[发明专利]具有带有用于高动态范围的子曝光的单光子雪崩二极管的成像设备

说明书

本发明题为“具有带有用于高动态范围的子曝光的单光子雪崩二极管的成像设备”。本发明公开了一种成像设备，该成像设备可包括单光子雪崩二极管(SPAD)。为了改善该SPAD的灵敏度和信噪比，可增加光子检测效率(PDE)。然而，增加的光子检测效率可导致降低的饱和速率并且低于期望的动态范围。为了增大该动态范围，基于SPAD的半导体器件可用多个子曝光操作。在第一子曝光期间，可将过偏置电压设置为第一电压电平，使得该SPAD具有第一光子检测效率。在第二子曝光期间，可将过偏置电压设置为第二电压电平，使得该SPAD具有不同于该第一光子检测效率的第二光子检测效率。然后可将来自该第一子曝光和该第二子曝光的图像数据组合成单个高动态范围深度图。

技术领域

本发明整体涉及成像系统，并且更具体地，涉及包括用于单光子检测的单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。

背景技术

现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。每个像素通常包括光敏元件诸如光电二极管，这些光敏元件接收入射光子(入射光)并把光子转变为电信号。每个像素还可包括将光重叠并聚焦到光敏元件上的微透镜。

常规图像传感器可以多种方式受到有限功能的影响。例如，一些常规图像传感器可能无法确定从图像传感器到正在成像的物体的距离。常规图像传感器也可具有低于期望的图像质量和分辨率。

为了提高对入射光的灵敏度，有时可在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。单光子雪崩二极管可能够进行单光子检测。然而，单光子雪崩二极管可具有低于期望的动态范围。

本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。

附图说明

图1为根据一个实施方案的示出示例性单光子雪崩二极管像素的电路图。

图2为根据一个实施方案的示例性硅光电倍增器的图示。

图3为根据一个实施方案的具有快速输出端子的示例性硅光电倍增器的示意图。

图4为包括微小区阵列的示例性硅光电倍增器的图示。

图5为根据实施方案的包括基于SPAD的半导体器件的示例性成像系统的示意图。

图6为示出根据实施方案的作为光子检测效率的饱和速率的函数的曲线图。

图7为根据实施方案的对于在低环境光条件下操作的基于SPAD的半导体器件的作为距离的函数的检测概率的曲线图。

图8为根据实施方案的对于在高环境光条件下操作的基于SPAD的半导体器件的作为距离的函数的检测概率的曲线图。

图9为示出根据实施方案的作为光子检测效率的函数的过偏置量的曲线图，示出了光子检测效率如何随着过偏置的增加而增加。

图10为示出根据实施方案的用于以不同的子曝光来操作基于SPAD的半导体器件以产生高动态范围深度图的示例性步骤的流程图。

图11为示出根据实施方案的基于SPAD的半导体器件如何可在第一子曝光期间产生第一部分深度图以及如何可在第二子曝光期间产生第二部分深度图的示意图。

图12为根据实施方案的作为用于具有带有不同光子检测效率的多个子曝光的基于SPAD的半导体器件的距离的函数的检测概率的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及包括单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。