光谱成像系统技术方案

本发明专利技术的一实施例提供了一种用于对场景成像的光谱成像器(20)，所述光谱成像器包括半导体光电传感器(21)和电源(60)，所述半导体光电传感器(21)包括光敏像素(26)，所述电源(60)将电压施加于所述光电传感器来控制像素对于以不同光波长段入射到像素上的光的响应度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的各实施例涉及用于确定来自场景的光的光谱含量的装置和方法。背景获取场景的彩色图像的相机通常包括在曝光周期期间在具有寄存可见光谱的红(R)、绿(G)和蓝(B)波长段的像素阵列的半导体光电传感器上对来自该场景的光成像的光学器件。阵列中的像素一般按行和列排列，而光电传感器可以是各种类型的CCD(电荷耦合器件)或CMOS(硅上互补金属氧化物)光电传感器中的任一种。光电传感器中的一个像素通过积聚来自由入射光在该像素中所生成的电子-空穴对的电子或空穴来寄存来自由相机光学器件成像在该像素上的场景的某一区域的光。电子-空穴对在p掺杂半导体材料与n掺杂半导体材料的p-n结(也被称为光电二极管)处形成的该像素的耗尽区中或附近生成。p掺杂半导体材料是一种掺杂了受主原子的材料，受主原子为该材料提供了在该材料中吸引电子并起正电荷载流子作用的“空穴”。n掺杂半导体材料是一种掺杂了施主原子的材料，施主原子向该材料贡献电子，电子是该材料中的负电荷载流子。光电传感器中所包括的半导体材料的掺杂结构决定了光电传感器中的像素积聚由像素上的入射光所生成的电子还是空穴。通常像素积聚源于电子-空穴对的电子(常规上也称为光电子)来寄存入射光。在曝光周期即将结束之际，与像素中积聚的电子或空穴相关联的电荷(也被称为光电荷)被用来生成电压或电流信号。该信号提供了光电荷量的度量，从而提供了积聚电子或空穴数以及入射在生成电子或空穴的像素上的R、G或B光的强度的度量。光电传感器中的像素提供的R、G和B光的度量被用来提供场景的彩色图像。像素的耗尽区能够响应于具有相对较宽的波长段的光而生成电子-空穴对。通常该波长段包括可见光谱的光和红外(IR)光。可见光谱包括具有处于从大约380纳米(nm)延伸到大约750纳米的波长段中的波长的光。R、G和B光包括具有分别以660纳米、530纳米和440纳米波长为中心的等于或大约150纳米宽度的重叠波长段的光。近IR(NIR)光具有处于从大约800纳米延伸到大约2500纳米的波长段中的波长的光。R、G或B像素被配置成通过带通滤波器来区分R、G或B光，该带通滤波器屏蔽该像素使得分别处于成像在该像素上的光中仅R、G和B光进入该像素以在该像素的耗尽区生成电子-空穴对。IR像素由IR带通滤波器屏蔽。一些专用相机可响应于非可见光来对场景成像。例如，提供测距图像(rangeimages)(提供距场景中的特征的距离)的三维(3D)测距相机(range camera)可响应于诸如IR之类的非可见光对场景成像。一些3D测距相机除了提供响应于IR光而捕获的测距图像之外还提供该场景的R、G和B彩色图像。概述本专利技术的一实施例的一方面涉及提供一种用于响应于来自场景的处于不同光波长段的光来对场景成像的光电传感器系统，下文也被称为“光谱成像器”。该光谱成像器包括半导体光电传感器和电源，所述半导体光电传感器包括光敏像素，所述电源将电压施加给所述光电传感器以控制来自场景的处于不同光波长段的光的寄存。在本专利技术的一实施例中，每个像素包括定义该像素中的第一和第二光电二极管且由分别在相反方向上产生电场的耗尽区表征的第一和第二p-n结。依据其极性，相反方向的电场产生了用于积聚由入射在该像素上的光生成的电子-空穴对所提供的光电子或空穴的势阱。电源向光电传感器中的一电极施加电压，该电压控制该像素中所述势阱的位置位于该像素的顶面之下。所述顶面是该像素寄存的光进入该像素所处的光电传感器的表面。势阱相对于顶面的位置是按照从顶面到该像素中最远离顶面的、界定该势阱的静电势中的最大值或“峰值”(下文称为“边界电势峰值”)的距离来测量的。与较短波长的光相比，对于较长波长的光，像素对入射光的响应度(可被定义为像素所产生的信号强度与入射到该像素的光的强度的比率)随势阱离开顶面的距离增加得越多。因此，根据本专利技术的一实施例，改变像素中的势阱离开顶面的距离会改变该像素所敏感的且该像素寄存光所针对的光的波长段。下文的“位置深度”“d”被用来指代像素中的某一特征在顶面下的距离，而像素中的势阱的位置可被称为像素中的该势阱的位置深度。令由一像素中的第一和第二p-n结及其边界电势峰值生成的一给定势阱的位置深度由dM表示。对于阱的给定dM与给定波长“λ”，令光电传感器的第i个像素pi对入射光的响应度由R(i,dM,λ)表示。可选地，光电传感器中的像素的响应度对于所有的像素是相同的，且出于简明性而假设确实这样，则某一像素的响应度可被写为R(dM,λ)，没有下标i。令入射在第i个像素pi上的波长为λ的光的强度由I(i,λ)表示，以及令由像素pi响应于I(i,λ)而生成的信号由MI(i,d)表示。在本专利技术的一实施例中，光谱成像器电源向光电传感器的像素施加多个“N”个不同的电压，以便对于像素中的势阱的对应的不同位置深度dM,n，0≤n≤N，获得像素上的入射光的测量值。对于位置深度dM,n，令入射在第i个像素上的光的N个信号MI(i,d)由向量MI(i,dn)表示，其中该向量的分量MI(i,dn)是由该像素针对位置深度dM,n生成的信号。假定入射在像素pi上的光的光谱由具有Δλ谱宽和由λk表示的中心波长(0≤k≤K)的K个谱柱的光强度的直方图表示。令强度由向量I(i,λk)表示，其中该向量的分量I(i,λk)为在第k个柱中入射在像素pi上的光的平均强度。根据以下等式，可定义将入射光谱向量I(i,λk)与测量值向量MI(i,dn)相关的响应度矩阵R(dM,n,λk)，MI(i,dj)＝R(dM,n,λk)x I(i,λk)。 (1)在本专利技术的一实施例中，对等式(1)求解以确定向量I(i,λk)并提供入射在像素pi上的光的离散光谱。可选地，入射在像素pi上的光为可见光，而I(i,λk)解确定了入射在该像素上的光的颜色。在讨论中，除非另行说明，修改本专利技术的实施例的特征的条件或关系特性的诸如“基本上”和“大约”的副词应被理解为该条件或特性被定义为针对该实施例所意图的应用在该实施例的操作可接受的容差范围以内。除非另外指示，本规范和权利要求书中的单词“或”被认为是包含性“或”而不是排他性或，并且指示其结合的各项目中的至少一者或其组合。提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本
技术实现思路
并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。附图简述下面将参考在此所附的在此段落之后列出的附图来描述本专利技术的实施例的非限制性示例。在多于一幅附图中出现的相同的特征通常在其出现的所有附图中都以相同的数字来标记。标记表示附图中的本专利技术的实施例的一个给定特征的图标的标记可被用于参考该给定的特征。附图中所示的组件的尺寸和特征是为了方便和清楚呈现而选择的，并且不一定按比例显示。图1示意性地示出根据本专利技术的一实施例的包括光电传感器和电源的光谱成像器；图2示意性地示出根据本专利技术的一实施例，在图1所示的光谱成像器的某一像素中的势阱的位置深度如何随着电源施加于光电传感器的电压而改变；图3示出根据本专利技术的一实施例，在图1所示的光谱成像器的某一像素中的光电子的静电势曲线；以及图4示出根据本专利技术的一实施例，R、G和B光的相对响应度R(dM,λ)根据施加给光谱成像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于响应于来自场景的光对所述场景成像的光谱成像器，所述成像器包括：包括光敏像素的半导体光电传感器；以及电源，所述电源将电压施加于所述光电传感器来控制像素对于以不同的光波长段入射到像素上的光的响应度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.14 US 14/154,6431.一种用于响应于来自场景的光对所述场景成像的光谱成像器，所述成像器包括：包括光敏像素的半导体光电传感器；以及电源，所述电源将电压施加于所述光电传感器来控制像素对于以不同的光波长段入射到像素上的光的响应度。2.根据权利要求1所述的光谱成像器，其特征在于，每一个像素包括具有耗尽区的第一和第二p-n结，所述耗尽区以相反方向生成电场并创建捕获来自由入射到该像素上的光所生成的电子-空穴对的电荷载流子的势阱，并且其中响应于由所述势阱捕获的电荷载流子的电荷，该像素生成指示入射到该像素上的光的强度的信号。3.根据权利要求2所述的光谱成像器，其特征在于，所述电荷载流子为空穴。4.根据权利要求2所述的光谱成像器，其特征在于，所述电荷载流子为光电子。5.根据权利要求3所述的光谱成像器，其特征在于，所述半导体包括n掺杂半导体基底层，所述p-n结形成在所述n掺杂半导体基底层上。6.根据权利要求1-5中任一项所述的光谱成像器，其特征在于，所述电源基本同时地向所述多个像素中的每一个像素施加基本相同的电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·内维特，E·塔德莫尔，
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