CN118301808A - 光源系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及光源系统。本发明涉及一种适用于飞行时间相机的光源系统。光源系统包括：光源，例如激光器；和驱动器，被布置为向光源提供驱动电流以开启光源来发光。该驱动器包括电容器，用于存储能量，然后放电以生成驱动电流，并且该驱动器集成到安装有光源的半导体芯片中。因此，驱动器中包含驱动电流的能量源，并且光源和驱动器非常靠近，这意味着可以以相对大的驱动电流非常快速地打开和关闭光源，以便输出高光功率、持续时间短的光脉冲。

Description

光源系统
本申请是申请日为2021年2月3日、申请号为202110147830.7、发明名称为“光源系统”的发明专利申请的分案申请之一。
技术领域
本公开涉及光源系统，其可以例如用作飞行时间相机系统中的光源。
背景技术
飞行时间(ToF)相机系统是一种范围成像系统，可通过测量从ToF相机系统发出的光信号的往返时间来解析摄像头与物体之间的距离。该系统通常包括光源(例如激光器或LED)、控制来自光源的光的光源驱动器、用于对对象反射的光进行成像的图像传感器、用于控制图像传感器操作的图像传感器驱动器、使从光源发射的光整形并将由物体反射的光聚焦到图像传感器上的光学器件、以及计算单元，该计算单元被配置为通过确定从光源发出的光与从对象产生的相应反射之间的时间来确定到对象的距离。
ToF相机系统可测量几厘米到100到1000或1000米的距离。考虑到光的高速，光的发射与反射光的接收之间的时间差仅为16.66ns，对应于来自相机系统的2.5m物体。因此，ToF相机系统需要高水平的时间精度和控制，以便准确地测量距离。
发明内容
本发明涉及一种适用于飞行时间相机的光源系统。光源系统包括：光源，例如激光器；和驱动器，被布置为向光源提供驱动电流以开启光源来发光。该驱动器包括电容器，用于存储能量，然后放电以生成驱动电流。驱动器的至少一部分，特别是控制驱动电流的驱动器开关，被集成到安装有光源的半导体芯片中。驱动器的电容器也可以集成到半导体芯片中，或者可以耦合到集成的驱动器开关，例如通过将电容器表面安装在半导体芯片上并使用任何合适形式的电表面耦合，例如凸点键合或导电胶粘剂。因此，驱动器中包含驱动电流的能量源，并且光源和驱动器非常靠近，这意味着可以以相对大的驱动电流非常快速地打开和关闭光源，以便输出高光功率、持续时间短的光脉冲。
在本公开的第一方面，提供一种光源系统，包括：光源；半导体芯片，其上安装有光源；第一驱动器，耦合到光源并被配置为控制向光源的第一驱动电流的供应以控制光源的操作，其中第一驱动器包括用于存储电能以产生第一驱动电流的第一电容器，其中第一驱动器包括集成在半导体芯片中并用于控制向光源提供第一驱动电流的第一开关。
第一驱动器可以被配置为在以下情况中运行：充电状态，在该状态下，所述第一电容器存储从电源接收的电荷；和发射状态，在该状态下，所述第一电容器放电以产生第一驱动电流，该第一驱动电流提供给所述光源以开启所述光源。
可以根据所需的第一驱动电流的大小和/或所需的第一驱动电流的持续时间和/或充电状态与发射状态之间的占空比之比，将第一电容器设置为任何合适的大小(即电容)。
第一驱动电流的至少95％可以从存储在第一电容器中的电能中获得。
所述第一驱动器还可包括第一开关，被配置为：在发射状态期间，闭合包括所述第一电容器和所述光源的第一驱动电流电路，以在所述光源和所述第一驱动器之间传递所述第一驱动电流；和在充电状态期间，在充电状态期间开启所述第一驱动电流电路，以停止向所述光源提供所述第一驱动电流。
第一开关可以耦合在所述光源的阴极端子与所述第一驱动器的参考电压之间，并且其中所述第一电容器耦合在所述光源的阳极端子和所述第一驱动器的参考电压之间。
光源系统还可包括控制器，被配置为控制所述第一开关，以控制所述第一驱动器在所述充电状态和发射状态之间的切换。
第一开关可包括第一晶体管，其中所述控制器被配置为通过控制所述第一晶体管的栅极/基极端子处的第一晶体管驱动器信号来控制所述第一开关的操作。
光源系统还可包括开启预驱动器，其中所述控制器被配置为通过使用所述开启预驱动器向所述第一晶体管的栅极/基极端子施加开启信号来开启所述第一晶体管，以使所述第一驱动器从充电状态转换到发射状态。
光源系统还可包括耦合到所述第一电容器和所述开启预驱动器的调压器，其中调压器被配置为：从所述第一电容器接收能量；和至少在所述第一驱动器从充电状态转换到发射状态的过程中，将稳压电压提供给所述开启预驱动器。
光源系统还可包括闭合预驱动器，其中所述控制器被配置为通过使用所述闭合预驱动器向所述第一晶体管的栅极/基极端子施加闭合信号来闭合所述第一晶体管，以使所述第一驱动器从发射状态转换到充电状态。
为了使所述第一驱动器从发射状态转换到充电状态，所述控制器可以被配置为在第一时间段内将所述开启信号和所述闭合信号都施加到所述第一晶体管的栅极/基极端子，然后在第二时间段内仅将所述闭合信号施加到所述第一晶体管的栅极/基极端子。
光源系统还可包括光电检测器，该光电检测器被布置为检测从所述光源发射的光，其中所述光源系统还被配置为仅当所述光电探测器在前一个发射状态期间检测到从所述光源发射的光时，才对所述第一电容器充电。
光源可包括激光器，例如垂直腔表面发射激光器。
光源可包括在所述光源的第一表面上的第一极性的至少一个端子和在所述光源的第二表面上的第二极性的至少一个端子，其中所述第一驱动器耦合到所述第一极性的至少一个端子和所述第二极性的至少一个端子，使得所述第一驱动电流能够流过光源以开启所述光源。
所述光源的第二表面可固定到所述半导体芯片的第一表面，并且其中所述第一驱动器通过第一多个焊线耦合到所述第一多个的至少一个端子。
光源可包括第一极性的第一端子、第一极性的第二端子和第二极性的至少一个第三端子，并且其中所述第一驱动器耦合到所述第一端子和所述第三端子，使得所述第一驱动电流能够在所述第一端子和所述第三端子之间流动以开启所述光源，和其中所述半导体芯片还包括耦合到所述第二端子和所述第三端子的集成第二驱动器，其中所述半导体芯片还包括耦合到所述第二端子和所述第三端子的集成第二驱动器，其中所述第二驱动器被配置为控制所述第二驱动电流到所述光源的供应，使得所述第二驱动电流能够在在第二端子和第三端子之间流动以开启所述光源，其中所述第二驱动器包括第二电容器，所述第二电容器用于存储电能以用于产生所述第二驱动电流。
第二驱动电流的至少95％可以从第二电容器中存储的电能中获得。
所述第一端子和所述第二端子可以被布置在所述光源上，使得它们围绕对称平面基本对称，其中所述第一驱动器和所述第二驱动器布置在所述芯片内，使得它们围绕对称平面基本对称。
在本公开的第二方面，提供飞行时间相机系统，包括：光源系统，包括：光源，用于向要成像的物体发射光；半导体芯片，所述光源安装在所述半导体芯片上，并且；所述第一驱动器耦合到所述光源，并且被配置为控制向所述光源的第一驱动电流的供应，以控制所述光源的操作，其中所述第一驱动器包括用于存储电能以用于产生所述第一驱动电流的第一电容器；和光电检测器，用于接收从所述要成像的物体反射的光。
在本公开的第三方面，提供用于耦合到光源以驱动所述光源的驱动器，驱动器包括：用于存储电荷的至少一个电容器；可控开关，用于在充电状态和发射状态之间切换所述驱动器；耦合到所述可控开关的开启预驱动器，其中所述开启预驱动器被配置为用于当从充电状态转换到发射状态时控制所述可控开关；和调压器，耦合到所述至少一个电容器和所述开启预驱动器，并被配置为向所述开启预驱动器供应调节电压，其中所述驱动器被配置为使得在充电状态期间，所述至少一个电容器存储电荷，并且在发射状态期间，所述至少一个电容器放电器将驱动电流供应给所述光源以开启所述光源。
驱动器可以被配置为耦合到电源，使得在充电状态期间，所述至少一个电容器存储从所述电源接收的电荷。
在第四方面，提供了一种光源系统，包括：光源；以及包括集成的第一驱动器的半导体芯片，其中，所述光源安装在所述半导体芯片上，并且所述第一驱动器耦合至所述光源，并且被配置为控制向所述光源的第一驱动电流的供应，以控制所述光源的操作，其中第一驱动器包括用于存储电能以产生第一驱动电流的第一电容器。
附图说明
参考以下附图，仅以示例的方式描述了本公开的各方面，其中：
图1示出了根据本公开的一个方面的光源系统的示例表示；
图2A示出了安装在图1的光源系统的半导体芯片120上的VCSEL 110的布置的视图；
图2B示出了安装在图1的光源系统的半导体芯片120上的VCSEL 110的布置的另一视图；
图3示出了表示图1的光源系统的VCSEL的驱动电流和从VCSEL输出的光的光功率的示例图。
图4示出了图1的光源系统的示例实施方式的细节的示意图。
图5示出了由图4所示的第一驱动器产生的第一驱动电流的示例表示。
图6示出了图1的光源系统的另一示例实施方式的细节的示意图。
图7示出了图1的光源系统的另一示例实施方式的细节的示意图。
具体实施方式
许多因素可能会影响ToF相机系统测量物体距离的精度。这些因素之一是从光源发出的光的性质。系统知道发光时刻的准确性可能会影响系统确定与物体的距离的准确性。例如，如果系统认为它发出光的那一刻与接收到反射光的那一刻之间的时间差是20ns，则将确定大约3m的物距。但是，如果实际上在系统认为发生之后才发生了0.4ns的光发射，则实际上光发射和光反射之间的真实时间差约为19.6ns，这相当于2.94m的物距。对于许多安全性至关重要的应用，此大小的错误可能会很严重。
发明人已经认识到，如果控制光源以发射非常短的光脉冲(大约100ps或更小)，则可以提高ToF相机系统的精度。较长的发光脉冲可能使不清楚反射光是否对应于在发光脉冲的最开始、中间或最末端发射的光子。为了解决这个问题，可以收集更多样本以帮助使激光的形状退卷积，但这会降低系统速度并消耗更多功率。但是，如果发光脉冲非常短(例如小于100ps)，则表示最大不确定度为0.1ns，这对于大多数应用是可以接受的。因此，可以更加确定地测量光的发射与光的相应反射之间的时间。
为了实现非常快速地打开光源，发明人已经确定高电流光源驱动信号可能是有益的。用相对较高的、较短持续时间的电流脉冲驱动光源应缩短输出光脉冲的持续时间，并增加峰值光功率输出。发明人已经认识到，该较高的峰值光功率可以在改善ToF相机系统的精度方面带来进一步的益处。特别是，许多安全法规限制了从ToF相机系统发出的平均光功率，而对峰值光功率输出没有限制。通过减少发光持续时间，系统可以发射更高的光功率，同时保持在安全规定之内。发射具有较高峰值光功率的光可能有助于改善ToF相机系统的范围和精度。
然而，在驱动光源发出非常短的高光功率光脉冲时存在许多挑战。可能需要非常短的高电流驱动信号来驱动光源，这可能对提供驱动电流的电源/源提出相当大的要求，并且可能影响也正在使用该电源的其他电气组件。例如，如果ToF相机系统集成在移动电话中，则在很短的时间内消耗相对较高的电流而又不影响移动电话的任何其他组件或功能，则可能需要非常高质量、手机内昂贵的电源系统。此外，如果ToF相机系统以相对较高的电流脉冲工作，则如果出现系统故障/故障，则相对较高的电流可能会对ToF相机系统和/或ToF相机系统的附近设备/组件和/或操作人员构成安全风险。
除此之外，为了实现这种短的发光脉冲，应该快速且精确地打开和关闭激光器。光源驱动器电路中的固有电阻和电感不仅会导致电损耗(从而增加从光源获得特定光功率所需的电流量)，而且还会减慢电流电平之间的电路转换，从而减慢开启和关断的速度。
考虑到所有这些挑战，发明人设计了一种适用于ToF相机系统的光源系统。在光源系统中，光源驱动器的至少一部分(例如，用于控制电流以驱动光源的开关)被集成到半导体管芯中并且包括电容器(可以被集成在半导体管芯中或电容器中)。(安装在其上)作为能源产生电流来驱动光源。驱动器的设计应使电容器可以使用相对较低电流的电源/电源逐渐充电，然后迅速放电以提供电流驱动光源所需的大部分(如果不是全部)能量(例如，至少有95％(例如96％或98％或100％)的驱动光源的电流可能来自放电电容器。结果，可以产生相对高的光源驱动电流，而不会显着影响低电流电源/源。此外，光源被安装在半导体管芯驱动器上或堆叠在半导体管芯驱动器上，使得驱动器与光源之间的物理距离最小。通过最小化驱动器与光源之间的距离，可以减小驱动器与光源之间的电流路径的物理长度，从而减小电阻和电感。此外，通过使用电容器来提供驱动器电流所需的大部分(如果不是全部)能量(例如至少95％)，与使用驱动器电流相比，可以减小承载驱动器电流的电路环路的物理尺寸。独立/外部电源单元，甚至进一步降低了电阻和电感。以这种方式使用电容器的另一好处是，如果发生系统故障/故障，则仅有限量的能量可用于产生高电流，这将改善整个设备的安全性。
图1示出了根据本公开的一个方面的适用于ToF系统的光源系统100的示例表示。光源系统100包括光源110，在此示例中为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，以及半导体芯片120，例如CMOS硅芯片、GaN芯片或GaAs芯片等。在整个本公开中，光源110通常将被称为VCSEL，但是应当理解，可以替代地使用任何其他合适类型的光源，例如其他类型的激光器或任何合适类型的LED。
VCSEL包括从其发射光的第一表面112和与第一表面112相对的第二表面114。第一表面112具有第一极性的第一端子116和第二端子118，在该示例中，第一极性是VCSEL二极管的阳极。第二表面114包括具有第二极性的一个或多个第三端子，在该示例中，第二极性是VCSEL二极管的阴极。VCSEL 110安装在或堆叠在半导体芯片120上。VCSEL 110的第二表面114被安装在半导体芯片120的第一表面122上，并使用键合材料150和电互连键合到半导体芯片120的第一表面122的电连接，使得在VCSEL 110的一个或多个第三端子与第一和第二驱动器130和140之间形成电连接。为此可以使用任何合适的结合材料150和结合技术，例如环氧或共晶结合。
光源系统100半导体芯片120包括集成的第一驱动器130和集成的第二驱动器140。在该示例中，第一驱动器130和第二驱动器140被集成在半导体芯片130中。第一驱动器130被配置为控制向VCSEL 110的第一驱动电流136的供应，以控制VCSEL 110的操作(即，控制VCSEL 110的发光)。第二驱动器140被配置为控制向VCSEL 110的第二驱动电流146的供应，以控制VCSEL 110的操作(即，用于控制来自VCSEL 110的发光)。第一驱动器130包括第一开关134，其在该示例中是第一FET，用于控制第一驱动电流136的流动，第二驱动器140包括第二开关146，其在该示例中是第二FET，用于控制第二驱动电流146的流动。第一驱动器130通过一个或多个第一键合线152电连接到VCSEL 110的第一端子116(尽管可选地，可以使用任何其他合适形式的电耦合，例如，取决于VCSEL 110的设计)。第二驱动器140通过一个或多个第二键合线154电耦合到VCSEL 110的第二端子118(尽管可替代地，可以使用任何其他合适形式的电耦合，例如，取决于VCSEL 110的设计)。当足够大的第一驱动电流136和/或第二驱动电流146流过VCSEL 110时，VCSEL 110将开启并被激发以发射激光并因此发光。当没有驱动电流或驱动电流不足时，流过VCSEL 110，则不应发光，并且VCSEL有效关闭。第一驱动器130和第二驱动器140的操作的更多细节将在本公开的后面给出。
图2A和2B示出了安装在半导体芯片120上的VCSEL 110的布置的不同视图。可以看出，在该示例中，存在八个第一键合线152和八个第二键合线154，尽管可以使用任何数量的第一键合线152和第二键合线154(例如，一个、两个、三个等)。对于给定尺寸的第一端子116和第二端子118，可能优选地使用尽可能多的第一键合线152和第二键合线154。通过这样做，第一驱动电流136和第二驱动电流146的电阻可被最小化，从而提高了光源系统110的功率效率，并且最大化了传递至VCSEL 110的驱动电流的量。
图3显示了表示驱动电流(标记为VCSEL电流)和从VCSEL 110输出的光的光功率的曲线图。可以看出，在此示例中，驱动器130、140可以产生大约290ps的驱动电流脉冲持续时间，这可以以大约30ps的有效持续时间激发来自VCSEL 110的光脉冲发射。将会意识到，由于VCSEL 110中的激光延迟，驱动电流脉冲持续时间比光脉冲持续时间更长。还将理解，这仅仅是驱动电流和光脉冲持续时间的一个非限制性示例，并且光源系统100可以被配置为以不同的持续时间进行操作。
将VCSEL 110安装在半导体芯片120上可能是违反直觉的，尤其是由于散热困难在驱动电流打算相对较高时(例如，>1A或>3A，或>5A或>8A或>10A)。当驱动电流流动时，VCSEL110和驱动器130和140可能会产生大量的热量，理想情况下，该热量应迅速而有效地从半导体芯片120散发，以避免器件损坏和退化。可以预期，将VCSEL 110堆叠在半导体芯片120的顶部可能会使散热变得更加困难。
然而，发明人已经认识到，通过将VCSEL 110安装在半导体芯片120上，可以使VCSEL 110与驱动器130、140之间的物理距离最小。因此，由VCSEL 110、第一电容器132和第一开关134形成以承载第一驱动电流136的第一驱动电流电路可以明显小于其他布置(例如，其中VCSEL 110和第一驱动器130通过将电流都流向和流向VCSEL 110的焊线并排安装在PCB基板上的布置)。同样，由VCSEL 110、第二电容器142和第二开关144形成的第二驱动电流电路的尺寸也是如此。承载相对较高的驱动电流的电路尺寸的这种减小可以减小电路的电阻和电感，这可以减小电路损耗并提高驱动电流以及VCSEL 110可以打开和关闭的速度。这使得能够将驱动电流生成为非常短的持续时间脉冲，从而导致来自VCSEL 110的非常短的持续时间脉冲光。因此，通过实施图1、2A、2B所示的堆叠结构，可以缩短持续时间(例如<200ps，或<150ps，或<100ps，或<80ps，或<50ps)，VCSEL 110可以输出较高的光功率脉冲光。如前所述，为了获得来自VCSEL 110的相对较短持续时间的光输出，可能需要持续时间稍长的驱动电流脉冲，例如，为了获得30ps的光脉冲，可能需要持续时间为300ps的第一驱动电流136。
这不仅可以提高使用光源系统100的ToF系统的精度，而且出乎意料地认识到，由于通过这种装置实现的电流持续时间短，因此散热实际上可能不像最初考虑的那样严重。ToF系统可以通过发光一段时间并随后关闭一段时间来进行操作。例如，SPAD直接ToF系统的典型发光持续时间可以是每0.2μs约1-3ns的脉冲持续时间，代表发光：无发光的占空比约为1：100。连续波(CW)间接ToF系统的典型发光持续时间可能是每2ms约100-200ns，表示占空比约为1:20至1:10。然而，在本公开中，因为已经实现了这样的短的高光功率光脉冲，所以可以实现至少1：1,000，例如1：5,000或1：10,000的占空比。例如，图3中表示的大约30ps的光脉冲对应于大约1：30,000的占空比。因此，在相对较长的时间段内，光源系统100不会产生热量，在此期间，在周期的发射部分产生的热量可能会逐渐散发到周围的环境和模具的主体中(以及耦合到芯片的任何其他材料)。
在图1、2A和2B中表示的示例中的VCSEL 110具有两个极性相同的端子116和118，其被布置为关于对称平面基本对称。在该示例中，对称平面大致垂直于VCSEL 110的第一表面112和第二表面114延伸，并大致穿过第一表面112和第二表面114的中间，使得第一端子116在对称平面的一侧，而第二端子118在对称平面的另一侧是其镜像。发明人已经认识到，可以布置第一驱动器130和第二驱动器140的组件，使得它们关于对称平面基本或近似对称(如图1所示)。因此，第一驱动电流136的路径/环路的方向与第二驱动电流146的路径/环路的方向基本相反(例如，第一驱动电流136的路径可以是顺时针方向，第二驱动电流146的路径可以是逆时针方向)。结果，由电流路径/回路之一产生的电磁辐射可以被另一电流路径/回路产生的电磁辐射基本上或至少部分地抵消，特别是在远场。因此，即使当驱动电流相对较高时，来自光源系统100的RF发射(由产生射频频率的光脉冲的光源系统100所引起)也可以减少并保持可接受的低。这意味着光源系统100不应对附近的其他电气设备/组件产生负面影响，也不应违反RF发射法规。应当理解，尽管这种对称布置可以具有益处，但是这种布置不是必不可少的，并且第一驱动器130和第二驱动器140可以以任何其他合适的方式相对地布置。
图4示出了光源系统110的示例细节的示意性表示。该表示提供了第一驱动器130的示例实现的进一步的细节，以帮助说明第一驱动器130的操作，以便控制向VCSEL 110的第一驱动电流136的供应。在该示例中，第一驱动器130进一步包括调压器410(可以以本领域技术人员已知的任何合适的方式来实现)，开启预驱动器420，关闭预驱动器422和用作第一开关134的FET 440。光源系统430还包括控制器430，该控制器430被配置为控制第一驱动器130在充电状态和发射状态之间的切换。可以以任何合适的方式来实现控制，例如，将其实现为集成在半导体芯片420内或其他地方的逻辑，或者使用被配置为如下所述地操作的微控制器，或者被配置为如下所述地操作的任何其他形式的处理器。同样地，开启预驱动器420和关闭预驱动器422可以以本领域技术人员已知的任何适当方式来实现，例如，作为缓冲器和/或数字缓冲器和/或放大器。
第一驱动器130耦合到电源/源PVDD和PVSS，其可以是相对低电流的电源(例如，第一驱动器电路130可以汲取小于50mA或小于30mA的电流，例如典型的平均值。电流小于20mA(来自电源)。当第一驱动器130处于充电状态时，FET 440被关断(即，第一开关134断开)，使得流经VCSEL 110的电流为0A或基本为0A(即，足够低以至于VCSEL 110不会发出任何光)。电源可以是第一驱动器130可以耦合到的任何合适的电源。例如，如果光源系统100被包括为较大设备/系统(诸如移动设备)的一部分，则电源可以是该较大设备系统(诸如移动设备的电池)的电源。在充电状态期间，第一电容器130通过电源逐渐充电。
当期望光脉冲发射时，第一驱动器130可以从充电状态转变为发射状态。为了控制该转变，控制器430可以使用控制线434和/或436来控制FET 440的操作。例如，控制器430可以通过其输入线432接收指令(可以采用任何合适的形式，例如可以是LVDS差分信号)以开始从VCSEL 110发射光脉冲。控制器430然后可以驱动控制线434，使得开启的预驱动器420向FET 440的栅极施加开启信号，以便开启FET 440(即，闭合第一开关134)。在该示例中，开启信号是超过FET 440的开启阈值电压的电压信号。在该示例中使用了开启预驱动器420，因为在开启时将流经FET 440的第一驱动电流136应该相对较大(例如，在大约5A和12A之间，例如>8A，或>10A)，因此FET 440应该是功率相对较高的FET440。大多数控制器可能无法将足够大的驱动信号提供给FET 440使其开启，或者至少可能不能提供足够大的驱动信号以足够快地将FET 440开启以实现从截止到开启的快速过渡。因此，开启预驱动器420有效地起作用以将由控制器430在控制线434上设置的信号增加到足以驱动FET 440快速开启的电平。
在这种布置中，由开启预驱动器420和关闭预驱动器422汲取的功率由调压器410提供，调压器410又从电容器132汲取其大部分(如果不是全部)的功率放电。通过以这种方式布置，将第一驱动器130在充电状态和发射状态之间切换所需的大部分(如果不是全部)电流保持在第一驱动器130内，并且不从其他地方汲取，例如电源PVDD和PVDD。PVSS。较早参考第一驱动电流136说明了从电容器132而不是外部源中抽取大部分(如果不是全部)所需能量的一些益处。此外，如果将调压器410和预驱动器也集成到芯片120中，则它们可能都彼此相对靠近并且与电容器132相对靠近，从而进一步提高了开关速度并减小了损耗。
当FET 440开启时(即第一开关134闭合)，第一驱动器130处于发射状态，第一驱动电流电路闭合，从而第一驱动电流136在VCSEL 110之间流动。
可以看出，在第一驱动器130的该示例布置中，第一电容器132耦合在VCSEL 110的阳极端子与第一驱动器130的(即，电容器132的一个端子耦合到VCSEL 110，而电容器132的另一端子耦合到参考电压)参考电压(在此示例中为接地，但参考电压也可以是任何其他合适的电压电平)之间。尽管此特定配置不是必不可少的，但它的好处是VCSEL 110可以由第一驱动器130内的正电压驱动，这样驱动VCSEL 110不需要在第一驱动器130内产生负电压。这有利于简化第一转接器130的操作，并且使得第一转接器130的部件能够使用例如结隔离而集成在半导体芯片120中，并且不需要电介质隔离。
图5示出了流过第一驱动电流电路的第一驱动电流136的示例表示。在发射状态期间，第一电容器132放电以产生第一驱动电流136。因此，第一驱动电流136所需的大部分(如果不是全部)能量在驱动时间内由第一电容器132提供，例如如果不是有效地为零，则电源PVDD和PVSS上的汲取非常低(例如，可以从电源汲取第一驱动器电流136的<5％，或者<1％)。例如，放电的第一电容器132可以提供第一驱动电流136的至少95％，例如至少97％或至少99％。这样，大多数(如果不是全部)第一驱动电流136在相对较小的第一驱动电流电路中，第一电流I2保持在第一驱动器130内(即，没有从别处的源汲取电流或没有大的电流)。在一个替代实施方式中，当第一分流器130处于发射状态时，可以使用另外的开关将第一驱动器130与电源隔离，尽管在大多数实施方式中这不是必须的，因为第一电容器130提供了如此多的能量。在发射状态下，电源消耗微不足道。
通过以这种方式利用第一电容器132，第一电容器132可以在充电状态期间由电源逐渐地，缓慢地充电，这不应以任何明显的方式影响电源。然后，第一电容器132可以放电以产生第一驱动电流136，使得电源可以有效地或完全不受相对较高的第一驱动电流136的影响。因此，电源可以是因此，由于第一驱动电流136完全由用作电源的集成第一电容器132有效地产生，因此，第一驱动电流136完全由标准的规范所确定，从而使成本最小化，并且可以被其他组件/系统使用而不受光源系统100的影响。因此，第一电流驱动器电路保持相对较小(与从外部电源汲取第一驱动电流136的情况相比)，这减小了第一驱动电流136开始的延迟并提高了操作速度。
在发射状态期间，第一驱动器130可以被配置为使得第一电容器132可以在生成第一驱动电流136的过程中完全或仅部分地放电。在一些实施方式中，产生第一驱动电流136可仅导致存储在第一电容器132上的电荷的部分放电，从而使第一电容器132两端的电压降低(例如，降低几伏)，但是在发射状态结束时，第一电容器132两端仍然存在非零电压。在这种情况下，可以在发射状态之前、期间和/或之后监视电容器132两端的电压，从而可以确定在发射状态期间提供给VCSEL 110的第一驱动电流136的量。第一电容器132的尺寸可以根据所需的电压裕量(即在发射状态结束时电容器两端的所需电压)和/或电源PVSS和PVDD的电压和/或所需的第一驱动电流水平和/或第一驱动电流的持续时间和/或发射状态与充电状态的占空比来设置为任何合适的值。作为非限制性示例，如果期望大约10A的第一驱动电流136，对于大约300ps的第一驱动电流持续时间，并且在大约3V的发射状态期间期望减小第一电容器132两端的电压，则第一电容器132可以具有大约3nF的电容。
此外，因为电容器132只能存储有限量的能量，所以如果系统中存在故障或故障，则相对较高的第一驱动器电流136只能维持有限的相对较短的时间段。因此，与从较少受限制的电源汲取驱动电流的其他设备相比，光源系统100可以具有改善的安全性。
为了将第一驱动器130从发射状态转变为充电状态，FET 440被关断(即，开关134被打开)，从而断开第一驱动电流电路并阻止第一驱动电流136流过VCSEL 110。为了控制该转变，控制器430可以使用控制线434和/或436来控制FET 440的操作。例如，控制器430可以经由其输入线432接收指令以停止从VCSEL 110发出光脉冲。然后，控制器430可以将控制线434设置为将使FET 440截止的电平，例如，将其设置为低于FET 440的开启阈值电压的电压。控制器430还可以使用闭合预驱动器422将闭合信号施加到FET 440的栅极，该闭合预驱动器可以被设计为在一个方向上具有非常高的驱动强度和速度(即，下拉FET 440的栅极)。例如，因为在该实施方式中，闭合预驱动器422是反相型预驱动器，所以控制器430可以将控制线436处的电压设置为“高”电压(例如3.3V或5V)，导致闭合预驱动器422的输出变为“低”(例如，至0V)。以这种方式使用闭合预驱动器422，可以提高相对高电流的FET 440可以关断的速度。发明人已经认识到，同时可以同时进行开启预驱动器420和闭合预驱动器422的控制，并且可以实现FET 440的相对较快的关闭速度，通过首先将闭合信号施加到FET 440的栅极可以实现更快的截止速度(使得在第一时间段内将开启信号和闭合信号都施加到FET440的栅极)，然后，随后去除开启信号，从而在第二时间段内仅将闭合信号施加到FET 440的栅极。当将闭合预驱动器422设计为与开启预驱动器420的驱动强度相比具有相对较高的驱动强度时，可以特别实现该效果，这导致闭合预驱动器422过驱动开启预驱动器420。因此，闭合预驱动器422的优异的驱动强度可以导致比其他方式更快地下拉FET 440的栅极。为了在第一时间段内用开启和闭合信号来驱动FET 440的栅极以闭合FET 440可能是很不直观的，但是本发明人已经意识到，这种驱动可能会增加FET 440的关断速度。
将意识到，开启预驱动器420和闭合预驱动器422中的每一个可以是反相或非反相类型，并且由控制器430施加到控制线434和436的信号被相应地设置。此外，将意识到，闭合预驱动器422是可选的，并且可替代地，其可以整体上省略，其中仅通过改变施加到其栅极的电压以使其低于FET 440的开启阈值来关闭FET 440。
图6示出了第一驱动器130的示例性替代实施方式。该实施方式与图4和图5中所示的实施方式类似，但是包括附加的开启预驱动器驱动器610、来自控制器430的附加的控制线612和附加的FET 620。FET620是一个较低的电流FET(例如，额定电流约为400mA，而FET440约为10A)，它用作VCSEL的预偏置电压，以在FET 440完全接通VCSEL 110之前，使相对较低的亚激光阈值电流流过VCSEL 110。这样，在期望VCSEL 110的开启之前，控制器612可以使用附加开启预驱动器620向附加FET 620的栅极施加开启电压(即电压超过附加FET 620的开启阈值电压)。一旦附加FET 620开启，相对较低的电流就可以流过附加FET 620(例如，大约400mA)。因为电流相对较低并且低于VCSEL 110的激射阈值，所以VCSEL 110仍将不会开始发光。但是，理想情况下，当前水平将仅低于激射阈值。当VCSEL 110要开启时，如上所述，FET 440可以开启，使得较高的第一驱动电流136可以流过第一驱动电流电路并开启VCSEL110。然后，例如，一旦FET 440完全开启，则控制器430可以通过减小附加FET 620处的栅极电压来关闭附加FET 620。将理解的是，以这种方式使用附加的FET 620可以加快控制器430开始开启FET 440和从VCSEL 110发射的光之间的时间，因为在FET 440开始开启时，VCSEL 110已经接近激射。
图7示出了光源系统110的各方面的另一替代实施方式的示例。该实施方式示出了仅包括第一电容器132、开启预驱动器420和FET 440的第一驱动器130的简化实施方式。然而，将理解的是，第一驱动器130可以可替代地以图4、5或6所示的方式实现。
在该实施方式中，光电检测器710被配置为接收从VCSEL 110发射的光。例如，光电检测器710可以是用于ToF成像的光电检测器，并且可以接收从VCSEL 110发出的一些杂散光，并通过设备光学封装直接反射回到光电二极管，这样它就可以检测到从VCSEL 110发出的光(而不仅仅是检测从被成像物体反射的光)。可替代地，可以以直接接收从VCSEL 110发射的光的方式来布置它。光电检测器710耦合到检测器720，检测器720被配置为输出指示光电检测器710是否已经接收到从VCSEL 110输出的光的信号722。控制器430然后可以被配置为基于接收到的信号722来控制电荷泵740的操作。特别地，如果控制器430将第一驱动器130转变为发射状态并且随后从检测器720接收到指示光电检测器710接收到从VCSEL 110输出的光的信号，则控制器430然后可以使用控制线732启用电荷泵740。在这种情况下，可以假设光源系统正常工作，并且当第一驱动器130接下来处于充电状态时，电荷泵740随后将可操作为第一电容器132充电。然而，如果检测器720没有输出指示光电检测器710已经接收到从VCSEL 110输出的光的信号722，则控制器430可以使用控制线732禁用电荷泵740。然后，当第一驱动器130接下来处于充电状态时，电荷泵740可以不对第一电容器132充电，使得第一电容器132将不再存储更多能量以用于尝试驱动VCSEL 110。在这种情况下，光电检测器710可能没有接收到从VCSEL 110发射的任何光，因为在光源系统中可能存在一些错误或故障，这阻止了VCSEL 110正确地发光。由于光源系统可能用于对安全至关重要的ToF应用中，或者故障的类型可能会对光源系统和/或附近的系统和/或操作人员造成电气危险，从而防止电容器进一步充电和从VCSEL 110发出企图的发射可能会提高光源系统的整体安全性。可选地，控制器430可以被配置为向任何其他合适的系统/实体输出故障警告。
尽管在此特定示例中使用了电荷泵740，但是基于从VCSEL 110发出的光的检测，可以使用任何其他合适的电路/组件来控制第一驱动器130与电源的连接/断开。电荷泵740可以用由控制器430控制的开关(例如晶体管)代替，以将第一驱动器130与电源PVDD连接或断开。在另一替代方案中，代替使用电荷泵740，该电源可以是可控电源，例如开关模式电源，其可以由控制器430控制以向第一驱动器130提供或不提供功率。
尽管图4至图7以及以上说明仅涉及第一驱动器130，但是应当理解，第二驱动器140可以以完全相同的方式实现。光源系统100可以具有单个控制器430，该单个控制器430被配置为控制第一驱动器130和第二驱动器140的操作，从而它们各自在相同的时间产生第一驱动电流136和第二驱动电流146，或者第一驱动器130和第二驱动器140中的每一个都可以具有如上所述运行的自己的控制器。同样地，第一驱动器130和第二驱动器140中的每一个可以具有各自的调压器，或者可以使用单个调压器来给第一驱动器130和第二驱动器140两者中的预驱动器供电。
技术人员将容易地意识到，可以在不脱离本公开的范围的情况下，对本公开的上述方面进行各种改变或修改。
例如，尽管以上示例的第一驱动器130包括一个或多个预驱动器420、422等，但是在替代方案中，预驱动器可以完全省略，并且FET 440(以及可选的附加FET 620)可以由控制器430直接驱动。替代地，可以完全省略调压器410。此外，即使当第一驱动器130包括一个或多个预驱动器时，虽然使用调压器410为预驱动器供电可能是有益的，但是一个或多个预驱动器中的至少一个可以替代地以任何其他合适的方式被供电，并且从第一驱动器130中省略了调压器。
尽管在以上示例中使用了FET(例如FET 440和附加FET 620)，但也可以使用任何其他合适类型的可控开关，例如任何其他类型的晶体管，例如BJT等。因此，无论何时提到FET的栅极，应将其理解为晶体管的栅极/基极。
在以上公开中，描述了两个驱动器(第一驱动器130和第二驱动器140)。对于图1、2A和2B所示的VCSEL 110设计而言，使用两个驱动器可能特别有益，其中VCSEL 110的表面上有两个阳极端子，因此两个驱动器可以对称地排列在芯片120内。可选地，可以仅实现单个驱动器(例如，仅第一驱动器130)以提供驱动VCSEL 110所需的所有驱动电流。例如，VCSEL 110的设计可能只有一个阳极端子。替代地，VCSEL 110可以具有其中有两个或更多个阳极端子的设计，在这种情况下，单个驱动器可以耦合到任意一个或多个阳极端子。
在另一替代方案中，系统100可包括布置成驱动VCSEL 110的两个以上驱动器。例如，其可包括四个驱动器，每个驱动器与上述第一驱动器130具有相同的设计。可以以任何合适的方式将这些多个驱动器布置在芯片110上/内，例如，第一和第二驱动器可以相对于第一对称平面彼此对称，并且第三和第四驱动器可以相对于垂直于第一对称平面的第二对称平面彼此对称。
尽管特别参考与ToF相机系统一起使用来描述上述光源系统110，但是光源系统110不限于此使用，并且可以用于任何其他目的。
在本公开全文中使用术语“耦合”和“连接”既涵盖两个组件/设备之间的直接电连接，也涵盖两个组件/设备之间的间接电耦合，其中在两个组件/设备之间的电耦合路径中有一个或多个中间组件/设备。
尽管第一驱动器130被描述为具有用于控制充电状态和发射状态之间的过渡或切换的开关134，但是应当理解，可以以任何其他合适的方式配置第一驱动器130，使用任何其他合适的组件在充电状态之间切换或转换第一驱动器130，其中第一电容器132逐渐存储从电源接收的电荷，并且VCSEL 110关闭，并且发射状态下第一电容器132放电以产生第一驱动电流136以开启VCSEL 110。同样，控制器430用于控制第一驱动器130在充电状态和发射状态之间的切换或转变不是必须的。可替代地，任何其他合适的布置或电路可以用于该目的，例如定时器电路，其配置为以规则间隔转换第一驱动器130，或者基于存储在第一电容器132上的电荷量来转换第一驱动器130的电路(例如，当第一电容器132上存储的电荷达到预定水平时，切换到发射状态)等。
在图1和所附的描述中，电容器132和142被集成在半导体管芯120内，使得开关134和144以及电容器132和142都是集成装置。结果，在该示例中，第一驱动器130和第二驱动器140是集成驱动器。然而，在替代实施方式中，电容器132和142可以不是集成电容器，而是例如可以是安装在半导体管芯上的电容器，例如安装在第一表面122上的电容器。每个电容器的一个端子可以例如使用如图1所示的键合线152和154将第一电容器110耦合到光源110，每个电容器的另一端通过任何适当的电耦合装置耦合到相应的集成开关134和144。本领域技术人员可以理解，例如通过凸点结合、环氧结合或共晶结合。第一和第二电容器可以是任何合适的类型，例如，作为非限制性示例，横向电容器(例如，横向硅电容器)或垂直电容器(例如，垂直硅电容器)。

Claims (20)

1.一种用于耦合到光源以控制来自所述光源的光的发射的电路，所述电路包括：
晶体管，用于控制驱动电流，使得当晶体管处于第一状态时，驱动电流被供应给光源以开启光源，并且当晶体管处于第二状态时，驱动电流不被供应给光源；
开启预驱动器，耦合到所述晶体管的基极/栅极，其中所述开启预驱动器被配置为接收开启控制信号并输出相应的开启信号至所述晶体管的基极/栅极以便开启所述晶体管；以及
关闭预驱动器，耦合到所述晶体管的所述基极/栅极，其中所述关闭预驱动器被配置为接收关闭控制信号并输出对应的关闭信号至所述晶体管的所述基极/栅极以便关闭所述晶体管。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括控制器，所述控制器被配置为输出所述开启控制信号和所述关闭控制信号，其中，为了关闭所述晶体管，所述控制器被配置为：
在第一时间段内同时输出所述开启控制信号和所述关闭控制信号两者，使得在第一时间段内将所述开启信号和所述关闭信号都施加到所述晶体管的基极/栅极端子，并且然后在第二时间段内仅输出所述关闭控制信号，使得在第二时间段内仅将所述关闭信号施加到所述晶体管的基极/栅极端子。
3.根据权利要求1所述的电路，还包括用于存储电能以用于生成所述驱动电流的电容器，其中：
所述电路被配置为当晶体管处于第二状态时在充电状态中运行，在充电状态期间电容器存储从电源接收的电荷；以及
所述电路被配置为当所述晶体管处于所述第一状态时在发射状态中运行，在所述发射状态期间所述电容器放电以生成所述驱动电流，所述驱动电流被供应给所述光源以开启所述光源。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述第一晶体管耦合在所述光源的阴极端子与参考电压之间，并且
其中，所述电容器耦合在所述光源的阳极端子与所述参考电压之间。
5.一种光源系统，包括：
光源；以及
半导体管芯，包括集成的第一驱动器，其中所述光源安装在所述半导体管芯的表面上，并且所述集成的第一驱动器耦合到所述光源并且被配置为控制向所述光源的第一驱动电流的供应以用于控制所述光源的操作，
其中集成的第一驱动器包括用于存储电能以用于产生第一驱动电流的集成的第一电容器和用于控制第一驱动电流到光源的供应的集成的第一开关。
6.根据权利要求5所述的光源系统，其中所述集成的第一驱动器被配置为在以下状态中运行：
充电状态，在所述充电状态期间，所述集成的第一电容器存储从电源接收的电荷；以及
发射状态，在所述发射状态期间，所述集成的第一电容器放电以生成第一驱动电流，所述第一驱动电流被供应给所述光源以开启所述光源。
7.根据权利要求6所述的光源系统，其中：
在发射状态期间，所述集成的第一开关被配置为闭合包括所述集成的第一电容器的第一驱动电流电路和所述光源，以在所述光源和所述集成的第一驱动器之间传递所述第一驱动电流；和
在充电状态期间，所述集成的第一开关被配置为在充电状态期间打开所述第一驱动电流电路，以停止向所述光源的所述第一驱动电流的供应。
8.根据权利要求7所述的光源系统，其中所述集成的第一开关耦合在所述光源的阴极端子与所述集成得第一驱动器的参考电压之间，并且
其中，所述集成的第一电容器耦合在所述光源的阳极端子与所述集成的第一驱动器的所述参考电压之间。
9.根据权利要求5所述的光源系统，其中所述集成的第一开关包括第一晶体管。
10.根据权利要求9所述的光源系统，还包括：
预驱动器，被配置为向所述第一晶体管的栅极/基极端子输出控制信号，以控制所述第一晶体管的开关状态。
11.根据权利要求9所述的光源系统，还包括：
开启预驱动器，被配置为接收开启控制信号并向所述第一晶体管的栅极/基极端子输出相应的开启信号，以便开启所述第一晶体管并开启所述光源。
12.根据权利要求11所述的光源系统，还包括耦合到所述集成的第一电容器和所述开启预驱动器的调压器，其中所述调压器被配置为：
从所述集成的第一电容器接收能量；以及
至少在所述第一晶体管从关闭状态到开启状态的转变期间，向所述开启预驱动器供应调节电压。
13.根据权利要求9所述的光源系统，还包括：
关闭预驱动器，被配置为接收关闭控制信号并向所述第一晶体管的栅极/基极端子输出相应的关闭信号，以便关闭所述第一晶体管并关闭所述光源。
14.根据权利要求5所述的光源系统，其中所述光源包括在所述光源的第一表面上具有至少一个键合触点的第一极性的第一端子和在所述光源的第二表面上具有至少一个键合触点的第二极性的第二端子，以及
其中，所述集成的第一驱动器连接到所述第一端子的所述至少一个键合触点和所述第二端子的所述至少一个键合触点，使得所述第一驱动电流能够流过所述光源以开启所述光源。
15.根据权利要求14所述的光源系统，其中所述光源的所述第一表面被固定到所述半导体管芯的第一表面，并且其中第一集成驱动器通过至少一个焊线耦合到所述第二端子的所述至少一个键合触点。
16.根据权利要求5所述的光源系统，其中所述光源包括：
第一极性的第一端子，具有在所述光源的第一表面上的第一键合触点；以及
第二极性的第二端子，具有在所述光源的第二表面上的第二键合触点和第三键合触点，
其中，所述第一驱动器耦合到所述第一键合触点和所述第二键合触点，使得所述第一驱动电流能够在所述第二端子和所述第一端子之间流动以开启所述光源，以及
其中，所述半导体管芯还包括耦合到所述第一键合触点和所述第三键合触点的集成的第二驱动器，其中，所述第二驱动器被配置为控制向所述光源的第二驱动电流的供应，使得所述第二驱动电流能够在所述第二端子和所述第一端子之间流动以开启所述光源。
17.根据权利要求16所述的光源系统，其中所述第二键合触点和所述第三键合触点均被布置在所述光源的所述第二表面上，使得它们关于对称平面基本上对称，并且
其中所述第一集成驱动器和所述第二集成驱动器被布置在所述半导体管芯内，使得它们关于所述对称平面基本上对称。
18.一种用于驱动光源的光源控制系统，所述光源控制系统包括：
驱动器，用于耦合到所述光源，所述驱动器包括：
用于存储电荷的电容器；以及
可控开关，用于在充电状态和发射状态之间切换所述驱动器，其中在所述发射状态期间，所述至少一个电容器放电以向所述光源供应驱动电流以开启所述光源；
光电检测器，被布置为检测从所述光源发射的光；以及
控制器，耦合到所述驱动器和所述光电检测器，其中所述控制器被配置为控制所述驱动器，使得在所述充电状态期间，仅当所述光电探测器在前一个发射状态期间检测到从所述光源发射的光时，所述至少一个电容器才存储电荷。
19.根据权利要求18所述的光源控制系统，其中所述驱动器还包括电荷泵，其中：
所述控制器被配置为当所述光电检测器在所述前一个发射状态期间检测到从所述光源发射的光时启用所述电荷泵，使得在所述充电状态期间所述电荷泵将电荷供应到所述电容器；以及
所述控制器被配置为当所述光电检测器在所述前一个发射状态期间未检测到从所述光源发射的光时禁用所述电荷泵，使得在所述充电状态期间所述电荷泵不向所述电容器供应电荷。
20.根据权利要求18所述的光源控制系统，其中所述驱动器还包括用于将所述驱动器与电源可切换地耦合和解耦的电源开关，其中：
所述控制器被配置为当所述光电检测器在所述前一个发射状态期间检测到从所述光源发射的光时控制所述电源开关以将所述电容器耦合到所述电源，使得在所述充电状态期间通过所述电源将电荷供应到所述电容器；以及
所述控制器被配置为当所述光电检测器在所述前一个发射状态期间未检测到从所述光源发射的光时控制所述电源开关以将所述电容器与所述电源解耦，使得在所述充电状态期间电荷不被所述电源供应给所述电容器。
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