CN116400370A - 距离感测装置及其感测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种距离感测装置及其感测方法。提供测距光至测距目标而产生反射光。依据光感测二极管在接收崩溃偏压电压期间感测反射光而产生的光感测信号计数光感测二极管的崩溃次数而产生计数值。依据计数值判断距离感测装置与测距目标间的距离。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测装置，尤其涉及一种距离感测装置及其感测方法。
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)。一般来说，光感测芯片常利用光电流积分的方式，将电流转到电压，再利用模拟数字转换器来进行译码。模拟数字转换器具有设计复杂且耗电的缺点，且在低光源的情形下，需要高精度的模拟数字转换电路进行噪声控制或增加光感测二极管的数量，来提高感测灵敏度，然如此将提高电路面积且会使成本上升。此外，以光电流积分的方式来进行信号处理，需要足够的积分时间来避免讯杂比过低，然如此将大幅地限制数据回报速率(report rate)。
发明内容
本发明提供一种距离感测装置及其感测方法，可在不增加电路面积、成本以及功耗的情形下，提供良好的感测质量以及数据回报速率，且相较于传统的光感测二极管，可以更小的电路面积达到相同的感测敏感度。另，在低强度的反射光的情形下，本发明之距离感测装置仍可提供良好的感测质量。
本发明的距离感测装置包括光源、偏压电压产生电路、光感测二极管、淬熄电路、计数器电路以及信号处理电路。光源提供测距光至测距目标而产生反射光。偏压电压产生电路提供崩溃偏压电压或标准偏压电压。光感测二极管的阴极端耦接偏压电压产生电路，感测反射光而产生光感测信号。淬熄电路耦接光感测二极管的阳极端，淬熄光感测二极管。计数器电路耦接光感测二极管的阳极端，依据光感测二极管在接收崩溃偏压电压期间产生的光感测信号计数光感测二极管的崩溃次数而产生计数值。信号处理电路耦接计数器电路，依据计数值判断距离感测装置与测距目标间的距离。
本发明还提供一种距离感测装置的感测方法，包括下列步骤。提供测距光至测距目标而产生反射光。提供崩溃偏压电压。依据光感测二极管在接收崩溃偏压电压期间感测反射光而产生的光感测信号计数光感测二极管的崩溃次数而产生计数值。依据计数值判断距离感测装置与测距目标间的距离。
基于上述，本发明实施例的光感测二极管可接收崩溃偏压电压并进行光感测而产生光感测信号，计数器电路可依据光感测信号计数光感测二极管的崩溃次数而产生计数值，信号处理电路依据计数值判断距离感测装置与测距目标间的距离。如此利用在极度逆偏状态下的光感测二极管来进行光感测，并利用计数器电路的计数值来计算光感测二极管所感测到的光强度，可避免使用积分器电路，而可在不增加电路面积、成本以及功耗的情形下，提供良好的感测质量以及数据回报速率，且相较于传统的光感测二极管，可以更小的电路面积达到相同的感测敏感度。另，在低强度的反射光的情形下，本发明之距离感测装置仍可提供良好的感测质量。
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的距离感测装置的示意图。
图2是依照本发明实施例的光感测信号的波形图。
图3是依照本发明另一实施例的距离感测装置的示意图。
图4是依照本发明实施例的计数值与距离的关系示意图。
图5是依照本发明另一实施例的距离感测装置的示意图。
图6是依照本发明实施例的距离感测装置的感测方法的流程图。
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距离感测装置的示意图。距离感测装置可包括偏压电压产生电路102、光感测二极管PD1(例如，单光子崩溃二极管Single Photon Avalanche Diode，SPAD)、淬熄(quenching)电路104、计数器电路106、信号处理电路108以及光源110，偏压电压产生电路102耦接光感测二极管PD1的阴极端，淬熄电路104耦接光感测二极管PD1的阳极端。偏压电压产生电路102可用以提供崩溃偏压电压至光感测二极管PD1，而使光感测二极管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，而提供光感测信号S1。此外，淬熄电路104可在光感测二极管PD1提供光感测信号S1后淬熄光感测二极管PD1，以将光感测二极管PD1的阳极端电压回复到提供光感测信号S1前的电压，淬熄电路104为主动式或被动式，本发明并不限定。值得注意的是，在图1实施例中虽仅绘示一个由光感测二极管PD1与淬熄电路104形成的光感测单元，然不以此为限，在其它实施例中，距离感测装置可包括更多个光感测单元，例如由多个光感测单元形成的光感测单元阵列。
计数器电路106可依据光感测信号S1计数光感测二极管PD1的崩溃次数而产生计数值C1给信号处理电路108，信号处理电路108可依据计数值C1判断光感测二极管PD1所感测到的光强度。举例来说，如图2所示，信号处理电路108可依据计数器电路106计数光感测期间T1光感测信号S1的脉冲数量(也就是光感测二极管PD1于光感测期间T1的崩溃次数)所得到的计数值C1，来判断光感测二极管PD1于光感测期间T1所感测到的光强度，其中计数值C1越大代表光感测二极管PD1于光感测期间T1所感测到的光强度越强。其中光感测期间T1可例如为光感测二极管PD1接收崩溃偏压电压的期间，然不以此为限，也可依使用者需求设定为其它期间，例如光源110提供测距光L1的期间、光感测二极管PD1处于逆偏状态的期间或计数器电路106执行计数的期间。
如图3所示，当距离感测装置进行距离感测时，光源110可提供测距光L1，测距光L1在被测距目标OB1反射后产生反射光L2，光源110可例如为雷射光源，然不以此为限。光感测二极管PD1可感测反射光L2而产生光感测信号S1。计数器电路106依据光感测信号S1计数光感测二极管PD1的崩溃次数而产生计数值C1给信号处理电路108。信号处理电路108则可依据计数值C1判断距离感测装置与测距目标OB1间的距离，其中计数值C1越大代表距离感测装置与测距目标OB1间的距离越短。
如此通过将光感测二极管PD1偏压至极度逆偏的状态，可提高距离感测装置对噪声的抵抗能力，即使在光感测二极管PD1所接收到的反射光L2具有低强度的情形下仍可准确地判断距离感测装置与测距目标OB1间的距离，而具有良好的感测质量。举例来说，当光感测二极管PD1应用于邻近传感器(proximity sensor)时，在邻近传感器与测距目标间的距离较远而导致光感测二极管PD1所接收到的反射光L2强度明显下降的情形下，感测二极管PD1仍可提供高讯杂比的光感测信号S1，而可精准地判断邻近传感器与测距目标间的距离。此外利用计数器电路106计数光感测二极管PD1的崩溃次数所产生计数值C1来判断距离感测装置与测距目标OB1间的距离，可不需设置积分器与模拟数字转换器，而可进一步缩小电路面积、降低功率消耗并降低生产成本，相较于传统的光感测二极管，可以更小的电路面积达到相同的感测敏感度。
此外，信号处理电路108还可依据距离感测装置与测距目标OB1间的距离判断是否执行预设操作。其中预设操作可随距离感测装置的应用而有所不同，举例来说，假设距离感测装置为应用于手机，预设操作可例如为开启或关闭手机的屏幕显示，例如在距离感测装置与测距目标OB1间的距离由大于距离门槛值变化至小于距离门槛值时，信号处理电路108可关闭手机的屏幕功能，而当距离感测装置与测距目标OB1间的距离由小于距离门槛值变化至大于距离门槛值时，信号处理电路108可开启手机的屏幕功能，如此可在用户接听电话时关闭手机的屏幕功能，并在结束通话将手机移离面部时恢复手机的屏幕功能。
其中距离门槛值可如图4所示，通过设定对应距离门槛值的计数门槛值TH1来达成，当计数值C1大于计数门槛值TH1时代表距离感测装置与测距目标OB1间的距离小于距离门槛值，而当计数值C1小于计数门槛值TH1时代表距离感测装置与测距目标OB1间的距离大于距离门槛值。值得注意的是，预设操作并不以开启手机的屏幕功能为限，在其他实施例中，预设操作也可为蓝牙耳机的连接功能的启动与关闭，例如当距离感测装置与测距目标OB1间的距离由大于距离门槛值变化至小于距离门槛值时，信号处理电路108可开启蓝牙耳机的的连接功能，以与播放装置连接，而当距离感测装置与测距目标OB1间的距离由小于距离门槛值变化至大于距离门槛值时，信号处理电路108可关闭蓝牙耳机的的连接功能，以断开与播放装置的连接。值得注意的是，距离门槛值的数量并不以图4实施例为限，在其它实施例中，也可设定多个不同的距离门槛值，并依据计数值C1与多个距离门槛值间的大小关系变化设定不同的预设操作，而不以图4实施例为限。
此外，在部分实施例中，信号处理电路108还可依据误差补偿计数值来校正距离感测装置与测距目标间的距离，其中误差补偿计数值可例如包括光源110未提供测距光L1时，计数器电路106依据光感测二极管PD1提供的光感测信号S1进行计数而得到的计数值以及计数器电路106依据光感测二极管PD1感测测距目标OB1以外的物体反射测距光L1所产生的反射光(例如测距光L1因漫射效应而被距离感测装置中的其它组件反射所产生的反射光，然不以此为限)而产生的光感测信号进行计数而得到的计数值至少其中之一。信号处理电路108可例如将计数值C1减去误差补偿计数值，以更精确地获得对应被测距目标OB1反射后产生反射光L2的计数值，从而提高距离感测装置的感测质量。
图5是依照本发明另一实施例的距离感测装置的示意图。在本实施例中，距离感测装置还可包括开关SW1、切换电路502以及读出电路504，其中开关SW1耦接于光感测二极管PD1的阳极端与淬熄电路104之间，切换电路502耦接于光感测二极管PD1的阳极端、计数器电路106与读出电路504之间，读出电路504还耦接信号处理电路108。其中读出电路504可例如以开关SW2与SW3来实施，开关SW2耦接于光感测二极管PD1的阳极端与计数器电路106之间，开关SW3耦接于光感测二极管PD1的阳极端与读出电路504之间。
信号处理电路108可依据距离感测装置的感测模式控制开关SW1～SW3的导通状态。例如当距离感测装置处于高敏感度感测模式时，控制偏压电压产生电路102提供崩溃偏压电压给光感测二极管PD1的阴极端，控制开关SW1导通并控制切换电路502将光感测二极管PD的阳极端切换连接至计数器电路106(也就是控制开关SW2导通，并控制开关SW3断开)，以使距离感测装置在低光照环境下也可保持良好的感测质量。而在距离感测装置处于一般感测模式时，信号处理电路108可控制偏压电压产生电路102提供标准偏压电压至光感测二极管PD1的阴极端，控制开关SW1断开并控制切换电路502将光感测二极管PD1的阳极端切换连接至读出电路504(也就是控制开关SW2断开，并控制开关SW3导通)，以使距离感测装置适于在较高光照的环境下进行光感测。
其中标准偏压电压小于崩溃偏压电压，标准偏压电压可使光感测二极管PD1进入正偏但未导通的状态或逆偏状态但未达进入极度逆偏的状态，也就是说光感测二极管PD1此时不具有单光子雪崩二极管的特性。读出电路504可例如包括积分器与模拟数字转换器，积分器可对光感测二极管PD1提供的光感测信号进行积分操作而产生积分信号，模拟数字转换器可将积分信号转换为数字信号而产生感测值SD1给信号处理电路108。如此在不同的光照环境下将光感测二极管PD1切换接至计数器电路106或读出电路504，可扩大距离感测装置进行光感测的光强度适用范围，而提高距离感测装置的使用便利性。
图6是依照本发明实施例的距离感测装置的感测方法的流程图。由上述实施例可知，距离感测装置的感测方法可至少包括下列步骤。首先，提供测距光至测距目标而产生反射光(步骤S602)。然后，提供崩溃偏压电压至光感测二极管(步骤S604)。接着，依据光感测二极管在接收崩溃偏压电压期间感测反射光而产生的光感测信号计数光感测二极管的崩溃次数而产生计数值(步骤S606)。之后，依据计数值判断距离感测装置与测距目标间的距离(步骤S608)。在部分实施例中，还可依据误差补偿计数值与计数值判断距离感测装置与测距目标间的距离，例如将计数值减去误差补偿计数值，以校正距离感测装置的感测结果。其中误差补偿计数值可例如包括光源未提供测距光时，依据光感测二极管提供的光感测信号进行计数而得到的计数值以及依据光感测二极管感测测距目标以外的物体反射测距光所产生的反射光而产生的光感测信号进行计数而得到的计数值至少其中之一。然后，依据距离感测装置与测距目标间的距离判断是否执行预设操作(步骤S610)，例如可依据距离感测装置与测距目标间的距离以及距离门槛值判断是否执行预设操作。
综上所述，本发明实施例的光感测二极管可接收崩溃偏压电压并进行光感测而产生光感测信号，计数器电路可依据光感测信号计数光感测二极管的崩溃次数而产生计数值，信号处理电路依据计数值判断距离感测装置与测距目标间的距离。如此利用在极度逆偏状态下的光感测二极管来进行光感测，并利用计数器电路的计数值来计算光感测二极管所感测到的光强度，可避免使用积分器电路，可在不增加电路面积、成本以及功耗的情形下，提供良好的感测质量以及数据回报速率，且相较于传统的光感测二极管，可以更小的电路面积达到相同的感测敏感度。另，在低强度的反射光的情形下，本发明之距离感测装置仍可提供良好的感测质量。
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 (13)
1.一种距离感测装置，其特征在于，包括：
光源，提供测距光至测距目标而产生反射光；
偏压电压产生电路，提供崩溃偏压电压或标准偏压电压；
光感测二极管，其阴极端耦接所述偏压电压产生电路，感测所述反射光而产生光感测信号；
淬熄电路，耦接所述光感测二极管的阳极端，淬熄所述光感测二极管；
计数器电路，耦接所述光感测二极管的阳极端，依据所述光感测二极管在接收所述崩溃偏压电压期间产生的所述光感测信号计数所述光感测二极管的崩溃次数而产生计数值；以及
信号处理电路，耦接所述计数器电路，依据所述计数值判断所述距离感测装置与所述测距目标间的距离。
2.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，所述信号处理电路还依据误差补偿计数值与所述计数值判断所述距离感测装置与所述测距目标间的距离。
3.根据权利要求2所述的距离感测装置，其特征在于，所述误差补偿计数值包括于所述光源未提供所述测距光时，所述计数器电路依据所述光感测二极管提供的所述光感测信号进行计数而得到的计数值。
4.根据权利要求2所述的距离感测装置，其特征在于，所述误差补偿计数值包括所述计数器电路依据所述光感测二极管感测所述测距目标以外的物体反射所述测距光所产生的反射光而产生的光感测信号，进行计数而得到的计数值。
5.根据权利要求2所述的距离感测装置，其特征在于，所述信号处理电路将所述计数值减去所述误差补偿计数值以补偿所述计数值，并依据经补偿的所述计数值判断所述距离感测装置与所述测距目标间的距离。
6.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，所述信号处理电路还依据所述距离感测装置与所述测距目标间的距离以及距离门槛值判断是否执行预设操作。
7.根据权利要求1所述的距离感测装置，其特征在于，还包括：
第一开关，耦接于所述光感测二极管的阳极端与所述淬熄电路之间；
切换电路，耦接于所述光感测二极管的阳极端与所述计数器电路之间；以及
读出电路，耦接于所述切换电路与所述信号处理电路之间，对所述光感测信号进行积分操作，以产生感测值给所述信号处理电路，所述信号处理电路于所述距离感测装置处于高敏感度感测模式时，控制所述偏压电压产生电路提供所述崩溃偏压电压至所述光感测二极管的阴极端，控制所述第一开关导通并控制所述切换电路将所述光感测二极管的阳极端切换连接至所述计数器电路，于所述距离感测装置处于一般感测模式时，控制所述偏压电压产生电路提供所述标准偏压电压至所述光感测二极管的阴极端，并控制所述第一开关断开控制所述切换电路将所述光感测二极管的阳极端切换连接至所述读出电路，其中所述标准偏压电压小于所述崩溃偏压电压。
8.根据权利要求7所述的距离感测装置，其特征在于，所述切换电路包括：
第二开关，耦接于所述光感测二极管的阳极端与所述计数器电路之间，受控于所述信号处理电路而于所述高敏感度感测模式中导通，并于所述一般感测模式中断开；以及
第三开关，耦接于所述光感测二极管的阳极端与所述读出电路之间，受控于所述信号处理电路而于所述一般感测模式中导通，并于所述高敏感度感测模式中断开。
9.一种距离感测装置的感测方法，其特征在于，包括：
提供测距光至测距目标而产生反射光；
提供崩溃偏压电压；
依据所述光感测二极管在接收所述崩溃偏压电压期间感测所述反射光而产生的光感测信号计数所述光感测二极管的崩溃次数而产生计数值；以及
依据所述计数值判断所述距离感测装置与所述测距目标间的距离。
10.根据权利要求9所述的距离感测装置的感测方法，其特征在于，包括：
依据误差补偿计数值与所述计数值判断所述距离感测装置与所述测距目标间的距离。
11.根据权利要求10所述的距离感测装置的感测方法，其特征在于，包括：
所述误差补偿计数值包括于所述光源未提供所述测距光时，依据所述光感测二极管提供的所述光感测信号进行计数而得到的计数值。
12.根据权利要求10所述的距离感测装置的感测方法，其特征在于，所述误差补偿计数值包括，依据所述光感测二极管感测所述测距目标以外的物体反射所述测距光所产生的反射光而产生的光感测信号，进行计数而得到的计数值。
13.根据权利要求9所述的距离感测装置的感测方法，其特征在于，包括：
依据所述距离感测装置与所述测距目标间的距离以及距离门槛值判断是否执行预设操作。
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