具有HDR模式的TOF像素电路及测距系统技术方案

本发明专利技术提供一种具有HDR模式的TOF像素电路，所述像素电路包括感光控制单元、控制晶体管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，且共享所述感光控制单元。所述感光控制单元包括光电二极管及传输晶体管。所述第一读取电路和第二读取电路包括复位晶体管，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。本发明专利技术提出的具有HDR模式的TOF像素电路可实现滚动曝光和全局曝光的输出模式。本发明专利技术还提供一种测距系统。

TOF pixel circuit and ranging system with HDR mode

【技术实现步骤摘要】
具有HDR模式的TOF像素电路及测距系统
本专利技术涉及一种像素电路，尤其涉及一种具有HDR模式的TOF像素电路及测距系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术还提供一种TOF的测距系统，所述测距系统包括：TOF图像传感器，所述TOF图像传感器包括本专利技术上述
技术实现思路
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。本专利技术提供的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。本专利技术提出的不同类型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。本专利技术提出的本专利技术提出的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为本专利技术提出的实施例一的具有HDR模式的TOF像素电路结构图；图2为本专利技术提出的实施例一的滚动曝光模式的像素电路时序图；图3为本专利技术提出的实施例一的全局曝光模式的像素电路时序图；图4为本专利技术提出的实施例二的具有HDR模式的TOF像素电路结构图；图5为本专利技术提出的实施例二的滚动曝光模式的像素电路时序图；图6为本专利技术提出的实施例二的全局曝光模式的像素电路时序图；图7为本专利技术提出的实施例三的具有HDR模式的TOF像素电路结构图；图8为本专利技术提出的实施例三的滚动曝光模式的像素电路时序图；图9为本专利技术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为本专利技术提出的一种测距系统基本框图。具体实施方式以下结合本专利技术提供的各附图，对本专利技术提出各实施例进行详细的说明。图1是本专利技术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pi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有HDR模式的TOF像素电路，其特征在于，所述TOF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；第一输出单元，所述第一输出单元连接到所述浮动扩散点，用于对所述浮动扩散点的电压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，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。

【技术特征摘要】
1.一种具有HDR模式的TOF像素电路，其特征在于，所述TOF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；第一输出单元，所述第一输出单元连接到所述浮动扩散点，用于对所述浮动扩散点的电压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，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。2.根据权利要求1所述的具有HDR模式的TOF像素电路，其特征在于，所述信号存储控制单元包括一个信号存储控制晶体管和一个电容，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到指定电压。3.根据权利要求1所述的具有HDR模式的TOF像素电路，其特征在于，所述信号存储控制单元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。4.根据权利要求1所述的具有HDR模式的TOF像素电路，其特征在于，所述信号存储控制单元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。5.根据权利要求1所述的具有HDR模式的TOF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，其漏极连接到第三电压源；其源极输出端通过所述行选择晶体管连接至列线。6.根据权利要求1，2，3，4或5所述的具有HDR模式的TOF像素电路，其特征在于，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，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。7.根据权利要求6所述的具有HDR模式的TOF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。8.根据权利要求7所述的具有HDR模式的TOF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，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所述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。9.根据权利要求7所述的具有HDR模式的TOF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；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，其漏极连接到第四电压源；其源极输出端经所述行选择晶体管连接至列线。10.根据权利要求1或5所述的具有HDR模式的TOF像素电路，其特征在于，所述第一电压源及第三电压源为可变电压源。11.根据权利要求1或8所述的具有HDR模式的TOF像素电路，其特征在于，所述电容为寄生电容、Poly电容、MIM电容、MOM电容或MOS电容。12.一种测距系统，其特征在于，所述测距系统包括：TOF图像传感...

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