本公開涉及一種光子系統(tǒng)，更具體地，涉及一種用于消除或基本上減少這類系統(tǒng)中的暗電流影響的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
1、光電檢測(cè)設(shè)備(諸如光電檢測(cè)器陣列)可以包括多個(gè)感光單元，每個(gè)感光單元包括用于檢測(cè)入射光的一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器，以及用于存儲(chǔ)由光電檢測(cè)器提供的電荷的電容器。電容器可以被實(shí)現(xiàn)為專用電容器和/或使用光電二極管、晶體管和/或感光單元的其他組件的寄生電容。
2、在使用中，具有p型和n型摻雜區(qū)的光電二極管(光電檢測(cè)器)可以通過施加的電壓(正電壓到陰極(n區(qū))和負(fù)電壓到陽(yáng)極(p區(qū)))的連接來(lái)反向偏置，從而增大pn結(jié)處的耗盡區(qū)。來(lái)自照明光電二極管并在耗盡區(qū)(或靠近耗盡區(qū))被吸收的入射光的光子將產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)將由于來(lái)自所施加電壓的電場(chǎng)而移動(dòng)到光電二極管的相對(duì)端。電子將向陰極上的正電位移動(dòng)，空穴將向陽(yáng)極上的負(fù)電位移動(dòng)。這些移動(dòng)的電荷載流子(電子和空穴)在光電二極管中形成與照明成比例的光電流。與該光電流相關(guān)聯(lián)的電荷可在“積分時(shí)間”或“積分周期”內(nèi)收集到電容器中，“積分時(shí)間”或“積分周期”即流入電容器的電流導(dǎo)致電荷累積的時(shí)間段，該時(shí)間段之后可確定存儲(chǔ)電荷的水平。積分時(shí)間的長(zhǎng)短可基于光電檢測(cè)器的靈敏度和/或入射光的亮度等因素進(jìn)行選擇。
3、暗電流是電荷耦合器件(ccd，charge?coupled?device)和光敏集成電路領(lǐng)域中眾所周知的現(xiàn)象。暗電流由包括ccd的材料晶格內(nèi)的熱能產(chǎn)生。電荷(例如電子)隨時(shí)間產(chǎn)生，并且與落在檢測(cè)器上的光無(wú)關(guān)。在提到光電檢測(cè)器或光電二極管時(shí)，暗電流指的是流經(jīng)光電檢測(cè)器的電流，包括沒有光子進(jìn)入設(shè)備時(shí)的電流，諸如光電檢測(cè)器沒有被照明時(shí)的電流。光電檢測(cè)器中的暗電流可能是光電檢測(cè)器耗盡區(qū)內(nèi)電子和空穴的隨機(jī)生成的結(jié)果。當(dāng)光電檢測(cè)器連接到積分電容器(例如攝像機(jī)中的電容器)時(shí)，暗電流可能被“計(jì)算”為信號(hào)，并可能使電容器充滿冗余電荷，例如空信號(hào)，這可能會(huì)妨礙某些條件下所需的更長(zhǎng)積分時(shí)間，諸如弱光條件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這種信號(hào)的增加也會(huì)帶來(lái)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，即所謂的“暗電流噪聲”。
4、目前減少這種暗電流的方法包括使用“虛設(shè)”光電檢測(cè)器，該光電檢測(cè)器被屏蔽了照明，從另一個(gè)光電檢測(cè)器(曝露在光照下)的信號(hào)減去由“虛設(shè)”光電檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)。這種方法的缺點(diǎn)可能包括較大的面積需求和較高級(jí)別的復(fù)雜電子電路，例如在讀出集成電路(roic，read?out?integrated?circuit)中。
5、因此，在以暗電流累積為特征的光電檢測(cè)器中，有必要使用在光電檢測(cè)器級(jí)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案來(lái)物理地消除暗電流，并且這將是有利的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、根據(jù)所公開的實(shí)施例，一種系統(tǒng)包括：光電檢測(cè)器(pd)，其中該pd生成第一類型的電荷和第二類型的電荷；積分電容器，其連接到該pd；控制器，其配置為在積分電容器的第一收集狀態(tài)和積分電容器的第二收集狀態(tài)之間進(jìn)行切換，其中，在第一收集狀態(tài)內(nèi)，積分電容器通過源自光電流的第一類型的電荷和源自暗電流的第一類型的電荷進(jìn)行充電，并且其中，在第二收集狀態(tài)內(nèi)，積分電容器通過源自暗電流的第二類型的電荷進(jìn)行放電，其中，第一類型的電荷與第二類型的電荷相反，使得源自暗電流的電荷由此基本上消除。
2、在一些實(shí)施例中，第一收集狀態(tài)與照明到達(dá)pd同步，并且其中第二收集狀態(tài)與照明沒有到達(dá)pd同步。在一些實(shí)施例中，第一收集狀態(tài)與第一類型的電荷的生成同步，并且其中第二收集狀態(tài)與第二類型的電荷的生成同步。
3、在一些實(shí)施例中，第一類型的電荷和第二類型的電荷分別是空穴和電子，或者反之。在一些實(shí)施例中，控制器配置為交替地在第一收集狀態(tài)內(nèi)將第一類型的電荷路由到積分電容器，在第二收集狀態(tài)內(nèi)將第二類型的電荷路由到積分電容器。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)進(jìn)一步包括光學(xué)快門，該光學(xué)快門配置為允許或阻擋照明到達(dá)pd。在一些實(shí)施例中，光學(xué)快門由控制器控制并且配置為與第一收集狀態(tài)和第二收集狀態(tài)之間的切換同步地允許或阻止照明到達(dá)pd。在一些實(shí)施例中，光學(xué)快門是機(jī)械光學(xué)快門、液晶光學(xué)快門、mems光學(xué)快門或有源光柵諧振耦合器中的一種。
4、在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接pd和積分電容器的切換系統(tǒng)，其中切換系統(tǒng)配置為在第一收集狀態(tài)和第二收集狀態(tài)之間進(jìn)行切換。在一些實(shí)施例中，切換系統(tǒng)包括第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)，第一開關(guān)在pd和積分電容器之間，第二開關(guān)在pd和第三開關(guān)之間，第三開關(guān)在電源、pd和積分電容器之間。
5、根據(jù)所公開的實(shí)施例，一種方法包括：提供連接到積分電容器和控制器的光電檢測(cè)器(pd)，其中該pd生成第一類型的電荷和與第二類型的電荷相反的第二類型的電荷；由控制器切換到積分電容器的第一收集狀態(tài)；在第一收集狀態(tài)內(nèi)，通過源自光電流的第一類型的電荷和源自暗電流的第一類型的電荷對(duì)積分電容器進(jìn)行充電；由控制器切換到所述積分電容器的第二收集狀態(tài)；以及在第二收集狀態(tài)內(nèi)，通過源自暗電流的第二類型電荷對(duì)積分電容器進(jìn)行放電，從而基本上消除源自暗電流的電荷。
6、在一些實(shí)施例中，第一收集狀態(tài)與照明到達(dá)pd同步，并且其中第二收集狀態(tài)與照明沒有到達(dá)pd同步。在一些實(shí)施例中，第一收集狀態(tài)與第一類型的電荷的生成同步，并且其中第二收集狀態(tài)與第二類型的電荷的生成同步。
7、在一些實(shí)施例中，第一類型的電荷和第二類型的電荷分別是空穴和電子，或者反之。在一些實(shí)施例中，控制器配置為在第一收集狀態(tài)和第二收集狀態(tài)下分別將第一類型的電荷和第二類型的電荷路由到積分電容器。
8、在一些實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括提供配置為允許或阻擋pd的照明的光學(xué)快門。在一些實(shí)施例中，光學(xué)快門由控制器控制，在一些實(shí)施例中，光學(xué)快門由控制器控制，并且其中允許或阻擋照明由控制器控制、與第一收集狀態(tài)和第二收集狀態(tài)之間的切換基本上同步進(jìn)行。在一些實(shí)施例中，光學(xué)快門是機(jī)械光學(xué)快門、液晶光學(xué)快門、mems光學(xué)快門或有源光柵諧振耦合器中的一種。
9、在一些實(shí)施例中，方法進(jìn)一步包括提供連接pd和積分電容器的切換系統(tǒng)，其中切換系統(tǒng)配置為在第一收集狀態(tài)和第二收集狀態(tài)之間進(jìn)行切換。在一些實(shí)施例中，切換系統(tǒng)包括第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)，第一開關(guān)在pd和積分電容器之間，第二開關(guān)在pd和第三開關(guān)之間，第三開關(guān)在電源、pd和積分電容器之間。
10、根據(jù)所公開的實(shí)施例，一種系統(tǒng)包括：光電檢測(cè)器(pd)，其中pd生成源自組合的光電流和暗電流的第一類型的電荷和源自暗電流的第二類型的電荷；積分電容器，其連接到pd；切換系統(tǒng)和控制器，該控制器配置為使用切換系統(tǒng)在積分電容器的第一收集狀態(tài)和積分電容器的第二收集狀態(tài)之間進(jìn)行切換，其中，在第一收集狀態(tài)內(nèi)，積分電容器通過第一類型的電荷進(jìn)行充電，并且其中，在第二收集狀態(tài)內(nèi)，積分電容器通過第二類型的電荷進(jìn)行放電，其中，第一類型的電荷由切換系統(tǒng)相對(duì)于第二類型的電荷反轉(zhuǎn)，使得當(dāng)源自暗電流并由積分電容器收集的電荷的凈數(shù)量基本上為零時(shí)，該反轉(zhuǎn)導(dǎo)致基本上抵消或消除源自暗電流的電荷。
1.一種系統(tǒng)，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一收集狀態(tài)與照明到達(dá)所述pd同步，并且其中所述第二收集狀態(tài)與照明沒有到達(dá)所述pd同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述第一收集狀態(tài)與所述第一類型的電荷的生成同步，并且其中所述第二收集狀態(tài)與所述第二類型的電荷的生成同步。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一類型的電荷和所述第二類型的電荷分別為空穴和電子，或所述第一類型的電荷和所述第二類型的電荷分別為電子和空穴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器配置為交替地在所述第一收集狀態(tài)內(nèi)將所述第一類型的電荷路由到所述積分電容器，在所述第二收集狀態(tài)內(nèi)將所述第二類型的電荷路由到所述積分電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括光學(xué)快門，所述光學(xué)快門配置為允許或阻擋照明到達(dá)所述pd。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)快門由所述控制器控制，并且配置為與所述第一收集狀態(tài)和所述第二收集狀態(tài)的切換同步地允許或阻擋照明到達(dá)所述pd。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)快門是機(jī)械光學(xué)快門、液晶光學(xué)快門、mems光學(xué)快門或有源光柵諧振耦合器中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括連接所述pd和所述積分電容器的切換系統(tǒng)，其中所述切換系統(tǒng)配置為在所述第一收集狀態(tài)和所述第二收集狀態(tài)之間進(jìn)行切換。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述切換系統(tǒng)包括第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)，所述第一開關(guān)在所述pd和所述積分電容器之間，所述第二開關(guān)在所述pd和所述第三開關(guān)之間，所述第三開關(guān)在電源、所述pd和所述積分電容器之間。
11.一種方法，包括：
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一收集狀態(tài)與照明到達(dá)所述pd同步，并且其中所述第二收集狀態(tài)與照明沒有到達(dá)所述pd同步。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一收集狀態(tài)與所述第一類型的電荷的生成同步，并且其中所述第二收集狀態(tài)與所述第二類型的電荷的生成同步。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一類型的電荷和所述第二類型的電荷分別為空穴和電子，或所述第一類型的電荷和所述第二類型的電荷分別為電子和空穴。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述控制器配置為在所述第一收集狀態(tài)下和所述第二收集狀態(tài)下，分別地將所述第一類型的電荷所述第二類型的電荷路由到所述積分電容器。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括提供配置為允許或阻擋所述pd的照明的光學(xué)快門。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述光學(xué)快門由所述控制器控制，并且其中允許或阻擋照明由所述控制器與所述第一收集狀態(tài)和所述第二收集狀態(tài)之間的切換基本上同步進(jìn)行。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述光學(xué)快門是機(jī)械光學(xué)快門、液晶光學(xué)快門、mems光學(xué)快門或有源光柵諧振耦合器中的一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括提供連接所述pd和所述積分電容器的切換系統(tǒng)，其中所述切換系統(tǒng)配置為在所述第一收集狀態(tài)和所述第二收集狀態(tài)之間進(jìn)行切換。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述切換系統(tǒng)包括第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)，所述第一開關(guān)在所述pd和所述積分電容器之間，所述第二開關(guān)在所述pd和所述第三開關(guān)之間，所述第三開關(guān)在電源、所述pd和所述積分電容器之間。