Tof距离传感器以及用于其操作的方法
【专利摘要】提出了一种用于测量距对象的距离的TOF距离传感器，该传感器包括：电子装置，其用于产生调制信号并且用于产生4个相关信号，该相关信号相对于彼此相移以及具有与调制信号相同的周期；辐射源，其用于发射辐射，该辐射通过调制信号来调制；接收装置，其具有关于辐射源的预定空间关系，用于接收由对象反射的辐射；相关装置，其用于使所接收的辐射或相应变量相应地与4个相关信号中的一个相关，以便形成4个相应的相关值；差形成装置，其用于从相应地在相关值中的2个之间的差中形成2个差相关值；计算装置，其体现为在2个差相关值上采用预定线性相关性来计算距离。
【专利说明】TOF距离传感器以及用于其操作的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及TOF (飞行时间)距离传感器，以及涉及用于操作TOF距离传感器的方法。
【背景技术】
[0002]现有技术已经公开了 2抽头TOF距离传感器，该传感器的操作基于正弦信号的使用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是改进现有技术。
[0004]该目的通过根据权利要求1的TOF距离传感器以及通过根据权利要求10的方法来实现。有利的实施例在另外的从属权利要求中指定。
[0005]根据用于测量距对象的距离的本发明的TOF距离传感器包括电子装置，该电子装置用于产生调制信号并且用于产生4个相关信号，该相关信号相对于彼此相移并且具有与调制信号相同的周期。该传感器进一步包括辐射源，其用于发射辐射，更特别的是IR辐射，该辐射通过调制信号来调制。该传感器进一步包括接收装置，其具有关于辐射源的预定空间关系，用于接收由对象反射的辐射。该传感器进一步包括相关装置，其用于使接收辐射或与接收辐射对应的变量相应地与4个相关信号中的一个信号相关。该传感器进一步包括差形成装置，其用于从在相关值中的相应2个之间的差中形成2个差相关值。该传感器进一步包括计算装置，其体现为在2个差相关值上采用预定线性相关性来计算距离。
[0006]计算装置优选体现为在2个差相关值上采用预定专用线性相关性来计算距离。
[0007]对象可以更特别的是人或可移动或固定的物体或墙壁。
[0008]辐射源优选是半导体辐射源，优选是一个LED (发光二极管)或多个LED。所发射的辐射可以是可见或不可见的光，例如IR (红外线)、VIS (可见光)或UV辐射(紫外线)。特别地，所发射的辐射可以基本上是单色的，即采用小于10%的半最大值全宽度(full-widthat half maximum),更特别的是小于5%的半最大值全宽度,更特别的是小于2%的半最大值全宽度，更特别的是小于1%的半最大值全宽度，更特别的是小于0.1%的半最大值全宽度。
[0009]特别地，调制信号和/或相关信号的波形可具有至少部分恒定和/或线性的部分。特别地，波形可体现为三角形形状，体现为具有大部分垂直侧面的锯齿形状，体现为梯形形状或矩形形状。特别地，调制信号的波形可与相关信号的波形不同。特别地，调制信号可以是正弦信号。特别地，相关信号可以具有周期性在阈值上方和下方交替的波形。特别地，相关信号可以是矩形信号。在用于调制信号和/或相关信号的波形的非矩形分布的情况下，可以在计算中接受小误差或计算装置可通过校正函数或校正表来补充。
[0010]特别地，调制信号和/或相关信号的信号分布可以是周期性的。
[0011]相同的周期可更特别地通过在相同长度的时间间隔中的两个信号成比例的相等最大值和最小值的相同时间序列来定义。[0012]预定的空间关系更特别地指在接收时光源和接收传感器以已知的方式相对于彼此在空间上布置，和/或关于测量距离一起接近，和/或布置在共同的支持物上，和/或被布置在共同的外壳中。
[0013]相关是更特别地具有相同周期的两个信号的时间分布的乘法运算。相关可通过在一个周期或若干周期中的两个信号分布的乘积的时间积分在数学上表示。
[0014]相位分布指在发射的福射的相位值中表述的时间分布。相移指信号相对于彼此具有时间偏移分布。术语“相移”和“相位偏移”在此以等效方式使用。只要这是具有一般认为是归一化的相位分布以及一般在波形中丢弃的若干周期中的最大幅度中的变化的信号分布，则波形和相位分布可表示同一术语。
[0015]特别地，为了计算目的一些或所有信号可以是或变得归一化为I。这可能是有利的，因为检测的辐射强度可以取决于情况来改变。
[0016]线性相关性可同样指分段线性相关性，但不是拟合到非线性相关性自身的分段近似线性。
[0017]距离的计算可同样是与距离等同的变量的计算，诸如例如关于所发射的辐射的接收辐射的相移或在发射和接收的辐射之间的时间偏移的计算。
[0018]用于表示函数单元的术语“装置”不一定指空间单元，而是更特别地指函数关系。
[0019]调制信号和/或4个相关信号优选体现为矩形信号。
[0020]矩形信号基本上是矩形并且基本上在两个值之间改变，优选在两个正值之间，优选在零和固定值之间。矩形信号优选具有50%的占空比(脉冲持续时间与周期持续时间的比率)。
[0021]该矩形信号可提供如下优点，即独立于其辐射特性，其可用于各种类型的光源，更特别地用于LED。
[0022]相关信号优选相对于彼此被分别相移四分之一周期，和/或相关信号具有与该调制信号相同的相位。
[0023]相对于彼此被相移四分之一周期指相移π/2(90° )。特别地，第一相关信号可等于调制信号并且因此等于发射的辐射的时间分布，而3个另外的相关信号可相应地偏移四分之一周期。
[0024]差优选在从相关值形成的每一种情况中形成，该相关值的关联相关信号被相移半周期。
[0025]相对于彼此被相移半周期指相移π (180° )。
[0026]特别地，第一差从相关值中形成，该相关值的关联相关信号关于调制信号被相移O和π，而第二差从相关值中形成，该相关值的关联相关信号关于调制信号被相移π/2和3 η /I。
[0027]该计算装置优选被设计为关联该计算与作为2个差相关值函数的至少2个不同线性相关性中的一个相关性，以及计算作为该关联函数的距离。
[0028]优选提供4个不同的线性相关性用于关联。优选预存储不同的线性相关性。
[0029]作为关联的结果，可以执行情况区分，特别是如果用于计算距离的函数仅是分段线性和/或分段恒定的。特别地，关联执行为2个差相关值标记的函数。特别地，关联执行为4个相关值的值的定性比较的函数。特别地，关联执行为分别关联偏移半周期的相关信号的相关值的比较的函数。
[0030]检测的辐射信号通过具有相同形状但具有各不相同预定义相位的信号来相乘，并且在时间上积分。形成作为用于检测的辐射信号的相移并且因此用于距对象的距离的测量的线性相关性的差相关值从因此形成的相关变量的比较中显现。然而，这些差相关变量初始不唯一地与特定相移关联，而是具有作为寻求的相移的函数的线性间隔。用于这个所需的额外信息从形成的差相关值的标记中显现。在该情况下关于距离的相关性的线性度产生于检测的辐射信号和调制信号的形状，即在周期性重复的矩形脉冲的形状中产生。
[0031]接收装置优选包括具有用于产生信号载体的光敏区域的衬底和/或用于产生用于传送信号载体的漂移场的漂移栅。该相关装置优选包括:至少一个调制栅，该调制栅借助于采用为该相关信号中的一个信号的函数的信号载体的空间分离，用于使该接收的辐射与相关信号中的至少一个信号相关；和/或至少一个存储栅，该存储栅用于根据相关信号而空间分离的所述信号载体的时间总和，用于形成该相关值中的一个值；和/或至少一个用于保持另一个相关值的存储元件，更特别的是另外的存储栅。
[0032]信号载体可特别是光电子。
[0033]特别地，接收装置和/或相关装置可使用CXD技术来体现。特别地，计算装置可使用CMOS技术来体现。特别地，接收装置、相关装置、差形成装置和计算装置可部分或全部使用组合的CM0S/CCD技术来相应体现。栅可以是从CCD半导体技术中已知的栅。漂移栅同样可由一个调制栅或多个调制栅形成。一个调制栅或多个调制栅可同样通过漂移栅，例如通过由具有电阻的材料制成的栅来形成。文献偶尔将漂移栅指为光栅。特别地，相关信号可施加到调制栅以使得其用作可变锁，与用于信号载体的相关信号对应以便因此产生与相关值对应的信号载体的通道。Stwelt.0rage栅的求和信号载体形成相关值的值。特别地，存储的电荷可形成相关值的值。特别地，存储栅可在特定的时间间隔被读取。特别地，存储栅可经由传输栅、浮动扩散和源跟随器被读取。
[0034]特别地，存储元件可存储与存储栅不同的相关值，更特别的是相关值，该相关值的关联相关信号关于存储栅的相关信号被相移半周期。这可以是有利的，因为在这两个相关值之间的上述差形成对于所谓的I抽头锁定TOF像素同样是轻易可能的。
[0035]栅的信号载体或电荷、在栅下的信号载体或电荷，或与栅关联的信号载体或电荷的参照在此等效地使用，并且特别指信号载体或电荷通常通过在半导体衬底中栅的电势场来保持与栅的氧化层分离。排出栅指移除在栅下的电荷。
[0036]在存储栅中根据相关信号空间分离的信号载体的总和可具有改善信噪比的优点。
[0037]接收装置优选包括作为用于产生信号载体的光敏区域的弱掺杂的半导体衬底。相关装置优选包括:两个调制栅，该调制栅用于在相应地采用一个不同相关信号的时间相关中的信号载体的空间分离；和/或两个存储栅，该存储栅与该调制栅关联，用于相应分离信号载体的总和。差形成装置优选包括与存储栅关联的两个传输栅和/或浮动扩散和/或源跟随器，用于分离读取和转换在该存储栅下分离和求和的信号载体成为与相应求和的信号载体关联的两个电压值。该差形成装置优选包括斜坡装置，该斜坡装置在读取和转换之前在两个存储栅的第一存储栅下，更特别地借助于时间斜率，更特别地通过该两个存储栅的电势的平行步进式或持续变化，更特别地经由相应的传输栅，让该信号载体排出到该两个浮动扩散中的相应第一浮动扩散，直到第二浮动扩散的电势开始改变。该差形成装置优选包括A/D转换器(模拟/数字转换器)，该A/D转换器用于从该第一浮动扩散的电势和/或电压值中形成用于差相关值的数字值。
[0038]特别地，在作为信号载体的光电子的情况下，在电势中的上述持续变化可通过在电势中的减少来给出。
[0039]差形成装置优选被设计为特别通过比较在存储栅下收集的信号载体，特别通过操作斜坡装置来形成在电荷域中的差相关值，以使得与更强烈带电的存储栅关联的该浮动扩散的电荷量与差相关值对应。
[0040]特别地，栅可被布置在衬底的前侧上。特别地，在前侧上的栅可通过离开漂移栅和/或全部或部分地离开暴露的调制栅的阻断(Stop)来覆盖。这可导致在漂移栅和/或调制栅下的区域中定义的信号载体产生。
[0041]特别地，可提供TOF距离传感器用于通过前侧或通过后侧来摄取辐射。特别地，接收传感器可包括用于耗尽半导体衬底的后侧触点。特别地，为此目的，栅或后侧触点对辐射可全部或部分地透明。
[0042]特别地，这是如何特别以模拟方式可形成在信号载体和/或电荷载体和/或光电子电平上的相关值和/或差相关值。特别地，差形成可以至少部分是模拟的，更特别地可在信号载体的电平上至少部分发生，更特别地可在光电子的电平上至少部分发生；特别地，相关值和/或差相关值可在信号载体和/或电荷载体的电平上存在，特别地作为电荷量，更特别地作为在存储栅下的电荷。
[0043]采用2个调制栅和2个传输栅的最近指定的TOF距离测量单元在文献中偶尔同样称为2抽头锁定像素。
[0044]包括4个调制栅和/或4个传输栅的4抽头锁定像素同样是可行的。对于4抽头锁定像素，斜坡装置将然后在用于调制栅和传输栅的2个结构的每一种情况(即相继地或采用2个并行斜坡装置)中使用。
[0045]TOF距离传感器优选包括形成用于产生3D图像的像素矩阵的多个接收传感器。
[0046]根据本发明用于操作距离传感器的方法包括以下方法步骤:(I)从光源中发射辐射，通过调制信号调制该辐射；(II)借助于具有关于该光源的预定空间关系的接收传感器，接收通过对象来反射的所发射的辐射；(III)形成4个相关信号，该相关信号相对于彼此被相移以及具有与该调制信号相同的周期；(IV)使接收的辐射或等同变量与4个相关信号相关以便形成4个相关值；(V)形成在相应2个相关值之间的差以便形成2个差相关值；(VI)在两个差相关值上采用线性相关性计算距该对象的距离。
[0047]特别地，该方法步骤可基本上连续地执行。特别地，该方法步骤可周期性执行。特别地，光源可发射辐射持续特定的测量延续时间并且然后在执行其计算期间暂停另外特定的计算延续时间，以便随后从开始重新启动循环。特别地，测量延续时间可具有调制信号1000个周期的延续时间。特别地，测量信号的周期延续时间可以是20MHz。
[0048]特别地，循环延续时间可以是20ms。特别地，循环的一些方法步骤可全部或部分地被并行执行，例如发射和接收。特别地，两个连续循环的一些方法步骤可全部或部分地被并行执行，例如连同发射和/或接收一起的前一循环的差形成和/或计算，和/或随后循环的相关值和/或相关的形成。
[0049]调制信号和/或4个相关信号优选体现为矩形信号。[0050]相关信号优选相对于彼此被分别相移四分之一周期，和/或相关信号具有与调制信号相同的相位。
[0051]差优选分别从相关值中形成，该相关值的关联相关信号被相移半周期。
[0052]特别地，2个循环(更特别地2个时间偏移循环)可在2抽头锁定像素的情况下被执行。在此根据2个栅结构，第一循环使用被相移半周期的两个第一相关信号，以便形成第一差相关值。第二循环使用关于第一循环的相关信号被相位偏移半周期和四分之一周期的两个相关信号，以便形成第二差相关值。因此存在差相关值两者并且可计算距离。从第一和第二循环中设定的循环现在可被再次执行用于新测量。这使得时间分辨的距离测量可行。在附图的描述中，循环称为测量相位。
[0053]在计算之前(VI)，根据本发明的方法优选执行作为2个差相关值的函数的情况区分以便使计算与4个不同线性相关性中的一个相关性关联。
[0054]差形成优选至少部分是模拟的，更特别地至少部分地发生在该信号载体的电平上，更特别地至少部分地发生在该光电子的电平上，更特别地通过将接收辐射与通过辐射产生的信号载体的空间分离的4个相关信号相关以便形成在该电荷域中与相关值对应的2个电荷量，以及通过从2个电荷量中的一个电荷量中虹吸电荷直到该2个电荷量相等，以使得该电荷虹吸量与差相关值对应。
[0055]优点可以是改进的信噪比和/或增大的动态范围。
[0056]为示出4个线性函数，前述变量具有下面的指定:
[0057]参考形成它们的相关信号的相关值AO、Al、A2和A3:
[0058]AO:来自关于调制信号没有偏移的相关信号
[0059]Al:来自关于调制信号偏移1/4周期的相关信号
[0060]A2:来自关于调制信号偏移1/2周期的相关信号
[0061]A3:来自关于调制信号偏移3/4周期的相关信号
[0062]具有关联相关值的差相关值CO和Cl:
[0063]CO: =AO - A2
[0064]Cl: =Al-A3
[0065]指定用于关于发射辐射来计算接收的辐射的相位延迟dPhi的函数来代替距离。到精确距离中的转换从发射的辐射的调制信号的调制频率中显现。借助于示例，作为2个差相关值的函数，4个线性函数显示如下:
[0066]C0>0 并且 C1>0 意为 dPhi= (ji/4)* (((Cl-CO)/ (C0+C1)) +1),
[0067]C0>0 并且 Cl < O 意为 dPhi= ( π /4) * (((C1+C0) / (CO-Cl)) +7)，
[0068]CO < O 并且 C1>0 意为 dPhi= ( π /4) * (((C1+C0) / (CO-Cl)) +3)，
[0069]CO < O 并且 Cl < O 意为 dPhi= ( π /4) * (((Cl-CO) / (C0+C1)) +5)，
[0070]在对象和TOF距离传感器之间的距离从经由对象从辐射源到半导体衬底的传播光路径的一半距离中显现。距离采用数值η、光速c和调制频率f，从相位延迟dPhi中显现如下:
[0071]D= (c/ (4* π *f)) *dPhi。
[0072]本发明的优点可在硬件复杂度的减少、信噪比的改进、在动态范围中的增大、在处理速度中的提高、在帧率中的增加、在计算复杂度中的减少、在传感器尺寸中的减少和/或在芯片级别上的更闻集成中看出。
【专利附图】
【附图说明】
[0073]在附图中指定本发明的进一步特征。
[0074]基于具有附图的示例性实施例，将在下面更详细地解释本发明。在此，在单个附图中的相同参考标记表示相同元件。具体如下:
[0075]图1示出具有对象的TOF距离传感器，
[0076]图2示出具有相关装置和差形成装置的一部分的接收装置，
[0077]图3示出用于操作TOF距离传感器的方法的流程图，
[0078]图4示出发射和接收的辐射的强度分布，
[0079]图5示出相关信号的信号分布，
[0080]图6示出在第一示例性测量相位期间接收传感器左手侧的值分布，
[0081]图7示出在第一示例性测量相位期间接收传感器右手侧的值分布，
[0082]图8示出在第一测量相位期间的电荷差分布，
[0083]图9示出在第一测量相位期间的归一化电荷差分布，
[0084]图10示出在第二示例性测量相位期间接收传感器左手侧的值分布，
[0085]图11示出在第二示例性测量相位期间接收传感器右手侧的值分布，
[0086]图12示出第二测量相位期间的电荷差分布，
[0087]图13示出在第二测量相位期间的归一化电荷差分布，
[0088]图14示出求和的归一化函数的分布，以及
[0089]图15示出计算装置的线性函数。
【具体实施方式】
[0090]图1示出具有对象30的TOF距离传感器10。该对象在距TOF距离传感器一定距离处。借助于示例，辐射源20是一个LED或多个LED排列。该辐射源通过电子装置13来致动，该电子装置13采用作为调制信号的矩形信号以调制的方式来操作辐射源。借助于示例，辐射源发射单色IR光21，该IR光21在对象30处漫反射并且入射在接收装置40上作为反射辐射31。在接收装置中，接收的辐射产生感应光电子的值分布并且因此产生用于接收的辐射的信号分布。相关装置60被连接到接收装置40并且接收所接收辐射强度的时间值分布。电子装置形成用于2个测量相位的相应2个相关信号，该测量相位的相关信号分别通过相关装置来接受。在每一种情况下的相关装置使相关信号与来自接收装置的信号分布相关并且产生在每一种情况下的2个相关值。差形成装置70被连接到相关装置并且接受相应的2个相关值，并且在来自该2个相关值的差的每一种情况下形成相应的2个相关值。计算装置80被连接到相关装置并且接受来自两个测量相位的两个差相关值，并且计算来自TOF距离传感器的对象的距离。电子装置13、接收装置40、相关装置60、差形成装置70以及计算装置80被集成到芯片上并且以组合的CM0S/CXD方法来体现。芯片和辐射源20被布置到支持物11上并且通过外壳12围绕。辐射源和接收装置分别具有光学装置(在附图中未示出)，该光学装置聚焦在其中要确定对象距离的空间方向中。
[0091]发射的辐射21具有860nm的波长并且采用20MHz的矩形信号施加脉冲。通过反射装置40接收的反射辐射仍然通过20MHz的矩形信号施加脉冲并且通过光径时关于由辐射源20发射的辐射的调制信号被相移。在发射和接收的矩形信号之间的相移与在TOF距离传感器和对象之间的两倍距离对应。
[0092]图2示出被集成到半导体芯片中的具有相关装置60和差形成装置70的一部分的接收装置40。接收装置40具有低η型掺杂浮动区的硅半导体衬底42，该半导体衬底42具有大于或等于2000欧姆厘米的特定电板电阻率。在半导体衬底表面上布置有漂移栅44，并且在对称布置中并且彼此相应分隔开的两侧上，存在一个调制栅61、一个存储栅62、一个传输栅71以及一个浮动扩散72。有利于此的层和触点没有被示出。阻断41被布置在栅上，其中阻断具有在漂移栅的区域中的孔径并且从入射反射辐射23中遮蔽连同位于相应的栅下方的半导体衬底一起的存储栅、传输栅以及浮动扩散。半导体衬底至少在漂移栅下被耗尽。正电势被施加到漂移栅44并且后者形成在半导体衬底中的空间电荷区。
[0093]经由孔径在漂移栅下穿透到半导体衬底中的反射IR辐射31在半导体衬底42中感应电子/空穴对43。
[0094]作为通过漂移栅44形成的空间电荷区的结果，光电子被吸引到漂移栅。漂移栅具有大约4V的电势。若干吸引的光电子与接收辐射强度成比例。
[0095]调制电势可被施加到调制栅61，该调制栅61的调制电势的最大值位于漂移栅和存储栅的电势之间，并且该调制栅61的调制电势的最小值位于漂移栅的电势下方。调制栅的电势例如在OV和5V之间调制。采用相反电势相互操作两个调制栅。这指当另一个调制栅的电势为正时，一个调制栅的电势是0V，并且反之亦然。然后OV的电势总是被施加到一个调制栅，而5V的电势总是被施加到另一个调制栅。在该情况下电势最小值(即0V)导致在漂移栅下用于光电子的势垒，并且因此没有光电子可到达与调制栅关联的存储栅。在该情况下电势最大值(即5V)导致在漂移栅下光电子排出，经过调制栅并且到关联的存储栅中。
[0096]作为相应施加与相互相反矩形信号对应的电势到两个调制栅的结果，通过接收辐射强度产生的光电子流如同开关一样被控制。因此在调制栅下的这些光电子产生的流与乘法运算对应，即相应的矩形信号与接收的辐射信号相关。在此，矩形信号具有使信号相关的性质并且在此指相关信号。
[0097]作为在此示出的相关装置的设计的结果，对于用作代替矩形信号的相关信号的正弦信号，同样可以用作光电子的数字开关。因此在该情况下正弦相关信号同样用作矩形信号。因此在该情况下同样可以使用正弦相关信号，并且为了计算目的，在没有下面变化得到的线性相关性的有效性情况下将这些考虑为矩形信号。这施加到在作为相关信号的2个值之间周期性交替的所有波形。特别地，相关信号可以具有周期性在阈值上方和下方交替的波形，使得以周期性交替的方式，根据上述开关调制栅的相应电势引导在存储栅下的光电子。
[0098]更高的电势除了施加到漂移栅44夕卜，还施加到存储栅62，并且所述存储栅根据调制栅的状态交替地收集在它们下面的光电子43、45。存储栅例如具有IOV的电势。通过光电子45在存储栅62下收集的电荷与相关值对应。相关值因此存在于电荷域中。在相应存储栅下的光电子的收集与相关信号和接收的辐射信号的上述相关在时间上的积分对应。
[0099]因此以可测量的方式存在的相关值基于根据图5的特定相关信号，被如下定义用于随后的讨论:[0100]AO:来自关于调制信号没有偏移的相关信号501
[0101]Al:来自关于调制信号偏移1/4周期的相关信号502
[0102]A2:来自关于调制信号偏移1/2周期的相关信号503
[0103]A3:来自关于调制信号偏移3/4周期的相关信号504
[0104]为了检测在存储栅下收集的光电子，一方面调制栅的电势设定为OV以便形成用于在漂移栅方向中的光电子的势垒。另一方面，传输栅的电势上升到在中间范围的值例如6V,以便实现在浮动扩散的方向中光电子的有限排出。
[0105]现在大约IOV的两个存储栅的正电势借助于时间斜率并行降低。从施加到存储栅的降低的正电势以及处于其下面的电荷的负电势中在过程中改变的所加电势确定电荷是否可经由传输栅排出。在此，减少过程被划分成三个阶段。在时间斜率的第一阶段，上述所加电势仍然比用于两个存储栅的传输栅的恒定和相等正电势更加为正并且没有电荷排出。在时间斜率的随后第二阶段，上述所加电势比用于一个存储栅的传输栅的恒定和相等正电势更加为正，并且比用于另一个存储栅的电势更加为负。因此，电荷在采用更加为正的所加电势的存储栅下经由关联的传输栅排出到关联浮动扩散，并且因此所加电势再次与相应传输栅的电势相等。在时间斜率的最后的第三阶段，两个存储栅的上述所加电势大于恒定相等的电势。因此，电荷在两个存储栅下经由相应关联的传输栅排出到相应的关联浮动扩散。时间斜率随第三阶段的开始直接停止，即存储栅的电势不进一步降低以使得基本上仅从第二阶段排出的电荷相关。现在带电的浮动扩散中存在的电荷量与在来自两个存储栅的电荷量中的差对应。时间斜率因此执行在两个存储栅下的电荷量的相减。如上所解释的，在执行时间斜率之前，在两个存储栅下收集的电荷量与相应相关值对应。因此在执行上述时间斜率之后，一个带电的浮动扩散的电荷量与相应的差相关值对应。
[0106]借助于源跟随器，在一个带电浮动扩散中的电荷量现在被转换成相应电压，并且随后借助于AD转换器(模拟/数字转换器)被转换成相应数字值。该数字差相关值被传送到计算装置用于进一步的计算。
[0107]对于下面的解释，差相关值基于形成它们的相关值被定义如下:
[0108]CO: =AO - A2
[0109]Cl: =Al-A3
[0110]该计算装置是在与接收装置、相关装置和差形成装置相同的半导体芯片上执行的数字电路。特别地，接收装置、电子装置、相关装置、差形成装置以及计算装置以CM0S/CCD技术被布置到更特别地作为片上系统的单个半导体芯片上。
[0111]图3示出根据图1和2用于操作TOF距离传感器的根据本发明方法的流程图。
[0112]电子装置13产生作为调制信号100的矩形信号。该调制信号可同样从外部被提供到TOF距离传感器。调制信号被同步传送到用于调制光发射200的辐射源20并且到用于形成(500)4个相关信号的相关装置60。在对象30上，调制的光经受在接收装置方向中的反射300，通过该接收装置接收反射光(400)。为了相关(600)目的，接收的光的信号信息和4个相关信号两者均被传送到相关装置60。相关装置60使接收的光的信号信息与相关信号相关并且从其中产生4个相关值。为了差形成(700)的目的，该4个相关值被从相关装置60传送到差形成装置70。差形成装置从相应2个相关值的差中形成2个差相关值，并且为了计算(800 )目的，传送这2个差相关值到计算装置80。为了计算(800 )目的，计算装置80基于2个差相关值初始形成情况区分801，并且根据4个线性函数中的一个函数来将恒定线性函数802分配给用于计算目的的2个差相关值。来自采用关联恒定线性函数的2个差相关值的计算802因此提供用于通过该方法输出的距离900的值。
[0113]在下文中，图4至图15基于值的分布详细示出该方法。
[0114]电子装置13形成矩形信号100作为具有O和I的值、具有20MHz的频率和具有50%的占空比的调制信号101 (图4)。
[0115]调制信号101采用与调制信号101相同的相位，以脉冲状方式调制通过辐射源20发射的光201。在对象30处，发射的辐射21经受在接收装置40方向中的反射300，该接收装置40被设计为用于反射光的光接收400。
[0116]根据传播距离，接收光具有关于发射光的相移。在下文中，以示例性方式假设用于接收光401的1/2 31 (图4)的相移。
[0117]方法步骤200至700，即在产生矩形信号100或调制信号101之后直到计算800之前的方法步骤在两个分离的测量相位中被执行，该分离的测量相位分别提供两个差相关值中的一个。
[0118]在第一测量阶段中，作为相关装置60—部分的电子装置13从调制信号101中产生两个相关信号501和502。第一相关信号501具有与调制信号101相同的相位,而第二相关信号502具有关于调制信号的π的相移(图5)。因此两个相关信号相对于彼此转化。
[0119]现在根据第一和第二相关信号，作为相关装置另外部分的左手右手调制栅对于特定测量时间的延续时间被调制。图6示出左手调制栅的电势的相位分布501和从左手调制栅向关联存储栅传送的电荷的相位分布601。图7示出右手调制栅的电势的相位分布501和从右手调制栅向关联存储栅传送的电荷的相位分布602。根据关于图2的解释，电荷在关联存储栅下收集。
[0120]在测量时间已经期满之后在存储栅下的电荷量借助于时间斜率被减去，并且根据关于图2的解释，提供馈送到用于计算(800)目的的计算装置80的第一差相关系数。该计算装置在中间存储中存储第一差相关系数。
[0121]在第二测量阶段中，作为相关装置60 —部分的电子装置从调制信号101中产生两个其它相关信号503和504。第三相关信号503具有关于调制信号101的Ji /2的相移，而第四相关信号504具有关于调制信号101的3/2 π的相移。因此两个相关信号相对于彼此转化。第二测量阶段的其它过程与第一测量阶段的过程对应。
[0122]图10示出左手调制栅的电势的相位分布503和从左手调制栅向关联存储栅传送的电荷的相位分布603。图11示出右手调制栅的电势的相位分布504和从右手调制栅向关联存储栅传送的电荷的相位分布604。
[0123]这是第二差相关值如何以模拟方式出现；其同样馈送到用于计算目的的计算装置80。因此计算装置具有在第二测量阶段之后的第一和第二差相关值。
[0124]因此，完成两个测量阶段并且计算800可发生。
[0125]在下文中，在讨论在图15中的线性函数的偏差之前，测量的大体上下文被初始解释。
[0126]作为相同求和时间的结果，在其比较和经由时间斜率的相减之前，用于从调制栅601、602、603、604向相应的存储栅所传送的电荷的所不相位分布根据时间分布与存储栅的电荷对应，并且在该情况下对于在发射和接收的辐射之间的η /2相位差，根据图4以示例性方式示出。
[0127]图6、7、10、11现在示出在存储栅下收集的电荷量，即作为延迟函数的相关值611、622、633、644的分布，即相移，即在发射和接收的辐射之间的相位差(比照在作为示例的图4中的201和401)，即作为距对象的距离的函数。
[0128]图8和图12现在示出作为在发射和接收的辐射之间的相位差的函数，从由相应测量阶段得到的差相关值701和702的相同测量阶段的相关值中的差形成所生成的分布。在此，差相关值701的分布(图8)从相关值611和622的分布(图6和图7)的差中显现。在此，差相关值702的分布(图12)从相关值633和644的分布(图10和图11)的差中显现。
[0129]图14示出作为在发射和接收的辐射之间的相位差函数的两个差相关值701和702的分布的绝对值的添加。产生具有1/2值的恒定相位分布799。因此两个差相关值的相位分布的绝对值之和提供用于差相关值的合适归一化函数。
[0130]两个归一化差相关值Il CO II和II Cl II从两个差相关值CO和Cl以及归一化函数(I CO I + I Cl I )中显现如下，其中“ I…I ”表示绝对值函数:
[0131]Il CO Il:=C0/ ( I CO I + I Cl I )
[0132]Il Cl Il:=C1/ ( I CO I + I Cl I )
[0133]作为该归一化结果显现的是分别作为在发射和接收的辐射之间的相位差函数的归一化的第一差相关系数711在图9中所示的分布，以及归一化的第二差相关值722在图13中所示的分布。
[0134]归一化的优点在于所测量的变量的系统偏差不改变所计算的变量。借助于示例，系统偏差可以是作为距离函数在接收辐射强度中的变化。
[0135]图15示出线性函数的合理推导。
[0136]图15a示出作为在发射和接收的辐射之间的相位差函数的以共同说明从图9和图13中的两个归一化差相关值的两个分布。
[0137]相位差的值范围被细分成4个区域，该区域分别与在相位差的值范围中的差相关值的标记的不同组合对应。
[0138]差相关值的标记的这些不同组合形成用于情况区分801的基础。特别有利的是对于相应的标记存在作为测量电压的标记或关于作为右手或左手存储栅是否包含更多电荷的说明。
[0139]图15b示出如何新组装两个差相关值的分布的子间隔，以使得创建单调线性函数。通过CO和Cl表示两个差相关值。通过IICOlI和IIClII表示两个归一化差相关值。对于4个区域,总和dPhi显现为:
[0140]C0>0 并且 Cl>0=>dPhi=-1I CO Il +1+ II Cl II
[0141]CO < O 并且 Cl>0=>dPhi=-1l CO Il +1-1l Cl Il +2
[0142]CO < O 并且 Cl < 0=>dPhi=+ Il CO Il +3-1l Cl Il +2
[0143]C0>0 并且 Cl < 0=>dPhi=+ Il CO Il +3+ II Cl II +4
[0144]四个区域以整体恒定的线性方式在从O至π的相位范围以及O至8的总和上整体延伸。
[0145]图15c示出与图15b相同的相位分布。[0146]图15d示出如同图15b的相位分布，其中相位范围和值范围分别归一化为I。对于4个区域，总和现在显现如下:
[0147]C0>0 并且 Cl>0=>dPhi= (-1I CO Il + Il Cl Il +1) * ( π /4)
[0148]CO < O 并且 Cl>0=>dPhi= (-1l CO Il -1I Cl II +3) * ( π /4)
[0149]CO < O 并且 Cl < 0=>dPhi= (+ Il CO Il -1l Cl Il +5) * ( π /4)
[0150]C0>0 并且 Cl < 0=>dPhi= (+ Il CO Il + Il Cl Il +7) * ( π /4)
[0151]因此，在对标记调节之后，总和显现为:
[0152]C0>0 并且 Cl>0=>dPhi= (((Cl-CO) / (C0+C1)) +1) * ( π /4)
[0153]CO < O 并且 Cl>0=>dPhi= (((C1+C0) / (CO-Cl)) +3) * ( π /4)
[0154]CO < O 并且 Cl < 0=>dPhi= (((C1+C0) / (Cl - CO)) +5) * ( π /4)
[0155]C0>0 并且 Cl < 0=>dPhi= (((Cl-CO) / (C0+C1)) +7) * ( π /4)
[0156]这些是用于从下面公式中确定距任何差相关值的距离值的线性函数:D= (c/(4* π *f)) *dPhi。
[0157]参考标记列表
[0158]10 TOF距离传感器
[0159]11支持物
[0160]12 外壳
[0161]13电子装置
[0162]20辐射源
[0163]21发射的辐射
[0164]30 对象
[0165]31反射的辐射
[0166]40接收装置
[0167]41 阻断
[0168]42半导体衬底
[0169]43电子/空穴对
[0170]44漂移栅
[0171]45光电子
[0172]60相关装置
[0173]61调制栅
[0174]62存储栅
[0175]70差形成装置
[0176]71传输栅
[0177]72浮动扩散
[0178]80计算装置
[0179]100产生矩形信号
[0180]200光发射
[0181]300 反射
[0182]400光接收[0183]5004个相关信号的形成
[0184]600相关
[0185]700差形成
[0186]800计算
[0187]801情况区分
[0188]802使用恒定线性函数计算
[0189]900距离测量的输出
[0190]101调制信号
[0191]201发射的光信号
[0192]401接收的光信号(示例)
[0193]501相关信号I (没有相移)
[0194]502相关信号2 ( η的相移)
[0195]503相关信号3 (1/2 Ji的相移)
[0196]504相关信号4 (3·/2 π的相移)
[0197]601相关值I (示例)
[0198]602相关值2 (示例)
[0199]603相关值3 (示例)
[0200]604相关值4 (示例)
[0201]611相关值 I
[0202]622相关值 2
[0203]633相关值 3
[0204]644相关值 4
[0205]701差相关值I
[0206]711归一化的差相关值I
[0207]702差相关值2
[0208]722归一化的差相关值2
[0209]799归一化函数
【权利要求】
1.一种TOF距离传感器，用于测量距对象的距离，该传感器包括: 电子装置，用于产生调制信号以及用于产生4个相关信号，所述相关信号相对于彼此被相移以及具有与所述调制信号相同的周期； 辐射源，用于发射辐射，所述辐射源通过所述调制信号来调制； 接收装置，用于接收由所述对象反射的辐射，所述接收装置具有关于所述辐射源的预定空间关系； 相关装置，用于使所接收的辐射或相应变量与所述4个相关信号中的相应一个相关，以便形成4个相应的相关值； 差形成装置，用于从在所述相关值中的相应2个之间的差中形成2个差相关值； 计算装置，其体现为在所述2个差相关值上采用预定线性相关性来计算所述距离。
2.根据权利要求1所述的TOF距离传感器，其特征在于所述调制信号和/或所述4个相关信号体现为矩形信号。
3.根据前述权利要求中的一项所述的TOF距离传感器，其特征在于所述相关信号相对于彼此被分别相移四分之一周期，和/或相关信号具有与所述调制信号相同的相位。
4.根据前述权利要求中的一项所述的TOF距离传感器，其特征在于所述差形成装置被设计为从相关值中形成在每一种情况下的差，该相关值的所关联的相关信号被相移半周期。
5.根据前述权利要求中的一项所述的TOF距离传感器，其特征在于所述计算装置被设计为用于与作为所述2个差相关值`的函数的至少2个不同线性相关性的关联，以及用于计算作为所述关联的函数的所述距离。
6.根据前述权利要求中的一项所述的TOF距离传感器，其特征在于， 所述接收装置包括具有用于产生信号载体，更特别是光电子的光敏区域的衬底，和/或包括用于产生用于传送所述信号载体的漂移场的漂移栅；和/或 所述相关装置包括至少一个调制栅，该调制栅用于借助于采用作为所述相关信号中的一个的函数的所述信号载体的空间分离，使所接收的辐射与所述相关信号中的至少一个相关，和/或至少一个存储栅，该存储栅用于根据相关信号在空间上分离的所述信号载体的时间总和，用于形成所述相关值中的一个，和/或至少一个用于保持另一个相关值的存储元件，更特别是另外的存储栅。
7.根据前述权利要求中的一项所述的TOF距离传感器，其特征在于， 所述接收装置包括作为用于产生信号载体的光敏区域的弱掺杂的半导体衬底；和/或所述相关装置包括两个调制栅，该调制栅用于在具有相应一个不同相关信号的时间相关中的所述信号载体的空间分离，和/或包括两个存储栅，该存储栅与所述调制栅关联，用于所分离的信号载体的分离总和；和/或 所述差形成装置包括与所述存储栅关联的两个传输栅和/或浮动扩散和/或源跟随器，用于分离读取和转换在所述存储栅下分离和求和的所述信号载体成为与所述相应存储栅关联的两个电压值，和/或包括斜坡装置，该斜坡装置在所述读取和转换之前在所述两个存储栅的第一存储栅下，更特别地借助于时间斜率，更特别地通过所述两个存储栅的电势的平行步进式或持续变化，更特别地经由所述相应的传输栅，让所述信号载体排出到所述两个浮动扩散中的相应第一个，直到第二浮动扩散的电势开始改变，和/或包括A/D转换器，该A/D转换器用于从所述第一浮动扩散的电压值中形成用于差相关值的值。
8.根据前述权利要求中的一项所述的TOF距离传感器，其特征在于所述距离形成装置被设计为在所述电荷域中，特别通过操作所述斜坡装置，形成所述差相关值以使得与更强烈带电的存储栅关联的浮动扩散的电荷量与差相关值对应。
9.根据前述权利要求中的一项所述的TOF距离传感器，其特征在于存在形成用于产生3D图像的像素矩阵的多个接收传感器。
10.一种方法，用于操作距离传感器，该方法包括如下方法步骤: 从光源中发射辐射，所述辐射通过调制信号调制； 接收所发射的辐射，所述发射的辐射通过对象借助于具有关于所述光源的预定空间关系的接收传感器来反射； 形成4个相关信号，所述相关信号相对于彼此相移并且具有与所述调制信号相同的周期； 使所述接收的辐射或等同变量与所述4个相关信号相关以便形成4个相关值； 形成在相应2个相关值之间的差以便形成2个差相关值； 在所述两个差相关值上采用线性相关性计算距所述对象的距离。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述调制信号和/或所述4个相关信号体现为矩形信号。`
12.根据权利要求10至11中的一项所述的方法，其特征在于所述相关信号相对于彼此被分别相移四分之一周期，和/或相关信号具有与所述调制信号相同的相位。
13.根据权利要求10至12中的一项所述的方法，其特征在于所述差分别从差相关值中形成，该差相关值的所述关联相关信号被相移半周期。
14.根据权利要求10至13中的一项所述的方法，其包括作为所述2个差相关值的函数的情况区分以便将所述计算与4个不同线性相关性中的一个关联的方法步骤。
15.根据权利要求10至14中的一项所述的方法，其特征在于所述差形成至少部分是模拟的，更特别地至少部分地发生在所述信号载体的电平上，更特别地至少部分地发生在所述光电子的电平上，更特别地发生在电荷域中，更特别地通过将所述接收的辐射与通过所述辐射产生的所述信号载体的空间分离的所述4个相关信号相关，以便形成在所述电荷域中存在与所述相关值对应的2个电荷量，以及通过从所述2个电荷量中的一个中抽取电荷直到所述2个电荷量相等，以使得所抽取的电荷量与所述差相关值对应。
【文档编号】G01S13/08GK103869303SQ201310674240
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2012年12月12日
【发明者】D·胡贝尔, M·莱德格柏尔 申请人:埃斯普罗光电股份公司