TW201935676A - 多光二極體像素單元及影像感測的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露用於影像感測的方法及系統。於一示例中，裝置包含半導體基板、第一針扎光二極體及第二針扎光二極體。半導體基板包含接收光線的光線入射面。第一針扎光二極體及第二針扎光二極體於半導體基板中沿垂直於光線入射面的軸線形成堆疊結構。堆疊結構使第一針扎光二極體及第二針扎光二極體能將光線的第一部分及第二部分分別轉換成第一電荷及第二電荷。裝置更包含一或多個電容。一或多個電容形成於半導體基板中且用於分別根據第一電荷及第二電荷產生第一電壓及第二電壓。

Description

多光二極體像素單元及影像感測的方法
本發明係概略性地關於影像感測器，特別是包含多個光二極體(photodiodes)的像素單元(pixel cell)。
影像感測器中典型的像素包含光二極體，且光二極體用於藉由將光子(photons)轉換成電荷(charge)(例如電子或電洞)而感測入射光線。所述之電荷能於曝光期間暫時儲存於光二極體中。為了優化雜訊(noise)及暗電流(dark current)的表現，像素中能包含針扎光二極體(pinned photodiode)，藉以將光子轉換成電荷。所述像素可更包含電容(例如浮動擴散(floating diffusion))，藉以收集來自光二極體的電荷，並將電荷轉換成電壓。而於多個像素的陣列之電容所產生的電壓便能產生景像的影像。
本發明係關於影像感測器。具體而言，不以此為限地，本發明關於具有多個像素單元(pixel cell)的一陣列之一影像感測器，且各個像素單元具有一光線入射面、一第一針扎光二極體及一第二針扎光二極體。光線入射面用於接收光線。第一針扎光二極體及第二針扎光二極體沿垂直於光線入射面的一軸線形成一堆疊結構，且第一針扎光二極體較第二針扎光二極體遠離光線入射面。因為堆疊結構中設置有多個針扎光二極體(pinned photodiode)，所以第一針扎光二極體能接收光線的一第一部份；並將第一部份轉換成第一電荷；且第一部份具有較長的波長範圍(例如紅外光線(infra-red light))。此外，第二針扎光二極體能接收光線的一第二部份；並將第二部份轉換成第二電荷；且第二部份具有較長的波長範圍(例如可見光線中的紅光、綠光或藍光部分之其中一者)。各個像素單元更包含一或多個電容，藉以將第一電荷及第二電荷分別轉換成一第一電壓及一第二電壓。
本發明也關於操作影像感測器執行至少兩個不同模式的量測。該影像感測器包含多個像素單元的一陣列，且這些像素單元包含上述之一第一針扎光二極體及一第二針扎光二極體的一堆疊結構。於量測的一第一模式中，二維(two-dimensional，2D)成像(imaging)可藉由量測產生於多個像素的陣列中之第一針扎光二極體的第一電荷之數量而被執行，且所述之量測反映入射於多個像素單元的陣列上的可見光線之強度分佈。於量測的一第二模式中，能基於深度感測操作(depth sensing operations)執行三維(three-dimensional，3D)成像。深度感測操作例如能根據量測第二電荷的數量、第二電荷累積的時序(timing)等等而被執行，而所述之感測操作能用於決定物體與設備之間的距離。量測的此二模式能於相同的曝光期間或於不同的曝光期間中被執行，藉以執行二維及三維成像。
根據一些實施例提供有一設備。設備包含一半導體基板、一第一針扎光二極體及一第二針扎光二極體。半導體基板包含一光線入射面以接收光線。第一針扎光二極體及第二針扎光二極體於半導體基版中沿垂直於光線入射面的一軸線形成一堆疊結構，且堆疊結構使第一針扎光二極體及第二針扎光二極體能將光線的一第一部份及光線的一第二部份分別轉換成第一電荷及第二電荷。半導體基板更包含一或多個電容，形成於半導體基板中，並用於分別根據第一電荷及第二電荷產生一第一電壓及一第二電壓。
於一些方面，第一針扎光二極體及第二針扎光二極體各包含一P型半導體層以及一N型區域，且N型區域完全嵌入於P型半導體層中，並於設備的其他元件隔離。
於一些方面，第一針扎光二極體及第二針扎光二極體各包含一N型半導體層及一P型區域，且P型區域完全嵌入於N型半導體層中，並與設備的其他元件隔離。
於一些方面，第一針扎光二極體用於將一第一波長範圍中的光線之多個光子轉換成第一電荷，且第一波長範圍與紅外光線有關；第二針扎光二極體用於將一第二波長範圍中光線之多個光子轉換成第二電荷，且第二波長範圍與可見光線的一部份有關。
於一些方面，第一針扎光二極體及第二針扎光二極體形成堆疊結構而使通過第二針扎光二極體的光線到達第一針扎光二極體，或是使通過第一針扎光二極體的光線到達第二針扎光二極體。
於一些方面，第一針扎光二極體形成一部份的一傳送路徑。傳送路徑為可控制的，且用於自第二針扎光二極體傳送第二電荷到一或多個電容。設備更包含一控制電路。控制電路用於在一第一量測期間中控制傳送路徑，藉以阻擋來自第二針扎光二極體的第二電荷到達一或多個電容，以及傳送來自第一針扎光二極體的第一電荷到一或多個電容而產生第一電壓。控制電路也用於在一第二量測期間中控制傳送路徑傳送來自第二針扎光二極體的第二電荷途經該第一針扎光二極體到一或多個電容，而產生第二電壓。
於一些方面，可控制的傳送路徑包含一阻擋層，且阻擋層介於第一針扎光二極體及第二針扎光二極體之間。控制電路用於控制在阻擋層以及半導體基板的一部份之間的一電位差，以控制傳送路徑，其中半導體基板包含第二針扎光二極體的。
於一些方面，控制電路用於控制阻擋層上的一電位，藉以控制阻擋層以及半導體基板的該部份之間的電位差。
於一些方面，設備更包含一或多個深溝渠隔離(deep trench isolation，DTI)構造，一或多個深溝渠隔離相鄰於阻擋層，並沿半導體基板中的軸線延伸。控制電路更用於基於施加一偏電壓於一或多個深溝渠隔離構造，以控制阻擋層上的電位。
於一些方面，控制電路用於控制半導體基板的該部份上之一電位，藉以控制在阻擋層以及包含第二針扎光二極體的半導體基板的部份之間的電位差。
於一些方面，包含第二針扎光二極體的半導體基板的部份包含一第一表面。半導體基板更包含相對第一表面的一第二表面。
於一些方面，半導體基板更包含一或多個深溝渠隔離結構，且一或多個深溝渠隔離結構自第二表面沿軸線延伸。一或多個深溝渠隔離結構不完全延伸過半導體基板的該部份，且不延伸至第一表面。半導體基板更包含一連接區域。連接區域沿軸線延伸，且提供第二表面上的一電性接點及半導體基板的該部份之間的一電性連接。設備更包含一電壓源。電壓源連接至第二表面上的電性接點，藉以控制半導體基板的該部份上的電位。
於一些方面，半導體基板更包含一或多個深溝渠隔離結構。一或多個深溝渠隔離結構自第一表面沿軸線延伸。第一表面包含一電性接點。設備更包含一電壓源。電壓源連接至第一表面上的電性接點，藉以控制半導體基板的該部份上的電位。
於一些方面，一或多個電容包含一個電容。設備用於在傳送第一電荷及傳送第二電荷之間重設一個電容。
於一些方面，一或多個電容包含一第一電容及一第二電容。第一電容用於儲存第一電荷。第二電容用於儲存第二電荷。
根據一些實施例提供有一設備。設備包含一半導體基板、一第一針扎光二極體、一第二針扎光二極體、一光學結構、一第一電容及一第二電容。半導體基板包含一光線入射面以接收光線；第一針扎光二極體於半導體基板中沿平行於光線入射面的一軸線形成且相鄰於第二針扎光二極體；光學結構用於傳送光線的一第一部份至第一針扎光二極體，並傳送光線的一第二部份至第二針扎光二極體，藉以使第一針扎光二極體及第二針扎光二極體能將光線的第一部份及光線的第二部份分別轉換成第一電荷及第二電荷；一或多個電容形成於半導體基板中，且用於分別根據第一電荷及第二電荷產生一第一電壓及一第二電壓。
於一些方面，光學結構包含一繞射光柵結構，用於將光線的第一部份及光線的第二部份分開，並將光線的第一部份及光線的第二部份分別導引至第一針扎光二極體及第二針扎光二極體。
於一些方面，設備更包含位於光線入射面上的一微透鏡。光學結構包含一鏡子，用於傳送光線的第一部份至第一針扎光二極體，並朝微透鏡反射光線的第二部份，藉以使微透鏡朝第二針扎光二極體反射光線的第二部份。
根據一些實施例提供有一方法。方法包含：透過一半導體基板的一光線入射面接收光線；藉由一第一針扎光二極體將光線的一第一部份轉換成第一電荷；藉由一第二針扎光二極體將光線的一第二部份轉換成第二電荷，且第二針扎光二極體與第一針扎光二極體在半導體基板中沿垂直於光線入射面的一軸線形成一堆疊結構；以及使用形成於半導體基板中的一或多個電容，分別根據第一電荷及第二電荷產生一第一電壓及一第二電壓。
根據一些實施例提供有一方法。方法包含：透過一半導體基板的一光線入射面接收光線；藉由一光學結構傳送光線的一第一部份至一第一針扎光二極體，並傳送光線的一第二部份至一第二針扎光二極體。第一針扎光二極體在一半導體基板中沿平行於光線入射面的一軸線延伸而形成，且相鄰於第二針扎光二極體；以及使用形成於半導體基板中的一或多個電容，分別根據第一電荷及第二電荷產生一第一電壓及一第二電壓。
與以下的敘述中，為了說明，具體的細節將被闡述以提供本發明特定實施例更透徹的理解。然而，顯而易見的是，不同的實施例可忽略這些具體細節而被實施。相關圖式及敘述並非為限制性的。
典型的影像感測器一般包含多個像素單元(pixel cell)的一陣列。各個像素單元可具有光二極體以藉由將光子(photons)轉換成電荷(charge)(例如電子或電洞)以感測入射光線。為了優化雜訊(noise)及暗電流(dark current)的表現，像素中能包含針扎光二極體(pinned photodiode)，藉以將光子轉換成電荷。電荷能於曝光期間暫時儲存於光二極體中。各個像素單元也可包含一浮動擴散結點(floating diffusion node)，藉以將電荷轉換成電壓。像素值(pixel value)便能根據電壓被產生。像素值能代表像素單元所接受到的光線之強度(intensity)。包含多個像素的一陣列之影像便能由多個像素單元的陣列所輸出的電壓之數位(digital)輸出而被產生。
影像感測器能被用於執行不同模式的成像，例如二維(two-dimensional，2D)及三維(three-dimensional，3D)感測。二維及三維感測能根據不同波長範圍的光線被執行。舉例來說，可見光線能被用於二維感測，而不可見光線(invisible light)(例如紅外光線(infra-red light))能被用於三維感測。影像感測器可包含光學過濾器陣列，以使不同光學波長範圍及色彩(例如紅色、綠色及藍色)的可見光線為分配給二維感測的多個像素單元之第一集合，且不可見光線為分配給三維感測的多個像素單元之第二集合。
為了執行二維感測，位於像素單元的光二極體(photodiode)能以正比於入射至像素單元上的可見光線之強度的速率產生電荷，且在曝光期間中所累積的電荷量可用於表示可見光線的強度(或是可見光線之一特定顏色的部分)。電荷能暫時地被儲存於光二極體，並接著被傳送至電容(例如浮動擴散)，藉以產生電壓。該電壓能由類比至數位(analog-to-digital，ADC)轉換器取樣(sampled)並量子化(quantized)，藉以產生對應於可見光線之強度的輸出。影像像素值能根據多個像素單元的輸出而被產生，且多個像素單元用於感測可見光線不同顏色的部分(例如紅色、綠色或藍色)。
此外，為了執行三維感測，不同波長範圍(例如紅外光線)的光線能被投射至一物體上，且被反射的光線能由像素單元偵測。所述光線能包含結構光線(structured light)、光線脈衝(light pulses)等等。像素單元輸出能被使用而根據例如為偵測被反射的結構光線之圖案、量測光線脈衝的飛行時間(time-of-flight)等方式來執行深度感測。為了偵測被反射的結構光線之圖案，像素單元於曝光時間所產生的電荷量之分佈能被決定，且能根據對應於電荷量的電壓產生像素值。對於飛行時間的量測而言，首先需決定於像素單元的光二極體上產生電荷的時序(timing)，藉以代表當所反射的光線脈衝於像素單元被接收的時間點。當光線脈衝投射於物體的時間點及當所反射的光線脈衝於像素單元被接收的時間點之間的時間差便能用於表示飛行時間。
像素單元陣列能用於產生景像的資訊。於一些範例中，在陣列中多個像素單元中的一子集合(例如第一集合)可用於執行景像的二維感測，而在陣列中多個像素單元中的另一個子集合(例如第二集合)能用於執行景像的三維感測。二維及三維影像資料的融合(fusion)對於許多提供虛擬實境(virtual-reality，VR)、擴增實境(augmented-reality，AR)及/或混合實境(mixed reality，MR)體驗的應用來說很實用。舉例來說，穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統可執行系統的使用者所位於的環境之景像重組(scene reconstruction)。根據所重組的景像，虛擬實境/擴增實境/混合實境可產生顯示效果(display effects)以提供互動式體驗(interactive experience)。為了重組景像，像素單元陣列中的多個像素單元的一子集合能執行三維感測，以例如辨認環境中的多個實際物體之集合，並決定這些實際物體及使用者之間的距離。像素單元陣列中的多個像素單元的另一個子集合能執行二維感測，以例如捕捉這些實際物體的視覺特性；視覺特性包含紋路(textures)、色彩及反射率(reflectivity)。景像的二維及三維影像資料能接著被合併(merged)，藉以例如製造包含這些物體的視覺特性的景像之三維模型。於另一個示例中，穿戴式虛擬實境/擴增實境/混合實境系統也能根據二維及三維影像資料的融合而執行頭部追蹤操作(head tracking operation)。舉例來說，根據二維影像資料，虛擬實境/擴增實境/混合實境系統能抽取特定的影像特徵以辨認物體。根據三維影像資料，虛擬實境/擴增實境/混合實境系統能追蹤所辨認的物體相對於被使用者穿戴的穿戴式裝置之位置。虛擬實境/擴增實境/混合實境系統例如能基於追蹤所辨認的物體相對於當使用者的頭部移動時的穿戴式裝置之位置變化而追蹤頭部的移動。
然而，使用像素的不同集合於二維及三維成像能具有許多挑戰。首先，因為陣列中僅有像素單元的一個子集合用於執行二維成像或三維成像，二維影像及三維影像的空間解析度(spatial resolutions)皆低於像素單元陣列中所能達到的最大空間解析度。雖然解析度能藉由包含更多的像素單元而有所提升，但是如此提升解析度的方式便會導致影像感測器之形成因子(form-factor)增加並消耗更多能量，其中上述兩個結果對穿戴式裝置而言是特別不被期望的。
此外，因為分配於量測不同波長範圍的光線(用於二維及三維成像)之多個像素單元並沒有設置在一起(collocated)，所以不同的像素單元可能捕捉到景像中不同位置的資訊，進而使二維影像至三維影像的轉換(mapping)變得複雜。舉例來說，接收可見光線的特定色彩部分的像素單元(用於二維成像)以及接收不可見光線的像素單元(用於三維成像)也可能捕捉到景像中不同位置的資訊。這些像素單元的輸出無法簡易地合併而產生二維及三維影像。因為這些像素單元的不同位置，使得在這些像素單元的輸出之間缺乏對應；當像素單元陣列捕捉正在移動的物體之二維及三維影像時，缺乏對應之情況會更惡化。雖然有許多處理技術(processing techniques)能聯繫不同像素單元輸出，以產生用於二維影像的像素，並聯繫二維及三維影像(例如內差法(interpolation))，但是這些技術一般為運算量密集(computation-intensive)且會增加耗能。
本發明係關於具有多個影像單元之一陣列的一影像感測器。這些影像單元各具有一光線入射面、一第一針扎光二極體及一第二針扎光二極體。光線入射面用於接收光線。第一針扎光二極體及第二針扎光二極體沿垂直於光線入射面的一軸線形成一堆疊結構，且第一針扎光二極體較第二針扎光二極體遠離光線入射面。因為堆疊結構中設有扎針光二極體，所以第一針扎光二極體能接收光線的第一部份，並將第一部份轉換成第一電荷，其中第一部份具有較長的波長範圍(例如紅外光線)。此外，第二針扎光二極體能接收光線的第二部份，並將第二部份轉換成第二電荷，其中第二部份具有較長的波長範圍(例如可見光線的紅色、綠色或藍色部分之其中一者)。各個像素單元更包含一或多個電容，以將第一電荷及第二電荷分別轉換成一第一電壓及一第二電壓。
本發明也關於操作包含多個像素單元的一陣列的影像感測器以執行至少兩個不同模式的量測，且這些像素單元具有如上所述的第一針扎光二極體及第二針扎光二極體的一堆疊結構。於量測的第一模式中，二維成像可藉由量測產生於多個像素的陣列中之第一針扎光二極體的第一電荷之數量而被執行，且所述之量測反映入射於多個像素單元的陣列上的可見光線之強度分佈。於量測的第二模式中，能基於深度測量操作執行三維成像。深度測量操作例如能根據量測第二電荷的數量、第二電荷累積的時序(timing)等等執行。而所述之量測能用於決定物體與設備之間的距離。量測的此二模式能於相同的曝光期間或於不同的曝光期間中執行，而執行二維及三維成像。
參照本發明的示例，像素單元能使用針扎光二極體以執行用於二維及三維成像的光子至電荷(photon-to-charge)轉換。由於針扎光二極體能對於暗電流及雜訊而言提供較好的表現，因此像素單元能更精準地量測具有低強度的光線，進而於低強度光線的環境中提升影像感測器的敏感度(sensitivity)與表現。此外，以多個像素單元中的相同集合執行二維及三維感測，能促進像素單元所產生的二維影像及三維影像之間的對應，尤其是各個像素單元的針扎光二極體於相同的曝光期間同時在此偵測及量測不同波長的光線。再者，假設像素單元陣列中的每個像素單元接能用於產生二維或三維影像，便能使用像素單元陣列的完整空間解析度。因此，影像的空間解析度也能被提升，而降低影像感測器的形成因子及耗能。
本發明的示例可包含一人工實境系統，或可與一人工實境系統一起實施。人工實境是在呈現給使用者前以一些方式調整過的一種實境形式，且例如可包含虛擬實境(virtual reality，VR)、擴增實境(augmented reality，AR)、混合實境(mixed reality，MR or hybrid reality)或其部份結合及/或衍生品。人工實境內容可包含完全合成內容或合成內容與捕捉(例如真實世界)內容之結合。人工實境內容可包含影片、音訊、觸覺反饋(haptic feedback)或其部份之結合，且任何內容可於單一頻道(channel)或多個頻道(例如呈現三維效果給觀看者的立體影片)中呈現。此外，於一些實施例中，應用程式(applications)、產品(products)、配件(accessories)、服務(services)或其部份之結合也可與人工實境有關，並例如用來於人工實境中創造內容及/或以其他方式使用於(例如執行活動於)人工實境中。提供人工實境內容的人工實境系統可實施於各種平台，包含連結至一主電腦系統(host computer system)的頭戴式顯示器(head-mounted display，HMD)、獨立的頭戴式顯示器、行動裝置(mobile device)、電腦系統(computing system)或任何其他能提供人工實境內容給一或多個觀看者的硬體平台。
圖1A繪示一實施例的近眼顯示器(near-eye display)100。近眼顯示器100呈現媒體給使用者。由近眼顯示器100呈現的媒體例如包含一或多個影像、影片及/或音訊。於一些實施例中，音訊透過外部裝置(例如揚聲器(speakers)及/或耳機(headphones))呈現，且該外部裝置從近眼顯示器100、主機(console)或上述兩者接收音源資訊(audio information)，並根據音源資訊呈現音源資料(audio data)。近眼顯示器100一般作為虛擬實境顯示器使用。於一些實施例中，近眼顯示器100改成作為擴增實境顯示器及/或混合實境顯示器使用。
近眼顯示器100包含一框架105及一顯示器110。框架105連接至一或多個光學元件。顯示器110用於讓使用者看到由近眼顯示器100呈現的內容。於一些實施例中，顯示器110包含一波導顯示器(waveguide display)組件，藉以從一或多個影像導引光線到使用者的眼睛。
近眼顯示器100更包含影像感測器120a、120b、120c、120d。影像感測器120a、120b、120c、120d可各包含一像素單元陣列。該像素單元陣列包含多個像素單元的一陣列，且用於產生代表沿不同方向的不同視野(fields of view)的影像資料。舉例來說，感測器120a、120b可用於提供代表沿z軸朝方向A的兩個視野之影像資料；而感測器120c可用於提供代表沿x軸朝方向B的視野之影像資料；且感測器120d可用於提供代表沿x軸朝方向C的視野之影像資料。
於一些實施例中，感測器120a-120d能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，藉以提供互動式的虛擬實境/擴增實境/混合實境體驗給穿戴近眼顯示器100的使用者。舉例來說，感測器120a-120d能產生使用者所位在的實體環境的實體影像資料。該實體影像資料能提供至位置追蹤系統，藉以追蹤使用者於實體環境中的位置及/或移動路徑。系統接著便能例如根據使用者的位置及方向，更新提供至顯示器110的影像資料，進而提供互動體驗。於一些實施例中，位置追蹤系統可操作同步定位與地圖建構技術(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)演算法以追蹤部分物體，且該部分物體位於實際環境中並在使用者於實境環境中移動時位於使用者觀看範圍中。位置追蹤系統能根據這些物體建立並更新實際環境的地圖構建(map)，並於此地圖構建中追蹤使用者的位置。藉由提供對應到多個視野的影像資料，感測器120a-120d能提供實際環境更全面的(holistic)景象給位置追蹤系統，而能使更多物體被包含於此地圖構建的建立與更新中。如此一來，便能提升於實際環境中追蹤使用者位置的準確性及穩健性(robustness)。
於一些實施例中, 近眼顯示器100可更包含一或多個主動的照明器130，藉以投射光線於實際環境中。所投射的光線能有關於不同的頻率光譜(frequency spectrums)(例如可見光線、紅外光線、紫外光線(ultra-violet light)等等)，且能用於各種目的。舉例來說，照明器130可投射光線及/或光線圖案於陰暗的環境(或於具有低強度紅外光線、紫外光線等的環境)，藉以協助感測器120a-120d於陰暗的環境中捕捉不同物體的三維影像。這些三維影像例如可包含代表物體及近眼顯示器100之間的距離之像素資料。距離資訊例如能用於建立景像的三維模型，進而追蹤使用者的頭部活動、使用者的位置等等。如以下更詳細的敘述，感測器120a-120d能於不同時間操作於第一模式而用於二維感測，以及操作於第二模式而用於三維感測。二維及三維影像資料能合併並提供至系統，藉以例如提供使用者位置、使用者頭部移動等更穩健的追蹤。
圖1B繪示近眼顯示器100的另一個實施例。圖1B繪示近眼顯示器100中面對穿戴近眼顯示器100的使用者之眼球135的一側。如圖1B所示，近眼顯示器100可更包含多個照明器140a、140b、140c、140d、140e、140f。近眼顯示器100更包含多個影像感測器150a、150b。照明器140a、140b、140c可朝方向D(相對於圖1A中的方向A)發出特定光學頻率範圍(例如紅外線)的光線。所發出的光線可有關於一種特定圖案，且能被使用者的左眼球反射。感測器150a可包含像素單元陣列以接收所反射的光線，並產生所反射的圖案之影像。相似地，照明器140d、140e、140f可發出攜帶該圖案的紅外光線。該紅外光線能被使用者的右眼球反射，並可被感測器150b接收。感測器150b也可包含像素單元陣列以產生所反射的圖案之影像。根據來自感測器150a、150b的所反射的圖案之影像，系統能決定使用者的凝視點(gaze point)，並根據所決定的凝視點更新提供至近眼顯示器100的影像資料，進而提供互動式體驗給使用者。於一些示例中，影像感測器150a、150b可與感測器120a-120d包含相同的多個像素單元。
圖2繪示於圖1中的近眼顯示器100之一剖面示意圖200之實施例。顯示器110包含至少一波導顯示器組件210。一出射瞳(exit pupil)230係當使用者穿戴近眼顯示器100時，使用者的單一的眼球220所位在的眼動範圍之位置。為了說明，圖2呈現有關於眼球220及單一的波導顯示器組件210之剖面示意圖200，但第二波導顯示器為了使用者的第二眼睛而被使用。
波導顯示器組件210用於導引影像光線至位於出射瞳230的眼動範圍(eyebox)以及眼球220。波導顯示器組件210可由具有一或多個折射率(refractive indices)的一或多個材料(例如塑膠、玻璃等等)所組成。於一些實施例中，近眼顯示器100於波導顯示器組件210及眼球220之間包含一或多個光學元件。
於一些實施例中，波導顯示器組件210包含相堆疊的一或多個波導顯示器。相堆疊的一或多個波導顯示器包含但不限於一堆疊的波導顯示器、一變焦波導顯示器(varifocal waveguide display)等等。堆疊的波導顯示器為多色顯示器(polychromatic display)(例如紅綠藍顯示器(red-green-blue (RGB) display))，且多色顯示器由各自的單色源(monochromatic sources)為不同顏色的多個波導顯示器堆疊而成。堆疊的波導顯示器也為能被投射到多個平面的多色顯示器(例如多平面彩色顯示器(multi-planar colored display))。於一些態樣中，堆疊的波導顯示器為能投射到多個平面的單色顯示器(monochromatic display)(例如多平面單色顯示器(multi-planar monochromatic display))。變焦波導顯示器為能調整自波導顯示器發出的影像光線之焦距位置(focal position)的一種顯示器。於替代的實施例中，波導顯示器組件210可包含堆疊的波導顯示器及變焦波導顯示器。
圖3為一實施例之波導顯示器300的等角視圖。於一些實施例中，波導顯示器300為近眼顯示器100的一個元件(例如波導顯示器組件210)。於一些實施例中，波導顯示器300為一些其他近眼顯示器或其他導引影像光線至特定位置的系統之一部份。
波導顯示器300包含一源組件310、一輸出波導320、一照明器325以及一控制器330。照明器325能包含圖1A中的照明器130。為了說明，圖3呈現有關於單一的眼球220之波導顯示器300，但是於一些實施例中，分離於或部份分離於波導顯示器300的另一個波導顯示器提供影像光線給使用者的另一個眼睛。
源組件310產生影像光線355。源組件310產生並輸出影像光線355至一耦合元件(coupling element)350，且耦合元件350位於輸出波導320的一第一側370-1。輸出波導320為輸出擴展影像光線(expanded image light)340至使用者的一眼球220之光學波導。輸出波導320於位在第一側370-1的一或多個耦合元件350接收影像光線355，並導引所接收的輸入影像光線355至一導引元件360。於一些實施例中，耦合元件350將來自源組件310的影像光線355導引進輸出波導320中。耦合元件350例如可為繞射光柵(diffraction grating)、全習光柵(holographic grating)、一或多個串聯反射器(cascaded reflectors)、一或多個稜鏡表面元件(prismatic surface elements)、及/或多個全息反射器(holographic reflectors)的一陣列。
導引元件360再次導引所接收的輸入影像光線355至導出元件365，而使所接收的輸入影像光線355透過導出元件365被導引出輸出波導320。導引元件360為輸出波導320的第一側370-1之一部份或是貼附(affixed)於輸出波導320的第一側370-1。導出元件365為輸出波導320的第二側370-2之一部份，或是貼附於輸出波導320的第二側370-2，而使導引元件360相對於導出元件365。導引元件360及/或導出元件365例如可為繞射光柵、全習光柵、一或多個串聯反射器、一或多個稜鏡表面元件、及/或多個全息反射器的一陣列。
第二側370-2代表沿x軸以及y軸沿伸的平面。輸出波導320可由促進影像光線355之全反射(total internal reflection)的一或多個材料所組成。輸出波導320例如可由矽(silicon)、塑膠、玻璃及/或聚合物(polymers)所組成。輸出波導320具有相對較小的形成因子(form factor)。舉例來說，輸出波導320可大約於x軸具有50毫米(mm)的寬度、於y軸具有30mm的長度並於z軸具有0.5至1mm的厚度。
控制器330控制源組件310的多個掃描操作(scanning operation)。控制器330決定對源組件310的多個掃描指示(scanning instruction)。於一些實施例中，輸出波導320以較大的視野(field of view，FOV)輸出擴展影像光線340至使用者的眼球220。舉例來說，擴展影像光線340以60度及/或更大及/或150度及/或更小的對角線視野(diagonal FOV)(於x軸及y軸)被提供至使用者的眼球220。輸出波導320用於提供長度為20mm或更大及/或小於或等於50mm及/或寬度為10mm或更大及/或小於或等於50mm的眼動範圍。
此外，控制器330也根據影像感測器370所提供的影像資料控制由源組件310產生的影像光線355。影像感測器370可位於第一側370-1，且例如可包含圖1A中的影像感測器120a-120d。影像感測器120a-120d例如能對位於使用者前面(例如面對第一側370-1)的物體372執行二維感測及三維感測。對於二維感測，影像感測器120a-120d的各個像素單元能產生像素資料，且像素資料代表由光源376產生且由物體372反射之光線374之強度。對於三維感測，影像感測器120a-120d的各個像素單元能產生像素資料，且像素資料代表由照明器325產生的光線378之飛行時間量測(time-of-flight measurement)。舉例來說，影像感測器120a-120d的各個像素單元能決定照明器325能投射光線378的第一時間以及像素單元偵測到物體372所反射的光線378之第二時間。第一時間及第二時間之間的時間差便能表示為影像感測器120a-120d及物體372之間的光線之飛行時間，且飛行時間資訊能用於決定影像感測器120a-120d及物體372之間的距離。影像感測器120a-120d能於不同時間執行二維及三維感測，並提供二維及三維影像資料給一遠端主機(remote console)390。遠端主機390可位於(或可不位於)波導顯示器300中。遠端主機可結合二維及三維影像，藉以例如產生使用者所位於的環境之三維模型，或追蹤使用者的位置及/或方向等等。遠端主機可根據自二維及三維影像所得到的資訊，決定顯示給使用者的影像之內容。遠端主機能傳送有關於決定內容的多個指示給控制器330。根據這些指示，控制器330能控制由源組件310對影像光線355的產生及輸出，藉以提供互動式體驗給使用者。
圖4為波導顯示器300的一剖面示意圖400之一實施例。剖面示意圖400中包含源組件310、輸出波導320及影像感測器370。於圖4的示例中，影像感測器370可包含位於第一側370-1的一像素單元集合402，藉以產生位於使用者前面的實際環境之影像。於一些實施例中，像素單元集合402以及實際環境之間能設有一機械快門(mechanical shutter)404以及一光學過濾器陣列406。機械快門404能控制像素單元集合402的曝光。於一些實施例中，如以下所述，機械快門404能以電子快門(electronic shutter gate)取代。如以下所述，光學過濾器陣列406能控制像素單元集合402所曝光的光線之光學波長範圍。像素單元集合402中的各個像素單元可對應於影像中的一個像素。雖然未呈現於圖4，但是可以理解的是，像素單元集合402中的各個像素單元也可覆蓋有過濾器以控制將被像素單元所感測的光線之光學波長範圍。
在接收來自遠端主機的指示之後，機械快門404能於曝光期間開啟並曝光像素單元集合402。於曝光期間，影像感測器370能獲得入射於像素單元集合402的光線之樣本(sample)，並根據像素單元集合402所偵測到的入射光樣本之強度分佈產生影像資料。影像感測器370能接著提供影像資料給決定顯示內容的遠端主機，並提供顯示內容資訊給控制器330。控制器330能接著根據顯示內容資訊決定影像光線355。
源組件310產生關於來自控制器330的指示之影像光線355。源組件310包含一來源410及一光學系統415。來源410為產生同調(coherent)或部份同調的光線之光源。來源410例如可為雷射二極體(laser diode)、垂直空腔表面發出雷射(vertical cavity surface emitting laser)及/或發光二極體(light emitting diode)。
光學系統415包含調節來自來源410的光線之一或多個光學元件。調節來自來源410的光線例如可包含根據來自控制器330的指示擴展、準值(collimating)及/或調整方向。一或多個光學元件可包含一或多個透鏡(lens)、液體透鏡(liquid lens)、鏡子、光圈(aperture)及/或光柵(grating)。於一些實施例中，光學系統415包含具有多個電極的液體鏡片，且這些電極能掃描具有掃描角度的臨界值(threshold value)之光束，藉以移動光束到位於液體鏡片外的區域。發自光學系統415(及源組件310)的光線係指影像光線355。
輸出波導320接收影像光線355。耦合元件350將來自源組件310的影像光線355導引進輸出波導320。於耦合元件350為繞射光柵的實施例中，繞射光柵的間距(pitch)被選擇而使輸出波導320中發生全反射，並使影像光線355朝導出元件365傳播於輸出波導320內部(例如藉由全反射)。
導引元件360朝導出元件365重新導引影像光線355以使影像光線355自輸出波導320導引出。於導引元件360為繞射光柵的實施例中，繞射光柵的間距被選擇而使入射影像光線355以相對導出元件365的平面之一或多個傾斜角度離開輸出波導320。
於一些實施例中，導引元件360及/或導出元件365結構上相似。離開輸出波導320的擴展影像光線340沿一或多個維度被擴展(例如沿x軸延伸)。於一些實施例中，波導顯示器300包含多個源組件310及多個輸出波導320。各個源組件310發出一特定波長頻段的單色影像光線(monochromatic image light)，且該特定波長頻段對應於主要顏色(例如紅色、綠色或藍色)。各個輸出波導320可以一距離分離地堆疊在一起，藉以輸出多色的(multi-colored)擴展影像光線340。
圖5為包含近眼顯示器100的系統500之一實施例的方塊圖。系統500包含近眼顯示器100、一成像裝置535、一輸入/輸出介面540及多個影像感測器120a-120d、150a-150b，且多個影像感測器120a-120d、150a-150b各連接至控制電路系統510。系統500能作為頭戴式裝置(head-mounted device)、穿戴式裝置(wearable device)等等。
近眼顯示器100可為呈現媒體給使用者的一顯示器。由近眼顯示器100呈現的媒體例如包含一或多個影像、影片及/或音訊。於一些實施例中，音訊透過外部裝置(例如揚聲器及/或耳機)呈現，且外部裝置自近眼顯示器100及/或控制電路系統510接收音源資訊，並根據音源資訊呈現音源資料給使用者。於一些實施例中，近眼顯示器100也可作為擴增實境眼鏡(AR eyewear glass)。於一些實施例中，近眼顯示器100擴增電腦合成元素(例如影像、影片、聲音等等)至實體、真實世界環境的景像。
近眼顯示器100包含波導顯示器組件210、一或多個位置感測器525、及/或一慣性量測單元(inertial measurement unit，IMU)530。波導顯示器組件210包含源組件310、輸出波導320及控制器330。
慣性量測單元530為產生快校正資料(fast calibration data)的電子裝置，且快校正資料根據接收自一或多個位置感測器525的量測訊號指出近眼顯示器100相對近眼顯示器100的起始位置的估計位置。
成像裝置535可對各種應用產生影像資料。舉例來說，成像裝置535可產生影像資料以根據接收自控制電路系統510的多個校正參數提供慢校正資料(slow calibration data)。成像裝置535例如可包含圖1A中的影像感測器120a-120d以產生使用者所位在的實際環境之二維影像資料或三維影像資料，進而追蹤使用者的位置及頭部移動。成像裝置535例如可更包含圖1B中的影像感測器150a-150b以產生影像資料(例如二維影像資料)來決定使用者的凝視點，進而辨認使用者所關注的物體。
輸入/輸出介面540為讓使用者能傳送多個動作需求(action request)至控制電路系統510的裝置。動作需求為執行特定動作的一種需求。舉例來說，動作需求可為開啟或結束應用程式(application)，或是於應用程式中執行特定的動作。
控制電路系統510呈現媒體給近眼顯示器100而根據自成像裝置535、近眼顯示器100及輸入/輸出介面540其中一者或多者接受的資訊呈現給使用者。於一些示例中，控制電路系統510能收納(housed)於作為頭戴式裝置的系統500中。於一些示例中，控制電路系統510能為獨立主機裝置(standalone console device)，且該獨立主機裝置通訊地連接於系統500的其他元件。於圖5中的示例中，控制電路系統510包含一應用程式庫545、一追蹤模組550以及一啟動器555。
應用程式庫545儲存一或多個應用程式而讓控制電路系統510執行。應用程式為在被處理器執行時產生呈現給使用者的內容之一組指示。應用程式例如包含：遊戲應用程式(gaming application)、會議應用程式(conferencing application)、影片回放應用程式(video playback application)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，且可調整一或多個校正參數，藉以降低決定近眼顯示器100之位置時的誤差。
追蹤模組550使用來自成像裝置535的慢校正資訊追蹤近眼顯示器100的行動。追蹤模組550也使用來自快校正資訊的位置資訊決定近眼顯示器100的參考點之位置。
啟動器555於系統500中執行應用程式，並自追蹤模組550接受位置資訊、加速度資訊、速度資訊及/或近眼顯示器100的未來預測位置。於一些實施例中，啟動器555所接收的資訊可用於產生訊號(例如顯示指示)給波導顯示器組件210，且波導顯示器組件210決定呈現給使用者的內容之類型。舉例來說，為了提供互動式體驗，啟動器555可根據使用者的位置(例如由追蹤模組550所提供)、使用者的凝視點(例如基於成像裝置535所提供的影像資料)、物體及使用者之間的距離(例如基於成像裝置535所提供的影像資料)決定提供給使用者的內容。
圖6繪示影像感測器600的一示例。影像感測器600能於二維感測及三維感測使用相同的像素單元。舉例來說，相同的像素單元能用於在二維感測時針側可見光線的色彩部分(例如紅色、綠色或藍色)，並在三維感測時偵測紅外光線。影像感測器600能為近眼顯示器100的一部份，且能提供二維及三維影像資料給圖5中的控制電路系統510，藉以控制近眼顯示器100的顯示內容。於圖6中的示例中，影像感測器600可包含一照明器602、一光學過濾器陣列604、一像素單元陣列606以及一數位化模組608(也可稱為量測模組608)，且像素單元陣列606包含一像素單元606a。
照明器602可為能在三維感測時用於投射紅外光線的紅外光線照明器。紅外光線照明器例如為雷射、發光二極體等等。所投射的光線例如可包含結構光線、光線脈衝等等。光學過濾器陣列604可包含多個過濾元件的一陣列，且這些過濾元件各對應於像素單元陣列606中的一像素單元(例如像素單元606a)。各個過濾元件能用於吸收特定波長範圍的入射光線，並傳送其餘的光線至相對應的像素單元。該入射光線可包含外界可見光線(ambient visible light)以及由照明器602投射並被物體反射的紅外光線。舉例來說，一個過濾元件可傳送可見光線的綠色部分以及紅外光線至一像素單元，而另一個過濾單元可傳送可見光線的藍色部分以及紅外光線至另一個像素單元。於一些示例中，光學過濾器陣列604可用於選擇與紅外光線一起被傳送的可見光線的色彩部分，而使像素單元606a能用於偵測紅外光線以及可見光線的不同色彩部分。
此外，像素單元606a可包含多個光二極體，藉以偵測入射光線中的紅外光線以及可見光線的不同色彩部分。舉例來說，如圖6所示，像素單元606a可包含一光二極體612及一光二極體614。光二極體612及光二極體614能為針扎光二極體。光二極體612可於曝光期間偵測第一波長範圍(可見光線中的紅色、藍色或綠色其中一者)的入射光線的第一部份，再將所偵測到的光子轉換成電荷，並儲存電荷。此外，光二極體614可於相同或不同曝光期間偵測第二波長範圍(例如紅外光線)的入射光線的第二部份，再將所偵測到的光子轉換成電荷，並儲存電荷。像素單元606a可更包含一或多個電容616，且一或多個電容616能為浮動擴散。當曝光期間結束時，儲存於光二極體612、614的電荷能傳送至一或多個電容616，藉以產生用於二維及三維感測的電壓。於一些示例中，像素單元606a能包含單一的電容616而收集儲存於光二極體612的電荷以產生一第一電壓，並接著收集儲存於光二極體614的電壓以產生一第二電壓。於一些示例中，像素單元606a能包含兩個電容616，藉以同時收集儲存於光二極體612及光二極體614的電荷。
影像感測器600更包含一量測模組608，且量測模組608能根據由光二極體612、614所產生的電荷及於這些電容616產生的電壓產生像素值。量測模組608可包含一二維量測模組622(也可稱為光線強度量測模組622)以根據由光二極體612產生的電荷執行二維成像作業。二維成像作業例如可包含於曝光期間根據產生於這些電容616的電壓之數值產生像素值，而產生於這些電容616的電壓之數值反映儲存於光二極體612的總電荷量。量測模組608可包含一三維量測模組624(也可稱為飛行時間量測模組624)，以根據由光二極體614產生的電荷執行三維成像作業。三維成像作業例如可包含偵測由物體的表面所反射的結構光線之圖案，以及用照明器602所投射的結構光線之圖案比較所偵測到的圖案，進而決定所述表面的不同點位相對像素單元的深度。為了偵測所反射的光線之圖案，三維量測模組624能於曝光期間根據產生於這些電容616的電壓之數值產生像素值，且產生於這些電容616的電壓之數值反映儲存於光二極體614的總電荷量。於另一個示例中，三維量測模組624能產生代表光線脈衝的飛行時間量測的像素值，且光線脈衝由照明器602傳送並由物體反射。
影像感測器600更包含一感測控制器610，藉以控制影像感測器600的不同元件執行物體的二維及三維成像。請參閱圖7A及圖7B，且圖7A及圖7B繪示用於二維及三維成像的影像感測器600之操作示例。圖7A繪示用於二維成像的操作示例。對於二維成像而言，像素單元陣列606能於環境中偵測可見光線，且該環境包含有物體所反射的可見光線。舉例來說，請參閱圖7A，可見光線源700(例如燈泡、太陽或其他外界可見光線的來源)能投射可見光線702到一物體704上。可見光線706能於物體704的一點位708反射。可見光線706能由光學過濾器陣列604過濾而使所反射的可見光線706之預設的波長範圍w0通過，進而產生受過濾光線710a。波長範圍w0可對應於點位708所反射的可見光線706的第一色彩部分(例如具有波長範圍為620-750奈米(nanometers，nm)的紅色部分)。受過濾光線710a能於曝光期間由像素單元606a的第一光二極體612捕捉而產生並累積第一電荷。於曝光期間結束時，感測控制器610能使第一電荷移動至一或多個電容616而產生代表第一色彩部分的強度之電壓，並提供第一電壓至二維量測模組622。二維量測模組622可包含數位至類比轉換器(analog-to-digital converter，ADC)且能由感測控制器610控制以取樣(sample)並量子化(quantize)第一電壓成數位量值。而所述數位量值便代表可見光線706的第一色彩部分的強度。
此外，影像感測器600也能執行物體704的三維成像。請參閱圖7B，感測控制器610能控制照明器602投射紅外光線728於物體704上，且紅外光線728能包含光脈衝、結構光線等等。紅外光線728能具有介於700奈米(nm)至1微米(millimeter，mm)的波長範圍w1。紅外光子730能反射於物體704，且朝像素單元陣列606傳播，並通過光學過濾器陣列604。於一些示例中，像素單元606a的第二光二極體614能將紅外光子730轉換成第二電荷。由第二光二極體614對紅外光子730的偵測及轉換，可如同第一光二極體612對可見光線706的偵測及轉換，能在相同的曝光期間中發生。如此的設置便使得各個像素單元能於物體的相同點位執行二維及三維成像，而能改善二維及三維影像之間的對應性。感測控制器610能使第二電荷移動至一或多個電容616，藉以產生電壓。該電壓代表於像素單元所接收的紅外光線的強度。
三維量測模組624能根據投射於物體704上的紅外光線728之類型，執行不同類型的深度感測作業。在結構紅外光線728投射於物體704上的情況中，三維量測模組624可包含類比至數位轉換器(ADC)且能被感測控制器610控制而取樣並量子化第二電壓，進而產生數位量值。該數位量值代表由點位708所反射的紅外光線之強度。由物體704所反射的紅外光線強度之圖案能由數位量值所得到。所述圖案能與照明器602所投射的結構光線相比較，藉以決定物體704的表面之不同點位(包含點位708)相對像素單元陣列606的深度。在紅外光線728包含光線脈衝的情況中，三維量測模組624能偵測第二光二極體614所儲存的電荷之改變。紅外光線脈衝的飛行時間能根據一時間差而被決定。所述時間差為光線脈衝離開照明器602的時間點及儲存在第二光二極體614之電荷的改變被偵測到的時間點之間的時間差。根據由各個像素單元所提供的資訊，便能產生物體704的三維影像。
圖8A、圖8B、圖8C及圖8D繪示像素單元的內部裝置之示例。圖8A繪示能為圖6中的像素單元陣列606之一部份的像素單元800之示例。如圖8A所示，像素單元800可包含一光二極體801、一光二極體802、一選擇開關(selection switch)803、一快門開關(shutter switch)804、一轉換閘(transfer gate)806、一重設開關807、一量測電容808以及一暫存器(buffer)809。
於一些示例中，各個光二極體801、802可包含P-N二極體、P-N-P針扎光二極體、N-P-N針扎光二極體等等。P-N-P針扎光二極體可具有完全嵌入於P區域且隔離於其他裝置的N區域，而N-P-N針扎光二極體可具有完全嵌入於N區域且隔離於其他裝置的P區域。各個光二極體801、802能於曝光期間產生電荷以響應入射光線的偵測，且電荷能分別累積於光二極體801、802。在曝光期間結束時，累積於光二極體801、802的電荷可透過轉換閘806轉換至量測電容808，而量測電容808能為包含轉換閘806的電晶體(transistor)之浮動擴散。於圖8A中，光二極體801、802依序串接(connected in series)而形成堆疊結構。為了轉移累積在光二極體802的電荷至量測電容808。可開啟選擇開關803，並能透過選擇開關803、光二極體801及轉換閘806(由轉換訊號814控制)將累積於光二極體802的電荷移動以抵達量測電容808。光二極體802的正極終端(positive terminal)能連接至一偏向來源(bias source)840。如以下所述，於一些示例中，選擇開關803能透過調變(modulating)一選擇訊號813而被控制。於一些示例中，選擇訊號813能為固定的(fixed)訊號，且能透過調變偏向來源840控制選擇開關803。
此外，暫存器809能包含一來源追蹤器(source follower)，且能暫存(buffer)在量測電容808產生的電壓，並發送該電壓至數位化模組608。像素單元800也可包含一電壓源820以及一電壓源830，分別耦接(coupled)於快門開關804及重設開關807。能透過一快門訊號816控制快門開關804，且能透過一重設訊號818控制重設開關807。電壓源820、830、快門開關804以及重設開關807能於光二極體801、光二極體802及量測電容808重設狀態。
於一些示例中，選擇開關803、快門開關804、轉換閘806及重設開關807能各包含電晶體。該電晶體例如可包含金屬-氧化物-半導體場效電晶體(metal–oxide–semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、雙極接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)等等。此外，選擇訊號813、轉換訊號814、快門訊號816及重設訊號818各能由感測控制器610控制，藉以控制由光二極體801、802產生的電荷之流動以及量測電容808與光二極體801、光二極體802之重設。於一些示例中，暫存器809可包含多個電路以執行相關二重取樣(correlated double sampling，CDS)，而降低儲存於量測電容808的電荷之重設雜訊(reset noise)之影響，進而改善量測位在量測電容808的電荷之精準度。
圖8B為繪示操作選擇開關803、快門開關804、轉換閘806及重設開關807之示例的時序圖(timing diagram)。於圖8B的示例中，光二極體801、802用於在相同的曝光期間中偵測入射光線的不同部分，並轉換入射光線的不同部分成電荷。舉例來說，光二極體801能轉換紅外光線光子成電荷，而光二極體802能轉換可見光線的色彩部分(例如紅色)之光子成電荷。請參閱圖8B，期間T0能包含第一重設期間，且光二極體801、802及量測電容808於該第一重設期間重設以刪除所儲存的電荷。為了重設電容，感測控制器610能有效化(assert)快門訊號816及重設訊號818以分別啟用(enable)快門開關804及重設開關807。此外，感測控制器610也能有效化選擇訊號813以啟用選擇開關803。透過啟用那些開關，量測電容808便能與電壓源830短路(electrically shorted)，藉以移除所儲存的電荷。再者，光二極體801也能與電壓源820短路，藉以移除所儲存的電荷。更進一步來說，隨著選擇開關803啟用，光二極體802也能與電壓源820短路(透過光二極體801)，藉以移除所儲存的電荷。於一些示例中，於期間T0時，像素單元800也能隔絕於入射光線(例如藉由機械快門404)。
期間T1接續於期間T0，且於期間T1時，像素單元800能暴露於光線。該光線能一併包含可見光線及紅外光線。快門訊號816及重設訊號818能分別從光二極體801及量測電容808斷開電壓源820、830而被無效化。光二極體801、802能轉換光線的不同部分之光子並累積電荷。於期間T1時，選擇訊號813及轉換訊號814皆被無效化以限制(trap)電荷於光二極體801、802。
期間T2接續於期間T1，且於期間T2時，轉換訊號814能被有效化(或設定特定的偏向基準(bias level))以啟用轉換閘806。儲存於光二極體801的電荷能轉移至量測電容808而用於讀出(readout)。選擇訊號813保持無效化以繼續限制電荷於光二極體802。儲存於量測電容808的電荷量能代表由光二極體801所接收的紅外光線的強度。在期間T2結束時產生於量測電容808的電壓可由暫存器809暫存，並轉移至三維量測模組624以產生像素值。像素值例如有關於紅外光線的強度、接收紅外光線光子的時序等等。
期間T3接續於期間T2，且期間T3可包含第二重設期間。光二極體801及量測電容808皆於該第二重設期間中在光二極體801的電荷讀出後重設。感測控制器610皆能由有效化快門開關804及重設開關807而重設光二極體801及量測電容808。光二極體801及量測電容808的重設能使光二極體801及量測電容808在接下來的期間中準備好讀出來自光二極體802的電荷，進而提升儲存於光二極體802的電荷之讀出的精準度。
期間T4接續於期間T3，且期間T4可包含第二量測期間，以讀出儲存於光二極體802的電荷。於期間T4時，選擇訊號813及轉換訊號814皆能有效化(或設定特定的偏向基準)；而快門訊號816為無效化狀態，以使累積於光二極體802的電荷能流過光二極體801，進而流到量測電容808。期間T4結束時儲存於量測電容808的電荷量能代表於期間T1由光二極體802所接收之可見光線色彩部分的強度。期間T4結束時產生於量測電容808的電壓能由暫存器809暫存，並轉移至二維量測模組622以產生像素值。該像素值有關於可見光線色彩部分的強度。
圖8C繪示能為圖6中的像素單元陣列606之一部分的像素單元850之示例。如圖8C所示，相較於圖8A中的像素單元800，像素單元850包含量測電容以及相關的控制及處理電路的兩個集合。一個集合用於光二極體801，且一個集合用於光二極體802。舉例來說，像素單元850包含一量測電容808a以及一量測電容808b。量測電容808a用於讀出儲存於光二極體801的電荷，且量測電容808b用於儲存光二極體802所儲存的電荷。像素單元850更包含一轉換閘806a以及一轉換閘806b。轉換閘806a(由轉換訊號814a控制)用於控制電荷從光二極體801到量測電容808a的流動，且轉換閘806b(由轉換訊號814b控制)用於控制電荷從光二極體802到量測電容808b的流動。像素單元850更包含一重設開關807a以及一重設開關807b。重設開關807a(由重設訊號818a控制)用於利用電壓源830a與電容的短路而重設量測電容808a。重設開關807b(由重設訊號818b控制)利用電壓源830b與電容的短路重設量測電容808b。像素單元850更包含一暫存器809a以及一暫存器809b。暫存器809a用於暫存產生於量測電容808b的電壓。暫存器809b用於暫存產生於量測電容808b的電壓。暫存器809a能提供電壓至三維量測模組624，且該電壓代表儲存於光二極體801的電荷(反映入射於光二極體801上的紅外光線)。暫存器809b能提供電壓至二維量測模組622，且該電壓代表儲存於光二極體802的電荷(反映入射於光二極體802上的可見光色彩部分)。相似於像素單元800，於像素單元850中，光二極體801、802依序串接以形成一堆疊結構，且累積於光二極體802的電荷流過選擇開關803及光二極體801，進而流到轉換閘806b及量測電容808b。
圖8D為繪示操作選擇開關803、快門開關804、轉換閘806a、806b及重設開關807a、807b之示例的時序圖。於圖8D的示例中，光二極體801、802用於在相同的曝光期間偵測入射光線的不同部分，並轉換入射光線的不同部分成電荷。請參閱圖8D，期間T0能包含第一重設期間，且於該第一重設期間時，光二極體801、802及量測電容808a被重設。感測控制器610能有效化快門訊號816以及重設訊號818a、818b，藉以分別啟用快門開關804、重設開關807a及重設開關807b。此外，感測控制器610也能有效化選擇訊號813而啟用選擇開關803。藉由啟用那些開關，量測電容808a能與電壓源830a短路，藉以移除所儲存的電荷。量測電容808b能與電壓源830b短路，藉以移除所儲存的電荷。光二極體801能與電壓源820短路，藉以移除所儲存的電荷。更進一步來說，隨著選擇開關803啟用，光二極體802也能與電壓源820短路(透過光二極體801)，藉以移除所儲存的電荷。於期間T0時，像素單元850也能隔絕於入射光線(例如藉由機械快門404)。
期間T1接續於期間T0，且於期間T1時，像素單元850能暴露於光線，且該光線能一併包含可見光線及紅外光線。快門訊號816及重設訊號818a、818b能被無效化，此將分別自光二極體801及量測電容808斷開電壓源820、830。光二極體801、802能轉換光線的不同部分之光子，並累積電荷。於期間T1時，選擇訊號813及轉換訊號814a、814b皆被無效化以限制電荷於光二極體801、802。
期間T2接續於期間T1，且於期間T2時，轉換訊號814a能有效化(或設定特定偏向基準)以啟用轉換閘806a。轉換訊號814b能保持無效化狀態以停用轉換閘806b。儲存於光二極體801的電荷能轉移至量測電容808而用於讀出。選擇訊號813保持停用狀態以繼續限制電荷於光二極體802。儲存於量測電容808的電荷量能代表由光二極體801所接收的紅外光線之強度。於期間T2結束時產生於量測電容808a的電壓能由暫存器809a暫存，並轉移至三維量測模組608以產生像素值。該像素值例如有關於紅外光線的強度、接收紅外光線光子的時序等等。
期間T3接續於期間T2，且期間T3可包含第二重設期間，且於該第二重設期間時，在光二極體801的電荷讀出後光二極體801被重設。感測控制器610能藉由有效化快門開關804重設光二極體801。光二極體801的重設能為在接下來的期間中準備用於讀出來自光二極體802的電荷，進而提升讀出儲存於光二極體802的電荷之精準度。
期間T4接續於期間T3，且期間T4可包含第二量測期間。該第二量測期間用於讀出儲存於光二極體802的電荷。於期間T4時，選擇訊號813及轉換訊號814b皆能被有效化(或設定特定偏向基準)，而快門訊號816被無效化，而使累積於光二極體802的電荷能流過光二極體801，進而流到量測電容808b。於期間T4結束時儲存於量測電容808b的電荷量能代表於期間T1由光二極體802所接收之可見光線色彩部分的強度。在期間T4結束時產生於量測電容808b的電壓能由暫存器809b暫存，並傳送至量測模組608以產生像素值。該像素值有關於可見光線色彩部分的強度。
相較於圖8A中的像素單元800，像素單元850提供一個量測電容及相關的處理電路給各個光二極體，而能提升入射光線強度量測的精準度。舉例來說，儲存於量測電容的電荷上的重設雜訊之影響能被降低。如圖8D所示，在量測於量測電容808b由光二極體802產生的電荷之前，電容重設一次(於期間T2時)。相對來說，如圖8A所示，因為光二極體801、802之間共用量測電容808，所以在量測電容808量測由光二極體802產生的電荷之前必須重設電容兩次(於期間T0、T3時)。在額外的示例中，重設時會增加重設雜訊至量測電容808並降低量測的精準度。進一步來說，如上述有關像素單元850的描述，暫存器809a、809b各能對量測模組608中的各個控制電路為固線式(hardwire)(例如暫存器809a對飛行時間量測模組624以及暫存器809b對光線強度量測模組622)，而於像素單元800中，暫存器809的輸出必須選擇性地發送(route)至兩個模組的其中一者(例如透過多工器電路(multiplexer circuit))。於暫存器809及量測模組608之間增加多工器電路，會於被各個控制電路處理前增加雜訊至暫存器輸出，進而降低入射光線的量測/偵測之精準度。如此一來，像素單元850便會降低入射光線強度量測中所產生的雜訊。
圖8E繪示能為圖6中的像素單元陣列606之一部分的像素單元860之示例。如圖8E所示且相似於圖8C中的像素單元850，像素單元860也包含量測電容808a、808b及相關的控制及處理電路的兩個集合。舉例來說，像素單元860包含轉換閘806a、重設開關807a、暫存器809a及電壓源830a以控制電荷到量測電容808a的流動。此外，像素單元860也包含轉換閘806b、重設開關807b、暫存器809b及電壓源830b以控制電荷到量測電容808b的流動。然而，相對於圖8C中的像素單元850，於像素單元860中，各個光二極體(以及其區域電容)獨立地連接於各個光二極體的量測電容及相關的控制及處理電路。舉例來說，光二極體801直接連接於轉換閘806a及快門開關804a，而光二極體802直接連接於轉換閘806b及快門開關804b，且由光二極體802產生的電荷無須通過光二極體801而到達轉換閘806b與量測電容808b。光二極體801能根據快門訊號816a由快門開關804a重設，而光二極體802能根據快門訊號816b由快門開關804b重設。
不同於圖8A及圖8C中依序讀出來自光二極體801、802之電荷的配置，圖8E中的配置能同時讀出來自光二極體801、802的電荷。如此的配置能增加與像素單元860共同作業的影像感測器之運作速度(operation speed)。此外，藉由從轉移電荷(由光二極體802所產生)之路徑上移除光二極體801，光二極體801汙染(contaminate)由光二極體802所產生的電荷之機會便能被降低，進而能提升光二極體802的量測精準度。
於一些示例中，圖8A至圖8E中的像素單元800、850、860的多個光二極體也能作為單一的光二極體使用，且該單一的光二極體具有經提升過的滿井容量(full well capacity)。舉例來說，根據光學過濾器陣列604的構造及/或光二極體801、802的構造，各個光二極體能用於偵測相同波長部分的光線(例如紅外光線、可見光線的一色彩部分等等)並轉換該光線成電荷。選擇開關803能更進一步增加光二極體801、802用來儲存電荷的容量。
請參閱圖9A及圖9B。圖9A及圖9B繪示作為具有多個光二極體的像素單元之半導體裝置900(以下可簡稱裝置900)的示例。圖9A繪示形成於P型半導體基板901(以下可簡稱P型基板901或基板901)的裝置900。裝置900能形成圖8A中的像素單元800。裝置900能作為經由背側(例如面對方向A’的一側)接收入射光線902的背側照明裝置。裝置900的背側能包含一微透鏡903以及一光學過濾器904。微透鏡903用於集中入射光線。光學過濾器904用於過濾入射光線，而使光二極體能接收光線的預設之光線部分902a、902b，且該光線集中於沿A及A’所代表的軸線延伸的傳播路徑。光線部分902a可包含可見光線的一色彩部分(例如紅色部分、藍色部分或綠色部分其中一者)，而光線部分902b可包含紅外光線。
裝置900也包含一N型區域906，且N型區域906嵌入於P型基板901中以形成針扎光二極體。裝置900也包含一P型井(P-well)908以及一N型區域912，且N型區域912嵌入於P型井908中以形成另一個針扎光二極體。由N型區域912所形成的針扎光二極體能為對應至圖8A至8E中的光二極體801之第一針扎光二極體，而由N型區域912所形成的針扎光二極體能為對應至圖8A至8E中的光二極體802之第二針扎光二極體。阻擋層914也能形成於P型井908中提供第一針扎光二極體及第二針扎光二極體之間的阻隔。於一些示例中，阻擋層914能為P型層，並為P型井908的一部份，或是能為相較P型井908具有高P型摻雜濃度(doping concentration)的P型井之一部分。於一些示例中，阻擋層914也能為N型層(例如相較N型區域906及N型區域912皆具有較低的N型摻雜濃度)。這兩個針扎光二極體能具有相同或不同的針扎電壓(pinning voltage)(例如在光二極體中最大的電壓差)。在第一及第二針扎光二極體兩者中，在P型基板901以及P型井908中的N型區域906及N型區域912之間的完全隔離，能使暗電流(dark-current)及雜訊有較好的表現。
如圖9A所示，第二針扎光二極體(由P型基板901及N型區域906所形成)、阻擋層914以及第一針扎光二極體(由P型井908及N型區域912所形成)能於裝置900中沿入射光線的傳播方向形成一堆疊結構(由A及A’之間的軸線所表示)。相較於第二針扎光二極體，堆疊結構將第一針扎光二極體設置於較遠離接收光線的背側之地方。如此的配置使第一針扎光二極體及第二針扎光二極體能接收不同頻率部分的光線。舉例來說，具有較短波長光子的可見光線一般具有較淺的吸收深度，而紅外光線光子能穿透到矽中的更深處。因此，於裝置900中，第二針扎光二極體能主要收集光線部分902a(可見光線的一預設色彩部分)，而第一針扎光二極體能主要收集光線部分902b(紅外光線)。如此的配置能使兩個光二極體能偵測不同波長部分的光線，而於相同的像素中執行二維及三維感測。
裝置900於裝置900的前側(例如面對A的一側)更包含針扎層915、氧化物層916(也可稱為隔離層916)、多晶矽(polysilicon)閘918以及N型汲極920(也可簡稱為汲極920)。針扎層915能用於分離N型區域912而不直接相連於隔離層916，藉以降低由氧化物層916及基板之間的介面之表面孔洞結合(surface-hole combination)所造成的暗電流，進而提升第一針扎光二極體的暗電流表現。於一些示例中，針扎層915能以N型區域912形成第二針扎光二極體，且P型井908能自裝置900移除。多晶矽閘918能透過隔離層916接收電壓並施加電場，藉以於N型區域912以及汲極920之間的通道區域922創造通道。所創造的通道能用於傳送由第一或第二光二極體其中一者所產生的電荷，以響應入射光線的偵測。於一些示例中，如以下所述，多晶矽閘918也能延伸過第一針扎光二極體的N型區域912，以調變(modulate)第一針扎光二極體中的位能(potential)，進而調節從第二針扎光二極體的N型區域906傳送至汲極920的電荷。請再次參閱圖8A，裝置900的汲極920能對應於量測電容808；裝置900的多晶矽閘918能對應於轉換閘806；裝置900的第一針扎光二極體(由P型井908及N型區域912所形成)能對應於光二極體801；裝置900的第二針扎光二極體(由P型基板901及N型區域906所形成)能對應於光二極體802，而阻擋層914能作為選擇開關803。
圖9B繪示形成於P型半導體基板901的裝置950。裝置950能作為透過前側(例如面對方向A的一側)接收入射光線902的前側照明裝置。於裝置950中，微透鏡903及光學過濾器904能位於隔離層952(也能為氧化物層或以其他絕緣材料製成)的頂部，且隔離層952覆蓋氧化物層916及多晶矽閘918。於裝置950中，第二針扎光二極體(由P型井908及N型區域912形成)也能用於偵測光線部分902a(例如可見光線的一色彩部分)，而第一針扎光二極體(由P型基板901及N型區域906形成)也能用於偵測光線部分902b。如同裝置900，裝置950也於N型區域912及N型區域906之間包含阻擋層914，且第二針扎光二極體、阻擋層914以及第一針扎光二極體於裝置900中沿入射光線的傳播方向形成一堆疊結構(由A及A’之間的軸線所表示)。
圖10A及圖10B繪示能作為具有多個光二極體的像素單元的裝置1000之示例。圖10A繪示裝置1000的兩個剖面示意圖，且一個剖面示意圖面對X及X’之間的軸線，而另一個剖面示意圖面對Y及Y’之間的軸線。圖10B繪示裝置1000的前視圖(例如面對方向A)，且該前視圖中包含介於X及X’之間的軸線以及介於Y及Y’之間的軸線。於一些示例中，裝置1000能包含圖9A中的裝置900，以形成圖8A中的像素單元800。裝置1000能形成於P型基板901上且例如可包含沿A-A’軸線形成一堆疊結構的微透鏡903、光學過濾器904、N型區域906(為第二針扎光二極體的一部份)、選用的P型井908、N型區域912(為第一針扎光二極體的一部份)、阻擋層914、針扎層915、氧化物層916以及多晶矽閘918。裝置1000更包含汲極920，作為浮動裝置(floating device)以儲存由第一或第二針扎光二極體其中一者所產生的電荷。由第一或第二針扎光二極體其中一者所產生的電荷能沿由Z-Z’所表示的路徑流動過通道區域922(形成於多晶矽閘918根據所接收的電壓施加電場的時候)而流到汲極920。於圖10A中的示例，多晶矽閘918延伸過N型區域912(形成第二針扎光二極體)以調變第二針扎光二極體中的位能，進而協助電荷從第一針扎光二極體透過第二針扎光二極體轉換到汲極920。雖然裝置1000繪示為背側照明裝置(入射光線晶由面對方向A’的背側面進入)，但是可以理解的是，裝置1000也能作為相似於圖9B的裝置950之前側照明裝置。此外，雖然圖10B呈現多晶矽閘918為位於光二極體堆疊結構的頂部，但是可以理解的是，多晶矽閘918也能位於光二極體堆疊結構的一側。
如圖10A所示，裝置1000更包含一或多個深溝渠隔離結構1002。深溝渠隔離結構能作為絕緣體(insulator)以降低相鄰像素單元裝置(例如沿軸線X-X’或Y-Y’彼此相鄰的像素單元)之間的耦合(coupling)，併更進一步優化基板中的N型區域之絕緣。深溝渠隔離結構可各包含由矽氧化物(silicon oxide)製成並填充有填充材料1004的一或多個側牆1003。填充材料1004可包含金屬或摻雜的多晶矽。填充材料1004能為導體並能接收電壓訊號以產生電場。於一些示例中，深溝渠隔離結構的深度(例如沿軸線A-A’)能延伸過裝置1000中包含P型基板901的整個半導體裝置。如圖10B所示，深溝渠隔離結構1002可包含一或多個接點1007，且一或多個接點1007位於裝置1000的前側以提供電性路徑給填充材料1004施加電壓訊號。
深溝渠隔離結構1002能用於控制阻擋層914以控制由(第二針扎光二極體的)N型區域906所產生的電荷到(第一針扎光二極體的)N型區域912及汲極920的流動，進而執行選擇開關803的功能。舉例來說，如上所述，深溝渠隔離結構1002可接收電壓訊號以產生電場，且該電場包含橫跨(across)阻擋層914的電場1006。電場能改變阻擋層914中的電荷載體(charge carrier)之分佈，且能改變阻擋層914相對基板901的電位。阻擋層914與基板901之間的相對電位之改變能順帶造成阻擋層914對於由第二針扎光二極體所產生的電荷得以或不得在流到汲極920的途中流過第一針扎光二極體。
圖10C繪示於操作裝置1000的不同期間時沿路徑Z-Z’之電位分佈的示例。於期間1010時，第一針扎光二極體及第二針扎光二極體皆暴露於入射光線，且針扎光二極體轉換光子成電荷並儲存電荷。通道區域922及阻擋層914的電位可被設定為大約等於基板901的電位，並小於N型區域906及N型區域912中的電荷儲存區域之電位。因此，電荷被限制於針扎光二極體內。期間1010例如能對應於圖8B中的期間T1。於期間1010時，轉換訊號814及選擇訊號813皆被無效化，且多晶矽閘918及深溝渠隔離結構1002因而不會產生電場。
於期間1012時，通道區域922的電位可增加而令儲存於第一針扎光二極體(包含N型區域912)的電位流動至汲極920。能施加電壓於多晶矽閘918(例如透過利用感測控制器610有效化轉換訊號814)，藉以於通道區域922產生通道。通道的產生便提高通道區域922的電位並產生由N型區域912至汲極920的位能梯度(potential gradient)。電荷可沿位能梯度流動至汲極920中。然而，選擇訊號813仍保持無效化，且阻擋部914的電位保持低於N型區域912的電位。因此，儲存於第二針扎光二極體(包含N型區域906)的電荷仍保持被限制的狀態。期間1012例如能對應於圖8B中的期間T2。
於期間1014時，轉換訊號814及選擇訊號813皆被有效化以使儲存於第二針扎光二極體(包含N型區域906)的電荷能讀出。因為有效化轉換訊號814，所以通道區域922的電位保持較高。此外，選擇訊號813的有效化造成將被施加於深溝渠隔離結構1002的電壓訊號於阻擋層914上產生電場1006。電場例如能將阻擋層914中的負電荷載體(negative charge carrier)推開以增加阻擋層914相對基板901及N型區域906的電位。因此，從基板901到通道區域922，途經N型區域906、阻擋層914及N型區域912形成有位能梯度901，且先前限制於第一針扎光二極體的電荷便能流動至汲極920。進一步來說，在多晶矽閘918重疊於第二光二極體(由N型區域912形成)的情況中，轉換訊號814的有效化也可於第二針扎光二極體中產生電場。電場能將N型區域906中的負電荷載體推開，進而增加負電荷載體的電位。如此一來，便能使電位梯度具有更大的斜率而促進電荷由第一針扎光二極體轉換到汲極920。
請參閱圖11A及圖11B。圖11A及圖11B繪示作為具有多個光二極體的像素單元之半導體裝置的示例。圖11A繪示裝置1100。裝置1100能形成圖8C中的像素單元850。於圖11A中的示例中，類似於裝置900、1000，裝置1100能作為背側照明裝置而透過背側(例如面對方向A’的一側)接收入射光線902。裝置1100能形成於基板901且例如可包含沿軸線A-A’形成一堆疊結構的微透鏡903、光學過濾器904、N型區域906(形成第二針扎光二極體)、選用的P型井908、N型區域912(形成第一針扎光二極體)、阻擋層914、針扎層915以及氧化物層916。裝置1100更包含一或多個深溝渠隔離結構1002，而控制阻擋層914的電位，藉以依序讀出儲存於第一及第二針扎光二極體的電荷。此外，裝置1100更包含分別位於氧化物層1116a、1116b的一對多晶矽閘1118a、1118b，以及一對汲極1120a、1120b。汲極1120a能用於儲存由第一針扎光二極體(包含N型區域912)產生的電荷，而汲極1120b能用於儲存由第二針扎光二極體(由N型區域912形成)產生的電荷。藉由阻擋層914及多晶矽閘1118b能控制從第二針扎光二極體(例如N型區域906)到汲極1120a的電荷流動，而藉由多晶矽閘1118a能控制從第一針扎光二極體(例如N型區域912)到汲極1120a的電荷流動。請再次參閱圖8C。裝置1100的汲極1120a能對應於量測電容808a；裝置1100的汲極1120b能對應於量測電容808b；裝置1100的多晶矽閘1118a能對應於轉換閘806a；裝置1100的多晶矽閘1118b能對應於轉換閘806b，而阻擋層914能作為選擇開關803。雖然裝置1100繪示為背側照明裝置(入射光線透過面對方向A’的背側面進入)，但是可以理解的是，裝置1000也能作為相似於圖9B中的裝置950之前側照明裝置。
除了(或替代於)改變阻擋層914的電場，基板901的電位也能被改變而控制電荷從(第二針扎光二極體的)N型區域906經由(第一針扎光二極體的)N型區域912到汲極920的流動。電位例如能由圖8A及圖8C中的偏向來源840控制。圖12繪示於操作裝置1000(或裝置1100)的不同期間時電位沿路徑Z-Z’的分佈之示例。為了說明方便，僅呈現通道區域922、N型區域912、阻擋層914、N型區域906以及基板901的電位。於期間1200時(能對應於圖10C中的期間1010)，基板901能偏向於接地電壓(ground voltage)，而使阻擋層914及基板901皆能具有相似的電位。與此同時，N型區域906、912的電位高於阻擋層914以及通道區域922兩者的電位，進而限制儲存並產生於N型區域的電荷。
於期間1202時，施加於基板901的偏向電壓例如能根據選擇訊號813從接地電壓降低成負電壓，而P型井908的電位則保持在接地電壓。基板901及阻擋層914之間便能產生位能梯度。負電壓也能完全消除(deplete)儲存於N型區域906的電荷，且電荷能沿位能梯度透過阻擋層914流動到N型區域912中。當轉換訊號814被有效化且通道區域922的電位增加時，電荷能自N型區域912讀出。透過調變基板電壓，便也能調節阻擋層914(由圖8A及圖8C中的選擇開關803所表示)對電荷從第二針扎光二極體到第一針扎光二極體之流動所造成的影響。
於圖11A及圖11B中，深溝渠隔離結構1002能偏向而提升暗電流表現。舉例來說，深溝渠隔離結構1002能偏向於固定的負電壓，藉以累積電洞(hole)於矽二極體側牆1003及基板之間的介面附近。電洞的累積能降低(第一針扎光二極體的)N型區域906中的暗電流。因此，便能更進一步提升在第一針扎光二極體所執行的可見光線量測之精準度。
圖13A、圖13B、圖13C及圖13D繪示包含多個像素單元裝置1000的像素單元陣列1300之半導體裝置的示例。圖13A為像素單元陣列1300的示例之側視圖，而圖13B為像素單元陣列的前視圖(例如面對方向A的一側)。如圖13A所示，各個像素單元裝置1000包含第一針扎光二極體以及第二針扎光二極體。第一針扎光二極體例如用於偵測紅外光線(紅外光線光二極體(IR-PD))，且第二針扎光二極體例如用來偵測可見光線(紅綠藍光二極體(RGB-PD))。各個像素單元裝置1000更包含多晶矽閘918以控制電荷的流動。IR-PD能位於P型井908中。第一針扎光二極體及第二針扎光二極體沿位於基板901且為入射光線所傳播的軸線A-A’形成一堆疊結構。其他未繪示於圖13A中的處理電路(例如量測模組608、感測控制器610等等)能封裝於N型井中以屏蔽(shield)於基板901，藉以確保基板901的偏向電壓切換(toggle)時能適當地運作。
此外，如圖13A及圖13B所示，為了進接(access)基板901而施加偏向電壓，可形成一或多個P+區域1304能自前側延伸並與深溝渠隔離結構平行而於像素陣列的背側(例如面對A’的一側)抵達基板901。P+區域1304能包含高濃度的P型摻雜物(dopants)藉以與基板901形成低阻抗的連接。如圖13B所示，P+區域1304能形成環型結構，且接點1306能位於像素單元陣列1300的前側，藉以用金屬連接部1308連接P+區域1304，且金屬連接部1308覆蓋前側的頂部。基板901能透過金屬連接部1308接收偏向電壓。該偏向電壓可調整而改變阻擋層914及基板901(及/或N型區域906)之間的電位差，或者該偏向電壓可如上所述而為固定的。於一些示例中，基板901也能用較小的正電壓偏向，藉以對RGB-PD提供防溢流（anti-blooming）閘。
更進一步來說，像素單元陣列1300也包含深溝渠隔離結構1002(可為像素單元裝置1000的一部份並共用於相鄰的像素單元裝置之間)，而隔離於相鄰像素單元裝置的光二極體之間。於圖13A的示例中，深溝渠隔離結構1002能從前側製造。深溝渠隔離結構能從前側延伸過IR-PD及RGB-PD的堆疊結構並停止於基板901，藉以隔離深溝渠隔離結構1002於基板901。深溝渠隔離結構1002對基板901的隔離能防止施加於深溝渠隔離結構1002的偏向電壓(以控制阻擋層)與施加於基板901的偏向電壓(透過P+區域1304所施加)干涉。此外，深溝渠隔離結構可隔離各個像素單元裝置1000的P型井908。如圖13B所示，各個像素單元裝置1000可包含一或多個接點1302，且一或多個接點1302位於像素單元陣列1300的前側，而提供到像素單元裝置的P型井908之電性路徑，進而使P型井能接收偏向電壓(例如接地電壓)而控制電荷的流動(如圖12所示)。深溝渠隔離結構也能透過位於前側的接點及金屬連接部接收偏向電壓(為繪示於圖13A及圖13B中)。偏向電壓可調整而改變阻擋層914的電位，或者偏向電壓可如上所述為固定的以降低暗電流的產生。於一些示例中，深溝渠隔離結構的接點能位於各個像素位置；及/或位於環型結構中；且該環型結構相似於P+區域1304並位於像素陣列的周圍。
圖13C為像素單元陣列1300的側視圖之另一個示例，而圖13D為像素單元陣列的前視圖(例如面對方向A的一側)。相較於圖13A，各個像素單元裝置1000包含第一針扎光二極體及第二光二極體。第一針扎光二極體用於偵測紅外光線(“IR-PD”)，且第二光二極體用於偵測可見光線(“RGB-PD”)。各個像素單元裝置1000更包含多晶矽閘918以控制電荷的流動。IR-PD能位於P型井908中。第一針扎光二極體及第二針扎光二極體沿位於基板901且為入射光線所傳播的軸線A-A’形成一堆疊結構。此外，一或多個P+區域1304能從前側延伸並與深溝渠隔離結構平行而於像素陣列的背側(例如面對A’的一側)到達基板901。P+區域1304能包含高濃度的P型摻雜物以於基板901形成低阻抗連接。
此外，像素單元陣列1300也包含深溝渠隔離結構1002(能為像素單元裝置1000的一部份且共用於相鄰的像素單元裝置之間)而隔離於相鄰像素單元裝置的光二極體之間。但是不同於圖13A的是，在圖13C中的示例中，深溝渠隔離結構1002沒有到達基板901。深溝渠隔離結構1002反而能由延伸至基板901的P型保護環1320(以下可簡稱保護環1320)所圍繞。
P型保護環1320的形成能具有許多優點。首先，在像素單元陣列1300作為背側照明裝置而透過背側(例如面對方向A’的一側)接收入射光線的情況中，P型保護環1320可有利地降低基板901的厚度，而加強基板901對入射光線的特定部份之吸收(例如藍色光線)，進而最大化RGB-PD所接收的入射光線之強度。但是當基板的厚度較薄時，便可能需要精準地控制深溝渠隔離結構1002的深度，而使深溝渠隔離結構1002不會穿透到基板901(以防止深溝渠隔離結構1002與基板901發生短路而干涉基板901的偏向)，但是深溝渠隔離結構1002能封裝(並隔離)像素單元裝置的IR-PD及RGB-PD於鄰近像素單元裝置中相對應的光二極體。透過增設保護環1320以封裝深溝渠隔離結構1002，深溝渠隔離結構能隔離於基板901。此外，即使深溝渠隔離結構1002沒有與基板901接觸，保護環1320也能隔離相鄰的像素單元裝置1000的RGB-PD。因此，精準控制深溝渠隔離結構1002的深度之需求便能被緩解。此外，保護環也能降低所需要的電壓擺幅(voltage swing)(例如負電壓擺幅)以完全消除RGB-PD而讀出電荷。P型保護環1320能由佈植(implantation)形成，且只要P型保護環1320不接觸於RGB-PD及IR-PD之間的阻擋層，佈植深度的精準度便也能被緩解。
圖14A及圖14B繪示包含多個像素單元裝置1000的像素單元陣列1400之示例。圖14A為像素單元陣列1400的側視圖，而圖14B為像素單元陣列的後視圖(例如面對方向A’的一側)。如圖14A所示，各個像素單元裝置1000包含第一針扎光二極體、第二針扎光二極體以及多晶矽閘918。第一針扎光二極體用於偵測光外光線(例如IR-PD)。第二針扎光二極體用於偵測可見光線(例如RGB-PD)。多晶矽閘918用於控制電荷的流動。IR-PD能位於P型井908中。其他未繪示於圖14A中的處理電路(例如數位化模組608、感測控制器610等等)能封裝於N型井以屏蔽於基板901，進而使基板901的偏向電壓切換時能適當地運作。
此外，如圖14A及圖14B所示，像素單元陣列1400也包含深溝渠隔離結構1002以隔離相鄰像素單元裝置1000的針扎光二極體。於圖14A中的示例中，深溝渠隔離結構1002能從背側製造。深溝渠隔離結構能從背側延伸過第一及第二光二極體的堆疊結構，並停止於P型井908。深溝渠隔離結構不會隔離各個像素單元裝置1000的P型井908。各個像素單元的P型井908能連接至共用基板(common substrate)1402且可(或可不)於各個像素單元中包含用於外部偏向連接(external bias connection)的接點1302。然而，深溝渠隔離結構隔離各個像素單元裝置1000的基板901。為了從外部進接各個像素單元裝置1000的基板901，各個像素單元裝置1000的基板901及像素單元陣列1400的背側能設有一或多個接點1404。金屬連接部1406能連接於背側上的接點1404。此外，像素單元陣列1400更包含一或多個矽穿孔(through-silicon vias，TSVs)1407，且一或多個矽穿孔1407從前側延伸到背側。矽穿孔1407能於前側提供金屬連接部1406及金屬連接部1408之間的電性連接。偏向電壓訊號能施加於金屬連接部1408，而改變各個像素單元裝置1000的基板901之偏向電壓。偏向電壓訊號能透過接點1410從金屬連接部1408傳送至矽穿孔1407；從矽穿孔1407透過接點1412傳送至金屬連接部1406；並從金屬連接部1406透過接點1404傳送至基板901。圖14B繪示接點1412、1404以及位於像素單元陣列1400的背側之金屬連接部1406的示例。
於一些示例中(未繪示於圖13A至14B)，深溝渠隔離結構1002可由前側延伸到背側，而使P型井908及基板901皆隔離於相鄰的像素單元裝置1000之間。如此一來，像素單元陣列可包含在前側的接點(例如接點1306)以進接各個像素單元裝置的P型井908；以及在背側的接點(例如接點1404)以進接各個像素單元裝置的基板901。此外，在圖13A至14B的示例中，像素單元陣列裝置的厚度能於光線傳播於裝置中時，預設為能最大化吸收可見光線的特定色彩部分之厚度。
圖15A至15G繪示作為具有多個光二極體的像素單元的半導體裝置1500之示例。半導體裝置1500可形成圖8E中的像素單元860。半導體裝置1500可形成於P型基板1501上且能作為背側照明裝置，以透過背側(例如面對方向A’的一側)接收入射光線902。半導體裝置1500的背側能包含微透鏡903、光學過濾器904以及嵌入於絕緣層1504的光學結構1502。入射光線能由微透鏡903聚集並由光學過濾器904過濾。所過濾的入射光線可包含關於不同波長範圍的光線部分902a(例如可見光線的一色彩部分)以及光線部分902b(例如紅外光線部分)。所過濾的入射光線能沿軸線A-A’朝前側傳遞，並由光學結構1502分開(split)。光學結構能將光線部分902a從光線部分902b分離出來，並投射不同的光線部分到兩個光二極體。該兩個光二極體位於P型基板1501中不同的位置(例如沿軸線Y-Y’)。
如圖15A所示，半導體裝置1500包含N型區域1506、阻擋層1508以及N型區域1510，且N型區域1510嵌入P型基板1501中以形成第一針扎光二極體(包含N型區域1506)以及第二針扎光二極體(包含N型區域1510)。第一針扎光二極體及第二針扎光二極體能沿軸線(例如Y-Y’)並排設置，且該軸線例如於光學結構1502中正交於光線902的傳播方向(例如沿A-A’)。第一針扎光二極體例如能用於從光學結構1502接收入射光線的光線部分902a(例如可見光線的一色彩部分)，而第二針扎光二極體例如能用於從光學結構1502接收入射光線的光線部分902b(例如紅外光線)。阻擋層1508用於隔離於第一及第二針扎光二極體之間，且例如能包含一部分的P型基板1501、深溝渠隔離結構等等。
半導體裝置1500在裝置的前側(例如面對A的一側)更包含針扎層1515、氧化物層、一對多晶矽閘1518a、1518b以及一對N型汲極1520a、1520b。汲極1520a能用於儲存由第一光二極體(由N型層1506形成)產生的電荷，而汲極1520b能用於儲存由第二光二極體(由N型區域1510形成)產生的電荷。電荷從第一光二極體(例如N型區域1506)到汲極1520a的流動能由多晶矽閘1518a控制，而電荷由第二光二極體(例如N型層1510)至汲極1520b的流動可由多晶矽閘1518b控制。針扎層1515能降低N型區域1506、1510所產生的暗電流，且暗電流由消除氧化物層介面所造成。請再次參閱圖8E，半導體裝置1500的汲極1520a能對應於量測電容808a；半導體裝置1500的汲極1520b能對應於量測電容808b；半導體裝置1500的多晶矽閘1518a能對應於轉換閘806a；且半導體裝置1500的多晶矽閘1518b能對應於轉換閘806b。雖然半導體裝置1500繪示為背側照明裝置(入射光線透過面對方向A’的背側進入)，可以理解的是，半導體裝置1500也可作為相似於圖9B中的裝置950之前側照明裝置。
圖15B至圖15G繪示光學結構1502能將光線部分902a(例如可見光線)從光線部分902b(例如紅外光線)分離，並投射不同的光線部分到不同位置的機制之示例。舉例來說，如圖15B所示，光學結構1502可包含稜鏡(prism)1530，且稜鏡1530能藉由折射分開這些光線部分。光線902的折射可例如發生於表面1532，且所發生的折射在光線離開表面時改變光線的傳播方向。傳播方向的改變係根據折射率，且折射率能為稜鏡1550的材料及光線部分的波長之函數。由於具有不同的波長，光線902不同的光線部分(包含光線部分902a、902b)之傳播方向可經歷不同角度的變化，而使光線部分902a、902b分別朝N型區域1506、1510傳播。
於一些示例中，如圖15C所示，光學結構1502可包含繞射光柵結構1540，且繞射光柵結構1540能透過繞射分開這些光線部分。繞射光柵結構1540例如可包含傳送光柵結構，且該傳送光柵結構包含多個溝槽，例如溝槽1542。當光線902通過繞射光柵結構1540，光線902的不同部分能於不同的出射角度(departure angle)具有建設性干涉(constructive interference)。舉例來說，假設光線902以角度θi入射於繞射光柵結構1540上，對於第m階繞射的光線部分之出射角度θm能根據下列等式相關於繞射光柵結構1540的相鄰溝槽之間的距離及光線部分的波長λ：
(Equation 1)
具有不同波長的不同光線部分(例如光線部分902a及902b)對於特定的繞射階級(例如第一階級)能相對繞射光柵結構1540具有不同的出射角度，進而使光線部分902a、902b以不同的角度傳遞到N型區域1506、1510。
於一些示例中，如圖15D所示，光學結構1502可包含光柵結構1550，且光柵結構1550對光線902的不同部分具有不同的光柵效率(grating efficiency)。舉例來說，光學結構1502也可包含多個光柵狹縫(grating slits)，且各個狹縫的尺寸太小而不能繞射特定波長(例如紅外光線)的光線，但能繞射較小波長的光線(例如可見光線)。於另一個示例中，如圖15D所示，光柵結構1550可包含做記號(blazed)的傳送光柵，且做記號的傳送光柵包含做記號的表面以朝N型區域1506繞射光線部分902b(例如紅外光線)，而光線部分902a(例如可見光線的一色彩部分)則通過光柵結構1550並進入N型區域1510。
於一些示例中，如圖15E所示，光學結構1502可包含導光件1560，且導光件1560能分開光線902的這些部分(例如光線部分902a、902b)並投射這些光線部分到N型區域1506、1510。光線的分開能由選擇性根據全反射(total internal reflection)限制這些光線部分而被執行。如圖15E所示，當光線902進入導光件1560上，光線部分902a(例如可見光線)及902b(紅外光線)因為不同的折射率而經歷不同角度的折射，且光線部分902b相較於光線部分902a反射較少。不同的折射率能由光線部分不同的波長所導致。由於光線部分902a、902b經歷不同角度的折射，被折射的光線部分902b能沿第一方向(由X所標註)穿過導光件1560而到達N型區域1506，而被折射的光線部分902a可於導光件1560中進行全反射並沿第二方向(由Y所標註)傳播而到達光學耦合器1562，且光學耦合器1562能導引光線部分902a到N型區域1510。
圖15F繪示導光件1560的其他示例。如圖15F所示，導光件1560可包含楔型(wedged)表面1572而增加光線902的入射角度，進而導致光線部分902a、902b的折射與分離。光線部分902b能穿過導光件1560而到達N型區域1506，而光線部分902a能進行全反射並於導光件1560中傳播。光學耦合器1562能安裝於導光件1560的邊緣(在標註為Q的位置上)以改變邊緣的折射率比率以及全反射的臨界角度(critical angle)。光線部分902a的全反射能停止於位置Q。光線部分902a能於位置Q離開導光件1560並進入N型區域1510。
於一些示例中，如圖15G所示，光學結構1502可包含傾斜鏡1580。傾斜鏡1580能讓光線部分902b(紅外光線)穿過而使光線部分902b到達N型區域1506，但會將光線部分902a(可見光線)反射。被反射的光線部分902a能於其他表面再次被反射，例如在微透鏡903。而第二次的反射能導引光線部分902a至N型區域1510。
圖16繪示用於執行景象成像的製程1600的流程圖之實施例。製程1600例如能藉由圖9A中的半導體裝置900執行，且半導體裝置900包含具有光線入射面(例如形成有光學過濾器904的表面)的半導體基板(例如基板901)。第一針扎光二極體(例如包含針扎層915、N型區域912及P型井908)以及第二針扎光二極體(例如包含基板901及N型區域906)沿正交於光線入射面的軸線在半導體基板中形成一堆疊結構。半導體裝置900更包含多個電路，例如選擇開關803、快門開關804及轉換閘806等，以控制由針扎光二極體所產生的電荷之讀出。半導體裝置900更包含一或多個電容(例如量測電容808、808a、808b等等)以儲存讀出電荷。
製程1600以步驟1602開始，且於步驟1602中，半導體裝置900透過半導體基板的光線入射面接收光線。該光線也可由光學過濾器904過濾。
於步驟1604中，第一針扎光二極體轉換光線的第一部份成第一電荷。第一部份可對應於第一波長範圍的光線之一部分，且第一波長範圍與紅外光線有關。步驟1604也例如可包含停用(disable)半導體裝置900的選擇開關803、快門開關804及轉換閘806等而使第一針扎光二極體能累積第一電荷。
於步驟1606中，第二針扎光二極體轉換光線的第二部份成第二電荷。第二部份可對應於第二波長範圍的光線之一部分，且第二波長範圍與可見光線的一色彩部分有關(例如紅色、綠色、藍色其中一者)。步驟1606也例如可包含停用半導體裝置900的選擇開關803、快門開關804及轉換閘806等等以使第二針扎光二極體能累積第二電荷。
於步驟1608中，一或多個電容分別根據第一電荷及第二電荷產生第一電壓及第二電壓。於一部分的步驟1608中，第一電荷從第一光二極體透過轉換閘806傳送至一或多個電容(例如圖8A中的電容808、圖8C中的電容808a、808b等等)，藉以產生第一電壓。選擇開關803能於第一電荷傳送時被停用，藉以防止第二光二極體傳送第二電荷到一或多個電容。在完成第一電荷的讀出後，選擇開關803能啟用以使第二電荷能被傳送至一或多個電容，藉以產生第二電壓。選擇開關的停用/啟用例如能包含調整位於第一及第二光二極體之間的阻擋層之電位；調整作為第二光二極體的正終端的基板之偏向電壓等等。
第一電壓能被提供至三維量測模組624以產生第一數位量值，而代表像素單元以及物體的點位之間的距離；第二電壓能被提供至二維量測模組622以產生第二數位量值，而代表用來量測距離的物體之該點位所反射的光線之色彩部分的強度。
圖17繪示用於執行景象成像的製程1700的流程圖之實施例。製程1700例如能由圖15A中的半導體裝置1500執行，且半導體裝置1500包含半導體基板(例如基板1501)以及光線入射面(例如形成有絕緣層1504的表面)。第一針扎光二極體(例如包含基板1501及N型區域1506)能沿平行於光線入射面的軸線相鄰於第二針扎光二極體(例如包含基板1501及N型區域1510)而形成。半導體裝置1500更包含光學結構，例如光學結構1502，以將光線分離成第一部份及第二部份；並導引光線的第一部份到第一針扎光二極體；且導引光線的第二部份到第二針扎光二極體。半導體裝置1500更包含多個電路，例如快門開關804a、804b、轉換閘806a、806b等等，藉以控制由針扎光二極體所產生的電荷之讀出。半導體裝置1500更包含第一電容(例如量測電容808a)以及第二電容(量測電容808b)以儲存讀出電荷。
製程1700以步驟1702開始，且步驟1702中，半導體裝置1500透過光線入射面接收光線。該光線也可由光學過濾器904過濾。
於步驟1704中，光學結構傳送光線的第一部份到第一針扎光二極體，並傳送光線的第二部份到第二針扎光二極體。第一部份可對應於第一波長範圍的光線之一部分，且第一波長範圍有關於紅外光線。第二部份可對應於第二波長範圍的光線之一部分，且第二波長範圍有關於可見光線的一色彩部分(例如紅色、綠色或藍色其中一者)。
於步驟1706中，第一針扎光二極體轉換光線的第一部份成第一電荷。步驟1706也例如可包含停用半導體裝置1500的快門開關804a、轉換閘806a等等，藉以使第一針扎光二極體能累積第一電荷。
於步驟1708中，第二針扎光二極體轉換光線的第二部份成第二電荷。步驟1708也例如可包含停用半導體裝置1500的快門開關804b、轉換閘806b等等，藉以使第二針扎光二極體能累積第二電荷。
於步驟1710中，第一電容根據第一電荷產生第一電壓。於一部分的步驟1710中，第一電荷能從第一針扎光二極體透過轉換閘806a被傳送至第一電容(例如圖8E中的電容808a等等)，藉以產生第一電壓。
於步驟1712中，第二電容根據第二電荷產生第二電壓。於一部分的步驟1712中，第二電荷能從第二針扎光二極體透過轉換閘806b被傳送至第二電容(例如圖8E中的電容808b等等)，藉以產生第二電壓。
第一電壓能被提供至三維量測模組624以產生第一數位量值而代表像素單元及物體的點位之間的距離，而第二電壓能被提供至二維量測模組622而產生第二數位量值以代表用來量測距離的物體之該點位所反射的光線之色彩部分的強度。
以上對本發明各個實施例之敘述僅用於說明；其並非為透徹性的或限制本發明於所揭露的精準形式。熟悉本技藝者能意識到基於以上揭露能做出許多修改與變化。
部分敘述就演算法及訊息操作的象徵性代表而言描述本發明的實施例。這些演算法示的敘述及代表為熟悉資料處理之技藝者所經常使用，藉以有效地傳達他們的作品之本質給其他熟悉此技藝者。這些操作，當功能性、計算性或邏輯性地描述時，可以理解為電腦程式或相等的電性電路、微編碼等所實施。此外，也好幾次被證明用模組代表這些設置是方便的，且並不會喪失概要。所敘述的操作及它們相關的模組可於軟體、韌體及/或硬體中實施。
所述之步驟、操作或製程可由一或多個硬體或軟體模組單獨實施或執行，或是與其他裝置一起實施或執行。於一些實施例中，軟體模組與電腦程式產品一起實施，且電腦程式產品包含電腦可讀媒體。電腦可讀媒體包含電腦程式碼，且電腦程式碼能由電腦處理器執行以執行所述之任何或所有步驟、操作及製程。
本發明的各個實施例也可有關於用來執行所述的操作之設備。該設備可為了所需要的目的而具有特別的態樣；及/或該設備可包含一般用途計算裝置；且該計算裝置選擇性地由儲存在電腦中的電腦程式啟用或重組。如此的電腦程式可儲存於非暫存性(non-transitory)且為有形的(tangible)電腦可讀取儲存媒體，或是任何適於儲存電子指示的媒體之類型，且其可耦接於電腦系統匯流排(bus)。此外，任何於說明書中所提及之計算系統可包含單一的處理器，或是可為執行多個處理器設計的架構以增加計算能力(computing capability)。
本發明的各個實施例也可有關於所述的計算處理所製造的產品。如此的產品可包含由計算處理所導致的資訊；且資訊儲存於非暫存且有行的電腦可讀儲存媒體；並可包含電腦程式產品的任何實施例或其他所述的資料結合。
說明書中使用的用語以可閱讀及說明性的原則所挑選，且可不為用來選擇而描繪或限制發明主旨。因此本發明的範圍並不是由詳細描述所限制，而是由任何基於本申請的請求項。故本發明的實施例僅用於說明而非用於限制本發明的範圍，且本發明的範圍闡述於以下的各個請求項中。
100‧‧‧近眼顯示器
105‧‧‧框架
110‧‧‧顯示器
120a、120b、120c、120d、150a、150b‧‧‧影像感測器
130、140a、140b、140c、140d、140e、140f‧‧‧照明器
135‧‧‧眼球
200‧‧‧剖面示意圖
210‧‧‧波導顯示器組件
220‧‧‧眼球
230‧‧‧出射瞳
300‧‧‧波導顯示器
310‧‧‧源組件
320‧‧‧輸出波導
325‧‧‧照明器
330‧‧‧控制器
340‧‧‧擴展影像光線
350‧‧‧耦合元件
355‧‧‧影像光線
360‧‧‧導引元件
365‧‧‧導出元件
370‧‧‧影像感測器
370-1‧‧‧第一側
370-2‧‧‧第二側
372‧‧‧物體
374、378‧‧‧光線
376‧‧‧光源
390‧‧‧遠端主機
400‧‧‧剖面示意圖
402‧‧‧像素單元集合
404‧‧‧機械快門
406‧‧‧光學過濾器陣列
410‧‧‧來源
415‧‧‧光學系統
500‧‧‧系統
510‧‧‧控制電路系統
525‧‧‧位置感測器
530‧‧‧慣性量測單元
535‧‧‧成像裝置
540‧‧‧輸入/輸出介面
545‧‧‧應用程式庫
550‧‧‧追蹤模組
555‧‧‧啟動器
600‧‧‧影像感測器
602‧‧‧照明器
604‧‧‧光學過濾器陣列
606‧‧‧像素單元陣列
606a‧‧‧像素單元
608‧‧‧量測模組、數位化模組
610‧‧‧感測控制器
612、614‧‧‧光二極體
616‧‧‧電容
622‧‧‧二維量測模組、光線強度量測模組
624‧‧‧三維量測模組、飛行時間量測模組
700‧‧‧可見光線源
702‧‧‧可見光線
704‧‧‧物體
706‧‧‧可見光線
708‧‧‧點位
w0、w1‧‧‧波長範圍
710a‧‧‧受過濾光線
728‧‧‧紅外光線
730‧‧‧紅外光子
800‧‧‧像素單元
801、802‧‧‧光二極體
803‧‧‧選擇開關
804、804a、804b‧‧‧快門開關
806、806a、806b‧‧‧轉換閘
807、807a、807b‧‧‧重設開關
808、808a、808b‧‧‧量測電容
809、809a、809b‧‧‧暫存器
813‧‧‧選擇訊號
814、814a、814b‧‧‧轉換訊號
816、816a、816b‧‧‧快門訊號
818、818a、818b‧‧‧重設訊號
820、830、830a、830b‧‧‧電壓源
840‧‧‧偏向來源
850‧‧‧像素單元
860‧‧‧像素單元
900‧‧‧半導體裝置、裝置
901‧‧‧基板、P型基板、P型半導體基板
902‧‧‧入射光線
902a、902b‧‧‧光線部分
903‧‧‧微透鏡
904‧‧‧光學過濾器
906‧‧‧N型區域
908‧‧‧P型井
912‧‧‧N型區域
914‧‧‧阻擋層
915‧‧‧針扎層
916‧‧‧氧化物層、隔離層
918‧‧‧多晶矽閘
920‧‧‧N型汲極
922‧‧‧通道區域
950‧‧‧裝置
952‧‧‧隔離層
1000‧‧‧裝置
1002‧‧‧深溝渠隔離結構
1003‧‧‧側牆
1004‧‧‧填充材料
1006‧‧‧電場
1007‧‧‧接點
1100‧‧‧裝置
1116a、1116b‧‧‧氧化物層
1118a、1118b‧‧‧多晶矽閘
1120a、1120b‧‧‧汲極
1300‧‧‧像素單元陣列
1302‧‧‧接點
1304‧‧‧P+區域
1306‧‧‧接點
1308‧‧‧金屬連接部
1320‧‧‧保護環、P型保護環
1400‧‧‧像素單元陣列
1402‧‧‧共用基板
1404‧‧‧接點
1406‧‧‧金屬連接部
1407‧‧‧矽穿孔
1408‧‧‧金屬連接部
1410‧‧‧接點
1412‧‧‧接點
1500‧‧‧半導體裝置
1501‧‧‧P型基板
1502‧‧‧光學結構
1504‧‧‧絕緣層
1506‧‧‧N型區域
1508‧‧‧阻擋層
1510‧‧‧N型區域
1515‧‧‧針扎層
1518a、1518b‧‧‧多晶矽閘
1520a、1520b‧‧‧N型汲極
1530‧‧‧稜鏡
1532‧‧‧表面
1550‧‧‧稜鏡
1540‧‧‧繞射光柵結構
1542‧‧‧溝槽
1550‧‧‧光柵結構
1560‧‧‧導光件
1562‧‧‧光學耦合器
1572‧‧‧楔型表面
1580‧‧‧傾斜鏡
1600、1700‧‧‧製程
1602、1604、1606、1608、1702、1704、1706、1708、1710、1712‧‧‧步驟
A、B、C、D、A’‧‧‧方向
Q‧‧‧位置
xx‧‧‧軸
yy‧‧‧軸
zz‧‧‧軸
T0、T1、T2、T3、T4‧‧‧期間
1010、1012、1014、1200、1202‧‧‧期間
示範性實施例參照以下圖式做說明：
圖1A及圖1B繪示一實施例的近眼顯示器。
圖2為一實施例之近眼顯示器的剖面示意圖。
圖3為一實施例之波導顯示器的等角視圖。
圖4為一實施例之波導顯示器的剖面示意圖。
圖5為一實施例之包含近眼顯示器的系統的方塊圖。
圖6繪示包含多光二極體像素單元的影像感測器之一示例。
圖7A及圖7B繪示圖6中的影像感測器之操作的示例。
圖8A、圖8B、圖8C、圖8D及圖8E繪示圖6中的多光二極體向素單元的示例。
圖9A及圖9B繪示多光二極體像素單元的半導體裝置的示例。
圖10A、圖10B及圖10C繪示多光二極體像素單元的半導體裝置的示例。
圖11A及圖11B繪示多光二極體像素單元的半導體裝置的示例。
圖12繪示多光二極體像素單元的半導體裝置上的控制操作的示例。
圖13A、圖13B、圖13C及圖13D繪示像素單元陣列的半導體裝置的示例。
圖14A及圖14B繪示像素單元陣列的半導體裝置的示例。
圖15A、圖15B、圖15C、圖15D、圖15E、圖15F及圖15G繪示多光二極體像素單元的半導體裝置的示例。
圖16為執行成像的流程圖的示例。
圖17為執行成像的流程圖的另一個示例。
圖式僅用於說明本發明。熟悉本技藝者可在不偏離本發明之原則或優點下由以下的敘述了解到不同結構及方法的實施例可被執行。
於圖式中，相似的元件及/或特徵可具有相同的標號。此外，同樣類型但不同的元件可藉由在第一標號後的橫槓與第二標號來辨別。若於說明書中只有使用第一標號，其敘述可適用於任何具有相同的第一標號的元件，無論第二標號是否相同。

Claims (20)

  1. 一種設備，包含： 一半導體基板，包含一光線入射面藉以接收光線； 一第一針扎光二極體； 一第二針扎光二極體，該第一針扎光二極體及該第二針扎光二極體沿垂直於該光線入射面的一軸線於該半導體基板中形成一堆疊結構，該堆疊結構使該第一針扎光二極體及該第二針扎光二極體能將光線的一第一部份及光線的一第二部份分別轉換成第一電荷及第二電荷；以及 一或多個電容，形成於半導體基板中，且用於分別根據該第一電荷及該第二電荷產生一第一電壓及一第二電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一針扎光二極體及該第二針扎光二極體各包含： 一P型半導體層；以及 一N型區域，完全嵌入於該P型半導體層中，且與該設備的其他元件隔離。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一針扎光二極體及該第二針扎光二極體各包含： 一N型半導體層；以及 一P型區域，完全嵌入於該N型半導體層中，且與該設備的其他元件隔離。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之設備， 其中該第一針扎光二極體用於將一第一波長範圍中的光線之多個光子轉換成該第一電荷，且該第一波長範圍與紅外光線有關；並且 其中該第二針扎光二極體用於將一第二波長範圍中光線之多個光子轉換成該第二電荷，且該第二波長範圍與可見光線的一部份有關。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一針扎光二極體及該第二針扎光二極體形成該堆疊結構，而使通過該第二針扎光二極體的光線到達該第一針扎光二極體，或是使通過該第一針扎光二極體的光線到達該第二針扎光二極體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之設備， 其中該第一針扎光二極體形成一部份的一傳送路徑，該傳送路徑為可控制的，且用於自該第二針扎光二極體傳送該第二電荷到一或多個該電容； 其中該設備更包含一控制電路，用於： 於一第一量測期間中： 控制該傳送路徑藉以： 阻擋來自該第二針扎光二極體的該第二電荷到達一或多個該電容，並且 傳送來自該第一針扎光二極體的該第一電荷到一或多個該電容而產生該第一電壓； 並且 於一第二量測期間中： 控制該傳送路徑傳送來自該第二針扎光二極體的該第二電荷途經該第一針扎光二極體到一或多個該電容，而產生該第二電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之設備，其中可控制的該傳送路徑包含一阻擋層，且該阻擋層介於該第一針扎光二極體及該第二針扎光二極體之間； 其中該控制電路用於控制在該阻擋層以及該半導體基板的一部份之間的一電位差以控制該傳送路徑，其中該半導體基板的該部份包含該第二針扎光二極體。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該控制電路用於控制該阻擋層上的一電位，藉以控制該阻擋層以及該半導體基板的該部份之間的該電位差。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之設備，更包含一或多個深溝渠隔離構造，該一或多個深溝渠隔離構造相鄰於該阻擋層並沿該半導體基板中的該軸線延伸； 其中該控制電路用於基於施加一偏電壓於一或多個該深溝渠隔離構造以控制該阻擋層上的該電位。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該控制電路用於控制該半導體基板的該部份上之一電位，藉以控制在該阻擋層以及包含該第二針扎光二極體的該半導體基板的該部份之間的該電位差。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中包含該第二針扎光二極體的該半導體基板的該部份包含一第一表面； 其中，該半導體基板更包含相對該第一表面的一第二表面。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之設備， 其中該半導體基板更包含一或多個深溝渠隔離結構，且一或多個該深溝渠隔離結構自該第二表面沿該軸線延伸； 其中一或多個該深溝渠隔離結構不完全延伸過該半導體基板的該部份，且不延伸至該第一表面； 其中該半導體基板更包含一連接區域，該連接區域沿該軸線延伸，且提供該第二表面上的一電性接點及該半導體基板的該部份之間的一電性連接；並且 其中該設備更包含一電壓源，該電壓源連接至該第二表面上的該電性接點，藉以控制該半導體基板的該部份上的該電位。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之設備， 其中該半導體基板更包含一或多個深溝渠隔離結構，一或多個該深溝渠隔離結構自該第一表面沿該軸線延伸； 其中該第一表面包含一電性接點；並且 其中該設備更包含一電壓源，該電壓源連接至該第一表面上的該電性接點，藉以控制該半導體基板的該部份上的該電位。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中一或多個該電容包含一個電容；並且 其中該設備用於在傳送該第一電荷及傳送該第二電荷之間重設一個該電容。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中一或多個該電容包含一第一電容及一第二電容； 其中該第一電容用於儲存該第一電荷；並且 其中該第二電容用於儲存該第二電荷。
  16. 一種設備，包含： 一光線入射面以接收光線； 一第一針扎光二極體及一第二針扎光二極體，該第一針扎光二極體於一半導體基板中沿平行於該光線入射面的一軸線形成且相鄰於該第二針扎光二極體； 一光學結構，用於傳送光線的一第一部份至該第一針扎光二極體，並傳送光線的一第二部份至該第二針扎光二極體，藉以使該第一針扎光二極體及該第二針扎光二極體能將光線的該第一部份及光線的該第二部份分別轉換成第一電荷及第二電荷；以及 一第一電容及一第二電容，形成於半導體基板中，且用於分別根據該第一電荷及該第二電荷產生一第一電壓及一第二電壓。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之設備，其中該光學結構包含一繞射光柵結構，用於將光線的該第一部份及光線的該第二部份分開，並將光線的該第一部份及光線的該第二部份分別導引至該第一針扎光二極體及該第二針扎光二極體。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之設備，更包含位於該光線入射面上的一微透鏡；並且 其中該光學結構包含一鏡子，用於傳送光線的該第一部份至該第一針扎光二極體，並朝該微透鏡反射光線的該第二部份，藉以使該微透鏡朝該第二針扎光二極體反射光線的該第二部份。
  19. 一種方法，包含： 透過一半導體基板的一光線入射面接收光線； 藉由一第一針扎光二極體將光線的一第一部份轉換成第一電荷； 藉由一第二針扎光二極體將光線的一第二部份轉換成第二電荷，且該第二針扎光二極體與該第一針扎光二極體在該半導體基板中沿垂直於該光線入射面的一軸線形成一堆疊結構；以及 使用形成於該半導體基板中的一或多個電容，分別根據該第一電荷及該第二電荷產生一第一電壓及一第二電壓。
  20. 一種方法，包含： 透過一光線入射面接收光線； 藉由一光學結構傳送光線的一第一部份至一第一針扎光二極體，並傳送光線的一第二部份至一第二針扎光二極體，該第一針扎光二極體在一半導體基板沿平行於該光線入射面的一軸線延伸而形成，且相鄰於該第二針扎光二極體； 藉由該第一針扎光二極體將光線的該第一部份轉換成第一電荷； 藉由該第二針扎光二極體將光線的該第二部份轉換成第二電荷； 藉由形成於該半導體基板中的一第一電容根據該第一電荷產生一第一電壓；以及 藉由形成於該半導體基板中的一第二電容根據該第二電荷產生一第二電壓。
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