突发模式飞行时间成像的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在飞行时间(TOF)深度成像中，主体由来自发射器的脉冲或调制光照射。该光中的一些从主体反射回成像光检测器。光检测器的像素元件被编址成组，与发射器的脉冲输出同步。在一些变例中，每组像素元件的积分周期相差一预定量。相应地，像素级的脉冲飞行时间(从其在发射器处的起点射向主体并返回光检测器)可基于不同组的相应元素中接收的相对光量来辨别。根据为给定像素计算的飞行时间，可计算该像素所成像的主体的轨迹的深度(即距离光检测器的距离)。
[0002]在以上概述的方法中，在存在宽带环境光的情况下，深度测量的信噪比被降低。一般而言，可通过增大发射器的输出功率来改善信噪比，使得从发射器反射的光压过环境光。然而，增大发射器功率还可能增加成像系统的大小、复杂度、以及成本。
[0003]概述
[0004]本公开的一个实施例提供TOF深度成像器，该深度成像器包括发射器、像素元件的阵列、以及驱动器逻辑。发射器被配置成释放重复的经调制光脉冲突发，其中在各个连续的突发之间具有一间歇。形成在半导体表面上的阵列的每个元件具有可偏置以将光生成的电荷吸引到所述表面的梳状门、用于收集被吸引到所述表面的电荷的读取节点、以及传输门，所述传输门可被偏置以允许这类电荷到达所述读取节点并且阻止这类电荷被吸收到所述梳状门中。驱动器逻辑被配置成与来自所述发射器的经调制的光脉冲同步地对所述阵列的元件的梳状门进行偏置，使得相邻的第一和第二元件的梳状门以不相等(例如互补)的相位循环进入和脱离电荷吸引状态。所述驱动器逻辑被进一步配置成对所述传输门进行偏置，使得所述电荷仅在突发期间被准许到达所述读取节点，并且被防止在间歇期间抵达所述读取节点。
[0005]提供该概述以便以简化形式介绍概念的选集，所述概念在以下详细描述中被进一步描述。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。而且，所要求保护的主题不限于解决该公开的任一部分中所注的任何或全部缺点的实现方式。
[0006]附图简述
[0007]图1示出根据本公开的一实施例的飞行时间深度成像器的各方面。
[0008]图2是工作在普通调制模式下的发射器的功率输出对时间的图表。
[0009]图3是根据本公开的一实施例的工作在突发模式下的发射器的功率输出对时间的图表。
[0010]图4示出根据本公开的一实施例的飞行时间深度成像器的各方面。
[0011]图5示出根据本公开的一实施例的光检测器阵列的示例像素元件的各方面。
[0012]图6呈现示出用于驱动光检测器阵列的现有技术参考模式的图表。
[0013]图7呈现示出根据本公开的一实施例的用于驱动光检测器阵列的示例模式的图表。
[0014]图8和9示出根据本公开的各实施例的其它飞行时间深度成像器的各方面。
[0015]图10是示出根据本公开的一实施例的用于驱动光检测器阵列的另一模式的图表。
[0016]图11示出根据本公开的一实施例的另一飞行时间深度成像器的各方面。
[0017]图12是示出根据本公开的一实施例的用于驱动光检测器阵列的另一模式的图表。
[0018]图13到15示出根据本公开的各实施例的光检测器阵列的示例像素元件的各方面。
[0019]详细描述
[0020]现在将通过示例并参照所示的以上列出的实施例来描述本发明的各方面。在一个或多个实施例中基本相同的组件、过程步骤和其他元素被协调地标识并且以重复最小的方式描述。还应该注意，本发明中包括的附图是示意性的并且通常未按照比例绘制。纵横比、特征大小以及特征数量可以有目的地失真，以使所选择的特征或关系更容易理解。
[0021]图1示出一个实施例的示例飞行时间深度成像器110的各方面。深度成像器包括发射器112，发射器112被配置成以经调制的光(正弦调制的、脉冲调制的、或根据任何其它周期波形调制的)照射主体114。在一更具体实施例中，发射器可以是可编程近红外激光器，其能够以连续调制模式或重复突发模式发射。在图1继续，来自发射器的一些经调制的光从主体反射回成像光检测器阵列116，其包括像素阵列118。由于光检测器阵列处接收到的光脉冲已行进到主体并返回，因此它们在相位上与发射器释放出的脉冲列不同。相位差与主体距深度成像器的距离成比例地变化(例如增加)，但是在抵达2 31弧度相移之际重复。通过确定阵列的每个像素的相移，可计算所成像的主体的深度图。驱动器120向发射器以及向阵列提供同步的驱动信号以便确定相移。
[0022]为了提供对于环境光拒绝的某种测量，光检测器阵列116可被布置在光带通滤波器之后(在附图中未示出)。相应地，光检测器阵列可以对滤波器的窄通带之外的光基本不敏感。优选地，该通带被选择成与发射器112的发射波长带匹配。在一个实施例中，发射器可以是窄带红外(IR)发射器，诸如IR激光器或IR发光二极管(LED)。IR中的照射和光检测提供了附加优点，其中人类主体不会检测到来自发射器的照射。
[0023]相对于发射器112的脉冲输出，本公开包含宽泛范围的输出功率和调制脉宽。在一个非限制性实施例中，脉宽可以是调制频率的倒数的一半。与输出功率一起，适用于给定深度感测应用的调整频率取决于主体114和深度成像器110之间的距离。对于三米级的距离，发射器的每个调制周期可以是20纳秒(ns);对于50%的占空比，调制周期内的ON脉宽可以是约10ns。然而，应该注意，其它范围和调制频率也完全与本公开的精神和范围相符。
[0024]即使当光检测器响应被限于窄波长带时，在存在宽带环境光(尤其是阳光)的情况下，深度成像的信噪比被降低。降低环境光对于信噪比的影响的一种方法是减少光检测器阵列的积分时间达一给定因子，同时增大发射器112的输出功率达同一因子。在这一方法中，阵列处积分的信号光的量未被改变，但是环境光的量被减少该给定因子。迫使来自激光器或LED发射器的更高的输出功率的一种方式是使发射器工作在突发模式下。在突发模式下，发射器被配置成释放重复的调制光脉冲突发，其中在各个连续的突发之间具有一间歇。在一些实施例中，重复突发可以是周期性的，如以下所描述的。同时，光检测器被门控以仅在突发期间积分，而不在间歇期间积分。
[0025]参照图2和3通过示例解说了突发模式操作。图2示出工作在普通脉冲模式下的发射器的低于其平均额定功率的10%处的功率输出对时间。图3示出工作在突发模式下的同一发射器的功率输出对时间。在突发模式下，发射器发射相对短的脉冲突发，其中超过了平均额定功率。每个突发后接着间歇，间歇比突发长数倍一一例如长4倍、5倍或10倍。如上所述的，突发内的脉冲的峰值功率可以与突发的占空比相关以提供未改变的总信号功率，而对于环境光的敏感性降低。例如，峰值功率可被增加到五倍于额定值，而占空比(突发时间比突发时间+间歇时间)降低至约20%。在间歇期间，发射器、发射器的电源、以及相关联的元件耗散在高功率突发期间产生的过量的热。相应地，在一段N个突发和N个间歇的时间段上，各组件的平均额定功率不会被超过。在一些实施例中，每个突发可以持续I至20微秒(μ s)，并且取决于调制频率，每个突发可包括约5000个脉冲。在一些实施例中，每个间歇可在任何位置持续约5到200 μ S0在另一实施例中，每个突发可持续0.5到50 μ s，并且每个脉冲可在任何位置持续约2到500 μ S0每个突发的大量的脉冲提供了一个优点，即可从阵列的像素元件中提取更准确的相位数据。
[0026]此处所描述的方法很好地适用于基于相位的技术，基于相位的技术可包括谐波消除。由此，由于温度和波形漂移的缘故，测量准确度可由调制频率来驱动并且对于调制波形形状的改变相对免疫。这是对于相关的基于脉冲的方法的显著优点，其中这类波形形状中的偏移可通过校准来补偿(如果可能的话)。
[0027]图4示出一个实施例的示例TOF成像器410的各方面。在这一成像器中，光检测器阵列416被构建在外延表面422上，外延表面422被形成在半导体衬底上。图4仅示出阵列的一小部分，该部分对应于一个像素418。在图4的实施例中，这一像素由两个像素元件424Α和424Β组成(在附图中由虚线包围)。像素元件424Α包括可偏置以将光生成的电荷吸引到表面的多晶硅梳状门426Α、用于收集被吸引到表面的光生成的电荷的读取节点428Α、以及传输门430Α，传输门430Α可被偏置以当梳状门低时允许这类电荷到达读取节点并且当梳状门高时阻止这类电荷被吸收到梳状门中。类似地，相邻的像素元件424Β包括梳状门426Β、读取节点428Β、以及传输门430Β。将注意到，术语“电荷”和“光生成的电荷”被用在此处以标记半导体衬底中的少数电荷承载一一即此处解说的P掺杂衬底的电子。在其他同样适合的实施例中，少数电荷承载可以是电子空位或空穴。在这类实施例中，此处所述的电压和极性应当被反过来。
[0028]在图4中继续，像素阵列416可操作地耦合到驱动器420，驱动器420包括适当的逻辑电路(此处的“逻辑”)以对阵列的各像素元件编址和询问。一般而言，驱动器可被制造在与像素阵列相同的管芯上或者可被布置在其他处。在任一种情况下，适合的互连(附图中未示出)被配置成将驱动器链接到表面422上布置的各个元素。驱动器的逻辑432被配置成与来自发射器112的经调制光脉冲同步地对梳状门426Α和426Β进行偏置。由于它们同步的偏置，阵列的相邻的第一和第二元件(例如元件424Α和元件424Β)的梳状门以不相等的相位循环进入和脱离电荷吸引状态。在一个实施例中，相邻梳状门之间的相位差可以是180度。在这一配置中，电荷在像素元件424Α的读取节点428Α处和像素元件424Β的读取节点428Β处被收集以实现基于量子效率的飞行时间测量。在这一测量中，梳状门收集的电荷可在抵达读取节点之前在梳下驻留显著的时间长度。然而，测量的总的准确度被