CN112437238A - 一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构 - Google Patents
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Abstract
一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构，其主要由NMOS管M1、M2、M3，光电二极管Photo‑detector，NMOS管SF1、SF2，NMOS管Msel1、Msel2，尾电流源I1、I2；该像素结构采用双抽头‑三复位管结构，通过在原有两复位光中间增加一个桥联的复位管，使两个抽头在复位操作时引入的kTC噪声进行平分，通过后续读出电路做减法运算，进行有效抵消。该像素在滚筒曝光无法实现CDS的前提下，可以有效抑制像素由于复位引入的kTC噪声。
Description
技术领域
本发明属于图像传感器领域，特别涉及一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构。
背景技术
传感器作为人类感官的延伸，实现了对外界信息准确可靠的获取和转换。CMOS图像传感器更是在各种领域发挥着重要作用。近年来，能够反映图像深度信息的三维图像传感器应运而生。鉴于其具有反映目标物体深度信息的能力，三维图像传感器广泛被用于工业军事、汽车、消费电子等领域。在工业领域可用于三维重建、自动加工、高度测量等；在军事领域可用于无人机侦查、潜艇水下领航、星际遥测成像等；在汽车领域可用于无人驾驶，辅助驾驶；在消费电子中，应用于体感游戏、手势识别等。基于飞行时间(Time of Flight,ToF)的三维图像传感器由于成像系统较为简单，具有更为广阔的应用前景。基于方波调制光信号的3D图像传感器原理如图1所示，光源发生器发射经调制的光信号，经过往返距离延迟后，到达探测器的相位发生改变，通过测量调制光飞行时间Tflight的变化，通过式1可以计算得到目标距离信息L，即
根据飞行时间的测量原理，需要在一个光波调制周期完成四次采样，以获得相位变化信息，四相位积分示意图如图2所示，调制光周期为Tmod，三个相位分别为0，Tmod/4，Tmod/2，3Tmod/4，在三个相位处的积分结果分别为Q1，Q2，Q3，Q4进而通过计算获得距离信息。根据积分结果由式2可以得到所探测距离的表达式为：
在获取相位变化信息时，为降低误差需要对反射光信号的每一相位均进行多次采样并累加。由于需要对来自四个阶段的信号进行集成，需要较长的时间才能获得一帧三维图像。为解决帧频过低的问题，传统的有效方式是在一个像素内集成两个抽头和两个浮动扩散节点。虽然该方法可以使成像速度达到单抽头像素的两倍，但是由于传统的三维图像传感器受读出电路速度影响，常采用滚筒曝光模式。在该曝光模式下，传统的三维图像传感器的曝光过程与普通图像传感器中的3T像素相类似，因此不可避免地引入了一个缺点，即没有相关双采样(Correlation double sampling, CDS)就无法消除像素复位时产生的kTC噪声。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构，所提出像素采用双抽头-三复位管结构，通过在原有两复位光中间增加一个桥联的复位管，使两个抽头在复位操作时引入的kTC噪声进行平分，通过后续读出电路做减法运算，进行有效抵消。该像素在滚筒曝光无法实现CDS的前提下，可以有效抑制像素由于复位引入的kTC噪声。
一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构，如图3所示，其主要由NMOS管M1、M2、M3，光电二极管Photo-detector，NMOS管SF1、SF2，NMOS管Msel1、Msel2，尾电流源I1、I2；该像素中各个组件的连接关系如下：NMOS管M1、M2的源极均接电源VDD，栅极分别接在RST1和RST2信号上，漏极分别接光电二极管Photo-detector的FD1、FD2；NMOS管M3的源级与M1的源级相连，M3的漏极与M2的源级相连，M3的栅极与信号RST’相连；NMOS管SF1、SF2的源极均接电源VDD，栅极分别与光电二极管Photo-detector的FD1、FD2相连接，源极分别与NMOS管Msel1、Msel2的漏极相连；NMOS管Msel1、Msel2的栅极分别与控制信号Sel1、Sel2相连，源极分别与尾电流源I1、I2的正端相连；电流源I1、I2的负端均与地相连。
一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构，工作时序图如图4所示，在光生电荷积分之前，通过RST的信号复位两个FDS用于滚动快门操作。在奇数帧中，FD1和FD2在(n-1)Tmod、n*Tmod/2相位处累积用于Tmod/4的时间的调制光信号，其中t表示调制光的周期，n表示调制光的周期数。在偶数帧中，FD1和FD2在n*Tmod/4、3n*Tmod/4相位处累积调制光信号。在对光电子积分之后，读出电路将读出FD1和FD2中的电压。当Sel为“高”且RST为“低”时，S/H电路处于“采样”状态，信号电压被读出。当Sel为“高”且RST为“高”时，S/H电路处于“保持”级，复位电压被读出。两个FD中存储的电压差值理论上可以由式3计算：
本发明为了减少在实际复位过程中会引入的随机kTC噪声，在M1和M2的两个源节点之间桥联一个名为M3的NMOS管。该MOS管的控制时序如图4中RST’所示。RST’下降沿的发生时间稍晚于RST。这种复位机制可以使M1和M2引入的kTC两部分噪声进行均分，存储在两个FD中的电压差值可以用式4计算：
其中σn,2k是RST在第2k次复位时的kTC噪声，σn,2k+1是RST在第(2k+1)次复位时的kTC噪声，k为整数。奇数帧和偶数帧构成一个完整的距离探测周期；由式4可知，该方法可以有效的抑制kTC噪声。
本发明提出了一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构，具有更高的成像精度，更低的kTC噪声，进而扩大3D图像传感器的使用场合。
附图说明
图1是基于方波调制光信号的3D图像传感器原理图；
图2是基于飞行时间三维图像传感器的四相位积分示意图；
图3是本发明提出一种采用滚筒曝光模式的低kTC噪声高速三维图像传感器锁相像素结构及读出电路；
图4是传统像素结构与所提出像素结构的读出电路控制时序。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实例给出本发明实施方式的具体描述。
在该实例中，本发明设计像素尺寸为10um×10um，其中填充因子为40%，FD1~FD3为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实例给出本发明实施方式的具体描述。在该实例中，本发明设计像素尺寸为10um×10um，其中填充因子为69%，FD1、FD2尺寸为1.5um2，调制光源为占空比1：4，周期Tmod=250ns，平均功率为1W的方波。该像素输出经由一个增益为90dB的缓冲器输出至片外ADC。该ADC选取分辨率为16位，转换速率为4MHz的AD9825。在读出电路工作在四倍增益的前提下，像素在未开启RST’的工作模式下，引入的总噪声为0.0067V，在开启RST’的工作模式下，引入的总噪声为0.0045V，本发明可以有效降低kTC噪声500uV。
Claims (3)
1.一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构，其特征在于：主要组成部分为NMOS管M1、M2、M3，光电二极管Photo-detector，NMOS管SF1、SF2，NMOS管Msel1、Msel2，尾电流源I1、I2；该像素中各个组件的连接关系如下：NMOS管M1、M2的源极均接电源VDD，栅极分别接在RST1和RST2信号上，漏极分别接光电二极管Photo-detector的FD1、FD2；NMOS管M3的源级与M1的源级相连，M3的漏极与M2的源级相连，M3的栅极与信号RST’相连；NMOS管SF1、SF2的源极均接电源VDD，栅极分别与光电二极管Photo-detector的FD1、FD2相连接，源极分别与NMOS管Msel1、Msel2的漏极相连；NMOS管Msel1、Msel2的栅极分别与控制信号Sel1、Sel2相连，源极分别与尾电流源I1、I2的正端相连；电流源I1、I2的负端均与地相连。
2.根据权利要求1所述一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构，其特征在于：在光生电荷积分之前，通过RST的信号复位两个FDS用于滚动快门操作；在奇数帧中，FD1和FD2在(n-1)Tmod、n*Tmod/2相位处累积用于Tmod/4的时间的调制光信号，其中t表示调制光的周期，n表示调制光的周期数；在偶数帧中，FD1和FD2在n*Tmod/4、3n*Tmod/4相位处累积调制光信号；在对光电子积分之后，读出电路将读出FD1和FD2中的电压；当Sel为“高”且RST为“低”时，S/H电路处于“采样”状态，信号电压被读出；当Sel为“高”且RST为“高”时，S/H电路处于“保持”级，复位电压被读出。
3.根据权利要求1所述一种低kTC噪声三维图像传感器锁相像素结构，其特征在于：在M1和M2的两个源节点之间桥联一个名为M3的NMOS管，RST’下降沿的发生时间稍晚于RST，使M1和M2引入的kTC两部分噪声进行均分，存储在两个FD中的电压差值可以用式4计算；其中σn,2k是RST在第2k次复位时的kTC噪声，σn,2k+1是RST在第(2k+1)次复位时的kTC噪声，k为整数；奇数帧和偶数帧构成一个完整的距离探测周期；
由式4可知，该方法可以有效的抑制kTC噪声。
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