CN113645371A - 飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CMOS‑TOF图像传感器设计领域，为提出噪声消除方法，能够对行方向倾斜畸变进行矫正，进而实现无畸变的三维成像效果。为此，本发明采取的技术方案是，飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除装置和方法，在像素阵列最上方和最下方分别各有一个三态门缓冲器，两个三态门缓冲器有相反的电平使能，两个三态门缓冲器的使能受到同一个全局信号控制，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被打开，另一个则处于高阻态，通过控制三态门缓冲器的使能信号可以选择全局积分信号从阵列上方或者下方进入。本发明主要应用于CMOS‑TOF图像传感器设计制造场合。

Description

飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除装置和方法

技术领域

本发明涉及CMOS-TOF图像传感器设计领域，特别涉及连续波调制飞行时间图像传感器 FPPN消除方法设计领域。具体涉及飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除方法。

背景技术

相较于传统图像传感器，飞行时间(Time-of-Flight,TOF)图像传感器利用光信号传播速度和光的反射检测出传感器与被测物体之间光的飞行时间，进而计算出被测物体与传感器之间的距离信息。按照测量方式，TOF传感器又可以分为直接型TOF传感器和间接型TOF传感器。直接型TOF传感器利用精准的计时电路测量光源发射脉冲和传感器接收脉冲的时间差来直接得到光的飞行时间，虽然直接型TOF传感器原理简单，但是对计时电路精度要求较高。而间接型TOF传感器通过调制-解调的方式来获取发射光与接收光之间的相位、频率的关系，从而间接计算出光的飞行时间，不需要依赖于精准的计时装置，因此间接型TOF传感器往往能够获得更高的测量精度。目前间接型TOF传感器通常使用连续波作为发射光源调制信号，例如正弦波或方波，再通过对接收光进行积分得到相位偏移信息，连续波调制TOF传感器工作原理可参考图1。

连续波调制TOF传感器以其低成本，高精度、易实现性在工业自动化、消费电子、医疗成像等领域中极具发展前景，目前市面上已经推出多款基于连续波调制原理的TOF相机。随着对更高精度和更高分辨率的需要，TOF传感器的调制频率和像素阵列也随之增加，然而由于高频耦合效应、物理布线以及缓冲器延迟等因素带来的延迟，传感器像素阵列中各个像素单元存在相位固定模式噪声(Fixed-pattern Phase Noise,FFPN)，对于通过相位延迟来计算距离的连续波调制TOF传感器，将会直接导致测量出的距离存在误差。如图2所示，调制光信号经过传播后，产生时间差TOF，S1为理想情况下对光信号积分，此时对应飞行时间为TOF， S2为考虑FPPN影响时对光信号积分的等效效果，对应飞行时间为TOF’，可以看到由于S2 存在延迟DELAY，TOF’小于TOF，使传感器测得的距离小于真实距离。FPPN的影响在成像中呈现出沿水平方向出现倾斜畸变，如图3所示。

为了消除高精度TOF传感器的FPPN，一种基于DLL利用恒定延时链实现列方向FPPN消除的电路设计已经被提出，该电路利用两个传送方向相反的缓冲链驱动列像素进行积分，分别产生从左到右(前向缓冲链)和从右到左(后向缓冲链)的恒定延迟，在曝光期间，交替选择两条相反方向的缓冲链传送积分信号，并积分相同时间。而由于积分信号在两个相反方向上对像素产生的影响叠加后将与像素的列坐标无关，以此消除列方向FPPN。

但是随着调制频率和像素阵列的不断增加，不仅要考虑缓冲器产生的延迟对列方向FPPN 的影响，同时还要考虑由于信号高频耦合和物理布线延迟导致的行方向FPPN。而目前已有的电路结构仅仅消除了列方向FPPN，因此,本发明针对行方向FPPN设计了一种方法，实现行方向FPPN消除。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出噪声消除方法，能够对行方向倾斜畸变进行矫正，进而实现无畸变的三维成像效果。为此，本发明采取的技术方案是，飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除装置，在像素阵列最上方和最下方分别各有一个三态门缓冲器，两个三态门缓冲器有相反的电平使能，两个三态门缓冲器的使能受到同一个全局信号控制，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被打开，另一个则处于高阻态，通过控制三态门缓冲器的使能信号可以选择全局积分信号从阵列上方或者下方进入。

还包括时钟树结构，用于对穿过三态门后的全局信号进行平衡，该电路中时钟树结构分为上下两部分，时钟树的上部分由许多缓冲单元搭建而成，呈网状结构；时钟树输入端连接到像素阵列上方的三态门缓冲器输出端，时钟树输出端连接到每一列像素的最上面一行像素，时钟树下部分与上部分结构相同并且对称，同样，下部分时钟树的输入端连接到像素阵列下方的三态门缓冲器输出端，输出端连接到每一列像素的最下面一行像素。

首先全局积分信号产生后分别从上下两个方向同时抵达上下两个三态门缓冲器输入端，由于上下两个三态门缓冲器使能端受到同一个使能信号控制，并且上下两个三态门缓冲器的使能电平相反，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被开启，而另一个三态门缓冲器处于高阻态；开启的三态门缓冲器将会使全局信号通过，通过后全局信号到达与三态门缓冲器输出端相连接的时钟树结构输入端，经过时钟树中缓冲单元网状结构平衡后，全局信号将会从一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行；当三态门缓冲器使能信号翻转后，两个三态门缓冲器的开关情况将会相反，已经打开的三态门缓冲器将会被关闭并处于高阻态，而另一个处于高阻态的三态门缓冲器将会被打开，全局信号通过打开的三态门缓冲器和与之相连的时钟树结构后，全局信号将会从另一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行；而对于每一个像素而言全局信号从上到下传播到达像素的延迟与从下到上传播到达同一行像素的延迟之和都是相同的，因此只需要在一段积分时间内每个三态门缓冲器的打开的时间相同，也就是到达两个三态门缓冲器的使能信号保持高电平的时间和保持低电平的时间相同，就能够使同一列中每行像素受到从上到下的传播延迟和从下到上的传播延迟的影响时间相同，以达到消除行坐标相关的倾斜畸变。

飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除方法，利用以下装置实现：在像素阵列最上方和最下方分别各有一个三态门缓冲器，两个三态门缓冲器有相反的电平使能，两个三态门缓冲器的使能受到同一个全局信号控制；时钟树结构，用于对穿过三态门后的全局信号进行平衡，该电路中时钟树结构分为上下两部分，时钟树的上部分由许多缓冲单元搭建而成，呈网状结构；时钟树输入端连接到像素阵列上方的三态门缓冲器输出端，时钟树输出端连接到每一列像素的最上面一行像素，时钟树下部分与上部分结构相同并且对称，同样，下部分时钟树的输入端连接到像素阵列下方的三态门缓冲器输出端，输出端连接到每一列像素的最下面一行像素；

首先全局积分信号产生后分别从上下两个方向同时抵达上下两个三态门缓冲器输入端，由于上下两个三态门缓冲器使能端受到同一个使能信号控制，并且上下两个三态门缓冲器的使能电平相反，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被开启，而另一个三态门缓冲器处于高阻态；开启的三态门缓冲器将会使全局信号通过，通过后全局信号到达与三态门缓冲器输出端相连接的时钟树结构输入端，经过时钟树中缓冲单元网状结构平衡后，全局信号将会从一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行；当三态门缓冲器使能信号翻转后，两个三态门缓冲器的开关情况将会相反，已经打开的三态门缓冲器将会被关闭并处于高阻态，而另一个处于高阻态的三态门缓冲器将会被打开，全局信号通过打开的三态门缓冲器和与之相连的时钟树结构后，全局信号将会从另一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行；而对于每一个像素而言全局信号从上到下传播到达像素的延迟与从下到上传播到达同一行像素的延迟之和都是相同的，因此只需要在一段积分时间内每个三态门缓冲器的打开的时间相同，也就是到达两个三态门缓冲器的使能信号保持高电平的时间和保持低电平的时间相同，就能够使同一列中每行像素受到从上到下的传播延迟和从下到上的传播延迟的影响时间相同，以达到消除行坐标相关的倾斜畸变。

本发明的特点及有益效果是：

在原像素阵列的每N列像素的上方和下方各增加一个使能相反的三态门，通过产生一个曝光时间内低电平时间和高电平时间相同的时序信号作为两个三态门的使能信号，同一时间内只打开一个三态门，使全局信号只在上下一个方向上传播。由于同一列相邻两个像素之间线延迟固定，全局积分信号在两个传播方向上对同一像素积分相同时间后，像素内积分的电荷合并后，可以消除行方向FPPN。该方法电路结构简单，消除了像素阵列行方向FPPN，对 TOF三维成像效果有显著提升。

附图说明：

图1是连续波调制TOF传感器工作原理示意图。

图2是固定模式相位噪声(Fixed-pattern Phase Noise,FPPN)导致对光信号错误积分的等效示意图。

图3是固定模式相位噪声(Fixed-pattern Phase Noise,FPPN)导致的成像畸变。

图4是本发明采用的连续波调制TOF传感器行方向FPPN消除方法示意图。

图5是采用本发明描述的三态门缓冲器使能端控制时序。

图6是采用本发明描述的FPPN消除方法的电路结构。

图7通过使用已有的列FPPN消除方法消除列FPPN后再使用本发明所描述的方法消除行FPPN。

具体实施方式

为使连续波调制TOF三维图像传感器能够消除行方向FPPN带来的行坐标相关的倾斜畸变，弥补当前列方向FPPN电路无法消除行方向FPPN的问题，本发明提出了一种能够应用于连续波调制TOF三维图像传感器中的行方向FPPN消除电路结构，该电路通过增加一对使能相反的三态门，使积分信号能够改变在行像素上传播方向，并且两个相反方向的积分信号通过对像素作用相同时间，像素产生的影响叠加后将与像素的行坐标无关。该行方向FPPN消除电路能够对行方向倾斜畸变进行矫正，进而实现无畸变的三维成像效果。

本发明描述的连续波调制TOF传感器行方向FPPN消除方法,其结构示意图如图4所示，对于需要去除行方向FPPN的N列像素，在像素阵列最上方和最下方分别各有一个三态门缓冲器，两个三态门缓冲器有相反的电平使能，两个三态门缓冲器的使能受到同一个全局信号控制，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被打开，另一个则处于高阻态，通过控制三态门缓冲器的使能信号可以选择全局积分信号从阵列上方或者下方进入。

为了保证全局信号通过三态门缓冲器后到达每一列像素的时间相同并保证对每一列像素都有足够的驱动能力，该电路使用了时钟树结构对穿过三态门后的全局信号进行平衡。该电路中时钟树结构分为上下两部分，时钟树的上部分由许多缓冲单元搭建而成，呈网状结构。时钟树输入端连接到像素阵列上方的三态门缓冲器输出端，时钟树输出端连接到每一列像素的最上面一行像素，时钟树下部分与上部分结构相同并且对称，同样，下部分时钟树的输入端连接到像素阵列下方的三态门缓冲器输出端，输出端连接到每一列像素的最下面一行像素。这样当全局信号穿过其中一个三态门缓冲器后到达每一列像素的时间将被平衡，并且有足够的驱动能力。

在每一列像素中，全局信号通过一条信号线贯穿整列像素，每一条信号线的上下两端又分别与时钟树的上下两部分的相应的末端相连接。由于像素在列方向间距相同，因此当全局信号穿过三态门缓冲器并通过时钟树平衡到达某一列像素后，通过均匀分布的信号线导致的延迟，信号在整条信号线上的延迟与像素行坐标天然成线性，全局信号在通过三态门缓冲器和时钟树结构后，在每一列像素的传播过程中，不论是从第一行像素到最后一行像素或者从最后一行像素到第一行像素，到达每一行像素的延迟都是线性增加的，并且，由于对阵列中每一个像素，全局信号从上到下传播到达像素的延迟与从下到上传播到达像素的延迟之和都是相同的。

在一段积分时间内，为了保证每个三态门缓冲器的打开的时间相同，可以产生如图5所示的使能信号时序，来控制两个三态门缓冲器使能端。使能信号由时序产生电路产生，为占空比50％的方波信号，在一个完整曝光周期内，方波信号将一直处于激活状态，在高电平(逻辑1)和低电平(逻辑0)之间翻转。在控制过程中，使能信号可以根据实际需要进行多次翻转，但是考虑到使能信号到达三态门缓冲器使能端的延迟影响，翻转频率也需要保持在相对较低的水平，并且保证使能信号为高电平的时间与使能信号为低的时间相同。

行方向FPPN消除方法具体实现如下：首先全局积分信号产生后分别从上下两个方向同时抵达上下两个三态门缓冲器输入端，由于上下两个三态门缓冲器使能端受到同一个使能信号控制，并且上下两个三态门缓冲器的使能电平相反，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被开启，而另一个三态门缓冲器处于高阻态。开启的三态门缓冲器将会使全局信号通过，通过后全局信号到达与三态门缓冲器输出端相连接的时钟树结构输入端，经过时钟树中缓冲单元网状结构平衡后，全局信号将会从一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行。当三态门缓冲器使能信号翻转后，两个三态门缓冲器的开关情况将会相反，已经打开的三态门缓冲器将会被关闭并处于高阻态，而另一个处于高阻态的三态门缓冲器将会被打开，全局信号通过打开的三态门缓冲器和与之相连的时钟树结构后，全局信号将会从另一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行。而对于每一个像素而言全局信号从上到下传播到达像素的延迟与从下到上传播到达同一行像素的延迟之和都是相同的，因此只需要在一段积分时间内每个三态门缓冲器的打开的时间相同，也就是到达两个三态门缓冲器的使能信号保持高电平的时间和保持低电平的时间相同，就能够使同一列中每行像素受到从上到下的传播延迟和从下到上的传播延迟的影响时间相同，以达到消除行坐标相关的倾斜畸变。

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。应用本发明描述的行方向FPPN消除方法的具体实现电路结构如图6所示，顶部的三态门缓冲器为高电平使能，底部的三态门缓冲器为低电平使能，两个三态门使能都由EN信号控制，EN信号可参考如图5所示的控制时序。可以先使用背景技术中提到的已有列方向FPPN 消除电路对全局积分信号进行处理后，再将全局信号传递到采用本发明描述的电路结构，首先通过三态门缓冲器后，经过时钟树结构到达每一列像素，实现行方向FPPN消除功能。图3 为TOF传感器对某一平面的成像，可以看到由于行FPPN的存在，图像在行方向上呈现出倾斜畸变，图7是图3通过使用已有的列FPPN消除方法消除列FPPN后再使用本发明所描述的方法消除行FPPN，可以明显看到在消除了行FPPN后，实现了更高质量的成像效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除装置，其特征是，在像素阵列最上方和最下方分别各有一个三态门缓冲器，两个三态门缓冲器有相反的电平使能，两个三态门缓冲器的使能受到同一个全局信号控制，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被打开，另一个则处于高阻态，通过控制三态门缓冲器的使能信号可以选择全局积分信号从阵列上方或者下方进入。

2.如权利要求1所述的飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除装置，其特征是，还包括时钟树结构，用于对穿过三态门后的全局信号进行平衡，该电路中时钟树结构分为上下两部分，时钟树的上部分由许多缓冲单元搭建而成，呈网状结构；时钟树输入端连接到像素阵列上方的三态门缓冲器输出端，时钟树输出端连接到每一列像素的最上面一行像素，时钟树下部分与上部分结构相同并且对称，同样，下部分时钟树的输入端连接到像素阵列下方的三态门缓冲器输出端，输出端连接到每一列像素的最下面一行像素。

3.如权利要求1所述的飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除装置，其特征是，首先全局积分信号产生后分别从上下两个方向同时抵达上下两个三态门缓冲器输入端，由于上下两个三态门缓冲器使能端受到同一个使能信号控制，并且上下两个三态门缓冲器的使能电平相反，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被开启，而另一个三态门缓冲器处于高阻态；开启的三态门缓冲器将会使全局信号通过，通过后全局信号到达与三态门缓冲器输出端相连接的时钟树结构输入端，经过时钟树中缓冲单元网状结构平衡后，全局信号将会从一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行；当三态门缓冲器使能信号翻转后，两个三态门缓冲器的开关情况将会相反，已经打开的三态门缓冲器将会被关闭并处于高阻态，而另一个处于高阻态的三态门缓冲器将会被打开，全局信号通过打开的三态门缓冲器和与之相连的时钟树结构后，全局信号将会从另一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行；而对于每一个像素而言全局信号从上到下传播到达像素的延迟与从下到上传播到达同一行像素的延迟之和都是相同的，因此只需要在一段积分时间内每个三态门缓冲器的打开的时间相同，也就是到达两个三态门缓冲器的使能信号保持高电平的时间和保持低电平的时间相同，就能够使同一列中每行像素受到从上到下的传播延迟和从下到上的传播延迟的影响时间相同，以达到消除行坐标相关的倾斜畸变。

4.一种飞行时间传感器行方向相位固定模式噪声消除方法，其特征是，利用以下装置实现：在像素阵列最上方和最下方分别各有一个三态门缓冲器，两个三态门缓冲器有相反的电平使能，两个三态门缓冲器的使能受到同一个全局信号控制；时钟树结构，用于对穿过三态门后的全局信号进行平衡，该电路中时钟树结构分为上下两部分，时钟树的上部分由许多缓冲单元搭建而成，呈网状结构；时钟树输入端连接到像素阵列上方的三态门缓冲器输出端，时钟树输出端连接到每一列像素的最上面一行像素，时钟树下部分与上部分结构相同并且对称，同样，下部分时钟树的输入端连接到像素阵列下方的三态门缓冲器输出端，输出端连接到每一列像素的最下面一行像素；

首先全局积分信号产生后分别从上下两个方向同时抵达上下两个三态门缓冲器输入端，由于上下两个三态门缓冲器使能端受到同一个使能信号控制，并且上下两个三态门缓冲器的使能电平相反，因此在同一时刻，只有一个三态门缓冲器会被开启，而另一个三态门缓冲器处于高阻态；开启的三态门缓冲器将会使全局信号通过，通过后全局信号到达与三态门缓冲器输出端相连接的时钟树结构输入端，经过时钟树中缓冲单元网状结构平衡后，全局信号将会从一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行；当三态门缓冲器使能信号翻转后，两个三态门缓冲器的开关情况将会相反，已经打开的三态门缓冲器将会被关闭并处于高阻态，而另一个处于高阻态的三态门缓冲器将会被打开，全局信号通过打开的三态门缓冲器和与之相连的时钟树结构后，全局信号将会从另一个方向同时到达像素阵列中每一列像素的同一行；而对于每一个像素而言全局信号从上到下传播到达像素的延迟与从下到上传播到达同一行像素的延迟之和都是相同的，因此只需要在一段积分时间内每个三态门缓冲器的打开的时间相同，也就是到达两个三态门缓冲器的使能信号保持高电平的时间和保持低电平的时间相同，就能够使同一列中每行像素受到从上到下的传播延迟和从下到上的传播延迟的影响时间相同，以达到消除行坐标相关的倾斜畸变。

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