CN101765916B - 光传感器装置 - Google Patents

Abstract

感测环境光以用于确定光通量。根据示例实施例，使用两个光传感器装置来感测环境光，这两个光传感器装置分别对不同相关波长的光作出不同响应。对传感器的输出进行非线性组合，以产生指示光通量的数据。使用该光通量数据来产生用于控制电子显示器的控制输出。

Description

光传感器装置

技术领域

本专利申请文献涉及光传感器，更具体地，涉及用于检测发光光强的光传感器。

背景技术

电子显示器的图像质量的人类感知受到该电子显示器处环境中存在的可见背景照明的量的强烈影响。例如，在环境光条件涉及高背景照明(例如，阳光或明亮的人工光)时，电子显示器一般在较高光强下操作时观看效果更佳。当环境光条件涉及相对较低背景照明(例如，在夜晚或室内的低光条件)时，电子显示器在较低光强下操作时观看效果较佳。关于这一点，通常希望控制电子显示器设备提供预期图像质量。这些背景照明考虑可应用于各种设备，如，便携式计算机、蜂窝电话、视频播放器、固定显示设备以及其他。

通常，人眼对波长在大约400nm到700nm之间的光敏感；对于许多光源来说，该波长间隔(即，可见光谱)仅覆盖发射光谱的一小部分。光通量是通过以发光度函数对每个波长处的功率进行加权来说明眼睛灵敏度的光的度量，表示眼睛对不同波长的响应。辐射通量是所发射的辐射的总功率的度量，总光通量与辐射通量之比被称作发光效率。

诸如白炽灯之类的许多光源呈现相对低的色温(黑体辐射计的温度)并产生大量的红外辐射。关于这一点，环境光传感器还受到除了可见光谱辐射以外的大量辐射。如果在使用这样的传感器来检测影响人类感知的光时没有说明这种附加辐射，则光传感器的响应可能是可见光的非精确度量。例如，半导体光探测器(包括由硅制成的半导体光探测器)的特色是在红外区域内超出可见光谱的实质灵敏度，从而不仅响应于可见光还响应于红外光。光电二极管与眼睛响应之间的失配呈现出精确提取辐射的发光内容的挑战。

在精确感测可见光中解决上述困难已经是具有挑战。制造成本、尺寸限制、封装困难、工艺集成以及与各种方法相关的其他问题是很难有效且高效地检测可见光以控制电子显示器的源头。

发明内容

本发明针对解决上述挑战以及与上述应用和其他应用类型相关的其他挑战。在许多所示意的实现方式和应用中说明了本发明的这些和其他方面，在附图中示出并在以上权利要求部分中表征了其中的一些。

根据本发明的示例实施例，光传感器装置包括：两个或更多光传感器；以及提取电路，耦合至所述传感器以从所述传感器接收信号。所述传感器包括：第一传感器，响应于波长在第一波长范围内的光来输出信号；以及第二传感器，响应于波长在不同波长范围内的光来输出信号。所述提取电路使用每个传感器的相应量子效率将来自传感器的信号进行非线性组合，以提供对光的光通量加以表征的数据。

根据本发明另一示例实施例，电子显示器控制器装置响应于可见光的存在来控制电子显示器。该装置包括：在半导体衬底中的层叠的光电二极管传感器、提取电路、以及电子显示器控制器电路。该层叠光电二极管传感器包括：上部光电二极管，对环境光进行滤波并响应于环境光中的可见光来提供信号；以及下部光电二极管，被布置在所述上部光电二极管下方以接收滤波后的光，并且响应于滤波后的光中的红外光来提供信号。所述提取电路耦合用于：使用光电二极管的量子效率对来自光电二极管的信号进行接收和非线性数字组合，以及产生指示环境光中占优势的可见光的光通量输出。电子显示器控制器电路接收并使用该光通量输出来控制电子显示器上图像的显示。

根据本发明的另一示例实施例，使用检测到的环境光来控制电子显示器。检测波长在第一波长范围内的光，并且响应于该光输出信号。还检测波长在不同波长范围内的光，并且响应于该光来输出另一信号。使用所述检测的相应量子效率来对这些信号进行非线性组合，以提供对光的光通量加以表征的数据。

以上概述并不旨在描述本发明的每个所示意的实施例或者每个实现方式。以下附图和详细描述将更具体地说明这些实施例。

附图说明

结合附图，考虑以下详细描述的本发明各个实施例，将更全面地理解本发明，附图中：

图1示出了根据本发明示例实施例的用于检测可见光并控制电子显示设备的***；

图2示出了根据本发明另一示例实施例的用于感测光的光电二极管装置；

图3示出了如结合本发明另一示例实施例实现的层叠光电二极管装置中光电二极管的各个响应的曲线图；以及

图4示出了结合本发明另一示例实施例的经由非线性组合而得到的来自光电二极管对的归一化响应的曲线图。

具体实施方式

尽管本发明可以有各种修改和备选形式，在附图中以示例的方式示出了本发明的特定细节并且以下将对这些特定细节进行详细描述。然而，应理解，本发明不限于所描述的特定实施例。相反，本发明覆盖所附权利要求所限定的本发明的范围之内的所有修改、等同以及备选方案。

本发明可应用于多种传感器装置和方法，具体地可以应用于选择性地检测可见光的传感器装置。尽管本发明不必须限于这样的应用，然而通过在这样的环境下讨论示例最佳地得到本发明各方面的理解。

根据本发明的示例实施例，一种半导体传感器装置提供对环境光的可见(发光)部分加以表征的输出信号，以通过便于人类感知所显示的图像的质量的方式来控制电子显示器的强度、调色板或其他特性。传感器结构提供对背景辐射的可见和不可见特性加以表征的两个或更多输出。提取电路对所述输出进行非线性组合，以提取延伸超过可见范围的背景辐照度的发光内容，并产生占主要指示背景辐射中的光通量的输出。

在一些实施例中，传感器包括具有上部传感器和下部传感器的层叠半导体光电二极管传感器装置，所述上部传感器响应于可见光谱中的光，所述下部传感器响应于红外(IR)光谱中的光。层叠光电二极管与信号处理电路一起位于外延硅衬底中，所述信号处理电路用于接收和处理来自层叠光电二极管的输出。

在一些实施例中，光电二极管采用具有多数载流子极性的阱，所述多数载流子极性对于光电二极管所位于的衬底的极性来说是公共的。在一个应用中，在具有相同极性的衬底上形成p型外延硅的掺杂层，以采用CMOS工艺在光电二极管区域使用例如两个p型注入来形成p+p-光电二极管结构，这允许紧邻光电二极管实现信号处理电路。在另一应用中，在具有相同极性的衬底上形成n型外延硅的掺杂层，以类似地形成n型光电二极管结构。

与许多示例实施例相结合使用的术语“光”一般指的是电磁辐射，其中一些通常包括可见光谱中的(即，人眼可见的)光和不可见光。在一些情况下，不可见光指的是辐射或电磁辐射和/或与术语“光”(同时与不在可见光谱中的辐射或光相对应)同义。不在可见光谱中的光或辐射的一个示例是红外光。关于这一点，在各种情况下使用的术语“光”不仅应用于可见光谱中的光，还应用于诸如红外光(或红外辐射)之类的不可见光(或辐射)。

图1示出了根据本发明另一示例实施例的用于检测可见光并控制电子显示器设备的***100。该***包括：传感器110和120，分别检测不同波长范围内的光，并且响应于检测到的光来产生传感器数据112和122。

提取处理器130对传感器数据112和122进行非线性处理，以产生主要表示入射到传感器上的可见光(即，主要表示实际光通量)的光通量输出132。将光通量输出132发送至显示器控制器140，所述显示器控制器140产生用于操作电子显示器的控制输出142。在一些实施例中，控制输出142用于操作相对大的显示器，如，以计算机、电视来实现的显示器或者户外显示器(如在体育竞赛或广告中使用的户外显示器)。在其他实施例中，控制输出142用于操作相对小的显示器，如以诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、数字媒体播放器或成像设备之类的手持设备来实现的显示器。

在上述情况下，结合一些实施例，在提取处理器130处对来自传感器110和120的数据进行组合，以产生良好地表示光通量的输出，来自传感器110和120的数据分别表示超出人眼响应范围的光数据。在一些实施例中，提出处理器130产生相对于传感器处的实际光通量具有偏差的输出，所述偏差在大范围的照明条件(例如，白炽、荧光以及阳光)上小于百分之几。在一些特定实施例中，光通量输出132所表示的检测到的可见光的至少大约95％与可见光相对应，在另一些实施例中，光通量输出132所表示的感测到的可见光的至少大约98％与可见光相对应。关于这一点，光通量输出132有助于非常精确地表示传感器110和120所处环境中可见光的量(即，实际光通量)而不需要表示(如，红外光谱中的)不可见光。

对于特定应用，传感器110和120分别检测在特定波长范围内的光，所述特定波长范围适合不同应用并且有助于产生代表传感器环境中可见光的量的光通量输出132。在一些实施例中，传感器110主要检测可见光，传感器120主要检测不可见光(例如，红外光或其他不可见辐射)。在这些情况下，术语“主要”对于一些应用而言一般指的是至少大约80％，对于一些应用而言一般指的是至少大约90％，与人眼检测到的可见光的量有关。提取处理器130将传感器数据与每个信号中的已知量的可见和不可见光一同使用，并且适当地还与传感器的量子效率一同使用，来产生光通量输出132。在这种情况下，每个传感器的量子效率表征传感器对光的灵敏度，对于特定应用而言表征传感器对一个或更多波长范围内的光的灵敏度。

如上所述，如在图2中例证的，传感器110和120可以用半导体光电二极管来实现，并且还与提取处理器130一起在公共半导体衬底中实现。以示出了传感器装置105的虚线来表示这种组合，所述传感器装置105可以是具有公共(或相反)极性掺杂区域的半导体芯片，所述半导体芯片形成光电二极管(如，传感器110和120)和提取处理器130。在特定实施例中，显示器控制器140还可以用传感器装置105来实现，并对于特定应用提取处理器130一起在公共电路中实现，所述公共电路承载与以上分别关于提取处理器130和显示器控制器140而描述的提取和控制功能有关的功能。

如上所述，结合多个实施例实现各种光传感器和传感器方法，包括结合图1讨论的那些光传感器和传感器方法。图2示出了根据本发明另一示例实施例的用于感测环境光的示例光电二极管装置200的截面图。传感器200是基于CMOS的半导体电路，包括两个二极管，其中，将通过p+埋层(DPW)和横向地通过p+插塞(DPC)将最接近表面的顶部或上部光电二极管210与深层的底部或下部光电二极管220屏蔽。在一些实施例中，以门控二极管来实现两个阴极(对于光电二极管210和220中的每一个，分别在212、214处)，以减小或最小化泄漏电流。

顶部光电二极管210通常响应于可见光并且用作滤波器，主要将红外光传送至底部光电二极管220，所述底部光电二极管220相应地主要响应于红外光。可以针对特定应用来定制顶部光电二极管210的滤波效果，使用硅作为衬底，在所述衬底中形成光电二极管，其中蓝色光穿透硅到达小于大约0.5μm的深度，红色光穿透到硅若干微米。红外光具有大于大约10μm的较深穿透深度，从而利用底部光电二极管220来检测红外光。在一些应用中，顶部光电二极管210被制造为主要响应于可见光谱中的光，底部光电二极管220被制造为主要响应于IR光谱中的光。

关于这一点，多个实施例针对，将顶部光电二极管210装置在上表面的2μm内，以收集在顶部表面与2μm深度之间的光产生电荷，从而检测可见光谱中的光。底部光电二极管位于硅衬底中更深处，以收集顶部光电二极管的2μm深度以下的光产生电荷，便于检测IR光谱中的光。

将来自上部光电二极管210和下部光电二极管220的输出分别通过顶部光电二极管(PD)触点212和底部光电二极管(PD)触点214传送至处理电路。例如，通过这种装置来实现的示例，再次参考图1，将来自顶部和底部PD触点212和222的输出(例如，112，122)传送至处理电路(提取处理器130)，在所述提取处理器130中，对输出进行非线性组合以产生光通量数据。在一些情况下，这种非线性组合涉及以下形式：以非线性组合的方式将从上部光电二极管得到的数据减去使用下部光电二极管220得到的数据。

再次参考图1，根据传感器110和120的特性、附加传感器的存在、以及期望或预期使用的光通量输出120，以不同方式来对提取处理器130处的传感器输出进行非线性组合。如例如与图2所示的光电二极管装置有关的，在传感器110和120是基于硅的传感器的情况下，硅的特性用于确定提取处理器130处的非线性组合方法。光子在以从y_min到y_max的深度穿过硅板时被吸收的概率由等式1给出：

$P\left(y_{\max }\right)=\underset{y\min }{\overset{y\max }{\text{\∫}}}\mathrm{\α}\·\exp (-\mathrm{\α}\·y)\mathrm{dy},---\left(1\right)$

其中α是硅中的光子吸收系数，是波长的强函数。在这些情况下，该深度可以被例证为在光电二极管装置200的上表面205以下的深度。在硅中，800nm辐射的吸收大约在小于500nm辐射的量级上，使得与可见光的光子相比，红外光子更深地穿透到硅中。光电二极管210和220的光敏区域(y_min，y_max)(即，分别在示出了电流的箭头214和224处)的变化影响总体波长响应。将等式1或针对除了上述硅以外的其他半导体材料的相关等式中的该信息与光电二极管210和220的光敏区域的深度一同使用，通过非线性组合来提取212和222处光电二极管信号的发光内容。以下结合等式2来更详细地描述一种进行这种组合的方法，如可以利用图1和图2所示的装置来实现这种方法以及将图1和图2所示的装置一同使用来实现。

图3示出了结合本发明的另一示例实施例的、作为发射源色温函数的每单位(勒克斯)发光内容的层叠光电二极管的相应归一化响应的曲线图。在水平轴中示出了黑体(颜色)温度(以开尔文为单位)(例如，将发射源假定为黑体)，在垂直轴上示出了针对光电二极管的每勒克斯的归一化响应。该曲线图所表示的响应可以使用例如与图2所示的上述层叠光电二极管装置相类似的层叠光电二极管装置来得到并实现，并且通常在较低色温下呈现出发光内容的过高估计。

曲线310示出了主要对可见光谱中的光作出响应的上部光电二极管的归一化响应，曲线320示出了主要对红外光谱中的光作出响应的下部光电二极管的响应。曲线330示出了单个光电二极管的相应响应。公共色温在从1850K(例如，烛光)到2800K(例如，普通电灯泡)一直达到对于直射阳光的6000K的范围内。如所示的，曲线330所表示的单个二极管和两个层叠二极管中任何一个层叠二极管本身(分别由曲线310和320表示)都不在整个色温范围上提供平坦的响应(A/勒克斯)，因为这些器件的量子效率(QE)与人眼响应不匹配。如所示的，色温的降低使得发射转向红外线，红外线是眼睛不可见的但仍然可由光电二极管检测到，这导致在校正和处理(例如，如这里所描述的)之前对环境光中的发光等级的过高估计。

如曲线310所示，层叠的上部光电二极管运行良好，呈现出较小的红外尾部，但仍然在2500K处导致高达30％的对可见光内容的过高估计。关于这一点，尽管上部光电二极管自身可以被定制为呈现有利的红外拒绝(例如，主要对可见光作出响应)，然而通过使用非线性方法对下层的底部二极管的信息进行组合来校正较低色温下的其余失配。

关于这一点，对关于曲线310和320的响应进行非线性处理，以提取与检测到的红外光相对应的光数据以及提供主要与人眼可感知的可见光相对应的输出。以下描述的图4还表征了可用于与同图3所示曲线图有关的光电二极管响应一起使用的组合。

图4示出了结合本发明另一示例实施例的、经由非线性组合而得到的来自光电二极管对的归一化响应的曲线图。与图3一样，在水平轴中示出了黑体(颜色)温度(以开尔文为单位)，在垂直轴上示出了针对光电二极管每勒克斯的归一化响应。该曲线所表示的响应还可以使用例如与图2所示的上述层叠光电二极管装置相类似的层叠光电二极管装置来得到并实现，并且还可应用于图3所示相应响应的归一化。

曲线410示出了(例如，如与图2的上述讨论有关的)顶部光电二极管的归一化且未校正的响应。曲线420和430示出了分别基于顶部和底部光电二极管的输出的线性和二次组合的响应。曲线430中表示的二次校正方法有助于在整个范围的±1％内提取发光内容。关于这一点，可以将曲线410所表示的未校正响应中大约2500K的色温下大约30％的初始失配校正到百分之几的范围内，以便于精确检测可见辐照度。例如可以使用与图1所描述的方法相类似的方法来实现这些组合方法，其中，提取处理器130产生如曲线330所表示、来自上部光电二极管和下部光电二极管的信号的非线性组合的输出。

根据光电二极管的应用、装置、以及组成，结合不同实施例来实现对传感器输出进行非线性组合的多种方法；这些方法中的一些涉及对来自两个层叠光电二极管的输出进行组合。通常，这些方法涉及确定光通量作为来自两个(或更多)光电传感器的输入的非线性组合的函数。以下等式2表示使用对层叠的光电二极管输出进行非线性组合(这里是二次校正)的这种确定的特定示例：

$\mathrm{\Φ}={\mathrm{aI}}_{\mathrm{top}}(1+b\frac{I_{\mathrm{bot}}}{I_{\mathrm{top}}}+c{\left(\frac{I_{\mathrm{bot}}}{I_{\mathrm{top}}}\right)}^2)---\left(2\right)$

其中，I_bot、I_top是底部和顶部光电二极管的光电流，a、b和c是内插系数，Φ是光通量。例如，根据校准的光通量和/或使用所测量的发光辐照来确定内插系数，以及根据经验获取该内插系数，这便于通过迭代来确定光通量Φ，所述光通量Φ遵循从亮视(白天)到暗视(夜间)视觉的眼睛响应性变化。

等式3表示使用非线性组合对来自上部光电二极管和下部光电二极管的输出进行组合的另一方法：

$\mathrm{\Φ=}{I}_{\mathrm{top}}*f\left(\frac{I_{\mathrm{bot}}}{I_{\mathrm{top}}}\right)---\left(3\right)$

其中，f是两个变量之比的非线性函数。对传感器数据进行非线性组合的其他相关方法涉及将光通量(Φ)定义为I_top乘以根据I_bot/I_top的表格函数。

进行非线性组合的这些方法可应用于与产生对应于曲线图430的输出相结合来使用。例如，在特定实施例中，图1中的提取处理器130使用等式2对来自传感器110和120的输出进行组合，所述传感器110和120分别是以上述上部光电二极管和下部光电二极管来实现的。

附图所示的上述各个实施例仅是以示意的方式提供的，不应被解释为限制本发明。基于以上讨论和说明，本领域技术人员将容易认识到，在无需严格遵循这里所示意和描述的示例实施例和应用的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。例如，可以采用这里所描述的非线性组合方法来实现其他光电二极管装置，如，涉及美国专利No.6,787,757中所示的并列装置或美国专利No.6,623,701中所示的层叠结构的那些光电二极管装置，其通过引用全部合并于此。其他修改涉及使用不同类型的光电二极管，这些光电二极管相对于用于形成这些光电二极管的衬底具有公共和/或相反掺杂，例如，如在美国专利No.4,238,760中描述的，其通过应用全部合并于此。这样的修改和改变并不脱离本发明的真实范围。

Claims (16)

1.一种光传感器装置，包括：

第一传感器，响应于波长在第一波长范围内的光来输出信号；

第二传感器，响应于波长在不同波长范围内的光来输出信号；以及

提取电路，耦合用于接收传感器信号，以使用每个传感器的量子效率来对信号进行非线性组合，以便提供对光的光通量加以表征的数据(130)，

其中，

第一传感器和第二传感器垂直地层叠在衬底中，所述第二传感器在所述第一传感器下方；

所述第一传感器产生主要指示可见光的响应，所述第一传感器对传送至第二传感器的光进行滤波，所述第二传感器产生主要指示不可见光的响应。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器是位于掺杂半导体衬底中的光电二极管，每个光电二极管包括与所述掺杂半导体衬底相同极性的掺杂区域。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器和所述提取电路位于公共掺杂的半导体衬底中。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器位于掺杂半导体衬底中，并且包括极性与所述掺杂半导体衬底的极性相反的掺杂半导体材料。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述提取电路使用二次组合对信号进行非线性组合。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，到达第二传感器的滤波后的光主要是红外光。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器中的至少一个包括掺杂有p+和p-掺杂剂的半导体衬底，所述p+和p-掺杂剂形成所述传感器装置。

8.一种用于响应于可见光的存在来控制电子显示器的电子显示器控制器装置，所述装置包括：

层叠光电二极管传感器，其在半导体衬底中，并且包括：

上部光电二极管，对环境光进行滤波并响应于环境光中的可见光来提供信号，

下部光电二极管，被布置在所述上部光电二极管下方，用于接收滤波后的光以及响应于所述滤波后的光中的红外光来提供信号；

提取电路，耦合用于接收来自上部光电二极管和下部光电二极管的信号并使用上部光电二极管和下部光电二极管的量子效率来对所述信号进行非线性数字组合，以及用于产生主要指示环境光中的可见光的光通量输出；以及

电子显示器控制器电路，用于接收和使用所述光通量输出来控制电子显示器上的图像显示。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述提取电路位于所述半导体衬底中。

10.根据权利要求8所述的装置，还包括衬底的掺杂区域，所述衬底的掺杂区域使上部光电二极管与下部光电二极管彼此电屏蔽。

11.根据权利要求8所述的装置，还包括：针对每个光电二极管的低泄漏阴极，所述的泄漏阴极经由门控二极管来接触光电二极管。

12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述提取电路通过根据校准后的光通量确定内插系数，使用所述光电二极管的量子效率对来自所述光电二极管的信号进行非线性数字组合。

13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述提取电路通过根据所测量的发光辐照确定内插系数，使用所述光电二极管的量子效率对来自所述光电二极管的信号进行非线性数字组合，以产生光通量输出，所述光通量输出反映了从亮视条件到暗视条件的眼睛响应性变化。

14.一种控制电子显示器的方法，所述方法包括：

使用第一传感器来检测波长在第一波长范围内的光，并响应于所述波长在第一波长范围内的光来输出信号，其中所述第一传感器产生主要指示可见光的响应；

使用第二传感器来检测波长在不同波长范围内的光，并响应于所述波长在不同波长范围内的光来输出信号，其中，第二传感器与第一传感器垂直地层叠在衬底中，第二传感器在第一传感器下方，所述第一传感器产生主要指示可见光的响应；

使用第一传感器对传送至第二传感器的光进行滤波，使得第二传感器产生主要指示不可见光的响应；以及

使用所述信号的非线性组合以及用于检测光的传感器的相应量子效率，来提供对所述光的光通量加以表征的数据。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：使用半导体衬底的掺杂部分来电屏蔽用于检测光的传感器。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括：根据校准后的光通量来确定内插系数，其中，使用所述信号的非线性组合以及所述传感器的相应量子效率来提供数据包括：使用所确定的内插系数。

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