TWI802594B - 半導體本體及用於飛行時間測量的方法 - Google Patents

半導體本體及用於飛行時間測量的方法 Download PDF

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羅伯特 卡佩爾
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Abstract

一種半導體本體，其包含用於驅動光源(LS)的驅動器(DRV)、各自包含雪崩二極體(AD)的至少兩個偵測器(RD，D1至D4)、耦合至該等至少兩個偵測器(RD，D1至D4)之輸出的時間數位轉換器配置(CA，C1至C4)、耦合至該時間數位轉換器配置(CA，C1至C4)且組配為可儲存至少一直方圖的記憶體(ME，RM，M1至M4)、以及耦合至該驅動器(DRV)且耦合至該記憶體(ME，RM，M1至M4)的評估單元(EV)。

Description

半導體本體及用於飛行時間測量的方法
本揭示內容係有關於一種半導體本體、一種飛行時間感測器、以及一種用於飛行時間測量的方法。
本揭示內容有關於飛行時間測量裝置的領域。這些裝置送出光脈衝且測量它一直到反射光到達裝置之偵測器電路所花費的時間。
目標是要提供一種半導體本體、一種飛行時間感測器及一種用於飛行時間測量的方法，其允許偵測一個以上的標的。
此目標用獨立項的專利標的達成。進一步的具體實施例及開發界定於附屬項。
上述定義也適用於以下描述，除非另有說明。
在具體實施例中，一種半導體本體，其包含用於驅動光源的驅動器、各自包含至少一雪崩二極體的至少兩個偵測器、耦合至該等至少兩個偵測器之輸出的時間 數位轉換器配置、耦合至該時間數位轉換器配置且組配為可儲存至少一直方圖的記憶體、以及耦合至該驅動器及該記憶體的評估單元。
產生直方圖致使可偵測至少兩個標的或物件是有利的。
在具體實施例中，該至少一直方圖包含被該至少兩個偵測器中之一偵測器接收的資訊。另一直方圖可包含被該等至少兩個偵測器中之另一偵測器接收的資訊。
各偵測器可包含雪崩二極體或雪崩二極體陣列。該雪崩二極體陣列包含一個以上之雪崩二極體。
在具體實施例中，該半導體本體包含至少3個偵測器、至少4個偵測器或至少5個偵測器。各偵測器的輸出可耦合至該時間數位轉換器配置。
在具體實施例中，該記憶體分割成數個記憶體，記憶體部份或記憶體區。
在具體實施例中，該至少兩個偵測器實施成為第一至第四偵測器。該第一至該第四偵測器可排列成方形或條形或兩個條形。該第一至該第四偵測器可位在方形或矩形的四個角落上。該第一至該第四偵測器可位在直線上，視需要有相等的距離。將該等偵測器排列成方形或條形允許利用視差效應使測量範圍擴展到小距離。例如，該等偵測器可沿著界定方向與由該光源和該等偵測器之連接線界定之方向垂直的條形排列。
在具體實施例中，該第一至該第四偵測器、 該時間數位轉換器配置及該記憶體組配為可產生及儲存影像之4個不同區域的直方圖。這4個區域可為影像的4個象限或在軸線上直線排列的4個區域。
在具體實施例中，該時間數位轉換器配置包含至少一時間數位轉換器、至少兩個時間數位轉換器、至少3個時間數位轉換器、或至少4個時間數位轉換器。時間數位(time-to-digital)可簡寫為TD。偵測器數可等於或大於TD轉換器的個數。
在具體實施例中，該時間數位轉換器配置包含耦合至該第一至該第四偵測器且至該記憶體的第一至第四時間數位轉換器(簡稱TD轉換器或TDC)。因此，第一TD轉換器使第一偵測器耦合至記憶體且產生第一直方圖。相應地，第二至第四TD轉換器使第二至第四偵測器耦合至記憶體且產生第二至第四直方圖。
在具體實施例中，該第一至該第四時間數位轉換器中之至少一者包含耦合至該偵測器之輸入的環式振盪器，耦合至該環式振盪器之輸出的計數器、以及轉移電路。該轉移電路耦合至該環式振盪器、該計數器及該記憶體。該轉移電路可組配為可擷取該環式振盪器及該計數器的目前狀態、將擷取狀態解碼成為時間戳記、以及轉移資料至記憶體作為時間戳記的函數。在例子中，該第一至該第四時間數位轉換器中之各者包含環式振盪器、計數器與如上述之轉移電路。
在具體實施例中，該等至少兩個偵測器中之 一者實施成為用於接收表示零距離之光子的參考偵測器。因此，該等至少兩個偵測器可包含該參考偵測器與該第一至該第四偵測器。
在另一開發中，該時間數位轉換器配置包含耦合至該參考偵測器的參考TD轉換器。該參考TD轉換器可耦合至該記憶體。該參考TD轉換器可產生參考直方圖。替換地，該參考偵測器可耦合至該TD轉換器配置且提供開始訊號給該TD轉換器配置。該開始訊號可施加至該第一至該第四TD轉換器。
在具體實施例中，該驅動器組配為可產生一序列的脈衝，各脈衝具有等於或小於1奈秒的持續時間，視需要小於500皮秒。該持續時間可小於例如200皮秒是有利的。
在具體實施例中，該驅動器組配為該脈衝的持續時間可程式化。該持續時間可設定致使該持續時間小於空間解析度除以光速。
在具體實施例中，該半導體本體包含通訊單元、時脈單元、以及耦合至該等至少兩個偵測器之雪崩二極體的電荷泵(charge pump)。該通訊單元耦合至該評估單元且組配為可傳達資料給外部裝置。
在另一開發中，該半導體本體包含至少一低壓差穩壓器(low-dropout regulator)，簡稱為LDO。該LDO可耦合至該TD轉換器配置。
在具體實施例中，飛行時間感測器包含該半 導體本體與光源。飛行時間簡稱為TOF。
在具體實施例中，該光源實現成為簡稱VCSEL的垂直腔面射型雷射，或簡稱VECSEL的垂直外腔面射型雷射。
在具體實施例中，用連接至該半導體本體的另一半導體本體實現該光源。實現該連接可用打線接合法、覆晶技術或晶粒對晶粒的接合法。
在具體實施例中，該飛行時間感測器包含光件。該光件可包含鏡片。替換地，該光件可沒有鏡片。可組配用於成像的光件，亦即，一或多個鏡片。例如，該光件位在該等至少兩個偵測器的焦點或焦平面以便該等偵測器產生影像。在一些具體實施例中，單一光件或單一鏡片可用來在各偵測器產生影像。
在具體實施例中，該飛行時間感測器包含擋光材料。該擋光材料包含一光圈或數個光圈。該光源射出光線且該第一至該第四偵測器接收通過該光圈或該等光圈的光線。該光件可位在該光圈或該等光圈中。
在具體實施例中，該擋光材料在該參考偵測器與該第一至該第四偵測器之間形成屏障。因此，該第一至該第四偵測器不直接接收來自該光源的光線。
在具體實施例中，一種用於飛行時間測量的方法包含：提供驅動器訊號以驅動光源，用包含至少一雪崩二極體的至少兩個偵測器接收光 子，用時間數位轉換器配置將該等至少兩個偵測器所接收的訊號轉換成至少一直方圖且儲存該至少一直方圖，以及用評估單元執行基於該至少一直方圖的計算。
在具體實施例中，該計算的結果可為包含資訊的距離訊號，該資訊係關於以下兩者的總合：從該光源到物件的距離、以及從該物件到該等至少兩個偵測器的距離。該距離訊號可包含關於以下兩者之總合的資訊：從該光源到另一物件的距離、以及從該另一物件到該等至少兩個偵測器的距離。因此，該距離訊號可包含關於多個物件的資訊，例如兩個、3個或3個以上的物件。
在另一開發中，第一至第四偵測器接收光子。該第一至該第四偵測器接收來的不同區域的光子，例如第一至第四區域。該計算的結果可為包含關於以下兩者之總合資訊的第一距離訊號：從該光源到在第一區域中之物件的距離、以及從在該第一區域中之該物件到該第一偵測器的距離。相應地，該計算的結果可為包含關於以下兩者之總合資訊的第二至第四距離訊號：從該光源到在該第二至該第四區域中之物件的距離、以及在該第二至該第四區域中之該物件到該二至該偵測器的距離。
例如，可用根據以上所界定的具體實施例之一的半導體本體及/或飛行時間感測器實施用於飛行時間測量的方法。
在具體實施例中，該TOF感測器實現成為飛行時間系統晶片(system-on-chip)。系統晶片可簡稱為SOC。
在具體實施例中，該TOF感測器實施成為提供整合成單一裝置之數個距離測量組件的系統晶片。該TOF感測器視需要提供直接TOF測量。該TOF感測器提供晶上資訊的處理以產生距離測量值且達成高準確度是有利的。
在具體實施例中，光脈衝寬度在TOF感測器很窄致使使用TDC/直方圖辦法可準確測量返回脈衝時間。
在具體實施例中，該TOF感測器或TOF測量系統包含VCSEL與單晶片。在單晶片上提供所有的光脈衝驅動器、接收及處理。該VCSEL產生光脈衝。該TOF測量系統能夠測量一絕對距離或數個距離。與SPAD/TDC/直方圖架構耦合的狹窄光脈衝致能偵測多個物件。
該設備及方法提供一種直接TOF距離測量系統單晶片(system-on-a-chip)。也稱為TOF感測器的該設備包含多個光子獲取感測器、多個時間數位轉換器(簡稱為TD轉換器)、多個直方圖、記憶體、微處理器、用於通訊的I/O電路、以及產生狹窄脈衝的光源驅動器。該等方法提供處理資料以將直方圖轉換成至多個物件的距離。
直接飛行時間係基於它測量脈衝從標的反射到達感測器所花費的時間。此技術可利用多個周期的多個 脈衝以收集更多資料來改善訊號雜訊比。這些周期性樣本收集成為然後將會加以處理以判定距離的直方圖。極窄脈衝允許偵測多個物件。所述方法使用直方圖呈現至多個物件的距離，它可視為視域內可看到之物件的深度圖(depth map)。
在具體實施例中，該TOF感測器進一步包括電荷泵以提供用於SPAD或SPAD陣列的高電壓，在TOF感測器中用來提供電力控制的低壓差穩壓器(簡稱為LDO)，提供各種區塊之計時的振盪器、以及提供高速計時的鎖相迴路(簡稱PLL)。典型TOF系統或TOF感測器可由數個離散組件組成。在本揭示內容中，所有部件(光源除外)都設在單晶片上。該TOF感測器實施直接TOF技術。用TOF感測器得到的直方圖含有的資訊多於視域(FOV)中所有物件的單一平均距離。這在許多情況下是有利的，例如當TOF感測器放在產生串音的覆蓋玻璃後面時，當物件在大牆壁前面時，當FOV中有多個物件時，例如兩個人及許多其他情況。
該系統或該TOF感測器的應用領域為行動裝置的感測器(近接、自動調焦輔助)或工業應用。
自動調焦輔助可由TOF感測器執行。距離用來使相機快速調焦。這用在低光度環境特別有用，在此相機成像系統沒有用來判定距離的反差。
該TOF感測器包含該半導體本體、VCSEL、以及相關鏡片/光圈。該TOF感測器可稱為模組、光學感 測器配置或系統。該相機自動調焦可實施於行動電話中。該行動電話相機可實現成為前側相機及/或背側相機。前側相機使用於需要較短偵測距離的自拍。背側相機通常需要較長的距離測量。此相機大體被稱為雷射偵測自動調焦或LDAF。
例如相機的產品執行多個物件偵測是有利的。特定效益是可減少或排除工廠校準的需要。另一效益是能夠免疫或補償覆蓋玻璃上之污染的影響(在沒有客戶干預下)。
在具體實施例中，直接TOF系統單晶片設備包含驅動產生狹窄脈衝之光源的驅動器；用於接收大批反射光脈衝且將其轉換成到達時間之直方圖的多個子系統；微處理器，其用於控制及處理接收直方圖資料且轉化成距離；電路，其用於傳達資料至外部裝置；時脈及控制系統；簡稱為LDO的低壓差穩壓器，其用於電源管理；以及電荷泵，其提供高電壓給SPAD。
在具體實施例中，該驅動器產生光源的狹窄脈衝。該驅動器包含眼睛安全驗證電路。該驅動器組配為可產生有可程式化脈衝寬度的脈衝。
在具體實施例中，各個子系統接收大批反射光脈衝且將其轉換成直方圖。各個子系統包含SPAD接收器子系統、TD轉換器子系統、以及直方圖記憶體儲存子系統。
在具體實施例中，該SPAD接收器子系統包 含驟冷電路、各自能夠被致能/去能的多個SPAD、脈衝產生電路、以及傳送脈衝至TD轉換器子系統的電路。
在具體實施例中，該TD轉換器子系統包含環式振盪器與計數器；擷取該環式振盪器及計數器之目前狀態的電路；電路，其將擷取狀態解碼成為時間戳記，以及轉移資料至直方圖子系統的電路。
在具體實施例中，該直方圖記憶體儲存子系統包含：使用該時間戳記索引記憶體位置的電路；讀取、遞增及儲存資料於該記憶體位置中的電路；以及允許由微處理器子系統讀取及寫入直方圖資料的電路。
在具體實施例中，該微處理器子系統包含從該直方圖讀取資料的電路、用於儲存程式及資料的RAM、用於儲存程式及固定參數的ROM、用於計算的評估單元或資料處理單元、以及用於與其他晶載系統交換資料的電路。
在具體實施例中，該I/O電路包含I2C資料接收器及資料傳送器系統、中斷機構、以及通用輸入輸出接腳(I/O pin)驅動器。
在具體實施例中，該時脈及控制系統包含產生內部基本時脈的振盪器、從該振盪器產生高速時脈的PLL、電壓/電流參考、以及控制啟動定序及功率突波(power glitch)的開機重設電路。
在具體實施例中，該等多個感測器包含4個訊號接收器感測器。該等4個感測器排列成方形。替換地， 該等4個感測器排列成數個柄狀或條形或一條形。
在具體實施例中，該等多個感測器中之一者為參考通道。該參考通道與4個接收器感測器分離。該參考通道刻意接收傳送訊號中表示零距離的一部份。
在具體實施例中，在該系統中，程式代碼係經由I/O電路下載且存入RAM。替換地，該程式代碼儲存於ROM中。
在具體實施例中，實現特殊系統設計使得直方圖記憶體有深256個登錄，該微處理器RAM有32k位元組，該微處理器ROM有32k位元組，該微處理器為Cortex M0處理器，具有128個SPAD，其中兩組SPAD共享單一TD轉換器。這只是可能系統的實施例。
在具體實施例中，一種用於處理直方圖之資料以萃取距離資料的方法包含下列步驟：校準該系統以判定不同接收感測器之定時差的步驟，處理該參考通道以判定脈衝開始的步驟，調整該等多個直方圖通道以調整各通道之定時至共同時間的步驟，處理該直方圖且判定一或多個物件在直方圖中之位置的步驟，以及傳達該資料至該外部系統的步驟。
在具體實施例中，校準該系統的步驟執行內部時脈或外部晶體時脈的校準。
在具體實施例中，調整該等多個直方圖通道以調整各通道之定時至共同時間的步驟實施成直方圖直條(histogram bin)的大小儘可能細小或直方圖直條的大小儘可能粗地接近光脈衝的寬度。
在具體實施例中，處理該直方圖且判定一或多個物件在直方圖中之位置的步驟包含以下步驟中之至少一者：偵測單一物件，偵測多個物件，報告該等物件的特性，以及去除或扣除固定物件(例如，覆蓋玻璃)。
在具體實施例中，傳達該資料至外部系統的步驟實現成可以中斷方式驅動或輪詢或定時通訊單元或介面電路。
在具體實施例中，一種用於控制該系統的方法包含以下步驟中之至少一者：在電力開啟後初始化該系統的步驟，用於起動獲取的步驟，用於設定獲取之定時的步驟，用於判定獲取之長度的步驟，用於周期性地重覆獲取的步驟，以及用於致能/去能SPAD之任何組合的步驟。
ACI‧‧‧脈衝產生器
AD‧‧‧雪崩二極體
BL‧‧‧背景光
BM‧‧‧擋光材料
BS‧‧‧匯流排系統
CA‧‧‧時間數位轉換器配置
CAA‧‧‧類比電路
CF‧‧‧轉移電路
CO‧‧‧計數器
CP‧‧‧電荷泵
CLU:時脈單元
CR:載體
CU:控制單元
CV:蓋體
C1至C4:時間數位轉換器
D、D':距離
DEC:解碼器
DL:延遲線
DRV:驅動器
DV:行動通訊的裝置
D1至D4:偵測器
EP:射出脈衝
EV:評估單元
IF:通訊單元
INU:遞增單元
LA:閂鎖
LG:邏輯閘
LS:光源
L1:第一光件
L2:第二光件
ME:記憶體
MEB:測量區塊
M1至M4:記憶體
N:直條個數
NH:光子個數
OF:濾光器
OS:輸出訊號
OSC:振盪器
PLL:鎖相迴路
POC:開機重設電路
P1:測量路徑
P3:參考路徑
QC:驟冷電路
R、RE:矩形
RC:參考時間數位轉換器
RD:參考偵測器
RM:參考記憶體
RP:反射脈衝
RP1、RP2:相關反射脈衝
RP3、RP4:附加反射脈衝
RS:參考子系統
SB:半導體本體
SC:控制訊號
SE:飛行時間感測器
SM:測量訊號
SO:停止訊號
SP:起動脈衝
SR:參考訊號
ST:開始訊號
SU1至SU4:子系統
T:時間
Td、Td':測量時段
TG、TG':標的、物件
TP:持續時間
以下數個具體實施例之圖表的描述可進一步 圖解說明且解釋該半導體本體、該飛行時間感測器及用於飛行時間測量之方法的方面。各自有相同結構及相同效應的裝置及電路部件有相同的元件符號。如果裝置或電路部件在不同圖表中有互相對應的功能，則在後續各圖表中不重覆其說明。
第1A圖及第1B圖圖示飛行時間感測器的示範實施；第2圖圖示飛行時間感測器之半導體本體的示範實施；第3圖詳細圖示飛行時間感測器之半導體本體的示範實施；第4圖圖示單一物件之測量過程的示意實施例；第5圖圖示單一物件之測量過程的示意直方圖；第6A圖圖示兩個物件之測量過程的示意實施例；第6B圖圖示兩個物件之測量過程的示意直方圖；第7圖圖示有4個區域之影像的實施例；第8A圖圖示飛行時間感測器之半導體本體的示範實施；以及第8B圖圖示飛行時間感測器的示範實施。
第1A圖圖示簡稱為TOF感測器之飛行時間感測器SE的示範實施。TOF感測器SE包含光源LS。光源LS可稱為光發射器。光源LS為雷射二極體，例如VCSEL或VECSEL。可將此類雷射組配為可發射例如在電磁光譜之紅外線部份的光線。
TOF感測器SE包含耦合至光源LS的半導體本體SB。半導體本體SB也可稱為半導體晶粒或晶片、或單石積體電路。半導體本體SB實施成為單一偵測器晶粒，例如用CMOS製程製成的單一半導體積體電路。半導體本體SB包含測量區塊MEB與評估單元EV。評估單元EV可實施成為處理電路或資料處理電路。評估單元EV耦合至測量區塊MEB。評估單元EV組配為可輸入來自外部電路的資料且輸出資料給外部電路。
此外，半導體本體SB包含有耦合至光源LS之輸出的驅動器DRV。另外，半導體本體SB包含耦合至驅動器DRV、測量區塊MEB及評估單元EV的控制單元CU。控制單元CU提供控制訊號SC給驅動器DRV以驅動光源LS。替換地，控制單元CU與評估單元EV可組合成電路，例如微處理器、微控制器或狀態機。
半導體本體SB包含至少兩個偵測器，亦即第一偵測器D1與參考偵測器RD。各偵測器RD、D1包含至少一雪崩二極體。各偵測器RD、D1可包含雪崩二極體或雪崩二極體陣列。該雪崩二極體或雪崩二極體實現成為簡稱SPAD的單光子雪崩二極體。
半導體本體SB包含簡稱為TD轉換器配置的時間數位轉換器配置CA。第一偵測器D1的輸出耦合至TD轉換器配置CA。參考偵測器RD的輸出也耦合至TD轉換器配置CA。半導體本體SB進一步包含耦合至TD轉換器配置CA及評估單元EV的記憶體ME。記憶體ME可實現成為直方圖記憶體。
因此，測量區塊MEB包含第一偵測器D1、參考偵測器RD、TD轉換器配置CA、以及記憶體ME。
訊號處理及飛行時間計算在包含第一偵測器D1及參考偵測器RD的同一個半導體本體SB上執行。該等組件一起整合成積體電路IC，它被製造在包含第一偵測器D1及參考偵測器RD的相同半導體本體SB上。
第一偵測器D1與參考偵測器RD整合成半導體本體SB。第一偵測器D1與參考偵測器RD在光學及空間上分離。偵測器D1、RD可實施成為單一SPAD或SPAD陣列。參考偵測器RD組配為可用於測量光學參考訊號且產生電子參考訊號SR。第一偵測器D1組配為可用於測量光學測量訊號且產生電子測量訊號SM。
TOF感測器SE包含第一光件L1及第二光件L2。第一光件L1包含第一鏡片。第二光件L2包含第二鏡片。該等鏡片有光學鏡片形狀，例如球形或圓柱形。該等鏡片可用作凹鏡及/或凸鏡(或彼等之組合)且可使射出或反射光線聚焦於標的TG及/或第一偵測器D1。例如，第一鏡片及/或第二鏡片相對於光源LS及/或偵測器D1和其他偵測器可對齊以在偵測器部位產生影像。
替換地，可省略第一鏡片及/或第二鏡片。TOF感測器SE可沒有第一光件L1。TOF感測器SE可沒有第二光件L2。
運作時，光源LS發射有在IR或UV/Vis中之發射波長或發射光譜的光線。紅外線發射對人類視覺是不可見的是有利的。光源LS的發射通常被調變，例如用連續波脈衝化或調變發射，例如正弦波或方波。例如，脈衝可具有在kHz或MHz範圍內的頻率。實際調變頻率取決於TOF感測器SE是用於近接還是用於自動調焦應用，例如，且判定飛行時間的範圍。
光源LS經定位成至少射出光線有一小部分經由第一光件L1離開TOF感測器SE。實際上，大部份的射出光線可經由第一光件L1離開TOF感測器SE。此光線部分(表示測量部分)最終被外部物件或標的TG至少部份地反射。第一偵測器D1位在TOF感測器SE中使得反射光線可經由第二光件L2進入TOF感測器SE，結果，會被第一偵測器D1偵測。第一偵測器D1產生測量訊號SM以響應偵得光線。經由標的TG連接光源LS與第一偵測器D1的光學路徑建立測量路徑P1，且沿著測量路徑P1橫越的光線形成測量光束。如第1A圖所示，外部標的TG係位於TOF感測器SE外。
視需要，TOF感測器SE包含在第二光件L2與第一偵測器D1之間的濾光器OF。背景光BL可導向TOF 感測器SE。濾光器OF組配為可吸收至少一部份的可能背景光BL。濾光器OF例如可吸收大部份的背景光BL，從而可作為周圍光線過濾器。
此外，建立參考路徑P3，並且光學連接光源LS與參考偵測器RD而不經由任何外部標的。例如，參考路徑P3仍在TOF感測器SE內。為了飛行時間測量，光線的參考部分沿著參考路徑P3橫越且形成參考光束。該參考光束至少部份被參考偵測器RD偵測，接著它基於偵得光線來產生參考訊號SR。該參考光束由在TOF感測器SE內的內部反射產生。
測量訊號SM為測量路徑P1之飛行時間特性的度量，且可轉化成關於TOF感測器SE與標的TG之間的距離D的資訊。
通常，光源LS構成電氣連接半導體本體SB但不整合於該半導體本體SB的外部組件。在此實施例中，驅動器DRV整合於半導體本體SB，且光源LS為配置在TOF感測器SE之未圖示載體上的VCSEL雷射二極體。光源LS在TOF感測器SE的封裝件內。
驅動器DRV根據控制訊號SC來驅動光源LS。接著，光源LS發射一列電磁輻射感測脈衝以各自響應控制訊號SC的觸發脈衝。通常，光源LS發射發送脈衝用於控制訊號SC中的各個觸發脈衝。電磁輻射具有從可見光、IR或UV部份光譜的波長。
發送脈衝被引導通過第一光件L1且沿著測 量路徑P1橫越，以下它用射出脈衝EP表示。標的TG發射反射脈衝RP作為射出脈衝EP的響應。最終，反射脈衝RP被第一偵測器D1偵測。通過TOF感測器SE內的反射，可耦出(couple out)發送脈衝的一部份且導向參考偵測器RD作為起動脈衝SP，其在光學上表示發送脈衝各自在射出脈衝EP中的發射時間點。在偵測起動脈衝SP後，參考偵測器RD提供開始訊號ST給TD轉換器配置CA，用於起動測量發射至接收脈衝的時段Td。結果，在偵測收到脈衝後，第一偵測器D1提供停止訊號SO給TD轉換器配置CA。TD轉換器配置CA判定表示發送脈衝至收到脈衝之時段Td的各個差值。
熟諳此藝者應瞭解，開始、停止訊號ST、SO的用法只是用於判定該時段Td的數個可能選項中之一個。例如，開始訊號例如也可用控制訊號SC之各個觸發脈衝觸發。
TD轉換器配置CA提供表示時段Td之先前判定差值給記憶體ME用於累積數值成為第一直方圖。評估單元EV組配為可基於第一直方圖的評估來產生表示飛行時間的輸出訊號OS。控制單元CU組配為用一系列觸發脈衝可產生控制訊號SC。此觸發脈衝序列包含第一觸發脈衝與多個後續觸發脈衝。
將該等組件整合成單一半導體本體SB實現簡稱為SOC的系統單晶片，且使得飛行時間系統的實施比使用在不同半導體本體上之各種組件更加簡單便宜。TOF感測器SE實施與基於深度圖之實施的高度整合是有利的。
如第1A圖所示，TOF感測器SE包含可為VCSEL的光源LS，第一偵測器D1(也稱為光子感測器)，視需要的第一光件L1、第二光件L2使光線聚焦於標的TG及/或使接收自標的TG之光線聚焦於第一偵測器D1，以及限制接收光線與傳送光線有相同帶寬的濾光器OF。第1A圖的方塊圖圖示可稱為系統、模組或光學感測器配置的TOF感測器SE。TOF感測器SE組配為可完成簡稱為TOF測量的飛行時間測量。此TOF感測器SE的實施例可為與TD轉換器及直方圖記憶體耦合以SPAD為基礎的系統/配置/模組。
第1B圖圖示第1A圖配置的實施例。行動通訊的裝置DV包含TOF感測器SE。TOF測量的標的TG例如可為個入。光線做脈衝往返旅行。飛行時間(TOF)測量的方法是要測量輻射行進距離D要花費多久時間。一旦測量出時段Td，用光速c就可輕易導出距離D。可使用以下方程式：D=Td˙c/2，其中，D為標的TG與TOF感測器SE之間的距離、Td為測量時段、而c為光速(約為0.3米/奈秒)。評估單元EV使用直方圖來判定測量時段Td。直方圖實施深度圖。
第2圖圖示半導體本體SB的實施例，它是以上所示半導體本體的另一開發。半導體本體SB包含參考子系統RS。參考子系統RS包含有至少一雪崩二極體的參考偵測器RD。參考子系統RS可包含簡稱為參考TD轉換器的參考時間-數位控制器RC。參考子系統RS可包含可稱為參考直方圖記憶體的參考記憶體RM。
此外，半導體本體SB包含至少一子系統，其包含偵測器、TD轉換器及記憶體。該偵測器包含至少一雪崩二極體。半導體本體SB的第一子系統SU1包含第一偵測器D1、第一TD轉換器C1及第一記憶體M1。第一記憶體M1可稱為第一直方圖記憶體。第一記憶體M1可為記憶體ME的一部份。例如，半導體本體SB包含第二子系統SU2，第二子系統SU2具有第二偵測器D2、第二TD轉換器C2、以及可稱為第二直方圖記憶體之第二記憶體M2。另外，半導體本體SB包含第三及第四子系統SU3、SU4，其具有第三及第四偵測器D3、D4，第三及第四TD轉換器C3、C4，以及可稱為直方圖記憶體的第三及第四記憶體M3、M4。
TD轉換器配置CA包含第一至第四TD轉換器C1至C4。TD轉換器配置CA可包含參考TD轉換器RC。記憶體ME可包含第一至第四記憶體M1至M4。
另外，半導體本體SB包含在其輸出側耦合至參考子系統RS及第一至第四子系統SU1至SU4的電荷泵CP。半導體本體SB包含評估單元EV。此外，半導體本體SB包含記憶體ME。評估單元EV可實現成為微處理器、微控制器或狀態機。此外，評估單元EV可包含記憶體ME。 記憶體ME可實現成為簡稱RAM的隨機存取記憶體及/或簡稱ROM的唯讀記憶體及/或簡稱EEPROM的電可抹除唯讀記憶體。另外，半導體本體SB包含時脈單元CLU。時脈單元CLU包含振盪器OSC及/或鎖相迴路PLL。
圖示於第1A圖的控制單元CU使用類比電路CAA實施，其包含至少一低壓差穩壓器及/或參考電路，例如參考電壓電路。類比電路CAA連接至驅動器DRV。
另外，半導體本體SB包含通訊單元IF。通訊單元IF可實現成為介面，例如I/O電路、I2C-介面或I2C通用介面(I2C GPIO)。此外，半導體本體SB包含開機重設電路POC。半導體本體SB可包含使區塊、單元及電路DRV、CA、CLU、PLL、OSC、EV、IF、RS及SU1至SU4互相耦合的匯流排系統BS。
參考偵測器RD的雪崩二極體接收光學參考訊號。參考子系統RS提供以參考直方圖之形式儲存的資料。該參考直方圖存入參考記憶體RM。參考記憶體RM與記憶體ME分離。
在未圖示的替代具體實施例中，用於儲存參考直方圖的參考記憶體RM可為記憶體ME中的一區。
第一至第四偵測器D1至D4的雪崩二極體接收光學測量訊號。相應地，第一至第四子系統SU1至SU4的TD轉換器C1至C4提供存入第一至第四直方圖的資料。第一至第四直方圖存入第一至第四記憶體M1至M4。第一至第四記憶體M1至M4與記憶體ME分離。
在未圖示的替代具體實施例中，第一至第四記憶體M1至M4可用記憶體ME實施。評估單元EV提供第一至第四直方圖和參考直方圖給記憶體ME。
如第2圖所示，半導體本體SB包含數個組件。為了便於參考，3個組件會被稱為S-T-H子系統或區塊。S-T-H子系統包括偵測外部反射光線的單光子雪崩光二極體(SPAD)、擷取各光子之到達時間的TD轉換器、以及記錄各光子之到達時間的直方圖。其他組件包括用來驅動VCSEL狹窄脈衝的驅動器DRV、組配為可提供用於SPAD陣列之高電壓的電荷泵CP、在裝置中用來提供電力控制的低壓差穩壓器(簡稱LDO)、提供各種區塊之計時的振盪器OSC、提供高速計時的鎖相迴路(PLL)、可實施成為有相關RAM及ROM之微處理器的評估單元EV、以及提供通到外部組件之通訊的通訊單元IF。
可實施該等S-T-H子系統中之數個以提供多個帶域(zone)。這可提供偵測來自一影像之4個不同區域的光子，如第7圖所示。此外，可提供鄰近VCSEL輸出的參考S-T-H子系統RS以記錄VCSEL脈衝已開始的確實時間。接著，這可用來補償隨著溫度或時間而降級的VCSEL脈衝變化。
多個SPAD/TDC/直方圖子系統SU1至SU4連同可程式化微處理器系統的實施允許針對不同的應用來組配及適合TOF感測器SE。
所述方法使用直方圖表示至多個物件TG的 距離，它可視為視域內可看到之物件的深度圖。TOF感測器SE在有多個物件TG的各種情形下可準確地測量距離。一個這樣的實施例是在有覆蓋玻璃的系統中，其中，覆蓋玻璃可能暴露於環境污染物。
第3圖圖示半導體本體SB的細節，它是以上所示實施例的另一開發。第一偵測器D1包含連接至雪崩二極體AD的驟冷電路QC。電荷泵CP耦合至雪崩二極體AD。第一TD轉換器C1包含延遲線DL與使延遲線DL之輸出耦合至延遲線DL之輸入的邏輯閘LG。延遲線DL包含串聯連接的多個反相元件。開始訊號ST提供給邏輯閘LG的另一輸入。例如，邏輯閘LG可實施成為NAND閘極。因此，延遲線DL與邏輯閘LG的組合實現環式振盪器。該環式振盪器在第3圖的右側用圓環表示。延遲線DL的輸出連接至第一TD轉換器C1的計數器CO。因此，反相元件序列中的最後一個反相元件可連接至計數器CO。延遲線DL的其他輸出與計數器CO的輸出都連接至第一TD轉換器C1之閂鎖LA的輸入。閂鎖LA可實現成為儲存元件。雪崩二極體AD的輸出經由脈衝產生器ACI接合至閂鎖LA的觸發輸入。該環式振盪器包含延遲線DL與邏輯閘LG。
此外，第一TD轉換器C1包含在其輸入側連接至閂鎖LA的解碼器DEC。解碼器DEC耦合至第一記憶體M1，這意謂儲存第一直方圖的記憶體區對應至第一子系統SU1的第一偵測器D1。第一記憶體M1連接至使第一記憶體M1之輸出耦合至第一記憶體M1之輸入的遞增單元INU。閂鎖LA、解碼器DEC及遞增單元INU為轉移電路CF的一部份。
開始訊號ST提供給邏輯閘LG。在開始訊號ST後，該環式振盪器運作直到雪崩二極體AD被光子觸發為止。該光子為接收自濾光器OF之光線的一部份。雪崩二極體AD經由脈衝產生器ACI產生提供給閂鎖LA之觸發輸入的停止訊號SO。在停止訊號SO到達時，延遲線DL的狀態與計數器CO的計數值存入閂鎖LA。因此，由該等複數個反相元件所提供的邏輯狀態及該計數值都存入閂鎖LA。解碼存入閂鎖LA的資訊以提供地址給第一記憶體M1。存入第一記憶體M1在解碼器DEC所解碼之地址的資料加一且再度存入第一記憶體M1。第一記憶體M1的輸出連接至用於資料處理的評估單元EV。
如第3圖所示，第一SPAD子系統SU1包含兩個關鍵元件：在偵測列光子後允許快速恢復的驟冷電路QC、以及提供方形脈衝給第一TD轉換器C1的脈衝產生器ACI。第一TD轉換器C1包含具有致能訊號的環式振盪器，致能訊號之後為被解碼以提供各光子之到達時間的閂鎖LA及計數器CO。第一直方圖在第一記憶體M實現，在此到達時間為地址，且資料為光子在例如可為極小但特定時間的預定測量時間期間的到達次數。
數個雪崩二極體AD可連接至單一TD轉換器。可致能/去能這些雪崩二極體AD中之各者以允許根據至標的TG的距離D來調整靈敏度。因此，第一偵測器D1可包含雪崩二極體陣列。此陣列中之雪崩二極體的輸出訊號經組合成可產生停止訊號SO。該組合可用OR組合實現。
其他偵測器，例如第二至第四偵測器D2至D4，視需要也有參考偵測器RD，可實現成為例如第3圖的第一偵測器D1。
例如，其他TD轉換器，例如第二至第四TD轉換器C2至C4，且視需要也有參考轉換器RC，可實現成為例如第3圖的第一TD轉換器C1。
第4圖圖示單一物件TG之測量過程的示意實施例。第4圖圖示TOF感測器SE的時序(timing)。該定時圖以時間t為函數圖示在上線的射出脈衝EP(也稱為出射光脈衝)與在下線的反射脈衝RP。在第4圖中，圖示有重覆率的一系列5個射出脈衝EP1至EP5、反射自物件TG的相關反射脈衝RP1及RP2、以及源自雜訊或背景光BL之光子的附加反射脈衝RP3、RP4。此外，顯然並非所有時間間隔都可接收產生脈衝的光子。
第5圖圖示由單一物件或標的TG之測量過程產生的示意直方圖。在TOF感測器SE中，VCSEL脈衝重覆許多次，例如可能數百萬個脈衝。然後，測量各接收光子的到達時間且存入直方圖。該直方圖記錄背景光子與來自標的或物件TG的反射光子。第1B圖實施例的情況可產生看起來像第5圖直方圖的直方圖。在該直方圖中，圖示為直條個數N之函數的光子個數NH。直條也可稱為條柱(bucket)。
在此實施例中，持續時間TP可為表示約75毫米或約3英吋之距離的500皮秒。該直方圖有表示約4.8米之最大距離的64個直條。該物件位在約1米處。背景雜訊(周圍光線或陽光)可表現為不變的背景程度。
第6A圖圖示兩個物件或標的TG、TG'之測量過程的示意實施例。直接飛行時間係基於測量反射自標的TG之脈衝到達TOF感測器SE所花費的時間。此技術可利用多個周期的多個脈衝以收集更多資料以改善訊號雜訊比。這些周期性樣本收集成為直方圖，然後加以處理以判定距離D。極窄脈衝允許偵測多個物件TG、TG'。在第6A圖所示的實施例中，射出脈衝EP可具有500皮秒的持續時間TP，且測量產生兩個距離D、D'的兩個時段Td、Td'。
第6B圖的示意直方圖圖示第6A圖之兩個物件的測量過程。如第6B圖所示，TOF感測器SE有能力偵測多個物件TG、TG'，只要物件TG、TG'分開一些距離。
第7圖圖示有4個區域之影像的實施例。該影像包含分成疊在該影像上之4個象限I、II、III、IV的矩形RE。第一子模組SU1的第一偵測器D1接收來自第一象限I的光子。相應地，第二至第四子系統SU2至SU4的第二至第四偵測器D2至D4接收來自第二至第四象限II、III、IV的光子。因此，第一至第四子系統SU1至SU4提供關於在影像之第一至第四象限I、II、III、IV中可找到之物件的資訊。可用各種方式組織該等多個SPAD/TDC/直方圖。該等方式之一是方形定向。這可用來使場景聚焦成影像且將影像分成多個象限。
第8A圖圖示為以上所示具體實施例之另一開發的半導體本體SB之實施例。第一至第四子系統SU1至SU4的第一至第四偵測器D1至D4以規則的方式實現，例如陣列。該陣列可為2X2陣列。第一至第四偵測器D1至D4可位在矩形R或方形的4個角落上。第一至第四偵測器D1至D4連接至與用於儲存第一至第四直方圖連接之第一至第四記憶體M1至M4的第一至第四TD轉換器C1至C4。參考偵測器RD連接至與用於儲存參考直方圖之參考記憶體RM連接的參考TD轉換器RC。第一至第四偵測器D1至D4組配為可偵測來自第7圖之4個象限的光子。記憶體ME可包含第一至第四記憶體M1至M4和參考記憶體RM。
替換地，半導體本體SB包含其他偵測器。該等偵測器可形成其他陣列而不是2X2陣列，例如3X3陣列或4X4陣列或更大或其他的陣列。
另外，但未圖示，半導體本體SB包含驅動器DRV、評估單元EV及其他單元和電路，如第1A圖或第2圖所示。第8A圖圖示半導體本體SB的上視圖。
第一至第四偵測器D1至D4和參考偵測器RD包含雪崩二極體或一個以上之雪崩二極體。如果偵測器包含一個以上之雪崩二極體，則該偵測器的雪崩二極體可以規則的方式排列，例如陣列。
在未圖示的替代具體實施例中，第一至第四偵測器D1至D4排列成直線。因此，TOF感測器SE判定由在影像中排列成直線之4個區域產生的4個直方圖。
第8B圖圖示為以上所示實施例之另一開發的TOF感測器SE之示範實施。第8B圖圖示包含半導體本體SB與光源LS之TOF感測器SE的橫截面。半導體本體SB與光源LS配置在載體CR上。光源LS實現成為VCSEL。光源LS產生從TOF感測器SE內表面反射回來且被參考子系統RS之參考偵測器RD接收的光線。另外，光線經由蓋體CV射出且可被未圖示的物件TG接收。被物件TG射出的光線經由包含在蓋體CV中之鏡片的第二光件L2可被第一至第四子系統的第一至第四偵測器D1至D4接收。第一至第四偵測器D1至D4用第二光件L2接收來自不同象限的光線。例如，該光件可在4個偵測器D1至D4用來產生影像，例如藉由使該等偵測器對準光件的焦平面。換言之，該等偵測器位在光件、一組鏡片或有成像功能的單一鏡片後面。
TOF感測器SE包含擋光材料BM。擋光材料BM包含光圈。光源LS通過該光圈射出光線。第一光件L1及/或擋光材料BM可形成該光圈。
擋光材料BM包含另一光圈。第一至第四偵測器D1至D4通過該另一光圈接收光線。第一光件L1及/或擋光材料BM可形成該另一光圈。
擋光材料BM在參考偵測器RD與第一至第四偵測器D1至D4之間形成一屏障。因此，第一至第四偵測器D1至D4不直接接收來自光源LS的光線。
例如如第2圖及第8A圖所示，TOF感測器SE的半導體本體SB包含4個子系統，亦即第一至第四子系統SU1至SU4。替換地，TOF感測器SE的子系統個數可為一個、二個、3個或4個以上。因此，TD轉換器配置CA包含至少一TD轉換器、至少兩個TD轉換器、至少3個TD轉換器、或至少4個TD轉換器。
例如如第2圖及第8A圖所示，TOF感測器SE的半導體本體SB包含具有參考偵測器RD及參考TD轉換器RC的參考子系統RS。
替換地，如第1A圖所示，TOF感測器SE的半導體本體SB沒有參考TD轉換器RC。參考偵測器RD的訊號用來產生第一至第四TD轉換器C1至C4的開始訊號ST。因此，可省略圖示於第2圖及第8A圖的參考TD轉換器RC及參考記憶體RM。
在未圖示的替代具體實施例中，光源LS直接附著於半導體本體SB上面。
BL‧‧‧背景光
CA‧‧‧時間數位轉換器配置
CU‧‧‧控制單元
DRV‧‧‧驅動器
D1‧‧‧偵測器
EP‧‧‧射出脈衝
EV‧‧‧評估單元
LS‧‧‧光源
L1‧‧‧第一光件
L2‧‧‧第二光件
ME‧‧‧記憶體
MEB‧‧‧測量區塊
OF‧‧‧濾光器
OS‧‧‧輸出訊號
P1‧‧‧測量路徑
P3‧‧‧參考路徑
RD‧‧‧參考偵測器
RP‧‧‧反射脈衝
SB‧‧‧半導體本體
SC‧‧‧控制訊號
SE‧‧‧飛行時間感測器
SM‧‧‧測量訊號
SP‧‧‧起動脈衝
SR‧‧‧參考訊號
TG‧‧‧標的
TP‧‧‧持續時間

Claims (13)

  1. 一種半導體本體，其包含：驅動器(DRV)，用於驅動一光源(LS)，排列成方形或條形的第一至第四偵測器(D1至D4)，各偵測器(D1至D4)包含至少一雪崩二極體(AD)，時間數位轉換器配置(CA，C1至C4)，耦合至該第一至該第四偵測器(D1至D4)之輸出，記憶體(ME，RM，M1至M4)，耦合至該時間數位轉換器配置(CA，C1至C4)且組配為儲存至少一直方圖，以及評估單元(EV)，耦合至該驅動器(DRV)且耦合至該記憶體(ME，RM，M1至M4)；其中，該第一至該第四偵測器(D1至D4)、該時間數位轉換器配置(CA，C1至C4)及該記憶體(ME，M1至M4)組配為分別產生及儲存影像之4個不同區域的直方圖，且其中，該第一至該第四偵測器(D1至D4)係排列成藉由光件分別從該影像之不同區域接收光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體本體，其中，該時間數位轉換器配置(CA，C1至C4)包含耦合至該第一至該第四偵測器(D1至D4)且耦合至該記憶體(ME，M1至M4)的第一至第四時間數位轉換器(C1至C4)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體本體，其中，該第一至該第四時間數位轉換器(C1至C4)中之至少一者包含：環式振盪器(DL，LG)，具有耦合至該第一至該第四偵測器(D1至D4)之輸入，計數器(CO)，耦合至該環式振盪器(DL，LG)之輸出，與轉移電路(CF)，其組配為擷取該環式振盪器(DL，LG)及該計數器(CO)的目前狀態、將該擷取狀態解碼成為時間戳記、以及轉移資料至該記憶體(ME，M1至M4)中作為該時間戳記的函數。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中之任一項所述的半導體本體，其中，一個包括一雪崩二極體(AD)的另外的偵測器，實施成為用於接收表示零距離之光子的參考偵測器(RD)。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中之任一項所述的半導體本體，其中，該驅動器(DRV)組配為產生一序列的脈衝，各脈衝具有等於或小於1奈秒的持續時間(TP)。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體本體，其中，該驅動器(DRV)組配以使該持續時間(TP)可程式化。
  7. 如申請專利範圍第1項至第3項中之任一項所述的半 導體本體，其包含：時脈單元(CLU)，電荷泵(CP)，耦合至至少該第一至該第四偵測器(D1至D4)，以及通訊單元(IF)，耦合至該評估單元(EV)且組配為傳達資料至外部裝置。
  8. 一種飛行時間感測器，其包含如申請專利範圍第1項至第7項中之任一項所述的半導體本體(SB)與光源(LS)，以及光件。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之飛行時間感測器，其中，該光源(LS)實現成為垂直腔面射型雷射或垂直外腔面射型雷射。
  10. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之飛行時間感測器，其中，該光源(LS)用連接至該半導體本體(SB)的另一半導體本體實現。
  11. 如申請專利範圍第8項至第9項中之任一項所述的飛行時間感測器，其中，該飛行時間感測器(SE)包含含有光圈的擋光材料(BM)。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之飛行時間感測器，其中，該擋光材料(BM)在該參考偵測器(RD)與該第一至該第四偵測器(D1至D4)之間形成屏障。
  13. 一種用於飛行時間測量的方法，其包含： 提供驅動器訊號以驅動光源(LS)，用至少一個各自具有至少一雪崩二極體(AD)的第一至第四偵測器(D1至D4)來接收光子，該第一至該第四偵測器(D1至D4)排列成方形或條形，用時間數位轉換器配置(CA，C1至C4)將該第一至該第四偵測器(D1至D4)所接收的訊號分別轉換成直方圖且儲存該直方圖，以及用評估單元(EV)執行基於該直方圖的計算，用該第一至該第四偵測器(D1至D4)、該時間數位轉換器配置(CA，C1至C4)及該記憶體(ME，M1至M4)分別產生及儲存影像之4個不同區域的直方圖，透過一光件及該第一至該第四偵測器(D1至D4)分別從該影像之不同區域接收光。
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