图像感测设备及其操作方法与流程

图像感测设备及其操作方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年03月16日提交的韩国专利申请号10-2020-0031893的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
3.本公开的各个实施例涉及半导体设计技术，并且更具体地，涉及图像感测设备及其操作方法。


背景技术：

4.图像感测设备使用对光起反应的半导体的性质来捕获图像。图像感测设备可以大致分为电荷耦合器件(ccd)图像感测设备和互补金属氧化物半导体(cmos)图像感测设备。近来，cmos图像感测设备被广泛使用，因为cmos图像感测设备允许模拟和数字控制电路直接在单个集成电路(ic)上实施。


技术实现要素：

5.本公开的各个实施例针对一种图像感测设备，并且针对该图像感测设备的操作方法，该图像感测设备可以在基于飞行时间(tof)技术生成深度信息信号时容易地去除背景光。
6.根据一个实施例，图像感测设备可以包括：光检测电路，其被耦合在低电压端子和第一节点之间；第一传输电路，其被耦合在第一节点和第二节点之间，并且适于在发射光被发射到对象的第一时间段期间，将从光检测电路生成的第一电荷传送到第二节点；存储电路，其被耦合在第二节点和第三节点之间；第一耦合电路，其被耦合在第三节点和高电压端子之间，并且适于在第一时间段期间，将高电压端子电耦合到第三节点；第二传输电路，其被耦合在第三节点和第一节点之间，并且适于在发射光未被发射到对象的第二时间段期间，将从光检测电路生成的第二电荷传送到第三节点；以及第二耦合电路，其被耦合在第二节点和高电压端子之间，并且适于在第二时间段期间将高电压端子电耦合到第二节点。
7.存储电路可以在第一时间段期间存储第一电荷，并且可以在第一时间段之后的第二时间段期间从第一电荷减去第二电荷。
8.第一电荷可以对应于从对象反射的反射光和在对象的外围中存在的背景光，并且第二电荷可以对应于背景光。
9.根据一个实施例，图像感测设备可以包括：光发射器，其在第一和第二时间段的第一时间段期间被启用，并且适于在第一时间段期间，将发射光发射到对象；光接收器，其在第一和第二时间段期间被启用，并且适于在第一时间段期间接收第一入射光并且在第二时间段期间接收第二入射光；以及至少一个像素，其适于基于与第一入射光相对应的第一电荷和与第二入射光相对应的第二电荷来生成像素信号。
10.像素可以从第一电荷减去第二电荷，并且基于与相减结果相对应的第三电荷来生
成像素信号。
11.第一电荷可以对应于从对象反射的反射光和在对象的外围中存在的背景光，并且第二电荷可以对应于背景光。
12.根据一个实施例，图像感测设备的操作方法可以包括：在积分时间段的第一时间段期间，将从光检测电路生成的第一电荷从第一节点传送到第二节点，在第一时间段中，发射光被发射到对象；将传送到第二节点的第一电荷存储在存储电路中；在积分时间段的第二时间段期间，将从光检测电路生成的第二电荷传送到第三节点，在第二时间段中，发射光未被发射到对象；以及从存储在存储电路中的第一电荷减去传送到第三节点的第二电荷。
13.第一电荷可以对应于从对象反射的反射光和在对象的外围中存在的背景光，并且第二电荷可以对应于背景光。
14.根据一个实施例，图像感测设备可以包括：发射器，其适于在第一时间分段期间朝着对象发射光；接收器，其适于在第一时间分段期间接收入射光，该入射光包括从对象反射的发射光，并且适于在第二时间分段期间接收背景光；以及像素，其适于通过将与入射光相对应的电荷减少与背景光相对应的电荷量来生成像素信号。
附图说明
15.图1是图示根据一个实施例的图像感测设备的框图。
16.图2是图示诸如图1中图示的像素阵列的单位像素的电路图。
17.图3是图示诸如图1中图示的图像感测设备的操作的时序图。
18.图4至图6是进一步图示诸如图3中图示的图像感测设备的操作的示图。
具体实施方式
19.下面参考附图描述各个实施例，以使本公开所属领域的技术人员能够实践本发明。贯穿说明书，对“一个实施例”等的引用不必仅是一个实施例，并且对任何这种短语的不同引用不必针对相同的(多个)实施例。
20.将理解，当元件被称为“连接到”另一元件或“耦合到”另一元件时，其可以直接在另一元件上、连接到或耦合到另一元件，或者可以存在一个或多个中间元件。另外，还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”指定所述元件的存在，并且不排除一个或多个其他元件的存在或添加。贯穿说明书，以单数表示的元件或步骤(即一个元件或一个步骤)不必意味着仅存在一个这种元件或步骤；可以存在一个以上的这种元件或步骤。
21.图1是图示根据一个实施例的图像感测设备100的框图。
22.参考图1，图像感测设备100可以通过飞行时间(tof)方法生成深度信息信号tof_out，深度信息信号tof_out指示距对象(或物体)200的距离，即深度。例如，图像感测设备100可以通过检测从图像感测设备100发射的光(发射光ms)与从对象200入射到图像感测设备100上的光(入射光rs)之间的相位差，来生成深度信息信号tof_out。
23.例如，图像感测设备100可以包括光发射器110、光接收器120、行控制器130、相位控制器140、像素阵列150和图像处理器160。
24.光发射器110可以在积分时间段的发射时间段(即第一时间段)期间被启用。光发
射器110可以在发射时间段期间将发射光ms发射到对象200。例如，发射光ms可以是周期性切换的周期性信号。
25.光接收器120可以在积分时间段的发射时间段和接收时间段(即第二时间段)期间被启用。光接收器120可以在发射和接收时间段期间接收入射光rs。在下文中，在发射时间段期间接收的入射光rs被称为第一入射光rs1，并且在接收时间段期间接收的入射光rs被称为第二入射光rs2。第一入射光rs1可以包括从对象200反射并被光接收器120接收的发射光ms以及在对象200的外围上或附近存在的背景光。第二入射光rs2可以仅包括背景光。
26.行控制器130可以生成多个行控制信号ctrls，该多个行控制信号ctrls用于控制像素阵列150的相应的行。例如，行控制器130可以生成第一行控制信号，该第一行控制信号用于控制布置在像素阵列150的第一行中的像素，并且生成第n行控制信号，该第n行控制信号用于控制布置在像素阵列150的第n行中的像素，其中“n”是大于2的自然数。
27.相位控制器140可以在积分时间段的发射和接收时间段期间被启用。相位控制器140可以生成控制信号mx，控制信号mx在发射时间段和接收时间段期间周期性地切换。例如，控制信号mx可以具有与发射光ms相同的相位和周期。
28.像素阵列150可以基于所接收的入射光rs’、多个行控制信号ctrls和控制信号mx来生成多个像素信号pxs。所接收的入射光rs’可以包括与第一入射光rs1相对应的第一接收入射光rs1’，并且包括与第二入射光rs2相对应的第二接收入射光rs2’。像素阵列150可以包括用于测量距对象200的深度的至少一个单位像素。例如，单位像素可以包括一对像素。该对像素可以基于多个行控制信号ctrls来进行选择，并且可以基于控制信号mx、第一接收入射光rs1’和第二接收入射光rs2’来生成第一像素信号px1和第二像素信号px2。参考图2更详细地描述单位像素。
29.图像处理器160可以基于多个像素信号pxs，来生成指示距对象200的深度的深度信息信号tof_out。例如，图像处理器160可以通过对第一像素信号px1和第二像素信号px2执行减法运算来生成深度信息信号tof_out。
30.图2是图示图1中图示的单位像素的电路图。
31.参考图2，单位像素可以包括一对像素。该对像素可以包括第一像素tapa和第二像素tapb。例如，第一像素tapa和第二像素tapb可以在相同行中彼此相邻地布置。
32.第一像素tapa可以基于第一传输信号tx、第二传输信号tc、复位信号rx、耦合信号rc、选择信号sx和控制信号mx，来生成第一像素信号px1。第一传输信号tx、第二传输信号tc、复位信号rx、耦合信号rc和选择信号sx可以被包括在上述的多个行控制信号ctrls中。第一像素tapa可以包括感测电路pa、第一传输电路ta1、电荷存储电路ca、第一耦合电路ta2、第二传输电路ta3、第二耦合电路ta4、驱动电路ta5和选择电路ta6。感测电路pa可被称为光检测电路。电荷存储电路ca可被称为存储电路。
33.感测电路pa可以被耦合在第一节点na1和低电压端子之间。在发射时间段期间，感测电路pa可以基于控制信号mx来生成与第一接收入射光rs1’相对应的第一电荷。在接收时间段期间，感测电路pa可以基于控制信号mx来生成与第二接收入射光rs2’相对应的第二电荷。例如，感测电路pa可以包括光电二极管。
34.第一传输电路ta1可以被耦合在第一节点na1和第二节点na2之间。在复位时间段(即，第四时间段)和发射时间段期间，第一传输电路ta1可以基于第一传输信号tx而被启
用，并且将第一节点na1电耦合到第二节点na2。复位时间段可以在积分时间段之前出现。在复位时间段期间，第一传输电路ta1可以将第一节点na1电耦合到第二节点na2，从而提供了其中感测电路pa、电荷存储电路ca和第二节点na2可以被复位的环境。在发射时间段期间，第一传输电路ta1可以将第一节点na1电耦合到第二节点na2，从而通过第二节点na2，将从感测电路pa生成的第一电荷传送到电荷存储电路ca。例如，第一传输电路ta1可以包括nmos晶体管，nmos晶体管具有被输入第一传输信号tx的栅极端子，并且具有耦合在第一节点na1和第二节点na2之间的源极端子和漏极端子。
35.电荷存储电路ca可以被耦合在第二节点na2和第三节点na3之间。在发射时间期间，电荷存储电路ca可以存储第一电荷。在接收时间期间，电荷存储电路ca可以从第一电荷减去第二电荷。例如，电荷存储电路ca可以包括电容器。
36.第一耦合电路ta2可以被耦合在高电压端子和第三节点na3之间。在复位时间段和发射时间段期间，第一耦合电路ta2可以基于复位信号rx被启用，并且将高电压端子电耦合到第三节点na3。在复位时间段期间，第一耦合电路ta2可以将高电压端子电耦合到第三节点na3，从而将感测电路pa、电荷存储电路ca和第二节点na2复位。在发射时间段期间，第一耦合电路ta2可以将高电压端子电耦合到第三节点na3，从而提供了其中第一电荷可以被传送到电荷存储电路ca(即，电荷存储电路ca的一个端子)的环境。例如，第一耦合电路ta2可以包括nmos晶体管，该nmos晶体管具有被输入复位信号rx的栅极端子，并且具有被耦合在高电压端子和第三节点na3之间的源极端子和漏极端子。
37.第二传输电路ta3可以被耦合在第一节点na1和第三节点na3之间。在复位时间段和接收时间段期间，第二传输电路ta3可以基于第二传输信号tc被启用，并且将第一节点na1电耦合到第三节点na3。在复位时间段期间，第二传输电路ta3可以将第一节点na1电耦合到第三节点na3，从而提供了感测电路pa、电荷存储电路ca和第二节点na2可以被复位的环境。在接收时间段期间，第二传输电路ta3可以将第一节点na1电耦合到第三节点na3，从而通过第三节点na3，将从感测电路pa生成的第二电荷传送到电荷存储电路ca。例如，第二传输电路ta3可以包括nmos晶体管，该nmos晶体管具有被输入第二传输信号tc的栅极端子，并且具有被耦合在第一节点na1和第三节点na3之间的源极端子和漏极端子。
38.第二耦合电路ta4可以被耦合在高电压端子和第二节点na2之间。在接收时间段期间，第二耦合电路ta4可以基于耦合信号rc被启用，并且将高电压端子电耦合到第二节点na2。在接收时间段期间，第二耦合电路ta4可以将高电压端子电耦合到第二节点na2，从而提供了第二电荷可以通过电荷存储电路ca或跨电荷存储电路ca进行传送的环境。例如，第二耦合电路ta4可以包括nmos晶体管，该nmos晶体管具有被输入耦合信号rc的栅极端子，并且具有耦合在高电压端子和第二节点na2之间的源极端子和漏极端子。
39.驱动电路ta5可以被耦合在高电压端子和选择电路ta6之间。驱动电路ta5可以基于在第二节点na2上加载的电压，利用通过高电压端子提供的高电压来驱动第一列线col1。例如，驱动电路ta5可以包括nmos晶体管，该nmos晶体管具有耦合到第二节点na2的栅极端子，并且具有耦合在高电压端子和选择电路ta6之间的源极端子和漏极端子。
40.选择电路ta6可以被耦合在驱动电路ta5和第一列线col1之间。在读出时间段(即第三时间段)期间，选择电路ta6可以基于选择信号sx被启用，并且将驱动电路ta5电耦合到第一列线col1。在读出时间段期间，选择电路ta6可以通过第一列线col1输出与加载在第二
节点na2上的电压相对应的第一像素信号px1。
41.第二像素tapb可以基于第一传输信号tx、第二传输信号tc、复位信号rx、耦合信号rc、选择信号sx和控制信号mx，通过第二列线col2生成第二像素信号px2。例如，第二像素tapb可以包括感测电路pb、第一传输电路tb1、电荷存储电路cb、第一耦合电路tb2、第二传输电路tb3、第二耦合电路tb4、驱动电路tb5和选择电路tb6。
42.由于感测电路pb、第一传输电路tb1、电荷存储电路cb、第一耦合电路tb2、第二传输电路tb3、第二耦合电路tb4、驱动电路tb5和选择电路tb6与第一像素tapa中包括的感测电路pa、第一传输电路ta1、电荷存储电路ca、第一耦合电路ta2、第二传输电路ta3、第二耦合电路ta4、驱动电路ta5和选择电路ta6相同，因此这里省略其描述。然而，感测电路pb可以基于控制信号mx的反相信号或相对于控制信号mx具有180度的相位差的信号来操作。
43.在下文中，描述了具有上述配置的根据本实施例的图像感测设备100的操作。为了便于描述，在本实施例中仅描述与第一像素tapa有关的操作。
44.图3是图示图1中图示的图像感测设备100的操作的时序图。注意，除非另有说明，下面提到的“时间”或“多个时间”分别表示一个时间段和多个时间段。
45.参考图3，图像感测设备100可以以复位时间aa、积分时间bb1、dd1、cc1、ee1、bb2、dd2、cc2和ee2以及读出时间ff的顺序操作。例如，第一像素tapa可以在复位时间aa期间被复位，并且在积分时间bb1、dd1、cc1、ee1、bb2、dd2、cc2和ee2中，通过从所接收的入射光rs’去除背景光来仅提取反射光，并且在读出时间ff期间生成对应于反射光的第一像素信号px1。
46.特别地，积分时间bb1、dd1、cc1、ee1、bb2、dd2、cc2和ee2可以包括第一和第二发射时间bb1和bb2、第一和第二接收时间cc1和cc2、第一和第二准备时间dd1和dd2以及第一和第二结束时间ee1和ee2。图像感测设备100可以以第一发射时间bb1、第一准备时间dd1、第一接收时间cc1、第一结束时间ee1、第二发射时间bb2、第二准备时间dd2、第二接收时间cc2和第二结束时间ee2的顺序操作。尽管本文作为示例描述了将发射时间、准备时间、接收时间和结束时间重复两次，但是本发明不限于此。更一般地，取决于设计，发射时间、准备时间、接收时间和结束时间可以至少重复一次。
47.下面描述图3中图示的图像感测设备100根据复位时间aa、第一和第二发射时间bbl和bb2、第一和第二接收时间ccl和cc2以及读出时间ff的操作。
48.图4是图示第一像素tapa根据图3中图示的复位时间aa、第一和第二发射时间bb1和bb2、第一和第二接收时间cc1和cc2以及读出时间ff的操作的电路图。
49.参考图3和图4的(a)，在复位时间aa期间，可以激活复位信号rx以及第一和第二传输信号tx和tc。第一传输电路ta1可以基于激活的第一传输信号tx将第一节点na1电耦合到第二节点na2，第二传输电路ta3可以基于激活的第二传输信号tc将第一节点na1电耦合到第三节点na3，并且第一耦合电路ta2可以基于激活的复位信号rx将高电压端子电耦合到第三节点na3。因此，感测电路pa、电荷存储电路ca和第二节点na2可以在复位时间aa期间被复位。例如，可以将残留在感测电路pa和电荷存储电路ca中的电荷放电到高电压端子，并且可以将第二节点na2复位成与高电压相同的电平。
50.参考图3和图4的(b)，在第一发射时间bb1期间，发射光ms可以被发射到对象200，并且第一入射光rs1和在对象200周围和/或附近的背景光可以被接收，第一入射光rs1包括
从对象200反射的反射光。感测电路pa可以基于控制信号mx，来生成与第一接收入射光rs1’相对应的第一电荷。在第一发射时间bb1期间，第一传输信号tx和复位信号rx可以被激活。第一传输电路ta1可以基于激活的第一传输信号tx将第一节点na1电耦合到第二节点na2。第一耦合电路ta2可以基于激活的复位信号rx将高电压端子电耦合到第三节点na3。因此，第一电荷可以通过第一节点na1和第二节点na2被传送到电荷存储电路ca。电荷存储电路ca可以存储第一电荷。例如，与第一电荷相对应的负(-)电荷可以在电荷存储电路ca的一个端子处累积，并且因此与负(-)电荷相对应的正(+)电荷可以在电荷存储电路ca的其他端子处累积。
51.参考图3和图4的(c)，在第一接收时间cc1期间，由于发射光ms未被发射到对象200，因此仅包括背景光的第二入射光rs2可以被接收。感测电路pa可以基于控制信号mx，来生成与第二接收入射光rs2’相对应的第二电荷。在第一接收时间cc1期间，第二传输信号tc和耦合信号rc可以被激活。第二传输电路ta3可以基于激活的第二传输信号tc将第一节点na1电耦合到第三节点na3。第二耦合电路ta4可以基于激活的耦合信号rc将高电压端子电耦合到第二节点na2。因此，第二电荷可以通过第一节点na1和第三节点na3而被传送到电荷存储电路ca。电荷存储电路ca可以从第一电荷减去第二电荷。例如，由于与第二电荷相对应的负(-)电荷在电荷存储电路ca的其他端子处累积，因此负(-)电荷和之前累积的正(+)电荷可以抵消。因此，与被抵消的正(+)电荷的量相对应的负(-)电荷的量(之前在电荷存储电路ca的一个端子处累积)消失。这与通过从第一入射光rs1去除背景光而获得的结果相同。因此，残留在电荷存储电路ca的一个端子处的负(-)电荷可以仅对应于反射光。
52.由于图像感测设备100根据第二发射时间bb2和第二接收时间cc2的操作与上述图像感测设备100根据第一发射时间bb1和第一接收时间cc1的操作相同，因此，这里省略其详细描述。
53.参考图3和图4的(d)，在读出时间ff期间，可以激活复位信号rx和第二传输信号tc。第一耦合电路ta2可以基于激活的复位信号rx将高电压端子电耦合到第三节点na3，并且第二传输电路ta3可以基于激活的第二传输信号tc将第一节点na1电耦合到第三节点na3。因此，可以生成与加载在第二节点na2上的电压电平相对应的第一像素信号px1。
54.接下来，描述图像感测设备100根据图3中图示的第一和第二准备时间dd1和dd2的操作。
55.图5是图示第一像素tapa根据图3中图示的第一准备时间dd1的操作的电路图。
56.参考图3和图5的(a)，在第一准备时间dd1的第一持续时间d1期间，可以激活复位信号rx，并且可以去激活耦合信号rc以及第一和第二传输信号tx和tc。第一耦合电路ta2可以基于激活的复位信号rx将高电压端子电耦合到第三节点na3，第二耦合电路ta4可以基于去激活的耦合信号rc将高电压端子从第二节点na2电解耦(即，分离)，第一传输电路ta1可以基于去激活的第一传输信号tx将第一节点na1从第二节点na2电解耦，并且第二传输电路ta3可以基于去激活的第二传输信号tc将第一节点na1从第三节点na3电解耦。
57.参考图3和图5的(b)，在第一准备时间dd1的第二持续时间d2期间，可以激活复位信号rx和第二传输信号tc，并且可以去激活耦合信号rc和第一传输信号tx。第一耦合电路ta2可以基于激活的复位信号rx将高电压端子电耦合到第三节点na3，第二传输电路ta3可以基于激活的第二传输信号tc将第一节点na1电耦合到第三节点na3，第二耦合电路ta4可
以基于去激活的耦合信号rc将高电压端子从第二节点na2电解耦，并且第一传输电路ta1可以基于去激活的第一传输信号tx将第一节点na1从第二节点na2电解耦。
58.参考图3和图5的(c)，在第一准备时间dd1的第三持续时间d3期间，可以激活第二传输信号tc，并且可以去激活复位信号rx、耦合信号rc和第一传输信号tx。第二传输电路ta3可以基于激活的第二传输信号tc将第一节点na1电耦合到第三节点na3，第一耦合电路ta2可以基于去激活的复位信号rx将高电压端子从第三节点na3电解耦，第二耦合电路ta4可以基于去激活的耦合信号rc将高电压端子从第二节点na2电解耦，并且第一传输电路ta1可以基于去激活的第一传输信号tx将第一节点na1从第二节点na2电解耦。
59.由于图像感测设备100根据第二准备时间dd2的操作与上述图像感测设备100根据第一准备时间dd1的操作相同，因此这里省略其详细描述。
60.最后，描述图像感测设备100根据图3中图示的第一和第二结束时间ee1和ee2的操作。
61.图6是图示第一像素tapa根据图3中图示的第一结束时间ee1的操作的电路图。
62.参考图3和图6的(a)，在第一结束时间ee1的第一持续时间e1期间，可以激活第二传输信号tc，并且可以去激活复位信号rx、耦合信号rc和第一传输信号tx。第二传输电路ta3可以基于激活的第二传输信号tc将第一节点na1电耦合到第三节点na3，第一耦合电路ta2可以基于去激活的复位信号rx将高电压端子从第三节点na3电解耦，第二耦合电路ta4可以基于去激活的耦合信号rc将高电压端子从第二节点na2电解耦，并且第一传输电路ta1可以基于去激活的第一传输信号tx将第一节点na1从第二节点na2电解耦。
63.参考图3和图6的(b)，在第一结束时间ee1的第二持续时间e2期间，可以激活复位信号rx和第二传输信号tc，并且可以去激活耦合信号rc和第一传输信号tx。第一耦合电路ta2可以基于激活的复位信号rx将高电压端子电耦合到第三节点na3，第二传输电路ta3可以基于激活的第二传输信号tc将第一节点na1电耦合到第三节点na3，第二耦合电路ta4可以基于去激活的耦合信号rc将高电压端子从第二节点na2电解耦，并且第一传输电路ta1可以基于去激活的第一传输信号tx将第一节点na1从第二节点na2电解耦。
64.参考图3和图6的(c)，在第一结束时间ee1的第三持续时间e3期间，可以激活复位信号rx，并且可以去激活耦合信号rc以及第一和第二传输信号tx和tc。第一耦合电路ta2可以基于激活的复位信号rx将高电压端子电耦合到第三节点na3，第二耦合电路ta4可以基于去激活的耦合信号rc将高电压端子从第二节点na2电解耦(即分离)，第一传输电路ta1可以基于去激活的第一传输信号tx将第一节点na1从第二节点na2电解耦，并且第二传输电路ta3可以基于去激活的第二传输信号tc将第一节点na1从第三节点na3电解耦。
65.第二结束时间ee2可以包括第一持续时间e1和第二持续时间e2。由于图像感测设备100根据第二结束时间ee2的第一持续时间e1的操作与上述图像感测设备100根据第一结束时间ee1的第一持续时间e1的操作相同，并且，图像感测设备100根据第二结束时间ee2的第二持续时间e2的操作与上述图像感测设备100根据第一结束时间ee1的第二持续时间e2的操作相同，因此，这里省略其详细描述。
66.根据本公开的实施例，在积分时间期间，可以容易且有利地去除像素中的背景光。另外，由于每个像素仅使用两个晶体管(例如，ta3和ta4)来去除背景光，因此结构可以被简化。
67.根据本公开的实施例，由于当使用飞行时间(tof)技术生成深度信息信号时容易去除背景光，因此可以获得更可靠的深度信息信号。
68.另外，由于简化了用于去除背景光的电路的结构，因此可以容易地将电路集成到像素中。
69.尽管已经相对于特定实施例图示和描述了本公开，但是前面的描述并不意图是限制性的。如本领域技术人员根据本公开将认识到的，本发明的方面和特征可以通过替代、改变和修改以各种方式来实现。本发明涵盖落入权利要求的范围内的所有这种变型。