Tof距離傳感器以及用於其操作的方法

2023-04-23 06:26:21 2

Tof距離傳感器以及用於其操作的方法
【專利摘要】提出了一種用於測量距對象的距離的TOF距離傳感器，該傳感器包括：電子裝置，其用於產生調製信號並且用於產生4個相關信號，該相關信號相對於彼此相移以及具有與調製信號相同的周期；輻射源，其用於發射輻射，該輻射通過調製信號來調製；接收裝置，其具有關於輻射源的預定空間關係，用於接收由對象反射的輻射；相關裝置，其用於使所接收的輻射或相應變量相應地與4個相關信號中的一個相關，以便形成4個相應的相關值；差形成裝置，其用於從相應地在相關值中的2個之間的差中形成2個差相關值；計算裝置，其體現為在2個差相關值上採用預定線性相關性來計算距離。
【專利說明】TOF距離傳感器以及用於其操作的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及TOF (飛行時間)距離傳感器，以及涉及用於操作TOF距離傳感器的方法。
【背景技術】
[0002]現有技術已經公開了 2抽頭TOF距離傳感器，該傳感器的操作基於正弦信號的使用。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是改進現有技術。
[0004]該目的通過根據權利要求1的TOF距離傳感器以及通過根據權利要求10的方法來實現。有利的實施例在另外的從屬權利要求中指定。
[0005]根據用於測量距對象的距離的本發明的TOF距離傳感器包括電子裝置，該電子裝置用於產生調製信號並且用於產生4個相關信號，該相關信號相對於彼此相移並且具有與調製信號相同的周期。該傳感器進一步包括輻射源，其用於發射輻射，更特別的是IR輻射，該輻射通過調製信號來調製。該傳感器進一步包括接收裝置，其具有關於輻射源的預定空間關係，用於接收由對象反射的輻射。該傳感器進一步包括相關裝置，其用於使接收輻射或與接收輻射對應的變量相應地與4個相關信號中的一個信號相關。該傳感器進一步包括差形成裝置，其用於從在相關值中的相應2個之間的差中形成2個差相關值。該傳感器進一步包括計算裝置，其體現為在2個差相關值上採用預定線性相關性來計算距離。
[0006]計算裝置優選體現為在2個差相關值上採用預定專用線性相關性來計算距離。
[0007]對象可以更特別的是人或可移動或固定的物體或牆壁。
[0008]輻射源優選是半導體輻射源，優選是一個LED (發光二極體)或多個LED。所發射的輻射可以是可見或不可見的光，例如IR (紅外線)、VIS (可見光)或UV輻射(紫外線)。特別地，所發射的輻射可以基本上是單色的，即採用小於10%的半最大值全寬度(full-widthat half maximum),更特別的是小於5%的半最大值全寬度,更特別的是小於2%的半最大值全寬度，更特別的是小於1%的半最大值全寬度，更特別的是小於0.1%的半最大值全寬度。
[0009]特別地，調製信號和/或相關信號的波形可具有至少部分恆定和/或線性的部分。特別地，波形可體現為三角形形狀，體現為具有大部分垂直側面的鋸齒形狀，體現為梯形形狀或矩形形狀。特別地，調製信號的波形可與相關信號的波形不同。特別地，調製信號可以是正弦信號。特別地，相關信號可以具有周期性在閾值上方和下方交替的波形。特別地，相關信號可以是矩形信號。在用於調製信號和/或相關信號的波形的非矩形分布的情況下，可以在計算中接受小誤差或計算裝置可通過校正函數或校正表來補充。
[0010]特別地，調製信號和/或相關信號的信號分布可以是周期性的。
[0011]相同的周期可更特別地通過在相同長度的時間間隔中的兩個信號成比例的相等最大值和最小值的相同時間序列來定義。[0012]預定的空間關係更特別地指在接收時光源和接收傳感器以已知的方式相對於彼此在空間上布置，和/或關於測量距離一起接近，和/或布置在共同的支持物上，和/或被布置在共同的外殼中。
[0013]相關是更特別地具有相同周期的兩個信號的時間分布的乘法運算。相關可通過在一個周期或若干周期中的兩個信號分布的乘積的時間積分在數學上表示。
[0014]相位分布指在發射的福射的相位值中表述的時間分布。相移指信號相對於彼此具有時間偏移分布。術語「相移」和「相位偏移」在此以等效方式使用。只要這是具有一般認為是歸一化的相位分布以及一般在波形中丟棄的若干周期中的最大幅度中的變化的信號分布，則波形和相位分布可表示同一術語。
[0015]特別地，為了計算目的一些或所有信號可以是或變得歸一化為I。這可能是有利的，因為檢測的輻射強度可以取決於情況來改變。
[0016]線性相關性可同樣指分段線性相關性，但不是擬合到非線性相關性自身的分段近似線性。
[0017]距離的計算可同樣是與距離等同的變量的計算，諸如例如關於所發射的輻射的接收輻射的相移或在發射和接收的輻射之間的時間偏移的計算。
[0018]用於表示函數單元的術語「裝置」不一定指空間單元，而是更特別地指函數關係。
[0019]調製信號和/或4個相關信號優選體現為矩形信號。
[0020]矩形信號基本上是矩形並且基本上在兩個值之間改變，優選在兩個正值之間，優選在零和固定值之間。矩形信號優選具有50%的佔空比(脈衝持續時間與周期持續時間的比率)。
[0021]該矩形信號可提供如下優點，即獨立於其輻射特性，其可用於各種類型的光源，更特別地用於LED。
[0022]相關信號優選相對於彼此被分別相移四分之一周期，和/或相關信號具有與該調製信號相同的相位。
[0023]相對於彼此被相移四分之一周期指相移π/2(90° )。特別地，第一相關信號可等於調製信號並且因此等於發射的輻射的時間分布，而3個另外的相關信號可相應地偏移四分之一周期。
[0024]差優選在從相關值形成的每一種情況中形成，該相關值的關聯相關信號被相移半周期。
[0025]相對於彼此被相移半周期指相移π (180° )。
[0026]特別地，第一差從相關值中形成，該相關值的關聯相關信號關於調製信號被相移O和π，而第二差從相關值中形成，該相關值的關聯相關信號關於調製信號被相移π/2和3 η /I。
[0027]該計算裝置優選被設計為關聯該計算與作為2個差相關值函數的至少2個不同線性相關性中的一個相關性，以及計算作為該關聯函數的距離。
[0028]優選提供4個不同的線性相關性用於關聯。優選預存儲不同的線性相關性。
[0029]作為關聯的結果，可以執行情況區分，特別是如果用於計算距離的函數僅是分段線性和/或分段恆定的。特別地，關聯執行為2個差相關值標記的函數。特別地，關聯執行為4個相關值的值的定性比較的函數。特別地，關聯執行為分別關聯偏移半周期的相關信號的相關值的比較的函數。
[0030]檢測的輻射信號通過具有相同形狀但具有各不相同預定義相位的信號來相乘，並且在時間上積分。形成作為用於檢測的輻射信號的相移並且因此用於距對象的距離的測量的線性相關性的差相關值從因此形成的相關變量的比較中顯現。然而，這些差相關變量初始不唯一地與特定相移關聯，而是具有作為尋求的相移的函數的線性間隔。用於這個所需的額外信息從形成的差相關值的標記中顯現。在該情況下關於距離的相關性的線性度產生於檢測的輻射信號和調製信號的形狀，即在周期性重複的矩形脈衝的形狀中產生。
[0031]接收裝置優選包括具有用於產生信號載體的光敏區域的襯底和/或用於產生用於傳送信號載體的漂移場的漂移柵。該相關裝置優選包括:至少一個調製柵，該調製柵藉助於採用為該相關信號中的一個信號的函數的信號載體的空間分離，用於使該接收的輻射與相關信號中的至少一個信號相關；和/或至少一個存儲柵，該存儲柵用於根據相關信號而空間分離的所述信號載體的時間總和，用於形成該相關值中的一個值；和/或至少一個用於保持另一個相關值的存儲元件，更特別的是另外的存儲柵。
[0032]信號載體可特別是光電子。
[0033]特別地，接收裝置和/或相關裝置可使用CXD技術來體現。特別地，計算裝置可使用CMOS技術來體現。特別地，接收裝置、相關裝置、差形成裝置和計算裝置可部分或全部使用組合的CM0S/CCD技術來相應體現。柵可以是從CCD半導體技術中已知的柵。漂移柵同樣可由一個調製柵或多個調製柵形成。一個調製柵或多個調製柵可同樣通過漂移柵，例如通過由具有電阻的材料製成的柵來形成。文獻偶爾將漂移柵指為光柵。特別地，相關信號可施加到調製柵以使得其用作可變鎖，與用於信號載體的相關信號對應以便因此產生與相關值對應的信號載體的通道。Stwelt.0rage柵的求和信號載體形成相關值的值。特別地，存儲的電荷可形成相關值的值。特別地，存儲柵可在特定的時間間隔被讀取。特別地，存儲柵可經由傳輸柵、浮動擴散和源跟隨器被讀取。
[0034]特別地，存儲元件可存儲與存儲柵不同的相關值，更特別的是相關值，該相關值的關聯相關信號關於存儲柵的相關信號被相移半周期。這可以是有利的，因為在這兩個相關值之間的上述差形成對於所謂的I抽頭鎖定TOF像素同樣是輕易可能的。
[0035]柵的信號載體或電荷、在柵下的信號載體或電荷，或與柵關聯的信號載體或電荷的參照在此等效地使用，並且特別指信號載體或電荷通常通過在半導體襯底中柵的電勢場來保持與柵的氧化層分離。排出柵指移除在柵下的電荷。
[0036]在存儲柵中根據相關信號空間分離的信號載體的總和可具有改善信噪比的優點。
[0037]接收裝置優選包括作為用於產生信號載體的光敏區域的弱摻雜的半導體襯底。相關裝置優選包括:兩個調製柵，該調製柵用於在相應地採用一個不同相關信號的時間相關中的信號載體的空間分離；和/或兩個存儲柵，該存儲柵與該調製柵關聯，用於相應分離信號載體的總和。差形成裝置優選包括與存儲柵關聯的兩個傳輸柵和/或浮動擴散和/或源跟隨器，用於分離讀取和轉換在該存儲柵下分離和求和的信號載體成為與相應求和的信號載體關聯的兩個電壓值。該差形成裝置優選包括斜坡裝置，該斜坡裝置在讀取和轉換之前在兩個存儲柵的第一存儲柵下，更特別地藉助於時間斜率，更特別地通過該兩個存儲柵的電勢的平行步進式或持續變化，更特別地經由相應的傳輸柵，讓該信號載體排出到該兩個浮動擴散中的相應第一浮動擴散，直到第二浮動擴散的電勢開始改變。該差形成裝置優選包括A/D轉換器(模擬/數字轉換器)，該A/D轉換器用於從該第一浮動擴散的電勢和/或電壓值中形成用於差相關值的數字值。
[0038]特別地，在作為信號載體的光電子的情況下，在電勢中的上述持續變化可通過在電勢中的減少來給出。
[0039]差形成裝置優選被設計為特別通過比較在存儲柵下收集的信號載體，特別通過操作斜坡裝置來形成在電荷域中的差相關值，以使得與更強烈帶電的存儲柵關聯的該浮動擴散的電荷量與差相關值對應。
[0040]特別地，柵可被布置在襯底的前側上。特別地，在前側上的柵可通過離開漂移柵和/或全部或部分地離開暴露的調製柵的阻斷(Stop)來覆蓋。這可導致在漂移柵和/或調製柵下的區域中定義的信號載體產生。
[0041]特別地，可提供TOF距離傳感器用於通過前側或通過後側來攝取輻射。特別地，接收傳感器可包括用於耗盡半導體襯底的後側觸點。特別地，為此目的，柵或後側觸點對輻射可全部或部分地透明。
[0042]特別地，這是如何特別以模擬方式可形成在信號載體和/或電荷載體和/或光電子電平上的相關值和/或差相關值。特別地，差形成可以至少部分是模擬的，更特別地可在信號載體的電平上至少部分發生，更特別地可在光電子的電平上至少部分發生；特別地，相關值和/或差相關值可在信號載體和/或電荷載體的電平上存在，特別地作為電荷量，更特別地作為在存儲柵下的電荷。
[0043]採用2個調製柵和2個傳輸柵的最近指定的TOF距離測量單元在文獻中偶爾同樣稱為2抽頭鎖定像素。
[0044]包括4個調製柵和/或4個傳輸柵的4抽頭鎖定像素同樣是可行的。對於4抽頭鎖定像素，斜坡裝置將然後在用於調製柵和傳輸柵的2個結構的每一種情況(即相繼地或採用2個並行斜坡裝置)中使用。
[0045]TOF距離傳感器優選包括形成用於產生3D圖像的像素矩陣的多個接收傳感器。
[0046]根據本發明用於操作距離傳感器的方法包括以下方法步驟:(I)從光源中發射輻射，通過調製信號調製該輻射；(II)藉助於具有關於該光源的預定空間關係的接收傳感器，接收通過對象來反射的所發射的輻射；(III)形成4個相關信號，該相關信號相對於彼此被相移以及具有與該調製信號相同的周期；(IV)使接收的輻射或等同變量與4個相關信號相關以便形成4個相關值；(V)形成在相應2個相關值之間的差以便形成2個差相關值；(VI)在兩個差相關值上採用線性相關性計算距該對象的距離。
[0047]特別地，該方法步驟可基本上連續地執行。特別地，該方法步驟可周期性執行。特別地，光源可發射輻射持續特定的測量延續時間並且然後在執行其計算期間暫停另外特定的計算延續時間，以便隨後從開始重新啟動循環。特別地，測量延續時間可具有調製信號1000個周期的延續時間。特別地，測量信號的周期延續時間可以是20MHz。
[0048]特別地，循環延續時間可以是20ms。特別地，循環的一些方法步驟可全部或部分地被並行執行，例如發射和接收。特別地，兩個連續循環的一些方法步驟可全部或部分地被並行執行，例如連同發射和/或接收一起的前一循環的差形成和/或計算，和/或隨後循環的相關值和/或相關的形成。
[0049]調製信號和/或4個相關信號優選體現為矩形信號。[0050]相關信號優選相對於彼此被分別相移四分之一周期，和/或相關信號具有與調製信號相同的相位。
[0051]差優選分別從相關值中形成，該相關值的關聯相關信號被相移半周期。
[0052]特別地，2個循環(更特別地2個時間偏移循環)可在2抽頭鎖定像素的情況下被執行。在此根據2個柵結構，第一循環使用被相移半周期的兩個第一相關信號，以便形成第一差相關值。第二循環使用關於第一循環的相關信號被相位偏移半周期和四分之一周期的兩個相關信號，以便形成第二差相關值。因此存在差相關值兩者並且可計算距離。從第一和第二循環中設定的循環現在可被再次執行用於新測量。這使得時間分辨的距離測量可行。在附圖的描述中，循環稱為測量相位。
[0053]在計算之前(VI)，根據本發明的方法優選執行作為2個差相關值的函數的情況區分以便使計算與4個不同線性相關性中的一個相關性關聯。
[0054]差形成優選至少部分是模擬的，更特別地至少部分地發生在該信號載體的電平上，更特別地至少部分地發生在該光電子的電平上，更特別地通過將接收輻射與通過輻射產生的信號載體的空間分離的4個相關信號相關以便形成在該電荷域中與相關值對應的2個電荷量，以及通過從2個電荷量中的一個電荷量中虹吸電荷直到該2個電荷量相等，以使得該電荷虹吸量與差相關值對應。
[0055]優點可以是改進的信噪比和/或增大的動態範圍。
[0056]為示出4個線性函數，前述變量具有下面的指定:
[0057]參考形成它們的相關信號的相關值AO、Al、A2和A3:
[0058]AO:來自關於調製信號沒有偏移的相關信號
[0059]Al:來自關於調製信號偏移1/4周期的相關信號
[0060]A2:來自關於調製信號偏移1/2周期的相關信號
[0061]A3:來自關於調製信號偏移3/4周期的相關信號
[0062]具有關聯相關值的差相關值CO和Cl:
[0063]CO: =AO - A2
[0064]Cl: =Al-A3
[0065]指定用於關於發射輻射來計算接收的輻射的相位延遲dPhi的函數來代替距離。到精確距離中的轉換從發射的輻射的調製信號的調製頻率中顯現。藉助於示例，作為2個差相關值的函數，4個線性函數顯示如下:
[0066]C0>0 並且 C1>0 意為 dPhi= (ji/4)* (((Cl-CO)/ (C0+C1)) +1),
[0067]C0>0 並且 Cl < O 意為 dPhi= ( π /4) * (((C1+C0) / (CO-Cl)) +7)，
[0068]CO 0 意為 dPhi= ( π /4) * (((C1+C0) / (CO-Cl)) +3)，
[0069]CO < O 並且 Cl < O 意為 dPhi= ( π /4) * (((Cl-CO) / (C0+C1)) +5)，
[0070]在對象和TOF距離傳感器之間的距離從經由對象從輻射源到半導體襯底的傳播光路徑的一半距離中顯現。距離採用數值η、光速c和調製頻率f，從相位延遲dPhi中顯現如下:
[0071]D= (c/ (4* π *f)) *dPhi。
[0072]本發明的優點可在硬體複雜度的減少、信噪比的改進、在動態範圍中的增大、在處理速度中的提高、在幀率中的增加、在計算複雜度中的減少、在傳感器尺寸中的減少和/或在晶片級別上的更聞集成中看出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0073]在附圖中指定本發明的進一步特徵。
[0074]基於具有附圖的示例性實施例，將在下面更詳細地解釋本發明。在此，在單個附圖中的相同參考標記表示相同元件。具體如下:
[0075]圖1示出具有對象的TOF距離傳感器，
[0076]圖2示出具有相關裝置和差形成裝置的一部分的接收裝置，
[0077]圖3示出用於操作TOF距離傳感器的方法的流程圖，
[0078]圖4示出發射和接收的輻射的強度分布，
[0079]圖5示出相關信號的信號分布，
[0080]圖6示出在第一示例性測量相位期間接收傳感器左手側的值分布，
[0081]圖7示出在第一示例性測量相位期間接收傳感器右手側的值分布，
[0082]圖8示出在第一測量相位期間的電荷差分布，
[0083]圖9示出在第一測量相位期間的歸一化電荷差分布，
[0084]圖10示出在第二示例性測量相位期間接收傳感器左手側的值分布，
[0085]圖11示出在第二示例性測量相位期間接收傳感器右手側的值分布，
[0086]圖12示出第二測量相位期間的電荷差分布，
[0087]圖13示出在第二測量相位期間的歸一化電荷差分布，
[0088]圖14示出求和的歸一化函數的分布，以及
[0089]圖15示出計算裝置的線性函數。
【具體實施方式】
[0090]圖1示出具有對象30的TOF距離傳感器10。該對象在距TOF距離傳感器一定距離處。藉助於示例，輻射源20是一個LED或多個LED排列。該輻射源通過電子裝置13來致動，該電子裝置13採用作為調製信號的矩形信號以調製的方式來操作輻射源。藉助於示例，輻射源發射單色IR光21，該IR光21在對象30處漫反射並且入射在接收裝置40上作為反射輻射31。在接收裝置中，接收的輻射產生感應光電子的值分布並且因此產生用於接收的輻射的信號分布。相關裝置60被連接到接收裝置40並且接收所接收輻射強度的時間值分布。電子裝置形成用於2個測量相位的相應2個相關信號，該測量相位的相關信號分別通過相關裝置來接受。在每一種情況下的相關裝置使相關信號與來自接收裝置的信號分布相關並且產生在每一種情況下的2個相關值。差形成裝置70被連接到相關裝置並且接受相應的2個相關值，並且在來自該2個相關值的差的每一種情況下形成相應的2個相關值。計算裝置80被連接到相關裝置並且接受來自兩個測量相位的兩個差相關值，並且計算來自TOF距離傳感器的對象的距離。電子裝置13、接收裝置40、相關裝置60、差形成裝置70以及計算裝置80被集成到晶片上並且以組合的CM0S/CXD方法來體現。晶片和輻射源20被布置到支持物11上並且通過外殼12圍繞。輻射源和接收裝置分別具有光學裝置(在附圖中未示出)，該光學裝置聚焦在其中要確定對象距離的空間方向中。
[0091]發射的輻射21具有860nm的波長並且採用20MHz的矩形信號施加脈衝。通過反射裝置40接收的反射輻射仍然通過20MHz的矩形信號施加脈衝並且通過光徑時關於由輻射源20發射的輻射的調製信號被相移。在發射和接收的矩形信號之間的相移與在TOF距離傳感器和對象之間的兩倍距離對應。
[0092]圖2示出被集成到半導體晶片中的具有相關裝置60和差形成裝置70的一部分的接收裝置40。接收裝置40具有低η型摻雜浮動區的矽半導體襯底42，該半導體襯底42具有大於或等於2000歐姆釐米的特定電板電阻率。在半導體襯底表面上布置有漂移柵44，並且在對稱布置中並且彼此相應分隔開的兩側上，存在一個調製柵61、一個存儲柵62、一個傳輸柵71以及一個浮動擴散72。有利於此的層和觸點沒有被示出。阻斷41被布置在柵上，其中阻斷具有在漂移柵的區域中的孔徑並且從入射反射輻射23中遮蔽連同位於相應的柵下方的半導體襯底一起的存儲柵、傳輸柵以及浮動擴散。半導體襯底至少在漂移柵下被耗盡。正電勢被施加到漂移柵44並且後者形成在半導體襯底中的空間電荷區。
[0093]經由孔徑在漂移柵下穿透到半導體襯底中的反射IR輻射31在半導體襯底42中感應電子/空穴對43。
[0094]作為通過漂移柵44形成的空間電荷區的結果，光電子被吸引到漂移柵。漂移柵具有大約4V的電勢。若干吸引的光電子與接收輻射強度成比例。
[0095]調製電勢可被施加到調製柵61，該調製柵61的調製電勢的最大值位於漂移柵和存儲柵的電勢之間，並且該調製柵61的調製電勢的最小值位於漂移柵的電勢下方。調製柵的電勢例如在OV和5V之間調製。採用相反電勢相互操作兩個調製柵。這指當另一個調製柵的電勢為正時，一個調製柵的電勢是0V，並且反之亦然。然後OV的電勢總是被施加到一個調製柵，而5V的電勢總是被施加到另一個調製柵。在該情況下電勢最小值(即0V)導致在漂移柵下用於光電子的勢壘，並且因此沒有光電子可到達與調製柵關聯的存儲柵。在該情況下電勢最大值(即5V)導致在漂移柵下光電子排出，經過調製柵並且到關聯的存儲柵中。
[0096]作為相應施加與相互相反矩形信號對應的電勢到兩個調製柵的結果，通過接收輻射強度產生的光電子流如同開關一樣被控制。因此在調製柵下的這些光電子產生的流與乘法運算對應，即相應的矩形信號與接收的輻射信號相關。在此，矩形信號具有使信號相關的性質並且在此指相關信號。
[0097]作為在此示出的相關裝置的設計的結果，對於用作代替矩形信號的相關信號的正弦信號，同樣可以用作光電子的數字開關。因此在該情況下正弦相關信號同樣用作矩形信號。因此在該情況下同樣可以使用正弦相關信號，並且為了計算目的，在沒有下面變化得到的線性相關性的有效性情況下將這些考慮為矩形信號。這施加到在作為相關信號的2個值之間周期性交替的所有波形。特別地，相關信號可以具有周期性在閾值上方和下方交替的波形，使得以周期性交替的方式，根據上述開關調製柵的相應電勢引導在存儲柵下的光電子。
[0098]更高的電勢除了施加到漂移柵44夕卜，還施加到存儲柵62，並且所述存儲柵根據調製柵的狀態交替地收集在它們下面的光電子43、45。存儲柵例如具有IOV的電勢。通過光電子45在存儲柵62下收集的電荷與相關值對應。相關值因此存在於電荷域中。在相應存儲柵下的光電子的收集與相關信號和接收的輻射信號的上述相關在時間上的積分對應。
[0099]因此以可測量的方式存在的相關值基於根據圖5的特定相關信號，被如下定義用於隨後的討論:[0100]AO:來自關於調製信號沒有偏移的相關信號501
[0101]Al:來自關於調製信號偏移1/4周期的相關信號502
[0102]A2:來自關於調製信號偏移1/2周期的相關信號503
[0103]A3:來自關於調製信號偏移3/4周期的相關信號504
[0104]為了檢測在存儲柵下收集的光電子，一方面調製柵的電勢設定為OV以便形成用於在漂移柵方向中的光電子的勢壘。另一方面，傳輸柵的電勢上升到在中間範圍的值例如6V,以便實現在浮動擴散的方向中光電子的有限排出。
[0105]現在大約IOV的兩個存儲柵的正電勢藉助於時間斜率並行降低。從施加到存儲柵的降低的正電勢以及處於其下面的電荷的負電勢中在過程中改變的所加電勢確定電荷是否可經由傳輸柵排出。在此，減少過程被劃分成三個階段。在時間斜率的第一階段，上述所加電勢仍然比用於兩個存儲柵的傳輸柵的恆定和相等正電勢更加為正並且沒有電荷排出。在時間斜率的隨後第二階段，上述所加電勢比用於一個存儲柵的傳輸柵的恆定和相等正電勢更加為正，並且比用於另一個存儲柵的電勢更加為負。因此，電荷在採用更加為正的所加電勢的存儲柵下經由關聯的傳輸柵排出到關聯浮動擴散，並且因此所加電勢再次與相應傳輸柵的電勢相等。在時間斜率的最後的第三階段，兩個存儲柵的上述所加電勢大於恆定相等的電勢。因此，電荷在兩個存儲柵下經由相應關聯的傳輸柵排出到相應的關聯浮動擴散。時間斜率隨第三階段的開始直接停止，即存儲柵的電勢不進一步降低以使得基本上僅從第二階段排出的電荷相關。現在帶電的浮動擴散中存在的電荷量與在來自兩個存儲柵的電荷量中的差對應。時間斜率因此執行在兩個存儲柵下的電荷量的相減。如上所解釋的，在執行時間斜率之前，在兩個存儲柵下收集的電荷量與相應相關值對應。因此在執行上述時間斜率之後，一個帶電的浮動擴散的電荷量與相應的差相關值對應。
[0106]藉助於源跟隨器，在一個帶電浮動擴散中的電荷量現在被轉換成相應電壓，並且隨後藉助於AD轉換器(模擬/數字轉換器)被轉換成相應數字值。該數字差相關值被傳送到計算裝置用於進一步的計算。
[0107]對於下面的解釋，差相關值基於形成它們的相關值被定義如下:
[0108]CO: =AO - A2
[0109]Cl: =Al-A3
[0110]該計算裝置是在與接收裝置、相關裝置和差形成裝置相同的半導體晶片上執行的數字電路。特別地，接收裝置、電子裝置、相關裝置、差形成裝置以及計算裝置以CM0S/CCD技術被布置到更特別地作為片上系統的單個半導體晶片上。
[0111]圖3示出根據圖1和2用於操作TOF距離傳感器的根據本發明方法的流程圖。
[0112]電子裝置13產生作為調製信號100的矩形信號。該調製信號可同樣從外部被提供到TOF距離傳感器。調製信號被同步傳送到用於調製光發射200的輻射源20並且到用於形成(500)4個相關信號的相關裝置60。在對象30上，調製的光經受在接收裝置方向中的反射300，通過該接收裝置接收反射光(400)。為了相關(600)目的，接收的光的信號信息和4個相關信號兩者均被傳送到相關裝置60。相關裝置60使接收的光的信號信息與相關信號相關並且從其中產生4個相關值。為了差形成(700)的目的，該4個相關值被從相關裝置60傳送到差形成裝置70。差形成裝置從相應2個相關值的差中形成2個差相關值，並且為了計算(800 )目的，傳送這2個差相關值到計算裝置80。為了計算(800 )目的，計算裝置80基於2個差相關值初始形成情況區分801，並且根據4個線性函數中的一個函數來將恆定線性函數802分配給用於計算目的的2個差相關值。來自採用關聯恆定線性函數的2個差相關值的計算802因此提供用於通過該方法輸出的距離900的值。
[0113]在下文中，圖4至圖15基於值的分布詳細示出該方法。
[0114]電子裝置13形成矩形信號100作為具有O和I的值、具有20MHz的頻率和具有50%的佔空比的調製信號101 (圖4)。
[0115]調製信號101採用與調製信號101相同的相位，以脈衝狀方式調製通過輻射源20發射的光201。在對象30處，發射的輻射21經受在接收裝置40方向中的反射300，該接收裝置40被設計為用於反射光的光接收400。
[0116]根據傳播距離，接收光具有關於發射光的相移。在下文中，以示例性方式假設用於接收光401的1/2 31 (圖4)的相移。
[0117]方法步驟200至700，即在產生矩形信號100或調製信號101之後直到計算800之前的方法步驟在兩個分離的測量相位中被執行，該分離的測量相位分別提供兩個差相關值中的一個。
[0118]在第一測量階段中，作為相關裝置60—部分的電子裝置13從調製信號101中產生兩個相關信號501和502。第一相關信號501具有與調製信號101相同的相位,而第二相關信號502具有關於調製信號的π的相移(圖5)。因此兩個相關信號相對於彼此轉化。
[0119]現在根據第一和第二相關信號，作為相關裝置另外部分的左手右手調製柵對於特定測量時間的延續時間被調製。圖6示出左手調製柵的電勢的相位分布501和從左手調製柵向關聯存儲柵傳送的電荷的相位分布601。圖7示出右手調製柵的電勢的相位分布501和從右手調製柵向關聯存儲柵傳送的電荷的相位分布602。根據關於圖2的解釋，電荷在關聯存儲柵下收集。
[0120]在測量時間已經期滿之後在存儲柵下的電荷量藉助於時間斜率被減去，並且根據關於圖2的解釋，提供饋送到用於計算(800)目的的計算裝置80的第一差相關係數。該計算裝置在中間存儲中存儲第一差相關係數。
[0121]在第二測量階段中，作為相關裝置60 —部分的電子裝置從調製信號101中產生兩個其它相關信號503和504。第三相關信號503具有關於調製信號101的Ji /2的相移，而第四相關信號504具有關於調製信號101的3/2 π的相移。因此兩個相關信號相對於彼此轉化。第二測量階段的其它過程與第一測量階段的過程對應。
[0122]圖10示出左手調製柵的電勢的相位分布503和從左手調製柵向關聯存儲柵傳送的電荷的相位分布603。圖11示出右手調製柵的電勢的相位分布504和從右手調製柵向關聯存儲柵傳送的電荷的相位分布604。
[0123]這是第二差相關值如何以模擬方式出現；其同樣饋送到用於計算目的的計算裝置80。因此計算裝置具有在第二測量階段之後的第一和第二差相關值。
[0124]因此，完成兩個測量階段並且計算800可發生。
[0125]在下文中，在討論在圖15中的線性函數的偏差之前，測量的大體上下文被初始解釋。
[0126]作為相同求和時間的結果，在其比較和經由時間斜率的相減之前，用於從調製柵601、602、603、604向相應的存儲柵所傳送的電荷的所不相位分布根據時間分布與存儲柵的電荷對應，並且在該情況下對於在發射和接收的輻射之間的η /2相位差，根據圖4以示例性方式示出。
[0127]圖6、7、10、11現在示出在存儲柵下收集的電荷量，即作為延遲函數的相關值611、622、633、644的分布，即相移，即在發射和接收的輻射之間的相位差(比照在作為示例的圖4中的201和401)，即作為距對象的距離的函數。
[0128]圖8和圖12現在示出作為在發射和接收的輻射之間的相位差的函數，從由相應測量階段得到的差相關值701和702的相同測量階段的相關值中的差形成所生成的分布。在此，差相關值701的分布(圖8)從相關值611和622的分布(圖6和圖7)的差中顯現。在此，差相關值702的分布(圖12)從相關值633和644的分布(圖10和圖11)的差中顯現。
[0129]圖14示出作為在發射和接收的輻射之間的相位差函數的兩個差相關值701和702的分布的絕對值的添加。產生具有1/2值的恆定相位分布799。因此兩個差相關值的相位分布的絕對值之和提供用於差相關值的合適歸一化函數。
[0130]兩個歸一化差相關值Il CO II和II Cl II從兩個差相關值CO和Cl以及歸一化函數(I CO I + I Cl I )中顯現如下，其中「 I…I 」表示絕對值函數:
[0131]Il CO Il:=C0/ ( I CO I + I Cl I )
[0132]Il Cl Il:=C1/ ( I CO I + I Cl I )
[0133]作為該歸一化結果顯現的是分別作為在發射和接收的輻射之間的相位差函數的歸一化的第一差相關係數711在圖9中所示的分布，以及歸一化的第二差相關值722在圖13中所示的分布。
[0134]歸一化的優點在於所測量的變量的系統偏差不改變所計算的變量。藉助於示例，系統偏差可以是作為距離函數在接收輻射強度中的變化。
[0135]圖15示出線性函數的合理推導。
[0136]圖15a示出作為在發射和接收的輻射之間的相位差函數的以共同說明從圖9和圖13中的兩個歸一化差相關值的兩個分布。
[0137]相位差的值範圍被細分成4個區域，該區域分別與在相位差的值範圍中的差相關值的標記的不同組合對應。
[0138]差相關值的標記的這些不同組合形成用於情況區分801的基礎。特別有利的是對於相應的標記存在作為測量電壓的標記或關於作為右手或左手存儲柵是否包含更多電荷的說明。
[0139]圖15b示出如何新組裝兩個差相關值的分布的子間隔，以使得創建單調線性函數。通過CO和Cl表示兩個差相關值。通過IICOlI和IIClII表示兩個歸一化差相關值。對於4個區域,總和dPhi顯現為:
[0140]C0>0 並且 Cl>0=>dPhi=-1I CO Il +1+ II Cl II
[0141]CO 0=>dPhi=-1l CO Il +1-1l Cl Il +2
[0142]CO < O 並且 Cl dPhi=+ Il CO Il +3-1l Cl Il +2
[0143]C0>0 並且 Cl dPhi=+ Il CO Il +3+ II Cl II +4
[0144]四個區域以整體恆定的線性方式在從O至π的相位範圍以及O至8的總和上整體延伸。
[0145]圖15c示出與圖15b相同的相位分布。[0146]圖15d示出如同圖15b的相位分布，其中相位範圍和值範圍分別歸一化為I。對於4個區域，總和現在顯現如下:
[0147]C0>0 並且 Cl>0=>dPhi= (-1I CO Il + Il Cl Il +1) * ( π /4)
[0148]CO 0=>dPhi= (-1l CO Il -1I Cl II +3) * ( π /4)
[0149]CO < O 並且 Cl dPhi= (+ Il CO Il -1l Cl Il +5) * ( π /4)
[0150]C0>0 並且 Cl dPhi= (+ Il CO Il + Il Cl Il +7) * ( π /4)
[0151]因此，在對標記調節之後，總和顯現為:
[0152]C0>0 並且 Cl>0=>dPhi= (((Cl-CO) / (C0+C1)) +1) * ( π /4)
[0153]CO 0=>dPhi= (((C1+C0) / (CO-Cl)) +3) * ( π /4)
[0154]CO < O 並且 Cl dPhi= (((C1+C0) / (Cl - CO)) +5) * ( π /4)
[0155]C0>0 並且 Cl dPhi= (((Cl-CO) / (C0+C1)) +7) * ( π /4)
[0156]這些是用於從下面公式中確定距任何差相關值的距離值的線性函數:D= (c/(4* π *f)) *dPhi。
[0157]參考標記列表
[0158]10 TOF距離傳感器
[0159]11支持物
[0160]12 外殼
[0161]13電子裝置
[0162]20輻射源
[0163]21發射的輻射
[0164]30 對象
[0165]31反射的輻射
[0166]40接收裝置
[0167]41 阻斷
[0168]42半導體襯底
[0169]43電子/空穴對
[0170]44漂移柵
[0171]45光電子
[0172]60相關裝置
[0173]61調製柵
[0174]62存儲柵
[0175]70差形成裝置
[0176]71傳輸柵
[0177]72浮動擴散
[0178]80計算裝置
[0179]100產生矩形信號
[0180]200光發射
[0181]300 反射
[0182]400光接收[0183]5004個相關信號的形成
[0184]600相關
[0185]700差形成
[0186]800計算
[0187]801情況區分
[0188]802使用恆定線性函數計算
[0189]900距離測量的輸出
[0190]101調製信號
[0191]201發射的光信號
[0192]401接收的光信號(示例)
[0193]501相關信號I (沒有相移)
[0194]502相關信號2 ( η的相移)
[0195]503相關信號3 (1/2 Ji的相移)
[0196]504相關信號4 (3·/2 π的相移)
[0197]601相關值I (示例)
[0198]602相關值2 (示例)
[0199]603相關值3 (示例)
[0200]604相關值4 (示例)
[0201]611相關值 I
[0202]622相關值 2
[0203]633相關值 3
[0204]644相關值 4
[0205]701差相關值I
[0206]711歸一化的差相關值I
[0207]702差相關值2
[0208]722歸一化的差相關值2
[0209]799歸一化函數
【權利要求】
1.一種TOF距離傳感器，用於測量距對象的距離，該傳感器包括: 電子裝置，用於產生調製信號以及用於產生4個相關信號，所述相關信號相對於彼此被相移以及具有與所述調製信號相同的周期； 輻射源，用於發射輻射，所述輻射源通過所述調製信號來調製； 接收裝置，用於接收由所述對象反射的輻射，所述接收裝置具有關於所述輻射源的預定空間關係； 相關裝置，用於使所接收的輻射或相應變量與所述4個相關信號中的相應一個相關，以便形成4個相應的相關值； 差形成裝置，用於從在所述相關值中的相應2個之間的差中形成2個差相關值； 計算裝置，其體現為在所述2個差相關值上採用預定線性相關性來計算所述距離。
2.根據權利要求1所述的TOF距離傳感器，其特徵在於所述調製信號和/或所述4個相關信號體現為矩形信號。
3.根據前述權利要求中的一項所述的TOF距離傳感器，其特徵在於所述相關信號相對於彼此被分別相移四分之一周期，和/或相關信號具有與所述調製信號相同的相位。
4.根據前述權利要求中的一項所述的TOF距離傳感器，其特徵在於所述差形成裝置被設計為從相關值中形成在每一種情況下的差，該相關值的所關聯的相關信號被相移半周期。
5.根據前述權利要求中的一項所述的TOF距離傳感器，其特徵在於所述計算裝置被設計為用於與作為所述2個差相關值`的函數的至少2個不同線性相關性的關聯，以及用於計算作為所述關聯的函數的所述距離。
6.根據前述權利要求中的一項所述的TOF距離傳感器，其特徵在於， 所述接收裝置包括具有用於產生信號載體，更特別是光電子的光敏區域的襯底，和/或包括用於產生用於傳送所述信號載體的漂移場的漂移柵；和/或 所述相關裝置包括至少一個調製柵，該調製柵用於藉助於採用作為所述相關信號中的一個的函數的所述信號載體的空間分離，使所接收的輻射與所述相關信號中的至少一個相關，和/或至少一個存儲柵，該存儲柵用於根據相關信號在空間上分離的所述信號載體的時間總和，用於形成所述相關值中的一個，和/或至少一個用於保持另一個相關值的存儲元件，更特別是另外的存儲柵。
7.根據前述權利要求中的一項所述的TOF距離傳感器，其特徵在於， 所述接收裝置包括作為用於產生信號載體的光敏區域的弱摻雜的半導體襯底；和/或所述相關裝置包括兩個調製柵，該調製柵用於在具有相應一個不同相關信號的時間相關中的所述信號載體的空間分離，和/或包括兩個存儲柵，該存儲柵與所述調製柵關聯，用於所分離的信號載體的分離總和；和/或 所述差形成裝置包括與所述存儲柵關聯的兩個傳輸柵和/或浮動擴散和/或源跟隨器，用於分離讀取和轉換在所述存儲柵下分離和求和的所述信號載體成為與所述相應存儲柵關聯的兩個電壓值，和/或包括斜坡裝置，該斜坡裝置在所述讀取和轉換之前在所述兩個存儲柵的第一存儲柵下，更特別地藉助於時間斜率，更特別地通過所述兩個存儲柵的電勢的平行步進式或持續變化，更特別地經由所述相應的傳輸柵，讓所述信號載體排出到所述兩個浮動擴散中的相應第一個，直到第二浮動擴散的電勢開始改變，和/或包括A/D轉換器，該A/D轉換器用於從所述第一浮動擴散的電壓值中形成用於差相關值的值。
8.根據前述權利要求中的一項所述的TOF距離傳感器，其特徵在於所述距離形成裝置被設計為在所述電荷域中，特別通過操作所述斜坡裝置，形成所述差相關值以使得與更強烈帶電的存儲柵關聯的浮動擴散的電荷量與差相關值對應。
9.根據前述權利要求中的一項所述的TOF距離傳感器，其特徵在於存在形成用於產生3D圖像的像素矩陣的多個接收傳感器。
10.一種方法，用於操作距離傳感器，該方法包括如下方法步驟: 從光源中發射輻射，所述輻射通過調製信號調製； 接收所發射的輻射，所述發射的輻射通過對象藉助於具有關於所述光源的預定空間關係的接收傳感器來反射； 形成4個相關信號，所述相關信號相對於彼此相移並且具有與所述調製信號相同的周期； 使所述接收的輻射或等同變量與所述4個相關信號相關以便形成4個相關值； 形成在相應2個相關值之間的差以便形成2個差相關值； 在所述兩個差相關值上採用線性相關性計算距所述對象的距離。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於所述調製信號和/或所述4個相關信號體現為矩形信號。`
12.根據權利要求10至11中的一項所述的方法，其特徵在於所述相關信號相對於彼此被分別相移四分之一周期，和/或相關信號具有與所述調製信號相同的相位。
13.根據權利要求10至12中的一項所述的方法，其特徵在於所述差分別從差相關值中形成，該差相關值的所述關聯相關信號被相移半周期。
14.根據權利要求10至13中的一項所述的方法，其包括作為所述2個差相關值的函數的情況區分以便將所述計算與4個不同線性相關性中的一個關聯的方法步驟。
15.根據權利要求10至14中的一項所述的方法，其特徵在於所述差形成至少部分是模擬的，更特別地至少部分地發生在所述信號載體的電平上，更特別地至少部分地發生在所述光電子的電平上，更特別地發生在電荷域中，更特別地通過將所述接收的輻射與通過所述輻射產生的所述信號載體的空間分離的所述4個相關信號相關，以便形成在所述電荷域中存在與所述相關值對應的2個電荷量，以及通過從所述2個電荷量中的一個中抽取電荷直到所述2個電荷量相等，以使得所抽取的電荷量與所述差相關值對應。
【文檔編號】G01S13/08GK103869303SQ201310674240
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2012年12月12日
【發明者】D·胡貝爾, M·萊德格柏爾 申請人:埃斯普羅光電股份公司