光传感器及其校正方法与流程

1.本发明涉及一种传感技术，尤其涉及一种光传感器及其校正方法。


背景技术：

2.目前，高敏感度的测距传感器在各应用领域例如医疗领域或车用领域中都非常多个需求应用。特别是，可用于传感极弱光的光传感器是目前主要传感器设计方向之一。有鉴于此，如何实现可有效地传感极弱光并且可具有高精确度及可靠度特点的光传感器，以下将提出几个实施例的解决方案。


技术实现要素：

3.本发明是针对一种光传感器及其校正方法，可校正光传感器的传感子像素的相关设定参数，以使光传感器可实现具有高可靠度的单光子崩溃二极管传感功能。
4.根据本发明的实施例，本发明的光传感器包括光源、传感子像素以及控制电路。光源用以发射传感光。传感子像素包括二极管、截止电阻以及时间至数字转换器。二极管具有第一端耦接工作电压。截止电阻耦接在二极管的第二端以及接地端电压之间。时间至数字转换器耦接二极管的第二端。控制电路耦接传感子像素，并且用以依据对应于传感子像素的二极管的光子检测率、内部增益值、截止电阻的电阻值的至少其中之一，以校正传感子像素的传感灵敏度，以使传感子像素只有当接收到传感光时，产生单光子崩溃二极管传感信号。
5.根据本发明的实施例，本发明的校正方法适用于光传感器。所述光传感器包括光源、传感子像素以及控制电路。所述传感子像素包括二极管、截止电阻以及时间至数字转换器。所述校正方法包括以下步骤：通过控制电路关闭光源；通过控制电路将各个传感子像素的传感灵敏度调至最高，通过控制电路操作传感子像素进行传感，并且判断传感子像素是否产生单光子崩溃二极管传感信号；当传感子像素产生单光子崩溃二极管传感信号时，依据对应于传感子像素的二极管的光子检测率、内部增益值、截止电阻的电阻值的至少其中之一，以校正传感子像素的传感灵敏度；通过控制电路开启光源；以及通过控制电路操作传感子像素进行传感，并且判断传感子像素是否产生单光子崩溃二极管传感信号。
6.基于上述，本发明的光传感器及其校正方法，可有效地校正传感子像素，以使传感子像素只会当接收到光源发射的传感光的情况下产生单光子崩溃二极管传感信号，而实现具有高可靠度的单光子崩溃二极管传感功能。
7.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
8.图1是本发明的一实施例的光传感器的架构示意图；
9.图2是本发明的一实施例的传感阵列的示意图；
10.图3是本发明的一实施例的传感子像素的电路示意图；
11.图4是本发明的一实施例的二极管的特性曲线图；
12.图5是本发明的一实施例的校正方法的流程图；
13.图6a是本发明的一实施例的传感信号的信号波形曲线的示意图；
14.图6b是本发明的一实施例的参考信号波形曲线的示意图；
15.图6c是本发明的一实施例的校正后的信号波形曲线的示意图；
16.图6d是本发明的另一实施例的传感信号的信号波形曲线的示意图；
17.图7是本发明的一实施例的光传感器的操作时序图。
18.附图标记说明
19.100:光传感器；
20.110:控制电路；
21.120:传感阵列；
22.121_1～121_n、121_a、121_b、121_c、121_d、300:传感子像素；
23.122:传感像素；
24.130:光源；
25.310:二极管；
26.320:放大器；
27.330:时间至数字转换器；
28.401:特性曲线；
29.701～704:信号波形曲线；
30.s510、s511、s512、s520、s530、s540:步骤；
31.v_spad、v
bd
:崩溃电压；
32.v_apd:突崩电压；
33.ve、v
eb
:超额偏压；
[0034]vop
:工作电压；
[0035]
i:电流；
[0036]
v:电压；
[0037]va
:节点电压；
[0038]vout
:传感信号；
[0039]
m1～m4:电压范围；
[0040]
rq:截止电阻；
[0041]
ta、t0～t6:时间；
[0042]
p1～p4:传感光信号；
[0043]
t1～t4:曝光期间；
[0044]
td:延迟时间；
[0045]
ep1～ep4:曝光操作时序；
[0046]
ph1～ph4:传感光的发射时序。
具体实施方式
[0047]
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
[0048]
图1是本发明的一实施例的光传感器的架构示意图。图2是本发明的一实施例的传感阵列的示意图。参考图1及图2，光传感器100包括控制电路110、传感阵列120以及光源130。控制电路110耦接传感阵列120以及光源130。传感阵列120包括多个传感子像素121_1～121_n，其中n为正整数。传感子像素121_1～121_n的每一个包括至少一个二极管(光电二极管(photodiode))。所述二极管可为pn接面(pn junction)二极管。在本实施例中，控制电路110可控制传感阵列120，以操作传感子像素121_1～121_n中的二极管在盖革模式(geiger mode)或突崩线性模式(avalanche linear mode)下，以进行光传感操作。
[0049]
在本实施例中，光源130可为红外线激光光源，但本发明并不限于此。在本发明的另一些实施例中，光源130可为可见光光源或不可见光光源。在本实施例中，控制电路110可分别操作传感子像素121_1～121_n的所述多个二极管在盖革模式或突崩线性模式的单光子崩溃二极管(signal-photonavalanche diode，spad)状态，来传感光源130所发射的传感光，而可实现具有低光量且高传感敏感度特性的测距传感功能。
[0050]
在本实施例中，控制电路110可例如是光传感器的内部电路或晶片，并且包括数字电路元件和/或类比电路元件。控制电路110可通过改变传感子像素121_1～121_n中的二极管的偏压电压和/或多个晶体管的控制电压以控制传感子像素121_1～121_n中的二极管的操作模式和/或传感子像素121_1～121_n操作模式。控制电路110可控制光源130发射传感光，并且可对传感子像素121_1～121_n输出的传感信号进行相关信号处理及传感数据运算。在本发明的另一些实施例中，控制电路110也可例如是光传感器的外部电路或晶片，例如某终端装置的中央处理器(central processing unit，cpu)、微处理器(microprocessor control unit，mcu)或现场可程序闸阵列(fieldprogrammable gate array，fpga)等诸如此类的处理电路或控制电路，但本发明并不以此为限。
[0051]
图3是本发明的一实施例的传感子像素的电路示意图。参考图3，本实施例的传感子像素300可适用于本发明各实施例所述的传感子像素。在本实施例中传感子像素300包括二极管310以及截止电阻rq，并且光传感器的控制电路可(如图1的控制电路110)包括放大器320以及时间至数字转换器330。时间至数字转换器330包括计数电路。在本实施例中，二极管310的第一端耦接工作电压v
op
(v
op
＝v
bd
v
eb
)，其中v
bd
为崩溃电压(breakdown voltage)，并且v
eb
为超额偏压(excess bias voltage)。截止电阻rq耦接在二极管310的第二端以及接地端电压之间。截止电阻rq与二极管310的第二端之间具有节点电压va。放大器320的输入端耦接二极管310的第二端。放大器320的输出端耦接时间至数字转换器330。在本实施例中，控制电路(例如图1的控制电路110)可控制二极管310的偏压，使二极管310操作在盖革模式或突崩线性模式来接收由特定光源(例如图1的光源130)发射的测距光。对此，当二极管310传感到测距光的单光子或数个光子(微量光子)时，放大器320的输入端可接受到由二极管310提供的传感信号，其中所述传感信号可为单光子传感信号。并且，放大器320的输出端可输出经信号放大后的传感信号v
out
至时间至数字转换器330，其中所述经信号放大后的传感信号v
out
可例如是方波脉冲信号。在本实施例中，控制电路(例如图1的控制电路110)可控制二极管310的偏压，使二极管310操作在盖革模式或突崩线性模式来接收
由特定光源(例如图1的光源130)发射的传感光。
[0052]
图4是本发明的一实施例的二极管的特性曲线图。图5是本发明的一实施例的校正方法的流程图。参考图1、图2、图4以及图5，图1的光传感器100可执行以下步骤s510～s540，来校正传感子像素121_1～121_n。先说明的是，本实施例所述的子传感像素的二极管可具有如图4所示的特性曲线401。图4的横轴为二极管的偏压v，并且纵轴为二极管在对应偏压下的电流i。当二极管的偏压v大于0时(如图4所示的电压范围m1)，二极管可操作在太阳能电池模式(solar cell mode)。当二极管的偏压v介于0至突崩电压v_apd之间时(如图4所示的电压范围m2)，二极管可操作在光电二极管模式。当二极管的偏压v介于突崩电压(avalanche voltage)v_apd至崩溃电压v_spad之间时(如图4所示的电压范围m3)，二极管可操作在突崩线性模式。当二极管的偏压v小于崩溃电压(breakdown voltage)v_spad时(如图4所示的电压范围m4)，二极管可操作在盖革模式。
[0053]
在本实施例中，控制电路110控制传感子像素121_1～121_n的多个二极管的偏压，以使所述多个二极管操作在盖革模式或突崩线性模式来接收由光源130发射的传感光。在步骤s510，控制电路110关闭光源130。在步骤s511，控制电路110将各个传感子像素121_1～121_n的传感灵敏度调至最高。在步骤s512，控制电路110操作各个传感子像素121_1～121_n进行传感。在步骤s520，控制电路110判断各个传感子像素121_1～121_n是否产生单光子崩溃二极管传感信号。若否，在步骤s540，控制电路110结束校正。若是，在步骤s530，控制电路110校正各个传感子像素的传感灵敏度。对此，控制电路110可依据对应于各个传感子像素121_1～121_n的二极管的光子检测率、内部增益值、截止电阻的电阻值的至少其中之一，以校正各个传感子像素121_1～121_n的传感灵敏度。并且，控制电路110回圈式地执行步骤s520、s530。直到在步骤s520，当控制电路110判断各个传感子像素121_1～121_n未产生单光子崩溃二极管传感信号时，控制电路110结束校正。换言之，本发明的控制电路110可在光源130未发射传感光的情况下，可先判断各个传感子像素121_1～121_n是否发生误判，来决定是否校正各个传感子像素的传感灵敏度。
[0054]
具体而言，以下搭配图3的传感子像素300来说明，本实施例的二极管310的单光子崩溃二极管传感机制可预先设计为当二极管310接收到由传感对象反射传感光的1个光子时，二极管310可产生大电流，进而触发截止电路(quenching circuit)，并将传感信号输入至时间至数字转换器330，以使时间至数字转换器330输出对应的传感时间计算，因此控制电路110可依据传感光的发射时间与上述的传感时间信息进行计算，即可获得飞时测距传感结果。然而，二极管310可能在光源130未发射传感光的情况下，由于接收到背景光或环境光的多个光子而产生误判的传感信号。因此，控制电路110可通过执行以下多个校正手段的至少其中之一来校正图2的各个传感子像素121_1～121_n的传感灵敏度(逐一调整)。值得注意的是，各个传感子像素121_1～121_n的传感灵敏度会因为制程的变异而不同，因此需要个别逐一校正。
[0055]
在第一校正手段中(适用于二极管310操作在盖革模式)，控制电路110可通过调整传感子像素300的二极管310操作在盖革模式的超额偏压(excess bias,vex)ve来改变传感子像素300的二极管310的光子检测率(photon detection probability,pdp)，亦即光子被接收到的机率，以校正光传感器100的传感灵敏度。如图4所示，超额偏压ve为表示小于崩溃电压v_spad的电压范围m4(操作范围)。控制电路110可降低超额偏压ve来调降二极管310的
光子检测率。换言之，二极管310的光子检测率调降后，就机率上而言，二极管310需接收超过n个光子(例如环境光为对应于五个光子的强度，则n＝5)才会导通以产生传感信号，其中n为正整数。例如，二极管310的光子检测率调降后，就机率上而言，每六个光子，二极管310可接收到一个光子，进而触发截止电路，并将传感信号输入至时间至数字转换器330。对此，控制电路110可例如是执行上述步骤s520、s530的逐步调整机制，来依据预设调整电压值(例如逐次调整0.1v)来逐步调整超额偏压ve(逐步调整二极管310的操作范围)。因此，传感子像素300的传感灵敏度可被有效地降低，而可避免传感子像素300的二极管310在光源130未发射传感光的情况下产生误判的传感信号。
[0056]
在第二校正手段中(适用于二极管310操作在盖革模式或突崩线性模式)，控制电路110可通过调整传感子像素300的二极管310操作在盖革模式的超额偏压ve或操作在突崩线性模式的偏压来改变传感子像素300的二极管310的内部增益值，以校正光传感器100的传感灵敏度。对此，由于二极管310的内部增益值随着偏压增加而被调升，并且随着偏压减少而被调降，因此控制电路110可通过降低超额偏压ve或操作在突崩线性模式的偏压的方式来降低内部增益值。若二极管310的内部增益值调降，则一个光子在二极管310内所产生的电流减少。换言之，二极管310的内部增益值调降后，二极管310需接收超过n个光子(例如环境光为对应于五个光子的强度，则n＝5)，才会产生足够大的电流，进而触发截止电路，并将传感信号输入至时间至数字转换器330以产生传感信号。例如，二极管310的内部增益值调降后，当二极管310接收到传感光的六个光子时，二极管310可产生足够大的电流，进而触发截止电路并将传感信号输入至时间至数字转换器。对此，控制电路110可例如是执行上述步骤s520、s530的逐步调整机制，来依据预设调整电压值(例如逐次调整0.1v)来逐步调整超额偏压ve或操作在突崩线性模式的偏压(逐步调整二极管310的操作范围)。因此，传感子像素300的传感灵敏度可被有效地降低，而可避免传感子像素300的二极管310在光源130未发射传感光的情况下产生误判的传感信号。
[0057]
在第三校正手段中(适用于二极管310操作在盖革模式或突崩线性模式)，控制电路110可通过调整传感子像素300的截止电阻(quenching resistor)rq(截止电阻rq可为可变电阻)的电阻值，来校正光传感器100的传感灵敏度。对此，若截止电阻rq的电阻值被调降，则二极管310接收到的一个光子所产生的节点电压va(v＝ir)将同样被调降。换言之，截止电阻rq的电阻值调降后，二极管310需接收超过n个光子(例如环境光为对应于五个光子的强度，则n＝5)才会触发截止电路并将传感信号输入至时间至数字转换器330以产生传感信号。例如，截止电阻rq的电阻值调降后，当二极管310接收到传感光的六个光子时，由于二极管310依据六个光子所对应产生的节点电压va才会足够大，进而触发截止电路并将传感信号输入至时间至数字转换器330。对此，控制电路110可例如是执行上述步骤s520、s530的逐步调整机制，来依据预设调整电阻值来逐步调降截止电阻rq的电阻值。因此，传感子像素300的传感灵敏度可被有效地降低，而可避免传感子像素300的二极管310在光源130未发射传感光的情况下产生误判的传感信号。
[0058]
在第四校正手段中(适用于二极管310操作在盖革模式或突崩线性模式)，在上述步骤s530中，可替代的是，控制电路110可通过调整传感子像素300与至少另一传感子像素的协同(co-incidience)工作数量，以对应校正光传感器100的整体传感灵敏度。对此，先说明的是，控制电路110可判断传感子像素300与所述至少另一传感子像素的所述多个二极管
是否在曝光时间区间中同步产生多个传感电流，以确认传感子像素300与所述至少另一传感子像素的所述多个二极管是否传感到光。换言之，控制电路110可例如设定本实施例的传感子像素121_1～121_n中的每多个传感子像素作为一个传感像素(或称宏像素(macro-pixel))。例如参考图2，四个传感子像素121_a～121_d可作为一个传感像素122，其中a～d为正整数，并且小于或等于n。控制电路110可判断传感子像素121_a～121_d是否在对应的同一个曝光时间区间中各别传感到一个或多个光子而同步产生多个传感电流，以作为一个像素传感结果。例如，控制电路110可将传感子像素121_a～121_d的距离传感结果(时间差或距离值)作为一个像素传感结果。因此，由于传感像素122的传感子像素121_a～121_d需都各别接收到传感光的一个光子，控制电路110才会将传感子像素121_a～121_d的多个传感电流作为一个像素传感结果。换言之，传感像素122需要接收到四个光子才会产生像素传感结果。因此，光传感器100的整体传感灵敏度可被有效地降低，而可避免在光源130未发射传感光的情况下产生误判的传感信号。
[0059]
在第五校正手段中(适用于二极管310操作在盖革模式或突崩线性模式)，在上述步骤s530中，可替代的是，控制电路110可操作光源130发射对应于特定脉冲编码的传感光，并且控制电路110可判断传感子像素300的时间至数字转换器330输出的传感信号是否对应于所述特定脉冲编码，以产生确认传感结果。换言之，控制电路110可控制光源130发射特定脉冲编码或特定图案的传感光，并且判断传感阵列120的传感子像素121_1～121_n产生的传感信号是否具有对应的特定脉冲编码或特定图案的传感结果，来有效地避免光传感器100在光源130未发射传感光的情况下产生误判的传感信号。
[0060]
在第六校正手段中(适用于二极管310操作在盖革模式或突崩线性模式)，在上述步骤s530中，可替代的是，控制电路110可调整传感阵列120的填充因子(fill factor)，以校正光传感器100的整体传感灵敏度。控制电路110可调降传感阵列120的填充因子，以使光传感器100的整体传感灵敏度相应地下降来有效地避免光传感器100在光源130未发射传感光的情况下产生误判的传感信号。在本实施例中，控制电路110调整填充因子的方式是在传感期间对于光传感器100的多个宏像素(macro pixel)的每一个中的多个子像素的一部分予以禁能(disable)，以调降传感灵敏度。例如，控制电路110在传感期间对于光传感器100的多个宏像素(macro pixel)的每一个中的p个子像素中的q个予以禁能，其中p及q为正整数，并且p大于q。
[0061]
图6a是本发明的一实施例的传感信号的信号波形曲线的示意图。图6b是本发明的一实施例的参考信号波形曲线的示意图。图6c是本发明的一实施例的校正后的信号波形曲线的示意图。参考图1、图2、图6a至图6c，在本实施例中，控制电路110可对传感子像素121_1～121_n的每一个的传感信号进行校正。当传感子像素121_1～121_n的二极管被操作在盖革模式或突崩线性模式时，控制电路110可依据传感子像素121_1～121_n的所述多个二极管的各别在传感期间提供的传感信号各别建立如图6a所示的信号波形曲线。值得注意的是，本实施例的信号波形曲线也可以采用直方图(histogram)数据的形式来呈现。
[0062]
举例而言，由于二极管操作在盖革模式或突崩线性模式，因此传感信号的信号波形曲线701在时间ta可对应于传感光的数个光子数具有对应的传感结果。然而，由于二极管操作在盖革模式或突崩线性模式下容易受到环境光或背景光的影响，因此若控制电路110是依据信号波形曲线701是否超过3个光子数的传感结果来判断是否接收到传感光，则环境
光或背景光对信号曲线701的影响高于或等于3个光子数(对应于环境光或背景光的信号强度例如高达10个光子数)。对此，控制电路110可依据所述多个二极管的各别在光源130未发射的传感光的另一传感期间提供的另一传感信号建立如图6b所示参考信号波形曲线702。控制电路110可比较图6a的信号波形曲线701与图6b的参考信号波形曲线702。控制电路110可对信号波形曲线701及参考信号波形曲线702进行数值相减，以产生如图6c所示的校正后的信号波形曲线703。因此，控制电路110可分析信号波形曲线703，以判断信号波形曲线703在时间ta发生高于或等于3个光子数的传感结果的曲线变化来判断接收到传感光。因此，由于传感子像素121_1～121_n可各别进行上述信号波形的校正处理，因此本实施例的光传感器100可以有效地确认所述多个二极管各别是否传感到由光源130发射的传感光。
[0063]
然而，在本发明的其他实施例中，控制电路110也可依据所述多个二极管的各别的如信号波形曲线701的数值分布来推算对应于传感信号中背景传感信号部分，以产生的参考信号波形曲线702。值得注意的是，前述的推测方式可是利用卜瓦松分布(poisson distribution)。具体而言，由于背景传感信号的波形曲线为一种卜瓦松分布，因此控制电路110可依据卜瓦松分布来推算信号波形曲线701的数值分布以取得对应于传感信号中的背景传感信号部分的参考信号波形曲线702。并且，控制电路110可将信号波形曲线701与经由卜瓦松分布所推得的参考信号波形曲线702进行数值相减，即可取得信号波形曲线703。
[0064]
图6d是本发明的另一实施例的传感信号的信号波形曲线的示意图。参考图1、图2及图6d，在本发明的另一些实施例中，光源130所发射的传感光可具有第一偏极化(例如垂直偏极化或水平偏极化)。传感子像素121_1～121_n的每一个可包括具有第一偏极化的滤光器，以使传感子像素121_1～121_n的所述多个二极管只可接收具有第一偏极化的光线。因此，控制电路110可传感子像素121_1～121_n的所述多个二极管各别在传感期间提供的传感信号来建立信号波形曲线704。对此，由于环境光或背景光具有未偏极化的特性，因此信号波形曲线704中对应于背景光或环境光的传感结果的信号强度可被降低(对应于环境光或背景光的信号强度例如为5个光子数)。如此一来，信号波形曲线704的对应于环境光或背景光的部分的信号强度被降低。相对的，信号波形曲线704的对应于在时间ta的传感结果的信号强度被增强。因此，信号波形曲线704可更易于控制电路110进行信号分析，进而可有效地取得在时间ta的传感结果。
[0065]
图7是本发明的一实施例的光传感器的操作时序图。参考图1、图2及图7，先说明的是，由于传感子像素121_1～121_n的所述多个二极管分别作为单光子崩溃二极管(操作在盖革模式或突崩线性模式)，因此当所述多个二极管分别传感到光子而发生崩溃事件后，传感子像素121_1～121_n须分别对所述多个二极管分进行重新偏压，因此会具有一段无法传感光子的期间(可称为死亡时间(dead time))。对此，为了降低死亡时间的影响，本实施例的控制电路110可设定传感子像素121_1～121_n中的每多个传感子像素作为一个传感像素。例如参考图1，四个传感子像素121_a～121_d可作为一个传感像素122。
[0066]
当传感子像素121_a～121_d的所述四个二极管被操作在盖革模式或突崩线性模式时，控制电路110可将属于同一像素的传感子像素121_a～121_d在时间t0至时间t6一个图框传感期间依序曝光。如图7所示的传感光的发射时序ph1～ph4，在时间t0至时间t6的期间，例如有四个传感光信号(光子)p1～p4被发射至传感像素122。如图7所示的曝光操作时序ep1～ep4，当传感子像素121_1在曝光期间t1中的时间t1接收到传感光信号p1时，传感子
像素121_1需经过延迟时间td后才可进行下一次的曝光操作。对此，如果传感子像素121_2～121_4的曝光期间t2～t4与曝光期间t1相同，则传感子像素121_1～121_4只能接收到传感光信号p1，而传感光信号p2～p4将会因为传感子像素121_1～121_4处于死亡时间而无法被传感到。
[0067]
因此，在本实施例中，传感子像素121_2～121_4的曝光期间t2～t4的曝光开始时间可分被依序延后至时间t2～t4，并且曝光期间t1～t4依序的相邻两个曝光期间之间可为部分重叠。如此一来，传感子像素121_2可在曝光期间t2中的时间t1到时间t2之间接收到传感光信号p2。传感子像素121_3可在曝光期间t3中的时间t3到时间t4之间接收到传感光信号p3。传感子像素121_4可在曝光期间t4中的时间t5到时间t6之间接收到传感光信号p4。因此，传感子像素121_2～121_4可有效接收到全部的传感光信号p1～p4，而提供准确的传感结果。
[0068]
综上所述，本发明的光传感器及其校正方法，可有效地校正传感子像素和/或传感阵列，以使光传感器只会当接收到光源发射的传感光的情况下产生传感信号。并且，本发明的光传感器及其校正方法，还可通过校正传感信号的信号波形曲线，以使校正后的传感信号可易于控制电路进行信号分析。并且，本发明的光传感器及其校正方法，还可有效减少传感子像素的死亡时间的影响，而提供准确的传感结果。
[0069]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。