JP2015504249A - 広帯域撮像素子 - Google Patents

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Abstract

ＩＲ光と可視光の両方を撮像することが可能である広帯域撮像素子が開示される。一実施態様では、ＩＲピクセルのＩＲ感受性領域が、Ｒ、Ｇ、及びＢ可視ピクセルのＲ、Ｇ、Ｂ感受性領域の下にある。したがって、ＩＲピクセルは、Ｒ、Ｇ、及びＢピクセルが可視光を受け取る光センサーの同じ表面積を通じて、ＩＲ光を受け取る。しかしながら、ＩＲ光は、可視光よりも、ＲＧＢピクセルとＩＲピクセルによって共有される共通表面積の下方深くに電子正孔対を発生させる。光センサーはまた、ＩＲ感受性領域で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積領域と、ＩＲピクセルで発生した電荷を蓄積するように電圧を供給するための、電荷蓄積領域の上方にある電極を有する。【選択図】図３

Description

[0001] 慣例的に３次元（３Ｄ）カメラと称されるいくつかのカメラは、シーンを撮像して当該シーンの中にある対象までの距離を測定する。そのようなカメラは、赤外（ＩＲ）光を用いてシーンを撮像することがある。例えば、ゲート式飛行時間（ＴＯＦ）３Ｄカメラは、シーンを照明するためのＩＲ光パルス列を送出して、各送出光パルスに続く短い露光期間の間、カメラ内の光センサーをシャッター制御する、即ち「ゲート開にする」ことができる。露光期間の間に光センサーに到達する送出光パルスから反射された光は、光センサー内のピクセルによって記録される。光センサーのピクセル上に撮像されたシーン中の対象までの距離は、露光期間の間にピクセルに入射した反射光の量の関数として測定される。
[0002] 上記機能によってシーン中の対象までの距離を特定するために、当該シーンのＩＲ画像を提供する光センサーのピクセルと既知の対応関係にある受光面のピクセルに入射する可視光を用いて、当該シーンの通常のコントラスト画像（「ピクチャー画像」）を得ることが一般的に都合がよい。いくつかのＴＯＦ ３Ｄカメラでは、シーンのＩＲ光画像と可視光画像は、２つの光センサーの対応するピクセルが当該シーンの同じ対象を撮像するように配置された２つの別個の光センサーによって得られる。
[0003] いくつかのＴＯＦ ３Ｄカメラでは、ＩＲ画像はシーンが撮像される光センサーのＩＲ感受性ピクセルによって得られ、可視光画像は同じ光センサー内の異なる、任意的には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）の感受性ピクセルによって得られる。
[0004] ＩＲ光と可視光の両方を撮像することが可能である広帯域撮像素子のための技術が提供される。一実施態様では、ＩＲピクセルのＩＲ感受性領域が、Ｒ、Ｇ、及びＢ可視ピクセルのＲ、Ｇ、Ｂ感受性領域の下にある。したがって、ＩＲピクセルは、Ｒ、Ｇ、及びＢピクセルが可視光を受け取る光センサーの同じ表面積を通じて、ＩＲ光を受け取る。したがって、ＩＲ光センサーとＲＧＢ光センサーの組み合わせに必要とされる表面積はより小さく、このことはコストを低減するだろう。このことは、ＩＲ画像とＲＧＢ画像の間のより容易でより良好な相関付けをもたらす。
[0005] 一実施態様は、可視光感受性領域の下方にＩＲ感受性領域を有する半導体光センサーを含む。半導体光センサーは、基板内に可視光に対して感受性のある少なくとも１つの領域を有した少なくとも１つの可視光ピクセルを有する。また、光センサーは、前記基板内に赤外（ＩＲ）光に対して感受性のある領域を有したＩＲピクセルを有する。前記ＩＲ感受性領域は、前記少なくとも１つの可視光感受性領域の下方にある。光センサーはまた、前記ＩＲ感受性領域で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積領域と、前記ＩＲ感受性領域で発生した前記電荷を蓄積するように電圧を供給するための、前記電荷蓄積領域の上方にある電極を有する。
[0006] 一実施態様は、可視光感受性領域の下方にＩＲ感受性領域を有する半導体光センサーを動作させる方法を含む。当該方法は、少なくとも１つの可視光感受性領域の下方にあるＩＲ感受性領域で発生した電荷を蓄積するための信号を、第１電荷蓄積領域の上方にある光ゲートに供給するステップを含む。前記第１電荷蓄積領域からＩＲ光感知ノードへ電荷を移動させるための信号が、第１転送ゲートに供給される。前記少なくとも１つの可視光ピクセルの第２電荷収集領域から第１可視光ピクセル用の可視光感知ノードへ電荷を移動させるための信号が、第２転送ゲートに供給される。前記ＩＲ光感知ノードと前記可視光感知ノードが読み取られる。
[0007] 一実施態様は、可視光ピクセルと赤外（ＩＲ）ピクセルを備えた半導体光センサーアレイを有する３Ｄ深度カメラを含む。可視光ピクセルのそれぞれは、フォトダイオードを有する。赤外（ＩＲ）ピクセルのそれぞれは、フォトダイオードの少なくとも１つの少なくとも一部分の下方にＩＲ感受性領域を有する。アレイは、ＩＲピクセルのそれぞれに関係する電荷蓄積領域を有する。電荷蓄積領域は、関係するＩＲ感受性領域で発生した電荷を蓄積するためのものである。アレイは、電荷蓄積領域とフォトダイオードとの間にｐウェル領域を有する。光ゲートが電荷蓄積領域のそれぞれに関係する。光ゲートは、関係するＩＲ感受性領域で発生した電荷を電荷蓄積領域に蓄積するための電圧を供給するように、電荷蓄積領域の上方にある。
[0008] この概要は、詳細な説明において更に後述される概念からの選抜を簡略な形で導入するために提供される。この概要は、請求された主題の主要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、また、請求された主題の有効範囲を決定する際の助けとして用いられることを意図したものでもない。
[0009] 本明細書による技術は添付図面を参照して更に説明される。
[0010] 図１は、本技術の実施態様が動作することのできる目標認識・分析・追跡システムの例示的な実施態様を示す。 [0011] 図２は、本技術の実施態様が動作することのできる目標認識・分析・追跡システムにおいて用いられることのできるキャプチャー装置の一例のブロック図を示す。 [0012] 図３は、光センサーの一部分に係る一実施態様の模式図である。 [0013] 図４は、光センサーの一実施態様に係るＲＧＢ−ＩＲユニットセルの上面模式図を示す。 [0014] 図５は、半導体光センサーアレイの一実施態様の一部分をなすことができるＲＧＢ−ＩＲユニットセルのアレイを示す。 [0015] 図６は、ＩＲピクセルの一実施態様の図である。 [0016] 図７は、緑色ピクセルの一実施態様の図である。 [0017] 図８は、半導体光センサーを動作させるプロセスのフローチャートである。 [0018] 図９は、青色ピクセルとその下のＩＲ感受性領域を示す、光センサーの一部分に係る一実施態様の模式図である。 [0019] 図１０は、赤色ピクセルとその下のＩＲ感受性領域を示す、光センサーの一部分に係る一実施態様の模式図である。 [0020] 図１１は、緑色ピクセルとその下のＩＲ感受性領域を示す、光センサーの一部分に係る一実施態様の模式図である。 [0021] 図１２は、実施態様を実現するのに用いられることのできるコンピューティングシステムに係る一実施態様のブロック図である。
[0022] ＩＲ光と可視光の両方を撮像することが可能である広帯域撮像素子（例えば光センサー）のための技術が提供される。ＩＲはＩＲスペクトルの任意の部分（近、中、又は遠）であってよいことに留意されたい。一実施態様では、広帯域撮像素子は近ＩＲを感知する。一実施態様では、ＩＲピクセルのＩＲ感受性領域は、Ｒ、Ｇ、及びＢ可視ピクセルのＲ、Ｇ、Ｂ感受性領域の下にある。したがって、ＩＲピクセルは、Ｒ、Ｇ、及びＢピクセルが可視光を受け取る光センサーの同じ表面積を通じて、ＩＲ光を受け取る。したがって、ＩＲ光センサーとＲＧＢ光センサーの組み合わせに必要とされる表面積はより小さく、このことはコストを低減するだろう。光センサーのピクセルは、可視光を感知するのに用いられる表面積を最大化させながらそれでもなおＩＲ光が感知され読み出されることを可能にするパターンに構成されることができる。
[0023] 移動する目標を３Ｄで追跡することは広帯域撮像素子の１つの可能な応用である。図１は、本技術が有用となり得る文脈的な例を提供する。図１は、広帯域撮像素子の実施態様が動作することのできる目標認識・分析・追跡システム１０の例示的な実施態様を示している。目標認識・分析・追跡システム１０は、ユーザー１８などの人物目標を認識し、分析し、及び／又は追跡するのに使用されることができる。目標認識・分析・追跡システム１０の実施態様は、ゲーム又は他のアプリケーションを実行するためのコンピューティング環境１２と、ゲーム又は他のアプリケーションからの聴覚的及び視覚的表現を提供するためのオーディオビジュアル装置１６を含んでいる。システム１０は、更に、ユーザーによって行われて、コンピューティング環境１２が受け取り、解釈し、ゲーム又は他のアプリケーションを制御するために用いる姿勢及び動きを、３Ｄでキャプチャーするためのキャプチャー装置２０を含んでいる。
[0024] 例示的な実施態様では、コンピューティング環境１２上で実行されるアプリケーションは、ユーザー１８がプレイしているボクシングゲームなどの、リアルタイムの相互作用を有したゲームであってよい。例えば、コンピューティング環境１２は、オーディオビジュアル装置１６を使用して、ボクシングの対戦者１５の視覚的表現をユーザー１８に提供することができる。コンピューティング環境１２はまた、オーディオビジュアル装置１６を使用して、ユーザー１８が彼又は彼女の動きによって操作することのできるプレイヤーアバター１３の視覚的表現を提供することもできる。例えば、ユーザー１８は、物理的空間でパンチを繰り出して、プレイヤーアバター１３にゲーム空間でパンチを繰り出させることができる。したがって、例示的な実施態様によれば、キャプチャー装置２０は、本明細書において説明された技術を用いて、物理的空間におけるパンチの３Ｄ表現をキャプチャーする。目標認識・分析・追跡システム１０のキャプチャー装置とコンピューティング環境１２内のプロセッサー（図２を参照）が、物理的空間におけるユーザー１８のパンチを認識し分析するために用いられることができ、その結果、パンチがゲーム空間におけるリアルタイムのジェスチャー即ちプレイヤーアバター１３のゲーム操作として解釈されることができる。
[0025] 図２は、目標認識・分析・追跡システム１０において用いられることのできるキャプチャー装置２０の一例のブロック図表示を示している。例示的な実施態様では、キャプチャー装置２０は、深度値を含んだ深度画像を有している映像を、例えば飛行時間法、構造化照明法、ステレオ画像法等を含む任意の適切な手法でキャプチャーするように構成されることができる。一実施態様によれば、キャプチャー装置２０は、演算された深度情報を「Ｚレイヤー」、即ち深度カメラからその光軸に沿って伸びているＺ軸に垂直なレイヤーに編成してもよい。
[0026] 図２に示されるように、例示的な実施態様によれば、撮像キャプチャー装置２０は、ＩＲ照明コンポーネント２４とＩＲ及びＲＧＢの両方を撮像可能な光センサー３２０とを含むことのできる撮像カメラコンポーネント２２を備えている。ＩＲ照明コンポーネント２４は、赤外光パルスをシーン上に放射することができる。光センサー３２０は、シーンの深度画像を取得するのに用いられることができる。例えば、光センサー３２０内のＲＧＢピクセルは、コントラスト画像をキャプチャーすることができる。飛行時間分析では、キャプチャー装置２０のＩＲ照明コンポーネント２４が赤外光パルスをシーン上に放射し、次に光センサー３２０の受光面上のＩＲセンサーを使用して、当該シーン中の１又は複数の目標及び物体の表面からの後方散乱光を検出し深度画像を取得することができる。
[0027] 例示的な実施態様では、キャプチャー装置２０は、更に、撮像カメラコンポーネント２２と動作的に通信することのできるプロセッサー３２を含んでよい。プロセッサー３２は、深度画像を受け取り、適切な目標が深度画像の中に含まれているか否かを判定し、当該適切な目標の画像を当該目標の骨格表現即ち骨格モデルに変換するための命令、又は任意の他の適切な命令を実行することのできる、標準化プロセッサー、専用プロセッサー、マイクロプロセッサー等を含んでよい。
[0028] キャプチャー装置２０は、更に、プロセッサー３２によって実行される命令、光センサー３２０によってキャプチャーされた画像若しくは画像のフレーム、又は任意の他の適切な情報、画像等を格納することができるメモリコンポーネント３４を含んでよい。例示的な実施態様によれば、メモリコンポーネント３４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、キャッシュ、フラッシュメモリ、ハードディスク、又は任意の他の適切な記憶コンポーネントを含んでよい。図２に示されるように、一実施態様では、メモリコンポーネント３４は、撮像カメラコンポーネント２２及びプロセッサー３２と通信する独立したコンポーネントであってよい。別の実施態様によれば、メモリコンポーネント３４は、プロセッサー３２及び／又は撮像カメラコンポーネント２２に統合されてもよい。
[0029] 図２に示されるように、キャプチャー装置２０は、通信リンク３６を介してコンピューティング環境１２と通信することができる。通信リンク３６は、例えばＵＳＢ接続、ＦｉｒｅＷｉｒｅ接続、イーサネット（登録商標）ケーブル接続等を含む有線接続、及び／又は、無線８０２．１１ｂ、ｇ、ａ、若しくはｎ接続などの無線接続であってよい。
[0030] 加えて、キャプチャー装置２０は、例えば光センサー３２０によってキャプチャーされた深度情報及び深度画像、並びにキャプチャー装置２０によって生成される骨格モデルを、通信リンク３６を介してコンピューティング環境１２に提供することができる。キャプチャー装置２０によって検出された目標又は物体が人物目標に合致するか否かを判定するための様々な既知の手法が存在する。次いで骨格マッピング手法が、そのユーザーの骨格に対して様々な身体部分を決定するのに用いられることができる。他の手法は、画像を人物の身体モデル表現に変換すること、及び画像を人物のメッシュモデル表現に変換することを含む。
[0031] 次いで骨格モデルがコンピューティング環境１２に供給されて、その結果、コンピューティング環境は骨格モデルを追跡して骨格モデルに関連付いたアバターを描画することができる。ジェスチャー認識エンジンソフトウェア１９０の制御の下で、コンピューティング環境１２は、更に、例えば骨格モデルのパーツの３次元の動きから認識されたユーザーのジェスチャーに基づいて、コンピューター環境上で実行されているアプリケーションにおいてどの操作を実施するかを決定することができる。
[0032] 図３は、光センサーの一部分に係る一実施態様の模式図である。いくつかの細部は、説明を簡単にするために省略されている。図３に示された光センサー３２０の一部分は、ｐ型基板領域３２１とエピタキシャル層３５２を有するシリコン（Ｓｉ）基板３２２を備えている。マイクロレンズ３３４、フィルター３３５、３３６、３３７、光学シールド３８１、及び電極３５４が、基板３２２の表面３２４を覆っている。
[0033] 光センサー３２０の当該一部分は、２つの赤色ピクセル３３１、１つの緑色ピクセル３３２、及び１つの青色ピクセル３３３を有している。ＲＧＢピクセルは、赤色フィルター３３５、緑色フィルター３３６、及び青色フィルター３３７をそれぞれ通り抜けるように光を方向付けるマイクロレンズ３３４を備えている。フィルターを通った光は、表面領域３２４を通って基板３２２の中へ伝送される。レンズ３３４とフィルター３３５、３３６、及び３３７はまた、ＩＲ照明のうちの所望帯域のＩＲ光も透過させる。上述されたように、ＩＲ光はＩＲスペクトルの任意の部分であってよい。一実施態様では、フィルターは近ＩＲ光を通し、他のＩＲ光を遮断する。フィルター３３５、３３６、及び３３７を通り抜けるＲ、Ｇ、及びＢ光は、それぞれ基板３２２のフォトダイオード領域３４１、３４２、及び３４３において電子正孔対を発生させる。ＲＧＢピクセルの物理的な配置は説明の便宜のために提示されていることに留意されたい。他の物理的な配置が用いられてもよい。
[0034] ＩＲ光はレンズ３３４とフィルター３３５、３３６、及び３３７を同様に通り抜け、光センサー３２０の領域３５０において電子正孔対を発生させる。領域３５０は、フォトダイオード３４１、３４２、３４３よりも表面３２４の下方深くにある。何故なら、ＩＲ光はシリコンにおいて可視光よりも長い吸収長を有しているからである。領域３５０とレンズ３３４は、ＲＧＢピクセル３３１、３３２、及び３３３と表面３２４を共有するＩＲピクセルの構成要素である。
[0035] 動作の間、基板３２２のＩＲ電荷蓄積領域３２５にポテンシャル井戸を形成するために、高電圧が電極３５４に印加されることができる。電極３５４は、本明細書において「光ゲート」と称されることもある。高電圧に起因する例示的な等電位線が描かれている。一実施態様では、ｐウェル３７５がＩＲ電荷蓄積領域３２５を取り囲んでいる。ｐウェル３７５は、ＩＲ電荷蓄積領域３２５と１又は複数のフォトダイオード３４１−３４３との間に位置することができ、電気的な絶縁を与えることができる。領域３５０で形成された電子正孔対からの電子は、ポテンシャル井戸３２５へ引き寄せられて蓄積されることができる（矢印は電子の流れの方向を示している）。蓄積された電子は、適切な増幅器（図３では不図示）によって、領域３５０で形成された電子正孔対の量と、したがって表面３２４に入射しそれによりＩＲピクセルに入射したＩＲ光の量とを表す電圧に変換されることができる。
[0036] 電極３５４の上方には光学シールド３８１があり、光学シールド３８１は、少なくとも可視光とＩＲ光を遮断することができる。一実施態様では、光学シールド３８１は、ＴｉＮで被覆されたアルミニウムである。光学シールド３８１の上方にあるマイクロレンズ３３４はオプションである。一実施態様では、光学シールド３８１の上方のマイクロレンズ３３４を含むと、製造が簡単になる。
[0037] 増幅器（図３では不図示）が、フォトダイオード領域３４１、３４２、及び３４３に蓄積された電荷をピクセル３３１、３３２、及び３３３に入射したＲ、Ｇ、及びＢ光の量を表す電圧に変換する。一実施態様では、ｐウェル３７５は、フォトダイオード領域３４１、３４２、及び３４３に蓄積された電荷がポテンシャル井戸３２５に引き込まれるのを防止することができる。
[0038] 一実施態様では、ｐ型基板領域３２１はｐ＋シリコンである。一実施態様では、エピタキシャル層３５２は領域３２１の上を覆って形成されている。エピタキシャル層３５２はｐ−シリコンであってよい。一例として、エピタキシャル層３５２は、１．０×１０１５ｃｍ３の濃度を持ったホウ素を添加されることができる。ｐウェル３７５は、ホウ素などのｐ型添加物の２．０×１０１７ｃｍ３の添加濃度を有することができる。ＩＲ電荷蓄積領域３２５はエピタキシャル層３５２と同じ添加濃度と型を有してよいが、同じ添加濃度は要求されないことに留意されたい。
[0039] フォトダイオード領域３４１、３４２、３４３はリンなどの添加物を有したｎ型であってよい。例示的な添加濃度は２．０×１０１６ｃｍ３である。一実施態様では、フォトダイオード３４１、３４２、３４３の上方にピンニング層（図３では不図示）が存在する。ピンニング層の例示的な添加濃度は、ホウ素などのｐ型添加物の１．０×１０１８ｃｍ３である。本明細書で説明される全ての添加濃度は、より高く又はより低くてもよい。ｎ型添加物とｐ型添加物の双方に関して他の添加物が用いられてよい。
[0040] 図４は、光センサーアレイの一実施態様に係るＲＧＢ−ＩＲユニットセルの上面模式図を示している。一実施態様では、ＩＲユニット４０２は、ｐウェル３７５とＩＲ収集領域３２５とを有した領域に対応している。ＩＲユニット４０２によって覆われたエリアは他の要素、例えば転送ゲートや転送トランジスター（例えば図６を参照）を含んでもよいことに留意されたい。ＲＧＢ領域４３１、４３２、４３３のそれぞれに関するエリアは、少なくとも、１つのマイクロレンズ３３４とフィルター３３５−３３７のうちの１つを含むことができる。しかしながら、ＲＧＢ領域４３１、４３２、４３３に関するエリアはまた、転送ゲートや転送トランジスター（例えば図７を参照）などの要素も含んでよい。図４の実施態様に用いられているパターンは図３の実施態様に用いられているパターンに合致していないことに留意されたい。
[0041] また、ＩＲユニット４０２はＲＧＢ領域４３１、４３２、４３３に比較して相対的に小さいことにも留意されたい。図３の実施態様に立ち返ると、光はＩＲ収集領域３２５とｐウェル３７５に入るのを防止されている。したがって、一実施態様では、それらのエリアには電荷を発生させる光は存在しない。しかしながら、ＩＲユニット４０２を相対的に小さく維持することによって、ＲＧＢ収集エリアが最大化される。また、ＩＲユニット４０２は、大きな横方向表面積が領域３５０からの電子を収集するのに有効であることを必要としないことにも留意されたい。
[0042] 図５は、ＲＧＢ−ＩＲユニットセルのアレイを示している。一実施態様では、ＲＧＢ−ＩＲユニットセルのアレイは、半導体光センサーアレイの一部分をなすことができる。前に論じられたように、一実施態様では、ＩＲ感受性領域３５０はフォトダイオード３４１−３４３の下にある。前に論じられたように、ＩＲ収集領域３２５は、動作の間にＩＲ感受性領域３５０から電子を引き寄せる。一実施態様では、領域５５０は、電極（又は光ゲート）３５４によって誘起された電界により、所与のＩＲ収集領域３２５に対して電荷が収集されることのできる領域を示している。上述されたように、基板３２２内のｐウェル３７５は、ＩＲ収集領域３２５を取り囲んでフォトダイオード３４１−３４３からの絶縁を提供することができる。よって、フォトダイオード３４１−３４３から発生した如何なる電荷も、ＩＲ収集領域３２５へは引き込まれない。しかしながら、ＩＲ感受性領域３５０内で発生した電荷（例えば電子）は、ｐウェル３７５の下で、ＩＲ収集領域３２５へ引き込まれることが可能である。赤色領域４３１、緑色領域４３２、及び青色領域４３３に関係したｐウェルがあってもよいことに留意されたい。例えば、可視光ピクセルを感知するためのｐウェル（例えば図７のｐウェル７６５を参照）があってよい。しかしながら、図を不明瞭にしないように、それらのｐウェルは図５に描かれていない。また、ＩＲユニット４０２のｐウェル３７５は、図５に描かれたのとは異なる形状を有してもよい。また、ＩＲユニット４０２に２以上のｐウェルが存在してもよい。
[0043] 図６は、ＩＲピクセルの一実施態様の図である。この透視図は、ＩＲピクセルを制御するのに用いられる様々なトランジスターを示している。ＩＲ電荷収集領域３２５は、光ゲート３５４の下方に概略的に輪郭が描かれた領域として示されている。しかしながら、ＩＲ電荷収集領域３２５は正確に画定された境界を必ずしも有しないことに留意されたい。図６に描かれているｐウェル３７５の２つの部分は、ＩＲ収集領域３２５を取り囲んでいる連続したｐウェル領域の一部であってよい。例えば、図５に立ち返ると、それぞれのｐウェル３７５がＲＧＢピクセルからの絶縁を提供している一例が与えられている。前に論じられたように、正電圧が光ゲート（即ち電極）３５４に印加されて、電荷キャリアーを引き寄せるためのポテンシャル井戸をＩＲ電荷収集領域３２５に形成することができる。光ゲート３５４をオフにした後、電荷キャリアーをｐウェル３７５内のＩＲ感知ノード６７５へ移動させるためのパルスが、転送ゲート６５４に印加されることができる。ＩＲ感知ノード６７５において電荷は電圧に変換され、この電圧が感知され読み出される。光ゲート３５４も転送ゲート６５４もＩＲ光に対して透明である必要はないことに留意されたい。
[0044] トランジスターは、リセットトランジスター６０２、センストランジスター６０４、及び選択トランジスター６０６を含んでいる。電圧Ｖｄｄが、リセットトランジスター６０２の１つの端子（例えばドレイン）とセンストランジスター６０４の１つの端子に印加されることができる。リセットトランジスター６０２のゲートにリセット信号が印加されて、感知ノード６７５から電荷を取り除くことができる。光ゲート３５４と転送ゲート６５４が上述されたように順に動作して、ＩＲ感知ノード６７５を再充電することができる。選択トランジスター６０６のゲートに行選択信号が印加されて、ＩＲ感知ノード６７５に蓄えられた電荷に比例した電圧を持つ信号を読み出すことができる。
[0045] 図７は、緑色ピクセルの一実施態様の図である。赤色ピクセルと青色ピクセルは同様であってよく、そのため描かれていない。この透視図は、緑色ピクセルを制御するのに用いられる様々なトランジスターを示している。動作の間、緑色フィルター３３６に起因する緑色光に対応した波長を有すべき光により、フォトダイオード３４２に電荷キャリアーが発生することができる。電荷キャリアーをｐウェル７６５内の可視光感知ノード７７５へ移動させるためのパルスが、転送ゲート７５４に印加されることができる。可視光感知ノード７７５において電荷は電圧に変換され、この電圧が感知され読み出される。
[0046] トランジスターは、リセットトランジスター６０２、センストランジスター６０４、及び選択トランジスター６０６を含んでいる。これらはＩＲピクセルに用いられるものと同様であってよい。電圧Ｖｄｄが、リセットトランジスター６０２の１つの端子（例えばドレイン）とセンストランジスター６０４の１つの端子に印加されることができる。リセットトランジスター６０２のゲートにリセット信号が印加されて、可視光感知ノード７７５から電荷を取り除くことができる。選択トランジスター６０６のゲートに行選択信号が印加されて、可視光感知ノード７７５に蓄えられた電荷に比例した電圧を持つ信号を読み出すことができる。
[0047] 図８は、半導体光センサー３２０を動作させるプロセスのフローチャートである。当該プロセスは、本明細書において説明される半導体光センサー３２０のいずれとも一緒に用いられることができるが、本明細書において説明される特定の実施態様には限定されない。ステップ８０２において、ＩＲ及び可視光感知ノード（それぞれ６７５、７７５）がリセットされる。一実施態様では、リセット信号がリセットトランジスター６０２に供給される。
[0048] 動作ステップ８０４において、ＩＲ光のパルスが、半導体光センサーによって撮像されようとしているシーン上に送出される。一実施態様では、ＩＲ光送出器（図２の２４）が用いられる。このパルスは、当該シーン中の対象までの距離を測定するのを助けるために用いられるパルス列の中の１つであってよい。
[0049] ステップ８０６において、電荷を電荷蓄積領域３２５に蓄積するための信号が、ＩＲピクセルに関係した光ゲート３５４に供給される。この信号は、電荷を蓄積するのに十分な大きさの電圧であってよい。当該信号は、任意の適切な望ましい長さであってよい。ステップ８０６は複数のＩＲピクセルに対して同時に実施されてよいことに留意されたい。
[0050] ステップ８０８において、電荷蓄積領域３２５内の電荷をＩＲ感知ノード６７５へ移動させるための信号が、ＩＲピクセルに関係した転送ゲート６５４に供給される。一実施態様では、これは電圧短パルスである。ステップ８０８は複数のＩＲピクセルに対して同時に実施されてよいことに留意されたい。
[0051] ステップ８１０において、フォトダイオード（３４１、３４２、３４３）内の電荷を可視光感知ノード７７５へ移動させるための信号が、可視ピクセルに関係した転送ゲート７５４に供給される。ステップ８１０は複数の可視ピクセルに対して同時に実施されてよいことに留意されたい。
[0052] ステップ８１２において、ＩＲ感知ノード６７５と可視光感知ノード７７５が読み取られる。一実施態様では、行選択信号が選択トランジスター６０６に印加される。一実施態様では、ステップ８１０は１行分のピクセルを読み取ることを含む。それぞれの行が必ずしもＩＲピクセル出力を含まないことに留意されたい。ステップ８１２は、他の行を読み取るために反復されてもよい。
[0053] ステップ８１４において、ＩＲピクセルから読み取られた信号が可視ピクセルから読み取られた信号に相関付けられる。一実施態様では、ＲＧＢ画像が形成され、ＩＲ画像が形成される。ＩＲ感受性領域３５０と可視光感受性領域３４１−３４３の既知の物理的位置に基づいて、ＩＲ画像は、ＲＧＢ画像に正確に相関付けられることができる。一実施態様では、シーンの中の対象までの距離が測定される。例えば、ＲＧＢ画像における対象までの深度を測定するために、ＩＲ画像に基づいて飛行時間分析が実施されてよい。一実施態様では、ＩＲパルス列がシーン上に送出され、ＩＲパルスのそれぞれに続く短い露光期間の間、光センサーがゲートされる。ＩＲピクセルに収集される反射ＩＲ光の強度に基づいて、距離が測定されることができる。
[0054] 図９は、光センサーアレイの一部分に係る一実施態様を示している。この実施態様は、図５の実施態様の行に沿った断面図を示している。この図は、互い違いに並んだ青色ピクセル３３３とＩＲユニット４０２を示している。動作は図３に描かれた実施態様と同様であってよい。したがって、図９は事細かく論じられない。青色ピクセル用のフォトダイオード３４３の下方にはＩＲ感受性領域３５０が存在している。ｐウェル３７５は、ＩＲ電荷蓄積領域３２５とフォトダイオード３４３の間の電気的な絶縁を与えている。この実施態様では、１つのフォトダイオード３４３の下方にある所与のＩＲ感受性領域３５０からの電子は、２つの別個のＩＲ電荷蓄積領域へ引き込まれる。
[0055] 図１０は、光センサーアレイ３２０の一部分に係る一実施態様を示している。この実施態様は、図５の実施態様の列に沿った断面図を示している。この図は、互い違いに並んだ赤色ピクセル３３１とＩＲユニット４０２を示している。動作は図３に描かれた実施態様と同様であってよい。したがって、図１０は事細かく論じられない。赤色ピクセル用のフォトダイオード３４１の下方にはＩＲ感受性領域３５０が存在している。ｐウェル３７５は、ＩＲ電荷蓄積領域３２５とフォトダイオード３４１の間の電気的な絶縁を与えている。この実施態様では、１つのフォトダイオード３４１の下方にある所与のＩＲ感受性領域３５０からの電子は、２つの別個のＩＲ電荷蓄積領域３２５へ引き込まれる。
[0056] 図１１は、光センサーアレイ３２０の一部分に係る一実施態様を示している。この実施態様は、図５の実施態様の対角線に沿った断面図を示している。この図は、互い違いに並んだ緑色ピクセル３３２とＩＲユニット４０２を示している。動作は図３に描かれた実施態様と同様であってよい。したがって、図１１は事細かく論じられない。緑色ピクセル用のフォトダイオード３４２の下方にはＩＲ感受性領域３５０が存在している。ｐウェル３７５は、ＩＲ電荷蓄積領域３２５とフォトダイオード３４２の間の電気的な絶縁を与えている。この実施態様では、１つのフォトダイオード３４２の下方にある所与のＩＲ感受性領域３５０からの電子は、２つの別個のＩＲ電荷蓄積領域３２５へ引き込まれる。
[0057] 図９乃至１１は、ＩＲピクセルとＲＧＢピクセルのどちらについても転送ゲート（例えば６５４、７５４）、感知ノード（例えば６７５、７７５）、又はトランジスター（例えば６０２、６０４、６０６）を示していない簡略化された図であることに留意されたい。図６及び７は、それぞれＩＲピクセルと可視光ピクセルについてそのような要素を示している。様々な実施態様において、ＩＲピクセルの断面は図６の実施態様に類似してよい。よって、図９乃至１１のいずれの実施態様におけるＩＲピクセルの断面も、図６に描かれているようなＩＲ感知ノード６７５、転送ゲート６５４、及びトランジスターを含むように変更されてよい。同様に、図９乃至１１のいずれの実施態様における可視ピクセルの断面も、図７に描かれているような可視光感知ノード７７５、転送ゲート７５４、及びトランジスターを含むように変更されてよい。いくつかの実施態様では、ＩＲピクセル又は可視光ピクセルのどちらかが、説明されたように変更される。いくつかの実施態様では、ＩＲピクセルと可視光ピクセルの両方が、説明されたように変更される。
[0058] 広帯域撮像素子（例えば光センサー３２０）は、本明細書において開示された様々な物理的なピクセル配置に限定されないということに留意されたい。他のパターンが用いられてもよい。例えば、図５のパターンを参照して、行が列と交換される（例えば赤色領域と青色領域が交換される）ことができよう。もし望まれるのなら、図４乃至５に描かれているように様々な領域４３１、４３２、４３３、４０２について異なるサイズを有するのではなく、それら領域はそれぞれほぼ同じサイズであってもよかろう。しかしながら、この場合には緑色収集領域が赤色及び青色とほぼ同じサイズとなる。
[0059] 図に示された例示的なコンピューターシステムは、コンピューター可読記憶媒体の例を含む。コンピューター可読記憶媒体は、プロセッサー可読記憶媒体でもある。そのような媒体は、コンピューター可読命令、データ構造、プログラムモジュール、若しくは他のデータなどの情報の記憶のための任意の方法又は技術で実現された、揮発性及び不揮発性、リムーバブル及び非リムーバブルの媒体を含んでよい。コンピューター記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、キャッシュ、フラッシュメモリ若しくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）若しくは他の光ディスク記憶装置、メモリースティック若しくはメモリーカード、磁気カセット、磁気テープ、メディアドライブ、ハードディスク、磁気ディスク記憶装置若しくは他の磁気記憶装置、又は所望の情報を格納するのに使用されることができコンピューターによってアクセスされることができる任意の他の媒体を含むが、それらには限定されない。
[0060] 図１２は、図１及び２のハブコンピューティングシステムを実施するのに用いられることのできるコンピューティングシステムに係る一実施態様のブロック図である。この実施態様では、コンピューティングシステムは、ゲームコンソールなどのマルチメディアコンソール１２００である。図１２に示されるように、マルチメディアコンソール１２００は、中央処理装置（ＣＰＵ）１２０１と、フラッシュ読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）１２０３、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１２０６、ハードディスクドライブ１２０８、及びポータブルメディアドライブ１２０６を含む様々な種類のメモリへプロセッサーがアクセスするのを容易化するメモリコントローラー１２０２とを有している。一実装例では、ＣＰＵ１２０１は、データを一時的に格納してハードドライブ１２０８に対して行われるメモリアクセスサイクルの数を削減し、それによって処理スピードとスループットを改善するための、１次キャッシュ１２１０及び２次キャッシュ１２１２を含む。
[0061] ＣＰＵ１２０１、メモリコントローラー１２０２、及び様々なメモリ装置は、１又は複数のバス（不図示）を介して相互接続されている。この実装例において用いられているバスの詳細は、本明細書で論じられている関心のある主題を理解することと特に関係があるというわけではない。しかしながら、そのようなバスは、様々なバスアーキテクチャーのいずれかを使用している、シリアル及びパラレルバス、メモリバス、周辺機器バス、並びにプロセッサーバス又はローカルバスのうちの１又は複数を含んでよいことが理解されるだろう。例として、そのようなアーキテクチャーは、業界標準アーキテクチャー（ＩＳＡ）バス、マイクロチャネルアーキテクチャー（ＭＣＡ）バス、拡張ＩＳＡ（ＥＩＳＡ）バス、映像電子技術規格協会（ＶＥＳＡ）ローカルバス、及びメザニンバスとしても知られる周辺機器コンポーネント相互接続（ＰＣＩ）バスを含むことができる。
[0062] 一実装例では、ＣＰＵ１２０１、メモリコントローラー１２０２、ＲＯＭ１２０３、及びＲＡＭ１２０６は、共通モジュール１２１４上に統合される。この実装例では、ＲＯＭ１２０３は、ＰＣＩバスとＲＯＭバス（いずれも不図示）を介してメモリコントローラー１２０２に接続されたフラッシュＲＯＭとして構成されている。ＲＡＭ１２０６は、別個のバス（不図示）を介してメモリコントローラー１２０２によって独立に制御される複数のダブルデータレート同期式ダイナミックＲＡＭ（ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ）モジュールとして構成されている。ハードディスクドライブ１２０８とポータブルメディアドライブ１２０５は、ＰＣＩバス及びＡＴアタッチメント（ＡＴＡ）バス１２１６を介してメモリコントローラー１２０２に接続されて示されている。しかしながら、他の実装例では、異なる種類の専用データバス構造が代わりに適用されることもできる。
[0063] グラフィックス処理装置１２２０とビデオエンコーダー１２２２は、高速高解像度（例えばハイデフィニション）グラフィックス処理のためのビデオ処理パイプラインを形成している。データは、グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）１２２０からデジタルビデオバス（不図示）を介してビデオエンコーダー１２２２へ運ばれる。システムアプリケーション（例えばポップアップ）によって生成された軽量なメッセージは、ＧＰＵ１２２０の割り込みを用いてポップアップをオーバーレイに描画するためのコードをスケジュールすることによって表示される。オーバーレイに使用されるメモリの量は、オーバーレイのエリアサイズに依存し、オーバーレイは、好ましくは画面解像度によって変化する。並列するシステムアプリケーションによって完全なユーザーインターフェイスが用いられる場合、アプリケーション解像度とは独立した解像度を使用することが好ましい。周波数を変更する必要性とＴＶの再同期の原因が排除されるようにこの解像度を設定するために、スケーラーが用いられてよい。
[0064] 音声処理装置１２２４と音声コーデック（コーダー／デコーダー）１２２６は、様々なデジタル音声フォーマットのマルチチャンネル音声処理のための対応する音声処理パイプラインを形成している。音声データは、通信リンク（不図示）を介して音声処理装置１２２４と音声コーデック１２２６の間を運ばれる。ビデオ処理パイプラインと音声処理パイプラインは、テレビ又は他のディスプレイへの送信用のデータをＡ／Ｖ（音声／ビデオ）ポート１２２８へ出力する。図示された実装例では、ビデオ及び音声処理コンポーネント１２２０−８２８はモジュール２１４上にマウントされている。
[0065] 図１２は、ＵＳＢホストコントローラー１２３０とネットワークインターフェイス１２３２を含んだモジュール１２１４を示している。ＵＳＢホストコントローラー１２３０は、バス（例えばＰＣＩバス）を介してＣＰＵ１２０１及びメモリコントローラー１２０２と通信するように示され、周辺機器コントローラー１２０４（１）−８０４（４）のためのホストとして機能する。ネットワークインターフェイス１２３２は、ネットワーク（例えば、インターネット、ホームネットワーク等）へのアクセスを提供し、イーサネット（登録商標）カード、モデム、無線アクセスカード、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール、ケーブルモデム等を含む、幅広い様々な有線又は無線のインターフェイスコンポーネントのいずれであってもよい。
[0066] 図１２に示された実装例では、コンソール１２００は、４つのコントローラー１２０４（１）−１２０４（４）をサポートするためのコントローラーサポートサブアセンブリ１２４０を含んでいる。コントローラーサポートサブアセンブリ１２４０は、例えばメディアコントローラーやゲームコントローラーなどの外部制御装置との有線及び無線動作をサポートするのに必要な任意のハードウェアコンポーネントとソフトウェアコンポーネントを含む。フロントパネルＩ／Ｏサブアセンブリ１２４２は、コンソール１２０２の外装面に見えているＬＥＤ（発光ダイオード）又は他のインジケーターと共に、電源ボタン１２１２、取り出しボタン１２１３の複数の機能性をサポートする。サブアセンブリ１２４０及び１２４２は、１又は複数のケーブルアセンブリ１２４４を介してモジュール１２１４と通信する。他の実装例では、コンソール１２００は追加のコントローラーサブアセンブリを含むことができる。図示された実装例はまた、モジュール１２１４へ伝達されることができる信号を送受信するように構成された光Ｉ／Ｏインターフェイス１２３５を示している。
[0067] ＭＵ１２４０（１）及び１２４０（２）が、それぞれＭＵポート「Ａ」１２３０（１）及び「Ｂ」１２３０（２）に接続可能であるように図示されている。追加のＭＵ（例えばＭＵ１２４０（３）−８４０（６））が、コントローラー１２０４（１）及び１２０４（３）に接続可能である、即ち各コントローラーに対して２つのＭＵが接続可能であるように図示されている。コントローラー１２０４（２）及び１２０４（４）もまた、ＭＵ（不図示）を受け入れるように構成されることができる。各ＭＵ１２４０は、ゲーム、ゲームパラメーター、及び他のデータが格納されることのできる追加の記憶を提供する。いくつかの実装例では、当該他のデータは、デジタルゲームコンポーネント、実行可能ゲームアプリケーション、ゲームアプリケーションを展開するための命令セット、及びメディアファイルのうちの任意を含むことができる。コンソール１２００又はコントローラーに挿入されると、ＭＵ１２４０はメモリコントローラー１２０２によってアクセスされることができる。システム電源供給モジュール１２５０は、ゲームシステム１２００のコンポーネントへ電力を供給する。ファン１２５２は、コンソール１２００の内部の回路を冷却する。マイクロコントローラーユニット１２５４も提供される。
[0068] 機械語命令を備えたアプリケーション１２６０が、ハードディスクドライブ１２０８上に格納されている。コンソール１２００が電源オンされると、アプリケーション１２６０の様々な部分が、ＣＰＵ１２０１上での実行のためにＲＡＭ１２０６及び／又はキャッシュ１２１０及び１２１２にロードされる。但しアプリケーション１２６０は１つのそのような例である。様々なアプリケーションが、ＣＰＵ１２０１上での実行のためにハードディスクドライブ１２０８上に格納されることができる。
[0069] ゲームメディアシステム１２００は、システムをモニター１６（図１）、テレビ、ビデオプロジェクター、又は他の表示装置に単に接続することによってスタンドアローンシステムとして動作することができる。このスタンドアローンモードでは、ゲームメディアシステム１２００は、１又は複数のプレイヤーが、ゲームをプレイし、又は、例えば映画を観る若しくは音楽を聴くことによってデジタルメディアを鑑賞することを可能にする。しかしながら、ネットワークインターフェイス１２３２を通じて利用可能とされるブロードバンド接続性の統合によって、ゲームメディアシステム１２００は更に、より大きなネットワークゲームコミュニティの参加者として動作することができる。
[0070] 構造的な特徴及び／又は方法論的行為に特有の言い回しで主題が説明されてきたが、添付された特許請求の範囲において定義される主題は必ずしも上述された特有の特徴又は行為に限定されるものではない、ということは理解されなければならない。それどころか、上述された当該特有の特徴及び行為は、特許請求の範囲を具体化する例示的な形として開示されているのである。

Claims (10)

  1. 基板内に可視光に対して感受性のある少なくとも１つの領域を有した少なくとも１つの可視光ピクセルと、
    前記基板内に赤外（ＩＲ）光に対して感受性のある領域を有したＩＲピクセルであって、前記ＩＲ感受性領域は前記少なくとも１つの可視光感受性領域の下方にある、ＩＲピクセルと、
    前記ＩＲ感受性領域で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積領域と、
    前記ＩＲ感受性領域で発生した前記電荷を蓄積するように電圧を供給するための、前記電荷蓄積領域の上方にある電極と、
    を備えた半導体光センサー。
  2. 前記電荷蓄積領域と前記少なくとも１つの可視光感受性領域との間にある少なくとも１つのウェルを更に備えた請求項１に記載の半導体光センサー。
  3. 前記少なくとも１つのウェルはｐウェルである請求項１に記載の半導体光センサー。
  4. 前記少なくとも１つの可視ピクセルと前記ＩＲピクセルの上に位置し可視光及びＩＲ光を通す少なくとも１つのフィルターを更に備えた請求項１に記載の半導体光センサー。
  5. 異なる色の３つの可視光ピクセルとＩＲピクセルのための１つの電荷蓄積領域とからなる複数のグループを含んだパターンとして配置された請求項１に記載の半導体光センサー。
  6. 前記グループ内の前記３つの可視光ピクセルは、緑色ピクセル、青色ピクセル、及び赤色ピクセルを含み、前記緑色ピクセルは前記赤色ピクセルと前記青色ピクセルの約２倍の表面積である、請求項５に記載の半導体光センサー。
  7. 前記ＩＲ収集領域は前記可視ピクセルのいずれよりも小さい表面積にわたっている請求項６に記載の半導体光センサー。
  8. 前記電荷蓄積領域に関係したＩＲ光感受性領域は複数の異なる可視光ピクセルの部分の下に有効収集領域を有している請求項５に記載の半導体光センサー。
  9. 前記電極を覆う光学シールドを更に備えた請求項１に記載の半導体光センサー。
  10. 半導体光センサーを動作させる方法であって、
    少なくとも１つの可視光感受性領域の下方にあるＩＲ感受性領域で発生した電荷を蓄積するための信号を、第１電荷蓄積領域の上方にある光ゲートに供給するステップと、
    前記第１電荷蓄積領域からＩＲ光感知ノードへ電荷を移動させるための信号を、第１転送ゲートに供給するステップと、
    前記少なくとも１つの可視光ピクセルの第２電荷収集領域から第１可視光ピクセル用の可視光感知ノードへ電荷を移動させるための信号を、第２転送ゲートに供給するステップと、
    前記ＩＲ光感知ノードと前記可視光感知ノードを読み取るステップと、
    を含む方法。
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