具有自稳定光学输出相位的飞行时间制造技术

本发明专利技术涉及具有自稳定光学输出相位的飞行时间。描述一种具有自稳定光输出相位且开销最小的飞行时间(ToF)发射机，其中发射机可以用作从设备，因为激光脉冲的相位和宽度可以由主ToF接收器控制，或者它可以用作主机，其中在同一芯片或配套芯片上产生激光控制脉冲。当ToF发射机用作从机并接收激光脉冲控制信号时，本公开的技术可以将接收路径和输入驱动器电路转换为延迟锁定环(DLL)的一部分。

【技术实现步骤摘要】
具有自稳定光学输出相位的飞行时间
该文件通常涉及但不限于提供光检测和测距(LIDAR)的系统。
技术介绍
飞行时间(ToF)是深度成像的一项重要技术，它发现了广泛的应用，包括增强现实、机器视觉、面部识别(例如FaceID、工业自动化和自动驾驶)。ToF传感器包括发射机和接收器。从概念上讲，ToF传感器在其发射机发出光脉冲时启动计时器，并在接收到来自物体的反射脉冲时停止计时器。根据脉冲进行往返所需的时间和光速，可以根据以下表达式计算对象的深度或距离信息：其中d可以代表从系统到被照物体的距离，t可以代表往返旅行时间，例如tRECEIVE-tEMIT，并且c可以代表光速。
技术实现思路
本公开尤其针对具有自稳定光学输出相位且开销最小的飞行时间(ToF)发射机，其中发射机可以用作从设备，因为激光脉冲的相位和宽度可以由主ToF接收器控制，或者它可以用作主机，其中在同一芯片或配套芯片上产生激光控制脉冲。当ToF发射机用作从机并接收激光脉冲控制信号时，本公开的技术可以将接收路径和输入驱动器电路转换为延迟锁定环(DLL)的一部分。在一些方面，本公开涉及具有延迟锁定环(DLL)的飞行时间(ToF)发送器电路,该ToF发送器电路包括：具有核心驱动器电路的激光驱动器电路，所述激光驱动器电路耦合到接收器电路并被配置为响应于参考信号而触发激光二极管以产生光输出信号；和DLL电路，被配置为从所述激光驱动器电路中的节点接收代表所述光输出信号的电反馈信号，其中所述DLL电路被配置为将所述参考信号的相位锁定为所述反馈信号的相位。在一些方面，本公开涉及一种操作飞行时间(ToF)发射机的方法，该方法包括：响应参考信号触发激光二极管以产生光输出信号；和使用延迟锁定环，将表示所述光输出信号的电反馈信号的相位从激光驱动器电路中的节点锁定到所述参考信号的相位。在一些方面，本公开涉及具有延迟锁定环(DLL)的飞行时间(ToF)发送器电路，该ToF发送器电路包括：构件，用于响应参考信号触发激光二极管以产生光输出信号；和构件，用于将参考信号的相位锁定到表示来自用于触发的构件中的节点的光输出信号的电反馈信号的相位。该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。并不旨在提供本专利技术的排他性或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的更多信息。附图说明在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文档中讨论的各种实施例。图1是ToF传感器的示例的框图。图2示出了激光脉冲控制脉冲和光输出脉冲的时序图的示例。图3描绘了具有低压差分信号输入的ToF发射机的示例。图4示出了激光脉冲控制脉冲和光输出脉冲的时序图的另一示例。图5描绘了根据本公开的各种技术的在其信号链中使用DLL的ToF发射机的示例。图6示出了激光脉冲控制脉冲和光输出脉冲的时序图的另一示例。图7是光接收路径的光感测电路的示例。图8是核心激光驱动器的示例，其包括可用于实现本公开的各种技术的复制路径。图9是可用于实现本公开的各种技术的差分对核心激光驱动器的示例。图10是可用于实现本公开的各种技术的基于电流源的核心激光驱动器的示例。图11描绘了根据本公开的各种技术的使用DLL和可选的复制电路的ToF发射机的示例。图12描绘了根据本公开的各种技术的使用DLL的ToF发射机的另一示例。具体实施方式图1是ToF传感器的示例的框图。ToF传感器100可以包括发射机电路102和接收器电路104。除其他之外，ToF发射机可以包括激光二极管106和激光驱动器108。激光二极管106可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其是从其表面垂直发射光束的基于半导体的激光二极管，或者是从边缘发射光束的边缘发射器。如下图3所示，激光驱动器108可以包括一个预驱动器和一个或多个功率场效应晶体管(FET)，它们可以触发激光二极管打开和关闭，或在不同的偏置条件之间切换以生成光输出信号。接收器104尤其可以包括传感器阵列和模数转换器(ADC)电路，以接收并转换从物体反射回来的光信号。接收器104可以输出可由发射机108接收的激光脉冲控制信号110。以这种方式，接收器104可以充当控制发射机102的光输出定时的主机。图2示出了激光脉冲控制脉冲和光输出脉冲的时序图的示例。从理论上讲，图1所示的激光二极管106的光输出112可以是激光脉冲控制信号110的稍微延迟的版本，如图2所示。激光脉冲输入和光学输出的上升沿和下降沿之间的相对相位稳定性可以确定ToF系统的深度精度。在执行ToF系统的深度计算时，可以通过校准消除固定延迟Δd。图3描绘了具有低压差分信号输入的ToF发射机的示例。ToF发射机200是图1的ToF发射机电路102的示例，并且可以包括接收器电路202以接收激光脉冲控制信号INP和INM，例如图1和2的激光脉冲控制信号110。接收器202可以包括耦合到电平移位器和/或缓冲电路206的差分到信号端(DF-SE)转换电路204。发射机200可以包括具有耦合到核心激光驱动器电路212的前置驱动器电路210的激光驱动器电路208，例如N型或P型FET。应当注意，可以使用其他功率晶体管，例如但不限于氮化镓(GaN)晶体管。对于光输出具有标称占空比为50％的连续波(CW)ToF传感器，光输出的频率范围可以从数十兆赫兹到数百兆赫兹。可以在激光脉冲控制输入和激光驱动器电路208之间包含一个低压差分信号(LVDS)接口。图4示出了激光脉冲控制脉冲和光输出脉冲的时序图的另一示例。通过图3所示的实施方式，如图4中的箭头所示，光输出脉冲相对于激光脉冲控制输入可能不再稳定。该不稳定性可能是由于图3的LVDS接收器电路202和激光驱动器电路208在处理、电压和温度(PVT)以及老化效应方面的延迟变化。对于CWToF系统，由于CWToF依赖于相位解调来得出深度信息，因此发射机光输出的相位不稳定性会直接导致深度误差。同样，相位稳定性对于脉冲ToF系统也很重要，其中深度精度与每个光脉冲中集成光子的数量以及相对相位稳定性与接收器快门信号的关系有关。作为示例，低至6.7皮秒(ps)的相位误差可导致从表达式导出的一(1)毫米(mm)的深度误差。如果在设计ToF发射机时未解决光输出的相位不稳定性，则ToF系统可能需要执行复杂且昂贵的校准，以减轻PVT和老化效应。在某些方法中，ToF发射机可以充当生成可编程光输出脉冲宽度的主机。ToF发射机可以引入两个额外的锁相环(PLL)和复制电路，以稳定光输出脉冲。使用这种方法，可以减少输出相位的不稳定性。但是，该方法的有效性可能会受到复制电路的匹配的限制，并且以两个额外的PLL的面积和功率开销为代价。本公开内容描述了具有自稳定的光输出相位且具有最小开销的ToF发射机，其中发射机可以用作从设备，因为激光脉冲的相位和宽度可以由主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有延迟锁定环(DLL)的飞行时间(ToF)发送器电路，该ToF发送器电路包括：/n具有核心驱动器电路的激光驱动器电路，所述激光驱动器电路耦合到接收器电路并被配置为响应于参考信号而触发激光二极管以产生光输出信号；和/nDLL电路，被配置为从所述激光驱动器电路中的节点接收代表所述光输出信号的电反馈信号，其中，所述DLL电路被配置为将所述参考信号的相位锁定为所述反馈信号的相位。/n

【技术特征摘要】
20190513 US 16/410,8681.具有延迟锁定环(DLL)的飞行时间(ToF)发送器电路，该ToF发送器电路包括：
具有核心驱动器电路的激光驱动器电路，所述激光驱动器电路耦合到接收器电路并被配置为响应于参考信号而触发激光二极管以产生光输出信号；和
DLL电路，被配置为从所述激光驱动器电路中的节点接收代表所述光输出信号的电反馈信号，其中，所述DLL电路被配置为将所述参考信号的相位锁定为所述反馈信号的相位。


2.权利要求1所述的ToF发射机电路，其中所述DLL电路包括：
鉴相器电路；和
电荷泵电路。


3.权利要求1所述的ToF发射机电路，其中所述参考信号包括激光脉冲控制信号。


4.权利要求1所述的ToF发射机电路，其中所述参考信号包括定时发生器信号。


5.权利要求1所述的ToF发射机电路，其中所述参考信号是脉冲信号。


6.权利要求1所述的ToF发射机电路，其中所述参考信号包括激光脉冲控制信号，所述电路还包括:
配置为接收激光脉冲控制信号的接收器电路。


7.权利要求6所述的ToF发射机电路，其中所述接收器电路是低压差分信号接收器或CMOS接收器。


8.权利要求1所述的ToF发射机电路，其中所述激光驱动器电路包括前置驱动器电路和核心驱动器电路。


9.权利要求8所述的ToF发射机电路，其中所述核心驱动器电路包括单个N型或P型场效应晶体管(FET)，并且其中所述激光驱动器电路中的节点包括FET的漏极端子或栅极端子。


10.权利要求8所述的ToF发射机电路，其中所述核心驱动器电路包括第一N型或P型场效应晶体管(FET)，其中所述核心驱动器还包括具有第二N型或P型FET的复制电路，并且其中在所述复制电路中所述激光驱动器电路中的节点包括FET的漏极端子或栅极端子。

【专利技术属性】
技术研发人员：沈军华，E·D·巴尼斯，A·玛丽娜斯，D·P·卡尼夫，梁斯文，
申请(专利权)人：亚德诺半导体国际无限责任公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE