[發明專利]一種基于CPAD的雙調制頻率的像素結構

在審

• 申請號: 201811229490.7
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN111083400A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 徐江濤;李嘉文;苗津;劉伯文;張培文
• 申請（專利權）人: 天津大學青島海洋技術研究院
• 主分類號: H04N5/355
• 分類號: H04N5/355;H04N5/372
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于CPAD的雙調制頻率的像素結構，每個像素中包含雙FD節點，采用CPAD的方法以增大電荷轉移速率，從而解決電荷轉移速率過慢帶來的相位信息錯亂成像質量不高的問題，并采用雙調制頻率在既保證了探測距離的條件下，又保證了三維圖像傳感器的精度。

技術領域

本發明涉及模擬集成電路設計領域，尤其涉及一種基于CPAD的雙調制頻率的像素結構。

背景技術

圖像傳感器一直以來都是人類研究的熱點。但是隨著當代科學技術的發展，人類對于傳統的2D圖像傳感器的要求越來越高，不僅期望有著更高分辨率，更快速度，更大的動態范圍，人類更加希望能夠獲得物體的深度信息，但是2D成像技術現在已經不能滿足人類的需求，所以應運而生了3D成像技術。基于連續波的TOF算法簡單而且測量精度高，使用較多，主要工作原理為檢測發射到物體的光，再反射到圖像傳感器之間時間差，從而算得圖像傳感器和物體之間的距離。

目前對于TOF圖像傳感器的研究有很大的進展，但仍有很多技術難關，如在間接TOF傳感器中，在物體距離較遠的情況下像素接收到的近紅外光很微弱，會導致傳感器成像精度大大降低；同時當像素內電荷轉移速度不夠快的時候，會導致調制對比度過低的現象出現，也會對傳感器的成像產生影響。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提出了一種基于CPAD的雙調制頻率的像素結構，每個像素中包含雙FD節點，采用CPAD的方法以增大電荷轉移速率，從而解決電荷轉移速率過慢帶來的相位信息錯亂成像質量不高的問題，并采用雙調制頻率在既保證了探測距離的條件下，又保證了三維圖像傳感器的精度。

一種基于CPAD的雙調制頻率的像素結構，光電探測器由一個CAPD像素中的四個電極組成，兩個用于探測器收集信號（DET_A和DET_B），兩個用于偏置以輔助更快的電荷流。V_A和V_B兩個不同電極處接入和調制光源同頻率但相位相反的調制頻率CLK_A和CLK_B，以分別加速不同相位收集到光生電荷的轉移。在得到四個不同相位的代表距離信息的電子數之后便可利用相關公式計算得出被照物體的深度信息，收集四個相位的信息以便消減來自于背景光的影響。此外，它具有一些功能晶體管，其具有電荷轉移柵極（TRG），復位晶體管（RST），源極跟隨放大器（AMP_A和AMP_B）和像素選擇晶體管（SEL）的作用。

其中，電荷轉移柵極管將感光用的光電二極管的N埋層與硅-二氧化硅界面隔開，使像素的暗電流大大減小，相對于3T像素新增的FD節點使得相關雙采樣得以實現，從而大大降低了隨機噪聲并抑制了固定模式噪聲。復位晶體管用于給FD節點復位，以便采集需要的曝光信號和復位信號；源級跟隨器和FD節點相連，從而獲得穩定的信號；像素選擇晶體管可以選擇要讀取的像素信號。

另外，在此像素中采用了雙調制頻率，圖2中（a）顯示了操作順序。較低頻率f1（例如，80MHz）獲得第一階段，然后較高頻率f2（例如，100MHz）獲得相位。最后，應用消除和組合來自頻率f1和f2的相位的公式以產生最終深度結果。最終計算深度的不確定性（抖動）與使用頻率（f1 + f2）/ 2（例如，90MHz）的組合積分時間大致相同，如圖2中（b）所示。可以證明，可以進行明確操作的范圍比f1或f2大許多倍（例如，操作范圍通常與f1-f2成比例，在這種情況下，f1-f2是100MHz-80MHz=20MHz）。

一種基于CPAD的雙調制頻率的像素結構，避免了四幀二維圖像信息出一幀三維深度信息的速度過慢問題，同時利用電流輔助光子解調器加快了曝光時電荷轉移速率，避免出現因電荷轉移不干凈對成像產生的噪聲問題；雙調制頻率以較低調制頻率來探測物體大致距離，然后以較高調制頻率獲得物體的精確深度信息，這樣既保證了傳感器的探測距離，又在距離的基礎上提高了傳感器的精度，同時也不會增加曝光時間，避免曝光時間過長帶來的模糊等成像問題。

附圖說明