本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，具體涉及一種固體成像傳感器、控制方法和固體成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的三角法測距系統(tǒng)使用了線陣的感光陣列和光源組合。通過對被測場景照射光源，來測量距離。在這個(gè)系統(tǒng)中，感光線陣直接提取光信號。這里存在以下問題：被測場景的亮度不均一，需要較強(qiáng)的光源進(jìn)行補(bǔ)光來提升信噪比，這又提高了系統(tǒng)功耗，強(qiáng)光對于人眼的安全性也不利；另外，感光陣列對于光強(qiáng)產(chǎn)生的信號是線性比例，動(dòng)態(tài)范圍較?。蛔詈?，由于光信號是模擬信號，需要ad轉(zhuǎn)換，一般情況下每個(gè)芯片上僅有1個(gè)adc，從而存在較長的ad轉(zhuǎn)換時(shí)間，影響幀頻。綜上所述，如何提高此類系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境的準(zhǔn)確度、動(dòng)態(tài)范圍和幀頻是重要的課題。

2、dvs(dynamic?vision?sensor，動(dòng)態(tài)視覺傳感器)/evs(event?vision?sensor，事件視覺傳感器)是一種能夠高效提取每個(gè)像元的亮度變化信息的傳感器電路技術(shù)(為方便起見，以下統(tǒng)稱為dvs)。參見附圖1，該電路技術(shù)通過光電流的對數(shù)變換模塊，變化積分與復(fù)位模塊，以及量子化模塊實(shí)現(xiàn)亮度變換檢測功能。其中對數(shù)變換模塊實(shí)現(xiàn)了dvs的高動(dòng)態(tài)范圍，變化積分與復(fù)位模塊實(shí)現(xiàn)了對光強(qiáng)變化的實(shí)時(shí)高速檢測，量子化模塊實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。圖1所示的電路中，為了進(jìn)一步提高電路的性能，在對數(shù)變換模塊和變化積分與復(fù)位模塊之間還增加了驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)模塊。關(guān)于dvs的詳細(xì)說明，可參見公開號為cn101204079a的中國專利《用于檢測與時(shí)間相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)的光敏元件陣列》，在此不作進(jìn)一步展開。

3、傳統(tǒng)的dvs采用了2d并行架構(gòu)，dvs的復(fù)雜結(jié)構(gòu)決定了如果不用3d-cu-cu互聯(lián)的技術(shù)，很難把單個(gè)像素做小。如果需要把單個(gè)像素做到比如說3um以下，則cu-cu互聯(lián)技術(shù)成為必須。比如，公開號為cn113170064?a的中國發(fā)明專利公開了一種固態(tài)成像元件、成像裝置和用于控制固態(tài)成像元件的方法，該固態(tài)成像元件設(shè)置有光電轉(zhuǎn)換元件、電荷存儲單元、傳送晶體管、檢測單元和連接晶體管。光電轉(zhuǎn)換元件通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電荷。電荷存儲單元存儲電荷并產(chǎn)生對應(yīng)電荷的量的電壓。傳送晶體管將電荷從光電轉(zhuǎn)換元件傳送到電荷存儲單元。檢測單元檢測對應(yīng)電荷的量的光電流的變化量是否超過預(yù)定閾值。連接晶體管連接電荷存儲單元和檢測單元，并傳遞光電流。該發(fā)明使得檢測地址事件的固態(tài)成像元件進(jìn)一步捕獲圖像。然而，該發(fā)明中使用的是2d并行分布的存在于像素陣列內(nèi)的dvs電路，dvs的電路規(guī)模大，對應(yīng)的芯片成本高，只有采用3d堆疊才能在小面積下實(shí)現(xiàn)dvs功能。

4、因此，如何在非3d的cu-cu互聯(lián)的傳感器工藝上對小像元實(shí)現(xiàn)dvs信號處理成為技術(shù)難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于上述背景，本發(fā)明的目的在于提供一種固體成像傳感器，通過1d并行分布dvs電路和adc變換電路在像素陣列外的分時(shí)復(fù)用，在不增加像元設(shè)計(jì)難度的情況下實(shí)現(xiàn)了全陣列的dvs功能和常規(guī)感光功能。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一個(gè)方面提供了一種固體成像傳感器，包括：

4、2d像元陣列，其每個(gè)陣列單元包括感光單元和像素讀出單元，每個(gè)感光單元包括1個(gè)光電二極管和1個(gè)與之連接的傳輸晶體管，所述像素讀出單元對應(yīng)至少一個(gè)感光單元設(shè)置，包括與傳輸晶體管連接的若干晶體管；

5、行并行變化檢測電路，其包括多個(gè)變化檢測電路，每個(gè)變化檢測電路對應(yīng)所述2d像元陣列中的至少一列的部分或全部感光單元配置，用于基于與之對應(yīng)的至少一個(gè)感光單元的光響應(yīng)信號進(jìn)行光亮度變化檢測；

6、行并行adc電路，其包括多個(gè)adc變換電路，每個(gè)adc變換電路對應(yīng)所述2d像元陣列中的至少一列的部分或全部感光單元配置，用于對與之對應(yīng)的至少一個(gè)感光單元的光響應(yīng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

7、行掃描控制電路，其用于向2d像元陣列中的各感光單元和像素讀出單元輸出行控制信號；

8、多組縱向走線，每組縱向走線包括若干連接線，其中第一連接線連接全局信號，第二連接線用于將2d像元陣列中至少一列的部分或全部陣列單元連接至與之對應(yīng)的變化檢測電路，第三連接線用于將2d像元陣列中至少一列的部分或全部陣列單元連接至與之對應(yīng)的adc變換電路；

9、以及開關(guān)控制電路組，其包括多個(gè)開關(guān)控制電路，每個(gè)開關(guān)控制電路經(jīng)所述縱向走線耦接于所述陣列單元和變化檢測電路及adc變換電路之間，用于控制各陣列單元與變化檢測電路和adc變換電路的連接關(guān)系，進(jìn)而切換各陣列單元的工作模式。

10、在一些實(shí)施例中，每個(gè)感光單元中光電二極管的一端接電源，另一端連接傳輸晶體管的一個(gè)源/漏端，傳輸晶體管的另一個(gè)源/漏端連接像素讀出單元；

11、每個(gè)像素讀出單元分別包括復(fù)位晶體管、放大晶體管和選通晶體管，其中復(fù)位晶體管的一個(gè)源/漏端連接傳輸晶體管的一個(gè)源/漏端和放大晶體管的柵極，復(fù)位晶體管的另一個(gè)源/漏端連接縱向走線中的第二連接線，放大晶體管的一個(gè)源/漏端連接縱向走線中的第一連接線，另一個(gè)源/漏端連接選通晶體管的一個(gè)源/漏端，選通晶體管的另一個(gè)源/漏端連接縱向走線中的第三連接線；傳輸晶體管、復(fù)位晶體管和選通晶體管的柵極分別與行掃描控制電路的行控制信號輸出端連接。

12、在一些實(shí)施例中，所述變化檢測電路包括電流電壓變換單元，變化積分與復(fù)位單元，以及量子化單元，所述電流電壓變換單元經(jīng)所述開關(guān)控制電路與所述縱向走線中的相應(yīng)連接線連接。

13、在一些實(shí)施例中，所述電流電壓變換單元用于將與之對應(yīng)的陣列單元中的感光單元產(chǎn)生的光電流進(jìn)行對數(shù)變換生成電壓。

14、在一些實(shí)施例中，所述電流電壓變換單元包括：

15、至少一個(gè)光電流晶體管和至少一個(gè)放大晶體管，其中光電流晶體管的一個(gè)源/漏端直接或通過電流鏡鏡像管耦接電源，另一個(gè)源/漏端直接經(jīng)開關(guān)控制電路中的至少一個(gè)開關(guān)晶體管連接所述第二連接線，本地放大晶體管的一個(gè)源/漏端連接光電流晶體管的柵極，用于輸出光電流對應(yīng)的電壓，另一個(gè)源/漏端接地；

16、以及偏置電流生成電路，用于提供所述放大晶體管工作時(shí)的偏置電流。

17、在一些實(shí)施例中，所述電流電壓變換單元包括：

18、至少兩個(gè)光電流晶體管和至少兩個(gè)本地放大晶體管，其中第一個(gè)光電流晶體管的一個(gè)源/漏端直接或通過電流鏡鏡像管耦接電源，另一個(gè)源/漏端連接第二個(gè)光電流晶體管的一個(gè)源/漏端和第二本地放大晶體管的柵極；第二個(gè)光電流晶體管的另一個(gè)源/漏端連接本地第一放大晶體管的柵極，并經(jīng)開關(guān)控制電路中的一個(gè)開關(guān)晶體管連接所述第二連接線；本地第二放大晶體管的一個(gè)源/漏端耦接第一個(gè)光電流晶體管的柵極，用于輸出光電流對應(yīng)的電壓，另一個(gè)源/漏端連接第二個(gè)光電流晶體管的柵極和本地第一放大晶體管的一個(gè)源/漏端，本地第一放大晶體管的另一個(gè)源/漏端接地；

19、或者，至少兩個(gè)光電流晶體管和至少一個(gè)本地放大晶體管，其中第一個(gè)光電流晶體管的一個(gè)源/漏端直接或通過電流鏡鏡像管耦接電源，另一個(gè)源/漏端連接第二個(gè)光電流晶體管的一個(gè)源/漏端和柵極；第二個(gè)光電流晶體管的另一個(gè)源/漏端連接本地放大晶體管的柵極，并經(jīng)開關(guān)控制電路中的一個(gè)開關(guān)晶體管連接所述第二連接線；本地放大晶體管的一個(gè)源/漏端耦接第一個(gè)光電流晶體管的柵極，用于輸出光電流對應(yīng)的電壓，另一個(gè)源/漏端接地；

20、以及偏置電流生成電路，用于提供所述放大晶體管和本地放大晶體管工作時(shí)的偏置電流。

21、在一些實(shí)施例中，所述每個(gè)開關(guān)控制電路包括至少3個(gè)開關(guān)晶體管，其中第一開關(guān)晶體管的一個(gè)源/漏端連接第一電壓，另一個(gè)源/漏端連接所述第二連接線，第二開關(guān)晶體管的一個(gè)源/漏端連接所述電流電壓變換單元中的光電流晶體管，另一個(gè)源/漏端連接所述第二連接線，第三開關(guān)晶體管的一個(gè)源/漏端連接所述第三連接線和adc變換電路的輸入端，另一個(gè)源/漏端耦接電流源；所述第一開關(guān)晶體管的柵極耦接第一控制信號，第二開關(guān)晶體管的柵極耦接第二控制信號，第三開關(guān)晶體管的柵極耦接第三控制信號，且所述第一控制信號和第三控制信號為同源反相信號。

22、在一些實(shí)施例中，所述行并行變化檢測電路和行并行adc電路分別位于2d像元陣列的兩側(cè)。

23、在一些實(shí)施例中，每個(gè)變化檢測電路中還配置有復(fù)位控制單元，所述復(fù)位控制單元用于基于復(fù)位控制信號對變化檢測電路進(jìn)行復(fù)位，所述復(fù)位控制信號為每個(gè)變化檢測電路專用，或者是部分或全部變化檢測電路共用。

24、在一些實(shí)施例中，所述2d像元陣列中還包括直接或通過開關(guān)控制電路僅與變化檢測電路連接的陣列單元，和/或，直接或通過開關(guān)控制電路僅與adc變換電路連接的陣列單元。

25、在一些實(shí)施例中，所述2d像元陣列中的光電二極管包括不同種類的光電二極管。

26、在一些實(shí)施例中，所述2d像元陣列中部分光電二極管被設(shè)計(jì)成接受紅外光，部分光電二極管被設(shè)計(jì)成接受包括rgb在內(nèi)的可見光。

27、在一些實(shí)施例中，所述2d像元陣列中的光電二極管被設(shè)計(jì)成具有不同尺寸的感光面積。

28、在一些實(shí)施例中，所述的固體成像傳感器還包括：

29、多個(gè)計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器由至少一個(gè)所述變化檢測電路和至少一個(gè)adc變換電路共用。

30、在一些實(shí)施例中，所述計(jì)數(shù)器擺放于所述2d像元陣列的周圍，或者放置于所述行并行變化檢測電路中，并通過切換供變化檢測電路和adc變換電路分時(shí)復(fù)用，或者放置于所述行并行adc電路中，并通過切換供adc變換電路和變化檢測電路分時(shí)復(fù)用。

31、本發(fā)明的第二個(gè)方面提供了一種如上述第一個(gè)方面所述的固體成像傳感器的控制方法，包括：

32、開關(guān)控制電路組基于模式變換指令控制各個(gè)開關(guān)控制電路中開關(guān)晶體管的通斷，使得所述陣列單元分別與所述變化檢測電路或adc變換電路連接，進(jìn)而使陣列單元工作于不同模式下：

33、當(dāng)所述2d像元陣列中的至少一列的部分或全部感光單元及相應(yīng)的像素讀出單元連接至adc變換電路時(shí)，該部分感光單元所在的陣列單元工作于cis讀出模式；

34、當(dāng)所述2d像元陣列中的至少一列的部分或全部感光單元及相應(yīng)的像素讀出單元中的部分晶體管連接至變化檢測電路時(shí)，該部分感光單元所在的陣列單元工作于dvs讀出模式。

35、在一些實(shí)施例中，基于陣列單元的不同工作模式，使所述固體成像傳感器可切換地工作于如下幾種模式之一：

36、cis讀出模式；

37、dvs讀出模式；

38、cis幀讀出和dvs幀讀出交替進(jìn)行；

39、或者，dvs和cis通過分行錯(cuò)開讀出或不同行分時(shí)復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)激光測距與背景光成像的幀同步獲取。

40、本發(fā)明的第三個(gè)方面還提供了一種固體成像系統(tǒng)，包括：

41、如上述第一個(gè)方面所述的固體成像傳感器；

42、主動(dòng)光源，其用于為固體成像傳感器的dvs讀出模式提供光源；

43、以及處理器，所述處理器集成于所述固體成像傳感器上或獨(dú)立配置，并配置有三角測距計(jì)算單元；

44、其中，所述固體成像傳感器用于采集待測物體反射的光，基于cis讀出模式獲取2d檢測信號，并基于dvs讀出模式根據(jù)待測物體反射的光的亮度變化輸出亮度變化事件，所述處理器用于基于所述亮度變化事件通過三角測距計(jì)算待測物體距離，進(jìn)而獲取3d成像信號，從而實(shí)現(xiàn)2d與3d融合成像。

45、本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：

46、本發(fā)明的固體成像傳感器，通過1d并行分布dvs電路和adc變換電路在像素陣列外的分時(shí)復(fù)用，在不增加像元設(shè)計(jì)難度的情況下實(shí)現(xiàn)了全陣列的dvs功能和常規(guī)感光功能，克服了現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)dvs功能的電路規(guī)模大，以及為了減小面積不得不使用cu-cu高密度3d堆疊工藝導(dǎo)致的芯片成本高的缺陷。本發(fā)明的固體成像傳感器及固體成像系統(tǒng)，可根據(jù)需要工作于多種讀出模式，基于cis讀出模式可以獲取rgb圖像，基于dvs讀出模式可以利用三角法測距獲取面陣距離信息。相比于傳統(tǒng)的基于cis的線陣加上adc的三角法測距傳感器，本發(fā)明中基于dvs的三角法測距幀率更高，動(dòng)態(tài)范圍更大，并可實(shí)現(xiàn)2d與3d融合成像，從而具有更好的應(yīng)用場景適應(yīng)性。