本發(fā)明通常涉及攝像頭技術(shù)，且更具體地，涉及具有模擬距離能力的飛行時間影像傳感器和光源驅(qū)動器。

背景技術(shù)：

許多現(xiàn)有的計算系統(tǒng)包括一個或多個傳統(tǒng)的影像捕獲攝像頭，作為集成的外圍裝置。當(dāng)前的趨勢是通過將深度捕捉集成到其成像部件中而增強計算系統(tǒng)成像能力。深度捕捉例如可以用于執(zhí)行各種智能物體辨識功能，例如面部辨識(例如用于安全系統(tǒng)解鎖)或手勢辨識(例如用于無觸摸用戶界面功能)。

一種深度信息捕捉方法被稱為“飛行時間(time-of-flight)成像，其將來自系統(tǒng)的光發(fā)射到物體上，且針對影像傳感器的多個像素的每一個測量光發(fā)出和其在傳感器上反射的影像的接收之間的時間。通過飛行時間像素產(chǎn)生的影像對應(yīng)于物體的三維輪廓，特征在于不同(x，y)像素位置每一個處的獨一無二的深度測量(z)。

由于具有成像能力的許多計算系統(tǒng)是可動的(例如筆記本電腦、平板計算機(jī)、智能電話等)，光源(“照明器”)在系統(tǒng)中的集成以實現(xiàn)飛行時間操作提供了許多設(shè)計上的難題，例如成本難題，封裝難題和/或功率消耗難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

描述了一種設(shè)備，其包括集成在同一半導(dǎo)體芯片封裝中的影像傳感器和光源驅(qū)動電路，所述封裝具有配置寄存器空間以接收與命令有關(guān)的信息，所述命令模擬光源和物體之間的距離，其與光源和物體之間的實際距離不同。

描述一種設(shè)備，所述設(shè)備包括用于將配置信息接收到配置寄存器空間中的器件，以模擬光源和物體之間的距離，其與光源和物體之間的實際距離不同。設(shè)備還包括用于通過光源驅(qū)動器產(chǎn)生光源驅(qū)動信號的器件。設(shè)備還包括用于通過深度捕獲像素感測光的器件，所述光通過光源驅(qū)動信號產(chǎn)生且從物體反射，其中，光源驅(qū)動信號和被引導(dǎo)到深度捕獲像素的時鐘的相對相位被調(diào)整，以實現(xiàn)模擬距離，且其中通過所述深度捕獲像素感測的信號的幅度被調(diào)整以實現(xiàn)模擬距離。

附圖說明

以下的描述和附隨附圖用于顯示本發(fā)明的實施例。附圖中：

圖1a顯示了集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器的圖示；

圖1b顯示了集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器的另一圖示；

圖2顯示了集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器的系統(tǒng)圖；

圖3a顯示了光源驅(qū)動器的系統(tǒng)圖；

圖3b顯示了核心光源驅(qū)動器的圖；

圖3c顯示了光學(xué)輸出功率電路圖；

圖4顯示了正時和控制電路圖；

圖5a顯示了通過集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器執(zhí)行的第一方法；

圖5b顯示了通過集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器執(zhí)行的第二方法；

圖6a顯示了集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器的另一實施例；

圖6b顯示了集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器的又一實施例；

圖7顯示了具有集成影像傳感器和光源驅(qū)動器的2D/3D攝像頭系統(tǒng)的實施例；

圖8顯示了具有2D/3D攝像頭系統(tǒng)的計算系統(tǒng)，所述攝像頭系統(tǒng)具有集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器。

具體實施方式

圖1a和1b顯示了集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器100的不同視圖，其解決了背景技術(shù)中所述的一些問題。如在圖1a和1b中所示的，集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器100包括RGBZ像素陣列芯片101，其堆疊在底層集成電路102上，所述底層集成電路具有模擬-數(shù)字(ADC)電路103，正時和控制電路104和光源驅(qū)動電路105。底層集成電路102安裝在封裝基板106上，使得像素陣列101和底層集成電路102完全包含在同一封裝107中。

RGBZ像素陣列芯片101包括不同種類的像素，其一些對可見光(紅色(R)，綠色(G)和藍(lán)色(B))敏感且其他的對IR光敏感。RGB像素用于支持傳統(tǒng)的“2D”可見影像捕獲(傳統(tǒng)的照片/視頻獲取)功能。IR敏感像素用于使用飛行時間技術(shù)支持3D深度輪廓成像。

具有傳統(tǒng)的影像捕獲和飛行時間深度捕獲功能的攝像頭系統(tǒng)通常包括：1)照明器(例如至少一個激光器、激光器陣列、LED或LED陣列，以產(chǎn)生用于飛行時間系統(tǒng)的IR光)；2)RGBZ像素陣列；3)用于照明器的驅(qū)動電路；和4)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路以及正時和控制電路，其與RGBZ像素陣列一起形成完整的影像傳感器。這里，上述的項目1)和2)可被認(rèn)為是攝像頭系統(tǒng)的電光部件，且項目3)和4)可被認(rèn)為是用于電光部件的支持電子器件。尤其是，圖1a和1b的集成影像傳感器和光源驅(qū)動器100在單個封裝107中集成上述項目2)、3)和4)中的大多數(shù)(如果不是全部的話)，其與現(xiàn)有技術(shù)方法相比則提供這些項目的更便宜和/或更小的形狀因素方案。

為了容易地繪制ADC電路103，正時和控制電路104以及光源驅(qū)動電路105不必按比例繪制且沒有顯示任何從像素陣列101下方露出的情況?？梢韵氲揭恍┓桨缚蓪DC電路103、正時和控制電路104、光源驅(qū)動器105中任一個的全部或一些部分置于像素陣列101下方。

圖1b顯示了在底層半導(dǎo)體管芯102上堆疊的像素陣列101的橫截面。如圖1b所示，形成在底層集成電路102的頂表面上的導(dǎo)電球/凸部對準(zhǔn)以與形成在像素陣列101的下表面上的導(dǎo)電球/凸部接觸。

像素陣列101的下表面上的球/凸部連接到像素陣列基板中的相應(yīng)導(dǎo)電貫穿孔，所述像素陣列基板電聯(lián)接到形成在像素陣列101的金屬化平面中的相應(yīng)跡線。如本領(lǐng)域已知的，像素陣列101的金屬化平面對嵌入在像素陣列基板的上表面中的任何晶體管提供偏壓和/或信號以及提供通過像素陣列的像素產(chǎn)生的輸出模擬感測信號。金屬化平面可以是像素陣列基板上方的較大多層結(jié)構(gòu)的一部分，像素陣列基板還包括濾波器(例如用于RGB像素的RGB濾波器和用于Z像素的IR濾波器)和微透鏡。

下層IC 102還包括穿過基板的導(dǎo)電通孔，其將其金屬化層電連接到其下層接觸球/凸部。應(yīng)注意，在對任何具體封裝技術(shù)來說合適的情況下，圖1b所示的一對接觸球/凸部的任何球/凸部可以替換為墊/凸臺，代替球/凸部。球/凸部/墊可以設(shè)置為陣列，圍繞其相應(yīng)管芯表面上的外圍或其他設(shè)備。在替換方法中，取代形成在IC下側(cè)上的球/凸部，IC可以包括圍繞其周邊的線連結(jié)墊，IC可以通過從這些墊連結(jié)到下層基板的表面的線而電聯(lián)接到封裝基板。

封裝基板107可以用任何典型的平面板技術(shù)制造(例如具有導(dǎo)電和絕緣平面的交替層，其中絕緣平面包括例如FR4、陶瓷等中的任何一種)。如圖1b所示，封裝基板107還具有導(dǎo)電球/凸部，用于電接觸到攝像頭系統(tǒng)，傳感器和驅(qū)動器集成到該攝像頭系統(tǒng)中。

圖2顯示了系統(tǒng)架構(gòu)200的圖示，其用于圖1a和1b的集成影像傳感器和光源驅(qū)動器100。如圖2所示，光源驅(qū)動電路205將驅(qū)動信號211提供到照明器(未示出)。驅(qū)動信號的幅度確定從照明器發(fā)出的光的光功率。在一實施例中，照明器包括光檢測器，其隨通過照明器發(fā)出的光強度增加而產(chǎn)生更高幅度信號。根據(jù)圖2的系統(tǒng)架構(gòu)200，光檢測器信號212通過光源驅(qū)動電路接收且并入到受控反饋回路，以控制驅(qū)動信號211的幅度。

驅(qū)動信號211還可以以正弦曲線或時鐘信號的形式而被調(diào)制，以執(zhí)行連續(xù)波發(fā)光。正時和控制電路204將調(diào)制信號提供到光源驅(qū)動電路205。在調(diào)制信號類似時鐘信號的情況下，時鐘信號的一個邏輯值對應(yīng)于處于“開”的照明器，而另一邏輯值對應(yīng)于處于“關(guān)”的照明器。如此，照明器以開-關(guān)-開-關(guān)的方式將光閃爍到攝像頭的視野。在各種實施例中，照明器的光源(一個或多個)可以布置為垂直腔側(cè)發(fā)射激光二極管(VCSEL)或發(fā)光二極管(LED)的陣列，其每一個聯(lián)接到相同陽極端子和相同陰極端子(使得陣列的所有VCSEL/LED一起打開和關(guān)閉)，且其中，從光源驅(qū)動器205而來的驅(qū)動信號211聯(lián)接到陣列的陽極或陰極中之一。

通過根據(jù)照明器的光被閃爍為“開”的時間和在傳感器處接收閃爍的反射光的時間之間的時間而產(chǎn)生電荷，RGBZ像素陣列201的“Z”像素有效地執(zhí)行“3D”飛行時間深度測量。Z像素從正時和控制電路204接收時鐘信號，其每一個具有與照明器的時鐘信號的已知相位關(guān)系。在一個實施例中，存在四種時鐘信號(例如0°、90°，180°和270°正交臂(quadrature arms))，其被提供到像素陣列201的每一個區(qū)域(在該處測量深度值)。

這里，由不同相的時鐘計時的Z像素將收集用于相同光閃爍的不同電荷量。從在傳感器的相同/附近區(qū)域中被不同地計時的Z像素收集的電荷信號可組合以產(chǎn)生用于傳感器區(qū)域的具體飛行時間值。在典型的實施方式中，這種組合通過具有影像信號處理器的主機(jī)系統(tǒng)制造(例如處理器或應(yīng)用處理器)。如此，ADC電路203通常將代表通過各Z像素收集的電荷的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，該數(shù)字值被發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)，所述主機(jī)系統(tǒng)隨后從數(shù)字化的像素值計算深度信息。在其他實施例中，各種形式的影像信號處理(包括但不限于來自像素的計算深度信息)可以通過在主機(jī)側(cè)外部的邏輯電路執(zhí)行(例如設(shè)置在包括影像傳感器的同一半導(dǎo)體芯片上或包括在攝像頭周邊的一些其他半導(dǎo)體芯片上的邏輯電路)。

RGBZ像素陣列201的RGB像素用于“2D”的傳統(tǒng)影像捕捉且在攝像頭的視野中分別對紅色、綠色和藍(lán)色的可見光敏感。ADC電路203也從像素陣列201的RGB像素接收模擬信號且將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，所述數(shù)字值被發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)。雖然通常方法包括用于可見影像捕捉的RGB像素，但是其他實施例可以使用不同色彩的像素方案(例如藍(lán)綠色、紫紅色和黃色)。

正時和控制電路204產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘信號，其被發(fā)送到光源驅(qū)動器205、像素陣列201、和ADC電路203。其他信號(例如響應(yīng)于從主機(jī)系統(tǒng)接收且存儲在配置寄存器208中的命令或配置信息而產(chǎn)生的控制信號)也可以從正時和控制電路產(chǎn)生。為了易于繪制的目的，圖1a和1b未顯示圖2的配置寄存器208。

應(yīng)注意，因為傳統(tǒng)的影像傳感器不具有集成的照明器驅(qū)動器，因此傳統(tǒng)的影像傳感器正時和控制電路僅產(chǎn)生用于影像傳感器部件的控制和時鐘信號(例如ADC電路203和像素陣列201)。相反，各種實施例中的正時和控制電路204可以被認(rèn)為是獨特的，因為除了提供用于影像接收的時鐘和控制信號，其還產(chǎn)生用于光源驅(qū)動電路205的正時和控制電路。應(yīng)注意，從結(jié)構(gòu)上說，也產(chǎn)生用于光源驅(qū)動電路的正時和/或控制信號的影像傳感器正時和控制電路被認(rèn)為是獨特的，而不論光源驅(qū)動電路是否集成在具有影像傳感器正時和控制電路的同一相同半導(dǎo)體芯片上。

圖3a到3c顯示了圖2的激光驅(qū)動電路205的一些方面。如3a所示，可看到激光驅(qū)動電路305包括核芯驅(qū)動電路301和功率控制電路302。核芯驅(qū)動電路301提供通過光源驅(qū)動的驅(qū)動電流。核芯驅(qū)動電路301還接收作為用于驅(qū)動信號的調(diào)制信號303的波形(例如時鐘信號、正弦曲線等)。如上所述，調(diào)制信號確定光源閃爍的方式的正時。

光學(xué)輸出功率控制電路302為核芯驅(qū)動電路301提供信號304，其設(shè)定驅(qū)動信號的振幅。驅(qū)動信號振幅又確定通過光源發(fā)出的光功率。在一實施例中，功率控制電路302還從光源陣列接收光電二極管電流(或表示RMS或其平均值)。如在下文更詳細(xì)描述的，光電二極管電流提供目前正通過光源發(fā)出的光學(xué)輸出功率的表示，且光學(xué)輸出功率控制電路302使用光檢測器電流作為進(jìn)入受控反饋回路的輸入。光學(xué)輸出功率控制電路302還可以接收超越控制光功率值，其超越控制例如用于測試或制造環(huán)境的上述反饋回路。這些特征每一個將在下文更全面地描述。

圖3b顯示了核芯驅(qū)動電路301的實施例。如圖3a所示，核芯驅(qū)動器301包括多個驅(qū)動器“切片(slice)”310，其每一個具有驅(qū)動晶體管和啟用門。為了建立用于核芯驅(qū)動器301的具體驅(qū)動強度，核芯驅(qū)動器301配置為接收輸入信息311，所述輸入信息限定要啟用的切片的數(shù)量。根據(jù)圖3的具體實施例，輸入信息采取總線的形式，總線的每一個導(dǎo)線對應(yīng)于用于具體切片的啟用/停用信號。

驅(qū)動器切片每一個還包括時鐘信號輸入312，以接收數(shù)字時鐘信號。時鐘信號對通過啟用切片的驅(qū)動晶體管而獲取的電流進(jìn)行調(diào)制，使得光源以如上所述的開-關(guān)-開-關(guān)的順序閃爍。因為驅(qū)動器切片組提供大輸入電容作為時鐘信號輸入，因此具有足夠輸出電流驅(qū)動強度以驅(qū)動時鐘信號輸入電容的逆變驅(qū)動緩沖器313被聯(lián)接到時鐘信號輸入312。圖3b所示，逆變驅(qū)動緩沖器313和先前的緩沖器/逆變器314形成上吹鏈(fan-up chain)，以增加驅(qū)動緩沖器313的驅(qū)動強度。上吹鏈包括一系列緩沖器/逆變器，其中鏈中的每一個緩沖器/逆變器提供比其先前的緩沖器/逆變器更大的輸出驅(qū)動強度。由此，每個緩沖器/逆變器輸出驅(qū)動強度在該鏈中基本上經(jīng)放大地向前運動。在圖3b的實施例中，四個逆變器在逆變驅(qū)動緩沖器313的輸出處生產(chǎn)足夠的驅(qū)動強度。

核芯驅(qū)動電路301包括特殊的絕緣的上和下電源導(dǎo)軌VDD_DRVR 316和VSS_DRVR 317。在一實施例中，這些電源導(dǎo)軌316、317每一個通過相應(yīng)外部斷開管芯電壓調(diào)節(jié)器(未示出)供應(yīng)，所述調(diào)節(jié)器專用于核芯驅(qū)動電路。核芯驅(qū)動器的半導(dǎo)體芯片的多個I/O(球/墊)用于每一個導(dǎo)軌，以確保調(diào)節(jié)器和集成傳感器/驅(qū)動器封裝之間的低電阻。

在半導(dǎo)體管芯被通過導(dǎo)線連結(jié)到封裝基板的實施例中，IC的多個墊用于兩導(dǎo)軌，且多個墊每一個連結(jié)到封裝基板(再次，用于降低封裝基板和半導(dǎo)體芯片之間的電阻)。這里，由于核芯驅(qū)動電路可以驅(qū)動大量的電流，沿供電導(dǎo)軌保持低電阻使得經(jīng)過IC線連接的功率損耗保持較低。

核芯驅(qū)動電路301還包括其他電路，以用于靜電放電(ESD)保護(hù)和與半導(dǎo)體芯片上的其他電路絕緣。對于ESD保護(hù)，可以得知，連接到封裝I/O的核芯驅(qū)動電路301的任何節(jié)點可以接收大量ESD電荷。這些節(jié)點包括VDD_DRVR 316、VSS_DRVR 317和光源驅(qū)動信號輸出節(jié)點318中的任一個。為了保護(hù)核芯驅(qū)動電路301，核芯驅(qū)動電路301應(yīng)該包括在電路301以外的電流路徑，它們應(yīng)該從這些節(jié)點316、317、318任何一個接收靜電放電。

圖3b顯示了在VDD_DRVR節(jié)點316被充電情況下的在電路310以外的第一電流路徑320、在驅(qū)動信號輸出318被充電情況下在電路310以外的第二電流路徑321、和在VSS_DRVR節(jié)點317被充電情況下在電路以外的第三電流路徑(一個或多個)322。這些路徑320、321、322流動進(jìn)入半導(dǎo)體管芯的“其他”VSS節(jié)點(例如通過半導(dǎo)體管芯的電路使用的VSS節(jié)點，而非核芯驅(qū)動器301)。

應(yīng)注意，這些路徑320、322中的一些流動通過旁路電容器323，其位于VDD_DRVR和VSS_DRVR節(jié)點之間。旁路電容器323和ESD鉗位電路324也有助于防止因被充電而跨經(jīng)VDD_DRVR 316和VSS_DRVR 317節(jié)點的產(chǎn)生大的有破壞性的電壓差。同樣，通過保護(hù)性鉗位二極管325，防止了在光源驅(qū)動輸出處產(chǎn)生大電壓。

在驅(qū)動光源的過程中，核芯驅(qū)動電路301可以要求驅(qū)動大量電流且因此往往用作半導(dǎo)體管芯上或封裝中的其他電路的噪聲源。如此，核芯驅(qū)動電路301還包括多個隔離特征。

第一隔離特征是如上所述的分開的VDD_DRVR和VSS_DRVR供電導(dǎo)軌316、317，其被它們各自的電壓調(diào)節(jié)器驅(qū)動(即在電壓調(diào)節(jié)器不驅(qū)動除了VDD_DRVR和VSS_DRVR導(dǎo)軌以外的其他電路的實施例中)。第二隔離特征是隔離鉗位器326、327，其位于核芯驅(qū)動電路和其他VSS節(jié)點之間的兩接觸點處。這里，在核芯驅(qū)動電路以外的ESD保護(hù)路徑有效地將VSS_DRVR節(jié)點聯(lián)接到其他VSS節(jié)點。這種聯(lián)接可允許通過核芯驅(qū)動電路301產(chǎn)生的噪聲到達(dá)半導(dǎo)體管芯中的其他電路。隔離鉗位器326、327有助于壓制這種噪聲耦合。

通過例如深N井技術(shù)這樣的“深井(deep well)”技術(shù)，第四隔離特征實施核芯驅(qū)動器的晶體管。深井技術(shù)將有源裝置嵌入到第一摻雜物極性(例如P)的井中。在基板的更深處，第一井嵌入到相反極(例如N)的更大井中，其本身被嵌入到第一摻雜極(例如P)的基板中。相反極的接合部有效地在有源裝置和基板之間形成噪聲屏障。在一些實施例中，有源裝置還可以位于更大的井。

第五隔離特征識別通過核芯驅(qū)動電路產(chǎn)生的高電流可以產(chǎn)生熱載流子，其引起光子的產(chǎn)生。光子的產(chǎn)生又可以與傳感器陣列的操作干涉。如此，在一個實施例中，集成電路的金屬化層中之一用于在核芯驅(qū)動電路上方形成固體導(dǎo)電材料(例如金屬)的寬/大表面面積。核芯驅(qū)動器上方的大導(dǎo)電區(qū)域用作屏蔽件，其應(yīng)該基本上防止通過核芯驅(qū)動器301產(chǎn)生的任何光子到達(dá)例如像素陣列的其他電路。

圖3c顯示了功率控制電路302的實施例。如圖3c所示，功率控制電路302包括有限狀態(tài)機(jī)330。如本領(lǐng)域已知的，有限狀態(tài)機(jī)330通常包括在寄存器332前方的組合邏輯331，其中寄存器狀態(tài)被反饋到組合邏輯331且組合邏輯331還接收另一獨立輸入333。在一實施例中，組合邏輯331通過查找表實施(例如通過內(nèi)容可尋址的寄存器或存儲器單元實施)。在其他實施例中，組合邏輯331可以通過硬連線的(hardwired)邏輯電路或查找表和硬連線的邏輯實施方式的組合而實施。

寄存器狀態(tài)對應(yīng)于功率控制電路302的輸出且限定哪個核芯驅(qū)動器切片要被啟用。被提供到有限狀態(tài)機(jī)的組合邏輯331的獨立輸入333對應(yīng)于光檢測器電流。這里，假定光源陣列包括光電二極管，其提供與光源陣列發(fā)出的光的實際強度成比例的輸出信號(在光學(xué)信號是周期性信號的形式的情況下，可以利用光電流的平均值或均方根值(RMS))。光檢測器信號被ADC電路334轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式且被提供到組合邏輯331。組合邏輯331確定多個核芯驅(qū)動器切片，以根據(jù)被啟用的核芯驅(qū)動器切片的當(dāng)前數(shù)量和當(dāng)前光檢測器電流而啟用。

在替換實施方式中，有限狀態(tài)機(jī)可以被具有回路濾波器的更傳統(tǒng)的受控反饋回路替換，所述回路濾波器產(chǎn)生信號，該信號的值表示通過將偏差信號進(jìn)行集成而啟用的切片的數(shù)量，所述偏差信號例如從期望光功率信號和從光檢測器信號獲得的實際光功率信號產(chǎn)生。傳統(tǒng)的反饋回路可以通過數(shù)字和/或模擬電路實施。

特別地，功率控制電路還包括超控(over-ride)多路復(fù)用器335，以有效地超控從有限狀態(tài)機(jī)而來的切片的確定數(shù)量，且代替地提供要啟用的切片數(shù)量的更定制化的表示。超控例如可用于設(shè)定比通常情況更強的光學(xué)輸出信號，以模擬比實際情況更靠近目標(biāo)物體的照明器，或設(shè)定比通常情況更弱的光學(xué)輸出信號，以模擬比實際情況更遠(yuǎn)離目標(biāo)物體的照明器的存在。

定制數(shù)量的切片可以直接從配置寄存器空間提供，或可以從查找表(LUT)、硬連線的邏輯或其他電路335提供，其確定正確數(shù)量的核芯驅(qū)動器切片，以響應(yīng)于用于任何以下配置寄存器空間的用戶提供的值而啟用：1)光學(xué)輸出功率；2)模擬的額外遠(yuǎn)離距離；3)模擬的額外較近距離。配置寄存器空間還可以包括“超控啟用”參數(shù)，其用于設(shè)定超控多路復(fù)用器335的通道選擇輸入(使得如果超控被啟用則使用用戶提供的值)。

圖4顯示了用于激光驅(qū)動電路和像素陣列的時鐘電路。圖4的時鐘電路還可以將時鐘信號提供到ADC電路。如圖4所示，時鐘電路可看作是圖1a、b和2的正時和控制電路104、204的部件。

如圖4所示，時鐘電路包括用作時鐘源的鎖相回路(PLL)電路410。PLL的時鐘信號輸出聯(lián)接到IQ圖塊411，其產(chǎn)生了PLL時鐘信號的四個不同相(0°，90°，180°和270°)。所有四相的時鐘信號發(fā)送到像素陣列和相位內(nèi)插器414。相位內(nèi)插器414提供時鐘信號415，該時鐘信號被作為調(diào)制信號引導(dǎo)到核芯驅(qū)動電路。相位內(nèi)插器414是延遲鎖定回路(DLL)，其改變時鐘信號415的相定位，以便消除被引導(dǎo)到像素陣列的時鐘信號416和被引導(dǎo)到核芯驅(qū)動器的時鐘信號415之間的時序偏差(相位誤差)。

這里，如上所述，飛行時間技術(shù)測量通過照明器閃爍光的時間和在像素陣列處感測到其反射的時間之間的時間差。任何未說明的這些時間之間的差被重制作為飛行時間測量的誤差或不準(zhǔn)確度和從其確定的輪廓距離信息。如此，提供到核芯驅(qū)動器中的驅(qū)動晶體管的時鐘信號312、412和提供到像素陣列的時鐘416之間的控制偏差對飛行時間測量的準(zhǔn)確性具有直接影響。

如此，DLL包括相位檢測器417，其將提供到核芯驅(qū)動電路切片的驅(qū)動晶體管312、412的時鐘信號和被引導(dǎo)到像素陣列的0°相時鐘信號416_1之間的相位差進(jìn)行比較。響應(yīng)于這兩個之間的任何相位差，相位檢測器417通過降低偏差的相位內(nèi)插器414產(chǎn)生指示矯正方向的偏差信號。在替換的實施方式中，并非使用從緩沖器313而來的輸出作為到相位檢測器417的輸入，輸出被輸送到緩沖器313的更下游，例如核芯驅(qū)動器輸出318。因為核芯驅(qū)動器輸出318可以包括一些額外傳輸延遲，其超過緩沖器313而被置于驅(qū)動信號中，所以在核芯驅(qū)動器輸出318處分接(tapping)驅(qū)動信號實際上在發(fā)出光學(xué)信號的正時邊緣方面是更準(zhǔn)確的信號。在進(jìn)一步實施方式中，“虛擬切片(dummy slice)”可以在核芯輸入315下游的任何地方聯(lián)接到“模仿的”光源驅(qū)動信號或發(fā)出光學(xué)輸出信號。例如，核芯驅(qū)動器301可以包括上吹逆變緩沖器、驅(qū)動器切片(一個或多個)和“假負(fù)載”電路(后者代表VCSEL或LED光源的負(fù)載)的“復(fù)制”組，以形成幾乎與通過光源接收的信號或?qū)嶋H發(fā)出的光功率相同的信號。

從相位檢測器417而來的偏差信號提供到回路濾波器418。回路濾波器418將偏差信號集成，以對相位內(nèi)插器414產(chǎn)生控制信號，其調(diào)整被提供到核芯驅(qū)動電路的時鐘信號415的相位，其針對之前檢測到的偏差進(jìn)行了修正。理想地，達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在所述穩(wěn)態(tài)中在提供到驅(qū)動器晶體管的信號和發(fā)送到像素陣列的0°相位信號416_1之間沒有相位差。從光源而來的光的實際發(fā)出和提供到驅(qū)動晶體管的信號的相位之間的任何其他時間差被固定和/或可例如從一個或多個傳播延遲和可針對固定偏差調(diào)整的光源相應(yīng)時間來確定。

到相位內(nèi)插器414的DLL路徑也被超控多路復(fù)用器419攔截，其允許用戶例如在配置寄存器空間408中設(shè)置對回路濾波器418的輸出的調(diào)整。例如，如果回路濾波器418的輸出是相位內(nèi)插器414用于設(shè)置時鐘信號415的相位的電壓水平，則根據(jù)從配置寄存器空間408而來的編程值，電路420可以增加或減小該電壓增量水平。這里，將回路濾波器輸出電壓向上或向下調(diào)整的能力基本上允許用戶對時鐘信號415賦予相對于實際回路濾波器設(shè)定的相位滯后或相位提前，這又對應(yīng)于對飛行時間測量專門賦予“偏差”。在各種實施方式中，相位內(nèi)插器414可以接收數(shù)字字(digital word)，作為其控制信號，而不是模擬信號。如此，回路濾波器418可以實施為數(shù)字電路(例如數(shù)字累加器或有限狀態(tài)機(jī))。同樣，電路420可以實施為數(shù)字電路(例如數(shù)字加法器/減法器)，以數(shù)字地改變回路濾波器的輸出。

類似于如上針對圖3c所述的光功率超控，對時鐘信號415的相位專門施加偏差可用于模擬更靠近或更遠(yuǎn)離目標(biāo)物體的攝像頭系統(tǒng)。更具體地，光功率超控和DLL超控可一起用于模擬距物體某一距離(而非其實際距離)的攝像頭。即，通過減小光功率和對時鐘信號415賦予額外的延遲，RGBZ傳感器的Z像素將接收強度減小且時間上更遲的信號，如攝像頭比實際上更遠(yuǎn)離物體那樣。相反，通過增加光功率和讓時鐘信號415的延遲在時間上變得更早，則RGBZ傳感器的Z像素將接收時間上更早的增強強度的信號，如攝像頭比實際上更靠近物體那樣。

這里，應(yīng)理解在光源和物體之間賦予模擬距離(其不同于光源和物體之間的實際距離)的一些替換實施例。如此描述的實施例包括調(diào)整光源驅(qū)動信號的幅度和相?？赡埽ㄟ^增加深度像素的增益以捕獲更多電荷且因此從深度像素產(chǎn)生更高幅度信號，可模擬從更靠近物體而來的更強光學(xué)信號。同樣，通過減小深度像素的增益以捕獲更少的電荷且因此從深度像素產(chǎn)生較低幅度的信號，可模擬從更遠(yuǎn)離的物體而來的較弱光學(xué)信號。

這些技術(shù)的任何組合可以用于實現(xiàn)期望的模擬距離。如此，各種實施例可以包括響應(yīng)于模擬距離配置設(shè)定而相應(yīng)地調(diào)整深度像素增益的深度像素增益調(diào)整電路。

另外，相位內(nèi)插器電路可以用于驅(qū)動深度像素時鐘信號(例如代替光源驅(qū)動信號)，以對深度像素時鐘信號施加相位調(diào)整，以實現(xiàn)模擬距離。如此，更通常地，光源驅(qū)動器信號和深度像素時鐘的相對相位可以被調(diào)整為在時間上更靠近在一起以模擬靠近的物體，且光源驅(qū)動器信號和深度像素時鐘的相對相位可以被調(diào)整為在時間上更遠(yuǎn)離，以模擬更遠(yuǎn)離的物體。

用于改變時鐘信號415的延遲的可編程寄存器空間408可以接收以下中的任意一個：1)設(shè)定要對回路濾波器輸出做出的具體改變的值；2)經(jīng)模擬的額外遠(yuǎn)離距離；3)經(jīng)模擬的額外更近距離。上述項目2)和3)可以是相同配置空間，其用于設(shè)定光功率超控。在上述項目2)和3)的情況下，電路420包括用于基于期望模擬距離而確定要對回路濾波器輸出做出的正確調(diào)整的電路。在一實施例中，項目2)和3)可以以具體增量指定模擬距離，且電路420以增量調(diào)整回路濾波器輸出。

在一實施例中，回路濾波器418實施為模擬或混合的信號分量，其提供作為模擬信號(例如電壓)的相位內(nèi)插器控制信號。在另一實施例中，回路濾波器418實施為有限狀態(tài)機(jī)，其通過數(shù)字值控制插入器。在之前的情況下，電路420調(diào)整模擬信號的水平，在后一情況下，電路420對數(shù)字值做加法/減法。配置寄存器408還可以包括寄存器空間，其確定DLL電路是否在存在或不存在來自電路420的調(diào)整的情況下運行。如圖4所示，多路復(fù)用器419可以包括輸入，以直接從配置寄存器空間408接收相位內(nèi)插器控制輸入，而沒有從回路濾波器和電路420而來的任何部件。響應(yīng)性地建立多路復(fù)用器419的通道選擇輸入。在進(jìn)一步實施例中，回路濾波器418本身的參數(shù)(例如時間常數(shù)、極頻率、有限狀態(tài)機(jī)組合邏輯、查找表值等)可從寄存器408配置。

圖4的正時和控制電路還可以產(chǎn)生其他正時和控制信號，例如用于ADC電路的正時和控制信號，ADC電路使得從像素陣列的RGB可見影像捕獲像素以及其自己的RGB可見影像捕獲像素而來的模擬信號數(shù)字化。出于簡單的目的，用于產(chǎn)生這些正時和控制信號的電路在圖4中未示出。

圖5a顯示了第一方法，其可通過如上所述的集成影像傳感器和光源驅(qū)動器執(zhí)行。如圖5a所示，第一方法包括在同一半導(dǎo)體芯片封裝過程中執(zhí)行以下過程：產(chǎn)生用于光源的驅(qū)動信號；對從驅(qū)動信號產(chǎn)生且從物體產(chǎn)生的光做出響應(yīng)，以產(chǎn)生用于物體的模擬深度輪廓信息；以及使得模擬深度輪廓信息數(shù)字化。

圖5b顯示了第二方法，其可通過如上所述的集成影像傳感器和光源驅(qū)動器執(zhí)行。如圖5b所示，第二方法包括將配置信息接收到配置寄存器空間中，以模擬光源和物體之間的距離，其與光源和物體511之間的實際距離不同。方法還包括通過光源驅(qū)動器產(chǎn)生光源驅(qū)動信號512。方法還包括通過深度捕獲像素感測光，所述光通過光源驅(qū)動信號產(chǎn)生且從物體反射，其中，光源驅(qū)動信號和被引導(dǎo)到深度捕獲像素的時鐘的相對相位被調(diào)整，以實現(xiàn)模擬距離，且其中通過所述深度捕獲像素感測的信號幅度被調(diào)整以實現(xiàn)模擬距離513。

圖6a和6b顯示了集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器的替換實施例。如圖6a所示，ADC電路603位于與像素陣列601相同的上半導(dǎo)體管芯610上，代替位于具有光源驅(qū)動電路605的下半導(dǎo)體管芯602。如圖6b所示，上半導(dǎo)體管芯610是完整的影像傳感器，其具有像素陣列601、ADC電路603和正時和控制電路604。下半導(dǎo)體管芯610具有光源驅(qū)動電路605。其他實施例可以具有ADC電路、正時和控制電路、和在上半導(dǎo)體管芯和下半導(dǎo)體管芯兩者上的光源驅(qū)動器中任何一個的不同部分。

圖7顯示了集成的傳統(tǒng)攝像頭和飛行時間成像系統(tǒng)700。系統(tǒng)700具有用于與更大系統(tǒng)/母板電接觸的連接件701，例如筆記本電腦、平板電腦或智能電話的系統(tǒng)/母板。取決于布局和實施方式，連接件701可以連接到柔性線纜，例如實現(xiàn)與系統(tǒng)/母板的實際連接，或連接件701可以直接接觸系統(tǒng)/母板。

連接件701固定到平面板702，其可以實施為具有交替的導(dǎo)電層和絕緣層的多層結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)電層被設(shè)計樣式以形成電子跡線，其支持系統(tǒng)700的內(nèi)部電連接。通過連接件701從更大主機(jī)系統(tǒng)接收命令，例如配置命令，其對攝像頭系統(tǒng)700的配置寄存器寫入/讀取配置信息。

RGBZ影像傳感器和光源驅(qū)動器703集成到同一半導(dǎo)體管芯封裝中，所述導(dǎo)體管芯封裝在接收透鏡702下方安裝到平面板702。RGBZ影像傳感器包括像素陣列，其具有不同種類的像素，其一些對可見光敏感(具體是，對可見紅色光敏感的R像素的子組，對可見綠色光敏感的G像素的子組，和對藍(lán)色光敏感的B像素的子組)且其中其他一些對IR光敏感。RGB像素用于支持傳統(tǒng)的“2D”可見影像捕獲(傳統(tǒng)的照片獲取)功能。IR敏感像素用于使用飛行時間技術(shù)支持3D深度輪廓成像。雖然基本實施例包括用于可見影像捕捉的RGB像素，但是其他實施例可以使用不同色彩的像素方案(例如藍(lán)綠色、紫紅色和黃色)。集成影像傳感器和光源驅(qū)動器703還可以包括ADC電路，用于對從影像傳感器和正時和控制電路而來的信號數(shù)字化，用于產(chǎn)生用于像素陣列、ADC電路和光源驅(qū)動電路的時鐘和控制信號。

平面板702也可以包括信號跡線，以承載數(shù)字信息，其通過ADC電路提供到連接件701，用于通過主機(jī)計算系統(tǒng)的更高端部件處理，例如影像信號處理管線(例如其集成在應(yīng)用處理器上)。

攝像頭透鏡模塊704集成在集成的RGBZ影像傳感器和光源驅(qū)動器703上方。攝像頭透鏡模塊704含有一個或多個透鏡系統(tǒng)，其將接收的光聚焦穿過集成影像傳感器和光源驅(qū)動器703的孔洞。因為攝像頭透鏡模塊對可見光的接收會與通過影像傳感器的飛行時間像素對IR光的接收相干涉，且反之，由于攝像頭模塊對IR光的接收會與通過影像傳感器的RGB像素對可見光的接收相干涉，使用影像傳感器的像素陣列和透鏡模塊703中之一或兩者可以包含系統(tǒng)濾波器，其布置為基本上阻擋要被RGB像素接收的IR光，且基本上阻擋要通過飛行時間像素接收的可見光。

包括在孔洞706下方的光源陣列707的照明器705還安裝在平面板701上。光源陣列707可以實施在半導(dǎo)體芯片上，所述半導(dǎo)體芯片安裝到平面板701。集成在與RGBZ影像傳感器同一封裝703中的光源驅(qū)動器聯(lián)接到光源陣列，以使得其發(fā)出具有特定強度和模制波形的光。

在一實施例中，圖7的集成系統(tǒng)700支持三個運行模式：1)2D模式；2)3D模式；和3)2D/3D模式。在2D模式情況下，系統(tǒng)用作傳統(tǒng)的攝像頭。如此，照明器705停用且影像傳感器用于通過其RGB像素接收可見影像。在3D模式的情況下，系統(tǒng)捕捉照明器705的視野中物體的飛行時間深度信息。如此，照明器705啟用且向物體發(fā)出IR光(例如開-關(guān)-開-關(guān)...的順序)。IR光從物體反射，通過攝像頭透鏡模塊704接收且被影像傳感器的飛行時間像素感測。在2D/3D模式的情況下，如上所述的2D和3D模式同時啟用。

圖8顯示了示例性計算系統(tǒng)800的圖示，例如個人計算系統(tǒng)(例如桌面或筆記本電腦)或移動或手持計算系統(tǒng)，例如平板裝置或智能電話。如圖8所示，基本計算系統(tǒng)可以包括中央處理單元801(其可以例如包括多個通用目的處理核心)和設(shè)置在應(yīng)用處理器或多核芯處理器850上的主存儲器控制器817、系統(tǒng)存儲器802、顯示器803(例如觸摸屏、平面顯示器)、局部有線點-點連接(例如USB)接口804、各種網(wǎng)絡(luò)I/O功能805(例如以太網(wǎng)接口和/或調(diào)制解調(diào)器子系統(tǒng))、無線局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(例如WiFi)接口806、無線點-點鏈接(例如Bluetooth)接口807和全球定位系統(tǒng)接口808、各種傳感器809_1到809_N、一個或多個攝像頭810、電池811、功率管理控制單元812、揚聲器和麥克風(fēng)813和音頻編碼器/譯碼器814。

應(yīng)用處理器或多核芯處理器850可以包括在其CPU 401中的一個或多個通用目的處理核芯，一個或多個圖像處理單元816，主存儲器控制器817，I/O控制功能818，和一個或多個影像信號處理器管線819。通用目的處理核心815通常執(zhí)行操作系統(tǒng)和計算系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。圖像處理單元816通常執(zhí)行圖像加強功能，例如用于產(chǎn)生圖像信息，其在顯示器803上提供。存儲器控制功能817與系統(tǒng)存儲器802接口連接。影像信號處理管線819從攝像頭接收影像信息且處理原始影像信息以用于在下游使用。功率管理控制單元812通?？刂葡到y(tǒng)800的功率消耗。

每一個觸摸屏顯示器803、通信接口804–807、GPS接口808、傳感器809、攝像頭810、和揚聲器/麥克風(fēng)編解碼器813、814都可相對于總體計算系統(tǒng)具有各種形式的I/O(輸入和/或輸出)，在適當(dāng)情況下總體計算系統(tǒng)還包括集成的外圍裝置(例如一個或多個攝像頭810)。取決于實施方式，這些I/O部件中的一些可以集成在應(yīng)用處理器/多核心處理器850上或可以定位為遠(yuǎn)離管芯或在應(yīng)用處理器/多核心處理器850的封裝以外。

在一實施例中，一個或多個攝像頭810包括集成的傳統(tǒng)可見影像捕獲和飛行時間深度測量系統(tǒng)，其具有集成在同一半導(dǎo)體芯片封裝中的RGBZ影像傳感器和光源驅(qū)動器。在應(yīng)用處理器或其他處理器的通用目的CPU核心(或具有指令執(zhí)行管線以執(zhí)行程序代碼的其他功能塊)上執(zhí)行的應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)軟件、裝置驅(qū)動軟件、和/或固件可以將命令發(fā)送到攝像頭系統(tǒng)和從攝像頭系統(tǒng)接收影像數(shù)據(jù)。

在命令的情況下，命令可以包括進(jìn)入或離開任何如上所述的2D、3D或2D/3D系統(tǒng)狀態(tài)。另外，命令可以發(fā)送到集成影像傳感器和光源驅(qū)動器的配置空間，以執(zhí)行針對圖1a、b到6a、b如上所述的任何配置設(shè)定，包括但不限于使得集成的影像傳感器和光源驅(qū)動器模擬攝像頭更靠近或更遠(yuǎn)離攝像頭實際視野中的物體的配置。

本發(fā)明的實施例可以包括如上所述的各種過程。過程可以實施在機(jī)器可執(zhí)行指令中。指令可用于使得通用目的或特殊目的處理器執(zhí)行某些過程。替換地，這些過程可以通過具體硬件部件執(zhí)行，其包用于執(zhí)行過程的包括硬連線的邏輯，或通過編程計算機(jī)部件和定制硬件部件的任何組合執(zhí)行。

本發(fā)明的元件還可以作為用于存儲機(jī)器可執(zhí)行指令的機(jī)器可讀介質(zhì)提供。機(jī)器可讀介質(zhì)可以包括但不限于軟盤、光盤、CD-ROM和磁光盤、FLASH存儲器、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、傳播介質(zhì)或適用于存儲電子指令的其他類型介質(zhì)/機(jī)器可讀介質(zhì)。例如，本發(fā)明可以被下載作為計算機(jī)程序，其可以通過實施在載波或其他傳播介質(zhì)中的數(shù)據(jù)信號經(jīng)由通信鏈路(例如調(diào)制解調(diào)器或網(wǎng)絡(luò)連接)而從遠(yuǎn)程計算機(jī)(例如服務(wù)器)傳遞到要求的計算機(jī)(例如客戶)。

在前述說明書中，已經(jīng)針對其本發(fā)明的示例性實施例描述了本發(fā)明。但是，應(yīng)理解可以對其做出各種修改和改變，而不脫離所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明的精神和范圍。說明書和附圖因此應(yīng)被認(rèn)為是示例性的而不是限制性的。