[发明专利]用于计算机视觉应用的全局快门像素电路和方法

说明书

一种图像传感器装置包括：以像素阵列布置的多个像素单元；用于控制图像传感器装置的曝光阶段和采样阶段的控制电路。所述多个像素单元中的每一者包括光电二极管、存储二极管和浮置扩散区。控制电路被配置为在多个时间窗中激活光电二极管，以通过每个时间窗和相应的发射光脉冲之间的预定延迟时间感测由于相应的多个发射光脉冲而从目标反射的光。可以使用多个偏置电压脉冲或多个全局快门信号脉冲激活光电二极管。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月13日提交的序列号为62/598,390的美国临时专利申请的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

以下常规美国专利申请(包括本专利申请)同时被提交，而且其它申请的全部公开内容出于所有目的通过引用并入本申请中：

·2018年12月13日提交的序列号为16/____、名称为“GLOBAL SHUTTER PIXELCIRCUIT AND METHOD FOR COMPUTER VISION APPLICATIONS(用于计算机视觉应用的全局快门像素电路和方法)”的美国专利申请；以及

·2018年12月13日提交的序列号为16/____、名称为“DIFFERENTIAL PIXELCIRCUIT AND METHOD OF COMPUTER VISION APPLICATIONS(计算机视觉应用的差分像素电路和方法)”的美国专利申请。

技术领域

本发明的实施例一般地涉及用于飞行时间(ToF)深度测量系统的图像传感器像素电路和方法。

背景技术

图像传感器被用于各种应用中。示例包括数字相机、移动电话、家用电器、内窥镜和卫星望远镜。一些图像传感器是使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现的。在这些传感器中，MOS晶体管数量等于像素数量。晶体管被用于将光学图像变换为电信号。

可以使用多种方法来驱动CMOS图像传感器的像素电路。示例包括卷帘快门(RS)方法和全局快门(GS)方法。在卷帘快门方法中，在一个帧的每一行中信号由光电元件进行光电变换。信号被传送到依次选择的每一行中的一个或多个浮置扩散节点，然后输出对应像素的图像信号。在全局快门方法中，在一个帧中所有信号由所有光电元件进行光电变换。信号被一次传送到一个或多个浮置扩散节点。然后，输出被依次选择的行中的对应像素的图像信号。

飞行时间(ToF)相机是一种测距成像相机系统，其基于光速，针对每个图像点测量相机与对象之间的光信号飞行时间，来计算距离。借助飞行时间相机，通过每个激光或光脉冲捕获整个场景。飞行时间相机产品已经变得非常流行，因为半导体器件变得足够快，能够支持此类应用。直接飞行时间成像系统测量单个激光脉冲离开相机并反射回到焦平面阵列所需的直接飞行时间。3D图像可以捕获完整的空间和时间数据，利用单个激光脉冲记录完整的3D场景。这允许快速获取并实时处理场景信息，从而导致各种应用。这些应用包括汽车应用、人机界面和游戏、测量和机器视觉、工业和监视测量以及机器人技术等。

然而，传统CMOS像素传感器倾向于具有诸如尺寸大、功耗高的缺点。因此，对于各种移动计算机视觉应用来说，需要一种改进的像素电路和方法。

发明内容

在本发明的实施例中，可通过使用时间窗序列，用光脉冲照射对象或场景，并对在传感器处接收到的光信号应用卷积处理来执行ToF深度测量。本发明的实施例提供了一种改进的像素电路和方法，它具有针对每个像素使用单个控制线的快速飞行时间选通(gating)。可以基于改进的全局快门CMOS图像传感器处理流程来实现像素电路。在一些实施例中，可以使用全局复位栅(reset gate)或漏电压调制来实现基于与动态LDM(侧漏调制(lateral draining modulation))结合的静态栅集成的快门机制。在使用低电容和低电阻器件结构以及互连线的像素电路中实现快速信号传输。