CN105319559A - 飞行时间感测单元及飞行时间感测系统 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及一种飞行时间感测单元及一种飞行时间感测系统。一种飞行时间像素单元包含用以感测从物体反射的光子的光电传感器。包含充电控制逻辑的像素支持电路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，且经耦合以接收表示何时从光源发射光脉冲的时序信号。可控电流源经耦合以从所述充电控制逻辑接收飞行时间信号以在从所述光源发射光脉冲时提供充电电流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。电容器经耦合以接收所述充电电流，且所述电容器上的电压表示到所述物体的往返距离。复位电路经耦合以在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。

Description

飞行时间感测单元及飞行时间感测系统

技术领域

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

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。

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。

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0.1ns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

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。

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。

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(n)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

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。

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。

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。

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。

图4A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。

图4B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。

图5A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。

图5B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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。如所展示，经反射光108从物体106被引导穿过透镜110且接着聚焦到飞行时间像素阵列112上。在一个实例中，飞行时间像素阵列112包含布置成二维阵列的多个飞行时间像素单元。如将论述，在一个实例中，根据本发明的教示，同步信号114由耦合到飞行时间像素阵列112的控制电路116产生，同步信号114使所发射光104的脉冲与控制飞行时间像素阵列112中感测经反射光108的多个像素单元的对应信号同步。

在图1中所描绘的实例中，应注意，飞行时间像素阵列112定位于距透镜110焦距f_lens处。如在所述实例中所展示，光源102及透镜110定位于距物体距离L处。当然，应了解，图1并非按比例图解说明，且在一个实例中，焦距f_lens实质上小于透镜110与物体106之间的距离L。因此，应了解，根据本发明的教示，出于本发明的目的，距离L及距离L+焦距f_lens出于飞行时间测量的目的而为实质上相等的。另外，还应了解，根据本发明的教示，出于本发明的目的，光源102与物体106之间的距离及物体106与透镜110之间的距离两者出于飞行时间测量的目的也实质上等于L。因此，光源102与物体106之间的距离(及/或物体106与透镜110之间的距离)等于往返距离(例如，D)的一半，所述往返距离因此等于2×L。换句话说，根据本发明的教示，假设从光源102到物体106的距离L加上从物体106回到透镜110的距离L等于往返距离D(或2×L)。

在所描绘的实例中，在所发射光104的光脉冲的发射与经反射光108中的所述光脉冲的接收之间存在延迟时间TOF，其由光脉冲从光源102到物体106行进距离L花费的时间量及接着对应经反射光脉冲108从物体106回到像素阵列112行进距离L花费的额外时间导致。所发射光104与经反射光108之间的时间差TOF表示光脉冲在光源102与物体106之间往返的飞行时间。一旦知晓飞行时间TOF，便可使用以下方程式1及2中的如下关系来确定从光源102到物体106的距离L：

$L=\frac{T_{\mathrm{TOF}}\×c}{2}---\left(2\right)$

其中c为光速，其大致等于3×10⁸m/s，且TOF是光脉冲来往于物体行进花费的时间量，如图1中所展示。

图2是图解说明根据本发明的教示的飞行时间像素218的一个实例的示意图。应了解，像素218可为(举例来说)图1的飞行时间像素阵列112中所包含的多个像素中的一者的一个实例，且因此下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及发挥作用。如在所描绘的实例中所展示，像素218包含光电传感器220及像素支持电路249。像素支持电路249包含充电控制逻辑222、可控电流源226、电容器232、复位电路234、输出开关242、行选择开关243及放大器238。光电传感器220感测经反射光208的光子，其是从物体(例如，图1的物体106)反射的。在一个实例中，光电传感器220可包含单光子雪崩二极管(SPAD)，如图2中所展示。

在所述实例中，像素218还包含充电控制逻辑222，其耦合到光电传感器220以检测光电传感器220何时感测到从物体反射的经反射光208的光子。根据本发明的教示，充电控制逻辑222进一步经耦合以接收时序信号224，在所述实例中，时序信号224可表示何时从光源102向物体106发射光脉冲104及因此使得像素218能够与光源102同步。

如在所描绘的实例中所展示，可控电流源226经耦合以响应于经耦合而从充电控制逻辑222接收的飞行时间信号230提供充电电流I_CHARGE228。在所述实例中，根据本发明的教示，飞行时间信号230由充电控制逻辑222产生，且表示光脉冲104中的每一者从光源102发射直到光电传感器220感测到从物体106反射的经反射光208的光子中的相应一者的往返行进的飞行时间。

在所述实例中，图解说明为(举例来说)电容器232的能量存储装置经耦合以响应于飞行时间信号230而从可控电流源226接收充电电流I_CHARGE228。在一个实例中，根据本发明的教示，可控电流源226经耦合以在从光源102发射每一光脉冲104之后向电容器232提供充电电流I_CHARGE228直到光电传感器220感测到从物体106反射的经反射光208的光子中的相应一者。因此，根据本发明的教示，在电容器232上积累的电压V表示到物体106的往返距离D。在一个实例中，根据本发明的教示，复位电路234耦合到电容器232以在可控电流源226响应于飞行时间信号230将电容器232充电多(n)次之后响应于复位电容器信号236而使电容器232上的经积累电压V复位。

如在所述实例中所展示，像素218还包含放大器238，放大器238通过输出开关242耦合到电容器232以在可控电流源226响应于飞行时间信号230将所述电容器充电多(n)次之后读出在电容器232上积累的电压V。在所述实例中，根据本发明的教示，复位电路234经耦合以在电容器232上的电压V已被读出之后使在电容器232上积累的电压V复位。在一个实例中，放大器238为如所展示的源极跟随器耦合晶体管，且输出开关242耦合于电容器232与放大器238的晶体管的栅极之间。在一个实例中，根据本发明的教示，像素218还包含耦合于放大器238的输出与位线240之间的行选择开关243，可通过位线240读出像素218的输出。

如在图2中所描绘的实例中所展示，可控电流源226包含充电与再充电路径244，通过充电与再充电路径244传导充电电流I_CHARGE228以将电容器232充电。在一个实例中，通过充电与再充电路径244的充电电流I_CHARGE228为切换式电流路径使得在不将电容器232充电时无充电电流I_CHARGE228流动。在另一实例中，可控电流源226包含替代任选电流路径246，在不将电容器232充电时，通过替代任选电流路径246传导充电电流I_CHARGE228。例如，在一个实例中，根据本发明的教示，在光电传感器220检测到光子时，充电电流I_CHARGE228从充电与再充电路径244转向到任选电流路径246，直到从光源102发射下一光脉冲104。应了解，根据本发明的教示，在其中包含任选电流路径246的实例中，充电电流I_CHARGE228消耗在像素218中为恒定的，而不论电容器232是否被充电。

如在图2中所描绘的实例中所图解说明，应注意，可以堆叠式芯片方案来实施像素218。例如，如在所述实例中所展示，根据本发明的教示，光电传感器220可包含于像素裸片248中，而图2中所图解说明的像素218的像素支持电路249可包含于单独专用集成电路(ASIC)裸片250中。在所述实例中，根据本发明的教示，像素裸片248与ASIC裸片250在制作期间堆叠及耦合在一起以实施飞行时间感测系统。

图3是展示根据本发明的教示在实例飞行时间像素中来自可调整频率光源302的所发射光脉冲、由3D传感器320感测的相应经反射光子及在电容器332上积累的对应电压的实例的时序图。应了解，可调整频率光源302可(举例来说)与图1的可调整频率光源102对应，3D传感器320可(举例来说)与图2的光电传感器220对应，在电容器332上积累的对应电压可(举例来说)与在图2的电容器232中积累的电压V对应，且因此下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及发挥作用。如在所述实例中所展示，在时间t1处及在时间t3处发射光脉冲。在所述实例中，在时间t1与时间t3处的光脉冲发射之间的周期等于T，其也等于1/从光源102发射的光脉冲的频率。因此，当然，应了解，如果光脉冲的发射的频率增加，那么时间t1与时间t3之间的时间周期T减小。

图3中所描绘的实例还图解说明3D传感器320在时间t2及时间t4处检测到从物体106反射回的光子。因此，根据本发明的教示，所发射光脉冲104在光源102与光电传感器220之间来回行进往返距离D的飞行时间TOF等于时间t1与t2之间的时间及/或t3与t4之间的时间，如图3中所图解说明。

根据本发明的教示，图3中的实例还图解说明在从光源102发射光脉冲104时电容器232被充电，直到经反射回的光208中的经反射光子由传感器220检测到。根据本发明的教示，在传感器220检测到经反射光子之后，电容器232直到从光源102发射下一光脉冲104才被充电。因此，根据本发明的教示，电容器332上的电压在光脉冲在时间t1与时间t2之间及在时间t3与时间t4之间的飞行时间TOF期间积累，且在图3中，在时间t2与时间t3之间及在时间t4之后，电容器332上不存在额外电压的积累，如所展示。

图4A是展示根据本发明的教示在从光源发射的光脉冲来往于物体的每一往返的飞行时间期间在电容器432上积累或过取样的电压的实例的时序图。在一个实例中，最初在时间t₀处将电容器设定为已知电压，例如，零伏。在所述实例中，从光源102发射光104的多(n)个脉冲，使得电容器232上的电荷在来自光源102的光脉冲中的每一者到达物体106及回到传感器220的飞行时间的持续时间内被积累n次。根据本发明的教示，在电容器232已被充电或过取样n次之后，接着在时间t_m处读出所述电容器。

在图4A中所展示的实例中，为了比较，展示两个不同飞行时间测量的曲线图。特定来说，曲线图448针对较接近于光电传感器220的物体展示电容器432上在n次充电内的电压的实例，且曲线图450针对较远离光电传感器220的物体展示电容器432上在n次充电内的电压的实例。如在所述实例中所展示，由于电容器432上的电压是在n次充电内积累的，因此电容器432上的电压大到足以由飞行时间感测系统以充足信噪比读出。例如，在所描绘的实例中，针对曲线图448在n次充电后读出所测量电压V_meas1，且针对曲线图450在n次充电后读取所测量电压V_meas2。另外，根据本发明的教示，图4A中所描绘的实例展示在被读出时，曲线图448及曲线图450的电压测量V_meas1与V_meas2之间的差大到足以区分曲线图448及曲线图450的物体之间的往返距离差。

在一个实例中，在如所展示于电容器上的n次充电之后读出飞行时间测量后，可接着按比例调整所述测量以考虑到过取样。例如，在一个实例中，假设在n次充电之后读出来自电容器的电压测量V_meas，可接着通过充电的数目n来按比例调整V_meas以产生每一飞行时间测量的平均值V_avg：

$V_{\mathrm{avg}}=\frac{V_{\mathrm{meas}}}{n}---\left(3\right)$

其中V_avg为平均测量，V_meas为在n次充电之后从电容器读出的测量，且n为针对所述读出对将电容器充电的次数。

根据本发明的教示，图4B是展示图4A中所展示的所积累的电压的实例的另一时序图，其中电容器432上的电压被复位且接着被再充电以确定曲线图448及450的飞行时间测量。特定来说，最初在时间t₀处将电容器复位到已知电压，例如，零伏。在所述实例中，针对曲线图448及450的n次飞行时间测量，电容器432上的电压被积累n次。在电容器已被充电n次之后，接着在时间t_m处读出电容器，如上文所论述。

根据本发明的教示，图4B中所描绘的实例还展示在接着于时间t_m处使电容器复位之后，接着将电容器再充电回到所测量电压V_meas1及V_meas2，此可经执行以帮助确定飞行时间信息。例如，如在所描绘的实例中所展示，电容器在时间t_x到t_y处开始被再充电以达到V_meas1且可进一步被充电以在时间t_z处达到V_meas2，如所展示。假设电容器被充电n次，可根据以下关系来确定曲线图448中的每一充电的平均飞行时间

t_y-t_x＝n×TOF₁(4)

其中TOF₁是与曲线图448中的每一充电相关联的平均飞行时间，且n是每读出的充电数目。类似地，可根据以下关系来确定曲线图450中的每一充电的平均飞行时间

t_z-t_x＝n×TOF₂(5)

其中TOF₂是与曲线图450中的每一充电相关联的平均飞行时间，且n是每读出的充电数目。应了解，根据本发明的教示，通过比较测量，还可确定曲线图448及450中的飞行时间的差t_z-t_y。

图5A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。特定来说，由于飞行时间感测系统中存在随机噪声及抖动，因此多个飞行时间测量结果将具有如图5A中所展示的分布。根据本发明的教示，在进行多个飞行时间测量的情况下，电容器对所有所测量结果求平均，且因此将分布中的峰值确定为平均结果，这考虑到飞行时间感测系统中的噪声、抖动或时钟。

返回简略参考图2，应注意，在理想情形中，在来自物体106的经反射光208中反射回的所有光子均将由光电传感器220检测。因此，一旦检测到经反射光208中的每一经反射回的光子，充电控制件222将因此控制可控电流源226不借助充电电流I_CHARGE228对电容器232进行充电。然而，较现实地，经反射光208中的经反射回的光子中的仅一些光子可由光电传感器220检测到。因此，经反射光208中的剩余经反射回的光子经过而未被检测，这因此致使充电电流I_CHARGE228错误地继续对电容器232进行充电直到针对所述循环最终达到最大时间。最大时间是基于所发射光脉冲104的周期或频率。

为图解说明，返回简略参考图3，反射回的光子应由如以3D传感器320展示的光电传感器220检测，这将关断电容器的充电，其(举例来说)展示为在时间t₂处或在时间t₄处。然而，如果在经反射光208中反射回的光子未由光电传感器220检测到，那么充电电流I_CHARGE228继续对电容器232进行充电直到接近可调整频率光源302的下一循环，此时从光源102发射下一光脉冲104。换句话说，如果在经反射光208中反射回的光子未由光电传感器220检测到，那么电容器232被错误地充电达可调整频率光源302的所述循环的最大时间。所述最大充电时间转变为可调整频率光源302的所述特定频率或周期T的最大范围。

图5B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。特定来说，图5B的顶部分布曲线图552图解说明在将可调整频率光源102设定为等于freq_a的频率的情况下进行的飞行时间测量的实例测量分布。如在所述实例中所展示，分布曲线图552中存在两个峰值。分布曲线图552的左手侧上的实例峰值554对应于到物体106的实际往返距离D，如实际上由光电传感器220检测到的反射回的光子的分数所指示。然而，分布曲线图552的右手侧上的实例峰值556对应于在频率freq_a下的最大范围MaxRange_A，其由未被光电传感器220检测到的反射回的光子的剩余分数产生。在所述实例中，MaxRange_A处的额外不期望的峰值556使飞行时间测量分布曲线图552失真，从而致使分布曲线图552的总体未补偿平均结果处于V_A558，如在图5B中所展示，其在分布曲线图552中从实际往返距离D向右移位。

假设由光电传感器220检测到的经反射回的光子的百分比可以光子检测概率(PDP)来表达，可以如下项来表达实际往返距离D处的峰值554：

PDP×D(6)

对应地，未由光电传感器220检测到的经反射回光子的剩余百分比等于(1-PDP)，且可因此以如下项来表示针对频率freq_a在MaxRange_A处的峰值556：

(1-PDP)×MaxRange_A(7)

最后，如上文所论述，将分布曲线图552的总体未补偿平均结果测量为V_A558，其是在仅检测到光子的分数PDP的情况下及在可调整光源的频率等于freq_a的情况下确定的。因此，可根据如下方程式8来表示图5B的顶部分布曲线图552：

PDP×D+(1-PDP)×MaxRange_A＝V_A(8)

为了在不知晓实际上由光电传感器220检测到的光子的实际百分比的情况下确定实际往返距离D，可假设可基于光源的频率而确定最大范围，且可测量总体未补偿平均结果V_A558。

记住这些假设，图5B展示根据本发明的教示在将可调整频率光源102设定为等于freq_b的不同频率的情况下进行的飞行时间测量分布曲线图560的另一实例测量分布。如在所述实例中所展示，在分布曲线图560中也存在两个峰值，包含在分布曲线图560的左手侧上的相同实例峰值554，其对应于到物体106的实际往返距离D，如由光电传感器220实际上检测到的经反射回光子的分数所指示。

然而，分布曲线图560的右手侧上的实例峰值562对应于频率freq_b下的最大范围MaxRange_B，其由光电传感器220未检测到的经反射回光子的剩余分数产生。在所述实例中，MaxRange_B处的额外不期望峰值562也使飞行时间测量分布失真，从而致使分布曲线图560的总体未补偿平均结果处于V_B564，如在图5B中所展示，其在分布曲线图560中从实际往返距离D向右移位。

在所描绘的实例中，假设在图5B的底部分布曲线图560中所解说明的频率freq_b大于在图5B的顶部分布曲线图552中所图解说明的频率freq_a。因此，图5B的底部分布曲线图560中的光脉冲的每一循环的时间周期T比图5B的分布曲线图552中的光脉冲的每一循环的时间周期T短，这导致MaxRange_B小于MaxRange_A，如图5B中所展示。还应了解，可根据以下方程式9来表示图5B的底部分布曲线图560：

PDP×D+(1-PDP)×MaxRange_B＝V_B(9)

借助上文的方程式8及方程式9，应了解，存在具有仅两个未知变量D及PDP的两个方程式。其它项V_A、V_B、MaxRange_A及MaxRange_B均为已知的，因为测量了V_A及V_B，且可根据相应频率freq_a及freq_b确定MaxRange_A及MaxRange_B。另外，根据本发明的教示，虽然PDP是未知变量，但可假设PDP至少不在使用两个不同频率(例如，freq_a及freq_b)对V_A及V_B的测量之间改变。

继续上文的方程式9，可如下在方程式的左手侧上隔离PDP：

PDP×D+MaxRange_B-PDP×MaxRange_B＝V_B，(10)

PDP×D-PDP×MaxRange_B＝V_B-MaxRange_B，(11)

PDP×(D-MaxRange_B)＝V_B-MaxRange_B，(12)

$\mathrm{PDP}=\frac{(V_B-\mathrm{MaxRang}{e}_B)}{(D-\mathrm{Max}{\mathrm{Range}}_B)}---\left(13\right)$

接下来，可借助方程式13将PDP代回到上文方程式8中：

$\frac{(V_B-\mathrm{MaxRang}{e}_B)}{(D-\mathrm{Max}{\mathrm{Range}}_B)}\×D+(1-\frac{(V_B-\mathrm{Max}{\mathrm{Range}}_B)}{(D-\mathrm{Max}{\mathrm{Range}}_B)})\×\mathrm{MaxR}{\mathrm{ange}}_A=V_A,---\left(14\right)$

最终，根据本发明的教示，可在上文方程式14中求解D以确定实际往返距离D。因此，根据本发明的教示，可补偿由未检测到的经反射光子的百分比(1-PDP)导致的测量分布的失真。

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668。如在过程框670处所展示，使像素单元电路中的电容器复位。在一个实例中，将电容器初始化为已知电压，例如，零伏。过程框672展示接着以第一频率(例如，freq_a)从光源向物体发射光脉冲。此时，过程框674展示充电接着在电容器上开始或(或重新开始)。在过程框676处，接着感测从物体反射回的光子。此时，过程框678展示中断电容器的充电。此过程针对来自光源的多(n)个光脉冲而继续。如此，决策框680确定是否已存在以第一频率发射的n个光脉冲。如果否，那么处理循环回到过程框672。如果是，那么处理继续到过程框682，其中测量在电容器上积累的第一电压(例如，V_A)。一旦测量第一电压，过程框684便展示接着使电容器上的电压复位以针对下一测量将其初始化。

处理继续到过程框686，其展示接着以第二频率(例如，freq_b)从光源向物体发射光脉冲。第二频率不同于第一频率。此时，过程框688展示充电接着在电容器上重新开始。在过程框690处，接着感测从物体反射回的光子。此时，过程框692展示中断电容器的充电。此过程针对来自光源的多(n)个光脉冲而继续。如此，决策框694确定是否已存在以第二频率发射的n个光脉冲。如果否，那么处理循环回到过程框686。如果是，那么处理继续到过程框696，其中测量在电容器上积累的第二电压(例如，V_B)。一旦测量第二电压，过程框698便展示通过使用第一电压(例如，V_A)、第二电压(例如，V_B)、处于第一频率(例如，freq_a)的光脉冲的最大范围(例如，MaxRange_A)及处于第二频率(例如，freq_b)的光脉冲的最大范围(例如，MaxRange_B)来补偿未检测到的经反射光子。在一个实例中，根据本发明的教示，可使用如上文所论述的方程式8及9来补偿未检测到的反射回的光子。

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700的一部分的框图。如所展示，根据本发明的教示，飞行时间感测系统700的所图解说明实例包含飞行时间像素阵列712、读出电路701、时间计数器703、功能逻辑705、控制电路716及用以感测到物体706的往返距离的可调整频率光源702。

在图7中所图解说明的实例中，像素阵列712为飞行时间像素(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。在一个实例中，飞行时间像素P1、P2、…、Pn中的每一者可实质上类似于上文在图2中所论述的飞行时间像素中的一者，且因此下文所提及的类似命名及编号的元件类似于如上文所描述而耦合及发挥作用。如所图解说明，每一像素被布置到一行(例如，行R1到Ry)及一列(例如，列C1到Cx)中以获取聚焦到像素阵列712上的图像物体706的飞行时间信息。因此，根据本发明的教示，可接着使用所述飞行时间信息来确定到物体706的距离或深度信息。

在一个实例中，控制电路716控制可调整频率光源702并使其与同步信号714同步以向物体706发射光脉冲714。如所展示，接着将经反射回的光脉冲708反射回到像素阵列712。在一个实例中，像素阵列712中的像素感测来自经反射回的光脉冲708的光子，且响应于来自像素阵列712中的像素中所包含的相应电容器的所测量电压的对应信号接着由读出电路701通过位线740读出，如所展示。在一个实例中，读出电路701可包含用以进一步放大通过位线740接收的信号的放大器。在一个实例中，可接着将由读出电路701读出的信息传送到时间计数器703，在一个实例中，时间计数器703可用于保持追踪关于从读出电路701接收的飞行时间信息的时间信息。在一个实例中，根据本发明的教示，时间计数器701可接着将信息输出到功能逻辑705中所包含的数字电路。在一个实例中，功能逻辑705可确定每一像素的飞行时间及距离信息。在一个实例中，功能逻辑还可存储飞行时间信息及/或甚至操纵飞行时间信息(例如，剪裁、旋转、调整背景噪声等等)。在一个实例中，读出电路701可沿着位线740一次读出一整行飞行时间信息(所图解说明)或在另一实例中可使用多种其它技术(未图解说明)读出所述飞行时间信息，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。

在所图解说明的实例中，控制电路716进一步耦合到像素阵列712以控制像素阵列712的操作以及使像素阵列712的操作与可调整频率光源702同步。举例来说，根据本发明的教示，控制电路716可产生经耦合而由图2中所展示的充电控制逻辑222以及输出开关242及行选择开关243接收以确定飞行时间信息的时序信号224。

在一个实例中，应注意，可以堆叠式芯片方案来实施图7中所图解说明的飞行时间感测系统700。例如，如在所述实例中所展示，根据本发明的教示，像素阵列712可包含于像素裸片中，而如图7中所图解说明的读出电路701、时间计数器703、功能逻辑705及控制电路716可包含于单独专用集成电路(ASIC)裸片中。在所述实例中，根据本发明的教示，像素裸片及ASIC裸片在制作期间堆叠及耦合在一起以实施飞行时间感测系统。

包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。

可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书中所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (31)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的飞行时间像素单元，其中所述像素支持电路进一步包括放大器，所述放大器耦合到所述电容器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所述多个次数之后读出所述电容器上的所述电压，其中所述复位电路经耦合以在所述电容器上的所述电压被读出之后使所述电容器上的所述电压复位。

3.根据权利要求2所述的飞行时间像素单元，其中所述电容器进一步经耦合以在复位之后被再充电到在所述电容器上读出的所述电压以确定飞行时间信息。

4.根据权利要求2所述的飞行时间像素单元，其中所述像素支持电路进一步包括耦合于所述电容器与所述放大器的栅极之间的输出开关。

5.根据权利要求2所述的飞行时间像素单元，其中所述像素支持电路进一步包括耦合于所述放大器的输出与位线之间的行选择开关。

6.根据权利要求1所述的飞行时间像素单元，其中所述可控电流源经耦合以在从所述光源发射每一光脉冲之后向所述电容器提供所述充电电流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所述相应一者。

7.根据权利要求6所述的飞行时间像素单元，其中所述可控电流源包含替代电流路径，所述替代电流路径用以在所述光电传感器感测到从所述物体反射的所述光子中的所述相应一者之后传导所述充电电流直到从所述光源发射下一光脉冲。

8.根据权利要求1所述的飞行时间像素单元，其中所述电容器上的被按比例调整所述可控电流源将所述电容器上的所述电压充电的所述多个次数的所述电压表示到所述物体的所述往返距离。

9.根据权利要求1所述的飞行时间像素单元，其中第一电压经耦合以从经耦合以由所述可控电流源响应于以第一频率从所述光源发射的光脉冲而将其充电的所述电容器读出，

其中第二电压经耦合以从经耦合以由所述可控电流源响应于以第二频率从所述光源发射的光脉冲而将其充电的所述电容器读出，且

其中到所述物体的经补偿往返距离是响应于所述第一电压、所述第二电压、以所述第一频率从所述光源发射的所述光脉冲的第一最大范围及以所述第二频率从所述光源发射的所述光脉冲的第二最大范围而确定的。

10.根据权利要求9所述的飞行时间像素单元，其中到所述物体的所述经补偿往返距离补偿未检测到的从所述物体反射的光子。

11.根据权利要求1所述的飞行时间像素单元，其中所述光电传感器包括单光子雪崩二极管SPAD。

12.根据权利要求1所述的飞行时间像素单元，其中所述光电传感器包含于第一裸片中，且其中所述像素支持电路包含于第二裸片中，其中所述第一裸片与第二裸片堆叠并耦合在一起。

13.一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。

14.根据权利要求13所述的飞行时间感测系统，其中所述飞行时间像素单元中的每一者进一步包括放大器，所述放大器耦合到所述电容器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所述多个次数之后读出所述电容器上的所述电压，其中所述复位电路经耦合以在所述电容器上的所述电压被读出之后使所述电容器上的所述电压复位。

15.根据权利要求14所述的飞行时间感测系统，其中所述电容器进一步经耦合以在复位之后被再充电到在所述电容器上读出的所述电压以确定飞行时间信息。

16.根据权利要求14所述的飞行时间感测系统，其中所述飞行时间像素单元中的每一者进一步包括耦合于所述电容器与所述放大器的栅极之间的输出开关。

17.根据权利要求14所述的飞行时间感测系统，其中所述飞行时间像素单元中的每一者进一步包括耦合于所述放大器的输出与位线之间的行选择开关。

18.根据权利要求17所述的飞行时间感测系统，其进一步包括读出电路，所述读出电路经耦合以通过所述位线从所述飞行时间像素单元中的每一者读出所述电压。

19.根据权利要求18所述的飞行时间感测系统，其进一步包括时间计数器，所述时间计数器耦合到所述读出电路以确定从所述光源发射的每一光脉冲的飞行时间信息，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所述相应一者。

20.根据权利要求19所述的飞行时间感测系统，其进一步包括功能逻辑，所述功能逻辑耦合到所述时间计数器以存储并处理从所述飞行时间像素阵列读出的飞行时间信息。

21.根据权利要求13所述的飞行时间感测系统，其中所述可控电流源经耦合以在从所述光源发射每一光脉冲之后向所述电容器提供所述充电电流，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所述相应一者。

22.根据权利要求13所述的飞行时间感测系统，其中所述可控电流源包含替代电流路径，所述替代电流路径用以在所述光电传感器感测到从所述物体反射的所述光子中的所述相应一者之后传导所述充电电流直到从所述光源发射下一光脉冲。

23.根据权利要求13所述的飞行时间感测系统，其中所述电容器上的被按比例调整所述可控电流源将所述电容器上的所述电压充电的所述多个次数的所述电压表示到所述物体的所述往返距离。

24.根据权利要求13所述的飞行时间感测系统，其中第一电压经耦合以从经耦合以由所述可控电流源响应于以第一频率从所述光源发射的光脉冲而将其充电的所述电容器读出，

其中第二电压经耦合以从经耦合以由所述可控电流源响应于以第二频率从所述光源发射的光脉冲而将其充电的所述电容器读出，且

其中到所述物体的经补偿往返距离是响应于所述第一电压、所述第二电压、以所述第一频率从所述光源发射的所述光脉冲的第一最大范围及以所述第二频率从所述光源发射的所述光脉冲的第二最大范围而确定的。

25.根据权利要求24所述的飞行时间感测系统，其中到所述物体的所述经补偿往返距离补偿未检测到的从所述物体反射的光子。

26.根据权利要求13所述的飞行时间感测系统，其中所述光电传感器包括单光子雪崩二极管SPAD。

27.一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(n)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。

28.根据权利要求27所述的确定到物体的往返距离的方法，其进一步包括将所述电容器上的所述第一所测量电压按比例调整将所述电容器充电的所述多(n)次。

29.根据权利要求27所述的确定到物体的往返距离的方法，其进一步包括使所述电容器复位并将所述电容器再充电到所述第一所测量电压以确定到所述物体的所述往返距离的飞行时间信息。

30.根据权利要求27所述的确定到物体的往返距离的方法，其进一步包括：

使所述电容器复位；

以第二频率从所述光源向所述物体发射光脉冲；

响应于以所述第二频率从所述光源发射的所述光脉冲而将所述电容器充电；

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；

在响应于以所述第二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(n)次之后测量所述电容器上的第二电压；以及

响应于所述电容器上的所述第一所测量电压、所述电容器上的所述第二所测量电压、以所述第二频率从所述光源发射的所述光脉冲的第一最大范围及以所述第二频率从所述光源发射的所述光脉冲的第二最大范围而确定到所述物体的经补偿往返距离。

31.根据权利要求30所述的确定到物体的往返距离的方法，其中所述确定到所述物体的所述经补偿往返距离包括补偿未检测到的从所述物体发射的光子。