[發(fā)明專利]飛行時間感測單元及飛行時間感測系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410814929.8
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN105319559A
• 公開（公告）日: 2016-02-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫天佳;王睿;代鐵軍
• 申請（專利權(quán)）人: 全視科技有限公司
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08
• 代理公司: 北京律盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11287
• 代理人: 齊楊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像傳感器。特定來說，本發(fā)明的實施例涉及三維圖像傳感器。

背景技術(shù)

對三維(3D)相機的興趣正隨著流行3D應(yīng)用不斷在例如成像、電影、游戲、計算機、用戶接口等應(yīng)用方面的增長而增加。用以創(chuàng)建3D圖像的典型被動方法是使用多個相機來捕獲立體或多個圖像。使用立體圖像，可對圖像中的物體進行三角測量以創(chuàng)建3D圖像。此三角測量技術(shù)的一個缺點是使用小裝置難以創(chuàng)建3D圖像，因為每一相機之間必須存在最小分離距離以便創(chuàng)建三維圖像。另外，此技術(shù)是復(fù)雜的，且因此需要顯著計算機處理能力以便實時地創(chuàng)建3D圖像。

對于需要實時獲取3D圖像的應(yīng)用，有時利用基于光學(xué)飛行時間測量的主動深度成像系統(tǒng)。飛行時間系統(tǒng)通常采用：將光引導(dǎo)到物體處的光源，檢測從物體反射的光的傳感器，及基于光來往于物體行進所花費的往返時間計算到所述物體的距離的處理單元。在典型的飛行時間傳感器中，通常由于從光電檢測區(qū)到感測節(jié)點的高傳送效率而使用光電二極管。

關(guān)于3D圖像的獲取的持續(xù)挑戰(zhàn)是所需處理必須極快地發(fā)生，以便使3D圖像獲取系統(tǒng)解析實時應(yīng)用的例如約為0.1ns的時間差。由于實時應(yīng)用需要如此短的響應(yīng)時間，因此在獲取3D圖像的系統(tǒng)中對噪聲、抖動、時鐘信號、熱等的敏感性隨著所需響應(yīng)時間的減小而越來越具挑戰(zhàn)性。當(dāng)3D圖像獲取系統(tǒng)的傳感器未檢測到從物體反射回的光時，也會呈現(xiàn)進一步挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個方面涉及一種飛行時間像素單元，其包括：光電傳感器，其用以感測從物體反射的光子；以及像素支持電路，其包含：充電控制邏輯，其耦合到所述光電傳感器以檢測所述光電傳感器何時感測到從所述物體反射的所述光子，其中所述充電控制邏輯進一步經(jīng)耦合以接收表示何時從光源向所述物體發(fā)射光脈沖的時序信號；可控電流源，其經(jīng)耦合以響應(yīng)于經(jīng)耦合以從所述充電控制邏輯接收的飛行時間信號而提供充電電流，其中所述飛行時間信號表示所述光脈沖中的每一者從所述光源發(fā)射直到所述光電傳感器感測到從所述物體反射的所述光子中的相應(yīng)一者的飛行時間；電容器，其經(jīng)耦合以響應(yīng)于所述飛行時間信號而從所述可控電流源接收所述充電電流，其中所述電容器上的電壓表示到所述物體的往返距離；以及復(fù)位電路，其經(jīng)耦合以在所述可控電流源響應(yīng)于所述飛行時間信號而將所述電容器充電多個次數(shù)之后使所述電容器上的所述電壓復(fù)位。

本發(fā)明的另一方面涉及一種飛行時間感測系統(tǒng)，其包括：光源，其用以向物體發(fā)射光脈沖，其中所述光脈沖從所述光源發(fā)射的頻率是可調(diào)整的；飛行時間像素陣列，其具有多個飛行時間像素單元，其中所述飛行時間像素單元中的每一者包括：光電傳感器，其用以感測從所述物體反射的光子；充電控制邏輯，其耦合到所述光電傳感器以檢測所述光電傳感器何時感測到從所述物體反射的所述光子，其中所述充電控制邏輯進一步經(jīng)耦合以接收表示何時從所述光源發(fā)射所述光脈沖的時序信號；可控電流源，其經(jīng)耦合以響應(yīng)于經(jīng)耦合以從所述充電控制邏輯接收的飛行時間信號而提供充電電流，其中所述飛行時間信號表示所述光脈沖中的每一者從所述光源發(fā)射直到所述光電傳感器感測到從所述物體反射的所述光子中的相應(yīng)一者的飛行時間；電容器，其經(jīng)耦合以響應(yīng)于所述飛行時間信號而從所述可控電流源接收所述充電電流，其中所述電容器上的電壓表示到所述物體的往返距離；復(fù)位電路，其經(jīng)耦合以在所述可控電流源響應(yīng)于所述飛行時間信號而將所述電容器充電多個次數(shù)之后使所述電容器上的所述電壓復(fù)位；以及控制電路，其耦合到所述光源且耦合到所述飛行時間像素陣列以使所述光脈沖的所述發(fā)射的時序與對從所述物體反射的所述光子的所述感測同步。

本發(fā)明的又一方面涉及一種利用飛行時間確定到物體的往返距離的方法，所述方法包括：以第一頻率從光源向物體發(fā)射光脈沖；響應(yīng)于以所述第一頻率從所述光源發(fā)射的所述光脈沖而將電容器充電；感測從所述物體反射的光子；響應(yīng)于對從物體反射的所述光子的所述感測而中斷將所述電容器充電；在響應(yīng)于以所述第一頻率從所述光源發(fā)射的所述光脈沖而將所述電容器充電多(n)次之后測量所述電容器上的第一電壓；以及響應(yīng)于所述電容器上的所述第一所測量電壓而確定到所述物體的往返距離。

附圖說明

參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實施例，其中在所有各視圖中相似參考編號指代相似部件，除非另有規(guī)定。

圖1是展示根據(jù)本發(fā)明的教示的飛行時間感測系統(tǒng)的一個實例的框圖。

圖2是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的教示的飛行時間像素的一個實例的示意圖。

圖3是展示根據(jù)本發(fā)明的教示在實例飛行時間像素中所發(fā)射光脈沖、由光電傳感器感測的相應(yīng)經(jīng)反射光子及在電容器上積累的對應(yīng)電壓的實例的時序圖。