JP2020080532A - 画素、飛行時間型センサシステム、および飛行時間型撮像の方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】感知距離を改善し、画素の複雑性を低下させることができる画素、飛行時間型センサシステム及び飛行時間型（ＴＯＦ）撮像の方法を提供する。【解決手段】センサシステムにおいて、画素１１０は、第１のノード１２０に電気的に接続された定電流源１１８を含む。積分コンデンサ１２２は、第１のノード１２０と接地１２４との間に電気的に接続される。サンプリングトランジスタ１２６は、第１のノード１２０と第２のノード１２８との間に電気的に接続される。フォトダイオード１３０は、フォトダイオード１３０に対する放射入射に応答して、サンプリングトランジスタ１２６を通して電気接続性を切り替えるために、サンプリングトランジスタ１２６のベース端子１３２と接地１２４との間に電気的に接続される。【選択図】図２
Description
本開示は、撮像デバイスに関し、より詳細には、３次元撮像デバイスなどのための飛行時間型撮像に関する。
飛行時間型（ＴＯＦ）カメラは、カメラから物体への距離を測定し、各画素値がその視野内のその点までの距離を表す画像を提供するために使用される。ＴＯＦカメラは、光パルスを送信すること、及び光がセンサに反射して戻るのにかかる時間量を測定することによって動作する。このようなカメラは、ロボット工学、ビデオゲーム、及び３次元スキャナの分野において使用される。無人航空機（ＵＡＶ）及び自動運転自動車技術における進歩のために、ＴＯＦカメラへの関心も増大している。
従来技術は、その意図される目的を充足するものと考えられている。しかしながら、改良された飛行時間型撮像に対する必要性は、絶えず存在している。本開示は、この必要性に対する解決策を提供する。
画素は、第１のノードに電気的に接続された定電流源を含む。積分コンデンサは、第１のノードと接地との間に電気的に接続される。サンプリングトランジスタは、第１のノードと第２のノードとの間に電気的に接続される。フォトダイオードは、フォトダイオードに対する放射入射に応答して、サンプリングトランジスタを通して電気接続性を切り替えるために、サンプリングトランジスタのベース端子と接地との間に電気的に接続される。
サンプリングコンデンサは、サンプリングトランジスタが積分コンデンサをサンプリングコンデンサに接続するように切り替えるときに、積分コンデンサにおいて蓄積された電圧をサンプリングするために、第２のノードと接地との間に電気的に接続され得る。増幅器は、サンプリングコンデンサからの電気信号を増幅するために、第２のノードに電気的に接続され得る。リセットトランジスタは、積分を開始するために積分コンデンサの電圧をリセットするための、リセットトランジスタのベース端子において受信されるコントローラからのリセット信号に基づいて、リセットトランジスタを通して第１のノードから接地への電気接続性を切り替えるために、第１のノードと接地との間に電気的に接続され得る。
飛行時間型（ＴＯＦ）センサシステムは、センサ画素のアレイであって、各画素が上述した通りである、センサ画素のアレイを含む。システムは、センサ画素からの信号を画像データに変換するために、センサ画素のアレイに動作可能に接続された支援回路を含む。
システムは、照明源と、画素が照明のパルスの飛行時間（ＴＯＦ）を示す信号を出力するように画素積分及び照明のパルスを開始するために、照明源及びセンサ画素のアレイに動作可能に接続されたコントローラと、を含み得る。リセットトランジスタは、積分を開始するために積分コンデンサの電圧をリセットするための、リセットトランジスタのベース端子において受信されるコントローラからのリセット信号に基づいて、リセットトランジスタを通して第１のノードから接地への電気接続性を切り替えるために、第１のノードと接地との間に電気的に接続され得る。光学系は、照明の焦点をシーンからセンサ画素上に合わせるために、センサ画素のアレイに光学的に接続され得る。読み出し専用集積回路（ＲＯＩＣ）は、センサ画素のアレイに動作可能に接続され得る。各増幅器は、出力用のデータ調整のために、増幅された電気信号をＲＯＩＣに出力するように接続され得る。各画素は、画素と視野内の点との間の距離を表す画素値を生成するように構成され得る。
飛行時間型（ＴＯＦ）撮像の方法は、照明のパルスを放射することと、定電流源に電気的に接続された積分コンデンサにおいて電圧を積分することと、を含む。電圧を積分することは、照明のパルスを放射することと同期される。方法は、照明のパルスのシーンからの帰還が検出されるときに、積分コンデンサにおいて電圧をサンプリングすることを含む。
電圧を積分することは、照明のパルスの先頭においてゼロ電圧から開始するように同期され得る。照明のパルスのシーンからの帰還がフォトダイオードによって検出されるときに、電圧をサンプリングすることが実行され得る。サンプリングは、積分コンデンサからサンプリングコンデンサに電圧を移送することを含み得る。
主題開示のシステム及び方法の、これらの及び他の特徴は、当業者には、図面と併せて用いられる好適な実施形態の以下の詳細な説明からさらに容易に明らかになるであろう。
主題開示が属する技術分野の当業者が、不要な実験を行うことなく、主題開示のデバイス及び方法を作成及び使用する方法を容易に理解するように、その好適な実施形態は、ある図面を参照して以下の本明細書において詳細に説明される。
ここで、図面に対して参照が行われ、図面において、類似の参照番号は、主題開示の類似の構造的特徴または態様を識別する。限定ではなく説明及び例示の目的で、開示による飛行時間型（ＴＯＦ）センサシステムの例示的実施形態の部分図が、図１に示され、概して参照符号１００により指定される。開示またはその態様によるセンサシステムの他の実施形態は、説明されるように、図２において提供される。本明細書で説明されるシステム及び方法は、ＴＯＦ画像を形成するために使用され得る。ＴＯＦ画像において、各画素値は、画素と視野内の点との間の距離を表す。
例えば、ＴＯＦカメラのための、飛行時間型（ＴＯＦ）センサシステム１００は、センサ画素１１０のアレイ１０２を含む。システム１００は、センサ画素１１０からの信号を画像データに変換するために、センサ画素１１０のアレイ１０２に動作可能に接続された支援回路１０４を含む。
システム１００は、照明源１０６と、画素１１０が照明のパルスの飛行時間（ＴＯＦ）を示す信号を出力し得るように画素積分及び照明源１０６からの照明のパルスを開始するために、照明源１０６及びセンサ画素１１０のアレイ１０２に動作可能に接続されたコントローラ１０８と、を含む。光学系１１２は、照明、例えば、照明源１０６からの照明のパルスからの帰還の焦点をシーン１１４からセンサ画素１１０上に合わせるために、センサ画素１１０のアレイ１０２に光学的に接続される。支援回路１０４は、コントローラ１０８と、センサ画素１１０からの出力用のデータ調整のために、センサ画素１１０のアレイ１０２に動作可能に接続された読み出し専用集積回路（ＲＯＩＣ）１１６と、を含む。
ここで図２を参照すると、定電流源１１８は、各画素１１０の第１のノード１２０にパワーレール１１９を電気的に接続する。単一の電流源１１８が、アレイ１０２内の画素１１０の全てによって共有され得る。または画素１１０の各列が、例えば、それ自体の電流源１１８を有し得る。積分コンデンサ１２２は、第１のノード１２０と、接地１２４、例えば、実際の接地、共有負側ノードなどのローカル接地などとの間に電気的に接続される。サンプリングトランジスタ１２６、例えば、ｐｍｏｓトランジスタは、第１のノード１２０と第２のノード１２８との間に電気的に接続される。フォトダイオード１３０、例えば、アバランシェフォトダイオードが、フォトダイオード１３０に対する放射入射に応答して、サンプリングトランジスタ１２６を通して第１のノード１２０及び第２のノード１２８の電気接続性を切り替えるために、サンプリングトランジスタ１２６のベース端子１３２と接地１２４との間に電気的に接続される。抵抗器１２７または他の適当なインピーダンスコンポーネントが、トランジスタ１２６のベース端子１３２とパワーレール１２９との間に電気的に接続する。パワーレール１２９は、パワーレール１１９と同一であってもよく、または異なっていてもよい。
サンプリングコンデンサ１３４は、サンプリングトランジスタ１２６が積分コンデンサ１２２をサンプリングコンデンサ１３４に電気的に接続するように切り替えるときに、積分コンデンサ１２２において蓄積された電圧をサンプリングするために、第２のノード１２８と接地１２４との間に電気的に接続される。増幅器１３６は、サンプリングコンデンサ１３４からＲＯＩＣ１１６（図１に示される）への電気信号を増幅するために、第２のノード１２８に電気的に接続される。アレイ１０２（図１に示される）の各センシング画素１１０の増幅器１３６は、アレイ１０２からの出力用のデータ調整のために、増幅された電気信号をＲＯＩＣ１１６に出力するように接続され得る。各画素１１０は、それ自体の増幅器１３６を含む。リセットトランジスタ１３８、例えば、ｎｍｏｓトランジスタは、積分を開始するために積分コンデンサ１２２の電圧をリセットするための、リセットトランジスタ１３８のベース端子１４０において受信されるコントローラ１０８（図１に示される）からのリセット信号に応答して、積分コンデンサ１２２の電圧をゼロにするリセットトランジスタ１３８を通して第１のノード１２０から接地１２４への電気接続性を切り替えるために、第１のノード１２０と接地１２４との間に電気的に接続される。
飛行時間型（ＴＯＦ）撮像の方法は、例えば、照明源１０６から、照明のパルスを放射することと、定電流源、例えば、定電流源１１８に電気的に接続された積分コンデンサ、例えば、積分コンデンサ１２２において電圧を積分することと、を含む。電圧を積分することは、照明のパルスを放射することと同期される。方法は、照明のパルスのシーンからの帰還が検出されるときに、積分コンデンサにおいて電圧をサンプリングすることを含み、したがって、ＴＯＦは、積分コンデンサ上で測定される電圧に比例し、電圧はデジタル化され得る。画素のアレイ、例えば、アレイ１０２からのデジタル化された値が、シーン、例えば、シーン１１４のデジタルＴＯＦ画像を形成するために使用され得る。電圧を積分することは、照明のパルスの先頭においてゼロ電圧から開始するように同期される。照明のパルスのシーンからの帰還が、フォトダイオード、例えば、フォトダイオード１３０によって検出されるときに、電圧をサンプリングすることが実行される。サンプリングすることは、積分コンデンサからサンプリングコンデンサ、例えば、サンプリングコンデンサ１３４に電圧を移送することを含む。
本明細書において開示されるシステム及び方法は、距離感知の改善された柔軟性、及び画素の複雑性の低下を含む、従来のシステムを超える潜在的な利点をもたらす。連続波ＴＯＦカメラの場合、感知距離が、パルス周波数によって制限され、それを超えるとエイリアシングが発生する。従来通り、ＴＯＦカメラ画素は、比較器を含むことを必要とし、比較器は、ＲＯＩＣ上の領域を占める。
本開示の方法及びシステムは、上述され、図面に示されるように、従来システムと比較して感知距離の柔軟性及び低下した画素複雑性を含む、優れた特性を有する飛行時間型（ＴＯＦ）撮像のために提供される。主題開示の装置及び方法は、好適な実施形態を参照して示され、説明されているが、当業者であれば、主題開示の範囲から逸脱することなくそれに対して変更及び／または修正が行われ得ることを容易に理解するであろう。
Claims (17)
- 第１のノードに電気的に接続された定電流源と、
前記第１のノードと接地との間に電気的に接続された積分コンデンサと、
前記第１のノードと第２のノードとの間に電気的に接続されたサンプリングトランジスタと、
フォトダイオードであって、前記フォトダイオードに対する放射入射に応答して、前記サンプリングトランジスタを通して電気接続性を切り替えるために、前記サンプリングトランジスタのベース端子と前記接地との間に電気的に接続された前記フォトダイオードと、
を備える、画素。 - サンプリングコンデンサであって、前記サンプリングトランジスタが、前記積分コンデンサを前記サンプリングコンデンサに接続するように切り替えるときに、前記積分コンデンサに蓄積された電圧をサンプリングするために、前記第２のノードと前記接地との間に電気的に接続された、前記サンプリングコンデンサをさらに備える、請求項１に記載の画素。
- 前記サンプリングコンデンサからの電気信号を増幅するために、前記第２のノードに電気的に接続された増幅器をさらに備える、請求項２に記載の画素。
- リセットトランジスタであって、積分を開始するために前記積分コンデンサの電圧をリセットするための、前記リセットトランジスタのベース端子において受信されるコントローラからのリセット信号に基づいて、前記リセットトランジスタを通して前記第１のノードから前記接地への電気接続性を切り替えるために、前記第１のノードと前記接地との間に電気的に接続された、前記リセットトランジスタをさらに備える、請求項１に記載の画素。
- センサ画素のアレイであって、各画素が、
第１のノードに電気的に接続された定電流源、
前記第１のノードと接地との間に電気的に接続された積分コンデンサ、
前記第１のノードと第２のノードとの間に電気的に接続されたサンプリングトランジスタ、及び
フォトダイオードであって、前記フォトダイオードに対する放射入射に応答して、前記サンプリングトランジスタを通して電気接続性を切り替えるために、前記サンプリングトランジスタのベース端子と前記接地との間に電気的に接続された前記フォトダイオード
を含む、センサ画素のアレイと、
前記センサ画素からの信号を画像データに変換するために、前記センサ画素のアレイに動作可能に接続された支援回路と、
を備える、飛行時間型（ＴＯＦ）センサシステム。 - 照明源と、
前記画素が照明のパルスの飛行時間（ＴＯＦ）を示す信号を出力するように画素積分及び前記照明のパルスを開始するために、前記照明源及び前記センサ画素のアレイに動作可能に接続されたコントローラと、
をさらに備える、請求項５に記載のシステム。 - リセットトランジスタであって、積分を開始するために前記積分コンデンサの電圧をリセットするための、前記リセットトランジスタのベース端子において受信される前記コントローラからのリセット信号に基づいて、前記リセットトランジスタを通して前記第１のノードから前記接地への電気接続性を切り替えるために、前記第１のノードと前記接地との間に電気的に接続された、前記リセットトランジスタをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
- 照明の焦点をシーンから前記センサ画素上に合わせるために、前記センサ画素のアレイに光学的に接続された光学系をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
- サンプリングコンデンサであって、前記サンプリングトランジスタが、前記積分コンデンサを前記サンプリングコンデンサに接続するように切り替えるときに、前記積分コンデンサに蓄積された電圧をサンプリングするために、前記第２のノードと前記接地との間に電気的に接続された、前記サンプリングコンデンサをさらに備える、請求項５に記載のシステム。
- 前記サンプリングコンデンサからの電気信号を増幅するために、前記第２のノードに電気的に接続された増幅器をさらに備える、請求項９に記載のシステム。
- 前記センサ画素のアレイに動作可能に接続された読み出し専用集積回路（ＲＯＩＣ）をさらに備え、
各増幅器が、出力用のデータ調整のために、増幅された電気信号を前記ＲＯＩＣに出力するように接続される、請求項９に記載のシステム。 - 各画素が、前記画素と視野内の点との間の距離を表す画素値を生成するように構成される、請求項５に記載のシステム。
- 飛行時間型（ＴＯＦ）撮像の方法であって、
照明のパルスを放射することと、
定電流源に電気的に接続された積分コンデンサにおいて電圧を積分することであって、前記電圧を積分することが、前記照明のパルスを前記放射することと同期される、前記積分することと、
前記照明のパルスのシーンからの帰還が検出されるときに、前記積分コンデンサにおいて電圧をサンプリングすることと、
を含む、方法。 - 前記電圧を積分することが、前記照明のパルスの先頭においてゼロ電圧から開始するように同期される、請求項１３に記載の方法。
- 前記照明のパルスの前記シーンからの前記帰還がフォトダイオードによって検出されたときに、前記電圧をサンプリングすることが実行される、請求項１３に記載の方法。
- 前記サンプリングすることが、前記積分コンデンサからサンプリングコンデンサに電圧を移送することを含む、請求項１３に記載の方法。
- 前記積分することが、画素と視野内の点との間の距離を表す画素値を生成するように構成される前記画素を用いて実行される、請求項３に記載の方法。
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