飞行时间光传感器制造技术

本申请案涉及一种飞行时间光传感器。飞行时间像素单元包含：光传感器，其用于感测从物体反射的光子；及像素支持电路。所述像素支持电路包含充电控制逻辑，其耦合到所述光传感器以检测所述光传感器何时感测到从所述物体反射的所述光子。所述像素支持电路还包含可控电流源，其经耦合以响应于经耦合以从所述充电控制逻辑接收的飞行时间信号而提供充电电流。电容器经耦合以响应于所述飞行时间信号而从所述可控电流源接收所述充电电流，且所述电容器上的电压表示与所述物体相距的往返行程距离。计数器电路耦合到所述光传感器以对从所述物体反射并由所述光传感器接收的所述光子的数量进行计数。

【技术实现步骤摘要】
飞行时间光传感器
本专利技术大体上涉及光传感器，且更具体地说，涉及减小飞行时间测量的误差。
技术介绍
对三维(3D)相机的兴趣正随着例如成像、电影、游戏、计算机、用户界面等等的3D应用的流行度的不断增长而日益增加。用于创建3D图像的典型的被动方式是使用多个相机来捕获立体或多重图像。在使用立体图像的情况下，可对图像中的物体进行三角测量以创建3D图像。此三角测量技术的一个缺点是，难以使用小型装置创建3D图像，这是因为每一相机之间必须存在最小间隔距离以便创建三维图像。此外，此技术是复杂的，且因此需要大量的计算机处理能力以便实时创建3D图像。对于需要实时采集3D图像的应用，有时利用基于光学飞行时间测量的主动深度成像系统。飞行时间系统通常采用将光引导在物体处的光源、检测从物体反射的光的传感器，及基于光行进到物体及从物体行进所需的往返行程时间来计算与物体相距的距离的处理单元。在典型的飞行时间传感器中，由于从光检测区域到感测节点的传送效率高，故常常使用光电二极管。3D图像采集所面临的持续挑战是，所需处理必须非常快速地进行，以便使3D图像采集系统分辨实时应用的大约例如0.1ns的时间差。随着实时应用所需的此类响应时间变短，在采集3D图像的系统中对噪声、抖动、时钟信号、热等等的敏感度面临越来越大的挑战，这是因为所需响应时间减小。当3D图像采集系统的传感器检测不到从物体反射回来的光时，也会面临另外的挑战。
技术实现思路
一方面，本专利技术提供了一种飞行时间像素单元，其包括：光传感器，其用于感测从物体反射的光子；及像素支持电路，其包含：充电控制逻辑，其耦合到所述光传感器以检测所述光传感器何时感测到从所述物体反射的所述光子，其中所述充电控制逻辑进一步经耦合以接收表示光脉冲何时从光源发射到所述物体的时序信号，且其中所述光脉冲包含所述光子；可控电流源，其经耦合以响应于经耦合以从所述充电控制逻辑接收的飞行时间信号而提供充电电流，其中所述飞行时间信号表示从所述光源发射的所述光脉冲中的每一者行进到所述物体并进入所述光传感器的飞行时间；电容器，其经耦合以响应于所述飞行时间信号而从所述可控电流源接收所述充电电流，其中所述电容器上的电压表示与所述物体相距的往返行程距离；及计数器电路，其耦合到所述光传感器以对从所述物体反射并由所述光传感器接收的所述光子的数量进行计数。另一方面，本专利技术提供了一种利用飞行时间确定与物体相距的往返行程距离的方法，所述方法包括：以第一频率将包含光子的光脉冲从光源发射到物体；用光传感器接收从所述物体反射的所述光子；对电容器进行充电以在所述电容器上引发电荷，所述电荷与所述光子从所述光源行进到所述物体且从所述物体行进到所述光传感器所需的时间相关；用计数器电路对由所述光传感器接收的所述光子的数量进行计数；响应于以所述第一频率从所述光源发射所述光脉冲而在对所述电容器进行n次充电之后测量所述电容器上的电压；及响应于所述电容器上的所述电压及由所述光传感器接收的所述光子的所述数量而确定与所述物体相距的往返行程距离。附图说明参考以下图式描述本专利技术的非限制性及非详尽性实例，其中除非另有指定，否则相同元件符号是指各个视图中的相同部分。图1A是根据本专利技术的教示的展示飞行时间感测系统的一个实例的框图。图1B是根据本专利技术的教示的展示所发射的光脉冲、由光传感器感测的相应反射光子及在实例飞行时间像素中累积在电容器上的对应电压的实例的时序图。图1C说明根据本专利技术的教示的展示在从光源发射到物体及从物体发射的多个光脉冲的每一往返行程的飞行时间期间累积在电容器上的电压的实例的时序图。图1D说明根据本专利技术的教示的展示在从光源发射到物体及从物体发射的多个光脉冲的每一往返行程的飞行时间期间累积在电容器上的电压的实例的时序图。图2A是根据本专利技术的教示的说明飞行时间像素的一个实例的示意图。图2B说明根据本专利技术的教示的图2A所描绘的计数器的模拟实例。图2C说明根据本专利技术的教示的图2A所描绘的计数器的部分的数字实例。图3说明根据本专利技术的教示的利用飞行时间确定与物体相距的往返行程距离的方法。对应的参考字符指示图式的若干视图中的指示对应组件。所属领域的技术人员应当明白的是，图中的元件是出于简单且清楚的目的而说明，且不一定是按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被夸大以帮助改进对本专利技术的各种实施例的理解。此外，为了更清楚地了解本专利技术的这些各种实施例，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。具体实施方式本文中描述了用于飞行时间光传感器的设备及方法的实例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实施例的详尽理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可在没有所述具体细节中的一者或一者以上的情况下实施或以其它方法、组件、材料等等实践本文中描述的技术。在其它实例中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。贯穿此说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着结合实例描述的特定特征、结构或特性包含于本专利技术的至少一个实例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不一定均指代同一实例。此外，特定特征、结构或特性可在一或多个实例中以任何合适方式组合。如将展示，揭示了包含飞行时间像素单元的飞行时间感测系统的实例。在各种实例中，根据本专利技术的教示的飞行时间像素单元被过采样使得在读出之间进行多次飞行时间测量，这减少了飞行感测系统中的噪声及抖动的有害影响。例如，在一个实例中，可累积数百个、数千个或更多个测量，然后对于每一次读出而缩放所述测量，这提供了增加的总体分辨率，且使得有可能容易地区分深度仅有微小差别的物体。此外，在各种实例中，也可使用以提供具有不同范围的测量的不同频率发射的光脉冲进行多次飞行时间测量，这使得能够补偿由于未被根据本专利技术的教示的实例飞行时间感测系统的光传感器检测到的反射光子而引起的飞行时间测量的不准确度。此外，此处所揭示的系统提供了一种校正由于不被光传感器吸收的光子而引起的距离测量的不准确度的方法。更具体地说，可缩放飞行时间测量以反映由光传感器实际接收的光子的数量。出于说明起见，图1A是展示飞行时间感测系统100的一个实例的框图。如所展示，飞行时间感测系统100包含发射光脉冲的光源102，所述光脉冲在图1A中被绘示为发射光104。在所说明的实例中，光源102是可调频率光源，使得发射光104的脉冲可以不同频率发射。如所展示，发射光104被引导到物体106。在一个实例中，发射光104包含红外(IR)光的脉冲。应当明白的是，在其它实例中，根据本专利技术的教示，发射光104可具有除了红外线之外的波长，例如可见光、近红外光等等。发射光104然后从物体106反射回来，所述发射光在图1A中被展示为回射光108。如所展示，反射光108从物体106引导通过透镜110，且然后聚焦到飞行时间像素阵列112上。在一个实例中，飞行时间像素阵列112包含以二维阵列布置的多个飞行时间像素单元(例如，雪崩光电二极管)。在一个实例中，根据本专利技术的教示，由耦合到飞行时间像素阵列112的控制电路116产生同步信号114，其将发射光104的脉冲与控制飞行时间像素阵列112中的多个像素单元的对应信号同步，所述多个像素单元感测反射光108本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞行时间像素单元，其包括：光传感器，其用于感测从物体反射的光子；及像素支持电路，其包含：充电控制逻辑，其耦合到所述光传感器以检测所述光传感器何时感测到从所述物体反射的所述光子，其中所述充电控制逻辑进一步经耦合以接收表示光脉冲何时从光源发射到所述物体的时序信号，且其中所述光脉冲包含所述光子；可控电流源，其经耦合以响应于经耦合以从所述充电控制逻辑接收的飞行时间信号而提供充电电流，其中所述飞行时间信号表示从所述光源发射的所述光脉冲中的每一者行进到所述物体并进入所述光传感器的飞行时间；电容器，其经耦合以响应于所述飞行时间信号而从所述可控电流源接收所述充电电流，其中所述电容器上的电压表示与所述物体相距的往返行程距离；及计数器电路，其耦合到所述光传感器以对从所述物体反射并由所述光传感器接收的所述光子的数量进行计数。

【技术特征摘要】
2016.10.25 US 15/333,6531.一种飞行时间像素单元，其包括：光传感器，其用于感测从物体反射的光子；及像素支持电路，其包含：充电控制逻辑，其耦合到所述光传感器以检测所述光传感器何时感测到从所述物体反射的所述光子，其中所述充电控制逻辑进一步经耦合以接收表示光脉冲何时从光源发射到所述物体的时序信号，且其中所述光脉冲包含所述光子；可控电流源，其经耦合以响应于经耦合以从所述充电控制逻辑接收的飞行时间信号而提供充电电流，其中所述飞行时间信号表示从所述光源发射的所述光脉冲中的每一者行进到所述物体并进入所述光传感器的飞行时间；电容器，其经耦合以响应于所述飞行时间信号而从所述可控电流源接收所述充电电流，其中所述电容器上的电压表示与所述物体相距的往返行程距离；及计数器电路，其耦合到所述光传感器以对从所述物体反射并由所述光传感器接收的所述光子的数量进行计数。2.根据权利要求1所述的飞行时间像素单元，其中包含所述光子的所述数量及所述电容器上的所述电压的信号是由读出电路从所述像素支持电路中读出，且其中所述光子的所述数量及所述电压用于使用所述飞行时间计算从所述飞行时间像素单元到所述物体的距离，其中所述电容器上的所述电压与所述飞行时间相关。3.根据权利要求2所述的飞行时间像素单元，其中所述光子的所述数量用于校正由于所述光脉冲中的所述光子的仅一部分被所述光传感器接收而引起的所述电压的误差。4.根据权利要求2所述的飞行时间像素单元，其中所述光传感器包含雪崩光电二极管，且其中所计数的所述光子的所述数量响应于来自所述雪崩光电二极管的输出脉冲而增加。5.根据权利要求4所述的飞行时间像素单元，其中所述计数器电路包含模拟计数器电路，且其中包含所述光子的所述数量的所述信号是与所述光子的所述数量成比例的电压。6.根据权利要求5所述的飞行时间像素单元，其中所述计数器电路包含单稳态多谐振荡器及电容器，其中响应于所述输出脉冲，所述单稳态多谐振荡器输出逻辑高信号，所述逻辑高信号经耦合以将所述电容器上的所述电压增加固定量。7.根据权利要求4所述的飞行时间像素单元，其中所述计数器电路是用于对从所述物体反射的所述光子的所述数量进行计数的数字计数器电路。8.根据权利要求7所述的飞行时间像素单元，其中所述数字计数器电路包含：D触发器，其具有经耦合以接收所述输出脉冲的输入；及第二锁存器，其经耦合以从所述D触发器接收逻辑高信号且响应于读取信号而锁定所述逻辑高信号。9.根据权利要求1所述的飞行时间像素单元，其中所述光传感器安置在第一半导体材料中，且所述像素支持电路安置在第二半导体材料中，且其中所述第一半导体材料耦合到所述第二半导体材料，且其中电互连件从所述第一半导体材料延伸到所述第二半导体材料以将所述光传感器电...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥利维尔·布尔蒂尔，王睿，杨征，
申请(专利权)人：豪威科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US