TOF图像传感器像素结构及TOF成像系统的制作方法

文档序号:14943001发布日期:2018-07-13 21:32

本发明涉及图像传感器技术领域,尤其涉及一种TOF图像传感器像素结构及TOF成像系统。



背景技术:

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同,图像传感器可分为CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合元件)图像传感器和CMOS图像传感器两大类。由于CMOS图像传感器具有功耗小、成本低、易于在标准生产线上生产等诸多优点,在各个领域得到了广泛的应用。

例如,随着三维成像信息技术的迅速发展,特别是建筑测量、室内定位和导航、立体影像和辅助生活环境应用对飞行时间(TOF,Time of flight)成像提出了迫切需求;应用于飞行时间成像系统的CMOS图像传感器像素结构也得到了快速的研究和发展。所谓飞行时间法3D成像,是通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光信号,通过探测光脉冲的往返飞行时间来得到待测目标物的距离信息。



技术实现要素:

本发明的一目的在于提供一种TOF图像传感器像素结构,以有效地应用于TOF成像系统。

本发明的一目的在于提供一种TOF成像系统,以有效地用于测量待测目标物的距离信息。

为了解决上述技术问题,本发明采用了如下的技术方案:

一种TOF图像传感器像素结构,包括光电二极管,与所述光电二极管分别耦接的第一读取控制单元、第二读取控制单元;其中:

所述光电二极管用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光;

所述第一读取控制单元与所述第二读取控制单元均分别包括传输晶体管、双转换增益控制单元、复位晶体管及输出单元;其中:

所述复位晶体管的第一端耦接至第一电压源,所述双转换增益控制单元耦接于所述复位晶体管的第二端与对应的浮动扩散节点之间;所述复位晶体管用于根据复位控制信号重置所述浮动扩散节点的电压;所述双转换增益控制单元用于实现增益控制和电荷存储;

所述光电二极管通过所述传输晶体管耦接至对应的浮动扩散节点,所述传输晶体管用于将所述光电二极管累积的电荷转移至所述浮动扩散节点;

所述输出单元耦接至对应的浮动扩散节点,用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。

在本发明的一个实施例中,所述第一读取控制单元的传输晶体管与所述第二读取控制单元的传输晶体管在所述光电二极管的曝光过程中交替导通以交替地将所述光电二极管累积的电荷转移至对应的浮动扩散节点。

在本发明的一个实施例中,所述第一读取控制单元的传输晶体管与所述第二读取控制单元的传输晶体管在光电二极管的曝光过程中交替导通的相位相差π。

在本发明的一个实施例中,所述双转换增益控制单元包括双转换增益控制晶体管以及双转换增益电容器,所述双转换增益控制晶体管耦接于所述复位晶体管的第二端与对应的浮动扩散节点之间;所述双转换增益电容器的第一端子耦接在所述双转换增益晶体管与复位晶体管之间的节点,其第二端子连接至固定电平。

在本发明的一个实施例中,所述双转换增益电容器为单独的电容器件或者为所述复位晶体管与所述双转换增益控制晶体管的连接点对地的寄生电容。

在本发明的一个实施例中,所述输出单元包括放大器,所述放大器耦接在对应的浮动扩散节点与列输出线之间,用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。

在本发明的一个实施例中,所述放大器为源极跟随晶体管,所述源极跟随晶体管的栅极耦接至所述浮动扩散节点,其漏极耦接至第一电压源,其源极耦接至列输出线。

在本发明的一个实施例中,所述输出单元还包括行选择晶体管,所述放大器通过所述行选择晶体管耦接至列输出线。

一种TOF成像系统,包括像素阵列,所述像素阵列按行和列排列;所述像素阵列中的每个像素均包括光电二极管,与所述光电二极管分别耦接的第一读取控制单元、第二读取控制单元;其中:

所述光电二极管用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光;

所述第一读取控制单元与所述第二读取控制单元均分别包括传输晶体管、双转换增益控制单元、复位晶体管及输出单元;其中:

所述复位晶体管的第一端耦接至第一电压源,所述双转换增益控制单元耦接于所述复位晶体管的第二端与对应的浮动扩散节点之间;所述复位晶体管用于根据复位控制信号重置所述浮动扩散节点的电压;所述双转换增益控制单元用于实现增益控制和电荷存储;

所述光电二极管通过所述传输晶体管耦接至对应的浮动扩散节点,所述传输晶体管用于将所述光电二极管累积的电荷转移至所述浮动扩散节点;

所述输出单元耦接至对应的浮动扩散节点,用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。

在本发明的一个实施例中,该TOF成像系统还包括逻辑控制单元、驱动单元、列A/D转换单元以及图像处理单元;其中:

所述逻辑控制单元用于控制整个系统的工作时序逻辑;

所述驱动单元的一端与所述逻辑控制单元连接,另一端与像素阵列耦接,用于驱动和控制像素阵列中的各控制信号线;

所述列A/D转换单元对应像素阵列中的每列像素,用于在所述逻辑控制单元的控制下实现列信号的模拟/数字转换;

所述图像处理单元用于在所述逻辑控制单元的控制下对所述列A/D转换单元输出的图像数字信号进行图像处理。

在本发明的一个实施例中,所述驱动单元包括:

行驱动单元,其一端与所述逻辑控制单元连接,另一端与像素阵列耦接,用于向像素阵列提供对应的行控制信号;

列驱动单元,其一端与所述逻辑控制单元连接,另一端与像素阵列耦接,用于向像素阵列提供对应的列控制信号。

在本发明的一个实施例中,所述第一读取控制单元的传输晶体管与所述第二读取控制单元的传输晶体管在所述光电二极管的曝光过程中交替导通以交替地将所述光电二极管累积的电荷转移至对应的浮动扩散节点。

在本发明的一个实施例中,所述第一读取控制单元的传输晶体管与所述第二读取控制单元的传输晶体管在光电二极管的曝光过程中交替导通的相位相差π。

在本发明的一个实施例中,所述双转换增益控制单元包括双转换增益控制晶体管以及双转换增益电容器,所述双转换增益控制晶体管耦接于所述复位晶体管的第二端与对应的浮动扩散节点之间;所述双转换增益电容器的第一端子耦接在所述双转换增益晶体管与复位晶体管之间的节点,其第二端子连接至固定电平。

在本发明的一个实施例中,所述双转换增益电容器为单独的电容器件或者为所述复位晶体管与所述双转换增益控制晶体管的连接点对地的寄生电容。

在本发明的一个实施例中,所述输出单元包括放大器,所述放大器耦接在对应的浮动扩散节点与列输出线之间,用于对所述浮动扩散节点的电压信号进行放大输出。

在本发明的一个实施例中,所述放大器为源极跟随晶体管,所述源极跟随晶体管的栅极耦接至所述浮动扩散节点,其漏极耦接至第一电压源,其源极耦接至列输出线。

在本发明的一个实施例中,所述输出单元还包括行选择晶体管,所述放大器通过所述行选择晶体管耦接至列输出线。

本发明由于采用以上技术方案,使之与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:

1)本发明提供的TOF图像传感器像素结构,通过设置第一读取控制单元、第二读取控制单元分别与光电二极管耦接,可在光电二极管的曝光过程中控制第一读取控制单元的传输晶体管与第二读取控制单元的传输晶体管交替导通以交替地将光电二极管累积的电荷转移至对应的浮动扩散节点,通过计算第一读取控制单元与第二读取控制单元对应的浮动扩散节点积累的有效光信号,可确定光脉冲的飞行时间,从而使得该像素结构可以适用于TOF应用的图像传感器。

2)本发明提供的TOF图像传感器像素结构,由于第一读取控制单元以及第二读取控制单元采用传输晶体管来耦接光电二极管与对应的浮动扩散节点,通过传输晶体管将光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点;使得该像素结构能够支持滚动曝光模式。

3)本发明提供的TOF图像传感器像素结构,由于采用了双转换增益控制单元,因而可支持双转换增益(DCG,dual conversion gain),从而具有高动态范围特性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的TOF图像传感器像素结构的结构示意图;

图2为本发明图1中的像素结构的一控制时序图;

图3为本发明另一实施例提供的TOF图像传感器像素结构的结构示意图;

图4为本发明一实施例提供的TOF成像系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的TOF图像传感器像素结构及TOF成像系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率,仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

请参阅图1,如图1所示,该实施例提供的TOF图像传感器像素结构包括光电二极管PD,用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光,该光电二极管PD具有第一端子和第二端子,其中第二端子连接地端,第一端子分别与第一读取控制单元、第二读取控制单元连接;具体地,第一端子为光电二极管PD的阴极端,第二端子为光电二极管PD的阳极端。

其中,第一读取控制单元与第二读取控制单元均分别包括传输晶体管、双转换增益控制单元、复位晶体管及输出单元;为了方便描述,在图1中对第一读取控制单元与第二读取控制单元的组成元件进行了分别标号,并具体描述如下:

第一读取控制单元包括第一传输晶体管TXa、第一双转换增益控制单元、第一复位晶体管RSTa及第一输出单元。第一复位晶体管RSTa的第一端耦接至第一电压源PixVDD,第一双转换增益控制单元耦接于第一复位晶体管RSTa的第二端与第一浮动扩散节点FDA之间;第一复位晶体管RSTa用于根据复位控制信号重置第一浮动扩散节点FDA的电压;第一双转换增益控制单元用于实现增益控制和电荷存储。光电二极管PD的第一端子通过第一传输晶体管TXa耦接至第一浮动扩散节点FDA,第一传输晶体管TXa用于将光电二极管PD累积的电荷转移至第一浮动扩散节点FDA。第一输出单元耦接至第一浮动扩散节点FDA,用于对第一浮动扩散节点FDA的电压信号进行放大输出。

第二读取控制单元包括第二传输晶体管TXb、第二双转换增益控制单元、第二复位晶体管RSTb及第二输出单元。第二复位晶体管RSTb的第一端耦接至第一电压源PixVDD,第二双转换增益控制单元耦接于第二复位晶体管RSTb的第二端与第二浮动扩散节点FDB之间;第二复位晶体管RSTb用于根据复位控制信号重置第二浮动扩散节点FDB的电压;第二双转换增益控制单元用于实现增益控制和电荷存储。光电二极管PD的第一端子通过第二传输晶体管TXb耦接至第二浮动扩散节点FDB,第二传输晶体管TXb用于将光电二极管PD累积的电荷转移至第二浮动扩散节点FDB。第二输出单元耦接至第二浮动扩散节点FDB,用于对第二浮动扩散节点FDB的电压信号进行放大输出。

其中,第一传输晶体管TXa及第二传输晶体管TXb在光电二极管PD的曝光过程中交替导通以交替地将光电二极管PD累积的电荷分别对应转移至第一浮动扩散节点FDA与第二浮动扩散节点FDB。具体地,第一传输晶体管TXa及第二传输晶体管TXb在光电二极管PD的曝光过程中交替导通的相位相差π,例如只需控制第一传输晶体管TXa的控制信号和相位与脉冲光源一致,第二传输晶体管TXb的控制信号与第一传输晶体管TXa的控制信号仅相位相差π即可。

第一双转换增益控制单元包括第一双转换增益控制晶体管DCGa以及第一双转换增益电容器Cdcga,第一双转换增益控制晶体管DCGa耦接于第一复位晶体管RSTa的第二端与第一浮动扩散节点FDA之间;第一双转换增益电容器Cdcga的第一端子耦接在第一双转换增益晶体管DCGa与第一复位晶体管RSTa之间的节点,其第二端子连接至固定电平VC。第二双转换增益控制单元包括第二双转换增益控制晶体管DCGb以及第二双转换增益电容器Cdcgb,第二双转换增益控制晶体管DCGb耦接于第二复位晶体管RSTb的第二端与第二浮动扩散节点FDB之间;第二双转换增益电容器Cdcgb的第一端子耦接在第二双转换增益晶体管DCGb与第二复位晶体管RSTb之间的节点,其第二端子连接至固定电平VC。其中,固定电平VC可以为低电平,例如接地;也可以为其它电位电平。

在本实施例中,第一双转换增益电容器Cdcga以及第二双转换增益电容器Cdcgb为单独的电容器件。

在本实施例中,第一输出单元包括放大器,其耦接在第一浮动扩散节点FDA与第一列输出线pix_outa之间,用于对第一浮动扩散节点FDA的电压信号进行放大输出。具体地,该放大器为第一源极跟随晶体管SFa,第一源极跟随晶体管SFa的栅极耦接至第一浮动扩散节点FDA,其漏极耦接至第一电压源PixVDD,其源极耦接至第一列输出线pix_outa。作为优选实施方式,第一输出单元还包括第一行选择晶体管ROWSELa,该放大器(例如第一源极跟随晶体管SFa)通过第一行选择晶体管ROWSELa耦接至第一列输出线pix_outa。

同样地,第二输出单元包括放大器,其耦接在第二浮动扩散节点FDB与第二列输出线pix_outb之间,用于对第二浮动扩散节点FDB的电压信号进行放大输出。具体地,该放大器为第二源极跟随晶体管SFb,第二源极跟随晶体管SFb的栅极耦接至第二浮动扩散节点FDB,其漏极耦接至第一电压源PixVDD,其源极耦接至第二列输出线pix_outb。作为优选实施方式,第二输出单元还包括第二行选择晶体管ROWSELb,该放大器(例如第二源极跟随晶体管SFb)通过第二行选择晶体管ROWSELb耦接至第二列输出线pix_outb。

当然,本实施例仅示意性地给出第一输出单元及第二输出单元的一种实现方式,本领域技术人员应该意识到,第一输出单元与第二输出单元也可以只包括源极跟随晶体管而不包括行选择晶体管,并且也可以采用其它不同增益的放大器件来代替源极跟随晶体管,例如可采用两级或多级放大器来替代本实施例中的源极跟随晶体管,这些变形方式也在本发明的保护范围之内。

本实施例提供的TOF图像传感器像素结构,通过设置第一读取控制单元、第二读取控制单元分别与光电二极管耦接,可在光电二极管的曝光过程中控制第一读取控制单元的传输晶体管与第二读取控制单元的传输晶体管交替导通以交替地将光电二极管累积的电荷转移至对应的浮动扩散节点,通过计算第一读取控制单元与第二读取控制单元对应的浮动扩散节点积累的有效光信号,可确定光脉冲的飞行时间,从而使得该像素结构可以适用于TOF应用的图像传感器。

并且由于第一读取控制单元以及第二读取控制单元采用传输晶体管来耦接光电二极管与对应的浮动扩散节点,通过传输晶体管将光电二极管累积的电荷转移至浮动扩散节点;使得该像素结构能够支持滚动曝光模式。

同时,由于采用了双转换增益控制单元,因而可支持双转换增益(DCG,dual conversion gain),从而具有高动态范围特性。

在本实施例中,第一复位晶体管RSTa、第二复位晶体管RSTb、第一双转换增益晶体管DCGa、第二双转换增益晶体管DCGb、第一传输晶体管TXa、第二传输晶体管TXb、第一源极跟随晶体管SFa、第二源极跟随晶体管SFb、第一行选择晶体管ROWSELa与第二行选择晶体管ROWSELb均为NMOS,这是考虑到NMOS的载流子迁移速率快,从而使得开关的响应速度快,但是本领域技术人员应该意识到,本发明并不以此为限,其它类型的晶体管或开关也在本发明的保护范围之内。

其中,第一复位晶体管RSTa和第二复位晶体管RSTb的栅极接收复位控制信号rst,第一双转换增益晶体管DCGa和第二双转换增益晶体管DCGb的栅极接收控制信号dcg,第一传输晶体管TXa的栅极接收控制信号txa,第二传输晶体管TXb的栅极接收控制信号txb,第一源极跟随晶体管SFa的栅极接收控制信号sfa,第二源极跟随晶体管SFb的栅极接收控制信号sfb,第一行选择晶体管ROWSELa与第二行选择晶体管ROWSELb的栅极接收控制信号rowsel。

以下结合图2对本实施例提供的像素结构的工作原理也即利用本实施例的像素结构确定飞行时间的方法进行详细介绍,如图2所示,本实施例提供的像素结构的工作过程包括以下步骤:

a.将控制信号txa、txb、rst,dcg拉为高电平,对第一浮动扩散节点FDA、第二浮动扩散节点FDB及光电二极管PD进行复位;

b.打开脉冲光源,发出光脉冲Light Pulse信号,光脉冲发射回的信号为Reflected Light Pulse信号,记光脉冲的飞行时间为Ttof;同时控制信号txa为高电平,且控制信号txa的频率和相位同光源一致,txb信号与txa信号仅相位差π,连续导通关断n个周期后将控制信号txa、txb拉为低电平,完成曝光;

c.控制rowsel为高电平,读取pix_outa和pix_outb高转换增益(HCG)下光信号Vhcg1a,Vhcg1b;

d.控制dcg为高电平,将第一浮动扩散节点FDA、第二浮动扩散节点FDB积累的部分电荷分别转移至第一双转换增益电容器Cdcga和第二双转换增益电容器Cdcgb中;

e.读取pix_outa和pix_outb低转换增益(LCG)下光信号Vlcg1a,Vlcg1b;

f.控制dcg为高电平,rst为高电平,将第一浮动扩散节点FDA、第二浮动扩散节点FDB控制至初始电位;

g.控制rst为低电平,从pix_outa和pix_outb读取低转换增益(LCG)下初始信号Vlcg0a,Vlcg0b;

h.控制rst至高电平,再次初始化第一浮动扩散节点FDA、第二浮动扩散节点FDB;

i.控制rst和dcg至低电平,从pix_outa和pix_outb读取高转换增益(HCG)下初始信号Vlcg0a,Vlcg0b;

通过以上输出的信号Vlcg0a,Vlcg0b,Vlcg1a,Vlcg1b,Vhcg0a,Vhcg0b,Vhcg1a,Vhcg1b,计算出高转换增益下第一浮动扩散节点FDA的信号Vhcga=Vhcg1a-Vhcg0a,第二浮动扩散节点FDB的信号Vhcgb=Vhcg1b-Vhcg0b;以及低转换增益下第一浮动扩散节点FDA的信号Vlcga=Vlcg1a-Vlcg0a,第二浮动扩散节点FDB的信号Vlcgb=Vlcg1b-Vlcg0b;进一步地由Vhcga和Vlcga、Vhcgb和Vlcgb分别计算出第一浮动扩散节点FDA和第二浮动扩散节点FDB两点积累的有效信号VA与VB,其中该计算方式为现有方式,因而本发明不再进行详细描述;假设脉冲光源信号脉宽为T(无其他光源),占空比50%,则可以计算Ttof=T*VB/(VA+VB)/2,测试物体的距离为d=C*Ttof,其中C为光速。

实施例2

本实施例提供的TOF像素结构请参阅图3,如图3所示,本实施例的TOF像素结构与实施例1相比,区别仅在于,第一双转换增益电容器为第一复位晶体管RSTa与第一双转换增益控制晶体管DCGa的连接点A对地的寄生电容,第二双转换增益电容器为第二复位晶体管RSTb与第二双转换增益控制晶体管DCGb的连接点B对地的寄生电容。除此之外,本实施例中的像素结构与实施例1中的相同,在此不再赘述。

当然,本领域的技术人员应该意识到,第一双转换增益电容器与第二双转换增益电容器可以有其它变形方式,例如第一双转换增益电容器为寄生电容,第二双转换增益电容器为单独的电容器件;或者第一双转换增益电容器为单独的电容器件,第二双转换增益电容器为寄生电容;这些变化均在本发明的保护范围之内。

实施例3

请参阅图4,如图4所示,本实施例提供一种TOF成像系统100,包括像素阵列110,所述像素阵列110按行和列排列,所述像素阵列110中的每个像素的结构可为实施例1至实施例2中的任一种像素结构,像素结构的具体情况请参考上述实施例1至实施例2,在此不再赘述。

除此之外,作为示意性的实施例,该成像系统还包括逻辑控制单元120、驱动单元、列A/D转换单元150以及图像处理单元160;其中:

所述逻辑控制单元120用于控制整个系统的工作时序逻辑;

所述驱动单元的一端与所述逻辑控制单元120连接,另一端与像素阵列110耦接,用于驱动和控制像素阵列110中的各控制信号线;具体地,驱动单元包括行驱动单元130以及列驱动单元140,行驱动单元130的一端与所述逻辑控制单元120连接,另一端与像素阵列110耦接,用于向像素阵列110提供对应的行控制信号;列驱动单元140的一端与所述逻辑控制单元120连接,另一端与像素阵列110耦接,用于向像素阵列110提供对应的列控制信号;

所述列A/D转换单元150对应像素阵列110中的每列像素,用于在所述逻辑控制单元120的控制下实现列信号的模拟/数字转换;

所述图像处理单元160用于在所述逻辑控制单元120的控制下对所述列A/D转换单元150输出的图像数字信号进行图像处理。

显然,本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

再多了解一些
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