CN117546039A - 用于采集场景深度图的传感器 - Google Patents

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CN117546039A CN202280044153.9A CN202280044153A CN117546039A CN 117546039 A CN117546039 A CN 117546039A CN 202280044153 A CN202280044153 A CN 202280044153A CN 117546039 A CN117546039 A CN 117546039A
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伊冯·卡佐
亚历克西斯·罗沙
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Abstract

本发明涉及用于采集场景的深度图的反射光信号的传感器(12)。传感器的每个深度像素(Pix)包括至少一对感光单元(P1‑1，P2‑1；P1‑2，P2‑2)。每对感光单元(P1‑1，P2‑1；P1‑2，P2‑2)包括第一半导体衬底(100)的第一感光单元(P1‑1；P1‑2)和第二衬底(130)的第二感光单元(P1‑2，P2‑2)，第一衬底(110)被堆叠在第二衬底(130)上。每个像素(Pix)被配置为针对像素(Pix)的每对感光单元(P1‑1，P2‑1；P1‑2，P2‑2)采集在所述一对感光单元(P1‑1，P2‑1；P1‑2，P2‑2)的光敏元件(101，131)中同时光生的电荷的至少一个样本。

Description

用于采集场景深度图的传感器
本申请基于于2021年6月21日提交的、标题为“Sensor for acquisition a depthmap of a scene”的法国专利申请21/06576并要求其优先权，其通过引用以法律允许的最大程度并入本文。
技术领域
本申请涉及用于采集场景的深度图或图像的传感器领域。
背景技术
已经提供了能够采集深度信息的图像采集传感器。例如，间接飞行时间(indirecttime-of-flight，iTOF)传感器作用为朝场景发射光信号，并且然后检测由场景的物体反射的光信号。通过评估发射的光信号和反射的光信号之间的相移，可以估计传感器和场景的元件(例如物体)之间的距离，或者场景的元件之间的相对距离(深度)。
发明内容
需要具有克服已知深度图像传感器的全部或部分缺点的深度图像传感器。
例如，期望具有减小的尺寸的高分辨率深度图像传感器。
例如，将期望具有这样的深度图像传感器：与常规深度图像传感器具有相同分辨率和相同横向尺寸、但是与这种常规传感器相比具有增加的灵敏度。
实施例克服了已知深度图像传感器的全部或部分缺点。
实施例提供了一种用于采集场景的深度图的反射光信号的传感器，该反射光信号对应于周期性振幅调制的入射光信号在场景上的反射，该传感器包括深度像素，其中：
每个深度像素包括至少一对感光单元，每个感光单元对应于单个光敏元件、和部件的组件，该部件能够采集由这个光敏元件吸收反射光信号而光生的电荷的至少一个样本；
每对感光单元包括第一感光单元和第二感光单元，该第一感光单元包括被布置在第一半导体衬底中的第一光敏元件，该第二感光单元包括被布置在具有堆叠在其上的第一半导体衬底的第二半导体衬底中的第二光敏元件；以及
每个深度像素被配置为：
-通过检测在第一时间段期间反射的光信号，采集在所述像素的第一对感光单元的第一光敏元件和第二光敏元件中光生电荷的至少一个第一样本；
-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，采集在所述像素的第二对感光单元的第一光敏元件和第二光敏元件中光生的电荷的至少一个第二样本；以及
-通过检测在相对于第一时间段偏移与第一相移不同的第二恒定相移的第三时间段期间反射的光信号，采集在所述像素的第三对感光单元的第一光敏元件和第二光敏元件中光生的电荷的至少一个第三样本，
其中，在给定时间段期间在一对第一感光单元和第二感光单元中光生的电荷的样本的采集对应于在所述给定时间段期间在第一感光单元中光生的电荷的采集以及对应于在相同的给定时间段期间在第二感光单元中光生的电荷的同时采集。
根据实施例，每个深度像素的每个第一光敏元件被堆叠在优选地所述像素的第二光敏元件上。
根据实施例，每个深度像素包括与第二光敏元件一样多的第一光敏元件。
根据实施例，在每个深度像素中，第一对感光单元和第三对感光单元具有相同的第一感光单元和相同的第二感光单元。换句话说，第一对感光单元和第三对感光单元是一个且相同的。仍然换句话说，第一对感光单元的第一感光单元由第三对感光单元的第一感光单元来实施，第一对感光单元的第二感光单元由第三对感光单元的第二感光单元来实施。
根据实施例，每个深度像素还被配置为通过检测在相对于第一时间段偏移与第一相移和第二相移不同的第三恒定相移的第四时间段期间反射的光信号来采集在所述像素的第四对感光单元的第一光敏元件和第二光敏元件中光生的电荷的至少一个第四样本。
根据实施例，在每个深度像素中，第二对感光单元和第四对感光单元具有相同的第一感光单元和相同的第二感光单元。换句话说，第二对感光单元和第四对感光单元是一个且相同的。仍然换句话说，第二对感光单元的第一感光单元由第四对感光单元的第一感光单元来实施，第二对感光单元的第二感光单元由第四对的第二感光单元来实施。
根据实施例，在每个深度像素的每对感光单元中，所述一对的第一感光单元的第一光敏元件被堆叠在所述一对的第二感光单元的第二光敏元件上。
根据实施例：
深度像素的第一感光单元和第二感光单元按行和按列组织；以及
在每个深度像素中，所述像素的每对感光单元中的第一感光单元相对于所述一对感光单元的第二感光单元偏移一行和/或一列。
根据一个实施例：
每个第一感光单元包括第一节点和至少一个第一采样电路，该至少一个第一采样电路被布置在第一衬底的内部和顶部上并将第一节点耦接到第一感光单元的第一光敏元件；以及
每个第二感光单元包括第二节点和至少一个第二采样电路，该至少一个第二采样电路被布置在第二衬底的内部和顶部上并将第二节点耦接到第二感光单元的第二光敏元件。
根据实施例：
每个第一感光单元包括将第一感光单元的第一节点耦接到第一感光单元的第一输出线的第一输出电路；以及
每个第二感光单元包括将第二感光单元的第二节点耦接到第二感光单元的第二输出线的第二输出电路。
根据实施例，在每对感光单元中，第二感光单元的第二节点被直接连接到第一感光单元的第一节点。
根据实施例，在每对感光单元中，第一感光单元的第一输出线被直接连接到第二感光单元的第二输出线。
根据实施例，传感器包括数字处理电路，其被配置为针对每对感光单元，通过数字处理将在所述一对中的第一感光单元的第一光敏元件中光生的电荷与在所述一对中的第二感光单元的第二光敏元件中光生的电荷相加。
根据实施例，该传感器还包括被布置在第一衬底和第二衬底中的一个和/或另一个的顶部上和内部的2D图像像素。
根据实施例，传感器还包括控制电路，其被配置为针对每个像素的每对感光单元，相同地且同时地控制所述一对感光单元的第一感光单元和第二感光单元。
实施例提供了一种用于采集深度图像的系统，该系统包括所描述的传感器、被配置成发射周期性振幅调制的入射光信号的光源、以及被配置成基于第一样本、第二样本和第三样本确定入射光信号和反射光信号之间的相移的处理器。
根据实施例，传感器的每个深度像素被配置为通过检测在相对于第一时间段偏移与第一相移和第二相移不同的第三恒定相移的第四时间段期间反射光信号来采集在所述像素的第四对感光单元的第一光敏元件和第二光敏元件中光生的电荷的至少一个第一样本，并且该处理器被配置为基于第一样本、第二样本、第三样本和第四样本来确定入射光信号和反射光信号之间的相移。
附图说明
前述特征和优点以及其他将在参考附图以图示而非限制的方式给出的特定实施例的公开的其余部分中详细描述，其中：
图1示意性地示出了深度成像系统的实施例；
图2是示出根据实施例的发射和反射的光信号的光强度的示例的曲线图；
图3是深度图像采集设备的局部及简化横截面图；
图4示出了图示图3的设备的一对感光单元的实施例的电路图；
图5示出了图示图3的设备的一对感光单元的另一实施例的电路图；
图6示出了图示图3的设备的一对感光单元的又一实施例的电路图；
图7示出了图示图3的设备的一对光电池的又一实施例的电路图；
图8示意性地示出了深度像素的感光单元的布置的实施例；
图9示意性地示出了深度像素的感光单元的布置的另一实施例；
图10示意性地示出了深度像素的感光单元的布置的又一实施例；
图11示意性地示出了深度像素的感光单元的布置的又一实施例；以及
图12是示出用于采集场景的2D图像和深度图像的设备的实施例的横截面图和透视图。
具体实施方式
类似的特征已经在各个图中由类似的附图标记指定。特别地，在各种实施例中共有的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记并且可以具有相同的结构、尺寸和材料属性。
为了清楚起见，仅对对所描述的实施例的理解有用的步骤和元件进行了详细的图示和描述。特别地，光敏元件(例如光电二极管)、2D图像像素和深度像素的形成没有被详述，这种像素的形成在本领域技术人员基于本公开的指示的能力范围内。
除非另有说明，否则当提及被连接在一起的两个元件时，这意味着除了导体之外没有任何中间元件的直接连接，而当提及被耦接在一起的两个元件时，这意味着这两个元件可以被连接或者它们可以经由一个或多个其他元件耦接。
在下面的描述中，当提及限定绝对位置的术语时，诸如术语“边缘”、“背面”、“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”等，或限定相对位置的术语，诸如术语“上方”、“下方”、“上面”、“下面”等，或限定方向的术语，诸如术语“水平”，“垂直”等，除非另有说明，否则指的是附图的取向。
除非另有说明，否则表述“约”、“大约”、“基本上”和“大概”表示正负10％，优选为正负5％。
图1示意性地示出了包括深度图像采集设备12、或深度图像传感器12的深度成像系统10的实施例。系统10包括例如光信号发射电路14，其驱动光源16，例如发光二极管(light-emitting diode，LED)。发光二极管16发射例如在近红外光谱中的波长处的光信号，例如在从700nm到1,100nm的范围内。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由传感器12捕获，例如经由成像透镜17和微透镜18的阵列，其将光聚焦到传感器12的各个像素上。
传感器12包括例如能够接收由图像场景反射的光信号并且能够检测接收到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。
成像系统10的处理器20例如被耦接到传感器12和光信号发射电路14，并基于由传感器12的深度像素捕获到的信号来确定图像场景中物体的对应距离。由处理器20生成的图像或深度图例如被存储在成像系统10的存储器22中。
图2是用曲线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并且用曲线32示出由图像采集设备12的深度像素之一接收到的光信号的光强度的时间变化的示例的曲线图。虽然，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，但在实践中由每个深度像素接收到的光信号很可能明显小于发射信号的强度。在图2的示例中，光信号具有正弦波的形状。然而，在替代实施例中，它可以具有不同的周期性形状，例如由正弦、三角形或锯齿波的总和形成。
本公开的深度像素被用于检测接收到的光信号的相位。在发送的光信号和接收的光信号之间存在相移其以模2*Π表示光信号经由图像场景中反射光信号的物体从发光二极管16到图像采集设备12的飞行时间(“Time Of Flight”-ToF)。到图像场景中的物体的距离d的估计由此可以通过使用公式来计算：
[数学1]
其中c表示光速，并且f表示光信号的频率，可以理解的是，当相移以模2*Π来确定时，距离d被估计为具有等于(c*p)/(2*f)的不确定性，其中p为整数。
该相移模2*Π例如基于由深度像素在至少三个不同采样窗口期间(优选地在四个不同采样窗口期间)捕获到的信号的采样来估计，每个采样窗口对应于相对于发射光信号的不同相移，例如对于四个采样窗口的0°、90°、180°和270°。作为示例，至少三个采样窗口在光信号的每个周期处实施。R.Lange和P.Seitz在标题为“Solid-stateTOFrangecamera”,IEE J.on Quantum Electronics,vol.37,No.3,March 2001的出版物中更详细地描述了基于每周期检测四个样本的技术。
本实施例例如是基于每周期四个样本的检测。每个采样窗口的样本例如在大量周期上被积分，例如在大约100,000个周期上，或者更一般地在10,000和1000万个周期之间。每个采样窗口具有例如高达光信号周期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周期的总循环时间。更一般地，一个采样窗口与下一个采样窗口之间可以存在或不存在时间间隔，并且在某些情况下，采样窗口之间可能存在重叠。每个采样窗口例如具有在从光信号的周期的15％到35％的范围内的持续时间，在像素每个周期捕获四个样本的情况下。
采样窗口C0到C3的定时以这样的方式进行控制，以便与发射光信号的定时同步。例如，光信号发射电路14基于时钟信号CLK生成光信号(图1)，并且传感器12接收相同的时钟信号CLK以控制每个采样窗口的开始和结束时间，例如使用延迟元件引入适当的相移。
基于光信号的积分样本，并且对于纯正弦光波，可以通过使用以下公式来确定光信号的相移取模2*Π，即到p*2*Π内：
[数学2]
在某些实施例中，光信号的频率f是25MHz，或者更一般地在从10MHz到300MHz的范围内。
在本公开的其余部分中，存在被称为“感光单元(photosite)”的单个光检测器或光敏元件，以及使得能够采集由该光检测器吸收由期望深度图像的场景反射的光信号而生成的电荷的至少一个样本的所有部件。作为示例，感光单元可以被配置成使得能够在第一捕获期间在第一采样窗口期间采集电荷样本，并且使得能够在第二捕获期间在第二采样窗口期间采集另一电荷样本，该第一窗口和第二窗口然后对应于相对于发射光信号的两个不同相移。
此外，存在被称为“深度像素”的部件的组件，其被用于采集对于确定深度值所需的所有样本。特别地，深度像素可以包括多个感光单元。
在基于四个样本的捕获的常规深度图像传感器中，为了确定发射的光信号和由深度像素接收到的光信号之间的相移取模2*Π，通过以规则间隔依次传输在第一采样窗口C0期间在感光单元的光敏元件中光生的电荷、在第二采样窗口C1期间在相同感光单元或另一感光单元的光敏元件中光生的电荷、在第三采样窗口C2期间在相同感光单元或另一感光单元的光敏元件中光生的电荷、以及在第三采样窗口C3期间在相同感光单元或另一感光单元的光敏元件中光生的电荷来采样接收到的光信号。换句话说，在常规传感器中，每个电荷样本由单个感光单元递送。仍然换句话说，在常规传感器中，对于每个电荷样本，样本中的所有电荷在单个光敏元件中光生。
不同于其中用于确定相移的每个电荷样本由对应于此样本的单个感光单元递送的常规传感器，在所描述的实施例和变型中，在时间窗口C0、C1、C2、C3期间光生并且例如在发射信号的大量周期上积分的每个电荷样本由包括第一检测层级的第一感光单元和第二检测层级的第二感光单元的一对感光单元递送，该第一检测层级被堆叠在第二检测层级上。换句话说，每个电荷样本由一对感光单元递送，其第一感光单元被布置在第一半导体衬底的内部和顶部上，并且其第二感光单元被布置在第二半导体衬底的内部和顶部上，第一衬底被堆叠在第一衬底上，并且样本由两个感光单元同时递送。
在一对第一感光单元和第二感光单元中在给定采样窗口期间光生的电荷的样本的采集例如对应于在该对感光单元的第一感光单元中在此采样窗口期间光生的电荷的第一样本的采集并且对应于在该对感光单元的第二感光单元中在此相同采样窗口期间光生的电荷的第二样本的同时采集。换言之，在给定采样窗口或时间段期间在一对感光单元中光生的电荷的样本对应于在该时间窗口期间分别在这对感光单元的第一感光单元和第二感光单元中光生的第一样本和第二样本的总和。仍然换句话说，在一对第一感光单元和第二感光单元中在给定时间段期间光生的电荷的样本的采集对应于在该给定时间段期间在第一感光单元中光生的电荷的采集并且对应于在该相同给定时间段期间在第二感光单元中光生的电荷的同时采集。
第一感光单元和第二感光单元的每一对对应于单个“均值”感光单元，其将检测波，该波是由该对感光单元的第一感光单元看到的入射波和由该对感光单元的第二感光单元看到的入射波的平均值(以振幅的形式)。因此，与本文上面给出的感光单元的定义相反，这种“均值”感光单元包括两个不同的光敏元件。换句话说，这种“均值”感光单元对应于包括分布在两个层级W1和W2上的单个光敏元件的感光单元。
这种“均值”感光单元具有的优点是具有大于形成这种“均值”感光单元的第一感光单元和第二感光单元中的每一个的光敏体积，例如，在第一感光单元的光敏体积与第二感光单元的光敏体积相同的情况下，光敏体积加倍。这导致例如传感器的灵敏度的改善而不降低其分辨率并且不增加其表面积(在俯视图中)。
另外，由于每对感光单元包括分别属于第一检测层级和第二检测层级的第一感光单元和第二感光单元的事实，这使得能够避免在两个检测层级之间响应分散的任何潜在问题。结果，距离信息重建过程不需要在两个检测层级之间使用补偿或校准步骤。
因此，在所描述的实施例和变型中，为了确定在发射的光信号和由深度像素接收到的光信号之间的相移通过依次并以规则间隔传输以下电荷来采样接收到的光信号：
-在第一采样窗口C0期间在一对感光单元的第一感光单元的光敏元件中和在第二感光单元的光敏元件中光生的电荷，
-在第二采样窗口C1期间在一对感光单元或另一对感光单元的第一感光单元的光敏元件中和在第二感光单元的光敏元件中光生的电荷，
-在第三采样窗口C2期间在一对感光单元或另一对感光单元的第一感光单元的光敏元件中和在第二感光单元的光敏元件中光生的电荷，以及
-在第四采样窗口C3期间在一对感光单元或另一对感光单元的第一感光单元的光敏元件中和在第二感光单元的光敏元件中光生的电荷。
在对应的信号被输出电路读取之前，上述四个传输中的每一个都例如被重复大量的次数，例如100,000次。
在本公开的其余部分中，为了使阅读更容易，采样窗口C0、C1、C2或C3与在此采样窗口期间光生的电荷样本被指定为相同的附图标记。
在本公开的其余部分中，所描述的实施例和变型对应于基于光生电荷的四个样本的采集的技术。然而，基于光生电荷的三个样本的采集的技术是本领域技术人员所熟知的，他们将能够使针对四个样本的情况所作的描述与三个样本的情况相适配，例如通过移除与采集光生电荷的第四个样本有关的所有内容，通过适配三个剩余时间窗口的时间，以及通过适配公式[数学1]和[数学2]。例如，在这种情况下，三个采样窗口和发射光信号之间的相移分别为0°、120°和240°，每个采样窗口的持续时间大约为发射光信号的周期的三分之一，例如等于发射光信号的周期的三分之一。
图3是示意性地和部分地示出用于采集场景的深度图像的设备12的实施例的横截面视图。在图3中，仅示出了两个深度像素Pix，尽管在实践中设备12包括例如远大于两个、例如大于100个的多个深度像素Pix。另外，虽然这在图3中不可见，但是传感器12的像素Pix优选地被组织成像素Pix的行和列的阵列。
图3的设备12包括：
-第一检测层级W1，也被称为第一电路W1，其被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；以及
-第二检测层级W2，也被称为第二电路W2，其被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，检测层级W1(并且因此衬底100)被堆叠或叠加在检测层级W2(并且因此衬底130)上。
贯穿本公开的其余部分，传感器12被配置成使得其接收的反射光信号在被层级W2接收之前首先被层级W1接收，由层级W2接收的光信号首先经过层级W1。
作为示例，衬底100和130中的每一个的厚度例如在从2μm到10μm的范围内，例如在从3μm到5μm的范围内。
应当注意，在本描述中，衬底被涂覆有互连堆叠的表面和衬底的与其前表面相对的表面，其分别是指衬底的前侧和后侧。在图3的实施例中，衬底100的前侧和后侧分别是其下表面和其上表面，衬底130的前侧和后侧分别是其上表面和其下表面。因此，在图3的示例中，涂覆有互连堆叠110的衬底100的前侧在涂覆有互连堆叠140的衬底130的前侧的侧面上或前面。然而，本领域技术人员能够使本公开适配衬底100和130的后侧将彼此面对、或者衬底100和130中的一个的后侧将面对衬底100和130中的另一个的前侧的情况。作为示例，互连堆叠110、140分别由交替的电介质和导电层形成。导电轨道111、141和电连接垫(图3中未示出)分别被形成在这些导电层中。互连堆叠110还包括导电过孔(图3中未示出)，其将轨道111彼此耦接和/或耦接到形成在衬底100中的部件和/或耦接到堆叠110的电连接垫。类似地，互连堆叠140包括导电过孔(图3中未示出)，其将轨道141彼此耦接和/或耦接到形成在衬底140中的部件和/或耦接到堆叠140的电连接垫。
每个像素Pix分布在两个检测层级之间。
更具体地，每个像素Pix包括N对感光单元Pi，其中N为大于或等于1的整数，并且i为范围从1到N的整数。为了避免图3过载，图3中没有呈现感光单元对Pi的附图标记Pi。
每对感光单元Pi包括第一层级W1的第一感光单元P1-i和第二层级W2的第二感光单元P2-i。因此，每个像素Pix的每对感光单元Pi分布在两个检测层级W1和W2上。每对感光单元Pi(感光单元P1-i和P2-i)使得能够采集在这对感光单元的感光单元P1-i和P2-i中在给定采样窗口期间光生的电荷的样本，或者在多个对应的时间窗口期间光生的电荷的多个样本。
在图3的示例中，N等于2，并且每个Pix像素因此包括：
-层级W1的感光单元P1-1，
-层级W1的感光单元P1-2，
-层级W2的感光单元P2-1，以及
-层级W2的感光单元P2-2。
作为示例，在图3中，在每个像素Pix中：
-像素的感光单元对P1(P1-1和P2-1)能够采集在采样窗口C0期间在感光单元P1-1和P2-1中光生的电荷的样本C0；
-像素的感光单元对P1(P1-1和P2-1)能够采集在采样窗口C2期间在感光单元P1-1和P2-1中光生的电荷的样本C2；
-像素的感光单元对P2(P1-2及p2-2)能够采集在采样窗口C1期间在感光单元P1-2和P2-2中光生的电荷的样本C1；以及
-像素的感光单元对P2(P1-2和P2-2)能够采集在采样窗口C3期间在感光单元P1-2和P2-2中光生的电荷的样本C3。
尽管这在图3中未图示，设备12包括被配置为在感光单元P1-i和P2-i的每个对Pi中使对Pi的感光单元P1-i的操作与该对Pi的感光单元P2-i的操作同步的感光单元控制电路，使得对Pi的感光单元P1-i的采样窗口与该对Pi的感光单元P2-i的采样窗口相同，或换句话说与其同步。可以提供延迟元件以将感光单元控制信号路由到层级W1和W2中的一个和或另一个，以确保层级W1和W2之间的这种同步。
层级W1包括多个深度感光单元P1-i(图3中的P1-1和P1-2)，而层级W2包括多个深度感光单元P2-i(图3中的P2-1和P2-2)。优选地，所有感光单元P1-i是相同的，所有感光单元P2-i是相同的，并且优选地，感光单元P1-i和P2-i是相同的。在本描述中，称两个感光单元是相同的，例如，当两个感光单元中的第一个感光单元的电路元件和第一感光单元的电路元件彼此耦接和/或连接的方式分别与两个感光单元中的第二个感光单元的电路元件和第二感光单元的电路元件彼此耦接和/或连接的方式相同时，可以理解的是电连接的物理布局(即实现这些电连接的金属线)在两个感光单元中可以不同。例如当这两个相同的感光单元分别对应于两个不同的采样窗口时，两个相同的感光单元的电路元件可以用相同但相移的控制信号来不同地控制，或者例如当这两个感光单元对应于相同的采样窗口时，两个相同的感光单元的电路元件可以用相同且同相的控制信号来相同且同时地控制。
每个像素Pix包括与感光单元P2-i一样多的感光单元P1-i，即N个感光单元P1-i和N个感光单元P2-i。优选地，在每个像素Pix中，每个感光单元P1-i被堆叠在层级W2的感光单元P2-i上，并且更优选地被堆叠在所述像素的感光单元P2-i上。
尽管这在图3中未示出，互连堆叠110和140将层级W1的感光单元P1-i和层级W2的感光单元P2-i连接到外围控制和电源电路。该控制电路被配置为在通过该对Pi采集在给定采样窗口期间在其感光单元P1-i和P2-i的光敏元件101和131中光生的电荷的样本时，相同地控制每对感光单元Pi的两个感光单元P1-i和P2-i。作为示例，控制电路与发射光信号同步，使得采样窗口的定时相对于发射光信号同步。
优选地，在俯视图中，感光单元P1-i和P2-i都具有光敏元件，其具有相同表面积。例如，在俯视图中，感光单元P1-i和P2-i都具有相同的表面积。例如，在俯视图中，每个感光单元P1-i和每个感光单元P2-i的最大尺寸小于10μm，例如小于5μm，例如小于2μm，例如大约为1μm。
在所示实施例中，在每对感光单元Pi(P1-i和P2-i)中，这对Pi的感光单元P1-i被叠加或堆叠在该同一对感光单元Pi的感光单元P2-i上。更特别地，在图3中，在每个像素Pix中，像素Pix的感光单元P1-1、P1-2分别被堆叠在此像素Pix的感光单元P2-1、P2-2上。
作为变型，在每个像素Pix中，像素Pix的一对Pi的感光单元P1-i被堆叠在此像素Pix的另一对Pi的感光单元P2-i上。
优选地，尽管这在图3中是不可见的，但感光单元P1-i和P2-i按行或按列组织或布置。更详细地说，层级W1的感光单元P1-i按感光单元P1-i的行和列组织，并且层级W2的感光单元P2-i按感光单元P2-i的行和列组织，感光单元P1-i的行和列分别被堆叠在感光单元P2-i的行和列上。感光单元P1-i的行和感光单元P2-i的行的每个堆叠形成传感器12的感光单元P1-i、P2-i的行，感光单元P1-i的列和感光单元P2-i的列的每个堆叠形成传感器12的感光单元P1-i、P2-i的列。
优选地，并且尽管这在图3中未示出，在每个像素Pix中，当像素Pix的感光单元P1-i、P2-i分布在传感器12的感光单元P1-i、P2-i的多个行上时，这些行是连续的行和/或当像素Pix的感光单元P1-i、P2-i分布在传感器12的感光单元P1-i、P2-i的多个列上时，这些列是连续的列。
在所示的实施例中，层级W1包括跨越衬底100的垂直绝缘壁103，该垂直绝缘壁103跨越其整个厚度并且界定分别与层级W1的感光单元P1-i相对应的衬底部分。垂直绝缘壁103具有光学隔离功能，并且也可以具有电绝缘功能。作为示例，垂直绝缘壁103由介电材料(例如氧化硅)制成，或者由导电材料(诸如多晶硅)制成，覆盖有介电材料(诸如氧化硅)，该介电材料将垂直绝缘壁103与衬底100电绝缘。作为变型，可以不存在绝缘壁103。
类似地，在所示的实施例中，层级W2包括跨越衬底130的垂直绝缘壁133，该垂直绝缘壁133跨越其整个厚度并且界定分别与层级W2的感光单元P2-i相对应的衬底部分。垂直绝缘壁133特别地具有光学隔离功能，并且也可以具有电绝缘功能。作为示例，垂直绝缘壁133由介电材料(例如氧化硅)制成，或者由导电材料(例如多晶硅)制成，覆盖有介电材料(例如氧化硅)，其将垂直绝缘壁133与衬底130电绝缘。作为变型，可以不存在绝缘壁133。
作为示例，围绕每个感光单元P2-i的垂直绝缘壁133例如基本上垂直地位于与围绕堆叠在此感光单元P2-i上的感光单元P1-i的垂直绝缘壁103对齐的位置。
每个深度感光单元P1-i包括光敏元件101，例如光电二极管，并且每个深度感光单元P2-i包括光敏元件131，例如光电二极管。每个光电二极管101被形成或布置在层级W1的衬底100中，每个光电二极管131被形成或布置在层级W2的衬底130中。
由于每个Pix像素包括与感光单元P2-i一样多的感光单元P1-i的事实，每个像素Pix包括与光敏元件131一样多的光敏元件101。
在本公开中，当感光单元P1-i被堆叠在感光单元P2-i上时，这优选地意味着感光单元P1-i的光敏元件101被堆叠在感光单元P2-i的光敏元件131上，这两个光敏元件101和131例如彼此面对。
每个感光单元P1-i、P2-i可以进一步分别包括一个或多个附加部件(未示出)，例如MOS(“金属氧化物半导体”)晶体管，其分别形成在衬底100、130的前侧上，例如分别在衬底100、130的内部和/或顶部上。
作为示例，旨在接收光信号的衬底100的侧面(即图3的示例中的衬底100的后侧)被涂覆有钝化层115，例如氧化硅层、HfO2层、Al2O3层、或者可以具有除了仅钝化功能(抗反射、过滤、键合等)之外的其它功能的不同材料的多个层的堆叠，其在衬底100的基本上整个表面上延伸。作为示例，层115被布置在衬底100的顶部上并与衬底100接触。
优选地，如图3所示，每个感光单元P1-i包括滤波器118，例如黑色树脂层或干涉滤波器，其被布置在旨在接收光的衬底100的侧面上，例如在钝化层115的顶部上并与钝化层15接触，在感光单元P1-i的光敏元件101的前面。每个滤波器18适配于透射光源16(图1)的发射波长范围内的光。优选地，滤波器118适配于仅透射以系统10(图1)的光源16的发射波长范围为中心的相对窄的波段中的光，例如具有半峰宽小于30nm、例如小于20nm、例如小于10nm的波长范围。滤波器118能够防止在不源自系统10的光源16的光辐射的作用下，在底层感光单元P1-i和P2-i的光敏元件101和光敏元件131中不希望的电荷载流子的生成。根据实施例，在检测层级W1和检测层级W2之间没有光学滤波器，特别是滤色器或干涉滤波器。
每个感光单元P1-i可以进一步包括被布置在衬底100的侧面上、旨在接收光辐射的微透镜122，例如在感光单元的滤波器118的顶部上并与滤波器118接触，其适配于将入射光聚焦到感光单元P1-i的光敏元件101上和/或底层感光单元P2-i的光敏元件131上。
在所示实施例中，传感器W1的前侧被装配到或者换句话说搁置在传感器W2的前侧上。
作为示例，一个被堆叠在另一个的顶部上的两个层级W1和W2通过混合键合彼此组装。为此目的，层级W1例如包括整个地覆盖衬底100并且在该示例中被第一电连接元件(例如，过孔或垫)中断的层126，而层级W2包括例如与层级W1的层126相同性质的层132，该层132整个地覆盖衬底130并且在该示例中被第二电连接元件(例如过孔或垫)中断。该混合键合通过将层130放置成与层126接触(遍布衬底100和130)来实现，使得第一电连接元件与第二电连接元件接触。
例如，层126和132由氧化硅制成。
作为变型，可以在传感器W1和W2之间添加键合材料以允许传感器W1到传感器W2的键合。
在层级W1从衬底100的后侧接收入射光且层级W2从衬底130的前侧接收入射光的图3的示例中，衬底100和130的前侧彼此面对，并且层126和132分别被布置在衬底100的前侧上和衬底130的前侧上。例如，层126被布置在互连堆叠110的顶部上并与之接触，并且层132被布置在互连堆叠140的顶部上并与之接触。
如前所述，由一对Pi的感光单元P1-i、P2-i在给定采样窗口Ci期间光生的电荷的样本的采集对应于由该对Pi的感光单元P1-i在该采样窗口Ci期间在该感光单元P1-i的光敏元件101中光生的第一样本的采集，以及对应于由该对Pi的感光单元P2-i在该相同采样窗口Ci期间在该感光单元P2-i的光敏元件131中光生的第二样本的同时采集，然后将第一样本和第二样本彼此相加以获得在采样窗口期间由这对Pi的感光单元P1-i、P2-i光生的电荷的样本。
为此目的，尽管这在图3中未示出，传感器12包括对于每对Pi的感光单元P1-i、P2-i用于将由该对Pi的感光单元P1-i采集的电荷样本与由所述对Pi的感光单元P2-i同时采集的电荷样本相加的装置。
根据实施例，在每对Pi的感光单元P1-i、P2-i中，这些装置对应于在该对Pi的感光单元P1-i的感测节点和该对Pi的感光单元P2-i的对应感测节点之间的电连接。作为示例，这种直接电连接至少部分地通过导电轨道111和141和/或互连堆叠130和140的连接端子以及通过这两个互连堆叠130和140之间的电连接来实现。
根据另一个实施例，在每对Pi中的感光单元P1-i、P2-i中，这些装置对应于在该对Pi的感光单元P1-i的输出导电线和该对Pi的感光单元P2-i的对应输出导电线之间的电连接。作为示例，这种直接电连接至少部分地由导电轨道111和141和/或互连堆叠130和141的连接端子实现。优选地，当传感器12的感光单元P1-i和P2-i按行和列布置时，感光单元P1-i和P2-i的输出线平行于列并且这种连接在列的脚处执行。
根据又一个实施例，这些装置对应于传感器12的数字处理电路，例如处理器20(图1)，该处理电路被配置为对于每对Pi的感光单元P1-i、P2-i，通过数字处理将在给定时间窗口期间在该对Pi的感光单元P1-i的光敏元件101中光生的电荷与在相同时间窗口期间在该同一对Pi的感光单元P2-i的光敏元件131中光生的电荷相加。
图4是示出一对Pi的感光单元P1-i和P2-i的实施例的电路图。
如结合图3所描述的，对Pi中的感光单元P1-i属于检测层级W1，对Pi中的感光单元P2-i属于检测层级W2。
对Pi中的感光单元P1-i和P2-i中的每一个能够执行电荷存储，感光单元P1-i与感光单元P2-i相同。
对Pi中的感光单元分别为P1-i、P2-i，包括被耦接在节点302和参考电源(例如地)之间的分别为101、131的光敏元件，分别为101、131的光敏元件例如是光电二极管。感光单元P1-i的节点302不同于感光单元P2-i的节点302。
分别为P1-i、P2-i的感光单元的节点302经由分别被布置在分别是层级W1、W2的衬底100(图3)、衬底130(图3)的内部和顶部上的采样电路304而耦接到分别为SN1-i、SN2-i的感测节点。
每个采样电路304包括通过例如是N沟道MOS晶体管的传输门306耦接到节点302的存储器mem1。分别为P1-i、P2-i的感光单元的存储器mem1还通过另外的传输门308(其也是例如N沟道MOS晶体管)耦接到分别为SN1-i、SN2-i的感测节点。在每个电路304中，传输门306由施加到其控制节点的信号Vmem1控制，而传输门308由施加到其控制节点的信号Vsn1控制。分别为P1-i、P2-i的感光单元的存储器mem1提供暂时存储从分别为101、131的光敏元件传输的电荷的电荷存储区。
被递送到对Pi中的感光单元P1-i的电路304的信号Vmem1和Vsn1与被递送到该对Pi中的感光单元P2-i的电路304的那些信号相同，这些信号例如通过未示出的控制电路递送。
每个感光单元P1-i、P2-i还包括到分别为P1-i、P2-i的感光单元的分别为3161-i、3162-i的输出导电线的分别为SN1-i、SN2-i的输出电路耦接节点。每个输出电路由源跟随器晶体管310、选择晶体管312和复位晶体管314形成，这些晶体管例如是N沟道MOS晶体管。在分别为P1-i、P2-i的感光单元中，分别为SN1-i、SN2-i的感测节点被耦接到晶体管310的控制节点或栅极，其具有例如被耦接到电源电压源Vdd的其漏极，以及通过晶体管312被耦接到分别为3161-i、3162-i的输出线的其源极，该晶体管312由施加到其栅极的Vsel信号来控制。在分别为P1-i、P2-i的感光单元中，分别为SN1-i、SN2-i的感测节点还通过感光单元的晶体管314耦接到电源电压源Vdd，该晶体管314由施加到其栅极的Vres信号控制。
被递送到对Pi中的感光单元P1-i的电路304的信号Vsel和Vres与被递送到该对Pi中的感光单元P2-i的电路304的那些信号相同，这些信号例如由未示出的控制电路递送。
根据实施例，对Pi中的感光单元P1-i的节点SN1-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的节点SN2-I，这使得能够将在对Pi中的感光单元P1-i和P2-i中的每一个中同时采集的电荷样本彼此相加。作为示例，节点SN1-i到节点SN2-i的连接使得能够在互连的节点SN1-i和SN2-i处将由感光单元P1-i提供的电荷样本的电荷与由感光单元P2-i递送的电荷样本的电荷彼此相加，这导致信噪比的增加。在这样的实施例中，优选地，感光单元P1-i和P2-i共享单个输出电路和单个输出线，即感光单元P1-i和P2-i的对Pi包括由两个感光单元P1-i和P2-i共享的单个输出电路和单个输出线。
根据另一个实施例，对Pi中的感光单元P1-i的输出导电线3161-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的输出导电线3162-i，这使得能够将在对Pi中的感光单元P1-i和P2-i的每一个中同时采集的电荷样本彼此相加。作为示例，在这个实施例中，互连线3161-i和3162-i上的电压对应于如果其与线3162-i去耦将存在于线3161-i上的电压与如果其与线3161-i去耦将存在于线3162-i上的电压的平均值(在相对于跟随器晶体管310的常数内)，这个平均电压因此代表了由感光单元P1-i递送的电荷样本的电荷与由感光单元P2-i递送的电荷样本的电荷的总和。
根据又一个实施例，通过数字处理将在对Pi中的P1-i和P2-i的每一个中同时采集的电荷样本的电荷彼此相加。这种数字处理例如由数字处理电路实现，该数字处理电路接收例如代表由线3161-i递送的模拟输出信号并因此代表由感光单元P1-i递送的电荷样本的电荷的数字信号，以及代表由线3162-i递送的模拟输出信号并因此代表由感光单元P2-i递送的电荷样本的电荷的数字信号。
分别为P1-i、P2-i的感光单元还包括例如，将感光单元的节点302耦接到电源电压源Vdd和使能分别为101、131的光电二极管被复位的晶体管318。每个晶体管318例如由相同的信号VresPD控制，例如由未示出的控制电路递送。由此它能够在积分开始之前通过排空分别为101、131的光电二极管来控制曝光时间，并且确保防闪烁功能以防止在读取期间光电二极管溢出到存储器mem1中。
图5是图示一对Pi的感光单元P1-i和P2-i的另一实施例的电路图。
如结合图3描述的，对Pi中的感光单元P1-i属于检测层级W1，对Pi中的感光单元P2-i属于检测层级W2。感光单元P1-i与感光单元P2-i相同。
图5中的一对Pi感光单元P1-i、P2-i包含图4的一对Pi感光单元P1-i、P2-i的所有元件。另外，在图5中，对Pi中的分别为P1-i、P2-i的感光单元包括连接在节点302和分别为SN1-i、SN2-i的节点之间的另一个采样电路322。每个电路322包括与采样电路304的电路元件类似的电路元件。特别地，每个电路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。
如前所述，对Pi中的两个感光单元P1-i和P2-i被同时和相同地控制，并因此接收相同的控制信号Vsel、Vres、VresPD、Vmem1、Vsn1、Vmem2和Vsn2。
图5的对Pi使得能够针对一个深度图像采集两个样本。
从对Pi中的两个存储器mem1和从两个存储器mem2的读取被依次执行，例如通过首先从两个存储器mem1读取并且然后从两个存储器mem1读取，或者反之亦然。
在申请号FR15/63457的法国专利申请(代理人参考：B14596)中进一步详细描述了类似于对Pi中的感光单元P1-i和P2-i中的每一个的电路的电路。例如，在申请FR15/63457的图3中示出了图示这种电路的操作的示例的时序图，并且相同的操作示例适用于本申请的上下文中。
根据实施例，类似于已经结合图4所描述的，将在对Pi中的感光单元P1-i和P2-i中的每一个中同时采集的电荷样本加在一起，对Pi中的感光单元P1-i的节点SN1-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的节点SN2-i，或者对Pi中的感光单元P1-i的输出导电线3161-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的输出导电线3162-i，或者由数字处理电路通过数字处理来执行该操作。
如关于图4所指示的，当对Pi中的感光单元P1-i和P2-i的感测节点SN1-I和SN2-i被连接在一起时，优选地感光单元P1-i和P2-i共享公共输出电路和公共输出线。
图6是图示一对Pi感光单元P1-i和P2-i的又一实施例的电路图。
如结合图3所描述的，对Pi中的感光单元P1-i属于检测层级W1，对Pi的感光单元P2-i属于检测层级W2。感光单元P1-i与感光单元P2-i相同。
图6的对Pi包括图5所示的一般对Pi，其不同之处在于，分别为P1-i、P2-i的感光单元的采样电路322被连接在感光单元的节点302与分别为SN'1-i、SN'2-i的节点之间。此外，分别为P1-i、P2-i的感光单元包括将分别为SN'1-i、SN'2-i的节点耦接到分别为P1-i、P2-i的感光单元的分别为3381-i、3382-i的输出导电线的附加输出电路。每个附加输出电路由源跟随器晶体管332、选择晶体管334和复位晶体管336形成，这些晶体管例如是N沟道MOS晶体管。在分别为P1-i、P2-i的感光单元中，分别为SN'1-i、SN'2-i的感测节点被耦接到晶体管332的控制节点，其具有例如被耦接到电源电压源Vdd的其漏极，以及通过晶体管334被耦接到分别为3381-i、3382-i的输出线的其源极，该晶体管334由施加到其栅极的信号Vsel'来控制。在分别为P1-i、P2-i的感光单元中，分别为SN'1-i、SN'2-i的感测节点还通过感光单元的晶体管336耦接到电源电压源Vdd，该晶体管314由施加到其栅极的信号Vsel'来控制。
如前所述，对Pi中的两个感光单元P1-i和P2-i被同时和相同地控制，并因此接收相同的控制信号。
图6的对Pi使得能够针对一个深度图像采集两个样本。
从对Pi中的两个存储器mem1和从两个存储器mem2的读取可以被同时执行。
根据实施例，类似于已经结合图4描述的，对Pi中的感光单元P1-i的节点SN1-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的节点SN2-i，并且对Pi中的感光单元P1-i的节点SN1-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的节点SN2-i，并且对Pi中的感光单元P1-i的节点SN'1-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的节点SN'2-i，其使得能够将在对Pi中的感光单元P1-i和P2-i的每一个中同时采集的电荷样本的电荷彼此相加。在这样的实施例中，虽然在图6中不是这种情况，但是优选地，感光单元P1-i和P2-i共享它们的输出电路和它们的输出导电线，类似于已经结合图4所指示的。
根据另一个实施例，类似于已经结合图4所描述的，对Pi中的感光单元P1-i的输出导电线3161-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的输出导电线3162-i，并且对Pi中的感光单元P1-i的输出导电线3381-i被连接到对Pi中的感光单元P2-i的输出导电线3382-i，这使得能够将在对Pi中的感光单元P1-i和P2-i的每一个中同时采集的电荷样本的电荷彼此相加，或者换句话说，这使得能够获得代表这些光生电荷的总和的平均电压。
根据又一个实施例，类似于已经结合图4所描述的，通过数字处理将在对Pi中的感光单元P1-i和P2-i中的每一个中同时采集的电荷样本加在一起，例如通过数字处理电路接收代表由线3161-i递送的模拟输出信号的数字信号、代表由线3162-i递送的模拟输出信号的数字信号、代表由线3381-i递送的模拟信号的模拟信号、代表由线3382-i递送的模拟信号的数字信号。
图7是图示一对Pi感光单元P1-i和P2-i的又一实施例的电路图。
如结合图3所描述的，对Pi中的感光单元P1-i属于检测层级W1，对Pi中的感光单元P2-i属于检测层级W2。感光单元P1-i与感光单元P2-i相同。
图7的一对Pi感光单元P1-i和P2-i包括图4所示的对Pi中的所有元件，其不同之处在于晶体管308和存储器mem1不存在。另外，在分别为P1-i、P2-i的感光单元中，晶体管306被直接连接到分别为SN1-i、SN2-i的感测节点。换句话说，在每个感光单元P1-i、P2-i中，采样电路仅由晶体管306形成。
本实施例中，在分别为P1-i、P2-i的感光单元中，电荷被直接存储在分别为SN1-i、SN2-i的感测节点上。不存在中间存储装置，并且感测节点SN1-i或SN2-i被用作用于感光单元P1-i或P2-i的存储器。在这种情况下被称之为电压存储装置。可以在每个感测节点SN1-i、SN2-i上添加电容C，其被连接在感测节点和地之间，以增加动态范围。每个感测节点SN1-i、SN2-i的存储容量也可以仅由感测节点上存在的本征电容形成，例如由连接到此节点的晶体管310的栅极电容、连接到此节点的晶体管314的源极电容、连接到此节点的晶体管306的漏极电容以及耦接节点SN1-i和SN2-i的电连接线与相邻电连接线之间的等效电容的总和形成。
通过移除晶体管308和326以及例如通过用电容元件替换每个存储器mem1和mem2，可以从先前关于图5和图6讨论的电荷感光单元中很容易地得出能够以并行或者顺序读取方式采集两个样本的电压感光单元的情况。此外，可以从结合图5、图6和图7所描述的感光单元中很容易地得出能够以并行或顺序读取方式采集两个以上的样本的电压或电荷感光单元的情况。
根据实施例，每个像素Pix(图3)包括至少一对Pi的感光单元P1-i和P2-i，用于采集对于确定深度数据元素所必需的样本，例如三个样本C0、C1和C2，优选地四个样本C0、C1、C2和C3。
图8、图9、图10和图11各自示意性地示出了深度像素Pix的感光单元的布置的实施例。
在这些实施例中，传感器仅包括用于确定深度图像的深度像素Pix。为了不使附图过载，其中示出了单个像素Pix，传感器的其它像素Pix与所描述的相同。
另外，如先前所指示的，像素Pix的感光单元P1-i和P2-i被组织成行L和列R，每行L对应于层级W2的一行感光单元P2-i和层级W1的一行感光单元P1-i的堆叠，并且每列R对应于层级W2的一列感光单元P2-i和层级W1的一列感光单元P1-i的堆叠。在传感器仅包括深度像素Pix的本实施例中，优选地，感光单元的行L是两两相邻的，并且像素的列R是两两相邻的。
在图8的实施例中，每个像素Pix包括N个相等的4对Pi感光单元P1-i和P2-i，并且每对Pi感光单元P1-i、P2-i被配置为采集单个电荷样本。例如，一对P1感光单元P1-1和P2-1的(图8中没有附图标记)被配置为采集样本C0，一对P2感光单元P1-2和P2-2的(图8中没有附图标记)被配置为采集样本C1，一对P3感光单元P1-3和P2-3的(图8中没有附图标记)被配置为采集样本C2，以及一对P4感光单元P1-4和P2-4(图8中没有附图标记)被配置为采集样本C3。
在图8的实施例中，在每对Pi感光单元P1-i和P2-i中，感光单元P1-i被堆叠在感光单元P2-i上。因此，在图8中，感光单元P1-1、P1-2、P1-3和P1-4被堆叠在相应的感光单元P2-1、P2-2、P2-3和P2-4上。
在该实施例中，四个样本C0、C1、C2和C3在单个图像或捕获中被捕获。
在图9的实施例中，像素Pix与图8中所示的相同，不同之处在于，在每对Pi感光单元P1-i和P2-i中，感光单元P1-i相对于感光单元P2-i偏移一行L和一列R。
从传感器的角度来看，这使得能够将被配置为采集相同的电荷样本C0、C1、C2或C3的感光单元的行L方向上的空间重复步骤除以二，并且将列R方向上的空间重复步骤除以二。其结果是每个像素的空间精度的提高，并且因此用传感器获得的深度图像的空间精度的提高。
在图9所示的示例中，在层级W1中，感光单元P1-1和P1-2属于相同的第一行L，感光单元P1-3和P1-4属于与第一行L相邻的相同的第二行L，感光单元P1-1和P1-3还属于相同的第一列R，并且感光单元P1-2和P1-4还属于与第一列R相邻的相同的第二列R。此外，感光单元P1-2被堆叠在感光单元P2-3上，感光单元P1-3被堆叠在感光单元P2-2上，而感光单元P1-4被堆叠在感光单元P2-1上。
尽管在图9的示例中，在每对Pi感光单元P1-i和P2-i中，感光单元P1-i相对于感光单元P2-i偏移一行L和一列R，但其中感光单元P1-i相对于感光单元P2-i仅偏移一行以及其中感光单元P1-i相对于感光单元P2-i仅偏移一列的情况在本领域技术人员基于结合图9所做的描述的能力范围内。
在图10的实施例中，每个Pix像素包括N个相等的2对Pi感光单元P1-i和P2-i，并且每对Pi感光单元P1-i、P2-i被配置为使得能够在单个图像或捕获中采集两个电荷样本。换句话说，每个感光单元P1-i、P2-i包括两个存储器。例如，一对P1感光单元P1-1和P2-1(图10中没有附图标记)被配置为采集样本C0和样本C2(用图10中的附图标记C0/C2指定)，一对P2感光单元P1-2和P2-2(图10中没有附图标记)被配置为采集样本C1和样本C3(用图10中的附图标记C1/C3指定)。
在图10的实施例中，像素Pix的所有感光单元P1-i和P2-i属于同一列R。此外，在每对Pi感光单元P1-i和P2-i中，对Pi中的感光单元P1-i相对于该对Pi中的感光单元P2-i偏移一行L，以获得精度提高的深度图像。
更具体地，在图10的示例中，感光单元P1-1被堆叠在感光单元P2-2上并且感光单元P1-2被堆叠在感光单元P2-1上。
作为未示出的变型，在每对Pi感光单元P1-i和P2-i中，对Pi中的感光单元P1-i可以被堆叠在该对Pi中的感光单元P2-i上。
其中像素Pix的感光单元P1-i和P2-i都属于同一行L并且在每对Pi中，对Pi中的感光单元P1-i相对于该对Pi中的感光单元P2-i偏移一列R的替代实施例，在本领域技术人员基于结合图10所做的描述的能力范围内。另外，其中像素Pix的感光单元P1-i和P2-i全部属于同一行L并且在每对Pi中，对Pi中的感光单元P1-i被堆叠在该对Pi中的感光单元P2-i上的替代实施例在本领域技术人员的能力范围内。
本领域技术人员还能够将本文结合图10描述的实施例和变型适配于其中每个感光单元P1-i、P2-i被配置为每个图像或捕获采集多于两个样本(例如三个或四个样本)的情况，也就是适配于其中每个感光单元包括多于两个存储器例如分别为三个或四个存储器的情况。
在图11的实施例中，每个像素Pix包括N个相等的2对Pi感光单元P1-i和P2-i，并且每对Pi感光单元P1-i、P2-i被配置为使得能够在第一图像或捕获期间采集电荷样本，以及在第一图像或捕获之后实施的第二图像或捕获期间采集第二电荷样本。换句话说，每个感光单元P1-i、P2-i包括单个存储器。
更特别地，在图11的示例中，一对P1感光单元P1-1和P2-1(在图11中没有附图标记)被配置为在第一捕获A期间(在图11中顶部处)采集样本C0和在第二捕获B期间(在图11的底部处)采集样本C2，一对P2感光单元P1-2和P2-2(在图10中没有附图标记)被配置为在第一捕获A期间采集样本C1以及在第二捕获B期间采集样本C3。
在图11的实施例中，像素Pix的所有感光单元P1-i和P2-i属于同一列R。此外，在每对Pi感光单元P1-i和P2-i中，对Pi中的感光单元P1-i相对于该对Pi中的感光单元P2-i偏移一行L，以获得空间精度提高的深度图像。
更特别地，在图11所示的示例中，感光单元P1-1被堆叠在感光单元P2-2上并且感光单元P1-2被堆叠在感光单元P2-1上。
作为未示出的变型，在每对Pi感光单元P1-i和P2-i中，对Pi中的感光单元P1-i可以被堆叠在该对Pi中的感光单元P2-i上。
其中像素Pix的感光单元P1-i和P2-i都属于同一行L并且在每对Pi中，对Pi中的感光单元P1-i相对于该对Pi中的感光单元P2-i偏移一列R的替代实施例，在本领域技术人员基于结合图11所做的描述的能力范围内。另外，其中像素Pix的感光单元P1-i和P2-i全部属于同一行L并且在每对Pi中，对Pi中的感光单元P1-i被堆叠在该对Pi中的感光单元P2-i上的实施例在本领域技术人员的能力范围内。
除了采集深度图像之外，图1所示的系统10的采集设备12可以能够采集2D图像。
图12是示意性地和部分地示出用于采集场景的2D图像和深度图像的设备12的实施例的横截面和透视图。
在图12中，仅示出了检测层级W1的衬底100和检测层级W2的衬底130，并且进一步地，分别为层级W1、W2的所有感光单元P1-I、P2-i具有相同的附图标记分别为P1、P2。
与传感器12仅包括深度像素Pix的先前描述的实施例和变型相比，在图12的实施例中，传感器12进一步包括参考P3指定的2D图像像素。优选地，如图12中图示的，像素P3被布置在衬底100的内部和顶部上并且像素P3被布置在衬底130的内部和顶部上。在未示出的变型中，像素P3全部被布置在衬底100的内部和顶部上，或者全部被布置在衬底130的内部和顶部上。
此外，与先前描述的其中深度感光单元P1-i、P2-i的两个连续列R是相邻的，以及其中深度感光单元P1-i、P2-i的两个连续行L是相邻的实施例和变型相比，在本实施例中，像素P3的行被插在每两个连续行L之间，并且像素P3的列被插在每两个连续列R之间。
每个像素P3适配于测量给定可见光波长范围内的光强度。为此目的，并且尽管这在图12中没有详述，但是每个像素P3包括光敏元件，例如光电二极管，其分别形成在此像素P3所属于的层级W1或W2的衬底100或130中。
优选地，传感器12被配置为采集2D彩色图像。在这种情况下，像素P3是不同类型的，每种类型的像素P3适配于测量不同于其他类型的像素P3的给定可见光波长范围内的光强度。每个像素P3然后包括例如由有色树脂制成的滤色器，其面对像素P3的光电二极管，该滤波器被配置为仅透射属于像素P3测量光强度的波长范围的光的波长。
在每个层级W1和W2包括像素P3的图12的实施例的情况下，优选地两个像素P3一个被堆叠在另一个的顶部上，共享相同的滤色器，并且滤色器搁置在衬底100上(其在衬底130之前接收入射光)，并且更具体地，搁置在衬底100接收入射光的一侧上。作为变型，每个像素P3可以具有其自己的滤色器，后者搁置在具有像素P3的衬底100或130上(该像素P3被形成在其内部和在其顶部上)，在此衬底100或300的接收入射光的一侧上。
在另一个未图示的实施例中，仅层级W1包括像素P3。在这种情况下，每个P3像素的滤色器搁置在衬底100上，在衬底100接收入射光的一侧上。
在仍未图示的另一实施例中，仅层级W2包括像素P3。在这种情况下，每个像素P3的滤色器搁置在衬底130上，在衬底130接收入射光的一侧上。作为变型，每个像素P3的滤色器搁置在衬底100上，在衬底100接收入射光的一侧上。
作为示例，传感器12包括三种类型的像素P3，第一像素P3被称为蓝色像素，包括优先透射蓝光的滤色器，第二像素P3被称为红色像素，包括优先透射红光的滤色器，以及第三像素P3被称为绿色像素，包括优先透射绿光的滤色器。在图12中，不同类型的P3像素没有被区分。
作为变型，传感器12被配置为捕获单色2D图像，在这种情况下像素P3的滤色器可以被省略。
本领域技术人员能够将关于图8至图11所作的描述(其中行L两两相邻且列R两两相邻的情况)，适配于图12中每两个连续的行L被像素P3的一个或多个行彼此分隔，并且每两个连续的列被像素P3的一个或多个列彼此分隔的情况。换句话说，本领域技术人员能够将该描述适配于其中每行L与下一行L由像素P3的一个或多个行分隔，并且每列R与下一列R由像素P3的一个或多个列分隔的情况。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，这些各种实施例和变型的某些特征可被组合，并且其它变型对于本领域技术人员将是显而易见的。
特别地，本领域技术人员能够将在相移是基于对应于四个不同采样窗口的四个电荷样本C0、C1、C2和C3而获得的情况下描述的实施例和变型适配于相移/>是基于对应于三个不同采样窗口的三个电荷样本C0、C1和C2而获得的情况，每个采样窗口对应于相对于发射光信号的不同相移，例如0°、120°和240°。在这种情况下，每个采样窗口具有例如相同的持续时间并且三个采样窗口具有等于光信号的周期的总循环时间。
另外，尽管这里以上已经描述了其中在每个像素Pix中，像素Pix的感光单元P1-i中的每一个被堆叠在此像素Pix的感光单元P2-i上的实施例和变型，本领域技术人员能够将这些实施例和变型适配于其中在每个像素Pix中，感光单元P1-i中的一个或多个各自被堆叠在相邻像素Pix的感光单元P2-i上，以及像素Pix的感光单元P2-i的一个或多个各自被相邻像素Pix的感光单元P1-i顶置的情况。这种情况例如对应于其中两个相同的传感器(每个在单个检测层级上实施)在已经彼此偏移一行和/或逐个列的感光单元之后被组装以形成设备12的情况。
最后，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基于这里上文给出的功能指示的能力范围内。

Claims (17)

1.一种用于采集场景的深度图的反射光信号的传感器(12)，所述反射光信号对应于周期性振幅调制的入射光信号在场景上的反射，所述传感器(12)包括深度像素(Pix)，其中：
每个深度像素(Pix)包括至少一对(Pi)感光单元(P1-i，P2-i)，每个感光单元对应于单个光敏元件、和部件的组件，所述部件使得能够采集由这个光敏元件吸收所述反射光信号而光生的电荷的至少一个样本；
每对(Pi)感光单元(P1-i、P2-i)包括第一感光单元(P1-i)和第二感光单元(P2-i)，所述第一感光单元(P1-i)包括被布置在第一半导体衬底(100)中的第一光敏元件(101)，所述第二感光单元(P2-i)包括被布置在第二半导体衬底(130)中的第二光敏元件(131)，所述第一半导体衬底(100)被堆叠在所述第二半导体衬底(130)上；以及
每个深度像素(Pix)被配置为：
-通过检测在第一时间段期间反射的光信号，采集在所述像素(Pix)的第一对感光单元(P1-1，P2-1)的第一光敏元件和第二光敏元件(101，131)中光生的电荷的至少一个第一样本(C0)；
-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，采集在所述像素(Pix)的第二对感光单元(P1-2，P2-2)的第一光敏元件和第二光敏元件(101，131)中光生的电荷的至少一个第二样本(C1)；以及
-通过检测在相对于所述第一时间段偏移与所述第一相移不同的第二恒定相移的第三时间段期间反射的光信号，采集在所述像素(Pix)的第三对感光单元(P1-3，P2-3；P1-1，P2-1)的第一光敏元件和第二光敏元件(101，131)中光生的电荷的至少一个第三样本(C2)，
其中，在给定时间段期间在一对第一感光单元和第二感光单元中光生的电荷的样本的采集对应于在所述给定时间段期间在所述第一感光单元中光生的电荷的采集以及对应于在相同的所述给定时间段期间在所述第二感光单元中光生的电荷的同时采集。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，每个深度像素(Pix)的每个第一光敏元件(101)被堆叠在优选地所述像素(Pix)的第二光敏元件(131)上。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，每个深度像素(Pix)包括与第二光敏元件(131)一样多的第一光敏元件(101)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其中，在每个深度像素(Pix)中，所述第一对感光单元和第三对感光单元(P1-1，P2-1)具有相同的第一感光单元和相同的第二感光单元。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中，每个深度像素(Pix)还被配置为通过检测在相对于所述第一时间段偏移与所述第一相移和第二相移不同的第三恒定相移的第四时间段期间反射的光信号来采集在所述像素的第四对感光单元(P1-4，P2-4；P1-2，P2-2)的所述第一光敏元件和第二光敏元件(101，131)中光生的电荷的至少一个第四样本(C3)。
6.根据权利要求4和5所述的传感器，其中，在每个深度像素(Pix)中，所述第二对感光单元和第四对感光单元(P1-2，P2-2)具有相同的第一感光单元和相同的第二感光单元。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中，在每个深度像素(Pix)中的每对(Pi)感光单元(P1-i，P2-i)中，所述一对(Pi)中的第一感光单元(P1-i)的第一光敏元件(101)被堆叠在所述一对(Pi)中的第二感光单元(P2-i)的第二光敏元件(131)上。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中：
所述深度像素(Pix)的第一感光单元和第二感光单元(P1-i，P2-i)按行(L)和按列(R)组织；以及
在每个深度像素(Pix)中，所述像素(Pix)的每对(Pi)感光单元(P1-i，P2-i；P1-1，P2-1)中的第一感光单元(P1-i；P1-1)相对于所述一对(Pi)感光单元(P1-i，P2-i；P1-1，P2-1)中)的第二感光单元(P2-i；P2-1)偏移一行(L)和/或一列(R)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器，其中：
每个第一感光单元(P1-i)包括第一节点(SN1-i；SN'1-i)和至少一个第一采样电路(304；322)，所述至少一个第一采样电路(305；322)被布置在所述第一衬底(100)的内部和顶部上并将所述第一节点(SN1-i；SN'1-i)耦接到所述第一感光单元(P1-i)的第一光敏元件(101)；以及
每个第二感光单元(P2-i)包括第二节点(SN2-i，SN'2-i)和至少一个第二采样电路(304；322)，所述至少一个第二采样电路(304；322)被布置在所述第二衬底(130)的内部和顶部上并将所述第二节点(SN2-i；SN'2-i)耦接到所述第二感光单元(P2-i)的第二光敏元件(131)。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中：
每个第一感光单元(P1-i)包括将所述第一感光单元(P1-i)的第一节点(SN1-i；SN'1-i)耦接到所述第一感光单元(P1-i)的第一输出线(3161-i；3381-i)的第一输出电路(310，312，314；332，334，336)；以及
每个第二感光单元(P2-i)包括将所述第二感光单元(P2-i)的第二节点(SN2-i；SN'2-i)耦接到所述第二感光单元(P2-i)的第二输出线(3162-i；3382-i)的第二输出电路(310，312，314；332，334，336)。
11.根据权利要求9或10所述的传感器，其中，在每对(Pi)感光单元(P1-i，P2-i)中，所述第二感光单元(P2-i)的第二节点(SN2-i；SN'2-i)被直接连接到所述第一感光单元(P1-i)的第一节点(SN1-i；SN'1-i)。
12.根据权利要求10所述的传感器，其中，在每对(Pi)感光单元(P1-i，P2-i)中，所述第一感光单元(P1-i)的第一输出线(3161-i；3381-i)被直接连接到所述第二感光单元(P2-i)的第二输出线(3162-i；3382-i)。
13.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述传感器(12)包括数字处理电路(20)，其被配置为针对每对(Pi)感光单元(P1-i，P2-i)，通过数字处理而将在所述一对(Pi)中的所述第一感光单元(P1-i)的所述第一光敏元件(101)中光生的电荷与所述一对(Pi)中的所述第二感光单元(P2-i)的所述第二光敏元件(131)中光生的电荷相加。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器，其中，所述传感器(12)还包括被布置在所述第一衬底和第二衬底(100，130)中的一个和/或另一个的顶部上和内部的2D图像像素(P3)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的传感器，还包括控制电路，其被配置为针对每个像素的每对感光单元，相同地且同时地控制所述一对感光单元的第一感光单元和第二感光单元。
16.一种用于采集深度图像的系统(10)，包括根据权利要求1至15中任一项所述的传感器(12)、被配置成发射周期性振幅调制的入射光信号的光源(16)、以及被配置成基于所述第一样本(C0)、第二样本(C1)和第三样本(C2)确定所述入射光信号和反射光信号之间的相移的处理器(20)。
17.根据权利要求16所述的采集系统，其中，所述传感器(12)是根据权利要求5或6所述的，并且其中，所述处理器(20)被配置为基于第一样本(C0)、第二样本(C1)、第三样本(C2)和第四样本(C3)确定所述入射光信号和反射光信号之间的相移。
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