[发明专利]像素结构、具有像素结构的图像传感器装置和系统、以及操作该像素结构的方法

说明书

半导体材料(S)中的光电探测器(PD)设置有：第一传输门(TX1)，其位于半导体材料中的光电探测器与第一扩散区域(FD1)之间；第二传输门(TX2)其位于半导体材料中的光电探测器(PD)与第二扩散区域(FD2)之间；电容器(C)，其连接在第一扩散区域(FD1)与第二扩散区域(FD2)之间；第一开关(RST1)，其连接在第一扩散区(FD1)与第一基准电压(V_ref1)之间；以及第二开关(RST1)，其连接在第二扩散区域(FD2)与第二基准电压(V_ref2)之间。

技术领域

本公开适用于三维成像，特别是差分成像的领域。

背景技术

主动立体视觉系统利用投影仪和至少一个图像传感器。通常，投影仪投射由点、线或其他形状组成的结构光图案，该点、线或其他形状由波长通常为例如940nm的红外光投射在场景上。然后，图案通过包括二维矩阵的像素的全局快门二维图像传感器记录。图像传感器可以被优化以在所使用的波长处具有良好的响应。

在短时间内光图案能够通过强光源，例如VCSEL(垂直腔面发射激光器)投射。最大发射光功率受到人眼安全限制和VCSEL在指定的占空比下能够输出的最大功率的限制。通常使用几微秒至几毫秒的短脉冲。图案例如通过掩模创建，该图案通过光学系统(例如透镜和/或光学衍射元件)投射到场景上。

二维相机记录投射的图案。如在记录的图像中看到的图案的位置取决于物体到相机和投影仪的距离。通过三角测量能够记录该距离。其他计算技术可能涉及深度学习，例如在投射的图案由于像聚焦距离或者干涉等一些光学效应根据物体距离改变外观的情况下。

一些系统使用两个相机，并使用立体视觉来制作深度图。投射图案以在场景中产生一些对比。对于没有太多纹理的对象，例如经过涂覆的墙壁，这可以是需要的。在那些情况下，使用闪光照明。

在上面描述的立体视觉和结构光的情况下，仅在短时间内对光进行脉冲和照明。图像传感器在“全局快门”模式下工作。在闪光之前，所有像素复位并开始聚光。然后图案被投射。在光脉冲之后，曝光时间停止。在像素中，来自光电二极管的信号在像素内存储器中采样。然后，在曝光时间之后逐行读出该内存。这是全局快门图像传感器在所谓的“触发的全局快门模式”下的典型工作方式。

能够替代地使用滚动快门像素。由于背景光对捕获的信号的贡献明显更大，需要快速读出和片外数据缓冲器存储。

能够使用背景图像减法来改善图像中的对比度。在相同的曝光时间但没有投射光的情况下拍摄第二张图像。然后通过软件计算差分图像。优选在图像采集阶段在像素内执行减法运算。如果能够在像素中累积多个图像采集，则是有利的，因为大量的采集周期能够提高信噪比。在每次图像采集后，对应于具有和不具有结构光投射的图像之间的差异的信号保持存储在像素中。因此，来自连续减法运算的信号累积在像素中。

US 8 569 671 B2公开了一种像素，该像素包括用于响应入射辐射而产生电荷的光敏元件。传输门位于光敏元件与感测节点之间，用于控制向感测节点的电荷传输。复位开关连接到感测节点，用于将感测节点复位到预定的电压。第一缓冲放大器具有连接到感测节点的输入。采样级连接到第一缓冲放大器的输出，并且可操作用于采样感测节点的值。第二缓冲放大器具有连接到采样级的输入。控制电路操作复位开关，并使采样级在光敏元件曝光于辐射的同时对感测节点进行采样。像素阵列同步曝光于辐射。当光敏元件在第二曝光时段曝光时，能够读出第一曝光时段的采样值。

发明内容

本发明的目的是提供改进的差分成像。

这个目的通过根据权利要求1的用于半导体成像装置的像素结构、根据权利要求9的具有像素阵列的图像传感器装置、根据权利要求10的成像系统以及根据权利要求13的操作像素结构的方法来实现。实施例和变型源于从属权利要求。

除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。