专利名称：多阳极飞行时间传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及飞行时间传感器，尤其涉及多阳极飞行时间传感器。
背景技术：
飞行时间(TOF)相机收集距一场景的距离数据。然而，难以收集距运动物体的准确距离数据。
发明内容
光敏像素包括在绝缘衬底中形成的真空腔。光敏像素还包括用于响应于入射在该光敏像素上的光而生成电子的光电阴极。该光电阴极位于该真空腔内。光敏像素还包括用于收集在光电阴极处生成的电子的多个阳极。提供本发明内容以便以简化的形式介绍将在以下具体实施方式
中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本发明的任一部分中提及的任何或所有缺点的实现。
图I示意性地示出根据本发明的一实施例的示例操作环境中的示例飞行时间 (TOF)相机。图2示意性地示出根据本发明的一实施例的TOF相机中包括的示例光敏像素。图3示出根据本发明的一实施例的用于操作TOF相机的方法。图4示意性地示出根据本发明的一实施例的用于操作TOF相机的时序图。图5不出根据本发明的一实施例的用于为TOF相机生成归一化因子的方法。图6不意性地不出根据本发明的一实施例的用于操作TOF相机的另一时序图。
具体实施例方式飞行时间(TOF)相机捕捉距离数据。因此，可基于所收集的距离数据来生成TOF 相机所捕捉的物体的三维图像。在一典型的TOF相机中，任何合适波长(例如，红外、近红外、可见光、和/或紫外线区中的一个或多个波长)的光脉冲从TOF相机发射到物体。图像光脉冲照亮该物体并且被该物体反射。在TOF相机的光敏表面处接收所返回的图像光。通过测量在光敏表面处接收到所返回的图像光的时间，TOF相机可以估算该物体的各特征距该相机的距离。因为光通常从近特征返回得比远特征相对更快，所以所返回的图像光的时间相关测量和量可以提供与该物体的各特征有关的距离信息。生成照亮远距离物体的强光脉冲比生成相对较低强度的一系列光脉冲更难。因此，一些TOF相机通过“距离选通(range gating) ”技术来执行该时间相关测量。在典型的距离选通方法中，在光敏表面处收集的光被分成(即，“选通”)成已知持续时间的多个离散的选通事件。通过将在光敏表面处从多个脉冲接收到的光进行积分，TOF相机可以更好地区分返回图像光与环境光，从而潜在地改进距离数据的准确度。此外，一些TOF相机可以间歇地发射从物体反射并在TOF相机处收集的归一化光脉冲。所收集的返回的归一化光测量可被用于从在选通时间段期间收集的光来校准目标物体的反射光。然而，多个因素可不利地影响上述距离测量的准确度。例如，图像光和归一化光通常是在不同的帧中成像的并且是在不同的时间获得的。这两个事件的获得时间可以由至少等于用于读取和重置每一个帧的时间的延迟时间分开。对于运动物体，在同一像素接收来自物体或场景的不同特征而非相同特征的返回的图像光和返回的归一化光的情况下，该延迟时间可以造成失配。在同一像素记录来自距相机不同距离处的相同特征的返回的图像光和返回的归一化光的情况下，也可造成失配。因此，从失配导出的距离估算可能是有错误的。此外，对于一些TOF相机系统，选通时间段可能具有非常短的持续时间，这可造成不准确的距离估算。光脉冲宽度、曝光时间段的短持续时间、以及表征用于获取选通光的测量结果的常规光敏表面的数量级大约为 10%的典型量子效率，可由于短噪声而造成测量结果中的相对大的误差。光敏表面的开和关状态之间的调制比率的降低可造成其他距离估算误差。因此，在本文中提供了 TOF相机的光敏像素和用于操作这些像素的方法的各实施例，这些实施例减少或基本上消除了各连续的选通时间段和/或各归一化时间段之间的延迟时间，使得可相对提高距离估算的准确度。图I示意性地示出用于TOF相机104的实施例的示例操作环境100。在图I所示的示例中，TOF相机104被配置成提供预定距离范围134内的物体102的图像和距离信息。 距离范围134包括其中可由TOF相机104准确地生成距离信息的空间区域。距离范围134 的边界被示为近端点136和远端点138。边界由脉冲和选通宽度及发射脉冲的时间与相机在选通时间段期间被选通打开的后续时间之间的延迟来定义。如图I所示，TOF相机104包括用于发射照亮物体102的光脉冲130的发光器106。 在一些实施例中，发光器106可由光发射模块116来控制。例如，光发射模块116可控制光 130的脉冲定时、脉冲宽度、以及波长中的一个或多个。返回的图像光132是从物体102反射的，并且在光收集器108的光敏表面120处被收集。光敏表面120包括用于收集返回的图像光132的一个或多个光敏像素(未示出)。 在一些实施例中，光收集器108可由光收集模块118来控制。在这样的实施例中，光收集模块118可以控制光敏表面120中包括的光敏像素的光选通事件和光归一化事件中的一个或多个。在图I所示的示例中，距离估算模块124接收来自光收集器108的返回的图像光和/或归一化光信息。距离估算模块124基于由光发射模块116和光收集模块118提供的光发射信息和光收集信息来生成关于物体12的距离信息。如上所述，光敏表面120包括用于收集返回的图像光和返回的归一化光的一个或多个光敏像素。图2示意性地示出单个光敏像素200。如在图2中描绘的示例所示，光敏像素200包括其中形成有腔206的衬底202。在一个非限制性示例中，腔206可以是大约4 微米宽和大约2微米深。
在一些实施例中，衬底202可由绝缘材料制成。衬底202的示例材料包括但不限于无掺杂硅酸盐玻璃(USG)和掺杂硅或无掺杂硅，但将明白，在不背离本发明范围的情况下可以使用任何合适的衬底材料。图2中所示的示例还描绘部署在腔206之上的光学组件204。结合密封件208，光学组件204将腔206密封。密封件208可由任何合适的材料形成；例如，在一些实施例中， 密封件208可包括软金属。密封件208的一种示例材料可包括铟，但将明白，在一些实施例中，密封件208可包括各种合适的低挥发性聚合材料。尽管图2中示出的示例将光学组件 204描绘成对单个光敏像素200的腔206进行密封，但将明白，在一些实施例中，两个或更多个光敏像素200可由光学组件204和密封件208密封成一个单元。光学组件204包括用于响应于入射在光敏像素200上的光来生成光电子216的光电阴极210。在一些实施例中，光学组件204在光学上可以是透明的，使得可见光波长范围中的光可通过光学组件204。作为补充或替换，在一些实施例中，光学组件204可被配置成允许红外和/或紫外波长范围中的光通过。在一些实施例中，光电阴极210可包括被配置成响应于入射的返回的图像光132 来生成光电子216的一层光电材料。不例光电材料包括但不限于GaAs、CsO、以及AlGaAs。 然而，将明白，在不背离本发明的范围的情况下，可以采用任何合适的光电材料。在这样的实施例中，腔206可以是真空的，使得光电子216具有充分长的平均自由程以到达腔206的在其中部署了多个阳极212的那一部分。在图2中所示的示例中，光电阴极210被包括在腔206中，并且包括沉积在光学组件204的真空一侧的一层光电材料。如上所述，腔206包括用于收集在光电阴极210处生成的光电子216的多个阳极 212。在图2所示的示例中，每一阳极212包括电连接到收集器电路218的电极214。响应于图I的光收集模块118选中特定阳极212，相应收集器电路218收集光电子216并经由输出节点226向光收集模块输出所得到的电荷。电极214根据光敏像素200的一个或多个预定设计参数来与光电阴极210隔开。 可以相信，增加电极214与光电阴极210之间的间隔可以减少电极214与光电阴极210之间的耦合的电容，从而潜在地增加光敏像素200可在每一阳极212之间切换的速度。此外， 如上所述，增加电极214与光电阴极210之间的间隔也可以减少光电子216可以到达电极 214的概率，从而潜在地降低在电极214处收获的电荷。然而，将明白，收获的电荷也随着电极214与光电阴极210之间的间隔减少而潜在地降低，因为从光电阴极210发射的光电子216的较少一部分可具有到达每一电极214的合适轨迹。因此，合适的间隔受收集期间的电极偏置电压、光电阴极横截面、以及腔206内的真空度水平的影响。在一个非限制性示例中，光电阴极210可以距电极2142微米。在图2所示的示例中，每一收集器电路218包括用于对相应电极214进行偏置的选通输入节点222。例如，图2描绘选通电容224，通过该电容可在电极214处相对于光电阴极210感生出正电荷。电极214生成吸引光电子216以进行收集的电场。从电源238向选择器节点228供电有选择地将电流接转到个别收集器电路218。因此，在图2所示的实施例中，特定收集器电路218可响应于从光收集模块(例如，图I的光收集模块118)接收到的电路选择信号和从电源238接收到的电力而被有选择地激活。如在图2中描绘的示例中所示，对选择器节点228供电会打开输出晶体管230，从而经由放大器232将输出节点226连接到电极214。因此，在电极214处收集的电荷可被放大并从收集器电路218输出。因为在光电阴极210处生成的光电子216的数量与在光电阴极210处接收到的返回的图像光132的量成比例，所以在电极214处收集并从收集器电路 218输出的电荷的量也与在光传感像素200处接收到的返回的图像光132的量成比例。在一些实施例中，收集器电路218还可包括用于将阳极212重置的重置节点234。 在图2所示的示例中，将重置信号应用于重置节点234会打开重置晶体管236，从而将阳极 212重置成电源238的供电电压。将明白，在不背离本发明的范围的情况下，光敏像素200可以用任何合适的方式来制造。例如，在一些实施例中，光敏像素200可以制造在硅衬底上。在这样的实施例中， 可以使用一个或多个消去工艺来在硅衬底的第一侧上图案化并蚀刻腔206。此外，可以蚀刻出贯穿硅的通孔来将硅衬底的第一侧连接到硅衬底的第二侧即相对侧，其中在该相对侧上可经由各种沉积和图案化技术来形成收集器电路218的一部分。在一些实施例中，可以使用合适的镀金属工艺来填充该贯穿硅的通孔并形成电极214。将明白，在一些实施例中，硅衬底的第一和第二侧可以指一开始分开并随后经由合适的衬底接合技术来接合的两个硅衬底。最后，如上所述，可以使用合适的沉积工艺来在光学组件204上形成光电阴极210，该光电阴极随后在腔206之上被接合到硅衬底。图3示出根据本发明的各实施例的用于操作飞行时间相机的方法300。尽管方法 300可被用于操作上述硬件实施例，但将明白，方法300可被用于操作任何兼容的飞行时间相机，包括任何兼容的多阳极光敏像素。如在图3中所示，方法300包括在302从相机的光源发射图像光脉冲，该光源被配置成照亮物体特征。例如，图4示出描绘从发光器发射的图像光脉冲402以及包括由单个光敏像素中包括的多个阳极执行的各返回的图像光收集阶段的选通事件的示例时序400。转回图3，在304，方法300包括在第一收集阶段期间在光敏像素的第一阳极处收集返回的图像光的第一部分，返回的图像光包括至少一部分被图像光脉冲照亮了的物体特征所反射的图像光。在图4中示出的示例中，通过在第一返回的图像光收集阶段405A期间打开第一阳极来在第一返回的图像光收集阶段405A期间收集返回的图像光的第一部分。在一些实施例中，第一返回的图像光收集阶段405A的开始时间可以基于TOF相机的距离范围的预定近端点。在图4中示出的示例中，开始时间406与TOF相机的距离范围的边界的近端点相对应。具体而言，开始时间406被设为在图像光脉冲402后的与所估计的图像光脉冲402从发光器到图I的近端点136处的物体并回到收集器的往返时间相对应的持续时间之后。返回图3，在306，方法300包括在第二收集阶段期间在光敏像素的第二阳极处收集返回的图像光的第二部分。在图4中示出的示例中，通过在第二返回的图像光收集阶段 405B期间打开第二阳极来在第二返回的图像光收集阶段405B期间收集返回的图像光的第二部分。在一些实施例中，第二返回的图像光收集阶段的结束时间可基于距离范围的预定远端点。在图4中示出的示例中，结束时间408与TOF相机的距离范围的远端点相对应。具体而言，结束时间408被设为在图像光脉冲402后的与所估计的图像光脉冲402从发光器到图I的远端点138处的物体并回到收集器的往返时间相对应的持续时间之后。
在一些实施例中，后一收集阶段可紧跟在第一收集阶段之后。在图4中示出的示例中，在阳极切换时间410，并发地将第一阳极关闭并且将第二阳极打开。通过阳极之间的紧接的过渡，返回的图像光可在开始时间406与结束时间408之间没有中断的情况下来收集。尽管图4中示出的示例中描绘了两个返回的图像光收集阶段，但将明白，在不背离本发明的范围的情况下可以使用任何合适数量的选通时间段。继续参考图3，在308，方法300包括使用归一化因子将返回的图像光的第一和第二部分归一化。归一化因子可以计入物体的反射率。归一化可以通过将收集阶段之一除以这两个收集阶段的总和来实现。在一些实施例中，归一化因子可在每一深度帧处由TOF相机动态地生成。图5示出用于在每一深度帧处动态地生成反射率归一化因子的方法500。方法500包括在502发射归一化光脉冲。在图4中示出的示例中，归一化光脉冲403由发光器在发射了图像光脉冲402之后发射。如图4所不，归一化光脉冲403和图像光脉冲402具有相同的脉冲宽度和强度。因此，这两个光脉冲的光的量在量上是相同的。这可以提供对在返回的图像光收集阶段期间收集的光的量进行缩放的方法。返回图5，在504，方法500包括在光敏像素的第三阳极(例如，图2的阳极212C) 处收集所有返回的归一化光。在图4中示出的示例中，在返回的归一化光收集阶段413期间打开第三阳极。出于说明的目的，图4示出相对于开始时间406和结束时间408的返回的归一化光收集阶段413，以便可以收集所有返回的归一化光412，即使被成像的物体的各部分在相机的范围的边界之外。继续参考图5，方法500包括在506基于所收集的返回的归一化光来定义反射率归一化因子。例如，在一些实施例中，反射率归一化因子可被定义成在返回的归一化光收集阶段413期间收集到的总的返回的归一化光412。这一过程可在每一深度帧处被动态地重复。作为补充或替换，方法300可包括对环境光进行补偿以相对地减少部分地因环境光的影响而造成的测量误差。在一些实施例中，可通过在未发射光脉冲的时间期间收集环境光来实现环境光补偿。以此方式，可以确定存在的环境光的相对量。不总是需要环境光补偿。例如，在积分时间足够短，环境光足够低，并且准确度要求足够宽松时，可能不需要补偿环境光。在执行环境光补偿时，在不操作照明的情况下收集信号。这可以使用任何合适的方法来完成，包括使用图2的阳极212C。图6示出描绘从发光器发射的光脉冲702和各返回的图像光收集阶段及环境光收集阶段的示例时序700，在这些收集阶段期间顺序地激活单个光敏像素中的三个阳极以收集返回的图像光的各部分和环境光的各部分。在图6所示的示例中，在环境光收集阶段715A期间激活阳极3 (例如，图2的阳极 212C)以收集环境光714A的第一部分。在阳极切换时间710A，与返回的图像光收集阶段 705A相一致，阳极3被关闭并且阳极I (例如，图2的阳极212A)被打开。在图6所示的示例中，阳极3和阳极I之间的过渡是紧接的，使得在像素处的光收集没有空隙。在一些实施例中，阳极切换时间710A可以基于飞行时间相机的距离范围的预定近端点。在图6中示出的示例中，阳极切换时间710A与TOF相机的距离范围的边界的近端点相对应。如图6所示，在阳极切换时间710B，阳极I被关闭并且阳极2 (例如，图2的阳极 212B)被打开。在图6所示的示例中，阳极I和阳极2之间的过渡是紧接的，使得在像素处的光收集没有空隙，从而潜在地避免失配。图6所示的示例还描绘了在阳极切换时间710C，阳极2被关闭且阳极3被打开。 同样，在图6所示的示例中，阳极2和阳极3之间的过渡是紧接的，使得在像素处的光收集没有空隙，从而潜在地避免失配。在一些实施例中，阳极切换时间710C可以基于飞行时间相机的距离范围的预定远端点。在图6中示出的示例中，阳极切换时间710C与TOF相机的距离范围的远端点相对应。在图6所示的示例中，第三阳极紧靠第一返回的图像光收集阶段705A之前收集环境光的第一部分，并在紧继最后的返回的图像光收集阶段(在图6中被示为返回的图像光收集阶段705B)之后收集环境光的第二部分。结果，返回的图像光收集阶段705A和705B的总和收集所有返回的图像光以及环境光的各部分714B和714C。因为环境光收集阶段715A 和715B在不收集任何返回的图像光的情况下收集了环境光的各部分714A和714D，所以从在返回的图像光收集阶段705A和705B中收集到的光中减去在环境光收集阶段715A和 715D中收集到的环境光会大约移除所有环境光。分开的归一化光脉冲和返回的归一化光收集阶段可能是不需要的。例如，反射率归一化因子可以通过将在图6的返回的图像光收集阶段705A和705B中收集到的光求和来生成。继续参考图3，方法300包括在314基于归一化的各部分中的一个或多个来估算到物体特征的距离。例如，在两个选通时间段期间收集返回的图像光(如图4中的返回的图像光收集阶段405A和405B以及图6中的返回的图像光收集阶段705B和705C)的各实施例中，这两个选通时间段的相对定量比较可以指示在相机的距离范围内的物体的位置。因此，在一个示例中，距离(D)可被估算成返回的图像光的第一部分(R1)、返回的图像光的第一部分( )、返回的光的总量(R1+ )、距离范围(U、以及取决于相机系统的电延迟的固定常数(c)的函数，如下式I所示。
权利要求
1.一种光敏像素(200),包括在绝缘衬底(202)中形成的真空腔(206)；用于响应于入射在所述光敏像素上的光(132)来生成电子的光电阴极(210)，所述光电阴极位于所述真空腔中；以及用于收集在所述光电阴极处生成的电子(216)的多个阳极(212)。
2.如权利要求I所述的光敏像素，其特征在于，所述多个阳极被配置成在第一收集阶段期间，在所述光敏像素的第一阳极处收集入射在所述光敏像素上的光的第一部分，以及在第二收集阶段期间，在所述光敏像素的第二阳极处收集入射在所述光敏像素上的光的第二部分，所述第二收集阶段紧继所述第一收集阶段之后。
3.如权利要求I所述的光敏像素，其特征在于，还包括部署在所述真空腔之上的在光学上透明的组件；以及用于将所述在光学上透明的组件密封到所述绝缘衬底的密封件。
4.如权利要求3所述的光敏像素，其特征在于，所述光电阴极包括沉积在所述在光学上透明的组件的真空侧的一层光电材料。
5.如权利要求I所述的光敏像素，其特征在于，每一阳极与相应收集器电路电连接。
6.如权利要求5所述的光敏像素，其特征在于，每一收集器电路电连接到特定阳极包括与所述特定阳极电连接来对该特定阳极进行偏置的选通输入节点；与所述选通输入节点电连接以放大在所述特定阳极处接收到的电流的放大器；电连接到所述放大器以将电流送到光收集模块的输出节点；电连接到所述放大器和所述输出节点以有选择地将电流接转到所述输出节点的选择器节点；以及用于有选择地重置所述特定阳极的重置节点。
7.如权利要求5所述的光敏像素，其特征在于，每一收集器电路电连接到电源，所述电源被配置成有选择地单独地激活所述多个阳极中的每一个。
8.如权利要求5所述的光敏像素，其特征在于，所述真空腔是在硅衬底的第一侧上形成的，并且其中所述收集器电路是在所述硅衬底的相对侧上形成的，每一收集器电路使用穿过通孔的互连来与特定阳极电连接。
9.一种用于操作飞行时间相机的方法(300)，所述方法包括从所述飞行时间相机的光源发射图像光脉冲(302)，所述光源被配置成用图像光来照売物体；在第一收集阶段期间，在光敏像素的第一阳极处收集返回的图像光的第一部分(304)， 所述返回的图像光包括由所述物体反射的图像光；以及在第二收集阶段期间，在所述光敏像素的第二阳极处收集所述返回的图像光的第二部分(306)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括使用归一化因子对所述返回的图像光的第一和第二部分进行归一化；以及基于所述返回的图像光的经归一化的第一和第二部分中的一个或多个来估算距所述物体的距离。
全文摘要
本发明涉及多阳极飞行时间传感器。飞行时间(TOF)相机包括用于使用光来照亮物体的光源和用于收集由该物体反射的返回的图像光的多个光敏像素。此外，TOF相机的每一光敏像素可包括用于响应于入射在该像素上的返回的图像光来生成电子的光电阴极和用于收集在该光电阴极处生成的电子的多个阳极。
文档编号G01S7/48GK102590821SQ20111043151
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月20日 优先权日2010年12月21日
发明者D·科恩 申请人:微软公司