技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域。具體地，其涉及基于測(cè)量對(duì)象的距離的雪崩光電二極管的圖像傳感器。

背景技術(shù)：

測(cè)距是可確定從檢測(cè)器到感興趣的對(duì)象的距離的過程。傳統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)可提供一個(gè)或更多個(gè)功能，包括接近感測(cè)、遠(yuǎn)程感測(cè)和/或三維(3D)成像。這些系統(tǒng)通常包括用于照明感興趣的對(duì)象的探詢?cè)?例如，光源)，以及用于寄存來自探詢?cè)磁c對(duì)象的交互的返回信號(hào)的圖像傳感器陣列(例如，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器)。傳統(tǒng)的光學(xué)探詢系統(tǒng)可使用基于順序幀的圖像傳感器捕捉圖像，并對(duì)捕捉的圖像應(yīng)用圖像處理和模式識(shí)別算法。這些算法通?；谕队皬V播模式(例如，結(jié)構(gòu)光)或探詢?cè)吹南辔幌嚓P(guān)束掃描的知識(shí)。由于每個(gè)相應(yīng)像素的有限的靈敏度，典型的圖像傳感器需要在每個(gè)像素集合很多光子(例如1000或更多的光子)來建立具有足夠信噪比(SNR)的光學(xué)信號(hào)。傳統(tǒng)光學(xué)傳感器對(duì)SNR的需求反過來產(chǎn)生了對(duì)光源(例如，探詢光束可在可見波長(zhǎng)范圍和/或紅外(IR)波長(zhǎng)范圍)的功率的需求。換句話說，探詢束必須能夠提供用于檢測(cè)的足夠數(shù)量的光子，以針對(duì)掃描的環(huán)境(或?qū)ο?提取有意義的信息。

具有提高的靈敏度的圖像傳感器(例如，包括雪崩光電二極管的圖像傳感器)能夠使用更少的來自探詢?cè)吹娜肷涔庾訂?dòng)信號(hào)檢測(cè)，但是也變得對(duì)背景噪聲更敏感。當(dāng)?shù)礁信d趣的對(duì)象距離很遠(yuǎn)時(shí)，來自探詢?cè)吹墓庾泳哂虚L(zhǎng)的飛行時(shí)間(TOF)。對(duì)于基于來自感興趣的對(duì)象的反射(或反向散射)照明的系統(tǒng)，探詢?cè)吹妮椛浜纳?為1/R⁴，其中，R＝范圍，由于往返路徑)需要大的探詢?cè)垂β室栽诳赡軝z測(cè)的長(zhǎng)距離上提供足夠的SNR。在此情景中，來自“場(chǎng)景”的信號(hào)可被背景(例如，明媚晴天的高輻射)覆蓋，其導(dǎo)致圖像傳感器中的光電二極管在接收到從感興趣的對(duì)象返回的探詢信號(hào)之前被激活。通常，TOF測(cè)距問題，特別是消耗的功率(其通常與到探詢對(duì)象的距離成比例)，與其他系統(tǒng)組件的尺寸一起限制了小的形狀因數(shù)的裝置的使用，例如，用于諸如虛擬和/或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用的手持裝置和/或可穿戴裝置。傳統(tǒng)的基于TOF的系統(tǒng)對(duì)能源需求過大并過慢(關(guān)于延遲和幀率)而不能實(shí)際用于移動(dòng)電話、可穿戴裝置和其他移動(dòng)應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，對(duì)整個(gè)圖像傳感器陣列采樣(所有像素)以生成灰度圖像。使用該方案在低功率下獲得高幀率是不可能的，當(dāng)使用高清(很多像素，例如，1280*720)圖像傳感器時(shí)，數(shù)據(jù)流過大。此外，具有高分辨率的圖像傳感器通常使用記憶啟發(fā)式陣列尋址和讀出架構(gòu)，其嚴(yán)格限制臨時(shí)信息的可用性，此臨時(shí)信息涉及光子到達(dá)傳感器的時(shí)間。必須對(duì)大量的像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行挑選以在傳統(tǒng)的圖像傳感器中找到感興趣的事件，此過程的電源效率很低。此外，考慮到光的高速(大約每納秒0.3米)，即使是能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)的時(shí)間分辨率(例如，0.5納秒)的系統(tǒng)，其空間分辨率也會(huì)被限制到0.15米，這對(duì)很多應(yīng)用來說是無法解決的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供此發(fā)明內(nèi)容是為了以簡(jiǎn)要的形式對(duì)構(gòu)思的選擇進(jìn)行介紹，在下面的詳細(xì)描述中對(duì)其做進(jìn)一步描述。此發(fā)明內(nèi)容不意圖確定要求的技術(shù)主題的主要特征或基本特征，也不意圖用于限制要求的技術(shù)主題的范圍。

在一方面，根據(jù)本公開的實(shí)施例提供一種用于確定到對(duì)象的距離(例如，測(cè)距)的設(shè)備和方法。所述設(shè)備包括：探詢?cè)?，用于照明?duì)象；圖像傳感器，包括用于檢測(cè)從對(duì)象反射的照明并從檢測(cè)的照明生成信號(hào)的高靈敏的光電探測(cè)器裝置。與探詢?cè)春蛨D像傳感器一起操作的分析電路能夠基于從圖像傳感器信號(hào)得到的三角測(cè)量確定到對(duì)象的距離，所述圖像傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)于接收的從對(duì)象反射的照明。在實(shí)施例中，與探詢?cè)吹募せ钕嗪魬?yīng)地激活圖像傳感器中的光電探測(cè)器器件的子集，此激活限定設(shè)備的一個(gè)距離測(cè)量時(shí)段，在此時(shí)段中通過圖像傳感器中的響應(yīng)于入射的反射照明生成信號(hào)的特定光電探測(cè)器器件的位置來確定距離。在實(shí)施例中，基于在測(cè)量時(shí)段期間響應(yīng)于入射的反射照明存儲(chǔ)在光電探測(cè)器器件中的電荷的量確定到對(duì)象的距離。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種用于測(cè)量到對(duì)象的距離的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括配置為在受控的角度發(fā)射探詢光束的光子探詢?cè)?。所述探詢光束用于照明?duì)象。所述系統(tǒng)包括結(jié)合到探詢?cè)床⑴c探詢?cè)匆煌僮鞯膱D像傳感器。圖像傳感器配置為接收由對(duì)象的照明(來自探詢光束)生成的反射光束，圖像傳感器基于反射光束的特性生成信號(hào)。所述系統(tǒng)包括結(jié)合到探詢?cè)春蛨D像傳感器并與探詢?cè)匆煌僮鞯姆治鲭娐?。分析電路配置為基于光子探詢?cè)吹氖芸氐慕嵌群陀蓤D像傳感器生成的信號(hào)確定到對(duì)象的距離。

圖像傳感器可以數(shù)種方式配置以在測(cè)距系統(tǒng)中運(yùn)行，所述圖像傳感器包括適用于使用激活的像素地址對(duì)對(duì)象進(jìn)行三角測(cè)距的圖像傳感器架構(gòu)，其也包括在此描述的像素級(jí)別的飛行時(shí)間信息。在一方面，高靈敏光電二極管(例如，SPAD)具有高空間分辨力，使用其能夠識(shí)別圖像傳感器陣列中經(jīng)由從對(duì)象反射的照明入射的具體位置。當(dāng)使用由SPAD激發(fā)事件直接觸發(fā)的閂鎖效應(yīng)時(shí)，全部圖像傳感器能夠二值化?？蛇x擇的，高靈敏光電二極管在像素級(jí)別的TOF 3D系統(tǒng)中可適用作觸發(fā)器，其中，像素的電荷電平與光子從探詢?cè)吹匠上駥?duì)象并返回圖像傳感器的飛行時(shí)間成正比。

根據(jù)本公開的實(shí)施例的圖像傳感器可制作為具有堆疊的基底定位，其中，頂基底(即，照明入射于其上的基底)包括光敏元件(例如，雪崩光電二極管)，底基底包括與在此描述的功能對(duì)應(yīng)的控制邏輯和電路。

如在此描述的，根據(jù)本公開的實(shí)施例提供了一種具有完整數(shù)字圖像傳感器架構(gòu)的3D成像系統(tǒng)。

在一方面，檢測(cè)光學(xué)事件的方法包括：使用光子探詢光束探詢對(duì)象，與光子探詢光束的激活基本同時(shí)地激活像素的陣列，所述像素包括雪崩光電二極管，雪崩二極管的電壓偏置電平對(duì)應(yīng)于以蓋革模式和雪崩模式中的一個(gè)操作的像素；在陣列處接收從探詢的對(duì)象反射的光束；在陣列上生成與反射光束的入射的位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)，所述信號(hào)對(duì)應(yīng)于像素陣列地址和光子探詢光束和反射光束的飛行時(shí)間(TOF)中的至少一個(gè)；以及基于信號(hào)確定到對(duì)象的距離。

根據(jù)實(shí)施例，探詢?cè)诠庾犹皆児馐氖芸氐慕嵌葓?zhí)行，其中，發(fā)射探詢光束的探詢?cè)春完嚵蟹胖迷诒舜讼嗑嗍芸氐木嚯x，其中，基于受控的角度、受控的距離和由反射光輸?shù)南袼仃嚵械刂反_定的入射角度的三角測(cè)距確定距離。在另一個(gè)實(shí)施例中，激活陣列包括快門，其中，快門包括以時(shí)變方式激活陣列的多個(gè)子集，其中，多個(gè)子集中的每個(gè)子集的子集激活時(shí)段基于受控的角度的值和受控的角度的變化速率。在另一實(shí)施例中，基于由包括在多個(gè)子集中的激活子集中的像素接收的反射光束生成信號(hào)，此外，其中，由活躍子集的剩余的像素對(duì)反射的光束的任意檢測(cè)不包括在信號(hào)中。在實(shí)施例中，信號(hào)的生成包括由陣列的像素的鎖存電路直接響應(yīng)于接收反射的光束的像素來生成設(shè)定信號(hào)，其中，設(shè)定信號(hào)將像素的行地址和列地址中的至少一個(gè)傳送到列解碼器電路和行解碼器電路中的至少一個(gè)。在另一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)定信號(hào)是由接地參考光電二極管電流生成的正電壓脈沖。在實(shí)施例中，生成信號(hào)包括生成響應(yīng)于接收反射光束的像素在陣列的像素生成列解碼信號(hào)，其中，列解碼信號(hào)將像素的列地址傳送到行鎖存電路。在實(shí)施例中，陣列的像素包括至少一個(gè)電荷存儲(chǔ)元件，并進(jìn)一步激活光子探詢光束和雪崩光電二極管的陣列，在從探詢光束發(fā)射到接收來自對(duì)象的反射光束的時(shí)間段期間啟動(dòng)和終止至少一個(gè)電荷存儲(chǔ)元件的變化的電荷電平，其中電荷電平對(duì)應(yīng)于TOF。

根據(jù)本公開的一方面，用于檢測(cè)光學(xué)事件的光學(xué)事件傳感器包括操作為與光子探詢?cè)吹募せ罨疽煌せ畹南袼氐年嚵?，像素包括雪崩二極管，雪崩二極管的電壓偏置電平與在蓋革模式和雪崩模式中的一個(gè)操作的像素對(duì)應(yīng)；其中，像素的陣列操作為在陣列處接收從對(duì)象反射的光束并在陣列上生成與反射的光束的入射的位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)，其中，信號(hào)對(duì)應(yīng)于像素陣列地址和探詢光束與反射光束的飛行時(shí)間(TOF)中的一個(gè)，其中，像素的陣列操作為基于信號(hào)確定對(duì)象的距離。

在實(shí)施例中，在光子探詢?cè)吹氖芸亟嵌忍皆儗?duì)象，此外，光子探詢?cè)春拖袼氐年嚵邢鄬?duì)彼此設(shè)置在受控的距離，所述距離基于受控角度、受控的距離和由反射光束的像素陣列地址確定的入射的角度的三角測(cè)量確定。在另一個(gè)實(shí)施例中，陣列操作為快門，其包括以時(shí)變方式激活陣列的多個(gè)子集，其中，多個(gè)子集中的每個(gè)子集的子集激活時(shí)段基于受控角度的值和受控角度的變化速度。在另一個(gè)實(shí)施例中，基于由多個(gè)子集中的活躍子集的第一像素檢測(cè)的反射光束生成信號(hào)，由活躍子集的剩余的像素對(duì)反射的光束的任意檢測(cè)不包括在信號(hào)中。在實(shí)施例中，信號(hào)包括來自陣列的像素的鎖存電路的設(shè)定信號(hào)，設(shè)定信號(hào)直接響應(yīng)于接收反射光束的像素，其中，設(shè)定信號(hào)將像素的行地址和列地址中的至少一個(gè)發(fā)送到列解碼器電路和行解碼器電路中的至少一個(gè)。在另一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)定信號(hào)是由接地參考光電二極管電流生成的正電壓脈沖。在實(shí)施例中，信號(hào)包括在陣列的像素處的列解碼信號(hào)，列解碼信號(hào)響應(yīng)于接收反射光束的像素，其中，列解碼信號(hào)將像素的列地址發(fā)送到行鎖存電路。在另一個(gè)實(shí)施例中，像素的陣列包括配置為在第一電壓操作的第一基底和配置為在第二電壓操作的第二基底，其中，第一電壓高于第二電壓，其中，光電二極管包括在第一基底中，其中，像素的陣列的邏輯和控制電路包括在第二基底中。在實(shí)施例中，陣列的像素包括至少一個(gè)電荷存儲(chǔ)元件，其中，光電二極管的激活和雪崩二極管的陣列操作為在從探詢光束發(fā)射到接收來自對(duì)象的反射光束的時(shí)間段期間啟動(dòng)和終止至少一個(gè)電荷存儲(chǔ)元件的變化的電荷電平，其中電荷電平對(duì)應(yīng)于TOF。

根據(jù)本公開的一方面，距離測(cè)量移動(dòng)裝置包括：處理器；存儲(chǔ)器，有效地結(jié)合到處理器；光子探詢?cè)?，配置為發(fā)射用于照明對(duì)象的探詢光束；以及圖像傳感器，包括像素的陣列并對(duì)應(yīng)于電荷存儲(chǔ)元件，圖像傳感器有效地結(jié)合到探詢?cè)春吞幚砥?，圖像傳感器配置為接收由通過探詢?cè)磳?duì)對(duì)象的照明生成的反射的光束，并基于反射的光束在陣列上生成信號(hào)，其中，探詢?cè)春蛨D像傳感器的激活在從探詢光束發(fā)射到接收來自對(duì)象的反射光束的時(shí)間段期間啟動(dòng)和終止至少一個(gè)電荷存儲(chǔ)元件的變化的電荷電平，其中，電荷電平由信號(hào)組成，其中，處理器操作為接收信號(hào)并基于信號(hào)輸出對(duì)象的距離信息。

根據(jù)實(shí)施例，像素的陣列包括在蓋革模式下操作的雪崩二極管的陣列。在另一個(gè)實(shí)施例中，電荷存儲(chǔ)元件包括電容器，電容器配置為在接收由對(duì)應(yīng)的像素的光電二極管生成的信號(hào)時(shí)響應(yīng)反射光束的接收終止充電。

高靈敏二值化光電二極管能夠用于本公開的圖像傳感器架構(gòu)的操作，傳統(tǒng)的(例如，活躍的)像素架構(gòu)也能夠用于兩種圖像傳感器形態(tài)(例如，經(jīng)由像素地址的三角測(cè)量和用于像素級(jí)別的TOF信息)?；钴S的像素需要足夠的靈敏度來檢測(cè)有意義的數(shù)量的探詢?cè)垂庾右陨呻妷盒盘?hào)。然而，使用電壓閾值方法，根據(jù)在此描述的實(shí)施例的數(shù)字圖像傳感器可用活躍的像素實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)使用雪崩光電二極管或SPAD時(shí)，圖像傳感器不需要感測(cè)放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

因此，可預(yù)期圖像傳感器架構(gòu)實(shí)施方式的范圍-使用SPAD陣列的三角測(cè)量；使用激活像素陣列的三角測(cè)量；使用SPAD陣列的TOF；以及，使用活躍像素陣列的TOF。這些架構(gòu)實(shí)施方式中的每個(gè)在控制成像傳感器的操作方面提供很多自由度。改變探詢?cè)吹募せ詈蛨D像傳感器的激活之間的時(shí)序的能力提供對(duì)探詢視場(chǎng)的景深的控制。對(duì)探詢?cè)吹妮敵龉β实目刂颇軌蛱岣咝盘?hào)與環(huán)境光的噪聲比，以及實(shí)現(xiàn)相對(duì)于期望的探詢范圍調(diào)整探詢?cè)吹墓β实哪芰?接近圖像傳感器的探詢的對(duì)象比位于更遠(yuǎn)的探詢對(duì)象需要更少的照明。圖像傳感器的輸出幀率可通過針對(duì)給定的測(cè)量控制激活的像素的數(shù)目來改變。根據(jù)本公開的架構(gòu)的這些特征提供在功耗、幀率和/或3D成像系統(tǒng)的圖像分辨率方面的優(yōu)化。

在本公開的上下文中，術(shù)語“照明”通常涉及在紅外、可見光和/或紫外范圍內(nèi)的電磁波。

在本公開的上下文中，術(shù)語“多路復(fù)用器”涉及具有可由電信號(hào)或光信號(hào)控制的選擇輸入的電開關(guān)或光電開關(guān)。

在本公開的上下文中，術(shù)語“陣列”涉及元件以R行和C列的布置，其中，R和C均大于或等于1。例如，陣列可為圖像傳感器中的光電二極管和/或圖像傳感器中的像素的完全集。此外，R和C可具有相等或不等的值，行間和列間的空隙可相等或不等。術(shù)語“子陣列”和“陣列的子集”涉及數(shù)目小于全陣列的陣列元素的組，其可為連續(xù)的或不連續(xù)的。

前述是總結(jié)，因此必然地包含對(duì)細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化、概括和省略；因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白總結(jié)僅是示意性的并不意圖以任何方式進(jìn)行限制。如由權(quán)利要求唯一限定的，本發(fā)明的其他方面、發(fā)明特征和優(yōu)點(diǎn)，將在下面闡述的非限制性的相似描述中變得清楚明白。

附圖說明

包含在此說明書中并構(gòu)成此說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與描述一起用于解釋發(fā)明的原理。

圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性的光學(xué)探詢系統(tǒng)；

圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性的雪崩光電二極管像素；

圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的單光子雪崩光電二極管的示例性電流-電壓關(guān)系；

圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在包括背景輻射源的環(huán)境中操作的示例性的光學(xué)探詢系統(tǒng)；

圖5描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器架構(gòu)的示例性原理圖；

圖6是對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有用于距離確定的多個(gè)目標(biāo)的環(huán)境的說明；

圖7是對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有用于距離確定的多個(gè)目標(biāo)的環(huán)境的說明；

圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的確定到目標(biāo)的距離的方法的流程圖；

圖9描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的集成有主機(jī)設(shè)備的示例性光學(xué)探詢系統(tǒng)；

圖10描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性像素電路的框圖；

圖11描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性像素電路；

圖12描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括緩沖器和解碼元件的示例性像素電路；

圖13描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于圖像傳感器列自定時(shí)和讀出行波傳送功能的示例性電路邏輯；

圖14描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的連接的像素電路的框圖；

圖15描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器架構(gòu)的原理圖；

圖16描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像傳感器架構(gòu)的原理圖；

圖17描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有部分配置為用于在第一電壓和第二電壓操作的至少兩層的示意性半導(dǎo)體裝置；

圖18描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有堆疊的晶片設(shè)計(jì)的成像傳感器陣列；

圖19描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制作具有堆疊的晶片設(shè)計(jì)的成像傳感器陣列的處理步驟；

圖20描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有堆疊的晶片設(shè)計(jì)和減小的像素間距的成像傳感器陣列；

圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制作半導(dǎo)體裝置的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

在一方面，本公開的實(shí)施例提供一種具有有效地結(jié)合到圖像傳感器的探詢?cè)吹南到y(tǒng)。探詢?cè)?例如，調(diào)諧到紅外(IR)波長(zhǎng)的激光器)可配置為照明在系統(tǒng)的視場(chǎng)中一個(gè)目標(biāo)或多個(gè)目標(biāo)，圖像傳感器配置為檢測(cè)來自感興趣的目標(biāo)的反射照明。圖像傳感器包括高光敏探測(cè)器的陣列(例如，雪崩光電二極管的陣列)。在實(shí)施例中，雪崩光電二極管包括在其擊穿區(qū)域外操作的操作為單光子雪崩二極管(SPAD)的p-n結(jié)裝置，使得入射光子能夠引發(fā)自激雪崩效應(yīng)(例如，在被稱為蓋革模式下操作的雪崩光電二極管)。在實(shí)施例中，圖像傳感器響應(yīng)一個(gè)(或數(shù)個(gè))入射光子并生成指示在具體的圖像傳感器陣列地址處的光子檢測(cè)的信號(hào)。換句話說，通過像素的光敏元件對(duì)數(shù)個(gè)光子的接收適用于通過像素的檢測(cè)，當(dāng)使用這些像素時(shí)，導(dǎo)致檢測(cè)光學(xué)事件需要的光子的數(shù)量減少(如與在傳統(tǒng)模式下操作、具有在時(shí)間周期集合數(shù)百個(gè)光子的光電二極管以檢測(cè)照明并生成信號(hào)的像素比較)。通過像素地址與已知的探詢?cè)唇嵌群偷綀D像傳感器的距離得出的精確的位置信息，可高準(zhǔn)確度確定到目標(biāo)的距離，并最小化電路復(fù)雜度、成本和功耗。此外，圖像傳感器能夠被配置為與探詢?cè)吹募せ钜黄?，通過啟動(dòng)圖像陣列像素的時(shí)變子集來操作(例如，旋轉(zhuǎn)的像素子陣列)，以降低背景噪聲和系統(tǒng)功率需求。這些使用允許例如，在光學(xué)探詢系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)的光源中使用低得多的光學(xué)輸出功率，低光學(xué)功率需求的一個(gè)可能優(yōu)點(diǎn)是人眼的安全。

應(yīng)理解的是，單個(gè)或少數(shù)光子事件檢測(cè)像素適用于各種基于光學(xué)探詢的感測(cè)模式，包括但不限于，測(cè)距、TOF和3D成像應(yīng)用。在實(shí)施例中，圖像傳感器陣列的獨(dú)立像素能夠確定從感興趣的(多個(gè))目標(biāo)反射(或反向散射)的接收照明的TOF信息。系統(tǒng)上可包括光學(xué)封裝件，其能夠過濾輸入到圖像傳感器的輻射波長(zhǎng)和/或用于將入射輻射會(huì)聚在像素的光敏區(qū)域上(例如，提高像素的填充因子)。在實(shí)施例中，圖像傳感器陣列能夠以與探詢?cè)吹募せ钔降姆绞浇邮照彰?。本公開的系統(tǒng)能夠用最小化的片上電路、延遲和功耗在明亮的環(huán)境光中在中等的距離區(qū)分從探詢?cè)唇邮盏墓庾颖l(fā)和從背景噪聲接收的光子爆發(fā)。圖1示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的測(cè)距裝置的整體圖。應(yīng)理解的是使用這樣的一個(gè)或少數(shù)光子像素的光學(xué)探詢系統(tǒng)能夠集成在諸如移動(dòng)裝置(例如，智能電話、平板電腦等)的主機(jī)裝置或其他主機(jī)裝置中。

現(xiàn)在將詳細(xì)說明幾個(gè)實(shí)施例。將結(jié)合可選的實(shí)施例描述主題名稱，但是將理解的是其不意圖將要求的技術(shù)主題限制到這些實(shí)施例。相反，要求的技術(shù)主題意圖覆蓋在由所附的權(quán)利要求限定的所要求的技術(shù)主題的精神和范圍內(nèi)的替換、修改和等同物。

此外，在下面的詳細(xì)描述中，闡述了許多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)要求的技術(shù)主題的徹底理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可不使用這些具體的細(xì)節(jié)或其等同物來實(shí)施實(shí)施例。在其他實(shí)例中，沒有詳細(xì)描述公知方法、過程和組件以避免主題的方面和特征的不必要的模糊。

下面的詳細(xì)描述部分是對(duì)方法的描述和討論。盡管在此在附圖中(例如，圖8和圖21)公開了用于描述方法的操作的步驟和順序，但是這些步驟和順序是示例性的。實(shí)施例也適用于執(zhí)行各種不同的步驟或在此附圖的流程圖中記載的步驟的變化，并可以以在此描述和描繪的不同的順序執(zhí)行。

在駐留在某種形式(諸如，程序模塊，由一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)或其他計(jì)算裝置執(zhí)行)的計(jì)算機(jī)可用媒介上的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的通用情境中討論在此描述的實(shí)施例。通常，程序模塊包括例程、程序、對(duì)象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等，其執(zhí)行具體的作業(yè)或?qū)崿F(xiàn)具體的抽象數(shù)據(jù)類型。程序模塊的功能可如在各種實(shí)施例中期望地那樣組合或分布。

通過示例的方式而非限制，計(jì)算機(jī)可用媒介可包括計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)媒介和通信媒介。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)媒介包括以任意方法或技術(shù)實(shí)現(xiàn)的用于存儲(chǔ)諸如計(jì)算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其他數(shù)據(jù)的信息的易失的和非易失的、可移動(dòng)的和不可移動(dòng)的媒介。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)媒介包括但不限于，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、電可擦除編程ROM(EEPROM)、閃存或其他存儲(chǔ)技術(shù)、光盤ROM(CD-ROM)、數(shù)字通用光盤(DVD)或其他光學(xué)存儲(chǔ)器、盒式磁帶、磁帶、磁盤存儲(chǔ)器或其他磁存儲(chǔ)裝置，或可用于存儲(chǔ)期望的信息的任意其他媒介。

通信媒介可在諸如載波或其他傳輸機(jī)制的調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其他數(shù)據(jù)并包括任意信息傳遞媒介。術(shù)語“調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)”意味著具有以關(guān)于在信號(hào)中編碼信息的這樣的方式設(shè)置或改變其一個(gè)或更多個(gè)特征的信號(hào)。通過示例的方式而非限制，通信媒介包括諸如有線網(wǎng)絡(luò)或直線連接的有線媒介以及諸如聲音的、射頻(RF)、紅外線的和其他無線媒介的無線媒介。上述的任意的組合也可包括在計(jì)算機(jī)可讀媒介的范圍內(nèi)。

在下述實(shí)施例中，描述了執(zhí)行高分辨率、高幀率、低功耗測(cè)距的技術(shù)。實(shí)施例包括確定到對(duì)象的距離的方法，所述方法包括如下步驟：使用探詢光束照明對(duì)象、使用高感光圖像傳感器接收從對(duì)象反射的照明以及基于激活的像素的地址使用三角法確定到對(duì)象的距離和/或在像素級(jí)別確定的TOF信息。

SPAD控制

在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖像傳感器中的雪崩光電二極管(包括，例如，局部和/或全局可變的反向偏置)可用于在測(cè)距和3D成像應(yīng)用中提高敏感度并減少曝光時(shí)間的需求。蓋革模式下的雪崩光電二極管(例如，SPAD)在超過自然反向偏壓擊穿的很極端的反向偏置條件下工作，并可僅僅暫時(shí)保持在這樣的電壓直到事件觸發(fā)它以(非?？焖俚?產(chǎn)生電流為止。由于SPAD不能長(zhǎng)時(shí)間保持在極端的反向偏壓條件下，因此當(dāng)使用這樣的裝置作為探測(cè)器時(shí)存在時(shí)間因素。在事件觸發(fā)之后由SPAD生成的大電流可為破壞性的，因此，經(jīng)常將電阻器加到所述二極管以限制電流，使得一旦SPAD“激發(fā)”(例如，快速地生成電流)，其可在短時(shí)間內(nèi)將電流輸出為安全級(jí)別。一旦激發(fā)，SPAD的雪崩電流由電阻器或其他負(fù)載機(jī)制淬滅(quenching，抑制)。可緩沖SPAD處的電壓(同樣的，可誘發(fā)極性的改變)用于像素操作。在圖2中描述了根據(jù)本公開的雪崩光電二極管的示例。

SPAD對(duì)光子事件的響應(yīng)非常快，是皮秒級(jí)的。諸如入射光子的波長(zhǎng)、環(huán)境溫度、SPAD的單元尺寸(面積)和偏置電壓的范圍(例如，過電壓)、量子效率和暗計(jì)數(shù)率(DCR)的因素影響SPAD的功能。一旦放電，SPAD需要一些時(shí)間來再充電(被稱為死時(shí)間dead time)，通常為大約20-40納秒的范圍。通常，只要幾十個(gè)光子(大約20個(gè)光子，根據(jù)光子波長(zhǎng)和探測(cè)器單元尺寸)就足夠觸發(fā)SPAD的快速電流生成。

在本實(shí)施例中，包括SPAD的像素能夠被配置為局部和/或全局級(jí)別上的可變像素靈敏度，并可根據(jù)環(huán)境光需求和/或景深需求來調(diào)諧(即，反向偏壓控制可用于根據(jù)曝光約束和/或需求調(diào)整光電二極管靈敏度)。在此操作的系統(tǒng)中，存在由光電二極管的靈敏度設(shè)置的范圍限制。當(dāng)在蓋革模式下操作時(shí)，SPAD處理暗計(jì)速率(DCR)，對(duì)SPAD噪聲的測(cè)量(SPAD噪聲的值依賴于諸如SPAD單元尺寸、SPAD的溫度和過電壓(例如，超過擊穿閾值的電壓電平)等因素)。不存在任何照明時(shí)，SPAD的DCR提供對(duì)SPAD在經(jīng)歷雪崩事件之前可保持在蓋革模式的時(shí)間長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)測(cè)量。與環(huán)境光組合，DCR提供必需與探詢光束的傳輸?shù)男盘?hào)區(qū)分開的背景噪聲信號(hào)以獲得有意義的信號(hào)。因此，當(dāng)與在TOF期間積聚的環(huán)境光子結(jié)合時(shí)，DCR提供對(duì)對(duì)象能夠被探詢的最大范圍的估計(jì)。

在本公開的實(shí)施例中，使用光學(xué)陷波濾波器(例如，圖1的光學(xué)器件135)來阻止過多的感興趣的探詢波長(zhǎng)之外的背景噪聲光子影響像素。探詢?cè)茨軌虮贿x擇、或調(diào)諧以發(fā)射接近光學(xué)陷波濾波器的中心的波長(zhǎng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，選擇光學(xué)陷波濾波器的中心波長(zhǎng)以最小化來自太陽的背景輻射。例如，具有對(duì)應(yīng)于強(qiáng)烈的大氣吸收線的中心波長(zhǎng)，諸如850納米或940納米(例如，由于水引起的大氣吸收線)。本公開的這樣的實(shí)施方式可允許，例如，更高的光電二極管增益。減小光學(xué)濾波器的帶寬的權(quán)衡是在于帶寬的減小同樣導(dǎo)致系統(tǒng)的視場(chǎng)的減小?？烧{(diào)諧的探詢?cè)矗跐撛诘脑黾映杀镜耐瑫r(shí)，可用于進(jìn)一步提高SNR。當(dāng)在可預(yù)期的可對(duì)眼睛產(chǎn)生危害的環(huán)境中操作時(shí)，應(yīng)考慮整體的光學(xué)功率和波長(zhǎng)。此外，成像幀率可基于像素的靈敏度(即，曝光時(shí)間需求)和/或讀出速率和/或像素陣列的尺寸確定?？刹捎酶邘仕⑿聛慝@得對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的適當(dāng)?shù)母吣慰固夭蓸铀俾省?/p>

本公開的實(shí)施例提供具有極度敏感的光電二極管的圖像傳感器，因而，對(duì)對(duì)象的距離確定能夠由報(bào)告入射的探詢照明激活的像素的陣列地址的新的尋址方案得出。應(yīng)當(dāng)知道的是，本發(fā)明不限于SPAD技術(shù)，可使用任意具有足夠靈敏度的光子探測(cè)器。

經(jīng)由集成三角測(cè)量的測(cè)距

在一方面，本公開的實(shí)施例提供一種用于確定到對(duì)象的距離的光子探詢系統(tǒng)。圖1是根據(jù)本公開的實(shí)施例的用于確定到對(duì)象的距離的示例性光子探詢裝置105的示意圖。探詢裝置105包括探詢?cè)?10和圖像傳感器115。探詢?cè)?10和圖像傳感器115分開限定的距離120(作為非限制的示例，距離120為5厘米)。在實(shí)施例中，可以以受控的方式修改距離120。探詢?cè)?10配置為發(fā)射探詢光束125，圖像傳感器115配置為在光學(xué)裝置105的視場(chǎng)中檢測(cè)從對(duì)象返回的照明130。成像傳感器115包括形成圖像傳感器115的像素的光敏二極管140(例如，雪崩光電二極管)的陣列。

在根據(jù)本公開的實(shí)施例中，陣列140包括由至少兩個(gè)堆疊的晶片(或基底)形成的SPAD像素140a。SPAD像素140a可基于偏置電壓在線性雪崩模式或蓋革模式下操作。SPAD像素140a包括光敏區(qū)域145a和像素電路區(qū)域150a(例如，高電壓線、像素輸入/輸出線)。根據(jù)實(shí)施例，與像素電路邏輯對(duì)應(yīng)的像素電路元件形成在與SPAD單元(例如，形成在與p/n結(jié)對(duì)應(yīng)的基底上的光敏區(qū)域)分開的基底上。即，如在此描述的，具有多個(gè)SPAD單元的基底可堆疊在具有多個(gè)邏輯控制電路的晶片的頂部(例如，晶體管、啟動(dòng)線等)。在根據(jù)本公開的實(shí)施例中，陣列140包括形成在一個(gè)晶片上的SPAD像素140b，其中，光敏區(qū)域145b可與像素電路邏輯150b(例如，高電壓線、像素輸入/輸出、TOF信息存儲(chǔ)元件)鄰接。像素140a和140b可包括至少一個(gè)飛行時(shí)間(TOF)元件，即，雪崩二極管在線性雪崩模式或蓋革模式下操作并包括例如，配置為存儲(chǔ)與TOF值對(duì)應(yīng)的電荷的存儲(chǔ)電容器。光學(xué)系統(tǒng)135可被包括在裝置105中，藉此，光學(xué)裝置135聚焦和/或過濾入射到圖像傳感器115上的反射光。光學(xué)探詢裝置可包括環(huán)境光傳感器(未示出)。如在圖1中示出的，探詢光束125直接朝向?qū)ο?50，返回的照明130落在圖像傳感器115上。

在實(shí)施例中，探詢?cè)?10為激光器，例如，具有諧振MEMS掃描鏡的激光器(垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL))。探詢?cè)?10能夠發(fā)射IR波長(zhǎng)或其他波長(zhǎng)的輻射。在實(shí)施例中，鏡子在x方向諧振(例如，沿圖像傳感器陣列的列)，并在y方向階躍(例如，沿圖像傳感器陣列的行)。諧振掃描激光器能夠使探詢光束125橫掃探詢裝置105的視場(chǎng)。在實(shí)施例中，探詢?cè)?10從激光器生成高強(qiáng)度光子(例如，探詢光束125)的光柵掃描。在實(shí)施例中，為了解釋探詢?cè)?10跨越視場(chǎng)的諧振運(yùn)動(dòng)，控制探詢光束125的激活以提供跨越圖像傳感器115的基本相等的輻射(例如，基于探詢?cè)唇嵌?11的探詢?cè)?10的占空比的正弦線性化)。

在準(zhǔn)直“點(diǎn)”模式下，在特定的角度(例如，探詢?cè)唇嵌?11)并具有限定的脈沖周期的探詢?cè)?10的激活用于在圖像傳感器115處每次一個(gè)像素地“描繪”網(wǎng)格圖像。如在此描述的，鏡子的掃描速率(因而激光束)是系統(tǒng)時(shí)序的重要因素，尤其是像素激活時(shí)序的重要因素。探詢?cè)?10和圖像傳感器115共平面，將圖像傳感器115的場(chǎng)景的視場(chǎng)限制為與裝置105的視場(chǎng)在相同的平面。因此，任何返回的光子(例如，返回的照明130)將與探詢光束125在相同的平面。因此，對(duì)于圖像傳感器115的陣列，基于探詢?cè)?10的角度111，將得知具有預(yù)期的光電二極管激發(fā)的行。然而，行中的特定列是未知的，因?yàn)榈綄?duì)象150的距離(以及返回照明130的返回角度)是未知的。對(duì)象150可在裝置105的視場(chǎng)中的多個(gè)距離/位置。

返回的光130入射到光學(xué)器件的角度(角度116)確定具有光電二極管激活的圖像傳感器陣列的列(例如，在行中的位置)和距離(經(jīng)由三角測(cè)量)。包括圖像傳感器115的裝置105的透鏡和光學(xué)器件(例如，光學(xué)器件135)將看到在直至觀看范圍界限的距離處的點(diǎn)(光的立體角)。來自此點(diǎn)(對(duì)象150上的點(diǎn))的擊中圖像傳感器115的孔徑的光子將聚焦到一個(gè)陣列元件(例如，一個(gè)像素)上。在可選的實(shí)施例中，探詢?cè)?10以“扇形”模式下操作，其中，發(fā)射照明的條紋。在實(shí)施例中，條紋與探詢?cè)匆苿?dòng)的軸(例如，諧振軸)基本垂直。在這樣的實(shí)施例中，反射的照明130可入射到陣列元件的與探詢光束125的方向平行的全部列(或行)上。由于被探詢對(duì)象(例如，對(duì)象輪廓)的特征，返回的照明130也可非平面地返回并入射到與對(duì)象的輪廓對(duì)應(yīng)的數(shù)個(gè)列上。在扇形模式中，所有的光電二極管行一次全部激活。探詢?cè)吹妮敵龉β士稍黾右匝a(bǔ)償整個(gè)列(所有行)的分布。用于此裝置的圖像傳感器115架構(gòu)能夠用最小的延遲、最小的功耗、高刷新頻率和最小化的芯片上電路記錄在明亮的陽光中來自探詢?cè)?10的光子爆發(fā)。在實(shí)施例中，經(jīng)由在圖像傳感器115陣列中的激發(fā)的光電二極管的位置(例如陣列地址)使用精確的位置三角法確定到對(duì)象的測(cè)定距離。如在此討論的，由于考慮到背景噪聲，本公開的實(shí)施例包括圖像傳感器115的光敏二極管，在具體的測(cè)量時(shí)段，光敏二極管為與探詢光束125的激活同步的方式感測(cè)而激活。在此描述的系統(tǒng)能夠經(jīng)由根據(jù)像素地址記錄的高靈敏度像素事件提供高吞吐量。此外，根據(jù)本公開的實(shí)施例提供經(jīng)由像素級(jí)別的TOF計(jì)算計(jì)算到對(duì)象的距離的裝置，這樣的信息對(duì)于根據(jù)三角法信息(例如，三角測(cè)量)計(jì)算距離的實(shí)施例不是必需的。定位方法(例如，像素地址)通過去除對(duì)在像素中的生成TOF信息的昂貴電路的需求，能夠降低系統(tǒng)的成本。此外，由于像素地址可經(jīng)由例如查找表尋找，降低了計(jì)算需求。此外，在像素級(jí)別的電路的最小化增加了相同尺寸的陣列的系統(tǒng)的分辨率，因?yàn)槊總€(gè)像素的光敏部分隨著全部像素的共享(例如，填充因數(shù)增加)變得更大。諸如成本和尺寸的因素對(duì)于諸如手持和/或可穿戴裝置的應(yīng)用非常重要。

圖2描繪了根據(jù)本公開的實(shí)施例的SPAD像素架構(gòu)140。在實(shí)施例中，通過字線信號(hào)和位線信號(hào)實(shí)現(xiàn)SPAD像素的啟用。SPAD像素包括光電二極管145。SPAD像素可包括分別經(jīng)由有源負(fù)載或電阻負(fù)載220的有源和/或無源抑制(淬滅)。SPAD像素可包括緩沖器225。在實(shí)施例中，有源抑制(淬滅)由有源負(fù)載提供，可基于來自可選的反饋抑制電路230的反饋激活所述有源負(fù)載(例如，SPAD雪崩電流的上升沿觸發(fā))。抑制時(shí)間能夠計(jì)入多路復(fù)用解碼開關(guān)開銷時(shí)間。在實(shí)施例中，被驅(qū)動(dòng)重置的像素行和列被內(nèi)建，啟用統(tǒng)計(jì)噪聲(例如，DCR、環(huán)境光)的重置。在實(shí)施例中，高電壓供應(yīng)線是靜態(tài)的(例如，非開關(guān)的)，并且接地參考字線允許高電壓電流通路。

圖3描繪了根據(jù)本公開的實(shí)施例的SPAD電流電壓特性300。電流電壓特性300包括指示SPAD操作的相位的箭頭。描繪了反向偏置電平Vgeiger，其中，反向偏置電平Vgeiger是超越半導(dǎo)體p-n結(jié)的擊穿電壓Vbreakdown的反向偏置電壓，并指示雪崩光電二極管(例如，SPAD)的所謂的蓋革模式。在電壓電平Vgeiger，SPAD將從入射的光子輻射生成電流(電子的雪崩)和熱噪聲。SPAD增益(例如，電子倍增器因素)基本線型依賴于過電壓和SPAD單元尺寸的面積。同樣地，光子和/或SPAD的熱激活(例如，DCR)的可能性隨著過電壓的增加而增加。一旦雪崩電流開始，SPAD被抑制以阻止過大的電流。一旦SPAD被抑制并返回至較低的電壓偏置，為了準(zhǔn)備用于進(jìn)一步激活的SPAD，SPAD電壓偏置返回至Vgeiger。擊穿(例如，“激發(fā)”)SPAD的典型的定時(shí)值少于1納秒，抑制和重置是大約20-40納秒。抑制可為無源或有源的，在優(yōu)選的實(shí)施例中，使用有源抑制以最小化抑制時(shí)間并由此提高SPAD生成多信號(hào)的速率。

圖4描繪了包括明亮照明的場(chǎng)景400，并包括使用背景輻射源401(例如，太陽)照明對(duì)象440的操作以確定到對(duì)象440的距離的示例性光子探詢裝置105的示意圖。探詢?cè)?10以角度411發(fā)射探詢光束425，其從對(duì)象440反射(或反向散射)以形成具有角度416的返回的照明430。返回的照明430由圖像傳感器115接收(位于距圖像傳感器115距離120處)，并形成由光子探詢裝置105所做的距離確定的基礎(chǔ)。與照明光束425同時(shí)地，輻射源401使用基于輻射源401的輸出功率的光子的通量不斷地照明對(duì)象440，在輻射源401是太陽的情況下，輻射是寬光譜的。來自輻射源401的光子照明對(duì)象440，并形成入射到圖像傳感器115上的反射照明435。

包括高靈敏光電二極管的圖像傳感器115不區(qū)分來自探詢?cè)?10的光子和來自輻射源401的光子。對(duì)在蓋革模式下操作的包括雪崩光電二極管(例如，包括SPAD)的圖像傳感器，單個(gè)的二極管響應(yīng)大約20個(gè)光子。SPAD的暗計(jì)速率連同來自輻射源401的大的光子流量將導(dǎo)致圖像傳感器215內(nèi)的SPAD快速的激發(fā)，其可早于從距離裝置105適中的距離處的對(duì)象440返回的照明430的接收。探詢?cè)?10在對(duì)象440上的照明(例如，發(fā)送信號(hào))，連同由輻射源401(例如，太陽(具有光學(xué)濾波，在可被感測(cè)的太陽的照明的波長(zhǎng)，例如，探詢?cè)?10的激光波長(zhǎng)))對(duì)對(duì)象440的照明帶來信號(hào)背景噪聲比(SNR)。因此以基于探詢?cè)?10的激活的時(shí)機(jī)激活圖像傳感器115是有益的，以通過在測(cè)量時(shí)最小化入射在圖像傳感器115上的環(huán)境光子的數(shù)量來提高SNR，同樣通過降低的像素激活時(shí)間來減少在圖像傳感器115處的整個(gè)DCR對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)。

對(duì)于背景噪聲，更長(zhǎng)的測(cè)量長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)更長(zhǎng)的TOF，導(dǎo)致接收的環(huán)境光子和暗計(jì)數(shù)的增加。光子經(jīng)過探詢光束425的整個(gè)TOF到達(dá)圖像傳感器115。為了生成對(duì)確定到對(duì)象440的距離有意義的信號(hào)，返回的照明430必須傳遞需要的光子的數(shù)量以在通過環(huán)境光和DCR激活之前激活第一啟用光電二極管。由于通常為激光器的探詢?cè)?10發(fā)射具有有限脈沖寬度的脈沖，能夠計(jì)算來自探詢?cè)?10的期望的發(fā)送光子的數(shù)量。來自輻射源401的光子通量(例如，光子接收的速率)可始終是固定的，根據(jù)輸出功率和占空比，來自探詢?cè)?10的光子通量能夠高得多。

下述時(shí)窗提供在一個(gè)測(cè)量時(shí)段內(nèi)對(duì)像素激活有用的時(shí)窗，在所述時(shí)窗中，在響應(yīng)于背景噪聲生成信號(hào)之前激活SPAD。換種方式說，將要被測(cè)量的對(duì)象(例如，對(duì)象440)將在這樣的距離內(nèi)，所述距離應(yīng)使得探詢光束425和返回的照明430的TOF將不超過SPAD將由于背景噪聲而激發(fā)的時(shí)間。因此，存在與對(duì)象距離測(cè)量的最大范圍對(duì)應(yīng)的最大的有用TOF(光每納秒行進(jìn)大約0.3米，由于測(cè)量的輸出和返回的性質(zhì)，確定的最大范圍減小1/2)。在到探詢對(duì)象的大約范圍是已知的測(cè)量場(chǎng)景中，可基于到被探詢對(duì)象的已知的大致距離通過協(xié)調(diào)圖像傳感器115的激活與探詢光束425和返回的照明430的預(yù)期的組合TOF來最小化環(huán)境光子(例如，背景噪聲)的累積。換句話說，為了拒絕來自在到探詢對(duì)象的預(yù)期范圍之外的景深范圍里的環(huán)境光子，圖像傳感器115的光電二極管的激活可為TOF-選通。此TOF不需要由TOF特定電路直接測(cè)量，但可基于根據(jù)在此描述的三角測(cè)量的距離測(cè)量來確定。

脈沖窗口和像素窗口限定一個(gè)距離測(cè)量時(shí)段。在此方式下，探詢光束角度411可與返回角度416相關(guān)，并與距離120一起提供到對(duì)象440的距離確定。在圖像傳感器115處接收的光子是清楚的是重要的，使得在角度416接收的光子恰當(dāng)?shù)貧w因于發(fā)射光子的探詢?cè)唇嵌?11。此外，在探詢光束角度411和接收角度416之間可發(fā)生去同步，導(dǎo)致到對(duì)象440的距離計(jì)算的錯(cuò)誤。然而，對(duì)于每個(gè)像素可用的時(shí)間必須受光子預(yù)算(photon budget)和距離限制，允許探詢?cè)?例如,110)或圖像傳感器115的每次掃描的總時(shí)間將遭受由噪聲導(dǎo)致的激發(fā)以及探詢光束的發(fā)射和接收的去同步。

作為可理解的，圖像傳感器的功能和時(shí)序?qū)τ诟鶕?jù)本公開的光學(xué)探詢系統(tǒng)是具有特別的重要性的。基于三角測(cè)量確定到對(duì)象的距離的概念可進(jìn)一步由傳感器的架構(gòu)加強(qiáng)，以最小化由傳感器消耗的功率和高靈敏雪崩光電二極管的陣列由于噪聲而可能產(chǎn)生的虛假信息。例如，如果圖像傳感器的全部陣列配置在蓋革模式下并且被啟用，則SPAD的大部分可幾乎同時(shí)激活，但由于探詢?cè)?10(例如，發(fā)送信號(hào))可能只有一個(gè)(左右)依賴于曝光時(shí)間被激活。相反地，在陣列內(nèi)的SPAD的選擇性地激活能夠降低圖像傳感器115的感興趣的區(qū)域的基于陣列的DCR噪聲，從而提高光學(xué)探詢裝置的SNR。

可編程的圖像傳感器行&列快門

圖5是根據(jù)本公開的實(shí)施例的示例性圖像傳感器架構(gòu)500的示意圖。圖像傳感器架構(gòu)500包括光電二極管140的陣列，開始、設(shè)定、測(cè)距控制輸入505、高電壓和供電電路510、復(fù)用器體(multiplexer bank，復(fù)用器庫、復(fù)用器堆)515、感測(cè)放大器520、檢測(cè)和鎖存電路525、復(fù)用器序列發(fā)生器530、地址鎖存器535以及地址和邊緣觸發(fā)器輸入/輸出電路540。架構(gòu)500進(jìn)一步包括圖像傳感器中像素的陣列的像素550的子集，所述子集在此被稱為像素的“子陣列”或“陣列的子集”，全部陣列具有R行和C列的尺寸。

利用圖像傳感器(例如，圖1中的圖像傳感器115)中高靈敏的光電探測(cè)器的使用，使得低功率高分辨率光學(xué)探詢系統(tǒng)能夠確定到對(duì)象的距離。通常，利用小單元尺寸和在IR波長(zhǎng)，SPAD像素140需要接收大約20個(gè)光子來被激發(fā)。在實(shí)施例中，通過僅記錄基于對(duì)來自由感興趣的對(duì)象反射的入射探詢光束的光子的接收在特定的時(shí)間幀內(nèi)(例如，像素時(shí)間幀)產(chǎn)生信號(hào)的像素的地址來確定精確位置的三角測(cè)量。由于光學(xué)探詢系統(tǒng)控制探詢?cè)醇せ畹臅r(shí)序(裝置控制何時(shí)產(chǎn)生輸出信號(hào))，裝置能夠被編程以預(yù)期返回信號(hào)應(yīng)到達(dá)的大致時(shí)間段(對(duì)于呈現(xiàn)在已知范圍內(nèi)的對(duì)象，例如，在已知的景深內(nèi))。

為了在低功率操作光學(xué)探詢系統(tǒng)，應(yīng)在盡可能多的組件中實(shí)現(xiàn)功率節(jié)約(同時(shí)仍保持適當(dāng)?shù)姆直婺芰?。在基于高靈敏度SPAD的像素的使用降低了探詢?cè)吹墓β市枨髸r(shí)，仔細(xì)考慮在圖像傳感器陣列中的單個(gè)SPAD被啟用的方式能夠得到進(jìn)一步的增益。如在此討論的，雪崩光電二極管需要大的反向偏壓來進(jìn)入蓋革模式，其初始化(例如，經(jīng)由高電壓和供電電路510)對(duì)每個(gè)單獨(dú)二極管需要一定的功率。此外，在蓋革模式中的雪崩二極管(例如，SPAD)不能夠無限制地保持此狀態(tài)，而是在相對(duì)短的時(shí)間過去后將自發(fā)地激發(fā)(根據(jù)諸如環(huán)境光、單元尺寸、溫度、二極管的過電壓的情況)。因此，在圖像傳感器陣列同時(shí)激活所有光電二極管是不期望的，隨著在除探詢?cè)粗獾钠渌闯霈F(xiàn)激發(fā)事件的可能性增加，光電二極管的啟動(dòng)消耗的功率也增加。

降低功耗和由非探詢?cè)词录?dǎo)致像素激活的可能性這兩者的方法是在測(cè)量時(shí)段期間僅激活圖像傳感器中的光電二極管的子集。換一種方式說，在給定的時(shí)間時(shí)段(例如，像素激活時(shí)間)期間激活“頁”(例如，像素的子陣列550)并啟用“頁”以檢測(cè)探詢?cè)吹陌l(fā)送并生成信號(hào)，同時(shí)圖像傳感器陣列中的其他像素保持休眠。減少數(shù)量的光電二極管的激活降低功耗，也可降低由于背景噪聲(例如，通過去除DCR，環(huán)境光觸發(fā)陣列中的未啟用像素)導(dǎo)致的假的自發(fā)激活的可能性。

對(duì)于沒有對(duì)象存在的位置/距離的在先的知識(shí)的視場(chǎng)，優(yōu)選地啟動(dòng)圖像傳感器中的所有像素以提供檢測(cè)來自視場(chǎng)中的對(duì)象的反射照明的最佳時(shí)機(jī)。使用圖像傳感器中的像素的子陣列執(zhí)行對(duì)了解視場(chǎng)中對(duì)象的之前位置/距離的所述視場(chǎng)的探詢。由于對(duì)到視場(chǎng)中的對(duì)象的預(yù)期位置/距離的了解提供在來自探詢系統(tǒng)中的給定的探詢光束角度下的來自對(duì)象的反射照明的預(yù)期的(大約的)位置，因此可使用像素的子陣列。此情景代表探詢系統(tǒng)的配置圖像傳感器以僅激活像素陣列的子集的能力的使用。結(jié)合光學(xué)探詢系統(tǒng)，其可反過來提高幀率并降低探詢系統(tǒng)的功耗。例如，此情景可在視場(chǎng)中已知場(chǎng)景(例如，近來已經(jīng)被測(cè)量的視場(chǎng))的更新期間存在。

在給予正被測(cè)量的體空間(例如，最小距離和最大距離)的資訊的情況下，子陣列550的尺寸可基于對(duì)光子應(yīng)到達(dá)的地點(diǎn)的預(yù)測(cè)。由于諸如視場(chǎng)中對(duì)象的位置、探詢?cè)吹墓β?、環(huán)境光級(jí)別、單個(gè)SPAD的過電壓電平等因素，子陣列550的尺寸可需要增加或減小。對(duì)于具體的測(cè)量時(shí)段活躍的光電二極管的特定子集能夠隨測(cè)量改變(例如，當(dāng)探詢?cè)匆苿?dòng)以對(duì)視場(chǎng)的不同部分采樣時(shí))，從而生成活躍的圖像傳感器光電二極管550的“滾動(dòng)子陣列”。其在圖5中通過若干個(gè)像素子陣列550的集如虛線箭頭指示的隨時(shí)間沿傳感器陣列移動(dòng)來描繪。作為非限制的示例，使用圖像傳感器陣列的3個(gè)相鄰行和4個(gè)相鄰列(3×4子陣列尺寸)來構(gòu)造子陣列550。作為另一個(gè)非限制示例，使用所有行和數(shù)個(gè)(例如，3)相鄰激活列來構(gòu)造陣列-高子陣列550'?？膳c以例如扇形(例如，線)模式構(gòu)造的探詢光束125一起來使用子陣列550'。

在一方面，可考慮此滾動(dòng)子陣列550作為用于光學(xué)探詢系統(tǒng)的一種滾動(dòng)開關(guān)。子陣列550的移動(dòng)通常以相同的在測(cè)量時(shí)段像素的激活/失活的速率(也被稱為“像素率”)增加。如在此描述的，像素速率可由諸如探詢?cè)丛跍y(cè)量視場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)的角速度(例如，基于掃描鏡的MEMS的諧振頻率)、探詢?cè)吹哪Ｊ?例如，階躍模式或“扇形”模式)、環(huán)境光級(jí)別等因素確定。此外，通過僅記錄經(jīng)由像素地址的像素事件，能夠獲得信息的高輸出。

能夠以多種方式設(shè)置與光學(xué)探詢?cè)吹募せ钕嚓P(guān)的像素子陣列550激活的時(shí)序。在同步模式中，探詢?cè)吹倪B續(xù)脈沖之間的時(shí)間通過諸如環(huán)境光級(jí)別、探詢?cè)吹墓β省⒚}沖時(shí)間等的因素確定為光學(xué)探詢系統(tǒng)級(jí)別，子陣列550在與來自探詢?cè)吹拿}沖激發(fā)的同時(shí)激活。換句話說，探詢?cè)春拖袼刈雨嚵?50以同步、逐脈沖方式被控制。脈沖之間時(shí)段的約束包括激活像素子陣列550的子集中的單個(gè)光電二極管需要的光子的數(shù)量，以及用于確定對(duì)象的位置的最大TOF(指示用于檢測(cè)的對(duì)象的最大范圍)。在實(shí)施例中，在啟用一個(gè)探詢?cè)疵}沖的時(shí)間段內(nèi)，每個(gè)像素完成達(dá)到額外的反向偏壓閾值、在直到最大TOF的時(shí)間段內(nèi)保持閾值、激發(fā)(如果檢測(cè)到光子)、以及淬滅的序列。如果最大TOF大于探詢?cè)吹拿}沖時(shí)段，則在像素子陣列550的同一測(cè)量時(shí)段將存在探詢?cè)吹亩鄠€(gè)脈沖，導(dǎo)致距離確定不清楚。距離的三角法確定需要唯一的探詢?cè)唇嵌扰c唯一的接收像素地址。因此，最小化SPAD完成啟用/激發(fā)/重置循環(huán)需要的時(shí)間對(duì)光學(xué)探詢系統(tǒng)的操作是有益的，因?yàn)槠淠芴峁└叩奶皆冊(cè)疵}沖頻率和更精細(xì)的圖像傳感器陣列分辨率。降低SPAD操作循環(huán)的一種方式是通過最小化SPAD的淬滅時(shí)間。其能夠經(jīng)由SPAD的有源淬滅實(shí)現(xiàn)，藉此有源負(fù)載能夠在來自SPAD的雪崩電流出現(xiàn)時(shí)啟動(dòng)。在實(shí)施例中，如果TOF超過(探詢?cè)搭l率)^-1，則探詢?cè)疵}沖和像素子陣列550均增加，沒有事件被記錄。

像素子陣列550的可選時(shí)序是異步操作，其中，探詢?cè)春拖袼刈雨嚵?50是同步啟用的，但是通過檢測(cè)事件的時(shí)序確定探詢?cè)疵}沖之間的時(shí)序。在實(shí)施例中，探詢?cè)磧H在像素子陣列550接收返回信號(hào)(例如，反射的光子)或當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)超時(shí)(time-out，暫停)時(shí)發(fā)射脈沖。系統(tǒng)超時(shí)(time-out，暫停)是可在系統(tǒng)級(jí)配置的，并能夠基于環(huán)境光級(jí)別、到對(duì)象的最大范圍、探詢?cè)疵}沖功率和脈沖寬度等。在此方式下，能夠執(zhí)行光學(xué)探詢系統(tǒng)的可變的或自定時(shí)操作。對(duì)于位于更遠(yuǎn)距離(例如，數(shù)米)的對(duì)象，系統(tǒng)的幀率將是可變的。對(duì)于附近的對(duì)象，異步模式下的操作能實(shí)現(xiàn)更快的探詢?cè)疵}沖和像素子陣列率，因?yàn)樵诖嬖诖郎y(cè)量的近處對(duì)象時(shí)，最大TOF超時(shí)(timeout，暫停)不是因素。

在根據(jù)本公開的實(shí)施例中，復(fù)用器體515結(jié)合到圖像傳感器陣列的行和列。在一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)用器體515根據(jù)激活的當(dāng)前子陣列選擇輸出，例如，對(duì)應(yīng)于當(dāng)前子陣列，從768行，8位分辨率中選擇3行，從1024列,8位分辨率中選擇4列。其他的復(fù)用器體構(gòu)造也是可能的。復(fù)用器體515的輸出分別連接至行和列感測(cè)放大器(或比較器)520。在實(shí)施例中，在任意行發(fā)出信號(hào)的第一光電二極管將產(chǎn)生“贏者通吃”檢測(cè)和鎖存525，例如，對(duì)于3活躍行，1將作為檢測(cè)信號(hào)輸出。同樣的，與發(fā)射信號(hào)的光電二極管對(duì)應(yīng)的列能夠生成檢測(cè)和鎖存525輸出(例如，4個(gè)中的1個(gè))。根據(jù)本公開的實(shí)施例，輸出信號(hào)僅記錄激發(fā)的像素位置(例如，僅來自“贏者通吃”檢測(cè)和鎖存的像素的地址)，并不包括來自其他像素的信息。檢測(cè)和鎖存525的其他組合是可能的，并且與本公開的精神和范圍一致。要被激活的第一行地址和要被激活的第一列地址的組合給出了與在測(cè)量時(shí)段期間啟用的探詢?cè)垂馐P(guān)聯(lián)的唯一像素地址。該像素地址包括與特定的探詢?cè)唇嵌葘?duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。例如，圖像傳感器的輸出是2位行信息和2位列信息，由于測(cè)距信息是基于確定的子陣列地址，因此，信號(hào)管理和輸入/輸出挑戰(zhàn)與傳統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)相比能夠充分的減少。

盡管以系統(tǒng)測(cè)量范圍(例如，最大景深)作為代價(jià)，但是SPAD時(shí)序能夠被外部選通以減低噪聲。為了減小的芯片尺寸，可使用外部定時(shí)和控制電子器件，然而，存在印刷電路板(PCB)的設(shè)計(jì)與芯片設(shè)計(jì)級(jí)別之間的權(quán)衡?？刂戚斎胄盘?hào)能夠經(jīng)由邊沿觸發(fā)產(chǎn)生可編程設(shè)置、像素啟用和復(fù)用器序列發(fā)生器530的自時(shí)序。復(fù)用器序列發(fā)生器530包括由開始信號(hào)505觸發(fā)的定時(shí)和控制邏輯。

在光學(xué)探詢系統(tǒng)的測(cè)量階段期間，隨著探詢?cè)丛黾犹皆児馐陌l(fā)送的角度，與探詢系統(tǒng)相距不同距離的兩個(gè)對(duì)象的存在可導(dǎo)致以下情況的出現(xiàn)：對(duì)象位置的突然明顯的改變的出現(xiàn)，或者對(duì)象的存在沒有被恰當(dāng)?shù)貦z測(cè)。圖6和圖7示出了一個(gè)此情景的實(shí)施例，其中，近處的對(duì)象掩蓋遠(yuǎn)處對(duì)象的至少一部分。

圖6示出了環(huán)境600，其中近處對(duì)象610和遠(yuǎn)處對(duì)象615由光學(xué)探詢裝置105測(cè)量。在第一測(cè)量時(shí)段，發(fā)射探詢光束60，其在近處對(duì)象610反射回來并以角度θι入射在圖像傳感器上。在第一測(cè)量時(shí)段后的第二測(cè)量時(shí)段，發(fā)射探詢光束62，其以角度θ₂從遠(yuǎn)處對(duì)象反射回來。由于對(duì)象610和對(duì)象615處于不同的距離，返回角度θι和θ₂不同的程度依賴于兩個(gè)對(duì)象610和615之間的相對(duì)距離。在僅一個(gè)測(cè)量時(shí)段這些不同的返回角度的影響在于來自第二測(cè)量的返回的照明將在從第一接收信號(hào)的地址遠(yuǎn)離一些位置的陣列地址處接收，導(dǎo)致接收角度的與對(duì)象之間距離成比例的明顯變化。跳躍角度由圖6中的θ_S代表。由于正在使用三角測(cè)量確定的距離，此情景導(dǎo)致裝置105返回的對(duì)象的位置的跳躍活動(dòng)。通常，存在比近處的對(duì)象距離探詢?cè)锤h(yuǎn)的對(duì)象不能成像的區(qū)域650。

圖7也描繪了具有待測(cè)量的多個(gè)對(duì)象(近處對(duì)象710和遠(yuǎn)處對(duì)象715)的環(huán)境700。對(duì)象710和715的幾何關(guān)系使得在探詢光束角度的一定范圍內(nèi)，由入射在遠(yuǎn)處對(duì)象715上的照明引起的反射的照明將被近處對(duì)象710阻擋而不能在裝置105圖像傳感器處接收。該情景可通常被稱為對(duì)象遮擋。在示例中，第一探詢光束70入射在遠(yuǎn)處對(duì)象715上，勉強(qiáng)避開對(duì)象710，形成反射光束72并入射在裝置105的圖像傳感器上。之后的探詢光束71入射在對(duì)象715上，但71的反射被對(duì)象710阻擋而不能進(jìn)入圖像傳感器的視場(chǎng)。這導(dǎo)致裝置105的測(cè)量到遠(yuǎn)處對(duì)象715的被近處對(duì)象710遮擋的部分的距離的失敗。在掃描循環(huán)的后續(xù)點(diǎn)處，發(fā)射入射在近處對(duì)象710上的探詢光束78，并再次在探詢裝置105的圖像傳感器處接收反射的照明。通常，存在這樣的區(qū)域750，在該區(qū)域750中，距離探詢裝置105比對(duì)象710遠(yuǎn)的對(duì)象將由于反射的照明被遮擋而不能成像。

解決在探詢光束返回角度中的這些突然跳躍(例如，圖6和圖7中的)的方法是一次啟用更大組的像素(例如，增加子陣列或像素的頁的尺寸，例如，圖5的子陣列550)。在最大程度上，此尺寸可高達(dá)達(dá)視場(chǎng)的一半(與探詢光束掃描的相同維度，例如，沿著列)。在此情況下，像素的子陣列的寬度可高達(dá)列的一半。此外，像素的子陣列在與掃描方向正交的方向上(例如，行)可需要一些深度以解決在探詢?cè)吹呐c圖像傳感器相比的受控位置與實(shí)際位置之間的不重合，和/或光學(xué)探詢系統(tǒng)相對(duì)于視場(chǎng)的移動(dòng)。探詢?cè)次恢弥械臋C(jī)械/光學(xué)的多個(gè)源的未對(duì)準(zhǔn)的種類包括MEMS轉(zhuǎn)向和響應(yīng)線性。這些能夠通過增加活躍的像素的子陣列尺寸來解決。由未對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致的距離確定錯(cuò)誤涉及像素陣列的分辨率，對(duì)于給定的角度失配，精細(xì)解決的陣列(小像素尺寸)將具有更大的返回位置錯(cuò)誤，因?yàn)楦鄶?shù)量的像素將被跳過。但是這種方法可一定程度上導(dǎo)致光學(xué)探詢系統(tǒng)的更大的電路復(fù)雜性和更大的功耗，應(yīng)尋求由于(采樣的)過小的子陣列尺寸導(dǎo)致的來自探詢光束的光子的返回集的丟失的可能性和由于觀察過大的區(qū)域而增加背景噪聲的可能性之間的平衡。

近處對(duì)象和遠(yuǎn)處對(duì)象(例如，對(duì)象610和615)之間的距離影響跳躍的角度，更小的內(nèi)部對(duì)象距離給出更小的跳躍角度，反過來導(dǎo)致減小的子陣列尺寸需求。在根據(jù)本公開的實(shí)施例中，可基于(例如，經(jīng)由確定的跳躍角度)檢測(cè)的光學(xué)探詢裝置的視場(chǎng)中對(duì)象之間的距離而自動(dòng)做出子陣列尺寸調(diào)整。根據(jù)實(shí)施例，為解決由諸如視場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)對(duì)象或新引入的對(duì)象導(dǎo)致的跳躍角度的改變，動(dòng)態(tài)調(diào)整子陣列550的尺寸。

光學(xué)探詢裝置的調(diào)整傳感器陣列的像素的子集(例如，像素子陣列550的尺寸)的能力進(jìn)一步提供功能性。在本公開的實(shí)施例中，通過在(例如，幀縮放)期間減少圖像傳感器陣列中的激活的行的數(shù)目來調(diào)整光學(xué)探詢裝置的輸出幀的幀率。換句話說，通過考慮比總的可能陣列行少的行(例如，在圖像傳感器架構(gòu)500中激活少于768行的行)來減小幀尺寸，其導(dǎo)致幀率的增加。幀率的增加將與掃描的行的減少成正比(由于探詢?cè)吹闹C振運(yùn)動(dòng)，列的掃描的時(shí)間保持不變)。通過探詢?cè)吹娜珤呙枘軌蛏扇珟?，例如，探詢?cè)粗C振與圖像傳感器行軸平行諧振并在與圖像傳感器列軸平行階躍。探詢?cè)疵}沖激活的脈沖能夠被限制到包括在減小的幀區(qū)域中的區(qū)域，同樣地，滾動(dòng)的像素子陣列550能夠僅在減小的幀區(qū)域激活。在實(shí)施例中，探詢?cè)匆悦}沖點(diǎn)模式激活，探詢?cè)吹碾A躍運(yùn)動(dòng)減小至僅覆蓋幀縮放區(qū)域中的行。以此方式的探詢?cè)春蛨D像傳感器的操作可導(dǎo)致探詢?cè)春蛨D像傳感器陣列的功耗的減少。此外，如在上面記載的，隨著在視場(chǎng)中的特定區(qū)域的縮放，幀率可增加。

用于激活圖像傳感器光電二極管的子集的各種實(shí)施方式是可能的。作為對(duì)相鄰像素的滾動(dòng)子陣列的示例性替代，使用分開的8列像素的激活執(zhí)行粗略的第一掃描，之后進(jìn)行分開的4列的更精細(xì)的掃描，然后2列，等等。在此方式下，確定設(shè)置在視場(chǎng)中的對(duì)象的位置的粗略估計(jì)。通過從粗略到精細(xì)能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立的位置的精細(xì)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)象位置的微調(diào)，并且其探詢?cè)唇嵌戎圃臁疤S”角度。在實(shí)施例中，校準(zhǔn)模式包括具有活躍的像素的大列間隙的粗掃描及之后的列間隔(例如，列間隙中的列的數(shù)量)和/或掃描的區(qū)域(例如，在圖像傳感器陣列中的滾動(dòng)子陣列位置)的微調(diào)。在此方式中，能夠通過設(shè)定邏輯脈沖相對(duì)于當(dāng)前視場(chǎng)中的對(duì)象位置更精確地設(shè)置邏輯脈沖來減小背景噪聲，例如，啟用在確定的列上的像素以形成減小的滾動(dòng)子陣列的邏輯脈沖。

在實(shí)施例中，使用確定初始對(duì)象所處位置的檢測(cè)的接收信號(hào)的位置產(chǎn)生第一掃描，以生成最大分辨率的第一幀。在此最初的高幀率掃描之后，對(duì)像素(列)活躍、曝光延遲、定時(shí)等做出改變。根據(jù)本公開的實(shí)施例，通過迭代循環(huán)實(shí)現(xiàn)這些改變。作為非限制性的示例，確定信號(hào)檢測(cè)停止的點(diǎn)(例如，通過連續(xù)減少曝光)。從此點(diǎn)開始，增加曝光至信號(hào)重新開始的點(diǎn)，然后將曝光與在此條件下的對(duì)對(duì)象成像的實(shí)質(zhì)優(yōu)化方案關(guān)聯(lián)。在此方式下，與光學(xué)探詢范圍的增加一起實(shí)現(xiàn)背景噪聲的基本減小。在系統(tǒng)級(jí)別實(shí)現(xiàn)此調(diào)整。

另一種用于增加圖像傳感器的幀率的技術(shù)包括全行掃描模式(例如，陣列-高，探詢?cè)垂狻吧取钡膾邉?dòng))。在此模式中，像素頁(例如，子陣列550)可為陣列-高頁，具有利用探詢?cè)疵}沖增加的激活列的確定的子集。由于所有的像素將利用探詢?cè)吹拿總€(gè)角度掃描激活，可顯著增加幀率，具有增加的系統(tǒng)帶寬需求。

經(jīng)由集成飛行時(shí)間的測(cè)距

在本發(fā)明的實(shí)施例中，夠使用每像素(例如，像素140b)時(shí)間編碼光子激發(fā)信息結(jié)合在探詢?cè)?即，光源)和探測(cè)器之間的同步接口，來配置單個(gè)或數(shù)個(gè)光子檢測(cè)陣列，以允許獲得TOF和測(cè)距信息。作為示例，為獲得1cm的自由空間分辨率需要具有大約30皮秒的精度的事件分辨率(即，光子從探詢系統(tǒng)的光源到目標(biāo)場(chǎng)景并返回探詢系統(tǒng)的圖像傳感器的飛行時(shí)間)。能夠執(zhí)行在此描述的方法，以利用高靈敏度光子檢測(cè)器陣列實(shí)現(xiàn)3D成像和測(cè)距系統(tǒng)從高功率廣播或掃描模式到低功率光子爆發(fā)(即，閃光或脈沖直接激光光束)的進(jìn)化，由此實(shí)現(xiàn)減小圖像數(shù)據(jù)的后處理需求的本質(zhì)數(shù)字光子探測(cè)器，其中，所述高靈敏度光子檢測(cè)器陣列設(shè)計(jì)為產(chǎn)生x-、y-、z-坐標(biāo)信息和事件時(shí)間。

如在此描述的，SPAD像素陣列(例如，光電二極管140的陣列)可與脈沖和/或用于3D成像和測(cè)距應(yīng)用的操縱探詢?cè)?例如，激光光源)結(jié)合使用。在實(shí)施例中，探詢?cè)春蛨D像傳感器陣列通過同一光學(xué)孔徑共軸地放置。由于高靈敏度SPAD裝置除了探詢?cè)赐膺€將響應(yīng)于環(huán)境光，應(yīng)仔細(xì)安排圖像傳感器和探詢?cè)?。在本發(fā)明的實(shí)施例中，光學(xué)探詢系統(tǒng)包括操作性地結(jié)合到感測(cè)元件的光源。作為示例，光源為垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，感測(cè)元件可為包括在光子像素的陣列中的基于SPAD的像素。在此系統(tǒng)中，能夠監(jiān)測(cè)光源的發(fā)射和像素的檢測(cè)之間的時(shí)間延遲，時(shí)間延遲反映至少一個(gè)光子從光源到場(chǎng)景的一部分并返回感測(cè)元件的傳播時(shí)間，傳播時(shí)間對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)和場(chǎng)景的一部分之間的距離。TOF計(jì)算和后續(xù)輸出能夠整合在SPAD像素功能中，SPAD像素能夠以像素存儲(chǔ)TOF信息(與例如光學(xué)強(qiáng)度信息的存儲(chǔ)相反)的方式關(guān)斷電荷積分器。

時(shí)間延遲的監(jiān)視可通過不同方案執(zhí)行，包括但不限于，將電荷存儲(chǔ)能力添加到像素傳感器單元(即，電容器的電荷級(jí)別的控制)。電容器的電荷級(jí)別隨后能與時(shí)間延遲相關(guān)，因此提供對(duì)從系統(tǒng)到場(chǎng)景的距離的估計(jì)。在一個(gè)示例中，光源的發(fā)射事件能夠觸發(fā)電容器的放電，像素檢測(cè)事件能夠終止同一電容器的放電。在另一個(gè)示例中，光源的發(fā)射事件能夠觸發(fā)電容器的充電，檢測(cè)事件能夠終止同一電容器的充電。在另一個(gè)示例中，與來自VCSEL的光脈沖的發(fā)射對(duì)應(yīng)的激光器導(dǎo)通沿能夠用于初始化時(shí)間測(cè)量活動(dòng)(例如，電容器的充電或放電)。當(dāng)通過與光源發(fā)射對(duì)應(yīng)的SPAD像素檢測(cè)到返回的光子時(shí)，雪崩電流上升的前沿能夠用于觸發(fā)時(shí)間測(cè)量活動(dòng)(即，中斷電容器的充電級(jí)別的改變，因此，導(dǎo)致電容器的電荷與和光子傳播相關(guān)聯(lián)的時(shí)間段成正比)的結(jié)束。在電容性的充電用作時(shí)間測(cè)量手段的情況下，穿越SPAD像素陣列，每個(gè)像素能夠在各自的存儲(chǔ)電容器中包括一些與距離相關(guān)的電荷量，所述電荷量對(duì)應(yīng)于場(chǎng)景中的特定部分并能夠被讀出并處理以提供作為整體的場(chǎng)景的空間-時(shí)間信息。此SPAD像素能夠以與傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器(CIS)像素陣列的讀出使用的技術(shù)相似的陣列的形式讀出。

這樣的實(shí)施例提供高幀率，昂貴的基于MEMS的光束操縱(steering，引導(dǎo))，且可規(guī)避其他需求。此外，由于SPAD像素的提高的靈敏度，可使用縮短的且較低級(jí)別光源照明?？烧J(rèn)識(shí)到，在實(shí)施例中，可將成像系統(tǒng)與同步和/或可操縱的光子探詢光束(例如，光源)，其中，探詢光束照明提供定時(shí)基準(zhǔn)。此外，由于將觸發(fā)僅僅陣列中的像素組，因此能夠執(zhí)行用于觸發(fā)尋址事件的局部決策。本實(shí)施例可延伸至在具有在SPAD像素陣列內(nèi)成像的相應(yīng)區(qū)域的探詢光束中對(duì)來自衍射光柵的預(yù)定探詢模式的使用(例如結(jié)構(gòu)光方法)。如所描述的實(shí)施例具有較低的光源功率需求和生成直接圖像至例如處理器(例如，處理單元902)的能力。因此，如所描述的成像傳感器實(shí)施例適合集成在主機(jī)裝置中(諸如具有主處理器的移動(dòng)裝置中)。

像素陣列能夠進(jìn)一步包括像素尺度微透鏡陣列以提高像素的填充因子，即，將入射光聚焦在像素的光敏區(qū)域。像素陣列能夠包含可以以列級(jí)別、行級(jí)別、陣列區(qū)域級(jí)別、像素級(jí)別、全局級(jí)別或它們的任意組合執(zhí)行的靈敏度控制(例如，通過反向偏置電壓電平控制)。也能夠執(zhí)行無源和/或有源淬滅、時(shí)間選通、浮柵編程的使用(例如，用于失配校準(zhǔn)和/或像素決策電路)。

根據(jù)本公開的實(shí)施例，圖像傳感器具有包括TOF啟用的像素和非TOF啟用的像素的組合(例如，像素140b和140a)的光電二極管陣列。作為非限制性的示例，TOF像素140b的子集布置在圖像傳感器陣列中的粗網(wǎng)格中，其余的像素包括像素140a。這樣的布置可用于簡(jiǎn)化或增加用于尋址陣列中的像素的控制系統(tǒng)邏輯(例如，用于產(chǎn)生移動(dòng)的子陣列550)。使用來自探詢?cè)吹妮斎胄盘?hào)的控制，粗網(wǎng)格校對(duì)能夠使用來自TOF像素140b的TOF信息來進(jìn)行，并能夠通過使用圖像傳感器陣列的像素140a的高分辨率掃描來增強(qiáng)。能夠?yàn)閳D像傳感器陣列提供更高的精度和/或更快的開窗口速度的各種控制方案是可能的。此外，能夠定期地使用TOF像素140b來幫助光學(xué)探詢裝置抑制噪聲(例如，通過提供到對(duì)象的直接TOF測(cè)量)。

圖8是根據(jù)本公開的實(shí)施例的使用探詢光束確定到對(duì)象的距離的方法的流程圖800。步驟801-809描述了根據(jù)在此描述的各種實(shí)施例的包括流程圖800中描繪的處理的示例性步驟。在一個(gè)實(shí)施例中，流程圖800能夠?qū)崿F(xiàn)為存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令并由運(yùn)行用于確定到對(duì)象的距離的處理的計(jì)算裝置執(zhí)行。

在步驟801，用光子探詢光束探詢對(duì)象。探詢光束能夠?yàn)槔鐏碜怨鈱W(xué)探詢裝置105的探詢?cè)?10的探詢光束125。在實(shí)施例中，探詢?cè)礊榫哂兄C振MEMS掃描鏡的激光器(例如，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL))。探詢?cè)茨軌虬l(fā)射在IR波長(zhǎng)或其他波長(zhǎng)的輻射。在實(shí)施例中，反射鏡可在x方向諧振(例如，沿著圖像傳感器陣列的列)，并在y方向階躍(例如，沿圖像傳感器陣列的行增加)。諧振掃描鏡能夠用于跨越探詢裝置105的視場(chǎng)掃動(dòng)探詢光束125，從而探詢視場(chǎng)中的對(duì)象。在實(shí)施例中，激光器以“光斑(spot，點(diǎn))”模式操作；可選擇的，激光探詢?cè)丛凇吧刃巍蹦Ｊ讲僮?，發(fā)射寬條紋的照明。

在步驟803，激活雪崩光電二極管的陣列(例如，SPAD光電二極管的陣列)，雪崩光電二極管在蓋革模式下操作，激活與光子探詢光束的激活基本同時(shí)發(fā)生。在實(shí)施例中，在探詢?cè)吹拿}沖期間僅激活陣列的子集。在實(shí)施例中，陣列的子集以時(shí)變(隨時(shí)間變化)的方式改變并與探詢光束(例如，滾動(dòng)子陣列550)的連續(xù)脈沖一致地增加。子陣列的尺寸能夠被改變，并能基于探詢?cè)磸?qiáng)度和移動(dòng)的速率以及到視場(chǎng)中的對(duì)象范圍，除了其他因素以外。

在步驟805，接收來自對(duì)象的反射光束(例如，在圖像傳感器115處接收的光束130)。光學(xué)系統(tǒng)(例如，光學(xué)系統(tǒng)135)可被包括在圖像傳感器中，光學(xué)裝置能夠聚焦和/或過濾入射在圖像傳感器上的反射。在實(shí)施例中，在步驟807的產(chǎn)生信號(hào)之后，陣列的失活與反射光束的接收基本同時(shí)發(fā)生。

在步驟807產(chǎn)生與反射光束的特性對(duì)應(yīng)的信號(hào)。在實(shí)施例中，基于由多個(gè)子集的激活子集包括的第一陣列元件接收的反射光束產(chǎn)生信號(hào)，而由所述激活子集的陣列中的其余陣列元件對(duì)反射光束的任意檢測(cè)不包括在所述信號(hào)中。在實(shí)施例中，雪崩光電二極管的陣列的每個(gè)光電二極管包括至少一個(gè)電荷存儲(chǔ)元件，對(duì)陣列的激活在從探詢光束的發(fā)射到接收來自對(duì)象的反射光束之間的時(shí)段期間終止所述至少一個(gè)電荷存儲(chǔ)元件的變化的充電電平。在實(shí)施例中，存儲(chǔ)元件為電容器，充電電平由信號(hào)組成并提供對(duì)在探詢?cè)窗l(fā)射和反射照明的接收之間的時(shí)間(例如，TOF信息)的測(cè)量。

在步驟809，基于信號(hào)確定到對(duì)象的距離。在實(shí)施例中，反射光進(jìn)入光學(xué)器件的角度(例如，角度116)確定圖像傳感器陣列的具有光電二極管激活的列(例如，在行中的位置)。像素地址與光學(xué)探詢?cè)唇嵌?例如，111)一起提供對(duì)返回光角度116的估計(jì)，并與探詢?cè)春蛨D像傳感器之間的距離一起提供距離確定(經(jīng)由三角測(cè)量)。在實(shí)施例中，TOF計(jì)算和后續(xù)的讀出集成在SPAD像素功能中(例如，像素150b)，SPAD像素以像素存儲(chǔ)TOF信息的方式觸發(fā)(toggle,翻轉(zhuǎn))整體的電荷積分器的操作。

示例性的測(cè)距裝置

根據(jù)本公開的光學(xué)探詢裝置可包括各種配置并可在采用光學(xué)探詢裝置的主電子裝置中使用。這樣的電子裝置包括但不限于可穿戴裝置和其他便攜的和非便攜的計(jì)算裝置，諸如眼鏡、手表、蜂窩電話、智能電話、平板電腦和膝上型電腦。如在圖9中呈現(xiàn)的，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性主裝置可實(shí)現(xiàn)為包括通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境900。主裝置包括光學(xué)探詢系統(tǒng)907。根據(jù)實(shí)施例，光學(xué)探詢系統(tǒng)907包括：位于系統(tǒng)上的在圖像捕獲期間(例如，使用激光)照明目標(biāo)場(chǎng)景的探詢?cè)?例如探詢?cè)?10)；位于系統(tǒng)上的受控位置(例如，從探詢?cè)?10水平偏移)的單個(gè)和/或數(shù)個(gè)光子像素陣列圖像傳感器(例如，圖像傳感器115)；將目標(biāo)場(chǎng)景的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為用于圖像處理的電子信號(hào)的圖像傳感器內(nèi)的電路。光學(xué)探詢系統(tǒng)907選擇性地包括成像透鏡和/或微透鏡陣列，和/或在圖像捕獲期間抑制環(huán)境光的濾波器(例如，光學(xué)波長(zhǎng)帶通濾波器)。

在最基本的配置中，計(jì)算系統(tǒng)900可包括至少一個(gè)處理器902和至少一個(gè)內(nèi)存904。處理器902通常代表能夠處理數(shù)據(jù)或解釋和執(zhí)行指令的任意類型或形式的處理單元。在特定的實(shí)施例中，處理器902可從軟件應(yīng)用或模塊接收指令。這些指令可導(dǎo)致處理器902執(zhí)行在此描述和/或示出的一個(gè)或更多個(gè)示例實(shí)施例的功能。根據(jù)本公開的實(shí)施例，處理器902被配置為從圖像傳感器接收目標(biāo)場(chǎng)景的圖像，并從圖像估計(jì)目標(biāo)場(chǎng)景的距離信息。

內(nèi)存904通常代表能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和/或其他計(jì)算機(jī)可讀指令的任意類型或形式的易失性或非易失性存儲(chǔ)裝置或媒介。在特定實(shí)施例中，計(jì)算系統(tǒng)900可包括易失性存儲(chǔ)單元(諸如，例如，內(nèi)存904)和非易失性存儲(chǔ)裝置908兩者。計(jì)算系統(tǒng)900也包括操作性地結(jié)合到處理器902的顯示裝置906。顯示裝置906通常被配置為在用戶和計(jì)算系統(tǒng)之間提供容易使用的接口的圖形用戶界面(GUI)。

在實(shí)施例中，計(jì)算系統(tǒng)900包括用于執(zhí)行根據(jù)本公開的方面的處理的指令，其中，指令可存儲(chǔ)在內(nèi)存904上或存儲(chǔ)器908上。例如，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可包括對(duì)象距離確定指令913，其中，對(duì)象距離確定指令913包含使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)900執(zhí)行根據(jù)本公開的實(shí)施例的確定到對(duì)象的距離的處理的指令(例如，處理800)。

如在圖9中示出的，計(jì)算系統(tǒng)900也可包括至少一個(gè)輸入/輸出(I/O)裝置910。I/O裝置910通常代表能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)或人生成的輸入或輸出提供至計(jì)算系統(tǒng)900或從計(jì)算系統(tǒng)900接收計(jì)算機(jī)或人生成的輸入或輸出的任意類型或形式的輸入裝置。I/O裝置910的示例包括但不限于，指示或光標(biāo)控制裝置(例如，觸摸敏感裝置和/或鼠標(biāo))，語音識(shí)別裝置，鍵盤或任意其他輸入裝置。

圖9的通信接口922廣義地代表能夠促進(jìn)示例計(jì)算系統(tǒng)900與一個(gè)或更多個(gè)附加裝置之間通信的任意類型或形式的通信裝置或適配器。例如，通信接口922可促進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)900與包括附加主裝置和/或計(jì)算系統(tǒng)的私人網(wǎng)絡(luò)或公共網(wǎng)絡(luò)之間的通信。通信接口922的示例包括但不限于，無線網(wǎng)絡(luò)接口(諸如無線網(wǎng)絡(luò)接口卡和/或藍(lán)牙適配器)、有線網(wǎng)絡(luò)接口(諸如網(wǎng)絡(luò)接口卡)、調(diào)制解調(diào)器和任意其他適合的接口。在一個(gè)實(shí)施例中，通信接口922經(jīng)由到網(wǎng)絡(luò)(諸如蜂窩網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng))的直接鏈路提供到遠(yuǎn)程服務(wù)器的直接連接。通信接口922也可通過任意其他合適的連接間接地提供這樣的連接。通信接口922也可代表配置為經(jīng)由外部總線或通信信道促進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)900與一個(gè)或更多個(gè)附加網(wǎng)絡(luò)或存儲(chǔ)裝置之間通信的主適配器。

像素電路

圖10描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性像素電路1000的框圖。示例性像素電路1000包括光電二極管145、鎖存電路1005以及解碼和控制電路1010。光電二極管145在接收照明時(shí)產(chǎn)生電流脈沖，電流脈沖可通過電耦合電阻器(例如，圖2的220)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖。電壓脈沖可通過像素電路1000直接用于邏輯，例如，啟用光電二極管激活事件的直接應(yīng)用(例如，激發(fā))以在鎖存電路1005處設(shè)置鎖存。

圖11描繪了根據(jù)本公開的實(shí)施例的示例性晶體管級(jí)的示意性像素電路1100。像素電路1100包括緩沖元件1125(例如，對(duì)應(yīng)于圖2的緩沖器225)、鎖存元件1105(例如，對(duì)應(yīng)于鎖存器1005)以及解碼和控制元件1110(例如，對(duì)應(yīng)于解碼和控制1010)。圖11的像素電路由列和行使能信號(hào)選通(ColHVen和RowEn)，并具有接地參考光電二極管。在實(shí)施例中，光電二極管被配置為在蓋革模式下操作(例如，操作為SPAD)。接地參考光電二極管在接收充分的光子照明(例如，數(shù)個(gè)光子)時(shí)生成迅速的電流脈沖，電流脈沖經(jīng)由電阻器轉(zhuǎn)換為電壓脈沖。電壓脈沖可通過像素電路直接用于邏輯，因而啟用光電二極管激活事件的直接應(yīng)用(例如，激發(fā))以控制圖像傳感器的功能。例如，電壓脈沖可為用作電阻器的輸入的正脈沖(相對(duì)于地)。根據(jù)本公開的實(shí)施例，從光電二極管事件產(chǎn)生的電壓脈沖能夠生成邏輯電平電壓，其可為例如直接輸入到CMOS邏輯中的輸入以置位(或復(fù)位)元件1105的置位-復(fù)位鎖存電路。

根據(jù)本公開的實(shí)施例的圖像傳感器(例如圖像傳感器115)包括像素電路1100的陣列，并且用于鎖存器1105的設(shè)置值能夠使圖像傳感器陣列報(bào)告激發(fā)的像素的地址，其可用于確定從對(duì)象反射的探詢光束的返回角度。如在此描述的，利用確定的返回的角度(例如，圖1的角度116)，能夠經(jīng)由三角測(cè)量找到到對(duì)象的距離。作為非限制性的示例，正電壓尖峰可由源極跟隨器反轉(zhuǎn)以提供與Vcc有關(guān)的負(fù)電壓尖峰，其可為到置位-復(fù)位鎖存器的置位信號(hào)。根據(jù)圖11的像素架構(gòu)不需要高增益模擬感測(cè)放大器或模擬時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog time-to-digital converter)，這能夠降低系統(tǒng)的功率需求和由于缺少模擬組件導(dǎo)致的測(cè)量延遲。根據(jù)圖11的像素架構(gòu)1100為完全的數(shù)字像素。

根據(jù)本公開的實(shí)施例，光電二極管積極淬滅以控制光電二極管的潛在連續(xù)激發(fā)之間的時(shí)間段(例如，為了最小化激發(fā)事件之后的SPAD的復(fù)位時(shí)間)。相反地，在很多其他方法中，電阻的位置位于光電二極管的頂部，光電二極管固定在地面。當(dāng)SPAD從光子檢測(cè)事件激發(fā)時(shí)，這樣的架構(gòu)產(chǎn)生負(fù)脈沖，其對(duì)于被設(shè)計(jì)為直接使用光電二極管激活事件作為CMOS邏輯的直接輸入的系統(tǒng)用處很小。通常地，SPAD可為AC-耦合(例如，與電容器結(jié)合的光電二極管)以執(zhí)行無源電路的電平轉(zhuǎn)換。這樣的架構(gòu)基本比本公開的架構(gòu)慢，并不允許像素的活性淬滅或選通。此外，在根據(jù)本公開的架構(gòu)中不需要用于感測(cè)小電流的感測(cè)放大器。

根據(jù)本公開的實(shí)施例，門控像素電路1100(例如，選擇性地激活光電二極管)。在非活動(dòng)狀態(tài)中，光電二極管是不接地的，不存在跨過光電二極管的電壓，因此，即使在入射光子的情況下，光電二極管也不能被激發(fā)。根據(jù)這里的實(shí)施例，由高電壓軌(high voltage rail)對(duì)光電二極管進(jìn)行與邏輯電路(諸如鎖存器)分開地供電。像素電路1100的高電壓組件受限于盒1145中的元件，即，高電壓供電線、光電二極管陰極和接合點(diǎn)A(例如，與光電二極管的陽極互連)。當(dāng)通過以系統(tǒng)級(jí)別控制的控制線(例如，ColHVen和RowEn)啟用像素時(shí)，入射在光電二極管處的光子可產(chǎn)生引起電壓脈沖的信號(hào)(例如，來自雪崩擊穿事件的電流脈沖)。如在圖11所示，可僅在FireEn、ColHVen和RowEn處于高電平時(shí)在節(jié)點(diǎn)B產(chǎn)生激發(fā)脈沖。此架構(gòu)提供完整的像素選通控制，從而在圖像傳感器陣列中的在每個(gè)特定的測(cè)量時(shí)段啟用的像素的集上控制(例如，針對(duì)可變的像素頁尺寸的專用、通用像素控制)。在實(shí)施例中，在緩沖元件1125中使用電壓鉗以限制在光電二極管的激發(fā)事件期間在柵極處的電壓尖峰。此外，通過限制電壓尖峰，電壓鉗用于保持光電二極管的電壓電平接近目標(biāo)光電二極管偏置電平，從而降低了將光電二極管復(fù)位到對(duì)于后續(xù)激發(fā)事件準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)所需要的時(shí)間。

在此方式中，選通像素，(啟用的)接地參照光電二極管能夠在激發(fā)事件時(shí)設(shè)置鎖存。根據(jù)實(shí)施例，RowEn允許HV圖像傳感器列以HV模式控制，在讀模式(READ模式)下進(jìn)行列訪問。HV偏置橫跨二極管可由行和列尋址，同時(shí)READ信號(hào)防止在HV模式下的列爭(zhēng)用(column contention)。根據(jù)實(shí)施例，讀取按ROW可尋址，從圖像傳感器陣列光電二極管對(duì)列采樣激發(fā)事件信息。此外，控制邏輯啟用鎖存的全局復(fù)位(例如，用于之后的測(cè)距測(cè)量)，鎖存復(fù)位信號(hào)LtchRst通過低脈沖啟用，并被施加到活躍的行以復(fù)位光電二極管。

如在圖11中呈現(xiàn)的像素架構(gòu)為圖像傳感器架構(gòu)啟用激發(fā)像素的快速、功率高效、串行自排序讀出。根據(jù)本公開的實(shí)施例，像素響應(yīng)于從已由測(cè)距系統(tǒng)的探測(cè)源探詢的對(duì)象反射的照明的接收利用激發(fā)事件進(jìn)行鎖存。此鎖存啟用已經(jīng)激發(fā)的像素的地址的讀出，其與關(guān)于探詢系統(tǒng)的知識(shí)(例如，探詢光束的角度，探詢?cè)春蛨D像傳感器之間的距離)一起提供確定到探詢對(duì)象的距離需要的信息。

現(xiàn)在參照?qǐng)D12，描繪了包括緩沖器1225和解碼器元件1210的示例性像素電路1200。像素電路1200可進(jìn)一步包括淬滅反饋電路1230。根據(jù)實(shí)施例，像素電路1200是可操作的，以在圖像傳感器陣列115的像素基于接收的照明激活時(shí)生成列地址值。來自解碼電路1210的列地址可用于在像素所位于的行的端部置位行鎖存。此外，像素的激活可將禁用信號(hào)發(fā)送到同一行(例如，對(duì)應(yīng)于行的其他列的)的其他像素(例如其他像素電路1200)，以此方式可最小化信號(hào)爭(zhēng)用。即，在所述行激活的第一列置位鎖存器，存儲(chǔ)在圖像傳感器陣列115的外側(cè)，也禁用所述行的其他像素。像素電路1200適合以扇形模式(例如，線掃描模式)探詢的圖像傳感器架構(gòu)，例如，圖16描述的圖像傳感器架構(gòu)。

圖13描繪了基于諸如在圖11描述的像素架構(gòu)的用于圖像傳感器列自定時(shí)啟用和讀出行波傳送進(jìn)位功能(readout ripple-through functionality)的電路邏輯的實(shí)施例。根據(jù)本公開的實(shí)施例，電路邏輯能夠從光電二極管(例如，SPAD激發(fā)事件)直接地接收信號(hào)，從而(快速地)置位鎖存。在圖像傳感器中的像素處的第一激發(fā)事件能夠使其他像素失活。作為非限制性的示例，一旦在圖像傳感器中的行上一個(gè)鎖存器已經(jīng)被置位，經(jīng)由自定時(shí)環(huán)禁用此行上的所有其他像素。此架構(gòu)啟用對(duì)圖像傳感器陣列處的入射光子的位置的精確確定。使用此信息可作出距離確定，如經(jīng)由在此的實(shí)施例描述的。雖然相鄰像素存在電勢(shì)以生成信號(hào)(例如，用于相鄰光電二極管以激發(fā))，此電勢(shì)可基本通過如在此描述的對(duì)來自探詢?cè)吹恼彰鞯臅r(shí)序以及圖像傳感器激活時(shí)序(例如，像素子陣列選通)的仔細(xì)控制來調(diào)解。

在實(shí)施例中，基于SPAD的像素包含用于驅(qū)動(dòng)讀出電路、降低功耗以及防止事件堆存模式的自定時(shí)鎖存器，其與在高光子計(jì)數(shù)環(huán)境中使用單個(gè)光子探測(cè)器關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)級(jí)定時(shí)命令(例如，列和行啟用信號(hào))可用于在像素級(jí)別觸發(fā)自定時(shí)異步邏輯。根據(jù)本公開的實(shí)施例，系統(tǒng)級(jí)定時(shí)使探詢?cè)吹募せ钆c圖像傳感器中的一個(gè)或更多個(gè)像素的激活同步(例如，像素子陣列，其尺寸能夠從一個(gè)像素變化到全部圖像傳感器陣列)。一旦設(shè)置列啟用，通過置位-復(fù)位鎖存器針對(duì)像素觸發(fā)定時(shí)環(huán)路。如果未檢測(cè)到光電二極管激活，不置位鎖存器，激活下一啟用路徑以在啟用的行上的下一個(gè)像素處繼續(xù)圖像傳感器讀出(例如，在相鄰列處的像素)。防止讀取下一行直到當(dāng)前像素具有其完整的讀取循環(huán)。在具有自定時(shí)讀出時(shí)段的圖像傳感器中像素順序地記錄。具體地，僅經(jīng)歷激活事件(例如SPAD激發(fā))并因此置位鎖存器的像素是記錄給定的與探詢脈沖關(guān)聯(lián)的像素。換句話說，僅來自圖像陣列的讀出記錄是用于置位鎖存器的第一像素的地址，通過在讀出期間(例如，如果本像素不置位鎖存器，則啟用之后的像素的讀出)禁用順序的像素防止另外的像素記錄。因此在通過異步給進(jìn)邏輯(例如，行波傳送進(jìn)位)讀出的期間，順序地跳過未置位的像素地址，由于僅報(bào)告在特定行(或列，用于逐列讀出配置)激發(fā)的第一像素的地址，所以與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，讀出發(fā)生地更快且數(shù)據(jù)帶寬需求更低。

圖14描繪了根據(jù)本公開的實(shí)施例的連接的讀取邏輯電路的框圖1400(例如，具有全局定時(shí)電路的并行邏輯電路)。邏輯電路包括具有列旁路邏輯以及用于列啟用的外部時(shí)序脈沖發(fā)生器。時(shí)序被配置為使得可以進(jìn)行當(dāng)前列的狀態(tài)的讀出，與下一列啟用并根據(jù)相似的邏輯讀出一起。特定的時(shí)序被配置在系統(tǒng)級(jí)，并可根據(jù)成像條件調(diào)整(例如，環(huán)境光級(jí)別、探詢?cè)垂β?、到成像的?duì)象距離的估計(jì)等)。根據(jù)本公開的實(shí)施例，當(dāng)設(shè)置光電二極管的Read Row(讀出行)時(shí)輸入所有的列。在一方面，當(dāng)列具有低值時(shí)(例如，光電二極管關(guān)閉)，啟用行波傳送進(jìn)位邏輯。隨著讀出通過陣列順序地進(jìn)行，返回高值的第一列停止行波傳送進(jìn)位邏輯，并可對(duì)應(yīng)該列的高值設(shè)置值。在實(shí)施例中，列高值將ROM Row(ROM行)設(shè)置為高值，直到定時(shí)器復(fù)位并設(shè)置Next Enable(下一啟用)。在下一(例如，順序的)列重復(fù)此處理，直到到達(dá)陣列中的最后一列。具有已經(jīng)被(例如，從列高值)設(shè)置的光電二極管的ROM Row在圖像傳感器輸入/輸出電路被讀出。行波傳送進(jìn)位邏輯的讀出能夠在數(shù)個(gè)圖像傳感器實(shí)施例中(包括在下面的圖15和圖16中描述的實(shí)施例)被執(zhí)行，其中，分別在ROM列地址或行列寄存器的讀出期間使用行波傳送進(jìn)位邏輯。

圖像傳感器架構(gòu)

圖15是根據(jù)本公開的實(shí)施例的圖像傳感器架構(gòu)1500的示意圖。圖像傳感器架構(gòu)1500包括光電二極管陣列、串行可編程接口(SPI)、列控制多路復(fù)用器、行多路復(fù)用器、輸入/輸出控制和定時(shí)電路、快速ROM解碼器以及用于行和列序列發(fā)生器的配置電路。如在此描述的(例如，圖10和圖11)，圖像傳感器陣列的每個(gè)像素被選通和自鎖存的。在一方面，圖像傳感器是具有預(yù)編程的子陣列尺寸550的(多達(dá)整個(gè)圖像傳感器陣列)自報(bào)告像素序列發(fā)生器。像素本質(zhì)上是數(shù)字的并在距離測(cè)量時(shí)段期間具有分別對(duì)應(yīng)于已被置位的或未被置位的鎖存器1或0的值。圖像傳感器陣列被分為用戶可配置頁，其能夠隨著探詢光束的角度的改變順序地增大，和/或激活的像素的地址能夠與探詢光束在3D空間的發(fā)送的位置協(xié)調(diào)。后者允許在曝光幾何分離的子陣列時(shí)同時(shí)讀取曝光的像素的子陣列，其可增加幀率和吞吐量，并能夠配置在系統(tǒng)級(jí)別。

當(dāng)通過光電二極管激活設(shè)置時(shí)，處于ROM解碼器的前端的控制邏輯(例如，圖13-14)啟用像素，以驅(qū)動(dòng)快速ROM解碼器，并同時(shí)關(guān)閉所有其他像素。根據(jù)本公開的實(shí)施例，圖像傳感器陣列的輸出是進(jìn)入快速ROM解碼器中的行驅(qū)動(dòng)器信號(hào)，信號(hào)對(duì)應(yīng)于具有激發(fā)事件的圖像傳感器的列，ROM解碼器具有例如，包括用于確定圖像傳感器位置的激活列的地址的查找表。當(dāng)前啟用的行是已知的(其由成像系統(tǒng)控制)，由ROM解碼器確定的列位置提供已經(jīng)被激活的光電二極管的唯一地址。在此方式中，圖像傳感器架構(gòu)1500以像素鎖存激活事件并以列(經(jīng)由快速ROM解碼器)解碼位置。圖像傳感器的所有的行是到快速ROM解碼器的輸入，其中，像素包括如在此根據(jù)實(shí)施例描述的邏輯。根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器架構(gòu)僅輸出在測(cè)量時(shí)段期間(例如，通過SPAD激發(fā)事件)激活的像素的陣列地址，行上所有未被讀出的像素被失活并被跳過，因此最小化由噪聲事件(例如，暴露于環(huán)境光)導(dǎo)致的激發(fā)的機(jī)會(huì)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨髢烧摺?/p>

高級(jí)別(例如，系統(tǒng)級(jí)別)定時(shí)命令用來使來自探詢?cè)吹恼彰鞴饷}沖與像素的圖像傳感器激活同步。定時(shí)命令用于觸發(fā)在圖像傳感器中的自定時(shí)讀出，其驅(qū)動(dòng)僅僅已經(jīng)在相關(guān)聯(lián)的光脈沖時(shí)段激發(fā)的像素的順序報(bào)告(例如，操作為異步狀態(tài)機(jī)的像素)。在所有的行已經(jīng)被讀出之后，全局復(fù)位(在系統(tǒng)級(jí)別控制)復(fù)位圖像傳感器中的用于下一個(gè)探詢光束脈沖(例如，下一個(gè)測(cè)量時(shí)段)的所有像素。行讀出機(jī)制使用前述的直通(pass-through)邏輯功能，以針對(duì)每一行僅報(bào)告激活的像素(行)?？蛇x擇地，寄存器組(寄存器庫)可用于與在隨后的行掃描發(fā)生的讀出一起鎖存行掃描。

現(xiàn)在參照?qǐng)D16，描繪了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的圖像傳感器架構(gòu)1600的框圖。與圖像傳感器架構(gòu)1500相比，圖像傳感器架構(gòu)1600的快速ROM解碼器功能被包括在單獨(dú)的像素級(jí)別中，并位于圖像傳感器陣列(例如，圖12的像素架構(gòu))的內(nèi)部。然而，置位-復(fù)位鎖存電路位于陣列的外部使得在行級(jí)別執(zhí)行鎖存并對(duì)每行設(shè)置僅僅一個(gè)鎖存。架構(gòu)1600包括列地址鎖存器(例如，寄存器組)，所述列地址鎖存器包括用于鎖存行掃描的第一鎖存器，可經(jīng)由從第一鎖存器的轉(zhuǎn)換來置位的第二鎖存器。可在后續(xù)的行掃描期間讀出第二鎖存器。因此，圖像傳感器在行級(jí)別鎖存并在像素(單元)級(jí)別解碼。如在此描述的，行波傳送進(jìn)位邏輯被包括在圖像傳感器電路中，使得圖像傳感器陣列沿位于行(而不是列，如在圖15中所描述的)的端部的行鎖存器讀取。

圖像傳感器架構(gòu)1600可配置為線掃描探詢模式，其中，所有的圖像傳感器行同時(shí)激活。基于探詢?cè)醇せ畹臅r(shí)刻，激活圖像傳感器陣列的一條或更多條行線。根據(jù)圖像傳感器架構(gòu)1600，在行激活的第一光電二極管將要求該行的地址總線，因此，能夠?yàn)閬碜蕴皆冊(cè)吹姆祷氐恼彰鞔_定唯一的圖像傳感器陣列位置。在實(shí)施例中，每行存在10條列地址線(更多或更少的列地址線是可能的)，用于每個(gè)像素的電路的ROM地址，使得當(dāng)像素由輸入的光子激活時(shí)，在地址線上的離散的(例如，單個(gè)的)列地址信號(hào)以設(shè)置相應(yīng)的寄存器。如果像素在測(cè)量時(shí)段被激活，則這提供了圖像傳感器確定最后激活的像素的列地址的能力。

電路配置可比在此公開的其他圖像傳感器架構(gòu)的空間效率低，然而，利用在每行嵌入的列地址ROM可實(shí)現(xiàn)提高的傳感器靈活性。圖像傳感器1600能夠采用子陣列方法(例如，移動(dòng)的子陣列550、550')控制并調(diào)停在測(cè)量時(shí)段的背景噪聲和其他因素。根據(jù)實(shí)施例，對(duì)于線掃描或點(diǎn)掃描探詢模式，在圖像傳感器中的全部或部分行可由系統(tǒng)控制基本同時(shí)啟用，圖像傳感器能夠在每行報(bào)告第一光電二極管激發(fā)事件。

如在圖16中描述的具有在行級(jí)別的鎖存器的圖像傳感器啟用在感測(cè)中的并行操作，鎖存值(即，行值)的讀出可與圖像傳感器陣列中的下一線的曝光同步進(jìn)行。根據(jù)本公開的實(shí)施例，圖像傳感器陣列包括兩組寄存器，用于鎖存的列地址的第一寄存器組(此組每行包括1個(gè)寄存器)，接收來自第一寄存器組的值的轉(zhuǎn)移的第二寄存器組。在此方式下，使用第一測(cè)量循環(huán)，對(duì)于給定行的鎖存的列地址的值可寫入與該行對(duì)應(yīng)的第一寄存器。值轉(zhuǎn)移至第二寄存器，同時(shí)啟用隨后的第二測(cè)量(和鎖存)的操作與第一讀出操作(來自第一測(cè)量循環(huán))。在此方式下，可顯著減小根據(jù)本公開的采用圖像傳感器的系統(tǒng)的延遲。

用于使用圖像傳感器架構(gòu)1600的成像器件的示例性測(cè)距場(chǎng)景包括被配置為發(fā)射照明的豎直線(例如，線掃描模式)的探詢光源。入射在具有3D輪廓的對(duì)象上的探詢光束將具有不再嚴(yán)格豎直的返回的照明，根據(jù)3D對(duì)象的具體輪廓導(dǎo)致差異的出現(xiàn)。返回的照明將因此具有由圖16的彎曲的虛線代表的非一致的方面(例如，非一致的豎直)。圖像傳感器陣列操作為在第一光電二極管激活時(shí)(例如，SPAD激發(fā)事件)置位行鎖存器，圖像傳感器電路被配置為使得對(duì)鎖存器的置位防止其他鄰近的光電二極管激活直到執(zhí)行主復(fù)位。激活主復(fù)位以使圖像傳感器為之后的測(cè)量時(shí)段準(zhǔn)備。根據(jù)本公開的實(shí)施例，由圖像傳感器陣列包括決策邏輯，以使得在行上激活的第一探測(cè)光電二極管在該測(cè)量時(shí)段要求整行的列地址。該決策邏輯在圖像傳感器的每行被重復(fù)，使得逐行置位被實(shí)現(xiàn)。將明白的是雖然在逐行的基礎(chǔ)上描述決策邏輯，但是圖像傳感器架構(gòu)也可配置為用于逐列邏輯和測(cè)量。

因此，對(duì)于豎直探詢光束，在圖像傳感器上每行存在一個(gè)能夠讀出的激活的光電二極管的輪廓線。在圖像傳感器的讀出期間，如果存在沒有光電二極管被激活的行，則行波傳送進(jìn)位邏輯使要被跳過的該行和要被讀取的行讀出。在此方式下，將圖像傳感器形成為在讀出時(shí)間和需要的功率兩方面更有效。將繼續(xù)行波傳送進(jìn)位邏輯，直到遇到在測(cè)量時(shí)段期間具有鎖存器置位的行，在此點(diǎn)將發(fā)生讀取，以輸出該行上激活的光電二極管的地址。行波傳送進(jìn)位邏輯是自定時(shí)的以至圖像傳感器陣列的單個(gè)輸入觸發(fā)器信號(hào)開始的。

在本公開的另一實(shí)施例中，不同于與傳統(tǒng)CIS像素一起使用的圖像處理和模式識(shí)別范例的圖像處理和模式識(shí)別范例能夠被利用，這基于與通過高光子靈敏度成為可能的局部決策結(jié)合的二元的像素輸出。作為非限制性示例，在使用用于反向偏置的高電壓引腳的SPAD像素的情況下，執(zhí)行用于失配校準(zhǔn)和像素決策電路的浮置柵極編程方案。在另一個(gè)示例中，針對(duì)與使用與像素陣列相同的尋址解碼器方案的并行存儲(chǔ)器陣列的失配，校準(zhǔn)和數(shù)字校正每個(gè)像素。當(dāng)與充分高速互連和其他組件結(jié)合使用時(shí)，在此描述的實(shí)施例能夠與例如，大量并行異步事件總線一起使用。在此描述的實(shí)施例也可以以使得光子輸入時(shí)序和幾何結(jié)構(gòu)(例如，點(diǎn)、圖案、線或閃光)用探詢光源控制且像素決策響應(yīng)根據(jù)探詢光源類型調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施例中，使用不同的配置和/或操作的方法實(shí)現(xiàn)SPAD像素，所述不同的配置和/或操作的方法包括例如，使用電流反射鏡(例如，用于恒定的電流操作而不管負(fù)載條件如何)、鎖存方案(例如，開始和終止事件驅(qū)動(dòng)活動(dòng))、內(nèi)部觸發(fā)雪崩事件(例如，初始化時(shí)間測(cè)量活動(dòng))等。

單個(gè)或堆疊晶片圖像傳感器的制造

根據(jù)本公開的實(shí)施例，半導(dǎo)體裝置可在一個(gè)基底(例如，圖1的像素140b)上制造，或在具有具有被配置為以不同的電壓操作的多個(gè)部分的至少兩層的堆疊基底(例如，圖1的像素140a)上制造。根據(jù)本公開的實(shí)施例，單基底半導(dǎo)體裝置的制造包括光電二極管(例如，圖1的145b)的形成，其可為接地參考光電二極管與電路元件(例如，圖1的150b)一起共用同一基底作為光電二極管，電路元件提供如在這里的各種實(shí)施例描述的邏輯和控制(例如，鎖存、解碼和控制、讀取邏輯、啟用信號(hào))。

現(xiàn)在參照?qǐng)D17，描述了半導(dǎo)體裝置1700的一部分。半導(dǎo)體裝置包括至少兩層，第一層1740和第二層1750。第一層1740包括第一部分1745，第二層1750包括第二部分1755。根據(jù)本公開的實(shí)施例，第一部分1745配置為在第一電壓下操作，第二部分配置為在第二電壓下操作。根據(jù)實(shí)施例，第一電壓和第二電壓不同。根據(jù)實(shí)施例，第一電壓高于第二電壓。根據(jù)實(shí)施例，第一層1740包括形成光電二極管(例如，圖1的145a，活躍的光電二極管，或SPAD)的散射件，第二層1750包括與邏輯和控制(例如，圖1的150a，鎖存、解碼和控制、讀取邏輯、啟用信號(hào))對(duì)應(yīng)的電路。作為非限制性的示例，第二層1750邏輯和控制電路可提供在圖11的部分中描繪的但不包括在高電壓部分1145的電路邏輯功能。第二層1750可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員了解的晶體管、電阻器、電容器和其他組件以提供在此描述的邏輯和控制功能。第一部分1745可包括光電二極管的陣列。

根據(jù)本公開的實(shí)施例，圖像傳感器陣列被制造為具有堆疊晶片設(shè)計(jì)，其中，摻雜頂部晶片(例如，與成像傳感器陣列的暴露到入射照明的頂側(cè)對(duì)應(yīng)的晶片)以形成SPAD單元(例如，為SPAD晶片)，以及底部晶片形成為具有邏輯和控制電路以提供在此公開的成像傳感器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和功能?，F(xiàn)在參照?qǐng)D18，描繪成像傳感器115的具有包括SPAD單元的晶片1840的部分，其中，SPAD單元具有光敏區(qū)域145，晶片1840堆疊在邏輯和控制電路晶片1850上。雖然SPAD晶片1840與邏輯和控制電路晶片1850被描繪為分離的，但是在操作中(即，在測(cè)距系統(tǒng)中執(zhí)行的)，SPAD晶片1840與邏輯和控制電路晶片1850可為結(jié)合到一起的兩個(gè)基底(如由虛箭頭指明的)，或可為如在此描述的一個(gè)基底。

在邏輯和控制電路晶片1850上方的SPAD晶片1840的堆疊晶片配向與在同一晶片上每個(gè)SPAD單元包含控制與邏輯電路的實(shí)施方式相比能夠減小像素間距P(即，更近的SPAD單元)。例如，像素間距P可為3-4微米。根據(jù)本公開的實(shí)施例，SPAD晶片為高電壓(HV)散射晶片，而邏輯和控制電路晶片為低電壓(LV)晶片。LV晶片能夠?qū)崿F(xiàn)比HV晶片更精細(xì)的特征，增加可形成在給定空間的晶片上的晶體管數(shù)量。

現(xiàn)在參照?qǐng)D19，描繪根據(jù)本公開的實(shí)施例的具有堆疊的晶片設(shè)計(jì)的成像傳感器陣列115的制造的處理步驟1905-1915。成像傳感器陣列115在圖19中示出的部分對(duì)應(yīng)于來自圖18的部分A-A。在步驟1905，示出包括耗盡區(qū)、互連件1920和硅穿孔1930的邏輯和控制電路晶片1850。根據(jù)實(shí)施例，邏輯和控制電路晶片1850形成在低電壓CMOS晶片上。

此外，在步驟1905示出了SPAD晶片1840，SPAD晶片1840包括耗盡的p-n結(jié)。SPAD晶片1840可為CMOS晶片，例如，高電壓CMOS晶片。p擴(kuò)散可對(duì)應(yīng)于SPAD單元的光敏區(qū)域并可被配置為由n擴(kuò)散圍繞，其充當(dāng)阻擋SPAD二極管的激活到鄰近SPAD單元的勢(shì)壘。根據(jù)實(shí)施例，SPAD二極管可共用n井。SPAD晶片1840的鄰近SPAD單元可進(jìn)一步由隔離溝1940隔絕。SPAD晶片1840包括金屬互連件1920。SPAD晶片1840可制成絕緣體上硅(SOI)晶片。絕緣體可為，例如，氧化層。在步驟1905，SPAD晶片1840可進(jìn)一步包括支撐晶片。SPAD晶片1840與邏輯和控制電路晶片1850為一起設(shè)計(jì)的(例如，互連件的位置)，并具有相同的裸片尺寸(die size)。根據(jù)實(shí)施例，互連件1920為陽極/陰極焊盤的陣列。根據(jù)實(shí)施例，高電壓布線可限于僅僅在SPAD晶片1840上的陰極布線，去除邏輯和控制電路1850晶片的絕緣需求。在實(shí)施例中，將陣列互連件1920降低至僅低電壓陽極。

在步驟1910，SPAD晶片1840以堆疊的方向(倒裝芯片安裝的)面對(duì)面安裝在邏輯和控制電路晶片1850上(例如，倒裝芯片安裝)，使得每個(gè)晶片的互連件朝向堆疊件的中心。隨后晶片鍵合到一起。邏輯和控制電路晶片1850和SPAD晶片1840之間的所有互連件在堆疊的中間完成(即，在面接口)。因此，橫跨SPAD晶片1840表面的陣列形式的互連金屬不遮擋來自入射照明的散射。SPAD像素每個(gè)單元(例如，陽極)具有向下連接到邏輯和控制電路晶片1850的一個(gè)布線連接。所有的精細(xì)特征(對(duì)于圖像傳感器邏輯)位于邏輯和控制電路晶片1850。根據(jù)實(shí)施例，只有晶片的層之間的連接是陽極連接。例如，在頂部(SPAD)高電壓陰極連接提供與成像傳感器陣列的高供電電壓對(duì)應(yīng)的連接，而低電壓連接對(duì)應(yīng)于行啟用和讀出信號(hào)。

在步驟1915，鍵合的晶片1840和1850經(jīng)過背側(cè)研磨以使堆疊件變薄，從邏輯和控制電路晶片1850充分去除基底以暴露TSV 1930，并從SPAD晶片1840去除支撐晶片。雖然示出了TSV 1930，但其他組件(例如，鍵合線)與其他鍵合方案也是可能的。根據(jù)本公開的實(shí)施例形成的成像傳感器陣列的像素節(jié)距為大約3微米。在背磨之后，微透鏡陣列1950附著到SPAD晶片1840的背側(cè)，以增加在成像傳感器陣列115中的SPAD像素的填充因子。SPAD晶片被配置為背側(cè)照明。有利地，采用以在此描述的方式配向的SPAD晶片1840對(duì)紅外光譜的照明的敏感度增加，因?yàn)楣饷粼?duì)紅外波長(zhǎng)的靈敏度在距入射表面的更大的深度增加?？苫诠鈱W(xué)探詢系統(tǒng)配置為操作的特定的光學(xué)探詢波長(zhǎng)選擇可為外延生長(zhǎng)基底的厚度的SPAD晶片1840的厚度1725。

現(xiàn)在參照?qǐng)D20，描繪了根據(jù)本公開的實(shí)施例的具有堆疊晶片設(shè)計(jì)和減小的像素節(jié)距P'的成像傳感器陣列115b。成像傳感器陣列115b包括晶片2040，晶片2040包括具有光敏區(qū)域145的SPAD單元，晶片2040堆疊在邏輯和控制電路晶片2050上。由于共用的HV n井和單元之間的n擴(kuò)散，成像傳感器陣列115b包括具有減小的節(jié)距P'。這由具有恒定HV輸入的n井與僅局部結(jié)由于直接光子入射擊穿的事實(shí)一起造成的。由于根據(jù)本公開的圖像傳感器陣列架構(gòu)啟用高電壓信號(hào)浩的全局控制，HV n井和單元之間的絕緣n擴(kuò)散可共用。根據(jù)圖20的實(shí)施例的圖像傳感器具有由多個(gè)p擴(kuò)散共用的n擴(kuò)散。這使得示出的成像傳感器陣列構(gòu)造具有例如2-3微米的像素節(jié)距P'，進(jìn)一步增加在測(cè)距裝置中的成像傳感器的分辨能力?，F(xiàn)在參照?qǐng)D20，描繪了根據(jù)本公開的實(shí)施例的具有堆疊的晶片設(shè)計(jì)和減小的像素節(jié)距P'的成像傳感器陣列115b。成像傳感器陣列115b包括晶片1840，晶片1840包括具有光敏區(qū)域145的SPAD單元，晶片1840堆疊在邏輯和控制電路晶片1850上。由于共用的HV n-井和單元間n-擴(kuò)散，成像傳感器陣列115b包括具有減小的節(jié)距P'的像素。這由具有恒定HV輸入的n井與僅部分結(jié)由直接光子入射擊穿的事實(shí)一起造成的。由于根據(jù)本公開的圖像傳感器陣列架構(gòu)啟用高電壓信號(hào)的全局控制，HV n-井和單元間絕緣n-擴(kuò)散可共用。這使得示出的成像傳感器陣列配置具有例如2-3微米的像素節(jié)距P'，進(jìn)一步增加在測(cè)距裝置中的成像傳感器的分辨能力。

現(xiàn)在參照?qǐng)D21，描述了根據(jù)本公開的實(shí)施例的制造半導(dǎo)體裝置的方法的流程圖2100。半導(dǎo)體裝置可為成像傳感器(例如，成像傳感器115)。

在步驟2101，第一部分形成在第一層中，第一部分被配置為在第一電壓操作。第一部分包括光電二極管，例如，SPAD。

在步驟2103，第二部分形成在第二層中，第二部分配置為在第二電壓操作。第二電壓可不同于第一電壓。根據(jù)實(shí)施例，第一電壓高于第二電壓(例如，第一電壓對(duì)應(yīng)于高電壓CMOS晶片，第二電壓對(duì)應(yīng)于低電壓CMOS晶片)。第二部分包括被配置為選擇性地將啟用信號(hào)發(fā)送至在第一部分中的光電二極管并從光電二極管接收激活的邏輯和控制電路。

在步驟2105，邏輯和控制電路與光電二極管電結(jié)合。根據(jù)實(shí)施例，邏輯和控制電路和光電二極管經(jīng)由波紋互連電結(jié)合。根據(jù)實(shí)施例，邏輯和控制電路與光電二極管經(jīng)由鍵合焊盤電結(jié)合。

本公開的下述構(gòu)思提供示例性實(shí)施例：

1、一種用于測(cè)量到對(duì)象的距離的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

光子探詢?cè)?，被配置為以受控的角度發(fā)射探詢光束，所述探詢光束用于照明物體；

圖像傳感器，包括配置為在蓋革模式下操作的雪崩光電二極管的陣列，圖像傳感器選擇性地結(jié)合到探詢?cè)床⒈慌渲脼榻邮沼赏ㄟ^探詢光束對(duì)對(duì)象的照明產(chǎn)生的反射光束，以及基于反射光束在陣列上的入射位置生成信號(hào)；以及

分析電路，操作性地結(jié)合到探詢?cè)春蛨D像傳感器，并被配置為基于光子探詢?cè)吹氖芸亟嵌群托盘?hào)確定到對(duì)象的距離。

2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，圖像傳感器設(shè)置在與探詢?cè)聪嗑嗍芸氐木嚯x的位置，分析電路配置為基于受控的角度、受控的距離和由在陣列上的反射光束的位置確定的入射角度的三角測(cè)量確定到對(duì)象的距離。

3、根據(jù)構(gòu)思1所述的系統(tǒng)，其中，圖像傳感器配置為快門，快門包括以時(shí)變方式激活陣列的多個(gè)子集，對(duì)多個(gè)子集中的每個(gè)子集的子集激活時(shí)段基于受控角度的值和受控的角度變化的速率。

4、根據(jù)構(gòu)思3所述的系統(tǒng)，其中，基于由包括在多個(gè)子集中的激活子集中的像素接收的反射光束生成信號(hào)，此外，其中，由活躍子集的剩余的像素對(duì)反射的光束的任意檢測(cè)不包括在信號(hào)中。

5、根據(jù)構(gòu)思3所述的系統(tǒng)，其中，探詢?cè)磁渲脼樵诿}沖時(shí)段發(fā)射探詢光束，其中，子集激活時(shí)段也基于脈沖時(shí)段。

6、根據(jù)構(gòu)思3所述的系統(tǒng)，其中，圖像傳感器配置為幀縮放，包括陣列的區(qū)域的去激活，其中，快門配置為僅在陣列的區(qū)域的外側(cè)發(fā)生。

7、根據(jù)構(gòu)思5所述的系統(tǒng)，其中，脈沖時(shí)段基于在最大測(cè)距的探詢光束返回到圖像傳感器的飛行時(shí)間的自定時(shí)脈沖時(shí)段。

8、根據(jù)構(gòu)思5所述的系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)進(jìn)一步包括配置為檢測(cè)環(huán)境光級(jí)別的環(huán)境光傳感器，此外，其中，脈沖時(shí)段基于探測(cè)的環(huán)境光級(jí)別。

9、根據(jù)構(gòu)思1所述的系統(tǒng)，其中，圖像傳感器整體包括多個(gè)聚焦元素，所述多個(gè)聚焦元件設(shè)置為將反射光束聚焦到陣列的光敏區(qū)域上。

10、根據(jù)構(gòu)思3所述的系統(tǒng)，其中，激活陣列包括幀縮放，其中，幀縮放包括陣列的區(qū)域的去激活，其中，快門僅發(fā)生在陣列的區(qū)域的外側(cè)。

11、根據(jù)構(gòu)思3所述的方法，其中，激活陣列是用于陣列激活時(shí)段，其中，陣列激活時(shí)段的初始化是基于根據(jù)通過之前到對(duì)象的三角距離測(cè)量確定的距離的飛行時(shí)間估計(jì)做出的。

12、一種距離測(cè)量移動(dòng)設(shè)備，所述距離測(cè)量移動(dòng)設(shè)備包括：

處理器，

存儲(chǔ)器，操作性地結(jié)合到處理器；

光子探詢?cè)?，被配置為以受控的角度發(fā)射探詢光束，探詢光束用于照明對(duì)象；以及

圖像傳感器，包括光電二極管的陣列，圖像傳感器操作性地結(jié)合到探詢?cè)春吞幚砥?，圖像傳感器被配置為接收由通過探詢?cè)磳?duì)對(duì)象的照明產(chǎn)生的反射的光束，并基于反射的光束在陣列上的入射的位置生成信號(hào)，其中，處理器被配置為基于光子探詢?cè)吹氖芸氐慕嵌群托盘?hào)確定到對(duì)象的距離。

13、根據(jù)構(gòu)思12所述的設(shè)備，其中，圖像傳感器包括像素的陣列，每個(gè)像素包括配置為在蓋革模式操作的至少一個(gè)雪崩二極管。

14、根據(jù)構(gòu)思12所述的設(shè)備，其中，根據(jù)變化的電壓偏置配置組成光電二極管的陣列的光電二極管的光子敏感度。

15、一種用于測(cè)量到對(duì)象的距離的傳感器，所述傳感器包括：

圖像傳感器，包括光電二極管的陣列，圖像傳感器操作性地結(jié)合到探詢?cè)床⒈慌渲脼榻邮沼赏ㄟ^探詢?cè)吹奶皆児馐鴮?duì)對(duì)象的照明產(chǎn)生的反射光束，并基于由反射的光束在陣列上的入射激活的光電二極管的陣列的光電二極管的陣列地址生成信號(hào)；

存儲(chǔ)器，包括被配置為直接響應(yīng)于光電二極管接收反射光束產(chǎn)生置位(設(shè)置)信號(hào)的鎖存器電路，其中，置位(設(shè)置)信號(hào)報(bào)告光電二極管的陣列地址；

地址解碼器電路，配置為存儲(chǔ)所述陣列地址；

定時(shí)電路，操作性地結(jié)合到地址解碼器電路以讀取陣列地址；以及

分析電路，操作性地結(jié)合到探詢?cè)春蛨D像傳感器，并被配置為基于光子探詢?cè)吹氖芸氐慕嵌群完嚵械刂反_定到對(duì)象的距離。

16、根據(jù)構(gòu)思15所述的傳感器，其中，地址解碼器電路包括配置為存儲(chǔ)光電二極管的陣列的列地址的存儲(chǔ)器，其中，光電二極管的陣列中的每個(gè)光電二極管有效地結(jié)合到各自的鎖存電路。

17、根據(jù)構(gòu)思16所述的傳感器，其中，定時(shí)電路配置為順序地確定列地址的狀態(tài)，并進(jìn)一步配置為保持用于下一列的讀出的時(shí)序的激活，直到到達(dá)與記錄的陣列地址對(duì)應(yīng)的列地址。

18、根據(jù)構(gòu)思16所述的傳感器，其中，光電二極管的陣列中的每個(gè)光電二極管有效地結(jié)合到各自的配置為存儲(chǔ)各自的列地址的地址解碼器電路，其中，光電二極管的陣列的每行有效地結(jié)合到各自的行鎖存電路。

19、根據(jù)構(gòu)思18所述的傳感器，其中，設(shè)定信號(hào)配置為當(dāng)光電二極管接收反射光束時(shí)去激活光電二極管的陣列的同一行上的其他光電二極管。

20、根據(jù)構(gòu)思18所述的傳感器，其中，定時(shí)電路配置為順序地確定行鎖存電路的狀態(tài)，并進(jìn)一步配置為保持用于下一行鎖存電路的讀出的時(shí)序的激活，直到到達(dá)與記錄的陣列地址對(duì)應(yīng)的航行鎖存電路。

21、根據(jù)構(gòu)思15所述的傳感器，其中，光電二極管的陣列包括配置為在蓋革模式下操作的雪崩光電二極管。

22、根據(jù)構(gòu)思15所述的傳感器，其中，光電二極管的陣列包括活躍的光電二極管，其中，當(dāng)光電二極管的電壓達(dá)到基于入射光子的閾值電平時(shí)激活光電二極管陣列的光電二極管。

23、根據(jù)構(gòu)思15所述的傳感器，其中，，圖像傳感器設(shè)置在與探詢?cè)聪嗑嗍芸氐木嚯x的位置，分析電路配置為基于受控的角度、受控的距離和由光電二極管的陣列地址確定的入射角度的三角測(cè)量確定到對(duì)象的距離。

24、根據(jù)構(gòu)思15所述的傳感器，其中，控制時(shí)序電路在受控的激活時(shí)段基于最大范圍的飛行時(shí)間和探詢光束返回圖像傳感器的返回角度激活光電二極管的陣列中的光電二極管。

25、根據(jù)構(gòu)思22所述的圖像傳感器，其中，傳感器進(jìn)一步包括配置為檢測(cè)環(huán)境光級(jí)別的環(huán)境光傳感器，其中，基于檢測(cè)的環(huán)境光級(jí)別確定受控的激活時(shí)段。

26、一種確定到對(duì)象的距離的方法，所述方法包括：

使用光子探詢光束探詢對(duì)象；

與光子探詢光束的激活基本同時(shí)地激活光電二極管的陣列；

在陣列接收從對(duì)對(duì)象的探詢反射的光束；

產(chǎn)生與通過反射光束在陣列上的入射激活的光電二極管的陣列的光電二極管的陣列地址對(duì)應(yīng)的信號(hào)；以及

基于信號(hào)確定到對(duì)象的距離。

27、根據(jù)構(gòu)思26所述的方法，其中，生成信號(hào)包括有效地結(jié)合到光電二極管的鎖存電路直接響應(yīng)于接收反射光束的光電二極管接收設(shè)定信號(hào)。

28、根據(jù)構(gòu)思27所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括隨著光電二極管接收反射光束，去激活光電二極管的陣列中同一行的其他光電二極管。

29、根據(jù)構(gòu)思28所述的方法，其中，陣列包括在蓋革模式下操作的雪崩光電二極管。

30、根據(jù)構(gòu)思26所述的方法，其中，陣列包括活躍的光電二極管，其中，當(dāng)光電二極管的電壓達(dá)到基于入射光之的閾值時(shí)激活光電二極管的陣列的光電二極管。

31、根據(jù)構(gòu)思26所述的方法，其中，探詢?cè)诠庾犹皆児馐氖芸亟嵌葓?zhí)行，其中，發(fā)射探詢光束的探詢?cè)磁c陣列彼此相距受控的距離設(shè)置。

32、根據(jù)構(gòu)思28所述的方法，其中，基于受控的角度、受控的距離和由光電二極管的陣列地址確定的入射角度的三角測(cè)量確定到對(duì)象的距離。

33、一種像素電路，所述像素電路包括：

光電二極管；

負(fù)載，包括至少一個(gè)有源和無源元件，電結(jié)合到光電二極管；以及

多個(gè)晶體管，電結(jié)合光電二極管，所述多個(gè)晶體管包括鎖存電路；

其中，對(duì)光電二極管的控制是以地作為參考并被配置為選擇性地激活光電二極管，其中，光電二極管被配置為基于入射在光電二極管上的光子生成電流，負(fù)載被配置為將電流轉(zhuǎn)換為電壓脈沖，電壓脈沖被配置為用于置位(設(shè)置)鎖存電路的邏輯電平的輸入。

34、根據(jù)構(gòu)思33所述的像素電路，其中，像素電路進(jìn)一步包括電結(jié)合到光電二極管的電壓鉗位電路，電壓鉗位配置為顯示輸入值鎖存電路的電壓脈沖的電壓電平。

35、根據(jù)構(gòu)思33所述的像素電路，其中，光電二極管是配置為在蓋革模式操作的雪崩光電二極管，電流是由光子觸發(fā)的雪崩電流。

36、根據(jù)構(gòu)思33所述的像素電路，其中，光電二極管為活躍的光電二極管，其中，當(dāng)光電二極管的電壓達(dá)到基于入射在光電二極管的光子的閾值電平時(shí)，生成電流。

37、一種半導(dǎo)體裝置，所述半導(dǎo)體裝置包括：

第一層，包括被配置為在第一電壓操作的第一部分，第一部分包括單個(gè)光子雪崩光電二極管(SPAD)；以及

第二層，包括被配置為在第二電壓操作的第二部分，第二部分包括邏輯和控制電路，所述邏輯和控制電路與SPAD電結(jié)合并被配置為選擇性地將啟用信號(hào)發(fā)送到SPAD和從SPAD接收激活信號(hào)；

其中，第一電壓和第二電壓不同。

38、根據(jù)構(gòu)思37所述的半導(dǎo)體裝置，其中，第一基底包括第一層，第二基底包括第二層。

39、根據(jù)構(gòu)思37所述的半導(dǎo)體裝置，其中，第一基底和第二基底以堆疊結(jié)構(gòu)布置。

40、根據(jù)構(gòu)思38所述的半導(dǎo)體裝置，其中，第二基底包括配置為向第一基底和第二基底提供電通信的硅穿孔(TSV)。

41、根據(jù)構(gòu)思37所述的半導(dǎo)體裝置，其中，第一電壓高于第二電壓。

42、根據(jù)構(gòu)思37所述的半導(dǎo)體裝置，其中，SPAD的陣列包括SPAD。

43、根據(jù)構(gòu)思42所述的半導(dǎo)體裝置，其中，邏輯和控制電路包括配置為存儲(chǔ)SPAD的陣列的陣列地址的地址解碼電路和有效地結(jié)合到用于讀取陣列地址的地址解碼電路的時(shí)序電路。

44、根據(jù)構(gòu)思43所述的半導(dǎo)體裝置，其中，邏輯和控制電路包括鎖存電路，鎖存電路配置為直接響應(yīng)于SPAD的激活生成設(shè)定信號(hào)，SPAD響應(yīng)于接收的照明激活，其中，設(shè)定信號(hào)記錄SPAD的陣列地址。

45、根據(jù)構(gòu)思42所述的半導(dǎo)體裝置，其中，SPAD的陣列中相鄰的SPAD之間的中心到中心的距離在3微米到5微米之間。

46、根據(jù)構(gòu)思42所述的半導(dǎo)體裝置，其中，SPAD的陣列中相鄰的SPAD之間的中心到中心的距離為大約2微米。

47、根據(jù)構(gòu)思42所述的半導(dǎo)體裝置，所述裝置進(jìn)一步包括設(shè)置在第一層上的微透鏡陣列，微透鏡陣列設(shè)置為將入射照明聚焦到SPAD的陣列上。

48、一種形成半導(dǎo)體裝置的方法，所述方法包括：

在第一層中形成被配置為在第一電壓操作的第一部分，第一部分包括單光子雪崩光電二極管(SPAD)；

在第二層中形成被配置為在不同于第一電壓的第二電壓操作的第二部分，第二部分包括被配置為選擇性地將啟用信號(hào)發(fā)送到SPAD和從SPAD接收激活信號(hào)的邏輯和控制電路；以及

將邏輯和控制電路與SPAD電結(jié)合。

49、根據(jù)構(gòu)思48所述的方法，其中，第一基底包括第一層，第二基底包括第二層。

50、根據(jù)構(gòu)思49所述的方法，其中，第一基底和第二基底以堆疊結(jié)構(gòu)布置。

51、根據(jù)構(gòu)思49所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括在第二基底中形成配置為向第一基底和第二基底提供電通信的硅穿孔(TSV)。

52、根據(jù)構(gòu)思48所述的方法，其中，第一電壓高于第二電壓。

53、根據(jù)構(gòu)思48所述的方法，其中，SPAD的陣列包括SPAD。

54、根據(jù)構(gòu)思53所述的方法，其中，邏輯和控制電路包括配置為存儲(chǔ)SPAD的陣列的陣列地址的地址解碼電路和有效地結(jié)合到用于讀取陣列地址的地址解碼電路的時(shí)序電路。

55、根據(jù)構(gòu)思54所述的方法，其中，邏輯和控制電路包括鎖存電路，鎖存電路配置為直接響應(yīng)于SPAD的激活生成設(shè)定信號(hào)，SPAD響應(yīng)于接收的照明激活，其中，設(shè)定信號(hào)記錄SPAD的陣列地址。

56、根據(jù)構(gòu)思53所述的方法，其中，SPAD的陣列中相鄰的SPAD之間的中心到中心的距離在3微米到5微米之間。

57、根據(jù)構(gòu)思53所述的方法，其中，SPAD的陣列中相鄰的SPAD之間的中心到中心的距離為大約2微米。

58、根據(jù)構(gòu)思53所述的方法，所述裝置進(jìn)一步包括設(shè)置在第一層上的微透鏡陣列，微透鏡陣列設(shè)置為將入射照明聚焦到SPAD的陣列上。

雖然已經(jīng)使用特定的語言對(duì)技術(shù)主題的結(jié)構(gòu)特征和/或方法動(dòng)作進(jìn)行了描述，但是應(yīng)理解的是，在所附構(gòu)思中限定的技術(shù)主題不必限于上述具體特征或動(dòng)作。相反，上述具體特征和動(dòng)作公開為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式。