像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法技术方案

本申请提供一种像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法，像素单元包括：衬底；光电二极管；第一电压信号输出模块，其包括第一开关，第一开关连接光电二极管；以及第二电压信号输出模块，其包括第二开关，第二开关连接光电二极管；第一电压信号输出模块输出第一电压信号表示环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制第一开关关闭以及控制第二开关打开，第二电压信号输出模块输出第二电压信号表示反射光的电压信号，根据第一电压信号和第二电压信号获取反射光电压信号有效值。本申请能够提升了被测物体的深度信息的测量的准确性，能够适用于更加复杂的环境，使得产品适用范围更为广泛。

【技术实现步骤摘要】
像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法
本申请涉及图像领域，尤其涉及像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法。
技术介绍
近年来，具有深度信息感知的视觉传感器在人工智能、无人驾驶、视频监控、虚拟现实等领域的应用不断增加。具体表现为具有深度信息感知的机器人视觉大大有助于对完成人工智能中机器学习与训练、无人驾驶中障碍物识别及生物体行为识别、视频监控系统中对人群状态分析，人流密集场所的监控及管理、虚拟现实中建立实时动态的三维立体交互式环境。使用智能CMOS图像传感器获取深度信息的方式有很多，比如干涉测量(Interferometry)、三角测量(Triangulation)、双目立体视觉(Binocular)、飞行时间测量(TimeofFlight)。干涉测量使用相干光照亮目标场景，产生的干扰模式光用于实现准确的距离估计。但是，干涉测量在测量时需要配置极精确的可见光，误差必须控制在纳米数量级，而且距离深度十分有限，实际应用场景无法满足要求，应用极其有限。三角测量基于光源和传感器模组间的几何关系(主动式三角测量，比如激光三角测量和条纹投影)，但是其最大距离受限于基准线参数，比如系统的光学元件间的距离，因此在应用时需要设计一个十分紧凑的系统模组，难以大规模应用。同时三角测量和干涉测量都需要一个扫描机制，不利于高速、低功耗、紧凑系统的集成。双目视觉是模拟人类视觉原理，从两个或者多个点观察一个物体，获取在不同视角下的图像，根据图像之间像素的匹配关系，通过三角测量原理计算出像素之间的偏移来获取物体的三维信息，得到了物体的深度信息，计算出物体与相机之间的实际距离。双目立体视觉虽然近年来在众多领域得到大量应用，但是双目立体视觉需要稳定的平台完成摄像机标定，加上特征点提取、立体匹配和三维重建部分需要硬件(FPGA，DSP等)辅助完成大量的计算工作，有着运算量和功耗过大等缺陷。基于飞行时间测量的深度传感器，通过给目标物体连续发送一系列具有一定占空比的激光脉冲，激光脉冲照射到目标物体后返回，然后用传感器接收从物体返回的激光脉冲，通过探测激光脉冲的飞行(往返)时间或者相位位移来提取深度信息。飞行时间测量深度传感器分为两类：直接飞行时间测量(TOF)与间接飞行时间测量(ITOF，或者称为相位式飞行时间测量)。直接飞行时间测量常见的方式是计量激光脉冲在空间中所飞行的时间，然后用此飞行时间与光速相乘即可得到两点间的距离。主要实现方式是利用单光子雪崩光电二极管(SinglePhotonAvalancheDiode,SPAD)的敏感光电感应特性，在单光子探测中,一般要求单光子雪崩光电二极管(SPAD)偏置在高增益的盖革模式下,其反向偏置电压已超过器件自身的雪崩击穿电压，其数值一般为十几伏特到二十伏特范围。这种技术的实现受制于半导体器件工艺的限制，普通的工艺生产线无法满足要求，对设计的要求极高，一直未获得大的突破，难以大规模推广及应用。SPAD对环境光很敏感，极微弱的光就会发生雪崩，产生较大的雪崩电流，不利于在室外环境中使用，受环境光的影响很大；同时需要大量辅助电路，比如保护器件不被高压击穿的淬灭电路，计算光子数量的高精度(TimetoDigitalConverter，TDC)电路单元。SPAD像素结构及其辅助电路导致像素填充率较低，不利于大规模集成；且直接时间飞行测量得出深度信息需要大量的计算时间，不利于实现实时处理图像，难以具备实时提取深度信息的能力。间接飞行时间测量(ITOF)通过测量发送激光脉冲和经被测目标反射的激光脉冲间的相位差来提取深度信息，即将激光脉冲在被测距离上的往返飞行时间转化成了两激光脉冲的相位差来实现深度信息提取。ITOF深度视觉传感器不需要单光子雪崩光电二极管，普通的光电二极管(photodiode，PD)就能完成接收光的探测，消除了单光子就能产生雪崩电流的缺陷，因此具有较好的抵抗环境光能力。间接飞行时间测量通过获取到的相位差计算深度信息时，计算量较小，可实现实时处理图像，且运算过程不需要大量的额外电路支持，提高了光电二极管在后端版图中的占比，因此拥有较高的像素填充率，间接时间飞行测量技术在从几厘米到几十米范围拥有较高的距离探测准确性。因此间接飞行时间测量深度传感器的研究对深度传感器的实现有着重要的意义，同时在人工智能、无人驾驶、视频监控、虚拟现实等领域有较高的应用价值和广阔的前景。请参阅图1，现有技术中，间接飞行时间测量采用的是传统的CMOS4T-APS(4TransistorActivePixelSensor，4晶体管有源像素传感器)结构，该结构拥有光电二极管PD，电荷转移晶体管MTG，复位晶体管MRS，源极跟随器晶体管MSF和选通晶体管MSEL，并且只有一个浮动扩散区(FloatingDiffusion，FD)。这种像素单元结构应用在间接飞行时间测量深度传感器来获取深度信息时，如果环境光过强的话，会受到环境光的干扰，严重影响测量物体的图像深度信息的准确性，无法适用于复杂的室外环境，使得产品的适用范围较为狭窄。
技术实现思路
本申请提供一种像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法，能够在解决现在测量图像深度信息时采用传统的4晶体管有源像素传感器存在抗干扰能力差在环境光较强时因为环境光的干扰会影响测量的准确性、无法适用于复杂的室外环境以及产品适用范围狭窄的问题。根据本申请的第一方面，本申请提供一种像素单元，像素单元包括：衬底；光电二极管，其设置于衬底内，其用以将入射于光电二极管上的光信号转化为电压信号；第一电压信号输出模块，其用于将入射在光电二极管的光转化第一电压信号，其包括第一开关，第一开关的输入端连接光电二极管，第一开关打开时，第一开关的输出端可输出第一电压信号；以及第二电压信号输出模块，其用于获取入射在光电二极管的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，第二开关的输入端连接光电二极管，第二开关打开时，第二开关的输出端可输出第二电压信号；其中，当获取环境光的电压信号时，控制像素单元接收环境光，光电二极管将环境光转换为电压信号，控制第一开关打开以及控制第二开关关闭，第一电压信号输出模块输出第一电压信号为表示环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制像素单元接收反射光，光电二极管将反射光转换为电压信号，控制第一开关关闭以及控制第二开关打开，第二电压信号输出模块输出第二电压信号为表示反射光的电压信号，比较表示环境光的第一电压信号以及表示反射光的第二电压信以获取比例系数，当要获取反射光的有效电压信号时，结合比例系数即可获得反射光电压信号有效值。优选地，光电二极管设置于衬底的中心位置，第一电压信号输出模块的第一开关为第一传输晶体管，第一传输晶体管设置于衬底内并且设置于光电二极管的一侧，第一传输晶体管与光电二极管耦合以将光电二极管累积的电压信号输出，第二电压信号输出模块的第二开关为第二传输晶体管，第二传输晶体管设置于衬底内并且对称第一传输晶体管设置于光电二极管的另一侧，第二传输晶体管与光电二极管耦合以将光电二极管累积的电压信号输出。优选地，第一电压信号输出模块还包括：第一浮动扩散区，其设置于衬底内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种像素单元，其特征在于，所述像素单元包括：衬底；光电二极管，其设置于所述衬底内，其用以将入射于所述光电二极管上的光信号转化为电压信号；第一电压信号输出模块，其用于将入射在所述光电二极管的光转化第一电压信号，其包括第一开关，所述第一开关的输入端连接所述光电二极管，所述第一开关打开时，所述第一开关的输出端可输出所述第一电压信号；以及第二电压信号输出模块，其用于获取入射在所述光电二极管的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，所述第二开关的输入端连接所述光电二极管，所述第二开关打开时，所述第二开关的输出端可输出所述第二电压信号；其中，当获取环境光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述环境光，所述光电二极管将所述环境光转换为电压信号，控制所述第一开关打开以及控制所述第二开关关闭，所述第一电压信号输出模块输出所述第一电压信号为表示所述环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述反射光，所述光电二极管将所述反射光转换为电压信号，控制所述第一开关关闭以及控制所述第二开关打开，所述第二电压信号输出模块输出所述第二电压信号为表示所述反射光的电压信号，比较表示所述环境光的第一电压信号以及表示所述反射光的第二电压信以获取比例系数，当要获取所述反射光的有效电压信号时，结合所述比例系数即可获得所述反射光电压信号有效值。...

【技术特征摘要】
1.一种像素单元，其特征在于，所述像素单元包括：衬底；光电二极管，其设置于所述衬底内，其用以将入射于所述光电二极管上的光信号转化为电压信号；第一电压信号输出模块，其用于将入射在所述光电二极管的光转化第一电压信号，其包括第一开关，所述第一开关的输入端连接所述光电二极管，所述第一开关打开时，所述第一开关的输出端可输出所述第一电压信号；以及第二电压信号输出模块，其用于获取入射在所述光电二极管的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，所述第二开关的输入端连接所述光电二极管，所述第二开关打开时，所述第二开关的输出端可输出所述第二电压信号；其中，当获取环境光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述环境光，所述光电二极管将所述环境光转换为电压信号，控制所述第一开关打开以及控制所述第二开关关闭，所述第一电压信号输出模块输出所述第一电压信号为表示所述环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述反射光，所述光电二极管将所述反射光转换为电压信号，控制所述第一开关关闭以及控制所述第二开关打开，所述第二电压信号输出模块输出所述第二电压信号为表示所述反射光的电压信号，比较表示所述环境光的第一电压信号以及表示所述反射光的第二电压信以获取比例系数，当要获取所述反射光的有效电压信号时，结合所述比例系数即可获得所述反射光电压信号有效值。2.如权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述光电二极管设置于所述衬底的中心位置，所述第一电压信号输出模块的第一开关为第一传输晶体管，第一传输晶体管设置于所述衬底内并且设置于所述光电二极管的一侧，第一传输晶体管与所述光电二极管耦合以将所述光电二极管累积的电压信号输出，所述第二电压信号输出模块的第二开关为第二传输晶体管，所述第二传输晶体管设置于所述衬底内并且对称所述第一传输晶体管设置于所述光电二极管的另一侧，第二传输晶体管与所述光电二极管耦合以将所述光电二极管累积的电压信号输出。3.如权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述第一电压信号输出模块还包括：第一浮动扩散区，其设置于所述衬底内并且设置于所述第一传输晶体管远离所述光电二极管的一侧，其中，所述第一传输晶体管将所述光电二极管的第一电压信号转移到所述第一浮动扩散区进行保存；第一复位晶体管，其设置于所述衬底内耦合所述光电二极管，用以将所述第一浮动扩散区保存的第一电压信号进行复位；第一源极跟随晶体管，其控制端连接所述第一浮动扩散区，其输入端连接所述第一复位晶体管；以及第一选通晶体管，其输入端连接所述第一源极跟随晶体管的输出端，所述第一选通晶体管的输出端输出所述第一电压信号；所述第二电压信号输出模块还包括：第二浮动扩散区，其设置于所述衬底内并且设置于所述第二传输晶体管远离所述光电二极管的一侧，其中，所述第二传输晶体管将所述光电二极管的第二电压信号转移到所述第二浮动扩散区进行保存；第二复位晶体管，其设置于所述衬底上耦合所述光电二极管，用以将所述第二浮动扩散区保存的第二电压信号进行复位；第二源极跟随晶体管，其控制端连接所述第二浮动扩散区，其输入端连接所述第二复位晶体管；以及第二选通晶体管，其输入端连接所述第二源极跟随晶体管的输出端，所述第二选通晶体管的输出端输出所述第二电压信号。4.如权利要求2或3所述的像素单元，其特征在于，所述第一电压信号输出模块还包括：第一泄放晶体管，其设置于所述衬底内并连接所述光电二极管，其用于在所述像素单元处于空闲状态时，将所述光电二极管接收所述环境光所产生的电压信号释放掉；所述第二电压信号输出模块还包括：第二泄放晶体管，其设置于所述衬底内并连接所述光电二极管，其用于在将所述像素单元处于空闲状态时，将所述光电二极管接收所述环境光所产生的电压信号释放掉；其中，在计算获得所述反射光有效值前，通过打开所述第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管将所述像素单元在空闲时因为所述环境光产生的累积电荷释放掉。5.如权利要求4所述的像素单元，其特征在于，所述光电二极管呈正方形并设置于所述衬底的中心位置，所述第一传输晶体管设置于所述光电二极管的左侧，所述第一浮动扩散区设置于所述第一传输晶体管远离所述光电二极管的一侧，所述第二传输晶体管对称所述第一传输晶体管设置于所述光电二极管的右侧，所述第二浮动扩散区对称所述第一浮动扩散区设置于所述第二传输晶体管远离所述光电二极管的一侧，所述第一泄放晶体管设置于所述光电二极管的上侧，所述第二泄放晶体管对称所述第一泄放晶体管设置于所述光电二极管的下侧。6.如权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述光电二极管为轧光电二极管。7.一种图像传感器芯片，其特征在于，所述图像传感器芯片包括：像素阵列，其包括多个如权利要求1所述的像素单元，所述像素单元输出电压信号；偏置单元，其用于为所述图像传感芯片提供偏置电压；模数转换单元，用于将所述像素单元输出的电压信号转换为数字信号，其连接所述像素单元；扫描单元，用于选通并输出所述像素阵列的数字信号，其连接所述像素单元阵列；控制单元，其连接并控制所述像素阵列、模数转换单元、扫描单元以及偏置单元工作以获取并输出所述数字信号；深度信息计算单元，其用于根据所述像素单元输出的数字信号进行运算获得被测物体的距离信息，其连接所述控制单元；输出单元，其用于将所述距离信息传输至下一级应用层，其连接所述深度信息计算单元；其中，系统打开激光发射源，每次发射经过调制的时间长度为T0的激光脉冲，所述控制单元控制所述像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关打开以及第二电压信号输出模块的第二开关关闭，所述第一电压信号输出模块输出所述第一电压信号，所述模数转换单元将所述第一电压信号转化为第一数字信号，结合所述比例系数将所述第一数字信号按照设定方式转换为所述第一数字信号的有效值U0，所述控制单元控制所述像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关关闭以及第二电压信号输出模块的第二开关打开，所述第二电压信号输出模块输出所述第二电压信号，所述模数转换单元将所述第二电压信号转化为第二数字信号，结合所述比例系数将所述第二数字信号按照设定方式转换为所述第二数字信号的有效值U1；所述扫描单元选通并输出所述像素单元的第一数字信号的有效值U0以及第二数字信号的有效值U1，所述深度信息计算单元按照公式：即可计算得出每个所述像素单元对应的被测物体的距离信息L，亦既是被测物体的深度信息，其中，c为光速。8.如权利要求7所述的图像传感器芯片，其特征在于，所述模数转换单元包括对应相邻的两所述像素单元设置的相关双采样电路，所述相关双采样电路包括：第一运算放大器以及其周边电路，所述第一运算放大器的正向输入端输入偏置单元提供的偏置电压信号，所述第一运算放大器的负向输入端通过第一电容连接相邻的两所述像素单元的第一选通晶体管，所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第三开关以及第二电容，所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第四开关以及第三电容，所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第五开关，所述第一运算放大器的负向输入端接收两所述像素单元的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐渊，黄志宇，漆晓峰，刘诗琪，陈享，
申请(专利权)人：深圳市光微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44