相機(jī)通常包括光電傳感器，例如CCD(電荷耦合器件)或CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)光電傳感器，在其上，來(lái)自由相機(jī)成像的場(chǎng)景的光在相機(jī)的曝光周期期間被相機(jī)的光學(xué)器件聚焦以獲取該場(chǎng)景的圖像。光電傳感器通常包括光敏感像素的行和列的陣列，光敏感像素記錄由相機(jī)光學(xué)器件聚焦在光電傳感器上的光。像素所記錄的光的量被確定并被用于提供場(chǎng)景的圖像。

光電傳感器中的一個(gè)像素通過(guò)積聚來(lái)自光學(xué)器件成像在像素上的場(chǎng)景的區(qū)域的入射光在像素中生成的電子-空穴偶所提供的正的或負(fù)的電荷來(lái)記錄該入射光。電子-空穴偶中的電子或空穴所提供的電荷通常被稱(chēng)為“光電荷”。電子-空穴偶可在像素中包括的光電二極管的耗盡區(qū)中生成，并且電子或空穴被傳輸?shù)较袼氐呐徆怆姸O管的存儲(chǔ)區(qū)。將電壓(可選地被稱(chēng)為“傳輸電壓”)施加到覆蓋在存儲(chǔ)區(qū)上的導(dǎo)電“傳輸”柵極將電子或空穴從光電二極管傳輸?shù)酱鎯?chǔ)區(qū)。光電傳感器中的像素的存儲(chǔ)區(qū)中累積的光電荷被轉(zhuǎn)換成電壓，并且由像素提供的一組電壓可被用于產(chǎn)生場(chǎng)景的圖像。光電傳感器所提供的這組電壓可被稱(chēng)為光電傳感器的“幀”。光電傳感器中所包括的半導(dǎo)體材料的摻雜結(jié)構(gòu)決定了光電傳感器中的像素積聚由入射光所生成的電子還是空穴。通常像素積聚源于電子-空穴耦的電子(常規(guī)上也稱(chēng)為光電子)來(lái)記錄入射光。

相機(jī)的曝光時(shí)間一般可控，使得對(duì)于場(chǎng)景被成像時(shí)所處的給定成像條件(諸如相機(jī)光學(xué)器件的焦距和場(chǎng)景中可用的光)，相機(jī)的光電傳感器中的像素記錄足以提供場(chǎng)景的令人滿(mǎn)意的圖像的量的光。例如，為了光電傳感器中的像素記錄足夠的光來(lái)提供微弱照明場(chǎng)景的令人滿(mǎn)意的圖像，相機(jī)可有利地被控制以在相對(duì)長(zhǎng)的曝光時(shí)間期間捕獲來(lái)自場(chǎng)景的光。為了對(duì)明亮照明場(chǎng)景成像，相對(duì)短的曝光時(shí)間可能是足夠的。

一些特殊目的相機(jī)可在針對(duì)曝光時(shí)間的特殊約束下工作。例如，飛行時(shí)間(TOF)三維(3D)范圍相機(jī)捕獲其成像的場(chǎng)景的范圍圖像。范圍圖像提供到場(chǎng)景中的特征的距離。相機(jī)通過(guò)確定光從相機(jī)到特征再回到相機(jī)這樣往返花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)確定到所成像的場(chǎng)景中的特征的距離。往返時(shí)間可通過(guò)發(fā)射光脈沖來(lái)照亮場(chǎng)景并且確定被特征所反射的所發(fā)射光脈沖中的光從相機(jī)傳播到特征再回到相機(jī)花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)確定。相機(jī)可在多個(gè)不同曝光時(shí)間中的每一個(gè)期間記錄所發(fā)射光脈沖中的從場(chǎng)景返回到相機(jī)的光以捕獲用于確定往返時(shí)間的數(shù)據(jù)。曝光時(shí)間可被要求滿(mǎn)足針對(duì)它們各自的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的相對(duì)嚴(yán)苛的約束以及它們各自相對(duì)于光脈沖的發(fā)射時(shí)間的定時(shí)。

相機(jī)曝光時(shí)間的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)一般取決于相機(jī)的光電傳感器中的像素對(duì)入射光的敏感度。對(duì)于來(lái)自場(chǎng)景的光的強(qiáng)度低于有利于使用具有較低光敏感度的像素的光電傳感器來(lái)對(duì)場(chǎng)景成像的光強(qiáng)度，包括具有更高的光敏感度的像素的光電傳感器一般可用于捕獲該場(chǎng)景的令人滿(mǎn)意的圖像。對(duì)于入射光的像素敏感度一般隨像素中的光電二極管的大小增加而增加。對(duì)于給定曝光時(shí)間，具有較大光電二極管的像素與具有較小光電二極管的像素相比積聚更多的光電荷。包括更大光電二極管的光電傳感器可因此能夠在比包括具有較小光電二極管的像素的相機(jī)更低的光強(qiáng)度下提供場(chǎng)景的令人滿(mǎn)意的圖像。然而，隨著相機(jī)的光電傳感器中的光電二極管的大小增加，光電傳感器的空間分辨率以及其產(chǎn)生的圖像減小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)方面涉及提供一種光電傳感器，此后也稱(chēng)為“多模式光電傳感器”，其包括具有由施加給像素的電壓來(lái)控制的空間分辨率。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)“多模式像素”包括使用合適的技術(shù)(諸如CMOS或CCD技術(shù))來(lái)制造的光敏感區(qū)域(諸如光電二極管或光柵極)。每一個(gè)光敏感區(qū)域與多個(gè)光電荷存儲(chǔ)區(qū)域相關(guān)聯(lián)以積聚在該光敏感區(qū)域中生成的光電荷。每一個(gè)光電荷存儲(chǔ)區(qū)域與其自身的傳輸柵極以及至少一個(gè)微透鏡相關(guān)聯(lián)。與給定存儲(chǔ)區(qū)域相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)微透鏡將入射在微透鏡上的光引導(dǎo)到光敏感區(qū)域中的與到像素的其他存儲(chǔ)區(qū)域相比更靠近給定存儲(chǔ)區(qū)域的區(qū)域，在該區(qū)域中光敏感區(qū)域?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電子－空穴偶。以下，在說(shuō)明書(shū)中，像素的光敏感區(qū)域?yàn)榱私庹f(shuō)方便被假設(shè)為光電二極管。

當(dāng)基本相同的合適的傳輸電壓被同時(shí)施加到所有像素的傳輸柵極時(shí)，傳輸電壓在光電二極管中生成的電場(chǎng)用于將由入射在給定微透鏡上的光在光電二極管中生成的光電荷基本僅傳輸給與該微透鏡相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)區(qū)域。每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域響應(yīng)于入射在其相關(guān)聯(lián)的微透鏡上的光的量并且與入射在像素中的其他微透鏡上的光的量基本無(wú)關(guān)地來(lái)積聚光電荷。像素因此工作為多個(gè)更小的像素，可選地，更小的像素的數(shù)量等于微透鏡的數(shù)量。更小的像素與像素原生尺寸相比具有縮小的尺寸，同時(shí)伴隨帶來(lái)改進(jìn)的空間分辨率，空間分辨率基本由微透鏡尺寸和施加的傳輸電壓所確定。當(dāng)工作于施加相同的傳輸電壓到像素的所有傳輸柵極時(shí)，像素可被稱(chēng)為工作在高空間分辨率模式下。

當(dāng)傳輸電壓被施加到僅一個(gè)傳輸柵極時(shí)，相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)區(qū)域接收來(lái)自光電二極管的幾乎所有區(qū)域的光電荷，因此像素工作為單個(gè)、未經(jīng)分割的像素，其具有基本由其原生尺寸確定的空間分辨率。當(dāng)工作于施加傳輸電壓到像素中的僅一個(gè)傳輸柵極時(shí)，像素可被稱(chēng)為工作在低空間分辨率模式下。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的像素工作在傳輸電壓被施加給不止一個(gè)其傳輸柵極但少于其全部傳輸柵極時(shí)，像素可被稱(chēng)為工作在中間空間分辨率模式下。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，光電二極管和微透鏡被配置成呈現(xiàn)關(guān)于基本位于光電二極管的中心處并且垂直于光電傳感器的軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)。在一個(gè)實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)具有大于或等于2的階數(shù)?？蛇x地，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的階數(shù)大于或等于4。在本發(fā)明的實(shí)施例中，多模式像素包括兩個(gè)或更多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，多模式像素包括四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。

本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)方面涉及提供一種相機(jī)，該相機(jī)包括光電傳感器和控制器，控制器控制施加到光電傳感器中的像素的傳輸柵極的電壓以控制光電傳感器以及由此的相機(jī)的空間分辨率。在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器響應(yīng)于相機(jī)成像的場(chǎng)景中可用的光來(lái)控制電壓。可選地，控制器控制光電傳感器和傳輸電壓以確定抵達(dá)每一個(gè)像素的光的強(qiáng)度并且捕獲場(chǎng)景的對(duì)比度圖像(此后也被稱(chēng)為圖片)。在一個(gè)實(shí)施例中，相機(jī)是TOF-3D相機(jī)，并且控制器控制光電傳感器和傳輸電壓以針對(duì)適用于捕獲場(chǎng)景的范圍圖像(并且可選地，捕獲場(chǎng)景的圖片)的曝光時(shí)間將相機(jī)切換為開(kāi)和關(guān)。

在討論中，除非另行說(shuō)明，修改本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)特征的條件或關(guān)系特性的諸如“基本上”和“大約”的副詞應(yīng)被理解為該條件或特性被定義為針對(duì)該實(shí)施例所意圖的應(yīng)用在該實(shí)施例的操作可接受的容差范圍以?xún)?nèi)。除非另外指示，本說(shuō)明書(shū)和/或權(quán)利要求書(shū)中的單詞“或”被認(rèn)為是包含性“或”而不是排他性或，并且指示其結(jié)合的各項(xiàng)目中的至少一者或其組合。

提供本概述以便以簡(jiǎn)化的形式介紹以下在詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的一些概念。本概述并不旨在標(biāo)識(shí)所要求保護(hù)主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護(hù)主題的范圍。

附圖說(shuō)明

下面將參考在此所附的在此段落之后列出的附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例的非限制性示例。在多于一幅附圖中出現(xiàn)的相同的特征通常在其出現(xiàn)的所有附圖中都以相同的數(shù)字來(lái)標(biāo)記。標(biāo)記表示附圖中的本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)給定特征的圖標(biāo)或其他圖形指示的標(biāo)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(xiàn)而選擇的，并且不一定按比例顯示。

圖1A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括多模式像素的多模式光電傳感器；

圖1B示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的當(dāng)像素中的所有傳輸柵極用傳輸電壓充電時(shí)圖1A中所示的多模式像素中的等電勢(shì)場(chǎng)線(xiàn)；

圖1C－1F示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的當(dāng)像素中的傳輸柵極中的不同的傳輸柵極用傳輸電壓充電時(shí)圖1A中所示的多模式像素中的等電勢(shì)場(chǎng)線(xiàn)；

圖2A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括對(duì)場(chǎng)景成像以捕獲場(chǎng)景的范圍圖像的多模式光電傳感器的TOF-3D相機(jī)；

圖2B－2E示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在圖2A中示出的場(chǎng)景的成像期間TOF-3D相機(jī)中的多模式光電傳感器的曝光時(shí)間的操作和定時(shí)關(guān)系；

圖2F示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的被用于提供圖2A中示出的場(chǎng)景的范圍圖像的TOF-3D相機(jī)所捕獲的數(shù)據(jù)的圖；以及

圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括多模式光電傳感器的智能電話(huà)。

具體實(shí)施方式

圖1A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括形成在合適的基板31中的像素30(也稱(chēng)為多模式像素30)的多模式光電傳感器20的一部分的簡(jiǎn)化的俯視圖。多模式光電傳感器20可以是CCD或CMOS光電傳感器，并且可作為示例被假設(shè)為CMOS光電傳感器，其積聚來(lái)自入射在像素30中包括的光電二極管(參見(jiàn)以下)上的光所生成的電子－空穴偶的光電子以記錄入射在像素上的光的量。圖1A和隨后的附圖中示出的像素30的特征不一定處在像素的相同深度處。附圖示出了特征在多模式光電傳感器20的上表面上的示意性投影(被假設(shè)為位于附圖的頁(yè)中)，其指示各特征的相對(duì)橫向位置。

每一個(gè)多模式像素30可選地包括光電二極管32和四個(gè)光電子存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44。傳輸柵極50覆蓋每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44，并且可選地覆蓋光電二極管32的一個(gè)小區(qū)域。像素30的各組件可選地形成在重度n摻雜的硅基板31(未示出)上，在該硅基板31上形成外延的p摻雜層(未示出)。光電二極管32可包括在p摻雜外延層中形成的n摻雜區(qū)域的接面處生成的耗盡區(qū)。存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44可以是掩埋的n摻雜溝道的各部分。覆蓋存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44的傳輸柵極50使用各種合適的導(dǎo)電材料(諸如金屬)中的任意一種或多晶硅來(lái)形成。每一個(gè)像素30可包括讀出電路34，讀出電路34被配置成提供對(duì)于每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44中積聚的光電荷的量的測(cè)量，該量獨(dú)立于像素30的其他存儲(chǔ)區(qū)域中積聚的光電荷的量。雖然光電二極管32被指示為矩形的，但是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多模式像素中的光電二極管可具有除矩形以外的形狀。作為示例，光電二極管除了矩形以外可具有多邊形形狀，或者是圓形或不規(guī)則形。

微透鏡60的陣列覆蓋光電二極管32的各部分?？蛇x地，微透鏡陣列包括針對(duì)每一個(gè)給定存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44的微透鏡60，該微透鏡60將入射在微透鏡上的光引導(dǎo)至光電二極管32的與到其他存儲(chǔ)區(qū)域相比更靠近給定存儲(chǔ)區(qū)域的區(qū)域。在圖1A中，微透鏡60中的星形圖標(biāo)62表示微透鏡將光引導(dǎo)至的微透鏡60的聚焦區(qū)域。在本發(fā)明的實(shí)施例中，如圖1A中所示，微透鏡60的陣列有利地被配置成使得陣列覆蓋幾乎全部的光電二極管32并且可附加地覆蓋光電二極管32外部的區(qū)域。可選地，所有的微透鏡60是圓形的，具有相同的直徑，并且被排列成四階旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)配置。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器(在圖1A中未示出)控制施加給基板31和傳輸柵極50的電壓以將多模式光電傳感器20切換ON(開(kāi))和OFF(關(guān))，并且將像素30中響應(yīng)于入射光生成的光電子引導(dǎo)至像素的選定的存儲(chǔ)區(qū)域41、……、44。在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器施加電壓V_ON以將多模式光電傳感器20切換為開(kāi)，并且施加電壓V_OFF給基板31以將多模式光電傳感器20切換為關(guān)。

V_OFF是比控制器施加給傳輸柵極50的傳輸電壓正值更大的電壓，并且在被施加給基板31時(shí)，多模式像素30中的光電子漏至基板31，不被積聚在存儲(chǔ)區(qū)域41、……、44中的任何一個(gè)中，并且被丟棄。V_ON是比控制器施加給傳輸柵極50的傳輸電壓“V_G+”正值小的電壓，可選地是一個(gè)公共地電壓。當(dāng)控制器施加V_ON給基板31并且施加傳輸電壓V_G+給與像素30的給定存儲(chǔ)區(qū)域41、……、44相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50時(shí)，光電二極管32中生成的光電子不漏至基板31。傳輸電壓V_G+在光電二極管32中生成電場(chǎng)，該電場(chǎng)向光電二極管中的光電子施加力，該力致使光電子朝著與傳輸柵極相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)區(qū)域漂移并且在被積聚在其中。通過(guò)將基板31保持在電壓V_ON并且選擇性地施加傳輸電壓V_G+到柵極50，控制器可操作多模式光電傳感器20以為包括多模式光電傳感器的相機(jī)提供不同順序和類(lèi)型的曝光時(shí)間，并且為相機(jī)提供用于捕獲場(chǎng)景的圖像的不同的空間分辨率。

作為示例，圖1B示意性地示出工作在高空間分辨率模式下的多模式像素30，在高空間分辨率模式中，控制器用相同的V_G+同時(shí)對(duì)包括在像素中的所有傳輸柵極50充電。傳輸柵極50的陰影指示傳輸柵極50被傳輸電壓V_G+充電。對(duì)每一個(gè)傳輸柵極50充電的傳輸電壓在光電二極管32中生成電場(chǎng)，該電場(chǎng)將光電子從光電二極管32的毗鄰存儲(chǔ)區(qū)的部分吸引到存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)用傳輸電壓對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域的傳輸柵極50充電時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43、44從其積聚光電子的光電二極管32的一部分可被稱(chēng)為光電二極管的“收集區(qū)域”。存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43、44的收集區(qū)域中的輪廓線(xiàn)70表示所生成的電場(chǎng)的等電勢(shì)面，并且此后也被稱(chēng)為“等勢(shì)面”或“等勢(shì)線(xiàn)”。光電二極管32中的某一位置處的電場(chǎng)方向垂直于該位置處的等勢(shì)面70，并且電場(chǎng)強(qiáng)度與該位置處各等勢(shì)之間的距離成反比。圖1B中的“場(chǎng)”箭頭71示意性地指示被充電的傳輸柵極50在光電二極管32中的各個(gè)位置處生成的電場(chǎng)的方向。

對(duì)于圖1B中示出的存儲(chǔ)區(qū)域41、……、44、傳輸柵極50、以及以相同的傳輸電壓V_G+對(duì)傳輸柵極50的同時(shí)充電這樣的配置，存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43、44的相應(yīng)的收集區(qū)域具有基本相同的形狀和大小，并且在毗鄰的收集區(qū)域中的電場(chǎng)基本是彼此的鏡像。給定存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43、44的收集區(qū)域包括位于與該給定存儲(chǔ)區(qū)域相關(guān)聯(lián)的微透鏡60下方的光電二極管32的那部分。另外，給定存儲(chǔ)區(qū)域的收集區(qū)域可包括光電二極管32的不被相關(guān)聯(lián)的微透鏡覆蓋卻與到其他存儲(chǔ)區(qū)域的微透鏡相比更靠近該相關(guān)聯(lián)的微透鏡的部分。光電二極管32的包括在給定存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43、44的收集區(qū)域中的更靠近該給定存儲(chǔ)區(qū)域的相關(guān)聯(lián)的微透鏡60的區(qū)域可被稱(chēng)為收集區(qū)域的外圍區(qū)域。

每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43、44從其相關(guān)聯(lián)的收集區(qū)域中所積聚的光電子是由覆蓋收集區(qū)域的微透鏡60引導(dǎo)至收集區(qū)域的光和入射在收集區(qū)域的外圍區(qū)域上的光生成的。然而，如以上提到的，并且由圖1A和1B中所示的微透鏡60的配置所指示的，微透鏡60覆蓋像素30中位于光電二極管32以外的區(qū)域。與給定存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43、44相關(guān)聯(lián)的微透鏡60可從像素30的明顯大于存儲(chǔ)區(qū)域的收集區(qū)域的區(qū)域收集光并將光引導(dǎo)至該收集區(qū)域。每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43、44及其相關(guān)聯(lián)的包括在像素30中的微透鏡60可因此作為比像素30小并且具有基本由相關(guān)聯(lián)的微透鏡的尺寸來(lái)確定的尺寸的獨(dú)立像素。

圖1C示意性地示出工作在低空間分辨率模式下的像素30，在低空間分辨率模式中，控制器施加電壓V_ON到基板31并且施加傳輸電壓V_G+僅到與存儲(chǔ)區(qū)域41相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50。與存儲(chǔ)區(qū)域42、43、44相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50可以是不固定的或者被充電至V_ON。被施加給與存儲(chǔ)區(qū)域41相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50的傳輸電壓V_G+生成電場(chǎng)，該電場(chǎng)用于將在光電二極管32中的幾乎任意處生成的電子－空穴偶所提供的光電子移動(dòng)至存儲(chǔ)區(qū)域41。等勢(shì)線(xiàn)70指示所生成的電場(chǎng)的配置，并且場(chǎng)箭頭71示意性地指示光電二極管32中的各個(gè)位置處的電場(chǎng)的方向。在低分辨率模式下，多模式像素30具有基本由像素的原生尺寸所確定的空間分辨率，并且入射在該像素上的光的強(qiáng)度可響應(yīng)于對(duì)于存儲(chǔ)區(qū)域41中積聚的可選地由讀出電路34所提供的光電子的量的測(cè)量來(lái)確定。

需要注意，當(dāng)工作在圖1C中示意性示出的低空間分辨率模式下時(shí)，多模式像素30提供相對(duì)于工作在高空間分辨率模式下的像素所提供的空間分辨率差大約4倍的空間分辨率。然而，對(duì)于相同的入射光強(qiáng)度和相同的曝光時(shí)間，工作在低空間分辨率模式下的像素30與像素工作在高分辨率模式下相比在用于存儲(chǔ)光電二極管32中生成的光電子的存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43或44中積聚約4倍的光電子。因此，如果存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43或44中積聚的特定的最小數(shù)量的光電子具有散粒噪聲的有利幅值的特征，則像素30提供比工作在高分辨率模式下的像素提供最小值的強(qiáng)度小約四倍的入射光強(qiáng)度的最小數(shù)。作為結(jié)果，當(dāng)被用于在低光照條件下對(duì)場(chǎng)景成像時(shí)，多模式光電傳感器20可有利地工作在低空間分辨率模式下。

圖1D、1E和1F示意性地示出像素30工作在類(lèi)似于圖1C中示出的低空間分辨率模式的低空間分辨率模式下，但是其中傳輸電壓VG+被施加到分別與存儲(chǔ)區(qū)域42、43和44相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50。

作為數(shù)值示例，多模式光電傳感器20可包括由小于或等于約15μm(微米)的間距表征的多模式像素30。每一個(gè)多模式像素30可包括具有等于約8μm的最大橫向尺寸的光電二極管32。對(duì)于具有約10μm或約7μm的間距的像素30，光電二極管32可分別具有約6μm或4.5μm的最大橫向尺寸。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，多模式像素的填充因子可以等于或大于約70％。

圖2A示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括用于捕獲場(chǎng)景130的范圍圖像的與圖1A－1F中示出的多模式光電傳感器20類(lèi)似的多模式光電傳感器20的TOF-3D相機(jī)120。場(chǎng)景130被示意性示出具有對(duì)象131和132。

被非常示意性地表示的TOF-3D相機(jī)120包括透鏡系統(tǒng)，透鏡系統(tǒng)由在多模式光電傳感器20上對(duì)場(chǎng)景130成像的透鏡121來(lái)表示?？蛇x地，TOF-3D相機(jī)包括光源126，諸如例如激光或LED、或激光和/或LED的陣列，其可用可選地IR(紅外)光脈沖控制以對(duì)場(chǎng)景130進(jìn)行照明?？刂破?24控制光源126的脈沖發(fā)射以及多模式光電傳感器20通過(guò)場(chǎng)景中的特征所反射的來(lái)自光源126所發(fā)射的光脈沖的光來(lái)對(duì)場(chǎng)景130的成像。控制器124可選地施加電壓VON和VOFF來(lái)分別將多模式光電傳感器切換為開(kāi)和關(guān)?？刂破骺蛇x擇性地施加傳輸電壓VG+到與不同的光電荷存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和4相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50以在不同的曝光時(shí)間期間在多模式光電傳感器20上對(duì)場(chǎng)景130成像。不同的曝光時(shí)間被相對(duì)于光源126發(fā)射光脈沖以對(duì)場(chǎng)景130照明的時(shí)間來(lái)定時(shí)，以捕獲用于確定到場(chǎng)景130中的特征的距離的數(shù)據(jù)并且捕獲場(chǎng)景的范圍圖像。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，為了捕獲數(shù)據(jù)以及由此捕獲到場(chǎng)景130中的特征的距離，控制器124打開(kāi)多模式光電傳感器20并且控制光源126以用圖2A中以一列140矩形脈沖141來(lái)示意性地表示的一列光脈沖來(lái)對(duì)場(chǎng)景130照明。場(chǎng)景130中的特征將來(lái)自所發(fā)射的光脈沖列140的光以反射光脈沖列的形式反射回TOF-3D相機(jī)120。作為示例，圖2A示意性地示出反射光脈沖列145和147分別包括分別由對(duì)象132和131的特征A和B所反射的光脈沖146和148。反射光脈沖列中的每一個(gè)反射光脈沖(諸如反射光脈沖列145中的反射光脈沖146或者光脈沖列147中的反射光脈沖148)具有與發(fā)射的光脈沖141基本相同的脈沖形狀和寬度。同一反射光脈沖列中的反射脈沖的重復(fù)周期與所發(fā)射的光脈沖列140中的發(fā)射的光脈沖141的重復(fù)周期基本相同。光脈沖141、146和148可具有可選地在約10到30ns(納秒)之間的脈寬“τ”。

在每一個(gè)發(fā)射的光脈沖141發(fā)射之后的預(yù)定延遲之后，控制器124施加一個(gè)電壓配置到多模式光電傳感器20以確定多模式光電傳感器20的曝光時(shí)間，在該曝光時(shí)間期間，多模式光電傳感器20記錄由場(chǎng)景130中的特征從發(fā)射的光脈沖反射的光脈沖中的光。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器124向與至少一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43或44相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50施加傳輸電壓VG+，并且向多模式光電傳感器20的基板31(圖1A)施加電壓V_ON和V_OFF以確定曝光時(shí)間的定時(shí)和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。在曝光時(shí)間期間，由入射在多模式光電傳感器20的像素30上的光生成的光電子漂移到像素的至少一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43或44(該存儲(chǔ)區(qū)域的傳輸柵極50用傳輸電壓充電)并在其中被積聚。

給定像素30在曝光時(shí)間期間記錄的來(lái)自由成像在該給定像素上的場(chǎng)景130中的特征從發(fā)射的光脈沖141反射的反射光脈沖的光的量基本與曝光時(shí)間和反射光脈沖的卷積成比例。該卷積是發(fā)射的光脈沖141的發(fā)射時(shí)間和曝光時(shí)間之間的預(yù)定延遲、距所成像的特征的TOF-3D相機(jī)120的距離、以及反射光脈沖的形狀和曝光時(shí)間的函數(shù)。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器124控制多模式光電傳感器20來(lái)記錄三種不同類(lèi)型的曝光時(shí)間期間由場(chǎng)景130的特征所反射的反射光脈沖中的光。圖2B、圖2C以及圖2D中的圖181、182以及183分別示出光源126所發(fā)射的光脈沖和像素30的曝光時(shí)間的示意性表示。這些圖解說(shuō)了三種類(lèi)型的曝光時(shí)間以及在曝光時(shí)間和發(fā)射的光脈沖141之間的時(shí)序關(guān)系。

圖2B中示出的圖181示出了第一種類(lèi)型的曝光時(shí)間，該曝光時(shí)間可選地包括兩個(gè)連續(xù)的成分曝光時(shí)間，并且被稱(chēng)為“雙曝光時(shí)間”。該圖示意性地示出了沿圖線(xiàn)191(標(biāo)記為“照明”)的時(shí)間T₀處發(fā)射的發(fā)射光脈沖141，沿圖線(xiàn)192的由控制器124施加到存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43或44的傳輸柵極50的電壓，以及沿圖線(xiàn)193(標(biāo)記為“基板”)的施加到多模式光電傳感器20的基板31的電壓。為了在復(fù)合的曝光時(shí)間期間積聚光電子，控制器124可選地將沿圖線(xiàn)192示出的傳輸電壓V_G+僅施加到與像素30的存儲(chǔ)區(qū)域41相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50。傳輸電壓V_G+可在光脈沖141的發(fā)射之前被施加。圖2B中的插圖195示意性地示出像素30以及與像素的存儲(chǔ)區(qū)域41相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50，通過(guò)陰影來(lái)區(qū)別以圖形地指示傳輸電壓V_G+僅被施加給光電荷存儲(chǔ)區(qū)域41的傳輸柵極50。圖線(xiàn)192還被標(biāo)記了41-V_G+以指示只有存儲(chǔ)區(qū)域41的傳輸柵極50被用傳輸電壓V_G+充電。控制器124在光脈沖141的發(fā)射之前向基板31施加電壓V_OFF。只要V_OFF被保持在基板31上，在多模式光電傳感器20中的像素30的光電二極管32上入射的光所產(chǎn)生的任何光電子都漏到基板31并且光電子不被多模式光電傳感中的像素的任何存儲(chǔ)區(qū)域積聚。

在延遲時(shí)間T₁之后，控制器124將電壓V_ON(圖線(xiàn)193)施加到多模式光電傳感器20的基板31以記錄雙曝光時(shí)間的第一成分曝光時(shí)間期間的光，隨后在延遲時(shí)間T₄處再次記錄雙曝光時(shí)間的第二成分曝光時(shí)間期間的光。可選地，成分曝光時(shí)間具有等于發(fā)射的光脈沖141的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，例如，T₄－T₁可等于或大于約6ns并且小于或等于約30ns。在控制器124施加V_ON到基板31的每一個(gè)成分曝光時(shí)間期間，反射自發(fā)射的光脈沖141的光脈沖中的光在像素30的光電二極管32中的任意處生成的光電子漂移到像素的存儲(chǔ)區(qū)域41并在其中積聚。給定像素30的存儲(chǔ)區(qū)域41在雙曝光時(shí)間期間積聚的來(lái)自由成像在該給定像素30上的場(chǎng)景130中的特征從發(fā)射的光脈沖131反射的光脈沖的光的量基本與雙曝光時(shí)間和反射光脈沖的卷積成比例。在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器124控制多模式光電傳感器20以在雙曝光時(shí)間期間為脈沖列140中的多個(gè)光脈沖141中的每一個(gè)積聚光電子。

圖2C中的圖182示意性地解說(shuō)了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的三種曝光時(shí)間中的第二種類(lèi)型的曝光時(shí)間。對(duì)于第二種類(lèi)型的曝光時(shí)間，控制器124施加傳輸電壓到可選地僅與存儲(chǔ)區(qū)域42相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50。在圖2C中，圖182中的圖線(xiàn)192被標(biāo)記了42-V_G+，并且插圖195示出存儲(chǔ)區(qū)域42的傳輸柵極50是陰影的以指示僅存儲(chǔ)區(qū)域42的傳輸柵極50被用傳輸電壓V_G+充電?？刂破?24施加電壓V_ON和VO_FF到多模式光電傳感器20的基板31(圖線(xiàn)193)以在光脈沖141被發(fā)射到照明場(chǎng)景130的時(shí)間T₀之后的時(shí)間T₂處啟動(dòng)第二類(lèi)型的曝光時(shí)間?？蛇x地，T₂比T₁晚時(shí)間延遲ΔT₁₂，并且比T₄早。例如，ΔT₁₂可以等于或大于約2ns并且小于或等于約10ns。在第二類(lèi)型的曝光時(shí)間期間，反射自發(fā)射的光脈沖141的光脈沖中的入射光(圖線(xiàn)191)所生成的光電子被積聚在存儲(chǔ)區(qū)域42中。在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器124控制多模式光電傳感器20以在第二類(lèi)型的曝光時(shí)間期間為脈沖列140中的多個(gè)光脈沖141中的每一個(gè)積聚光電子。

圖2D中的圖183示意性地解說(shuō)了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的三種曝光時(shí)間中的第三種類(lèi)型的曝光時(shí)間。第三類(lèi)型的曝光時(shí)間可選地類(lèi)似于第二類(lèi)型的曝光，但是開(kāi)始于時(shí)間T₃，T₃可早于T₄并且可比T₂晚時(shí)間段ΔT₂₃。例如，ΔT₂₃可以等于或大于約2ns并且小于或等于約10ns。對(duì)于第三種類(lèi)型的曝光時(shí)間，控制器124施加傳輸電壓可選地僅到與存儲(chǔ)區(qū)域43相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極50。在圖2D中，圖183中的圖線(xiàn)192被標(biāo)記了43-V_G+，并且插圖195示出存儲(chǔ)區(qū)域43的傳輸柵極50是陰影的以指示僅存儲(chǔ)區(qū)域43的傳輸柵極50被用傳輸電壓V_G+充電。在第三類(lèi)型的曝光時(shí)間期間，反射自發(fā)射的光脈沖141的光脈沖中的入射光所生成的光電子被積聚在存儲(chǔ)區(qū)域43中。在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器124控制多模式光電傳感器20以在第三類(lèi)型的曝光時(shí)間期間為脈沖列140中的多個(gè)光脈沖141中的每一個(gè)積聚光電子。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器124控制多模式光電傳感器20以在曝光時(shí)間期間對(duì)場(chǎng)景130成像，在該曝光時(shí)間，場(chǎng)景不被光脈沖照明以確定抵達(dá)TOF-3D相機(jī)120的背景光的量。可選地，控制器124如圖2E中的圖184中示意性地解說(shuō)的那樣操作多模式光電傳感器20，并且將傳輸電壓V_G+僅施加到光電荷存儲(chǔ)區(qū)域44的傳輸柵極50以在由電壓V_ON確定的曝光時(shí)間期間在存儲(chǔ)區(qū)域44中積聚光電子。

在存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44中積聚光電子之后，控制器124捕獲多模式光電傳感器20的幀以捕獲提供對(duì)每一個(gè)多模式像素30的存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44中積聚的光電子的量的測(cè)量的電壓。由于背景光的原因，控制器124響應(yīng)于測(cè)得的像素的存儲(chǔ)區(qū)域44中積聚的光電子的量來(lái)糾正所測(cè)得的每一個(gè)像素30的存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44中積聚的光電子的量。像素30的存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44的經(jīng)糾正的測(cè)量分別與雙曝光時(shí)間以及第二和第三類(lèi)型的曝光時(shí)間期間成像在像素上的場(chǎng)景130中的特征從發(fā)射的光脈沖141反射的光脈沖的卷積成比例?？刂破?24使用對(duì)卷積的測(cè)量來(lái)確定該特征距TOF-3D相機(jī)120的距離。

例如，對(duì)象132的特征A(圖2)成像于其上的像素30的存儲(chǔ)區(qū)域41、42、43和44的經(jīng)糾正的測(cè)量提供針對(duì)反射光脈沖146的雙曝光時(shí)間、第二類(lèi)型曝光時(shí)間以及第三類(lèi)型曝光時(shí)間的卷積的測(cè)量?？刂破?24可使用該測(cè)量來(lái)確定特征A距TOF-3D相機(jī)120的距離。

例如，令針對(duì)對(duì)場(chǎng)景130中的特征成像的給定像素30的光電荷存儲(chǔ)區(qū)域41、42和43所確定的卷積被分別表示為C41、C42和C43。C41、C42和C43的值被示出在圖2F中的圖185中作為沿圖的橫坐標(biāo)顯示的以厘米(cm)為單位的特征的距離的函數(shù)。圖的縱坐標(biāo)以任意單位漸變。成像在給定像素上的特征的距離可根據(jù)為該給定像素確定的C41、C42和C43的值來(lái)確定。圖185示出由C41*、C42*和C43*所表示的經(jīng)確定的值。從該圖中可以看到，經(jīng)確定的值與等于約125cm的經(jīng)成像的特征的距離的值最相配。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，與多模式光電傳感器20類(lèi)似的光電傳感器可被包括在相機(jī)中，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該光電傳感器用于捕獲場(chǎng)景的圖片。例如，圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括具有多模式光電傳感器20的相機(jī)202的智能電話(huà)200。圖3示意性地示出智能電話(huà)相機(jī)202正被用于對(duì)場(chǎng)景300成像。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，智能電話(huà)200中的控制器(未示出)控制多模式光電傳感器20來(lái)響應(yīng)于對(duì)智能電話(huà)相機(jī)202從場(chǎng)景300中收集的光的強(qiáng)度的測(cè)量以及強(qiáng)度閾值來(lái)工作在高空間分辨率模式下或低空間分辨率模式下。收集的光的強(qiáng)度可由智能電話(huà)200中包括的任何合適的光度計(jì)和/或應(yīng)用(未示出)來(lái)確定。如果光的強(qiáng)度大于強(qiáng)度閾值，則控制器可控制多模式光電傳感器20工作在高空間分辨率模式下以對(duì)場(chǎng)景300成像。如果收集的光的強(qiáng)度小于強(qiáng)度閾值，則控制器可控制多模式光電傳感器20工作在低空間分辨率模式下以對(duì)場(chǎng)景300成像。

由此根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種具有形成在基板上的多個(gè)光敏感像素的多模式光電傳感器，每一個(gè)像素包括：光敏感區(qū)域，在所述光敏感區(qū)域中，入射光生成光電荷載流子；多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，用于積聚在所述光敏感區(qū)域中生成的光電荷載流子；與所述多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域中的每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極，所述傳輸柵極被充電以致使所述光敏感區(qū)域中的光電荷漂移到所述存儲(chǔ)區(qū)域；以及微透鏡陣列，所述微透鏡陣列包括用于所述多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域中的每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的至少一個(gè)微透鏡，所述微透鏡將入射在所述至少一個(gè)微透鏡上的光引導(dǎo)到所述光敏感區(qū)域的與到所述多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域中的其他存儲(chǔ)區(qū)域相比更靠近該存儲(chǔ)區(qū)域的區(qū)域?？蛇x地，所述微透鏡陣列包括用于每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的單個(gè)微透鏡。替代地或附加地，所述微透鏡陣列可呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)。可選地，所述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)具有與所述多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)量相等的階數(shù)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)量等于2。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)量等于或大于4。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，多模式光電傳感器包括控制器，所述控制器對(duì)與存儲(chǔ)區(qū)域相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極充電以致使所述光敏感區(qū)域中生成的光電荷漂移到所述存儲(chǔ)區(qū)域?？蛇x地，所述控制器用傳輸電壓對(duì)僅一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的傳輸柵極充電以致使在所述光敏感區(qū)域中的基本任意位置處生成的光電荷漂移到這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。替代地或附加地，所述控制器用相同的傳輸電壓同時(shí)對(duì)與每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極充電以致使在所述光敏感區(qū)域中的最靠近一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的位置處生成的光電荷漂移到該存儲(chǔ)區(qū)域。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器對(duì)所述基板充電以將所述光電傳感器切換為開(kāi)和關(guān)。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述光敏感區(qū)域包括光電二極管。在一個(gè)實(shí)施例中，所述光敏感區(qū)域包括光柵極。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，還提供了一種飛行時(shí)間(TOF)三維(3D)相機(jī)，所述相機(jī)對(duì)場(chǎng)景成像以確定到所述場(chǎng)景中的特征的距離，所述TOF-3D相機(jī)包括：光源，所述光源發(fā)射光脈沖列以照明所述場(chǎng)景；根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多模式光電傳感器，所述光電傳感器接收由所述特征從所發(fā)射的光脈沖反射的光；以及控制器，在每一個(gè)光脈沖之后，所述控制器將所述光電傳感器切換為開(kāi)和關(guān)以積聚在從多個(gè)不同曝光時(shí)間中挑選的曝光時(shí)間期間由來(lái)自所述特征所反射的光脈沖中的光在所述光電傳感器中的像素的光電二極管中生成的光電荷；其中所述控制器對(duì)不同存儲(chǔ)區(qū)域的傳輸柵極充電以在不同存儲(chǔ)區(qū)域中積聚不同曝光時(shí)間期間所生成的光電荷，確定不同存儲(chǔ)區(qū)域中積聚的來(lái)自光電傳感器的同一幀的光電荷的量，并且使用所述量來(lái)確定到所述場(chǎng)景中的特征的距離。

可選地，所述不同曝光時(shí)間包括開(kāi)始于所述光脈沖列中的光脈沖被發(fā)射的時(shí)間之后的不同時(shí)間的曝光時(shí)間。附加地或替代地，所述不同曝光時(shí)間可包括具有不同持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的曝光時(shí)間。所述不同曝光時(shí)間可包括具有不同形狀的曝光時(shí)間。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述多個(gè)不同曝光時(shí)間的數(shù)量等于或大于2。可選地，所述多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)量等于或大于所述多個(gè)不同曝光時(shí)間的數(shù)量。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，還提供了一種對(duì)場(chǎng)景成像以捕獲場(chǎng)景的圖片的相機(jī)，所述相機(jī)包括：根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多模式光電傳感器，用于接收來(lái)自所述場(chǎng)景的光；光度計(jì)，用于確定從所述場(chǎng)景抵達(dá)所述相機(jī)的光的強(qiáng)度；以及控制器，用于響應(yīng)于所述光度計(jì)測(cè)得的光的強(qiáng)度來(lái)控制對(duì)傳輸柵極的充電。可選地，所述控制器響應(yīng)于閾值光強(qiáng)度來(lái)控制對(duì)所述傳輸柵極的充電。如果測(cè)得的強(qiáng)度小于閾值，所述控制器可用傳輸電壓對(duì)僅一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的傳輸柵極充電。如果測(cè)得的強(qiáng)度大于閾值，所述控制器可用相同的傳輸電壓對(duì)與每一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域相關(guān)聯(lián)的傳輸柵極同時(shí)充電。

在本申請(qǐng)的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，動(dòng)詞“包括”、“包含”和“具有”及其組合中的每一個(gè)是用來(lái)指示該動(dòng)詞的一個(gè)或多個(gè)賓語(yǔ)不一定是該動(dòng)詞的一個(gè)或多個(gè)主語(yǔ)的組件、元素、或部分的完整列表。

在本申請(qǐng)中作為示例提供了對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施例的描述，而不旨在限制本發(fā)明的范圍。所描述的實(shí)施例包括不同的特征，對(duì)于本發(fā)明的所有實(shí)施例來(lái)說(shuō)并不是所有的特征都是必需的。一些實(shí)施例只利用部分特征或特征的可能組合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)想到所描述的本發(fā)明的各實(shí)施例的變型以及本發(fā)明的各實(shí)施例包括在所描述的各實(shí)施例中注明的特征的不同組合。