具有共享像素读出电路系统的成像传感器技术方案

本文中提供了检测红外光和可见光的成像传感器。在一个示例中，提出了一种包括半导体基板的成像传感器，该半导体基板包括用于并发地感测红外光和可见光的像素结构的阵列。像素结构中的每一者包括被配置成检测红外光的第一像素元件和被配置成检测可见光的第二像素元件。像素结构中的每一者进一步包括共享输出电路，该共享输出电路耦合第一像素元件和第二像素元件，使得第一输出状态呈现对应于第一像素元件的检测到的红外光的第一信号，而第二输出状态呈现对应于第二像素元件的检测到的可见光的第二信号。

Imaging sensor with shared pixel readout circuit system

An imaging sensor for detecting infrared and visible light is provided in this paper. In one example, an imaging sensor including a semiconductor substrate is presented, which includes an array of pixels for detecting the pixel structure of infrared and visible light concurrently. Each pixel structure includes a first pixel element configured to detect infrared light and a second pixel element configured to detect visible light. Each of the pixel structures further includes a shared output circuit, which is coupled with a first pixel element and a second pixel element, so that the first output state presents the first signal corresponding to the detected infrared light of the first pixel element, and the second output state is now detected to be corresponding to the second pixel element. The second signal of the visible light.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有共享像素读出电路系统的成像传感器背景数字成像传感器在许多设备和系统中(诸如在数字相机中)被采用以捕捉图像。成像传感器采用检测像素的大型半导体阵列，其可包括电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，等等。成像传感器可被配置成捕捉跨越可见光和红外光范围的电磁频谱的范围。当被配置成捕捉红外光时，成像传感器可以在飞行时间(TOF)相机系统中被采用。TOF相机使用红外光的发射来测量场景的深度，该红外光的发射被精确地定时成由成像传感器进行测量或检测。这些TOF相机可以在其中标识场景中的各对象之间的相对深度是有用的许多应用中被采用，诸如交互式游戏设备、虚拟现实设备、增强现实设备、工业控制、医疗扫描仪或其他设备。概述本文中提供了采用成像传感器来检测红外和可见光的系统、装置和方法，诸如飞行时间(TOF)测量设备及相关联的成像传感器阵列。在一个示例中，提出了一种包括半导体基板的成像传感器，该半导体基板包括用于并发地感测红外光和可见光的散置式像素结构的阵列。像素结构中的每一者包括被配置成检测红外光的至少第一像素元件和被配置成检测可见光的至少第二像素元件。像素结构中的每一者进一步包括共享输出电路，该共享输出电路耦合至少第一像素元件和至少第二像素元件，使得第一输出状态呈现对应于第一像素元件的检测到的红外光的第一信号，并且第二输出状态呈现对应于第二像素元件的检测到的可见光的第二信号。提供本概览以便以简化的形式介绍将在以下的详细描述中进一步描述的一些概念。可以理解，本概览并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保护的主题的范围。附图简述参考以下附图可更好地理解本公开的许多方面。尽管结合这些附图描述了若干实现，但本公开并不局限于在此所公开的这些实现。相反，意图是要覆盖所有的替代方案、修改和等价物。图1解说了一实现中的飞行时间相机环境。图2解说了一实现中的飞行时间感测系统的系统图。图3解说了一实现中的像素结构的俯视图。图4解说了一实现中的像素结构的横截面图。图5解说了一实现中的像素结构的横截面图。图6解说了一实现中的像素结构的横截面图。图7解说了用于一实现中的成像传感器的时序图。图8解说了一实现中的像素结构的横截面图。图9解说了一实现中的像素结构的横截面图。图10解说了一实现中的像素结构的横截面图。图11解说了一实现中的像素结构的横截面图。图12解说了一实现中的像素结构的横截面图。图13解说了一实现中的像素结构的横截面图。图14解说了一实现中的操作成像传感器的方法。图15解说了适用于实现本文中所公开的任何架构、过程、方法和操作场景的示例控制器。详细描述基于飞行时间(TOF)的三维(3D)相机已在工业自动化、医疗成像、汽车驾驶辅助、虚拟现实系统、增强现实系统以及游戏和其他消费领域中找到了若干应用。TOF传感器可通过使用主动照明进行测量来递送3D图像的深度信息。很多时候，可由TOF系统检测到的最大深度受到红外滤光组件的限制，这可降低红外传感器的灵敏度并且衰减红外照明系统的检测到的强度。可见光成像传感器可被采用以增强红外成像，从而克服红外成像传感器在景深方面的一些限制。虽然TOF传感器可使用共模输出来提供单色二维(2D)图像，但是当场景中的对象在远距离处时，这些2D图像可能在深度方面受到相关联的红外(IR)滤光器组件的限制。在一些示例中，分开的黑白或者红/绿/蓝(RGB)可见光谱相机被包括，这可导致庞大的成像装备以及增加的制造成本和系统功耗。在一些实例中，两组分开的成像传感器被包括在相同的传感器阵列上，这可增加像素阵列的架构复杂度。一些系统已将红外成像传感器与可见光成像传感器一起组合到单个设备中或组合到微芯片中所使用的硅晶片上。然而，两个成像传感器的分隔距离可导致视差问题。此外，这些设备仍然在个体像素的高功耗和灵敏度方面遇到问题。当分开的成像传感器被采用时，可能难以确保在可见光和红外图像的捕捉之间的准确定时，这可能在图像处理和TOF计算期间导致问题。在本文中的各示例中，讨论了可以在TOF相机系统以及其他成像应用中被采用的各种增强的成像传感器和像素布置。如以下讨论的，讨论了通过使用单个像素布置来检测被动2D图像(RGB或BW)以及主动3D图像(即TOF)两者而克服问题的像素阵列架构和定时方法，其增强了成像传感器的空间分辨率并且还降低了系统成本和功耗。本文中讨论了可见光和红外(IR)光。可见光通常包括对应于人眼视觉范围的光的波长(波长近似为390纳米(nm)至700nm)。IR光包括从约700纳米延伸至1毫米(mm)的光的波长。波长范围的变化是可能的，但是通常而言本文中所讨论的可见光和IR光指的是以上近似范围。作为第一示例，呈现了图1。图1是解说TOF相机环境100的系统图。环境100包括飞行时间相机系统110和场景元素101-102。示出了TOF相机系统110的详细视图，其包括被安装在一个或多个电路板123上的红外发射器120、组合的IR/可见光传感器121和TOF处理电路系统122。TOF相机系统110通过通信链路125与外部系统通信。在一些示例中，IR发射器120和图像处理电路系统的元件被包括在传感器121中。在操作中，TOF相机系统110使用IR发射器120发射IR光111以照明场景103中的元素，诸如场景元素101-102。IR光111从场景113中的对象和元素反射离开并且被传感器121接收为经反射的IR光112。传感器121检测经反射的IR光112以及由环境光113照明的场景中的对象和元素。传感器121可使用彼此散置在传感器121的半导体基板上的像素阵列来检测IR光和可见光两者。一旦传感器121检测到IR和可见光，表示该检测到的光的像素数据就被提供给TOF处理电路系统122，该TOF处理电路系统122处理该像素数据以确定一个或多个图像，其中这些图像中的至少一个图像包括由IR照明产生的场景的深度图，而另一其他图像则包括由环境光113产生的被动可见光图像。传感器121中的每个像素可具有相关联的滤光元件以允许对IR光或可见光的选择性部分的检测，这将在下面更详细地讨论。返回参考图1的元件，IR发射器120可包括一个或多个红外光发射器，诸如发光二极管(LED)、激光发射器、激光二极管发射器或其他组件。IR发射器120还可包括被配置成向IR发射器120提供功率以及使IR光的发射与由TOF处理电路系统122提供的定时信号同步的各种驱动器电路系统。传感器121包括连同相关联的驱动器、电源和输出电路系统一起被形成在半导体基板上的像素阵列。各个个体像素可结合在CCD像素或CMOS像素中找到的技术和半导体结构以及其他基于半导体的光检测技术和元件。传感器121的进一步的示例将在本文中的图3-13中进行讨论。链路125包括用于与外部系统(诸如计算设备、微处理器、服务器、网络设备、智能电话设备或其他处理系统)通信的一个或多个有线或无线通信链路。链路125可携带如由TOF相机系统110确定的成像数据和相关数据，或者可携带由外部控制系统传输的命令和指令。链路125可包括通用串行总线(USB)接口、外围组件互连高速(PCIe)接口、无线接口、IEEE802.15(蓝牙)无线链路、IEEE802本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种成像传感器，包括：半导体基板，所述半导体基板包括用于并发地感测红外光和可见光的像素结构的阵列；所述像素结构中的每一者包括被配置成检测所述红外光的第一像素元件和被配置成检测所述可见光的第二像素元件；所述像素结构中的每一者进一步包括共享输出电路，所述共享输出电路耦合所述第一像素元件和所述第二像素元件，使得第一输出状态呈现对应于所述第一像素元件的检测到的红外光的第一信号，而第二输出状态呈现对应于所述第二像素元件的检测到的可见光的第二信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.24 US 14/950,3131.一种成像传感器，包括：半导体基板，所述半导体基板包括用于并发地感测红外光和可见光的像素结构的阵列；所述像素结构中的每一者包括被配置成检测所述红外光的第一像素元件和被配置成检测所述可见光的第二像素元件；所述像素结构中的每一者进一步包括共享输出电路，所述共享输出电路耦合所述第一像素元件和所述第二像素元件，使得第一输出状态呈现对应于所述第一像素元件的检测到的红外光的第一信号，而第二输出状态呈现对应于所述第二像素元件的检测到的可见光的第二信号。2.根据权利要求1所述的成像传感器，其特征在于，包括：所述像素结构中的每一者的所述共享输出电路包括浮动扩散元件，所述浮动扩散元件被配置成至少基于所述共享输出电路的选择状态来从所述第一像素元件或所述第二像素元件接收电荷。3.根据权利要求2所述的成像传感器，其特征在于，包括：至少基于所述共享输出电路处于所述第一输出状态，通信地耦合到所述浮动扩散元件的读出电路被配置成将表示检测到的红外光的第一电荷转储到所述浮动扩散元件以及将所述第一电荷转换成第一电压；至少基于所述共享输出电路处于所述第二输出状态，所述读出电路被配置成将表示检测到的可见光的第二电荷转储到所述浮动扩散元件以及将所述第二电荷转换成第二电压。4.根据权利要求3所述的成像传感器，其特征在于，包括：至少基于所述共享输出电路处于所述第一输出状态，表示检测到的可见光的所述电荷通过靠近所述第一像素元件的第一势垒而被抑制转储到所述浮动扩散元件，所述第一势垒由所述共享输出电路建立；至少基于所述共享输出电路处于所述第二输出状态，表示检测到的红外光的所述电荷通过靠近所述第二像素元件的第二势垒而被抑制转储到所述浮动扩散元件，所述第二势垒由所述共享输出电路建立。5.根据权利要求1所述的成像传感器，其特征在于，包括：所述像素结构中的每一者的所述共享输出电路包括第一转移元件，所述第一转移元件被配置成在所述共享输出电路处于所述第二输出状态时创建靠近所述第一像素元件的势垒以及抑制电荷从所述第一像素元件向所述浮动扩散元件的转储；所述共享输出电路包括第二转移元件，所述第二转移元件被配置成在所述共享输出电路处于所述第一输出状态时创建靠近所述第二像素元件的势垒以及抑制电荷从所述第二像素元件向所述浮动扩散元件的转储。6.根据权利要求1所述的成像传感器，其特征在于，包括：对于所述像素结构中的每一者，所述第一像素元件被配置成检测所述红外光以及保持表示检测到的红外光的电荷直到所述第一输出状态，并且所述第二像素元件被配置成与所述第一像素元件检测所述红外光并发地检测所述可见光，以及保持表示检测到的可见光的电荷直到所述第二输出状态。7.根据权利要求1所述的成像传感器，其特征在于，包括：对于所述像素结构中的每一者，所述第一像素元件具有红外光带通滤光器，并且所述第二像素元件具有红、绿或蓝光带通滤光器中的至少一者。8.一种飞行时间(TOF)传感器装置，包括：发射器，所述发射器被配置成将红外光发射到场景上以供成像传感器检测；所述成像传感器包括用于并发地感测所述场景的深度值和所述场景的可见光强度的像素阵列，其中所述成像传感器的各...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·徐，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US