CN108566524B - 像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法 - Google Patents

像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法，像素单元包括：衬底；光电二极管；第一电压信号输出模块，其包括第一开关，第一开关连接光电二极管；以及第二电压信号输出模块，其包括第二开关，第二开关连接光电二极管；第一电压信号输出模块输出第一电压信号表示环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制第一开关关闭以及控制第二开关打开，第二电压信号输出模块输出第二电压信号表示反射光的电压信号，根据第一电压信号和第二电压信号获取反射光电压信号有效值。本申请能够提升了被测物体的深度信息的测量的准确性，能够适用于更加复杂的环境，使得产品适用范围更为广泛。

Description

像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法 以及深度信息测算方法
技术领域
本申请涉及图像领域，尤其涉及像素单元、图像传感器芯片、成像系统、像素单元的形成方法以及深度信息测算方法。
背景技术
近年来，具有深度信息感知的视觉传感器在人工智能、无人驾驶、视频监控、虚拟现实等领域的应用不断增加。具体表现为具有深度信息感知的机器人视觉大大有助于对完成人工智能中机器学习与训练、无人驾驶中障碍物识别及生物体行为识别、视频监控系统中对人群状态分析，人流密集场所的监控及管理、虚拟现实中建立实时动态的三维立体交互式环境。使用智能CMOS图像传感器获取深度信息的方式有很多，比如干涉测量（Interferometry）、三角测量（Triangulation）、双目立体视觉（Binocular）、飞行时间测量（Time of Flight）。干涉测量使用相干光照亮目标场景，产生的干扰模式光用于实现准确的距离估计。但是，干涉测量在测量时需要配置极精确的可见光，误差必须控制在纳米数量级，而且距离深度十分有限，实际应用场景无法满足要求，应用极其有限。三角测量基于光源和传感器模组间的几何关系（主动式三角测量，比如激光三角测量和条纹投影），但是其最大距离受限于基准线参数，比如系统的光学元件间的距离，因此在应用时需要设计一个十分紧凑的系统模组，难以大规模应用。同时三角测量和干涉测量都需要一个扫描机制，不利于高速、低功耗、紧凑系统的集成。双目视觉是模拟人类视觉原理，从两个或者多个点观察一个物体，获取在不同视角下的图像，根据图像之间像素的匹配关系，通过三角测量原理计算出像素之间的偏移来获取物体的三维信息，得到了物体的深度信息，计算出物体与相机之间的实际距离。双目立体视觉虽然近年来在众多领域得到大量应用，但是双目立体视觉需要稳定的平台完成摄像机标定，加上特征点提取、立体匹配和三维重建部分需要硬件（FPGA，DSP等）辅助完成大量的计算工作，有着运算量和功耗过大等缺陷。
基于飞行时间测量的深度传感器，通过给目标物体连续发送一系列具有一定占空比的激光脉冲，激光脉冲照射到目标物体后返回，然后用传感器接收从物体返回的激光脉冲，通过探测激光脉冲的飞行（往返）时间或者相位位移来提取深度信息。飞行时间测量深度传感器分为两类：直接飞行时间测量（TOF）与间接飞行时间测量（ITOF，或者称为相位式飞行时间测量）。直接飞行时间测量常见的方式是计量激光脉冲在空间中所飞行的时间，然后用此飞行时间与光速相乘即可得到两点间的距离。主要实现方式是利用单光子雪崩光电二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）的敏感光电感应特性，在单光子探测中,一般要求单光子雪崩光电二极管(SPAD)偏置在高增益的盖革模式下, 其反向偏置电压已超过器件自身的雪崩击穿电压，其数值一般为十几伏特到二十伏特范围。这种技术的实现受制于半导体器件工艺的限制，普通的工艺生产线无法满足要求，对设计的要求极高，一直未获得大的突破，难以大规模推广及应用。SPAD对环境光很敏感，极微弱的光就会发生雪崩，产生较大的雪崩电流，不利于在室外环境中使用，受环境光的影响很大；同时需要大量辅助电路，比如保护器件不被高压击穿的淬灭电路，计算光子数量的高精度（Time toDigital Converter，TDC）电路单元。SPAD像素结构及其辅助电路导致像素填充率较低，不利于大规模集成；且直接时间飞行测量得出深度信息需要大量的计算时间，不利于实现实时处理图像，难以具备实时提取深度信息的能力。
间接飞行时间测量（ITOF）通过测量发送激光脉冲和经被测目标反射的激光脉冲间的相位差来提取深度信息，即将激光脉冲在被测距离上的往返飞行时间转化成了两激光脉冲的相位差来实现深度信息提取。ITOF深度视觉传感器不需要单光子雪崩光电二极管，普通的光电二极管（photodiode，PD）就能完成接收光的探测，消除了单光子就能产生雪崩电流的缺陷，因此具有较好的抵抗环境光能力。间接飞行时间测量通过获取到的相位差计算深度信息时，计算量较小，可实现实时处理图像，且运算过程不需要大量的额外电路支持，提高了光电二极管在后端版图中的占比，因此拥有较高的像素填充率，间接时间飞行测量技术在从几厘米到几十米范围拥有较高的距离探测准确性。因此间接飞行时间测量深度传感器的研究对深度传感器的实现有着重要的意义，同时在人工智能、无人驾驶、视频监控、虚拟现实等领域有较高的应用价值和广阔的前景。
请参阅图1，现有技术中，间接飞行时间测量采用的是传统的CMOS 4T-APS（4Transistor Active Pixel Sensor，4晶体管有源像素传感器）结构，该结构拥有光电二极管PD，电荷转移晶体管，复位晶体管/>，源极跟随器晶体管/>和选通晶体管/>，并且只有一个浮动扩散区（Floating Diffusion，FD）。这种像素单元结构应用在间接飞行时间测量深度传感器来获取深度信息时，如果环境光过强的话，会受到环境光的干扰，严重影响测量物体的图像深度信息的准确性，无法适用于复杂的室外环境，使得产品的适用范围较为狭窄。
发明内容
本申请提供一种像素单元、图像传感器芯片、成像系统、形成方法以及深度信息测算方法，能够在解决现在测量图像深度信息时采用传统的4晶体管有源像素传感器存在抗干扰能力差在环境光较强时因为环境光的干扰会影响测量的准确性、无法适用于复杂的室外环境以及产品适用范围狭窄的问题。
根据本申请的第一方面，本申请提供一种像素单元，像素单元包括：衬底；光电二极管，其设置于衬底内，其用以将入射于光电二极管上的光信号转化为电压信号；第一电压信号输出模块，其用于将入射在光电二极管的光转化第一电压信号，其包括第一开关，第一开关的输入端连接光电二极管，第一开关打开时，第一开关的输出端可输出第一电压信号；以及第二电压信号输出模块，其用于获取入射在光电二极管的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，第二开关的输入端连接光电二极管，第二开关打开时，第二开关的输出端可输出第二电压信号；其中，当获取环境光的电压信号时，控制像素单元接收环境光，光电二极管将环境光转换为电压信号，控制第一开关打开以及控制第二开关关闭，第一电压信号输出模块输出第一电压信号为表示环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制像素单元接收反射光，光电二极管将反射光转换为电压信号，控制第一开关关闭以及控制第二开关打开，第二电压信号输出模块输出第二电压信号为表示反射光的电压信号，比较表示环境光的第一电压信号以及表示反射光的第二电压信以获取比例系数，当要获取反射光的有效电压信号时，结合比例系数即可获得反射光电压信号有效值。
优选地，光电二极管设置于衬底的中心位置，第一电压信号输出模块的第一开关为第一传输晶体管，第一传输晶体管设置于衬底内并且设置于光电二极管的一侧，第一传输晶体管与光电二极管耦合以将光电二极管累积的电压信号输出，第二电压信号输出模块的第二开关为第二传输晶体管，第二传输晶体管设置于衬底内并且对称第一传输晶体管设置于光电二极管的另一侧，第二传输晶体管与光电二极管耦合以将光电二极管累积的电压信号输出。
优选地，第一电压信号输出模块还包括：第一浮动扩散区，其设置于衬底内并且设置于第一传输晶体管远离光电二极管的一侧，其中，第一传输晶体管将光电二极管的第一电压信号转移到第一浮动扩散区进行保存；第一复位晶体管，其设置于衬底内耦合光电二极管，用以将第一浮动扩散区保存的第一电压信号进行复位；第一源极跟随晶体管，其控制端连接第一浮动扩散区，其输入端连接第一复位晶体管；以及第一选通晶体管，其输入端连接第一源极跟随晶体管的输出端，第一选通晶体管的输出端输出第一电压信号；第二电压信号输出模块还包括：第二浮动扩散区，其设置于衬底内并且设置于第二传输晶体管远离光电二极管的一侧，其中，第二传输晶体管将光电二极管的第二电压信号转移到第二浮动扩散区进行保存；第二复位晶体管，其设置于衬底上耦合光电二极管，用以将第二浮动扩散区保存的第二电压信号进行复位；第二源极跟随晶体管，其控制端连接第二浮动扩散区，其输入端连接第二复位晶体管；以及第二选通晶体管，其输入端连接第二源极跟随晶体管的输出端，第二选通晶体管的输出端输出第二电压信号。
优选地，第一电压信号输出模块还包括：第一泄放晶体管，其设置于衬底内并连接光电二极管，其用于在像素单元处于空闲状态时，将光电二极管接收环境光所产生的电压信号释放掉；第二电压信号输出模块还包括：第二泄放晶体管，其设置于衬底内并连接光电二极管，其用于在像素单元处于空闲状态时，将光电二极管接收环境光所产生的电压信号释放掉；其中，在计算获得反射光有效值前，通过打开第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管将像素单元在空闲时因为环境光产生的累积电荷释放掉。
优选地，光电二极管呈正方形并设置于衬底的中心位置，第一传输晶体管设置于光电二极管的左侧，第一浮动扩散区设置于第一传输晶体管远离光电二极管的一侧，第二传输晶体管对称第一传输晶体管设置于光电二极管的右侧，第二浮动扩散区对称第一浮动扩散区设置于第二传输晶体管远离光电二极管的一侧，第一泄放晶体管设置于光电二极管的上侧，第二泄放晶体管对称第一泄放晶体管设置于光电二极管的下侧。
优选地，光电二极管为轧光电二极管。
根据本申请的第二方面，本申请提供一种图像传感器芯片，图像传感器芯片包括：像素阵列，其包括多个如上所述的像素单元，像素单元输出电压信号；偏置单元，其用于为图像传感器芯片提供偏置电压；模数转换单元，用于将像素单元输出的电压信号转换为数字信号，其连接像素单元；扫描单元，用于选通并输出像素阵列的数字信号，其连接像素阵列；控制单元，其连接并控制像素阵列、模数转换单元、扫描单元以及偏置单元工作以获取并输出数字信号；深度信息计算单元，其用于根据像素单元输出的数字信号进行运算获得被测物体的距离信息，其连接控制单元；输出单元，其用于将距离信息传输至下一级应用层，其连接深度信息计算单元；其中，系统打开激光发射源，每次发射经过调制的时间长度为的激光脉冲，控制单元控制像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关打开以及第二电压信号输出模块的第二开关关闭，第一电压信号输出模块输出第一电压信号，模数转换单元将第一电压信号转化为第一数字信号，结合比例系数将第一数字信号按照设定方式转换为第一数字信号的有效值/>，控制单元控制像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关关闭以及第二电压信号输出模块的第二开关打开，第二电压信号输出模块输出第二电压信号，模数转换单元将第二电压信号转化为第二数字信号，结合比例系数将第二数字信号按照设定方式转换为第二数字信号的有效值/>；扫描单元选通并输出像素单元的第一数字信号的有效值/>以及第二数字信号的有效值/>，深度信息计算单元按照公式：，即可计算得出每个所述像素单元对应的被测物体的距离信息L，亦既是被测物体的深度信息，其中，c为光速。
优选地，模数转换单元包括对应相邻的两像素单元设置的相关双采样电路，相关双采样电路包括：第一运算放大器以及其周边电路，第一运算放大器的正向输入端输入偏置单元提供的偏置电压信号，第一运算放大器的负向输入端通过第一电容连接相邻的两像素单元的第一选通晶体管，第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第三开关以及第二电容，第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第四开关以及第三电容，第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第五开关，第一运算放大器的负向输入端接收两像素单元的第一电压信号，第一运算放大器的输出端输出第一数字信号；第二运算放大器以及其周边电路，第二运算放大器的正向输入端输入偏置单元提供的偏置电压信号，第二运算放大器的负向输入端通过第四电容连接相邻的两像素单元的第二选通晶体管，第二运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第六开关以及第五电容，第二运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第七开关以及第六电容，第二运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第八开关，第二运算放大器的负向输入端接收两像素单元的第二电压信号，第二运算放大器的输出端输出第二数字信号。
优选地，光电二极管设置于衬底的中心位置，第一电压信号输出模块的第一开关为第一传输晶体管，第一传输晶体管设置于衬底内并且设置于光电二极管的一侧，第一传输晶体管与光电二极管耦合以将光电二极管累积的电压信号输出，第二电压信号输出模块的第二开关为第二传输晶体管，第二传输晶体管设置于衬底内并且对称第一传输晶体管设置于光电二极管的另一侧，第二传输晶体管与光电二极管耦合以将光电二极管累积的电压信号输出。
优选地，第一电压信号输出模块还包括：第一浮动扩散区，其设置于衬底内并且设置于第一传输晶体管远离光电二极管的一侧，其中，第一传输晶体管将光电二极管的第一电压信号转移到第一浮动扩散区进行保存；第一复位晶体管，其设置于衬底内耦合光电二极管，用以将第一浮动扩散区保存的第一电压信号进行复位；第一源极跟随晶体管，其控制端连接第一浮动扩散区，其输入端连接第一复位晶体管；以及第一选通晶体管，其输入端连接第一源极跟随晶体管的输出端，第一选通晶体管的输出端输出第一电压信号；第二电压信号输出模块还包括：第二浮动扩散区，其设置于衬底内并且设置于第二传输晶体管远离光电二极管的一侧，其中，第二传输晶体管将光电二极管的第二电压信号转移到第二浮动扩散区进行保存；第二复位晶体管，其设置于衬底上耦合光电二极管，用以将第二浮动扩散区保存的第二电压信号进行复位；第二源极跟随晶体管，其控制端连接第二浮动扩散区，其输入端连接第二复位晶体管；以及第二选通晶体管，其输入端连接第二源极跟随晶体管的输出端，第二选通晶体管的输出端输出第二电压信号；其中，控制单元连接第一传输晶体管的控制端、第一复位晶体管的控制端、第一选通晶体管的控制端、第二传输晶体管的控制端、第二复位晶体管的控制端以及第二选通晶体管的控制端。
优选地，第一电压信号输出模块还包括：第一泄放晶体管，其设置于衬底内并连接光电二极管，其用于在像素单元处于空闲状态时，将光电二极管接收环境光所产生的电压信号释放掉；第二电压信号输出模块还包括：第二泄放晶体管，其设置于衬底内并连接光电二极管，其用于在像素单元处于空闲状态时，将光电二极管接收环境光所产生的电压信号释放掉；其中，第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管受控于控制单元，在打开激光脉冲获取像素单元的有效信号前，控制单元通过打开第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管将像素单元在空闲时因为环境光产生的累积电荷释放掉。
优选地，光电二极管呈正方形并设置于衬底的中心位置，第一传输晶体管设置于光电二极管的左侧，第一浮动扩散区设置于第一传输晶体管远离光电二极管的一侧，第二传输晶体管对称第一传输晶体管设置于光电二极管的右侧，第二浮动扩散区对称第一浮动扩散区设置于第二传输晶体管远离光电二极管的一侧，第一泄放晶体管设置于光电二极管的上侧，第二泄放晶体管对称第一泄放晶体管设置于光电二极管的下侧。
根据本申请的第三方面，本申请提供一种成像系统，其包括如上所述的图像传感器芯片以及激光发射器。
根据本申请的第四方面，本申请提供一种像素单元的形成方法，方法包括：设置衬底；设置光电二极管，其设置于衬底内，其用以将入射于光电二极管上的光信号转化为电压信号；设置第一电压信号输出模块，其用于将入射在光电二极管的光转化第一电压信号，其包括第一开关，第一开关的输入端连接光电二极管，第二开关打开时，第一开关的输出端可输出第一电压信号；以及设置第二电压信号输出模块，其用于获取入射在光电二极管的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，第二开关的输入端连接光电二极管，第二开关打开时，第二开关的输出端可输出第二电压信号；其中，当获取环境光的电压信号时，控制像素单元接收环境光，光电二极管将环境光转换为电压信号，控制第一开关打开以及控制第二开关关闭，第一电压信号输出模块输出第一电压信号为表示环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制像素单元接收反射光，光电二极管将反射光转换为电压信号，控制第一开关关闭以及控制第二开关打开，第二电压信号输出模块输出第二电压信号为表示反射光的电压信号，比较表示环境光的第一电压信号以及表示反射光的第二电压信以获取比例系数，当要获取到反射光的有效电压信号时，结合比例系数即可获得反射光电压信号有效值。
根据本申请的第五方面，本申请提供一种深度信息测算方法，方法包括：通过如权利要求1的像素单元获取当前环境下的表示环境光的电压信号与表示被测物体的反射光电压信号的比例系数；系统打开激光发射源，每次发射经过调制的时间长度为的激光脉冲，控制像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关打开以及第二电压信号输出模块的第二开关关闭，获取发光二极管转换光信号后得到的第一电压信号，将第一电压信号转化为第一数字信号，结合比例系数将第一数字信号按照设定方式转换为第一数字信号的有效值；控制像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关关闭以及第二电压信号输出模块的第二开关打开，获取发光二极管转换光信号后得到的第二电压信号，第二电压信号转化为第二数字信号，结合比例系数将第二数字信号按照设定方式转换为第二数字信号的有效值/>；选通并输出像素单元的第一数字信号的有效值/>以及第二数字信号的有效值/>；按照公式：/>，计算得出每个所述像素单元对应的被测物体的距离信息L，亦既是深度信息，其中，c为光速。
优选地，在控制发射经过调制的激光脉冲的步骤之前，还包括步骤：控制打开像素单元的第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管将像素单元在空闲时因为环境光产生的累积电荷释放掉。
本申请的有益效果在于：通过设置第一电压信号输出模块以及第二电压信号输出模块，控制第一电压信号输出模块的第一开关以及第二电压信号输出模块的第二开关的打开或者关闭，输出表示表示环境光的第一电压信号以及输出表示反射光的第二电压信号，根据该第一电压信号和第二电压信号可以得出表示反射光的电压信号的有效值，以此电压信号的有效值用作深度信息的测算，提升了测量物体的深度信息的准确性，并且能够适用于更加复杂的环境，也使得应该该技术的产品的适用范围更为广泛。
附图说明
图1是传统4晶体管有源像素传感器的结构示意图；
图2是本申请第一实施例中像素单元的结构示意图；
图3是本申请第二实施例中像素单元的结构示意图；
图4是图3的等效电路原理图；
图5是本申请第二实施例中像素单元的结构的俯视示意图；
图6是本申请第二实施例中像素单元在Z轴和X轴所形成的平面方向上的截面的结构示意图；
图7是图6的等效电路原理图；
图8是本申请第三实施例中图像传感器芯片的原理图；
图9是图8中的像素单元与模数转换单元连接的电路原理图；
图10是本申请第四实施例示出的像素单元的形成方法的流程图；
图11是本申请第七实施例示出的深度信息测算方法的流程图。
附图标记说明：衬底3 光电二极管PD 第一电压信号输出模块1 第一传输晶体管第一浮动扩散区/>第一复位晶体管/>第一源极跟随晶体管/>第一选通晶体管/>第一泄放晶体管/>第二电压信号输出模块2 第二传输晶体管/>第二浮动扩散区/>第二复位晶体管/>第二源极跟随晶体管/>第二选通晶体管/>第二泄放晶体管/>第一N型离子区301 第二N型离子区302 第三N型离子区303 第四N型离子区304P陷区305N型掩埋层306像素阵列601 偏置单元602 模数转换单元603 扫描单元604 控制单元605 深度信息计算单元606 输出单元607 第一运算放大器OTA1 第一电容/>第三开关/>第二电容/>第四开关/>第三电容/>第五开关/>第二运算放大器OTA2第四电容/>第六开关/>第五电容/>第七开关/>第六电容/>第八开关/>。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。
本申请的构思是：通过在传统的4T-APS的结构上设置能够测量环境光以及测量物体反射光的像素单元结构，能够提升测量图像深度信息的准确性，使得产品的使用范围更广。
实施例一：
请参阅图2，像素单元包括：衬底203、光电二极管PD、第一电压信号输出模块201以及第二电压信号输出模块202。
光电二极管PD，其设置于衬底203内，其用以将入射于光电二极管PD上的光信号转化为电压信号；第一电压信号输出模块201，其用于将入射在光电二极管PD的光转化第一电压信号，其包括第一开关，第一开关的输入端连接光电二极管PD，第一开关打开时，第一开关的输出端可输出第一电压信号；第二电压信号输出模块202，其用于获取入射在光电二极管PD的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，第二开关的输入端连接光电二极管PD，第二开关打开时，第二开关的输出端可输出第二电压信号。
衬底203用于形成器件结构或芯片电路，衬底203可以为半导体基底，半导体基底包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅（SOI）衬底、绝缘体上锗（GOI）衬底、玻璃衬底或III-V族化合物衬底（例如氮化硅或砷化镓等）。衬底203也可以为体基底，即硅衬底、硅锗衬底或碳化硅衬底。在其他实施例中，衬底203还能够为绝缘体上硅衬底或绝缘体上锗衬底。在其他实施例中，衬底203还能够包括半导体基底以及通过外延工艺形成于半导体基底表面的外延层。
本实施例中，衬底203包括：P型单晶体硅衬底(p-type substrate)以及P型外延层(p-epitaxial layer)。
光电二极管PD设置于衬底203内，光电二极管PD通过离子注入工艺形成，而且，通过控制离子注入的能量和浓度，能够控制离子注入的深度和注入范围，从而控制光电二极管PD的深度和厚度。
本实施例中，光电二极管PD为轧光电二极管（Pinned Photodiode，PPD）。光电二极管PD内掺杂有N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子。另外，光电二极管PD相对于传统光电二极管PD的表层多了一层薄薄的P+层，使得扎光电二极管PD一方面相对传统的光电二极管PD具有更小的暗电流，另一方面能够形成完全耗尽的累积区，克服了输出图像滞后的问题。
第一电压信号输出模块201的第一开关为第一传输晶体管，第二电压信号输出模块202的第二开关为第二传输晶体管。光电二极管PD设置于衬底203的中心位置，第一传输晶体管设置于衬底203内并且设置于光电二极管PD的一侧，第一传输晶体管与光电二极管PD耦合以将光电二极管PD累积的电压信号输出，第二传输晶体管设置于衬底203内并且对称第一传输晶体管设置于光电二极管PD的另一侧，第二传输晶体管与光电二极管PD耦合以将光电二极管PD累积的电压信号输出。
下面结合图2来对本实施例的工作原理进行说明。
当获取环境光的电压信号时，控制像素单元接收环境光，光电二极管PD将环境光转换为电压信号，控制第一开关打开以及控制第二开关关闭，第一电压信号输出模块201输出第一电压信号为表示环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制像素单要元接收反射光，光电二极管PD将反射光转换为电压信号，控制第一开关关闭以及控制第二开关打开，第二电压信号输出模块202输出第二电压信号为表示反射光的电压信号，比较表示环境光的第一电压信号以及表示反射光的第二电压信以获取比例系数，当获取到反射光的有效电压信号时，结合比例系数即可获得反射光电压信号有效值。
实施例二：
请参阅图3和图4，像素单元包括：衬底203、光电二极管PD、第一电压信号输出模块201以及第二电压信号输出模块202。
衬底203用于形成器件结构或芯片电路，衬底203可以为半导体基底，半导体基底包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅（SOI）衬底、绝缘体上锗（GOI）衬底、玻璃衬底或III-V族化合物衬底（例如氮化硅或砷化镓等）。衬底203也可以为体基底，即硅衬底、硅锗衬底或碳化硅衬底。在其他实施例中，衬底203还能够为绝缘体上硅衬底或绝缘体上锗衬底。在其他实施例中，衬底203还能够包括半导体基底以及通过外延工艺形成于半导体基底表面的外延层。
光电二极管PD设置于衬底203内，其用以将入射于光电二极管PD上的光信号转化为电压信号。本实施例中，光电二极管PD为轧光电二极管PD（Pinned Photodiode，PPD）。光电二极管PD内掺杂有N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子。另外，光电二极管PD相对于传统光电二极管PD的表层多了一层薄薄的P+层，使得扎光电二极管PD一方面相对传统的光电二极管PD具有更小的暗电流，另一方面能够形成完全耗尽的累积区，克服了输出图像滞后的问题。
请继续参阅图3和图4，第一电压信号输出模块201包括：第一传输晶体管、第一浮动扩散区/>、第一复位晶体管/>、第一源极跟随晶体管/>以及第一选通晶体管。
第一电压信号输出模块201包括：第一传输晶体管，其设置于衬底203内并且设置于光电二极管PD的一侧，第一传输晶体管/>与光电二极管PD耦合以将光电二极管PD累积的电压信号输出；第一浮动扩散区/>，其设置于衬底203内并且设置于第一传输晶体管/>远离光电二极管PD的一侧，其中，第一传输晶体管/>将光电二极管PD的第一电压信号转移到第一浮动扩散区/>进行保存；第一复位晶体管/>，其设置于衬底203内耦合光电二极管PD，用以将第一浮动扩散区/>保存的第一电压信号进行复位；第一源极跟随晶体管/>，其控制端连接第一浮动扩散区/>，其输入端连接第一复位晶体管/>；以及第一选通晶体管/>，其输入端连接第一源极跟随晶体管/>的输出端，第一选通晶体管/>的输出端输出第一电压信号。
进一步地，第一电压信号输出模块201包括:第一泄放晶体管，其设置于衬底203内并连接光电二极管PD，其用于在像素单元处于空闲状态时，将光电二极管PD接收环境光所产生的电压信号释放掉。
本实施例中，第一传输晶体管、第一复位晶体管/>、第一源极跟随晶体管以及第一选通晶体管/>均为MOS管。
第二电压信号输出模块202包括：第二传输晶体管、第二浮动扩散区/>、第二复位晶体管/>、第二源极跟随晶体管/>以及第二选通晶体管/>。
第二电压信号输出模块202包括：第二传输晶体管，其设置于衬底203内并且对称第一传输晶体管/>设置于光电二极管PD的另一侧，第二传输晶体管/>与光电二极管PD耦合以将光电二极管PD累积的电压信号输出；第二浮动扩散区/>，其设置于衬底203内并且设置于第二传输晶体管/>远离光电二极管PD的一侧，其中，第二传输晶体管将光电二极管PD的第二电压信号转移到第二浮动扩散区/>进行保存；第二复位晶体管/>，其设置于衬底203上耦合光电二极管PD，用以将第二浮动扩散区/>保存的第二电压信号进行复位；第二源极跟随晶体管/>，其控制端连接第二浮动扩散区/>，其输入端连接第二复位晶体管；以及第二选通晶体管/>，其输入端连接第二源极跟随晶体管的输出端，第二选通晶体管/>的输出端输出第二电压信号。
进一步地，第二电压信号输出模块202包括：第二泄放晶体管，其设置于衬底203内并连接光电二极管PD，其用于在像素单元处于空闲状态时，将光电二极管PD接收环境光所产生的电压信号释放掉。
本实施例中，第二传输晶体管、第二复位晶体管/>、第二源极跟随晶体管以及第二选通晶体管/>均为MOS管。
请参阅图5，图5是像素单元的结构俯视图。光电二极管PD呈正方形并设置于衬底203的中心位置，以光电二极管PD的中心位置为圆心建立坐标轴。其中，平行于该正方形上下两侧边的方向为X轴，平行于该正方形左右两侧边的方向为Y轴，垂直于该X轴和Y轴组成的平面为Z轴。从图4中可以看到，以X轴往右平行延伸的方向为X轴的正方向，以Y轴往上延伸的方向为Y轴的正方向。
第一传输晶体管设置于光电二极管PD的左侧，第一浮动扩散区/>设置于第一传输晶体管/>远离光电二极管PD的一侧，第二传输晶体管/>对称第一传输晶体管设置于光电二极管PD的右侧，第二浮动扩散区/>对称第一浮动扩散区/>设置于第二传输晶体管/>远离光电二极管PD的一侧，第一泄放晶体管/>设置于光电二极管PD的上侧，第二泄放晶体管/>对称第一泄放晶体管/>设置于光电二极管PD的下侧。亦既是，第一传输晶体管/>以及第二传输晶体管/>对称于X轴进行设置，第一泄放晶体管/>以及第二泄放晶体管/>对称于Y轴进行设置。
请参阅图3和图4，图3是像素单元的结构在Z轴和X轴所形成的平面方向上的截面图。衬底203包括：P型单晶体硅衬底以及P型外延层。光电二极管PD为轧光电二极管PD（Pinned Photodiode，PPD）。光电二极管PD设置于衬底203内，光电二极管PD通过离子注入工艺形成，形成P型外延层、N型掩埋层306、P型外延层的P-N-P结构。亦即，在Z轴的方向上，P型外延层形成在P型单晶体硅衬底中，N型掩埋层306形成于P型外延层的中心位置，P+型离子层形成在N型掩埋层306中。
请再次参阅图3，P陷区305设置在N型掩埋层306的两侧。第一N型离子区301形成于N型掩埋层306中，并且连接N型掩埋层306以及左侧的P陷区305，第一N型离子区301作为第一浮动扩散区，第二N型离子区302形成于左侧的P陷区305内。第三N型离子区303形成于N型掩埋层306中，并且连接N型掩埋层306以及右侧的P陷区305，第三N型离子区303作为第二浮动扩散区，第四N型离子区304形成于右侧的P陷区305内。第一N型离子区301、第二N型离子区302、第三N型离子区303以及第四N型离子区304均掺杂有N+型离子。
第一传输晶体管的栅极Ø/>形成于该P+型离子层的左侧。第一复位晶体的栅极Ø/>形成于左侧的P陷区305。第一源极跟随晶体管/>的栅极连接该第一浮动扩散区/>，第一源极跟随晶体管/>的漏级连接第二N型离子区302以及偏置电压，第一源极跟随晶体管/>的源级连接第一选通晶体管/>的源极。第一选通晶体管/>的漏极输出电压信号。
第二传输晶体管的栅极Ø/>形成于该P+型离子层的右侧，第二传输晶体管的栅极Ø/>对称该第一传输晶体管/>形成于该P+型离子层的右侧。第二复位晶体的栅极形成于右侧的P陷区305。第二源极跟随晶体管/>的栅极连接该第二浮动扩散区/>，第二源极跟随晶体管/>的漏级连接第二N型离子区302以及偏置电压，第二源极跟随晶体管/>的源级连接第二选通晶体管的源极。第二选通晶体管/>的漏极输出电压信号。
请参阅图6和图7，图6是像素单元的结构在Z轴和Y轴方向上所形成的平面方向上的截面图。可以看到，第一泄放晶体管的栅极和第二泄放晶体管/>的栅极对称设置于该P+型离子层的两侧。
下面结合图3至图7来对本实施例的工作原理进行说明。
首先，通过打开第一泄放晶体管以及第二泄放晶体/>管将像素单元在空闲时因为环境光产生的累积电荷释放掉。
然后，在采集单行或者单列的像素单元的信号电压前，进行一次环境光收集预处理，具体过程如下：不开启激光发射模组，控制第一传输晶体管打开以及第二传输晶体管/>关闭，开启像素单元的第一浮动扩散区/>部分，并且曝光时间/>，输出第一电压信号/>为表示环境光的电压信号；开启激光发射模组，控制第二传输晶体管/>打开以及第一传输晶体管/>关闭，开启像素单元的第二浮动扩散区/>部分，曝光相同时间/>，输出第二电压信号/>为表示由环境光和激光脉冲共同产生的反射光的电压信号，第二电压信号/>减去第一电压信号/>即可得到发射激光脉冲产生的有效电压。比较表示环境光的第一电压信号/>以及表示反射光的第二电压信/>以获取比例系数，将此比例系数作为经验值。本实施例中，该比例系数大约在3%至5%之间，亦既是，表示环境光的电压信号占据表示反射光的电压信号的比例在3%至5%之间。只要将反射光的电压信号结合该比例系数，即可以获取反射光的有效电压，亦既是，反射光的有效电压信号占第二电压信/>的95%至97%。因此，只要将反射光的电压信号值乘以百分百与比例系数的差值，即可以获得反射光的有效电压信号。这样就可以提高像素单元的环境光抵抗能力和信噪比。
实施例三：
请参阅图8，图像传感器芯片包括：像素阵列601、偏置单元602、模数转换单元603、扫描单元604、控制单元605、深度信息计算单元606以及输出单元607。
像素阵列601，其包括多个如上所述的像素单元，像素单元输出电压信号；偏置单元602，其用于为图像传感器芯片提供偏置电压；模数转换单元603，用于将像素单元输出的电压信号转换为数字信号，其连接像素单元；扫描单元604，用于选通并输出像素阵列601的数字信号，其连接像素阵列；控制单元605，其连接并控制像素阵列601、模数转换单元603、扫描单元604以及偏置单元602工作以获取并输出数字信号；深度信息计算单元606，其用于根据像素单元输出的数字信号进行运算获得被测物体的距离信息，其连接控制单元605；输出单元607，其用于将距离信息传输至下一级应用层，其连接深度信息计算单元606。
本实施例中，像素阵列601包括19200个像素单元，其由160120的像素单元组成。
请参阅图3和图4，像素单元包括：衬底203、光电二极管PD、第一电压信号输出模块201以及第二电压信号输出模块202。
衬底203用于形成器件结构或芯片电路，衬底203可以为半导体基底，半导体基底包括硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅（SOI）衬底、绝缘体上锗（GOI）衬底、玻璃衬底或III-V族化合物衬底（例如氮化硅或砷化镓等）。衬底203也可以为体基底，即硅衬底、硅锗衬底或碳化硅衬底。在其他实施例中，衬底203还能够为绝缘体上硅衬底或绝缘体上锗衬底。在其他实施例中，衬底203还能够包括半导体基底以及通过外延工艺形成于半导体基底表面的外延层。
光电二极管PD设置于衬底203内，其用以将入射于光电二极管PD上的光信号转化为电压信号。本实施例中，光电二极管PD为轧光电二极管PD（Pinned Photodiode，PPD）。光电二极管PD内掺杂有N型离子，所述N型离子包括磷离子、砷离子或锑离子。另外，光电二极管PD相对于传统光电二极管PD的表层多了一层薄薄的P+层，使得扎光电二极管PD一方面相对传统的光电二极管PD具有更小的暗电流，另一方面能够形成完全耗尽的累积区，克服了输出图像滞后的问题。
请继续参阅图3和图4，第一电压信号输出模块201包括：第一传输晶体管、第一浮动扩散区/>、第一复位晶体管/>、第一源极跟随晶体管/>以及第一选通晶体管。
第一电压信号输出模块201包括：第一传输晶体管，其设置于衬底203内并且设置于光电二极管PD的一侧，第一传输晶体管/>与光电二极管PD耦合以将光电二极管PD累积的电压信号输出；第一浮动扩散区/>，其设置于衬底203内并且设置于第一传输晶体管/>远离光电二极管PD的一侧，其中，第一传输晶体管/>将光电二极管PD的第一电压信号转移到第一浮动扩散区/>进行保存；第一复位晶体管/>，其设置于衬底203内耦合光电二极管PD，用以将第一浮动扩散区/>保存的第一电压信号进行复位；第一源极跟随晶体管/>，其控制端连接第一浮动扩散区/>，其输入端连接第一复位晶体管/>；以及第一选通晶体管/>，其输入端连接第一源极跟随晶体管/>的输出端，第一选通晶体管/>的输出端输出第一电压信号。
进一步地，第一电压信号输出模块201包括:第一泄放晶体管，其设置于衬底203内并连接光电二极管PD，其用于将像素单元处于空闲状态时，光电二极管PD接收环境光所产生的电压信号释放掉。
本实施例中，第一传输晶体管、第一复位晶体管/>、第一源极跟随晶体管以及第一选通晶体管/>均为MOS管。
第二电压信号输出模块202包括：第二传输晶体管、第二浮动扩散区/>、第二复位晶体管/>、第二源极跟随晶体管/>以及第二选通晶体管/>。
第二电压信号输出模块202包括：第二传输晶体管，其设置于衬底203内并且对称第一传输晶体管/>设置于光电二极管PD的另一侧，第二传输晶体管/>与光电二极管PD耦合以将光电二极管PD累积的电压信号输出；第二浮动扩散区/>，其设置于衬底203内并且设置于第二传输晶体管/>远离光电二极管PD的一侧，其中，第二传输晶体管将光电二极管PD的第二电压信号转移到第二浮动扩散区/>进行保存；第二复位晶体管/>，其设置于衬底203上耦合光电二极管PD，用以将第二浮动扩散区/>保存的第二电压信号进行复位；第二源极跟随晶体管/>，其控制端连接第二浮动扩散区/>，其输入端连接第二复位晶体管；以及第二选通晶体管/>，其输入端连接第二源极跟随晶体管的输出端，第二选通晶体管/>的输出端输出第二电压信号。
进一步地，第二电压信号输出模块202包括：第二泄放晶体管，其设置于衬底203内并连接光电二极管PD，其用于将像素单元处于空闲状态时，光电二极管PD接收环境光所产生的电压信号释放掉。
本实施例中，第二传输晶体管、第二复位晶体管/>、第二源极跟随晶体管以及第二选通晶体管/>均为MOS管。
请参阅图5，图5是像素单元的结构俯视图。光电二极管PD呈正方形并设置于衬底203的中心位置，以光电二极管PD的中心位置为圆心建立坐标轴。其中，平行于该正方形上下两侧边的方向为X轴，平行于该正方形左右两侧边的方向为Y轴，垂直于该X轴和Y轴组成的平面为Z轴。从图4中可以看到，以X轴往右平行延伸的方向为X轴的正方向，以Y轴往上延伸的方向为Y轴的正方向。
第一传输晶体管设置于光电二极管PD的左侧，第一浮动扩散区/>设置于第一传输晶体管/>远离光电二极管PD的一侧，第二传输晶体管/>对称第一传输晶体管设置于光电二极管PD的右侧，第二浮动扩散区/>对称第一浮动扩散区/>设置于第二传输晶体管/>远离光电二极管PD的一侧，第一泄放晶体管/>设置于光电二极管PD的上侧，第二泄放晶体管/>对称第一泄放晶体管/>设置于光电二极管PD的下侧。亦既是，第一传输晶体管/>以及第二传输晶体管/>对称于X轴进行设置，第一泄放晶体管/>以及第二泄放晶体管/>对称于Y轴进行设置。
请参阅图6，图6是像素单元的结构在Z轴和X轴所形成的平面方向上的截面图。衬底203包括：P型单晶体硅衬底以及P型外延层。光电二极管PD为轧光电二极管PD（PinnedPhotodiode，PPD）。光电二极管PD设置于衬底203内，光电二极管PD通过离子注入工艺形成，形成P型外延层、N型掩埋层306、P型外延层的P-N-P结构。亦即，在Z轴的方向上，P型外延层形成在P型单晶体硅衬底中，N型掩埋层306形成于P型外延层的中心位置，P+型离子层形成在N型掩埋层306中。
请再次参阅图3，P陷区305设置在N型掩埋层306的两侧。第一N型离子区301形成于N型掩埋层306中，并且连接N型掩埋层306以及左侧的P陷区305，第一N型离子区301作为第一浮动扩散区，第二N型离子区302形成于左侧的P陷区305内。第三N型离子区303形成于N型掩埋层306中，并且连接N型掩埋层306以及右侧的P陷区305，第三N型离子区303作为第二浮动扩散区，第四N型离子区304形成于右侧的P陷区305内。第一N型离子区301、第二N型离子区302、第三N型离子区303以及第四N型离子区304均掺杂有N+型离子。
第一传输晶体管的栅极Ø/>形成于该P+型离子层的左侧。第一复位晶体的栅极Ø/>形成于左侧的P陷区305。第一源极跟随晶体管/>的栅极连接该第一浮动扩散区/>，第一源极跟随晶体管/>的漏级连接第二N型离子区302以及偏置电压，第一源极跟随晶体管/>的源级连接第一选通晶体管/>的源极。第一选通晶体管/>的漏极输出电压信号。
第二传输晶体管的栅极Ø/>形成于该P+型离子层的右侧，第二传输晶体管的栅极Ø/>对称该第一传输晶体管/>形成于该P+型离子层的右侧。第二复位晶体的栅极形成于右侧的P陷区305。第二源极跟随晶体管/>的栅极连接该第二浮动扩散区，第二源极跟随晶体管/>的漏级连接第二N型离子区302以及偏置电压，第二源极跟随晶体管/>的源级连接第二选通晶体管的源极。第二选通晶体管/>的漏极输出电压信号。
请参阅图6和图7，图6是像素单元的结构在Z轴和Y轴方向上所形成的平面方向上的截面图。可以看到，第一泄放晶体管的栅极和第二泄放晶体管/>的栅极Ø/>对称设置于该P+型离子层的两侧。
请参阅图9，图9是相邻的像素单元共享相关双采样电路的示意图。模数转换单元603包括对应相邻的两像素单元设置的相关双采样电路，相关双采样电路包括：
第一运算放大器OTA1以及其周边电路，第一运算放大器OTA1的正向输入端输入偏置单元602提供的偏置电压信号，第一运算放大器OTA1的负向输入端通过第一电容连接相邻的两像素单元的第一选通晶体管/>，第一运算放大器OTA1的负向输入端与输出端之间并联设有第三开关/>以及第二电容/>，第一运算放大器OTA1的负向输入端与输出端之间并联设有第四开关/>以及第三电容/>，第一运算放大器OTA1的负向输入端与输出端之间并联设有第五开关/>，第一运算放大器OTA1的负向输入端接收两像素单元的第一电压信号，第一运算放大器OTA1的输出端输出第一数字信号；
第二运算放大器OTA2以及其周边电路，第二运算放大器OTA2的正向输入端输入偏置单元602提供的偏置电压信号，第二运算放大器OTA2的负向输入端通过第四电容连接相邻的两像素单元的第二选通晶体管/>，第二运算放大器OTA2的负向输入端与输出端之间并联设有第六开关/>以及第五电容/>，第二运算放大器OTA2的负向输入端与输出端之间并联设有第七开关/>以及第六电容/>，第二运算放大器OTA2的负向输入端与输出端之间并联设有第八开关/>，第二运算放大器OTA2的负向输入端接收两像素单元的第二电压信号，第二运算放大器OTA2的输出端输出第二数字信号。
现有技术中，每个像素单元是需要两个上述的相关采样电路来采样得出表示环境光的电压信号以及反射光的电压信号，但是采用本实施例的相关采样电路，利用本实施例的相关采样电路的共享机制，可同时得到相邻的像素单元的表示环境光的电压信号以及反射光的电压信号，完成两个像素点的深度信息计算。具体是，在需要读出电压信号时，相关采样电路开始工作，控制像素单元Pixel 0的第一选通晶体管打开，获取第一运算放大电路输出的第一数字信号，控制像素单元Pixel 0的第二选通晶体管打开，获取第一运算放大电路输出的第二数字信号/>，这样就完成一个像素的深度信息的计算。然后，控制像素单元Pixel 1的第一选通晶体管打开，获取第一运算放大电路输出的第一数字信号/>，控制像素单元Pixel 0的第二选通晶体管打开，获取第一运算放大电路输出的第二数字信号，这样就完成另一个像素的深度信息的计算。可以看到，只要通过扫描单元604扫描奇数行或者奇数列的像素单元，然后再扫描偶数行或者偶数列的像素单元，既可以通过该相关双采样电路获取奇像素点和偶像素点的电压信号。因为运算放大器占用芯片比较大的面积，采用此共享机制使得相邻的像素单元共用一模数转换单元603，大大减小了相关双采样电路的芯片面积，提高了深度图像传感器芯片的像素填充率。
扫描单元604包括行扫描子单元（Vertical Scanner）以及列扫描子单元（Horizontal Scanner），其中，行扫描子元扫描获取像素阵列601中行序列的像素单元，列扫描子元扫描获取像素阵列601中列序列的像素单元。
控制单元605连接第一传输晶体管的控制端、第一复位晶体管/>的控制端、第一选通晶体管/>的控制端、第二传输晶体管/>的控制端、第二复位晶体管/>的控制端以及第二选通晶体管/>的控制端。
其中，第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管/>受控于控制单元605，在打开激光脉冲获取像素单元的有效信号前，控制模块通过打开第一泄放晶体管/>以及第二泄放晶体管/>将像素单元在空闲时因为环境光产生的累积电荷释放掉。
第一传输晶体管的控制端、第一复位晶体管/>的控制端、第一选通晶体管的控制端、第二传输晶体管/>的控制端、第二复位晶体管/>的控制端以及第二选通晶体管/>的控制端均指MOS管的栅极。
本实施例中，深度信息计算单元606可以通过设置在深度图像传感器的电路来实现计算。其他实施例中，深度信息计算单元606可以通过对深度图像传感器添加外围电路，例如使用FPGA或者DSP芯片完成深度信息的来实现计算。
进一步地，图像传感器还包括图像增强模块(未图示)，当图像传感器输出图像后，对图像进行后期处理以实现图像信息的增强。
下面结合图3至图9来对本发明的工作原理进行说明。
首先，通过打开第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管/>将像素单元在空闲时因为环境光产生的累积电荷释放掉。然后，在采集单行或者单列的像素单元的信号电压前，进行一次环境光收集预处理，具体过程如下：不开启激光发射模组，控制第一传输晶体管/>打开以及第二传输晶体管/>关闭，开启像素单元的第一浮动扩散区/>部分，并且曝光时间/>，输出第一电压信号/>为表示环境光的电压信号；开启激光发射模组，控制第二传输晶体管/>打开以及第一传输晶体管/>关闭，开启像素单元的第二浮动扩散区/>部分，曝光相同时间/>，输出第二电压信号/>为表示由环境光和激光脉冲共同产生的反射光的电压信号，第二电压信号/>减去第一电压信号/>即可得到发射激光脉冲产生的有效电压。比较表示环境光的第一电压信号/>以及表示反射光的第二电压信/>以获取比例系数，将此比例系数作为经验值。经过多次验证得出，该比例系数大约在3%至5%之间，亦既是，表示环境光的电压信号占据表示反射光的电压信号的比例在3%至5%之间。只要将反射光的电压信号结合该比例系数，即可以获取反射光的有效电压，亦既是，反射光的有效电压信号占第二电压信/>的95%至97%。因此，只要将反射光的电压信号值乘以百分百与比例系数的差值，即可以获得反射光的有效电压信号。
芯片上电，偏置单元602启动，为整个芯片提供稳定的偏置电压，控制单元605与激光发射模组建立通信，模数转换单元603、扫描单元604以及输出单元607进入准备完成状态。
在打开所述激光脉冲获取所述像素单元的有效信号前，进行环境光的预处理，具体是：控制单元605控制第一传输晶体管、第二传输晶体管/>、第一复位晶体管/>、第二复位晶体管/>、第一源极跟随晶体管/>、第二源极跟随晶体管/>、第一选通晶体管/>以及第二选通晶体管/>处于关闭状态，控制第一泄放晶体管/>以及第二泄放晶体管/>打开，将图像传感器因为环境光积累的电荷泄放掉。然后，控制单元605控制像素单元的第一复位晶体管/>以及第二复位晶体管/>打开，使得第一浮动扩散区/>以及第二浮动扩散区/>累积的电压复位，复位后关闭第一复位晶体管/>以及第二复位晶体管/>。
请参阅图7，系统打开激光发射源，每次发射经过调制的时间长度为的激光脉冲，控制单元605控制第一传输晶体管/>打开设定时间/>，接着，在设定好的调制激光脉冲有效沿之后，关闭第一传输晶体管/>，控制单元605控制该第二传输晶体管/>打开设定时间/>，关闭第二传输晶体管/>。打开第一选通晶体管/>，获取第一浮动扩散区累积的第一电压信号，模数转换单元603转换第一电压信号为数字信号，根据之前获取的比例系数，得出数字信号的有效值第一数字信号/>，打开第二选通晶体管/>，获取第二浮动扩散区/>累积的第二电压信号，模数转换单元603第二电压信号转换为数字信号，根据之前获取的比例系数，得出数字信号的有效值第二数字信号/>。
行扫描子单元/列扫描子单元获取像素单元的第一数字信号以及第二数字信号/>，因为模数转换单元603的相关双采样电路采用的是相邻像素单元的共享机制的电路设计，所以行扫描子单元扫描一次只能获取奇数行或者偶数行的像素单元的第一数字信号以及第二数字信号/>，列扫描子单元扫描一次只能获取奇数行或者偶数行的像素单元的第一数字信号/>以及第二数字信号/>。深度信息计算单元606按照公式：/>，即可计算得出每个所述像素单元对应的被测物体的距离信息/>，亦既是被测物体的深度信息，其中，c为光速。输出单元607将被测物体的深度信息传输到下一级的应用层。
实施例五：
本申请提出一种成像系统，其包括如上所述的图像传感器芯片以及激光发射器。
本实施例的成像系统可以应用于机器人视觉领域，自动驾驶领域，视频监控领域，3D成像领域、手势识别领域。
实施例六：
请参阅图10，本申请提出一种像素单元的形成方法，包括：
步骤S601：设置衬底；
步骤S602：设置光电二极管PD，其设置于衬底内，使其用以将入射于光电二极管PD上的光信号转化为电压信号；
步骤S603：设置第一电压信号输出模块，其用于将入射在光电二极管PD的光转化第一电压信号，其包括第一开关，第一开关的输入端连接光电二极管PD，第二开关打开时，第一开关的输出端可输出第一电压信号；以及
步骤S604：设置第二电压信号输出模块，其用于获取入射在光电二极管PD的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，第二开关的输入端连接光电二极管PD，第二开关打开时，第二开关的输出端可输出第二电压信号。
其中，当获取环境光的电压信号时，控制像素单元接收环境光，光电二极管PD将环境光转换为电压信号，控制第一开关打开以及控制第二开关关闭，第一电压信号输出模块输出第一电压信号为表示环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制像素单元接收反射光，光电二极管PD将反射光转换为电压信号，控制第一开关关闭以及控制第二开关打开，第二电压信号输出模块输出第二电压信号为表示反射光的电压信号，比较表示环境光的第一电压信号以及表示反射光的第二电压信以获取比例系数，当获取到反射光的电压信号时，结合比例系数即可获得反射光电压信号有效值。
实施例七：
请参阅图11，本申请提出一种深度信息测算方法，方法包括：
步骤S701：通过上述的像素单元获取当前环境下的表示环境光的电压信号与表示被测物体的反射光电压信号的比例系数；
步骤S702：系统打开激光发射源，每次发射经过调制的时间长度为的激光脉冲，控制像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关打开以及第二电压信号输出模块的第二开关关闭，获取发光二极管转换光信号后得到的第一电压信号，将第一电压信号转化为第一数字信号，将第一数字信号依据比例系数按照设定方式转换为第一数字信号的有效值；
步骤S703：控制像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关关闭以及第二电压信号输出模块的第二开关打开，获取发光二极管转换光信号后得到的第二电压信号，第二电压信号转化为第二数字信号，将第二数字信号依据比例系数按照设定方式转换为第二数字信号的有效值；
步骤S704：选通并输出像素单元的第一数字信号的有效值以及第二数字信号的有效值/>；
步骤S705：按照公式：，计算得出每个像素单元对应的被测物体的距离信息L，亦既是深度信息，其中，c为光速。
进一步地，在步骤S701之前，还包括步骤：控制打开像素单元的第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管将像素单元在空闲时因为环境光产生的累积电荷释放掉。
本实施例中的像素单元请参考上面实施例二、实施例三所描述的像素单元，这样不再叙述。
本申请的有益效果在于：通过设置第一电压信号输出模块以及第二电压信号输出模块，控制第一电压信号输出模块的第一开关以及第二电压信号输出模块的第二开关的打开或者关闭，输出表示表示环境光的第一电压信号以及输出表示反射光的第二电压信号，根据该第一电压信号和第二电压信号可以得出表示反射光的电压信号的有效值，以此电压信号的有效值用作深度信息的测算，提升了被测物体的深度信息的测量的准确性，能够适用于更加复杂的环境，使得应用该技术的产品适用范围更为广泛。
本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘等。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (9)

1.一种图像传感器芯片，其特征在于，所述图像传感器芯片包括：
像素阵列，其包括多个像素单元，所述像素单元输出电压信号；
偏置单元，其用于为所述图像传感器芯片提供偏置电压；
模数转换单元，用于将所述像素单元输出的电压信号转换为数字信号，其连接所述像素单元；
扫描单元，用于选通并输出所述像素阵列的数字信号，其连接所述像素阵列；
控制单元，其连接并控制所述像素阵列、模数转换单元、扫描单元以及偏置单元工作以获取并输出所述数字信号；
深度信息计算单元，其用于根据所述像素单元输出的数字信号进行运算获得被测物体的距离信息，其连接所述控制单元；
输出单元，其用于将所述距离信息传输至下一级应用层，其连接所述深度信息计算单元；
其中，系统打开激光发射源，每次发射经过调制的时间长度为的激光脉冲，所述控制单元控制所述像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关打开以及第二电压信号输出模块的第二开关关闭，所述第一电压信号输出模块输出所述第一电压信号，所述模数转换单元将所述第一电压信号转化为第一数字信号，结合比例系数将所述第一数字信号按照设定方式转换为所述第一数字信号的有效值/>，所述控制单元控制所述像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关关闭以及第二电压信号输出模块的第二开关打开，所述第二电压信号输出模块输出所述第二电压信号，所述模数转换单元将所述第二电压信号转化为第二数字信号，结合所述比例系数将所述第二数字信号按照设定方式转换为所述第二数字信号的有效值/>；
所述扫描单元选通并输出所述像素单元的第一数字信号的有效值以及第二数字信号的有效值/>，所述深度信息计算单元按照公式：/>，即可计算得出每个所述像素单元对应的被测物体的距离信息L，亦既是被测物体的深度信息，其中，c为光速；
所述像素单元包括：
衬底；
光电二极管，其设置于所述衬底内，其用以将入射于所述光电二极管上的光信号转化为电压信号；
第一电压信号输出模块，其用于将入射在所述光电二极管的光转化第一电压信号，其包括第一开关，所述第一开关的输入端连接所述光电二极管，所述第一开关打开时，所述第一开关的输出端可输出所述第一电压信号；以及
第二电压信号输出模块，其用于获取入射在所述光电二极管的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，所述第二开关的输入端连接所述光电二极管，所述第二开关打开时，所述第二开关的输出端可输出所述第二电压信号；
其中，当获取环境光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述环境光，所述光电二极管将所述环境光转换为电压信号，控制所述第一开关打开以及控制所述第二开关关闭，所述第一电压信号输出模块输出所述第一电压信号为表示所述环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述反射光，所述光电二极管将所述反射光转换为电压信号，控制所述第一开关关闭以及控制所述第二开关打开，所述第二电压信号输出模块输出所述第二电压信号为表示所述反射光的电压信号，比较表示所述环境光的第一电压信号以及表示所述反射光的第二电压信以获取比例系数，当要获取所述反射光的有效电压信号时，结合所述比例系数即可获得所述反射光电压信号有效值；
所述第一电压信号输出模块还包括：
第一浮动扩散区，其设置于所述衬底内并且设置于第一传输晶体管远离所述光电二极管的一侧，其中，所述第一传输晶体管将所述光电二极管的第一电压信号转移到所述第一浮动扩散区进行保存；
第一复位晶体管，其设置于所述衬底内耦合所述光电二极管，用以将所述第一浮动扩散区保存的第一电压信号进行复位；
第一源极跟随晶体管，其控制端连接所述第一浮动扩散区，其输入端连接所述第一复位晶体管；以及
第一选通晶体管，其输入端连接所述第一源极跟随晶体管的输出端，所述第一选通晶体管的输出端输出所述第一电压信号；
所述第二电压信号输出模块还包括：
第二浮动扩散区，其设置于所述衬底内并且设置于第二传输晶体管远离所述光电二极管的一侧，其中，所述第二传输晶体管将所述光电二极管的第二电压信号转移到所述第二浮动扩散区进行保存；
第二复位晶体管，其设置于所述衬底上耦合所述光电二极管，用以将所述第二浮动扩散区保存的第二电压信号进行复位；
第二源极跟随晶体管，其控制端连接所述第二浮动扩散区，其输入端连接所述第二复位晶体管；以及
第二选通晶体管，其输入端连接所述第二源极跟随晶体管的输出端，所述第二选通晶体管的输出端输出所述第二电压信号；
其中，所述控制单元连接所述第一传输晶体管的控制端、第一复位晶体管的控制端、第一选通晶体管的控制端、第二传输晶体管的控制端、第二复位晶体管的控制端以及第二选通晶体管的控制端。
2.如权利要求1所述的图像传感器芯片，其特征在于，所述模数转换单元包括对应相邻的两所述像素单元设置的相关双采样电路，所述相关双采样电路包括：
第一运算放大器以及其周边电路，所述第一运算放大器的正向输入端输入偏置单元提供的偏置电压信号，所述第一运算放大器的负向输入端通过第一电容连接相邻的两所述像素单元的第一选通晶体管，所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第三开关以及第二电容，所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第四开关以及第三电容，所述第一运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第五开关，所述第一运算放大器的负向输入端接收两所述像素单元的第一电压信号，所述第一运算放大器的输出端输出所述第一数字信号；
第二运算放大器以及其周边电路，所述第二运算放大器的正向输入端输入偏置单元提供的偏置电压信号，所述第二运算放大器的负向输入端通过第四电容连接相邻的两所述像素单元的第二选通晶体管，所述第二运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第六开关以及第五电容，所述第二运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第七开关以及第六电容，所述第二运算放大器的负向输入端与输出端之间并联设有第八开关，所述第二运算放大器的负向输入端接收两所述像素单元的第二电压信号，所述第二运算放大器的输出端输出所述第二数字信号。
3.如权利要求1所述的图像传感器芯片，其特征在于，所述光电二极管设置于所述衬底的中心位置，所述第一电压信号输出模块的第一开关为第一传输晶体管，第一传输晶体管设置于所述衬底内并且设置于所述光电二极管的一侧，第一传输晶体管与所述光电二极管耦合以将所述光电二极管累积的电压信号输出，所述第二电压信号输出模块的第二开关为第二传输晶体管，所述第二传输晶体管设置于所述衬底内并且对称所述第一传输晶体管设置于所述光电二极管的另一侧，第二传输晶体管与所述光电二极管耦合以将所述光电二极管累积的电压信号输出。
4.如权利要求3所述的图像传感器芯片，其特征在于，
所述第一电压信号输出模块还包括：第一泄放晶体管，其设置于所述衬底内并连接所述光电二极管，其用于在所述像素单元处于空闲状态时，将所述光电二极管接收所述环境光所产生的电压信号释放掉；
所述第二电压信号输出模块还包括：第二泄放晶体管，其设置于所述衬底内并连接所述光电二极管，其用于在所述像素单元处于空闲状态时，将所述光电二极管接收所述环境光所产生的电压信号释放掉；
其中，所述第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管受控于所述控制单元，在打开所述激光脉冲获取所述像素单元的有效信号前，所述控制单元通过打开所述第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管将所述像素单元在空闲时因为所述环境光产生的累积电荷释放掉。
5.如权利要求4所述的图像传感器芯片，其特征在于，所述光电二极管呈正方形并设置于所述衬底的中心位置，所述第一传输晶体管设置于所述光电二极管的左侧，所述第一浮动扩散区设置于所述第一传输晶体管远离所述光电二极管的一侧，所述第二传输晶体管对称所述第一传输晶体管设置于所述光电二极管的右侧，所述第二浮动扩散区对称所述第一浮动扩散区设置于所述第二传输晶体管远离所述光电二极管的一侧，所述第一泄放晶体管设置于所述光电二极管的上侧，所述第二泄放晶体管对称所述第一泄放晶体管设置于所述光电二极管的下侧。
6.一种成像系统，其特征在于，其包括如权利要求1至5任意一项所述的图像传感器芯片以及激光发射器。
7.一种像素单元的形成方法，其特征在于，所述方法包括：
设置衬底；
设置光电二极管，其设置于所述衬底内，其用以将入射于所述光电二极管上的光信号转化为电压信号；
设置第一电压信号输出模块，其用于将入射在所述光电二极管的光转化第一电压信号，其包括第一开关，所述第一开关的输入端连接所述光电二极管，所述第一开关打开时，所述第一开关的输出端可输出所述第一电压信号；以及
设置第二电压信号输出模块，其用于获取入射在所述光电二极管的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，所述第二开关的输入端连接所述光电二极管，所述第二开关打开时，所述第二开关的输出端可输出所述第二电压信号；
其中，当获取环境光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述环境光，所述光电二极管将所述环境光转换为电压信号，控制所述第一开关打开以及控制所述第二开关关闭，所述第一电压信号输出模块输出所述第一电压信号为表示所述环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述反射光，所述光电二极管将所述反射光转换为电压信号，控制所述第一开关关闭以及控制所述第二开关打开，所述第二电压信号输出模块输出所述第二电压信号为表示所述反射光的电压信号，比较表示所述环境光的第一电压信号以及表示所述反射光的第二电压信以获取比例系数，当要获取所述反射光的有效电压信号时，结合所述比例系数即可获得所述反射光电压信号有效值。
8.一种深度信息测算方法，其特征在于，所述方法包括：
通过像素单元获取当前环境下的表示所述环境光的电压信号与表示被测物体的反射光电压信号的比例系数；
系统打开激光发射源，每次发射经过调制的时间长度为的激光脉冲，控制所述像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关打开以及第二电压信号输出模块的第二开关关闭，获取发光二极管转换光信号后得到的所述第一电压信号，将所述第一电压信号转化为第一数字信号，结合所述比例系数将所述第一数字信号按照设定方式转换为所述第一数字信号的有效值/>；
控制所述像素单元的第一电压信号输出模块的第一开关关闭以及第二电压信号输出模块的第二开关打开，获取所述发光二极管转换光信号后得到的所述第二电压信号，所述第二电压信号转化为第二数字信号，结合所述比例系数将所述第二数字信号按照设定方式转换为所述第二数字信号的有效值；
选通并输出所述像素单元的第一数字信号的有效值以及第二数字信号的有效值/>；
按照公式：，计算得出每个所述像素单元对应的被测物体的距离信息L，亦既是深度信息，其中，c为光速；
所述像素单元包括：
衬底；
光电二极管，其设置于所述衬底内，其用以将入射于所述光电二极管上的光信号转化为电压信号；
第一电压信号输出模块，其用于将入射在所述光电二极管的光转化第一电压信号，其包括第一开关，所述第一开关的输入端连接所述光电二极管，所述第一开关打开时，所述第一开关的输出端可输出所述第一电压信号；以及
第二电压信号输出模块，其用于获取入射在所述光电二极管的光输出为第二电压信号，其包括第二开关，所述第二开关的输入端连接所述光电二极管，所述第二开关打开时，所述第二开关的输出端可输出所述第二电压信号；
其中，当获取环境光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述环境光，所述光电二极管将所述环境光转换为电压信号，控制所述第一开关打开以及控制所述第二开关关闭，所述第一电压信号输出模块输出所述第一电压信号为表示所述环境光的电压信号，当获取被测物体的反射光的电压信号时，控制所述像素单元接收所述反射光，所述光电二极管将所述反射光转换为电压信号，控制所述第一开关关闭以及控制所述第二开关打开，所述第二电压信号输出模块输出所述第二电压信号为表示所述反射光的电压信号，比较表示所述环境光的第一电压信号以及表示所述反射光的第二电压信以获取比例系数，当要获取所述反射光的有效电压信号时，结合所述比例系数即可获得所述反射光电压信号有效值。
9.如权利要求8所述的深度信息测算方法，其特征在于，在所述控制发射经过调制的激光脉冲的步骤之前，还包括步骤：控制打开所述像素单元的第一泄放晶体管以及第二泄放晶体管将所述像素单元在空闲时因为所述环境光产生的累积电荷释放掉。
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