TWI524762B - 共用飛行時間像素 - Google Patents

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TWI524762B
TWI524762B TW101109559A TW101109559A TWI524762B TW I524762 B TWI524762 B TW I524762B TW 101109559 A TW101109559 A TW 101109559A TW 101109559 A TW101109559 A TW 101109559A TW I524762 B TWI524762 B TW I524762B
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瑪諾 比庫曼拉
莎西達 莎拉蒂
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豪威科技股份有限公司
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Description

共用飛行時間像素
本發明係關於影像感測器。特定言之，本發明之實施例係關於三維影像感測器。
隨著流行之3D應用在諸如成像、電影、遊戲、電腦、使用者介面及類似物之應用中不斷成長，對三維(3D)相機之關注日益增加。產生3D影像之一典型被動方式係使用多個相機以捕捉立體聲或多個影像。使用立體聲影像，該等影像中的物體可經三角量測以產生3D影像。此三角量測技術之一缺點在於：使用小器件難於產生3D影像，此係因為各相機之間必須有一最小分隔距離以產生三維影像。此外，此技術係複雜的且因此需要顯著電腦處理能力以即時產生3D影像。
對於需要即時獲取3D影像之應用，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運用將光引導於一物體處之一光源、偵測自該物體反射之光之一感測器，及基於光行進至一物體且自該物體行進所花費之往返時間計算至該物體之距離之一處理單元。在典型飛行時間感測器中，由於自光偵測區域至感測節點之高轉移效率，故經常使用光二極體。已知飛行時間感測器對各像素通常包含兩個獨立副本之光二極體、重設電晶體、源極隨耦器電晶體及列選擇電晶體以操作。包含飛行時間感測器之各像素中的所有此等器件造成飛行時間感測器具 有顯著較大像素大小以及不良填充因數之後果。
在一實施例中，一種裝置包括：一光二極體，其回應於入射於該光二極體上之光而累積電荷；一第一電荷儲存器件；一第一轉移電晶體，其耦合於該光二極體與該第一電荷儲存器件之間以將來自該光二極體之電荷選擇性地轉移至該第一電荷儲存器件；一第二電荷儲存器件；一第二轉移電晶體，其耦合於該光二極體與該第二電荷儲存器件之間以將來自該光二極體之電荷選擇性地轉移至該第二電荷儲存器件；一啟用電晶體，其耦合於該第一電荷儲存器件與耦合至該第二電荷儲存器件之一讀出節點之間以將該第一電荷儲存器件選擇性地耦合至該讀出節點；及一放大器電晶體，其具有耦合至該讀出節點之一閘極。
在另一實施例中，一種使用一像素判定飛行時間之方法，該方法包括自一光源發射經調變之光至一物體，其中該經調變之光具有一調變頻率及一接通時間脈衝寬度；用自該物體反射之該經調變之光照明一光二極體；回應於自該物體反射之該經調變之光而將電荷累積於該光二極體中； 回應於一第一調變信號而將來自該光二極體之光生電荷轉移至一第一電荷儲存器件，其中該第一調變信號具有該調變頻率及該接通時間脈衝寬度，及其中該第一調變信號與該物體處發射之該經調變之光同相；回應於一第二調變信號而將來自該光二極體之光生電荷轉移至一第二電荷儲存器件，其中該第二調變信號具有該調變頻率及該接通時間脈衝寬度，及其中該第二調變信號與該第一經調變之信號非同相；回應於儲存於該第二電荷儲存器件上之電荷總量而產生一第一信號；回應於儲存於該第一電荷儲存器件上之電荷總量與儲存於該第二電荷儲存器件上之電荷總量之一總和而產生一第二信號；及回應於該第一信號及該第二信號判定自該物體反射之該經調變之光之一飛行時間。
在另一實施例中，一種飛行時間感測系統包括：一光源，其發射經調變之光至一物體；一飛行時間像素陣列，其具有複數個像素，其中該等像素之各者包括：一光二極體，其回應於自該物體反射之入射於該光二極體上之該經調變之光而累積電荷；一第一電荷儲存器件；一第一轉移電晶體，其耦合於該光二極體與該第一電荷儲存器件之間以將來自該光二極體之電荷選擇性地轉移至 該第一電荷儲存器件；一第二電荷儲存器件；一第二轉移電晶體，其耦合於該光二極體與該第二電荷儲存器件之間以將來自該光二極體之電荷選擇性地轉移至該第二電荷儲存器件；一啟用電晶體，其耦合於該第一電荷儲存器件與耦合至該第二電荷儲存器件之一讀出節點之間以將該第一電荷儲存器件選擇性地耦合至該讀出節點；及一放大器電晶體，其具有耦合至該讀出節點之一閘極。
本發明之非限制性及非詳盡性實施例係參考下列圖予以描述，其中相同參考數字係指遍及各種視圖之相同部件，除非另外指定。
揭示使用一3D飛行時間感測器以獲取飛行時間及深度資訊之方法及裝置。在下列描述中，闡釋多個特定細節以提供實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認知，本文所描述之技術可在沒有該等特定細節之一或多者之情況下，或在具有其他方法、組件、材料等之情況下實踐。在其他例子中，未詳細展示或描述熟知之結構、材料或操作以避免使某些態樣不清楚。
遍及本說明書參考「一實施例」或「一個實施例」意謂與該實施例結合描述之一特定特徵、結構或特性係包含於本發明之至少一實施例中。因此，於遍及本說明書之各種位置中出現片語「在一實施例中」或「在一個實施例中」 無需皆指相同實施例。此外，該等特定特徵、結構或特性可以任意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。此等術語採用其等來源之技術中的普通意義，除非本文特定界定或在其等使用之上下文中另外明確提出。例如，術語「或」係用於包含意義(例如，如在「及/或」中)，除非上下文另外明確指示。
如將展示，揭示具有各像素中的共用器件之一飛行時間感測器之實例。藉由共用各像素中的器件，相較於已知飛行時間感測器解決方案，各像素中的主動器件之數量顯著減少。因此，藉由各像素中的主動器件之經減少量，所揭示之飛行時間像素架構享有經改良之填充因數。此外，相較於已知像素，各像素中的主動器件之經減少量幫助改良靈敏度、時序及電荷轉移速度。此外，藉由每像素之器件及接觸件之經減少量，改良良率且減少暗電流。
為繪示，圖1A係展示根據本發明之教示之一飛行時間感測系統101之一實例之一方塊圖。如展示，飛行時間感測系統101包含發射經調變之脈衝(其等繪示為圖1A中的經發射之光105)之光源103。如展示，將經發射之光105引導至一物體107。在一實例中，經發射之光105包含紅外(IR)光之脈衝。應瞭解，在其他實例中，根據本發明之教示，經發射之光105除了可具有紅外光之外(舉例而言，諸如可見光、接近紅外光等)之波長。接著，經發射之光105自物體107反射回，其展示為圖1A中的經反射回之光109。如展 示，經反射之光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。在一實例中，飛行時間像素陣列113包含以一個二維陣列配置之複數個飛行時間像素。如將討論，在一實例中，藉由耦合至飛行時間像素陣列113之控制電路產生同步信號115，其根據本發明之教示使經發射之光105之脈衝與控制飛行時間像素陣列113中的複數個像素之對應調變信號同步。
在圖1A所描繪之實例中，飛行時間像素陣列113係定位於距離透鏡111達一焦距長度flens處。如該實例中所展示，光源及透鏡111經定位距離物體達一距離L。應瞭解，當然圖1A未按比例繪示，且在一實例中，焦距長度flens大體上小於透鏡111與物體107之間的距離L。因此，應瞭解出於此揭示內容之目的，為根據本發明之教示之飛行時間量測之目的，距離L大體上相等於距離L+焦距長度flens。
圖1B係繪示根據本發明之教示之一實例飛行時間成像系統中的自一光源發射之光之實例脈衝關於光之經反射回之脈衝之接收之間的時序關係之一時序圖。具體言之，圖1B展示經發射之光105，其表示自光源103發射至物體107之經調變之光脈衝。圖1B亦展示一經反射之光109，其表示自物體107反射回且藉由像素陣列113接收之經反射之光脈衝。在一實例中，光源103用小於10%之一作用時間循環發射經發射之光105之光脈衝。在一實例中，該等光脈衝之脈衝寬度Tpw 147具有在20奈秒至100奈秒之範圍中的一持續時間。應瞭解，當然根據本發明之教示亦可利用經發 射之光105之其他作用時間循環及脈衝寬度。如展示，經發射之光105之光脈衝及經反射之光109之光脈衝皆具有相同脈衝寬度Tpw 147。
如所描繪之實例展示，由於光脈衝自光源103行進距離L至物體107所花費之時間量，及接著經反射之光脈衝自物體107行進距離L回至像素陣列113所花費之額外時間，於經發射之光105之光脈衝之發射與經反射之光109中之該光脈衝之接收之間有TTOF 117之一延遲時間。經發射之光105與經反射之光109之間的時間差異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，則可使用下文方程式(1)及(2)中之下列關係判定自光源103至物體107之距離L： 其中c為光速，其約等於3×108 m/s，及TTOF為如圖1A所展示之光脈衝行進至物體且自物體行進所花費之時間量。
圖2係繪示根據本發明之教示之一飛行時間像素219之一實例之一示意圖。應瞭解，像素219可為包含於上文圖1A中所繪示之實例像素陣列113中的複數個像素之一者。如圖2中所描繪之實例所展示，像素219包含光二極體221，該光二極體221回應於入射於光二極體221上之光而累積電荷。在一實例中，入射於光二極體221上之光為如上文關 於圖1A及圖1B所討論之經反射回之光109。在該實例中，包含第一電荷儲存器件223，及第一轉移電晶體225耦合於光二極體221與第一電荷儲存器件223之間以回應於一第一調變信號(其於圖2中繪示為TX1)將來自光二極體221之電荷選擇性地轉移至第一電荷儲存器件223。如展示，亦包含第二電荷儲存器件227，及第二轉移電晶體229耦合於光二極體221與第二電荷儲存器件227之間以回應於一第二調變信號(其於圖2中繪示為TX2)將來自光二極體221之電荷選擇性地轉移至第二電荷儲存器件227。在一實例中，光二極體221為耦合至第一電晶體225及第二電晶體229之一單一光二極體。在一實例中，第一電荷儲存器件223及第二電荷儲存器件227包含如展示之電容器C1及C2。
如該實例中所展示，像素219亦包含具有耦合至讀出節點233之一閘極終端之放大器電晶體231，該讀出節點233耦合至第二電荷儲存器件227。在一實例中，放大器電晶體231係以一源極隨耦器組態耦合，其因此將放大器電晶體231之閘極終端處之一輸入信號放大至放大器電晶體231之源極終端處之一輸出信號。如展示，列選擇電晶體237耦合至放大器電晶體231之源極終端以將放大器電晶體231之輸出選擇性地耦合至像素219之位元線239。
如所描繪之繪示展示，啟用電晶體235耦合於第一電荷儲存器件223與讀出節點233之間，其將第一電荷儲存器件223選擇性地耦合至讀出節點233。因此，當啟用電晶體235為關閉時，讀出節點233處之信號表示儲存於第二電荷 儲存器件227中的總電荷(例如，Q2)。然而，當啟用電晶體235為開啟時，該讀出節點233處之信號表示儲存於第一電荷儲存器件223中的一總電荷(例如，Q1)與儲存於第二電荷儲存器件227中的總電荷(例如，Q2)之一總和。
如該實例中所展示，像素219亦包含耦合至啟用電晶體235及第一電荷儲存器件223之重設電晶體241。在一實例中，重設電晶體241可藉由透過第一電晶體225及/或第二電晶體229將光二極體221選擇性地耦合至一AVDD電壓而用來重設累積於光二極體221中的電荷。在一實例中，根據本發明之教示，在像素219之一初始化時間段期間或(例如)每次在已自像素219讀出電荷資訊之後及在將電荷累積於光二極體221中用於一新飛行時間量測之前，可重設累積於光二極體221中的電荷。
圖3A及圖3B係可用於幫助描述如上文結合圖1至圖2所描述之具有一實例飛行時間像素陣列之一實例飛行時間感測系統之操作之實例時序圖。具體言之，圖3A係展示根據本發明之教示之一實例飛行時間成像系統中的經發射之光305之經調變脈衝及經反射之光309之對應脈衝關於切換調變信號TX1 325及TX2 329之一實例之一時序圖。在一實例中，根據本發明之教示，調變信號TX1 325對應於(例如)圖2之第一電晶體225之切換及調變信號TX2 329對應於(例如)圖2之第二電晶體229之切換。
現結合圖1A中所繪示之實例飛行時間感測系統101參考圖3A中所描繪之實例，對應於經發射之光105之經發射之 光305具有一調變頻率且自一光源103發射至一物體107。在一實例中，經發射之光305具有小於10%之一作用時間循環及在20奈秒至100奈秒之範圍中的一脈衝寬度TPW347。在該實例中，對應於經反射之光109之經反射之光309之光脈衝接著透過透鏡111自物體107反射回至像素陣列113。在由於至物體107及自物體107之光脈衝之飛行時間所引起之TTOF317之持續時間之後，藉由像素陣列113中的像素接收經反射之光309之光脈衝。如該實例中所展示，經反射之光309具有與經反射之光305相同之調變頻率以及相同之作用時間循環及脈衝寬度TPW347。
現結合圖2中所繪示之實例飛行時間像素219參考圖3A中所描繪之實例，回應於用經反射之光309照明光二極體221而將光生電荷累積於各像素219之光二極體221中。在一實例中，回應於第一調變信號TX1 325而切換第一電晶體225且回應於第二調變信號TX2 329而切換第二電晶體229。如圖3A中描繪之實例所展示，第一調變信號TX1 325具有與經發射之光305相同之調變頻率且與經發射之光305同相。在一實例中，可使用同步信號115達成經發射之光305與第一調變信號325之間的此同步。此外，第一調變信號TX1 325之各脈衝具有與經發射之光305相同之接通時間脈衝寬度TPW347。因此，由於第一調變信號TX1 325之各脈衝與經發射之光305之各脈衝同相且具有與經發射之光305之各脈衝相同之脈衝寬度TPW347，故在經反射之光309之各脈衝結束之前，將第一調變信號TX1 325之各脈衝切換為關 閉。
如所描繪之實例中所展示，第二調變信號TX2 329亦具有與經發射之光305相同之調變頻率及相同之接通時間脈衝寬度TPW347。然而，第二調變信號TX2 329與第一調變信號TX1 325非同相。具體言之，第二調變信號TX2 329之各脈衝緊接第一調變信號TX1 325之各脈衝且與第一調變信號TX1 325之各脈衝不重疊。因此，如圖3A所展示，在經反射之光309之一接通時間脈衝期間，將第二調變信號TX2 329之各脈衝切換為開啟。
因此，如圖3A所展示，根據本發明之教示，在第一調變信號TX1 325之各脈衝之一結束部分期間及在第二調變信號TX2 329之各脈衝之一開始部分期間，藉由光二極體221接收經反射之光309之各接通時間脈衝。
如上文所提及，對應於第一調變信號TX1 325切換第一電晶體225且回應於第二調變信號TX2 329切換第二電晶體229。因此，在第一調變信號TX1 325之各接通時間脈衝期間，將累積於光二極體221中的光生電荷轉移至第一電荷儲存器件223。在該實例中，回應於該第一調變信號TX1 325而自光二極體221轉移至第一電荷儲存器件223之此光生電荷係表示為圖3A中的Q1 349。類似地，在第二調變信號TX2 329之各接通時間脈衝期間，將累積於光二極體221中的光生電荷轉移至第二電荷儲存器件227。在該實例中，回應於該第二調變信號TX2 329而自光二極體221轉移至第二電荷儲存器件227之光生電荷係表示為圖3A中的Q2 351。
在一實例中，自光源103發射之光行進至物體107且自物體107行進而花費之飛行時間TTOF317可根據下文方程式(3)中的下列關係判定： 其中TTOF表示飛行時間TTOF317，TPW表示脈衝寬度TPW347，ΣQ2表示累積於第二電荷儲存器件227中的電荷Q2之總量及Σ(Q1+Q2)表示累積於第一電荷儲存器件223及第二電荷儲存器件227中的電荷總量之總和。一旦判定飛行時間TTOF317，根據本發明之教示接著該TTOF結果可取代至上文所總結之方程式(2)中以判定距離L。
返回參考上文圖2所繪示之實例，應瞭解，為累積電荷且自第一電荷儲存器件223及第二電荷儲存器件227讀取資訊之目的，共用像素219中的多個主動器件。相較於已知飛行時間像素架構，此共用架構不僅減少所需主動器件之數量，根據本發明之教示亦能直接自讀出節點233獲得ΣQ2及Σ(Q1+Q2)。具體言之，當將啟用電晶體235切換為關閉時，讀出節點233處之信號表示累積於第二電荷儲存器件227中的總電荷Q2。該信號接收於放大器電晶體231之輸入閘極終端處且輸出作為表示ΣQ2之一第一信號。接著，此第一信號可透過列選擇電晶體237輸出至位元線239。
當將啟用電晶體235切換為開啟時，第一電荷儲存器件223亦耦合至讀出節點233。因此，讀出節點233處之信號 表示儲存於第一電荷儲存器件233上之電荷總量Q1與儲存於第二電荷儲存器件227上之電荷總量Q2之總和。此信號接收於放大器電晶體231之輸入閘極終端處且輸出作為表示Σ(Q1+Q2)之一第二信號。接著此第二信號可透過列選擇電晶體237輸出至位元線239。用表示ΣQ2之第一信號及表示Σ(Q1+Q2)之第二信號，接著可根據本發明之教示藉由將第一信號及第二信號之商乘以接通時間脈衝寬度TPW347根據上文所討論之方程式(3)直接判定飛行時間TTOF317。因此，如上文所提及，應瞭解，根據本發明之教示，像素219直接用共用之主動器件(諸如，單一重設電晶體241、放大器電晶體231、列選擇電晶體237及光二極體221)提供第一信號及第二信號。
圖3B係展示根據本發明之教示之一實例飛行時間成像系統中的經發射之光脈衝及經反射之光脈衝關於第一電晶體及第二電晶體之切換之另一實例之一時序圖。應瞭解，圖3B類似於圖3A，但沿著圖3B之x軸之時間刻度具有比圖3A之時間刻度更低之解析度。因而，圖3B繪示容許電荷遍及複數個循環之經發射之光309而累積於電荷儲存器件223及227中的一實例。在圖3B所展示之實例中，在藉由RO 357指示之時間光源為開啟353之時間段期間，自像素219讀出電荷資訊，此在複數個經反射之光脈衝容許照明光二極體221且具有分別轉移至第一電荷儲存器件223及第二電荷儲存器件227中的電荷Q1及Q2之後發生。如此做，容許電荷遍及複數個循環累積於電荷儲存器件223及227中，由於20 奈秒至100奈秒之範圍中的非常短之照明脈衝而使得脈衝寬度TPW347如此小，故相較於基於僅一單一光脈衝之一飛行時間計算，此提供一經改良之信號對雜訊比率。
圖3B亦繪示對於一或多個時間段光源為關閉355以容許採取一背景信號量測359之一實例。在此實例中，當未用經反射之光309照明光二極體221時，週期性量測來自第一電荷儲存器件223及第二電荷儲存器件227之背景信號。可在如展示之光關閉355週期之結束處採取此量測。在一實例中，此量測可表示周圍光及/或像素中的暗電流，其將添加雜訊至飛行時間計算。在一實例中，此背景信號量測359可儲存為校準資訊且在根據本發明之教示判定TTOF317之飛行時間量測時可自在光開啟353時間段期間採取之量測減去以對背景雜訊作補償。
圖4係繪示根據本發明之教示之一飛行時間像素419之另一實例示意圖之一示意圖。應瞭解，飛行時間像素419與圖2之飛行時間像素219共用許多類似處，且亦可包含於圖1A之實例飛行時間像素陣列113中。例如，就像飛行時間像素219，飛行時間像素419包含光二極體421、第一電荷儲存器件423，及第一轉移電晶體425耦合於光二極體421與第一電荷儲存器件423之間以回應於一第一調變信號TX1而選擇性地轉移電荷。此外，飛行時間像素419亦包含第二電荷儲存器件427及第二轉移電晶體429耦合於光二極體421與第二電荷儲存器件427之間以回應於第二調變信號TX2而選擇性地將電荷轉移至第二電荷儲存器件427。 在一實例中，光二極體421為耦合至第一電晶體425及第二電晶體429之一單一光二極體。此外，啟用電晶體435耦合於第一電荷儲存器件423與讀出節點433之間以選擇性地將第一電荷儲存器件423耦合至讀出節點433。此外，重設電晶體441耦合至啟用電晶體435及第一電荷儲存器件423，其可藉由透過第一電晶體425及/或第二電晶體429而將光二極體421選擇性地耦合至AVDD電壓而用於重設累積於光二極體421中的電荷。
實例飛行時間像素419與圖2之實例飛行時間像素219之間的一差異在於飛行時間像素419中包含耦合於讀出節點433與放大器電晶體431之閘極終端之間的輸出電晶體443。此外，如圖4所描繪之實例中所展示，飛行時間像素419包含耦合至放大器電晶體431之閘極終端之一第三電荷儲存器件及輸出電晶體443。在一實例中，第三電荷儲存器件包含如圖4中所繪示之一電容性耦合電晶體。在該所繪示之實例中，可回應於輸出電晶體443之切換而將電荷自讀出節點433轉移至第三電荷儲存器件445。在一實例中，在放大讀出節點433處之信號之前，將電荷自第一電荷儲存器件423及/或第二電荷儲存器件427透過讀出節點433轉移至第三電荷儲存器件445。
類似於飛行時間像素219，飛行時間像素419之放大器電晶體431係以一源極隨耦器組態而耦合，其因此將放大器電晶體431之閘極終端處之一輸入信號放大至放大器電晶體431之源極終端處之一輸出信號。如展示，列選擇電晶 體437耦合至放大器電晶體431之源極終端以將放大器電晶體431之輸出選擇性地耦合至飛行時間像素419之位元線439。
圖5係展示根據本發明之教示之更詳細之一實例飛行時間感測系統501之一部分之方塊圖。如展示，飛行時間感測系統501之所繪示之實例包含一飛行時間像素陣列513、讀出電路553、功能邏輯555及控制電路557。應瞭解，飛行時間像素陣列513與圖1A之飛行時間像素陣列113對應。
在圖5所繪示之實例中，像素陣列513為一個二維(2D)陣列之飛行時間像素(例如，像素P1、P2...Pn)。在一實例中，飛行時間像素P1、P2...Pn之各者可大體上類似於上文圖1至圖4中所討論之飛行時間像素之一者。如所繪示，各像素係配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)以獲取聚焦至像素陣列513上之一物體影像之飛行時間資料。因此，該飛行時間資料可接著根據本發明之教示用於判定至該物體之距離或深度資訊。
在一實例中，在各像素將其Q1及Q2電荷資訊累積於如上文所討論之各自電荷儲存器件中之後，Q2及Q1+Q2信號藉由讀出電路553讀出且轉移至功能邏輯555以進行處理。讀出電路553可包含放大電路、類比轉數位轉換(ADC)電路或其他電路。在一實例中，功能邏輯555可對各像素判定飛行時間及距離資訊。在一實例中，功能邏輯亦可儲存飛行時間資訊及/或甚至操縱該飛行時間資訊(例如，背景雜訊之修剪、旋轉、調整，或類似物)。在一實例中，讀出 電路553可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所繪示)或可使用各種其他技術(未繪示)讀出影像資料，諸如，連續讀出或全並列同時讀出所有像素。
在該所繪示之實例中，控制電路557耦合至像素陣列513以控制像素陣列513之操作。例如，控制電路557可產生第一調變信號TX1 125、225、325或425及第二調變信號TX2 129、229、329或429以控制像素陣列513之各像素中的各自第一電晶體及第二電晶體。因此，控制電路557可控制電荷自各自光偵測器轉移至如上文關於圖1至圖4所描述之電荷儲存器件。在一實例中，根據本發明之教示，控制電路557亦可用同步信號515控制發射光脈衝至物體之光源(類似於(例如)圖1之光源103)，以同步發射經調變光至該物體以判定飛行時間資訊。
包含摘要中所描述之本發明之所繪示之實施例之上文描述不意欲排除或將本發明限於所揭示之精確形式。儘管出於繪示目的已於本文描述本發明之特定實施例及實例，然如熟習相關技術者將認知，在本發明之範疇內，各種修改係可能的。
可鑑於上文詳細描述對本發明作此等修改。下列申請專利範圍所使用之術語不應理解為將本發明限於本說明書中所揭示之特定實施例。而是，藉由下列申請專利範圍完全判定本發明之範疇，下列申請專利範圍可根據申請專利範圍解譯之所建立之學說而理解。
101‧‧‧飛行時間感測系統
103‧‧‧光源
105‧‧‧經發射之光
107‧‧‧物體
109‧‧‧經反射回之光/經反射之光
111‧‧‧透鏡
113‧‧‧飛行時間像素陣列
115‧‧‧同步信號
117‧‧‧飛行時間/延遲時間/時間差異
147‧‧‧脈衝寬度
219‧‧‧飛行時間像素
221‧‧‧光二極體
223‧‧‧第一電荷儲存器件
225‧‧‧第一轉移電晶體/第一電晶體/第一調變信號
227‧‧‧第二電荷儲存器件
229‧‧‧第二轉移電晶體/第二電晶體/第二調變信號
231‧‧‧放大器電晶體
233‧‧‧讀出節點
235‧‧‧啟用電晶體
237‧‧‧列選擇電晶體
239‧‧‧位元線
241‧‧‧重設電晶體
305‧‧‧經發射之光
309‧‧‧經反射之光
317‧‧‧飛行時間
325‧‧‧第一調變信號
329‧‧‧第二調變信號
347‧‧‧脈衝寬度
349‧‧‧電荷
351‧‧‧電荷
359‧‧‧背景信號量測
419‧‧‧飛行時間像素
421‧‧‧光二極體
423‧‧‧第一電荷儲存器件
425‧‧‧第一電晶體/第一轉移電晶體/第一調變信號
427‧‧‧第二電荷儲存器件
429‧‧‧第二電晶體/第二轉移電晶體/第二調變信號
431‧‧‧放大器電晶體
433‧‧‧讀出節點
435‧‧‧啟用電晶體
437‧‧‧列選擇電晶體
439‧‧‧位元線
441‧‧‧重設電晶體
443‧‧‧輸出電晶體
445‧‧‧第三電荷儲存器件
501‧‧‧飛行時間感測系統
513‧‧‧飛行時間像素陣列/像素陣列
515‧‧‧同步信號
553‧‧‧讀出電路
555‧‧‧功能邏輯
557‧‧‧控制電路
AVDD‧‧‧電壓
C1‧‧‧電容器/行
C2‧‧‧電容器/行
C3‧‧‧行
C4‧‧‧行
C5‧‧‧行
Cx‧‧‧行
Flens‧‧‧焦距長度
L‧‧‧距離
P1‧‧‧像素
P2‧‧‧像素
P3‧‧‧像素
Pn‧‧‧像素
Q1‧‧‧電荷
Q2‧‧‧電荷
R1‧‧‧列
R2‧‧‧列
R3‧‧‧列
R4‧‧‧列
R5‧‧‧列
Ry‧‧‧列
TX1‧‧‧第一調變信號
TX2‧‧‧第二調變信號
TTOF‧‧‧飛行時間/延遲時間/時間差異/飛行時間
TPW‧‧‧脈衝寬度
圖1A係展示根據本發明之教示之一飛行時間感測系統之一實例之一方塊圖。
圖1B係展示根據本發明之教示之一實例飛行時間成像系統中的自一光源發射之光脈衝關於經反射之光脈衝之接收之一實例之一時序圖。
圖2係繪示根據本發明之教示之一飛行時間像素之一實例之一示意圖。
圖3A係展示根據本發明之教示之一實例飛行時間成像系統中的經發射之光脈衝及經反射之光脈衝關於第一電晶體及第二電晶體之切換之一實例之一時序圖。
圖3B係展示根據本發明之教示之一實例飛行時間成像系統中的經發射之光脈衝及經反射之光脈衝關於第一電晶體及第二電晶體之切換之另一實例之一時序圖。
圖4係繪示根據本發明之教示之一飛行時間像素之另一實例示意圖之一示意圖。
圖5係展示根據本發明之教示之包含具有對應讀出電路、控制電路及功能邏輯之一飛行時間像素陣列之一實例飛行時間感測系統之一部分之一方塊圖。
219‧‧‧飛行時間像素
221‧‧‧光二極體
223‧‧‧第一電荷儲存器件
225‧‧‧第一轉移電晶體/第一電晶體
227‧‧‧第二電荷儲存器件
229‧‧‧第二轉移電晶體/第二電晶體
231‧‧‧放大器電晶體
233‧‧‧讀出節點
235‧‧‧啟用電晶體
237‧‧‧列選擇電晶體
239‧‧‧位元線
241‧‧‧重設電晶體
AVDD‧‧‧電壓
C1‧‧‧電容器/行
C2‧‧‧電容器/行
TX1‧‧‧第一調變信號
TX2‧‧‧第二調變信號

Claims (26)

  1. 一種獲取影像之裝置，其包括：一光二極體，其回應於入射於該光二極體上之光而累積電荷；一第一電荷儲存器件；一第一轉移電晶體，其耦合於該光二極體與該第一電荷儲存器件之間以將來自該光二極體之電荷選擇性地轉移至該第一電荷儲存器件；一第二電荷儲存器件；一第二轉移電晶體，其耦合於該光二極體與該第二電荷儲存器件之間以將來自該光二極體之電荷選擇性地轉移至該第二電荷儲存器件；一啟用電晶體，其耦合於該第一電荷儲存器件與耦合至該第二電荷儲存器件之一讀出節點之間以將該第一電荷儲存器件選擇性地耦合至該讀出節點；及一放大器電晶體，其具有耦合至該讀出節點之一閘極；其中當該啟用電晶體為開啟時，該讀出節點處之一信號表示儲存於該第一電荷儲存器件中的總電荷與儲存於該第二電荷儲存器件中的總電荷之一總和。
  2. 如請求項1之裝置，其進一步包括耦合於該放大器電晶體之一輸出與一位元線之間之一列選擇電晶體。
  3. 如請求項1之裝置，其進一步包括耦合至該啟用電晶體以選擇性地重設累積於該光二極體中的電荷之一重設電 晶體。
  4. 如請求項1之裝置，其進一步包括耦合於該讀出節點與該放大器電晶體之該閘極之間的一輸出電晶體。
  5. 如請求項4之裝置，其進一步包括耦合至該放大器電晶體之該閘極之一第三電荷儲存器件。
  6. 如請求項1之裝置，其中當該啟用電晶體為關閉時，該讀出節點處之一信號表示儲存於該第二電荷儲存器件中的一總電荷。
  7. 如請求項1之裝置，其中該光二極體為耦合至該第一轉移電晶體及該第二轉移電晶體之一單一光二極體。
  8. 一種使用一像素判定飛行時間之方法，該方法包括：自一光源發射經調變之光至一物體，其中該經調變之光具有一調變頻率及一接通時間脈衝寬度；用自該物體反射之該經調變之光照明一光二極體；回應於自該物體反射之該經調變之光而將電荷累積於該光二極體中；回應於一第一調變信號而將來自該光二極體之光生電荷轉移至一第一電荷儲存器件，其中該第一調變信號具有該調變頻率及該接通時間脈衝寬度，及其中該第一調變信號與該物體處發射之該經調變之光同相；回應於一第二調變信號而將來自該光二極體之光生電荷轉移至一第二電荷儲存器件，其中該第二調變信號具有該調變頻率及該接通時間脈衝寬度，及其中該第二調變信號與該第一經調變之信號非同相； 回應於儲存於該第二電荷儲存器件上之電荷總量而產生一第一信號；回應於儲存於該第一電荷儲存器件上之電荷總量與儲存於該第二電荷儲存器件上之電荷總量之一總和而產生一第二信號；及回應於該第一信號及該第二信號判定自該物體反射之該經調變之光之一飛行時間。
  9. 如請求項8之方法，其中判定自該物體反射之該調變之光之該飛行時間包括：將該第一信號及該第二信號之一商乘以該接通時間脈衝寬度。
  10. 如請求項8之方法，其中將來自該光二極體之光生電荷轉移至該第一電荷儲存器件包括：回應於該第一經調變之信號而切換耦合於該光二極體與該第一電荷儲存器件之間的一第一轉移電晶體。
  11. 如請求項8之方法，其中將來自該光二極體之光生電荷轉移至該第二電荷儲存器件包括：回應於該第二經調變之信號而切換耦合於該光二極體與該第二電荷儲存器件之間的一第二轉移電晶體。
  12. 如請求項8之方法，其中產生該第一信號包括：設定耦合至該第一電荷儲存器件之一讀出節點且放大耦合至該第一電荷儲存器件之該讀出節點處之一信號。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包括在放大該信號之前將來自耦合至該第一電荷儲存器件之一讀出節點之電荷轉移至耦合至一放大器電晶體之一閘極之一第三電荷儲存 器件。
  14. 如請求項8之方法，其中產生該第二信號包括：設定耦合至該第一電荷儲存器件及該第二電荷儲存器件之一讀出節點且放大耦合至該第一電荷儲存器件及該第二電荷儲存器件之該讀出節點處之一信號。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包括在放大該信號之前將來自耦合至該第一電荷儲存器件及該第二電荷儲存器件之一讀出節點之電荷轉移至耦合至一放大器電晶體之一閘極之一第三電荷儲存器件。
  16. 如請求項8之方法，其進一步包括在回應於自該物體反射之該經調變之光而累積電荷之前重設該光二極體。
  17. 如請求項8之方法，其進一步包括在未用自該物體反射之該經調變之光照明該光二極體時自該第一電荷儲存器件及該第二電荷儲存器件取樣背景信號及在判定自該物體反射之該經調變之光之該飛行時間時自該第一信號及該第二信號減去該等背景信號。
  18. 如請求項8之方法，其中該第二調變信號之各脈衝緊接該第一經調變之信號之各脈衝。
  19. 如請求項8之方法，其進一步包括：當沒有來自反射自該物體之該經調變之光之照明時，週期性地量測該光二極體中的電荷之一背景信號；及用該經週期性量測之背景信號校準該像素以對像素中的背景雜訊作補償。
  20. 一種飛行時間感測之系統，其包括： 一光源，其發射經調變之光至一物體；一飛行時間像素陣列，其具有複數個像素，其中該等像素之各者包括：一光二極體，其回應於自該物體反射之入射於該光二極體上之該經調變之光而累積電荷；一第一電荷儲存器件；一第一轉移電晶體，其耦合於該光二極體與該第一電荷儲存器件之間以將來自該光二極體之電荷選擇性地轉移至該第一電荷儲存器件；一第二電荷儲存器件；一第二轉移電晶體，其耦合於該光二極體與該第二電荷儲存器件之間以將來自該光二極體之電荷選擇性地轉移至該第二電荷儲存器件；一啟用電晶體，其耦合於該第一電荷儲存器件與耦合至該第二電荷儲存器件之一讀出節點之間以將該第一電荷儲存器件選擇性地耦合至該讀出節點；及一放大器電晶體，其具有耦合至該讀出節點之一閘極；其中當該啟用電晶體為開啟時，該讀出節點處之一信號表示儲存於該第一電荷儲存器件中的總電荷與儲存於該第二電荷儲存器件中的總電荷之一總和。
  21. 如請求項20之系統，其中該等像素之各者進一步包括耦合於該放大器電晶體之一輸出與一位元線之間的一列選擇電晶體。
  22. 如請求項20之系統，其中該等像素之各者進一步包括耦合至該啟用電晶體以選擇性重設累積於該光二極體中的電荷之一重設電晶體。
  23. 如請求項20之系統，其中該等像素之各者進一步包括耦合於該讀出節點與該放大器電晶體之該閘極之間的一輸出電晶體。
  24. 如請求項23之系統，其中該等像素之各者進一步包括耦合至該放大器電晶體之該閘極之一第三電荷儲存器件。
  25. 如請求項20之系統，其中當該啟用電晶體為關閉時，該讀出節點處之一信號表示儲存於該第二電荷儲存器件中的一總電荷。
  26. 如請求項20之系統，其中該光二極體耦合至該第一轉移電晶體及該第二轉移電晶體之一單一光二極體。
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