CN102057295A - 具有背景辐射抑制的tof测距 - Google Patents

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Abstract

一种测量辐射的飞行时间的方法包括：响应于第一调制信号发射经调制辐射(51)；将经调制辐射(51)投影到场景(55)上；以及接收辐射，所接收的辐射至少包括被该场景(55)反射的经调制辐射。将所接收的辐射(26，27)转换成辐射引起的电信号。将辐射引起的电信号与第二调制信号混合由此产生混合信号，该混合信号被积分由此产生积分信号。当积分信号超过阈值(Vref)时，将电荷注入该积分信号。该方法包括在一个或多个时刻对第一和/或第二调制信号施加改变，并在一个或多个时刻测量该积分信号，从而获取至少一个TOF对差信号(62)。该测量包括使用单检测器节点(38)和相关联的存储器元件(25)，来获取TOF对差信号(62)。该方法还包括使用一个或多个经校正的TOF对差信号来确定辐射的飞行时间。

Description

具有背景辐射抑制的TOF测距
发明的技术领域
本发明涉及用于飞行时间(TOF)测量的测距传感器及其方法的领域。更具体地，本发明涉及适于在变化的背景辐射条件下实现高效的背景辐射处理、具体是实现高效的背景辐射抑制的此类设备和方法。该辐射可以是可见光或红外光。
发明背景
将飞行时间(TOF)测量用于测距应用的基本原理是测量辐射所花费的时间，例如光子在未知距离上传播的时间。然后该未知距离可根据测得的飞行时间与诸如光的辐射的已知速度的结合来推导。
用于此类TOF测量的如何调制光源的许多方式以及进行距离测量遵循哪条策略是本领域技术人员已知的，且在诸多专利和科学文献中有描述。这些测距***中的大多数使用接收机，在该接收机中使用混合器来解调输入光电流以得出相位或时间周期，以进行距离估算。该光电流典型地与基准信号混合。
一个问题是从源自有用的TOF光的信号中有效地分离源自背景光的信号。有用的TOF光可从经调制光源发出。存在于要测量距离的场景中的区域的背景光会比存在于同一区域且源自经调制光源的光强多个数量级，例如高达六个或更多个数量级。从文献已知通过滤光器如何将该大差别减小至某种程度，该滤光器基于波长差从TOF光中衰减可见背景光。以此方式，可获得一个数量级的减小。利用窄带光通带滤波器并使用用于产生有用TOF光的窄带激光源，可能可获得两个数量级的减小。然而，LED光源是用于未来TOF测距器的优选光源，因为其亮度亮得多；它们可发射数瓦的光，而激光器由于用眼安全原因在自由空间中仅可发射数毫瓦的光。
在US 7268858中，描述了用于在出现大背景光信号的情况下测量TOF信号的设备。这是利用晶体管来连续补偿额外提取的背景光电流而实现的。因此，该解决方案对电路添加了晶体管噪声，从而降低了信噪比和距离准确度。
通过在电容上累积电荷达到指定时间间隔，然后对电容器值取样，并将其重置以便后续测量，可获取更好的信噪比。这是用于标准成像(例如用于活动像素)的公知技术；它在下文中将被称为电容积分。该方法的主要缺点是由于电容器饱和引起的有上限的动态范围。电容积分已在TOF成像中被再利用以相似地优化信噪比，但不幸的是，由于该有上限动态范围对于有用光和背景光二者均存在，因此在存在背景光的情况下迅速失败。这种情况在图2A和图2B中示出。图2A示出实现电容积分的典型现有技术飞行时间传感器的示例性瞬态输出信号。在这些传感器中，典型地通过乘以1和0而不是乘以1和-1来不对称地实现混合。因此，背景光转变成对输出信号10和11二者影响相同的信号。该TOF有用信号被包含在差值12中。如图2B所示，当存在较大背景光分量时，输出信号14、15在t取样取样之前饱和至基线，从而失去所需的差别信息。解决该问题的直接方法是缩短积分间隔或更早地对信号取样，例如在t取样2取样。然而，这导致更小的测得差幅值13和更小的信噪比。
为了在标准成像中使用，已经开发了用于展宽这些电容积分电路的有上限的动态范围的技术。在图1A中，示出了此类电路的一般示意图，例如US-6130713中所讨论。在每个像素内，设置了自动重置电路100和计数器4。只要达到预定义阈值Vref，自动重置电路100的比较器3就触发重置晶体管1，从而重置检测器节点2并使电压在重置电压5上移动(参见图1B)，从而重新开始积分。计数器4对在一个积分周期期间发生的重置次数N的总数进行计数。在图1B中，示出了检测器节点2上的电压演变6。在积分时间终止处，即在时刻t取样，获得输出值8连同重置次数N。通过将计数器输出N乘以重置电压5并加上取样输出值8而得出总强度值。如果忽略增加的重置噪声(重置晶体管1所产生的噪声)，则动态范围以此方式被增大N倍。
例如在US-6919549和US-7157685中，利用动态范围扩展电路实现电容积分的该技术也已在飞行时间检测器读出电路中再利用，从而得到相同动态范围扩展，且因此得到背景光容限的某种程度的提高。然而，由于这些技术中用于获取合理背景光抑制的所需电路的量随着所实现的动态范围扩展而增多，因此需要非常大的衬底面积(例如硅面积)。
扩展动态范围从而容许背景光达到某种程度的其它专用但更复杂的飞行时间技术与例如US-7176438或US-6678039中要求保护的技术相似。
因此，虽然在本领域中存在许多种技术，但仍存在改进空间。
发明内容
本发明诸实施例的目的是提供用于执行TOF测量的良好设备或方法。
上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面中，本发明提供用于测量辐射的飞行时间的方法。该方法包括：响应于第一调制信号发射经调制辐射；将经调制辐射投影到场景上；以及接收辐射，所接收的辐射至少包括被该场景反射的经调制辐射。将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号。将辐射引起的电信号与第二调制信号混合由此产生混合信号，该混合信号被积分由此产生积分信号。根据本发明的实施例，该混合可在电荷、电压或电流域中进行。当积分信号超过阈值时，将电荷注入该积分信号。该方法包括在一个或多个时刻对第一和/或第二调制信号施加改变，并在一个或多个时刻测量该积分信号，从而获取至少一个TOF对差信号。该测量包括使用单检测器节点和相关联的存储器元件(例如电容器)，以获取TOF对差信号。可提供但不一定需要提供不同的检测器节点和相关联的存储器元件，以获取不同的TOF对差信号。该方法还包括使用一个或多个TOF对差信号来确定辐射的飞行时间，例如通过对两个TOF对差信号之比取反正切来确定辐射的飞行时间。
在根据本发明的实施例的方法中，混合信号可在积分电容器上被积分，且可具有一极性符号。获取TOF对差信号可包括，通过与改变第一和/或第二调制信号的时刻同步地改变积分电容器的极性，改变积分信号的极性符号。以这种方式，执行了TOF对信号的像素内减法。
根据本发明的实施例的方法可进一步包括使用用于将TOF对差信号转换成有用的TOF输出数据的数据重构步骤。该数据重构步骤可包括：只要对一TOF对获取比基本等于与来自TOF对中的最高信号的所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值的一半大的该对信号之差，就在产生该差值之前从TOF对中的最高信号减去基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值，或对TOF对中的最低信号加上基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值。由此获取经校正的差信号。因此使用一个或多个TOF对差信号来确定辐射的飞行时间可包括使用一个或多个经校正的差信号。
在根据本发明的实施例的方法中，确定辐射的飞行时间可包括计算分别在第一和第二时刻所取的形成TOF对的信号之间的差信号。在替代实施例中，该差信号可在像素内产生。
根据本发明的实施例的方法还可包括通过确定在TOF对内在第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间是否已经进行了相同量的电荷注入，来保持多次电荷注入的相对位置。这例如可通过双态存储器来执行。替代地，通过确定TOF对内的第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间的电荷注入的相对差，可实现保持多次电荷注入的相对位置。这可通过计数器来实现。
以这种方式，增强了噪声可靠性。
保持多次电荷注入的相对位置可在有限多个状态上循环若干次的同时执行。
根据本发明的实施例，将与注入电荷的幅值相对应的电压添加至TOF对中的最低信号的次数或从TOF对中的最高信号减去与注入电荷的幅值相对应的电压的次数可由用于保持多次电荷注入的相对位置的相对位置存储器中存在的多个状态来定义。在本发明的实施例中，此类相对位置存储器可包括周期性计数器，且可将二进制补码用于计数值的像素内减法，从而仅需要对计数值的一次测量，而无需两次测量。
该方法还可包括对提供测得积分信号的输出或提供形成TOF对的信号的一个或多个输出执行有效性检查。执行有效性检查可包括保持TOF对中的两个信号的多次电荷注入的相对位置。保持多次电荷注入的相对位置可包括确定直到取样时刻是否已经对TOF对中的两个信号进行了相同量的电荷注入。
在根据本发明的实施例的方法中，第二调制信号可包括与第一调制信号基本相同但时间偏移的调制。
在根据本发明实施例的方法中，向积分信号注入电荷可包括确定积分信号何时超过所述阈值，并且在积分信号超过所述阈值时注入电荷。
所接收的辐射可包括第一部分和第二部分，该第一部分是被场景反射的经调制辐射，而第二部分是背景辐射。
在第二方面中，本发明提供将根据第一方面的任一实施例的方法用于距离测量。
在第三方面中，本发明提供用于测量辐射的飞行时间的设备。该设备包括：辐射发射源；调制装置，用于响应于第一调制信号调制辐射发射源所发出的辐射；辐射接收机，用于接收辐射，所接收的辐射至少包括由场景所反射的经调制辐射；以及转换装置，用于将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号。该设备还包括混合装置，用于将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号。设置了例如选择器装置的调制信号改变装置，用于在一些时刻改变第一和/或第二调制信号。设置了积分装置用于对混合信号积分，从而产生积分信号。设置了电荷注入电路，用于当积分信号超过阈值时向积分信号添加电荷。该设备还包括：至少一个单检测器节点和相关联的存储器元件，用于从积分信号获取TOF对差信号；以及信号处理***，适于利用一个或多个TOF对差信号确定飞行时间辐射。
本发明诸实施例的特征为，为每个TOF对设置了单个检测器节点。一个或多个TOF对被用于确定飞行时间辐射。这些TOF对中的每一个可以但不一定在单独的检测器节点上被测量。
所接收的辐射可包括被场景反射的经调制辐射和背景辐射。
该存储器元件可具有可切换的极性符号。
信号处理***可包括数据重构逻辑，用于将TOF对差信号转换成有用的TOF输出数据。
该数据处理***，例如数据重构逻辑，可适于：只要对一TOF对获取比基本等于与来自TOF对中的最高信号的所添加电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值的一半大的该对信号之差，就在产生该差值之前从TOF对中的最高信号减去基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值，或对TOF对中的最低信号加上基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值。该信号处理***因此可适于提供经校正的差信号。该信号处理***还可适于利用这些经校正的差信号来确定辐射的飞行时间。
在本发明的实施例中，信号处理***可包括延迟锁定环(DLL)电路。产生TOF对差信号以确定可用于DLL回路的错误信号。从而该DLL的收敛输出将与所需的飞行时间延迟基本成比例。
积分信号可包括来自至少一个TOF对的至少一个信号。该设备还可包括相对位置存储器，该相对位置存储器适于对一TOF对信号确定在第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间是否已经进行了相同量的电荷注入。替代地，该设备可包括相对位置存储器，该相对位置存储器适于对一TOF对信号确定第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间的电荷注入次数的相对差。该相对位置存储器可包括周期性计数器，该计数器适于在总量状态上循环若干次，同时仍保持记录状态数量之差。
相对位置存储器可包括利用二进制补码的计数器。
该转换装置可包括用于将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号的光电检测器。
第二调制信号可包括与第一调制信号基本相同但时间偏移的调制。
电荷注入电路可包括用于将混合信号与阈值作比较的比较器，以及用于在积分信号超过阈值时将其重置的重置开关。
在另一方面中，本发明提供一种可用于确定TOF信息的像素内减法技术。根据该方面，本发明提供用于测量辐射的飞行时间的方法。该方法包括：响应于第一调制信号发出经调制辐射；将经调制辐射投影到一场景上；接收辐射，所接收的辐射至少包括被场景所反射的经调制辐射；将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号；将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号；在积分电容器上对混合信号积分，从而产生积分信号，该积分信号具有极性符号；在一个或多个预定时刻对第一和/或第二调制信号施加改变；通过改变积分电容器的极性，与这些预定时刻同步地改变积分信号的极性符号；测量积分信号的最终值以获取TOF对差信号；以及使用一个或多个TOF对差信号来确定辐射的飞行时间。
根据本发明的实施例的方法还可包括，当积分信号超过阈值时向积分信号注入电荷。
在又一方面中，本发明提供一种用于确定TOF信息的转换算法技术。根据该方面，本发明提供用于测量辐射的飞行时间的方法。该方法包括：响应于第一调制信号发出经调制辐射；将经调制辐射投影到一场景上；接收辐射，所接收的辐射至少包括被场景所反射的经调制辐射；将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号；将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号；对混合信号积分，从而产生积分信号；当积分信号超过阈值时，向积分信号注入电荷；在预定时刻测量积分信号，以获取TOF对差信号；只要对一TOF对获得比基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值的一半大的该对信号之差，就从该TOF对中的最高信号减去基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值，或给所述TOF对差加上基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值，从而获取经校正的差信号，以及使用一个或多个经校正的差信号来确定辐射的飞行时间。
本发明实施例的优点在于，基于TOF测量的测距方法和***相比现有技术方法和***有改进。
本发明的实施例的另一优点在于，提供了使用支持测距仪的2D阵列的小面积电路的基于TOF测量的测距方法和***，从而提供了用于许多应用的3D照相机。
本发明的实施例的优点在于，实现了具有高背景光衰减的集成电路，其保持高信噪比且仍实现3D照相机操作。
本发明的实施例的另一优点在于，它可能被组合到小电路中。
本发明的实施例可显示出一个或多个上述优点，但不一定显示出全部优点。一些实施例可能具有所有上述优点。
在所附独立和从属权利要求中陈述了本发明的具体和优选方面。来自从属权利要求的特征在适当时可与独立权利要求的特征组合，且可与其他从属权利要求的特征组合，而不仅如权利要求中明确陈述的那样。
因此，具体而言，本发明提供了一种用于测量辐射的飞行时间的方法，该方法包括：
响应于第一调制信号发出经调制辐射，
将经调制辐射投影到场景上，
接收辐射，所接收的辐射至少包括被场景反射的经调制辐射，
将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号，
将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号，
对混合信号积分，从而产生积分信号，
当积分信号超过阈值时，向积分信号注入电荷，
在一个或多个时刻对所述第一和/或第二调制信号施加改变，
在一个或多个时刻测量积分信号，从而获取至少一个TOF对差信号，该测量包括使用单个检测器节点和相关联的电容器来获取TOF对差信号，
通过只要TOF对差比基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值的一半大，就从TOF对差减去基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值，且只要TOF对差比基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值的负一半小，就给TOF对差加上基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值，获取经校正的TOF对差信号，以及
使用一个或多个经校正的TOF对差信号来确定辐射的飞行时间。
本发明还提供一种用于测量辐射的飞行时间的设备，该设备包括：
辐射发射源，
调制装置，用于响应于第一调制信号调制辐射发射源所发出的辐射，
辐射接收机，用于接收辐射，所接收的辐射至少包括由场景反射的经调制辐射，
转换装置，用于将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号，
混合装置(29)，用于将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号，
调制信号改变装置，用于在一些时刻改变第一和/或第二调制信号，
电容器，用于对混合信号积分，从而产生积分信号，
电荷注入电路，用于在积分信号超过阈值时向积分信号添加电荷，
至少一个单检测器节点和相关联电容器，用于根据其积分信号获得TOF对差信号，以及
信号处理***，
其中存在对该信号处理***的调整，该调整通过只要对一TOF对获得比基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值的一半大的信号对之间的差，就从TOF对差信号减去基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值，且只要对一TOF对获得比基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值的负一半小的信号对之间的差，就给TOF对差信号加上基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压的一倍或更多倍的值，提供了经校正的TOF对差信号，用于使用一个或多个经校正的TOF对差信号确定辐射的飞行时间。
本发明还提供一种用于测量辐射的飞行时间的方法，该方法包括：
响应于第一调制信号发出经调制辐射，
将经调制辐射投影到场景上，
接收辐射，所接收的辐射至少包括被场景反射的经调制辐射，
将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号，
将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号，
对混合信号积分，从而产生积分信号，
当积分信号超过阈值时，向积分信号注入电荷，
在一个或多个时刻对所述第一和/或第二调制信号施加改变，
在一个或多个时刻测量积分信号，从而获取至少一个TOF对差信号，该测量包括使用单个检测器节点和相关联的电容器来获取TOF对差信号，
通过执行像素内减法、通过与第一或第二调制信号变化的一个或多个时刻同步地改变积分装置的极性和/或对相对位置存储器(60，78，100)中的位进行二进制补码，获取经校正的TOF对差信号，以及
使用一个或多个经校正的TOF对差信号来确定辐射的飞行时间。
本发明还提供一种用于测量辐射的飞行时间的设备，该设备包括：
辐射发射源，
调制装置，用于响应于第一调制信号调制辐射发射源所发出的辐射，
辐射接收机，用于接收辐射，所接收的辐射至少包括由场景反射的经调制辐射，
转换装置，用于将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号，
混合装置，用于将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号，
调制信号改变装置，用于在一些时刻改变第一和/或第二调制信号，
电容器，用于对混合信号积分，从而产生积分信号，
电荷注入电路，用于在积分信号超过阈值时向积分信号添加电荷，
至少一个单检测器节点和相关联电容器，用于根据其积分信号获取TOF对差信号，以及
信号处理***，适于利用包含适于切换极性的电容器和/或适于对位取二进制补码的相对位置存储器的像素内减法来提供经校正的TOF对差信号，而且该极性切换与取二进制补码操作与改变第一和/或第二调制信号在时间上同步，用于利用一个或多个经校正的TOF对差信号确定辐射的飞行时间。
根据结合通过示例示出了本发明原理的附图进行的以下详细描述，本发明的上述和其他特性、特征以及优点将变得显而易见。给出该描述仅作为示例的目的，而不是为了限制本发明的范围。以下引用的参考图指的是附图。
附图简述
图1A示出具有大动态范围的现有技术标准图像传感器。
图1B示出图1A中示意性示出的传感器的输出信号。
图2A和图2B示出现有技术TOF传感器在不同的背景光强下的输出信号。
图3示意性地示出根据本发明一实施例的TOF传感器的实现方式。
图4示意性地示出根据本发明一实施例的未使用相对位置存储器的TOF传感器的实现方式。
图5示出图4中示出的该实现方式的输出信号。
图6示意性地示出根据本发明一实施例的具有双态相对位置存储器的TOF传感器的实现方式。
图7示出图6中示出的该实现方式的输出信号。
图8示出使用具有16个状态的相对位置存储器模块的另一实现方式。
图9A是根据本发明诸实施例的TOF处理块的一般流程图。
图9B是根据本发明诸实施例所使用的TOF成对转换的一般流程图。
图10示出允许积分电容器极性变化的电容积分电路。
在不同附图中，同一附图标记指示相同或相似元件。
具体实施方式
将相对于具体实施例并参照某些附图来描述本发明，但本发明不限于此，而是受所附权利要求限制。所描述的附图仅仅是示例性的而非限制性的。在附图中，出于说明目的，一些元件的大小可能被放大，而未按比例绘制。所示出的尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际还原。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等被用于区分相似元件，而不一定用于描述时间或空间上的等级上或其它方式上的顺序。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它顺序操作。
应注意，在说明书和权利要求中使用的术语“包括”应被解释为受限于下文中列出的含义；它不排除其它元件或步骤。因此它应当被解释为指定所指的所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤或部件或它们的组的存在或添加。因此，表达“包括装置A和B的设备”的范围不应受限于仅由部件A和B组成的设备。它表示相对于本发明，该设备的仅有相关特征是A和B。
类似地，应注意也在权利要求中使用的术语“耦合”不应被解释为仅受限于直接连接。可使用术语“耦合”和“连接”以及它们的派生词。应当理解的是，这些术语不意味着它们是彼此的同义词。因此，表达“耦合于设备B的设备A”的范围不应受限于设备A的输出直接连接至设备B的输入的设备或***。它表示在A的输出与B的输入之间存在一路径，该路径可以是包括其它设备或装置的路径。“耦合”可表示两个或多个元件直接物理或电接触，或两个或多个元件彼此不直接接触，而是彼此协作或相互作用。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的多个位置中短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定指的是同一实施例，但也可能是同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域技术人员根据本公开内容显而易见，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式组合。
类似地，应当理解的是，在本发明的示例实施例的上述描述中，本发明的多个特征有时在单个实施例、附图及其描述中被组合到一起，以将公开内容连成整体，并帮助理解多个发明方面中的一个或多个方面。然而，这种公开方法不应被解释为反映声明要求保护的本发明相比各个权利要求中明确陈述的特征而言需要更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映出来的那样，本发明少于以上公开的单个实施例的所有特征。因此，随详细说明书所附的权利要求在此明确地被包括到说明书中，其中各个权利要求独立作为本发明的单个实施例。
此外，如本领域技术人员将理解地，虽然本文中描述的一些实施例包括其它实施例中包括的一些但不是其它特征，不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并构成不同实施例。例如，在以下权利要求中，所要求保护的实施例中的任一个可在任何组合中使用。任一权利要求类别中的从属权利要求在适当时候可与任一权利要求类别的独立权利要求组合。
在本文提供的描述中，陈述了多个具体细节。然而，应当理解的是，可不通过这些具体细节来实施本发明的实施例。在其它实例中，未详细示出众所周知的方法、结构以及技术，以免混淆对本描述的理解。
以下术语仅供帮助理解本发明。
利用“飞行时间(TOF)测量”表示的是用于测量例如可见光或红外光的辐射以已知速度在未知距离上传播并到达检测器所花费的时间的测量方法。
利用“TOF对”表示的是在本发明的实施例中按时间顺序可任选地获取的一组2个信号，包含需要确定辐射的TOF所需的全部或部分TOF数据。
利用“TOF对差”表示的是TOF对中的信号之间的差别，还考虑了相对位置存储器(如果存在)的相关联输出值乘以重置电压的结果之间的差。
利用“重置电压”表示的是对应于注入电荷的幅值的电压。
利用“多次电荷注入的相对位置”表示的是电荷注入进行的次数之差。
现在将通过本发明的若干实施例的详细描述来描述本发明。显然，根据本邻域技术人员的知识，可构造本发明的其它实施例，而不背离由所附权利要求的术语所限定的本发明的技术示教。
将参照晶体管。这些晶体管是三端子器件，其具有诸如漏极的第一主电极、诸如源极的第二主电极以及用于控制第一与第二主电极之间的电荷流动的诸如栅极的控制电极。对本领域技术人员显而易见的是，本发明还可应用于以任何晶体管技术构造的类似器件，包括例如但不限于CMOS、BICMOS、双极和SiGe BICMOS技术。
此外，参照PMOS和NMOS晶体管为例说明了本发明的发现，但本发明的范围包括PMOS和NMOS晶体管分别变为NMOS和PMOS晶体管所凭借的互补器件。本领域技术人员可作出此类修改，而不背离如所附权利要求所限定的本发明的示教。
飞行时间(TOF)测量典型地依赖于将检测到的辐射反射与原始辐射的相移版本混合。这些可以是例如0°、180°、90°以及270°相移。通过计算相位信息I＝0°-180°和Q＝90°-270°，可从I/Q的反正切中得出距离信息。
代替借助时钟信号的相位来调制，本领域技术人员还可考虑发送伪随机比特流，然后与一组经延迟和/或反相的相同伪随机比特流混合。使用伪随机比特流(有时称为伪噪声)在文献中为本领域技术人员所知。
不论是基于伪随机噪声、基于多正弦波、基于方波还是其它，所有TOF测量技术的共同因素是它总是依赖于信号对差，类似于上述示例中I和Q的定义。在本文档的其余部分中，这种类型的信号对将被称为TOF对。
用于获取飞行时间的TOF对的数量可以不同，但需要至少一对。未在附图中示出的仅需要一个TOF对来获取TOF的像素的示例是本领域技术人员已知的其中信号处理***包括延迟锁定环(DLL)电路的像素。在这样的像素中，单个TOF对足以获取可用于DLL的回路中的误差信号。从而该DLL的收敛输出将与所需的飞行时间延迟基本成比例。
为了获取TOF对的有用差别信号而执行的减法可在不同层次上执行。这可在计算机或微处理器上、FPGA中、芯片上的额外电路中、甚至如稍后将在本文档中讨论的在像素中进行。
图3示出根据本发明的测距***的第一实施例。该测距***包括用于向场景55发光51的光源49，优选将光聚集到反射光的感兴趣区域上。该测距***进一步包括用于接收反射光的至少一个像素31。为了使光源49发射经调制光，设置了信号发生器43。该信号发生器43在节点48上产生第一时钟信号或调制信号，该信号优选以例如约10MHz的预定频率永久地振荡。该信号发生器43还产生分别被输送到节点44、45、46、47上的第二到第五时钟信号，第二到第五时钟信号与节点48上的第一时钟信号成0°、180°、90°以及270°的相位关系。本领域技术人员还可考虑在操作方案中使用其它或更多时钟相位，更多时钟相位以更长测量时间作为交换而产生更好测量精确度。替代地，代替借助时钟信号的相位来调制，本领域技术人员还可考虑发送伪随机比特流，然后与一组经延迟和/或反相的相同伪随机比特流混合。使用伪随机比特流(有时称为伪噪声)在文献中为本领域技术人员所知。在该情况下，建议使用伪随机模式代替第一和第二时钟信号，使用相同但按位反相的伪随机模式代替第三时钟信号，使用相同但延迟一位周期的伪随机模式代替第四时钟信号，以及使用相同但反相和延迟一位周期的伪随机模式代替第五时钟信号。
该信号发生器43还产生为调制信号改变装置确定改变调制信号的控制信号41，例如为选择器58确定在第二到第五时钟信号之间(即在时钟信号的不同相位之间)进行选择的控制信号41。选择器58在这四个相之间依次切换，从而将检测器和混合器级200中的混合器29的输入节点42与节点44、45、46以及47上的第二到第五时钟信号依次连接。在这些位置中的每一个处，选择器58可保持连接例如约1ms的驰豫周期。
缓冲器50驱动向场景55发射光51的光源49，光优选聚焦在感兴趣区域上。该光的一部分将被反射，从而产生反射光52。然后该反射光52到达诸如透镜56的光学聚焦***，通过该光学聚焦***在像素31内部的检测器28上成像或聚焦，其中入射部分被称为反射调制光(ML)27。
均源自辅助光源30的并非旨在用于TOF测量的间接光53和直接光54也将在该场景中存在，并入射到光学聚焦***56上从而聚焦在检测器28上。该光中进入检测器28的部分将被称为背景光(BL)26。产生BL的光源30包括白炽灯、TL灯、日照、日光，或该场景中存在的并非从用于TOF测量的光源49发出的任何其他光。本发明的目的是即使存在来自BL 26的信号的情况下也获取有效的TOF测量结果。
ML 27和BL 26入射到光检测器28上，并分别产生ML电流和BL电流，ML电流和BL电流是对入射BL 26和ML 27的光生电流响应。检测器28将这些电流输出至后续的混合装置，例如混合器29，用于将对入射BL 26和ML 27的电流响应与输入节点42上的相移时钟信号混合。如之前已陈述地，该BL 26引起的BL电流比接收用于TOF测量的ML 27引起的ML电流大高达6个数量级。
形成检测器和混合器级200的检测器28和混合器29也可被实现为单个器件，例如EP1513202A1中所述，在该单个器件中光生电荷被混合从而立刻产生混合结果电流。
检测器和混合器级200将利用相移时钟信号产生对入射BL 26和ML27的电流响应的混合结果，且这些信号借助例如利用电容器25实现的积分器在节点38上积分，该电容器25优选被保持较小，例如周围晶体管的寄生电容。在积分期间，对积分器节点38上的混合器输出信号进行自动重置。
这可例如通过比较器33触发例如重置晶体管32的重置开关来实现，从而只要节点38上的混合器输出信号到达基准值Vref时它都被自动重置，因而避免饱和。
在未在附图中示出的替代实施例中，对积分器节点38上的混合器输出信号的自动重置可按照若干其他方法来实现。其中一种是触发电荷泵而不是重置开关32，以向电容器25添加固定量的电荷，从而以更高复杂度的代价实现较好的噪声性能。
形成混合器输出信号的混合结果以与调制信号改变装置同步的序列形式可用，该装置在示例说明的选择器58中的积分器节点38处。例如缓冲器的输出驱动电路24提供基本为1的电压增益以及电流放大，以便于在输出节点23处提供更强的输出信号。
在曲线图59中，示出了节点23处的输出信号的示例。曲线62对应于输出节点34处的输出信号的电压演变与时间的关系。平均BL分量26和平均ML 27被认为在获取期间恒定。
在第一驰豫周期34期间，选择器58被连接至节点44。来自检测器28的输入信号(对BL 26和ML 27的响应)的混合是利用节点44处的第二时钟信号完成的，该第二时钟信号是驱动光源49的第一时钟信号的0°偏移版本。因此节点38处的混合器输出信号将由BL分量和0°混合ML输出来确定。下一驰豫周期35从通过选择器58将输入节点42连接至节点45开始。从那时起，以180°相位差驱动混合器29。因此，其输出将由相同的BL分量和180°混合输出来确定。相位90°和270°随后在后续的驰豫周期36和37中分别被相似地处理。
飞行时间数据重构块39使用输出节点23处的输出信号来测量(例如通过取样)每个驰豫周期34、35、36、37的最终值(也称为相位间隔)。该数据被归组为TOF对，例如(0°，180°)和(90°，270°)。TOF数据重构块39用于将裸像素信号转换成有用的飞行时间输出40。
如本文档中稍后说明地，这有时包括转换步骤和/或验证步骤。在本发明的诸实施例中，该重构块可由两个可能的部件构成：相对位置存储器60，在本发明的实施例中可以是像素内的相对位置存储器60；以及处理块61，在本发明的实施例中可以是像素外的信号处理块61。信号处理块61可按照任何合适的方法实现，例如在像素内、芯片上、在微处理器中、DSP中、在FPGA中、在软件层次上，甚至根据应用可分发和扩散在各种层次上，例如部分在芯片上、部分在FPGA中以及部分在PC上的软件层次。
依次测量TOF数据是一个TOF对内的信号所需的。当使用一个以上TOF对时，这些不同的TOF对可利用两个像素31来并行地测量，在一些情况下甚至部分地共享混合器29、检测器28或这二者。在图3中所示实施例中，从信号46和47发出的TOF对例如可在额外电路中实现，该额外电路以额外硅面积为代价允许对两个TOF对的并行获取以及获取对快速背景和经调制光变化的更多可靠性。将该实施例的部分或全部加倍以并行地获取其它TOF数据可能还进一步需要后续的后处理块来补偿可能在不同电路之间存在的不匹配。
在图4中，示出了本发明的替代实施例，其在飞行时间数据重构块39中仅使用信号后处理块61。当假定相位或驰豫周期34、35、36、37中的每一个在被取样时已经经历相等次数的自动重置时，可通过将在驰豫周期34和35末尾获取的测量结果之差除以在驰豫周期36和37末尾获取的该差并取反正切来获取由光的TOF引起的相位延迟的所需测量结果。可进一步假定缓慢变化的BL信号26对四个驰豫周期的影响相同，因此即使在大BL信号存在的情况下，它被自动重置抵消，且有效TOF数据保持可测量。因此，根据本发明的诸实施例，TOF信息根据对驰豫周期末尾的输出的计算而直接得到。该技术将被称为等同重置技术。
然而，该技术仅可在相等次数的重置在多个驰豫周期期间发生的情况下使用，但该情况是无法保证的，因为它取决于入射到光检测器28上的光的量。
在图5中，信号66和67是TOF对的信号，它们按时间顺序测量，但出于说明目的被绘制在同一曲线图上。可以看出，当在第一取样周期末尾(例如时刻t取样)取样时，等同重置技术将输出该TOF对的正确差值62。然而，当在第二取样周期末尾(例如时刻t取样2)取样时，信号66和67已经过了不同次数的重置，因此所获取的差信号69是错误的，从而导致错误的TOF计算。因此，根据取样周期的长度，所获取的差信号可能是正确或错误的。
在图5中可进一步看出，标记第一和第二输出信号66、67的重置次数不同的时间的间隔68的长度与标记第一和第二输出信号66、67的重置次数相同的时间的第二间隔89的长度的关系与TOF对差信号的幅值成比例。因此，如果所计算的TOF对差信号62相对于重置电压65较小，则在相关驰豫周期与有效TOF对测量期间的重置次数相等的几率高。
为确保有效输出，在如上所述对TOF对的取样和分组之后，可在信号后处理块61中实现输出数据有效性测试，以标识错误TOF测量结果并用最新的已知良好测量结果或周围有效像素的平均值替代这些错误测量结果。有效性测试的示例是检查0°和180°的平均值是否基本等于90°和270°的平均值。
可利用在像素内实现TOF对减法的本发明的另一实施例来实现对输出值的正确性添加更多确定性。这可通过实现能切换极性从而切换积分符号的电容器来实现。当使用此类电容器时，如果在将调制从TOF对中的第一信号改变至TOF对中的第二信号时极性被切换，则在第二积分结束时可例如通过取样测量TOF对差的测量结果。本技术的优点在于，因为已在像素中进行减法，所以仅需要进行一次测量而不是两次测量来获取一个飞行时间对差。
此类极性可切换电容器电路809的示例在图10中示出。该电路包括桥式电路，该桥式电路包括两个并联支路，这两个并联支路分别具有两个串联晶体管801、803和802、804，在本发明的实施例中，这两个并联支路在基准电压V基准与检测器和混合器级200的混合器输出之间并联耦合。晶体管801、803-802、804用作确定电容器805上的电压极性的开关，该电容器805耦合在桥式电路的支路之间，且与V基准以及检测器和混合器级200相关。当PMOS晶体管801和NMOS晶体管804接通即导通，且PMOS晶体管802和NMOS晶体管803断开即不导通时，电容器805如图10中附图标记807所示地连接。当PMOS晶体管801和NMOS晶体管803接通即导通，且PMOS晶体管802和NMOS晶体管804断开即不导通时，电容器805如图10中附图标记808所示地连接。晶体管801、802、803以及804的控制电极(例如栅极)的信号被控制成使晶体管如所描述的操作要求地导通或不导通。由于当从一种情形切换到另一情形时电容器805上的电荷基本被保持，已积累电荷的符号被切换。电压V基准优选被选择于电压范围的中部，因为这允许相等的正和负积分范围。
使用此类像素内减法的缺点在于，由于电路中存在寄生电容，因此减法不完美。此外，执行减法的电容器，例如用于可切换电容器电路809中的电容器805典型地大于用于图4中所示实施例的电容器25。这需要更大硅面积，且产生更糟的信噪比。然而，在许多情况下，相对于所获取的改进，该缺点无关紧要。该技术将被称为像素内减法技术。此外，如果要测量的TOF对差信号超过重置电压65的一半，该技术仍会失败。
根据本发明的实施例的另一技术通过对输出实现转换算法来改善等同重置技术，该技术可在信号处理块61中执行。该转换可首先拟定如下：只要TOF对差大于重置电压65的一半，就减去重置电压65，当该信号小于重置电压65的负一半时，加上重置电压65，由此获取经校正的差电压。在图5中这被示为：在t取样2，测得的TOF对差69大于重置电压65的一半，因此从曲线66减去重置电压65，从而得到曲线63和正确的TOF差值64。因此，当要测量的TOF对差信号小于重置电压65的一半时，该转换才有效。此外，重置电压65的幅值必须已知。本领域技术人员可想出测量重置电压65的若干方法，或在校准期间测量一次或在运行时重复，或使用光生电流，或使用内部生成的电流。与前面的技术一样，在存在大背景光信号的情况下测量TOF仍是可能的。优点在于，如果差信号保持在约束内，则即使存在高背景光分量，测量结果的有效性也不会有更多不确定性，同时仍然使用小电容25来获取更高信噪比。该技术将被称为转换算法技术。
本发明的所有上述实施例允许理论上无限的BL抑制。然而，当背景光信号变得高到使成比例引起的散射噪声幅值达到或超过上述技术的差幅值约束时，操作仍然失败。因此这些约束变成对可被***成功抑制的背景光量的限制。此外，取平均——这在此类高噪声饱和下是高度需要的，因为它补偿降低的信噪比——变得不可能或非常不可信。1kW/m2的背景光信号的散射噪声幅值的计算达到1.58V(使用具有以下特定参数的典型***：刷新率＝25fps、透镜孔径＝1cm、场景中的检测器面积＝1dm2、光响应度＝0.4A/W、检测器电容＝10fF、目标反射率＝0.8)。这与重置电压65的数量级相同，其典型值为1V，从而在转换算法技术的情况下，由于两个TOF对信号之间的重置之差或由于错误的转换，该噪声将破坏输出的TOF对差。因为本发明的目的还在于能处理上述背景光情况，所以在具体实施例中，提供了更多部件以使该***能处理这些较高背景光信号和它们引起的噪声。
根据本发明的实施例，这可通过添加相对位置存储器模块60来实现。该模块使用包括晶体管、触发器、反相器、电容器等的电路来记忆TOF信号对中的信号之间的相对重置次数。利用该模块，约束被展宽且可重新阐述如下：TOF对差信号幅值必须保持低于重置电压65的一半乘以相对位置存储器模块的状态数量，以便于使所得的TOF信息如下所述地可修正。
具有两个状态的相对位置存储器模块的第一示例在图6中表示为框78。当比较器33在其输出节点57输出低电压脉冲以重置例如电容器25的积分器装置时，使得例如PMOS晶体管76的第一开关76导通，从而将反相器74的输出传递至例如电容器73的存储器元件73。当比较器33的输出节点57返回至高态时，使得第一开关76不导通且例如NMOS晶体管77的第二开关77导通，从而将存储在存储器元件73上的信号传导至反相器74的输入端75，从而使其切换状态。在下一次自动重置时，反相器74将再次切换状态。该实现方式所产生的瞬态输出信号在图7中示出。信号85和86是TOF对的信号，它们按时间顺序测量，但出于说明目的被绘制在同一曲线图上。信号82和83是相对位置存储器78的反相器74的输出节点72处呈现的反相器信号的相应输出曲线，分别对应于85和86。可以看出，取样时刻t取样时的差信号值80大于重置电压84的一半。在不考虑相对存储器模块曲线82和83的情况下，转换算法技术会用产生差信号81的扩展曲线87替代输出信号86，这将导致错误的飞行时间测量结果。给出与直至时刻t取样时已发生的重置的相对次数有关的信息的曲线82和83表明二者的重置次数相等。利用该信息，TOF重构逻辑39将确定不需要扩展曲线或减去重置电压，从而输出正确的差信号80。这在一定程度上有帮助，但要测量的差信号以及噪声必须被保持为低于重置电压65。因此关于上述实施例，该约束限制被加倍。考虑1V的普通重置电压65，该改进实施例仍不能解决在该示例中提到的噪声水平。
使用16状态相对位置存储器模块100的实现方式在图8中示出。在此相对位置存储器模块是4位周期性数字计数器，该计数器在每次电路自动重置时加1。因为该计数器是周期性的，所以即使大BL信号26使计数器在完整周期上循环若干次，TOF对中的成员之间的相对重置次数也会被保持。以此方式，计数器仅记录TOF对中的信号之间的重置次数的相对差，而不记录假定对于TOF对中的信号相等的BL信号的相对差。因此，使用很少位已得到所需改进，从而限制了实现此类计数器所需的衬底面积。在使用16状态的情况下，对要测量的差信号的约束被增大至重置电压65的8倍。转换算法技术的转换规则集合变为：只要TOF对中的差高于重置电压65的8倍，就必须减去重置电压65的16倍，当其小于重置电压65的负8倍，则必须加上重置电压65的16倍。例如(重置电压65被选择为1V)：对于TOF对的第一测量结果，计数器输出给出15且输出信号23的取样值呈现0.2V的电压降，第二测量结果给出计数器输出为2，且取样输出信号为0.7V。重置电压乘以计数器输出加上取样值的结果对于第一测量为15*1V+0.7V＝15.7V，而对于第二测量为2*1V+0.2V＝2.2V。差值15.7V-2.2V＝13.5V比重置电压的8倍大，因此执行该转换将产生经修正的TOF对差：15.7V-2.2V-16*1V＝-2.5V，这重新在实际TOF对信号幅值在其界限内的假定中，如上述限制所限定。
如果考虑1V的典型重置电压，则利用该16状态存储器模块，该***可处理高达8V的信号波动。如之前所计算地，如果对于该实施例重新考虑1.58V的电压噪声，则可声明该电路能如示例情形中所指定地处理和平均化背景光及其伴生噪声。
相对位置存储器的上述实现仅仅是示例。也可使用具有不同数量状态的其它相对位置存储器。一般规则是：只要TOF对中的差高于重置电压的预设倍数，其中预设倍数等于相对位置存储器的状态数的一半，在本发明的实施例中更具体地是相对位置存储器的计数器的状态数的一半，则必须减去存储器状态数乘以重置电压的乘积，当该差小于重置电压的负预设倍数时，必须加上存储器状态数乘以重置电压的乘积。此外，实际TOF对差的测量范围受限于该预设倍数乘以重置电压。
此外，像素内减法技术可以相同的方式受益于相对位置存储器的实现方式。在这里，该约束也乘以相对位置存储器中的状态数。
在该技术中，当使用周期性数字计数器时，优选实现本领域公知的二进制补码。取计数器的二进制补码使计数器值相反并减1。当如上所述地使电容器值相反时，如果对计数器值取二进制补码以使计数器值相反并减1，从而看上去从那时起倒计数，则对电容器值和计算器值二者均实现了像素内减法，从而在测量结束时仅计数器和电容器值之一的测量结果是必须的，而非二者都必须。
在本发明的实施例中，上述技术的组合是可能的，且可由本领域技术人员想到，诸如仅实现电容器值的像素内减法而不实现计数器的像素内减法，反之亦然。
本领域技术人员可想到若干其它相对位置存储器模块，诸如3状态模糊逻辑、线性反馈移位寄存器(LFSR)等。
在上述示例中，假定BL和有用光在依次测量的信号上保持恒定。当该假定无效时，例如BL或ML存在快速变化，则如上所述的该技术将不能满足良好的TOF测量。根据本发明的实施例，可通过并行地放置根据本发明的实施例的用于测量辐射的TOF的若干器件来解决这一问题。例如，当使用本发明的4个并行实施例时，第一个按顺序测量0°、90°、180°、270°，第二个按顺序测量90°、180°、270°、0°，第三个按顺序测量180°、270°、0°、90°，以及第四个按顺序测量270°、0°、90°、180°，本领域技术人员可想出若干种方法来充分利用来自这4个测量结果的额外信息来实现对快速BL和ML变化的更好免疫性。
取决于目标应用，可使用具有或不具有相对位置存储器模块的电路。不具有相对位置存储器模块的实施例具有的优点在于，它们使用较小硅面积，且可处理大的BL信号，但由于对BL引起的噪声的容限有限而仍有局限性。具有相对位置存储器模块的实施例使用较大的硅面积，且具有使基本上由BL引起的所有噪声都可忍受的优点，从而产生实际上无限的BL容限。
在图9A中，示出了根据本发明的实施例的TOF处理块61的一般流程图。
虽然在该处理块中可能包括许多其它步骤，但附图和说明书被保持受限于对说明本发明有用的块。本领域技术人员了解其它处理步骤，例如取平均、滤波、执行、转换……。
处理块中的第一步骤是获取或测量TOF信号，这是通过例如对输出信号取样，然后再使用一个以上TOF对的情况下对TOF对信号分组(902)来完成的。此外，如果尚未在像素内完成，则减去每个TOF对中的信号以获取相关TOF对差信号(920)。在该减法操作中，也考虑相对位置存储器(如果存在)的输出。接着，任选地，如果需要，则在需要时对每个TOF对执行转换(904)。在此之后，可任选地进行TOF数据有效性检查(906)。如果有效性检查(906)表明输出有效，则可计算并输出TOF(步骤908)，否则可输出替代值(步骤910)，例如周围像素的平均值或错误的测量错误信号。
在一些配置中，处理块不直接计算TOF，而是使用经处理数据作为回路(例如DLL)中的错误信号，因此在该情况下，许多TOF对差信号用于帮助回路收敛，从而给出距离。
在图9B中，示出了用于一个TOF对的如转换算法技术中所使用的转换步骤904的一般流程图。总摆幅由模拟输出23的总摆幅限定，且如果存在相对位置存储器，则该总摆幅被增加该相对位置存储器中的状态数乘以重置电压的乘积。该转换的一般公式化为：当考虑可能存在的相对位置存储器的输出时的测得TOF对中的差高于总摆幅的一半时，减去总摆幅，而当该差小于总摆幅的负一半时，加上总摆幅。
在利用该转换的***中，为了正确地区分，要测量的差信号必须小于总摆幅的一半。
应理解，虽然在本文中已经针对根据本发明的的器件讨论了优选实施例、具体构造和配置以及材料，但可作出形式和细节上的各种改变或修改，而不背离如所附权利要求所限定的本发明的范围。例如，在所示实施例中，光源49由时钟信号驱动，且在不同的驰豫周期期间，所检测到的辐射与该时钟信号的相移版本混合。在替代实施例中，在不同的驰豫周期上，光源可由相对于原始时钟信号相移的时钟信号驱动，而所检测的信号与原始时钟信号混合。
此外，以上给出的任何公式仅表示可使用的程序。可向框图中添加功能或从框图删除功能，且操作在功能块之间是可互换的。可对所描述的方法添加或删除步骤，而仍在本发明的范围内。

Claims (26)

1.一种用于测量辐射的飞行时间的方法，所述方法包括：
响应于第一调制信号发出经调制辐射(51)，
将所述经调制辐射(51)投影到一场景(55)上，
接收辐射，所接收的辐射至少包括被所述场景(55)反射的经调制辐射，
将所接收的辐射(26、27)转换成辐射引起的电信号，
将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号，
对所述混合信号积分，从而产生积分信号，
当所述积分信号超过阈值时，向所述积分信号注入电荷，
在一个或多个时刻对所述第一和/或第二调制信号施加改变，
在一个或多个时刻测量所述积分信号，从而获取至少一个TOF对差信号，所述测量包括使用单个检测器节点和相关联的电容器来获取TOF对差信号，
通过只要所述TOF对差比基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值的一半大，就从所述TOF对差减去基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值，且只要所述TOF对差比基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值的负一半小，就给所述TOF对差加上基本等于与所注入电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值，来获取经校正的TOF对差信号，以及
使用一个或多个经校正的TOF对差信号来确定辐射的飞行时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对于一个TOF对，确定在第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间是否已经进行了相同次数的电荷注入。
3.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括：对于一个TOF对，通过确定第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间的电荷注入次数的相对差来保持多次电荷注入的相对位置。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，未使用相对位置存储器元件(60，78，100)，藉此基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值等于该电压(65)。
5.如权利要求1到3中的任一项所述的方法，其特征在于，基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值等于所述相对位置存储器(60，78，100)中的状态数乘以该电压(65)的乘积。
6.如权利要求2、3和5中的任一项所述的方法，其特征在于，在相对位置存储器(60，78，100)的有限数量状态上循环若干次的同时，保持多次电荷注入的相对位置。
7.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括对经校正的TOF对信号中的飞行时间信息进行有效性检查。
8.一种用于测量辐射的飞行时间的设备，所述设备包括：
辐射发射源(49)，
调制装置，用于响应于第一调制信号调制所述辐射发射源(49)所发出的辐射(51)，
辐射接收机(56，28)，用于接收辐射，所接收的辐射至少包括由场景反射的经调制辐射，
转换装置(28)，用于将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号，
混合装置(29)，用于将所述辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号，
调制信号改变装置(58)，用于在一些时刻改变所述第一和/或第二调制信号，
电容器(25)，用于对所述混合信号积分，从而产生积分信号，
电荷注入电路(33，25，32)，用于在所述积分信号超过阈值时向所述积分信号添加电荷，
至少一个单检测器节点和相关联电容器(25)，用于根据其积分信号获取TOF对差信号，以及
信号处理***(39)，
其中存在对所述信号处理***(39)的调整，该调整通过只要对于一TOF对获取比基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值的一半大的所述信号对之间的差，就从所述TOF对差信号减去基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值，且只要对于一TOF对获取比基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值的负一半小的所述信号对之间的差，就给所述TOF对差信号加上基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值，来提供经校正的TOF对差信号，
用于利用一个或多个经校正的TOF对差信号确定辐射的飞行时间。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括相对位置存储器，所述相对位置存储器适于对于一TOF对信号确定在第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间是否已经进行了相同量的电荷注入。
10.如权利要求8或9所述的设备，其特征在于，还包括相对位置存储器，所述相对位置存储器适于对于一TOF对信号确定第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间的电荷注入次数的相对差。
11.如权利要求8所述的设备，其特征在于，基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的所述值等于电压(65)。
12.如权利要求8到10中的任一项所述的设备，其特征在于，基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的所述值等于所述相对位置存储器(60，78，100)中的状态数乘以该电压(65)的乘积。
13.如权利要求8到12中的任一项所述的设备，其特征在于，所述相对位置存储器包括周期性计数器，所述周期性计数器适于在其总数量的状态上循环若干次，同时保持记录状态数之差。
14.如权利要求8到13中的任一项所述的设备，其特征在于，所述相对位置存储器包括使用二进制补码的计数器。
15.一种用于测量辐射的飞行时间的方法，所述方法包括：
响应于第一调制信号发出经调制辐射(51)，
将所述经调制辐射(51)投影到一场景(55)上，
接收辐射，所接收的辐射至少包括被所述场景(55)反射的经调制辐射，
将所接收的辐射(26、27)转换成辐射引起的电信号，
将辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号，
对所述混合信号积分，从而产生积分信号，
当所述积分信号超过阈值时，向所述积分信号注入电荷，
在一个或多个时刻对所述第一和/或第二调制信号施加改变，
在一个或多个时刻测量所述积分信号，从而获取至少一个TOF对差信号，所述测量包括使用单个检测器节点和相关联的电容器来获取TOF对差信号，
通过执行像素内减法、通过与所述第一或第二调制信号变化的一个或多个时刻同步地改变所述积分装置的极性和/或对相对位置存储器(60，78，100)中的位进行二进制补码，来获取经校正的TOF对差信号，以及
使用一个或多个经校正的TOF对差信号来确定辐射的飞行时间。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：通过确定在TOF对内在第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间是否已经进行了相同量的电荷注入，来保持多次电荷注入的相对位置。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，还包括：通过确定第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间的电荷注入次数的相对差来保持多次电荷注入的相对位置。
18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，在有限数量状态上循环若干次的同时，保持多次电荷注入的相对位置。
19.如权利要求15到18中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括对提供形成TOF对的测得积分信号的输出进行有效性检查。
20.如权利要求15到19中的任一项所述的方法，其特征在于，仅进行一次测量以获取TOF对差信号。
21.一种用于测量辐射的飞行时间的设备，所述设备包括：
辐射发射源(49)，
调制装置，用于响应于第一调制信号调制所述辐射发射源(49)所发出的辐射(51)，
辐射接收机(56，28)，用于接收辐射，所接收的辐射至少包括由场景反射的经调制辐射，
转换装置(28)，用于将所接收的辐射转换成辐射引起的电信号，
混合装置(29)，用于将所述辐射引起的电信号与第二调制信号混合，从而产生混合信号，
调制信号改变装置(58)，用于在一些时刻改变所述第一和/或第二调制信号，
电容器(25)，用于对所述混合信号积分，从而产生积分信号，
电荷注入电路(33，25，32)，用于在所述积分信号超过阈值时向所述积分信号添加电荷，
至少一个单检测器节点和相关联电容器(25)，用于根据所述积分信号获取TOF对差信号，以及
信号处理***(39)，适于利用包含适于切换极性的电容器和/或适于对位取二进制补码的相对位置存储器(60，78，100)的像素内减法来提供经校正的TOF对差信号，而且所述极性切换与取二进制补码操作与所述第一和/或第二调制信号在时刻上同步，
用于利用一个或多个经校正的TOF对差信号确定辐射的飞行时间。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，还包括相对位置存储器，所述相对位置存储器适于对于一TOF对信号确定在第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间是否已经进行了相同量的电荷注入。
23.如权利要求21或22所述的设备，其特征在于，还包括相对位置存储器，所述相对位置存储器适于对于一TOF对信号确定第一时刻的积分信号测量与第二时刻的积分信号测量之间的电荷注入次数的相对差。
24.如权利要求21到23中的任一项所述的设备，其特征在于，所述相对位置存储器包括周期性计数器，所述周期性计数器适于在其总数量的状态上循环若干次，同时保持记录状态数之差。
25.如权利要求22到24中的任一项所述的设备，其特征在于，所述信号处理***(39)适于，只要对于一TOF对获取比基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值的一半大的所述信号对之间的差，就从所述TOF对差信号减去基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值，且只要对于一TOF对获取比基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值的负一半小的所述信号对之间的差，就给所述TOF对差信号加上基本等于与所添加电荷的幅值相对应的电压(65)的一倍或更多倍的值，从而提供经校正的TOF对差信号，且其中所述信号处理***(39)适于使用一个或多个经校正的差信号来确定辐射的飞行时间。
26.如权利要求21到25中的任一项所述的设备，其特征在于，所述相对位置存储器包括使用二进制补码的计数器。
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