距离传感器和3D图像传感器的制作方法

本发明涉及3d图像传感器技术领域，特别涉及一种距离传感器和3d图像传感器。

背景技术：

光具有波动性和粒子性。根据光的粒子性，光是由大量的光子组成的，光子的能量由光的频率决定。由于可见光波段的单个光子的能量特别低，为了能够探测到低能量的光子，需要特殊的光电检测器件，也即单光子探测器。单光子探测器主要有两种：光电倍增管和单光子雪崩二极管(singlephotonavalanchediode,简称spad)。其中，基于半导体工艺的spad具有在红外通讯波段量测效率高、功耗低、体积小、工作频谱范围大、工作电压低等优点，广泛应用于距离测量领域、3d图像重构等场景，尤其适用于对弱光信号的检测。

现有技术中存在一种基于spad的3d图像传感器，该3d图像传感器包括数量是多个的如图1所示的距离传感器100，其中，该3d图像传感器中的spad(参见d1)呈阵列排布。如图1所示，所述距离传感器100可以包括：光源控制电路10、光源20、spad、脉冲产生电路30和高速计数器40。在所述光源控制电路10控制所述光源20发射光子的同时，产生计数开始信号counter_start，以触发高速计数器40开始计数，光子照射到目标对象经过其反射反射到达spad，在spad中引发雪崩，产生的雪崩电流被所述脉冲产生电路30检测到，以生成计数器停止信号counter_stop。其中，所述计数开始信号counter_start和计数器停止信号counter_stop的波形可以参见图2。一并参见图1和图2，在具体实施中，可以根据在所述计数开始信号counter_start的上升沿和计数器停止信号counter_stop的上升沿所界定的时间窗口内，所述高速计数器40对一高速时钟(图未示)的计数结果得到所述目标对象至所述距离传感器100的距离。进一步地，所述3d图像传感器可以通过控制光源20对所述目标对象进行阵列式扫描，获得所述目标对象上的各个位置至所述距离传感器100的距离，来对所述目标对象的图像进行重构。

由于光速非常快，现有技术中的3d图像传感器的测量精度严重依赖于所述高速时钟的相位噪声以及高速计数器的工作频率，以其工作频率为10ghz为例，目前能达到的最大时间分辨率约为100ps，换算成物理尺寸约为15mm，15mm的测距分辨力对于一些高精度的应用场合，如人脸识别，根本无法满足需求，且需要所述高速计数器40工作在10ghz的高频，对电路的要求也非常高。

因此，如何提高基于光子检测技术的3d图像传感器的测量精度是一个亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何提高基于光子检测技术的3d图像传感器的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种距离传感器，所述距离传感器包括：光子检测电路，响应于反射的光子，产生充电停止信号，所述反射的光子是光源发出的光子经目标对象反射得到的；第一容性器件；充电控制模块，响应于充电开始信号，控制预设的充电电流对所述第一容性器件充电，响应于所述充电停止信号，控制所述充电电流停止对所述第一容性器件充电，所述充电开始信号是在所述光源发出光子时产生的；其中，所述第一容性器件两端的电压在时间窗口内的变化量用于确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离，所述时间窗口由所述充电开始信号和所述充电停止信号界定。

可选地，所述距离传感器还包括：数据采集模块，其输入端耦接所述第一容性器件，适于对所述第一容性器件两端的电压进行数据采集，以得到采集结果。

可选地，所述距离传感器还包括：控制模块，适于根据所述采集结果得到所述第一容性器件两端的电压在所述时间窗口内的变化量，并根据所述时间窗口内所述变化量、光子的传播速度、所述第一容性器件的容值以及所述充电电流的大小确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

可选地，所述距离传感器还包括：电流镜，包括第一mos晶体管和第二mos晶体管，所述电流镜适于根据参考电流产生所述充电电流，所述充电电流经由所述第二mos晶体管的输出端输出；电压维持电路，适于维持所述第二mos晶体管的控制端的电压。

可选地，所述电压维持电路包括：开关器件，其第一端耦接所述第一mos晶体管的控制端，其第二端耦接所述第二mos晶体管的控制端；第二容性器件，其第一端耦接第一参考端，其第二端耦接所述开关器件的第一端或第二端；其中，所述开关器件在所述时间窗口内受控关断，在所述充电开始信号产生之前的预设时间内受控导通。

可选地，所述距离传感器还包括：复位电路，耦接所述第一容性器件的第二端，响应于复位信号，所述复位电路适于将所述第一容性器件的第二端复位至参考电压；其中，所述复位信号是在所述充电开始信号产生时或产生之前产生的，所述第一容性器件的第一端耦接第二参考端。

可选地，所述第一参考端接入电源电压，所述参考电压的幅度与所述第一容性器件的第二端上的电压在所述时间窗口内的变化量之和小于所述电源电压。

可选地，所述距离传感器还包括：压控电流源，适于在控制电压的作用下输出所述充电电流；电压维持电路，适于维持所述控制电压。

可选地，所述光子检测电路包括：spad，适于在检测到所述反射的光子时产生雪崩电流；脉冲生成电路，适于根据所述雪崩电流产生所述充电停止信号。

可选地，所述距离传感器还包括：光源控制模块，适于控制所述光源向所述目标对象发出所述光子，并在控制所述光源发出所述光子时产生所述充电开始信号。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种3d图像传感器，所述3d图像传感器包括数量是多个的上述距离传感器，其中，所述光子检测电路呈阵列排布。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例中的距离传感器可以包括光子检测电路、第一容性器件和充电控制模块。其中，所述光子检测电路响应于反射的光子，产生充电停止信号，所述反射的光子是光源发出的光子经目标对象反射得到的；响应于充电开始信号，所述充电控制模块控制预设的充电电流对所述第一容性器件充电，响应于所述充电停止信号，所述充电控制模块控制所述充电电流停止对所述第一容性器件充电，所述充电开始信号是在所述光源发出光子时产生的。其中，所述第一容性器件两端的电压在时间窗口内的变化量用于确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离，所述时间窗口由所述充电开始信号和所述充电停止信号界定。也就是说，本发明实施例通过在所述时间窗口内(也即光子的飞行时间内)对预设的充电电流进行积分，将利用计数器对时间的直接测量转化为在该时间内的电压变化量的间接测量，由于现有技术中对电压量化的精度较高，因此可以有效地提高所述距离传感器的测量精度，进而可以提高包括所述距离传感器的3d图像传感器的测量精度。

进一步而言，所述距离传感器还可以包括电流镜和电压维持电路。其中，所述电流镜可以包括第一mos晶体管和第二mos晶体管，所述电流镜适于根据参考电流产生所述充电电流，所述充电电流经由所述第二mos晶体管的输出端输出。由于所述电压维持电路适于维持所述第二mos晶体管的控制端的电压，因此可以使得所述充电电流稳定，降低电路噪声对其的影响，以保证所述距离传感器的测量精度。

附图说明

图1是现有技术中的一种距离传感器的示意图。

图2是图1所示的距离传感器的工作波形示意图。

图3是本发明实施例的一种距离传感器的电路示意图。

图4是本发明实施例中的距离传感器的工作波形示意图。

图5是本发明实施例的另一种距离传感器的电路示意图。

图6是本发明实施例的又一种距离传感器的电路示意图。

具体实施方式

如背景技术部分所述，现有技术中的3d图像传感器的测量精度严重依赖于高速时钟的相位噪声以及高速计数器的工作频率，以其工作频率为10ghz为例，目前能达到的最大时间分辨率约为100ps，换算成物理尺寸约为15mm，15mm的测距分辨力对于一些高精度的应用场合，如人脸识别，根本无法满足需求。

具体地，本申请发明人对图1所示的距离传感器100进行了分析。继续参见图1和图2，假设光速为c，所述高速计数器40的计数周期为t(也即所述高速时钟的频率为1/t)，所述计数结果为n，则所述光子的飞行时间(timeofflight，简称tof)为t×n，则所述目标对象至所述距离传感器100的距离d＝0.5×t×n×c。以高速时钟的频率最大为10ghz为例，则t＝100ps，那么所述距离传感器100的测距精度δd＝0.5×100ps×c＝15mm。由于光速非常快，因此，所述测量光子的飞行时间(也即所述计数开始信号counter_start的上升沿和计数器停止信号counter_stop的上升沿所界定的时间窗口)极短，使得所述高速计数器40进行计数时采用的高速时钟的频率较高。现有技术中的所述距离传感器100，乃至3d图像传感器的测量精度，严重依赖于所述高速时钟的工作频率。然而，为了提高上述传感器的测量精度，不断地提升高速时钟的工作频率所带来的电路代价较大；此外，不断提升的高速时钟频率带来更高的相位噪声，也会对所述计数结果n带来误差。因此，如何提高基于光子检测技术的3d图像传感器的测量精度是一个亟待解决的技术问题。

本发明实施例提供一种距离传感器，通过在所述测量光子的飞行时间内对预设的电流进行积分的方式，将利用计数器对时间的直接测量转化为在该时间内的电压变化量的间接测量，由于电压量化的精度较高，因此可以有效地提高所述距离传感器的测量精度，进而可以提高包括所述距离传感器的3d图像传感器的测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

一并参见图3和图4，本发明实施例提供一种距离传感器200，所述距离传感器200可以包括光子检测电路10、第一容性器件c1和充电控制模块20。

其中，所述光子检测电路10响应于反射的光子，产生充电停止信号charge_stop，所述反射的光子是光源30发出的光子经目标对象反射得到的。

在本发明实施例中，所述光子检测电路10可以包括单光子雪崩二极管(singlephotonavalanchediode，简称spad)(图未示)和脉冲生成电路(图未示)。其中，基于所述spad的雪崩特性，所述spad适于在检测到所述反射的光子时产生雪崩电流；所述脉冲生成电路适于根据所述雪崩电流产生所述充电停止信号charge_stop，所述充电停止信号charge_stop可以是单脉冲信号(参见图4)。

在本发明另一实施例中，所述光子检测电路10可以包括光电倍增管(图未示)和所述脉冲生成电路。其中，由所述光电倍增管检测所述反射的光子，以产生光电流，并由所述脉冲生成电路根据所述光电流产生所述充电停止信号charge_stop。

上述spad和光电倍增管均可以完成对光子的检测。在具体实施中，可以根据实际的应用需求对检测光子的器件进行选择。进一步而言，二者均可检测单光子，因此具有极高的光子检测效率。

所述第一容性器件c1可以是一个电容(或容性负载)或者多个电容(或容性负载)串、并联得到，相应地，它们的容值为一个电容(或容性负载)的容值或者多个电容(或容性负载)串、并联后等效的容值。

所述充电控制模块20响应于充电开始信号charge_start，控制预设的充电电流is对所述第一容性器件c1充电，所述充电控制模块20响应于所述充电停止信号charge_stop，控制所述充电电流is停止对所述第一容性器件c1充电，所述充电开始信号charge_start是在所述光源30发出光子时产生的，所述充电开始信号charge_start可以是单脉冲信号(参见图4)。

在具体实施中，所述充电电流is可以由任何适当的电流源(图未示)产生，所述电流源可以外部耦接或者内部集成于所述距离传感器200，本实施例不进行特殊限制。例如，所述电流源可以是带隙基准源或电流镜。

在具体实施中，所述充电控制模块20可以包括控制子模块(图未示)和开关器件(图未示)。假设所述充电开始信号charge_start和充电停止信号charge_stop均为单脉冲信号。当所述控制子模块接收到所述充电开始信号charge_start时，可以根据所述充电开始信号charge_start的上升沿或下降沿产生一控制电压，并作用于所述开关器件使其导通，所述充电电流is流入所述第一容性器件c1为其充电；而当所述控制子模块接收到所述充电停止信号charge_stop时，可以根据所述充电停止信号charge_stop的上升沿或下降沿也产生一控制电压，并作用于所述开关器件使其关断，则所述充电电流is停止对所述第一容性器件c1充电。

需要说明的是，所述充电控制模块20不限定于上述具体实施方案，例如，所述充电控制模块20中的开关器件还可以配置为控制提供所述充电电流is的电流源的电源端是否接电，来控制所述第一容性器件c1是否被充电。

优选地，所述距离传感器200还可以包括光源控制模块40，适于控制所述光源30向所述目标对象发出所述光子，并在控制所述光源30发出所述光子时产生所述充电开始信号charge_start。需要说明的是，光源控制模块40可以外部耦接或者内部集成于所述距离传感器200，本实施例不进行特殊限制。

在本发明实施例中，由所述充电开始信号charge_start和所述充电停止信号charge_stop界定的时间窗口δt即为所述光源发出的光子的飞行时间，例如，可以由两个信号的上升沿来界定(参见图4)，但不限于此，例如还可以采用二者的下降沿。所述第一容性器件c1两端的电压vc1在所述时间窗口δt内的变化量δv可以用于确定所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离。需要说明的是，该距离为所述光子的传播路径的一半，而所述光子的传播路径为从所述光源30至所述目标对象，再由所述目标对象至所述光子检测电路10。本发明实施例通过在所述时间窗口δt内对预设的充电电流is进行积分，可以得到所述第一容性器件c1两端的电压vc1在所述时间窗口δt内的变化量δv，将对光子的飞行时间的直接测量转化为在该时间内的电压变化量的间接测量，其中，在误差允许的范围内，所述充电电流is的大小保持不变。由于现有技术中对电压量化的精度较高，因此，所述距离传感器200的距离测量精度可以得到有效提高。

进一步而言，由于所述距离是根据所述第一容性器件c1两端的电压vc1在所述时间窗口δt内的变化量δv确定的，因此，在对所述充电电流is进行积分的过程中产生的电路噪声或扰动，可以通过计算电压差的方式予以消除，有利于提高所述距离传感器200的距离测量精度。

可选地，所述距离传感器200还可以包括设置于所述目标对象和所述光子检测电路10之间的透镜或透镜组件(图未示)，适于对所述反射的光子进行光学调整(例如成像)后，再由所述光子检测电路10进行检测。

优选地，为了使得每次所述第一容性器件c1被充电后，将其第二端a的电压复位至较低的电位，所述距离传感器200还可以包括复位电路(图中未标示)，所述第一容性器件c1的第一端可以耦接第二参考端，所述第二参考端可以为地，也可以是电位值不为零的其他端口。具体地，所述复位电路耦接所述第一容性器件c1的第二端a。响应于复位信号rst，所述复位电路适于将所述第一容性器件的第二端a复位至参考电压vref。参见图4，所述复位信号rst可以是在所述充电开始信号charge_start产生时或产生之前产生的。

在具体实施中，所述复位电路可以通过所述复位信号rst控制开关器件s1来实现对所述第一容性器件c1的第二端a的复位。

图5是本发明实施例的另一种距离传感器的电路示意图。

图5所示的距离传感器300可以包括光子检测电路10、第一容性器件c1、充电控制模块20和数据采集模块50。其中，所述光子检测电路10、第一容性器件c1和充电控制模块20的更多信息请参见对图3和图4的相关描述，此处不再赘述。

进一步而言，所述数据采集模块50的输入端耦接所述第一容性器件c1，所述数据采集模块50可以以差分输入的方式对所述第一容性器件c1两端的电压进行数据采集，以得到采集结果。

为了通过提高对所述第一容性器件c1两端的电压的量化精度而提高所述距离传感器300的测量精度，所述数据采集模块50的采样精度大于等于14位。

进一步地，所述距离传感器300还可以包括控制模块60，所述控制模块60适于根据所述采集结果得到所述第一容性器件c1两端的电压在所述时间窗口内的变化量，并根据所述时间窗口内所述变化量、光子的传播速度、所述第一容性器件的容值以及所述充电电流的大小确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。具体地，假设所述时间窗口内所述变化量为δv，光子的传播速度为c，所述第一容性器件c1的容值为c1’，所述充电电流is的大小为is’，则所述距离d＝0.5×c×δv×c1’/is’。可以发现，所述距离传感器300的测量精度取决于对δv检测的精度；在具体实施中，可以采取适当的降噪措施，或采用高精度的数据采集模块进行电压量化，有效地提高对δv检测的精度。

由于现有技术中对电压的量化精度可以控制在100μv以内，假设所述is’＝10μa，c1’＝1pf，则根据上述公式，可以得到本发明实施例的距离传感器300的测量精度为0.5×c×100μv×c1’/is’＝0.75mm，相比于现有技术方案提高了20倍。

在实际实施时，可以通过改变所述第一容性器件c1的容值和所述充电电流is的大小来调节所述距离传感器300的测量范围。

在本实施例中，所述控制模块60上可以运行有上位机程序，可以控制所述数据采集模块50的数据采集流程，并根据所述数据采集结果计算出所述距离，并经由适当的硬件接口将距离测量结果输出。

需要说明的是，所述数据采集模块50和/或所述控制模块60可以外部耦接或者内部集成于所述距离传感器300，本实施例不进行特殊限制。

为了进一步地保证图3所示的距离传感器200的测量精度，需要维持所述充电电流is大小的稳定，因此，本发明实施例提供了图6所示的距离传感器400。所述距离传感器400可以包括光子检测电路10、第一容性器件c1、电流镜(图中未标示)和电压维持电路(图中未标示)。其中，所述光子检测电路10、第一容性器件c1和充电控制模块20的更多信息请参见对图3和图4的相关描述，此处不再赘述。

进一步而言，所述电流镜可以包括第一mos晶体管m1和第二mos晶体管m2，所述电流镜适于根据参考电流iref产生所述充电电流is，所述充电电流is经由所述第二mos晶体管m2的输出端(也即漏极)输出。所述电压维持电路适于维持所述第二mos晶体管m2的控制端的电压。由于电流镜是本领域技术人员所熟知的电路结构，因此为了简化，其具体的电路连接方式此处不再展开描述。本实施例中的电流镜可以是p型电流镜(也即所述第一mos晶体管m1和第二mos晶体管m2均为pmos晶体管)或n型电流镜(也即所述第一mos晶体管m1和第二mos晶体管m2均为nmos晶体管)，本实施例不进行特殊限制。

在具体实施中，所述电压维持电路可以包括开关器件s2和第二容性器件c2。所述开关器件s2的第一端耦接所述第一mos晶体管m1的控制端(也即栅极)，其第二端耦接所述第二mos晶体管m2的控制端(也即栅极)；所述第二容性器件c2的第一端耦接第一参考端，其第二端耦接所述开关器件s2的第一端或第二端；其中，所述开关器件s2在所述时间窗口内受控关断，在所述充电开始信号charge_start产生之前的预设时间内受控导通。也就是说，在所述距离传感器400开始进行距离测量前，所述开关器件s2受控导通，使得所述第二容性器件c2被充电，而后，所述距离测量期间，所述开关器件s2处于关断状态，由于电容两端电压不会突变，则其两端电压保持不变，所述第二mos晶体管m2的控制端(也即栅极)具有稳定大小的电压，使得所述充电电流is的大小稳定。即使电路中出现电路噪声，也将因所述第二容性器件c2的电压保持作用而消除。

本实施例不限定所述第一参考端的电位值，当所述电流镜为p型电流镜时，所述第一参考端可以接入电源电压vdda，当其为n型电流镜时，所述第一参考端可以接地。

其中，所述第二容性器件c2可以是一个电容(或容性负载)或者多个电容(或容性负载)串、并联得到，相应地，它们的容值为一个电容(或容性负载)的容值或者多个电容(或容性负载)串、并联后等效的容值。

当所述电流镜为p型电流镜时，所述第一参考端接入所述电源电压vdda，所述参考电压vref的幅度与所述第一容性器件c1的第二端a上的电压在所述时间窗口内的变化量之和小于所述电源电压vdda。

在本实施例一变化例中，所述距离传感器400还可以包括压控电流源(图未示)和电压维持电路(图未示)。所述压控电流源适于在控制电压的作用下输出所述充电电流is；所述电压维持电路适于维持所述控制电压。例如，所述压控电流源可以是晶体管，并控制所述晶体管工作于饱和区，所述电压维持电路可以为第三容性器件(图未示)。

本发明实施例还公开了一种3d图像传感器，所述3d图像传感器可以包括数量是多个的上述距离传感器200、300或400，其中，所述光子检测电路10呈阵列排布。由于相比于现有技术中的距离传感器，本发明实施例的距离传感器200、300或400具有更高的测量精度，因此，所述3d图像传感器对3d图像的重构精度更高，可以用来探测更细腻的3d图像。

在具体实施中，所述3d图像传感器可以应用于如单光子相机、3d打印机等3d图像重构设备。进一步地，由于本实施例中的3d图像传感器采用的光子检测电路10可以检测单光子，因此可以在弱光环境下，高效、快速、准确地重建3d场景。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。