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在相同光敏面上的相同幀中捕捉門控和非門控光.pdf

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相同 光敏 面上 捕捉 門控
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摘要
申請專利號:

CN201110443241.X

申請日:

2011.12.14

公開號:

CN102547156B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權的轉移IPC(主分類):H04N 5/341變更事項:專利權人變更前權利人:微軟公司變更后權利人:微軟技術許可有限責任公司變更事項:地址變更前權利人:美國華盛頓州變更后權利人:美國華盛頓州登記生效日:20150423|||授權|||實質審查的生效號牌文件類型代碼:1604號牌文件序號:101322546648IPC(主分類):H04N 5/341專利申請號:201110443241X申請日:20111214|||公開
IPC分類號: H04N5/341(2011.01)I; H04N5/372(2011.01)I; H04N13/02; G01C3/08 主分類號: H04N5/341
申請人: 微軟公司
發明人: G·葉海弗; S·費爾岑式特恩; E·拉里
地址: 美國華盛頓州
優先權: 2010.12.15 US 12/968,775
專利代理機構: 上海專利商標事務所有限公司 31100 代理人: 楊潔
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110443241.X

授權公告號:

|||102547156B||||||

法律狀態公告日:

2015.05.13|||2015.01.07|||2012.09.05|||2012.07.04

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及在相同光敏面上的相同幀中捕捉門控和非門控光。控制門控3D相機的圖像傳感器的光敏表面(以下稱為光敏面)以獲取其表面不同區域上相同幀中的門控和非門控光。光敏面的一個圖像捕捉區域在門控時間段期間獲取門控光,而另一個圖像捕捉區域出于圖像數據捕捉目的而被關閉。在非門控時間段期間,相同光敏面的其他圖像捕捉區域捕捉非門控光作為圖像數據。通常,門控和非門控時間段在相同的幀時間段期間是交錯的。

權利要求書

1.一種用于控制光敏面(300、400)以在相同的幀時間段中捕捉來自的場
景的門控和非門控光的系統(22),包括:
圖像傳感器(22)的光敏面(300、400);
所述光敏面的第一圖像捕捉區域(416);
相同光敏面的第二圖像捕捉區域(418);
用于控制所述第一圖像捕捉區域(416)在所述幀時間段內的門控時間段
(420)期間捕捉門控光作為圖像數據的控制電路(124);
所述第二圖像捕捉區域(418)在門控時間段(420)期間處于不捕捉圖像
數據的關狀態;
用于控制所述第二圖像捕捉區域(418)在相同的幀時間段內的非門控時
間段(422)期間捕捉非門控光作為圖像數據的控制電路(124);以及
所述第一圖像捕捉區域(416)在非門控時間段(422)期間處于不捕捉圖
像數據的關狀態。
2.如權利要求1所述的系統,其特征在于,所述門控和非門控時間段在相
同的幀時間段期間是交錯的。
3.如權利要求2所述的系統,其特征在于,還包括:
所述門控時間段包括一個或多個短捕捉時間段,每個短捕捉時間段持續約
少于100納秒的光脈沖的脈寬;
用于通過在于每個短捕捉時間段內捕捉圖像數據的開狀態與不捕捉圖像
數據的關狀態之間對所述第一圖像捕捉區域進行選通來控制所述第一圖像捕
捉區域的捕捉的控制電路;
所述非門控時間段包括一個或多個長捕捉時間段,每個長捕捉時間段長于
每個短捕捉時間段以捕捉來自場景的更多的反射光,以供在所述門控時間段捕
捉的所述圖像數據的歸一化,每個長捕捉時間段持續少于100納秒;以及
用于通過在每個長捕捉時間段的開狀態和關狀態之間對所述第二圖像捕
捉區域進行選通來控制所述第二圖像捕捉區域的捕捉的控制電路。
4.如權利要求3所述的系統,其特征在于,所述第一圖像捕捉區域包括像
素交替行的區域,并且所述第二圖像捕捉區域包括不同的像素交替行的區域。
5.如權利要求1所述的系統,其特征在于,所述光敏面是以下各項之一:
由以下各項構成的組:
電荷耦合器件(CCD);或者
互補金屬氧化物半導體(CMOS)設備。
6.一種用于在相同的幀時間段內在相同的光敏面上捕捉來自場景的交錯
的門控和非門控光的方法,包括:
圖像傳感器(22)的光敏面(300、400)的第一圖像捕捉區域(416)在
幀時間段內的門控時間段(420)期間捕捉門控光作為圖像數據(步驟504);
相同的光敏面(300、400)的第二圖像捕捉區域(418)在相同的幀時間
段內的非門控時間段(422)期間捕捉非門控光作為圖像數據(步驟518);
將所述第二圖像捕捉區域轉為所述第二圖像捕捉區域(418)在所述門控
時間段內不捕捉圖像數據的關狀態(步驟524);
將所述第一圖像捕捉區域轉為所述第一圖像捕捉區域(416)在所述非門
控時間段內不捕捉圖像數據的關狀態(步驟512);以及
在少于2微秒以內在相同光敏面上交替捕捉門控光和捕捉非門控光。
7.如權利要求6所述的方法,其特征在于,還包括:
所述門控時間段包括一個或多個短捕捉時間段,每個短捕捉時間段的持續
時間少于50納秒;
第一圖像捕捉區域在幀時間段內的門控時間段期間捕捉門控光作為圖像
數據包括在每個短捕捉時間段捕捉數據的開狀態和不捕捉圖像數據的關狀態
之間對所述第一圖像捕捉區域進行選通;
所述非門控時間段包括一個或多個長捕捉時間段,每個長捕捉時間段長于
每個短捕捉時間段并且持續時間少于100納秒;以及
第二圖像捕捉區域在相同的幀時間段內的非門控時間段期間捕捉非門控
光作為圖像數據包括在每個長捕捉時間段的開狀態與關狀態之間對所述第二
圖像捕捉區域進行選通。
8.如權利要求7所述的方法,其特征在于:
第一圖像捕捉區域在幀時間段內的門控時間段期間捕捉門控光作為圖像
數據還包括在幀的每個門控時間段期間在所述一個或多個短捕捉時間段將圖
像數據存儲在與所述第一圖像捕捉區域相關聯的圖像存儲介質中;以及
所述第二圖像捕捉區域在幀時間段內的非門控時間段期間捕捉非門控光
作為圖像數據還包括在幀的每個非門控時間段期間在所述一個或多個長捕捉
時間段將圖像數據存儲在與所述第二圖像捕捉區域相關聯的圖像存儲介質中。
9.在三維(3D)飛行時間相機系統(20)中,一種用于控制光敏面(300、
400)以在相同的幀時間段中捕捉來自的場景的門控和非門控光的系統(20),
所述系統包括:
相同光敏面(300、400)包括第一圖像捕捉區域(416)和第二圖像捕捉
區域(418),所述第一圖像捕捉區域包括第一組光像素(402)行以及用于在
幀時間段內的門控時間段(420)期間捕捉門控光作為圖像數據的圖像數據存
儲介質(403),所述第二圖像捕捉區域包括第二組光像素(402)行以及用于
在相同幀時間段內的非門控時間段(422)期間捕捉非門控光作為圖像數據的
圖像數據存儲介質(403);以及
控制電路(124),其被電連接到所述圖像捕捉區域以便:
在門控時間段(420)期間使所述第一捕捉區域(416)的各個圖像數據存
儲介質存儲所述第一組光像素行感測到的圖像數據(步驟506),
對于整個門控時間段(420),使所述第二圖像捕捉區域處于圖像數據未
被存儲在所述第二組光像素行的相應的圖像數據存儲介質中的關狀態(步驟
524),
在非門控時間段(422)期間使所述第二捕捉區域(418)的相應的圖像數
據存儲介質存儲所述第二組光像素行感測到的圖像數據(步驟518),以及
對于整個非門控時間段(422),使所述第一圖像捕捉區域處于圖像數據
未被存儲在所述第一組光像素行的相應的圖像數據存儲介質中的關狀態(步驟
512)。
10.如權利要求9所述的系統,其特征在于,所述門控和非門控時間段
在相同的幀時間段期間是交錯的。

說明書

在相同光敏面上的相同幀中捕捉門控和非門控光

技術領域

本發明涉及捕捉門控光和非門控光,尤其是在相同光敏面上的相同幀中捕
捉門控和非門控光。

相關申請的交叉引用

本專利申請通過援引2010年2月3日提交的專利申請號為12/699,074,
題為“Fast?Gating?Photosurface”(快速選通光敏面),發明人為Giora?Yahav、
Shlomo?Felzenshtein和Eli?Larry的美國專利申請而納入于此。

背景技術

例如飛行時間(TOF)相機的門控三維(3D)相機通過對場景進行照明并
且捕捉來自照明的反射光來提供對場景中的對象的距離測量。捕捉光是接收光
并存儲表示光的圖形數據。距離測量構成場景的深度地圖,根據該深度地圖生
成場景的3D圖像。

門控3D相機包括通常使用光脈沖串照明場景的光源。門控3D相機還包
括帶有光敏表面(以下稱為“光敏面”)的圖像傳感器。光敏面包括通常稱為
像素的光敏或光敏傳感器以及用于存儲所感測到的圖形數據的存儲介質。

在某些門控3D相機中,距離測量僅基于光是否是在相機的光敏面上被捕
捉到,以及在光發射和由光敏面捕捉到的來自場景的它的反射之間流逝的時
間。在其他門控3D相機中,被稱為門控光(gated?light)的一定量的光被光敏
面捕捉,并且通常針對對象的反射率、暗電流和背景光通過與被稱為非門控
光(ungated?light)的其他測量的歸一化而被校正,該非門控光捕捉來自對象的
反射光的總量。在一個示例中,歸一化將門控測量除以非門控測量以創建用于
深度地圖的歸一化的門控光測量。

為了確定到移動對象的距離,捕捉在時間上接近的門控和非門控光改進了
距離測量的準確性。一般而言,已經使用兩個光敏面來減少延遲時間。一個光
敏面獲取門控光,而另一個光敏面基本同時地獲取非門控光。

在其他實例中,在相同光敏面的不同幀中捕捉門控和非門控光,導致至少
等于幀讀出時間段的延遲時間。對于場景中的移動對象,門控和非門控光的幀
的獲取時間之間的延遲可能導致“不匹配”,其中光敏面的相同光敏像素捕捉
來自場景中的不同對象而不是相同對象、或者來自與相機相距不同距離處的相
同對象的門控和非門控光。不匹配在根據像素提供的圖像所確定的距離測量中
生成誤差。

發明內容

提供了用于控制圖像傳感器的光敏面以在光敏面的相同的幀時間段中捕
捉來自場景的門控和非門控光的技術。該技術的一個實施例提供包括圖像傳感
器的光敏面的系統,該光敏面在其表面上包括至少第一圖像捕捉區域以及在相
同的光敏面上的至少第二圖像捕捉區域。在門控光正被捕捉的門控時間段期
間,第二圖像捕捉區域處于圖像數據未被捕捉(即接收并存儲)的關閉狀態。
控制電路在此時間段期間控制第一圖像捕捉區域對門控光的捕捉。在非門控光
正被捕捉的非門控時間段期間,第一圖像捕捉區域處于關狀態,并且控制電路
在此期間控制第二圖像捕捉區域對非門控光的捕捉。在另一個系統實施例中,
圖像捕捉區域包括以下被稱為光像素的各組光傳感像素元件行,以及用于將光
像素感測到的光存儲為圖像數據的各個圖像數據存儲介質。

通常,門控和非門控時間段在相同的幀時間段期間是交錯的,這進一
步將對于場景中運動的相同對象的門控和非門控光之間的獲取延遲最小
化。該技術的另一個實施例提供用于在相同的幀時間段內在相同的光敏面上捕
捉來自場景的交錯的門控和非門控光的方法。在方法的一個實施例中,門控光
被第一圖像捕捉區域在持續時間少于或等于10微秒的門控時間段期間捕捉,
而第二圖像捕捉區域被轉為關狀態。類似地,方法通過第二圖像捕捉區域在持
續時間約等于10微秒的非門控時間段期間來捕捉非門控光。控制光敏面以在1
或2微秒內交替對門控光的捕捉和對非門控光的捕捉。

該技術的各個實施例還對光敏面的相應捕捉區域在開狀態和關狀態之間
進行選通,而區域在相應的門控或非門控時間段內捕捉光。如前所述,光脈沖
串可用于照亮場景。門控時間段包括也稱為選通的一個或多個短捕捉時間段。
在一個實施例中,每個短捕捉時間段被設置為持續約一個光脈沖的脈寬。示例
脈寬可以是10或20納秒。類似地,非門控時間段包括一個或多個長捕捉時間
段,并且每個長捕捉時間段長于每個短捕捉時間段。在非門控時間段期間,非
門控光的圖像捕捉區域試圖捕捉到達非門控圖像捕捉區域的由場景從脈沖反
射的全部光以供對門控光圖像數據的歸一化。在短捕捉時間段為10納秒脈沖
寬度的示例中,對應的長捕捉時間段可以是約30納秒。同樣,對于20納秒脈
寬的示例,對應的長捕捉時間段可以是約60納秒。

本技術可以在例如3D飛行時間相機的3D相機內部操作。

提供本發明內容以便以簡化形式介紹在以下具體實施方式中進一步描述
的一些概念。本發明內容并非旨在標識所要求保護的主題的關鍵特征或必要特
征,也不旨在用于幫助確定所要求保護的主題的范圍。

附圖說明

參考附圖進一步說明根據本說明書的用于控制光敏面以在相同的幀時間
段捕捉來自場景的門控和非門控光的技術。

圖1示出了本技術的各實施例可在其中操作的目標識別、分析和跟蹤系統
的示例實施例。

圖2示出可用于技術的各實施例可在其中操作的目標識別、分析和跟蹤系
統的捕捉設備的示例的框圖。

圖3示意地示出可用于測量到場景的距離的門控3D相機的實施例。

圖4示出用于控制包括至少兩個圖像捕捉區域(一個在門控時間段期間使
用,而另一個在非門控時間段期間使用)的圖像傳感器的光敏面的系統。

圖5是在相同的幀時間段內在相同的光敏面上捕捉來自場景的交錯的門
控和非門控光的方法的實施例的流程圖。

圖6A示意地示出在非門控時間段的長捕捉時間段期間隔行電荷耦合器
件(CCD)光敏面實施例的一部分的高度簡化的橫截面圖。

圖6B示意地示出在長捕捉時間段以外并在相同的非門控時間段以內的時
間段中圖6A的隔行CCD光敏面實施例的一部分的高度簡化的橫截面圖。

圖7示出用于控制包括至少兩個圖像捕捉區域的互補金屬氧化物半導體
(CMOS)的光敏面的系統實施例,一個圖像捕捉區域用于在門控時間段期間
捕捉光,并且另一個圖像捕捉區域用于在非門控時間段期間捕捉光。

圖8A是示出包括電荷傳感元件的基本單位晶格(cell)的體系結構的實
施例的俯視平面圖,CMOS光選通像素由電荷傳感元件形成。

圖8B是跨圖8A中X-X線的電荷傳感元件實施例之一的截面圖。

圖8C是跨圖8A中Y-Y線的電荷傳感元件實施例之一的截面圖。

圖8D示出與圖8A的基本單位晶格實施例使用的晶格控制和讀出電路的
示例。

圖9是包括兩個基本單位晶格的基本像素構建塊的實施例的示意圖。

圖10是圖8A的基本單位晶格實施例的示例性時序圖。

具體實施方式

光敏面在相同的幀時間段期間在其表面的不同捕捉區域上捕捉門控和非
門控光二者。如以下實施例中所示,對門控光進行成像的時間段與對非門控光
進行成像的時間段之間的時間延遲顯著地少于獲取幀所需要的時間。例如,在
某些實施例中,延遲是約一微秒的量級,而幀時間段是毫秒的量級。例如,普
通的幀時間段是25到30毫秒,而門控時間段與非門控時間段之間的轉移延遲
可以是約1或2微秒,并且每個門控和非門控時間段約為10微秒。

光敏面包括至少兩個圖像捕捉區域,一個用于捕捉門控光,并且一個用于
捕捉非門控光。圖像捕捉區域可以采用很多形狀和形式。例如,圖像捕捉區域
可以是隔行CCD中的一組行。在其他實施例中,捕捉區域可以采用不同的幾
何形狀,例如六邊形、正方形、矩形等。

跟蹤3D中的移動目標是門控3D相機的普通應用。圖1A提供了當前技
術提供的快速選通光敏面在其中可能有用的上下文示例。圖1示出了控制光敏
面以在相同幀中捕捉門控和非門控光的本技術實施例可在其中操作的目標識
別、分析和跟蹤系統10的示例實施例。目標識別、分析和跟蹤系統10可用來
識別、分析和/或跟蹤諸如用戶18等的人類目標。目標識別、分析和跟蹤系統
10的各實施例包括用于執行游戲或其他應用的計算環境12,以及用于從游戲
或其他應用提供音頻和視覺表示的視聽設備16。系統10還包括用于捕捉3D
中的位置和由用戶所執行的移動的捕捉設備20,計算環境12接收、解釋并使
用這些位置和移動來控制游戲或其他應用程序。

在示例實施例中,在計算環境12中執行的應用可以是帶有實時交互的游
戲,諸如用戶18正在播放的拳擊游戲。例如,計算環境12可使用視聽設備16
來向用戶18提供拳擊對手15的視覺表示。計算環境12還可使用視聽設備16
來提供用戶18可通過他的或她的移動來控制的玩家化身13的視覺表示。例如,
用戶18可在物理空間中揮拳猛擊,這使得玩家化身13在游戲空間中揮拳猛擊。
由此,根據示例實施例,捕捉設備20使用此處描述的技術來捕捉物理空間中
重拳的3D表示。捕捉設備中的處理器(參見圖2)和目標識別、分析和跟蹤
系統10的計算環境12可用于識別并分析用戶18在物理空間中的重拳,從而
使得該重拳可被實時地解釋為對游戲空間中的玩家化身13的姿勢或游戲控制。

圖2示出了可以在目標識別、分析和跟蹤系統10中使用的捕捉設備20
的示例的框圖視圖。在示例實施例中,捕捉設備20可以被配置為經由任何合
適的技術來捕捉具有可以包括深度值的深度圖像的視頻,這些技術包括例如飛
行時間、結構化光、立體圖像等。根據一個實施例,捕捉設備20可將所計算
的深度信息組織為“Z層”,或與從深度相機沿其視軸延伸的Z軸垂直的層。

如圖2所示,根據一示例實施例,圖像捕捉設備20包括圖像相機組件22,
該圖像相機組件22可包括可用于捕捉場景的深度圖像的IR光組件24、三維
(3D)相機26和RGB相機28。例如,RGB相機可以捕捉反差圖象。在飛行
時間分析中,捕捉設備20的IR光組件24可以將紅外光發射到場景上,并且
然后可使用相機26的光敏面上的傳感器來感測從場景中的一個或多個目標和
對象的表面反向散射的光以獲得深度圖像。

在示例實施例中,捕捉設備20還可以包括可與圖像相機組件22進行可操
作的通信的處理器32。處理器32可包括標準化處理器、專用處理器、微處理
器等,它們可執行用于接收深度圖像、判斷合適的目標是否可被包括在深度圖
像中、將合適的目標的圖像轉換為目標的骨架表示或模型的指令,或任何其他
適合的指令。另外,如圖3中所示,處理器可以發送可以是硬件、固件或軟件
信號的幀消息的開始和結束。

捕捉設備20還可以包括存儲器組件34,該存儲器組件34可以存儲可以
由處理器32執行的指令、由3-D相機或RGB相機捕捉到的圖像或圖像的幀、
或任何其他合適的信息、圖像等。根據一個示例實施例,存儲器組件34可包
括隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、高速緩存、閃存、硬盤
或任何其他合適的存儲組件。如圖2所示,在一個實施例中,存儲器組件34
可以是與圖像相機組件22和處理器32進行通信的分開的組件。根據另一個實
施例,存儲器組件34可以被集成到處理器32和/或圖像相機組件22中。

如圖2所示,捕獲設備20可以經由通信鏈路36與計算環境12通信。通
信鏈路36可以是包括例如USB連接、火線連接、以太網電纜連接等的有線連
接和/或諸如無線802.11b、802.11g、802.11a或802.11n連接等的無線連接。

另外,捕捉設備20可以通過通信鏈路36向計算環境12提供深度信息和
由例如3D相機26和RGB相機28捕捉到的圖像,以及可以由捕捉設備20生
成的骨架模型。存在用于判斷由捕捉設備20檢測到的目標或對象是否與人類
目標相對應的各種已知技術。骨架映射技術可隨后用于確定該用戶的骨架上的
各個人體部分。其他技術包括將圖像轉換為人的人體模型表示以及將圖像轉換
為人的網格模型表示。

骨架模型然后可被提供給計算環境12,使得計算環境可跟蹤骨架模型并
呈現與該骨架模型相關聯的化身。在姿勢識別引擎軟件190的控制下,計算環
境12還可基于,例如從骨架模型的各部分的三維移動中已經識別出的用戶的
姿勢,來確定在計算機環境上執行的應用程序中要執行哪些控制命令。

圖3示意地示出可用于測量到場景130的距離的門控3D圖像相機組件22
的實施例,該場景130具有由對象131和132示意地表示的對象。示意性地表
示的相機組件22包括由透鏡121表示的透鏡系統、具有至少兩個捕捉區域的
光敏面300和合適的光源24,透鏡系統將場景成像在捕捉區域上。以下示出并
討論用于圖4的CCD實施例和圖7的CMOS實施例的不同的圖像捕捉區域的
實施例。合適的光源的某些示例是激光或LED或激光和/或LED的陣列,其可
由控制電路124來控制以光脈沖對場景130進行照明。

光源24的脈沖以及對光敏面300的不同圖像捕捉區域的選通由控制電路
124同步并控制。在一個實施例中,控制電路124包括時鐘邏輯或可以訪問時
鐘以生成同步所必要的時序。控制電路124包括激光或LED驅動電路,該激
光或LED驅動電路使用例如驅動電子電路的電流或電壓來以預定的脈寬來驅
動光源24。控制電路124還可以訪問電源(未示出)以及用于生成所需的不同
電壓電平的邏輯。控制電路124可以另外地或另選地訪問不同的電壓電平和用
于確定時序和導電通路的邏輯,向該導電通路施加不同的電壓電平以打開和關
閉相應的圖像捕捉區域。

為了獲取場景130的3D圖像,控制電路124控制光源24來發射由具有
脈寬的方形光脈沖141的串140示意性地表示的光脈沖串,以對場景130進行
照明。通常使用光脈沖串,因為光源可能無法在單個光脈沖中提供足夠的能量,
使得足夠的光被場景中的對象從該光脈沖反射并且回到相機以提供到對象的
令人滿意的距離測量。設置光脈沖的強度、及其在光脈沖串中的數量,使得從
該串中的所有光脈沖捕捉的反射光的量足以提供可接受的到場景中的對象的
距離測量。通常,輻射的光脈沖是紅外(IR)或近紅外(NIR)光脈沖。

在門控時間段期間,短捕捉時間段可以具有約等于脈寬的持續時間。在一
個示例中,短捕捉時間段可以是10-15納秒,并且脈寬可以約為10納秒。在
此示例中,長捕捉時間段可以是30-45納秒。在另一個示例中,短捕捉時間段
可以是20納秒,并且長捕捉時間段可以約為60納秒。這些時間段僅作為示例,
并且各實施例中的時間段可以在這些范圍和值以外變化。

在預定時間流逝或延遲T后,在每個光脈沖141的發射時間之后,控制電
路124基于門控或非門控時間段是否開始來打開或選通地開啟光敏面300相應
的圖像捕捉區域。例如,行304和行305可被包括在構成圖像捕捉區域之一的
交替行的相同組中。(例如參見圖7)。在另一個示例中,行304和305可以
在不同的行組中,每個行組構成不同的圖像捕捉區域。(例如參見圖4)。圖
像捕捉區域被選通開啟時,諸如光像素的光敏元件或光感測元件捕捉光。對光
的捕捉是指接收光并存儲它的電表示。

在一個示例中,對于門控時間段的每個脈沖,控制電路124將短捕捉時間
段設置為等于光脈寬的持續時間。光脈寬、短捕捉時間段持續時間、和延遲時
間T定義了由最小和最大邊界距離界定的場景130的空間“成像片”。相機僅
針對位于下限距離和上限距離之間的場景的對象來捕捉在門控捕捉時間段期
間從該場景反射的光。在非門控時間段期間,相機試圖捕捉由場景從脈沖所反
射的到達相機的全部光以供對門控光圖像數據的歸一化。

對于場景130的若干區域131和132,來自光脈沖141的由場景130中的
對象所反射的光由光脈沖146的串145來示意性地表示。來自位于成像片的場
景130中的對象的反射光脈沖146由透鏡系統121聚焦,并且在光敏面300的
選通開啟的區域的光敏像素(或光像素)302上成像。來自反射脈沖串145的
光的量在光敏面300的光像素302上成像,并在捕捉時間段期間被存儲以用于
確定到場景130的對象的距離,以提供場景的3D圖像。

在此示例中,控制電路124通信地耦合到圖像捕捉設備20的處理器32
以傳遞關于幀時序和幀傳輸的消息。幀捕捉時間段結束時,光敏面300所捕捉
的已存儲的圖像數據被讀出到存儲器34中的幀緩沖區以供進一步處理,諸如
由圖2所示的目標識別、分析和跟蹤系統10的處理器32和計算環境12。

圖4示出控制包括至少兩個圖像捕捉區域作為交替行組的隔行CCD光敏
面400的系統的示例。該系統可用于圖3所示的系統中。在此實施例中,CCD
光敏面400包括與線性陣列中的存儲像素403相對齊的光敏像素或光像素402。
在此示例中,區域是包括奇數行光像素416及其伴隨存儲像素417的非門控捕
捉區域,以及包括偶數行光像素418及其伴隨存儲像素419的門控捕捉區域。

光像素402感測光,并且在光敏面的捕捉時間段期間入射到光敏面的光
在光像素中生成光電荷。存儲像素對光不敏感,并且入射到光敏面的光不在存
儲像素中生成光電荷。存儲像素用于累積并且存儲在光敏面的捕捉時間段期間
在光像素中創建的光電荷。在此實施例中,每行存儲像素403可被認為是垂直
寄存器。存儲像素403可以訪問順序地讀出每行存儲像素以傳輸到幀緩沖區34
的水平移位寄存器404。

每行存儲像素和每行光像素包括其自己的電極(參見圖6A和6B中的631
和641)。光像素和存儲像素的運作通過控制施加到它們各自的電極的電壓來
控制。控制電路124使用光源24來生成光脈沖141。在此示例中,控制電路
124使用電壓(例如,Vevenl(V偶數行)428、Vevens(V偶數存儲)426、Voddl
(V奇數行)427、Vodds?425(V奇數存儲)和Vsub(V襯底)424)來使一個圖像
捕捉區域在門控時間段422期間捕捉來自脈沖141的反射光,并且另一個圖像
捕捉區域在非門控捕捉時間段420期間捕捉來自脈沖141的反射光146。在此
實施例中,控制電路124控制半導體設備的襯底電壓Vsub?424、連接到奇數行
中的光像素的電極的電壓值Voddl?427、連接到奇數行中的存儲像素的電極的
電壓值Vodds?425、連接到偶數行中的光像素的電極的電壓值Vevenl?428、和
連接到偶數行中的存儲像素的電極的電壓值Vevens?426。控制電路124可以具
體化用于控制光敏面400和光源24的單獨的控制區域,但是,光敏面中像素
的捕捉能力的打開和關閉應當與用于為距離測量捕捉數據的光脈沖的發射同
步。

圖4還示出門控捕捉時間段422和非門控捕捉時間段420,每個時間段捕
捉來自光脈沖141的反射光146。如示例性非門控捕捉時間段420內所見,來
自光脈沖141的反射光146具有相對長捕捉時間段410,其中與諸如背景光之
類的從其他源反射的光一起回到CCD光敏面400。而對示例性門控捕捉時間
段422,偶數行418和419具有捕捉串145中從光脈沖141反射回到光敏面的
光146的相對短捕捉時間段408。如上所述,例如,如果短捕捉時間段408是
針對來自激光的20納秒脈沖寬度的20納秒,那么長捕捉時間段410可以是40
到60納秒。在另一個示例中,如果短捕捉時間段408是10-15納秒,那么長
捕捉時間段410是20-45納秒。這些捕捉時間段僅作為示例,并且在其他實施
例中可以變化,只要非門控捕捉時間段420中的長捕捉時間段410足夠長以捕
捉適合于對在短的捕捉時間段408或門控捕捉時間段422中的選通期間捕捉的
光進行歸一化的光。

在光脈沖串中可能需要多至一千個光脈沖,使得從場景到達相機的反射光
的量足以提供幀中可接受的距離測量。為了將成像時間、和/或可能的圖像模糊
降低到可接受的水平,光脈沖的重復速率和對應的捕捉時間段的重復速率可有
利地高達至少每秒107次或更多,并且因此具有約100納秒或更短的重復時間
段。此外,光脈沖寬度和短捕捉時間段的持續時間可等于約30納秒或更短。
運動捕捉相機的普通幀速率是每秒30幀,因此如果光敏面能夠盡可能快地打
開和關閉它的圖像捕捉區域,那么短和長捕捉時間段越短,可以捕捉的門控和
非門控時間段就越多。

在門控時間段中的每個重復的短捕捉時間段期間,像素的偶數行中的像素
(存儲和光像素二者)被控制處于“開(ON)”狀態412。在開狀態期間,光
像素402將其累積的電荷傳輸到光敏面400中它們相應的存儲像素403中。在
整個門控時間段期間,奇數像素行中的像素被控制成處于“關(OFF)”狀態,
以禁止光像素將電荷傳輸到光敏面中它們相應的存儲像素中。在非門控時間段
中每個重復的長捕捉時間段期間,奇數行中的光像素402被控制成處于它們將
其累積的電荷傳輸到它們相應的存儲像素403的“開”狀態414。偶數行中的
像素被控制處于關狀態以禁止整個非門控時間段期間的電荷傳輸。

以下討論光敏面的不同的實施例,它們可在相同幀中門控時間段和非門控
時間段被選通開啟和選通關閉。無論使用哪種類型的技術,例如CCD或CMOS
傳感器(見圖7),任一種可以使用諸如圖5所描述的實施例的操作方法。

圖5是在相同的幀時間段內在相同的光敏面上捕捉來自場景的交錯的門
控和非門控光的方法500的實施例的流程圖。僅出于說明性而非限制性的目的,
按照之前的實施例討論圖5。方法實施例500始于步驟502,以控制電路124
可從捕捉設備20的處理器32接收的幀通知作為開始。在步驟504中,控制電
路124開始門控光時間段。在步驟506中,控制電路124與光脈沖的生成同步
地打開或關閉光敏面的第一圖像捕捉區域以生成短捕捉時間段,以便在幀時間
段內的門控時間段的每個短捕捉時間段期間捕捉門控光。如圖3和4之前描述
的,控制電路124控制光源24以及光敏面(300或400)的不同的捕捉區域,
并且因此電路可以提供同步的控制信號。在步驟510的門控時間段422的結尾
處,控制電路124在步驟512中關閉第一圖像捕捉區域。在某些實施例中,控
制電路124在門控時間段的結尾使所捕捉的圖像數據從第一圖像捕捉區域被傳
輸到諸如捕捉設備20的存儲器34之類的存儲器。在其他實施例中,在幀的門
控時間段期間捕捉到的圖像數據在幀的結尾被傳輸到幀緩沖區存儲器34。

在步驟516中,控制電路124開始相同幀時間段內的非門控時間段,控制
電路124在步驟518中與光脈沖的生成同步地打開或關閉光敏面的第二圖像捕
捉區域以生成長捕捉時間段,以便在非門控時間段的每個長捕捉時間段期間捕
捉非門控光。

對于在步驟522的非門控光時間段的結尾,控制電路在步驟524中關閉第
二圖像捕捉區域。同樣在某些實施例中,控制電路124在非門控時間段的結尾
使所捕捉的圖像數據從第二圖像捕捉區域被傳輸到諸如存儲器34的存儲器。
同樣,在其他實施例中,在非門控時間段期間捕捉到的圖像數據在幀的結尾被
傳輸到幀緩沖區存儲器34。

控制電路在步驟526中可以確定幀的結尾是否出現。該判斷可以基于來自
處理器36的中斷信號,或者在另一個示例中,控制電路可以監控幀時鐘。如
果幀的結尾尚未出現,則控制電路124繼續再次在步驟504中開始另一個門控
光時間段。如果幀的結尾已經出現,則控制電路124繼續在步驟502中開始一
個新的幀,并且再次開始門控和非門控時間段的交錯或交替。對于新的幀的開
始,在一個示例中存在諸如更新幀數量和幀時鐘的開始的某些處理。

在圖5的實施例中,門控和非門控時間段的交錯始于門控時間段,但在其
他實施例中順序可以被顛倒。

圖6A和6B的實施例僅出于說明目的在圖4的實施例的上下文中被討論,
并且不旨在于是限制性的。在圖6A的示例中,所示的操作的當前狀態是在門
控時間段的短捕捉時間段期間。對于此示例,在門控時間段期間激活偶數行
402e、403e,并且在整個門控時間段期間關閉奇數行像素402o、403o。在非門
時間段期間,以與偶數行像素相同的方式操作奇數行像素402o、403o。在另一
個示例中,奇數行可以是門控時間段期間使用的指定集,并且在非門控時間段
期間是偶數行。為了便于描述,對“偶數”像素的引用是指偶數行中的存儲或
光像素,并且對“奇數”像素的引用是指奇數行中的存儲或光像素。

圖6A示意地示出隔行CCD光敏面400的一個實施例的一部分的高度簡
化的橫截面圖。該部分如下示出兩組代表性的光像素和存儲像素:光像素402e
和403e分別是光敏面400的偶數行418和419的;并且光像素402o和存儲像
素403o分別是奇數行416和417的。如由垂直虛線所指示的,任一類型的每
個像素由光敏面中的區域的電氣特性和大小將在操作期間將在其內改變的各
個層構成。虛線不是不同類型的像素之間的精確分界,但是旨在輔助附圖的觀
看者標識與不同像素相關聯的光敏面的區域。

為方便呈現,假定隔行CCD?400被配置有摻雜架構,使得它捕捉下文稱
為“光電子”的電子,而不是來自入射光所生成的電子-空穴對的空穴。在其
他實施例中,可以向CCD?400提供捕捉來自入射光所生成的電子一穴對的空
穴的摻雜架構。

在該示例實施例中,CCD光敏面400包括硅p++摻雜襯底621、p摻雜外
延層622、以及n摻雜層623。層623覆蓋有二氧化硅絕緣層624。導電電極
631(此示例中是多晶硅)形成在CCD光敏面的包括具有np結638的光像素
402的區域上。在此示例中,多晶硅電極641也形成在CCD?400的包括具有
np結648的存儲像素403的區域上。向存儲像素403傳播的光60不在存儲像
素中創建光電子,因為該光由于存儲像素被覆蓋有“掩模”層644而被阻止進
入存儲像素。掩模層644的材料的示例是金屬,該金屬對光60是不透明的并
且阻擋存儲像素電極641下的區域被暴露于光60。在某些實施例中,電極641
由對于光60不透明的導電材料形成,且電極提供了存儲像素403的掩模來代
替掩模層644或增強由掩模層所提供的掩模。

在此示例中,每個光像素402與其右側的存儲像素403相關聯,且與其左
側的存儲像素403電絕緣。光像素與其左側的存儲像素403的隔離例如可以通
過注入合適的摻雜物、或通過形成由陰影區域647示意性地表示的淺溝道隔離
區來實現。

如將在以下具體示例中討論的,通常,光像素電極631和存儲像素電極
641相對于彼此偏置,使得當開電壓值在長或短捕捉時間段期間被施加時,來
自場景的光在光像素中所生成的光電荷快速地傳輸到該光像素的存儲像素并
在其中累積和存儲。當閉電壓值被施加到光像素電極631時,來自場景的光在
光像素中所生成的光電荷排空到襯底,并且不從光像素傳輸到存儲像素并在其
中累積。光像素電極相對于存儲像素電極的偏置對于光敏面的捕捉時間段和非
捕捉時間段基本維持相同。

控制電路124在像素電連接的導電通路(例如金屬線)上提供Vevenl?428、
Vevens?426、Voddl?427和Vodds?425的開或關電壓值。偶數存儲像素403e在
通路419上接收電壓Vevens?426,而偶數光像素402e在通路418上接收電壓
Vevenl?428。類似地,奇數存儲像素403o在通路417上接收電壓Vodds?425,
而奇數光像素402o在通路416上接收電壓Voddl?427。控制電路124向襯底621
提供基準電壓Vsub?424,該基準電壓Vsub?424將與開和關電壓一同用于創建
電勢電壓差以按需偏置像素,以便存儲和不存儲光電子或光電荷所表示的圖像
數據。

在圖6A中,對于門控時間段內的短捕捉時間段,與偶數存儲像素403e
一樣打開偶數光像素402e。電壓Vsub?424、Vevenl?428和Vevens?426提供對
分別位于光像素402e和存儲像素403e的電極631e和641e下的np結638e和
648e進行反偏置的電壓差。電壓在光像素402e和存儲像素403e中生成各自的
勢阱632e和642e。存儲像素電極641下的勢阱642e比光像素電極631e下的
勢阱632e更深。

作為勢阱632e與642e的深度差別的結果,在光像素402e及其對應的存
儲像素403e之間創建電場,如箭頭所指示的,該電場將光像素中所生成的光
電子驅動到存儲像素。摻雜區647擔任勢壘以防止在光像素(例如402e)中形
成的電子向左面漂移,并且進入位于左面的存儲像素列(例如403o)。入射到
光像素402e上的光所生成的光電子由陰影圈650表示,并被連續且快速地從
光像素402e傳輸到該光像素的相關聯的存儲像素403e并在其中累積和存儲。

該場使得在光像素402e中創建了光電子650之后基本立即將它們傳輸到
該光像素的相關聯的存儲像素403e。光電荷從光像素中其被生成的位置傳輸到
存儲像素花費的時間由該光電荷的漂移速度以及從其被生成的位置到存儲像
素的距離來確定。該漂移速度是在光電子上運行的場的強度的函數,該強度是
勢阱632e和642e之間的電勢差的函數。對于幾伏特的典型電勢差以及小于或
等于約100微米的像素間距,光電子在可以小于或約等于幾納秒、或小于或約
等于一納秒的時間中傳輸到存儲像素。

在反偏置np結638e和648e的一個示例中,Vsub?424從控制電路124接
收開電壓,該開電壓由襯底層621接收。控制電路124經由導電路徑418將偶
數光像素402e的電極631e通上Vevenl?428的開電壓。Vevenl?428比Vsub更
正。經由導電通路419將存儲像素403e上的電極641e通上Vevens?426的開電
壓值。Vevenl?426比電壓Vsub424正得多。Vsub?424的開電壓的示例是10伏,
偶數光像素402e的開電壓是15伏,偶數存儲像素403e的開電壓是30伏。

在圖6A中,奇數像素402o和403o處于禁止圖像捕捉的關狀態。奇數光
像素402o具有足以正偏置光像素402o中的np結638o的Vsub?424和Voddl?427
之間的電壓差。例如,如果Vsub?424是10伏,那么Voddl?427可以是15伏。
然而,Vsub?424和Vodds?425之間的電壓差不足以正偏置存儲像素403o中的
np結648o。例如,如果Vsub?424是10伏,那么Voddl?425可被設置為0伏或
者負5伏。因此,盡管存儲像素403o中的勢阱642o可能在深度上被減少已降
低的電壓差,但是它們保持足夠深以維持其在長捕捉時間段的先前非門控時間
段期間奇數存儲像素403o是活動的時間期間累積的光電荷。奇數光像素中的
np結638o的正偏壓使電荷從光像素中排空,并且使入射到光像素402o的光
60所生成的光電子停止移動到存儲像素403o,但被吸引到并且吸收到襯底621
中。

對于奇數像素,無論是否在每個非門控時間段之后或在幀時間段中的全部
非門控時間段之后為幀數據傳輸非門控時間段的已存儲的光電子650,控制電
路124在奇數像素行為整個門控時間段被選通關閉時控制電壓值Voddl?427和
Vodds?425。例如,在Vsub?424設置為10伏的情況下,Voddl?427可被設置為
15伏,并且Vodds?425可被設置為0伏。如果來自每個非門控時間段的光電子
650被累積并且每幀一次全部被傳輸,那么對于勢阱642o的Vsub的當前值,
Vodds?425足夠正以保持足夠深來維持它們在CCD?400的奇數像素行被選通開
啟的時間期間累積的光電荷。

如果每個非門控時間段的光電子650在長捕捉時間段的每個非門控時間
段之后被傳輸到幀緩沖區,那么在門控時間段期間維持已累積的電荷不是問
題。

在圖6B中,在門控時間段內的短捕捉時間段之間的時間段打開偶數存儲
像素403e。在關狀態中,偶數光像素402e和存儲像素403e處于與奇數光像素
402o和存儲像素403o相同的狀態。光像素402e正流向襯底621,并且勢阱642e
不接受電荷但是足夠深以維持對光像素402e在門控時間段的之前的短捕捉時
間段408期間所傳輸的光電子650的存儲。在一個示例中,襯底電壓Vsub?424
具有比Vsub?424的開電壓正得多的關電壓,導致被正偏置的np結638e通過
襯底621對光電子650進行放電,而圖6B的存儲像素的勢阱642e具有維持光
電子650的存儲但不接受更多光電子的深度。在此示例中,導電通路416和417
上由Voddl?427和Vodds?425控制的奇數像素402o、403o上的電壓可以與導電
通路418和419上的電壓Vevenl?428和Vevens?426相同。Vsub?424關電壓的
示例是30伏,并且Voddl?427、Vodds?425、Vevenl?428和Vevens?426的電壓
被設置為15伏。

在另一個示例中,Vsub?424可以是在門控和非門控時間段二者期間維持的
基準電壓(例如15伏),并且奇數和偶數像素導電通路上的開和關電壓可被
改變以選通開啟和選通關閉或打開和關閉相應的像素行。為了在短捕捉時間段
408打開偶數像素402e、403e,使偶數光像素402e的電極631e通上比Vsub?424
(例如15伏)更正的Vevenl?428(例如20伏),并且使偶數存儲像素403e
的電極641e通上比電壓Vevenl?428正得多的電壓Vevens?426(例如30伏)。

在此相同的門控時間段期間,如上所述,相同的Vsub?424(例如15伏)
正被施加到其上形成有奇數光像素和奇數存儲像素以及偶數光像素和偶數存
儲像素的襯底621上。對于奇數行的光像素402o和存儲像素403o,雖然足以
在奇數光像素402o中正偏置np結638o,但Voddl?427可以與Vevenl?428相同
(例如20伏)或需要時比其小。然而,Vodds?425被設置為比Vevens?426(例
如30伏)更低的電壓值(例如0伏),Vevens?426生成影響勢阱的大小尤其
是存儲像素403o的勢阱642o的更小的電壓差。Vodds?425值不如Vevens?426
正在接收的開值正,導致不正向偏置奇數存儲像素403o的np結648o。在門控
時間段期間將奇數像素保持在關狀態的相同的電壓值Voddl?427和Vodds?425
可用于電壓值Vevenl?428和Vevens?426,以便在門控時間段中的短捕捉時間段
408之間的時間段分別關閉或選通關閉偶數光像素402e和存儲像素403e。

如上所述,奇數行光像素402o和存儲像素403o在整個門控時間段為關,
無論在短捕捉時間段期間還是它們之間的時間段。因此,奇數光像素402o接
收Voddl?427上為關的相同的電壓值,而偶數光像素在門控時間段422內短捕
捉時間段408以外的時間段期間接收開Vevenl?428。類似地,在門控時間段422
內長捕捉時間段408以外的時間段期間Vodds?425與Vevens?426相同。

可以快速地改變奇數(416、417)和偶數(418、419)電壓導電通路上的
開和關電壓值Voddl?427、Vodds?425、Vevenl?428、Vevens?426以便電子地遮
擋CCD?400。具體地,該遮擋足夠迅速,使得CCD?400可足夠快地被電子地
選通以便在選通3D相機中用來測量到場景中的對象的距離,而不必具有附加
的外部快速快門。在一個實施例中,切換開和關電壓值以選通開啟CCD用于
具有少于或等于100納秒的持續時間的長(410)和短(408)捕捉時間段。可
任選地,短或長捕捉時間段具有小于或等于70納秒的持續時間。在某些實施
例中,短捕捉時間段具有小于35納秒的持續時間。在某些實施例中,短捕捉
時間段(408)具有小于或等于20納秒的持續時間。

注意的是,本技術的實施例的實踐不限于隔行CCD光敏面和包括隔行
CCD光敏面的相機。例如,光敏面可以基于CMOS技術而不是CCD技術。

圖7示出用于控制包括兩個圖像捕捉區域的CMOS光敏面700的系統實
施例,在此示例中是偶數行和奇數行,一個在門控時間段期間使用,并且另一
個在非門控時間段期間使用。在此示例中,不需要單獨行的存儲像素。在一個
示例中,與每個光敏CMOS像素702相關聯的控制和讀出電路可以位于半導
體光敏面的相應像素的區域內。在另一個示例中,用于像素的整個行或區域的
控制和讀出電路可以位于光敏面的行的部分中。CMOS布局的其他示例也可用
于其他實施例中。

如在圖4的CCD光敏面實施例400中,控制電路124控制光源24以生成
光脈沖141。在此實施例中,它另外地為CMOS光敏面設備700提供源電壓
Vdd?724,經由導電通路718的偶數行電壓728集,以及經由導電通路716的
奇數行電壓727。電壓被設置為分別在非門控和門控時間段期間選通合適的行
組。在此示例中,如奇數像素行開714所指示的,奇數像素行在門控時間段422
是活動的,并且如偶數像素行開712所指示的,偶數像素行在非門控時間段420
是活動的。如前所述,奇數行像素可以容易地被指定在非門控時間段期間使用,
而偶數行像素被指定在門控時間段期間使用。

在圖8A中示出可用于諸如圖7的實施例的實施例中的CMOS像素技術的
示例,圖8A示出CMOS光選通技術的基本單位晶格的一個實施例820。基
本單位晶格820包括在通道植入物(implant)內形成并被環狀結構826a和826b
圍繞的兩個浮動擴散822a和822b,結構826a和826b是浮動擴散822a和822b
的傳輸選通并被稱為傳輸選通環。傳輸選通不必是環,例如,它可以是六邊形
或其他圍繞形狀,只要該形狀提供用于電荷傳輸的基本一致的360度電場分布。
浮動擴散及其相關聯的傳輸選通環的合成以下被稱為“電荷傳感元件”。

除用于以下附圖的基本單位晶格820的結構和操作的討論以外,可以在
2009年7月17日提交的題為“CMOS?Photogate?3D?Camera?System?Having?
Improved?Charge?Sensing?Cell?and?Pixel?Geometry”(具有改進的電荷感測單元
和像素幾何結構的CMOS光選通3D相機系統)的PCT申請
PCT/IB2009/053113中找到關于該CMOS示例的更多信息,上述PCT申請通
過引用合并于此。

根據PCT/IB2009/053113,由這些晶格形成的光像素由低電容來表征,并
且因此可以提供對電荷累積中的微小變化的改進的敏感度。同時,施加到光選
通的電壓創建的電場在傳感元件周圍是基本方位對稱的,并且已經發現從由通
電的光選通本體定義的電荷累積區域穿過通道傳播到浮動擴散的電子基本上
沒有經歷作為傳播方向的函數的阻擋。這可導致改進的傳輸特性。

光像素和由電荷傳感元件形成的像素陣列也展示顯著改進的填充因子。填
充因子的60%或者更多是可以實現的。

圖8A以平面圖并且圖8B和8C以橫截面圖示出基本單位晶格820的體系
結構,根據技術的一個實施例,根據該體系結構形成一種類型的光像素,光選
通像素。在圖8A的俯視圖中,單位晶格820包括三個基本上是圓形的N+浮動
擴散822a、822b和822d。傳輸選通826a、826b和826d是分別圍繞822a、822b
和822d的環的形式。

浮動擴散822a和傳輸選通826a、以及浮動擴散822b和傳輸選通826b分
別構成第一和第二電荷感測元件832a和832b。浮動擴散822d和傳輸選通826d
構成提供背景照明取消的背景電荷排空元件832d。與電荷排空元件相關聯的傳
輸選通在發射照明脈沖之間的間隔期間被激勵。在某些實施例中,不包括背景
電荷排空元件832d。可以使用輸出驅動器電路來代替以執行背景電荷排空。

一般而言,環形孔(circular?aperture)836a、836b和836d與電荷傳感元
件832a和832b以及背景電荷排空元件832d相對齊。孔836a、836b和836d
提供合適的間隙以暴露供方便布線訪問的這些元件,并且為電荷傳輸提供基本
上一致的360度電場分布。多晶硅光選通834還被形成為基本上覆蓋晶格820
上表面的全部區域的連續基本平面層。

圖8B是跨圖8A的X-X線的電荷傳感元件832a的截面圖,并且圖8C是
圖8A的Y-Y線的電荷傳感元件832a的截面圖。結合圖8B和8C,可以理解
的是,僅示出電荷傳感元件832a的幾何形狀,但電荷傳感元件832b和電荷排
空元件832d是基本相同的。還可以理解的是,浮動擴散822a和822b被連接
到合適的輸出電路(未示出),并且浮動擴散822d被連接到排空偏置電勢Vdd。
(在附圖中,排空元件也被標識為“D”,并且電荷傳感元件被標識為“A”
和“B”。)在該實施例中,除電荷傳感元件832a和832b、背景電荷排空元
件832d和光選通834以外,單位晶格820的部分的基本結構可以是普通CMOS
結構。單位包括例如位于P-外延層838上的N-掩埋通道植入物824,以及所
需的金屬漏及源平面和布線(未示出),P-外延層838在P+硅襯底840上分
層。或者,可以采用任何其他合適且所需的體系結構。

多晶硅傳輸選通826a位于形成于N-掩埋通道植入物層824上的氧化物層
828上。多晶硅光選通834還作為覆蓋晶格820上表面基本上全部區域的連續
基本平面層在氧化物層828上形成。如上所述,孔836a通過通道植入物層824
為電荷傳輸提供基本一致的360度電場分布。

基本上是圓形的N+浮動擴散822a在N-掩埋通道植入物824內形成。多
晶硅環狀傳輸選通826a位于氧化物層828上。浮動擴散位于被埋通道植入物
824內,并且因此氧化物層上的“圍繞”傳輸選通形成可被認作是“光暈(halo)”,
而不是劃界邊界。然而,為簡單起見,將使用術語“圍繞”來指代電荷傳感晶
格排列。

在操作中,在已知時間由合適電壓的應用來激勵與傳出照明有關的光選通
834(例如圖3中的光脈沖141),并且保持激勵達設置電荷收集間隔。從施加
到光選通834的電壓產生的電場在掩埋通道植入物層824創建電荷累積區域,
并且從被成像的對象反射的光子穿過光選通834進入通道植入物層824,可導
致光子在那里被釋放。

隨后交替激勵環狀傳輸選通826a達預定的集成間隔,在該集成間隔期間,
通過通道824將已收集的電荷傳輸到浮動擴散822a。該電荷產生電壓,該電壓
可被測量并用于確定到像素702對其成像的對象的一部分的距離。隨后根據浮
動擴散822a上的電荷產生的電壓、光選通834和傳輸選通826a的時序的已知
激活、以及光速確定飛行時間。由此,浮動擴散822a是CMOS光選通傳感像
素的傳感節點。

圖8C還示出包括在氧化物層828下的通道層824中形成并且重疊在P-
阱837上的P+擴散區835的停止通道結構或“通道停止”。如果通道未被突
然地終止,則從距離已激活傳輸選通最遠的通道824的一端傳輸的電荷可能是
不受控制并且有噪聲。通道停止在通道層824的一端提供明確定義的終止以幫
助促進受控電荷轉移到浮動擴散822a。

圖8D示出與基本單位晶格使用的晶格控制和讀出電路的示例。也可以適
用其他普通的CMOS控制和讀出電路設計。用于光選通偏置842、傳輸選通A
844a和傳輸選通B?844b的信號通路分別激勵光選通834和傳輸選通A和B(例
如,圖8A中的826a和826b)。

輸出電路846a和輸出電路846b分別提供各個電荷傳感元件832a和832b
的浮動擴散822a和822b上的電荷產生的電壓的輸出A?845和輸出B?847的讀
出電壓。這些讀出電路846a、846b可與基本單位晶格820形成在集成電路芯
片上。向輸出電路846a和846b提供選擇848和重置850信號通路。

在采用脈沖照明的系統中,背景照射可在照射脈沖之間的間隔期間導致感
測晶格832a、832b中的電荷累積。排空照明脈沖之間的這種電荷累積可能是
有利的。關于使用TOF相機像素晶格的背景照射取消的更多信息,參見IEEE?
Sensors?Journal的Kawahito等人的A?CMOS?Time-of-Flight?Range?Image?Sensor
(CMOS飛行時間范圍圖像傳感器),2007年12月,第1578頁。浮動擴散
822d被連接到Vdd?849以提供放電通路,并且信號通路D?844d在發射照明脈
沖之間的間隔期間激勵傳輸選通D(例如圖8B中的826d)以激活電荷的累積
的放電。

可以按需組合基本單位晶格180以為特定的應用提供光收集能力。圖9
是包括兩個基本單位晶格的基本光像素構建塊的實施例的示意圖。為了簡明期
間,省略了選通控制和讀出電路、以及其他普通特征。

圖9示出包括如虛線劃界的兩個基本晶格852和854的基本多晶格構建快
850。晶格852包括傳感元件856a和856b、以及背景電荷排空元件856d。晶
格854包括傳感元件858a和858b、以及背景電荷排空元件858d。如所見的,
構建塊850由具有暴露電荷傳感和背景電荷排空元件的孔862的單個連續光選
通860形成。

根據PCT申請PCT/IB2009/053113,基于發明人所執行的模擬研究,并假
定3.3伏的最大選通激勵、0.18微米CMOS制造技術、和70埃選通氧化物厚
度,可以確定合適的近似晶格組件尺寸可以在以下范圍內:光選通孔眼間隔
(通道長度):1.0-6.0μ(例如3.0μ);傳輸選通環形寬度:0.3-1.0μm(例如,
0.6μm);光選通孔眼到傳輸選通間隙:0.25-0.4μm(例如0.25μm);浮動擴
散的直徑:0.6-1.5μm(例如,0.6μm)。然而,應當理解,對本領域技術人員將
是顯而易見的是,合適的尺寸可以依賴于應用、制造技術的進步和其他因素,
并且以上所述的參數不旨在是限制性的。

圖10是如此處描述的使用單獨的背景電荷排空元件來提供背景取消的基
本單位晶格的示例性時序圖。線(a)示出照明周期。線(b)和(c)示出用
于“A”和“B”浮動擴散的納秒范圍內的集成時間,并且該集成時間由相應
的“A”和“B”傳輸選通的激活時間來定義。線(d)示出由電荷排空元件傳
輸選通的激活時間來定義的背景取消間隔。圖10所示的時序也適用于沒有背
景取消的操作,或者使用電荷傳感元件傳輸選通和/或光選通來激活背景電荷排
空的實施例。

技術也可在可能具有與隔行CCD或CMOS光敏面不同的非線性結構的光
敏面實施例中操作。也可以適用成像區域的其他配置或幾何形狀。例如,可以
使用列代替行。取決于控制和讀出電路的排列,每個其他像素可以在一個集合
中,并且其他像素在另一個集合中。另外,如果需要可以指定多于兩個成像區
域。

盡管用結構特征和/或方法動作專用的語言描述了本主題,但可以理解,
所附權利要求書中定義的主題不必限于上述具體特征或動作。更確切而言,上
述具體特征和動作是作為實現權利要求的示例形式公開的。

關于本文
本文標題:在相同光敏面上的相同幀中捕捉門控和非門控光.pdf
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