[發(fā)明專利]一種用于補(bǔ)償TOF傳感器中電荷轉(zhuǎn)移不完全的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811637512.3
• 申請(qǐng)日: 2018-12-29
• 公開（公告）號(hào): CN111385495B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐江濤;李嘉文;聶凱明;劉伯文;苗津
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)青島海洋技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): H04N5/353
• 分類號(hào): H04N5/353;H04N5/355;H04N5/359
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種用于補(bǔ)償TOF傳感器中電荷轉(zhuǎn)移不完全的方法，使得隨著TOF傳感器的調(diào)制頻率增加，不僅可以增加傳感器的精度，減小圖像拖尾模糊等情況，同時(shí)解決了因傳輸管開啟時(shí)間減小而帶來的電荷轉(zhuǎn)移不完全導(dǎo)致的圖像整體偏移過大問題，對(duì)調(diào)制頻率較高，但像素中電荷傳輸速率不夠的傳感器做了算法補(bǔ)償，大大提高了TOF圖像傳感器的精度。在傳感器的積分時(shí)間越久，外部光源越大或距離越近的情況下，該方法的補(bǔ)償效果越好，在散粒噪聲幾乎為零時(shí)，該方法可以完全還原物體的原距離信息。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及在圖像傳感器應(yīng)用中，解決三維圖像傳感器中雙FD節(jié)點(diǎn)像素在調(diào)制頻率過高的情況下，電荷轉(zhuǎn)移速率不夠?qū)е碌纳疃刃畔⒕冉档偷膯栴}。

背景技術(shù)

飛行時(shí)間（ToF）范圍成像相機(jī)可用于從單個(gè)視點(diǎn)測(cè)量場(chǎng)景中物體的大小，形狀和位置。它們的操作類似于傳統(tǒng)的數(shù)碼攝像機(jī)，但同時(shí)捕獲圖像中每個(gè)像素的強(qiáng)度和距離信息。這種情況是通過用強(qiáng)度調(diào)制光主動(dòng)照亮場(chǎng)景并測(cè)量幅度和傳播ToF從攝像機(jī)到場(chǎng)景中的物體并返回?cái)z像機(jī)的往返來實(shí)現(xiàn)的。

通常使用紅外光源，調(diào)制范圍為10-100MHz。通過測(cè)量返回光的調(diào)制包絡(luò)的相移來確定傳播時(shí)間（并且因此確定距離）。該方法通過在積分時(shí)間期間以與照明調(diào)制相同的頻率對(duì)圖像傳感器進(jìn)行調(diào)制來執(zhí)行，隨著調(diào)制頻率的增加，像素內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移比例會(huì)受其影響而減小，對(duì)傳感器的成像造成影響。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種用于補(bǔ)償TOF傳感器中電荷轉(zhuǎn)移不完全的方法，使得隨著TOF傳感器的調(diào)制頻率增加，不僅可以增加傳感器的精度，減小圖像拖尾模糊等情況，同時(shí)解決了因傳輸管開啟時(shí)間減小而帶來的電荷轉(zhuǎn)移不完全導(dǎo)致的圖像整體偏移過大問題，大大提高了TOF圖像傳感器的精度。

如圖1，TOF傳感器像素不同于普通圖像傳感器，是含有雙FD節(jié)點(diǎn)以單幀讀出雙相位信息，這就需要像素內(nèi)的兩個(gè)傳輸管以同調(diào)制頻率下的相反相位交替打開，當(dāng)調(diào)制頻率過高時(shí)，傳輸管開啟時(shí)間過短，導(dǎo)致PD內(nèi)包含相位信息的光生電荷不能在開啟時(shí)間內(nèi)完全導(dǎo)入至FD節(jié)點(diǎn)，使得兩相位的深度信息錯(cuò)亂；設(shè)在一定的傳輸管開啟時(shí)間內(nèi)，電荷轉(zhuǎn)移的比率是k，并且每次曝光得到的兩相位的電荷數(shù)是固定的，分別為a₀和b₀，積分次數(shù)為n，那么在相位a和相位b之間存在如下的關(guān)系：

經(jīng)計(jì)算可得

從上式可進(jìn)一步計(jì)算得兩相位在n次積分后的總電荷數(shù)Sa和Sb為：

所以可以發(fā)現(xiàn)積分得到的電荷錯(cuò)亂和每次積分得到的電荷數(shù)以及電荷轉(zhuǎn)移比例k有關(guān)，在芯片正常工作前加入一個(gè)特殊模式，該模式下分為兩個(gè)階段，在外部提供不變的均勻光時(shí)，通過調(diào)整像素時(shí)序第一階段在較低調(diào)制頻率下，積分次數(shù)也較低，保證每次電荷轉(zhuǎn)移都可以轉(zhuǎn)移完全；使像素先按照正常工作時(shí)的調(diào)制頻率工作，保證像素每次積分得到的光生電荷相同為c₀，同時(shí)只打開單側(cè)的TX管使電荷轉(zhuǎn)移只發(fā)生在同一相位下，則可通過測(cè)得n次積分后的輸出電壓值V，也即S_cn，并且當(dāng)使兩個(gè)階段的曝光時(shí)間一樣時(shí)，兩個(gè)階段得到的V應(yīng)該是相同的，則c₀和S_cn已知，便可通過下式推導(dǎo)出k：

在得到k值后，通過式(1-2)(1-3)便可以得到a₀和b₀，即為理想狀態(tài)下包含物體深度信息的光生電荷數(shù)，通過TOF傳感器計(jì)算方法即可得到被測(cè)物體的深度信息。