TWI480586B - 用於判定飛行時間之方法及飛行時間成像設備與系統 - Google Patents

用於判定飛行時間之方法及飛行時間成像設備與系統 Download PDF

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Ashish A Shah
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Description

用於判定飛行時間之方法及飛行時間成像設備與系統
本發明大體而言係關於感測器，且明確地但非排他而言，係關於能夠進行三維成像之影像感測器。
隨著三維(3D)應用之普及在諸如成像、電影、遊戲、電腦、使用者介面及其類似者之應用中持續增長，對能夠進行3D成像之影像感測器之興趣正在增加。創建3D影像之一種典型被動方式為使用多個相機來俘獲立體或多個影像。使用立體影像，可對影像中之物體進行三角測量以創建3D影像。此三角測量技術之一缺點為難以使用小裝置來創建3D影像，因為每一相機之間必須存在最小分離距離(理想的為，接近人眼間距)，以便創建三維影像。另外，此技術為複雜的，且因此需要相當大之電腦處理能力以便即時創建3D影像。
對於要求即時獲取3D影像之應用而言，有時利用基於光學飛行時間量測之主動深度成像系統。此等飛行時間系統通常使用：光源，其將光引向物體；感測器，其偵測自物體反射之光；及處理單元，其基於光行進至物體及自物體返回所花之往返時間來計算至物體之距離。在典型飛行時間感測器中，通常使用光電二極體，因為自光偵測區至感測節點之轉移效率較高。一些已知飛行時間感測器需要較大之像素大小來自反射離開物體之光(其通常為低強度且短持續時間之光) 收集可接受之信號位準。一些已知飛行時間感測器藉由來自光源之光之多次積累來積累並儲存電荷，以獲得較高信號位準。然而，漏電流可在光之多次積累期間汲取所儲存之電荷，從而留下較差之信雜比。
100‧‧‧飛行時間感測系統
103‧‧‧光源
105‧‧‧所發射光
107‧‧‧物體
109‧‧‧反射光
111‧‧‧透鏡
113‧‧‧飛行時間像素陣列
115‧‧‧同步信號
117‧‧‧延遲時間TTOF
121‧‧‧控制電路
147‧‧‧光脈衝之脈衝寬度TPW
200‧‧‧飛行時間像素電路
205‧‧‧光電二極體
208‧‧‧環境光
225‧‧‧轉移電晶體
229‧‧‧轉移電晶體
235‧‧‧儲存電晶體
239‧‧‧儲存電晶體
240‧‧‧讀出節點
245‧‧‧輸出電晶體
249‧‧‧輸出電晶體
255‧‧‧重設電晶體
257‧‧‧電壓源VDD
260‧‧‧放大器電晶體
265‧‧‧選擇電晶體
267‧‧‧位元線
269‧‧‧轉移電晶體
279‧‧‧儲存電晶體
289‧‧‧輸出電晶體
299‧‧‧可選電晶體集合
305‧‧‧負偏壓
307‧‧‧SG臨限電壓
405‧‧‧所發射光
409‧‧‧反射光
417‧‧‧飛行時間TTOF
425‧‧‧切換調變信號TX1
429‧‧‧切換調變信號TX2
447‧‧‧脈衝寬度TPW
449‧‧‧電荷Q1
451‧‧‧電荷Q2
459‧‧‧背景信號量測
501‧‧‧第一負電壓
503‧‧‧第二負電壓
700‧‧‧飛行時間感測系統
713‧‧‧像素陣列
715‧‧‧同步信號
721‧‧‧控制電路
753‧‧‧讀出電路
755‧‧‧功能邏輯
C1‧‧‧行
C2‧‧‧行
C3‧‧‧行
C4‧‧‧行
C5‧‧‧行
Cx‧‧‧行
flens ‧‧‧焦距
L‧‧‧距離
OG1‧‧‧控制信號
OG2‧‧‧控制信號
OG3‧‧‧控制信號
P1‧‧‧像素
P2‧‧‧像素
P3‧‧‧像素
Pn‧‧‧像素
R1‧‧‧列
R2‧‧‧列
R3‧‧‧列
R4‧‧‧列
R5‧‧‧列
Ry‧‧‧列
RST‧‧‧控制信號
SEL‧‧‧控制信號
SG1‧‧‧控制信號
SG2‧‧‧控制信號
SG3‧‧‧控制信號
TX1‧‧‧控制信號
TX2‧‧‧控制信號
TX3‧‧‧控制信號
參考下圖描述本發明之非限制且非詳盡實施例，其中除非另有指定，否則相似參考數字遍及各個視圖指代相似部分。
圖1A為根據本發明之教示展示飛行時間感測系統之一個實例的方塊圖。
圖1B為根據本發明之教示展示實例飛行時間成像系統中相對於所反射光脈衝之接收自光源發射的光脈衝之實例的時序圖。
圖2為根據本發明之教示說明飛行時間像素電路之一個實例的示意圖。
圖3A為根據本發明之教示說明在飛行時間像素之操作期間施加至儲存電晶體之閘極的負閘極電壓之線圖。
圖3B為根據本發明之教示說明在飛行時間像素之操作期間在儲存電晶體之閘極下方的電洞積累之線圖。
圖4A為根據本發明之教示展示實例飛行時間成像系統中相對於第一與第二電晶體之切換的所發射光脈衝及所反射光脈衝之實例的時序圖。
圖4B為根據本發明之教示展示實例飛行時間成像系統中相對於第一與第二電晶體之切換的所發射光脈衝及所反射光脈衝之另一實例的時序圖。
圖5為根據本發明之教示說明飛行時間像素之實例操作的時序圖。
圖6為根據本發明之教示說明用於使用像素來判定飛行時間之實例程序的流程圖。
圖7為根據本發明之教示展示包括具有對應讀出電路、控制電路及功能邏輯之飛行時間像素陣列的實例飛行時間感測系統之一部分的方塊圖。
本發明揭示用於使用3D飛行時間感測器來獲取飛行時間及深度資訊之方法及設備。在以下描述中，陳述大量具體細節以提供對實施例之全面理解。然而，熟習此項技術者將認識到，可在無特定細節中之一或多者的情況下，或藉由其他方法、組件、材料等來實踐本文描述之技術。在其他例子中，為了避免模糊某些態樣，未詳細展示或描述熟知結構、材料或操作。
遍及本說明書中對「一個實施例」或「一實施例」之參考意謂結合該實施例描述之特定特徵、結構或特性包括於本發明之至少一個實施例中。因此，片語「在一個實施例中」或「在一實施例中」在本說明書中各個地方之出現未必全部指代同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何合適方式組合於一或多個實施例中。
遍及本說明書，使用若干技術術語。此等術語取其在該等術語所來自之技術中之一般意義，除非本文具體定義或其使用之上下文將另有清楚暗示。舉例而言，術語「或」以包括性意義使用(例如，如在「及/或」中)，除非上下文另有清楚指示。
如將展示，本發明揭示具有允許以較少洩漏儲存電荷之電路設計的飛行時間感測器之實例。藉由允許以較少洩漏儲存電荷，電荷可儲存較長時間，且仍實現可接受之信雜比。較長之儲存時間可允許較小之像素，其可在較長之時間週期內俘獲飛行時間影像信號，而非使用較大像素在較短之時間週期內俘獲飛行時間影像信號。
為了說明，圖1A為根據本發明之教示展示飛行時間感測系統100之一個實例的方塊圖。如圖所示，飛行時間感測系統100包括光源 103，其發射經調變脈衝，將該等脈衝說明為圖1A中之所發射光105。如圖所示，所發射光105指向物體107。在一個實例中，所發射光105包括紅外(IR)光之光脈衝。應瞭解，在其他實例中，根據本發明之教示，所發射光105可具有不同於紅外線之波長，例如可見光、近紅外光等。所發射光105接著自物體107反射回來，其在圖1A中展示為往回反射光109。如圖所示，反射光109自物體107引導通過透鏡111，且接著聚焦至飛行時間像素陣列113上。在一個實例中，飛行時間像素陣列113包括配置成二維陣列之多個飛行時間像素。如將論述，在一個實例中，根據本發明之教示，同步信號115由控制電路121產生，且被發送至光源103，以使所發射光105之光脈衝與控制飛行時間像素陣列113中之多個像素的對應調變信號同步。同步信號115可為指導光源103發射一或多個光脈衝歷時光源103已知之預定持續時間之時脈信號。在一個實例中，同步信號115含有光源103所發射之一或多個光脈衝之持續時間。
在圖1A中描繪之實例中，將飛行時間像素陣列113定位在距透鏡111焦距flens 處。如實例中所示，將光源103及透鏡111定位在距物體距離L處。透鏡111可為安置在飛行時間像素陣列113上之多個微透鏡之中的微透鏡。透鏡111可為固定場透鏡，或含有微透鏡及固定場透鏡之總成。當然應瞭解，圖1A並非按比例說明，且在一個實例中，焦距flens 實質上小於透鏡111與物體107之間的距離L。因此，應瞭解，出於本發明之目的，根據本發明之教示，為了飛行時間量測之目的，距離L與距離L+焦距flens 實質上相等。
圖1B為根據本發明之教示說明實例飛行時間成像系統中自光源發射之實例光脈衝相對於往回反射之光脈衝的接收之間的時序關係之時序圖。具體而言，圖1B展示所發射光105，其表示自光源103向物體107發射之經調變光脈衝。圖1B亦展示反射光109，其表示自物體 107往回反射且由飛行時間像素陣列113接收之反射光脈衝。在一個實例中，光源103發射具有小於10%之工作循環之所發射光105之光脈衝。在一個實例中，光脈衝之脈衝寬度TPW 147具有在20奈秒至100奈秒之範圍內的持續時間。當然應瞭解，根據本發明之教示，亦可利用所發射光105之其他工作循環及脈衝寬度。如圖所示，所發射光105及反射光109之光脈衝全都具有相同之脈衝寬度TPW 147。
如所描繪實例中所示，歸因於光脈衝行進自光源103至物體107之距離L花費的時間量，及接著反射之光脈衝行進自物體107返回到達飛行時間像素陣列113之距離L花費的額外時間，所發射光105之光脈衝的發射與反射光109之彼光脈衝的接收之間存在延遲時間TTOF 117。所發射光105與反射光109之間的時間差TTOF 117表示光脈衝在光源103與物體107之間進行往返之飛行時間。一旦已知飛行時間TTOF 117，就可使用下文之等式(1)及(2)中之以下關係來判定自光源103至物體107之距離L：
其中c為光速，其大約等於3×108 m/s，且TTOF 為光脈衝行進至物體及自物體返回花費之時間量，如圖1A中所示。
圖2為根據本發明之教示說明飛行時間像素電路之一個實例的示意圖。應瞭解，可在包括於圖1A中說明之實例飛行時間像素陣列113中的多個像素中之一者中實施飛行時間像素電路200。如圖2中描繪之實例中所示，飛行時間像素電路200包括光電二極體205，其回應於入射在光電二極體205上之光而積累電荷。在一個實例中，入射在光電二極體205上之光包括反射光109，如上文關於圖1A及圖1B所論述。環境光208亦可入射在光電二極體205上。可使用濾光片來控制到達光 電二極體205之光。可使用校準程序(下文結合圖4B提到)來計算來自光電二極體205之由環境光208產生之影像信號與來自光電二極體205之由反射光109產生之影像信號之間的差異。
圖2中說明之飛行時間像素電路200包括儲存電晶體235(由控制信號SG1控制)，其耦合在轉移電晶體225(由控制信號TX1控制)與輸出電晶體245(由控制信號OG1控制)之間。轉移電晶體225耦合至光電二極體205，且輸出電晶體245耦合至讀出節點240。所說明之飛行時間像素電路200亦包括儲存電晶體239(由控制信號SG2控制)，其耦合在轉移電晶體229(由控制信號TX2控制)與輸出電晶體249(由控制信號OG2控制)之間。轉移電晶體229耦合至光電二極體205，且輸出電晶體249耦合至讀出節點240。儲存電晶體235及239可具有內埋溝道或表面溝道。所說明之飛行時間像素電路200亦包括重設電晶體255、放大器電晶體260及選擇電晶體265。
在所說明之實例中，重設電晶體255耦合至電壓源VDD 257。可藉由選擇性地啟動(接通)重設電晶體255，同時啟動轉移電晶體225、儲存電晶體235及輸出電晶體245，來使光電二極體205重設。在一個實例中，可藉由選擇性地啟動重設電晶體255，同時啟動轉移電晶體229、儲存電晶體239及輸出電晶體249，來使光電二極體205重設。可使用諸如控制電路121之控制器來控制飛行時間像素電路200之電晶體。在使光電二極體205重設之後，可初始化儲存電晶體235及239，以用於在多個積累週期內儲存影像電荷。在一個實例中，控制電路121可在儲存電晶體經啟動之前產生待施加至儲存電晶體235及239之閘極的負電壓。
圖3A及圖3B為根據本發明之教示說明在飛行時間像素之操作期間施加至儲存電晶體之閘極的負閘極電壓及積累在該閘極下方之對應電洞的線圖。在一個實例中，控制電路121將具有負偏壓(例如，負偏 壓305)之控制信號發送至儲存電晶體(例如，儲存電晶體235及239)。控制信號可比儲存電晶體之臨限電壓(例如，SG臨限電壓307)低0.5 V以上。在一個實例中，控制信號具有-1.2 V之電壓。藉由負電壓對儲存電晶體之閘極預加偏壓在儲存電晶體下面之基板中「積累」處於表面狀態之電洞(見圖3B)。帶正電之所積累電洞可實體上使電子自表面狀態排斥，且因此最小化與表面狀態之電子互動。因此，可減少來自表面狀態之漏電流，此減少了自儲存電晶體內汲取所積累影像電荷之漏電流。此可允許儲存閘極在較長時間週期(例如，多個積累週期)內積累電荷，此實現了改良之信雜比。
在藉由負電壓對儲存電晶體預加偏壓時，儲存電晶體可需要與耦合至其源極及汲極之電晶體隔離。可使用控制電路121來撤銷啟動(斷開)鄰近電晶體以實現隔離。舉例而言，在對儲存電晶體235預加偏壓時，控制電路121可撤銷啟動轉移電晶體225及輸出電晶體245。類似地，在對儲存電晶體239預加偏壓時，控制電路121可撤銷啟動轉移電晶體229及輸出電晶體249。
圖4A及圖4B為可用以幫助結合上文之圖1至圖2中之飛行時間成像系統及飛行時間像素電路描述飛行時間像素電路200獲取影像電荷之操作的實例時序圖。具體而言，圖4A為根據本發明之教示展示在實例飛行時間成像系統中相對於切換調變信號TX1 425及TX2 429之所發射光405的經調變脈衝及反射光409之對應脈衝之實例的時序圖。
圖4A說明每當來自所發射光405之光脈衝反射離開物體107且變為反射光409時，影像電荷就可積累在光電二極體205中。在所說明之實例中，所發射光405具有調變頻率，且可具有小於10%之工作循環。如實例中所示，反射光409具有與所發射光405相同之調變頻率及相同之工作循環及脈衝寬度TPW 447。所發射光405之脈衝寬度TPW 447之接通時間可在20奈秒至100奈秒之範圍內。歸因於光脈衝至物體 107及自物體107返回之飛行時間，在飛行時間TTOF 417之後，反射光409之光脈衝由飛行時間像素陣列113中之像素接收。
自單一光脈衝積累在光電二極體205中之影像電荷為Q1 449與Q2 451之總和。Q1 449在轉移電晶體225被啟動之時間期間由光電二極體205積累，且Q2 451在轉移電晶體229被啟動之時間期間由光電二極體205積累。當轉移電晶體225由控制電路121啟動時，轉移電晶體225選擇性地將Q1 449(由光電二極體205積累之影像電荷之時間上第一部分)轉移至儲存電晶體235。第一調變信號TX1 425在組成所發射光405之光脈衝正自光源103發射之同時啟動轉移電晶體225且持續相同持續時間(TPW 447)。因此，第一調變信號TX1 425可稱為與所發射光405「同相」。
當轉移電晶體229由控制電路121啟動時，轉移電晶體229選擇性地將Q2 451(由光電二極體205積累之影像電荷之時間上第二部分)轉移至儲存電晶體239。如圖4A中所示，第二調變信號TX2 429在轉移電晶體225之撤銷啟動(與第一調變信號TX1 425對應)之後立即啟動轉移電晶體229。應瞭解，啟動轉移電晶體229持續與組成所發射光405之光脈衝相同之持續時間(TPW 447)及轉移電晶體225被啟動之相同持續時間(TPW 447)。在給定第二調變信號TX2 429與所發射光405之間的關係之情況下，第二調變信號TX2 429可稱為與所發射光405「異相」。第二調變信號TX2 429之每一脈衝緊隨第一調變信號TX1 425之每一脈衝之後，且不與第一調變信號TX1 425之每一脈衝重疊。因此，如圖4A中所示，根據本發明之教示，緊接第一調變信號TX1 425之每一脈衝之結束部分之後，且在第二調變信號TX2 429之每一脈衝之開始部分期間，反射光409之每一接通時間脈衝由光電二極體205接收。
如上文所提到，回應於第一調變信號TX1 425而切換轉移電晶體 225，且回應於第二調變信號TX2 429而切換轉移電晶體229。因此，在第一調變信號TX1 425之每一接通時間脈衝期間，將積累在光電二極體205中之光生電荷轉移至儲存電晶體235。在該實例中，回應於第一調變信號TX1 425而自光電二極體205轉移至儲存電晶體235之此光生電荷在圖4A中表示為Q1 449。類似地，在第二調變信號TX2 429之每一接通時間脈衝期間，將積累在光電二極體205中之光生電荷轉移至儲存電晶體239。在該實例中，回應於第二調變信號TX2 429自光電二極體205轉移至儲存電晶體239之光生電荷在圖4A中表示為Q2 451。
在一個實例中，可根據下文之等式(3)中之以下關係來判定自光源103發射之光行進至物體107及自物體107返回花費之飛行時間TTOF 417：
其中TTOF 表示飛行時間TTOF 417，TPW 表示脈衝寬度TPW 447，ΣQ2表示積累在儲存電晶體239中之電荷Q2之總量，且Σ(Q1+Q2)表示積累在儲存電晶體235及239中之電荷之總量的總和。根據本發明之教示，一旦判定飛行時間TTOF 417，就可接著將TTOF 結果代入上文概述之等式(2)中，以便判定距離L。
圖4B為根據本發明之教示展示實例飛行時間成像系統中相對於轉移電晶體225及229之切換的所發射光脈衝及反射光脈衝之另一實例的時序圖。應瞭解，圖4B類似於圖4A，但沿圖4B之x軸之時間標度具有比圖4A之時間標度低的解析度。由此，圖4B說明其中允許電荷在反射光409之多個循環內積累在儲存電晶體235及239中之實例。在圖4B中所示之實例中，在其中光源在由RO 457指示之時間接通453之週期期間，自飛行時間像素電路200讀出電荷資訊。RO 457之間的時間 為訊框時間。每一訊框可以數十毫秒計。在一個訊框期間，數十萬個整合/積累週期可對應於由光源103發射之數十萬個光脈衝而發生。因此，RO 457可在多個(例如，數十萬個)反射光脈衝照明光電二極體205且電荷Q1 449及Q2 451多次被分別轉移至儲存電晶體235及239之後出現。在如此做時，允許電荷在多個循環內積累在儲存電晶體235及239內，此與僅基於單一光脈衝之飛行時間計算相比提供改良之信雜比，因為脈衝寬度TPW 447由於在20奈秒至100奈秒之範圍內之非常短的照明脈衝而如此小。
圖4B亦說明其中光源103關閉455一或多個週期以允許進行背景信號量測459之實例。在此實例中，當未藉由反射光409照明光電二極體205時，週期性地量測來自儲存電晶體235及239之背景信號。如圖所示，可在光關閉455週期結束時進行此量測。在一個實例中，此量測可代表環境光及/或像素中之暗電流，其將對飛行時間計算增加雜訊。在一個實例中，根據本發明之教示，此背景信號量測459可儲存為校準資訊，且可自在光接通453週期期間進行之量測減去，以補償判定飛行時間TTOF 417時之背景雜訊。
圖5為根據本發明之教示說明飛行時間像素之實例操作的時序圖。如圖5中所示，在轉移電晶體225將第一Q1 449轉移至儲存電晶體235之前，將控制儲存電晶體235之閘極的控制信號(SG1)驅動至第一負電壓501。圖5展示標記為「SG1 511內之ΣQ1」的迷你圖表，其給出與第一調變信號TX1 425之時序對應的儲存在儲存電晶體235內之所積累影像電荷的視覺表示。迷你圖表511展示當用第一負電壓501對其預加偏壓時，存在儲存在儲存電晶體235中之可忽略(或無)影像電荷。圖5中亦展示，在轉移電晶體229將第一Q2 451轉移至儲存電晶體239之前，將控制儲存電晶體239之閘極的控制信號(SG2)驅動至第二負電壓503。圖5展示標記為「SG2 513內之ΣQ2」的迷你圖表，其給 出與第二調變信號TX2 429之時序對應的儲存在儲存電晶體239內之所積累影像電荷的視覺表示。迷你圖表513展示當用第二負電壓503對其預加偏壓時，存在儲存在儲存電晶體239中之可忽略(或無)影像電荷。應瞭解，負電壓501及503兩者分別低於儲存電晶體235及239之臨限電壓(VTH 507)。作為實例，負電壓501及503可為-1.2 V，且電晶體之啟動電壓(施加至閘極)可約為2.8至3.2 V。
圖5亦展示實例控制信號RST、SEL、OG1及OG2，其分別控制重設電晶體255、選擇電晶體265及輸出電晶體245及249，以用於讀出ΣQ1及ΣQ2。此等控制信號可由控制電路121產生。返回參看圖2，重設電晶體255耦合在電壓源VDD 257與讀出節點240之間。讀出節點240耦合至輸出電晶體245及249且耦合至放大器電晶體260。放大器電晶體260具有耦合至讀出節點240之閘極，且作為源極隨耦器而操作，其將放大器電晶體260之閘極端子處的輸入信號放大為放大器電晶體260之源極端子處的輸出信號。放大器電晶體260之汲極端子可耦合至電壓源VDD 257。選擇電晶體265耦合在放大器電晶體260之源極端子與位元線(BITLINE)267之間。選擇電晶體265經組態以將放大器電晶體260之輸出信號選擇性地耦合至位元線267以供讀出。
返回參看圖5，在儲存電晶體完成收集影像電荷之後，影像電荷將被讀出。應瞭解，出於說明目的，圖5僅展示讀出之前的三個積累循環，但讀出之間可存在數百個或數千個積累循環。在所說明之實例中，當讀出發生時(例如，RO 457)，(經由控制信號RST)第一次啟動重設電晶體255。當第一次啟動重設電晶體255時，已知電壓(例如，電壓源VDD 257)耦合至讀出節點240，以第一次將讀出節點240預充電至已知電壓。接著，(經由控制信號OG1)啟動輸出電晶體245，其將儲存在儲存電晶體235內之影像電荷(ΣQ1)轉移至讀出節點240。迷你圖表511展示儲存電晶體235內之ΣQ1在輸出電晶體245被啟動時減 小。當ΣQ1流入讀出節點240中時，其對放大器電晶體260之閘極加偏壓，此將表示ΣQ1之對應經放大電壓放至放大器電晶體260之源極端子上。接著(經由控制信號SEL)第一次啟動選擇電晶體265，其將經放大電壓耦合至位元線267以供讀出。
在所說明之實例中，在讀出ΣQ1之後讀出ΣQ2與讀出ΣQ1類似地作用。第二次啟動重設電晶體255，以將讀出節點240預充電至已知電壓。接著，(經由控制信號OG2)啟動輸出電晶體249，其將儲存在儲存電晶體239內之影像電荷(ΣQ2)轉移至讀出節點240。迷你圖表513展示儲存電晶體239內之ΣQ2在輸出電晶體249被啟動時減小。當ΣQ2流入讀出節點240中時，其對放大器電晶體260之閘極加偏壓，此將表示ΣQ2之對應經放大電壓放至放大器電晶體260之源極端子上。接著第二次啟動選擇電晶體265，其將經放大電壓耦合至位元線267以供讀出。
在一個實例中，出於雙重相關取樣目的，控制電路121可在使重設電晶體255重設且讀出節點240中不存在ΣQ1或ΣQ2之後，起始讀出節點240之讀出序列(未圖示)。
在讀出序列(未圖示)之一個實例中，使讀出節點240重設，且接著啟動OG2並讀出ΣQ2。在ΣQ2仍在讀出節點240中之情況下，啟動OG1，此允許ΣQ1流入讀出節點240中並加入ΣQ2。接著，在ΣQ1+ΣQ2在讀出節點240中之情況下，讀出讀出節點240。首先讀出ΣQ2且第二讀出ΣQ1+ΣQ2可減少根據本發明之等式3計算TTOF 所需之處理量。熟習此項技術者將瞭解，可利用其他讀出序列來讀出儲存在儲存電晶體235及239內之影像電荷。
再次參看圖2，該實例展示包括轉移電晶體269(藉由控制信號TX3控制)、儲存電晶體279(藉由控制信號SG3控制)及輸出電晶體289(藉由控制信號OG3控制)之可選電晶體集合299。儲存電晶體279耦 合在轉移電晶體269與輸出電晶體289之間。視情況，在所說明之實例中，轉移電晶體269耦合至光電二極體205，且輸出電晶體289耦合至讀出節點240。在一個實例中，可選電晶體集合299可視情況用作校正所發射光105之可能混疊之一種方式。在此實例中，可在撤銷啟動轉移電晶體229之後，但在啟動轉移電晶體225之前，(經由控制信號TX3)啟動轉移電晶體269，以將影像電荷轉移至儲存電晶體279。可使用可選電晶體集合299來俘獲關閉455週期期間之亮度影像，以為消除背景照明(例如，環境光208)且獲得所發射光105之真實讀數提供校準參考。
圖6為根據本發明之教示說明用於使用像素判定飛行時間之實例程序600的流程圖。程序區塊中之一些或全部在程序600中出現之次序不應被認為具有限制性。相反，受益於本發明之一般熟習此項技術者將理解，可以多個未說明次序或甚至並行執行程序區塊中之一些。
在程序區塊605中，初始化第一及第二儲存電晶體(例如，儲存電晶體235及239)以在多個積累週期內儲存影像電荷。該初始化可包括藉由負電壓對儲存電晶體之閘極預加偏壓，使得電洞以表面狀態積累，以預期獲取影像電荷。如結合圖1至圖5所論述，表面狀態之電洞可在儲存閘極在多個積累週期內獲取影像電荷時，減少自儲存閘極汲取之漏電流。可在程序區塊605之前，使接收光脈衝之光電二極體(例如，光電二極體205)重設。
在程序區塊610中，回應於第一調變信號(例如，TX1 425)，自光源(例如，光源103)發射光脈衝(例如，所發射光105)。在程序區塊615中，回應於來自第一調變信號之脈衝寬度而啟動第一轉移電晶體(例如，轉移電晶體225)，以將由光脈衝產生之影像電荷(例如，Q1 449)轉移至第一儲存電晶體(例如，儲存電晶體235)。回應於來自光脈衝之入射光，在光電二極體中產生影像電荷。在程序區塊620中，回應 於來自第二調變信號(例如，TX2 429)之脈衝寬度而啟動第二轉移電晶體(例如，轉移電晶體229)，以將由光脈衝產生之影像電荷(例如，Q2 451)轉移至第二儲存電晶體(例如，儲存電晶體239)。
若多個積累週期結束，則自第一儲存電晶體內讀出ΣQ1，且自第二儲存電晶體內讀出ΣQ2(程序區塊625)。程序區塊625可與圖4B中之RO 457對應。在上文所論述之一個實例中，首先將ΣQ2轉移至讀出節點(例如，讀出節點240)中，且接著讀出ΣQ2。接著，將ΣQ1轉移至讀出節點中，使得讀出節點保持ΣQ1+ΣQ2，且讀出ΣQ1+ΣQ2。若在程序區塊625中未讀出ΣQ1及ΣQ2，則程序返回至程序區塊610，以進行另一積累週期。若在程序區塊625中讀出ΣQ1及ΣQ2，則使用總和之間的比率來判定光脈衝之飛行時間，如上文所論述(程序區塊630)。一旦在程序區塊630中已判定飛行時間，程序就可結束或返回至程序區塊605，以使儲存電晶體準備好在多個積累週期之後續訊框內儲存影像電荷。
圖7為根據本發明之教示更詳細地展示實例飛行時間感測系統700之一部分的方塊圖。如圖所示，飛行時間感測系統700之所說明實例包括飛行時間像素陣列713、讀出電路753、功能邏輯755及控制電路721。應瞭解，飛行時間像素陣列713與圖1A之飛行時間像素陣列113對應，且控制電路721與控制電路121對應。
在圖7中所說明之實例中，飛行時間像素陣列713為飛行時間像素(例如，像素P1、P2、…、Pn)之二維(2D)陣列。在一個實例中，飛行時間像素P1、P2、…、Pn中之每一者可實質上類似於上文在圖1至圖6中論述之系統或飛行時間像素電路。如所說明，將每一像素配置成列(例如，列R1至Ry)及行(例如，行C1至Cx)，以獲取聚焦至飛行時間像素陣列713上之物體影像的飛行時間資料。因此，根據本發明之教示，接著可使用飛行時間資料來判定至物體之距離或深度資訊。
在一個實例中，在如上文所論述，每一像素已將其ΣQ1及ΣQ2電荷資訊積累在各別儲存電晶體中之後，藉由讀出電路753讀出ΣQ1及ΣQ2信號，並將該等信號傳送至功能邏輯755以供處理。讀出電路753可包括放大電路、類比至數位(ADC)轉換電路或其他電路。在一個實例中，功能邏輯755可為每一像素判定飛行時間及距離資訊。在一個實例中，功能邏輯亦可儲存飛行時間資訊，且/或甚至操縱飛行時間資訊(例如，剪裁、旋轉、針對背景雜訊而調整或其類似者)。在一個實例中，讀出電路753可沿讀出行線(所說明)一次讀出一列影像資料，或可使用多種其他技術(未說明)讀出該影像資料，諸如串列讀出或同時完全並列讀出所有像素。
在所說明之實例中，控制電路721耦合至飛行時間像素陣列713，以控制飛行時間像素陣列713之操作。舉例而言，控制電路721可產生第一調變信號TX1 425及第二調變信號TX2 429來控制飛行時間像素陣列713之每一像素中之各別轉移電晶體(例如，轉移電晶體225及229)。因此，控制電路721可控制電荷自各別光電偵測器至各別儲存電晶體(例如儲存電晶體235及239)之轉移，如上文關於圖1至圖6所描述。在一個實例中，根據本發明之教示，控制電路721亦可藉由同步信號715控制將光脈衝發射至物體(例如，物體107)之光源(例如，光源103)，以使經調變之光向物體之發射同步，以判定飛行時間資訊。
依據電腦軟體及硬體來描述上文所闡釋之程序。所描述之技術可組成體現在有形或非暫時機器(例如，電腦)可讀儲存媒體內之機器可執行指令，該等指令在由機器執行時，將使該機器執行所描述之操作。另外，該等程序可體現在硬體內，諸如特殊應用積體電路(「ASIC」)或其他硬體。
有形非暫時機器可讀儲存媒體包括以可由機器(例如，電腦、網 路裝置、個人數位助理、製造工具、具有一或多個處理器之集合的任何裝置等)存取之形式提供(亦即，儲存)資訊之任何機構。舉例而言，機器可讀儲存媒體包括可記錄/不可記錄媒體(例如，唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置等)。
本發明之所說明實施例之以上描述(包括摘要中描述之內容)不意欲為詳盡的，或將本發明限於所揭示之精確形式。雖然本文出於說明性目的而描述本發明之具體實施例及實例，但如熟習此項技術者將認識到，在本發明之範疇內，各種修改為可能的。
可根據以上詳細描述對本發明作出此等修改。用於以下申請專利範圍中之術語不應被解釋為將本發明限於本說明書中所揭示之具體實施例。實情為，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍判定，將根據所確立之請求項解釋原則來解釋以下申請專利範圍。
109‧‧‧反射光
200‧‧‧飛行時間像素電路
205‧‧‧光電二極體
208‧‧‧環境光
225‧‧‧轉移電晶體
229‧‧‧轉移電晶體
235‧‧‧儲存電晶體
239‧‧‧儲存電晶體
240‧‧‧讀出節點
245‧‧‧輸出電晶體
249‧‧‧輸出電晶體
255‧‧‧重設電晶體
257‧‧‧電壓源VDD
260‧‧‧放大器電晶體
265‧‧‧選擇電晶體
267‧‧‧位元線
269‧‧‧轉移電晶體
279‧‧‧儲存電晶體
289‧‧‧輸出電晶體
299‧‧‧可選電晶體集合
OG1‧‧‧控制信號
OG2‧‧‧控制信號
OG3‧‧‧控制信號
RST‧‧‧控制信號
SEL‧‧‧控制信號
SG1‧‧‧控制信號
SG2‧‧‧控制信號
SG3‧‧‧控制信號
TX1‧‧‧控制信號
TX2‧‧‧控制信號
TX3‧‧‧控制信號

Claims (27)

  1. 一種飛行時間(TOF)成像設備，其包含：一光電二極體，其經組態以回應於自一光源發射之每一非可見光脈衝而在一積累週期內積累影像電荷，該非可見光脈衝變為入射在該光電二極體上；一第一儲存電晶體，其經組態以在多個積累週期內儲存該影像電荷之一第一部分的一第一總和，其中該積累週期在該多個積累週期之中；一第一轉移電晶體，其耦合在該光電二極體與該第一儲存電晶體之間，以選擇性地將來自該光電二極體之該影像電荷的該第一部分轉移至該第一儲存電晶體，以用於在該多個積累週期內儲存；一第一輸出電晶體，其耦合至該第一儲存電晶體以選擇性地將該影像電荷之該第一部分的該第一總和轉移至一讀出節點；一第二儲存電晶體，其經組態以在該多個積累週期內儲存該影像電荷之一第二部分的一第二總和；一第二轉移電晶體，其耦合在該光電二極體與該第二儲存電晶體之間，以選擇性地將來自該光電二極體之該影像電荷的該第二部分轉移至該第二儲存電晶體，以用於在該多個積累週期內儲存；及一第二輸出電晶體，其耦合至該第二儲存電晶體以選擇性地將該影像電荷之該第二部分的該第二總和轉移至該讀出節點。
  2. 如請求項1之設備，其進一步包含控制電路，該控制電路經組態以將一第一負電壓施加至該第一儲存電晶體之一第一閘極，且將一第二負電壓施加至該第二儲存電晶體之一第二閘極，其中 在選擇性地將該影像電荷之該第一部分轉移至該第一儲存電晶體之前，將該第一負電壓施加至該第一閘極，且其中在選擇性地將該影像電荷之該第二部分轉移至該第二儲存電晶體之前，將該第二負電壓施加至該第二閘極。
  3. 如請求項1之設備，其進一步包含一重設電晶體，該重設電晶體耦合至該讀出節點，以選擇性地使積累在該讀出節點中之電荷重設。
  4. 如請求項1之設備，其進一步包含：一放大器電晶體，其耦合至該讀出節點，以放大對應於該讀出節點中之電荷的一影像電壓；及一列選擇電晶體，其耦合在該放大器電晶體與一位元線之間。
  5. 如請求項1之設備，其中該影像電荷之該第一部分在該積累週期中之一第一時間週期內在該光電二極體內產生，且該影像電荷之該第二部分在該積累週期中緊接該第一時間週期之後的一第二時間週期內在該光電二極體內產生。
  6. 如請求項1之設備，其中該光電二極體為一釘紮光電二極體。
  7. 如請求項1之設備，其進一步包含控制電路，該控制電路經組態以發送具有一第一接通時間脈衝寬度之一第一調變信號，以啟動該第一轉移電晶體以轉移該影像電荷之該第一部分，其中該控制電路經組態以與自該光源發射之每一非可見光脈衝同步地啟動該第一轉移電晶體，且其中該非可見光脈衝之一持續時間與該第一調變信號之該第一接通時間脈衝寬度相同。
  8. 如請求項7之設備，其中該控制電路進一步經組態以回應於具有緊接該第一接通時間脈衝寬度之後的一第二接通時間脈衝寬度且具有該非可見光脈衝之該持續時間的一第二調變信號而啟動 該第二轉移電晶體以轉移該影像電荷之該第二部分，且其中當該第二轉移電晶體被啟動時，該光源不發射光。
  9. 如請求項1之設備，其進一步包含：一第三儲存電晶體，其儲存可見光影像電荷；一第三轉移電晶體，其耦合在該光電二極體與該第三儲存電晶體之間，以選擇性地將來自該光電二極體之該可見光影像電荷轉移至該第三儲存電晶體；及一第三輸出電晶體，其耦合至該第三儲存電晶體，以選擇性地將該可見光影像電荷轉移至該讀出節點。
  10. 一種飛行時間(TOF)成像系統，其包含：一光源，其經耦合以回應於一第一調變信號而發射光脈衝；及一成像像素陣列，其具有以列及行配置之該等成像像素，其中每一成像像素包括：一光電二極體，其用以積累一影像電荷；一第一儲存電晶體，其用以儲存該影像電荷之一第一部分；一第一轉移電晶體，其耦合在該光電二極體與該第一儲存電晶體之間，以回應於該第一調變信號而選擇性地將來自該光電二極體之該影像電荷的該第一部分轉移至該第一儲存電晶體；一第一輸出電晶體，其耦合至該第一儲存電晶體，以選擇性地將該影像電荷之該第一部分轉移至一讀出節點；一第二儲存電晶體，其用以儲存該影像電荷之一第二部分；一第二轉移電晶體，其耦合在該光電二極體與該第二儲存電晶體之間，以選擇性地將來自該光電二極體之該影像電荷 的該第二部分轉移至該第二儲存電晶體；及一第二輸出電晶體，其耦合至該第二儲存電晶體，以選擇性地將該影像電荷之該第二部分轉移至該讀出節點。
  11. 如請求項10之成像系統，其進一步包含控制電路，該控制電路經組態以將一第一負電壓施加至該第一儲存電晶體之一第一閘極，且將一第二負電壓施加至該第二儲存電晶體之一第二閘極，其中在選擇性地將該影像電荷之該第一部分轉移至該第一儲存電晶體之前，將該第一負電壓施加至該第一閘極，且其中在選擇性地將該影像電荷之該第二部分轉移至該第二儲存電晶體之前，將該第二負電壓施加至該第二閘極。
  12. 如請求項10之成像系統，其進一步包含一重設電晶體，該重設電晶體耦合至該讀出節點以選擇性地使積累在該讀出節點中之電荷重設。
  13. 如請求項10之成像系統，其進一步包含：一放大器電晶體，其耦合至該讀出節點，以放大對應於該讀出節點中之電荷的一影像電壓；及一列選擇電晶體，其耦合在該放大器電晶體與一位元線之間。
  14. 如請求項10之成像系統，其中該影像電荷之該第一部分在一第一時間週期內產生，且該影像電荷之該第二部分在緊接該第一時間週期之後的一第二時間週期內產生。
  15. 如請求項10之成像系統，其進一步包含控制電路，該控制電路經組態以發送具有一第一接通時間脈衝寬度之該第一調變信號以啟動該第一轉移電晶體以轉移該影像電荷之該第一部分，其中該控制電路經組態以與自該光源發射之該等光脈衝之中的一光脈衝同步地啟動該第一轉移電晶體，且其中該等光脈衝之一 持續時間與該第一調變信號之該第一接通時間脈衝寬度相同。
  16. 如請求項15之成像系統，其中該控制電路進一步經組態以回應於具有緊接該第一接通時間脈衝寬度之後的一第二接通時間脈衝寬度且具有該光脈衝之該持續時間的一第二調變信號而啟動該第二轉移電晶體以轉移該影像電荷之該第二部分，且其中當該第二轉移電晶體被啟動時，該光源不發射光。
  17. 一種使用一像素來判定飛行時間之方法，該方法包含：初始化一第一儲存電晶體及一第二儲存電晶體，以用於儲存在多個積累週期內在一光電二極體中產生之影像電荷；自一光源發射光脈衝，其中回應於一第一調變信號之第一接通時間脈衝寬度中之每一者而自該光源發射該等光脈衝中之每一者；回應於該等第一接通時間脈衝寬度中之每一者而啟動一第一轉移電晶體，以將一所積累影像電荷之一時間上第一部分轉移至該第一儲存電晶體，其中每當該等光脈衝中之一者反射離開一物體且在該多個積累週期中之一者期間照明該光電二極體時，在該光電二極體中產生該所積累影像電荷；回應於一第二調變信號之第二接通時間脈衝寬度中之每一者而啟動一第二轉移電晶體，其中啟動該第二轉移電晶體將該所積累影像電荷之一時間上第二部分轉移至該第二儲存電晶體；及使用轉移至該第一儲存電晶體的該所積累影像電荷之該等時間上第一部分中之每一者的一第一總和及轉移至該第二儲存電晶體的該所積累影像電荷之該等時間上第二部分中之每一者的一第二總和來判定該等光脈衝之一飛行時間。
  18. 如請求項17之方法，其中該等第二接通時間脈衝寬度緊接該等第一接通時間脈衝寬度之後，且具有與該等第一接通時間脈衝 寬度相同之一持續時間。
  19. 如請求項17之方法，其中判定該等光脈衝之一飛行時間包括：啟動耦合在該第一儲存電晶體與一讀出節點之間的一第一輸出電晶體，以將該第一總和轉移至該讀出節點；啟動耦合在該第二儲存電晶體與該讀出節點之間的一第二輸出電晶體，以將該第二總和轉移至該讀出節點；及使耦合至該讀出節點之一重設電晶體重設。
  20. 如請求項17之方法，其中判定該等光脈衝之該飛行時間包括使該等光脈衝中之每一者之一脈衝寬度時間乘以該第二總和除以該第一總和與該第二總和之一第三總和。
  21. 如請求項17之方法，其中初始化該第一儲存電晶體及該第二儲存電晶體包括：在回應於該等第一接通時間脈衝寬度中之每一者而啟動該第一轉移電晶體之前，對該第一儲存電晶體之一第一閘極加負偏壓；及在回應於該等第二接通時間脈衝寬度中之每一者而啟動該第二轉移電晶體之前，對該第二儲存電晶體之一第二閘極加負偏壓。
  22. 如請求項21之方法，其中對該第一儲存電晶體之該第一閘極及該第二儲存電晶體之該第二閘極加負偏壓減少漏電流。
  23. 如請求項21之方法，其中對該第一閘極加負偏壓至比該第一儲存電晶體之一第一臨限電壓低至少0.5伏，且對該第二閘極加負偏壓至比該第二儲存電晶體之一第二臨限電壓低至少0.5伏。
  24. 如請求項17之方法，其中該第一儲存電晶體耦合在該第一轉移電晶體與耦合至一讀出節點之一第一輸出電晶體之間，且其中該第二儲存電晶體耦合在該第二轉移電晶體與耦合至該讀出節 點之一第二輸出電晶體之間。
  25. 如請求項17之方法，其中該多個積累週期之數目達一千個以上積累週期，且其中該判定該等光脈衝之該飛行時間在該多個積累週期之後發生。
  26. 如請求項17之方法，其進一步包含：啟動一第三轉移電晶體以在該多個積累週期之間將來自該光電二極體之可見光影像電荷轉移至一第三儲存電晶體，其中啟動該第三轉移電晶體係在該第一轉移電晶體及該第二轉移電晶體未被啟動時之一影像時間進行。
  27. 如請求項17之方法，其中該等光脈衝實質上為中心介於800nm與900nm之間的近紅外光。
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