光谱成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
光谱成像系统
技术领域
[0001]本发明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。
[0002] 背景
[0003] 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。
[0004] 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η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"。η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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] -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 (range images)(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。
[0008] 概述
[0009]本发明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。
[0010] 在本发明的一实施例中，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。
[0011] 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，根据本发明的一实施例，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。
[0012] 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(Im表示。对于讲的给定(Im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，A)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(d M，A)，没有下标i。令入射在 第i个像素 P1上的波长为λ的光的强度由Ki，λ)表示，以及令由像素仍响应于I(i，λ)而生成 的信号由MI(i，d)表不。
[0013] 在本发明的一实施例中，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d M,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A λ谱宽和由人1{表示的中心波长(〇 < k < K)的K个谱柱的光强度 的直方图表不。令强度由向量Ki，λι〇表不，其中该向量的分量Ki，λι〇为在第k个柱中入射 在像素 P1上的光的平均强度。根据以下等式，可定义将入射光谱向量Ki，Ak)与测量值向量 11(^)相关的响应度矩阵1?((1 [^，入10，
[0014] MI(i，dj)=R(dM,n，Xk)x I(i，Xk)。 (I)
[0015] 在本发明的一实施例中，对等式（I)求解以确定向量I(i，Ak)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 P1I的光为可见光，而Ki，Ak)解确定了入射在该像 素上的光的颜色。
[0016]在讨论中，除非另行说明，修改本发明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。
[0017]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
【发明内容】
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。
[0018] 附图简述
[0019] 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发明的实施例的非限 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发明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。
[0020] 图1示意性地示出根据本发明的一实施例的包括光电传感器和电源的光谱成像 器；
[0021] 图2示意性地示出根据本发明的一实施例，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；
[0022] 图3示出根据本发明的一实施例，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
[0023]图4示出根据本发明的一实施例，R、G和B光的相对响应度R(dM，A)根据施加给光谱 成像器的光电传感器的电压而变化的曲线。
[0024] 详细描述
[0025] 图1示意性地示出根据本发明的一实施例的用于响应于来自场景(未示出）的处于 不同波长段的光（由波形箭头100表示)对场景成像的光谱成像器20。光谱成像器20包括具 有任选地以像素行22和列24排列的像素26的光电传感器21和电源60。电源控制给光电传感 器的电压以便控制像素26对光的灵敏度和它们寄存光所针对的光波长段。两个像素26由虚 线边界线23来区分。边界线界定了一像素26在光电传感器21的接收来自场景的光100以便 对场景成像的顶面25上所占据的区域。
[0026]图1只示出了光电传感器21的一部分，且该部分是沿着表面41和42的剖面。表面41 穿过且基本上平分行22中的像素26,并示出了像素的横截面，该横截面展示出沿着该行像 素的光电传感器21和像素26的内部特征的细节。为了便于表示，被表面41平分且与表面25 上的虚线边界23相关联的像素26由表面41上的虚线边界43和标签26'来区分。表面42穿过 像素26的列24中的像素26,并示出了像素的横截面，该横截面展示出沿着该列像素的光电 传感器21和像素26的内部结构的细节。
[0027]每一个像素26包括顶面25上的"入口区域"27,入射到该像素的光100穿过该入口 区域可进入该像素以便生成光电荷，该像素寄存光电荷以便确定入射光的强度。每个像素 还包括也被称为传输门的电极28，该电极一般对像素26所寄存的光不透明。传输门28可被 通电以将入射光100在像素26中生成的光电荷转移到像素的存储区。转移到存储区的光电 荷被处理以便提供电流或电压信号，该信号提供了由该像素所积聚的光电荷的量的度量， 从而提供了入射到该像素的光的强度的度量。像素26的存储区在下文对像素26的结构的细 节的讨论中讨论。
[0028] 光电传感器21的各种特征和特征的配置(诸如控制信号生成和像素重置的晶体 管、除了传输门28之外的可被用于将存储区中的电荷转移到读出晶体管的传输门、或者用 来控制哪些像素被选择用于"读取"的行和列选择线)在图中未示出。
[0029] 作为示例，光电传感器21被假定为CMOS光电传感器，其包括将光电传感器中的像 素26配置成通过积聚光电子而不是空穴来寄存入射光的掺杂结构。该光电传感器可选地包 括重度η掺杂硅基底30,该重度η掺杂硅基底30上形成有轻度p掺杂硅层32。在下文也被称为 η区34和35的η掺杂区34和35被形成在ρ掺杂外延层32中。ρ掺杂区36覆盖η掺杂区34。11区35 邻近P掺杂区36且与η区34不间断。对由光谱成像器20成像的光透明的电绝缘材料的顶层37 保护光电传感器21的下层和特征。顶层37中充满了氧化物材料的沟槽38将相邻像素26彼此 电隔离。
[0030] 在每一个像素26中，由虚线51界定的ρ-η结(在基底30和层32之间的像素界面)形 成了像素的第一光电二极管。该ρ-η结区以及由该ρ-η结形成的第一光电二极管可由数字51 引用，该数字51标记了界定该ρ-η结的虚线。每个像素26中在该像素的层32与η掺杂区34之 间的界面处由虚线52界定的ρ-η结区形成了该像素中的第二光电二极管。层32和η掺杂区34 之间的Ρ-η结与该Ρ-η结形成的第二光电二极管可由数字52引用，该数字52标记了界定该ρ-η 结的虚线。
[0031] 每一个像素26中的N区35用作由入射在该像素的入口区域27的光100在该像素的 光电二极管51和52中生成的光电子的存储区，且可被称为存储区35。被施加于传输门28的 正电压用于将光电二极管51和52中形成的光电子汲取到像素的存储区35中。使用本领域已 知的各种方法和设备中的任何方法和设备来处理转移到存储区35的光电子，以便生成一信 号，该信号提供了该像素中生成的光电子的量的度量，并从而提供了入射在该像素上的光 的强度的度量。
[0032] 作为数值示例，在本发明的一实施例中，硅衬底层30可用诸如磷(P)、砷(As)和锑 (Sb)之类的施主杂质原子η掺杂成介于IO 16Cnf3和IO19Cnf3之间的浓度，层32可大约为5μηι-20 μπι(微米）厚且可用诸如硼（B)、铝（Al)、镓(Ga)和铟（In)之类的受主杂质原子以处于约 IO13Cnf3和约IO15Cnf3之间的浓度进行轻度ρ掺杂。N区34可为大约Ιμπι厚且可由施主杂质原子 以介于约IO 15Cnf3和约IO17Cnf3之间的浓度掺杂。覆盖η区34的P层36可选地为不到Ο.?μπι厚， 且可用受主杂质掺杂成介于约IO 18Cnf3和约102%f3之间的浓度。存储区35(区35)可介于约 0 · 25μηι和0 · 5μηι之间的厚度，且可用受主杂质掺杂成介于约IO16Cnf3和约IO18Cnf 3之间的浓 度。层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之间的厚度。 [0033]在本发明的一实施例中，电源60根据像素中的位置深度d将不同电压施加于光电 传感器21的基底30,以反向偏压光电二极管51并配置像素26中的静电势，以及控制像素中 捕获并积聚光电子的势阱的位置深度。
[0034]相对于使氧化层37与ρ掺杂区36接地的电压，对于由电源60生成的给定电压Vs，假 设根据从顶面25测量的像素26中的位置深度d变化的该像素中的光电子的静电势由V(Vs， d)表示。对于等于Vs1、Vs2、和Vs3的Vs，图2示意性地解说了图1中示出的像素26'的V(Vs，d)，其 中￥51〈￥52〈￥53。像素26'的横截面被示意性地放大示出在图2的右侧。像素26'的左边是图表 201、202和203，这些图表示出了根据位置深度(1的变化跟踪￥(￥ 51，(1)￥(￥52，(1)和￥(￥53，(1)的 值的电势曲线。对于图表201、202和203以及对于像素26 '特征，像素26 '中的位置深度d沿着 标记着"d"的图表的公共轴被指示出。由每一张图表中的电势曲线所表示的任意单位的电 势的大小沿着与图相关联的标记着"V"的轴被指示出。
[0035] 在氧化层37和P掺杂区36中，在电源60的固定电压（pinning voltage)处，电势V (Vs1，d)，V(Vs2，d)，V(Vs3，d)展示了基本上相同的势坪Vpln，而势阱PWs 1，PWs2和PWs3具有位于η 掺杂区34中基本上相同位置深度d = dm处的最小值。电势￥(￥51，(1)、￥(￥52，(1)、￥(￥ 53，(1)中的 最大值]?1、]\12和]\0是阱?151、？152和?153的边界电势峰值。而边界电势峰值組、]\12和]\0都位于 外延层32，它们在外延层中位于不同位置深度dMi、dM2和dM3。
[0036] 令p-n结51和p-n结52之间的层32具有厚度Wp且令图2中所指示出的结位于位置深 度Cl1和d 2,从而d^cb+Wp。如果Cl1和d2之间的p掺杂层32中的位置深度由cU+x^^xU来表 示，则P掺杂层中的静电势V(Vs，d)可由V(Vs，x)来表示且可由以下表达式近似：
[0037] V(Vs，x) =￥。（2叉八。-(叉八。）2)1￥5/%。 （2)
[0038] 在表达式(2)中，V。是p掺杂层32中的V(Vs，X)的最大幅值，而X。是当Vs等于零时层 中的最大幅值的位置。当Vs = O时V。因此是与V(Vs，x)相关联的势阱的边界电势峰值，而(Cl1+ X。)是该边界电势峰值和该势阱的位置深度。
[0039] 当Vs大于零时，对于在XM处位于外延p掺杂层32中与V(Vs，x)相关联的势讲，V(Vs, X)具有最大的边界电势峰值，XM由以下表达式给出：
[0040] xm=x〇(1-(x〇/2Wp)(Vs/V。））。 （3)
[0041 ] V (Vs，X)的相关联的势阱的最大边界电势峰值的大小具有值：
[0042] V(Vs,xm) = 2V〇-(x〇Vs/Wp) (4)
[0043] 表达式⑶示出了 XM是Vs单调递减函数，且随着Vs增加，与电势V(Vs，x)相关联的势 阱的位置深度减少且势阱向顶面25移动。当0 (2ν#Ρ/Χ。)时，关于Xm的表达式⑶是有 效的。当Vs = 2ν?Ρ/χ。时，Xm等于零。在根据Vs变化的表达式(3)的有效性范围中，表达式(4) 指示出V(Vs，XM)也是Vs的单调递减函数。因此，随着Vs增加，与V(Vs，x)相关联的势阱变得更 浅，且当Vs 2 (2VQWP/x。)时消失。
[0044] 在图表201、202和203中的电势曲线￥(￥51，(1)、￥(￥52，(1)和￥(￥ 53，(1)示意性地示出了 电势V(VS，d)随着增加的Vs的行为。当曲线的电压Vs增加时(￥51〈￥52〈￥53)，曲线展示出更靠近 顶面25的更浅的势阱。例如，电势曲线V(V S2，d)具有位于比关于电势曲线V(Vsl，d)中的边界 电势峰值施的距离dm小的距离dM2处的边界电势峰值M 2,且势阱PWS2比PWSl浅。
[0045] 图3示出了针对Wp = 5μπι、X。= 2μπι和V。= 3伏，且由电源60施加给基底30的电压Vs以 1伏为步长从〇伏到10伏而计算的V(VS，X)的曲线。当Vs增加时，电势V(Vs，x)中的峰值向X的 更小值且因此向边界电势峰值的位置深度d的更小值移动，且峰值的大小减小，且相关联的 势阱(未在图3中示出)变得更浅。
[0046]回头参考图2,该图示意性地解说了边界电势峰值的减少的位置深度如何影响寄 存由入射到像素26'上的光生成的光电子。
[0047]图2示意性地示出了光子101、102、103和104，其在像素26'中被吸收且分别生成由 星号标记的101*、102*、103*和104*示意性地指示出的电子-空穴对。来自电子-空穴对的光 电子在降低电势的方向漂移，而来自电子-空穴对的空穴在增加电势的方向漂移。（为阐述 方便，电势被定义为针对负电荷载流子增加。）结果，来自像素26 '的位于像素26 '中电势V (Vs，d)的势坪Vpln之下且在从其边界电势峰值的位置深度确定的V(Vs，d)中的势阱的位置深 度之上的区域中生成的电子-空穴对的光电子将漂移进势阱中。如果电子-空穴对是在边界 电势峰值的位置深度之下生成的，则来自电子-空穴对的光电子将漂移到基底层30且与该 层中的空穴重新组合。如果电子-空穴对是在势坪Vpln中生成的，则其将趋向于随机漂移，直 到其重新组合或漂移进该势阱。该电子-空穴对中的空穴将漂移离开该势阱并最终与电子 重新组合。
[0048] 作为示例，电子-空穴对101*基本上生成在势坪Vpln中，势坪Vpln对于所有的V(Vs1， d)、V(VS2，d)和V(VS3，d)来说是基本相同的。因此，基本上对于范围VS1〈V S〈VS3中的基本上任 何Vs，来自该对的光电子将随机漂移直到其重新组合或意外地被V(Vs，d)的势阱捕获。另一 方面，电子-空穴对102*在V(V S2，d)和V(VS3，d)的势阱PWs2和PWs3的位置深度之下生成。来自 电子-空穴对102*的光电子将因此漂移到基底层30且不被势阱PWs 2和PWs3收集。然而，如果 电源60用电压Vsdi基底层30偏压，则光电子将在势阱PWs 1*被收集。类似地，势阱PWS1、PWS2 和PWs3中的任何一个将不会收集来自电子-空穴对103*的光电子，而来自电子-空穴对104* 的光电子将在势阱PWs冲被收集，但不会在PWs 2或PWs3中被收集。
[0049] 鉴于上述内容，可见当电压Vs增加时，像素26中用于收集由入射到该像素的光生 成的电子-空穴对所提供的光电子的有效最大位置深度减小。结果，当电压Vs增加时，像素 对于入射光的灵敏度降低。然而，对于所有波长的光来说，灵敏度并不以与电压Vs相同的速 率降低。与较长波长的光相比，较短波长的光具有在像素26的材料中的更大的吸收横截面 以及伴随着的更短的吸收长度和更大的吸收系数。平均而言，与较长波长的光相比，较短波 长的光在被吸收且生成电子-空穴对之前不会穿透入像素26那么深。因此，当Vs增加时，与 像素对较短波长的光的响应度相比，像素26对具有较长波长的光的响应度降低得更快。
[0050] 采用比尔-朗伯定律，以波长λ入射到像素26上的光随着像素26中的位置深度d按 eTaWd呈指数级衰减，其中α(λ)是像素的材料中波长λ的光的吸收系数。假设对于电压Vs在 像素26中收集光电子的最大位置深度是对于电压Vs在像素中势阱的边界电势峰值的位置 深度dM(例如，图2示出了针对标记为Ml、Μ2和M3峰值的位置深度dMi、dM2和dM3)。
[0051 ]则在波长λ，光电传感器中第i个像素26的响应度可根据一表达式来建模:R(c!m，X) =Φ(l-e-a(X)dM)〇 (5)
[0052] 在表达式（5)中，Φ是基本独立于λ的比例常数，且可用表达式（3)对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结52的位置深度（图2)。
[0055] 根据表达式(6)，因为对于诸如光电传感器21之类的光电传感器的给定配置，cU、X。 和V。可被认为基本上为常数，因此d M可被认为是基本上仅根据Vs的变化而变化的函数，且通 过对dM的依赖性，R(dM，λ)可被认为依赖于Vs并被写作R( Vs，λ)。
[0056] 图4示出 了对于670nm的R光、560nm的G光、470nm的蓝光、WP = 5ym、x〇 = 2ym以及V0 = 3伏，以任意单位求值且在Vs等于约1处被归一化为最大响应度的响应度R(VsA)的图表。该 图表示出了对于R、G和B，像素的响应度随着增加的电压Vs(以及因此随着d M)减少，而对于更 长的R和G波长的光，减少可能是巨大的。该图表还示出了对于相同的电压Vs，对于R、G和B光 的像素的响应度R(VsA)可能十分不同。
[0057]根据本发明的一实施例，诸如图4所示出的对于不同波长的光而言R(VsA)对电压 Vs的依赖性的差异可被用来提供来自成像在光谱成像器(例如光谱成像器20)上的场景的 光的光谱。可选地，该光谱可用来提供场景的彩色图像。
[0058]例如，光谱成像器20(图1)可被包括在具有用于采集来自场景的光的聚光透镜和 用于将采集到的光成像在光谱成像器上以提供场景的彩色图像的光学器件的相机(未示 出）。假设对于具有代表性的670nm、560nm和470nm波长且约IOOnm的带宽的波长段中的R、G 和B光，光谱成像器20的响应度由图4中的曲线给出。进一步假设相机中的光学器件将光聚 焦或导向光谱成像器20以获得场景的三张图像，电源60分别将电压VSn(l < η < 3)施加于光 电传感器21。则对于每一个电压Vsn，对于R、G和B光中的每一个，图4提供了光电传感器21中 的像素26的响应度。作为示例，根据图4,如果V S2(当n = 2时的Vsn)等于约5,则光电传感器21 中的像素26的响应度对于R、G和B光将分别为约0.77、0.85和0.99。
[0059] 对于R、G和B以及电压Vsn，令光电传感器21中的像素的响应度由R(V Sn，AR)、R(VSn， Xe)和R(VsnAB)表不。对于如上所述的代表性波长和带宽，令入射在光电传感器21的第i个 像素26(Pi)上的R、G和B光的强度由1(1，人 [0、1(1，\(；)、1(1，\8)表示。如果响应于入射在像素 上的光在电压Vs r^由像素 pi提供的电流或电压的测量值由MI(i，VSn)表示，则所述测量值 和响应度提供了具有三个未知数光强1(丨，人 [0、1(丨，\(；)、1(丨，\6)的一组三个等式。等式是：
[0060]
[0061]其中，粗斜体字母代表向量，而粗书写体R(VSn，Ak)是响应度的矩阵。对于入射在像 素 Pi上的光的R、G和B强度I (i，λκ)、I (i，Ac)、I (i，λΒ)以及响应于所述强度对所述场景的被 成像在该像素上的特征确定的颜色，可由光谱光电传感器或相机中所包括的处理器(未示 出）来容易地求解等式7。根据本发明的一实施例，场景的彩色图像可从为光电传感器21中 的多个像素 P1确定的颜色来确定，以便提供场景的彩色图像。
[0062]在上面的描述中，响应于从分别以三个不同的电压Vsn捕获的场景的三张图像中确 定的三种不同波长段的光中的光强度〖^，!^、〖^，(^、〖。，。，提供了场景的彩色图像。 然而，本发明的实施例的实践不局限于响应于分别以三个不同的电压V Sn捕获的三张图像在 三个不同波长段中确定入射到像素上的光的强度。一张色彩图像可响应于"Ν"个光波长段 中的光强度而被确定，其中N基本上可以是大于2的任何数字。例如N可以是4或者10.
[0063] 此外，以不同电压Vsn捕获的图像的数量N不一定要如以上针对N等于3给出的示例 中那样等于IN可大于或小于Ν，并且强度可相应地根据图像的数量超定或欠定。可利用各 种回归方法中的任何一种来确定强度，例如作为示例，一种基于最小二乘或高斯混合模型 的方法。
[0064] 此外，尽管光电传感器21中的像素26未被示为被带通滤波器屏蔽，但在本发明的 一实施例中，光谱成像器可包括由带通滤波器屏蔽的像素。根据本发明的一实施例的光谱 成像器可例如包括由R、G或B滤波器屏蔽的像素。包括在光谱成像器中的电源可通过控制光 谱成像器对长波长的光的灵敏度来设置V Sn&便控制白平衡。例如，对于场景被长波长处有 过多量的光的白炽光照明的场合，电源可设置Vsn来降低光谱成像器对来自场景的长波长的 光的灵敏度。
[0065] 还应注意，尽管在光谱成像器20中的光电传感器21被描述为CMOS光电传感器，但 本发明的实施例的实践不局限于CMOS光电传感器。根据本发明的一实施例的光谱成像器可 包括CCD光电传感器和用电压Vs对光电传感器的基底进行偏压以便控制光电传感器中的像 素的响应度的电源。
[0066] 此外应注意，尽管在上面的描述中电源60被指示为向光电传感器21中的全部像素 26基本同时地施加基本相同的电压，以便通过用Vs对光电传感器的基底30进行偏压来控制 像素的响应度，但包括在本发明的一实施例中的光谱成像器中的电源可用不同的电压对光 电传感器中的不同像素进行偏压。
[0067] 例如，根据本发明的一实施例的光谱成像器可包括多个电极，每一个电极可独立 于所述多个电极中的其他电极的电偏压而被电源进行电偏压，以便以不同的偏置电压对成 像器中的不同光电二极管进行偏压。彼此独立偏压的光电二极管可以被形成在P基底中所 形成的分开的η阱中。通过彼此独立地对电极进行偏压，电源可彼此独立地控制光电传感器 中的像素的响应度。
[0068] 在本申请的说明书和权利要求书中，动词"包括"、"包含"和"具有"及其组合中的 每一个是用来指示该动词的一个或多个宾语不一定是该动词的一个或多个主语的组件、元 素、或部分的完整列表。
[0069] 在本申请中作为示例提供了对本发明的各实施例的描述，而不旨在限制本发明的 范围。所描述的实施例包括不同的特征，对于本发明的所有实施例来说并不是所有的特征 都是必需的。一些实施例只利用部分特征或特征的可能组合。本领域的技术人员会想到所 描述的本发明的各实施例的变型以及本发明的各实施例包括在所描述的各实施例中注明 的特征的不同组合。
【主权项】
1. 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η掺杂半导体基底 层，所述ρ-η结形成在所述η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。7. 根据权利要求1-6中任一项所述的光谱成像器，其特征在于，所述电源向至少两个不 同的像素彼此独立地施加电压以独立于所述至少两个像素中的一个像素的响应度地控制 所述至少两个像素中的另一个像素的响应度。8. 根据前述权利要求中任一项所述的光谱成像器，其特征在于，所述电源向所述光电 传感器的像素施加多个"Ν"不同的电压以获得从所述场景入射到每一个像素的光的N个测 量值，并且所述成像器包括处理器，所述处理器响应于所述N个电压中的不同电压处所述像 素的响应度来处理所述N个测量值以确定入射在所述像素上的光的光谱。9. 一种响应于来自场景的光对所述场景成像的方法，所述方法包括： 收集来自场景的光使得所述光入射在半导体光电传感器上，所述半导体光电传感器包 括响应于入射在所述像素上的光生成信号的光敏像素；以及 将电压施加于所述光电传感器来控制所述像素对于以不同的光波长段入射到所述光 电传感器上的光的响应度。10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，包括向所述光电传感器的各像素施加多 个不同的电压，以便获得从所述场景入射到每个像素上的光的多个不同的测量值，以及处 理所述多个测量值来确定入射在该像素上的光的光谱。
【文档编号】H01L27/146GK105917468SQ201480073217
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年12月30日
【发明人】A·内维特, E·塔德莫尔
【申请人】微软技术许可有限责任公司