例所绘示的光学感测装置的示意图。相较于图2实施例，本实施例的淬熄电路104未包括开关SW2，且更包括模拟数字转换电路402，模拟数字转换电路402耦接光感测二极管PD1的阳极端。在第一模式中，模拟数字转换电路402可受控于使能控制信号EN2而被禁能，而缓冲放大电路210受控于使能控制信号EN1被使能，以使飞时测距信号可经由缓冲放大电路210被传送给测距信号处理电路PC1。在第二模式中，模拟数字转换电路402受控于使能控制信号EN2而被使能，而缓冲放大电路210受控于使能控制信号EN1被禁能，以使模拟数字转换电路402将光感测二极管PD1提供的环境光感测信号转换为数字信号，并传送给光感测信号处理电路PC2。相较于图2实施例，本实施例可简化淬熄电路104。
图5是依照本发明另一实施例所绘示的光学感测装置的示意图。相较于图4实施例，本实施例的模拟数字转换电路402可整合至偏压电压产生电路102中并取代电压产生电路204，模拟数字转换电路402耦接切换电路206与光感测信号处理电路PC2，模拟数字转换电路402可取代电压产生电路204的功能，亦即提供第二偏压电压。在第一模式中，切换电路206受控于开关信号S1，而将电压产生电路202连接至光感测二极管PD1的阳极端，以将电压产生电路202产生的第一偏压电压提供至光感测二极管PD1的阴极端。在第二模式中，切换电路206受控于开关信号S1，将模拟数字转换电路402连接至光感测二极管PD1的阳极端，以提供第二偏压电压提供至光感测二极管PD1的阴极端。
类似地，在第一模式中，光感测二极管PD1提供的飞时测距信号可经由缓冲放大电路210而被提供至测距信号处理电路PC1，并且淬熄电路104也会淬熄光感测二极管PD1。在第二模式中，开关SW1处于断开状态，缓冲放大电路210处于被禁能的状态，模拟数字转换电路402可通过切换电路206接收光感测二极管PD1提供的环境光感测信号，并将其转换为数字信号后，再提供给光感测信号处理电路PC2。
进一步来说，模拟数字转换电路402的实施方式可例如图6所示，包括模拟数字转换器602、运算放大器604以及电容C1，模拟数字转换器602耦接光感测信号处理电路PC2与运算放大器604的输出端，电容C1耦接于运算放大器604的输出端与负输入端之间，运算放大器604的负输入端耦接切换电路206，运算放大器604的正输入端则耦接第二偏压电压VCM。如此，在第二模式中，通过运算放大器604的正、负输入端间的虚短路特性，模拟数字转换电路402可经由切换电路206将第二偏压电压VCM提供给光感测二极管PD1，并自光感测二极管PD1接收环境光感测信号。环境光感测信号可通过模拟数字转换器602转换为数字信号后再提供给光感测信号处理电路PC2。
综上所述，本发明实施例的偏压电压产生电路可于光学感测装置处于第一模式与第二模式时分别提供第一偏压电压与第二偏压电压给光感测二极管，以分别使光感测二极管提供飞时测距信号与环境光感测信号，淬熄电路可于第一模式中将飞时测距信号提供给测距信号处理电路，并淬熄光感测二极管，并可于第二模式中将环境光感测信号提供给光感测信号处理电路。如此在不同模式中提供不同的偏压电压给光感测二极管，可使光感测二极管在不同模式中用于进行飞时测距或环境光感测，通过共享单一光感测二极管来缩减电路面积，降低光学感测装置的制造成本。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种光学感测装置，其特征在于，包括：
偏压电压产生电路，于所述光学感测装置处于第一模式时提供第一偏压电压，于所述光学感测装置处于第二模式时提供第二偏压电压；
光感测二极管，其阴极端耦接所述偏压电压产生电路，于所述第一模式中接收所述第一偏压电压而提供飞时测距信号，于所述第二模式中接收所述第二偏压电压而提供环境光感测信号；以及
淬熄电路，耦接所述光感测二极管的阳极端，于所述第一模式中将所述飞时测距信号提供给测距信号处理电路，并淬熄所述光感测二极管，于所述第二模式中，将所述环境光感测信号提供给光感测信号处理电路。
2.根据权利要求1所述的光学感测装置，其特征在于，所述淬熄电路包括：
第一开关，耦接所述光感测二极管的阳极端；以及
偏压电流源，耦接于所述第一开关与参考电压之间，其中所述第一开关受控于第一开关控制信号于所述第一模式中导通，并于所述第二模式中断开。
3.根据权利要求2所述的光学感测装置，其特征在于，还包括：
模拟数字转换电路，耦接所述光感测二极管的阳极端，将所述环境光感测信号转换为数字信号提供给所述光感测信号处理电路。
4.根据权利要求3所述的光学感测装置，其特征在于，所述淬熄电路还包括：
第二开关，耦接于所述光感测二极管的阳极端与所述模拟数字转换电路之间，所述第二开关受控于第二开关控制信号于所述第一模式中断开，并于所述第二模式中导通。
5.根据权利要求3所述的光学感测装置，其特征在于，所述模拟数字转换电路还受控于使能控制信号，在所述第一模式中被禁能，并在所述第二模式中被使能。
6.根据权利要求1所述的光学感测装置，其特征在于，所述偏压电压产生电路包括：
切换电路，耦接所述光感测二极管的阳极端；
第一电压产生电路，耦接所述切换电路，产生所述第一偏压电压；以及
第二电压产生电路，耦接所述切换电路，产生所述第二偏压电压，所述切换电路受控于开关信号，于所述第一模式中将所述光感测二极管的阳极端切换连接至所述第一电压产生电路，并于所述第二模式中将所述光感测二极管的阳极端切换连接至所述第二电压产生电路。
7.根据权利要求1所述的光学感测装置，其特征在于，所述偏压电压产生电路包括：
切换电路，耦接所述光感测二极管的阴极端；
电压产生电路，耦接所述切换电路，产生所述第一偏压电压；以及
模拟数字转换电路，耦接所述切换电路，产生所述第二偏压电压，并将所述环境光感测信号转换为数字信号提供给所述光感测信号处理电路，所述切换电路受控于开关信号，于所述第一模式中将所述光感测二极管的阳极端切换连接至所述第一电压产生电路，并于所述第二模式中将所述光感测二极管的阳极端切换连接至所述第二电压产生电路。
8.根据权利要求7所述的光学感测装置，其特征在于，所述模拟数字转换电路包括：
运算放大器，其正输入端耦接所述第二偏压电压，所述运算放大器的负输入端耦接所述切换电路；
电容，耦接于所述运算放大器的负输入端与输出端之间；以及
模拟数字转换器，其输入端与输出端分别耦接所述运算放大器的输出端与所述光感测信号处理电路。
9.根据权利要求1所述的光学感测装置，其特征在于，还包括：
缓冲放大电路，耦接所述光感测二极管的阴极端与所述测距信号处理电路，缓冲放大所述飞时测距信号，所述缓冲放大电路受控于使能控制信号而在所述第一模式中被使能，并在所述第二模式中被禁能。
10.根据权利要求9所述的光学感测装置，其特征在于，所述缓冲放大电路包括：
第一晶体管至第五晶体管；以及
反向器，所述第一晶体管与所述第二晶体管耦接于操作电压与所述反向器的输入端之间，所述第三晶体管与所述第四晶体管串接于所述反向器的输入端与接地电压之间，所述使能控制信号包括第一使能控制信号与第二使能控制信号，所述第四晶体管与所述第一晶体管的控制端分别接收所述第一使能控制信号与所述第二使能控制信号，所述第二晶体管与所述第三晶体管的控制端耦接所述光感测二极管的阳极端，所述第五晶体管耦接于所述反向器的电源端与接地电压之间，所述第五晶体管的控制端接收所述第一使能控制信号，所述第一晶体管、所述第四晶体管与所述第五晶体管受控于所述第一使能控制信号与所述第二使能控制信号，而使所述缓冲放大电路于所述第一模式中被使能，并于所述第二模式中被禁能。
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