CN109884663A - 时间分辨传感器，三维成像系统和分辨时间的方法 - Google Patents

时间分辨传感器，三维成像系统和分辨时间的方法 Download PDF

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Abstract

一种时间分辨传感器包括单光子雪崩二极管(SPAD)、逻辑电路及差分时间到电荷转换器(DTCC)电路。单光子雪崩二极管响应于光闸信号而基于探测到入射光子产生输出信号。逻辑电路产生第一使能信号及第二使能信号。差分时间到电荷转换器包括电容器器件、第一开关器件及第二开关器件以及输出电路。第一开关器件响应于第一使能信号来将电容器器件上的电荷转移到第一浮置扩散。第二开关器件响应于第二使能信号来将电容器器件上的剩余电荷转移到第二浮置扩散。输出电路输出第一电压及第二电压，第一电压是基于第一浮置扩散的第一电荷，第二电压是基于第二浮置扩散的第二电荷。也提供一种三维成像系统和一种分辨时间的方法。

Description

时间分辨传感器，三维成像系统和分辨时间的方法
[相关申请的交叉参考]
本专利申请主张在2017年12月6日提出申请的美国临时专利申请第62/595,508号的优先权，所述美国临时专利申请的公开内容全文并入本申请供参考。
技术领域
本文所公开的主题大体来说涉及一种用于范围测量的装置及方法，且更具体来说，涉及一种用于直接飞行时间(time-of-flight，TOF)范围测量的装置及方法。
背景技术
三维(three-dimensional，3D)成像系统越来越多地用于各种各样的应用，例如用于先进驾驶辅助系统(advanced driver-assistant system，ADAS)的高速三维成像系统以及用于自主导航的高速三维成像系统。现存的三维成像技术例如利用基于飞行时间的范围成像、立体视觉系统(stereo-vision system)和/或结构光技术(structured-lighttechnique)。
在TOF技术中，到三维物体的范围(或距离)可基于已知光速以及通过测量激光脉冲或光脉冲在相机与三维物体之间花费的往返时间来分辨。TOF相机可使用无扫描器(scannerless)方式来利用每一个激光脉冲或光脉冲拍摄整个场景。一些示例性TOF应用包括：先进汽车应用，例如用于跟踪人、物体或其他车辆的移动的基于实时距离图像的主动行人安全或预碰撞探测；与视频游戏机上的游戏之间的互动；以及用于对物体进行分类并帮助机器人找到例如传送带上的物品的工业机器视觉。如果在每一像素内部放置有时间-数字计数器(time-to-digital counter，TDC)，则使用单光子雪崩二极管(single-photonavalanche diode，SPAD)传感器的基于TOF的系统可具有低的空间分辨率、低的填充因数及高的功耗。此外，使用差分时间到电荷转换器(differential time-to-charge converter，DTCC)作为传感器的一部分可导致低的范围准确度。
立体成像系统或立体视觉系统使用彼此水平地错开的两个相机来获得场景的两个不同的视图或者场景中的三维物体的两个不同的视图。通过对这两个图像进行比较，可获得关于三维物体的相对深度信息。立体视觉在例如机器人学等领域中非常重要，以提取关于自主系统及机器人附近的三维物体的相对位置的信息。可使用机器人立体成像的其他应用包括物体识别，在所述物体识别中，立体深度信息使机器人系统能够将机器人可能原本无法区分为两个单独物体的遮掩图像分量分开。举例来说，如果两个物体中一个物体位于第二个物体前方而使得部分地或完整地隐藏第二个其他物体，则使用立体视觉的机器人可能无法将这两个物体区分开。三维立体显示器还用于娱乐及自动化系统。
结构光(structured-light，SL)技术通过使用投影光图案及成像相机来测量物体的三维形状。可将已知光图案(例如，网格、水平条或其他平行条纹图案)投影到场景或场景中的三维物体上，且当投影图案照射到三维物体的表面时，投影图案可变形或移位。这种变形可使SL视觉系统能够确定物体的深度及表面信息。也就是说，将窄的光带投影到三维表面上可产生照明线，所述照明线可能从与投影仪的视角不同的视角看起来发生了畸变。所述畸变可用于三维物体的被照明表面的几何重构。基于SL的三维成像技术可用于不同的应用，例如在三维场景中对指纹进行拍照、在生产过程期间对组件进行在线检验、以及用于医疗环境中以获得对人体体型或者人类皮肤微结构的实时测量。
发明内容
示例性实施例提供一种时间分辨传感器，所述时间分辨传感器可包括至少一个单光子雪崩二极管(SPAD)、逻辑电路及差分时间到电荷转换器(DTCC)电路。每一个单光子雪崩二极管可响应于现用光闸信号而基于探测到一个或多个光子入射在所述单光子雪崩二极管上来产生输出信号，其中所述一个或多个光子是从物体反射。所述逻辑电路可耦合到所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号。所述逻辑电路可产生第一使能信号及第二使能信号。所述第一使能信号可响应于所述现用光闸信号的开始而为现用且响应于所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号而为非现用。所述第二使能信号可响应于所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号而为在现用中且可响应于所述现用光闸信号的结束而为非现用。所述差分时间到电荷转换器电路可耦合到所述第一使能信号及所述第二使能信号。所述差分时间到电荷转换器电路可包括电容器、第一开关器件、第二开关器件及输出电路。所述电容器器件可具有第一端子及第二端子，其中所述第二端子可耦合到地电压。所述第一开关器件可具有第一端子、第二端子及第三端子，其中所述第一开关器件的所述第一端子可耦合到所述电容器器件的所述第一端子，所述第一开关器件的所述第二端子可耦合到第一浮置扩散，且所述第一开关器件的所述第三端子可耦合到所述第一使能信号。所述第一开关器件可响应于所述第一使能信号来将所述电容器器件上的第一电荷转移到所述第一浮置扩散。所述第二开关器件可具有第一端子、第二端子及第三端子，其中所述第二开关器件的所述第一端子可耦合到所述电容器器件的所述第一端子，所述第二开关器件的所述第二端子可耦合到第二浮置扩散，且所述第二开关器件的所述第三端子可耦合到所述第二使能信号。所述第二开关器件可响应于所述第二使能信号来将所述电容器器件上的剩余电荷转移到所述第二浮置扩散。所述输出电路可输出第一电压及第二电压，所述第一电压是基于所述第一浮置扩散的所述第一电荷，所述第二电压是基于所述第二浮置扩散上的所述剩余电荷。所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的和的第一比率可与所述一个或多个所探测光子的飞行时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的第二比率可与所述一个或多个所探测光子的所述飞行时间成比例。
另一个示例性实施例提供一种三维(3D)成像系统，所述三维成像系统可包括单光子雪崩二极管的阵列、至少一个逻辑电路及至少一个时间分辨传感器。每一个单光子雪崩二极管可响应于现用光闸信号而基于探测到一个或多个光子入射在所述单光子雪崩二极管上来产生输出信号，其中所述一个或多个光子是从物体反射。每一个逻辑电路可耦合到至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号且可产生第一使能信号及第二使能信号。所述第一使能信号可响应于所述现用光闸信号的开始而为现用且可响应于所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号而为非现用。所述第二使能信号可响应于所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号而为在现用中且可响应于所述现用光闸信号的结束而为非现用。每一个时间分辨传感器可包括差分时间到电荷转换器电路，所述差分时间到电荷转换器电路可耦合到对应逻辑电路的所述第一使能信号及所述第二使能信号。所述差分时间到电荷转换器电路可包括电容器器件、第一开关器件、第二开关器件及输出电路。所述电容器器件可具有第一端子及第二端子，其中所述第二端子耦合到地电压。所述第一开关器件可具有第一端子、第二端子及第三端子，其中所述第一开关器件的所述第一端子可耦合到所述电容器器件的所述第一端子，所述第一开关器件的所述第二端子可耦合到第一浮置扩散，且所述第一开关器件的所述第三端子可耦合到所述第一使能信号。所述第一开关器件可响应于所述第一使能信号来将所述电容器器件上的第一电荷转移到所述第一浮置扩散。所述第二开关器件可具有第一端子、第二端子及第三端子，其中所述第二开关器件的所述第一端子可耦合到所述电容器器件的所述第一端子，所述第二开关器件的所述第二端子可耦合到第二浮置扩散，且所述第二开关器件的所述第三端子可耦合到所述第二使能信号。所述第二开关器件可响应于所述第二使能信号来将所述电容器器件上的剩余电荷转移到所述第二浮置扩散。所述输出电路可输出第一电压及第二电压，所述第一电压是基于所述第一浮置扩散上的所述第一电荷，所述第二电压是基于所述第二浮置扩散上的所述剩余电荷。所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的和的第一比率可与所述一个或多个光子的飞行时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的第二比率可与所述一个或多个光子的所述飞行时间成比例。
再一个示例性实施例提供一种分辨时间的方法，所述方法可包括：产生现用光闸信号；在至少一个单光子雪崩二极管处探测在所述现用光闸信号期间入射在所述至少一个单光子雪崩二极管上的一个或多个光子，所述一个或多个光子是从物体反射；基于所述一个或多个光子产生输出信号；基于所述输出信号产生第一使能信号及第二使能信号，所述第一使能信号响应于所述现用光闸信号的开始而为现用且响应于所述输出信号而为非现用，且所述第二使能信号响应于所述输出信号而为现用且响应于所述现用光闸信号的结束而为非现用；如果所述第一使能信号为现用，则将电容器器件上的电荷转移到第一浮置扩散以在所述第一浮置扩散上形成第一电荷；如果所述第二使能信号为现用，则将所述电容器器件上的剩余电荷转移到第二浮置扩散以在所述第二浮置扩散上形成第二电荷；以及输出第一电压及第二电压，所述第一电压是基于所述第一电荷，所述第二电压是基于所述第二电荷，所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的和的第一比率与所述一个或多个光子的飞行时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的第二比率与所述一个或多个光子的所述飞行时间成比例。
附图说明
在以下部分中，将参照各图中所示的示例性实施例来阐述本文所公开的主题的各个方面，在各图中：
图1示出根据本文所公开主题的四晶体管钉扎光电二极管(pinned photodiode，PPD)像素单元的示例性实施例的示意图。
图2示出根据本文所公开主题的图1所示PPD像素单元的示例性信号时序图。
图3示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器的示例性实施例的方块图。
图4示出根据本文所公开主题的图3所示时间分辨传感器的SPAD电路的示例性实施例的示意图。
图5示出根据本文所公开主题的图3所示时间分辨传感器的逻辑电路的示例性实施例的示意图。
图6示出根据本文所公开主题的图3所示时间分辨传感器的PPD电路的示例性实施例的示意图。
图7示出根据本文所公开主题的图3所示时间分辨传感器的示例性相对信号时序图。
图8示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器的另一个示例性实施例的方块图。
图9示出根据本文所公开主题的图8所示时间分辨传感器的第二PPD电路的示例性实施例的示意图。
图10示出根据本文所公开主题的图8所示时间分辨传感器的示例性相对信号时序图。
图11示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器的再一个示例性实施例的方块图。
图12示出根据本文所公开主题的图11所示时间分辨传感器的示例性相对信号时序图。
图13示出根据本文所公开主题的使用图11所示时间分辨传感器来分辨时间的方法的流程图。
[符号的说明]
100：四晶体管PPD像素单元/PPD像素单元；
101、601、901：PPD(钉扎光电二极管)；
103、151、603、903：第一晶体管；
105、153、605、905：第二晶体管；
107、155、607、907：第三晶体管；
109、157、609、909：第四晶体管；
111a～111n、403：SPAD(单光子雪崩二极管)；
113a～113n、401：电阻器；
115a～115n、405：电容器；
117a～117n、407：p型MOSFET；
119a～119n、409：缓冲器；
159、611、911：第五晶体管；
161、913：第六晶体管；
163、915：第七晶体管；
165、917：第八晶体管；
167、919：第九晶体管；
169：第十晶体管；
171：第十一晶体管；
173：第十二晶体管；
175：第十三晶体管；
200、700、1000、1200：相对信号时序图；
300、800、1100：时间分辨传感器；
301、801、1101a～1101n：SPAD电路；
303、803、1103：逻辑电路；
305：PPD电路；
501：锁存器；
503：双输入或门；
805：第二PPD电路；
1105：第三PPD电路；
1300：方法；
1301、1302、1303、1304、1305、1306、1307、1308、1309：步骤；
DE：探测事件/信号/输出；
FD：浮置扩散节点/节点；
FD1：第一浮置扩散节点/节点；
FD2：第二浮置扩散节点/节点；
GND：地电势；
PIXA、PIXB：像素输出线/输出线；
PIXOUT：像素输出数据线；
PIXOUT1、PIXOUT2：信号/输出/数据线；
RST、SEL、SHUTTER、TX、TXA、TXB、TXRMD：信号；
SC：电容器器件；
Tdly：延迟时间；
Tsh：电子光闸时间；
Ttof：飞行时间；
TXEN：信号/输出/第一使能信号；
TXENB：信号/第二使能信号；
VDD：电压；
VPIX：电压/信号；
VSPAD：电压；
VTX：电压/信号/驱动信号。
具体实施方式
在以下详细说明中，阐述许多具体细节来提供对公开内容的透彻理解。然而，所属领域中的技术人员应理解，无需这些具体细节也可实践所公开的各个方面。在其他情形中，未详细阐述众所周知的方法、流程、组件及电路，以免使本文所公开的主题模糊不清。
本说明书通篇中所提及的“一个实施例(one embodiment)”或“实施例(anembodiment)”意指结合所述实施例所阐述的特定特征、结构或特性可包括在本文所公开的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中各处出现的短语“在一个实施例中(in oneembodiment)”或“在实施例中(in an embodiment)”或者“根据一个实施例(according toone embodiment)”(或具有相似含义的其他短语)可能未必均指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可采用任何适合的方式进行组合。就此而言，本文所用的词“示例性(exemplary)”意指“用作实例、例子或例示”。本文被阐述为“示例性”的任何实施例不应被视为与其他实施例相比必定是优选的或有利的。另外，根据本文中的论述的上下文而定，单数用语可包括对应的复数形式且复数用语可包括对应的单数形式。还应注意，本文中所示及所论述的各个图(包括组件图)仅是出于例示目的，而并非按比例示出。相似地，示出各种波形及时序图仅是用于例示目的。举例来说，为清晰起见，可相对于其他元件夸大元件中的一些元件的尺寸。另外，在适当情况下，在各个图中重复使用参考编号来指示对应的元件和/或类似元件。
本文所用术语仅是用于阐述特定示例性实施例的目的，而非旨在限制所主张的主题。除非上下文另外清楚地指明，否则本文所用单数形式“一(a、an)”及“所述(the)”旨在也包括复数形式。还应理解，当在本说明书中使用用语“包括(comprises和/或comprising)”时，是指明所陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。本文所用用语“第一(first)”、“第二(second)”等被用作位于所述用语后面的名词的标签，且除非明确定义，否则所述用语并不隐含着任何类型的次序(例如，空间、时间、逻辑等)。此外，在两个或更多个图中可使用相同的参考编号来指代具有相同或相似的功能的部件、组件、区块、电路、单元或模块。然而，这种用法仅是为了使例示简洁且易于论述起见；所述用法并不隐含着这种组件或单元的构造细节或架构细节在所有实施例中是相同的或者这些通常提及的部件/模块是实施本文中所公开特定实施例的教示内容的唯一方式。
除非另外定义，否则本文所用所有用语(包括技术及科学用语)的含义均与本主题所属领域中的一般技术人员所通常理解的含义相同。还应理解，用语(例如在常用词典中所定义的用语)应被解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，且除非在本文中明确定义，否则不应将其解释为具有理想化或过于正式的意义。
本文所公开主题的一个示例性实施例可用于在恶劣状况(例如但不限于，光线暗、天气差或者周围光线强)下为驾驶员提供改善的视觉，且通过在飞行时间系统的像素中对单光子雪崩二极管(SPAD)电路、逻辑电路及钉扎光电二极管(PPD)电路进行组合来提供对自主导航系统的性能改善。这种系统可提供基于受控电荷转移、光子计数以及单端到差分时间到电荷转换(single-ended-to-differential time-to charge conversion)的范围测量。在一个实施例中，PPD电路可包括多于一个传输门(transfer gate)及多于一个存储节点。
在一个实施例中，本文所公开的主题提供一种不会表现出范围测量误差的时间分辨传感器，所述范围测量误差可由VTX信号的斜率变化造成或者可由时间分辨传感器中各个像素之间PPD的电容变化造成。
图1示出根据本文所公开主题的四晶体管PPD像素单元100的示例性实施例的示意图。四晶体管PPD像素单元100可包括PPD 101、第一晶体管103、第二晶体管105、第三晶体管107及第四晶体管109。PPD 101可包括与地电势(ground potential)连接的阳极、以及阴极。PPD 101可以与电容器相似的方式存储电荷。在一个实施例中，PPD 101可被覆盖以使得PPD 101不会对光作出响应，且可用作时间到电荷转换器而非感光元件。
第一晶体管103可包括第一源极/漏极(source/drain，S/D)端子、栅极端子以及第二源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子连接到PPD 101的阴极、所述栅极端子可接收TX信号以转移来自PPD 101的电荷，来自PPD 101的电荷可转移到第二源极/漏极端子。在一个实施例中，可转移的电荷可为电子。在另一个示例性实施例中，可使用其中所转移的电荷可为空穴的具有不同设计的PPD。
第二晶体管105可包括第一源极/漏极端子、栅极端子及第二源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子用于接收像素的VPIX电压，所述栅极端子连接到第一晶体管103的第二源极/漏极端子。第二晶体管105的栅极端子与第一晶体管103的第二源极/漏极端子之间的导电路径可为浮置扩散节点FD。第二晶体管105可运行来将存储在FD节点上的电荷转换成第二晶体管105的第二源极/漏极端子处的电压。
可从PPD 101转移到FD节点的电荷可由TX信号调制。在一个实施例中，可施加VTX信号来作为TX信号，其中VTX信号可具有斜坡形状以将PPD 101上的电荷越来越多地转移到FD节点。从PPD 101转移到FD节点的电荷量可为VTX信号的电压电平的函数，且VTX电压的斜坡变化(ramping)可为时间的函数。因此，从PPD 101转移到FD节点的电荷也可为时间的函数。如果在电荷从PPD 101转移到FD节点期间，第一晶体管103响应于例如探测到传入光子而关断，则电荷从PPD 101到FD节点的转移停止。转移到FD节点的电荷越多会导致FD节点上的电压降低越大以及PPD 101上的对应的电压增大越大。转移到FD节点的电荷量以及在PPD101上剩余的电荷量二者可均为传入光子的TOF的函数。基于VTX信号以及探测到传入光子而进行的电荷从PPD 101到FD节点的转移可被视为电荷到时间的单端到差分转换。
第三晶体管107可包括第一源极/漏极端子、栅极端子及第二源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子用于接收像素的VPIX电压，所述栅极端子用于接收RST信号以对FD节点的电荷电平进行复位，所述第二源极/漏极端子连接到FD节点以及第一晶体管103的第二源极/漏极端子。
第四晶体管109可包括第一源极/漏极端子、栅极端子及第二源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子连接到第二晶体管105的第二源极/漏极端子，所述栅极端子用于接收SEL信号，所述第二源极/漏极端子连接到像素输出数据线PIXOUT。SEL信号用于选择像素来读出与已被转移到FD节点的电荷对应的电压作为PIXOUT1信号或者随后读出PIXOUT2信号，PIXOUT2信号是与在已将PPD 101中的剩余电荷转移到FD节点之后在PPD 101中剩余的电荷对应的电压。在一个实施例中，PIXOUT1信号对PIXOUT1信号加上PIXOUT2信号的和的比率与由像素接收的光信号的TOF和延迟时间之间的差成比例。也就是说，
方程式(1)中所表达的比率可用于确定物体的深度或范围，且如果PIXOUT1+PIXOUT2不因测量而异，则所述比率对于各个测量之间的变化可能不太敏感。
在一个实施例中，第一晶体管103、第二晶体管105、第三晶体管107及第四晶体管109可分别为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(n型MOSFET)或p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(p型MOSFET)中的一者。然而，本文所公开实施例并非仅限于使用n型MOSFET或p型MOSFET，这是因为可使用任何其他适合的晶体管。
图2示出根据本文所公开主题的图1中所示PPD像素单元100的示例性相对信号时序图200。在图2中，VPIX信号可在开始时为低逻辑电压(逻辑0或0V)以将PPD像素单元100初始化且随后在PPD像素单元100的操作期间可切换到高逻辑电压(逻辑1或3V)。RST信号可从逻辑0变成逻辑1且在PPD像素单元100的初始化期间返回到逻辑0以将FD节点中的电荷设定成0库仑(Coulomb)，且将PPD 101中的电荷设定成满阱容量(full-well capacity)(尽管在图1中未示出用于设定PPD 101中的电荷的电路)。
在范围测量操作期间，SHUTTER信号变为现用高且VTX信号开始斜升。SHUTTER信号可变为现用高的时间可对应于PPD像素单元100接收已从物体反射的光子(光子探测事件)的最小测量范围。
在初始化之后，PPD 101开始完全充电(图2中的“PPD中的电荷(Charge in PPD)”信号)且随着VTX信号从0V向上线性斜升，PPD 101上的电荷转移到FD节点。当发生光子探测事件时，SHUTTER信号变为非现用且在TX信号处施加到第一晶体管103的VTX信号变为非现用。(应注意，SHUTTER信号及VTX信号还可在与TOF感测器的最大范围对应的时间处变为非现用)。已从PPD 101转移到FD节点的电荷量是已施加到第一晶体管103的栅极的VTX信号的多长时间的函数。从PPD 101转移到FD节点的电子越多，FD节点上的电压便变得越低，如由图2中的“FD上的电荷(Charge on the FD)”信号所表示。
在一个实施例中，VTX信号可理想地为线性的，且可理想地在TOF像素阵列的所有不同像素中为均匀的。然而，实际上，可被施加到TOF像素阵列的不同像素的VTX信号可因像素到像素而异，从而在范围测量中引入误差，所述误差取决于基于像素到像素的VTX信号的变化且还可因测量到测量的基础而异。
图3示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器300的示例性实施例的方块图。时间分辨传感器300可包括SPAD电路301、逻辑电路303及PPD电路305。
SPAD电路301可包括SPAD、第一输入、第二输入、第三输入及输出，SPAD用于探测光子，所述第一输入用于接收VSPAD电压，所述第二输入用于接收SHUTTER信号以控制电子光闸的打开及关闭，所述第三输入用于接收VDD电压，所述输出用于输出探测事件信号DE。响应于接收到光子，SPAD电路301输出脉冲信号，所述脉冲信号从VSPAD电压快速变为低于SPAD击穿电压的电压且接着更缓慢地返回到VSPAD电压。
逻辑电路303可包括第一输入、第二输入及输出，所述第一输入连接到从SPAD电路301输出的DE信号，所述第二输入用于接收TXRMD信号以将在PPD电路305的PPD中剩余的电荷完全转移到FD节点，所述输出用于输出TXEN信号。
PPD电路305可包括第一输入、第二输入、第三输入、第四输入、第五输入及PIXOUT输出，所述第一输入连接到从逻辑电路303输出的TXEN信号，所述第二输入接收VTX信号以将电荷部分地或完全地从PPD电路305的PPD转移到PPD电路305中的FD节点，所述第三输入接收RST信号以对FD节点中的电荷进行复位以及对PPD中的电荷进行预先设定，所述第四输入接收PPD电路305的VPIX电压，所述第五输入接收SEL信号以使得能够读出PIXOUT1信号(表示FD节点上的电荷)或PIXOUT2信号(表示PPD中剩余的电荷)，所述PIXOUT输出响应于SEL信号而输出PIXOUT1信号及PIXOUT2信号。
图4示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器300的SPAD电路301的示例性实施例的示意图。在一个实施例中，SPAD电路301可包括电阻器401、SPAD 403、电容器405、p型MOSFET 407及缓冲器409。电阻器401可包括第一端子及第二端子，第一端子接收VSPAD电压。SPAD 403可包括阳极及阴极，所述阳极与地电势连接，所述阴极与电阻器401的第二端子连接。在另一个实施例中，电阻器401与SPAD 403可交换位置。SPAD 403可对光作出响应。响应于接收到光子，SPAD 403输出脉冲信号，所述脉冲信号从VSPAD电压快速变为低于击穿电压且接着更缓慢地返回到VSPAD电压。在一个实例中，击穿电压可为特定阈值电压。
电容器405可包括第一端子及第二端子，第一端子连接到SPAD 403的阴极。在替代实施例中，可省略电容器405。p型MOSFET 407可包括第一源极/漏极端子、栅极及第二源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子连接到电容器405的第二端子，所述栅极用于接收SHUTTER信号，所述第二源极/漏极端子用于接收VPIX电压(VDD)。缓冲器409可包括输入及输出，所述输入连接到电容器405的第二端子，所述输出用于输出DE信号。DE信号可对应于SPAD电路301的DE输出。在替代实施例中，缓冲器409可为反相器。
图5示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器300的逻辑电路303的示例性实施例的示意图。逻辑电路303可包括锁存器501及双输入或门503。
锁存器501可包括输入及输出，所述输入连接到从SPAD电路301输出的DE信号。响应于DE信号，锁存器输出例如从逻辑1变为逻辑0且保持处于逻辑0的逻辑信号。换句话说，锁存器501将脉冲型信号转换成从逻辑1变为逻辑0且在复位之前保持处于逻辑0而不会返回到逻辑1的信号。锁存器输出可被DE信号的前沿触发，其中前沿可根据SPAD电路301的设计而为正向或负向。
双输入或门503可包括第一输入、第二输入及输出，所述第一输入连接到锁存器501的输出，所述第二输入接收TXRMD信号，所述输出用于输出TXEN信号。双输入或门503执行逻辑或函数且输出结果作为TXEN信号。具体来说，如果光子是在SHUTTER为逻辑1时由SPAD电路301接收到或者如果TXRMD信号是逻辑1，则双输入或门503的输出变为逻辑1，这是在PPD电路305的PPD中剩余电荷将完全转移到FD节点以被读出为PIXOUT2信号时发生。
图6示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器300的PPD电路305的示例性实施例的示意图。PPD电路305可包括PPD 601、第一晶体管603、第二晶体管605、第三晶体管607、第四晶体管609及第五晶体管611。
PPD 601可包括阳极及阴极，所述阳极连接到地电势。PPD 601可以与电容器相似的方式存储电荷。在一个实施例中，PPD 601可被覆盖且因此不会对光作出响应，且可用作时间到电荷转换器而非感光元件。
第一晶体管603可包括栅极端子、第一源极/漏极端子以及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到逻辑电路303的TXEN信号输出，所述第一源极/漏极端子用于接收VTX信号。第一晶体管603可接收VTX信号且可使VTX信号在TXEN信号的控制下通过第一晶体管603，以在第一晶体管603的第二源极/漏极端子处输出TX信号。
第二晶体管605可包括栅极端子、第一源极/漏极端子以及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到第一晶体管603的第二源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子连接到PPD 601的阴极。第二晶体管605可在栅极端子上接收TX信号并将源极端子上PPD 601上的电荷转移到与FD节点连接的漏极端子。在FD节点与地之间可存在寄生电容，其未在图6中示出。在一个实施例中，在FD节点与地之间还可连接有实体电容。
第三晶体管607可包括栅极端子、第一源极/漏极端子以及第二源极/漏极端子，所述栅极端子用于接收RST信号，所述第一源极/漏极端子用于接收VPIX电压，所述第二源极/漏极端子连接到第二晶体管605的第二源极/漏极端子。
第四晶体管609可包括栅极端子、第一源极/漏极端子以及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到第二晶体管605的第二源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子连接到第三晶体管607的第一源极/漏极端子。
第五晶体管611可包括栅极端子、第一源极/漏极端子以及第二源极/漏极端子，所述栅极端子用于接收SEL信号，所述第一源极/漏极端子连接到第四晶体管609的第二源极/漏极端子，所述第二源极/漏极端子是PPD电路305的PIXOUT输出。第五晶体管611可接收SEL信号以选择像素来读出FD节点中的电荷(作为PIXOUT1)或PPD 601中的剩余电荷(作为PIXOUT2)。
从PPD 601转移到FD节点的电荷受到TX信号的控制。在一个实施例中，VTX信号通过第一晶体管603进行耦合以变为TX信号。VTX信号向上斜升以越来越快地将电荷从PPD601转移到FD节点。从PPD 601转移到FD节点的电荷量可为TX信号的电平的函数，且TX信号的斜坡变化可为时间的函数。因此，从PPD 601转移到FD节点的电荷可为时间的函数。如果在电荷从PPD 601转移到FD节点期间第二晶体管605响应于SPAD电路301探测到传入光子而关断，则电荷从PPD 601到FD节点的转移停止。转移到FD节点的电荷量以及在PPD 601上剩余的电荷量二者均可与传入光子的TOF相关。基于TX信号以及探测到传入光子而进行的电荷从PPD 601到FD节点的转移可被考虑以提供电荷到时间的单端到差分转换。
第四晶体管609运行来将存储在FD节点上的电荷转换成第四晶体管609的第二源极/漏极端子处的电压。SEL信号用于选择像素来读出与已被转移到FD节点的电荷对应的PIXOUT1信号或者随后读出与在已将PPD 601中的剩余电荷转移到FD节点之后在PPD 601中剩余的电荷对应的PIXOUT2信号。在一个实施例中，PIXOUT1信号对PIXOUT1信号加上PIXOUT2信号的和的比率与由像素接收的光信号的TOF和延迟时间之间的差成比例，如方程式(1)中的比率所表达。在其中光脉冲可在VTX开始向上斜升之后被传输的实施例中，延迟时间可为负。
对于时间分辨传感器300而言，方程式(1)中所表达的比率可用于确定物体的深度或范围，且如果PIXOUT1+PIXOUT2不因测量到测量而异，则所述比率对于测量到测量之间的变化不太敏感。在一个实施例中，VTX信号可理想地为线性的，且可理想地在TOF像素阵列的所有不同像素中为均匀的。然而，实际上，可被施加到TOF像素阵列的不同像素的VTX信号可因像素到像素而异，从而在范围测量中引入误差，所述误差取决于各个像素之间的VTX信号的变化且还可因测量到测量而异。
在一个实施例中，第一晶体管603、第二晶体管605、第三晶体管607、第四晶体管609及第五晶体管611可分别为n型MOSFET或p型MOSFET。然而，本文所公开主题并非仅限于使用n型MOSFET或p型MOSFET，这是因为可使用任何其他适合的晶体管。
图7示出根据本文所公开主题的图3所示时间分辨传感器300的示例性相对信号时序图700。在图7中，在光闸关断(初始化)周期期间，RST信号、VTX信号及TX信号分别变高(逻辑1)，接着返回0(逻辑0)以将PPD电路305复位。TXEN信号为高。在此初始化周期中，PPD 601可被电荷填充到满阱容量。VTX信号及TX信号变低以关断PPD电路305的第二晶体管605。VPIX电压变高，从而使FD节点复位。当RST信号返回到0时或者此后不久，朝物体传输光脉冲。VTX信号接着开始向上斜升且SHUTTER信号变高以开始光闸接通周期。
随着VTX信号向上斜升，TX信号也向上斜升且FD节点上的电荷响应于TX信号而开始减少。返回的光脉冲使TXEN信号变低(逻辑0)，从而停止电荷在FD节点与PPD 601之间的转移。
延迟时间Tdly表示开始传输光脉冲到TX信号开始向上斜升的时间之间的时间。飞行时间Ttof表示开始传输光脉冲到接收到返回信号的时间之间的时间。电子光闸时间Tsh表示从打开电子光闸时到关闭电子光闸时的时间之间的时间(光闸接通周期)在一个实施例中，电子光闸时间Tsh可小于或等于VTX信号的斜升时间。
已转移的电荷在读取电荷转移周期期间被读出为PIXOUT1信号。在SHUTTER信号为低的同时，RST信号第二次变高以将FD节点上的电荷复位，接着TXRMD信号、TXEN信号及TX信号变高以将PPD 601上的剩余电荷转移到FD节点以被读出为PIXOUT2信号。
图8示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器800的另一个示例性实施例的方块图。时间分辨传感器800可包括SPAD电路801、逻辑电路803及第二PPD电路805。
SPAD电路801可包括SPAD、第一输入、第二输入、第三输入以及输出，SPAD用于探测光子，所述第一输入用于接收VSPAD电压，所述第二输入用于接收SHUTTER信号以控制电子光闸的打开及关闭，所述第三输入用于接收VDD电压(VDD)，所述输出用于输出探测事件信号DE。响应于接收到光子，SPAD电路801输出脉冲信号，所述脉冲信号从VSPAD快速变为0且缓慢地返回到VSPAD。在一个实施例中，SPAD电路801可相同于图3所示SPAD电路301。
逻辑电路803可包括第一输入、第二输入以及输出，所述第一输入连接到SPAD电路801的DE输出，所述第二输入用于接收TXRMD信号以将在第二PPD电路805的PPD中剩余的电荷完全转移，所述输出用于输出TXEN信号。在一个实施例中，逻辑电路803可相同于图3所示逻辑电路303。
第二PPD电路805可包括第一输入、第二输入、第三输入、第四输入、第五输入以及第六输入，所述第一输入连接到从逻辑电路803输出的TXEN信号，所述第二输入连接到逻辑电路803的第二输入以接收TXRMD信号，所述第三输入用于接收VTX信号以将电荷部分地或完全地从第二PPD电路805的PPD转移到第二PPD电路805中的第一浮置扩散节点(FD1)，所述第四输入用于接收RST信号以对FD1节点中的电荷进行复位以及对PPD中的电荷进行预先设定，所述第五输入接收第二PPD电路805的VPIX电压，所述第六输入接收SEL信号以使得能够在PIXOUT1输出上读出与FD1节点上的电荷对应的PIXOUT1信号且使得能够在PIXOUT2输出上读出与在第二PPD电路805的PPD中剩余的电荷对应的PIXOUT2信号。
图9示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器800的第二PPD电路805的示例性实施例的示意图。第二PPD电路805可包括PPD 901、第一晶体管903、第二晶体管905、第三晶体管907、第四晶体管909、第五晶体管911、第六晶体管913、第七晶体管915、第八晶体管917及第九晶体管919。
PPD 901可包括阳极以及阴极，所述阳极连接到地电势。PPD 901可以与电容器相似的方式存储电荷。在一个实施例中，PPD 901可被覆盖且因此不会对光作出响应，且可用作时间到电荷转换器而非感光元件。
第一晶体管903可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到逻辑电路803的输出以接收TXEN输出，所述第一源极/漏极端子用于接收VTX电压以控制电荷从PPD 901的转移。
第二晶体管905可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到第一晶体管903的第二源极/漏极端子以接收TX信号来从PPD 901转移电荷，所述第一源极/漏极端子连接到PPD 901的阴极，所述第二源极/漏极端子连接到第一浮置扩散节点FD1，电荷从PPD 901转移到第一浮置扩散节点FD1。FD1节点可具有第一电容。在FD1节点与地之间可存在寄生电容，其未在图9中示出。在一个实施例中，在FD1节点与地之间还可连接有实体电容。通过第二晶体管905从PPD 901转移到FD1节点的电荷受TX信号控制。
第三晶体管907可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到FD1节点且与第二晶体管905的第二源极/漏极端子连接，第一源极/漏极端子用于接收VPIX电压。第三晶体管907可运行来将存储在FD1节点上的电荷转换成第三晶体管907的第二源极/漏极端子处的电压。
第四晶体管909可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子用于接收RST信号以对FD1节点的电荷电平进行复位，所述第一源极/漏极端子用于接收VPIX电压，所述第二源极/漏极端子连接到第二晶体管905的第二源极/漏极端子。
第五晶体管911可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子用于接收SEL信号以读出FD1节点上的电荷，所述第一源极/漏极端子连接到第三晶体管907的第二源极/漏极端子，所述第二源极/漏极端子连接到像素输出数据线PIXOUT1以输出与FD1节点上的电荷对应的电压作为PIXOUT1信号。
第六晶体管913可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子用于接收TXRMD信号以将PPD 901中剩余的电荷完全转移到第二浮置扩散节点FD2，所述第一源极/漏极端子连接到PPD 901的阴极，所述第二源极/漏极端子连接到FD2节点。FD2节点可具有第二电容。在FD2节点与地之间可存在寄生电容，其未在图9中示出。在一个实施例中，在FD2节点与地之间还可连接有实体电容。在一个实施例中，FD2节点的第二电容可等于FD1节点的第一电容。PPD 901中的任何剩余电荷均可通过第六晶体管913转移到FD2节点。
第七晶体管915可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到第六晶体管913的第二源极/漏极端子以及连接到FD2节点，所述第一源极/漏极端子用于接收VPIX电压。第七晶体管915可运行来将存储在FD2节点上的电荷转换成第七晶体管915的第二源极/漏极端子处的电压。
第八晶体管917可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子用于接收RST信号以对FD2节点的电荷电平进行复位，所述第一源极/漏极端子用于接收VPIX信号，所述第二源极/漏极端子连接到第六晶体管913的源极端子。
第九晶体管919可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子用于接收SEL信号以选择像素来读出与FD2节点中的电荷对应的电压，所述第一源极/漏极端子连接到第七晶体管915的第二源极/漏极端子，所述第二源极/漏极端子连接到像素输出数据线PIXOUT2以输出与FD2节点上的电荷对应的电压作为PIXOUT2信号。
在一个实施例中，VTX信号(以及TX信号)可斜升以将电荷从PPD 901转移到FD1节点。从PPD 901转移到FD1节点的电荷量可为TX信号的电平的函数，且TX电压的斜升可为时间的函数。因此，从PPD 901转移到FD1节点的电荷可为时间的函数。如果在电荷从PPD 901转移到FD1节点期间，第二晶体管905响应于SPAD电路801探测到传入光子而关断，则电荷从PPD 901到FD1节点的转移停止，且转移到FD1节点的电荷量以及在PPD 901中剩余的电荷量二者均与传入光子的TOF相关。基于TX信号以及基于探测到传入光子而进行的电荷从PPD901到FD1节点的转移提供电荷到时间的单端到差分转换。
对于时间分辨传感器800而言，方程式(1)中所表达的比率可用于确定物体的深度或范围，且如果PIXOUT1+PIXOUT2不因测量到测量而异，则所述比率对于测量到测量之间的变化不太敏感。在一个实施例中，VTX信号可理想地为线性的，且可理想地在TOF像素阵列的所有不同像素中为均匀的。然而，实际上，可被施加到TOF像素阵列的不同像素的VTX信号可因像素到像素而异，从而在范围测量中引入误差，所述误差取决于像素到像素的VTX信号的变化且还可因测量到测量而异。
在一个实施例中，第一晶体管903、第二晶体管905、第三晶体管907、第四晶体管909、第五晶体管911、第六晶体管913、第七晶体管915、第八晶体管917及第九晶体管919可各自为n型MOSFET或p型MOSFET；然而，可使用任何其他适合的晶体管。
图10示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器800的示例性相对信号时序图1000。图10所示信号时序图与图7所示信号时序图非常相似且相似之处已参照图7加以阐述。图10所示信号时序图的不同之处在于：包括FD2信号，且在光闸接通周期结束处，PPD901上的剩余电荷通过TXRMD信号的操作被转移到FD2节点。另外，可同时读出PIXOUT1信号及PIXOUT2信号。
应注意，第二PPD电路805依赖于不变的全阱容量来确定最大范围；然而，时间分辨传感器800的实际实施方式可基于不同的第二PPD电路805之间的热噪声而经历PPD 901的全阱变化。另外，VTX信号可基于像素阵列中像素的位置而具有不同的斜坡(斜率)。也就是说，像素的VTX信号的斜坡(斜率)可根据像素与VTX信号的来源的靠近程度而异。
图11示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器1100的再一个示例性实施例的方块图。时间分辨传感器1100可包括一个或多个SPAD电路1101a到1101n、逻辑电路1103及第三PPD电路1105。
在一个实施例中，所述一个或多个SPAD电路1101a到1101n中的每一者可包括SPAD111a到111n、电阻器113a到113n、电容器115a到115n、p型MOSFET 117a到117n及缓冲器119a到119n。SPAD 111a到111n可包括阳极以及阴极，所述阳极连接到地电势。电阻器113a到113n可包括第一端子以及第二端子，所述第一端子用于接收VSPAD电压，所述第二端子连接到SPAD 111a到111n的阴极。在另一个实施例中，SPAD 111a到111n与电阻器113a到113n可交换位置。SPAD 111a到111n可对光作出响应。响应于接收到光子，SPAD 111a到111n输出脉冲信号，所述脉冲信号从VSPAD电压快速变为低于击穿电压且接着更缓慢地返回到VSPAD电压。
电容器115a到115n可包括第一端子以及第二端子，所述第一端子连接到SPAD111a到111n的阴极。在替代实施例中，可省略电容器115a到115n。p型MOSFET 117a到117n可包括第一源极/漏极端子、栅极及第二源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子连接到电容器115a到115n的第二端子，所述栅极用于接收SHUTTER信号，所述第二源极/漏极端子用于接收VPIX电压(VDD)。缓冲器119a到119n可包括与电容器115a到115n的第二端子连接的输入、以及反相输出，所述反相输出可输出与SPAD电路1101a到1101n的输出对应的DE信号。在替代实施例中，缓冲器119a到119n可为非反相的。
逻辑电路1103可包括与所述一个或多个SPAD电路1101a到1101n中的每一个SPAD电路的DE信号连接的输入，且输出TXEN信号以及TXENB信号，TXENB信号可为TXEN信号的反相。
第三PPD电路1105可包括电容器器件SC、第一晶体管151、第二晶体管153、第三晶体管155、第四晶体管157、第五晶体管159、第六晶体管161、第七晶体管163、第八晶体管165、第九晶体管167、第十晶体管169、第十一晶体管171、第十二晶体管173及第十三晶体管175。
电容器器件SC可包括第一端子以及第二端子，所述第一端子连接到地电势。电容器器件SC可以与电容器相似的方式存储电荷。在一个实施例中，电容器器件可为电容器。在另一个实施例中，电容器器件可为PPD，所述PPD可被覆盖以使其不对光作出响应。在这两个实施例中的任一实施例中，电容器器件SC均可用作时间到电荷转换器的一部分。
第一晶体管151可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到RST信号，所述第一源极/漏极端子连接到地电势GND，所述第二源极/漏极端子连接到电容器器件SC的第二端子。
第二晶体管153可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到TXA信号，所述第一源极/漏极端子连接到第一浮置扩散节点FD1，所述第二源极/漏极端子连接到第一晶体管151的第二源极/漏极端子以及连接到电容器器件SC的第二端子。第一浮置扩散节点FD1在图11中以电容器符号表示。在FD1节点与地之间可存在寄生电容，其未在图11中示出。在一个实施例中，在FD1节点与地之间还可连接有实体电容。
第三晶体管155可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到FD1节点以及连接到第二晶体管153的第一源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子连接到VPIX电压。第三晶体管155可运行来将FD1节点上的电荷转换成第三晶体管155的第二源极/漏极端子处的电压。
第四晶体管157可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到RST信号，第一源极/漏极端子连接到VPIX电压，所述第二源极/漏极端子连接到第一晶体管151的第二源极/漏极端子以及连接到电容器器件SC的第二端子。
第五晶体管159可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到TXEN信号，所述第一源极/漏极端子连接到VTX信号，所述第二源极/漏极端子连接到第二晶体管153的栅极端子。
第六晶体管161可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到TXENB信号，所述第一源极/漏极端子连接到地电势GND，所述第二源极/漏极端子连接到第二晶体管153的栅极端子及第五晶体管159的第二源极/漏极端子。
第七晶体管163可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到SEL信号，所述第一源极/漏极端子连接到第三晶体管155的第二源极/漏极端子，所述第二源极/漏极端子连接到像素输出线PIXA。
第八晶体管165可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到TXB信号，所述第一源极/漏极端子连接到第二浮置扩散节点FD2，所述第二源极/漏极端子连接到第一晶体管151的第二源极/漏极端子、电容器器件SC的第二端子及第二晶体管153的第二端子。第二浮置扩散节点FD2在图11中以电容器符号表示。在FD2节点与地之间可存在寄生电容，其未在图11中示出。在一个实施例中，在FD2节点与地之间还可连接有实体电容。
第九晶体管167可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到FD2节点及第八晶体管165的第一源极/漏极端子，所述第一源极/漏极端子连接到VPIX电压。第九晶体管167可运行来将FD2节点上的电荷转换成第九晶体管167的第二源极/漏极端子处的电压。
第十晶体管169可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到RST信号，所述第一源极/漏极端子连接到VPIX电压，所述第二源极/漏极端子连接到第一晶体管151的第二源极/漏极端子、电容器器件SC的第二端子及第八晶体管165的第二源极/漏极端子。
第十一晶体管171可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到TXENB信号，所述第一源极/漏极端子连接到VTX信号，所述第二源极/漏极端子连接到第八晶体管165的栅极端子。
第十二晶体管173可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到TXEN信号，所述第一源极/漏极端子连接到地电势GND，所述第二源极/漏极端子连接到第八晶体管165的栅极端子及第十一晶体管171的第二源极/漏极端子。
第十三晶体管175可包括栅极端子、第一源极/漏极端子及第二源极/漏极端子，所述栅极端子连接到SEL信号，所述第一源极/漏极端子连接到第九晶体管167的第二源极/漏极端子，所述第二源极/漏极端子连接到像素输出线PIXB。
图12示出根据本文所公开主题的时间分辨传感器1100的示例性相对信号时序图1200。图12所示信号时序图与图7及图10所示信号时序图非常相似且相似之处已参照图7加以阐述。图12所示信号时序图与图10所示信号时序图的不同之处在于不包括TXRMD信号及TX信号，而是包括TXENB、TXA信号及TXB信号。
在图12所示信号时序图中，TXENB信号是TXEN信号的反相。当SHUTTER信号为现用高时，TXEN信号是现用的且VTX信号通过第五晶体管159，从而使TXA信号为现用。电容器器件SC上的电荷通过第二晶体管153转移到FD1节点。同时，地电势通过第十二晶体管173，从而使TXB信号非现用。
当发生探测事件DE时，TXEN信号变为非现用且TXENB信号变为现用。当TXEN信号变为非现用时，TXA信号也变为非现用且电荷停止通过第二晶体管153从电容器器件SC转移到FD1节点。当TXENB信号变为现用时，TXB信号变为现用且电荷通过第八晶体管165从电容器器件SC转移到FD2节点。
当SHUTTER信号结束时，TXB信号变为非现用且电荷停止通过第八晶体管165从电容器器件SC转移到FD2节点。与FD1节点及FD2节点上的电荷相关联的各个电压是从PIXA输出线及PIXB输出线读出。
应注意，VTX信号的斜率的变化以及像素到像素之间电容器器件的电容的变化不会造成范围测量误差，只要第二晶体管153(TXA)及第八晶体管165(TXB)在现用SHUTTER信号期间以线性模式运行即可。
图13示出根据本文所公开主题的使用时间分辨传感器1100来分辨时间的方法1300的流程图。所述方法在1301处开始。在1302处，产生现用光闸信号。在1303处，在现用光闸信号期间探测到一个或多个光子入射在至少一个SPAD电路1101a到1101n上(探测事件DE)，其中所述一个或多个所探测的光子是从物体反射。在1304处，产生基于探测事件DE的输出信号。在1305处，基于关于探测事件DE的输出信号产生第一使能信号TXEN及第二使能信号TXENB。在一个实施例中，第一使能信号响应于现用光闸信号的开始而变为现用且响应于输出信号而变为非现用，且第二使能信号响应于输出信号而变为现用且响应于现用光闸信号的结束而变为非现用。
在1306处，如果第一使能信号现用，则电容器器件SC上的电荷转移到第一浮置扩散节点FD1以在第一浮置扩散节点FD1上形成第一电荷。在1307处，如果第二使能信号现用，则电容器器件SC上的剩余电荷转移到第二浮置扩散节点FD2以在第二浮置扩散节点FD2上形成第二电荷。在1308处，输出第一电压及第二电压，第一电压是基于第一电荷，第二电压是基于第二电荷。第一电压对第一电压和第二电压的和的第一比率与所述一个或多个所探测光子的飞行时间成比例，且第二电压对第一电压和第二电压的和的第二比率与所述一个或多个所探测光子的飞行时间成比例。在1309处，所述方法结束。
在一个实施例中，转移第一电荷及第二电荷还包括依据斜坡函数改变驱动信号VTX，其中驱动信号VTX响应于从中探测到所述一个或多个所探测光子的光脉冲的开始时间而开始改变，直到现用光闸信号结束。另外，将电容器器件上的电荷转移到第一浮置扩散以在第一浮置扩散上形成第一电荷还可基于当第一使能信号现用时驱动信号的电平，且将电容器器件上的剩余电荷转移到第二浮置扩散以在第二浮置扩散上形成第二电荷还可基于当第二使能信号现用时驱动信号的电平。
在另一个实施例中，第一电压对第一电压和第二电压的和的第一比率还可与所述一个或多个所探测光子的飞行时间减去延迟时间成比例。相似地，第二电压对第一电压和第二电压的和的第二比率还可与所述一个或多个所探测光子的飞行时间减去延迟时间成比例，所述延迟时间包括光脉冲的传输时间的开始到驱动信号开始改变的时间之间的时间。
如所属领域中的技术人员将认识到，可在广大范围的应用中对本文所述创新概念进行修改及变化。因此，所主张主题的范围不应仅限于以上所论述的任何具体示例性教示内容，而是由以上权利要求书来界定。

Claims (20)

1.一种时间分辨传感器，包括：
至少一个单光子雪崩二极管，每一个单光子雪崩二极管响应于现用光闸信号而基于探测到一个或多个光子入射在所述单光子雪崩二极管上来产生输出信号，所述一个或多个光子是从物体反射；
逻辑电路，耦合到所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号，所述逻辑电路产生第一使能信号及第二使能信号，所述第一使能信号响应于所述现用光闸信号的开始而为现用且响应于所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号而为非现用，且所述第二使能信号响应于所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号而为再现用中且响应于所述现用光闸信号的结束而为非现用；以及
差分时间到电荷转换器电路，耦合到所述第一使能信号及所述第二使能信号，所述差分时间到电荷转换器电路包括：
电容器器件，具有第一端子及第二端子，所述第二端子耦合到地电压；
第一开关器件，具有第一端子、第二端子及第三端子，所述第一开关器件的所述第一端子耦合到所述电容器器件的所述第一端子，所述第一开关器件的所述第二端子耦合到第一浮置扩散，且所述第一开关器件的所述第三端子耦合到所述第一使能信号，所述第一开关器件响应于所述第一使能信号来将所述电容器器件上的第一电荷转移到所述第一浮置扩散；
第二开关器件，具有第一端子、第二端子及第三端子，所述第二开关器件的所述第一端子耦合到所述电容器器件的所述第一端子，所述第二开关器件的所述第二端子耦合到第二浮置扩散，且所述第二开关器件的所述第三端子耦合到所述第二使能信号，所述第二开关器件响应于所述第二使能信号来将所述电容器器件上的剩余电荷转移到所述第二浮置扩散；以及
输出电路，输出第一电压及第二电压，所述第一电压是基于所述第一浮置扩散上的所述第一电荷，所述第二电压是基于所述第二浮置扩散上的所述剩余电荷，所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的和
的第一比率与所探测的所述一个或多个光子的飞行时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的第二比率与所探测的所述一个或多个光子的所述飞行时间成比例。
2.根据权利要求1所述的时间分辨传感器，还包括依据斜坡函数改变的驱动信号，所述驱动信号响应于从中探测到所述一个或多个光子的光脉冲的开始时间而开始改变直到所述现用光闸信号结束，如果所述第一使能信号现用，则所述驱动信号连接到所述第一开关器件的所述第三端子，且如果所述第二使能信号现用，则所述驱动信号连接到所述第二开关器件的所述第三端子。
3.根据权利要求2所述的时间分辨传感器，其中所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的所述第一比率还与所述一个或多个光子的所述飞行时间减去延迟时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的所述第二比率还与所述一个或多个光子的所述飞行时间减去延迟时间成比例，所述延迟时间包括所述光脉冲的传输时间的开始到所述驱动信号开始改变的时间之间的时间。
4.根据权利要求3所述的时间分辨传感器，其中所述电容器器件包括电容器。
5.根据权利要求3所述的时间分辨传感器，其中所述电容器器件包括钉扎光电二极管。
6.根据权利要求5所述的时间分辨传感器，其中所述第一开关器件及所述第二开关器件包括晶体管。
7.根据权利要求6所述的时间分辨传感器，其中所述时间分辨传感器构成三维成像系统的一部分。
8.一种三维成像系统，包括：
单光子雪崩二极管的阵列，每一个单光子雪崩二极管响应于现用光闸信号而基于探测到一个或多个光子入射在所述单光子雪崩二极管上来产生输出信号，所述一个或多个光子是从物体反射；
至少一个逻辑电路，每一个逻辑电路耦合到至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号并产生第一使能信号及第二使能信号，所述第一使能信号响应于所述现用光闸信号的开始而为现用且响应于所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号而为非现用，且所述第二使能信号响应于所述至少一个单光子雪崩二极管的所述输出信号而为在现用中且响应于所述现用光闸信号的结束而为非现用；以及
至少一个时间分辨传感器，每一个时间分辨传感器包括：
差分时间到电荷转换器电路，耦合到对应的逻辑电路的所述第一使能信号及所述第二使能信号，所述差分时间到电荷转换器电路包括：
电容器器件，具有第一端子及第二端子，所述第二端子耦合到地电压；
第一开关器件，具有第一端子、第二端子及第三端子，所述第一开关器件的所述第一端子耦合到所述电容器器件的所述第一端子，所述第一开关器件的所述第二端子耦合到第一浮置扩散，且所述第一开关器件的所述第三端子耦合到所述第一使能信号，所述第一开关器件响应于所述第一使能信号来将所述电容器器件上的第一电荷转移到所述第一浮置扩散；
第二开关器件，具有第一端子、第二端子及第三端子，所述第二开关器件的所述第一端子耦合到所述电容器器件的所述第一端子，所述第二开关器件的所述第二端子耦合到第二浮置扩散，且所述第二开关器件的所述第三端子耦合到所述第二使能信号，所述第二开关器件响应于所述第二使能信号来将所述电容器器件上的剩余电荷转移到所述第二浮置扩散；以及
输出电路，输出第一电压及第二电压，所述第一电压是基于所述第一浮置扩散上的所述第一电荷，所述第二电压是基于所述第二浮置扩散上的所述剩余电荷，所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的和的第一比率与所述一个或多个光子的飞行时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的第二比率与所述一个或多个光子的所述飞行时间成比例。
9.根据权利要求8所述的三维成像系统，还包括依据斜坡函数改变的驱动信号，所述驱动信号响应于从中探测到所述一个或多个光子的光脉冲的开始时间而开始改变直到所述现用光闸信号结束，如果所述第一使能信号现用，则所述驱动信号连接到所述第一开关器件的所述第三端子，且如果所述第二使能信号现用，则所述驱动信号连接到所述第二开关器件的所述第三端子。
10.根据权利要求9所述的三维成像系统，其中所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的所述第一比率还与所述一个或多个光子的所述飞行时间减去延迟时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的所述第二比率还与所述一个或多个光子的所述飞行时间减去延迟时间成比例，所述延迟时间包括所述光脉冲的传输时间的开始到所述驱动信号开始改变的时间之间的时间。
11.根据权利要求10所述的三维成像系统，其中所述电容器器件包括电容器。
12.根据权利要求10所述的三维成像系统，其中所述电容器器件包括钉扎光电二极管。
13.根据权利要求12所述的三维成像系统，其中所述第一开关器件及所述第二开关器件包括晶体管。
14.根据权利要求13所述的三维成像系统，其中所述时间分辨传感器构成三维成像系统的一部分。
15.一种分辨时间的方法，包括：
产生现用光闸信号；
在至少一个单光子雪崩二极管处探测在所述现用光闸信号期间入射在所述至少一个单光子雪崩二极管上的一个或多个光子，所述一个或多个光子是从物体反射；
基于所述一个或多个光子产生输出信号；
基于所述输出信号产生第一使能信号及第二使能信号，所述第一使能信号响应于所述现用光闸信号的开始而为现用且响应于所述输出信号而为非现用，且所述第二使能信号响应于所述输出信号而为现用且响应于所述现用光闸信号的结束而为非现用；
如果所述第一使能信号现用，则将电容器器件上的电荷转移到第一浮置扩散以在所述第一浮置扩散上形成第一电荷；
如果所述第二使能信号现用，则将所述电容器器件上的剩余电荷转移到第二浮置扩散以在所述第二浮置扩散上形成第二电荷；以及
输出第一电压及第二电压，所述第一电压是基于所述第一电荷，所述第二电压是基于所述第二电荷，所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的和的第一比率与所述一个或多个光子的飞行时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的第二比率与所述一个或多个光子的所述飞行时间成比例。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括依据斜坡函数改变驱动信号，所述驱动信号响应于从中探测到所述一个或多个光子的光脉冲的开始时间而开始改变直到所述现用光闸信号结束，且
其中将所述电容器器件上的所述电荷转移到所述第一浮置扩散以在所述第一浮置扩散上形成所述第一电荷还基于当所述第一使能信号现用时所述驱动信号的电平，且
其中将所述电容器器件上的所述剩余电荷转移到所述第二浮置扩散以在所述第二浮置扩散上形成所述第二电荷还基于当所述第二使能信号现用时所述驱动信号的电平。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的所述第一比率还与所述一个或多个光子的所述飞行时间减去延迟时间成比例，且所述第二电压对所述第一电压和所述第二电压的所述和的所述第二比率还与所述一个或多个光子的所述飞行时间减去所述延迟时间成比例，所述延迟时间包括所述光脉冲的传输时间的开始到所述驱动信号开始改变的时间之间的时间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述电容器器件包括电容器。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述电容器器件包括钉扎光电二极管。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述将所述电容器器件上的所述电荷转移到所述第一浮置扩散以及将所述电容器器件上的所述剩余电荷转移到所述第二浮置扩散分别由第一开关器件响应于所述第一使能信号现用来执行以及由第二开关器件响应于所述第二使能信号现用来执行。
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