[发明专利]传感器装置、传感器模块、成像系统和操作传感器装置的方法

说明书

提出了一种传感器装置，其包括光电探测器阵列(10)。读出电路(30)连接到光电探测器阵列(10)，并且分别为阵列(10)中的每个光电探测器提供专用读出路径。此外，读出电路(20)包括至少一个控制端子(23)。时间‑数字转换器(TDC1、TDC2、TDC3、TDC4)阵列电连接到读出电路(30)的转换器输出端子(TDC_OUT)。根据待施加在至少一个控制端子(23)处的控制信号(SEL)，读出电路(20)设置为通过第一子阵列(11)的光电探测器的读出路径分别电连接到读出电路(20)的转换器输出端子(TDC_OUT)，从而使第一子阵列(11)的光电探测器激活，并且第二子阵列(12)的光电探测器未激活。

本发明涉及一种传感器装置、一种传感器模块、一种成像系统和一种操作传感器装置的方法。

单光子雪崩二极管(或者简称为SPAD)是一种固态光电探测器，在光学传感器中的应用越来越广泛，包括光谱学、医疗技术、消费品和安全应用等。SPAD阵列结合了高灵敏度和空间分辨率，例如用于飞行时间传感器中的高精度距离测量。在SPAD阵列中，通常通过单个像素或像素的子阵列来限定多个区域。例如，在嵌入直接飞行时间系统中的SPAD阵列中的给定区域可以被分配给图像中的区域，以创建3D空间图像数据。

光学传感器、特别是用于移动装置的传感器通常嵌入专用传感器模块中，这些模块支持传感器的光学特性。例如，传感器模块可以提供具有内置孔和光学器件的小而坚固的封装件。然而，在传感器模块的组装过程中，光学器件相对于传感器阵列的对准可能改变，这导致例如SPAD阵列上的照明区域和光学器件的视场的映射中的偏移的问题。

图5A示出了现有技术的SPAD阵列。阵列10包括设置成行和列的单独的SPAD。行位置用A、B、C和D的大写字母表示。列位置用1、2、3和4的整数表示。例如，位于第一行和第一列中，即在行位置A和列位置1处的SPAD由附图标记SA1表示。该图示出了使用该术语的SPAD。此外，该图指示了第一子阵列11和第二子阵列12。在该表示中，第一子阵列11位于阵列10的中心。第二子阵列12包围第一子阵列11。

考虑传感器模块(未示出)和在传感器模块内部实现的SPAD阵列10。在组装过程中，SPAD阵列10与透镜14或设置在模块中的光学器件对准，例如作为传感器封装件的一部分。如图5B所示，传感器模块的光入射通过透镜14被引导到模块内部并朝向SPAD阵列10。在图5A所示的对准配置中，光照射阵列10的中心的第一子阵列11(参见光斑13)。在该示例中，第一子阵列11包括分别由SPAD SB2、SB3、SC2和SC3限定的四个区域。中心被第二子阵列12包围，该第二子阵列构成SPAD区域环以用于冗余。例如当光斑13不离开SPAD阵列10时，第二阵列12占用的冗余区域能够用于解释失调。

图5C示出了同样的SPAD阵列。然而，在该图中，光斑13不仅照射阵列10的中心的第一子阵列11的部分，而且还照射第二子阵列12的部分，即一些冗余SPAD。在该示例中，对准误差被示为一个区域的偏移，例如光斑13沿行和列分别移动一行和一列位置。由于传感器与透镜之间的失调，光斑13映射到阵列10上的不同区域。在该示例中，光斑13在左上区域可见。

假设只有单个SPAD代表一个区域，则现有技术已经提出了不同的对准补偿方案。例如，对于每个区域，添加专用的时间-数字转换器TDC以实现冗余，这将导致相当大的开销。图6A示出了具有以上讨论的4x4配置的SPAD阵列10。此外，TDC阵列14被实现并硬连线到相应SPAD。TDC由附图标记TDC1至TDC6表示。显然，有源SPAD的第一子阵列11仅使用四个TDC，而为第二阵列12提供12个TDC作为冗余，因此可以不使用。