[0001] 本公开涉及一种适用于电子设备的感测系统，特别地但不排他地涉及一种适用于移动电话的间接飞行时间感测系统或接近感测系统。

[0002] 本公开涉及感测系统和方法。

[0003] 已知感测系统包括被配置为发射电磁辐射的发射器和被配置为检测入射电磁辐射的检测器。一些已知感测系统被配置为执行间接飞行时间测量。这涉及发射具有已知调制的电磁辐射的发射器。发射的电磁辐射中的至少一些从目标反射并朝向感测系统返回。反射的电磁辐射中的至少一些入射到检测器上并由检测器检测。检测器对已知频率的入射电磁辐射进行采样并产生检测信号。已知感测系统的处理器用于确定发射的电磁辐射与采样的电磁辐射之间的相位差。由于调制频率是已知的，因此测量的相位差对应于发射的电磁辐射的飞行时间。飞行时间信息用于确定感测系统和目标之间的距离。

[0004] 与已知感测系统相关联的问题是来自其他源(诸如室外环境中的阳光和室内环境中的电子灯)的电磁辐射作为背景噪声对检测到的信号有贡献。背景噪声降低了已知感测系统的测量准确度。

[0005] 与已知感测系统相关联的另一个问题是在电磁辐射的采样、采样的电磁辐射到检测信号的转换以及检测信号的后续处理中存在缺陷。例如，用于将入射电磁辐射转换成检测信号的检测器内的电子系统中的缺陷可能引入测量误差，该测量误差降低了由已知感测系统执行的测量的准确度。

[0006] 因此，本公开的目的是提供解决上述问题中的一个或多个或至少提供有用的可替代方案的感测系统和方法。

[0106] 图1示意性地描绘了感测系统100。感测系统100包括发射器110，发射器110被配置为发射以已知频率调制的连续波电磁辐射120。发射器110可以是适合于并入电子设备中的任何种类的电磁辐射源，例如二极管或激光器，诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。例如，电磁辐射120可以以已知频率正弦调制。可以使用其它类型的调制，例如方波调制、脉冲调制等。电磁辐射可以包括红外电磁。另选地，电磁辐射可包括可见辐射。

[0107] 感测系统还包括检测器130，检测器130被配置为对已知频率的入射电磁辐射140进行采样。检测器130还被配置为将采样的电磁辐射140转换成电荷载流子，该电荷载流子被收集在存储组件(未示出)中以产生电子信号。检测器130被配置为测量采样的电磁辐射140的振幅和相位。检测器130包括解调像素阵列(未示出)。解调像素被配置为解调已知频率的入射电磁辐射140。解调像素可以被称为锁定像素，因为它们在功能上与锁定放大器相似。

[0108] 检测器130可以以电荷耦合器件原理和/或互补金属氧化物半导体原理来操作。检测器130检测由发射器110发射的、在电磁辐射已经离开感测系统100之后、与外部目标(未示出)相互作用(例如，从外部目标反射)并传播回检测器130的电磁辐射。检测器130可以包括任何形式的光电检测器，例如光电二极管或单光子雪崩二极管(SPAD)。

[0109] 感测系统100还包括处理器150，处理器150被配置为通过对电子信号应用非线性多项式函数来确定校正。所述处理器150可以被配置为确定采样的电磁辐射相对于发射的电磁辐射的相位的相移。

[0110] 在图1的示例中，感测系统100包括印刷电路板160，发射器110、检测器130和处理器150位于印刷电路板160上。诸如铜布线层和过孔(via)的电连接(未示出)存在于印刷电路板160内。电连接允许信号在感测系统100的不同组件之间行进。例如，电信号可以通过电连接从检测器130行进到处理器150。

[0111] 感测系统100的组件包含在壳体170内。壳体170包括孔180、190，用于允许发射的电磁辐射120离开感测系统100并且用于允许入射电磁辐射140进入感测系统100并入射在检测器130上。感测系统100可以包括一个或多个光学组件(未示出)，其被配置为调整发射的电磁辐射120和/或入射的电磁辐射140的特性。光学组件可以与孔180、190并置。光学组件可以包括用于支撑光学元件的透射(例如，玻璃)载体(未示出)。光学元件可以包括微透镜阵列(MLA)、光学漫射器、透镜、折射或衍射光学元件、光谱滤光器、偏振滤光器等。

[0112] 感测系统100被配置为执行间接飞行时间测量以计算到目标的距离。感测系统100适于并入电子设备中，例如移动电话或平板计算机。感测系统100可以用于相对高准确度的距离测量。感测系统100可以可替代地用作接近感测系统，其中发射器110发射电磁辐射，电磁辐射中的至少一些离开感测系统100并且在入射到检测器130上以进行检测之前与一个或多个外部对象相互作用(例如，从一个或多个外部对象反射)。可以将由发射器110发射的辐射量与由检测器130检测到的辐射量进行比较，以便确定感测系统100与一个或多个外部对象之间的距离。接近感测系统可以用于相对低准确度的测量。

[0113] 图2示出了在间接飞行时间测量中使用的发射的电磁信号200和反射的电磁信号210以及其多个特性的曲线图。垂直轴表示电磁信号200、210的振幅，并且水平轴表示时间。
可以看出，信号200、210的振幅随时间正弦地调制。由于光损耗，例如发射信号200反射的目标的非完美反射率，反射信号210的振幅220小于发射信号200的振幅。发射信号200和反射信号210之间的振幅偏移230可以指示目标的反射率。发射信号200与反射信号210之间的相移Δ 可以指示感测系统与目标之间的距离。

[0114] 反射信号210的飞行时间可以使用以下等式来确定：

[0115]

[0116] 其中Δ 是发射信号200与反射信号之间的相移Δ 并且f是发射信号200的调制频率。

[0117] 在图2的示例中，选择四个不同的相位A0‑A3用于考虑。检测器的锁定像素在四个不同相位(A0‑A3)处对反射信号进行采样，并将所得到的检测到的电荷载流子存储在四个不同的存储隔室中。发射信号200和反射信号210之间的振幅偏移230可以使用以下等式来确定：

[0118]

[0119] 其中A0、A1、A2和A3是反射信号210在四个不同相位处的振幅，并且n是在调制周期中取得的样本数量(在该示例中，n＝4)。该信息可以用于构建由检测器感测的场景的黑白图像。

[0120] 反射信号210的振幅220可以使用以下等式来确定：

[0121]

[0122] 该信息可以用于确定使用感测系统执行的测量的可靠性。

[0123] 反射信号210的相位可以使用以下等式来确定：

[0124]

[0125] 该信息可以用于确定发射信号200与反射信号210之间的相移 进而，相移可以用于确定感测系统与反射反射信号210的目标之间的距离。

[0126] 如前所述，检测器将采样的电磁辐射转换成电荷载流子(例如，电子和/或空穴)，电荷载流子被收集在存储组件中以产生电子信号。存储组件可以被称为抽头(tap)。存储组件可以被实施为CCD门或p‑n结二极管。存储组件可以被称为积分门。所得的电子信号可以被称为积分门信号。积分门信号可以对应于存储在积分门中的电荷量。电子信号或积分门信号可以采取电压的形式。

[0127] 电子信号可以包括在反射信号210的一个或多个不同相位处的反射信号210的一个或多个振幅(例如，A0、A1、A2和/或A3)。包括在反射信号210的一个或多个不同相位处的反射信号210的一个或多个振幅(例如，A0、A1、A2和/或A3)的电子信号可以用于计算振幅偏移230(B)，如上所述。

[0128] 电子信号可以包括在反射信号210的两个或更多个不同相位处的反射信号210的两个或更多个振幅之间的差。例如，电子信号可以包括第四相位处的第四振幅与第二相位处的第二振幅之间的差(例如，A3‑A1)。作为另一示例，电子信号可以包括第一相位处的第一振幅与第三相位处的第三振幅之间的差(例如，A0‑A2)。电子信号可以包括在不同相位处测量的振幅的任何组合之间的差。当如上所述计算反射信号210的振幅220(A)和/或反射信号210的相位 时，可以使用包括不同相位处的振幅的差的电子信号。根据本公开的一个方面的非线性多项式函数可以应用于电子信号，以便提高所述计算的准确度(下面更详细地描述)。

[0129] 可以使用偏置电压将在检测器的光敏区域中生成的电荷载流子朝向存储组件引导。偏置电压可以被调制(例如，以基本上等于发射的电磁辐射的已知调制频率的频率)，使得仅在某些时间区间(对应于发射的电磁辐射的某些相位)期间生成的电荷载流子才被存储组件收集。其他电荷载流子可以被引导到电荷转储。调制电压可以有效地充当电子快门，该电子快门以与发射的电磁辐射的已知调制频率基本相同的频率操作。

[0130] 图3A和图3B示出了基于包括两个存储隔室的电荷耦合器件架构的检测器的解调区域2的示例的不同视图。图3A示意性地描绘了检测器的解调区域的横截面视图。图3B示意性地描绘了从图3A的解调区域上方观察的视图。解调区域包括具有三个连续门(即左门LG、中间门MG和右门RG)的门结构。第一积分门IG1位于左门LG的左侧，并且第一去耦门DG1位于第一积分门IG1的左侧。第二积分门IG2位于右门RG的右侧，并且第二去耦门DG2位于第二积分门IG2的右侧。在图3A和3B的示例中，为每个门提供用于施加偏置电压的两个门触点GCI、GCM。如在图3A中可以看到的，势垒系统可以被构造为跨越检测器的解调区域。势垒系统可以充当导电通道，其被配置为将生成的电荷载流子引导到解调区域的不同门。

[0131] 来自检测区域的光生电荷被馈送到中间门MG下方的解调级(stage)。相邻的左门LG和右门RG可以用于分别激活左或右导电通道以分别用于解调目的。这种激活可以涉及将左门LG或右门RG中的一个的电位设置为高于中间门MG的电位，并且将另一个门的电位设置为小于中间门MG的电位。在图3A中示出了在给定时间施加到不同门的电位的图示。在本特定示例中，当左门LG的电位高于中间门MG时，使用左导电通道。导电通道可由第一门与第二门之间的一系列门界定。第一门与第二门之间的增加的电位将电荷载流子从第一门移动到第二门。当使用p掺杂半导体衬底时，导电通道可以由高电压信号激活。

[0132] 在两侧，特定电荷载流子存储在第一积分门IG1或第二积分门IG2中。第一和第二去耦门DG1和DG2抑制电荷载流子不可控地扩散到输出节点D1、D2的能力。输出节点D1、D2可被称为感测节点或扩散区域。当累积在积分门IG1、IG2中的一个中的电荷载流子将被转移到解调区域的输出节点D1、D2时，积分门IG1、IG2以及左门LG和右门RG的电位电平被设置为去耦门DG1、DG2的电位电平，使得电荷载流子能够扩散到输出节点D1、D2。

[0133] 在图3A和图3B的示例中，检测器包括用于收集电荷载流子的两个存储隔室。图4A和图4B示出了基于包括四个存储隔室的电荷耦合器件架构的检测器的解调区域的示例的两个不同视图。图4A示意性地描绘了检测器的可替代解调区域的横截面视图。图4B示意性地描绘了从图4A的可替代解调区域上方观察的视图。该架构基于具有一个闭合门GS和四个门触点GC10‑GC40的门结构。靠近每个门触点GC10‑GC40定位的是积分门IG10‑IG40，其后是去耦门DG10‑DG40。在每个去耦门DG10‑DG40附近是衬底(未示出)上的对应输出节点D10‑D40。图4A中示出了不同门IG10‑IG40、DG10‑DG40和输出节点D10‑D40的示例电位梯度V。由于流过门本身的电流，闭合的高电阻门GS下方的电位梯度提供了注入的电荷载流子到包括积分门IG10‑IG40的仅一个存储隔室的快速分离。电流在闭合门GS下方和两个相邻触点GC10、GC20之间注入。当在门触点之一(例如GC10)上施加比施加到解调区域的其他门触点(例如GC20‑GC40)的电位更高的电位时，实现导电通道。因此，电荷载流子被传导到对应的积分门(例如，IG10)。在图4A和图4B的示例中，去耦门DG10至DG40的结构抑制了电荷载流子到输出节点(D10‑D40)的不可控地扩散。当读出样本时，可以提供放大级(未示出)以快速驱动电子器件的能力。该架构可以包括具有由高电阻门材料GH形成的门结构的CMOS或CCD器件。当电压差施加到解调区域时，门材料GH可以用于产生横向电漂移场。

[0134] 存储隔室和/或传感器节点彼此不相同。也就是说，缺陷导致电子器件内的小差异，并且每个存储隔室和/或传感器节点对电荷载流子收集和电子信号读出具有其自己的特性响应。这样的缺陷可以包括当存储隔室接近饱和时变化的非线性电荷转移、存储隔室之间的差异、电荷载流子和/或电子信号所采用的路径之间的差异等。这些缺陷导致电子信号的非线性偏移，其负面地影响由感测系统执行的测量的准确度(特别是在较大距离处，当信噪比不那么强时)。如果通过其变量与非线性偏移值成比例的非线性多项式函数来调整每个样本或样本组合(例如，样本之间的差异)，则可以至少部分地补偿这些非线性偏移。

[0135] 如先前所论述，检测器可包括SPAD阵列。在这样的实施例中，存储组件可包括多个计数器，该多个计数器被配置为对在SPAD阵列中触发的击穿事件的数量进行计数。每个计数器可以被配置为在对应于反射信号的某些相位的某些时间区间期间对击穿事件进行采样。也就是说，每个计数器可以对应于反射信号的不同相位。

[0136] 图5示出了应用于电子信号以确定校正的非线性多项式函数的曲线图。垂直轴表示校正MCV。水平轴表示电子信号ES。在图5的示例中，电子信号指示跨越四个不同存储隔室的平均积分门信号。将非线性多项式函数应用于电子信号ES可以包括将非线性多项式函数拟合到电子信号。非线性多项式函数可以存储在感测系统的固件中。可替代地，非线性多项式函数可以由感测系统内的专用电路来计算。

[0137] 在图5的示例中，非线性多项式函数被应用于电子信号的阈值T以上的电子信号。电子信号ES的阈值T可以通过校准来确定(例如，在不同距离处照射不同目标具有不同特性(例如波长、功率等))。阈值T可以存储在感测系统的存储器中。阈值T可以对应于电子信号值ES，在该电子信号值ES处，存储组件中的电荷载流子的收集变为非线性。也就是说，当存储组件开始变得电荷载流子饱和时，由于电荷在存储隔室中的积聚，存储组件中的电荷载流子的收集和存储可能变得非线性。背景信号可能导致储存组件的饱和。存储组件的饱和可以有效地压缩电子信号的至少一部分，从而导致电子信号所经历的非线性偏移。通过校正至少部分地校正该非线性偏移。

[0138] 在图5的示例中，非线性多项式函数是二阶多项式函数。非线性多项式函数可以是更高阶的(例如，三阶或更高阶)。二阶多项式函数可以采用以下形式：

[0139] y＝p2·x2+p1·x+p0

[0140] 其中y是校正，x是电子信号，p0、p1和p2是指示电子信号所经历的非线性偏移的二阶多项式函数的系数。多项式函数的系数可以通过执行校准测量和/或执行校准结果的统计分析来确定。例如，发射器可以用于利用具有不同特性(例如，波长、功率等)的电磁辐射来照射不同距离处的不同目标。

[0141] 二阶多项式函数可以采用以下形式：

[0142] y＝p2·x2+p1·x+p0+xtalki

[0143] 其中xtalki指示由感测系统本身的组件(例如光学组件)和/或由包括电子系统的电子设备的组件(例如盖或屏幕)朝向检测器反射回的发射信号的一个或多个部分。例如，如果感测系统被并入移动电话中，则移动电话的屏幕可以将发射信号的一部分反射回反射器，而不会离开移动电话并入射到目标上。发射信号的这种内部反射部分不提供关于位于移动电话外部的目标的信息，并且因此负面地影响使用感测系统进行的测量的准确度。项xtalki至少部分地考虑了发射信号的这些内反射部分，从而提高了感测系统的准确度。项xtalki至少部分地关注发射信号的这些内部反射部分，从而提高了传感系统的准确度。

[0144] 可以通过执行校准测量和/或执行校准结果的统计分析来确定项xtalki。例如，发射器可以用于利用具有不同特性(例如，波长、功率等)的电磁辐射来照射不同距离处的不同目标。可以针对每个感测系统和/或感测系统并入其中的每个电子设备来确定项xtalki。这是因为项xtalki可以在并入感测系统的不同电子设备(例如，不同的移动电话玻璃盖，甚至在相同或相似的移动电话型号内)之间变化。发射信号的这些内部反射部分的飞行时间显著小于感兴趣的反射信号(即，从感测系统/电子设备外部的目标反射的信号)的飞行时间。该知识可用于识别这种内部反射信号并使用项xtalki对其进行校准。

[0145] 非线性多项式函数的项和/或系数可以存储在感测系统的存储器中。非线性多项式可以单独应用于与每个存储隔室相关联的电子信号，以确定每个存储隔室的单独校正。处理器可以被配置为使用(一个或多个)校正和(一个或多个)电子信号来确定指示到目标的距离和/或目标的反射率的值(例如，发射信号和反射信号之间的振幅偏移B、反射信号的振幅A、反射信号的相位 和/或发射信号和反射信号之间的相移Δ )。

[0146] 缩放可以用于简化校正的计算。也就是说，为了节省数据和/或计算存储器空间，可以例如在感测系统的固件中实施一些缩放。距离值可以被缩放。例如，代替基于米执行计3
算(并且必须处理例如“1000”米的数值)，数值可以按1*10 (即1E3)缩放以用千米表示。这样，感测系统处理较小的数值“1”而不是“1000”。

[0147] 图6A示出了在七种不同的背景光条件610‑670下由已知感测系统测量的距离的曲线图。垂直轴表示目标和已知感测系统之间的测量距离MD。水平轴表示目标和已知感测系统之间的实际距离AD。入射在已知感测系统上的勒克斯(lux)(即照度)从第一背景光条件610增加到第七背景光条件670。勒克斯的量可以对应于入射在已知感测系统上的背景光或环境光的量。也就是说，勒克斯越大，不想要的背景信号越大。如果已知感测系统是完全准确的，则曲线图将示出对角地延伸穿过曲线图的直线(即y＝x)。可以看出，在较大的实际距离AD处和/或在入射在感测系统上的背景光(勒克斯)的增加的水平处，测量的距离MD开始变得不代表实际距离AD。这是因为背景信号(即测量噪声)和由已知感测系统的电子器件中的缺陷引入的非线性偏移负面地影响已知感测系统的准确度，并且未被关注。已知感测系统的准确度在较大的实际距离AD和较强的背景光条件下(其中已知感测系统的信噪比相对低)受到更多的影响。

[0148] 图6B示出了在与图6A相同的不同背景光条件下由根据本发明的一个方面的感测系统测量的距离的曲线图。垂直轴表示目标和已知感测系统之间的测量距离MD。水平轴表示目标和已知感测系统之间的实际距离AD。入射在已知感测系统上的勒克斯(即照度)从第一背景光条件610增加到第七背景光条件670。勒克斯的量可以对应于入射在已知感测系统上的背景光或环境光的量。也就是说，勒克斯越大，不想要的背景信号越大。可以看出，关系实际距离AD和测量距离MD之间的关系比图6A的已知感测系统更接近于对角地延伸穿过曲线图的直线(即y＝x)。也就是说，根据本发明的一个方面的感测系统比已知感测系统更准确，特别是在更大的距离和/或更强的背景光条件下。通过将非线性多项式函数应用于电子信号确定的校正已经与电子信号一起使用，以至少部分地校正背景信号和由电子缺陷引入的非线性偏移，从而与已知感测系统相比提高了感测系统的准确度。

[0149] 图7示意性地描绘了包括图1的感测系统100的电子设备700。在图7的示例中，电子设备700是移动电话。移动电话700包括相机710。感测系统100可以用于确定相机710与外部对象(未示出)之间的距离，以便调整相机710的焦点以实现对象的改进图像。移动电话包括触摸屏720。作为使用的另一示例，感测系统100可以用于确定移动电话700是否已经被放置在用户的耳朵附近，以便改变触摸屏720上的输入显示，以避免电话呼叫期间不想要的输入命令。

[0150] 图8示出了根据本公开的一个方面的执行距离测量的方法的流程图。该方法的第一步骤810包括发射以已知频率调制的电磁辐射。该方法的第二步骤820包括对已知频率的入射电磁辐射进行采样。该方法的第三步骤830包括将采样的电磁辐射转换成电荷载流子。该方法的第四步骤840包括收集电荷载流子以产生电子信号。该方法的第五步骤850包括通过将非线性多项式函数应用于电子信号来确定校正。

[0151] 本发明的实施例可以用于许多不同的应用中，诸如例如智能电话、平板计算机、膝上型计算机、计算机监视器、汽车仪表板和/或导航系统、公共空间中的交互式显示器、家庭助理等。

[0152] 附图标记列表：

[0153] 100 感测系统

[0154] 110 发射器

[0155] 120 电磁辐射

[0156] 130 检测器

[0157] 140 入射电磁辐射

[0158] 150 处理器

[0159] 160 印刷电路板

[0160] 170 壳体

[0161] 180 孔

[0162] 190 孔

[0163] 200 发射的电磁信号

[0164] 210 反射的电磁信号

[0165] 220 反射信号的振幅

[0166] 230 振幅偏移

[0167] A0‑A3 反射信号的相位

[0168] 2 解调区域

[0169] LG 左门

[0170] MG 中间门

[0171] RG 右门

[0172] IG1 第一积分门

[0173] DG1 第一去耦门

[0174] IG2 第二积分门

[0175] DG2 第二去耦门

[0176] GCI 门触点

[0177] GCM 门触点

[0178] V 电位

[0179] D1 输出节点

[0180] D2 输出节点

[0181] GS 闭合门

[0182] GC10‑GC40 门触点

[0183] IG10‑IG40 积分门

[0184] DG10‑DG40 去耦门

[0185] D10‑D40 输出节点

[0186] V 电位

[0187] GH 门材料

[0188] MCV 校正

[0189] ES 电子信号值

[0190] T 阈值

[0191] MD 测量距离

[0192] AD 实际距离

[0193] 610 第一背景光条件

[0194] 620 第二背景光条件

[0195] 630 第三背景光条件

[0196] 640 第四背景光条件

[0197] 650 第五背景光条件

[0198] 660 第六背景光条件

[0199] 670 第七背景光条件

[0200] 700 电子设备

[0201] 710 相机

[0202] 720 触摸屏

[0203] 810 第一方法步骤

[0204] 820 第二方法步骤

[0205] 830 第三方法步骤

[0206] 840 第四方法步骤

[0207] 850 第五方法步骤

[0208] 本领域技术人员将理解，在前述说明书和所附权利要求中，诸如“上方”、“沿着”、“侧面”等的位置术语是参考概念性图示(诸如附图中所示的那些概念性图示)来进行的。这些术语是为了便于参考而使用的，而不旨在具有限制性质。因此，这些术语应被理解为是指当处于如附图所示的取向时的对象。

[0209] 尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员将能够鉴于本公开进行修改和可替代，这些修改和可替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以并入任何实施例中，无论是单独的还是与本文公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。