TW201721085A - 用於光譜及距離資料之獲取的光電模組 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種可進行操作以獲取距離資料及光譜資料之光電模組，其包含一解調像素陣列及一光譜濾光器陣列。該等解調像素可具有一本質波長相依敏感度，其中在一些情況中，該本質波長相依敏感度可由一強度平衡微透鏡陣列偏移。在一些情況中，該本質波長相依敏感度可由一組合濾光器陣列偏移，而在其他情況中，該本質波長相依敏感度可由一強度平衡濾光器陣列偏移。仍在其他情況中，該等解調像素可依此進行操作以便偏移該本質波長相依敏感度。

Description

用於光譜及距離資料之獲取的光電模組
本發明係關於包含可獲取光譜及距離資料兩者之調變像素之光電模組。
解調像素在非接觸距離量測、接近偵測、及多維成像之領域中係熟知的。解調像素可用於飛行時間技術中。簡言之，在一些情況中，飛行時間距離量測、接近偵測及/或多維成像需要一經調變光源及至少一個解調像素。入射於一多維物件或場景上之經調變光經反射並由一解調像素或一解調像素陣列擷取。經擷取光經轉換成一信號，其中自經解調信號提取幅值及距離資訊/資料(例如，經擷取光之相移)。 距離量測、接近偵測、及多維成像資料有時與一物件或場景之光譜資料組合。然而，因為解調像素專用於距離資料之獲取，故其等必須與具有對應光譜濾光器之分離像素或一像素陣列組合，以使用同一光電裝置獲取距離資料及光譜資料兩者。據此，必須對此等分離像素提供額外橫向空間。為減小能夠獲取距離資料及光譜資料兩者之光電裝置/模組之佔用面積，存在組合此等功能之兩者於同一像素內之一挑戰。 再者，感測器(例如，像素陣列)可具有實體缺陷及限制。舉例而言，缺陷係特有的，且通常歸因於一缺陷或不純材料。具有一缺陷之一像素可能無法以與一相鄰像素相同之方式或相同之程度回應於入射電磁輻射。舉例而言，一缺陷像素可呈現飽和，無論入射於缺陷像素上之電磁輻射之量值為何。此外，相較於一相鄰像素，一像素可能依一特定分率而太暗或太亮。因此，期望(在像素級處)缺陷像素之原位校正。 除實體缺陷外，一像素之動態範圍固有地受限。舉例而言，若一像素在光譜或距離資料獲取期間經曝露至過多電磁輻射，則該像素可能變為飽和。據此，可能不能使用來自像素之信號；因此，亦期望預防感測器級處之飽和(或減輕飽和)。
本發明描述可進行操作以經由一解調像素或一解調像素陣列獲取距離資料及光譜資料兩者之光電模組。本發明亦描述缺陷像素之像素級校正。本發明進一步描述像素級飽和預防及/或飽和減輕。 在一個態樣中，舉例而言，一光電模組可進行操作以經由同一解調像素陣列收集距離資料及光譜資料。在此一實施方案中，該光電模組包含複數個解調像素及複數個各自光譜濾光器。各光譜濾光器經安置以透射電磁輻射之一特定波長或一特定波長範圍至該等解調像素中之一對應解調像素上。此一實施方案可在一些例項中提出一優點，此係因為可由同一像素陣列獲取光譜及距離資料。 在另一態樣中，一發射器可進行操作以產生具有一特定調變頻率及一特定發射波長或一特定發射波長範圍之經調變電磁輻射。 根據另一態樣，包含複數個光學元件之一光學總成安裝於一光學元件殼體內，該光學總成具有一對應焦距，且該光學總成與複數個解調像素對準並依該焦距與該複數個解調像素分離。 在另一態樣中，一輔助光譜濾光器經安置以透射由一發射器產生之電磁輻射之一特定發射波長或電磁輻射之一特定發射波長範圍。此一實施方案可在一些例項中提出一優點，此係因為可由同一像素陣列獲取光譜及距離資料。 在另一態樣中，一發射器可進行操作以產生具有一特定調變頻率及一特定發射波長或一特定發射波長範圍之經調變電磁輻射，其中由該發射器產生之電磁輻射之該特定發射波長或該特定發射波長範圍對應於該電磁光譜之紅外光區域。此一實施方案可在一些例項中提出一優點，此係因為紅外光波長對人不可見。 根據另一態樣，解調像素可進行操作以根據由其等各自光譜濾光器透射之電磁輻射之一特定波長或一特定波長範圍修改其等各自對電磁輻射之敏感度。此一實施方案可在一些例項中提出一優點，舉例而言，缺陷像素之原位校正係可行的。此外，在一些例項中，像素飽和之預防或減輕係可行的。 在另一態樣中，解調像素可進行操作以根據由其等各自光譜濾光器透射之電磁輻射之一特定波長或一特定波長範圍修改其等各自對電磁輻射之敏感度，使得在一各自解調像素中產生之一信號之一強度不飽和。 另一態樣描述漂移場解調像素，其可進行操作以藉由修改各自漂移場解調像素內之其等各自漂移場來修改其等各自對電磁輻射之敏感度。此一實施方案可在一些例項中提出一優點，舉例而言，如缺陷像素之原位校正係可行的。此外，在一些例項中，像素飽和之預防或減輕係可行的。 另一態樣描述複數個各自光譜濾光器，其中該等光譜濾光器包含一第一光譜濾光器、一第二光譜濾光器、及一第三光譜濾光器，其中該第一光譜濾光器對應於一紅色濾光器，該第二光譜濾光器對應於一綠色濾光器，且該第三光譜濾光器對應於一藍色濾光器。此一實施方案可在一些例項中提出一優點，舉例而言，當一解調像素尤其係對紅色光敏感時；據此，與紅色光相關聯之像素之像素飽和之預防或減輕係可行的。 在另一態樣中，一第一漂移場解調像素係與具有一第一敏感度之一第一濾光器相關聯，一第一漂移場解調像素係與具有一第二敏感度之一第二濾光器相關聯，且一第三漂移場解調像素係與具有一第三敏感度之一第三濾光器相關聯。 根據另一態樣，一第三敏感度大於一第二敏感度，且該第二敏感度大於一第一敏感度。 在另一態樣中，一光電模組具有一強度平衡濾光器陣列，該強度平衡濾光器陣列包含具有對電磁輻射之各自不同波長獨立透射率之複數個強度平衡區域，各自強度平衡區域與一各自光譜濾光器相關聯。 在又一態樣中，一光電模組具有一強度平衡微透鏡陣列，該強度平衡微透鏡陣列包含具有對電磁輻射之各自不同波長獨立透射率之複數個強度平衡微透鏡，各自強度平衡區域與一各自光譜濾光器相關聯。 在另一態樣中，一光電裝置可進行操作以經由同一解調像素陣列收集距離資料及光譜資料，該光電模組包含複數個解調像素及一組合濾光器陣列。此一實施方案進一步包含：一發射器，其可進行操作以產生具有一特定調變頻率及一特定發射波長或一特定發射波長範圍之經調變電磁輻射；及一光學總成，其包含安裝於一光學元件殼體內之複數個光學元件，該光學總成具有一焦距，其中該光學總成與該複數個解調像素對準且依該焦距與該複數個解調像素分離。 根據另一態樣，一光電裝置具有一自動對焦總成。 在又一態樣中，一發射器可進行操作以產生經解調電磁輻射之複數個波長。 在另一態樣中，一發射器可進行操作以產生對應於白色光之經解調電磁輻射之複數個波長。 根據另一態樣，一發射器可進行操作以產生對應於白色光並進一步包含紅外光之經解調電磁輻射之複數個波長。 另一態樣描述一種用於使用可進行操作以收集距離資料及光譜資料之一光電裝置經由同一解調像素陣列收集一三維場景之一彩色影像之方法。該方法包括：經由一發射器產生經調變電磁輻射並將該經調變電磁輻射引導至一三維場景上。該方法進一步包含：將自該三維場景反射之經調變電磁輻射聚焦至複數個三維像素及一組合濾光器陣列上。該方法進一步包含：經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集距離資料。該方法進一步包含基於經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集之該距離資料經由一自動對焦總成致動一光學總成，使得該三維場景經聚焦於該複數個解調像素上。該方法進一步包含：經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集光譜資料，及經由該經收集光譜資料產生一彩色影像。該方法進一步包含：停止自該發射器產生經調變電磁輻射。 在另一態樣中，該方法包含：產生對應於白色光之經調變電磁輻射。 另一態樣描述一種用於使用可進行操作以收集距離資料及光譜資料之一光電裝置經由同一解調像素陣列收集一三維場景之一彩色影像之方法。該方法包括：經由一發射器產生第一經調變電磁輻射並將該第一經調變電磁輻射引導至一三維場景上。該方法進一步包含：將自該三維場景反射之第一經調變電磁輻射聚焦至複數個三維像素及一組合濾光器陣列上。該方法進一步包含：經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集距離資料。該方法進一步包含：基於經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集之該距離資料經由一自動對焦總成致動一光學總成，使得該三維場景經聚焦於該複數個解調像素上。該方法進一步包含：經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集第一光譜資料。該方法進一步包含：經由該發射器產生第二經調變電磁輻射，該第二經調變電磁輻射基於該第一光譜資料經調整，並將該第二經調變電磁輻射引導至該三維場景上。該方法進一步包含：將自該三維場景反射之第二經調變電磁輻射聚焦至該複數個三維像素及該組合濾光器陣列上。該方法進一步包含：經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集第二光譜資料，並經由該經收集第二光譜資料產生一彩色影像。該方法進一步包含：停止自該發射器產生第二經調變電磁輻射。 將自以下詳細描述、附圖、及技術方案容易地明白其他態樣、特徵及優點。
如圖1A及圖1B中所展示，一光電模組100包含解調像素101A、101B (例如，漂移場解調像素)、光譜濾光器113A、113B、及一輔助光譜濾光器116。解調像素101A、101B包含各自光敏偵測區域102A、102B。光敏偵測區域102A、102B分別包含以下各者：複數個閘極103A、103B、絕緣體層104A、半導體基板105A、105B、複數個接觸節點106A、106B、複數個對應電極107A。漂移場解調像素101A、101B進一步包含各自解調區域108A、108B。解調區域108A、108B包含複數個輸出節點109A、109B。電位(例如，電壓)可經由電極107A施加於複數個接觸節點106A、106B。經施加電位可於半導體基板105內產生複數個電位區域；即，如下文圖1C中進一步描述之複數個各自漂移場區域。 圖1C描繪在圖1A及圖1B中所描繪之實例之一側視圖，其中繪示各自漂移場解調像素101A、101B之半導體基板104A內之電位118。在此實例中，該等電位經最佳化以用於光譜資料獲取。不同電位可分別經由該系列接觸節點106A、106B與對應電極107A施加於漂移場解調像素陣列100中之各自漂移場解調像素101A、101B。經施加電位可產生具有不同電位之區域於各自漂移場解調像素101A、101B之半導體基板105A、105B內。舉例而言，在應用一特定電位輪廓之情況下，一高電位區域110A、一漂移場區域111A、及一低電位區域112A產生於圖1A之左手側上所描繪之漂移場解調像素101A中。同樣地，在應用一不同電位輪廓之情況下，一高電位區域110B、一漂移場區域111B、及一低電位區域112B產生於圖1A之右手側上所描繪之漂移場解調像素101B中。在此實例中，漂移場區域111A及漂移場區域111B之橫向程度不同於彼此，即，漂移場區域111A之橫向程度大於漂移場區域111B之橫向程度。在此例項中，漂移場區域111A可展現比漂移場區域111B對入射輻射更大之敏感度，此歸因於漂移場區域之更大橫向程度。 光電模組100可進一步包含一光譜濾光器陣列或彩色濾光器陣列(CFA)，諸如光譜濾光器113A、113B。光譜濾光器113A、113B經匹配至各自漂移場解調像素101A、101B。在此實例中，光譜濾光器113A及光譜濾光器113B透射電磁輻射之不同波長範圍；即，分別透射入射環境電磁輻射之電磁輻射114A及114B。舉例而言，光譜濾光器113A可經組態以透射對應於藍色光之波長，而光譜濾光器113B可經組態以透射對應於紅色光之波長。光譜濾光器113A、113B可經組態以透射入射電磁輻射之多個波長範圍。舉例而言，光譜濾光器113A可經組態以透射對應於藍色光之波長及對應於一特定範圍之紅外光之波長。再者，光譜濾光器113B可經組態以透射對應於紅色光之波長及對應於一特定範圍之紅外光之波長。 經透射之電磁輻射114A、114B可產生各自光生電荷115A、115B。在各自漂移場區域111A、111B中之漂移場之影響下，光生電荷115A、115B可經輸送至各自解調區域108A、108B。接著，可在各自輸出節點109A、109B處對光生電荷115A、115B進行取樣。 因為漂移場，解調像素101A、101B可固有地對經透射之電磁輻射之一些波長相較於其他波長更敏感，各漂移場解調像素101A、101B之半導體基板105A、105B內之具有不同電位之相異區域可經客製化或最佳化至一特定波長或一特定波長範圍。舉例而言，對應於藍色光之經透射之電磁輻射之波長可由絕緣體層104A強力吸收。在此一例項中，若光譜濾光器113A經組態以透射對應於藍色光之波長，則漂移場區域111A之橫向程度可經增加，使得漂移場解調像素101A之敏感度增加。相反地，在一些情況中，對應於紅色光之入射輻射之波長可深深穿透至半導體基板105A、105B中且可能不會由絕緣體層104A強力吸收。據此，在此一例項中，若光譜濾光器113B經組態以透射對應於紅色光之波長，則漂移場區域111B之橫向程度可經減少，使得漂移場解調像素101B之敏感度減少。 圖1D描繪在圖1A中所描繪之光電模組之一側視圖，其中繪示各自漂移場解調像素101A、101B之半導體基板104A內之電位。在此實例中，電位經最佳化以用於距離資料獲取。如上文所揭示，不同電位可分別經由該系列接觸節點106A、106B與對應電極107A施加於漂移場解調像素陣列100中之各自漂移場解調像素101A、101B。經施加電位可產生具有不同電位之相異區域於各自漂移場解調像素101A、101B之半導體基板105A、105B內。舉例而言，在應用一特定電位輪廓之情況下，一高電位區域120A、一漂移場區域、及一低電位區域122A產生於圖1D之左手側上所描繪之漂移場解調像素101A中。同樣地，在應用一不同電位輪廓之情況下，一高電位區域120B、一漂移場區域、及一低電位區域122B產生於圖1D之右手側上所描繪之漂移場解調像素101B中。在此實例中，漂移場區域及漂移場區域之橫向程度不同於彼此，即，漂移場區域之橫向程度大於漂移場區域之橫向程度。在此例項中，漂移場區域可展現比漂移場區域對入射輻射更大之敏感度，此歸因於漂移場區域之更大橫向程度。 在一些例項中，輔助光譜濾光器116可透射對應於經透射之電磁輻射114A及經透射之電磁輻射114B兩者之波長範圍，且可進一步透射另一波長或另一波長範圍。舉例而言，輔助光譜濾光器116可經組態以透射一特定紅外光輻射範圍、對應於紅色光之一特定波長範圍、及對應於藍色光之一特定波長範圍。特定言之，輔助光譜濾光器116可透射對應於一經調變電磁輻射117之一波長或一波長範圍，如圖1D中所描繪。 經調變電磁輻射117可產生各自光生電荷125A、125B。在各自漂移場區域中之漂移場之影響下，光生電荷125A、125B可經輸送至各自解調區域108A、108B。接著，可在各自輸出節點109A、109B處對光生電荷125A、125B進行取樣，且根據標準飛行時間技術技術使其等與一距離相互關聯。 光譜濾光器113A、113B可在不同程度上透射經調變電磁輻射117。據此，各漂移場解調像素101A、101B之半導體基板105A、105B內之具有不同電位之相異區域可經客製化或最佳化以用於不同程度之經透射之經調變電磁輻射。舉例而言，光譜濾光器113A可透射少於光譜濾光器113B之經調變電磁輻射117。接著，漂移場區域之橫向程度可經增加，使得漂移場解調像素101A之敏感度增加。此外，光譜濾光器113B可透射比光譜濾光器113B更多、甚至多得多之經調變電磁輻射117。在此等情況中，為避免漂移場解調像素101B之飽和，漂移場區域之橫向程度可經減少，使得漂移場解調像素101B之敏感度減少。 根據上文所揭示之實例，可獲取距離資料及光譜資料兩者。此外，對各漂移場解調像素101A、101B內固有之入射輻射之不同波長或不同波長範圍之敏感度可根據遍及光電模組100之像素之不同而經製成不變的，不考慮經透射之電磁輻射114A、114B之波長或波長範圍；因此，像素101A、101B之飽和可避免或改善。例如，關於上文實例，入射電磁輻射119可包含主要對應於紅色光之波長。一較少量之入射電磁輻射119可歸因於對應於藍色光之波長。因此，為防止漂移場解調像素101B飽和，漂移場電位區域111B可根據上文實例而經修改。 此外，光電模組100可包含一較大漂移場解調像素101A、101B陣列及各自光譜濾光器113A、113B。舉例而言，光電模組100可包含數十、數百、數千、或甚至數百萬解調像素101A、101B及各自光譜濾光器113A、113B。據此，光電模組101內之一或多個漂移場解調像素101A、101B可在實體上有缺陷，例如，一半導體基板105A、105B可由一雜質標記。舉例而言，一實體有缺陷之解調像素可展現不規則敏感度。根據先前所揭示之實例，有缺陷像素之敏感度可經調諧/最佳化，使得其敏感度可例如藉由內插相鄰無缺陷漂移場解調像素之敏感度而校正。 圖2A描繪經組態以獲取距離資料及光譜資料兩者之一光電模組之一實例。描繪處於一光譜資料獲取模式之一光電模組200A。光電模組200A包含一解調像素陣列201。解調像素陣列201包含一系列解調像素203，諸如漂移場解調像素。光電模組200進一步包含一基板204、及一強度平衡濾光器陣列205。強度平衡濾光器陣列205包含複數個強度平衡區域206、207、208，其具有對入射經透射之電磁輻射214之各自不同之透射率。舉例而言，強度平衡區域206可透射75%之入射經透射之電磁輻射214，強度平衡區域207可透射50%之入射經透射之電磁輻射214，且強度平衡區域208可透射25%之入射經透射之電磁輻射214。各強度平衡區域之透射率可係波長相依或無需波長相依，舉例而言，幾乎全部可見光波長可同樣受影響。即，強度平衡區域206、207、208可實質上透射可見範圍中之全部波長光，但各自僅透射75%、50%、及25%之總入射經透射之電磁輻射214。 光電模組200進一步包含一彩色濾光器陣列(CFA) 209。彩色濾光器陣列209包含複數個第一光譜濾光器區域210、第二光譜濾光器區域211、及第三光譜濾光器區域212。舉例而言，第一光譜濾光器區域210可經組態以透射對應於綠色光之波長，第二光譜濾光器區域211可經組態以透射對應於藍色光之波長，且第三光譜濾光器區域212可經組態以透射對應於紅色光之波長。再者，光譜濾光器區域210、211、212可經組態以透射入射電磁輻射之多個波長範圍。舉例而言，光譜濾光器區域210可經組態以透射對應於綠色光之波長及對應於一特定紅外光範圍之波長。此外，光譜濾光器區域211可經組態以透射對應於藍色光之波長及對應於一特定紅外光範圍之波長。此外，光譜濾光器區域212可經組態以透射對應於紅色光之波長及對應於一特定紅外光範圍之波長。 第一光譜濾光器區域210、第二光譜濾光器區域211、及第三光譜濾光器區域212可與強度平衡濾光器陣列205之各自第一強度平衡區域206、第二強度平衡區域207、及第三強度平衡區域208對準，且各者可與解調像素陣列201中之各自解調像素203對準。光電模組200A進一步包含一基板260，像素陣列201安裝於基板260上。此外，光譜濾光器區域可根據解調像素203之固有敏感度與各自強度平衡區域匹配。舉例而言，若解調像素對紅色光最敏感，次之對藍色光敏感，又次之對綠色光敏感，則具有最小透射率之強度平衡區域(例如，強度平衡區域208)可經匹配至經組態以透射對應於紅色光之波長之光譜濾光器區域(例如，光譜濾光器區域212)。類似地，具有中間透射率之平衡區域(例如，平衡區域207)可經匹配至經組態以透射對應於藍色光之波長之光譜濾光器區域(例如，光譜濾光器區域211)。且具有最大透射率之平衡區域(例如，平衡區域206)可經匹配至經組態以透射對應於綠色光之波長之光譜濾光器區域(例如，光譜濾光器區域210)。 光電模組200A進一步包含一輔助光譜濾光器216。輔助光譜濾光器213可透射與光譜濾光器區域210、211、及212相同之波長範圍。另外，光譜濾光器213可進一步透射另一波長或另一波長範圍或實質上使另一波長或另一波長範圍衰減。舉例而言，輔助光譜濾光器213可經組態以透射一特定紅外輻射範圍、對應於紅色光之一特定波長範圍、對應於藍色光之一特定波長範圍、及對應於綠色光之一特定波長範圍。特定言之，輔助光譜濾光器213可透射對應於使用一特定波長經調變電磁輻射之一波長或一波長範圍。 光電模組200A可進一步進行操作以在一距離資料獲取模式中收集距離資料。舉例而言，入射經透射之電磁輻射214可使用一特定調變頻率調變。此外，入射經透射之電磁輻射214可係一特定波長或一特定波長範圍。當電磁輻射經調變且入射於光電模組200A上時，其可透射穿過輔助光譜濾光器213、平衡濾光器陣列205、及彩色濾光器陣列209。據此，電磁輻射214可入射於解調像素陣列201上，其中可根據標準飛行時間技術獲取距離。此外，在一些情況中，各解調像素之經施加電位可經調整、經最佳化，使得各解調像素之敏感度在光電模組200A操作於一距離資料獲取模式中時互補強度平衡濾光器陣列205之各強度平衡區域之透射率。 圖2B描繪經組態以經由一組合強度平衡陣列及彩色濾光器陣列獲取距離資料及光譜資料兩者之一光電模組之另一實例。描繪處於一光譜資料獲取模式中之光電模組。一光電模組200B包含一解調像素陣列201。解調像素陣列201包含一系列解調像素203。光電模組200B進一步包含一基板204、及一組合強度平衡濾光器陣列及彩色濾光器陣列、一組合濾光器陣列215。組合強度平衡濾光器陣列215包含複數個組合濾光器區域216、217、218。組合濾光器區域216、217、218組合強度平衡區域206、207、208之性質與上文所描述之版本/實例(圖2A)之光譜濾光器區域210、211、212之性質。即，組合濾光器區域216、217、218特徵為各自不同之入射經透射之電磁輻射214之透射率，且特徵為各自不同之光譜濾光特性。舉例而言，組合濾光器區域216可透射75%之總入射經透射之電磁輻射214，且可經組態以透射對應於綠色光之波長；組合濾光器區域217可透射50%之總入射電磁輻射214，且可經組態以透射對應於藍色光之波長；且組合濾光器區域218可透射25%之總入射電磁輻射214，且可經組態以透射對應於紅色光之波長。 光電模組200B可進一步進行操作以在一距離資料獲取模式中獲取距離資料。如上文，入射於光電模組上之電磁輻射214可透射穿過輔助光譜濾光器213、及組合強度平衡濾光器215。此外，入射經透射之電磁輻射214可使用一特定調變頻率(即，適用於經由飛行時間技術獲取距離資料)調變。據此，經調變電磁輻射214可入射於解調像素陣列203上，其中可根據標準飛行時間技術獲取距離。此外，在一些情況中，各解調像素之經施加電位可經調整、經最佳化(如上文所描述)，使得各解調像素之敏感度在光電模組200B操作於一距離資料獲取模式中時互補組合濾光器陣列215之各強度平衡區域之透射率。在一些實施方案中，組合濾光器陣列215可藉由構造具有一不同厚度之各組合濾光器區域來達成不同之透射率區域(例如，於組合濾光器區域216、217、及218中)。舉例而言，第一組合濾光器區域216可係第二組合濾光器區域217之厚度之兩倍，且第二組合濾光器區域217可係第三組合濾光器區域218之厚度之兩倍。據此，第一組合濾光器區域可比第二組合濾光器區域217對入射經透射之電磁輻射214更具透射性，且第二組合濾光器區域217可比第三組合濾光器區域218對入射經透射之電磁輻射214透射更具透射性。據此，各組合濾光器區域可經客製化至其等各自解調像素203之本質敏感度。 根據關於圖2A及圖2B所描述之實例，可經由同一解調像素203連續(或幾乎同時)獲取光譜資料及距離資料兩者。解調像素對入射輻射之不同波長或不同波長範圍之本質敏感度差異可遍及解調像素陣列201之像素之不同而經由彩色濾光器陣列209與強度平衡濾光器陣列205之組合、或經由組合濾光器陣列215經製成不變的。據此，可避免或改善像素203之飽和。 圖3描繪經組態以經由一強度平衡微透鏡陣列獲取距離資料及光譜資料兩者之一光電模組之另一實例。描繪處於一光譜資料獲取模式中之一光電模組。一光電模組300包含一解調像素陣列301。解調像素陣列301包含一系列解調像素303。光電模組300進一步包含一基板304、及一光譜濾光器陣列313。光譜濾光器陣列313包含複數個第一光譜濾光器區域314、第二光譜濾光器區域315、及第三光譜濾光器區域316。舉例而言，第一光譜濾光器區域314可經組態以透射對應於綠色光之波長，第二光譜濾光器區域315可經組態以透射對應於藍色光之波長，且第三光譜濾光器區域316可經組態以透射對應於紅色光之波長。再者，光譜濾光器區域314、315、316可經組態以透射入射電磁輻射之多個波長範圍。舉例而言，光譜濾光器區域314可經組態以透射對應於綠色光之波長及對應於一特定紅外光範圍之波長。此外，光譜濾光器區域315可經組態以透射對應於綠色光之波長及對應於一特定紅外光範圍之波長。此外，光譜濾光器區域316可經組態以透射對應於紅色光之波長及對應於一特定紅外光範圍之波長。光電模組300進一步包含一強度平衡微透鏡陣列317。強度平衡微透鏡陣列進一步包含複數個強度平衡微透鏡318、319、320，其等具有各自不同之收集入射經透射之電磁輻射314之能力。舉例而言，強度平衡微透鏡318可收集75%之入射電磁輻射314，強度平衡微透鏡319可收集50%之入射電磁輻射314，且強度平衡微透鏡320可收集25%之入射電磁輻射314。 第一光譜濾光器區域314、第二光譜濾光器區域315、及第三光譜濾光器區域316可與強度平衡微透鏡陣列317之各自第一強度平衡微透鏡318、第二強度平衡微透鏡319、及第三強度平衡微透鏡320對準，且各者可與一解調像素303對準。 此外，光譜濾光器區域可根據解調像素303之固有敏感度與各自強度平衡微透鏡匹配。舉例而言，若解調像素對紅色光最敏感，次之對藍色光敏感，又次之對綠色光敏感，則具有最小收集能力之強度平衡微透鏡(例如，強度平衡微透鏡320)可經匹配至經組態以透射對應於紅色光之波長之光譜濾光器區域(例如，光譜濾光器區域316)。類似地，具有中間收集能力之強度平衡微透鏡(例如，強度平衡微透鏡319)可經匹配至經組態以透射對應於藍色光之波長之光譜濾光器區域(例如，光譜濾光器區域315)。且具有最大收集能力之強度平衡微透鏡(例如，強度平衡微透鏡318)可經匹配至經組態以透射對應於綠色光之波長之光譜濾光器區域(例如，光譜濾光器區域314)。 光電模組300進一步包含一輔助光譜濾光器322。輔助光譜濾光器322可透射與光譜濾光器區域314、315、及316相同之波長範圍。另外，光譜濾光器322可進一步透射另一波長或另一波長範圍。舉例而言，輔助光譜濾光器322可經組態以透射一特定紅外輻射範圍、對應於紅色光之一特定波長範圍、對應於藍色光之一特定波長範圍、及對應於綠色光之一特定波長範圍。特定言之，輔助光譜濾光器322可透射對應於使用一特定調變頻率經調變入射經透射之電磁輻射314之一波長或一波長範圍。 光電模組300可進一步進行操作以在一距離資料獲取模式中經由強度平衡微透鏡陣列獲取距離資料。如上文，入射於光電模組300上之電磁輻射214可透射穿過輔助光譜濾光器322、平衡微透鏡陣列317及光譜濾光器陣列313。據此，使用一特定調變頻率經調變入射經透射之電磁輻射314可入射於解調像素陣列301上，其中可根據標準飛行時間技術獲取距離資料。 根據關於圖3所揭示之實例，可經由同一解調像素連續(或幾乎同時)獲取光譜資料及距離資料兩者。此外，解調像素303固有地對入射輻射之不同波長或不同波長範圍之敏感度差異可遍及解調像素陣列301之像素不同而製成不變的，不考慮由光譜濾光器陣列313透射之電磁輻射之波長或波長範圍。因此，可避免或減輕像素303之飽和。 圖4A描繪包含上文所揭示之任一光電模組之可進行操作以獲取距離資料及光譜資料兩者之一光電裝置400之一實例之一平面圖。圖4B描繪在圖4A中所描繪之實例性光電裝置400之一橫截面圖。光電裝置400包含一光電模組401 (如上文所揭示)、一發射器402、及一基板403，諸如一印刷電路板基板、矽、或用於以機械方式及電方式安裝電子電路之另一適當介質。舉例而言，光電模型401包含複數個調變像素及一組合濾光器陣列。發射器402 (例如，雷射二極體、發光二極體、或上述任一者之一陣列)可進行操作以產生具有一特定調變頻率及特定波長、或特定波長範圍之經調變電磁輻射404。舉例而言，經調變電磁輻射404可由對應於白色光之特定波長組成。在其他實例中，經調變電磁輻射404可由對應於白色光之特定波長組成，且可進一步包含紅外光。在其他實例中，發射器402可進行操作以針對一特定環境發光條件(例如，自然光)產生一特定波長或一特定波長範圍，且可針對另一環境發光條件(例如，螢光發光)產生另一特定波長或另一特定波長範圍。 光電裝置400進一步包含：一光學總成405，其安裝於一殼體406內且可包含一自動對焦總成408。光學總成405可包含折射或繞射透鏡、或光譜濾光器(例如，紫外光、紅外光、或中性密度濾光器)。自動對焦總成408可有助於達成例如聚焦、縮放及/或影像穩定。自動對焦總成408可使用整合至殼體406中之一電磁致動器(諸如，一音圈馬達)實施。在一些情況中，自動對焦總成408可包含彈簧及一磁體。在一些例項中，自動對焦總成408可包含一或多個導電接腳、音圈、壓電組件、及/或電磁組件。在一些例項中，自動對焦總成408可例如藉由使用一微電機系統(MEMS)裝置(例如，一MEMS靜電致動器)實施。自動對焦總成408可允許光學總成405中之透鏡與光電模組401 (其包含複數個解調像素)之間之距離例如依多達數十微米(例如，+20 μm)進行調整。 圖4C描繪用於經由圖4A及圖4B中所描繪之實例性光電裝置收集一三維場景之一彩色影像之一實例性方法。可使用距離資料及光譜資料兩者收集彩色影像。舉例而言，該方法可包含經由發射器402產生410經調變電磁輻射404並將該經調變電磁輻射引導至三維場景上之步驟。經調變電磁輻射404可係白色光，諸如，一經調變白色光閃光。一經調變白色光閃光可用於收集距離資料兩者，且可針對光譜資料收集(例如，彩色影像擷取)進一步依類似於攝影機攝影機閃光之一方式照明該三維場景。在一些例項中，該經調變白色光閃光可進一步包含具有一特定波長之紅外光(例如，用於距離資料收集)，在此情況中，光學總成405可包含一帶通濾光器，其可進行操作以傳遞彼特定波長紅外光。該方法可進一步包含經由光電模組401包含之複數個解調像素及組合濾光器陣列藉由聚焦自三維場景反射之經調變電磁輻射至如上文所揭示之複數個三維像素及組合濾光器陣列收集412距離資料。該方法可進一步包含經由自動對焦總成408致動414光學總成405，使得三維場景經聚焦於複數個解調像素上。該方法可進一步包含經由複數個解調像素及組合濾光器陣列(如上文所揭示)收集416光譜資料，及經由經收集光譜資料使用例如一解馬賽克影像重構技術產生一彩色影像。該方法可進一步包含停止418自發射器產生經調變電磁輻射。 圖4D描繪用於經由在圖4A及圖4B中所描繪之實例性光電裝置收集一三維場景之一彩色影像之另一實例性方法。可使用距離資料及光譜資料兩者收集彩色影像。舉例而言，該方法可包含經由發射器402產生420經調變電磁輻射404並將該經調變電磁輻射引導至該三維場景上之步驟。在一些例項中，發射器402可進行操作以針對一特定環境發光條件(例如，自然太陽光)產生一第一特定波長、或一第一特定波長範圍作為一預設波長、或一預設波長範圍。該方法可進一步包含經由光電模組401包含之複數個解調像素及組合濾光器陣列藉由聚焦自三維場景反射之經調變電磁輻射之第一特定波長、或第一波長範圍至如上文所揭示之複數個三維像素及組合濾光器陣列收集422距離資料。該方法可進一步包含經由自動對焦總成408致動424光學總成405，使得三維場景經聚焦於複數個解調像素上。該方法可進一步包含經由複數個解調像素及組合濾光器陣列(如上文所揭示)收集426第一光譜資料，及判定經調變輻射之一第二特定波長或一第二波長範圍是否應由發射器402產生並經引導至三維場景(例如，以改良在收集步驟426中收集之第一光譜資料)。舉例而言，在一些例項中，可在一人造發光環境(例如，螢光發光)中收集第一光譜資料，其中使用經調變電磁輻射之第一特定波長或第一特定波長範圍收集之該第一光譜資料不為光譜資料之獲取提供最優(例如，美觀)發光條件；舉例而言，第一光譜資料(若用於產生一彩色影像)可具有一冷色溫。據此，該方法可進一步包含經由發射器402產生428經調變電磁輻射404並將該經調變電磁輻射引導至三維場景上，其中發射器402可進行操作以產生更適用於特定環境發光條件之一第二特定波長或一第二特定波長範圍。該方法可進一步包含經由複數個解調像素及組合濾光器陣列(如上文所揭示)收集430第二光譜資料。隨後步驟進一步可包含經由經收集第二光譜資料使用例如一解馬賽克影像重構技術產生一彩色影像。該方法可進一步包含停止432自發射器產生經調變電磁輻射。 可在本發明之精神內做出各種修改，且在一些情況中，來自不同實施方案之特徵可組合於一單個實施方案中。據此，其他實施方案落在申請專利範圍之範疇內。
100‧‧‧光電模組/解調像素陣列
101A、101B‧‧‧解調像素
102A、102B‧‧‧光敏偵測區域
103A、103B‧‧‧閘極
104A‧‧‧絕緣體層
105A、105B‧‧‧半導體基板
106A、106B‧‧‧接觸節點
107A‧‧‧電極
108A、108B‧‧‧解調區域
109A、109B‧‧‧輸出節點
110A、110B‧‧‧高電位區域
111A、111B‧‧‧漂移場區域
112A、112B‧‧‧低電位區域
113A、113B‧‧‧光譜濾光器
114A、114B‧‧‧電磁輻射
115A、115B‧‧‧光生電荷
116‧‧‧輔助光譜濾光器
118‧‧‧電位
119‧‧‧入射電磁輻射
120A、120B‧‧‧高電位區域
122A、122B‧‧‧低電位區域
200A、200B‧‧‧光電模組
201‧‧‧解調像素陣列
203‧‧‧解調像素
204‧‧‧基板
205‧‧‧強度平衡濾光器陣列
206、207、208‧‧‧強度平衡區域
209‧‧‧彩色濾光器陣列
210‧‧‧第一光譜濾光器區域
211‧‧‧第二光譜濾光器區域
212‧‧‧第三光譜濾光器區域
213‧‧‧輔助光譜濾光器
214‧‧‧電磁輻射
215‧‧‧組合濾光器陣列
216、217、218‧‧‧組合濾光器陣列
300‧‧‧電磁模組
301‧‧‧解調像素陣列
303‧‧‧解調像素
304‧‧‧基板
313‧‧‧光譜濾光器陣列
314‧‧‧第一光譜濾光器陣列
315‧‧‧第二光譜濾光器陣列
316‧‧‧第三光譜濾光器陣列
317‧‧‧強度平衡微透鏡陣列
318、319、320‧‧‧強度平衡微透鏡
322‧‧‧輔助光譜濾光器
400‧‧‧光電裝置
401‧‧‧光電模組
402‧‧‧發射器
403‧‧‧基板
404‧‧‧電磁輻射
405‧‧‧光電總成
406‧‧‧殼體
408‧‧‧自動對焦總成
410‧‧‧產生
412‧‧‧收集
414‧‧‧致動
416‧‧‧收集
418‧‧‧停止
420‧‧‧產生
422‧‧‧收集
424‧‧‧致動
426‧‧‧收集
428‧‧‧產生
430‧‧‧收集
432‧‧‧停止
圖1A依一平面圖描繪經組態以獲取距離資料及光譜資料兩者之一光電模組之一實例。 圖1B描繪在圖1A中所描繪之光電模組之一側視圖。 圖1C描繪在圖1A中所描繪之光電模組之一側視圖，其中繪示經最佳化以用於光譜資料獲取之電位。 圖1D描繪在圖1A中所描繪之光電模組之一側視圖，其中繪示經最佳化以用於距離資料獲取之電位。 圖2A描繪經組態以經由一強度平衡濾光器陣列獲取距離資料及光譜資料兩者之一光電模組之另一實例。 圖2B描繪經組態以經由一組合強度平衡濾光器陣列及彩色濾光器陣列獲取距離資料及光譜資料兩者之一光電模組之另一實例。 圖3描繪經組態以經由一強度平衡微透鏡陣列獲取距離資料及光譜資料兩者之一光電模組之另一實例。 圖4A描繪一光電裝置之一實例，上述光電模組之任一者可併入於該光電裝置中。 圖4B描繪在圖4A中所描繪之實例光電裝置之一橫截面圖。 圖4C描繪用於經由在圖4A及圖4B中所描繪之實例光電裝置收集一彩色影像之一實例方法。 圖4D描繪用於經由在圖4A及圖4B中所描繪之實例光電裝置收集一彩色影像之另一實例方法。
101A、101B‧‧‧解調像素
102A‧‧‧光敏偵測區域
103A、103B‧‧‧閘極
104A‧‧‧絕緣體層
105A、105B‧‧‧半導體基板
106A、106B‧‧‧接觸節點
108B‧‧‧解調區域
109A‧‧‧輸出節點
110A、110B‧‧‧高電位區域
111A、111B‧‧‧漂移場區域
112A、112B‧‧‧低電位區域
113A、113B‧‧‧光譜濾光器
114A、114B‧‧‧電磁輻射
115A、115B‧‧‧光生電荷
116‧‧‧輔助光譜濾光器

Claims (19)

  1. 一種光電模組，其可進行操作以經由同一解調像素陣列收集距離資料及光譜資料，該光電模組包括： 複數個解調像素、及複數個各自光譜濾光器，複數個各自光譜濾光器各經安置以分別透射電磁輻射之一特定波長或一特定波長範圍至該複數個解調像素中之一各自解調像素； 一發射器，其可進行操作以產生具有一特定調變頻率及一特定發射波長或一特定發射波長範圍之經調變電磁輻射；及 一光學總成，其包含安裝於一光學元件殼體內之複數個光學元件，該光學總成具有一焦距，其中該光學總成與該複數個解調像素對準且依該焦距與該複數個解調像素分離。
  2. 如請求項1之光電模組，其進一步包括一輔助光譜濾光器，該輔助光譜濾光器經安置以透射由該發射器產生之電磁輻射之該特定發射波長或該特定發射波長範圍。
  3. 如請求項2之光電模組，其中由該發射器產生之電磁輻射之該特定發射波長或該特定發射波長範圍對應於電磁光譜之紅外光區域。
  4. 如請求項1之光電模組，其中該複數個解調像素中之該等解調像素可進行操作以根據由其等各自光譜濾光器透射之電磁輻射之該特定波長或該特定波長範圍修改其等各自對電磁輻射之敏感度。
  5. 如請求項4之光電模組，其中該複數個解調像素中之該等解調像素可進一步進行操作以根據由其等各自光譜濾光器透射之電磁輻射之該特定波長或該特定波長範圍修改其等各自對電磁輻射之敏感度，使得該解調像素陣列內之一各自解調像素中產生之一信號之一強度不飽和。
  6. 如請求項4之光電模組，其中該解調像素陣列內之該等解調像素係漂移場解調像素，該等漂移場解調像素可進行操作以藉由修改各自漂移場解調像素內之各自漂移場修改其等各自對電磁輻射之敏感度。
  7. 如請求項6之光電模組，其中該複數個各自光譜濾光器包括一第一光譜濾光器、一第二光譜濾光器、及一第三光譜濾光器，且其中該第一光譜濾光器對應於一紅色濾光器，該第二光譜濾光器對應於一綠色濾光器，且該第三光譜濾光器對應於一藍色濾光器。
  8. 如請求項7之光電模組，其中與該第一濾光器相關聯之該漂移場解調像素陣列內之該等漂移場解調像素可進行操作以具有一第一敏感度，與該第二濾光器相關聯之該漂移場解調像素陣列內之該等漂移場解調像素可進行操作以具有一第二敏感度，且與該第三濾光器相關聯之該漂移場解調像素陣列內之該等漂移場解調像素可進行操作以具有一第三敏感度。
  9. 如請求項8之光電模組，其中該第三敏感度大於該第二敏感度，且該第二敏感度大於該第一敏感度。
  10. 如前述請求項中任一項之光電模組，其中該光電模組進一步包括一強度平衡濾光器陣列，該強度平衡濾光器陣列包含具有對電磁輻射之各自不同波長獨立透射率之複數個強度平衡區域，各自強度平衡區域與一各自光譜濾光器相關聯。
  11. 如請求項1至9中任一項之光電模組，其中該光電模組進一步包括一強度平衡微透鏡陣列，該強度平衡微透鏡陣列包含具有對電磁輻射之各自不同波長獨立透射率之複數個強度平衡微透鏡，各自強度平衡區域與一各自光譜濾光器相關聯。
  12. 一種光電裝置，其可進行操作以經由同一解調像素陣列收集距離資料及光譜資料，該光電模組包括： 複數個解調像素及一組合濾光器陣列； 一發射器，其可進行操作以產生具有一特定調變頻率及一特定發射波長或一特定發射波長範圍之經調變電磁輻射；及 一光學總成，其包含安裝於一光學元件殼體內之複數個光學元件，該光學總成具有一焦距，其中該光學總成與該複數個解調像素對準且依該焦距與該複數個解調像素分離。
  13. 如請求項12之光電裝置，其中該光電裝置進一步包括一自動對焦總成。
  14. 如請求項13之光電裝置，其中該發射器可進行操作以產生經解調電磁輻射之複數個波長。
  15. 如請求項14之光電裝置，其中經解調電磁輻射之該複數個波長對應於白色光。
  16. 如請求項14之光電裝置，其中經解調電磁輻射之該複數個波長對應於白色光且進一步包含紅外光。
  17. 一種用於使用可進行操作以經由同一解調像素陣列收集距離資料及光譜資料之一光電裝置收集一三維場景之一彩色影像之方法，該方法包括： 經由一發射器產生經調變電磁輻射並將該經調變電磁輻射引導至該三維場景上； 將自該三維場景反射之經調變電磁輻射聚焦至複數個三維像素及一組合濾光器陣列上； 經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集距離資料； 基於經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集之該距離資料經由一自動對焦總成致動一光學總成，使得該三維場景經聚焦於該複數個解調像素上； 經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集光譜資料，及經由該經收集光譜資料產生一彩色影像；及 停止自該發射器產生經調變電磁輻射。
  18. 如請求項17之方法，其中自該發射器產生之該經調變電磁輻射對應於白色光。
  19. 一種用於使用可進行操作以經由同一解調像素陣列收集距離資料及光譜資料之一光電裝置收集一三維場景之一彩色影像之方法，該方法包括： 經由一發射器產生第一經調變電磁輻射並將該第一經調變電磁輻射引導至該三維場景上； 將自該三維場景反射之第一經調變電磁輻射聚焦至複數個三維像素及一組合濾光器陣列上； 經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集距離資料； 基於經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集之該距離資料經由一自動對焦總成致動一光學總成，使得該三維場景經聚焦於該複數個解調像素上； 經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集第一光譜資料； 經由該發射器產生第二經調變電磁輻射，該第二經調變電磁輻射基於該第一光譜資料經調整，並將該第二經調變電磁輻射引導至該三維場景上； 將自該三維場景反射之第二經調變電磁輻射聚焦至該複數個三維像素及該組合濾光器陣列上； 經由該複數個解調像素及該組合濾光器陣列收集第二光譜資料，並經由該經收集第二光譜資料產生一彩色影像；及 停止自該發射器產生第二經調變電磁輻射。
TW105131807A 2015-10-01 2016-09-30 用於光譜及距離資料之獲取的光電模組 TWI720029B (zh)

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