CN114690156B - 一种飞行时间传感单元、传感器及其解调方法 - Google Patents

一种飞行时间传感单元、传感器及其解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种飞行时间传感单元、传感器及其解调方法。传感单元将多个感光区产生的光生电子按时序分别转移到每个感光区对应的多个电荷存储区中；多个感光区分别对应的至少一个电荷存储区中的光生电子，均是经同一个浮置扩散区被读出电路读出；多个感光区分别对应的另外至少一个电荷存储区中的光生电子，均是经另一个浮置扩散区被读出电路读出，实现了逐行读出和像素合并读出两种模式，根据具体使用场景切换使用模式，不仅增大了像素的填充系数，在物理层面实现了像素合并，还进一步提高了单个浮置扩散区的满阱容量，获得了更好的一致性，减少因工艺误差导致的非一致性。

Description

一种飞行时间传感单元、传感器及其解调方法
技术领域
本发明涉及图像传感技术领域，具体涉及一种飞行时间传感单元、传感器及其解调方法。
背景技术
飞行时间(Time of Flight，ToF)传感器是一种能够获取图像深度信息的传感器，其可以记录空间中人物或物体的位置和运动状态。飞行时间传感器主动发射调制过的光信号，并接收该光信号作用于物体上产生的反射光，飞行时间传感器上的传感单元能够解调反射光，根据发射光信号与反射光的相位差即可计算获得物体与传感器间的距离，从而进一步获得物体的三维成像。相对于激光测距扫描、结构光、立体视觉等三位成像技术，飞行时间传感器具有远距离成像精度高、计算复杂度低、受环境光干扰较小等优点。基于飞行时间传感器实现的深度相机，能够广泛应用于自动驾驶、人机交互式、医疗扫描等领域。
在飞行时间传感器的传感单元中，光信号主要作用于感光区，如何提升像素单位面积内感光区的面积，即填充系数(fill factor)，是增强飞行时间传感器灵敏度的关键。同时，如何实现读出电路的一致性以及物理层面的像素合并(binning)模式的图像读出，也是在进一步优化飞行时间传感器性能参数过程中所需要解决的问题。
发明内容
鉴于此，为了增强飞行时间传感器灵敏度，提升读出电路的一致性，并进一步在物理层面实现像素合并(binning)的图像读出，本发明提出了一种飞行时间传感单元、传感器及其解调方法，能够提升飞行时间传感器性能参数，并降低功耗和成本。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：一种飞行时间传感单元，其特征在于，包括：第一感光区和第二感光区，还包括解调第一感光区中光生电子的第一解调栅和第二解调栅，以及解调第二感光区中光生电子的第三解调栅和第四解调栅；所述第一解调栅、所述第二解调栅、所述第三解调栅和所述第四解调栅分别用于将感光区产生的光生电子转移到第一电荷存储区、第二电荷存储区、第三电荷存储区和第四电荷存储区中；存储在第一电荷存储区和第三电荷存储区中的光生电子，均是经第一浮置扩散区被读出电路读出；存储在第二电荷存储区和第四电荷存储区中的光生电子，均是经第二浮置扩散区被读出电路读出。
优选地，还包括分别设置于第一电荷存储区、第二电荷存储区、第三电荷存储区和第四电荷存储区上方的第一存储栅、第二存储栅、第三存储栅和第四存储栅。
优选地，还包括在第一电荷存储区和第一浮置扩散区之间设置的第一转移栅，在第二电荷存储区和第二浮置扩散区之间设置的第二转移栅，在第三电荷存储区和第一浮置扩散区之间设置的第三转移栅，在第四电荷存储区和第二浮置扩散区之间设置的第四转移栅。
优选地，所述飞行时间传感单元根据控制信号工作在逐行读取模式或像素合并模式。
优选地，所述飞行时间传感单元工作在逐行读取模式时，读出电路逐行读出存储在各电荷存储区中的光生电子，即读出电路读取完第一感光区产生的光生电子后，再开始读取第二感光区产生的光生电子。
优选地，所述飞行时间传感单元工作在像素合并模式时，读出电路同时读出同一浮置扩散区连接的上下两个电荷存储区中存储的光生电子。
优选地，还包括其他至少一个感光区，以及所述其他至少一个感光区对应的解调栅和电荷存储区；所述其他至少一个感光区产生的全部/部分光生电子，也是经所述第一浮置扩散区和/或第二浮置扩散区被读出电路读出。
优选地，所述飞行时间传感单元与另一飞行时间传感单元共用至少一个浮置扩散区。
本发明还提供了一种传感器，包括光源、相关双采样模块、时序控制电路、读取电路以及传感阵列，其特征在于，所述传感阵列前述的传感单元。
优选地，所述读出电路同一时刻读出单个/多个浮置扩散区中的电荷。
本发明还提供了一种飞行时间传感单元的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：将多个感光区产生的光生电子按时序分别转移到每个感光区对应的多个电荷存储区中；多个感光区分别对应的至少一个电荷存储区中的光生电子，均是经同一个浮置扩散区被读出电路读出；多个感光区分别对应的另外至少一个电荷存储区中的光生电子，均是经另一个浮置扩散区被读出电路读出。
优选地，不同感光区产生的光生电子，分步转移到浮置扩散区并逐个被读出电路在读出，或同步转移到浮置扩散区并同时被读出电路在读出。
优选地，读出电路同一时刻读出单个/多个浮置扩散区中的电荷。
本发明的有益效果是：通过使用存储区域实现了全局快门模式，保证了解调的精度。使用本发明提供的飞行时间传感单元和解调方法，还能同时实现逐行读出和像素合并读出两种模式，可根据具体使用场景切换使用模式，不仅增大了像素的填充系数，在物理层面实现了像素合并，并进一步提高了单个浮置扩散区的满阱容量(full well capacity，FWC)，获得了更好的一致性(uniformity)，减少因工艺误差导致的非一致性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的飞行时间传感单元结构的俯视图；
图2为本发明实施例提供的飞行时间传感单元结构的电路原理图；
图3为本发明另一实施例提供的飞行时间传感单元部分结构的俯视图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
在本发明的实施例中，示例性地展示了一种飞行时间(Time of Flight，ToF)传感单元的结构，其俯视图如图1中所示，包括第一感光区1和第二感光区2，其中，感光区可以采用钳位光电二极管(Pinned Photodiode，PPD)结构，包括P型衬底、N型掺杂的第一区域和P型掺杂的第二区域，所述第二区域的掺杂浓度高于P型衬底的掺杂浓度。PPD的结构将电荷收集的区域与硅/二氧化硅界面隔开，通过P+/N结和N/P-结共同完成电荷的收集，避免了界面态和二氧化硅层中固定电荷的不利影响，提高了对蓝光的吸收效率，减小了表面暗电流。还包括设置于第一感光区1两侧的第一解调栅3和第二解调栅4，以及设置于第二感光区2两侧的第三解调栅5和第四解调栅6。所述第一解调栅3、第二解调栅4、第三解调栅5和第四解调栅6分别用于将感光区产生的光生电子转移到第一电荷存储区、第二电荷存储区、第三电荷存储区和第四电荷存储区中。存储在第一电荷存储区和第三电荷存储区中的光生电子，均是经第一浮置扩散区7被读出电路读出。存储在第二电荷存储区和第四电荷存储区中的光生电子，均是经第二浮置扩散区8被读出电路读出。在一种实施例中，第一浮置扩散区7通过第一电荷存储区连接至第一感光区1，通过第三电荷存储区连接至第二感光区2；第二浮置扩散区8通过第二电荷存储区连接至第一感光区1，通过第四电荷存储区连接至第二感光区2。
在另一实施例中，还可以分别在第一电荷存储区、第二电荷存储区、第三电荷存储区和第四电荷存储区上方对应设置第一存储栅9、第二存储栅10、第三存储栅11和第四存储栅12，从而加速光生电子的转移速度。
在又一实施例中，还可以分别在电荷存储区和浮置扩散区之间设置控制光生电子转移和读出的转移栅。例如，在第一电荷存储区和第一浮置扩散区7之间设置第一转移栅13，在第二电荷存储区和第二浮置扩散区8之间设置第二转移栅14，在第三电荷存储区和第一浮置扩散区7之间设置第三转移栅15，在第四电荷存储区和第二浮置扩散区8之间设置第四转移栅16。
图2示出了图1中所示的飞行时间传感单元对应的电路原理图，从电路结构上，第一感光区1和第二感光区2共享浮置扩散区和读出电路。感光区中产生的光生电子，可依次在解调栅、存储栅和转移栅的控制下，分别向第一浮置扩散区7和第二浮置扩散区8中转移。对于不同感光区产生的光生电子，可分别独自向浮置扩散区进行转移，也可同时向一侧向浮置扩散区进行转移。
上述实施例中的传感单元在工作时，可以根据控制信号确定传感单元工作在逐行读取模式或像素合并模式。当传感单元工作在逐行读取模式时，读出电路逐行读出存储在各电荷存储区中的光生电子。即读出电路经第一浮置扩散区7读出第一电荷存储区中的光生电子，经第二浮置扩散区8读出第二电荷存储区中的光生电子时，第三电荷存储区和第四电荷存储区中的光生电子保持在存储区中，不被转移到浮置扩散区。当读出电路读取完第一感光区1所在行，开始读取第二感光区2所在行时，存储在第三电荷存储区和第四电荷存储区中的光生电子才被转移到浮置扩散区经读出电路读取。当传感单元工作在像素合并模式时，读出电路同时读出同一浮置扩散区连接的上下两个电荷存储区中存储的光生电子。将第一电荷存储区和第三电荷存储区中的光生电子同时转移到第一浮置扩散区7中经读出电路读取，将第二电荷存储区和第四电荷存储区中的光生电子同时转移到第二浮置扩散区8中经读出电路读取。通过上下两行的感光区共用浮置扩散区和读取电路，不仅增大了像素的填充系数，在物理层面实现了像素合并，还进一步提高了单个浮置扩散区的满阱容量(full well capacity，FWC)，获得了更好的一致性(uniformity)，减少因工艺误差导致的非一致性。
飞行时间传感单元还可以通过更多感光区共用同一浮置扩散区的方式，进一步增大像素的填充系数。在图3中，示出了又一实施例的飞行时间传感单元部分结构的俯视图。在该实施例中，四个感光区共享同一个浮置扩散区，每个感光区各自有其对应的解调栅和电荷存储区。感光区101，感光区102，感光区201和感光区202中产生的光生电子，可以分别通过其对应的解调栅401，解调栅301，解调栅601和解调栅501分别转移到各自对应的电荷存储区后，最终转移到共用的浮置扩散区701中经读出电路读取；感光区102，感光区103，感光区202和感光区203中产生的光生电子，可以分别通过其对应的解调栅402，解调栅302，解调栅602和解调栅502分别转移到各自对应的电荷存储区后，最终转移到共用的浮置扩散区702中经读出电路读取；感光区103，感光区104，感光区203和感光区204中产生的光生电子，可以分别通过其对应的解调栅403，解调栅303，解调栅603和解调栅503分别转移到各自对应的电荷存储区后，最终转移到共用的浮置扩散区703中经读出电路读取。在该实施例中，由于多个感光区共用浮置扩散区，传感单元不仅可以工作在逐行读取模式或像素合并模式，还可以工作在更多的工作模式中。例如在逐行读取模式时，可以先分别通过浮置扩散区701依次先后读取解调栅401和301的对应电荷存储区中的电荷，再等待读取下一行时，依次先后读取解调栅601和501的对应电荷存储区中的电荷。而在像素合并模式时，可以先分别通过浮置扩散区701同时读取解调栅401和601的对应电荷存储区中的电荷，再同时读取解调栅301和501的对应电荷存储区中的电荷。更进一步的，甚至可以通过浮置扩散区701同时读取解调栅401，301,501和601的对应电荷存储区中的电荷，再通过浮置扩散区702同时读取解调栅402，302，502和602的对应电荷存储区中的电荷，来实现飞行时间传感单元中光生电子的解调。由于增加了感光区的数量，使得满阱容量得到了进一步的提升。
在又一实施例中，电荷存储区上方还可以对应设置存储栅，从而加速光生电子的转移速度。例如，解调栅401对应的电荷存储区上方还可以对应设置存储栅1001，解调栅301对应的电荷存储区上方还可以对应设置存储栅901，解调栅601对应的电荷存储区上方还可以对应设置存储栅1201，解调栅501对应的电荷存储区上方还可以对应设置存储栅1101。
在又一实施例中，还可以分别在电荷存储区和浮置扩散区之间设置控制光生电子转移和读出的转移栅。例如，解调栅401对应的电荷存储区与浮置扩散区701之间可以设置转移栅141；解调栅301对应的电荷存储区与浮置扩散区701之间可以设置转移栅131；解调栅601对应的电荷存储区与浮置扩散区701之间可以设置转移栅161；解调栅501对应的电荷存储区与浮置扩散区701之间可以设置转移栅151。
更进一步地，还可以通过多个传感单元之间共用至少一个浮置扩散区来实现感光区的合并。例如可以直接通过将多个如图1中所示的传感单元共用浮置扩散区，即可更进一步实现感光区的合并。
本发明还公开了一种图像传感器，包括光源、相关双采样模块、时序控制电路、读取电路以及传感阵列。所述传感阵列包括前述实施例中的传感单元。多个传感单元之间可以共用至少一个浮置扩散区。
作为可选的实施例，还可以通过读出电路的同时读取来实现更多感光区的合并。例如，在图3的传感单元中，读出电路可以在一个读取时段，同时读取浮置扩散区701和703中的电荷，从而实现了感光区101，102，103，104，201，202，203和204的合并；在下一个读取时段，读出电路同时读取浮置扩散区702和704中的电荷，实现飞行时间传感单元中光生电子的解调。
本发明还公开了一种飞行时间传感单元的解调方法，包括以下步骤：将多个感光区产生的光生电子按时序分别转移到每个感光区对应的多个电荷存储区中。多个感光区分别对应的至少一个电荷存储区中的光生电子，均是经同一个浮置扩散区被读出电路读出；多个感光区分别对应的另外至少一个电荷存储区中的光生电子，均是经另一个浮置扩散区被读出电路读出。不同感光区产生的光生电子可分步转移到浮置扩散区并逐个被读出电路在读出，也可同步转移到浮置扩散区并同时被读出电路在读出。示例性地，当不同感光区分布在传感阵列的不同行时，可以采用逐行读出的方式通过同一读出电路和浮置扩散区，分步、分时地逐行读出每行传感单元各自产生的光生电子；也可以同步、同时地读出不同行中传感单元产生的光生电子，从而实现像素合并的技术效果。
同时，也可使用读出电路同一时刻读出单个/多个浮置扩散区中的电荷，来进一步实现像素合并的技术效果。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (13)

1.一种飞行时间传感单元，其特征在于，包括：第一感光区和第二感光区，还包括解调第一感光区中光生电子的第一解调栅和第二解调栅，以及解调第二感光区中光生电子的第三解调栅和第四解调栅；所述第一解调栅、所述第二解调栅、所述第三解调栅和所述第四解调栅分别用于将感光区产生的光生电子转移到第一电荷存储区、第二电荷存储区、第三电荷存储区和第四电荷存储区中；存储在第一电荷存储区和第三电荷存储区中的光生电子，均是经第一浮置扩散区被读出电路读出；存储在第二电荷存储区和第四电荷存储区中的光生电子，均是经第二浮置扩散区被读出电路读出。
2.根据权利要求1所述的一种飞行时间传感单元，其特征在于，还包括分别设置于第一电荷存储区、第二电荷存储区、第三电荷存储区和第四电荷存储区上方的第一存储栅、第二存储栅、第三存储栅和第四存储栅。
3.根据权利要求1所述的一种飞行时间传感单元，其特征在于，还包括在第一电荷存储区和第一浮置扩散区之间设置的第一转移栅，在第二电荷存储区和第二浮置扩散区之间设置的第二转移栅，在第三电荷存储区和第一浮置扩散区之间设置的第三转移栅，在第四电荷存储区和第二浮置扩散区之间设置的第四转移栅。
4.根据权利要求1所述的一种飞行时间传感单元，其特征在于，所述飞行时间传感单元根据控制信号工作在逐行读取模式或像素合并模式。
5.根据权利要求4所述的一种飞行时间传感单元，其特征在于，所述飞行时间传感单元工作在逐行读取模式时，读出电路逐行读出存储在各电荷存储区中的光生电子，即读出电路读取完第一感光区产生的光生电子后，再开始读取第二感光区产生的光生电子。
6.根据权利要求4所述的一种飞行时间传感单元，其特征在于，所述飞行时间传感单元工作在像素合并模式时，读出电路同时读出同一浮置扩散区连接的上下两个电荷存储区中存储的光生电子。
7.根据权利要求1所述的一种飞行时间传感单元，其特征在于，还包括其他至少一个感光区，以及所述其他至少一个感光区对应的解调栅和电荷存储区；所述其他至少一个感光区产生的全部/部分光生电子，也是经所述第一浮置扩散区和/或第二浮置扩散区被读出电路读出。
8.根据权利要求1所述的一种飞行时间传感单元，其特征在于，所述飞行时间传感单元与另一飞行时间传感单元共用至少一个浮置扩散区。
9.一种传感器，包括光源、相关双采样模块、时序控制电路、读取电路以及传感阵列，其特征在于，所述传感阵列包括如权利要求1-8中之一所述的传感单元。
10.根据权利要求9所述的一种传感器，其特征在于，所述读出电路同一时刻读出单个/多个浮置扩散区中的电荷。
11.一种采用如权利要求1-8之一所述的飞行时间传感单元的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：将多个感光区产生的光生电子按时序分别转移到每个感光区对应的多个电荷存储区中；多个感光区分别对应的至少一个电荷存储区中的光生电子，均是经同一个浮置扩散区被读出电路读出；多个感光区分别对应的另外至少一个电荷存储区中的光生电子，均是经另一个浮置扩散区被读出电路读出。
12.根据权利要求11所述的飞行时间传感单元的解调方法，其特征在于，不同感光区产生的光生电子，分步转移到浮置扩散区并逐个被读出电路在读出，或同步转移到浮置扩散区并同时被读出电路在读出。
13.根据权利要求11所述的飞行时间传感单元的解调方法，其特征在于，读出电路同一时刻读出单个/多个浮置扩散区中的电荷。
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