[发明专利]用于直接飞行时间测量的CMOS图像传感器

说明书

直接TOF光学传感器基于CMOS像素，其中像素结构包括串联的光检测器PhD、非线性电阻R和转移MOS晶体管，并且在电阻器和转移晶体管之间的感测节点SN处传递输出信号。光生电流连续地排入非线性电阻，并通过由非线性电阻和感测节点SN处的电容形成的RC电路被转换为电压信号。电压信号被连续地传送到具有快速模数转换器的读出电路300。像素结构内的RC电路具有低通滤波功能和高频积分功能，从而噪声，特别是由于非线性电阻引起的热噪声主要在低频范围内移动，与对应于在光检测器处接收到的脉冲光信号的主信号分量的高频范围分开。借助于在读出电路中实现的带通或高通滤波器F之一来恢复主信号分量，这增加了高频范围内的信噪比。

技术领域

本发明总体上涉及用于飞行时间(TOF)测量的光学传感器，并且更具体地涉及基于CMOS成像传感器并且用于直接飞行时间测量(D-TOF)的光学传感器。

背景技术

飞行时间光学传感器用于3D成像和测距应用中，例如用于勘测或汽车驾驶辅助应用，以提供正在观察的场景中任何物体/细节的距离映射。每个距离信息是根据光学传感器中一个像素或一组像素的时间测度计算得出的，该时间测度是从靠近检测器的已调制光源朝向场景发射并由照明场景中的物体反向散射的脉冲光的行进时间t_t。适用的公式是d＝(¹/₂C).t_t，其中C是光速，除以2的原因是光的往返行程。在一种方法中，时间测度是根据阶段差间接计算的。在这种情况下，光源是RF调制的光源，并且成像传感器被操作为测量在N个积分周期(N个阶段)的每个周期内捕获的光振幅，该N个积分周期在捕获序列中彼此偏移，并且使用众所周知的方程从N个电平推导出行进时间。在另一种方法中，通过检测重构波形中脉冲信号的上升沿来直接测量行进时间。在那里，光源是发射光脉冲的光源，并且图像传感器被操作为触发反向散射的短光脉冲信号的上升沿。

无论如何，光学传感器必须具有高动态范围和良好的信噪比(SNR)，以便能够检测场景中最近和最远的物体和/或最暗和最亮的物体：这意味着像素结构和操作应带来最低的噪声水平，以便能够检测出比背景光噪声更弱的信号，并且对最强的信号不应该饱和。约束可以根据预期应用而变化。但是例如，在汽车驾驶辅助应用中，光学传感器在夜间使用时应该高效，以捕获任何黑暗和明亮的细节(当汽车进入隧道或黑暗通道时，白天也是如此)。甚至在存在强烈的环境光(例如太阳光)的情况下。CMOS图像传感器是此类应用的理想选择，在量子效率、填充因子和高动态范围方面具有高效像素。而且，具有相关双采样(CDS)的读出方法有效地消除了由电子(复位晶体管)在CMOS像素的电容性感测节点中带来的热噪声(所谓的kTC噪声)。但是实际上，TOF系统中的CMOS图像传感器仅实现间接方法，然后以非常常规的时序序列(包括复位阶段、积分(N阶段)序列和读出序列)操作其像素。

然而，对实现直接测量的D-TOF系统的兴趣与日俱增。D-TOF系统的一般原理在图1上示意性地示出。它包括彼此靠近的光脉冲源10和图像传感器11，以及包括至少一个计数器(处理系统)的定时器电路12。在光源10向视场中的3D场景发射光脉冲LP_E时，在计时器电路中由开始计数信号发起时间计数；并且图像传感器11检测到反向散射光脉冲LP的上升沿时，通过停止计数信号停止时间计数。可以使用许多时间计数，它们对应于传感器的像素矩阵中不同距离和/或不同感兴趣区域的物体。这是众所周知的最新技术。

作为已知的D-TOF系统，我们可以引用SPAD系统(其中“SPAD”是指单光子雪崩二极管)。这些系统非常高效且准确，但需要大量功率，因为它们依靠统计分析、直方图和求平均值来找到采样波形中的上升沿，这意味着很多光脉冲。效率是因为SPAD对单个光子的敏感度高以及对读出噪声不敏感。但是，它们的填充因子非常小，因为每个像素必须包括光检测器(雪崩光电二极管)以及淬灭电路、时间数字转换器和直方图模块；并且它们的量子效率也很小(一个光子到达光检测器的可能性产生一个电子)，这与填充因子相结合会产生较差的光电检测效率(PDE)：在每个像素中只能检测到整个入射光子中有限数量的光子，假设每二十个或甚至更多光子中只有一个。