TW201916396A - 具有堆疊結構的像素單元 - Google Patents

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Abstract

揭露一像素單元的範例。在一範例中，像素單元可包含第一半導體層，其包含光二極體以及用於將光二極體產生的電荷轉換為類比訊號的一或多個電晶體。像素單元也可包含第二半導體層，其包含一或多個用於將類比訊號轉換為一或多個數位訊號的電晶體。第一半導體層及第二半導體層可形成堆疊結構。在另一範例中，像素單元可包含光二極體及電容。像素單元可在第一測量模式下運作，以在電容電性耦接到光二極體時測量儲存在電容的電荷，及在第二測量模式下運作，以在電容電性隔離於光二極體時測量儲存在電容的電荷。

Description

具有堆疊結構的像素單元
本發明關於一種圖像感測器，特別是一種包含介面電路以決定圖像產生的光強度的像素單元結構。
一個典型的圖像感測器包含藉由將光子轉換為電荷（例如電子或電洞）而感測入射光的一光二極體。此圖像感測器更包含浮接節點用於作為一電容以蒐集此光二極體在曝光期間內所產生的電荷。所蒐集的電荷可在此電容建立一電壓。此電壓可被緩衝並傳送至一類比至數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC），類比至數位轉換器可將電壓轉換為代表入射光的強度的數位值。傳統上，電容、緩衝器及類比至數位轉換器可和光二極體整合在相同的半導體基板上，其中類比至數位轉換器被佈置在與光二極體相同的一側，以減少佈線和相關的寄生電容。
類比至數位轉換器所產生的數位值可關聯於入射光的強度，此數位值反映出在一特定時期內儲存在浮接節點的電荷的數量。然而，關聯程度會受到不同因素影響。首先，由光二極體產生的電荷的速率係直接關聯於入射光的強度直到光二極體達到飽和界線（saturation limit），超過此飽和界線，產生電荷的速率可能變得停滯，或至少不隨著光強度線性地提升。此外，在浮接節點所蒐集的電荷可包含無關於入射光的強度的雜訊電荷。一個雜訊電荷的來源可以為暗電流（dark current），其可以係由於結晶缺陷（crystallographic defects）而在光二極體的P-N接面或連接電容的其他半導體裝置的P-N接面所產生之漏電流。暗電流可流入電容且增加無關於入射光的強度的電荷。另一個雜訊電荷的來源可以係由於電容耦合其他電路。雜訊電荷可決定可量測光強度的下限，而飽和界線可決定圖像感測器可量測光強度的上限。上限與下限之間的比例定義一動態範圍，其可為圖像感測器設定一可操作的光強度的範圍。
可基於多個圖像感測器的一陣列所提供的強度資料產生圖像，其中每個圖像感測器形成對應此圖像的像素的一像素單元。像素單元的陣列可配置為多個列與多個行，其中每個像素產生一電壓，此電壓代表關聯圖像中一特定位置的像素的強度。陣列中多個像素可決定所產生的圖像的解析度。電壓可透過類比至數位轉換器而被轉換為數位強度資料，且圖像可基於每個像素的數位強度資料而被重建。
因為類比至數位轉換器的尺寸以及有限的可用區域，可能無法和一像素陣列的每個像素在同一側擺放一專屬的類比至數位轉換器。因此，多個像素單元當中的一些像素單元可能需要輪流存取類比至數位轉換器以產生數位強度資料。舉例來說，一組類比至數位轉換器可被提供用以同時處理一列當中的每個像素單元所產生的電壓。然而，像素單元相鄰的列可能需要輪流存取該組類比至數位轉換器。在一範例中，為了產生圖像，此像素陣列可以滾動快門方式運作，其中每個像素列被曝露於入射光以依序產生強度資料。舉例來說，圖像感測器的一像素列可於曝光期間內曝露於入射光。此列當中的每個像素單元可基於光二極體於曝光期間內所產生的電荷而產生電壓，且將此電壓傳送至類比至數位轉換器。此類比至數位轉換器可產生代表像素列所接收之入射光的強度的一組數位資料。在產生一像素列的此組數位資料之後，下一個像素列可在隨後的曝光期間內曝露於入射光以產生另一組數位強度資料，直到所有的像素列均已曝露於入射光且已輸出強度資料。於再另一個範例中，不同列像素的曝光時間可以有些許重疊，但是每個列的像素仍然需要輪流將產生自光二極體電荷的電壓轉換為數位資料。可基於每個像素列的數位強度資料而產生圖像。
圖像感測器可作為各種不同的應用。舉例來說，數位圖像裝置（例如數位相機、智能電話等）所包含的圖像感測器可提供數位圖像。在另一個範例中，圖像感測器用以配置作為輸入裝置以控制或影響裝置的運作，例如控制或影響穿戴式虛擬實境（VR）系統及/或擴增實境（AR）及/或混合實境（MR）系統內之近眼顯示器的顯示內容。舉例來說，圖像感測器可用於產生一使用者所位在之實體環境的實體圖像資料。實體圖像可被提供給定位追蹤系統以進行同步定位及地圖創建 （SLAM）演算法進行追蹤，例如在實體環境中使用者的位置、使用者的方向及/或使用者的移動路徑。圖像感測器亦可用於產生實體圖像資料，其包含用於量測在實體環境中的使用者與物件之間的距離的立體深度資訊。圖像感測器亦可用以作為近紅外線（NIR）感測器。一發光體可投射近紅外線型態的光線至使用者眼球。眼球的內部結構（例如瞳孔）可自NIR光線產生反射圖案（reflective pattern）。圖像感測器可擷取反射圖案的影像，且將此影像提供至系統以追蹤使用者眼球的移動，從而判斷使用者的凝視點。基於這些實體圖像資料，虛擬實境/擴增實境/混合實境系統可產生且更新虛擬圖像資料以透過近眼顯示器顯示給使用者，從而將互動體驗提供給使用者。舉例來說， 虛擬實境/擴增實境/混合實境系統可基於使用者的凝視方向（可表示使用者對此物件的興趣）、使用者位置等更新此虛擬圖像資料。
如上所述，傳統上，類比至數位轉換器（及其他支援電路）可以被佈置在和光二極體相同的半導體基板上，以減少佈線及相關的寄生電容。對於穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統，這樣的方式可能效果不佳。首先，虛擬實境/擴增實境/混合實境系統中可包括在不同位置的多個圖像感測器，以提供實體環境的不同視野，以便更精確的追蹤使用者的定位/移動。因為穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統的有限的形狀因素（form-factor），每一圖像感測器可能占用非常小的區域。藉由將類比至數位轉換器放置在和光二極體相同一側，光二極體的可用區域減少。較小的光二極體區域減少圖像感測器的整體光敏度，這點在低光環境應用上至關重要。較小的光二極體也限制了可由光二極體收集的光子數量。因此，在低光強度收集於光二極體中的光子可被雜訊電荷遮蓋掉，這導致減少可測量的光強度的範圍，也減少圖像感測器的動態範圍。此外，因為類比至數位轉換電路一般占用全部的感測器基板面積的大部分，每一圖像感測器中由於形狀因素的限制而包含少量的像素單元，如此降低了可用的解析度。此外，在多個像素（例如整列像素）共享類比至數位轉換器的感測器架構中，產生圖像的處理時間增加。增加的處理時間也增加基於圖像的定位/眼球追蹤的延遲。
另一方面，穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統可在具有極寬範圍的光強度的環境中運作。舉例來說，穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統能夠在室內環境或在戶外環境中運作，及/或在一天中的不同時間運作，且穿戴式 虛擬實境/擴增實境/混合實境系統的運作環境之光強度實質上可能會變化。再者，穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統亦可包含前述的NIR眼球追蹤系統，其可能需要投射極低強度的光線至使用者眼球以避免對眼球造成傷害。因此，穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統的圖像感測器可能需要具備寬廣的動態範圍以能夠在關聯於不同運作環境的極寬範圍的光強度中適當地運作（例如，產生關於入射光強度的輸出）。穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統的圖像感測器亦可能需要在足夠高的速度下產生圖像以允許使用者的位置、方向、凝視點等的追蹤。具有相對有限的動態範圍且以相對較低速下產生圖像的圖像感測器可能不適用於這樣的穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統。
此外，若裝置共用一個公用半導體基板。通常難以優化用於光感測的半導體裝置（如光二極體、提供用於儲存電荷的浮接節點的電晶體裝置等）及用於類比至數位轉換器的半導體裝置。這是因為用於光感測的半導體裝置及類比至數位轉換器通常具有相當不同的效能目標，這導致在公用的半導體基的衝突配置。舉例來說，期望減少負責光感測的半導體裝置的暗電流。如上所述，暗電流因為在這些半導體裝置的P-N接面的漏電流而產生。減少漏電流的一種方式係改變半導體基板的摻雜以減少電荷載子的遷移率。然而，減少電荷載子的遷移率可能並非類比至數轉換器的半導體裝置所想要的，因為半導體裝置的頻寬可能因此減少，從而降低類比至數位轉換器的流通量。此外，用於光感測的半導體裝置優化後也導致類比至數位轉換器在操作時的功耗較高，這點在穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統的效能方面尤為重要。為了達到最低的功耗和最快的數位功能操作，在類比至數位轉器及其他感測邏輯功能方塊中使用最先進的半導體製程技術節點（technology node）是有益的，但是這種製程科技節點通常並未為光感測優化。因此，若光感測裝置和類比至數位轉換器係如傳統方法共用相同的半導體基板，則優化兩組裝置以組裝提供良好的光感測能力、高處理速度極低功耗的圖像感測器變得非常困難。
因此，需要提供一種具有較大的可用區域圖像感測器，用於光二極體及類比至數位轉換器以增加解析度，低光敏度及處理速度。也有需要獨立地優化光感測及類比至數位轉換器裝置以增加性能並減少功耗。
本發明涉及圖像感測器，特別是且並不限制，本發明涉及使用堆疊結構以形成像素單元。本發明也涉及操作像素單元的電路以測量在兩個不同測量模式的入射光的強度。
在一範例中，提供了一像素單元。像素單元可包括一第一半導體層，此第一半導體層包含一光二極體及用以將光二極體產生的電荷轉換為一類比訊號的一或多個電晶體裝置，光二極體佔用第一半導體層內的第一區域，以及一第二半導體層，此第二半導體層用以將類比訊號轉換為一或多個數位訊號，第二半導體層的一或多個電晶體裝置佔用第二半導體層的第二區域。第一半導體層可沿一軸與第二半導體層形成一堆疊結構。第一區域及第二區域沿此軸至少部分重疊。
在一些方面，第一半導體層包含第一表面及第二表面。第一半導體層可包含設置於第二表面上的一或多個第一金屬互連件。第二半導體層可包含一第三表面朝向第二表面。第二半導體層可包含設置於第三表面上的一或多個第二金屬互連件。像素單元更包含一或多個第三金屬互連件，以在一或多個第一金屬互連件及一或多個第二金屬互連件之間提供電性連接。第一表面用於接收光子。
在一些方面，第一半導體層包含相異於第二半導體層的一摻雜分佈（doping profile）。第一半導體層包含一摻雜梯度以在第一半導體層的第一表面及第二表面之前引入電場。第一半導體層也可具有相異於第二半導體層的一厚度。可基於關聯一預定頻率的光子的一目標量子效率配置第一半導體層的厚度。
在一些方面，第一半導體層的一或多個電晶體裝置包括第一電晶體，此第一電晶體具有一源極端耦接光二極體、一汲極端用以作為電容及一閘極端能夠被操作以控制光二極體所產生流到電容的一電子流。第二半導體層的一或多個電晶體可包括一數位至類比轉換器，用以基於第一電晶體的汲極端的類比電壓產生一或多個數位訊號。數位至類比轉換器可包括計數器、記憶體及電壓比較器。記憶體用以儲存由計數器輸出的一或多個計數值。電壓比較器可用以基於第一電晶體的汲極端的類比電壓控制在記憶體的一或多個計數值的儲存，以產生一或多個數位訊號。當儲存於光二極體的電荷的數量超過一閾值時，閘極端被控制以允許電子從光二極體流至電容。第一半導體層的一或多個電晶體裝置可包括一第二電晶體，用於在一重置模式時，移除儲存於電容及光二極體上的電荷。
在另一範例中，提供一像素單元，此像素單元可包括光二極體；電容，用以儲存光二極體產生的電荷；以及處理電路，用以執行第一測量模式及第二測量模式之中的至少一者，以產生代表入射於光二極體上的光的強度的資料。在第一測量模式中，處理電路用於在電容與光二極體電性耦合時測量儲存在電容的電荷量。在第二測量模式中，處理電路用於在電容與光二極體電性隔離時測量儲存在電容的電荷量。
在一些方面，處理電路可包括可變閾值產生器、比較器和計數器。在第一測量模式中，可變閾值產生器可用以產生一固定閾值電壓。比較器可用以比對固定閾值電壓極代表儲存於電容的電荷量的一電壓，以產生一判定輸出。計數器可用以基於判定輸出產生一組計數值。對應於判定輸出的一變化的計數器所產生的該組計數值中的一或多個計數值係表示入射在光二極體上的光的強度。當入射在光二極體上的光的強度增加時，該組計數值中的一或多個計數值減少。固定閾值電壓對應光二極體的飽和光強度。
在一些方面，在第二測量模式中，可變閾值產生器可用以基於計數器產生的一組計數值產生一斜坡電壓。比較器可用以比對斜坡電壓及代表儲存於電容的電荷量的一電壓以產生一判定輸出。計數器可用以基於判定輸出產生該組計數值。對應於判定輸出的一變化的計數器所產生的該組計數值中的一或多個計數值係表示入射在光二極體上的光的強度。當入射在光二極體上的光的強度增加時，該組計數值中的一或多個計數值增加。
在一些方面，處理電路用於基於來自第一量測模式的一判定跳過第二測量模式，該判定係當該光二極體電性耦合該光二極體時，儲存於該電容的一電荷量超過一閾值。
在以下敘述中，為了解釋的目的，闡述了具體細節以便提供對某些發明實施例完整的理解。然而，顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實踐各種實施例。附圖和描述並不傾向於限制性的。
本發明一般關聯於圖像感測器。更具體地但非用以限制，本發明關聯於具有堆疊結構的像素單元，像素單元的光二極體堆疊在用於將光二極體的輸出轉換為數位訊號的電路上的至少一部分。藉由提供堆疊結構，可以減少像素單元的覆蓋區（footprint），這允許圖像感測器上包含更多的像素單元，這可以提升了圖像感測器的解析度。此外，堆疊結構也允許每個像素單元具有專屬的電路將光二極體的輸出予以數位化，這能增加像素單元產生數位輸出的速率。這些都能改善依靠像素單元的數位輸出的應用（如虛擬實境/擴增實境/混合實境系統）的效能以及使用者體驗。
本發明也關聯於操作像素單元以執行兩種模式下的光強度測量。像素單元可以包含光二極體及用於儲存光二極體產生的電荷的電容，在第一測量模式中，在電容電性耦合光二極體時可以操作像素單元以基於儲存在電容的電荷測量光強度。在第二測量模式中，可以操作像素單元以在電容電性隔離光二極體時測量儲存在電容的電荷。利用這兩種不同的測量模式，在強度超過光二極體的飽和界線時，像素單元能夠產生記錄入射光的強度的數位的輸出。這可擴展像素單元的動態範圍，並且也能改善依靠像素單元的數位輸出的應用（如虛擬實境/擴增實境/混合實境系統）的效能以及使用者體驗。
本發明實施例可包含或與人工實境（artificial reality）系統結合來實施。人工實境係為一種實境型態，在呈現給使用者之前，此實境型態被以某種方式進行調整，其可包含例如虛擬實境（virtual reality，VR）、擴增實境（augmented reality，AR）、混合實境（mixture reality，MR）、複合實境（hybrid reality）或上述任意組合及/或其衍生物。人工實境內容可包含完整產生的內容或與捕捉（真實環境）的內容結合而產生的內容。人工實境內容可包含視訊、音頻、觸覺回饋（haptic feedback），或上述任意組合，且上述任一個可經由單一通道或多通道呈現（例如對觀看者產生三維效果的立體聲視訊）。另外，在一些實施例中，人工實境亦可與應用程式、產品、配件、服務或上述任意組合相關聯，用於例如在人工實境當中創建內容及/或以其他方式在人工實境當中使用（例如執行活動）。提供人工實境內容的人工實境系統可在各種平台上實施，包含連接主電腦系統的頭戴式顯示器（HMD）、獨立的HMD、行動裝置或任何其他能夠提供人工實境內容給一或多個觀看者的硬體平台。
圖1A係近眼顯示器100的一實施例的圖。近眼顯示器100呈現媒體給使用者。近眼顯示器100所呈現的媒體例如包含一或多個圖像、視訊及/或音頻。在一些實施例中，音頻係透過外部裝置（例如揚聲器及/或耳機）而呈現，此外部裝置係接收來自於近眼顯示器100、控制台或前述兩者的音頻資訊，且根據此音頻資訊而呈現音頻資料。近眼顯示器100一般來說用於作為虛擬實境（VR）顯示器來操作。在一些實施例中，近眼顯示器100可修改作為擴增實境（AR）顯示器及/或混合實境（MR）顯示器來操作。
近眼顯示器100包含框架105與顯示器110。框架105耦接一或多個光學元件。顯示器110用以供使用者觀看近眼顯示器100呈現的內容。在一些實施例中，顯示器110包含波導顯示組件，用以將來自一或多個圖像的光線導引至使用者的眼睛。
近眼顯示器100更包含圖像感測器120a、120b、120c及120d。每個圖像感測器120a、120b、120c及120d可包含像素陣列，其用以產生沿著不同方向上代表不同視野的圖像資料。舉例來說，感測器120a與120b可用以提供圖像資料，其代表沿著Z軸朝著方向A上的兩個視野，而感測器120c可用以提供圖像資料，其代表沿著X軸朝著方向B上的一個視野，感測器120d用以提供圖像資料，其代表在沿著X軸朝向方向C上的一個視野。
在一些實施例中，感測器120a~120d可用以作為輸入裝置以控制或影響近眼顯示器100的顯示內容，從而提供互動式虛擬實境/擴增實境/混合實境的體驗給穿戴近眼顯示器100的使用者。舉例來說，感測器120a~120d可產生使用者所處的實體環境的實體圖像資料。實體圖像資料被提供至位置追蹤系統以追蹤實體環境中使用者的位置及/或移動路徑。然後系統可基於例如使用者的位置及方向，更新提供給顯示器100的影像數據，以提供互動式體驗。在一些實施例中，位置追蹤系統可運行一個同步定位與地圖創建（SLAM）演算法，用以當使用者在實體環境當中移動時，於實體環境及使用者的視野內追蹤一組物件。位置追蹤系統可基於該組物件建構且更新實體環境的地圖，且在地圖中追蹤使用者的位置。透過提供對應多個視野的圖像資料，感測器120a~120d可提供實體環境的更全面的視野給此位置追蹤系統，其可讓更多的物件被包含在地圖的建構與更新中。利用這種佈置，可提高在實體環境中追蹤使用者位置的準確性與可靠性。
於一些實施例中，近眼顯示器100可更包含一或多個主動式照明器包括，例如照明器130，以投射光線至實體環境。所投射的光線可關聯於不同頻譜（例如可見光、紅外光、紫外光），且可用於各種目的。舉例來說，照明器130可在黑暗環境中投射光線（或具有低強度紅外光、紫外光等的環境）以協助感測器120a~120d捕捉不同物件的影像，以能夠追蹤使用者的位置。照明器130可將特定標記投射到環境中的物件上，以協助位置追蹤系統識別物件以進行地圖建構/更新。
在一些實施例中，照明器130也能夠立體成像。舉例來說，一或多個感測器120a或120b可包含用於感測可見光的第一像素陣列以及用於感測紅外光（IR）的第二像素陣列。此第一像素陣列可被彩色濾光器所覆蓋（例如拜爾濾光器（Bayer filter）），第一像素陣列的每個像素用以測量關聯於特定顏色（例如紅、綠、藍其中一者）的光的強度。此第二像素陣列（用於感測紅外光）也可以被濾光器覆蓋，只允許紅外光通過，第二像素陣列的每個像素用以測量紅外光的強度。像素陣列可產生物件的RGB圖像及IR圖像，此IR圖像的每個像素被映射至RGB圖像的每個像素。照明器130可將一組IR標記投射於物件上，此組IR標記的圖像可被IR像素陣列所捕捉。基於圖像當中此物件的IR標記的分佈，系統可以評估從IR像素陣列到此物件的不同部分的距離，且基於這些距離而產生此物件的立體圖像。基於此物件的立體圖像，系統可判斷例如此物件與使用者的相對位置，且可基於此相對位置資訊更新提供給顯示器100的圖像資料，從而提供互動式體驗。
如上所述，近眼顯示器100可在具有極寬廣的光強度範圍的環境當中運作。舉例來說，近眼顯示器100可在室內環境或在室外環境、及/或在一天當中的不同時間進行運作。近眼顯示器100也可在照明器130開啟或未開啟的情形下運作。因此，圖像感測器120a~120d需要具有寬廣的動態範圍才能夠在近眼顯示器100的不同操作環境中的極寬廣的光強度範圍內正常地運作（例如產生關聯於入射光的強度的輸出）。
圖1B係近眼顯示器100的另一實施例的圖。圖1B繪示近眼顯示器100面向穿戴近眼顯示器100的使用者的眼球135的一側。如圖1B所示，近眼顯示器100可更包含複數個照明器140a、140b、140c、140d、140e及140f。近眼顯示器100更包含複數個圖像感測器150a及150b。照明器140a、140b及140c可朝向方向D（其相對於圖1A的方向A）發出特定頻率範圍的光線（例如近紅外光（NIR））。所發出的光線可關聯於一特定圖型（pattern），且可以被使用者左眼所反射。感測器150可包含像素陣列以接收所反射的光線且產生反射圖型的圖像。類似地，照明器140d、140e及140f可發出帶有此圖型的NIR光線。此NIR光線可被使用者右眼所反射，且可被感測器150b所接收。感測器150b也可包含像素陣列以產生反射圖型的圖像。基於來自於感測器150a及150b的反射圖型的圖像，系統可判定使用者的凝視點，且基於所判定的凝視點更新提供給顯示器100的圖像資料，從而提供互動式體驗給使用者。
如上所述，為了避免對使用者的眼球造成傷害，照明器140a、140b、140c、140d、140e及140f一般用以輸出強度極低的光線。在圖像感測器150a及150b與圖1A的圖像感測器120a~120d包含相同感測器裝置的情況下，當入射光強度極低時，圖像感測器120a~120d可能需要能夠產生關聯於入射光的強度的輸出，這可能進一步增加圖像感測器的動態範圍需求。
此外，圖像感測器120a~120d可能需要能夠在高速下產生輸出以追蹤眼球的運動。舉例來說，使用者眼球可執行一個由一眼球位置快速跳躍至另一眼球位置的極快速的運動（例如跳視（saccade）運動）。為了追蹤使用者的眼球的快速運動，圖像感測器120a~120d需要在高速下產生眼球的圖像。舉例來說，圖像感測器產生圖像幀的速率（幀率）至少需要符合眼球運動的速率。高幀率需要所有參與產生影像幀的像素單元的總曝光時間短暫，且需要快速將感測器輸出轉換為數位值以產生圖像。此外，如上所述，圖像感測器也需要能夠在具有低光強度的環境中運作。
圖2是圖1繪示的近眼顯示器100的截面200的實施例。顯示器110包括至少一波導顯示組件210。當使用者佩戴近眼顯示器100時，出射瞳（exit pupil）230係使用者的眼球220位於可視區域（eyebox）中的位置。出於說明的目的，圖2顯示關聯於單一眼球220及單一波導顯示組件210的截面200，但第二波導顯示器係供使用於使用者的第二隻眼睛。
波導顯示組件210用於將圖像光導向到位於出射瞳230的可視區域並且到眼球220。波導顯示組件210可以由具有一或多個折射率的一或多種材料（例如塑膠、玻璃等）組成。在一些實施例中，近眼顯示器100包括一或多個光學組件在波導顯示組件210和眼球之間。
在一些實施例中，波導顯示組件210包含一或多個波導顯示器的堆疊，包括但不限於一堆疊波導顯示器（stacked waveguide display），一變焦波導顯示器（varifocal waveguide display）等。堆疊波導顯示器係藉由堆疊波導顯示器而產生的一種多色顯示器（例如，紅綠藍（RGB）顯示器），其中所堆疊的波導顯示器各自的單色光源具有不同顏色。堆疊波導顯示器也是一種可投射在多個平面上的多色顯示器（例如多平面彩色顯示器）。在一些配置中，堆疊波導顯示器係一可投射在多個平面上的單色顯示器（例如多平面單色顯示器）。變焦波導顯示器係一可調整從波導顯示器發出的圖像光的焦點位置的顯示器。在另一實施例中，波導顯示組件210可包含堆疊波導顯示器及變焦波導顯示器。
圖3繪示波導顯示器300的一實施例的等角視圖。在一些實施例中，波導顯示器300係近眼顯示器100的一元件（如波導顯示組件210）。在一些實施例中，波導顯示器300係一些其他近眼顯示器或將圖像光導向特定位置的其他系統的一部分。
波導顯示器300包括一源組件310，一輸出波導管320，及一控制器330。出於說明的目的，圖3顯示關聯於單一眼球220的波導顯示器300，但在一些實施例中，與此波導顯示器300分離或部分分離的另一波導顯示器提供圖像光到使用者的另一隻眼睛。
源組件310產生圖像光355。源組件310產生並輸出圖像光355到位於輸出波導管320的第一側370-1的一耦合元件350。輸出波導管320係輸出擴展的圖像光340到使用者一眼球220的一光學波導管。輸出波導管320在位於第一側370-1的一或多個耦合元件350接收圖像光355並將所接收的輸入圖像光355引導到一個導向元件360。在一些實施例中，耦合元件350將來自源組件310的圖像光355耦合到輸出波導管320。耦合元件350例如是繞射光柵（differration grating）、全像光柵（holographic grating）、一或多個串接反射器（cascaded reflectors）、一或多個稜鏡表面元件，及/或全像反射器（holographic reflectors）陣列。
導向元件360將所接收到的輸出圖像光355重導向到一去耦元件365，使得所接收的輸入圖像光355經由去耦元件365在輸出波導管320外部被去耦合。導向元件360係輸出波導管320的第一側370-1的一部分，或被固定到輸出波導管320的第一側370-1。去耦元件365係輸出波導管320的第二側370-2的一部分，或被固定到輸出波導管320的第二側370-2，使得導向元件360相對於去耦元件365。導向元件360及/或去耦元件365例如是繞射光柵、全像光柵、一或多個串接反射器、一或多個稜鏡表面元件，及/或全像反射器陣列。
第二側370-2代表沿著x維度和y維度的一平面。輸出波導管320可由促進圖像光355全內反射（total internal flection）的一或多個材料組成。輸出波導管320可以由例如矽、塑膠、玻璃和/或聚合物組成。輸出波導管320具有一相對小的形狀因素（form factor）。舉例來說，輸出波導管320沿著x維度可以是大約50公厘（mm）寬，沿著y維度是30公厘長，且沿著z維度是0.5~1公厘厚。
控制器330控制源組件310的掃描操作。控制器330決定用於源組件310的掃描指令。在一些實施例中，輸出波導管320輸出具有大視野（field of view，FOV）的擴展圖像光340到使用者的眼球220。舉例來說，擴展圖像光340以具有60度及/或更大及/或150度及/或更小的對角視野（在x和y維度）被提供到使用者的眼球220。輸出波導管320用於提供具有長度20公厘或更長及/或等於或小於50公厘；及/或寬度10公厘或更寬及/或小於或等於50公厘的一可視區域。
此外，基於由圖像感測器370提供的圖像資料，控制器330也控制由源組件310產生的圖像光355。圖像感測器370可以位於第一側370-1上，並且可以包含例如圖1A的圖像感測器120a-120d，以產生使用者前面的實體環境的圖像資料（例如，用於確認位置）。圖像感測器370也可以位於第二側370-2上並且可以包含圖1B的圖像感測器150a和150b，以產生使用者的眼球220的圖像數據（例如，用於確認凝視點）。圖像感測器370可以連接不位於波導顯示器300內的遠端控制台。圖像感測器370可以提供圖像資料給遠端控制台，此遠端控制台可以確認例如使用者的位置，使用者的凝視點等，並確認顯示給使用者的圖像的內容。遠端控制台可傳送指令給和確定的內容相關的控制器330。基於指令，控制器330可以控制源組件310對於圖像光355的產生和輸出。
圖4繪示波導顯示器300的一截面400的一實施例。此截面400包含源組件310、輸出波導管320及圖像感測器370。在圖4的範例中，圖像感測器370可以包含位於第一側370-1的一組像素單元402以產生使用者前面的實體環境的圖像。在一些實施例中，可以在這組像素單元402和實體環境之間插入機械快門404以控制這組像素單元402的曝光。在一些實施例中，機械快門404可由將在下面討論的電子快門所取代。每個像素單元402可以對應於圖像的一個像素。雖然未在圖4中示出，可以理解的是每個像素單元402也可以用濾光器覆蓋，以控制由像素單元感測的光的頻率範圍。
在收到遠端控制台的指令之後，機械快門404可在一曝光期間內打開並曝光該組像素單元402。在曝光期間，圖像感測器370可獲得入射在該組像素單元402的光的樣本，並且基於由該組像素單元402偵測的入射光樣本的一強度分布產生圖像資料。圖像感測器370然後可提供圖像資料到確認顯示內容的遠端控制台，並提供顯示內容資訊給控制器330。控制器330然後基於顯示內容資訊可確認圖像光355。
源組件310根據來自控制器330的指令產生圖像光355。源組件310包含一來源410及一光學系統415。來源410係產生同調（coherent）或部分同調光的一光源。來源410例如是雷射二極體，垂直腔面發射雷射器（vertical cavity surface emitting laser）及/或發光二極體。
光學系統415包括一或多個光學元件，光學元件調節來自來源410的光。調節來自來源410的光包含例如根據來自控制器330的指令擴展，準直（collimating）及/或調整定向。一或多個光學元件可包含一或多個鏡頭、液體透鏡、鏡子、光圈（aperture）及/或光柵。在一些實施例中，光學系統415包含具有複數個電極的一液體透鏡，這些電極允許具有掃描角度閾值的光束的掃描以將光束移動到液體透鏡以外的區域。從光學系統415（以及源組件310）發出的光被當作圖像光355。
輸出波導管320接收圖像光355。耦合元件350將來自源組件310的圖像光355耦合到輸出波導管320。在耦合元件350係一繞射光柵的實施例中，選擇繞射光柵的一節距（pitch）使得全內反射發生在輸出波導管320中，且圖像光355朝向去耦元件365在輸出波導管320內部地傳播（例如藉由全內反射）。
導向元件360朝向去耦元件365重導向圖像光355以從輸出波導管320去耦。在導向元件360係一繞射光柵的實施例中，選擇繞射光柵的一節距導致入射的圖像光355以相對於去耦元件365表面的傾斜的角度離開輸出波導管320。
在一些實施例中，導向元件360及/或去耦元件365係結構上相似。離開輸出波導管320的擴展圖像光340沿著一或多個維度（例如，可沿著x維度延長）被擴展。在一些實施例中，波導顯示器300包含複數個源組件310及複數個輸出波導管320。每一源組件310發出對應一原色（如：紅、綠、藍）具有特定波長頻帶的單色圖像光。每一輸出波導管320可以一間隔距離被堆疊在一起以輸出多色的擴展圖像光340。
圖5係包含近眼顯示器100的系統500的一實施例的方塊圖。系統500包括近眼顯示器100，圖像裝置535，輸出/輸出介面540，以及各自耦合到一控制台510的圖像感測器120a~120d及150a~150d。
近眼顯示器100係呈現媒體給使用者的顯示器。由近眼顯示器100呈現的媒體的範例包含一或多個圖像、視訊及/或聲頻。在一些實施例中，聲頻由一個外部裝置（如，揚聲器及/或頭戴式耳機）呈現，此外部裝置從近眼顯示器100及/或控制台510接收聲頻資訊，且基於聲頻資訊對使用者呈現聲頻資料。在一些實施例中，近眼顯示器100也可作為AR眼鏡。在一些實施例中，近眼顯示器以電腦產生的元素（如圖像、視訊、聲音等）擴增物理上真實世界的視野。
近眼顯示器100包括一波導顯示組件210，一或多個位置感測器525及/或一慣性感測單元（inertial measurement unit，IMU）530。波導顯示組件210包含源組件310，輸出波導管320及控制器330。
慣性感測單元530係一電子裝置，其基於從一或多個位置感測器525收到的測量訊號產生快速校正資料，此快速校正資料指示近眼顯示器100相對於近眼顯示器100初始位置的一估測位置。
圖像裝置535可產生用於多種應用的圖像資料。舉例來說，圖像裝置535可以根據從控制台510接收的校正參數產生圖像資訊以提供慢速校正資料。圖像裝置535可以包含例如圖1A的圖像感測器120a~120d以產生使用者所在的實體環境的圖像資料，藉此執行使用者的定位追蹤。圖像裝置535可進一步包含例如圖1B的圖像感測器150a~150b以產生確認使用者凝視點的的圖像資料，藉此確認使用者感興趣的物件。
輸入/輸出介面540是一個允許使用者送出動作請求到控制台510的裝置。動作請求係指執行一特定動作的請求。舉例來說，一個動作請求可以是開始或結束一個應用程式或在一應用程式內執行一特定動作。
控制台510根據從一或多個圖像裝置535、近眼顯示器100以及輸入/輸出介面540接收到的資訊提供媒體到近眼顯示器100以呈現給使用者。在圖5所示的範例中，控制台510包括一應用程式商店545、一追蹤模組550及一引擎555。
應用程式商店545儲存一或多個應用程式供控制台510執行。應用程式係一組指令，當處理器執行這些指令時可產生內容以呈現給使用者。應用程式的範例包含：遊戲應用程式、會議應用程式、視訊回放應用程式或其他合適的應用程式。
追蹤模組550使用一或多個校正參數校正系統500並可調整一或多個校正參數以減少在確認近眼顯示器100的位置時的誤差。
追蹤模組550使用來自圖像裝置535的慢速校正資訊追蹤近眼顯示器100的移動。追蹤模組550也使用來自快速校正資訊的位置資訊確定近眼顯示器100的參考點的位置。
引擎555在系統500內執行應用程式並從追蹤模組550接收近眼顯示器100的位置資訊、加速度資訊、速度資訊及/或預測的未來位置。在一些實施例中，引擎555接收的資訊可被用來產生一訊號（例如，顯示指令）到波導顯示組件210，以決定呈現給使用者的內容的類型。舉例來說，為了提供一個互動體驗，引擎555基於使用者的位置（例如由追蹤模組550所提供）、使用者的凝視點（例如基於從圖像裝置535提供的圖像資料）、物件和使用者之間的距離（例如基於從圖像裝置535提供的圖像資料）可決定要呈現給使用者的內容。
圖6A~6C繪示像素單元600的一範例。像素單元600可以是像素陣列的一部份且可產生對應於圖像的一像素的數位強度資料。舉例來說，像素單元600可以是圖4的多個像素單元402的一部份。圖6A繪示代表像素單元600的電路示意圖，而圖6B及圖6C繪示像素單元600的裝置結構。如圖6A所示，像素單元600可包含光二極體602、第一開關604、第二開關606、第三開關607、電容608、緩衝器609以及像素類比至數位轉換器610。在一些實施例中，光二極體602可以包含P-N二極體或P-I-N二極體。第一開關604，第二開關606及第三開關607中的每一個可包含一電晶體。電晶體可包含例如金屬氧化物半導體場效應電晶體（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）、雙極性接面二級體（bipolar junction transistor，BJT）等。電容608可以是第一開關604的電晶體的浮接端（floating terminal）。所述浮接端可以是例如汲極端（用於MOSET）、集極端（用於BJT）等，具有能夠儲存電荷的寄生電容，以建立電壓。緩衝器609可用於在電容608和像素類比至數位轉換器610之間提供電壓緩衝。對於本發明的其餘部份，係假定第一開關604，第二開關606及第三開關607皆為MOSFET電晶體，並且緩衝器609也包括用作源極隨耦器（source follower）的MOSFET電晶體。像素類比至數位轉換器610可以包含提供入射光的強度的數位表示法（digital representation）的任何電路。像素類比至數位轉換器610的範例敘述如下。
在一些實施例中，第一開關604可以作為電子快門閘（代替圖4的機械快門404或與圖4的機械快門404結合）以控制像素600的曝光期間。在曝光期間，可藉由曝光賦能訊號611去能（關閉）第一開關604，而可藉由累積賦能訊號612賦能（打開）第二開關606。在曝光期間，光二極體602可以藉由將光子轉換成電荷並產生光電流Iph 以感測入射光。若光二極體602未飽和，光電流Iph 的量可以關聯於入射光強度。電荷可經由第二開關606流出光二極體602的陰極（cathode）進到電容608，且可以在電容608產生類比電壓。緩衝器609可以感測類比電壓並在類比輸出節點614產生類比電壓的複製品（但具有較大的驅動強度）。累積在電容608的電荷量（或電荷量的變化）關聯於光電流Iph 的強度，而在類比輸出節點614產生的類比電壓關聯於光電流Iph 的強度。如下方所述，在曝光期間，在類比輸出節點614的類比電壓可以藉由像素類比至數位轉換器610被轉換為一組數位資料（例如，包括邏輯1和0）。數位資料可藉由一組像素輸出匯流排616被傳送到，舉例來說，圖5的控制台510，以代表在曝光期間的光強度。
在曝光期間完成之後，可以跟隨一選擇性的靜態測量期間，其中第一開關604及第二開關606被控制以保存累積在電容608的電荷，使得累積在電容608的電荷量（或儲存的電荷量的變化）關聯於在曝光期間捕捉到光的強度。例如，可以藉由曝光賦能訊號611賦能（打開）第一開關604以將光二極體602產生的任何光電流引導離開電容608並進到光二極體電流槽617。第二開關606也可以藉由累積賦能訊號612被去能（關閉）606以防止光電流對電容608充電/放電。如下所述，在靜態測量期間在類比輸出節點614的類比電壓（其反映儲存在電容608的總電荷）也可以被轉換為另一組數位資料，以代表在曝光期間的光強度。
隨著曝光期間的結束（以及可選的靜態測量期間）像素單元600可以在重置期間被操作，以移除儲存在電容608的電荷。在重置期間，第一開關604可維持賦能以引導光電流離開電容608，而第二開關606也可以維持去能以防止光電流進入電容608。此外，也可以藉由一重置訊號618賦能第三開關607以連接電容608和電荷槽620，以移除儲存在電容608的電荷。在光電流包括負電荷的情況下，光二極體電流槽617及電荷槽620都可以是具有正電壓以吸引負電荷的電壓來源。在光電流包括正電荷的情況下，光二極體電流槽617及電荷槽620都可以是具有接地或負電壓的電壓來源以吸引正電荷。在重置期間結束之後，可以再次曝光像素單元600以獲得光強度的新樣本。
在一些實施例中，在像素單元600的曝光係受控於機械快門（例如機械快門404）的情況下，可以省略第一開關604，而第三開關607（以及電荷槽620）仍然可以作為重置開關運作。在這種情況，在重置期間，利用機械快門阻擋像素單元600接收入射光，可以在光二極體602不產生光電流時賦能第三開關607及第二開關606以同時移除儲存在電容608的電荷。在曝光期間，可以去能第三開關607且可以賦能第二開關606以允許光二極體602產生的光電流流入電容608。像素類比至數位轉換器610可以在曝光期間的任何時間點產生代表儲存在電容608的電荷的數位訊號。此外，在曝光期間結束時，在靜態測量期間中也可以去能第二開關606以允許像素類比至數位轉換器610測量在曝光期間累積的總電荷。
藉由在像素單元600中提供像素類比至數位轉換器610，像素陣列的每一像素單元600可以被暴露於入射光並且同時產生在像素單元接收的入射光強度的數位表示法，以提供全域的快門操作。對於高速運動捕捉，全域快門具有優勢，因為它避免在不同時刻捕捉移動物件不同部份的影像的像素單元的列時所引起的滾動快門操作所關聯的運動失真（motion distortion）的問題。此外，相較於傳統其像素單元的列輪流被曝光並產生強度資料的方法，可以減少使用像素單元600用於圖像產生的處理時間。在互動式虛擬實境/擴增實境/混合實境使用圖像以執行位置/眼球追蹤的情況下，減少的圖像產生時間可加速追蹤，這帶來更好的使用者體驗。
圖6B繪示像素單元600的裝置結構的側視圖，而圖6C繪示像素單元的一些元件的三維視圖。如圖6B所示，像素單元600包含兩個半導體層630及645。半導體層630可以包含矽基板632。矽基板632可以是P型基板，其包含可形成光二極體602的P型層634及N型層636。矽基板623更包含N型汲極635、N型汲極637、N型汲極638以及N型汲極639。矽基板632更包含在矽基板632的前表面644的多晶矽閘640、多晶矽閘641以及多晶矽閘642。N型汲極637及多晶矽閘640可形成用於第一開關604的NMOS電晶體的一部份，而N型汲極638及多晶矽閘641可形成用於第二開關606的NMOS電晶體的一部份。N型汲極638可用作電容608。此外，N型汲極635、N型汲極639以及多晶矽閘642可形成用於緩衝器609（例如源極隨耦器）的NMOS電晶體的一部份以緩衝N型汲極638產生的電壓，其中N型汲極635連接至電壓來源（未繪示於圖6B），多晶矽閘642用於作為緩衝輸出及N型汲極639用於作為緩衝輸出。雖然未繪示於圖6A，矽基板632可更包含裝置以形成第三開關607（用於重置）。
半導體層630更包含一組金屬線路，其包含例如金屬件650、652及653。金屬件650可用於將訊號（例如累積賦能訊號612）傳送到多晶矽閘641，而金屬件653可用於將N型汲極638（電容608）的電壓傳送到多晶矽閘642以藉由緩衝器609進行緩衝。緩衝器609的輸出可以是N型汲極639。金屬件652可以將緩衝的電壓傳送到半導體層642以用於類比至數位的轉換，如下方更詳細的描述。金屬件650和652可以由銅製成。半導體層630可以更包含絕緣體654，其在前表面644連接矽基板632並且覆蓋金屬650及652、N型汲極637、638及639、以及多晶矽閘640、641及642。絕緣體654可以包含例如二氧化矽以提供對於半導體層630上的金屬件及閘極及汲極端/源極端的電性隔離。
當光651打向矽基板632的背表面646時，光651的光子可以進入P型層634和N型層636之間的P-N接面並且產生電子-電洞對（electron-hole pairs）。基於經由金屬件650施加在多晶矽閘641上的電壓，可以賦能第二開關606，而且可以在N型層636和N型汲極638之間的矽基板632的一區域內形成電子通道。由光子在P-N接面產生的電子可以作為光電流Iph 通過電子通道從N型層636流動到N型汲極638。然後電子可以累積在N型汲極638並且產生類比電壓。可以在N型汲極639（緩衝器的輸出609）產生緩衝版本的類比電壓。
在一些實施例中，矽基板632也可以被配置為具有產生光電流Iph作為正電荷的P型層634。在這種情況，矽基板632可以包含圍繞P型汲極（代替N型汲極）637、638及639的一或多個N井，以形成用於第一開關604、第二開關606、緩衝器609（以及未繪示在圖6B的第三開關607）的PMOS電晶體。
此外，半導體層645包含矽基板660。矽基板660可以包含P型汲極/源極662a、662b、662c及662d，N型汲極/源極664a及664b，以及N井區域666等。矽基板660在前表面670可以更包含多晶矽閘668a、668b以及668c等。汲極/源極，N井區域以及多晶矽閘可以形成用於像素類比至數位轉換器610的裝置。半導體層645更包含從半導體層630延伸的金屬件652，以及金屬件672。金屬件652可以用於將在P型汲極641產生的類比電壓作為輸入傳輸到像素類比至數位轉換器610的多晶矽閘668c。金屬件672可以是像素輸出匯流排616的一部份，用於傳輸由像素類比至數位轉換器610產生的類比電壓的數位表示法。半導體層645可以更包含絕緣體674，其在前表面670連接矽基板660並且覆蓋金屬件652及672，以及汲極/源極端以及矽基板660的多晶矽閘以提供電性隔離。
在一些實施例中，如圖6B及6C所示，半導體層630及645可以沿Z軸堆疊以形成堆疊結構，其中光二極體602（包含P型層634及N型層636）至少部分重疊於像素數位至類比轉換器610的裝置。利用這種堆疊結構，像素類比至數位轉換器610不需要定位在光二極體602的同側。這樣的安排可增加每個光二極體的可用面積。如上所述，可穿戴的虛擬實境/擴增實境/混合實境系統可包含多個圖像感測器以產生多個視野，但是可穿戴系統只能提供用於安裝圖像感測器的非常有限的面積。利用這種堆疊結構，可以在這些圖像感測器的像素陣列中包含更多的像素（以及相關的光二極體），使得這些圖像感測器的解析度大量地提高。此外，堆疊結構也允許每個像素單元包含堆疊於光二極體之下且不佔用額外面積的專屬類比至數位轉換器（例如像素類比至數位轉換器610）。這允許像素陣列的每一個像素單元暴露於入射光並且同時產生入射光的強度的數位表示法，從而減少了用於圖像產生的處理時間，如上所述。
除了增加光二極體的可用面積之外，堆疊架構也能夠在N型汲極639（緩衝器609的輸出）和像素類比至數位轉換器610之間最小化佈線（routing）。此最小化的佈線可以減少電容耦合和雜訊電荷。舉例來說，如圖6B及圖6C所示，半導體層630及645可以被導向使得矽基板632的前表面644面向矽基板660的前表面670。利用這種佈置，可以減少在N型汲極639（用於作為電容）和多晶矽閘668c（用於作為像素類比至數位轉換器610的輸入端）之間的佈線距離。在圖6B及圖6C的範例中，N型汲極639和多晶矽閘668c可藉由直線金屬件652連接。由於減少的佈線，可以減少雜訊電荷，如此可以降低藉由像素單元600可測量到的光強度的最小值。因此，可以擴大像素單元600的動態範圍。佈線距離及其相關的寄生電容量的減少也顯著地降低功耗，至少因為緩衝器609的驅動強度可以因為減少的佈線距離而降低。
堆疊結構也能夠在矽基板632和矽基板660之間去耦，這允許感光裝置（例如光二極體602，第一開關604）獨立於像素類比至數位轉換器610的裝置進行最佳化。舉例來說，可以設定矽基板632的厚度（如前表面644和後表面646之間所量測到的厚度）以提高光二極體601在感測關聯於特定頻率範圍的光子的量子效率。另一方面，矽基板660的厚度不受目標量子效率的影響。作為一個說明性的範例，矽基板632的厚度可設定為約4微米（microns），P型層634可以具有約3微米的厚度，且N型層636可以具有約1微米的厚度，藉此改善光二極體602在感測紅外光的量子效率。另一方面，矽基板660的厚度一般在300微米的範圍。
除了不同的厚度之外，堆疊結構也能夠在矽基板632及矽基板600引入不同的摻雜分佈，以最佳化感光裝置及像素類比至數位轉換器610的裝置。舉例來說，在矽基板632中，可以引入摻雜梯度到P型層634，以產生靜電場促進（由光子產生的）電荷移動到光二極體602中。利用這種佈置，N型汲極638將收集更多光電子，這可以提供更精確的光651的強度的表示。此外，矽基板632的摻雜分佈也可以被定制以減少暗電流（dark current）（例如減少載子在基板的遷移率以減少漏電流）。另一方面，矽基板660的摻雜分佈可以被定制，以例如增加載子的遷移率，為了例如改善裝置的頻寬，減少像素數位至類比轉換器610的功耗等。
堆疊結構也增加感測器快門的效率，這是因為在快門關閉期間的漏光所收集的光子電荷（理想上應為0）的測量。在堆疊感測器的實施例中，所有像素的類比輸出節點614處的類比電壓在快門關閉後係立即藉由像素類比至數位轉換器同時被量化，所以由於漏光而累積的額外的光子電荷的數量非常小。相較之下，若類比至數位轉換器由一行像素所共享，那麼在快門關閉後一些像素在被量化前必須等待長時間。這種感測器架構需要像素內的電荷儲存二極體保持訊號電荷，而且這種類型的感測器因為長時間的漏光累積而傾向具有較低的快門效率。
圖7繪示像素類比至數位轉換器610的內部元件的範例。如圖7所示，像素類比至數位轉換器包含閾值產生器702，比較器704以及數位輸出產生器706。數位輸出產生器706更包含計數器708以及記憶體710。計數器708可以基於自由運行（free-running）的時鐘訊號產生一組計數值，而記憶體710可以儲存由計數器708產生的至少一些計數值（例如，最新的計數值）。在一些實施例中，記憶體710可以是計數器708的一部份。記憶體710可以是例如鎖存電路（latch circuit），用於儲存基於如下所述的區域像素值的計數值。閾值產生器702包含可接受一組數位值並輸出代表該組數位值的類比電壓的數位至類比轉換器（digital-to-analog converter，DAC）713。如下面更詳細敘述的部份，閾值產生器702可以接受靜態數位值以產生一固定閾值，或接受計數器708的輸出714以產生斜坡閾值。
雖然圖7繪示數位至類比轉換器713（以及閾值產生器702）係像素類比至數位轉換器610的一部份，但應當理解的是數位至類比轉換器713（以及閾值產生器）可以從不同的像素單元被耦接到多個數位輸出產生器706。此外，也可以在複數個多像素單元中共數位輸出產生器706以產生數位值。
比較器704可以將在類比輸出節點614產生的類比電壓與閾值產生器702提供的閾值進行比較，並且基於比較結果產生一個決策716。舉例來說，若在類比輸出節點614的類比電壓等於或超過閾值產生器702產生的閾值，比較器704可以產生用於決策716的一個邏輯1。若類比電壓降至閾值以下，比較器704也可以產生用於決策的一個邏輯0。決策716可以控制計數器708的計數操作及/或儲存在記憶體710內的計數值，以測量在類比輸出節點614的類比電壓的特性。所述的特性可以表示入射在像素單元600上的光的強度。儲存在記憶體710的計數值可以由像素輸出匯流排616傳送，作為由像素單元600輸出的數位強度值。
可以被像素類比至數位轉換器610量測的類比電壓的特性是類比電壓的斜坡率（ramping rate）。類比電壓的斜坡率可以反映入射光的強度。如上所述，當入射光強度增加時，更多光子將在一時段內進入像素單元600。因為光子的數量的增加，光二極體602也可以在此時段內產生更多電荷。假設第一開關被賦能，則在該時段內更多電荷將會沉積在電容608。隨著更多沉積在電容608的的電荷，在類比輸出節點614的類比電壓也將更快爬升。
圖8繪示對於不同入射光強度在類比輸出節點614的類比電壓變化（在一次初始重置電壓位準和即時電壓位準之間）的範例。在圖8中，縱軸表示電壓，橫軸表示時間。線802表示當光二極體602暴露於具有第一強度等級的入射光時，在類比輸出節點614的類比電壓相對於時間的變化。線804表示當光二極體602暴露於具有第二強度等級的入射光時，在類比輸出節點614的類比電壓相對於時間的變化。此外，線806表示當光二極體602暴露於具有第三強度等級的入射光時，在類比輸出節點614的類比電壓相對於時間的變化。在圖8的範例中，第一強度等級高於第二強度等級，第二強度等級高於第三強度等級。
強度等級的差異之處也反映在類比電壓的不同變化率以及斜坡類比電壓達到特定閾值的持續時間上。舉例來說，由線802表示的類比電壓花了T1的持續時間以達到閾值808，由線804表示的類比電壓花了T2的持續時間以達到相同的閾值808，以及由線806表示的類比電壓花了T3的持續時間以達到閾值808。持續時間T1、T2及T3能分別被用來表示（或估計）入射光的第一強度等級，第二強度等級及第三強度等級，持續時間的長度和強度等級成反比。持續持間可由計數器測量，例如圖7的計數器708。
當光強度超過光二極體的飽和界線（saturation limit）時，測量持續時間可以成為用於估計入射光強度的一個有用的方式。如上所述，由光二極體（如光電流）產生電荷的速率可以直接關聯於入射光的強度直到光二極體達到飽和界線，超過此界線後，光電流可能變得停滯而且不再隨著入射光強度線性地提升。因此，在固定持續時間內（例如在曝光期間內）測量沉積在光二極體的總電荷可能無法提供超過飽和界線的入射光強度的精確的表示法。另一方面，由斜坡類比電壓達到閾值的持續時間反映的光二極體產生電荷的速率的直接測量，可以提供超過飽和界線的入射光強度的更精確的表示法。
請返回參考圖8，閾值808可以是用於測量超過飽和界線的入射光強度的飽和閾值電壓。舉例來說，（線804對應的）第二強度等級可以是光二極體602保持未飽和時的最大入射光強度等級，其中光二極體602的光電流保持與入射光強度等級線性相關。閾值808可以被選擇成為在曝光期間結束時在類比輸出節點614的最大類比電壓變化，由時間點T2標示。
在一些實施例中，像素類比至數位轉換器610可以使用閾值808以決定入射光強度是否超過飽和界線，並基於是否已經達到飽和界線而決定數位表示入射光強度的方式。舉例來說，請返回參考圖8，由線802表示的類比電壓在曝光期間（T2）結束之前的時間點T1達到閾值808，因為入射光（其導致由線802表示的類比電壓的變化）的第一強度等級超過入射光（其導致由線804表示的類比電壓的變化）的第二強度等級。另一方面，由線806表示的類比電壓在時間點T3達到閾值808，此時間在曝光期間（T2）結束之後，因為入射光（其導致由線806表示的類比電壓的變化）的第三強度等級低於入射光（其導致由線804表示的類比電壓的變化）的第二強度等級。
因此，像素類比至數位轉換器610可以基於在類比輸出節點614的斜坡類比電壓是否在曝光期間結束之前達到閾值808，而確定入射光強度是否超過飽和界線。若類比電壓在曝光期間達到閾值808（例如，類似於線802），像素類比至數位轉換器610可確定入射光強度超過飽和界限。像素類比至數位轉換器610可以使用計數器708測量類比電壓達到閾值808的持續時間以執行飽和時間（time-to-saturation）測量。表示飽和時間測量的計數值可用於估計入射光強度。另一方面，若類比電壓在曝光期間未達到閾值808（例如，類似於線806），像素類比至數位轉換器610可確定入射光強度沒有超過飽和界線。在這種情況下，像素類比至數位轉換器610也可以在曝光期間結束時測量類比電壓的準位，其表示在曝光期間由光二極體602產生的總電荷，以估測入射光強度。
利用這種佈置，像素單元600的可測量的光強度的最大值可以增加超過光二極體的飽和界線，如此可更增加像素單元600的動態範圍。隨著動態範圍的增加，像素單元600能夠在具有光強度非常寬的範圍的環境中提供高品質的圖像資料。
現在參考圖9A，其繪示在曝光期間像素類比至數位轉換器610的操作。線902表示在類比輸出節點614的類比電壓相對於時間的變化，而線903表示由閾值產生器702產生的閾值輸出。閾值輸出可以由閾值產生器702的數位至類比轉換器713產生，其中閾值產生器702被編寫程式以輸出表示飽和閾值電壓（例如圖8的閾值808）的固定閾值。線904表示由比較器704輸出的決策716相對於時間的變化。線906表示儲存於記憶體710的計數值相對於時間的變化。
在曝光期間的開始（時間點T0），像素單元600的第三開關607將被賦能以將電容608重置到一已知電壓，或者清除儲存在電容608的電荷。出於說明的目的，在此範例中係假定由光二極體602提供的光電流增加儲存在電容608的電荷（以及增加在類比輸出節點614的類比電壓），雖然可理解光電流可能也會減少儲存在電容608的電荷（以及減少在類比輸出節點614的類比電壓）。如線902所示，在類比輸出節點614的類比電壓保持爬升，且在時間點T1達到閾值（由閾值產生器702輸出）。在時間點T1，比較器輸出的決策716也因為類比電壓超過飽和閾值而翻轉（例如由邏輯1到邏輯0）。基於此，在飽和期間發生決策716的翻轉，像素類比至數位轉換器610可以決定入射光強度超過飽和界線，並決定取得飽和時間的測量以表示入射光的強度。基於此決定，像素類比至數位轉換器610可以在時間點T1從記憶體710獲得計數器708的最新的計數值，並且停止計數器708的計數（及/或凍結儲存在記憶體710的計數值）。然後像素類比至數位轉換器610也可以包含一個訊號（例如旗標指示符）以指示計數值係作為飽和時間的測量而被取得並且和入射光強度成反比。
另一方面，若決策716在曝光期間未翻轉，代表入射光強度未超過飽和界線，像素類比至數位轉換器610可以決定在曝光期限結束時去測量類比電壓以估測入射光強度，所述類比電壓代表由光二極體602在曝光期間產生的總電荷。
現在參考圖9B，其繪示在曝光期間結束後像素類比至數位轉換器610的操作。線912表示在類比輸出節點614的類比電壓。線913代表閾值產生器702的閾值輸出。在曝光期間結束後，閾值產生器702可以藉由計數器輸出714被編程以產生電壓斜坡（voltage ramp）。線914表示比較器704輸出的決策716相對於時間的變化。線916表示儲存在記憶體710的計數值相對於時間的變化。
在曝光期間結束時（時間點T2），像素單元600的第一開關604將被禁能以將光二極體602隔離於電容608。如線912所示，類比電壓保持靜態。在時間點T2，計數器708也被賦能以基於時鐘訊號712產生一組計數值。計數值被輸出以編程閾值產生器702的數位至類比轉換器713以產生斜坡閾值（ramping threshold），如線913所示。在斜坡閾值達到類比電壓之前，比較器704輸出邏輯1給決策716，如線914所示。記憶體710也儲存由計數器708產生的最新的計數值。在時間點T3，斜坡閾值達到（或超過）類比電壓。在該時間點，決策716翻轉，而且像素類比至數位轉換器610可以停止計數器708更新及/或凍結儲存在記憶體710的計數值。像素類比至數位轉換器610然後可以提供儲存在記憶體710的計數值以表示入射光強度。像素類比至數位轉換器610也可包含一個訊號（例如旗標指示符）以指示計數值係作為在曝光期間由光二極體602產生的總電荷的測量而被取得，且係直接關聯於入射光強度。
在一些實施例中，像素數位類比至數位轉換器610也可以執行在光二極體602的飽和時間測量，因為低的暗電流在光二極體602而可改善強度測量的準確性。在曝光期間，第一開關604可以被用於作為一個障礙以擋住光二極體602產生的電流直到在光二極體602產生的電壓（藉由電荷累積）超過對應於飽和界線的電壓閾值。一旦電壓超過閾值，光電流將會開始流向電容608，這導致在類比輸出節點614的類比電壓的跳躍。像素類比至數位轉換器610可以藉由測量（例如使用計數器708）在曝光期間開始到跳躍發生這段的經過時間以在光二極體602執行飽和時間測量。
圖10繪示用於決定像素單元（例如像素單元600）的入射光強度的方法1000的流程圖的一實施例。可以藉由控制器與各種像素單600的元件執行方法1000。方法1000開始於步驟1002，在一重置期間操作像素單元600。參考圖6A的範例，在步驟1002的重置期間，控制器可以例如賦能第一開關607及第三開關607，並且禁能第二開關606以重置電容608，以及阻止光二極體602產生的光電流抵達電容608。
在步驟1004，可以操作像素單元600以離開重置期間並且進入曝光期間。在曝光期間，控制器可以禁能第一開關604，賦能第二開關606並且禁能第三開關607，以允許光二極體602產生的光電流抵達電容608以改變儲存在電容608的電荷量。
在步驟1006，可以操作像素單元600以決定在曝光期間入射光的強度是否達到（或超過）飽和界線。所述的決定可基於例如在曝光期間由類比輸出節點614產生的類比電壓（因為來自光電流額外累積在電容608的電荷）是否達到飽和閾值。如果達到飽和界線，在步驟1008，可以操作像素單元600以執行用於決定光強度的飽和時間測量。
另一方面，如果飽和界線尚未達到，在步驟1010，可以操作像素單元600以決定在曝光期間結束時累積在電容608的總電荷。在步驟1010，控制器可以進入靜態測量期間，在此期間第一開關604被賦能，第二開關606及第三開關607被禁能，以保存儲存在電容608的電荷。
為了說明的目的已經呈現前面關於本發明實施例的實施方式；並不傾向於窮舉或將本發明限制在所揭露的精確形式。相關領域的技術人員可以理解按照上述揭露，許多修改和變化皆有可能。
本實施方式的一些部分基於資訊操作的演算法和符號表示的方面描述本發明的實施例。這些演算法的描述和表示通常由資料處理領域的技術人員使用，以將他們的工作的本質有效地傳達給該領域其他技術人員。這些操作雖然從功能層面，計算層面或邏輯層面去描述，但應理解為由計算機程式或等效的電路，微代碼或其相似物實現。此外，有時也證明將這些操作的安排稱為模組係方便而不失一般性。所描述的操作及其相關模組可以具體化在軟體，韌體及/或硬體上。
所描述的步驟，操作或過程可以用一或多個硬體或軟體模組獨自或結合其他裝置而被執行或實現。在一些實施例中，軟體模組由一電腦程式產品實現，此電腦程式產品包括包含電腦程式碼的電腦可讀媒體，此電腦程式碼可被電腦處理器執行以實現所描述的任何或所有的步驟、操作或過程。
本發明的實施例也可以涉及用於執行所描述的操作的裝置。該裝置可以為了所需目的而特別建構，且/或包括藉由儲存在電腦內的電腦程式選擇性地啟用或重新配置的通用目的計算裝置。這樣的電腦程式可儲存在非暫態，具體的電腦可讀取儲存媒體，或任何適合儲存電子指令的可耦接到電腦系統匯流排的媒體。此外，任何在說明書中提及的電腦系統可包含單一處理器或採用多處理器設計以增加運算能力的架構。
本發明的實施例也可以涉及藉由本文描述的計算過程產生的產品。這樣的產品可以包括由計算過程產生的資訊，其中資訊儲存在非暫態，具體的電腦可讀取儲存媒體，而且可以包含電腦程式產品的任何實施例或本文描述的其他資料組合。
說明書中使用的語言主要是出於可讀性和指導目的而選擇，並且可能未選擇它來描繪或限制本發明的主題。因此，本公開的範圍旨在不受該詳細描述的限制，而是受基於此處的應用程序發布的任何權利要求的限制。因此，實施例的公開內容旨在說明而非限製本公開的範圍，本公開的範圍在以下權利要求中闡述。
說明書中使用的語言主要是出於可讀性和指導目的而選擇，而且不會被選擇去描述或限制發明專利標的。因此傾向於本發明的範圍不受此實施方式的限制，而是受基於此處的申請所發布的的任何權利要求的限制。因此，實施例的揭露旨在說明而非限制在以下權利要求中闡述的專利權的範圍。
100‧‧‧近眼顯示器
105‧‧‧框架
110‧‧‧顯示器
120a、120b、120c、120d‧‧‧圖像感測器
130‧‧‧照明器
135‧‧‧眼球
140a、140b、140c、140d、140e、140f‧‧‧照明器
150a、150b‧‧‧感測器
200‧‧‧截面
210‧‧‧波導顯示組件
220‧‧‧眼球
230‧‧‧出射瞳
300‧‧‧波導顯示器
310‧‧‧源組件
320‧‧‧輸出波導管
330‧‧‧控制器
340‧‧‧圖像光
350‧‧‧耦合元件
355‧‧‧圖像光
360‧‧‧導向元件
365‧‧‧去耦元件
370‧‧‧圖像感測器
370-1‧‧‧第一側
370-2‧‧‧第二側
400‧‧‧截面
402‧‧‧像素單元
404‧‧‧機械快門
410‧‧‧來源
415‧‧‧光學系統
500‧‧‧系統
510‧‧‧控制台
525‧‧‧位置感測器
530‧‧‧慣性感測單元
535‧‧‧圖像裝置
540‧‧‧輸入/輸出介面
545‧‧‧應用程式商店
550‧‧‧追蹤模組
555‧‧‧引擎
600‧‧‧像素單元
602‧‧‧光二極體
604‧‧‧第一開關
606‧‧‧第二開關
607‧‧‧第三開關
608‧‧‧電容
609‧‧‧緩衝器
610‧‧‧像素類比至數位轉換器
611‧‧‧曝光賦能訊號
612‧‧‧累積賦能訊號
614‧‧‧類比輸出節點
616‧‧‧像素輸出匯流排
617‧‧‧光二極體電流槽
618‧‧‧重置訊號
620‧‧‧電荷槽
630‧‧‧半導體層
632‧‧‧矽基板
634‧‧‧P型層
635‧‧‧N型汲極
636‧‧‧N型層
637、638、639‧‧‧N型汲極
640、641、642‧‧‧多晶矽閘
644‧‧‧前表面
645‧‧‧半導體層
646‧‧‧背表面
650‧‧‧金屬件
651‧‧‧光
652、653‧‧‧金屬件
654‧‧‧絕緣體
660‧‧‧矽基板
662a、662b、662c、662d‧‧‧P型汲極/源極
664a、664b‧‧‧N型汲極/源極
666‧‧‧N井區域
668a、668b、668c‧‧‧多晶矽閘
672‧‧‧金屬件
674‧‧‧絕緣體
702‧‧‧閾值產生器
704‧‧‧比較器
706‧‧‧數位輸出產生器
708‧‧‧計數器
710‧‧‧記憶體
712‧‧‧時鐘訊號
713‧‧‧數位至類比轉換器
714‧‧‧計數器輸出
716‧‧‧決策
802、804、806‧‧‧線
808‧‧‧閾值
902、903、904、906、912、913、914、916‧‧‧線
1000‧‧‧方法
1002、1004、1006、1008、1010‧‧‧步驟
Iph‧‧‧光電流
參考以下圖式描述說明性的實施例。
圖1A及1B係近眼顯示器的一實施例的圖。
圖2係近眼顯示器的一截面的一實施例。
圖3繪示具有單一源組件的波導顯示器的一實施例的一等角視圖。
圖4繪示波導顯示器的一實施例的一截面。
圖5係包含近眼顯示器的系統一實施例的方塊圖。
圖6A、6B及6C係一像素單元的實施例的方塊圖。
圖7係繪示像素單元的內部元件的範例的方塊圖。
圖8繪示決定光強度的範例方法。
圖9A及9B繪示用於決定光強度的操作像素單元的範例。
圖10繪示用於決定光強度的過程的流程圖的實施例。
圖式僅出於說明的目的描繪本發明的實施例。本領域技術人員將從以下描述中容易地認識到，在不脫離本發明的原理或益處的情況下，可以採用所示結構和方法的替代實施例。
在附加的圖式中，類似的組件及/或特徵可以具有相同的參考標號。此外，藉由在參考標號後面加上一個破折號和第二標號來區分類似組件，可以區分同一類型的各種組件。如果在說明書中僅使用第一參考標號，則該描述適用於具有相同第一參考標號的任何一個類似組件，而與第二參考標號無關。

Claims (20)

  1. 一種具有堆疊結構的像素單元，包括：一第一半導體層，包含一光二極體及用以將該光二極體產生的電荷轉換為一類比訊號的一或多個電晶體裝置，該光二極體佔用該第一半導體層內的一第一區域；以及一第二半導體層，包含用以將該類比訊號轉換為一或多個數位訊號的一或多個電晶體裝置，該第二半導體層的該一或多個電晶體裝置佔用該第二半導體層內的一第二區域；其中該第一半導體層沿一軸與該第二半導體層形成一堆疊結構；以及其中該第一區域及該第二區域沿該軸至少部分重疊。
  2. 如請求項1所述的像素單元，其中該第一半導體層包含一第一表面及一第二表面；其中該第一半導體層包含設置於該第二表面上的一或多個第一金屬互連件；其中該第二半導體層包含一第三表面朝向該第二表面；其中該第二半導體層包含設置於該第三表面上的一或多個第二金屬互連件；其中該像素單元更包含一或多個第三金屬互連件，以在該一或多個第一金屬互連及該一或多個第二金屬互連之間提供電性連接。
  3. 如請求項2所述的像素單元，其中該第一表面用於接收光子。
  4. 如請求項1所述的像素單元，其中該第一半導體層包含相異於該第二半導體層的一摻雜分佈。
  5. 如請求項4所述的像素單元，其中該第一半導體層包含一摻雜梯度以在該第一半導體層的一第一表面及一第二表面之間引入一電場。
  6. 如請求項1所述的像素單元，其中該第一半導體層具有相異於該第二半導體層的一厚度。
  7. 如請求項6所述的像素單元，其中基於關聯一預定頻率的光子的一目標量子效率配置該第一半導體層的該厚度。
  8. 如請求項1所述的像素單元，其中該第一半導體層的該一或多個電晶體裝置包括一第一電晶體，該第一電晶體具有一源極端耦接該光二極體、一汲極端用以作為一電容及一閘極端能夠被操作以控制該光二極體所產生流到該電容的一電子流；其中該第二半導體層的該一或多個電晶體裝置包括一數位至類比轉換器，用以基於該第一電晶體的該汲極端的一類比電壓產生該一或多個數位訊號。
  9. 如請求項8所述的像素單元，其中該數位至類比轉換器包括一計數器，一記憶體及一電壓比較器；其中該記憶體用以儲存由該計數器輸出的一或多個計數值；以及其中該電壓比較器用以基於該第一電晶體的該汲極端的該類比電壓控制在該記憶體的該一或多個計數值的儲存，以產生該一或多個數位訊號。
  10. 如請求項8所述的像素單元，其中當儲存於該光二極體的電荷的一數量超過一閾值時，該閘極端被控制以允許電子從該光二極體流至該電容。
  11. 如請求項8所述的像素單元，其中該第一半導體層的該一或多個電晶體裝置包括一第二電晶體用於在一重置模式時移除儲存於該電容的電荷。
  12. 如請求項8所述的像素單元，其中該第一半導體層的該一或多個電晶體裝置包括一第二電晶體用於在一重置模式時移除儲存於該電容及該光二極體上的電荷。
  13. 一種像素單元，包括：一光二極體；一電容，用以儲存該光二極體產生的電荷；以及一處理電路，用以執行一第一測量模式及一第二測量模式之中的至少一者，以產生代表入射於該光二極體上的光的一強度的資料；其中在該第一測量模式中，該處理電路用於在該電容與該光二極體電性耦合時測量儲存在該電容的一電荷量；以及其中在該第二測量模式中，該處理電路用於在該電容與該光二極體電性隔離時測量儲存在該電容的一電荷量。
  14. 如請求項13所述的像素單元，其中該處理電路包括一可變閾值產生器、一比較器及一計數器。
  15. 如請求項14所述的像素單元，其中，在該第一測量模式中：該可變閾值產生器用以產生一固定閾值電壓；該比較器用以比對該固定閾值電壓及代表儲存於該電容的該電荷量的一電壓，以產生一判定輸出；該計數器用以基於該判定輸出產生一組計數值；以及對應於該判定輸出的一變化的該計數器所產生的該組計數值中的一或多個計數值係表示入射在該光二極體上的光的該強度。
  16. 如請求項15所述的像素單元，其中當入射在光二極體上的光的該強度增加時，該組計數值中的該一或多個計數值減少。
  17. 如請求項15所述的像素單元，其中該固定閾值電壓對應該光二極體的一飽和光強度
  18. 如請求項14所述的像素單元，其中，在該第二測量模式中：該可變閾值產生器用以基於該計數器產生的一組計數值產生一斜坡電壓；該比較器用以比對該斜坡電壓及代表儲存於該電容的該電荷量的一電壓以產生一判定輸出；該計數器用以基於該判定輸出產生該組計數值；以及對應於該判定輸出的一變化的該計數器所產生的該組計數值中的一或多個計數值係表示入射在該光二極體上的光的該強度。
  19. 如請求項18所述的像素單元，其中當入射在該光二極體上的光的該強度增加時，該組計數值中的該一或多個計數值增加。
  20. 如請求項13所述的像素單元，其中該處理電路用於基於來自該第一量測模式的一判定跳過該第二測量模式，該判定係當該電容電性耦合該光二極體時，儲存於該電容的一電荷量超過一閾值。
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