图像传感器中的像素、成像单元、用于测距的系统及方法技术方案

提供了图像传感器中的像素、成像单元、用于测距的系统及方法。在图像传感器中的每个像素内将飞行时间(TOF)技术与模拟振幅调制相结合。像素可为双抽头像素或单抽头像素。像素中的两个光电子接收器电路接收各自的模拟调制信号。接收的光电子电荷在这两个电路之间的分布是由两个模拟调制电压的差(或比值)控制的。在像素内以此方式生成的差分信号为了TOF测量而在时域中被调制。因此，TOF信息通过像素自身内部的基于模拟域的单端差分转换器被添加到接收的光信号。基于TOF的距离测量及其分辨率通过改变调制的持续时间是可控制的。具有这些特征的自主导航系统可在诸如低光、雾、恶劣天气或强环境光的困难的驾驶条件下为驾驶员提供改善的视野。

Pixel in image sensor, imaging unit, system and method for distance measurement

A pixel, an imaging unit, a system and a method for distance measurement are provided in the image sensor. In each pixel of the image sensor, the flight time (TOF) technique is combined with analog amplitude modulation. A pixel may be a double tapped pixel or a single tapped pixel. The two optoelectronic receiver circuits in the pixel receive their own analog modulation signals. The distribution of optoelectronic charges received between these two circuits is controlled by the difference (or ratio) of the two analog modulation voltages. The differential signal generated in this pixel is modulated in time domain for TOF measurement. Therefore, the TOF information is added to the received optical signal through the single terminal differential converter based on the analog domain inside the pixel itself. Distance measurement and resolution based on TOF are controllable by changing the duration of modulation. The autonomous navigation system with these features can provide an improved vision for drivers in difficult driving conditions such as low light, fog, bad weather, or strong ambient light.

【技术实现步骤摘要】
图像传感器中的像素、成像单元、用于测距的系统及方法本申请要求于2016年8月26日提交的第62/380,351号美国临时申请的优先权以及于2016年11月1日提交的第15/340,972号美国专利申请的优先权，这些申请的公开内容通过引用全部包含于此。
本公开总体涉及图像传感器。更具体地，并非通过限制，在本公开中公开的专利技术方面的具体实施例涉及在模拟域中调制飞行时间(Time-of-Flight，TOF)图像传感器中的像素的感光光电门，以及使用从每个像素产生的差分输出的特定比值来计算三维(3D)物体的距离和TOF值。
技术介绍
三维(3D)成像系统正在越来越多地用在诸如以工业生产、视频游戏、计算机图形学、机器人手术、消费类显示、监控视频、3D建模、房地产销售、自主导航等为例的各种各样的应用中。现有的3D成像技术可以包括例如，基于飞行时间(TOF)的测距成像、立体视觉系统和结构光(SL)方法。在TOF方法中，基于已知的光速—通过测量光信号针对图像的每个点在照相机和3D物体之间行进所需的往返时间，来求解至3D物体的距离。照相机中像素的输出提供关于像素特定(pixel-specific)TOF值的信息以生成物体的3D深度剖面。TOF照相机可使用无扫描方法以利用每束激光或光脉冲来捕获整个场景。在直接TOF成像器中，单个激光脉冲可用于捕获时间和空间数据以记录3D场景。这样允许场景信息的快速获取和快速实时处理。TOF方法的一些示例应用可包括：诸如自主导航以及基于实时的距离图像的活动行人安全或预碰撞检测的先进的汽车应用、追踪人的诸如在视频游戏机上与游戏交互期间的移动、在工业机器视觉中对物体进行分类并帮助机器人发现物品(诸如在传送带上的物品)等。在立体成像或立体视觉系统中，彼此水平移位(displaced)的两个照相机用于获得对场景或场景中的3D物体的两个不同的视图。通过比较这两个图像，可以获得针对3D物体的相对深度信息。立体视觉在诸如机器人学的领域中十分重要，以在自主系统/机器人的附近提取关于3D物体的相对位置的信息。机器人学的其他应用包括物体识别，其中，立体深度信息允许机器人系统分开挡住(occluding)图像部分，否则在诸如一个物体位于另一个物体前面把另一个物体部分地或全部地隐藏起来时，机器人可能无法将它们区分为两个单独的物体。3D立体显示器也用于娱乐和自动化系统中。在SL方法中，可利用投射的光图案和用于成像的照相机来测量物体的3D形状。在SL方法中，将已知的光的图案(通常为网格或水平条或平行条纹的图案)投射到场景或场景中的3D物体上。投射的图案可以在照到3D物体的表面时而变形或移位。这样的变形可允许SL视觉系统计算物体的深度和表面信息。因此，向3D表面投射窄带光可产生照明线，所述照明线从除了投射器的视角以外的其他视角可能出现失真，并且向3D表面投射窄带光可以用于被照明的表面形状的几何重建。基于SL的3D成像可用于诸如以由警察机关以3D场景拍照指纹、在生产工艺期间组件的联机检查、以及在卫生保健用于人体体型或人体皮肤的微观结构的现场测量等为例的各种应用中。
技术实现思路
在一个实施例中，本公开针对一种方法，所述方法包括：(i)将激光脉冲投射到三维(3D)物体上；(ii)在像素中将第一模拟调制信号施加到第一光电子接收器并且将第二模拟调制信号施加到第二光电子接收器，其中，第二模拟调制信号是第一模拟调制信号的逆；(iii)使用第一光电子接收器和第二光电子接收器来检测返回脉冲，其中，返回脉冲是从3D物体反射的投射脉冲；(iv)响应于返回脉冲的光电子接收器特定检测生成一对信号值，其中，所述一对信号值包括第一信号值和第二信号值，其中，第一信号值和第二信号值中的每个信号值基于从第一模拟调制信号和第二模拟调制信号中的对应的一个接收的调制；(v)使用第一信号值与第一信号值和第二信号值的总和之比来确定返回脉冲的飞行时间(TOF)值。在另一个实施例中，本公开针对图像传感器中的像素。所述像素包括：(i)电荷生成部，包括用于将入射光转换为各自的电信号的第一电路和第二电路，其中，第一电路被配置为接收第一模拟调制信号，第二电路被配置为接收第二模拟调制信号，其中，第一电路和第二电路被配置为根据第一模拟调制信号和第二模拟调制信号来生成各自的电信号；(ii)信号收集部，连接至电荷生成部并被配置为接收电子快门输入，其中，信号收集部操作为在电子快门输入的控制下接收由电荷生成部生成的电信号；(iii)信号传输部，连接至信号收集部并且被配置为接收多个外部输入，其中，信号传输部操作为响应于所述多个外部输入将电子信号作为像素输出来传输。在另一个实施例中，本公开针对包括光源和图像传感器单元的成像单元。所述光源操作为将激光脉冲投射到3D物体上。所述图像传感器单元包括：(i)多个像素，布置成二维(2D)像素阵列，其中，2D像素阵列中的至少一行像素中的每个像素包括被配置为接收第一模拟调制信号的像素特定第一电路以及被配置为接收作为第一模拟调制信号的逆的第二模拟调制信号的像素特定第二电路，其中，所述至少一行像素中的每个像素操作为使用像素特定第一电路和像素特定第二电路检测由3D物体对投射脉冲的反射而导致的返回脉冲，并基于由第一模拟调制信号和第二模拟调制信号接收的调制来生成像素特定输出；(ii)多个模数转换器(ADC)单元，其中，每个ADC单元与所述至少一行像素中的各像素关联并操作为基于像素特定输出产生一对像素特定信号值，其中，所述一对像素特定信号值包括像素特定第一信号值和像素特定第二信号值；(iii)处理单元，结合到所述多个ADC单元与2D像素阵列，其中，处理单元操作为将第一模拟调制信号和第二模拟调制信号提供到所述至少一行像素中的每个像素，其中，处理单元还操作为接收每对像素特定信号值并使用像素特定第一信号值和像素特定第二信号值来确定返回脉冲的对应的像素特定TOF值。在另一个实施例中，本公开针对一种系统，所述系统包括：(i)光源；(ii)多个像素；(iii)多个ADC单元；(iv)用于存储程序指令的存储器；(v)结合到存储器、所述多个ADC单元以及所述多个像素的处理器。在系统中，光源将激光脉冲投射到3D物体上。在所述多个像素中，每个像素包括被配置为接收第一模拟调制信号的各自的第一电路以及被配置为接收作为第一模拟调制信号的逆的第二模拟调制信号的各自的第二电路。每个像素使用各自的第一电路和各自的第二电路来检测由3D物体对投射脉冲的反射而导致的返回脉冲，并基于由第一模拟调制信号和第二模拟调制信号接收的调制来生成像素特定输出。在所述多个ADC单元中，每个ADC单元与所述多个像素中的各像素关联并操作为响应于返回脉冲的像素特定检测而生成一对像素特定信号值。所述一对像素特定信号值包括像素特定第一信号值和像素特定第二信号值。在系统中，处理器被配置为执行程序指令，由此处理器操作为执行如下操作：(a)促成第一模拟调制信号和第二模拟调制信号向每个像素的传递，(b)接收每对像素特定信号值并使用像素特定第一信号值和像素特定第二信号值来确定返回脉冲的对应的像素特定TOF值，(c)对于所述多个像素中的每个像素，基于像素特定TOF值确定到3D物体的像素特定距离。附图说明在以下部分中，将参照在附图中示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测距的方法，所述方法包括：将激光脉冲投射到三维物体上；在像素中将第一模拟调制信号施加到第一光电子接收器并且将第二模拟调制信号施加到第二光电子接收器，其中，第二模拟调制信号是第一模拟调制信号的逆；使用第一光电子接收器和第二光电子接收器检测返回脉冲，其中，返回脉冲是从三维物体反射的投射脉冲；响应于返回脉冲的光电子接收器特定检测来生成一对信号值，其中，所述一对信号值包括第一信号值和第二信号值，其中，第一信号值和第二信号值中的每个信号值基于从第一模拟调制信号和第二模拟调制信号中的对应的一个接收的调制；以及使用第一信号值与第一信号值和第二信号值的总和之比确定返回脉冲的飞行时间值。

【技术特征摘要】
2016.08.26 US 62/380,351;2016.11.01 US 15/340,9721.一种用于测距的方法，所述方法包括：将激光脉冲投射到三维物体上；在像素中将第一模拟调制信号施加到第一光电子接收器并且将第二模拟调制信号施加到第二光电子接收器，其中，第二模拟调制信号是第一模拟调制信号的逆；使用第一光电子接收器和第二光电子接收器检测返回脉冲，其中，返回脉冲是从三维物体反射的投射脉冲；响应于返回脉冲的光电子接收器特定检测来生成一对信号值，其中，所述一对信号值包括第一信号值和第二信号值，其中，第一信号值和第二信号值中的每个信号值基于从第一模拟调制信号和第二模拟调制信号中的对应的一个接收的调制；以及使用第一信号值与第一信号值和第二信号值的总和之比确定返回脉冲的飞行时间值。2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一光电子接收器包括第一光电门，第二光电子接收器包括第二光电门，其中，第一模拟调制信号施加到第一光电门，第二模拟调制信号施加到第二光电门。3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：进一步将快门信号施加到像素，其中，第一模拟调制信号和第二模拟调制信号与快门信号基本同时施加；以及在快门信号以及第一模拟调制信号和第二模拟调制信号有效的同时，使用第一光电子接收器和第二光电子接收器来检测返回脉冲。4.根据权利要求3所述的方法，其中，快门信号在投射激光脉冲之后施加预定的时间段。5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：基于飞行时间值确定到三维物体的距离。6.根据权利要求1所述的方法，其中，投射激光脉冲的步骤包括：使用作为下述之一的光源来投射激光脉冲：激光光源；产生可见光谱中的光的光源；产生非可见光谱中的光的光源；单色照明源；红外激光器；X-Y可寻址光源；具有二维扫描能力的点源；具有一维扫描能力的片源；以及散射激光器。7.根据权利要求1所述的方法，其中，像素为双抽头像素，其中，生成所述一对信号值的步骤包括：在检测返回脉冲之后基本同时地从像素获得第一像素特定输出与第二像素特定输出，其中，第一像素特定输出是由第一模拟调制信号来振幅调制的，第二像素特定输出是由第二模拟调制信号来振幅调制的；使用模数转换器单元基本同时对第一像素特定输出和第二像素特定输出采样；基于所述采样，使用模数转换器单元基本并行生成与第一像素特定输出对应的第一信号值以及与第二像素特定输出对应的第二信号值。8.根据权利要求1所述的方法，其中，像素为单抽头像素，其中，生成所述一对信号值的步骤包括：在检测到返回脉冲之后从像素获得被第二像素特定输出跟随的第一像素特定输出，其中，第一像素特定输出是由第一模拟调制信号来振幅调制的，第二像素特定输出是由第二模拟调制信号来振幅调制的；使用模数转换器单元对第一像素特定输出和第二像素特定输出采样；以及基于所述采样，使用模数转换器单元生成与第一像素特定输出对应的第一信号值以及与第二像素特定输出对应的第二信号值。9.根据权利要求1所述的方法，其中，像素为单抽头像素，其中，生成所述一对信号值的步骤包括：在检测到返回脉冲之后从像素获得被第二像素特定输出跟随的第一像素特定输出，其中，第一像素特定输出是由第一模拟调制信号来振幅调制的，第二像素特定输出是由第二模拟调制信号来振幅调制的；使用模数转换器单元对第一像素特定输出进行第一采样；基于所述第一采样，使用模数转换器单元生成第一信号值；使用模数转换器单元对第一像素特定输出和第二像素特定输出的总和进行第二采样；以及基于所述第二采样，使用模数转换器单元生成第一信号值和第二信号值的总和。10.根据权利要求1所述的方法，其中，第一模拟调制信号和第二模拟调制信号是随时间变化的。11.一种图像传感器中的像素，所述像素包括：电荷生成部，包括用于将入射光转换为各自的电信号的第一电路和第二电路，其中，第一电路被配置为接收第一模拟调制信号，第二电路被配置为接收第二模拟调制信号，其中，第一电路和第二电路被配置为根据第一模拟调制信号和第二模拟调制信号来生成各自的电信号；信号收集部，连接至电荷生成部并被配置为接收电子快门输入，其中，信号收集部操作为在电子快门输入的控制下接收由电荷生成部产生的电信号；信号传输部，连接至信号收集部并且被配置为接收多个外部输入，其中，信号传输部操作为响应于所述多个外部输入将电信号作为像素输出来传输。12.根据权利要求11所述的像素，其中，像素为双抽头像素，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一兵，李泰渊，伊利亚·奥夫相尼科夫，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR