專利名稱：具有分隔像素和存儲陣列的解調(diào)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有分隔像素和存儲陣列的解調(diào)傳感器。本申請要求2010年I月6日提交的61/292588臨時專利申請根據(jù)美國35USC119 (e)的權(quán)益，其全文通過引用并入本文中。
背景技術(shù)：
電子成像傳感器通常具有m X n感光像素陣列，其行X〉= I且列y>=l。陣列的每一個像素可由專用的讀出電路獨立尋址，對應(yīng)于以列為順序方向和以行為順序進(jìn)行選中?？蛇x地在傳感器上集成用于信號后期處理的單元。一般地該像素有四個基本功能光的檢測、信號處理、信息存儲，以及模擬或數(shù)字轉(zhuǎn)換。這些功能中的每一個耗費芯片上的某一區(qū)域。 一種特殊群體的智能像素，被稱作解調(diào)像素，因其三維(3D)成像的目的而被熟知。這種解調(diào)像素的其他應(yīng)用包括熒光壽命期成像(FLIM)。典型地，這些解調(diào)成像傳感器的像素通過同步抽樣或與信號互相關(guān)聯(lián)來解調(diào)入射光信號。因此，更準(zhǔn)確地說該信號處理功能是被一取樣器或一相關(guān)器代替。所述取樣或相關(guān)過程的輸出是對應(yīng)每個像素的數(shù)量為n的不同的電荷包或樣值(A0、Al、A3...)。從而，信息存儲需要使用到n個存儲位置。在模擬領(lǐng)域，典型的像素輸出是由標(biāo)準(zhǔn)源跟隨器放大來完成的。然而，模-數(shù)轉(zhuǎn)換器也可以在像素-級上集成。解調(diào)傳感器的成像質(zhì)量定義為每一像素的測量不確定度。與標(biāo)準(zhǔn)二維(2D)成像傳感器類似，更大數(shù)目的信號載體將改善信號-噪聲比由此改善成像質(zhì)量。對于三維成像傳感器，更多的信號載體代表更低的距離不確定度。通常，距離測度標(biāo)準(zhǔn)偏差表示為信號A或該信號的平方根之一的反比，視乎光量子散粒噪聲是否占優(yōu)勢而定。a oc 4
\ A如果光量子散粒噪聲是占優(yōu)勢的；era -如果其他噪聲源占優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
一個對于所有用于解調(diào)傳感器的解調(diào)像素的共同問題(例如對于TOF成像或FLIM，或其他方面的)，在試圖縮小像素大小以實現(xiàn)更高像素點數(shù)時出現(xiàn)。由于所述存儲結(jié)點要求占用像素中的某一區(qū)域，以求保持足夠的存儲容量和由此的成像質(zhì)量，像素的占空系數(shù)會受與移動到這些更大陣列中相關(guān)的縮小過程的影響。因此，在為獲得一定成像質(zhì)量而需要的存儲區(qū)和以占空系數(shù)的參數(shù)來表示的像素的感光度之間存在一平衡。在能達(dá)到的最低成像質(zhì)量的情況下，像素的最小尺寸由總存儲區(qū)的最小尺寸給定。在三維成像中，典型地有數(shù)以十萬到幾百萬的電荷載體(即電子)需要被儲存以獲得厘米與下至毫米級別的分辨率。這樣的性能需求，首先其意思是存儲結(jié)點一般地覆蓋像素中數(shù)百平方微米的區(qū)域，隨后，若沒有距離分辯率和準(zhǔn)確度方面的妥協(xié)，10微米或更小的像素間距變得幾乎不可能。如果額外的后期處理邏輯將集成到每一像素上，上述的平衡問題變得更關(guān)鍵。這樣的后期處理可以包括，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換、共用信號相減的邏輯、積分器和微分器等列舉的一些例子。解調(diào)像素的另一個難題是，清楚地衍生碰撞電磁波的特征所需要的采樣值數(shù)目。使用一正弦調(diào)制載波信號，該波的特征是其振幅A、偏移B和相位P。因此，在這種情況下，每一周期至少要獲得三個采樣值。然而，為了設(shè)計和穩(wěn)定性的理由，最常用的系統(tǒng)使用四個采樣值。要實現(xiàn)能夠捕獲和儲存n=4的采樣值的一像素，通常需要每一像素的電子增加4倍，如存儲和讀出電子。結(jié)果是進(jìn)一步增加每一像素的電子和進(jìn)一步減少占空系數(shù)。為了避免這種靈敏度損失，最常用的方法是使用所謂的2-拍像素，其是解調(diào)像素，能夠在同一周期內(nèi)采樣和存儲兩個采樣值。這類像素結(jié)構(gòu)在靈敏度方面是理想的，因 為所有的光電子被轉(zhuǎn)換為信號而沒有光被浪費，但是另一方面，其要求至少兩個后續(xù)的測量以獲得四個采樣值。由于采樣失配及其他非理想化狀況，甚至需要四次成像來抵消或至少減少像素失配。這樣的一種方法已經(jīng)在美國專利7462808中由Lustenberger、Oggier>Becker和Lamesch介紹，標(biāo)題是用于在相位測量系統(tǒng)中冗余距離測度和失配抵消的方法與裝置，其全文以參考的方式結(jié)合到本文中。拍攝若干圖像并合成出一個深度圖像時，場景中的運動或一移動的照相機將在測量的深度圖中渲染出偽像。期間內(nèi)有越多不同的采樣值不相連，運動偽像就會越嚴(yán)重。本發(fā)明要解決的問題是，縮小像素尺寸，通過把存儲結(jié)點做的更小，不顯著地減低像素的占空系數(shù)且不危及成像質(zhì)量。該解決方案還提供了幾乎任意的任何額外的后期處理電路的集成的可能性，所述電路獨立地用于每個像素的信號。此外，其可以把飛行時間(TOF)相機的運動偽像減到最低。大體來說，根據(jù)其中一個方面，本發(fā)明具有一種解調(diào)傳感器，包括一像素陣列，所述像素陣列包括每個生成至少兩個采樣值的像素，以及一存儲或Proxel陣列，其包括處理和/或存儲元件，每一存儲元件從所述像素中對應(yīng)的其中一個接收至少兩個采樣值。在實施例中，所述像素包括感光區(qū)域，入射光在所述感光區(qū)域中產(chǎn)生電荷載體，所述像素還包括把所述電荷載體在多個存儲位置之間轉(zhuǎn)移的解調(diào)器/相關(guān)器。優(yōu)選地，設(shè)置有一轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)移系統(tǒng)把由所述像素產(chǎn)生的采樣值轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的存儲元件。例如，所述轉(zhuǎn)移系統(tǒng)對采樣值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述采樣值由所述存儲元件接收。在某些情況下，所述存儲元件監(jiān)視對應(yīng)飽和接收采樣值的存儲結(jié)點。還可以設(shè)置不同尺寸的存儲結(jié)點，其接收所述采樣值。失配抵消還可以跟隨后期處理一起執(zhí)行，以確定深度信息。大體上，根據(jù)另一方面，本發(fā)明具有一種飛行時間照相機系統(tǒng)，包括一產(chǎn)生調(diào)制光的光源和一解調(diào)傳感器。所述傳感器包含一像素陣列，所述像素陣列包括每個生成至少兩個所述調(diào)制光采樣值的像素，以及一存儲陣列，其包括存儲元件。每一存儲元件從所述像素中對應(yīng)的其中一個接收至少兩個采樣值。
大體來說，根據(jù)另一方面，本發(fā)明具有一種解調(diào)方法，包括檢測在一像素陣列中的調(diào)制光，所述像素陣列包括每個生成所述調(diào)制光的至少兩個采樣值的像素，把所述的至少兩個采樣值從每一像素轉(zhuǎn)移到一存儲陣列，以及在存儲陣列的存儲元件中接收來自所述像素中對應(yīng)的其中一個像素的至少兩個采樣值。上述及其他本發(fā)明的特征，包括各種不同的新穎結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)和部件的組合，及其他優(yōu)點，將參照附圖進(jìn)行更具體的描述，并在權(quán)利要求中指出。應(yīng)理解，把本發(fā)明具體化的獨特方法和裝置以示例的方式展示，其并不作為對發(fā)明的限制。本發(fā)明的原理和特征可由不超出本發(fā)明范圍的各種和多個實施例所采用。


在附圖中，附圖標(biāo)記指代不同視圖的同一部件。附圖不進(jìn)行不必要的按比例縮放；取而代之的是其重點在于說明本發(fā)明的原理。

如下圖I所示為一電子成像傳感器的原理圖，其包括一感光的像素陣列和一分隔的存儲或Proxel陣列，所述分隔的存儲或Proxel陣列提供附加處理功能，以及對每一個像素的 最后的存儲和讀出的能力；圖2所示為飛行時間照相機的基本原理；圖3為一方框圖，其顯示了一般的解調(diào)像素的功能；圖4為一方框圖，其顯示了一般的Proxel的功能；圖5為一原理圖，其顯示了具有一個像素矩陣和兩個Proxel陣列的一電子成像傳感器，用于縮短把信息從所述像素移轉(zhuǎn)到所述Proxel所需的時間。圖6為一電路圖，其顯示了 Proxel用于在模擬領(lǐng)域中的電荷儲存；圖7為一電路圖，其所示為帶有積分時間控制特征的Proxel ；圖8為一電路圖，其所示為帶有不同輸出靈敏度的Proxel ；圖9為一電路圖，其所示為帶有直流信號抑制電路的Proxel ；圖10為一電路圖，其所示為具有增加對每一解調(diào)像素的采樣數(shù)目的能力的Proxel ；圖11為圖10的Proxel的時序圖；圖12為一電路圖，其所示為帶有失配補償能力的Proxel ；圖13為圖12的Proxel的時序圖；圖14所示為一原理圖，其顯示了包括一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的像素-Proxel連接；圖15所示為根據(jù)最新型的具有2-拍像素的2-拍解調(diào)的3D圖象獲取的時序，該2-拍像素并沒有敘用本發(fā)明；圖16所示為，根據(jù)帶有分隔的像素和Proxel陣列的新手段的圖15的對應(yīng)時序圖；圖17所示為帶有可變曝光時間的Proxel的2-拍像素的時序圖。
具體實施例方式圖I所示為已根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的解調(diào)傳感器100。圖示的結(jié)構(gòu)析取元件，其一般地集成到像素內(nèi)而無須用于光檢測，這種從像素中物理分隔的基本上用于存儲和偶爾的處理的元件，被稱為存儲元件或Proxel。從而，所述傳感器包含由xXy個象素組成的象素陣列110,以及由xXy個存儲元件或Proxel310組成的存儲或Proxel陣列150，所述存儲或Proxel陣列150用于進(jìn)一步處理、存儲信息和讀出。通常X和y大于100，且優(yōu)選地大于200。在一些例子中x、y大于1000。所述兩個陣列是彼此物理分隔的，優(yōu)選地為在芯片上彼此不物理重疊的分離陣列。多功能優(yōu)選地在Proxel陣列150內(nèi)處理。從而，傳感器100包含像素陣列110和一 Proxel陣列150,優(yōu)選地每一個Proxel310連接到一個具體的像素210并與其相關(guān)。值得提及一下，Proxel陣列150不必為連續(xù)的陣列。舉例，Proxel陣列150可分成兩個、三個或四個圍繞像素陣列110的矩陣。像素210到PrOXe1310的數(shù)據(jù)傳送由像素讀出解碼器182控制，并通過轉(zhuǎn)移或連接系統(tǒng)180系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。像素讀出解碼器182選中像素210并建立連接180以連接到與其對應(yīng)的ProXel310。優(yōu)選地，對像素域110的讀出是以行為順序的。因此，所述讀出解碼器選中像素域110中的至少一行,然后把該行連接到Proxel域150中對應(yīng)的Proxe ls310的行。在那種情況下，轉(zhuǎn)移或連接系統(tǒng)180的連接線路由一列中的所有像素共用。為了進(jìn)一步加快像素的讀出，也可以對多行進(jìn)行選中和轉(zhuǎn)移。在傳感器100中另外還包括Proxel讀出解碼器186，其用于控制Proxel的讀出。可選地設(shè)置有一信號后期處理單元184，例如，根據(jù)所獲取的采樣值數(shù)量n，其用于模數(shù)轉(zhuǎn)換和/或計算相位/深度信息。在一些實施例中，像素陣列110和Proxel陣列150之間的轉(zhuǎn)移或連接系統(tǒng)180包含模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，由此在所述Proxel陣列，信息的送達(dá)和處理是數(shù)字的。圖2所示為使用了有創(chuàng)造性的傳感器100的3DT0F照相機的典型應(yīng)用。更詳細(xì)地說，帶有一合適的反射體或投射鏡片512的光源或光發(fā)射體510，自照相機的范圍R，產(chǎn)生指向3-D場景516的調(diào)制光514。自場景516的反射光518由物鏡系統(tǒng)520收集且盡可能地進(jìn)行帶通濾波，以使僅由光發(fā)射體510發(fā)出的波長的光被傳送。在TOF傳感器100的像素陣列110上生成一圖像?？刂茊卧?22協(xié)調(diào)光發(fā)射體510的調(diào)節(jié)與TOF檢測器芯片100的采樣。如此導(dǎo)致同步解調(diào)。亦即，在像素陣列110中的每一個像素210所產(chǎn)生的采樣值，與光發(fā)射體510的調(diào)節(jié)同步，儲存在存儲或Proxel陣列150中的像素和/或PrOXe1310的存儲勺斗或存儲位置上。調(diào)制信號的種類不局限于正弦，具有相似性即可，正弦波調(diào)制只用于示例。所述信息或采樣值被轉(zhuǎn)移到存儲或Proxel陣列150，然后由控制單元522讀出，其使用由芯片100產(chǎn)生的采樣值重建3-D圖像表示，以生成對應(yīng)于所述芯片100每一像素的場景的一范圍r。在正弦波調(diào)制的情況下，使用n=4的，由每一個像素/Proxel產(chǎn)生的采樣值A(chǔ)0、A1、A2、A3，調(diào)制信號的三個決定性的調(diào)制參數(shù)，振幅A、偏移和相移P由以下方程式析取A=sqrt [ (A3-A1) '2+ (A2-A1) ~2]/2B=[A0+Al+A2+A3]/4P=arctan [ (A3-A1)/ (A0-A2)]由于傳感器100的每一個像素210能夠同時解調(diào)光信號，控制器單元522可以實時遞送3D圖像，那就是說，高至30赫茲(Hz)的幀頻，或甚至更多，是可能的。連續(xù)的正弦調(diào)節(jié)帶來發(fā)射信號和接受信號之間的相延遲(P)，其直接地對應(yīng)于間距R
R= (P*c)/ (4*pi*fmod),其中fmod為光信號514的調(diào)制頻率。典型的現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)制頻率為從幾MHz到幾百MHz或甚至上千兆赫的范圍。圖3所示為帶有其不同的功能塊的解調(diào)像素210。入射光轉(zhuǎn)換為在像素210的感光區(qū)域212的電荷載體。具有代表性地在感光區(qū)域212內(nèi)設(shè)置有一橫向電漂移場，用以把電荷載體移送到解調(diào)器/相關(guān)器218，解調(diào)器/相關(guān)器218把光生電荷以交變的形式轉(zhuǎn)移到n個不同的存儲位置220A、220B至220N。向不同的存儲位置220A、220B至220N的轉(zhuǎn)移一般地與光源510的調(diào)節(jié)同步執(zhí)行。在讀出存儲位置220的n個采樣值之前，許多解調(diào)像素包含用于共模抑制的例如像素內(nèi)處理222。在其最簡單的形態(tài)，解調(diào)像素210只包含感光區(qū)212、相關(guān)器/解調(diào)器218、存儲位置220和讀出224。如美國專利號7498621B2所描述，傳感212和解調(diào)218可以使用動態(tài)橫向漂移場 來處理，或以美國專利號2008/0239466A1所描述的靜態(tài)橫向漂移場來處理，該兩篇專利均以全文結(jié)合到本文中。多種基于以下文獻(xiàn)的靜態(tài)橫向漂移場理論的方法得到公開B. Buttgen,F. Lustenberger和P. Seitz 的Demodulation Pixel Based on Static Drift Fields,IEEETransactions on Electron Devices,53 (11) :2741-2747,2006 年 11 月；CedricTubert等人的 High Speed Dual Port Pinned-photodiode for Time-Of-Flight Imaging,International Image Sensor Workshop Bergen, 2009 年；以及D. Durini、A. Spickermann、R. Mahdi> ff. Brockherde> H. Vogt、A. Grabmaier 和 B. Hosticka 的 “Lateral drift-fieldphotodiode for low noise, high-speed, large photoactive-area CMOS imagingapplications，，，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010 年。其他的方法沒有感光區(qū)域212和物理分隔的解調(diào)218，比如通過轉(zhuǎn)換多數(shù)載流電流的光檢測輔助，請看 M. Kui jk, D. van Niewenhove, “Detector for electromagnetic radiationassisted by majority current”, 2003年,EP1513202A1,或者基于觸發(fā)大的轉(zhuǎn)移門電路的方法,請看U. S. 5856667,US6825455和US2002/0084430A1。所有那些傳感/解調(diào)方法都可以在本文實施。圖4所示為存儲元件或Proxel310的功能。另外的一處理單元312提供了對從關(guān)聯(lián)像素的信號的進(jìn)一步處理，一信息存儲器314存儲所產(chǎn)生的信息，以及一數(shù)據(jù)讀出單元316使信息能夠被讀出。不讀出像素矩陣110，取而代之的是讀出Proxel陣列150。使用現(xiàn)有技術(shù)的解調(diào)傳感器可以提供許多優(yōu)點。例如，像素尺寸可減少，而無須放棄每一單個像素的占空系數(shù)以及數(shù)據(jù)質(zhì)量。其也可以為更多施加于像素輸出的工藝步驟的集成提供較高的柔性。這些包括動態(tài)范圍的提高、以像素為順序的積分時間控制、若干存儲電容提供電荷溢值能力、通過電容轉(zhuǎn)換進(jìn)行本底抑制、當(dāng)解調(diào)像素使用時增加采樣點的數(shù)目；以及從一個積分周期到另一個積分周期的在Proxel中恰當(dāng)?shù)碾娙萸袚Q，以除去像素內(nèi)的失配問題。圖5所示為，具有由像素210組成的像素陣列110的傳感器，以及對分的Proxel陣列，其包括由Proxel310組成的第一 Proxel陣列150A和第二 Proxel陣列150B。通過把一半的Proxel陣列(150B)置于頂部和把另一半(150A)放置在像素陣列110的下面，從像素210到Proxel310的信號轉(zhuǎn)移由此數(shù)據(jù)流的平行化而得到加速。此外，對分的Proxel陣列減少了在設(shè)計時的空間限制。同樣地，信號后期處理分成，用于第一 Proxel陣列150A的第一信號后期處理單元184A,以及用于第二 Proxel陣列150B的第二信號后期處理單元184B。類似地設(shè)置有兩個Proxel 讀出解碼器 186A、186B。在下文中公開了更多的Proxel設(shè)計。每一像素內(nèi)的那些功能的集成，只能通過從像素陣列中排除那些特定的處理步驟來間接地成為可能。所舉例子顯示了像素210和Proxel310之間的兩個連接，以便指出集成到Proxel陣列中的功能。另外，可以很容易地對不同的例子進(jìn)行組合。圖6所示為電荷儲存元件從感光像素陣列的分離。更詳細(xì)地，像素210有一任意數(shù)量的輸出線到轉(zhuǎn)移或連接系統(tǒng)180中。在圖示的例子中，像素輸出的數(shù)目是2，n=2，但在 其他實施例中，n=4或更多。Proxel提供同樣數(shù)目的存儲結(jié)點314A、314B (用電容表示)。緩沖元件或讀出放大器316A、316B使儲存在存儲結(jié)點314A、314B的模擬量，在其被一叫做Proxel讀出(Proxel readout)的選擇信號激活時,可以讀出，所述Proxel readout信號由Proxel讀出解碼器186控制。輸出連接線路180中的切換開關(guān)318A、318B，把像素210和Proxel310的兩方元件連接到一起，實現(xiàn)了從像素210到Proxel310的信息(電荷)轉(zhuǎn)移。這些切換開關(guān)由叫做像素讀出(Pixelreadout)的信號激活,所述Pixel readout信號由像素讀出解碼器182控制。圖7所示的實施例中，在Proxel310上能夠使用自動積分控制。隨后的子圖像經(jīng)由轉(zhuǎn)移或連接系統(tǒng)180獲取并從像素210轉(zhuǎn)移到PrOxel310。對應(yīng)子圖像的像素210信息被儲存并集成在Proxel310中的電容314A、314B上。如果他們的電壓跨越一基準(zhǔn)電壓，例如飽和指示閾值，通過控制切換開關(guān)322A、322B，比較器320使所有隨后的信息傳輸過程無效。對于解調(diào)像素210，在需要儲存若干采樣值的情況下，對單個采樣值的飽和進(jìn)行反饋，以優(yōu)選地打開切換開關(guān)322，其用于隨后的子圖像采集的PrOXe1310中的所有采樣值。圖8所示的例子中，Proxel310能夠操作在更高的動態(tài)范圍。光生電荷經(jīng)由轉(zhuǎn)移連接系統(tǒng)180，從像素210轉(zhuǎn)移到Proxel310的每一個像素輸出的第一電容326A、326B上。如果電壓達(dá)到一基準(zhǔn)電壓Vr2，則電荷流動到中間電容328A、328B。如果所述電壓超過Vrl，那么電荷流動到大電容330A、330B，其中Vrl〈Vr2。從而在該結(jié)構(gòu)中，低信號集成到能提供高靈敏度的小電容上。大的或強信號集成到大電容上，意味著較低的輸出靈敏度及提高了的動態(tài)范圍，所述提高了的動態(tài)范圍使傳感器能夠在高背景光水平的環(huán)境中操作，比如戶外的、日間操作。圖9所示的實施例中，PrOxel310具有直流電(DC)抑制能力。一般地解調(diào)像素提供一定數(shù)目的采樣輸出，并且經(jīng)常地那些采樣值之間的區(qū)別是需要的。通過在模擬域減去采樣值，對信息提取無用的但卻會招致過早飽和的直流分量可以被抑制。PrOxel310所示為，施加在兩個像素輸出上的DC抑制電路。如果有需要減去更多的像素輸出，那些電路中的一些可以集成到Proxel中。通過恰當(dāng)?shù)那袚Q定時，集成在隨后子圖像上的通道之間的直流分量可以減去并收集到電容314上。一微分輸出332用于在讀出期間作緩沖。
解調(diào)像素的采樣值輸出一般地稱為拍。因此，一個2拍解調(diào)像素提供n=2的采樣值輸出。在該像素用于例如對正弦的光強-調(diào)制光波在0°、90°、180°及270°的等距步驟進(jìn)行四次采樣的情況下，需要執(zhí)行隨后的兩個測量。第一測量輸出在例如0°及180°的采樣值而第二積分周期給出在90°及270°相位的采樣值。然而，如果一 4拍像素結(jié)構(gòu)可用，所有n=4的采樣值可在一個采集周期內(nèi)獲得。該Proxel近似法使2拍像素結(jié)構(gòu)能夠用于在一個單一的采集周期內(nèi)獲得所有4個采樣值。Proxe1310用來把采樣值從n=2增加到n=4。一般地該原理可以延至任意的拍數(shù)目的像素結(jié)構(gòu)，以及延至任意增加數(shù)目的Proxel 結(jié)構(gòu)。圖10所示為把2拍像素結(jié)構(gòu)變換到4拍Proxel結(jié)構(gòu)的特例。切換開關(guān)344及348在第一相位的操作期間閉合。在轉(zhuǎn)移或連接系統(tǒng)180的輸出線上的來自像素210的電荷，通過切換開關(guān)344及348的閉合，在0/180°信息的收集期間被轉(zhuǎn)移到電荷儲存位置336、340。在下一個相位期間，在輸出線180上的來自像素210的電荷，通過切換開關(guān)346及350 的閉合，在90/270°信息的收集期間被轉(zhuǎn)移到電荷儲存位置338、342。圖11為對應(yīng)圖10的時序圖。對于每一積分過程，采樣過程在0/180°和90/270°相位的采集之間切換。0/180 激活(0/180activated)和 90/270 激活(90/270activated)的數(shù)字信號決定了當(dāng)前獲得哪些采樣值，分別是0°和180°或90°和270°的兩者之一。依據(jù)這種切換方案，該像素的兩個輸出值被轉(zhuǎn)移到Proxel310內(nèi)對應(yīng)的積分段336、340或338,342 上。Proxel310 中的切換開關(guān) 344、346、348、350 由 0/180 激活(0/180activated)和 90/270 激活(90/270activated)信號控制。根據(jù)采樣值代表的具體相位值，該像素的四個輸出用Out O、Out 90、Out 180和Out 270 表示。圖12所示為一 Proxel電路，其可用于補償模擬路徑之間的像素失配。參照在轉(zhuǎn)移或連接系統(tǒng)180中具有兩個輸出的解調(diào)像素210的例子，通過切換開關(guān)356及360的閉合及其后通過切換開關(guān)358及362的閉合，該像素輸出交替地連接到Proxel310中的兩個積分元件或存儲結(jié)點352、354。該交替是在一個完整采集周期內(nèi)的連續(xù)的積分過程之間執(zhí)行。至少兩個，但優(yōu)選地在一個完整采集周期內(nèi)獲得許多連續(xù)的圖像。圖13中，更詳細(xì)地展示了對應(yīng)連續(xù)的積分過程的像素-Proxel連接的變換的時序圖。Mismatch_comp和not_mismatch_comp信號分別控制對應(yīng)的切換開關(guān)358/362和356/360，其實現(xiàn)了像素的輸出180和Proxel的積分結(jié)點352、354之間的連接。該像素操作需要相應(yīng)地交替，以便物理輸出路徑分別根據(jù)mismatch_comp和not_mismatch_comp信號而改變，但邏輯采樣值總是連接到Proxel內(nèi)同樣的積分元件。圖14所示為，像素至Proxel的轉(zhuǎn)移或連接系統(tǒng)180把信息轉(zhuǎn)換到數(shù)字域內(nèi)。因此，現(xiàn)在Proxel310處理數(shù)字量。圖14的圖例顯示了每一輸出線有一個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。根據(jù)規(guī)格，可以想象得到其他的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)定，比如多路傳輸、串行化、流水線或聯(lián)合。至數(shù)字域的轉(zhuǎn)換，為在PrOxel310中進(jìn)行不同的方式的數(shù)據(jù)處理敞開了許多可能性。上述的處理作業(yè)流程比如積分、失配抵消、增加采樣值數(shù)目、減去本底或改變靈敏度，現(xiàn)在可以在Pi~OXe1310內(nèi)以數(shù)字方式執(zhí)行。此外，對若干Proxel的數(shù)字劃分成為可能。在解調(diào)像素用于三維成像的情況下，Proxel甚至可以在其后期處理中執(zhí)行滿相/間距計算以及校準(zhǔn)，比如參考測量的消減。一種合適的對采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換，更詳細(xì)地在標(biāo)題為像素輸出的片上定時數(shù)字轉(zhuǎn)換(On-chip time-based digital conversion of pixel outputs),由Oggier、Lehmann、Buettgen申請的美國專利(申請?zhí)朥S2009/0021617A1)中說明，其全文以參考的方式結(jié)合到本文中。圖15所示為一典型的2拍解調(diào)像素210的時序圖。在進(jìn)行失配抵消近似時，可以獲得四個圖像。在第一次采集，輸出I提供了在0°的采樣值而輸出2俘獲在180°的采樣值。然后，數(shù)據(jù)進(jìn)行芯片外傳送和芯片外儲存。第二次采集在90°和270°處進(jìn)行俘獲。為了消除采樣和通路失配，第三次采集僅僅相對于第一次倒置采樣。輸出I在180°處遞送而輸出2在0°處俘獲。在最后的第四個圖像，輸出I包含了在270°處得到的采樣值而輸出2的是90°處的。兩個通道的所有四個圖像均在芯片外轉(zhuǎn)移，然后用于計算相位、振幅和偏移。圖16為傳感器100操作的時序圖，該操作提供了在2拍像素結(jié)構(gòu)上同樣的失配抵消方法。采樣值的不同積分短得多，且采樣值的不同積分在整個圖象獲取期間能更好的混 合。Proxel允許在芯片上的中間存儲。這樣允許更快的讀出，并為此不同的采樣值可以彼此更接近地被俘獲以減少運動偽像。圖17為傳感器100為提高動態(tài)范圍的操作的時序圖。子積分有不同的曝光時間。對應(yīng)每一像素210，每一 Proxel310對連續(xù)采樣值的品質(zhì)進(jìn)行評定。通常，要校驗飽和和信噪比。如果品質(zhì)良好，連續(xù)采集而俘獲的采樣值被積分到Proxel中。該具體例子再一次展示了具有失配抵消的2拍像素傳感器的積分與輸出的時機。這樣的時機可以結(jié)合圖14的數(shù)字轉(zhuǎn)換和Proxel來采用，并且可與所有其他上述的Proxel實施例結(jié)合使用?？偫ǖ卣f，本發(fā)明示范了一種用于圖像傳感器設(shè)計的新穎構(gòu)思，其允許像素尺寸縮小而無須放棄像素的信號存儲性能。其理念是基于，只保持像素內(nèi)絕對必要的存儲結(jié)點，其確保中間信號的存儲，并進(jìn)一步從像素域中提取最后的存儲結(jié)點到一存儲元件的芯片陣列上。此外，對元件的外部陣列的創(chuàng)建，其中每一元件與一具體的像素有聯(lián)系，帶來新的功能性。模擬和數(shù)字處理電路現(xiàn)在可以非常靈活的形式集成到傳感器級上，而根本不會影響像素的感光度。在每一像素上集成下一步工藝步驟的柔性是有利的，稱為解調(diào)像素。在無須調(diào)整像素結(jié)構(gòu)的情況下，可以輕易地實現(xiàn)不同的構(gòu)思例如像多點采樣或像素內(nèi)失配補償。本發(fā)明已經(jīng)具體地以參考方式顯示和描述了其中的優(yōu)選實施例，在不違背本發(fā)明的權(quán)利要求范圍下，本技術(shù)領(lǐng)域人員可以推斷其各種形式上和細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種解調(diào)傳感器，包括 一像素陣列，其包括像素，其中每一像素能生成至少兩個采樣值；以及一存儲陣列，其包括存儲元件，每一存儲元件從對應(yīng)的其中一個所述像素中接收所述的至少兩個采樣值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的解調(diào)傳感器，其中所述像素包括 感光區(qū)域，入射光在所述感光區(qū)域中產(chǎn)生電荷載體，以及 解調(diào)器/相關(guān)器，其在多個存儲位置之間轉(zhuǎn)移所述電荷載體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的解調(diào)傳感器，其中所述存儲元件包括存儲位置，其用于累積由對應(yīng)的像素產(chǎn)生的采樣值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的解調(diào)傳感器，進(jìn)一步包括一轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，其把由所述像素產(chǎn)生的采樣值轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的存儲元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的解調(diào)傳感器，其中所述轉(zhuǎn)移系統(tǒng)對由所述存儲元件接收的采樣值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的解調(diào)傳感器，其中所述存儲元件監(jiān)視接收采樣值的存儲結(jié)點的飽和度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的解調(diào)傳感器，其中所述存儲元件包括不同尺寸的接收采樣值的存儲結(jié)點。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的解調(diào)傳感器，其中所述存儲元件交替地把所述兩個采樣值存儲到不同的存儲結(jié)點，以實行失配抵消。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的解調(diào)傳感器，進(jìn)一步包括一用于確定深度信息的后期處理單J Li o
10.一種飛行時間照相機系統(tǒng)，包括 一光源，其產(chǎn)生調(diào)制光；以及 一解調(diào)傳感器，其包括一象素陣列，所述像素陣列包括像素，其中每一像素生成所述調(diào)制光的至少兩個采樣值，以及一存儲陣列，所述存儲陣列包括存儲元件，每一存儲元件從對應(yīng)的其中一個所述像素中接收所述的至少兩個采樣值。
11.一種解調(diào)方法，包括 在一像素陣列中檢測調(diào)制光，所述像素陣列包括像素，其中每一像素生成所述調(diào)制光的至少兩個采樣值； 把所述的至少兩個采樣值從每一像素轉(zhuǎn)移到一存儲陣列；以及 在所述存儲陣列的存儲元件中，從所述像素中對應(yīng)的其中一個接收所述的至少兩個采樣值。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的解調(diào)方法，其中所述像素包括 感光區(qū)域，調(diào)制光在所述感光區(qū)域中產(chǎn)生電荷載體，以及 解調(diào)器/相關(guān)器，其在多個存儲位置之間轉(zhuǎn)移所述電荷載體。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的解調(diào)方法，進(jìn)一步包括對由所述存儲元件接收的采樣值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的解調(diào)方法，進(jìn)一步包括監(jiān)視接收采樣值的存儲結(jié)點的飽和度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的解調(diào)方法，進(jìn)一步包括實行失配抵消。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的解調(diào)方法，進(jìn)一步包括用于確定深度信息的后期處理。
17.—種飛行時間的方法,包括 生成調(diào)制光； 在一像素陣列中生成所述調(diào)制光的至少兩個采樣值；以及 把所述采樣值轉(zhuǎn)移到一存儲陣列，所述存儲陣列包括存儲元件，每一存儲元件從所述像素陣列的對應(yīng)的其中一個所述像素中接收至少兩個采樣值。
全文摘要
一種解調(diào)成像傳感器，比如用于飛行時間(TOF)照相機，把所有存儲和進(jìn)行后期處理有關(guān)的步驟，從像素抽取到另一存儲陣列及在芯片上的處理元件(Proxels)。像素陣列負(fù)責(zé)光檢測、第一處理和中間存儲的任務(wù)，而存儲陣列和處理元件單獨地為每一像素提供進(jìn)一步的處理和加強儲存能力。該結(jié)構(gòu)可用于解決因像素尺寸的縮小而引起的尋址問題。一般地，感光度或信號存儲電容其一會遭受重大的損失。感光度下降和更小的存儲電容均對圖像質(zhì)量有負(fù)面的影響。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)使存儲電容能不受像素縮小的影響。
文檔編號G01S7/491GK102822693SQ201180012417
公開日2012年12月12日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者B·比特根, T·歐吉爾 申請人:美薩影像股份公司