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光谱传感器

阅读:885发布:2020-05-13

专利汇可以提供光谱传感器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及色彩光和不可见光(例如IR) 传感器 (即多 光谱 传感器),该传感器可在相机(诸如用于深度测量、反射率测量和色彩测量,并用于生成3D图像数据或3D图像的TOF相机)中使用,还涉及相机本身和操作相机的方法。,下面是光谱传感器专利的具体信息内容。

1.一种色彩或多光谱图像传感器设备,所述图像传感器设备包括与图像的单个像素相关联的像素传感器,其中所述像素传感器包括:
基板,其中电荷载流子可响应于入射在所述基板上的光而生成,
用于电接触所述像素传感器的第一(301、616)和第二(302)接触元件,其中所述第一和第二接触元件彼此毗邻安置,
第一检测元件(303、304、314、315、404、504、604),所述第一检测元件被配置用于检测在第一检测区域中生成的电荷载流子,
用于控制所述第一检测区域(301)的检测能的装置,
第二检测元件(303、304、316、401、500、600),所述第二检测元件被配置用于检测在第二检测区域生成的电荷载流子,
第一滤波器元件(311、409、509、609),所述第一滤波器元件被配置用于使第一波长范围的光通过,其中所述第一滤波器元件重叠在所述基板的包括所述第一和第二接触元件的一部分上,以及
第二滤波器元件(309、310、408、508、608),所述第二滤波器元件被配置用于使第二波长范围的光通过,其中所述第二滤波器元件重叠在所述基板的包括第二检测元件的一部分上,其中所述第二波长范围不同于所述第一波长范围,并且与一色彩或波长范围相关联。
2.根据权利要求1所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述第一和第二检测元件被横向于所述接触元件放置,并且不被置于所述接触元件之间内。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,用于控制所述第一检测区域的检测能力的装置通过调制通过所述接触元件的注入多数载流子电流来获得。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述像素传感器进一步包括:
至少一个电荷转移元件(320、414、506、605、606),所述电荷转移元件可将电荷从所述第一和/或第二检测元件转移到公共元件,所述公共元件能够是检测元件或任一其他电荷存储元件。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述第一检测元件也被安置成所述第二检测元件。
6.根据权利要求4所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述电荷转移元件(320、321)将电荷从所述第一检测元件转移到所述第二检测元件,或从所述第二检测元件转移到所述第一检测元件;并且其中光屏蔽元件(312)覆盖在所述第二检测元件上。
7.根据权利要求4到6中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述电荷转移元件(320)能被供应能量;并且其中所述电荷载流子元件被配置用于基于所供应能量的量通过从所述第二检测元件到所述第一检测元件的扩散来转移所述电荷载流子。
8.根据之前的权利要求中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述像素传感器进一步包括:
开关元件,所述开关元件被配置用于使所述第一和第二检测元件彼此连接(414)。
9.根据之前的权利要求中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述像素传感器进一步包括:
电荷载流子存储元件(614),所述电荷载流子存储元件被配置用于接收从所述第一检测元件(604)检测到的电荷载流子,以及
能被供应能量的电荷载流子转移元件(605),其中所述电荷载流子转移元件被配置用于基于所供应能量的量将所述电荷载流子从所述第一检测元件转移到所述电荷载流子存储元件。
10.根据之前的权利要求中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述像素传感器进一步包括:
第二电荷载流子存储元件(501、601),所述第二电荷载流子存储元件被配置用于接收从所述第二检测元件(500、600)检测到的电荷载流子,其中所述第二电荷载流子存储元件被横向地邻近于所述第二检测元件安置,以及
能被供应能量的第二电荷载流子转移元件(506、606),其中所述第二电荷载流子转移元件被配置用于基于所供应能量的量将所述电荷载流子从所述第二检测元件转移到所述另一电荷载流子存储元件。
11.根据权利要求1到10中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述图像传感器进一步包括:
读出元件(415、513、613),所述读出元件连接到所述第一和/或第二存储或检测元件,并被配置用于无损地放大或缓冲或复制所述第一和/或第二存储或检测元件上的信号
12.根据权利要求1到11中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述图像传感器进一步包括:
第二开关元件(411、511、611),所述第二开关元件被配置用于将所述第一和第二检测元件连接到被配置用于向所述第一和第二检测元件供应能量的能量源。
13.根据权利要求1到12中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述像素传感器包括基于半导体的结构,其中所述第一和第二接触元件包括第一导电类型的半导体区域,其中所述第一检测元件和/或所述第二检测元件包括第二导电类型的半导体区域。
14.根据权利要求1到13中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述第一检测元件和/或所述第二检测元件被配置成包括掩埋层的掩埋型光电二极管
15.根据权利要求14所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述掩埋层被用作用于控制相关联的掩埋型光电二极管检测元件的检测能力的基板接触。
16.根据权利要求1到15中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述图像传感器进一步包括:
确定单元,所述确定单元被配置用于基于检测的电荷载流子来确定所述光的色彩和行进距离,或用于确定深度图、反射率图、置信或照明图。
17.根据权利要求16所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述确定单元被配置用于基于从单个像素传感器检测到的电荷载流子来确定所述光的行进距离,或者所述确定单元被配置用于基于从多个像素传感器接收到的检测到电荷载流子来确定所述光的进行距离。
18.根据权利要求16和17中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述确定单元被配置用于基于在所述图像传感器的单个采集事件期间检测到的检测到电荷载流子来确定所述光的行进距离,或者所述确定单元被配置用于基于在所述图像传感器设备的多个采集事件期间检测到的检测到电荷载流在来确定所述光的行进距离。
19.根据权利要求1-18中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述第一检测区域与所述第一检测元件以及检测能力控制装置一起被配置成电流辅助光子解调器设备、光子混合解调器设备、基于漂移场像素的解调器设备、或基于耗尽区调制的像素解调器设备。
20.根据权利要求1-19中的任一项所述的色彩或多光谱图像传感器设备,其特征在于,所述第一滤波器元件是滤波器元件的堆叠,所述堆叠中的每一滤波器元件被配置用于使特定波长范围的光通过。

说明书全文

光谱传感器

[0001] 本发明涉及色彩和不可见光(例如IR)传感器(即多光谱传感器),该传感器可在相机(诸如用于深度测量、反射率测量和色彩测量,并用于生成3D图像数据或3D图像的TOF相机)中使用,还涉及相机本身和操作相机的方法。技术背景
[0002] 相机具有平面接收表面,并且坐标系可基于这个表面来定义,其中x,y处于该相机的那个表面的平面中,且z是沿着该相机的光学路径的轴。飞行时间成像系统测量在从LED或激光器(例如,激光二极管)发出的脉冲光和反射脉冲之间的时间差或相位差。在3D飞行时间成像系统中,关键的功能性是不仅提供处于该相机的视野中的场景的z数据(z是测量到的深度图),还提供所观察的场景的IR照明和色彩数据,并且甚至还以例如嵌有至少一些色彩分量和深度值的3D形式提供该场景本身的图像。为了这么做,可使用两个相机。另一实现选项是在一个单独相机中具有两组像素阵列(两个传感器)。以任一方式,这样的色彩数据随后由系统利用2个分开的传感器和透镜系统来构建。在增加的材料账单之上,该方法要求仔细的校准和密集的计算以将像素色彩数据映射在深度数据上并反之亦然。所谓的图像配准过程是因为这2个成像系统未必包括具有相同光学属性的透镜,并因为它们还可不包括相同的分辨率,并因为它们也未必被很好地对准。
[0003] US20110074989提供了将R、G或B像素与深度测量像素组合,而无需考虑对深度测量活性区域进行优化的需要,也无需考虑对可能由于深度感测像素空间排列而发生的空间混叠进行优化的需要的方式。此外,RGBZ图像是通过在RGB像素上内插Z像素来产生的,这种内插容易导致配准误差。
[0004] 发明概述
[0005] 本发明的目的是提供替换的不可见光(例如,IR)和色彩传感器(即多光谱传感器),该传感器可在相机(诸如至少提供3D数据,以及在甚至更优选的实施例中提供色彩数据和与取决于距离的因素(例如,不可见光反射率)有关的附加数据(例如,IR反射数据测量)的TOF相机)中使用,以及提供相机本身以及操作相机的方法。
[0006] 本发明的各实施例的优点在于它可通过在单个传感器中组合至少2个功能性(即,色彩图像和距离图像测量)并优选为组合3个功能性(即,色彩/深度/诸如反射率测量之类的依赖于距离的因素)来至少提供色彩/深度图。在优选实施例中,还可提供基于取决于距离的因素(诸如不可见光)的图,该图为例如与不可见光(例如,由该场景中的对象在预定感测综合时间期间反射的IR光)的量相对应的IR反射率图。本发明的各实施例提供以最小的性能损失将两个功能性组合的最优方式。本发明的实施例的另一优点在于使像素的光学活性部分(尤其是深度测量区域)最大化。本发明的各实施例的又一优点在于创建色彩/深度3D图像(例如,RGBZ图像),而无需空间地(即,在各色彩像素(例如RGB像素)上)内插Z像素,由此避免了配准误差也避免了空间混叠误差。空间混叠可在色彩像素与不可见光(例如IR像素)处于不同的位置时发生。在这样的情形中,内插对于补偿不同位置之间的距离可能是必要的。
[0007] 本发明的各实施例提供色彩或多光谱图像传感器设备,该图像传感器设备包括与图像的单个像素相关联的像素传感器,其中该像素传感器包括:
[0008] -基板,其中电荷载流子可响应于光入射在该基板上而生成,
[0009] -用于电接触该像素传感器的第一和第二接触元件,其中该第一和第二接触元件彼此毗邻安置,
[0010] -第一检测元件(314、404、504、604),该第一检测元件被配置用于检测在第一检测区域中生成的电荷载流子,
[0011] -用于控制第一检测区域的检测能的装置(301)
[0012] -第二检测元件(316、401、500、600),该第二检测元件被配置用于检测在第二检测区域中生成的电荷载流子,
[0013] -第一滤波器元件,该第一滤波器元件被配置用于令第一波长范围的光通过,其中该第一滤波器元件重叠在该基板的包括第一和第二接触元件的部分上,以及[0014] -第二滤波器元件,该第二滤波器元件被配置用于令第二波长范围的光通过,其中该第二滤波器元件重叠在该基板的包括第二检测元件的部分上,其中第二波长范围不同于第一波长范围,并且与一色彩波长范围相关联。
[0015] 本发明的各实施例提供具有根据本发明的色彩或多光谱图像传感器设备的3D图像传感器,该3D图像传感器设备包括多个像素传感器,其中此多个像素传感器中的每一像素传感器与单个像素相关联。
[0016] 本发明的各实施例提供包括根据本发明的各实施例的图像传感器设备以及以下的相机:
[0017] -连接到第一组检测元件的色彩计算单元,该色彩计算单元的输出是色彩值,[0018] -IR计算单元,该IR计算单元的输出是:
[0019] 深度测量
[0020] 场景照明测量(例如置信图)
[0021] 根据本发明的一方面,每一单个像素内嵌有不可见光(例如IR)和色彩感测区域两者。这两种不同像素的空间配准接近完美,并且无需内插。
[0022] 该传感器可包括感测单元阵列(即,像素阵列),其中每一个体感测单元至少包括不可见光(例如IR)感测区域和色彩感测区域,这两个区域在空间上以使图像配准、这2种感测区域之间的表面重划分比、电连接和制造设计最优的特定方式安置。
[0023] 不可见光(例如IR)测量可用于深度测量,但还可提供可从TOF相机系统中的不可见光(例如IR)测量中计算出的其他信息。因此,这些测量可以是例如:
[0024] -从其确定深度图的同相和正交分量。
[0025] -置信图可从深度相关因素(例如,不可见光或IR反射率图)中导出。
[0026] 本发明的ToF传感器和相机系统中的特定优点在于对取决于距离的因素的图的计算,例如反射率图计算。这可用于检测混叠的存在性。
[0027] 该传感器可被实现在、SOI基板上或使用BSI来实现。
[0028] 在一方面,本发明提供色彩或多光谱图像传感器设备,该图像传感器设备包括像素传感器阵列,其中该阵列中的每一元件与单像素传感器相关联,并且其中每一单像素传感器包括:
[0029] -基板,其中电荷载流子可响应于光入射在该基板上而生成,
[0030] -用于电接触该像素传感器基板的第一和第二接触元件,
[0031] -第一检测元件(303、316、401、501、600),该第一检测元件被配置用于检测在第一检测区域中生成的电荷载流子,其中该第一检测元件被横向并与第一接触元件毗邻地安置,
[0032] -第一滤波器元件,该第一滤波器元件被配置用于令第一不可见波长范围(例如,IR范围)的光通过,其中该第一滤波器元件重叠在该基板的包括第一和第二接触元件的部分上,以及
[0033] -第二滤波器元件,该第二滤波器元件被配置用于令第二波长范围的光通过,其中该第二滤波器元件重叠在该基板的包括第一检测元件的部分上,其中第二波长范围不同于第一波长范围,并与一色彩相关联。
[0034] 例如,可在3D相机中使用该色彩或多光谱图像传感器设备。
[0035] 色彩指的是对应于人类视觉系统中的色彩知觉的相关敏感刺激
[0036] 滤波器元件允许第一和第二检测元件中的每一个分别接收不同的波长范围。一个波长范围是不可见光谱(例如在IR域中),并且一个范围处于可见光谱。
[0037] 该像素传感器可包括:
[0038] -第二检测元件(314),该第二检测元件被配置用于检测在第二检测区域中生成的电荷载流子,其中第二检测元件被横向地安置在第一检测元件和第一和第二基础元件的共同第一侧上,该共同第一侧对应于第一和第二接触元件的共同第一侧。
[0039] -重叠在第二检测元件上的光屏蔽元件。
[0040] 像素传感器可包括至少一个电荷转移元件,电荷转移元件可将电荷从第一和/或第二检测元件转移到公共元件,该公共元件可以是检测元件或另一电荷存储元件。
[0041] 该像素传感器可包括:
[0042] 能被供应能量的电荷载流子扩散接触元件(320),其中该电荷载流子扩散接触元件被配置用于基于所供应能量的量(例如,通过扩散)将这些电荷载流子从第二检测元件转移到第一检测元件。
[0043] 该像素传感器可包括:
[0044] -第二检测元件(404、504、604),该第二检测元件被配置用于检测在第二检测区域生成的电荷载流子,其中第二检测元件被横向地安置在该检测元件和第一接触元件之间,其中第一滤波器元件重叠在第二检测元件上。
[0045] 该像素传感器可包括:
[0046] -开关元件,该开关元件使第一和第二检测元件彼此连接(414)。
[0047] 该像素传感器可包括:
[0048] -电荷载流子扩散元件(614),该元件被配置用于扩散地接收从第二检测元件检测到的电荷载流子,其中该电荷载流子扩散元件被第一滤波器元件重叠,以及[0049] -能被供应能量的电荷载流子扩散接触元件(605),其中该电荷载流子扩散接触元件被配置用于基于所供应的能量的量扩散地将这些电荷载流子从第二检测元件转移到该电荷载流子扩散元件。
[0050] 该像素传感器可包括:
[0051] -另一电荷载流子扩散元件(501、601),该另一电荷载流子扩散元件被配置用于接收从第一检测元件检测到的电荷载流子,其中该另一电荷载流子扩散被横向并毗邻第一检测元件安置;以及能被供应能量的另一电荷载流子扩散接触元件(506、606),其中该另一电荷载流子扩散接触元件被配置用于基于所供应的能量的量扩散地将电荷载流子从第一检测元件转移到另一电荷载流子扩散元件。
[0052] 该像素传感器可进一步包括:
[0053] -缓冲器元件或读出元件(415、513、613),其连接到第一和第二检测元件并被配置用于选择性地存储从该检测元件检测到的电荷载流子和从第二检测元件检测到的电荷载流子。
[0054] 该像素传感器可包括:
[0055] -另一开关元件(411、511、611),其被配置用于将第一和第二检测元件连接到被配置用于向第一和第二检测元件供应能量的能量源。
[0056] 该像素传感器可包括基于半导体的结构,其中该第一和第二接触元件包括第一导电类型的半导体区域,其中第一检测元件和/或第二检测元件包括第二导电类型的半导体区域。
[0057] 可任选地,第一检测元件和/或第二检测元件可被配置成掩埋型(pinned)光电二极管
[0058] 该像素传感器可以是阵列的一部分,并因此可包括:
[0059] -另一第一检测元件,该另一第一检测元件被配置用户检测生成的电荷载流子,其中该另一第一检测元件被横向并毗邻第二接触元件地安置,
[0060] -另一第二滤波器元件,该另一第二滤波器元件被配置用于使另一第二波长范围的光通过,其中该另一第二滤波器元件重叠在该基板的包括该另一第一检测元件的一部分上,其中该另一第二波长范围不同于第一波长范围并与另一色彩相关联,[0061] 其中,该另一第一检测元件被横向安置在第一和第二接触元件的公共第二侧上。
[0062] 优选实施例是色彩图像传感器设备包括多个像素传感器,其中此多个像素传感器中的每一像素传感器与图像的单个像素相关联并包括:
[0063] -基板,其中电荷载流子可响应于光入射在该基板上而生成,
[0064] -用于电接触该像素传感器的第一和第二接触元件,其中该第一和第二接触元件被彼此毗邻地安置,
[0065] -第一检测元件,该第一检测元件被配置用于检测在第一检测区域生成的电荷载流子,其中该第一检测元件被横向并毗邻该第一检测元件地安置,
[0066] -第一滤波器元件,该第一滤波器元件被配置用于让第一波长范围的光通过,其中该第一滤波器元件重叠在该基板的包括第一和第二接触元件的部分上,以及[0067] -第二滤波器元件,该第二滤波器元件被配置用于让第二波长范围的光通过,其中该第二滤波器元件重叠在该基板的包括第一检测元件的部分上,其中第二波长范围不同于第一波长范围并与色彩相关联,
[0068] 至少一个电荷转移元件(320、414、506、605+606),该元件可将电荷从第一和/或第二检测元件转移到公共元件,该公共元件可以是检测元件或另一个电荷存储元件。
[0069] 色彩或多光谱图像传感器设备可包括以下或可被适配成与以下一起工作:
[0070] -确定单元,该确定单元被配置用于基于检测到的电荷载流子来确定色彩以及光的行进距离。可任选地,该确定单元被配置用于基于来自单个图像传感器单元的检测到电荷载流子来确定光的行进距离。
[0071] 该确定单元通常具有处理单元,该处理单元可位于基板中和/或在每一像素下面,并执行将电荷载流子变换成包括以下的数字数据值的计算:
[0072] -深度测量
[0073] -依赖于距离的因素测量,诸如反射率测量
[0074] -色彩分量数据测量
[0075] -可任选地VQ相位图。
[0076] 该确定单元还可以是通过合适的通信路径(诸如,电缆或无线连接)耦合到该传感器的单独单元。
[0077] 该确定单元可被配置用于基于从多个像素传感器接收到的检测到电荷载流子来确定光的行进距离。
[0078] 该确定单元被配置用于基于在图像传感器设备的单个采集事件期间检测到的检测到电荷载流子来确定光的行进距离。
[0079] 或者,该确定单元可被配置用于基于在图像传感器设备的多个采集事件期间检测到的检测到电荷载流子来确定光的行进距离。
[0080] 3D图像传感器设备可被可任选地配置成电流辅助光子解调器设备、光子混合解调器设备、基于漂移场像素的解调器设备、或基于耗尽区调制的像素解调器设备。
[0081] 在另一方面,本发明提供一种在3D图像传感器设备中检测光的方法,该方法包括:
[0082] -向该3D图像传感器设备的像素传感器的第一和第二接触元件供应能量,其中该像素传感器与单个像素相关联,其中第一和第二接触元件彼此毗邻地安置,[0083] -响应于光经由该图像传感器单元的第一和第二滤波器入射在基板上,在该像素传感器的基板中生成电荷载流子,其中第一滤波器元件被配置用于让第一波长范围的光通过,其中第一滤波器元件重叠在基板的包括第一和第二接触元件的一部分上,其中第二滤波器元件被配置用于让第二波长范围的光通过,其中第二滤波器元件重叠在基板的包括该图像传感器单元的第一检测元件的一部分上,其中第二波长范围不同于第一波长范围并与色彩相关联,
[0084] -通过第一检测元件(303、316、401、501、600)来检测所生成的电荷载流子,以及[0085] -将电荷转移到公共元件,该公共元件可以是检测元件或电荷存储元件。
[0086] 第一检测元件可被横向并于第一接触元件毗邻地安置,其中第一检测元件被横向安置在第一和第二接触元件的公共第一侧上。
[0087] 附图简述
[0088] 图1a示出了其中每一像素在时间上按顺序或同时采集相关量C和色彩分量R、G、B的传感器实现图案。每一像素的相关量C可以是跨该阵列中的各像素相同的相关分量,或者可以根据一图案安置。
[0089] 图1b示出了其中每一像素在时间上按顺序或同时采集相关量C和色彩分量R、G、B或W的传感器实现图案。每一像素的相关量C可以是跨该阵列中的各像素相同的相关分量,或者可以根据一图案安置。
[0090] 图1c示出了其中每一像素在时间上按顺序或同时采集相关量C(更具体地为I、Q,每一相关量是不同的相关分量)和色彩分量R、G、B的传感器实现图案。相关量I和Q以一图案安置
[0091] 图1d示出了其中每一像素在时间上按顺序或同时采集相关量C(更具体地为I、Q,每一相关量是不同的相关分量)和色彩分量R、G、B的传感器实现图案。相关量I和Q以另一图案安置
[0092] 图2a示出了其中每一像素在时间上按顺序或同时采集相关量C和一组色彩分量R、G、B的传感器实现图案。
[0093] 每一像素的相关量C可以是跨该阵列中的各像素相同的相关分量,或者可以根据一图案安置。
[0094] 图2b示出了其中每一像素在时间上按顺序或同时采集相关量C和一组色彩分量R、G、B、W的传感器实现图案。
[0095] 每一像素的相关量C可以是跨该阵列中的各像素相同的相关分量,或者可以根据一图案安置。
[0096] 图3示出了藉此可在单个架构中采集色彩分量和相关分量两者的本发明的一实施例。
[0097] 图3b示出了藉此可在单个架构中采集色彩分量和相关分量两者的本发明的另一实施例。
[0098] 图4示出了藉此可在单个架构中采集色彩分量和相关分量两者的本发明的另一实施例。
[0099] 图5示出了藉此可在单个架构中采集色彩分量和相关分量两者的本发明的另一实施例。
[0100] 图6示出了藉此可在单个架构中采集色彩分量和相关分量两者的本发明的另一实施例。
[0101] 图7示出了结合本发明的一实施例的飞行时间系统架构和方法。
[0102] 图8示出了典型RGB色彩滤波器的透射曲线以及本发明要求保护的关键的色彩滤波器组合的透射曲线。
[0103] 图9示出了本发明的使用关键的色彩滤波器堆叠的实施例。

具体实施方式

[0104] 将针对特定实施例并参考特定附图来描述本发明,但是本发明不限于此。所描述的附图只是示意性的和非限制性的。在附图中,出于说明的目的,一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。
[0105] 在本发明的各实施例中,针对仅作为示例的CAPD(电流辅助光子解调器)设备描述了色彩(诸如RGB)和/或深度(Z)和/或置信图的集成。在一些实施例中,这些CAPD设备在光电式解调飞行时间设备中使用。本发明不限于CAPD设备,而可以与诸如光子混合设备(PMD,Panasonic、Mesa)、漂移场像素(Mesa)、基于耗尽区调制的像素(Canesta)和其他等解调设备一起使用。
[0106] 图1a示出本发明的第一实施例。该图解说了藉此个体像素101、102、103、104能够采集作为至少一个用于重构深度(Z)的相关分量(Ci)的不可见光(例如IR)分量,并采集至少一个色彩分量的像素图。不可见光(例如IR)分量还可提供取决于距离的因素,诸如从正观察的对象反射的不可见光(例如,IR光)的反射率值。其他取决于距离的因素可以是斑点图或主动地投射在该对象上的图案。取决于距离的因素可用于生成置信等级。色彩分量可以是例如R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)、W(白色)等。色彩图可根据诸如Bayer、RGBW等本领域已知的图案来实现。每一像素可用于重构深度和色彩,从而提供了接近完美的配准的优点。阵列中的各像素不必采集相同的相关分量。例如,图1c示出了具有测量同相相关分量I的像素和测量正交相关分量Q的其他像素的图案。其中测量同相相关量I、异相相关量(非I)、正交量(Q)和反正交(非Q)的其他图案包括在本发明的范围内。此外,测量到的相关分量可以在时间上在1内或在每一帧改变。例如采集的相关分量图案可在图1c中示出的图案和在图1b中示出的图案之间交替。
[0107] 图1b示出了本发明的其中各像素能够采集至少一个用于重构深度的相关分量以及至少一个色彩分量R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)或W(白色)的第二实施例。
[0108] 可列出使用空间分布相关分量、时间分布相关分量或者空间和时间分布相关分量来重构深度的数个方法。像素深度(Z)可使用单个像素和单次采集来获得。每一像素因此在单次光学采集(或曝光)中测量深度重构所需的所有相关分量。
[0109] 或者,像素深度(Z)可使用两个或更多像素和单次采集来获得,每一像素测量深度重构所必须的相关分量。每一像素因此测量至少一个相关分量,并可使用相邻像素来内插丢失的相关分量。用于检查相关分量的一致性的方法可用于避免结合不正确的相关分量。可以比较近邻的相关分量与本机相关分量的总能量。如果该能量大致等于本机相关分量的话,近邻可随后仅对丢失相关分量的内插有贡献。
[0110] 或者,像素深度(Z)可使用单个像素和多次采集来获得,每一像素在两次或更多次光学采集中测量深度重构所必须的相关分量。采集相关分量的时间扩展在动态场景中导致错误。由于对象的移动,临时地,空间相关量可能不是相关的(即:从同一对象测量该信息)。再次,用于检查相关分量的一致性的方法可用于避免结合不相关的相关分量。
[0111] 或者,像素深度(Z)可使用之前可能性的组合来获得,例如,使用两个或更多个像素或两次或更多次采集来获得。可应用用于跨相关分量确定一致性的方法。
[0112] 图2a示出了本发明的第二实施例。解说了其中诸如像素201等像素能够测量至少一个用于重构深度的相关分量和3个色彩分量R、G、B(202、203、204、205)的像素图。
[0113] 图2b示出本发明的第二实施例的变型。解说了其中诸如像素211等像素能够测量至少一个用于重构深度的相关分量和4个色彩分量R、G、B、W(212、213、214、215)的像素图。
[0114] 图3示出了本发明的第三实施例。
[0115] 在所描述的本发明的实施例中,CAPD被选为解调像素,但该实现可以与该解调设备无关。
[0116] 在图3中,示出了藉此由在基板接线端301和302(或换言之,为第一和第二接触元件301和302)之间流动的多数载流子电流在基板308中感生电场307(或反之亦然)的电流辅助光子解调器。
[0117] 在接线端301和302之间的基板形成对诸如例如光之类的电磁辐射(即入射电磁辐射)敏感并在该基板中生成载流子的第一区域。在生成时有效的辐射的波长(例如操作速度)取决于所使用的基板的材料以及诸如温度之类的其他因素。在基板接触或接触元件301、302旁边的分别是处于分别具有检测结305、306的第二区域中的第一和第二检测器。在该图中,第一和第二检测器被横向定位在相对于相应基板接触向外的方向上,然而这些检测器的位置可以处于在相应基板接触周围的任何方向。这些第二区域可以对可见光敏感。通过(使用接触元件301和302)修改第一敏感区域中的多数载流子电流的方向和/或强度或幅度,或者调制所注入的多数载流子电流,第一检测器303和304(即,包括检测结305的第一检测器303和包括检测结306的第二检测器304)的检测能力可得到控制。在图3所示的实施例中,该传感器在基于半导体的基板中包括针对接触元件的p掺杂区域和针对检测元件的n掺杂区域。换言之,像素传感器包括基于半导体的结构,其中第一和第二接触元件包括第一导电类型的半导体区域,其中第一检测元件和/或第二检测元件包括第二导电类型的半导体区域。
[0118] CAPD可具有为任何数目的至少一个解调节点,解调节点包括形成解调节点的检测器(303)、检测结(305)和基板接触或接触元件(301),或由其组成。
[0119] 在现有技术中,第一和第二检测器303和304通常被不透明材料(诸如金属)覆盖。这是因为由在检测结附近的光子生成的电子不能再被解调并且对测量到的光没有贡献,因为脉冲不可见(例如IR)光测量包括用于确定IQ正交和/或反射率测量和/或深度测量的延迟、相位和能量的量。然而,该区域十分小。对于10微米乘10微米的像素,可使用仅1微米乘1微米的检测节点,因为第二光敏区域可能比该检测节点本身大很多。面积比1:100可以用直接的方式达成。
[0120] 在本发明的各实施例中,至少一个检测和/或转换节点(303、304)被第一滤波器309和310覆盖,第一滤波器309和310发射可对应于人类视觉系统的色彩感知能力的(例如光学可见范围内)的一个频率频率范围的光,而第一敏感区域的大部分或全部被第二(例如,NIR)滤波器311覆盖,该第二滤波器311阻挡可见光,并发射第二频率或频率范围的电磁辐射,例如诸如NIR光之类的不可见光。该滤波器可以是但不限于是使用于操作飞行时间测量的波长或波长范围通过的低通滤波器带通滤波器。第二滤波器311也可以是如图9所示的色彩滤波器堆叠(901),藉此通过重叠两个或更多个色彩滤波器来产生所需的光谱响应。图8示出了用于产生蓝色(801)、绿色(802)和红色(804)响应的典型滤波器响应集合。图3中的滤波器311可以例如通过重叠产生蓝色(801)和红色(804)的滤波器响应来产生(805)。蓝色和红色的重叠是优选的。图9示出了本发明的使用关键性色彩滤波器重叠的实施例(901)。为了产生带通效果,附加的简单低通滤波器(803)可以被沉积在传感器设备的完整光学区域上或封装层上。该滤波器堆叠可被应用于本发明的任何实施例。换言之,滤波器元件可以是滤波器元件堆叠,该堆叠中的每一滤波器元件被配置用于使特定波长范围的光通过,以便获得预定的滤波器响应。滤波器303、304可以但不必一定等于光谱响应。因此,本发明的各实施例公开了第一滤波器元件和第二滤波器元件,第一滤波器元件被配置用于让第一波长范围的光通过,其中第一滤波器元件重叠在基板的包括第一和第二接触元件并包括第一敏感区域的一部分上,第二滤波器元件被配置用于让第二波长范围的光通过,其第二滤波器元件重叠在基板的包括第二敏感区域和第二检测元件的一部分上,其中第二波长范围不同于第一波长范围,该第一波长范围包括人类视觉系统的可见光谱并尤其对应于所述HVS的色彩感知能力。
[0121] 换言之,在图3所示的实施例中,在接触元件(301)和(302)之间并包括接触元件(301)和(302)的区域可被看作第一检测区域。在该第一检测区域中生成的电荷可随后被第一检测元件(303)和(304)检测到。由检测结(305)或(306)限定的区域可被看作第二检测区域。在该第二检测区域中生成的电荷可分别被第二检测元件(303)和(304)检测到,第二检测元件(303)和(304)在该实施例中与第一检测元件(303)和(304)相同。
[0122] 设备可按时间顺序或同时采集色彩和相关信息两者。相关信息可以是不可见数据光(诸如与IR相关的数据),包括相关信息和/或反射率测量(即,接收到的脉冲的能量的量)。这可用于生成置信等级。
[0123] 同时地是优选的。该色彩信息将是叠加在相关分量上的DC分量。如果没有注入多数载流子电流,则在团的第一敏感区域中的NIR光生成的多数载流子将不会看见电场也不会看见检测结,并且这些载流子中的大多数将重新组合,而不被检测。在这种模式中,该像素仅检测直接照射在第一和第二检测器303和304以及第二敏感区域上的色彩信息。
[0124] 图3b解说了本发明的藉此CAPD的检测器被实现为具有相关联的第二敏感区域的掩埋型光电二极管的另一实施例。这给出了可潜在地采集相关分量而不会添加复位噪声的优点。对于分别包括发光二极管314、315的第一和第二检测器中的每一个,分别在相邻的p阱318、319中实现浮栅扩散316、317以提供第二敏感区域。可以在p阱外部实现浮栅扩散区域,但旨在被掩埋型发光二极管检测到的电子可能最终被该浮栅扩散检测到。因此,在p阱区域内实现浮栅扩散是优选的。相邻的p阱318、319分别对应于基板接触301、302。这些基板接触用于控制掩埋型光电二极管的检测能力来调制注入在基板中的多数载流子电流,和/或使该多数载流子电流在基板接触301、302之间交替。在检测之后,可使用转移栅极321将在掩埋型发光二极管314、315中积累的电荷分别转移到浮栅扩散316、317。换言之,转移栅极320和321可被认为是将电荷从检测元件转移到公共元件的电荷转移元件,该公共元件在轮到时也可以是检测元件或任何其他电荷存储元件。电荷载流子的转移还可通过扩散来实现。本发明的各实施例公开了将这些电荷转移到公共元件,该公共元件可以是检测元件或电荷存储元件。
[0125] 对发光二极管314、315的检测能力的控制还可通过调制这些发光二极管的表面上的p型掩埋层(pinning layer)来达成。通过相对于发光二极管边缘横向延伸该掩埋层,该掩埋层具有与基板308或因此与基板接触的接口,并可用于注入经调制的多数载流子电流以控制相关联的发光二极管的检测能力。
[0126] 色彩信息是在浮栅扩散316、317中采集的,并可在转移发光二极管314、315中的电荷之前被读出。浮栅扩散316、317因此用作用于相关分量信息的转换节点、用于色彩信息的检测节点、和用于色彩信息的转换节点。色彩滤波器309、310分别覆盖浮栅扩散316、317,而在光谱上使飞行时间系统的操作波长通过的NIR滤波器311覆盖接触301和302之间的第一敏感区域。优选地,检测器314、315被作为诸如金属屏蔽件(312)的光屏蔽元件的不透明材料覆盖,以降低这些检测器的直接曝光,并由此优化解调的对比度。优点在于色彩信息现在是在一不同的节点上检测到的,并由此不会降低检测到的相关分量的SNR。
[0127] 换言之,在图3b所示的实施例中,第一检测元件是用于检测在第一检测区域中生成的电荷的掩埋型发光二极管(314)和/或(315),该第一检测区域在第一和第二接触元件(301)和(302)之间并包括该第一和第二接触元件(301)和(302)。浮栅扩散(316)和/或(317)随后可被看成针对由通过第二滤波器元件(309)和/或(310)的辐射生成的电荷的第二检测元件。
[0128] 图4解说本发明的另一实施例。示出了CAPD 403的解调节点404、405。检测器404电连接到缓冲器或读出元件415,并可使用开关411复位到电压412。CAPD(即,第一敏感区域)被使飞行时间系统的操作波长通过的NIR通滤波器409覆盖。检测器404本身可以任选地被金属屏蔽件覆盖。具有检测结402的检测器401也被实现在像素中。检测器
401被色彩滤波器408覆盖,并与第二敏感区域相关联。检测器401在像素中相对于CAPD的位置可被自由选择。可任选地,检测器401可甚至被定位在被CAPD403使用的像素区域的内部。可任选地,检测器401可使用开关410复位到电压412。检测器401还可通过开关414和411来复位,因此在一些操作中开关410和414并不是必要的。开关414可以将检测器401连接到用于读出的缓冲器。换言之,开关414可被看作是将电荷从检测元件转移到公共元件的转移元件。读出元件414可连接到第一和/或第二存储或检测元件,并被配置用于无损地放大或缓冲或复制来自第一和/或第二存储或检测元件的信号。使用这种拓扑结构,色彩和相关信息两者可被同时采集,而不会使该相关信息有SNR损失。此外,掩埋型发光二极管都不需要,增加可能的实现工艺(掩埋型发光二极管一般仅在CMOS图像传感器(CIS)过程中可用)。缺点是色彩测量和相关测量两者都将遭受复位噪声—从而降低了低光度性能。然而,取决于应用,不要求低光度性能。
[0129] 换言之,在图4所示的实施例中,检测器(404)可被看成第一检测元件,并且第一敏感区域可被看作被第一滤波器元件(409)覆盖的第一检测区域。检测器(401)可随后被看作第二检测元件,并且第二敏感区域可被看作被第二滤波器元件(408)覆盖的第二检测区域。
[0130] 图5示出本发明的另一实施例。像素在处于其一个解调节点被示出的CAPD的基板接触之间的第一敏感区域上方包括NIR滤波器509。第一检测器504可任选地被金属屏蔽件覆盖。色彩分量现在是使用具有相关联的第二敏感区域和色彩滤波器508的掩埋型发光二极管500来检测的。诸如金属层510之类的不透明材料可被用来进行屏蔽。在曝光之后,使用转移栅极506将在掩埋型发光二极管500中积累的电荷转移到优选位于p阱502中的浮栅扩散501处。换言之,浮栅扩散501可被看成电荷存储元件,并且转移栅极506可被看成用于将电荷从检测元件500转移到电荷存储元件的电荷转移元件。转移元件506将通过向该转移元件供应一定量的能量来转移电荷。浮栅扩散电连接到缓冲器或读出元件513以及CAPD检测器504。浮栅扩散501和检测器504是通过开关511被复位到电压512的。像素中色彩检测分量相对于CAPD的位置可以被自由选择。
[0131] 典型的采集将像以下那样进行:开关511复位浮栅扩散501和检测器504上的电压,而掩埋型发光二极管阱500是通过转移栅极506来耗尽的。
[0132] 随后打开转移栅极506和开关511,并使用发光二极管500开始对色彩分量的采集,使用解调设备503开始对相关分量的采集。在曝光的结束处,检测器504上的电压是通过缓冲器或读出元件513来读出的。在此之后,504上的电压(且这也是501上的电压)被复位到512。该复位电压是通过缓冲器513来测量的。本领域的技术人员现在可使用测量到的复位电压从相关分量中移除缓冲器513的1/f噪声和热噪声中的大部分。现在,转移栅极使掩埋型发光二极管阱500中的电荷转移到浮栅扩散501。本发明的各实施例公开了将电荷转移到公共元件,该公共元件可以是检测元件或电荷存储元件。
[0133] 色彩信息现在可使用缓冲器513来读出。通过从该测量到的色彩信息中减去测量到的复位电压,将1/f噪声以及热噪声中的大部分和复位噪声从色彩分量中移除。图5中的结构通过从相关分量中移除缓冲器的1/f噪声和热噪声并从色彩分量中移除缓冲器513的1/f噪声和热噪声以及复位噪声来提供对色彩分量和相关分量的同时采集。在这种拓扑结构中,色彩分量和相关分量的曝光量可不必相同。如果不想使用相关分量信息,则需要在读出色彩分量之前先读出相关分量,因为检测器504附连到的检测节点还借助浮栅扩散501充当转换节点。然而,可以在不读出色彩分量的情况下,读出相关分量。色彩分量的曝光甚至在相关分量经历多次曝光和读出的情况下继续。
[0134] 换言之,在图5所示的实施例中,检测器(504)可被看成第一检测元件,并且第一敏感区域可被看作被第一滤波器元件(509)覆盖的第一检测区域。掩埋型发光二极管(500)可随后被看作第二检测元件,并且第二敏感区域可被看作被第二滤波器元件(508)覆盖的第二检测区域。
[0135] 图6解说了其中对色彩分量的检测和对相关分量的检测两者分别是用掩埋型发光二极管结构600和604来执行的本发明的进一步实施例。优选地,浮栅扩散601在p阱602中实现。使用转移栅极将曝光之后在n阱600中积累的电荷转移到电连接到缓冲器或读出元件613的浮栅扩散601。本发明的各实施例公开了将电荷转移到公共元件,该公共元件可以是检测元件或电荷存储元件。换言之,浮栅扩散601可被看成被配置用于接收从检测元件604检测到的电荷载流子的电荷存储元件,并且转移栅极606可被看成用于将电荷从检测元件600转移到电荷存储元件601的电荷转移元件。该转移元件将通过向其供应一定量的能量来转移电荷。检测器600采集色彩分量,并被允许光通过第二敏感区域的色彩滤波器608覆盖。浮栅扩散601优选但不一定被不透明材料(诸如金属屏蔽件)覆盖。
[0136] 掩埋型发光二极管604充当用于解调节点的检测器,该解调节点由解调设备603的检测器604和基板接触616、615形成,设备603被将飞行时间功能的操作波长传递到第一敏感区域的滤波器609覆盖。检测器区域604可被诸如金属等不透明材料覆盖,以最小化该检测器的直接曝光,从而优化调制对比度。浮栅扩散614被实现在可作为基板接触614、615的部分的p阱615中。该基板接触将用于生成功能解调电场617的多数载流子电流注入基板607。转移栅极用于将曝光后在n阱604中积累的电荷转移到浮栅扩散614中。浮栅扩散614被电连接到色彩浮栅扩散601,并一起充当针对色彩分量和相关分量两者的转换节点。浮栅扩散614和601因此可处于像素的不同位置,但被电连接。本发明的各实施例公开了将电荷转移到公共元件,该公共元件可以是检测元件或电荷存储元件。
[0137] 使用图6中描述的实施例的对色彩分量和相关分量的典型采集将如下进行:借助复位开关611将FD614和FD601上的电压复位到电势612。同时,转移栅极606和605完全耗尽掩埋型发光二极管600和604的n阱,这意味着没有电荷留在n阱600和604中。在此之后,转移栅极606和605以及复位开关611被打开。用于测量色彩分量和相关分量的曝光被开始。在曝光的结束处,使用开关611来复位浮栅扩散614和601。该复位被释放,并且复位电压是通过缓冲器613来测量的。在此之后,分别借助转移栅极606、605将在n阱600中检测到色彩分量电荷或在n阱604中检测到的相关分量电荷转移到FD 601、FD 614,在此之后通过缓冲器613分别测量色彩或相关分量。通过减去测量到的复位电压,在减少来自缓冲器613的噪声并且没有复位噪声的情况下检测色彩分量或相关分量。在此之后,该循环可被重复以读出来自其他掩埋型发光二极管的剩余信息分量。
[0138] 将注意,该架构允许对色彩分量和相关分量的独立曝光时间。使用该架构,相关分量可被积累和读出多次,而色彩分量在较长的曝光期间持续积累,或者反之亦然。
[0139] 曝光时间的解耦有利于以下两种类型的数据集的优化:用于深度重构的深度分量是一个数据集,而至少一个色彩分量形成另一个数据集。在曝光时间、场景中的动态范围和帧速方面的要求可以十分不同。
[0140] 换言之,在图6中解说的实施例中,掩埋型发光二极管并因此检测器(604)可被看成第一检测元件,并且第一敏感区域可被看成被第一滤波器元件(609)覆盖的第一检测区域。掩埋型发光二极管并因此检测器(600)可随后被看成第二检测元件,并且第二敏感区域可被看成被第二滤波器元件(608)覆盖的第二检测区域。
[0141] 图7示出了根据本发明的一实施例的包括以上描述的像素传感器之一的测距系统或ToF相机的实施例。测距系统包括光源49,该光源49用于将光51尤其是具有IR分量的光发射在场景55上,优选地聚焦在感兴趣的区域上,光在该处被反射。
[0142] 测距系统进一步包括用于接收反射光的至少一个像素31。像素31可以是以上描述的像素中的任何一个。这些像素可捕捉感兴趣对象的色彩图像(RGB)或色彩以及如上所述的深度或Z信息。Z信息可使用ToF原理或因此光和IR光的行进距离来获得,或在反射光中包括IR分量。本发明的各实施例提供单个传感器,该单个传感器具有获得彩色图像、深度图、反射率图或照明图的能力。此外,可获得置信图。从该Z信息,距离图可被获得,并且色彩图可由像素使用常规手段生成。为了光源49反射调制光,提供信号发生器43。信号发生器43在节点48上生成第一时钟信号或调制信号,该信号优选永久以预定频率(例如,约10MHz)振荡。信号发生器43优选还生成数个其他时钟信号,诸如分别被递送到节点44、45、46、47上的第二到第五时钟信号,第二到第五时钟信号与节点48上的第一时钟信号间分别具有0°、180°、90°和270°的相位关系。本领域的技术人员还可考虑在该操作方案中使用其它或更多的时钟相位,更多的时钟相位导致以更长测量时间换取的更好的测量精度。或者,不是借助时钟信号的相位来进行调制,本领域的技术人员还可考虑传送伪随机比特流,并与一组延迟和/或倒相的相同伪随机比特流混合。对有时被称为伪噪声的伪随机比特流的使用被本领域的技术人员通过文献知道。在该情况下,代替第一和第二时钟信号,使用伪随机图案是明智的,代替第三时钟信号,使用相同但被逐位反相的伪随机图案是明智的,并且代替第四时钟信号,使用相同但被延迟一比特周期的伪随机图案是明智的,以及代替第五时钟信号,使用相同但被反相并延迟一比特周期的伪随机图案是明智的。
[0143] 信号发生器43还生成为调制信号更改装置改变调制信号而确定的控制信号41,例如为选择器58在各个时钟信号(例如,第二到第五时钟信号)之间即在时钟信号的不同相位之间进行选择而确定的控制信号41。选择器58在这四个相位间进行顺序地切换,从而使检测器及混频器级200的混频器29的输入节点42顺序地与节点44、45、46和47上的第二到第五时钟信号连接。在这些位置的每一处,选择器58可保持连接达例如约1ms的弛豫周期。
[0144] 缓冲器50驱动光源49,该电源49将它的光51(包括IR分量)发射到场景55上,优选地聚焦在感兴趣的区域上。该光的部分将被反射,由此生成反射光52。反射光52可包括IR分量和彩色光分量。该反射光52随后抵达光学聚焦系统(诸如,透镜56)上,通过该光学聚焦系统,反射光被成像或聚焦在像素31内部的检测器28上,其中入射光部分被称作反射调制光(ML)27并包括IR分量。
[0145] 均源于辅助光源30但并不旨在用于TOF测量的间接光53和直射光54也将在场景中存在,其照射在光学聚焦系统56上并因而聚焦在检测器28上。该光进入检测器28的部分将被称作背景光(BL)26。生成BL的光源30包括白炽灯、TL灯、阳光、日光或存在于从场景中但并非从用于TOF测量的光源49发出的任何其它光。
[0146] 包括IR分量的ML 27和BL 26照射在发光二极管28上,并为IR分量生成ML电流。也感生BL电流,ML和BL电流两者都是对照射BL 26和ML 27的光感生电流响应。检测器28向后续混频装置(例如,混频器29)输出这些电流,以用于将对照射BL 26和ML 27的电流响应与输入节点42上的相移时钟信号混频。如之前已经陈述的,该BL 26可感生BL-电流,与由所接收的用于TOF测量的ML 27感生的ML-电流相比,该BL-电流的幅值高最多达6个数量级。
[0147] 形成检测器及混频器级200的检测器28和混频器29同样也可被实现为单一器件,其中光生电荷被混频以立即生成混频乘积(mixing product)电流。
[0148] 检测器和混频器级200将生成对照射BL 26和ML 27的电流响应与相移时钟信号的混频乘积,并且这些信号是在节点38上通过积分器来积分得到的,积分器为例如用优选保持较小的电容器25来实现(例如周围晶体管的寄生电容)。在积分期间,在积分器节点38上执行混频器输出信号的自动复位。
[0149] 这可例如通过比较器33触发复位开关(例如复位晶体管32)来实现,以使得无论何时节点38上的混频器输出信号达到基准值Vref时,均自动复位该信号,由此避免饱和。
[0150] 在附图中未示出的替换实施例中,可用若干其它方式来实现积分器节点38上的混频器输出信号的自动复位。这些方式中的一种是触发电荷而不是复位开关32,以向电容器25添加固定量的电荷,从而以更多一些的复杂性为代价来产生更好的噪声性能。
[0151] 形成混频器输出的混频乘积可在积分器节点38处以与调制信号更改装置(在该示例中被示为选择器58)同步的顺序形式获得。输出驱动器24(例如,缓冲器)提供了基本上为1的电压增益以及电流放大,从而在输出节点23处提供更强的输出信号。在图59中,表示节点23处的输出信号的示例。曲线62对应于输出节点23处的电压演变对照输出信号的时间。假设平均BL贡献值26和平均ML 27在采集期间为常数。
[0152] 在第一驰豫阶段34,选择器58被连接到节点44。(响应于BL 26和ML 27)来自检测器28的传入信号的混频是与节点44处的第二时钟信号一起完成的,该第二时钟信号是驱动光源49的第一时钟信号的0°相移版本。节点38处的混频器输出将由此用BL分量和0°混频ML输出来确定。下一驰豫阶段35开始于通过选择器58将输入节点42连接到节点45。从那时开始,混频器29被驱动成180°异相。因此,其输出将用同一BL分量和180°混频输出来确定。随后,在后续的驰豫阶段36和37中分别类似地对待90°和270°相位。
[0153] 飞行时间数据重构块39使用输出节点23处的输出信号来例如通过获得样本来测量每一驰豫阶段34、35、36、37(也称为相位间隔)的最终值。
[0154] ToF数据从反射光的IR分量中获得。该数据被分组成TOF对,例如(0°,180°)和(90°,270°)。TOF数据重构块39用于将空像素信号变换成有用的飞行时间输出40。
[0155] 有时包括变换步骤和/或验证步骤。在本发明的各实施例中,该重构模块可以用两个可能的部分构建而成:相对位置存储器60和处理块61,相对位置存储器60在本发明的各实施例中可以是用于IR分量的像素内相对位置存储器60,处理块61在本发明的各实施例中可以是像素外信号处理块61。
[0156] 信号处理块61可以以任何合适的方式被实现在例如像素内、芯片上、微处理器内、DSP内、FPGA内,软件级处,并且甚至可以分布和散布在各个级别上,例如部分在芯片上、部分在FPGA中、且部分在PC上的软件级处,这取决于应用。
[0157] 对于一对TOF对内的信号需要按顺序测量TOF数据。在使用一对以上TOF对时,可使用两个像素31(其在一些情况下甚至部分地共享混频器29、检测器28或两者)来并行测量这些不同的TOF对。在图7所示的实施例中,从信号46和47发出的TOF对可例如在额外的电路中实现,以允许并行采集两个TOF对,并以额外硅区域为代价获得对快速的背景和调制光改变的更多鲁棒性。用于并行采集其他TOF数据的实施例的双重部分和整个部分可能还需要后续的后处理块来补偿可能在不同电路之间存在的失配。
[0158] 以上描述的设备可以在一个单传感器中捕捉色彩图像(RGB)和深度,或距离图形式的Z信息。这样的传感器可以在飞行时间相机中使用。IR深度数据和相关联的色彩图像的组合可用于生成“置信图”。置信图是场景的红外照明图(即,一种灰度图)。
[0159] 因此在根据本发明的各实施例的一个单成像器/传感器中存在3个功能性:
[0160] “置信图”是通过对测量到的相位图(I&Q)全部一起进行积分而计算出的图像,所述相位图用于根据ToF原理来计算深度图。
[0161] 该置信图因此是基本上表示在整个积分阶段由相机调制光源(例如,LED阵列)得到的场景的IR照明的图像。
[0162] 基于检测到的电荷载流子来确定光的色彩和行进距离或者确定深度图、反射率图、置信或照明图可以由确定单元完成。
[0163] 对于每一像素,从那个置信图中提取的IR值可用作深度估计质量的指示符,因为低“灰度级”(即,低IR照明)与(其中噪声为次要影响)的高“灰度级”相比更不可靠(因为有更多噪声)。
[0164] 所描述的传感器架构与针对以上描述的传感器的实施例中的任何一个实施例描述的传感器架构相同,即,色彩和IR检测区域在每一个体单像素内。
[0165] 相机包括:
[0166] -连接到第一组检测元件的色彩计算单元,该色彩计算单元的输出是表达为例如标准RGB值的色彩值(或任何种类的其他色彩坐标系)
[0167] -IR计算单元,该IR计算单元的输出是:
[0168] ○深度测量
[0169] ○场景照明测量(即置信图)该计算单元可以是例如图7的单元61。
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