专利名称：图像传感器和操作该图像传感器的方法
技术领域：
示例性实施例涉及图像传感器和操作该图像传感器的方法。
背景技术：
图像传感器是一种光电检测器件，这种光电检测器件将包括物体的图像和/或距离(即，深度)信息的光信号转换为电信号。已经开发了各种类型的图像传感器(诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器、COMS图像传感器(CIQ等)，以提供物体的高质量图像信息。 近来，已经研究和开发了三维(3D)图像传感器，这种三维图像传感器提供深度信息以及二维图像信息。三维图像传感器可使用红外光或近红外光作为光源来获得深度信息。在传统的三维图像传感器中，由于即使在不存在感兴趣的物体的区域也投射光，所以会浪费光能。
发明内容
根据示例性实施例，一种操作三维图像传感器的方法包括使用由光源模块发射的光测量物体与三维图像传感器的距离；基于测量的距离来调整由所述光源模块发射的光的发射角。所述三维图像传感器包括所述光源模块。根据示例性实施例，测量步骤包括在所述光源模块以期望的发射角发射光；通过检测发射的光的飞行时间来测量物体与三维图像传感器的距离。根据示例性实施例，当物体与三维图像传感器的距离增大时，所述调整步骤减小光的发射角。根据示例性实施例，所述光源模块包括光源和透镜，所述调整步骤基于测量的距离调整光源和透镜之间的间隔。根据示例性实施例，所述调整步骤移动光源或透镜，使得当物体与三维图像传感器的距离增大时，光源和透镜之间的间隔增大。根据示例性实施例，所述光源模块包括光源和透镜，所述调整步骤基于测量的距离调整透镜的折射率。根据示例性实施例，当物体与三维图像传感器的距离增大时，所述调整步骤增大透镜的折射率。根据示例性实施例，所述光源模块包括光源和透镜，所述调整步骤基于测量的距离调整透镜的曲率。根据示例性实施例，当物体与三维图像传感器的距离增大时，所述调整步骤增大透镜的曲率。根据示例性实施例，所述方法还包括根据光的发射角的增大或减小，调整由所述光源模块发射的光的幅度。根据示例性实施例，当光的发射角减小时，所述调整步骤减小光的幅度。根据示例性实施例，一种操作三维图像传感器的方法包括使用由光源模块发射的光获得物体的位置信息；基于获得的物体的位置信息来调整光源与透镜的相对位置。所述三维图像传感器包括所述光源模块，所述光源模块具有所述光源和透镜。根据示例性实施例，物体的位置信息包括下列中的至少一个物体与三维图像传感器的距离、物体的水平位置、物体的竖直位置以及物体的尺寸。根据示例性实施例，光源与透镜的相对位置包括下列中的至少一个光源和透镜之间的间隔、光源的水平位置以及光源的竖直位置。根据示例性实施例，物体的位置信息包括物体的水平位置和竖直位置，所述调整步骤移动光源或透镜，使得物体、光源和透镜位于一条直线上。根据示例性实施例，一种操作图像传感器的方法包括使用由光源模块发射的光获得物体的位置信息；基于获得的位置信息来调整由所述光源模块发射的光的发射角。所述图像传感器包括所述光源模块。根据示例性实施例，获得物体的位置信息的步骤包括从所述光源模块以期望的发射角发射光；通过检测发射的光的飞行时间来测量物体与图像传感器的距离。根据示例性实施例，所述调整步骤基于物体与图像传感器的距离来调整光的发射角。根据示例性实施例，所述调整步骤通过基于测量的距离调整光源和透镜之间的间距，来调整光的发射角。所述光源模块包括所述光源和透镜。根据示例性实施例，所述调整步骤通过基于测量的距离调整包括在所述光源模块中的透镜的折射率，来调整光的发射角。根据示例性实施例，所述调整步骤通过基于测量的距离调整包括在所述光源模块中的透镜的曲率，来调整光的发射角。根据示例性实施例，所述方法还包括根据光的发射角的增大或减小，调整由所述光源模块发射的光的幅度。根据示例性实施例，获得物体的位置信息的步骤包括从所述光源模块以期望的发射角发射光；通过对从物体反射的光进行至少两次采样，并且基于所述至少两次采样计算发射的光和反射的光之间的相位差，来获得物体与图像传感器的距离。根据示例性实施例，一种图像传感器包括光源模块，被配置为向物体发射光；像素阵列，被配置为接收从物体反射的光；控制器，被配置为基于接收的光获得物体的位置信息，并且基于获得的位置信息调整由所述光源模块发射的光的发射角。根据示例性实施例，控制器被配置为获得物体与图像传感器的距离作为位置信息，并且基于所述距离调整发射的光的发射角。根据示例性实施例，控制器还被配置为通过对从物体反射的光进行至少两次采样，并且基于所述至少两次采样计算发射的光和反射的光之间的相位差，来获得物体与图像传感器的距离，或者通过检测发射的光的飞行时间来获得物体与图像传感器的距离。根据示例性实施例，所述光源模块包括光源和透镜，控制器还被配置为通过基于获得的距离调整所述光源和透镜之间的间距，来调整发射的光的发射角。
根据示例性实施例，所述光源模块包括光源和透镜，控制器还被配置为通过基于获得的距离调整所述透镜的折射率，来调整发射的光的发射角。根据示例性实施例，所述光源模块包括光源和透镜，控制器还被配置为通过基于获得的距离调整所述透镜的曲率，来调整发射的光的发射角。根据示例性实施例，控制器还被配置为根据发射的光的发射角的调整来调整由所述光源模块发射的光的幅度。
通过参照附图详细描述示例性实施例，上述和其它特点及优点会变得更加清楚。 附图意图在于描述示例性实施例，而不应被解释为限制权利要求所要求保护的范围。附图不应被认为是按比例绘制，除非有明确标注。图1是示出根据示例性实施例的三维图像传感器的框图。图2是用于描述由图1的三维图像传感器计算物体的距离的示例的示图。图3是示出根据示例性实施例的操作三维图像传感器的方法的流程图。图4是用于描述根据图3的方法测量物体的距离的示例的示图。图5A和图5B是用于描述根据图3的方法调整光的发射角的示例的示图。图6是示出根据示例性实施例的操作三维图像传感器的方法的流程图。图7是用于描述根据图6的方法测量物体的水平位置和竖直位置的示例的示图。图8是用于描述根据图6的方法调整光源与透镜的相对位置的示例的示图。图9是示出根据示例性实施例的操作三维图像传感器的方法的流程图。图10是用于描述根据图9的方法测量物体的尺寸的示例的示图。图11是示出根据示例性实施例的操作三维图像传感器的方法的流程图。图12是示出包括根据示例性实施例的三维图像传感器的相机的框图。图13是示出包括根据示例性实施例的三维图像传感器的计算系统的框图。图14是示出在图13的计算系统中使用的接口的示例的框图。
具体实施例方式在下文中将参照附图更全面地描述各种示例性实施例，在附图中示出了一些示例性实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来实施，不应该被解释为限于在此阐述的示例性实施例。在附图中，为了清晰起见，可能会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应该理解，当元件或层被称为“在”另一元件或层“上”、“连接到”或“结合到”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上，直接连接或结合到另一元件或层，或者也可以存在中间元件或中间层。相反，当元件被称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件或层时，不存在中间元件或中间层。相同的标号始终表示相同的元件。如在这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项的任意组合和所有组合。应该理解，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述不同的元件、 组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分并不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分进行区分。因此，在不脱离本发明构思的教导的情况下，下面讨论的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分可被命名为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。为了描述方便，在这里可使用空间相对术语，如“在…之下”、“在…下方”、“下部的”、“在…上方”、“上部的”等，以描述如附图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应该理解，除了在附图中描述的装置的方位之外，空间相对术语还意在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为“在”其它元件或特征“下方”或“之下”的元件随后将被定位为“在”其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在…下方”可包括“在…上方”和“在…下方”两种方位。所述装置可被另外定位(旋转90度或者在其它方位)，并且相应地解释这里使用的空间相对描述符。这里使用的术语仅为了描述特定示例性实施例的目的，并非意图限制本发明构思。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式也意图包括复数形式。还应理解，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，说明存在所描述的特征、整体、 步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、 元件、组件和/或其组合。在此参照作为理想化的示例性实施例(和中间结构)的示意性图的剖视图来描述本发明的示例性实施例。这样，预计会出现例如由制造技术和/或公差引起的这些图的形状变化。因此，示例性实施例不应被理解为限于在此示出的区域的具体形状，而应该包括例如由制造导致的形状偏差。例如，示出为矩形的注入区域通常在其边缘具有倒圆或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而不是从注入区域到非注入区域的二元变化。同样地，通过注入形成的掩埋区域可导致在掩埋区域和通过其发生注入的表面之间的区域中出现一定程度的注入。因此，在附图中示出的区域实际上是示意性的，它们的形状并不意图示出装置的区域的实际形状，也不意图限制本发明构思的范围。除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科技术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。还应理解，除非这里明确定义，否则术语(例如在通用字典中定义的术语)应该被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义相同的含义，而不是以理想化的或者过于正式的意义来解释它们的含义。图1是示出根据示例性实施例的三维图像传感器的框图。参照图1，三维图像传感器100包括像素阵列110、模数转换(ADC)单元120、行扫描电路130、列扫描电路140、控制单元150和光源模块200。像素阵列110可包括深度像素，深度像素接收被光源模块200发射到物体160之后从物体160反射的光RX。深度像素可将接收的光RX转换为电信号。深度像素可提供关于物体160与三维图像传感器100的距离的信息和/或黑白图像信息。像素阵列110还可包括用于提供颜色图像信息的颜色像素。在这种情况下，三维图像传感器100可以是提供颜色图像信息和深度信息的三维图像传感器。根据示例性实施例，可在深度像素上形成红外滤光器和/或近红外滤光器，可在颜色像素上形成颜色滤光器(例如，红色滤光器、绿色滤光器和蓝色滤光器)。根据示例性实施例，可根据需要改变深度像素的数量与颜色像素的数量的比率。ADC单元120可将从像素阵列110输出的模拟信号转换为数字信号。根据示例性实施例，ADC单元120可执行列模数转换，列模数转换使用分别结合到多个列线的多个模数转换器并行转换模拟信号。根据示例性实施例，ADC单元120可执行单一模数转换，单一模数转换使用单一模数转换器顺序地转换模拟信号。根据示例性实施例，ADC单元120还可包括用于提取有效信号分量的相关双采样 (⑶S)单元。根据示例性实施例，⑶S单元可执行模拟双采样，模拟双采样基于包括重置分量的模拟重置信号与包括信号分量的模拟数据信号质之间的差来提取有效信号分量。根据示例性实施例，CDS单元可执行数字双采样，数字双采样将模拟重置信号和模拟数据信号转换为两个数字信号并基于所述两个数字信号之间的差来提取有效信号分量。根据示例性实施例，CDS单元可执行双重相关双采样，双重相关双采样执行模拟双采样和数字双采样两者ο行扫描电路130可从控制单元150接收控制信号，并且可控制像素阵列110的行地址和行扫描。为了在多个行线中选择行线，行扫描电路130可将用于激活选择的行线的信号施加到像素阵列110。根据示例性实施例，行扫描电路130可包括行解码器，选择像素阵列110的行线行驱动器，施加用于激活选择的行线的信号。列扫描电路140可从控制单元150接收控制信号，并且可控制像素阵列110的列地址和列扫描。列扫描电路140可将来自ADC单元120的数字输出信号输出到数字信号处理单元(未示出)和/或外部主机(未示出)。例如，列扫描电路140可向ADC单元120提供水平扫描控制信号，以顺序地选择包括在ADC单元120中的多个模数转换器。根据示例性实施例，列扫描电路140可包括列解码器，选择多个模数转换器中的一个；列驱动器，将选择的模数转换器的输出施加到水平传输线。水平传输线可具有与数字输出信号的位宽度对应的位宽度。控制单元150可控制ADC单元120、行扫描电路130、列扫描电路140和光源模块 200。控制单元150可向ADC单元120、行扫描电路130、列扫描电路140和光源模块200提供控制信号(诸如时钟信号、时序控制信号等)。根据示例性实施例，控制单元150可包括控制逻辑电路、锁相环电路、时序控制电路、通信接口电路等。光源模块200可发射期望(或预定)波长的光。例如，光源模块200可发射红外光和/或近红外光。光源模块200可包括光源210和透镜220。光源210可由控制单元150控制，以发射期望强度和/或特性(例如周期性)的光TX。例如，光TX的强度和/或特性可被控制，使得光TX具有脉冲波、正弦波、余弦波等的波形。光源210可由发光二极管(LED)、 激光二极管等实现。透镜220可被配置为调整从光源210输出的光TX的发射角(或传播角)。例如，光源210和透镜220之间的间隔可被控制单元150控制，以调整光TX的发射角。在下文中，下面将描述根据示例性实施例的三维图像传感器100的操作。控制单元150可控制光源模块200以发射具有周期性强度的光TX。光源模块200 发射的光TX可被物体160反射回三维图像传感器100，作为接收的光RX。接收的光RX可入射在深度像素上，深度像素可被行扫描电路130激活，以输出与接收的光RX对应的模拟信号。ADC单元120可将从深度像素输出的模拟信号转换为数字数据DATA。数字数据DATA 可通过列扫描电路140和/或ADC单元120被提供给控制单元150。包括在控制单元150中的计算单元155可基于数字数据DATA计算物体160与三维图像传感器100的距离、物体160的水平位置、物体160的竖直位置和/或物体160的尺寸。控制单元150可基于物体160的所述距离、水平位置、竖直位置和/或尺寸，来控制光TX 的发射角或投射(或入射)区域。例如，控制单元150可控制光源210和透镜220之间的间隔、光源210和透镜220相对于彼此的相对位置(或布置)、透镜220的折射率、透镜220 的曲率等。因此，由光源模块200发射的光TX可聚焦在感兴趣的物体160所在的区域，由此提高从深度像素提供的深度信息的准确度。此外，控制单元150可根据光TX的发射角的减小或增大或者根据光TX投射(或入射)的区域的尺寸来调整光TX的幅度(amplitude) (或每个周期期间光TX的最大强度)。例如，控制单元150可随着光TX的发射角的减小而减小TX的幅度。其结果是，在根据示例性实施例的三维图像传感器100中，可降低功耗。数字数据DATA和/或深度信息可被提供给数字信号处理电路和/或外部主机。根据示例性实施例，像素阵列110可包括颜色像素，并且颜色图像信息以及深度信息可被提供给数字信号处理电路和/或外部主机。如上所述，在根据示例性实施例的三维图像传感器100中，由于由光源模块200发射的光TX聚焦在感兴趣的物体160上，所以可提高深度信息的准确度，并且可降低功耗。图2是用于描述由图1的三维图像传感器计算物体的距离的示例的示图。参照图1和图2，由光源模块200发射的光TX具有周期性强度和/或特性。例如， 光TX的强度(例如，每单位面积光子的数量)可具有正弦波的波形。由光源模块200发射的光TX可从物体160被反射，然后可入射在像素阵列110上， 作为接收的光RX。像素阵列110可对接收的光RX周期性地采样。根据示例性实施例，在接收的光RX的每个周期(例如，对应于发射的光TX的周期)期间，像素阵列110可通过例如在具有大约180度相位差的两个采样点、在具有大约90度相位差的四个采样点或者在多于四个采样点进行采样，来对接收的光RX执行采样。例如，像素阵列110可每周期分别在大约90度相位、大约180度相位、大约270度相位和大约360度相位分别提取接收的光RX的四个样本A0、A1、A2和A3。接收的光RX可具有偏移B，偏移B与由于背景光、噪声等导致的光源模块200所发射的光TX的偏移不同。可通过等式1计算接收的光RX的偏移B。[等式1]
Γ π ,) AO+ A] + A2 + A3B 二 -
4这里，AO表示在发射的光TX的大约90度相位采样的接收的光RX的强度，Al表示在发射的光TX的大约180度相位采样的接收的光RX的强度，A2表示在发射的光TX的大约270度相位采样的接收的光RX的强度，A3表示在发射的光TX的大约360度相位采样的接收的光RX的强度，由于损失(例如，光损失)，接收的光RX的幅度A可低于由光源模块2200发射的光TX的幅度。可通过等式2计算接收的光RX的幅度A。[等式2], , 一
2 可基于接收的光RX的幅度A，由包括在像素阵列110中的各个深度像素提供关于
9物体160的黑白图像信息。接收的光RX相对于发射的光TX可被延迟相位差Φ，相位差Φ可与例如物体160 和三维图像传感器100的距离的两倍对应。可通过等式3计算发射的光TX和接收的光RX 之间的相位差Φ。[等式3]
权利要求
1.一种操作三维图像传感器的方法，所述方法包括使用由光源模块发射的光测量物体与三维图像传感器的距离，所述三维图像传感器包括所述光源模块；基于测量的距离来调整由所述光源模块发射的光的发射角。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量步骤包括 在所述光源模块以期望的发射角发射光；通过检测发射的光的飞行时间来测量物体与三维图像传感器的距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，当物体与三维图像传感器的距离增大时，所述调整步骤减小光的发射角。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源模块包括光源和透镜， 其中，所述调整步骤基于测量的距离调整光源和透镜之间的间隔。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述调整步骤移动光源或透镜，使得当物体与三维图像传感器的距离增大时，光源和透镜之间的间隔增大。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源模块包括光源和透镜， 其中，所述调整步骤基于测量的距离调整透镜的折射率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，当物体与三维图像传感器的距离增大时，所述调整步骤增大透镜的折射率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源模块包括光源和透镜， 其中，所述调整步骤基于测量的距离调整透镜的曲率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，当物体与三维图像传感器的距离增大时，所述调整步骤增大透镜的曲率。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括根据光的发射角的增大或减小，调整由所述光源模块发射的光的幅度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，当光的发射角减小时，所述调整步骤减小光的幅度。
12.—种操作三维图像传感器的方法，所述方法包括使用由光源模块发射的光获得物体的位置信息，所述三维图像传感器包括所述光源模块，所述光源模块具有光源和透镜；基于获得的物体的位置信息来调整光源与透镜的相对位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，物体的位置信息包括下列中的至少一个物体与三维图像传感器的距离、物体的水平位置、物体的竖直位置以及物体的尺寸。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，光源与透镜的相对位置包括下列中的至少一个光源和透镜之间的间隔、光源的水平位置以及光源的竖直位置。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，物体的位置信息包括物体的水平位置和竖直位置，其中，所述调整步骤移动光源或透镜，使得物体、光源和透镜位于一条直线上。
16.一种操作图像传感器的方法，所述方法包括使用由光源模块发射的光获得物体的位置信息，所述图像传感器包括所述光源模块； 基于获得的位置信息来调整由所述光源模块发射的光的发射角。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，获得物体的位置信息的步骤包括从所述光源模块以期望的发射角发射光；通过检测发射的光的飞行时间来测量物体与图像传感器的距离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述调整步骤基于物体与图像传感器的距离来调整光的发射角。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光源模块包括光源和透镜，所述调整步骤通过基于测量的距离调整所述光源和透镜之间的间距，来调整光的发射 角。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述调整步骤通过基于测量的距离调整包括在所述光源模块中的透镜的折射率，来调整光的发射角。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述调整步骤通过基于测量的距离调整包括在所述光源模块中的透镜的曲率，来调整光的发射角。
22.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括根据光的发射角的增大或减小，调整由所述光源模块发射的光的幅度。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，获得物体的位置信息的步骤包括从所述光源模块以期望的发射角发射光；通过对从物体反射的光进行至少两次采样，并且基于所述至少两次采样计算发射的光和反射的光之间的相位差，来获得物体与图像传感器的距离。
24.—种图像传感器，包括光源模块，被配置为向物体发射光；像素阵列，被配置为接收从物体反射的光；控制器，被配置为基于接收的光获得物体的位置信息，并且基于获得的位置信息调整由所述光源模块发射的光的发射角。
25.根据权利要求M所述的图像传感器，其中，控制器被配置为获得物体与图像传感器的距离作为位置信息，并且基于所述距离调整发射的光的发射角。
26.根据权利要求25所述的图像传感器，其中，控制器还被配置为通过对从物体反射的光进行至少两次采样，并且基于所述至少两次采样计算发射的光和反射的光之间的相位差，来获得物体与图像传感器的距离，或者通过检测发射的光的飞行时间来获得物体与图像传感器的距离。
27.根据权利要求25所述的图像传感器，其中，所述光源模块包括光源和透镜，控制器还被配置为通过基于获得的距离调整所述光源和透镜之间的间距，来调整发射的光的发射角。
28.根据权利要求25所述的图像传感器，其中，所述光源模块包括光源和透镜，控制器还被配置为通过基于获得的距离调整所述透镜的折射率，来调整发射的光的发射角。
29.根据权利要求25所述的图像传感器，其中，所述光源模块包括光源和透镜，控制器还被配置为通过基于获得的距离调整所述透镜的曲率，来调整发射的光的发射
30.根据权利要求M所述的图像传感器，其中，控制器还被配置为根据发射的光的发射角的调整来调整由所述光源模块发射的光的幅度。
全文摘要
提供一种图像传感器和操作该图像传感器的方法。根据示例性实施例，一种操作三维图像传感器的方法包括使用由光源模块发射的光测量物体与三维图像传感器的距离；基于测量的距离来调整由所述光源模块发射的光的发射角。所述三维图像传感器包括所述光源模块。
文档编号H04N13/02GK102547355SQ20111042118
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月13日 优先权日2010年12月21日
发明者张丞爀, 朴允童, 李容济 申请人:三星电子株式会社