CN111033746A - 具有扩展动态范围的数字像素 - Google Patents

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Abstract

公开了像素单元的示例。在一个示例中，像素单元可以包括第一半导体层，该第一半导体层包括光电二极管和被配置成将光电二极管生成的电荷转换成模拟信号的一个或更多个晶体管器件。像素单元还可以包括第二半导体层，该第二半导体层包括被配置成将模拟信号转换成一个或更多个数字信号的一个或更多个晶体管器件。第一半导体层和第二半导体层可以形成堆叠结构。在另一个示例中，像素单元可以包括光电二极管和电容器。像素单元可以在第一测量模式下操作，以在电容器与光电二极管电耦合时测量存储在电容器处的电荷，以及在第二测量模式下操作，以在电容器与光电二极管电隔离时测量存储在电容器处的电荷。

Description

具有扩展动态范围的数字像素
背景
本公开总体上涉及图像传感器，且更具体地涉及包括接口电路的像素单元结构，该接口电路用于确定用于图像生成的光强度。
典型的图像传感器包括光电二极管，用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。图像传感器还包括浮置节点(floating node)，该浮置节点被配置为电容器，以收集曝光周期期间光电二极管生成的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压。电压可以被缓冲并馈送到模数转换器(ADC)，ADC可以将电压转换成表示入射光强度的数字值。传统上，电容器、缓冲器和ADC可以与光电二极管集成在同一半导体衬底上，其中ADC与光电二极管布置在同一侧，以减少布线和相关的寄生电容。
ADC生成的数字值反映了在某个周期内存储在浮置节点处的电荷数量，该数字值可以与入射光的强度相关。然而，相关程度会受到不同因素的影响。首先，光电二极管生成的电荷的速率可以与入射光强度直接相关，直到光电二极管达到饱和极限，超过该极限，生成的电荷的速率可能变得停滞，或者至少不会随光强度线性增加。此外，在浮置节点处收集的电荷也包括与入射光强度无关的噪声电荷。噪声电荷的一个来源可以是暗电流，暗电流可以是由于晶体缺陷在光电二极管的p-n结处和连接到电容器的其他半导体器件的p-n结处生成的漏电流。暗电流可以流入电容器，并增加与入射光强度不相关的电荷。噪声电荷的另一个来源可能是由于与其他电路的电容耦合。噪声电荷可以确定可测量光强度的下限，而饱和极限可以确定图像传感器的可测量光强度的上限。上限和下限之间的比率定义了动态范围，该动态范围可以决定图像传感器的操作光强度的范围。
可以基于由图像传感器阵列提供的强度数据来生成图像，每个图像传感器形成对应于图像像素的像素单元。像素单元阵列可以排列成行和列，每个像素单元生成电压，该电压表示与图像中的特定定位相关联的像素强度。阵列中包括的像素数量可以确定所生成图像的分辨率。电压可以由ADC转换成数字强度数据，并且图像可以基于每个像素的数字强度数据来被重建。
由于ADC的尺寸和有限的可用面积，不可能将专用ADC与像素阵列的每个像素单元放置在同一侧上。结果，一些像素单元可能不得不轮流访问ADC以生成数字强度数据。例如，提供一组ADC来同时处理由一行内每个像素单元生成的电压。但是相邻行的像素单元可能必须轮流访问该组ADC。在一个示例中，为了生成图像，可以以滚动快门(rollingshuttering)方式对像素阵列进行操作，其中每个像素行暴露于入射光以顺序生成强度数据。例如，图像传感器的一个像素行可以在曝光周期中暴露于入射光。行内的每个像素单元可以基于曝光周期期间光电二极管生成的电荷来生成电压，并将该电压转发给ADC。ADC可以生成表示该像素行接收的入射光强度的一组数字数据。在为一个像素行生成该组数字数据之后，下一个像素行可以在随后的曝光周期中暴露于入射光，以生成另一组数字强度数据，直到所有像素行都已经暴露于入射光并具有输出强度数据。在又一个示例中，不同行像素的曝光时间可以有一些重叠，但是每行像素仍然需要轮流将从光电二极管电荷生成的电压转换成数字数据。可以基于每个像素行的数字强度数据来生成图像。
可以在许多不同的应用中发现图像传感器。例如，图像传感器被包括在数字成像设备(例如，数码相机、智能电话等)中，以提供数字成像。作为另一个示例，图像传感器可以被配置为输入设备，以控制或影响设备的操作，例如控制或影响可佩戴虚拟现实(VR)系统和/或增强现实(AR)和/或混合现实(MR)系统中近眼显示器的显示内容。例如，图像传感器可以用于生成用户所处物理环境的物理图像数据。物理图像数据可以被提供给定位跟踪系统，该定位跟踪系统操作同步定位和映射(SLAM)算法来跟踪例如，物理环境中用户的定位、用户的定向(orientation)和/或用户的移动路径。图像传感器也可以用于生成包括用于测量物理环境中用户和对象之间距离的立体深度信息的物理图像数据。图像传感器也可以被配置为近红外(NIR)传感器。照明器可以将NIR光的图案投射到用户的眼球中。眼球的内部结构(例如，瞳孔)可以从NIR光生成反射图案。图像传感器可以捕获反射图案的图像，并将图像提供给系统以跟踪用户眼球的移动，从而确定用户的凝视点(gaze point)。基于这些物理图像数据，VR/AR/MR系统可以生成并更新虚拟图像数据，用于经由近眼显示器向用户显示，以向用户提供交互式体验。例如，VR/AR/MR系统可以基于用户的凝视方向(这可以表示用户对对象的兴趣)、用户的定位等来更新虚拟图像数据。
如上所讨论，传统上，ADC(和其他支持电路)可以与光电二极管布置在同一个半导体衬底上，以减少布线和相关的寄生电容。这种方法可能不太适用于可佩戴VR/AR/MR系统。首先，VR/AR/MR系统的不同位置处可能包括多个图像传感器，以提供物理环境的不同视场，实现更精确的用户定位/运动跟踪。由于可佩戴VR/AR/MR系统的形状因子有限，图像传感器中的每一个可能占据非常小的面积。将ADC与光电二极管放置在同一侧上，光电二极管的可用面积会减小。较小的光电二极管面积降低了图像传感器的总体光灵敏度，而总体光灵敏度对弱光环境应用至关重要。较小的光电二极管也限制了可以在光电二极管中收集的光子数量。结果，在低光强度下，光电二极管中收集的光子会被噪声电荷掩盖，这可能导致可测量光强度的范围减小，以及图像传感器的动态范围减小。此外，由于ADC电路通常占据传感器衬底总面积的大部分，由于形状因子的限制，图像传感器的每一个中可以包括少量像素单元，这降低了可用的分辨率。此外，在多个像素(例如，它们的整列)共享一个ADC的传感器架构中，用于生成图像的处理时间增加了。增加的处理时间也增加了基于图像的定位/眼球跟踪的延迟。
另一方面，可佩戴VR/AR/MR系统可以在光强度范围非常宽的环境中操作。例如，可佩戴VR/AR/MR系统可以在室内环境或室外环境中和/或一天中的不同时间操作，并且可佩戴VR/AR/MR系统的操作环境的光强度可以变化明显。此外，可佩戴VR/AR/MR系统还可以包括前述的NIR眼球跟踪系统，其可能需要将非常低强度的光投射到用户的眼球中，以防止损伤眼球。结果，可佩戴VR/AR/MR系统的图像传感器可能需要具有宽的动态范围，以便能够在与不同操作环境相关联的非常宽的光强度范围上正确操作(例如，生成与入射光强度有关的输出)。可佩戴VR/AR/MR系统的图像传感器也可能需要以足够高的速度生成图像，以允许跟踪用户的定位、定向、凝视点等。具有相对有限动态范围并且以相对低的速度生成图像的图像传感器可能不适合于这种可佩戴VR/AR/MR系统。
此外，通常难以优化用于光感测的半导体器件(例如，光电二极管、提供浮置节点用于电荷存储的晶体管器件等)和用于ADC的半导体器件，如果这些器件共享公共半导体衬底的话。这是因为用于光感测和ADC的半导体器件通常具有非常不同的性能目标，这可能导致公共半导体衬底的配置冲突。例如，希望减少负责光感测的半导体器件中的暗电流。如上所讨论，暗电流作为漏电流在这些半导体器件的p-n结处被生成。减少漏电流的一种方法是改变半导体衬底的掺杂，以减少电荷载流子的迁移。然而，减少电荷载流子的迁移对用于ADC的半导体器件来说可能是不希望的，因为半导体器件的带宽可能会减小，这又会减小ADC的吞吐量。此外，用于光感测的经优化的半导体器件还可能导致ADC操作的更高功耗，而ADC操作的功耗对于可佩戴VR/AR/MR系统来说可能是关键的性能方面。对于最低功率和更快的数字功能操作，将最先进的半导体工艺技术节点用于ADC和其他传感器逻辑功能块是有利的，但是这种工艺技术节点通常没有针对光感测进行优化。因此，如果光感测器件和ADC器件共享同一半导体衬底，如在传统方法中，对两组器件进行优化以组装提供良好光感测能力、高处理速度和低功耗的图像传感器变得非常困难。
因此，需要为光电二极管和ADC提供具有更大可用面积的图像传感器，以提高分辨率、低光灵敏度和处理速度，并且具有扩展的动态范围。此外，还需要独立优化光感测和ADC器件，以提高性能并降低功耗。
概述
本公开涉及图像传感器。更具体且没有限制地，本公开涉及使用堆叠结构来形成像素单元。本公开还涉及操作像素单元的电路以在两种不同的测量模式中测量入射光的强度。
在一个示例中，提供了像素单元。像素单元可以包括第一半导体层和第二半导体层，第一半导体层包括光电二极管和被配置成将光电二极管生成的电荷转换成模拟信号的一个或更多个晶体管器件，光电二极管占据第一半导体层中的第一区域，第二半导体层包括被配置成将模拟信号转换成一个或更多个数字信号的一个或更多个晶体管器件，第二半导体层的一个或更多个晶体管器件占据第二半导体层中的第二区域。第一半导体层可以与第二半导体层沿着轴线形成堆叠结构。第一区域和第二区域沿着轴线至少部分地重叠。
在一些方面，第一半导体层包括第一表面和第二表面。第一半导体层可以包括布置在第二表面上的一个或更多个第一金属互连线(metal interconnects)。第二半导体层可以包括面向第二表面的第三表面。第二半导体层可以包括布置在第三表面上的一个或更多个第二金属互连线。像素单元还可以包括一个或更多个第三金属互连线，以提供一个或更多个第一金属互连线与一个或更多个第二金属互连线之间的电连接。第一表面被配置成接收光子。
在一些方面，第一半导体层包括与第二半导体层不同的掺杂分布。第一半导体层可以包括掺杂梯度，以在第一半导体层的第一表面和第二表面之间引入电场。第一半导体层也可以具有与第二半导体层不同的厚度。第一半导体的厚度可以基于与预定频率相关联的光子的目标量子效率来被配置。
在一些方面，第一半导体层的一个或更多个晶体管器件包括第一晶体管，该第一晶体管具有与光电二极管耦合的源极端子、被配置为电容器的漏极端子以及栅极端子，该栅极端子可操作来控制光电二极管生成的电子流向电容器。第二半导体层的一个或更多个晶体管器件可以包括数模转换器，该数模转换器被配置成基于第一晶体管的漏极端子处的模拟电压生成一个或更多个数字信号。数模转换器可以包括计数器、存储器和电压比较器。存储器被配置成存储由计数器输出的一个或更多个计数值。电压比较器可以被配置成基于第一晶体管的漏极端子处的模拟电压来控制一个或更多个计数值在存储器处的存储，以生成一个或更多个数字信号。栅极端子可以被控制成当存储在光电二极管处的电荷量超过阈值时允许电子从光电二极管流到电容器。第一半导体层的一个或更多个晶体管器件可以包括第二晶体管，该第二晶体管被配置成在复位模式期间移除存储在电容器处的电荷。第一半导体层的一个或更多个晶体管器件可以包括第二晶体管，该第二晶体管被配置成在复位模式期间移除存储在电容器和光电二极管处的电荷。
在另一个示例中，提供了一种像素单元。像素单元可以包括光电二极管、被配置成存储由光电二极管生成的电荷的电容器；以及处理电路，该处理电路被配置成执行第一测量模式和第二测量模式中的至少一种，以生成表示入射到光电二极管上的光强度的数据。在第一测量模式中，处理电路被配置成在电容器与光电二极管电耦合时测量存储在电容器处的电荷量。在第二测量模式中，处理电路被配置成在电容器与光电二极管电隔离时测量存储在电容器处的电荷量。
在一些方面，处理电路可以包括可变阈值生成器、比较器和计数器。在第一测量模式中，可变阈值生成器可以被配置成生成固定阈值电压。比较器可以被配置成将固定阈值电压与表示存储在电容器处的电荷量的电压进行比较，以生成判定输出。计数器可以被配置成基于判定输出生成一组计数值。由计数器生成的对应于判定输出的变化的该组计数值中的一个或更多个计数值可以表示入射到光电二极管上的光强度。当入射到光电二极管上的光强度增加时，该组计数值中的一个或更多个计数值减小。固定阈值电压对应于光电二极管的饱和光强度。
在一些方面，在第二测量模式中，可变阈值生成器可以被配置成基于由计数器生成的一组计数值生成斜坡电压。比较器可以被配置成将斜坡电压与表示存储在电容器处的电荷量的电压进行比较，以生成判定输出。计数器可以被配置成基于判定输出生成该组计数值。由计数器生成的对应于判定输出的变化的该组计数值中的一个或更多个计数值可以表示入射到光电二极管上的光强度。当入射到光电二极管上的光强度增加时，该组计数值中的一个或更多个计数值增加。
在一些方面，处理电路被配置成基于从第一测量模式确定当光电二极管与光电二极管电耦合时存储在电容器处的电荷量超过阈值而跳过第二测量模式。
附图简述
参考以下附图描述说明性实施例。
图1A和图1B是近眼显示器实施例的示意图。
图2是近眼显示器的横截面的实施例。
图3示出了具有单个源组件的波导显示器实施例的等轴视图。
图4示出了波导显示器实施例的横截面。
图5是包括近眼显示器的系统实施例的框图。
图6A、图6B和图6C是像素单元实施例的框图。
图7是示出像素单元内部部件的示例的框图。
图8示出了确定光强度的示例方法。
图9A和图9B示出了用于确定光强度的像素单元的操作示例。
图10示出了用于确定光强度的过程的流程图的实施例。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本公开的原理和所推崇的益处。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用破折号和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各个部件。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
在以下描述中，为了解释的目的阐述了具体细节，以便提供对某些创造性实施例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种实施例。附图和描述并不旨在是限制性的。
本公开总体上涉及图像传感器。更具体地但不限于，本公开涉及具有堆叠结构的像素单元，像素单元的光电二极管堆叠在电路的至少一部分上，用于将光电二极管的输出转换成数字信号。通过提供堆叠结构，可以减少像素单元的覆盖面积(footprint)，这允许图像传感器中包括更多的像素单元，这可以提高图像传感器的分辨率。此外，堆叠结构还允许每个像素单元具有用于数字化光电二极管的输出的专用电路，这可以增加像素单元生成数字输出的速率。所有这些都可以改善依赖于像素单元的数字输出的应用(例如，VR/AR/MR系统)的性能以及用户体验。
本公开还涉及在两种测量模式下操作像素单元来执行光强度测量。像素单元可以包括光电二极管和被配置成存储由光电二极管生成的电荷的电容器。在第一测量模式中，当电容器与光电二极管电耦合时，像素单元可以被操作来基于存储在电容器中的电荷测量光强度。在第二测量模式中，当电容器与光电二极管电隔离时，像素单元可以被操作来测量存储在电容器中的电荷。使用两种不同的测量模式，当入射光的强度超过光电二极管的饱和极限时，像素单元能够生成描绘入射光强度的数字输出。这可以扩展像素单元的动态范围，并且还可以改善依赖于像素单元的数字输出的应用(例如，VR/AR/MR系统)的性能以及用户体验。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，并且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
图1A是近眼显示器100的实施例的示意图。近眼显示器100向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置成作为虚拟现实(VR)显示器进行操作。在一些实施例中，近眼显示器100被修改为作为增强现实(AR)显示器和/或混合现实(MR)显示器来进行操作。
近眼显示器100包括框架105和显示器110。框架105耦合到一个或更多个光学元件。显示器110被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施例中，显示器110包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个图像的光导向用户的眼睛。
近眼显示器100还包括图像传感器120a、120b、120c和120d。图像传感器120a、120b、120c和120d中的每一个可以包括像素阵列，该像素阵列被配置成生成表示沿着不同方向的不同视场的图像数据。例如，传感器120a和120b可以被配置成提供表示沿着Z轴朝向方向A的两个视场的图像数据，而传感器120c可以被配置成提供表示沿着X轴朝向方向B的视场的图像数据，并且传感器120d可以被配置成提供表示沿着X轴朝向方向C的视场的图像数据。
在一些实施例中，传感器120a-120d可以被配置为输入设备，以控制或影响近眼显示器100的显示内容，从而向佩戴近眼显示器100的用户提供交互式VR/AR/MR体验。例如，传感器120a-120d可以生成用户所处物理环境的物理图像数据。物理图像数据可以被提供给定位跟踪系统，以跟踪用户在物理环境中的定位和/或移动路径。然后，系统可以基于例如用户的定位和定向来更新提供给显示器110的图像数据，以提供交互式体验。在一些实施例中，当用户在物理环境内移动时，定位跟踪系统可以运行SLAM算法来跟踪在物理环境中和用户视场内的一组对象。定位跟踪系统可以基于该组对象来构建并更新物理环境的地图(map)，并且跟踪用户在地图内的定位。通过提供对应于多个视场的图像数据，传感器120a-120d可以向定位跟踪系统提供物理环境的更全面的视图，这可以导致更多的对象被包括在地图的构建和更新中。利用这种布置，可以提高在物理环境中跟踪用户定位的精度和鲁棒性。
在一些实施例中，近眼显示器100还可以包括一个或更多个有源照明器130，以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频谱(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，照明器130可以在黑暗环境中(或者在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，以帮助传感器120a-120d捕获黑暗环境内不同对象的图像，从而例如实现对用户进行定位跟踪。照明器130可以将某些标记投射到环境内的对象上，以帮助定位跟踪系统识别对象用于地图构建/更新。
在一些实施例中，照明器130还可以实现立体成像。例如，一个或更多个传感器120a或120b可以包括用于可见光感测的第一像素阵列和用于红外(IR)光感测的第二像素阵列。第一像素阵列可以覆盖有彩色滤光器(filter)(例如，Bayer滤光器)，第一像素阵列的每个像素被配置成测量与特定颜色(例如，红色、绿色或蓝色之一)相关联的光的强度。第二像素阵列(用于IR光感测)也可以覆盖有仅允许IR光通过的滤光器，第二像素阵列的每个像素被配置成测量IR光的强度。像素阵列可以生成对象的RGB图像和IR图像，IR图像的每个像素被映射到RGB图像的每个像素。照明器130可以在对象上投射一组IR标记，该对象的图像可以被IR像素阵列捕获。基于图像中所示对象的IR标记分布，系统可以估计对象的不同部分离IR像素阵列的距离，并基于该距离生成对象的立体图像。基于对象的立体图像，系统可以确定例如，对象相对于用户的相对位置，并且可以基于相对位置信息来更新提供给显示器100的图像数据，以提供交互式体验。
如上所讨论，近眼显示器100可以在与非常宽的光强度范围相关联的环境中操作。例如，近眼显示器100可以在室内环境或室外环境中和/或在一天中的不同时间操作。近眼显示器100也可以在开启或不开启有源照明器130的情况下操作。结果，图像传感器120a-120d可能需要具有宽的动态范围，以便能够在与近眼显示器100的不同操作环境相关联的非常宽的光强度范围上正确操作(例如，生成与入射光强度有关的输出)。
图1B是近眼显示器100的另一个实施例的示意图。图1B示出了近眼显示器100的面向佩戴近眼显示器100的用户的眼球135的一侧。如图1B所示，近眼显示器100还可以包括多个照明器140a、140b、140c、140d、140e和140f。近眼显示器100还包括多个图像传感器150a和150b。照明器140a、140b和140c可以朝向方向D(与图1A的方向A相反)发射某个频率范围(例如，NIR)的光。发射的光可以与某种图案相关联，并且可以被用户的左眼球反射。传感器150a可以包括像素阵列，以接收反射的光并生成反射图案的图像。类似地，照明器140d、140e和140f可以发射携带图案的NIR光。NIR光可以被用户的右眼球反射，并且可以被传感器150b接收。传感器150b也可以包括像素阵列，以生成反射图案的图像。基于来自传感器150a和150b的反射图案的图像，系统可以确定用户的凝视点，并基于所确定的凝视点来更新提供给显示器100的图像数据，以向用户提供交互式体验。
如上所讨论，为了避免损害用户的眼球，照明器140a、140b、140c、140d、140e和140f通常被配置成输出非常低强度的光。在图像传感器150a和150b包括与图1A的图像传感器120a-120d相同的传感器设备的情形中，当入射光的强度非常低时，图像传感器120a-120d可能需要能够生成与入射光的强度有关的输出，这可能进一步增加图像传感器的动态范围要求。
此外，图像传感器120a-120d可能需要能够高速生成输出来跟踪眼球的运动。例如，用户的眼球可以进行非常快速的运动(例如，眼跳运动(saccade movement))，其中可以从一个眼球位置快速跳跃到另一个眼球位置。为了跟踪用户眼球的快速运动，图像传感器120a-120d需要高速生成眼球的图像。例如，图像传感器生成图像帧的速率(帧速率)至少需要匹配眼球的运动速度。高的帧速率要求生成图像帧所涉及的所有像素单元的总曝光时间要短，并且要求将传感器输出转换成用于图像生成的数字值的速度要快。此外，如上所讨论，图像传感器也需要能够在低光强度的环境下操作。
图2是图1所示的近眼显示器100的横截面200的实施例。显示器110包括至少一个波导显示组件210。出射光瞳(exit pupil)230是当用户佩戴近眼显示器100时，用户的单个眼球220在视窗(eyebox)区域中的定位。为了说明的目的，图2示出了与眼球220和单个波导显示组件210相关联的横截面200，但是第二波导显示器用于用户的第二只眼睛。
波导显示组件210被配置成将图像光导向位于出射光瞳230处的视窗，并导向眼球220。波导显示组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成。在一些实施例中，近眼显示器100包括在波导显示组件210和眼球220之间的一个或更多个光学元件。
在一些实施例中，波导显示组件210包括一个或更多个波导显示器的堆叠，该一个或更多个波导显示器包括但不限于堆叠波导显示器(stacked waveguide display)、变焦波导显示器等。堆叠波导显示器是多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)，其通过对各自的单色源是不同颜色的波导显示器进行堆叠而创建。堆叠波导显示器也是可以被投射在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠波导显示器是可以被投射在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代实施例中，波导显示组件210可以包括堆叠波导显示器和变焦波导显示器。
图3示出了波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300是近眼显示器100的部件(例如，波导显示组件210)。在一些实施例中，波导显示器300是将图像光导向特定定位的某个其他近眼显示器或其他系统的一部分。
波导显示器300包括源组件310、输出波导320和控制器330。为了说明的目的，图3示出了与单个眼球220相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分分离的另一个波导显示器向用户的另一只眼睛提供图像光。
源组件310生成图像光355。源组件310生成图像光355并将其输出到位于输出波导320的第一侧面370-1上的耦合元件350。输出波导320是向用户的眼球220输出扩展的图像光340的光波导。输出波导320在位于第一侧面370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收到的输入图像光355引导至导向元件360。在一些实施例中，耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是，例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件(prismatic surfaceelement)、和/或全息反射器阵列。
导向元件360将接收到的输入图像光355重定向到去耦元件(decouplingelement)365，使得接收到的输入图像光355经由去耦元件365从输出波导320去耦出去。导向元件360是输出波导320的第一侧面370-1的一部分或固定到其上。去耦元件365是输出波导320的第二侧面370-2的一部分或固定到其上，使得导向元件360与去耦元件365相反。导向元件360和/或去耦元件365可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件、和/或全息反射器阵列。
第二侧面370-2表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以由有助于图像光355的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导320可以由例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物组成。输出波导320具有相对较小的形状因子。例如，输出波导320可以沿x维度宽约50mm，沿y维度长约30mm，以及沿z维度厚约0.5mm-1mm。
控制器330控制源组件310的扫描操作。控制器330确定源组件310的扫描指令。在一些实施例中，输出波导320将扩展的图像光340输出到具有大视场(FOV)的用户的眼球220。例如，扩展的图像光340以(x和y中的)60度和/或更大和/或150度和/或更小的对角FOV被提供给用户的眼球220。输出波导320被配置成提供视窗，其长度为20mm或更大和/或等于或小于50mm；和/或宽度为10mm或更大和/或等于或小于50mm。
此外，控制器330还基于由图像传感器370提供的图像数据来控制由源组件310生成的图像光355。图像传感器370可以位于第一侧面370-1上，并且可以包括例如，图1A的图像传感器120a-120d，以生成用户前方物理环境的图像数据(例如，用于定位确定)。图像传感器370也可以位于第二侧面370-2上，并且可以包括图1B的图像传感器150a和150b，以生成用户的眼球220的图像数据(例如，用于凝视点确定)。图像传感器370可以与不位于波导显示器300内的远程控制台通过接口连接。图像传感器370可以向远程控制台提供图像数据，远程控制台可以确定例如，用户的定位、用户的凝视点等，并确定要向用户显示的图像内容。远程控制台可以向控制器330传输与所确定的内容相关的指令。基于这些指令，控制器330可以控制源组件310生成并输出图像光355。
图4示出了波导显示器300的横截面400的实施例。横截面400包括源组件310、输出波导320和图像传感器370。在图4的示例中，图像传感器370可以包括位于第一侧面370-1上的一组像素单元402，以生成用户前方物理环境的图像。在一些实施例中，可以在该组像素单元402和物理环境之间插入机械快门404，以控制该组像素单元402的曝光。在一些实施例中，如下面将讨论的，机械快门404可以由电子快门栅极(shutter gate)代替。每个像素单元402可以对应于图像的一个像素。尽管图4中未示出，但应当理解，每个像素单元402也可以覆盖有滤光器，以控制要由像素单元感测的光的频率范围。
在从远程控制台接收到指令之后，机械快门404可以在曝光周期中打开并曝光该组像素单元402。在曝光周期期间，图像传感器370可以获得入射到该组像素单元402上的光样本，并且基于由该组像素单元402检测到的入射光样本的强度分布来生成图像数据。图像传感器370然后可以向远程控制台提供图像数据，该远程控制台确定显示内容，并向控制器330提供显示内容信息。控制器330然后可以基于显示内容信息来确定图像光355。
源组件310根据来自控制器330的指令生成图像光355。源组件310包括源410和光学系统415。源410是生成相干光或部分相干光的光源。源410可以是，例如，激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。
光学系统415包括一个或更多个光学部件，光学部件调节来自源410的光。调节来自源410的光可以包括例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调整定向。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，光学系统415包括具有多个电极的液体透镜，液体透镜允许用阈值的扫描角度来扫描光束，以将光束移到液体透镜外部的区域。从光学系统415(还有源组件310)发射的光被称为图像光355。
输出波导320接收图像光355。耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得全内反射在输出波导320中发生，并且图像光355在输出波导320中朝向去耦元件365进行内部传播(例如，通过全内反射)。
导向元件360将图像光355重定向到去耦元件365，用于从输出波导320去耦。在导向元件360是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得入射图像光355以相对于去耦元件365的表面倾斜的角度离开输出波导320。
在一些实施例中，导向元件360和/或去耦元件365在结构上类似。离开输出波导320的扩展的图像光340沿着一个或更多个维度被扩展(例如，可以沿着x维度被拉长)。在一些实施例中，波导显示器300包括多个源组件310和多个输出波导320。每个源组件310发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的特定波段的单色图像光。每个输出波导320可以以一定的间隔距离堆叠在一起，以输出多色的扩展的图像光340。
图5是包括近眼显示器100的系统500的实施例的框图。系统500包括近眼显示器100、成像设备535、输入/输出接口540以及图像传感器120a-120d和150a-150b，它们各自耦合到控制台510。
近视显示器100是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100和/或控制台510接收音频信息，并基于音频信息来向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100也可以充当AR眼镜。在一些实施例中，近眼显示器100利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。
近眼显示器100包括波导显示组件210、一个或更多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210包括源组件310、输出波导320和控制器330。
IMU 530是一种电子设备，其基于从一个或更多个位置传感器525接收的测量信号生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置。
成像设备535可以生成各种应用的图像数据。例如，成像设备535可以根据从控制台510接收的校准参数来生成图像数据以提供慢速校准数据。成像设备535可以包括例如，图1A的图像传感器120a-120d用于生成用户所处物理环境的图像数据，以执行用户的定位跟踪。成像设备535还可以包括例如，图1B的图像传感器150a-150b，用于生成用于确定用户的凝视点的图像数据，以识别用户感兴趣的对象。
输入/输出接口540是允许用户向控制台510发送动作请求的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。
控制台510根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在图5所示的示例中，控制台510包括应用储存器545、跟踪模块550和引擎555。
应用储存器545存储用于由控制台510执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
跟踪模块550使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。
跟踪模块550使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。
引擎555执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210，该信号确定呈现给用户的内容类型。例如，为了提供交互式体验，引擎555可以基于(例如，由跟踪模块550提供的)用户的定位、(例如，基于由成像设备535提供的图像数据的)用户的凝视点、(例如，基于由成像设备535提供的图像数据的)对象与用户之间的距离来确定要呈现给用户的内容。
图6A-图6C示出了像素单元600的示例。像素单元600可以是像素阵列的一部分，并且可以生成对应于图像像素的数字强度数据。例如，像素单元600可以是图4的像素单元402的一部分。图6A示出了像素单元600的电路示意图表示，而图6B和图6C示出了像素单元600的器件结构。如图6A所示，像素单元600可以包括光电二极管602、第一开关604、第二开关606、第三开关607、电容器608、缓冲器609和像素ADC 610。在一些实施例中，光电二极管602可以包括PN二极管或PIN二极管。第一开关604、第二开关606和第三开关607中的每一个都可以包括晶体管。晶体管可以包括，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)等。电容器608可以是第一开关604的晶体管的浮置端子(floatingterminal)。浮置端子可以是例如漏极端子(用于MOSFET)、集电极端子(用于BJT)等，其中寄生电容能够存储电荷以建立电压。缓冲器609可以被配置成在电容器608和ADC 610之间提供电压缓冲。对于本公开的其余部分，假设第一开关604、第二开关606、第三开关607都是MOSFET晶体管，并且缓冲器609也包括被配置为源极跟随器的MOSFET晶体管。像素ADC 610可以包括提供入射光强度的数字表示的任何电路。下面提供了像素ADC 610的示例。
在一些实施例中，第一开关604可以充当电子快门栅极(代替图4的机械快门404或与机械快门404相结合)以控制像素600的曝光周期。在曝光周期期间，第一开关604可以被曝光使能信号(exposure enable signal)611禁用(关断)，而第二开关606可以被累积使能信号(accumulation enable signal)612启用(导通)。在曝光周期期间，光电二极管602可以通过将光子转换成电荷并生成光电流Iph来感测入射光。如果光电二极管602没有饱和，则光电流Iph的量可以与入射光强度相关。电荷可以流出光电二极管602的阴极，并经由第二开关606流入电容器608，并且可以在电容器608处产生模拟电压。缓冲器609可以感测模拟电压，并在模拟输出节点614处生成模拟电压的副本(但是具有更大的驱动强度)。电容器608处累积的电荷量(或电荷量的变化)与光电流Iph的幅度相关，而模拟输出节点614处产生的模拟电压与光电流Iph的幅度相关。如下面将要讨论的，在曝光周期期间，像素ADC 610可以将模拟输出节点614处的模拟电压转换成一组数字数据(例如，包括逻辑1和0)。数字数据可以由一组像素输出总线616传输到例如，图5的控制台510，用于表示曝光周期期间的光强度。
在曝光周期结束之后，接下来可以是可选的静态测量周期，其中可以控制第一开关604和第二开关606来保持电容器608处累积的电荷，使得电容器608处累积的电荷量(或存储电荷量的变化)与曝光周期期间捕获的光强度相关。例如，第一开关604可以被曝光使能信号611启用(导通)，以引导光电二极管602生成的任何光电流远离电容器608并进入光电二极管电流吸收器617。第二开关606也可以被累积使能信号612禁用(关断)，以防止光电流对电容器608充电/放电。如下面将要讨论的，在静态测量周期期间，模拟输出节点614处的模拟电压(其反映存储在电容器608处的总电荷)也可以被转换成另一组数字数据，以表示曝光周期期间的光强度。
曝光周期(以及可选的静态测量周期)结束之后，像素单元600可以在复位周期中操作，以移除存储在电容器608中的电荷。在复位周期期间，第一开关604可以保持启用，以引导光电流远离电容器608，而第二开关606也可以保持禁用，以防止光电流进入电容器608。此外，第三开关607可以被复位信号618启用，以将电容器608连接到电荷吸收器620，从而移除电容器608处存储的电荷。在光电流包括负电荷的情形中，光电二极管电流吸收器617和电荷吸收器620都可以是具有正电压的电压源，以吸引负电荷。在光电流包括正电荷的情形中，光电二极管电流吸收器617和电荷吸收器620都可以是具有接地或负电压的电压源，以吸引正电荷。复位周期结束后，像素单元600可以再次被曝光，以获得光强度的新样本。
在一些实施例中，在像素单元600的曝光由机械快门(例如，机械快门404)控制的情形中，可以省略第一开关604，而第三开关607(和电荷吸收器620)仍然可以用作复位开关。在这种情形中，在复位周期期间，在机械快门阻挡像素单元600以免受入射光的情况下，当光电二极管602不生成光电流时，可以同时启用第三开关607和第二开关606以移除存储在电容器608处的电荷。在曝光阶段期间，可以禁用第三开关607，并且可以启用第二开关606，以允许光电二极管602生成的光电流流入电容器608。ADC 610可以在曝光阶段期间的任何时间点生成表示存储在电容器608处的电荷的数字信号。此外，在曝光阶段结束时，第二开关606也可以在静态测量阶段被禁用，以允许ADC 610测量曝光阶段期间累积的总电荷。
通过在像素单元600中提供像素ADC 610，像素阵列的每个像素单元600可以暴露于入射光，并且同时生成在像素单元处接收的入射光强度的数字表示，以提供全局快门(global shutter)操作。对于高速运动捕获，全局快门是有利的，因为它避免了与滚动快门操作相关联的运动失真问题，该运动失真由各行像素单元在不同时间捕获移动对象的不同部分的图像引起。此外，与像素单元行轮流被曝光并生成强度数据的传统方法相比，可以减少使用像素单元600生成图像的处理时间。在图像被交互式VR/AR/MR系统用于执行定位/眼球跟踪的情形中，图像生成时间减少可以加速跟踪，这可以导致更好的用户体验。
图6B示出了像素单元600的器件结构的侧视图，而图6C示出了像素单元600的一些部件的三维视图。如图6B所示，像素单元600包括两个半导体层630和645。半导体层630可以包括硅衬底632。硅衬底632可以是包括可以形成光电二极管602的P型层634和N型层636的P型衬底。硅衬底632还包括N型漏极635、N型漏极637、N型漏极638和N型漏极639。硅衬底632还包括在硅衬底632的前表面644上的多晶硅栅极640、多晶硅栅极641和多晶硅栅极642。N型漏极637和多晶硅栅极640可以形成第一开关604的NMOS晶体管的一部分，而N型漏极638和多晶硅栅极641可以形成第二开关606的NMOS晶体管的一部分。N型漏极638可以被配置为电容器608。此外，N型漏极635、N型漏极639和多晶硅栅极642可以形成缓冲器609(例如，源极跟随器)的NMOS晶体管的一部分，以缓冲在N型漏极638处产生的电压，其中N型漏极635连接到电压源(图6B中未示出)，多晶硅栅极642被配置为缓冲器输入端，并且N型漏极639被配置为缓冲器输出端。尽管图6A中未示出，但硅衬底632还可以包括形成第三开关607(用于复位)的器件。
半导体层630还包括一组金属线，包括例如金属650、652和653。金属650可以用于将信号(例如，累积使能信号612)传输到多晶硅栅极641，而金属653可以用于将N型漏极638(电容器608)处的电压传输到多晶硅栅极642，以由缓冲器609进行缓冲。缓冲器609的输出端可以是N型漏极639。金属652可以将缓冲的电压传输到半导体层645，用于模数转换，这将在下面更详细地描述。金属650和652都可以由铜制成。半导体层630还可以包括绝缘体654，绝缘体654在前表面644处与硅衬底632相接，并且覆盖金属650和652、N型漏极637、638和639以及多晶硅栅极640、641和642。绝缘体654可以包括例如，二氧化硅，以便为金属与半导体层630的栅极和漏极/源极端子提供电绝缘。
当光651撞击硅衬底632的后表面646时，光651的光子可以进入P型层634和N型层636之间的p-n结，并产生电子空穴对。基于经由金属650施加在多晶硅栅极641上的电压，可以启用第二开关606，并且可以在位于N型层636和N型漏极638之间的硅衬底632的区域中形成电子沟道。光子在p-n结处产生的电子可以作为光电流Iph从N型层636通过电子沟道流到N型漏极638。然后，电子可以在N型漏极638处累积，并且可以产生模拟电压。可以在N型漏极639(缓冲器609的输出端)处生成模拟电压的缓冲版本。
在一些实施例中，硅衬底632还可以被配置成具有P型层634，P型层634生成作为正电荷的光电流Iph。在这种情形中，硅衬底632可以包括围绕P型漏极(而不是N型漏极)637、638和639的一个或更多个N阱，以形成用于第一开关604、第二开关606、缓冲器609(以及图6B中未示出的第三开关607)的PMOS晶体管。
此外，半导体层645包括硅衬底660。硅衬底660可以包括p型漏极/源极662a、662b、662c和662d、n型漏极/源极664a和664b以及N阱区666等。硅衬底660还可以包括在前表面670上的多晶硅栅极668a、668b和668c等。漏极/源极、N阱区以及多晶硅栅极可以形成像素ADC 610的器件。半导体层645还包括从半导体层630延伸的金属652以及金属672。金属652可以用于传输在p型漏极641处产生的模拟电压，作为像素ADC610的多晶硅栅极668c的输入。金属672可以是像素输出总线616的一部分，用于传输由像素ADC 610生成的模拟电压的数字表示。半导体层645还可以包括绝缘体674，绝缘体674在前表面670处与硅衬底660相接，并覆盖金属652和672，以及硅衬底660的漏极/源极端子和多晶硅栅极，以提供电绝缘。
在一些实施例中，如图6B和图6C所示，半导体层630和645可以沿着z轴堆叠以形成堆叠结构，光电二极管602(包括P型层634和N型层636)至少部分地与像素ADC 610的器件重叠。利用这种堆叠结构，像素ADC 610不需要与光电二极管602定位在同一侧上。这种布置可以增加每个光电二极管的可用面积。如上所讨论，可佩戴VR/AR/MR系统可以包括多个图像传感器以生成多个视场，但是可佩戴系统只能提供非常有限的面积用于安装图像传感器。利用堆叠结构，可以在这些图像传感器的像素阵列中包括更多的像素(以及相关联的光电二极管)，这可以导致这些图像传感器的分辨率的显著提高。此外，堆叠结构还允许每个像素单元包括堆叠在光电二极管下方的专用ADC(例如，像素ADC 610)，而不占用额外的面积。如上所讨论，这允许像素阵列的每个像素单元暴露于入射光，并同时生成入射光强度的数字表示，这减少了图像生成的处理时间。
除了增加光电二极管的可用面积，堆叠结构还能够最小化N型漏极639(缓冲器609的输出端)和像素ADC 610之间的布线(routing)。最小化布线可以降低电容耦合和噪声电荷。例如，如图6B和图6C所示，半导体层630和645可以被定向成使得硅衬底632的前表面644面向硅衬底660的前表面670。利用这种布置，可以减小N型漏极639(被配置为电容器)和多晶硅栅极668c(被配置为像素ADC 610的输入端)之间的布线距离。在图6B和图6C的示例中，N型漏极639和多晶硅栅极668c可以通过直金属652进行连接。通过减少布线，可以减少噪声电荷，这可以减小像素单元600的最小可测量光强度。结果，像素单元600的动态范围可以被扩展。布线距离及其相关寄生电容的减小也显著降低了功耗，至少因为缓冲器609的驱动强度可以由于布线距离的减小而降低。
堆叠结构还使得硅衬底632和硅衬底660之间能够去耦，这允许光感测器件(例如，光电二极管602、第一开关604)独立于像素ADC 610的器件被优化。作为示例，硅衬底632的(例如，在前表面644和后表面646之间测量的)厚度可以被设置成提高光电二极管602在感测与特定频率范围相关联的光子时的量子效率。另一方面，基于目标量子效率，硅衬底660的厚度不受影响。作为说明性示例，硅衬底632的厚度可以被设置为大约4微米。P型层634可以具有大约3微米的厚度，而N型层636可以具有大约1微米的厚度，以提高光电二极管602在感测红外光时的量子效率。另一方面，硅衬底660的厚度通常在300微米的范围内。
除了不同的厚度，堆叠结构还能够在硅衬底632和硅衬底660中引入不同的掺杂分布，以优化光感测器件和像素ADC 610的器件。例如，在硅衬底632中，可以在P型层634中引入掺杂梯度，以产生静电场来促进(由光子产生的)电荷移动到光电二极管602中。利用这种布置，更多的光电子将被N型漏极638收集，这可以提供光651的强度的更精确的表示。此外，硅衬底632的掺杂分布也可以被调整以减小暗电流(例如，通过减少衬底中载流子的迁移以减小漏电流)。另一方面，硅衬底660的掺杂分布可以被调整成例如，增加载流子的迁移，以便例如改进器件的带宽、降低像素ADC 610的功耗等。
堆叠结构还提高了传感器快门效率，该效率是由于快门关闭周期期间的光泄漏而收集的光子电荷的测量值(理想情况下应当为零)。在堆叠传感器实施例中，就在快门关断之后，所有像素的缓冲器输出节点614处的模拟电压由像素ADC同时量化，因此由于光泄漏而累积的附加光子电荷非常小。相比之下，如果ADC由一列像素共享，那么一些像素在快门关断之后必须等待很长时间才能被量化。这种类型的传感器结构要求像素内部的电荷存储二极管保持信号电荷，并且这种类型的传感器由于长时间段累积泄漏光而趋向于具有较低的快门效率。
图7示出了像素ADC 610的内部部件的示例。如图7所示，像素ADC610包括阈值生成器702、比较器704和数字输出生成器706。数字输出生成器706还可以包括计数器708和存储器设备710。计数器708可以基于自由运行时钟信号712生成一组计数值，而存储器710可以存储由计数器708生成的至少一些计数值(例如，最新计数值)。在一些实施例中，存储器710可以是计数器708的一部分。存储器710可以是例如，如下所述，基于局部像素值存储计数器值的锁存电路。阈值生成器702包括数模转换器(DAC)713，DAC 713可以接受一组数字值并输出表示该组数字值的模拟电压。如下文更详细讨论的，阈值生成器702可以接受静态数字值以生成固定阈值，或者接受计数器708的输出714以生成斜坡阈值。
尽管图7示出了DAC 713(以及阈值生成器702)是像素ADC 610的一部分，但应当理解，DAC 713(以及阈值生成器702)可以与来自不同像素单元的多个数字输出生成器706耦合。此外，也可以在多个像素单元中共享数字输出生成器706，以生成数字值。
比较器704可以将模拟输出节点614处产生的模拟电压与阈值生成器702提供的阈值进行比较，并基于比较结果生成判定(decision)716。例如，如果模拟输出节点614处的模拟电压等于或超过阈值生成器702生成的阈值，则比较器704可以针对判定716生成逻辑1。如果模拟电压下降到低于阈值，则比较器704还可以针对判定716生成逻辑0。判定716可以控制计数器708的计数操作和/或存储在存储器710中的计数值，以测量模拟输出节点614处的模拟电压的特性。该特性可以表示入射到像素单元600上的光的强度。存储器710中存储的计数值可以作为像素单元600输出的数字强度值由像素输出总线616进行传输。
像素ADC 610可以测量的模拟电压特性是模拟电压的斜升率(ramping rate)。模拟电压的斜升率可以反映入射光的强度。如上所讨论，当入射光强度增加时，更多光子将在一段时间内进入像素单元600。由于光子数量的增加，光电二极管602也可以在该时间段期间生成更多的电荷。假设第一开关604被启用，在该时间段内更多的电荷将被沉积在电容器608中。随着更多电荷沉积在电容器608中，模拟输出节点614处的模拟电压也将上升得更快。
图8示出了对于不同的入射光强度，模拟输出节点614处(初始复位电压电平和某个时间处的瞬时电压电平之间)的模拟电压变化的示例。在图8中，垂直轴表示电压，而水平轴表示时间。曲线802表示当光电二极管602暴露于具有第一强度水平的入射光时，模拟输出节点614处的模拟电压关于时间的变化。曲线804表示当光电二极管602暴露于具有第二强度水平的入射光时，模拟输出节点614处的模拟电压关于时间的变化。此外，曲线806表示当光电二极管602暴露于具有第三强度水平的入射光时，模拟输出节点614处的模拟电压关于时间的变化。在图8的示例中，第一强度水平高于第二强度水平，而第二强度水平高于第三强度水平。
强度水平的差异也被反映在模拟电压的不同变化率以及斜坡模拟电压达到特定阈值的持续时间方面。例如，曲线802表示的模拟电压达到阈值808需要T1的持续时间，曲线804表示的模拟电压达到同一阈值808需要T2的持续时间，并且曲线806表示的模拟电压达到阈值808需要T3的持续时间。持续时间T1、T2和T3可以用于分别表示(或估计)入射光的第一强度水平、第二强度水平和第三强度水平，持续时间的长度与强度水平成反比。持续时间可以使用计数器(例如图7的计数器708)来被测量。
当光强度超过光电二极管的饱和极限时，持续时间测量可以是估计入射光强度的有用方法。如上所讨论，由光电二极管生成的电荷的速率(例如，光电流)可以与入射光的强度直接相关，直到光电二极管达到饱和极限，超过该极限光电流可能变得停滞，并且不再随入射光强度线性增加。因此，对光电二极管在固定持续时间内(例如，在曝光周期内)沉积的总电荷的测量可能无法提供超过饱和极限的入射光强度的精确表示。另一方面，由光电二极管生成的电荷的速率的直接测量(如斜坡模拟电压达到阈值的持续时间所反映的)可以提供超过饱和极限的入射光强度的更精确表示。
返回参考图8，阈值808可以是用于测量超过饱和极限的入射光强度的饱和阈值电压。例如，(曲线804对应的)第二强度水平可以是光电二极管602保持不饱和的最大入射光强度水平，其中光电二极管602的光电流保持与入射光强度水平线性相关。阈值808可以被选择为曝光周期结束时(由时间T2标记)模拟输出节点614处的最大模拟电压变化。
在一些实施例中，像素ADC 610可以使用阈值808来确定入射光强度是否超过饱和极限，并且基于是否已经达到饱和极限来确定数字地表示入射光强度的方式。例如，返回参考图8，由曲线802表示的模拟电压在时间T1达到阈值808，这是在曝光周期结束(T2)之前，因为入射光的第一强度水平(其导致由曲线802表示的模拟电压的变化)超过了入射光的第二强度水平(其导致由曲线804表示的模拟电压的变化)。另一方面，由曲线806表示的模拟电压在时间T3达到阈值808，这是在曝光周期结束(T2)之后，因为入射光的第三强度水平(其导致由曲线806表示的模拟电压的变化)低于入射光的第二强度水平(其导致由曲线804表示的模拟电压的变化)。
因此，像素ADC 610可以基于模拟输出节点614处的斜坡模拟电压在曝光周期结束之前是否达到阈值808来确定入射光强度是否超过饱和极限。如果模拟电压在曝光期间达到阈值808(例如，类似于曲线802)，则像素ADC 610可以确定入射光强度超过饱和极限。像素ADC 610可以使用计数器708来测量模拟电压达到阈值808的持续时间，以执行饱和时间测量。表示饱和时间测量值的计数值可以用于估计入射光强度。另一方面，如果模拟电压在曝光周期期间没有达到阈值808(例如，类似于曲线806)，则像素ADC 610可以确定入射光强度没有超过饱和极限。在这种情形中，像素ADC 610还可以在曝光周期结束时测量模拟电压的水平，该水平表示光电二极管602在曝光周期期间生成的总电荷，以估计入射光强度。
利用这种布置，像素单元600的最大可测量光强度可以增加到超过光电二极管602饱和极限，这可以进一步增加像素单元600的动态范围。随着动态范围的增加，像素单元600可以在光强度范围非常宽的环境中提供高质量的图像数据。
现在参考图9A，图9A示出了曝光周期期间像素ADC 610的操作。曲线902表示模拟输出节点614处的模拟电压关于时间的变化，而曲线903表示阈值生成器702输出的阈值。阈值输出可以由阈值生成器702的DAC 713生成，该阈值生成器702被编程为输出表示饱和阈值电压的固定阈值(例如，图8的阈值808)。曲线904表示比较器704输出的判定716关于时间的变化。曲线906表示存储在存储器710中的计数值关于时间的变化。
在曝光周期开始时(时间T0)，像素单元600的第三开关607将被启用，以将电容器608复位到已知电压，或者以其他方式清除存储在电容器608中的电荷。为了说明的目的，在该示例中，假设光电二极管602提供的光电流增加了存储在电容器608中的电荷(并且增加了模拟输出节点614处的模拟电压)，但应当理解光电流也可以减少存储在电容器608中的电荷(并且减小了模拟输出节点614处的模拟电压)。如曲线902所示，模拟输出节点614处的模拟电压持续上升，并在时间T1达到阈值(由阈值生成器702输出)。在时间T1，当模拟电压超过饱和阈值时，比较器704的判定716也翻转(例如，从逻辑1变为逻辑0)。基于此，判定716的翻转发生在饱和周期期间，像素ADC 610可以确定入射光强度超过饱和极限，并决定获得饱和时间测量值来表示入射光强度。基于该确定，像素ADC 610可以在时间T1从存储器710获得计数器708的最新计数值，并且停止计数器708的计数(和/或冻结存储在存储器710中的计数值)。像素ADC 610然后可以提供存储在存储器710中的计数值来表示入射光强度。像素ADC 610还可以包括信号(例如，标志指示器)，以指示计数值是作为饱和时间测量值而被获得的，并且与入射光强度成反比。
另一方面，如果判定716在曝光周期期间没有翻转，这表明入射光强度没有超过饱和极限，像素ADC 610可以决定在曝光周期结束时测量模拟电压，该模拟电压表示光电二极管602在曝光周期期间生成的总电荷，以估计入射光强度。
现在参考图9B，图9B示出了曝光周期结束之后像素ADC 610的操作。曲线912表示模拟输出节点614处的模拟电压。曲线913表示阈值生成器702输出的阈值。曝光周期结束之后，阈值生成器702可以由计数器输出714进行编程以生成电压斜坡。曲线914表示比较器704输出的判定716关于时间的变化。曲线916表示存储在存储器710中的计数值关于时间的变化。
在曝光周期结束时(时间T2)，像素单元600的第一开关604将被禁用，以将光电二极管602与电容器608隔离。如曲线912所示，模拟电压保持静态。在时间T2，计数器708也能够基于时钟信号712生成一组计数值。计数值被输出到阈值生成器702的编程DAC 713，以生成如曲线913所表示的斜坡阈值。在斜坡阈值达到模拟电压之前，比较器704输出逻辑1用于判定716，如曲线914所表示的。存储器710还存储计数器708生成的最新计数值。在时间T3，斜坡阈值达到(或超过)模拟电压。在该时间点，判定716翻转，并且像素ADC 610可以停止计数器708更新和/或冻结存储在存储器710中的计数值。像素ADC 610然后可以提供存储在存储器710中的计数值来表示入射光强度。像素ADC 610还可以包括信号(例如，标志指示器)，以指示计数值是作为光电二极管602在曝光周期期间生成的总电荷的测量值而被获得的，并且与入射光强度直接相关。
在一些实施例中，像素ADC 610还可以在光电二极管602处执行饱和时间测量，这可以由于光电二极管602处较低的暗电流而提高强度测量值的精度。在曝光周期期间，第一开关604可以被配置为屏障(barrier)，以阻挡由光电二极管602生成的光电流，直到光电二极管602处(通过电荷累积)产生的电压超过对应于饱和极限的电压阈值。一旦电压超过阈值，光电流就开始流向电容器608，这导致模拟输出节点614处的模拟电压跳跃。像素ADC610可以通过(例如，使用计数器708)测量曝光周期开始和跳跃发生之间经过的时间来执行光电二极管602处的饱和时间。
图10示出了用于确定像素单元(例如，像素单元600)处入射光强度的过程1000的流程图的实施例。过程1000可以由控制器连同像素单元600的各种部件一起执行。过程1000开始于步骤1002，其中像素单元600在复位周期中被操作。参考图6A的示例，在步骤1002的复位周期期间，控制器可以例如，启用第一开关604和第三开关607，并且禁用第二开关606，以复位电容器608处的电压，并且阻止光电二极管602生成的光电流到达电容器608。
在步骤1004，像素单元600可以被操作以退出复位周期并进入曝光周期。在曝光周期期间，控制器可以禁用第一开关604、启用第二开关606并禁用第三开关607，以允许光电二极管602生成的光电流到达电容器608，从而改变存储在电容器中的电荷量。
在步骤1006，像素单元600可以被操作来确定在曝光周期期间入射光的强度是否达到(或超过)饱和极限。该确定可以基于例如模拟输出节点614处产生的模拟电压(由于来自光电流的附加电荷在电容器608处的累积)在曝光周期期间是否达到饱和阈值。如果达到饱和极限，在步骤1008，像素单元600可以被操作来执行用于光强度确定的饱和时间测量。
另一方面，如果没有达到饱和极限，在步骤1010，像素单元600可以被操作以确定在曝光周期结束时电容器608处累积的总电荷。在步骤1010，控制器可以进入静态测量周期，在该周期中，第一开关604被启用，而第二开关606和第三开关607被禁用，以保留存储在电容器608处的电荷用于测量。
本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件和/或硬件中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现所描述的步骤、操作或过程。在一些实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。
本公开的实施例也可以涉及用于执行所描述操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质、或者适于存储电子指令的任何类型的介质中，这些介质可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计以提高计算能力的体系结构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (20)

1.一种像素单元，包括：
第一半导体层，其包括光电二极管和一个或更多个晶体管器件，所述一个或更多个晶体管器件被配置成将所述光电二极管生成的电荷转换成模拟信号，所述光电二极管占据所述第一半导体层中的第一区域；以及
第二半导体层，其包括被配置成将所述模拟信号转换成一个或更多个数字信号的一个或更多个晶体管器件，所述第二半导体层的所述一个或更多个晶体管器件占据所述第二半导体层中的第二区域；
其中，所述第一半导体层和所述第二半导体层沿着轴线形成堆叠结构；并且
其中，所述第一区域和所述第二区域沿着所述轴线至少部分地重叠。
2.根据权利要求1所述的像素单元，
其中，所述第一半导体层包括第一表面和第二表面；
其中，所述第一半导体层包括布置在所述第二表面上的一个或更多个第一金属互连线；
其中，所述第二半导体层包括面向所述第二表面的第三表面；
其中，所述第二半导体层包括布置在所述第三表面上的一个或更多个第二金属互连线；并且
其中，所述像素单元还包括一个或更多个第三金属互连线，以提供所述一个或更多个第一金属互连线与所述一个或更多个第二金属互连线之间的电连接。
3.根据权利要求2所述的像素单元，其中，所述第一表面被配置成接收光子。
4.根据权利要求1所述的像素单元，其中，所述第一半导体层包括与所述第二半导体层不同的掺杂分布。
5.根据权利要求4所述的像素单元，其中，所述第一半导体层包括掺杂梯度，以在所述第一半导体层的第一表面和第二表面之间引入电场。
6.根据权利要求1所述的像素单元，其中，所述第一半导体层具有与所述第二半导体层不同的厚度。
7.根据权利要求6所述的像素单元，其中，所述第一半导体的厚度基于与预定频率相关联的光子的目标量子效率来被配置。
8.根据权利要求1所述的像素单元，
其中，所述第一半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括第一晶体管，所述第一晶体管具有与所述光电二极管耦合的源极端子、被配置为电容器的漏极端子、以及栅极端子，所述栅极端子可操作来控制所述光电二极管生成的电子流向所述电容器；
其中，所述第二半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括数模转换器，所述数模转换器被配置成基于所述第一晶体管的漏极端子处的模拟电压生成所述一个或更多个数字信号。
9.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述数模转换器包括计数器、存储器和电压比较器；
其中，所述存储器被配置成存储由所述计数器输出的一个或更多个计数值；并且
其中，所述电压比较器被配置成基于所述第一晶体管的漏极端子处的模拟电压来控制所述一个或更多个计数值在所述存储器处的存储，以生成所述一个或更多个数字信号。
10.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述栅极端子被控制成当存储在所述光电二极管处的电荷量超过阈值时允许电子从所述光电二极管流到所述电容器。
11.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述第一半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括第二晶体管，所述第二晶体管被配置成在复位模式期间移除存储在所述电容器处的电荷。
12.根据权利要求8所述的像素单元，其中，所述第一半导体层的所述一个或更多个晶体管器件包括第二晶体管，所述第二晶体管被配置成在复位模式期间移除存储在所述电容器和所述光电二极管处的电荷。
13.一种像素单元，包括：
光电二极管；
电容器，其被配置成存储由所述光电二极管生成的电荷；以及
处理电路，其被配置成执行第一测量模式和第二测量模式中的至少一种，以生成表示入射到所述光电二极管上的光强度的数据；
其中，在所述第一测量模式中，所述处理电路被配置成在所述电容器与所述光电二极管电耦合时测量存储在所述电容器处的电荷量；并且
其中，在所述第二测量模式中，所述处理电路被配置成在所述电容器与所述光电二极管电隔离时测量存储在所述电容器处的电荷量。
14.根据权利要求13所述的像素单元，其中，所述处理电路包括可变阈值生成器、比较器和计数器。
15.根据权利要求14所述的像素单元，其中，在所述第一测量模式中：
所述可变阈值生成器被配置成生成固定阈值电压；
所述比较器被配置成将所述固定阈值电压与表示存储在所述电容器处的电荷量的电压进行比较，以生成判定输出；
所述计数器被配置成基于所述判定输出生成一组计数值；以及
由所述计数器生成的对应于所述判定输出的变化的该组计数值中的一个或更多个计数值表示入射到所述光电二极管上的光强度。
16.根据权利要求15所述的像素单元，其中，当入射到所述光电二极管上的光强度增加时，该组计数值中的一个或更多个计数值减小。
17.根据权利要求15所述的像素单元，其中，所述固定阈值电压对应于所述光电二极管的饱和光强度。
18.根据权利要求14所述的像素单元，其中，在所述第二测量模式中：
所述可变阈值生成器被配置成基于由所述计数器生成的一组计数值生成斜坡电压；
所述比较器被配置成将所述斜坡电压与表示存储在所述电容器处的电荷量的电压进行比较，以生成判定输出；
所述计数器被配置成基于所述判定输出生成该组计数值；以及
由所述计数器生成的对应于所述判定输出的变化的该组计数值中的一个或更多个计数值表示入射到所述光电二极管上的光强度。
19.根据权利要求18所述的像素单元，其中，当入射到所述光电二极管上的光强度增加时，该组计数值中的一个或更多个计数值增加。
20.根据权利要求13所述的像素单元，其中，所述处理电路被配置成基于从所述第一测量模式确定当所述光电二极管与所述光电二极管电耦合时存储在所述电容器处的电荷量超过阈值而跳过所述第二测量模式。
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