[发明专利]电流辅助光子解调型像素单元、背照式图像传感器芯片、成像系统、形成方法和测算方法

说明书

本申请提供电流辅助光子解调型像素单元、背照式图像传感器芯片、成像系统、形成方法以及深度信息测算方法，像素单元包括：衬底；光电探测器；第一电压信号输出模块，包括第一开关，第一开关在接收到控制信号时输出电压信号；第二电压信号输出模块，包括第二开关，第二开关在接收到控制信号时输出电压信号；其中，设置发送到第一开关的控制信号与调制光的相位相同，设置发送到第二开关的控制信号与发送到调制光的相位互补，在接收到反射光后获取不同相位下第一电压信号输出模块和第二电压信号输出模块输出的电压信号，计算得出调制光的飞行时间。本申请能够提升像素单元的响应度低、解调带宽低以及测量精度低，从而满足特定场合的要求的问题。

技术领域

本申请涉及图像处理领域，尤其涉及电流辅助光子解调型像素单元、背照式图像传感器芯片、成像系统、电流辅助光子解调型像素单元的形成方法以及深度信息测算方法。

背景技术

人工三维(3D)视觉一直被视为智能系统与外部世界联系的桥梁，它使机器能够在三维空间中看到我们所看到的世界，多年来人们已经开发了许多3D采集系统，包括立体视觉，结构光投影和激光扫描仪，不幸的是，这些都不能可靠的收集实时三维数据。基于飞行时间(TOF)原理的测距系统提供了一种优雅的解决方案，它通过发出调制光并检测其反射光往返时间立即获得目标完整的三维信息。飞行时间(TOF)测距具有广泛的应用，例如应用在3D鼠标、基于手势的遥控器、娱乐领域、机器人领域、安全系统和汽车等方面。

目前，在相位式TOF测距系统的传感器像素结构中，最普遍的就是有源像素传感器(APS)结构，其中最基本的APS由三个晶体管和一个光电探测器构成，用英文缩写3T-APS表示，其中包含重置开关晶体管、源极跟随器、选择开关晶体管以及作为光电转换用的光电探测器。更为普遍的还有4T-APS，4T-APS像素在3T-APS像素的基础上，增加一个传输门和一个悬浮的N型扩散区，提高了像素的信噪比。

TOF测距系统广泛采用要求像素结构有以下特点：噪音低、响应度高解调对比度高解调带宽高以及较低的功耗。最近在标准CMOS光子解调器的创建方面，学术界付出了很多努力，提出了许多很有建设性的结构，这些结构使得以飞行时间原理制造的3D成像系统得以实现，但是仍然存在一些挑战，这些探测器的响应度、及解调带宽和测量精度也很低，无法满足特定场合的要求。

发明内容

本申请提供一种电流辅助光子解调型像素单元、背照式图像传感器芯片、成像系统、电流辅助光子解调型像素单元的形成方法以及深度信息测算方法，能够在解决现在以飞行时间原理制造的3D成像系统存在响应度低、解调带宽低以及测量精度低而无法满足特定场合的要求的问题。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种电流辅助光子解调型像素单元，像素单元包括：衬底；光电探测器，其包括：光电二极管，其设置于衬底内，其用以响应于入射在光电探测器上的反射光而累积电荷；第一电压信号输出模块，其用于将累积在光电二极管的电荷转化为电压信号，其包括第一开关，第一开关的控制端接收控制信号，第一开关的输入端连接光电二极管，第一开关的输出端在第一开关的控制端接收到控制信号时输出第一电压信号；以及第二电压信号输出模块，其用于将累积在光电二极管的电荷转化为电压信号，其包括第二开关，第二开关的控制端接收控制信号，第二开关的输入端连接光电二极管，第二开关的输出端在第二开关的控制端接收到控制信号时输出第二电压信号；其中，设置发送到第一开关的控制信号与调制光的相位相同，设置发送到第二开关的控制信号与发送到第一开关的控制信号的相位互补，发射调制光至待测物体，当采用二抽头二相位法进行测量时，像素单元的光电二极管在接收到待测物体反射回来的反射光后，获取第一电压信号模块输出的电压为反射光在相位为0°时的第一电压信号输出模块输出的第一电压信号PS0，获取第二电压信号模块输出的电压为反射光在相位为180°时的第二电压信号输出模块输出的第二电压信号PS1；根据公式：计算得出调制光的飞行时间，其中，T_on为调制光在一个周期内电平为高的时间。