CN114300492A - 采集场景的深度图像的设备 - Google Patents

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Abstract

本描述涉及一种采集场景的深度图像的设备，其通过检测所反射的光信号。该设备包括第一传感器(W1)和第二传感器(W2)的堆叠。第一传感器包括第一深度感光点(P1)，该第一深度感光点被配置为采集在第一时间段期间光生的电荷的至少一个第一样本。第二传感器包括被布置为与第一感光点相对的第二深度感光点(P2)，第二感光点被配置为采集在相对于第一时间段偏移第一恒定相移的第二时间段期间光生的电荷的至少一个第二样本。第一传感器(W1)或第二传感器(W2)还包括第三感光点(P1)，该第三感光点被配置为在相对于第一时间段偏移第二恒定相移的第三时间段期间采集至少一个第三样本。

Description

采集场景的深度图像的设备
技术领域
本申请涉及采集场景的深度图像的设备的领域。
背景技术
已经提供了能够采集深度信息的图像采集设备。例如，间接飞行时间(indirecttime-of-flight，iToF)检测器用于朝向场景发射光信号，并且然后检测场景的物体反射的返回光信号。通过估计所发射的光信号和所反射的信号之间的相移，可以估计到采集场景的图像的设备的距离。
期望的是具有小尺寸的并且具有高图像速率的高分辨率图像采集设备。
发明内容
实施例提供了一种通过检测对应于近红外中的周期性调幅入射光信号在场景上的反射的所反射的光信号来采集场景的深度图像的设备，该设备包括第一传感器和第二传感器的堆叠，第一传感器包括第一深度感光点，该第一深度感光点被配置为采集通过检测在第一时间段期间反射的光信号而光生的电荷的至少一个第一样本，该第二传感器包括被布置为与第一深度感光点相对的第二深度感光点，第二深度感光点被配置为采集通过检测在相对于第一时间段偏移第一恒定相移的第二时间段期间反射的光信号而光生的电荷的至少一个第二样本，第一传感器或第二传感器还包括第三深度感光点，该第三深度感光点被配置为通过检测在相对于第一时间段偏移了不同于第一相移的第二恒定相移的第三时间段期间反射的光信号来采集至少一个第三样本。
根据实施例，该设备还包括用于补偿第一和第二传感器之间的所接收的光子量的差异的装置。
根据实施例，第一传感器形成在第一半导体衬底的内部和顶部上，并且第二传感器形成在第二半导体衬底的内部和顶部上。
根据实施例，第一和第二半导体衬底由不同的材料制成。
根据实施例，第一和第二半导体衬底的厚度不同。
根据实施例，第一深度感光点的侧向尺寸不同于第二深度感光点的侧向尺寸。
根据实施例，第一和第三深度感光点是混杂的。
根据实施例，第一和第三深度感光点是不同的。
根据实施例，第一传感器或第二传感器包括第四深度感光点，该第四深度感光点被配置为通过检测在相对于第一时间段偏移了不同于第一和第二相移的第三恒定相移的第四时间段期间反射的光信号来采集至少一个第四样本。
根据实施例，第二和第四深度感光点是混杂的。
根据实施例，第二和第四深度感光点是不同的。
根据实施例，第二时间段比第一时间段更长。
根据实施例，每个第一和第二深度感光点包括光电二极管和连接到该光电二极管的至少一个晶体管。
根据实施例，第一传感器还包括多个2D图像像素，第二传感器不包括2D图像像素。
实施例还提供了一种采集深度图像的系统，该系统包括：诸如先前限定的采集设备；光源，该光源被配置为发射近红外中的周期性调幅入射光信号；以及处理器，该处理器被配置为根据第一、第二和第三样本确定入射光信号和所反射的光信号之间的相移。
根据实施例，处理器被配置成根据第一、第二、第三和第四样本确定入射光信号和所反射的光信号之间的相移。
根据实施例，该系统还包括用于补偿第一和第二传感器之间的所接收的光子量的差异的装置。
根据实施例，处理器被配置为通过数字处理来补偿第一和第二传感器之间的所接收的光子量的差异。
根据实施例，该系统包括由第一深度感光点以第一放大增益递送的模拟信号的第一放大器和由第二深度感光点以不同于第一放大增益的第二放大增益递送的模拟信号的第二放大器。
附图说明
前述特征和优点以及其他特征和优点将在以下通过说明而非限制的方式给出的具体实施例的描述中参照附图进行详细描述，在附图中：
图1示意性示出了深度图像形成系统的实施例；
图2是示出根据实施例的所发射和反射的光信号的光强度的示例的曲线图；
图3是示出深度图像采集设备的实施例的局部简化截面图；
图4示意性地示出了能够检测深度信息的感光点的电路的实施例；
图5示意性地示出了能够检测深度信息的感光点的电路的另一实施例；
图6示意性地示出了能够检测深度信息的感光点的电路的另一实施例；
图7示意性地示出了能够检测深度信息的感光点的电路的另一实施例；
图8示意性地示出了深度图像采集设备的感光点的布置的实施例；
图9示意性地示出了深度图像采集设备的感光点的布置的另一实施例；
图10示意性地示出了深度图像采集设备的感光点的布置的另一实施例；
图11是示出2D图像和深度图像采集设备的实施例的局部简化截面图；
图12示意性地示出了2D图像和深度图像采集设备的感光点的布置的实施例；
图13示意性地示出了2D图像和深度图像采集设备的感光点的布置的另一实施例；以及
图14示意性地示出了2D图像和深度图像采集设备的感光点的布置的另一实施例。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。特别地，各种实施例之间共有的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记，并且可以设置相同的结构、尺寸和材料特性。
为了清楚起见，仅详细示出和描述了对理解本文描述的实施例有用的步骤和元件。特别地，没有详细描述2D图像像素和深度像素的光电二极管的形成，基于本说明书的指示，这种像素的形成在本领域技术人员的能力范围内。除非另有说明，当对连接在一起的两个元件进行引用时，这表示除了导体之外没有任何中间元件的直接连接，而当对耦接在一起的两个元件进行引用时，这表示这两个元件可以连接或者它们可以经由一个或多个其他元件耦接。
在以下描述中，当引用限定绝对位置(诸如术语“前部”、“后部”、“顶部”、“底部”、“左部”、“右部”等)或相对位置(诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)的术语、或者限定方向(诸如术语“水平”、“竖直”等)的术语时，它指的是附图的取向或者指的是正常使用位置的深度图像采集设备。除非另有说明，否则表述“大约”、“近似”、“基本上”和“在……的量级”表示在10％以内，优选地在5％以内。
图1示意性地示出了用于形成深度图像的、包括深度图像采集设备12的系统10的实施例。系统10例如包括对光源16(例如发光二极管(LED))进行驱动的光信号发射电路14。发光二极管16例如发射在近红外光谱(例如在700nm至1100nm的范围内)中的波长下的光信号。由发光二极管16生成的光信号例如经由一个或多个透镜(图1中未示出)朝向图像场景发射。从图像场景反射的光信号的光被图像采集设备12捕获，例如，经由图像形成透镜17和微透镜阵列18(其将光聚焦在图像采集设备12的各个像素上)。
图像采集设备12例如包括能够接收由图像场景反射的光信号并且能够检测所接收的信号的相位以形成深度图像的多个像素。这些像素在下文中被称为深度像素。
图像形成系统10的处理器20例如耦合到图像采集设备12和耦合到光信号发射电路14，并且基于由图像采集设备12的深度像素捕获的信号，确定图像场景中的物体的相对应的距离。由处理器20生成的深度图像例如存储在图像形成系统10的存储器22中。
图2是通过曲线30示出由发光二极管16朝向图像场景发射的光信号的光强度的时间变化的示例的曲线图，并且通过曲线32示出由图像采集设备12的深度像素中的一个接收的光信号的光强度的时间变化的示例的曲线图。尽管为了简化比较，这些信号在图2中被示出为具有相同的强度，但实际上由每个深度像素接收的光信号可能明显不如所发射的信号强。在图2的示例中，光信号具有正弦波的形状。然而，在替代性实施例中，它可以具有不同的周期性形状，例如由正弦波的总和形成的、三角形形状的或方形形状的。
本描述的深度像素基于用于检测所接收的光信号的相位的光电探测器。在所发射的光信号和所接收的光信号之间存在相移
Figure BDA0003292539360000051
其代表源自发光二极管16的光信号经由反射光信号的图像场景的物体到达图像采集设备12的飞行时间(time of flight，ToF)。因此，到图像场景中的物体的距离d的估计可以通过使用以下等式来计算:
[数学式1]
Figure BDA0003292539360000052
其中c表示光速，以及f表示光信号的频率。
相移
Figure BDA0003292539360000053
例如是基于在光信号的每个时段期间，在至少三个不同的采样窗口期间，优选地在四个不同的采样窗口期间，由深度像素捕获的信号的采样来估计的。基于每时段检测四个样本的技术在R.Lange和P.Seitz的题为“Solid-state TOF range camera(固态TOF距离相机)”,IEE J.on Quantum Electronics,vol.37,No.3,March 2001的出版物中更详细地描述，该出版物通过法律授权通过引用并入本文。本实施例例如基于每时段检测四个样本。
每个采样窗口的样本例如在大量时段上被积分，例如在100000个时段上，或者更一般地在10000到1亿个时段之间。例如，每个采样窗口具有范围高达光信号的时段的四分之一的持续时间。这些采样窗口在图2中被称为C0、C1、C2和C3，并且在图2的示例中，每个采样窗口具有相同的持续时间，并且四个采样窗口具有等于光信号的时段的总周期时间。更一般地，可能存在或者不存在将采样窗口与下一采样窗口分离的时间间隔，并且在某些情况下，采样窗口之间可能存在重叠。例如，在每时段捕获四个样本的像素的情况下，每个采样窗口具有在光信号的时段的15％到35％的范围内的持续时间。
采样窗口C0到C3的定时被控制为与所发射的光信号的定时同步。例如，光信号发射电路14基于时钟信号CLK(图1)生成光信号，并且图像采集设备12接收相同的时钟信号CLK，以通过例如使用延迟元件引入适当的相移来控制每个采样窗口的结束时间。
基于光信号的积分样本，并且对于纯正弦光波，光信号的相移
Figure BDA0003292539360000062
可以通过使用以下等式来确定：
[数学式2]
Figure BDA0003292539360000061
在某些实施例中，光信号的频率f是25MHz，或者更一般地在20MHz到200MHz的范围内。
在下面的描述中，称“感光点”为单个光电探测器和使得能够采集由通过这个光电探测器吸收由其深度图像是期望的场景反射的光信号生成的电荷的至少一个样本的所有部件，并且称“像素”为使得能够采集允许确定深度值所必需的所有样本的所有部件。特别地，像素可以包括多个感光点。
为了确定所发射的光信号和由深度像素接收的光信号之间的相移
Figure BDA0003292539360000063
，通过以规则的间隔连续地传输在第一采样窗口C0期间在感光点的光敏元件中光生的电荷、在第二采样窗口C1期间在相同感光点或另一感光点的光敏元件中光生的电荷、在第三采样窗口C2期间在相同感光点或另一感光点的光敏元件中光生的电荷、以及在第四采样窗口C3期间在相同感光点或另一感光点的光敏元件中光生的电荷来对所接收的信号进行采样。在由输出电路读取所获得的信号之前，这四个传输被重复较大数量次，例如100000次。
图3是示意性且部分地示出采集场景的深度图像的设备12的实施例的截面图。
图3的设备12包括：
-第一传感器W1，也称为第一电路W1，该第一传感器形成在第一半导体衬底100(例如单晶硅衬底)的内部和顶部上，传感器W1包括多个深度感光点P1，每个深度感光点P1包括光电二极管；以及
-第二传感器W2，也称为第二电路W2，该第二传感器形成在第二半导体衬底130(例如单晶硅衬底)的内部和顶部上，传感器W2被放置为抵靠传感器W1的背侧并且包括多个深度感光点P2，每个深度感光点P2包括光电二极管。
应当注意，在本说明书中，元件的前侧和背侧分别指代元件的旨在面向期望采集其图像的场景的表面和元件的与其前侧相对的表面。在图3的实施例中，采集设备12的前侧和背侧分别是其上表面和其下表面。
在所示的实施例中，传感器W1的每个感光点P1包括光电二极管101，该光电二极管包括形成在半导体衬底100中的一个或多个局部注入区。在这个实施例中，光电二极管101的(多个)注入区布置在衬底100的背侧上。每个像素P1还可以包括形成在衬底100的背侧上(例如衬底100中和衬底100的背侧上)的一个或多个附加部件(未示出)，例如绝缘栅场效应晶体管，也称为MOS晶体管。传感器W1还包括互连堆叠110，该互连堆叠由涂覆衬底100的背侧的交替的介电层和导电层形成，其中形成将传感器W1的感光点P1连接到外围控制和电源电路(未示出)的电连接轨迹和/或端子111。
在所示的实施例中，传感器W1包括竖直绝缘壁103，该竖直绝缘壁在衬底100的整个厚度穿过衬底并界定分别对应于传感器W1的感光点的衬底部分。竖直绝缘壁103特别地具有光学绝缘功能，并且还可以具有电绝缘功能。例如，竖直绝缘壁103由介电材料制成，例如氧化硅。作为变型，绝缘壁103可以不存在。
衬底100的厚度例如在2μm至10μm(例如从3μm至5μm)的范围内。
例如，在俯视图中，传感器W1的每个感光点P1的最大尺寸小于10μm，例如小于5μm，例如小于2μm，例如在1μm的量级。
在所示的实施例中，衬底100的前侧涂覆有基本上延伸穿过传感器W1的整个表面的钝化层115，例如氧化硅层、HfO2层、Al2O3层或能够具有不同于仅钝化功能的其他功能(抗反射、滤波、结合等)的不同材料的多个层的堆叠。例如，层115被布置在衬底100的顶部上并与衬底的前侧接触。
在图3的实施例中，每个感光点P1包括被布置在衬底100的与像素的光电二极管101相对的前侧上(例如在钝化层115的顶部上并与钝化层的前侧接触)的滤波器118，例如黑色树脂层或干涉滤波器。每个滤波器118适于透射光源16的发射波长范围内的光。优选地，滤波器118适于仅透射以系统10的光源16的发射波长范围为中心的相对窄的波长范围(例如具有小于30nm(例如，小于20nm，例如，小于10nm)的半高宽的波长范围)内的光。滤波器118使得能够避免在并非源自系统10的光源16的光辐射的影响下在下面的感光点P1和P2的光电二极管中不希望地生成电荷载流子。根据实施例，在传感器W1和传感器W2之间没有插入光学滤波器，特别是彩色滤光器或干涉滤波器。
传感器W1的每个感光点P1还可以包括微透镜122，该微透镜布置在衬底100的前侧上(例如在感光点的滤波器118的顶部上并与之接触)、能够将入射光聚焦到感光点P1的光电二极管101上和/或下面的感光点P2的光电二极管133上。
在所示实施例中，传感器W1的背侧通过分子结合而结合到传感器W2的前侧。为此，传感器W1包括例如由氧化硅制成的、涂覆其背侧的层126。进一步，传感器W2包括例如由氧化硅制成、涂覆其前侧的、与层126性质相同的层132。层126的背侧被放置成与层132的前侧接触，以执行传感器W2与传感器W1的分子结合。例如，层126、132分别在传感器W1、W2的整个表面上连续延伸。作为变型，可以在传感器W1和W2之间添加结合材料，以允许将传感器W1结合到传感器W2。
传感器W2的每个感光点P2包括形成在衬底130中的与传感器W1的感光点P1相对的光电二极管133。光电二极管133包括形成在半导体衬底130中的一个或多个局部注入半导体区。每个感光点P2还可以包括形成在衬底130的背侧上(例如衬底130中和衬底130的背侧上)的一个或多个附加部件(未示出)，例如MOS晶体管。传感器W2还包括互连堆叠140，该互连堆叠由涂覆衬底130的背侧的交替介电层和导电层形成、具有将传感器的感光点P2连接到其中形成的外围控制和电源电路(未示出)的电连接导电轨迹和/或端子141。
在示出的实施例中，在传感器W2的每个感光点P2中，利用在衬底130的整个厚度穿过衬底的竖直绝缘壁135完全包围感光点的光电二极管133。壁135特别地具有光学绝缘功能，并且还可以具有电绝缘功能。例如，竖直绝缘壁135由介电材料制成，例如氧化硅。作为变型，竖直绝缘壁135是多层壁，该多层壁包括由介电材料(例如氧化硅)制成的内层、包括至少一个金属层的一个或多个中间层以及由介电材料(例如氧化硅)制成的外层。竖直绝缘壁135例如被定位为基本上竖直地与围绕传感器W1的相对应的衬底部分100的竖直绝缘壁103对齐。壁103和135特别地使得能够限制由靠近的感光点P1接收的光线干扰相对应的感光点P2的风险，这可能导致错误的深度测量。
在这个实施例中，用于将传感器W2结合到传感器W1的氧化硅层132被布置在感光点P2的光电检测区域中衬底130的顶部上并与其前侧接触。
衬底130的厚度例如在2μm至10μm(例如从3μm至5μm)的范围内。
应当注意的是，图3的装置12的传感器W1和W2的布置是有利的，因为传感器W2的互连堆叠140位于传感器W2的衬底130的与传感器W1相对的侧部上。
对于同等体积，感光点P1和P2在两个层面上的堆叠特别地使得能够增加采集设备12的分辨率/图像速率。
被场景的物体反射的来自光源16的光在第一传感器W1的感光点P1中被部分吸收。没有在第一传感器W1中吸收的光被透射到第二传感器W2中，并且在第二传感器W2的感光点P2中被吸收。堆叠中的不同反射现象可能导致偏差，对于等效的几何形状和材料，相比于位于第一传感器W1中的感光点P1，位于第二传感器W2中的感光点P2接收较少的光子。
根据实施例，由光信号在进入堆叠期间的衰减引起的值(C0-C2)和(C1-C3)上的偏差被补偿，以允许相移
Figure BDA0003292539360000091
的正确估计。偏差由下文描述的装置中的一个或下文描述的装置中的两个或两个以上的组合来补偿。
根据第一方式，通过校准积分时间来实现偏差补偿，即，在其上积分的具有由传感器W1上的感光点P1收集的样本(例如，样本C0)的所反射的信号的时段的数量不同于在其上积分的具有由传感器W2上的感光点P2收集的样本的所反射的信号的时段的数量。根据实施例，其上积分的具有由传感器W1上的感光点P1收集的样本的所反射的信号的时段的数量小于在其上积分的具有由传感器W2上的感光点P2收集的样本的所反射的信号的时段的数量。
根据第二方式，对于每个传感器W1、W2，传感器的感光点P1、P2被布置成行和列，并且存储在感光点中的信号的读取被逐行实行，信号通过沿着列延伸的位线传送。偏差补偿在位于传感器列脚部的、包括模数转换器的模拟链级别下执行，与第二传感器W2的感光点P2相关联的模数转换器的性质不同于与第一传感器W1的感光点P1相关联的模数转换器的性质。根据实施例，与第二传感器W2的感光点P2相关联的模数转换器的放大增益比与第一传感器W1的感光点P1相关联的模数转换器的放大增益更强。根据实施例，在模数转换器是单斜坡或双斜坡转换器的情况下，可以通过提供与第一传感器W1的感光点P1相关联的模数转换器的斜坡相对于与第二传感器W2的感光点P2相关联的模数转换器的斜坡的不同斜率来实现补偿。
根据第三方式，通过图像形成系统10的处理器20对由图像采集设备12递送的信号执行的数字处理来执行偏差补偿。
根据第四方式，通过在第一传感器W1的衬底100和第二传感器W2的衬底130之间提供不同的吸收厚度来执行偏差补偿，第二传感器W2的吸收面积比第一传感器W1的吸收面积更厚。根据实施例，第二衬底130的厚度比第一衬底100的厚度大10％，优选地大20％。
根据第五方式，通过使用使得能够相对于由第一传感器W1的感光点P1接收的光子量调节由第二传感器W2的感光点P2接收的光子量的光学结构(透镜、纳米范围表面结构、掩模等)来实现偏差补偿。根据实施例，可以在衬底130的下表面侧上提供反射镜，以反射衬底130中未吸收的光子，并增加光子在衬底130中的行进时间。根据实施例，壁135可以是反射性的，以反射衬底130中未吸收的光子，并增加光子在衬底130中的行进时间。根据实施例，衍射结构可以设置在衬底130的上表面侧上，以使光子倾斜地穿透到衬底130中，并增加光子在衬底130中的行进时间。
根据第六方式，通过调节堆叠感光点P1和P2的几何形状来实现偏差补偿。例如，感光点P2的侧向尺寸可能大于覆盖它的感光点P1的侧向尺寸，也就是说，在俯视图中，感光点P2的横截面可能大于感光点P1的横截面。
根据第七方式，通过对两个传感器W1和W2的衬底100和130使用不同的材料来实现偏差补偿，形成衬底130的材料的质量吸收系数例如大于形成衬底100的材料的质量吸收系数。根据实施例，衬底100由单晶硅(Si)制成，并且衬底130由砷化铟镓(InGaAs)制成。
图4是示出深度感光点的电路300的实施例的电路图。
电路300能够执行电荷存储。电路300包括耦合在节点302和参考电源(例如接地)之间的光敏元件PD，该光敏元件例如是光电二极管。节点302经由采样电路304耦合到感测节点SN。采样电路304包括通过传输门306耦合到节点302的存储器mem1，该传输门例如是n沟道MOS晶体管。存储器mem1还通过附加的传输门308耦合到感测节点SN，该传输门也是例如n沟道MOS晶体管。传输门306由施加到其控制节点的信号Vmem1控制，并且传输门308由施加到其控制节点的信号Vsn1控制。存储器mem1形成电荷存储区域，从光敏元件PD传输的电荷被临时存储在该电荷存储区域中。
电路300还包括由跟随器源极晶体管310、选择晶体管312和复位晶体管314形成的输出电路，这些晶体管例如是n沟MOS晶体管。感测节点SN耦合到晶体管310的控制节点，该晶体管例如使其漏极耦合到电源电压Vdd的源极，并且使其源极通过晶体管312耦合到像素电路300的输出线316，该晶体管312由施加到其栅极的信号Vsel控制。感测节点SN还通过晶体管314耦合到电源电压Vdd的源极，该晶体管由施加到其栅极的信号Vres控制。在替代性实施例中，输出电路可以由多个感光点共享，感测节点SN例如耦合到一个或多个相邻感光点的采样电路。
电路300还包括晶体管318，该晶体管将节点302耦合到电源Vdd并使光电二极管PD能够复位。晶体管318例如由信号VresPD控制。因此，它使得能够通过确保在针对所有传感器光电二极管PD开始进行同步积分之前清空光电二极管PD来控制曝光时间，并且确保抗晕光功能以避免在从阵列的一般读取期间光电二极管溢出到存储器mem1中。
图5是示出深度感光点的电路320的另一实施例的电路图。在申请号为FR15/63457的法国专利申请(代理机构代号:B14596)中更详细地描述了类似的电路，该专利申请通过法律授权通过引用并入本文。例如，在FR 15/63457的图3中示出了示出这个电路的操作示例的时序图，并且相同的操作示例适用于本申请的上下文。电路320包括电路300的所有元件，并且还包括另一采样电路322,该另一采样电路连接在节点302和节点SN之间并且包括类似于采样电路304的电路元件，并且特别地，电路322包括存储器mem2、由信号Vmem2控制的传输门324和由信号Vsn2控制的传输门326。
电路320使得能够执行两个样本的采集以获得深度图像。电路320的使用有利地使得能够减少感光点中的晶体管的数量。顺序执行从两个存储器mem1和mem2进行读取。
图6是示出深度感光点的电路330的另一实施例的电路图。电路330包括图5中示出的电路320的所有元件，不同之处在于采样电路322连接在节点302和节点SN’之间，并且它还包括由跟随器源极晶体管332、选择晶体管334和复位晶体管336形成的输出电路，这些晶体管例如是n沟道MOS晶体管。感测节点SN'耦合到晶体管332的控制节点，该晶体管例如使其漏极耦合到电源电压Vdd的源极，并且使其源极通过晶体管334耦合到像素电路330的输出线338，该晶体管334由施加到其栅极的信号Vsel'控制。检测节点SN'还通过晶体管336耦合到电源电压Vdd的源极，该晶体管由施加到其栅极的信号Vres'控制。电路330使得能够执行两个样本的采集以获得深度图像。可以顺序执行从两个存储器mem1和mem2进行读取。
图7是示出深度感光点的电路340的另一实施例的电路图。电路340包括图4中示出的电路300的所有元件，不同之处在于不存在晶体管308和存储器mem1，晶体管306直接连接到感测节点SN。
在电路340的情况下，电荷直接存储在感测节点SN上。没有中间存储装置。这是在电压存储的情况下说的。可以在感测节点SN上添加电容器C，该电容器连接在感测节点SN和地之间，以改善动态范围。感测节点SN处的存储容量也可以仅由系统所需的互连件形成。
具有两个并行或顺序读出存储器的感光点的情况可以通过抑制晶体管308并通过利用电容性元件替换每个存储器mem1和mem2而容易地从前面结合图5和图6讨论的带电感光点中导出。
根据实施例，每个深度像素包括至少一个感光点P1和一个感光点P2，用于采集确定深度数据所需的样本，例如三个样本，优选地四个样本C0、C1、C2和C3。相同深度像素的感光点的所有晶体管306被同步控制，控制信号Vmem1、Vmem2相对于彼此相移用于采集样本C0、C1、C2和C3。例如，相同深度像素的感光点的晶体管306、324的控制信号Vmem1、Vmem2可以从相同的周期性信号获得。
有利地，相同深度像素的感光点的晶体管306分布在传感器W1和W2之间，并且不全部在同一传感器W1或W2中。
图8、图9和图10各自示意性地示出了深度图像采集设备的感光点的布置的实施例。在这些实施例中，采集设备仅包括用于确定深度图像的感光点P1和P2。特别地，采集设备包括传感器W1中的感光点P1阵列和第二传感器W2中的感光点P2阵列，这些阵列中的每一个仅一部分在图8、图9和图10中示出。
在图8的实施例中，每个感光点P1和P2包括用于采集两个样本的两个存储器。根据实施例，对于每对堆叠的感光点，感光点中的一个用于采集两个样本(例如感光点P1用于样本C0和C2)，而感光点中的另一个用于采集两个互补样本(例如感光点P2用于样本C1和C3)。四个样本C0、C1、C2和C3被捕获在单个图像中。
在图9的实施例中，每个感光点P1和P2包括用于连续采集两个样本的存储器。根据实施例，对于每对堆叠的感光点，感光点中的一个用于连续采集两个样本(例如感光点P1用于样本C0和C2)，而感光点中的另一个用于连续采集两个互补样本(例如感光点P2用于样本C1和C3)。四个样本C0、C1、C2和C3被捕获在两个图像中。
在图10的实施例中，每个感光点P1和P2包括用于采集样本的存储器。通过使用第一传感器W1的两个感光点P1和第二电路W2的两个感光点P2获得四个样本的采集。根据实施例，第一传感器W1的感光点P1成对分布。对于每对感光点，该对中的第一感光点P1用于采集第一样本，例如C0，并且该对中的第二感光点P1用于采集第二样本，例如C2，第二传感器W2的覆盖有第一感光点P1的感光点P2用于采集第三样本，例如C1，并且第二传感器W2的覆盖有第二感光点P1的感光点P2用于采集第四样本，例如C3。四个样本C0、C1、C2和C3被捕获在单个图像中。
除了采集深度图像之外，图1中示出的系统10的采集设备12还能够采集2D图像。
图11是示意性且部分地示出采集场景的2D图像和深度图像的设备12的实施例的截面图。
在图11的实施例中，传感器W1进一步对应于2D彩色图像传感器，也就是说，除了深度感光点P1之外，它还包括适于测量不同可见波长范围内的光强度的不同类型的像素P3。为此，每个像素P3包括：光电二极管102，该光电二极管适于捕获可见光中的至少一部分；以及滤波器120(例如彩色树脂层)，该滤波器布置在衬底100的与像素光电二极管102相对的前侧上，例如在钝化层115的顶部上并与钝化层的前侧接触。例如，传感器W1包括三种类型的像素P3，称为蓝色像素的、包括主要透射蓝光的滤波器120的第一像素P3、称为红色像素的、包括主要透射红光的滤波器120的第二像素P3、以及称为绿色像素的、包括主要透射绿光的滤波器120的第三像素P3。在图11中，没有区分不同类型的像素P3。作为变型，传感器W1可以是单色2D图像传感器，在这种情况下，可以省略滤光器120。
第二传感器W2仅包括深度感光点P2。第二传感器W2的每个深度感光点P2覆盖有第一传感器W1的深度感光点P1。根据实施例，第二传感器W2的深度感光点P2的侧向尺寸可以等于第一传感器W1的深度感光点P1的侧向尺寸。根据另一实施例，第二传感器W2的深度感光点P2的侧向尺寸大于第一传感器W1的深度感光点P1的侧向尺寸。
感光点P1和P2在两个层面上的堆叠特别地允许在用于采集2D图像的像素P3的阵列中优化集成深度图像采集设备，同时限制对2D图像的分辨率的影响，同时简化每个深度像素的读出晶体管的集成。
图12、图13和图14分别示意性地示出了2D图像和深度图像采集设备的感光点的布置的实施例。在这些实施例中，采集设备包括用于确定深度图像的感光点P1和P2以及适于捕获红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)光以采集2D图像的像素P3。特别地，采集设备包括第一传感器W1中的深度感光点P1和用于采集S2图像的像素P3的阵列，以及第二传感器W2中的深度感光点P2的阵列，这些阵列中的每一个的仅一部分在图12、图13和图14中示出。在第一传感器W1中，感光点P1和像素P3可以布置在Bayer阵列中，不同之处在于深度感光点P1布置在Bayer阵列的捕获绿光(G)的像素P3的位置中的一些处。
在图12的实施例中，每个深度感光点P1和P2包括用于采集两个样本的两个存储器。根据实施例，对于每对堆叠的深度感光点，深度感光点中的一个用于采集两个样本(例如感光点P1用于样本C0和C2)，而深度感光点中的另一个用于采集两个互补样本(例如感光点P2用于样本C1和C3)。四个样本C0、C1、C2和C3被捕获在单个图像中。
在图13的实施例中，每个深度感光点P1和P2包括用于连续采集两个样本的存储器。根据实施例，对于每对堆叠的深度感光点，深度感光点中的一个用于连续采集两个样本(例如感光点P1用于样本C0和C2)，而深度感光点中的另一个用于连续采集两个互补样本(例如感光点P2用于样本C1和C3)。四个样本C0、C1、C2和C3被捕获在两个图像中。
在图14的实施例中，每个深度感光点P1和P2包括用于采集样本的存储器。通过使用第一传感器W1的两个深度感光点P1和第二传感器W2的两个深度感光点P2获得四个样本的采集。根据实施例，第一传感器W1的深度感光点P1成对分布。对于每对深度感光点，该对中的第一深度感光点P1用于采集第一样本，例如C0，并且该对中的第二深度感光点P1用于采集第二样本，例如C2，第二传感器W2的覆盖有第一深度感光点P1的深度感光点P2用于采集第三样本，例如C1，并且第二传感器W2的覆盖有第二深度感光点P1的深度感光点P2用于采集第四样本，例如C3。四个样本C0、C1、C2和C3被捕获在单个图像中。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，这些不同实施例和变型的某些特征可以组合，并且本领域技术人员将想到其他变型。最后，基于上文给出的功能指示，所描述的实施例和变型的实际实施方式在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (19)

1.一种通过检测对应于近红外中的周期性调幅入射光信号在场景上的反射的所反射的光信号来采集所述场景的深度图像的设备(12)，所述设备包括第一传感器(W1)和第二传感器(W2)的堆叠，所述第一传感器包括第一深度感光点(P1)，所述第一深度感光点被配置为采集通过检测在第一时间段期间反射的光信号而光生的电荷的至少一个第一样本，所述第二传感器包括被布置为与所述第一深度感光点相对的第二深度感光点(P2)，所述第二深度感光点被配置为采集通过检测在相对于所述第一时间段偏移第一恒定相移的第二时间段期间反射的光信号而光生的电荷的至少一个第二样本，所述第一传感器(W1)或第二传感器(W2)还包括第三深度感光点(P1)，所述第三深度感光点被配置为通过检测在相对于所述第一时间段偏移了不同于所述第一相移的第二恒定相移的第三时间段期间反射的光信号来采集至少一个第三样本。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括用于补偿所述第一传感器和所述第二传感器(W1，W2)之间的所接收的光子量的差异的装置。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述第一传感器(W1)形成在第一半导体衬底(100)的内部和顶部上，并且其中所述第二传感器(W2)形成在第二半导体衬底(130)的内部和顶部上。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一半导体衬底(100)和第二半导体衬底(130)由不同的材料制成。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其中所述第一半导体衬底(100)和第二半导体衬底(130)的厚度不同。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述第一深度感光点(P1)的侧向尺寸不同于所述第二深度感光点(P2)的侧向尺寸。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述第一深度感光点和所述第三深度感光点是混杂的。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述第一深度感光点和所述第三深度感光点是不同的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述第一传感器(W1)或所述第二传感器(W2)包括第四深度感光点(P2)，所述第四深度感光点被配置为通过检测在相对于所述第一时间段偏移了不同于所述第一相移和所述第二相移的第三恒定相移的第四时间段期间反射的光信号来采集至少一个第四样本。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第二深度感光点和所述第四深度感光点是混杂的。
11.根据权利要求9的设备，其中所述第二深度感光点和所述第四深度感光点是不同的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其中所述第二时间段比所述第一时间段更长。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，其中每个第一深度感光点和所述第二深度感光点(P1，P2)包括光电二极管(PD)和连接到所述光电二极管的至少一个晶体管(44)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备，其中所述第一传感器(W1)还包括多个2D图像像素(P3)，所述第二传感器(W2)不包括2D图像像素。
15.一种采集深度图像的系统(10)，包括：根据权利要求1至14中任一项所述的采集设备(12)；光源(16)，所述光源被配置为发射近红外中的所述周期性调幅入射光信号；以及处理器(20)，所述处理器被配置为根据第一样本、第二样本和第三样本来确定所述入射光信号和所反射的光信号之间的相移。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述采集设备(12)根据权利要求9，并且其中所述处理器(20)被配置为根据所述第一样本、第二样本、第三样本和第四样本来确定所述入射光信号和所述反射的光信号之间的相移。
17.根据权利要求15或16所述的系统，还包括用于补偿所述第一传感器和所述第二传感器(W1，W2)之间的所接收的光子量的差异的装置。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的系统，其中所述处理器(20)被配置为通过数字处理来补偿所述第一传感器和所述第二传感器(W1，W2)之间的所接收的光子量的差异的装置。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的系统，包括由所述第一深度感光点(P1)以第一放大增益递送的模拟信号的第一放大器和由所述第二深度感光点(P2)以不同于所述第一放大增益的第二放大增益递送的模拟信号的第二放大器。
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