TOF图像传感器像素结构及TOF成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种TOF图像传感器像素结构及TOF成像系统，该像素结构包括光电二极管、第一读取控制单元、第二读取控制单元；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；其中，复位晶体管的一端耦接至第一电压源，其另一端通过双转换增益控制单元耦接至对应的浮动扩散节点；光电二极管通过传输晶体管耦接至对应的浮动扩散节点；输出单元耦接至对应的浮动扩散节点。该像素结构特别适合于TOF成像系统并且能够支持滚动曝光模式。并且由于使用了双转换增益控制单元，使得本发明专利技术的像素结构可以支持DCG，从而具有高动态范围特性。

【技术实现步骤摘要】
TOF图像传感器像素结构及TOF成像系统
本专利技术涉及图像传感器
，尤其涉及一种TOF图像传感器像素结构及TOF成像系统。
技术介绍
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(ChargeCoupledDevice,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，Timeofflight)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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。在本专利技术的一个实施例中，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。本专利技术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)本专利技术提供的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)本专利技术提供的TOF图像传感器像素结构，由于第一读本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。3.如权利要求2所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。4.如权利要求1至3任一项所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。5.如权利要求4所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。6.如权利要求1所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。7.如权利要求6所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。8.如权利要求6或7所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，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。9.一种TOF成像系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张正民，莫要武，徐辰，任冠京，高哲，谢晓，邵泽旭，马伟剑，石文杰，
申请(专利权)人：上海晔芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31