CN112130160A - 一种超宽频ToF传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，具体公开了一种超宽频ToF传感器，包括处理单元、驱动单元、发射单元、截止单元，还包括锗硅传感器；处理单元分别与驱动单元和锗硅传感器信号连接，处理单元用于根据预设的激光发射数据向驱动单元发送驱动信号；驱动单元与发射单元信号连接，驱动单元用于在接收到驱动信号后，驱动发射单元发射激光；发射单元发射激光的波长范围为850‑1550nm；截止单元用于对反射的激光进行滤波；锗硅传感器用于采集滤波后的激光，生成激光接收数据；处理单元用于根据激光发射数据和激光接收数据计算被测目标的距离；其中，锗硅传感器采集激光的波长范围为850nm‑1550nm。采用本发明的技术方案能够避免对视力造成损害且量子效率衰减较低。

Description

一种超宽频ToF传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种超宽频ToF传感器。
背景技术
目前主流3D的ToF传感器大多在波长小于1μm的光线下工作，例如850nm或940nm，这带来两项技术搭载层面的困境：首先，太阳光对于此短波长频段的光线会造成明显的干扰，使得室外的3D传感性能大幅降低；其次，由于人类视网膜会吸收在此波长区段的激光能量，当ToF传感器遭误用或故障等情形发生时，可能会对人的视力造成无法挽回的损害。
为解决上述问题，产学界不乏投入长波长技术的先例，不过受限于既有材料在长波长频段的光电转换效能低下，难以将可用光谱推进至1μm以上。从代表光电转换率的量子效率(Quantum Efficiency，QE)指标来看，一般基于硅工艺的3D传感器在940nm处QE约为30％，然而当波长进入1μm的区段后，QE便急剧下探至趋近于0％。
因此，目前需要一种量子效率衰减较低且避免对视力造成损害的ToF传感器。
发明内容
本发明提供了一种超宽频ToF传感器，能够避免对视力造成损害且量子效率衰减较低。
为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种超宽频ToF传感器，包括处理单元、驱动单元、发射单元、截止单元；还包括锗硅传感器；
处理单元分别与驱动单元和锗硅传感器信号连接，处理单元用于根据预设的激光发射数据向驱动单元发送驱动信号；
驱动单元与发射单元信号连接，驱动单元用于在接收到驱动信号后，驱动发射单元发射激光；发射单元发射激光的波长范围为850-1550nm；
截止单元用于对反射的激光进行滤波；
锗硅传感器用于采集滤波后的激光，生成激光接收数据；
处理单元还用于根据激光发射数据和激光接收数据计算被测目标的距离；
其中，锗硅传感器采集激光的波长范围为850nm-1550nm。
基础方案原理及有益效果如下：
本方案中，采用锗硅(GeSi)作为光吸收材料，并使之整合在芯片上，形成锗硅传感器，能突破长久以来存在于物理和工程上的障碍，使用锗硅传感器在940nm处QE显着提高至70％，而在1550nm处则可维持在50％。其工作波长可以在远红外1050nm之后，能够减少激光对人体的危害，更能降低视网膜因吸收短波长激光而受损的风险。
其发射和接收频段可在850-1550nm全频段.可以在户外减少环境光线对其模组的干扰，尤其是1250nm以后的频段，能提升抗阳光干扰的能力，在户外及室内达到一致的使用体验。
进一步，所述锗硅传感器包括基底，基底上设置有锗硅半导体层，锗硅半导体层上设置有若干晶体管。
进一步，锗硅传感器还包括微距镜，微距镜固定在晶体管上方。
进一步，晶体管包括放大器晶体管、列线晶体管和复位晶体管。
进一步，还包括波束成形透镜和接收透镜；波束成形透鏡用于对发射的激光进行束波；接收透镜用于接收被测目标反射的激光。
通过设置波束成形透镜和接收透镜，能够便于进行束波和采集被测目标反射的激光。
进一步，所述驱动单元采用LED驱动器。
进一步，所述发射单元发射激光的频率大于300MHz。
进一步，所述截止单元采用红外截止滤波片。
进一步，所述红外截止滤波片用于过滤波长940nm激光。
进一步，所述红外截止滤波片还用于过滤波长1310nm激光。
附图说明
图1为实施例一一种超宽频ToF传感器的逻辑框图；
图2为实施例一一种超宽频ToF传感器中锗硅传感器局部剖视图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的标记包括：基底1、锗硅半导体层2、微距镜3、列线晶体管4、放大器晶体管5、复位晶体管6。
实施例一
如图1所示，本实施例的一种超宽频ToF传感器，包括处理单元、驱动单元、发射单元、波束成形透镜、接收透镜、截止单元和锗硅传感器。
处理单元分别与驱动单元和锗硅传感器信号连接，处理单元用于根据预设的激光发射数据向驱动单元发送驱动信号；
驱动单元与发射单元信号连接，驱动单元用于在接收到驱动信号后，驱动发射单元发射激光。本实施例中，驱动单元采用LED驱动器；发射单元发射激光的波长范围为850-1550nm。发射单元发射激光的频率大于300MHz。
波束成形透鏡用于对发射的激光进行束波；
接收透镜用于接收被测目标反射的激光。
截止单元用于对反射的激光进行滤波，本实施例中，采用红外截止滤波片。红外截止滤波片用于过滤波长940nm激光，以及波长1310nm激光。
锗硅传感器用于采集滤波后的激光，生成激光接收数据；锗硅传感器采集激光的波长范围为850nm-1550nm。
如图2所示，锗硅传感器包括基底1和微距镜3，基底1上设置有锗硅半导体层2，锗硅半导体层2上设置有若干晶体管，本实施例中，包括放大器晶体管5、列线晶体管4、复位晶体管6等；微距镜3固定在晶体管上方。
处理单元用于根据激光发射数据和激光接收数据计算被测目标的距离。
本实施例中，采用锗硅(GeSi)作为光吸收材料，并使之整合在芯片上，如表1所示，在940nm处QE显着提高至70％，而在1310nm处则可维持在50％。
表1
Figure BDA0002702204370000031
其工作波长可以在远红外1050nm之后，能够减少激光对人体的危害，更能降低视网膜因吸收短波长激光而受损的风险。
其发射和接收频段可在850-1550nm全频段.可以在户外减少环境光线对其模组的干扰，尤其是1250nm以后的频段，能提升抗阳光干扰的能力，在户外及室内达到一致的使用体验。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中处理单元还用于获取环境图像和环境音，基于环境图像判断当前环境为室外还是室内，当当前环境为室外时，处理单元还用于根据画面亮度判断环境光线高于预设亮度还是低于预设亮度；本实施例中，高于预设亮度环境光线为强，低于预设亮度环境光线为弱。本实施例中，超宽频ToF传感器运用于手机上，环境图像从手机的图像传感器获取，环境音从手机的麦克风获取。
处理单元还基于环境图像判断当前环境中是否有人，如果有人，处理单元还用于判断人处于面对传感器状态还是处于背对传感器状态；
当人处于背对传感器状态时，处理单元还用于分析环境音，计算环境音的平均分贝，处理单元还用于判断当前环境音与平均分贝相比是否超过阈值，如果超过，将背对传感器状态修改为面对传感器状态；
处理单元还用于在当前环境为室内且无人时，将发射单元发射激光的波长范围设定为850-1309nm；
在当前环境为室内，且人处于面对传感器状态时，将发射单元发射激光的波长范围设定为1310-1550nm；
在当前环境为室内，且人处于背对传感器状态时，将发射单元发射激光的波长范围设定为850-1309nm；
在当前环境为室外，环境光线高于预设亮度时，将发射单元发射激光的波长范围设定为1310-1550nm；
在当前环境为室外，环境光线低于预设亮度且无人时，将发射单元发射激光的波长范围设定为850-1309nm；
在当前环境为室外，环境光线低于预设亮度且人处于面对传感器状态时，将发射单元发射激光的波长范围设定为1310-1550nm；
在当前环境为室外，环境光线低于预设亮度且人处于背对传感器状态时，将发射单元发射激光的波长范围设定为850-1309nm。
虽然锗硅传感器采集激光的波长范围为850nm-1550nm，但是在超过1000nm之后，QE仍然具有衰减。本实施例中，通过判断当前环境是室外还是室内，人是否面对传感器，以及室外环境光线是否高于预设亮度，可以判断是否能够优先采用850-1309nm的波长范围，在激光可能会对人体产生危害，或者被阳光干扰的情况下再使用1310-1550nm的波长。没有直接采用850nm-940nm，可以更好的适应突然变化的光线，以及保护突然出现的人。
当人处于背对传感器状态时，正常情况下不会突然转身，但是当环境中突然有异响或者有人叫喊的时候(当前环境音与平均分贝相比超过阈值)，出于本能，人可能会转身导致人面对传感器。本实施例中，可以检测这种情况，将背对传感器状态修改为面对传感器状态；可以避免人突然转身时，激光对人体产生危害。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种超宽频ToF传感器，包括处理单元、驱动单元、发射单元、截止单元；
其特征在于，还包括锗硅传感器；
处理单元分别与驱动单元和锗硅传感器信号连接，处理单元用于根据预设的激光发射数据向驱动单元发送驱动信号；
驱动单元与发射单元信号连接，驱动单元用于在接收到驱动信号后，驱动发射单元发射激光；发射单元发射激光的波长范围为850-1550nm；
截止单元用于对反射的激光进行滤波；
锗硅传感器用于采集滤波后的激光，生成激光接收数据；
处理单元还用于根据激光发射数据和激光接收数据计算被测目标的距离；
其中，锗硅传感器采集激光的波长范围为850nm-1550nm。
2.根据权利要求1所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：所述锗硅传感器包括基底，基底上设置有锗硅半导体层，锗硅半导体层上设置有若干晶体管。
3.根据权利要求2所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：锗硅传感器还包括微距镜，微距镜固定在晶体管上方。
4.根据权利要求3所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：晶体管包括放大器晶体管、列线晶体管和复位晶体管。
5.根据权利要求4所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：还包括波束成形透镜和接收透镜；波束成形透鏡用于对发射的激光进行束波；接收透镜用于接收被测目标反射的激光。
6.根据权利要求5所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：所述驱动单元采用LED驱动器。
7.根据权利要求6所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：所述发射单元发射激光的频率大于300MHz。
8.根据权利要求7所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：所述截止单元采用红外截止滤波片。
9.根据权利要求8所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：所述红外截止滤波片用于过滤波长940nm激光。
10.根据权利要求9所述的超宽频ToF传感器，其特征在于：所述红外截止滤波片还用于过滤波长1310nm激光。
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