CN110392184A - 基于静态门限电压的像素单元与光电调制方法及其应用 - Google Patents

基于静态门限电压的像素单元与光电调制方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于静态门限电压的像素单元与光电调制方法及其应用，该像素单元包括光电转换模块，用于将入射光通过光电转换产生光生电荷载流子，入射光包括接收辐射和背景光，所述接收辐射包括激光辐射和背景光；传输模块，用于将激光辐射和背景光产生的光生电荷载流子通过空间分离分别存储至两个一级节点中；门限受控传输模块，用于将一级节点中激光辐射产生的光生电荷载流子传递至二级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在一级节点中；一级节点和二级节点之间预设有静态的门限电压。本发明采用门限栅和分级的方法，将传输栅控制的一级节点收集到的光生电荷载流子通过门限栅控制，去除背景光信息，提高背景光抑制效果。

Description

基于静态门限电压的像素单元与光电调制方法及其应用
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种基于静态门限电压的像素单元与光电调制方法及其应用。
背景技术
随着科技的发展，人们对光学的研究越来越深入，其中激光测距技术具有精度高、测量速度快等优点，被广泛应用于汽车、人工智能、游戏、机器视觉等行业领域。在进行测距时一般采用飞行时间(time-of-flight，TOF) 测距法，飞行时间测距方法的目标是测量实时信息，需要调制光源和高精度的接收器，其原理是光源发出调制光波，光照射到目标上并反射回来，高精度的接收器接收到反射光，通过计算光发射到接收器接受反射光的时间，就可以计算出目标的距离，这一过程中光传播的距离其实是目标距离的两倍，因为光的传播速度很快，所以这一方法对接收器的速度和灵敏度有较高的要求，此外光源和接收器必须同时工作才能实现功能，因此TOF测距法需要光源和接收器的配合。
在例如测距、高动态、高帧频等特种成像领域，一般都需要将背景光、暗电流、噪声等共模偏移量与有效接收信号进行像素级分离，以确保最佳的图像信噪比，但没有优化的PPD器件、传输栅与单Tap存储节点不能实现对接收有效光信号的调制，背景光等共模信号无法从接收有效信号中分离，无法实现高性能的图像信号输出与应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于静态门限电压的像素单元与光电调制方法及其应用，解决现有技术中远距离测量时在背景光中回波信号微弱使得无法有效分离背景光信息的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种基于静态门限电压的光电调制方法，包括以下步骤：
入射光通过光电转换产生光生电荷载流子，所述入射光包括接收辐射和背景光，所述接收辐射包括激光辐射和背景光；
所述激光辐射和背景光产生的光生电荷载流子通过空间分离分别存储至两个一级节点中；
将一级节点中激光辐射产生的光生电荷载流子传递至二级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在一级节点中；所述一级节点和二级节点之间预设有静态的门限电压。
进一步地，所述光电转换在光电转换模块中发生；
所述光生电荷载流子通过传输模块传递至两个一级节点之一；
所述一级节点和二级节点之间设置有门限受控传输模块；
所述传输模块通过调制信号调节其开通和关断。
进一步地，所述光电转换模块包括钳位电压，所述一级节点包括一级节点电压，所述二级节点包括二级节点电压，其中钳位电压小于一级节点电压，一级节点电压小于二级节点电压。
进一步地，所述传输模块包括一级关断电压和一级导通电压，所述门限受控传输模块包括二级关断电压和门限电压，其中一级关断电压和二级关断电压相同，一级导通电压和门限电压均大于钳位电压并小于一级节点电压。
进一步地，所述一级节点、二级节点中存储的光生电荷载流子通过缓冲器读取，并通过缓冲器分别将其转换为电压值。
进一步地，所述一级节点中存储的光生电荷载流子通过一级复位器进行抽尽操作；
所述二级节点中存储的光生电荷载流子通过二级复位器进行抽尽操作；
所述一级复位器通过一级复位信号进行触发，所述二级复位器通过二级复位信号进行触发。
进一步地，所述一级复位信号由一级复位电压触发，所述一级复位电压大于钳位电压并小于门限电压。
本发明还提供了一种基于静态门限电压的像素单元，包括：
光电转换模块，用于将入射光通过光电转换产生光生电荷载流子，所述入射光包括接收辐射和背景光，所述接收辐射包括激光辐射和背景光；
传输模块，用于将激光辐射和背景光产生的光生电荷载流子通过空间分离分别存储至两个一级节点中；
门限受控传输模块，用于将一级节点中激光辐射产生的光生电荷载流子传递至二级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在一级节点中；所述一级节点和二级节点之间预设有静态的门限电压。
进一步地，所述传输模块通过调制信号调节其开通和关断。
进一步地，所述光电转换模块包括钳位电压，所述一级节点包括一级节点电压，所述二级节点包括二级节点电压，其中钳位电压小于一级节点电压，一级节点电压小于二级节点电压。
进一步地，所述传输模块包括一级关断电压和一级导通电压，所述门限受控传输模块包括二级关断电压和门限电压，其中一级关断电压和二级关断电压相同，一级导通电压和门限电压均大于钳位电压并小于一级节点电压。
进一步地，所述一级节点、二级节点中存储的光生电荷载流子通过源跟随器读取，并通过源跟随器分别将其转换为电压值。
进一步地，所述一级节点中存储的光生电荷载流子通过一级复位器进行抽尽操作；
所述二级节点中存储的光生电荷载流子通过二级复位器进行抽尽操作；
所述一级复位器通过一级复位信号进行触发，所述二级复位器通过二级复位信号进行触发。
进一步地，所述一级复位信号由一级复位电压触发，所述一级复位电压大于钳位电压并小于门限电压。
进一步地，还包括N级节点，N为大于等于3的自然数；
所述N级节点与N-1级节点之间均设置有门限受控传输模块，用于将激光辐射产生的光生电荷载流子传递至N级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在N-1级节点中。
本发明还提供了一种光电调制的应用，通过本发明提供的像素单元进行共模信号与有效信号的分离操作。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明采用门限受控传输模块和分级的方法，将传输栅控制的一级节点收集到的光生电荷载流子通过门限受控传输模块控制，去除背景光信息，在二级节点中尽可能的接收激光回波信息，从而提高背景光抑制效果。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图。
图2是本发明装置工作过程示例一；
图3是本发明装置工作过程示例二；
图4是本发明装置工作过程示例三；
图5是传输栅、门限栅的调制信号示意图；
图6是本发明的一种实施方式示意图；
图7是本发明一种实施例下在三级节点时的像素单元示意图；
图8是本发明另一种实施例下在三级节点时的像素单元示意图。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本实施例提供了一种基于静态门限电压的光电调制方法，包括：
入射光通过光电转换产生光生电荷载流子，入射光包括接收辐射和背景光，所述接收辐射包括激光辐射和背景光；
接收辐射和背景光产生的光生电荷载流子通过空间分离分别存储至两个一级节点中；
将一级节点中激光辐射产生的光生电荷载流子传递至二级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在一级节点中；所述一级节点和二级节点之间预设有静态的门限电压。
其优点在于，通过控制两个一级节点中光生电荷载流子向对应二级节点传递的数量，使得其中光生电荷载流子少的一级节点中的光生电荷载流子不向其对应的二级节点传递，则该一级节点中的光生电荷载流子则为背景光转换的，另一个一级节点中的光生电荷载流子为背景光和接收的激光辐射，则背景光基本上都被留在一级节点中，二级节点中只有接收的激光辐射转换的光生电荷载流子，这样可以将背景光和接收的激光辐射进行分离。并且，在远距离测距时，通常像素单元接收的辐射非常微弱，而背景光相比于接收的辐射来说，则比较强，这种情况下两个一级节点中的光生电荷载流子的数量相差非常微弱，若直接进行相比或相减，误差较大。
其中，光电转换在光电转换模块中发生；
本实施例中光电转换模块可以是任何可以将光转换为电荷的区域或者器件，优选是一个钳位光电二级管。一级节点和二级节点为可以存储电荷的容器，优选为电容。门限受控传输模块可为门限栅，门限栅为通过电压控制的开关器件，如MOS管等。
光生电荷载流子通过传输模块传递至两个一级节点之一；
一级节点和二级节点之间设置有门限受控传输模块；
传输模块通过调制信号调节其开通和关断。
其优点在于，通过调制信号控制传输模块的开通和关断，可以使得入射到光电转换模块的光为接收辐射时，控制与存储接收辐射的一级节点相对应的传输模块开通，接收辐射转换的光生电荷载流子传递至对应一级节点中；当只有背景光时，控制另一个传输模块开通，这样存储背景光的一级节点中就只存储背景光转换的光生电荷载流子。
本实施例中的传输模块为通过电压控制的开关器件，优选为MOS管。
如图2，接收辐射在钳位光电二极管上转换为电荷，第一传输栅TX1 和第二传输栅TX2受图5所示的调制信号进行控制，首先第一传输栅TX1 导通，此时钳位光电二极管中的电荷通过第一传输栅TX1流入第一一级节点FD1中，一个脉宽时间后第一传输栅TX1关断；
如图3，根据调制信号的控制，第二传输栅TX2导通，此时钳位光电二极管上接收的只有背景光，则电荷通过第二传输栅TX2流入第二一级节点 FD2中，一个脉宽后第二传输栅TX2关断；
通过设置第一传输模块和第二传输模块，并通过调制信号控制，使得接收辐射在光电转换模块转化的电荷能够存储在第一一级节点中，没有激光辐射时的背景光在光电转换模块转化的电荷能够存储在第二一级节点中，实现了接收辐射和背景光分别转化电荷的空间分离。
由于第一传输模块和第二传输模块的开通时间相同，故第一一级节点中存储的接收辐射转化的电荷中包含与第二一级节点存储的相同数量的背景光转化的电荷，故本发明只需使用第一一级节点中的电荷减去第二一级节点中的电荷，实现了去掉接收辐射中的背景光。
本实施例中的光电转换模块包括钳位电压，一级节点包括一级节点电压，所述二级节点包括二级节点电压，其中钳位电压小于一级节点电压，一级节点电压小于二级节点电压。
其中，光电转换模块的钳位电压为钳位光电二极管的钳位电压，一级节点电压和二级节点电压为电容所能存储的电荷所转换的电压的最大值。这样，可以实现光电转换模块中的光生电荷载流子能够流入一级节点中，一级节点中的光生电荷载流子能够流入二级节点中。
本实施例中传输模块包括一级关断电压和一级导通电压，所述门限受控传输模块包括二级关断电压和门限电压，其中一级关断电压和二级关断电压相同，一级导通电压和门限电压均大于钳位电压并小于一级节点电压。
如图4，第二传输栅TX2一旦关断，则第一门限栅TX3和第二门限栅 TX4通过设置导通门限电压同时导通，控制第二一级节点FD2中的电荷不流入第二二级节点FD4中，这样第一一级节点FD1中的电荷部分流入第一二级节点FD3中，第一二级节点FD3的电荷则基本不包含背景光，第二二级节点FD4中只含有非常少的噪声电荷，一个周期后，计算第一二级节点 FD3和第二二级节点FD4中的电荷差，即可以精确的将接收辐射中的背景光分离且还可以去掉其余噪声。
由于在远距离测距时，光电转换模块接收到的激光辐射往往比较弱，造成两个一级节点中的电荷量几乎一样多，这样将两个一级节点中的电荷数量进行直接相减时，存在误差较大，通过设置门限受控传输模块的门限电压使得背景光转化的电荷留在一级节点中，只将激光辐射转化的电荷转移到二级节点中，由于是多次循环转移后，二级节点中的电荷量才取出进行计算，故两个二级节点中的电荷量相差较大。
技术效果：减小去除背景光的误差。
图5为第一传输栅TX1和第二传输栅TX2、第一门限栅TX3和第二门限栅TX4的导通与关断控制信号。
其中，第一传输模块和第二传输模块的控制信号均由激光辐射发射的调制信号的进行调制；两个门限受控传输模块的控制信号的上升沿由第二传输模块的控制信号的下降沿进行触发。
特征设置原因：由于激光辐射的发射由调制信号进行调制，故第一传输模块和第二传输模块的控制信号也需要通过调制信号进行调制，这样才可以与激光辐射进行同步，将背景光和激光辐射进行分离。
图6示出了本发明的一种实施方式，采用CMOS方式进行实现。
本实施例中的一级节点包括一级节点电压，所述二级节点包括二级节点电压，其中钳位电压小于一级节点电压，一级节点电压小于二级节点电压。在图6中一级节点即为电容FD1和电容FD2，二级节点为电容FD3和电容 FD4，则一级节点电压为VDD1，二级节点电压为VDD2；钳位电压为VDD。
本实施例中传输栅包括一级关断电压和一级导通电压，门限栅包括二级关断电压和门限电压，其中一级关断电压和二级关断电压相同，一级导通电压和门限电压均大于钳位电压并小于一级节点电压。本实施例中，传输栅和门限栅的关断电压相同均为0V，即一级关断电压和二级关断电压为0V；图6 中的传输栅为MOS管TX1和TX2，门限栅为MOS管TX3和TX4，TX1、TX2、 TX3、TX4的导通电压由外部电路进行控制，只需使得一级导通电压和门限电压均大于钳位电压VDD并小于一级节点电压VDD1即可。
本实施例中门限电压与两个一级节点中所存储光生电荷载流子较少的一级节点中存储光生电荷载流子所转换的电压值相等且大于钳位电压。
本实施例中的门限电压为与存储背景光转换的光生电荷载流子转换的电压相等，这样，背景光转换的光生电荷载流子便会一直留在一级节点中，而接收的激光转换的光生电荷载流子则每次门限栅导通时即会传递至二级节点中。
本实施例还包括源跟随器，用于分别读取一级节点、二级节点中存储的光生电荷载流子并分别将其转换为电压值。源跟随器可以为MOS管，其源极电压跟随栅极电压，而栅极与二级节点或一级节点的相连，则源跟随器可以读取一级节点或二级节点中存储的光生电荷载流子转换的电压。
图6中分别有4个源跟随器M1\M2\M3\M4来读取两个一级节点 FD1\FD2和两个二级节点FD3\FD4中的电压值VFD1\VFD2\VFD3\VFD4；具体地，源跟随器为MOS管，其源极电压跟随栅极电压，而栅极与二级节点或一级节点相连，则源跟随器可以读取一级节点或二级节点中存储的光生电荷载流子转换的电压。
由于一级节点中背景光转换的光生电流载荷子会越积越多，需要对其进行清空操作。本实施例还包括一级复位器组和二级复位器组，一级复位器组包括2个一级复位器，2个一级复位器分别用于对一级节点中存储的光生电荷载流子进行抽尽操作；
二级复位器组包括2个二级复位器，2个二级复位器分别用于对二级节点中存储的光生电荷载流子进行抽尽操作。
其中，一级复位器对一级节点进行复位的条件为：一级复位信号由一级复位电压触发，一级复位电压大于钳位电压并小于一级节点电压。
图1示出基于动态门限电压的像素单元。该像素单元包括光电转换模块，用于将入射光通过光电转换产生光生电荷载流子，入射光包括接收辐射和背景光，所述接收辐射包括激光辐射和背景光；传输模块，用于将接收辐射和背景光产生的光生电荷载流子通过空间分离分别存储至两个一级节点中；门限受控传输模块，用于将一级节点中激光辐射产生的光生电荷载流子传递至二级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在一级节点中；所述门限受控传输模块包括门限电压，所述门限电压与一级节点中存储的背景光产生的光生电荷载流子的电压值相同。
本实施例中的像素单元，通过门限栅使得存储光生电荷载流子的节点形成二级分离，通过将门限栅的导通电压使得背景光转换的光生电荷载流子被留在一级节点中，这样存储背景光的一级节点对应的二级节点中几乎没有光生电荷载流子存在，而存储接收辐射的一级节点对应的二级节点中则基本全部是激光辐射转换的光生电荷载流子，即可将背景光和激光辐射进行分离。
进一步地，传输模块和门限受控传输模块通过调制信号调节其开通和关断。
进一步地，光电转换模块包括钳位电压，一级节点包括一级节点电压，所述二级节点包括二级节点电压，其中钳位电压小于一级节点电压，一级节点电压小于二级节点电压。
进一步地，传输模块包括一级关断电压和一级导通电压，所述门限受控传输模块包括二级关断电压和门限电压，其中一级关断电压和二级关断电压相同，一级导通电压和门限电压均大于钳位电压并小于一级节点电压。
进一步地，一级节点、二级节点中存储的光生电荷载流子通过缓冲器读取，并通过缓冲器分别将其转换为电压值。
具体地，本实施例中的缓冲器可以为源跟随器。
进一步地，一级节点中存储的光生电荷载流子通过一级复位器进行抽尽操作；二级节点中存储的光生电荷载流子通过二级复位器进行抽尽操作；一级复位器通过一级复位信号进行触发，所述二级复位器通过二级复位信号进行触发。
进一步地，一级复位信号由一级复位电压触发，当门限电压为动态时，一级复位电压大于钳位电压并小于门限电压；当门限电压为动态时，一级复位电压大于钳位电压并小于一级节点电压。
本实施例提供了如图6所示的具体结构图，其中一级节点即为电容FD1 和电容FD2，二级节点为电容FD3和电容FD4，则一级节点电压为VDD1，二级节点电压为VDD2；钳位电压为VDD。传输栅为MOS管TX1和TX2，门限栅为MOS管TX3和TX4，TX1、TX2、TX3、TX4的导通电压由外部电路进行控制，只需使得一级导通电压和门限电压均大于钳位电压VDD并小于一级节点电压VDD1即可。图6中分别有4个源跟随器M1\M2\M3\M4 来读取两个一级节点FD1\FD2和两个二级节点FD3\FD4中的电压值VFD1\ VFD2\VFD3\VFD4；具体地，源跟随器可以为MOS管，其源极电压跟随栅极电压，而栅极与二级节点或一级节点相连，则源跟随器可以读取一级节点或二级节点中存储的光生电荷载流子转换的电压。
本实施例中的光电转换模块、传输模块、一级节点、门限受控传输模块、二级节点被集成到芯片上并且以CMOS方式来实现。
二级复位器在每个周期后对二级节点进行复位操作。
本实施例中的像素单元还可以包括多级节点，通过多级节点对背景光和激光辐射进行分离，使得最后一级节点中只存在激光辐射。
还包括N级节点，N为大于等于3的自然数；如图7、图8为N取3时的像素单元示意图。图7中一级节点和二级节点的节点电压相同，三级节点的节点电压大于一级节点和二级节点的节点电压。图8中二级节点的节点电压大于一级节点的节点电压，三级节点的节点电压大于二级节点的节点电压。
N级节点与N-1级节点之间均设置有门限受控传输模块，用于将激光辐射产生的光生电荷载流子传递至N级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在N-1级节点中。
本发明还提供了一种光电调制的应用，通过本发明提供的像素单元进行共模信号与有效信号的分离操作。

Claims (16)

1.一种基于静态门限电压的光电调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
入射光通过光电转换产生光生电荷载流子，所述入射光包括接收辐射和背景光，所述接收辐射包括激光辐射和背景光；
所述接收辐射和背景光产生的光生电荷载流子通过空间分离分别存储至两个一级节点中；
将一级节点中激光辐射产生的光生电荷载流子传递至二级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在一级节点中；所述一级节点和二级节点之间预设有静态的门限电压。
2.根据权利要求1所述的光电调制方法，其特征在于，所述光电转换在光电转换模块中发生；
所述光生电荷载流子通过传输模块传递至两个一级节点之一；
所述一级节点和二级节点之间设置有门限受控传输模块；
所述传输模块通过调制信号调节其开通和关断。
3.根据权利要求2所述的光电调制方法，其特征在于，所述光电转换模块包括钳位电压，所述一级节点包括一级节点电压，所述二级节点包括二级节点电压，其中钳位电压小于一级节点电压，一级节点电压小于二级节点电压。
4.根据权利要求3所述的光电调制方法，其特征在于，所述传输模块包括一级关断电压和一级导通电压，所述门限受控传输模块包括二级关断电压和门限电压，其中一级关断电压和二级关断电压相同，一级导通电压和门限电压均大于钳位电压并小于一级节点电压。
5.根据权利要求1所述的光电调制方法，其特征在于，所述一级节点、二级节点中存储的光生电荷载流子通过缓冲器读取，并通过缓冲器分别将其转换为电压值。
6.根据权利要求1所述的光电调制方法，其特征在于，所述一级节点中存储的光生电荷载流子通过一级复位器进行抽尽操作；
所述二级节点中存储的光生电荷载流子通过二级复位器进行抽尽操作；
所述一级复位器通过一级复位信号进行触发，所述二级复位器通过二级复位信号进行触发。
7.根据权利要求6所述的光电调制方法，其特征在于，所述一级复位信号由一级复位电压触发，所述一级复位电压大于钳位电压并小于门限电压。
8.一种基于静态门限电压的像素单元，其特征在于，包括：
光电转换模块，用于将入射光通过光电转换产生光生电荷载流子，所述入射光包括接收辐射和背景光，所述接收辐射包括激光辐射和背景光；
传输模块，用于将接收辐射和背景光产生的光生电荷载流子通过空间分离分别存储至两个一级节点中；
门限受控传输模块，用于将一级节点中激光辐射产生的光生电荷载流子传递至二级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在一级节点中；所述一级节点和二级节点之间预设有静态的门限电压。
9.根据权利要求8所述的像素单元，其特征在于，所述传输模块通过调制信号调节其开通和关断。
10.根据权利要求9所述的像素单元，其特征在于，所述光电转换模块包括钳位电压，所述一级节点包括一级节点电压，所述二级节点包括二级节点电压，其中钳位电压小于一级节点电压，一级节点电压小于二级节点电压。
11.根据权利要求10所述的像素单元，其特征在于，所述传输模块包括一级关断电压和一级导通电压，所述门限受控传输模块包括二级关断电压和门限电压，其中一级关断电压和二级关断电压相同，一级导通电压和门限电压均大于钳位电压并小于一级节点电压。
12.根据权利要求8所述的像素单元，其特征在于，所述一级节点、二级节点中存储的光生电荷载流子通过源跟随器读取，并通过源跟随器分别将其转换为电压值。
13.根据权利要求8所述的像素单元，其特征在于，所述一级节点中存储的光生电荷载流子通过一级复位器进行抽尽操作；
所述二级节点中存储的光生电荷载流子通过二级复位器进行抽尽操作；
所述一级复位器通过一级复位信号进行触发，所述二级复位器通过二级复位信号进行触发。
14.根据权利要求13所述的像素单元，其特征在于，所述一级复位信号由一级复位电压触发，所述一级复位电压大于钳位电压并小于门限电压。
15.根据权利要求8所述的像素单元，其特征在于，还包括N级节点，N为大于等于3的自然数；
所述N级节点与N-1级节点之间均设置有门限受控传输模块，用于将激光辐射产生的光生电荷载流子传递至N级节点中，并将背景光产生的光生电荷载流子留在N-1级节点中。
16.一种光电调制的应用，其特征在于，通过权利要求8至15任一项所述的像素单元进行共模信号与有效信号的分离操作。
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