CN108780044A

CN108780044A - 用于寿命成像和检测应用的传感器和设备

Info

Publication number: CN108780044A
Application number: CN201780012198.7A
Authority: CN
Inventors: 乔纳森·M·罗斯伯格; 基斯·G·法夫; D·布瓦韦尔
Original assignee: Tess Echo Health Co
Current assignee: Tess Echo Health Co; Tesseract Health Inc
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-11-09
Also published as: KR20180111999A; TW202139919A; AU2017219894A1; WO2017143129A1; EP3417277A4; US20190374107A1; EP3417277A1; JP2019512090A; US11344200B2; JP2022113726A; TW201734452A; US20220273174A1; CA3012705A1; TWI734748B; BR112018016018A2; US20170231500A1; AU2017219894B2; US10441174B2

Abstract

一种亮度寿命成像的方法，包括在集成光电检测器处接收来自发光分子的入射光子。通过定点照护设备的一个或多个光学组件接收入射光子。该方法还包括使用集成光电检测器检测入射光子到达的时间。一种分析血糖的方法，包括至少部分地使用检测来自组织的入射光子到达时间的集成电路来检测组织的亮度寿命特性。方法还包括基于亮度寿命特性来分析血糖。

Description

用于寿命成像和检测应用的传感器和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求序列号为62/296,546、提交于2016年2月17日、名称为“用于寿命成像和检测应用的传感器和设备”的美国临时申请的优先权，其全文以引用的方式并入本文中。

背景技术

光电检测器用于检测各种应用中的光。已经开发了集成光电检测器，其发出表示入射光的强度的电信号。用于成像应用的集成光电检测器包括用于检测从跨场景中接收的光的强度的像素阵列。集成光电检测器的例子包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

发明内容

一些实施例涉及亮度寿命成像的方法。该方法包括在集成光电检测器处接收来自发光分子的入射光子。入射光子通过定点照护设备的一个或多个光学组件接收。该方法还包括使用集成光电检测器检测入射光子到达时间。

该方法还可以包括基于到达时间来区分发光分子的亮度寿命特性。

该方法还可以包括使用亮度寿命特性产生图像。

所述图像可基于亮度寿命特性指示患病组织的存在。

该图像可以指示黑素瘤、肿瘤、细菌感染或病毒感染的存在。

可以从组织中接收入射光子。

该组织可以包括皮肤。

该方法还可以包括照射组织以激发所述发光分子。

一些实施例涉及包括检测组织的亮度寿命特性的方法，该检测至少部分地使用检测来自组织的入射光子到达时间的集成电路。该方法还包括基于亮度寿命特性分析血糖。

分析可以包括确定血糖浓度。

一些实施例涉及包括一个或多个光学组件的定点照护设备，被配置为通过一个或多个光学组件接收来自发光分子的入射光子的集成光电检测器，以及处理器，被配置为检测在集成光电检测器处接收的入射光子的到达时间，进行亮度寿命成像。

处理器还可被配置为基于到达时间来区分发光分子的亮度寿命特性。

处理器可以被配置为使用亮度寿命特性来产生图像。

图像可以基于所述亮度寿命特性指示患病组织的存在。

图像可以指示黑素瘤，肿瘤，细菌感染或病毒感染的存在。

可以从组织中接收入射光子。

组织可以包括皮肤。

定点照护设备还可以包括激发光源，该激发光源被配置为照射组织以激发发光分子。

一些实施例涉及包括一个或多个光学组件的定点照护设备，被配置为通过一个或多个光学组件接收来自发光分子的入射光子的集成光电检测器；以及被配置为至少部分地通过检测来自组织的入射光子的到达时间来检测组织的亮度寿命特性的处理器，该处理器还可被配置为基于亮度寿命特性分析血糖。

处理器还可以被配置为确定血糖浓度。

以上概述是通过示意的方式提供的，并不旨在限制本发明。

附图说明

在附图中，由类似的附图标记表示各个图中示出的每个相同或几乎相同的组件。为了清楚起见，并非每个组件都在每个附图中标记。附图不一定按比例绘制，重点在于说明在此描述的技术的各个方面。

图1A示出了具有不同寿命的两种分子的随时间变化被激发光子的概率。

图1B示出了以激发脉冲(虚线)为示例和以荧光发射(实线)为示例的随时间变化的强度分布示例。

图2A示出了根据一些实施例的集成光电检测器的像素的图。

图2B示出了捕获与图2A中的时间和空间不同的点处的电荷载流子。

图3A示出了根据一些实施例的像素的电荷载流子限制区域。

图3B示出了具有覆盖在图3A的电荷载流子限制区域上的多个电极Vb0-Vbn、b0-bm、stl、st2和tx0-tx3的图3A中的像素。

图3C示出了其中包括PN结的光子吸收/载流子生成区域实施例。

图3D示出了具有掺杂特性的图3C中的像素的俯视图。

图3E示出了包括载流子行进/捕捉区域的图3C中的像素的俯视图。

图3F示出了如图3E中的像素阵列。图3F示出了扩散、多晶硅、接触和金属1的区域。

图3G示出图3F的像素阵列，还示出了扩散、多晶硅、接触、金属1、N-注入、P-注入和P-外延层。

图4示出了图3B的像素的电路图。以粗黑线示出了电荷载流子限制区。

图5A示出了可以在沿着图3B的线A-A'的载流子行进/捕获区域和光子吸收/载流子产生区域中的电荷载流子限制区域中建立的电势梯度。

图5B示出了在一段时间之后，通过降低电极b0的电压，可以在时间t1升高电子的势垒。

图5C示出了在另一时间周期之后，通过降低电极b2的电压，可以在时间t2升高电子的另一势垒。

图5D示出了另一时间周期之后，通过降低电极b4的电压，可以在时间t3升高电子的另一势垒。

图5E示出了另一时间周期之后，通过降低电极b6的电压，可以在时间t4升高电子的另一势垒。

图5F示出了另一时间周期之后，通过降低电极bm的电压，可以在时间t5升高电子的另一势垒。

图6A示出了一旦发生光生载流子时载流子的位置。

图6B示出了此后不久的载流子的位置，其响应于所建立的电势梯度沿向下方向上行进。

图6C示出了载流子在其到达泄露部时的位置。

图6D示出了一旦发生光生载流子时载流子(例如，电子)的位置。

图6E示出了此后不久的载流子的位置，其响应于电势梯度沿向下方向上行进。

图6F示出了在时间t1后当其到达势垒时载流子的位置。

图6G示出如果在时间t1和t2之间电子到达电极b0和b2之间，则电子将被捕获在势垒501和势垒502之间，如图6G所示。

图6H示出了电子在时间t1和t2之间到达，使其保持在势垒501与势垒502之间的示例。

图6I示出了电子在时间t1和t2之间到达,使其保持在势垒501与势垒50之间的示例。

图6J示出了电子在时间t1和t2之间到达，使其保持在势垒501与势垒502之间的示例。

图6K示出了电压时序图，其示出了电极b0-b8，st0和stl随时间的电压。

图7A示出了沿着图3B的线B-B'的电荷载流子限制区域的横截面的电势的图。

图7B示出了在时间t5之后，电极bl，b3，b5和b7上的电压，任选地可以减少(图6中未示出)从而提高电子在势阱内的位置，有利于电子的传输。

图7C示出了在时间t6(图6K)，可以升高电极st0和stl上的电压。

图7D示出了在时间t7，电极st0上的电压可以被降低，从而将所捕获的载流子(如果有的话)限制在对应的仓中(在本例中为仓2)。

图7E示出了示出在势垒503和504之间捕获的电子的平面图。

图7F示出了示出电极stl的电压被升高和载流子被传输的平面图。

图7G示出了示出电极stl的电压被降低且载流子被捕获在仓2中的平面图。

图7H示出了根据一些实施例的电荷载流子隔离结构电极的特性。

图8A示出了根据一些实施例的包括执行多个测量的方法的流程图。

图8B是示出在时间t0和时间仓仓0-仓3处产生的激发脉冲的图。

图8C示出了在每个时间仓中用于一组荧光寿命测量的光子/电荷载流子数量的曲线图，其中分子的概率随时间变化呈指数降低。

图8D示出了根据一些实施例的操作集成光电检测器的方法，其中响应于多个不同触发事件在集成光电检测器处接收光。

图8E示出了当执行图8D的方法时电荷载流子隔离结构的电极的电压。

图9A示出了使用相关双采样顺序地读出仓仓0-仓3的时序图的示例。

图9B示出了根据一些实施例用于执行不需要测量每个信号的复位值的相关双采样的读出序列。

图10A示出了具有多个列C1-Cn和多个行的像素阵列，具有以示意性方式示出的选定的行Ri。

图10B示出了可为多个列提供公共读出电路的实施例。

图10C示出了具有多个读出电路的实施例，所述多个读出电路少于列的数量。

图10D示出了包括采样和保持电路，放大器电路和模数转换器的列读出电路的电路图。

图10E示出了读出电路的实施例，其中放大器电路和A/D转换器都由像素阵列的两个列共享。

图10F示出了其中像素阵列的n列共享读出电路和/或A/D转换器的实施例。

图10G示出了包括多个放大器的放大器电路的示例。

图10H示出包括具有用于各自列的第一级放大器和由两个列共享的第二级放大器的放大器电路的读出电路的图。

图10I示出了包括第一级放大器，第二级放大器和第三级放大器的读出电路的图。

图10J示出了由包括差分采样保持电路和差分放大器的两个列共享的读出电路。

图10K示出了当第一列处于采样阶段并且第二列处于保持阶段时的差分采样保持电路和差分放大器的图。

图10L示出了当第二列处于采样阶段并且第一列处于保持阶段时的差分采样保持电路和差分放大器的图。

图10M示出了由两个以上的列共享的读出电路，其包括差分采样保持电路和差分放大器。

图11示出了基于一组测量结果在测量之间自适应地控制时间仓的时间。

图12示出了包括四个子像素的像素的示例。

图13示出了根据一些实施例的芯片结构的图。

图14A示出了根据一些实施例具有64×64阵列的四方像素的芯片的实施例的图。

图14B示出了根据一些实施例包括2×2阵列的芯片的实施例的图，其中每个阵列具有四方像素的256×64八进制像素阵列。

图15A示出了可以被形成在半导体衬底中的电荷限制区域的透视图。

图15B示出了与图15A相对应的平面图。

图16示出通过形成图案化多晶硅层而在绝缘层上形成电极。

图17示出了具有p+区域和n+区域的分裂-掺杂电极。

图18示出了在图案化多晶硅层上形成金属层(例如，金属1)以连接到通孔。

图19示出了覆盖在多晶硅层和电荷限制区域上的金属层。

图20示出了与金属层接触的通孔的形成。

图21示出了第二金属层以及与第二金属层接触的通孔的形成。

图22示出了第三金属层的形成。

图23示出了根据一些实施例的用于驱动电荷载流子隔离结构的电极的驱动电路的示例。

图24示出了其中将芯片固定到印刷电路板上的实施例。

图25示出了在芯片的中心区域中使能32行，并且在芯片的边缘处禁用48行。

图26是示例性计算设备的框图。

图27A示出了根据一些实施例的用于成像患者的成像设备的框图。

图27B示出了用于非侵入性成像的定点照护设备的示例。

图27C示出了用于通过插入身体或组织成像的定点照护设备的示例。

图28示出至少部分使用亮度寿命成像产生的患者的图像。

图29是亮度寿命成像方法的流程图。

图30是基于亮度寿命特性分析组织血糖的方法的流程图。

具体实施方式

本申请的方面涉及用于使用成像设备通过对患者的区域进行成像来检测和/或表征患者的状况以获得可用于以非侵入性方式评估和/或诊断患者状况的数据的技术。通过使用成像设备对组织的可访问(或可触及)区域(例如，皮肤)进行成像，而不是通过从患者身上提取生物样本(例如，活检)来对患者进行评估，这种方式减少了获得结果所涉及的时间量、减少了手术的侵入性和/或促进了医生对患者进行治疗的能力。所述成像设备可以具有这样的配置：相较于涉及将患者物理地移动到远程测试位置或将患者的样本发送到测试设施的其他医疗测试技术，所述配置改善了在对患者进行护理时进行评估的能力，并且对患者提供更直接的治疗。以这种方式，成像设备可以被认为是一种定点照护设备(point-of-care device)。在一些实施例中，成像设备可用于监测患者的状况(例如，用于监测糖尿病的葡萄糖检测)。

申请人已经意识到，存在于患者中的生物分子可以提供患者的状况的指示。通过检测某些生物分子的存在和/或相对浓度，可以评估患者的状况。一些生物分子可以提供将患者的患病或不健康组织与健康组织区分开的能力。对于一些生物分子，分子的氧化状态可以提供患者状况的指示。通过检测患者组织中的生物分子的氧化状态和还原状态的相对量，对患者的状况进行评估和估计。一些生物分子(例如，NADH)可以与其它分子(例如，蛋白质)绑定到细胞中，并且具有未绑定的或自由的溶液状态。细胞或组织的评估可包括检测自由与绑定形式下的相对的分子数量。

某些生物分子可以提供包括癌症(例如，黑素瘤)、肿瘤、细菌感染、病毒感染和糖尿病的各种疾病和病症的指示。作为示例，癌性细胞和组织可以通过检测某些生物分子(例如NADH，核黄素，黄素)来识别。癌性组织可以具有比健康组织更高数量的这些生物分子中的一种或多种。通过检测这些分子中的一种或多种的量，可以诊断组织为癌性。作为另一示例，可通过检测指示葡萄糖浓度的生物分子(包括己糖激酶，糖原加合物)来评估个体的糖尿病。作为另一个示例，通过检测胶原和脂褐素，可以评价由于衰老引起的一般变化。

提供患者状况指示的一些生物分子可以响应于被激发能量照射而发射光，并且可以被认为是自动荧光。这样的生物分子可以充当用于患者区域的内源荧光团，并且在不需要引入外源荧光团的情况下提供该区域的不需要标签的无创标记。这种荧光生物分子的示例(以示例形式而非限制)可以包括血红蛋白，胶原，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAD)(P)H)，视黄醇，核黄素，胆醛醇，叶酸，吡哆醇，酪氨酸，二酪氨酸，糖化加合物，艾拉明，脂褐素，多酚，色氨酸，黄素和黑色素。

荧光生物分子可以在它们发射的光的波长和其响应激发能量的情况下变化。在下面的表中提供了一些示例性荧光生物分子的激发和荧光的波长：

本申请的方面涉及通过响应于用激发能量照射该区域而从患者的区域发射的光来检测指示细胞状况或组织状况的一个或多个生物分子。成像设备可以包括一个或多个光源(例如，激光器，发光二极管)和一个或多个光电检测器。成像设备可以包括一个或多个光学组件，光学组件被配置成使得当成像设备用于对患者的区域进行成像时，光被引导到所述区域。成像设备可包括一个或多个光学组件，其配置成接收从所述区域发射的光并将所述光引导到成像设备的光电检测器。指示由一个或多个光电检测器检测到的光的数据可用于形成所述区域的图像。

荧光生物分子的发出的光的时间特性(例如，其发射的衰减时间周期，或"寿命")可以变化。因此，可以通过成像设备的光电检测器基于这些时间特性来检测生物分子。在一些实施例中，健康组织的时间特性可以不同于不健康组织的时间特性。在健康组织和不健康组织之间存在时间特性的值的偏移。使用基于来自患者组织的发射光的时间特性的数据可以允许临床医生检测患者的疾病的早期阶段，而其它评估技术则不能。例如，某些类型的皮肤癌可以在它们可以被看见之前的阶段由测量癌变组织区域的荧光生物分子发出的光的时间特性而被检测。

图27A示出了示出例如定点照护设备的成像设备2710的框图，例如，根据一些实施例，其执行患者的亮度寿命成像。成像设备2710包括(例如激光的之类)激发光源2701，例如，该激发光源2701向对象(例如患者2702)发射激发光2704。患者(例如，患者的组织)可包括发光分子2703，发光分子2703的示例在上文已有讨论。响应于激发光2704，发光分子2703可以进入激发状态，这使其发射光子2705。激发后由被激发的发光分子2703发射光子2705的时间取决于它们的发光寿命。由发光分子2703发射的光子2705被成像设备2710的一个或多个光学组件2706接收和处理。在一些实施例中，该一个或多个光学组件2706可以包括一个或多个透镜、反射镜和/或任何其它类型的光学组件。经过一个或多个光学组件2706后,集成光电检测器2707通过对光子到达时间进行时间分仓(time-bin)来接收和检测光子2705。通过对光子2705的到达进行时间分仓,可以确定关于发光分子2703的寿命的信息，其可允许检测和/或辨别发光分子2703。在一些实施例中，所检测的光子2705的数量可以指示发光分子2703的浓度。由集成光电检测器2707检测的信息可被提供给处理器2713以用于分析和/或使用关于光子2705的到达时间的信息来生成图像。处理器2713可以向显示设备2714发送图像数据用于显示设备2714显示图像。

图27B示出了用于非侵入性成像的定点照护设备的示例。在该示例中，样本2712(例如，患者的组织))用来自激发光源2701(例如，可以是激光)的光照射。(多个)光学组件2706包括镜子2706a，该镜子2706a将来自激发光源2701的光反射到成像系统2709，该系统2709可具有附加光学组件，例如透镜，以处理激发光。激发光穿过成像系统2709并照射样本2712。机械支座2711可以将样本2712与成像系统2709分开合适的距离(例如，适合于成像系统2709的焦距)。样本2712的发光分子可由激发光激发，并发射光子，该光子由成像系统2709接收并通过镜子2705a到达集成光电检测器2707。镜2705a可以是二色的，使得该镜2705a反射由激发光源2701发射的激发光的波长的光，并且使得由发光分子发出的波长的光通过镜2705a。然而，这仅仅是示例性的，以及用于非侵入式成像的定点照护设备可具有任何合适的光学组件及其布置。

图27B示出具有突起(例如，针)的定点照护设备的示例，该突起可被插入到样本2712(例如，患者或患者身体的组织)中进行成像。在一些实施例中，这样的定点照护设备可以是内窥镜。该定点照护设备可以包括波导(例如，光纤)，该波导将激发光传送到样本2712，并接收由样本的发光分子发射的光子以将它们提供给光学组件2706，用于由集成光电检测器2707进行检测。可以在体内进行检测，不需要从患者处移除样本或将样本送至实验室进行分析。

图28示出了使用亮度寿命成像来产生患者图像2801。例如，图像2801的部分2802显示指示存在例如黑素瘤、肿瘤、细菌感染或病毒感染的患病组织的亮度寿命。在一些实施例中，部分2802可以覆盖在患者的标准光学图像上。部分2802可以以任何合适的方式指示患病组织的亮度寿命和/或存在，例如使用色调、颜色等。色调或颜色的强度、颜色或亮度可以变化，这取决于所检测的寿命、接收的光子强度或患病组织存在的可能性。这样的图像可以促进临床医生对状况的评估。

本申请的方面涉及被配置为检测从患者的区域发射的光的时间特性的成像设备。本文描述了一种集成光电检测器，其能够准确地测量或"时间-分仓"(time-bin)入射光子的到达时间。成像设备可以包括集成光电检测器，以测量由组织区域发射的光子的到达。在一些实施例中，集成光电检测器可以测量具有纳秒或皮秒分辨率的光子到达。这样的光电检测器可以在包括荧光寿命成像和飞行时间成像的各种应用中找到应用，如下文所述。

根据本申请的方面的具有集成光电检测器的集成电路可以设计为具有针对各种成像应用的合适功能。如下文进一步详细描述的，这样的集成光电检测器可以具有检测一个或多个时间间隔或"时间分仓"内的光的能力。为了收集关于光到达时间的信息，电荷载流子响应于入射光子而产生，并且可以基于其到达时间而被隔离到相应的时间仓中。

图29是使用这种集成光电检测器的亮度寿命成像方法的流程图。步骤2901包括在集成光电检测器处接收来自发光分子的入射光子。如上所述，通过定点照护设备的一个或多个光学组件接收入射光子。步骤2902包括使用集成光电检测器检测入射光子到达时间。例如，到达时间可以被时间分仓。

尽管这里描述了成像技术，但是这里描述的技术不限于成像。在一些实施例中，可以使用检测组织的亮度寿命特性的方法测量患者组织中分子的浓度。例如，这种技术可用于非侵入性血糖监测。

图30是基于亮度寿命特性来分析组织血糖的方法的流程图。步骤3001包括至少部分地使用用于检测来自组织的入射光子到达时间的集成电路来检测组织的亮度寿命特性。步骤3002包括基于亮度寿命特性分析血糖。

荧光寿命测量

来自荧光分子的发射光的一种时间特性类型是荧光寿命。荧光寿命测量是基于激发一种或多种荧光分子并测量发射的光中的时间变化。在荧光分子到达激发状态后荧光分子发射光子的概率随时间成指数地降低。概率降低的速率可以是荧光分子的特性，并且对于不同的荧光分子是不同的。检测由荧光分子发射的光的时间特性可以允许识别荧光分子，将荧光分子彼此区别开来，和/或量化荧光分子的浓度。

在到达激发状态之后，荧光分子可以在给定时间以一定概率发射光子。从激发的荧光分子发射的光子的概率可在荧光分子激发之后随时间下降。随时间推移光子发射的概率减小可以由指数衰减函数p(t)＝e^{^}(-t/τ)来表示，其中p(t)是在时间t时光子发射的概率，τ是荧光分子的时间参数。时间参数τ表示在激发后发射光子的荧光分子的概率为某一值时的时间。时间参数τ是荧光分子的性质并且可能受到其局部化学环境的影响，但可以截然不同于其吸收和发射光谱性质。这样的时间参数τ被称为亮度寿命、荧光寿命或荧光分子的"寿命"。

图1A示出了针对具有不同寿命的两个荧光分子随时间变化发射光子的概率。用概率曲线B表示的荧光分子的发射概率比由概率曲线A表示的荧光分子的发射概率更快地衰减。由概率曲线B表示的荧光分子比由概率曲线A表示的荧光分子具有较短的时间参数τ，或寿命。在一些实施例中，荧光分子可以具有0.1-20ns的荧光寿命。

检测荧光分子的寿命可允许使用比荧光分子通过发射谱的测量而区分的更少波长的激发光。在一些实施例中，当使用较少波长的激发光和/或发光光时，传感器、滤波器、和/或衍射光学器件的数量可以减少，或者可以取消使用传感器、滤波器、和/或衍射光学器件。在一些实施例中，可以使用发射单一波长或光谱的光的一个或多个激发光源，这可降低成像设备的成本。在一些实施例中，分子类型的存在的定量分析或组织特性的分析可以通过确定时间参数、光谱参数、强度参数、或时间、光谱和/或来自荧光分子的发射的发光的强度参数的组合来执行。

荧光寿命可通过测量从组织区域发射的荧光的时间分布来确定。通过利用激发能量来照射组织，荧光分子可以被激发到激发状态，然后随时间推移发射光子。光电检测器可以检测发射的光子并且将所收集的电荷载流子聚集到光电检测器的一个或多个时间分仓中以检测作为时间的函数的光强度值。在组织中，可以存在多种类型的具有不同寿命的荧光生物分子。来自组织的发射荧光可以包括来自多种类型的荧光生物分子的光子，发射的荧光的时间分布可以代表不同的寿命。以这种方式，可以获得针对组织的特征寿命值，其对应于存在于该组织中的荧光分子的集合。

在一些实施例中，可通过执行一个或多个测量步骤来确定代表组织的时间分布，其中，用激发能量照射组织，然后测量光子发射时的时间。对于每一种测量，激发源可以产生指向组织区域的激发光的脉冲，并且可以确定激发脉冲与来自组织的随后的光子事件之间的时间。由于多个荧光分子可能存在于组织中，多个光子事件可以在激发光的单个脉冲之后发生。光子事件可以在激发光脉冲之后的不同时间发生，并提供代表组织的时间分布。另外或可选地，当激发脉冲重复地和周期性地发生时，发生光子发射事件和后续激发脉冲之间的时间可以被测量，并且可以从激发脉冲之间的时间间隔(即，激发脉冲波形的周期)中减去所测量的时间以确定光子吸收事件的时间。

在激发光的一个或多个脉冲之后的光子事件的数量可以填充直方图，该直方图表示在一系列离散时间间隔或时间仓内发生的光子发射事件的数量。时间仓的数量和/或每个仓的时间间隔可以被设置和/或调整以识别特定的寿命和/或特定组的荧光分子。时间仓的数量和/或每个仓的时间间隔可以依赖于用于检测发射光子的传感器。时间仓的数量可以是1，2，3，4，5，6，7，8或更多，例如16，32，64或更多。曲线拟合算法可用于将曲线拟合到所记录的直方图，得到表示在给定时间激发荧光分子后的光子被发射的概率的函数。指数衰减函数，例如p(t)＝e^{^}(-t/τ)，可用于近似拟合直方图数据。根据这种曲线拟合，可以确定时间参数或寿命。可将所确定的寿命与已知的荧光分子的寿命进行比较以识别存在的荧光分子的类型。所确定的寿命还可以充当指示一种或多种类型的荧光分子的组合的特征寿命值。

可以基于两个时间间隔处的强度值计算寿命。图1B示出了示例激发脉冲(虚线)和示例荧光发射(实线)的随时间变化的示例强度分布。在图1B所示的例子中，光电检测器测量在至少两个时间仓上的强度。在时间t1和t2之间发射发光能量的光子由光电检测器测量为强度II，在时间t3和t4之间发射的发光能量被测量为12。尽管图1B中仅示出了两个，但是可以获得任何合适数量的强度值。这样的强度测量然后可用于计算寿命。可将时间分仓后的发光信号拟合成单个指数衰减。在一些实施例中，时间分仓后的信号可以拟合到多个指数衰减，例如双指数或三指数。可以使用拉盖尔分解处理(Laguerre decomposition)来表示在时间分仓的信号中的多个指数衰减。当多个荧光分子对强度分布作出贡献时，可以通过将单个指数衰减拟合到发光信号来确定平均荧光寿命。

具有像素阵列的光电检测器可以通过检测在来自区域的不同范围的各个像素处接收的光的时间特性来提供对区域成像的能力。各个像素可以确定与该区域的不同地方相对应的寿命值。通过基于寿命值和/或针对每个像素确定的时间分布的其他特征在图像中显示对比度，该区域的图像可以说明跨越该区域的寿命的变化。成像设备可以基于从组织接收的光的时间特性来执行组织的成像，其可使医生执行程序(例如，外科手术)以识别组织的异常或患病区域(例如，癌性或前癌性区域)。在一些实施例中，成像设备可以结合到诸如外科成像工具之类的医疗设备中。在一些实施例中，可以获得关于由组织响应于光激发脉冲而发射的光的时域信息来成像和/或表征组织。例如，可以使用荧光寿命成像来执行组织或其它物体的成像和/或表征。

在一些实施例中，荧光寿命可被用于显微技术以在包括患者组织区域的不同类型或状态的样本之间提供对比。荧光寿命成像显微镜(FLIM)可以通过以下方式来执行：用光脉冲激发样本，当该荧光信号衰减时检测所述荧光信号以确定寿命，以及将所述衰减时间映射到所形成的图像中。在这种显微镜图像中，图像中的像素值可以基于在光电检测器中为每个像素收集视场时所确定的荧光寿命。

在一些实施例中，可分析荧光寿命测量以识别样本的状况或状态。包括聚类的统计分析技术可以应用于寿命数据以将不健康或患病的组织与健康组织区分开来。在一些实施例中，使用多于一个的激发能量来执行寿命测量，并且对于不同的激发能量所获得的寿命值可以被用作统计分析技术的一部分。在一些实施例中，对应于特定时间间隔的光子检测事件对各个时间仓值执行统计分析。

可使用内源荧光生物分子的自发荧光的荧光寿命测量来检测组织中的物理和代谢变化。例如，组织结构、形态、氧合作用、pH、血管浓度、细胞结构和/或细胞代谢状态的变化可以通过测量来自样本的自发荧光并从所测的自发荧光来确定寿命。这些方法可用于临床应用，例如筛选、图像引导的活检或手术，和/或内窥镜检查。在一些实施例中，本申请的成像设备可并入例如外科器械的临床工具中以例如执行荧光寿命成像。基于测得的自发荧光确定荧光寿命提供了作为无标记成像方法的临床价值，其允许临床医生快速拍摄组织并检测裸眼不可见的小癌症和/或前癌病变。荧光寿命成像可用于恶性细胞或组织的检测和描绘，如肿瘤或癌细胞，其发射具有比健康组织更长的荧光寿命的发光。例如，荧光寿命成像可用于检测诸如胃肠道、呼吸道、膀胱、皮肤、眼睛之类的光学可及组织，或在手术期间暴露的组织表面上的癌症。

在一些实施例中，外源荧光标记物可并入到组织的区域中。外源荧光标记物可提供期望水平的荧光，用于通过测量荧光来检测组织的状况并从所测量的荧光确定寿命。在一些实施例中，所测量的荧光可以包括来自内源荧光生物分子和外源荧光标记物的自发荧光。外源荧光标记物的示例可包括荧光分子，荧光团，荧光染料，荧光着色，有机染料，荧光蛋白，酶和/或量子点。这种外源标记物可以与探针或官能团(例如，分子，离子和/或配体)结合，该官能团特异性地绑定到特定的靶或组分。将外源标签或报告物附着到探针上允许通过检测外源标签或报告物的存在来识别目标。附着于探针的外源标记可被提供给区域、对象、或样本，以检测特定目标组件的存在和/或位置。在一些实施例中，可以容易地应用于患者的外源荧光标记物(例如，对皮肤的局部施用、用于胃肠道成像的摄取)可提供来自荧光测量的期望水平的检测。这种标记物可以减少将外源荧光标记结合到组织中的侵入性。

荧光寿命测量可以提供荧光分子周围的状况的定量测量。所述状况的定量测量可以是除了检测或对比之外的测量。荧光分子的荧光寿命可取决于荧光分子的周围环境，诸如pH或温度，荧光寿命的值的变化可以指示荧光分子周围环境的变化。作为示例，荧光寿命成像可以映射样本的例如在生物组织(例如，组织切片或手术切除)的局部环境中的变化。

飞行时间测量

在一些实施例中，成像设备可被配置为测量散射或反射光的时间分布，包括飞行时间测量。在这种飞行时间测量中，光脉冲可以被发射到区域或样本中并且散射光可以通过光电检测器(例如上述集成光电检测器)来检测。散射或反射光可具有可指示区域或样本的特征的不同时间分布。样本中的反向散射光可以通过其在样本中的飞行时间来检测和分辨。这样的时间分布可以是时间点扩展函数(TPSF)。可以考虑TPSF和脉冲响应。可以通过在发射光脉冲之后在多个时间仓上测量积分的强度来获取时间分布。光脉冲的重复和累积散射光可以以一定的速率进行，以确保所有先前的TPSF在产生后续光脉冲之前完全消失。时间分辨的漫射光学成像方法可包括光谱漫射光学断层摄影术，其中光脉冲可以是红外光，以便在样本中的进一步深度处成像。这种时间分辨的漫射光学成像方法可用于检测生物体内或生物体的一部分(例如人的头部)中的肿瘤。

该成像设备可以配置成用于多个成像模式。成像模式可包括荧光寿命成像、飞行时间成像、强度成像和光谱成像。

用于时间分仓光生电荷载流子的集成光电检测器

一些实施例涉及具有光电检测器的集成电路，该光电检测器响应于入射光子而产生电荷载流子并且能够识别针对参考时间(例如，触发事件)由入射光子的到达来产生电荷载流子的时机。在一些实施例中，电荷载流子隔离结构分隔在不同时间产生的电荷载流子，并指导电荷载流子进入一个或多个电荷载流子存储区(称为“仓”)，在仓中聚集了在不同时间周期内产生的电荷载流子。每个仓存储在选定时间间隔内产生的电荷载流子。读出存储在每个仓中的电荷可以提供关于在每个时间间隔内到达的光子数量的信息。这样的集成电路可用于各种应用中的任一种，例如本文所述的那些应用。

将描述具有光检测区和电荷载流子隔离结构的集成电路的示例。在一些实施例中，集成电路可以包括像素阵列，并且每个像素可以包括一个或多个光检测区和一个或多个电荷载流子隔离结构，如下所述。

像素结构和操作的概述

图2A示出了根据一些实施例的像素100的图。像素100包括光子吸收/载流子生成区域102(也称为光检测区域102)、载流子行进/捕获区域106、具有一个或多个电荷载流子存储区域(在此也称为"电荷载流子存储仓"或简称为"仓")的载流子存储区域108、以及用于从电荷载流子存储仓读出信号的读出电路110。

光子吸收/载流子生成区域102可以是半导体材料(例如，硅)的区域，其能够将入射光子转换为光生电荷载流子。光子吸收/载流子生成区域102可以暴露于光，并且可以接收入射光子。当光子被光子吸收/载流子生成区域102吸收时，它可以产生光生电荷载流子，例如电子/空穴对。光生电荷载流子在本文中也简称为"电荷载流子"。

可以在光子吸收/载流子生成区域102中建立电场。在一些实施例中，电场可以是“静止”的，以区分于载流子行进/捕获区域106中变化的电场。在光子吸收/载流子生成区域102中的电场可以包括横向分量、竖向分量、或者横向分量和竖向分量两者都有。电场的横向分量可以在图2A的向下方向上，如箭头所示，其在光生电荷载流子上产生力，该力驱动它们朝向载流子移动/捕获区域106。电场可以以多种方式形成。

在一些实施例中，可以在光子吸收/载流子生成区域102上形成一个或多个电极。电极可以具有施加到其上的电压以在光子吸收/载流子生成区域102中建立电场。这样的电极可被称为“光电门(photogate)”。在一些实施例中，光子吸收/载流子生成区域102可以是完全耗尽电荷载流子的硅区域。

在一些实施例中，光子吸收/载流子生成区域102中的电场可以通过结建立，例如PN结。光子吸收/载流子生成区域102的半导体材料可以被掺杂以形成具有取向的PN结和/或这样的形状：其产生电场，该电场在光生电荷载流子上感应出驱动其向载流子行进/捕获区域106方向的力。相对于使用与光子吸收/载流子生成区域102上覆盖的电极，使用结产生电场可以提高量子效率，前者可以防止部分入射光子到达光子吸收/载流子生成区域102。相对于使用光电门，使用结可以减小暗电流。已经认识到，暗电流可以由可以产生载流子的半导体衬底表面上的缺陷产生。在一些实施例中，PN结二极管的P端子可以连接到设置其电压的端子。这样的二极管可以称为“钉扎”(“pinned”)光电二极管。由于设置其电压并吸引载流子的端子，钉扎光电二极管可促进表面上的载流子复合，这可以减小暗电流。需要捕获的光生电荷载流子可以在表面的复合区域下方通过。在一些实施例中，可使用半导体材料中的分等级掺杂浓度来建立横向电场。

在一些实施例中，具有结以生成电场的吸收/载流子生成区域102可以具有以下特征中的一个或多个：

1)从时变场逐渐变细的耗尽的n-型区域，

2)具有间隙以将电场横向过渡到n-型区域中的围绕n-型区的p-型注入，和/或

3)掩埋n-型区域并且作为寄生电子的复合区的P-型表面注入。

在一些实施例中，可以通过结和至少一个电极的组合而在光子吸收/载流子生成区域102中建立电场。例如，可以使用结和单个电极或两个或多个电极。在一些实施例中，一个或多个电极可以位于载流子行进/捕获区域106附近，以建立在载流子行进/捕捉区域106附近的电势梯度，其可相对于结相对远地定位。

如图2A所示，可以在时间t1处捕获光子和产生电荷载流子(例如，电子)。在一些实施例中，可沿光子吸收/载流子生成区域102和载流子行进/捕捉区域106建立电势梯度，使得电荷载流子101A沿图2A的向下方向行进(如图2A所示的箭头所示)。响应于电势梯度，电荷载流子101a可以从其在t1时刻的位置移动到在t2时刻的第二位置、在t3时刻的第三位置、在t4时刻的第四位置以及在t5时刻的第五位置。因此，电荷载流子101a响应于电势梯度而移动到载流子行进/捕获区域106中。

载流子行进/捕获区域106可以是半导体区域。在一些实施例中，载流子行进/捕获区域106可以是与光子吸收/载流子生成区域102相同材料的半导体区域(例如，硅)，除了载流子行进/捕获区域106可以被屏蔽以免被入射光照射(例如，通过覆盖例如金属层的不透明材料)之外。

在一些实施例中，如下文进一步讨论的，通过定位在这些区域上方的电极可以在光子吸收/载流子生成区域102和载流子行进/捕获区域106中建立电势梯度。将参考图3B讨论电极的定位的例子。然而，本文所述的技术并不局限于用于产生电势梯度的电极的特定位置。这里描述的技术也不局限于使用电极建立电势梯度。在一些实施例中，可使用空间渐变掺杂轮廓和/或PN结来建立电势梯度。任何合适的技术都可用于建立使电荷载流子沿光子吸收/载流子生成区域102和载流子行进/捕获区106行进的电势梯度。

可以在像素中形成电荷载流子隔离结构，以能够分离在不同时间产生的电荷载流子。在一些实施例中，电荷载流子隔离结构的至少一部分可以在载流子行进/捕获区域106上形成。如下所述，电荷载流子隔离结构可以包括形成在载流子行进/捕获区域106上的一个或多个电极,其电压可由控制电路控制以改变载流子行进/捕获区域106中的电势。

可以改变载流子行进/捕获区域106中的电势以能够捕获电荷载流子。可以通过改变在载流子行进/捕获区域106上的一个或多个电极上的电压来改变电势梯度，以产生可将载流子限制在预定空间区域内的势垒。例如，在图2A的载流子行进/捕获区域106中虚线上覆盖的电极上的电压可以在时间t5改变以沿图2A的载流子行进/捕获区域106中虚线升高势垒，从而捕获电荷载流子101a。如图2A所示，在时间t5处捕获的载流子可以传输到载流子存储区108的仓“仓0”。可以通过改变载流子行进/捕获区域106和/或载流子存储区域108中的电势(例如，通过改变覆盖这些区域上的电极的电压)使载流子行进到电荷载流子存储仓中。

在载流子行进/捕获区域106的预定空间区域内在某个时间点的电势的改变可以使得捕获由在特定时间间隔内光子吸收所产生的载流子。通过在不同时间和/或位置陷获光生电荷载流子，通过光子吸收所产生的电荷载流子的时间可以被区分开。在这一意义上，电荷载流子可以通过陷获在触发事件发生后在时间和/或空间上的特定点处的电荷载流子而被“时间分仓”。在特定仓内的电荷载流子的时间分仓提供了关于通过入射光子吸收而产生光生电荷载流子的时间的信息，以及因此类似地，针对触发事件，产生了光生电荷载流子的入射光子的到达"时间仓"。

图2B示出了在时间和空间中的不同点捕获电荷载流子。如图2B所示，在载流子行进/捕获区域106中虚线上覆盖的电极上的电压可以在时间t9被改变，以沿图2B的载流子行进/捕获区域106中虚线升高势垒，从而捕获载流子101B。如图2B所示，在t9时刻捕获的载流子可以被传输至载流子存储区108的仓“仓1”。由于电荷载流子101B在t9时刻被陷获，这表示在不同时间(即t6时刻)发生的光子吸收事件而并非在t5时刻捕获载的流子101A的光子吸收事件(即，在t1处)。

基于电荷载流子被捕获的时间对载流子存储区108的电荷载流子存储仓中的电荷载流子进行多次测量和聚集，可以提供关于光子在光子吸收/载流子生成区域102中捕获的时间的信息。这些信息可用于各种应用中，如以上所讨论的。

像素结构及操作的详细示例

图3A示出了根据一些实施例的像素100A的电荷载流子限制区域103。如图3A所示，像素100A可以包括光子吸收/载流子生成区域102A(也称为光检测区域)、载流子行进/捕获区域106A、泄露部104、载流子存储区域108A的多个电荷载流子存储仓(仓0，仓l，仓2，仓3)、和读出区域110A。

电荷载流子限制区域103是光生电荷载流子响应电荷载流子隔离结构产生的电势梯度而移动的区域。电荷载流子可以在电荷载流子限制区域103中的光子吸收/载流子生成区域102A中产生。

电荷载流子限制区域103可以由诸如半导体材料(例如，硅)之类的任何合适的材料形成。然而，这里描述的技术在这方面不受限制，任何合适的材料都可以形成电荷载流子限制区域103。在一些实施例中，电荷载流子限制区103可以由绝缘体(例如，氧化硅)包围以将电荷载流子限制在电荷载流子限制区域103中。

在光子吸收/载流子生成区域102A中的电荷载流子限制区103的部分可以具有任何合适的形状。如图3A所示，在一些实施例中，光子吸收/载流子生成区域102A中的电荷载流子限制区域103的部分可以具有锥形形状，使得其宽度随着接近载流子行进/捕捉区域106A附近而逐渐减小。这样的形状可以提高电荷处理的效率，特别是在期望很少数光子到达的情况下是有用的。在一些实施例中，光子吸收/载流子生成区域102A中的电荷载流子限制区域103的部分的锥度可以较小，或可以不是锥形的，这可以增加动态范围。然而，本文所述的技术并不限制在光子吸收/载流子生成区域102A中的电荷载流子限制区域103的形状。

如图3A所示，电荷载流子限制区域103在载流子移动/捕获区106A中的第一部分可以从光子吸收/载流子生成区域102A延伸到泄露部104。电荷载流子限制区域103的延伸部延伸至相应的电荷存储仓，允许电荷载流子通过诸如关于图3B所述的电荷载流子隔离结构被引导到电荷载流子存储仓中。在一些实施例中，所出现的电荷载流子限制区域103的延伸部数量可以与电荷载流子存储仓的数量相同，并且每个延伸部延伸至相应的电荷载流子存储仓。

读出区域110A可以包括用于读出电荷存储仓的浮动扩散节点fd。浮动扩散节点fd可通过将n-型掺杂剂扩散进入p-型材料(例如，p-型衬底)而形成。然而，这里描述的技术不限于特定掺杂剂类型或掺杂技术。

图3B示出了图3A的像素100A，其具有覆盖在图3A的电荷载流子限制区域103上的多个电极Vb0-Vbn、b0-bm、stl、st2和tx0-tx3。图3B中所示的电极形成能够对光生载流子进行时间分仓的电荷载流子隔离结构的至少一部分。

在一些实施例中，图3B中所示的电极在电荷载流子限制区域103中建立电势。在一些实施例中，电极Vb0-Vbn、b0-bm可以具有施加到其上的电压，以在区域102A和106A内建立电势梯度，使得电荷载流子(例如，电子)从图3B的向下方向向泄露部104行进。电极Vb0-Vbn可以在光子吸收/载流子生成区域102A的电荷限制区域103中建立电势梯度。在一些实施例中，各个电极Vb0-Vbn可以处于恒定电压。电极b0-bm可以在载流子行进/捕获区域106A的电荷限制区域103中建立电势梯度。在一些实施例中，电极b0-bm可以将其电压设定为不同的水平以能够陷获电荷载流子和/或将电荷载流子传输到一个或多个电荷存储仓。

电极st0和stl可具有变化以将载流子传输到电荷载流子存储区108A的电荷存储仓的电压。传输栅tx0、txl、tx2和tx3能够将电荷从电荷存储仓传输到浮动扩散节点fd。还示出了包括复位晶体管rt、放大晶体管sf和选择晶体管rs的读出电路110。

在一些实施例中，浮动扩散节点fd和传输栅tx0-tx3中的每一个的电势都允许电荷载流子溢流到浮动扩散中而不是进入载流子行进/捕获区域106A。当电荷载流子被传输到载流子存储区域108中的仓中时，浮动扩散节点fd和传输栅tx0-tx3的电势可以足够高以允许仓中的任何溢出电荷载流子流向浮动扩散。这样的"势垒溢出保护"技术可以减少向载流子行进/捕获区域106A和/或像素的其它区域溢出和扩散的载流子。在一些实施例中，势垒溢出保护技术可用于去除由激发脉冲产生的任何溢出电荷载流子。通过允许溢出电荷载流子流到浮动扩散，这些电荷载流子没有被捕获在一个或多个时间仓中，从而减小了在读出时激发脉冲对时间仓信号的影响。

在其中电极Vb0-Vbn和b0-bm设置在光子吸收/载流子生成区域102和/或载流子行进/捕获区域106上的一些实施例中，电极Vb0-Vbn和b0-bm可以被设置为对于从图3B的顶部到底部前进的位置电压增大，从而建立电势梯度，该电势梯度使得电荷载流子沿图3B的向下方向向泄露部104行进。在一些实施例中，电势梯度可以在光子吸收/载流子生成区域102和/或载流子行进/捕捉区域106中单调变化，这可使电荷载流子沿着电势梯度行进到载流子行进/捕获区域106中。在一些实施例中，电势梯度可以相对于沿着线A-A'的位置线性变化。通过将电极设置为在图3B的垂直尺寸上线性变化的电压，可以建立线性电势梯度。然而，本文描述的技术不限于线性电势梯度，因为可以使用任何合适的电势梯度。在一些实施例中，载流子行进/捕获区域106中的电场可以足够高，使得电荷载流子在载流子行进/捕捉区域106中移动足够快，使得渡越时间与光子可能到达的时间相比更小。例如，在荧光寿命测量环境中，电荷载流子的渡越时间可以与被测荧光分子或标记物的寿命相比更小。通过在载流子行进/捕获区域106中产生足够渐变的电场，可以减小渡越时间。

图3C示出了其中光子吸收/载流子生成区域102包括PN结的实施例。图3C示出了可以处于相对低电势的外部电极302，从而以相对较低的电势"钉住"表面电势。可以包括电极304以帮助产生用于驱动载流子朝向载流子行进/捕获区域106的静态电场的电势梯度(载流子行进/捕获区域106的下部未示出)。图3C表示扩散、多晶硅、接触和金属1的区域。

图3D示出了图3C中的像素的俯视图，其中添加了掺杂特性。图3D还示出了沿着由PN结和电极304建立的电势梯度向下到区域106扫描载流子的电场。图3D表示扩散、多晶硅、接触、金属1、N-注入、P-注入和P-外延的区域。

图3E示出了包括载流子行进/捕捉区域106的图3C中的像素的俯视图。

图3F示出了如图3E中的像素阵列。图3F表示扩散、多晶硅、接触和金属1的区域。

图3G示出图3F的像素阵列，还表示扩散区、多晶硅、接触、金属1、N-注入、P-注入和P-外延的区域。

图4示出图3B的像素100A的电路图。电荷载流子限制区域103以粗黑线示出。还示出了电极、电荷载流子存储区域108和读出电路110。在此实施例中，电荷载流子存储区域108的电荷存储仓仓0、仓1、仓2和仓3位于电极st1下的载流子限制区域103内。如以上所讨论的，在一些实施例中，结可用于代替电极或除了电极之外产生区域102中的静态场。

光从光源120在光子吸收/载流子生成区域102处被接收。光源120可以是任何类型的光源，包括待成像的区域或场景，作为示例而非限制。遮光器121防止光到达载流子行进/捕捉区域106，遮光器121可以由任何合适的材料形成，例如集成电路的金属层，通过示例而非限制。

图5A示出了可以沿着图3B的线A-A'在光子吸收/载流子生成区域102和载流子行进/捕获区域106中的电荷载流子限制区域103中建立的电势梯度。如图5A所示，电荷载流子(例如，电子)可以通过在光子吸收/载流子生成区域102内的光子吸收而产生。电极Vb0-Vbn和b0-bm的电压设置为增加到图5A的右侧以建立使电子流向图5A中的右侧(图3B的向下方向)的电势梯度。另外或可选地，可以存在PN结来建立或帮助建立场。在这样的实施例中，载流子可以在表面之下流动，而图5A(和相关图)示出了载流子在其中流动的区域中的电势。最初，可允许载流子流过载流子行进/捕获区域106进入泄露部104，如图6A、图6B和图6C所示。图6A示出了一旦其被光生时载流子101的位置。图6B示出了其后不久的载流子101的位置，其响应于所建立的电势梯度在向下方向上行进。图6C示出了当载流子101到达泄露部104时的位置。

图5B示出了在一段时间后，通过降低电极b0的电压，可以在时间t1升高对电子的势垒501。势垒501可以阻止电子在图5B中向右行进，如图6D、图6E和图6F所示。图6D示出了载流子101(例如，电子)一旦被光生时的位置。图6E示出了在载流子响应于电势梯度在向下方向上行进后不久的载流子101的位置。图6F示出了在时间t1之后，载流子101到达势垒501时的位置。

图5C示出了在另一时间周期之后，通过降低电极b2的电压，可以在时间t2升高对电子的另一势垒502。如果电子在时间t1和t2之间到达电极b0和b2之间，则电子将被捕获在势垒501和势垒502之间，如图5C和图6G所示。

图5D示出了另一时间周期之后，通过降低电极b4的电压，在时间t3可以升高到对电子的另一势垒503。如果电子在时间t2和t3之间到达电极b2和b4之间，电子将被陷获在势垒502和势垒503之间的位置中。在图5D和图6H的示例中，电子在时间t1和t2之间到达，从而保持被捕获在势垒501和势垒502之间。

图5E示出了另一时间周期之后，通过降低电极b6的电压，在时间t4可以升高对电子的另一势垒504。如果电子在时间t3和t4之间到达电极b4和b6之间，电子将被陷获在势垒503和势垒504之间的位置中。在图5E和图6I的示例中，电子在时间t1和t2之间到达，从而保持被捕获在势垒501和势垒502之间。

图5F示出了另一时间周期之后，通过降低电极bm的电压，可以在时间t5升高对电子的另一势垒505。如果电子在时间t4和t5之间到达电极b6和bm之间，电子将被陷获在势垒504和势垒505之间的位置中。在图5F和6J的示例中，电子在时间t1和t2之间到达，从而其保持被捕获在势垒501和势垒502之间。

图6K示出了电压时序图，其示出了随时间变化的电极b0-b8、st0和stl的电压。在升高势垒501-505的序列期间，移动穿过载流子行进/捕获区域106的电荷载流子将被捕获在载流子行进/捕捉区域106内的位置，该位置取决于其到达载流子行进/捕获区域106的时间，这反过来又依赖于光子吸收/载流子生成区域102中由光子吸收而生成电荷载流子的时间。势垒501-505被升高的时序设置了电荷存储仓仓0-仓3的时序。如图6K所示，在时间t1和t2之间到达的载流子将被陷获在用于仓0的时间间隔内，在时间t2和t3之间到达的载流子将被陷获在用于仓l的时间间隔内，在时间t3和t4之间到达的载流子将被陷获在用于仓2的时间间隔内，并且在时间t4和t5之间到达的载流子将被陷获在用于仓3的时间间隔内。

在图5A-5F中所示的序列之后，然后，基于电荷载流子被捕获在载流子行进/捕获区域106内的位置，可将所捕获的电荷载流子传输到适当的电荷载流子存储仓中。在此实施例中，如果在电极bl下捕获电子，则传输到仓0。如果在电极b3下捕获电子，则传输到仓l。如果在电极b5下捕获电子，则传输到仓2。如果在电极b7下捕获电子，则传输到仓3。在一些实施例中，将载流子行进/捕获区域106内的任何捕获的载流子传输到其对应的仓可以并行执行(例如，同时)。然而，本文所述的技术并不局限于并行地将所捕获的载流子传输到电荷存储仓中。

如图6K所示，在图5A-5F所示的序列后，电极st0和st1上的电压可被改变以将任何所捕获的电荷载流子传输到对应的电荷载流子存储仓中。将参照图6K和图7A-图7G讨论用于传输所捕获的电荷载流子的序列示例。

图7A示出了沿着图3B的线B-B'的电荷载流子限制区域103的横截面的电势的曲线图。图7A示出了在势垒503和504之间捕获电子的示例中的在时间t5处的电势。图7E中示出了显示在势垒503和504之间捕获的电子的平面图。

图7B示出了在时间t5之后，电极bl、b3、b5和b7上的电压任选地可以被降低(图6中未示出)从而提高电子在势阱内的位置，有利于电子的传输。

图7C示出了在时间t6(图6K)，可以升高电极st0和stl上的电压。以这种方式改变电极的电压可以提供电势梯度，该电势梯度使得在载流子行进/捕获区域106中捕获的电荷载流子传输到电极stl下的对应的电荷存储仓。在图7F中示出了显示电极stl的电压升高并且载流子101被传输的平面图。

图7D示出了在时间t7，电极st0上的电压可以下降，从而将所捕获的载流子(如果有的话)限制在对应的仓中(本实施例中为仓2)。电极b6上的电压可在时间t8处升高以重新建立载流子行进/捕获区域106中的电势梯度。在图7G中示出了显示了降低的电极st1的电压以及被捕获在仓2中的载流子101。

图7H示出了根据一些实施例的电荷载流子隔离结构的电极的特性。图7H说明每个电极在梯度阶段期间的电压、在分仓阶段期间的电压、在传输阶段期间的电压、在读取阶段期间的电压高电压、以及电压变化的类型。然而，这仅仅是示例，并且这里描述的技术并不局限于图7H中所示的实施细节。

测量序列示例

重复光子吸收/载流子生成和光生电荷载流子的时间分仓的过程能够收集关于光子到达光电检测器的时间的统计信息，如下所述。

在一些实施例中，"测量"可包括接收光子、在特定时间和/或位置捕获电荷载流子、并将所捕获的载流子传输到对应于特定时间周期或仓的电荷存储节点。测量可以重复多次以收集关于光子到达光电检测器的时间的统计信息。

图8A示出了根据一些实施例的包括执行多个测量720的方法700的流程图。这样的方法可以至少部分地由本文所述的集成装置来执行。

在步骤702中，可由触发事件启动测量720。触发事件可以是作为用于光子到达的时间分仓的时间基准的事件。触发事件可以是例如光脉冲或电脉冲，并且可以是单个事件或重复的、周期性的事件。在荧光寿命测量的情况下，触发事件可以是生成光激发脉冲以激发荧光。在飞行时间成像的情况下，触发事件可以是由包括集成的光电检测器的成像设备发射的光脉冲(例如，闪光)。触发事件可以是作为用于对光子或载流子的到达进行定时的基准的任何事件。

光激发脉冲的产生可产生大量光子，其中一些可以到达像素100，并且可以在光子吸收/载流子生成区域102中产生电荷载流子。因为不需要测量来自光激发脉冲的光生载流子，因此可以允许它们向下沿电势流到泄露部104而不被捕获。由光激发脉冲产生的在没有被捕获的情况下流动到泄露部104的光生载流子可以减少不需要的信号的量，否则其可能需要被阻止到达复杂的光学组件，例如快门或滤光器，这可能增加额外的设计复杂性和/或成本。可以对载流子行进/捕捉区域106内的一个或多个势垒的升高的时序进行定时，使得由任何不需要的光信号生成的光生载流子流向泄露部104。此外，该技术可以与任何数量的时间仓一起使用，包括只有一个时间仓的实施例。例如，像素可以包括单个时间仓和泄露部，其中势垒的时序减小了与激发脉冲相关联的信号同时在载流子行进/捕获区域106内捕获所期望的光信号。

然后，测量720可以在步骤704开始，在该步骤中，可以吸收期望被检测的光子并且可以在区域102中生成电荷载流子。在荧光寿命测量或飞行时间成像的情况下，可以在光激发脉冲结束后开始步骤704。

在步骤706中，移动穿过载流子行进/捕捉区域106移动的电荷载流子可以在相对于触发事件702的选定时间处在预定位置处被捕获。在一些实施例中，通过将一个或多个势垒升高以将载流子陷获在取决于由光子吸收而产生载流子的时间的位置，电荷载流子可以被捕获在载流子行进/捕获区域106的一个或多个区域中，如以上所讨论的。

在步骤708中所捕获的电荷载流子(如果存在的话)可以从捕获的电荷载流子被捕获的位置传输到相应的电荷存储仓中，从而对电荷载流子进行"时间分仓"。

在步骤708之后，测量720可以被重复n-l次，以获得关于触发事件702之后光子趋向于到达的时间周期的统计信息。当重复测量720时，可以在相应的电荷存储仓中聚集经过时间分仓的的电荷载流子。重复测量720可以使得在电荷载流子存储仓中聚集足够数量的电荷载流子以提供统计上有意义的结果。例如，在荧光寿命测量的情况中，可能期望响应于从荧光团接收光子的光子吸收事件可能相对较少发生。例如，这种事件可能期望在约1000次测量中发生一次。因此，需要执行大量的测量720以在电荷载流子存储仓中聚集足够数量的电荷载流子，使得该结果在统计学上有意义。在一些实施例中，可以被执行用于荧光寿命测量的荧光团的测量数量可以为500000或更多，或1000000或更多，以在每个仓中捕获和分仓足够数量的电荷载流子(即，在一些实施例中数十或数百或更多)。

一旦已经执行了所分配的测量数目n，则方法700可以前进到步骤710以读出时间仓。读出时间仓可以包括将聚集在每个电荷存储仓中的电荷的量转换为对应的电压，如下文所述。

图8B是示出在时间t0处产生的激发脉冲和时间仓仓0-仓3的图。注意，在该示例中，用于测量光子的时间仓直到t1，即t0之后的时间周期，才会开始，这使激发光在测量信号光子之前结束。

图8C示出了用于一组荧光寿命测量的在每个时间仓中的光子/电荷载流子数量的曲线图，其中，标记物或管芯荧光的概率随时间变化成指数地降低。通过多次重复激发、电荷捕获、并传输到相应的仓中以及读出传输到每个仓中的电荷载流子的量的序列，可以产生允许确定或粗略估计荧光团寿命的在不同仓中注册的光子数量的直方图。

方法700可以在期望捕获光子的任何合适的时间周期上执行。在荧光寿命测量的情况下，用于执行方法700的合适周期可以是10毫秒。在一些实施例中，步骤702至708可以以频率为MHz范围的频率重复。在一些实施例中，时间仓可以具有皮秒或纳秒尺度的分辨率。

响应于不同触发事件的检测的时间复用

在一些实施例中，可使用多个不同类型的触发事件来执行测量。触发事件可以在时间上被复用，使得像素响应于不同时间周期中的不同类型的触发事件而接收光。例如，在亮度寿命测量的情况下，触发事件可以是不同波长λ1和λ2的激发光脉冲(例如，激光脉冲)，其能够激发不同的发光分子(例如，荧光团)。在一些实施例中，荧光团可以根据其对激发光的不同波长λ1和λ2的响应而被识别和/或区分。在不同时间用波长为λ1和λ2的光激发脉冲激发样本，分析样本响应所发射的荧光，能够基于是否响应于波长λ1的激发光而在第一时间周期内检测到荧光，或是响应于波长λ2的激发光而在第二时间周期内检测到荧光，来检测和/或识别荧光分子。另外，或作为时间复用的替代，荧光分子可以基于测量它们的荧光寿命而被识别和/或区分。

在一些实施例中，集成光电检测器可以对响应于不同波长的光激发脉冲由样本产生的光子进行时间上的复用检测。例如，在第一时间周期中，可以检测由样本响应于波长λ1的激发光而产生的光。随后，在第二时间周期内，可以检测由样本响应于波长λ2的激发光而产生的光。为此，具有多个时间仓的像素可以使用第一组时间仓来检测第一时间周期中光子的到达，以及使用第二组时间仓来检测第二时间周期中光子的到达。通过检查是否有光在第一时间周期或第二时间周期到达像素，可以确定荧光团是否响应于波长λ1的光或波长λ2的光而发出荧光。

在一些实施例中，关于光子响应于光激发脉冲的到达时间的信息可用于确定和/或区分荧光寿命。荧光寿命可用于确定组织的状况。多个荧光分子可以有助于可以作为组织的特征的荧光寿命。由于荧光分子的类型和/或数量可以根据组织的状况而变化，因此组织的荧光寿命特征可以指示组织的状况。在一些实施例中，可以发射光的激发脉冲，则像素的时间仓的子集可用于对在时间间隔内的入射光子的到达进行时间分仓。可以从时间仓的子集收集的光子分布来识别一个或多个荧光寿命。一个或多个荧光寿命可充当由光激发脉冲照射的样本的特征。

在一些实施例中，可发射第一波长的第一激发脉冲，则像素的时间仓的第一子集可用于对在第一时间间隔中的入射光子的到达进行时间分仓。然后，可以发射第二波长的第二激发脉冲，以及像素的时间仓的第二子集可用于对在第二时间间隔中的入射光子的到达时间进行时间分仓。因此，如果在第一时间间隔和/或第二时间间隔中接收到光子，可以获得关于产生光子的荧光分子的寿命的信息。重复光激发脉冲的时间多路复用的过程以及测量关于荧光寿命的信息可以提供足够的信息以实现识别组织状况和/或特征。

图8D示出了根据一些实施例的操作集成光电检测器的方法，其中响应于多个不同触发事件在集成光电检测器处接收光。图8E示出了当执行图8D的方法时电荷载流子隔离结构的电极的电压。

在步骤802中，可由触发事件A来发起测量820。触发事件A可以是作为用于对光子的到达进行时间分仓的时间基准的事件。触发事件A可以是例如光脉冲或电脉冲，并且可以是单个事件或重复的、周期性的事件。在荧光寿命测量的情况下，触发事件A可以是生成第一波长的光激发脉冲以激发第一类型的荧光团。

生成光激发脉冲可产生大量光子，其中一些可以到达像素100，并且可以在光子吸收/载流子生成区域102中产生电荷载流子。因为不需要测量来自光激发脉冲的光生载流子，如以上所讨论的，因此可以允许它们沿电势向下流动到泄露部104而不被捕获。可以对在载流子行进/捕获区域106内的一个或多个势垒的升高进行定时，使得由任何不需要的光信号流引起的光生载流子流向泄露部104。

测量820然后继续到步骤804，在该步骤中，期望被检测的光子可以被吸收并且可以在区域102中产生电荷载流子。在荧光寿命测量的情况下，可以在光激发脉冲结束后开始步骤804。

在步骤806中，移动穿过载流子行进/捕捉区域106的电荷载流子可以在相对于触发事件802在选定时间处被捕获在预定位置处。在一些实施例中，通过升高一个或多个势垒以陷获载流子在取决于载流子被光子吸收而产生的时间的位置上，电荷载流子可以被捕获在载流子行进/捕获区域106的一个或多个范围上，如以上所讨论的。在一些实施例中，步骤806可以包括依次升高势垒501，503和503，从而捕获与时间仓仓0和/或仓l相对应的电荷(如果有的话)。

在步骤808中，捕获的电荷载流子(如果有的话)可从其被捕获的位置传输到对应的电荷存储仓中，从而对电荷载流子进行"时间分仓"。例如，在步骤808中使用例如图7A-7D中所示的技术，可以将被捕获的对应于时间仓仓0和/或仓l的任何电荷传输至仓仓0和/或仓1。

在步骤810中，可由触发事件B启动第二测量821。触发事件B可以是作为用于对光子的到达进行时间分仓的时间基准的事件。触发事件可以是例如光脉冲或电脉冲，并且可以是单个事件或重复的、周期性的事件。在荧光寿命测量的情况下，触发事件B可以是以第二波长产生光激发脉冲以激发第二类型的荧光团。

产生光激发脉冲可产生大量光子，其中一些可以到达像素100，并且可以在光子吸收/载流子生成区域102中产生电荷载流子。因为不需要测量来自光激发脉冲的光生载流子，如以上所讨论的，可以允许它们沿电势向下流动到泄露部104而不被捕获。可以对在载流子行进/捕获区域106内的一个或多个势垒的升高进行定时，使得由任何不需要的光信号流引起的光生载流子流向泄露部104。

然后，第二测量821继续到步骤812，在该步骤中，期望被检测的光子可以被吸收并且可以在区域102中产生电荷载流子。在荧光寿命测量的情况下，步骤812可在第二光激发脉冲完成后开始。

在步骤814中，移动穿过载流子行进/捕捉区域的电荷载流子可以在相对于触发事件810的选定时间处被捕获在预定位置处。通过升高一个或多个势垒以陷获载流子在取决于载流子被光子吸收所产生的时间的位置上，电荷载流子可以被捕获在载流子行进/捕获区域106的一个或多个范围上，如以上所讨论的。在一些实施例中，步骤814可以包括连续地升高势垒503，504和505，从而捕获与时间仓仓2和/或仓3相对应的电荷(如果有的话)。

在步骤816中，捕获的电荷载流子(如果有的话)可从其被捕获的位置传输到对应的电荷存储仓中，从而对电荷载流子进行"时间分仓"。例如，在步骤816中，使用如图7A-7D所示的技术，可以将被捕获的对应于时间仓仓2和/或仓3的任何电荷传输到仓仓2和/或仓3。

尽管已经描述了一种实施例，其中像素具有四个时间仓，以及两个仓被分配以测量响应于各个光激发脉冲中的每一个而产生的光的到达时间，然而本文描述的技术并不限于该方案。例如，像素可以具有更多或更少数量的仓，其可以以任何合适的方式被分配以响应于不同的激发脉冲来测量光。此外，本文所述的技术不限于两个不同波长的光激发脉冲，可以使用任何数量的波长的光激发脉冲，并相应地进行多路复用。

在步骤816之后，可以重复测量820和821n-1次，以获得关于在触发事件之后光子倾向于到达的时间周期的统计信息。当重复测量时，可将时间分仓的电荷载流子聚集在相应的电荷存储仓中。

一旦已经执行了所分配的测量次数，则方法800可以继续进行到步骤710以读出时间仓。读出时间仓可以包括将聚集在每个电荷存储仓中的电荷量转换为对应的电压，如下所述。

读出电路和序列示例

如图2A和图2B所示，像素100可以包括允许读出存储在电荷存储仓108中的电荷的读出电路110。像素100可以是有源像素，使得读出电路110包括读出放大器，或无源像素，其中读出电路110不包括读出放大器。可以使用任何合适类型的有源像素或无源像素读出电路。

如果读出电路110包括读出放大器，则可以使用任何合适类型的放大器。合适的放大器的例子包括基于共源配置的放大器，以及基于源极跟随器配置的放大器。然而，这里描述的技术并不局限于任何特定的放大器配置。

如果读出电路110包括读出放大器，读出放大器可以取电荷存储仓(例如，仓0，仓l，仓2或仓3)中累积的电荷作为输入，并产生代表电荷存储仓中的电荷的电压作为输出。

在图4中示出基于源极跟随器配置的读出电路110的示例。图4中所示的读出电路110的示例是具有四个晶体管的"4T"配置：rt，sf，rs，以及传输栅tx0-tx3中的一个。由于三个晶体管rt，sf和rs在每个电荷存储仓之间共享，因此图4中示出的示例电路对于所有四个仓是"0.75T"配置，(4个传输栅+3个晶体管)/4个仓。然而，这里描述的技术不限于使用具有0.75T配置的读出电路110，而是可以使用任何其它合适类型的读出配置。

此外，可以使用任何合适的读出技术，包括降噪技术。在一些实施例中，读出电路110可以使用相关双采样读出电荷载流子存储仓。相关双采样是这样一种技术，其中可以在包括未确定噪声量的复位电压电平的节点处获取第一样本，并且第二样本可以是在包括相同未确定噪声的节点处的信号电平处获取。通过从采样信号电平中减去采样的复位电平，可以减小噪声。

读出电路110可以顺序地或并行地执行电荷存储仓的读出。图9A中示出了使用相关双采样用图4中所示的读出电路110顺序读出仓仓0-仓3的时序图的例子。如图9A所示，初始复位晶体管rt可以被导通(ON)以将浮动扩散节点fd设定为复位电压ct。在浮动扩散节点的电压被复位的时间周期期间，传输栅tx0-tx3被关断(OFF)以保持存储在它们各自的仓中的电荷载流子。在浮动扩散节点fd被复位后，可通过关断晶体管rt并导通晶体管rs以产生输出电压cb来对复位电压进行采样。由输出电压cb表示的复位电压可以以模拟形式(例如，在电容器上)或以数字形式(例如，A/D转换和存储)存储。然后，可以导通传输栅tx0，以允许来自仓0的电荷流到浮动扩散fd。可以通过导通晶体管rs以基于存储在仓0中的电荷产生输出电压cb来采样信号电压。由输出电压cb表示的信号电压可以以模拟形式(例如，在电容器上)或以数字形式(例如，通过A/D转换和存储)存储。

然后，可以导通晶体管rt以将浮动扩散fd设定为复位电压ct。在浮动扩散节点fd的电压被复位的时间周期期间，传输栅tx0-tx3被关断以保持存储在它们各自的仓中的电荷载流子。在浮动扩散节点fd被复位后，可通过关断晶体管rt并导通晶体管rs以产生输出电压cb来对复位电压进行采样。此外，由输出电压cb表示的复位电压可以以模拟形式(例如，在电容器上)或以数字形式(例如，通过A/D转换和存储)存储。然后，可以导通传输栅tx1，以允许来自仓l的电荷流到浮动扩散。可以通过导通晶体管rs以基于存储在仓l中的电荷产生输出电压cb来采样信号电压。同样，由输出电压cb表示的信号电压可以以模拟形式(例如，在电容器上)或以数字形式(例如，通过A/D转换和存储)存储。

然后可以仓2和仓3执行相同的过程，即执行复位、采样复位电压、将电荷从仓传输到浮置扩散节点fd、并对所述信号进行采样。因此，在图9A所示的读出序列中，可以取8个样本用来表示四个仓的复位值和信号值。可从所存储的信号值中减去用于每个仓的所存储的复位值，以获得表示存储在每个仓中的电荷的结果，从而完成相关的双采样过程。

可选地，如上所述，用于仓的采样复位电压电平可以存储在第一电容上，以及用于仓的采样信号可以存储在第二电容上。可选地，在将复位电平和信号电平采样到电容器上之前，通过将电容器设置为相同的电压，可以将电容器清零。

图9B示出了根据一些实施例的用于执行不需要测量每个信号值的复位值的相关双采样的读出序列。在图9B的示例中，为像素的所有仓测量单个复位值。为了获得第一仓的信号，可从所测量的信号值中减去复位值，如上所述。代替在该点复位浮动扩散，电荷可以从第二仓传输到浮动扩散，从而对第一仓和第二仓的电荷进行聚合。第二仓的信号可通过从用于第一仓和第二仓的聚合信号中减去第一仓的信号而获得。由于用于第一仓的信号和用于第一仓和第二仓的聚合信号都包括相同的复位噪声，因此结果是减掉复位噪声。该过程可以继续用于剩余的仓，将用于前一仓的聚合信号从下一仓的聚合信号中减去。相比较于每个仓都单独读出而言，以这种方式聚合用于仓的所存储的电荷可以允许读出我们的更大的信号，并可降低噪声，因为相较于每个仓都单独读出的情况，这种情况采样信号将在噪声基底之上更高。在具有四个时间仓的示例中，可以取五个采样：一个复位值和四个表示存储在电荷存储仓中的累积电荷的采样。将参考图9B更详细地描述该过程。

如图9B所示，初始复位晶体管rt可以被导通以将浮动扩散节点fd设置为复位电压ct。在浮动扩散节点的电压被复位的时间周期期间，传输栅tx0-tx3被关断以保持电荷载流子被存储在其各自的仓中。在浮动扩散节点fd被复位之后，可通过关断晶体管rt并导通晶体管rs以产生输出电压cb来对复位电压进行采样。由输出电压cb表示的复位电压可以以模拟形式(例如，在电容器上)或以数字形式(例如，通过A/D转换和存储)存储。然后，可以导通传输栅tx0，以允许来自仓0的电荷流到浮动扩散。可以通过导通晶体管rs以基于存储在仓0中的电荷产生输出电压cb来对仓0的信号电压进行采样。

然后，可以导通传输栅txl，以允许来自仓l的电荷流到浮动扩散。可以通过导通晶体管rs来对仓l+仓0的信号电压进行采样，以基于存储在仓l中的电荷加上存储在仓0中的电荷来产生输出电压cb。用于仓0的输出信号值可以从仓0+仓l的输出信号值中减去以产生表示存储在仓l上的电荷的信号。

然后可以通过从用于仓n+1的测量信号电平中减去用于仓n的测量信号电平来对仓2和仓3执行类似的过程。因此，使用这样的技术，可以减少需要采取的样本的数量。

下式示出如何仅使用单个测量的复位值来计算每个块的"校正"(使用相关双采样)信号。

校正信号仓0＝测量信号仓O-复位电平

校正信号仓l＝用于(仓0+仓l)的测量信号-仓0的测量信号

校正信号仓2＝用于(仓0+仓l+仓2)的测量信号-用于(仓0+仓l)的测量信号

校正信号仓3＝用于(仓0+仓l+仓2+仓3)的测量信号-用于(仓0+仓l+仓2)的测量信号

在一些实施例中，可以执行从像素读出的过采样。过采样包括多次从像素读取相同的信号。每次从像素读取信号时，可能存在由于噪声而在读取的信号中的微小变化。在测量中，对信号的读出进行过采样并对样本进行平均可以减小噪声(例如，白噪声)。在一些实施例中，可以取多个样本(例如，4-8个样本)来从像素读取单个标称信号值(例如，单个复位电平或信号电平)。在一些实施例中，信号的每个样本可以通过将读出信号变化并且转换为数字值(例如，数字字(digital word))来读出。然后可以计算样本的平均值，并将平均值用作来自像素的测量信号。例如，如果使用8x过采样，则可以针对每个复位值和信号值取八个采样，在测量4个时间仓和4个复位电平的情况下，总共64个样本，或在测量1个复位电平和4个聚合信号电平的情况下，40个样本。

像素阵列读出电路

并行读出，顺序读出和并行读出与顺序读出的组合

如上所述，像素阵列可以包括排列成行和列的多个像素。在一些实施例中，可以逐行执行读出。在一些实施例中，可选择像素阵列的行，并且可以对所选择的像素行执行读出过程。用于一列像素的读出电路可以对于列内的像素而言是共用的，从而可以通过选择不同的行来对列中的各个像素由读出电路执行读出。对于选定行的读出可以并行执行(称为"列并行")，顺序执行，或并行与顺序的组合执行(称为"半列并行")。

为了以列并行方式执行所选行的像素的读出，可为每一列提供单独的读出电路，使得所选行的每一列的像素可以同时读出，如图10A所示。图10A示出了具有多个列C1到Cn和多个行的像素阵列，示意性示出了所选行Ri。在图10A的实施例中，每个像素列具有相关联的读出电路905。因为每个像素列具有相关联的读出电路905，因此可以同时读出来自行Ri中各像素的信号。

为了顺序地执行所选行的像素的读出，不需要针对每一列提供单独的读出电路。例如，在一些实施例中，可以提供公共读出电路，并且可以依次读出所选行的每个像素。图10B示出了可以为多个列提供公共读出电路905的实施例。公共读出电路可以在合适的控制电路的控制下通过开关网络906选择性地连接到列。例如，在一些实施例中，开关网络906可以依次将各个像素列连接到读出电路905。

为了以半列并行方式执行像素的读出，可以提供多个读出电路905，其数量比列的数量少，如图10C所示。在这种半列并行架构中，每个读出电路905可以被列的子集共享。每个读出电路905可以顺序地读出阵列中的列的子集。如图10C所示，读出电路905A可以通过开关网络906A选择性地连接到其相应的列。读出电路905B可通过开关网络906B选择性地连接到其相应的列。

在一些实施例中，读出电路905可以包括一个或多个放大器以放大来自像素信号，以及模数转换器用于将放大后的信号转换为数字值。

下面描述根据各种实施例的读出电路905的配置的示例。

采样保持电路

在一些实施例中，用于一列的读出电路可以包括一个或多个采样保持电路。图10D示出了列读出电路905C的电路图，该列读出电路905C包括采样保持电路907、放大器电路901以及模-数(A/D)转换器902。采样保持电路907可以从像素采样输出电压(例如，在节点cb处)到电容元件(例如，电容器)上，然后当其被放大器读出时将电压保持在电容器上。如上所述，来自像素的输出电压可以表示在一个或多个时间间隔期间捕获的电荷载流子的数量。

采样保持电路可以在多个阶段中操作，称为“采样”阶段和“保持”阶段。在“采样”阶段中，来自像素的电压值可被采样到电容元件上。因此，要读出的电压存储在电容元件上。在“采样”阶段之后，在“保持”阶段读取电容器的电压。在“保持”阶段期间，电容器的电压可以从电容元件读出并且由一个或多个放大器处理后由模数(A/D)转换器转换为数字形式。如图10D所示，在采样阶段期间，开关s1打开(设置为导通状态))并且开关s2关断(设定在非导通状态)，从而将来自像素的读出端子cb的电压采样到例如电容器C1的电容元件上。保持阶段跟随在采样阶段后。在保持阶段，开关s1关断并且开关s2打开，由此将电容器C1连接到放大器电路901。通过关断开关s1，当读取电压时，电容器的电压可以保持基本恒定，因为放大器电路901可以具有高输入阻抗。来自放大器电路901的放大信号可被提供给A/D转换器902以将放大的电压转换为数字值。

在一些实施例中，通过减少或最小化所用的电路的数量(例如，放大器，模数转换器)来降低功耗和/成本。在一些实施例中，为了减少或最小化读出链中的电路的数量，读出链的一个或多个电路可以由像素阵列的多于一个的列共享。

复用读出电路组件

在一些实施例中，读出电路的一个或多个组件可以由像素阵列的两个或两个以上的列共享。例如，如图10E所示，放大器电路901、A/D转换器902的一部分或全部，或者两者都有，可由像素阵列的两个或两个以上列共享。图10E示出了读出电路905D的实施例，其中放大器电路901和A/D转换器902都被像素阵列的两个列共享。在图10E的实施例中，各个列线被连接到各个像素节点cbl和cb2。每个列线连接到各自的采样保持电路907A，907B。放大器电路901和A/D转换器902可以由两个列共享。放大器电路901的输入可以在采样保持电路907A和907B之间复用，使得在不同时间(例如，依次)将其输出连接到放大器电路901。使用诸如放大器电路901和/或A/D转换器902的共享读出电路组件，可以减小读出电路中的组件的数量，这可以降低读出电路的成本和/或功耗。

在一些实施例中，用于列共享放大器电路901的采样和保持阶段可以交替，使得当列处于采样阶段并且该列不连接到放大器电路901时，另一列处于保持阶段且其采样保持电路连接到放大器电路901以放大先前采样的电压。在图10F的实施例中，采样阶段和读取阶段在两列之间交替，其中上方的列在阶段1期间处于采样阶段并且在阶段2期间处于保持阶段，并且下方的列在阶段2期间处于采样阶段而在阶段期间处于保持阶段。在阶段1期间，通过导通开关s1并且关断开关s2、关断开关s3以及经由导通的开关s4将电容器C2连接至放大器901来将节点cb1的信号采样到电容器C1上。在阶段2期间2，通过导通开关s3、关断开关s4、关断开关s1并且经由导通的开关s2将电容C1连接到放大器901来将节点cb2的信号采样到电容器C2上。通过多于一个的列共享放大器电路901可以减少放大器电路901的停工时间(downtime)，不需要在一列的采样阶段处于空闲状态。

在一些实施例中，像素阵列的多于两个的列可以共享读出电路901和/或A/D转换器902。图10F示出了像素阵列的n列共享读出电路901和/或A/D转换器90的实施例。电容器C1-Cn可以顺序地连接到读出电路901以读出它们的电压值。电容器Cl-Cn可以以任何合适的顺序连接到读出电路901。每个列的保持电路和各个采样的采样阶段可以被定时发生在采样和保持电路不被放大器电路901读出的周期期间。在一些实施例中，如上所述，采样阶段可以被定时发生在放大器电路901读出不同行的时间间隔期间，以限制放大器电路901处于空闲状态时的时间量。例如，如上所述，在阶段1期间，节点cbl的电压可以在阶段1期间被采样到电容器C1上。在阶段2期间，可以通过放大器电路901读出电容器C1的电压，并且可以将节点cb2的电压采样到在电容器C2。在阶段3期间，电容C2的电压可以由放大器电路901读出，第三节点cb3的电压可以被采样到第三电容C3上，等等。该过程然后可以在放大器电路901读出在最后一列(行n)期间，或在放大器电路901读出最后一列之后，从阶段1再次开始。任何合适数量的列可共享放大器电路901，例如2，4，8，16，32，64，128等等，或任何其它合适的数量(其不需要为2的幂)。

图10G示出了包括放大器电路901的读出电路的图。在图10G的实施例中，放大器电路901包括多个放大器910和911。使用多个级联放大器910和911能够减少功耗，因为实现相同增益时使用多个放大器910和911与使用单个放大器相比能够以更少的功耗实现所期望的信号增益。

图10H示出了包括具有用于各自列的第一级放大器910A和910B的放大器电路901以及由两列共享的第二级放大器911的读出电路的图。多路复用器912在不同时间将第一级放大器910A和910B连接到第二级放大器911。在一些实施例中，放大器910A，910B和911可以是差分放大器。

图10I示出包括第一级放大器901A和901B、第二级放大电路911和第三级放大电路912的读出电路的图。如以上所讨论的，相对于使用较少的放大器级来实现期望的增益值，使用额外的放大器级来实现期望的增益值可以降低功耗。在一些实施例中，放大器910A、910B、911和912可以是差分放大器。

在一些实施例中，可以在多个级的信号链中应用增益。在一些实施例中，第一级放大器(例如，910A，910B)可具有2或更多的增益，第二级放大器(例如，911)可具有1-8或更多的增益，以及第三级放大器(例如，912)可以具有1-2的增益，或更多增益，三个级的增益是2-32或以上的总增益。

在一些实施例中，放大器可具有数字可编程增益。根据接收的光的特性可以改变一个或多个级的增益。例如，如果多于一个波长的光激发脉冲(例如，激光脉冲)用于在像素中产生不同的响应，根据当前正在检测到的光的波长，可以改变读出链中的一个或多个放大器的增益。如果一个波长导致产生较小数量的电荷载流子，则可以增加增益以适应减小的信号电平。如果另一波长导致产生较大数量的电荷载流子，则可以减小增益。在一些实施例中，用于不同波长的读出链的增益可以被归一化为一个另外的增益以响应于不同的波长而产生相同的输出电平。

读出电路设计考虑

由于在一些实施例中，每个时间仓所捕获的电荷载流子数量可能相对较小(例如，在数百个电荷载流子的量级上)，因此从每个像素检测的信号可以相对较小。因此，在一些实施例中，从像素运行至(和包括)模数转换器的信号链可包括低噪声读出电路。下面将讨论用于限制读出链中的噪声的技术和电路。

在一些实施例中，信号的差分处理可以减少或最小化读出链中的噪声。信号的差分处理能够抑制可以被注入到读出链中的共模噪声。读出电路可以包括一个或多个不同的组件，例如差分采样保持电路、差分放大器和/或差分A/D转换器。在一些实施例中，可以在读出链中尽可能早地(例如，尽可能靠近像素输出端)使用差分信号处理，以避免将共模噪声注入到读出链中。在一些实施例中，可通过差分电路组件来执行从像素输出到数字字的整个读出链。然而，这里描述的技术在这方面不受限制，在一些实施例中，可以使用一个或多个单端读出电路组件。

图10J示出了由包括差分采样保持电路908和差分放大器909由两个列共享的读出电路。差分采样保持电路908包括用于像素阵列的第一列的电容器Cinl和用于像素阵列的第二列的电容器Cin2。差分放大器909包括用于像素阵列的第一列的电容器Cf1和用于像素阵列的第二列的电容器Cf2。

图10K示出了在第一列处于采样阶段并且第二列处于保持阶段、同时电容器Cin2被连接到差分放大器909的输入端时差分采样保持电路908和差分放大器909的图。图10L示出了在第二列处于采样阶段并且第一列处于保持阶段、同时电容器Cin1被连接到差分放大器909的输入端时差分采样保持电路908和差分放大器909的图。

图10M示出了包括差分采样保持电路908和差分放大器909的由两个以上的列共享的读出电路。图10M与图10F类似之处在于，其中差分放大器901由多于两个的列共享，并且使用差分采样保持电路908和差分放大器909。

暗电流采样

如本领域普通技术人员所理解的，"暗电流"是当光电检测器没有检测到光时在光电检测器中产生的电流。设计光电检测器来校正暗电流的效果可以提高光检测的质量。

在本文所述的集成设备的一些实施例中，一个或多个电荷存储仓可用于对暗电流进行采样。例如，电荷存储仓可以通过聚合在光电检测器没有接收到光或接收非常低水平的光的时间周期期间到达的载流子来采样暗电流。在一些实施例中，例如涉及荧光寿命测量的那些实施例中，如果时序为使得一旦光发射的概率下降到可忽略的值则其发生，则最后的仓(例如仓3)可以用来对暗电流进行采样。采样暗电流可以允许从其它仓中的样本中减去暗电流，从而校正暗电流的效果。

时间仓的数量和时序

可以使用任何合适数量的时间仓。在图3A和图3B中，示出了具有四个时间仓的像素的示例。图8C示出了使用八个仓的图表。然而，可以基于期望的时间分辨率和其他因素来产生具有任何合适数量的时间仓的像素。增加仓的数量可以增加由每个像素占据的面积，并且可以通过减少像素的总数或通过使用具有较小特征尺寸的制造工艺来实现。使用少量的仓可以允许增加安装在芯片上的像素的数量。在一些实施例中，单个仓可以用于确定在特定时间周期内到达的光子数量。可以至少部分地通过增加或减小在从载流子行进/捕获区域106延伸的芯片上制造的电荷载流子限制区域的数量扩展来增加或减少仓的数量。电极b0-bm-1、传输电极等等的数量可根据需要包括在像素中的仓的数量而相应地增加或减小。

可以以任何合适的方式选择时间仓的时序。在一些实施例中，可以通过设置时间仓的开始时间和结束时间来选择时序，如图6K所示。例如，可以通过选择t1和t2发生的时间来设置仓0的时序，并且可以类似地设置剩余仓的时序。

在一些实施例中，时间仓的时序可以是固定的，使得时序在每个测量周期中是相同的。可以基于全局时序信号来设置时序。例如，时序信号可以建立测量周期的开始，并且可以基于从时序信号经过的预定时间量来控制时间仓的开始和结束。在荧光寿命测量情况下，时间仓的时序可以相对于基于期望被检测的荧光寿命的可能范围的激发脉冲的时序来设置。在飞行时间的成像情况下，时间仓的时序可以基于待成像场景的预期距离范围来设置。然而，在一些实施例中，时间仓的时序可以是可变的或可编程的。

在一些实施例中，时间仓的时序可以基于启动测量720的测量周期的触发事件702的时序来设置。在荧光寿命测量情况下，可以响应于检测激发了荧光团的激发脉冲的时序来设置时间仓的时序。例如，当光激发脉冲到达像素100时，载流子的电涌可以从光子吸收/载流子生成区域102行进到泄露部104。响应于激发脉冲而在泄露部104处的光生载流子的累积可导致泄露部104的电压的变化，在一些实施例中，可以通过检测泄露部104的电压来检测激发脉冲。例如，比较器可以将泄露部104的电压与阈值进行比较，并且当泄露部104的电压超过阈值时，可产生脉冲。脉冲的时序可以指示触发事件702的时序，并且时间仓(的时序例如，t1，t2等)可以基于该时序来设置。然而，这里描述的技术在这方面不受限制，可以使用任何合适的技术来检测测量720的开始。

在一些实施例中，集成设备可以是可编程的以能够改变时间仓的定时。在一些实施例中，可以对时间仓的定时进行编程以用于特定的一组测量。例如，如果集成设备用于第一类型的测试以测量第一范围内的寿命，则时间仓可以被编程为适宜于区分该范围内的寿命的值。然而，如果该集成设备用于另一种类型的测试以测量在不同范围内的寿命，则时间仓可以通过对其编程来改变以对应于适用于第二种类型的测试的不同的时间间隔。

在一些实施例中，可以基于一组测量的结果在测量之间自适应地控制时间仓的时序。例如，如图11所示，第一组测量(测量组A)可以使用跨越相对较大的时间间隔的第一组时间仓来执行。可以分析到达每个仓的光子量，以确定是否应对针对时间仓所选择的时序作出改变以改善或优化所获得的时间信息。在一些实施例中，可以分析到达每个仓的光子量以确定感兴趣的较窄的时间间隔。例如，在用如图11的测量组A中所示的时间仓执行一组测量之后,可以确定在与仓2对应的时间周期中到达大量的光子并且与其他仓相对应的时间周期内没有光子到达。然后可以选择第二组时间仓用于第二组测量(测量组B)，其聚焦在对应于如图11中所示的测量组A的仓2的较窄时间周期。如图11A中所示，测量组B在对应于测量组A的仓2的时间周期内具有四个时间仓。通过根据测量组B对时间仓进行测量，可以获得关于光子到达时间的更多细节。例如，如图11所示,可以在选定的时间间隔内获得关于入射光子到达时间的较高时间分辨率。这样的自适应时间仓确定过程可以允许使用相对较少数量的仓(例如，4个仓)获得否则可能需要大量的仓(例如，16个仓)才能获得的时间分辨率的水平。

在一些实施例中，用于时间仓的时序可以在阵列的所有像素中是相同的。在一些实施例中，时序可以在不同的像素中是不同的，使得不同的像素捕获不同的时间仓中的载流子。例如，第一组像素可以捕获第一组时间仓中的载流子，以及第二组像素可以捕获至少部分不同于第一组时间仓的第二组时间仓中的载流子。例如，一行像素可以具有用于它们的时间仓的时间时序而另一行像素可具有用于其时间仓的不同时序。在一些实施例中，第一组像素行(例如四行)可以具有与它们的时间仓相同的时序，以及另一组像素行(例如，另四行)可以具有与它们的时间仓不同的时序。像素可以被单独地和/或作为组来设定和/或编程。

具有子像素的像素

波长区分

在一些实施例中，像素阵列中的像素可包括多个子像素，子像素中的每一个能够执行不同类型的测量。可以将任何数量的子像素包括在像素中。

图12示出了包括四个子像素100A的像素1100的示例。在一些实施例中，像素1100中的每个子像素100A可被配置为接收不同波长的光。例如，可以在子像素100A上方形成允许不同波长的光子传送到子像素100A的滤波器。例如，可将第一波长传送到第一子像素100A，第二波长可传送至第二子像素100A，第三波长可传送至第三子像素100A，第四波长可传送至第四子像素100A。具有被配置为接收不同波长的光的子像素的像素1100可以允许入射光的时间区分和光谱区分。在荧光寿命测量情况下，提供时间和光谱区分的能力可以允许鉴别具有不同寿命、不同的光谱特性、或不同的寿命和不同的光谱特性的不同类型的荧光分子和/或标记。

时间区分

在一些实施例中，可以控制不同的子像素100A以采样不同时间间隔的时间仓。例如，第一子像素100A可被配置为对第一组时间仓采样并且第二子像素可以被配置为采样第二组时间仓。不同子像素100A中的相似结构可通过控制电荷载流子隔离结构的时序在不同子像素中不同而采样不同的时间间隔的时间仓。

像素阵列/芯片架构

图13示出了根据一些实施例的芯片结构的图。如图13所示，集成电路或芯片1300可以包括：包括多个像素100的像素阵列1302，包括定时电路(或时序控制电路)1306的控制电路1304、电压/电流偏置发生电路1305和接口130。

像素阵列1302包括以任何合适图案布置的像素阵列101，例如矩形图案。像素阵列1302可具有任何合适数量的像素。在一些实施例中，像素阵列可以具有4096个像素101的64×64阵列，每个像素包括四个子像素101a。然而，本文所述的技术并不限制包括在像素阵列1302中的像素和子像素的数量或布置。像素阵列可以具有用于读出像素阵列1302的行或列的行和/或列导体。可以并行、串行、或以串并组合方式读出像素。例如，在一些实施例中，可以并行地读出一行像素，而像素阵列的每一行均可依次读出。然而，这里描述的技术在这方面不受限制，因为像素可以以任何合适的方式读出。

像素阵列1302由控制电路1304控制。控制电路1304可以是用于控制芯片1300上的操作的任何合适类型的控制电路，芯片1300上的操作包括像素阵列1302的操作。在一些实施例中，控制电路1304可以包括被编程为控制像素阵列1302的操作和芯片1300上的任何类型的操作的微处理器。控制电路可以包括计算机可读介质(例如，存储器)，其存储用于使微处理器执行该操作的计算机可读指令(例如，代码)。例如，控制电路1304可以控制要施加到每个像素中的电荷载流子隔离结构的电极的电压。控制电路1304可以改变一个或多个电极的电压，如以上所讨论的，以捕获载流子、传输载流子、并执行像素和阵列的读出。控制电路可以基于存储的时序方案来设置电荷载流子隔离结构的操作的时序。存储的时序方案可以是固定的、可编程的和/或自适应的，如上文所述。

控制电路1304可以包括定时电路1306，其用于像素的电荷载流子隔离结构的定时操作或芯片的其他操作。在一些实施例中，定时电路1306可使得产生信号以精确地控制电荷载流子隔离结构中的电压变化的时序以准确地对电荷载流子进行时间分仓。在一些实施例中，定时电路1306可包括外部基准时钟和/或延迟锁定环(DLL)，用于对提供给电荷载流子隔离结构的信号的时序进行精确设定。在一些实施例中，可使用两个单端延迟线，其中每一个都具有以180度失相对准的阶数的一半。然而，任何合适的技术都可以用于控制芯片上的信号的定时(或时序)。

芯片1300可以包括用于从芯片1300发送信号、接收芯片1300处的信号，或两者都进行的接口1308。接口1308能够读出由像素阵列1302感测的信号。可以使用模拟接口和/或数字接口来执行从芯片1300的读出。如果使用数字接口执行从芯片1300的读出，则芯片1300可以具有一个或多个模数转换器，用于将从像素阵列1302读出的信号转换为数字信号。在一些实施例中，读出电路可以包括可编程增益放大器。一个或多个控制信号可以从外部源经由接口1308提供给芯片1300。例如，这样的控制信号可以控制要被执行的测量的类型，可以包括设置时间仓的时序。

从像素阵列1302读出的信号的分析可以通过片上(on-chip)电路或片外(off-chip)电路来执行。例如，在荧光寿命测量的情况下，对光子到达的时序的分析可包括从跨越时间仓的光子分布中近似出一个或多个荧光寿命。可以执行任何合适类型的分析。如果从像素阵列1302读出的信号的分析是在片上(on-chip)执行的，则芯片1300可以具有用于执行分析的任何适当的处理电路。例如，芯片1300可以具有用于执行分析的微处理器，该微处理器是控制电路1304的一部分或与控制电路1304分离。如果该分析是在片上执行的，在一些实施例中，分析的结果可以被发送到外部设备或通过接口1308来提供片外方式。在一些实施例中，所有或一部分分析可以在片外执行。如果在片外执行分析，则从像素阵列1302读出的信号和/或由芯片1300执行的任何分析的结果都可通过接口1308提供给外部设备。

在一些实施例中，芯片1300可以包括以下各项中的一个或多个：

1)片上的数字控制的像素偏置发生器(DAC)。

2)片上的数字可编程的增益放大器，其转换单终端像素输出电压信号为差分信号并对信号施加增益。

3)数字控制的放大器偏置发生器，其允许以输出速率对功耗进行缩放。

图14A示出了芯片1300A的实施例的图，其是根据一些实施例的具有64×64阵列的四方像素的芯片1300的示例。在图14A的实施例中，经由芯片的顶侧提供像素输出信号的一半，并且像素输出信号的另一半经由芯片的底侧提供。包括偏置电路，其用于设置电荷载流子隔离结构的电极的电压。

图14B示出了芯片1300B的实施例的图，根据一些实施例，芯片1300的示例包括2×2阵列，每个阵列具有四方像素的256×64八进制像素阵列。包括带隙和偏置电路。包括数模转换器(DAC)，其包括VhighDAC和VlowDAC，用于设置像素阵列的电极的高电压和低电压。图14B还示出了光监测传感器1320。每个光监测传感器可以包括光电检测器，例如光电二极管。在一些实施例中，每个光监控传感器可以包括光电检测器(例如，光电二极管)的方阵用于将芯片1300B与光源对准。在芯片1300B被配置用于检测分子的实施例中，光监测传感器可以使芯片1300B与接收来自其中分子被定位的一个或多个位置的光的波导对准。图14B中还示出了二极管读出电路和二极管选择寄存器。

阵列大小、维度、仓数、以及特征大小的示例仅以示意性方式在上文中描述和在附图中示出，可以使用任意合适的阵列大小、维度、仓数和特征大小。

形成集成光电检测器方法和集成电路的实现示例

在一些实施例中，可以使用标准CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺在硅衬底中形成芯片1300。然而，在此描述的技术在这方面不受限制，因为可以使用任何合适的衬底或制造工艺。

图15至图22示出了根据一些实施例的形成芯片1300的过程。

图15A示出了可以在半导体衬底中形成的电荷限制区域103的透视图。图15B示出了与图15A相对应的平面图。在一些实施例中，电荷限制区域103可形成在体半导体衬底1500中，本文描述的技术不限于使用体半导体衬底，因为可以使用任何合适类型的半导体衬底。在一些实施例中，衬底1500和电荷限制区域103可以由单晶硅形成。然而，在此描述的技术在这方面不受限制，因为可以使用任何合适类型的半导体材料。在一些实施例中，使用硅衬底可以使用成本有效的工业标准CMOS工艺。然而，可以使用任何合适的制造工艺。在一些实施例中，可使用具有p型掺杂类型的体硅衬底。然而，可以使用任何合适的掺杂类型，包括n-型掺杂或p-型掺杂。

如图15A所示，电荷限制区域103可以是衬底1500的凸起部分。电荷限制区域103可以通过在图15A和15B中示出的图案中蚀刻衬底1500的区域来形成，从而留下在衬底上方延伸的凸起的电荷限制区域103。然后可以在电荷限制区域103的侧部上形成绝缘层，并且绝缘层可以形成到区域103的侧部处。例如，在一些实施例中，可以通过热生长在电荷限制区域103上形成氧化硅的绝缘层。然而，可以使用任何合适的技术来形成绝缘层，并且绝缘层可以包括任何合适的绝缘材料。

如图16所示，图3B中所示的电极可以通过形成图案化的多晶硅层1601而在绝缘层上形成。电极可以彼此间隔开以允许不同的电极处于不同的电压。电极可以由任何合适的导电材料形成。在一些实施例中，电极可以由掺杂的多晶硅形成。然而，本文所述的技术不限于形成多晶硅的电极，因为可以使用任何合适的导电材料(例如，金属)来形成电极。可以在图案化的多晶硅层1601上形成导电通孔1701以通过覆盖在图案化的多晶硅层1601上的绝缘层(未示出)来接触多晶硅层1601。导电通孔1701可以由任何合适的导体形成。

在一些实施例中，一个或多个电极(例如，多晶硅层1601)可以是具有p-型和n-型掺杂的分裂掺杂电极。分裂掺杂电极能够形成势阱以捕获载流子，如图17所示。图17示出了具有p+区和n+区的分裂掺杂电极2302。n+区和p+区在下层半导体中产生不同的电势水平。如图17所示，分裂掺杂电极2302的n+区可产生位于n+区下方能够限制电荷载流子(例如电子)的势阱。图17示出保持分裂掺杂电极2302的电压为高可产生如虚线所示的电势梯度，其可以将电荷载流子(例如，电子)限制在势阱2304中。降低分裂掺杂电极2302的电压可以提高分裂掺杂电极2302下方的电势，以使得能够将陷获在势阱2304中的电荷传输到电荷存储仓。

可以在半导体材料中形成掺杂以能够形成读出电路110的晶体管。在一些实施例中，可以在电荷限制区域103上方设置掩模，以防止在读出电路110的晶体管形成期间对电荷限制区域103的掺杂，因为掺杂电荷限制区域103可以在电荷限制区域103中形成不期望的势阱。

图18示出了金属层1801(例如，金属1)形成在图案化多晶硅层1601上以连接到通孔1701。图19示出了覆盖在图案化多晶硅层1601和电荷限制区域103上的金属层1801。

图20示出了与金属层1801接触的通孔1901的形成。导电通孔1901可以被形成在金属层1801上以穿过覆盖在金属层1801上的绝缘层(未示出)接触金属层1801。图20还示出了第二金属层2001(例如，金属2)形成在金属层1801和通孔190的上方。

图21示出了第二金属层2001以及形成在金属层2001上方以穿过在覆盖金属层2001上的绝缘层(未示出)以与金属层2001接触的通孔2101。

图22示出了形成在金属层2001上方的第三金属层2201(例如，金属)和通孔2101以接触通孔2101。

通过说明的方式描述了上述过程，因为这里描述的技术不限于任何特定的制造工艺。此外，本文所述的技术并不局限于所示的特定布局。

用于电荷载流子隔离结构的驱动电路

覆盖衬底的电荷载流子隔离结构的电极可以具有基本寄生电容。改变电极上的电压需要对寄生电容进行充电或放电。能够被提供来充电或放电寄生电容的电流的速度限制了电极电压可以被改变的速度。如上所述，在一些实施例中，可以捕获电荷载流子并将其传输到具有纳秒或皮秒分辨率的时间仓中。本发明人已经认识到和意识到，如果电极b0-bm-1的电压变得更快，则捕获电荷载流子的定时可以具有更高的精度，从而在时间上以精确的时刻提高了势垒。然而，电极b0-bm-1上的电压的变化率由于寄生电感和在电压源与电极b0-bm-1之间的连接的等效串联电阻(ESR)而受到限制。

此外，对电极的寄生电容充电和放电可消耗大量电力。对电极进行充电和放电的功耗为P_diss＝(1/2)·f·C·V²,，其中C为电极与衬底之间的电容，V为电极与衬底之间的电压差，f为电压切换的频率。

图23示出了根据一些实施例的用于驱动电荷载流子隔离结构的电极的驱动电路2300的示例。电极2301被示为图23中的电容器。如以上所讨论的，电极2301可以在选定的时间被驱动为相对低的电压V_low和相对高的电压V_high。驱动电路2300包括产生高电压V_high的VdacH发生器2302和产生低电压V_low的VdacL生成器2304。在一些实施例中，可以将电极的V_low和V_high之间的差做得尽可能小以便以设计的方式影响电荷载流子，从而降低或最小化功耗。在一些实施例中，VdacH发生器2302和/或vdacL发生器2304可以是可编程的电压发生器，其能够产生期望的电压V_low和/或V_high，并且能够允许改变V_low和/或V_high。

驱动电路2300还包括Bclk发生器2306，其能够产生用于电极2301的定时电压转变的定时信号。Bclk生成器2306可以是可编程的，并且可以基于输入的数字字来数字地选择定时信号的边缘发生的时间。在一些实施例中，如上所述，Bclk生成器2306可以使用延迟锁定环(DLL)来实现。来自Bclk发生器2306的时序信号被提供给驱动电极2301的Bclk驱动器2312的输入。

驱动电路2300还包括VdacH放大器2308和VdacL放大器2310。VdacH放大器2308接收来自VdacH发生器的信号，并使用反馈来控制晶体管2314以向Bclk驱动器2312的高电源端提供电压VdacH。VdacH放大器2308还将电容器1312A充电到电压VdacH。VdacL放大器2310接收来自VdacL发生器的信号，并使用反馈来控制晶体管2316以向Bclk驱动器2312的低电源端提供电压VacL。VdacL放大器2310还将电容器1312B充电到电压VdacL。

如上所述，电极2301可以具有相当大的电容。为提供足够的电流以高速度对电极2301充电，可提供去耦电容器1312A和1312B以在过渡期间向Bclk驱动器2312的低电源端或Bclk驱动器2312的高电源端提供电流。

去耦电容器可以靠近电极定位，以限制寄生电感和电极与去耦电容之间的等效串联电阻(ESR)。当电极的电压变为新电压时，电极通过具有低寄生电感和/或等效串联电阻(ESR)的电流路径连接到处于新电压的去耦电容器以向电极提供电流，使得电极的电压能够快速变化。在一些实施例中，去耦电容器可以定位成足够靠近电极，使得去耦电容与电极之间的寄生电感小于3nH，小于2nH，或小于1nH。在一些实施例中，去耦电容与电极之间的电流路径的等效串联电阻(ESR)小于70欧姆，小于35欧姆，或小于5欧姆。然而，这些值仅作为示例而提供，因为这里描述的技术不局限于电感或电阻的特定值。

在一些实施例中，电极b0-bm-1可以连接到一个或多个去耦电容器。在一些实施例中，每个电极b0-bm-1可以具有其自身的去耦电容器。例如，在一些实施例中，电极可以具有耦合在电极的高电压源和低电压源之间的单个去耦电容器，或分别耦接至高电压源和低电压源的两个去耦电容器。然而，这里描述的技术在这方面不受限制。电荷载流子隔离结构的任何或所有电极可以连接到去耦电容器。

去耦电容器可以具有任何合适的电容值。在一些实施例中，去耦电容器的电容值为10至100倍于其待连接的电极的电容。在一些实施例中，去耦电容器的电容可以是至少150pF，至少300pF，或至少3nF或更高。然而，这些值仅作为示例而提供，这里所述的技术并不局限于电容的特定值。

去耦电容器可以是片上或片外。图24示出了其中将芯片1300固定到印刷电路板1310的实施例，其可称为“板上芯片(chip-on-board)”或“板上裸片(die-on-board)”实现。引线键合可以将芯片1300连接到印刷电路板1310上的一个或多个去耦电容器1312从而提供具有低的寄生电感和/或在芯片1300的电极与去耦电容器1312之间的等效串联电阻(ESR)的电流路径。在一些实施例中，片外去耦电容器可以位于芯片1300的1cm内或5mm以内或更小。然而，这里描述的技术在这方面不受限制。如上所述，可以在芯片1300上形成去耦电容器。

正如上面所讨论的，充电和放电电荷载流子隔离结构的电极可以耗散显著的功率。在一些实施例中，芯片1300的一个或多个行的像素和它们的对应电极可以被禁用，这可以限制芯片1300的功耗，该芯片1300在这方面可以是可编程的，并且可以允许选择哪些行将被启用或禁用。能够随时间改变启用和禁用的行。

图25示出了启用芯片中央区域中的32行并且禁用芯片边缘处的48行。禁用芯片的一个或多个行可以允许降低在并非芯片的所有行都被需要的应用中或环境下的功耗。

附加方面

在一些实施例中，这里描述的技术可以使用一个或多个计算设备来执行。实施例不限于用任何特定类型的计算设备来操作。

图26是可用于实现用于控制像素阵列或用于对来自像素的数据进行分析的控制电路的示例性计算设备1000的框图。计算设备1000可以包括一个或多个处理器1001和一个或多个有形的、非瞬态的计算机可读存储介质(例如，存储器1003)。存储器1003可在有形的、非瞬态的计算机可记录介质中存储计算机程序指令，当被执行时，该指令执行上述功能中的任何一种。处理器1001可以耦合到存储器1003并且可以执行这样的计算机程序指令以使功能得以实现和执行。

计算设备1000还可以包括网络输入/输出(I/O)接口1005，计算设备可以经由该接口与其它计算设备(例如，在网络上)通信，还可以包括一个或多个用户I/O接口1007，计算设备可经由该接口向用户提供输出并从用户接收输入。用户IO接口可以包括诸如键盘，鼠标，麦克风，显示设备(例如，监视器或触摸屏)，扬声器，照相机和/或各种其它类型的I/O设备。

上述实施例可以以多种方式中的任一种实现。例如，实施例可以使用硬件，软件或其组合来实现。当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器(例如微处理器)或处理器的集合上执行，无论在单个计算设备中提供还是分布在多个计算设备中。应当理解，执行上述功能的任何组件或组件集合可以被统称为控制上述功能的一个或多个控制器。该一个或多个控制器可以以多种方式实现，例如使用专用硬件，或者用通用硬件(例如，一个或多个处理器)，该通用硬件使用微代码或软件被编程以执行上述功能。

在这方面，应当理解，这里描述的实施例的一个实施方式包括至少一个计算机可读存储介质(例如，RAM，ROM，EEPROM，闪存或其它存储器技术，CD-ROM，数字多功能盘(DVD)或其它光盘存储，磁带盒，磁带，磁盘存储或其它磁存储装置，或其他有形的、非瞬态的计算机可读存储介质)，其被用计算机程序(即，多个可执行指令)编码，当在一个或多个处理器上执行时，执行上述一个或多个实施例的上述功能。计算机可读介质可以是可运输的，使得存储在其上的程序可以被加载到任何计算设备上以实现这里讨论的技术的各方面。此外，应当理解，参考计算机程序在被执行时，其执行上述功能中的任一种，不限于运行在主机上的应用程序。相反，在此以一般意义使用术语计算机程序和软件来引用任何类型的计算机代码(例如，应用软件，固件，微代码或任何其它形式的计算机指令)，其能够用于编程一个或多个处理器以实现本文讨论的技术的方面。

本发明的各个方面可以单独使用、组合使用、或者在上述实施例中未具体讨论的各种布置中使用，并且因此不局限于上述描述中所阐述的或附图中所示的组件的细节和布置。例如，在一个实施例中描述的方面可以以任何方式与其他实施例中描述的方面相结合。

在权利要求中诸如"第一"，"第二"，"第三"等的序数词的使用是为了修改权利要求要素，其本身并不意味着任何优先权、优先级、或一个权利要求元素相比于另一个的顺序、或执行方法的动作的时间顺序，而是仅用作标记以将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一要素(仅仅用于序数词的使用)进行区分以区分该权利要求要素。

此外，在此使用的措辞和术语是为了描述的目的而不应被认为是限制性的。本发明“包括”，“含有”或“具有”“包含”“涉及”及其变体的使用，旨在包括此后所列出的项目及其等效物以及附加项目。

Claims

1.一种亮度寿命成像的方法，包括：

在集成光电检测器处接收来自发光分子的入射光子，所述入射光子通过定点照护设备的一个或多个光学组件接收；以及

使用所述集成光电检测器检测入射光子到达时间。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所述到达时间来区分所述发光分子的亮度寿命特性。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：使用所述亮度寿命特性产生图像。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述图像基于所述亮度寿命特性指示患病组织的存在。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述图像指示黑素瘤、肿瘤、细菌感染或病毒感染的存在。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从组织接收入射光子。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述组织包括皮肤。

8.根据权利要求6或7所述的方法，还包括：照射所述组织以激发所述发光分子。

9.一种方法，包括：

至少部分地使用检测来自组织的入射光子的到达时间的集成电路来检测所述组织的亮度寿命特性，以及

基于所述亮度寿命特性分析血糖。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，分析包括确定血糖浓度。

11.一种定点照护设备，包括：

一个或多个光学组件；

集成光电检测器，被配置为通过所述一个或多个光学组件接收来自发光分子的入射光子；以及

处理器，被配置为检测在集成光电检测器处接收的入射光子的到达时间以执行亮度寿命成像。

12.根据权利要求11所述的定点照护设备，其中，所述处理器还被配置为基于所述到达时间来区分所述发光分子的亮度寿命特性。

13.根据权利要求11或12所述的定点照护设备，其中，所述处理器被配置为使用所述亮度寿命特性来产生图像。

14.根据权利要求13所述的定点照护设备，其中，所述图像基于所述亮度寿命特性指示患病组织的存在。

15.根据权利要求14所述的定点照护设备，其中，所述图像指示黑素瘤、肿瘤、细菌感染或病毒感染的存在。

16.根据权利要求11-15中任一项所述的定点照护设备，其中，从组织接收所述入射光子。

17.根据权利要求16所述的定点照护设备，其中，所述组织包括皮肤。

18.根据权利要求16或17所述的定点照护设备，还包括：激发光源，所述激发光源被配置为照射所述组织以激发所述发光分子。

19.一种定点照护设备，包括：

一个或多个光学组件；

集成光电检测器，被配置为通过所述一个或多个光学组件接收来自发光分子的入射光子；以及。

处理器，被配置成至少部分地通过检测来自组织的入射光子的到达时间来检测组织的亮度寿命特性，所述处理器还被配置为基于所述亮度寿命特性来分析血糖。

20.根据权利要求19所述的定点照护设备，其中，所述处理器还被配置为确定血糖浓度。