[發明專利]光檢測和測距傳感器

有效

• 申請號: 201680074428.8
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN108431626B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: C·L·尼西亞斯;A·施龐特;G·A·阿干諾夫;M·C·瓦爾登;M·A·雷茲克;T·歐吉雅
• 申請（專利權）人: 蘋果公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481;G01S7/4865;G01S17/10;G01S17/42
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 宿小猛

電光學裝置(18)包括激光光源(20)、光束控制裝置(24)以及感測元件(44)的陣列(28)，所述激光光源(20)發射至少一束光脈沖，光束控制裝置(24)跨目標場景(22)傳輸并掃描該至少一個光束。每個感測元件輸出指示感測元件上的單個光子的入射時間的信號。光收集光學器件(27)將被傳輸的光束掃描到的目標場景成像到陣列上。電路(50)被耦接以僅在陣列的選定區域(70)中致動感測元件并且與掃描至少一個光束同步地掃過陣列上的選定區域。

技術領域

本發明整體涉及光電裝置，并且具體地涉及光檢測和測距(激光雷達)傳感器。

背景技術

現有和新興的消費者應用對實時三維成像器的需求日益增長。這些成像裝置，通常也稱為光檢測和測距(激光雷達)傳感器，通過用光束照亮目標場景并分析反射的光學信號使得能夠實現目標場景上的每個點的距離(以及通常強度)—稱為目標場景深度-的遠程測量。確定到目標場景上每個點的距離的常用技術包括向目標場景發送光束，之后進行往返時間的測量，即飛行時間(ToF)，光束從光源傳播到目標場景并返回到在光源附近的探測器所花費的時間。

用于基于ToF的LiDAR的合適探測器由單光子雪崩二極管(SPAD)陣列提供。SPAD，也稱為蓋革模式雪崩光電二極管(GAPD)，是能夠以非常高的到達時間分辨率捕獲單個光子的檢測器，其數量級為幾十皮秒它們可用專用半導體工藝或標準CMOS工藝制造。在單個芯片上制成的SPAD傳感器陣列已經在3D成像相機中用于實驗。Charbon等人在“SPAD-BasedSensors”(發表在TOF Range-Imaging Cameras(Springer-Verlag,2013)中)中提供了SPAD技術的有用回顧，其以引用方式并入本文。

在SPAD中，p-n結在遠高于結的擊穿電壓的水平下反向偏置。在該偏置下，電場非常高，以至于由于入射光子而注入耗盡層的單個電荷載體可觸發自持雪崩。雪崩電流脈沖的前緣標記檢測到的光子到達時間。電流一直持續到通過將偏置電壓降低到或低于擊穿電壓來淬滅雪崩。后一功能由淬滅電路執行，該淬滅電路可僅僅包括與SPAD串聯的高電阻整流器負載，或者可另選地包括有源電路元件。

發明內容

本文下面描述的本發明的實施方案提供了改進的LiDAR傳感器及其使用方法。

因此，根據本發明的實施方案，提供了一種電光裝置，其包括激光光源、光束控制裝置和感測元件陣列，所述激光光源被配置為發射至少一束光脈沖，所述光束控制裝置被配置為跨目標場景傳輸和掃描所述至少一個光束。每個感測元件被配置成輸出指示感測元件上的單個光子入射的時間的信號。光收集光學器件被配置將被傳輸的光束掃描的目標場景成像到陣列上。電路被耦接成致動僅陣列的選定區域中的感測元件并在與所述至少一個光束的掃描同步的情況下掃過陣列上的選定區域。

在一些實施方案中，電路被配置為選擇區域使得在掃描期間的任何時刻所述選定區域包含光收集光學器件將由所述至少一個光束照亮的目標場景的區域成像到其上的陣列的一部分。選定區域可包括一個感測元件或多個感測元件。

在所公開的實施方案中，電路被配置為處理由感測元件輸出的信號，以便確定目標場景中的點的相應距離。通常，感測元件包括單光子檢測器，諸如單光子雪崩二極管(SPAD)。

在一些實施方案中，激光光源被配置為沿不同的相應光束軸線發射至少兩個光束，使得在掃描期間的任何時刻光收集光學器件將由所述至少兩個光束照亮的目標場景的相應區域成像到不同的相應的感測元件上。在這些實施方案中，光束控制裝置被配置為在二維掃描中跨目標場景掃描所述至少兩個光束，并且電路被配置為以對應于二維掃描的二維圖案掃過陣列上的選定區域。例如，二維掃描可形成光柵圖案，其中所述至少兩個光束的相應光束軸線相對于光柵圖案的掃描線方向相互橫向地偏移。