[发明专利]距离传感器和3D图像传感器

说明书

技术领域

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(Single Photon Avalanche Diode,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。

发明内容

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。