CN113852771A - 一种图像传感器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种图像传感器和电子设备，图像传感器包括：第一基板，包括像素阵列，所述像素阵列由像素单元构成，所述像素单元包括：光电转换装置，传输装置和第一电荷存储装置，所述光电转换装置用于接收光信号并生成光生电子，所述传输装置用于控制所述光生电子的传输，所述电荷存储装置用于存储传输装置传输的所述光生电子；第二基板，包括第二电荷存储装置和处理电路，所述第二电荷存储装置，所述处理电路用于处理所述第一电荷存储装置和第二电荷装置中存储的所述光生电子。

Description

一种图像传感器和电子设备

技术领域

本申请涉及图像传感器领域，特别涉及一种图像传感器和电子设备。

背景技术

飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

而间接飞行时间探测(Indirect Time of flight，ITOF)作为TOF的一种，ITOF技术通过测量对被测物体进行主动照明，通过测量往返时间的延迟以确定被测物体的距离信息，即利用ITOF的测距方程将延迟信息转换为距离信息。在该测距方程中，一般会涉及到反射信号的几种不同的相位信息，即根据该相位信息确定目标物体的距离。而相位信息一般先通过传感器中的光电转换装置将其转换为电信号，该电信号需要通过存储在电荷存储装置中，且不同于非测距的图像传感器，该电荷存储装置需要的容量大，而在传感器中，由于芯片的版图面积有限，过多的电荷存储装置会消耗过多的芯片面积，导致剩余面积降低，电路规模减小。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种图像传感器和电子设备，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种图像传感器，包括：第一基板，包括像素阵列，所述像素阵列由像素单元构成，所述像素单元包括：光电转换装置，传输装置和第一电荷存储装置，所述光电转换装置用于接收光信号并生成光生电子，所述传输装置用于控制所述光生电子的传输，所述电荷存储装置用于存储传输装置传输的所述光生电子；第二基板，包括第二电荷存储装置和处理电路，所述处理电路用于处理所述第一电荷存储装置和第二电荷装置中存储的所述光生电子。

可选地，所述第二电荷存储装置的存储容量大于所述第一电荷存储装置的存储容量。

可选地，所述像素单元包括至少两个所述传输装置和至少两个所述第一电荷存储装置。

可选地，所述处理电路包括复位装置，读出装置，所述复位装置用于对所述第二电荷存储装置进行复位，所述读出装置用于对所述电荷存储装置中的光生电子进行处理和读出。

可选地，所述第一基板与第二基板沿着垂直方向分布，所述第一基板与所述第二基板通过结合导体连接，所述第一电荷存储装置和所述第二电荷存储装置通过结合导体电连接。

第二方面，本申请实施例提供了一种电子设备，所述电子设备包括：光源，用于向目标对象发射光信号；图像传感器，用于接收有所述目标对象反射的光信号并产生电信号，其中，所述图像传感器包括：第一基板，包括像素阵列，所述像素阵列由像素单元构成，所述像素单元包括光电转换装置，传输装置和第一电荷存储装置，所述光电转换装置用于接收光信号并生成光生电子，所述传输装置用于控制所述光生电子的传输，所述电荷存储装置用于存储传输装置传输的所述光生电子；第二基板，包括第二电荷存储装置和处理电路，所述第二电荷存储装置，所述处理电路用于处理所述第一电荷存储装置和第二电荷装置中存储的所述光生电子。

可选地，所述第二电荷存储装置的存储容量大于所述第一电荷存储装置的存储容量。

可选地，所述像素单元包括至少两个所述传输装置和至少两个所述第一电荷存储装置。

可选地，所述处理电路包括复位装置，读出装置，所述复位装置用于对所述第二电荷存储装置进行复位，所述读出装置用于对所述电荷存储装置中的光生电子进行处理和读出。

可选地，所述第一基板与第二基板沿着垂直方向分布，所述第一基板与所述第二基板通过结合导体连接，所述第一电荷存储装置和所述第二电荷存储装置通过结合导体电连接。

本申请的有益效果是：

本申请实施例提供的一种图像传感器，包括：第一基板，包括像素阵列，所述像素阵列由像素单元构成，所述像素单元包括：光电转换装置，传输装置和第一电荷存储装置，所述光电转换装置用于接收光信号并生成光生电子，所述传输装置用于控制所述光生电子的传输，所述电荷存储装置用于存储传输装置传输的所述光生电子；第二基板，包括第二电荷存储装置和处理电路，所述处理电路用于处理所述第一电荷存储装置和第二电荷装置中存储的所述光生电子。如此，实现了将存储装置分配在两个基板上的目的，因此，在一定程度上可以增加该传感器其与电路的面积，可以提高电路的规模，也可以节约基板的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的ITOF测距的示意框图；

图2为本申请实施例提供的图像传感器中像素单元的模块框图；

图3为本申请实施例提供的一种图像传感器中像素单元的电路和时序图；

图4为本申请实施例提供的另一种图像传感器中像素单元的电路和时序图；

图5为本申请实施例提供的又一种图像传感器的侧视图

图6为本申请实施例提供的再一种图像传感器的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

近几年，为了自动驾驶能够在生活中得到应用，3D成像系统的研究得到了长足的发展。自动驾驶中对成像系统主要由几点要求：抗大背景光(阳光最强100klux)、提升测距精度以及快速测距，因此需要一种图像传感器内的像素电路能减少像素内面积的浪费并在电路工作时完成部分的计算，可使接收的信号更全面提升了测距精度且减少了后级数据处理的压力节约了部分数据处理的时间，可快速的得到与物体之间的距离。

图1为一般的TOF测距原理图，通过发射光信号和回波信号之间的相位差，得到传感器和待测物体之间的飞行时间，进而计算得到距离信息。如图所示，从光源101发出一束发射光信号。所述发射光信号可以为经过伪随机序列调制后的激光脉冲信号或者普通的激光脉冲信号。该发射光信号经过物体102反射后被透镜103聚焦在图像传感器104的像素上。图像传感器接收的信号为回波信号和背景光信号或仅有背景光信号，且假设背景光信号一定时间内时均匀的。通过图像传感器104里的像素电路对接收到的信号进行信号消除或信号提取，去除背景光部分，得到纯回波信号，最后通过每个像素检测返回的光中回波信号相对于发射光信号的相移可以检测周围的物体的距离。

由于在ITOF测距中，图像传感器104需要接受回波信号并对该信号进行相位调制和处理，并对处理后的信号进行光电转换，且对该生成的电信号进一步存储和处理，相比于传统的2D图像传感器，3D图像传感器需要存储的电荷更多，因此对于存储电荷装置的容量需求更大。

下面以结合图2对本申请提供的一种图像传感器200，包括：第一基板201和第二基板202，第一基板201包括像素阵列，该像素阵列由像素单元构成，该像素单元包括：光电转换装置210，传输装置211和传输装置212，电荷存储装置213和电荷存储装置215，第二基板202包括电荷存储装置214和电荷存储装置215，和其余处理电路(图中未示出)，该处理电路用于处理所述电荷存储装置213，电荷存储装置214，电荷存储装置215和电荷存储装置216中存储的光生电子。

光电转换装置210用于接收光信号并生成光生电子，传输装置211和传输装置212用于控制光电转换装置210中生成的光生电子的传输，电荷存储装置213和电荷存储装置214，电荷存储装置215和电荷存储装置216分别用于存储传输装置211和传输装置212传输的光电转换装置210产生的光生电子，也就是说，当传输装置211打开时，光电转换装置210中的电荷通过该传输装置211向电荷存储装置213和电荷存储装置214中转移，相应地，当传输装置212打开时，光电转换装置210中的电荷通过该传输装置212向电荷存储装置215和电荷存储装置216中转移。

相对于ITOF技术而言，传输装置211和传输装置212的分别传输不同相位下的光生电子，例如，传输装置211可以传输0°相位下的光生电子，传输装置212可以传输180°相位下的光生电子；也可以是，传输装置211可以传输90°相位下的光生电子，传输装置212可以传输270°相位下的光生电子。

可以看出，电荷存储装置213和电荷存储装置214共同存储传输装置211传输的光生电子，电荷存储装置215和电荷存储装置216共同存储传输装置212传输的光生电子，而电荷存储装置213和电荷存储装置214分别设置在第一基板201和第二基板202上，因此，该两个基板共同提供了存储电荷的装置，避免了电荷存储装置设置在第一基板时占用大量基板面积，从而导致其他电路的可用面积减小的情况。也就是说，通过将电荷存储装置设置在两个基板上，可以提高电荷存储装置的容量，从而提高该图像传感器的动态范围。

作为一种实施方式，电荷存储装置214的存储容量大于电荷存储装置213的存储容量，电荷存储装置216的存储容量大于电荷存储装置215的存储容量。如此，可以进一步降低第一基板201上电荷存储装置213和电荷存储装置215所占的面积，可以使得第一基板201上放置更多像素单元，进而提高该图像处理器的分辨率和动态范围。

作为另一种实施方式，第一基板201与第二基板202沿着垂直方向分布，所述第一基板201与所述第二基板202通过结合导体连接(图中未示出)，且电荷存储装置213和所述电荷存储装置214通过结合导体电连接，电荷存储装置2,5和所述电荷存储装置216通过结合导体电连接。

作为另一种实施方式，处理电路包括复位装置，读出装置，复位装置(图中未示出)用于对电荷存储装置213，电荷存储装置214，电荷存储装置215，电荷存储装置216进行复位，读出装置(图中未示出)用于对电荷存储装置213，电荷存储装置214，电荷存储装置215，电荷存储装置216中的光生电子进行处理和读出。

下面结合图3，以光电转换装置是光电二极管，传输装置是传输晶体管，电荷存储装置是电容为例，详细说明本申请实施例提供的一种图像传感器。

图像传感器300，包括：第一基板301，该基板301包括像素阵列，该像素阵列由像素单元构成，该像素单元包括：光电二极管310，传输晶体管311和传输晶体管312，电容313和电容315，第二基板302，该基板302包括电容314和电容316，和处理电路(图中未示出)，该处理电路用于处理所述电容313，电容314，电容315，电容316中存储的所述光生电子。

该图像传感器300的工作原理如下：

光电二极管310接收光信号并生成光生电子，传输晶体管311和传输晶体管312分别通过TX1和TX2控制光电二极管310中生成的光生电子的传输，TX1和TX2的时序如图3中所示，该两个传输晶体管交替打开，将光电二极管310中的光生电子转移，具体地，传输晶体管311将电荷转移至电容313和电容314中，传输晶体管312将电荷转移至电容315和电容316中。处理电路(图中未示出)将这些电容中存储的电荷转换为电流或者电压信号输出。

作为一种实施方式，电容314的存储容量大于电容313的存储容量，电容316的存储容量大于电容315的存储容量。如此，可以进一步降低第一基板301上电容313和电容315所占的面积，可以使得第一基板301上放置更多像素单元，进而提高该图像处理器的分辨率和动态范围。

作为另一种实施方式，处理电路还可以包括复位装置，读出装置。下面以光电转换装置是光电二极管，传输装置是传输晶体管即传输栅，复位装置为复位晶体管，读出装置为源极跟随器(Source Follow，SF)为例，结合图4详细说明本申请提供的图像传感器400的工作流程。

首先，复位晶体管413和414打开，即该晶体管413和414连接高电平，将电容417和418上的电荷进行复位，并将复位后的电荷读出，即打开相应的源极跟随器421和行选择开关422，将复位电流读出；相应的，复位晶体管415和416打开，即该晶体管415和416的栅极连接至高电平，将电容419和420上的电荷进行复位，并将复位后的电荷读出，即打开相应的源极跟随器423和行选择开关424，将复位电流读出。

需要说明的是，复位晶体管413，414和415，416可以同时打开，也可以先打开晶体管413，414，再打开晶体管415，416。

然后，复位晶体管413，414，415，416关断，即该些晶体管的栅极连接低电平，光电二极管410接收光信号将其转换为光生电子，传输栅411和传输栅412的栅极连接调制信号，该信号的波形分别可以如图4中TXA/PGA和TXB/PGB所示，用于解调0°和180°相位下的光信号。

示例性的，传输栅411将0°相位的光生电子传输至电容417和418上存储，传输栅412将180°相位的光生电子传输至电容419和420上存储。

可选择的，传输栅411先开启，光电二极管410中的0°相位下的电荷通过传输栅411转移至电容417和电容418上，将0°相位下的调制电荷读出，即打开相应的源极跟随器423和行选择开关424，将0°相位下的调制电流读出；传输栅412再开启，光电二极管410中的部分电荷通过传输栅412转移至电容419和电容420上，将180°相位下的调制电荷读出，即打开相应的源极跟随器423和行选择开关424，将180°相位下的调制电流读出。

后续电路(图中未示出)，可以将这两次读出的电流和两个相位下的电流进行处理，得到目标物体的距离信息即深度信息，进而得到目标物体的3D图像。

可选择的，如图5所示的图像传感器500，该第一基板501和第二基板502通过结合导体503连接。

相应地，本申请还提供了一种电子设备，包括光源，用于向目标对象发射光信号；图像传感器，用于接收有所述目标对象反射的光信号并产生电信号，示例性的，该图像传感器600如图6所示，包括：第一基板601，包括像素单元603构成的像素阵列，像素单元603包括光电转换装置，传输装置和第一电荷存储装置604，光电转换装置用于接收光信号并生成光生电子，传输装置用于控制光生电子的传输，电荷存储装置用于存储传输装置传输的光生电子；第二基板602，包括第二电荷存储装置605和处理电路606，处理电路用于处理第一电荷存储装置和第二电荷装置中存储的光生电子。

可选的，该图像传感器还包括驱动电路607，用于驱动该第一基板601上像素电路的信号的读出。

第一电荷存储装置604和第二电荷存储装置605分别设置在第一基板601和第二基板602上，因此，该两个基板共同提供了存储电荷的装置，避免了电荷存储装置设置在第一基板时占用大量基板面积，从而导致其他电路的可用面积减小的情况。也就是说，通过将电荷存储装置设置在两个基板上，可以提高电荷存储装置的容量，从而提高该图像传感器的动态范围。

可选的，第二电荷存储装置605的存储容量大于第一电荷存储装置604的存储容量。

因此，可以进一步的减小第一电荷存储装置604在第一基板601上占用的面积，使得该基板601可以布置更多的像素单元，提高该图像传感器的动态范围。

可选的，处理电路606包括复位装置，读出装置，所述复位装置用于对第二电荷存储装置进行复位，读出装置用于对电荷存储装置中的光生电子进行处理和读出。

可选的，第一基板601与第二基板602沿着垂直方向分布，第一基板601与第二基板602通过结合导体连接，第一电荷存储装置604和第二电荷存储装置605通过结合导体电连接。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：

第一基板，包括像素阵列，所述像素阵列由像素单元构成，所述像素单元包括：

光电转换装置，传输装置和第一电荷存储装置，所述光电转换装置用于接收光信号并生成光生电子，所述传输装置用于控制所述光生电子的传输，所述电荷存储装置用于存储传输装置传输的所述光生电子；

第二基板，包括第二电荷存储装置和处理电路，所述处理电路用于处理所述第一电荷存储装置和第二电荷装置中存储的所述光生电子。

2.如权利要求1所述的图像传感器，所述第二电荷存储装置的存储容量大于所述第一电荷存储装置的存储容量。

3.如权利要求1或2所述的图像传感器，所述像素单元包括至少两个所述传输装置和至少两个所述第一电荷存储装置。

4.如权利要求3所述的图像传感器，所述处理电路包括复位装置，读出装置，所述复位装置用于对所述第二电荷存储装置进行复位，所述读出装置用于对所述电荷存储装置中的光生电子进行处理和读出。

5.如权利要求4所述的图像传感器，所述第一基板与第二基板沿着垂直方向分布，所述第一基板与所述第二基板通过结合导体连接，所述第一电荷存储装置和所述第二电荷存储装置通过结合导体电连接。

6.一种电子设备，所述电子设备包括：

光源，用于向目标对象发射光信号；

图像传感器，用于接收有所述目标对象反射的光信号并产生电信号，

其中，所述图像传感器包括：

第一基板，包括像素阵列，所述像素阵列由像素单元构成，所述像素单元包括光电转换装置，传输装置和第一电荷存储装置，所述光电转换装置用于接收光信号并生成光生电子，所述传输装置用于控制所述光生电子的传输，所述电荷存储装置用于存储传输装置传输的所述光生电子；

第二基板，包括第二电荷存储装置和处理电路，所述处理电路用于处理所述第一电荷存储装置和第二电荷装置中存储的所述光生电子。

7.如权利要求6所述的电子设备，所述第二电荷存储装置的存储容量大于所述第一电荷存储装置的存储容量。

8.如权利要求7所述的电子设备，所述像素单元包括至少两个所述传输装置和至少两个所述第一电荷存储装置。

9.如权利要求8所述的电子设备，所述处理电路包括复位装置，读出装置，所述复位装置用于对所述第二电荷存储装置进行复位，所述读出装置用于对所述电荷存储装置中的光生电子进行处理和读出。

10.如权利要求9所述的电子设备，所述第一基板与第二基板沿着垂直方向分布，所述第一基板与所述第二基板通过结合导体连接，所述第一电荷存储装置和所述第二电荷存储装置通过结合导体电连接。

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