CN105181132A - 一种用于三维成像芯片的像素电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三维成像芯片的像素电路，属于光电探测领域。本发明所述的三维成像芯片像素结构包括：一个用于检测光子信息的单光子雪崩二极管；与单光子雪崩二极管相连接的一个被动淬灭主动再充电电路，用于检测光子到达而引起的雪崩效应，和在检测雪崩效应后给单光子雪崩二极管再充电使其两端电压恢复工作在盖格模式下，以便检测下一次到达的光子；一个多路选择开关，用于将被动淬灭主动再冲电路转换的雪崩脉冲分时分别传输给后面的处理电路；两个计数器，分别用来记录一个曝光周期记录的光子转换为雪崩脉冲的数目，每个计数器的输出端连接了一个三态门开关。本发明具有灵敏度高、检测速度快的优点。

Description

一种用于三维成像芯片的像素电路

技术领域

本发明涉及一种成像装置，特别涉及一种用于三维成像芯片的像素电路。该传感器芯片像素单元结构可以实现对光信号的高速度、高灵敏度检测，即可达到单光子级别的检测。

技术背景

我们的现实生活中，是一个丰富多彩的三维世界。很多场合我们需要获得场景中的目标的相对位置、移动情况和其表面轮廓。一直以来，要在科学技术上实现对物体的三维信息的获取、存储、处理和对比大量信息是一件比较困难的事，而且需要花费相当大的成本。国际上许多高校和科研院所在从事这方面的研究，其中以美国、德国、日本和瑞士的研究水平较高。利用光学实现三维成像方法各式各样，主要可分为两大类：多目三维成像方法和单目三维成像方法。多目三维成像又可以分为：三角法、立体照相法等。单目三维成像可以分为：干涉法、TOF测距法（TimeofFlight测距法）等。TOF测距法是通过控制光源发射光信号至目标物体，再经过直接与间接的方法计算出光信号从发送直至探测到的传播时间，进一步计算探测器距目标对象的距离分辨的信息。其中TOF测距方法又分为直接TOF和间接TOF。直接TOF是指通过光源发射光信号至目标物体，再由测距芯片得出光源发射光信号到目标物体的传播时间，再把传播时间乘上光速c得出探测器到目标物体的距离。间接TOF是采用光信号在其强度方面被在时间上周期性调制并且使用在所发送的与所探测到的光信号之间的相移，再通过相移来确定传播时间并且由此确定距目标对象的距离。得出每个像素单元的距离信息，从而重构物体的三维信息。TOF的测距方法的优点：结构简单、便携式、成本低等，所以渐渐成为一种主流的光学三维成像方式。

三维成像方法中，光学探测器件往往是最关键的部分之一。很多领域中需要在极微弱光的条件下对物体的外表轮廓实现高速的成像探测。而应用于这些领域的成像器件通常需要具有高探测灵敏度、低噪声、高转换速度等性能要求。高探测灵敏度和低噪声是为了能在极微弱光的条件下，甚至是对单光子级别的条件下对光信号进行检测。高转换速度是为了能在很短的时间内对目标物体的距离信息进行探测并转换，为进一步快速获得物体的三维信息。传统检测微弱光信号的方法所采用的探测器一般是光电倍增管(PMT)，PMT本身的内增益非常大，可达到百万级别，从而可以将单光子信号放大几百万倍。但是考虑到当今社会发展对电子产品低功耗、低噪声、低成本、便携式等需求，很显然像PMT这样体积大、功耗高、且不利于大规模集成的探测器件注定会被淘汰。所以为了检测微弱光信号，通常选用的探测器件为CCD或者是单光子雪崩二极管。但是基于CCD的传统成像技术通常需要结合非常低噪声的读出电路，同时需要多个芯片组合才能完成，所以这种技术在探测光子级别信号时需要较长的时间，不能满足一些同时需要高探测灵敏度和高响应速度的应用。然而单光子雪崩二极管具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、增益系数高、工作电压低、暗电流低、噪声小、体积小、功耗低、结构紧凑、可以大规模集成等优点，所以在很多应用中单光子雪崩二极管成了探测器的首选。

单光子雪崩二极管是一种能探测到极微弱光的光电器件，被广泛应用在军事、生物医学、光谱学、3D成像等领域中。由于单个光子的能量极低，用通常的检测方法很难直接把这种微弱的信号提取出来。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种速度快的用于三维成像芯片的像素电路。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：包括单光子雪崩二极管、被动淬灭和主动再冲电电路、多路选择开关、或门、两个计数器、两组三态门开关；单光子雪崩二极管两端施加一个比其雪崩击穿电压高的反向偏压，单光子雪崩二极管的输出接被动淬灭和主动再冲电电路的输入端，被动淬灭和主动再冲电电路的输出端与多路选择开关的输入端相连，多路选择开关的两路输出依次连接计数器，计数器的每一位输出连接一个三态门开关；或门的两个输入端分别与两个计数器的溢出输出端相连，或门的输出端与多路选择开关的控制端相连。

上述的用于三维成像芯片的像素电路中，所述被动淬灭和主动再冲电电路包括第一MOS管、第二MOS管、反相器、或非门，单光子雪崩二极管的阳极与第一MOS管和第二MOS管的漏极相连，第一MOS管和第二MOS管的源极都接地，单光子雪崩二极管的阳极与反相器的输入端相连接，单光子雪崩二极管的阳极还与或非门的一个输入端相连接，或非门的另一个输入端接反相器的输出端，或非门的输出端与第二MOS管的栅极相连。

本发明的技术效果在于：

1)本发明中单光子雪崩二极管器件工作在盖革模式下，则可以增强器件对光的检测灵敏度，即可达到单光子级别；

2)本发明中每个像素单元结构包含一个被动淬灭和主动再充电电路，具有这种电路的像素电路灵敏度高且再充电时间非常短，即可以提高探测速度；

3)像素电路检测的光信号已经转为数字信号输出，不需要A/D转换器的处理，所以大大减少了处理时间；

4)通过相应三维成像算法的时序控制，可以简单精确的恢复出目标物体的三维图像；

5)本发明的像素电路可以完全集成在标准的CMOS工艺上，具有很大的应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中的被动淬灭和主动再充电电路关键接点的电压变化。

图3是本发明中多路选择开关的控制时序。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的详细说明本。

参见图1，本发明包括单光子雪崩二极管2、被动淬灭和主动再冲电电路3、多路选择开关12、或门17、两个计数器(13，19)、两组三态门开关(16，23)；单光子雪崩二极管2两端施加一个比其雪崩击穿电压高的反向偏压，单光子雪崩二极管2的输出接被动淬灭和主动再冲电电路3的输入端，被动淬灭和主动再冲电电路3的输出端与多路选择开关12的输入端相连，多路选择开关12的两路输出依次连接计数器，计数器的每一位输出连接一个三态门开关；或门17的两个输入端分别与两个计数器的溢出输出端(14,20)相连，或门17的输出端与多路选择开关的控制端22相连。

本发明的具体构成实现是：在单光子雪崩二极管的阴极端1施加一个比其雪崩击穿电压高的电压，这样保证其工作在盖革模式下，以便实施光子级别的检测。单光子雪崩二极管2的阳极与MOS管5和MOS管11的漏极相连，MOS管5和MOS管11的源极都接地，同时单光子雪崩二极管2的阳极与反相器7的输入端相连接，单光子雪崩二极管的阳极还与或非门模块9的一个输入端相连接，或非门模块9的输出端与MOS管11的栅极相连。当光子被单光子雪崩二极管器件模块2的雪崩倍增区吸，收并触发雪崩形成雪崩电流，雪崩电流流经MOS管5使节点6电位从零上升，当上升达到反相器7的翻转触发阈值V_TH1时使反相器的输出由高到低转换。或非门模块9的翻转触发阈值V_TH2非常高，同时雪崩脉冲经过反相器7传播转换时有延时效应，所以节点6的电位上升时第一次达到或非门模块9的翻转触发阈值V_TH2时，或非门模块9的输出节点10仍然是低电平，所以MOS管11在雪崩脉冲来时保持关断，雪崩淬灭之后随着MOS管5持续减小至或非门模块9的翻转阈值V_TH2，同时或非门模块9的另一输入端为反相器7输出的低电平，两者触发或非门模块9输出高电平，在被动淬灭后使MOS管11开启，迅速使节点6的电压减小至地电位，这样让单光子雪崩二极管器件再次恢复工作在盖格模式下，等待检测下一个光子信号，详细各节点的电位变化如图2所示。这样实现被动淬灭和主动再充电电路原理，这种方式相比其他方式让被动淬灭电路更简单化了，同时主动再充电电路使恢复盖格模式的时间变得非常短。以这种方式极大的减小了连续检测两个连续光子的时间间隔，即减小死时间提高对光子的探测速度。

图1中虚线框25区域内为与距离测量有关算法的处理电路。由前端的单光子雪崩二极管器件检测光信号再通过被动淬灭主动再充电电路转换得到雪崩脉冲，反相器7的输出端连接一个多路选择开关模块12，多路选择开关由一个全局控制信号SMOD，其中SMOD信号作用是每半个周期内将前端电路所检测到的雪崩脉冲分别传输给计数器模块13、计数器模块19，每检测到一个雪崩脉冲计数器将增加一，这样经过长时间曝光反复增加，读出计数器模块13和计数器模块19所记录的值N。两个计数器模块分别自带了一个计数溢出控制端口OVF用来判断计数器是否已经计满，即端口14和端口20。当计数器模块13和计数器模块19中只要有一个计数溢出，它将会使或门模块17输出翻转为有效电平，进一步使多路选择开关停止传输前端被动淬灭和主动再充电电路模块3检测的雪崩脉冲信号。每一个计数器模块13和计数器模块19的每一位输出端口15都相应的连接到三态门控制开关模块16和三态门控制开关模块23。通过控制三态门的使能信号EN开关控制像素的信号读出。

图3所示是三维成像芯片的成像算法具体实现的相关参考时序，其实现方式需要通过两次曝光执行。第一曝光SMOD信号与光源发射参考信号同步，第一次曝光的多个周期内当SMOD为高电平时，多路选择开关将前端电路模块3所检测的雪崩脉冲传输给计数器模块13；当SMOD为低电平时，多路选择开关将前端电路模块3所检测的雪崩脉冲传输给计数器模块19，经过第一次长时间曝光后将计数器模块13所记录的数字信号N₀和计数器模块19所记录的值N₂读出。然后通过设计的一些辅助电路将计数器清零进行第二次曝光。第二次曝光前端电路模块3的工作方式一样，只是全局控制信号SMOD相对于光源参考信号相位延时四分之一个周期。同样方式：在第二次曝光的多个周期内当SMOD为高电平时，多路选择开关将前端电路模块3所检测的雪崩脉冲传输给计数器模块13；当SMOD为低电平时，多路选择开关将前端电路模块3所检测的雪崩脉冲传输给计数器模块19，经过第二次长时间曝光后将计数器模块13所记录的数字信号N₁和计数器模块19所记录的值N₃读出。通过两次曝光得出的四个计数值，根据相应的测距原理算法得出对应像素点所测得的距离值，结合整个三维成像芯片每个像素单元恢复出目标物体的三维表面。

Claims (5)

1.一种用于三维成像芯片的像素电路，其特征在于：包括单光子雪崩二极管、被动淬灭和主动再冲电电路、多路选择开关、或门、两个计数器、两组三态门开关；单光子雪崩二极管两端施加一个比其雪崩击穿电压高的反向偏压，单光子雪崩二极管的输出接被动淬灭和主动再冲电电路的输入端，被动淬灭和主动再冲电电路的输出端与多路选择开关的输入端相连，多路选择开关的两路输出依次连接计数器，计数器的每一位输出连接一个三态门开关；或门的两个输入端分别与两个计数器的溢出输出端相连，或门的输出端与多路选择开关的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的用于三维成像芯片的像素电路，其特征在于：所述被动淬灭和主动再冲电电路包括第一MOS管、第二MOS管、反相器、或非门，单光子雪崩二极管的阳极与第一MOS管和第二MOS管的漏极相连，第一MOS管和第二MOS管的源极都接地，单光子雪崩二极管的阳极与反相器的输入端相连接，单光子雪崩二极管的阳极还与或非门的一个输入端相连接，或非门的另一个输入端接反相器的输出端，或非门的输出端与第二MOS管的栅极相连。

3.根据权利要求1所述的用于三维成像芯片的像素电路，其特征在于：第一MOS管和第二MOS管的尺寸和或非门的触发阈值决定单光子雪崩二极管的淬灭和再充电时间。

4.根据权利要求1所述的用于三维成像芯片的像素电路，其特征在于：多路选择开关第一个半个周期内将信号传输至计数器一，另外半个周期将计数器传输至计数器二。

5.根据权利要求1所述的用于三维成像芯片的像素电路，其特征在于：两组三态门开关控制像素信号选择输出。