基于TOF的3D成像图像传感器像素电路及测距系统专利检索-传感器系统工业自动化和数控机床专利检索查询-专利查询网

基于TOF的3D成像图像 传感器 像素 电路及测距系统

阅读：908发布：2023-01-28

专利汇可以提供基于TOF的3D成像图像传感器像素电路及测距系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，所述像素电路包括感光控制单元，光电控制单元以及第一读取电路和第二读取电路。所述第一读取电路和第二读取电路为对称电路。所述感光控制单元包括光电二极管及多个传输晶体管，所述多个传输晶体管分别连接到所述光电二极管。所述光电控制单元包含一个或多个控制晶体管。所述第一读取电路和第二读取电路分别包括复位晶体管，增益控制单元，信号存储控制单元及第一输出单元。所述第一读取电路及第二读取电路分别包括全局曝光传输单元，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。本发明还提供一种基于TOF的3D成像图像传感器的测距系统。，下面是基于TOF的3D成像图像传感器像素电路及测距系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述像素电路包括：
感光控制单元，包括光电二极管及多个传输晶体管，所述多个传输晶体管分别连接到所述光电二极管；
光电控制单元，连接到所述光电二极管和所述多个传输晶体管，所述光电控制单元包括一个或多个控制晶体管，根据控制信号对所述感光控制单元输出进行控制；
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，所述第一读取电路及第二读取电路分别包括：
复位晶体管，其漏极连接到第一电压源；
增益控制单元，连接在所述复位晶体管和浮动扩散点之间；
信号存储控制单元，包括信号存储控制晶体管及电容，连接在所述感光控制单元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，用于对所述浮动扩散点的信号放大并输出至列线；
其中，所述第一读取电路和第二读取电路为对称电路，所述第一读取电路和第二读取电路分别通过所述多个传输晶体管中的一个或多个传输晶体管连接到所述光电二极管。
2.根据权利要求1所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述多个传输晶体管为两个，所述光电控制单元包括一个控制晶体管，其连接到所述两个传输晶体管和所述光电二极管。
3.根据权利要求1所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述多个传输晶体管为四个，所述光电控制单元包括两个控制晶体管，其分别连接到所述四个传输晶体管和所述光电二极管。
4.根据权利要求3所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述信号存储控制单元包含两个支路，所述两个支路分别连接到所述感光控制单元，每一支路包括信号存储控制晶体管及电容。
5.根据权利要求1所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述增益控制单元包括增益控制晶体管和电容，所述增益控制晶体管一端连接到所述复位晶体管和所述电容，另一端连接到所述浮动扩散点；所述电容另一端连接到指定电压。
6.根据权利要求1所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述信号存储控制单元包含一个或两个支路，每一支路包括两个信号存储控制晶体管和一个电容，第一信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的一输出晶体管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。
7.根据权利要求1所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述信号存储控制单元包含一个或两个支路，每一支路包括两个信号存储控制晶体管和一个电容，第一信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的一输出晶体管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所述一输出晶体管的输出端和所述浮动扩散点之间。
8.根据权利要求1所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，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；其源极输出端通过所述行选择晶体管连接至列线。
9.根据权利要求1，2，3，4，5，6，7或8所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述像素电路的第一读取电路及第二读取电路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、读取和输出。
10.根据权利要求9所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，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。
11.根据权利要求10所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，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。
12.根据权利要求10所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，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。
13.根据权利要求1或8所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述第一电压源及第二电压源为可变电压源。
14.根据权利要求1、5或11所述的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，其特征在于，所述电容或图像信号存储电容或复位信号存储电容为寄生电容、Poly电容、MIM电容、MOM电容或MOS电容。
15.一种测距系统，其特征在于，所述测距系统包括：
图像传感器，所述图像传感器包含多个排成行和列的像素电路阵列，每个所述像素电路包括：
感光控制单元，包括光电二极管及多个传输晶体管，所述多个传输晶体管分别连接到所述光电二极管；
光电控制单元，连接到所述光电二极管和所述多个传输晶体管，所述光电控制单元包括一个或多个控制晶体管，根据控制信号对所述感光控制单元输出进行控制；
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，所述第一读取电路及第二读取电路分别包括：
复位晶体管，其漏极连接到第一电压源；
增益控制单元，连接在所述复位晶体管和浮动扩散点之间；
信号存储控制单元，包括信号存储控制晶体管及电容，连接在所述感光控制单元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，用于对所述浮动扩散点的信号放大并输出至列线；
其中，所述第一读取电路和第二读取电路为对称电路，所述第一读取电路和第二读取电路分别通过所述多个传输晶体管中的一个或多个传输晶体管连接到所述光电二极管；
控制信号处理单元，用于控制系统工作过程并处理所述像素电路阵列获取的图像数据；
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像素电路阵列。
16.根据权利要求15所述的测距系统，其特征在于，所述多个传输晶体管为两个，所述光电控制单元包括一个控制晶体管，其连接到所述两个传输晶体管和所述光电二极管。
17.根据权利要求15所述的测距系统，其特征在于，所述多个传输晶体管为四个，所述光电控制单元包括两个控制晶体管，其分别连接到所述四个传输晶体管和所述光电二极管。
18.根据权利要求17所述的测距系统，其特征在于，所述信号存储控制单元包含两个支路，所述两个支路分别连接到所述感光控制单元，每一支路包括信号存储控制晶体管及电容。
19.根据权利要求15所述的测距系统，其特征在于，所述增益控制单元包括增益控制晶体管和电容，所述增益控制晶体管的一端连接到所述复位晶体管和所述电容，另一端连接到所述浮动扩散点；所述电容另一端连接到指定电压。
20.根据权利要求15所述的测距系统，其特征在于，所述TOF图像传感器包括相位锁定模块，用于将所述调制信号和所述可调制光源反馈的信号进行相位调整和锁定。
21.根据权利要求15所述的测距系统，其特征在于，所述信号存储控制单元包含一个或两个支路，每一支路包括两个信号存储控制晶体管和一个电容，第一信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的一输出晶体管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。
22.根据权利要求15所述的测距系统，其特征在于，所述信号存储控制单元包含一个或两个支路，每一支路包括两个信号存储控制晶体管和一个电容，第一信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的一输出晶体管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所述一所述输出晶体管的输出端和所述浮动扩散点之间。
23.根据权利要求15所述的测距系统，其特征在于，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，源极输出端通过所述行选择晶体管连接至列线。
24.根据权利要求15，16，17，18，19，21，22或23所述的测距系统，其特征在于，所述测距系统的第一读取电路及第二读取电路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、读取和输出。
25.根据权利要求24所述的测距系统，其特征在于，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。
26.根据权利要求25所述的测距系统，其特征在于，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。
27.根据权利要求25所述的测距系统，其特征在于，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。
28.根据权利要求15、19或26所述的测距系统，其特征在于，所述电容或图像信号存储电容或复位信号存储电容为寄生电容、Poly电容、MIM电容、MOM电容或MOS电容。

说明书全文

基于TOF的3D成像图像传感器 像素 电路及测距系统

技术领域

[0001] 本发明涉及图像传感装置的像素电路，尤其涉及一种基于TOF技术的3D图像传感器像素电路及测距系统。

背景技术

[0002] TOF(Time of Fly)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。

[0003] 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。

发明内容

[0004] 本发明目的提供一种基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，所述像素电路包括：

[0005] 感光控制单元，包括光电二极管及多个传输晶体管，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；所述多个传输晶体管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光电效应产生的电荷转移输出；

[0006] 光电控制单元，连接到所述光电二极管和所述多个传输晶体管，所述光电控制单元包括一个或多个控制晶体管，根据控制信号对所述感光控制单元输出进行控制；

[0007] 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；所述第一读取电路及第二读取电路分别包括：

[0008] 复位晶体管，其漏极连接到第一电压源，根据复位控制信号重置所述浮动扩散点电压；

[0009] 增益控制单元，连接在所述复位晶体管和所述浮动扩散点之间；所述增益控制单元包括增益控制晶体管和电容；

[0010] 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；所述信号存储控制单元包含一个或两个支路，每一支路包括两个信号存储控制晶体管和一个电容，第一信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的一传输晶体管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；

[0011] 可选地，每一支路包括两个信号存储控制晶体管和一个电容，第一信号存储控制晶体管连接在所述感光控制单元的一传输晶体管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所述一传输晶体管的输出端和所述浮动扩散点之间；

[0012] 第一输出单元，所述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；

[0013] 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；

[0014] 可选地，所述多个传输晶体管为两个，所述光电控制单元包括一个控制晶体管，所述控制晶体管连接到所述两个传输晶体管和所述光电二极管；

[0015] 可选地，所述多个传输晶体管为四个，所述光电控制单元包括两个控制晶体管，所述两个控制晶体管分别连接到所述四个传输晶体管和所述光电二极管；所述信号存储控制单元包含两个支路，所述两个支路分别连接到所述感光控制单元，每一支路包括信号存储控制晶体管及电容；

[0016] 可选地，所述像素电路的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；

[0017] 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；

[0018] 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；

[0019] 所述第一电压源和第二电压源为可变电压源。

[0020] 基于TOF的3D成像图像传感器像素电路中的电容可为节点的寄生电容、Poly电容、MIM(metal isolator metal)电容、MOM(metal oxide metal)电容或MOS电容。

[0021] 本发明还提供一种测距系统，所述测距系统包括：

[0022] 基于TOF的3D成像图像传感器图像传感器，所述图像传感器包含本发明上述内容及技术特征的多个排成行和列的像素电路阵列；

[0023] 控制信号处理单元，用于控制系统工作过程并处理所述像素电路获取的图像数据；

[0024] 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像素阵列电路；

[0025] 所述基于TOF的3D成像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。

[0026] 本发明提供的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，可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，能够输出具有高动态范围(HDR)的图像。

[0027] 本发明提出的不同电路结构类型的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路，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。

[0028] 本发明提出的本发明提出的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路和测距系统，采用光电控制单元对感光控制单元的光电二极管进行控制，同时采用4个相位控制时序及多路信号存储控制，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，提高测试精度。附图说明

[0029] 图1为本发明提出的实施例一的滚动曝光模式的像素电路结构图；

[0030] 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；

[0031] 图3为本发明提出的实施例一的具有滚动和全局曝光模式的像素电路结构图；

[0032] 图4为本发明提出的实施例一的具有滚动和全局曝光模式的像素电路时序图；

[0033] 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结构图；

[0034] 图6为本发明提出的实施例二的具有滚动和全局曝光模式的像素电路结构图；

[0035] 图7为本发明提出的一种测距系统基本框图。

具体实施方式

[0036] 以下结合本发明提供的各附图，对本发明提出的各实施例内容进行详细的说明。

[0037] 图1是本发明实施例一提出的基于TOF的3D成像图像传感器像素电路的结构图。

[0038] 如图1中所示，本实施例中，像素电路的感光控制单元包括光电二极管PD及4个传输晶体管TX0，TX1，TX2和TX3，上述4个传输晶体管分别连接到光电二极管PD。光电二极管PD分别通过传输晶体管TX0和TX2连接至第一读取电路；光电二极管PD分别通过传输晶体管TX1和TX3连接至第二读取电路。

[0039] 光电控制单元，包括两个控制晶体管RSTXa和RSTXb，根据控制信号rs_tx分别对感光控制单元的光电二极管PD的输出进行控制。

[0040] 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RSTa和RSTb、增益控制单元、信号存储控制单元及第一输出单元。以第一读取电路为例：

[0041] 信号存储控制单元包含两个支路，分别采用两个信号存储控制晶体管INTa0和RDa0，INTa1和RDa1，以及电容Cina0和Cina1。信号存储控制晶体管INTa0通过RDa0连接到浮动扩散点fda。电容Cina0的一端连接到信号存储控制晶体管INTa0和RDa0的连接点，另一端接指定电压Vrm。信号存储控制晶体管INTa1通过RDa1连接到浮动扩散点fda。电容Cina1的一端连接到信号存储控制晶体管INTa1和RDa1的连接点，另一端接指定电压Vrm。

[0042] 复位晶体管RSTa的漏极连接到可变电压源Vrab，根据复位控制信号rst重置浮动扩散点fda点的电压。增益控制晶体管DCGa一端连接到复位晶体管RSTa和电容Cdcga及控制晶体管RSTXa的输出端，一端连接到浮动扩散点fda，其栅极连接到控制信号dcg。电容Cdcga的另一端的连接到指定电压，该指定电压可以为pixvdd，可以接地端或其他指定电压值。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，其漏极连接可变电压源Vrsf。源极跟随晶体管SFa的源极输出通过滚动曝光行选择晶体管RS_Sa连接到输出列线pixa。

[0043] 第二读取电路结构和第一读取电路结构对称，其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。

[0044] 图2给出了本发明实施例一的滚动曝光模式的像素电路时序图，结合图1给出的像素电路结构图，本发明实施例一的滚动曝光模式的像素电路实现过程如下：

[0045] 滚动曝光模式：

[0046] 初始化：

[0047] a.首先对电路及光电二极管PD进行初始化，各控制信号如图2中a过程所示；

[0048] 曝光过程：

[0049] b.打开光源脉冲，对PD进行曝光；根据控制信号gs_tx0、gs_tx1、gs_tx2和gs_tx3，传输晶体管TX0、TX1、TX2及TX3以π/2的相位差导通，曝光结束时控制信号int0和int1置为低电平，将光电二极管PD累积的电荷分别存储至电容Cina0、Cinb0、Cina1和Cinb1；

[0050] 读取过程：

[0051] c.控制信号rs_sel置为高电平，行选择晶体管RS_Sa和RS_Sb导通；控制信号rst和dcg置为高电平，晶体管RSTa、RSTb、DCGa、DCGb导通，浮动扩散点fda和fdb复位至电压Vrab；

[0052] d.分别读取低转换增益LCG时第一读取电路和第二读取电路输出的初始信号电压Va0L0和Vb0L0；

[0053] e.控制信号rst置为高电平，对浮动扩散点fda和fdb再次复位；

[0054] f.控制信号dcg置为低电平，读取高转换增益HCG时第一读取电路和第二读取电路输出的初始信号电压Va0h0和Vb0h0；

[0055] g.控制信号rd0置为高电平，晶体管RDa0和RDb0导通，电容Cina0和Cinb0中存储的电荷分别转移至浮动扩散点fda和fdb；

[0056] h.读取高转换增益HCG时第一读取电路和第二读取电路输出的信号电压Va0h1和Vb0h1；

[0057] i.控制信号dcg和rd0置为高电平，将Cina0和Cinb0中的电荷在fda、和电容Cdcga，fdb和Cdcgb间重新分配；

[0058] j.读取低转换增益时第一读取电路和第二读取电路输出的信号电压Va0L1和Vb0L1。

[0059] 分别对Va0L1和Va0L0，Va0h1和Va0h0，Vb0L1和Vb0L0，Vb0h1和Vb0h0进行相关运算，得到Va0L＝Va0L1-Va0L0，Va0h＝Va0h1-Va0h0，Vb0L＝Vb0L1-Vb0L0，Vb0h＝Vb0h1-Vb0h0。不同增益(高转换增益/低转换增益)下的两帧信号可以合成一帧高动态范围信号，Va0＝f(Va0h，Va0L)，Vb0＝f(Vb0h，Vb0L)。

[0060] 重复上述步骤c至j，可得从电容Cina1和Cinb1中读出相应的电荷，以读取获得Va1和Vb1。

[0061] 信号的飞行时间t和距离d可由以下公式计算：

[0062]

[0063]

[0064] 在图2所示的时序中，控制信号gs_tx0、gs_tx1、gs_tx2及gs_tx3的阴影部分表示有效的电荷累积时域。

[0065] 控制信号rs_tx中电压Vab为某一中间值，其使得像素电路中实现抗晕(anti-blooming)性能。

[0066] 全局曝光模式：

[0067] 图3给出本发明实施例一的可实现滚动曝光和全局曝光模式的像素电路结构图，该像素电路可分别实现滚动曝光和全局曝光两种读取模式。如图3中以第一读取电路为例，像素电路进一步包括全局曝光传输单元，连接在第一输出单元的源极跟随晶体管SFa源极输出端和列线pixa之间，用于在全局曝光模式下对信号进行存储、读取及输出。全局曝光传输单元还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晶体管GS_SIGa和GS_RSTa，电容Csiga和Crsta。第二输出单元包括源极跟随晶体管GSFa，行选择晶体管GS_Sa连接在源极跟随晶体管GSFa的源极输出端和列线pixa之间。

[0068] 图3中所示的像素电路的滚动曝光读取模式可参考上述图1电路中所述的滚动曝光的实现模式，以下结合图4给出的电路时序对图3的像素电路的全局曝光读取模式进行详细的说明：

[0069] 全局曝光模式：

[0070] 初始化：

[0071] a.首先对电路及光电二极管PD进行初始化，各初始化信号如图4中a过程所示；

[0072] 曝光过程：

[0073] b.打开光源脉冲，对光电二极管PD进行曝光；根据控制信号gs_tx0、gs_tx1、gs_tx2和gs_tx3，传输晶体管TX0、TX1、TX2及TX3依次以π/2的相位差导通；曝光结束时，控制信号int0和int1置为低电平，光电二极管PD累积的电荷分别存储至电容Cina0，Cina1，Cinb0和Cinb1；

[0074] c.控制信号rst和dcg置为高电平，晶体管RSTa、RSTb和DCGa、DCGb导通，复位Crsta、Crstb，Csiga、Csigb，及fda、fdb；

[0075] d.rd0置为高电平，晶体管RDa0和RDb0导通，电容Cina0和Cinb0中存储的电荷分别转移至浮动扩散点fda和fdb的电压信号分别保存到电容Crsta和Crstb中；

[0076] e.rst，dcg置为高电平，晶体管RSTa，RSTb，DCGa，DCGb导通，初始化电容Csiga和Csigb；

[0077] f.rd1置为高电平，晶体管RDa1和RDb1导通，将电容Cina1和Cinb1中存储的电荷分别转移到浮动扩散点fda和fdb的电压信号分别保存到电容Csiga和Csigb；

[0078] 读取过程：

[0079] g.gs_sel置为高电平，晶体管GS_Sa和GS_Sb导通，从列线pixa和pixb分别读取高转换增益HCG时的信号VaH0和VbH0；

[0080] h.sb置为高电平，晶体管GS_RSTa和GS_RSTb导通，将电容Csiga和Crsta，Csigb和Crstb中存储的电荷重新分配；

[0081] i.从列线pixa和pixb分别读取高转换增益HCG时的信号VaH1和VbH1；

[0082] 重复上述步骤c至i，可获得低转换增益LCG时的图像信号VaL0和VbL0，VaL1和VbL1。

[0083] 通过对VaH1和VaH0，VaL1和VaL0，VbH1和VbH0，VbL1和VbL0进行相关运算，可得到VaL＝VaL1-VaL0，VaH＝VaH1-VaH0，VbL＝VbL1-VbL0，VbH＝VbH1-VbH0。

[0084] 对VaL，VaH，VbL，VbH合成高动态范围信号Va和Vb，信号的飞行时间t和距离d可由以下公式计算：

[0085]

[0086]

[0087] 图4的时序电路图中，控制信号gs_tx0，gs_tx1，gs_tx2和gs_tx3中阴影部分表示有效的电荷累积时域。在d和f步骤中，Vrsf的电压设为一指定的低电压值Vlo。

[0088] 本发明实施例一提供的像素电路，可分别实现滚动曝光和全局曝光模式下的光源在空中飞行时间及目标物体距离像素阵列的距离的精确侧量，同时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，电路运行速度会更快。

[0089] 实施例二：

[0090] 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结构图。与本发明实施例一电路中不同部分是信号存储控制单元。本实施例二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晶体管INTa0和RDa0，INTa1和RDa1，INTb0和RDb0，INTb1和RDb1。晶体管INTa0和RDa0，INTa1和RDa1，INTb0和RDb0，INTb1和RDb1分别连接到感光控制单元所对应的输出晶体管。电容Cina0连接至INTa0，Cina1连接至TNa1，Cinb0连接至INTb0，Cinb1连接至INTb1，如图5中所示。

[0091] 与图1给出的实施例一中像素电路相比，除第一读取电路和第二读取电路的信号存储控制单元设置不同，其他电路结构类同，电路的具体实施过程可参考图1和图2中所述，此处不再另行赘述。

[0092] 图6是本发明实施例二所提出的具有滚动曝光和全局曝光模式的像素电路的结构图。相较于图5中像素电路，图6中给出的像素电路可实现滚动曝光和全局曝光两种读取模式。滚动曝光模式的工作过程和图5中给出像素电路相同。全局曝光模式包括全局曝光传输单元，其包括全局曝光存储单元和第二输出单元。以第一读取电路为例，全局曝光存储单元包括晶体管GS_SIGa和GS_RSTa，电容Csiga和Crsta。第二输出单元包括源极跟随晶体管GSFa，行选择晶体管GS_Sa连接在源极跟随晶体管GSFa的源极输出端和列线pixa之间。

[0093] 图6中给出的全局曝光模式的像素电路的实施过程，可参考图3和图4中给出的电路及时序图。此处不再另行赘述。

[0094] 在实施例二中，以第一读取电路为例，信号存储控制单元分别包括晶体管INTa0和RDa0，INTa1和RDa1，电容Cina0和Cina1分别连接到晶体管INTa0和INTa1，这种设置方式能将电容Cina与其他电路隔离，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。

[0095] 图7为本发明所提出的可支持滚动曝光和全局曝光模式的像素电路的测距系统基本框图。如图中所示，该测距系统包括基于TOF的3D成像图像传感器，简称“TOF图像传感器”，可调制光源，及控制及信号处理单元。

[0096] 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像素电路阵列的传感装置。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像素电路阵列的曝光过程，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。

[0097] 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。

[0098] 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。

[0099] 本发明提出的测距系统，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(Time of Flight，飞行时间)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。

[0100] 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。

标题	发布/更新时间	阅读量
传感器系统	2020-05-11	232
传感器系统	2020-05-11	802
传感器系统	2020-05-12	984
传感器系统	2020-05-12	183
传感器系统	2020-05-13	308
传感器系统	2020-05-12	834
传感器系统	2020-05-12	118
传感器系统	2020-05-11	673
传感器系统	2020-05-11	930
传感器系统	2020-05-13	561

基于TOF的3D成像图像传感器像素电路及测距系统

基于TOF的3D成像图像传感器像素电路及测距系统

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：