CN106688099B - 可变分辨率像素 - Google Patents

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Abstract

一种包括多个光敏感像素的光电传感器，每一个光敏感像素包括光敏感区域和用于积聚光敏感区域中生成的光电荷的多个存储区域，每一个存储区域的传输栅极，该传输栅极被选择性地充电以将光电荷从光敏感区域传输至存储区域，以及微透镜阵列，对于每一个存储区域，所述微透镜阵列将入射在像素上的光的不同部分引导至光敏感区域的相比于到其他存储区域更靠近该存储区域的区域。

Description

可变分辨率像素
背景技术
相机通常包括光电传感器，例如CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)光电传感器，在其上，来自由相机成像的场景的光在相机的曝光周期期间被相机的光学器件聚焦以获取该场景的图像。光电传感器通常包括光敏感像素的行和列的阵列，光敏感像素记录由相机光学器件聚焦在光电传感器上的光。像素所记录的光的量被确定并被用于提供场景的图像。
光电传感器中的一个像素通过积聚来自光学器件成像在像素上的场景的区域的入射光在像素中生成的电子-空穴偶所提供的正的或负的电荷来记录该入射光。电子-空穴偶中的电子或空穴所提供的电荷通常被称为“光电荷”。电子-空穴偶可在像素中包括的光电二极管的耗尽区中生成，并且电子或空穴被传输到像素的毗邻光电二极管的存储区。将电压(可选地被称为“传输电压”)施加到覆盖在存储区上的导电“传输”栅极将电子或空穴从光电二极管传输到存储区。光电传感器中的像素的存储区中累积的光电荷被转换成电压，并且由像素提供的一组电压可被用于产生场景的图像。光电传感器所提供的这组电压可被称为光电传感器的“帧”。光电传感器中所包括的半导体材料的掺杂结构决定了光电传感器中的像素积聚由入射光所生成的电子还是空穴。通常像素积聚源于电子-空穴耦的电子(常规上也称为光电子)来记录入射光。
相机的曝光时间一般可控，使得对于场景被成像时所处的给定成像条件(诸如相机光学器件的焦距和场景中可用的光)，相机的光电传感器中的像素记录足以提供场景的令人满意的图像的量的光。例如，为了光电传感器中的像素记录足够的光来提供微弱照明场景的令人满意的图像，相机可有利地被控制以在相对长的曝光时间期间捕获来自场景的光。为了对明亮照明场景成像，相对短的曝光时间可能是足够的。
一些特殊目的相机可在针对曝光时间的特殊约束下工作。例如，飞行时间(TOF)三维(3D)范围相机捕获其成像的场景的范围图像。范围图像提供到场景中的特征的距离。相机通过确定光从相机到特征再回到相机这样往返花费多长时间来确定到所成像的场景中的特征的距离。往返时间可通过发射光脉冲来照亮场景并且确定被特征所反射的所发射光脉冲中的光从相机传播到特征再回到相机花费多长时间来确定。相机可在多个不同曝光时间中的每一个期间记录所发射光脉冲中的从场景返回到相机的光以捕获用于确定往返时间的数据。曝光时间可被要求满足针对它们各自的持续时长的相对严苛的约束以及它们各自相对于光脉冲的发射时间的定时。
相机曝光时间的持续时长一般取决于相机的光电传感器中的像素对入射光的敏感度。对于来自场景的光的强度低于有利于使用具有较低光敏感度的像素的光电传感器来对场景成像的光强度，包括具有更高的光敏感度的像素的光电传感器一般可用于捕获该场景的令人满意的图像。对于入射光的像素敏感度一般随像素中的光电二极管的大小增加而增加。对于给定曝光时间，具有较大光电二极管的像素与具有较小光电二极管的像素相比积聚更多的光电荷。包括更大光电二极管的光电传感器可因此能够在比包括具有较小光电二极管的像素的相机更低的光强度下提供场景的令人满意的图像。然而，随着相机的光电传感器中的光电二极管的大小增加，光电传感器的空间分辨率以及其产生的图像减小。
发明内容
本发明的实施例的一个方面涉及提供一种光电传感器，此后也称为“多模式光电传感器”，其包括具有由施加给像素的电压来控制的空间分辨率。在一个实施例中，每一个“多模式像素”包括使用合适的技术(诸如CMOS或CCD技术)来制造的光敏感区域(诸如光电二极管或光栅极)。每一个光敏感区域与多个光电荷存储区域相关联以积聚在该光敏感区域中生成的光电荷。每一个光电荷存储区域与其自身的传输栅极以及至少一个微透镜相关联。与给定存储区域相关联的至少一个微透镜将入射在微透镜上的光引导到光敏感区域中的与到像素的其他存储区域相比更靠近给定存储区域的区域，在该区域中光敏感区域将光转换成电子－空穴偶。以下，在说明书中，像素的光敏感区域为了解说方便被假设为光电二极管。
当基本相同的合适的传输电压被同时施加到所有像素的传输栅极时，传输电压在光电二极管中生成的电场用于将由入射在给定微透镜上的光在光电二极管中生成的光电荷基本仅传输给与该微透镜相关联的存储区域。每一个存储区域响应于入射在其相关联的微透镜上的光的量并且与入射在像素中的其他微透镜上的光的量基本无关地来积聚光电荷。像素因此工作为多个更小的像素，可选地，更小的像素的数量等于微透镜的数量。更小的像素与像素原生尺寸相比具有缩小的尺寸，同时伴随带来改进的空间分辨率，空间分辨率基本由微透镜尺寸和施加的传输电压所确定。当工作于施加相同的传输电压到像素的所有传输栅极时，像素可被称为工作在高空间分辨率模式下。
当传输电压被施加到仅一个传输栅极时，相关联的存储区域接收来自光电二极管的几乎所有区域的光电荷，因此像素工作为单个、未经分割的像素，其具有基本由其原生尺寸确定的空间分辨率。当工作于施加传输电压到像素中的仅一个传输栅极时，像素可被称为工作在低空间分辨率模式下。根据本发明的实施例的像素工作在传输电压被施加给不止一个其传输栅极但少于其全部传输栅极时，像素可被称为工作在中间空间分辨率模式下。
在本发明的实施例中，光电二极管和微透镜被配置成呈现关于基本位于光电二极管的中心处并且垂直于光电传感器的轴旋转对称。在一个实施例中，旋转对称具有大于或等于2的阶数。可选地，旋转对称的阶数大于或等于4。在本发明的实施例中，多模式像素包括两个或更多个存储区域。在一个实施例中，多模式像素包括四个存储区域。
本发明的实施例的一个方面涉及提供一种相机，该相机包括光电传感器和控制器，控制器控制施加到光电传感器中的像素的传输栅极的电压以控制光电传感器以及由此的相机的空间分辨率。在本发明的实施例中，控制器响应于相机成像的场景中可用的光来控制电压。可选地，控制器控制光电传感器和传输电压以确定抵达每一个像素的光的强度并且捕获场景的对比度图像(此后也被称为图片)。在一个实施例中，相机是TOF-3D相机，并且控制器控制光电传感器和传输电压以针对适用于捕获场景的范围图像(并且可选地，捕获场景的图片)的曝光时间将相机切换为开和关。
在讨论中，除非另行说明，修改本发明的实施例的一个或多个特征的条件或关系特性的诸如“基本上”和“大约”的副词应被理解为该条件或特性被定义为针对该实施例所意图的应用在该实施例的操作可接受的容差范围以内。除非另外指示，本说明书和/或权利要求书中的单词“或”被认为是包含性“或”而不是排他性或，并且指示其结合的各项目中的至少一者或其组合。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
附图说明
下面将参考在此所附的在此段落之后列出的附图来描述本发明的实施例的非限制性示例。在多于一幅附图中出现的相同的特征通常在其出现的所有附图中都以相同的数字来标记。标记表示附图中的本发明的实施例的一个给定特征的图标或其他图形指示的标记可被用于参考该给定的特征。附图中所示的组件的尺寸和特征是为了方便和清楚呈现而选择的，并且不一定按比例显示。
图1A示意性地示出根据本发明的实施例的包括多模式像素的多模式光电传感器；
图1B示意性地示出根据本发明的实施例的当像素中的所有传输栅极用传输电压充电时图1A中所示的多模式像素中的等电势场线；
图1C－1F示意性地示出根据本发明的实施例的当像素中的传输栅极中的不同的传输栅极用传输电压充电时图1A中所示的多模式像素中的等电势场线；
图2A示意性地示出根据本发明的实施例的包括对场景成像以捕获场景的范围图像的多模式光电传感器的TOF-3D相机；
图2B－2E示出根据本发明的实施例的在图2A中示出的场景的成像期间TOF-3D相机中的多模式光电传感器的曝光时间的操作和定时关系；
图2F示出根据本发明的实施例的被用于提供图2A中示出的场景的范围图像的TOF-3D相机所捕获的数据的图；以及
图3示意性地示出根据本发明的实施例的包括多模式光电传感器的智能电话。
具体实施方式
图1A示意性地示出根据本发明的实施例的包括形成在合适的基板31中的像素30(也称为多模式像素30)的多模式光电传感器20的一部分的简化的俯视图。多模式光电传感器20可以是CCD或CMOS光电传感器，并且可作为示例被假设为CMOS光电传感器，其积聚来自入射在像素30中包括的光电二极管(参见以下)上的光所生成的电子－空穴偶的光电子以记录入射在像素上的光的量。图1A和随后的附图中示出的像素30的特征不一定处在像素的相同深度处。附图示出了特征在多模式光电传感器20的上表面上的示意性投影(被假设为位于附图的页中)，其指示各特征的相对横向位置。
每一个多模式像素30可选地包括光电二极管32和四个光电子存储区域41、42、43和44。传输栅极50覆盖每一个存储区域41、42、43和44，并且可选地覆盖光电二极管32的一个小区域。像素30的各组件可选地形成在重度n掺杂的硅基板31(未示出)上，在该硅基板31上形成外延的p掺杂层(未示出)。光电二极管32可包括在p掺杂外延层中形成的n掺杂区域的接面处生成的耗尽区。存储区域41、42、43和44可以是掩埋的n掺杂沟道的各部分。覆盖存储区域41、42、43和44的传输栅极50使用各种合适的导电材料(诸如金属)中的任意一种或多晶硅来形成。每一个像素30可包括读出电路34，读出电路34被配置成提供对于每一个存储区域41、42、43和44中积聚的光电荷的量的测量，该量独立于像素30的其他存储区域中积聚的光电荷的量。虽然光电二极管32被指示为矩形的，但是根据本发明的实施例的多模式像素中的光电二极管可具有除矩形以外的形状。作为示例，光电二极管除了矩形以外可具有多边形形状，或者是圆形或不规则形。
微透镜60的阵列覆盖光电二极管32的各部分。可选地，微透镜阵列包括针对每一个给定存储区域41、42、43和44的微透镜60，该微透镜60将入射在微透镜上的光引导至光电二极管32的与到其他存储区域相比更靠近给定存储区域的区域。在图1A中，微透镜60中的星形图标62表示微透镜将光引导至的微透镜60的聚焦区域。在本发明的实施例中，如图1A中所示，微透镜60的阵列有利地被配置成使得阵列覆盖几乎全部的光电二极管32并且可附加地覆盖光电二极管32外部的区域。可选地，所有的微透镜60是圆形的，具有相同的直径，并且被排列成四阶旋转对称配置。
在本发明的实施例中，控制器(在图1A中未示出)控制施加给基板31和传输栅极50的电压以将多模式光电传感器20切换ON(开)和OFF(关)，并且将像素30中响应于入射光生成的光电子引导至像素的选定的存储区域41、……、44。在本发明的实施例中，控制器施加电压VON以将多模式光电传感器20切换为开，并且施加电压VOFF给基板31以将多模式光电传感器20切换为关。
VOFF是比控制器施加给传输栅极50的传输电压正值更大的电压，并且在被施加给基板31时，多模式像素30中的光电子漏至基板31，不被积聚在存储区域41、……、44中的任何一个中，并且被丢弃。VON是比控制器施加给传输栅极50的传输电压“VG+”正值小的电压，可选地是一个公共地电压。当控制器施加VON给基板31并且施加传输电压VG+给与像素30的给定存储区域41、……、44相关联的传输栅极50时，光电二极管32中生成的光电子不漏至基板31。传输电压VG+在光电二极管32中生成电场，该电场向光电二极管中的光电子施加力，该力致使光电子朝着与传输栅极相关联的存储区域漂移并且在被积聚在其中。通过将基板31保持在电压VON并且选择性地施加传输电压VG+到栅极50，控制器可操作多模式光电传感器20以为包括多模式光电传感器的相机提供不同顺序和类型的曝光时间，并且为相机提供用于捕获场景的图像的不同的空间分辨率。
作为示例，图1B示意性地示出工作在高空间分辨率模式下的多模式像素30，在高空间分辨率模式中，控制器用相同的VG+同时对包括在像素中的所有传输栅极50充电。传输栅极50的阴影指示传输栅极50被传输电压VG+充电。对每一个传输栅极50充电的传输电压在光电二极管32中生成电场，该电场将光电子从光电二极管32的毗邻存储区的部分吸引到存储区。当用传输电压对存储区域的传输栅极50充电时存储区域41、42、43、44从其积聚光电子的光电二极管32的一部分可被称为光电二极管的“收集区域”。存储区域41、42、43、44的收集区域中的轮廓线70表示所生成的电场的等电势面，并且此后也被称为“等势面”或“等势线”。光电二极管32中的某一位置处的电场方向垂直于该位置处的等势面70，并且电场强度与该位置处各等势之间的距离成反比。图1B中的“场”箭头71示意性地指示被充电的传输栅极50在光电二极管32中的各个位置处生成的电场的方向。
对于图1B中示出的存储区域41、……、44、传输栅极50、以及以相同的传输电压VG+对传输栅极50的同时充电这样的配置，存储区域41、42、43、44的相应的收集区域具有基本相同的形状和大小，并且在毗邻的收集区域中的电场基本是彼此的镜像。给定存储区域41、42、43、44的收集区域包括位于与该给定存储区域相关联的微透镜60下方的光电二极管32的那部分。另外，给定存储区域的收集区域可包括光电二极管32的不被相关联的微透镜覆盖却与到其他存储区域的微透镜相比更靠近该相关联的微透镜的部分。光电二极管32的包括在给定存储区域41、42、43、44的收集区域中的更靠近该给定存储区域的相关联的微透镜60的区域可被称为收集区域的外围区域。
每一个存储区域41、42、43、44从其相关联的收集区域中所积聚的光电子是由覆盖收集区域的微透镜60引导至收集区域的光和入射在收集区域的外围区域上的光生成的。然而，如以上提到的，并且由图1A和1B中所示的微透镜60的配置所指示的，微透镜60覆盖像素30中位于光电二极管32以外的区域。与给定存储区域41、42、43、44相关联的微透镜60可从像素30的明显大于存储区域的收集区域的区域收集光并将光引导至该收集区域。每个存储区域41、42、43、44及其相关联的包括在像素30中的微透镜60可因此作为比像素30小并且具有基本由相关联的微透镜的尺寸来确定的尺寸的独立像素。
图1C示意性地示出工作在低空间分辨率模式下的像素30，在低空间分辨率模式中，控制器施加电压VON到基板31并且施加传输电压VG+仅到与存储区域41相关联的传输栅极50。与存储区域42、43、44相关联的传输栅极50可以是不固定的或者被充电至VON。被施加给与存储区域41相关联的传输栅极50的传输电压VG+生成电场，该电场用于将在光电二极管32中的几乎任意处生成的电子－空穴偶所提供的光电子移动至存储区域41。等势线70指示所生成的电场的配置，并且场箭头71示意性地指示光电二极管32中的各个位置处的电场的方向。在低分辨率模式下，多模式像素30具有基本由像素的原生尺寸所确定的空间分辨率，并且入射在该像素上的光的强度可响应于对于存储区域41中积聚的可选地由读出电路34所提供的光电子的量的测量来确定。
需要注意，当工作在图1C中示意性示出的低空间分辨率模式下时，多模式像素30提供相对于工作在高空间分辨率模式下的像素所提供的空间分辨率差大约4倍的空间分辨率。然而，对于相同的入射光强度和相同的曝光时间，工作在低空间分辨率模式下的像素30与像素工作在高分辨率模式下相比在用于存储光电二极管32中生成的光电子的存储区域41、42、43或44中积聚约4倍的光电子。因此，如果存储区域41、42、43或44中积聚的特定的最小数量的光电子具有散粒噪声的有利幅值的特征，则像素30提供比工作在高分辨率模式下的像素提供最小值的强度小约四倍的入射光强度的最小数。作为结果，当被用于在低光照条件下对场景成像时，多模式光电传感器20可有利地工作在低空间分辨率模式下。
图1D、1E和1F示意性地示出像素30工作在类似于图1C中示出的低空间分辨率模式的低空间分辨率模式下，但是其中传输电压VG+被施加到分别与存储区域42、43和44相关联的传输栅极50。
作为数值示例，多模式光电传感器20可包括由小于或等于约15μm(微米)的间距表征的多模式像素30。每一个多模式像素30可包括具有等于约8μm的最大横向尺寸的光电二极管32。对于具有约10μm或约7μm的间距的像素30，光电二极管32可分别具有约6μm或4.5μm的最大横向尺寸。根据本发明的实施例，多模式像素的填充因子可以等于或大于约70％。
图2A示意性地示出根据本发明的实施例的包括用于捕获场景130的范围图像的与图1A－1F中示出的多模式光电传感器20类似的多模式光电传感器20的TOF-3D相机120。场景130被示意性示出具有对象131和132。
被非常示意性地表示的TOF-3D相机120包括透镜系统，透镜系统由在多模式光电传感器20上对场景130成像的透镜121来表示。可选地，TOF-3D相机包括光源126，诸如例如激光或LED、或激光和/或LED的阵列，其可用可选地IR(红外)光脉冲控制以对场景130进行照明。控制器124控制光源126的脉冲发射以及多模式光电传感器20通过场景中的特征所反射的来自光源126所发射的光脉冲的光来对场景130的成像。控制器124可选地施加电压VON和VOFF来分别将多模式光电传感器切换为开和关。控制器可选择性地施加传输电压VG+到与不同的光电荷存储区域41、42、43和4相关联的传输栅极50以在不同的曝光时间期间在多模式光电传感器20上对场景130成像。不同的曝光时间被相对于光源126发射光脉冲以对场景130照明的时间来定时，以捕获用于确定到场景130中的特征的距离的数据并且捕获场景的范围图像。
在本发明的实施例中，为了捕获数据以及由此捕获到场景130中的特征的距离，控制器124打开多模式光电传感器20并且控制光源126以用图2A中以一列140矩形脉冲141来示意性地表示的一列光脉冲来对场景130照明。场景130中的特征将来自所发射的光脉冲列140的光以反射光脉冲列的形式反射回TOF-3D相机120。作为示例，图2A示意性地示出反射光脉冲列145和147分别包括分别由对象132和131的特征A和B所反射的光脉冲146和148。反射光脉冲列中的每一个反射光脉冲(诸如反射光脉冲列145中的反射光脉冲146或者光脉冲列147中的反射光脉冲148)具有与发射的光脉冲141基本相同的脉冲形状和宽度。同一反射光脉冲列中的反射脉冲的重复周期与所发射的光脉冲列140中的发射的光脉冲141的重复周期基本相同。光脉冲141、146和148可具有可选地在约10到30ns(纳秒)之间的脉宽“τ”。
在每一个发射的光脉冲141发射之后的预定延迟之后，控制器124施加一个电压配置到多模式光电传感器20以确定多模式光电传感器20的曝光时间，在该曝光时间期间，多模式光电传感器20记录由场景130中的特征从发射的光脉冲反射的光脉冲中的光。在一个实施例中，控制器124向与至少一个存储区域41、42、43或44相关联的传输栅极50施加传输电压VG+，并且向多模式光电传感器20的基板31(图1A)施加电压VON和VOFF以确定曝光时间的定时和持续时长。在曝光时间期间，由入射在多模式光电传感器20的像素30上的光生成的光电子漂移到像素的至少一个存储区域41、42、43或44(该存储区域的传输栅极50用传输电压充电)并在其中被积聚。
给定像素30在曝光时间期间记录的来自由成像在该给定像素上的场景130中的特征从发射的光脉冲141反射的反射光脉冲的光的量基本与曝光时间和反射光脉冲的卷积成比例。该卷积是发射的光脉冲141的发射时间和曝光时间之间的预定延迟、距所成像的特征的TOF-3D相机120的距离、以及反射光脉冲的形状和曝光时间的函数。
在本发明的实施例中，控制器124控制多模式光电传感器20来记录三种不同类型的曝光时间期间由场景130的特征所反射的反射光脉冲中的光。图2B、图2C以及图2D中的图181、182以及183分别示出光源126所发射的光脉冲和像素30的曝光时间的示意性表示。这些图解说了三种类型的曝光时间以及在曝光时间和发射的光脉冲141之间的时序关系。
图2B中示出的图181示出了第一种类型的曝光时间，该曝光时间可选地包括两个连续的成分曝光时间，并且被称为“双曝光时间”。该图示意性地示出了沿图线191(标记为“照明”)的时间T0处发射的发射光脉冲141，沿图线192的由控制器124施加到存储区域41、42、43或44的传输栅极50的电压，以及沿图线193(标记为“基板”)的施加到多模式光电传感器20的基板31的电压。为了在复合的曝光时间期间积聚光电子，控制器124可选地将沿图线192示出的传输电压VG+仅施加到与像素30的存储区域41相关联的传输栅极50。传输电压VG+可在光脉冲141的发射之前被施加。图2B中的插图195示意性地示出像素30以及与像素的存储区域41相关联的传输栅极50，通过阴影来区别以图形地指示传输电压VG+仅被施加给光电荷存储区域41的传输栅极50。图线192还被标记了41-VG+以指示只有存储区域41的传输栅极50被用传输电压VG+充电。控制器124在光脉冲141的发射之前向基板31施加电压VOFF。只要VOFF被保持在基板31上，在多模式光电传感器20中的像素30的光电二极管32上入射的光所产生的任何光电子都漏到基板31并且光电子不被多模式光电传感中的像素的任何存储区域积聚。
在延迟时间T1之后，控制器124将电压VON(图线193)施加到多模式光电传感器20的基板31以记录双曝光时间的第一成分曝光时间期间的光，随后在延迟时间T4处再次记录双曝光时间的第二成分曝光时间期间的光。可选地，成分曝光时间具有等于发射的光脉冲141的持续时长的持续时长，例如，T4－T1可等于或大于约6ns并且小于或等于约30ns。在控制器124施加VON到基板31的每一个成分曝光时间期间，反射自发射的光脉冲141的光脉冲中的光在像素30的光电二极管32中的任意处生成的光电子漂移到像素的存储区域41并在其中积聚。给定像素30的存储区域41在双曝光时间期间积聚的来自由成像在该给定像素30上的场景130中的特征从发射的光脉冲131反射的光脉冲的光的量基本与双曝光时间和反射光脉冲的卷积成比例。在本发明的实施例中，控制器124控制多模式光电传感器20以在双曝光时间期间为脉冲列140中的多个光脉冲141中的每一个积聚光电子。
图2C中的图182示意性地解说了根据本发明的实施例的三种曝光时间中的第二种类型的曝光时间。对于第二种类型的曝光时间，控制器124施加传输电压到可选地仅与存储区域42相关联的传输栅极50。在图2C中，图182中的图线192被标记了42-VG+，并且插图195示出存储区域42的传输栅极50是阴影的以指示仅存储区域42的传输栅极50被用传输电压VG+充电。控制器124施加电压VON和VOFF到多模式光电传感器20的基板31(图线193)以在光脉冲141被发射到照明场景130的时间T0之后的时间T2处启动第二类型的曝光时间。可选地，T2比T1晚时间延迟ΔT12，并且比T4早。例如，ΔT12可以等于或大于约2ns并且小于或等于约10ns。在第二类型的曝光时间期间，反射自发射的光脉冲141的光脉冲中的入射光(图线191)所生成的光电子被积聚在存储区域42中。在本发明的实施例中，控制器124控制多模式光电传感器20以在第二类型的曝光时间期间为脉冲列140中的多个光脉冲141中的每一个积聚光电子。
图2D中的图183示意性地解说了根据本发明的实施例的三种曝光时间中的第三种类型的曝光时间。第三类型的曝光时间可选地类似于第二类型的曝光，但是开始于时间T3，T3可早于T4并且可比T2晚时间段ΔT23。例如，ΔT23可以等于或大于约2ns并且小于或等于约10ns。对于第三种类型的曝光时间，控制器124施加传输电压可选地仅到与存储区域43相关联的传输栅极50。在图2D中，图183中的图线192被标记了43-VG+，并且插图195示出存储区域43的传输栅极50是阴影的以指示仅存储区域43的传输栅极50被用传输电压VG+充电。在第三类型的曝光时间期间，反射自发射的光脉冲141的光脉冲中的入射光所生成的光电子被积聚在存储区域43中。在本发明的实施例中，控制器124控制多模式光电传感器20以在第三类型的曝光时间期间为脉冲列140中的多个光脉冲141中的每一个积聚光电子。
在本发明的实施例中，控制器124控制多模式光电传感器20以在曝光时间期间对场景130成像，在该曝光时间，场景不被光脉冲照明以确定抵达TOF-3D相机120的背景光的量。可选地，控制器124如图2E中的图184中示意性地解说的那样操作多模式光电传感器20，并且将传输电压VG+仅施加到光电荷存储区域44的传输栅极50以在由电压VON确定的曝光时间期间在存储区域44中积聚光电子。
在存储区域41、42、43和44中积聚光电子之后，控制器124捕获多模式光电传感器20的帧以捕获提供对每一个多模式像素30的存储区域41、42、43和44中积聚的光电子的量的测量的电压。由于背景光的原因，控制器124响应于测得的像素的存储区域44中积聚的光电子的量来纠正所测得的每一个像素30的存储区域41、42、43和44中积聚的光电子的量。像素30的存储区域41、42、43和44的经纠正的测量分别与双曝光时间以及第二和第三类型的曝光时间期间成像在像素上的场景130中的特征从发射的光脉冲141反射的光脉冲的卷积成比例。控制器124使用对卷积的测量来确定该特征距TOF-3D相机120的距离。
例如，对象132的特征A(图2)成像于其上的像素30的存储区域41、42、43和44的经纠正的测量提供针对反射光脉冲146的双曝光时间、第二类型曝光时间以及第三类型曝光时间的卷积的测量。控制器124可使用该测量来确定特征A距TOF-3D相机120的距离。
例如，令针对对场景130中的特征成像的给定像素30的光电荷存储区域41、42和43所确定的卷积被分别表示为C41、C42和C43。C41、C42和C43的值被示出在图2F中的图185中作为沿图的横坐标显示的以厘米(cm)为单位的特征的距离的函数。图的纵坐标以任意单位渐变。成像在给定像素上的特征的距离可根据为该给定像素确定的C41、C42和C43的值来确定。图185示出由C41*、C42*和C43*所表示的经确定的值。从该图中可以看到，经确定的值与等于约125cm的经成像的特征的距离的值最相配。
在本发明的实施例中，与多模式光电传感器20类似的光电传感器可被包括在相机中，根据本发明的实施例，该光电传感器用于捕获场景的图片。例如，图3示意性地示出根据本发明的实施例的包括具有多模式光电传感器20的相机202的智能电话200。图3示意性地示出智能电话相机202正被用于对场景300成像。
在本发明的实施例中，智能电话200中的控制器(未示出)控制多模式光电传感器20来响应于对智能电话相机202从场景300中收集的光的强度的测量以及强度阈值来工作在高空间分辨率模式下或低空间分辨率模式下。收集的光的强度可由智能电话200中包括的任何合适的光度计和/或应用(未示出)来确定。如果光的强度大于强度阈值，则控制器可控制多模式光电传感器20工作在高空间分辨率模式下以对场景300成像。如果收集的光的强度小于强度阈值，则控制器可控制多模式光电传感器20工作在低空间分辨率模式下以对场景300成像。
由此根据本发明的实施例，提供了一种具有形成在基板上的多个光敏感像素的多模式光电传感器，每一个像素包括：光敏感区域，在所述光敏感区域中，入射光生成光电荷载流子；多个存储区域，用于积聚在所述光敏感区域中生成的光电荷载流子；与所述多个存储区域中的每一个存储区域相关联的传输栅极，所述传输栅极被充电以致使所述光敏感区域中的光电荷漂移到所述存储区域；以及微透镜阵列，所述微透镜阵列包括用于所述多个存储区域中的每一个存储区域的至少一个微透镜，所述微透镜将入射在所述至少一个微透镜上的光引导到所述光敏感区域的与到所述多个存储区域中的其他存储区域相比更靠近该存储区域的区域。可选地，所述微透镜阵列包括用于每一个存储区域的单个微透镜。替代地或附加地，所述微透镜阵列可呈现旋转对称。可选地，所述旋转对称具有与所述多个存储区域的数量相等的阶数。在本发明的实施例中，所述多个存储区域的数量等于2。在本发明的实施例中，所述多个存储区域的数量等于或大于4。
在本发明的实施例中，多模式光电传感器包括控制器，所述控制器对与存储区域相关联的传输栅极充电以致使所述光敏感区域中生成的光电荷漂移到所述存储区域。可选地，所述控制器用传输电压对仅一个存储区域的传输栅极充电以致使在所述光敏感区域中的基本任意位置处生成的光电荷漂移到这个存储区域。替代地或附加地，所述控制器用相同的传输电压同时对与每一个存储区域相关联的传输栅极充电以致使在所述光敏感区域中的最靠近一个存储区域的位置处生成的光电荷漂移到该存储区域。
在本发明的实施例中，控制器对所述基板充电以将所述光电传感器切换为开和关。
在本发明的实施例中，所述光敏感区域包括光电二极管。在一个实施例中，所述光敏感区域包括光栅极。
根据本发明的实施例，还提供了一种飞行时间(TOF)三维(3D)相机，所述相机对场景成像以确定到所述场景中的特征的距离，所述TOF-3D相机包括：光源，所述光源发射光脉冲列以照明所述场景；根据本发明的实施例的多模式光电传感器，所述光电传感器接收由所述特征从所发射的光脉冲反射的光；以及控制器，在每一个光脉冲之后，所述控制器将所述光电传感器切换为开和关以积聚在从多个不同曝光时间中挑选的曝光时间期间由来自所述特征所反射的光脉冲中的光在所述光电传感器中的像素的光电二极管中生成的光电荷；其中所述控制器对不同存储区域的传输栅极充电以在不同存储区域中积聚不同曝光时间期间所生成的光电荷，确定不同存储区域中积聚的来自光电传感器的同一帧的光电荷的量，并且使用所述量来确定到所述场景中的特征的距离。
可选地，所述不同曝光时间包括开始于所述光脉冲列中的光脉冲被发射的时间之后的不同时间的曝光时间。附加地或替代地，所述不同曝光时间可包括具有不同持续时长的曝光时间。所述不同曝光时间可包括具有不同形状的曝光时间。
在本发明的实施例中，所述多个不同曝光时间的数量等于或大于2。可选地，所述多个存储区域的数量等于或大于所述多个不同曝光时间的数量。
根据本发明的实施例，还提供了一种对场景成像以捕获场景的图片的相机，所述相机包括：根据本发明的实施例的多模式光电传感器，用于接收来自所述场景的光；光度计，用于确定从所述场景抵达所述相机的光的强度；以及控制器，用于响应于所述光度计测得的光的强度来控制对传输栅极的充电。可选地，所述控制器响应于阈值光强度来控制对所述传输栅极的充电。如果测得的强度小于阈值，所述控制器可用传输电压对仅一个存储区域的传输栅极充电。如果测得的强度大于阈值，所述控制器可用相同的传输电压对与每一个存储区域相关联的传输栅极同时充电。
在本申请的说明书和权利要求书中，动词“包括”、“包含”和“具有”及其组合中的每一个是用来指示该动词的一个或多个宾语不一定是该动词的一个或多个主语的组件、元素、或部分的完整列表。
在本申请中作为示例提供了对本发明的各实施例的描述，而不旨在限制本发明的范围。所描述的实施例包括不同的特征，对于本发明的所有实施例来说并不是所有的特征都是必需的。一些实施例只利用部分特征或特征的可能组合。本领域的技术人员会想到所描述的本发明的各实施例的变型以及本发明的各实施例包括在所描述的各实施例中注明的特征的不同组合。

Claims (20)

1.一种具有形成在基板上的多个光敏感像素的光电传感器，每一个像素包括：
光敏感区域，在所述光敏感区域中，入射光生成光电荷载流子；
多个存储区域，用于积聚在所述光敏感区域中生成的光电荷载流子；
与所述多个存储区域中的每一个存储区域相关联的传输栅极，所述传输栅极被充电以致使所述光敏感区域中的光电荷漂移到所述存储区域，其中所述多个存储区域中的不同存储区域的传输栅极被充电以在不同存储区域中积聚不同曝光时间期间所生成的光电荷；以及
微透镜阵列，所述微透镜阵列包括用于所述多个存储区域中的每一个存储区域的至少一个微透镜，所述至少一个微透镜将入射在所述至少一个微透镜上的光引导到所述光敏感区域的与到所述多个存储区域中的其他存储区域相比更靠近该存储区域的区域。
2.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述微透镜阵列包括用于每一个存储区域的单个微透镜。
3.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述微透镜阵列呈现旋转对称。
4.如权利要求3所述的光电传感器，其特征在于，所述旋转对称具有与所述多个存储区域的数量相等的阶数。
5.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述多个存储区域的数量等于2。
6.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述多个存储区域的数量等于或大于4。
7.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，包括控制器，所述控制器对与存储区域相关联的传输栅极充电以致使所述光敏感区域中生成的光电荷漂移到所述存储区域。
8.如权利要求7所述的光电传感器，其特征在于，所述控制器用传输电压对仅一个存储区域的传输栅极充电以致使在所述光敏感区域中的基本任意位置处生成的光电荷漂移到这个存储区域。
9.如权利要求7所述的光电传感器，其特征在于，所述控制器用相同的传输电压同时对与每一个存储区域相关联的传输栅极充电以致使在所述光敏感区域中的最靠近一个存储区域的位置处生成的光电荷漂移到该存储区域。
10.如权利要求7所述的光电传感器，其特征在于，所述控制器对所述基板充电以将所述光电传感器切换为开和关。
11.如权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述光敏感区域包括光电二极管。
12.一种飞行时间三维TOF-3D相机，所述相机对场景成像以确定到所述场景中的特征的距离，所述TOF-3D相机包括：
光源，所述光源发射光脉冲列以照明所述场景；
如权利要求1所述的光电传感器，所述光电传感器接收由所述特征从所发射的光脉冲反射的光；以及
控制器，在每一个光脉冲之后，所述控制器将所述光电传感器切换为开和关以积聚在从多个不同曝光时间中挑选的曝光时间期间由来自所述特征所反射的光脉冲中的光在所述光电传感器中的像素的光电二极管中生成的光电荷；
其中所述控制器对不同存储区域的传输栅极充电以在不同存储区域中积聚不同曝光时间期间所生成的光电荷，确定不同存储区域中积聚的来自所述光电传感器的同一帧的光电荷的量，并且使用所述量来确定到所述场景中的特征的距离。
13.如权利要求12所述的TOF-3D相机，其特征在于，所述不同曝光时间包括开始于所述光脉冲列中的光脉冲被发射的时间之后的不同时间的曝光时间。
14.如权利要求12所述的TOF-3D相机，其特征在于，所述不同曝光时间包括具有不同持续时长的曝光时间。
15.如权利要求12所述的TOF-3D相机，其特征在于，所述多个不同曝光时间的数量等于或大于2。
16.如权利要求15所述的TOF-3D相机，其特征在于，所述多个存储区域的数量等于或大于所述多个不同曝光时间的数量。
17.一种对场景成像以捕获所述场景的图片的相机，所述相机包括：
如权利要求7所述的光电传感器，所述光电传感器接收来自所述场景的光；
光度计，所述光度计确定从所述场景抵达所述相机的光的强度；以及
控制器，所述控制器响应于所述光度计测得的光的强度来控制对传输栅极的充电。
18.如权利要求17所述的相机，其特征在于，所述控制器响应于阈值光强度来控制对所述传输栅极的充电。
19.如权利要求18所述的相机，其特征在于，如果测得的强度小于所述阈值，则所述控制器用传输电压对仅一个存储区域的传输栅极充电。
20.如权利要求19所述的相机，其特征在于，如果测得的强度大于所述阈值，则所述控制器用相同的传输电压对与每一个存储区域相关联的传输栅极同时充电。
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