[发明专利]使用脉冲束稀疏阵列的深度感测

说明书

深度感测装置(20)包括辐射源(21)，该辐射源包括布置成多个群组(52,62)的第一发射器(54)阵列，该发射器被配置为朝向目标场景(32)发射第一多个光学辐射脉冲束(30)。第二多个感测元件(78)被布置成第二阵列(24)并且被配置为输出信号，该信号指示感测元件上光子的相应入射时间，其中第二多个感测元件超过第一多个光学辐射脉冲束。物镜光学器件(34)在感测元件的阵列上形成目标场景的图像。处理和控制电路(26,28,35)交替致动该多个群组，并且响应于该输出信号，标识第二阵列的从目标场景的对应区域反射的光学辐射脉冲入射在其上的区域。

技术领域

本发明整体涉及用于深度映射的系统和方法，并且具体地涉及光束源和在飞行时间感测中使用的传感器阵列。

背景技术

现有的和新兴的消费者应用已产生对实时三维(3D)成像器日益增长的需求。这些成像设备也称为深度传感器、深度映射器或光探测和测距(LiDAR)传感器，其使得能够通过用光学束照明目标场景并分析反射的光学信号来远程测量与目标场景中每个点的距离(并且常常还有强度)-被称为目标景深。用于确定与目标场景上每个点的距离的常用技术涉及将一个或多个脉冲光学束朝向目标场景传输，然后测量光学束在从源行进到目标场景并返回到与源相邻的检测器阵列时所花费的往返时间，即飞行时间(ToF)。

一些ToF系统在测量光子到达时间中使用单光子雪崩二极管(SPAD)(也称为盖革模式雪崩光电二极管(GAPD))。例如，美国专利9,997,551(其公开内容以引用方式并入本文)描述了包括SPAD感测元件阵列的感测设备。每个感测元件包括光电二极管和局部偏置电路，该光电二极管包括p-n结，该局部偏置电路被耦接以在偏置电压下将p-n结反向偏置，该偏置电压大于p-n结的击穿电压足够的裕度，使得入射在p-n结上的单个光子触发从该感测元件输出的雪崩脉冲。偏置控制电路被耦接以将感测元件中的不同感测元件中的偏置电压设定为不同的相应值。

美国专利申请公布2017/0176579(其公开内容以引用方式并入本文)描述了这种可变偏置能力在选择性地致动SPAD阵列中的各个感测元件或感测元件组中的用途。为此，电光设备包括发射至少一束光脉冲的激光源、跨目标场景传输并扫描至少一个光束的光束转向设备、以及感测元件阵列。每个感测元件输出指示感测元件上的单个光子的入射时间的信号。(此类阵列中的每个感测元件还称为“像素”。)集光光学器件将由所传输的束扫描的目标场景成像到阵列上。电路被耦接以致动阵列的仅选定区域中的感测元件，并且与该至少一个束的扫描同步地在阵列上方扫过所述选定区域。

发明内容

下文描述的本发明的实施方案提供了改进的深度映射系统和此类系统的操作方法。

因此，根据本发明的一个实施方案提供了包括辐射源的深度感测装置，该辐射源包括布置成多个群组的第一发射器阵列，这些发射器被配置为朝向目标场景发射第一多个光学辐射脉冲束。第二多个感测元件被布置成第二阵列并且被配置为输出信号，该信号指示感测元件上光子的相应入射时间，其中第二多个感测元件超过第一多个光学辐射脉冲束。物镜光学器件被配置为在感测元件阵列上形成目标场景的图像。处理和控制电路被耦接以交替致动该多个群组从而发射脉冲束并且被耦接以从感测元件接收信号，并被配置为响应于该信号而标识该第二阵列的从目标场景的对应区域反射的光学辐射脉冲入射在其上的区域，以及处理来自所标识区域中的感测元件的信号，以便基于入射时间来测量目标场景的对应区域的深度坐标。

在所公开的实施方案中，该阵列中的发射器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

在一些实施方案中，该多个群组包括至少四个群组，每个群组包括至少四个发射器。在一个实施方案中，辐射源包括衍射光学元件(DOE)，该DOE被配置为将由发射器中的每一个发射的光学辐射分成脉冲束中的多个脉冲束。除此之外或另选地，该至少四个群组包括至少八个群组。每个群组可包括至少二十个发射器。在所公开的实施方案中，发射器群组在基板上交错。

除此之外或另选地，感测元件包括单光子雪崩二极管(SPAD)。