[发明专利]一种用于三维成像芯片的像素电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种成像装置，特别涉及一种用于三维成像芯片的像素电路。该传感器芯片像素单元结构可以实现对光信号的高速度、高灵敏度检测，即可达到单光子级别的检测。

技术背景

我们的现实生活中，是一个丰富多彩的三维世界。很多场合我们需要获得场景中的目标的相对位置、移动情况和其表面轮廓。一直以来，要在科学技术上实现对物体的三维信息的获取、存储、处理和对比大量信息是一件比较困难的事，而且需要花费相当大的成本。国际上许多高校和科研院所在从事这方面的研究，其中以美国、德国、日本和瑞士的研究水平较高。利用光学实现三维成像方法各式各样，主要可分为两大类：多目三维成像方法和单目三维成像方法。多目三维成像又可以分为：三角法、立体照相法等。单目三维成像可以分为：干涉法、TOF测距法（Time of Flight 测距法）等。TOF测距法是通过控制光源发射光信号至目标物体，再经过直接与间接的方法计算出光信号从发送直至探测到的传播时间，进一步计算探测器距目标对象的距离分辨的信息。其中TOF测距方法又分为直接TOF和间接TOF。直接TOF是指通过光源发射光信号至目标物体，再由测距芯片得出光源发射光信号到目标物体的传播时间，再把传播时间乘上光速c得出探测器到目标物体的距离。间接TOF是采用光信号在其强度方面被在时间上周期性调制并且使用在所发送的与所探测到的光信号之间的相移，再通过相移来确定传播时间并且由此确定距目标对象的距离。得出每个像素单元的距离信息，从而重构物体的三维信息。TOF的测距方法的优点：结构简单、便携式、成本低等，所以渐渐成为一种主流的光学三维成像方式。

三维成像方法中，光学探测器件往往是最关键的部分之一。很多领域中需要在极微弱光的条件下对物体的外表轮廓实现高速的成像探测。而应用于这些领域的成像器件通常需要具有高探测灵敏度、低噪声、高转换速度等性能要求。高探测灵敏度和低噪声是为了能在极微弱光的条件下，甚至是对单光子级别的条件下对光信号进行检测。高转换速度是为了能在很短的时间内对目标物体的距离信息进行探测并转换，为进一步快速获得物体的三维信息。传统检测微弱光信号的方法所采用的探测器一般是光电倍增管(PMT)，PMT本身的内增益非常大，可达到百万级别，从而可以将单光子信号放大几百万倍。但是考虑到当今社会发展对电子产品低功耗、低噪声、低成本、便携式等需求，很显然像PMT这样体积大、功耗高、且不利于大规模集成的探测器件注定会被淘汰。所以为了检测微弱光信号，通常选用的探测器件为CCD或者是单光子雪崩二极管。但是基于CCD的传统成像技术通常需要结合非常低噪声的读出电路，同时需要多个芯片组合才能完成，所以这种技术在探测光子级别信号时需要较长的时间，不能满足一些同时需要高探测灵敏度和高响应速度的应用。然而单光子雪崩二极管具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、增益系数高、工作电压低、暗电流低、噪声小、体积小、功耗低、结构紧凑、可以大规模集成等优点，所以在很多应用中单光子雪崩二极管成了探测器的首选。

单光子雪崩二极管是一种能探测到极微弱光的光电器件，被广泛应用在军事、生物医学、光谱学、3D成像等领域中。由于单个光子的能量极低，用通常的检测方法很难直接把这种微弱的信号提取出来。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种速度快的用于三维成像芯片的像素电路。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：包括单光子雪崩二极管、被动淬灭和主动再冲电电路、多路选择开关、或门、两个计数器、两组三态门开关；单光子雪崩二极管两端施加一个比其雪崩击穿电压高的反向偏压，单光子雪崩二极管的输出接被动淬灭和主动再冲电电路的输入端，被动淬灭和主动再冲电电路的输出端与多路选择开关的输入端相连，多路选择开关的两路输出依次连接计数器，计数器的每一位输出连接一个三态门开关；或门的两个输入端分别与两个计数器的溢出输出端相连，或门的输出端与多路选择开关的控制端相连。

上述的用于三维成像芯片的像素电路中，所述被动淬灭和主动再冲电电路包括第一MOS管、第二MOS管、反相器、或非门，单光子雪崩二极管的阳极与第一MOS管和第二MOS管的漏极相连，第一MOS管和第二MOS管的源极都接地，单光子雪崩二极管的阳极与反相器的输入端相连接，单光子雪崩二极管的阳极还与或非门的一个输入端相连接，或非门的另一个输入端接反相器的输出端，或非门的输出端与第二MOS管的栅极相连。

本发明的技术效果在于：