光传感器以及测距方法与流程

1.本发明涉及一种传感技术，尤其涉及一种光传感器以及测距方法。


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。然而，目前的测距传感器的测距结果受限于数字转换器330的计数解析度(bin resolution，或称分格解析度)，而无法提供实现更高精度的测距结果。有鉴于此，如何一种可有效地传感极弱光且具有高精度的光传感器，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以及测距方法，可提供高精度的测距结果。
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。传感子像素包括二极管。控制电路耦接光源以及传感子像素，并且用以操作二极管在盖革模式或突崩线性模式。控制电路包括时间至数字转换器。时间至数字转换器包括计数电路。时间至数字转换器耦接二极管。计数电路耦接时间至数字转换器，并且包括多个计数单元。当时间至数字转换器接收到由传感子像素提供的传感信号时，控制电路通过计数电路的多个计数单元根据传感信号产生多个计数值，其中多个计数值为对应于距离传感结果的直方图数据。
5.根据本发明的实施例，本发明的测距方法包括以下步骤：操作传感子像素的二极管在盖革模式或突崩线性模式；通过光源发射测距光；通过传感子像素传感对应于测距光的反射光；以及当时间至数字转换器接收到由传感子像素提供的传感信号时，通过计数电路的多个计数单元根据传感信号产生多个计数值，其中多个计数值为对应于距离传感结果的直方图数据。
6.基于上述，本发明的光传感器以及测距方法，可直接将时间至数字转换器输出的传感数据直接存储为对应于距离传感结果的直方图数据，以有效节省存储体空间。
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以及控制电路的电路示意图；
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测距方法的流程图；
13.图6是本发明的一实施例的时间至数字转换器的电路示意图；
14.图7是本发明的一实施例的多个第二切换信号以及传感信号的信号时序图；
15.图8是本发明的一实施例的距离传感结果的直方图；
16.图9是本发明的另一实施例的时间至数字转换器的电路示意图；
17.图10是本发明的另一实施例的多个第二切换信号以及传感信号的信号时序图；
18.图11是本发明的另一实施例的光传感器的操作时序图。
19.附图标记说明
20.100:光传感器；
21.110:控制电路；
22.120:传感阵列；
23.121_1～121_n、121_a、121_b、121_c、121_d:传感子像素；
24.122:传感像素；
25.130:光源；
26.310:二极管；
27.320:放大器；
28.330、630:时间至数字转换器；
29.331、631、931:计数电路；
30.401:特性曲线；
31.631_1～631_m、931_1～931_m:计数单元；
32.633:控制器；
33.903:参考电压；
34.ss:第一开关；
35.s1_1～s1_m、s2_1～s2_a、s3_1～s2_b～sp_1～sp_2:第二开关；
36.en_1～en_m、en_1’～en_m’:切换信号；
37.s1、s2:单光子传感信号；
38.sp1、sp2:脉冲；
39.vout、601、901_1、901_2:传感信号；
40.va、vop、vbd、veb、v、v_spad、v_apd:电压；
41.rq:截止电阻；
42.s510、s520、s530、s540:步骤；
43.i:电流；
44.m1～m4:电压范围；
45.ta～tg、t0～tm、t0’～t(m 4)’、ta、tb:时间；
46.p1～p4:传感光信号；
47.t1～t4:曝光期间；
48.ep1～ep4:曝光操作时序；
49.ph1～ph4:传感光的发射时序；
50.td:延迟时间。
具体实施方式
51.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。
52.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。
53.在本实施例中，光源130可为红外线雷射光源，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-photon avalanche diode，spad)状态，来测距光源130所发射的测距光(脉冲光)，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。
54.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/或多个电晶体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发射测距光，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)或现场可编程门阵列(field programmable 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。
55.图3是本发明的一实施例的传感子像素以及控制电路的电路示意图。参考图3，图3以一个传感子像素为范例，并且本实施例的传感子像素以及控制电路可适用于本发明各实施例所述的传感子像素以及控制电路的一部分内部元件或电路。传感子像素包括二极管310以及截止电阻rq。控制电路包括放大器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331以及存储体332。在本实施例中，二极管310的第一端耦接工作电压vop(vop＝vbd veb)，其中vbd为崩溃电压(breakdown voltage)，并且veb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vout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vout可例如是方波脉冲信号。
56.在本实施例中，时间至数字转换器330可直接将方波脉冲信号传递至计数电路331中的多个计数单元，计数电路331的多个计数值即为对应于距离传感结果的直方图(histogram)数据。换言之，本实施例的时间至数字转换器330无须先存储距离传感结果的多个距离数字值的数据，并依据多个距离数字值(digital number value(dn value))的数据产生直方图数据后，再接着存储直方图数据(i.e.two steps)。本实施例的时间至数字转换器330可直接产生距离传感结果的直方图数据(i.e.one step)，因此本实施例的时间至数字转换器330在产生直方图数据的数据处理过程中可有效节省存储体空间。计数电路331可直接作为存储体单元使用，而用以存储直方图数据。从另一角度而言，本实施例的时间至数字转换器330只需较小的数据存储空间，可有效降低内部存储体的硬件成本。
57.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以及图4，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因光电转换而可产生的电流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(avalanche breakdown)电压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。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发射的测距光。
58.图5是本发明的一实施例的测距方法的流程图。参考图1、图3及图5，本发明的光传感器100可执行以下步骤s510～s550，来进行测距。在步骤s510，控制电路110可操作传感子像素的二极管310操作在盖革模式或突崩线性模式。在步骤s520，控制电路110可通过光源130发射测距光。在步骤s530，控制电路110可通过传感子像素的二极管310传感对应于测距光的反射光。在步骤s540，当时间至数字转换器330接收到传感子像素的二极管310提供的传感信号时，时间至数字转换器330可通过计数电路331的多个计数单元根据传感信号产生多个计数值，其中此多个计数值为对应于距离传感结果的直方图数据。也就是计数电路331的多个计数单元同时作为时间至数字转换(tdc)单元与存储体单元。因此，本实施例的测距方法可使在时间至数字转换器330产生直方图数据的数据处理过程中可有效节省存储体空间。
59.图6是本发明的一实施例的时间至数字转换器的电路示意图。参考图6，上述图5实施例的步骤s540可由图6所示的电路架构来实现，并且图3的时间至数字转换器330亦可进一步包括如图6所示的时间至数字转换器630的架构。以下说明以一个传感子像素的传感结果为例，因此传感阵列的整体传感结果可如以下说明来类推之。在本实施例中，时间至数字转换器630包括控制器633、第一开关ss、多个第二开关s1_1～s1_m、s2_1～s2_a、s3_1～s2_b、sp_1、sp_2以及计数电路631，其中m、a、b、p为正整数。在本实施例中，第二开关s1_1～s1_m、s2_1～s2_a、s3_1～s2_b～sp_1～sp_2可耦接形成如图6所示的树状结构，但本发明并不限于此。第一开关ss的第一端耦接传感子像素(例如耦接至图3的放大器320的输出端)。第一开关ss的第二端耦接第二开关sp_1～sp_2的第一端，并且第二开关s1_1～s1_m的第二端
耦接计数电路631的多个计数单元631_1～631_m。计数单元631_1～631_m可分别为上数序计数器(up counter)。
60.在本实施例中，计数电路631可输出第一切换信号至第一开关ss，以导通第一开关ss以开始进行计数操作，并且当计数电路631完成一个传感信号的计数结果后，计数电路631关断第一开关ss，以使计数电路631停止计数并输出直方图数据。并且，控制器633可输出多个第二切换信号以控制第二开关s1_1～s1_m、s2_1～s2_a、s3_1～s2_b、sp_1、sp_2的至少其中之一为导通，以使传感信号601写入计数单元631_1～631_m的其中之一，其中本实施例所述的传感信号601可以是指如上述的单光子传感信号或方波脉冲信号。
61.搭配参考图7，图7是本发明的一实施例的多个第二切换信号以及传感信号的信号时序图。以一个单光子传感信号为例，时间至数字转换器630的控制器633可输出多个第二切换信号至第二开关s1_1～s1_m、s2_1～s2_a、s3_1～s2_b、sp_1、sp_2，其中第二开关s1_1～s1_m可接收如图7所示的第二切换信号en_1～en_m。如此一来，搭配其他第二开关的作动，计数单元631_1～631_m分别与第一开关ss之间的多个信号传递路径可在不同期间依序导通。例如，计数单元631_1与第一开关ss之间的信号传递路径可在时间t0至时间t1的期间为导通。计数单元631_2与第一开关ss之间的信号传递路径可在时间t1至时间t2的期间为导通。以此类推，计数单元631_m与第一开关ss之间的信号传递路径可在时间t(m-1)至时间tm的期间为导通。时间t0～时间tm的各相邻时间之间为等时间间隔。对此，当第一开关ss在时间t1至时间t2的期间接收到由传感子像素的二极管所提供的传感信号sp1时。计数单元631_2可依据单光子传感信号s1的脉冲sp1来增加计数值(计数值 1)。
62.搭配参考图8，图8是本发明的一实施例的距离传感结果的直方图。时间至数字转换器630可对依序接收到对应于一个测距光的分别具有单光子或数个光子(微量光子)的多个传感信号进行如上述图7的信号时序图的计数操作。当计数电路631判断任一计数单元达到预设值或计数时间长度达预设时间长度时，计数电路631可关断第一开关ss，并且将计数单元631_1～631_m的计数结果直接存储为例如图8所示的对应于距离传感结果的直方图数据。图8所示的直方图可为计数电路631在一个计数时间长度为时间0～ta的期间的计数结果，并且在时间tb直方图具有最高计数值。光传感器可依据时间tb来换算出当前传感对象的距离值。再举例而言，计数单元631_1～631_m的数量可为256个，因此本实施例的时间至数字转换器630能够产生时间精度为8比特(bit)(时间0～ta的期间可对应计数0～255)的高计数解析度的直方图数据。
63.图9是本发明的另一实施例的计数电路的电路示意图。参考图6及图9，上述图5实施例的步骤s540可由图9所示的电路架构来实现，并且图3及图6的计数电路331以及计数电路631可进一步包括如图9所示的计数电路931的架构。以下说明以一个传感子像素的传感结果为例，因此传感阵列的整体传感结果可如以下说明来类推之。在本实施例中，计数电路931可包括多个延迟单元902_1～902_m、多个正反器904_1～904_m、多个反相器905_1～905_m、多个第一及闸906_1～906_m、第二及闸907_1～907_m以及多个计数单元931_1～931_m。延迟单元902_1～902_m的多个第一端可耦接至图6的第二开关s1_1～s1_m的第二端。正反器904_1～904_m的多个时钟信号输入端耦接第二开关s1_1～s1_m的第二端，并且正反器904_1～904_m的多个数据输入端耦接参考电压903。正反器904_1～904_m可为d型正反器。第一及闸906_1～906_m的多个第一输入端耦接正反器904_1～904_m的多个数据输出
端。反相器905_1～905_m的多个输入端各别耦接下一级反相器的数据输出端，并且反相器905_1～905_m的多个输出端耦接第一及闸906_1～906_m的多个第二输入端。第二及闸907_1～907_m的多个第一输入端耦接第一及闸906_1～906_m的多个数据输出端。第二及闸907_1～907_m的多个第二输入端耦接延迟单元902_1～902_m的多个第二端，并且第二及闸907_1～907_m的多个输出端耦接计数单元931_1～931_m。
64.搭配参考图10，图10是本发明的另一实施例的多个第二切换信号以及传感信号的信号时序图。在本实施例中，第二开关s1_1～s1_m可接收如图10所示的第二切换信号en_1’～en_m’，其中第二切换信号en_1’～en_m’的至少一部份的多个导通期间之间为部分重叠。如此一来，搭配其他第二开关的作动，计数单元931_1～931_m分别与第一开关ss之间的多个信号传递路径可在不同期间依序导通，并且数个相邻传递路径之间可分别具有部分重叠的导通期间。例如，计数单元931_1与第一开关ss之间的信号传递路径可在时间t0’至时间t4’的期间为导通。计数单元931_2与第一开关ss之间的信号传递路径可在时间t1’至时间t5’的期间为导通。以此类推，计数单元931_m与第一开关ss之间的信号传递路径可在时间t(m-1)’至时间t(m 4)’的期间为导通。
65.对此，当第一开关ss在时间t1’至时间t2’的期间接收到由传感子像素的二极管所提供的单光子传感信号s2的脉冲sp2时，如图9，第二开关s1_1输出传感信号901_1，并且第二开关s1_2输出传感信号901_2。第二开关s1_3～s1_m未输出信号。经由延迟单元902_2输出经延迟的传感信号至第二及闸907_2的第二输入端。正反器904_2输出数字值“1”至第一及闸906_2的第一输入端。由于正反器904_3输出数字值“0”，因此反相器905_2输出数字值“1”至第一及闸906_2的第二输入端。第一及闸906_2的输出端输出数字值“1”至第一及闸907_2的第一输入端。因此，计数单元931_2可接收到传感信号，并且依据传感信号来增加计数值(计数值 1)。从另一角度而言，本实施例的计数电路931可自动地根据第二开关s1_1～s1_m中最后输出传感信号的第二开关，使其对应的计数单元可正确地计数。
66.相较于图7的第二切换信号en_1～en_m，图10所示的第二切换信号en_1’～en_m’的每一个切换信号的导通期间可为图7的第二切换信号en_1～en_m’的每一个切换信号的导通期间的四倍。换言之，基于本实施例的计数电路931的设计，本实施例的时间至数字转换器630的控制器633可利用较低速度的时钟信号来产生如图10所示的第二切换信号en_1’～en_m’。因此，本实施例的时间至数字转换器630可具有较低的硬件成本(时钟信号精度可较低)，但仍可达到与图6及图7实施例所述的高计数解析度的计数结果的直方图数据。值得再提的是，由于时钟信号为较低速的信号，因此计数电路630可以使用低速电路来实现。换言之，本实施例可大幅降低了时间至数字转换器电路的操作频率，也同时降低了时间至数字转换器电路设计的难度。
67.图11是本发明的另一实施例的光传感器的操作时序图。参考图1、图2及图11，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进行重新偏压，因此会具有一段无法测距光子的期间(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1，四个传感子像素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)进行计算，以作为一个像素传感结果。
68.具体而言，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ta至时间tg之间的一个图框传感期间依序曝光。如图11所示的测距光的发射时序ph1～ph4，在时间ta至时间tg的期间，例如有四个测距光信号(光子)p1～p4被发射至传感像素122。如图11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ta接收到测距光信号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只能接收到测距光信号p1，而测距光信号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。
69.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别被依序延后至时间tb～td，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tb到时间te之间接收到测距光信号p2。传感子像素121_3可在曝光期间t3中的时间tc到时间tf之间接收到测距光信号p3。传感子像素121_4可在曝光期间t4中的时间td到时间tg之间接收到测距光信号p4。因此，传感子像素121_2～121_4可有效接收到全部的测距光信号p1～p4，而可降低死亡时间的影响，并且提供准确的传感结果。
70.综上所述，本发明的光传感器以及测距方法，可有效降低时间至数字转换器当中的存储体的存储空间需求，和/或可降低时钟信号的精度要求，和/或可降低时间至数字转换器电路的操作频率，和/或可降低时间至数字转换器电路的设计难度。因此本发明的光传感器以及测距方法可利用较低成本的时间至数字转换器来实现具有高计数解析度的计数结果的直方图数据。
71.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。