CN114339084A - Tof图像传感器像素结构及测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于图像传感器技术领域，涉及一种TOF图像传感器像素结构及测距系统，其中，TOF图像传感器像素结构，包括光传感器、第一读取控制模块、第二读取控制模块及电荷平衡单元。光传感器用于进行光电转换以产生电荷。第一读取控制模块和第二读取控制模块均与光传感器相连，均用于根据电荷进行读取控制。电荷平衡单元与第一读取控制模块的第一浮动扩散节点和第二读取控制模块的第二浮动扩散节点相连，用于在重置后平衡第一浮动扩散节点和第二浮动扩散节点的电荷。因此，本发明能够确保TOF图像传感器像素中的几个浮动扩散节点的电压在重置后相等，从而能够缓解像素内的固定模式噪声、提高图像传感器的测距精度。

Description

TOF图像传感器像素结构及测距系统

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种TOF图像传感器像素结构及测距系统。

背景技术

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件的不同，图像传感器可以分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器和CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器两大类。而由于CMOS图像传感器具有功耗、成本低、易于标准化生产等优点，在各个领域得到了广泛应用。

随着三维成像信息技术的迅速发展，特别是建筑测量、室内定位和导航、立体影像和辅助生活环境应用对飞行时间(Time-of-Flight，TOF)成像提出了迫切需求，应用于飞行时间成像系统的CMOS图像传感器像素结构也得了快速的发展。TOF图像传感器可以分为dTOF图像传感器和iTOF图像传感器。其中，dTOF图像传感器，直接测量飞行时间，即测量发射光脉冲与接收光脉冲的时间间隔。其中，iTOF图像传感器，间接测量飞行时间，通常采用一种测相位偏移的方法，即测量发射正弦波/方波与接收正弦波/方波之间的相位差。对于所有类型的TOF图像传感器而言，测距精度是其一项重要参数，测距精度越高，目标的三维图像探测就越准确。

而在传统的TOF图像传感器像素中，几个浮动扩散节点的电压在重置后，几个浮动扩散节点的电压会存在差异，由此会影响测距精度。

针对以上问题，本领域技术人员一直在寻求解决方法。

前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的缺陷，提供了TOF图像传感器像素结构及测距系统，以实现在重置后能够确保几个浮动扩散节点的电压相等，从而提高测距精度。

本发明是这样实现的：

本发明提供了一种TOF图像传感器像素结构，包括光传感器、第一读取控制模块、第二读取控制模块及电荷平衡单元。光传感器用于进行光电转换以产生电荷。第一读取控制模块和第二读取控制模块均与光传感器相连，均用于根据电荷进行读取控制。电荷平衡单元与第一读取控制模块的第一浮动扩散节点和第二读取控制模块的第二浮动扩散节点相连，用于在重置后平衡第一浮动扩散节点和第二浮动扩散节点的电荷。

可选地，电荷平衡单元包括平衡控制晶体管。

可选地，第一读取控制模块还包括第一复位晶体管、第一双转换增益控制单元、第一传输晶体管、第一存储电容及第一输出单元。其中，第一复位晶体管的第一端连接至电压源，第一复位晶体管的第二端通过第一双转换增益控制单元耦接于第一浮动扩散节点。第一传输晶体管的第一端连接至光传感器的负极，第一传输晶体管的第二端连接第一存储电容和第一浮动扩散节点。第一输出单元连接第一浮动扩散节点。第二读取控制模块还包括第二复位晶体管、第二双转换增益控制单元、第二传输晶体管、第二存储电容及第二输出单元。其中，第二复位晶体管的第一端连接至电压源，第二复位晶体管的第二端通过第二双转换增益控制单元耦接于第二浮动扩散节点。第二传输晶体管的第一端连接至光传感器的负极，第二传输晶体管的第二端连接第二存储电容和第二浮动扩散节点。第二输出单元连接第二浮动扩散节点。

可选地，第一输出单元包括第一源极跟随晶体管和第一行选择晶体管，第二输出单元包括第二源极跟随晶体管和第二行选择晶体管。第一源极跟随晶体管的第一控制端连接第一浮动扩散节点，第一源极跟随晶体管的第一端连接电压源，第一源极跟随晶体管的第二端通过第一行选择晶体管连接第一数据输出线。第二源极跟随晶体管的第二控制端连接第二浮动扩散节点，第二源极跟随晶体管的第一端连接电压源，第二源极跟随晶体管的第二端通过第二行选择晶体管连接第二数据输出线。

可选地，还包括抗溢出晶体管。抗溢出晶体管的第一端耦接至电压源，抗溢出晶体管的第二端连接至光传感器，以用于在调制光未打开时移除光传感器因背景光所产生的电荷。

可选地，第一读取控制模块的第一传输晶体管与第二读取控制模块的第二传输晶体管在光传感器的曝光过程中交替导通的相位相差π。

可选地，还包括电场生成栅极，光传感器包括上端和下端。第一读取控制模块和第二读取控制模块均与光传感器的下端连接。电场生成栅极覆盖光传感器的上端，用于在加负压时制造一个恒定的电场，以协助光传感器产生的电荷传输至第一读取控制模块和/或第二读取控制模块。

可选地，电场生成栅极完全覆盖光传感器的上端的顶边。

可选地，光传感器中包括至少两个掺杂浓度不同的感光区域，使得光传感器自身能够形成电位差，以进一步协助电荷传输至第一读取控制模块和/或第二读取控制模块。

可选地，光传感器中包括第一感光区域和第二感光区域，其中，第一感光区域的掺杂浓度低于第二感光区域。电场生成栅极覆盖第一感光区域的顶边。第一读取控制模块和第二读取控制模块均连接至第二感光区域的底边。

可选地，光传感器为中轴对称结构。光传感器的下端的形状为倒梯形，且光传感器的整体形状呈U形。第一读取控制模块和第二读取控制模块均连接在倒梯形的短底边上。

可选地，光传感器包括电位逐级递减的第一感光区域、第二感光区域及第三感光区域，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与第三感光区域连接的第一读取控制模块和/或第二读取控制模块。

可选地，光传感器为中轴对称结构，光传感器的下端的形状包括一倒梯形，且光传感器的整体形状呈U形。第一感光区域位于光传感器的上端，包括至少两个感光部，至少两个感光部以中轴对称设置，且相邻的两个感光部之间设有开口区。第二感光区域和第三感光区域均位于光传感器的下端，且第三感光区域位于下端的底部，其中，第三感光区域的掺杂浓度高于第二感光区域的掺杂浓度。

本发明还提供一种测距系统，包括：图像传感器，图像传感器包括多个排成行和列的像素阵列，每个像素包括如上所描述的TOF图像传感器像素结构。控制信号处理单元，用于控制系统工作过程并处理像素阵列获取的图像数据。可调制光源，用于接收调制信号后产生调制光信号，并将接收到的调制信号反馈至像素阵列。

本发明提供的TOF图像传感器像素结构及测距系统，其中，TOF图像传感器像素结构，包括光传感器、第一读取控制模块、第二读取控制模块及电荷平衡单元。光传感器用于进行光电转换以产生电荷。第一读取控制模块和第二读取控制模块均与光传感器相连，均用于根据电荷进行读取控制。电荷平衡单元与第一读取控制模块的第一浮动扩散节点和第二读取控制模块的第二浮动扩散节点相连，用于在重置后平衡第一浮动扩散节点和第二浮动扩散节点的电荷。因此，本发明能够确保TOF图像传感器像素中的几个浮动扩散节点的电压在重置后相等，从而能够缓解像素内的固定模式噪声(Fixed Pattern Noise，简称FPN)、提高图像传感器的测距精度。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构的第一电路示意图；

图2是本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构的第二电路示意图；

图3是本发明第二实施例提供的第一TOF图像传感器像素结构的示意图；

图4是本发明第二实施例提供的第二TOF图像传感器像素结构的示意图；

图5是本发明第三实施例提供的测距系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

尽管本发明使用第一、第二、第三等术语来描述不同的读取控制模块、输出单元、感光区域等，但是这些读取控制模块、输出单元、感光区域等并不受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个读取控制模块、输出单元、感光区域等与另一个读取控制模块、输出单元、感光区域等区分开来。除非另有定义，否则本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的意思。

在发明中，光传感器可以是用于将可见光转换为电子(或称电荷、光生电荷)的任何感光性结构，例如光电二极管PD、光栅或光导体中的任一者。优选地，本发明中光传感器可以为光电二极管PD(下文使用光电二极管PD进行描述)。

下面结合附图对本发明实施例做进一步详述。

第一实施例：

图1是本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构的第一电路示意图。图2是本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构的第二电路示意图。为了清楚的描述本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构，请参见图1和图2。

本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构，包括光电二极管PD、第一读取控制模块M1、第二读取控制模块M2及电荷平衡单元EQ。

其中，光电二极管PD用于进行光电转换以产生电荷。

其中，第一读取控制模块M1和第二读取控制模块M2均与光电二极管PD相连，均用于根据电荷进行读取控制。

在一实施方式中，第一读取控制模块M1还包括第一复位晶体管RST1、第一双转换增益控制单元(例如为第一双转换增益控制晶体管DCG1)、第一传输晶体管MIX1、第一存储电容C1及第一输出单元(例如包括第一源极跟随晶体管SF1和第一行选择晶体管RS1)。其中，第一复位晶体管RST1的第一端连接至电压源VDD，第一复位晶体管RST1的第二端通过第一双转换增益控制单元耦接于第一浮动扩散节点FD1。第一传输晶体管MIX1的第一端连接至光电二极管PD的负极，第一传输晶体管MIX1的第二端连接第一存储电容C1和第一浮动扩散节点FD1。第一输出单元连接第一浮动扩散节点FD1。

在一实施方式中，第一读取控制模块M1中的第一复位晶体管RST1可以用于根据复位控制信号重置第一浮动扩散节点FD1的电压。

在一实施方式中，第一读取控制模块M1中的第一双转换增益控制单元可以用于实现增益控制和电荷存储。

在一实施方式中，第一读取控制模块M1中的第一双转换增益控制单元可以包括第一双转换增益控制晶体管DCG1和第一双转换增益电容Cdcg1，第一双转换增益控制晶体管DCG1耦接于第一复位晶体管RST1的第二端和对应的第一浮动扩散节点FD1之间，第一双转换增益电容Cdcg1的第一端耦接于第一双转换增益控制晶体管DCG1和第一复位晶体管RST1之间，第一双转换增益电容Cdcg1的第二端连接至电压源VDD。

在其他实施方式中，第一双转换增益电容Cdcg1为第一复位晶体管RST1与第一双转换增益控制晶体管DCG1的连接点对地的寄生电容。

在一实施方式中，第一读取控制模块M1中的第一传输晶体管MIX1用于将光电二极管PD累计的电荷转移至第一浮动扩散节点FD1。

在一实施方式中，第一读取控制模块M1中的第一输出单元用于对第一浮动扩散节点FD1的电压信号进行放大输出。

在一实施方式中，第一读取控制模块M1中的第一输出单元可以包括第一源极跟随晶体管SF1和第一行选择晶体管RS1。第一源极跟随晶体管SF1的第一控制端连接第一浮动扩散节点FD1，第一源极跟随晶体管SF1的第一端连接电压源VDD，第一源极跟随晶体管SF1的第二端通过第一行选择晶体管RS1连接第一数据输出线BL1。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2还包括第二复位晶体管RST2、第二双转换增益控制单元(例如为第二双转换增益控制晶体管DCG2)、第二传输晶体管MIX2、第二存储电容C2及第二输出单元(例如包括第二源极跟随晶体管SF2和第二行选择晶体管RS2)。其中，第二复位晶体管RST2的第一端连接至电压源VDD，第二复位晶体管RST2的第二端通过第二双转换增益控制单元耦接于第二浮动扩散节点FD2。第二传输晶体管MIX2的第一端连接至光电二极管PD的负极，第二传输晶体管MIX2的第二端连接第二存储电容C2和第二浮动扩散节点FD2。第二输出单元连接第二浮动扩散节点FD2。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2中的第二复位晶体管RST2可以用于根据复位控制信号重置第二浮动扩散节点FD2的电压。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2中的第二双转换增益控制单元可以用于实现增益控制和电荷存储。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2中的第二双转换增益控制单元可以包括第二双转换增益控制晶体管DCG2和第二双转换增益电容Cdcg2，第二双转换增益控制晶体管DCG2耦接于第二复位晶体管RST2的第二端和对应的第二浮动扩散节点FD2之间，第二双转换增益电容Cdcg2的第二端耦接于第二双转换增益控制晶体管DCG2和第二复位晶体管RST2之间，第二双转换增益电容Cdcg2的第二端连接至电压源VDD。

在其他实施方式中，第二双转换增益电容Cdcg2为第二复位晶体管RST2与第二双转换增益控制晶体管DCG2的连接点对地的寄生电容。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2中的第二传输晶体管MIX2用于将光电二极管PD累计的电荷转移至第二浮动扩散节点FD2。

在一实施方式中，第二读取控制单元的第二传输晶体管MIX2与第一读取控制单元的第一传输晶体管MIX1在光电二极管PD的曝光过程中交替导通以交替地将光电二极管PD累积的电荷分别转移至第二浮动扩散节点FD2或第一浮动扩散节点FD1。具体地，本实施方式中，通过设置第一读取控制模块M1、第二读取控制模块M2分别与光电二极管PD耦接，并在光电二极管PD的曝光过程中控制第一传输晶体管MIX1与第二传输晶体管MIX2交替导通以交替地将光电二极管PD累积的电荷转移至对应的浮动扩散节点，通过计算第一读取控制模块M1与第二读取控制模块M2对应的浮动扩散节点积累的有效光信号，可确定光脉冲的飞行时间，从而使得该像素结构可以适用于TOF技术的图像传感器。并且由于第一读取控制模块M1和第二读取控制模块M2采用传输晶体管耦接光电二极管PD与对应的浮动扩散节点，通过传输晶体管将光电二极管PD累积的电荷转移至浮动扩散节点，使得该像素结构可以支持滚动曝光模式。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2的第二传输晶体管MIX2与第一读取控制模块M1的第一传输晶体管MIX1在光电二极管PD的曝光过程中交替导通的相位相差π。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2中的第二输出单元用于对第二浮动扩散节点FD2的电压信号进行放大输出。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2中的第二输出单元包括第二源极跟随晶体管SF2和第二行选择晶体管RS2。第二源极跟随晶体管SF2的第二控制端连接第二浮动扩散节点FD2，第二源极跟随晶体管SF2的第一端连接电压源VDD，第二源极跟随晶体管SF2的第二端通过第二行选择晶体管RS2连接第二数据输出线BL2。

在一实施方式中，第二读取控制模块M2和第一读取控制模块M1可以在本实施例提供的TOF图像传感器像素结构的衬底中对称设置。

其中，电荷平衡单元EQ与第一读取控制模块M1的第一浮动扩散节点FD1和第二读取控制模块M2的第二浮动扩散节点FD2相连，用于在重置后平衡第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2的电荷。

在一实施方式中，电荷平衡单元EQ可以包括平衡控制晶体管。

参见图2，在一实施方式中，本实施例提供的TOF图像传感器像素结构还可以包括抗溢出晶体管AB。抗溢出晶体管AB的第一端耦接至电压源VDD，抗溢出晶体管AB的第二端连接至光电二极管PD，以用于在调制光未打开时移除光电二极管PD因背景光所产生的电荷。具体地，在调制光没打的时候，抗溢出晶体管AB打开以将不要的背景光信号消除，避免背景光电荷传输到浮动扩散节点，从而抑制背景光，从而能够提高测距精度。

本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构，包括光电二极管PD、第一读取控制模块M1、第二读取控制模块M2及电荷平衡单元EQ。其中，光电二极管PD用于进行光电转换以产生电荷。其中，第一读取控制模块M1和第二读取控制模块M2均与光电二极管PD相连，均用于根据电荷进行读取控制。其中，电荷平衡单元EQ与第一读取控制模块M1的第一浮动扩散节点FD1和第二读取控制模块M2的第二浮动扩散节点FD2相连，用于在重置后平衡第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2的电荷。因此，本实施例能够确保TOF图像传感器像素中的几个浮动扩散节点的电压在重置后相等，从而提高图像传感器的测距精度。

第二实施例：

图3是本发明第二实施例提供的第一TOF图像传感器像素结构的示意图。为了清楚的描述本发明第二实施例提供的第一TOF图像传感器像素结构，请参见图1、图2及图3。

本发明第二实施例提供的第一TOF图像传感器像素结构与本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构的区别在于：还包括电场生成栅极G1，且光电二极管PD包括上端(图3中虚线以上为上端)和下端(图3中虚线以下为下端)。其中，第一读取控制模块M1和第二读取控制模块M2均与光电二极管PD的下端连接。电场生成栅极G1覆盖光电二极管PD的上端，用于在加负压时制造一个恒定的电场，以协助光电二极管PD产生的电荷传输至第一读取控制模块M1和/或第二读取控制模块M2。

在一实施方式中，电场生成栅极G1完全覆盖光电二极管PD的上端的顶边。

在一实施方式中，光电二极管PD中包括至少两个掺杂浓度不同的感光区域，使得光电二极管PD自身能够形成电位差，以进一步协助电荷传输至第一读取控制模块M1和/或第二读取控制模块M2。具体地，光电二极管PD中包括至少两个掺杂浓度不同的感光区域能够进一步提升电荷的传输效率。

在一实施方式中，光电二极管PD中包括第一感光区域B1和第二感光区域B2，其中，第一感光区域B1的掺杂浓度低于第二感光区域B2。电场生成栅极G1覆盖第一感光区域B1的顶边。第一读取控制模块M1和第二读取控制模块M2均连接至第二感光区域B2的底边。

在一实施方式中，光电二极管PD为中轴对称结构。光电二极管PD的下端的形状为倒梯形，且光电二极管PD的整体形状呈U形。第一读取控制模块M1和第二读取控制模块M2均连接在倒梯形的短底边上。具体地，上述U形的光电二极管PD相较于传统的矩形光电二极管电荷的流动速度更快，因此也能够提升电荷的传输效率。

本发明第二实施例提供的第一TOF图像传感器像素结构中，电场生成栅极G1覆盖光电二极管PD的上端，用于在加负压时制造一个恒定的电场，以协助光电二极管PD产生的电荷传输至第一读取控制模块M1和/或第二读取控制模块M2，因此能够提升电荷的传输效率，使得光电二极管PD产生的电荷能够快速的传输到第一读取控制模块M1中的第一存储电容C1和/或第二读取控制模块M2中的第二存储电容C2，从而提升测距精度。故而，本发明第二实施例提供的第一TOF图像传感器像素结构能够确保TOF图像传感器像素中的几个浮动扩散节点的电压在重置后相等，从而能够缓解像素内的固定模式噪声、更好的提高图像传感器的测距精度。

图4是本发明第二实施例提供的第二TOF图像传感器像素结构的示意图。为了清楚的描述本发明第二实施例提供的第二TOF图像传感器像素结构，请参见图1、图2及图4。

本发明第二实施例提供的第二TOF图像传感器像素结构与本发明第一实施例提供的TOF图像传感器像素结构的区别在于：光电二极管PD包括电位逐级递减的第一感光区域A1、第二感光区域A2及第三感光区域A3，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与第三感光区域A3连接的第一读取控制模块M1和/或第二读取控制模块M2。

在一实施方式中，光电二极管PD为中轴对称结构，光电二极管PD的下端的形状包括一倒梯形，且光电二极管PD的整体形状呈U形。

在一实施方式中，第一感光区域A1位于光电二极管PD的上端(例如，图4虚线框标记的光电二极管PD的第一感光区域A1即为上端)，包括至少两个感光部A101，至少两个感光部A101以中轴对称设置，且相邻的两个感光部A101之间设有开口区A102。

在一实施方式中，第二感光区域A2(例如，图4虚线框以下除开第三感光区域A3的区域为第二感光区域A2)和第三感光区域A3均位于光电二极管PD的下端，且第三感光区域A3位于下端的底部，其中，第三感光区域A3的掺杂浓度高于第二感光区域A2的掺杂浓度。

本发明第二实施例提供的第二TOF图像传感器像素结构中，光电二极管PD包括电位逐级递减的第一感光区域A1、第二感光区域A2及第三感光区域A3，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与第三感光区域A3连接的第一读取控制模块M1和/或第二读取控制模块M2，因此能够提升电荷的传输效率，使得光电二极管PD产生的电荷能够快速的传输到第一读取控制模块M1中的第一存储电容C1和/或第二读取控制模块M2中的第二存储电容C2，从而提升测距精度。故而，本发明第二实施例提供的第二TOF图像传感器像素结构能够确保TOF图像传感器像素中的几个浮动扩散节点的电压在重置后相等，从而能够缓解像素内的固定模式噪声、更好的提高图像传感器的测距精度。

本发明还提供一种测距系统，包括：图像传感器，图像传感器包括多个排成行和列的像素阵列，每个像素包括如权利要求1-13中任一项的TOF图像传感器像素结构。控制信号处理单元，用于控制系统工作过程并处理像素阵列获取的图像数据。可调制光源，用于接收调制信号后产生调制光信号，并将接收到的调制信号反馈至像素阵列。

第三实施例：

图5是本发明第三实施例提供的测距系统的结构示意图。为了清楚的描述本发明第三实施例提供的测距系统，请参见图5。

本发明第三实施例提供的测距系统，包括：图像传感器10、控制信号处理单元11和可调制光源12。

其中，图像传感器10包括多个排成行和列的像素阵列，每个像素包括如第一实施例和/或第二实施例所描述的TOF图像传感器像素结构。

其中，控制信号处理单元11用于控制系统工作过程并处理所述像素阵列获取的图像数据。

其中，可调制光源12用于接收调制信号后产生调制光信号，并将接收到的调制信号反馈至所述像素阵列。

本发明第三实施例提供的测距系统，其图像传感器的TOF图像传感器像素结构至少包括光电二极管PD、第一读取控制模块M1、第二读取控制模块M2及电荷平衡单元EQ。其中，光电二极管PD用于进行光电转换以产生电荷。其中，第一读取控制模块M1和第二读取控制模块M2均与光电二极管PD相连，均用于根据电荷进行读取控制。其中，电荷平衡单元EQ与第一读取控制模块M1的第一浮动扩散节点FD1和第二读取控制模块M2的第二浮动扩散节点FD2相连，用于在重置后平衡第一浮动扩散节点FD1和第二浮动扩散节点FD2的电荷。因此，本发明第三实施例提供的测距系统能够确保TOF图像传感器像素中的几个浮动扩散节点的电压在重置后相等，从而提高测距精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，在本文中，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、元件或者装置不仅包括那些要素，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、元件或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品、元件或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本申请不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。

应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。取决于语境，如在此所使用的词语"如果"可以被解释成为"在……时"或"当……时"或"响应于确定"。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种TOF图像传感器像素结构，其特征在于，包括光传感器、第一读取控制模块、第二读取控制模块及电荷平衡单元；

所述光传感器用于进行光电转换以产生电荷；

所述第一读取控制模块和所述第二读取控制模块均与所述光传感器相连，均用于根据所述电荷进行读取控制；

所述电荷平衡单元与所述第一读取控制模块的第一浮动扩散节点和所述第二读取控制模块的第二浮动扩散节点相连，用于在重置后平衡所述第一浮动扩散节点和所述第二浮动扩散节点的电荷。

2.如权利要求1所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，

所述光传感器包括光电二极管、光栅或光导体中的一种；

所述电荷平衡单元包括平衡控制晶体管。

3.如权利要求1所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，

所述第一读取控制模块还包括第一复位晶体管、第一双转换增益控制单元、第一传输晶体管、第一存储电容及第一输出单元；

其中，所述第一复位晶体管的第一端连接至电压源，所述第一复位晶体管的第二端通过所述第一双转换增益控制单元耦接于所述第一浮动扩散节点；

所述第一传输晶体管的第一端连接至所述光传感器的负极，所述第一传输晶体管的第二端连接所述第一存储电容和所述第一浮动扩散节点；

所述第一输出单元连接所述第一浮动扩散节点；

所述第二读取控制模块还包括第二复位晶体管、第二双转换增益控制单元、第二传输晶体管、第二存储电容及第二输出单元；

其中，所述第二复位晶体管的第一端连接至所述电压源，所述第二复位晶体管的第二端通过所述第二双转换增益控制单元耦接于所述第二浮动扩散节点；

所述第二传输晶体管的第一端连接至所述光传感器的负极，所述第二传输晶体管的第二端连接所述第二存储电容和所述第二浮动扩散节点；

所述第二输出单元连接所述第二浮动扩散节点。

4.如权利要求3所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一输出单元包括第一源极跟随晶体管和第一行选择晶体管，所述第二输出单元包括第二源极跟随晶体管和第二行选择晶体管；

所述第一源极跟随晶体管的第一控制端连接所述第一浮动扩散节点，所述第一源极跟随晶体管的第一端连接所述电压源，所述第一源极跟随晶体管的第二端通过所述第一行选择晶体管连接第一数据输出线；

所述第二源极跟随晶体管的第二控制端连接所述第二浮动扩散节点，所述第二源极跟随晶体管的第一端连接所述电压源，所述第二源极跟随晶体管的第二端通过所述第二行选择晶体管连接第二数据输出线。

5.如权利要求3所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，还包括抗溢出晶体管；

所述抗溢出晶体管的第一端耦接至所述电压源，所述抗溢出晶体管的第二端连接至所述光传感器，以用于在调制光未打开时移除所述光传感器因背景光所产生的电荷。

6.如权利要求3所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一读取控制模块的所述第一传输晶体管与所述第二读取控制模块的所述第二传输晶体管在所述光传感器的曝光过程中交替导通的相位相差π。

7.如权利要求1所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，还包括电场生成栅极，所述光传感器包括上端和下端；

所述第一读取控制模块和所述第二读取控制模块均与所述所述光传感器的下端连接；

所述电场生成栅极覆盖所述光传感器的上端，用于在加负压时制造一个恒定的电场，以协助所述光传感器产生的所述电荷传输至所述第一读取控制模块和/或所述第二读取控制模块。

8.如权利要求7所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，所述电场生成栅极完全覆盖所述光传感器的上端的顶边。

9.如权利要求7所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，所述光传感器中包括至少两个掺杂浓度不同的感光区域，使得所述光传感器自身能够形成电位差，以进一步协助所述电荷传输至所述第一读取控制模块和/或所述第二读取控制模块。

10.如权利要求9所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，所述光传感器中包括第一感光区域和第二感光区域，其中，所述第一感光区域的掺杂浓度低于所述第二感光区域；

所述电场生成栅极覆盖所述第一感光区域的顶边；

所述第一读取控制模块和所述第二读取控制模块均连接至所述第二感光区域的底边。

11.如权利要求7所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，所述光传感器为中轴对称结构；

所述光传感器的下端的形状为倒梯形，且所述光传感器的整体形状呈U形；

所述第一读取控制模块和所述第二读取控制模块均连接在所述倒梯形的短底边上。

12.如权利要求1所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，所述光传感器包括电位逐级递减的第一感光区域、第二感光区域及第三感光区域，用于产生电位差，协助自身产生的电荷流向与所述第三感光区域连接的所述第一读取控制模块和/或所述第二读取控制模块。

13.如权利要求12所述的TOF图像传感器像素结构，其特征在于，所述光传感器为中轴对称结构，所述光传感器的下端的形状包括一倒梯形，且所述光传感器的整体形状呈U形；

所述第一感光区域位于所述光传感器的上端，包括至少两个感光部，所述至少两个感光部以所述中轴对称设置，且相邻的两个感光部之间设有开口区；

所述第二感光区域和所述第三感光区域均位于所述光传感器的下端，且所述第三感光区域位于所述下端的底部，其中，第三感光区域的掺杂浓度高于所述第二感光区域的掺杂浓度。

14.一种测距系统，其特征在于，包括：

图像传感器，所述图像传感器包括多个排成行和列的像素阵列，每个像素包括如权利要求1-13中任一项所述的TOF图像传感器像素结构；

控制信号处理单元，用于控制系统工作过程并处理所述像素阵列获取的图像数据；

可调制光源，用于接收调制信号后产生调制光信号，并将接收到的调制信号反馈至所述像素阵列。

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