CN109155322A - 具有电子快门的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明在各种实施方案中公开了一种图像传感器以及所述图像传感器的相关操作方法。在一个实施方案中，图像传感器包括至少一个像素。所述至少一个像素包括晶体管以将溢流电容器耦接至浮动扩散节点。在低光照条件下，光电荷将被收集在浮动扩散中，但是基本上不进入溢流节点。在高光照条件下，光电荷将溢流到溢流节点中。还公开了其它传感器及相关操作。

Description

具有电子快门的图像传感器
优先权要求
本专利申请要求于2016年6月8日提交的名称为“IMAGE SENSORS WITHELECTRONIC SHUTTER”的美国临时专利申请序列号62/347,390的优先权的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本专利申请整体涉及光学和电子系统与方法以及制造和使用这些设备和系统的方法等领域。
背景技术
数字图像传感器通常在视频和静态成像两者中提供一段称为曝光或积分周期的时间，在此期间，像素累积电子信号，该电子信号继而与积分或曝光期间照射到该像素上的光子信号相关。
在许多常规的数字图像传感器中，第n行的曝光时间从t_n持续到t_n+t_积分，而第n+1行的曝光时间从t_n+1＝t_n+t_行持续到t_n+1+t_积分。其中，t_行是读取和重置给定行所用的时间。
这被称为滚动快门，其中积分周期的开始和结束时间的位置对于不同的行是不同的。一般来讲，编号较高的行比先前行在时间上较晚采集图像。
在成像过程中，滚动快门导致伪像。例如，如果正方形对象在屏幕上移动，由于滚动快门延迟，该对象的正方形形状被扭曲成梯形。
附图说明
图1示出了示例性设备布局；
图2A示出了用于与光响应膜重叠的CMOS集成电路的3-晶体管(3T)像素的示例；
图2B示出了使用第四晶体管M3的电路的示例，该第四晶体管M3加入感测节点和膜电极之间的像素；
图2C示出了使用第五晶体管的电路的示例，第五晶体管的加入使得晶体管M3和M4形成“差分对”，将光生电流引导至供电节点并远离感测节点；
图2D示出了使用第六晶体管M5的电路的示例，该第六晶体管M5被加入晶体管M4和感测节点之间；
图2E示出了类似的像素实施方式，其中晶体管类型从N型改为P型，并且膜电压的电势高于像素电势；
图3示出了在简单的硬重置模型中图2A的感测节点处以及M0的栅极上的代表性电压波形作为时间的函数；
图4示出了各个行的像素-电压波形；
图5A和图5B示出了根据一个实施方案与量子点像素芯片相关的总体结构和区域；
图6示出了量子点的示例；
图7示出了通常较大的顶部表面电极阵列中的两行三列子区域；
图8示出了用于与量子点材料交互的3T晶体管配置；
图9为可与本文所述的实施方案结合使用的示例性系统配置的框图；
图10示出了单面计算设备的实施方案，该单面计算设备可用于计算、通信、游戏、交互等等；
图11示出了双面计算设备的实施方案，该双面计算设备可用于计算、通信、游戏、交互等等；
图12示出了可与图10或图11的计算设备一起使用的相机模块的实施方案；
图13示出了可与图10或图11的计算设备一起使用的光传感器的实施方案；
图14和图15示出了手势识别方法的实施方案；
图16示出了用于减少感光操作的外部干扰的三电极差分布局系统的实施方案；
图17示出了用于减小由感光操作的外部干扰引起的共模噪声的三电极双绞线布局系统的实施方案；
图18为时间调制偏置施加于电极的信号以减小非调制频率的外部噪声的实施方案；
图19示出了可用于各种成像应用中的滤光器的透射光谱的实施方案；
图20示出了可用于每个像素内以减小噪声功率的电路的示例性示意图；
图21示出了可在硅中实现的光电门/钉扎二极管存储装置的电路的示例性示意图；
图22示出了OF像素和列电路图的示例性实施方案；
图23-25示出了软重置的像素电势图的示例；
图26示出了用于在低光照下积分的像素电势图的示例；
图27示出了用于在高光照下积分的像素电势图的示例；
图28示出了可用于图22的电路图的示例性实施方案的时序图的示例；
图29示出了列存储器写入时序图的示例；
图30示出了通过n次重置降噪的示例图；
图31示出了降噪电路的示例性实施方案；
图32示出了可用于图31的电路的示例性实施方案的时序图的示例；并且
图33示出了示出除以4的时序图的示例。
具体实施方式
本发明所公开的主题的各种实施方案描述了一种在数字图像传感器上实现不同于滚动快门的全局快门的装置。
在全局电子快门的理想化实施中，各行与所有其它行具有同时开始并同时结束的曝光时间，而与其在图像传感器阵列中的竖直位置无关。
因此，全局电子快门消除了在滚动快门图像传感器中常见的成像伪像。
示例性实施方案
图2A示出了用于与光响应膜重叠的CMOS集成电路的代表性3晶体管像素。在实施方案中，光响应膜可为光敏介质，诸如由有机物、聚合物、无机物、纳米晶体材料或它们的组合制成的半导体。在实施方案中，光敏介质可吸收给定波段的光，导致电子-空穴对的形成。在实施方案中，{电子、空穴}中的至少一者可被收集在像素电极中，其各自与像素电路相关联。在实施方案中，读出集成电路可从像素电路采集模拟电平，并且可提供模拟或数字流，其中包含有关所有像素或像素子组中的电平的信息。在实施方案中，CMOS集成电路可包括集成电路，该集成电路在例如硅或硅的绝缘体晶片上制造，其中提供植入物、薄膜沉积、氧化步骤、扩散步骤等以便形成晶体管、电容器、电阻器，并且其中通过层间电介质，并且提供互连器用于电子元件的互连。
光敏层或膜1均由电流源(Iphoto)表示，其量值与入射到像素上的光的量成比例，并且也表示为电容器(Cfilm)，其在顶部电极3和底部电极4之间示出。感测节点5在底部电极与第一晶体管(M1)的栅极和第二晶体管(M0)的源极之间的交汇处形成。
寄生电容(Csense)在图2A中示出在感测节点处。该电容可作为膜的顶板和底板之间的寄生电容、晶体管M0的栅极与源极重叠电容、晶体管M1的栅极和源极与栅极和漏极重叠电容、晶体管M1的栅极与接地电容以及晶体管M0的源极与接地电容形成。它仅出于讨论目的在图2A中示出为独立的元件C。
在正常像素操作中，晶体管M0和M1的漏极通常与高DC电压(例如，约2.8V)相关联。
像素操作可如下文所述。
图3示出了在简单的硬重置模型中图2A的感测节点处以及M0的栅极上的代表性电压波形作为时间的函数。在标记为“重置”的时间处，晶体管M0的栅极电压升高至高于VDD至少M0的阈值电压，该阈值电压例如为约3.5V，其导致晶体管M0导通并且使感测节点的电压升高至大约等于约VDD的“重置电压”。
在感测节点重置之后，光响应膜上的入射光导致电流(Iphoto)流到感测节点上。该光电流驱动电荷到达感测节点上，使感测节点的电压下降，如图3所示。在一段时间(积分时间)后，达到感测节点的最终信号电平(Vsignal)，之后不久将该像素再次重置。
读出的感测节点电压可如下文所述。
为了解积分时间内照射到像素上的光的量，必须读出像素的两种电压，即“重置电压”和“信号电压”。这两种电压之间的差值与积分时间内照射到像素上的光的量成比例。
为读出感测节点上的电压，晶体管M1通过读取晶体管M2连接到输出节点(列)。该列连接到多个像素。通过提高读取晶体管M2的栅极电压(SEL)，将每个像素附接到列，每次一个。该列进一步附接到电流源(Ibias)。当像素附接到输出节点时，该电流源充当晶体管M1上的负载，并且形成跟踪感测节点电压并将该列驱动至类似电压的“源极跟随器”型电压缓冲器。当通过这种方式附接时，列电压大约等于感测节点的电压减去晶体管M2的阈值电压。通过这种方式，可通过测量列电压来读取感测节点的电压。
电子快门
CMOS图像传感器中的像素通常排列成一组行和列。每行依次通过选择该行中的每个像素(经由M2)并将其附接到其列线来读出。然后通过读出电路依次读出每个列电压。需要特定的时间量以通过这种方式依次读取完整的行。该时间通常被称为“行时间”。
在所述的像素中，入射光始终照射到光响应膜上。为保持各行的积分时间相等，典型的是通过行时间调整每行的积分时间的开始，如图4所示，使得在选择任何行进行读出时，经过与其它行相同量的积分时间。
然而，由于每行的积分时间的开始(和结束)与其它行存在时间移位，因此该“滚动”积分时间内的场景中的任何运动被捕捉在每行的不同时间点处。这会导致运动伪影，对图片质量产生不利影响。
因此，希望中断光生电流，使得像素阵列中的每一行基本上或完全同时曝光，且曝光时间基本上或完全相同。通过这种方式，可在停止光生后对每个像素施加共同的“全局”积分时间，并且其中阵列中的所有像素在其相应的感测节点上存储其积分信号，然后可依次读出它们，而不影响有效积分时间。
在某些相机系统中，这可通过在读出时间内使用机械快门阻挡入射光来实现。在其它相机系统诸如许多移动设备中，机械快门不可行，并且希望具有通过电子装置停止光生电流的装置。此类装置被称为“电子快门”。
在图2A所述的像素中，电子快门可通过采用两个外部开关(S1和S2)来实现。
开关S1和S2可用于改变整个膜上的电压，使得膜从生成光电流的状态改变成不生成光电流的状态。
下文描述了两个示例性实施方案，以使用开关S1和S2来实现电子快门。
在第一种方法中，将两个偏置电压(膜偏压1和膜偏压2)施加于膜的一个电极。膜偏压1比感测节点的电压低几伏特，并且跨膜的该电压差将膜置于生成光电流的状态。膜偏压2约等于感测节点的电压，并且这种跨膜的电压差的缺乏将膜置于不生成光电流的状态。从膜偏压1切换到膜偏压2使膜从一个状态改变为另一个状态，从而形成有效的电子快门。
使用开关S1和S2实现电子快门的另一种方式是断开膜的底板电极与膜偏压1和膜偏压2，使得光生电流无法流动。
这种方法的潜在限制在于它依赖于光敏材料的响应时间。即，从光生状态转变为非光生状态取决于膜特性，诸如膜的复合速率，其可低于预期。
另一种实现电子快门的方法在图2B中示出。在这种方法中，将第四晶体管(M3)加入感测节点和膜电极之间的像素。该第四晶体管用于在足够低的电压施加于其栅极时将光敏材料与感测节点断开电连接，同时它允许光生电荷在足够高的电压施加于其栅极时流入感测节点中。一种操作的示例可以如下：1)可通过施加共同的足够高的电压至M0和M3栅极，使阵列中的每个像素中的晶体管M0和M3全局导通。这将重置像素阵列中的所有像素；2)可通过施加足够低的电压至所有M0晶体管的栅极，使所有M0晶体管全局关闭，这使得像素开始对其相应的感测节点的光生电荷进行积分；3)可通过施加足够低的电压至所有M3晶体管的栅极，使所有M3晶体管关闭，这可结束积分阶段；以及4)感测节点可通过将每行的晶体管M1连接到列读出并执行采样序列样本视频->重置->样本重置，每次读出一行。
这种方法可受到高阻抗感测节点容易被干扰的事实的限制。在这种情况下，栅极与源极重叠电容，如图2B中的Cov所示，用于将栅极上的电压转换传送到感测节点，并且驱动感测节点电压达到与仅由光电流的积分所产生的值不同的值。重要的还在于应注意到，在这种实施中，由于M3的源极和漏极之间存在寄生电容耦合，因此可能需要一些额外的时间完全关闭光敏材料。
本发明所公开的主题的各个方面包括使光生电流流向感测节点的状态快速转变至光生电流不流向感测节点的状态以及反向转变的方法，这些方法对感测节点的电压不存在干扰。
图2C表示本发明所公开的主题的另一个实施方案，该实施方案克服了图2B的结构的一些限制。在该像素中，增加第五晶体管，使得晶体管M3和M4形成“差分对”，该“差分对”将光生电流引导至供电节点并远离感测节点。这种方法与前文所述的方法之间的根本区别在于，当光生电流从M4引导至M3时，M3和M4的漏极的电压不变。此外，这种方法不试图突然停止光生电流，而是将该电流引导至供电节点中，此处不再集成到感测节点上，这对于需要在开始和停止积分之间快速转变(可能短于1μs)时是有利的。
在图2C的示例性实施方案中，晶体管M3和M4用作快门；当M3的栅极处的电压高于M4的栅极处的电压时，光电流从光敏材料流向低阻抗节点诸如电源或地，并且对感测节点总集成电荷无影响，基本上使感测节点与光电荷生成材料隔离。当M3的栅极处的电压低于M4的栅极处的电压时，光敏材料中生成的光电流流向感测节点，在感测节点处收集光电子。
在示例性实施方案中，针对整个像素阵列全局驱动M3和M4的栅极电压。在这种情况下，一种示例性定时实施如下：首先，通过脉冲RST信号来全局重置所有像素。接下来，来自M3和M4的差分控制将从快门关闭切换到快门开启电平，并在曝光控制所需的时间内保持在此模式下。在积分周期结束时，M3和M4将从快门开启切换到快门关闭电平。这将基本上终止感测节点上的光电荷集成。然后，逐行启动读出。在读出阶段结束时，传感器准备好执行新的积分周期，并且可重复该序列。
用于使快门从开启切换到关闭状态的电平取决于晶体管大小、所用的技术以及应用所需的快门抑制(shutter rejection)量。电压差越高，感测节点和光生材料之间的隔离程度越高。
图1中示出了一种示例性设备布局。本主题的进一步细化在图2D中示出。
在图2D中，第六晶体管M5被加入晶体管M4和感测节点之间。M4和M5处于级联配置，其中该晶体管的栅极保持在固定电压Vb下。该共源共栅用作感测节点的屏蔽，避免其与晶体管M4形成重叠电容，并且阻止开关信号在M4的栅极处扰乱感测节点的电压。
图2E示出了类似的像素实施方式，其中晶体管类型从N型改为P型，并且膜电压的电势高于像素电势。本实施方案旨在表明本发明所公开的主题不仅限于n型实施方式。
在实施方案中，图像传感器包括光敏材料；包括与光敏材料电通信的感测节点的像素电路，其中该像素电路被配置为在积分周期内存储与入射到光敏材料上的光的强度成比例的电信号；包括与光敏材料电通信的差分晶体管对的像素电路，该差分晶体管对包括第一晶体管和第二晶体管，该第一晶体管被设置在光敏材料和感测节点之间；并且该差分晶体管对被配置为在积分周期内通过第一晶体管引导光敏材料和感测节点之间的电流，并且在积分周期之后通过第二晶体管引导电流以停止电信号在感测节点上的集成。
在实施方案中，第二晶体管被设置在光敏材料和第二节点之间，该第二节点与感测节点不发生电通信。
在实施方案中，第二节点为电源节点。
在实施方案中，差分晶体管对被配置为由低电压差分控制信号来控制。
在实施方案中，差分晶体管对被配置为由差分控制信号来控制，其中电压差接近差分对晶体管的Vt。
在实施方案中，像素电路还包括设置在第一晶体管和感测节点之间的第三晶体管。
在实施方案中，第三晶体管的栅极电压在积分周期结束时差分晶体管对切换过程中保持在基本上恒定的电平下。
在实施方案中，像素电路还包括重置晶体管、读出晶体管和行选择晶体管。
在实施方案中，像素电路为五晶体管(5T)电路，该电路包括差分晶体管对。
在实施方案中，像素电路为六晶体管(6T)电路，该电路包括差分晶体管对。
在实施方案中，像素电路为N个晶体管电路，包括差分晶体管对，其中N-3个晶体管具有连接到独立光敏区域的源极和连接到公共感测节点的漏极。
在实施方案中，两个或更多个独立的感测区域可同时连接到公共感测节点(合并)。
在实施方案中，光敏材料被置于基板上方。
在实施方案中，光敏材料包括纳米晶体材料。
在实施方案中，基板包括半导体材料。
在实施方案中，光敏材料组成基板的一部分，在其上形成像素电路。
在实施方案中，光敏材料邻近基板的第一侧，并且像素电路邻近基板的第二侧。
在实施方案中，图像传感器包括光敏材料；以及像素电路，该像素电路包括电流转向电路，该电流转向电路被配置为：在积分周期内将来自光敏材料的电荷集成到感测节点，并在积分周期之后引导电流远离感测节点。
在实施方案中，电流转向电路包括差分晶体管对。
在实施方案中，图像传感器包括光敏材料；以及像素电路，该像素电路包括感测节点、介于感测节点和光敏材料之间的第一晶体管、将光敏材料耦接至电流引导路径(其未耦接至感测节点)的第二晶体管、耦接至感测节点的重置晶体管、耦接至感测节点的读出晶体管以及耦接至读出晶体管的行选择晶体管。
在实施方案中，第一晶体管被配置为在积分周期内允许电流优先于流向电流引导路径而在光敏材料和感测节点之间传输，并且第二晶体管被配置为在积分周期之后允许电流优先于流向感测节点而在光敏材料和电流引导路径之间传输。
在实施方案中，一种用于在像素电路中积分的方法包括在积分周期内将电荷从光学敏感材料集成到电荷存储区；并且在积分周期结束时引导电流从光敏材料远离电荷存储区。
在实施方案中，引导电流的步骤包括切换差分晶体管对。
在实施方案中，一种用于像素电路中积分信号的电子快门的方法包括迭代重置像素电路；在重置之后，将来自光敏材料的信号集成到像素电路的感测节点中；在积分周期结束时引导电流远离感测节点，以电子遮蔽感测节点处集成的信号；并且读出来自感测节点的积分信号。
在实施方案中，引导电流的步骤包括切换与光敏材料电通信的差分晶体管对。
在实施方案中，图像传感器包括基板；多个像素区域，每个像素区域包括被布置成用于接收光的光敏材料，其中所述多个像素区域包括多个行和列；每个像素区域的像素电路，每个像素电路包括感测节点、重置晶体管和读出电路；每个像素电路还包括差分晶体管对，该差分晶体管对包括介于相应的像素区域的感测节点和光敏材料之间的第一晶体管，其中差分晶体管对被配置为在相应的像素电路的积分周期结束时引导电流远离感测节点；以及行选择电路，该行选择电路被配置为选择要读出的像素的行，其中行中每个像素电路的读出电路在该行被选中时选择性地耦接至相应的列的列线。
在实施方案中，图像传感器包括附加控制电路，该控制电路被配置为控制差分晶体管对，以基本上同时结束多个像素的积分周期。
在实施方案中，控制电路被配置为基本上同时结束跨多个行的多个像素的积分周期。
在实施方案中，控制电路被配置为基本上同时结束跨多个列的多个像素的积分周期。
在实施方案中，控制电路向每个相应的像素电路的差分晶体管对提供差分控制信号以结束相应的像素电路的积分周期。
在实施方案中，图像传感器电路还包括晶体管，该晶体管介于相应的像素电路的差分晶体管对和感测节点之间。
在实施方案中，控制电路被配置为同时结束跨多个行的多个像素电路的积分周期，并且行选择电路被配置为在积分周期结束之后依次读出行。
在实施方案中，一种用于图像传感器阵列的电子快门的方法包括在积分周期内将来自多个像素区域的电荷集成到多个对应的像素电路中，每个像素区域包括被布置成用于接收光的光敏材料，其中所述多个像素区域包括多个行和列，并且每个像素电路包括电荷存储区，该电荷存储区被配置为存储从对应的像素区域集成的电荷；在积分周期结束时，引导来自每个像素区域的电流远离对应的像素电路的电荷存储区以电子遮蔽像素；并且在积分周期结束后，基于在积分周期内从对应的像素区域集成的电荷，读出来自每个像素电路的信号。
在实施方案中，所述多个像素区域中的每一个基本上同时被电子遮蔽。
实施方案包括一种用于对图像传感器阵列进行电子合并的方法，该方法包括在积分周期内将来自多个像素区域的电荷集成到单个感测节点中，每个像素区域包括被布置成用于接收光的光敏材料，其中所述多个像素区域包括多个行和列，并且每个像素电路包括电荷存储区，该电荷存储区被配置为存储从对应的像素区域集成的电荷；在积分周期结束时，引导来自每个像素区域的电流远离公共电荷存储像素电路以电子合并像素；并且在积分周期结束后，基于在积分周期内从对应的像素区域集成的电荷，读出来自公共像素电路的信号。
参考图5A和图5B，示例性实施方案提供了图像感测区域，这些图像感测区域使用像素元件阵列检测图像。像素元件可包括光敏材料。图像传感器可在像素区域的每一个中检测来自光敏材料的信号，该信号基于入射到光敏材料上的光的强度而改变。在一个示例性实施方案中，光敏材料为互连纳米粒子的连续膜。电极用于在每个像素区域上施加偏压。像素电路用于针对每个像素区域在一个时间段内将信号集成在电荷存储区中。该电路存储与在积分周期内入射到光敏层上的光的强度成比例的电信号。然后，电信号可从像素电路中读取并进行处理以构建对应于入射到像素元件阵列的光的数字图像。
在示例性实施方案中，像素电路可形成于集成电路器件的光敏材料下方。例如，纳米晶光敏材料可分层布置在CMOS集成电路器件上方以形成图像传感器。来自CMOS集成电路的金属接触层可电连接到电极，这些电极提供跨像素区域的偏压。于2008年4月18日提交的名称为“Materials,Systems and Methods for Optoelectronic Devices”的美国专利申请序列号12/10625(公开号2009/0152664)包括可结合示例性实施方案使用的光电器件、系统和材料的附加描述，并据此全文以引用方式并入本文。这仅是示例性实施方案，并且其它实施方案可使用不同的光电探测器和光敏材料。例如，实施方案可使用硅或砷化镓(GaAs)光电探测器。
图像传感器包含光电探测器阵列。这些光电探测器感测光，将其从光信号转换成电子信号。图5A和图5B示出了根据示例性实施方案与量子点像素芯片结构(QDPC)100相关的结构和区域。如图5A和图5B中所示，QDPC 100可适于作为辐射1000接收器，其中呈现量子点结构1100以接收辐射1000，诸如光。如本文将更详细所述，QDPC 100包括量子点像素1800和芯片2000，其中芯片适于处理从量子点像素1800接收的电信号。量子点像素1800包括量子点结构1100，这些量子点结构1100包括若干部件和子部件，诸如量子点1200、量子点材料200以及与点1200和材料200相关的特定配置或量子点布局300。量子点结构1100可用于形成光电探测器结构1400，其中量子点结构与电互连件1404相关联。电连接1404被设置为接收来自量子点结构的电信号，并且将电信号发送至与像素结构1500相关联的像素电路1700。
与量子点结构1100可布局为各种模式(包括平面或竖直模式)相似，光电探测器结构1400可具有特定的光电探测器几何布局1402。光电探测器结构1400可与像素结构1500相关联，其中光电探测器结构的电互连件1404与像素电路1700电关联。像素结构1500也可在芯片2000上布置成像素布局1600，包括竖直和平面布局，并且像素电路1700可与其它部件1900相关联，所述其它部件1900包括例如存储器。像素电路1700可包括无源部件和有源部件，用于处理像素1800水平的信号。像素1800同时以机械方式和电方式与芯片2000相关联。在示例性实施方案中，像素结构1500和像素电路1700包括用于多个像素的单独色彩元件的膜合并和/或电路合并的结构和电路，如本文所述。从电的角度来看，像素电路1700可与其它电子器件(例如，芯片处理器2008)通信。所述其它电子器件可适于处理数字信号、模拟信号、混合信号等，并且可适于处理和操纵接收自像素电路1700的信号。在其它实施方案中，芯片处理器2008或其它电子器件可作为QDPC包括在同一半导体基板上，并且可使用片上系统架构结构化。在示例性实施方案中，所述其它电子器件可包括用于提供数字合并的电路或软件。芯片2000还包括物理结构2002及其它功能部件2004，同样如下文将更详细所述。
QDPC 100探测电磁辐射1000，其在实施方案中可为来自电磁波谱的任意频率的辐射。虽然电磁波谱是连续的，但是常见的是将整个电磁波谱内的频率范围称为波段，诸如无线电波段、微波波段、红外波段(IR)、可见光波段(VIS)、紫外波段(UV)、X射线、γ射线等。QDPC 100可能够感测整个电磁波谱内的任意频率；然而，本文所述的实施方案可指电磁波谱内的特定波段或波段组合。应当理解，在讨论中使用这些波段并不旨在限制QDPC 100可感测的频率范围，而仅仅用作示例。另外，一些波段具有共同使用的子波段，诸如近红外(NIR)和远红外(FIR)，并且使用较宽的波段术语诸如IR并非旨在将QDPC 100灵敏度限制在任何波段或子波段。此外，在以下描述中，术语诸如“电磁辐射”、“辐射”、“电磁波谱”、“波谱”、“辐射光谱”等可互换使用，并且术语“色彩”用于描绘可处于辐射1000波谱的任何部分内的选择波段的辐射1000，并非旨在将辐射1000限制在任何特定的范围诸如可见“色彩”。
在图5A和图5B的示例性实施方案中，上述纳米晶体材料和光电探测器结构可用于为光电探测器阵列、图像传感器或其它光电器件提供量子点像素1800。在示例性实施方案中，像素1800包括能够接收辐射1000的量子点结构1100、适于接收来自量子点结构1100的能量的光电探测器结构、以及像素结构。本文所述的量子点像素可用于在一些实施方案中提供以下特征：高填充因子、色彩合并、堆栈的可能、减小像素尺寸的可能、由较大像素尺寸提供的高性能、简化滤色器阵列、无需去马赛克、自增益设置/自动增益控制、高动态范围、全局快门功能、自动曝光、局部对比度、读出速度、像素级低噪声读出、能够使用较大工艺几何结构(降低成本)、能够使用通用制造工艺、使用数字制造工艺构建模拟电路、在像素下方增加其它功能诸如存储器、模拟-数字转换、真正相关的双重采样、合并等。示例性实施方案可提供这些特征的一部分或全部。然而，一些实施方案可不使用这些特征。
量子点1200可为纳米结构，通常为半导体纳米结构，该纳米结构限制所有三个空间方向上的导带电子、价带空穴或激子(导带电子和价带空穴的结合对)。量子点在其吸收光谱中表现出理想化零维系统的离散量子化能谱的效果。与该离散能谱对应的波函数在量子点内在空间上通常基本上被局域化，但延伸跨越材料的晶格的许多周期。
图6示出了量子点1200的示例。在一个示例性实施方案中，QD 1200可具有半导体或化合物半导体材料的核1220诸如PbS。在下文所详述的一些实施方案中，配体1225可被附接到一些或全部外表面或可被去除。在一些实施方案中，相邻QD的核1220可熔合在一起，以形成具有纳米级特征的纳米晶体材料的连续膜。在其它实施方案中，核可通过接头分子彼此连接。
QD光学器件的一些实施方案为具有多个像素的单个图像传感器芯片，其中每个像素包括对辐射1000敏感的QD层，例如具有光学活性，以及与QD层电通信的至少两个电极。电极之间的电流和/或电压与QD层所接收的辐射1000的量相关。具体地，QD层所吸收的光子生成电子-空穴对，使得如果施加电偏压，则电流流动。通过测定每个像素的电流和/或电压，可重建芯片上的图像。图像传感器芯片具有高灵敏度，其在低辐射探测1000应用中可为有利的；宽动态范围能够提供优异的图像细节；并具有较小的像素尺寸。传感器芯片对不同光学波长的响应也可利用QD中的量子尺寸效应通过改变器件中QD的尺寸进行调谐。像素可被制成小至1平方微米或更小，或者大至30微米乘以30微米或更大，或者其中所含的任何范围。
图5和图7的光电探测器结构1400示出了在示例性实施方案中被配置成使其能够用于探测辐射1000的器件。探测器可被“调谐”成通过用于光电探测器结构1400中的量子点结构1100类型来探测指定波长的辐射1000。光电探测器结构可被描述为量子点结构1100，该量子点结构1100具有I/O以实现访问量子点结构1100状态的一些输入/输出功能。一旦能够读取状态，则该状态可通过电互连件1404传送至像素电路1700，其中像素电路可包括电子器件(例如，无源和/或有源)以读取状态。在一个实施方案中，光电探测器结构1400可为量子点结构1100(例如，膜)以及电接触垫，使得这些电接触垫可与电子器件相关联以读取相关联的量子点结构的状态。
在实施方案中，处理可包括像素的合并，以便减小与量子点结构1100的固有特性或与读出过程相关联的随机噪声。合并可涉及像素1800的组合，诸如形成2×2、3×3、5×5等超像素。可存在与组合像素1800或合并相关联的降噪，因为随机噪声随面积线性增加成平方根增加，从而减小噪声或提高有效灵敏度。对于非常小的像素的QDPC的100电势，可利用合并而无需牺牲空间分辨率，即像素可以非常小，由这些像素得到的组合像素不降低系统所需的空间分辨率。合并也可有效地提高探测器可运行的速度，从而改善系统的一些特征，诸如焦点或曝光。在示例性实施方案中，合并可用于组合具有相同颜色或辐射范围(包括UV和/或IR)的子像素元件，以提供用于超像素的独立元件，同时保持颜色/UV/IR分辨率，如下文所详述。
在实施方案中，芯片可具有实现高速读出能力的功能部件，其有利于读出大型阵列，诸如5兆像素、6兆像素、8兆像素、12兆像素等。较快的读出能力可能需要在像素1800阵列下具有更复杂、更大的晶体管计数电路、增加层数、增加电互连器数、加宽互连迹线等。
在实施方案中，可能希望缩小图像传感器尺寸以便降低总芯片成本，该成本可与芯片面积成比例。然而，减小芯片尺寸可能意味着对于给定数量的像素，像素减小。在现有方法中，由于辐射1000必须通过互连层传播到位于下面的单片集成硅光电二极管上，存在填充因子损失，由此底层的硅区域的一部分被互连器遮蔽；并且类似地，硅区域的一部分被用于读出的晶体管所占据。一种解决方法是微透镜，其增加成本并导致光电二极管照明对芯片内的位置(中心或边缘)的依赖；另一种解决方法是采用较小的过程几何尺寸，这在包含定制植入物的图像传感器加工过程中成本高昂且特别具有挑战性。
在实施方案中，本文所述的技术可提供克服这些不利影响的方法。可减小像素尺寸以及芯片尺寸，而不减小填充因子。可使用较大的加工几何尺寸，因为由于光电探测器位于互连器上方的顶部表面上，晶体管尺寸和互连线宽可以不遮蔽像素。在本文所提出的技术中，可采用大几何尺寸诸如0.13μm和0.18μm而不模糊像素。类似地，也可采用小几何尺寸诸如90nm及更小，并且这些可为标准尺寸，而不采用图像传感器定制过程，从而使成本降低。使用较小的几何尺寸可与同一芯片上的高速数字信号处理更兼容。这可以实现在芯片上进行更快、更廉价和/或更高质量的图像传感器加工。另外，使用更高级的几何结构进行数字信号处理可有助于在满足给定的图像传感器处理功能的情况下降低功耗。
现在将结合图9描述可与上述光电探测器、像素区域和像素电路结合使用的示例性集成电路系统。图9为图像传感器集成电路(也称为图像传感器芯片)的框图。所示的芯片包括：
·像素阵列100，其中入射光被转换成电子信号，并且其中电子信号被集成到电荷存储区，其内容和电压电平与帧周期内入射的集成光相关；该像素阵列可包括滤色器和用于彩色膜合并的电极结构，如下文所详述；
·行和列电路(110和120)，其用于重置每个像素，并读取与每个电荷存储区的内容相关的信号，以便将与帧周期内的每个像素上的集成光相关的信息传送到芯片的外周边；像素电路可包括用于色彩合并的电路，如下文所详述；
·模拟电路130、140、150、160、230。来自列电路的像素电信号被馈送到模拟-数字转换器160中，其中将其转换为表示每个像素的光级的数字。像素阵列和ADC由提供偏置和基准电平的模拟电路(130、140和150)支持。
·数字电路170、180、190、200。图像增强电路170为ADC的数据输出提供图像增强功能以改善信噪比。行缓冲器180暂时存储若干行像素值以促进数字图像处理和IO功能。190是指定系统的全局操作和/或帧格式的寄存器组。块200控制芯片的操作。数字电路还可包括用于数字色彩合并的电路或软件。
·IO电路(210和220)同时支持并联输入/输出和串联输入/输出。210是并联IO接口，其同时输出每一字节的像素值。220是串联IO接口，其依次输出每一字节的像素值；并且
·锁相回路230为整个芯片提供时钟。
在特定的示例实施方案中，当采用0.11μmCMOS技术节点时，沿行轴线和沿列轴线的像素的周期性重复距离可为900nm、1.1μm、1.2μm、1.4μm、1.75μm、2.2μm或更大。在一些实施方案中，实施这些最小的像素尺寸，尤其是900nm、1.1μm和1.2μm，可能需要在成对或更大的相邻像素组之间进行晶体管共享。
可部分实现非常小的像素，因为由于光学感测功能在另一竖直水平上通过位于互连层上方的光敏层单独实现，与每个像素相关联的所有硅电路区域均可用于读出电子器件。
由于光敏层与读取光敏材料的特定区域的读出电路位于集成电路中的单独平面上，因此(1)像素读出电路和(2)由(1)读取的光敏区域的形状(从上方观察)可能通常是不同的。例如，可能希望将对应于像素的光敏区域限定为正方形；而对应的读出电路可能最有效地被配置为矩形。
在基于通过通孔与下面的读出电路连接的顶部光敏层的成像阵列中，不必要求各种金属层、通孔和互连电介质为基本上或甚至部分光学透明的，尽管它们在一些实施方案中可为透明的。这与前侧照明CMOS图像传感器的情况相反，其中必须存在穿透互连堆栈的基本上透明的光路。
像素电路可被定义为包括从与量子点材料200接触的电极开始并且在信号或信息从像素传输到其它处理设备时结束的部件，诸如底层芯片200的功能部件2004或另一个量子点像素1800。从量子点材料200上的电极开始，对信号进行转换或读取。在实施方案中，量子点材料200可提供响应于辐射1000的电流变化。量子点像素1800可能需要偏置电路1700以便产生可读信号。继而，该信号可被放大和选择以供读出。
图8所示的像素电路的一个实施方案使用重置-偏压晶体管1802、放大器晶体管1804和列寻址晶体管1808。这种三晶体管电路配置也可被称为3T电路。此处，当重置1704生效时，重置-偏压晶体管1802将偏置电压1702连接到光导光伏量子点材料200，从而重置量子点材料200的电状态。在重置1704后，量子点材料200可暴露于辐射1000，从而导致量子点材料200的电状态发生变化，在这种情况下，电压的变化被导入放大器1804的栅极。然后，该电压被放大器晶体管1804增强并呈现给地址选择晶体管1808，其然后显示在所选择的地址选择晶体管1808的列输出处。在一些实施方案中，可将附加电路加入像素电路中以帮助扣除暗信号的贡献。在其它实施方案中，可在从像素电路读出信号之后进行暗信号调整。在示例性实施方案中，可增加附加电路用于膜合并或电路合并。
图10示出了单面计算设备100的实施方案，该单面计算设备100可用于计算、通信、游戏、交互等等。所示的单面计算设备100包括外围区域101和显示区域103。触摸式界面设备117诸如按钮或触控板可用于与单面计算设备100进行交互。
第一相机模块的示例113被示为位于单面计算设备100的外围区域101内，并且如下文所详述。示例性光传感器115A、115B也被示为位于单面计算设备100的外围区域101内，并且如下文参考图13所详述。第二相机模块105的示例被示为位于单面计算设备100的显示区域103内，并且如下文参考图12所详述。
光传感器107A、107B的示例被示为位于单面计算设备100的显示区域103内，并且如下文参考图13所详述。第一光学照明源111(可为结构化或非结构化)的示例被示为位于单面计算设备100的外围区域101内。第二光学照明源109的示例被示为位于显示区域103中。
在实施方案中，显示区域103可为触摸屏显示器。在实施方案中，单面计算设备100可为平板电脑。在实施方案中，单面计算设备100可为移动电话。
图11示出了双面计算设备200的实施方案，该双面计算设备200可用于计算、通信、游戏、交互等等。所示的双面计算设备200包括第一平面210的第一外围区域201A和第一显示区域203A、第二平面230的第二外围区域201B和第二显示区域203B、第一平面210的第一触摸式界面设备217A以及第二平面230的第二触摸式界面设备217B。示例性触摸式界面设备217A、217B可为按钮或触控板，其可用于与双面计算设备200进行交互。在各种实施方案中，第二显示区域203B也可为输入区域。
所示的双面计算设备200也包括第一外围区域201A中的第一相机模块213A和第二外围区域201B中的第二相机模块213B的示例。下文参考图12更详细地描述相机模块213A、213B。如图所示，相机模块213A、213B位于双面计算设备200的外围区域201A、201B内。尽管总共示出了两个相机模块，但是本领域中的普通技术人员将认识到，可采用更多或更少的光传感器。
许多光传感器215A、215B、215C、215D的示例被示为位于双面计算设备200的外围区域201A、201B内。尽管总共示出了四个光传感器，但是本领域中的普通技术人员将认识到，可采用更多或更少的光传感器。下文参考图12更详细地描述了光传感器215A、215B、215C、215D的示例。如图所示，光传感器215A、215B、215C、215D位于双面计算设备200的外围区域201A、201B内。
所示的双面计算设备200也包括第一显示区域203A中的第一相机模块205A和第二显示区域203B中的第二相机模块205B的示例。下文参考图12更详细地描述相机模块205A、205B。如图所示，相机模块205A、205B位于双面计算设备200的显示区域203A、203B内。光传感器207A、207B、207C、207D的示例也被示为位于双面计算设备200的显示区域203A、203B内。尽管总共示出了四个光传感器，但是本领域中的普通技术人员将认识到，可采用更多或更少的光传感器。下文参考图13更详细地描述了光传感器207A、207B、207C、207D的示例。光学照明源211A、211B的示例被示为位于外围区域201A、201B内，并且其它示例性光学照明源209A、209B被示为位于显示区域203A、203B中的一者内，也在下文参考图13予以描述。本领域的普通技术人员将认识到，可实施除所示出或描述的那些数量和位置以外的各种数量和位置的所述元件。
在实施方案中，双面计算设备200可为膝上型计算机。在实施方案中，双面计算设备200可为移动电话。
现在参考图12,该图示出了可与图10或图11的计算设备一起使用的相机模块300的实施方案。相机模块300可对应于图10的相机模块113或图11的相机模块213A、213B。如图12所示，相机模块300包括基板301、图像传感器303和键合引线305。保持器307被定位在基板上方。所示的滤光器309安装至保持器307的一部分。筒体311保持透镜313或透镜系统。
图13示出了在光传感器的示例性实施方案中可与图10或图11的计算设备一起使用的光传感器400的实施方案。光传感器400可对应于图10的光传感器115A、115B或图11的光传感器215A、215B、215C、215D。光传感器400被示为包括基板401，其可以对应于图10的外围区域101或显示区域103中的一者或两者的一部分。基板401还可对应于图11的外围区域201A、201B或显示区域203A、203B中的一者或两者的一部分。光传感器400也被示为包括电极403A、403B，这些电极403A、403B用于提供跨吸光材料405的偏压并且从中收集光电子。封装材料407或封装材料堆栈被视为处于吸光材料405上方。任选地，封装材料407可包括偏置和/或从吸光材料405收集光电子的导电封装材料。
图10的单面计算设备100或图11的双面计算设备200中的一者的元件可彼此连接或以其它方式彼此耦接。计算设备的实施方案可包括处理器。其可包括功能块和/或物理上不同的部件，用于实现计算、图像处理、数字信号处理、数据存储、数据通信(通过有线或无线连接)、为设备提供电力和控制设备。与处理器通信的设备包括图10的设备，这些设备可包括显示区域103、触摸式界面设备117、相机模块105、113、光传感器115A、115B、107A、107B和光学照明源109、111。类似的对应关系也可应用于图11。
图13的光传感器可包括各种设计和组成的吸光材料405。在实施方案中，吸光材料可被设计成在约450nm至650nm的可见光波长区域内具有足够小的吸光度，使得在将图13的光传感器结合到计算设备的显示区域的情况下，入射到传感器上的可见光中仅有适度的一部分被吸光材料吸收。在这种情况下，使用显示区域显示的图像的质量基本上不受沿显示器的光路掺入的吸光材料的影响。在实施方案中，吸光材料405可吸收照射到其上的可见光谱区域的光的小于30％、或小于20％、或小于10％。
在实施方案中，电极403A、403B以及在用于407的导电封装剂的情况下，顶部电极407可使用在约450nm至650nm的可见波长区域基本上透明的材料构成。在这种情况下，使用显示区域显示的图像的质量基本上不受沿显示器的光路掺入的吸光材料的影响。
在实施方案中，图13的光传感器可包括能够感测红外光的感光材料。在实施方案中，感光材料可为具有对应于红外线能量的带隙的半导体，诸如在0.5eV–1.9eV的范围内。在实施方案中，感光材料可具有在红外光谱范围内可测量的吸光度；并且还可具有在可见光范围内可测量的吸光度。在实施方案中，感光材料可在可见光谱范围内吸收高于红外光谱范围的吸光度；但是仍可用于感测红外光谱范围内的手势相关的信号。
在示例性实施方案中，感光显示-结合材料在可见光范围内的吸光度可处于2-20％的范围内；并且在红外光范围内的吸光度可处于0.1-5％的范围内。在示例性实施方案中，环境中存在的可见光和/或从显示器发射的可见光的存在可在光传感器内产生背景信号，这是由于光传感器的吸光材料包括能够吸收可见光波长的材料。在示例性实施方案中，也可实现对红外区域的感测。用于帮助手势识别的光源可使用空间或时间代码进行调制，使它们能够与光传感器中观察到的信号的可见光波长相关的分量区分开来。在示例性实施方案中，用于帮助手势识别的至少一个光源可使用具有大于100Hz、1000Hz、10kHz或100kHz的频率分量的代码进行时间调制。在示例性实施方案中，光传感器可包括具有大于所述频率分量的截止频率的时间响应。在实施方案中，可采用电路以确保对应于手势识别的频率分量能够被提取和监测，其中与室内环境相关的背景分量、显示器照明及其它此类非手势相关的背景信息基本上被移除。在该示例中，光传感器，即使它们同时吸收可见光和红外光，也可提供主要与手势识别感兴趣的手势信息相关的信号。
在示例性实施方案中，可使用具有约1mW的总光学功率的光源。当从约10cm远的距离处照射对象时，其中对象具有约1cm2的面积，并且漫反射率为约20％，则入射到具有1cm2的面积的光传感器上的功率的量可为大约100pW。在示例性实施方案中，可采用具有1％的吸光度的光传感器，因此其对应于与所接收的光相关的光电流可处于pW的量级，其中所接收的光为光源照明以及反射或散射出对象并因此入射到光传感器上的结果。在示例性实施方案中，由光传感器报告的电信号可对应于光源调制频率处的大约pA的信号分量。在示例性实施方案中，由于存在可见光和红外背景、显示器光等，可产生较大的附加信号分量，诸如处于nA或μA范围内。然而在示例性实施方案中，相对小的信号分量，其不同的时间和/或空间特征由照明源的调制(在时间和/或空间方面)提供，可相对于其它背景/信号隔离开，并且可用于辨别手势信息。
在实施方案中，吸光材料405可包括主要吸收特定谱带的红外光；并且基本上对可见光波长的光透明的材料。在示例性实施方案中，可采用材料诸如PBDTT-DPP，一种近红外感光聚合物聚(2,60-4,8-双(5-乙基己基噻吩基)苯并-[1,2-b；3,4-b]二噻吩-alt-5-二丁基辛基-3,6-双(5-溴噻吩-2-基)吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮)，作为吸光层的组分。
在实施方案中，由光传感器产生的电子信号可传送到用于电子放大的器件。该器件可对特定的电子频带具有大于其它频带的放大幅度，产生与手势信息相关的增强的信号分量。可能与放大(可能依赖于频率)相结合的来自光传感器的信号可输入模拟-数字转换器中，该模拟-数字转换器可产生与手势信息相关的数字信号。与手势信息相关的数字信息可在系统的语境下进一步传送至其它集成电路和/或信号处理引擎。例如，可传送至应用处理器。
在实施方案中，用于照亮一定体积的空间以实现手势识别的目标的光源可使用人眼基本上不可见的近红外波长进行照明。在示例性实施方案中，可采用具有约950nm的中心波长的发光二极管。
在实施方案中，手势识别可通过以下方式实现：组合来自至少一个相机的信息，将其嵌入计算设备中，并具有在作为相机的部分的图像传感器上提供基本上聚焦图像的透镜；并且可还将传感器结合在外围区域中和/或集成到显示区域中。在实施方案中，分布式传感器可提供有关成像对象的时间-空间运动的一般信息；并且来自至少一个相机的信号可与分布式传感器的信号组合，以提供待识别其手势的对象的二维或三维运动的在空间/时间上更准确的图像。在示例性实施方案中，相机可采用提供适度的空间分辨率的图像传感器，诸如QVGA、VGA、SVGA等，并因此使用具有较小的芯片尺寸的图像传感器实现，并因此实现较低的成本；并且还可使用具有较小x、y和z形状因数的相机模块来实现，使得外围区域面积的占用最小化，并且不显著地增加平板电脑或其它计算设备的z高度。
在实施方案中，可采用适度的帧速率，诸如15fps、30fps或60fps，其与适度的分辨率相结合，使得在手势识别中获得低成本的数字通信信道和适度复杂的信号处理。在实施方案中，所述至少一个相机模块可实施宽视场成像以便在评估与显示器相关的手势时提供广角范围。在实施方案中，至少一个相机模块可倾斜，其角度不平行于显示器的法向方向(垂直方向)，使得所述至少一个相机能够在更接近显示器的角范围内成像。
在实施方案中，可组合使用多个相机，每个相机具有彼此不同的角度，从而能够对适度接近显示器的手势进行成像和解析。在实施方案中，所述至少一个相机可采用经过光检测材料敏化的图像传感器，这些光检测材料提供了高量子效率，例如，在由照明源所使用的近红外波长下提供大于30％的高量子效率；这使得对照明源的功率和/或强度要求降低。在实施方案中，照明源可在特定频率下在时间方面进行调制，并采用特定的时间模式(例如，一系列已知的间距和时间宽度的脉冲)；并且来自所述至少一个相机和/或至少一个分布式传感器的信号可通过照明源的相位和时域剖面知识进行解析；并且通过这种方式，可使用增大的信噪比、类似于锁定或boxcar平均或者其它滤波和/或模拟或数字信号处理方法，以基本上确定调制的(因此照明的)信号，并且基本上移除或最小化与背景场景相关联的背景信号。
图14示出了一种手势识别方法的实施方案。该方法包括操作501，该操作501包括从一个或多个相机模块中的至少一个相机模块中的每一个采集至少两个图像的时间流；和操作507，该操作507包括还从光传感器中的至少一个光传感器中的每一个采集至少两个信号的时间流；该方法还包括在操作503和509处，将图像和/或信号传送至处理器。该方法还包括在操作505处，使用处理器基于图像和信号的组合来估计手势的意义并定时。
图15示出了一种手势识别方法的实施方案。该方法包括操作601，该操作601包括从相机模块中的至少一个相机模块中的每一个采集至少两个图像的时间流；和操作607，该操作607包括还从触摸式界面设备中的至少一个触摸式界面设备中的每一个采集至少两个信号的时间流。该方法还包括在操作603和609处，将图像和/或信号传送至处理器。该方法还包括在操作605处，使用处理器基于图像和信号的组合来估计手势的意义并定时。
在实施方案中，信号可由以下设备中的至少一者来接收：(1)触摸式界面设备；(2)相机模块；(3)光传感器，这些光传感器中的每一个可位于外围和/或显示或显示/输入区域，这些光传感器可单独或联合采用，以确定设备用户所做手势的存在和类型。
再次参考图14，在实施方案中，从相机模块中的至少一个相机模块中的每一个采集图像的时间流。还从光传感器中的至少一个光传感器中的每一个采集至少两个信号的时间流。在实施方案中，可从不同类型的外围设备同步采集所述流。在实施方案中，采集所述流可带有已知的时间戳，这些时间戳指示相对于其它时间例如某些会议参考时间点的采集时间。在实施方案中，将流传送至处理器。处理器基于图像和信号的组合来计算手势意义的估计并定时。
在实施方案中，至少一个相机模块具有超过约40°的宽视场。在实施方案中，至少一个相机模块采用鱼眼透镜。在实施方案中，至少一个图像传感器在其中心处实现更高的分辨率，在其周边具有较低的分辨率。在实施方案中，至少一个图像传感器在靠近其中心处使用较小的像素，并在靠近其周边处使用较大的像素。
在实施方案中，经由至少一个光源实现的有源照明；与邻近对象的部分反射和/或部分散射相结合；与使用至少一个光学模块或光传感器的感光相结合；可结合起来用于检测对象的接近度。在实施方案中，有关此接近度的信息可用于减少设备的功耗。在实施方案中，可通过调光或关闭耗电部件诸如显示器来减少功耗。
在实施方案中，至少一个光源可发射红外光。在实施方案中，至少一个光源可发射介于约700nm和约1100nm之间的近红外区的红外光。在实施方案中，至少一个光源可发射介于约1100nm和约1700nm波长之间的短红外波段的红外光。在实施方案中，光源发射的光对于设备用户来说基本上不可见。
在实施方案中，至少一个光源可投射结构化光图像。在实施方案中，可采用与成像组合的空间图案化照明来估计相对于成像系统的对象的相对距离。
在实施方案中，可采用至少两个透镜系统将场景或场景的一部分成像到单片集成的单个图像传感器集成电路的两个不同区域上；并且使用图像传感器集成电路采集的光图案可用于帮助估计对象相对于图像传感器系统的相对或绝对距离。
在实施方案中，可采用至少两个透镜系统将场景或场景的一部分成像到容纳于单个相机系统内的两个不同的图像传感器集成电路上；并且使用图像传感器集成电路采集的光图案可用于帮助估计对象相对于图像传感器系统的相对或绝对距离。
在实施方案中，可采用至少两个透镜系统将场景或场景的一部分成像到容纳于单独的相机系统或子系统内的两个不同的图像传感器集成电路上；并且使用图像传感器集成电路采集的光图案可用于帮助估计对象相对于图像传感器系统或子系统的相对或绝对距离。
在实施方案中，所述至少两个光学系统感知场景的不同角度或视角可用于帮助估计对象相对于图像传感器系统的相对或绝对距离。
在实施方案中，光传感器诸如位于图10的外围区域101中的光传感器115A、115B和/或位于图10的显示区域103中的光传感器107A、107B可单独使用或相互结合使用和/或与相机模块结合使用，以采集有关场景的信息。在实施方案中，光传感器可采用透镜以帮助将光从场景的特定区域引导至特定的光传感器上。在实施方案中，光传感器可采用用于孔径作用的系统，诸如光阻挡外壳，其限定来自场景的光将照射在特定光传感器上的有限的角范围。在实施方案中，特定的光传感器将借助于孔径作用，用于感测处于特定的入射角锥范围内的光。
在实施方案中，所述至少两个光学系统感知场景的不同角度或视角可用于帮助估计对象相对于图像传感器系统的相对或绝对距离。
在实施方案中，来自至少两个光传感器的光探测器的时间序列可用于估计对象的方向和速度。在实施方案中，来自至少两个光传感器的光探测器的时间序列可用于确定手势由计算设备的用户做出。在实施方案中，来自至少两个光传感器的光探测器的时间序列可用于对计算设备的用户所做的手势进行分类。在实施方案中，有关手势分类的信息以及估计的分类手势的发生率，可传送至计算设备内的其它系统或子系统，包括传送至处理单元。
在实施方案中，光传感器可集成到计算设备的显示区域内，例如，图10的光传感器107A、107B。在实施方案中，在将视觉信息传送给用户基本上改变的情况下，无需操作显示器，即可将光传感器结合到显示区域中。在实施方案中，显示器可主要使用在约400nm至约650nm范围内的可见光波长向用户传送视觉信息，而光传感器可主要使用长于约650nm波长的红外光采集有关场景的视觉信息。在实施方案中，主要在可见光波长区域工作的“显示平面”可位于可主要在红外光谱区工作的“感光平面”的前方，即更靠近用户。
在实施方案中，可采用第一类型的结构化光，也可采用第二类型的结构化光，并且来自至少两个结构化光照源的信息可有效地结合起来，用于确定有关场景的信息超过隔离的结构化光图像中所含的信息。
在实施方案中，可采用第一类型的结构化光照亮场景，并且可由提供第一照明角的第一光源呈现；并且可采用第二类型的结构化光照亮场景，并且可由提供第二照明角的第二光源呈现。
在实施方案中，第一类型的结构化光和第一照明角可使用提供第一感测角的第一图像传感器进行感测；并且也使用提供第二感测角的第二图像传感器进行感测。
在实施方案中，具有第一模式的结构化光可由第一光源呈现；并且具有第二模式的结构化光可由第二光源呈现；
在实施方案中，具有第一模式的结构化光可在第一时间段内由光源呈现；并且具有第二模式的结构化光可在第二时间段内由光源呈现。
在实施方案中，来自具有第一照明角的第一光源的第一波长的结构化光可用于照亮场景；并且来自具有第二照明角的第二光源的第二波长的结构化光可用于照亮场景。
在实施方案中，第一波长的结构化光可用于使用第一模式照亮场景；并且第二波长的结构化光可用于使用第二模式照亮场景。在实施方案中，第一图像传感器在感测场景时可在第一波长下具有强响应并在第二波长下具有弱响应；并且第二图像传感器在感测场景时可在第二波长下具有强响应并在第一波长下具有弱响应。在实施方案中，图像传感器可包括第一类像素，该第一类像素在第一波长下具有强响应并在第二波长下具有弱响应；以及第二类像素，该第二类像素在第二波长下具有强响应并在第一波长下具有弱响应。
实施方案包括图像传感器系统，这些图像传感器系统采用具有第一带通光谱区；第一频带块光谱区；和第二带通光谱区的滤光器。实施方案包括第一带通区，该第一带通区对应于可见光谱区；第一频带块光谱区，该第一频带块光谱区对应于红外光谱区的第一部分；以及第二带通光谱区，该第二带通光谱区对应于红外光谱区的第二部分。实施方案包括使用第一时间段主要检测可见光波长场景；并且在第二时间段内使用第二带通区的有源照明来检测可见光波长场景和有源照明的红外场景的总和；并且在两个时间段内使用所获取的图像之间的差值来推断主要有源照明的红外场景。实施方案包括在第二时间段内使用结构化光。实施方案包括使用红外结构化光。实施方案包括使用结构化光图像来推断有关场景的深度信息；并且在标记或操纵过程中，可见光图像使用有关基于结构化光图像采集的深度的信息。
在实施方案中，推断的手势可包括：竖起一根拇指；竖起两根拇指；一根手指轻扫；两根手指轻扫；三根手指轻扫；四根手指轻扫；一根拇指加一根手指轻扫；一根拇指加两根手指轻扫；等。在实施方案中，推断的手势可包括在第一方向上移动第一数位；以及在基本上相反的方向上移动第二数位。推断的手势可包括“胳肢”(tickle)。
感测入射到对象上的光的强度可用于许多应用中。一种此类应用包括估计入射到对象上的环境光水平，使得能够适当地选择对象自己的发光强度。在移动设备诸如移动电话、个人数字助理、智能电话等中，电池寿命非常重要，因此降低耗电量非常重要。同时，也可能需要视觉显示信息，诸如通过使用那些基于LCD或像素化LED的显示器来显示。显示该视觉信息的强度至少部分地取决于场景的环境照明。例如，在非常明亮的环境光线中，通常需要由显示器发射更高的光强度，以便显示器的视觉印象或图像在背景光水平之上清晰可见。当环境光线较弱时，通过由显示器发射较低水平的光来消耗较少的电池电量是可行的。
因此，感兴趣的是感测显示器区域附近或显示器区域中的光线水平。现有的感光方法通常包括通常具有小面积的单个或非常少的光传感器。这可导致在估计环境照明水平时发生不期望的异常和误差，尤其是当感兴趣的设备的环境照明空间不均匀时。例如，由于遮蔽或部分遮蔽对象的阴影可能(如果它们遮蔽一个或几个感测元件)导致显示器强度低于实际平均照明条件下期望的亮度。
实施方案包括实现能够准确测定光线水平的一个或多个传感器。实施方案包括使用经溶液处理的吸光材料实现的至少一个传感器。实施方案包括其中胶态量子点膜构成主要吸光元件的传感器。实施方案包括用于传送有关入射到传感器上的光线水平的信号的系统，这些系统减小或缓解信号中存在的噪声，因为信号在采用转换中所用的电信号的调制的无源传感器和有源电子器件之间行进一定的距离。实施方案包括系统，这些系统包括：(1)吸光感测元件；(2)电互连器，该电互连器用于传送与照射到感测元件上的光强度相关的信号；以及(3)电路，该电路远离吸光感测元件，并且经由电互连器连接到吸光感测元件，通过电互连器实现对所感测的信号的低噪声传送。实施方案包括系统，其中互连器的长度大于1厘米。实施方案包括系统，其中互连器无需特殊屏蔽，即可实现实用的信噪比水平。
实施方案包括传感器或传感器系统，这些传感器或传感器系统单独或结合使用，以估计照明计算设备的显示区域的平均色温。实施方案包括传感器或传感器系统，这些传感器或传感器系统接受来自宽角度范围的光，该角度范围诸如大于约20°至法向入射、或大于约30°至法向入射、或大于约40°至法向入射。实施方案包括传感器或传感器系统，这些传感器或传感器系统包括至少两种类型的滤光器，其中第一类型主要通过第一谱带，第二类型主要通过第二谱带。实施方案包括使用来自至少两个传感器的信息来估计照亮显示区域或邻近显示区域的区域的色温，所述至少两个传感器采用至少两种类型的滤光器。
实施方案包括采用至少两种类型的传感器的系统。实施方案包括由第一感光材料构成的第一类型和由第二感光材料构成的第二类型。实施方案包括第一感光材料和第二感光材料，其中第一感光材料被配置为吸收并转换第一谱带的光，并且第二感光材料被配置为转换第二谱带。实施方案包括第一感光材料和第二感光材料，其中第一感光材料采用具有第一平均直径的多个纳米粒子，并且第二感光材料采用具有第二平均直径的多个纳米粒子。实施方案包括第一直径和第二直径，其中第一直径处于约1nm至约2nm的范围内，并且第二直径大于约2nm。
实施方案包括将感光材料结合到计算设备中或计算设备上的方法，这些方法涉及喷墨印刷。实施方案包括使用喷嘴将感光材料施加于限定的区域上方。实施方案包括使用电极限定主要感光区。实施方案包括制造集成到计算设备中或计算设备上的感光设备的方法，这些方法涉及：限定第一电极；限定第二电极；限定与第一电极和第二电极电通信的感光区。实施方案包括制造集成到计算设备中或计算设备上的感光设备的方法，这些方法涉及：限定第一电极；限定感光区；以及限定第二电极；其中感光区与第一电极和第二电极电通信。
实施方案包括使用喷墨印刷将至少两种类型的传感器集成到计算设备中或计算设备上。实施方案包括使用包含第一感光材料的第一贮存器，第一感光材料被配置为吸收并转换第一谱带的光；以及使用包含第二感光材料的第二贮存器，第二感光材料被配置为吸收并转换第二谱带的光。
实施方案包括使用差分或调制信号以便基本上抑制任何外部干扰。实施方案包括扣除暗背景噪声。
实施方案包括图16中示出的差分系统。图16示出了三电极差分布局系统700以减少感光操作外部干扰的实施方案。三电极差分布局系统700被示为包括覆盖所有三个电极701、703、705的感光材料。光遮蔽材料707(黑色)阻止光照射到使用第一电极701和第二电极703电触及的区域中的感光材料上。基本上透明的材料709(透光)允许光照射到与使用第二电极703和第三电极705电触及的区域基本上不同的区域中的感光材料上。流过透光覆盖的电极对和黑色覆盖的电极对的电流差值等于光电流，即该差值不包括任何暗电流，而是与光强度成比例，其中基本上消除了任何暗偏移。
实施方案包括使用如下所述的三电极系统。每个电极由金属线组成。吸光材料可与金属线电通信。实施方案包括使用基本上透明的材料封装吸光材料，该基本上透明的材料阻止吸光材料暴露于周围环境条件诸如空气、水分、湿度、灰尘和污垢。三个电极中的中间电极可偏置为电压V1，其中典型电压的示例为约0V。两个外部电极可偏置为电压V2，其中典型值为约3V。实施方案包括使用光遮蔽材料覆盖设备的一部分，该光遮蔽材料基本上阻止或减少光入射到感光材料上。
光遮蔽材料确保一对电极暴露于极少的光或无光。这对电极被称为暗电极对或参比电极对。在其它电极对上使用透明材料确保如果光入射，则光基本上入射到感光材料上。这对电极被称为亮电极对。
流过亮电极对和暗电极对的电流差值等于光电流，即该差值不包括任何暗电流，而是与光强度成比例，其中基本上消除了任何暗偏移。
在实施方案中，这些电极呈双绞线形式。通过这种方式，减小或缓解了来自外部源的共模噪声。参考图17，电极801、803、805具有双绞线布局800，使用双绞线配置的平面模拟导致来自外部源的共模噪声得以减小或缓解。
在其它实施方案中，可使用偏置，使得可以无需光遮蔽层。这三个电极可偏置为三个电压V1、V2和V3。在一个示例中，V1＝6V、V2＝3V、V3＝0V。在6V和0V之间读取时，介于6V和3V之间的光传感器以及介于0V和3V之间的光传感器将产生相反方向的电流。然后以双绞线方式传出所得的差分信号。
在实施方案中，电极布局自身可扭曲，进一步改善传感器内部的噪声阻力。在这种情况下，使用其中电极可跨过另一个电极的架构。
在实施方案中，可采用电偏压调制。可在一对电极之间使用交替的偏压。流动的光电流将基本上模拟随时间变化的电偏置的时序演变。读出策略包括滤波以产生低噪声电信号。偏置的时间变化包括正弦、正方形或其它周期性轮廓。例如，参考图18，示出了为时间调制偏置900施加于电极的信号901以减小非调制频率的外部噪声的实施方案。在时间上调制信号允许排除不具有调制频率的外部噪声。
实施方案包括结合差分布局策略与调制策略以实现信噪比水平的进一步改善。
实施方案包括采用许多传感器，这些传感器具有不同的形状、尺寸和光谱响应(例如，对不同颜色的灵敏度不同)。实施方案包括生成多水平输出信号。实施方案包括使用合适的电路和算法处理信号以重建有关入射光的光谱和/或其它特性的信息。
本发明所公开的主题的优点包括将有关光强度的准确信息传送到与通过其它可能的方式相比更长的距离。优点包括检测更低水平的光作为结果。优点包括感测较宽范围的可能的光水平。优点包括在较宽的温度范围内成功实现光强度测定，尤其是在使用本文所述的差分方法扣除暗参比值时所赋予的优点。
实施方案包括光传感器，该光传感器包括第一电极、第二电极和第三电极。吸光半导体与第一电极、第二电极和第三电极中的每个电通信。光遮蔽材料大幅衰减入射到位于第二电极和第三电极之间的吸光半导体的一部分上的光，其中电偏压被施加于第二电极与第一电极和第三电极之间，并且其中流过第二电极的电流与入射到传感器的光相关。
实施方案包括光传感器，该光传感器包括第一电极、第二电极以及与电极电通信的吸光半导体，其中随时间变化的电偏压被施加于第一电极和第二电极之间，并且其中根据随时间变化的电偏压特征对电极之间流动的电流进行滤波，其中所得的电流分量与入射到传感器的光相关。
实施方案包括上述实施方案，其中第一电极、第二电极和第三电极由选自以下列表的材料组成：金、铂、钯、银、镁、锰、钨、钛、氮化钛、二氧化钛、氮氧化钛、铝、钙和铅。
实施方案包括上述实施方案，其中吸光半导体包括选自以下列表的材料：PbS、PbSe、PbTe、SnS、SnSe、SnTe、CdS、CdSe、CdTe、Bi2S3、In2S3、In2S3、In2Te3、ZnS、ZnSe、ZnTe、Si、Ge、GaAs、聚吡咯、并五苯、聚苯撑乙烯撑、聚己基噻吩和苯基-C61-丁酸甲酯。
实施方案包括上述实施方案，其中偏置电压大于约0.1V并且小于约10V。实施方案包括上述实施方案，其中电极彼此间隔介于约1μm和约20μm之间的距离。
实施方案包括上述实施方案，其中用于偏置和读取的感光区和有源电路之间的距离大于约1cm并且小于约30cm。
在各种领域的应用中期望捕获有关场景的视觉信息，诸如通过成像进行捕获。在某些情况下，位于成像系统和感兴趣的场景之间的介质的光学特性可表现出光吸收、光散射或两者。在某些情况下，与第二光谱范围相比，光吸收和/或光散射可更强烈地发生在第一光谱范围内。在某些情况下，该强吸收或散射的第一光谱范围可包括约470nm至约630nm的可见光谱范围的一部分或全部，并且较弱吸收或散射的第二光谱范围可包括横跨约650nm至约24μm波长范围的红外波段的部分。
在实施方案中，图像质量可通过提供对长于约650nm波长的波长具有灵敏度的图像传感器阵列而得以增强。
在实施方案中，成像系统可在两种模式下操作：用于可见光波长成像的第一模式；和用于红外成像的第二模式。在实施方案中，第一模式可采用基本上阻止一些红外波长的光入射到图像传感器的滤光器。
现在参考图19，示出了可用于各种成像应用中的滤光器透射光谱1000的实施方案。可见光谱区1001的波长基本上透过，能够实现可见光波长成像。处于约750nm至约1450nm的红外谱带1003以及处于超过约1600nm的区域1007中的波长基本上受阻，减小了与环境红外光照相关联的图像的影响。处于约1450nm至约1600nm的红外谱带1005中的波长基本上透过，在其主要光谱功率处于该谱带内的主动源开启时能够实现红外波长成像。
在实施方案中，成像系统可在两种模式下操作：用于可见光波长成像的第一模式；和用于红外成像的第二模式。在实施方案中，系统可采用滤光器，该滤光器在两种模式中的每种模式中保留在适当位置，基本上阻挡第一红外谱带的光入射；并且基本上通过第二红外谱带的光入射。在实施方案中，受阻的第一红外谱带可涵盖约700nm至约1450nm。在实施方案中，基本上不受阻的第二红外谱带可开始于约1450nm处。在实施方案中，基本上不受阻的第二红外谱带可结束于约1600nm处。在实施方案中，在用于红外成像的第二模式中，可采用有源照明，该有源照明包括处于基本上不受阻的第二红外谱带中的功率。
在实施方案中，可经由在第一模式下捕捉的图像采集基本上可见光波长图像。在实施方案中，可经由在第二模式下捕捉的图像采集基本上有源红外照明的图像。在实施方案中，基本上有源的红外照明图像可在第二模式下经由图像捕获来采集，并借助于扣除第一模式下采集的图像。在实施方案中，可采用在第一模式和第二模式之间进行的周期性交替。在实施方案中，可采用在非红外照明和有源红外照明之间进行的周期性交替。在实施方案中，可采用在报告基本上可见光波长图像和报告基本上有源照明的红外图像之间进行的周期性交替。在实施方案中，可生成复合图像，该复合图像以叠加方式显示有关可见光波长图像和红外波长图像的信息。在实施方案中，可生成复合图像，该复合图像以叠加的方式使用第一可见光波长颜色诸如蓝色来表示可见光波长图像；并且使用第二可见光波长颜色诸如红色来表示有源照明的红外波长图像。
在图像传感器中，即使在不存在照明的情况下(在暗环境下)，也可呈现非零、不均匀的图像。如果不计算在内，暗像可能会导致所呈现的受照图像发生畸变和噪声。
在实施方案中，可采集表示暗环境中存在的信号的图像。在实施方案中，可在成像系统的输出端呈现图像，该图像表示受照图像和暗像之间的差别。在实施方案中，可使用电偏置采集暗像，以降低图像传感器对光的灵敏度。在实施方案中，图像传感器系统可采用第一时间间隔通过第一偏置方案采集基本上暗的图像；并采用第二时间间隔通过第二偏置方案采集亮的图像。在实施方案中，图像传感器系统可在存储器中存储基本上暗的图像；并且可使用存储的基本上暗的图像呈现表示亮的图像和基本上暗的图像之间的差别的图像。实施方案包括使用该方法减小畸变和减小噪声。
在实施方案中，可采集第一图像，该第一图像表示重置之后存在的信号；并且可采集第二图像，该第二图像表示积分时间之后存在的信号；并且可呈现图像，该图像表示所述第一图像和所述第二图像之间的差别。在实施方案中，可采用存储器存储两个输入图像中的至少一者。在实施方案中，结果差值图像可提供时间噪声特性，该时间噪声特性与相关的双重采样噪声一致。在实施方案中，图像可呈现为具有远小于sqrt(kTC)噪声所施加的噪声的等效时间噪声。
实施方案包括高速读出暗像；和亮图像；以及高速访问存储器和高速图像处理；以快速向用户呈现扣除暗像的图像。
实施方案包括相机系统，其中用户指出待采集的图像之间的间隔；以及其中与图像采集相关联的积分周期；小于约1秒。实施方案包括相机系统，该相机系统包括介于图像传感器和处理器之间的存储器元件。
实施方案包括相机系统，其中拍照之间的时间小于约1秒。
实施方案包括相机系统，其中采集第一图像并存储到存储器中；并且采集第二图像；并且处理器用于生成图像，该图像采集来自第一图像和第二图像的信息。实施方案包括通过结合来自第一图像和第二图像的信息，生成具有高动态范围的图像。实施方案包括具有第一焦点的第一图像；和具有第二焦点的第二图像；并且由第一图像和第二图像生成具有较高的等效焦深的图像。
高温对象通常比低温对象在较短波长下发射更高的光谱功率密度。因此，可基于第一谱带的功率与第二谱带的功率的比率来提取关于场景中成像对象的相对温度的信息。
在实施方案中，图像传感器可包括第一组像素，该第一组像素被配置为主要感测处于第一谱带内的光；和第二组像素，该第二组像素被配置为主要感测处于第二谱带内的光。在实施方案中，可报告推断的图像，该图像将来自第一组或第二组的邻近像素的信息相结合。在实施方案中，可报告推断的图像，该图像提供来自第一组或第二组的邻近像素的信号比率。
在实施方案中，图像传感器可包括估计对象温度的装置；并且可还包括采集可见光波长图像的装置。在实施方案中，可使用图像处理对图像进行伪色合成，表示估计的可见光波长图像顶部的相对对象温度。
在实施方案中，图像传感器可包括具有小于约2μm×2μm的线性尺寸的至少一个像素。
在实施方案中，图像传感器可包括第一层，该第一层提供对第一谱带的感测；和第二层，该第二层提供对第二谱带的感测。
在实施方案中，可见光图像可用于向场景的用户呈现熟悉的图示；并且红外图像可提供附加信息，诸如有关温度或颜料的信息，或者能够穿透散射和/或可见光吸收介质诸如雾、霾、烟雾或织物。
在某些情况下，可能希望使用单个图像传感器同时采集可见光图像和红外图像。因此，在某些情况下，可见光图像和红外图像之间的配准变得基本上直截了当。
在实施方案中，图像传感器可采用单一种类的吸光感光材料；并且可采用吸光感光材料上方的图案化层，该图案化层负责使选定光谱范围内的光透过，也称为滤光器。在实施方案中，吸光感光材料在可见光谱区和至少一部分红外光谱区内均可提供高量子效率的光感测。在实施方案中，图案化层能够作为单个图像传感器电路上的可见光波长像素区域以及红外波长像素区域。
在实施方案中，图像传感器可采用两类吸光感光材料：第一材料被配置为吸收和感测第一范围的波长；并且第二材料被配置为吸收和感测第二范围的波长。第一范围和第二范围可至少部分地重叠，或者它们可不重叠。
在实施方案中，两类吸光感光材料可被置于图像传感器的不同区域中。在实施方案中，可采用光刻和蚀刻限定使用吸光感光材料覆盖的区域。在实施方案中，可采用喷雾印刷限定使用吸光感光材料覆盖的区域。
在实施方案中，两类吸光感光材料可竖直堆叠，一类材料处于另一类料的上方。在实施方案中，底层可感测红外光和可见光；并且顶层可主要感测可见光。
在实施方案中，光敏设备可包括：第一电极；第一吸光感光材料；第二吸光感光材料；和第二电极。在实施方案中，可在第一电极和第二电极之间提供第一电偏压，使得光载流子主要高效地收集自第一吸光感光材料。在实施方案中，可在第一电极和第二电极之间提供第二电偏压，使得光载流子主要高效地收集自第二吸光感光材料。在实施方案中，第一电偏压可导致主要针对第一波长的光具有灵敏度。在实施方案中，第二电偏压可导致主要针对第二波长的光具有灵敏度。在实施方案中，第一波长的光可为红外光；并且第二波长的光可为可见光。在实施方案中，可提供具有第一偏压的第一组像素；并且可提供具有第二偏压的第二组像素；确保第一组像素主要响应第一波长的光，并且第二组像素主要响应第二波长的光。
在实施方案中，可在第一时间段内提供第一电偏压；并且可在第二时间段内提供第二电偏压；使得在第一时间段内采集的图像主要提供有关第一波长的光的信息；并且在第二时间段内采集的图像主要提供有关第二波长的光的信息。在实施方案中，在两个时间段内采集的信息可组合到单个图像中。在实施方案中，可使用伪色在单个报告的图像中表示在两个时间段中的每个时间段内所采集的信息。
在实施方案中，聚焦平面阵列可包括基本上侧向空间上均匀的膜，该膜在给定偏压下具有基本上侧向均匀的光谱响应；并且具有的光谱响应取决于偏压。在实施方案中，可施加空间上不均匀的偏压，例如，不同像素区域可不同程度地偏置膜。在实施方案中，在给定的依赖于空间的偏置配置中，不同像素可提供不同的光谱响应。在实施方案中，第一类像素可主要响应于可见光波长的光，而第二类像素可主要响应于红外波长的光。在实施方案中，第一类像素可主要响应于一种可见光波长颜色，诸如蓝色；并且第二类像素可主要响应于一种不同的可见光波长颜色，诸如绿色；并且第三类像素可主要响应于一种不同的可见光波长颜色，诸如红色。
在实施方案中，图像传感器可包括读出集成电路、至少一个第一类像素电极、至少一个第二类像素电极、第一光敏材料层和第二光敏材料层。在实施方案中，图像传感器可向第一类像素电极施加第一偏压；并向第二类像素电极施加第二偏压。
在实施方案中，那些对应于第一类像素电极的像素区域可表现出第一光谱响应；并且对应于第二类像素电极的像素区域可表现出第二光谱响应；其中第一光谱响应和第二光谱响应显著不同。在实施方案中，第一光谱响应可基本上限制在可见光波长区域。在实施方案中，第二光谱响应可基本上限制在可见光波长区域。在实施方案中，第二光谱响应可包括可见光谱区的部分和红外光谱区的部分。
在实施方案中，可能希望制造具有高量子效率与低暗电流相结合的图像传感器。
在实施方案中，设备可包括：第一电极；第一选择性间隔部；吸光材料；第二选择性间隔部；和第二电极。
在实施方案中，第一电极可用于提取电子。在实施方案中，第一选择性间隔部可用于促进电子的提取，但是阻挡空穴的注入。在实施方案中，第一选择性间隔部可为电子传输层。在实施方案中，吸光材料可包括半导体纳米粒子。在实施方案中，第二选择性间隔部可用于促进空穴的提取，但是阻挡电子的注入。在实施方案中，第二选择性间隔部可为空穴传输层。
在实施方案中，可仅采用第一选择性间隔部。在实施方案中，第一选择性间隔部可选自列表：TiO2、ZnO和ZnS。在实施方案中，第二选择性间隔部可为NiO。在实施方案中，第一电极和第二电极可使用相同材料制成。在实施方案中，第一电极可选自列表：TiN、W、Al和Cu。在实施方案中，第二电极可选自列表：ZnO、Al:ZnO、ITO、MoO3、Pedot和Pedot:PSS。
在实施方案中，可能希望实施图像传感器，其中感光元件可在第一间隔内被配置为累积光载流子；并且在第二间隔内将光载流子传输至电路中的另一个节点。
实施方案包括一种设备，该设备包括：第一电极；感光材料；阻挡层；和第二电极。
实施方案包括在称为积分周期的第一间隔内电偏置设备，使得光载流子被传输向第一阻挡层；并且其中光载流子在积分周期内存储为靠近与阻挡层的界面。
实施方案包括在称为传输周期的第二间隔内电偏置设备，使得在该传输周期内将存储的光载流子提取到电路中的另一个节点。
实施方案包括第一电极，该第一电极选自列表：TiN、W、Al、Cu。在实施方案中，第二电极可选自列表：ZnO、Al:ZnO、ITO、MoO3、Pedot和Pedot:PSS。在实施方案中，阻挡层可选自列表：HfO2、Al2O3、NiO、TiO2和ZnO。
在实施方案中，积分周期内的偏置极性可与传输周期内的偏置极性相反。在实施方案中，积分周期内的偏置可与传输周期内的偏置具有相同的极性。在实施方案中，传输周期内的偏置振幅可大于积分周期内的偏置振幅。
实施方案包括光传感器，其中光敏材料用作硅晶体管的栅极。实施方案包括设备，这些设备包括：耦接至晶体管的栅电极；光敏材料；第二电极。实施方案包括在栅电极和光敏材料之间的界面处累积光电子。实施方案包括累积光电子使得空穴累积在晶体管的沟道内。实施方案包括由于光照引起光电子变化而导致的晶体管中电流的变化。实施方案包括针对光敏层中光电流的每个电子/秒的变化，晶体管中的电流大于1000个电子/秒的变化。实施方案包括饱和行为，其中晶体管电流与照射的光子传输曲线具有依赖于光子注量的亚线性关系，导致动态范围的压缩和增强。实施方案包括通过向晶体管上的节点施加偏压来重置光敏层中的电荷，导致电流在重置周期内流过栅极。
实施方案包括上述图像传感器、相机系统、制造方法、算法和计算设备的组合，其中至少一个图像传感器能够在全局电子快门模式下操作。
在实施方案中，至少两个图像传感器或图像传感器区域可各自在全局快门模式下操作，并且可基本上同步采集不同波长的图像，或者从不同角度或采用不同的结构化光进行采集。
实施方案包括在模拟域中实施相关的双重采样。实施方案包括使用每个像素内包含的电路执行此操作。图20示出了可用于各个像素内以减小噪声功率的电路1100的示例性示意图；在实施方案中，结合使用第一电容器1101(C1)和第二电容器1103(C2)，如图所示。在实施方案中，根据比率C2/C1减小噪声功率。
图21示出了可在硅中实现的光电门/钉扎二极管存储电路1200的示例性示意图。在实施方案中，硅中光电门/钉扎二极管存储的实施方式如图所示。在实施方案中，存储钉扎二极管在重置期间全部耗尽。在实施方案中，C1(对应于光传感器的电容，诸如实施方案中的量子点膜)表示恒定偏压。
在各种实施方案中，可增加溢流(OF)电容器COF，如图22所示。所提出的像素还包括晶体管M4，该晶体管M4将OF电容器连接到节点FD。像素转换增益(CG)由CG＝q/CFD得出，其中q为元电荷，并且CFD为总FD节点电容。在像素重置过程中，M4晶体管导通。重置可为硬重置或软重置。软重置序列如图23-25所示。软重置使kTC噪声减小3dB，但是需要刷新操作以避免延迟和低光照条件下的信号损失。下一步通过将M4栅极电压设置为较低电平，提高M4的OFG栅极下的势垒。在M1的重置栅极下形成势垒，由此完成重置操作。现在FD节点开始采集光电荷。在低光照条件下，光电荷不进入OFD节点，如图26所示。光电荷仅在高光照条件下才开始溢流到OFD节点中，如图27所示。读出阶段从通过将RS信号设置为高水平来选择特定行的像素开始，如图28所示。现在图22中所示的列读出电路可感测RD信号。继续参考图22，列读出电路包括CDS电容器C1、CDS钳位型开关CDS1和CDS2、单斜率ADC以及列存储器6。单斜率ADC包括比较器1和锁存器2。在读出循环开始时，比较器1比较FD信号与预先确定的阈值水平。通过施加特定振幅的脉冲至比较器1的负输入来实现。如果比较器1不翻转，则CONTR逻辑块3激活CDS1钳位型开关，在OFD节点未连接时将C1充电至FD信号。如果比较器1发生翻转，则在OFG开关M4导通后激活CDS2钳位型开关。在这种情况下，列电路感测OFD和FD节点上共享的电荷。相应地，将C1充电至该信号。现在将C1中存储的信号与重置之间的差值施加于比较器1的负输入。读出循环继续执行模拟-数字转换。当比较器1翻转时，计数器信号(CNT<n:0>被锁存。在转换后，锁存的数据被串行写入列存储器6中。CONTR逻辑块3将多路复用器4控制在锁存器2输出端。在转换增益较高的情况下，通过延迟行5发送数据。例如，需要双时钟延迟以除以4，如图29所示。
在各种实施方案中，图22的电路可在像素动态范围扩展中使用，其使用小电容C例如0.5fF或电容C和3C的总和例如2fF转换电压中光生电荷来实现。
在各种实施方案中，电容器C1可在光电荷仅集成在电容器C上的时间t1(图28)处采集节点PIXOUT的电压样本(见图22)，或者在光生电荷集成在电容器C+3C上的时间t2处采集节点RB1的电压样本并保持该电压。
在各种实施方案中，在时间t1处采集样本并保持的电压V1(图28)以及在时间t2处保持的电压(图28)被放大2^(n-1)倍，其中n为整数。在这种情况下，增益放大2^n倍。
在各种实施方案中，溢流控制栅极OFG电压(图22)可静态设置为高电压或低电压。当OFG栅极电压较高时，例如约3V，像素表现为转换增益等于q/(c+3C)并且完全等于FD动态范围Vfd,max乘以(C+3C)例如2fF/1V＝12500个电子的像素。当OFG栅极电压较低时，例如约0V，像素表现为转换增益等于q/C并且完全等于C*Vfd,max例如05fF/1V＝3125个电子的像素。
OFG栅极设置较高的帧可与其中OFG栅极设置较低的帧交织，以获得熟知的“帧切换”型动态范围扩展。
另选的，OFG栅极电压可在每一行中在低电压和高电压之间切换，如图28所示。在“OFG栅极较低”的阶段，对PIXOUT上的电压与固定基准电压Vref进行比较(图28)，并且根据比较的结果，逻辑控制器CONTR(图22)在OV栅极较低或OFG栅极较高时采集电容器C1上节点PIXOUT处的电压样本。通过执行此操作，在电容器C1上采集的电压样本约等于Ne/C或Ne/2^(n-1)*C，其中Ne为在节点FD上像素中采集的光生电荷数量。
选择Vref作为电压以确定像素在低动态范围低噪声(模式1)下使用，还是在高动态范围高噪声(模式2)下使用。该电压可由于过程变化而逐列并且逐个像素改变，导致具有相同照明水平的一些像素处于模式1中，而其它像素处于模式2中。这是常见的高动态范围(HDR)效应，并且被称为“拼接”(stitching)问题。存在复杂的算法以减少并消除HDR图像中的这一问题。
此外，可沿像素阵列严格控制电容器C和3C之间的比率，因为值的任何不匹配都将在最终HDR图像中表现为像素PRNU。
在各种实施方案中，为进一步减小时间噪声，可使用多次像素重置。在每次重置之后进行转换。平均化操作使时间噪声减小n个样本的平方根。但是之前重置所引入的重置噪声仍然无影响。图30示出了通过n次重置降噪的示例。在该示例中，大多数降噪发生在n＝4的情况下。电路图如图31所示。列电路由CDS电路、单斜率ADC和列存储器5组成。ADC由比较器1和计数器2组成。在第一读出阶段，将像素信号夹合在列CDS电容器C1上。时序图如图32所示。在像素重置之后进行ADC转换。第二转换及接下来的转换不应采用全面转换(例如，不完整转换操作)，其能够最大程度减小对行时间的影响。实际上，仅在低光照条件下需要较低的时间噪声。在高光照条件下，光子噪声仍然占主导地位。因此，计数器2仅加上低于某一任意的(例如，预先确定的)阈值的信号。如果信号高于阈值，则停止信号断开Clk连接并停止计数器2。相同的停止信号控制多路复用器3。如果停止信号较高，则计数器数据无延迟进入列存储器中。否则，该数据将延迟2个时钟。如果存在4次转换，则除以4。因此，仅对低信号进行平均化操作。图33示出了除以4得到的时序图。将ADC数据写入列存储器中之后，CRST信号将计数器2重置。
在实施方案中，图像传感器包括至少一个像素，所述至少一个像素包括晶体管以将溢流电容器耦接至浮动扩散节点。在低光照条件下，光电荷被收集在浮动扩散中，但是基本上不进入溢流节点。在高光照条件下，光电荷溢流到溢流节点中。
在实施方案中，图像传感器还包括比较器以检查所述浮动扩散的信号。在实施方案中，比较器的输出将电容器充电至浮动扩散的水平。在实施方案中，比较器的输出将电容器充电至溢流节点的水平。
在实施方案中，图像传感器被配置为执行像素重置操作。像素重置操作包括使晶体管导通，以及通过将栅极电压设置为低电平来提高晶体管的栅极下的势垒。
在实施方案中，在图像传感器中确定是否基于来自像素的信号输出是否高于预先确定的阈值水平来重置像素以减小时间噪声。
在实施方案中，图像传感器被配置为将晶体管上的栅极电压静态设置为高电压电平。在实施方案中，像素被配置为具有约q/(C+3C)的转换增益，其中q为元电荷，并且C为耦接至浮动扩散节点的浮动扩散节点电容器的总电容，其中栅极电压被设置为高电压电平。
在实施方案中，图像传感器被配置为将晶体管上的栅极电压静态设置为低电压电平。在实施方案中，像素被配置为具有约q/C的转换增益，其中q为元电荷，并且C为耦接至浮动扩散节点的浮动扩散节点电容器的总电容，其中栅极电压被设置为低电压电平。
在实施方案中，图像传感器被配置为使晶体管上的栅极电压在各行中在低电压电平和高电压电平之间进行切换。
在实施方案中，图像传感器被配置为在比较器中对PIXOUT节点上的电压与固定基准电压进行比较。在实施方案中，针对两个节点中的一者确定对固定基准电压的选择，包括具有较低噪声的低动态范围模式或具有较高噪声的高动态范围模式。
在实施方案中，图像传感器被配置为逐列改变基准电压。
在实施方案中，图像传感器被配置为逐个像素改变基准电压。
在实施方案中，像素被配置为重置多次以减小时间噪声。在实施方案中，在所述多次重置中的每一次之后进行模拟-数字转换。在实施方案中，在所述多次重置中的第一次之后进行模拟-数字转换(ADC)，在所述多次重置中的后续重置之后进行部分ADC操作。在实施方案中，对来自所述多次重置的信号施加平均化操作以减小时间噪声。在实施方案中，所述多次重置的数量为四次。
在各种其它实施方案中，可通过使用与读出集成电路集成的感光材料并且使用读出集成电路读取来启用光感测。
相同的示例性实施方案包括在均于2010年6月8日提交的名称为“Stable,Sensitive Photodetectors and Image Sensors Made Therefrom Including Circuitsfor Enhanced Image Performance”的美国临时专利申请61/352,409和名称为“Stable,Sensitive Photodetectors and Image Sensors Made Therefrom Including Processesand Materials for Enhanced Image Performance”的美国临时专利申请61/352,410中，这两个临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。
在实施方案中，提供了一种手势识别方法，其中该方法包括从至少一个相机模块中的每一个采集至少两个图像的时间流；从至少一个光传感器中的每一个采集至少两个信号的时间流；以及将所述至少两个图像和所述至少两个信号传送至处理器，该处理器被配置为基于所述至少两个图像和所述至少两个信号的组合来估计手势的意义并定时。
在实施方案中，所述至少一个光传感器包括吸光材料，该吸光材料在约450nm至约650nm的可见光波长区域内具有小于约30％的吸光度。
在实施方案中，吸光材料包括PBDTT-DPP，一种近红外感光聚合物聚(2,60-4,8-双(5-乙基己基噻吩基)苯并-[1,2-b；3,4-b]二噻吩-alt-5-二丁基辛基-3,6-双(5-溴噻吩-2-基)吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮)。
在实施方案中，所述至少一个光传感器包括能够感测红外光的感光材料。
在实施方案中，方法包括使用选自空间代码和时间代码的至少一个代码对光源进行调制。
在实施方案中，光源具有在约900nm至约1000nm的范围内的发射波长。
在一个实施方案中，相机系统包括中心成像阵列区域、该中心成像阵列区域之外的至少一个感光区、称为成像模式的第一模式以及称为感测模式的第二模式。在第二模式下消耗的电力至少低于在第一模式下消耗的电力10倍。
在实施方案中，所述至少一个光传感器包括能够感测红外光的感光材料。
在实施方案中，对照射到感光材料上的光进行调制。
在实施方案中，照射到感光材料上的光的一部分将使用光发射器设备生成，该光发射器设备具有在约800nm至约1000nm的范围内的发射波长。
在实施方案中，中心成像阵列包括至少6兆像素。
在实施方案中，中心成像阵列包括宽度小于约2μm并且高度小于约2μm的像素。
在一个实施方案中，图像传感器电路包括中心成像阵列区域，该中心成像阵列区域具有第一视场；以及中心成像阵列区域之外的至少一个感光区，所述至少一个感光区具有第二视场。以角度来衡量，第二视场小于第一视场的视场的一半。
在一个实施方案中，集成电路包括：基板；图像感测阵列区域，该图像感测阵列区域占据所述半导体基板的第一区域并且包括多个光敏像素区域；用于每个像素区域的像素电路，每个像素电路包括电荷存储区和读出电路；以及感光区，该感光区处于图像感测阵列区域之外。图像感测阵列区域具有第一视场并且感光区具有第二视场；第二视场的角度小于第一视场的角度的一半。
在实施方案中，图像感测阵列和图像感测阵列区域之外的感光区中的至少一者包括能够感测红外光的感光材料。
在实施方案中，将对照射到图像感测阵列和图像感测阵列区域之外的感光区中的至少一者上的光进行调制。
在实施方案中，照射到图像感测阵列和图像感测阵列区域之外的感光区中的至少一者上的光的一部分将使用光发射器设备生成，该光发射器设备具有在约800nm至约1000nm的范围内的发射波长。
在实施方案中，图像感测阵列包括包括至少6兆像素。
在实施方案中，图像感测阵列包括宽度小于约2μm并且高度小于约2μm的像素。
在一个实施方案中，图像传感器包括中心成像阵列区域以提供对图像的像素化感测，该中心成像阵列区域与外围区域通信，该外围区域包括为像素化感光区提供偏置、读出、模拟-数字转换和信号调节的电路。光敏材料覆盖外围区域。
在实施方案中，所述至少一个光传感器包括能够感测红外光的感光材料。
在实施方案中，将对照射到感光材料上的光进行调制。
在实施方案中，照射到感光材料上的光的一部分将使用光发射器设备生成，该光发射器设备具有在约800nm至约1000nm的范围内的发射波长。
在实施方案中，中心成像阵列包括至少6兆像素。
在实施方案中，中心成像阵列包括宽度小于约2μm并且高度小于约2μm的像素。
在实施方案中，光敏材料被选择为包括至少一种材料，所述至少一种材料选自列表，该列表包括硅、胶态量子点膜和半导体聚合物。
在实施方案中，光敏材料被构造在第一基板上，随后被掺入中心成像阵列区域。
本文提供的方法和装置的各种图示旨在提供对各种实施方案的结构的一般理解，并非旨在提供可利用本文所述的结构、特征和材料的装置和方法的所有元件和特征的完整描述。
本领域的普通技术人员将认识到，对于本文所述的方法及其它方法，形成各种方法的部分的活动可在某些情况下按不同的顺序执行，以及重复、同时执行、或取代另一种方法。另外，概述的动作、操作和装置仅作为示例提供，并且某些所述的动作和操作可为任选的、合并为更少的动作和操作或扩展至附加动作和操作，而不会脱离本发明所公开的实施方案的实质。
因此，本公开不限于本专利申请所述的特定实施方案，这些实施方案旨在作为各个方面的例示。在阅读和理解本公开时，可进行许多修改和变型对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。除本文列举的那些方法和装置以外的功能上等同的方法和设备处于本公开的范围内，根据上述说明对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。一些实施方案的部分和特征可包括在其它实施方案的部分和特征中或替代其它实施方案的部分和特征。在阅读和理解本文提供的说明时，许多其它的实施方案对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。此类修改和变型旨在落入所附权利要求书的范围内。本公开仅受所附权利要求的条款以及此类权利要求的等同形式的完整范围的限制。另外应当了解，本文使用的术语只是为了描述特定实施方案的目的，并非旨在进行限制。
此外，在上述具体实施方式中，可以看到出于简化本公开的目的，将各种特征集中于单个实施方案中。本公开的这种方法不应被解释为限制权利要求。因此，据此将以下权利要求并入到具体实施方式中，其中每项权利要求如单独的实施方案那样独立存在。

Claims (20)

1.一种图像传感器，包括：
至少一个像素，所述至少一个像素包括晶体管以将溢流电容器耦接至浮动扩散节点；
其中在低光照条件下，光电荷将被收集在浮动扩散中，但是基本上不进入溢流节点；并且
其中在高光照条件下，光电荷将溢流到所述溢流节点中。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括比较器以检查所述浮动扩散上的信号。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述比较器的输出将使电容器充电至所述浮动扩散的水平。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述比较器的输出将使电容器充电至所述溢流节点的水平。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述图像传感器被配置为执行像素重置操作，所述像素重置操作包括：
导通所述晶体管；以及
通过将栅极电压设置为低电平来提高所述晶体管的栅极下的势垒。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中基于来自所述像素的信号输出是否高于预先确定的阈值水平确定是否重置像素以减小时间噪声。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述晶体管上的栅极电压将被静态设置为高电压电平。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中在所述栅极电压被设置为所述高电压电平的情况下，像素被配置为具有约q/(C+3C)的转换增益，其中q为元电荷，并且C为耦接至所述浮动扩散节点的浮动扩散节点电容器的总电容。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述晶体管上的栅极电压将被静态设置为低电压电平。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中在所述栅极电压被设置为所述低电压电平的情况下，所述像素被配置为具有约q/C的转换增益，其中q为所述元电荷，并且C为耦接至所述浮动扩散节点的浮动扩散节点电容器的总电容。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述晶体管上的栅极电压被配置为在每一行上在低电压电平和高电压电平之间进行切换。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中在比较器中对PIXOUT节点上的电压与固定基准电压进行比较。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中针对两种节点中的一者来确定对所述固定基准电压的选择，包括具有较低噪声的低动态范围模式或具有较高噪声的高动态范围模式。
14.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述基准电压被配置为逐列改变。
15.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述基准电压被配置为逐个像素改变。
16.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述像素被配置为被多次重置以减小时间噪声。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中所述多次重置中的每一次重置之后进行模拟-数字转换。
18.根据权利要求16所述的图像传感器，其中所述多次重置中的第一次重置之后进行模拟-数字转换(ADC)，并且所述多次重置中的后续重置之后进行部分ADC操作。
19.根据权利要求16所述的图像传感器，其中将对来自所述多次重置的信号施加平均化操作以减小时间噪声。
20.根据权利要求16所述的图像传感器，其中所述多次重置的数量是四次。
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