CN115774253A - 用于感测场景的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及用于感测场景的装置和方法。提供了一种用于感测场景的装置。该装置包括照明元件，被配置为用调制光照明场景。此外，该装置包括被配置为接收来自场景的反射光的光学传感器。光学传感器包括至少一个光敏传感器像素，其被配置为在测量期间将由反射光在光敏传感器像素中所生成的电荷载流子存储在光敏传感器像素的至少一个电荷存储器中。至少一个光敏传感器像素还被配置为在测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器，以针对源自于光学传感器的测量范围内的反射光而随着距离严格单调地增加至少一个光敏传感器像素的灵敏度。

Description

用于感测场景的装置和方法
技术领域
本公开涉及光学感测。具体地，本公开的示例涉及用于感测场景的装置和方法。
背景技术
当视觉系统使用以主动照明源为特征的相机(例如飞行时间(ToF)相机)时，近处对象将更多的光反射回成像器，而具有相同反射率的远处对象接收较少的光，并且反射回较少的光。因此，近处对象可能会导致成像器的像素饱和，同时相同材料的对象在不同距离处会不同地呈现。
此外，像素中累积的电子量取决于对象的反射率。确定对象的反射率可以改进对象检测和识别。反射率测量可能会因近处对象引起的像素饱和而失真。
此外，当使用主动照明系统时，视觉系统需要来自其他光源(例如太阳光)的光尽可能少。
因此，可能需要改进的光学感测。
发明内容
所述需求可以通过所附权利要求的主题来满足。
示例涉及一种用于感测场景的装置。该装置包括照明元件，该照明元件被配置为用调制光照明场景。此外，该装置包括被配置为接收来自场景的反射光的光学传感器。光学传感器包括至少一个光敏传感器像素，其被配置为在测量期间将由反射光在光敏传感器像素中所生成的电荷载流子存储在光敏传感器像素的至少一个电荷存储器中。至少一个光敏传感器像素还被配置为在测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器，以针对源自于光学传感器的测量范围内的反射光而随着距离严格单调地增加至少一个光敏传感器像素的灵敏度。
另一个示例涉及一种用于感测场景的方法。该方法包括使用照明元件用调制光照明场景。此外，该方法包括在光学传感器处接收来自场景的反射光。光学传感器包括至少一个光敏传感器像素。该方法还包括控制至少一个光敏传感器像素以在测量期间将由反射光在光敏传感器像素中所生成的电荷载流子存储在光敏传感器像素的至少一个电荷存储器中。此外，该方法包括控制至少一个光敏传感器像素以在测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器，以针对源自于光学传感器的测量范围内的反射光而随着距离严格单调地增加至少一个光敏传感器像素的灵敏度。
附图说明
以下将仅以示例的方式并参考附图来描述装置和/或方法的一些示例，其中
图1图示了用于感测场景的装置的示例；
图2是光敏传感器元件或像素的示例；
图3图示了光敏传感器元件或像素处的接收光强度和光敏传感器元件或像素的灵敏度的示例性进程；
图4图示了光敏传感器元件或像素的另一个示例；
图5图示了用于光敏传感器元件或像素的示例性相关信号以及示例性光和状态信号；以及
图6图示了用于感测场景的方法的示例的流程图。
具体实施方式
现在参考附图更详细地描述一些示例。然而，其他可能的示例不限于详细描述的这些实施例的特征。其他示例可以包括特征的修改以及特征的等效物和替代物。此外，本文用于描述某些示例的术语不应限制其他可能的示例。
在整个附图的描述中，相同或相似的附图标记指代相同或相似的元件和/或特征，它们可以相同或以修改的形式来实现，同时提供相同或相似的功能。为了清楚起见，图中的线、层和/或区域的厚度也可能被夸大。
当两个元件A和B使用“或”来组合时，这应被理解为公开了所有可能的组合，即仅A、仅B以及A和B，除非在个别情况下另有明确定义。作为用于相同组合的替代措辞，可以使用“A和B中的至少一个”或“A和/或B”。这等效地适用于两个以上元件的组合。
如果使用单数形式，诸如“一”、“一个”和“该”，并且没有明确或隐含地将仅使用单个元件定义为强制，则另外的示例也可以使用多个元件来实现相同的功能。如果以下将一个功能描述为使用多个元件来实现，则另外的示例可以使用单个元件或单个处理实体来实现相同的功能。还应理解，术语“包括”和/或“包含”在被使用时描述了指定的特征、整数、步骤、操作、过程、元件、组件和/或其群组的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、过程、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
图1图示了用于感测场景的装置100的示例。
该装置包括照明元件(电路系统、设备)110，其被配置为用调制光102(例如调制光脉冲)照明场景。照明元件110可以包括任意数量的光源。照明元件110可以例如包括一个或多个发光二极管(LED)和/或一个或多个基于一个或多个照明信号激发的激光二极管(例如一个或多个垂直腔面发射激光器，VCSEL)。
对象101位于场景中，并反射发射的调制光102。对象101可以是任何种类的物理对象。反射光203至少部分地传播回装置100。
装置100包括光学传感器120，其被配置为接收(捕获)来自场景的反射光103。光学传感器120可以包括各种组件，诸如例如光学器件(例如一个或多个透镜)和电子电路系统。具体地，电子电路系统包括至少一个光敏传感器元件或像素(例如，包括光子混合器器件(PMD)或电荷耦合器件(CCD))。例如，光学传感器120可以包括多个光敏传感器元件或像素(即N≥2个光敏传感器元件或像素)。可以基于一个或多个驱动(参考)信号来驱动至少一个光敏传感器元件或像素。
一般而言，光学传感器120可以是能够测量光(诸如反射光203)的物理量，并且然后将其转变成可由另外的电子电路系统读取的形式的任何类型的传感器。具体地，光学传感器120可以是能够将光或光的变化转换成电子信号的任何类型的传感器。例如，光学传感器120可以是基于帧的图像传感器，其包括光敏传感器元件或像素，光敏传感器元件或像素均匀且同步地操作以逐帧地检测光。替代地，光学传感器120可以例如是ToF传感器，其使用在光学传感器120处接收的反射光103来测量所发射的调制光102的ToF。另外替代地，光学传感器120可以例如是基于事件的视觉传感器，诸如响应于局部亮度变化的动态视觉传感器(也被称为事件相机、神经形态相机或硅视网膜)。基于事件的视觉传感器不像传统图像传感器那样使用快门捕获图像/帧。相比之下，基于事件的视觉传感器的光敏传感器元件或像素独立且异步地操作，在亮度变化发生时对其进行检测，除此之外保持静默。与基于帧的图像传感器相比，基于事件的视觉传感器可以提供高时间分辨率、高动态范围、曝光不足/过度曝光和运动模糊。
图2中图示出了示例性光敏传感器元件或像素121。在光学传感器120包括多个光敏传感器元件或像素的情况下，可以像以下描述的光敏传感器元件或像素121一样形成和操作多个光敏传感器元件或像素中的一个或多个。
光敏传感器元件或像素121包括半导体材料/衬底122(例如硅)。反射光103穿透半导体材料122并导致在半导体材料122中生成电荷载流子(例如电子或空穴)。
光敏传感器元件或像素121还包括至少一个电荷存储器，诸如图2中所图示的电荷存储器123。尽管在图2中针对光敏传感器元件或像素121仅图示出了一个电荷存储器，但是要注意的是，本公开不限于此。一般来说，每个光敏传感器元件或像素可以使用任意数量M≥1个电荷存储器。例如，至少一个电荷存储器可以是形成在光敏传感器元件或像素121的半导体材料122中的(相应的)电容器或势阱。要注意的是，仅用于说明目的，电荷存储器123被图示为图1中的单独元件。至少一个电荷存储器是光敏传感器元件或像素121的一部分。至少一个电荷存储器允许(例如选择性地)存储所生成的电荷载流子。
在测量期间(例如光学传感器120的单次曝光期间)，至少一个光敏传感器元件或像素121被配置(例如由光学传感器120控制)以(例如选择性地)将在测量期间由反射光103在光敏传感器像素121的半导体材料122中生成的电荷载流子存储在至少一个电荷存储器123中。基于至少一个电荷存储器123的(一个或多个)电荷水平来确定用于测量的至少一个光敏传感器元件或像素121的输出(值、数据)。
此外，光敏传感器元件或像素121包括排出端子(drain terminal)124。排出端子224是允许从光敏传感器元件或像素121选择性地排出所生成的电荷载流子的端子。
在测量期间，至少一个光敏传感器元件或像素121被进一步配置(例如，由光学传感器120控制)以选择性地排出所生成的电荷载流子，以便随着针对源自光学传感器120的(目标)测量范围内的反射光103的距离而严格单调地增加至少一个光敏传感器元件或像素121的灵敏度。换句话说，至少一个光敏传感器像素121还被配置为选择性地阻止电荷载流子在测量期间到达至少一个电荷存储器123，以随着针对源自光学传感器120的(目标)测量范围内的反射光103的距离严格单调地增加至少一个光敏传感器像素121的灵敏度。
光学传感器120的(目标)测量范围是光学传感器120要测量的一个或多个对象(诸如对象101)的相应量的距离范围。至少一个光敏传感器像素121的灵敏度标示至少一个光敏传感器像素121针对源自一定距离的反射光103的响应程度。至少一个光敏传感器像素121针对源自一定距离的反射光103的灵敏度越高，针对源自这个距离的反射光203的至少一个光敏传感器像素121的输出(值、数据)越高。
在测量期间，只有存储在至少一个电荷存储器123中的电荷载流子对至少一个光敏传感器元件或像素121的输出(值、数据)作出贡献。因此，通过在测量期间选择性地阻止所生成的电荷载流子中的一些(部分)到达至少一个电荷存储器123，可以对光学传感器120的距离相关灵敏度进行调整(整形)。
在图2的示例中，光敏传感器元件或像素121包括用于所生成的电荷载流子的排出部分的排出端子124，并且因此阻止所生成的电荷载流子的排出部分到达至少一个电荷存储器123。然而，需要注意的是，本公开不限于此。在其他示例中，可以省略排出端子124，并且光敏传感器元件或像素121可以被配置为将至少一个电荷存储器123与半导体材料122电去耦(隔离)，使得所生成的电荷载流子不能到达至少一个电荷存储器123。一般来说，可以使用任何技术来在测量期间选择性地阻止所生成的电荷载流子的一部分到达至少一个电荷存储器123。
例如，至少一个光敏传感器像素121可以被配置为基于用于光敏传感器像素121的至少一个驱动信号来选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器123。类似地，至少一个光敏传感器像素121可以被配置为基于用于光敏传感器像素121的至少一个驱动信号来(例如，选择性地)将电荷载流子存储在至少一个电荷存储器123中。至少一个驱动信号可以例如由至少一个光敏传感器像素121从光学传感器120的另一个电路系统或者从光学传感器120外部的电路系统接收。
因此，至少一个光敏传感器像素121有效地包括诸如排出端子124之类的“快门”，其使得能够阻止所生成的电荷载流子到达至少一个电荷存储器123。如上所述，可以基于一个或多个驱动信号来控制至少一个光敏传感器像素121的“快门功能”。因此，可以控制在测量期间所生成的电荷载流子是否被累积。
例如，至少一个光敏传感器元件或像素121可以提供整合(integration)状态，在该整合状态期间，由反射光103在测量期间所生成的电荷载流子被选择性地存储在至少一个电荷存储器123中。此外，至少一个光敏传感器元件或像素121可以提供排出(非整合)状态，在该排出(非整合)状态期间阻止由反射光103在ToF测量期间所生成的电荷载流子到达至少一个电荷存储器123(例如，在ToF测量期间由反射光103所生成的电荷载流子可以经由排出端子124被排出，或者至少一个电荷存储器123可以在排出/非整合状态期间与半导体材料122电去耦/隔离)。在测量期间，至少一个光敏传感器元件或像素121可以根据状态模式进行操作。状态模式可以例如交替地包括整合状态和排出状态，以使得每两个后续整合状态被排出状态隔开。通过随时间交替地排出和存储电荷载流子，并且通过选择(设置、调整)用于(一个或多个)整合状态和(一个或多个)排出状态的适当持续时间，可以调整在测量期间的(一个或多个)排出状态的(一个或多个)时序和(一个或多个)持续时间，使得至少一个光敏传感器像素121的灵敏度在ToF传感器100的测量范围内随着距离严格单调地增加。状态模式可以例如被编码为用于光敏传感器像素121的一个或多个驱动信号。
可选地，光敏传感器元件或像素121可以包括一个或多个另外的元件，诸如用于控制在光敏传感器元件或像素121内部所生成的电荷载流子的流动的控制门(例如，两个或更多个调制门和/或一个或多个排出门)和/或用于读出至少一个电荷存储器的(一个或多个)读出端子。
由于在光学传感器120的测量范围内的至少一个光敏传感器元件或像素121的灵敏度增加，测量对来自光学传感器120附近的反射光103不太敏感。换言之，至少一个光敏传感器元件或像素121的灵敏度被整形(调整)，使得对远离光学传感器120的距离(区域)给予更高的灵敏度。因此，近距离(区域)获得较低的灵敏度，远距离(区域)获得较高的灵敏度。此外，可以避免来自光学传感器120附近的反射光103使至少一个光敏传感器元件或像素121饱和。因此，可以避免由于像素饱和导致的测量的失真。
图3图示了光敏传感器元件或像素121的灵敏度的示例性进程310。此外，图3图示了在光学传感器120处接收到的反射光103的光强度(强度)的示例性进程320。图3的横坐标标示光学传感器120和对象101之间的距离。纵坐标标示光敏传感器元件或像素121的灵敏度和反射光103的光强度的相应值。在图3的示例中，假设整个横坐标的距离在光学传感器120的测量范围内。
从示例性进程310可以看出，光敏传感器元件或像素121的灵敏度随着距离严格地单调增加(即，光敏传感器元件或像素121的灵敏度针对光学传感器120和对象101之间的较大距离而严格单调地增加)。在图3的示例中，光敏传感器元件或像素121的灵敏度在测量范围内随着距离而基本上二次方地增加。换言之，光敏传感器元件或像素121的灵敏度S可以例如被如下调整：
S(d)∝d2 (1)
其中d标示光学传感器120和将发射的调制光102反射回光学传感器120的对象101之间的距离。
为了随着距离增加其灵敏度，可以控制至少一个光敏传感器元件或像素121以随着光学传感器120到场景中的对象101(导致反射光)的距离增加而降低排出的带电载流子(charged carrier)的比率。换言之，可以控制至少一个光敏传感器元件或像素121以降低被阻止到达至少一个电荷存储器123的带电载流子的比率。因此，至少一个光敏传感器元件或像素121可以被配置为随着光学传感器120到场景中的对象101(导致反射光)的距离增加而增加存储在至少一个电荷存储器121中的电荷载流子的比率。
从进程320可以看出，反射光203的光强度随着光学传感器120到对象101之间的距离而减小。例如，可以假设(例如，对于点状光源)光强度根据平方反比定律来降低。也就是说，在光学传感器120处接收到的反射光103的距离相关光强度可以被假设为如下：
Figure BDA0003836521370000081
其中I标示在光学传感器120处接收到的反射光103的光强度。
光学传感器120针对来自光学传感器120附近的光的灵敏度由于排出而降低，所以可以避免由于来自光学传感器120附近的强烈反射而导致的至少一个光敏传感器元件或像素121的饱和。此外，可以省略或者至少减少通过光学传感器120附近的对象反射而发射的调制光102引起的眩光效应或杂散光效应。
用于测量的至少一个光敏传感器元件或像素121的输出与从对象101接收的反射光103的光强度成比例。例如，由用于测量的至少一个光敏传感器元件或像素121所输出的输出值可以由在该测量期间从对象201接收到的反射的光强度与在对象101引起反射光103的距离处的光敏传感器元件或像素121的灵敏度的乘积来确定。
因此，调整光敏传感器元件或像素121的灵敏度而使得用于测量的灵敏度在光学传感器120的测量范围内随着距离严格单调地增加可以允许补偿在光学传感器120处接收到的反射光203的降低的光强度。如果光敏传感器元件或像素121的灵敏度在测量范围内随着距离而基本上二次方地增加，则可以特别地补偿在光学传感器120处接收到的反射光203的降低的光强度。因此，如果对象101位于光学传感器120的测量范围内，则用于测量的光敏传感器元件或像素121或光学传感器120的输出值可以基本上与光学传感器120和对象101之间的距离无关。
用于测量的至少一个光敏传感器像素121的输出值与对象101的反射率成比例，因为对象101的反射率确定在测量期间有多少光到达光学传感器120，并且因此到达至少一个光敏传感器像素121。对象的反射率确定到达对象101表面的被发射的调制光102的量与被反射回到光学传感器120的光量(即，反射光103的量)之间的比率。因此，在对象101位于光学传感器120的测量范围内的情况下，至少一个光敏传感器像素121的输出值随着对象101的反射率而变化——与光学传感器120和对象101之间的距离无关。因此，当如上所述地对至少一个光敏传感器像素121的灵敏度进行整形时，至少一个光敏传感器像素121的输出值可以允许表征对象101的反射率。
为了确定对象101的反射率，如图1中所图示的装置100可以可选地还包括耦合到光学传感器120的处理电路系统130。例如，处理电路系统130可以是单个专用处理器、单个共享处理器或多个独立处理器(其中的一些或全部可以被共享)、数字信号处理器(DSP)硬件、专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。处理电路系统130可以可选地耦合到例如，用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和/或非易失性存储器。处理电路系统130被配置为基于用于测量的至少一个光敏传感器像素121的输出值来确定指示场景中的对象101的反射率的反射率值。
例如，处理电路系统130可以通过对用于测量的至少一个光敏传感器像素121的输出值应用至少一个校正来确定反射率值。用于测量的至少一个光敏传感器像素121的输出值可以例如被缩放和/或被偏移校正以获得反射率值。因此，可以校正系统误差(例如噪声)。
例如，处理电路系统130还可以输出指示反射率值的数据(例如，二维图像)。
根据示例，处理电路系统130还可以耦合到照明元件110，并且被配置为如上所述地控制照明元件110。
装置100可以包括另外的硬件——传统硬件和/或定制硬件。
以下描述集中于本公开的示例上，其中光学传感器120是ToF传感器。因此，测量是ToF测量。
图4图示了用于ToF传感器120的示例性光敏传感器元件或像素121'。ToF传感器120可以包括与光敏传感器元件或像素121'类似地实现的至少一个光敏传感器元件或像素。例如，ToF传感器120可以包括多个光敏传感器元件或像素，它们与光敏传感器元件或像素121'类似地被实现。
光敏传感器元件或像素121'与以上关于图3描述的光敏传感器元件或像素121基本相同。与光敏传感器元件或像素121相比，光敏传感器元件或像素121'包括附加电荷存储器125。附加电荷存储器125可以如上文针对电荷存储器123所描述的那样被实现。要注意的是，仅为了说明的目的，电荷存储器123和125在图5中被图示为分开的元件。这两个电荷存储器是光敏传感器元件或像素121'的一部分。两个电荷存储器123和125允许选择性地存储所生成的电荷载流子。尽管在图5中示出了用于光敏传感器元件或像素121'的恰好两个电荷存储器，但是应注意本公开不限于此。一般来说，ToF传感器120的每个光敏传感器元件或像素可以使用任何数量K≥2的电荷存储器。
类似于上文关于具有单个电荷存储器123的光敏传感器元件或像素121所描述的，至少一个光敏传感器像素121'被配置为在ToF测量期间将所生成的电荷载流子选择性地存储在至少一个光敏传感器元件或像素121'的至少两个电荷存储器123和125中。基于至少两个电荷存储器123和125的电荷水平来确定用于ToF测量的至少一个光敏传感器元件或像素121'的输出(值、数据)。例如，用于ToF测量的至少一个光敏传感器元件或像素121'的输出值可以基于至少两个电荷存储器123和125的两个电荷存储器的电荷水平之间的差异。换言之，用于ToF测量的至少一个光敏传感器元件或像素121'的输出值可以基于在至少两个电荷存储器123和125中所存储的电荷之间的电荷差。到达ToF传感器120处的背景光导致生成不期望的电荷载流子。由背景光所引起的电荷载流子被存储在至少两个电荷存储器123和125中的所有电荷存储器中。因此，如果用于ToF测量的至少一个光敏传感器元件或像素121'的输出值基于至少两个电荷存储器123和125中所存储的电荷之间的电荷差，则背景光对ToF测量的影响可以被消除或者至少被减轻。例如，至少一个光敏传感器像素121'可以被配置为在ToF测量期间将所生成的电荷载流子以相同的时间量存储在至少两个电荷存储器123和125中的每一个电荷存储器中。因此，由背景光所引起的电荷载流子的量在至少两个电荷存储器123和125中的所有电荷存储器中基本上是相同的，使得它们基本上被抵消掉。这可以允许进一步改进利用ToF传感器120的反射率测量。
与上述类似地，至少一个光敏传感器像素121'被配置为在ToF测量期间选择性地阻止所生成的电荷载流子到达至少两个电荷存储器123和125。例如，至少一个光敏传感器像素121'可以被配置为通过经由排出端子124选择性地排出所生成的电荷载流子来在ToF测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器123和125。然而，要注意的是，本公开不限于此。在其他示例中，可以省略排出端子124并且光敏传感器元件或像素121'可以例如，被配置为将至少两个电荷存储器123和125与半导体材料122电去耦(隔离)，使得所生成的电荷载流子不能到达至少两个电荷存储器123和125。一般来说，可以使用任何技术来选择性地阻止在测量期间所生成的电荷载流子的一部分到达至少两个电荷存储器123和125。
与上述的至少一个光敏传感器像素121一样，至少一个光敏传感器像素121'可以允许在ToF测量期间选择性地阻止所生成的电荷载流子中的一些(部分)到达至少两个电荷存储器123和125。由于在ToF测量期间只有存储在至少两个电荷存储器123和125中的电荷载流子对用于ToF测量的至少一个光敏传感器元件或像素121的输出(值、数据)作出贡献，因此可以对ToF传感器120的距离相关灵敏度进行调整(整形)。
用于ToF测量的光敏传感器元件或像素的灵敏度由其用于ToF测量的(与光强度无关的)相关函数给出。用于ToF测量的至少一个光敏传感器元件或像素121'的(与光强度无关的)相关函数利用在ToF测量期间用于驱动至少一个光敏传感器元件或像素121'的一个或多个驱动信号、并且不考虑(即忽略、不虑及)反射光103的强度而给出了至少一个光敏传感器像素121的反射光103的距离相关的相关性。换句话说，(与光强度无关的)相关函数只描述了光敏传感器像素的输出(值，数据)的距离相关性，而没有描述光敏传感器像素的输出(值，数据)对反射光103的强度的相关性。类似于上文关于灵敏度所描述的，用于ToF测量的至少一个光敏传感器像素121'的相关函数在ToF传感器120的(目标)测量范围内随着距离严格单调地增加。例如，相关函数可以在测量范围内随着距离而基本上二次方地增加。
图5在子图(a)中图示了用于ToF测量的至少一个光敏传感器元件或像素121'的示例性相关函数510。子图(a)的横坐标标示ToF传感器120和对象101之间的距离。纵坐标标示相关函数的值。在图5的示例中，ToF传感器120的(目标)测量范围515是从大约0到1.25的范围。与图3中所图示的灵敏度类似地，相关函数510在测量范围515内随着距离严格单调地增加。具体地，相关函数510在测量范围515内随着距离而基本上二次方地增加。相关函数510可以仅在测量范围515内有效。
图5的子图(b)图示了由发光元件120发射到场景以用于ToF测量的调制光脉冲520的示例性次序。子图(b)的横坐标标示时间。纵坐标标示控制发光元件120发射光脉冲的照明信号的幅度。
图5的子图(c)图示了在ToF测量期间的至少一个光敏传感器元件或像素121'的状态的示例性时间进程530。子图(c)的横坐标标示时间。纵坐标标示至少一个光敏传感器元件或像素121'的状态。如图5的子图(c)中所图示，两种状态是可能的。
当至少一个光敏传感器元件或像素121'处于“像素存储”状态时，至少一个光敏传感器元件或像素121'在ToF测量期间将由反射光103生成的电荷载流子选择性地存储在至少两个电荷存储器123和125中。例如，至少一个光敏传感器元件或像素121'可以根据调制代码而将所生成的电荷载流子选择性地存储在至少两个电荷存储器123和125中，该调制代码被编码为用于在ToF测量期间驱动至少一个光敏传感器元件或像素121'的一个或多个驱动信号。换言之，至少一个光敏传感器元件或像素121'提供整合状态，在该整合状态期间由反射光103在ToF测量期间所生成的电荷载流子被选择性地存储在至少两个电荷中存储123和125中。
当至少一个光敏传感器元件或像素121'处于“排出”状态时，至少一个光敏传感器元件或像素121'经由排出端子124选择性地排出在ToF测量期间由反射光103所生成的电荷载流子。当至少一个光敏传感器元件或像素221处于“排出”状态时，没有电荷载流子被存储在电荷存储器123和125中。换言之，至少一个光敏传感器元件或像素121'提供排出(非整合)状态，在该状态期间，由反射光103在ToF测量期间所生成的电荷载流子被阻止到达至少一个电荷存储器123。在ToF测量期间由反射光103所生成的电荷载流子不仅可以经由排出端子124而被排出。在其他示例中，至少一个电荷存储器123可以在排出(非整合)状态期间与半导体材料122电去耦(隔离)。
至少一个光敏传感器元件或像素121'的状态由用于在ToF测量期间驱动至少一个光敏传感器元件或像素121'的一个或多个驱动信号来控制。例如，在ToF测量期间，至少一个光敏传感器元件或像素121'可以根据被编码到一个或多个驱动信号的状态模式进行操作。如子图(c)中所图示，状态模式可以例如，交替地包括整合状态和排出状态，使得每两个后续整合状态被排出状态隔开。通过随时间交替地排出和存储电荷载流子并且通过选择(调整)用于(一个或多个)整合状态和(一个或多个)排出状态的适当持续时间，可以调整在ToF测量期间的(一个或多个)排出状态的(一个或多个)时序和(一个或多个)持续时间，使得用于ToF测量的至少一个光敏传感器像素121'的相关函数510在ToF传感器的测量范围515内随着距离严格单调地增加。
图5的子图(d)图示了经由排出端子124选择性地排出的所生成的电荷载流子的示例性距离相关比率540。子图(d)的横坐标标示ToF传感器120和对象101之间的距离。纵坐标标示排出的带电载流子的比率。从子图(d)中可以看出，至少一个光敏传感器元件或像素121'被控制以随着对象101(引起入射光103)到ToF传感器120的距离增加而降低排出的带电载流子的比率。换言之，至少一个光敏传感器元件或像素121被控制以随着ToF传感器120到引起入射光103的对象101的距离增加而增加选择性地存储在至少两个电荷存储器123和125中的所生成的电荷载流子的比率。通过适当地设置状态模式中的(一个或多个)整合状态和(一个或多个)排出状态的持续时间来实现排出的带电载流子的比率随着距离的降低。
从子图(d)中可以看出，只有由来自测量范围515的起点的反射光103所生成的电荷载流子的一部分被存储在至少两个电荷存储器123和125中。所存储的电荷载流子对子图(a)中所图示的相关函数510作出贡献。剩余的电荷载流子经由排出端子124从至少一个光敏传感器元件或像素121'中被去除(排出)，并且因此不被存储在至少两个电荷存储器123和125中。这被实现是因为引起这些电荷载流子的反射光103在至少一个光敏传感器元件或像素121'处于“排出”状态时到达。由来自测量范围远端的反射光103引起的电荷载流子基本上完全被存储在至少两个电荷存储器123和125中，并且因此对子图(a)中所图示的相关函数510贡献更大。因此，相关函数510的幅度在ToF传感器120的测量范围515内随着距离严格单调地增加。
关于如何配置(整形)驱动ToF传感器120的至少一个光敏传感器元件或像素121'的一个或多个驱动信号以及用于驱动照明元件110的一个或多个照明信号以便创建行为类似于图5的上述示例的相关函数，存在基本上无限的多种方式。因此，要注意的是，本公开不限于一个或多个驱动信号和一个或多个照明信号的特定配置(整形)。因此，图5中所图示的信号结构仅用于说明。例如，图5的子图(c)中所图示的次序可以例如重复多次或混合。替代地，可以使用不同的信号模式。类似地，图5的子图(c)中所图示的光脉冲的长度可以是同质的，或以与图5的子图(c)中所图示不同的模式为特征。一般来说，一个或多个驱动信号和一个或多个照明信号被选择，以使得由来自较近范围的入射光引起的电荷载流子在一定程度上被排出，以使相应的相关函数随着距离严格单调地增加。例如，所发射的光脉冲520和一个或多个驱动信号(其可以被理解为(一个或多个)像素状态信号)可以被整形，以使得近似于光稀释函数的倒数(参见数学表达式(2))。一个或多个驱动信号和照明信号的频率可以被适配到目标测量范围，因为测量的远端与频率成线性比例。
深度感测可以被用来使ToF传感器120的测量范围适配到对象101的距离。使测量范围与对象的距离适配可以允许提高装置100的能量效率和/或消耗，因为没有主动光(即发射的调制光102)被不必要地浪费或耗尽。例如，ToF传感器120还可被配置为在执行上述用于反射率测量的ToF测量之前执行一个或多个第二ToF测量。处理电路系统130可以相应地被配置为基于用于一个或多个第二ToF测量的ToF传感器120的输出来确定指示到对象101的距离的距离值。一个或多个第二ToF测量和距离值的确定可以根据传统的深度ToF深度感测原理(例如使用相应的振荡相关函数)来执行。此外，处理电路系统130可以被配置为基于距离值来调整用于上述ToF测量的ToF传感器120的测量范围以包括对象101。例如，处理电路系统130可以基于所确定的距离值来调整一个或多个驱动信号和一个或多个照明信号的频率和/或任何其他参数。可选地，处理电路系统130可以输出指示距离值的另外数据。例如，指示反射率值和/或距离值的一个或多个图像可以由处理电路系统130输出。
为了总结所提出的光学感测，图6图示了用于感测场景的方法600的示例的流程图。方法600包括使用照明元件用调制光照明602场景。此外，方法600包括在光学传感器处接收604来自场景的反射光。光学传感器包括至少一个光敏传感器元件或像素。方法600还包括控制606至少一个光敏传感器元件或像素以在测量期间将由反射光在光敏传感器元件或像素中所生成的电荷载流子存储在光敏传感器元件或像素的至少一个电荷存储器中。此外，方法600包括控制608至少一个光敏传感器元件或像素以在测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器，以随着针对源自于光学传感器的测量范围内的反射光的距离而严格单调地增加至少一个光敏传感器像素或像素的灵敏度。
方法600可以允许避免来自光学传感器附近的反射光使至少一个光敏传感器元件或像素饱和。因此，可以避免由于像素饱和导致的测量的失真。
方法600的更多细节和方面结合所提出的技术或上述的一个或多个示例来解释。方法600可以包括与所提出的技术的一个或多个方面或上述一个或多个示例相对应的一个或多个附加可选特征。在下文中描述了方法600的一些示例性的另外特征，然而，应当注意，方法600不限于此。
例如，灵敏度可以在如上所述的测量范围内随着距离而二次方地增加。
方法600可以可选地还包括：基于用于测量的至少一个光敏传感器像素的输出值来确定指示场景中的对象的反射率的反射率值。
在方法600中的光学传感器例如可以是ToF传感器。因此，测量可以是ToF测量。
此外，方法600还可以包括在执行ToF测量之前使用ToF传感器执行一个或多个第二ToF测量。可以可选地在方法600中基于用于一个或多个第二ToF测量的ToF传感器的输出来确定指示到对象的距离的距离值。此外，方法600可以包括基于距离值来调整用于ToF测量的ToF传感器的测量范围以包括对象。
控制608至少一个光敏传感器元件或像素以在ToF测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器可以例如包括：控制至少一个光敏传感器元件或像素以选择性地排出电荷载流子。
如本文所述的示例可以被总结如下：
示例涉及一种用于感测场景的装置。该装置包括照明元件，该照明元件被配置为用调制光照明场景。此外，该装置包括部配置为接收来自场景的反射光的光学传感器。光学传感器包括至少一个光敏传感器像素，其被配置为在测量期间将由反射光在光敏传感器像素中所生成的电荷载流子存储在光敏传感器像素的至少一个电荷存储器中。至少一个光敏传感器像素还被配置为在测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器，以针对源自于光学传感器的测量范围内的反射光而随着距离严格单调地增加至少一个光敏传感器像素的灵敏度。
在一些示例中，灵敏度在测量范围内随着距离而二次方地增加。
根据一些示例，光敏传感器像素还被配置：为随着光学传感器到引起反射光的场景中的对象的距离增加而增加存储在至少一个电荷存储器中的电荷载流子的比率。
在一些示例中，至少一个光敏传感器像素还被配置为：基于至少一个接收到的驱动信号来选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器。
根据一些示例，该装置还包括处理电路系统，该处理电路系统被配置为基于用于测量的至少一个光敏传感器像素的输出值来确定指示场景中的对象的反射率的反射率值。
根据一些示例，其中至少一个光敏传感器像素提供整合状态，在该整合状态期间电荷载流子被存储在至少一个电荷存储器中，其中至少一个光敏传感器像素还提供非整合状态，在该非整合状态期间阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器，其中控制至少一个光敏传感器像素在测量期间根据状态模式进行操作，该状态模式交替地包括整合状态和非整合状态。
在一些示例中，光学传感器是ToF传感器，其中测量是ToF测量。
根据一些示例，用于ToF测量的至少一个光敏传感器像素的相关函数在ToF传感器的测量范围内随着距离严格地单调增加。
在一些示例中，相关函数利用一个或多个驱动信号、并且不考虑反射光的强度而给出至少一个光敏传感器像素的反射光的距离相关的相关性，该至少一个光敏传感器像素是基于一个或多个驱动信号来驱动的。
根据一些示例，相关函数在测量范围内随着距离而二次方地增加。
在一些示例中，该至少一个光敏传感器像素被配置为：在ToF测量期间将电荷载流子选择性地存储在光敏传感器像素的至少两个电荷存储器中；在ToF测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少两个电荷存储器。
根据一些示例，用于ToF测量的至少一个光敏传感器像素的输出值基于至少两个电荷存储器中所存储的电荷之间的电荷差。
根据一些示例，该至少一个光敏传感器像素提供整合状态，在该整合状态期间电荷载流子被存储在至少两个电荷存储器中，其中该至少一个光敏传感器像素还提供非整合状态，在该非整合状态期间阻止电荷载流子到达至少两个电荷存储器，其中控制至少一个光敏传感器像素在ToF测量期间根据状态模式进行操作，该状态模式交替地包括整合状态和非整合状态。
在一些示例中，ToF传感器还被配置为在执行ToF测量之前执行一个或多个第二ToF测量，并且其中处理电路系统被配置为：基于用于一个或多个第二ToF测量的ToF传感器的输出来确定指示到对象的距离的距离值；并基于距离值来调整用于ToF测量的ToF传感器的测量范围以包括对象。
根据一些示例，至少一个光敏传感器像素被配置为通过选择性地排出电荷载流子而在ToF测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器。
在替代示例中，光学传感器是图像传感器或动态视觉传感器。
其他示例涉及一种用于感测场景的方法。该方法包括使用照明元件用调制光照明场景。此外，该方法包括在光学传感器处接收来自场景的反射光。光学传感器包括至少一个光敏传感器像素。该方法还包括控制至少一个光敏传感器像素以在测量期间将由反射光在光敏传感器像素中所生成的电荷载流子存储在光敏传感器像素的至少一个电荷存储器中。此外，该方法包括控制至少一个光敏传感器像素以在测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器，以针对源自于光学传感器的测量范围内的反射光而随着距离严格单调地增加至少一个光敏传感器像素的灵敏度。
在一些示例中，灵敏度在测量范围内随着距离而二次方地增加。
根据一些示例，该方法还包括基于用于测量的至少一个光敏传感器像素的输出值来确定指示场景中的对象的反射率的反射率值。
在一些示例中，光学传感器是ToF传感器，并且其中测量是ToF测量。
根据一些示例，该方法还包括：在执行ToF测量之前使用ToF传感器执行一个或多个第二ToF测量；基于用于一个或多个第二ToF测量的ToF传感器的输出来确定指示到对象的距离的距离值；并且基于距离值来调整用于ToF测量的ToF传感器的测量范围以包括对象。
在一些示例中，控制至少一个光敏传感器像素以在ToF测量期间选择性地阻止电荷载流子到达至少一个电荷存储器包括：控制至少一个光敏传感器像素以选择性地排出电荷载流子。
本公开的示例可以提供具有随着距离增加其灵敏度的主动照明(例如ToF)的相机系统。例如，本公开的示例可以允许改进智能手机或对象中基于ToF传感器的面部识别和用于机器人和自动化的材料识别。本公开的一些示例可以使用传感器的排出门特征实现反射率测量。
与前述示例中的一个特定示例相关的各方面和特征也可以与其他示例中的一个或多个相结合，以替换该其他示例的相同或相似特征，或者将这些特征另外引入到其他示例中。
还应理解，在说明书或权利要求书中公开的若干步骤、过程、操作或功能的公开不应被解释为暗示这些操作必须取决于所描述的顺序，除非在个别情况下被明确说明或出于技术原因需要。因此，前面的描述并不将若干步骤或功能的执行限制为一定的顺序。此外，在其他示例中，单个步骤、功能、过程或操作可以包括和/或被分解成若干子步骤、功能、过程或操作。
如果已经结合设备或系统描述了某些方面，则这些方面也应被理解为对对应方法的描述。例如，设备或系统的块、设备或功能方面可以对应于对应方法的特征，诸如方法步骤。因此，关于方法描述的各方面也应被理解为对对应设备或对应系统的对应块、对应元件、属性或功能特征的描述。
以下权利要求在此被并入在详细描述中，其中每个权利要求可以作为单独示例而独立存在。还应注意，虽然在权利要求中从属权利要求是指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例也可以包括从属权利要求与任何其他从属或独立权利要求的主题的组合。在此明确提出这样的组合，除非在个别情况下声明不打算使用特定组合。此外，一个权利要求的特征也应被任何其他独立权利要求包括，即使该权利要求未被直接定义为从属于该其他独立权利要求。

Claims (20)

1.一种用于感测场景的装置(100)，包括：
照明元件(110)，被配置为用调制光(102)照明所述场景；以及
光学传感器(120)，被配置为接收来自所述场景的反射光(103)，其中所述光学传感器(120)包括至少一个光敏传感器像素(121、121')，所述至少一个光敏传感器像素(121、121')被配置为：
在测量期间将由所述反射光(103)在所述光敏传感器像素(121、121')中所生成的电荷载流子存储在所述光敏传感器像素(121、121')的至少一个电荷存储器(123、125)中；以及
在所述测量期间选择性地阻止所述电荷载流子到达所述至少一个电荷存储器(123、125)，以针对源自于所述光学传感器(120)的测量范围内的反射光(103)而随着距离严格单调地增加所述至少一个光敏传感器像素(121、121')的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述灵敏度在所述测量范围内随着距离而二次方地增加。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述至少一个光敏传感器像素(121、121')还被配置为：随着所述光学传感器(120)到引起所述反射光(103)的所述场景中的对象的距离增加而增加存储在所述至少一个电荷存储器(123、125)中的电荷载流子的比率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述至少一个光敏传感器像素还被配置为：基于至少一个接收到的驱动信号来选择性地阻止所述电荷载流子到达所述至少一个电荷存储器(123、125)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，还包括：
处理电路系统，被配置为基于用于所述测量的所述至少一个光敏传感器像素(121、121')的输出值来确定指示所述场景中的对象的反射率的反射率值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述光学传感器(120)是飞行时间ToF传感器，并且其中所述测量是ToF测量。
7.根据权利要求6所述的装置，其中用于所述ToF测量的所述至少一个光敏传感器像素(121、121')的相关函数在所述ToF传感器的所述测量范围内随着距离严格单调地增加。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述相关函数利用一个或多个驱动信号、并且不考虑所述反射光的强度(103)而给出所述至少一个光敏传感器像素的所述反射光(103)的距离相关的相关性，所述至少一个光敏传感器像素(121、121')是基于所述一个或多个驱动信号来驱动的。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中所述相关函数在所述测量范围内随着距离而二次方地增加。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其中所述至少一个光敏传感器像素(121')被配置为：
在所述ToF测量期间将所述电荷载流子选择性地存储在所述光敏传感器像素(121')的至少两个电荷存储器(123、125)中；以及
在所述ToF测量期间选择性地阻止所述电荷载流子到达所述至少两个电荷存储器(123、125)。
11.根据权利要求10所述的装置，其中用于所述ToF测量的所述至少一个光敏传感器像素(121')的输出值基于所述至少两个电荷存储器(123、125)中所存储的电荷之间的电荷差。
12.根据权利要求5和权利要求6至11中任一项所述的装置，其中所述ToF传感器还被配置为在执行所述ToF测量之前执行一个或多个第二ToF测量，并且其中所述处理电路系统被配置为：
基于用于所述一个或多个第二ToF测量的所述ToF传感器的输出来确定指示到所述对象的距离的距离值；以及
基于所述距离值来调整用于所述ToF测量的所述ToF传感器的所述测量范围以包括所述对象。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的装置，其中所述至少一个光敏传感器像素(121')被配置为：通过选择性地排出所述电荷载流子而在所述ToF测量期间选择性地阻止所述电荷载流子到达所述至少一个电荷存储器(123、125)。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述光学传感器(120)是图像传感器或动态视觉传感器。
15.一种用于感测场景的方法(600)，所述方法包括：
使用照明元件用调制光照明(602)所述场景；
在光学传感器处接收(604)来自所述场景的反射光，其中所述光学传感器包括至少一个光敏传感器像素；
控制(606、608)所述至少一个光敏传感器像素以：
在测量期间将由所述反射光在所述光敏传感器像素中所生成的电荷载流子存储在所述光敏传感器像素的至少一个电荷存储器中；以及
在所述测量期间选择性地阻止所述电荷载流子到达所述至少一个电荷存储器，以针对源自于所述光学传感器的测量范围内的反射光而随着距离严格单调地增加所述至少一个光敏传感器像素的灵敏度。
16.根据权利要求15所述的方法(600)，其中所述灵敏度在所述测量范围内随着距离而二次方地增加。
17.根据权利要求15或16所述的方法(600)，还包括：
基于用于所述测量的所述至少一个光敏传感器像素的输出值来确定指示所述场景中的对象的反射率的反射率值。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法(600)，其中所述光学传感器是飞行时间ToF传感器，并且其中所述测量是ToF测量。
19.根据权利要求17和18所述的方法(600)，还包括：
在执行所述ToF测量之前，使用所述ToF传感器执行一个或多个第二ToF测量；
基于用于所述一个或多个第二ToF测量的所述ToF传感器的输出来确定指示到所述对象的距离的距离值；以及
基于所述距离值来调整用于所述ToF测量的所述ToF传感器的所述测量范围以包括所述对象。
20.根据权利要求18或19所述的方法(600)，其中控制(608)所述至少一个光敏传感器像素以在所述ToF测量期间选择性地阻止所述电荷载流子到达所述至少一个电荷存储器包括：控制所述至少一个光敏传感器像素以选择性地排出所述电荷载流子。
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