光譜成像系統的制作方法

光譜成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明的一實施例提供了一種用于對場景成像的光譜成像器(20)，所述光譜成像器包括半導體光電傳感器(21)和電源(60)，所述半導體光電傳感器(21)包括光敏像素(26)，所述電源(60)將電壓施加于所述光電傳感器來控制像素對于以不同光波長段入射到像素上的光的響應度。
【專利說明】
光譜成像系統
技術領域
[0001]本發明的各實施例涉及用于確定來自場景的光的光譜含量的裝置和方法。
[0002] 背景
[0003] 獲取場景的彩色圖像的相機通常包括在曝光周期期間在具有寄存可見光譜的紅 (R)、綠(G)和藍(B)波長段的像素陣列的半導體光電傳感器上對來自該場景的光成像的光 學器件。陣列中的像素一般按行和列排列，而光電傳感器可以是各種類型的CCD(電荷耦合 器件)或CMOS(硅上互補金屬氧化物)光電傳感器中的任一種。
[0004] 光電傳感器中的一個像素通過積聚來自由入射光在該像素中所生成的電子-空穴 對的電子或空穴來寄存來自由相機光學器件成像在該像素上的場景的某一區域的光。電 子-空穴對在P摻雜半導體材料與η摻雜半導體材料的p-n結(也被稱為光電二極管)處形成 的該像素的耗盡區中或附近生成。P摻雜半導體材料是一種摻雜了受主原子的材料，受主原 子為該材料提供了在該材料中吸引電子并起正電荷載流子作用的"空穴"。η摻雜半導體材 料是一種摻雜了施主原子的材料，施主原子向該材料貢獻電子，電子是該材料中的負電荷 載流子。光電傳感器中所包括的半導體材料的摻雜結構決定了光電傳感器中的像素積聚由 像素上的入射光所生成的電子還是空穴。通常像素積聚源于電子-空穴對的電子(常規上也 稱為光電子)來寄存入射光。
[0005] 在曝光周期即將結束之際，與像素中積聚的電子或空穴相關聯的電荷(也被稱為 光電荷)被用來生成電壓或電流信號。該信號提供了光電荷量的度量，從而提供了積聚電子 或空穴數以及入射在生成電子或空穴的像素上的R、G或B光的強度的度量。光電傳感器中的 像素提供的R、G和B光的度量被用來提供場景的彩色圖像。
[0006] 像素的耗盡區能夠響應于具有相對較寬的波長段的光而生成電子-空穴對。通常 該波長段包括可見光譜的光和紅外（IR)光。可見光譜包括具有處于從大約380納米(nm)延 伸到大約750納米的波長段中的波長的光。R、G和B光包括具有分別以660納米、530納米和 440納米波長為中心的等于或大約150納米寬度的重疊波長段的光。近IR(NIR)光具有處于 從大約800納米延伸到大約2500納米的波長段中的波長的光。R、G或B像素被配置成通過帶 通濾波器來區分R、G或B光，該帶通濾波器屏蔽該像素使得分別處于成像在該像素上的光中 僅R、G和B光進入該像素以在該像素的耗盡區生成電子-空穴對。IR像素由IR帶通濾波器屏 蔽。
[0007] -些專用相機可響應于非可見光來對場景成像。例如，提供測距圖像 (range images)(提供距場景中的特征的距離）的三維（3D)測距相機(range camera)可響應 于諸如IR之類的非可見光對場景成像。一些3D測距相機除了提供響應于IR光而捕獲的測距 圖像之外還提供該場景的R、G和B彩色圖像。
[0008] 概述
[0009]本發明的一實施例的一方面涉及提供一種用于響應于來自場景的處于不同光波 長段的光來對場景成像的光電傳感器系統，下文也被稱為"光譜成像器"。該光譜成像器包 括半導體光電傳感器和電源，所述半導體光電傳感器包括光敏像素，所述電源將電壓施加 給所述光電傳感器以控制來自場景的處于不同光波長段的光的寄存。
[0010] 在本發明的一實施例中，每個像素包括定義該像素中的第一和第二光電二極管且 由分別在相反方向上產生電場的耗盡區表征的第一和第二p-n結。依據其極性，相反方向的 電場產生了用于積聚由入射在該像素上的光生成的電子-空穴對所提供的光電子或空穴的 勢阱。電源向光電傳感器中的一電極施加電壓，該電壓控制該像素中所述勢阱的位置位于 該像素的頂面之下。所述頂面是該像素寄存的光進入該像素所處的光電傳感器的表面。勢 阱相對于頂面的位置是按照從頂面到該像素中最遠離頂面的、界定該勢阱的靜電勢中的最 大值或"峰值"（下文稱為"邊界電勢峰值"）的距離來測量的。
[0011] 與較短波長的光相比，對于較長波長的光，像素對入射光的響應度(可被定義為像 素所產生的信號強度與入射到該像素的光的強度的比率)隨勢阱離開頂面的距離增加得越 多。因此，根據本發明的一實施例，改變像素中的勢阱離開頂面的距離會改變該像素所敏感 的且該像素寄存光所針對的光的波長段。下文的"位置深度" "d"被用來指代像素中的某一 特征在頂面下的距離，而像素中的勢阱的位置可被稱為像素中的該勢阱的位置深度。
[0012] 令由一像素中的第一和第二p-n結及其邊界電勢峰值生成的一給定勢阱的位置深 度由(Im表示。對于講的給定(Im與給定波長"λ"，令光電傳感器的第i個像素 pi對入射光的響應 度由R(i，dM，A)表示。可選地，光電傳感器中的像素的響應度對于所有的像素是相同的，且 出于簡明性而假設確實這樣，則某一像素的響應度可被寫為R(d M，A)，沒有下標i。令入射在 第i個像素 P1上的波長為λ的光的強度由Ki，λ)表示，以及令由像素仍響應于I(i，λ)而生成 的信號由MI(i，d)表不。
[0013] 在本發明的一實施例中，光譜成像器電源向光電傳感器的像素施加多個"N"個不 同的電壓，以便對于像素中的勢阱的對應的不同位置深度d M,n，0<n<N，獲得像素上的入射 光的測量值。對于位置深度dM, n，令入射在第i個像素上的光的N個信號MI(i，d)由向量MI(i， dn)表示，其中該向量的分量MI(i，dn)是由該像素針對位置深度dM, n生成的信號。假定入射在 像素 Pi上的光的光譜由具有A λ譜寬和由人1{表示的中心波長(〇 < k < K)的K個譜柱的光強度 的直方圖表不。令強度由向量Ki，λι〇表不，其中該向量的分量Ki，λι〇為在第k個柱中入射 在像素 P1上的光的平均強度。根據以下等式，可定義將入射光譜向量Ki，Ak)與測量值向量 11(^)相關的響應度矩陣1?((1 [^，入10，
[0014] MI(i，dj)=R(dM,n，Xk)x I(i，Xk)。 (I)
[0015] 在本發明的一實施例中，對等式（I)求解以確定向量I(i，Ak)并提供入射在像素 Pi 上的光的離散光譜。可選地，入射在像素 P1I的光為可見光，而Ki，Ak)解確定了入射在該像 素上的光的顏色。
[0016]在討論中，除非另行說明，修改本發明的實施例的特征的條件或關系特性的諸如 "基本上"和"大約"的副詞應被理解為該條件或特性被定義為針對該實施例所意圖的應用 在該實施例的操作可接受的容差范圍以內。除非另外指示，本規范和權利要求書中的單詞 "或"被認為是包含性"或"而不是排他性或，并且指示其結合的各項目中的至少一者或其組 合。
[0017]提供本概述以便以簡化的形式介紹以下在詳細描述中進一步描述的一些概念。本

【發明內容】
并不旨在標識所要求保護主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求 保護主題的范圍。
[0018] 附圖簡述
[0019] 下面將參考在此所附的在此段落之后列出的附圖來描述本發明的實施例的非限 制性示例。在多于一幅附圖中出現的相同的特征通常在其出現的所有附圖中都以相同的數 字來標記。標記表示附圖中的本發明的實施例的一個給定特征的圖標的標記可被用于參考 該給定的特征。附圖中所示的組件的尺寸和特征是為了方便和清楚呈現而選擇的，并且不 一定按比例顯示。
[0020] 圖1示意性地示出根據本發明的一實施例的包括光電傳感器和電源的光譜成像 器；
[0021] 圖2示意性地示出根據本發明的一實施例，在圖1所示的光譜成像器的某一像素中 的勢阱的位置深度如何隨著電源施加于光電傳感器的電壓而改變；
[0022] 圖3示出根據本發明的一實施例，在圖1所示的光譜成像器的某一像素中的光電子 的靜電勢曲線；以及
[0023]圖4示出根據本發明的一實施例，R、G和B光的相對響應度R(dM，A)根據施加給光譜 成像器的光電傳感器的電壓而變化的曲線。
[0024] 詳細描述
[0025] 圖1示意性地示出根據本發明的一實施例的用于響應于來自場景(未示出）的處于 不同波長段的光（由波形箭頭100表示)對場景成像的光譜成像器20。光譜成像器20包括具 有任選地以像素行22和列24排列的像素26的光電傳感器21和電源60。電源控制給光電傳感 器的電壓以便控制像素26對光的靈敏度和它們寄存光所針對的光波長段。兩個像素26由虛 線邊界線23來區分。邊界線界定了一像素26在光電傳感器21的接收來自場景的光100以便 對場景成像的頂面25上所占據的區域。
[0026]圖1只示出了光電傳感器21的一部分，且該部分是沿著表面41和42的剖面。表面41 穿過且基本上平分行22中的像素26,并示出了像素的橫截面，該橫截面展示出沿著該行像 素的光電傳感器21和像素26的內部特征的細節。為了便于表示，被表面41平分且與表面25 上的虛線邊界23相關聯的像素26由表面41上的虛線邊界43和標簽26'來區分。表面42穿過 像素26的列24中的像素26,并示出了像素的橫截面，該橫截面展示出沿著該列像素的光電 傳感器21和像素26的內部結構的細節。
[0027]每一個像素26包括頂面25上的"入口區域"27,入射到該像素的光100穿過該入口 區域可進入該像素以便生成光電荷，該像素寄存光電荷以便確定入射光的強度。每個像素 還包括也被稱為傳輸門的電極28，該電極一般對像素26所寄存的光不透明。傳輸門28可被 通電以將入射光100在像素26中生成的光電荷轉移到像素的存儲區。轉移到存儲區的光電 荷被處理以便提供電流或電壓信號，該信號提供了由該像素所積聚的光電荷的量的度量， 從而提供了入射到該像素的光的強度的度量。像素26的存儲區在下文對像素26的結構的細 節的討論中討論。
[0028] 光電傳感器21的各種特征和特征的配置(諸如控制信號生成和像素重置的晶體 管、除了傳輸門28之外的可被用于將存儲區中的電荷轉移到讀出晶體管的傳輸門、或者用 來控制哪些像素被選擇用于"讀取"的行和列選擇線)在圖中未示出。
[0029] 作為示例，光電傳感器21被假定為CMOS光電傳感器，其包括將光電傳感器中的像 素26配置成通過積聚光電子而不是空穴來寄存入射光的摻雜結構。該光電傳感器可選地包 括重度η摻雜硅基底30,該重度η摻雜硅基底30上形成有輕度p摻雜硅層32。在下文也被稱為 η區34和35的η摻雜區34和35被形成在ρ摻雜外延層32中。ρ摻雜區36覆蓋η摻雜區34。11區35 鄰近P摻雜區36且與η區34不間斷。對由光譜成像器20成像的光透明的電絕緣材料的頂層37 保護光電傳感器21的下層和特征。頂層37中充滿了氧化物材料的溝槽38將相鄰像素26彼此 電隔離。
[0030] 在每一個像素26中，由虛線51界定的ρ-η結(在基底30和層32之間的像素界面)形 成了像素的第一光電二極管。該ρ-η結區以及由該ρ-η結形成的第一光電二極管可由數字51 引用，該數字51標記了界定該ρ-η結的虛線。每個像素26中在該像素的層32與η摻雜區34之 間的界面處由虛線52界定的ρ-η結區形成了該像素中的第二光電二極管。層32和η摻雜區34 之間的Ρ-η結與該Ρ-η結形成的第二光電二極管可由數字52引用，該數字52標記了界定該ρ-η 結的虛線。
[0031] 每一個像素26中的N區35用作由入射在該像素的入口區域27的光100在該像素的 光電二極管51和52中生成的光電子的存儲區，且可被稱為存儲區35。被施加于傳輸門28的 正電壓用于將光電二極管51和52中形成的光電子汲取到像素的存儲區35中。使用本領域已 知的各種方法和設備中的任何方法和設備來處理轉移到存儲區35的光電子，以便生成一信 號，該信號提供了該像素中生成的光電子的量的度量，并從而提供了入射在該像素上的光 的強度的度量。
[0032] 作為數值示例，在本發明的一實施例中，硅襯底層30可用諸如磷(P)、砷(As)和銻 (Sb)之類的施主雜質原子η摻雜成介于IO 16Cnf3和IO19Cnf3之間的濃度，層32可大約為5μηι-20 μπι(微米）厚且可用諸如硼（B)、鋁（Al)、鎵(Ga)和銦（In)之類的受主雜質原子以處于約 IO13Cnf3和約IO15Cnf3之間的濃度進行輕度ρ摻雜。N區34可為大約Ιμπι厚且可由施主雜質原子 以介于約IO 15Cnf3和約IO17Cnf3之間的濃度摻雜。覆蓋η區34的P層36可選地為不到Ο.?μπι厚， 且可用受主雜質摻雜成介于約IO 18Cnf3和約102%f3之間的濃度。存儲區35(區35)可介于約 0 · 25μηι和0 · 5μηι之間的厚度，且可用受主雜質摻雜成介于約IO16Cnf3和約IO18Cnf 3之間的濃 度。層37可由例如Si02(二氧化硅)的氧化物材料形成，且具有介于10 A和3:00 A之間的厚度。 [0033]在本發明的一實施例中，電源60根據像素中的位置深度d將不同電壓施加于光電 傳感器21的基底30,以反向偏壓光電二極管51并配置像素26中的靜電勢，以及控制像素中 捕獲并積聚光電子的勢阱的位置深度。
[0034]相對于使氧化層37與ρ摻雜區36接地的電壓，對于由電源60生成的給定電壓Vs，假 設根據從頂面25測量的像素26中的位置深度d變化的該像素中的光電子的靜電勢由V(Vs， d)表示。對于等于Vs1、Vs2、和Vs3的Vs，圖2示意性地解說了圖1中示出的像素26'的V(Vs，d)，其 中￥51〈￥52〈￥53。像素26'的橫截面被示意性地放大示出在圖2的右側。像素26'的左邊是圖表 201、202和203，這些圖表示出了根據位置深度(1的變化跟蹤￥(￥ 51，(1)￥(￥52，(1)和￥(￥53，(1)的 值的電勢曲線。對于圖表201、202和203以及對于像素26 '特征，像素26 '中的位置深度d沿著 標記著"d"的圖表的公共軸被指示出。由每一張圖表中的電勢曲線所表示的任意單位的電 勢的大小沿著與圖相關聯的標記著"V"的軸被指示出。
[0035] 在氧化層37和P摻雜區36中，在電源60的固定電壓（pinning voltage)處，電勢V (Vs1，d)，V(Vs2，d)，V(Vs3，d)展示了基本上相同的勢坪Vpln，而勢阱PWs 1，PWs2和PWs3具有位于η 摻雜區34中基本上相同位置深度d = dm處的最小值。電勢￥(￥51，(1)、￥(￥52，(1)、￥(￥ 53，(1)中的 最大值]?1、]\12和]\0是阱?151、？152和?153的邊界電勢峰值。而邊界電勢峰值組、]\12和]\0都位于 外延層32，它們在外延層中位于不同位置深度dMi、dM2和dM3。
[0036] 令p-n結51和p-n結52之間的層32具有厚度Wp且令圖2中所指示出的結位于位置深 度Cl1和d 2,從而d^cb+Wp。如果Cl1和d2之間的p摻雜層32中的位置深度由cU+x^^xU來表 示，則P摻雜層中的靜電勢V(Vs，d)可由V(Vs，x)來表示且可由以下表達式近似：
[0037] V(Vs，x) =￥。（2叉八。-(叉八。）2)1￥5/%。 （2)
[0038] 在表達式(2)中，V。是p摻雜層32中的V(Vs，X)的最大幅值，而X。是當Vs等于零時層 中的最大幅值的位置。當Vs = O時V。因此是與V(Vs，x)相關聯的勢阱的邊界電勢峰值，而(Cl1+ X。)是該邊界電勢峰值和該勢阱的位置深度。
[0039] 當Vs大于零時，對于在XM處位于外延p摻雜層32中與V(Vs，x)相關聯的勢講，V(Vs, X)具有最大的邊界電勢峰值，XM由以下表達式給出：
[0040] xm=x〇(1-(x〇/2Wp)(Vs/V。））。 （3)
[0041 ] V (Vs，X)的相關聯的勢阱的最大邊界電勢峰值的大小具有值：
[0042] V(Vs,xm) = 2V〇-(x〇Vs/Wp) (4)
[0043] 表達式⑶示出了 XM是Vs單調遞減函數，且隨著Vs增加，與電勢V(Vs，x)相關聯的勢 阱的位置深度減少且勢阱向頂面25移動。當0 (2ν#Ρ/Χ。)時，關于Xm的表達式⑶是有 效的。當Vs = 2ν?Ρ/χ。時，Xm等于零。在根據Vs變化的表達式(3)的有效性范圍中，表達式(4) 指示出V(Vs，XM)也是Vs的單調遞減函數。因此，隨著Vs增加，與V(Vs，x)相關聯的勢阱變得更 淺，且當Vs 2 (2VQWP/x。)時消失。
[0044] 在圖表201、202和203中的電勢曲線￥(￥51，(1)、￥(￥52，(1)和￥(￥ 53，(1)示意性地示出了 電勢V(VS，d)隨著增加的Vs的行為。當曲線的電壓Vs增加時(￥51〈￥52〈￥53)，曲線展示出更靠近 頂面25的更淺的勢阱。例如，電勢曲線V(V S2，d)具有位于比關于電勢曲線V(Vsl，d)中的邊界 電勢峰值施的距離dm小的距離dM2處的邊界電勢峰值M 2,且勢阱PWS2比PWSl淺。
[0045] 圖3示出了針對Wp = 5μπι、X。= 2μπι和V。= 3伏，且由電源60施加給基底30的電壓Vs以 1伏為步長從〇伏到10伏而計算的V(VS，X)的曲線。當Vs增加時，電勢V(Vs，x)中的峰值向X的 更小值且因此向邊界電勢峰值的位置深度d的更小值移動，且峰值的大小減小，且相關聯的 勢阱(未在圖3中示出)變得更淺。
[0046]回頭參考圖2,該圖示意性地解說了邊界電勢峰值的減少的位置深度如何影響寄 存由入射到像素26'上的光生成的光電子。
[0047]圖2示意性地示出了光子101、102、103和104，其在像素26'中被吸收且分別生成由 星號標記的101*、102*、103*和104*示意性地指示出的電子-空穴對。來自電子-空穴對的光 電子在降低電勢的方向漂移，而來自電子-空穴對的空穴在增加電勢的方向漂移。（為闡述 方便，電勢被定義為針對負電荷載流子增加。）結果，來自像素26 '的位于像素26 '中電勢V (Vs，d)的勢坪Vpln之下且在從其邊界電勢峰值的位置深度確定的V(Vs，d)中的勢阱的位置深 度之上的區域中生成的電子-空穴對的光電子將漂移進勢阱中。如果電子-空穴對是在邊界 電勢峰值的位置深度之下生成的，則來自電子-空穴對的光電子將漂移到基底層30且與該 層中的空穴重新組合。如果電子-空穴對是在勢坪Vpln中生成的，則其將趨向于隨機漂移，直 到其重新組合或漂移進該勢阱。該電子-空穴對中的空穴將漂移離開該勢阱并最終與電子 重新組合。
[0048] 作為示例，電子-空穴對101*基本上生成在勢坪Vpln中，勢坪Vpln對于所有的V(Vs1， d)、V(VS2，d)和V(VS3，d)來說是基本相同的。因此，基本上對于范圍VS1〈V S〈VS3中的基本上任 何Vs，來自該對的光電子將隨機漂移直到其重新組合或意外地被V(Vs，d)的勢阱捕獲。另一 方面，電子-空穴對102*在V(V S2，d)和V(VS3，d)的勢阱PWs2和PWs3的位置深度之下生成。來自 電子-空穴對102*的光電子將因此漂移到基底層30且不被勢阱PWs 2和PWs3收集。然而，如果 電源60用電壓Vsdi基底層30偏壓，則光電子將在勢阱PWs 1*被收集。類似地，勢阱PWS1、PWS2 和PWs3中的任何一個將不會收集來自電子-空穴對103*的光電子，而來自電子-空穴對104* 的光電子將在勢阱PWs沖被收集，但不會在PWs 2或PWs3中被收集。
[0049] 鑒于上述內容，可見當電壓Vs增加時，像素26中用于收集由入射到該像素的光生 成的電子-空穴對所提供的光電子的有效最大位置深度減小。結果，當電壓Vs增加時，像素 對于入射光的靈敏度降低。然而，對于所有波長的光來說，靈敏度并不以與電壓Vs相同的速 率降低。與較長波長的光相比，較短波長的光具有在像素26的材料中的更大的吸收橫截面 以及伴隨著的更短的吸收長度和更大的吸收系數。平均而言，與較長波長的光相比，較短波 長的光在被吸收且生成電子-空穴對之前不會穿透入像素26那么深。因此，當Vs增加時，與 像素對較短波長的光的響應度相比，像素26對具有較長波長的光的響應度降低得更快。
[0050] 采用比爾-朗伯定律，以波長λ入射到像素26上的光隨著像素26中的位置深度d按 eTaWd呈指數級衰減，其中α(λ)是像素的材料中波長λ的光的吸收系數。假設對于電壓Vs在 像素26中收集光電子的最大位置深度是對于電壓Vs在像素中勢阱的邊界電勢峰值的位置 深度dM(例如，圖2示出了針對標記為Ml、Μ2和M3峰值的位置深度dMi、dM2和dM3)。
[0051 ]則在波長λ，光電傳感器中第i個像素26的響應度可根據一表達式來建模:R(c!m，X) =Φ(l-e-a(X)dM)〇 (5)
[0052] 在表達式（5)中，Φ是基本獨立于λ的比例常數，且可用表達式（3)對dM求值以提 供：
[0053] dM=di+XM=di+x〇( l-(x〇/ffP) (Vs/V〇)), (6)
[0054] 其中cb是p-n結52的位置深度（圖2)。
[0055] 根據表達式(6)，因為對于諸如光電傳感器21之類的光電傳感器的給定配置，cU、X。 和V。可被認為基本上為常數，因此d M可被認為是基本上僅根據Vs的變化而變化的函數，且通 過對dM的依賴性，R(dM，λ)可被認為依賴于Vs并被寫作R( Vs，λ)。
[0056] 圖4示出 了對于670nm的R光、560nm的G光、470nm的藍光、WP = 5ym、x〇 = 2ym以及V0 = 3伏，以任意單位求值且在Vs等于約1處被歸一化為最大響應度的響應度R(VsA)的圖表。該 圖表示出了對于R、G和B，像素的響應度隨著增加的電壓Vs(以及因此隨著d M)減少，而對于更 長的R和G波長的光，減少可能是巨大的。該圖表還示出了對于相同的電壓Vs，對于R、G和B光 的像素的響應度R(VsA)可能十分不同。
[0057]根據本發明的一實施例，諸如圖4所示出的對于不同波長的光而言R(VsA)對電壓 Vs的依賴性的差異可被用來提供來自成像在光譜成像器(例如光譜成像器20)上的場景的 光的光譜。可選地，該光譜可用來提供場景的彩色圖像。
[0058]例如，光譜成像器20(圖1)可被包括在具有用于采集來自場景的光的聚光透鏡和 用于將采集到的光成像在光譜成像器上以提供場景的彩色圖像的光學器件的相機(未示 出）。假設對于具有代表性的670nm、560nm和470nm波長且約IOOnm的帶寬的波長段中的R、G 和B光，光譜成像器20的響應度由圖4中的曲線給出。進一步假設相機中的光學器件將光聚 焦或導向光譜成像器20以獲得場景的三張圖像，電源60分別將電壓VSn(l < η < 3)施加于光 電傳感器21。則對于每一個電壓Vsn，對于R、G和B光中的每一個，圖4提供了光電傳感器21中 的像素26的響應度。作為示例，根據圖4,如果V S2(當n = 2時的Vsn)等于約5,則光電傳感器21 中的像素26的響應度對于R、G和B光將分別為約0.77、0.85和0.99。
[0059] 對于R、G和B以及電壓Vsn，令光電傳感器21中的像素的響應度由R(V Sn，AR)、R(VSn， Xe)和R(VsnAB)表不。對于如上所述的代表性波長和帶寬，令入射在光電傳感器21的第i個 像素26(Pi)上的R、G和B光的強度由1(1，人 [0、1(1，\(；)、1(1，\8)表示。如果響應于入射在像素 上的光在電壓Vs r^由像素 pi提供的電流或電壓的測量值由MI(i，VSn)表示，則所述測量值 和響應度提供了具有三個未知數光強1(丨，人 [0、1(丨，\(；)、1(丨，\6)的一組三個等式。等式是：
[0060]
[0061]其中，粗斜體字母代表向量，而粗書寫體R(VSn，Ak)是響應度的矩陣。對于入射在像 素 Pi上的光的R、G和B強度I (i，λκ)、I (i，Ac)、I (i，λΒ)以及響應于所述強度對所述場景的被 成像在該像素上的特征確定的顏色，可由光譜光電傳感器或相機中所包括的處理器(未示 出）來容易地求解等式7。根據本發明的一實施例，場景的彩色圖像可從為光電傳感器21中 的多個像素 P1確定的顏色來確定，以便提供場景的彩色圖像。
[0062]在上面的描述中，響應于從分別以三個不同的電壓Vsn捕獲的場景的三張圖像中確 定的三種不同波長段的光中的光強度〖^，!^、〖^，(^、〖。，。，提供了場景的彩色圖像。 然而，本發明的實施例的實踐不局限于響應于分別以三個不同的電壓V Sn捕獲的三張圖像在 三個不同波長段中確定入射到像素上的光的強度。一張色彩圖像可響應于"Ν"個光波長段 中的光強度而被確定，其中N基本上可以是大于2的任何數字。例如N可以是4或者10.
[0063] 此外，以不同電壓Vsn捕獲的圖像的數量N不一定要如以上針對N等于3給出的示例 中那樣等于IN可大于或小于Ν，并且強度可相應地根據圖像的數量超定或欠定。可利用各 種回歸方法中的任何一種來確定強度，例如作為示例，一種基于最小二乘或高斯混合模型 的方法。
[0064] 此外，盡管光電傳感器21中的像素26未被示為被帶通濾波器屏蔽，但在本發明的 一實施例中，光譜成像器可包括由帶通濾波器屏蔽的像素。根據本發明的一實施例的光譜 成像器可例如包括由R、G或B濾波器屏蔽的像素。包括在光譜成像器中的電源可通過控制光 譜成像器對長波長的光的靈敏度來設置V Sn&便控制白平衡。例如，對于場景被長波長處有 過多量的光的白熾光照明的場合，電源可設置Vsn來降低光譜成像器對來自場景的長波長的 光的靈敏度。
[0065] 還應注意，盡管在光譜成像器20中的光電傳感器21被描述為CMOS光電傳感器，但 本發明的實施例的實踐不局限于CMOS光電傳感器。根據本發明的一實施例的光譜成像器可 包括CCD光電傳感器和用電壓Vs對光電傳感器的基底進行偏壓以便控制光電傳感器中的像 素的響應度的電源。
[0066] 此外應注意，盡管在上面的描述中電源60被指示為向光電傳感器21中的全部像素 26基本同時地施加基本相同的電壓，以便通過用Vs對光電傳感器的基底30進行偏壓來控制 像素的響應度，但包括在本發明的一實施例中的光譜成像器中的電源可用不同的電壓對光 電傳感器中的不同像素進行偏壓。
[0067] 例如，根據本發明的一實施例的光譜成像器可包括多個電極，每一個電極可獨立 于所述多個電極中的其他電極的電偏壓而被電源進行電偏壓，以便以不同的偏置電壓對成 像器中的不同光電二極管進行偏壓。彼此獨立偏壓的光電二極管可以被形成在P基底中所 形成的分開的η阱中。通過彼此獨立地對電極進行偏壓，電源可彼此獨立地控制光電傳感器 中的像素的響應度。
[0068] 在本申請的說明書和權利要求書中，動詞"包括"、"包含"和"具有"及其組合中的 每一個是用來指示該動詞的一個或多個賓語不一定是該動詞的一個或多個主語的組件、元 素、或部分的完整列表。
[0069] 在本申請中作為示例提供了對本發明的各實施例的描述，而不旨在限制本發明的 范圍。所描述的實施例包括不同的特征，對于本發明的所有實施例來說并不是所有的特征 都是必需的。一些實施例只利用部分特征或特征的可能組合。本領域的技術人員會想到所 描述的本發明的各實施例的變型以及本發明的各實施例包括在所描述的各實施例中注明 的特征的不同組合。
【主權項】
1. 一種用于響應于來自場景的光對所述場景成像的光譜成像器，所述成像器包括： 包括光敏像素的半導體光電傳感器；以及 電源，所述電源將電壓施加于所述光電傳感器來控制像素對于以不同的光波長段入射 到像素上的光的響應度。2. 根據權利要求1所述的光譜成像器，其特征在于，每一個像素包括具有耗盡區的第一 和第二p-n結，所述耗盡區以相反方向生成電場并創建捕獲來自由入射到該像素上的光所 生成的電子-空穴對的電荷載流子的勢阱，并且其中響應于由所述勢阱捕獲的電荷載流子 的電荷，該像素生成指示入射到該像素上的光的強度的信號。3. 根據權利要求2所述的光譜成像器，其特征在于，所述電荷載流子為空穴。4. 根據權利要求2所述的光譜成像器，其特征在于，所述電荷載流子為光電子。5. 根據權利要求3所述的光譜成像器，其特征在于，所述半導體包括η摻雜半導體基底 層，所述ρ-η結形成在所述η摻雜半導體基底層上。6. 根據權利要求1-5中任一項所述的光譜成像器，其特征在于，所述電源基本同時地向 所述多個像素中的每一個像素施加基本相同的電壓。7. 根據權利要求1-6中任一項所述的光譜成像器，其特征在于，所述電源向至少兩個不 同的像素彼此獨立地施加電壓以獨立于所述至少兩個像素中的一個像素的響應度地控制 所述至少兩個像素中的另一個像素的響應度。8. 根據前述權利要求中任一項所述的光譜成像器，其特征在于，所述電源向所述光電 傳感器的像素施加多個"Ν"不同的電壓以獲得從所述場景入射到每一個像素的光的N個測 量值，并且所述成像器包括處理器，所述處理器響應于所述N個電壓中的不同電壓處所述像 素的響應度來處理所述N個測量值以確定入射在所述像素上的光的光譜。9. 一種響應于來自場景的光對所述場景成像的方法，所述方法包括： 收集來自場景的光使得所述光入射在半導體光電傳感器上，所述半導體光電傳感器包 括響應于入射在所述像素上的光生成信號的光敏像素；以及 將電壓施加于所述光電傳感器來控制所述像素對于以不同的光波長段入射到所述光 電傳感器上的光的響應度。10. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，包括向所述光電傳感器的各像素施加多 個不同的電壓，以便獲得從所述場景入射到每個像素上的光的多個不同的測量值，以及處 理所述多個測量值來確定入射在該像素上的光的光譜。
【文檔編號】H01L27/146GK105917468SQ201480073217
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年12月30日
【發明人】A·內維特, E·塔德莫爾
【申請人】微軟技術許可有限責任公司