用于利用具有多个存储器节点的像素来根据飞行时间测量距离的传感器制造技术

CMOS图像传感器(102)包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于利用具有多个存储器节点的像素来根据飞行时间测量距离的传感器
[0001]本专利技术涉及一种用于间接飞行时间距离测量的具有多个节点的CMOS(“互补金属氧化物半导体”)有源像素图像传感器，以及用于实现所述图像传感器的方法。
[0002]本专利技术还涉及一种用于对二维或三维对象(object)的场景进行间接飞行时间IToF距离测量的装置，以及用于实现所述IToF距离测量装置的方法。
[0003]本专利技术涉及和实现CMOS成像器以使用所谓的“间接飞行时间”技术来测量成像器系统与不同对象之间的距离有关的问题。
[0004]被应用于CMOS传感器的IToF“间接飞行时间”技术需要以不同阶段偏移(phase offset)来测量由目标对象或目标反射的光信息。该光信息是由与图像传感器以高精度同步的源来生成的。通过组合源自一个或更多个捕获的不同阶段偏移样本，可以经由算法的使用来确定所述目标对象的距离。
[0005]所测得的距离不是取决于所接收到的信号电平，而是取决于在相同条件下(即，在同一个积分时间内)捕获的多个阶段偏移样本之间所测得的信号偏差。然而，所获得的信噪比取决于所测得的信号电平。为了获得关于该测得的距离的最佳精度，必需最大化阶段偏移样本上的信噪比，同时仍然保持它们相应的偏差。然而，由于被观测场景的非常宽的动态范围，因此，利用单个图像捕获(即，单个积分时间)难以实现这一点。
[0006]在观测对象与测量系统之间的最小和最大距离范围，结合形成目标对象的不同材料的反射率，有助于增加对这种类型的应用中捕获的场景进行正确成像所需的动态范围。具体地，IToF系统的光源在发射功率方面是根据待测量的最大距离以及目标对象的反射率来形成所需大小的。
[0007]因此，增加能够由图像传感器寻址的动态范围是必要的，以便具有间接飞行时间IToF距离测量的最佳可重复性(或“精度”)，应注意，测量的可重复性应当区别于测量的准确度。
[0008]为了增加CMOS成像器的动态范围，根据第一类型的方法，可以组合以不同曝光时间执行的多个图像捕获。然而，获得这些图像中的各个图像需要全分辨率模数转换。该第一类型的方法表现出许多缺点：
[0009]‑
全分辨率模数数据转换是耗时的操作；
[0010]‑
如果捕获数量变大，则对于负责利用来自成像器的数据的系统，必须管理的数据量可能变得非常大；
[0011]‑
在移动对象的情况下可能出现空间相干性伪像。
[0012]为了增加CMOS成像器的动态范围，根据第二类型的方法，还可以在像素级增加存储器节点的电子容量。然而，根据存储器节点的数量和像素的大小，会快速达到物理限制。另外，增加存储器节点的容量可能在CMOS成像器的总体灵敏度及其读出噪声方面造成问题。因此，CMOS成像器将需要更多的光以在输出端获得相同的信号。
[0013]为了增加CMOS成像器的动态范围，根据第三种类型的方法，还可以在CMOS传感器级组合多个曝光时间信息，并且调用压缩以维持成像器的输出端的分辨率。该第三种类型
的方法具有提供非线性响应的缺点，该非线性响应使系统级的数据使用变复杂。
[0014]一般而言，最大化CMOS成像器可达到的动态范围的问题需要在以下项之间进行多种折衷：
[0015]‑
像素的间距以及像素的一个或更多个存储器节点的与像素的总灵敏度一致的存储容量；
[0016]‑
由成像器发送的数据量；
[0017]‑
成像器的最大获取频率；以及
[0018]‑
所供应的响应的线性度。
[0019]在将该问题扩展到间接飞行时间IToF应用的情况下，由于增加了测量所需的光信息，因此，增加了被观测场景的固有动态范围。间接飞行时间IToF测量的可重复性直接取决于所捕获的阶段信息上的信噪比。
[0020]理想的解决方案应当使得可以同时：
[0021]‑
对于所述像素中的各个像素，最大化不同存储器节点的信噪比(没有饱和)；
[0022]‑
对于给定的像素间距，通过限制存储器节点的存储容量，在像素级维持良好的灵敏度；
[0023]‑
尽可能限制由成像器发送的数据量；
[0024]‑
通过减少(全分辨率)数据转换的数量和曝光持续时间来最大化获取速度；
[0025]‑
不调用压缩来维持线性响应。
[0026]文献US 2016/182847教导了在矩阵图像传感器的存储器节点上执行非破坏性测量以便在达到饱和情形之前抑制曝光的原理，但是没有教导如何在实践中在没有过度复杂性的情况下实现这样的原理。
[0027]本专利技术解决的技术问题是找到一种CMOS成像器架构，其适于利用“间接飞行时间”技术进行距离测量，并且累积地满足最大化所述CMOS成像器可达到的动态范围的要求。
[0028]本专利技术的基本构思建立于这样一种CMOS成像器的架构上，即，该CMOS成像器对于所述像素中的各个像素独立地优化曝光，最大化所述像素中的各个像素上的信噪比，以及在没有外部相关双采样(CDS)的图像获取的情况下仅对单个图像执行全分辨率转换和传输，或者在具有外部相关双采样CDS的图像获取的情况下对两个图像执行全分辨率转换和传输。
[0029]为此，本专利技术的一个目的是，提供一种用于对反射对象的被观测场景进行间接飞行时间IToF距离测量的具有多个存储器节点的CMOS有源像素图像传感器，该CMOS有源像素图像传感器包括：
[0030]‑
一组整数Nk(大于或等于1)个CMOS有源像素Pix#k(k从1到Nk改变)，各个CMOS有源像素皆具有光敏区PhDk，以及整数M(大于或等于2)个存储器节点MN
k,m
(m从1到M改变)；
[0031]‑
用于各个像素Pix#k(k从1到Nk改变)的M个存储器节点MN
k,m
的图像读出子系统，该图像读出子系统用于通过模数转换建立Nk乘以M个数字值，该Nk乘以M个数字值表示由光敏区PhDk(k从1到Nk改变)生成的并且由M个存储器节点MN
k,m
在小于或等于预定最大曝光图像持续时间Tmax_exp的像素曝光图像持续时间期间积分的电荷量，并且在输出端供应M乘以Nk个读取数字值；
[0032]‑
图像预处理子系统，该图像预处理子系统被配置成，向由图像读出子系统在输出
端供应的所述数字值应用数字处理操作，并且向用于确定被观测场景的间接飞行时间IToF的应用系统发送经预处理的像素级图像数据；
[0033]该图像传感器的特征在于，该图像传感器包括：
[0034]‑
子系统，该子系统用于Nk乘以M个存储器节点MN
k,m
的快速读出并且用于控制用于抑制Nk个像素Pix#k的曝光的机制，该子系统对于Nk个像素Pix#k(k从1到Nk改变)中的各个像素被配置成：
[0035]在从传感器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于对反射对象的被观测场景进行间接飞行时间IToF距离测量的具有多个存储器节点的CMOS有源像素图像传感器，所述CMOS有源像素图像传感器包括：
‑
一组整数Nk个CMOS有源像素(102；302)Pix#k，各个CMOS有源像素皆具有光敏区PhDk，以及整数M个存储器节点MN
k,m
，其中，Nk大于或等于1，Pix#k中的k从1到Nk改变，M大于或等于2，m从1到M改变；
‑
用于各个像素Pix#k的所述M个存储器节点MN
k,m
的图像读出子系统(62)，其中，k从1到Nk改变，所述图像读出子系统用于通过模数转换建立Nk乘以M个数字值，所述Nk乘以M个数字值表示由所述光敏区PhDk生成的并且由所述M个存储器节点MN
k,m
在小于或等于预定最大曝光图像持续时间Tmax_exp的像素曝光图像持续时间期间积分的电荷量，其中，PhDk中的k从1到Nk改变，并且在输出端供应所述M乘以Nk个读取数字值；
‑
图像预处理子系统(64)，所述图像预处理子系统被配置成，向由所述图像读出子系统在输出端供应的所述数字值应用数字处理操作，并且向用于确定被观测场景的间接飞行时间IToF的应用系统发送经预处理的像素级图像数据；所述图像传感器的特征在于，所述图像传感器包括：
‑
子系统(66)，所述子系统用于所述Nk乘以M个存储器节点MN
k,m
的快速读出并且用于控制用于抑制所述Nk个像素Pix#k的曝光的机制，所述子系统对于所述Nk个像素Pix#k中的各个像素被配置成：在从所述传感器的所述Nk个像素获取图像的当前周期Cycle_acq#k,s期间，对所述M个存储器节点MN
k,m
上存在的电压，执行预定整数Nr个非破坏性快速读操作FCr，并且在各个快速读操作FCr之后，基于关于是否继续所述像素Pix#k的曝光的判定标准，来确定用于抑制所述像素Pix#k的曝光的信号，所述判定标准取决于在所述快速读操作FCr之后在所述M个存储器节点MN
k,m
上非破坏性地读取的所述电压值，其中，Pix#k中的k从1到Nk改变，r从0到Nr
‑
1改变，m从1到M改变；以及
‑
在各个像素Pix#k中，用于抑制所述像素的曝光的至少一个晶体管(TI
k
、TI
km
)以及存储器点(IM
k
)能够根据用于抑制所述像素Pix#k的所述信号来进行充电或放电，以便通过驱动所述像素的一个或更多个抑制晶体管来启用或停用用于抑制所述像素的所述机制。2.根据权利要求1所述的用于间接飞行时间IToF距离测量的具有多个节点的CMOS有源像素图像传感器，其中，各个像素(102；302)Pix#k(k从1到Nk改变)被配置成，使所述像素的M个存储器节点MN
k,m
在r个基本积分间隔INTr期间，对由所述光敏区PhDk生成的电荷进行积分，各个基本积分间隔INTr之后是对所述M个存储器节点MN
k,m
的快速读操作FCr以及所述抑制判定标准的重新评估，其中，m从1到M改变，r从0到Nr
‑
1改变，并且在获取像素图像的所述当前周期Cycle_acq#s中分布的所述r个积分间隔INTr分别具有基本持续时间Tr，使得所述基本积分持续时间Tr的总和等于所述预定最大曝光图像持续时间Tmax_exp，其中，r从0到Nr
‑
1改变。3.根据权利要求2所述的用于间接飞行时间IToF距离测量的具有多个节点的CMOS有源像素图像传感器，其中，所述基本持续时间Tr等于同一个值，其中，r从0到Nr改变，或者从所述一组值Tr当中取得的至少两个基本持续时间是不同的，并且所述值Tr的分布是
以最大化所述传感器的动态范围的方式来选择的，其中，r从0到Nr改变。4.根据权利要求1至3中的一项所述的用于间接飞行时间IToF距离测量的具有多个节点的CMOS有源像素图像传感器，所述CMOS有源像素图像传感器包括定序器(72)，所述定序器用于通过向所述Nk个像素，其中，k从1到Nk改变，向用于所述Nk乘以M个存储器节点MN
k,m
的快速读出并且用于控制用于抑制所述Nk个像素Pix#k的曝光的所述机制的所述子系统，向所述图像预处理子系统发送命令，来启用在所述当前周期Cycle_acq#s期间实现的一组阶段中的阶段，所述一组阶段包括：
‑
对于各个像素(102；302)Pix#k，重置(重置或Rst)所述光敏区PhDk和所述M个存储器节点MN
k,m
的阶段、所述M个存储器节点的非破坏性快速读出(FCr)的阶段、初始曝光所述像素Pix#k的阶段(exp0)、之后是维持所述像素Pix#k的所述曝光(Exp)的第一数量Nr1(k、s)的一个或更多个阶段、然后是抑制(阻止)所述像素Pix#k的所述曝光的数量为Nr2(k、s)的一个或更多个阶段、以及之后的从所述像素读出(读)图像的阶段，其中，Pix#k中的k从1到Nk改变，m从1到M改变，数量Nr1(k、s)和数量Nr2(k、s)的总和等于Nr
‑
1；并且
‑
重置(重置或Rst)所述光敏区PhDk和所述M个存储器节点MN
k,m
的所述阶段是和每次在所述图像传感器的所述Nk个像素的“全局快门”模式下获取图像s同时执行的，其中，k从1到Nk改变并且m从1到M改变。5.根据权利要求4所述的用于间接飞行时间IToF距离测量的具有多个节点的CMOS有源像素图像传感器，其中，对于各个像素(102；302)Pix#k，图像读操作是在重置所述光敏区PhDk和所述M个存储器节点MN
k,m
的阶段之后执行的，所述图像读操作被用于执行外部CDS，其中，Pix#k中的k从1到Nk改变，m从1到M改变。6.根据权利要求1至4中的一项所述的用于间接飞行时间IToF距离测量的具有多个节点的CMOS有源像素图像传感器，其中，各个像素(102；302)Pix#k皆配置有同一个架构，其中，k从1到Nk改变，所述各个像素(102；302)Pix#k包括：
‑
所述光敏区PhDk；
‑
晶体管T1k，所述晶体管用于在获取图像的各个周期开始时以及在各个微积分周期开始时或结束时重置所述光敏区PhDk，所述第一晶体管T1k是由共用于所述一组像素中的所述Nk个像素的全局重置信号RPhk来控制的；
‑
M个存储器节点MN
k,m
，所述M个存储器节点用于在M个存储通道VS
k,m
上，共享存储由所述光敏区PhDk生成的并且在所述像素Pix#k的与获取图像的所述当前周期Cycle_acq#k,s相对应的所述曝光持续时间期间并行积分的所述电荷，其中，m从1到M改变；
‑
共用于不同的所述M个存储器节点Mk,m的、用于同步阻止所述像素Pix#k的曝光的装置(104；304)，其中，m从1到M改变；
‑
装置(106；306)，所述装置用于启用经由M个独立读访问导体COL
k,m
和抑制命令访问通道COL
k,IM
，来访问针对用于所述Nk乘以M个存储器节点的快速读出并且用于控制用于抑制所述Nk个像素的所述机制的所述子系统(66)，以及针对用于所述像素Pix#k的所述M个存储器节点的所述图像读出子系统的所述像素Pix#k，其中，m从1到M改变。7.根据权利要求6所述的用于间接飞行时间IToF距离测量的具有多个节点的CMOS有源像素图像传感器，其中，对于各个像素(102；302)Pix#k，其中，k从1到NK改变，用于存储由所述光敏区PhDk生成的所述电荷的各个存储通道VS
k,m
，其中，m从1到M改变，包括：
‑
电荷转移晶体管T2
k,m
，所述电荷转移晶体管被配置成，在所述存储器节点MN
k,m
中，耗尽在所述像素Pix#k的所述曝光图像持续时间期间生成的所述电荷，并且是由电荷转移控制信号TRA
k,m
来控制的；
‑
用于重置所述存储器节点MN
k,m
的晶体管T3
k,m
，所述晶体管T3
k,m
被配置成，在图像的所述当前周期Cycle_acq#k,s开始时重置所述存储器节点MN
k,m
的电位，并且是由根据共用于所述一组Nk个像素的信号RST的重置信号来控制的；
‑
晶体管T4
k,m
，所述晶体管T4
k,m

【专利技术属性】
技术研发人员：PE，
申请(专利权)人：特利丹E二V半导体简化股份公司，
类型：发明
国别省市：