飞行时间感测单元及飞行时间感测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像传感器。特定来说，本发明的实施例涉及三维图像传感器。
【背景技术】
[0002] 对三维（3D)相机的兴趣正随着流行3D应用不断在例如成像、电影、游戏、计算机、 用户接口等应用方面的增长而增加。用以创建3D图像的典型被动方法是使用多个相机来 捕获立体或多个图像。使用立体图像，可对图像中的物体进行三角测量以创建3D图像。此 三角测量技术的一个缺点是使用小装置难以创建3D图像，因为每一相机之间必须存在最 小分离距离以便创建三维图像。另外，此技术是复杂的，且因此需要显著计算机处理能力以 便实时地创建3D图像。
[0003] 对于需要实时获取3D图像的应用，有时利用基于光学飞行时间测量的主动深度 成像系统。飞行时间系统通常采用：将光引导到物体处的光源，检测从物体反射的光的传感 器，及基于光来往于物体行进所花费的往返时间计算到所述物体的距离的处理单元。在典 型的飞行时间传感器中，通常由于从光电检测区到感测节点的高传送效率而使用光电二极 管。
[0004] 关于3D图像的获取的持续挑战是所需处理必须极快地发生，以便使3D图像获取 系统解析实时应用的例如约为〇. Ins的时间差。由于实时应用需要如此短的响应时间，因 此在获取3D图像的系统中对噪声、抖动、时钟信号、热等的敏感性随着所需响应时间的减 小而越来越具挑战性。当3D图像获取系统的传感器未检测到从物体反射回的光时，也会呈 现进一步挑战。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个方面涉及一种飞行时间像素单元，其包括：光电传感器，其用以感测 从物体反射的光子；以及像素支持电路，其包含：充电控制逻辑，其耦合到所述光电传感器 以检测所述光电传感器何时感测到从所述物体反射的所述光子，其中所述充电控制逻辑进 一步经耦合以接收表示何时从光源向所述物体发射光脉冲的时序信号；可控电流源，其经 耦合以响应于经耦合以从所述充电控制逻辑接收的飞行时间信号而提供充电电流，其中所 述飞行时间信号表示所述光脉冲中的每一者从所述光源发射直到所述光电传感器感测到 从所述物体反射的所述光子中的相应一者的飞行时间；电容器，其经耦合以响应于所述飞 行时间信号而从所述可控电流源接收所述充电电流，其中所述电容器上的电压表示到所述 物体的往返距离；以及复位电路，其经耦合以在所述可控电流源响应于所述飞行时间信号 而将所述电容器充电多个次数之后使所述电容器上的所述电压复位。
[0006] 本发明的另一方面涉及一种飞行时间感测系统，其包括：光源，其用以向物体发射 光脉冲，其中所述光脉冲从所述光源发射的频率是可调整的；飞行时间像素阵列，其具有多 个飞行时间像素单元，其中所述飞行时间像素单元中的每一者包括：光电传感器，其用以感 测从所述物体反射的光子；充电控制逻辑，其耦合到所述光电传感器以检测所述光电传感 器何时感测到从所述物体反射的所述光子，其中所述充电控制逻辑进一步经耦合以接收表 示何时从所述光源发射所述光脉冲的时序信号；可控电流源，其经耦合以响应于经耦合以 从所述充电控制逻辑接收的飞行时间信号而提供充电电流，其中所述飞行时间信号表示所 述光脉冲中的每一者从所述光源发射直到所述光电传感器感测到从所述物体反射的所述 光子中的相应一者的飞行时间；电容器，其经耦合以响应于所述飞行时间信号而从所述可 控电流源接收所述充电电流，其中所述电容器上的电压表示到所述物体的往返距离；复位 电路，其经耦合以在所述可控电流源响应于所述飞行时间信号而将所述电容器充电多个次 数之后使所述电容器上的所述电压复位；以及控制电路，其耦合到所述光源且耦合到所述 飞行时间像素阵列以使所述光脉冲的所述发射的时序与对从所述物体反射的所述光子的 所述感测同步。
[0007] 本发明的又一方面涉及一种利用飞行时间确定到物体的往返距离的方法，所述方 法包括：以第一频率从光源向物体发射光脉冲；响应于以所述第一频率从所述光源发射的 所述光脉冲而将电容器充电；感测从所述物体反射的光子；响应于对从物体反射的所述光 子的所述感测而中断将所述电容器充电；在响应于以所述第一频率从所述光源发射的所述 光脉冲而将所述电容器充电多（η)次之后测量所述电容器上的第一电压；以及响应于所述 电容器上的所述第一所测量电压而确定到所述物体的往返距离。
【附图说明】
[0008] 参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似 参考编号指代相似部件，除非另有规定。
[0009] 图1是展示根据本发明的教示的飞行时间感测系统的一个实例的框图。
[0010] 图2是图解说明根据本发明的教示的飞行时间像素的一个实例的示意图。
[0011] 图3是展示根据本发明的教示在实例飞行时间像素中所发射光脉冲、由光电传感 器感测的相应经反射光子及在电容器上积累的对应电压的实例的时序图。
[0012] 图4Α是展示根据本发明的教示在从光源发射的多个光脉冲来往于物体的每一往 返的飞行时间期间在电容器上积累的电压的实例的时序图。
[0013] 图4Β是展示根据本发明的教示在已于电容器上积累所测量电压之后将电容器复 位且接着将其再充电到所述电压以确定飞行时间信息的实例的时序图。
[0014] 图5Α是展示根据本发明的教示使用实例飞行时间感测系统对所发射光脉冲来往 于物体的飞行时间测量的分布的图式。
[0015] 图5Β图解说明展示根据本发明的教示在用以补偿未检测到的反射回的光子的实 例飞行时间感测系统中以第一及第二频率发射的光脉冲的飞行时间测量的分布的图式。
[0016] 图6图解说明展示根据本发明的教示用以确定来往于物体的所发射光脉冲的飞 行时间信息且补偿未检测到的经反射光子的处理步骤的实例流程图。
[0017] 图7是展示根据本发明的教示包含具有对应读出电路、控制电路及功能逻辑的飞 行时间像素阵列的实例飞行时间感测系统的一部分的框图。
[0018] 在图式的所有数个视图中，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将 了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为了 有助于改进对本发明的各种实施例的理解，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其 它元件放大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的 元件以便促进对本发明的这各种实施例的较不受阻挡的观察。
【具体实施方式】
[0019] 本发明揭示用于使用3D飞行时间传感器获取飞行时间及深度信息的方法及设 备。在以下描述中，陈述众多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，相关领域的技 术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述特定细节中的一或多者的情况下实 践或者可借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，未详细展示或描述众所周知 的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
[0020] 在本说明书通篇中对"一个实施例"或"一实施例"的提及意指结合所述实施例所 描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中 各个地方短语"在一个实施例中"或"在一实施例中"的出现未必全部指代同一实施例。此 外，在一或多个实施例中，可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
[0021] 在本说明书通篇中，使用数个技术术语。这些术语应理解为其在所属的领域中的 普通含义，除非本文中另外具体界定或其使用的上下文将另外清晰地暗示。举例来说，术语 "或"在包含性意义上使用（例如，如同"及/或"），除非上下文另外清晰地指示。
[0022] 如将展示，揭示包含飞行时间像素单元的飞行时间感测系统的实例。在各种实例 中，借助在读出之间的多个飞行时间测量对根据本发明的教示的飞行时间像素单元进行过 取样，这减少飞行时间感测系统中的噪声及抖动的不期望效应。例如，在一个实例中，可针 对每一读出积累并接着按比例调整数百、数千或更多测量，这提供增加的总体分辨率且使 得容易区分仅具有轻微深度差的物体成为可能。此外，在各种实例中，根据本发明的教示， 还可使用以提供具有不同范围的测量的变化的频率发射的光脉冲进行多个飞行时间测量， 这使得能够补偿由未被实例飞行时间感测系统的光电传感器检测到的经反射光子产生的 飞行时间测量的不准确度。
[0023] 为图解说明，图1是展示根据本发明的教示的飞行时间感测系统100的一个实例 的框图。如所展示，飞行时间感测系统100包含发射光脉冲（其在图1中图解说明为所发 射光104)的光源102。在所图解说明的实例中，光源102为可调整频率光源，使得可以不同 频率发射所发射光104的脉冲。如所展示，所发射光104被引导到物体106。在一个实例 中，所发射光104包含红外（IR)光脉冲。应了解，在其它实例中，根据本发明的教示，所发 射光104可具有除红外之外的波长，例如，可见光、近红外光等。所发射光104接着从物体 106被反射回，在图1中其被展示为经反射回的光108。如所