CN105374832B - 用于飞行时间3d图像传感器的预充电经锁存像素单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于飞行时间3D图像传感器的预充电锁存像素单元。一种像素单元包含锁存器，所述锁存器具有输入端子及输出端子。所述锁存器经耦合以响应于所述输入端子在所述输出端子处提供经锁存输出信号。第一预充电电路经耦合以在所述像素单元的复位期间将所述锁存器的所述输入端子预充电到第一电平。单光子雪崩光电二极管SPAD经耦合以响应于检测到入射在所述SPAD上的光子而将SPAD信号提供到所述锁存器的所述输入端子。

Description

用于飞行时间3D图像传感器的预充电经锁存像素单元
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
随着三维(3D)应用的普及性在例如成像、电影、游戏、计算机、用户接口及类似物等的应用中继续增长，对3D相机的兴趣在增加。产生3D图像的典型无源方式为使用多个相机捕获立体图像或多个图像。使用立体图像，可将所述图像中的物体分成三角形以产生3D图像。此三角测量(triangulation)技术的一个缺点为难以使用小装置产生3D图像，这是因为在每一相机之间必须存在最小分隔距离以便产生三维图像。此外，此技术是复杂的且因此需要显著的计算机处理能力以便实时产生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有源深度成像系统。飞行时间系统通常采用：光源，其将光引导于物体处；传感器，其引导从所述物体反射的光；以及处理单元，其基于光行进到物体并从所述物体返回的往返时间来计算到所述物体的距离。在典型的飞行时间传感器中，由于从光检测区域到感测节点的高转移效率而经常使用光电二极管。
获取3D图像的持续挑战为，所要求的处理必须非常迅速地发生以便使3D图像获取系统解析时差。在实时应用需要此短响应时间的情况下，3D图像传感器中的总瞬时电流可能非常高，这是因为3D传感器中的所有像素可在实质上相同的时间检测光。非常高的瞬时电流可在非常短的时间量中出现且因此引起噪声及电力线上的电压降，这将对3D传感器上的所有像素的工作状态具有不利影响。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种像素单元，其包括：锁存器，其具有输入端子及输出端子，其中所述锁存器经耦合以响应于所述输入端子在所述输出端子处提供经锁存输出信号；第一预充电电路，其经耦合以在所述像素单元的复位期间将所述锁存器的所述输入端子预充电到第一电平；及单光子雪崩光电二极管(SPAD)，其经耦合以响应于检测到入射在所述SPAD上的光子而将SPAD信号提供到所述锁存器的所述输入端子。
本发明的另一实施例涉及一种飞行时间感测系统，其包括：光源，其用于将光脉冲发射到物体；飞行时间像素阵列，其具有多个像素单元，其中所述像素单元中的每一者包括：锁存器，其具有输入端子及输出端子，其中所述锁存器经耦合以响应于所述输入端子在所述输出端子处提供经锁存输出信号；第一预充电电路，其经耦合以在所述像素单元的复位期间将所述锁存器的所述输入端子预充电到第一电平；及单光子雪崩光电二极管(SPAD)，其经耦合以响应于检测到从所述物体反射的光子而将SPAD信号提供到所述锁存器的所述输入端子；及控制电路，其耦合到所述光源及所述飞行时间像素阵列以使所述光脉冲的所述发射的定时与感测到从所述物体反射的所述光子同步。
附图说明
参考以下图式描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中除非另有指示否则相同参考数字在各种视图中指代相同部件。
图1为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为说明根据本发明的教示的飞行时间像素单元的一个实例的示意图。
图3为说明根据本发明的教示的飞行时间像素单元的另一实例的示意图。
图4为说明根据本发明的教示的飞行时间像素单元的又另一实例的示意图。
图5为说明根据本发明的教示的飞行时间像素单元的又另一实例的示意图。
图6为展示根据本发明的教示的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。
对应的参考字符贯穿图式的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是出于简化及清楚目的而说明且不一定是按比例绘制。举例来说，图中的元件中的一些的尺寸可能相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在可商用实施例中有用且有必要的常见而容易理解的元件以促进对本发明的这些各种实施例的较不受妨碍的检视。
具体实施方式
本文中揭示用于使用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，陈述许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，本文中描述的技术可在没有所述具体细节中的一或多者的情况下实践或以其它方法、组件或材料等等实践。在其它情况中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实施例”或“一实施例”的参考表示结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实例中”或“在一实施例中”在贯穿本说明书的各种地方的出现不一定全都指代同一实施例。此外，在一或多个实例中，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合。
贯穿本说明书使用若干技术术语。这些术语具有其所来自的技术领域中的其一般含义，除非本文中明确定义或其使用的上下文另外清楚指示。举例来说，术语“或”以包含性意义(例如，如以“及/或”)使用，除非上下文另外清楚指示。
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，根据本发明的教示的飞行时间像素单元包含预充电电路，每当像素单元在检测光子之前复位时，所述预充电电路给像素单元预充电。实例像素单元还包含锁存器，所述锁存器锁存由发生在包含在像素单元中的单光子雪崩二极管(SPAD)中的雪崩事件引起的电压摆动。根据本发明的教示，通过在每一复位处给像素单元预充电，包含在像素单元中的SPAD的电力消耗将被限于每一像素单元的预充电量，这因此减少了像素单元的总电力消耗。此外，根据本发明的教示，在雪崩事件发生于每一像素单元中之前的每一复位之后将预充电电路解除激活，这因此隔离非常高的瞬时电流而使其无法影响电力线，且因此减少噪声及电力线上的电压降，且因此减少与传感器上的其它像素单元的串扰。
为进行说明，图1为展示根据的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包含光源102，光源102发射光脉冲，所述光脉冲在图1中说明为经发射光104。如所展示，经发射光104被引导到物体106。在一个实例中，经发射光104包含红外(IR)光的脉冲。应了解，在其它实例中，根据本发明的教示，经发射光104可具有不同于红外线的波长，例如可见光、近红外光等等。接着，经发射光104被从物体106反射回，其在图1中展示为往回反射光108。如所描绘的实例中所展示，从物体106引导经反射光108通过透镜110且接着将经反射光108聚焦到飞行时间像素阵列112上，飞行时间像素阵列112在图1中还标记为3D传感器。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。在一个实例中，根据本发明的教示，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，同步信号114使经发射光104的脉冲与控制飞行时间像素阵列112中的多个像素单元的对应信号同步，所述多个像素单元感测经反射光108。
在图1中描绘的实例中，应注意，飞行时间像素阵列112定位成与透镜110相距焦距flens。如实例中所展示，光源102及透镜110定位成与物体相距距离L。应了解，当然，图1不一定是按比例说明且在一个实例中，焦距flens实质上小于透镜110与物体106之间的距离L。因此，应了解，出于本发明的目的，根据本发明的教示，距离L与距离L+焦距flens是实质上相等的以用于飞行时间测量目的。此外，还应了解，出于本发明的目的，根据本发明的教示，光源102与物体106之间的距离及物体106与透镜110之间的距离两者也实质上等于L以用于飞行时间测量目的。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返回到透镜110的距离L等于往返距离D(或2×L)。
在所描绘的实例中，存在在发射经发射光104的光脉冲与在经反射光108中接收到所述光脉冲之间的TOF的延迟时间，所述TOF的延迟时间由光脉冲从光源102行进距离L到达物体106花费的时间量及接着对应反射光脉冲108从物体106返回而行进距离L到达像素阵列112花费的额外时间引起。经发射光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之间之间往返的飞行时间。一旦飞行时间TOF已知，即可使用以下方程1及2中的以下关系确定从光源102到物体106的距离L：
其中c为光的速度，其约等于3x 108m/s，且TOF为光脉冲如图1中所展示般行进到物体并从物体返回花费的时间量。
图2为说明根据本发明的教示的飞行时间像素单元218的一个实例的示意图。应了解，像素单元218可为包含在(例如)图1的飞行时间像素阵列112中的多个像素单元中的一者的一个实例且因此下文参考的类似命名和编号的元件类似于如上文描述般耦合及起作用。如所描绘的实例中所展示，像素单元218包含光传感器238，光传感器238耦合到像素支持电路250。在一个实例中，光传感器238为安置在像素裸片252中的单光子雪崩二极管(SPAD)且像素支持电路250为安置在专用集成电路(ASIC)裸片254上的电路。在实例中，SPAD 238的阳极耦合到接地且SPAD 238的阴极通过电容性耦合240 AC耦合到锁存器220的输入端子222。在一个实例中，像素裸片252及ASIC裸片254在堆叠芯片方案中耦合在一起且经实施。
在一个实例中，像素单元218的像素支持电路250包含锁存器220，锁存器220具有输入端子222及输出端子224。如将论述，锁存器220经耦合以响应于输入端子222在输出端子224处提供经锁存输出信号。像素单元218的像素支持电路250还包含第一预充电电路226，第一预充电电路226经耦合以在像素单元218的复位期间将锁存器220的输入端子222预充电到第一电平。举例来说，在所说明的实例中，第一预充电电路226包含第一预充电开关228，第一预充电开关228耦合到提供3伏特的电力线230。在操作中，根据本发明的教示，第一预充电电路226经耦合以响应于复位(RESET)信号将输入端子222预充电到3伏特，所述RESET信号在像素单元218检测到光子之前的像素单元218的每一复位操作期间激活。在所述实例中，在复位操作完成且输入端子222已被预充电到第一电平(例如，3伏特)之后，将RESET信号解除激活，这将第一预充电开关228解除激活且使电力线230与输入端子222解除耦合及隔离。应注意，根据本发明的教示，在复位操作之后，输出端子224经初始化以具有(例如)0伏特的经锁存输出信号值，这是因为在输入端子222通过预充电电路226初始化到3伏特的情况下开关232断开、开关234接通且反馈开关236断开。
继续图2中描绘的实例，根据本发明的教示，SPAD 238接着经耦合以响应于雪崩事件将SPAD信号提供到输入端子222，所述雪崩事件响应于入射在SPAD 238上的经反射光脉冲208中检测到光子而在SPAD 238中发生。为进行说明，像素支持电路250包含电容性耦合240，电容性耦合240耦合在SPAD 238与输入端子222之间以将SPAD 238 AC耦合到输入端子222。当SPAD 238在经反射光脉冲208中检测到光子时，在SPAD 238中发生雪崩事件，这通过由电容性耦合240提供的AC耦合将输入端子222处的电压从预充电电平(例如，从3伏特)降低到较低电压(例如，0伏特)。在输入端子222处的电压处于0伏特的情况下，接着接通开关232，且断开开关234，这因此将输出端子224处的电压从0伏特的初始复位值改变到3伏特。根据本发明的教示，在输出端子224处于3伏特的情况下，接着接通反馈开关236，这因此通过反馈开关236将输入端子222锁存到零伏特(如所展示)，这因此将输出信号224锁存在3伏特。
在图2中描绘的实例中，应了解，根据本发明的教示，像素电路218还可包含第二预充电电路242，第二预充电电路242经耦合以将SPAD 238预充电到电力线244，电力线244在像素单元218的复位期间提供第二电平(例如，20伏特)。在一个实例中，第二预充电电路242也安置在ASIC裸片254中。如所述实例中所展示，根据本发明的教示，第二预充电电路242可包含第二预充电开关246以在像素单元218的复位期间将SPAD 238耦合到来自电力线244的第二电压(例如，20伏特)。应理解，在使用电容性耦合240提供AC耦合的情况下，电力线244及电力线230可在电容性耦合240的两侧上提供不同电压，如所展示。
在所述实例中，根据本发明的教示，在像素单元218的复位之后，使SPAD 238与来自电力线244的第二电压(例如，20伏特)解除耦合。在所描绘的实例中，像素单元218还可包含像素中电容器248，像素中电容器248耦合到SPAD 238且耦合到第二预充电电路242，如所展示。因而，根据本发明的教示，第二预充电电路242因此进一步经耦合以在像素单元218的复位期间将像素中电容器248预充电到第二电平(例如，20伏特)。
因此，应了解，根据本发明的教示，在SPAD 238在像素单元218的复位之后与电力线244及电力线230解除耦合的情况下，由SPAD 238消耗的电量被限于像素单元218中的预充电电量。因此，应了解，像素单元218的总电力消耗被减少，这是因为预充电电路226及预充电电路242在雪崩事件发生于SPAD 238中之前的每一复位之后被解除激活。根据本发明的教示，SPAD 238的隔离隔离了在雪崩事件期间发生于SPAD 238中的非常高的瞬时电流使其无法影响电力线230及电力线244，且因此减少噪声及电力线230及电力线244上的电压降，且因此减少与传感器上的其它像素单元的串扰。
图3为说明根据的本发明的教示的飞行时间像素单元318的另一实例的示意图。应了解，图3的像素单元318可为(例如)包含在图1的飞行时间像素阵列112中的多个像素单元中的一者的一个实例。还应注意，图3的像素单元318还与图2的像素单元218共享一些类似性，且下文参考的类似命名及编号的元件因此类似于如上文描述般耦合及起作用。举例来说，如所描绘的实例中所展示，像素单元318包含光传感器338，光传感器338耦合到像素支持电路350。在所述实例中，光传感器338为安置在像素裸片352中的SPAD且像素支持电路350为安置在ASIC裸片354上的电路。在所述实例中，像素裸片352及ASIC裸片354在堆叠芯片方案中耦合在一起且经实施。
在图3中描绘的实例中，像素单元318的像素支持电路350包含锁存器320，锁存器320具有输入端子322及输出端子324。像素单元318的像素支持电路350还包含第一预充电电路326，第一预充电电路326经耦合以在像素单元318的复位期间将锁存器320的输入端子322预充电到第一电平。第一预充电电路326包含第一预充电开关328，第一预充电开关328耦合到提供3伏特的电力线330。在操作中，根据本发明的教示，第一预充电电路326经耦合以响应于RESET信号将输入端子322预充电到3伏特，所述RESET信号在像素单元318检测到光子之前的像素单元318的每一复位操作期间激活。在所述实例中，在复位操作完成且输入端子322已被预充电到第一电平(例如，3伏特)之后，将RESET信号解除激活，这将第一预充电开关328解除激活且使电力线330与输入端子322解除耦合及隔离。应注意，根据本发明的教示，在复位操作之后，输出端子324经初始化以具有(例如)0伏特的锁存输出信号值，这是因为在输入端子322通过预充电电路326初始化到3伏特的情况下开关332断开、开关334接通且反馈开关336断开。
继续图3中描绘的实例，根据本发明的教示，SPAD 338接着经耦合以响应于雪崩事件将SPAD信号提供到输入端子322，所述雪崩事件响应于在入射在SPAD 338上的经反射光脉冲308中检测到光子而在SPAD 338中发生。在所述实例中，SPAD 338的阳极耦合到-20伏特且SPAD 338的阴极耦合到锁存器320的输入端子322。当SPAD 338在经反射光脉冲308中检测到光子时，在SPAD 338中发生雪崩事件，这将输入端子322处的电压从预充电电平(例如，从3伏特)降低到低电压。在输入端子322处的电压处在低电压的情况下，接着接通开关332，且断开开关334，这因此将输出端子324处的电压从0伏特的初始化复位值改变到3伏特。根据本发明的教示，在输出端子324处在3伏特的情况下，接着接通反馈开关336，这因此通过反馈开关336将输入端子322锁存到0伏特(如所展示)，这因此将输出信号324锁存在3伏特。
应了解，根据本发明的教示，在SPAD 338在像素单元318的复位之后与电力线330解除耦合的情况下，由SPAD 338消耗的电量被限于像素单元318中的预充电电量。因此，应理解，像素单元318的总电力消耗被减少，这是因为预充电电路326在雪崩事件发生于SPAD338中之前的每一复位之后被解除激活。根据本发明的教示，SPAD 338的隔离隔离了在雪崩事件期间发生于SPAD 338中的非常高的瞬时电流使其无法影响电力线330，且因此减少噪声及电力线330上的电压降，且因此减少与传感器上的其它像素单元的串扰。
图4为说明根据本发明的教示的飞行时间像素单元418的又另一实例的示意图。应了解，图4的像素单元418可为(例如)包含在图1的飞行时间像素阵列112中的多个像素单元中的一者的一个实例。还应注意，图4的像素单元418还与图3的像素单元318共享若干类似性，且因此下文参考的类似命名和编号的元件类似于如上文描述般耦合及起作用。举例来说，如所描绘的实例中所展示，像素单元418包含光传感器438，光传感器438耦合到像素支持电路450。在所述实例中，光传感器438为安置在像素裸片452中的SPAD且像素支持电路450为安置在ASIC裸片454上的电路。在所述实例中，像素裸片452及ASIC裸片454耦合在一起且以堆叠芯片方案来实施。
在图4中描绘的实例中，像素单元418的像素支持电路450包含锁存器420，锁存器420具有输入端子422及输出端子424。像素单元418的像素支持电路450还包含第一预充电电路426，第一预充电电路426经耦合以在像素单元418的复位期间将锁存器420的输入端子422预充电到第一电平。第一预充电电路426包含第一预充电开关428，第一预充电开关428耦合到提供0伏特的电力线430。在操作中，根据本发明的教示，第一预充电电路426经耦合以响应于RESET信号将输入端子422预充电到0伏特，所述RESET信号在像素单元418的每一复位操作期间于像素单元418检测到光子之前被激活。在所述实例中，在复位操作完成且输入端子422已被预充电到第一电平(例如，0伏特)之后，将RESET信号解除激活，这将第一预充电开关428解除激活且使电力线430与输入端子422解除耦合及隔离。应注意，根据本发明的教示，在复位操作之后，输出端子424经初始化以具有(例如)3伏特的锁存输出信号值，这是因为在输入端子422通过预充电电路426初始化到0伏特的情况下开关432接通、开关434断开且反馈开关436断开。
继续图4中描绘的实例，根据本发明的教示，SPAD 438接着经耦合以响应于雪崩事件将SPAD信号提供到输入端子422，所述雪崩事件响应于在入射在SPAD 438上的经反射光脉冲408中检测到光子而在SPAD 438中发生。在所述实例中，SPAD 438的阴极耦合到20伏特且SPAD 438的阳极耦合到锁存器420的输入端子422。当SPAD 438在经反射光脉冲408中检测到光子时，在SPAD 438中发生雪崩事件，这在图4中说明的实例中将输入端子422处的电压从预充电电平(例如，从0伏特)增加到较高电压。在输入端子422处的电压处在较高电压的情况下，接着断开开关432，且接通开关434，这因此将输出端子424处的电压从3伏特的初始化复位值改变到0伏特。根据本发明的教示，在输出端子424处在0伏特的情况下，接着接通反馈开关436，这因此通过反馈开关436将输入端子422锁存到3伏特(如所展示)，这因此将输出信号424锁存在0伏特。
应了解，根据本发明的教示，在SPAD 438在像素单元418的复位之后与电力线430解除耦合的情况下，由SPAD 438消耗的电量被限于像素单元418中的预充电电量。因此，应理解，像素单元418的总电力消耗被减少，这是因为预充电电路426在雪崩事件发生于SPAD438中之前的每一复位之后被解除激活。根据本发明的教示，SPAD 438的隔离隔离了在雪崩事件期间发生于SPAD 438中的非常高的瞬时电流使其无法影响电力线430，且因此减少噪声及电力线430上的电压降，且因此减少与传感器上的其它像素单元的串扰。
图5为说明根据本发明的教示的飞行时间像素单元518的又另一实例的示意图。应了解，图5的像素单元518可为(例如)包含在图1的飞行时间像素阵列112中的多个像素单元中的一者的一个实例。还应注意，图5的像素单元518还与图2的像素单元218共享一些类似性，且因此下文参考的类似命名和编号的元件类似于如上文描述般耦合及起作用。举例来说，如所描绘的实例中所展示，像素单元518包含光传感器538，光传感器538耦合到像素支持电路550。在所述实例中，光传感器538为安置在像素裸片552中的SPAD且像素支持电路550为安置在ASIC裸片554上的电路。在所述实例中，SPAD 538的阳极耦合到-20伏特且SPAD538的阴极通过电容性耦合540 AC耦合到锁存器520的输入端子522。在所述实例中，像素裸片552及ASIC裸片554在堆叠芯片方案中耦合在一起且经实施。
在一个实例中，像素单元518的像素支持电路550包含锁存器520，锁存器520具有输入端子522及输出端子524。锁存器520经耦合以响应于输入端子522在输出端子524处提供经锁存输出信号。像素单元518的像素支持电路550还包含第一预充电电路526，第一预充电电路526经耦合以在像素单元518的复位期间将锁存器520的输入端子522预充电到第一电平。举例来说，在所说明的实例中，第一预充电电路526包含第一预充电开关528，第一预充电开关528耦合到提供1.2伏特的电力线530。在操作中，根据本发明的教示，第一预充电电路526经耦合以响应于RESET信号将输入端子522预充电到1.2伏特，所述RESET信号在像素单元518检测到光子之前的像素单元518的每一复位操作期间激活。在所述实例中，在复位操作完成且输入端子522已被预充电到第一电平(例如，1.2伏特)之后，将RESET信号解除激活，这将第一预充电开关528解除激活且使电力线530与输入端子522解除耦合及隔离。应注意，根据本发明的教示，在复位操作之后，输出端子524经初始化以具有(例如)0伏特的经锁存输出信号值，这是因为在输入端子522通过预充电电路526初始化到1.2伏特的情况下开关532断开、开关534接通且反馈开关536断开。
继续图5中描绘的实例，根据本发明的教示，SPAD 538接着经耦合以响应于雪崩事件将SPAD信号提供到输入端子522，所述雪崩事件响应于在入射在SPAD 538上的经反射光脉冲508中检测到光子而在SPAD 538中发生。为进行说明，像素支持电路550包含电容性耦合540，电容性耦合540耦合在SPAD 538与输入端子522之间以将SPAD 538AC耦合到输入端子522。当SPAD 538在经反射光脉冲508中检测到光子时，在SPAD 538中发生雪崩事件，这通过由电容性耦合540提供的AC耦合将输入端子522处的电压从预充电电平(例如，从1.2伏特)降低到较低电压。在输入端子522处的电压处在较低电压的情况下，接着接通开关532，且断开开关534，这因此将输出端子524处的电压从0伏特的初始化复位值改变到1.2伏特。根据本发明的教示，在输出端子524处在1.2伏特的情况下，接着接通反馈开关536，这因此通过反馈开关536将输入端子522锁存到零伏特(如所展示)，这因此将输出信号524锁存在1.2伏特。
在图5中描绘的实例中，应了解，像素单元518还可包含第二预充电电路542，第二预充电电路542经耦合以将SPAD 538预充电到第二电平或(替代地)第三电平。在一个实例中，第二预充电电路542也安置在ASIC裸片554中。在图5中描绘的实例中，第二预充电电路542包含开关546A，开关546A可将SPAD 538的阴极耦合到电力线544A以响应于RESETA信号将SPAD 538预充电到(例如)3伏特，如所展示。在所描绘的实例中，第二预充电电路542还可包含开关546B，开关546B可替代地将SPAD 538的阴极耦合到电力线544B以响应于RESETB信号将SPAD 538预充电到(例如)0伏特，如所展示。应了解，在使用电容性耦合540提供AC耦合的情况下，电力线544A或544B及电力线530可在电容性耦合540的两侧上提供不同电压，如所展示。在所述实例中，根据本发明的教示，在像素单元518的复位之后将RESETA及RESETB信号解除激活以使SPAD 538的阴极与电力线544A或电力线544B解除耦合。
因此，应了解，根据本发明的教示，在SPAD 538在像素单元518的复位之后与电力线544A、电力线544B及电力线530解除耦合的情况下，由SPAD 538消耗的电量被限于像素单元518中的预充电电量。因此，应理解，像素单元518的总电力消耗被减少，这是因为预充电电路526及预充电电路542在雪崩事件发生于SPAD 538中之前的每一复位之后被解除激活。根据本发明的教示，SPAD 538的隔离隔离了在雪崩事件期间发生于SPAD 538中的非常高的瞬时电流使其无法影响电力线530、电力线544A及电力线544B，且因此减少噪声及电力线530、电力线544A及544B上的电压降，且因此减少与传感器上的其它像素单元的串扰。
图6为展示根据本发明的教示的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600的一部分的框图。如所展示，根据本发明的教示，所说明的飞行时间感测系统600的实例包含飞行时间像素阵列612、读出电路601、功能逻辑605、控制电路616及光源602以感测到物体606的往返距离。
在图6中说明的实例中，像素阵列612为飞行时间像素单元(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到5中论述的飞行时间像素中的一者，且因此下文参考的类似命名和编号的元件类似于如上文描述般耦合及起作用。如所说明，每一像素单元布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取聚焦到像素阵列612上的图像物体606的飞行时间信息。因此，根据本发明的教示，接着可使用飞行时间信息来确定到物体606的距离或深度信息。
在一个实例中，控制电路616使用同步信号614控制且同步光源602以将光脉冲604发射到物体606。如所展示，接着可将经反射回的光脉冲608反射回到像素阵列612。在一个实例中，像素阵列612中的像素单元感测来自经反射回的光脉冲608的光子，且接着如上文论述响应于发生在包含在像素阵列612中的像素单元中的SPAD中的雪崩事件的对应经锁存输出信号由读出电路601通过位线603读出，如所展示。在一个实例中，读出电路601可包含放大器以放大通过位线603接收的信号。在一个实例中，根据本发明的教示，接着可将由读出电路601读出的信息传送到包含在功能逻辑605中的数字电路。在一个实例中，功能逻辑605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且/或甚至操纵飞行时间信息(例如，剪裁、旋转、调整背景噪声或类似者)。在一个实例中，读出电路601可沿着位线603一次读出一整行的飞行时间信息(已说明)，或在另一实例中可使用各种其它技术(未说明)(例如同时串行读出或完全并行读出所有像素)来读出飞行时间信息。在所说明的实例中，控制电路616进一步耦合到像素阵列612以控制像素阵列612的操作并且使像素阵列612的操作与光源602同步。
在一个实例中，应注意，图6中说明的飞行时间感测系统600可在堆叠芯片方案中实施。举例来说，在一个实例中，根据本发明的教示，像素阵列612可包含在像素裸片中，而读出电路601、功能逻辑605及控制电路616(如图6中所说明)可包含在单独ASIC裸片中。在所述实例中，根据本发明的教示，在制造期间将像素裸片及ASIC裸片堆叠且耦合在一起以实施飞行时间感测系统。
对本发明的所说明的实施例的以上描述(包含说明书摘要中描述的内容)不希望是详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然出于说明目的在本文中描述了本发明的特定实施例及实例，但如所属领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可能进行各种修改。
可依据以上详细描述对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于说明书中揭示的特定实施例。更确切地，本发明的范围应完全由应根据权利要求解释的公认准则加以解释的所附权利要求书确定。

Claims (16)

1.一种像素单元，其包括：
锁存器，其具有输入端子及输出端子，其中所述锁存器经耦合以响应于所述输入端子在所述输出端子处提供经锁存输出信号；
第一预充电电路，其经耦合以在所述像素单元的复位期间将所述锁存器的所述输入端子预充电到第一电平；及
单光子雪崩光电二极管SPAD，其经耦合以响应于检测到入射在所述SPAD上的光子而将SPAD信号提供到所述锁存器的所述输入端子。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括电容性耦合，所述电容性耦合耦合在所述锁存器的所述输入端子与所述SPAD之间以将所述SPAD交流耦合到所述锁存器的所述输入端子。
3.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述第一预充电电路包括第一预充电开关以在所述像素单元的所述复位期间将所述锁存器的所述输入端子耦合到第一电压，其中所述锁存器的所述输入端子在所述像素单元的所述复位之后与所述第一电压解除耦合。
4.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括第二预充电电路，所述第二预充电电路经耦合以在所述像素单元的所述复位期间将所述SPAD预充电到第二电平。
5.根据权利要求4所述的像素单元，其中所述第二预充电电路包括第二预充电开关以在所述像素单元的所述复位期间将所述SPAD耦合到第二电压，其中所述SPAD在所述像素单元的所述复位之后与所述第二电压解除耦合。
6.根据权利要求4所述的像素单元，其进一步包括像素中电容器，所述像素中电容器耦合到所述SPAD且耦合到所述第二预充电电路，其中所述第二预充电电路经进一步耦合以在所述像素单元的所述复位期间将所述像素中电容器预充电到所述第二电平。
7.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述锁存器及所述第一预充电电路包含在像素支持电路中，其中所述SPAD包含在第一裸片中且其中所述像素支持电路包含在第二裸片中，其中所述第一裸片及第二裸片堆叠且耦合在一起。
8.一种飞行时间感测系统，其包括：
光源，其用于将光脉冲发射到物体；
飞行时间像素阵列，其具有多个像素单元，其中所述像素单元中的每一者包括：
锁存器，其具有输入端子及输出端子，其中所述锁存器经耦合以响应于所述输入端子在所述输出端子处提供经锁存输出信号；
第一预充电电路，其经耦合以在所述像素单元的复位期间将所述锁存器的所述输入端子预充电到第一电平；及
单光子雪崩光电二极管SPAD，其经耦合以响应于检测到从所述物体反射的光子而将SPAD信号提供到所述锁存器的所述输入端子；及
控制电路，其耦合到所述光源及所述飞行时间像素阵列以使所述光脉冲的所述发射的定时与感测到从所述物体反射的所述光子同步。
9.根据权利要求8所述的飞行时间感测系统，其中所述像素单元中的每一者进一步包括电容性耦合，所述电容性耦合耦合在所述锁存器的所述输入端子与所述SPAD之间以将所述SPAD交流耦合到所述锁存器的所述输入端子。
10.根据权利要求8所述的飞行时间感测系统，其中所述第一预充电电路包括第一预充电开关以在所述像素单元的所述复位期间将所述锁存器的所述输入端子耦合到第一电压，其中所述锁存器的所述输入端子在所述像素单元的所述复位之后与所述第一电压解除耦合。
11.根据权利要求8所述的飞行时间感测系统，其中所述像素单元中的每一者进一步包括第二预充电电路，所述第二预充电电路经耦合以在所述像素单元的所述复位期间将所述SPAD预充电到第二电平。
12.根据权利要求11所述的飞行时间感测系统，其中所述第二预充电电路包括第二预充电开关以在所述像素单元的所述复位期间将所述SPAD耦合到第二电压，其中所述SPAD在所述像素单元的所述复位之后与所述第二电压解除耦合。
13.根据权利要求11所述的飞行时间感测系统，其中所述像素单元中的每一者进一步包括像素中电容器，所述像素中电容器耦合到所述SPAD且耦合到所述第二预充电电路，其中所述第二预充电电路经进一步耦合以在所述像素单元的所述复位期间将所述像素中电容器预充电到所述第二电平。
14.根据权利要求8所述的飞行时间感测系统，其中所述锁存器及所述第一预充电电路包含在像素支持电路中，其中所述SPAD包含在第一裸片中且其中所述像素支持电路包含在第二裸片中，其中所述第一裸片及第二裸片堆叠且耦合在一起。
15.根据权利要求8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从所述飞行时间像素阵列读出像素数据。
16.根据权利要求15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读出电路以存储及处理从所述飞行时间像素阵列读出的所述像素数据。
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