TWI550299B - 飛行時間像素單元、飛行時間感測系統與利用飛行時間判定至一物件之一往返距離之方法 - Google Patents

飛行時間像素單元、飛行時間感測系統與利用飛行時間判定至一物件之一往返距離之方法 Download PDF

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Description

飛行時間像素單元、飛行時間感測系統與利用飛行時間判定至一物件之一往返距離之方法
本發明係關於影像感測器。特定而言，本發明之實施例係關於三維影像感測器。
對三維(3D)相機之興趣正隨著流行3D應用不斷在諸如成像、電影、遊戲、電腦、使用者介面及諸如此類之應用中增長而增加。用以創建3D影像之一典型被動方式係使用多個相機來擷取立體或多個影像。使用立體影像，可對影像中之物件進行三角測量以創建3D影像。此三角測量技術之一個缺點係使用小裝置難以創建3D影像，此乃因每一相機之間必須存在一最小分離距離以便創建三維影像。另外，此技術係複雜的，且因此需要顯著電腦處理能力以便即時地創建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測量之主動深度成像系統。飛行時間系統通常採用：將光引導於一物件處之一光源，偵測自物件反射之光之一感測器，及基於光來往於一物件行進所耗費之往返時間而計算至該物件之距離之一處理單元。在典型飛行時間感測器中，通常由於自光電偵測區至感測節點之高傳送效率而使用光電二極體。
關於3D影像之獲取之一持續挑戰在於所需要處理必須極快地發 生，以便使3D影像獲取系統解析即時應用之大約為0.1ns之時間差。由於即時應用需要如此短之回應時間，因此在獲取3D影像之系統中對雜訊、抖動、時脈信號、熱等之敏感性隨著所需要回應時間減小而呈現增加挑戰。當3D影像獲取系統之感測器未偵測到自一物件反射回之光時，亦會呈現進一步挑戰。
102‧‧‧光源/可調整頻率光源
104‧‧‧所發射光/光脈衝/所發射光脈衝
106‧‧‧物件
108‧‧‧經反射回光/經反射光/經反射光脈衝
110‧‧‧透鏡
112‧‧‧飛行時間像素陣列/像素陣列
114‧‧‧同步信號
116‧‧‧控制電路
208‧‧‧經反射光/經反射回光
218‧‧‧飛行時間像素/像素
220‧‧‧光電感測器/感測器
222‧‧‧充電控制邏輯/充電控制件
224‧‧‧時序信號
226‧‧‧可控制電流源
228‧‧‧充電電流
230‧‧‧飛行時間信號
232‧‧‧電容器
234‧‧‧重設電路
236‧‧‧重設電容器信號
238‧‧‧放大器
240‧‧‧位元線
242‧‧‧輸出開關
243‧‧‧列選擇開關
244‧‧‧充電與再充電路徑
246‧‧‧替代選用電流路徑/選用電流路徑
248‧‧‧像素晶粒
249‧‧‧像素支援電路
250‧‧‧單獨特殊應用積體電路晶粒/特殊應用積體電路晶粒
302‧‧‧可調整頻率光源
320‧‧‧三維感測器
332‧‧‧電容器
432‧‧‧電容器
448‧‧‧曲線圖
450‧‧‧曲線圖
552‧‧‧頂部分佈曲線圖/分佈曲線圖/飛行時間測量分佈曲線圖
554‧‧‧實例性峰值/峰值
556‧‧‧實例性峰值/額外不期望峰值/峰值
558‧‧‧總體未補償平均結果
560‧‧‧飛行時間測量分佈曲線圖/分佈曲線圖/底部分佈曲線圖
562‧‧‧實例性峰值/額外不期望峰值
564‧‧‧總體未補償平均結果
700‧‧‧實例性飛行時間感測系統/飛行時間感測系統
701‧‧‧讀出電路
702‧‧‧可調整頻率光源
703‧‧‧時間計數器
704‧‧‧所發射光脈衝
705‧‧‧功能邏輯
706‧‧‧物件/影像物件
708‧‧‧經反射回光脈衝
712‧‧‧飛行時間像素陣列/像素陣列
714‧‧‧同步信號/光脈衝
716‧‧‧控制電路
740‧‧‧位元線
C1-Cx‧‧‧行
D‧‧‧往返距離
flens‧‧‧焦距
ICHARGE‧‧‧充電電流
L‧‧‧距離
P1-Pn‧‧‧像素/飛行時間像素
R1-Ry‧‧‧列
T‧‧‧週期/時間週期
t0‧‧‧時間
t1-t4‧‧‧時間
tm‧‧‧時間
TOF1‧‧‧平均飛行時間
TOF2‧‧‧平均飛行時間
tx‧‧‧時間
ty‧‧‧時間
tz‧‧‧時間
Vmeas1‧‧‧所測量電壓/電壓測量
Vmeas2‧‧‧所測量電壓/電壓測量
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡實施例，其中貫穿各種視圖相似元件符號係指相似部件，除非另有規定。
圖1係展示根據本發明之教示之一飛行時間感測系統之一項實例之一方塊圖。
圖2係圖解說明根據本發明之教示之一飛行時間像素之一項實例之一示意圖。
圖3係展示根據本發明之教示在一實例性飛行時間像素中所發射光脈衝、由一光電感測器感測之各別經反射光子及在一電容器上累積之對應電壓之一實例之一時序圖。
圖4A係展示根據本發明之教示在自一光源發射之複數個光脈衝來往於物件之每一往返之飛行時間期間在一電容器上累積之電壓之一實例之一時序圖。
圖4B係展示根據本發明之教示在已於一電容器上累積一所測量電壓之後重設一電容器且然後再充電至彼電壓以判定飛行時間資訊之一實例之一時序圖。
圖5A係展示根據本發明之教示使用一實例性飛行時間感測系統對所發射光脈衝來往於一物件之飛行時間測量之一分佈之圖式。
圖5B圖解說明展示根據本發明之教示在一實例性飛行時間感測系統中以第一及第二頻率發射以補償未偵測到之經反射回光子之光脈衝之飛行時間測量之分佈之圖式。
圖6圖解說明展示根據本發明之教示用以判定來往於一物件之所發射光脈衝之飛行時間資訊且補償未偵測到之經反射光子之處理步驟之一實例性流程圖。
圖7係展示根據本發明之教示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性飛行時間感測系統之一部分之一方塊圖。
貫穿圖式之數個視圖，對應參考字符指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，各圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明，且未必按比例繪製。舉例而言，為有助於改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件放大。此外，通常未繪示在一商業上可行之實施例中有用或必需之常見而眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各種實施例之一較不受阻擋之觀察。
揭示用於使用一3D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。在以下說明中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下實踐或者可藉助其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。
貫穿本說明書對「一項實施例」或「一實施例」之提及意指結合該實施例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書在各個地方中出現之片語「在一項實施例中」或「在一實施例」未必全部係指相同實施例。此外，在一或多個實施例中，可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。
貫穿本說明書，使用數個技術術語。此等術語應理解為其在所屬領域中之普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用之內容脈絡將另外清晰地暗示。舉例而言，術語「或」在包含性意義上使用(例如，如同「及/或」)，除非內容脈絡另外清晰地指示。
如將展示，揭示包含飛行時間像素單元之一飛行時間感測系統之實例。在各種實例中，藉助在讀出之間的多個飛行時間測量對根據本發明之教示之飛行時間像素單元進行過取樣，此減少飛行時間感測系統中之雜訊及抖動之不期望效應。舉例而言，在一項實例中，可針對每一讀出累積並然後按比例調整數百、數千或更多測量，此提供增加之總體解析度且使得容易地區分僅具有輕微深度差之物件成為可能。此外，在各種實例中，根據本發明之教示，亦可使用以提供具有不同量程之測量之變化頻率發射之光脈衝進行多個飛行時間測量，此使得能夠補償由未被一實例性飛行時間感測系統之光電感測器偵測到之經反射光子產生之飛行時間測量之不準確性。
為圖解說明，圖1係展示根據本發明之教示之一飛行時間感測系統100之一項實例之一方塊圖。如所展示，飛行時間感測系統100包含發射光脈衝(其在圖1中圖解說明為所發射光104)之一光源102。在所圖解說明之實例中，光源102係一可調整頻率光源使得可以不同頻率發射所發射光104之脈衝。如所展示，所發射光104被引導至一物件106。在一項實例中，所發射光104包含紅外(IR)光脈衝。應瞭解，在其他實例中，根據本發明之教示，所發射光104可具有除紅外之外的波長，諸如(舉例而言)可見光、近紅外光等。然後所發射光104自物件106被反射回，在圖1中其被展示為經反射回光108。如所展示，經反射光108自物件106被引導穿過一透鏡110且然後聚焦至一飛行時間像素陣列112上。在一項實例中，飛行時間像素陣列112包含配置成一個二維陣列之複數個飛行時間像素單元。如將論述，在一項實例中， 根據本發明之教示，一同步信號114由耦合至飛行時間像素陣列112之控制電路116產生，該同步信號使所發射光104之脈衝與控制飛行時間像素陣列112中感測經反射光108之複數個像素單元之對應信號同步。
在圖1中所繪示之實例中，應注意，飛行時間像素陣列112定位於距透鏡110一焦距flens處。如在該實例中所展示，光源102及透鏡110定位於距物件一距離L處。當然，應瞭解，圖1並非按比例圖解說明，且在一項實例中，焦距flens實質上小於透鏡110與物件106之間的距離L。因此，應瞭解，根據本發明之教示，出於本發明之目的，距離L及距離L+焦距flens出於飛行時間測量之目的而係實質上相等的。另外，亦應瞭解，根據本發明之教示，出於本發明之目的，光源102與物件106之間的距離及物件106與透鏡110之間的距離兩者出於飛行時間測量之目的亦實質上等於L。因此，光源102與物件106之間的距離(及/或物件106與透鏡110之間的距離)等於往返距離(例如，D)之一半，該往返距離因此等於2×L。換言之，根據本發明之教示，假定自光源102至物件106之距離L加上自物件106回到透鏡110之距離L等於往返距離D(或2×L)。
在所繪示實例中，在所發射光104之一光脈衝之發射與經反射光108中之彼光脈衝之接收之間存在一延遲時間TOF，其導因於光脈衝自光源102至物件106行進距離L耗費之時間量，然後對應經反射光脈衝108自物件106回到像素陣列112行進距離L耗費之額外時間。所發射光104與經反射光108之間的時間差TOF表示光脈衝在光源102與物件106之間往返之飛行時間。一旦知曉飛行時間TOF，即可使用以下方程式1及2中之如下關係來判定自光源102至物件106之距離L：
其中c係光速，其大致等於3×108m/s，且TOF係光脈衝來往於物件行進所耗費之時間量，如圖1中所展示。
圖2係圖解說明根據本發明之教示之一飛行時間像素218之一項實例之一示意圖。應瞭解，像素218可係(舉例而言)圖1之飛行時間像素陣列112中所包含之複數個像素中之一者之一項實例，且因此下文所提及之經類似命名及編號之元件類似於如上文所闡述而耦合及起作用。如在所繪示實例中所展示，像素218包含一光電感測器220及像素支援電路249。像素支援電路249包含充電控制邏輯222、可控制電流源226、電容器232、重設電路234、輸出開關242、列選擇開關243及放大器238。光電感測器220感測自一物件(諸如(舉例而言)圖1之物件106)反射之經反射光208之光子。在一項實例中，光電感測器220可包含一單光子突崩二極體(SPAD)，如圖2中所展示。
在該實例中，像素218亦包含充電控制邏輯222，該充電控制邏輯耦合至光電感測器220以偵測光電感測器220何時感測到自物件反射之經反射光208之光子。根據本發明之教示，充電控制邏輯222進一步經耦合以接收時序信號224，在該實例中，該等時序信號可表示何時將光脈衝104自光源102發射至物件106及因此使得像素218能夠與光源102同步。
如在所繪示之實例中所展示，一可控制電流源226經耦合以回應於經耦合以自充電控制邏輯222接收之一飛行時間信號230提供一充電電流ICHARGE 228。在該實例中，根據本發明之教示，飛行時間信號230由充電控制邏輯222產生，且表示自光源102發射光脈衝104中之每一者直至光電感測器220感測到自物件106反射之經反射光208之光子中之一各別光子為止之往返行進之飛行時間。
在該實例中，圖解說明為(舉例而言)一電容器232之一能量儲存裝置經耦合以回應於飛行時間信號230而自可控制電流源226接收充電 電流ICHARGE 228。在一項實例中，根據本發明之教示，可控制電流源226經耦合以在自光源102發射每一光脈衝104之後將充電電流ICHARGE 228提供至電容器232直至光電感測器220感測到自物件106反射之經反射光208之光子中之一各別光子為止。因此，根據本發明之教示，在電容器232上累積之一電壓V表示至物件106之一往返距離D。在一項實例中，根據本發明之教示，一重設電路234耦合至電容器232以在可控制電流源226回應於飛行時間信號230將電容器232充電複數n次之後回應於一重設電容器信號236而重設電容器232上之所累積電壓V。
如在該實例中所展示，像素218亦包含一放大器238，該放大器透過一輸出開關242耦合至電容器232以在可控制電流源226回應於飛行時間信號230將該電容器充電複數n次之後讀出在電容器232上累積之電壓V。在該實例中，根據本發明之教示，重設電路234經耦合以在電容器232上之電壓V已被讀出之後重設在電容器232上累積之電壓V。在一項實例中，放大器238係如所展示之一源極隨耦器耦合電晶體，且輸出開關242耦合於電容器232與放大器238之電晶體之閘極之間。在一項實例中，根據本發明之教示，像素218亦包含耦合於放大器238之一輸出與一位元線240之間的一個列選擇開關243，可透過該位元線讀出像素218之輸出。
如在圖2中所繪示之實例中所展示，可控制電流源226包含一充電與再充電路徑244，透過該充電與再充電路徑傳導充電電流ICHARGE 228以將電容器232充電。在一項實例中，穿過充電與再充電路徑244之充電電流ICHARGE 228係切換式電流路徑使得在不將電容器232充電時無充電電流ICHARGE 228流動。在另一實例中，可控制電流源226包含一替代選用電流路徑246，在不將電容器232充電時，透過該替代選用電流路徑傳導充電電流ICHARGE 228。舉例而言，在一項實例中，根據本發明之教示，在光電感測器220偵測到一光子時，充電電流 ICHARGE 228自充電與再充電路徑244轉向至選用電流路徑246，直至自光源102發射下一光脈衝104為止。應瞭解，根據本發明之教示，在其中包含選用電流路徑246之一實例中，充電電流ICHARGE 228消耗在像素218中係恆定的，而不論是否將電容器232充電。
如在圖2中所繪示之實例中所圖解說明，應注意，可以一堆疊式晶片方案來實施像素218。舉例而言，如在該實例中所展示，根據本發明之教示，光電感測器220可包含於一像素晶粒248中，而圖2中所圖解說明之像素218之像素支援電路249可包含於一單獨特殊應用積體電路(ASIC)晶粒250中。在該實例中，根據本發明之教示，像素晶粒248與ASIC晶粒250在製作期間堆疊及耦合在一起以實施一飛行時間感測系統。
圖3係展示根據本發明之教示在一實例性飛行時間像素中來自一可調整頻率光源302之所發射光脈衝、由一3D感測器320感測之各別經反射光子及在一電容器332上累積之對應電壓之一實例之一時序圖。應瞭解，可調整頻率光源302可(舉例而言)與圖1之可調整頻率光源102對應，3D感測器320可(舉例而言)與圖2之光電感測器220對應，在一電容器332上累積之對應電壓可(舉例而言)與在圖2之電容器232中累積之電壓V對應，且因此下文所提及之經類似命名及編號之元件類似於如上文所闡述而耦合及起作用。如在該實例中所展示，在時間t1處及在時間t3處發射光脈衝。在該實例中，在時間t1與時間t3處之光脈衝之發射之間的週期等於T，其亦等於1/自光源102發射之光脈衝之頻率。因此，當然，應瞭解，若光脈衝之發射之頻率增加，則時間t1與時間t3之間的時間週期T減小。
圖3中所繪示之實例亦圖解說明3D感測器320在時間t2及時間t4處偵測到自物件106反射回之光子。因此，根據本發明之教示，所發射光脈衝104在光源102與光電感測器220之間來回行進往返距離D之飛 行時間TOF等於時間t1與t2之間的時間及/或t3與t4之間的時間，如圖3中所圖解說明。
根據本發明之教示，圖3中之實例亦圖解說明在自光源102發射一光脈衝104時電容器232被充電，直至經反射回光208中之一經反射光子由感測器220偵測到為止。根據本發明之教示，在感測器220偵測到經反射光子之後，電容器232直至自光源102發射下一光脈衝104為止才被充電。因此，根據本發明之教示，電容器332上之電壓在光脈衝於時間t1與時間t2之間及在時間t3與時間t4之間的飛行時間TOF期間累積，且在圖3中，在時間t2與時間t3之間及在時間t4之後電容器332上不存在額外電壓之累積，如所展示。
圖4A係展示根據本發明之教示在自一光源發射之光脈衝來往於物件之每一往返之飛行時間期間在一電容器432上累積或過取樣之電壓之一實例之一時序圖。在一項實例中，最初在時間t0處將電容器設定為一已知電壓，諸如(舉例而言)零伏。在該實例中，自光源102發射複數個(n個)光脈衝104使得電容器232上之電荷在來自光源102之光脈衝中之每一者到達物件106及回到感測器220之飛行時間之持續時間內被累積n次。根據本發明之教示，在電容器232已被充電或過取樣n次之後，然後在時間tm處讀出該電容器。
在圖4A中所展示之實例中，為了比較，展示兩個不同飛行時間測量之曲線圖。特定而言，曲線圖448展示針對較接近於光電感測器220之一物件在n次充電內的電容器432上之電壓之一實例，且曲線圖450展示針對較遠離光電感測器220之一物件在n次充電內的電容器432上之電壓之一實例。如在該實例中所展示，由於電容器432上之電壓係在n次充電內累積的，因此電容器432上之電壓大到足以由飛行時間感測系統以一充足信雜比讀出。舉例而言，在所繪示之實例中，針對曲線圖448在n次充電後讀出所測量電壓Vmeas1，且針對曲線圖450在n 次充電後讀取所測量電壓Vmeas2。另外，根據本發明之教示，圖4A中所繪示之實例展示在被讀出時，曲線圖448及曲線圖450之電壓測量Vmeas1與Vmeas2之間的差大到足以區分曲線圖448及曲線圖450之物件之間的往返距離差。
在一項實例中，在如所展示於電容器上之n次充電之後讀出飛行時間測量後，然後可按比例調整該等測量以考量過取樣。舉例而言，在一項實例中，假定在n次充電之後讀出來自電容器之一電壓測量Vmeas，然後可藉由充電之數目n來按比例調整測量Vmeas以產生每一飛行時間測量之一平均值Vavg：
其中Vavg係平均測量，Vmeas係在n次充電之後自電容器讀出之測量，且n係針對彼讀出將對電容器充電之次數。
根據本發明之教示，圖4B係展示圖4A中所展示之所累積電壓之實例之另一時序圖，其中電容器432上之電壓被重設且然後被再充電以判定曲線圖448及450之飛行時間測量。特定而言，最初在時間t0處將電容器重設至一已知電壓，諸如(舉例而言)零伏。在該實例中，針對曲線圖448及450之n次飛行時間測量，電容器432上之電壓被累積n次。在電容器已被充電n次之後，然後在時間tm處讀出電容器，如上文所論述。
根據本發明之教示，圖4B中所繪示之實例亦展示然後在於時間tm處重設電容器之後，然後將電容器再充電回至所測量電壓Vmeas1及Vmeas2，此可經執行以幫助判定飛行時間資訊。舉例而言，如在所繪示之實例中所展示，電容器在時間tx至ty處開始被再充電以達到Vmeas1且可進一步被充電以在時間tz處達到Vmeas2，如所展示。假定電容器被充電n次，可根據以下關係來判定曲線圖448中之每一充電之平均飛行時間。
t y -t x =n×TOF 1 (4)
其中TOF1係與曲線圖448中之每一充電相關聯之平均飛行時間，且n係每讀出之充電數目。類似地，可根據以下關係來判定曲線圖450中之每一充電之平均飛行時間
t z -t x =n×TOF 2 (5)
其中TOF2係與曲線圖450中之每一充電相關聯之平均飛行時間，且n係每讀出之充電數目。應瞭解，根據本發明之教示，藉由比較各次測量，亦可判定曲線圖448及450中之飛行時間之差tz-ty。
圖5A係展示根據本發明之教示使用一實例性飛行時間感測系統對所發射光脈衝來往於一物件之飛行時間測量之一分佈之圖式。特定而言，由於一飛行時間感測系統中存在隨機雜訊及抖動，因此多個飛行時間測量結果將具有如圖5A中所展示之一分佈。根據本發明之教示，在進行多個飛行時間測量時，電容器對所有所測量結果求平均，且因此將分佈中之峰值判定為經平均結果，此考量到飛行時間感測系統中之雜訊、抖動或時脈。
暫時返回參考圖2，應注意，在一理想情形中，在來自一物件106之經反射光208中反射回之所有光子均將由光電感測器220偵測。因此，一旦偵測到經反射光208中之每一經反射回光子，充電控制件222即將因此控制可控制電流源226不使用充電電流ICHARGE 228將電容器232充電。然而，較現實地，經反射光208中之經反射回光子中之僅某些光子可由光電感測器220偵測到。因此，經反射光208中之剩餘經反射回光子經過而未被偵測，此因此致使充電電流ICHARGE 228錯誤地繼續將電容器232充電直至針對彼循環最終達到一最大時間為止。最大時間係基於所發射光脈衝104之週期或頻率。
為圖解說明，返回簡略參考圖3，反射回之一光子應由如以3D感測器320展示之光電感測器220偵測，此將關斷電容器之充電，其(舉 例而言)展示為在時間t2處或在時間t4處。然而，若在經反射光208中反射回之一光子未由光電感測器220偵測到，則充電電流ICHARGE 228繼續將電容器232充電直至接近可調整頻率光源302之下一循環為止，此時自光源102發射下一光脈衝104。換言之，若在經反射光208中反射回之一光子未由光電感測器220偵測到，則電容器232被錯誤地充電達可調整頻率光源302之彼循環之最大時間。彼最大充電時間轉變為可調整頻率光源302之彼特定頻率或週期T之最大量程。
圖5B圖解說明展示根據本發明之教示在一實例性飛行時間感測系統中以第一及第二頻率發射以補償未偵測到之經反射回光子之光脈衝之飛行時間測量之分佈之圖式。特定而言，圖5B之頂部分佈曲線圖552圖解說明在將可調整頻率光源102設定為等於freqa之一頻率之情況下進行之一飛行時間測量之一實例性測量分佈。如在該實例中所展示，在分佈曲線圖552中存在兩個峰值。分佈曲線圖552之左手側上之實例性峰值554對應於至物件106之實際往返距離D，如由光電感測器220實際上偵測到之經反射回光子之分率所指示。然而，分佈曲線圖552之右手側上之實例性峰值556對應於在一頻率freqa下之最大量程MaxRangeA，其由未被光電感測器220偵測到之經反射回光子之剩餘分率產生。在該實例中，MaxRangeA處之額外不期望峰值556使飛行時間測量分佈曲線圖552失真，進而致使分佈曲線圖552之總體未補償平均結果處於VA 558，如在圖5B中所展示，其在分佈曲線圖552中自實際往返距離D向右移位。
假定由光電感測器220偵測到之經反射回光子之百分比可以一光子偵測概率(PDP)來表達，則可以如下項來表示實際往返距離D處之峰值554：PDP×D. (6)
對應地，未由光電感測器220偵測到之經反射回光子之剩餘百分 比等於(1-PDP)，且可因此以如下項來表示針對頻率freqa在MaxRangeA處之峰值556：(1-PDP)×MaxRange A . (7)
最後，如上文所論述，將分佈曲線圖552之總體未補償平均結果測量為VA 558，其係在僅偵測到光子之分率PDP之情況下及在可調整光源之頻率等於freqa之情況下判定的。因此，可根據如下方程式8來表示圖5B之頂部分佈曲線圖552：PDP×D+(1-PDP)×MaxRange A =V A . (8)
為了在不知曉由光電感測器220實際上偵測到之光子之實際百分比之情況下判定實際往返距離D，可假定可基於光源之頻率而判定最大量程，且可測量總體未補償平均結果VA 558。
牢記此等假設，圖5B展示根據本發明之教示在將可調整頻率光源102設定為等於freqb之一不同頻率之情況下進行之一飛行時間測量分佈曲線圖560之另一實例性測量分佈。如在該實例中所展示，在分佈曲線圖560中亦存在兩個峰值，包含在分佈曲線圖560之左手側上之相同實例性峰值554，其對應於至物件106之實際往返距離D，如由光電感測器220實際上偵測到之經反射回光子之分率所指示。
然而，分佈曲線圖560之右手側上之實例性峰值562對應於頻率freqb下之最大量程MaxRangeB，其由光電感測器220未偵測到之經反射回光子之剩餘分率產生。在該實例中，MaxRangeB處之額外不期望峰值562亦使飛行時間測量分佈失真，進而致使分佈曲線圖560之總體未補償平均結果處於VB 564，如在圖5B中所展示，其在分佈曲線圖560中自實際往返距離D向右移位。
在所繪示之實例中，假定在圖5B之底部分佈曲線圖560中所圖解說明之頻率freqb大於在圖5B之頂部分佈曲線圖552中所圖解說明之頻率freqa。因此，圖5B之底部分佈曲線圖560中之光脈衝之每一循環之 時間週期T比圖5B之分佈曲線圖552中之光脈衝之每一循環之時間週期T短，此導致MaxRangeB小於MaxRangeA，如圖5B中所展示。亦應瞭解，可根據以下方程式9來表示圖5B之底部分佈曲線圖560：PDP×D+(1-PDP)×MaxRange B =V B . (9)
藉助上文之方程式8及方程式9，應瞭解，存在具有僅兩個未知變量D及PDP之兩個方程式。由於測量了VA及VB且可根據各別頻率freqa及freqb判定MaxRangeA及MaxRangeB，因此其他項VA、VB、MaxRangeA及MaxRangeB均係已知的。另外，根據本發明之教示，雖然PDP係一未知變量，但可假定PDP至少不在使用兩個不同頻率(例如，freqa及freqb)對VA及VB之測量之間改變。
繼續上文之方程式9，可如下在方程式之左手側上隔離PDP：PDP×D+MaxRange B -PDP×MaxRange B =V B ， (10) PDP×D-PDP×MaxRange B =V B -MaxRange B ， (11) PDP×(D-MaxRange B )=V B -MaxRange B ， (12)
接下來，可藉助方程式13將PDP代回至上文方程式8中：
最終，根據本發明之教示，可在上文方程式14中求解D以判定實際往返距離D。因此，根據本發明之教示，可補償由未偵測到之經反射光子之百分比(1-PDP)導致之測量分佈之失真。
圖6圖解說明展示根據本發明之教示用以判定來往於一物件之所發射光脈衝之飛行時間資訊且補償未偵測到之經反射光子之處理步驟之一實例性流程圖668。如在程序方塊670處所展示，重設像素單元電路中之電容器。在一項實例中，將電容器初始化為一已知電壓，諸如(舉例而言)零伏。程序方塊672展示然後以一第一頻率(例如，freqa)將光脈衝自一光源發射至一物件。此時，程序方塊674展示然後在電容 器上開始或(或重新開始)充電。在程序方塊676處，然後感測自物件反射回之一光子。此時，程序方塊678展示中斷電容器之充電。此程序針對來自光源之複數個(n個)光脈衝而繼續。如此，決策方塊680判定是否已存在以第一頻率發射之n個光脈衝。若否，則處理循環回到程序方塊672。若是，則處理繼續至程序方塊682，其中測量在電容器上累積之一第一電壓(例如，VA)。一旦測量第一電壓，程序方塊684即展示然後重設電容器上之電壓以針對下一測量將其初始化。
處理繼續至程序方塊686，其展示然後以一第二頻率(例如，freqb)將光脈衝自光源發射至一物件。第二頻率不同於第一頻率。此時，程序方塊688展示然後在電容器上重新開始充電。在程序方塊690處，然後感測自物件反射回之一光子。此時，程序方塊692展示中斷電容器之充電。此程序針對來自光源之複數個(n個)光脈衝而繼續。 如此，決策方塊694判定是否已存在以第二頻率發射之n個光脈衝。若否，則處理循環回到程序方塊686。若是，則處理繼續至程序方塊696，其中測量在電容器上累積之一第二電壓(例如，VB)。一旦測量第二電壓，程序方塊698即展示藉由使用第一電壓(例如，VA)、第二電壓(例如，VB)、處於第一頻率(例如，freqa)之光脈衝之最大量程(例如，MaxRangeA)及處於第二頻率(例如，freqb)之光脈衝之最大量程(例如，MaxRangeB)來補償未偵測到之經反射光子。在一項實例中，根據本發明之教示，可使用如上文所論述之方程式8及9來補償未偵測到之經反射回光子。
圖7係展示根據本發明之教示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性飛行時間感測系統700之一部分之方塊圖。如所展示，根據本發明之教示，飛行時間感測系統700之所圖解說明實例包含一飛行時間像素陣列712、讀出電路701、時間計數器703、功能邏輯705、控制電路716及用以感測至物件 706之往返距離之一可調整頻率光源702。
在圖7中所圖解說明之實例中，像素陣列712係飛行時間像素(例如，像素P1、P2...、Pn)之一個二維(2D)陣列。在一項實例中，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2中所論述之飛行時間像素中之一者，且因此下文所提及之經類似命名及編號之元件類似於如上文所闡述而耦合及起作用。如所圖解說明，每一像素被配置至一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)中以獲取聚焦至像素陣列712上之一影像物件706之飛行時間資訊。因此，根據本發明之教示，可然後使用該飛行時間資訊來判定至物件706之距離或深度資訊。
在一項實例中，控制電路716控制可調整頻率光源702並使其與一同步信號714同步以將光脈衝714發射至物件706。如所展示，然後將經反射回光脈衝708反射回至像素陣列712。在一項實例中，像素陣列712中之像素感測來自經反射回光脈衝708之光子，且回應於來自像素陣列712中之像素中所包含之各別電容器之所測量電壓之對應信號然後由讀出電路701透過位元線740讀出，如所展示。在一項實例中，讀出電路701可包含用以進一步放大透過位元線740接收之信號之放大器。在一項實例中，然後可將由讀出電路701讀出之資訊傳送至時間計數器703，在一項實例中，該等時間計數器可用於保持追蹤關於自讀出電路701接收之飛行時間資訊之時間資訊。在一項實例中，根據本發明之教示，時間計數器703然後可將資訊輸出至功能邏輯705中所包含之數位電路。在一項實例中，功能邏輯705可判定每一像素之飛行時間及距離資訊。在一項實例中，功能邏輯亦可儲存飛行時間資訊及/或甚至操縱飛行時間資訊(例如，剪裁、旋轉、調整背景雜訊或諸如此類)。在一項實例中，讀出電路701可沿著位元線740一次讀出一整列飛行時間資訊(所圖解說明)或在另一實例中可使用多種其他技術 (未圖解說明)讀出該飛行時間資訊，諸如一串行讀出或對所有像素同時進行之一全並行讀出。
在所圖解說明之實例中，控制電路716進一步耦合至像素陣列712以控制像素陣列712之操作以及使像素陣列712之操作與可調整頻率光源702同步。舉例而言，根據本發明之教示，控制電路716可產生經耦合以由圖2中所展示之充電控制邏輯222以及輸出開關242及列選擇開關243接收以判定飛行時間資訊之時序信號224。
在一項實例中，應注意，可以一堆疊式晶片方案來實施圖7中所圖解說明之飛行時間感測系統700。舉例而言，如在該實例中所展示，根據本發明之教示，像素陣列712可包含於一像素晶粒中，而如圖7中所圖解說明之讀出電路701、時間計數器703、功能邏輯705及控制電路716可包含於一單獨特殊應用積體電路(ASIC)晶粒中。在該實例中，根據本發明之教示，像素晶粒及ASIC晶粒在製作期間堆疊及耦合在一起以實施一飛行時間感測系統。
包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實施例之上文說明並非意欲係窮盡性或將本發明限制於所揭示之精確形式。儘管出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但如熟習相關技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。
可根據上文詳細說明對本發明做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書中所揭示之特定實施例。相反，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據所創建之請求項解釋原則來加以理解。
208‧‧‧經反射光/經反射回光
218‧‧‧飛行時間像素/像素
220‧‧‧光電感測器/感測器
222‧‧‧充電控制邏輯/充電控制件
224‧‧‧時序信號
226‧‧‧可控制電流源
228‧‧‧充電電流
230‧‧‧飛行時間信號
232‧‧‧電容器
234‧‧‧重設電路
236‧‧‧重設電容器信號
238‧‧‧放大器
240‧‧‧位元線
242‧‧‧輸出開關
243‧‧‧列選擇開關
244‧‧‧充電與再充電路徑
246‧‧‧替代選用電流路徑/選用電流路徑
248‧‧‧像素晶粒
249‧‧‧像素支援電路
250‧‧‧單獨特殊應用積體電路晶粒/特殊應用積體電路晶粒ICHARGE‧‧‧充電電流

Claims (31)

  1. 一種飛行時間像素單元，其包括：一光電感測器，其用以感測自一物件反射之光子；及像素支援電路，其包含：充電控制邏輯，其耦合至該光電感測器以偵測該光電感測器何時感測到自該物件反射之該等光子，其中該充電控制邏輯進一步經耦合以接收表示何時將光脈衝自一光源發射至該物件之時序信號；一可控制電流源，其經耦合以回應於經耦合以自該充電控制邏輯接收之一飛行時間信號而提供一充電電流，其中該飛行時間信號表示自該光源發射該等光脈衝中之每一者直至該光電感測器感測到自該物件反射之該等光子中之一各別光子為止之一飛行時間；一電容器，其經耦合以回應於該飛行時間信號而自該可控制電流源接收該充電電流，其中該電容器上之一電壓表示至該物件之一往返距離；及一重設電路，其經耦合以在該可控制電流源回應於該飛行時間信號而將該電容器充電複數次之後重設該電容器上之該電壓。
  2. 如請求項1之飛行時間像素單元，其中該像素支援電路進一步包括一放大器，該放大器耦合至該電容器以在該可控制電流源回應於該飛行時間信號而將該電容器充電該複數次之後讀出該電容器上之該電壓，其中該重設電路經耦合以在該電容器上之該電壓被讀出之後重設該電容器上之該電壓。
  3. 如請求項2之飛行時間像素單元，其中該電容器進一步經耦合以 在重設之後被再充電至在該電容器上讀出之該電壓以判定飛行時間資訊。
  4. 如請求項2之飛行時間像素單元，其中該像素支援電路進一步包括耦合於該電容器與該放大器之閘極之間的一輸出開關。
  5. 如請求項2之飛行時間像素單元，其中該像素支援電路進一步包括耦合於該放大器之一輸出與一位元線之間的一個列選擇開關。
  6. 如請求項1之飛行時間像素單元，其中該可控制電流源經耦合以在自該光源發射每一光脈衝之後將該充電電流提供至該電容器直至該光電感測器感測到自該物件反射之該等光子中之該各別光子為止。
  7. 如請求項6之飛行時間像素單元，其中該可控制電流源包含一替代電流路徑，該替代電流路徑用以在該光電感測器感測到自該物件反射之該等光子中之該各別光子之後傳導該充電電流直至自該光源發射下一光脈衝為止。
  8. 如請求項1之飛行時間像素單元，其中被按比例調整該可控制電流源將該電容器上之該電壓充電之該複數次的該電容器上之該電壓表示至該物件之該往返距離。
  9. 如請求項1之飛行時間像素單元，其中一第一電壓經耦合以自經耦合以由該可控制電流源回應於以一第一頻率自該光源發射之光脈衝而充電之該電容器讀出，其中一第二電壓經耦合以自經耦合以由該可控制電流源回應於以一第二頻率自該光源發射之光脈衝而充電之該電容器讀出，且其中至該物件之一經補償往返距離係回應於該第一電壓、該第二電壓、以該第一頻率自該光源發射之該等光脈衝之一第一 最大量程及以該第二頻率自該光源發射之該等光脈衝之一第二最大量程而判定的。
  10. 如請求項9之飛行時間像素單元，其中至該物件之該經補償往返距離補償未偵測到之自該物件反射之光子。
  11. 如請求項1之飛行時間像素單元，其中該光電感測器包括一單光子突崩二極體(SPAD)。
  12. 如請求項1之飛行時間像素單元，其中該光電感測器包含於一第一晶粒中，且其中該像素支援電路包含於一第二晶粒中，其中該第一晶粒與該第二晶粒堆疊並耦合在一起。
  13. 一種飛行時間感測系統，其包括：一光源，其用以將光脈衝發射至一物件，其中自該光源發射該等光脈衝之一頻率係可調整的；一飛行時間像素陣列，其具有複數個飛行時間像素單元，其中該等飛行時間像素單元中之每一者包括：一光電感測器，其用以感測自該物件反射之光子；充電控制邏輯，其耦合至該光電感測器以偵測該光電感測器何時感測到自該物件反射之該等光子，其中該充電控制邏輯進一步經耦合以接收表示何時自該光源發射該等光脈衝之時序信號；一可控制電流源，其經耦合以回應於經耦合以自該充電控制邏輯接收之一飛行時間信號而提供一充電電流，其中該飛行時間信號表示自該光源發射該等光脈衝中之每一者直至該光電感測器感測到自該物件反射之該等光子中之一各別光子為止之一飛行時間；一電容器，其經耦合以回應於該飛行時間信號而自該可控制電流源接收該充電電流，其中該電容器上之一電壓表示至 該物件之一往返距離；一重設電路，其經耦合以在該可控制電流源回應於該飛行時間信號而將該電容器充電複數次之後重設該電容器上之該電壓；及控制電路，其耦合至該光源且耦合至該飛行時間像素陣列以使該等光脈衝之該發射之一時序與對自該物件反射之該等光子之該感測同步。
  14. 如請求項13之飛行時間感測系統，其中該等飛行時間像素單元中之每一者進一步包括一放大器，該放大器耦合至該電容器以在該可控制電流源回應於該飛行時間信號而將該電容器充電該複數次之後讀出該電容器上之該電壓，其中該重設電路經耦合以在該電容器上之該電壓被讀出之後重設該電容器上之該電壓。
  15. 如請求項14之飛行時間感測系統，其中該電容器進一步經耦合以在重設之後被再充電至在該電容器上讀出之該電壓以判定飛行時間資訊。
  16. 如請求項14之飛行時間感測系統，其中該等飛行時間像素單元中之每一者進一步包括耦合於該電容器與該放大器之閘極之間的一輸出開關。
  17. 如請求項14之飛行時間感測系統，其中該等飛行時間像素單元中之每一者進一步包括耦合於該放大器之一輸出與一位元線之間的一個列選擇開關。
  18. 如請求項17之飛行時間感測系統，其進一步包括讀出電路，該讀出電路經耦合以透過該位元線自該等飛行時間像素單元中之每一者讀出該電壓。
  19. 如請求項18之飛行時間感測系統，其進一步包括時間計數器， 該等時間計數器耦合至該讀出電路以判定自該光源發射之每一光脈衝之飛行時間資訊直至該光電感測器感測到自該物件反射之該等光子中之該各別光子為止。
  20. 如請求項19之飛行時間感測系統，其進一步包括功能邏輯，該功能邏輯耦合至該等時間計數器以儲存並處理自該飛行時間像素陣列讀出之飛行時間資訊。
  21. 如請求項13之飛行時間感測系統，其中該可控制電流源經耦合以在自該光源發射每一光脈衝之後將該充電電流提供至該電容器直至該光電感測器感測到自該物件反射之該等光子中之該各別光子為止。
  22. 如請求項13之飛行時間感測系統，其中該可控制電流源包含一替代電流路徑，該替代電流路徑用以在該光電感測器感測到自該物件反射之該等光子中之該各別光子之後傳導該充電電流直至自該光源發射下一光脈衝為止。
  23. 如請求項13之飛行時間感測系統，其中被按比例調整該可控制電流源將該電容器上之該電壓充電之該複數次的該電容器上之該電壓表示至該物件之該往返距離。
  24. 如請求項13之飛行時間感測系統，其中一第一電壓經耦合以自經耦合以由該可控制電流源回應於以一第一頻率自該光源發射之光脈衝而充電之該電容器讀出，其中一第二電壓經耦合以自經耦合以由該可控制電流源回應於以一第二頻率自該光源發射之光脈衝而充電之該電容器讀出，且其中至該物件之一經補償往返距離係回應於該第一電壓、該第二電壓、以該第一頻率自該光源發射之該等光脈衝之一第一最大量程及以該第二頻率自該光源發射之該等光脈衝之一第二 最大量程而判定的。
  25. 如請求項24之飛行時間感測系統，其中至該物件之該經補償往返距離補償未偵測到之自該物件反射之光子。
  26. 如請求項13之飛行時間感測系統，其中該光電感測器包括一單光子突崩二極體(SPAD)。
  27. 一種利用飛行時間判定至一物件之一往返距離之方法，該方法包括：以一第一頻率將光脈衝自一光源發射至一物件；回應於以該第一頻率自該光源發射之該等光脈衝而將一電容器充電；感測自該物件反射之光子；回應於對自物件反射之該等光子之該感測而中斷將該電容器充電；在回應於以該第一頻率自該光源發射之該等光脈衝而將該電容器充電複數n次之後測量該電容器上之一第一電壓；及回應於該電容器上之該第一所測量電壓而判定至該物件之一往返距離。
  28. 如請求項27之判定至物件之往返距離之方法，其進一步包括將該電容器上之該第一所測量電壓按比例調整將該電容器充電之該複數n次。
  29. 如請求項27之判定至物件之往返距離之方法，其進一步包括重設該電容器並將該電容器再充電至該第一所測量電壓以判定至該物件之該往返距離之飛行時間資訊。
  30. 如請求項27之判定至物件之往返距離之方法，其進一步包括：重設該電容器；以一第二頻率將光脈衝自該光源發射至該物件； 回應於以該第二頻率自該光源發射之該等光脈衝而將該電容器充電；感測自該物件反射之光子；回應於對自物件反射之該等光子之該感測而中斷將該電容器充電；在回應於以該第二頻率自該光源發射之該等光脈衝而將該電容器充電複數n次之後測量該電容器上之一第二電壓；及回應於該電容器上之該第一所測量電壓、該電容器上之該第二所測量電壓、以該第一頻率自該光源發射之該等光脈衝之一第一最大量程及以該第二頻率自該光源發射之該等光脈衝之一第二最大量程而判定至該物件之一經補償往返距離。
  31. 如請求項30之判定至物件之往返距離之方法，其中該判定至該物件之該經補償往返距離包括補償未偵測到之自該物件反射之光子。
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