CN116941040A - 成像设备和测距系统 - Google Patents

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Abstract

一种成像设备(1)，包括半导体基板(66)、第一像素阵列(11)、第二像素阵列(12)和控制单元(40)。第一像素阵列(11)设置在半导体基板(66)上并且具有其中按顺序叠层第一电极(77)、光电转换层(79)和第二电极(80)的叠层结构。在第一像素阵列(11)中，二维地布置有用于对包括可见光范围的第一波长范围的光进行光电转换的第一光接收像素(13)。第二像素阵列(12)具有用于对包括红外光范围的第二波长范围的光进行光电转换的第二光接收像素(14)的二维阵列，第二光接收像素(14)被设置在半导体基板(66)的厚度方向上与第一光接收像素(13)重叠的位置处。控制单元(40)基于通过第一像素阵列(11)的光电转换获得的信号来驱动控制第二像素阵列(12)。

Description

成像设备和测距系统
技术领域
本公开涉及一种成像设备和测距系统。
背景技术
存在通过叠层捕获可见光图像的像素阵列和捕获红外光图像的像素阵列形成的成像设备。这种成像设备包括使用红外光图像的信息控制可见光图像的成像的装置(例如，参照专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 2018-142838 A
发明内容
技术问题
然而，在上述传统技术中不能有效地使用可见光图像的信息。
因此，本公开提出了能够有效地使用可见光图像的信息的成像设备和测距系统。
问题的解决方案
根据本公开，提供了一种成像设备。成像设备包括半导体基板、第一像素阵列、第二像素阵列以及控制单元。在第一像素阵列中，被二维布置第一光接收像素，设置在半导体基板上的第一光接收像素具有其中第一电极、光电转换层和第二电极顺序叠层的叠层结构，并且第一光接收像素对包括可见光区域的第一波长区域中的光进行光电转换。在第二像素阵列中，二维地布置第二光接收像素，该第二光接收像素设置在半导体基板的厚度方向上与半导体基板中的第一光接收像素重叠的位置处，并且第二光接收像素对包括红外光区域的第二波长区域内的光进行光电转换。控制单元基于由第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制第二像素阵列。
附图说明
图1是示出根据本公开的测距系统的配置实例的说明图。
图2是示出根据本公开的成像设备的配置实例的说明图。
图3是根据本公开的像素阵列的说明性截面视图。
图4是示出了根据本公开内容的第一读出电路的实例的电路图。
图5是以平面图示出根据本公开的像素的布置实例的说明图。
图6是以平面图示出根据本公开的像素的布置实例的说明图。
图7是以平面图示出根据本公开的像素的布置实例的说明图。
图8是以平面图示出根据本公开的像素的布置实例的说明图。
图9是示出根据本公开的成像设备的操作实例的说明图。
图10是示出由根据本公开的成像设备执行的处理的实例的流程图。
图11是示出由根据本公开的成像设备执行的处理的变形例的流程图。
图12是示出根据本公开的变形例的测距系统的配置实例的说明图。
图13是示出由根据本公开的变形例的成像设备执行的处理的实例的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施方式。注意，在以下实例中，相同的部件由相同的附图标记表示，使得可以省略冗余的描述。
[1.测距系统的配置实例]
图1是示出根据本公开的测距系统的配置实例的说明图。图1中示出的测距系统100是例如实现d(直接)TOF传感器的系统，该系统捕捉用红外光照射的被摄体的红外光图像(在下文中可称为“距离图像”)并且基于光时(TOF)从距离图像测量到被摄体的距离。测距系统100可以是实现i(间接)ToF的系统。
测距系统100包括光源101、成像光学系统102、成像设备1、图像信号处理器(ISP)103、输入设备104、显示设备105、以及数据存储单元106。
光源101是用红外光照射测距的被摄体的红外光激光器。光源101由ISP 103驱动和控制，并且在以预定高频率高速闪烁的同时发射红外光。成像光学系统102包括在成像设备1的光接收单元上形成由被摄体反射的红外光的图像的透镜等。
成像设备1是捕捉距离图像(其作为被摄体的红外光图像)并将距离图像的图像数据输出到ISP 103的设备。成像设备1不仅可以捕捉距离图像，而且可以捕捉可见光图像。当成像设备1捕获可见光图像时，它根据需要将可见光图像的图像数据输出到ISP 103。
ISP 103驱动并控制光源101，基于红外光的飞行时间和相对于输入光的相移信息根据从成像设备1输入的距离图像的图像数据测量到被摄体的距离，并将测量结果和距离图像输出到显示设备105和数据存储单元106。此外，在可见光图像的图像数据从成像设备1输入的情况下，ISP 103根据需要将可见光图像的图像数据输出到显示设备105和数据存储单元106。此外，ISP 103还可以根据需要将通过组合距离信息和RGB信息而获得的彩色三维信息输出到显示设备105和数据存储单元106。
显示设备105例如是液晶显示器，并且显示由ISP 103测量的距离测量结果、红外光图像或可见光图像。数据存储单元106例如是存储器，并存储由ISP 103测量的距离测量结果、红外光图像的图像数据或可见光图像的图像数据。
输入设备104接收用于执行测距系统100的各种设置的用户操作和用于使测距系统100执行测距的用户操作，并且向ISP 103输出与用户操作对应的信号。
成像设备1包括像素阵列10、模数(AD)转换单元20以及数据处理单元30。图1示出了成像设备1的一些部件。稍后将参考图2描述成像设备1的具体配置实例。
像素阵列10将从成像光学系统102入射的光光电转换为距离图像的像素信号和可见光图像的像素信号，并将像素信号输出至AD转换单元20。AD转换单元20对距离图像和可见光图像的像素信号执行AD转换，并且将转换的信号输出到数据处理单元30。数据处理单元30对距离图像和可见光图像的图像数据执行各种类型的图像处理和图像分析，并将图像处理和图像分析之后的图像数据输出到ISP 103。
这里，在测距系统100是iToF传感器的情况下，例如，需要从四个(次)相位数据计算距离图像(距离数据)。即，在存储器中暂时累积四次相位数据，然后计算以创建一个距离图像(距离数据)。在这种情况下，需要独立于数据存储单元106(例如，闪存)安装临时存储相位数据的存储器单元(例如，诸如静态随机存取存储器(SRAM)的存储器)。
因为SRAM是能够高速写入和读出信息的存储器，所以SRAM适合于需要高速执行的距离计算处理。这种存储器仅需要能够仅在电源接通时存储信息。在iToF传感器的情况下，测距系统100使用内置在ISP 103中的存储器来临时存储相位数据。
在测距系统100中，为了提高测距精度，需要操作光源101和以高频捕捉距离图像的像素阵列10，因此，功耗高于普通可见光传感器的功耗。响应于该问题，测距系统100通过有效地使用成像设备1中的可见光图像的数据来降低功耗。
具体地，成像设备1首先捕获成像所需的具有相对低功耗的可见光图像，并且直到从可见光图像检测到移动物体才捕获距离图像。然后，当成像设备1在可见光图像中检测到移动物体时，成像设备1使光源101发射光，并且捕获需要相对高功耗的用于成像的距离图像以执行测距。这允许测距系统100适当地降低功耗。接下来，将描述成像设备1的配置实例。
[2.成像设备的配置实例]
图2是示出根据本公开的成像设备的配置实例的说明图。如图2所示，成像设备1包括像素阵列10、全局控制电路41、第一行控制电路42、第二行控制电路43、第一读出电路21、第一数据处理单元22、第二读出电路23和第二数据处理单元24。全局控制电路41、第一行控制电路42和第二行控制电路43包括在图1中所示的控制单元40中。
像素阵列10包括第一像素阵列11和第二像素阵列12。在第一像素阵列11中，二维地(以矩阵)布置对应于可见光图像的每个像素的多个第一光接收像素(在后文中称为“第一像素”)13。在第二像素阵列12中，二维地(以矩阵)布置与红外光图像的每个像素对应的多个第二光接收像素(以下称为“第二像素”)14。
第一像素13将包括可见光区域的第一波长区域内的光光电转换成对应于所接收的光量的信号电荷。这里，第一像素13光电转换红光、绿光和蓝光。第二像素14光电转换包括红外光区域的第二波长区域内的光。这里，第二像素14将红外光光电转换为与接收的光量对应的信号电荷。
第一像素阵列11叠层在第二像素阵列12上。第一像素阵列11光电转换入射可见光以捕获可见光图像。第二像素阵列12对透过第一像素阵列传输的红外光进行光电转换并捕捉红外光图像。因此，成像设备1可使用一个像素阵列10捕获可见光图像和红外光图像。
全局控制电路41基于来自ISP 103的控制信号，控制第一行控制电路42和测距脉冲生成单元50。第一行控制电路42驱动并控制第一像素阵列11以捕获可见光图像。第一像素阵列11将可见光光电转换为信号电荷并累积信号电荷。第一读出电路21从第一像素阵列11中读出与信号电荷对应的信号，并且将该信号输出到第一数据处理单元22。
第一数据处理单元22对从第一读出电路21输入的信号执行AD转换以获取可见光图像的图像数据，并且对图像数据执行预定的图像处理和图像分析。第一数据处理单元22根据需要将图像处理和图像分析之后的图像数据输出到ISP 103。
此外，第一数据处理单元22将图像分析的结果输出至第二行控制电路43以运行第二行控制电路43。这里，作为图像分析，第一数据处理单元22确定例如可见光图像中的被摄体是否正在移动，并且仅在被摄体正在移动的情况下运行第二行控制电路43。
即，第一数据处理单元22从由第一像素阵列11捕捉的图像数据中检测具有变化的第一像素13。这里，具有变化的第一像素13是例如其中在先前帧的图像数据中累积的信号电荷量与在当前帧的图像数据中累积的信号电荷量之间的差超过阈值的第一像素13。
然后，在由第一数据处理单元22检测到具有变化的第一像素13的情况下，第二行控制电路43开始驱动第二像素阵列12。因此，成像设备1可适当地减少驱动第二像素阵列12所需的功耗。
此外，第一数据处理单元22可以被配置为控制第二读出电路23，以便仅从与具有变化的第一像素13对应的第二像素14中读出信号。因此，成像设备1还可以降低第二读出电路23的功耗。
此外，第一数据处理单元22还可使第二行控制电路43仅驱动与在第一像素阵列11中具有变化的第一像素13对应的第二像素14。因此，成像设备1可进一步降低驱动第二像素阵列12所需的功耗。
代替使用被摄体是否正在移动的二进制值，第一数据处理单元22也可设置针对第一像素阵列11中的变化量的阈值，并且使第二行控制电路43仅驱动与由于被摄体的移动而导致的变化量超过阈值的第一像素13对应的第二像素。因此，成像设备1可最小化将被驱动的第二像素14的数量。
此外，第一数据处理单元22可被配置为根据第一像素阵列11的变化来改变第二行控制电路43的操作频率。例如，当第一像素阵列11中的变化(被摄体的移动速度)较大时，第一数据处理单元22增加第二行控制电路43的操作频率。因此，成像设备1可使用第二像素阵列捕捉具有高移动速度的被摄体的清晰图像。
在第一数据处理单元22确定被摄体正在移动的情况下，第二行控制电路43驱动并控制第二像素阵列12捕捉红外光图像。第二像素阵列12将红外光光电转换为信号电荷并累积信号电荷。第二读出电路23从第二像素阵列12读出与信号电荷对应的信号，并且将该信号输出到第二数据处理单元24。
第二数据处理单元24对从第二读出电路23输入的信号执行AD转换，以获取作为红外光图像的距离图像的图像数据，对图像数据执行预定图像处理，并将图像数据输出到ISP103。
第二像素阵列12中待驱动的第二像素14的范围不仅由第一数据处理单元22确定。例如，待驱动的第二像素14的范围可以由控制单元40(第二行控制电路43)确定，可以由专用确定电路确定，或者可以由ISP 103确定。
在这种情况下，第二行控制电路43、确定电路、或ISP 103从第一数据处理单元22获取可见光图像的图像数据，并且从图像数据中检测具有变化的第一像素13。然后，第二行控制电路43、确定电路、或ISP 103将布置在与检测到的第一像素13重叠的位置处的第二像素14的范围确定为待驱动的第二像素14的范围。
在测距系统100是iToF传感器的情况下，由于不能从一个(一次)距离图像计算距离，因此还可例如将距离图像存储在ISP 103内部的存储器中并且根据存储在ISP 103内部的多个距离图像计算到被摄体的距离，如上所述。
[3.像素阵列的截面结构]
接下来，将参照图3描述根据本公开的像素阵列的截面结构。图3是根据本公开的像素阵列的说明性截面视图。图3示意性示出了对应于一个第二像素14的部分中的像素阵列10的截面。应注意，此处，为了方便起见，在图3中示出的正交坐标系中的Z轴的正方向将被称为“上”侧，并且为了方便起见，Z轴的负方向将被称为“下”侧。
如图2所示，像素阵列10包括具有其中第二像素14和第一像素13在作为厚度方向的Z轴方向上叠层的结构的所谓的垂直分光成像元件。像素阵列10包括设置在第二像素14与第一像素13之间的中间层60，以及设置在从第二像素14观看时与第一像素13相对的一侧的多层配线层61。
此外，在像素阵列10中，密封膜62、滤色器63、平坦化膜64、以及片上透镜65从第一像素13观看的与中间层60相对的一侧的靠近第一像素13的位置依次沿着Z轴的正方向叠层。
第一像素13是基于TOF获取距离图像(距离信息)的间接TOF(以下称为“iTOF”)传感器。第一像素13包括半导体基板66、光电转换区域67、固定电荷层68、一对栅极电极69A和69B、浮置扩散70A和70B、以及贯通电极71。
半导体基板66是例如n型硅基板，并在其内部的预定区域中具有P阱。半导体基板66的下表面面向多层配线层61。半导体基板66的上表面面向中间层60，并且具有微细的凹凸结构。利用该配置，半导体基板66的上表面产生使入射的红外光适当散射以增加光路长度的效果。注意，微细的凹凸结构也可以形成在半导体基板66的下表面上。
光电转换区域67是包括正本征负(PIN)型光电二极管的光电转换元件。光电转换区域67主要从入射在像素阵列10上的光中接收具有在红外区域中的波长的光(红外光)，并且将接收的光光电转换成对应于接收的光量的信号电荷并且累积信号电荷。
固定电荷层68设置成覆盖半导体基板66的上表面和侧表面。固定电荷层68包含负的固定电荷，该负的固定电荷抑制由于用作光接收表面的半导体基板66的上表面的界面状态产生暗电流。
固定电荷层68在半导体基板66的上表面附近形成空穴累积层，并且空穴累积层抑制从半导体基板66的上表面产生电子。固定电荷层68也在像素间区域遮光壁72与光电转换区域67之间延伸。
栅极电极69A和69B从半导体基板66的下表面延伸到到达光电转换区域67的位置。当施加预定电压时，栅极电极69A和69B将在光电转换区域67中累积的信号电荷转移到浮置扩散70A和70B。
浮置扩散70A和70B是临时保持从光电转换区域67传送的信号电荷的浮置扩散区。保持在浮置扩散70A和70B中的信号电荷作为像素信号被第二读出电路23(参见图2)读出。
在多层配线层61中，配线74设置在绝缘层73的内部。绝缘层73由例如氧化硅等形成。配线74例如由铜、金等金属形成。此外，第一读出电路21、第二读出电路23(参见图2)等也设置在绝缘层73内部。
中间层60包括嵌入在绝缘层73中的光学滤色器75和像素间区域遮光膜76。光学滤色器75例如由有机材料形成，并且选择性地主要透射具有红外光区域中的频率的光。像素间区域遮光膜76减少相邻像素之间的颜色混合。
第一像素13包括从靠近光电转换区域67的位置按顺序叠层的第一电极77、半导体层78、光电转换层79和第二电极80。另外，第一像素13具有电荷累积电极82，电荷累积电极82设置在半导体层78的下方以隔着绝缘膜81面向半导体层78。
电荷累积电极82和第一电极77彼此分离，并且例如设置在同一层中。第一电极77连接至例如贯通电极71的上端。第一电极77、第二电极80和电荷累积电极82由诸如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)的透光导电膜形成。
光电转换层79将光能转换为电能，并且包含例如充当p型半导体和n型半导体的两种或更多种有机材料。p型半导体充当电子供体(供体)。n型半导体充当电子受体(受体)。光电转换层79具有体异质结结构。体异质结结构是通过混合p型半导体和n型半导体形成的p/n结表面。光电转换层79在p/n结表面处将入射光分离为电子和空穴。
透射可见光(红光(R)、绿光(G)和蓝光(B))的滤色器63设置在光电转换层79上方的层中。光电转换层79光电转换入射的可见光。
电荷累积电极82与绝缘膜81和半导体层78一起形成电容器，并且将光电转换层79中产生的信号电荷累积在隔着绝缘膜81面向电荷累积电极82的半导体层78的区域中。在本实例中，电荷累积电极82被设置在与滤色器63和片上透镜65中的每个对应的位置处。
在第一像素13中，从第二电极80侧入射的光被光电转换层79吸收。由光吸收产生的激发(电子-空穴对)移动到构成光电转换层79的电子供体和电子受体之间的界面，并且分离成电子和空穴。由于第一电极77与第二电极80之间的电势差或载流子浓度差形成的内部电场，这里产生的电子和空穴移动到并积聚在第二电极80或半导体层78中。
例如，第一电极77被设置为正电势，并且第二电极80被设置为负电势。在这种情况下，光电转换层79中产生的空穴移动至第二电极80侧。在光电转换层79中产生的电子被吸引到电荷累积电极82并且累积在隔着绝缘膜81与电荷累积电极82对应的半导体层78的区域中。
如下读出累积在隔着绝缘膜81与电荷累积电极82对应的半导体层78的区域中的电子。例如，电势V1施加到第一电极77，并且电势V2施加到电荷累积电极82。此时，电势V1设定为高于电势V2。由此，在隔着绝缘膜81与电荷累积电极82对应的半导体层78的区域中累积的电子向第一电极77移动并被读出。
如上所述，通过在光电转换层79的下方设置半导体层78，并且在隔着绝缘膜81与电荷累积电极82对应的半导体层78的区域中累积电荷(例如，电子)，能够获得以下效果。与不设置半导体层78而在光电转换层79中累积电荷(例如，电子)的情况相比，防止在电荷累积期间空穴和电子的复合，从而使得可以提高所累积的电荷(例如，电子)到第一电极77的转移效率。这里，已经描述了读出电子的情况，但是可以读出空穴。在读出空穴的情况下，以上描述中的电势V1、V2和V3的电平之间的关系相反。
[4.第一读出电路]
图4是示出根据本公开的第一读出电路的实例的电路图。第一读出电路21包括例如浮置扩散FD、重置晶体管RST、放大晶体管AMP和选择晶体管SEL。浮置扩散FD连接在第一电极77与放大晶体管AMP之间。浮置扩散FD将通过第一电极77传输的信号电荷转换成电压信号并且将该电压信号输出至放大晶体管AMP。
重置晶体管RST连接在浮置扩散FD与电源之间。当驱动信号被施加至重置晶体管RST的栅极电极且重置晶体管RST被接通时，浮置扩散FD的电势被重置至电源电平。放大晶体管AMP包括连接至浮置扩散FD的栅极电极和连接至电源的漏极电极。放大晶体管AMP的源极电极经由选择晶体管SEL连接至垂直信号线。
选择晶体管SEL连接在放大晶体管AMP的源极电极与垂直信号线之间。当驱动信号被施加至选择晶体管SEL的栅极电极并且选择晶体管SEL被接通时，从放大晶体管AMP输出的像素信号经由SEL和垂直信号线被输出至AD转换单元20。AD转换单元20基于从控制单元40输入的控制信号对像素信号执行AD转换，并且将像素信号输出至数据处理单元30。
[5.像素的布置实例]
接下来，将参考图5至图8描述在平面图中的根据本公开的像素的布置示例。图5至图8是以平面图示出根据本公开的像素的布置实例的说明图。如图5所示，多个片上透镜65二维地(以矩阵)布置在像素阵列10的最上层中。此外，在像素阵列10中，如图6所示，多个滤色器63二维地(以矩阵)布置在其中布置片上透镜65的层下方的层中。
滤色器63包括选择性地透射红光的滤色器R、选择性地透射绿光的滤色器G以及选择性地透射蓝光的滤色器G。每个滤色器63(一个滤色器R、G或B)设置在与一个片上透镜65对应的位置处。
此处，对应位置例如是物体在Z轴方向上彼此重叠的位置。滤色器R、G和B中的每个根据例如称为拜耳阵列的颜色布置方法来布置。注意，滤色器R、G和B的阵列不限于拜耳阵列。
此外，在像素阵列10中，如图7所示，第一像素阵列11的多个电荷累积电极82被二维地(以矩阵)布置在其中布置滤色器63的层下方的层中。在图7中，由虚线表示每个滤色器63，以阐明每个电荷累积电极82和每个滤色器63之间的位置关系。每个电荷累积电极82被设置在与一个滤色器R、G或B相对应的位置处。此处，对应位置例如是物体在Z轴方向上彼此重叠的位置。
此外，在像素阵列10中，如图8所示，第二像素阵列12的多个光电转换区域67二维地(以矩阵)布置在其中布置第一像素阵列11的电荷累积电极82的层下方的层中。在各光电转换区域67的周围设置多个贯通电极71。
在图8中，每个滤色器63和片上透镜65分别由虚线和点画线表示，以阐明每个光电转换区域67、每个片上透镜65和每个滤色器63之间的位置关系。每个光电转换区域67被设置在与在垂直方向和水平方向上以4×4的矩阵布置的16个片上透镜65和16个滤色器63对应的位置。此处，对应位置例如是物体在Z轴方向上彼此重叠的位置。
注意，这里，对16个片上透镜65和16个滤色器63设置一个光电转换区域67，但是这是实例。例如，在像素阵列10中，可以为四个片上透镜65和16滤色器63设置一个光电转换区域67，可以为一个片上透镜65和16滤色器63设置一个光电转换区域67。
[6.成像设备的操作实例]
接下来，将参照图9描述根据本公开的成像设备的操作实例。图9是示出根据本公开的成像设备的操作实例的说明图。如图9中所示，成像设备1首先使控制单元40执行第一像素控制(步骤S1)并且驱动第一像素阵列11(步骤S2)。因此，第一像素阵列11使第一像素13将入射光光电转换为信号电荷并且累积信号电荷。
然后，成像设备1使第一读出电路21从第一像素阵列11中读出对应于信号电荷的像素信号(步骤S3)，并且使第一数据处理单元22对像素信号执行AD转换。必要时，第一数据处理单元22输出AD转换之后的像素信号(可见光图像的图像数据)(步骤S4)。
此外，成像设备1使第一数据处理单元22评估可见光图像(步骤S5)。此时，第一数据处理单元22检测可见图像中具有变化的第一像素13。例如，第一数据处理单元22检测其中先前帧的图像数据中累积的信号电荷量与当前帧的图像数据中累积的信号电荷量之间的差超过阈值的第一像素13。例如，通过ISP 103设置阈值(步骤S6)。第一数据处理单元22将具有变化的第一像素13的检测结果输出到第二行控制电路43和ISP 103。
当检测到具有变化的第一像素13时，ISP 103执行传感器控制(步骤S7)并驱动光源101(步骤S8)。然后，光源101在以高频闪烁的同时发光，并且用红外光照射被摄体110。因此，因为测距系统100仅在检测到具有变化的第一像素13之后使光源101发光，所以与光源101持续发光的情况相比，可以减少光源101的功耗。
可选地，ISP 103可在检测到具有变化的第一像素13之前使光源101发射具有相对低辉度的光，并且当检测到具有变化的第一像素13时，增加光源101的发光强度以发射具有更高辉度的光。
同时，成像设备1使第二行控制电路43执行第二像素控制(步骤S9)并且驱动第二像素阵列12(步骤S10)。因此，第二像素阵列12使第二像素14将透过第一像素阵列11入射的红外光光电转换为信号电荷并且累积信号电荷。因此，由于第二行控制电路43仅在检测到具有变化的第一像素13之后驱动第二像素阵列12，因此与始终驱动第二像素阵列12的情况相比，可以降低第二像素阵列12的功耗。
此时，第二行控制电路43可驱动所有的第二像素14，但是也可选择性地驱动与具有变化的第一像素13对应的第二像素14。第二行控制电路43可以通过选择性地驱动对应于具有变化的第一像素13的第二像素14来降低功耗。
可替代地，在具有变化的第一像素13的变化量大并且例如变化量超过阈值的情况下，第二行控制电路43也可将与第一像素13对应的第二像素14的驱动频率设置为高于通常驱动频率。
然后，成像设备1使第二读出电路23从第二像素阵列12中读出与信号电荷对应的像素信号(步骤S11)，并且使第二数据处理单元24对像素信号执行AD转换并且输出AD转换之后的像素信号(红外光图像的图像数据)(步骤S12)。
第二数据处理单元24可从所有第二像素14中读出像素信号，仅对与具有变化的第一像素13对应的第二像素14的像素信号执行AD转换，并且输出AD转换之后的像素信号(红外光图像的图像数据)。因此，成像设备1还可减少AD转换所需要的功耗。
可替代地，第二数据处理单元24可仅从对应于具有变化的第一像素13的第二像素14中读出像素信号，对读取的像素信号执行AD转换，并且输出AD转换之后的像素信号(红外光图像的图像数据)。因此，成像设备1还可降低读出像素信号所需的功耗。
如上所述，成像设备1有效地使用可见光图像的信息，并且基于由第一像素阵列11光电转换的信号来驱动和控制第二像素阵列12，从而降低光源101和成像设备1的功耗。
[7.由控制单元执行的处理]
接下来，将参考图10描述由根据本公开的成像设备执行的处理的实例。图10是示出由根据本公开的成像设备执行的处理的实例的流程图。如图10所示，成像设备1执行各种设置并且在基于外部光条件的成像条件下驱动第一像素阵列11以捕获用作第一图像的可见光图像(步骤S101)。
然后，成像设备1使第一像素阵列11光电转换可见光并且累积信号电荷(步骤S102)。随后，成像设备1从第一像素阵列11中读出信号电荷(信号)并且对信号执行AD转换(步骤S103)。随后，成像设备1输出作为可见光图像的第一图像。此时，成像设备1还可通过从第一像素阵列11中稀疏化第一像素13来输出第一图像。
然后，成像设备1分析第一图像的信息并且确定针对作为红外光图像的第二图像的成像条件(步骤S105)。具体地，成像设备1检测具有变化的第一像素13，并且确定第二像素14的扫描范围的坐标(X1，Y1至X2，Y2)。此时确定的扫描范围可以是单个像素、多个像素的设置区域或其组合。
此外，例如，在第一数据处理单元22具有脸部认证功能的情况下，成像设备1可使第一数据处理单元22在可见光图像中检测被摄体的脸部的位置，并且仅将对脸部认证重要的部分确定为扫描范围。此外，由于被摄体的位置可随时间推移而变化，因此成像设备1可适当地跟踪可见光图像中被摄体的位置或者将扫描范围设置为更大。
随后，成像设备1执行各种设置，并且在基于外部光条件的成像条件下驱动第二像素阵列12以捕获红外光图像(步骤S106)。然后，成像设备1使第二像素阵列12光电转换红外光并累积信号电荷(步骤S107)。
然后，成像设备1从第二像素14中读出信号电荷(信号)并且对信号执行AD转换(步骤S108)。随后，成像设备1将对应于扫描范围(X1，Y1到X2，Y2)的第一像素13和/或第二像素14的信号输出到ISP 103(步骤S109)，并且结束处理。
[8.由控制单元执行的处理的变形例]
接下来，将参照图11描述由根据本公开的成像设备执行的处理的变形例。图11是示出由根据本公开的成像设备执行的处理的变形例的流程图。如图11所示，在根据变形例的处理中，步骤S208和S209的处理与图10所示的步骤S108和S109的处理不同。图11中所示的步骤S101至S107的处理与图10中所示的S101至S107的处理相同，因此这里省略多余的描述。
如图11所示，成像设备1使得第二像素14累积信号电荷(信号)(步骤S107)，然后读出对应于在步骤S105中确定的扫描范围(X1，Y1至X2，Y2)的第二像素14的信号，并且对读取信号执行AD转换(步骤S208)。然后，成像设备1将第一像素13和/或第二像素14的信号输出到ISP 103(步骤S209)，并且结束处理。
[9.根据变形例的测距系统的配置实例]
接下来，将描述根据变形例的测距系统。图12是示出根据本公开的变形例的测距系统的配置实例的说明图。
如图12所示，根据变形例的测距系统100a与图1中所示的测距系统100的不同之处在于控制单元40a驱动和控制光源101，并且其他构造与图1中所示的测距系统100的构造相同。因此，在此，将描述控制单元40a对光源101的驱动控制，省略其他结构的描述。
在第一数据处理单元22的图像分析结果发现可见光图像中的被摄体以超过阈值的移动速度剧烈移动的情况下，控制单元40a控制测距脉冲生成单元50将光源101的发光强度设置为高于通常或者将光源101的操作频率设置为高于通常。此外，控制单元40a还根据光源101的操作频率的变化来调整第二像素阵列12的驱动频率。
此外，例如，在由第一数据处理单元22进行的图像分析结果发现可见光图像中的被摄体是面部并且该面部比预设地点更接近成像光学系统102的情况下，控制单元40a将光源101的发光强度设置为比通常低。
因此，控制单元40a能够根据被摄体的移动速度以及距被摄体的距离以适当的红外光照射被摄体。因此，第二像素阵列12可以捕获合适的红外光图像用于测距。
[10.由根据变形例的控制单元执行的处理]
接下来，将参考图13描述由根据本公开的变形例的成像设备执行的处理的实例。图13是示出由根据本公开的变形例的成像设备执行的处理的实例的流程图。
如图13中所示，在由根据变形例的成像设备执行的处理中，步骤S305至S310的处理与图10中所示的步骤S105和109的处理不同。图13中示出的步骤S101至S104的处理与图10中示出的步骤S101至S104的处理相同，因此这里省略多余的描述。
如图13所示，成像设备1a使第一像素阵列11累积信号电荷(信号)(步骤S104)，然后分析第一图像的信息，并且确定针对作为红外光图像的第二图像的成像条件。
此时，成像设备1a检测具有变化的第一像素13，并且确定第二像素14的扫描范围的坐标(X1，Y1至X2，Y2)。然后，成像设备1a确定光源101的发光强度和发光时间(操作频率)(步骤S305)。随后，成像设备1a使光源101以确定的发光强度和发光时间(操作频率)发射光(步骤S306)。
然后，成像设备1a以对应于确定的发光时间(操作频率)的定时打开第二像素14的栅极(步骤S307)，关闭第二像素14的栅极(步骤S308)，光电转换由第二像素14接收的红外光，并且累积电荷。
然后，成像设备1a读出对应于扫描范围(X1，Y1至X2，Y2)的像素的信号并执行AD转换(步骤S309)。接下来，成像设备1a将第一像素13和/或第二像素14的信号输出到ISP 103(步骤S310)，并且结束处理。
[11.其他实施方式]
上述实施方式是示例，并且各种变形例是可能的。例如，图3所示的光学滤色器75可从根据本公开的成像设备中省略。在不设置光学滤色器75的情况下，第一像素阵列11和第二像素阵列12均捕获可见光图像。在此，例如，如果光电转换层79的厚度被设置为比图3中示出的厚度薄，则第一像素阵列11的光接收灵敏度降低。
通过使用这样的属性，成像设备使第一像素阵列11捕捉具有较低感光度的第一图像，并且使得第二像素阵列12捕捉具有比第一图像更高感光度的第二图像，并将第一图像和第二图像输出到ISP 103。由此，ISP 103可通过在HDR中合成第一图像和第二图像来产生高动态范围(HDR)图像。
在该配置的情况下，期望为一个电荷累积电极82设置一个光电转换区域67。这允许成像设备捕获与高感光度图像相同数量的低感光度图像。此外，添加将红外光透射至成像光学系统102的滤色器允许生成红外光HDR图像。
在上述实例中，已经描述了第一像素阵列11叠层在第二像素阵列12上的情况；然而，第一像素阵列11和第二像素阵列12可以设置在同一平面上。此外，在这种情况下，成像设备能够执行与控制单元40和40a的上述控制相同的控制，从而通过有效地使用可见光图像的信息来适当地降低功耗。
[12.效果]
成像设备1包括半导体基板66、第一像素阵列11、第二像素阵列12以及控制单元40。在第一像素阵列11中，二维布置设置在半导体基板66上的第一光接收像素13，第一光接收像素具有叠层结构，其中第一电极77、光电转换层79和第二电极80顺序叠层，并且第一光接收像素光电转换包括可见光区域的第一波长区域中的光被。在第二像素阵列12中，在半导体基板66的厚度方向上被设置在与半导体基板66中的第一光接收像素13重叠的位置处并对包括红外光区域的第二波长区域内的光进行光电转换的第二光接收像素14被二维布置。控制单元40基于由第一像素阵列11光电转换的信号来驱动并控制第二像素阵列12。因此，成像设备1可有效使用可见光图像的信息。
成像设备1包括数据处理单元30，数据处理单元30从由第一像素阵列11捕捉的图像数据中检测具有变化的第一像素13。控制单元40执行控制以输出与数据处理单元30检测的具有变化的第一像素13对应的第二光接收像素14光电转换的信号。因此，由于成像设备1仅从与可见图像中的感兴趣区域(ROI)相对应的第二光接收像素14输出信号，因此可以适当地降低输出信息所需的功耗。
控制单元40执行控制以从第二像素阵列12读出的所有信号中输出从与具有变化的第一像素13对应的第二光接收像素14读出的信号。因此，由于成像设备1仅从与可见图像中的ROI区域对应的第二光接收像素14输出信号，因此可以适当地减少输出信息所需的功耗。
控制单元40对由第二像素阵列12光电转换的信号进行控制，以从与具有变化的第一像素13对应的第二光接收像素14读出并输出光电转换的信号。因此，由于成像设备1从第二像素阵列12中仅从与可见图像中的ROI区域对应的第二光接收像素14读出信号，所以可以适当地减少读出信息所需的功耗。
在由数据处理单元30检测到具有变化的第一像素13的情况下，控制单元40开始驱动第二像素阵列12。因此，由于成像设备1直到检测到具有变化的第一像素13才驱动第二像素阵列12，所以可降低第二像素阵列12的功耗。
控制单元40执行控制以通过稀疏化一些第一光接收像素13来输出从第一像素阵列11光电转换的信号。因此，成像设备1可降低输出由第一像素阵列11光电转换的信号所需的功耗。
成像设备1包括半导体基板66、第一像素阵列11、第二像素阵列12以及控制单元40。在第一像素阵列11中，二维布置设置在半导体基板66上的第一光接收像素13，第一光接收像素具有叠层结构，其中第一电极77、光电转换层79和第二电极80顺序叠层，并且第一光接收像素光电转换包括可见光区域的第一波长区域中的光。在第二像素阵列12中，二维布置第二光接收像素14，在半导体基板66的厚度方向上被设置在与半导体基板66中的第一光接收像素13重叠的位置处的第二光接收像素14具有与第一光接收像素13的光接收灵敏度不同的光接收灵敏度，并且对已经穿过第一像素阵列11的第一波长区域中的光进行光电转换。控制单元40基于由第一像素阵列11光电转换的信号来驱动并控制第二像素阵列12。因此，成像设备1可使用一个像素阵列10捕捉高感光度图像和低感光度图像。
成像设备1包括半导体基板66、第一像素阵列11、第二像素阵列12以及控制单元40。在第一像素阵列11中，二维布置第一光接收像素13，设置在半导体基板66上的第一光接收像素13具有叠层结构，其中第一电极77、光电转换层79和第二电极80顺序叠层，并且第一光接收像素光电转换包括可见光区域的第一波长区域中的光。第二像素阵列12设置在与第一像素阵列11相同的平面上，并且对包括红外光区域的第二波长区域内的光进行光电转换的第二光接收像素14被二维布置。控制单元40基于由第一像素阵列11光电转换的信号来驱动并控制第二像素阵列12。因此，即使当第一像素阵列11和第二像素阵列12被布置在相同平面上时，成像设备1也可以有效地使用可见光图像的信息。
测距系统100a包括光源101和成像设备1a。光源101发射红外光。成像设备1a对利用红外光照射的被摄体进行成像，并且基于捕捉的图像测量到被摄体的距离。成像设备1a包括半导体基板66、第一像素阵列11、第二像素阵列12以及控制单元40a。在第一像素阵列11中，二维布置设置在半导体基板66上的第一光接收像素13，第一光接收像素具有叠层结构，其中第一电极77、光电转换层79和第二电极80顺序叠层，并且第一光接收像素光电转换包括可见光区域的第一波长区域中的光。在第二像素阵列12中，在半导体基板66的厚度方向上被设置在与半导体基板66中的第一光接收像素13重叠的位置处并对包括红外光区域的第二波长区域内的光进行光电转换的第二光接收像素14被二维布置。控制单元40a根据由第一像素阵列11进行光电转换后的信号对第二像素阵列12和光源101进行驱动控制，根据由第二光接收像素14进行光电转换后的信号来测量与被摄体之间的距离。因此，测距系统100a可通过有效地使用可见光图像的信息并且适当地驱动和控制光源101来提高测距精度。
应注意，本文中描述的效果仅是示例并且不受限制，并且可以提供其他效果。
本技术还可具有以下配置：
(1)
一种成像设备，包括：
半导体基板；
第一像素阵列，其中，设置在所述半导体基板上的第一光接收像素具有第一电极、光电转换层和第二电极顺序叠层的叠层结构，并且对包括可见光区域的第一波长区域内的光进行光电转换，所述第一像素阵列被二维布置；
第二像素阵列，其中，二维地布置有第二光接收像素，所述第二光接收像素设置在所述半导体基板的厚度方向上与所述第一光接收像素重叠的位置处并对包括红外光区域的第二波长区域内的光进行光电转换；以及
控制单元，基于由所述第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制所述第二像素阵列。
(2)
根据(1)所述的成像设备，进一步包括：
数据处理单元，从由所述第一像素阵列捕获的图像数据中检测具有变化的所述第一光接收像素，
其中，
控制单元执行控制以
输出通过与具有由所述数据处理单元检测的所述变化的所述第一光接收像素对应的所述第二光接收像素光电转换的信号。
(3)
根据(2)所述的成像设备，
其中，
所述控制单元执行控制以从所述第二像素阵列读出的所有信号中输出从与具有所述变化的所述第一光接收像素对应的所述第二光接收像素中读出的信号。
(4)
根据(2)所述的成像设备，
其中，
所述控制单元对由所述第二像素阵列进行光电转换的信号中的从与发生变化的所述第一光接收像素对应的所述第二光接收像素中读出并输出光电转换后的信号进行控制。
(5)
根据(2)至(4)中任一项所述的成像设备，
其中，
在由所述数据处理单元检测到具有所述变化的所述第一光接收像素的情况下，所述控制单元开始驱动所述第二像素阵列。
(6)
根据(1)至(5)中任一项所述的成像设备，
其中，
所述控制单元通过稀疏部分所述第一光接收像素来输出从所述第一像素阵列光电转换的信号。
(7)
一种成像设备，包括：
半导体基板；
第一像素阵列，其中，设置在所述半导体基板上的第一光接收像素具有第一电极、光电转换层和第二电极顺序叠层的叠层结构，并且对包括可见光区域的第一波长区域内的光进行光电转换，所述第一像素阵列被二维布置；
第二像素阵列，其中，二维地布置有第二光接收像素，所述第二光接收像素设置在所述半导体基板的厚度方向上与所述第一光接收像素重叠的位置处，具有与所述第一光接收像素的光接收灵敏度不同的光接收灵敏度，并且对穿过所述第一像素阵列的所述第一波长区域内的光进行光电转换；以及
控制单元，基于由所述第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制所述第二像素阵列。
(8)
一种成像设备，包括：
半导体基板；
第一像素阵列，其中，设置在所述半导体基板上的第一光接收像素具有第一电极、光电转换层和第二电极顺序叠层的叠层结构，并且对包括可见光区域的第一波长区域内的光进行光电转换，所述第一像素阵列被二维布置；
第二像素阵列，其中，二维地布置第二光接收像素，所述第二光接收像素被设置在与所述第一像素阵列相同的平面上并对包括红外光区域的第二波长区域内的光进行光电转换；以及
控制单元，基于由所述第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制所述第二像素阵列。
(9)
一种测距系统，包括：
光源，发出红外光；以及
成像设备，捕获用所述红外光照射的被摄体的图像并基于所捕获的图像测量到所述被摄体的距离，
其中，
所述成像设备包括：
半导体基板；
第一像素阵列，其中，设置在所述半导体基板上的第一光接收像素被二维地布置，所述第一光接收像素包括其中顺序叠层第一电极、光电转换层和第二电极的叠层结构，并且对包括可见光区域的第一波长区域内的光进行光电转换；
第二像素阵列，其中，二维地布置有第二光接收像素，所述第二光接收像素设置在所述半导体基板的厚度方向上与所述第一光接收像素重叠的位置处并对包括红外光区域的所述第二波长区域内的光进行光电转换；以及
控制单元，根据由所述第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制所述第二像素阵列和所述光源，并且根据由所述第二光接收像素光电转换的信号来测量距所述被摄体的距离。
参考标号列表
100、100a测距系统
1、1a成像设备
10 像素阵列
11 第一像素阵列
12 第二像素阵列
13 第一像素
14 第二像素
20 AD转换单元
21 第一读出电路
22 第一数据处理单元
23 第二读出电路
24 第二数据处理单元
30 数据处理单元
40 控制单元
41 全局控制电路
42 第一行控制电路
43 第二行控制电路
50 测距脉冲生成单元
63 滤色器
65 片上透镜
66 半导体基板
67 光电转换区域
75 光学滤色器
77 第一电极
78 半导体层
79 光电转换层
80 第二电极
81 绝缘膜
82 电荷累积电极
101 光源
102 成像光学系统
103ISP
104 输入设备
105 显示设备
106 数据存储单元。

Claims (9)

1.一种成像设备，包括：
半导体基板；
第一像素阵列，在所述第一像素阵列中二维地布置第一光接收像素，所述第一光接收像素设置在所述半导体基板上，所述第一光接收像素具有第一电极、光电转换层和第二电极顺序叠层的叠层结构，并且所述第一光接收像素对包括可见光区域的第一波长区域的光进行光电转换；
第二像素阵列，在所述第二像素阵列中二维地布置第二光接收像素，所述第二光接收像素设置在所述半导体基板中的在所述半导体基板的厚度方向上与所述第一光接收像素重叠的位置，并且所述第二光接收像素对包括红外光区域的第二波长区域的光进行光电转换；以及
控制单元，基于由所述第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制所述第二像素阵列。
2.根据权利要求1所述的成像设备，进一步包括：
数据处理单元，从所述第一像素阵列捕获的图像数据中检测具有变化的所述第一光接收像素，
其中，
所述控制单元执行控制以：
输出由与具有所述数据处理单元所检测到的所述变化的所述第一光接收像素对应的所述第二光接收像素光电转换的信号。
3.根据权利要求2所述的成像设备，
其中，
所述控制单元对从所述第二像素阵列读出的所有信号执行控制以输出从与具有所述变化的所述第一光接收像素对应的所述第二光接收像素中读出的信号。
4.根据权利要求2所述的成像设备，
其中，
所述控制单元对由所述第二像素阵列进行光电转换的信号进行控制，以读出并输出从与具有所述变化的所述第一光接收像素对应的所述第二光接收像素进行了光电转换的信号。
5.根据权利要求2所述的成像设备，
其中，
在由所述数据处理单元检测到具有所述变化的所述第一光接收像素的情况下，所述控制单元开始驱动所述第二像素阵列。
6.根据权利要求1所述的成像设备，
其中，
所述控制单元通过稀疏一部分所述第一光接收像素来输出从所述第一像素阵列进行了光电转换的信号。
7.一种成像设备，包括：
半导体基板；
第一像素阵列，在所述第一像素阵列中，二维地布置第一光接收像素，所述第一光接收像素设置在所述半导体基板上，所述第一光接收像素具有第一电极、光电转换层和第二电极顺序叠层的叠层结构，并且所述第一光接收像素对包括可见光区域的第一波长区域的光进行光电转换；
第二像素阵列，在所述第二像素阵列中，二维地布置第二光接收像素，所述第二光接收像素设置在所述半导体基板中的在所述半导体基板的厚度方向上与所述第一光接收像素重叠的位置，所述第二光接收像素的光接收灵敏度与所述第一光接收像素的光接收灵敏度不同，并且所述第二光接收像素对透过所述第一像素阵列的所述第一波长区域的光进行光电转换；以及
控制单元，基于由所述第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制所述第二像素阵列。
8.一种成像设备，包括：
半导体基板；
第一像素阵列，所述第一像素阵列中，二维地布置第一光接收像素，所述第一光接收像素设置在所述半导体基板上，所述第一光接收像素具有第一电极、光电转换层和第二电极顺序叠层的叠层结构，并且所述第一光接收像素对包括可见光区域的第一波长区域的光进行光电转换；
第二像素阵列，在所述第二像素阵列中，二维地布置第二光接收像素，所述第二光接收像素设置在与所述第一像素阵列相同的平面上，并且所述第二光接收像素对包括红外光区域的第二波长区域的光进行光电转换；以及
控制单元，基于由所述第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制所述第二像素阵列。
9.一种测距系统，包括：
光源，发射红外光；以及
成像设备，捕获用所述红外光照射的被摄体的图像并基于所捕获的图像测量到所述被摄体的距离，
其中，
所述成像设备包括：
半导体基板；
第一像素阵列，在所述第一像素阵列中，二维地布置第一光接收像素，所述第一光接收像素设置在所述半导体基板上，所述第一光接收像素具有第一电极、光电转换层和第二电极顺序叠层的叠层结构，并且所述第一光接收像素对包括可见光区域的第一波长区域的光进行光电转换；
第二像素阵列，在所述第二像素阵列中，二维地布置第二光接收像素，所述第二光接收像素设置在所述半导体基板中的在所述半导体基板的厚度方向上与所述第一光接收像素重叠的位置，并且所述第二光接收像素对包括红外光区域的第二波长区域的光进行光电转换；以及
控制单元，基于由所述第一像素阵列光电转换的信号来驱动并控制所述第二像素阵列和所述光源，并且基于由所述第二光接收像素光电转换的信号来测量到所述被摄体的距离。
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