CN113851495A - 一种图像传感器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种图像传感器，包括：像素阵列，所述像素阵列由像素单元组成，所述像素单元包括：光电转换单元，用于接收光信号并生成光生电子；M个调制栅，所述调制栅用于控制所述光生电子的传输，所述M大于等于1；N个开关装置和N个电荷存储装置，所述开关装置用于连接所述调制栅与所述电荷存储装置，所述电荷存储装置用于存储所述光生电子，其中，所述N个开关装置中的与所述N个电荷存储装置一一对应连接，所述N大于M。通过在M个调制栅之后连接N个开关装置，N个开关装置与电荷存储装置一一对应连接，且N大于M，将M个调制栅扩展为N个可以存储装置，因此该传感器可以存储反射信号更多的相位信息，简化了电路的复杂性。

Description

一种图像传感器和电子设备

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种图像传感器和电子设备。

背景技术

飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

而间接飞行时间探测(Indirect Time of flight，ITOF)作为TOF的一种，ITOF技术通过测量对被测物体进行主动照明，通过测量往返时间的延迟以确定被测物体的距离信息，即利用ITOF的测距方程将延迟信息转换为距离信息。在该测距方程中，一般会涉及到反射信号的几种不同的相位信息，即根据该相位信息确定目标物体的距离。

相应的，图像传感器也需要接收不同相位下的反射信号，根据该信号进行信息处理。因此，图像传感器需要配置相应多个用于存储不同相位的控制结构用于调制不同相位下的信号。然而控制结构越多，其像素电路中的结构越复杂。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种图像传感器和电子设备，以解决现有的图像传感器中像素电路结构复杂的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种图像传感器，包括：像素阵列，所述像素阵列由像素单元组成，所述像素单元包括：光电转换单元，用于接收光信号并生成光生电子；M个调制栅，所述调制栅用于控制所述光生电子的传输，所述M大于等于1；N个开关装置和N个电荷存储装置，所述开关装置用于连接所述调制栅与所述电荷存储装置，所述电荷存储装置用于存储所述光生电子，其中，所述N个开关装置中的与所述N个电荷存储装置一一对应连接，所述N大于M。

可选地，所述M＝2，N＝4，所述四个电荷存储装置中存储的所述光生电子的光信号相位相差90°。

可选地，所述开关装置设置在所述像素的内部部分。

可选地，所述开关装置设置在所述像素的外部部分。

可选地，所述M个调制栅平均分配在所述二极管周围。

第二方面，本申请实施例提供了一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：光源，用于向目标对象发射光信号；图像传感器，用于接收有所述目标对象反射的光信号并产生电信号，以及信号处理模块，用于利用飞行时间的方法处理所述电信号并生成深度图像，其中，所述图像传感器包括：像素阵列，所述像素阵列由像素单元组成，所述像素单元包括：光电转换单元，用于接收光信号并生成光生电子，M个调制栅，所述调制栅用于控制所述光生电子的传输，N个开关装置和N个电荷存储装置，所述开关装置用于连接所述调制栅与所述电荷存储装置，所述电荷存储装置用于存储所述光生电子，其中，所述N个开关装置中的与所述N个电荷存储装置一一对应连接，所述N大于M，所述M大于等于1。

可选地，所述N个电荷存储装置用于存储不同相位下的光信号生成的光生电子。

可选地，所述M＝2，N＝4，所述四个电荷存储装置中存储的所述光生电子的光信号相位相差90°。

本申请的有益效果是：本申请实施例提供的图像传感器，包括像素阵列，所述像素阵列由像素单元组成，所述像素单元包括：光电转换单元，用于接收光信号并生成光生电子；M个调制栅，所述调制栅用于控制所述光生电子的传输，所述M大于等于1；N个开关装置和N个电荷存储装置，所述开关装置用于连接所述调制栅与所述电荷存储装置，所述电荷存储装置用于存储所述光生电子，其中，所述N个开关装置中的与所述N个电荷存储装置一一对应连接，所述N大于M。

如此，通过在M个调制栅之后连接N个开关装置，N个开关装置与电荷存储装置一一对应连接，且N大于M，通过对M个调制栅的连接，扩展为N个可以存储装置，因此该传感器可以存储反射信号更多的相位信息，简化了电路的复杂性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为一种测距场景的示意图；

图2为本申请实施例提供的图像传感器中一像素单元的结构框图；

图3为本申请实施例提供的图像传感器的又一像素单元的结构框图；

图4为本申请实施例提供的一像素单元的电路和时序图；

图5为本申请实施例提供的一电子设备的框图。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

根据本发明的实施方式，提出了一种用于信号提取电路、信号提取方法以及测距方法和装置。其中，方法和装置是基于同一发明构思的，由于方法及装置解决问题的原理相似，因此装置与方法的实施可以相互参见，重复之处不再赘述。

近几年，为了自动驾驶能够在生活中得到应用，3D成像系统的研究得到了长足的发展。自动驾驶中对成像系统主要由几点要求：抗大背景光(阳光最强100klux)、提升测距精度以及快速测距，因此需要一种图像传感器内的像素电路能减少像素内面积的浪费并在电路工作时完成部分的计算，可使接收的信号更全面提升了测距精度且减少了后级数据处理的压力节约了部分数据处理的时间，可快速的得到与物体之间的距离。

图1为一般的TOF测距原理图，通过发射光信号和回波信号之间的相位差，得到传感器和待测物体之间的飞行时间，进而计算得到距离信息。如图所示，从光源101发出一束发射光信号。所述发射光信号可以为经过伪随机序列调制后的激光脉冲信号或者普通的激光脉冲信号。该发射光信号经过物体102反射后被透镜103聚焦在图像传感器104的像素上。图像传感器接收的信号为回波信号和背景光信号或仅有背景光信号，且假设背景光信号一定时间内时均匀的。通过图像传感器104里的像素电路对接收到的信号进行信号消除或信号提取，去除背景光部分，得到纯回波信号，最后通过每个像素检测返回的光中回波信号相对于发射光信号的相移可以检测周围的物体的距离。

下面结合图2详细说明本申请实施例提供的图像传感器200，该图像传感器200包括像素阵列，像素阵列由像素单元组成，所述像素单元包括：光电转换单元210，用于接收光信号并生成光生电子；M个调制栅220，该调制栅220用于控制所述光生电子的传输，该M大于等于1；N个开关装置230和N个电荷存储装置240，该开关装置230用于连接调制栅220与电荷存储装置240，电荷存储装置240用于存储所述光生电子，其中，N个开关装置中的与N个电荷存储装置一一对应连接，并且N大于M。

因此，可以通过N个开关装置完成光电转换单元的调制功能，简化电路的结构，同时可以保证存储装置的数目多于调制栅的数目，因此该传感器可以存储反射信号更多的相位信息，为后续处理电路提供更多的信号，使得该图像传感器的测距精度更准确。

可选地，N个电荷存储装置240用于存储不同相位下的光信号生成的光生电子。例如，可以存储0°和180°相位下的光信号。

可选地，M＝2，N＝4，该四个电荷存储装置中存储的光生电子的光信号相位相差90°。例如，该四个电荷存储装置可以分别存储0°，90°，180°和270°相位下的光生电子。

可选地，M个调制栅220平均分配在所述光电转换单元210周围。

下面以M等于2，N等于4为例，结合图3，详细说明本申请实施例提供的图像传感器，该图像传感器包括一个光电转换单元301，调制删302和调制删303，调制删302分别连接开关装置304和开关装置306，即开关装置304和开关装置306并联，开关装置304与电荷存储单元305连接，开关装置304用于控制光电转换单元301中的光生电子转移至电荷存储单元305中，同样地，开关装置306与电荷存储单元307连接，用于控制光电转换单元301中的光生电子转移至电荷存储单元307中；调制删303分别连接开关装置308和开关装置310，即开关装置308和开关装置310并联，开关装置308与电荷存储单元309连接，开关装置308用于控制光电转换单元301中的光生电子转移至电荷存储单元309中，同样地，开关装置310与电荷存储单元311连接，用于控制光电转换单元301中的光生电子转移至电荷存储单元311中。

因此，本申请提供的图像传感器可以通过开关装置将2个调制删结构的像素电路扩展为带有4个调制删功能的像素电路。简化了电路设计的复杂性，同时提升了图像传感器的动态范围。

需要说明的是，光电转换单元可以是光电二极管等可以将光信号转换为电信号的电路器件，本申请对此不作具体限定。

可选地，这四个电荷存储装置中存储的所述光生电子的光信号相位相差90°。例如，电荷存储单元305可以存储0°相位下的光生电子，电荷存储单元307可以存储90°相位下的光生电子，电荷存储单元309可以存储180°相位下的光生电子，电荷存储单元311可以存储270°相位下的光生电子

可选地，调制栅302和调制删303平均分配在光电转换单元301周围。示例性的，如图3，调制栅302和调制删303分别设置在该光电转换单元301的两侧。

下面，以光电转换单元是光电二极管，调制栅是调制晶体管，电荷存储单元是电容为例，结合图4，详细说明本申请提供的图像传感器的像素电路的工作原理。

首先，光电二极管401接收光信号生成光生电子，调制晶体管402和调制晶体管403的栅极TX1和TX2连接至调制信号，即调制晶体管402和调制晶体管403交替开启，即在第一个积分周期中，TX1先连接至高电平，然后TX1接低电平，同时TX2接高电平，持续一段时间后TX2接低电平，此时，开关装置S1和S3同时闭合，其时序如图4所示。

当TX1开启时，S1闭合，此时，光电二极管401中产生的光生电子通过调制晶体管402和开关装置404存储在电容405上，当TX2开启时，S3闭合，此时，光电二极管401中产生的光生电子通过传输栅403和开关装置408存储在电容409上。因此，电容405和电容409分别存储了不同相位下的反射信号的信息。例如，此时电容405和电容409存储反射信号的0°和180°相位下的电荷信息。

然后，在第二个积分周期下，与第一个积分周期相同，TX1先连接至高电平，然后TX1接低电平，同时TX2接高电平，持续一段时间后TX2接低电平，此时，开关装置S1和S3同时关闭，开关装置S2和S4同时闭合，其时序如图4所示。

当TX1开启时，S2闭合，此时，光电二极管401中产生的光生电子通过调制晶体管402和开关装置406存储在电容407上，当TX2开启时，S4闭合，此时，光电二极管401中产生的光生电子通过传输栅403和开关装置410存储在电容411上，此时，电容405和电容409分别存储了不同相位下的背景信号的信息。

读出电路包括源极跟随器413和源极跟随器415，行选开关414和行学开关416，当行选开关414的栅极SEL1接高电平时，读出信号线VOUT1可以读出405或407上的电荷信息，相同地，读出信号线VOUT1可以读出409或411上的电荷信息。

示例性地，在第一个积分周期下，当信号光引起的光生电子转移至电容405上时，SEL1接高电平，将像素电路中0°相位下的电荷信息读出，同时，当光生电子转移至电容409上时，SEL2接高电平，将像素电路中的180°相位下的电荷信息读出；在第二个记分周期下，当背景光引起的光生电子转移至电容407上时，SEL1接高电平，将像素电路中0°相位下的背景信号的电荷信息读出，同时，当光生电子转移至电容411上时，SEL2接高电平，将像素电路中的180°相位下的背景信号的电荷信息读出。

示例性的，后续电路可以将相同相位下的背景信号的电荷信息与信号的电荷信息做差，得到两个相位下仅仅由信号光引起的光生电荷的信号，然后根据对该两个不同相位下的信号进行处理得到目标物体的距离的信息。可选的地，还可以通过两帧数据，获得四个不同相位下的光生电荷的信号，根据该四个不同相位下的信号进行处理得到目标物体的距离信息。

此外，本申请还提供了一种电子设备，如图5所示，该电子设备包括：光源501，用于向目标对象发射光信号；图像传感器502，用于接收有目标对象反射的光信号并产生电信号，以及信号处理模块503，用于利用飞行时间的方法处理电信号并生成深度图像，其中，图像传感器502包括：像素阵列507，该像素阵列507由像素单元508组成，像素单元508包括：光电转换单元，用于接收光信号并生成光生电子，M个调制栅，调制栅用于控制光生电子的传输，N个开关装置和N个电荷存储装置，开关装置用于连接调制栅与电荷存储装置，电荷存储装置用于存储光生电子，其中，N个开关装置中的与N个电荷存储装置一一对应连接，N大于M，M大于等于1。

可选地，N个电荷存储装置用于存储不同相位下的光信号生成的光生电子。

可选地，M＝2，N＝4，所述四个电荷存储装置中存储的所述光生电子的光信号相位相差90°。

该电子装置500的有益效果与上述图像传感器的有益效果相同，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：

像素阵列，所述像素阵列由像素单元组成，所述像素单元包括：

光电转换单元，用于接收光信号并生成光生电子；

M个调制栅，所述调制栅用于控制所述光生电子的传输，所述M大于等于1；

N个开关装置和N个电荷存储装置，所述开关装置用于连接所述调制栅与所述电荷存储装置，所述电荷存储装置用于存储所述光生电子，其中，所述N个开关装置中的与所述N个电荷存储装置一一对应连接，所述N大于M。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述N个电荷存储装置用于存储不同相位下的光信号生成的光生电子。

3.如权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，所述M＝2，N＝4，所述四个电荷存储装置中存储的所述光生电子的光信号相位相差90°。

4.如权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，所述开关装置设置在所述像素的内部部分。

5.如权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述开关装置设置在所述像素的外部部分。

6.如权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述M个调制栅平均分配在所述光电转换单元周围。

7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

光源，用于向目标对象发射光信号；

图像传感器，用于接收有所述目标对象反射的光信号并产生电信号，以及

信号处理模块，用于利用飞行时间的方法处理所述电信号并生成深度图像，

其中，所述图像传感器包括：

像素阵列，所述像素阵列由像素单元组成，所述像素单元包括：

光电转换单元，用于接收光信号并生成光生电子，

M个调制栅，所述调制栅用于控制所述光生电子的传输，

N个开关装置和N个电荷存储装置，所述开关装置用于连接所述调制栅与所述电荷存储装置，所述电荷存储装置用于存储所述光生电子，其中，所述N个开关装置中的与所述N个电荷存储装置一一对应连接，所述N大于M，所述M大于等于1。

8.如权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述N个电荷存储装置用于存储不同相位下的光信号生成的光生电子。

9.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述M＝2，N＝4，所述四个电荷存储装置中存储的所述光生电子的光信号相位相差90°。

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