CN111051917A - 像素级背景光减法 - Google Patents

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Abstract

公开一种像素电路，用于执行像素级背景光减法的方法以及成像装置。像素电路300包括溢出栅晶体管304，光电二极管302以及两个抽头310、312。两个抽头中的每个抽头被配置为存储由光电二极管积分的背景信号，从浮置扩散中减去背景信号，存储由光电二极管在浮置扩散处积分的组合信号，并基于从浮置扩散中减去背景信号以及在浮置扩散中积分的组合信号的存储，生成解调信号。优选地，像素电路300进一步包括第一公共节点303，第二公共节点305，CMR晶体管306和公共电源电压308。溢出栅晶体管304在第一公共节点303处连接至光电二极管302，并且与传输栅的正常读出路径无关地全局地复位光电二极管302。由于第一抽头310和第二抽头312共享光电二极管302，因此在像素电路300中仅使用单个溢出栅晶体管。光电二极管302接收解调光350和背景光352。在各个时间段的过程中，光电二极管302将基于解调光350和背景光352的电荷提供至两个注入电容器326和344以及两个浮置扩散电容器322和340以进行存储和积分。具体地，两个注入电容器326和344用于存储来自光电二极管302的电荷，当发射调制光的光源关闭时，该电荷基于背景光352的背景信号积分。在减去背景信号期间，当两个注入开关324和342导通时，由两个注入电容器326和344存储的电荷通过串联电路连接被注入到相应的两个浮置扩散电容器322和340中。通过交替地导通和截止两个浮置扩散晶体管323和341，两个浮置扩散节点325和343以彼此相反的相位积分组合信号。

Description

像素级背景光减法
技术领域
本申请涉及用于执行包括一个或多个像素级背景光减法的像素级背景光减法的电路和方法。
背景技术
飞行时间(TOF)是一种用于重建三维(3D)图像的技术。TOF技术包括通过测量光从光源传播到对象并返回到光检测传感器的时间来计算光源和对象之间的距离，其中，光源和光检测传感器在同一设备上。
常规地，红外发光二极管(LED)用作光源，以确保对环境光的高抗扰性。从对象反射的光获得的信息可用于计算对象与光检测传感器之间的距离，并且该距离可用于重建3D图像。然后，可以将重构的3D图像用于姿势和运动检测。姿势和运动检测已在汽车，无人机和机器人等各种应用中使用，这些应用需要更准确，更快地获取用于计算对象与光检测源之间距离的信息，以减少重建3D图像所需的时间。
典型的红外LED光源的水平较低。该低水平导致光检测传感器的灵敏度也低，并且对象与光检测传感器之间的测量距离受到限制。在一些示例中，为了增加光检测传感器的灵敏度，与从对象反射的光有关的信号可以被多次累积(在本文中称为“积分”)。另外，在一些示例中，来自红外LED的光被调制，并且整个对象被调制的光照亮，其中，调制是通过时钟信号进行的。由于来自光源的调制光呈波状，因此产生了不同相位的多个时钟信号来控制光源。从对象反射的光信号(在此称为“经解调光信号”)在光检测传感器(例如，整个传感器阵列)处被捕获。
为了计算从光源到对象的距离，以相移的方式捕获解调光信号，其中相位差是由从光源发出的调制光与光检测传感器接收到的解调光信号之间的飞行时间差驱动的。根据公式1计算出相移量。
α＝arctan((x1－x3)/(x2－x4))…(1)
在一些示例中，每个样本(即，每四个帧中的每个帧)被移位九十度(x1和x3是正交相位信号，而x2和x4是同相信号)。减去后，公式1的分子项和分母项都变得独立于偏移信号和背景信号。距离信息从公式2获得。
d＝C×α/(2×π×f)…(2)
在公式2中，C是光速，f是调制频率。
如上所述，为了增加光检测传感器的灵敏度，可以增加积分时间(多个循环的解调光信号的累积)以增加信噪比。通过累积多个循环的解调光信号，解调光信号随时间线性增加，而散粒噪声在信号电平的平方根中增加。
图像感测设备通常包括图像传感器，像素电路阵列，信号处理电路和相关的控制电路。在图像传感器自身内部，由于入射光而在像素电路的光电转换装置中收集电荷。随后，将给定像素电路中的电荷作为模拟信号读出，并通过模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字形式。
然而，在光电转换装置(也称为光检测传感器或光电二极管)中产生的电荷基于反射光(例如，解调光)和环境光(在本文中称为“背景光”)。在明亮的阳光下，环境光的强度可以比反射光的强度高许多数量级。在一些示例中，可以将由光检测传感器接收的光进行带通滤波，并且可以将背景光信号限制在感兴趣的频带(例如，大约～870nm或接近IR的频率)以增加光电转换装置的信噪比。在光电二极管的示例中，光电二极管的最大容量受到阱容量的限制。环境光可能会产生高光电流。高光电流进一步限制了两个解调光信号的差值的动态范围，这影响了对象与光检测传感器之间的距离的可测量距离和精度。
发明内容
如下面更详细地描述的，用于TOF应用的比较光检测传感器需要像素内比较器和一个投射(shot)。但是，由于多个原因，很难将比较器和单触发同时整合在单个小像素中(例如，像素大小约为5微米(μm))。首先，比较器和单触发需要较大的像素面积(例如，大约30μm)，这对于小像素是不适合的。其次，比较器和单触发需要大量功率以运行(例如，比较器可能需要大约一个微安(μA))，这导致单个像素的功耗很高。例如，在VGA分辨率为640像素乘以480像素的整个图像传感器上扩展1μA，则所有比较器的总电流消耗约为307.2毫安(mA)。在一些示例中，图像传感器使用三伏(V)，并且所有比较器的总功耗约为921.6毫瓦(mW)。此外，随着图像传感器的分辨率增加，所有比较器的总功耗增加。最后，每个像素需要像素内或外部计数器来存储每个抽头的饱和计数或存储两个相位信号之间的差。因此，需要一种不存在这些和其他缺陷的用于TOF应用的光检测传感器。
本公开的各个方面涉及一种像素电路，一种用于执行像素级背景光减法的方法以及包括该像素电路的成像装置。在本公开的一个方面，一种像素电路包括：溢出栅晶体管，电连接到节点；光电二极管以及两个抽头。光电二极管电连接到节点和框架接地线，光电二极管被配置为接收背景光，接收背景光和解调光的组合，其中，解调光由调制光源产生并从对象反射，基于接收到的背景光对背景信号进行积分，并且基于背景光和解调光的组合对组合信号进行积分。两个抽头中的每个抽头均被配置为存储经积分的背景信号，从浮置扩散中减去背景信号，存储在浮置扩散处积分的组合信号，以及基于从浮置扩散中减去背景信号以及在浮置扩散处积分的组合信号的存储，生成解调信号。
在本公开的另一方面，一种用于执行像素级背景光减法的方法。该方法包括：利用像素电路的光电二极管，基于由光电二极管接收的背景光对背景信号进行积分。该方法包括：在像素电路的注入电容器中存储经积分的背景信号的电荷。该方法包括：从像素电路的浮置扩散中减去注入电容器中存储的电荷。该方法包括：利用光电二极管，基于由光电二极管接收的背景光和解调光的组合，对组合信号进行积分。该方法包括：将组合信号的电荷存储在浮置扩散中。该方法还包括：从每个浮置扩散中读出解调信号，其中，解调信号是组合信号的电荷与存储在每个浮置扩散中的背景信号的电荷之间的差，并且其中，来自每个浮置扩散的解调信号具有一不同的相位。
在本公开的另一方面，一种成像装置包括控制器和像素阵列。像素阵列包括至少一个像素电路，该至少一个像素电路包括电连接到节点的溢出栅晶体管、光电二极管和两个抽头。光电二极管电连接到节点和框架接地线，并配置为接收背景光，接收背景光和解调光的组合，其中，解调光由调制光源产生并从对象反射，基于接收到的背景光对背景信号进行积分，并且基于背景光和解调光的组合对组合信号进行积分。两个抽头中的每个抽头均被配置为存储经积分的背景信号，从浮置扩散中减去背景信号，存储在浮置扩散处积分的组合信号，以及基于从浮置扩散中减去背景信号以及在浮置扩散处积分的组合信号的存储，生成解调信号。
本公开可以以各种形式来体现，包括由计算机实现的方法控制的硬件或电路，计算机程序产品，计算机系统和网络，用户接口以及应用程序编程接口；以及硬件实现的方法，信号处理电路，图像传感器电路，专用集成电路，现场可编程门阵列和其他合适的形式。前述发明内容仅旨在给出本公开的各个方面的总体构思，并且不限制本公开的范围。
附图说明
在下面的描述中更全面地公开了各种实施例的这些和其他更详细的特定特征，并参考了附图，其中：
[图1]图1是示出根据本公开的各个方面的示例性图像传感器的电路图。
[图2]图2是示出像素电路的比较例的电路图。
[图3]图3是示出根据本公开的各个方面的像素电路的电路图。
[图4]图4是示出根据本公开的各个方面的图3的像素电路的操作的时序图。
[图5]图5是示出根据本公开的各个方面的由图3的像素电路执行的方法的流程图。
[图6]图6是示出根据本公开的各个方面的图3的像素电路的操作的另一时序图。
[图7]图7是示出根据本公开的各个方面的另一像素电路的电路图。
[图8]图8是示出根据本公开的各个方面的又一个像素电路的电路图。
[图9]图9是示出根据本公开的各个方面的图8的像素电路的操作的时序图。
[图10]图10是示出根据本公开的各个方面的另一像素电路的电路图。
[图11]图11是示出根据本公开的各个方面的图10的像素电路的操作的时序图。
[图12]图12是示出根据本公开的各个方面的图10的像素电路的操作的另一时序图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了许多细节，例如流程图，等式和电路配置。对于本领域技术人员而言显而易见的是，这些具体细节是示例性的，并且不限制本申请的范围。
以这种方式，本公开在飞行时间传感器的技术领域以及在图像感测和图像处理的相关技术领域中供给了改进。
图1示出了根据本公开的各个方面的示例性图像传感器100。图像传感器100包括位于水平信号线112和垂直信号线113彼此交叉的相交处的像素111的阵列110。水平信号线112在阵列110外部的点处可操作地连接到垂直驱动电路120(例如，行扫描电路)。水平信号线112将来自垂直驱动电路120的信号传送到像素111的阵列110的特定行。特定列中的像素111向垂直信号线113中的像素输出与入射光量相对应的模拟信号。为了说明的目的，图1中实际上仅示出了少量像素111。在一些示例中，图像传感器100可以具有数千万个像素111(例如，“百万像素”或MP)或更多。
垂直信号线113将用于特定列的模拟信号传导至列电路130。在图1的示例中，一条垂直信号线113用于阵列110中的每一列。在其他示例中，可以为每一列设置多于一条的垂直信号线113。在其他示例中，每条垂直信号线113可以对应于阵列110中的多于一列。列电路130可以包括一个或多个单独的模数转换器(ADC)131和图像处理电路132。如图1所示，列电路130包括用于每个垂直信号线113的ADC 131和图像处理电路132。在其他示例中，每组ADC 131和图像处理电路132可以对应于一个以上的垂直信号线113。
列电路130至少部分地由水平驱动电路140(例如，列扫描电路)控制。垂直驱动电路120，列电路130和水平驱动电路140中的每个从控制器150接收一个或多个时钟信号。控制器150控制各种图像传感器组件的定时和操作。
在一些示例中，控制器150控制列电路130以将来自阵列110的模拟信号转换为数字信号。控制器150还可以控制列电路130以经由信号线160将数字信号输出到输出电路，以进行附加的信号处理，存储，传输等。在一些示例中，控制器150包括电子处理器(例如，一个或多个微处理器，一个或多个数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)或其他合适的处理设备)和存储器。
另外，列电路130可以执行各种信号处理方法。例如，图像处理电路132中的一个或多个可以由控制器150的电子处理器控制以执行各种信号处理方法，并且通过信号线160将处理后的信号作为数字信号输出到输出电路，以进行附加的信号处理，存储，传输等。在一些示例中，控制器150的电子处理器控制控制器150的存储器以存储由各种信号处理方法生成的数字信号。在一些示例中，控制器150的存储器是非暂时性计算机可读介质，其包括存储在其上的用于执行各种信号处理方法的计算机可读代码。非暂时性计算机可读介质的示例在下面更详细地描述。
替代地，在一些示例中，图像传感器100外部的图像处理电路(例如，一个或多个微处理器，一个或多个数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)或其他合适的处理设备)可以接收数字信号并执行各种信号处理方法。附加地或替代地，图像传感器100外部的图像处理电路可以从控制器150的存储器中检索数字信号，该控制器150的存储器存储数字信号并执行各种信号处理方法。
图2示出了像素电路200的比较示例。像素电路200包括光电二极管202，混合器204，积分电容器206，积分节点208，比较器210，复位节点212，复位开关214，数字计数器216，驱动器218和电子处理器220。
光电二极管202接收来自环境光源(未示出)的背景光222和来自反射来自调制光源(未示出)的光的对象的解调光224。光电二极管202基于背景光222产生背景光光电流，并基于解调光224产生解调光光电流。
混合器204从光电二极管202接收背景光光电流和解调光光电流。混合器204还接收从调制光源使用的调制光信号。混合器204将背景光光电流，解调光光电流和调制光信号混合，并将混合后的信号输出至积分电容器206和积分节点208。
随着时间的流逝，积分电容器206和积分节点208的电压从混合器204的混合信号的输出增加。比较器210将积分电容器206和积分节点208的电压与参考电压(VREF)进行比较。一旦积分电容器206和积分节点208的电压达到或超过参考电压，比较器210就向复位节点212和复位开关214输出复位脉冲。在一些示例中，比较器210可以包括产生复位脉冲的单触发电路。
复位开关214经由复位节点212从比较器210接收复位脉冲。复位开关214响应于接收到复位脉冲而施加复位电压(例如，电压VCC)以减小积分电容器206的电压和积分节点208的电压。
数字计数器216经由复位节点212从比较器210接收复位脉冲。数字计数器216响应于接收到复位脉冲而递增。
在积分时间之后(例如，在多个循环中积累解调光224)，对来自积分电容器206的电压进行采样，并将其添加到根据复位总数(例如，数字计数器216的输出乘以复位电压或电压VCC)计算出的差分电压。在一些示例中，可以使用模拟存储电容器代替数字计数器216。
如图2所示，像素电路200需要像素内模拟比较器(例如，比较器210，以便将积分电压(积分电容器206和积分节点208的电压)与参考电压进行比较。像素电路200还需要数字计数器116来保持减法的信息，以便保持每个积分节点和积分电容器的复位计数。
如上所述，当复位脉冲复位积分节点208的电压时，复位电压还使数字计数器216递增。该技术允许在单个积分循环内重复地减去背景光222。但是，尽管减去了背景光222，但是并未减去由背景光222产生的散粒噪声，而是将其随时间与基于解调光224的电压进行积分。因此，当基于解调光224的信号的信号电平线性增加时，散粒噪声将在基于背景光222的信号的信号电平的平方根中增大。另外，由于像素电路200(例如，比较器，单触发和一个计数器)中所需的电路数量和操作电路所需的功率，因此像素电路200不适合要求像素面积小且功耗低(例如，小于921.6mW)的应用。换句话说，像素电路200不适合于移动设备中的图像传感器。
图3示出了像素电路300。关于图1，像素电路300是图像传感器100(例如，浮置扩散全局快门(FDGS)传感器)中的像素111的阵列110中的一个像素。
在图3的示例中，像素电路300包括光电二极管302，第一公共节点303，溢出栅晶体管304，第二公共节点305，CMR晶体管306，公共电源电压308，第一抽头310，以及第二抽头312。溢出栅晶体管304在第一公共节点303处连接到光电二极管302，并且与传输门的正常读出路径无关地全局地复位光电二极管302。由于第一抽头310和第二抽头312共享光电二极管302，因此在像素电路300中仅使用单个溢出栅晶体管。
第一抽头310包括第一垂直信号线314，第一选择晶体管316，第一放大晶体管318，第一电源电压320，第一浮置扩散电容器322，第一浮置扩散晶体管323，第一注入开关324，第一浮置扩散节点325，第一注入电容器326，第一注入节点327，第一复位开关328和第一复位电压源330。第一垂直线314电连接到列电路130。第一选择晶体管316的源极侧与第一垂直信号线314电连接，第一选择晶体管316的漏极侧与第一放大晶体管318的源极侧电连接，第一选择晶体管316的栅极通过水平信号线112和垂直驱动电路120中的一个电连接到电子控制器150。第一放大晶体管318的漏极侧电连接到第一电源电压320。第一放大晶体管318的栅极，第一浮置扩散电容器322的一端，第一浮置扩散晶体管323的一端，以及第一注入开关324的一端电连接至第一浮置扩散节点325。浮置扩散电容器322的另一端电接地。第一浮置扩散开关323的另一端电连接到第一公共节点303和光电二极管302的一端。第一注入开关324的另一端，第一注入电容器326的一端和第一复位开关328的一端电连接至第一注入节点327。第一注入电容器326的另一端和溢出栅晶体管304的漏极侧电连接到第二公共节点305。第一复位开关328的另一端电连接至第一复位电压源330。
第二抽头312包括第二垂直信号线332，第二选择晶体管334，第二放大晶体管336，第二电源电压338，第二浮置扩散电容器340，第二浮置扩散晶体管341，第二注入开关342，第二浮置扩散节点343，第二注入电容器344，第二注入节点345，第二复位开关346和第二复位电压源348。第二抽头312镜像第一抽头310。结果，第二抽头312的电连接镜像第一抽头310，因此，省略了对第二抽头312的电连接的描述。
光电二极管302接收解调光350和背景光352。随着多个时间段，如下面更详细地说明的，光电二极管302将基于解调光350和背景光352的电荷提供至两个注入电容器326和344以及两个浮置扩散电容器322和340，以进行存储和积分。具体地，两个注入电容器326和344用于存储来自光电二极管302的电荷，当发射调制光的光源关闭时，该电荷是基于背景光352从背景信号积分的。替代地，在一些示例中，两个注入电容器326和344可以存储从外部手动插入的电荷(例如，来自控制器150的电荷)。在减去背景信号(在下面更详细地描述)期间，当两个注入开关324和342导通时，由两个注入电容器326和344存储的电荷通过串联电路连接被注入到相应的两个浮置扩散电容器322和340中。
相反，如在下面更详细描述的，当两个注入开关324和342截断时，两个注入开关324和342用于将两个浮置扩散电容器326和344与两个注入电容器326和344隔离，而像素电路300基于解调光350和背景光352的积分来积分背景信号或组合信号。两个注入开关324和342导通的唯一时间段是在复位时间段和背景信号减法时间段期间。因此，两个注入开关324和342隔离两个注入电容器326和344以在不影响组合信号的积分的情况下复位和充电，并实现了背景信号的多次积分和从组合信号中多次减去背景信号。
图4是示出图3的像素电路300的操作的时序图400。时序图400示出，在对组合信号进行积分的中间期间，对背景信号进行积分并且从组合信号(其基于背景光352和解调光350的组合)的积分中减去背景信号。
在第一时间段T1期间，光电二极管302处于用于基于背景光352的背景信号的积分的复位阶段。光电二极管302通过CMR开关306，OFG开关304，两个复位开关328和346以及两个注入开关324和342复位。另外，两个浮置扩散开关323和341被截断。通过截断两个注入开关324和342以及两个浮置扩散开关323和341，两个浮置扩散电容器322和340被隔离并且不受在两个注入电容器326和344处发生的背景信号的积分的影响。在第一时间段T1期间，发射调制光的光源也被截断或保持关闭。通过截断或保持关闭光源，在两个注入电容器326和344处发生的背景信号的积分仅基于背景光352。在图4的示例中，光电二极管302的复位电压由公共复位电压源308的电压确定。
在第二时间段T2期间，CMR开关306被截断，并且OFG开关304保持导通。关于背景光352的电荷在光电二极管302中积分，并被转移到两个注入电容器326和344。另外，两个复位开关328和346保持导通，并且两个注入电容器326和344的一端保持连接到两个复位电压源330和348，并且将电位保持在复位电压。来自在光电二极管302中积分的背景光352的电荷被共享并存储在两个注入电容器326和344中，直到像素电路300准备好从基于背景光352和解调光350的组合的电荷中减去电荷。在第二时间段T2期间，发射调制光的光源保持截断。
在第三时间段T3期间，CMR开关306被导通以开始从基于背景光352和解调光350的积分的电荷中减去来自背景光352的积分的电荷。通过导通CMR开关306，两个注入节点327和345处的电压被公共复位电压源308(VDR)的电压升高。升压电压的大小由公共复位电压源308的电压与两个注入电容器326和344中存储的电荷(VFDO)之差确定，即VDR－VFDO。另外，在第三时间段T3期间，两个注入开关324和342被导通。通过导通两个注入开关324和342，升高的电压将存储在两个注入电容器326和344中的电荷注入到两个浮置扩散节点325和343中。在第三时间段T3期间，两个浮置扩散开关323和341保持截断状态。注入到两个浮置扩散节点325和343中的每一个的电荷量基于每个注入电容器(例如，第一注入电容器326或第二注入电容器344)与相应注入节点(例如，相应的第一注入节点327或相应的第二注入节点345)的电容之比。关于第一抽头310，电荷量由等式3定义。
电荷量＝C326(C322+C326)×(VDR－VFDO)…(3)
在等式3中，C326是第一注入电容器326的电容，C322是第一浮置扩散电容器322的电容，VDR是公共复位电压源308的电压，VFDO是在第一注入节点327处累积的电荷。
在第四时间段T4和第五时间段T5期间，一旦完成存储在两个注入电容器326和344中的电荷的注入，两个注入开关324和342被截断，并且通过交替供给脉冲以导通两个浮置扩散开关323和341，解调光350和背景光352的组合的积分开始或恢复。发射调制光的光源也被打开，并与交替供给给两个浮置扩散开关323和341的脉冲同步。另外，光电二极管302接收解调的(反射的)光350和背景光352，并将接收到的光在第一公共节点303处转换成电荷(在本文中称为“组合电荷或组合信号”)。由于两个浮置扩散晶体管323和341交替地导通，所以两个浮置扩散节点325和343在彼此相反的相位上积分组合的电荷。
在第六时间段T6期间，当减去背景信号(例如，在T3期间执行的操作)之后的两个浮置扩散节点325和343的信号电平仍然具有用于进一步信号积分的余量时，重复在第二时间段T2至第五时间段T5期间执行的操作，直到两个浮置扩散节点325和343的信号电平接近两个浮置扩散节点325和343的饱和电平。所得的电荷(即，主要基于解调光350的电荷)被保持在两个浮置扩散节点325和343中，直到控制器150经由垂直扫描线113和列电路130之一完成读出为止，如图1所示，且下一个水平时间段开始。
像素电路300的许多优点之一是由两个注入开关324和342供给的隔离。通过使用两个注入开关324和342将两个浮置扩散节点与两个注入电容器326和344隔离，在基于背景光352的背景信号的每次积分之后，不需要复位两个浮置扩散节点。换句话说，像素电路300可以在任何时候停止组合信号的积分，执行背景信号的积分，并且恢复组合信号的积分。附加地或可替代地，在一些示例中，像素电路300可在任何时候停止捕获组合信号，执行背景信号的积分，并在恢复组合信号的积分之前从组合信号中减去背景信号的当前积分。
在图4的示例中，像素电路300，图1的像素111的阵列110中的单个像素，基于背景光352对背景信号进行积分。关于图1，由于所有背景信号积分都是在每个像素的基础上进行的，因此背景信号的最终信号电平逐个像素会有所不同。然而，因为第一抽头310和第二抽头312都共享光电二极管302，所以将从第一抽头310和第二抽头312中减去来自光电二极管302的相同的积分背景信号。像素电路300的许多优点中的另一个是全局完成阵列110中所有像素111的背景信号的积分和减法。通过全局地执行背景信号的积分和减法，不存在由于像素111的阵列110中的处理时间滞后引起的伪像。
在完成积分循环后，垂直驱动电路120读出存储在两个浮置扩散节点325和343中的每一个中的电压，并由列电路130进行数字处理。从像素电路300读出的电压中提取(例如，由控制器150或外部电子处理器提取)与同相和正交相位信号(或者，如果实施了多于四个的相位信号，则介于同相和正交相位之间的其他相位信号)有关的信息。如上所述，读出的信息用于基于等式1和2来计算从光源到对象的距离或从对象到像素电路300的距离。
图5是示出根据本公开的各个方面的由图3的像素电路300执行的方法500的流程图。方法500包括基于由光电二极管302接收的背景光352对背景信号进行积分(框502)。具体地，背景信号由光电二极管302积分并传输到两个注入电容器326和344。来自光电二极管302处对背景信号的积分的电荷被共享并存储在两个注入电容器326和344中，直到像素电路300准备从基于背景光352和解调光350的积分的电荷中减去电荷。在光电二极管302积分背景信号的同时，发射调制光350的光源保持截断。通过保持光源关断，光电二极管302处的背景信号积分仅基于背景光352。
方法500包括从两个浮置扩散节点325和343中减去存储在两个注入电容器326和344中的背景信号的电荷(框504)。在减去背景信号的电荷期间，CMR开关306被导通，并且两个注入节点327和345处的电压被公共复位电压源308的电压(VDR)升高。另外，在减去背景信号的电荷期间，两个注入开关324和342导通，并且升压电压用于通过两个注入开关324和342将存储在两个注入电容器326和344中的电荷注入到相应的两个浮置扩散节点325和343中。
方法500包括：基于由光电二极管302接收的解调光350和背景光352，对组合电荷进行积分，并将组合电荷存储在两个浮置扩散节点325和343中(框506)。一旦存储在两个注入电容器326和344中的电荷注入完成，两个注入开关324和342就截断，并且通过交替供给脉冲以导通两个浮置扩散开关323和341，开始或恢复组合电荷的积分。发射调制光的光源也被打开并与交替供给给两个浮置扩散开关323和341的脉冲同步。光电二极管302接收经解调的(反射的)光350和背景光352，并且由于在第一公共节点303处减去了背景信号的电荷而将光转换为经解调的电荷。由于两个浮置扩散晶体管323和341交替导通，因此两个浮置扩散节点325和343在彼此相反的相位处积分组合的电荷。
方法500包括从两个浮置扩散节点325和343中的每一个读出解调的电荷(框508)。可选地，在一些示例中，方法500还包括在从两个浮置扩散节点325和343中的每一个读出解调的电荷之前，余量确定(判定框510)(框508)。例如，比较器或电子处理器(例如，控制器150)可以确定在减去背景信号之后，解调信号的信号电平是否具有用于附加信号积分的余量。当比较器确定解调信号的信号电平具有用于附加信号积分的余量时(判定框510处的“是”)，重复方法500，直到解调信号的信号电平接近两个浮置扩散节点325和343的饱和电平为止。所得的解调电荷保持在两个浮置扩散节点325和343中，直到控制器150完成读出为止(框508)。
当比较器确定解调信号的信号电平不具有用于附加信号积分的余量时(在判定框510处为“否”)，则不重复方法500。所得的解调电荷保持在两个浮置扩散节点325和343中，直到控制器150完成读出为止(框508)。
在一些示例中，方法500包括在积分基于由光电二极管302接收的背景光的背景信号之前(即，在框502之前)，复位光电二极管302。具体地，通过导通CMR开关306，OFG开关304以及两个复位开关328和346来复位像素电路300的光电二极管302。另外，在复位操作期间，发射调制光的光源是截断或保持关闭。
在一些示例中，方法500不复位两个浮置扩散节点325和344以维持存储在每个浮置扩散节点中的解调电荷。因此，即使在解调信号的积分过程中，在停止解调信号的捕获和积分之后，由于维持了每个浮置扩散节点中的解调电荷，因此可以执行提升背景信号的循环。由于两个注入开关324和342将两个注入电容器326和344与两个浮置扩散节点325和343隔离，并在背景信号的积分期间保持存储在两个浮置扩散节点325和343中的解调电荷不受影响，因此可以在每个浮置扩散中维持解调后的电荷。
图6是示出根据本公开的各个方面的图3的像素电路300的操作的另一时序图600。在时序图600中，背景信号未积分在当前关注帧中。在图6的示例中，在执行飞行时间确定的关注帧之前的帧中预先确定背景信号的最小电平和最大电平。读取并分析从前一帧捕获的背景信号数据，以获取背景信号的最小值和最大值。通过确定前一读出帧的最小值和最大值，所有像素都将落入最小值和最大值之间的范围内，并且将在所有像素上全局减去背景信号，而不是逐个像素地进行。
在一些示例中，对于所有像素，可以同时从两个浮置扩散节点325和343中减去最小值和最大值的平均值。在其他示例中，可以使用最小值与最大值之间的值，该值是基于像素电路300的两个浮置扩散节点325和343达到饱和所需的最小时间量来选择的(例如，接近饱和水平的预定水平)。
由于背景信号的值是预定的，因此除两个注入开关324和342导通以提高浮置扩散节点325和343上的电压的时间段外，背景信号的减法不影响解调信号的积分。在解调信号的积分期间，两个注入开关324和342被截断，并且两个浮置扩散节点325和343与两个注入电容器326和344隔离。只要两个浮置扩散节点325和343不饱和，也可以重复减去背景信号。
在第一时间段T1期间，光电二极管302以及两个浮置扩散节点325和343处于用于背景信号积分的复位阶段。光电二极管302通过CMR开关306和OFG开关304复位。两个浮置扩散325和343通过相应的两个复位开关328和346复位。在一些示例中，由两个复位开关328和346从两个复位电压源330和348施加的复位电压是相同的。在其他示例中，由两个复位开关328和346从两个复位电压源330和348施加的复位电压彼此不同。在一些示例中，分别由两个复位开关328和346以及CMR开关306从两个复位电压源330和348以及公共复位电压源308施加的复位电压是相同的。在其他示例中，分别由两个复位开关328和346以及CMR开关306从两个复位电压源330和348以及公共复位电压源308施加的复位电压彼此不同。
在第二时间段T2和第三时间段T3中，通过交替供给脉冲以打开两个浮置扩散开关323和341，开始或恢复解调信号的积分。发射调制光的光源也被打开，并与交替供给给两个浮置扩散开关323和341的脉冲同步。此外，光电二极管302接收已解调(反射)的光350和背景光342，并在第一公共节点303处将其转换为组合电荷。由于两个浮置扩散晶体管323和341交替地导通，因此两个浮置扩散节点325和343积分相位彼此相反的组合电荷。
在第四时间段T4期间，公共复位电压源308的电压(VDR)降低了从前一帧确定的电压增量，该电压增量需要从两个浮置扩散节点325和343中减去。在将公共复位电压源308的电压降低了电压增量之后，除两个注入开关324和342之外，还通过导通CMR开关306开始减去背景信号。通过导通CMR开关306，两个注入节点327和345处的电压通过公共复位电压源308的降低电压(VDR)升高。通过导通两个注入开关324和342，升压电压通过两个注入开关324和342将存储在两个注入电容器326和344中的电荷注入到两个浮置扩散节点325和343中。在第三时间段T3期间，两个浮置扩散开关323和341保持截断。注入到两个浮置扩散节点325和343中的每一个的电荷量基于每个注入电容器和相应注入节点的电容之比。关于第一抽头310，电荷量由等式4定义。
电荷量＝C326(C322+C326)×(VDR)…(4)
在等式4中，C326是第一注入电容器326的电容，C322是第一浮置扩散电容器322的电容，VDR是公共复位电压源308的电压。
在第五时间段T5和第六时间段T6中，通过交替供给脉冲以导通两个浮置扩散开关323和341，恢复对解调信号的积分。发出调制光的光源也被打开或保持打开状态，并且与供给给两个浮置扩散开关323和341的脉冲同步。此外，光电二极管302接收已解调(反射)的光350和背景光352，并在第一公共节点303处将光转换为组合电荷。由于减去背景信号并且两个浮置扩散晶体管323和341交替导通，所以两个浮置扩散节点325和343积分相位彼此相反的解调电荷。
在第七时间段T7期间，当解调信号的信号电平仍具有用于进一步信号积分的余量时，可以重复在第四时间段T4至第七时间段T7期间执行的操作，直到解调信号的信号电平接近两个浮置扩散节点325和343的饱和电平为止。所得的解调电荷保持在两个浮置扩散节点325和343中，直到由列驱动电路120完成读出为止，并且下一水平时间段开始。
在完成积分循环后，垂直驱动电路120读出存储在两个浮置扩散节点325和343中的每一个中的电压，并由列电路130进行数字处理。从读出的电压中提取与同相和正交相位信号(或如果实现了多于四个的相位信号，同相和正交相位之间的其他相位信号)有关的信息。如上所述，提取(例如，由控制器150或外部电子处理器提取)的信息用于基于等式1和2来计算从光源到对象的距离或从对象到像素电路300的距离。
在图6的示例中，像素电路300，图1的像素111的阵列110中的单个像素，将背景光352积分在前一帧中。如上所述，从前一帧确定背景信号的值(例如，校正电压)，并且在全局基础上执行背景信号的值的减法。换句话说，背景信号的值在所有像素111之间是公共的。因此，像素电路300可以从两个浮置扩散节点325和343减去所有像素111共有的校正电压。像素电路300还可对于所有像素111同时或几乎同时减去校正电压。如上文图4中所述，与减去以每个像素为单位积分的背景信号相比，通过整体减去校正电压，飞行时间操作更快，更简单，并且不受开关噪声的影响。
在一些示例中，当背景信号的电荷被转发到两个注入节点327和345时，电荷由CMR开关306和OFG开关304的源极或漏极节点以及两个注入电容器326和344的公共节点共享。随着两个注入电容器326和344的电容对于两个浮置扩散电容器322和340的电容增加，注入电压的衰减在两个浮置扩散节点325和343处增加。
换句话说，当两个注入节点327和345中的每一个的总电容值大时，注入到两个浮置扩散节点325和343中的电压被大大衰减。电压的衰减减小了像素电路300的信号增益(例如，转换增益)并且限制了背景信号校正的范围。当信号增益低时，需要增加积分背景信号所需的时间，以使背景减法信号尽可能接近两个浮置扩散节点325和343处的信号增益。增加积分背景信号所需的时间将进一步增加帧时间。
图7示出了像素电路700。相对于图1和图3描述了图7。在图7的示例中，像素电路700包括与像素电路300的组件相似的组件(由相似的附图标记表示)。另外，在图7的示例中，像素电路700还包括位于OFG开关304，连接在GRS节点706的GRS开关704，第二公共节点305以及两个注入电容器324和342的一端之间的模拟缓冲器702。模拟缓冲器702将GRS节点706与两个注入电容器324和342隔离。GRS节点706的隔离使GRS节点706的节点电容保持比第二公共节点305的节点电容低得多，并增加了积分背景信号的总电压增益。GRS开关704用于为背景信号和反射LED信号积分全局复位光电二极管302。换句话说，GRS开关704用于复位GRS节点，该节点通过OFG开关304复位光电二极管302。
图8示出了像素电路800。相对于图1、3和7描述了图8。在图8的示例中，像素电路800包括与像素电路300和700的组件相似的组件(由相似的附图标记表示)。具体地，在图8的示例中，像素电路800包括CSF晶体管802，CMA开关806和偏置电压开关808，以代替上述图7中描述的模拟缓冲器702。CSF晶体管802位于OFG开关304，连接在GRS节点706上的GRS开关704和CSF节点804之间。CSF节点804在CMA开关806和偏置电压开关808之间。CSF晶体管802的一端连接到第三复位电压源803，并且CSF晶体管802将GRS节点706与两个注入电容器324和342隔离。GRS节点706的隔离使GRS节点706的节点电容保持比第二公共节点305的节点电容低得多，并增加了积分背景信号的总电压增益。
GRS节点706的寄生电容被限制为GRS开关704和OFG开关304的源极和漏极电容，CSF开关802的栅极电容，源极跟随器晶体管和寄生电容之和。
CSF晶体管802是具有偏置电流源的电压跟随器，并且两个注入电容器324和342直接由电源VDD供给充电电流，并且稳定时间(settling time)将更快。
图9是示出根据本公开的各个方面的图8的像素电路800的操作的时序图900。在图9的示例中，时序图900与如上所述的图4中的时序图400几乎相同，除了添加了用于GRS开关704的控制信号和用于CMA开关806的控制信号。在图9的示例中，在第一，第三和第六时间段期间，GRS开关704全局复位光电二极管302，以进行背景信号和反射LED信号积分。当背景信号增强时，CMA开关806被截断。
图10是示出根据本公开的各个方面的另一像素电路1000的电路图。关于图1，像素电路1000是图像传感器100(例如，浮置扩散全局快门(FDGS)传感器)中的像素111的阵列110中的一个像素。
在图10的示例中，像素电路1000类似于如上所述的图3中的像素电路300，除了像素电路1000不包括两个注入开关324和342以及两个注入节点327和345。像素电路1000包括光电二极管302，第一公共节点303，溢出栅晶体管304，第二公共节点305，CMR晶体管306，公共复位电压源308，第一抽头1010和第二抽头1012。溢出栅晶体管304与传输门的正常读出路径无关地全局地复位光电二极管302。由于第一抽头1010和第二抽头1012在第一公共节点303处共享光电二极管302，因此在像素电路1000中仅使用单个溢出栅晶体管。
第一抽头1010包括第一垂直信号线314，第一选择晶体管316，第一放大晶体管318，第一电源电压320，第一浮置扩散电容器322，第一浮置扩散晶体管323，第一浮置扩散节点325，第一注入电容器326，第一复位开关328和第一复位电压源330。第一垂直线314电连接到列电路130。第一选择晶体管316的源极侧电连接到第一垂直信号线314，第一选择晶体管316的漏极侧电连接至第一放大晶体管318的源极侧，并且第一选择晶体管316的栅极电连接至垂直驱动电路120并由控制器150控制。第一放大晶体管318的漏极侧电连接到第一电源电压320。第一放大晶体管318的栅极，第一浮置扩散电容器322的一端，第一浮置扩散晶体管323的一端，第一注入电容器326的一端和第一复位开关328的一端电连接到第一浮置扩散节点325。浮置扩散电容器322的另一端电接地。第一浮置扩散开关323的另一端在第一公共节点303处电连接至光电二极管302的一端。第一注入电容器326的另一端和溢出栅晶体管304的漏极侧电连接到第二公共节点305。第一复位开关328的另一端电连接到第一复位电压源330。
第二抽头1012包括第二垂直信号线332，第二选择晶体管334，第二放大晶体管336，第二电源电压338，第二浮置扩散电容器340，第二浮置扩散晶体管341，第二浮置扩散节点343，第二注入电容器344，第二复位开关346和第二复位电压源348。第二抽头1012镜像第一抽头1010。结果，第二抽头1012的电连接镜像第一抽头1010，并且因此，省略了对第二抽头1012的电连接的描述。
光电二极管302接收解调光350和背景光352。在不同时间段内，如下面更详细地说明的，光电二极管302将基于解调光350和背景光352的电荷供给至两个注入电容器326和344以及两个浮置扩散电容器322和340，以进行存储和积分。特别地，两个注入电容器326和344用于存储来自光电二极管302的电荷，当发射调制光的光源关断时，该电荷是从基于背景光352的背景信号积分。替代地，在一些示例中，两个注入电容器326和344可以存储从外部手动插入的电荷(例如，来自控制器150的电荷)。在减去背景信号(在下面更详细地描述)期间，由两个注入电容器326和344存储的电荷通过串联电路连接被注入到相应的两个浮置扩散电容器322和340中。
图11是示出根据本公开的各个方面的图10的像素电路800的操作时序图1100。在时序图1100的第一时间段T1期间，浮置扩散节点325和343以及光电二极管302均被复位。例如，通过导通CMR开关306和OFG开关304来复位光电二极管302。类似地，通过导通两个复位开关328和346来复位两个浮置扩散节点325和343。在一些示例中，两个复位开关328和346的复位电压彼此不同。在其他示例中，两个复位开关328和346的复位电压是相同的。在一些示例中，分别由两个复位开关328和346以及CMR开关306从两个复位电压源330和348以及公共复位电压源308施加的复位电压是相同的。在其他示例中，分别由两个复位开关328和346以及CMR开关306从两个复位电压源330和348以及公共复位电压源308施加的复位电压彼此不同。
在第二时间段T2中，CMR开关306截断，且OFG开关304保持导通状态，以将积分在光电二极管302中的电荷转移到两个注入电容器326和344。两个复位开关都保持在导通状态，以将两个浮置扩散节点325和343保持在复位电压(例如，分别为电压VDR0和VDR1)。在第二时间段T2期间，发射调制光的光源被关断。由光电二极管302在第一公共节点303处积分的背景信号被共享并存储在两个注入电容器326和344中，直到像素电路1000准备从两个浮置扩散节点325和343减去背景信号为止。
在第三时间段T3和第四时间段T4期间，两个浮置扩散晶体管323和341接收交替产生的脉冲。交替产生的脉冲交替地导通和截止两个浮置扩散晶体管323和341。通过交替地导通和截止两个浮置扩散晶体管323和341，两个浮置扩散节点325和343积分以彼此相反的相位组合信号。如上所述，在第三T3和第四时间段T4期间，发射调制光的光源被打开并与交替产生的脉冲同步。
在第五时间段T5期间，CMR开关导通以将第二公共节点305升压到公共电源电压VDD。升压电压的量基于存储在两个注入电容器326和344中的背景信号。升压电压通过两个注入电容器326和343将电荷注入两个浮置扩散节点325和343。在第五时间段内在T5，两个浮置扩散晶体管323和341保持截止。注入到两个浮置扩散节点325和343中的每一个的电荷量基于每个注入电容器(例如，第一注入电容器326或第二注入电容器344)和对应的浮置扩散节点(例如，对应的第一浮动节点325或对应的第二浮置扩散节点343)的电容之比。关于第一抽头1010，电荷量由等式5定义。
电荷量＝C326(C322+C326)×(VDR－VFDO)…(5)
在等式5中，C326是第一注入电容器326的电容，C322是第一浮置扩散电容器322的电容，VDR是公共复位电压源308的电压，并且VFDO是在第二公共节点处积分的电荷305。
在第七时间段T7期间，两个浮置扩散晶体管323和341再次接收交替产生的脉冲，以由于背景信号的减法而在彼此相反的相位上继续积分解调的电荷。
在完成积分循环后，垂直驱动电路120读出存储在两个浮置扩散节点325和343中的每一个中的电压，并由列电路130进行数字处理。从像素电路1000读出的电压中提取关于同相和正交相位信号(或者，如果实施了多于四个的相位信号，则介于两者之间的其他相位信号)的信息。如上所述，读出的信息用于基于等式1和2来计算从光源到对象或从对象到像素电路1000的距离。
在图10的示例中，像素电路1000是图1的像素111的阵列110中的单个像素。像素电路1000基于背景光352对背景信号进行积分。关于图1，由于所有背景信号积分都是以每个像素为单位进行的，因此背景信号的最终信号电平逐像素不同。但是，由于第一抽头1010和第二抽头1012都共享光电二极管302，因此将从第一抽头1010和第二抽头1012两者中减去来自光电二极管302的相同的积分背景信号。像素电路1000的许多优点之一是针对阵列110中的所有像素111的背景信号的积分和减法是全局完成的。通过全局地执行背景信号的积分和减法，不存在由于像素111的阵列110之间的处理时间滞后引起的伪像。
在图11的示例中，可以在每个解调信号积分循环中仅执行一次升压过程和背景信号减法。该限制是由于需要复位第二公共节点305以及两个注入电容器326和344以便积分背景信号而引起的。此限制也是由于需要复位两个浮置扩散节点325和343而引起的，其复位存储在两个浮置扩散节点325和343中的中间结果。
图12是示出根据本公开的各个方面的图10的像素电路800的操作的另一个时序图1200。时序图1100和时序图1200都示出了在解调信号的积分之前背景信号的积分。然而，在时序图1100中，在开始对解调信号进行积分之后以及当解调信号的信号电平接近饱和时，减去存储在两个注入电容器326和344中的背景信号。相比之下，在时序图1200中，在光源(例如，发光二极管(LED)，近红外LED，激光二极管(LD)或其他合适的光源)开始照明和对解调信号进行积分之前，将对背景信号进行预补偿(减去)。
在图12的示例中，由于在两个浮置扩散节点325和343被复位之后两个浮置扩散节点325和343的电压被升高，所以两个浮置扩散节点325和343的电压电平高于由软复位确定的复位电平(例如，Vreset-Vt)或由硬复位设置的电压电平。由于浮置扩散节点325和343的电压电平可能超过公共复位电压源308供给的公共复位电压，所以一个或多个晶体管(例如，两个放晶大体管318和336，两个浮置扩散晶体管323和341，以及两个复位开关328和346)的一个特性必须包括对升压电压的容限。通过选择对升压电压具有耐受性的晶体管，两个浮置扩散节点325和343的动态范围扩大了升压的最大电压。
例如，通常，每个浮置扩散节点的动态范围由复位电压和饱和电压之差(即，Vreset－Vsat)确定。然而，在图12的示例中，每个浮置扩散节点的动态范围是复位电压与饱和电压之间的差加上升压电压，即，Vreset－Vsat+Vboost。在解调信号350的积分之后，浮置扩散节点325和343中的电压电平低于复位电压，该复位电压在包括模数转换器(ADC)的读出电路的输入动态范围内。
在第一时间段T1期间，通过导通CMR开关306和OFG开关304来复位光电二极管302。类似地，通过导通两个复位开关328和346来复位两个浮置扩散节点325和343。在一些示例中，两个复位开关328和346的复位电压可以不同。在其他示例中，两个复位开关328和346的复位电压可以相同。
在第二时间段T2期间，CMR开关306截断并且OFG开关304保持导通以将在光电二极管302中积分的背景信号的电荷转移到两个注入电容器326和344。此时，复位开关328和346均保持导通，并且将两个浮置扩散节点325和343的电压保持为复位电压。背景信号由光电二极管302积分，并且被共享并存储在两个注入电容器326和344中，直到像素电路300准备好从两个浮置扩散节点325和343中减去背景信号。
在第三时间段T3期间，CMR开关306被导通并且将公共节点电压VFD0节点升压到公共电源电压VDR。升压的量(VDR-VFDO)基于存储在两个注入电容器326和344中的背景信号。此时，升压电压将来自两个注入电容器326和344的电荷注入到两个浮置扩散节点325和343中。注入到两个浮置扩散节点325和343中的每一个中的电荷量基于每个注入电容器(例如，第一注入电容器326或第二注入电容器344)和相应的浮置扩散节点(例如，相应的第一浮动节点325或相应的第二浮置扩散节点343)的电容之比。
在第四时间段T4和第五时间段T5期间，对于调制光源开始调制光脉冲，并且光电二极管302对由解调光产生的电子进行积分。此时，两个浮置扩散晶体管323和341接收交替产生的脉冲，以将光电二极管302的积分电荷转移到两个浮置扩散节点325和343。
在第六时间段T5期间，读出两个浮置扩散节点325和343处的电压。例如，如上所述的图1中的控制器150可以从两个浮置扩散节点325和343读出电压。
关于图3，图7，图8和图10，对于注入电容器的需求，特别是对于小尺寸的像素电路，注入电容器的尺寸必须小，并且在工作电压，温度和工艺范围内的电容变化应最小。另外，与注入电容器的主电容相比，寄生电容也需要较小，以防止寄生电容影响电荷存储以及将电荷注入到浮置扩散中。一种适合于背照式(BSI)光电二极管应用的电容器是金属-绝缘体-金属(MiM)电容器，因为在工艺，电压，温度(PVT)上的变化是合理的，并且寄生电容是可控的。另一种适用于BSI光电二极管应用的电容器是金属对金属电容器(MoM)，其中使用了堆叠的金属对金属电容。但是，MoM电容器通常比MiM电容器更大且更昂贵，并且与MiM电容器相比，MoM的寄生电容不可控。对于正面照明(FSI)光电二极管应用，MOSCAP(或CI)电容器比MiM或MoM型电容器更合适。MOSCAP型电容器的优点包括每单位面积的大电容(例如，对于支持高于1.8V的工作电压的工艺来说约为4fF/umsq)，并且MOSCAP型电容器不会影响光电二极管的光学性能。但是，MOSCAP型电容器的确在扩散区和阱之间具有本征电容，并且与MiM和MoM电容器类型相比，PVT上的电容变化更大。
关于图4、6、9、11和12，由等式6定义在注入背景信号的电荷期间第二公共节点305的电压电平。
V＝q×N/(C326+C344+Cp0)…(6)
在等式6中，N是由光电二极管302接收的电子的数量，其等于光电二极管302的曝光时间乘以光电流并进一步除以q，即，N＝(曝光时间×光电流)/q。在等式6中，Cp0是第二公共节点305处的寄生电容。
另外，关于图4、6、9、11和12，由等式7定义了在注入背景信号的电荷期间两个浮置扩散节点325和343的电压电平之间的差。
ΔV＝[C326/344/(C326/344+C322/340)]×[q×N/(Cp0+2C326/344)]…(7)
在等式7中，N是由光电二极管302接收的电子的数量，其等于光电二极管302的曝光时间乘以光电流并进一步除以q，即，N＝(曝光时间×光电流)/q。在等式7中，Cp0是第二公共节点305处的固有电容。
关于图3和图10，像素电路300和1000的功耗分别小于1mW，因为每个像素电路正在对寄生电容进行放电和充电。关于图7和8，由于每个像素电路包括放大器，所以像素电路700和800的功耗分别大于1mW。在一些示例中，放大器可能消耗0.2μA的电流和3伏(V)，并且具有VGA分辨率的图像传感器的功耗大约为184毫瓦(mW)。
<结论>
关于本文描述的过程、系统、方法、试探法等，应当理解，尽管已经描述了这样的过程等的步骤是根据一定的有序顺序发生的，但是可以以如下方式实践这样的过程：所描述的步骤以不同于本文描述的顺序的顺序执行。还应该理解，某些步骤可以同时执行，可以添加其他步骤，或者可以省略本文所述的某些步骤。换句话说，本文中对过程的描述是出于说明某些示例的目的而供给的，并且绝不应该被解释为限制权利要求。
因此，应理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。在阅读以上描述之后，除了供给的示例之外的许多示例和应用将是显而易见的。应该不参考以上描述来确定范围，而是应该参考所附权利要求以及权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定范围。可以预期并预期，在此讨论的技术将发生未来的发展，并且所公开的系统和方法将被并入这样的未来的实施例中。总而言之，应当理解，本申请能够进行修改和变化。
权利要求中使用的所有术语旨在被赋予其最广泛的合理构造和其通常的含义，如本文所述的技术领域的技术人员所理解的，除非本文做出相反的明确指示。尤其是，应将单数冠词“一”、“该”、“所述”等的使用理解为列举一个或多个所指示的要素，除非权利要求书中指出相反的明确限制。
提供本公开的摘要以允许读者快速地确定技术公开的本质。提交本文档时，应理解为不会将其用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在前述详细说明中，可以看出，出于简化本公开的目的，在各个实施例中将各个特征分组在一起。本公开的方法不应被解释为反映了以下意图：所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如随后权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求据此被结合到详细描述中，每个权利要求独立地作为单独要求保护的主题。

Claims (21)

1.一种像素电路，包括：
溢出栅晶体管，电连接到节点；
光电二极管，电连接到所述节点和框架接地线，所述光电二极管被配置为接收背景光，
接收所述背景光和解调光的组合，其中，所述解调光由调制光源产生并从对象反射，
基于接收到的所述背景光对背景信号进行积分，并且
基于所述背景光和所述解调光的组合对组合信号进行积分；以及
两个抽头，所述两个抽头中的每个抽头被配置为存储经积分的所述背景信号，
从浮置扩散中减去所述背景信号，
存储在所述浮置扩散处积分的所述组合信号，以及
基于将所述背景信号从所述浮置扩散中减去以及在所述浮置扩散处积分的所述组合信号的存储，生成解调信号。
2.根据权利要求1所述的像素电路，还包括：
公共复位电压源，被配置为供给公共复位电压；以及
CMR晶体管，电连接到所述公共复位电压源和第二节点，
其中，所述两个抽头中的每个所述抽头还被配置为将所述浮置扩散与存储的所述背景信号隔离。
3.根据权利要求2所述的像素电路，其中，所述溢出栅晶体管电连接到所述第二节点，其中，所述两个抽头中的每个所述抽头包括：
选择晶体管，电连接到选择线，
抽头漏极电压源，被配置为供给抽头漏极电压，
放大晶体管，电连接到所述选择晶体管、所述抽头漏极电压源和浮置扩散节点，
浮置扩散晶体管，电连接到所述浮置扩散节点和所述节点，
浮置扩散电容器，电连接到所述浮置扩散节点和所述框架接地线，
注入开关，电连接到所述浮置扩散节点和注入节点，
注入电容器，电连接到所述第二节点和所述注入节点，
复位电压源，被配置为供给复位电压，以及
复位开关，电连接到所述复位电压源和所述注入节点，以及
其中，所述浮置扩散包括所述浮置扩散电容器和所述浮置扩散节点。
4.根据权利要求3所述的像素电路，其中，由每个所述抽头存储的所述背景信号存储在所述注入电容器和所述注入节点中，并且其中，为了存储经积分的所述背景信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为在所述CMR晶体管和所述注入开关处于截止状态并且所述复位开关和所述溢出栅晶体管处于导通状态时经由所述溢出栅晶体管从所述光电二极管接收经积分的所述背景信号。
5.根据权利要求3所述的像素电路，其中，为了将所述浮置扩散与所存储的所述背景信号隔离，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为将所述注入开关的状态设置为截止状态。
6.根据权利要求3所述的像素电路，其中，为了从所述浮置扩散中减去所述背景信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为将所述注入开关的状态设置为导通状态。
7.根据权利要求3所述的像素电路，其中，为了存储经积分的所述组合信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为在所述CMR晶体管、所述注入开关、所述复位开关和所述溢出栅晶体管处于截止状态时，经由所述浮置扩散晶体管从所述光电二极管接收经积分的所述组合信号，
其中，所述两个抽头的第一抽头的第一浮置扩散晶体管和所述两个抽头的第二抽头的第二浮置扩散晶体管交替地设置为导通状态或截止状态，
其中，所述第一浮置扩散晶体管被设置为导通状态，同时所述第二浮置扩散晶体管被设置为截止状态，以及
其中，所述第一浮置扩散晶体管被设置为截止状态，同时所述第二浮置扩散晶体管被设置为导通状态。
8.根据权利要求2所述的像素电路，还包括：
模拟缓冲器，电连接至所述第二节点和第三节点，并且所述模拟缓冲器将所述第三节点的电容与所述第二节点的电容隔离；以及
GRS晶体管，电连接到所述公共复位电压源和所述第三节点，
其中，所述溢出栅晶体管电连接至所述第三节点，
其中，所述两个抽头的每个所述抽头包括
选择晶体管，电连接到选择线，
抽头漏极电压源，被配置为供给抽头漏极电压，
放大晶体管，电连接到所述选择晶体管、所述抽头漏极电压源和浮置扩散节点，
浮置扩散晶体管，电连接到所述浮置扩散节点和所述节点，
浮置扩散电容器，电连接到所述浮置扩散节点和所述框架接地线，
注入开关，电连接到所述浮置扩散节点和注入节点，
注入电容器，电连接到所述第二节点和所述注入节点，
复位电压源，被配置为供给复位电压，以及
复位开关，电连接到所述复位电压源和所述注入节点，以及
其中，所述浮置扩散包括所述浮置扩散电容器和所述浮置扩散节点。
9.根据权利要求8所述的像素电路，其中，由每个所述抽头存储的所述背景信号存储在所述注入电容器和所述注入节点中，并且其中，为了存储经积分的所述背景信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为在所述CMR晶体管和所述注入开关处于截止状态并且所述复位开关和所述溢出栅晶体管处于导通状态时经由所述溢出栅晶体管从所述光电二极管接收经积分的所述背景信号。
10.根据权利要求8所述的像素电路，其中，为了将所述浮置扩散与所存储的所述背景信号隔离，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为将所述注入开关的状态设置为截止状态。
11.根据权利要求8所述的像素电路，其中，为了从所述浮置扩散中减去所述背景信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为将所述注入开关的状态设置为导通状态。
12.根据权利要求8所述的像素电路，其中，为了存储经积分的所述组合信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为在所述CMR晶体管、所述注入开关、所述复位开关和所述溢出栅晶体管处于截止状态时，经由所述浮置扩散晶体管从所述光电二极管接收经积分的所述组合信号，
其中，所述两个抽头的第一抽头的第一浮置扩散晶体管和所述两个抽头的第二抽头的第二浮置扩散晶体管交替地设置为导通状态或截止状态，
其中，所述第一浮置扩散晶体管被设置为导通状态，同时所述第二浮置扩散晶体管被设置为截止状态，以及
其中，所述第一浮置扩散晶体管被设置为截止状态，同时所述第二浮置扩散晶体管被设置为导通状态。
13.根据权利要求2所述的像素电路，还包括：
CSF晶体管，电连接到所述公共复位电压源、第三节点和第四节点；
CMA晶体管，电连接到所述第四节点和所述第二节点；
偏压晶体管，电连接到所述第四节点和所述框架接地线，
GRS晶体管，电连接到所述公共复位电压源和所述第三节点，
其中，所述溢出栅晶体管电连接至所述第三节点，以及
其中，所述两个抽头的每个所述抽头包括
选择晶体管，电连接到选择线，
抽头漏极电压源，被配置为供给抽头漏极电压，
放大晶体管，电连接到所述选择晶体管、所述抽头漏极电压源和所述浮置扩散节点，
浮置扩散晶体管，电连接到所述浮置扩散节点和所述节点，
浮置扩散电容器，电连接到所述浮置扩散节点和所述框架接地线，
注入开关，电连接到所述浮置扩散节点和注入节点，
注入电容器，电连接到所述第二节点和所述注入节点，
复位电压源，被配置为供给复位电压，以及
复位开关，电连接到所述复位电压源和所述注入节点，以及
其中，所述浮置扩散包括所述浮置扩散电容器和所述浮置扩散节点。
14.根据权利要求13所述的像素电路，其中，由每个所述抽头存储的所述背景信号存储在所述注入电容器和所述注入节点中，并且其中，为了存储经积分的所述背景信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为在所述CMR晶体管和所述注入开关处于截止状态并且所述复位开关和所述溢出栅晶体管处于导通状态时经由所述溢出栅晶体管从所述光电二极管接收经积分的所述背景信号。
15.根据权利要求13所述的像素电路，其中，为了存储经积分的所述组合信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为在所述CMR晶体管、所述注入开关、所述复位开关和所述溢出栅晶体管处于截止状态时，通过所述浮置扩散晶体管从所述光电二极管接收经积分的所述组合信号，
其中，所述两个抽头的第一抽头的第一浮置扩散晶体管和所述两个抽头的第二抽头的第二浮置扩散晶体管交替地设置为导通状态或截止状态，
其中，所述第一浮置扩散晶体管被设置为导通状态，同时所述第二浮置扩散晶体管被设置为截止状态，以及
其中，所述第一浮置扩散晶体管被设置为截止状态，同时所述第二浮置扩散晶体管被设置为导通状态。
16.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述两个抽头中的每个所述抽头还被配置为：
从外部源接收校正信号，
从所述浮置扩散中减去所述校正信号，以及
基于将所述校正信号从所述浮置扩散中减去以及在所述浮置扩散处积分的所述组合信号的存储，生成第二解调信号。
17.根据权利要求1所述的像素电路，其中，为了基于从所述浮置扩散中减去所述背景信号以及在所述浮置扩散处积分的所述组合信号的存储来生成解调信号，所述两个抽头中的每个所述抽头被配置为在多个循环内生成所述解调信号，直到所述解调信号的信号电平达到预定电平为止。
18.根据权利要求17所述的像素电路，其中，所述预定电平近似为所述浮置扩散的饱和电平。
19.一种执行像素级背景光减法的方法，所述方法包括：
利用像素电路的光电二极管，基于由所述光电二极管接收的背景光对背景信号进行积分；
在所述像素电路的注入电容器中存储经积分的所述背景信号的电荷；
从所述像素电路的浮置扩散中减去所述注入电容器中存储的所述电荷；
利用所述光电二极管，基于由所述光电二极管接收的背景光和解调光的组合，对组合信号进行积分；
将所述组合信号的电荷存储在所述浮置扩散中；以及
从每个所述浮置扩散中读出解调信号，其中，所述解调信号是所述组合信号的电荷与存储在每个所述浮置扩散中的所述背景信号的电荷之间的差，并且其中，来自每个所述浮置扩散的所述解调信号具有一不同的相位。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，从每个所述浮置扩散读出所述解调信号还包括：
确定每个所述浮置扩散中的所述解调信号的信号电平是否处于预定电平；
响应于确定每个所述浮置扩散中的所述解调信号的所述信号电平处于所述预定电平或超过所述预定电平，从每个所述浮置扩散中读出所述解调信号；以及
响应于确定每个所述浮置扩散中的所述解调信号的信号电平低于所述预定电平，重复权利要求19所述的方法。
21.一种成像装置，包括：
控制器；以及
像素阵列，包括至少一个像素电路，所述像素电路包括
溢出栅晶体管，电连接到节点；
光电二极管，电连接到所述节点和框架接地线，所述光电二极管被配置为
接收背景光，
接收所述背景光和解调光的组合，其中，所述解调光由调制光源产生并从对象反射，
基于接收到的所述背景光对背景信号进行积分，并且
基于所述背景光和所述解调光的组合对组合信号进行积分；以及
两个抽头，所述两个抽头中的每个抽头均被配置为
存储经积分的所述背景信号，
从浮置扩散中减去所述背景信号，
存储在所述浮置扩散处积分的所述组合信号，以及
基于从所述浮置扩散中减去所述背景信号以及在所述浮置扩散处积分的所述组合信号的存储，生成解调信号。
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