飞行时间装置和用于飞行时间测量的方法与流程

本公开涉及一种飞行时间装置、简称为tof装置，以及一种用于飞行时间测量、简称为tof测量的方法。

这种tof装置发出光脉冲并测量直到反射的光到达光电二极管电路其所花费的时间。这种tof装置也可以被称为“飞行时间装置”，“飞行时间传感器”或“飞行时间系统”。光电二极管电路通常包括雪崩光电二极管，例如单光子雪崩光电二极管，缩写为spad。

直接飞行时间系统通常使用光学参考路径和光学测量路径，以便检测光发射和激光束到达的时间戳。为了实现高时间测量精度，通过应用差分测量方法，在测量传感器之外还使用了参考传感器。参考传感器可以被实现为参考spad阵列。测量传感器可以被设计为测量spad阵列。对激光器的驱动器的电信号与参考传感器之间的延迟以及激光器的驱动器的电信号与测量传感器之间的延迟进行测量。将两个结果相减直接得出飞行时间，并消除了驱动器电路、激光器和读出电路的响应时间的系统误差。参考传感器需要通过光学屏障与测量传感器分开，以防止在测量传感器处检测到基于串扰的参考信号。考虑到在封装中包括传感器和驱动器的单芯片系统，光学屏障需要直接连接到硅芯片。这导致了较大的工作量和昂贵的包装设计。

目的是提供一种飞行时间装置和一种能够以更少的工作量来实现的用于飞行时间测量的方法。

该任务通过独立权利要求的主题解决。在从属权利要求中定义了另外的的实施例和改进。

除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。

在实施例中，飞行时间装置，其缩写为tof装置，包括激光器、激光驱动器、经由激光驱动器耦合到激光器的时钟发生器、光电二极管电路和时间数字转换器。光电二极管电路包括雪崩光电二极管、二极管节点、猝熄电路和读出电路。猝熄电路通过二极管节点耦合到雪崩光电二极管。读出电路的输入被连接到二极管节点。时钟发生器和读出电路中的至少一个在其输出侧被耦合到时间数字转换器，其缩写为转换器或tdc的输入侧。

在实施例中，tof装置被配置为在校准阶段和测量阶段中操作，其中在校准阶段中确定延迟信息。有利地，延迟信息的测量使飞行时间的测量具有较高的精度。

在实施例中，tof装置没有光学参考路径，且因此没有测量光电二极管电路和参考光电二极管电路之间的光学屏障。因此，减少了工作量。

测量阶段可以在校准阶段之后。

在进一步的改进中，在测量阶段中使用在校准阶段中确定的延迟信息。在测量阶段，根据延迟信息的变化来设置tof装置的电路的参数，或将例如存储在直方图中的测量结果根据延迟信息而移位。

在实施例中，tof装置包括均将时钟发生器的输出侧耦合到tdc的输入侧的电校准路径和测量路径。电气校准路径没有任何光信号传输。

在实施例中，电校准路径包括激光驱动器、电流传感器、光电二极管电路以及可选地包括读出逻辑。电流传感器的输出可以被耦合到光电二极管电路的触发输入。

在实施例中，激光器被实现为激光二极管。激光器可以是垂直腔表面发射激光器，简称为vcsel，或者是垂直外部腔表面发射激光器，简称为vecsel。

雪崩光电二极管可以被实现为单光子雪崩光电二极管，缩写为spad。

在实施例中，雪崩光电二极管可以在单光子雪崩光电二极管模式下操作。在测量阶段，雪崩光电二极管接收到很高的传感器电源电压，使得单个光子能够触发雪崩光电二极管。

在实施例中，读出电路包括具有连接到二极管节点的输入的感测缓冲器和具有耦合到二极管节点的输入的读出缓冲器。

在实施例中，感测缓冲器的输出被耦合到tdc的输入侧，例如被耦合到tdc的开始输入或tdc的第一停止输入。感测缓冲器的输出可以被直接连接到tdc的输入侧，例如被连接到tdc的开始输入或tdc的第一停止输入。

在实施例中，读出缓冲器被耦合到tdc的输入侧，例如经由tdc的读出逻辑耦合到tdc的第一停止输入或第二停止输入。

在实施例中，读出缓冲器的输出被耦合或连接到tof装置的读出逻辑的输入。读出逻辑的输出被耦合或连接到tdc的输入侧。

在替代实施例中，读出电路包括具有连接到二极管节点的输入的读出缓冲器。读出缓冲器的输出被直接连接到tdc的输入侧，例如被连接到tdc的开始输入或tdc的第一停止输入。另外，读出缓冲器的输出通过tdc的读出逻辑耦合到tdc的输入侧，例如耦合到到tdc的第一停止输入或第二停止输入。可选地，读出电路可以没有感测缓冲器，该感测缓冲器具有耦合到二极管节点的输入。

在实施例中，tdc包括环形振荡器、计数器、第一锁存器和第二锁存器、评估块和直方图块。第一锁存器和第二锁存器在其输入侧被连接到环形振荡器和计数器，并在其输出侧通过评估块连接到直方图块。

在实施例中，第一锁存器的控制输入被连接到tdc的开始输入。在开始输入的信号处，tdc环形振荡器的元件状态和tdc计数器的计数器值被存储在第一锁存器中。第二锁存器的控制输入被连接到tdc的第一停止输入。在第一停止输入的信号处，环形振荡器的元件状态和计数器值被存储在第二锁存器中。

在实施例中，tdc包括第三锁存器，该第三锁存器在其输入侧被连接到环形振荡器和计数器，并在其输出侧通过评估块连接到直方图块。

第三锁存器的控制输入可以连接到tdc的第二停止输入。在第二停止输入处的信号处，环形振荡器的元件的状态和计数器值可被存储在第三锁存器中。

在实施例中，计数器在其输入侧被连接到环形振荡器。

在实施例中，环形振荡器包括多个反相元件。可选地，环形振荡器还可以另外包括逻辑元件。计数器在其输入侧被连接到多个反相元件之一的输出或逻辑元件的输出。

在实施例中，光电二极管电路被配置为使得光电二极管电路可以被电触发。在校准阶段期间，执行光电二极管电路的电触发。

在实施例中，光电二极管电路包括使能开关、电源端子和触发输入。时钟发生器在其输出侧被耦合到触发输入。触发输入被连接到使能开关的控制端子。使能开关将电源端子耦合到二极管节点。

有利地，提供给触发输入的触发信号人为地触发光电二极管电路。在校准阶段，在将触发信号提供给触发输入之后，光电二极管电路提供例如读出信号和/或触发感应信号的信号，该信号等于或近似等于在测量阶段中光子击中雪崩光电二极管时由光电二极管电路产生的信号。

在实施例中，光电二极管电路包括触发输入。读出电路包括读出门，该读出门具有经由触发输入耦合到时钟发生器的第一输入和耦合到二极管节点的第二输入。

在实施例中，触发输入被耦合到开始输入。读出门的输出被耦合到第一停止输入。

在替代实施例中，触发输入被耦合到第一停止输入。读出门的输出被耦合到第二停止输入。

在实施例中，时钟发生器的输出被耦合到tdc的开始输入。时钟发生器的输出可以被直接连接到tdc的开始输入。

在替代实施例中，时钟发生器的输出通过附加缓冲器、可调延迟电路和光电二极管电路中的至少一个耦合到tdc的开始输入。

在实施例中，tof装置包括耦合到激光器的电流传感器。电流传感器测量流过激光器的电流。电流传感器可以被布置在激光驱动器与激光器之间。

电流传感器的输出可以被耦合到tdc的输入侧，例如被耦合到tdc的开始输入或第一停止输入。电流传感器的输出可以被耦合到光电二极管电路的触发输入。

在实施例中，tof装置包括可调延迟电路，该可调延迟电路具有耦合到时钟发生器的输出的输入并且具有耦合到tdc的输入侧的输出，例如在测量阶段耦合到tdc的开始输入或第一停止输入。

在实施例中，例如在测量阶段期间，由可调延迟电路产生的延迟根据延迟信息而设置。

在实施例中，一种用于飞行时间测量的方法，简称为tof测量，包括操作tof装置。tof装置包括激光器、激光驱动器、经由激光驱动器耦合到激光器的时钟发生器、光电二极管电路和tdc。光电二极管电路包括雪崩光电二极管、猝熄电路、二极管节点和读出电路。猝熄电路通过二极管节点耦合到雪崩光电二极管。读出电路的输入被连接到二极管节点。时钟发生器和读出电路中的至少一个在其输出侧被耦合到tdc的输入侧。

在该方法的实施例中，tof装置在校准阶段中确定延迟信息，并在测量阶段中使用该延迟信息。

有利地，在校准阶段结束时知道延迟信息。例如，可以在校准阶段确定由激光驱动器产生的延迟。

替代地或附加地，能够在校准阶段中确定光电二极管电路的二极管节点与tdc的输入侧之间的电路的延迟(诸如读出逻辑)。延迟信息可以具有根据激光驱动器的延迟和二极管节点与tdc的输入侧之间的电路的延迟中的至少一个而变化的值。

由于这些延迟是已知的，因此能够在不使用光学参考路径的情况下减少或消除延迟对测量阶段结果的影响。因此，tof装置没有将校准或参考传感器所包括的至少一个光电二极管电路与测量传感器所包括的至少另一个光电二极管电路分开的光学屏障。

在实施例中，tof装置在校准阶段和测量阶段中操作。

在实施例中，在测量阶段，根据延迟信息设置tof装置的电路的参数，或者根据延迟信息的变化来改变测量结果。

用于tof测量的方法可以例如通过根据以上定义的实施例之一的tof装置来实现。用于tof测量的方法可以被实现为用于操作tof装置的方法。

在实施例中，时钟发生器产生时钟信号。时钟信号被提供给激光驱动器的输入。激光驱动器根据时钟信号向激光器提供电流。时钟信号中的阶跃触发了电流的产生，从而触发激光器发出的光子。

在实施例中，时钟信号的脉冲由时钟发生器直接或间接地提供给tdc的输入侧，例如提供给tdc的开始输入或tdc的另外的输入。

在实施例中，时钟信号的脉冲由时钟发生器提供给激光驱动器，该激光驱动器产生施加到激光器的电流，使得激光器发射光脉冲。

在实施例中，光电二极管电路提供信号，例如读出信号和/或触发感测信号。读出电路可以提供诸如读出信号和/或触发感测信号。

tof装置可以被制造为片上系统，缩写为soc。tof装置可以被实现为单检测器飞行时间系统。

有利的，通过消除参考传感器或参考传感器阵列以及管芯上的屏障，能够显着降低模块的复杂性，因为在那种情况下，tof装置能够使用单独的空腔解决方案。在单独的空腔解决方案中，激光器和包括测量传感器的传感器芯片位于不同的空腔中，从而简化了封装设计。

有利地，不再需要参考传感器，因为在校准期间使用tdc测量了激光驱动器的传播延迟和传感器的读出延迟。能够将光学屏障放置在传感器裸片和激光器的裸片之间，而不是在传感器裸片上具有屏障。激光器可以是vcsel。因此，由于缺少参考传感器，减小了管芯面积并降低了功耗。由于不再需要跨传感器芯片的屏障，因此简化了封装。激光器和传感器管芯能够位于单独的空腔中。这是一个或更多个校准阶段的结果。

本公开涉及一种仅具有单个测量传感器并且没有裸片屏障的tof装置，并且提出了一种没有参考传感器的tof装置。tof装置使用一种或更多种校准方案来完全避开参考传感器。可能的优点是：减小的封装尺寸、减小的封装复杂性、由于减小的复杂性和减小的管芯尺寸而提高了封装产量，因此成本降低。甚至可以实现tof装置质量和可靠性的提高。

该tof装置能够被实现为没有参考传感器的tof传感器。tof装置可以使用内部校准来测量发射器和传感器。

在实施例中，该方法使用被实现为时间数字转换器(缩写为tdc)的时间测量电路，以在预测量校准序列中测量光子产生和传感器读出的延迟。因此，电触发信号被注入到二极管节点或spad阳极或读出缓冲区，该信号通过spad读出逻辑传播到tdc。

在替代改进中，tof装置包括耦合到tdc的另外的振荡器，耦合到tdc的第一存储器和第二存储器以及评估电路以及第一存储器和第二存储器。tdc包括环形振荡器。在校准阶段，评估电路使用由tdc生成的信号和存储在第一存储器中的表来确定补偿因子，并将补偿因子存储在第二存储器中。在测量阶段，评估电路使用补偿因子和tdc提供的直方图信号来确定飞行时间信号。

在实施例中，tof装置使用本地环形振荡器来确定pvt操作条件，并使用该信息来计算补偿值或补偿因子，该补偿值或补偿因子进而能够被用于计算与tdc测量的距离。pvt是过程、电压和温度的缩写。在制造工艺中tof装置的电源电压和温度的变化会影响tof装置的工作角，从而影响飞行时间的测量精度以及与目标的距离。tof装置使用环形振荡器。环形振荡器可以是高速环形振荡器。例如，时间数字转换器包括环形振荡器。通过相对于修整的片上振荡器或精确的外部频率源测量环形振荡器的频率，能够相当精确地确定硅的速度。使用该信息，可能连同通过测量或模拟生成的一个或多个表一起，来直接确定tof装置的工作角。在目标测量中计算绝对距离时能够使用此信息。因此，可能不需要单独的校准周期。能够使用本公开中描述的校准阶段或校准路径独立于tof装置来实现这种tof装置。

以下对实施例的附图的描述可以进一步示出和解释tof装置和用于tof测量的方法的方面。具有相同结构和相同效果的设备和电路部件分别以相同的附图标记显示。只要设备或电路部件在不同附图中的功能是相对应的，则在以下各附图中均不再重复其描述。

图1示出了tof装置的示例实施方式；

图2示出了如图1所示的tof装置的信号的持续时间和延迟的示例；

图3a至图3c示出了光电二极管电路和光电二极管电路的信号的示例实施方式；

图4示出了读出逻辑的示例实施方式；

图5和图6示出了具有光电二极管电路的tof装置的示例实施方式；

图7和图8示出了包括激光驱动器和激光器的tof装置的进一步的示例实施方式；

图9至图13示出了具有测量光电二极管电路的tof装置的进一步的示例实施方式；

图14至图16示出了具有另外的细节的tof装置的进一步的示例实施方式；

图17示出了时间数字转换器的示例实施方式；以及

图18a和图18b示出了tof装置的替代示例实施方式。

图1示出了tof装置10的示例实施方式，其包括时钟发生器11、激光驱动器12、测量光电二极管电路13和时间数字转换器14，该时间数字转换器缩写为转换器tdc、测量tdc或测量像素tdc。时钟发生器11的输出被连接到激光驱动器12的输入。而且，tof装置10可以包括激光器15。激光器15被连接到激光驱动器12。激光器15包括第一端子和第二端子，所述端子中的每一个被连接到激光驱动器12的端子。激光器15可以被实现为激光二极管。激光器15可以被制造为简称是vcsel的垂直腔表面发射激光器，或者被制造为简称是vecsel的垂直外部腔表面发射激光器。

tdc14包括开始输入16和第一停止输入17。测量光电二极管电路13的输出被耦合到tdc14的第一停止输入17。时钟发生器11的输出被连接到tdc14的开始输入16。tof装置10可以包括另外的测量光电二极管电路18、19。另外的测量光电二极管电路18、19例如可以被实现为测量光电二极管电路13。测量光电二极管电路13、18、19中的每个包括未示出的雪崩光电二极管。测量光电二极管电路13、18、19可以例如如图3b所示那样来实现。测量光电二极管电路13、18、19构成测量传感器21。测量传感器21可以被实现为测量阵列或测量spad阵列。因此，tof装置10包括第一数量n的测量光电二极管电路13、18、19。第一数量n的测量光电二极管电路可以被实现为阵列，例如1·n阵列或n·m阵列。

另外，tof装置10包括测量读出逻辑20。测量光电二极管电路13、18、19的输出被耦合到测量读出逻辑20的输入。测量读出逻辑20的输出被耦合到tdc14的第一停止输入17。测量读出逻辑20可以被实现为或门。测量读出逻辑20可以实现由测量光电二极管电路13、18、19提供的测量读出信号sm、sm'、sm”的或组合。

tof装置10包括参考光电二极管电路30和参考时间数字转换器31，其被缩写为参考转换器或参考tdc。参考tdc31具有开始输入32和停止输入33。时钟发生器11的输出被连接到参考tdc31的开始输入32。参考光电二极管电路30的输出被耦合到参考tdc31的停止输入33。tof装置10可包括另外的参考光电二极管电路34、35和参考读出逻辑36。参考传感器29包括参考光电二极管电路30、34、35。参考传感器29能够被实现为参考阵列或参考spad阵列。参考光电二极管电路30、34、35的输出通过参考读出逻辑36被耦合到参考tdc31的停止输入33。参考光电二极管电路30、34、35被实现为例如测量光电二极管电路13。tof装置10包括评估电路37，该评估电路可以被实现为数字评估电路、核心、数字化核心、微处理器、微控制器或状态机。时钟发生器11被连接到评估电路37。

tof装置10包括布置在半导体主体39的顶部上的屏障38。屏障38是光学屏障。屏障38是不透光的。半导体主体39至少包括时钟发生器11、测量光电二极管电路13、激光驱动器12、tdc14、测量读出逻辑20和评估电路37。半导体主体39可以包括硅衬底。

屏障38布置在半导体主体39的表面的顶部上，并且将测量光电二极管电路13、18、19与参考光电二极管电路30、34、35光学地分离。激光器15可以在与半导体主体39分离的另外的半导体主体上实现。激光器15被连接到半导体主体39。激光器15可以位于半导体主体39的一侧，或者位于半导体主体39的顶部上(未示出)。

tof装置10包括具有第一开口41和第二开口42的壳体40。激光器15通过壳体40的第一开口发射光。该光被目标45反射。反射光可以被光电二极管电路13、18、19之一的光电二极管吸收，从而产生测量光电二极管电路13、18、19之一的测量读出信号sm。

在图1中，示出了光学测量路径43和光学参考路径44。光学测量路径43源自激光器15，并穿过第一开口41到达目标45，然后从目标45穿过第二开口42到达测量光电二极管电路13、18、19之一。光学参考路径44也源自激光器15，并在壳体40内延伸到参考光电二极管电路30、34、35。因此，光学参考路径44保留在壳体40的内部。

时钟发生器11产生时钟信号clk。时钟信号clk被提供给激光驱动器12的输入。激光驱动器12也能够被称为“激光驱动器加上光学发射器”。激光驱动器12根据时钟信号clk向激光器15提供电流i。时钟信号clk中的阶跃触发激光器电流i的产生，并由此触发由激光器15发射光子。时钟信号clk也被提供给tdc14的开始输入16。另外，时钟信号clk被提供到参考tdc31的开始输入32。

当光子撞击测量光电二极管电路13的光电二极管时，测量光电二极管电路13生成测量读出信号sm。测量读出信号sm被提供给tdc14的第一停止输入17。相应地，当光子撞击另外的光电二极管电路18、19之一时，另外的测量光电二极管电路18、19产生另外的测量读出信号sm'、sm”。测量读出逻辑20将测量读出信号sm、sm'、sm”组合成提供给tdc14的第一停止输入17的测量读出逻辑信号sml。

类似地，当光子击中参考光电二极管电路30的光电二极管时，参考光电二极管电路30生成参考读出信号sr。当光子击中另外的光电二极管电路34、35中的一个时，另外的参考光电二极管电路34、35产生另外的参考读出信号sr'、sr”。参考读出信号sr、sr'、sr”由参考读出逻辑36组合成参考读出逻辑信号srl，以提供给参考tdc31的停止输入33。

tdc14在其输出侧上提供直方图信号sh。直方图信号sh包括关于由tdc14确定的直方图的信息。参考tdc31提供参考直方图信号shr，该信号包括由参考tdc31生成的参考直方图。信号序列及其持续时间和延迟在图2中进行了说明。

在可替代的未示出的实施例中，激光器15的第一端子被连接至激光驱动器12的端子，并且激光器15的第二端子被连接至参考电位端子或电源电压端子。

图2示出了在图1所示的tof装置10中产生的信号序列。在图2中，概略图示出了从时钟源行进到测量像素和参考像素13、30的信号的延迟。示出了信号随时间t的变化。在线a中，示出了从时钟源到在tdc14(其为测量像素tdc)的第一停止输入17处的停止脉冲的产生的传播延迟。tdc14也可以被称为时间测量电路。时钟源可以由时钟发生器实现。可替代地，时钟源可以是在其输入侧被耦合到时钟发生器11的输出的电路以及可以是在输出侧被耦合到tdc14的开始输入16以及参考tdc31的开始输入32的电路(图1中未示出)。

线b示出了从时钟发生器11到在tdc14的开始输入16处的开始脉冲的产生的传播延迟。线c示出了从时钟源到在参考tdc31(能够被称为参考像素tdc)的停止输入33处的停止脉冲产生的传播延迟。线d示出了从时钟发生器11到在参考tdc31的开始输入32处的开始脉冲的产生的传播延迟。

信号在第一时间点t1开始。可以假设时钟发生器11的输出与tdc14的开始输入16之间的延迟d1等于时钟发生器11的输出与参考tdc31的开始输入32之间的延迟d1。延迟d1在第一时间点t1与第二时间点t2之间，其中时钟信号clk的脉冲到达tdc14的开始输入16和参考tdc31的开始输入32。因此，在第二时间点t2，tdc14的环形振荡器的元件的状态和tdc14的计数器的计数器值被存储在tdc14的第一锁存器中，并且参考tdc31的环形振荡器的元件的状态和参考tdc31的计数器的计数值被存储在参考tdc31的第一锁存器中。环形振荡器的所述元件是逻辑元件和多个反相元件，如图17所示。因此，第二时间点t2是测量tdc14和参考tdc31的测量的开始时间。在第二时间点t2，tdc14的环形振荡器和参考tdc31的环形振荡器已经在振荡。

如线a和线c所示，在第三时间点t3，从时钟源产生的时钟信号以延迟l1到达激光驱动器12。在第四时间点t4，激光器15发射一个或多个光子。因此，在第四时间点t4和第三时间点t3之间存在源自激光驱动器12和激光器15操作的延迟l2。如线a所示，光子在激光器15与测量光电二极管电路13之间的光学测量路径43上操作飞行时间tof，直到在第五时间点t5在测量光电二极管电路13处检测到光子为止。与线c相反，激光器15与参考光电二极管电路30、34、35之一之间的距离很小使得激光器15发射光子与参考光电二极管电路30、34、35其中之一吸收光子之间不存在延迟。

如线a所示，在第五时间点t5与第七时间点t7之间存在源自测量光电二极管电路13和测量读出逻辑电路20的响应时间的延迟l3。延迟l3可以被称为读出延迟。因此，在第七时间点t7，tdc14接收到停止信号。第七时间点t7是tdc14的测量的停止时间。相应地，在线c中，在第四时间点t4和第六时间点t6之间存在读出延迟l3，在第六时间点，参考tdc31接收到停止信号。因此，第六时间点t6是参考tdc31的测量的停止时间。

由tdc14提供的直方图信号sh提供关于在第七时间点t7与第二时间点t2之间的持续时间r1的信息。持续时间r1等于l2、tof和l3的持续时间之和。参考tdc31的参考直方图信号shr包括关于在第六时间点t6与第二时间点t2之间的持续时间r2的信息。该持续时间r2等于延迟l2和读出延迟l3之和。

直方图信号sh和参考直方图信号shr被提供给评估电路37。评估电路37生成表示飞行时间tof的飞行时间信号st，其表示第五时间点t5与第四时间点t4之间的差。tdc14在持续时间r1期间操作。相应地，参考tdc31在持续时间r2期间已经操作。因此，评估电路37根据以下方程式计算飞行时间tof：tof＝r1-r2

在图2中，示出了信号在测量序列期间的传播延迟。时钟信号clk由参考时钟发生器11提供，并且通过未示出的时钟树的逻辑单元和接口连接以延迟l1传播到激光驱动器12，该延迟也称为延迟_核心_至_激光_驱动器。相同的时钟信号clk被连接到tdc14的开始输入16，以代表具有延迟d1的开始脉冲，该延迟也称为延迟_核心_至_测量_tdc。在该第二时间点t2，开始tdc测量。在激光驱动器12处，需要增加附加的传播延迟，直到时钟信号clk已经通过激光驱动器12传播并开始驱动电流i通过激光器15为止。最后，激光器15需要一定的时间周期来产生光子。这些延迟在图2中由延迟l2进行概述，该延迟也称为延迟_时钟_至_光。当光子在该时间点发射时，它们从激光器到目标45以及从目标45返回到测量传感器21的行进时间会引入额外的延迟，即飞行时间tof。

反射光子触发测量传感器21产生电读出信号sm，该电读出信号必须通过读出电路和测量读出逻辑20传播，以到达需要读出延迟l3的tdc14的第一停止输入17，该延迟也称为延迟_传感器_至_测量_tdc。因此，tdc启动信号的总信号延迟能够被总结为：

在上面的等式中，传播延迟l1、l2、l3和d1代表对过程、电压和温度变化敏感的参数，缩写为pvt，并因此会引入测量误差。为了克服这个问题，通常使用位于激光器15的腔中的参考通道。该参考传感器29是测量传感器21的副本，并因此示出了完全相同的架构。

在参考侧，从时钟生成器11到光发射的第四时间点t4发生的延迟l1+l2(称为延迟_核心_至_激光_驱动器+延迟_时钟_至_光)与从时钟生成器11到参考tdc31的开始输入的延迟d1相同，该延迟d1被称为延迟_核心_至_参考_tdc，其与延迟_核心_至_测量_tdc相等。

由于参考传感器29位于与激光器15相同的腔中，因此参考信号的飞行时间可以忽略。因此，仅需要添加名为延迟_传感器_至_参考_tdc的读出延迟l3，直到信号到达参考tdc31的停止输入33为止。

在测量侧和参考侧上减去测量结果得出：

结果测量_tdc-结果参考_tdc＝l1+l2+tof+l3-(l1+l2+l3)＝tof

因此，由评估电路37计算并提供为飞行时间信号st的结果等于飞行时间tof的值或代表飞行时间tof。这种方法的优势在于，所有对pvt敏感的延迟都从上述方程式中去掉，从而获得了准确的测量结果。

在下面的公开中，示出通过在校准序列期间测量光子产生的传播延迟l2(l2＝时钟_至_光)和读出延迟l3(l3＝传感器_至_tdc)来克服对于参考传感器29的需求的技术，该参考传感器与激光器15位于相同的腔中。

在替代实施例中，tdc14和参考tdc31在第二时间点t2开始振荡。

图3a示出了能够在图1的tof装置10中使用的光电二极管电路50的示例实施方式。光电二极管电路50可以被实现为校准光电二极管电路。光电二极管电路50包括雪崩光电二极管51、猝熄电路52、二极管节点53和具有第一输出和第二输出48、49的读出电路54。猝熄电路52经由二极管节点53被耦合到雪崩光电二极管51。光电二极管电路50包括参考电位端子55和传感器电源端子56。猝熄电路52被布置在二极管节点53与参考电位端子55之间。雪崩光电二极管51被布置在传感器电源端子56和二极管节点53之间。传感器电源端子56可以被称为高压传感器电源端子。雪崩光电二极管51的阳极被连接至二极管节点53，并且雪崩光电二极管51的阴极被连接至传感器电源端子56。雪崩光电二极管51可以被实现为单光子雪崩光电二极管，缩写为spad。读出电路54的输入被连接到二极管节点53。

读出电路54包括在其输入侧连接到二极管节点53的读出缓冲器57。读出缓冲器57的输出通过读出电路54的第一输出48连接到tof装置10的读出逻辑62的输入。读出逻辑62的输出被连接到tdc14，例如被连接到tdc14的第一停止输入17。另外，读出电路54包括具有连接到二极管节点53的输入的感测缓冲器58。感测缓冲器58的输出经由读出电路54的第二输出49连接到tdc14的输入侧，例如连接到开始输入16。感测缓冲器58被实现为快速缓冲器。感测缓冲器58也能够被称为触发感测缓冲器。

光电二极管电路50可以包括使能开关59和电源端子60。使能开关59被布置在电源端子60与二极管节点53之间。电源端子60也可以被称为芯片电源端子。光电二极管电路50可以包括触发输入61，该触发输入被连接到使能开关59的控制端子。在图3a所示的操作模式中，使能开关59被设置为非导通状态。因此，触发输入61和使能开关59未被使用并且是可选的。

在操作期间，高传感器电源电压vhs被施加到传感器端子56。二极管节点电压van在猝熄电路52两端下降。二极管节点电压van可以称为spad阳极电压。传感器电源电压vhs主要在雪崩光电二极管51两端下降，并且在没有光子的情况下，二极管节点53的二极管节点电压van大约为零。触发输入61处没有信号。信号示出在图3a的下部。

在光子撞击雪崩光电二极管51的时间点，高电流开始流过雪崩光电二极管51，导致二极管节点电压van的升高。读出电路54检测二极管节点电压van的上升。感测缓冲器58以脉冲形式产生触发感测信号sts。相应地，读出缓冲器57也以脉冲形式产生读出信号sp。在读出逻辑62的输出处，能够分接读出逻辑信号spl。由于读出逻辑62中有多个电路，因此读出逻辑信号spl相对于读出信号sp具有读出延迟l3。在将触发感测信号sts提供给tdc14的开始输入16并且将读出逻辑信号spl提供给tdc14的第一停止输入17的情况下，则能够测量读出延迟l3。

雪崩光电二极管51可以以单光子雪崩光电二极管模式操作。在测量阶段，雪崩光电二极管51可以接收具有此类高值的传感器电源电压vhs，使得单个光子可能能够触发雪崩光电二极管51。

在图3a中，示出了具有猝熄电路52的spad。雪崩光电二极管51由光子触发。猝熄电路52可以包括电阻器和晶体管中的至少一个。晶体管可以被用作电阻器。猝熄电路52将通过雪崩光电二极管51的电流转换为二极管节点电压van。读出缓冲器57执行模数转换。

图3a的spad单元包括或由光敏spad传感器51、猝熄电阻器52和读出缓冲器57组成。使能开关59能够被用于通过将spad阳极电位施加到芯片电源vs来禁用spad51，从而使spad51两端的电压小于击穿电压。在操作期间，该使能开关59断开。在图3a中，在校准阶段不使用任何外部触发信号。因此，由于光子或暗计数导致的spad51的触发事件需要用于校准。在事件发生的情况下，该信号由连接到tdc14的输入侧，即连接到开始输入16的快速检测缓冲器58检测。并行地，信号通过读出缓冲器57和读出逻辑63传播到tdc14的输入侧，即传播到第一停止输入17。tdc停止–tdc开始的时间差表示读出延迟l3，该延迟也称为延迟_传感器_至_tdc。可以是异步的启动信号由spad51生成。因此，必须根据触发重复率设置测量时间。

图3b示出了光电二极管电路50的替代示例实施方式，该替代实施方式是图3a所示实施方式的进一步改进。这里，电源电压vs被提供给电源端子60。经由触发输入61将触发信号ti提供给使能开关59的控制端子。光电二极管电路50被电触发。因此，触发信号ti也可以被称为电触发信号。触发信号ti具有脉冲形式。因此，在使能开关59闭合之后，二极管节点电压van上升。二极管节点电压van的上升导致感测信号sts中的脉冲和读出信号sp中的脉冲，并且因此也导致读出逻辑信号spl的脉冲。传感器电源电压vhs可以获得较低的值，以使得在光子撞击雪崩光电二极管51的情况下雪崩光电二极管51不触发。因此，避免了在光子撞击雪崩光电二极管51的情况下光电二极管电路50发射脉冲。感测信号sts中和读出信号sp中的脉冲仅被作为对触发信号ti中的脉冲的响应而提供。

在图3b中，与猝熄电路52一起示出了spad，其中猝熄电路由电触发信号ti使用连接到电源vs的使能开关59触发。使能开关59用于电触发spad阳极。在校准阶段，将spad阴极处的电压调节为低于击穿电压，以防止雪崩光电二极管51被光子触发。与读出路径并联，实现快速感测缓冲器58以指示校准信号的开始。二极管节点电压van的上升沿的上升时间取决于使能开关59的导通电阻，这在测量中引入了小的误差。有利地，触发信号ti可以与系统时钟信号clk同步。

在图3a和图3b中未示出的替代实施例中，读出缓冲器57还产生触发感测信号sts。第二输出49可以被连接到第一输出48。因此，触发感测信号sts可以与读出信号sp相同。感测缓冲器58可以被省略。该实施例可以被用在例如如图5和6所示的tof装置的不同示例中。

图3c示出了光电二极管电路50的另外的示例实施方式，其是图3a和图3b所示的实施方式的进一步改进。光电二极管电路50没有使能开关59和电源端子60。读出电路54包括具有连接到二极管节点53的第一输入的读出门63。读出门63的第二输入被连接到触发输入61。读出门63在读出电路54的第一输出48处产生读出信号sp。触发输入61被连接到读出电路54的第二输出49。触发信号ti被直接提供在读出电路54的第二输出49处。因此，触发感测信号sts等于触发信号ti。如图3c的下部所示，二极管节点电压van保持在0v。读出门63可以具有或门的功能。当触发信号ti的脉冲被提供给读出门63的输入之一时，读出门63以脉冲形式产生读出信号sp。

在图3c中，spad被示出为具有猝熄电路52，其使用读出门63作为读出缓冲器。读出门63被设计为或门。可以经由读出门63施加电触发信号ti。图3a和图3b所示的读出缓冲器57由允许从雪崩光电二极管51触发的读出门63或由触发信号ti表示。实现读出门63，使得从读出门63的输入到输出两者的传播延迟相等。图3b和图3c示出了在校准期间引入电触发信号ti的两个不同选择。

实现图3a至图3c所示的光电二极管电路50，使得其被配置为在需要快速检测脉冲的情况下提供触发感测信号sts。而且，读出信号sp能够通过读出逻辑62来与其他光电检测器电路的另外的读出信号sp'、sp”组合。

图1所示的测量光电二极管电路13、18、19可以被实现为诸如图3a至图3c所示的光电二极管电路50。图1所示的参考光电二极管电路30、34、35也可以被实现为诸如图3a至图3c所示的光电二极管电路50。为了实现测量光电二极管电路13、18、19和参考光电二极管电路30、34、35，可以省略使能开关59、电源端子60、触发输入61、感测缓冲器58和第二输出49。因此，测量光电二极管电路13、18、19和参考光电二极管电路30、34、35包括雪崩光电二极管51、猝熄电路52、具有读出缓冲器57的读出电路54、二极管节点53、传感器电源端子56和参考电位端子55。在将图3c所示的光电二极管电路50用作测量光电二极管电路或参考光电二极管电路的情况下，可以将读出门63的第二输入例如连接到参考电位端子55。因此，由于雪崩光电二极管51的触发事件，二极管节点电压van升高，并且读出门63产生脉冲形式的读出信号sp。

图4示出了读出逻辑62的示例实施方式，其是图1以及图3a至图3c所示的实施例的进一步改进。测量读出逻辑20和参考读出逻辑36例如能够被实现为读出逻辑62。读出逻辑62实现数量n的光电二极管电路50、64至70的或组合。读出逻辑62能够被实现为n对1或门。图4示出了8对1或门的示例。因此，第一数量n的光电二极管电路50、64至70分别在输出侧上被连接至读出逻辑62的输入。读出逻辑62包括一个输出，并且其被连接到tdc14的输入侧，例如被连接到tdc14的第一停止输入17。读出逻辑62包括与非门或或非门中的至少一个。而且，读出逻辑62可以包括至少一个反相器。读出逻辑62可以具有对称结构。读出逻辑62在第一数量n的光电二极管电路50、64至70中的每一个与读出逻辑62的输出之间实现相等的传播延迟。

读出逻辑62包括八个反相器71至78，其在它们的输入侧上连接至第一数量n的光电二极管电路50、64至70。读出逻辑62包括四个与非门79至82。第一与非门79在输入侧被连接到第一反相器和第二反相器71、72的输出。因此，四个与非门79至82在其输入侧被连接至八个反相器71至78的输出。此外，读出逻辑62包括第一与非门和第二或非门83、84。第一或非门83在其输入侧被连接至第一与非门和第二与非门79、80的输出。相应地，第二或非门84在其输入侧被连接到第三与非门和第四与非门81、82的输出。另外，读出逻辑62包括在其输出侧被连接到读出逻辑62的输出的第五与非门85。第五与非门在其输入侧被连接到第一与非门和第二或非门83、84的输出。

在光电二极管电路50、64至70的第一数量n中的每一个的读出信号sp的值为零(这意味着读出信号sp中没有脉冲)的情况下，则在读出逻辑62的输出处的读出逻辑信号spl也具有零值。在第一数量的光电二极管电路50、64至70中的至少一个具有值为1的读出信号sp的情况下，则读出逻辑信号spl获得值1。因此，在光电二极管电路50、64至70吸收大量光子的情况下，测量不受干扰。读出逻辑62被配置为使得读出逻辑62的输入之一与读出逻辑电路62的输出之间的延迟相等。

读出逻辑62被用作n对1或门，例如被作为8对1或门，以将来自多个spad(例如n个检测器)的信号合并到一条总线上。读出逻辑62的输出被连接到tdc14的输入侧。由于通过门链的传播延迟在很大程度上取决于pvt(过程、电压和温度)，因此在时间测量过程中需要对其加以考虑。读出逻辑62将n个检测器的输出信号组合到连接到tdc通道的单个总线上。

图5示出了tof装置10的示例实施方式，其是上述实施例的进一步改进。如图3a至图3c所示，tof装置10包括时钟发生器11、tdc14、读出逻辑62和光电二极管电路50。此外，tof装置10包括耦合电路90，该耦合电路在其输入侧被耦合到时钟发生器11的输出，并且在其输出侧被耦合到触发输入61。耦合电路90能够被实现为数字逻辑和/或电平移位器。时钟发生器11在其输出侧被连接到tdc14的另外的输入91，该另外的输入可以是tdc14的使能输入。读出电路54在其输出侧被耦合到tdc14的开始输入16和第一停止输入17。更准确地来说，读出电路54的第一输出48通过读出逻辑62耦合到tdc14的第一停止输入17。读出逻辑54的第二输出49被连接到tdc14的开始输入16。电校准路径47包括光电二极管电路50和读出逻辑62。

在图5的下部，示出了信号随时间t的变化。时钟发生器11产生提供给tdc14的另外的输入91的时钟clk。因此，tdc14的环形振荡器(如图17所示)开始振荡。可选地，环形振荡器已经在时钟信号clk的上升沿处振荡。时钟信号clk也被提供给耦合电路90，其产生触发信号ti并将其提供给触发输入61。触发信号ti也能够被称为另外的时钟信号。与时钟信号clk相比，触发信号ti可以具有较低的最大值。触发信号ti适用于使能开关59的控制。

当触发信号ti被施加到光电二极管电路50时，二极管节点电压van开始上升，并且触发感测信号sts被提供在读出电路54的第二输出49处并且被施加到tdc14的开始输入16。开始输入16处的信号，例如触发感测信号sts触发在第一锁存器中所存储的环形振荡器的元件的状态和计数器值。同时，在读出电路54的第一输出48处提供脉冲，该脉冲被施加到读出逻辑62，从而在读出逻辑62的输出处产生读出逻辑信号spl。读出逻辑信号spl的上升沿相对于触发感测信号sts的上升沿具有读出延迟l3。读出延迟l3由tdc14在校准阶段中测量，并且可以在随后的测量阶段中使用。

在图5中，示出了使用双通道tdc14对读出延迟l3的测量。在这种情况下，由小的读出缓冲器58产生start信号，并且在spad读出电路的输出处，即在读出逻辑62的输出处产生stop信号。因此，不使用双差分测量。读出延迟l3由l3＝tdcstop–tdcstart来确定。

因此，tof装置10被配置用于读出逻辑62的校准测量。电触发信号ti被施加到传感器单元50，并且必须通过数字逻辑单元(即电平移位器)90传播，并使用使能开关59在spad阳极van上施加上升沿。使用直接连接到tdc14并且代表读出的开始时间点的小的感测缓冲器58感测时钟边缘。并行地，信号通过读出逻辑62传播，并到达第二tdc输入，即到达第一停止输入17。两个信号之间的时间差表示读出延迟l3。

图6示出了tof装置10的另外的示例实施方式，其是上述实施例的进一步改进。tdc14包括第二停止输入93。时钟发生器11的输出被直接连接到tdc14的开始输入16。读出电路54的第一输出48通过读出逻辑62耦合到tdc14的第二停止输入93。读出电路54的第二输出49被连接到tdc14的第一停止输入17。

时钟信号clk被提供给tdc14的开始输入16。耦合电路90根据时钟信号clk产生触发信号ti。由于触发信号ti，二极管节点电压van升高。在读出电路54的第二输出49处产生的触发感测信号sts被提供给第一停止输入17。在读出电路54的第一输出48处产生的脉冲被读出逻辑62延迟，并到达tdc14的第二停止输入93。tdc14计算读出延迟l3的值。

在校准阶段，时钟发生器11产生一系列的m个脉冲，从而产生以直方图形式存储的m个读出延迟l3值。因此，图5和图6所示的tof装置10的实施例被配置为测量由读出逻辑62引起的读出延迟l3。

测量spad读出延迟：读出逻辑62的校准测量的架构在图6中示出。时钟发生器11产生电触发信号ti，并触发tdc14的start输入。另外，该信号被施加到传感器单元50，并且必须首先通过数字逻辑单元90(即，电平移位器)传播，直到其到达传感器50，并使用使能开关59在spad阳极van上施加上升沿。使用直接连接到tdc14(stop1)的第一停止输入17的小的检测缓冲器58来检测时钟沿。它代表读数的第一时间戳，其指示信号开始通过读数电路传播的时间点。并行地，信号传播通过读出逻辑62并到达tdc14的第二输入93(tdcstop2)。stop1和stop2之间的时间差表示读取延迟l3：l3＝tdcstop2–tdcstop1。此过程允许在校准阶段的某个过程角或温度下测量实际的延迟_传感器_至_tdc。该结果可用于距离测量期间的补偿。

也可以使用如上所述的双差分测量来实现此测量过程：

l3＝tdcstop2–tdcstart–(tdcstop1–tdcstart)

图7示出了tof装置10的另外的示例实施方式，其是上述实施例的进一步改进。激光驱动器12通过tof装置10的电流传感器95耦合到激光器15。激光驱动器12的端子经由电流传感器95连接至激光器15的第一端子。激光驱动器12的另外的端子被连接至激光器15的第二端子。电流传感器95的输出被耦合到tdc14的第一停止输入17。电流传感器95根据流过激光器15的电流i的变化提供电流感测信号ise。

tof装置10包括连接到电流传感器95的输出的传感器缓冲器96。传感器缓冲器96布置在电流传感器95的输出与tdc14的第一停止输入17之间。传感器缓冲器96可以被实现为比较器。传感器缓冲器96将当前感测信号ise与阈值进行比较。时钟发生器11的输出被连接到tdc14的开始输入16。

因此，时钟信号clk的脉冲被提供给开始输入16。时钟信号clk的脉冲也被提供给激光驱动器12以产生施加到激光器15的电流i，使得激光器15发射光脉冲。电流感测信号ise可以是模拟信号。由于激光驱动器12和激光器15的操作，与时钟信号clk的脉冲相比，电流感测信号ise具有延迟l1+l2。传感器缓冲器96将电流感测信号ise转换成提供给tdc14的第一停止输入17的脉冲。在接收第一停止输入17处的脉冲的时间点上，tdc14计算在开始输入16和第一停止输入17处的脉冲之间的时间差，该时间差等于由时钟发生器11的输出与激光器15发射的光脉冲之间的信号路径引起的延迟l1+l2。

tof装置10被配置用于测量激光驱动器延迟。在校准阶段，如图7所示的tof装置10被设计用于测量激光驱动器延迟的校准。时钟信号clk被连接到激光驱动器12并且被连接到代表开始脉冲的tdc14的开始输入16。并行地，时钟信号clk通过接口连接传播到激光驱动器12和激光驱动器12本身的电路，直到电流i开始流过激光器15为止。快速电流传感器95和传感器缓冲器96被用于检测由激光器15的激光阈值限定的特定电流阈值。传感器缓冲器96可以被实现为快速电压比较器。电流/电压比较器96在tdc的第一停止输入17处产生停止脉冲。stop1和start之间的差异表示：

l1+l2＝结果参考_tdc+延迟时钟_至_光

该方法的这些步骤在校准阶段期间的某个过程角或温度下测量延迟l1、l2的实际值。

在可替代的未示出的实施例中，激光驱动器12具有经由激光器15耦合到参考电位端子55的端子。激光驱动器12也可以被连接到参考电位端子55。电流传感器95与激光器15串联地布置。电流传感器5将激光驱动器12耦合到激光器15或将激光器15耦合到参考电位端子55。

图8示出了tof装置10的另外的示例实施方式，其是上述实施例的进一步改进。tof装置10还包括布置在时钟发生器11的输出与tdc14的开始输入16之间的附加缓冲器97。附加缓冲器97可以被实现为比较器。附加缓冲器97可以是传感器缓冲器96的副本。因此，由附加缓冲器97引起的延迟与由传感器缓冲器96引起的延迟相等。因此，tof装置10精确地测量时钟信号clk的脉冲与光脉冲之间的延迟l1+l2。图8的tof装置10类似于图7的tof装置10，但是其中比较器副本97位于start信号路径中。由于比较器96的延迟不再存在于测量结果中，因此开始路径中的比较器副本97改善了时间测量精度。因此，比较器96的延迟从时间测量中消失。

图9示出了tof装置10的另外的示例实施例，其是上述实施例的进一步改进。测量路径46将时钟发生器11的输出耦合到tdc14的第一停止输入17。测量路径46包括激光驱动器12、激光器15、光学测量路径43、测量光电二极管电路13和测量读出逻辑20。tof装置10包括可调延迟电路100。可调延迟电路100将时钟发生器11的输出耦合到tdc14的开始输入16。测量光电二极管电路13可以被实现为诸如图3a至图3c所示的光电二极管电路50之一。

在图9中，tof装置10在测量阶段中操作。然而，在测量阶段，测量光电二极管电路13被配置为使得其只能由被雪崩光电二极管51吸收的光子触发。在测量阶段期间，不执行测量光电二极管电路13的电触发。

在校准阶段确定可调延迟电路100的延迟值。因此，可调延迟电路100的延迟的值例如等于时钟发生器11的时钟信号clk的脉冲和光脉冲的开始之间的延迟l1+l2与二极管节点电压van的上升和测量读出逻辑20的输出处的逻辑信号sml的脉冲之间的延迟l3之和。因此，tdc14确定在开始输入16处的脉冲到tdc14的第一停止输入处的脉冲之间的延迟，该延迟等于在光学测量路径43处传播的光子的飞行时间tof。

校准的结果能够被用于距离测量期间的补偿，即，在校准阶段之后的测量阶段。知道读出和激光驱动器的延迟l1+l2+l3，并假设延迟_核心_至_tdc可以忽略不计，则可以计算出飞行时间：

减去传播延迟是通过在模拟域中延迟开始信号，例如使用如图9所示的可调延迟电路来完成的。可调延迟电路100可以被实现为由评估电路37控制的可控制延迟单元。如图9所示，传感器读数和激光驱动器12的传播延迟测量能够被用于补偿。因此，在测量过程中，能够延迟start触发，使得直方图的第一区间表示零距离。

可替代地，能够通过在例如数字域中延迟开始信号，例如通过移位直方图区间来完成传播延迟的减法。因此，可以在没有可调延迟电路100的情况下实现tof装置10。能够在数字(移位直方图区间)或模拟(延迟单元)中进行延迟。

在替代的未示出的实施例中，tof装置10包括开关和/或多路复用器。在校准阶段的第一部分中，tof装置10被配置用于测量如图5和图6所示的读出逻辑62的延迟l3。在校准阶段的第二部分中，tof装置10被配置用于测量如图7和图8所示的激光驱动器12的延迟l1+l2。第一部分可以在第二部分之前或之后。在测量阶段，tof装置10被配置用于测量如图9所示的飞行时间tof。在校准阶段和测量阶段的部分中，未示出的开关和多路复用器将适当的节点和输出连接到开始输入16以及第一停止输入和第二停止输入17、93。

在可替代的未示出的实施例中，在没有使能开关59、触发输入61和供电端子60的情况下实现测量光电二极管电路13。

在可替代的未示出的实施例中，时钟发生器11经由可调延迟电路100耦合到tdc14的第一停止输入16，并且测量读出逻辑20的输出被耦合到第二停止输入93。

图10示出了tof装置10的另外的示例实施例，其是上述实施例的进一步改进。tof装置10包括测量路径46和电校准路径47。电校准路径47将时钟发生器11的输出耦合到tdc14的开始输入16和第一停止输入17。电校准路径47没有光路或光传输。电校准路径47包括激光驱动器12、电流传感器95、传感器缓冲器96、光电二极管电路50和读出逻辑62。电校准路径47没有光子传输的信号。

测量路径46将时钟发生器11的输出耦合到tdc14的第二停止输入93。测量路径46包括激光驱动器12、激光器15、光学测量路径43、测量光电二极管电路13和测量读出逻辑20。测量光电检测器电路13经由测量读出逻辑20耦合到tdc14的第二停止输入93。在实施例中，测量路径46和电校准路径47都可以在测量阶段中使用。

时钟发生器11的输出通过激光驱动器12和电流传感器95耦合到激光器15。电流传感器95的输出经由传感器缓冲器96耦合到tdc14的开始输入16。此外，电流传感器95的输出通过传感器缓冲器96耦合到光电二极管电路50的触发输入61。因此，光电二极管电路50的触发输入61被直接连接到tdc14的开始输入16。光电二极管电路50的读出电路54的第一输出48通过读出逻辑62耦合到tdc14的第一停止输入17。光电二极管电路50和测量光电二极管电路13可以如图3a至图3b所示那样来实现，其中可以省略感测缓冲器58。

在替代实施例中，由虚线指示出，时钟发生器11的输出可以被直接连接到tdc14的开始输入16。可以省略从传感器缓冲器96到开始输入16的连接。

tof装置10被配置为级联结构，其中时钟信号clk触发tdc14之前首先被引导通过激光驱动器12，然后被引导通过spad阵列。因此，时钟信号clk可以被引导通过激光驱动器12、光电二极管电路50和读出逻辑62，并且可选地通过附加电路被引导到第一停止输入17。因此，信号延迟会自动从测量中排除。在图11中，描述了信号流，图12示出了预期的直方图输出。

可替代地，在图中，start信号被从spad感应输出中导出，但是由于采用了双差分测量，因此也能够使用替代抽头。

图11示出了诸如图10所示的tof装置的tof装置10的信号的示例。信号取决于此实施方式的时序图中的时间t。在第一时间点t1，时钟发生器11产生具有上升沿的时钟信号clk的脉冲。因此，激光驱动器12和激光器15开始工作。在相对于第一时间点t1延迟了延迟l1+l2的时间点t4，流过电流传感器95的电流i开始上升。因此，作为由电流传感器95测量的电流i的上升的结果，传感器缓冲器96提供传感器缓冲器信号vse。传感器缓冲信号vse被提供给tdc14的开始输入16。因此，tdc14将环形振荡器的元件的状态和计数器值存储在第一锁存器中。

同时，传感器缓冲信号vse被提供给光电二极管电路50的触发输入61，导致二极管节点电压van的上升。因此，读出信号sp的脉冲被提供在光电二极管电路50的第一输出48处，并且经由读出逻辑62被施加到tdc14的第一停止输入17。读出逻辑62可以被实现为测量读出逻辑20的副本。因此，读出逻辑62提供与测量读出逻辑20相同的延迟值。光电二极管电路50中的读出电路54和读出逻辑62的操作在由传感器缓冲器96产生的脉冲与由读出逻辑62产生的脉冲之间引起读出延迟l3。

由于在第四时间点t4，流过激光器15的电流i上升，光子沿着光学测量路径43到达目标45，从目标45到达测量光电二极管电路13，导致测量光电二极管电路13的二极管节点电压上升。通过激光器15的电流i的上升与二极管节点电压van的上升之间的差是飞行时间tof。测量光电二极管电路13中的二极管节点van'的上升导致测量读出信号sm的脉冲，该脉冲经由测量读出逻辑20提供，引起到tdc14的第二停止输入93的读出延迟l3。

由于光电二极管电路50与第一停止输入17之间的延迟l3等于测量光电二极管电路13与第二停止输入93之间的延迟l3，因此第一停止输入17处的脉冲与在第二停止输入93处的脉冲之间的时间差等于飞行时间tof。因此，如图12所示，tdc14被配置为测量该差，即测量飞行时间tof。

tof装置实现级联的信号流。触发信号首先传播到激光驱动器12，其驱动电流i通过激光器15。电流比较器96在发射光子的时间点t4产生上升沿。该信号被连接到传感器，并通过电触发的校准像素50和读出逻辑62传播到tdc14的stop1输入17。由测量传感器21检测到的返回光子传播到感测像素13和读出延迟20，并且到达tdc14的stop2输入93。飞行时间tof用从stop1到stop2的时间差表示。

tof＝(tdcstop2–tdcstart)–(tdcstop1–tdcstart)

图12示出了图10所示的具有图11所示的信号的的tof装置10的直方图的示例实施例。在x轴上示出了多个区间，而在y轴上示出了落入特定区间中的信号的数目。飞行时间tof是stop2区间和stop1区间所表示的时间之间的差。

图13示出了tof装置10的另外的示例实施方式，其是上述实施例的进一步改进。测量路径46将时钟发生器11的输出耦合到tdc14的第一停止输入17。测量光电二极管电路13经由测量读出逻辑20耦合到tdc14的第一停止输入17。电校准路径47将时钟发生器11的输出耦合到tdc14的开始输入16。时钟发生器11经由激光驱动器12、电流传感器95和传感器缓冲器96耦合到光电二极管电路50的触发输入61。光电二极管电路50经由读出逻辑62耦合到tdc14的开始输入16。

光电二极管电路50和读出逻辑62具有与测量光电二极管电路13和测量读出逻辑20相同的延迟l3。tdc14的第一停止输入17处的脉冲与tdc14的开始输入16处的脉冲之间的差等于飞行时间tof：tof＝tdcstop-tdcstart

在图13中，使用如图10-12所示的双通道tdc进行相同的测量。在这种情况下，start信号由spad读出电路(例如读出逻辑62)的输出生成。tdc14被设计为双通道tdc。因此，不使用双差分测量。

图10和图13所示的tof装置10可以在不使用校准阶段的情况下操作。如图10和图13所示的tof装置10的操作的模式可以仅通过测量阶段来实现。

可替代地，图10和图13中所示的tof装置10可以在校准阶段和随后的测量阶段中操作。

图14示出了tof装置10的细节的示例性实施方式，其是上述实施例的进一步改进。时钟发生器11可以被实现为多相时钟发生器。例如，时钟发生器11可以产生具有不同时钟相位clk0至clk3的时钟信号clk。上面所示的时钟信号clk可以等于零时钟相位clk0。如图14所示，第一时钟相位clk1的脉冲跟随零时钟相位clk0的脉冲。此外，第二时钟相位clk2的脉冲跟随第一时钟相位clk1的脉冲。第三时钟相位clk3的脉冲跟随第二时钟相位clk2的脉冲。零时钟相位clk0的第二脉冲跟随第三时钟相位clk3的脉冲，依此类推。四个时钟相位clk0至clk3具有相同的周期。四个时钟相位clk0至clk3仅在短时间内具有值1。在大多数情况下，时钟相位clk0至clk3的值为零。

tof装置10还包括多路复用器105。多路复用器105在其输出侧被连接到tdc14的开始输入16。多路复用器105包括两个输入：第一输入经由传感器缓冲器96连接到电流传感器95的输出。第二输入连接到时钟发生器11的输出。时钟发生器11将具有零时钟相位clk0的时钟信号clk提供给激光驱动器12的输入侧。具有零时钟相位clk0的时钟信号clk被提供给多路复用器105的第二输入。在校准阶段，多路复用器105将时钟相位clk0或传感器缓冲信号vse提供给tdc14的开始输入16。具有第一时钟相位clk1的时钟信号clk提供给tdc14的第一停止输入17。

在图14中，直方图示出了多路复用器105的两个位置的结果。第一峰值p1示出了在产生电流感测信号ise的脉冲与第一时钟相位clk1的脉冲之间的时间。第二峰值p2示出了在零时钟相位clk0的脉冲与第一时钟相位clk1的脉冲之间的时间。第一峰值和第二峰值p1、p2的中心之间的差等于激光驱动器延迟，在图2中称为l2。因此，可以在校准阶段利用tof装置10的这种配置来测量激光驱动器延迟l2。

上图中概述的实施方式可能需要各种多路复用器。由于每个多路复用器会增加通常大大高于tdc分辨率的延迟，因此采用双差分方法进行测量可能是有利的。图14和图15描述了如何使用双差分方法测量vcsel脉冲时序的过程。在图14中，显示了vcsel驱动器测量方案在硅片中的一种有利实施方式。使用双差分测量设置需要进行两轮测量，然后使用所得到的直方图来计算差异。

图15示出了tof装置10的示例实施方式，其是上述实施例的进一步改进。激光驱动器12包括第一驱动器块106和第二驱动器块107。多路复用器105的第二输入被连接到第一驱动器块和第二驱动器块106、107之间的节点。因此，该配置能够测量由激光驱动器12的第二驱动器块107引起的延迟。有利地，与图14相比，在图15中测量的激光驱动器时序更准确，因为tdc输入16处的零时钟相位clk0和激光驱动器12处的零时钟相位clk0能够以纳秒区分。通过使用从激光驱动器输入处的零时钟相位clk0到tdc14的单独测量路径，测量能够更精确，并且能够仅测量激光驱动器延迟l2。

图16示出了tof装置10的细节的另外的示例实施方式，其是上述实施例的进一步改进。在图16中，更详细地介绍了淬熄校准。例如在图5和图6中所示出耦合电路90可以包括电平移位器。因此，由时钟发生器11提供的脉冲被耦合电路90转换为触发信号ti，该触发信号能够选择性地使使能开关59在导通状态和非导通状态下切换。使能开关59被实现为场效应晶体管。使能开关59被实现为金属氧化物半导体场效应晶体管。在电源端子60处分接的电源电压vs可以具有3伏的值。

tof装置10包括校准多路复用器108，该校准多路复用器在其输出侧被连接到tdc14的第一停止输入17。读出电路54包括如图3a和图3b所示的读出缓冲器57和感测缓冲器58。读出电路54的第二输出49经由第一多路复用器109耦合到校准多路复用器108的第一输入。读出电路54的第一输出48通过读出逻辑62耦合到校准多路复用器108的第二输入。读出逻辑62的其他输入可以可选地被连接到被实现为例如图3a、3b和图16所示的光电检测器电路50的其他光电检测器电路的输出。tof装置10的第二多路复用器110在其输出侧被连接到校准多路复用器108的第二输入。第二多路复用器110的第一输入经由tof装置10的第二缓冲器111耦合到读出逻辑62的输出。第二多路复用器110的第二输入经由tof装置10的第三多路复用器112和第三缓冲器113耦合到第二缓冲器111的输出。

时钟发生器11将零时钟相位clk0提供给tdc14的开始输入16，并将第一时钟相位clk1提供给产生触发信号ti的耦合电路90。读出逻辑62的信号既可以通过第二缓冲器111提供给第二多路复用器110的第一输入，也可以通过第二缓冲器和第三缓冲器111、113以及第三复用器112提供给第二多路复用器110的第二输入。

校准开始路径pac将二极管节点53耦合到校准多路复用器108，并且其包括感测缓冲器58和第一多路复用器109。事件停止路径pae将二极管节点53耦合到校准多路复用器108，并且其包括读出缓冲器57、读出逻辑62、第二缓冲器111和第二多路复用器110。另外，校准停止路径pas将二极管节点53耦合到校准多路复用器108，并且其包括读出缓冲器57、读出逻辑62、第二缓冲器和第三缓冲器111、113以及第二多路复用器和第三多路复用器110、112。

因此，图16所示的光电二极管电路50被配置用于校准阶段和测量阶段。因此，如图16所示，能够通过tof装置10在校准阶段中测量不同的延迟，并且能够在测量阶段中测量飞行时间tof。有利地，能够以节省面积的方式实现tof装置10。在图16中，spad猝熄校准方案在硅中实现。使用双差分测量设置需要进行两轮测量，然后使用所得到的直方图来计算差异。

图17示出了tdc14的示例实施方式。tdc14包括具有多个反相元件121和逻辑元件122的环形振荡器120。多个反相元件121串联连接，并且多个反相元件中的最后一个反相元件的输出经由逻辑元件122耦合到多个反相元件中的第一反相元件的输入。逻辑元件122的另外的输入可以被连接到另外的输入91，该另外的输入可以是使能输入91。此外，tdc14包括在其输入侧被连接到多个反相元件之一的输出的计数器124。例如，计数器124的输入被连接到多个反相元件121中的最后一个反相元件的输出。第一锁存器125在其输入侧被连接到多个反相元件121的输出以及计数器124的输出。此外，第一锁存器125也可以在其输入侧被连接到逻辑元件122的输出。第一锁存器125的控制输入被连接到tdc14的开始输入16。

另外，tdc14包括第二锁存器126，该第二锁存器在其输入侧被连接到多个反相元件的输出以及计数器124的输出。此外，第二锁存器126可以在其输入侧被连接到逻辑元件122的输出。第二锁存器126的控制输入被连接到tdc14的第一停止输入17。可选地，tdc14可以包括第三锁存器127，该第三锁存器在其输入侧连接到多个反相元件的输出以及计数器124的输出。此外，第三锁存器127可以在其输入侧被连接到逻辑元件122的输出。第三锁存器127的控制输入被连接到tdc14的第二停止输入17。

此外，tdc14包括具有第一解码器和第二解码器129、130的评估块128。第一解码器129在其输入侧被连接到第一锁存器125的输出。第二解码器130在其输入侧被连接到第二锁存器126的输出。评估块128包括在其输入侧被连接到第一解码器和第二解码器129、130的第一差分元件132。第一差分元件132可以被实现为减法单元。此外，tdc14包括直方图块134，该直方图块被连接到第一差分元件132的输出。

评估块128可以包括在其输入侧被连接到第三锁存器127的输出的第三解码器131。评估块128可以包括第二差分元件133，该第二差分元件在其输入侧被连接到第一解码器和第三解码器129、131，并且可以是减法单元。直方图块134可以被连接到第二差分元件133的输出。

使能信号en被提供给环形振荡器120的另外的输入91，并分别开始或停止由环形振荡器120执行的振荡过程。在图17所示的示例中，环形振荡器120包括十四个反相元件121。反相元件121的数量能够根据期望的应用而变化。反相元件121的切换时间和反相元件121的数量确定环形振荡器120的振荡频率。计数器124可以在输入处对正信号沿进行计数。计数器124的计数器值和多个反相元件121和逻辑元件122的输出处的逻辑状态在信号被提供给tdc14的第一输入的开始输入16时被存储在第一锁存器125中。由于使能信号en和开始输入16处的信号之间的时间差，环形振荡器120以平稳和稳定的状态振荡。

相应地，在向tdc14的第一停止输入17提供信号的时间点，计数器124的计数器值以及多个反相元件121和逻辑元件122的输出处的逻辑状态被存储在第二锁存器126中。在将信号提供给第一停止输入17之后，环形振荡器120继续振荡。当信号被提供给tdc14的第二停止输入93时，计数器124的计数器值和多个反相元件121和逻辑元件122的输出处的逻辑状态被存储在第三锁存器127中。

将存储在第一锁存器125中的这些输出状态和计数器值提供给第一解码器129。类似地，存储在第二锁存器或第三锁存器126、127中的输出状态和计数器值被提供给第二解码器或第三解码器130、131。

当第一解码器129和第二解码器130的解码处理完成时，第一解码器129和第二解码器130将它们的输出值提供给第一差分元件132。因此，第一解码器129提供开始值，并且第二解码器130提供第一停止值。评估块124被配置为提供第一差值di1，该第一差值被确定为第一停止值和开始值之间的差。

另外，当第一解码器129和第三解码器131的解码处理完成时，第一解码器129和第三解码器131将其输出值提供给第二差分元件133。因此，第一解码器129提供开始值，并且第三解码器131提供第二停止值。评估块124被配置为提供第二差值di2，该第二差值被确定为第二停止值与开始值之间的差。因此，第一锁存器125、第二锁存器127和第三锁存器127使用相同的环形振荡器120，但是由分别提供给驱动器的开始输入16、tdc14的第一停止输入17和第二停止输入93的单独的触发信号来触发。第一差值di1被存储在直方图134中。相应地，第二差值di2存储在直方图块134中。

由于第一差值和第二差值都是相对于第一解码器121提供的开始值计算的，因此两个差值都能够被存储在直方图块134中的一个公共直方图中。直方图块134可以呗实现为直方图存储器。直方图块134被连接到评估电路37。

在校准阶段开始时(以及在测量阶段开始时)，直方图块134被设置为零。直方图块134的每个存储器，即每个区间都存储零区间值。在校准阶段，实际差异确定直方图的区间(即存储器的地址)，以使该区间的区间值增加1。校准阶段包括l个数量的时钟周期，因此确定了l个差异。区间表示时间差，因此定义了测得的距离。在校准阶段和测量阶段，多次执行测量，直到直方图具有足够的命中率，以便完成校准或可以检测到目标并将其与噪声区分开。一个存储器地址代表直方图的一个区间，因此代表一个可能的距离。存储在内存地址中的区间值包含此时准确检测到事件的次数。

在一个实施例中，延迟信息可以例如在校准阶段使用存储第一差值di1的直方图和/或存储第二差值di2的直方图确定，即通过直方图块134或评估电路37。例如在测量阶段使用存储第一差值di1的直方图和/或使用存储第二差值di2的直方图，即通过直方图块134或评估电路37来确定测量结果。可以使用在测量阶段中获得的测量结果和在校准阶段中获得的延迟信息来确定飞行时间信号st(即校正后的测量结果)。因此，飞行时间信号st可以通过将根据延迟信息变化的测量结果移位来确定，例如通过在校准阶段所确定的延迟将测量结果移位来确定。

在可替代的未示出的实施例中，评估块128被配置为提供第二解码器130和第三解码器131的输出信号之间的差值。因此，由差分元件提供的差值被确定为第二停止值和第一停止值之间的差。

在可替代的未示出的实施例中，tdc14被实现为没有第三锁存器127、第三解码器131和第二差分元件133。

图18a示出了在校准阶段的tof装置10的替代示例实施方式，其是上述示例的进一步改进，而图18b示出了在测量阶段的该示例实施方式。tof装置10包括耦合到tdc14的输入侧的另外的振荡器140。另外的振荡器140可以被实现为高精度振荡器。另外的振荡器140可以被制造为管芯上的振荡器。半导体主体39可以包括另外的振荡器140。另外的振荡器140可以是修整振荡器。可以在tof装置10的制造期间执行对另外的振荡器140的微调。另外的振荡器140可以被配置为rc振荡器。

另外，tof装置10的光电二极管电路141被耦合到tdc14的输入侧。光电二极管电路141可以被实现为诸如以上所示的光电二极管电路50或测量光电二极管电路13。tdc14包括环形振荡器120。tdc14被耦合到可以被实现为中央处理单元的评估电路37。tof装置10包括均被连接到评估电路37的第一存储器和第二存储器142、143。

在校准阶段，环形振荡器120和另外的振荡器140振荡。另外的振荡器140向tdc14提供振荡器信号so。tdc14借助于振荡器信号so生成直方图信号sh，并将其提供给评估电路37。直方图信号sh可以包括关于环形振荡器120的频率的信息。替代地或附加地，直方图信号sh可以包括关于内部路径的一种测量或多于一种测量的信息，例如tof装置10的、未示出的读出逻辑62或测量读出逻辑20的测量的信息。因此，可替代或附加地，直方图信号sh可以包括关于一个或更多个延迟的信息，例如读出延迟l3或时钟信号clk的脉冲与光脉冲之间的延迟l1+l2(分别被称为延迟_核心_至_激光_驱动器和延迟_时钟_至_光)。tdc14可以针对信息的不同值生成一个以上的直方图信号sh。

第一存储器142存储一个或多个表。该一个或多个表可以是预定的。一个或多个表的值可以通过测量或模拟来生成。评估电路37生成至少一个补偿因子cf，并将其存储在第二存储器143中。根据一个或多个直方图信号sh以及根据第一存储器142中存储的一个或多个表来确定至少一个补偿因子cf。评估电路37可以计算多于一个的补偿因子cf。在校准阶段之外，另外的振荡器140可以是空闲的。

例如，可以将振荡器信号so的第一脉冲提供给tdc14的开始输入16，并且可以将振荡器信号so的第二脉冲提供给tdc14的第一停止输入17。tdc14确定在第一停止输入17处的脉冲与在开始输入16处的脉冲之间的区间数。由于振荡器信号so的第一脉冲和第二脉冲之间的时间差是已知的，因此能够计算一个区间的持续时间。评估电路37可以使用振荡器信号so的两个脉冲之间的区间数以及使用第一存储器142中的一个或更多个表来确定补偿因子cf。

在替代的未示出的实施例中，tof装置10没有另外的振荡器140。外部振荡器可以生成提供给tdc14的振荡器信号so。外部振荡器可以是包括tof装置10的设备或系统的一部分。

如图18b所示，在测量阶段，光电二极管电路141将测量读出信号sm提供给tdc14。tdc14生成直方图信号sh。评估电路37根据直方图信号sh和至少一个补偿因子cf确定飞行时间信号st。在校准阶段确定至少一个补偿因子cf，并在测量阶段使用该补偿因子。因此，tof装置10执行飞行时间tof的精确测量，这补偿了硅的pvt效应。

在实施例中，校准阶段和测量阶段交替。可以在每个测量阶段之前或在预定的时间间隔内执行校准阶段。因此，可以补偿温度漂移或电源电压漂移。

在可替代的未示出的实施例中，tof装置10包括另外的光电二极管电路，该另外的光电二极管电路被实现为例如光电二极管电路141和将光电二极管电路耦合到tdc14的测量读出逻辑20。因此，tdc14在测量阶段中接收测量读出逻辑信号sml。

附图标记说明

10飞行时间装置

11时钟发生器

12激光驱动器

13、18、19测量光电二极管电路

14时间数字转换器

15激光器

16开始输入

17第一停止输入

20测量读出逻辑

21测量传感器

29参考传感器

30、34、35参考光电二极管电路

31参考时间数字转换器

32开始输入

33停止输入

36参考读出逻辑

37评估电路

38屏障

39半导体主体

40壳体

41开口

43光学测量路径

44光学参考路径

45目标

46测量路径

47电校准路径

48、49输出

50光电二极管电路

51雪崩光电二极管

52猝熄电路

53二极管节点

54读出电路

55参考电位端子

56传感器电源端子

57读出缓冲器

58感测缓冲器

59使能开关

60电源端子

61触发输入

62读出逻辑

63读出门

64至70光电二极管电路

71至78反相器

79至82与非门

83、84或非门

85与非门

90耦合电路

91另外的输入

93第二停止输入

95电流传感器

96传感器缓冲器

97另外的缓冲器

100可调延迟电路

105多路复用器

106、107驱动器块

108校准多路复用器

109、110、112多路复用器

111、113缓冲器

120环形振荡器

121反相元件

122逻辑元件

124计数器

125至127锁存器

128评估块

129至131解码器

132、133差分元件

134直方图块

140另外的振荡器

141光电二极管电路

142、143存储器

clk时钟信号

clk0至clk3时钟相位

cf补偿因子

dc1至dc3解码器信号

di1，di2差分信号

i电流

ise电流感测信号

l1，l2延迟

l3读出延迟

fan二极管节点电压

rad读出延迟

r1，r2差分

sh，shr直方图信号

sm，sm'，sm”测量读出信号

sml测量读出逻辑信号

so振荡器信号

sp，sp'，sp2'读出信号

spl读出逻辑信号

sr参考读出信号

srl参考读出逻辑信号

st飞行时间信号

sts触发感测信号

ti触发信号

tof飞行时间

t1至t7时间点

van，van'二极管节点电压

vhs传感器电源电压

vs电源电压

vse传感器缓冲信号