具有HDR模式的TOF像素电路及测距系统的制作方法

本发明涉及一种像素电路，尤其涉及一种具有hdr模式的tof像素电路及测距系统。

背景技术：

tof(timeoffly)在图像传感器装置主要应用于获取3d图像的系统。系统利用基于光学飞行时间通过光线从光源到达物体，再反射回图像传感器的时间来测量成像目标到图像传感装置的距离。图像传感器的每个像素都参与测距，以获得高精度的深度图像。

随着3d图像的广泛应用，比如ar(增强现实)、vr(虚拟现实)、无人机、机器人及数字相机等的应用，tof像素电路及像素电路的传感装置将得到进一步发展。不但可应用于获取高精度的图像，还可实现对物体识别、障碍检测等功能。且tof的深度计算不受目标物体表面灰度和特征影响，可以非常准确的进行目标三维图像的探测。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种具有hdr模式的tof像素电路，该像素电路支持滚动曝光模式和全局曝光模式。所述像素电路包括：

感光控制单元，包括光电二极管及传输晶体管，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；所述传输晶体管为两个，分别连接到所述光电二极管，用于在曝光时根据传输控制信号分别将所述光电二极管产生的电荷转移输出；

控制晶体管，连接到所述光电二极管和所述传输晶体管的连接点，另一端连接到第一电压源，其栅极连接控制信号，用于控制所述光电二极管在曝光过程的满阱电荷量以实现hdr(高动态范围)性能；

第一读取电路和第二读取电路，分别连接到所述感光控制单元，所述第一读取电路和第二读取电路为对称电路，且共享所述感光控制单元；所述第一读取电路和第二读取电路分别通过一个所述传输晶体管连接到所述光电二极管；所述第一读取电路及第二读取电路分别包括：

复位晶体管，连接于第二电压源和浮动扩散点之间，根据复位控制信号重置所述浮动扩散点电压；

信号存储控制单元，包括信号存储控制晶体管和电容，用于将所述光电二极管曝光后光电效应产生的电荷进行存储；所述信号存储控制晶体管连接在所述浮动扩散点和所述电容之间；所述电容另一端连接指定电压；

可选地，所述信号存储控制晶体管为两个，第一信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的输出端和第二信号存储控制晶体管之间，所述第二信号存储控制晶体管连接到所述浮动扩散点；所述电容一端连接到所述第一信号存储控制晶体管和所述第二信号存储控制晶体管的连接点，另一端连接到指定电压；

可选地，所述信号存储控制晶体管为两个，第一信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的输出端和所述电容之间，所述电容另一端连接到指定电压；第二信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的输出端和所述浮动扩散点之间；

第一输出单元，连接到所述浮动扩散点，用于在滚动曝光模式中对所述浮动扩散点的电压信号放大输出至列线；

可选地，所述第一输出单元包括源极跟随晶体管和行选择晶体管，所述源极跟随晶体管的栅极连接到所述浮动扩散点，其漏极连接到第二电压源；其源极输出端经所述行选择晶体管连接至列线；

可选地，所述第一读取电路及第二读取电路还分别包括全局曝光传输单元，连接在所述第一输出单元的源极跟随晶体管源极输出端和列线之间，用于在全局曝光模式中对信号进行存储、读取及输出，所述全局曝光传输单元包括全局曝光存储单元和第二输出单元；

所述全局曝光存储单元包括第一全局曝光传输控制晶体管、图像信号存储电容、第二全局曝光传输控制晶体管及复位信号存储电容，所述第一全局曝光传输控制晶体管连接到所述第一输出单元的源极跟随晶体管的源极输出端和第二全局曝光传输控制晶体管之间；所述第二全局曝光传输控制晶体管连接到所述第二输出单元；所述图像信号存储电容一端连接到所述第一全局曝光传输控制晶体管和所述第二全局曝光传输控制晶体管的连接点，另一端连接地端；所述复位信号存储电容一端连接到所述第二全局曝光传输控制晶体管和所述第二输出单元的连接点，另一端连接地端；

所述第二输出单元包括源极跟随晶体管和行选择晶体管，连接在所述全局曝光存储单元和列线之间，用于对所述全局曝光存储单元的信号放大输出；所述源极跟随晶体管的栅极连接到所述全局曝光存储单元的输出端，其漏极连接到第三电压源；其源极输出端经所述行选择晶体管连接至列线；

所述第一电压源和第三电压源为可变电压源。tof像素电路中的电容可为节点的寄生电容、poly电容、mim(metalisolatormetal)电容、mom(metaloxidemetal)电容或mos电容。

本发明还提供一种tof的测距系统，所述测距系统包括：

tof图像传感器，所述tof图像传感器包括本发明上述发明内容所提出的支持混合曝光的tof像素电路阵列；

控制信号处理单元，用于控制系统工作过程并处理所述支持混合曝光的tof像素阵列电路获取的图像数据；

可调制光源，用于接受调制信号后产生调制光信号，并将接收到的调制信号反馈至所述支持混合曝光的tof像素阵列电路；

所述tof图像传感器包括信号相位锁定模块，用于将调制信号和可调制光源反馈的信号进行相位调整和锁定。

本发明提供的tof像素电路，支持滚动曝光和全局曝光两种读取模式，可根据应用选择不同的输出模式。本发明提出的不同类型tof像素电路设计，能够有效地将信号存储控制单元电路与其他电路进行隔离，减少电路中的漏电流，且等效电容小，电路运行速度也会更快。

本发明提出的本发明提出的tof像素电路和测距系统，能准确测得成像目标到图像传感装置的距离，应用于获取高精度的图像，还可实现对物体识别、障碍检测等功能。

附图说明

图1为本发明提出的实施例一的具有hdr模式的tof像素电路结构图；

图2为本发明提出的实施例一的滚动曝光模式的像素电路时序图；

图3为本发明提出的实施例一的全局曝光模式的像素电路时序图；

图4为本发明提出的实施例二的具有hdr模式的tof像素电路结构图；

图5为本发明提出的实施例二的滚动曝光模式的像素电路时序图；

图6为本发明提出的实施例二的全局曝光模式的像素电路时序图；

图7为本发明提出的实施例三的具有hdr模式的tof像素电路结构图；

图8为本发明提出的实施例三的滚动曝光模式的像素电路时序图；

图9为本发明提出的实施例三的全局曝光模式的像素电路时序图；及

图10为本发明提出的一种测距系统基本框图。

具体实施方式

以下结合本发明提供的各附图，对本发明提出各实施例进行详细的说明。图1是本发明实施例一提出的具有hdr模式的tof像素电路的结构图。如图1中所示：

本实施例中tof像素电路的感光控制单元包括光电二极管pd及传输晶体管txa和txb。txa和txb共用一个光电二极管pd。控制晶体管rs_tx的栅极连接到控制信号rs_tx，一端连接到光电二极管pd以及传输晶体管txa和txb的连接点，另一端连接到第一电压源vrab，vrab为可变电压。第一读取电路通过传输晶体管txa连接至光电二极管pd，第二读取电路通过传输晶体管txb连接至光电二极管pd。

第一读取电路和第二读取电路互为对称电路。第一读取电路和第二读取电路分别包括复位晶体管、信号存储控制单元以及第一输出单元。以第一读取电路为例：

信号存储控制单元采用一个信号存储控制晶体管inta和电容cina。信号存储控制晶体管inta连接在浮动扩散点fda和电容cina之间。电容cina的另一端接指定电压vrm。

复位晶体管rsta连接在第二电压源pixvdd和浮动扩散点fda之间，根据复位控制信号rst重置浮动扩散点fda点的电压。第一输出单元的源极跟随晶体管sfa的栅极连接至浮动扩散点fda，漏极连接到第三电压源vrsf，vrsf为可变电压，其源极输出端通过行选择晶体管rs_sa连接到输出列线pixa。

全局曝光传输单元包括全局曝光存储单元和第二输出单元。全局曝光存储单元包括第一全局曝光传输控制晶体管gssga、图像信号存储电容csiga、第二全局曝光传输控制晶体管grsta及复位信号存储电容crsta。第二输出单元包括源极跟随晶体管gsfa和行选择晶体管gs_sa。

第二读取电路结构和第一读取电路结构对称，电路中对应的器件及连接关系也一致，此处省略第二读取电路的结构及连接关系的描述。

图2给出了实施例一的滚动曝光模式tof像素电路时序图，本发明实施例一的具体实现过程分别如下：

滚动曝光模式：

a.首先对电路进行初始化，电路中各控制信号如图中所示；

曝光控制：

b.开启光源脉冲的同时，晶体管txa导通，保持晶体管txb关断，根据控制信号gs_txa和gs_txb，晶体管txa和txb以π相位相差交替导通；在曝光期间，控制信号rs_tx的电压为vmid，随着光电二极管pd端电压降低，晶体管rs_tx处在亚阈值区域；曝光结束时，控制信号int置为低电平，电荷分别保存至电容cina和cinb；

读取过程：

c.控制信号rs_sel，rst置为高电平，行选择晶体管rs_sa和rs_sb导通，复位晶体管rsta和rstb导通，浮动扩散点fda和fdb复位至电压pixvdd；

d.从输出列线pixa和pixb读取初始信号电压va0和vb0；

e.控制信号int置为高电平，保存在电容cina和cinb中的电荷分别转移至浮动扩散点fda和fdb；

f.从输出列线pixa和pixb读取此时的信号电压va1和vb1；

对va1和va0，vb1和vb0分别进行相关运算，可得va＝va1-va0，vb＝vb1-vb0。

如果信号源脉冲宽度为t，则光源在空中飞行的时间为ttof＝t*vb/(va+vb)，故物体距像素阵列的距离d＝ttof/2*c＝1/2*c*t*vb/(va+vb)，其中c为光在真空中的传播速度。

在图2所示的电路时序中，在曝光控制过程b，晶体管rs_tx处在亚阈值区域时，满阱电荷量会随着光照强度变化而变化，从而实现hdr功能。控制信号rs_tx的电压vmid为该信号电压的中间某个电压值。控制信号gs_txa和gs_txb的阴影部分表示有效的电荷累积时域。

全局曝光模式：

结合图1的tof像素电路及图3给出的全局曝光模式的工作时序，对本实施例提出的全局曝光模式的实现方式进行详细的说明：

a.首先对电路进行初始化，电路中各控制信号如图中所示；

曝光控制：

b.开启光源脉冲的同时，晶体管txa导通，保持晶体管txb关断，根据控制信号gs_txa和gs_txb，晶体管txa和txb以π相位相差交替导通；在曝光期间，控制信号rs_tx的电压为vmid，随着光电二极管pd端电压降低，晶体管rs_tx处在亚阈值区域；曝光结束时，控制信号int置为低电平，电荷分别保存至电容cina和cinb；

初始信号存储：

c.控制信号rst置为高电平，晶体管rsta和rstb导通，电容crsta和crstb，csiga和csigb复位至vrsf_h；rst置为低电平后，vrsf电压至vmid，初始信号电压分别存储至crsta和crstb；

信号存储：

d.控制信号sb置为低电平，int置为高电平，电容cina和cinb中保存的电荷分别转移至浮动扩散点fda和fdb；sa置为低电平，晶体管gssga和gssgb关断，图像信号电压分别存储至csiga和csigb；

读取过程：

e.控制信号gs_sel置为高电平，行选择晶体管gs_sa和gs_sb导通，从列线pixa和pixb分别读取初始信号电压va0和vb0；

f.控制信号sb置为高电平，晶体管grsta和grstb导通，电容csiga和csigb中存储的电荷分别与电容crsta和crstb中存储的电荷重新分配；

g.从列线pixa和pixb分别读取信号电压va1和vb1。

对va1和va0，vb1和vb0分别进行相关运算，可得va＝va1-va0，vb＝vb1-vb0。

如果信号源脉冲宽度为t，则光源在空中飞行的时间为ttof＝t*vb/(va+vb)，故物体距像素阵列的距离d＝ttof/2*c＝1/2*c*t*vb/(va+vb)，其中c为光在真空中的传播速度。

在图3所示的电路时序中，在曝光控制过程b，晶体管rs_tx处在亚阈值区域时，满阱电荷量会随着光照强度变化而变化，从而实现hdr功能。控制信号gs_txa和gs_txb的阴影部分表示有效的电荷累积时域。vmid为控制信号rs_tx电压的某一中间值；vrsf_h为第三电压源vrsf的高电平值。

图4是本发明实施例二提出的具有hdr模式的tof像素电路结构图。如图中所示，与实施例一不同，本实施例中所述的第一读取电路和第二读取电路中的信号存储控制单元分别包括第一信号存储控制晶体管ina和inb，第二信号存储控制晶体管rda和rdb，及电容cina和cinb。

以第一读取电路为例，第一信号存储控制晶体管ina连接在感光控制单元的传输晶体管txa和第二信号存储控制晶体管rda之间，第二信号存储控制晶体管连接到浮动扩散点fda，电容cina一端连接在晶体管ina和rda的连接点，另一端连接至指定电压vrm。第二读取电路和第一读取电路互为对称电路，其器件设置及连接方式相同，不再另行说明。

图5是本发明实施例二提出的滚动曝光模式工作时序图。结合图4给出的实施例二tof像素电路，其具体实施过程如下：

滚动曝光模式：

a.对电路进行初始化；

曝光控制：

b.开启光源脉冲的同时，晶体管txa导通，保持晶体管txb关断，根据控制信号gs_txa和gs_txb，晶体管txa和txb以π相位相差交替导通；在曝光期间，控制信号rs_tx的电压为vmid，随着光电二极管pd端电压降低，晶体管rs_tx处在亚阈值区域；曝光结束时，控制信号int置为低电平，电荷分别保存至电容cina和cinb；

读取过程：

c.控制信号rs_sel，rst置为高电平，行选择晶体管rs_sa和rs_sb导通，复位晶体管rsta和rstb导通，浮动扩散点fda和fdb复位至电压pixvdd；

d.从输出列线pixa和pixb读取初始信号电压va0和vb0；

e.控制信号rd置为高电平，保存在电容cina和cinb中的电荷分别转移至浮动扩散点fda和fdb；

f.从输出列线pixa和pixb读取此时的信号电压va1和vb1。

对va1和va0，vb1和vb0分别进行相关运算，可得va＝va1-va0，vb＝vb1-vb0。

如果信号源脉冲宽度为t，则光源在空中飞行的时间为ttof＝t*vb/(va+vb)，故物体距像素阵列的距离d＝ttof/2*c＝1/2*c*t*vb/(va+vb)，其中c为光在真空中的传播速度。

在图5所示的电路时序中，在曝光控制过程b，晶体管rs_tx处在亚阈值区域时，满阱电荷量会随着光照强度变化而变化，从而实现hdr功能。控制信号rs_tx的电压vmid为该信号电压的中间某个电压值。控制信号gs_txa和gs_txb的阴影部分表示有效的电荷累积时域。

图6是本发明实施例二提出的全局曝光模式工作时序图。结合图4给出的实施例二tof像素电路，其具体实施过程如下：

全局曝光模式：

a.对电路进行初始化；

曝光过程：

b.打开脉冲光源，对光电二极管pd进行曝光；根据控制信号gs_txa和gs_txb，晶体管txa和txb以π相位差导通；在曝光期间，控制信号rs_tx的电压为vmid，随着光电二极管pd端电压降低，晶体管rs_tx处在亚阈值区域；曝光结束时，控制信号int置为低电平，电荷分别保存至电容cina和cinb；

初始信号存储：

c.控制信号rst置为高电平，晶体管rsta和rstb导通，电容crsta和crstb，csiga和csigb复位至vrsf_h；rst置为低电平后，vrsf电压至vmid，初始信号电压分别存储至crsta和crstb；

信号存储：

d.控制信号sb置为低电平，rd置为高电平，电容cina和cinb中保存的电荷分别转移至浮动扩散点fda和fdb；sa置为低电平，晶体管gssga和gssgb关断，图像信号电压分别存储至csiga和csigb；

读取过程：

e.控制信号gs_sel置为高电平，行选择晶体管gs_sa和gs_sb导通，从列线pixa和pixb分别读取初始信号电压va0和vb0；

f.控制信号sb置为高电平，晶体管grsta和grstb导通，电容csiga和csigb中存储的电荷分别与电容crsta和crstb中存储的电荷重新分配；

g.从列线pixa和pixb分别读取信号电压va1和vb1。

在图6所示的电路时序中，在曝光控制过程b，晶体管rs_tx处在亚阈值区域时，满阱电荷量会随着光照强度变化而变化，从而实现hdr功能。控制信号gs_txa和gs_txb的阴影部分表示有效的电荷累积时域。vmid为控制信号rs_tx电压的某一中间值，vrsf_h为第三电压源vrsf的高电平值。

对va1和va0，vb1和vb0分别进行相关运算，可得va＝va1-va0，vb＝vb1-vb0。

如果信号源脉冲宽度为t，则光源在空中飞行的时间为ttof＝t*vb/(va+vb)，故物体距像素阵列的距离d＝ttof/2*c＝1/2*c*t*vb/(va+vb)，其中c为光在真空中的传播速度。

在实施例二中，信号存储控制单元分别包括第一信号存储控制晶体管ina及inb和第二信号存储控制晶体管rda及rdb。以第一读取电路为例，第一信号存储控制晶体管ina连接在传输晶体管txa和第二信号存储控制晶体管rda之间，第二信号存储控制晶体管rda连接到浮动扩散点fda。这种电路设置方式能形成电容cina与其他电路的隔离，减少电路中漏电流。将信号存储控制单元的电容与电路中其他电容的隔离，电路的等效电容小，速度也会加快。

图7是本发明提出的实施例三的具有hdr模式的tof像素电路结构图。如图中所示，与实施例一和实施例二不同，信号存储控制单元分别包括第一信号存储控制晶体管ina和inb、第二信号存储控制晶体管rda和rdb以及电容cina和cinb。以第一读取电路为例，所述第一信号存储控制晶体管ina连接在感光控制单元的传输晶体管txa输出端和电容cina之间，第二信号存储控制晶体管rda连接到感光控制单元的传输晶体管txa输出端和浮动扩散点fda之间。电容cina另一端连接到指定电压vrm。

图8是实施例三的滚动曝光模式的具有hdr模式的tof像素电路工作时序图。如图中所示：

a.对电路进行初始化；

曝光控制：

b.开启光源脉冲的同时，晶体管txa导通，保持晶体管txb关断，根据控制信号gs_txa和gs_txb，晶体管txa和txb以π相位相差交替导通；在曝光期间，控制信号rs_tx的电压为vmid，随着光电二极管pd端电压降低，晶体管rs_tx处在亚阈值区域；曝光结束时，控制信号int置为低电平，电荷分别保存至电容cina和cinb；

读取过程：

c.控制信号rs_sel，rst置为高电平，行选择晶体管rs_sa和rs_sb导通，复位晶体管rsta和rstb导通，浮动扩散点fda和fdb复位至电压pixvdd；

d.从输出列线pixa和pixb读取初始信号电压va0和vb0；

e.控制信号rd，int置为高电平，保存在电容cina和cinb中的电荷分别转移至浮动扩散点fda和fdb；

f.从输出列线pixa和pixb读取此时的信号电压va1和vb1。

对va1和va0，vb1和vb0分别进行相关运算，可得va＝va1-va0，vb＝vb1-vb0。

如果信号源脉冲宽度为t，则光源在空中飞行的时间为ttof＝t*vb/(va+vb)，故物体距像素阵列的距离d＝ttof/2*c＝1/2*c*t*vb/(va+vb)，其中c为光在真空中的传播速度。

如图8中所示，在曝光控制过程b，晶体管rs_tx处在亚阈值区域时，满阱电荷量会随着光照强度变化而变化，从而实现hdr功能。控制信号rs_tx的电压vmid为该信号电压的中间某个电压值。控制信号gs_txa和gs_txb的阴影部分表示有效的电荷累积时域。

图9是实施例三的全局曝光模式的具有hdr模式的tof像素电路工作时序图。如图中所示：

a.对电路进行初始化；

曝光过程：

b.打开脉冲光源，对光电二极管pd进行曝光；根据控制信号gs_txa和gs_txb，晶体管txa和txb以π相位差导通；在曝光期间，控制信号rs_tx的电压为vmid，随着光电二极管pd端电压降低，晶体管rs_tx处在亚阈值区域；曝光结束时，控制信号int置为低电平，电荷分别保存至电容cina和cinb；

初始信号存储：

c.控制信号rst置为高电平，晶体管rsta和rstb导通，电容crsta和crstb，csiga和csigb复位至vrsf_h；rst置为低电平后，vrsf电压至vmid，初始信号电压分别存储至crsta和crstb；

信号存储：

d.控制信号sb置为低电平，rd置为高电平，电容cina和cinb中保存的电荷分别转移至浮动扩散点fda和fdb；sa置为低电平，晶体管gssga和gssgb关断，图像信号电压分别存储至csiga和csigb；

读取过程：

e.控制信号gs_sel置为高电平，行选择晶体管gs_sa和gs_sb导通，从列线pixa和pixb分别读取初始信号电压va0和vb0；

f.控制信号sb置为高电平，晶体管grsta和grstb导通，电容csiga和csigb中存储的电荷分别与电容crsta和crstb中存储的电荷重新分配；

g.从列线pixa和pixb分别读取信号电压va1和vb1。

在图9所示的电路时序中，在曝光控制过程b，晶体管rs_tx处在亚阈值区域时，满阱电荷量会随着光照强度变化而变化，从而实现hdr功能。vmid为控制信号rs_tx电压的某一中间值；vrsf_h为第三电压源vrsf的高电平值。控制信号gs_txa和gs_txb的阴影部分表示有效的电荷累积时域。

对va1和va0，vb1和vb0分别进行相关运算，可得va＝va1-va0，vb＝vb1-vb0。

如果信号源脉冲宽度为t，则光源在空中飞行的时间为ttof＝t*vb/(va+vb)，故物体距像素阵列的距离d＝ttof/2*c＝1/2*c*t*vb/(va+vb)，其中c为光在真空中的传播速度。

图10为本发明所提出的具有hdr模式的tof的像素电路的测距系统基本框图，该测距系统支持滚动曝光和全局曝光两种读取模式。如图中所示，该测距系统包括tof图像传感器，可调制光源，及控制及信号处理单元。

tof图像传感器，该图像传感器为包含本发明上述多个实施例中任一实施例所提出的tof像素阵列的传感装置。其感应光照强度并将光信号量化为数字信号。该图像传感器电路产生调制信号，一方面用于控制tof像素阵列的曝光过程，另一方面将调制信号发送至可调制光源，产生调制光源信号。tof图像传感器还包含信号相位锁定模块，可以将产生的调制信号和可调制光源反馈的信号进行相位调整和锁定。

可调制光源，接收调制信号后，产生调制光信号，并将接收到的调制信号反馈至tof图像传感器。

控制及信号处理单元，控制整个测距系统工作过程，并处理由tof图像传感器获取的图像数据。

本发明提出的测距系统，不但可获取具有高动态范围的图像，而且可获得高精度的图像，还可实现对物体识别、障碍检测等功能。且tof的深度计算不受目标物体表面灰度和特征影响，可以非常准确的进行目标三维图像的探测。

本发明所保护的内容包含但不限于本专利中提出的几个实施例内容。本领域技术人员根据本发明实施例做出的相应修订或修改均属于本发明所保护的范围。