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CN111108411B - 光传感器、基于飞行时间的测距系统和电子装置 - Google Patents

光传感器、基于飞行时间的测距系统和电子装置 Download PDF

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CN111108411B CN201980004445.8A CN201980004445A CN111108411B CN 111108411 B CN111108411 B CN 111108411B CN 201980004445 A CN201980004445 A CN 201980004445A CN 111108411 B CN111108411 B CN 111108411B
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Abstract

本发明公开了一种传感器、基于飞行时间的测距系统和电子装置。所述传感器用以感测光脉冲产生单元所发送的光脉冲信号被目标物反射所产生的反射信号，所述传感器包括像素阵列，包括多个像素，所述多个像素中的每一像素(204)包括：光电二极管(PD)、第一电荷输出电路(2041)、第二电荷输出电路(2042)以及采样电路(2043)，所述采样电路包括：第一电容(C1)、采样开关(MH)以及第二电容(C2)。

Description

光传感器、基于飞行时间的测距系统和电子装置
技术领域
本申请涉及光传感器，尤其涉及一种能够在读出操作的同时进行下一次的曝光操作的光传感器，及其相关的基于飞行时间的测距系统和电子装置。
背景技术
基于飞行时间(time of flight，TOF)的距离测量技术中，由于光传感器的像素内部没有储存元件，导致每次曝光操作都需要等待前一次的读出操作结束后才能进行，使得帧率无法提升。因此，需要一种创新的光传感器设计来解决此问题。
发明内容
本申请的目的之一在于公开一种光传感器及其相关的基于飞行时间的测距系统和电子装置，来解决上述问题。
本申请的一实施例公开了一种光传感器，用以感测光脉冲产生单元所发送的光脉冲信号被目标物反射所产生的反射信号，所述光传感器包括：像素阵列，包括多个像素，所述多个像素中的每一像素包括：光电二极管，用来在曝光操作时，传感所述反射信号以产生电荷；一电荷输出电路，用以根据第一电荷输出信号选择性地耦接于所述光电二极管，以产生第一感测电压；第二电荷输出电路，用以根据第二电荷输出信号选择性地耦接于所述光电二极管，以产生第二感测电压，其中所述第二电荷输出信号和所述第一电荷输出信号具有不同的相位；以及采样电路，包括：第一电容，所述第一电容的第一端耦接于所述第一电荷输出电路和所述第二电荷输出电路，所述第一电容的第二端耦接于第一电压；采样开关，依据采样控制信号选择性地导通；以及第二电容，所述第二电容的第一端通过所述采样开关选择性地耦接于所述第一电荷输出电路、所述第二电荷输出电路和所述第一电容的所述第一端，所述第二电容的第二端耦接于所述第一电压。
本申请的另一实施例公开了一种基于飞行时间的测距系统，包括所述的光传感器以及所述光脉冲产生单元。
本申请的另一实施例公开了一种电子装置，包括所述的光传感器。
本申请的另一实施例公开了一种电子装置，包括所述的基于飞行时间的测距系统。
本申请的光传感器及其相关的基于飞行时间的测距系统和电子装置能够在读出操作的同时进行下一次的曝光操作，因此能提升帧率以解决上述问题。
附图说明
图1是本申请的基于飞行时间的测距系统的实施例的功能方框示意图。
图2为像素阵列中的其中一像素的实施例的示意图。
图3为本申请的光传感器的像素的操作实施例的流程图。
图4为本申请电子装置的实施例的示意图。
具体实施方式
在说明书及之前的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及之前的权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及之前的权利要求书当中所提及的“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包括但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包括任何直接和间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电连接到所述第二装置。
本申请所公开的光传感器及其相关的基于飞行时间的测距系统和电子装置，能够通过采样电路来使进行读出操作时，同时进行下一次的曝光操作，进一步的说明如下。
图1是本申请的基于飞行时间的测距系统的实施例的功能方框示意图。基于飞行时间的测距系统100可用于探测目标物101与测距系统100之间的距离，需注意的是，目标物101与测距系统100之间的距离应小于或等于测距系统100的最大测量距离。举例来说(但本申请不限于此)，测距系统100可以是三维成像系统，其可采用时间飞行法来测量周遭目标物的距离，从而获得景深和三维图像信息。在此实施例中，测距系统100可实施为基于飞行时间的光学测距系统。
测距系统100可包括(但不限于)光脉冲产生单元102和光传感器103。光脉冲产生单元102可由发光单元来实施，以产生光脉冲信号EL。光脉冲信号EL可包括多个光脉冲。光脉冲产生单元102可以是(但不限于)激光二极管(laser diode，LD)、发光二极管(lightemitting diode，LED)或其他可以产生光光脉冲的发光单元。具体来说，光脉冲产生单元102产生的光脉冲信号EL可包括不同相位的光脉冲，在本实施例中，光脉冲产生单元102产生的光脉冲信号EL依序包括N个具有第一相位的光脉冲、N个具有第二相位的光脉冲、N个具有第三相位的光脉冲以及N个具有第四相位的光脉冲，并重复地循环，其中N为大于0的整数。在一个实施例中，第一相位为0度、第二相位为90度、第二相位为180度、第三相位为270度。
光传感器103用以对目标物101反射光脉冲信号EL所产生的反射信号RL进行采样，以侦测测距系统100(或飞行时间光传感器130)与目标物101之间的距离。具体来说，光传感器103会针对每N个具有所述第一相位、所述第二相位、所述第三相位和所述第四相位的光脉冲信号EL均进行曝光操作、采样操作与读出操作，其细节将说明如下。
光传感器103包括(但不限于)像素阵列104和读取电路105。像素阵列104包括多个像素(未绘示于图1)，读取电路105耦接至像素阵列104，在本实施例中，读取电路105可以包括放大器106、模数转换器108和运算电路110。图2为像素阵列104中位于第i行的其中一像素的实施例的示意图。如图2所示，像素204的光电二极管PD用来在所述曝光操作时，传感反射信号RL以产生电荷。
像素204的第一电荷输出电路2041用以根据第一电荷输出信号TX1来控制开关MT1，以选择性地使第一电荷输出电路2041耦接于光电二极管PD，当第一电荷输出信号TX1控制开关MT1导通时，光电二极管PD的电荷会流入第一电荷输出电路2041的浮置扩散区FDN1，并通过源跟随晶体管MF1的驱动以在源跟随晶体管MF1的源极输出SFO1产生第一感测电压。开关MT1耦接于源跟随晶体管MF1的栅极和光电二极管PD之间。第一电荷输出电路2041另包括重置晶体管MR1和选择晶体管MS1，重置晶体管MR1的源极耦接至源跟随晶体管MF1的栅极，重置晶体管MR1依据重置信号R1来选择性地重置第一电荷输出电路2041的浮置扩散区FDN1和源极输出SFO1，以重置所述第一感测电压，重置晶体管MR1和源跟随晶体管MF1的漏极均耦接至第二电压V2，选择晶体管MS1的漏极耦接至源跟随晶体管MF1的漏极，选择晶体管MS1的漏极则耦接至采样电路2043，选择晶体管MS1依据第一选择控制信号FD1来选择性地将源极输出SFO1，即所述第一感测电压，传送至采样电路2043。
像素204的第二电荷输出电路2042用以根据第二电荷输出信号TX2来控制开关MT2，以选择性地使第二电荷输出电路2042耦接于光电二极管PD，当第二电荷输出信号TX2控制开关MT2导通时，光电二极管PD的电荷会流入第二电荷输出电路2042的浮置扩散区FDN2，并通过源跟随晶体管MF2的驱动以在源跟随晶体管MF2的源极输出SFO2产生第二感测电压。开关MT2耦接于源跟随晶体管MF2的栅极和光电二极管PD之间。第二电荷输出电路2042另包括重置晶体管MR2和选择晶体管MS2，重置晶体管MR2的源极耦接至源跟随晶体管MF2的栅极，重置晶体管MR2依据重置信号R2来选择性地重置第二电荷输出电路2042的浮置扩散区FDN2和源极输出SFO2，以重置所述第二感测电压，重置晶体管MR2和源跟随晶体管MF2的漏极均耦接至第二电压V2。选择晶体管MS2的漏极耦接至源跟随晶体管MF2的漏极，选择晶体管MS2的漏极则耦接至采样电路2043，选择晶体管MS2依据第二选择控制信号FD2来选择性地将源极输出SFO1，即所述第二感测电压，传送至采样电路2043。
其中第二电荷输出信号TX2和第一电荷输出信号TX1在不同时间导通，举例来说，第二电荷输出信号TX2和第一电荷输出信号TX1具有不同的相位，例如第二电荷输出信号TX2和第一电荷输出信号TX1的相位差为180度。
在本实施例中，像素204可另包括第一重置晶体管MP，但本申请不以此限，第一重置晶体管MP耦接于光电二极管PD和第二电压V2之间，第一重置晶体管MP用来依据重置信号TXB选择性地重置光电二极管PD，以降低累积到非反射信号RL所产生的电荷的机会。
像素204的采样电路2043包括偏置晶体管MV、第一电容C1、第二电容C2、采样开关MH、源跟随晶体管MF、行选择晶体管MS。采样电路2043用来在采样操作时，储存所述第一感测电压和所述第二感测电压于第二电容C2和第一电容C1。偏置晶体管MV的漏极耦接至选择晶体管MS1的源极和选择晶体管MS2的源极以及第一电容C1的第一端。偏置晶体管MV的源极耦接至第一电压V1，偏置晶体管MV并依据偏置信号VB来选择性地导通以提供电流给采样电路2043。第一电容C1的第二端耦接至第一电压和采样开关MH的源极，采样开关MH的漏极耦接至第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端耦接至第一电压V1。采样开关MH依据采样控制信号SH来选择性地导通，使第二电容C2的第一端选择性地耦接至选择晶体管MS1或选择晶体管MS2的漏极的其中之一。
采样电路2043另包括源跟随晶体管MF和行选择晶体管MS，源跟随晶体管MF的栅极耦接至第二电容C2的所述第一端，源跟随晶体管MF的漏极耦接至第二电压V2，源跟随晶体管MF的漏极耦接至行选择晶体管MS的漏极，行选择晶体管MS依据行选择信号S来选择性地导通。
在本实施例中，晶体管皆为N型晶体管，且第二电压V2大于第一电压V1，也就是说，图2的实施例中，像素204中的所有晶体管的极性均相同。但本申请不以此限，在某些实施例中，像素204中的晶体管亦可以均为P型晶体管，且第一电压V1和第二电压V2的大小关系可作对应的调整。在某些实施例中，像素204中的晶体管可以同时具有N型晶体管和P型晶体管。
图3为本申请的光传感器103的像素204的操作实施例的流程图。如图3所示，在所述曝光操作一开始时，重置信号R1和重置信号R2会使第一电荷输出电路2041的源极输出SFO1(即所述第一感测电压)和第二电荷输出电路2042的源极输出SFO2(即所述第二感测电压)被重置，接著，在此次剩余的所述曝光操作中，光脉冲产生单元110的光脉冲信号EL会包括N个光脉冲，且第一电荷输出信号TX1和第二电荷输出信号TX2分别对应所述N个光脉冲中的每个光脉冲来导通开关MT1和开关MT2，以将反射信号RL对光电二极管PD造成的电荷导入第一电荷输出电路2041和第二电荷输出电路2042，并累积成所述第一感测电压和所述第二感测电压，也就是说，N个光脉冲会对应N个第一电荷输出信号TX1和N个第二电荷输出信号TX1。在本实施例中，对应所述N个光脉冲中的每个光脉冲，开关MT2接续开关MT1导通，且开关MT1和开关MT2不会同时导通，或者说开关MT1和开关MT2的导通时间是错开的。
重置信号TXB则会在第一电荷输出信号TX1和第二电荷输出信号TX2使开关MT1和开关MT2导通以外的时间，对光电二极管PD进行重置，以降低累积到非反射信号RL所产生的电荷的机会。在曝光操作期间，采样电路2043中偏置信号VB使得偏置晶体管MV截止，采样电路2043不进行采样。接著，在所述采样操作中，偏置信号VB会导通偏置晶体管MV，且第一选择控制信号FD1会导通选择晶体管MS1，采样控制信号SH_i(SH_i表示第i行的采样控制信号SH)会导通采样开关MH，这样一来，所述第一感测电压便可输出至第一电容C1和第二电容C2，使第一电容C1和第二电容C2均具有所述第一感测电压。接著，第二选择控制信号FD2会导通选择晶体管MS2，采样控制信号SH_i不导通采样开关MH，这样一来，所述第二感测电压便可输出至第一电容C1而不输出至第二电容C2，而仅使第一电容C1具有所述第二感测电压，第二电容C2则保持所述第一感测电压。
接著在所述读出操作时，偏置信号VB会先使偏置晶体管MV不导通，接著，行选择信号S会使行选择晶体管MS导通，并从第二电容C2读出所述第一感测电压至读取电路105。接著采样控制信号SH_i会导通，由于第一选择控制信号FD1和第二选择控制信号FD2并没有使选择晶体管MS1和选择晶体管MS2导通，因此第一电容C1和第二电容C2的电压会彼此达到平衡至所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值，并且被读出至读取电路105。
在此实施例中，在所述读出操作的过程会一行一行的把像素阵列104的每一行像素的感测结果都读出，因此，图3中绘示了第i+1行的采样控制信号SH_i+1和第i+2行的采样控制信号SH_i+2，在此仅为示例性表示，故其馀行的采样控制信号并没有一一绘示于图3。由于每一列像素共用一个读取电路105，故每一行的采样控制信号控制第一电容C1和第二电容C2的输出的操作不可同时进行，也就是说，第i行的采样控制信号SH_i、第i+1行的采样控制信号SH_i+1、第i+2行的采样控制信号SH_i+2和其他行的采样控制信号要错开，且每一行的采样控制信号使采样开关MH结束导通的时间点和下一行采样控制信号使采样开关MH开始导通的时间点至少要间隔足够长的时间让所述第一感测电压输出。
由第3图可知，由于有采样电路2043暂存所述第一感测电压和所述第二感测电压，所述读出操作不会受到下一个曝光操作的影响，因此所述读出操作可以和所述下一个曝光操作同时进行，换句话说，所述曝光操作亦可和上一读出操作同时进行。和习知的光传感器的的操作相比，可节省额外的读出操作的时间。
读取电路105从第二电容C2先后读出所述第一感测电压以及所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值后，会产生读取结果以响应所述第一感测电压以及所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值之间的差值，即所述第一感测电压-(所述第一感测电压+所述第二感测电压)/2，即(所述第一感测电压-所述第二感测电压)/2。关于读取电路105的实施方式请参考图1，读取电路105包括放大器106、模数转换器108和运算单元110。在此实施例中，放大器106可用来增强先后读出所述第一感测电压以及所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值，模数转换器108用来对放大器106增强后的所述第一感测电压以及所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值进行模数转换，运算单元110则用来对经过模数转换后的增强后的所述第一感测电压以及所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值进行模数转换进行差值运算。
图4为本申请电子装置的实施例的示意图。电子装置400用以进行测距，电子装置400包括基于飞行时间的测距系统100，在某些实施例中。其中，电子装置400可为例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统或平板计算机等任何电子装置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种光传感器，用以感测光脉冲产生单元所发送的光脉冲信号被目标物反射所产生的反射信号，其特征在于，所述光传感器包括：
像素阵列，包括多个像素，所述多个像素中的每一像素包括：
光电二极管，用于在曝光操作时，传感所述反射信号以产生电荷；
第一电荷输出电路，用以根据第一电荷输出信号选择性地耦接于所述光电二极管，以产生第一感测电压；
第二电荷输出电路，用以根据第二电荷输出信号选择性地耦接于所述光电二极管，以产生第二感测电压，其中所述第二电荷输出信号和所述第一电荷输出信号具有不同的相位；以及
采样电路，包括：
第一电容，所述第一电容的第一端耦接于所述第一电荷输出电路和所述第二电荷输出电路，所述第一电容的第二端耦接于第一电压；
采样开关，依据采样控制信号选择性地导通；以及
第二电容，所述第二电容的第一端通过所述采样开关选择性地耦接于所述第一电荷输出电路、所述第二电荷输出电路和所述第一电容的所述第一端，所述第二电容的第二端耦接于所述第一电压。
2.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，在采样操作时，所述第二电容的电压为所述第一感测电压，所述第一电容的电压为所述第二感测电压。
3.如权利要求2所述的光传感器，其特征在于，所述第一电荷输出电路和所述第二电荷输出电路各包括选择晶体管，所述第一电荷输出电路的所述选择晶体管依据第一选择控制信号来选择性地将所述第一感测电压耦接至所述采样电路；所述第二电荷输出电路的所述选择晶体管依据第二选择控制信号来选择性地将所述第二感测电压耦接至所述采样电路。
4.如权利要求3所述的光传感器，其特征在于，在所述采样操作时，所述第一电荷输出电路的所述选择晶体管导通，所述第二电荷输出电路的所述选择晶体管不导通，且所述采样开关导通，使所述第一电容和所述第二电容均具有所述第一感测电压。
5.如权利要求4所述的光传感器，其特征在于，在所述采样操作时，
当所述第一电容和所述第二电容均具有所述第一感测电压时，所述第一电荷输出电路的所述选择晶体管不导通，所述第二电荷输出电路的所述选择晶体管导通，且所述采样开关不导通，使所述第一电容具有所述第二感测电压。
6.如权利要求5所述的光传感器，其特征在于，所述采样电路另包括行选择晶体管，用于在读出操作时输出所述第一感测电压。
7.如权利要求6所述的光传感器，其特征在于，在所述读出操作时，当所述第一电容和所述第二电容分别具有所述第二感测电压和所述第一感测电压时，所述采样开关导通，使所述第一电容和所述第二电容均具有所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值。
8.如权利要求7所述的光传感器，其特征在于，所述采样电路的所述行选择晶体管另用于在所述读出操作时输出所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值。
9.如权利要求8所述的光传感器，其特征在于，其中所述第一电荷输出电路和所述第二电荷输出电路分别另包括：
开关，用于依据所述第一电荷输出信号选择性地导通；以及
源跟随晶体管，其栅极通过所述开关选择性地耦接至所述光电二极管，所述源跟随晶体管的源/漏极通过所述选择晶体管选择性地耦接至所述采样电路。
10.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，所述多个像素中的每一像素另包括第一重置晶体管，耦接于所述光电二极管和第二电压之间，用于选择性地重置所述光电二极管。
11.如权利要求9所述的光传感器，其特征在于，所述采样电路另包括：
源跟随晶体管，其栅极耦接至所述第二电容的所述第一端。
12.如权利要求2所述的光传感器，其特征在于，所述光传感器另包括：
读取电路，耦接至所述像素阵列，用于在读出操作时产生读取结果以响应所述第一感测电压以及所述第一感测电压和所述第二感测电压的平均值之间的差值。
13.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于，所述第一电荷输出信号和所述第二电荷输出信号的相位差是180度。
14.一种基于飞行时间的测距系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-13中任一项所述的光传感器；以及
所述光脉冲产生单元。
15.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：
如权利要求1-13中任一项所述的光传感器。
16.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：
如权利要求14所述的基于飞行时间的测距系统。
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