KR20140076500A

KR20140076500A - Ｔｏｆ 거리 센서 및 그 동작 방법

Info

Publication number: KR20140076500A
Application number: KR1020130152306A
Authority: KR
Inventors: 디에터 휴버; 마르쿠스 레더게르버
Original assignee: 에스프로스 포토닉스 아게
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-06-20
Also published as: SG2013082797A; CN103869303A; EP2743724A1; US9377532B2; US20140160459A1; EP2743724B1

Abstract

대상으로부터 거리를 측정하는 TOF 거리 센서가 제안되며, TOF 거리 센서는 변조 신호를 발생시키고, 서로에 대해 위상 시프트되고 변조 신호와 동일한 주기를 갖는 4개의 상관 신호들을 발생시키는 전자 장치; 변조 신호에 의해 변조되는 방사선을 방출하는 방사선 소스; 방사선 소스에 대해 미리 결정된 공간 관계를 갖고, 대상에 의해 반사되는 방사선을 수신하는 수신 장치; 4개의 대응하는 상관값들을 형성하기 위해 수신된 방사선 또는 대응하는 변수를 각각 4개의 상관 신호들 중 하나와 상관시키는 상관 장치; 상관값들 중 각각 2개 사이의 차이로부터 2개의 차이 상관값들을 형성하는 차이 형성 장치; 거리를 2개의 차이 상관값들에 관한 미리 결정된 선형 의존성에 의해 계산하도록 구체화되는 계산 장치를 포함한다.

Description

ＴＯＦ 거리 센서 및 그 동작 방법{TOF DISTANCE SENSOR AND METHOD FOR OPERATION THEREOF}

본 발명은 TOF(time of flight) 거리 센서에 관한 것이고 TOF 거리 센서를 동작시키는 방법에 관한 것이다.

종래 기술은 2-탭 TOF 거리 센서들을 개시했으며, 그의 동작은 정현파 신호들(sinusoidal signals)의 사용에 기초한다.

본 발명의 목적은 종래 기술을 발전시키는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 따른 TOF 거리 센서에 의해 달성되고 청구항 10에 따른 방법에 의해 달성된다. 유리한 실시예들은 추가 종속항들에 명시된다.

대상(object)으로부터 거리를 측정하는 본 발명에 따른 TOF 거리 센서는 변조 신호를 발생시키고, 서로 대해 위상 시프트되고 변조 신호와 동일한 주기를 갖는 4개의 상관 신호들을 발생시키는 전자 장치를 포함한다. TOF 거리 센서는 변조 신호에 의해 변조되는 방사선(radiation), 특히 IR 방사선을 방출하는 방사선 소스를 더 포함한다. TOF 거리 센서는 방사선 소스에 대해 미리 결정된 공간 관계를 갖고, 대상에 의해 반사되는 방사선을 수신하는 수신 장치를 더 포함한다. TOF 거리 센서는 4개의 대응하는 상관값들을 형성하기 위해, 수신된 방사선 또는 수신된 방사선에 대응하는 변수를 각각 4개의 상관 신호들 중 하나와 상관시키는 상관 장치를 더 포함한다. TOF 거리 센서는 상관값들 중 각각 2개 사이의 차이로부터 2개의 차이 상관값들을 형성하는 차이 형성 장치(difference-forming apparatus)를 더 포함한다. 그리고, TOF 거리 센서는 거리를 2개의 차이 상관값들에 관한 미리 결정된 선형 의존성(linear dependence)에 의해 계산하도록 구체화되는 계산 장치를 더 포함한다.

계산 장치는 거리를 2개의 차이 상관값들에 관한 미리 결정된 배타적 선형 의존성에 의해 계산하도록 구체화되는 것이 바람직하다.

대상은 특히 사람 또는 이동가능 또는 고정 대상 또는 벽일 수 있다.

방사선 소스는 반도체 방사선 소스, 바람직하게는 LED(light-emitting diode) 또는 복수의 LED들인 것이 바람직하다. 방출된 방사선은 가시 또는 비가시 광, 예를 들어 IR(infrared), VIS(visible) 또는 UV-방사선(ultraviolet)일 수 있다. 특히, 방출된 방사선은 실질적으로 단색이며, 즉 파장의 10% 미만, 특히 5% 미만, 특히 2% 미만, 특히 1% 미만, 특히 0.1% 미만의 반치전폭(full-width at half maximum)을 가질 수 있다.

특히, 변조 신호 및/또는 상관 신호들의 파형은 적어도 부분적으로 일정한 및/또는 선형 부분들을 가질 수 있다. 특히, 파형은 삼각형 형태, 큰 수직 측면(flank)을 갖는 톱니 형태, 사다리꼴 형태 또는 직사각형 형태로서 구체화될 수 있다. 특히, 변조 신호의 파형은 상관 신호들의 파형과 다를 수 있다. 특히, 변조 신호는 정현파 신호일 수 있다. 특히, 상관 신호들은 임계값 위 및 아래에서 주기적으로 교호하는 파형을 가질 수 있다. 특히, 상관 신호들은 직사각형 신호들일 수 있다. 변조 신호 및/또는 상관 신호들에 대한 파형들의 비직사각형 프로파일의 경우에, 작은 에러를 계산 시에 허용하는 것이 가능하거나 계산 장치가 정정 기능 또는 정정 테이블에 의해 보충될 수 있다.

특히, 변조 신호 및/또는 상관 신호들의 신호 프로파일은 주기적일 수 있다.

동일한 주기는 특히 동일한 길이의 시간 간격(time interval) 내의 2개의 신호들의 비례적으로 동등한 최대 및 최소의 동일한 시간적 시퀀스에 의해 정의될 수 있다.

미리 결정된 공간 관계는 특히 광 소스 및 수신 센서가 수신 시에 서로에 대해 공지된 방식으로 공간적으로 배열되며/되거나 측정된 거리에 대해 함께 폐쇄되며/되거나 공통 홀더 상에 배열되며/되거나 공통 하우징 내에 배열되는 것을 의미한다.

상관은 특히 동일한 주기를 갖는 2개의 신호들의 시간 프로파일의 곱셈 동작이다. 상관은 1 주기 또는 다수의 주기들 동안 2개의 신호 프로파일들의 곱(product)의 시간 적분에 의해 수학적으로 제공될 수 있다.

위상 프로파일은 방출된 방사선의 위상값들로 표현되는 시간 프로파일을 의미한다. "위상 시프트된"은 신호들이 서로에 대해 시간 오프셋 프로파일들을 갖는 것을 의미한다. "위상 시프트된" 및 위상 오프셋이라는 용어들은 본 명세서에서 동등한 방식으로 사용된다. 파형 및 위상 프로파일은, 이것이 신호 프로파일이면, 위상 프로파일이 일반적으로 정규화된 것으로 간주되고 다수의 주기들 동안 최대 진폭의 변경이 일반적으로 파형에서 폐기된 상태에서, 동일한 용어를 나타낼 수 있다.

특히, 신호들의 일부 또는 전부는 계산 목적들을 위해 1로 정규화되거나 정규화되게 할 수 있다. 이것은 검출된 방사선 강도가 상황에 따라 변할 수 있기 때문에 유리할 수 있다.

선형 의존성은 구분적(piecewise) 선형 의존성을 의미하지만, 비선형 의존성 자체에 대한 구분적 근사 선형 피트(linear fit)를 의미하지 않을 수도 있다.

거리의 계산은 예를 들어 방출된 방사선에 대해 수신된 방사선의 위상 시프트 또는 방출된 방사선과 수신된 방사선 사이의 시간 오프셋의 계산과 같은 거리에 동등한 변수의 계산일 수도 있다.

기능 유닛을 나타내는 장치라는 용어는 반드시 공간적 유닛을 의미하는 것은 아니지만, 특히 기능적 관계를 의미한다.

변조 신호 및/또는 4개의 상관 신호들은 직사각형 신호들로서 구체화되는 것이 바람직하다.

직사각형 신호는 실질적으로 직사각형이고 2개의 값들 사이에서, 바람직하게는 2개의 플러스 값들 사이에서, 바람직하게는 제로와 고정 값 사이에서 실질적으로 변화된다. 직사각형 신호는 50%의 듀티 사이클(펄스 지속 기간 대 주기 지속 기간의 비)을 갖는 것이 바람직하다.

직사각형 신호는 그의 방사선 특성들에 관계없이 다양한 타입들의 광 소스들, 특히 LED들에 사용될 수 있다는 장점을 제공할 수 있다.

상관 신호들은 서로에 대해 1/4 주기만큼 각각 위상 시프트되며/되거나 상관 신호는 변조 신호와 동일한 위상을 갖는 것이 바람직하다.

서로에 대해 1/4 주기만큼 "위상 시프트된"은 pi/2(90°)만큼 위상 시프트된 것을 의미한다. 특히, 제1 상관 신호는 변조 신호와 같으므로 방출된 방사선의 시간 프로파일과 같을 수 있는 한편, 3개의 추가 상관 신호들은 1/4 주기만큼 각각 오프셋될 수 있다.

차이는 각각의 경우에 상관값들로부터 형성되며, 그의 연관된 상관 신호들은 1/2 주기만큼 위상 시프트되는 것이 바람직하다.

서로에 대해 1/2 주기만큼 "위상 시프트된"은 pi(180°)만큼 위상 시프트된 것을 의미한다.

특히, 제1 차이가 상관값들로부터 형성되며, 그의 연관된 상관 신호들은 변조 신호에 대해 0 및 pi만큼 위상 시프트되고, 제2 차이가 상관값들로부터 형성되며, 그의 연관된 상관 신호는 변조 신호에 대해 pi/2 및 3pi/2만큼 위상 시프트된다.

계산 장치는 계산을 2개의 차이 상관값들의 함수로서 적어도 2개의 상이한 선형 의존성들 중 하나와 연관시키고 거리를 연관의 함수로서 계산하도록 설계되는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 4개의 상이한 선형 의존성들이 연관에 제공된다. 상이한 선형 의존성들은 미리 저장되는 것이 바람직하다.

연관의 결과로서, 특히 거리를 계산하는 함수가 단지 구분적으로 선형이며/이거나 구분적으로 일정하면 사례 구별(case distinction)을 수행하는 것이 가능하다. 특히, 연관은 2개의 차이 상관값들의 부호들(signs)의 함수로서 수행된다. 특히, 연관은 4개의 상관값들의 값들에 대한 정성적 비교의 함수로서 수행된다. 특히, 연관은 1/2 주기만큼 오프셋되는 상관 신호들과 각각 연관되는 상관값들의 비교의 함수로서 수행된다.

검출된 방사선 신호는 동일한 형상을 갖지만 각각 상이하게 미리 정의된 위상을 갖는 신호들에 곱해지고, 시간 적분된다. 차이 상관값들은, 선형 의존성을 검출된 방사선 신호의 위상 시프트 및 따라서 대상으로부터의 거리에 대한 측정값으로서 형성하는데, 이와 같이 형성된 상관 변수들의 비교에서 나온다. 그러나, 이 차이 상관 변수들은 초기에 특정 위상 시프트와 유일하게 연관되는 것이 아니라, 선형 간격들을 수요가 많은(sought-after) 위상 시프트의 함수로서 갖는다. 이것에 요구되는 부가 정보는 형성된 차이 상관값들의 부호들로부터 나온다. 이 경우에 거리에 대한 의존성의 선형성은 검출된 방사선 신호 및 변조 신호들의 형상, 즉 직사각형 펄스들을 주기적으로 반복하는 형상에서 기인한다.

수신 장치는 신호 캐리어들을 발생시키는 감광성 영역을 갖는 기판 및/또는 신호 캐리어들을 전송하는 드리프트 필드(drift field)를 발생시키는 드리프트 게이트를 포함하는 것이 바람직하다. 상관 장치는 상관 신호들 중 하나의 상관 신호의 함수로서 신호 캐리어들의 공간 분리가 착수되는 것에 의해 수신된 방사선을 상관 신호들 중 적어도 1개와 상관시키는 적어도 1개의 변조 게이트 및/또는 상관값들 중 하나를 형성하기 위해, 상관 신호에 따라 공간적으로 분리된 신호 캐리어들을 시간적으로 합산하는 적어도 1개의 저장 게이트 및/또는 다른 상관값을 보유하는 적어도 1개의 저장 요소, 특히 추가 저장 게이트를 포함하는 것이 바람직하다.

신호 캐리어들은 특히 광전자들일 수 있다.

특히, 수신 장치 및/또는 상관 장치는 CCD 기술을 사용하여 구체화될 수 있다. 특히, 계산 장치는 CMOS 기술을 사용하여 구체화될 수 있다. 특히, 수신 장치, 상관 장치, 차이 형성 장치 및 계산 장치는 결합된 CMOS/CCD 기술을 사용하여 부분적으로 또는 전체적으로 각각 구체화될 수 있다. 게이트들은 CCD 반도체 기술에서 알려진 게이트들일 수 있다. 드리프트 게이트는 변조 게이트 또는 게이트들에 의해 형성될 수도 있다. 변조 게이트 또는 게이트들은 드리프트 게이트, 예를 들어 전기 저항을 갖는 재료로 제조된 게이트에 의해 형성될 수도 있다. 문헌은 때때로 드리프트 게이트를 포토 게이트(photo-gate)로서 언급한다. 특히, 상관 신호는 신호 캐리어들에 대하여 상관 신호에 대응하는 변경가능 로크(changeable lock)로서의 역할을 하여 상관값에 대응하는 신호 캐리어들의 통로를 발생시키도록 변조 게이트에 인가될 수 있다. stwelt.orage 게이트의 합산된 신호 캐리어들은 상관값에 대한 값을 형성한다. 특히, 저장된 전하(charge)는 상관값에 대한 값을 형성할 수 있다. 특히, 저장 게이트는 특정 시간 간격들에서 판독될 수 있다. 특히, 저장 게이트는 전송 게이트, 플로팅 확산부 및 소스 폴로어(source follower)를 통해 판독될 수 있다.

특히, 저장 요소는 저장 게이트와 상이한 상관값, 특히 상관값 - 그의 연관된 상관 신호가 저장 게이트의 상관 신호에 대해 1/2 주기만큼 위상 시프트됨 -을 저장할 수 있다. 이것은 2개의 상관값들 사이의 상술한 차이 형성이 또한 소위 1-탭 로크 인(1-tap lock-in) TOF 픽셀에 쉽게 가능하다는 점에서 유리할 수 있다.

게이트의 신호 캐리어 또는 전하, 게이트 아래의 신호 캐리어 또는 전하, 또는 게이트와 연관되는 신호 캐리어 또는 전하에 대한 참조들은 여기서 동등하게 사용되고, 특히 반도체 기판 내의 게이트의 포텐셜 필드에 의해 게이트의 산화물 층으로부터 통상 분리 유지되는 신호 캐리어 또는 전하를 의미한다. 게이트를 드레이닝(draining)하는 것은 전하를 게이트 아래에서 제거하는 것을 의미한다.

저장 게이트에서 상관 신호에 따라 공간적으로 분리되는 신호 캐리어들의 합산은 신호 대 잡음비를 개선하는 장점을 가질 수 있다.

수신 장치는 약하게 도핑된 반도체 기판을 신호 캐리어들을 발생시키는 감광성 영역으로서 포함하는 것이 바람직하다. 상관 장치는 각각 1개의 상이한 상관 신호와 시간적 상관으로 신호 캐리어들의 공간 분리를 위한 2개의 변조 게이트들 및/또는 변조 게이트들과 연관되고, 대응적으로 분리된 신호 캐리어들의 합산(summation)을 위한 2개의 저장 게이트들을 포함하는 것이 바람직하다. 차이 형성 장치는 저장 게이트들 아래에 분리되고 합산되는 신호 캐리어들을 각각 합산된 신호 캐리어들과 연관되는 2개의 전압값들로 분리 판독하고 변환하기 위해 저장 게이트들과 연관되는 2개의 전송 게이트들 및/또는 플로팅 확산부들 및/또는 소스 폴로어들을 포함하는 것이 바람직하다. 차이 형성 장치는 신호 캐리어들을 판독 및 변환 전에 2개의 저장 게이트들 중 제1 저장 게이트 아래에, 특히 타임 슬로프(time slope)에 의해, 특히 2개의 저장 게이트들의 전위들(potentials)의 병렬 단계적(parallel step-wise) 또는 연속적 변경에 의해, 특히 대응하는 전송 게이트를 통해, 제2 플로팅 확산부의 전위가 변경되기 시작할 때까지 2개의 플로팅 확산부들 중 대응하는 제1 플로팅 확산부로 드레이닝시키는 램프 장치(ramp apparatus)를 포함하는 것이 바람직하다. 차이 형성 장치는 제1 플로팅 확산부의 전위 및/또는 전압값으로부터 차이 상관값에 대한 디지털값을 형성하는 A/D 변환기(아날로그/디지털 변환기)를 포함하는 것이 바람직하다.

특히, 신호 캐리어들로서의 광전자들의 경우에, 전위들의 상술한 연속적 변경은 전위의 감소에 의해 주어질 수 있다.

차이 형성 장치는 더 강하게 하전된 저장 게이트와 연관되는 그 플로팅 확산부의 전하량(amount of charge)이 차이 상관값에 대응하도록 특히 저장 게이트들 아래에서 수집되는 신호 캐리어들을 비교함으로써, 특히 램프 장치를 동작시킴으로써 차이 상관값들을 전하 영역에 형성하도록 설계되는 것이 바람직하다.

특히, 게이트들은 기판의 전면 측 상에 배열된다. 특히, 전면 측 상의 게이트들은 드리프트 게이트 및/또는, 전체적으로 또는 부분적으로 노출된 변조 게이트들을 남기는 스톱(stop)에 의해 커버될 수 있다. 이것은 정의된 신호-캐리어 발생을 드리프트 게이트 및/또는 변조 게이트들 아래의 영역에서 초래할 수 있다.

특히, 방사선을 전면 측 또는 후면 측을 통해 흡수하는(taking-in) TOF 거리 센서가 제공될 수 있다. 특히, 수신 센서는 반도체 기판을 공핍시키는(depleting) 후면 측 컨택트를 포함할 수 있다. 특히, 이 때문에, 게이트들 또는 후면 측 컨택트는 방사선에 전체적으로 또는 부분적으로 투명할 수 있다.

특히, 이것은 신호 캐리어들 및/또는 전하 캐리어들 및/또는 광전자들의 레벨 상의 상관값들 및/또는 차이 상관값들이 특히 아날로그(analog) 방식으로 형성될 수 있는 방법이다. 특히, 차이 형성은 적어도 부분적으로 아날로그식일 수 있고, 특히 적어도 부분적으로 신호 캐리어들의 레벨 상에 발생할 수 있고, 특히 적어도 부분적으로 광전자들의 레벨 상에 발생할 수 있다. 특히, 상관값들 및/또는 차이 상관값들은 신호 캐리어들 및/또는 전하 캐리어들의 레벨 상에, 특히 전하량으로서, 특히 더 저장 게이트들 아래의 전하로서 존재할 수 있다.

2개의 변조 게이트들 및 2개의 전송 게이트들에 의해 가장 최근에 명시된 TOF 거리 측정 유닛은 때때로 또한 문헌에서 2-탭 로크 인 픽셀로 언급된다.

4개의 변조 게이트들 및/또는 4개의 전송 게이트들을 포함하는 4-탭 로크 인 픽셀이 또한 실현가능하다. 4-탭 로크 인 픽셀에 대해, 램프 장치는 이 때 변조 게이트 및 전송 게이트의 2개의 구조들에 대하여 각각의 경우에, 즉 순차적으로 또는 2개의 병렬 램프 장치들과 함께 사용될 것이다.

TOF 거리 센서는 3D 이미지를 발생시키는 픽셀 매트릭스를 형성하는 복수의 수신 센서들을 포함하는 것이 바람직하다.

거리 센서를 동작시키는 본 발명에 따른 방법은 이하의 방법 단계들을 포함한다: (Ⅰ) 광 소스로부터 방사선을 방출하는 단계, - 방사선은 변조 신호에 의해 변조됨 - ; (Ⅱ) 대상에 의해 반사된 방출된 방사선을, 광 소스에 대해 미리 결정된 공간 관계를 갖는 수신 센서에 의해 수신하는 단계; (Ⅲ) 서로에 대해 위상 시프트되고 변조 신호와 동일한 주기를 갖는 4개의 상관 신호들을 형성하는 단계; (Ⅳ) 4개의 상관값들을 형성하기 위해, 수신된 방사선 또는 등가 변수를 4개의 상관 신호들과 상관시키는 단계; (Ⅴ) 2개의 차이 상관값들을 형성하기 위해 각각 2개의 상관값들 사이의 차이를 형성하는 단계; (Ⅵ) 대상으로부터의 거리를 2개의 차이 상관값들에 관한 선형 의존성에 의해 계산하는 단계.

특히, 방법 단계들은 실질적으로 연속적으로 수행될 수 있다. 특히, 방법 단계들은 주기적으로 수행될 수 있다. 특히, 광 소스는 방사선을 특정 측정 지속 기간 동안 방출한 다음에 계산들이 수행되는 추가 특정 계산 지속 기간 동안 중단(pause)한 후에, 처음부터 사이클을 재시작할 수 있다. 특히, 측정 지속 기간은 변조 신호의 1000 주기의 지속 기간을 가질 수 있다. 특히, 측정 신호의 주기 지속 기간은 20 ㎒일 수 있다.

특히, 사이클 지속 기간은 20 ms일 수 있다. 특히, 사이클의 일부 방법 단계들은 전체적으로 또는 부분적으로 병렬, 예를 들어 방출 및 수신으로 수행될 수 있다. 특히, 2개의 연속적 사이클들의 일부 방법 단계들은 전체적으로 또는 부분적으로 병렬, 예를 들어 방출 및/또는 수신 및/또는 후속 사이클의 상관값 및/또는 상관의 형성과 함께 이전 사이클의 차이 형성 및/또는 계산으로 수행될 수 있다.

상관 신호들은 서로에 대해 1/4 주기만큼 각각 위상 시프트되는 것이 바람직하며/하거나 상관 신호는 변조 신호와 동일한 위상을 갖는 것이 바람직하다.

차이는 상관값들로부터 각각 형성되며, 그의 연관된 상관 신호들은 1/2 주기만큼 위상 시프트되는 것이 바람직하다.

특히, 2 사이클들, 특히 2 시간 오프셋 사이클들은 2-탭 로크 인 픽셀의 경우에 수행될 수 있다. 여기서, 2개의 게이트 구조들에 따르면, 제1 사이클은 제1 차이 상관값을 형성하기 위해 1/2 주기만큼 위상 시프트되는 2개의 제1 상관 신호들을 사용한다. 제2 사이클은 제2 차이 상관값을 형성하기 위해 제1 사이클의 상관 신호들에 대해 1/2 주기만큼 위상 오프셋되고 1/4 주기만큼 오프셋되는 2개의 상관 신호들을 사용한다. 그러므로, 차이 상관값들 둘 다가 존재하고 거리가 계산될 수 있다. 제1 및 제2 사이클로부터 설정되는 사이클은 이제 새로운 측정에 대해 새로이 구현될 수 있다. 이것은 시간 분해(time-resolved) 거리 측정을 가능하게 한다. 도면들의 설명에서, 사이클들은 측정 위상들(measurement phases)로 언급된다.

계산(Ⅵ) 전에, 본 발명에 따른 방법은 계산을 4개의 상이한 선형 의존성들 중 하나와 연관시키기 위해 사례 구별을 2개의 차이 상관값들의 함수로서 수행하는 것이 바람직하다.

차이 형성은 적어도 부분적으로 아날로그식(analog)이고, 특히 적어도 부분적으로 신호 캐리어들의 레벨 상에 발생하고, 특히 적어도 부분적으로 광전자들의 레벨 상에 발생하고, 특히 전하 영역에 발생하되, 특히 상관값들에 대응하는 2개의 전하량들(amounts of charge)을 전하 영역에 형성하기 위해 수신된 방사선을 방사선에 의해 발생되는 신호 캐리어들의 공간 분리에 의해 4개의 상관 신호들과 상관시키고, 사이퍼닝된(siphoned) 전하량이 차이 상관값에 대응하도록 2개의 전하량들이 같아질 때까지 2개의 전하량들 중 하나로부터 전하를 사이퍼닝함으로써 발생하는 것이 바람직하다.

장점은 개선된 신호 대 잡음비 및/또는 증가된 동적 범위일 수 있다.

4개의 선형 함수들을 예시하기 위해, 상술한 변수들에는 이하의 지정들이 제공된다:

상관값들(A0, A1, A2 및 A3)은 그들을 형성하는 상관 신호를 참조한다:

A0: 변조 신호에 대해 오프셋되지 않은 상관 신호로부터

A1: 변조 신호에 대해 1/4 주기만큼 오프셋되는 상관 신호로부터

A2: 변조 신호에 대해 1/2 주기만큼 오프셋되는 상관 신호로부터

A3: 변조 신호에 대해 3/4 주기만큼 오프셋되는 상관 신호로부터

연관된 상관값들을 갖는 차이 상관값들(C0 및 C1):

거리 대신에, 방출된 방사선에 대해 수신된 방사선의 위상 지연(dPhi)을 계산하는 함수들이 명시된다. 정확한 거리로의 변환은 방출된 방사선의 변조 신호의 변조 주파수로부터 나온다. 예로서, 2개의 차이 상관값들의 함수로서, 4개의 선형 함수들은 이하와 같이 나온다:

C0>0 및 C1>0는

을 암시하고,

C0>0 및 C1<0는

을 암시하고,

C0<0 및 C1>0는

를 암시하며,

C0<0 및 C1<0는

를 암시한다.

대상과 TOF 거리 센서 사이의 거리(D)는 방사선 소스로부터 대상을 통해 반도체 기판으로의 이동된 광 경로의 거리의 반으로부터 나온다. 거리는 이하와 같이 수(Pi), 광속(c) 및 변조 주파수(f)와 함께 위상 지연(dPhi)으로부터 나온다:

본 발명의 장점들은 하드웨어 복잡성의 감소, 신호 대 잡음비의 개선, 동적 범위의 증가, 처리 속도의 증가, 프레임 레이트의 증가, 계산 복잡성의 감소, 센서 치수들의 감소 및/또는 칩의 레벨 상의 더 많은 집적을 나타낼 수 있다.

본 발명의 추가 특징들은 도면들에 명시된다.

본 발명은 이하 도면들과 함께 예시적 실시예에 기초하여 더 상세히 설명될 것이다. 여기서, 개별 도면의 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들을 나타낸다.
도 1은 대상과 함께 TOF 거리센서를 도시한다.
도 2는 상관 장치 및 차이 형성 장치의 부품과 함께 수신 장치를 도시한다.
도 3은 TOF 거리 센서를 동작시키는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 4는 방출된 방사선과 수신된 방사선의 강도 프로파일들을 도시한다.
도 5는 상관 신호들의 신호 프로파일들을 도시한다.
도 6은 제1 예시적 측정 위상 동안 수신 센서의 좌측의 값 프로파일들을 도시한다.
도 7은 제1 예시적 측정 위상 동안 수신 센서의 우측의 값 프로파일들을 도시한다.
도 8은 제1 측정 위상 동안 전하 차이 프로파일을 도시한다.
도 9는 제1 측정 위상 동안 정규화된 전하 차이 프로파일을 도시한다.
도 10은 제2 예시적 측정 위상 동안 수신 센서의 좌측의 값 프로파일들을 도시한다.
도 11은 제2 예시적 측정 위상 동안 수신 센서의 좌측의 값 프로파일들을 도시한다.
도 12는 제2 측정 위상 동안 전하 차이 프로파일을 도시한다.
도 13은 제2 측정 위상 동안 정규화된 전하 차이 프로파일을 도시한다.
도 14는 합산된 정규화 함수의 프로파일을 도시한다.
도 15는 계산 장치의 선형 함수들을 도시한다.

도 1은 대상(30)과 함께 TOF 거리 센서(10)를 도시한다. 대상은 TOF 거리 센서로부터 떨어져 있다. 예로서, 방사선 소스(20)는 LED 또는 복수의 LED들의 배열이다. 방사선 소스는 전자 장치(13)에 의해 작동되며, 전자 장치는 방사선 소스를 변조 신호로서의 직사각형 신호에 의해 변조 방식으로 동작시킨다. 예로서, 방사선 소스는 단색 IR 광(21)을 방출하며, 단색 IR 광은 대상(30)에서 확산 반사되고 반사된 방사선(31)으로서 수신 장치(40) 상에 충돌한다. 수신 장치에서, 수신된 방사선은 유도된 광전자들의 값 프로파일 및 따라서 수신된 방사선에 대한 신호 프로파일을 발생시킨다. 상관 장치(60)는 수신 장치(40)에 연결되고 수신된 방사선 강도의 시간 값 프로파일을 수용한다(accept). 전자 장치는 각각 2개의 측정 위상들에 대한 2개의 상관 신호들을 형성하며, 상관 신호들은 각각 상관 장치에 의해 수용된다. 각각의 경우에, 상관 장치는 상관 신호들을 수신 장치로부터의 신호 프로파일과 상관시키고 2개의 상관값들을 각각의 경우에 발생시킨다. 차이 형성 장치(70)는 상관 장치에 연결되고 각각 2개의 상관값들을 수용하며 각각의 경우에 2개의 상관값들의 차이로부터 각각 2개의 차이 상관값들을 형성한다. 계산 장치(80)는 상관 장치에 연결되고 2개의 측정 위상들로부터 2개의 차이 상관값들을 수용하며 TOF 거리 센서로부터 대상의 거리를 계산한다. 전자 장치(13), 수신 장치(40), 상관 장치(60), 차이 형성 장치(70) 및 계산 장치(80)는 칩 상에 집적되고 결합된 CMOS/CCD 방법으로 구체화된다. 칩 및 방사선 소스(20)는 홀더(11) 상에 배열되고 하우징(12)에 의해 둘러싸여진다. 방사선 소스 및 수신 장치는 각각 광 장치(도면에 예시되지 않음)을 가지며, 광 장치는 대상들의 거리가 결정될 공간의 방향으로 포커싱된다.

방출된 방사선(21)은 860 nm의 파장을 갖고 20 MHz의 직사각형 신호에 의해 펄스화된다. 수신 장치(40)의 의해 수신되는 반사된 방사선은 20 MHz의 직사각형 신호에 의해 계속 펄스화되고 광 경로의 시간까지 방사선 소스(20)에 의해 방출되는 방사선의 변조 신호에 대해 위상 시프트된다. 방출된 직사각형 신호와 수신된 직사각형 신호 사이의 위상 시프트는 TOF 거리 센서와 대상 사이의 거리의 두 배에 대응한다.

도 2는 반도체 칩에 집적되는 상관 장치(60) 및 차이 형성 장치(70)의 부품과 함께 수신 장치(40)를 도시한다. 수신 장치(40)는 2000 Ohm cm 이상의 특정 전기 시트 저항률을 갖는 낮게 n-도핑된 플로트 구역 실리콘 반도체 기판(42)을 갖는다. 반도체 기판의 표면 상에 드리프트 게이트(44)가 배열되고 각각 1개의 변조 게이트(61), 1개의 저장 게이트(62), 1개의 전송 게이트(71) 및 1개의 플로팅 확산부(72)가 양측 상에 대칭 배열로 배열되고 서로부터 각각 이격되어 있다. 이것에 적절한 층 및 컨택트들은 예시되지 않았다. 스톱(41)은 게이트들 위에 배열되며, 스톱은 애퍼처를 드리프트 게이트의 영역에 갖고 반도체 기판이 각각의 게이트들 아래에 놓여 있는 상태에서, 저장 게이트들, 전송 게이트들 및 플로팅 확산부를 입사 반사된 방사선(23)으로부터 셰도잉한다. 반도체 기판은 적어도 드리프트 게이트 아래에서 공핍된다. 양의 전위가 드리프트 게이트(44)에 인가되고 후자는 공간 전하 구역을 반도체 기판에 형성한다.

애퍼처를 통해 드리프트 게이트 아래의 반도체 기판에 침투하는 반사된 IR 방사선(31)은 전자/정공 쌍(43)을 반도체 기판(42)에서 유도한다.

드리프트 게이트(44)에 의해 형성되는 공간 전하 구역의 결과로서, 광전자들은 드리프트 게이트에 끌어당겨진다. 드리프트 게이트는 거의 4 V의 전위를 갖는다. 끌어당겨진 광전자들의 수는 수신된 방사선 강도에 비례한다.

변조된 전위가 변조 게이트들(61)에 인가될 수 있으며, 변조 전위의 최대값은 드리프트 게이트의 전위와 저장 게이트의 전위 사이에 있고 변조 전위의 최소값은 드리프트 게이트의 전위 아래에 있다. 변조 게이트의 전위는 예를 들어 0 V와 5 V의 값들 사이에서 변조된다. 2개의 변조 게이트들은 역전위들(inverse potentials)에 의해 상호 동작된다. 이것은 하나의 변조 게이트의 전위가 양일 때 다른 변조 게이트의 전위가 0 V이고, 역도 또한 같은 것을 의미한다. 그 다음, 0 V의 전위는 항상 한 변조 게이트에 인가되고 5 V의 전위는 항상 다른 변조 게이트에 인가된다. 이 경우에, 전위 최소값, 즉 0 V는 광전자들에 대한 전위 장벽을 드리프트 게이트 아래에 초래하므로, 어떤 광전자들도 변조 게이트와 연관되는 저장 게이트에 도달할 수 없다. 이 경우에, 전위 최대값, 즉 5 V는 광전자들의 드레인을 드리프트 게이트 아래에서, 변조 게이트를 지나서 및 연관된 저장 게이트로 초래한다.

상호 역의 관계인 직사각형 신호들에 각각 대응하는 전위를 2개의 변조 게이트들에 각각 인가하는 결과로서, 수신된 방사선 강도에 의해 발생되는 광전자들의 흐름은 스위치처럼 제어된다. 변조 게이트들 아래에서 이와 같이 발생되는 이 광전자들의 흐름은 수신된 방사선 신호와 대응하는 직사각형 신호들의 곱셈(multiplication), 즉 상관에 대응한다. 여기서, 직사각형 신호들은 상관 신호의 성질을 갖고 여기서 상관 신호로 지칭된다.

여기서 도시된 상관 장치의 설계의 결과로서, 직사각형 신호들 대신에 상관 신호들로서 사용되는 정현파 신호들은 광전자들에 대한 디지털 스위치로서의 역할을 하는 것이 또한 가능하다. 그러므로, 정현파 상관 신호들은 또한 이 경우에 직사각형 신호들처럼 작용한다. 따라서, 또한 이 경우에 정현파 상관 신호들을 사용하고, 계산의 목적들을 위해, 아래에 유도되는 선형 의존성의 유효성이 변하는 것없이 이들을 직사각형 신호들로 간주하는 것이 가능하다. 이것은 상관 신호들로서 2개의 값들 사이에서 주기적으로 교호하는 모든 파형들에 적용된다. 특히, 상관 신호들은 주기적 교호 방식으로, 변조 게이트들의 대응하는 전위가 광전자들을 상술한 스위치에 따라 저장 게이트들 아래에 안내하도록 임계값 위 및 아래에서 주기적으로 교호하는 파형을 가질 수 있다.

더 높은 전위는 드리프트 게이트(44)보다 저장 게이트들(62)에 인가되고 상기 저장 게이트들은 광전자들(43, 45)을 변조 게이트들의 상태에 따라 그들 자체 아래에서 번갈아 수집한다. 저장 게이트들은 예를 들어 10 V의 전위를 갖는다. 광전자들(45)에 의해 저장 게이트들(62) 아래에서 수집되는 전하들은 상관값들에 대응한다. 그러므로, 상관값들은 전하 영역에 존재한다. 대응하는 저장 게이트들 아래에서 광전자들의 수집은 상관 신호 및 수신된 방사선 신호의 상술한 상관의 시간에 대한 적분에 대응한다.

따라서, 측정가능 방식으로 존재하는 상관값들은 이하와 같이 후속 논의를 위해 도 5에 따른 특정 상관 신호들에 기초하여 정의된다:

A0: 변조 신호에 대해 오프셋되지 않는 상관 신호(501)로부터

A1: 변조 신호에 대해 1/4 주기만큼 오프셋되는 상관 신호(502)로부터

A2: 변조 신호에 대해 1/2 주기만큼 오프셋되는 상관 신호(503)로부터

A3: 변조 신호에 대해 3/4 주기만큼 오프셋되는 상관 신호(504)로부터

한편, 저장 게이트 아래에서 수집되는 광전자들을 검출하기 위해, 변조 게이트들의 전위는 광전자들에 대한 전위 장벽을 드리프트 게이트의 방향으로 형성하도록 0 V에 설정된다. 다른 한편, 전송 게이트들의 전위는 광전자들의 제한된 드레인을 플로팅 확산부들의 방향으로 가능하게 하기 위해 범위의 중간값, 예를 들어 6 V로 상승된다.

이제, 거의 10 V의 저장 게이트들 둘 다의 양의 전위는 타임 슬로프에 의해 병렬로 하강된다. 저장 게이트들에 인가되는 감소하는 양의 전위 및 그 아래에 위치되는 전하의 음의 전위로부터, 공정에서 변하는 추가 전위는 전하가 전송 게이트들을 통해 드레이닝될 수 있는지를 판단한다. 여기서, 감소 공정은 3개의 위상들로 분할된다. 타임 슬로프의 제1 위상에서, 상술한 추가 전위는 여전히 저장 게이트들 둘 다에 대한 전송 게이트의 일정하게 같은 양의 전위보다 더 양이고 어떤 전하도 드레이닝되지 않는다. 타임 슬로프의 후속 제2 위상에서, 상술한 추가 전위는 한 저장 게이트에 대한 전송 게이트의 일정하게 같은 양의 전위보다 더 양이고 다른 저장 게이트에 대한 이것보다 더 음이다. 결과적으로, 전하는 더 양의 추가 전위를 갖는 저장 게이트 아래에서 연관된 플로팅 확산부로 연관된 전송 게이트를 통해 드레이닝되므로, 추가 전위는 대응하는 전송 게이트의 전위와 한 번 더 같아진다. 타임 슬로프의 최종 제3 위상에서, 저장 게이트들 둘 다에 대한 상술한 추가 전위들은 일정하게 같은 전위들보다 더 크다. 결과적으로, 전하들은 저장 게이트들 둘 다 아래에서 각각 연관된 플로팅 확산부로 각각 연관된 전송 게이트를 통해 드레이닝된다. 타임 슬로프는 제3 위상의 온셋에 따라 직접 정지되며, 즉 저장 게이트들의 전위는 본래 제2 위상으로부터의 전하 드레인만이 적절하도록 더 이상 하강되지 않는다. 그러므로, 하전된 플로팅 확산부에 현재 존재하는 전하량은 2개의 저장 게이트들로부터의 전하량의 차이에 대응한다. 따라서, 타임 슬로프는 전하량들의 감산을 2개의 저장 게이트들 아래에서 수행한다. 상기 설명된 바와 같이, 타임 슬로프를 수행하기 전에 2개의 저장 게이트들 아래에서 수집되는 전하량은 대응하는 상관값들에 대응한다. 그러므로, 하나의 하전된 플로팅 확산부의 전하량은 상술한 타임 슬로프를 수행한 후에 대응하는 차이 상관값에 대응한다.

하나의 하전된 플로팅 확산부 내의 전하량은 이제 소스 폴로어에 의해 대응하는 전압으로 변환되고 그 후에 AD 변환기(아날로그/디지털 변환기)에 의해 대응하는 디지털값으로 변환된다. 이 디지털 차이 상관값은 추가 계산들을 위하여 계산 장치에 송신된다.

이하의 설명들을 위해, 차이 상관값들은 이하와 같이 그것들을 형성하는 상관값들에 기초하여 정의된다:

계산 장치는 수신 장치, 상관 장치 및 차이 형성 장치와 동일한 반도체 칩 상에 구현되는 디지털 회로이다. 특히, 수신 장치, 전자 장치, 상관 장치, 차이 형성 장치 및 계산 장치는 CMOS/CCD 기술로 단일 반도체 칩 상에, 특히 시스템 온 칩으로서 배열된다.

도 3은 도 1 및 도 2에 따른 TOF 거리 센서를 동작시키는 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.

전자 장치(13)는 직사각형 신호를 변조 신호로서 발생시킨다(100). 변조 신호는 TOF 거리 센서 외부에 공급될 수도 있다. 변조 신호는 광 방출(200)을 변조하는 방사선 소스(20) 및 4개의 상관 신호들을 형성하는(500) 상관 장치(60) 둘 다에 동기적으로 송신된다. 대상(30) 상에서, 변조된 광은 반사된 광이 수신되는(400) 수신 장치의 방향으로 반사(300)를 겪는다. 수신된 광의 신호 정보 및 4개의 상관 신호들 둘 다는 상관(600) 목적들을 위해 상관 장치(60)에 송신된다. 상관 장치(60)는 수신된 광의 신호 정보를 상관 신호들과 상관시키고 그것으로부터 4개의 상관값들을 발생시킨다. 4개의 상관값들은 상관 장치(60)로부터 차이 형성(700) 목적들을 위해 차이 형성 장치(70)로 송신된다. 차이 형성 장치는 각각 2개의 상관값들의 차이로부터 2개의 차이 상관값들을 형성하고 이 2개의 차이 상관값들을 계산(800) 목적들을 위해 계산 장치(80)에 송신한다. 계산(800) 목적들을 위해, 계산 장치(80)는 2개의 차이 상관값들에 기초하여 사례 구별(801)을 초기에 형성하고, 4개의 선형 함수들 중 하나에 따라, 계산 목적들을 위한 2개의 차이 상관값들을 일정한 선형 함수에 할당한다(802). 결과적으로, 연관된 일정한 선형 함수와 2개의 차이 상관값들로부터의 계산(802)은 거리(900)에 대한 값을 제공하며, 이는 방법에 의해 출력된다.

이하의 본문에서, 도 4 내지 도 15는 값 프로파일들에 기초하여 방법을 상세히 도시한다.

전자 장치(13)는 직사각형 신호(100)를 0 및 1의 값들, 20 MHz의 주파수 및 50%의 듀티 사이클을 갖는 변조 신호(101)로서 형성한다(도 4).

변조 신호(101)는 방사선 소스(20)에 의해 방출되는 광(201)을 변조 신호(101)와 동일한 위상을 갖는 펄스형 방식으로 변조한다. 대상(30)에서, 방출된 방사선(21)은 수신 장치(40)의 방향으로 반사(300)를 겪으며, 수신 장치는 반사된 광의 광 수신(400)을 위해 설계된다.

이동된 거리에 따르면, 수신된 광은 방출된 광에 대해 위상 시프트를 갖는다. 이하의 본문에서, 수신된 광(401)에 대한 1/2 pi의 위상 시프트(도 4)는 예시적 방식으로 가정된다.

방법 단계들 200 내지 700, 즉 직사각형 신호(100) 또는 변조 신호(101)를 발생시킨 후 계산(800) 전까지의 방법 단계들은 2개의 분리 측정 위상들에서 수행되며, 측정 위상들은 2개의 차이 상관값들 중 하나를 각각 제공한다.

제1 측정 위상에서, 상관 장치(60)의 일부로서의 전자 장치(13)는 변조 신호(101)로부터 2개의 상관 신호들(501 및 502)을 발생시킨다. 제1 상관 신호(501)는 변조 신호(101)와 동일한 위상을 갖는 한편, 제2 상관 신호(502)는 변조 신호에 대해 pi의 위상 시프트를 갖는다(도 5). 그러므로, 2개의 상관 신호들은 서로에 대해 반전된다(inverted).

상관 장치의 추가 부품으로서의 좌측 및 우측 변조 게이트들은 현재 특정 측정 시간의 지속 기간 동안 변조되는 제1 및 제2 상관 신호에 따른다. 도 6은 좌측 변조 게이트의 전위의 위상 프로파일(501) 및 좌측 변조 게이트로부터 연관된 저장 게이트로 송신되는 전하의 위상 프로파일(601)을 도시한다. 도 7은 우측 변조 게이트의 전위의 위상 프로파일(501) 및 우측 변조 게이트로부터 연관된 저장 게이트로 송신되는 전하의 위상 프로파일(602)을 도시한다. 도 2에 대한 설명들에 따르면, 전하들은 연관된 저장 게이트들 아래에서 수집된다.

측정 시간이 만료된 후에 저장 게이트들 아래의 전하량들은 타임 슬로프에 의해 감산되고, 도 2에 대한 설명들에 따르면, 제1 차이 상관 계수를 제공하며, 제1 차이 상관 계수는 계산(800) 목적들을 위해 계산 장치(80)에 공급된다. 계산 장치는 제1 차이 상관 계수를 중간 스토리지에 저장한다.

제2 측정 위상에서, 상관 장치(60)의 일부로서의 전자 장치는 변조 신호(101)로부터 2개의 다른 상관 신호들(503 및 504)을 발생시킨다. 제3 상관 신호(503)는 변조 신호(101)에 대해 pi/2의 위상 시프트를 갖는 한편, 제4 상관 신호(504)는 변조 신호(101)에 대해 3/2 pi의 위상 시프트를 갖는다. 그러므로, 2개의 상관 신호들은 서로에 대해 반전된다. 제2 측정 위상의 추가 진행은 제1 측정 위상의 것에 대응한다.

도 10은 좌측 변조 게이트의 전위의 위상 프로파일(503) 및 좌측 변조 게이트로부터 연관된 저장 게이트로 송신되는 전하의 위상 프로파일(603)을 도시한다. 도 11은 우측 변조 게이트의 전위의 위상 프로파일(504) 및 우측 변조 게이트로부터 연관된 저장 게이트로 송신되는 전하의 위상 프로파일(604)을 도시한다.

이것은 제2 차이 상관값이 아날로그(analog) 방식으로 나오는 방법이며; 그것은 마찬가지로 계산 목적들을 위해 계산 장치(80)에 공급된다. 그러므로, 계산 장치는 제2 측정 위상 후에 제1 및 제2 차이 상관값을 갖는다.

결과적으로, 2개의 측정 위상들이 완료되고 계산(800)이 발생할 수 있다.

이하의 본문에서, 측정의 일반적 맥락은 도 15의 선형 함수의 도출이 논의되기 전에 초기에 설명될 것이다.

동일한 합산 시간의 결과로서, 변조 게이트들 각각으로부터 저장 게이트 각각으로 송신되는 전하에 대한 도시된 위상 프로파일들(601, 602, 603, 604)은 타임 슬로프를 통해 그 비교 및 감산 전에 저장 게이트들의 전하에 대한 시간 프로파일에 관하여 대응하고 이 경우에 방출된 방사선과 수신된 방사선 사이의 pi/2의 위상 차이에 대한 예시적 방식으로 예시되는 도 4에 따른다.

도 6, 도 7, 도 10, 도 11은 이제 저장 게이트들 아래에서 수집되는 전하량의 프로파일, 즉 상관값들(611, 622, 633, 644)의 프로파일을 지연, 즉 위상 시프트, 즉 방출된 방사선과 수신된 방사선(일 예로서 도 4의 201과 401) 사이의 위상 차이의 함수로서, 즉 대상으로부터의 거리의 함수로서 도시한다.

도 8 및 도 12는 이제 동일한 측정 위상의 상관값들로부터의 차이 형성에 의해 생성되고, 각각의 측정 위상에서 기인하는 차이 상관값(701 및 702)의 프로파일을 방출된 방사선과 수신된 방사선 사이의 위상 차이의 함수로서 도시한다. 여기서, 차이 상관값(701)(도 8)의 프로파일은 상관값들(611 및 622)(도 6 및 도 7)의 프로파일들의 차이에서 나온다. 여기서, 차이 상관값(702)(도 12)의 프로파일은 상관값들(633 및 644)(도 10 및 도 11)의 프로파일들의 차이에서 나온다.

도 14는 2개의 차이 상관값들(701 및 702)의 프로파일들의 절대값들의 추가를 방출된 방사선과 수신된 방사선 사이의 위상 차이의 함수로서 도시한다. 1/2의 값을 갖는 일정한 위상 프로파일(799)이 발생한다. 그러므로, 2개의 차이 상관값들의 위상 프로파일들의 절대값들의 합은 차이 상관값들에 대한 적절한 정규화 함수를 제공한다.

2개의 정규화된 차이 상관값들(∥C0∥ 및 ∥C1∥)은 이하와 같이 2개의 차이 상관값들(C0 및 C1) 및 정규화 함수(｜C0｜ + ｜C1｜)에서 나오며, " ｜...｜"은 절대값 함수를 나타낸다:

이 정규화의 결과로서 나오는 것은 방출된 방사선과 수신된 방사선 사이의 위상 차이의 함수로서 각각 도 9에 도시된, 정규화된 제1 차이 상관 계수(711)의 프로파일 및 도 13에 도시된, 정규화된 제2 차이 상관값(722)의 프로파일이다.

정규화는 측정된 변수들의 시스템 편차들이 계산된 변수를 변경하지 않는다는 점에서 유리할 수 있다. 예로서, 시스템 편차는 거리의 함수로서 수신된 방사선 강도의 변경일 수 있다.

도 15는 선형 함수들의 타당한 도출을 도시한다.

도 15a는 도 9 및 도 13으로부터의 2개의 정규화된 차이 상관값들의 2개의 프로파일들을 공통 예시로, 방출된 방사선과 수신된 방사선 사이의 위상 차이의 함수로서 도시한다.

위상 차이의 값 범위는 4개의 영역들로 세분화되며, 4개의 영역들은 위상 차이의 값 범위 내의 차이 상관값들의 부호들의 상이한 결합들에 각각 대응한다.

차이 상관값들의 부호들의 이렇게 상이한 결합들은 사례 구별(801)을 위한 기초를 형성한다. 각각의 부호들은 측정된 전압의 부호로서 또는 우측 또는 좌측 저장 게이트가 더 많은 전하를 포함했는지에 관한 명세로서 존재하는 것이 특히 유리하다.

도 15b는 단조 선형 함수가 생성되도록 2개의 차이 상관값들의 프로파일의 부분 간격들이 이제 새롭게 집합되는 방식을 도시한다. 2개의 차이 상관값들은 C0 및 C1에 의해 표시된다. 2개의 정규화된 차이 상관값들은 ∥C0∥ 및 ∥C1∥에 의해 표시된다. 4개의 영역들에 대해, 합들 dPhi는 이하와 같이 나온다:

C0>0 및 C1>0 =>

C0<0 및 C1>0 =>

C0<0 및 C1<0 =>

C0>0 및 C1<0 =>

4개의 영역들은 전반적으로 일정한 선형 방식으로 0에서 pi까지의 위상 범위 및 0 내지 8의 합들에 걸쳐 연장된다.

도 15c는 도 15b와 동일한 위상 프로파일을 도시한다.

도 15d는 위상 범위 및 값 범위가 각각 1로 정규화되는 상태에서, 도 15b와 같은 위상 프로파일을 도시한다. 4개의 영역들에 대해, 합들이 이하와 같이 나온다:

C0>0 및 C1>0 =>

C0<0 및 C1>0 =>

C0<0 및 C1<0 =>

C0>0 및 C1<0 =>

그러므로, 이 부호들을 조정한 후에, 합들은 이하와 같이 나온다:

C0>0 및 C1>0 =>

C0<0 및 C1>0 =>

C0<0 및 C1<0 =>

C0>0 및 C1<0 =>

이들은 이미 앞서 명시되었된 이하의 식에서 임의의 차이 상관값들으로부터의 거리값을 결정하는 선형 함수들이다:

10: TOF 거리 센서
11: 홀더
12: 하우징
13: 전자 장치
20: 방사선 소스
21: 방출된 방사선
30: 대상
31: 반사된 방사선
40: 수신 장치
41: 스톱
42: 반도체 기판
43: 전자/정공 쌍
44: 드리프트 게이트
45: 광전자들
60: 상관 장치
61: 변조 게이트
62: 저장 게이트
70: 차이 형성 장치
71: 전송 게이트
72: 플로팅 확산부
80: 계산 장치
100: 직사각형 신호 발생
200: 광 방출
300: 반사
400: 광 수신
500: 4개의 상관 신호들의 형성
600: 상관
700: 차이 형성
800: 계산
801: 사례 구별
802: 일정한 선형 함수들을 사용하는 계산
900: 거리 측정값의 출력
101: 변조 신호
201: 방출된 광 신호
401: 수신된 광 신호(예)
501: 상관 신호 1(위상 시프트 없음)
502: 상관 신호 2(pi의 위상 시프트)
503: 상관 신호 3(1/2 pi의 위상 시프트)
504: 상관 신호 4(3/2 pi의 위상 시프트)
601: 상관값 1(예)
602: 상관값 2(예)
603: 상관값 3(예)
604: 상관값 4(예)
611: 상관값 1
622: 상관값 2
633: 상관값 3
644: 상관값 4
701: 차이 상관값 1
711: 정규화된 차이 상관값 1
702: 차이 상관값 2
722: 정규화된 차이 상관값 2
799: 정규화 함수

Claims

대상(object)으로부터 거리를 측정하는 TOF 거리 센서로서,
변조 신호를 발생시키고, 서로에 대해 위상 시프트되고 상기 변조 신호와 동일한 주기를 갖는 4개의 상관 신호들을 발생시키는 전자 장치;
상기 변조 신호에 의해 변조되는 방사선을 방출하는 방사선 소스;
상기 방사선 소스에 대해 미리 결정된 공간 관계를 갖고, 상기 대상에 의해 반사되는 방사선을 수신하는 수신 장치;
4개의 대응하는 상관값들을 형성하기 위해, 상기 수신된 방사선 또는 대응하는 변수를, 각각 상기 4개의 상관 신호들 중 각각 하나와 상관시키는 상관 장치;
상기 상관값들 중 각각 2개의 상관값 사이의 차이로부터 2개의 차이 상관값들을 형성하는 차이 형성 장치(difference-forming apparatus); 및
상기 거리를 상기 2개의 차이 상관값들에 관한 미리 결정된 선형 의존성에 의해 계산하도록 구체화되는 계산 장치
를 포함하는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
제1항에 있어서, 상기 변조 신호 및/또는 상기 4개의 상관 신호들은 직사각형(rectangular) 신호들로서 구체화되는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상관 신호들은 서로에 대해 1/4 주기만큼 각각 위상 시프트되며/되거나 상관 신호가 상기 변조 신호와 동일한 위상을 갖는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차이 형성 장치는 각각의 경우에 상관값들로부터 차이를 형성하도록 설계되고, 상관값과 연관된 상관 신호들은 1/2 주기만큼 위상 시프트되는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계산 장치는,
상기 2개의 차이 상관값들의 함수로서 적어도 2개의 상이한 선형 의존성들과 연관시키고,
상기 거리를 상기 연관의 함수로서 계산하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수신 장치는,
신호 캐리어들, 특히 광전자들을 발생시키는 감광성 영역을 갖는 기판을 포함하며/하거나,
상기 신호 캐리어들을 전송하는 드리프트 필드(drift field)를 발생시키는 드리프트 게이트를 포함하며/하거나;
상기 상관 장치는,
상기 상관 신호들 중 하나의 상관 신호의 함수로서 상기 신호 캐리어들의 공간 분리가 착수되는 것에 의해 상기 수신된 방사선을 상기 상관 신호들 중 적어도 1개와 상관시키는 적어도 1개의 변조 게이트 및/또는,
상기 상관값들 중 하나를 형성하기 위해, 상관 신호에 따라 공간적으로 분리된 상기 신호 캐리어들을 시간적으로 합산하는 적어도 1개의 저장 게이트 및/또는,
다른 상관값을 보유하는 적어도 1개의 저장 요소, 특히 추가 저장 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수신 장치는,
약하게 도핑된 반도체 기판을 신호 캐리어들을 발생시키는 감광성 영역으로서 포함하며/하거나,
상기 상관 장치는,
각각 1개의 상이한 상관 신호와 시간적 상관으로 상기 신호 캐리어의 공간 분리를 위한 2개의 변조 게이트들을 포함하며/하거나,
상기 변조 게이트들과 연관되고, 상기 분리된 신호 캐리어들의 분리 합산을 위한 2개의 저장 게이트들을 포함하며/하거나,
상기 차이 형성 장치는,
상기 저장 게이트들 아래에 분리되고 합산되는 신호 캐리어들을 각각의 저장 게이트들과 연관되는 2개의 전압값들로 분리 판독하고 변환하기 위해 상기 저장 게이트들과 연관되는 2개의 전송 게이트들 및/또는 플로팅 확산부들 및/또는 소스 폴로어들(source followers)을 포함하며/하거나,
상기 신호 캐리어들을 상기 판독 및 변환 전에 상기 2개의 저장 게이트들 중 제1 저장 게이트 아래에, 특히 타임 슬로프에 의해, 특히 상기 2개의 저장 게이트들의 전위들의 병렬 단계적 또는 연속적 변경에 의해, 특히 대응하는 전송 게이트를 통해, 제2 플로팅 확산부의 전위가 변경되기 시작할 때까지 2개의 플로팅 확산부들 중 대응하는 제1 플로팅 확산부로 드레이닝(draining)시키는 램프 장치(ramp apparatus)를 포함하며/하거나,
상기 제1 플로팅 확산부의 전압값으로부터 차이 상관값에 대한 값을 형성하는 A/D 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 거리 형성 장치는,
특히 더 강하게 하전된 저장 게이트와 연관되는 그 플로팅 확산부의 전하량(amount of charge)이 차이 상관값에 대응하도록 상기 램프 장치를 동작시킴으로써,
상기 차이 상관값들을 전하 영역에 형성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 3D 이미지를 발생시키는 픽셀 매트릭스를 형성하는 복수의 수신 센서들이 존재하는 것을 특징으로 하는 TOF 거리 센서.
거리 센서를 동작시키는 방법으로서,
광 소스로부터 방사선을 방출하는 단계 - 상기 방사선은 변조 신호에 의해 변조됨 - ;
대상에 의해 반사된 상기 방출된 방사선을, 상기 광 소스에 대해 미리 결정된 공간 관계를 갖는 수신 센서에 의해 수신하는 단계;
서로에 대해 위상 시프트되고, 상기 변조 신호와 동일한 주기를 갖는 4개의 상관 신호들을 형성하는 단계;
4개의 상관값들을 형성하기 위해, 상기 수신된 방사선 또는 등가 변수를 상기 4개의 상관 신호들과 상관시키는 단계;
2개의 차이 상관값들을 형성하기 위해, 각각 2개의 상관값들 사이의 차이를 형성하는 단계; 및
상기 대상으로부터의 거리를, 상기 2개의 차이 상관값들에 관한 선형 의존성에 의해 계산하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 변조 신호 및/또는 상기 4개의 상관 신호들은 직사각형 신호로서 구체화되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 상관 신호들은 서로에 대해 1/4 주기만큼 각각 위상 시프트되며/되거나 상관 신호가 상기 변조 신호와 동일한 위상을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차이는 차이 상관값들로부터 각각 형성되고, 상관값과 연관된 상관 신호들은 1/2 주기만큼 위상 시프트되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계산을 4개의 상이한 선형 의존성들 중 하나와 연관시키기 위해 상기 2개의 차이 상관값들의 함수로서 사례 구별(case distinction)을 수행하는 방법 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차이 형성은 적어도 부분적으로 아날로그식(analog)이고,
특히 적어도 부분적으로 상기 신호 캐리어들의 레벨 상에 발생하고,
특히 적어도 부분적으로 상기 광전자들의 레벨 상에 발생하고,
특히 전하 영역에 발생하되,
특히 2개가 존재하고, 상기 상관값들에 대응하는 2개의 전하량들을 상기 전하 영역에 형성하기 위해 상기 수신된 방사선을 상기 방사선에 의해 발생되는 신호 캐리어들의 공간 분리에 의해 상기 4개의 상관 신호들과 상관시키고, 사이퍼닝된(siphoned) 전하량이 상기 차이 상관값에 대응하도록 상기 2개의 전하량들이 같아질 때까지 상기 2개의 전하량들 중 하나로부터 전하를 사이퍼닝함으로써 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.