admin 深圳市光学微技术有限公司高级应用工程师潘建森
深圳市光学微技术有限公司产品总监赵健
1.微托普测距传感器的全身
在日常生活中，有很多产品需要通过检测特定距离是否存在障碍来做出反应。其中小型化设备也称为光线传感器、接近传感器，这种传感器在手机上有着广泛的应用。其典型应用是手机在耳边接电话时关闭屏幕，防止误触。(阿尔伯特爱因斯坦，美国作家)。
光线传感器的原理是通过LED发射红外光，并接收反射回来的红外光来探测一定范围内是否存在障碍物。随着科技发展进步，一些新的应用场景有了更高的要求，希望传感器能获取障碍物的距离信息。
为了获取距离信息，目前有很多不同的方式，而微型TOF测距传感器就是其中应用最广泛的一种微型传感器。TOF的英文全称是Time of flight ，通过精确的测量光飞行至障碍物再反射到传感器所耗费的时间，计算出障碍物与传感器之间的距离值。
2.TOF测距传感器的原理及分类
如何精确地测量光的飞行时间，目前主要有两种方法可以解决，分别是间接式 TOF 测距法(I-TOF)和直接式 TOF 测距法(D-TOF)：
（1）对于 I-TOF 测距法，需要测量经过调制的正弦信号与接收信号之间的相位差，然后利用相关公式计算出时间差，因此 I-TOF 测距法也叫相位式 TOF 测距法。相位式 TOF 测距法的优势是近距离测量精度较高，在阳光下的测距精度较好，同时测距距离衰减较小。[1]
（2）对于 D-TOF 测距法，需要测量与光源同步的起始脉冲和传感器接收到光信号后产生的停止脉冲之间的时间差，因此 D-TOF 测距法也叫脉冲式 TOF 测距法。D-TOF 测距法与I-TOF 测距法相比，主要优势在精度不会随着距离增加而下降，可以实现多目标的探测以及对不同材质的物体适应性相对更好。[2]
本文将主要介绍 D-TOF 测距传感器的构成、原理及应用情况。
3.D-TOF测距传感器的构成
一个典型的D-TOF测距传感器，其接收部分是一颗D-TOF芯片，芯片上包括 SPAD像素阵列、淬灭电路、时间数字转换器（TDC）、单光子计数（TCSPC）电路等模块，还包括一些运算和存储单元、电源模块和接口电路等；在发射端使用的是VCSEL激光器；除此之外，必要的光学透镜和滤光组件也是不可缺少的。
D-TOF测距系统是通过外部电路控制VCSEL模块发出一定频率的红外光信号，同时产生起始脉冲送入时间数字转换器（TDC）模块中。经过目标的漫反射，部分红外光回波信号被单光子雪崩二极管吸收，产生停止脉冲信号再送入TDC模块中。这样就完成了一次测量。因为光速存在不变性，所以在获得激光脉冲在系统与目标之间的飞行时间后，可利用距离计算公式求出系统与目标之间的距离。
下面以光微科技研发的D-TOF测距传感器为例介绍各个模块的作用及原理。
3.1器件结构
图1是光微科技的单点测距传感器ND02的外观图，其内部结构如图2所示，D-TOF测距传感器可按光路分为发射端与接收端两大部分。
图1 光微微型TOF测距传感器ND02
图2 微型TOF测距传感器结构示意图
在发射端(左边)通过VCSEL发射940 nm波长的红外激光，绝大部分的激光通过发射孔打出，少部分的光通过结构反射到传感器芯片的参考SPAD阵列像素上，作为D-TOF芯片上TDC的计时启动参考；接收端有滤光片与光学结构，反射回来的激光投射在芯片的主SPAD阵列像素上。
3.2单光子雪崩二极管像素阵列
单光子雪崩二极管(SPAD)为了进行单光子检测，光电二极管必须有非常高的探测灵敏度，因此需要在盖革模式下工作。
盖革模式是指在雪崩二极管两端所加的反向偏置电压要比雪崩击穿电压高，当有一个光子到达处于盖革模式的雪崩二极管时，雪崩二极管的吸收层就会被光子触发光电效应，在这个过程中，雪崩二极管就会产生光生载流子。
如图3所示，在强大的电场下，载流子会迅速撞向晶格，生成新的电子-空穴对，强大的电场又会使得刚刚产生的电子-空穴对继续发生电离碰撞，生成越来越多的电子-空穴，重复进行电离碰撞。经过短暂的时间后，积累很多电子-空穴对，从而雪崩二极管被雪崩击穿，形成巨大的雪崩电流。以这种方式工作的雪崩二极管也叫单光子雪崩二极管。
图3 雪崩电流形成示意图
3.3可控主动式淬灭电路
一般的光电二极管是工作在光电二极管模式下的，因此其工作电流比较小，基本不会烧毁。但是如果工作在盖革模式下，单光子探测灵敏度就会非常高，因此当单光子雪崩二极管探测到光子的时候，就会立刻发生雪崩[3]，并且雪崩将会是一个持续的过程，如果不采取措施抑制雪崩，SPAD 很可能永久性毁坏。
在雪崩发生以后，就必须想办法降低单光子雪崩二极管两端的反偏电压，让其低于雪崩电压，从而抑制雪崩的持续。待雪崩完全抑制后，再让单光子雪崩二极管尽快恢复到探测状态，即重新工作在盖革模式下，使其随时能够检测下次的光子事件。
因此，要实现该功能，就必须额外设计电路对 SPAD 的反偏电压进行控制，使其不仅能够降低 SPAD反偏电压抑制雪崩，而且能升高 SPAD 反偏电压使其工作在盖革模式下探测光子。
3.4高精度TDC电路
时间数字转换器（TDC）电路用于测量时间间距，采用模拟 TDC 很容易受到温度的影响，并且数据转换时间相对过长，以及对电流和电压扰动比较敏感，此外集成也相对困难。随着半导体工艺的发展以及数字化设计方法的成熟化，数字 TDC 成为了如今的主流设计。
TDC电路模块将时间信号转换成高低电平的数字信号。如图4所示，时间间距信号由两个输入端的上升沿波形表示。起始信号从 S1 端输入，TDC 开始工作，随后，停止信号从 S2 端输入，TDC 停止工作。TDC 会把两个信号之间的时间间距信息以数字信号的形式输出。
图4 时间数字转换器模块
3.5单光子计数(TCSPC)电路（直方图电路）
TCSPC 技术是把时间轴按精度细分成若干个时间区间，如图5所示。每当传感器像素探测到单光子事件，就会生成一个数字脉冲，与此同时把这个数字脉冲产生的时刻记录下来，然后对相应的时间区间内的单光子计数累加值进行“加一”操作[4]。在大量重复同样的测量后，将会得到许多时间数据，并且将这些时间数据按照同样的方式累加在相应的时间区间中，这样就可以得到相应的单光子计数直方图。
图5 直方图电路工作原理
3.6VCSEL激光器
垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser），简称VCSEL。这是一种半导体激光器，有别于传统的边发射激光器，其出光方向垂直于衬底表面。2017年苹果将VCSEL用在手机人脸识别模组上，因此VCSEL开始受到消费电子领域的大规模关注。
在D-TOF距离传感器中，一般使用940 nm波段的激光器。另外需要根据模块定义的最远测距距离与传感器的尺寸，匹配合适的激光发射功率。
4.TOF测距传感器主要应用
微型TOF测距传感器的主要应用有三方面——存在检测，测距和节能应用。自2015年TOF测距传感器首次应用在iphone X前置摄像头方案中，就迅速掀起了其手机应用的潮流，之后其广泛应用于手机的前置存在感测和后置辅助对焦等应用场景，仅在手机上年出货量就超亿颗，应用手机超过200款。
除手机外，其还广泛应用在扫地机避障、投影仪辅助对焦、相机辅助对焦、智能灯具、智能卫浴如自动水龙头、自动皂液器、智能马桶、机器人、无人机等其他许多领域。如下图6所示。
图6 TOF测距传感器应用场景
当前，微型TOF测距传感器大部分的应用还在单点测距上（只能输出一个点的距离值），随着产品应用的发展，许多场景提出了更多精细化的要求，例如手机后置的背景虚化，人脸识别应用等需要更高分辨率的测距和更大的探测角度，例如需要64点（8*8）或1024点（32*32）或更高的分辨率。
但由于分辨率的提升和探测角度的增大，对DTOF传感器的运算与存储、传感器的尺寸、发射端VCSEL的散热及光学组件等多方面提出了更高的要求，还需要在后续的产品研发中进行突破，这也是微型TOF传感器未来主要突破的方向。
未来，随着微型TOF传感器技术及多点测距的进一步发展，达成更大的角度，更强的性能时，微型TOF传感器将会应用于更多领域。
参考文献：
[1] Zach G, Davidovic M, Zimmermann H. A 16×16 Pixel Distance Sensor With In-Pixel Circuitry That Tolerates 150 klx of Ambient Light[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2010, 45(7):1345-1353.
[2] Richardson J A, Walker R J, Grant L, et al. A 32×32 50ps Resolution 10 bit Time to Digital Converter Array in 130nm CMOS for Time Correlated Imaging[J]. Annual Review of Physiology, 2009, 51(10):77-80.
[3] 王成. 基于 CMOS 工艺的盖革模式 SPAD 像元电路研究[D]. 重庆大学, 2014.
[4] 张栎存. 单光子探测器的研究与设计[D]. 北方工业大学, 2017.