[發明專利]圖像傳感器中的像素、成像單元、用于測距的系統及方法

有效

• 申請號: 201710706673.2
• 申請日: 2017-08-17
• 公開（公告）號: CN108307180B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 王一兵;李泰淵;伊利亞·奧夫相尼科夫
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社
• 主分類號: H04N13/239
• 分類號: H04N13/239;G01S7/484;G01S7/486;G01S17/08;G01S17/894;G06T7/521
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 劉燦強;陳曉博

提供了圖像傳感器中的像素、成像單元、用于測距的系統及方法。在圖像傳感器中的每個像素內將飛行時間(TOF)技術與模擬振幅調制相結合。像素可為雙抽頭像素或單抽頭像素。像素中的兩個光電子接收器電路接收各自的模擬調制信號。接收的光電子電荷在這兩個電路之間的分布是由兩個模擬調制電壓的差(或比值)控制的。在像素內以此方式生成的差分信號為了TOF測量而在時域中被調制。因此，TOF信息通過像素自身內部的基于模擬域的單端差分轉換器被添加到接收的光信號。基于TOF的距離測量及其分辨率通過改變調制的持續時間是可控制的。具有這些特征的自主導航系統可在諸如低光、霧、惡劣天氣或強環境光的困難的駕駛條件下為駕駛員提供改善的視野。

本申請要求于2016年8月26日提交的第62/380,351號美國臨時申請的優先權以及于2016年11月1日提交的第15/340,972號美國專利申請的優先權，這些申請的公開內容通過引用全部包含于此。

技術領域

本公開總體涉及圖像傳感器。更具體地，并非通過限制，在本公開中公開的發明方面的具體實施例涉及在模擬域中調制飛行時間(Time-of-Flight，TOF)圖像傳感器中的像素的感光光電門，以及使用從每個像素產生的差分輸出的特定比值來計算三維(3D)物體的距離和TOF值。

背景技術

三維(3D)成像系統正在越來越多地用在諸如以工業生產、視頻游戲、計算機圖形學、機器人手術、消費類顯示、監控視頻、3D建模、房地產銷售、自主導航等為例的各種各樣的應用中。

現有的3D成像技術可以包括例如，基于飛行時間(TOF)的測距成像、立體視覺系統和結構光(SL)方法。

在TOF方法中，基于已知的光速—通過測量光信號針對圖像的每個點在照相機和3D物體之間行進所需的往返時間，來求解至3D物體的距離。照相機中像素的輸出提供關于像素特定(pixel-specific)TOF值的信息以生成物體的3D深度剖面。TOF照相機可使用無掃描方法以利用每束激光或光脈沖來捕獲整個場景。在直接TOF成像器中，單個激光脈沖可用于捕獲時間和空間數據以記錄3D場景。這樣允許場景信息的快速獲取和快速實時處理。TOF方法的一些示例應用可包括：諸如自主導航以及基于實時的距離圖像的活動行人安全或預碰撞檢測的先進的汽車應用、追蹤人的諸如在視頻游戲機上與游戲交互期間的移動、在工業機器視覺中對物體進行分類并幫助機器人發現物品(諸如在傳送帶上的物品)等。

在立體成像或立體視覺系統中，彼此水平移位(displaced)的兩個照相機用于獲得對場景或場景中的3D物體的兩個不同的視圖。通過比較這兩個圖像，可以獲得針對3D物體的相對深度信息。立體視覺在諸如機器人學的領域中十分重要，以在自主系統/機器人的附近提取關于3D物體的相對位置的信息。機器人學的其他應用包括物體識別，其中，立體深度信息允許機器人系統分開擋住(occluding)圖像部分，否則在諸如一個物體位于另一個物體前面把另一個物體部分地或全部地隱藏起來時，機器人可能無法將它們區分為兩個單獨的物體。3D立體顯示器也用于娛樂和自動化系統中。

在SL方法中，可利用投射的光圖案和用于成像的照相機來測量物體的3D形狀。在SL方法中，將已知的光的圖案(通常為網格或水平條或平行條紋的圖案)投射到場景或場景中的3D物體上。投射的圖案可以在照到3D物體的表面時而變形或移位。這樣的變形可允許SL視覺系統計算物體的深度和表面信息。因此，向3D表面投射窄帶光可產生照明線，所述照明線從除了投射器的視角以外的其他視角可能出現失真，并且向3D表面投射窄帶光可以用于被照明的表面形狀的幾何重建?；赟L的3D成像可用于諸如以由警察機關以3D場景拍照指紋、在生產工藝期間組件的聯機檢查、以及在衛生保健用于人體體型或人體皮膚的微觀結構的現場測量等為例的各種應用中。

發明內容