TW201943093A

TW201943093A - 像素單元、全域快門影像感測器及決定用於產生影像之光強度的方法

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Publication number: TW201943093A
Application number: TW108111979A
Authority: TW
Inventors: 新橋劉; 陳松
Original assignee: 美商菲絲博克科技有限公司
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2019-11-01
Also published as: KR20200139187A; US20190305020A1; CN111955002B; EP3777132A1; JP2021517764A; CN111955002A; US20210265401A1; WO2019195162A1; US11004881B2

Abstract

提供有影像感測器的示例。於一示例中，像素單元包含第一半導體晶片、取樣電容器及可包含取樣電容器的第二半導體晶片。第一半導體晶片包含光二極體及電荷感測裝置。第二半導體晶片與第一半導體晶片形成一堆疊結構。第二半導體晶片包含耦接於光二極體、電荷感測裝置及取樣電容器的介面電路。介面電路用於致能光二極體以於整合期間中累積響應入射光的電荷、將電荷從光二極體轉移至電荷感測裝置、使用取樣電容器來執行取樣保值作業，藉以將電荷感測裝置中的電荷轉換成電壓，以及根據此電壓產生數位輸出而代表光二極體所接收的入射光之強度。

Description

像素單元、全域快門影像感測器及決定用於產生影像之光強度的方法

本發明概略性地關於影像感測器，特別是包含介面電路的像素單元結構，其中介面電路用來決定用於產生影像的光強度。

典型的影像感測器包含光二極體陣列，藉以透過將光子轉換成電荷(例如電子或電洞)來感測入射光。為了減緩影像失真，可以執行全域快門作業(global shutter operation)，其中在全域快門作業中，光二極體陣列中的各個光二極體同時感測入射光而產生電荷。光二極體陣列所產生的電荷能接著由類比數位轉換器(analog-to-digital converter，ADC)量化成數位量值，進而產生影像。

本發明係關於影像感測器。具體而言，不以此為限地，本發明關於一種像素單元。本發明也關於操作像素單元的電路而產生入射光強度的數位表徵(digital representation)。

於一示例中，提供有一像素單元。像素單元包含一第一半導體晶片，且第一半導體晶片包含一光二極體及一電荷感測裝置。像素單元更包含一取樣電容器及一第二半導體晶片。第二半導體晶片與第一半導體晶片形成一堆疊結構，且第二半導體晶片包含一介面電路。介面電路耦接於光二極體、電荷感測裝置及取樣電容器。介面電路用以：致能光二極體以於一整合期間中累積響應於入射光的電荷；將電荷從光二極體轉移到電荷感測裝置；使用取樣電容器來執行取樣保值作業，藉以將電荷感測裝置中的電荷轉換成一電壓，以及根據電壓產生一數位輸出，藉以代表光二極體所接收的入射光的一強度。

於某些方面，像素單元更包含一取樣開關，且取樣開關耦接於電荷感測裝置及取樣電容器之間。作為取樣保值作業的一部份，介面電路用以：致能取樣開關而令取樣電容器取樣累積於電荷感測裝置的電荷，藉以產生電壓，以及禁能取樣開關而令取樣電容器保持電壓。

於某些方面，電壓為一第一電壓。電荷感測裝置用以根據所儲存的電荷來輸出一第二電壓。像素單元更包含一電壓緩衝器(voltage buffer)，且電壓緩衝器耦接於電荷感測裝置及取樣電容器之間，並用以緩衝第二電壓，藉以輸出第一電壓至取樣電容器。取樣電容器被操作而於取樣開關致能時，取樣從電壓緩衝器所接收的第一電壓，並於取樣開關禁能後保持第一電壓。

於某些方面，取樣開關及電壓緩衝器包含於第一半導體晶片中。

於某些方面，取樣電容器包含下列至少其中一者：夾設於堆疊結構中的第一半導體晶片及第二半導體晶片之間的一金屬電容器或一半導體電容器，或是形成於第二半導體晶片中的一金屬電容器或一半導體電容器。

於某些方面，介面電路更包含可重設的一比較器。像素單元更包含一交流電容器，且交流電容器耦接於取樣電容器及比較器之間。當取樣開關致能時，介面電路用以：控制比較器進入一重設狀態；操作交流電容器以：取得電荷感測裝置的一重設電壓之一第一取樣結果，且第一取樣結果由電荷感測裝置的一先前重設作業所產生；當比較器處於重設狀態時，取得比較器的一偏差值之一第二取樣結果；根據重設電壓的第一取樣結果及偏差值的第二取樣結果，來於交流電容器中儲存一第三電壓，以及根據第一電壓及第三電壓，來輸出一第四電壓至比較器。數位輸出為根據第四電壓所產生。

於某些方面，像素單元更包含一轉移開關，且轉移開關耦接於光二極體及電荷感測裝置之間。介面電路用以：控制比較器脫離重設狀態，藉以保持交流電容器的跨壓為第三電壓；致能轉移開關，以將電荷從光二極體轉移至電荷感測裝置，其中電荷的轉移於取樣電容器產生第一電壓，以及禁能轉移開關，以停止電荷的轉移，其中轉移開關的禁能使取樣電容器保持第一電壓，並使交流電容器保持第四電壓，進而用於數位輸出的產生。

於某些方面，比較器的一輸出端耦接於一記憶體。記憶體耦接於一計數器，且計數器用以根據一時脈訊號來週期性地更新一計數量值。在轉移開關禁能後，比較器用以比較第四電壓以及一斜波臨界值，藉以輸出一判定。記憶體用以根據判定而從計數器儲存計數量值。所儲存的計數量值代表數位輸出。

於某些方面，像素單元更包含一選擇開關，且選擇開關耦接於比較器的輸出端以及記憶體之間。介面電路用以：於像素單元被選擇來儲存數位輸出至記憶體中時，致能選擇開關以傳送判定至記憶體，以及於像素單元沒有被選擇來儲存數位輸出至記憶體中時，禁能選擇開關以阻止判定傳入記憶體。

於某些方面，記憶體及計數器包含於第二半導體晶片中。

於某些方面，像素單元更包含一快門開關，且快門開關耦接於光二極體及一電荷槽之間。介面電路用以：禁能快門開關，以開始整合期間並致能光二極體以累積電荷，以及致能快門開關，以結束整合期間並防止光二極體累積電荷。

於某些方面，電荷感測裝置包含下列至少其中一者：一浮動汲極節點或是一針扎儲存節點。

於某些示例中，提供有一影像感測器。影像感測器包含一第一半導體晶片。第一半導體晶片包含多個光感測電路的一陣列，且光感測電路的陣列中的每一光感測電路包含一光二極體以及一電荷感測裝置。影像感測器更包含多個取樣電容器的一陣列，且取樣電容器的陣列中的每一取樣電容器對應於光感測電路的陣列中的一個光感測電路。影像感測器更包含與第一半導體晶片形成一堆疊結構的一第二半導體晶片，且第二半導體晶片包含多個介面電路的一陣列。介面電路的陣列中的每一介面電路、光感測電路的陣列中的每一光感測電路，以及取樣電容器的陣列中的每一取樣電容器形成一像素單元。每一像素單元中的每一介面電路用以：致能所對應的光感測電路之光二極體，藉以響應一全域整合期間中的入射光而累積電荷；將電荷從光二極體轉移到所對應的光感測電路之電荷感測裝置；使用所對應的取樣電容器，來於儲存在電荷感測裝置的電荷執行一取樣保值作業，進而取得一電壓，以及根據電壓來產生一數位輸出，藉以代表所對應的像素單元所接收的入射光的一強度。

於某些方面，在每一像素單元中：光感測電路更包含一取樣開關，且取樣開關耦接於電荷感測裝置及取樣電容器之間。作為取樣保值作業的一部份，介面電路用以：致能取樣開關而令取樣電容器取樣儲存於電荷感測裝置的電荷，藉以產生電壓，以及禁能取樣開關而令取樣電容器保持電壓。

於某些方面，在每一像素單元中：電壓為一第一電壓。電荷感測裝置用以根據所儲存的電荷來輸出一第二電壓。光感測電路更包含一電壓緩衝器。電壓緩衝器耦接於電荷感測裝置及取樣電容器之間，並用以緩衝第二電壓，藉以輸出第一電壓至取樣電容器。取樣電容器被操作而於取樣開關致能時，取樣從電壓緩衝器所接收的第一電壓，並於取樣開關禁能後保持第一電壓。

於某些方面，在每一像素單元中：每一介面電路更包含可重設的一比較器。每一光感測電路更包含一交流電容器，且交流電容器耦接於取樣電容器及比較器之間。當取樣開關致能時，每一介面電路用以：控制比較器進入一重設狀態；操作交流電容器以：取得電荷感測裝置的一重設電壓之一第一取樣結果，且第一取樣結果由電荷感測裝置的一先前重設作業所產生；當比較器處於重設狀態時，取得比較器的一偏差值之一第二取樣結果；根據重設電壓的第一取樣結果及偏差值的第二取樣結果，來於交流電容器中儲存一第三電壓，以及；根據第一電壓及第三電壓，來輸出一第四電壓至比較器。數位輸出為根據第四電壓所產生。

於某些方面，每一光感測電路更包含一轉移開關，且轉移開關耦接於光二極體及電荷感測裝置之間。每一介面電路用以：控制比較器脫離重設狀態，藉以保持交流電容器的跨壓為第三電壓；致能轉移開關，以將電荷從光二極體轉移至電荷感測裝置，其中電荷的轉移於取樣電容器產生第一電壓，以及禁能轉移開關，以停止電荷的轉移，其中轉移開關的禁能使取樣電容器保持第一電壓，並使交流電容器保持第四電壓，進而用於數位輸出的產生。

於某些方面，影像感測器更包含一控制器、一計數器以及多個記憶體暫存器的一組合。記憶體暫存器的組合中的每一記憶體暫存器耦接於計數器。計數器用以根據一時脈訊號來週期性地更新一計數量值。每一介面電路的比較器的一輸出端透過一選擇開關耦接於每一記憶體暫存器(memory buffer)，且選擇開關由控制器所控制。在轉移開關禁能後，比較器用以比較第四電壓以及一斜波臨界值，藉以產生一判定。控制器用以於不同的多個時間點致能像素單元之多個部分的選擇開關，藉以將像素單元中所選擇的部分之比較器的判定傳送至記憶體暫存器之組合。記憶體暫存器之組合用以於不同的多個時間點根據像素單元中所選擇的部分之判定，來從計數器儲存計數量值。所儲存的計數量值代表像素單元的數位輸出。

於某些示例中，提供有一種方法。此方法包含：藉由一介面電路，來致能一光感測電路的一光二極體以於一整合期間中累積響應入射光的電荷，其中光感測電路及介面電路分別位於形成一堆疊結構的一第一半導體晶片及一第二半導體晶片中；藉由介面電路，來將電荷從光二極體轉移至光感測電路的一電荷感測裝置；藉由介面電路並使用一取樣電容器，來執行一取樣保值作業，藉以將儲存於電荷感測裝置的電荷轉換成一電壓，以及藉由介面電路，來根據電壓產生一數位輸出，藉以代表光二極體所接收的入射光之一強度。

於某些方面，此方法更包含：比較電壓以及一斜波臨界值，藉以輸出一判定；根據判定，來控制一記憶體儲存來自一計數器的一計數量值，以及提供計數量值作為數位輸出。記憶體及計數器位於第二半導體晶片中。

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。

典型的影像感測器包含像素單元陣列。各個像素單元包含光二極體而藉由將光子轉換成電荷(例如電子或電洞)來感測入射光。像素單元陣列的光二極體所產生的電荷能接著由類比數位轉換器(analog-to-digital converter，ADC)量化成數位量值。ADC例如藉由比較器來比較代表電荷的電壓及一或多個量化位準(quantization level)以量化電荷，而數位量值便能根據比較結果來產生。數位量值能接著被儲存至記憶體中而產生影像。

由於電源及晶片區域(chip area)的限制，通常至少部分的像素單元會共用ADC及記憶體，而不是提供專用的ADC及記憶體給各個像素單元。滾動式快門作業(rolling shutter operation)可執行來適應(accommodate)ADC及記憶體於像素單元之間的共用。舉例來說，像素單元陣列能分成多個群組(例如像素單元的直行或橫列)，且各個群組中的像素單元共用ADC及記憶體。為了適應ADC及記憶體的共用，可以執行滾動式快門作業，於此作業中，群組中的各個像素單元可以輪流暴露於入射光而產生電荷，接著接取(accessing)ADC來將電荷量化成數位量值，並儲存數位量值於記憶體中。因為滾動式快門作業於不同的時間將不同的像素單元暴露於入射光，所以從滾動式快門作業中產生的影像可能會遭受失真，尤其是對於移動中的物體及/或於影像感測器移動時所捕捉的影像而言。滾動式快門作業所產生的潛在失真使得此作業不適用於擴增實境(augmented reality，AR)、混合實境(mixed reality，MR)或是虛擬實境(virtual reality，VR)的應用以及可穿戴式的應用等等。在上述的應用中，影像感測器為頭戴式組件(headset)之一部份且可能於捕捉影像時移動。

為了減緩影像失真，可執行全域快門作業(global shutter operation)，於此作業中，像素單元陣列中的各個像素單元在全域快門期間(或全域整合期間)中同時暴露於入射光而產生電荷。各個像素單元能包含電荷感測裝置而暫時性地儲存光二極體所產生的電荷。當像素單元被允許存取ADC及記憶體時，像素單元能提供來自電荷感測裝置的電荷給ADC，藉以執行量化而產生數位量值，並接著儲存數位量值於記憶體中。

用來於像素單元中實施電荷感測裝置的技術有多種，例如將電荷感測裝置作為浮動汲極節點(floating drain node)或是(針扎二極體的)針扎儲存節點(pinned storage node)等來實施。但是以這些技術實施的電荷感測裝置容易受到雜訊電荷的影響，而會降低儲存於電荷感測裝置中的電荷與入射光強度之間的相關性，並降低像素單元的靈敏度(sensitivity)。舉例來說，作為電荷感測裝置的浮動汲極節點容易受暗電流(dark current)的影響，其中暗電流可能為因晶體缺陷(crystallographic defects)而產生在半導體裝置的p-n接面之漏電流。暗電流會流入電荷感測裝置並增加於光二極體所產生的電荷。如另一示例所示，當入射光的光子穿入像素單元的半導體基板並到達針扎儲存節點時，針扎儲存節點會產生電荷。電荷感測裝置所產生的電荷能增加至光二極體所產生的電荷。於上述兩種情況中，於全域快門期間中，儲存於電荷感測裝置的電荷便會相異於光二極體所產生的電荷，且電荷感測裝置中的電荷之量化結果可能不會精準地代表入射光強度。

有其他能更進一步降低代表入射光強度之精準度的雜訊來源。舉例來說，在於多個量測之間重設電荷感測裝置的期間中，熱雜訊(thermal noise)(以及其他雜訊，如閃爍雜訊等等)能作為重設雜訊而注入電荷感測裝置中，此會將沒有反映入射光強度的電荷增加至浮動節點。此外，如上所述，量化處理通常包含使用比較器來比較代表電荷的電壓及一或多個量化位準，而數位量值能根據比較的結果來產生。比較器偏差值也可能導致與量化位準比較時產生誤差，此會導致數位量值的誤差。

本發明關於能優化全域快門作業的像素單元。於一示例中，像素單元能包含第一半導體晶片、取樣電容器及第二半導體晶片。第一半導體晶片包含光接收面、光二極體及電荷感測裝置。光二極體用來透過光接收面接收入射光。電荷感測裝置用來累積光二極體所產生的電荷。第二半導體晶片與第一半導體晶片形成堆疊結構，且第二半導體晶片包含介面電路、光二極體及電荷感測裝置，其中介面電路耦接於取樣電容器。取樣電容器可包含在此堆疊結構中夾設於第一及第二半導體晶片的金屬電容器，或是可包含形成於第二半導體晶片中的裝置電容器(device capacitor)。電荷感測裝置可包含浮動汲極節點或針扎儲存節點等等。

為了執行入射光的感測，介面電路能在整合期間將光二極體暴露於入射光，而使光二極體產生電荷。介面電路能使用取樣電容器，而於電荷執行取樣保值作業(sample-and-hold operation)，進而得到電壓，其中此電荷於整合期間中累積在儲存裝置。具體而言，像素單元能包含耦接於電荷感測裝及取樣電容器之間的取樣開關，藉以支援取樣保值作業。介面電路能致能取樣開關，而使取樣電容器取樣累積在儲存裝置的電荷，藉以產生電壓，並接著禁能取樣開關，而使取樣電容器保持此電壓。在取樣開關禁能後，取樣電容器所保持的電壓能被量化而產生數位輸出。

像素單元的介面電路可包含比較器，藉以執行量化。比較器能耦接於記憶體及計數器，且對像素單元而言記憶體及計數器能為外部的。計數器能根據時脈訊號來週期性地更新計數量值。比較器能比較取樣電容器所保持的電壓以及斜波臨界值，藉以產生判定。根據判定，記憶體能從計數器儲存計數量值。儲存於記憶體中的計數量值能為數位輸出。

於某些示例中，為了更進一步提升入射光感測的精準度，可將交流電容器設置於取樣電容器及比較器之間，藉以儲存第二電壓，其中第二電壓代表產生給電荷感測裝置的重設雜訊以及比較器的偏差值。交流電容器也能包含在堆疊結構中夾設於第一及第二半導體晶片之間的金屬電容器。交流電容器能結合第二電壓及取樣電容器所保持的電壓(「第一電壓」)，而輸出第三電壓至比較器，且重設雜訊的部分因所述之結合而從第三電壓移除。比較器能比較第三電壓及臨界值，而執行量化作業，且在此作業中，第三電壓中的比較器偏差值部分能補償比較器中實際的偏差值。

所揭露的技術能以許多方式優化光的感測。首先，取樣電容器能提供額外的電荷感測裝置來儲存光二極體所產生的電荷。取樣電容器也能較不易受雜訊電荷的影響。舉例來說，取樣電容器能為金屬電容器，其中金屬電容器較不易受因晶體缺陷所產生的暗電流之影響，且不會於接收光子時產生電荷。除了以上的功效，再結合上述之預先儲存重設雜訊及比較器偏差值於交流電容器中，而降低重設雜訊及比較器偏差值對量化作業的影響之技術，便能實質上優化光感測作業的精準度及影像產生作業的保真度(fidelity)。

所揭露的技術也能減少像素單元的覆蓋區域(footprint)，此讓更多的像素單元能被封裝(pack)於影像感測器中，進而於最小化影像感測器的覆蓋區域之同時提升解析度。舉例來說，藉由堆疊光二極體及處理電路而形成像素單元，以及藉由將記憶體放置於像素單元外部，便能降低像素單元的覆蓋區域。此外，藉由於這些半導體晶片之間形成取樣電容器及交流電容器，這些電容器不會覆蓋光接收面，此能最大化光接收面的有效像素單元面積，並使得像素單元的覆蓋區域更進一步被減少。在具備所揭露的技術之情況下，便能達成具有小覆蓋區域的高解析度影像感測器，而此種影響感測器對可用空間十分有限的穿戴式裝置(例如頭戴式組件)上之應用來說是特別有用的。

所揭露的技術也能提升產生影像的可靠度及速度。舉例來說，因為記憶體位於像素單元之外且不會影響像素單元的覆蓋區域，所以能設置冗餘記憶體裝置來儲存來自各個像素單元的數位輸出，進而降低因記憶體故障而造成數位輸出(以及像素量值)遺失的可能。但是因為記憶體通常包含數位電路並具有非常小的覆蓋區域，所以增加冗餘記憶體(由這些像素單元共用)通常不會顯著地增加影像感測器的覆蓋區域。此外，相較於像素單元傳送類比電壓(例如在電荷感測裝置的電壓)至外部的ADC而執行量化作業的實施例，所揭露的技術使一部份的量化作業(比較器之比較)能執行於像素單元中，且僅有一數位輸出(比較器的判定)從像素單元被傳送至外部的記憶體。相較於類比電壓，數位輸出能以高保真度(用來分辨位元0及1)及高速來傳送。所述的這些功能皆能根據由像素單元執行的光感測作業，來提升產生影像的可靠度及速度。

所揭露的技術可包含人工實境系統，或與人工實境系統一起實施。人工實境為一種在呈現給使用者前使用某些方法調整的一種實境，且人工實境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或 hybrid reality)或一些上述之結合及/或衍伸物。人工實境內容可包含完全合成內容或是合成內容以及捕捉(例如真實世界)之內容的結合。人工實境內容可包含影片、音訊、觸覺反饋(haptic feedback)或某些上述之結合，且上述之內容可於單一頻道或多個頻道(例如產生三維效果給觀看者的立體影片)中呈現。此外，於某些實施例中，人工實境也可與應用程式(application)、產品、配件(accessories)、服務或一些上述之結合有關，且它們例如用於在人工實境中產生內容及/或使用(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於各種平台實施，且這些平台包含連接至一主電腦系統的頭戴式顯示器(head-mounted display，HMD)、獨立的(standalone)HMD、行動裝置、計算系統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為近眼顯示器100之一實施例之圖式。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。於某些實施例中，音訊透過外部裝置呈現。外部裝置例如為揚聲器(speakers)及/或耳機(headphones)；且外部裝置自近眼顯示器100、主機或上述兩者接收音源資訊，並根據音源資訊呈現音源資料。近眼顯示器100一般是用來作為虛擬實境顯示器。於某些實施例中，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。

近眼顯示器100包含一框架105及一顯示器110。框架105耦合於一或多個光學元件。顯示器110用於令使用者看見由近眼顯示器100所呈現的內容。於某些實施例中，顯示器110包含波導顯示器組件，且波導顯示器組件用來導引來自一或多個影像的光到使用者的眼睛。

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可各包含一像素陣列，且像素陣列用於產生代表沿不同方向的不同視野(field of view，FOV)之影像資料。舉例來說，感測器120a、120b可用於沿z軸並朝方向A提供代表兩個視野的影像資料，而感測器120c可用於沿x軸並朝方向B提供代表一視野的影像資料，且感測器120d可用於沿x軸並朝方向C提供代表一視野的影像資料。

於某些實施例中，感測器120a-120d能作為輸入裝置來控制或影響近眼顯示器100的顯示內容，而提供互動式VR/AR/MR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之實體環境的實體影像資料；且實體影像資料能被提供至位置追蹤系統，而追蹤使用者於實體環境中移動的位置及/或路徑。系統便能例如接著根據使用者的位置與方位(orientation)，來更新提供至顯示器110的影像資料，藉以提供互動式體驗。於某些實施例中，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，而在使用者移動於實體環境中時，追蹤位在實體環境中並位於使用者視野內的一組物體。位置追蹤系統可根據此組物體創造並更新實體環境的地圖建構，並於地圖建構中追蹤使用者的位置。藉由提供對應於多個視野的影像資料，感測器120a-120d能提供實體環境更全面的檢視給位置追蹤系統，此能使更多個物體能被包含於地圖建構的創造與更新中。經由如此的配置方式，便能提升於實體環境中追蹤使用者位置的準確度與穩健性(robustness)。

於某些實施例中，近眼顯示器100可更包含一或多個主動的照明器130，而將光投射於實體環境中。所投射的光能與不同的頻率光譜有關(例如可見光、紅外光、紫外光等等)，並能用於各種用途。舉例來說，照明器130可於較暗的環境中投射光線(或在具有低強度紅外光、紫外光等的環境中)，而協助感測器120a-120d在較暗的環境中捕捉不同物體的影像，進而例如致能(enable)使用者位置的追蹤。照明器130可在環境中投射特定的記號(markers)於物體上，而協助位置追蹤系統辨認用於創造/更新地圖建構的物體。

於某些實施例中，照明器130也可允許立體成像(stereoscopic imaging)。舉例來說，一或多個感測器120a或120b能一併包含用於可見光感測的第一像素陣列以及用於紅外光感測的第二像素陣列。第一像素陣列能覆蓋(overlaid)有色彩濾波器，例如拜爾綠色鏡(Bayer filter)，且第一像素陣列的各個像素用於測量與特定色彩(例如紅色、綠色或藍色其中一者)相關的光之強度。第二像素陣列(用於紅外光感測)也能覆蓋有僅能讓紅外線通過的濾波器，且第二像素陣列的各個像素用於測量紅外光的強度。像素陣列能產生物體的紅綠藍影像(RGB image)及紅外線影像(IR image)，且紅外線影像的各個像素被轉換(mapped)成紅綠藍影像中的各個像素。照明器130可於物體上投射一組紅外線記號，且物體之影像能由紅外線像素陣列捕捉。根據物體之紅外線記號在影像中所呈現的分布，系統能估計物體的不同部份與紅外線像素陣列之間的距離，並根據這些距離產生物體的立體影像。根據物體的立體影像，系統例如能決定物體相對於使用者的位置，並能根據相對位置資訊更新提供至顯示器110的影像資料，而提供互動式體驗。

如上所述，近眼顯示器100可於具有非常廣之範圍的光強度之環境中操作。舉例來說，近眼顯示器100可於室內或室外環境並/或在一天中不同的時間操作。近眼顯示器100也可於主動的照明器130開啟或關閉時操作。因此，影像感測器120a-120d可能需要廣大的動態範圍，以能於近眼顯示器100的不同操作環境之非常廣之範圍之光強度中適當地操作(例如產生與入射光之強度相關的輸出)。

圖1B為近眼顯示器100之另一實施例的圖式。圖1B繪示近眼顯示器100中面對穿戴近眼顯示器100之使用者的一或多個眼球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)發出特定頻率範圍的光(例如近紅外線)。所發出的光可與特定的圖案相關，且能由使用者的左眼球反射。感測器150a可包含像素陣列以接收所反射的光，並產生所反射的圖案之影像。類似地，照明器140d、140e、140f可發出具有圖案的近紅外光。近紅外光可由使用者的右眼球反射，且可由感測器150b接收。感測器150b也可包含像素陣列以產生所反射的圖案之影像。根據來自感測器150a、150b的所反射之圖案的影像，系統能決定使用者的凝視點(gaze point)，並根據凝視點更新提供至顯示器110的影像資料，藉以提供使用者互動式體驗。

如上所述，為了避免傷害使用者的眼球，照明器140a、140b、140c、140d、140e、140f通常用於輸出非常低強度的光。在影像感測器150a、150b與圖1A中的影像感測器120a-120d包含相同的感測裝置之情況下，影像感測器120a-120d可能需要於入射光強度非常低時，能產生與入射光強度相關的輸出，如此的需求可更進一步增加影像感測器的動態範圍需求。

此外，影像感測器120a-120d可能需要能以高速產生輸出，而追蹤眼球的活動。舉例來說，使用者的眼球能非常快速地活動，例如進行掃視活動(saccade movement)時，且進行進行此種活動時，眼球位置能迅速地跳躍至另一眼球位置。為了追蹤使用者眼球的快速活動，影像感測器120a-120d需要以高速產生眼球的影像。舉例來說，影像感測器產生一影像幀的速率，也就是幀率(frame rate)，需要至少匹配於眼球活動的速度。較高的幀率便需要涉入產生影像幀的所有像素單元皆具有較短的總曝光時間，也需要以高速將感測器的輸出轉換成用於產生影像的數位量值。此外，如上所述，影像感測器也需要能於具有低光強度的環境中操作。

圖2為圖1A或圖1B所繪示的近眼顯示器100之一實施例的剖面示意圖200。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，使用者的單一眼球220於眼動範圍(eyebox)區域中所位在的位置。為了說明方便，圖2以眼球220及單一的波導顯示器組件210呈現剖面示意圖200，但是有一第二波導顯示器用於使用者的第二隻眼睛。

波導顯示器組件210用於導引影像光到位於出射瞳230的眼動範圍並到眼球220。波導顯示器組件210可由具有一或多個折射率的一或多個材料(例如塑膠、玻璃等等)製成。於某些實施例中，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。

於某些實施例中，波導顯示器組件210包含堆疊的一或多個波導顯示器，且堆疊的一或多個波導顯示器包含但不限於堆疊波導顯示器、變焦波導顯示器(varifocal waveguide display)等等。堆疊波導顯示器為多色顯示器(polychromatic display)，例如紅綠藍顯示器(red-green-blue display)，且係由各具有不同顏色的多個單色源(monochromatic sources)之波導顯示器堆疊而成。堆疊波導顯示器也可為能被投射於多個平面的多色顯示器(例如多平面彩色顯示器)。於一些態樣中，堆疊波導顯示器為能被投射於多個平面的單色顯示器(例如多平面單色顯示器)。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聚焦位置(focal position)的一種顯示器。於替代的實施例中，波導顯示器組件210可包含堆疊波導顯示器及變焦波導顯示器。

圖3為波導顯示器300之一實施例的等角視圖。於某些實施例中，波導顯示器300為近眼顯示器100的元件(例如波導顯示器組件210)。於某些實施例中，波導顯示器300為導引影像光至特定位置的某些其他近眼顯示器或系統的一部份。

波導顯示器300包含一源組件310、一輸出波導320及一控制器330。為了說明方便，圖3呈現與單一眼球220相關的波導顯示器300，但於某些實施例中，分離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至使用者的另一隻眼睛。

源組件310產生影像光355。源組件310產生並輸出影像光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340到使用者的眼球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355，並導引所接收的輸入影像光355到一導引元件360。於某些實施例中，耦合元件350導引(couples)影像光355從源組件310進入輸出波導320。耦合元件350例如可為繞射光柵(diffraction grating)、全息光柵(holographic grating)、一或多個串聯的反射器、一或多個稜表面元件(prismatic surface elements)及/或全息反射器的一陣列。

導引元件360再次導引所接收的輸入影像光355至解耦元件(decoupling element)365，而使所接收的輸入影像光355透過解耦元件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之一部份或附加(affixed)於第一側370-1。解耦元件365為輸出波導320的第二側370-2之一部份或附加於第二側370-2，而令導引元件360相對於解耦元件365。導引元件360及/或解耦元件365例如可為繞射光柵、全息光柵、一或多個串聯的反射器、一或多個稜表面元件及/或全息反射器的一陣列。

第二側370-2代表沿x維度及y維度延伸的平面。輸出波導320可由促進影像光355之全反射(total internal reflection)的一或多個材料製成。輸出波導320例如可由矽、塑膠、玻璃及/或聚合物所製成。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大約於x維度具有50毫米(mm)的寬度；於y維度具有30mm的長度；並於z維度具有0.5-1mm的厚度。

控制器330控制源組件310的掃瞄作業(scanning operations)。控制器330決定用於源組件310的掃描指示。於某些實施例中，輸出波導320以較大的視野輸出擴展影像光340至使用者的眼球220。舉例來說，擴展影像光340以對角線視野(於x維度及y維度)被提供至使用者的眼球220，且對角線視野為60度及/或更大及/或150度及/或更小。輸出波導320用於提供眼動範圍，且眼動範圍具有20mm或更大及/或等於或小於50mm的長度；及/或10mm或更大及/或等於或小於50mm的寬度。

此外，控制器330也根據影像感測器370所提供的影像資料，來控制由源組件310產生的影像光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，而產生位於使用者前的實體環境之影像資料(例如用於決定位置)。影像感測器370也可位於第二側370-2，並可包含圖1B中的影像感測器150a、150b，而產生使用者眼球220的影像資料(例如用於決定凝視點)。影像感測器370可與不位於波導顯示器300中的遠端主機相接(interface)。影像感測器370可提供影像資料給遠端主機，且遠端主機例如可決定使用者的位置、使用者的凝視點等等，並決定顯示給使用者的影像內容。遠端主機能傳送與所決定的內容相關的指示至控制器330。根據這些指示，控制器330能由源組件310控制影像光355的產生及輸出。

圖4為波導顯示器300的一實施例之剖面示意圖400。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中的示例中，影像感測器370可包含位於第一側370-1的一組像素單元402，而產生位於使用者前的實體環境之影像。於某些實施例中，可有一機械式快門404插入(interposed)這組像素單元402及實體環境之間，而控制這組像素單元402的曝光。於某些實施例中，如以下所述，機械式快門404能以電子快門閘(electronic shutter gate)取代。各個像素單元402可對應影像中的一個像素。雖然沒繪示於圖4，可以理解的是，各個像素單元402也可覆蓋有濾波器以控制將被像素單元感測的光之頻率範圍。

從遠端主機接收指示之後，機械式快門404能於曝光期間開啟並曝光這組像素單元402。於曝光期間中，影像感測器370能取得入射在這組像素單元402上的光之樣本，並根據由這組像素單元402所偵測的入射光樣本之強度分布產生影像資料。影像感測器370能接著提供影像資料給遠端主機，且遠端主機決定顯示內容，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355。

源組件310參照來自控制器330的指示產生影像光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)或部份同調光的光源。來源410例如可為雷射二極體(laser diode)、垂直空腔表面發光雷射(vertical cavity surface emitting laser)及/或發光二極體。

光學系統415包含調節來自來源410的光之一或多個光學元件。來自來源410之光的調節例如可包含根據來自控制器330的指示擴展、準直(collimating)及/或調整方位(orientation)。一或多個光學元件可包含一或多個透鏡、液晶透鏡、鏡子、光圈及/或光柵。於某些實施例中，光學系統415包含具有多個電極的液晶透鏡，且這些電極讓光束使用掃描角度的臨界值之掃描能轉移光束到位於液晶透鏡之外的區域。自光學系統415(以及源組件310)發出的光線係指影像光355。

輸出波導320接收影像光355。耦合元件350導引影像光355從源組件310進入輸出波導320。在耦合元件350為繞射光柵的實施例中，光柵的間隔(pitch)以輸出波導320中發生全反射，且影像光355朝解耦元件365傳播於輸出波導320內(例如藉由全反射)的原則做挑選。

導引元件360再次朝解耦元件365導引影像光355而用於自輸出波導320被導引出。在導引元件360為繞射光柵的實施例中，繞射光柵的間隔以造成入射影像光355以相對解耦元件365之表面傾斜的一或多個角度離開輸出波導320為原則做挑選。

於某些實施例中，導引元件360及/或解耦元件365在結構上類似。離開輸出波導320的擴展影像光340沿一或多個維度擴展(例如可沿x維度延伸)。於某些實施例中，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發出特定波段的單色影像光，且特定波段對應於原色(primary color)(例如紅色、綠色或藍色)。各個輸出波導320可以一分離距離堆疊在一起，而輸出多色的擴展影像光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及影像感測器120a-120d、150a-150b，且影像感測器120a-120d、150a-150b各耦接於多個控制電路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為呈現媒體給使用者的顯示器。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/或音源。於某些實施例中，音源透過外部裝置(例如揚聲器及/或耳機)呈現，且外部裝置從近眼顯示器100及/或控制電路510接收音源資訊，並根據音源資訊呈現音源資料給使用者。於某些實施例中，近眼顯示器100也可作為擴增實境眼鏡。於某些實施例中，近眼顯示器100用電腦合成元素(例如影像、影片、聲音等等)擴增實體且為真實世界的環境之景像。

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為一種產生快校正資料(fast calibration data)的電子裝置，且快校正資料根據自一或多個位置感測器525接收的量測訊號，指出近眼顯示器100相對近眼顯示器100的初始位置之估計位置。

成像裝置535可產生用於各種應用的影像資料。舉例來說，成像裝置535可產生影像資料而根據從控制電路510接收的校正參數，提供慢校正資料(slow calibration data)。為了執行使用者的位置追蹤，成像裝置535例如可包含圖1A中用於產生使用者所位在的實體環境之影像資料的影像感測器120a-120d。成像裝置535例如可更包含圖1B中用影像資料來決定使用者的凝視點之影像感測器150a-150b，藉以辨認使用者所感興趣的物體。

輸入/輸出介面540係讓使用者能傳送動作需求到控制電路510的裝置。動作需求為執行特定動作的需求。舉例來說，動作需求可為開啟或結束應用程式，或是在應用程式中執行特定的動作。

控制電路510根據自成像裝置535、近眼顯示器100及輸入/輸出介面540其中一或多者所接收的資訊，來提供用於呈現給使用者的媒體至近眼顯示器100。於某些示例中，控制電路510能置於(housed)作為頭戴式裝置的系統500中。於某些示例中，控制電路510能為與系統500的其他元件通訊地耦接(communicatively coupled)的獨立主機裝置。在圖5所示的示例中，控制電路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儲存一或多個用於被控制電路510執行的應用程式。應用程式為一群指示，且這群指示在由處理器執行時會產生呈現給使用者的內容。應用程式例如包含：遊戲程式、會議程式、影片回放程式(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來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的慢校正資訊來追蹤近眼顯示器100的活動。追蹤模組550也使用來自快校正資訊的位置資訊來決定近眼顯示器100的基準點之位置。

啟動器555於系統500中執行應用程式，並自追蹤模組550接收位置資訊、加速度資訊、速度資訊及/或近眼顯示器100的未來預測位置。於某些實施例中，啟動器555所接收的資訊可用於產生訊號(例如顯示指示)至波導顯示器組件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)、使用者與物體之間的距離(例如根據成像裝置535所提供的影像資料)，來決定呈現給使用者的內容。

圖6A、圖6B及圖6C繪示影像感測器的多個示例及其操作方式。如圖6A所示，影像感測器600能包含像素單元陣列，並能產生數位強度資料，其中像素單元陣列包含像素單元601，且數位強度資料對應影像的像素。像素單元601可為圖4中的多個像素單元402之一部分。如圖6A所示，像素單元601可包含一光二極體602、一傳送閘極604以及一電荷感測裝置606。光二極體602例如可包含P-N二極體、P-I-N二極體、針扎二極體(pinned diode)等等。光二極體602能於曝光期間在接收光後便產生電荷，且曝光期間中所產生的電荷量能正比於光的強度。光二極體602也能儲存所產生的電荷。傳送閘極604例如可包含金屬氧化物半導體場效應電晶體(metal–oxide–semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)等等。電荷感測裝置606例如可包含傳送閘極604之電晶體的浮動汲極(floating drain，FD)節點、由針扎二極體形成的針扎儲存裝置等等。曝光期間要結束時，傳送閘極604能被致能而將儲存在光二極體602中的電荷轉移到電荷感測裝置606，藉以產生電壓。能獲得為陣列形式的電壓，包含電壓v00、v01……vji。為陣列形式的電壓能ADC(能位於像素單元之內或之外)量化成數位量值。這些數位量值能更進一步被處理而產生影像610。

於圖6A中，電荷感測裝置606存在於各個像素單元而使得即使像素單元必須共用ADC，影像感測器600也能執行全域快門作業。具體而言，各個像素單元的光二極體602能於相同的全域曝光期間中暴露於入射光，藉以產生電荷。此電荷能暫時性地儲存於像素單元的電荷感測裝置606，至少直到像素單元能接取ADC而量化電荷。在具有如此的配置下，即使像素單元所產生的電壓沒有同時被量化，也能支援全域快門作業。

圖6B及圖6C繪示影像感測器600之多個示例之剖面示意圖。影像感測器600能包含多個像素單元601(例如像素單元601a、601b、601c等等)，且各個像素單元包含光二極體602(例如光二極體602a、602b、602c等等)及電荷感測裝置606(例如電荷感測裝置606a、606b、606c等等)。電荷感測裝置606例如能為針扎儲存節點、浮動汲極節點等等。如圖6B及圖6C所示，影像感測器600能包含於一半導體晶片620中，其中半導體晶片620具有一前側表面622及一背側表面624。前側表面622能為半導體晶圓(wafer)的前側，且半導體晶片620製造於此前側，而背側表面624能為半導體晶圓的背側。半導體晶圓的前側能接受摻雜(doping)、離子植入(ion implantation)等處理，藉以形成光二極體602及電荷感測裝置606，而使相對背側表面624而言光二極體602及電荷感測裝置606皆較靠近前側表面622。如圖6B所示，金屬內連接線路(metal interconnect)(例如金屬內連接線路626a、626b、626c等等。)能形成於前側表面622，或者如圖6C所示形成於背側表面624。金屬內連接線路能用來將來自光二極體602的電荷轉移至電荷感測裝置606。

影像感測器600能具有不同的態樣。舉例來說，如圖6B所示，影像感測器600能具有背側照明(back side illumination，BSI)的態樣，於此態樣中背側表面624能作為影像感測器600的光接收面。此外，如圖6C所示，影像感測器600能具有前側照明(front side illumination，FSI)的態樣，於此態樣中前側表面622能作為影像感測器600的光接收面。於圖6B及圖6C中，影像感測器600可包含形成於光接收面的色彩濾波器(例如濾波器632a、632b、632c等等。)及微透鏡(microlens)(例如微透鏡634a、634b、634c等等。)。光可穿過微透鏡、色彩濾波器及光接收面(在圖6B中為背側表面624，在圖6C中為前側表面622)，進而到達光二極體602。

如上所述，雜訊電荷可能被增加至電荷感測裝置606，此能造成光強度量測作業的誤差。舉例來說，在電荷感測裝置606為浮動汲極節點的情況中，因晶體缺陷所造成的暗電流可能將雜訊電荷增加至從光二極體602轉移的電荷。因為光強度量測作業是基於量測光二極體602於全域快門期間所產生的電荷量，而此電荷量的量測是基於儲存在電荷感測裝置606中的電荷，所以來自暗電流的雜訊電荷可能造成光強度量測作業的誤差。

在電荷感測裝置606為針扎二極體的針扎儲存節點的情況中，相較於浮動汲極節點，暗電流可被減少，但是針扎二極體能透過光接收面接收光子640，並響應光子640而產生光子雜訊電荷，而此光子雜訊電荷也能被增加至由光二極體602所轉移的電荷。雖然不易受暗電流的影響，但是浮動汲極節點通常較針扎二極體產生較少的光子雜訊電荷。因為在FSI態樣中電荷感測裝置606比較靠近光接收面且其缺乏阻止光子640到達電荷感測裝置606的光罩結構(light-shielding structure)，所以相較於圖6B中的BSI態樣，圖6C中之FSI態樣的電荷感測裝置606能產生較多的雜訊電荷，。因此，相較於BSI態樣，於FSI態樣中，電荷感測裝置606能接收更多的光子640並產生更多的雜訊電荷。此外，如圖6B及圖6C所示，相較於FSI態樣， BSI態樣的光二極體602更加遠離光接收面。因此，相較於FSI態樣，在BSI態樣中，入射光需要於半導體晶片620中經過較長的距離，因而在到達光二極體602前會受到較多的能量損失。故，相較於FSI態樣，具有BSI態樣的影像感測器600通常有較低的光至電荷轉換比率(light-to-charge conversion rate)，此可能降低影像感測器600的靈敏度，尤其是於低強度光環境中的靈敏度。

圖7A及圖7B繪示一像素單元700之一示例。圖7A繪示像素單元700的剖面示意圖，而圖7B繪示像素單元700的示意圖。像素單元700能以經改善的雜訊表現(noise performance)來執行全域快門作業。如圖7A所示，一像素單元700可包含沿垂直方向(例如沿z軸)形成堆疊結構的一第一半導體晶片702、一第二半導體晶片704以及一取樣電容器706。第一半導體晶片702可包含一光二極體716及一電荷感測裝置718。第二半導體晶片704可包含多個介面電路720。在圖7A中的示例中，取樣電容器706能包含自一或多個金屬層形成的金屬電容器，其中一或多個金屬層夾設於第一半導體晶片702及第二半導體晶片704之間。於某些示例中，取樣電容器706也能於第一半導體晶片702或第二半導體晶片704其中一者中被形成而作為裝置電容器(例如浮動汲極節點、針扎儲存節點等等)。藉由沿垂直方向堆疊光二極體716、取樣電容器706及介面電路720，便能降低像素單元700水平的覆蓋區域(沿x或y軸)，此讓更多的像素單元能聚集於影像感測器中，藉以提升解析度並同時最小化影像感測器的覆蓋區域。此外，藉由在這些半導體晶片之間形成取樣電容器及交流電容器，這些電容器便不會覆蓋光接收面，此能最大化用於光接收面的有效像素單元區域，並使像素單元的覆蓋區域能更進一步被降低。具備所揭露的技術後，便能達成具有小覆蓋區域的高解析度影像感測器，而此對於可用空間十分有限的穿戴式裝置(例如頭帶式裝置)上之應用來說為特別有用的。

如上所述，第一半導體晶片702可包含光二極體716及電荷感測裝置718。光二極體716能於整合期間暴露於入射光而產生並儲存電荷。整合期間要結束時，儲存於光二極體716的電荷能被轉移至電荷感測裝置718而產生電壓。第二半導體晶片704的介面電路720可包含一控制電路722，藉以控制取樣電容器706執行取樣保值作業，而取樣電壓並接著儲存電壓。介面電路720也包含一處理電路724，藉以於所儲存的電壓執行量化作業，藉以產生代表光二極體716所接收的入射光之強度的數位輸出。如以下所述，取樣保值作業能降低取樣電容器706對暗電流的暴露，此能提升光感測作業的精準度。

第一半導體晶片702包含一前側表面710及一背側表面712。光二極體716及電荷感測裝置718例如由執行於前側表面710之摻雜製程、離子植入製程等所形成，而使得相較於背側表面712光二極體716及電荷感測裝置718皆較靠近前側表面710。為了提升光至電荷轉換比率，像素單元700能具有FSI態樣，於此態樣中前側表面710視為光接收面，且微透鏡726及色彩濾波器728位於前側表面710而匯聚及過濾入射光。為了降低光子雜訊電荷產生所造成的影響，電荷感測裝置718能被形成而作為浮動汲極節點、金屬電容器、多晶矽電容器(polysilicon capacitor)等等。

請參照圖7B，第一半導體晶片702更包含其他電路，例如選用的一快門開關732、一轉移開關734、一儲存重設開關736、一電壓緩衝器738及一取樣開關740。這些開關能由控制電路722控制而量測入射光強度。具體而言，快門開關732(由訊號AB所控制)能作為電子快門閘極(代替圖4中的機械快門404或與其結合)，藉以控制曝光/整合期間，其中於曝光/整合期間中光二極體716能累積用於光強度量測的電荷。於某些示例中，快門開關732也能視為抗模糊閘極(anti-blooming gate)，藉以防止光二極體716所產生的電荷在光二極體飽和時漏出到其他像素單元。此外，轉移開關734能被控制而將來自光二極體716的電荷轉移到電荷感測裝置718，藉以產生電壓，其中此電壓能被電壓緩衝器738緩衝。取樣開關740以及取樣電容器706能被控制而執行所緩衝的電壓之取樣保值作業。儲存重設開關736能於取樣保值作業之前及之後重設電荷感測裝置718，藉以開始新的光強度量測。

圖7C繪示對快門開關732、轉移開關734、儲存重設開關736及取樣開關740而言用來執行取樣保值作業的控制訊號之示例序列。如圖7C所示，快門開關732能於時間T0禁能(藉由使訊號AB失效)，藉以開始整合/快門期間，其中在整合/快門期間中光二極體716能累積用於光強度量測的電荷。於時間T0、T1之間，電荷感測裝置718能處於重設狀態，且儲存重設開關736被致能(藉由使訊號RST生效)，而光二極體716在累積電荷。時間T1、T4之間能為取樣期間，於取樣期間中，取樣開關740被致能以電性連接取樣電容器706至電壓緩衝器738的輸出，其中電壓緩衝器738的輸出緩衝電荷感測裝置718的電壓。於取樣期間中，儲存重設開關736能被禁能(藉由使訊號RST失效)。取樣電容器706的跨壓能追蹤在電荷感測裝置718的緩衝電壓。於時間T2、T3之間且於取樣期間之間，轉移開關734能被致能而將累積在光二極體716的電荷轉移到電荷感測裝置718。於時間T3，轉移開關734能被禁能而結束整合期間，且於時間T3在電荷感測裝置718的電壓能代表光二極體716於時間T0、T3之間的整合期間中所累積(以及轉移至電荷感測裝置718)的電荷量。取樣電容器706能取樣在電荷感測裝置718的緩衝電壓直到時間T4，而使在取樣電容器706的電壓追蹤在電荷感測裝置718的緩衝電壓。於時間T4之後，取樣電容器706能保持所取樣的電壓，而此電壓能接著於時間T4之後的隨後時間由處理電路724量化。

影像感測器能包含像素單元700之陣列。為了支援全域快門作業，像素單元700的陣列能共用全域的訊號AB及全域的訊號TG，而使得對於各個像素單元700來說，全域整合期間開始於時間T0並結束於時間T3。各個像素單元的取樣電容器706能儲存電壓，其中此電壓代表在全域整合期間中各個像素單元的光二極體716所累積的電荷。儲存於像素單元的電壓能接著由一或多個ADC量化。

相較於圖6中的像素單元601，像素單元700能提供經改善的雜訊表現。具體而言，電荷感測裝置718對於大部分的整合期間來說處於重設狀態(例如從時間T0、T1)，且於取樣期間脫離重設狀態。相較於處於重設狀態的電荷感測裝置718，取樣期間中的電荷感測裝置718較容易受暗電流及光子影響，並會累積較多的暗電流雜訊電荷及光子雜訊電荷。若取樣期間相對較短，則增加至從光二極體716轉移的電荷之雜訊電荷便會減少。此外，藉由執行取樣保值作業，取樣電容器706能在取樣在電荷感測裝置718的緩衝電壓後自電荷感測裝置718中斷連接，此能防止暗電流從電荷感測裝置718(或第一半導體晶片702的其他元件)流入取樣電容器706，其中暗電流的流入會汙染(contaminate)受取樣的電壓。進一步來說，藉由將取樣電容器706作為金屬電容器實施而不是作為浮動汲極節點或針扎儲存節點，取樣電容器706能於保持受取樣電壓時較不易受暗電流及光子雜訊電荷的影響。上述這些功能皆能減少待量化的電壓中的雜訊部分，並能提升光感測作業的精準度。

圖7D繪示處理電路724的一示例。如圖7D所示，處理電路724包含一比較器750。比較器750能耦接於一記憶體760，其中記憶體760也耦接於一計數器762。於某些示例中，記憶體760及計數器762能為像素單元700及處理電路724的一部份。於某些示例中，如以下所述，記憶體760及計數器762能位於像素單元700之外，並被像素單元700的陣列所共用，藉以減少像素單元700的覆蓋區域。

比較器750、記憶體760及計數器762可以執行在取樣電容器706的受取樣電壓(標註為V_S )之量化處理。具體來說，記憶體760能為鎖存(latch)記憶體。計數器762能根據時脈訊號來更新其輸出計數量值(標註為Cnt)。比較器750能比較輸入電壓(標註為V_{COMP_IN} )及斜波臨界電壓(標註為VREF)藉以產生判定(標註為V_OUT )，其中輸入電壓係由在取樣電容器706的受取樣電壓(標註為V_S )所推得。此判定能為鎖存訊號而控制鎖存記憶體去儲存計數器762所輸出的計數量值。當斜波臨界電壓VREF(以下可簡稱為電壓VREF)達到或超過V_{COMP_IN} ，比較器750的判定輸出便會翻轉(trips)，而計數器762於判定翻轉時所輸出的計數量值便能被儲存於記憶體760。記憶體760中所儲存的計數量值能代表V_{COMP_IN} 及V_S 的量化結果，此量化結果能代表於圖7C中的全域快門期間中的入射光強度之量測。

如圖7D所示，像素單元700更包含一交流電容器746及一比較器重設開關752。交流電容器746及比較器重設開關752能被操作而用於補償比較器750所產生的量測誤差(例如比較器偏差值)以及其他誤差訊號，其中其他誤差訊號例如為存在於受取樣電壓V_S 中並被導入電荷感測裝置718的重設雜訊(藉由訊號RST的生效)。交流電容器746能作為介於第一半導體晶片702及第二半導體晶片704之間的金屬電容器來實施。交流電容器746能於取樣期間中用來執行兩個取樣作業。第一取樣作業能於電荷從光二極體716轉移至電荷感測裝置718之前執行，其中電荷感測裝置718儲存重設雜訊電荷。作為第一取樣作業的一部份，比較器重設開關752能被致能(藉由訊號COMP_RST的生效)，而能使比較器的負極輸入及輸出終端短路。作為第一取樣作業的結果，交流電容器746能於電容器中儲存電壓(標註為V_CC )，其包含重設雜訊及比較器750的偏差電壓的部分(component)。能接著執行第二取樣作業，於此作業中，比較器重設開關752能被禁能，並接著致能電荷轉移開關734而將電荷從光二極體716轉移到電荷感測裝置718。輸入電壓V_{COMP_IN} 能包含最新的受取樣電壓V_S (其代表儲存於光二極體716並轉移至電荷感測裝置718的電荷)以及電壓V_CC 。最新的受取樣電壓V_S 中的重設雜訊電荷部分能由電壓V_CC 的重設雜訊電荷部分所消除，而電壓V_CC 中的比較器偏差值部分仍存在於輸入電壓V_{COMP_IN} 中。當比較器750比較新的輸入電壓V_{COMP_IN} 及斜波臨界電壓時，輸入電壓V_{COMP_IN} 中的比較器偏差值部分能消除或實質上減緩比較器750的比較器偏差值之影響。因為比較器偏差值及重設雜訊皆被消除或至少實質上被降低，所以便能提升量化的精準度。

圖7D繪示用於包含COMP_RST的取樣保值作業之控制訊號的一系列示例。相較於圖7C，訊號AB、RST、TG、SAMPLE具有相同的時序(timing)，故不於此贅述。如圖7D所示，在時間T1、T2之間的取樣期間中，還沒開始將電荷從光二極體716轉移到電荷感測裝置718。在電荷感測裝置718的電壓(及受取樣電壓V_S )能處於重設電壓且也能包含重設雜訊部分。在時間T1、T2之間，受取樣電壓V_S 能由下列等式所表示：

(等式1)

此外，隨著比較器重設開關752致能且比較器750的正極終端連接至電壓VREF，COMP_IN()的電壓能追蹤電壓VREF，但它們如以下所示相差比較器偏差值：

= VREF +(等式2)

於時間T2，交流電容器746的右板(連接於COMP_IN)及交流電容器746的左板(連接於取樣電容器706)之間的電壓差能由下列等式所示：

(等式3)

結合等式1、2及3來看，在時間T2的電壓差能由下列等式所示：

(等式4)

電壓差便能代表第一取樣作業的結果。

在T2及T3之間，電荷轉移開關734被致能，且電荷從光二極體716轉移至電荷感測裝置718而產生新的電壓。於時間T3，受取樣電壓能包含新的電壓以及殘留於電荷感測裝置718的重設雜訊部分，其中電壓對應於能由取樣電容器706取樣之轉移電荷，如以下等式所示：

(等式5)

能代表第二取樣作業的結果。

於時間T3，比較器重設開關752被禁能。交流電容器746的跨壓差相較於在時間T2的時候保持相同。透過交流耦合(AC-coupling)，交流電容器746的右板之電壓()在時間T3時能追蹤但如以下等式所示與相差電壓差：

(等式6)

結合等式6及等式4來看能得到以下等式：

(等式7)

如等式7所示，中的部分與(及中的部分能被消除。等式7能簡化成以下等式：

(等式8)

在T3之後，在的電壓能於沒有額外的電荷轉移到電荷感測裝置718時及/或於取樣開關740禁能之後，保持於。

如等式8所示，包含差異部分，此差異部分代表來自光二極體並於時間T2、T3之間轉移到電荷感測裝置718的電荷量。更包含、(來自)。當比較器750比較及，比較器750所產生的比較器偏差值能由消除，而僅有代表來自光二極體的電荷量之差異被拿來與比較，作為量化處理的一部份以產生量化結果。如此的配置方式能從量化結果移除重設雜訊及比較器偏差值，並提升光強度量測的精準度。

如上所述，為了更進一步降低像素單元700的覆蓋區域，記憶體760及計數器762能設置於像素單元700之外並能由一組像素單元700所共用。圖8A繪示影像感測器800的一示例，其包含共用的計數器及記憶體。如圖8A所示，影像感測器800包含一第一半導體晶片802(以下可簡稱為半導體晶片802)及一第二半導體晶片804(以下可簡稱為半導體晶片804)。半導體晶片802包含多個光感測電路806的一陣列，此陣列包含光感測電路806a，且光感測電路806各包含光二極體716、電荷感測裝置718、快門開關732、轉移開關734、儲存重設開關736、電壓緩衝器738及取樣開關740。半導體晶片804包含多個介面電路808的一陣列，此陣列包含介面電路808a。介面電路808各包含比較器750及比較器重設開關752並對應於各個光感測電路806。影像感測器800更包含多個取樣電容器706的一陣列及多個交流電容器746的一陣列。各個取樣電容器706及交流電容器746藕接於相對應的一對光感測電路806及介面電路808之間，藉以形成一像素單元810。取樣電容器706的陣列及交流電容器746的陣列能形成於金屬層812，其中金屬層812堆疊於第一半導體晶片802及第二半導體晶片804之間。相較於圖7B至圖7E中所述之作業，光感測電路806及介面電路808使用取樣電容器706及交流電容器746進行相似的光感測作業，故不於此贅述。

此外，影像感測器800包含一計數器820、多個記憶體暫存器822的一組合，一控制器824，且部分或全部的這些元件能為介面電路808的一部份。此組合中的各個記憶體暫存器822能為相似於記憶體760的鎖存記憶體。計數器820能根據時脈訊號週期性地更新計數量值(Cnt)。計數器820能將計數量值輸出至記憶體暫存器822的組合。如上所述，像素單元810能根據比較儲存在像素單元的受取樣電壓以及斜波臨界值，來控制計數量值儲存於記憶體暫存器822的組合之時序，藉以量化受取樣電壓。控制器824能控制這些像素單元810之中的記憶體暫存器822的組合之存取，藉以量化受取樣電壓。於圖8A中，控制器824能使其中一列的像素單元810(例如沿圖8A中的x軸對齊的一組像素單元)能接取記憶體暫存器822的組合，藉以量化在此列像素單元810的受取樣電壓，並接著處理另一列。在一行的像素單元810中(例如沿圖8A中的y軸對齊的一組像素單元)，各個像素單元的比較器750能透過一列開關830選擇性地耦接於此組合中的一個記憶體暫存器。各個像素單元的比較器750也透過一電源開關832選擇性的耦接於電源供應器。

圖8B及圖8C繪示用於影像感測器800的控制訊號之一系列示例。圖8B中的一系列控制訊號例如用於包含快門開關732的像素單元810，而圖8C中的一系列控制訊號例如用於不包含快門開關732的像素單元810。於圖8B及圖8C中，RST、TG、AB及COMP_RST對於各個像素單元而言能為全域訊號，進而於全域整合期間執行全域快門作業，並於取樣期間執行第一取樣作業(取樣重設雜訊電荷及比較器偏差值)與第二取樣作業(取樣在全域整合期間累積的電荷)。在取樣期間後，各列的像素單元810能輪流接取記憶體暫存器822的組合，藉以執行量化。舉例來說，當像素單元810的第一列被選擇來接取記憶體暫存器822的組合時，在此列中的各個像素單元的列開關830(標註為ROW[1])便被致能而耦接比較器750的輸出端至記憶體暫存器822，而此列中的各個像素單元的電源開關832(標註為ON[1])便由控制器致能以致能比較器750。各個像素單元的比較器750能比較儲存在像素單元的受取樣電壓以及斜波臨界電壓VREF而產生判定，其中此判定能透過列開關830傳送而控制記憶體暫存器822儲存來自計數器820的計數量值之時序。儲存在記憶體暫存器822的組合之計數量值能代表用於像素單元810的第一列之量化結果。記憶體暫存器822的組合中之計數量值能透過匯流排data_out被讀出(read out)(例如藉由影像重組啟動器)。在計數量值對於像素單元810的第一列來說從記憶體暫存器的組合讀出時，像素單元810的第一列之列開關830及電源開關832(ROW[1]及ON[1])能由控制器824禁能。控制器824能接著選擇像素單元810的第二列來存取記憶體暫存器822的組合，藉以量化儲存在像素單元810的第二列之受取樣電壓。像素單元810的第二列之列開關830及電源開關832(ROW[2]及ON[2])能由控制器824致能而執行量化。

雖然圖8A繪示出於像素單元810的多個列之間共用記憶體暫存器822的單一組合，但是可以理解的是可設有多組記憶體暫存器，而能增加能用計數器820及記憶體暫存器同時執行量化的像素單元之數量，且能增加讀出及產生影像的速度。舉例來說，如圖8D所示，能設有兩個記憶體組合840、842。可於像素單元810的多個列850之間共用第一個的記憶體組合840，並可於像素單元810的多個列852之間共用底部的記憶體組合842。此外，如圖8E所示，能設有四個記憶體組合860、862、864、866。可於像素單元810的多個列880a、880b之間共用記憶體組合860、可於像素單元810的多個列882a、882b之間共用記憶體組合862、可於像素單元810的多個列884a、884b之間共用記憶體組合864，並可於像素單元810的多個列886a、886b之間共用記憶體組合866。

圖8A至圖8E中的配置藉由將記憶體設置於像素單元之外，能更進一步降低像素單元的覆蓋區域，而能於影像感測器中聚集更多個像素單元，進而提升解析度並同時最小化影像感測器的覆蓋區域。此外，產生影像的可靠度及速度也能被提升。舉例來說，因為記憶體位於像素單元之外且不會影響像素單元的覆蓋區域，所以能設置冗餘記憶體裝置而儲存來自各個像素單元的數位輸出，藉以降低數位輸出(及像素量值)因記憶體不良而遺失的可能。但是因為記憶體主要包含數位電路且通常具有非常小的覆蓋區域，所以增加冗餘記憶體(將由多個像素單元共用)一般來說不會顯著地增加影像感測器的覆蓋區域。此外，相較於像素單元傳送類比電壓(例如在電荷感測裝置的電壓)至外部ADC來執行量化作業的實施例，所揭露的技術使一部份的量化(比較器之比較)作業能於像素單元中執行，且僅有數位輸出(比較器的判定)從像素單元傳送至外部的記憶體。相較於類比電壓，數位輸出能以較高的保真度(用來分辨位元0及1)及速度來傳送。所述的這些功能皆能根據由像素單元執行的光感測作業，來提升產生影像的可靠度及速度。

圖9包含繪示一示例性方法900之流程圖，其中方法900用於執行光強度的量測。方法900例如能根據上述技術由圖7A至圖7E中的像素單元700及圖8A至圖8D中的影像感測器800來執行。

於步驟902中，介面電路(例如介面電路720、介面電路808)能致能光感測電路(例如光感測電路806)的光二極體，藉以響應整合期間中的入射光而累積電荷。光感測電路能位於第一半導體晶片中(例如第一半導體晶片702、802等等)，而介面電路能位於第二半導體晶片中(例如第二半導體晶片704、804等等)。如圖7A及圖8A所示，第一半導體晶片及第二半導體晶片可形成一堆疊結構。如圖6A及圖6B所示，第一半導體晶片中的光感測電路能作為前側照明裝置或背側照明裝置。所述的致能例如能根據禁能快門開關732而致能光二極體來累積電荷。

於步驟904中，介面電路能將電荷從光二極體轉移至光感測電路的電荷感測裝置(例如電荷感測裝置718)。此轉移能在介面電路的控制下，透過轉移開關734來執行。電荷感測裝置例如能為浮動汲極裝置、金屬電容器、多晶矽電容器等等。

於步驟906中，介面電路能使用取樣電容器(例如取樣電容器706)來執行取樣保值作業，藉以將儲存在電荷感測裝置的電荷轉換成電壓。具體而言，取樣電容器能透過取樣開關耦接於電荷感測裝置，其中取樣開關係由介面電路所控制。請再次參照圖7C，在取樣期間中，作為步驟904的一部份，轉移開關能被致能，藉以將電荷從光二極體轉移至電荷感測裝置，進而產生電壓，同時，取樣開關也被致能而致能取樣電容器來追蹤電荷感測裝置的電壓。轉移開關能在取樣期間結束前被禁能，藉以凍結在電荷感測裝置的電壓，且取樣電容器持續追蹤在電荷感測裝置的電壓直到取樣期間結束。在取樣期間結束後，取樣開關能被禁能，且取樣電容器能保持受取樣電壓而用於接下來的量化處理。

於某些示例中，介面電路能包含可重設的比較器(例如比較器750)及交流電容器(例如交流電容器746)。請再次參照圖7E，作為步驟906的一部份，比較器能於取樣期間中被重設而將比較器偏差值及重設雜訊(其也存在於電荷感測裝置並反映在位於取樣電容器的受取樣電壓)儲存於交流電容器。交流電容器也能追蹤由取樣電容器取樣及保持的電壓，並將受取樣電壓結合於重設雜訊及比較器偏差值資訊，藉以產生輸出電壓(例如V_{COMP_IN} )。

於步驟908中，介面電路能根據在取樣電容器取樣及保持的電壓，來產生數位輸出，藉以代表光二極體所接收的入射光之強度。數位輸出能根據量化處理來產生，其中於量化處理中，比較器能比較交流電容器的輸出電壓以及斜波臨界值，藉以產生判定。此判定能控制記憶體(例如記憶體760、822等等)來儲存自計數器(例如計數器762、820等等)產生的數位量值。如圖8A至圖8E所示，記憶體及計數器能由多個像素單元共用，而使像素單元的多個群組能輪流於共用的記體體儲存數位量值。

部份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。於某些實施例中，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致能或重組。如此的電腦程式可儲存於非緩衝性(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；且資訊儲存於非緩衝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

135、220‧‧‧眼球

130、140a、140b、140c、140d、140e、140f‧‧‧照明器

200‧‧‧剖面示意圖

210‧‧‧波導顯示器組件

230‧‧‧出射瞳

300‧‧‧波導顯示器

310‧‧‧源組件

320‧‧‧輸出波導

330‧‧‧控制器

340‧‧‧擴展影像光

350‧‧‧耦合元件

355‧‧‧影像光

360‧‧‧導引元件

365‧‧‧解耦元件

370‧‧‧影像感測器

370-1‧‧‧第一側

370-2‧‧‧第二側

400‧‧‧剖面示意圖

402‧‧‧像素單元

404‧‧‧機械式快門

410‧‧‧來源

415‧‧‧光學系統

500‧‧‧系統

510‧‧‧控制電路

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

601、601a、601b、601c‧‧‧像素單元

602、602a、602b、602c‧‧‧光二極體

604‧‧‧傳送閘極

606、606a、606b、606c‧‧‧電荷感測裝置

610‧‧‧影像

620‧‧‧半導體晶片

622‧‧‧前側表面

624‧‧‧背側表面

626a、626b、626c‧‧‧金屬內連接線路

632a、632b、632c‧‧‧濾波器

634a、634b、634c‧‧‧微透鏡

640‧‧‧光子

700‧‧‧像素單元

702‧‧‧第一半導體晶片

704‧‧‧第二半導體晶片

706‧‧‧取樣電容器

708‧‧‧金屬層

710‧‧‧前側表面

712‧‧‧背側表面

716‧‧‧光二極體

718‧‧‧電荷感測裝置

720‧‧‧介面電路

722‧‧‧控制電路

724‧‧‧處理電路

726‧‧‧微透鏡

728‧‧‧色彩濾波器

732‧‧‧快門開關

734‧‧‧轉移開關

736‧‧‧儲存重設開關

738‧‧‧電壓緩衝器

740‧‧‧取樣開關

746‧‧‧交流電容器

750‧‧‧比較器

752‧‧‧比較器重設開關

760‧‧‧記憶體

762‧‧‧計數器

800‧‧‧影像感測器

802‧‧‧第一半導體晶片、半導體晶片

804‧‧‧第二半導體晶片、半導體晶片

806、806a‧‧‧光感測電路

808、808a‧‧‧介面電路

810‧‧‧像素單元

812‧‧‧金屬層

820‧‧‧計數器

822‧‧‧記憶體暫存器

824‧‧‧控制器

830、ROW[1]、ROW[2]‧‧‧列開關

832、ON[1]、ON[2]‧‧‧電源開關

840、842、860、862、864、866‧‧‧記憶體組合

850、852、880a、880b、882a、882b、884a、884b、886a、886b‧‧‧列

900‧‧‧方法

902、904、906、908‧‧‧步驟

T0、T1、T2、T3、T4‧‧‧時間

RST、AB、TG、COMP_RST、SAMPLE‧‧‧訊號

V_S‧‧‧受取樣電壓

Cnt計數量值

V_{COMP_IN}‧‧‧輸入電壓

VREF斜波臨界電壓

V_OUT‧‧‧判定

V_CC‧‧‧電壓

data_out‧‧‧匯流排

v00、v01……vji‧‧‧電壓

A、B、C、D‧‧‧方向

示範性實施例參照以下圖式做說明：

圖1A及圖1B為近眼顯示器之一實施例之圖式。

圖2為近眼顯示器之一實施例的剖面示意圖。

圖3為具有單一源組件的波導顯示器之一實施例的等角視圖。

圖4為波導顯示器的一實施例之剖面示意圖。

圖5為包含近眼顯示器的系統之一實施例的方塊圖。

圖6A、圖6B及圖6C繪示像素單元的多個示例及其操作方式。

圖7A、圖7B、圖7C、圖7D及圖7E繪示像素單元的多個示例及其操作方式。

圖8A、圖8B、圖8C、圖8D及圖8E繪示影像感測器的一示例及其操作方式。

圖9繪示用於量測光強度的示例性處理方式之流程圖。

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

一種像素單元，包含：一第一半導體晶片，該第一半導體晶片包含一光二極體及一電荷感測裝置；一取樣電容器；一第二半導體晶片，與該第一半導體晶片形成一堆疊結構，該第二半導體晶片包含一介面電路，該介面電路耦接於該光二極體、該電荷感測裝置及該取樣電容器，該介面電路用以：致能該光二極體以於一整合期間中累積響應於入射光的電荷；將該電荷從該光二極體轉移到該電荷感測裝置；使用該取樣電容器來執行一取樣保值作業，藉以將該電荷感測裝置中的該電荷轉換成一電壓；以及根據該電壓產生一數位輸出，藉以代表該光二極體所接收的該入射光的一強度。
如申請專利範圍第1項所述之像素單元，其中：該像素單元更包含一取樣開關，該取樣開關耦接於該電荷感測裝置及該取樣電容器之間；並且作為該取樣保值作業的一部份，該介面電路用以：致能該取樣開關而令該取樣電容器取樣累積於該電荷感測裝置的該電荷，藉以產生該電壓；以及禁能該取樣開關而令該取樣電容器保持該電壓。
如申請專利範圍第2項所述之像素單元，其中：該電壓為一第一電壓；該電荷感測裝置用以根據所儲存的該電荷來輸出一第二電壓；該像素單元更包含一電壓緩衝器，該電壓緩衝器耦接於該電荷感測裝置及該取樣電容器之間，並用以緩衝該第二電壓，藉以輸出該第一電壓至該取樣電容器；並且該取樣電容器被操作而於該取樣開關致能時，取樣從該電壓緩衝器所接收的該第一電壓，並於該取樣開關禁能後保持該第一電壓。
如申請專利範圍第3項所述之像素單元，其中該取樣開關及該電壓緩衝器包含於該第一半導體晶片中。
如申請專利範圍第4項所述之像素單元，其中該取樣電容器包含下列至少其中一者：一金屬電容器或一半導體電容器，夾設於該堆疊結構中的該第一半導體晶片及該第二半導體晶片之間，或是一金屬電容器或一半導體電容器，形成於該第二半導體晶片中。
如申請專利範圍第4項所述之像素單元，其中：該介面電路更包含可重設的一比較器；該像素單元更包含一交流電容器，該交流電容器耦接於該取樣電容器及該比較器之間；當該取樣開關致能時，該介面電路用以：控制該比較器進入一重設狀態；操作該交流電容器以：取得該電荷感測裝置的一重設電壓之一第一取樣結果，且該第一取樣結果由該電荷感測裝置的一先前重設作業所產生；當該比較器處於該重設狀態時，取得該比較器的一偏差值之一第二取樣結果；根據該重設電壓的該第一取樣結果及該偏差值的該第二取樣結果，來於該交流電容器中儲存一第三電壓；以及根據該第一電壓及該第三電壓，來輸出一第四電壓至該比較器；並且該數位輸出為根據該第四電壓所產生。
如申請專利範圍第6項所述之像素單元，更包含一轉移開關，耦接於該光二極體及該電荷感測裝置之間；其中該介面電路用以：控制該比較器脫離該重設狀態，藉以保持該交流電容器的跨壓為該第三電壓；致能該轉移開關，以將該電荷從該光二極體轉移至該電荷感測裝置，其中該電荷的轉移於該取樣電容器產生該第一電壓；以及禁能該轉移開關，以停止該電荷的該轉移，其中該轉移開關的禁能使該取樣電容器保持該第一電壓，並使該交流電容器保持該第四電壓，進而用於該數位輸出的產生。
如申請專利範圍第7項所述之像素單元，其中：該比較器的一輸出端耦接於一記憶體；該記憶體耦接於一計數器，且該計數器用以根據一時脈訊號來週期性地更新一計數量值；在該轉移開關禁能後，該比較器用以比較該第四電壓以及一斜波臨界值，藉以輸出一判定；該記憶體用以根據該判定而從該計數器儲存該計數量值；並且所儲存的該計數量值代表該數位輸出。
如申請專利範圍第8項所述之像素單元，更包含一選擇開關，耦接於該比較器的該輸出端以及該記憶體之間；並且其中該介面電路用以：於該像素單元被選擇來儲存該數位輸出於該記憶體中時，致能該選擇開關以傳送該判定至該記憶體；以及於該像素單元沒有被選擇來儲存該數位輸出至該記憶體中時，禁能該選擇開關以阻止該判定傳入該記憶體。
如申請專利範圍第8項所述之像素單元，其中該記憶體及該計數器包含於該第二半導體晶片中。
如申請專利範圍第1項所述之像素單元，更包含一快門開關，耦接於該光二極體及一電荷槽之間，其中該介面電路用以：禁能該快門開關，以開始該整合期間並致能該光二極體以累積該電荷；以及致能該快門開關，以結束該整合期間並防止該光二極體累積該電荷。
如申請專利範圍第1項所述之像素單元，其中該電荷感測裝置包含下列至少其中一者：一浮動汲極節點或是一針扎儲存節點。
一種影像感測器，包含：一第一半導體晶片，該第一半導體晶片包含多個光感測電路的一陣列，該些光感測電路的該陣列中的每一該些光感測電路包含一光二極體以及一電荷感測裝置；多個取樣電容器的一陣列，該些取樣電容器的該陣列中的每一該些取樣電容器對應於該些光感測電路的該陣列中的一個該光感測電路；一第二半導體晶片，與該第一半導體晶片形成一堆疊結構，該第二半導體晶片包含多個介面電路的一陣列，且該些介面電路的該陣列中的每一該些介面電路、該些光感測電路的該陣列中的每一該些光感測電路，以及該些取樣電容器的該陣列中的每一該些取樣電容器形成一像素單元，每一該些像素單元中的每一該些介面電路用以：致能所對應的該光感測電路之該光二極體，藉以響應一全域整合期間中的入射光而累積電荷；將該電荷從該光二極體轉移到所對應的該光感測電路之該電荷感測裝置；使用所對應的該取樣電容器，來於儲存在該電荷感測裝置的該電荷執行一取樣保值作業，進而取得一電壓；以及根據該電壓來產生一數位輸出，藉以代表所對應的該像素單元所接收的該入射光的一強度。
如申請專利範圍第13項所述之影像感測器，其中在每一該些像素單元中：該光感測電路更包含一取樣開關，該取樣開關耦接於該電荷感測裝置及該取樣電容器之間；並且作為該取樣保值作業的一部份，該介面電路用以：致能該取樣開關而令該取樣電容器取樣儲存於該電荷感測裝置的該電荷，藉以產生該電壓；以及禁能該取樣開關而令該取樣電容器保持該電壓。
如申請專利範圍第14項所述之影像感測器，其中在每一該些像素單元中：該電壓為一第一電壓；該電荷感測裝置用以根據所儲存的該電荷來輸出一第二電壓；該光感測電路更包含一電壓緩衝器，該電壓緩衝器耦接於該電荷感測裝置及該取樣電容器之間，並用以緩衝該第二電壓，藉以輸出該第一電壓至該取樣電容器；並且該取樣電容器被操作而於該取樣開關致能時，取樣從該電壓緩衝器所接收的該第一電壓，並於該取樣開關禁能後保持該第一電壓。
如申請專利範圍第15項所述之影像感測器，其中在每一該些像素單元中：每一該些介面電路更包含可重設的一比較器；每一該些光感測電路更包含一交流電容器，該交流電容器耦接於該取樣電容器及該比較器之間；當該取樣開關致能時，每一該些介面電路用以：控制該比較器進入一重設狀態；操作該交流電容器以：取得該電荷感測裝置的一重設電壓之一第一取樣結果，且該第一取樣結果由該電荷感測裝置的一先前重設作業所產生；當該比較器處於該重設狀態時，取得該比較器的一偏差值之一第二取樣結果；根據該重設電壓的該第一取樣結果及該偏差值的該第二取樣結果，來於該交流電容器中儲存一第三電壓；以及根據該第一電壓及該第三電壓，來輸出一第四電壓至該比較器；並且該數位輸出為根據該第四電壓所產生。
如申請專利範圍第16項所述之影像感測器，其中每一該些光感測電路更包含一轉移開關，且該轉移開關耦接於該光二極體及該電荷感測裝置之間；其中每一該些介面電路用以：控制該比較器脫離該重設狀態，藉以保持該交流電容器的跨壓為該第三電壓；致能該轉移開關，以將該電荷從該光二極體轉移至該電荷感測裝置，其中該電荷的轉移於該取樣電容器產生該第一電壓；以及禁能該轉移開關，以停止該電荷的該轉移，其中該轉移開關的該禁能使該取樣電容器保持該第一電壓，並使該交流電容器保持該第四電壓，進而用於該數位輸出的產生。
如申請專利範圍第17項所述之影像感測器，更包含一控制器、一計數器以及多個記憶體暫存器的一組合；其中：該些記憶體暫存器的該組合中的每一該些記憶體暫存器耦接於該計數器；該計數器用以根據一時脈訊號來週期性地更新一計數量值；每一該些介面電路的該比較器的一輸出端透過一選擇開關耦接於每一該些記憶體暫存器，且該選擇開關由該控制器所控制；在該轉移開關禁能後，該比較器用以比較該第四電壓以及一斜波臨界值，藉以產生一判定；該控制器用以於不同的多個時間點致能該些像素單元之多個部分的該些選擇開關，藉以將該些像素單元中所選擇的該些部分之該些比較器的該些判定傳送至該些記憶體暫存器之該組合；該些記憶體暫存器之該組合用以於不同的多個時間點根據該些像素單元中所選擇的該些部分之該些判定，來從該計數器儲存該些計數量值；並且所儲存的該些計數量值代表該些像素單元的該些數位輸出。
一種方法，包含：藉由一介面電路，來致能一光感測電路的一光二極體以於一整合期間中累積響應於入射光的電荷，其中該光感測電路及該介面電路分別位於形成一堆疊結構的一第一半導體晶片及一第二半導體晶片中；藉由該介面電路，來將該電荷從該光二極體轉移至該光感測電路的一電荷感測裝置；藉由該介面電路並使用一取樣電容器，來執行一取樣保值作業，藉以將儲存於該電荷感測裝置的該電荷轉換成一電壓；以及藉由該介面電路，來根據該電壓產生一數位輸出，藉以代表該光二極體所接收的該入射光之一強度。
如申請專利範圍第19項所述之方法，更包含：比較該電壓以及一斜波臨界值，藉以輸出一判定；根據該判定，來控制一記憶體儲存來自一計數器的一計數量值；以及提供該計數量值作為該數位輸出，其中該記憶體及該計數器位於該第二半導體晶片中。