[发明专利]飞行时间光传感器

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

一方面，本发明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，本发明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发明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是根据本发明的教示的展示飞行时间感测系统的一个实例的框图。