[發明專利]圖像傳感器的像素和直接飛行時間范圍測量的方法及系統

在審

• 申請號: 201811549265.1
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN110007288A
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 一兵·米歇爾·王
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48;G01S7/481;H04N5/341
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 劉培培;黃隸凡

提供一種圖像傳感器的像素和直接飛行時間范圍測量的方法及系統。將直接飛行時間技術與模擬振幅調制組合于像素陣列中的每一像素內。不使用單光子雪崩二極管或雪崩光電二極管。而是，每一像素具有轉換增益超過400μV/e?且光子探測效率大于45％的光電二極管，所述光電二極管聯合針扎光電二極管一起工作。通過像素本身內的基于模擬域的單端?差分轉換器向所接收的光信號添加飛行時間信息。像素中的光電二極管的輸出用于控制針扎光電二極管的操作。當來自像素中的光電二極管的輸出在預定義時間間隔內被觸發時，從針扎光電二極管的電荷轉移被停止，且因此，飛行時間值及物體的范圍被記錄。此種像素為駕駛員提供改善型自主導航系統。

[相關申請的交叉參考]

本申請主張在2017年12月19日提出申請的美國臨時專利申請第62/607,861號的優先權利，所述美國臨時專利申請的公開內容全文并入本文中供參考。

技術領域

本發明大體來說涉及圖像傳感器。更具體來說而非作為限制，本發明中所公開的發明方面的特定實施例涉及一種飛行時間(Time-of-Flight，TOF)圖像傳感器，其中像素使用具有極高轉換增益的光電二極管(Photo Diode，PD)來控制時間-電荷轉換器(例如針扎光電二極管(Pinned Photo Diode，PPD))的操作以促進對飛行時間值及三維(three-dimensional，3D)物體的范圍進行記錄。

背景技術

三維(3D)成像系統越來越多地用于各種各樣的應用，例如(舉例來說)工業生產、視頻游戲、計算機圖形、機器人外科手術、消費型顯示器、監控視頻、三維建模、房地產銷售、自主導航等。

現有的三維成像技術可例如包括基于飛行時間(TOF)的范圍成像、立體視覺系統及結構光(structured light，SL)方法。

在飛行時間方法中，基于已知的光速來解析距三維物體的距離—通過針對圖像的每一點測量光信號在照相機與三維物體之間行進所花費的往返時間。照相機中的像素的輸出提供關于像素專有飛行時間值的信息，以產生物體的三維深度輪廓。飛行時間照相機可使用無掃描方法來以每一激光脈沖或光脈沖俘獲整個場景。在直接飛行時間成像器中，可使用單個激光脈沖來俘獲空間與時間數據以記錄三維場景。此使得能夠對場景信息進行快速獲取及快速實時處理。飛行時間方法的一些示例性應用可包括高級汽車應用(例如基于實時距離圖像進行自主導航以及主動行人安全或碰撞前探測)、例如在與視頻游戲機上的游戲交互期間跟蹤人類的移動、在工業機器視覺中對物體進行分類并幫助機器人找到物品(例如傳送帶上的物品)，等等。

光探測與測距(Light Detection and Ranging，LiDAR)是直接飛行時間方法的實例，其通過以脈沖式激光來照射目標并以傳感器來測量反射脈沖而測量距目標的距離。然后，可使用激光返回時間之差以及波形來作出目標的數字三維表示。光探測與測距具有地面應用、空運應用及移動應用。光探測與測距通常例如(舉例來說)在考古學、地理學、地質學、森林學等中用于制作高分辨率地圖。光探測與測距也具有汽車應用，例如(舉例來說)，在一些自主汽車中用于控制與導航。

在立體成像系統或立體視覺系統中，使用彼此水平移位的兩個照相機來獲得關于場景或關于場景中的三維物體的兩個不同的視圖。通過對這兩個圖像進行比較，可獲得三維物體的相對深度信息。立體視覺在例如機器人學等領域中是非常重要的，以提取關于自主系統/機器人附近的三維物體的相對位置的信息。機器人學的其他應用包括物體辨識，其中立體深度信息使得機器人系統能夠分離出被遮擋的圖像分量，而機器人原本可能不能將所述被遮擋的圖像分量區分為兩個單獨的物體—例如一個物體在另一物體的前方，局部地或完全地擋住另一物體。三維立體顯示器也用于娛樂系統及自動化系統。