ES2901214T3 - Compensación de incertidumbre de tensión de lectura en píxeles de imagen de tiempo de vuelo - Google Patents

Abstract

Una disposición de píxeles (300) configurada para ser incluida en un sensor de tiempo de vuelo (121), teniendo la disposición de píxeles una arquitectura de muestreo diferencial analógico doble correlacionado (DADCS) que comprende: una estructura diferencial de píxeles (300), comprendiendo cada píxel un elemento sensor de polisilicio (311) configurado para establecer cargas relacionadas con la luz incidente durante una fase de medición; un elemento de almacenamiento de carga (315) configurado para acumular cargas integradas de la fase de medición transferida desde el elemento sensor de polisilicio; un nodo de difusión (318) configurado para establecer una tensión de medida representativa de unas de las cargas integradas establecidas durante la fase de medida que se descargan del elemento de almacenamiento de carga; y circuito de salida de dominio analógico (640) que comprende un elemento de capacitancia de medición (642) que almacena la tensión de medición, y un elemento de capacitancia de reinicio (641) que almacena una tensión de reinicio establecida en el nodo de difusión durante una fase de reinicio realizada antes de la fase de medición; el circuito de salida de dominio analógico configurado para restar (643) la tensión de reinicio almacenada en el elemento de capacitancia de reinicio de la tensión de medición almacenada en el elemento de capacitancia de medición para establecer un resultado compensado que reduce al menos parcialmente la incertidumbre de la tensión de lectura de cada píxel, y proporciona la resultado compensado para procesar (647) en una tensión de salida de píxel derivado diferencialmente con al menos un resultado compensado adicional asociado con un elemento sensor de polisilicio adicional (321) de la estructura de píxel diferencial durante una fase de medición asociada un elemento de puerta de polarización (314) que establece un potencial de polarización entre el elemento sensor de polisilicio y el elemento de almacenamiento de carga para proporcionar una vía para la transferencia de al menos una porción de las cargas establecidas en el elemento sensor de polisilicio al elemento de almacenamiento de carga y reducir una cantidad de las cargas transferidas al elemento de almacenamiento de carga para que regresen al elemento sensor de polisilicio; y un elemento de puerta de transferencia, basado en la activación, establece un potencial de transferencia entre al menos el elemento de almacenamiento de carga y el nodo de difusión para volcar las cargas integradas almacenadas en el elemento de almacenamiento de carga al nodo de difusión.

Description

DESCRIPCIÓN

Compensación de incertidumbre de tensión de lectura en píxeles de imagen de tiempo de vuelo

Antecedentes

Los sensores de imágenes digitales se emplean en muchos dispositivos y sistemas para capturar imágenes, como en cámaras digitales. Los sensores de imágenes emplean grandes conjuntos de semiconductores de píxeles de detección que pueden comprender dispositivos de carga acoplada (CCD) o

dispositivos semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS), entre otros. Los sensores de imágenes se pueden configurar para capturar un rango del espectro electromagnético que abarca los rangos de luz visible e infrarroja.

Se pueden emplear sensores de imágenes especializados en sistemas de cámaras de tiempo de vuelo (de ToF o TOF). Los dispositivos de detección de ToF comparten algunos aspectos de los sensores de longitud de onda visible, como los sensores de imágenes RGB, pero también tienen algunas características únicas. Las cámaras de ToF miden una representación tridimensional de una escena mediante la emisión de luz que se sincroniza con precisión para la medición o detección mediante un sensor de imágenes. Algunos sistemas de ToF utilizan una estructura de píxeles diferencial dentro de una matriz integrada de píxeles que puede detectar la luz incidente durante las fases de detección asociadas. Estas cámaras de ToF se pueden emplear en aplicaciones en las que es útil identificar profundidades relativas entre objetos en una escena, como dispositivos de juegos interactivos, dispositivos de realidad virtual, dispositivos de realidad aumentada, controles industriales, escáneres médicos u otros dispositivos.

La Solicitud de patente de Estados Unidos n.° US2013/0020463A1 divulga un método para operar un sensor de imagen, se muestrea una tensión de ruido de una región de difusión flotante después de que se aplica una tensión de reinicio a la región de difusión flotante. Una región de almacenamiento, en la que se almacena una fotocarga, se conecta eléctricamente a la región de difusión flotante después de muestrear la tensión de ruido, y se muestrea una tensión de demodulación de la región de difusión flotante después de que la región de almacenamiento y la región de difusión flotante estén conectadas eléctricamente. Una tensión se determina basándose en la tensión de ruido y la tensión de demodulación.

La Solicitud de patente de Estados Unidos n.° US2014/0198183A1 muestra un píxel de detección de profundidad incluido en un sensor de imagen tridimensional (3D) que incluye: un dispositivo de conversión fotoeléctrica configurado para generar una carga eléctrica convirtiendo la luz modulada reflejada por un sujeto; un transistor de captura, controlado por una señal de captura aplicada a la puerta del mismo, estando conectado el dispositivo de conversión fotoeléctrica al drenaje del mismo; y un transistor de transferencia, controlado por una señal de transferencia aplicada a la puerta del mismo, estando conectada la fuente del transistor de captura al drenaje del mismo, y conectándose una región de difusión flotante a la fuente del mismo.

La Solicitud de patente de Estados Unidos US2013/0292548A1 divulga un sensor de imagen con una película fotoeléctrica orgánica para convertir la luz en carga. El sensor de imagen puede incluir una matriz de píxeles del sensor de imagen. Cada píxel del sensor de imagen puede incluir un diodo con clavija de integración de carga que recoge la carga fotogenerada de la película fotoeléctrica durante un período de integración. Se puede acoplar un electrodo de ánodo a una región de inyección de carga n+ dopada en el diodo con clavija de integración de carga y se puede usar para transportar la carga fotogenerada desde la película fotoeléctrica al diodo con clavija de integración de carga. Una vez completado un ciclo de integración de carga, se puede pulsar una primera puerta de transistor de transferencia para mover la carga desde el diodo con clavija de integración de carga a un diodo con clavija de almacenamiento de carga. La carga se puede transferir desde el diodo de almacenamiento de carga a un nodo de difusión flotante para lectura pulsando una puerta de un segundo transistor de transferencia de carga.

La Solicitud de patente de Estados Unidos n.° US2016/0150175A1 describe que un sensor de imagen puede estar provisto de una matriz de píxeles de sensor de imagen formados sobre un sustrato que tiene superficies frontal y posterior. Cada píxel puede tener un fotodiodo que recibe luz a través de la superficie posterior, un nodo de difusión flotante, una puerta de transferencia de carga y una primera y segunda puertas de transistor de reinicio. Un transistor seguidor de fuente puede tener una puerta acoplada al nodo de difusión flotante y una fuente acoplada a un transistor de direccionamiento. El píxel puede estar acoplado a un amplificador de retroalimentación de columna a través del transistor de direccionamiento y una ruta de restablecimiento de retroalimentación de columna. El amplificador puede proporcionar una tensión de compensación de ruido de reinicio de kTC a los transistores de reinicio para su almacenamiento en un condensador de retención acoplado entre la difusión flotante y un terminal de drenaje del seguidor de fuente. La difusión flotante puede estar limitada en la superficie frontal por la puerta de transferencia, la puerta de reinicio y las regiones dopadas de tipo p.

La Solicitud de patente de Estados Unidos n.° US2014/0077062A1 divulga un sensor de imagen iluminado en el lado posterior que puede estar provisto de una matriz de píxeles de sensor de imagen. Cada píxel del sensor de imagen puede incluir un sustrato que tiene una superficie frontal y una superficie posterior. Los píxeles del sensor de imagen pueden tener una región de almacenamiento de carga formada en la superficie posterior y un nodo de lectura de carga formado en la superficie frontal del sustrato. Los píxeles del sensor de imagen pueden recibir luz de imagen en la superficie trasera del sustrato. La carga fotogenerada puede acumularse en la región de almacenamiento de carga durante un ciclo de integración de carga. Una vez completado el ciclo de integración de carga, una puerta de transferencia formada en la superficie frontal puede pulsarse alto para mover la carga desde la región de almacenamiento de carga al nodo de lectura de carga. La carga se puede convertir a una tensión en el nodo de lectura de carga y se puede leer usando un modo de lectura de persiana enrollable.

Visión de conjunto

Los aspectos de la presente invención son los definidos en las reivindicaciones adjuntas.

Se presentan disposiciones de píxeles en sensores de tiempo de vuelo que incluyen elementos sensores que establecen cargas relacionadas con la luz incidente, elementos de almacenamiento de carga que acumulan cargas integradas transferidas desde los elementos sensores y nodos de difusión configurados para establecer tensiones de medición representativas de las cargas integradas que se descargan de los elementos de almacenamiento de carga. La disposición de píxeles incluye un circuito de salida de dominio analógico que comprende un elemento de capacitancia de medición que almacena la tensión de medición y un elemento de capacitancia de reinicio que almacena una tensión de reinicio establecida en el nodo de difusión durante una fase de reinicio realizada antes de una fase de medición. El circuito de salida de dominio analógico resta la tensión de reinicio almacenada de la tensión de medición almacenada para procesarla en una tensión de salida de píxel que reduce al menos parcialmente la incertidumbre de la tensión de lectura (como el ruido kTC) de la disposición de píxeles.

Esta descripción general se proporciona para presentar una selección de conceptos en una forma simplificada que se describen con más detalle a continuación en la descripción detallada.

Breve descripción de los dibujos

Muchos aspectos de la divulgación pueden entenderse mejor con referencia a los siguientes dibujos.

La figura 1 ilustra un entorno de cámara de tiempo de vuelo en una implementación.

La figura 2 ilustra un diagrama de sistema de un sistema de detección de tiempo de vuelo en una implementación.

La figura 3 ilustra una vista superior de una estructura de píxeles en una implementación.

La figura 4 ilustra una vista superior de una estructura de píxeles en una implementación.

La figura 5 ilustra una vista en sección transversal de una estructura de píxeles en una implementación.

La figura 6 ilustra ejemplos para operar un sensor de imágenes en una implementación.

La figura 7 ilustra las etapas para operar un sensor de imágenes en una implementación.

La figura 8 ilustra un controlador de ejemplo adecuado para implementar cualquiera de las arquitecturas, procesos, métodos y escenarios operativos divulgados en el presente documento.

Descripción detallada

Los sensores de imágenes, como los sensores de imágenes de longitud de onda visible rojo-verde-azul (RGB), los sensores de imágenes bidimensionales (2D) y los sensores de imágenes tridimensionales (3D) basados en el tiempo de vuelo (ToF), han encontrado varias aplicaciones en productos de consumo, automatización industrial, imágenes médicas, asistencia para la conducción de automóviles, imágenes científicas, sistemas de realidad virtual, sistemas de realidad aumentada, así como consolas de juegos y otras áreas relacionadas. Por ejemplo, los sensores de ToF pueden entregar imágenes en 3D mediante el uso de iluminación activa temporizada con precisión para la medición, así como estructuras de píxeles diferenciales especializadas. Aunque los sistemas de formación de imágenes de ToF pueden emplear varias longitudes de onda de luz, en muchos de los ejemplos de la presente se discutirá la luz infrarroja (IR). Debe entenderse que se pueden emplear otras longitudes de onda de luz.

La demanda de sensores de imagen de alta resolución (es decir, más píxeles por unidad de área) y sensores de ToF está aumentando debido a productos emergentes como dispositivos de entrada de detección de movimiento, dispositivos de realidad aumentada y dispositivos de realidad virtual. Además de las preocupaciones sobre la resolución, los tamaños de los sensores de imágenes asociados también han disminuido para reducir las limitaciones del empaquetado físico y reducir el consumo de energía. Dado que los sensores de formación de imágenes de varios tipos disminuyen de tamaño, estas reducciones de tamaño a veces se logran mediante un tamaño de característica más bajo de las estructuras individuales formadas sobre los sustratos semiconductores. Sin embargo, la reducción del tamaño de las características puede afectar las limitaciones debido al aumento del ruido en las estructuras de detección utilizadas para detectar la luz, especialmente en las estructuras diferenciales utilizadas en los sensores de ToF.

Cuando se restablece un píxel de un sensor de imágenes, puede haber una incertidumbre en la tensión de restablecimiento final del píxel. Se puede demostrar que la incertidumbre de tensión a la que se restablece el píxel IfcT

antes de una etapa de integración es incertidumbre = v c , donde C es la capacitancia de lectura del píxel, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta del sensor de imagen medida en Kelvin. Esta incertidumbre llamada "ruido kTC" puede dar lugar a ruido en las imágenes capturadas porque el valor final leído del píxel es la suma de la carga recolectada y el valor de reinicio inicial. Además, la incertidumbre aumenta a medida que los píxeles se reducen y C se vuelve más pequeño. Los tamaños de píxel pequeños pueden sufrir un alto ruido de kTC debido a las pequeñas capacidades de lectura asociadas.

Para mejorar la incertidumbre causada por el ruido kTC, una tensión de reinicio (V) del píxel (Vreinicio) se mide después de restablecer el píxel. Luego de un proceso de integración que recolecta carga relacionada con la luz capturada, un valor Vintegración está presente en el píxel. La señal integrada por el píxel puede entonces determinarse mediante Vseñal = Vintegración - Vreinicio. En algunos ejemplos, esta operación reduce el ruido de kTC en el dominio digital mediante el uso de procesos ADC adicionales (para Vreinicio) y memoria adicional para almacenar el valor Vreinicio digitalizado durante el proceso de integración. Sin embargo, el uso de procesos ADC adicionales puede agregar complejidad, someter los datos de píxeles resultantes a ADC adicional o ruido del amplificador, así como a limitaciones en el rango dinámico de cualquier circuito ADC asociado, en parte porque Vreinicio puede variar y consumir el rango dinámico diferencial de los circuitos asociados. Este proceso puede denominarse muestreo digital de doble correlación (DDCS).

Los píxeles de diodo fijados se utilizan a menudo como fotodetectores en píxeles que no son de ToF. Sin embargo, los diodos fijados no se adaptan bien a los píxeles de ToF. Sin embargo, se pueden aplicar varias técnicas de reducción de ruido a estos píxeles que no son de ToF. Por ejemplo, se puede emplear una estructura de píxeles de 4T en sensores de imágenes no de ToF para reducir el ruido de ADC y evitar algunos gastos generales de ADC. En el píxel de 4T, las cargas se almacenan en un elemento de diodo fijo que puede drenarse por completo. Durante los procesos de integración, el diodo fijo acumula cargas relacionadas con la luz incidente. Las cargas de los diodos fijos se vierten luego en una difusión flotante para su lectura, incluso si ha pasado un período de tiempo después de que la carga se haya acumulado en el diodo fijado. Después del proceso de integración, esta difusión flotante se puede restablecer inmediatamente antes de que se descarguen las cargas del diodo fijo y se muestree el valor de restablecimiento Vreinicio de la difusión flotante. Después de descargar las cargas del diodo fijo, la tensión de difusión flotante se convierte en Vintegración. Esta tensión de Vintegración se puede restar del Vreinicio muestreado inmediatamente antes para producir Vseñal = Vintegración - Vreinicio. En un píxel sin esta función, Vreinicio se adquiere antes de la integración y debe almacenarse digitalmente en un dispositivo de memoria u otro elemento de almacenamiento digital. Sin embargo, en este caso, Vintegración y Vreinicio se pueden muestrear después del proceso de integración y en rápida sucesión para que Vintegración y Vreinicio se puede restar en el dominio analógico y no necesita memoria digital o un proceso de conversión a Dc adicional. Este proceso puede denominarse muestreo analógico de doble correlación (ADCS). Otras mejoras al píxel 4T pueden incluir agregar un reinicio global para establecer un píxel 5T. Cuando se activa la función de reinicio global, el píxel deja de acumular carga en respuesta a la luz incidente y, en su lugar, drena cualquier carga asociada a una fuente de tensión. Las características adicionales incluyen funciones de obturador global que permiten la captura de un cuadro completo de píxeles, en lugar de un obturador progresivo o rodante de otros sistemas.

Sin embargo, los píxeles DDCS, los píxeles 4T con ADCS o los píxeles 5T que utilizan diodos fijos no se pueden utilizar fácilmente en muchos tipos de sistemas de ToF. Los diodos fijados se utilizan como mecanismo de recolección de fotocarga en sistemas que no son de ToF y pueden ocupar sustancialmente todo el píxel. Sin embargo, los diodos con clavijas generalmente no son adecuados para los mecanismos de recolección de fotocarga para aplicaciones de ToF porque los diodos con clavijas no se pueden modular fácilmente para la eficiencia de recolección de carga de una manera diferencial. Además, los diodos con clavijas son menos que ideales en la capacidad de almacenamiento de carga para aplicaciones de ToF, debido en parte a los tamaños relativamente más grandes para una capacitancia dada y configuración diferencial de estructuras de fotodetección en aplicaciones de ToF.

Los píxeles de ToF pequeños pueden sufrir un alto ruido de kTC debido en parte a las pequeñas capacidades de lectura asociadas. Ejemplos de técnicas de compensación de ruido de kTC incluyen muestreo digital doble correlacionado 'diferencial' DDDCS, que es una extensión de DDCS. El DDDCS utiliza una memoria digital para almacenar píxeles de ToF operados diferencialmente, como los dispositivos de memoria descritos anteriormente, para almacenar valores Vreinicio hasta que se midan al menos las señales de Vintegración. Sin embargo, una memoria digital no es deseable debido al aumento de los circuitos, el consumo de energía y la complejidad para incluir suficiente memoria digital para una matriz de imágenes completa.

Por tanto, los ejemplos del presente documento presentan efectos técnicos mejorados en píxeles de ToF que reducen al menos el ruido kTC en píxeles de ToF diferenciales. Los ejemplos del presente documento proporcionan la capacidad de muestreo diferencial analógico doble correlacionado (DADCS) a un píxel de ToF diferencial. Estas mejoras también reducen la cantidad de procesos de conversión de ADC requeridos, la cantidad de memoria digital requerida, así como los inconvenientes asociados con un mayor número de piezas, ruidos de piezas, consumos de energía y complejidad, al tiempo que se logra una reducción en el ruido de kTC. Los ejemplos en el presente documento realizan mediciones de ToF diferencial y reducción de ruido de kTC sin la necesidad de 2 conversiones ADC durante una lectura de un píxel de ToF diferencial y sin la necesidad de una memoria digital para la lógica de sustracción realizando operaciones de doble correlación en el dominio analógico. Esto da como resultado una serie de efectos y ventajas técnicas, como la reducción en el consumo de energía del ADC, la mejora en el rendimiento del ADC, la mejora en las contribuciones de ruido del ADC y la eliminación de compensaciones diferenciales entre los lados diferenciales de un píxel que pueden aprovechar los rangos dinámicos de los circuitos asociados sin circuitería de cancelación de compensación adicional.

Como primer ejemplo que puede emplear las estructuras de píxeles mejoradas y los sensores de formación de imágenes de ToF aquí descritos, se presenta la figura 1. La figura 1 es un diagrama de sistema que ilustra el entorno de la cámara de ToF 100. El entorno 100 incluye el sistema de cámara de tiempo de vuelo 110 y elementos de escena 101-102. Se muestra una vista detallada del sistema de cámara de ToF 110 que incluye el emisor 120, el sensor de ToF 121 y los circuitos de procesamiento de ToF 122 montados en una o más placas de circuitos 123. El sistema de cámara de ToF 110 se comunica con sistemas externos a través del enlace de comunicación 125. En algunos ejemplos, los elementos del emisor 120 y los circuitos de procesamiento de imágenes se incluyen en el sensor 121.

En funcionamiento, el sistema de cámara de ToF 110 emite luz 111 usando el emisor 120 para iluminar elementos en la escena 103, tales como elementos de escena 101-102. La luz 111 se refleja en los objetos y elementos de la escena 103 y es recibida como luz 112 reflejada por el sensor 121. El sensor 121 podría configurarse para detectar objetos y elementos en la escena iluminados por la luz reflejada 112, o en su lugar detectar objetos y elementos en la escena iluminados por la luz ambiental 113. El sensor 121 puede detectar luz usando una matriz de píxeles en un sustrato semiconductor del sensor 121. Una vez que el sensor 121 detecta la luz asociada, los datos de píxeles representativos de esta luz detectada se proporcionan al circuito de procesamiento de ToF 122 que procesa los datos de píxeles para determinar una o más imágenes, que podrían comprender un mapa de profundidad de la escena resultante de la iluminación.

Volviendo a los elementos de la figura 1, el emisor 120 puede comprender uno o más emisores de luz, tales como diodos emisores de luz (LED), emisores láser, emisores de diodos láser, VCEL u otros componentes. El emisor 120 también puede incluir varios circuitos de excitación configurados para proporcionar energía al emisor 120 y sincronizar la emisión de luz con las señales de temporización proporcionadas por los circuitos de procesamiento de ToF 122.

El sensor 121 comprende una matriz de píxeles formados en un sustrato semiconductor, junto con el controlador, la potencia y los circuitos de salida asociados. Los píxeles individuales pueden incorporar técnicas y estructuras de semiconductores que se encuentran en píxeles CCD o píxeles CMOS, entre otras técnicas y elementos de detección de luz basados en semiconductores. En las figuras 3-7 del presente documento se comentarán más ejemplos del sensor 121.

El enlace 125 comprende uno o más enlaces de comunicación alámbricos o inalámbricos para comunicarse con sistemas externos, tales como dispositivos informáticos, microprocesadores, servidores, dispositivos de red, dispositivos de teléfonos inteligentes u otros sistemas de procesamiento. El enlace 125 puede transportar datos de imágenes y datos relacionados, determinados por el sistema de cámara de ToF 110, o puede transportar comandos e instrucciones transferidos por un sistema de control externo. El enlace 125 puede comprender una interfaz de bus serie universal (USB), una interfaz de interconexión de componentes periféricos Express (PCIe), una interfaz inalámbrica, un enlace inalámbrico IEEE 802.15 (Bluetooth), un enlace inalámbrico IEEE 802.11 (WiFi), una interfaz de medios directa (DMI), una interfaz Ethernet, interfaz de red, interfaz en serie, interfaz de datos en paralelo u otra interfaz de comunicación o datos, incluidas combinaciones, variaciones y mejoras de estos.

Para ilustrar más los elementos de la figura 1 y proporcionar una vista detallada de un ejemplo de sistema de cámara de ToF, se presenta la figura 2. La figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra el sistema 200 de detección de ToF. Los elementos del sistema 200 se pueden incorporar a los elementos del sistema de cámara de ToF 110. La figura 2 incluye el objeto de interés 201 dentro de una escena que es fotografiada por el sistema 200 para identificar la información de ToF para al menos el objeto 201 y proporcionar esta información al sistema externo 250 a través del enlace de comunicación 251. La información de ToF, como una señal de ToF, puede comprender una señal proporcional a un desplazamiento de fase entre los pulsos de luz emitidos detectados y una señal de referencia. La señal de ToF se puede utilizar para determinar distancias a objetos en una escena, como el objeto 201, desde el que se refleja la luz emitida. Aunque la luz infrarroja (IR) se analiza en la figura 2, debe entenderse que se pueden emplear otras longitudes de onda de luz adecuadas.

El sistema 200 incluye el emisor de infrarrojos 210, el modulador de radiofrecuencia (RF) 211, el controlador 212, la óptica 220, el sensor 221 y el módulo de fase 222. El modulador de RF 211 comprende un oscilador de sistema que genera la señal de modulación de RF 240 y es controlado por el controlador 212 a través del enlace 231. La señal de modulación de RF 240 se proporciona al emisor de IR 210 a través del enlace 230 para su emisión como luz de IR 203. La luz IR emitida 203 se modula de acuerdo con la señal de modulación RF 240 mediante el emisor IR 210 e ilumina el objeto 201.

Experimentando un retardo de tiempo de vuelo, la luz infrarroja 203 reflejada de retrodispersión es recibida por la óptica 220 y proporcionada a través de la trayectoria óptica 236 sobre el sensor 221. El sensor 221 incluye al menos un píxel o una matriz de píxeles. El modulador de RF 211 transfiere simultáneamente una señal de referencia como señal de modulación de RF 240 a través del enlace 232 al módulo de fase 222. El módulo de fase 222 es controlado por el controlador 212 a través del enlace 234. El módulo de fase 222 demodula los datos de píxeles recibidos sobre 233 utilizando el sistema de modulación de RF 240 como base para el procesamiento de fase.

Volviendo a los elementos de la figura 2, el emisor de IR 210 puede comprender un diodo emisor de luz, un láser de diodo u otro emisor de luz IR que se puede modular de acuerdo con la señal de modulación de RF 240. El modulador de RF 211 comprende varios circuitos para generar una señal de RF modulada en base a las instrucciones de control del controlador 212. El modulador de RF 211 puede incluir osciladores de cristal, circuitos de generación de reloj, circuitos de bucle de bloqueo de fase (PLL) u otros circuitos de modulación. El módulo de fase 222 comprende un circuito comparador de fase que puede producir cambios de fase entre la señal de modulación de RF 240 y una señal enviada por el enlace 233 desde el sensor 221 para su uso en la determinación de una señal de tiempo de vuelo (ToF). En algunos ejemplos, el modulador de RF 211 y el módulo de fase 222 se combinan en un módulo de circuito único. El sensor 221 comprende un sensor de luz IR utilizado para determinar la información de ToF del objeto 201. El sensor 221 incluye elementos discutidos en el presente documento para las diversas matrices de píxeles y arquitecturas de píxeles. La óptica 220 puede comprender elementos de interfaz óptica que pueden pasar y enfocar al menos luz IR. La óptica 220 puede incluir prismas, adhesivos ópticos, lentes, espejos, difusores, fibras ópticas y similares, para acoplar ópticamente la luz incidente sobre el sensor 221. Los enlaces 230-235 pueden comprender enlaces cableados o inalámbricos para interconectar los módulos asociados de la figura 2. Cuando se combinan en una o más placas de circuito impreso, los enlaces 230-235 pueden comprender trazas de circuito impreso.

El controlador 212 puede incluir interfaces de comunicación, interfaces de red, sistemas de procesamiento, sistemas informáticos, microprocesadores, sistemas de almacenamiento, medios de almacenamiento o algunos otros dispositivos de procesamiento o sistemas de software, y se puede distribuir entre múltiples dispositivos. Los ejemplos de controlador 212 pueden incluir software tal como un sistema operativo, registros, bases de datos, utilidades, controladores, software de almacenamiento en caché, software de red y otro software almacenado en medios legibles por ordenador no transitorios. En la figura 8 se muestra un ejemplo adicional del controlador 212. El sistema externo 250 puede comprender un dispositivo de red, un dispositivo informático, una plataforma de juego, un sistema de realidad virtual, un sistema de realidad aumentada u otro dispositivo, incluidas las combinaciones de estos. El sistema 200 también puede incluir circuitos y equipos de suministro de energía, gabinetes, elementos de chasis o sistemas de ventilación/enfriamiento, entre otros elementos que no se muestran en la figura 2 para mayor claridad.

La figura 3 ilustra una topología de semiconductores de vista superior para la estructura de píxeles 300. La estructura de píxeles 300 ilustra un 'paso' de un píxel que incluye una estructura de píxeles de ToF diferencial. La estructura de píxeles 300 comprende una estructura de píxeles que puede emplearse en una arquitectura de muestreo diferencial analógico doble correlacionado (DADCS) para compensar al menos parcialmente el ruido de kTC. La estructura de píxeles 300 se puede incluir en una matriz de muchos píxeles para formar un sensor de imagen. Por ejemplo, el sensor de formación de imágenes 370 se muestra en la figura 3 que incluye una matriz de píxeles 371 y un circuito de control de píxeles 372. En la figura 3, se muestra una vista superior de la estructura de píxeles 300, que representa un área de estructura de píxeles única del sensor de formación de imágenes 370. La figura 3 también indica un 'corte' transversal a lo largo de A-A' que se usa en las ilustraciones de vista lateral en las figuras siguientes.

Los píxeles en la estructura de píxeles 300 están configurados para detectar la luz incidente que se propaga a la estructura de píxeles desde la parte superior y hacia la figura. Este ejemplo se conoce como iluminación del lado frontal (FSI). Son posibles otras configuraciones con los píxeles configurados para detectar la luz incidente que se propaga a la estructura de píxeles desde la parte inferior y hacia afuera de la figura, lo que se conoce como iluminación del lado posterior (BSI). Los componentes de filtrado de luz asociados se colocan entre las fuentes de luz y el píxel, es decir, en el lado 'superior' en los ejemplos de FSI y en el lado 'posterior' en los ejemplos de BSI. Para mayor claridad, en la figura 3 no se muestran otras estructuras y elementos de un sensor de imágenes de ToF integrado.

Se emplea un sustrato semiconductor sobre el que se forman diversas estructuras utilizando diversos procesos de fabricación de litografía, tales como grabado, deposición, enmascaramiento, difusión, implantación de iones y similares. Normalmente se utiliza una oblea semiconductora como sustrato, que en este ejemplo es una oblea tipo p etiquetada como 330 en la figura 3. Aunque pueden emplearse obleas de tipo n, los ejemplos del presente documento se centrarán en obleas de tipo p para mayor claridad.

La estructura de píxeles 300 comprende una estructura de píxeles diferencial configurada para detectar la luz para técnicas de tiempo de vuelo u otras aplicaciones. En una implementación de la estructura de píxeles 300, las cargas fotográficas relacionadas con la luz incidente se recogen en los dedos de polisilicio diferenciales 311 y 321. Los dedos de polisilicio 311 y 321 están dispuestos y operados de manera diferencial, con una primera estructura de 'lado A' 310 y una segunda estructura de 'lado B' 320. Aunque son posibles variaciones, los dedos de polisilicio 311 y 321 pueden tener barreras de aislamiento de zanja poco profundas (STI) (319 y 329) formadas entre ambos, y tener un dopaje de tipo p establecido debajo. Las barreras STI pueden reducir la transferencia de carga no deseada entre los dedos de polisilicio 311 y 321 durante los períodos de integración, así como reducir la transferencia de carga de elementos de píxeles adjuntos de la matriz 371.

El lado A 310 incluye elementos 311-319, y el lado B 320 incluye elementos similares 321-329. Los dedos de polisilicio del lado A de la matriz de píxeles 371 se modulan todos con un primer reloj, y los dedos de polisilicio del lado B de la matriz de píxeles 371 se modulan todos con un segundo reloj. Los dedos de polisilicio del lado A y del lado B están típicamente orientados paralelos o antiparalelos entre sí sobre un sustrato semiconductor. La figura 3 muestra una orientación paralela, y la figura 4 muestra una orientación antiparalela del lado A y del lado B. Los ejemplos de la figura 3 se centrarán en las operaciones y estructuras del elemento del lado A, pero debe entenderse que se pueden emplear operaciones y estructuras similares para los elementos del lado B.

Los elementos 311, 313, 314, 315, 317, 321, 323, 324, 325 y 327 comprenden cada uno estructuras con compuertas asociadas de polisilicio (silicio policristalino) en este ejemplo. Los elementos 311, 313, 314, 315, 317, 321, 323, 324, 325 y 327 pueden comprender puertas semiconductoras de óxido metálico (MOS), donde el 'metal' puede ser polisilicio o cualquier material adecuado. Las regiones de óxido de puerta asociadas se pueden incluir debajo de algunos o todos los elementos 311, 313, 314, 315, 317, 321, 323, 324, 325 y 327 de la estructura de píxeles 300, pero no se muestran en la figura 3 para mayor claridad. La figura 5 muestra capas de óxido de puerta de ejemplo. Los óxidos de puerta pueden ser dióxido de silicio o cualquier material dieléctrico adecuado. Durante la fabricación de la estructura de píxeles 300, determinadas áreas de la superficie del sustrato 330 se dopan típicamente con p, lo que dificulta la transferencia de cargas entre los elementos de polisilicio. Preferiblemente, los espacios de polisilicio deben establecerse lo suficientemente pequeños como para ser protegidos sustancialmente por los espaciadores de óxido de polisilicio durante la implantación p si la implantación es después de la deposición de polisilicio en el área de los espacios. Son posibles variaciones basadas en el proceso de litografía o las técnicas de fabricación.

Cada uno de los píxeles individuales comprende fotodetectores individuales. Algunos sensores de imágenes que no son de ToF utilizan píxeles de estilo de sensor de píxeles activos (CMOS), diodos fotosensibles, diodos de fotopuerta o fotodiodos pinados, entre otros fotodetectores. Sin embargo, los diodos fijados y similares no son ideales para usar en píxeles diferenciales/de ToF. En cambio, los píxeles de ToF pueden emplear estructuras de compuerta de polisilicio moduladoras especiales denominadas dedos de polisilicio que se emplean para recolectar fotocargas relacionadas con la luz incidente. Además, para dejar suficiente espacio en un sustrato semiconductor para una serie de estos dedos de polisilicio, las estructuras de manejo de carga y las estructuras de almacenamiento de carga deben tener una configuración más compacta que la que ofrecen los diodos fijos. Para un píxel diferencial como se describe en la figura 3, se emplean dos de tales áreas de recolección de carga fotográfica mantenidas en aislamiento eléctrico. Las cargas se establecen mediante la luz incidente y se almacenan como portadores minoritarios debajo de la puerta de polisilicio asociada, cuya capacidad de carga por unidad de área es mucho mayor que la de un diodo fijo. En el ejemplo de la figura 3, se emplea un sustrato tipo p muy ligeramente dopado, por lo que los portadores minoritarios son electrones (carga negativa) y los portadores mayoritarios son huecos (carga positiva).

Pasando ahora a las operaciones y elementos de la estructura del lado A 310, las cargas del dedo de polisilicio 311 se modulan entre dos tensiones, tales como niveles predeterminados de tensión alta y baja. Cuando un dedo de polisilicio 311 asociado se conduce al nivel de alta tensión, las cargas son recogidas por el dedo de polisilicio 311 relacionado con la luz incidente, y cuando el dedo de polisilicio 311 se conduce al nivel de baja tensión, la carga se transfiere a un elemento de almacenamiento de carga para habilitar el funcionamiento del obturador global, como el elemento de almacenamiento de carga 315 que se muestra en la figura 3. Sin embargo, las cargas una vez transferidas a un elemento de almacenamiento de carga asociado, tal como el elemento de almacenamiento de carga 315, preferiblemente no deberían volver sustancialmente al dedo de polisilicio 311. Para evitar un retorno sustancial de la carga al dedo de polisilicio 311 y permitir que el elemento de almacenamiento de carga 315 capture más cargas, se emplea la puerta de polarización 314.

La puerta de polarización 314 aísla el dedo de polisilicio 311 del elemento de almacenamiento de carga 315. Cuando el dedo de polisilicio 311 está en un Vbajo predeterminado algunas de las cargas se mueven a la puerta de polarización 314 desde donde las cargas se pueden barrer al elemento de almacenamiento de carga 315. Preferiblemente, la puerta de polarización 314 es relativamente pequeña, por lo que la mayoría de las cargas encuentran rápidamente su camino para cargar el elemento de almacenamiento 315 y solo una pequeña fracción vuelve a caer en el dedo de polisilicio 311 cuando el dedo de polisilicio 311 vuelve a un Valto predeterminado. La introducción de la puerta de polarización 314 permite que el condensador recoja cantidades significativas de carga con las tensiones utilizadas en el sistema de ToF. En un sistema de ToF, se prefiere que las cargas se establezcan a partir de la luz incidente solo por el dedo de polisilicio y no por el elemento de capacitancia que es impulsado a una tensión relativamente alto.

El elemento de almacenamiento de carga 315 se puede formar a partir de una estructura MOS. Esta estructura MOS podría comprender una estructura de puerta de polisilicio o metalizada. Para lograr aún más esta operación, el elemento de almacenamiento de carga 315 se puede colocar en un "pozo p" 316 que reduce la entrada de carga de las cargas generadas fuera del pozo p. Por tanto, el pozo p ayuda a aislar el elemento de almacenamiento de carga 315 del resto de los elementos de píxeles. Preferiblemente, el pozo p 316 es un pozo p retrógrado ligeramente dopado cuyo dopaje se ajusta para este propósito. El dopante 'p' puede dificultar la transferencia no deseada de cargas al elemento de almacenamiento de carga 315. Sin embargo, este obstáculo puede superarse mediante un mayor potencial/polarización aplicado al elemento de almacenamiento de carga 315 y una polarización apropiada aplicada al menos a la puerta de polarización 314. Por tanto, el pozo p 316 recibe cargas mediante la polarización apropiada del elemento de almacenamiento de carga 315 y la activación selectiva de la puerta de polarización 314, lo que permite que el elemento de almacenamiento de carga 315 reciba cargas del dedo de polisilicio 311 asociado.

Además, el pozo p puede proteger contra la recolección de luz ambiental debido en parte a la barrera potencial establecida por el pozo p con respecto al sustrato. En otros ejemplos, se puede establecer una barrera de aislamiento de zanja poco profunda (STI) entre el elemento de almacenamiento de carga 315 y el dedo de polisilicio 311 asociado, donde la barrera de STI protege contra cargas que caen inadvertidamente en el dedo de polisilicio 311 desde el elemento de almacenamiento de carga 315. El elemento de almacenamiento de carga 315 subyacente del pozo p puede comprender un pozo de dopante de tipo p en el sustrato de semiconductor 330, donde el pozo de dopante de tipo p comprende un nivel de dopaje de tipo p más alto que el del sustrato 330. Otros elementos de la matriz de píxeles 371 pueden incluirse en estructuras de pozos p, como el circuito de salida 333 o las estructuras de puerta 313-314 y 317. El pozo p 316 puede comenzar en el área del espacio entre las regiones poli/puerta que forman los elementos 314 y 317.

Las estructuras de la figura 3 pueden proporcionar operaciones de obturación global en píxeles de ToF. Específicamente, el elemento de almacenamiento de carga 315 proporciona el almacenamiento de las cargas de integración recibidas del dedo de polisilicio 311. Todos los píxeles de la matriz de píxeles 371 pueden capturar una escena al mismo tiempo, y las cargas fotográficas asociadas se integran y almacenan en elementos de almacenamiento de carga asociados hasta su lectura del píxel. Después del proceso de integración/captura, los cargos a cargo del elemento de almacenamiento 315 se digitalizan finalmente para su uso en aplicaciones de ToF/de formación de imágenes. Sin embargo, antes de que se realice esta digitalización, las cargas acumuladas por el elemento de almacenamiento de carga 315 se convierten primero en una tensión correspondiente, y luego se pueden realizar varias correcciones, correlaciones o compensaciones en las tensiones resultantes. Estas compensaciones incluyen reducciones en la incertidumbre de la tensión de lectura (es decir, ruido kTC) de las disposiciones de píxeles.

Para generar una tensión a partir de la carga acumulada por el elemento de almacenamiento de carga 315, se emplea el nodo de difusión 318. Un cambio de tensión en el nodo de difusión 318 es representativo del número de cargas en el elemento de almacenamiento de carga 315. Un pozo dopante de tipo n (n+) en el sustrato 330 comprende el nodo de difusión 318. Sin embargo, la región n también se puede colocar en un pozo p similar al pozo 316 para reducir la recolección de fotocarga parasitaria por la región n+. Como se señaló anteriormente, las cargas bajo el elemento de almacenamiento de carga 315 son portadoras minoritarias y, por lo tanto, se puede realizar una transferencia de carga relativamente completa al nodo de difusión 318 sin ruido de kTC adicional.

La puerta de transferencia 317 se emplea para aislar al menos el dedo de polisilicio 311 y otros elementos del nodo de difusión asociado 318 utilizado para la lectura. La puerta de transferencia 317 se emplea para transferir selectivamente (es decir, descargar) la carga desde el elemento de almacenamiento de carga 315 al nodo de difusión 318. La puerta de transferencia 317 se conduce a 0 V durante el proceso de integración para evitar que las cargas que se acumulan en el elemento de almacenamiento de carga 315 sean recogidas por el nodo de difusión 318. Durante la lectura de la tensión en el nodo de difusión 318 por el circuito de salida asociado 333, la tensión que acciona la puerta de transferencia 317 se eleva ligeramente por encima de 0 V para permitir la transferencia de carga al nodo de difusión 318.

A la izquierda del dedo de polisilicio 311, se incluye una puerta de reinicio global (GR) 313 opcional, junto con un nodo de difusión dedicado 312 (n+). La puerta GR 313 se emplea para transferir selectivamente la carga acumulada por el dedo asociado 311 a una fuente de tensión acoplada al nodo de difusión 312. Cuando se activa por una tensión asociada o cambio de potencial, la puerta GR 313 permite que la carga acumulada por el dedo asociado 311 fluya al nodo de difusión 312 y finalmente se drene a una fuente de tensión. Esta carga es una carga no deseada acumulada entre las fases de medición de la estructura de píxeles, como la luz ambiental que incide en el dedo de polisilicio 311, y la puerta GR 313 se activa durante las fases de reinicio asociadas para drenar esta carga no deseada del dedo de polisilicio 311. En algunos ejemplos, la puerta GR 313 se emplea en una disposición global de reinicio o anti-floración de la matriz de píxeles 371 que borra o drena cualquier carga latente de los píxeles asociados para una fase de medición más precisa. Este reinicio global puede tener una función anti-floración ya que las cargas se agotan de los píxeles y se reducen los efectos del desbordamiento floreciente debido a la luz ambiental.

La figura 4, estructura de píxeles alternativa 400, como una disposición alternativa de elementos de la estructura de píxeles 300 de la figura 3. La figura 4 también muestra dedos de polisilicio antiparalelos 411, una disposición más compacta en la dirección "izquierda-derecha", pero una disposición menos compacta en la dirección "arriba-abajo". Los elementos de la figura 4, tales como el sensor de imagen 470, la matriz de píxeles 471 y el circuito de control de píxeles 472 funcionan de manera similar a la figura 3.

La figura 4 ilustra una topología de semiconductores de vista superior para la estructura de píxeles 400. La estructura de píxel 400 ilustra un 'paso' de píxel que incluye una estructura de píxel diferencial configurada para realizar operaciones de ToF. La estructura de píxeles 400 comprende una estructura de píxeles que se puede emplear en una arquitectura DADCS, que se puede incluir en una matriz de muchos píxeles para formar un sensor de imagen de ToF. Por ejemplo, el sensor de formación de imágenes 470 se muestra en la figura 4 que incluye una matriz de píxeles 471 y un circuito de control de píxeles 472. En la figura 4, se muestra una vista superior de la estructura de píxeles 400, que representa un área de estructura de píxeles única del sensor de formación de imágenes 470.

En la figura 4, los dedos de polisilicio 411, las puertas de polarización 414, el elemento de capacitancia 415, el pozo p 316 funcionan de manera similar a las contrapartes que se encuentran en la figura 3. Sin embargo, la estructura 400 incluye un nodo de difusión compartido 412 (n+). Este nodo de difusión compartido 312 se comparte entre la puerta de transferencia 417 y la puerta de reinicio global 413 que están asociadas con el mismo dedo de polisilicio. Dado que las activaciones de las puertas 417 y 413 en este ejemplo no son típicamente simultáneas, entonces se puede emplear el nodo de difusión compartido 412 para ahorrar algo de espacio o propiedad inmobiliaria dentro del píxel para cada 'lado' de la estructura de píxeles. El circuito de control 433 puede operar las puertas 417 y 413 en consecuencia para compartir el nodo de difusión 412.

Los materiales y geometrías de los elementos de la estructura de píxeles 300 en la figura 3 y la estructura de píxeles 400 en la figura 4 pueden variar. Se emplean diversas técnicas y materiales de fabricación de semiconductores para las estructuras de píxeles de la presente. Normalmente, los diversos elementos de las estructuras de píxeles comprenden capas epitaxiales de silicio, que pueden ser dopadas o implantadas con iones para formar varias regiones. Se emplean compuertas de polisilicio y se pueden depositar mediante deposición de vapor químico o modelar con fotolitografía y grabar, entre otros procesos. Se pueden cultivar varios óxidos, utilizando técnicas de crecimiento térmico u otros procesos de formación de óxidos.

Como ejemplo adicional del funcionamiento de una estructura de píxeles mejorada, como las que se muestran en las figuras 3 y 4, en la figura 5 se incluye una vista en sección transversal de la estructura de píxeles 500. La estructura de píxeles 500 comprende una estructura de píxeles que se puede emplear en una arquitectura de muestreo diferencial analógico doble correlacionado (DADCS), y se puede incluir en una matriz de muchos píxeles para formar un sensor de imagen. La estructura de píxeles 500 puede comprender una vista en sección transversal A-A' de la figura 3, aunque son posibles otros ejemplos. Para mayor claridad, la figura 5 se centra en la mitad de la estructura diferencial de píxeles que se encuentra en las figuras 3 y 4, con un solo dedo de polisilicio configurado para detectar la luz. Debe entenderse que se pueden incluir otros elementos de píxeles y también se puede emplear una disposición diferencial junto con los elementos de la figura 5. La estructura de píxeles 500 puede configurarse para detectar la luz incidente que se propaga a la estructura de píxeles desde la parte superior de la figura. Este ejemplo se conoce como iluminación del lado frontal (FSI). La estructura de píxeles 500 también puede configurarse para detectar la luz incidente que se propaga a la estructura de píxeles desde la parte inferior de la figura, denominada iluminación del lado posterior (BSI).

Un sustrato semiconductor 510 empleado sobre el cual se forman diversas estructuras usando diversos procesos de fabricación de litografía, tales como grabado, deposición, enmascaramiento, difusión, implantación de iones y similares. Normalmente se utiliza una oblea semiconductora como sustrato, que en este ejemplo es una oblea tipo p etiquetada como 510 en la figura 5. Aunque pueden emplearse obleas de tipo n, los ejemplos del presente documento se centrarán en obleas de tipo p para mayor claridad.

Los elementos 511, 513, 514, 515 y 517 comprenden cada uno estructuras de transistores que tienen compuertas de polisilicio (silicio policristalino) asociadas en este ejemplo. Cada puerta tiene un control asociado o una tensión de activación acoplado al mismo, tal como a través de una interconexión metálica u otras vías conductoras a fuentes de tensión, circuitos de control, circuito de lectura 550 u otros elementos del circuito. La capa de óxido de puerta asociada 540 se incluye debajo de algunos o todos los elementos 511, 513, 514, 515 y 517 de la estructura de píxeles 500. El óxido de puerta puede ser dióxido de silicio o cualquier material dieléctrico adecuado. Durante la fabricación de la estructura de píxeles 500, determinadas áreas de la superficie del sustrato 530 se dopan típicamente con p después de la deposición de polisilicio, lo que dificulta la transferencia de cargas entre los elementos de polisilicio. Preferiblemente, los espacios de polisilicio deben establecerse lo suficientemente pequeños como para estar sustancialmente protegidos por los espaciadores de óxido de polisilicio durante la implantación p si el implante se realiza después de la deposición de polisilicio en las áreas de los espacios.

Las cargas 520 se establecen a partir de la luz incidente mediante el dedo de polisilicio 511 y se recogen debajo del dedo de polisilicio 511. La operación '1' en la figura 5 muestra el establecimiento de carga debajo del dedo de polisilicio 511. En el ejemplo de la figura 5, se emplea un sustrato de tipo p, por lo que los portadores minoritarios son electrones (carga negativa) y los portadores mayoritarios son huecos (carga positiva). El dedo de polisilicio 511 se opera típicamente de forma diferencial junto con otro dedo de polisilicio de otro lado de una estructura de píxeles que no se muestra en la figura 5 para mayor claridad. La figura 6 muestra esta disposición diferencial en funcionamiento. Durante una fase de medición, el dedo de polisilicio 511 se modula mediante Vdedo para establecer dos niveles de potencial diferentes, Vb y Va. La configuración del potencial de superficie debajo de las compuertas de polisilicio se muestra en la figura 5. La polaridad de cada pozo de potencial se indica con un medidor de potencial 590 que indica potenciales relativos de 0 a V. Cabe señalar que el potencial de superficie se denota por V, que normalmente no es igual a una tensión aplicado a una puerta correspondiente debido a las condiciones de 'banda plana' que se encuentran en las estructuras MOS típicas.

Como se mencionó anteriormente, el dedo de polisilicio 511 se modula entre dos tensiones para crear dos potenciales predeterminados Va y Vb debajo del dedo de polisilicio 511. Cuando Vdedo asociado con polisilicio dedo 511 se conduce a Valto, potencial Va se establece por debajo del dedo de polisilicio 511 y las cargas son recogidas por el dedo de polisilicio 511 relacionado con la luz incidente. Cuando Vdedo asociado con polisilicio dedo 511 se conduce a Vbajo, potencial Vb se establece debajo del dedo de polisilicio 511 y las cargas se transfieren a un elemento de almacenamiento de carga, como el elemento de capacitancia de polisilicio 515 que se muestra en la figura 5. La operación '2' en la figura 5 muestra el almacenamiento de carga mediante el elemento de capacitancia 515, también denominado proceso de integración.

Sin embargo, las cargas una vez transferidas al elemento de capacitancia 515, preferiblemente no deberían regresar sustancialmente al dedo de polisilicio 511. Específicamente, si una tensión aplicada al elemento de capacitancia 515, Vcap, C es una capacidad del elemento de capacitancia 515, y Q es la carga recolectada en el elemento de capacitancia 515, se desea una disposición de tensión de Valto < Voap Q/C. Si Valto y Voap ambos están cerca de la misma tensión, como 3,3V, entonces solo se puede almacenar una cantidad relativamente pequeña de carga en el elemento de capacitancia 515.

Para evitar un retorno sustancial de carga al dedo de polisilicio 511 y permitir que el elemento de capacitancia 515 capture más cargas, se emplea la puerta de polarización 514. Las puertas de polarización se pueden usar en disposiciones de píxeles de ToF para aislar los dedos de polisilicio de los nodos de difusión asociados que se usan para la lectura. Sin embargo, las tensiones de polarización empleados para funcionar correctamente en las estructuras de píxeles de ejemplo del presente documento pueden ser del orden de unos pocos cientos de milivoltios diferentes. Por lo tanto, la puerta de polarización 514 se puede polarizar en Vpolarización = Vbajo £ (donde £ puede ser de aproximadamente 100 mv) y Vcap es típicamente 3,3V, por lo que Vbajo < Vpolarización < Voap. Cuando el dedo de polisilicio 511 está en Vbajo algunas de las cargas se mueven a la puerta de polarización 514 desde donde las cargas se pueden barrer al elemento de capacitancia 515. Preferiblemente, la puerta de polarización 514 es relativamente pequeña, por lo que la mayoría de las cargas encuentran rápidamente su camino hacia el elemento de capacitancia 515 y solo una pequeña fracción vuelve a caer en el dedo de polisilicio 511 cuando el dedo de polisilicio 511 vuelve a Valto.

La carga Q que no se recoge en el elemento de capacitancia 515 es Q = (Vcap - Vpolarización - £) * C. Si la puerta de polarización 514 se conduce a aproximadamente 1 V, entonces ventajosamente una carga de Q = 2,2 V*C se puede almacenar en el condensador. Por lo tanto, la introducción de la puerta de polarización permite que el condensador recolecte cantidades significativas de carga con las tensiones utilizadas en el sistema de ToF. En un sistema de ToF, se prefiere que las cargas se establezcan a partir de la luz incidente solo por el dedo de polisilicio y no por el elemento de capacitancia que es impulsado a una tensión relativamente alta.

Para lograr aún más esta operación, el elemento de capacitancia 515 se puede colocar en un "pozo p" 516 que reduce la entrada de carga de las cargas generadas fuera del pozo p. Preferiblemente, el pozo p 516 es un pozo p retrógrado ligeramente dopado cuyo dopaje se ajusta para este propósito. El dopante 'p' puede dificultar la transferencia no deseada de cargas al elemento de capacitancia 515. Sin embargo, este obstáculo puede superarse mediante un mayor potencial/polarización aplicado al elemento de capacitancia 515 y una polarización apropiada aplicada al menos a la puerta de polarización 514. Por tanto, el pozo p 516 recibe cargas mediante la polarización apropiada del elemento de capacitancia 515 y la activación selectiva de la puerta de polarización 514, lo que permite que el elemento de capacitancia 515 reciba cargas del dedo de polisilicio 511 asociado. También se pueden emplear estructuras de microlentes para reducir la cantidad de luz incidente que llega al elemento de capacitancia 515.

Además, el pozo p puede proteger contra la recolección de luz ambiental debido en parte a la barrera potencial establecida por el pozo p con respecto al sustrato. En otros ejemplos, se puede establecer una barrera de aislamiento de zanja poco profunda entre el elemento de capacitancia 515 y el dedo de polisilicio asociado 511, donde la barrera STI protege contra cargas que caen inadvertidamente en el dedo de polisilicio 511 desde el elemento de capacitancia 515, y viceversa. El elemento de capacitancia subyacente del pozo p 515 puede comprender un pozo de dopante de tipo p en un sustrato semiconductor, donde el pozo de dopante de tipo p comprende un nivel de dopaje de tipo p más alto que el sustrato. Se pueden incluir otros elementos de la estructura 500 en las estructuras de pozos p, como los circuitos de salida o las estructuras de puerta 513, 514 y 517. El pozo p 516 puede comenzar en el área del espacio entre las regiones poli/puerta que forman los elementos 514 y 517.

Después de un proceso de integración, el circuito de lectura 550 lee una tensión relacionada con las cargas bajo el elemento de capacitancia 515 para su uso en aplicaciones de formación de imágenes. Una tensión resultante correspondiente a la carga acumulada por el elemento de capacitancia 515 es establecida por el nodo de difusión 518. Un cambio de tensión en el nodo de difusión 518 es representativo del número de cargas en el elemento de capacitancia 515. Una región dopante de tipo n (n+) en el sustrato 530 comprende el nodo de difusión 518. Sin embargo, la región n también se puede colocar en un pozo p similar al pozo 516 para reducir la recolección de fotocarga parasitaria por la región n+. Como se señaló anteriormente, las cargas bajo el elemento de capacitancia 515 son portadoras minoritarias y, por lo tanto, se puede realizar una transferencia de carga relativamente completa al nodo de difusión 518 sin ningún ruido de kTC adicional.

La puerta de transferencia 517 se emplea para transferir selectivamente (es decir, descargar) la carga desde el elemento de capacitancia 515 al nodo de difusión flotante 518. La operación '3' en la figura 5 muestra esta transferencia de carga al nodo de difusión flotante 518. La puerta de transferencia 517 es impulsada a 0 V por Vtransferencia durante el proceso de integración para evitar que las cargas acumuladas en el elemento de capacitancia 515 sean recogidas por el nodo de difusión 518. Durante la lectura de la tensión en el nodo de difusión 518 por el circuito de salida asociado 533, la tensión que impulsa la puerta de transferencia 517 (Vtransferencia) se eleva ligeramente por encima de 0 V para permitir la transferencia de carga al nodo de difusión 518. La operación '4' de la figura 5 ilustra la lectura por el circuito de lectura 550, que se detalla más en la figura 6. Además, la tensión aplicada al elemento de capacitancia 515 puede liberarse de 3,3 V a un valor bajo, como 0 V, durante la transferencia de carga al nodo de difusión 518.

A la izquierda de cada dedo de polisilicio 511, se incluye una puerta de reinicio global (GR) 513, junto con un nodo de difusión dedicado 512 (n+). La puerta GR 513 se emplea para transferir selectivamente la carga acumulada por el dedo asociado 511 a una fuente de tensión acoplada al nodo de difusión 512. Cuando se activa por un cambio de tensión o potencial asociado (Vgr), la puerta GR 513 permite que la carga acumulada por el dedo asociado 511 fluya al nodo de difusión 512 y finalmente se drene a una fuente de tensión (Vdd). Esta carga es una carga no deseada acumulada entre las fases de medición de la estructura de píxeles, como la luz ambiental que incide en el dedo de polisilicio 511, y la puerta GR 513 se activa durante las fases de reinicio asociadas para drenar esta carga no deseada del dedo de polisilicio 511. En algunos ejemplos, la puerta GR 513 se emplea en una disposición global de reinicio o anti-floración de la matriz de píxeles 571 que borra o drena cualquier carga latente de los píxeles asociados para una fase de medición más precisa. La operación '0' ilustra el funcionamiento de la función de reinicio global. Además de la activación de la puerta GR 513 en la operación '0' o una fase de reinicio asociada, el circuito de lectura 550 puede reiniciar el nodo de difusión 518 para drenar la carga asociada a una fuente de tensión (Vdd). Este circuito de reinicio se muestra además en la figura 6.

La puerta GR 513 puede proporcionar capacidades de reinicio global a estructuras de píxeles en un sistema de ToF diferencial. Esta compuerta GR 513 agregada puede proporcionar una ruta de descarga alternativa para un dedo de polisilicio asociado donde las cargas no se descargan en un elemento de capacitancia como se muestra en la figura 5 para lograr una mejor resiliencia a la luz ambiental. La ruta de descarga alternativa se muestra como el nodo de difusión 512 vinculado a Vdd. Cuando se activa, la puerta GR 513 desvía las cargas para que no sean recogidas por el condensador. Para activar la puerta de reinicio, Vdedo ajustado a 1V, Vgr está configurado en 1,1V, Vpolarización y Vtransferencia ambos están configurados a 0V. Durante el período de integración, Vgr se establece en 0. En otra disposición de la estructura de píxeles, como se indica en la figura 4, los nodos de difusión 512 y 518 se pueden compartir porque el nodo de difusión 512 solo necesita estar flotando durante la lectura, y Vgr se establece en 0 durante la lectura, por lo que el nodo de difusión 512 no está activo durante ese tiempo.

La figura 6 comprende una vista del sistema del funcionamiento del sensor de formación de imágenes 670 con la matriz de formación de imágenes 671 y la lógica de control 672. Elementos de la figura 6 relacionados con las operaciones incluidas en la figura 7. Cabe señalar que los elementos de la figura 6 son meramente ejemplares y que se pueden utilizar otras configuraciones de circuito funcionalmente equivalentes. Las operaciones de la figura 7 se identificarán a continuación durante la discusión de la figura 6. Los elementos de la figura 5 se incluyen en la figura 6 junto con un par diferencial para complementar los elementos de la figura 5. En la figura 6, se muestran dos 'lados' de una estructura de píxel diferencial, a saber, el lado A 620 y el lado B 621. Como se menciona en el presente documento, la estructura diferencial de píxeles se puede emplear para obtener imágenes de datos de ToF para escenas presentadas a un sensor de imágenes, como el sensor 670. El lado A 620 y el lado B 621 se muestran en una vista conceptual, con solo porciones de puerta, nodos de difusión y sustratos mostrados junto con la transferencia de carga asociada.

Antes de una fase de integración y medición, se puede realizar un proceso de reinicio para drenar las cargas latentes de varios elementos de las estructuras de píxeles. Este proceso de reinicio puede ser parte de una función de reinicio global para una matriz de píxeles, donde todos los píxeles de la matriz 671 se reinician antes de la medición. La operación 710 indica este reinicio o reinicio global que puede drenar la carga latente de los dedos de polisilicio y de los elementos de capacitancia, entre otras partes de la estructura de píxeles. La carga latente en el dedo de polisilicio 511 se puede drenar mediante la activación de la puerta GR 513. La puerta de reinicio 551 puede llevar el nodo de difusión 518 a un potencial de tensión de fuente para drenar cualquier carga acumulada del nodo de difusión, y también puede drenar cualquier carga latente retenida por el elemento de capacitancia asociado 515. El reinicio global puede reducir el florecimiento u otros efectos experimentados por la carga latente o intermedia generada por la luz ambiental o durante las fases de no medición. El restablecimiento de los dedos de polisilicio también se puede denominar un proceso "anti-floración" que puede reducir el efecto de la luz ambiental o la luz de no medición capturada por un dedo de polisilicio.

Durante el funcionamiento diferencial del período de integración, cada lado A 620 y lado B 621 se operan diferencialmente en fases complementarias (Oí, O²), de modo que las fotocargas se establecen generalmente en un lado mientras que otras fotocargas se transfieren a un elemento de capacitancia en el otro lado, y este proceso se repite cíclicamente durante un período de integración de carga de una fase de medición. Normalmente, la luz incidente se modulará debido a la modulación de una fuente de luz que emite luz sobre una escena. La demodulación de las cargas generadas por la luz modulada se realiza mediante la disposición diferencial y el período de integración.

A medida que el dedo de polisilicio de un lado se conduce a Valto, el dedo de polisilicio del otro lado se conduce a Vbajo, y viceversa. Específicamente, las cargas foto inducidas se capturan del sustrato debajo de un dedo de polisilicio, y la mayoría (> 80 %) de estas cargas se recolectan debajo del dedo de polisilicio cuando el dedo de polisilicio asociado se conduce a Valto. Estas cargas se transfieren a los elementos de capacitancia asociados 515 y 615 como portadores minoritarios (es decir, n cargas para un sustrato p) a través del sustrato mediante el uso de una puerta de polarización de polisilicio polarizada (514 y 614) cuando el dedo de polisilicio asociado se conduce a Vbajo. Los elementos de capacitancia 515 y 615 típicamente están polarizados a una tensión 'alta' como se describe en el presente documento, mientras que las cargas están sustancialmente bloqueadas para dejar los elementos de capacitancia 515 y 615 y regresar a los dedos de polisilicio usando las puertas de polarización asociadas 514 y 614. Las cargas están sustancialmente bloqueadas para que no regresen a los dedos de polisilicio cuando el dedo de polisilicio se conduce a Valto y estableciendo Vpolarización < Vcap. Al final del período de integración, la cantidad de cargas recolectadas por los elementos de capacitancia 515 y 615 están estrechamente relacionadas con la cantidad de cargas recolectadas por el dedo de polisilicio asociado. En algunos ejemplos, para impedir el llenado no deseado de carga en los elementos de capacitancia 515 y 615, y ayudar a descargar la carga de los elementos de capacitancia 515 y 615, cada elemento de capacitancia se coloca en un pozo p asociado, como se describe en el presente documento.

Una vez que se completa el período de integración, una cantidad de cargas estará en los elementos de capacitancia asociados 515 y 615. Estos cargos se retienen temporalmente hasta que se realiza una lectura. Sin embargo, antes de que se realice una lectura, se produce un proceso de reinicio del nodo de difusión para establecer una tensión de reinicio del nodo de difusión (operación 712). La puerta de reinicio 551 puede llevar momentáneamente el nodo de difusión 518 (y circuitos similares para el nodo de difusión 618) a un potencial de tensión de fuente para drenar cualquier carga acumulada del nodo de difusión. Una tensión de reinicio (Vreinicio) se puede medir desde cada nodo de difusión (518 y 618) para su uso por el circuito de un amplificador de columna o circuito de salida para compensar o corregir las tensiones de medición (operaciones 711, 721). Esta Vreinicio se almacena en un condensador para su uso posterior (operación 713). Cada lado de la estructura diferencial de píxeles puede tener un condensador Vreinicio asociado, que puede residir en el circuito del amplificador de columna, entre otras ubicaciones. En la figura 6, los condensadores 641 y 645 pueden almacenar valores Vreinicio asociado. Para mejorar la reducción del ruido del sistema (por ejemplo, ruido digital, etc.), las lecturas de los píxeles se pueden realizar de forma diferencial.

Después de que Vreinicio se almacena, puede producirse una lectura de las cargas almacenadas bajo los elementos de capacitancia 515 y 615. Durante esta fase de lectura, las cargas de los elementos de capacitancia 515 y 615 primero se 'descargan' o se transfieren a través de las puertas de transferencia 517/617 a un nodo de difusión asociado 518 y 618 para su conversión en una tensión (operación 714) y la lectura final mediante los circuitos 550 y 650 como tensión de medición asociada, Vmedido (operación 715). Los nodos de difusión 518 y 618 pueden incluirse en un pozo p retrógrado ligeramente dopado asociado. Los elementos de capacitancia 515 y 615 pueden transferir cargas integradas al nodo de difusión asociado por medio de una puerta de transferencia asociada 517 y 617. Las puertas de transferencia 517 y 617 se pueden activar durante una fase de lectura para transferir los cargos de lectura en un nodo de difusión asociado. Este Vmedido se puede almacenar en un condensador para su uso posterior (operación 715). Cada lado de la estructura diferencial de píxeles puede tener un condensador Vmedido asociado, que puede residir en el circuito del amplificador de columna, entre otras ubicaciones. En la figura 6, los condensadores 642 y 646 pueden almacenar valores Vreinicio asociado.

En muchos ejemplos, los elementos de capacitancia 515 y 615 se vacían de las cargas antes del período de integración utilizando las características de reinicio global que se describen a continuación. Además, los tamaños o capacidades de los elementos de capacitancia 515 y 615 y las tensiones de puerta asociados para los elementos de capacitancia 515 y 615 se establecen de manera que con las tensiones aplicados una carga máxima que se puede almacenar en cada elemento de capacitancia 515 y 615 corresponde aproximadamente a un máximo medible oscilación de tensión en el nodo de difusión asociado con la transferencia de carga al nodo de difusión. Una vez que las cargas de cada uno de los elementos de capacitancia 515 y 615 se mueven a un nodo de difusión asociado, las cargas se convierten en portadoras mayoritarias y un cambio de tensión del nodo de difusión asociado es indicativo del número de cargas transferidas desde el elemento de capacitancia.

En la figura 6 se incluye un ejemplo de circuito de lectura, como se muestra para el circuito 550 del lado A 620. Se puede emplear un circuito similar para el lado B 621 en la figura 6. Las puertas de lectura 552-553 pueden realizar una lectura de las cargas transferidas al nodo de difusión 518 y 618. Se emplea una configuración de seguidor de fuente que produce una tensión de salida para usar en circuitos adicionales. Ambos Vmedido y los valores de Vreinicio se pueden leer usando las puertas de lectura 552-553. Después de la lectura Vmedido, cualquier iluminación activa se puede desactivar para ahorrar energía hasta una nueva fase de medición. Además, después de la lectura Vmedido, puede producirse un proceso de reinicio global posterior.

Restablecer tensiones (VA-reinicio, VB-reinicio) medido desde los nodos de difusión durante la operación 713 y tensiones de medición (VA-medido, VB-medido) medidas desde los nodos de difusión durante la operación 715 pueden almacenarse en el circuito de salida 640 para su uso en operaciones de compensación o correlación, entre otras operaciones. En algunos ejemplos, el circuito de salida 640 puede comprender elementos de un circuito amplificador de columna de los elementos 671 o 672, o el circuito de salida 640 puede incluirse en un circuito separado. Este almacenamiento está en el dominio analógico, específicamente almacenado en elementos de capacitancia o condensadores asociados. El condensador 641 almacena VA-reinicio para el lado A y el condensador 645 almacena VB-reinicio para el lado B (operación 713). El condensador 642 almacena VA-medido para el lado A y el condensador 646 almacena VA -medido para el lado B (operación 715).

Cada 'lado' tiene entonces una operación de resta (643, 644) realizada para los valores almacenados asociados, es decir, los Vreinicio se restan de Vmedidos (operación 716) para eliminar el ruido kTC contenido en los Vreinicio del Vmedidos y producir un resultado compensado que reduce al menos parcialmente la incertidumbre de la tensión de lectura de la disposición de píxeles asociada. Esta incertidumbre de lectura, o ruido kTC, surge en gran parte de la capacitancia asociada con el correspondiente nodo de difusión (n+). Se pueden realizar otras operaciones matemáticas, pero en este ejemplo se emplea la resta mediante una operación diferencial. El resultado de cada operación de resta es una Vseñal valor para cada lado del píxel diferencial, a saber, VA-señal y VB-señal. Por tanto, la operación de resta produce dos valores muestreados 'correlacionados' (VA-señal y VB-señal) que se emplean en la arquitectura de muestreo diferencial analógico doble correlacionado (DADCS). Cada valor correlacionado compensa la Vreinicio el desplazamiento se lee desde el nodo de difusión asociado y se almacena en capacitancia en el dominio analógico.

VA-señal y VB-señal puede almacenarse individualmente en condensadores que no se muestran en la figura 6. Aunque se emplean condensadores separados para cada Vmedido y Vreinicio de un lado, otros ejemplos pueden emplear solo un condensador por lado. Este condensador compartido puede contener inicialmente un valor Vreinicio, y luego este valor se puede restar de un Vmedido valor y posteriormente almacenado en el condensador como un valor Vseñal asociado. Por tanto, en algunas configuraciones, solo se pueden emplear los condensadores 641 y 645. En algunos ejemplos, solo se pueden almacenar valores diferenciales en el (los) condensador(es), reduciendo así la cantidad de condensadores.

El funcionamiento del amplificador diferencial 647 es el empleado para VA-señal y VB-señal para determinar una diferencia o valor diferencial Vdif entre VA-señal y VB-señal (operación 717). Esta salida diferencial se puede utilizar luego para análisis adicionales, composición de imágenes u otras aplicaciones. Además, se puede realizar una etapa de conversión de analógico a digital (ADC o A/D) para transformar la salida diferencial de una representación analógica en una representación digital. De esta manera, solo se necesita un circuito A/D 660 para producir una salida de píxel diferencial, es decir, una salida DADCS (operación 718). El amplificador diferencial 647 puede aplicar un factor de ganancia a la salida diferencial, como 10x u otros factores de ganancia. La salida diferencial compensa los desajustes entre los dos lados, así como otros factores.

Los píxeles de ToF son generalmente diferenciales con dos salidas A y B. La señal de interés suele ser la señal diferencial (A - B), como se mencionó para Vdif anterior. La señal diferencial suele ser considerablemente más pequeña que la señal de modo común (AB)/2. Por lo tanto, la señal más pequeña (A - B) a menudo se amplifica mucho antes de la conversión ADC. Sin embargo, si Vreinicio es la muestra de cancelación de kTC de reinicio y Vmedido es el valor después de la integración, luego durante (A - B) se obtiene por (A - B) = (VA-medido - VB-medido) -(VA-reinicio - VB-reinicio) donde (VA-medido - VB-medido) y VA-reinicio - VB-reinicio) se digitalizan por separado. Debido a la falta de coincidencia de transistores y otros componentes (VA-reinicio - VB-reinicio) puede tener una compensación sustancial. Este desplazamiento se cancela finalmente cuando (VA-reinicio - VB-reinicio) se resta de (VA-medido - VB-medido). Sin embargo, el desplazamiento devora el rango dinámico durante cada una de las dos operaciones de ADC separadas. Para evitar este proceso complejo (y a veces lento), normalmente se aplica un circuito de cancelación de compensación analógica especial. Además, estas dos operaciones de ADC podrían haberse realizado con diferentes configuraciones de ganancia y, por lo tanto, se debe realizar una etapa de normalización de ganancia preciso antes de que se pueda realizar la resta.

Ventajosamente, los ejemplos actuales, como se ilustra en la figura 6, restan este desplazamiento en el dominio analógico antes de que se aplique la ganancia formando el término diferencial final para determinar Vdif como ((VA-medido - VA-reinicio) -(VB-medido - VB-reinicio)). Luego se aplica un solo ADC 660 con un solo ajuste de ganancia y todas las compensaciones se cancelan en el dominio analógico durante la formación de (VA-medido - VA-reinicio) y (VB-medido -VB-reinicio). Por lo tanto, no se necesitan circuitos de cancelación de compensación complejos, y las compensaciones asociadas se cancelan por completo y no se requiere la normalización de ganancia.

Un resumen de las operaciones de la figura 6 y la figura 7 puede ser el siguiente, con énfasis en el lado A de la estructura diferencial para mayor claridad (el otro lado puede operar de manera similar). Las operaciones incluyen:

• Operación 710 - reinicio global/anti-floración. Restablecer el dedo de polisilicio y el elemento de capacitancia (elemento de almacenamiento de carga). Mantener activadas las puertas de reinicio asociadas (es decir, V^gr y restablecer la puerta 551 activa) hasta un marco de tiempo de integración en la estructura de píxeles. Las polarizaciones de tensión de ejemplo incluyen una tensión en la puerta de polarización 514 establecida en 0 V, una tensión en la puerta de transferencia 517 establecida en 0 V, una tensión V^gr ajustada a 1,1 V, y el dedo de polisilicio 511 está polarizado a una tensión baja (por ejemplo, 0 V).

• Operación 711 - integración. Establecer cargas fotográficas en el sustrato debajo del dedo de polisilicio de la luz incidente, puerta de polarización habilitada para mover la carga del dedo de polisilicio al elemento de capacitancia. Configurar V^gr y restablecer la puerta 551 desactivada, es decir, configurada a una tensión lógica baja predeterminada (por ejemplo, 0 V). El elemento de capacitancia 515 está polarizado a una alta tensión (por ejemplo, 3,3 V). El dedo de polisilicio 511 se modula entre Valto y Vbajo

• Operación 712 - reinicio del nodo de difusión. Establecer momentáneamente el nodo de difusión 518 en Vdd usando la activación de la puerta 551, luego liberar el nodo de difusión 518 permitiendo que la puerta 551 se desactive/abra.

• Operación 713 - Medida VA-reinicio. Muestrear tensión del nodo de difusión 518 en el condensador 641. • Operación 714 - volcado de integración. Activar la puerta de transferencia 517 para descargar cargas en el elemento de capacitancia 515 al nodo de difusión 518. Configurar la puerta de transferencia 517 a una tensión predeterminada (por ejemplo, Vt ~ 1 V), ajustar el elemento de capacitancia 515 a tensión £Vt para descargar cargas acumuladas almacenadas bajo el elemento de capacitancia 515.

• Operación 715 - VA-medido. Muestrear tensión del nodo de difusión 518 en el condensador 642.

• Operación 716 - restar. Determinar VA-señal como (VA-medido - VA-reinicio) y, opcionalmente, almacenar en un condensador.

• Operación 717 - amplificador diferencial. Determinar Vdif como ((VA-medido - VA-reinicio) - (VB-medido - VB-reinicio)); y (10) digitalizar Vdif.

• Operación 718: salida de muestreo diferencial analógico doble correlacionado (DADCS), que se puede digitalizar posteriormente en circuitos ADC.

La figura 8 ilustra el controlador 800 que es representativo de cualquier sistema o colección de sistemas en los que se pueden implementar las diversas arquitecturas operativas, escenarios y procesos de detección de tiempo de vuelo, control de píxeles, temporización de píxeles y procesamiento de imágenes, descritos en el presente documento. Por ejemplo, el controlador 800 puede emplearse en el circuito de procesamiento de ToF 122 de la figura 1, el controlador 212 de la figura 2, el circuito de control de píxeles 372 de la figura 3, el circuito de control de píxeles 472 de la figura 4 o el circuito de control de píxeles 672 de la figura 6. Se pueden incorporar ejemplos del controlador 800 en otros dispositivos y sistemas, como dispositivos de realidad virtual, dispositivos de realidad aumentada, consolas de juegos, dispositivos de cámara, cámaras de ToF, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, tabletas, ordenadores de escritorio, servidores, plataformas de computación en la nube, ordenadores híbridos, máquinas virtuales, televisores inteligentes, relojes inteligentes y otros dispositivos portátiles, así como cualquier variación o combinación de los mismos.

El controlador 800 puede implementarse como un solo aparato, sistema o dispositivo o puede implementarse de manera distribuida como múltiples aparatos, sistemas o dispositivos. Por ejemplo, el controlador 800 puede comprender uno o más circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC), matrices de puertas programables en campo (FPGA) o lógica discreta y circuitos asociados, incluidas combinaciones de estos. Aunque no se muestra en la figura 8, el controlador 800 puede incluir interfaces de comunicación, interfaces de red, interfaces de usuario y otros elementos para comunicarse con un sistema anfitrión a través del enlace de comunicación 820. El sistema informático 801 puede incluir opcionalmente dispositivos, características o funcionalidades adicionales que no se comentan por motivos de brevedad.

El controlador 800 también puede comprender uno o más microcontroladores o microprocesadores con software o firmware incluido en dispositivos de medios de almacenamiento legibles por ordenador. Si se emplea software o firmware, los dispositivos de medios de almacenamiento legibles por ordenador pueden incluir medios volátiles y no volátiles, extraíbles y no extraíbles implementados en cualquier método o tecnología para el almacenamiento de información, como instrucciones legibles por ordenador, estructuras de datos, módulos de programa u otros datos. Los ejemplos de medios de almacenamiento incluyen memoria de acceso aleatorio, memoria de solo lectura, discos magnéticos, discos ópticos, memoria flash, memoria virtual y memoria no virtual, casetes magnéticos, cinta magnética, almacenamiento en disco magnético u otros dispositivos de almacenamiento magnético, o cualquier otro medio de almacenamiento adecuado. En ningún caso el medio de almacenamiento legible por ordenador es una señal propagada.

El controlador 800 incluye varias porciones de controlador para mejorar la detección del tiempo de vuelo, a saber, el controlador de emisor 810, el controlador de matriz de píxeles 811 y el procesador de imagen opcional 812. El controlador de emisor 810 proporciona la sincronización de la emisión de luz para sincronizar con la medición de la luz mediante píxeles de ToF, y normalmente funciona junto con el controlador de matriz de píxeles 811. En algunos ejemplos, el controlador de emisor 810 proporciona señalización de control de modulador de RF para indicar una frecuencia y fase de modulación de RF a los circuitos del modulador de RF y al controlador de matriz de píxeles 811. El controlador de matriz de píxeles 811 proporciona señalización de control de píxeles para controlar las estructuras de píxeles discutidas en el presente documento, ya sea que los píxeles sean píxeles individuales o estén incluidos en una matriz de píxeles. Específicamente, el controlador de matriz de píxeles 811 permite restablecer las áreas de píxeles de ToF para medir la luz, controlar las puertas de transferencia para transferir la carga a los nodos de difusión compartidos y la lectura de multiplexación de tiempo de los píxeles de ToF, entre otras operaciones. El controlador de matriz de píxeles 811 permite recibir la lectura de píxeles y proporcionar información de lectura de píxeles al procesador de imagen opcional 812. El procesador de imagen 812 proporciona la acumulación de datos de píxeles para una matriz de píxeles para crear imágenes 3D y 2D y proporcionar información de ToF asociada o datos de imagen 3D/2D a un sistema anfitrión a través del enlace de comunicación 820. El procesador de imágenes 812 también procesa la información de ToF generada por píxeles para formar imágenes digitales 3D, como imágenes digitales de mapas de profundidad, y formar imágenes digitales 2D, como imágenes de ToF, entre otras operaciones. Cuando se omite el procesador de imagen 812, el controlador de matriz de píxeles 811 puede proporcionar datos de lectura de píxeles a un sistema anfitrión a través del enlace de comunicación 820. En algunos ejemplos, el controlador de matriz de píxeles 811 controla o incluye un circuito de conversión de analógico a digital para convertir las señales de lectura de píxeles a formatos digitales.

Los términos "luz visible" y "luz infrarroja" (luz IR) se describen en el presente documento. La luz visible generalmente comprende longitudes de onda de luz que corresponden al rango visual de un ojo humano, aproximadamente longitudes de onda de 390 nanómetros (nm) a 700 nm. La luz IR comprende longitudes de onda de luz que se extienden desde aproximadamente 700 nanómetros hasta 1 milímetro (mm). Son posibles variaciones de los rangos de longitud de onda, pero en general la luz visible y la luz IR descritas en el presente documento se refieren a los rangos aproximados anteriores.

Los diagramas de bloques funcionales, los escenarios y secuencias operacionales y los diagramas de flujo proporcionados en las figuras son representativos de sistemas, entornos y metodologías ejemplares para realizar aspectos novedosos de la divulgación. Si bien, para simplificar la explicación, los métodos incluidos en el presente documento pueden adoptar la forma de un diagrama funcional, escenario o secuencia operacional o diagrama de flujo, y pueden describirse como una serie de actos, debe entenderse y apreciarse que los métodos no están limitados por el orden de los actos, ya que algunos actos pueden, de acuerdo con los mismos, ocurrir en un orden diferente y/o simultáneamente con otros actos de los que se muestran y describen en el presente documento. Por ejemplo, los expertos en la técnica comprenderán y apreciarán que un método podría representarse alternativamente como una serie de estados o eventos interrelacionados, como en un diagrama de estados. Además, no todos los actos ilustrados en una metodología pueden ser necesarios para una implementación novedosa.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Una disposición de píxeles (300) configurada para ser incluida en un sensor de tiempo de vuelo (121), teniendo la disposición de píxeles una arquitectura de muestreo diferencial analógico doble correlacionado (DADCS) que comprende:

una estructura diferencial de píxeles (300), comprendiendo cada píxel

un elemento sensor de polisilicio (311) configurado para establecer cargas relacionadas con la luz incidente durante una fase de medición;

un elemento de almacenamiento de carga (315) configurado para acumular cargas integradas de la fase de medición transferida desde el elemento sensor de polisilicio;

un nodo de difusión (318) configurado para establecer una tensión de medida representativa de unas de las cargas integradas establecidas durante la fase de medida que se descargan del elemento de almacenamiento de carga; y

circuito de salida de dominio analógico (640) que comprende un elemento de capacitancia de medición (642) que almacena la tensión de medición, y un elemento de capacitancia de reinicio (641) que almacena una tensión de reinicio establecida en el nodo de difusión durante una fase de reinicio realizada antes de la fase de medición; el circuito de salida de dominio analógico configurado para restar (643) la tensión de reinicio almacenada en el elemento de capacitancia de reinicio de la tensión de medición almacenada en el elemento de capacitancia de medición para establecer un resultado compensado que reduce al menos parcialmente la incertidumbre de la tensión de lectura de cada píxel, y proporciona la resultado compensado para procesar (647) en una tensión de salida de píxel derivado diferencialmente con al menos un resultado compensado adicional asociado con un elemento sensor de polisilicio adicional (321) de la estructura de píxel diferencial durante una fase de medición asociada

un elemento de puerta de polarización (314) que establece un potencial de polarización entre el elemento sensor de polisilicio y el elemento de almacenamiento de carga para proporcionar una vía para la transferencia de al menos una porción de las cargas establecidas en el elemento sensor de polisilicio al elemento de almacenamiento de carga y reducir una cantidad de las cargas transferidas al elemento de almacenamiento de carga para que regresen al elemento sensor de polisilicio; y

un elemento de puerta de transferencia, basado en la activación, establece un potencial de transferencia entre al menos el elemento de almacenamiento de carga y el nodo de difusión para volcar las cargas integradas almacenadas en el elemento de almacenamiento de carga al nodo de difusión.

2. La disposición de píxeles de la reivindicación 1, en la que el elemento de almacenamiento de carga comprende un elemento de condensador de polisilicio formado con un pozo dopante de tipo p subyacente de un nivel de dopaje de tipo p más alto que un sustrato semiconductor asociado con la disposición de píxeles; y

en el que una polarización en el elemento de almacenamiento de carga establece un nivel de potencial más alto que el potencial de polarización del elemento de puerta de polarización para proporcionar el camino para que al menos la porción de las cargas establecidas en el elemento sensor de polisilicio se transfiera al elemento de almacenamiento de carga desde el elemento sensor de polisilicio.

3. La disposición de píxeles de la reivindicación 1, en la que la incertidumbre de la tensión de lectura de la disposición de píxeles comprende un ruido kTC asociado con una capacitancia de lectura de la disposición de píxeles.

4. La disposición de píxeles de la reivindicación 1, en la que los circuitos de salida de dominio analógico están configurados además para proporcionar la tensión de salida de píxeles a un convertidor analógico a digital para convertir la tensión de salida de píxeles como una representación de píxeles analógica en una representación de píxeles digital.

5. La disposición de píxeles de la reivindicación 4, en la que la representación de píxeles digitales se procesa junto con al menos otras representaciones de píxeles digitales de otras disposiciones de píxeles del sensor de tiempo de vuelo para determinar una medición de tiempo de vuelo para una escena presentada al sensor de tiempo de vuelo.

6. Un sensor de formación de imágenes de tiempo de vuelo (ToF) que incluye una disposición de píxeles de acuerdo con cualquier reivindicación anterior.

7. El sensor de formación de imágenes de ToF de la reivindicación 6, en el que cada una de las estructuras de píxeles diferenciales comprende, además: al menos una puerta, basada en la activación durante las fases de reinicio asociadas, drena a una fuente de tensión al menos una porción de las cargas intermedias establecidas en una detección de polisilicio asociada elemento para proporcionar una característica anti-floración.

8. Un método para operar una disposición de píxeles de imágenes de tiempo de vuelo (ToF) formada sobre un sustrato semiconductor, teniendo la disposición de píxeles una arquitectura de muestreo diferencial analógico doble correlacionado (DADCS), comprendiendo el método:

al menos dos elementos sensores de polisilicio (311) de una estructura diferencial de píxeles (300), cada uno de los cuales establece cargas relacionadas con la luz incidente durante las correspondientes fases de medición diferencial;

elementos de almacenamiento de carga (315) acumulando cada uno cargas integradas transferidas desde un elemento sensor de polisilicio asociado;

nodos de difusión (318), cada uno de los cuales estableciendo tensiones de medición basadas al menos en una de las cargas integradas descargadas desde un elemento de almacenamiento de carga asociado;

primeros elementos de capacitancia (641) cada uno almacenando tensiones de reinicio establecidas en los asociados de los nodos de difusión antes de la transferencia de aquellos de las cargas integradas a los asociados de los nodos de difusión;

segundos elementos de capacitancia (642) cada uno almacenando las tensiones de medida establecidas en los asociados de los nodos de difusión (318) después de la transferencia de aquellas de las cargas integradas a los asociados de los nodos de difusión (318);

circuito de salida analógica (640) restando las correspondientes tensiones de reinicio almacenadas en los primeros elementos de capacitancia (541) de las tensiones de medición almacenadas en los segundos elementos de capacitancia (642) para establecer resultados compensados que cancelen al menos parcialmente la incertidumbre de tensión de lectura de la disposición de píxeles correspondiente a cada una de las fases de medición diferencial;

la circuitería de salida analógica (640) determinando las tensiones diferenciales entre los resultados compensados para establecer las tensiones de salida de píxeles;

elementos de puerta de polarización (314) estableciendo cada uno un potencial de polarización entre un elemento sensor de polisilicio asociado y un elemento de almacenamiento de carga asociado para proporcionar una vía para la transferencia de al menos una porción de las cargas establecidas en el elemento sensor de polisilicio asociado al elemento de almacenamiento de carga asociado y reducir una cantidad de las cargas transferidas al elemento de almacenamiento de carga asociado para que no regresen al elemento sensor de polisilicio asociado; y

cada uno de los elementos de puerta de transferencia estableciendo un potencial de transferencia entre el elemento de almacenamiento de carga asociado y el nodo de difusión asociado para volcar las cargas integradas almacenadas en el elemento de almacenamiento de carga asociado al nodo de difusión asociado.

9. El método de la reivindicación 8, en el que los elementos de almacenamiento de carga comprenden cada uno un elemento de condensador de polisilicio formado con un pozo dopante de tipo p subyacente de un nivel de dopaje de tipo p más alto que el sustrato semiconductor; y

en el que las polarizaciones en los elementos de almacenamiento de carga establecen un nivel de potencial más alto que el potencial de polarización de un elemento de puerta de polarización asociado para proporcionar el camino para que al menos la porción de las cargas establecidas en el elemento sensor de polisilicio asociado se transfiera al elemento de almacenamiento de carga asociado del elemento sensor de polisilicio asociado.

10. El método de la reivindicación 8, en el que la incertidumbre de la tensión de lectura de la disposición de píxeles comprende un ruido kTC asociado con una capacitancia de lectura de los nodos de difusión asociados.