[发明专利]图像传感器的像素和直接飞行时间范围测量的方法及系统

说明书

提供一种图像传感器的像素和直接飞行时间范围测量的方法及系统。将直接飞行时间技术与模拟振幅调制组合于像素阵列中的每一像素内。不使用单光子雪崩二极管或雪崩光电二极管。而是，每一像素具有转换增益超过400μV/e‑且光子探测效率大于45％的光电二极管，所述光电二极管联合针扎光电二极管一起工作。通过像素本身内的基于模拟域的单端‑差分转换器向所接收的光信号添加飞行时间信息。像素中的光电二极管的输出用于控制针扎光电二极管的操作。当来自像素中的光电二极管的输出在预定义时间间隔内被触发时，从针扎光电二极管的电荷转移被停止，且因此，飞行时间值及物体的范围被记录。此种像素为驾驶员提供改善型自主导航系统。

[相关申请的交叉参考]

本申请主张在2017年12月19日提出申请的美国临时专利申请第62/607,861号的优先权利，所述美国临时专利申请的公开内容全文并入本文中供参考。

技术领域

本发明大体来说涉及图像传感器。更具体来说而非作为限制，本发明中所公开的发明方面的特定实施例涉及一种飞行时间(Time-of-Flight，TOF)图像传感器，其中像素使用具有极高转换增益的光电二极管(Photo Diode，PD)来控制时间-电荷转换器(例如针扎光电二极管(Pinned Photo Diode，PPD))的操作以促进对飞行时间值及三维(three-dimensional，3D)物体的范围进行记录。

背景技术

三维(3D)成像系统越来越多地用于各种各样的应用，例如(举例来说)工业生产、视频游戏、计算机图形、机器人外科手术、消费型显示器、监控视频、三维建模、房地产销售、自主导航等。

现有的三维成像技术可例如包括基于飞行时间(TOF)的范围成像、立体视觉系统及结构光(structured light，SL)方法。

在飞行时间方法中，基于已知的光速来解析距三维物体的距离—通过针对图像的每一点测量光信号在照相机与三维物体之间行进所花费的往返时间。照相机中的像素的输出提供关于像素专有飞行时间值的信息，以产生物体的三维深度轮廓。飞行时间照相机可使用无扫描方法来以每一激光脉冲或光脉冲俘获整个场景。在直接飞行时间成像器中，可使用单个激光脉冲来俘获空间与时间数据以记录三维场景。此使得能够对场景信息进行快速获取及快速实时处理。飞行时间方法的一些示例性应用可包括高级汽车应用(例如基于实时距离图像进行自主导航以及主动行人安全或碰撞前探测)、例如在与视频游戏机上的游戏交互期间跟踪人类的移动、在工业机器视觉中对物体进行分类并帮助机器人找到物品(例如传送带上的物品)，等等。

光探测与测距(Light Detection and Ranging，LiDAR)是直接飞行时间方法的实例，其通过以脉冲式激光来照射目标并以传感器来测量反射脉冲而测量距目标的距离。然后，可使用激光返回时间之差以及波形来作出目标的数字三维表示。光探测与测距具有地面应用、空运应用及移动应用。光探测与测距通常例如(举例来说)在考古学、地理学、地质学、森林学等中用于制作高分辨率地图。光探测与测距也具有汽车应用，例如(举例来说)，在一些自主汽车中用于控制与导航。

在立体成像系统或立体视觉系统中，使用彼此水平移位的两个照相机来获得关于场景或关于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是非常重要的，以提取关于自主系统/机器人附近的三维物体的相对位置的信息。机器人学的其他应用包括物体辨识，其中立体深度信息使得机器人系统能够分离出被遮挡的图像分量，而机器人原本可能不能将所述被遮挡的图像分量区分为两个单独的物体—例如一个物体在另一物体的前方，局部地或完全地挡住另一物体。三维立体显示器也用于娱乐系统及自动化系统。