低功率范围成像相机的谐振调制.pdf

一种幅度调制的连续波范围成像设备具有配置为发射强度调制的照明信号的信号传输设备。图像传感器被配置为捕获经调制的照明信号的反射的多个图像，所捕获的图像包括该图像传感器的多个像素的强度分量和/或相位分量。每个像素包括具有第一电容组件的第一调制端。第一驱动器被配置为对多个像素的第一组调制端充电。第二驱动器被配置为对所述多个像素的第二组调制端充电。电荷转移电路连接在第一组调制端和第二组调制端之间。所述电荷转移电路被配置为在第一组调制端和第二组调制端之间转移电荷。

权利要求书
1.  一种幅度调制的连续波范围成像设备，包括：
信号传输设备，发射强度调制的照明信号；
图像传感器，接收调制的照明信号的反射，该图像传感器包括多个像素，每个像素包括多个电容区域，其中所述多个像素被配置为捕获经反射的调制的照明信号的多个图像，所捕获的图像包括强度和/或相位分量；
多个驱动器，每个驱动器被配置为驱动多个像素中的每一个的相应的电容区域；
至少一个电感器，连接在所述多个像素的电容区域之间以形成谐振电路；以及
处理器，确定所发射的强度调制的照明信号和在所述多个电容区域中的每一个中所捕获的图像之间的相移。

2.  根据权利要求1所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器包括串联连接的多个电感器，并且
其中，所述多个电感器通过多个开关连接。

3.  根据权利要求2所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述处理器被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。

4.  根据权利要求1所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器包括并联连接的多个电感器，并且
所述多个电感器通过多个开关连接。

5.  根据权利要求4所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述处理器被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。

6.  根据权利要求1所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器是可变电感器。

7.  根据权利要求6所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述处理器被配置为控制所述可变电感器的电感。

8.  根据权利要求1所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，连接在所述多个像素的电容区域之间的所述至少一个电感器被 连接在所述多个像素的第一组电容区域和所述多个像素的第二组电容区域之间，并且其中，第一组和第二组是互斥的。

9.  一种幅度调制的连续波范围成像设备，包括：
多个信号传输设备，每一个信号传输设备发射强度调制的照明信号；
图像传感器，接收经调制的照明信号的反射，该图像传感器包括多个像素，每个像素包括多个电容区域，其中所述多个电容区域中的每一个被配置为捕获所反射的由所述多个信号传输设备中的一个发射的经调制的照明信号的多个图像，所捕获的图像包括强度和相位分量；
多个驱动器，每个驱动器被配置为驱动多个像素中的每一个的相应的电容区域；
至少一个电感器，连接在所述多个像素的电容区域之间以形成谐振电路；以及
处理器，确定所发射的强度调制的照明信号和在所述多个电容区域中的每一个所捕获的图像之间的相移。

10.  根据权利要求9所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器包括串联连接的多个电感器，并且
所述多个电感器通过多个开关连接。

11.  根据权利要求10所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述处理器被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。

12.  根据权利要求9所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器包括并联连接的多个电感器，并且
其中，所述多个电感器通过多个开关连接。

13.  根据权利要求12所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述处理器被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。

14.  根据权利要求9所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器是可变电感器。

15.  根据权利要求14所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述处理器被配置为控制所述可变电感器的电感。

16.  根据权利要求9所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，连接在所述多个像素的电容区域之间的所述至少一个电感器被连接在所述多个像素的第一组电容区域和所述多个像素的第二组电容区域之间，并且其中，第一组和第二组是互斥的。

17.  一种幅度调制的连续波范围成像设备，包括：
信号传输设备，发射强度调制的照明信号；
多个图像传感器，接收经调制的照明信号的反射，每个图像传感器包括多个像素，其中每个图像传感器被配置为捕获所反射的调制的照明信号的多个图像，所捕获的图像包括强度和相位分量；
多个驱动器，每个驱动器被配置为驱动所述多个图像传感器中的相应的一个；
至少一个电感器，连接在所述多个图像传感器之间以形成谐振电路；以及
处理器，确定所发射的强度调制的照明信号和所捕获的图像之间的相移。

18.  根据权利要求17所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器包括串联连接的多个电感器，并且
其中，所述多个电感器通过多个开关连接。

19.  根据权利要求18所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述处理器被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。

20.  根据权利要求17所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器包括并联连接的多个电感器，并且
其中，所述多个电感器通过多个开关连接。

21.  根据权利要求20所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述处理器被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。

22.  根据权利要求17所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，所述至少一个电感器是可变电感器。

23.  根据权利要求17所述的幅度调制的连续波范围成像设备，
其中，在所述多个图像传感器之间以形成谐振电路的所述至少一个电感器被连接在所述多个图像传感器的第一组图像传感器和所述多个图像 传感器的第二组图像传感器之间，并且其中，第一组和第二组是互斥的。

24.  一种幅度调制的连续波范围成像方法，该方法包括：
发射调制的照明信号；
在图像接收器上接收经调制的照明信号的反射；
在图像传感器上捕获反射的多个图像，其中，所述多个图像包括图像传感器的多个像素的强度分量和相位分量，并且其中，每个像素包括具有第一电容组件的第一调制端；
为所述多个像素的第一组调制端充电；
使用来自像素的第一组调制端的部分电荷为所述多个像素的第二组调制端充电，其中，第一组和第二组是互斥的；以及
确定经调制的照明信号和在所述多个像素中的每一个所捕获的图像之间的相移。

25.  根据权利要求24所述的方法，其中所述多个像素中的每一个还包括具有第二电容组件的第二调制端，其中所述第一组调制端包括所述多个像素中每一个的第一调制端，并且其中所述第二组调制端包括所述多个像素中每一个的第二调制端。

26.  根据权利要求25所述的方法，其中使用连接在第一组调制端和第二组调制端之间的电荷转移电路将来自第一组调制端的部分电荷转移到第二组调制端。

27.  根据权利要求26所述的方法，其中电荷转移电路包括电感器，并且为第二组调制端充电包括通过所述电感器从第一组调制端向第二组调制端转移电荷。

28.  根据权利要求26所述的方法，还包括：
改变连接所述第一组调制端和所述第二组调制端的电荷转移电路的配置。

29.  根据权利要求28所述的方法，其中改变电荷转移电路的配置包括启用一开关或停用一开关。

30.  根据权利要求28所述的方法，其中改变电荷转移电路的配置包括启用多个开关或停用多个开关。

31.  根据权利要求25所述的方法，还包括：
使能第一驱动器对第一组调制端充电；
使能第二驱动器对第二组调制端充电；
禁止第一驱动器对第一组调制端充电；以及
禁止第二驱动器对第二组调制端充电。

32.  一种编码有用于幅度调制的连续波范围成像的计算机程序代码的非临时性计算机可读介质，所述程序代码包括用于以下的指令：
促使发射经调制的照明信号；
促使图像传感器捕获经调制的照明信号的反射的多个图像，其中，所述图像包括图像传感器的多个像素的强度分量和/或相位分量，并且其中，每个像素包括具有第一电容组件的第一调制端；
促使第一驱动器对第一组调制端充电；
促使第二驱动器对第二组调制端充电，其中所述第二组调制端也通过来自所述第一组调制端的部分电荷充电；以及
确定经调制的照明信号和在所述多个像素中的每一个所捕获的图像之间的相移。

33.  根据权利要求32所述的计算机可读介质，其中多个像素中的每一个还包括具有第二电容组件的第二调制端，其中所述第一组调制端包括所述多个像素中每一个的第一调制端，并且其中所述第二组调制端包括所述多个像素中每一个的第二调制端。

34.  根据权利要求33所述的计算机可读介质，其中所述计算机程序代码还包括用于以下的指令：
改变连接第一组调制端和第二组调制端的电荷转移电路的配置。

35.  根据权利要求34所述的计算机可读介质，其中改变电荷转移电路的配置包括启用一开关或停用一开关。

36.  根据权利要求34所述的计算机可读介质，其中改变电荷转移电路的配置包括启用多个开关或停用多个开关。

37.  根据权利要求33所述的计算机可读介质，其中所述计算机程序代码还包括用于以下的指令：
使能第一驱动器对第一组调制端充电；
使能第二驱动器对第二组调制端充电；
禁止第一驱动器对第一组调制端充电；以及
禁止第二驱动器对第二组调制端充电。

38.  一种幅度调制的连续波范围成像设备，包括：
信号传输设备，配置为发射强度调制的照明信号；
图像传感器，配置为捕获经调制的照明信号的反射的多个图像，其中所捕获的图像包括该图像传感器的多个像素的强度分量和/或相位分量，其中每个像素包括具有第一电容组件的第一调制端；
第一驱动器，配置为对多个像素的第一组调制端充电；
第二驱动器，配置为对所述多个像素的第二组调制端充电，其中，第一组和第二组是互斥的；
电荷转移电路，连接在第一组调制端和第二组调制端之间，其中所述电荷转移电路被配置为在第一组调制端和第二组调制端之间转移电荷；以及
处理器，配置为确定发射的经调制的照明信号和所述多个像素中的每一个所捕获的图像之间的相移。

39.  根据权利要求38所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中所述多个像素中的每一个还包括具有第二电容组件的第二调制端，其中所述第一组调制端包括所述多个像素中每一个的第一调制端，并且其中所述第二组调制端包括所述多个像素中每一个的第二调制端。

40.  根据权利要求39所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中对第一组调制端和第二组调制端充电和放电所需要的总的平均功率小于的MNCfV2的75％，其中M是每像素的调制端的数量，N是所述多个像素中的像素数量，f是所发射的经调制的照明信号的频率，V是在所述第一组调制端被完全充电后的第一组调制端的电压，C是调制端的电容。

41.  根据权利要求38所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中电荷转移电路包括连接在第一组调制端和第二组调制端之间以形成谐振电路的至少一个电感器。

42.  根据权利要求41所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中所述至少一个电感器包括串联连接的多个电感器，其中一开关与所述多个电感器中的一个电感器连接，并且其中所述处理器被配置为控制所述开关以从谐振电路中选择性地移除所述多个电感器中的所述一个电感器。

43.  根据权利要求41所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中 所述至少一个电感器包括串联连接的多个电感器，其中一开关与所述多个电感器中的一个电感器相连接，并且其中所述处理器被配置为控制所述开关以从谐振电路中选择性地移除所述多个电感器中的所述一个电感器。

44.  根据权利要求41所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中所述至少一个电感器是可变电感器。

45.  根据权利要求44所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中，所述处理器被配置为控制所述可变电感器的电感。

46.  根据权利要求44所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中，所述处理器进一步被配置为基于与对象的距离的估计来设置谐振频率，并基于相移来确定与对象的距离。

47.  根据权利要求41所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中，所述处理器进一步被配置为设置谐振电路的谐振频率和设置经调制的照明信号的频率。

48.  根据权利要求38所述的幅度调制的连续波范围成像设备，其中，所述第一驱动器是三态驱动器，所述第二驱动器是三态驱动器。

49.  一种幅度调制的连续波范围成像设备，包括：
信号传输设备，配置为发射强度调制的照明信号；
图像传感器，配置为捕获经调制的照明信号的反射的多个图像，其中所捕获的图像包括该图像传感器的至少一个像素的强度分量和/或相位分量，其中所述至少一个像素包括具有第一电容组件的第一调制端和具有第二电容组件的第二调制端；
第一驱动器，配置为对第一调制端充电；
第二驱动器，配置为对第二调制端充电；
电荷转移电路，连接在第一调制端和第二调制端之间，其中所述电荷转移电路被配置为在第一调制端和第二调制端之间转移电荷；以及
处理器，配置为确定发射的照明调制信号和所述至少一个像素所捕获的图像之间的相移。

说明书低功率范围成像相机的谐振调制
技术领域
本公开总地涉及一种范围成像相机（range imaging camera），并且具体地涉及一种用于降低范围成像相机的功耗和控制其有效范围的电路配置。
背景技术
范围成像系统，也被称为范围相机、范围成像相机、或测距设备，确定将被成像的场景中的对象的距离和强度。一种类型的范围成像相机被称为飞行时间范围成像相机，因为它利用了反射光的相位和强度差异来确定从相机到对象的范围。
一种常见类型的飞行时间范围成像相机利用幅度调制的连续波（“AMCW”）技术。如下面更详细讨论的，利用AMCW技术的范围成像相机，通常使用光源发射强度调制的照明信号来照亮要被成像的场景。然后，该信号被该场景内的对象反射回范围成像相机。然后由专业的设备，诸如电荷耦合器件（“CCD”）或互补金属氧化物半导体（“CMOS”）图像传感器集成电路（“IC”）捕获反射光的多个图像。然后，使用处理器通过与全局基准调制信号进行比较，从这些多个图像中为被成像的场景中的点计算强度被调制的光的相位变化。然后，对这些相位变化进行分析，以确定对象和范围成像相机之间的距离，从而能够确定该场景中对象的尺寸、形状和位置。因此，范围成像相机可在许多不同的应用中，如汽车安全和控制系统、多媒体用户界面以及图像分割和表面轮廓形成中非常有用。
有效地确定范围成像相机和将被成像的对象之间的距离取决于发射的强度调制的照明信号与接收的信号之间的相位差。因为通常以相同的信号调制图像传感器和照明度，随着光传播远离范围成像相机，该光开始与图像传感器的调制相位不同。因此，光传播的距离越短，该光就越同相。换句话说，从邻近范围成像相机的对象反射的光具有与范围成像 相机的调制同相的强度调制，而从远处对象反射的光具有与图像传感器不同相位的强度调制。虽然通常使用相同的信号来调制照明信号和图像传感器两者，但在某些情况下可以使用不同的信号来达到类似的结果。
虽然存在实现典型的范围成像相机的很多方法，提供图1以显示一个这样的范围成像相机的简化版本。如图1所示，典型的AMCW范围成像相机100可以包括：诸如LED、激光二极管或其他光源的信号传输设备101，以向要被成像的场景发射强度调制的照明信号；以及图像传感器102，使用从场景内的对象反射回系统100的部分所发射的信号来捕获图像。然后，处理器103将发射信号与捕获的图像进行比较，以确定捕获图像中的每个像素的强度和相移。通过这样做，处理器能够确定场景中的对象到系统100的距离。系统100可任选地包含控制系统100的输入设备104，显示器105，和存储器106。这些设备可以选自任何已知的用于执行这种功能的设备。有许多已知的调制信号传输设备101和图像传感器102的方法。例如，信号传输设备可以简单地是被快速循环开启和关闭的光源，而可以使用高速快门或通过控制图像传感器来调制图像传感器102。处理器103还可以包括信号发生器或类似的设备，以协助调制信号传输设备101和图像传感器102。然而，也可以单独设置信号发生器。
对于数码照片，捕获的图像将典型地由像素阵列形成，场景中的对象被有效地映射到像素阵列上。不像典型的数字图像，范围成像相机的像素不仅记录从场景中的对象反射的光的照明强度（其可能包括颜色），还记录照明调制包络线（envelope）的相位。因此，捕获图像中的每一个像素将测量基于由场景中的对象反射回该像素的光的相位分量。类似地，由于AMCW强度调制的连续性，使得相位在连贯捕获的图像的对应像素之间发生略微的变化。此外，对应于场景中不具有对象的区域的像素将不会接收到反射信号，而将只接收周围的光或从其他光源（例如太阳）反射的光。典型的范围成像相机传感器包括背景或DC抑制电路，它允许更高效地利用传感器的动态范围以捕获调制的光；因此，背景光被传感器有效地忽略。本发明更具体地涉及在范围成像相机中使用的图像传感器。
发明内容
本发明的各种示例性实施例包括一种幅度调制的连续波范围成像设备，具有：信号传输设备，发射强度调制的照明信号；图像传感器，接收经调制的照明信号的反射，该图像传感器包括多个像素，每个像素包括多个电容区域，其中所述多个像素被配置为捕获经反射的调制的照明信号的多个图像，所捕获的图像包括强度分量和相位分量；多个驱动器，每个驱动器被配置为驱动多个像素中的每一个的相应的电容区域或电容区域组；至少一个电感器，连接在所述多个像素的电容区域之间以形成谐振电路；以及处理器，确定所发射的照明调制信号和所述多个电容区域中的每一个所捕获的图像之间的相移。
附加配置可以包括至少一个电感器，其包含串联连接的多个电感器，其中，所述多个电感器通过多个开关连接。此外，该处理器可以被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。在一些设备中，所述至少一个电感器可以包括并联连接的多个电感器，并且所述多个电感器可由多个开关连接。该处理器还可以被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。所述至少一个电感器可以是可变电感器。此外，该处理器可以被配置为控制所述可变电感器的电感。
根据本发明的进一步的实施例，一种幅度调制的连续波范围成像设备可包括：多个信号传输设备，每一个信号传输设备发射强度调制的照明信号；图像传感器，接收经调制的照明信号的反射，该图像传感器包括多个像素，每个像素包括多个电容区域，其中所述多个电容区域中的每一个被配置为捕获所反射的由多个信号传输设备中的一个发射的经调制的照明信号的多个图像，所捕获的图像包括强度分量和相位分量；多个驱动器，每个驱动器被配置为驱动多个像素中的每一个的相应的电容区域；至少一个电感器，连接在所述多个像素的电容区域之间以形成谐振电路；以及处理器，确定所发射的照明调制信号和所述多个电容区域中的每一个所捕获的图像之间的相移。在这样的设备中，所述至少一个电感器可以包括串联连接的多个电感器，并且所述多个电感器可以由多个开关连接。该处理器可以被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。此外，所述至少一个电感器可以包括通过多个开关并联连接的多个电感器。在这些设备中，所述处理器还可以被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。
另外的幅度调制的连续波范围成像设备可包括：信号传输设备，发射强度调制的照明信号；多个图像传感器，接收经调制的照明信号的反射，每个图像传感器包括多个像素，其中每个图像传感器被配置为捕获反射的经调制的照明信号的多个图像，所捕获的图像包括强度和相位分量；多个驱动器，每个驱动器被配置为驱动图像传感器中的相应的一个；至少一个电感器，连接在所述多个图像传感器之间以形成谐振电路；以及处理器，确定所发射的照明调制信号和所捕获的图像之间的相移。在一些这样的设备中，所述至少一个电感器可以包括通过多个开关串联连接或并联连接的多个电感器。在这些设备中，所述处理器可以被配置为控制所述多个开关以选择性地连接所述多个电感器。
幅度调制的连续波范围成像设备的附加的配置具有被配置为发射强度调制的照明信号的信号传输设备。图像传感器被配置为捕获经调制的照明信号的反射的多个图像。所捕获的图像包括图像传感器的多个像素的强度和/或相位分量。每个像素包括具有第一电容组件的第一调制端。第一驱动器被配置为对所述多个像素的第一组调制端充电。第二驱动器被配置为对所述多个像素的第二组调制端充电。电荷转移电路连接在所述第一组调制端和所述第二组调制端之间。所述电荷转移电路被配置为在所述第一组调制端和所述第二组调制端之间转移电荷。
附图说明
图1描绘了标准成像设备的示意图。
图2描绘了范围成像相机的图像传感器的典型像素结构的代表性的电负载和时钟驱动器布置的简化图。
图3描绘了示出驱动器信号和图2中的像素的不同容性区域的代表性电压响应的简化图。
图4描绘了根据本发明示例性实施例的谐振电路的简化电路图。
图5描绘了根据本发明示例性实施例的谐振电路的第一操作状态。
图6描绘了根据本发明示例性实施例的谐振电路的第二操作状态。
图7描绘了根据本发明示例性实施例的谐振电路的第三操作状态。
图8描绘了根据本发明示例性实施例的谐振电路的第四操作状态。
图9描绘了根据本发明示例性实施例的图4-8的代表性波形。
图10描绘了示出根据本发明示例性实施例的使用不同的时钟频率的两个范围成像相机的距离和相移之间的关系的简化图。
图11描绘了根据本发明示例性实施例的利用并联连接的多个电感器的谐振电路。
图12描绘了根据本发明示例性实施例的利用串联连接的多个电感器的谐振电路。
图13描绘了根据本发明示例性实施例的利用可变电感器的谐振电路。
图14描绘了根据本发明示例性实施例的利用不同地调制的照明信号的范围成像相机。
图15描绘了根据本发明示例性实施例的设备和已知设备之间的电压和电流随时间的比较。
图16描绘了对于已知设备和根据本发明实施例的设备的平均调制驱动电流与频率的曲线。
图17描绘了已知设备和根据本发明的实施例的设备的实际相位与测量相位的比较，以及作为结果的线性误差。
图18示出了具有片外电感器和调制驱动器的设备的简化图。
图19描绘了根据本发明示例性实施例的具有RLC振荡电路（tankcircuit）的设备的简化示意图。
图20描绘了具有布置为M行和N列的像素的像素阵列。
图21A-B描述了具有连接重叠的金属层以减少电阻损耗的多个通孔的修改后的片上多层电感器布局。
具体实施方式
为了有效地捕获用于范围成像的图像，典型的范围成像相机采用具有差分“两抽头”像素结构的传感器以提供高频率增益调制。在这些传感器中，每个像素通常包含由互补—反相180°——数字（方形）波形驱动的两个容性调制门电路，这些互补波形使每个像素在这两个区域交替积累检测到的光。虽然这种结构在历史上一直是被接受的，但随着所使用的方波的频率已经增加到可以达到更好的距离精度和/或范围成像传感器发展到具有较高的空间分辨率，像素所消耗的电量显著增加。高速调制— 数字切换—也可引起可能干扰其它系统组件的显著的瞬时供电干扰。虽然每个单独的调制门电路的容性负载是小的，但全局调制完整的像素阵列的累积电容会需要相当大的功率量。平均传感器调制功率可估计为P=2NCfV2，其中N是传感器中像素的数量（列数乘以行数），f、V和C分别是调制频率、电压和调制门电容。因此，具有320×240像素的分辨率和20f F的适中的调制门电容的典型图像传感器的调制驱动电路当工作在3.3V的电压和100MHz的频率下时消耗3.3W。这个水平的功耗是诸如相机、手机、笔记本电脑，平板电脑集成、三维网络摄像机和手持三维扫描仪的大多数电池或USB供电的应用所禁止使用的。此外，随着新的应用需要更高的频率和更大的像素阵列，功率需求也随之增加。
为了描述本发明的实施例的目的，下面的讨论依赖于差分“两抽头”像素结构。然而，应理解，该像素结构不是可与本发明一起使用的唯一的像素结构。例如，代替每像素两个调制门电路，一个像素可以有单一的调制门电路。然后，可以以与下面所讨论的方式类似的方式对像素进行配对和调制。作为另一示例，像素可以具有多于两个调制门电路。
为了更全面地理解功耗增加的原因，讨论像素阵列的结构是有帮助的。为了功率分析的目的，如图2中所示，典型的像素阵列可以被视为并联连接的两个独立的小电容器网络。在图2所示的示例中，每个方框P1–Pn表示像素列。与各像素列的调制相关联的总电容在图2中被表示为第一电容CAx（例如，由于每个像素列中的第一调制门电路而产生的总电容）和第二电容CBx（例如，由于每个像素列中的第一调制门电路而产生的总电容），其中“A”组电容由驱动器A馈给，“B”组电容由驱动器B馈给。因此，像素阵列将包括由驱动器A馈给的表示为电容CA1–CAn和由驱动器B馈给的表示为电容CB1–CBn的电容列。如图2所进一步示出，驱动器A和驱动器B为电容器组提供方波。如上面提到的，这些波形是180°反相的。图20描绘了具有布置为M行和N列的像素的像素阵列的另一种表示。
如图3所示，当向A组电容器供应高电压信号时，各电容器上的电压随时间以非线性方式从零增加到该高电压状态。类似地，在之后应用低电压信号时，所述电容器的电压以非线性方式衰减。B组电容器当由驱动器B驱动时以类似的方式工作。电容器的充电速率和放电速率（通常 被称为RC时间常数）取决于电容值和沿每列向下布线的物理信号的电阻。最终各电容器两端的电压波形的形状是由该充电/放电速率和所使用的调制频率确定的。电容器CA1的电压和电容器CB1的电压的示例示于图3。因此，像素阵列消耗为电容网络中的每个电容器充电的功率。因此，消耗的总功率P正比于调制频率-方波的频率f，和累积电容-像素数N的两倍，（假设每像素两个调制门电路）乘以像素电容C（例如，与像素的调制门电路相关联的电容）。可使用公式P=2NCfV2计算总功率，其中V是方波的幅度。随着在更高的调制频率上操作的更高空间分辨率的范围成像传感器的发展，已经发现，由于增益调制而产生的功耗已成为传感器所需的总功率的越来越主要的部分。由于某些专业的范围成像传感器需要在10-500MHz（或更高）的频率上对像素阵列进行增益调制（或调节（shutter）），这些传感器的功耗使得某些应用已经禁止。其他专业的范围成像传感器需要在100-200MHz的频率上对像素阵列进行增益调制。还发现，电容器的非正弦电压响应是对范围成像相机的正确操作有害的，因为传感器和照明调制信号谐波的干扰可能会导致距离测量的不准确性。
如下面所讨论的，可以使用利用了谐振电路来对像素阵列进行增益调制的电路配置以便既减少由像素阵列所消耗的功率又提高像素的电容区域的电压响应。还如下面所讨论的，利用谐振电路的电路配置允许基本上实时地改变范围成像相机的操作频率。
在一个示例性实施例中，在范围成像相机的图像传感器内集成电感器以形成谐振RLC（电阻器-电感器-电容器）振荡电路。一般情况下，当电感器连接在充电的电容器的两端时，能反复在电容器的电场和电感器的磁场之间传输能量。因此电容器（电容C）两端的电压随着电流在电感器（电感L）中来回流动而以特定的谐振频率（fres）呈正弦振荡，给定fres=1/(2π√(LC))。因此，以特定的谐振频率发生振荡、所述频率由电路中使用的电容值和电感值来确定。在理想的无损谐振电路中，不消耗任何功率，因为随着振荡被无限期地维持，所有的能量将反复循环。然而，在所有真实世界的实施中，一些能量必然耗散在电路的阻性布线中。这耗散导致振荡的阻尼并最终停止。为了维持谐振波形，需要补充损失的能量。这可以通过使用外部驱动电路来实现。
图4描绘了根据本示例性实施例的、集成了差分谐振电路的图像传感器的简化示意图，这显著降低了传感器的功耗。该简化电路将像素阵列的调制端表示为两个不同的容性负载A和B。假定每个像素具有两个调制门电路，CA是由于与像素阵列的每个像素的调制门电路之一相关的各电容区域而产生的总电容。同样，CB是由于与像素阵列的每个像素的另一调制门电路的一些相关的各电容区域而产生的总电容。这些负载通过电感器（L）连接在一起。如下所述并如图5-9所示，使用两个驱动器电路（驱动器A和驱动器B）来补充谐振电路并维持调制。在一个周期开始时，如图5所示，驱动器A输出高电压信号VHigh以将电容网络A拉升至Vhigh。与此同时，驱动器B输出低电压信号Vlow以将电容网络B拉低到Vlow。然后，如图6所示，驱动器A和驱动器B被设定为高阻抗设置，从而允许谐振电路振荡。高阻抗设置是通过将驱动器A和驱动器B示为与电路断开来表示的。随着电路开始振荡，电容网络A开始通过电感器L放电到Vlow，而电容网络B开始通过电感器L充电到VHigh。然后，经过半个谐振调制周期后，如图7所示，驱动器A输出低电压信号Vlow以将电容网络A拉低到Vlow，而驱动器B输出高电压信号VHigh以将电容网络B拉升至VHigh。然后，如图8所示，驱动器A和驱动器B被再次设定为高阻抗状态以允许谐振电路振荡，使电容网络A开始通过电感器L充电到VHigh，而电容网络B开始通过电感器L放电到Vlow。然后，在一个完整的谐振调制周期后重复这个过程。
虽然图6将驱动器A和驱动器B描绘为由该驱动器外部的开关所使能和禁用，但在其他的示例中，可在内部使能和禁用驱动器。例如，可以使用具有输出使能（“oe”）特征的三态驱动器
图9示出代表来自驱动器A和驱动器B的输出，以及所述电容网络的电压响应VA和VB的波形。作为集成了谐振电路的结果，与现有的图像传感器相比，需要显著地更少的功率来驱动像素阵列。传统的图像传感器必须在对一个电容网络充电的同时清除和丢弃已在另一电容网络中存储的能量，集成了谐振电路的图像传感器通过在两个电容器之间来回“推送”能量而有效地循环利用所存储的部分能量。一般在工作在系统谐振频率（fres）时实现最佳的功率节省。此外，比较图3和图9可以看出，谐振调制提高了容性负载的电压响应的正弦特性。通过提高该电压响应 的正弦特征，集成了谐振电路的图像传感器能够改善范围成像相机的测量线性度。
驱动器电路可以位于“片外”或“片上”。也就是说，驱动器可以与图像传感器位于同一IC芯片之上，也可以位于图像传感器所在的IC芯片之外。在某些情况下，驱动器可以在其自己的电路板上。片上驱动器配置可被定制设计以适应，并能比片外配置实现更高的调制频率，虽然一般来说片外驱动器需要较少的开发工作而更容易实施。此外，电感器也可以位于片上或片外。在一些情况下，片外电感器可被附加到现有的范围成像相机以实现可观的功率节省。图18示出位于片外的设备的简化图。如图所示，向两个驱动器提供输出使能端（“oe”）输入以产生上述的三态输入信号。这些信号通过位于图像传感器外部的电感器L连接。图19描绘了另外的根据本发明另一示例性实施例的具有片上RLC振荡电路的设备的简化示意图。为了有效地驱动大电容负载，多个并行操作的、分布在传感器阵列中的较小的驱动器提供功率分布和物理布局的效率。通常情况下，从平面金属螺旋线形成片上电感器。图21A描绘了具有连接重叠的金属层2101、2102、2103（图21B）的多个通孔2104、2105（图21B）的修改后的片上多层电感器布局2100以减少电阻损耗并由此提高能量效率。
具有固定的时钟周期（即，驱动器发出的方波的固定频率）的AMCW范围成像相机可能会在范围成像相机和对象之间的距离使得反射的光与发射的光超过360°不同相时，在测距对象时遇到困难。如图10所示，实际上相移不能超过360°。由于相移的性质，360°的相移与720°的相移、以及0°的相移是相同的。同样，270°的相移与630°的相移是相同的。这可能为典型的范围成像相机产生困难，因为两个对象的相移可以是相同的，并且因此被判定为与相机相同的距离，而这些对象实际上是相距非常远的。例如，如图10所示，当范围像相机100a发射具有频率x的调制照明信号时，距离y可以与360°的相移相关联。从对象1001反射回相机的光将具有270°的相移。基于该相移，范围成像相机100a可以正确地确定该对象1001位于距离相机0.75y。然而，从对象1002反射的光也将具有270°的相移。因此，该范围成像相机100a将确定对象1002也位于距离相机0.75y，而它实际上是位于1.75y的距离。这在许多应用中是不可 接受的。
解决这一现象的一个方法是使用具有较慢的时钟周期的相机。使用较慢的时钟周期可能减少距离判定的精确度，同时也会增大与360°的相移相关联的距离，从而增大范围成像相机的有效范围。如图10进一步所描绘，使用第二范围成像相机100b来确定到对象1001和对象1002的距离。第二范围成像相机100b发射具有0.5x的频率的调制照明信号——第一范围成像相机100a的工作频率的一半。通过二等分时钟周期，为实现相同的相移反射光必须传播的距离量被有效地增加了一倍。即，当二等分频率时，与360°的相移相关联的距离被加倍到2y（相对于y）。因此，第二范围成像相机将所述第一对象1001识别为具有135°的相移，而将所述第二对象识别为具有315°的相移。因为这两个相移都小于360°，第二范围成像相机将与对象1001、1002的距离分别正确地识别为0.75y和1.75y。
由于谐振电路的性质，因此按照单一的期望频率来平衡RLC电路。例如，在图4的电路中，当期望特定的谐振频率fres时，可以根据下面的公式来计算电感器的电感L：L=2/(CA(2πfres)2)。鉴于上述情况，有时可能优选地利用能够容易地切换其时钟周期的频率范围成像相机。在一些应用中可以优选基本上实时地切换操作频率。因此，在一个示例性实施例中，范围成像相机利用其中多个电感器可切换地串联连接、并联连接、或以它们的各种组合连接的谐振电路。通过这样配置电感器（或通过使用可变电感器），范围成像相机可以选择性地改变RLC电路的谐振频率以适应不同的时钟频率。可以使用其它电路布置以创建具有不止一个谐振峰的频谱，从而提供多个最佳的工作频率，而无需改变电路配置。
如上面所讨论的，在每一个周期中出现用于补充损失的能量的驱动脉冲。在可替换配置中，驱动脉冲可能会在间隔的谐振周期中出现，跳过一个或多个周期，以实现进一步的功率节省。由于电路的低效率造成的阻尼将导致谐振驱动信号幅度的衰减。然而，这种衰减可能在若干周期内不会影响系统性能。
其他布置可通过跳过驱动脉冲并允许电路在多个周期中谐振，来利用谐振振荡随时间的衰减，以实现具有重叠的低频包络线的信号。这将有效地对谐振驱动信号进行幅度调制。通过测量在该调制的谐振信号的上 边带和下边带，以及对谐振频率本身进行测量，可以在其中实现多频操作。也可以在图像积分时间期间引入驱动信号的相位或定时调整以便以类似于已知的单边带幅度调整的“调相法”的方式抑制边带频率中的至少一个，而不使用积分时间作为求和处理。
图11和12分别描绘了并联布置和串联布置多个电感器L1-L4的一个示例性实施例。如图中所示，可以选择性地操作开关S1-S4以实现各种电感，以便将得到的RLC电路调谐到各种谐振频率。这些频率与驱动器A和驱动器B提供的期望时钟频率一致。图13描绘了另一示例性实施例，其中，使用可变电感器LV来以类似的方式将所述RLC电路调谐到各种谐振频率。应当认识到，可以由图1所示的处理器、由单独的处理器、或由一些其它等效设备来执行所述切换。还应当认识到，互感耦合可以提供额外的电气和物理布局效率。
范围成像相机可以先尝试使用一个频率成像场景，然后尝试使用第二频率成像同一场景。不同的频率将导致放置在相同距离的对象具有不同程度的相移。因此，该范围成像相机将能够使用这些不同的相移来确定与对象的正确的距离。图14描绘了使用两个不同的频率的示例性实施例。范围成像相机100使用具有时钟频率x的第一信号。从对象1001和1002两者反射的信号都指示180°的相移。然后，范围成像相机100发出具有时钟频率0.8x的第二信号。反射信号现在指示对象1001具有144°的相移，而对象1002具有72°的相移。基于标准计算，范围成像相机可以基于该信息正确地确定到各对象的距离。在每个频率上，处理器可为每个特定的操作频率确定通过与360°的相移相关的距离所隔开的一组候选距离。然后，处理器比较该组候选频率，发现具有最小差值的两个距离，并算出其平均值以计算真实距离。应当认识到，范围成像相机可以利用两个或更多的源以同时或交替地发射经调制的照明信号。类似地，示例性相机可以使用附加的图像传感器。
图15示出在3.1MHz的工作频率上根据本发明实施例的设备和已知设备之间电压和电流随时间的比较。如该图所示，标准模式出现的大驱动电流尖峰在谐振配置中大大减少，导致显著的功率节省。如图16所示，其示出了对于已知设备和根据本发明实施例的设备的平均调制驱动电流与频率，在1-11MHz的频率范围内实现了调制驱动功率的93-96％的降 低。这引起了测试的图像传感器的总功耗的显著降低。因为该示例性输出的电波形状与标准设备的电波形状本质上不同，这也有益于评估两种设备的光学响应和成像性能。在各种可用指标中，调制波形形状主要影响范围精度（或线性度）。图17示出了单一调制频率时的实际相位与测量相位，以及实际相位与所得线性误差。在此示例中，示例性设备相较于先前已知设备在RMS线性误差上展现出减小79％。在所有的测试频率上实现了类似的结果。图18描绘了产生这些结果的系统。两个分立的驱动器IC将调制输入提供给现成的（off-the-shelf）范围成像传感器。为了产生谐振调制信号，在驱动器输出之间连接分立片外电感器，并且通过脉冲地调节这些驱动器的输出使能端（“oe”）输入而在三态配置下操作这些驱动器。给定传感器的电容值，从0.33-33uH选择一系列不同的电感器，从而实现范围在1-11MHz之间的谐振调制频率。
在前面的描述中，以说明的方式参考了示出本发明实施例的附图。虽然已经参照附图对本发明的实施例进行了充分的描述，应注意，对于本领域的技术人员来说各种改变和变型将是明显的。这样的改变和变型应当被理解为被包括在由所附权利要求书所定义的本发明的实施例的范围之内。