CN109863604A - 具有相位敏感像素的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
成像装置(100，200)包括被配置为将入射光子转换为电荷载流子的感光介质(302)。偏压电极(304)覆盖该感光介质并向该感光介质施加偏压电势。一个或多个像素电路(306)形成在半导体基板上。每个像素电路限定相应像素(300)并包括第一像素电极和第二像素电极(316，318)，该第一像素电极和第二像素电极(316，318)被耦接以在相应的第一位置和第二位置处从该感光介质收集该电荷载流子，并且第一传输栅极和第二传输栅极(326，328)分别靠近第一像素电极和第二像素电极。电路(700)被耦接以将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到该第一传输栅极和第二传输栅极并改变该第一电势和第二电势，以便控制由该第一电极和第二电极收集的该电荷载流子的相对比例。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月24日提交的美国临时专利申请62/411,910的权益，该申请以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及图像感测设备，并且具体地讲，涉及基于膜的图像传感器和使用此类图像传感器进行感测的方法。
背景技术
在基于膜的图像传感器中，基于硅的开关阵列覆盖有感光膜，诸如含有量子点分散体的膜。这种膜被称为“量子膜”。该开关阵列可与本领域已知的互补金属氧化物夹层(CMOS)图像传感器中所用的那些类似，通过合适的电极耦合至膜，以便读出由于入射光而累积在膜的每个像素中的光电荷。
美国专利7,923,801描述了基于此类量子膜的光电设备的材料、系统和方法，其公开内容以引用方式并入本文。
发明内容
下文描述的本发明的实施方案提供了用于操作具有增强性能的图像传感器的增强图像传感器设计和方法。
因此，根据本发明的实施方案，提供了成像装置，该成像装置包括感光介质，该感光介质被配置为将入射光子转换成电荷载流子。至少部分地透明的偏压电极覆盖在感光介质上面，并被配置为将偏压电势施加到感光介质。在半导体基板上形成一个或多个像素电路。每个像素电路限定相应像素，并包括第一像素电极和第二像素电极，该第一像素电极和该第二像素电极被耦接以在相应的第一位置和第二位置处从感光介质收集电荷载流子，该第一位置和该第二位置跨像素间隔开，并且第一传输栅极和第二传输栅极分别邻近该第一像素电极和该第二像素电极。电路被耦接以将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到该第一传输栅极和该第二传输栅极并改变该第一电势和该第二电势，以便控制由第一电极和第二电极收集的电荷载流子的相对比例。
在一些实施方案中，感光介质包括量子膜。在一个实施方案中，量子膜具有第一电荷迁移率，并且感光介质包括位于该量子膜与第一电极和第二电极之间具有高于第一电荷迁移率的第二电荷迁移率的非导电层。除此之外或另选地，该像素电路包括邻近感光介质位于第一传输栅极和第二传输栅极之间的光栅极(photogate)，并且电路被配置为偏压该光栅极，以便有利于电荷载流子传输至第一像素电极和第二像素电极。
在一些实施方案中，像素电路包括读出电路，该读出电路被配置为响应于由第一像素电极和第二像素电极分别收集的电荷载流子来输出第一信号和第二信号。在所公开的实施方案中，该装置还包括照明源和控制电路，该照明源被配置为输出具有指定的脉冲持续时间的辐射的脉冲；该控制电路被配置为与该辐射的脉冲同步地驱动一个或多个像素电路，以将具有指定脉冲持续时间的第一控制脉冲和第二控制脉冲分别顺序地施加到该第一传输栅极和该第二传输栅极，并将响应于第一控制脉冲和第二控制脉冲而输出的所述第一信号和第二信号进行比较，以便估计所述辐射的飞行时间。在典型应用中，一个或多个像素电路限定以阵列中的行和列布置的多个像素，并且控制电路被配置为在阵列上施加所估计的飞行时间，以便构造由照明源照射的对象的深度图。
根据本发明的实施方案，还提供了成像装置，该成像装置包括照明源，该照明源被配置为输出调制辐射，以及图像传感器，该图像传感器包括被配置为将入射光子转换为电荷载流子的感光介质以及至少一个偏压电极，该至少一个偏压电极是至少部分地透明的并覆盖该感光介质。在半导体基板上形成像素电路阵列。每个像素电路限定相应像素，并包括像素电极和读出电路，该像素电极被耦接以从感光介质收集电荷载流子，该读出电路被配置为响应于由像素电极收集的电荷载流子而输出信号。控制电路被耦接以向至少一个偏压电极施加电势，该电势与调制辐射同步调制，并使该至少一个偏压电极和该至少一个像素电极之间的电压在正值和负值之间周期性地变化。
在一些实施方案中，读出电路被配置为响应于由至少一个像素电极在调制电势的一个或多个完整周期上累积的电荷载流子来在每个图像帧序列中生成信号。
在所公开的实施方案中，控制电路被配置为以相同的调制图案来驱动照明源和至少一个偏压电极两者。
在一个实施方案中，至少一个偏压电极包括第一偏压电极和第二偏压电极，该第一偏压电极和该第二偏压电极覆盖感光介质的不同的、相应的第一区域和第二区域，其中该控制电路被配置为将具有不同的、相应的第一相位和第二相位(例如相隔180°)的调制图案施加到第一偏压电极和第二偏压电极，并且其中像素电路至少包括第一像素电路和第二像素电路，该第一像素电路和第二像素电路被配置为从感光介质的第一区域和第二区域收集电荷载流子。在所公开的实施方案中，该控制电路被配置为将由第一像素电路和第二像素电路输出的信号进行比较，以便估计辐射的飞行时间。
根据本发明的实施方案，还提供了一种用于成像的方法，该方法包括在感光介质上覆盖至少部分地透明的偏压电极，该感光介质被配置为将入射光子转换成电荷载流子。将一个或多个像素电路耦接到感光介质。每个像素电路限定相应像素，并包括第一像素电极和第二像素电极，该第一像素电极和该第二像素电极被配置为在相应的第一位置和第二位置处从感光介质收集电荷载流子，该第一位置和该第二位置跨像素间隔开，并且第一传输栅极和第二传输栅极分别邻近第一像素电极和第二像素电极。将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到第一传输栅极和第二传输栅极并改变第一电势和第二电势，以便控制由第一电极和第二电极收集的电荷载流子的相对比例。
根据本发明的实施方案，还提供了一种成像方法，该方法包括驱动照明源来输出调制辐射并使用图像传感器来感测辐射，该图像传感器包括被配置为将入射光子转换成电荷载流子的感光介质、覆盖在该感光介质上的至少部分地透明的至少一个偏压电极、以及像素电路阵列，每个像素电路限定相应像素，该像素电路被耦接以从感光介质收集电荷载流子并响应于收集的电荷载流子来输出信号。将与调制辐射同步调制的电势施加到至少一个偏压电极，并且使该至少一个偏压电极和该至少一个像素电极之间的电压在正值和负值之间周期性地变化。
结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的能够操作性的相机模块的示意性侧视图；
图2是根据本发明的实施方案的使用有源照明的成像系统的示意性俯视图；
图3是根据本发明的实施方案的具有双感测节点的像素的示意性截面视图；
图4是根据本发明的实施方案的电带图，其示意性地示出了沿图3中的线A-A的电势分布；
图5是根据本发明的实施方案的示意性地示出了在两个操作阶段期间沿着图3中的线B-B的电势分布的图；
图6是根据本发明的实施方案的时序图，其示意性地示出了在飞行时间成像系统中施加和在飞行时间成像系统中接收的信号；
图7是根据本发明的实施方案的示出像素控制和读出电路的电路示意图；
图8是根据本发明的实施方案的时序图，其示意性示出了施加到图7的电路中并在图7的电路中接收的信号；
图9是根据本发明的另一实施方案的电路示意图，其示出了使用有源照明的成像系统的元件；
图10是根据本发明的实施方案的示意图，其示意性示出了在图9的系统中施加和生成的波形；
图11是根据本发明的又一实施方案的电路示意图，其示出了使用有源照明的成像系统的元件；并且
图12是根据本发明的实施方案的示意图，其示意性示出了在图11的系统中施加和生成的波形。
具体实施方式
系统概述
本文所述的图像传感器可用于任何合适的成像设备中，诸如照相机、光谱仪、光传感器等。图1示出了可利用图像传感器102的相机模块100的一个示例，该图像传感器102可以如下所述的任何方式进行配置。相机模块100可包括透镜系统104，该透镜系统104可将入射光引导并聚焦到图像传感器102上。虽然在图1中示出为单个元件，但应当理解，透镜系统104实际上可包括多个透镜元件，其中的一些或全部可相对于彼此固定(例如，通过透镜镜筒等)。相机模块102能够可选地被配置为移动透镜系统104和/或图像传感器102，以执行自动对焦和/或光学图像稳定。
相机模块100还可包括一个或多个可选的滤光器，诸如滤光器106，其可沿着光学路径放置。滤光器106可反射或以其他方式阻挡某些波长的光，并且可基于滤光器的有效性基本上防止这些波长的光到达图像传感器102。例如，当图像传感器被配置为测量可见光时，滤光器106可包括红外截止滤光器。虽然在图1中示出为定位在图像传感器102和透镜系统104之间，但过滤器106可被定位成覆盖透镜系统104(相对于入射光)或可定位在透镜系统104的透镜之间。
图2示出了示例性图像传感器200的顶视图，其形成如本文所述的成像系统的一部分。图像传感器200可包括成像区域，该成像区域包括像素阵列202，该像素阵列202可包括排列成行和列的像素212，并且包括感光介质，诸如量子膜，如以下附图所示，其可用于将入射光转换为电信号。每一像素212由相应的像素电路(也被称为像素电路)限定，该像素电路是在半导体基板上形成的，如下文进一步描述。在一些情况下，像素阵列202可包括模糊区域210，该模糊区域210包括相对于入射光是模糊的(例如，被光阻挡层覆盖)至少一个像素(例如，第二多个像素)。仍可从这些像素中的一些或全部像素中读出电信号，但由于理想情况下没有光到达这些像素，因此从这些像素测量的电流可表示与图像传感器的一个或多个部件相关联的暗电流。图像传感器200(或相关联的处理电路)可在图像捕获和/或处理期间补偿暗电流水平。
图像传感器200还可包括行电路204和列电路206，它们共同可用于向各个像素传送各种信号(例如，偏压电压、复位信号)以及读出来自各个像素的信号。例如，行电路204可被配置为同时控制给定行中的多个像素，而列电路206可将像素电信号传送至其他电路以用于处理。因此，图像传感器200可包括控制电路208，该控制电路208可控制行电路204和列电路206，以及对图像传感器200执行输入/输出操作(例如，并行或串行IO操作)。
具体地讲，在下文所述的实施方案中，控制电路208读出信号，该信号来自周期性序列的读出帧中的每个读出帧中的像素212中的像素电路，同时驱动具有特定驱动和偏压信号的阵列202。该控制电路可包括模拟电路(例如，提供偏压和参考水平的电路)和数字电路(例如，图像增强电路、暂时存储行的像素值的行缓冲器、控制全局设备操作的寄存器组和/或框架格式)的组合。
在一些实施方案中，如图2所示，图像传感器200结合照明源220(诸如合适的LED或激光器)一起工作，该照明源220由驱动电路222驱动以输出调制辐射，诸如脉冲序列。在本文称为有源照明方案的一些实施方案中，照明源220向目标输出调制辐射，并且图像传感器200检测从目标反射的调制辐射。照明源220可发射处于图像传感器200敏感的任何合适的波长波段中的辐射，例如在可见、红外和/或紫外波段中。假设图像传感器200包括量子膜，则近红外波长(例如，约940nm)可方便地由具有高量子效率的图像传感器使用和检测。控制单元230将合适的控制信号施加到驱动电路222和图像传感器200两者，以便使图像传感器的某些检测功能与由照明源220输出的照明的调制同步。下文描述了多种此类调制情形。
附加地或另选地，控制单元230可被配置为对像素阵列202输出的图像数据执行更高水平的图像处理功能。为此，在一些实施方案中，控制单元230包括可编程处理器，诸如微处理器或数字信号处理器，其可在软件中被编程以执行图像处理功能。例如，此类处理器可被编程为估计由照明源220发射并由图像传感器200感测的辐射的飞行时间，如下文所述。此外，该处理器可在阵列202上施加估计的飞行时间，以便构造由照明源照射的对象的深度图，其中由图像传感器的每个像素测量的飞行时间指示到对象上的对应点的距离开始被映射。另选地，此类处理功能可由独立的计算机或其他图像处理器(图中未示出)执行，该处理功能从图像传感器200接收图像数据。
虽然控制单元230和控制电路208在图2中示出，但是为了概念清晰，作为独立的功能块，在实施过程中这些功能部件可以组合在单个芯片或芯片组中。因此，除非另外指明，否则在以下描述和权利要求书中对控制电路的引用应被理解为统称为控制电路208和控制单元230。
差异飞行时间检测
图3是根据本发明的实施方案的具有双感测节点320、322的像素300的示意性截面视图。通常，像素300是此类像素阵列中的一个像素，诸如阵列202中的像素212，但另选地，该实施方案的原理可应用于单个像素检测器中。
像素300包括感光介质302，该感光介质302将入射光子转化为电荷载流子(电子和空穴)。在所描绘的示例中，感光介质302包括如上限定的量子膜312，其具有下面的非导电层314。通常，量子膜312具有低电荷迁移率，并且层314(例如，包含硅或ZnO)具有高电荷迁移率，以有利于收集在量子膜312中产生的电荷载流子。
至少部分地透明的偏压电极304覆盖感光介质302，并由控制电路208驱动以向感光介质施加偏压电势。在半导体基板308(诸如硅晶片)上形成的像素电路306从感光介质的对应像素收集电荷载流子。像素电路306包括一对像素电极316和318，其在像素的相对两侧上间隔开的相应位置处从感光介质302收集电荷载流子。电极316和电极318通常延伸穿过绝缘层310诸如一层或多层SiO2到达相应的感测节点320和322，该感测节点可通过例如浮动扩散形成在基板308上。
为了控制像素电极316和318对电荷载流子的收集，像素电路306还包括分别邻近像素电极的传输栅极326和328(标记为TX1和TX2)。如参照以下附图所详细解释的，像素电路306施加不同的相应电势到传输栅极326和传输栅极328并改变这些电势，以便控制由两个像素电极收集并存储在感测节点320和感测节点322处的电荷载流子的相对比例。位于传输栅极326和传输栅极328之间在感光介质312附近的光栅极324被偏压，以便有利于电荷载流子向像素电极的传输。相对于偏压电极324，光栅极304上的偏压产生用于收集光电荷的势阱，并且在量子膜312上施加足够的电场以最大化量子效率。
图4为根据本发明的实施方案的电带图，其示意性地示出了沿着图3中的线A-A的电势分布400，示出了像素300的操作原理。在本示例中，像素300被配置用于电子收集，但相同的原理可以加以必要的变更后，应用于空穴收集。在感光介质302和绝缘层310之间的界面处，移动电子404被收集在感光材料302的势带402上方的导带中。高迁移率层314有利于储存和快速传输所收集的光电荷，同时为空穴形成势垒以避免不希望的重组。
图5是根据本发明的实施方案的图，其示意性地示出了在像素300操作的两个阶段502和504期间沿着图3中的线B-B的电势分布。在阶段502(标记为阶段1)期间，传输栅极326以高水平506偏压，而传输栅极328以低水平508偏压。因此，跨光栅极324收集的电荷将流向感测节点320(SN1)，因此相对于在感测节点322(SN2)处在该阶段中收集的较低电荷水平512产生高电荷水平510。在阶段504期间，偏压水平反转，其中传输栅极328偏压高且传输栅极326偏压低，使得所收集的电荷以与感测节点322相比更大的相对比例流动。
图6是根据本发明的实施方案的时序图，其示意性地示出了基于上述原理施加到飞行时间成像系统并在其中接收的信号。该图示出了在图2所示的种类的系统中使用像素300。照明源220输出具有指定脉冲持续时间TP的辐射的脉冲602的序列600。该脉冲从场景中的目标反射并返回到具有延迟TD的图像传感器200，如通过所接收的脉冲612的序列610所示。延迟TD取决于脉冲往返于目标的飞行时间，这是目标与照明源和图像传感器的距离的函数。
控制单元230与脉冲602同步地驱动像素电路306，如迹线620和迹线630所示，迹线620和630分别包括施加到传输栅极326和传输栅极328的控制脉冲622和控制脉冲632。在阶段502期间施加脉冲622，因此将迹线620标记φ(TX1)；而在阶段504期间施加脉冲632，并且迹线630被标记φ(TX2)。脉冲622和632具有与脉冲602相同的持续时间TP。脉冲622与脉冲602同相，而脉冲632被延迟等于脉冲持续时间TP的时间。将在感测节点320和感测节点322处收集的光电荷的量取决于脉冲622和脉冲632中的每一者与所接收的脉冲612之间的相应重叠624和重叠634，其继而取决于延迟TD。控制单元230因此可基于分别从感测节点320和322输出的信号来估计辐射的飞行时间。
该飞行时间的估计可如下来进行：传输到感测节点320中的电荷Q1的量由以下公式给出：
Q1＝IPH*(TP–TD),(1)
其中IPH为由于反射的照明脉冲而引起的光电流。传输到感测节点322中的电荷Q2的量由以下公式给出`：
Q2＝IPH*TD.(2)
Td可从公式(1)和公式(2)中找到：
TD＝TP*Q2/(Q1+Q2)(3)
然后给出自反射脉冲612的到目标的距离L：
L＝c*TD*Q2/(2*(Q1+Q2)),(4)
其中c为光的速度。控制单元230可在整个像素阵列300上汇编这些距离测量，以便构造由照明源220照明并成像到图像传感器200上的场景的深度图。
对于较低的距离和较高的分辨率，较短的照明脉冲给出更好的结果。例如，10ns的脉冲宽度对于约1m的最大范围是有用的。来自像素300的信号可积聚在多个连续脉冲上以提高准确性，只要场景中的对象不移动的话。最大范围由以下公式给出：
Lmax＝c*TP/2(5)
深度分辨率取决于照明脉冲持续时间和收集的电荷。忽略噪音和可能的偏移或背景电荷，范围分辨率由以下公式给出：
σL＝c*TP/(4*(N1+N2)1/2),(6)
其中N1为感测节点320处收集的电子的数量，并且N2为感测节点322处收集的电子的数量。
图7是根据本发明的实施方案的示出像素控制和读出电路700的电路示意图。电路700是像素电路306的一部分，并响应于经由相应像素电极316和318在感测节点320和322处收集的电荷载流子将信号输出至图像传感器的读取总线。如图7所示，电路700包括三栅极电荷耦合电路702，该三栅极电荷耦合电路包括光栅极324以及传输栅极326和传输栅极328，以及读出电路704和读出电路706，它们分别将感测节点320和感测节点322耦合至读取总线1和读取总线2。读出电路706和读出电路704分别包括复位晶体管T2和复位晶体管T5，源极跟随器晶体管T3和源极跟随器晶体管T6，以及选择晶体管T4和选择晶体管T7。
图8是根据本发明的实施方案的时序图，其示意性示出了施加到读出电路704和706并在读出电路704和706中接收的信号。如迹线806和808所示，当电荷积聚阶段502和504两者都已经完成，并且感测节点320和322相应地累积了相应的电荷水平时，开始像素读出。在选择(SEL)信号变高时开始读出，如迹线802所示。像素源极跟随器T3和T6因此连接到相应的读取总线。至总线的输出信号将与相应感测节点320和322中累积的电荷成比例。如示为迹线804的复位(RST)信号开启复位晶体管T2和T5。感测节点320和322处的电势现在被复位为VPIX，并且在读取的总线上测量复位电压。
具有偏压调制的图像传感器
图9是根据本发明的另一实施方案的电路示意图，其示出了使用照明源220的有源照明的成像系统900的元件。本实施方案和随后的附图呈现图像传感器200中的像素212的可供选择的具体实施，这尤其可用于降低成像系统对环境照明(即源自照明源220之外的源的照明)的易损性。如同前述实施方案，图9示出了成像阵列的单个像素，其通常在多个行和列上可再现。
在系统900中，图像传感器的每个像素902包括感光介质904，诸如量子膜，其将入射光子转换为电荷载流子。至少部分地透明的偏压电极906覆盖感光介质。像素电路阵列908形成在半导体基板上，例如硅晶片。如同前述实施方案，每个像素电路限定了感测阵列的相应像素，并包括像素电极(为简单起见从附图中省略)，该像素电极被耦接以从感光介质904收集电荷载流子。包括在该示例晶体管M1、M2和M3中的像素电路908中的读出电路响应于由像素电极收集的电荷载流子而输出信号。
控制电路，诸如控制单元230(图2)对偏压电极906施加电势，该偏压电极906与照明源220发射的辐射同步调制。在图示示例中，该调制函数由信号发生器910实现，该信号发生器向照明源220和偏压电极906两者的驱动电路222输出相同的、同样的调制图案。标记为“V膜”的调制图案可包括任何合适种类的具有零平均值的周期性信号，诸如例如正弦、方波或锯齿。该调制使照明源220与调制信号的正相或负相同步以调制频率发射脉冲，并且使偏压电极906和像素电极之间的电压在正值和负值之间周期性地变化。
在由图像传感器捕获的每个图像帧中，像素电路908积聚电荷，并基于由像素电极在整个感光介质904上的调制电势的整数个(一个或多个)完整周期内累积的电荷载流子，来生成输出信号。在调制的正相期间，像素电路908累积电子，而在负相期间，像素电路累积空穴。假设介质904的光响应为对称的或至少无变化、约为零，并且像素电路908在整数个周期内积聚电荷，则在恒定照射下像素电极处的净电荷累积将大约为零。换句话讲，入射在感光介质904上的环境辐射将导致在相应阶段期间收集大致相等数量的电子和空穴，从而导致光电荷的净消除。
另一方面，因为由照明源220发射的照明脉冲与信号相位之一同步，所以由像素902接收的反射照明脉冲将仅导致电子或空穴累积，这取决于照明脉冲与之同步的相位。与前述实施方案相比之下，在这种情况下，期望调制图案的频率足够低，使得由像素902接收的发射脉冲与其反射之间的相移较小。因此，像素电路908输出的信号将指示由像素902接收的来自照明源220的反射脉冲的强度，而环境辐射的影响被固有地抑制。
图10是根据本发明的实施方案的示意图，其示意性示出了在系统900中应用和生成的波形。照明脉冲由迹线1002表示，而像素902的对应积聚周期由迹线1004示出。感光材料904为无偏压的，并且因此在积聚开始时(在时间t0处)不积聚任何电荷，同时照明源220为关闭。在t0处，对于感光材料和照明源两者的偏压，调制开始，如迹线1006所示。在t0和t1之间，像素902积聚电子，并且例如，照明源220为开启。在t1和t2之间，像素902集成空穴，而照明源220为关闭。
由于环境照明而累积的光电荷由积聚到零的迹线1008示出。另一方面，由于照明脉冲而累积的光电荷由迹线1010示出。在结束时间t2处，留在像素902的感测节点上的电荷是由于有源照明的电荷。全部(或几乎全部)背景光被拒绝，因为背景积聚电子的数量等于背景积聚空穴的数量。
图11是根据本发明的又一实施方案的电路示意图，其示出了使用有源照明的成像系统1100的元件。在这种情况下，由信号发生器910提供的调制频率足够高，使得由照明源220发射的辐射脉冲与感光介质904接收的反射脉冲之间存在显著的相移。因此，由像素电路1108和1110输出的信号之间的差异可给出辐射脉冲的飞行时间的指示，同时如前述实施方案中同一时间处拒绝环境光背景。
在系统1100中，两个或更多个不同的偏压电极1102和1104覆盖感光介质904的不同的相应区域。如信号发生器910中所体现，控制单元230将具有不同的相应相位的调制图案施加到偏压电极。在图示示例中，逆变器1106将施加到电极1102和1104的偏压的相位设定为相隔180°。或者，可在一组两个或更多个偏压电极上施加更精细分辨率的相位延迟。
像素电路1108和1110分别从感光介质904的由电极1102和1104偏压的不同区域收集电荷载流子。然后电路1108和电路1110输出的信号将以类似于参考图3的实施方案所示和所述的方式反映照明脉冲与入射到感光介质上的延迟脉冲、反射脉冲之间的时间重叠程度。控制单元230因此可比较由像素电路1108和1110输出的信号，以便估计辐射脉冲的飞行时间。
图12是根据本发明的实施方案的示意图，其示意性示出了在系统1100中为此目的应用和生成的波形。像素电路1108和1110的积聚周期由迹线1202示出。在该周期的前半部期间，照明源220发射脉冲1204。电极1102上偏压的正相与脉冲1204同步，如迹线1206所示。电极1104上的偏压相位相对于该迹线是反向的。
响应于积聚周期期间的累积电荷，像素电路1108和1110输出由相应迹线1212和1214表示的信号。这些迹线的第一对1210示出了响应于附近对象输出的信号，对于该对象，反射脉冲将与迹线1206的正相大部分地同相。迹线的第二对1220示出了远距对象的相反情况，对于该对象，相位被反向。控制单元230通过获取迹线1212和1214之间的差值来估计对象距离。对于近对象，差值为正，如迹线1230所示，而对于远距对象，差值为负，如由第二迹线1232所示。
应当理解，上文所描述的实施方案以示例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。
Claims (20)
1.一种成像装置，包括：
感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电荷载流子；
偏压电极，所述偏压电极是至少部分地透明的并覆在所述感光介质上面，并被配置为将偏压电势施加到所述感光介质；和
一个或多个像素电路，所述一个或多个像素电路形成在半导体基板上，每个像素电路限定相应像素并包括：
第一像素电极和第二像素电极，所述第一像素电极和所述第二像素电极被耦接以在相应的第一位置和第二位置处从所述感光介质收集所述电荷载流子，所述第一位置和第二位置跨所述像素间隔开；
第一传输栅极和第二传输栅极，所述第一传输栅极和所述第二传输栅极分别邻近所述第一像素电极和所述第二像素电极；和
电路，所述电路被耦接以将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到所述第一传输栅极和所述第二传输栅极并改变所述第一电势和所述第二电势，以便控制由所述第一电极和所述第二电极收集的所述电荷载流子的相对比例。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述感光介质包括量子膜。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述量子膜具有第一电荷迁移率，并且其中所述感光介质在所述量子膜与所述第一电极和所述第二电极之间包括非导电层，所述非导电层具有高于所述第一电荷迁移率的第二电荷迁移率。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述像素电路在所述第一传输栅极和所述第二传输栅极之间包括光栅极，所述光栅极邻近所述感光介质，并且其中所述电路被配置为对所述光栅极施加偏压，以便有利于将所述电荷载流子传输至所述第一像素电极和所述第二像素电极。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述像素电路包括读出电路，所述读出电路被配置为响应于由所述第一像素电极和所述第二像素电极分别收集的电荷载流子来输出第一信号和第二信号。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括：
照明源，所述照明源被配置为输出具有指定脉冲持续时间的辐射的脉冲；和
控制电路，所述控制电路被配置为与所述辐射的所述脉冲同步地驱动所述一个或多个像素电路，以将具有所述指定脉冲持续时间的第一控制脉冲和第二控制脉冲分别顺序地施加到所述第一传输栅极和所述第二传输栅极，并将响应于所述第一控制脉冲和所述第二控制脉冲而输出的所述第一信号和所述第二信号进行比较，以便估计所述辐射的飞行时间。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述一个或多个像素电路限定以阵列的行和列布置的多个像素，并且其中所述控制电路被配置为在所述阵列上施加所估计的飞行时间以便构造由所述照明源照射的对象的深度图。
8.一种成像装置，包括：
照明源，所述照明源被配置为输出调制辐射；和
图像传感器，所述图像传感器包括：
感光介质，所述感光介质被配置为将入射光子转换为电荷载流子；
至少一个偏压电极，所述至少一个偏压电极是至少部分地透明的并覆在所述感光介质上；和
像素电路的阵列，所述像素电路的阵列形成在半导体基板上，每个像素电路限定相应像素并包括像素电极和读出电路，所述像素电极被耦接以从所述感光介质收集所述电荷载流子，所述读出电路被配置为响应于由所述像素电极收集的所述电荷载流子而输出信号；和
控制电路，所述控制电路被耦接以向所述至少一个偏压电极施加电势，所述电势与所述调制辐射同步调制并使所述至少一个偏压电极和所述至少一个像素电极之间的电压在正值和负值之间周期性地变化。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述读出电路被配置为在图像帧序列中的每个图像帧中响应于由至少一个像素电极在所述调制电势的一个或多个完整周期上累积的电荷载流子来生成所述信号。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述感光介质包括量子膜。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述控制电路被配置为以相同的调制图案驱动所述照明源和所述至少一个偏压电极两者。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，其中所述至少一个偏压电极包含第一偏压电极和第二偏压电极，所述第一偏压电极和所述第二偏压电极覆在所述感光介质的不同的、相应的第一区域和第二区域上，
其中所述控制电路被配置为将具有不同的、相应的第一相位和第二相位的调制图案施加到所述第一偏压电极和第二偏压电极，并且
其中所述像素电路至少包括第一像素电路和第二像素电路，所述第一像素电路和所述第二像素电路被配置为从所述感光介质的所述第一区域和所述第二区域收集所述电荷载流子。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一相位和所述第二相位相隔180°。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述控制电路被配置为将由所述第一像素电路和所述第二像素电路输出的所述信号进行比较，以便估计所述辐射的飞行时间。
15.一种用于成像的方法，包括：
将至少部分地透明的偏压电极覆在感光介质上，所述感光介质被配置为将入射光子转换成电荷载流子；
将一个或多个像素电路耦接到所述感光介质，每个像素电路限定相应像素并包括第一像素电极和第二像素电极以及第一传输栅极和第二传输栅极，所述第一像素电极和所述第二像素电极被配置为在相应的第一位置和第二位置处从所述感光介质收集所述电荷载流子，所述第一位置和所述第二位置跨所述像素间隔开，并且第一传输栅极和第二传输栅极分别邻近所述第一像素电极和所述第二像素电极；以及
将不同的、相应的第一电势和第二电势施加到所述第一传输栅极和所述第二传输栅极并改变所述第一电势和所述第二电势，以便控制由所述第一电极和所述第二电极收集的所述电荷载流子的相对比例。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于分别由所述第一像素电极和所述第二像素电极收集的所述电荷载流子来输出第一信号和第二信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括将具有指定脉冲持续时间的辐射的脉冲导向目标，
其中施加所述不同的、相应的第一电势和第二电势包括与所述辐射的所述脉冲同步地驱动所述一个或多个像素电路，以将具有所述指定脉冲持续时间的第一控制脉冲和第二控制脉冲分别顺序地施加到所述第一传输栅极和所述第二传输栅极，并且
其中所述方法包括将响应于所述第一控制脉冲和所述第二控制脉冲而输出的所述第一信号和所述第二信号进行比较，以便估计所述辐射的飞行时间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述一个或多个像素电路限定以阵列中的行和列布置的多个像素，并且其中所述方法包括在所述阵列上施加所估计的飞行时间以便构造由所述照明源照射的对象的深度图。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中所述感光介质包括量子膜。
20.一种用于成像的方法，包括：
驱动照明源以输出调制辐射；
使用图像传感器来感测所述辐射，所述图像传感器包括被配置为将入射光子转换成电荷载流子的感光介质、覆在所述感光介质上的至少部分地透明的至少一个偏压电极、以及像素电路的阵列，每个像素电路限定相应像素，所述像素电路被耦接以从所述感光介质收集所述电荷载流子并响应于所收集的电荷载流子来输出信号；以及
向所述至少一个偏压电极施加电势，所述电势与所述调制辐射同步调制并使所述至少一个偏压电极和所述至少一个像素电极之间的所述电压在正值和负值之间周期性地变化。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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