CN212749253U

CN212749253U - Tof测距装置

Info

Publication number: CN212749253U
Application number: CN202021520243.5U
Authority: CN
Inventors: 张义荣
Original assignee: Chuanzhou Semiconductor Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Chuanzhou Semiconductor Technology Shanghai Co Ltd
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2030-07-28

Abstract

本实用新型提供一种TOF测距装置，包括：基板，设置有第一阶梯、第二阶梯以及第三阶梯；发射模块，设置在所述基板的第一阶梯上，用于向目标物发射光信号；接收模块，设置在所述基板的第二阶梯上，用于接收由所述目标物反射回的所述光信号；以及控制模块，设置在所述基板的第三阶梯上，用于控制发射模块向目标物发射光信号，并控制接收模块接收由所述目标物反射回的所述光信号，以及计算所述发射模块发射的所述光信号与所述接收模块接收到的所述光信号的时间差，并基于所述时间差获取所述目标物的距离。

Description

TOF测距装置

技术领域

本实用新型涉及一种测距装置，尤其涉及一种TOF测距装置。

背景技术

TOF的全称是Time-Of-Flight，即飞行时间，这是一种通过测量光的飞行时间来实现精确的距离测定的技术。随着三维成像信息技术的迅速发展，特别是建筑测量、室内定位和导航、立体影像和辅助生活环境应用对飞行时间成像提出了迫切需求。

所谓飞行时间法3D成像，是通过光源诸如脉冲激光器朝向目标连续发送光脉冲，然后用探测传感器接收从物体返回的光信号，通过探测光脉冲的往返飞行时间来得到待测目标物的距离信息。探测传感器比如图像传感器的每个像素都参与测距，深度图中每个像素的深度值是得自输出脉冲的发射时间与从场景中对应点反射的辐射的到达时间之间的差值，被称为光学脉冲的“飞行时间”，以计算高精度的深度图像。一些基于ToF的深度映射系统使用基于单光子雪崩二极管(SPAD)阵列的检测器。SPAD也称为盖革模式雪崩光电二极管(GAPD)，是能够以数十皮秒量级的非常高的到达时间分辨率捕获各个光子的检测器。它们可在专用半导体工艺中或者在标准CMOS技术中制造。

随着3D图像的广泛应用，比如AR(增强现实)、VR(虚拟现实)、无人机、机器人及数字相机等的应用，TOF测距装置得到进一步发展。不但可应用于获取高精度的图像，还可实现对物体识别、障碍检测等功能。且TOF的深度计算不受目标物体表面灰度和特征影响，可以非常准确的进行目标三维图像的探测。

目前大多数TOF芯片封装用印刷电路板作为封装用的基板，上面进行板上芯片(COB，Chip on Board)封装，但会形成孤岛效应，热量越来越大，从而造成TOF芯片工作不稳定。

发明内容

如下内容描述给出了本实用新型所做出的贡献。

为解决上述问题，本实用新型提供一种体积更小，功耗更小，暗光下可进行单光子探测的TOF测距装置。

一种TOF测距装置，包括：

基板，设置有第一阶梯、第二阶梯以及第三阶梯；

发射模块，设置在所述基板的第一阶梯上，用于向目标物发射光信号；

接收模块，设置在所述基板的第二阶梯上，用于接收由所述目标物反射回的所述光信号；以及

控制模块，设置在所述基板的第三阶梯上，用于控制发射模块向目标物发射光信号，并控制接收模块接收由所述目标物反射回的所述光信号，以及计算所述发射模块发射的所述光信号与所述接收模块接收到的所述光信号的时间差，并基于所述时间差获取所述目标物的距离。

本实用新型一种TOF测距装置采用阶梯状陶瓷基板，功耗更小，具有更好的散热性能，并且由于增加纳米材料镀膜，因此在暗光下也可以进行单光子探测。

结合附图，通过以下更详细的描述，本实用新型的其它特征和优点将变得更为明显，附图通过示例的方式示出了本实用新型的有点。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例中的TOF测距装置的结构示意图；以及

图2为本实用新型一个实施例中的接收模块的结构示意图。

具体实施方式

上述附图示出了本实用新型，一种TOF测距装置。本文揭示了不同的实施例。在以下描述中，阐述了众多具体的细节以便更透彻的理解本实用新型。然而，相关领域的技术人员应当得知，本实用新型所记载的技术内容能够在没有一个或更多具体细节，或者其他方法、组件、材料等的情况下得以实施。在其它示例中，众所周知的结构、材料或者操作未作详细展示或者描述，以避免模糊特定的内容。

本实用新型提供一种体积更小，功耗更小，暗光下可进行单光子探测的TOF测距装置。本实用新型TOF测距装置采用阶梯状陶瓷基板，功耗更小，具有更好的散热性能，并且由于增加纳米材料镀膜，因此在暗光下也可以进行单光子探测。

图1为本实用新型一实施例提供的一种TOF测距装置100的结构示意图。所述TOF测距装置100基板140，发射模块110，接收模块120，以及包括控制模块130。所述基板140设置有第一阶梯142、第二阶梯144以及第三阶梯146。所述发射模块110设置在所述基板140的第一阶梯142上，用于向目标物10发射光信号。所述接收模块120设置在所述基板140的第二阶梯144上，用于接收由所述目标物10反射回的所述光信号。所述控制模块130设置在所述基板140的第三阶梯146上，用于控制发射模块110向目标物10发射光信号，并控制接收模块120接收由所述目标物10反射回的所述光信号，以及计算所述发射模块110发射的所述光信号与所述接收模块120接收到的所述光信号的时间差，并基于所述时间差获取所述目标物10的距离。在一个实施方式中，本实用新型TOF测距装置100可以安装在手机、电脑，车辆以及其他设备中。

如图1所示，发射模块110发射激光束11至目标物10，经目标物10反射的光束12返回至接收模块120，经接收模块120和控制模块130处理后得到光飞时间，进而得到目标物10到测距设备的距离13。由于发射模块110与接收模块120之间的距离很小，因此，通过控制模块130对发射光与反射光的时间差Δt，根据光传播速度不变的定理，由公式d＝c*Δt/2便可求得目标物10与TOF测距装置100的距离11，其中，c为光速，d为距离11的值。

在一个实施方式中，所述基板140的第一阶梯142、第二阶梯144以及第三阶梯146为一体成型，且所述第一阶梯142和第二阶梯144被所述第三阶梯146隔开。在一个实施方式中，所述第一阶梯142和第二阶梯144具有第一高度，第三阶梯146具有第二高度，所述第一高度比第二高度高。在一个实施方式中，所述第一阶梯142具有第一高度，所述第二阶梯144具有第二高度，所述第三阶梯146具有第三高度，所述第三高度比第一高度和第二高度低。在一个实施方式中，所述基板140为玻璃陶瓷基板140。所述基板140中设置有金属线路(图未示)，所述发射模块110、接收模块120通过所述金属线路与所述控制模块130连接。由于本实用新型采用玻璃陶瓷基板140，且发射模块110、接收模块120以及控制模块130分别固定在不同高度的阶梯上，因此可有效使得热量更好的向下传导，因此功耗更小，具有更好的散热性能。

在一个实施方式中，所述发射模块110上方还设置有扩散膜112，用于控制发射角度。在另一个实施方式中，可在扩散膜112上增加纳米材料镀膜，增加光线发射效率。在一个实施方式中在一些实施例中，所述发射模块110为垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，所述垂直腔面发射激光器的最大光束角为120度。在一个实施方式中，所述发射模块110还包括驱动电路和调制模块(图未示)，所述驱动电路用于接收控制模块130的驱动指令驱动发射模块110发射光束，所述调制模块用于接收控制模块130的调制指令调制发射模块110的发射区域。

在一个实施方式中，所述接收模块120上方还设置有一个或多个透镜122，用于将来自物体上的返回光线收集到所述接收模块120上成像。所述透镜122上设置有纳米材料镀膜，用于增强表面光线入射。

图2为本实用新型一个实施例中接收模块120的结构示意图。在一个实施方式中，所述接收模块120为单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)图像传感器。在一个实施方式中，所述单光子雪崩光电二极管图像传感器包括128*64像素阵列210。在一个实施方式中，所述单光子雪崩光电二极管图像传感器中每颗像素的尺寸为10微米，因此单光子增益非常高。像素阵列210中每一列像素由列选择线接通，每一行像素由行选择线选择性地输出。每一像素具有行地址和列地址。像素的行地址对应于由行解码及驱动电路220驱动的行选择线，像素的列地址对应于由列解码及驱动电路230驱动的列选择线。控制电路230控制列解码及驱动电路230和行解码及驱动电路220以选择地读出像素阵列中适当的行和列对应的像素输出信号。读出电路240读取所述像素输出信号，并提供给控制模块130进行图像计算和处理，以计算所述发射模块110发射的所述光信号与所述接收模块120接收到的所述光信号的时间差，并基于所述时间差获取所述目标物10的距离，进一步得到目标场景的深度图。

本实用新型TOF测距装置由于采用阶梯状陶瓷基板，功耗更小，具有更好的散热性能，并且由于增加纳米材料镀膜，因此在暗光下也可以进行单光子探测。

在整个说明书中对“一个实施例”，“实施例”，“一个示例”或“示例”的引用意味着结合该实施例或示例描述的特定特征，结构或特性包括在至少一个实施例中。或者本实用新型的例子。因此，在整个说明书中各处出现的诸如“在一个实施例中”或“在一个示例中”的短语不一定都指代相同的实施例或示例。此外，特定特征，结构或特性可以在一个或多个实施例或示例中以任何合适的方式组合。诸如“顶部”，“向下”，“上方”，“下方”的方向术语用于参考所描述的附图的方向。此外，除非另外特别说明，否则术语“具有”，“包括”，“含有”和类似术语被定义为表示“包含”。特定特征，结构或特性可以包括在集成电路，电子电路，组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的组件中。另外，应当理解，此处提供的附图仅用于解释本领域普通技术人员的目的，并且附图不一定按比例绘制。

本实用新型的所示示例的以上描述(包括摘要中所描述的内容)并非旨在穷举或限于所公开的精确形式。尽管出于说明性目的在本文中描述了本实用新型的特定实施例和示例，但是在不脱离本实用新型的更广泛的精神和范围的情况下，可以进行各种等同修改。实际上，应当理解，提供具体的示例结构和材料是出于解释的目的，并且根据本实用新型的教导，其他结构和材料也可以用于其他实施例和示例中。根据以上详细描述，可以对本实用新型的实施例进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本实用新型限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例。相反，范围完全由以下权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。

本实用新型还提出一种包含上述各实施例中记载的像素电路的图像传感器装置。所述图像传感器装置中包含排多个成行和列的上述多个实施例中给出的像素电路阵列。图像传感器装置还包括外围电路，外围电路主要用于对像素电路的输出进行控制和处理。

本实用新型实施方案中给出的各实施例，包含但不限于对本实用新型所提出的发明内容的解释和说明。上述实施例仅用于解释之目的，并不构成对本实用新型的限制。对本实用新型各实施例进行的合理的修订或调整均落入本实用新型所保护的内容范围。

Claims

1.一种TOF测距装置，其特征在于，包括：

基板，设置有第一阶梯、第二阶梯以及第三阶梯；

2.如权利要求1所述的TOF测距装置，其特征在于，所述基板的第一阶梯、第二阶梯以及第三阶梯为一体成型，且所述第一阶梯和第二阶梯被所述第三阶梯隔开。

3.如权利要求2所述的TOF测距装置，其特征在于，所述第一阶梯和第二阶梯具有第一高度，第三阶梯具有第二高度，所述第一高度比第二高度高。

4.如权利要求2所述的TOF测距装置，其特征在于，所述第一阶梯具有第一高度，所述第二阶梯具有第二高度，所述第三阶梯具有第三高度，所述第三高度比第一高度和第二高度低。

5.如权利要求1所述的TOF测距装置，其特征在于，所述基板为玻璃陶瓷基板。

6.如权利要求1所述的TOF测距装置，其特征在于，所述基板中设置有金属线路，所述发射模块、接收模块通过所述金属线路与所述控制模块连接。

7.如权利要求1所述的TOF测距装置，其特征在于，所述发射模块上方还设置有扩散膜，用于控制发射角度。

8.如权利要求1所述的TOF测距装置，其特征在于，所述接收模块上方还设置有透镜，用于将光线聚集到所述接收模块上。

9.如权利要求8所述的TOF测距装置，其特征在于，所述透镜上设置有纳米材料镀膜，用于增强光线入射。

10.如权利要求1所述的TOF测距装置，其特征在于，所述发射模块为垂直腔面发射激光器。

11.如权利要求10所述的TOF测距装置，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器的最大光束角为120度。

12.如权利要求1所述的TOF测距装置，其特征在于，所述接收模块为单光子雪崩光电二极管图像传感器。

13.如权利要求12所述的TOF测距装置，其特征在于，所述单光子雪崩光电二极管图像传感器包括128*64像素阵列。

14.如权利要求13所述的TOF测距装置，其特征在于，所述单光子雪崩光电二极管图像传感器中每颗像素的尺寸为10微米。