[发明专利]时间分辨传感器，三维成像系统和分辨时间的方法

说明书

一种时间分辨传感器包括单光子雪崩二极管(SPAD)、逻辑电路及差分时间到电荷转换器(DTCC)电路。单光子雪崩二极管响应于光闸信号而基于探测到入射光子产生输出信号。逻辑电路产生第一使能信号及第二使能信号。差分时间到电荷转换器包括电容器器件、第一开关器件及第二开关器件以及输出电路。第一开关器件响应于第一使能信号来将电容器器件上的电荷转移到第一浮置扩散。第二开关器件响应于第二使能信号来将电容器器件上的剩余电荷转移到第二浮置扩散。输出电路输出第一电压及第二电压，第一电压是基于第一浮置扩散的第一电荷，第二电压是基于第二浮置扩散的第二电荷。也提供一种三维成像系统和一种分辨时间的方法。

[相关申请的交叉参考]

本专利申请主张在2017年12月6日提出申请的美国临时专利申请第62/595,508号的优先权，所述美国临时专利申请的公开内容全文并入本申请供参考。

技术领域

本文所公开的主题大体来说涉及一种用于范围测量的装置及方法，且更具体来说，涉及一种用于直接飞行时间(time-of-flight，TOF)范围测量的装置及方法。

背景技术

三维(three-dimensional，3D)成像系统越来越多地用于各种各样的应用，例如用于先进驾驶辅助系统(advanced driver-assistant system，ADAS)的高速三维成像系统以及用于自主导航的高速三维成像系统。现存的三维成像技术例如利用基于飞行时间的范围成像、立体视觉系统(stereo-vision system)和/或结构光技术(structured-lighttechnique)。

在TOF技术中，到三维物体的范围(或距离)可基于已知光速以及通过测量激光脉冲或光脉冲在相机与三维物体之间花费的往返时间来分辨。TOF相机可使用无扫描器(scannerless)方式来利用每一个激光脉冲或光脉冲拍摄整个场景。一些示例性TOF应用包括：先进汽车应用，例如用于跟踪人、物体或其他车辆的移动的基于实时距离图像的主动行人安全或预碰撞探测；与视频游戏机上的游戏之间的互动；以及用于对物体进行分类并帮助机器人找到例如传送带上的物品的工业机器视觉。如果在每一像素内部放置有时间-数字计数器(time-to-digital counter，TDC)，则使用单光子雪崩二极管(single-photonavalanche diode，SPAD)传感器的基于TOF的系统可具有低的空间分辨率、低的填充因数及高的功耗。此外，使用差分时间到电荷转换器(differential time-to-charge converter，DTCC)作为传感器的一部分可导致低的范围准确度。

立体成像系统或立体视觉系统使用彼此水平地错开的两个相机来获得场景的两个不同的视图或者场景中的三维物体的两个不同的视图。通过对这两个图像进行比较，可获得关于三维物体的相对深度信息。立体视觉在例如机器人学等领域中非常重要，以提取关于自主系统及机器人附近的三维物体的相对位置的信息。可使用机器人立体成像的其他应用包括物体识别，在所述物体识别中，立体深度信息使机器人系统能够将机器人可能原本无法区分为两个单独物体的遮掩图像分量分开。举例来说，如果两个物体中一个物体位于第二个物体前方而使得部分地或完整地隐藏第二个其他物体，则使用立体视觉的机器人可能无法将这两个物体区分开。三维立体显示器还用于娱乐及自动化系统。

结构光(structured-light，SL)技术通过使用投影光图案及成像相机来测量物体的三维形状。可将已知光图案(例如，网格、水平条或其他平行条纹图案)投影到场景或场景中的三维物体上，且当投影图案照射到三维物体的表面时，投影图案可变形或移位。这种变形可使SL视觉系统能够确定物体的深度及表面信息。也就是说，将窄的光带投影到三维表面上可产生照明线，所述照明线可能从与投影仪的视角不同的视角看起来发生了畸变。所述畸变可用于三维物体的被照明表面的几何重构。基于SL的三维成像技术可用于不同的应用，例如在三维场景中对指纹进行拍照、在生产过程期间对组件进行在线检验、以及用于医疗环境中以获得对人体体型或者人类皮肤微结构的实时测量。

发明内容