CN205809294U - 距离感测装置 - Google Patents

Abstract

为了正确地对兴趣对象测距，本公开提供距离感测装置，其包括：光源装置，被配置为发射偏振光；以及光敏检测器装置，被配置为检测由所述光源装置发射并且从目标反射的光，其中所述光敏检测器装置被配置为基本上防止从具有相对高的反射率的目标反射的所述偏振光抵达所述检测器。本公开的实施例可以正确地对兴趣对象测距，而不是将具有相对高的反射率的表面检测为目标。

Description

距离感测装置

技术领域

一些实施例涉及装置并且特别地但是非排他地涉及用于测距应用中使用的装置。

背景技术

用于确定到对象的距离的设备是已知的。一种目前使用的方法被称为“飞行时间”。这一方法包括朝向对象发送光信号并且确定信号行进到对象并且返回所用的时间。对信号所用的用于这一行程的时间的计算可以通过测量从光源出来的信号和在对象上反射并且由光传感器检测到的信号之间的相位移动而获得。知道这一相位移动和光速使得能够确定到对象的距离。还已知使用直方图技术的其它技术。

单光子雪崩二极管(SPAD)可以被用于感测被反射的光。一般地，SPAD的阵列被提供作为传感器，以便检测被反射的光脉冲。光子可以触发SPAD阵列中的一个或者多个SPAD中的雪崩电流。该雪崩电流可以标志着如下事件，即已经检测到光的光子。

实用新型内容

为了正确地对兴趣对象测距，根据一个方面，提供距离感测装置，其包括：光源装置，被配置为发射偏振光；以及光敏检测器装置，被配置为检测由所述光源装置发射并且从目标反射的光，其中所述光敏检测器装置被配置为基本上防止从具有相对高的反射率的目标反射的所述偏振光抵达所述检测器。

光源装置可以包括偏振光的发射器。

光源装置可以包括光源和光源偏振装置。

光源偏振装置可以被配置为如下之一：使由所述光源发射的所述光进行圆偏振；以及使由所述光源发射的所述光进行线偏振。

光敏检测装置可以包括检测器偏振装置和至少一个光敏检测器。

所述检测器偏振装置可以提供所述光源偏振装置。

所述光源偏振装置和所述检测器偏振装置中的至少一个偏振装置可以包括四分之一波片。

所述光源偏振装置和所述检测器偏振装置中的至少一个偏振装置可以包括线偏振器。

检测器偏振装置可以包括至少一个第一线偏振器和正交于至少一个第一线偏振器的至少一个第二线偏振器。

具有相对高的反射率的目标可以包括玻璃、镜子、或者镜子式的表面。

光敏检测器装置可以包括至少一个光敏检测器，所述光敏检测器中的至少一个光敏检测器包括提供线偏振器的线性栅格。

线性栅格可以包括平行接线的栅格，所述接线的纵向延伸限定偏振平面。

邻近的接线之间的间距可以小于光的波长。

栅格或者每个栅格可以被单独地提供给相应的光敏检测器。

光敏检测器可以包括光敏检测器的阵列，该光敏检测器的阵列中的至少一个光敏检测器被提供有偏振滤波器，并且该光敏检测器的阵列中的至少一个光敏检测器没有偏振滤波器。

光敏检测器或者每个光敏检测器可以包括SPAD。

本公开的实施例可以正确地对兴趣对象测距，而不是将具有相对高的反射率的表面检测为目标。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并且参照附图描述一些实施例，其中：

图1图示了用于确定到对象的距离的“飞行时间”方法的原理；

图2A至图2C是图示了借助于图1中的设备以及“SPAD”的操作获得的结果的时序图。

图3示出了其中光从非反射性对象被反射的情境；

图4示出了在一些实施例中使用的原理；

图5示出了其中光从窗口被反射的情境；

图6示出了其中光从镜子被反射的情境；

图7示出了具有SPAD阵列设置的设备；

图8示出了其中线偏振光从镜子被反射的情境；

图9示出了其中偏振光经由镜子从对象被反射的情境；

图10A和图10B示出了在一些实施例中使用的SPAD器件的横截面；

图11示出了图10中的SPAD器件的透视图；以及

图12示意性地示出了具有线偏振滤波的成像器的示例。

具体实施方式

在图1中，发生器10(PULSE)提供周期性电信号，例如，所述信号可以是方形的。这一信号对光源12供电。光源12的示例可以是发光二极管，或者任何已知照明设备，例如激光器。从光源12出来的信号被朝向对象16传输并且被这一对象反射。被反射的光信号由光传感器18(CAPT)检测。传感器18上的信号CAPT因此从由发生器提供的信号被延迟了与到对象16的距离的两倍成比例的时间段。

计算块20(“DIFF”)接收由发生器10和由传感器18生成的信号以获得到对象16的距离。已知用于确定这一距离的各种不同的技术。

图2A至图2C是图示了诸如图1中的电路之类的电路的操作的时序图。图2A图示了能够由图1中的发生器10提供的周期性信号“PULSE”。图2B图示了由传感器18接收的信号CAPT。传感器18上的信号从发生器10出来的信号被延迟了延迟D。

通常，传感器18集成了实现对从对象16反射之后被接收的信号的检测的一个或者几个光检测元件。这种元件可以是快速电荷转移光电二极管。可以备选地使用单光子雪崩二极管或者“SPAD”，还称为盖革(Geiger)模式雪崩光电二极管。这些器件具有反向偏置p-n结，其中光子可以由于碰撞离化机制触发雪崩电流。SPAD可以被设计为以比击穿电压高得多的反向偏置电压操作。

图2C图示了在其中传感器18包含这种SPAD的情形下，由这一传感器生成的信号(PULSEC)。

SPAD按如下方式操作。在初始时间时，二极管被反向偏置到大于其击穿电压的电压。二极管结区域中的光子接收在二极管中产生雪崩电流，这创建了电脉冲。二极管接着被偏置回到小于击穿电压的电压以淬灭雪崩电流，使得SPAD可以再次对接收到光子起反应。然而，二极管必须再次被反向偏置到大于其击穿电压的电压以便对另一光子起反应。SPAD目前可以在具有短于10ns的再激活周期的循环中使用。因此，SPAD可以在高频率下使用以检测与测量设备相距相对短距离处的对象，例如范围从几厘米到几十厘米的距离。其它设置可以支持不同的范围。

如图2C所示，如果SPAD接收诸如联系图2B描述的光信号，则二极管雪崩时间可以关于这一信号变化。脉冲数与时间关系的图反映由SPAD接收的光的功率-时间分布。因此，在图2A至图2C所示的情形下，通过大量的采集，通过SPAD的脉冲传输的图基本上遵循图2B中的曲线。

因此，飞行时间(ToF)传感器可以通过确定所发射的光被反射回到传感器所用的时间，来测量传感器和目标表面之间的距离。

来自ToF传感器的测量可以具有很多不同的应用。例如，测量可以被用于当拍照时协助自动聚焦机制。ToF传感器可以被提供在相机中，并且关于到对象的距离的信息被用于至少部分控制相机中的聚焦机制。

然而，当用户想要拍摄镜子的照片或者穿过外部玻璃窗口拍摄照片时，会出现问题。在这种使用情形下，可能期望ToF传感器返回镜子“中”或者玻璃后的对象的距离。然而，因为从玻璃和镜子表面返回的信号通常相比于从兴趣对象的反射而言相对高，所以ToF传感器倾向于返回镜子或者玻璃的距离(即，到镜子或者玻璃表面的距离) 而不是兴趣对象的距离。

参照图3，其中对象210不是反射性的。来自光源202的光被发射并且穿过第一线偏振器204。线偏振器204将使得由光源202发射的非偏振光被线偏振。线偏振光接着穿过四分之一波片206以产生圆偏振光208。当光从对象210被反射时，被反射的光253未被偏振。被反射的光253大部分不受阻碍地穿过四分之一波片206和线偏振器204，虽然后者将把该光线偏振。因此，被发射的光将抵达检测器200。

参照图4，其示出了在一些实施例中使用的原理。来自光源202的光被发射并且穿过第一线偏振器204。线偏振器204将使得由光源202发射的非偏振光被线偏振(在所示的示例中为P偏振)。线偏振光接着穿过四分之一波片206。四分之一波片206产生圆偏振光208。当光从反射表面212反射时，被反射的光208被圆偏振，但是相比于入射光，具有反向的偏振状态。反射表面例如可以是玻璃、镜子、或者任何其它类型的反射表面。被反射的光252穿过四分之一波片206，其在四分之一波片206处被转换为线偏振光。然而，该线偏振光正交于由线偏振器204引入的偏振(在所示的示例中为S偏振)。因此，被反射的光被线偏振器204阻挡。因此，被反射的光未抵达检测器200。

如将更详细地讨论的那样，反射表面212可以是镜子、窗口的玻璃面、或者任何其它合适的反射表面。因为从反射表面反射的光不抵达检测器，这意味着检测器不会将反射表面检测为目标。

参照图5，其示出了其中反射表面是窗口的玻璃214的面并且对象210在窗口之后。来自光源202的光穿过线偏振器204和四分之一波片206。光因此如前面讨论那样被圆偏振。从玻璃反射的光被引用为262。如前面讨论那样，被反射的光被圆偏振，但是相比于入射光而言具有反向的偏振状态。被反射的光262穿过四分之一波片206，其在四分之一波片206处被转换为线偏振光并且接着被线偏振器204阻挡。因此，从玻璃反射的光未抵达检测器200。

然而，来自光源202的一些光将穿过玻璃214并且从对象210反 射回来。被对象210反射的光242未被偏振。从对象210反射的非偏振光242如联系图3讨论那样穿过玻璃214的面、四分之一波片206、以及线偏振器204，以从而被检测器200检测到。

在这一示例中参照图6，并且反射表面是镜子。来自光源202的光穿过线偏振器204和四分之一波片206。光因此如之前讨论那样被圆偏振。从玻璃反射的光被引用为230。如前面讨论那样，被反射的光被圆偏振，但是相比于入射光而言具有反向的偏振状态。被反射的光230穿过四分之一波片206，其在四分之一波片206处被转换为线偏振光并且接着被线偏振器204阻挡。因此，从玻璃反射的光未抵达检测器200。

一些光将从镜子232反射，以从镜子前方的对象216反射。这可以在用户为他们自己拍摄照片的情况下使用。从对象234反射的光将不被偏振，并且因此当该非偏振光从对象234反射回到反射表面212时，该光将转而从反射表面反射回到检测器236。因为光未被偏振，该光将如之前讨论那样抵达检测器。

在一些实施例中，检测器、光源、连同线偏振器和四分之一波片中的一个或者多个可以被包括在共用封装中。在其它实施例中，四分之一波片206和线偏振器中的一个或者多个可以被外部提供到包括光源和检测器的封装。

通过将减反射偏振滤波器放在ToF传感器模块内或者放在传感器顶部上的盖玻璃内的光学堆叠中，来自例如镜子和玻璃的反射可以被过滤掉，从而允许传感器正确地对兴趣对象测距。

因此，实施例可以使用与四分之一波片(λ/4)结合的线偏振器，以产生圆偏振光。在圆偏振光被镜子或者玻璃反射之后，其不能穿过相同的光学堆叠。

在使用ToF传感器、使用正常朗伯(Lambertian)目标的正常测距操作期间(见图3)，圆偏振光从光源行进并且行进到对象上。该光作为非偏振光被反射回来并且大部分不受阻碍地穿过光学堆叠。ToF传感器接着可以测量到对象的距离。

使用镜子目标(见图6)，从镜子反射的圆偏振光将仍然是圆偏振的，但是其将具有反向的偏振状态或者自旋特性。被反射的光行进穿过波片，并且被转换为线偏振光。这一线偏振光正交于线偏振器，并且因此将被拒绝或者阻挡而不能抵达传感器。ToF传感器因此将不把镜子视为有效目标。

对于玻璃使用情形(见图5)，玻璃将返回偏振光，并且兴趣对象将返回非偏振光，并且仅来自对象的光将能够穿过光学堆叠。

在一些实施例中，可以使用不同的偏振设置。例如，偏振器可以是接线栅格偏振器、吸收性偏振器、分束偏振器、薄膜偏振器、或者任何其它合适的偏振滤波器。

在一些实施例中，检测器可以包括感测元件的阵列。至少一个感测元件可以具有诸如之前讨论那样的偏振设置，并且至少一个感测元件可以不具有偏振设置。使用这种设置，从被提供有偏振设置的至少一个感测元件获得的信息可以与从没有偏振设置的至少一个感测元件获得的信息进行比较。该差别可以被用于检测诸如玻璃面或者镜子之类的反射性对象的存在。特别地，如果由没有偏振设置的至少一个感测元件检测的距离小于由具有偏振设置的至少一个感测元件检测的距离，则可以确定有反射表面存在。

一些实施例可以被提供在诸如图7所示的设备400中。设备400可以包括多个如之前描述那样并且被引用为402的SPAD阵列。来自SPAD设置的输出可以被提供到处理器404。基于由处理器提供的输出，信息或者控制信号可以被输出到功能块406。功能块可以是被配置为响应于检测到对象的存在而引起一个或者多个动作的控制器。功能块可以是被配置为显示测量结果的显示器。处理器可以被配置为识别来自从SPAD阵列提供的信息的一个或者多个手势。

在一些实施例中，光源可以产生偏振光。例如，光源可以产生圆偏振光，而未利用在光源前方的圆偏振器(诸如四分之一波片)。在其它实施例中，光源可以例如产生线偏振光，而未利用在光源前方的线偏振器。

在一些实施例中，检测器可以检测偏振光。例如，检测器可以检测圆偏振光，而未利用在检测器前方的圆偏振器(诸如四分之一波片)。在其它实施例中，检测器可以例如检测线偏振光，而未利用在检测器前方的线偏振器。

参照图8，在这一示例中，仅利用了彼此正交(90度异相，或者接近90度异相)的线偏振器。第一线偏振器204(例如竖直对准)将使得由光源202发射的非偏振光变成线偏振光308(在所示的示例中为P偏振)。当该P偏振光被反射表面212反射时，光保持其P偏振状态。从反射表面反射的光被引用为330。被反射的光330接着由正交对准于第一线偏振器的第二线偏振器306(例如水平对准)阻挡。因此，从反射表面反射的光未抵达检测器200。

使用镜子目标(见图9)，仅从镜子330反射的P偏振光将仍然是P偏振的，并且将如上面讨论那样不被检测。当P偏振光332被对象316反射时，被反射的光是非偏振光334。这一非偏振光334接着可以被镜子212反射。从镜子336反射的非偏振光中的一些接着能够穿过第二线偏振器306，因为非偏振光具有一些S偏振分量。因此，被反射的光将抵达检测器200。

在一些实施例中，检测器200可以使用单光子雪崩二极管(SPAD)感测被反射的光。一般地，SPAD的阵列被提供作为传感器，以便检测被反射的光脉冲或者光。光子可以触发SPAD阵列中的一个或者多个SPAD中的雪崩电流。雪崩电流可以标志着如下事件，即已经检测到光的光子。

SPAD按如下方式操作。在初始时间时，二极管被反向偏置到大于其击穿电压的电压。二极管结区域中的光子的接收在二极管中产生雪崩电流，这创建了电脉冲。二极管接着被偏置回到小于击穿电压的电压以淬灭雪崩电流，使得SPAD可以再次对接收到光子起反应。然而，二极管必须再次被反向偏置到大于其击穿电压的电压以便对另一光子起反应。SPAD目前可以在具有短于10ns的再激活周期的循环中使用。

参照图10A，其示意性地示出了在一些实施例中使用的SPAD的横截面。SPAD 54可以被提供在p衬底52中。相应的p阱30和42可以被提供在衬底中。n阱区域被提供在两个p阱30和42之间。n阱区域包括深n阱34、n阱32、以及n+区域36。n+区域36邻近SPAD的表面区域，并且具有与其接触的阴极38。p阱30和42中的每个被提供有相应的p+区域46和44。相应的阳极48和50被提供为与相应的p+区域46和44接触。应该领会的是，倍增结被提供在深n阱34和p衬底52之间。

密集间隔的金属接线栅格40被提供在SPAD的表面之上，并且因此在SPAD检测器和反射源之间。接线栅格具有多个平行接线。密集间隔的接线栅格充当用于光的偏振滤波器。接线之间的间距d可以小于光的波长，并且可以例如为：d＝λ/2(其中λ是波长)。接线的宽度w可以如处理允许的那样小：w＝最小值(其中w为接线宽度，其中接线可以例如由金属制成)，w的值可以例如为0.14μm。

在一些实施例中，接线栅格滤波器可以被提供在每个单独的SPAD上。

应该领会的是，接线的定向控制由栅格提供的线偏振的方向。

现在参照图10B，其示意性地示出了在一些实施例中使用的SPAD的横截面。SPAD1254可以被提供在P衬底1252中。相应的P阱1230、1231、以及1232可以被提供在衬底中。P阱1230、1231、以及1232中的每个包括p+区域1234、1235、以及1236。相应的阳极1238被提供到p+区域1235。p+区域1234以及1236中的每个被提供有电接地1237以及1239。N阱区域1240以及1241分别被提供在P阱区域1230和1231之间以及在P阱区域1231和1232之间(即以P-N-P-N-P设置)。N阱1240以及1241中的每个分别包括n+区域1242以及1243。N阱1240以及1241分别被提供有阴极1244以及1245。N-P-N阱1240、1231、以及1241分别被提供有深N阱1246。倍增结1247被提供在深N阱1246和P阱1231之间。在一些实施例中，线偏振器栅格边缘40应该从顶部金属向下接触到多晶硅(Poly)以避 免侧照射。

在这一点上，参照图11，其示意性地示出了被提供在SPAD 54上的栅格40。在一些实施例中，保证了栅格端部边缘在平行于接线的纵向方向上应该从顶部金属向下接触到多晶硅层以避免撞击在SPAD上的侧照射，从而绕开由栅格提供的偏振功能。垂直于接线的纵向方向的边缘仍然提供偏振功能。然而，在一些实施例中，与接线平行的方向上的栅格端部边缘可以使得存在连续侧边缘以防止任何侧照射。

现在参照图12，其示意性地示出了SPAD阵列上的滤波器的设置。在这一示例中，SPAD 60中的一些SPAD没有任何接线栅格，并且因此能够检测包括偏振光在内的所有光。换句话说，这些SPAD在其上不具有任何滤波器。SPAD 62中的一些SPAD每个被提供有被定向在一个方向上的接线栅格，并且SPAD 64中的一些SPAD被提供有被定向在垂直于SPAD 62的接线栅格的方向上的接线栅格。在图12所示的示例中，被引用为62的那些SPAD可以例如仅检测竖直偏振光，而被引用为64的那些SPAD仅能够检测水平偏振光。

使用诸如联系图10A、10B、11、以及12描述的SPAD阵列，光源可以被提供有其自身的线偏振滤波器以保证发射线偏振光。来自光源的光的偏振相对于至少一个SPAD上的偏振滤波器成直角，以过滤掉来自不想要的反射的光(例如在之前讨论的窗口和镜子的情景中)。

应该领会的是，该设备可以是任何合适的设备。仅通过示例的方式并且不具有限制性，该设备可以是移动电话、智能电话、平板电脑、计算机、测量设备、开关控制器(诸如用于灯、控制诸如水龙头或者卫生间中的供水)、门控制器、距离传感器、作用控制器、或者任何其它合适的设备。

一些实施例可以使用其它传感器而非SPAD。这些传感器可以是在接收到光信息时生成事件的集成元件。

应该领会的是，上面描述的设置可以至少部分地由集成电路、芯片集、一起封装或者不同封装中的一个或者多个裸片、分立电路、或者这些选项的任何组合来实施。

这里已经在上面描述了具有不同变化的各种实施例。应该注意的是，本领域技术人员可以将这些各种实施例和变体的各种元件组合。

这种更改、修改、以及改善旨在作为本公开的一部分，并且旨在处于本实用新型的范围内。因此，上面的描述仅通过示例的方式，并且不旨在是限制性的。本实用新型仅被限制为如以下权利要求和其等效所限定的。

Claims (15)

1.一种距离感测装置，其特征在于，包括：

光源装置，被配置为发射偏振光；以及

光敏检测器装置，被配置为检测由所述光源装置发射并且从目标反射的光，其中所述光敏检测器装置被配置为基本上防止从具有相对高的反射率的目标反射的所述偏振光抵达所述检测器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述光源装置包括偏振光的发射器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述光源装置包括光源和光源偏振装置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，其中所述光源偏振装置被配置为如下之一：使由所述光源发射的所述光进行圆偏振；以及使由所述光源发射的所述光进行线偏振。

5.根据权利要求3或者4所述的装置，其特征在于，其中所述光敏检测装置包括检测器偏振装置和至少一个光敏检测器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，其中所述检测器偏振装置提供所述光源偏振装置。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，其中所述光源偏振装置和所述检测器偏振装置中的至少一个偏振装置包括四分之一波片。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，其中所述光源偏振装置和所述检测器偏振装置中的至少一个偏振装置包括线偏振器。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，其中所述检测器偏振装置包括至少一个第一线偏振器和至少一个第二线偏振器，其中所述第二线偏振器被定向为使得所述第二线偏振器基本上正交于所述至少一个第一线偏振器。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，其中所述光敏检测器装置包括至少一个光敏检测器，所述光敏检测器中的至少一个光 敏检测器包括提供线偏振器的线性栅格。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述线性栅格包括平行接线的栅格，所述接线的纵向延伸限定偏振平面。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，其中邻近的接线之间的间距小于光的波长。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，其中所述栅格或者每个栅格被单独地提供给相应的光敏检测器。

14.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其特征在于，其中所述光敏检测器包括光敏检测器的阵列，所述光敏检测器的阵列中的至少一个光敏检测器被提供有偏振滤波器，并且所述光敏检测器的阵列中的至少一个光敏检测器没有偏振滤波器。

15.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，其中所述光敏检测器或者每个光敏检测器包括SPAD。