TWI679892B - 數位成像及脈衝偵測像素 - Google Patents
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Abstract
一種成像及脈衝偵測陣列，其包括：多個像素，其連接至一控制器，該控制器經組態以基於源於該多個像素中之每一像素的一影像信號而產生一影像，且經組態以偵測該多個像素中之該等像素中之至少一者上的一脈衝，且該多個像素中之該等像素中之每一者包括一成像電路及一脈衝偵測電路，該成像電路及該脈衝偵測電路包括一共用電路架構，且其中該成像電路及該脈衝偵測電路包括一共用部分。
Description
本發明大體而言係關於影像感測及脈衝偵測電路，且更具體而言係關於在單晶片上實施包括成像感測及脈衝偵測之成像像素。
工業製程中之紅外線偵測器系統、LIDAR(雷射照明之偵測及測距)系統及成像系統利用成像像素陣列及脈衝偵測像素陣列來偵測影像內之雷射脈衝的存在。雷射脈衝之性質因而可由控制器分析以判定切合資訊，諸如雷射脈衝之距離、雷射脈衝之時間段，或為控制器所需要之任何其他資訊。
現有成像及脈衝偵測系統利用不同的成像電路及脈衝偵測電路，其中電路中之每一者具有不同的架構。歸因於不同架構，成像部分及脈衝偵測部分不會互操作且需要在每一像素內利用兩種不同的電路，每一功能為一種電路。現有像素之雙晶片組態導致較大的像素大小且增大像素陣列之重量。
揭示一種成像及脈衝偵測陣列，其包括：多個像素，其連接至一控制器，該控制器經組態以基於源於該多個像素中之每一像素的一影像信號而產生一影像，且經組態以偵測該多個像素中之該等像素中之至少一者上的一脈衝，且該多個像素中之該等像素中之每一者包括一成像電路及一脈衝偵測電路，該成像電路及該脈衝偵測電路包括一共用電路架構，且其中該成像電路及該脈衝偵測電路包括一共用部分。
亦揭示一種操作一成像及脈衝偵測陣列之一像素的方法，該方法包括：在一共用光學偵測輸入處偵測一光輸入且使該光輸入經過至少一個額外之共用電路元件；將一輸出自該至少一個共用電路元件提供至一
成像電路及一脈衝偵測電路，其中該成像電路及該脈衝偵測電路共用一電路架構；及將一成像信號自該成像電路輸出至一控制器，且將一脈衝偵測信號自該脈衝偵測電路輸出至一脈衝處理電路。
本發明之此等及其他特徵可自以下說明書及圖式而最佳地理解，以下圖式為簡短描述。
10‧‧‧像素
20‧‧‧脈衝偵測電路
30‧‧‧成像電路
40‧‧‧共用部分
50‧‧‧脈衝處理電路
60‧‧‧影像輸出
70‧‧‧積分電容器
101‧‧‧輸出
102‧‧‧輸出
121‧‧‧光學偵測裝置
122‧‧‧放大器
123‧‧‧疊接FET
131‧‧‧開關元件
132‧‧‧電流源
141‧‧‧參考電壓
142‧‧‧放大器/開關元件
143‧‧‧開關元件
144‧‧‧電流源
171‧‧‧電壓控制之開關
172‧‧‧電壓控制之開關
173‧‧‧電壓控制之開關
174‧‧‧電壓控制之開關
180‧‧‧電流源
191‧‧‧參考電壓
192‧‧‧參考電壓
193‧‧‧參考電壓
210‧‧‧AC耦合及高通濾波程序
220‧‧‧非同步脈衝產生程序
230‧‧‧數位脈衝偵測邏輯程序
圖1示意性地說明根據一個實例之成像及脈衝偵測像素。
圖2示意性地說明用於圖1之成像及脈衝偵測像素的例示性拓撲。
圖3示意性地說明圖1及圖2之像素的脈衝處理元件。
成像系統，包括具有雷射脈衝偵測特徵之成像系統利用像素陣列以捕獲及分析影像。通常在每一陣列內，每一像素大致相同。在一些例示性像素陣列中，每一像素包括脈衝偵測系統及成像系統。
圖1示意性地說明用於具有雷射脈衝偵測之成像系統中的像素10。像素10包括脈衝偵測電路20及成像電路30。像素10內亦包括連接至成像電路30及脈衝偵測電路20中之一者或兩者的脈衝處理電路50。在圖1之實例像素10中，脈衝偵測電路20及成像電路30利用相同的電路架構且安裝於單一積體電路晶片上。在一些實例中，單一積體電路晶片可為讀出積體電路(ROIC)晶片。在替代實例中，單一積體電路可為如由給定系統所需之不同類型的積體電路晶片。
脈衝處理電路50為數位邏輯電路且以允許數位邏輯電路自脈衝偵測電路20接收脈衝偵測信號之一方式連接。當脈衝處理電路50接收脈衝偵測時，脈衝處理電路50將數位邏輯及處理應用於脈衝偵測信號以產生控制器之脈衝偵測輸出。在一些實例中，輸出可包括時間戳記及坐標位址編碼之信號，其識別偵測到脈衝所在的像素。在其他實例中，輸出可為任何其他處理的脈衝偵測信號。脈衝偵測信號經提供至外部控制器，外部控制器分析來自像素陣列中之所有像素的資料。
影像輸出60自成像電路30延伸，且將成像電路30連接至
控制器。控制器利用來自像素10之影像信號，結合來自像素陣列中之每一其他像素的影像信號以建構影像。藉由控制器建構影像可以任何已知方式且利用任何已知成像技術進行。
由於成像電路30及脈衝偵測電路20兩者利用相同架構，因此有可能利用成像電路30及脈衝偵測電路20之冗余部分的單一實例。因此，在成像電路30與脈衝偵測電路20之間共用電路之部分。共用部分40說明為圖1之實例中的重疊電路部分。
在實際實施方案中，成像電路30及脈衝偵測電路20包括多個額外輸入及輸出，如成像領域中按照慣例所已知的。額外輸入及輸出提供參考電壓及電流、接地連接及類似者。
繼續參看圖1，且其中相同數字指示相同元件，圖2示意性地說明用於圖1之成像及脈衝偵測像素10的例示性拓撲。電路拓撲包括脈衝偵測電路20及成像電路30，其具有如上文描述之重疊的共用部分40。
重疊的共用部分40中包括光學偵測裝置121，諸如光感測二極體。在替代實例中，可以同樣的意思利用替代光學感測裝置。所說明的實例中之光學偵測裝置121為反向偏壓的。在此實例中，光學偵測裝置121在光擊中光學偵測裝置時傳導電流，從而提供成像電路30及脈衝偵測電路20兩者之光偵測部分。放大器122連接至光學偵測裝置121之陽極。在所說明的實例中，放大器呈電壓控制之開關的形式。在一個實例中，電壓控制之開關為FET電晶體。在替代實例中，可利用其他類型的電壓控制之開關或其他類型的放大器。共用部分40內進一步包括開關元件131及電流源132。開關元件131及電流源132調節光學偵測裝置121之反向偏壓。
包括開關裝置之疊接FET 123，諸如在飽和區域中操作的P通道FET將放大器142連接至輸出101。輸出101又連接至脈衝處理電路50。在替代實例中，可利用包括開關裝置之替代電流源以代替在飽和區域中操作之所說明的P通道FET。在一些實施例中，疊接FET 143需要與脈衝偵測電路20中之疊接FET 123匹配。疊接FET 143可實質上增大至脈衝處理電路50之節點101處的阻抗且確定脈衝偵測電路20之所需放大性質。
脈衝偵測電路20使用開關元件131、142、143，電流源132、
144及參考電壓141與共用電路組件(放大器122及疊接FET 123)結合之配置以形成完整的脈衝偵測電路20，其將脈衝偵測輸出提供至輸出101。理解本領域內之類似的脈衝偵測電路，且圖2中所說明之特定脈衝偵測拓撲可取决於給定脈衝偵測系統之特定需要而更改。
共用部分40中之疊接FET 123包括於成像電路30中，成像電路30包括電壓控制之開關171、172、173、174，電流源180及參考輸入191、192、193。疊接FET 123之輸出控制第一電壓控制之開關171的狀態。電壓控制之開關171及172形成電流鏡，其中電流增益由參考電壓191、192之間的差控制。電壓控制之開關171及電流源180形成滯後减輕電路，其提供在藉由黑暗背景成像時加速信號響應之有益影響。
包括參考電壓192將增益插入至系統中。輸出60將成像資料提供至控制器(未圖示)。控制器解譯來自所說明之像素及像素陣列中之每一其他像素的成像資料以產生總影像。參考電壓193提供重設信號以當在控制器190處接收到成像資料時重設成像電路30。當電壓控制之開關174接通時，參考電壓193經由電壓控制之開關174連接至成像電路30之剩餘部分。電壓控制之開關174的接通/斷開狀態由外部控制器控制。
在一些實例中，輸出60連接至可選積分電容器70，積分電容器70又連接至控制器。在此實例中，積分電容器對成像輸出提供濾波。
在以上實例中，成像電路30及脈衝偵測電路20之開關及電流源利用相同架構，且能够整合至單一總電路中，如圖2中所說明。儘管在圖2之實例中說明成像電路30及脈衝偵測電路20之特定拓撲，但受益於本發明之熟習此項技術者應理解，可類似地利用任一者或兩者之替代拓撲，其中替代拓撲共用架構。受益於本發明之熟習此項技術者應進一步理解，成像電路30及脈衝偵測電路20中之每一電路組件的特定增益、電阻、電壓及類似者可經調整或修改以實現對應電路之增益及阻抗的可辨識的更改。
如上文所描述，關於圖1，脈衝偵測電路20將輸出提供至基於數位邏輯之脈衝處理電路50。數位脈衝處理電路50包括準備偵測之脈衝以供控制器利用的多個數位處理元件，諸如數位邏輯電路。圖3示意性
地說明圖1及圖2之像素中描述的數位脈衝處理特徵。數位處理電路50包括至少三個組件：AC耦合及高通濾波程序210、非同步脈衝產生程序220及數位脈衝偵測邏輯程序230。替代數位脈衝處理電路可包括額外程序。
最初，在數位脈衝處理電路50處自脈衝偵測電路20之輸出101接收到數位脈衝偵測信號。信號經傳遞至AC耦合及高通濾波程序210，其對信號進行預處理以將信號置於用於來自剩餘兩個程序220、230之數位分析的狀況中。AC耦合及高通濾波程序210自信號移除低頻率，且不執行用於脈衝之信號的任何分析。
一旦預處理已完成，便將脈衝偵測信號傳遞至非同步脈衝產生邏輯程序220。非同步脈衝產生邏輯使用數位邏輯程序以與附接之控制器利用之成像程序非同步地(獨立於成像程序地)分析脈衝偵測電路之輸出。藉由實例，非同步脈衝產生程序220可包括識別脈衝是否發生，脈衝像素是否在預期脈衝發生之像素的子集中，或限制或减少待由控制器於針對脈衝信號分析之像素數目的任何類似構件。
非同步脈衝產生邏輯之輸出經提供至數位脈衝偵測邏輯程序230。數位脈衝偵測邏輯將來自非同步脈衝產生程序220之產生的脈衝施加至數位邏輯電路。數位邏輯電路判定是否在光感測元件121處偵測到脈衝。當偵測到脈衝時，數位脈衝偵測邏輯230經由輸出102將脈衝信號輸出至控制器。
作為包括於脈衝處理電路50內之數位處理的結果，當藉由光感測元件50偵測到脈衝時，成像及脈衝偵測晶片僅將脈衝資料輸出至控制器。以此方式，控制器之處理要求减小。
另外，儘管上文僅描述及說明為單一類型之成像及脈衝偵測電路之單一實施例，但熟習此項技術且受益於本發明之人員將認識到，任何其他類型之成像及脈衝偵測電路可結合以上教示利用以形成類似的單一晶片脈衝偵測及成像電路以用於在單一像素內利用。
應進一步理解，上述概念中之任一者可單獨地或結合其他上述概念中之任一者或全部使用。儘管已揭示本發明之實施例，但一般熟習此項技術者將認識到，某些修改將在本發明之範疇內。出於該理由，應研
究以下申請專利範圍以判定本發明之真實範疇及內容。
Claims (13)
- 一種成像及脈衝偵測陣列，其包括：多個像素，其連接至一控制器，該控制器經組態以基於源於該多個像素中之每一像素的一影像信號而產生一影像，且經組態以偵測該多個像素中之該等像素中之至少一者上的一脈衝；且該多個像素中之該等像素中之每一者包括一成像電路，一脈衝處理電路及一脈衝偵測電路，該成像電路及該脈衝偵測電路包括一共用電路架構，其中該成像電路及該脈衝偵測電路包括一共用部分，該共用部分具有一脈衝偵測輸出；且該脈衝偵測輸出連接至該多個像素之每一向素內之一脈衝處理電路。
- 如申請專利範圍第1項之成像及脈衝偵測陣列，其中該共用部分包括經組態以對該成像電路及該脈衝偵測電路中之每一者提供一光學偵測輸入的一光學偵測裝置。
- 如申請專利範圍第2項之成像及脈衝偵測陣列，其中該共用部分包括將該光學偵測輸入連接至該成像電路及該脈衝偵測電路中之每一者的一放大器及一電流源中之至少一者。
- 如申請專利範圍第2項之成像及脈衝偵測陣列，其中該光學偵測輸入為一反向偏壓的光感測二極體。
- 如申請專利範圍第1項之成像及脈衝偵測陣列，其中該成像電路及該脈衝偵測電路中之每一者為一單一積體晶片上之電路。
- 如申請專利範圍第5項之成像及脈衝偵測陣列，其中該單一積體晶片為一讀出積體電路(ROIC)。
- 如申請專利範圍第1項之成像及脈衝偵測陣列，其中該等像素中之每一者包括經由一電容濾波器連接至該控制器的一影像輸出。
- 一種成像及脈衝偵測陣列，其包括：多個像素，其連接至一控制器，該控制器經組態以基於源於該多個像素中之每一像素的一影像信號而產生一影像，且經組態以偵測該多個像素中之該等像素中之至少一者上的一脈衝；該多個像素中之該等像素中之每一者包括一成像電路及一脈衝偵測電路，該成像電路及該脈衝偵測電路包括一共用電路架構，其中該成像電路及該脈衝偵測電路包括一共用部分，該共用部分具有一脈衝偵測裝置，該脈衝偵測裝置經組態以提供一光學偵測輸入至該成像電路及該脈衝偵測電路及一脈衝偵測輸出之每一者；該脈衝偵測輸出連接至該多個像素之每一像素內的一脈衝處理電路；且該脈衝處理電路為一帶寬處理電路，其包括一AC耦合及高通濾波程序、一非同步脈衝產生程序及一數位脈衝偵測程序。
- 如申請專利範圍第8項之成像及脈衝偵測陣列，其中該AC耦合及高通濾波程序為經組態以將低於一通過臨限值之頻率自該脈衝偵測輸出移除的一帶寬處理程序。
- 如申請專利範圍第8項之成像及脈衝偵測陣列，其中該數位脈衝偵測程序為經組態以識別該脈衝偵測輸出上之一脈衝之一存在的一帶寬處理程序。
- 如申請專利範圍第8項之成像及脈衝偵測陣列，其中該非同步脈衝產生程序為經組態以減少藉由該脈衝處理電路傳遞至該控制器之脈衝偵測輸出之一數目的一帶寬處理程序。
- 一種操作一成像及脈衝偵測陣列之一像素的方法，該方法包括：在一共用光學偵測輸入處偵測一光輸入且使該光輸入經過至少一個額外之共用電路元件；將一輸出自該至少一個共用電路元件提供至一成像電路及一脈衝偵測電路，其中該成像電路及該脈衝偵測電路共用一電路架構；及將一成像信號自該成像電路輸出至一控制器，且將一脈衝偵測信號自該脈衝偵測電路輸出至一脈衝處理電路。
- 如申請專利範圍第12項之方法，其進一步包括處理來自該脈衝偵測電路之一脈衝偵測信號且當在該共用光學偵測輸入處偵測到一脈衝時將一脈衝偵測之信號傳遞至一控制器。
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