TW202021106A

TW202021106A - 具有適應性曝光時間的像素感測器

Info

Publication number: TW202021106A
Application number: TW108129677A
Authority: TW
Inventors: 安德魯山謬爾博寇維奇; 陳松; 新橋劉
Original assignee: 美商菲絲博克科技有限公司
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-06-01
Also published as: US20200059589A1; JP2021534603A; TWI815951B; US20210203830A1; US11974044B2; WO2020041241A1; CN112585950A; US10931884B2; CN112585950B

Abstract

在一例子中，一種方法包括：將一第一光電二極體曝光至入射光以產生第一電荷；將一第二光電二極體曝光至所述入射光以產生第二電荷；藉由一第一電荷感測單元來轉換所述第一電荷成為一第一電壓；藉由一第二電荷感測單元來轉換所述第二電荷成為一第二電壓；控制一ADC以根據所述第一電壓來偵測所述第一電荷的量到達一飽和臨界值，並且量測當所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值時的一飽和時間；根據偵測所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值來停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光；以及控制所述ADC以根據所述第二電壓來量測藉由所述第二光電二極體在所述曝光結束之前產生的所述第二電荷的量。

Description

具有適應性曝光時間的像素感測器

本揭露內容大致關於影像感測器，並且具體而言是有關用於判斷光強度以用於影像產生的包含介面電路的像素單元結構。

本專利申請案主張2018年8月20日申請的名稱為“Digital Pixel Sensor with Kernel-Based Exposure Control”的美國臨時專利申請案第62/719,953號、以及2019年8月19日申請的美國非臨時專利申請案第16/544,136號的優先權，所述美國專利申請案被讓與給本申請案的受讓人，並且為了所有的目的而以其整體被納入於本文作為參考。

在影像感測器中的典型的像素包含光電二極體，以藉由轉換光子成為電荷(例如，電子或電洞)來感測入射光。所述入射光可包含具有不同波長範圍的成分以用於不同的應用，例如是2D及3D感測。再者，為了降低影像失真，一全域的快門操作可被執行，其中光電二極體的陣列中的每一個光電二極體在一全域的曝光期間中同時感測入射光以產生電荷。所述電荷可以藉由一電荷感測單元(例如，一浮動擴散)而被轉換，以轉換成為一電壓。像素單元的陣列可以根據藉由電荷感測單元所轉換的電壓來量測入射光的不同的成分，並且提供量測結果以用於一場景的2D及3D影像的產生。

本揭露內容有關於影像感測器。更明確地說，而且在非限制性的條件下，此揭露內容有關於一種像素單元。此揭露內容亦有關於操作像素單元的電路，以產生入射光的強度的一數位表示。

在一例子中，一種設備被提出。所述設備包括：一用以產生第一電荷的第一光電二極體；一用以產生第二電荷的第二光電二極體；一用以轉換所述第一電荷成為一第一電壓的第一電荷感測單元；一用以轉換所述第二電荷成為一第二電壓的第二電荷感測單元；一能夠量測飽和時間以及電荷量的類比至數位轉換器(ADC)；以及一控制器，其被配置以：將所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體曝光至入射光以分別產生所述第一電荷以及所述第二電荷；連接所述ADC至所述第一電荷感測單元以根據所述第一電壓來偵測所述第一電荷的量到達一飽和臨界值，並且量測當所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值時的飽和時間；根據偵測所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值來停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光；以及連接所述ADC至所述第二電荷感測單元，以根據所述第二電壓來量測藉由所述第二光電二極體在所述曝光結束之前產生的所述第二電荷的量。

在一態樣中，所述設備進一步包括：一耦接在所述第一光電二極體以及一第一電荷吸收器(charge sink)之間的第一快門開關；以及一耦接在所述第二光電二極體以及一第二電荷吸收器之間的第二快門開關。所述控制器被配置以：根據禁能所述第一快門開關以及所述第二快門開關來將所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體曝光至所述入射光；以及根據致能所述第一快門開關以及所述第二快門開關來停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光。

在一態樣中，所述控制器被配置以在一第一時間一起禁能所述第一快門開關以及所述第二快門開關，並且在一第二時間一起致能所述第一快門開關以及所述第二快門開關，使得一用於所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體的全域的快門開關在所述第一時間開始並且在所述第二時間結束。

在一態樣中，所述第一電荷感測單元以及所述第二電荷感測單元中的每一者分別包含一第一電容器以及一第二電容器。所述設備進一步包括：一耦接在所述第一光電二極體以及所述第一電荷感測單元之間的第一傳輸開關；以及一耦接在所述第二光電二極體以及所述第二電荷感測單元之間的第二傳輸開關。所述控制器被配置以：控制所述第一傳輸開關以傳輸所述第一電荷至所述第一電荷感測單元的第一電容器；控制所述第二傳輸開關以傳輸所述第一電荷至所述第一電荷感測單元的第二電容器；以及在所述第一電荷以及所述第二電荷的傳輸完成之後，停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光。

在一態樣中，所述控制器被配置以：在一第一時間，以一第一偏壓電壓來偏壓所述第一傳輸開關以從所述第一光電二極體傳輸所述第一電荷的第一溢出電荷至所述第一電荷感測單元以用於儲存；在所述第一時間，以所述第一偏壓電壓來偏壓所述第二傳輸開關以從所述第二光電二極體傳輸所述第二電荷的第二溢出電荷至所述第二電荷感測單元以用於儲存；在一第二時間，以一第二偏壓電壓來偏壓所述第一傳輸開關以從所述第一光電二極體傳輸所述第一電荷的第一殘留電荷至所述第一電荷感測單元以用於儲存；以及在所述第二時間，以所述第二偏壓電壓來偏壓所述第二傳輸開關以從所述第二光電二極體傳輸所述第二電荷的第二殘留電荷至所述第二電荷感測單元以用於儲存。在所述第一殘留電荷的傳輸以及所述第二殘留電荷的傳輸完成之後，停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光。

在一態樣中，所述第一電荷感測單元包含一耦接在所述第一電容器以及所述ADC之間的第一可切換的緩衝器。所述第二電荷感測單元包含一耦接在所述第一電容器以及所述ADC之間的第二可切換的緩衝器。所述控制器被配置以：當所述第一傳輸開關被偏壓在所述第一偏壓電壓時，致能所述第一開關緩衝器以控制所述ADC來偵測所述第一溢出電荷的量是否超出所述飽和臨界值，並且量測當所述第一溢出電荷的量到達所述飽和臨界值時的飽和時間；以及在所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光停止之後：控制所述ADC以量測在所述第二電容器中所儲存的第二殘留電荷的量。

在一態樣中，當所述第一溢出電荷被轉移至所述第一電容器時，所述第一電容器發展出所述第一電壓。所述ADC被配置以根據比較所述第一電壓與一代表所述飽和臨界值的第一靜態臨界電壓來量測所述飽和時間。

在一態樣中，所述第一電容器包含一第一主要電容器以及一第一輔助電容器。在所述第一殘留電荷的傳輸之前，所述控制器被配置以：將所述第一輔助電容器與所述第一主要電容器斷連；以及重置所述第一主要電容器。所述第一殘留電荷是在所述第一主要電容器被重置之後被轉移至所述第一主要電容器以產生一第三電壓。所述ADC被配置以根據比較在所述第一主要電容器的第三電壓與一第一斜波的臨界電壓來量測在所述第一主要電容器中所儲存的第一殘留電荷的量。所述ADC被配置以在量測所述第一殘留電荷的量之後：連接儲存所述第一溢出電荷的一部分的所述第一輔助電容器與所述第一主要電容器以產生一第四電壓；以及根據比較所述第四電壓與一第二斜波的臨界電壓來量測所述第一溢出電荷的量。所述控制器被配置以根據所述第一電壓、所述第三電壓、或是所述第四電壓中之一者來選擇由ADC產生的一輸出。所述選擇是根據所述第一電壓是否交叉所述第一靜態臨界電壓以及根據所述第三電壓是否交叉一代表所述第一光電二極體的一儲存容量的第二靜態臨界電壓而定。所述控制器被配置以提供所選擇的輸出以代表由所述第一光電二極體接收到的入射光的強度。

在一態樣中，所述第二電容器包含一第二主要電容器以及一第二輔助電容器。在所述第二殘留電荷的傳輸之前，所述控制器被配置以：將所述第二輔助電容器與所述第二主要電容器斷連；以及重置所述第二主要電容器。所述第二殘留電荷是在所述第二主要電容器被重置之後被轉移至所述第二主要電容器以產生所述第二電壓。所述ADC被配置以根據比較在所述第二主要電容器的第二電壓與一第一斜波的臨界電壓來量測在所述第二主要電容器中所儲存的第二殘留電荷的量。所述ADC被配置以在量測所述第二殘留電荷的量之後：連接儲存所述第二溢出電荷的一部分的所述第二輔助電容器與所述第二主要電容器以產生一第三電壓；以及根據比較所述第三電壓與一第二斜波的臨界電壓來量測所述第二溢出電荷的量。所述控制器被配置以根據所述第二電壓或是所述第三電壓中之一者來選擇由ADC產生的一輸出。所述選擇是根據所述第二電壓是否交叉一代表所述第二光電二極體的一儲存容量的靜態臨界電壓而定。所述控制器被配置以提供所選擇的輸出以代表由所述第二光電二極體接收到的入射光的強度。

在一態樣中，所述第一光電二極體被配置以偵測所述入射光的具有一第一波長範圍的一第一成分。所述第二光電二極體被配置以偵測所述入射光的具有一第二波長範圍的一第二成分。

在一態樣中，所述第一波長範圍以及所述第二波長範圍是相同的。

在一態樣中，所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體是一像素單元的部分。

在一態樣中，所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體分別是一第一像素單元以及一第二像素單元的部分。

在一態樣中，所述第一像素單元以及所述第二像素單元是一像素單元陣列的部分。所述第一像素單元以及所述第二像素單元藉由一或多個像素單元而分開。

在一例子中，一種方法被提出。所述方法包括：將一第一光電二極體曝光至入射光以產生第一電荷；將一第二光電二極體曝光至所述入射光以產生第二電荷；藉由一第一電荷感測單元轉換所述第一電荷成為一第一電壓；藉由一第二電荷感測單元轉換所述第二電荷成為一第二電壓；控制一ADC以根據所述第一電壓來偵測所述第一電荷的量到達一飽和臨界值，並且量測當所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值時的一飽和時間；根據偵測所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值來停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光；以及控制所述ADC以根據所述第二電壓來量測藉由所述第二光電二極體在所述曝光結束之前產生的所述第二電荷的量。

在一態樣中，所述第一電荷是藉由所述第一光電二極體根據偵測所述入射光的具有一第一波長範圍的一第一成分而被產生。所述第二電荷是藉由所述第二光電二極體根據偵測所述入射光的具有一第二波長範圍的一第二成分而被產生。所述第一波長範圍以及所述第二波長範圍是不同的。

在以下的說明中，為了解說之目的，特定的細節被闡述以便於提供發明的某些例子的徹底理解。然而，很明顯的是，各種的例子可以在無這些特定的細節下加以實施。所述圖式及說明並不欲為限制性的。

一典型的影像感測器包含一陣列的像素單元。每一個像素單元包含一光電二極體以藉由轉換光子成為電荷(例如，電子或電洞)來量測入射光的強度。藉由所述光電二極體產生的電荷可以藉由一電荷感測單元而被轉換成為一電壓，電荷感測單元可包含一浮接的汲極節點。所述電壓可以藉由一類比至數位轉換器(ADC)而被量化成為一數位值。所述數位值可以代表藉由所述像素單元接收到的光的一強度並且可以形成一像素，其可以對應於從一場景的一點接收到的光。包括一陣列的像素的一影像可以從所述陣列的像素單元的數位輸出導出。

一影像感測器可被利用以執行不同的成像模式，例如2D及3D感測。所述2D及3D感測可以根據具有不同的波長範圍的光來加以執行。例如，可見光可被利用於2D感測，而不可見光(例如，紅外光)可被利用於3D感測。一影像感測器可包含一濾光片陣列以容許具有不同的光學波長範圍及色彩(例如，紅色、綠色、藍色、單色、等等)的可見光至被指定用於2D感測的一第一組像素單元，並且不可見光至被指定用於3D感測的一第二組像素單元。

為了執行2D感測，在一像素單元的一光電二極體可以在一成比例於入射在所述像素單元之上的可見光成分(例如，紅色、綠色、藍色、單色、等等)的強度的速率下產生電荷，並且在一曝光期間中累積的電荷量可被利用以代表可見光(或是可見光的某一色彩成分)的強度。所述電荷可以暫時被儲存在所述光電二極體，並且接著被轉移到一電容器(例如，一浮動擴散)以發展出一電壓。所述電壓可以被取樣，並且藉由一類比至數位轉換器(ADC)而被量化，以產生一對應於可見光的強度的輸出。一影像像素值可以根據來自被配置以感測可見光的不同色彩成分(例如，紅色、綠色、以及藍色色彩)的多個像素單元的輸出而被產生。

再者，為了執行3D感測，具有一不同波長範圍的光(例如，紅外光)可被投射到一物體之上，並且反射光可以藉由所述像素單元來加以偵測。所述光可包含結構光、光脈衝、等等。所述像素單元的輸出可被利用以例如是根據偵測反射的結構光的圖案、量測光脈衝的一飛行時間、等等來執行深度感測操作。為了偵測反射的結構光的圖案，藉由所述像素單元在曝光時間期間產生的電荷量的一分布可被判斷出，並且像素值可以根據對應於電荷量的電壓而被產生。針對於飛行時間量測，電荷在所述像素單元的光電二極體的產生時序可被判斷出，以代表反射的光脈衝在所述像素單元接收到的時間。當光脈衝被投射至物體時到反射的光脈衝在所述像素單元接收到時之間的時間差可被利用以提供所述飛行時間的量測。

一像素單元陣列可被利用以產生一場景的資訊。在某些例子中，在所述陣列之內的一子集合(例如，一第一集合)的像素單元可以偵測光的可見的成分以執行所述場景的2D感測，並且在所述陣列之內的另一子集合(例如，一第二集合)的像素單元可以偵測所述光的一紅外光成分以執行所述場景的3D感測。2D及3D成像資料的融合對於許多應用而言是有用的，其提供虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、及/或混合實境(MR)的體驗。例如，一可穿戴的VR/AR/MR系統可以執行所述系統的使用者位在其中的一環境的一場景重建。根據重建的場景，所述VR/AR/MR可以產生顯示效果以提供一互動的體驗。為了重建一場景，在一像素單元陣列之內的一子集合的像素單元可以執行3D感測，以例如是在所述環境中識別一組實體物體，並且判斷在所述實體物體以及所述使用者之間的距離。在所述像素單元陣列之內的另一子集合的像素單元可以執行2D感測，以例如是捕捉這些實體物體的視覺屬性，其包含紋理、色彩、以及反射度。所述場景的2D及3D影像資料接著可以合併來產生例如所述場景的一3D模型，其包含所述物體的視覺屬性。作為另一例子的是，一可穿戴的VR/AR/MR系統亦可以根據2D及3D影像資料的融合來執行一頭部追蹤操作。例如，根據2D影像資料，VR/AR/MR系統可以取出某些影像特徵來識別一物體。根據3D影像資料，VR/AR/MR系統可以追蹤所識別出的物體相對於由使用者穿戴之可穿戴的裝置的一位置。當使用者的頭部移動時，所述VR/AR/MR系統可以例如是根據追蹤在所識別出的物體相對於可穿戴的裝置的位置上的變化來追蹤頭部的移動。

為了改善2D及3D影像資料的關聯性，一陣列的像素單元可被配置以提供來自一場景的一點的入射光的不同的成分之並列的成像。明確地說，每一個像素單元可包含複數個光電二極體、以及複數個對應的電荷感測單元。所述複數個光電二極體的每一個光電二極體被配置以轉換入射光的一不同的光成分成為電荷。為了致能光電二極體接收入射光的不同的光成分，所述光電二極體可以用一堆疊來加以形成，其對於不同的光電二極體的入射光提供不同的吸收距離、或是可被形成在一陣列的濾光片之下的一平面上。每一個電荷感測單元包含一或多個電容器以藉由轉換電荷成為一電壓來感測對應的光電二極體的電荷，所述電壓可以藉由一ADC而被量化以產生藉由每一個光電二極體所轉換的一入射光成分的一強度的一數位表示。所述ADC包含一比較器。作為一量化操作的部分的是，所述比較器可以比較所述電壓與一參考來輸出一決策。所述比較器的輸出可以控制一記憶體何時儲存來自一自由運行的計數器的一值。所述值可以提供量化所述電壓的一結果。

所述ADC可以根據和不同的強度範圍相關的不同的量化操作來量化所述電壓，此可以增加光強度量測操作的動態範圍。明確地說，每一個光電二極體可以在一曝光期間之內產生一電荷量，其中電荷量代表入射光強度。每一個光電二極體亦具有一量子井以儲存至少一些的所述電荷作為殘留電荷。量子井容量可以根據在光電二極體以及電荷感測單元之間的開關上的一偏壓電壓而被設定。對於一低的光強度範圍，光電二極體可以在量子井中儲存全體的電荷作為殘留電荷。在一PD ADC量化操作中，所述ADC可以量化藉由電荷感測單元從感測所述殘留電荷的量所產生的一第一電壓，以提供低的光強度的一數位表示。由於所述殘留電荷通常是非常不易受到在光電二極體中的暗電流的影響，因此低的光強度量測的雜訊基底可被降低，此可進一步擴展動態範圍的下限。

再者，對於一中等的光強度範圍，所述量子井可能因為所述殘留電荷而飽和，因而光電二極體可能以溢出電荷來傳輸剩餘的電荷至電荷感測單元，此可以從感測所述溢出電荷的量產生一第二電壓。在一FD ADC量化操作中，所述ADC可以量化所述第二電壓以提供中等的光強度的一數位表示。對於低及中等的光強度兩者而言，在電荷感測單元中的一或多個電容器尚未飽和，因而所述第一電壓以及第二電壓的大小關聯到所述光強度。於是對於低及中等的光強度兩者而言，所述ADC的比較器可以比較所述第一電壓或是第二電壓與一斜波的電壓以產生一決策。所述決策可以控制所述記憶體來儲存一計數器值，其可以代表殘留電荷或是溢出電荷的量。

對於一高的光強度範圍，所述溢出電荷可能會飽和在電荷感測單元中的一或多個電容器。因此，所述第二電壓的大小不再追蹤光強度，因而非線性可能被引入到光強度量測中。為了降低由所述電容器的飽和所引起的非線性，所述ADC可以藉由比較所述第二電壓與一靜態臨界值以產生一決策來執行一到達飽和的時間(TTS)量測操作，其可以控制所述記憶體來儲存一計數器值。所述計數器值可以代表當所述第二電壓到達一飽和臨界值時的一時間。所述到達飽和的時間可以在其中所述電荷感測單元飽和的一範圍中代表光的強度，因而所述第二電壓的值不再反映光的強度。在此種配置下，動態範圍的上限可以被擴展。

所述ADC的比較器通常在一像素單元的所有的其它構件之間佔用最大的空間並且消耗最多功率，尤其當執行上述的多個量化操作時。因此，為了降低功率以及像素單元的覆蓋區，單一ADC可以在一像素單元之內的多個電荷感測單元之間共用。所述像素單元的一控制器可以控制每一個電荷感測單元以輪流連接至所述單一ADC以執行所述TTS、FD ADC、以及PD ADC操作，以產生入射光的一光成分的強度的一數位表示。然而，此種配置可能會大幅增加一像素單元的量化操作的總時間以及產生一影像訊框所需的訊框週期，此可能會導致較低的訊框率。此可能會劣化影像感測器的提供具有高速物體及/或以高速變化的場景的高解析度影像的功能，並且縮減影像感測器的應用。為了降低用於每一個光電二極體的量化操作的總時間，所述控制器可以配置其中一些光電二極體只執行所述TTS、FD ADC、以及PD ADC操作的一子集合。例如，所述控制器可以連接光電二極體中之一的電荷感測單元至所述ADC，並且控制所述ADC以執行所述TTS、FD ADC、以及PD ADC操作。所述控制器接著可以依序連接其它光電二極體的其它電荷感測單元至所述ADC，並且控制所述ADC只執行針對於那些電荷感測單元的輸出的PD ADC以及FD ADC操作。除了縮減訊框週期之外，此種配置亦可以確保在像素單元之內的所有光電二極體都具有相同的曝光期間，此可以改善快門效率並且降低當類似於一捲簾式快門操作來成像一亮的快速移動的物體時的運動模糊及失真。

儘管縮減一像素單元的一子集合的光電二極體的量化操作可以縮減所述像素單元的量化操作的總時間並且增加訊框率，但是此種配置可能會降低所述子集合的光電二極體的動態範圍的上限。明確地說，所述子集合的光電二極體的電荷感測單元的電容器可能會在所述像素單元被曝光到高強度的光成分時變成飽和的。但是由於那些光電二極體並沒有TTS操作被執行，因此所述ADC的量化輸出只有針對於所述低及中等的光強度範圍才是線性的。此降低那些光電二極體的光強度的可量測的上限，因而縮減其動態範圍。因此，非線性可能被引入到入射光的某些或是全部的光成分藉由一像素單元的量測，此不僅劣化所述並列的2D/3D成像操作，而且亦劣化像素單元陣列的全域的快門操作。

此揭露內容有關於一種影像感測器，其可以藉由解決以上所述問題中的至少一些問題來提供改善的並列的2D及3D成像操作、以及改善的全域快門操作。明確地說，一種影像感測器可包含一第一光電二極體、一第二光電二極體、一第一電荷感測單元、一第二電荷感測單元、以及一控制器。所述第一光電二極體可以響應於入射光的一第一成分來產生第一電荷。所述第二光電二極體可以響應於入射光的一第二成分來產生第二電荷。第一電荷感測單元以及第二電荷感測單元的每一個包含一電容器，其可以藉由一浮接的汲極來加以形成，以儲存藉由所述光電二極體產生的電荷。所述第一電荷感測單元可以與所述第二電荷感測單元共用一ADC。在共用設計下，所述ADC是在所述第一電荷感測單元的輸出上執行一TTS操作以量測所述第一電荷的量到達一飽和臨界值的一飽和時間，接著是一PD ADC操作及/或一FD ADC操作以量測所述第一電荷的量。再者，所述ADC並不在所述第二電荷感測單元的輸出上執行TTS操作，而是只在所述第二電荷感測單元的輸出上執行所述PD ADC及/或FD ADC操作以量測所述第二電荷的量。

所述控制器可以針對於所述第一光電二極體以及第二光電二極體開始一曝光期間，以分別產生所述第一電荷以及第二電荷。所述影像感測器可包含一耦接在所述第一光電二極體及第二光電二極體的每一個與一電荷吸收器之間的快門開關，所述電荷吸收器可以排去所述第一電荷及第二電荷。所述曝光期間可以根據禁能所述快門開關而開始。所述控制器可以控制所述ADC以在第一電荷感測單元的輸出上執行TTS操作，以偵測飽和並且量測飽和時間。在偵測到飽和之後，所述控制器可以根據致能所述開關來停止第一光電二極體及第二光電二極體的曝光期間。所述控制器接著可以控制所述ADC以在第二電荷感測單元的輸出上執行PD ADC及/或FD ADC操作，以量測藉由所述第二光電二極體在曝光期間之內產生的第二電荷的量。在TTS操作之後，所述控制器亦可以控制所述ADC以在第一感測單元的輸出上執行PD ADC及/或FD ADC操作，以量測藉由第一光電二極體在曝光期間之內產生的第一電荷的量。來自第一光電二極體以及第二光電二極體的量化輸出可以形成同一影像訊框、或是具有相同訊框週期的同一組訊框(例如，2D及3D訊框)。

在某些例子中，第一光電二極體以及第二光電二極體可以是一核心的部分。一核心可包含多個像素單元及/或一像素單元的多個光電二極體。在一核心中，一群組的光電二極體可以共用一ADC。在所述群組之內，除了一主控光電二極體(例如，第一光電二極體)以外的全部的光電二極體都可以利用一ADC以只執行PD ADC及/或FD ADC操作，而所述主控光電二極體可以利用一ADC以執行TTS、以及PD ADC及/或FD ADC操作。在所述群組之內的所有的光電二極體可以具有相同的曝光期間，其可以在所述主控光電二極體的電荷感測單元飽和時被停止。因此，那些光電二極體的電荷感測單元的根據PD ADC及/或FD ADC操作的量化結果仍然可以在一合理的傳真度下代表光成分的強度。在另一方面，若沒有來自所述主控光電二極體的飽和指示，則所述光電二極體可以在預先被配置的曝光期間內產生至少一可以設定動態範圍的下限之臨界的電荷量，以對於低與中等的光強度的量測維持一最小的信號雜訊比。

一核心的光電二極體可以是來自不同的像素單元、或是來自相同的像素單元，並且可被配置以偵測相同或是不同的光成分。在一核心中的光電二極體的分組可以是根據各種方案而定的，並且可以是應用特有的。舉例而言，像素的群組可以根據一待被成像的預設的物體的輪廓/形狀(例如，一點光源)而被界定，並且每一個群組的像素可以形成一核心。作為另一例子的是，可能接收類似強度的光成分的像素單元可以形成一核心。再者，在一像素單元陣列之內的核心的光電二極體的空間分布可以是根據所述影像感測器的應用而定。例如，若所述影像感測器成像一場景的一小部分，使得所接收到的NIR光集中在小數量的像素單元，則所述核心可包含相鄰的像素單元的光電二極體。在另一方面，若所述影像感測器成像一場景的一大部分，使得NIR光的圖案被稀疏分布在所述像素單元之上，所述核心可包含間隔開的像素單元的光電二極體。在某些例子中，一核心的光電二極體亦可包含相同的像素單元的光電二極體，並且被配置以偵測具有不同的波長範圍的光成分。當所述影像感測器操作在一具有強的環境光的環境中，並且其中一像素單元的每一個光電二極體可以接收一高強度的光成分，而且每一個光電二極體的電荷感測單元可能飽和，此種配置可以是有用的。在這些所有的情形中，一核心的光電二極體可被配置以偵測具有相同的波長範圍或是不同的波長範圍的光。

在本揭露內容的實施例下，其中每一個像素單元具有相同的曝光期間，一全域快門操作可被提供，同時每一個像素單元包含多個光電二極體以偵測來自一場景的同一點的光的不同成分以支援並列的2D及3D成像操作。再者，所述像素單元的光電二極體被組織成為核心，其中每一個核心的光電二極體共用一ADC以執行量化操作以縮減所述像素單元的尺寸及功率消耗，同時每一個核心的光電二極體的曝光期間可以動態地被調整，以改善量測操作的線性以及所述影像感測器的動態範圍。這些全部都可以改善所述影像感測器的效能。

所揭露的技術可包含一人工實境系統、或是結合一人工實境系統來加以實施。人工實境是一種形式的實境，其在呈現給一使用者之前已經用某種方式調整，例如可包含一虛擬實境(VR)、一擴增實境(AR)、一混合實境(MR)、或是其之某種組合及/或衍生。人工實境內容可包含完全是所產生的內容、或是結合所捕捉(例如，真實世界)的內容之產生的內容。所述人工實境內容可包含視訊、音訊、觸覺回授、或是其之某種組合，其之任一個都可以用單一通道或是多個通道來加以呈現(例如是產生三維效果給觀看者的立體視訊)。此外，在某些例子中，人工實境亦可以是和應用程式、產品、配件、服務、或是其之某種組合相關的，其例如被用來在一人工實境中產生內容，且/或否則在一人工實境中被使用(例如，在人工實境中執行活動)。提供人工實境內容的人工實境系統可以在各種平台上加以實施，其包含連接至一主機電腦系統的一頭戴顯示器(HMD)、一獨立的HMD、一行動裝置或計算系統、或是任何其它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是一近眼顯示器100的一個例子的圖式。近眼顯示器100是將媒體呈現給一使用者。藉由近眼顯示器100所呈現的媒體例子包含一或多個影像、視訊、及/或音訊。在某些例子中，音訊是經由一從所述近眼顯示器100、一主機、或是兩者接收音訊資訊的外部裝置(例如，揚聲器及/或頭戴式耳機)而被呈現的，並且根據所述音訊資訊來呈現音訊資料。近眼顯示器100一般是被配置以運作為一虛擬實境(VR)顯示器。在某些例子中，近眼顯示器100被修改以運作為一擴增實境(AR)顯示器及/或一混合實境(MR)顯示器。

近眼顯示器100包含一框架105以及一顯示器110。框架105是耦接至一或多個光學元件。顯示器110是被配置以供使用者看見藉由近眼顯示器100呈現的內容。在某些例子中，顯示器110包括一波導顯示器組件，其用於從一或多個影像導引光至使用者的眼睛。

近眼顯示器100進一步包含影像感測器120a、120b、120c及120d。影像感測器120a、120b、120c及120d的每一個可包含一像素陣列，其被配置以產生代表沿著不同方向的不同視野的影像資料。例如，感測器120a及120b可被配置以提供代表朝向一沿著Z軸的方向A的兩個視野的影像資料，而感測器120c可被配置以提供代表朝向一沿著X軸的方向B的一視野的影像資料，並且感測器120d可被配置以提供代表朝向一沿著X軸的方向C的一視野的影像資料。

在某些例子中，感測器120a-120d可被配置為輸入裝置以控制或影響近眼顯示器100的顯示內容，提供一互動的VR/AR/MR體驗給一穿戴近眼顯示器100的使用者。例如，感測器120a-120d可以產生使用者位在其中的一實體環境的實體影像資料。所述實體影像資料可被提供至一位置追蹤系統，以追蹤使用者在實體環境中的一位置及/或一移動路徑。一系統接著可以例如是根據使用者的位置及方位來更新被提供至顯示器110的影像資料，以提供互動的體驗。在某些例子中，所述位置追蹤系統可以運算一SLAM演算法，以在使用者在實體環境之內移動時，追蹤在實體環境中並且在使用者的一視野之內的一組物體。所述位置追蹤系統可以根據該組物體來建構及更新實體環境的一地圖，並且追蹤使用者在所述地圖之內的位置。藉由提供對應於多個視野的影像資料，感測器120a-120d可以提供實體環境的一更全面的視野給所述位置追蹤系統，此可以導致更多物體內含在所述地圖的建構及更新中。在此種配置下，追蹤使用者在實體環境之內的一位置的正確性及強健度可被改善。

在某些例子中，近眼顯示器100可以進一步包含一或多個主動照明器130以投射光到實體環境中。所投射的光可以是與不同的頻譜相關的(例如，可見光、紅外光、紫外光、等等)，並且可以用於各種目的。例如，照明器130可以投射光在一暗的環境中(或是在一具有低強度的紅外光、紫外光、等等的環境中)，以協助感測器120a-120d在所述暗的環境之內捕捉不同物體的影像以例如致能使用者的位置追蹤。照明器130可以投影某些標記到環境之內的物體之上，以協助位置追蹤系統識別所述物體以用於地圖的建構/更新。

在某些例子中，照明器130亦可以致能立體成像。例如，感測器120a或120b中的一或多個可包含一用於可見光感測的第一像素陣列、以及一用於紅外線(IR)光感測的第二像素陣列。所述第一像素陣列可被覆蓋一彩色濾光片(例如，一拜爾濾光片)，其中第一像素陣列的每一個像素被配置以量測和一特定色彩(例如，紅色、綠色、或藍色色彩中之一)相關的光的強度。所述第二像素陣列(用於IR光感測)亦可被覆蓋一只容許IR光通過的濾光片，其中第二像素陣列的每一個像素被配置以量測IR光的強度。所述像素陣列可以產生一物體的一RGB影像以及一IR影像，其中所述IR影像的每一個像素被對映到所述RGB影像的每一個像素。照明器130可以投影一組IR標記在所述物體上，所述IR標記的影像可被所述IR像素陣列捕捉。根據如同在所述影像中所示的物體的所述IR標記的一分布，所述系統可以估計所述物體的不同部分與所述IR像素陣列的一距離，並且根據所述距離來產生所述物體的一立體影像。根據所述物體的立體影像，所述系統例如可以判斷所述物體相對使用者的一相對位置，並且可以根據所述的相對位置資訊來更新被提供至顯示器100的影像資料，以提供互動的體驗。

如上所論述，近眼顯示器100可以在和一非常廣範圍的光強度相關的環境中操作。例如，近眼顯示器100可被操作在一室內環境中或是在一戶外環境中，且/或在一天的不同時間操作。近眼顯示器100亦可以在不論主動照明器130是否被導通下運作。因此，影像感測器120a-120d可能需要具有一寬的動態範圍以能夠橫跨和用於近眼顯示器100的不同操作環境相關的一非常廣範圍的光強度來正常地運作(例如，用以產生一關聯入射光的強度的輸出)。

圖1B是近眼顯示器100的另一例子的圖式。圖1B描繪近眼顯示器100的一面對穿戴近眼顯示器100的使用者的眼球135的側邊。如同在圖1B中所示，近眼顯示器100可以進一步包含複數個照明器140a、140b、140c、140d、140e及140f。近眼顯示器100進一步包含複數個影像感測器150a及150b。照明器140a、140b及140c可以朝向方向D(與圖1A的方向A相反的)發射具有某個頻率範圍(例如，NIR)的光。所發射的光可以是和某一圖案相關的，並且可被使用者的左眼球反射。感測器150a可包含一像素陣列以接收所反射的光，並且產生一具有所反射的圖案的影像。類似地，照明器140d、140e及140f可以發射帶有所述圖案的NIR光。所述NIR光可被使用者的右眼球反射，並且可以藉由感測器150b來加以接收。感測器150b亦可以包含一像素陣列，以產生一具有所反射的圖案的影像。根據來自感測器150a及150b的具有所反射的圖案的影像，所述系統可以判斷使用者的一注視點，並且根據所判斷的注視點來更新被提供至顯示器100的影像資料，以提供一互動的體驗給使用者。

如上所論述的，為了避免傷害使用者的眼球，照明器140a、140b、140c、140d、140e及140f通常是被配置以輸出非常低強度的光。在其中影像感測器150a及150b包括和圖1A的影像感測器120a-120d相同的感測器裝置的一情形中，當入射光的強度非常低的時候，所述影像感測器120a-120d可能需要能夠產生一關聯入射光的強度的輸出，此可能進一步增加影像感測器的動態範圍要求。

再者，所述影像感測器120a-120d可能需要能夠在高速下產生一輸出，以追蹤眼球的移動。例如，使用者的眼球可能進行非常快速的移動(例如，一跳視(saccade)移動)，其中可能有從一眼球位置至另一位置的快速跳動。為了追蹤使用者的眼球的快速移動，影像感測器120a-120d需要在高速下產生眼球的影像。例如，影像感測器產生一影像訊框所在的速率(所述訊框率)需要至少匹配眼球的移動速度。高的訊框率需要在產生影像訊框中所牽涉到的全部像素單元的短的總曝光時間、以及高速的用於轉換所述感測器輸出成為用於影像產生的數位值。再者，如上所論述的，所述影像感測器亦需要能夠運作在一具有低的光強度的環境中。

圖2是在圖1中描繪的近眼顯示器100的一橫截面200的一例子。顯示器110包含至少一波導顯示器組件210。一出射曈230是當使用者穿戴所述近眼顯示器100時，使用者的單一眼球220被定位在一眼動範圍(eyebox)區域中所在的位置。為了說明之目的，圖2是展示相關眼球220及單一波導顯示器組件210的橫截面200，但是一第二波導顯示器是被使用於使用者的第二眼。

波導顯示器組件210被配置以導引影像光至一位在出射曈230的眼動範圍以及眼球220。波導顯示器組件210可以是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)所構成的。在某些例子中，近眼顯示器100包含一或多個在波導顯示器組件210以及眼球220之間的光學元件。

在某些例子中，波導顯示器組件210包含一堆疊的一或多個波導顯示器，其包含但不限於一堆疊的波導顯示器、一變焦波導顯示器、等等。所述堆疊的波導顯示器是一藉由堆疊波導顯示器所產生的多色顯示器(例如，一紅色-綠色-藍色(RGB)顯示器)，其是具有不同色彩的個別的單色源。所述堆疊的波導顯示器也是一可被投影在多個平面上的多色顯示器(例如，多平面的彩色顯示器)。在某些配置中，所述堆疊的波導顯示器是一可被投影在多個平面上的單色顯示器(例如，多平面的單色顯示器)。所述變焦波導顯示器是一可以調整從所述波導顯示器發射的影像光的一聚焦位置的顯示器。在替代的例子中，波導顯示器組件210可包含所述堆疊的波導顯示器以及所述變焦波導顯示器。

圖3是描繪一波導顯示器300的一例子的等角視圖。在某些例子中，波導顯示器300是近眼顯示器100的一構件(例如，波導顯示器組件210)。在某些例子中，波導顯示器300是某種導引影像光至一特定位置的其它近眼顯示器或其它系統的部分。

波導顯示器300包含一源組件310、一輸出波導320、以及一控制器330。為了說明之目的，圖3是展示波導顯示器300和單一眼球220相關的，但是在某些例子中，另一與波導顯示器300分開或部分分開的波導顯示器提供影像光至使用者的另一眼睛。

源組件310產生影像光355。源組件310產生及輸出影像光355至一位在輸出波導320的一第一側邊370-1上的耦合元件350。輸出波導320是一光波導，其輸出擴張的影像光340至一使用者的一眼球220。輸出波導320是在一或多個位在第一側邊370-1上的耦合元件350接收影像光355，並且導引所接收的輸入影像光355至一導引元件360。在某些例子中，耦合元件350將來自源組件310的影像光355耦合到輸出波導320之中。耦合元件350例如可以是一繞射光柵、一全像光柵、一或多個級聯的反光鏡、一或多個稜鏡的表面元件、及/或一陣列的全像反光鏡。

導引元件360重定向所接收到的輸入影像光355至去耦元件365，使得所接收到的輸入影像光355經由去耦元件365而從輸出波導320去耦合。導引元件360是輸出波導320的第一側邊370-1的部分、或是被附加至第一側邊370-1。去耦元件365是輸出波導320的第二側邊370-2的部分、或是被附加至第二側邊370-2，使得導引元件360是與去耦元件365相對的。導引元件360及/或去耦元件365例如可以是一繞射光柵、一全像光柵、一或多個級聯的反光鏡、一或多個稜鏡的表面元件、及/或一陣列的全像反光鏡。

第二側邊370-2代表沿著一x維度以及一y維度的一平面。輸出波導320可以是由一或多種促進影像光355的全內反射的材料所構成的。輸出波導320例如可以是由矽、塑膠、玻璃、及/或聚合物所構成的。輸出波導320具有一相當小的形狀因數。例如，輸出波導320可以是大約沿著x維度50mm寬的、沿著y維度30mm長的、以及沿著一z維度0.5-1mm厚的。

控制器330是控制源組件310的掃描操作。控制器330決定用於源組件310的掃描指令。在某些例子中，輸出波導320是在大視野(FOV)下輸出擴張的影像光340至使用者的眼球220。例如，擴張的影像光340是在一60度及/或更大、且/或150度及/或更小的對角FOV(在x及y上)之下被提供至使用者的眼球220。輸出波導320被配置以提供具有一20mm或更大、且/或等於或小於50mm的長度；及/或一10mm或更大、且/或等於或小於50mm的寬度的眼動範圍。

再者，控制器330亦根據由影像感測器370提供的影像資料來控制藉由源組件310產生的影像光355。影像感測器370可以是位在第一側邊370-1上，並且例如可包含圖1A的影像感測器120a-120d，以產生在使用者前面的一實體環境的影像資料(例如，用於位置判斷)。影像感測器370亦可以是位在第二側邊370-2上，並且可包含圖1B的影像感測器150a及150b以產生使用者的眼球220的影像資料(例如，用於注視點判斷)。影像感測器370可以和一並非位在波導顯示器300之內的遠端主機介接。影像感測器370可以提供影像資料至所述遠端主機，其例如可以判斷使用者的一位置、使用者的一注視點、等等，並且決定將被顯示給使用者的影像內容。所述遠端主機可以發送相關於所決定的內容之指令至控制器330。根據所述指令，控制器330可以控制影像光355藉由源組件310的產生及輸出。

圖4是描繪波導顯示器300的一橫截面400的一例子。橫截面400包含源組件310、輸出波導320、以及影像感測器370。在圖4的例子中，影像感測器370可包含一組位在第一側邊370-1上的像素單元402，以產生在使用者的前面的實體環境的一影像。在某些例子中，在所述組的像素單元402以及實體環境之間可以插置有一機械式快門404以控制所述組的像素單元402的曝光。在某些例子中，機械式快門404可被如同將在以下論述的一電子式快門閘所取代。像素單元402的每一個可以對應於影像的一像素。儘管未顯示在圖4中，但所瞭解的是像素單元402的每一個亦可以被覆蓋一濾光片，以控制將藉由像素單元感測的光的頻率範圍。

在從遠端主機接收指令之後，機械式快門404可以開啟並且在一曝光期間中曝光所述組的像素單元402。在曝光期間，影像感測器370可以獲得入射在所述組的像素單元402上的光的樣本，並且根據藉由所述組的像素單元402偵測到的入射光樣本的一強度分布來產生影像資料。影像感測器370接著可以提供影像資料至遠端的主機，其決定顯示內容，並且提供顯示內容資訊至控制器330。控制器330接著可以根據顯示內容資訊來決定影像光355。

源組件310根據來自控制器330的指令來產生影像光355。源組件310包含一源410以及一光學系統415。源410是產生同調或部分同調光的一光源。源410例如可以是一雷射二極體、一垂直腔面發射雷射、及/或一發光二極體。

光學系統415包含一或多個調節來自源410的光的光學構件。調節來自源410的光例如可包含根據來自控制器330的指令的擴展、準直、及/或調整方位。所述一或多個光學構件可包含一或多個透鏡、液體透鏡、反光鏡、孔徑、及/或光柵。在某些例子中，光學系統415包含一具有複數個電極的液體透鏡，其容許具有一掃描角度的臨界值的一光束的掃描，以移位所述光束至一在液體透鏡之外的區域。從光學系統415(因而亦從源組件310)發射的光被稱為影像光355。

輸出波導320接收影像光355。耦合元件350將來自源組件310的影像光355耦合到輸出波導320中。在其中耦合元件350是繞射光柵的例子中，繞射光柵的一間距被選擇成使得全內反射發生在輸出波導320中，因而影像光355在輸出波導320的內部(例如，藉由全內反射)朝向去耦元件365來傳播。

導引元件360將影像光355重定向朝向去耦元件365，以用於從輸出波導320去耦合。在其中導引元件360是一繞射光柵的例子中，繞射光柵的間距被選擇以使得入射的影像光355在相對於去耦元件365的一表面的傾斜角度下離開輸出波導320。

在某些例子中，導引元件360及/或去耦元件365結構上是類似的。離開輸出波導320的擴張的影像光340是沿著一或多個維度擴張的(例如，可以是沿著x維度細長的)。在某些例子中，波導顯示器300包含複數個源組件310以及複數個輸出波導320。源組件310的每一個發射一具有對應於一原色(例如，紅色、綠色、或是藍色)的波長的一特定頻帶之單色影像光。輸出波導320的每一個可以是在一分隔距離下堆疊在一起的，以輸出一多色的擴張的影像光340。

圖5是一種包含近眼顯示器100之系統500的一例子的方塊圖。系統500包括近眼顯示器100、一成像裝置535、一輸入/輸出介面540、以及分別耦接至控制電路510的影像感測器120a-120d及150a-150b。系統500可被配置為一頭戴式裝置、一可穿戴的裝置、等等。

近眼顯示器100是一種呈現媒體給一使用者的顯示器。藉由近眼顯示器100呈現的媒體的例子包含一或多個影像、視訊、及/或音訊。在某些例子中，音訊是經由一外部的裝置(例如，揚聲器及/或頭戴式耳機)而被呈現的，所述外部的裝置從近眼顯示器100及/或控制電路510接收音訊資訊，並且根據音訊資訊來呈現音訊資料給一使用者。在某些例子中，近眼顯示器100亦可以作用為一AR眼鏡。在某些例子中，近眼顯示器100利用電腦產生的元素(例如，影像、視訊、聲音、等等)來擴增一實體真實世界環境的視野。

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(IMU)530。波導顯示器組件210包含源組件310、輸出波導320、以及控制器330。

IMU 530是一種電子裝置，其根據從位置感測器525中的一或多個接收到的量測信號來產生指出近眼顯示器100相對於其之一最初的位置之一估計的位置的快速校準資料。

成像裝置535可以產生用於各種應用程式的影像資料。例如，成像裝置535可以根據從控制電路510接收到的校準參數來產生影像資料，以提供慢速的校準資料。成像裝置535例如可包含圖1A的影像感測器120a-120d，以用於產生使用者位在其中的一實體環境的影像資料，以用於執行使用者的位置追蹤。成像裝置535可以進一步包含例如圖1B的影像感測器150a-150b，以用於產生判斷使用者的一注視點的影像資料，以識別使用者所關注的一物體。

輸入/輸出介面540是一種容許使用者傳送動作請求至控制電路510的裝置。一動作請求是執行一特定動作的一請求。例如，一動作請求可以是開始或結束一應用程式、或是執行在應用程式之內的一特定動作。

控制電路510提供媒體至近眼顯示器100，以用於根據從以下的一或多個：成像裝置535、近眼顯示器100、以及輸入/輸出介面540接收到的資訊來呈現給使用者。在某些例子中，控制電路510可被容納在系統500之內，其被配置為一頭戴式裝置。在某些例子中，控制電路510可以是一獨立的主機裝置，其是和系統500的其它構件通訊地耦接。在圖5所示的例子中，控制電路510包含一應用程式儲存545、一追蹤模組550、以及一引擎555。

應用程式儲存545是儲存一或多個用於藉由控制電路510執行的應用程式。一應用程式是一群組的指令，當其藉由一處理器執行時，其產生用於呈現給使用者的內容。應用程式的例子包含：遊戲應用程式、會議應用程式、視訊播放應用程式、或是其它適當的應用程式。

追蹤模組550利用一或多個校準參數來校準系統500，並且可以調整一或多個校準參數以降低在近眼顯示器100的位置的判斷上的誤差。

追蹤模組550利用來自成像裝置535的慢速的校準資訊來追蹤近眼顯示器100的移動。追蹤模組550亦利用來自快速的校準資訊的位置資訊來判斷近眼顯示器100的一參考點的位置。

引擎555執行在系統500之內的應用程式，並且從追蹤模組550接收近眼顯示器100的位置資訊、加速資訊、速度資訊、及/或預測的未來的位置。在某些例子中，引擎555所接收到的資訊可被使用於產生一信號(例如，顯示器指令)至波導顯示器組件210，其決定被呈現給使用者的內容的一種類型。例如，為了提供一互動的體驗，引擎555可以根據使用者的一位置(例如，由追蹤模組550所提供)、使用者的一注視點(例如，根據由成像裝置535提供的影像資料)、在一物體以及使用者之間的一距離(例如，根據由成像裝置535提供的影像資料)，來決定將被呈現給使用者的內容。

圖6是描繪一影像感測器600的一個例子。影像感測器600可以是近眼顯示器100的部分，並且可以提供2D及3D影像資料至圖5的控制電路510，以控制近眼顯示器100的顯示器內容。如同在圖6中所示，影像感測器600可包含一陣列的像素單元602，其包含像素單元602a。像素單元602a可包含複數個光電二極體612，其例如是包含光電二極體612a、612b、612c及612d、一或多個電荷感測單元614、以及一或多個類比至數位轉換器616。複數個光電二極體612可以轉換入射光的不同的成分成為電荷。例如，光電二極體612a-612c可以對應於不同的可見光頻道，其中光電二極體612a可以轉換一可見的藍光成分(例如，一450–490奈米(nm)的波長範圍)成為電荷。光電二極體612b可以轉換一可見的綠光成分(例如，一520–560nm的波長範圍)成為電荷。光電二極體612c可以轉換一可見的紅光成分(例如，一635–700nm的波長範圍)成為電荷。再者，光電二極體612d可以轉換一紅外光成分(例如，700–1000nm)成為電荷。一或多個電荷感測單元614的每一個可包含一電荷儲存裝置以及一緩衝器，以轉換藉由光電二極體612a-612d產生的電荷成為電壓，其可以藉由一或多個ADC 616而被量化成為數位值。從光電二極體612a-612c產生的數位值可以代表一像素的不同的可見光成分，並且每一個數位值可被利用於在一特定的可見光頻道中的2D感測。再者，從光電二極體612d產生的數位值可以代表同一像素的紅外光成分，並且可被利用於3D感測。儘管圖6是展示像素單元602a包含四個光電二極體，但所了解的是像素單元可包含不同數量的光電二極體(例如，兩個、三個、等等)。

此外，影像感測器600亦包含一照明器622、一濾光片624、一成像模組628、以及一感測控制器640。照明器622可以是一紅外光照明器，例如一雷射、一發光二極體(LED)、等等，其可以投影用於3D感測的紅外光。所投影的光例如可包含結構光、光脈衝、等等。濾光片624可包含覆蓋在包含像素單元606a的每一個像素單元的複數個光電二極體612a-612d上的一陣列的濾光片元件。每一個濾光片元件可以設定藉由像素單元606a的每一個光電二極體所接收的入射光的一波長範圍。例如，在光電二極體612a之上的一濾光片元件可以透射可見的藍光成分而阻擋其它成分，在光電二極體612b之上的一濾光片元件可以透射可見的綠光成分，在光電二極體612c之上的一濾光片元件可以透射可見的紅光成分，而在光電二極體612d之上的一濾光片元件可以透射紅外光成分。

影像感測器600進一步包含一成像模組628。成像模組628可以進一步包含一執行2D成像操作的2D成像模組632、以及一執行3D成像操作的3D成像模組634。所述操作可以是根據由ADC 616提供的數位值而定。例如，根據來自光電二極體612a-612c的每一個的數位值，2D成像模組632可以針對於每一個可見的色彩頻道產生代表一入射光成分的強度的一陣列的像素值，並且針對於每一個可見的色彩頻道產生一影像訊框。再者，3D成像模組634可以根據來自光電二極體612d的數位值以產生一3D影像。在某些例子中，根據所述數位值，3D成像模組634可以偵測被一物體的一表面所反射的結構光的一圖案，並且比較偵測到的圖案與藉由照明器622所投影的結構光的圖案，以判斷表面的不同點相對於像素單元陣列的深度。為了反射光的圖案的偵測，3D成像模組634可以根據在像素單元接收到的紅外光的強度來產生像素值。作為另一例子的是，3D成像模組634可以根據藉由照明器622所投影並且被物體所反射的紅外光的飛行時間來產生像素值。

影像感測器600進一步包含一感測控制器640以控制影像感測器600的不同構件，以執行一物體的2D及3D成像。現在參考到圖7A–圖7C，其描繪影像感測器600用於2D及3D成像的操作的例子。圖7A描繪用於2D成像的操作的一個例子。為了2D成像，像素單元陣列602可以偵測在環境中的可見光，其包含從一物體反射出的可見光。例如，參照圖7A，可見光源700(例如，一燈泡、太陽、或是其它的環境可見光源)可以投影可見光702到一物體704之上。可見光706可以從物體704的一點708而被反射出。可見光706亦可包含環境的紅外光成分。可見光706可以藉由濾光片陣列624而被濾波，以分別通過可見光706的具有波長範圍w0、w1、w2及w3的不同的成分至像素單元602a的光電二極體612a、612b、612c及612d。波長範圍w0、w1、w2及w3分別可以對應於藍色、綠色、紅色、以及紅外光。如同在圖7A中所示，由於紅外光照明器622並未被導通，紅外光成分(w3)的強度是由環境紅外光貢獻的，並且可能是非常低的。再者，可見光706的不同的可見的成分亦可能具有不同的強度。電荷感測單元614可以轉換藉由光電二極體所產生的電荷成為電壓，其可以藉由ADC 616而被量化成為數位值，其代表一代表點708的像素的紅色、藍色、以及綠色成分。參照圖7C，在所述數位值被產生之後，感測控制器640可以控制2D成像模組632來根據所述數位值產生包含一組影像710的影像組，所述組的影像710包含一紅色影像訊框710a、一藍色影像訊框710b、以及一綠色影像訊框710c，其分別代表一場景在一訊框期間714之內的紅色、藍色、或是綠色的彩色影像中之一。來自紅色影像(例如，像素712a)、來自藍色影像(例如，像素712b)、以及來自綠色影像(例如，像素712c)的每一個像素可以代表來自一場景的同一點(例如，點708)的光的可見的成分。一不同組的影像720可以藉由2D成像模組632，在一後續的訊框期間724中被產生。紅色影像(例如，紅色影像710a、720a、等等)、藍色影像(例如，藍色影像710b、720b、等等)、以及綠色影像(例如，綠色影像710c、720c、等等)的每一個可以代表一場景在一特定的色彩頻道中並且在一特定時間被捕捉的影像，並且可被提供至一應用程式以例如是從特定的色彩頻道取出影像特徵。由於在一訊框期間之內被捕捉的每一個影像可以代表相同的場景，當所述影像的每一個對應的像素是根據偵測來自場景的相同點的光而被產生時，在不同的色彩頻道之間的影像的對應性可被改善。

再者，影像感測器600亦可以執行物體704的3D成像。參照圖7B，感測控制器610可以控制照明器622來投影紅外光732(其可包含一光脈衝、結構光、等等)到物體704之上。紅外光732可以具有700奈米(nm)到1毫米(mm)的一波長範圍。紅外光734可以從物體704的點708反射出，並且可以朝向像素單元陣列602傳播而通過濾光片624，其可以提供紅外光成分(具有波長範圍w3)至光電二極體612d以轉換成為電荷。電荷感測單元614可以轉換所述電荷成為一電壓，所述電壓可以藉由ADC 616而被量化成為數位值。參照圖7C，在所述數位值被產生之後，感測控制器640可以控制3D成像模組634以根據所述數位值來產生場景的一紅外光影像710d，以作為在訊框期間714之內所捕捉的影像710的部分。再者，3D成像模組634亦可以產生所述場景的一紅外光影像720d，以作為在訊框期間724之內所捕捉的影像720的部分。由於每一個紅外光影像可以代表和在相同的訊框期間之內被捕捉的其它影像相同的場景，儘管是在一不同的頻道中(例如，紅外光影像710d相對於紅色、藍色及綠色影像710a-710c，紅外光影像720d相對於紅色、藍色及綠色影像720a-720c、依此類推)，因此當一紅外光影像的每一個像素是在相同的訊框期間之內，根據偵測來自場景的和其它影像中的其它對應的像素相同點的紅外光而被產生時，在2D及3D成像之間的對應性亦可被改善。

圖8A–圖8D描繪在一像素單元中的光電二極體612的配置例子。如同在圖8A中所示，在一像素單元602a中的光電二極體612a-612d可以沿著垂直於一光接收表面800的一軸形成一堆疊，像素單元602a是透過光接收表面800以從一點804a接收入射光802。例如，當光接收表面800平行於x及y軸時，光電二極體612a-612d可以沿著一垂直軸(例如，z軸)形成一堆疊。每一個光電二極體可以具有相隔光接收表面800的一不同的距離，並且所述距離可以設定入射光802被每一個光電二極體吸收及轉換成為電荷的成分。例如，光電二極體612a是最接近光接收表面800並且可以吸收及轉換藍色成分成為電荷，藍色成分是具有其它成分中最短的波長範圍。光812包含光802的其餘成分(例如，綠色、紅色、以及紅外光)並且可以傳播至光電二極體612b，光電二極體612b可以吸收及轉換綠色成分。光822包含光812的其餘成分(例如，紅色及紅外光)並且可以傳播至光電二極體612c，光電二極體612c可以吸收及轉換紅色成分。剩餘的紅外光成分832可以傳播至光電二極體612d以被轉換為電荷。

每一個光電二極體612a、612b、612c及612d可以是在一個別的半導體基板中，所述半導體基板可以堆疊以形成影像感測器600。例如，光電二極體612a可以是在一半導體基板840中，光電二極體612b可以是在一半導體基板842中，光電二極體612c可以是在一半導體基板844中，而光電二極體612d可以是在一半導體基板846中。每一個半導體基板可以包含其它像素單元的其它光電二極體，例如是從點804b接收光的像素單元602b。影像感測器600可包含另一半導體基板848，其可包含像素單元處理電路849，處理電路849例如可包含電荷感測單元614、ADC 616、等等。每一個半導體基板可以連接至一金屬互連(例如金屬互連850、852、854及856)，以傳輸在每一個光電二極體產生的電荷至處理電路849。

圖8B–圖8D描繪光電二極體612的其它範例配置。如同在圖8B–圖8D中所示，複數個光電二極體612可以橫向平行於光接收表面800來加以配置。圖8B的頂端圖描繪像素單元602a的一個例子的側視圖，而圖8B的底部圖描繪包含像素單元602a的像素陣列602的俯視圖。如同在圖8B中所示，在光接收表面800平行於x及y軸下，光電二極體612a、612b、612c及612d可以在半導體基板840中，亦沿著x及y軸彼此相鄰地加以配置。像素單元602a進一步包含一覆蓋在所述光電二極體上的濾光片陣列860。濾光片陣列860可以是濾光片624的部分。濾光片陣列860可以包含覆蓋在光電二極體612a、612b、612c及612d的每一個上的一濾光片元件，以設定藉由個別的光電二極體接收到的入射光成分的一波長範圍。例如，濾光片元件860a覆蓋在光電二極體612a上，並且可以只容許可見的藍光進入光電二極體612a。再者，濾光片元件860b覆蓋在光電二極體612b上並且可以只容許可見的綠光進入光電二極體612b。再者，濾光片元件860c覆蓋在光電二極體612c上並且可以只容許可見的紅光進入光電二極體612c。濾光片元件860d覆蓋在光電二極體612d上並且可以只容許紅外光進入光電二極體612d。像素單元602a進一步包含一或多個微透鏡862，其可以從一場景的一點(例如，點804a)經由光學圖塊(tiler)陣列860投影光864至光接收表面800的不同的橫向位置，此容許每一個光電二極體變成像素單元602a的一子像素，並且從對應於一像素的同一點接收光的成分。像素單元602a亦可包含半導體基板848，其可包含電路849(例如，電荷感測單元614、ADC 616、等等)以從藉由光電二極體產生的電荷來產生數位值。半導體基板840及848可以形成一堆疊，並且可以利用互連856來加以連接。

其中光電二極體被橫向地配置並且一濾光片陣列被用來控制由光電二極體接收到的光成分的圖8B的配置可以提供許多的優點。例如，堆疊的數量以及半導體基板的數量可被降低，此不僅降低垂直的高度，而且亦減少在半導體基板之間的互連。再者，依賴濾光片元件而不是光的傳播距離來設定每一個光電二極體所吸收的成分的波長範圍可以在選擇波長範圍上提供彈性。如同在圖8C的頂端圖中所示，像素單元陣列602可以針對於不同的像素單元包含不同的濾光片陣列860。例如，像素單元陣列602的每一個像素單元可以具有一濾光片陣列，其提供給光電二極體612a及612b一個380–740nm的波長範圍的單色頻道(被標示“M”)，並且提供給光電二極體612d一個700–1000nm的波長範圍的紅外光頻道(被標示“NIR”)。但是所述濾光片陣列亦可以針對於不同的像素單元提供一不同的可見的色彩頻道。例如，用於像素單元陣列602a、602b、602c及602d的濾光片陣列860分別可以提供一可見的綠色頻道(被標示“G”)、一可見的紅色頻道(被標示“R”)、一可見的藍色頻道(被標示“B”)、以及用於所述像素單元陣列的光電二極體612c的一可見的綠色頻道。作為另一例子的是，如同在圖8C的底部圖中所示，每一個濾光片陣列860可以針對於每一個像素單元陣列的光電二極體612b提供一單色以及紅外光頻道(被標示“M+NIR”)，其跨越一個380–1000nm的波長範圍。

圖8D描繪濾光片陣列860的例子，以提供在圖8C中所示的範例頻道。如同在圖8D中所示，濾光片陣列860可包含一堆疊的濾光片以選擇藉由在一像素單元陣列之內的每一個光電二極體接收的光的一波長範圍。例如，參考圖8D的頂端圖，濾光片860a可包含形成一堆疊的一全通元件870(例如，一通過可見光及紅外光的透明玻璃)以及一紅外光阻擋元件872，以提供一用於光電二極體612a的單色頻道。濾光片860b亦可包含一全通元件874以及一紅外光阻擋元件876，以亦提供一用於光電二極體612b的單色頻道。再者，濾光片860c可包含一通過綠色的元件876，其通過綠色可見光(但是拒絕其它可見光成分)以及一紅外光阻擋元件878，以提供一用於光電二極體612c的綠色頻道。最後，濾光片860d可包含一全通元件880以及一可見光阻擋濾光片882(其可以擋掉可見光，但是容許紅外光通過)以提供一用於光電二極體612d的紅外光頻道。在另一例子中，如同在圖8D的底部圖中所示，濾光片860b可以只包含全通元件872以提供一用於光電二極體612b的單色及紅外光頻道。

現在參考到圖9A及圖9B，其描繪像素單元602a的額外的構件，包含電荷感測單元614以及ADC 616的一個例子。如同在圖9A中所示，像素單元602a可包含一光電二極體PD(例如，光電二極體612a)、一快門開關M0、一傳輸開關M1、包括一電荷儲存裝置902及一可切換的緩衝器904的一電荷感測單元614、以及包括一CC電容器、一比較器906及輸出邏輯電路908的一ADC 616。比較器906的輸出是經由輸出邏輯電路908以與一記憶體912以及一計數器914耦接，所述記憶體912及計數器914可以是在像素單元602a的內部或是外部。像素單元602進一步包含一控制器920以控制所述開關、電荷感測單元614、以及ADC 616。如同將在以下加以描述的，控制器920可以致能光電二極體PD以在一預先配置的曝光期間之內，根據入射光來累積電荷。控制器920亦可以根據一曝光停止信號922，而比預先配置的更早停止所述曝光期間。再者，在曝光期間之內，控制器920可以控制電荷感測單元614以及ADC 616以執行和不同的光強度範圍相關的多個量化操作，以產生入射光的強度的一數位表示。控制器920可以接收一選擇信號924，以選擇所述多個量化操作中的哪些將被執行(以及哪些將被跳過)。所述選擇可以是來自於一主機裝置，其主管一使用入射光強度的數位表示的應用程式。輸出邏輯電路908可以決定哪個量化操作輸出將被儲存在記憶體912中、及/或輸出作為一像素值。控制器920可以是在像素單元602a內部的、或是感測控制器640的部分。每一個開關可以是一電晶體，例如是一金屬–氧化物–半導體場效電晶體(MOSFET)、一雙載子接面電晶體(BJT)、等等。

明確地說，快門開關M0可以藉由控制器920所提供的一AB信號而被禁能以開始一曝光期間，其中光電二極體PD可以響應於入射光來產生及累積電荷。傳輸開關M1可以藉由控制器920所提供的一TG信號而被控制以傳輸所述電荷的一些至電荷儲存裝置902。在一量化操作中，傳輸開關M1可被偏壓在一部分導通的狀態以設定光電二極體PD的一量子井容量，其亦設定在光電二極體PD所儲存的殘留電荷的量。在光電二極體PD因為殘留電荷而飽和之後，溢出電荷可以透過傳輸開關M1而流至電荷儲存裝置902。在另一量化操作中，傳輸開關M1可被完全導通以從光電二極體PD傳輸殘留電荷至電荷儲存裝置以用於量測。

電荷儲存裝置902具有一可配置的容量，並且可以轉換從開關M1傳輸的電荷成為在OF節點的一電壓。電荷儲存裝置902包含藉由一M6開關連接的一C_FD 電容器(例如，一浮接的汲極)以及一C_EXT 電容器(例如，一MOS電容器)。M6開關可以藉由一LG信號而被致能，以藉由並聯連接C_FD 及C_EXT 電容器來擴張電荷儲存裝置902的容量、或是藉由中斷所述電容器彼此的連接以降低容量。電荷儲存裝置902的容量可被降低以用於殘留電荷的量測，來增加電荷至電壓的增益並且降低量化誤差。再者，電荷儲存裝置902的容量亦可被增大以用於溢出電荷的量測，以降低飽和的可能性並且改善非線性。如同將在以下加以描述的，電荷儲存裝置902的容量可被調整以用於不同的光強度範圍的量測。電荷儲存裝置902亦和一重置開關M2耦接，重置開關M2可以藉由控制器920所提供的一重置信號RST來加以控制，以在不同的量化操作之間重置C_FD 及C_EXT 電容器。

可切換的緩衝器904可以包含一開關M3，其被配置為一源極隨耦器以緩衝在OF節點的電壓來改善其驅動強度。所緩衝的電壓可以是在ADC 616的輸入節點PIXEL_OUT。M4電晶體提供一用於可切換的緩衝器904的電流源，並且可以藉由一VB信號來加以偏壓。可切換的緩衝器904亦包含一開關M5，其藉由一SEL信號而被致能或禁能。當開關M5被禁能時，源極隨耦器M3可以與PIXEL_OUT節點斷連。如同將在以下加以描述的，像素單元602a可包含多個分別包含一可切換的緩衝器904的電荷感測單元614，並且所述電荷感測單元中可以根據SEL信號一次一個來和PIXEL_OUT(以及ADC 616)耦接。

如上所述，藉由光電二極體PD在一曝光期間之內產生的電荷可以暫時被儲存在電荷儲存裝置902中，並且被轉換成為一電壓。所述電壓可被量化以根據在電荷以及入射光強度之間的一預設的關係來代表入射光的一強度。現在參考到圖10，其描繪針對於不同的光強度範圍，相關於時間所累積的一電荷量。在一特定的時間點累積的總電荷量可以反映在一曝光期間之內入射在圖6的光電二極體PD之上的光強度。所述量可以在曝光期間結束時加以量測。一臨界值1002以及一臨界值1004可以針對用於界定入射光的強度的一低的光強度範圍1006、一中等的光強度範圍1008、以及一高的光強度範圍1010的臨界電荷量而被定義。例如，若總累積的電荷低於臨界值1002(例如，Q1)，則入射光強度是在低的光強度範圍1006之內。若總累積的電荷是在臨界值1004與臨界值1002之間(例如，Q2)，則入射光強度是在中等的光強度範圍1008之內。若總累積的電荷是超過臨界值1004，則入射光強度是在中等的光強度範圍1010之內。針對於低與中等的光強度範圍而言，若光電二極體在整個低的光強度範圍1006之內並不飽和，並且所述量測電容器在整個中等的光強度範圍1008之內並不飽和，則累積的電荷量可以關聯到入射光的強度。

低的光強度範圍1006及中等的光強度範圍1008的定義、以及臨界值1002及1004可以是根據光電二極體PD的最大井容量以及電荷儲存裝置902的容量而定。例如，低的光強度範圍706可被界定成使得在曝光期間的結束時，在光電二極體PD中所儲存的殘留電荷的總量是低於或等於所述光電二極體的儲存容量，因而臨界值1002可以是根據光電二極體PD的最大井容量而定。再者，中等的光強度範圍1008可被界定成使得在曝光期間的結束時，在電荷儲存裝置902中所儲存的電荷的總量是低於或等於所述量測電容器的儲存容量，因而臨界值1004可以是根據電荷儲存裝置902的儲存容量而定。通常臨界值1004可以是根據電荷儲存裝置902的一縮放後的儲存容量而定的，以確保當在電荷儲存裝置902中所儲存的電荷量被量測以用於強度判斷時，所述量測電容器並不飽和，因而所量測的量也相關入射光強度。如同將在以下加以描述的，臨界值1002及1004可以被利用以偵測光電二極體PD及電荷儲存裝置902是否飽和，其可以決定入射光的強度範圍。

此外，在其中入射光強度是在高的光強度範圍1010之內的一情形中，累積在電荷儲存裝置902的總溢出電荷可能在曝光期間結束之前超過臨界值1004。當額外的電荷累積時，電荷儲存裝置902可能在曝光期間的結束之前到達最大容量，因而電荷洩漏可能發生。為了避免由於電荷儲存裝置902到達最大容量所造成的量測誤差，一到達飽和的時間量測可被執行，以量測在電荷儲存裝置902累積的總溢出電荷到達臨界值1004所花的時間持續期間。在電荷儲存裝置902的電荷累積的速率可以根據在臨界值1004以及所述到達飽和的時間之間的一比例而被決定，並且在曝光期間的結束時可能已經累積在電荷儲存裝置902的一假設的電荷量(Q3)(若所述電容器具有無限的容量)可以藉由根據電荷累積的速率的外插而被決定。所述假設的電荷量(Q3)可以提供在高的光強度範圍1010之內的入射光強度的合理正確的表示。

參照回圖9A，為了量測高的光強度範圍1010以及中等的光強度範圍1008，傳輸開關M1可以藉由TG信號而被偏壓在一部分導通的狀態。例如，傳輸開關M1(TG)的閘極電壓可以根據在光電二極體PD發展出的一對應於光電二極體的最大井容量的目標電壓而被設定。在此種配置下，只有溢出電荷(例如，在光電二極體飽和之後，由光電二極體所產生的電荷)將會傳輸通過傳輸開關M1以到達電荷儲存裝置902，以量測到達飽和的時間(針對於高的光強度範圍1010)及/或在電荷儲存裝置902中所儲存的電荷量(針對於中等的光強度範圍1008)。為了中等及高的光強度範圍的量測，電荷儲存裝置902的電容(藉由連接C_EXT 及C_FD )亦可以最大化以增加臨界值1004。

再者，為了量測低的光強度範圍1006，傳輸開關M1可被控制在一完全導通的狀態，以傳輸在光電二極體PD中所儲存的殘留電荷至電荷儲存裝置902。所述傳輸可以發生在電荷儲存裝置902所儲存的溢出電荷的量化操作完成之後以及在電荷儲存裝置902被重置之後。再者，電荷儲存裝置902的電容可被減小。如上所述，在電荷儲存裝置902的電容上的縮減可以增加在電荷儲存裝置902的電荷至電壓轉換比例，使得針對於某一儲存的電荷量，一較高的電壓可被發展出。較高的電荷至電壓轉換比例可以降低由後續的量化操作所引入的量測誤差(例如，量化誤差、比較器偏移、等等)在低的光強度判斷的正確性上的影響。所述量測誤差可能會在可藉由所述量化操作而被偵測及/或區別的一最小電壓差上設定一限制。藉由增加電荷至電壓轉換比例，對應於最小電壓差的電荷量可以被降低，此於是降低藉由像素單元602a的可量測的光強度的下限，因而擴展動態範圍。

在電荷儲存裝置902累積的電荷(殘留電荷及/或溢出電荷)可以在OF節點發展出一類比電壓，其可以藉由可切換的緩衝器904而被緩衝在PIXEL_OUT，並且藉由ADC 616而被量化。如同在圖9A中所示，ADC 616包含可以藉由一開關M8來重置的一比較器906、以及輸出邏輯電路908。ADC 616亦和記憶體912以及計數器914耦接。計數器914可以根據一自由運行的時脈信號來產生一組計數值，而記憶體912可以藉由比較器906，經由輸出邏輯電路908來加以控制，以儲存藉由計數器914產生的一計數值(例如，最近的計數值)。如同在以下敘述的，記憶體912例如可以是一閂鎖電路以根據本地的像素值來儲存計數器值。所儲存的計數值可被輸出以代表入射光強度。

比較器906可以比較一類比電壓COMP_IN(其藉由CC電容器而從PIXEL_OUT導出)與一臨界值VREF，並且根據比較結果來產生一決策VOUT。CC電容器可被利用在一雜訊/偏移補償設計中，以將重置雜訊及比較器偏移資訊儲存在一VCC電壓中，VCC電壓可被加到PIXEL_OUT電壓以產生COMP_IN電壓，以抵消在PIXEL_OUT電壓中的重置雜訊成分。偏移成分維持在COMP_IN電壓中，並且可以在比較器906比較COMP_IN電壓與臨界值VREF以產生決策VOUT時，藉由比較器906的偏移而被抵消。若COMP_IN電壓等於或超出VREF，則比較器906可以對於VOUT產生一邏輯1。若COMP_IN電壓低於VREF，則比較器906亦可以對於VOUT產生一邏輯0。VOUT可以控制一閂鎖信號，其控制記憶體912以儲存來自計數器914的一計數值。

圖11A描繪藉由ADC 616的到達飽和的時間量測的一個例子。為了執行到達飽和的時間量測，一臨界值產生器(其可以在像素單元602a的外部)可以產生一固定的VREF。固定的VREF可被設定在一對應電荷儲存裝置902的飽和的一電荷量臨界值的電壓(例如，圖10的臨界值1004)。計數器914可以就在曝光期間開始之後(例如，就在快門開關M0被禁能之後)開始計數。當COMP_IN電壓由於溢出電荷在電荷儲存裝置902的累積而斜波下降(或是根據實施方式而上升)時，時脈信號保持切換以更新在計數器914的計數值。COMP_IN電壓可以在某一時間點到達所述固定的VREF臨界值，此使得VOUT從低轉變成高。VOUT的所述改變可以停止計數器914的計數，因而在計數器914的計數值可以代表到達飽和的時間。

圖11B描繪在電荷儲存裝置902所儲存的一電荷量的量測的一個例子。在量測開始之後，所述臨界值產生器可以產生一斜波的VREF，其可以根據實施方式而為斜波上升(在圖11B的例子中)或是斜波下降。斜波的速率可以是根據被供應至計數器914的時脈信號的頻率而定。在其中溢出電荷被量測的一情形中，斜波的VREF的電壓範圍可以是在臨界值1004(用於電荷儲存裝置902的飽和的電荷量臨界值)以及臨界值1002(用於光電二極體PD的飽和的電荷量臨界值)之間，其可以定義所述中等的光強度範圍。在其中殘留電荷被量測的一情形中，斜波的VREF的電壓範圍可以是根據臨界值1002而定，並且藉由電荷儲存裝置902的降低的容量來加以縮放，以用於殘留電荷量測。在圖11B的例子中，所述量化過程可以在均一的量化步階下執行，其中VREF在每一個時脈週期增加(或減少)相同的量。VREF增加(或減少)的量對應於一量化步階。當VREF到達在COMP_IN電壓的一量化步階之內時，比較器906的VOUT改變，此可以停止計數器914的計數，並且計數值可以對應於累積的量化步階的一總數以匹配(在一量化步階之內)COMP_IN電壓。所述計數值可以變成在電荷儲存裝置902所儲存的電荷量的一數位表示、以及入射光強度的數位表示。

如上所論述的，當在藉由ADC 616輸出的量的位準來表示(例如，藉由量化步階的總數來表示)的一電荷量以及對映藉由ADC 808的量的位準的實際輸入的電荷量之間有一不匹配時，ADC 616可能會引入量化誤差。所述量化誤差可以藉由利用一較小的量化步階大小而被降低。在圖11B的例子中，所述量化誤差可以藉由每時脈週期在VREF上的增加(或減少)的量而被降低。

儘管量化誤差可以藉由利用較小的量化步階大小而被降低，但面積及效能速度可能會限制量化步階可被降低到多遠。在較小的量化步階大小下，代表一特定範圍的電荷量(及光強度)所需的量化步階的總數可能會增加。可能會需要較大數量的資料位元來代表增大數量的量化步階(例如，8位元來代表255個步階、7位元來代表127個步階、依此類推)。較大數量的資料位元可能需要額外的匯流排被加到像素輸出匯流排816，若像素單元601是被使用在具有非常有限空間的頭戴裝置或是其它可穿戴的裝置上，則此可能不是可行的。再者，在較大數量的量化步階大小下，ADC 808在找出匹配(一量化步階)的量的位準之前可能需要循環通過較大數量的量化步階，此導致增大的處理功率消耗及時間、以及降低的產生影像資料的速率。降低的速率對於某些需要高訊框率的應用(例如，追蹤眼球移動的應用)而言可能不是可接受的。

一種降低量化誤差的方式是藉由採用一非均勻量化的設計，其中量化步階並不是橫跨輸入範圍均勻的。圖11C描繪針對於一非均勻的量化過程以及一均勻的量化過程的在ADC碼(量化過程的輸出)與輸入的電荷量的位準之間的對映的一個例子。虛線是描繪針對於非均勻的量化過程的對映，而實線是描繪針對於均勻的量化過程的對映。對於均勻的量化過程而言，在輸入電荷量的整個範圍的量化步階大小(被表示為Δ₁ )都是相同的。相對地，對於非均勻的量化過程而言，量化步階大小是根據輸入電荷量而為不同的。例如，用於一低輸入電荷量的量化步階大小(被表示為Δ_S )是小於用於一大的輸入電荷量的量化步階大小(被表示為Δ_L )。再者，對於相同的低輸入電荷量而言，用於非均勻的量化過程的量化步階大小(Δ_S )可以被做成是小於用於均勻的量化過程的量化步階大小(Δ₁ )。

採用非均勻的量化設計的一優點是用於量化低輸入電荷量的量化步階可被縮減，此於是降低用於量化低輸入電荷量的量化誤差，並且可藉由ADC 616區別的最小輸入電荷量可被降低。因此，降低的量化誤差可以將影像感測器的可測量的光強度的下限往下推，因而動態範圍可被增大。再者，儘管針對於高輸入電荷量的量化誤差被增大，但是量化誤差相較於高的輸入電荷量仍然可以保持是小的。因此，被引入至電荷量測的整體量化誤差可被降低。在另一方面，涵蓋輸入電荷量的整個範圍的量化步階的總數可以保持相同的(或甚至是被減少)，因而前述和增加量化步階的數量相關的潛在問題(例如，在面積上的增加、在處理速度上的降低、等等)可加以避免。

圖11D描繪藉由像素ADC 808利用一非均勻的量化過程來量化一類比電壓的一個例子。和圖11B(其利用一均勻的量化過程)相比較，VREF在每一個時脈週期是以一種非線性方式增加，其最初具有一較緩的斜率，並且在一稍後的時間具有一較陡的斜率。在斜率上的差異是歸因於非均勻的量化步階大小。對於較低的計數器計數值而言(其對應於一較低的輸入量範圍)，量化步階被做成較小的，因此VREF以一較慢的速率增加。對於較高的計數器計數值而言(其對應於一較高的輸入量範圍)，量化步階被做成較大的，因此VREF以一較高的速率增加。非均勻的VREF斜率可以例如是根據改變計數器814的計數的頻率、改變在VREF電壓以及計數器914的計數值之間的關係、等等而被產生。在某些例子中，圖11D的非均勻的量化過程可被利用於低的光強度範圍1006以及中等的光強度範圍1008的光強度判斷。

現在參考到圖12，其描繪像素單元1100的一用於量測入射光強度的範例序列的控制信號。如同在圖12中所示，在時間T0到T1之間是如同在圖12中的一第一重置階段，其中電荷儲存裝置608及比較器906都可以藉由控制器1110使RST及COMP_RST信號有效而被設置在一重置狀態。再者，使LG信號有效，其容許C_FD 及C_EXT 電容器能夠藉由RST信號而被重置，並且PIXEL_OUT信號被設定在重置位準。在使COMP_RST信號有效並且比較器906的正端子連接至V_{ref_high} 下，COMP_IN可被設定為V_{ref_high} 以及比較器偏移V_{comp_offset} 的一總和。再者，在使RST信號有效下，PIXEL_OUT可被設定為重置電壓

，並且可包含重置雜訊

。一第一取樣操作可以藉由所述CC電容而被執行，以儲存一包含比較器偏移、重置雜訊、以及在重置位準的PIXEL_OUT電壓的成分的VCC電壓，即如以下：

(方程式1)

再者，可以使快門信號AB有效，以避免由光電二極體PD所產生的電荷到達電荷儲存裝置608。

在時間T1，AB、COMP_RST、以及RST信號被釋放，此開始一曝光期間(被標示T_exposure )，其中光電二極體PD可以累積及傳輸電荷。TG信號可以設定傳輸開關M1在一部分導通的狀態，以容許PD能夠傳輸溢出電荷至電荷儲存裝置608。LG信號可以保持有效以運作在低增益模式，其中C_FD 電容器以及C_EXT 電容器兩者是並聯連接，以形成電荷儲存裝置608來儲存溢出電荷。溢出電荷發展出一新的PIXEL_OUT電壓，

。CC電容器可以AC耦合PIXEL_OUT電壓以變成COMP_IN電壓。在時間T1及T2之間的COMP_IN電壓可以根據以上的方程式1來加以設定。

在時間T1及T2之間，一到達飽和的時間(TTS)量測可以藉由比較器906比較COMP_IN電壓與一靜態V_{ref_low} 而被執行以產生VOUT。在時間T2，控制器1110判斷比較器906的VOUT的狀態。VOUT的狀態可被提供至輸出邏輯電路908，若VOUT指出COMP_IN電壓到達V_{ref_low} ，此於是指出電荷儲存裝置902飽和，則可以產生一閂鎖信號以控制記憶體912來儲存來自計數器914的一計數值。輸出邏輯電路908亦可以在其內部狀態中儲存電荷儲存裝置902飽和，以避免後續的PD ADC以及FD ADC操作覆寫在記憶體912中的TTS輸出。在另一方面，若電荷儲存裝置902並未飽和，則在時間T2並沒有計數值會被儲存在記憶體912中，因而來自後續的PD ADC或FD ADC操作的計數值可被儲存到記憶體912中。

在TTS量測之後，在時間T2及T5之間，PD ADC操作可被執行以量測在光電二極體PD中所儲存的殘留電荷。如上所述，使LG信號無效以從C_FD 斷連C_EXT 來增加電荷至電壓轉換比例。溢出電荷(若有的話)是根據在C_FD 及C_EXT 之間的電容的比例而劃分在C_FD 及C_EXT 之間，使得C_FD 儲存溢出電荷的一第一部分，並且C_EXT 儲存溢出電荷的一第二部分。

可以對應於被儲存在C_FD 中的溢出電荷的第一部分。

為了準備PD ADC操作，在時間T2及T3之間，再次使COMP_RST信號有效以重置比較器906。比較器906的重置可以根據在

以及比較器906在重置狀態的輸出之間的一差值來設定一橫跨CC電容器的新的VCC電壓，即如以下：

(方程式2)

選配的是，RST信號可以在時間T2及T3之間使其有效，以在殘留電荷的傳輸之前重置C_FD 並且移除溢出電荷的第一部分。此容許後續的PD ADC操作只量化殘留電荷，而不是殘留電荷以及溢出電荷的第一部分的混合。此種配置可以改善低的光強度量測的正確性，因為並沒有必要從PD ADC操作輸出移除溢出電荷成分(根據後續的FD ADC操作的結果)，其原本可能引入額外的誤差。在另一方面，在時間T2及T3之間不使RST信號有效可能是有利的，因為此種配置可以在PD ADC以及FD ADC操作中引入冗餘並且增加信號雜訊比，因為兩個操作都量測殘留及溢出電荷的混合。

在時間T3及T4之間，COMP_RST信號被釋放，因而比較器906離開重置狀態。再者，TG信號可以設定傳輸開關M1在一完全導通的狀態以傳輸殘留電荷至C_FD 。殘留電荷可被傳輸到C_FD ，此改變PIXEL_OUT電壓至

。新的PIXEL_OUT電壓可以在時間T4時AC耦合到一新的COMP_IN電壓中，即如以下：

(方程式3)

在方程式3中，在

之間的差值代表在時間T3及T4之間藉由光電二極體傳輸至電荷儲存裝置608的殘留電荷量。

在TG於時間T3及T4之間完全導通之後，TG被無效以從C_FD 以及C_EXT 斷連光電二極體PD。因此，在時間T4之後沒有額外的電荷被傳輸到C_FD 及C_EXT ，直到下一個曝光期間的開始為止。

在時間T4及T5之間，控制器1110可以藉由比較COMP_IN電壓與一從V_{ref_high} 開始到V_{ref_low_margin} 斜波變化的VREF來執行PD ADC操作。在PD ADC階段中，V_{ref_high} 可以代表在光電二極體PD中所儲存的殘留電荷的最小可偵測的量，而V_{ref_low_margin} 可以代表光電二極體PD的飽和臨界值，其具有裕度以考量如上所述的暗電流。

在時間T5，控制器1110可以檢查COMP_IN電壓是否降到低於V_{ref_low_margin} ，此可以指出光電二極體PD是否飽和。若COMP_IN電壓變成超過V_{ref_low_margin} (此指出光電二極體PD飽和)，並且若沒有TTS輸出被儲存在所述記憶體中(根據輸出邏輯電路908的內部狀態)，則輸出邏輯電路908可以產生一閂鎖信號以控制記憶體912來儲存來自計數器914的一計數值。輸出邏輯電路908亦可以儲存(作為其內部狀態的部分)光電二極體PD飽和的指示，因而後續的FD ADC操作將不能夠覆寫在記憶體中所儲存的PD ADC輸出(或是TTS輸出)。若COMP_IN電壓降到低於V_{ref_low_margin} ，則在時間T5沒有計數值會被儲存到記憶體912中，並且來自一後續的FD ADC操作的一計數值可被儲存到記憶體912中。

在時間T5及T8之間，一FD ADC操作可加以完成，以量測在曝光期間T_exposure 之內藉由光電二極體PD所傳輸的溢出電荷。由於光電二極體PD維持與C_FD 及C_EXT 斷連，因此沒有額外的電荷被傳輸到C_FD 及C_EXT ，並且儲存在C_FD 及C_EXT 中的總電荷大部分是在曝光期間T_exposure 中產生的、以及在時間T3及T4之間藉由光電二極體產生的額外的電荷。在此種配置下，像素的GSE

在時間T5，使LG信號有效以連接C_FD 與C_EXT ，此容許儲存在C_EXT 中的溢出電荷的第二部分結合儲存在C_FD 中的殘留電荷(以及若RST在時間T2及T3之間並未使其有效時的溢出電荷的第一部分)，並且一新的PIXEL_OUT電壓

可以在C_FD 及C_EXT 的並聯的組合發展出，而且將被量化。

在時間T5及T7之間，一雜訊取樣操作可被執行，以減輕重置雜訊以及比較器偏移在FD ADC操作上的影響。在時間T5及T6之間，比較器906可被重置以作為第一取樣操作的部分。比較器906的正端子連接至VREF的低端V_{ref_low} 。如上所述，V_CC 電壓可包含重置雜訊以及比較器偏移的成分。V_CC 電壓可以是如下的：

(方程式4)

在時間T6及T7之間，C_FD 及C_EXT 都可被重置，而比較器906離開重置狀態，以作為一第二取樣操作的部分。由於重置，PIXEL_OUT可被重置到一重置電壓

。再者，第二重置雜訊電荷亦被引入到電荷儲存裝置608，其可以藉由

來加以表示。第二重置雜訊電荷通常是追蹤第一重置雜訊電荷。在時間T6，由於第二取樣操作，

可以是如下的：

(方程式5)

在時間T7，COMP_RST被釋放，並且比較器906離開重置狀態。經由AC耦合，除了

之外，COMP_IN電壓可以如下地追蹤

：

(方程式6)

在第二取樣操作之後，COMP_IN電壓可以在時間T7及T8之間，藉由比較一VREF斜波而被量化。VREF斜波可以從V_{ref_low} 開始，其可以代表在包含C_EXT 及C_FD 的電荷儲存裝置608中可偵測的溢出電荷的一最小量，並且V_{ref_high} 可以代表當電荷儲存裝置608飽和時的溢出電荷量。當VOUT跳動時，來自計數器914的一計數值可被儲存到記憶體912中，以代表在曝光期間中接收到的光強度。在時間T8之後，在記憶體912中所儲存的數位值可以在時間T9被讀出，以代表在曝光期間T_exposure 之內藉由光電二極體PD接收到的光強度。在單一訊框期間中一影像訊框被產生的一情形中，所述訊框期間可以從時間T0跨到T8。

所述控制信號的序列以及其時序是藉由控制器920並且藉由曝光停止信號922及選擇信號924來加以控制。明確地說，控制器920可以使得所述控制信號(例如，AB、RST、COMP_RST、TG、以及LG信號)有效及無效，並且根據一預先配置的時序序列來控制VREF信號，所述時序序列可以藉由曝光停止信號922及/或選擇信號924而被覆寫。曝光停止信號922可以觸發PD ADC操作，其包含使RST及COMP_RST信號有效，使LG信號無效，接著是使TG信號有效，以傳輸殘留電荷並且接著使AB信號有效以停止曝光期間，以在一比所述預先配置的時序序列的時間T2更早的時間開始。曝光停止信號922可以使得曝光期間比所述預先配置的時序序列的時間T4更早停止。此種配置可以降低電荷儲存裝置902因為溢出電荷而飽和的可能性。再者，選擇信號924可以配置控制器920以跳過TTS、PD ADC、以及FD ADC操作中的一或多個。如同將在以下詳細描述的，在一包括多個光電二極體的像素單元中，選擇信號924可被提供來配置控制器920以跳過用於所述多個光電二極體中的某些個的TTS操作，以縮減一像素單元的所有光電二極體的量化操作的總時間以縮減訊框期間，而曝光停止信號922可被提供以動態地縮減TTS操作並未被執行的光電二極體的曝光期間，以避免那些光電二極體飽和其個別的電荷儲存裝置902，因而藉由那些光電二極體偵測到的光成分的強度可以在一合理的傳真度下，藉由PD ADC及/或FD ADC操作來加以量測。

如同在方程式3及6中所示，在其中

代表

的PD ADC操作中的比較的極性是與在其中

代表

的FD ADC操作中的比較的極性相反的。在PD ADC中，當COMP_IN電壓高於V_{ref_low_margin} 時，圖9A的比較器906的VOUT變成一邏輯0，此指出光電二極體PD並未飽和。但是為了儲存當VOUT跳動(其代表殘留電荷的一量測)時的數位值到記憶體912中，記憶體912需要從比較器906接收一正VOUT。相對地，在FD ADC中，當COMP_IN電壓高於V_{ref_low} 時，圖9A的比較器906的VOUT變成一邏輯1，此指出溢出電荷超出最小可偵測的位準。FD ADC以及TTS操作的比較的極性也是相同的。

參照回圖9A，輸出邏輯電路908包含電路以考量到PD ADC、FD ADC、以及TTS操作之間的比較的不同極性，並且維持一內部狀態以控制計數值到記憶體中的儲存。圖9B包含輸出邏輯電路908的內部構件的一個例子。如同在圖9B中所示，輸出邏輯電路908包含一反相器鏈942、一多工器裝置946、旗標暫存器948及950、以及一NOR閘952。旗標暫存器948及950分別可以儲存一FLAG_1狀態位元以及一FLAG_2狀態位元。FLAG_2狀態可以指出VOUT在TTS操作的結束時的一狀態，而FLAG_1狀態可以指出VOUT在PD ADC操作的結束時的一狀態。若FLAG_2在TTS操作之後是有效的，此指出TTS操作已經儲存一計數值到記憶體912中，則NOR閘952可以保持所述閂鎖信號為低的，以鎖住記憶體912而不被後續的PD ADC操作覆寫。再者，若FLAG_1在PD ADC操作之後是有效的，則可以避免FD ADC儲存一計數值到記憶體912中。反相器鏈942以及多工器裝置946可以根據LG信號來控制VOUT狀態的輸出至暫存器948及950以及NOR閘952，以考量在PD ADC、FD ADC、以及TTS操作之間的比較的不同的極性。明確地說，參照回圖12，針對於TTS以及FD ADC操作，使LG信號有效以結合C_EXT 與C_FD 。多工器裝置946可以藉由有效的LG信號而被控制以選擇非反相的VOUT來輸出至暫存器950(用於FLAG_2位元)以及NOR閘952。針對於PD ADC操作，使LG信號無效以從C_FD 斷連C_EXT 來增加電荷至電壓轉換比例。多工器裝置946可以藉由無效的LG信號而被控制以選擇反相的VOUT(在圖9B中的VOUTb)來輸出至暫存器948(用於FLAG_1位元)以及NOR閘952。

參照回圖8A及圖8B，在某些例子中，一具有多個光電二極體的像素單元可以對於每一個光電二極體都包含圖9A的一電荷感測單元614以及一ADC 616，以對於所述光電二極體的每一個執行如同在圖12中所述的多階段的量化操作(TTS、FD ADC、以及PD ADC)。然而，此種配置可能大幅增加一像素單元的覆蓋區以及功率消耗。明確地說，ADC 616的比較器906可能包含一類比差動放大器以及其它支援電路(例如，偏壓電路、輸出緩衝器、等等)，其可能佔用所述像素單元的構件中的最大空間並且消耗最多的功率。若多個ADC 616(以及多個比較器906)內含在所述像素單元中，則所述像素單元以及像素單元陣列的尺寸及功率消耗可能會變成過大的。

為了縮減一像素單元的覆蓋區以及功率消耗，單一ADC 616可以是在所述像素單元的光電二極體之間共用的。每一個光電二極體的電荷感測單元614可以輪流和所述單一ADC 616連接，以執行所述量化操作並且將輸出儲存在記憶體912。圖13A–圖13C描繪一種多個光電二極體的像素單元的一個例子，其包含在所述像素單元的多個光電二極體之間共用的單一ADC 616。如同在圖13A中所示，像素單元602a可包含在單色頻道(M)光電二極體、單色+近紅外光頻道(M+NIR)光電二極體、綠色頻道(G)光電二極體、以及近紅外光頻道(NIR)光電二極體之間共用的單一ADC 616a。再者，其它像素單元602b、602c及602d的每一個亦分別包含單一ADC 616b、616c及616d。

圖13B描繪包含多個光電二極體的像素單元602a的一個例子。如同在圖13B中所示，像素單元602a包含複數個光電二極體(包含PD0、PD1、等等)以及包含電荷感測單元614a、614b、等等的複數個電荷感測單元614。電荷感測單元614a包含一電荷儲存裝置902a以及一可切換的緩衝器904a，並且被配置以轉換從光電二極體PD0傳輸的殘留電荷以及溢出電荷成為電壓。電荷感測單元614b包含一電荷儲存裝置902b以及一可切換的緩衝器904b，並且被配置以轉換光電二極體PD1傳輸的殘留電荷以及溢出電荷成為電壓。每一個光電二極體是和一個別的快門開關以及一個別的傳輸開關耦接。例如，光電二極體PD0是和快門開關M0a及傳輸開關M1a耦接，而光電二極體PD1是和快門開關M0b及傳輸開關M1b耦接。控制器920可以控制控制信號AB0及AB1(用於快門開關M0a及M0b)、控制信號TG0及TG1(用於傳輸開關M1a及M1b)、以及控制信號RST0、LG0、RST1及LG1的時序，以個別地致能每一個光電二極體來產生/累積殘留電荷，並且傳輸溢出電荷至一個別的電荷感測單元614。此外，控制器920亦可以控制控制信號SEL0及SEL1的時序以提供每一個電荷感測單元614a及614b接達至ADC 616，以執行藉由選擇信號924所選的量化操作。

在一範例配置中，選擇信號924可以選擇所述光電二極體中之一(例如，PD0)以執行TTS操作以及PD ADC或FD ADC操作中的至少一個，而其餘的光電二極體則執行PD ADC或FD ADC操作中的至少一個。

圖13C描繪圖13B的像素單元602a的控制信號中的某些個的一範例序列1300。所述範例序列可以是根據在圖12中所述的序列，並且是由控制器920提供的。在時間T0，用於每一個光電二極體的AB信號(AB0、AB1、ABn、等等)被無效以開始用於每一個光電二極體的曝光期間。用於每一個光電二極體的TX信號(TX0、TX1、TXn、等等)被偏壓以容許溢出電荷(若有的話)流到個別的電荷感測單元，同時使得用於每一個光電二極體的LG信號(LG0、LG1、LGn、等等)有效以將C_EXT 及C_FD 連接在一起來感測溢出電荷。在時間T1，使SEL0有效以連接光電二極體PD0的電荷感測單元614a至ADC 616，以量化藉由PD0所產生的電荷。

在時間T1及T2之間，ADC 616可以根據選擇信號924來執行TTS操作，以判斷來自光電二極體PD0的溢出電荷是否飽和電荷儲存裝置902a、以及其飽和電荷儲存裝置902a所花的時間(飽和時間)。同時，像素單元602a的其它電荷儲存裝置902(例如，902b)可以繼續累積藉由個別的光電二極體PD在時間T0及T2之間所產生的電荷。所述其它電荷儲存裝置可以具有比電荷儲存裝置902a的C_EXT 及C_FD 的一更大組合的容量，因而當電荷儲存裝置902a飽和時，所述其它電荷儲存裝置保持未飽和的。

在時間T2，在TTS操作完成之後，使得用於每一個光電二極體的LG信號(LG0、LG1、LGn、等等)有效以從C_FD 斷連C_EXT 來準備後續的PD ADC操作。C_EXT 可以從C_FD 斷連，以保存溢出電荷(若有的話)的一部分在C_EXT 中以用於後續的FD ADC操作，而C_FD 可以選配地被重置，因而C_FD 只儲存將從個別的光電二極體被傳輸的殘留電荷，即如同在圖12中所述者。在時間T3，使得用於每一個光電二極體的TG信號(TG0、TG1、TGn、等等)有效以從光電二極體傳輸殘留電荷至個別的電荷儲存裝置902的C_FD 。在時間T4，使得用於每一個光電二極體的AB信號(AB0、AB1、ABn、等等)有效以停止在像素單元中的每一個光電二極體的曝光期間。在圖13C中的曝光期間的持續期間是

，其橫跨在時間T0及T4之間。

可被預先配置(例如，根據選擇信號924或是其它程式化資訊)，並且可以是一用於像素單元陣列的所有像素單元的全域的曝光期間。

在時間T4及T5之間，ADC 616可以根據選擇信號924來在電荷儲存裝置902a的C_FD 上執行PD ADC操作，以量測在C_FD 中所儲存的殘留電荷量。若TTS操作並未儲存一計數值在記憶體912中，則來自PD ADC操作的一計數值可被儲存在用於光電二極體PD0的記憶體912中。在時間T5，在PD ADC操作完成之後，電荷儲存裝置902a的C_FD 可被重置以移除殘留電荷，並且接著在時間T6，可以使得用於光電二極體PD0的LG0信號有效以從C_FD 再次將C_EXT 連接在一起，以重新分佈被儲存在電荷儲存裝置902a之內的C_EXT 中的溢出電荷的部分。一FD ADC操作接著可以在時間T6及T7之間被執行，以量化被儲存在用於光電二極體PD0的電荷儲存裝置902a中的溢出電荷。若先前的TTS操作與PD ADC操作都未在所述記憶體中儲存一計數值，則來自FD ADC操作的一計數值可被儲存在用於光電二極體PD0的記憶體912中。

在時間T7，在針對於光電二極體PD0的量化操作完成之後，可以使SEL1有效來連接光電二極體PD1的電荷感測單元614b至ADC 616。在時間T7及T8之間，根據選擇信號924，ADC 616可以在電荷儲存裝置902b的C_FD 上執行PD ADC操作，以量測在用於光電二極體PD1的C_FD 中所儲存的殘留電荷量。在PD ADC操作的完成之後，電荷儲存裝置902b的C_FD 可以在時間T8被重置，接著是用於光電二極體PD1的LG1的有效，並且接著是FD ADC操作。控制器920亦可以控制ADC 616以在序列1300中執行用於像素單元602a的其它光電二極體的PD ADC及FD ADC操作，以產生針對於其它光電二極體的計數值。

相較於其中相同序列的量化操作(例如，TTS、PD ADC、以及FD ADC操作)是針對於每一個光電二極體都重複的一情形，在圖13C中的配置可以藉由選擇性地禁能用於除了一光電二極體之外的全部光電二極體的TTS操作，來縮減一像素單元的量化操作的總時間。量化操作的縮減的總時間可以縮減訊框期間，因而增加訊框率。再者，由於像素單元的所有光電二極體的曝光期間都同時結束(在圖13C中的T4)，因此像素單元的所有光電二極體都可以具有一均勻的曝光期間，此可以改善快門效率。這些全部都可以改善影像感測器的效能，尤其是當被用來成像高速物體時。

在另一方面，在圖13C中的配置可能降低影像感測器的動態範圍的上限。這是因為TTS操作(量測到達飽和的時間以將可量測的光強度的上限延伸超過飽和電荷感測單元的位準)只對於一光電二極體而被執行。針對於只有FD ADC及/或PD ADC操作被執行的其它光電二極體，動態範圍的上限仍然受限於那些光電二極體的電荷感測單元的電荷儲存容量，並且未藉由TTS操作加以擴大。因此，影像感測器的動態範圍整體來看可能被降低。

圖14A描繪一種多個光電二極體的像素單元1400的一個例子，其可以提供一擴大的動態範圍。如同在圖14A中所示，輸出邏輯電路908可以輸出一飽和指示1402至控制器920以作為曝光停止信號922。飽和指示1402可以在TTS操作期間被產生，以指出電荷儲存裝置902a因為溢出電荷而飽和。在控制器920接收曝光停止信號922之後，控制器920可以在預先配置的結束時間之前停止像素單元的所有光電二極體的曝光期間。此種配置可以降低對於一給定的光強度的被傳輸到一電荷儲存裝置的電荷量，此可以降低像素單元的電荷儲存裝置變成飽和而無法支援正確的FD ADC及/或PD ADC操作的可能性。

圖14B描繪圖14A的像素單元1400的控制信號中的某些個的一範例序列1410。在時間T0及T1的操作是與圖13C的序列1300相同的。針對於光電二極體PD0的TTS操作是在時間T1及T1a之間被執行。在時間T1’，輸出邏輯電路908根據VOUT指出COMP_IN電壓到達靜態VREF臨界值來輸出一飽和指示1402。根據所述飽和指示，控制器920可以在時間T1a使得所有光電二極體的LG信號(例如，LG0、LG1、LGn、等等)無效，接著是在時間T1b使得所有的光電二極體的TG信號(例如，TG0、TG1、TGn、等等)有效，以從每一個光電二極體傳輸殘留電荷至其個別的電荷儲存單元。控制器920接著可以在時間T2使得AB信號有效，以停止曝光期間。相較於其中曝光期間結束在時間T4的序列1300，在序列1410中的曝光期間結束在時間T2，因而具有一橫跨在時間T0及T2之間的持續期間的

。曝光期間

是相對於橫跨在時間T0及T4之間的全域的曝光期間

而被縮短的。

藉由根據光電二極體PD0的TTS輸出來縮短曝光期間，光電二極體PD1以及其它光電二極體的電荷儲存裝置變成飽和的可能性可被降低。若那些光電二極體的電荷儲存裝置的容量被作成大於光電二極體PD0的容量，則飽和的可能性進一步被降低。因此，來自ADC的光強度量測的線性可以變成更線性的，此可以改善影像感測器的動態範圍。再者，藉由在相同的訊框期間之內偵測飽和以及調整曝光期間，所述曝光期間可以調適來更快速地改變光強度，此可以改善影像感測器的效能，尤其是當成像高速的物體及場景時。

針對於PD0的PD ADC操作可以從曝光期間結束時開始。在某些例子中，在曝光期間於時間T2結束之後，控制器920及像素單元1400可以進入一閒置狀態，直到時間T4為止，因而針對於PD0的PD ADC操作可以在和序列1300中相同的預先配置的時間T4開始。再者，所述量化操作的其餘部分亦在和序列1300相同的預先配置的時間被執行。此種配置可以確保像素單元1400的訊框期間維持和其它運作在預先配置的曝光期間下的像素單元相同的。在某些例子中並不是進入一閒置的狀態來補償縮短的曝光時間，控制器920亦可以延長PD ADC及FD ADC操作的持續期間(例如，藉由降低時脈速率、藉由降低電壓斜波的斜率、等等)以增加量化解析度，同時確保像素1400的量化操作同時完成，以對於像素單元陣列的像素單元1400以及其它像素單元維持相同的訊框期間。

因為像素單元1400相較於其它像素單元可以具有一縮短的曝光期間，當產生一包括來自像素單元1400的計數值、以及其它根據在預先配置的全域曝光時間之內的曝光來產生計數值的像素單元/光電二極體之影像訊框時，來自像素單元1400的計數值可以根據以下的方程式而被縮放：

(方程式7)

在方程式7中，

代表從曝光期間

獲得的從像素1400的一光電二極體輸出的PD ADC或FD ADC計數，

是從全域的曝光期間

縮減的。由於電荷量(藉由所述計數值來加以表示)是成正比於曝光期間，因此

可以根據在

及

之間的比例而外推至一標準化的計數值

，因而來自所有光電二極體的計數值都是根據相同的曝光期間所獲得的，並且遵循相同的尺度。

在圖14A的例子中，像素單元1400的光電二極體共用單一ADC。然而，在某些例子中，不同的像素單元的光電二極體可以共用單一ADC，因而針對於一像素單元的一光電二極體的TTS操作可以控制一不同的像素單元的另一光電二極體的曝光期間。共用單一ADC的光電二極體可被分組在一核心中，所述核心可包含來自不同的像素單元或是來自相同的像素單元的光電二極體。在一核心中的每一個群組的光電二極體可被配置以偵測相同或是不同的光成分。在一核心的光電二極體的群組中，除了所述一主控光電二極體(例如，第一光電二極體)之外的全部的光電二極體可以利用一ADC以僅執行PD ADC及/或FD ADC操作，而第一光電二極體可以利用一ADC以執行TTS、以及PD ADC及/或FD ADC操作。在群組之內的所有光電二極體可以具有相同的曝光期間，其可以在主控光電二極體的電荷感測單元飽和時停止。因此，那些光電二極體的電荷感測單元的根據PD ADC及/或FD ADC操作的量化結果仍然可以在一合理的傳真度下代表光成分的強度。在另一方面，若沒有來自主控光電二極體的飽和指示，則光電二極體可以在預先配置的曝光期間之內產生至少一臨界電荷量以維持一用於低及中等的光強度量測的最小信號雜訊比，其可以設定動態範圍的下限。

光電二極體的分組到一核心中可以根據各種的方案，並且可以是應用特有的。在一例子中，一核心的像素可以是根據一待被成像的預設物體的輪廓/形狀而被界定的。圖15A、圖15B及圖15C描繪根據一目標物體的輪廓/形狀所決定的一核心的例子。如同在圖15A中所示，一核心可以根據反映來自一點光源1500的光輻射之一形狀而包含五個像素單元，其中一像素單元在中心，而四個像素單元在四個側邊(例如，北、南、左、及右)。在圖15A中，四個核心的像素單元被展示，其包含1502、1504、1506及1508。核心1502包含一像素單元1502a，其包含核心1502的一主控光電二極體、以及像素單元1502b、1502c及1502d。核心1504包含一像素單元1504a，其包含核心1504的一主控光電二極體、以及像素單元1504b、1504c及1504d。核心1506包含一像素單元1506a，其包含核心1506的主控光電二極體、以及像素單元1506b、1506c及1506d。再者，核心1508包含一像素單元1508a，其包含核心1508的主控光電二極體、以及像素單元1508b、1508c及1508d。

在圖15A所示的核心中，在核心的中心的像素單元可包含TTS操作可加以執行的一主控光電二極體，並且若飽和被偵測到，則核心的所有的光電二極體的曝光期間可以如上所述地被縮短。例如，在其中像素單元陣列被用來成像點光源1500的一情形中，在核心的中心的像素單元可以從所述點光源的最亮的部分接收光，並且飽和所述電荷儲存裝置。用於在核心之內的所有光電二極體的曝光期間可以在偵測到飽和之際被停止，因而在所述核心之內的其它像素單元(其可以接收所述輻射光以及來自一場景的其它部分的光)可以產生數位輸出，其線性地相關於入射光，而不是飽和的輸出。

在核心的中心像素中的光電二極體可被配置為用於不同的光成分的主控光電二極體。每一個主控光電二極體可以和(在核心之內的)偵測相同光成分的其它光電二極體共用一ADC，並且可以控制所述其它光電二極體的曝光期間。例如，如同在圖15B及圖15C中所示，每一個像素單元(例如，像素單元1502c)包含兩個用於偵測可見的單色光(M)的光電二極體、一用於偵測近紅外光(NIR)的光電二極體、以及一用於偵測綠光(G)的光電二極體。每一組的M光電二極體、NIR光電二極體、以及G光電二極體共用一ADC，使得四個ADC被設置以用於每一個核心，並且每一個核心可以在中心像素單元(例如，像素單元1504a)中具有兩個主控M光電二極體、一主控NIR光電二極體、以及一主控G光電二極體。在圖15B中，一主控M光電二極體(被表示為一圓圈)可以控制在相同核心中的其它M光電二極體的曝光期間，而在圖15C中，一主控NIR光電二極體(被表示為一圓圈)可以控制在相同核心中的其它NIR光電二極體的曝光期間。

作為另一例子的是，可能接收具有類似強度的光成分的像素單元可以形成一核心。在一像素單元陣列之內的核心的光電二極體的空間分布可以是根據影像感測器的應用而定。圖16A及圖16B描繪具有在一像素單元陣列之內的光電二極體的不同的空間分布之核心的例子。如同在圖16A中所示，一影像感測器1600可被配置以從一場景接收具有一圖案1602(其包含點1602a、點1602b、等等)的結構的NIR光。在此應用中，一核心1604可包含根據圖案1602間隔開的像素單元(例如，1604a、1604b、1604c及1604d)，其中所述核心的主控像素單元(例如，1604a)包含一NIR光電二極體，以控制在所述核心之內的其它像素單元的NIR光電二極體的曝光期間。

在某些例子中，一核心亦可以如上所述的包含相同的像素單元的光電二極體。此種配置可被設置在例如影像感測器被用來成像一場景的一小部分時、及/或在影像感測器操作在一具有強的環境光的環境中並且其中一像素單元的每一個光電二極體可能接收一高強度的光成分，因而在所述像素單元之內的每一個光電二極體的電荷感測單元可能飽和時。如同在圖16B中所示，每一個像素單元可包含一用於偵測一光成分(例如，如同圈起的單色)的主控光電二極體，其可以控制偵測其它或相同光成分(例如，NIR、B、M、等等)的其它光電二極體的曝光期間。

圖17描繪一種用於藉由包括一第一光電二極體以及一第二光電二極體(例如圖14A的PD0及PD1)的多個光電二極體來執行一光強度量測之方法1700。所述第一光電二極體以及第二光電二極體可以是如同在圖14A中所示的同一像素單元602a的部分、或者可以是如同在圖15A–圖16B中所示的在不同的像素單元中。所述第一光電二極體以及第二光電二極體可被配置以偵測具有相同的波長範圍或是不同的波長範圍的入射光成分。所述第一光電二極體可以和一第一電荷感測單元(例如，電荷感測單元614a)耦接，所述第一電荷感測單元包括一第一電荷儲存裝置(例如，電荷儲存裝置902a)以及一第一可切換的緩衝器(例如，緩衝器904a)，而所述第二光電二極體可以和一第二電荷感測單元(例如，電荷感測單元614b)耦接，所述第二電荷感測單元包括一第二電荷儲存裝置(例如，電荷儲存裝置902b)以及一第二可切換的緩衝器(例如，緩衝器904b)。第一電荷感測單元以及第二電荷感測單元的輸出是和單一ADC(例如，ADC 616)耦接，當所述第一可切換的緩衝器被切換導通時，所述ADC可以量化在所述第一電荷儲存裝置的一第一電壓，並且當所述第二可切換的緩衝器被切換導通時，可以量化在所述第二電荷儲存裝置的一第二電壓。所述第一電荷儲存裝置以及第二電荷裝置都可包含一主要電容器以及一輔助電容器。

方法1700開始於步驟1702，其中將第一光電二極體曝光至入射光，以產生第一電荷。在某些例子中，一第一快門開關是耦接在所述第一光電二極體以及一電荷吸收器之間，並且所述第一快門開關可被切換關斷以將所述第一光電二極體曝光至所述入射光以產生所述第一電荷，並且所述第一快門開關的切換關斷可以是一曝光期間。

在步驟1704中，將第二光電二極體曝光至入射光以產生第二電荷。在某些例子中，一第二快門開關是耦接在所述第二光電二極體以及電荷吸收器之間，並且第二快門開關可被切換關斷，以將第二光電二極體曝光至入射光以產生第二電荷。在某些例子中，所述第一快門開關以及第二快門開關可被同時切換關斷，因而用於所述第一光電二極體以及第二光電二極體兩者的曝光期間同時開始。

在步驟1706中，所述第一電荷感測單元可以轉換所述第一電荷成為所述第一電壓。在某些例子中，所述第一電荷感測單元是經由一第一傳輸開關來和第一光電二極體耦接，第一傳輸開關可被偏壓以容許第一光電二極體儲存一第一殘留電荷量作為所述第一電荷的部分，並且傳輸第一電荷的其餘部分作為第一溢出電荷至第一電荷感測單元的第一電荷儲存裝置。所述第一溢出電荷可被儲存在第一電荷儲存裝置的主要及輔助電容器兩者中。在步驟1706中，所述第一電壓可以根據第一溢出電荷在曝光期間在第一電荷儲存裝置中的累積而被發展出。再者，所述第一可切換的緩衝器被導通以連接第一電荷儲存裝置至所述ADC以執行TTS操作。

在步驟1708中，所述第二電荷感測單元可以轉換所述第二電荷成為所述第一電壓。在某些例子中，所述第二電荷感測單元是經由一第二傳輸開關來和第二光電二極體耦接，第二傳輸開關可被偏壓以容許第二光電二極體儲存一第二殘留電荷量作為所述第二電荷的部分，並且傳輸第二電荷的其餘部分作為第二溢出電荷至第二電荷感測單元的第二電荷儲存裝置。所述第二溢出電荷可被儲存在第二電荷儲存裝置的主要及輔助電容器兩者中。在步驟1708中，所述第二電壓可以根據第二溢出電荷在曝光期間在第二電荷儲存裝置中的累積而被發展出。再者，所述第二可切換的緩衝器被關斷以從所述ADC斷連第二電荷儲存裝置。

在步驟1710中，作為TTS操作的部分，控制所述ADC以根據所述第一電壓來偵測所述第一電荷的量到達飽和臨界值，並且量測當第一電荷的量到達飽和臨界值時的飽和時間。明確地說，在步驟1710中，所述ADC可以比較第一電壓與一代表第一電荷儲存裝置的一飽和限制的靜態臨界電壓。若所述第一電壓交叉所述靜態臨界值，則所述ADC可以輸出在第一電荷儲存裝置中所儲存的第一電荷的量(藉由第一溢出電荷來加以表示)到達所述飽和限制的一飽和指示。所述指示(例如，圖14A的VOUT信號)可以控制一記憶體(例如，記憶體912)以儲存來自一自由運行的計數器(例如，計數器914)的一計數值，並且所述計數值可以代表藉由第一光電二極體接收到的入射光成分的強度。

在步驟1712中，所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體的曝光是根據偵測到第一電荷的量到達飽和臨界值而被停止。明確地說，來自步驟1710(因而來自第一光電二極體的TTS操作)的飽和指示可以否決所述第一及第二快門開關的控制信號，以致能那些開關來停止用於第一光電二極體及第二光電二極體兩者的曝光期間。

在某些例子中，在曝光結束之後，所述ADC可被控制以執行PD ADC及FD ADC量測。明確地說，在曝光結束之後，所述主要電容器可以從第一及第二電荷儲存裝置兩者的輔助電容器斷連，以分別保存第一溢出電荷的一部分以及第二溢出電荷的一部分在第一及第二電荷儲存裝置的輔助電容器中。作為PD ADC操作的部分的是，所述第一電荷感測單元的主要電容器可被重置，並且接著所述第一傳輸開關可被控制以從第一光電二極體傳輸第一殘留電荷至主要電容器。如上所述，所述ADC可以比較在第一電荷感測單元的主要電容器的第一電壓與一第一斜波的電壓，以量化第一殘留電荷。所述第一光電二極體是否因為第一殘留電荷而飽和的一判斷是在PD ADC操作期間被做出。在所述FD ADC操作中，主要及輔助電容器可以再次連接在一起以重新分佈第一溢出電荷以及第一殘留電荷的部分在主要及輔助電容器之間。所述ADC可以比較在主要及輔助電容器的第一電壓與一第二電壓斜波，以量化第一溢出電荷以及第一殘留電荷的組合，並且量化結果可被後置處理來量測第一溢出電荷的量。根據所述第一電荷儲存裝置是否因為第一溢出電荷而飽和、以及第一光電二極體是否因為第一殘留電荷而飽和，TTS、PD ADC、或是FD ADC操作中之一的結果可被提供來代表藉由第一光電二極體接收到的入射光成分的強度。

在步驟1714中，所述ADC可被控制以根據第二電壓來量測藉由第二光電二極體在曝光期間結束之前產生的第二電荷的量。在針對於第一光電二極體的TTS、PD ADC及FD ADC操作完成之後，所述第一可切換的緩衝器可被禁能，而所述第二可切換的緩衝器可被致能，以連接所述ADC至第二電荷儲存裝置的輸出。一PD ADC操作接著是一FD ADC操作可以類似於如同在步驟1712中所述地在第二電荷儲存裝置上加以執行。根據第二光電二極體是否因為第二殘留電荷而飽和，PD ADC或FD ADC操作中之一的結果可被提供來代表藉由第二光電二極體接收到的入射光成分的強度。

此說明的某些部分在資訊上的運算的演算法以及符號表示方面來描述本揭露內容的例子。這些演算法的說明及表示是那些熟習資料處理技術者普遍使用的，以有效地傳達其工作的本質給其他熟習此項技術者。這些運算儘管是在功能上、計算上、或是邏輯上加以敘述的，但理解到的是藉由電腦程式或等效電路、微碼、或類似者來實施的。再者，亦已經證實的是有時稱這些運算的配置為模組是便利的，而不失去一般性。所述運算以及其相關的模組可以用軟體、韌體、及/或硬體來體現。

所述步驟、操作、或是程序可以利用一或多個硬體或軟體模組、單獨或結合其它裝置來加以執行或實施。在某些例子中，一軟體模組是利用一包括電腦可讀取的媒體之電腦程式產品來加以實施，所述電腦程式產品包含電腦程式碼，其可藉由一電腦處理器來執行，以用於執行所述步驟、操作、或是程序的任一個或是全部。

本揭露內容的例子亦可以有關於一種用於執行所述操作之設備。所述設備可以是針對於所需的目的特別被建構的、且/或其可包括一般用途的計算裝置，所述計算裝置藉由在所述電腦中儲存的一電腦程式而選擇性地被啟動或是被重新配置。此種電腦程式可被儲存在一非暫態的實體電腦可讀取的儲存媒體、或是任意類型的適合用於儲存電子指令的媒體中，所述媒體可以耦接至一電腦系統匯流排。再者，在說明書中所參照的任何計算系統都可包含單一處理器、或者可以是為了增大計算功能而採用多個處理器的設計的架構。

本揭露內容的例子亦可以有關於藉由在此所述的一計算程序產生的一產品。此種產品可包括產生自一計算程序的資訊，其中所述資訊被儲存在一非暫態的實體電腦可讀取的儲存媒體上，並且可包含在此所述的一電腦程式產品或是其它資料組合的任何例子。

說明書中所用的語言已經主要為了可閱讀性以及指導的目的來選擇的，因而其可能尚未被選擇來描述或限制本發明的標的。因此，所欲的是本揭露內容的範疇並未受限於此詳細說明，而是藉由在一申請案上根據其所核准的任何請求項來加以限制。於是，所述例子的揭露內容是欲為舉例說明本揭露內容的範疇，而非限制性的，所述範疇是被闡述在以下的申請專利範圍中。

100:近眼顯示器 105:框架 110:顯示器 120a、120b、120c、120d:影像感測器 130:主動照明器 135:眼球 140a、140b、140c、140d、140e、140f:照明器 150a、150b:影像感測器 200:橫截面 210:波導顯示器組件 220:眼球 230:出射曈 300:波導顯示器 310:源組件 320:輸出波導 330:控制器 340:影像光 350:耦合元件 355:影像光 360:導引元件 365:去耦元件 370:影像感測器 370-1:第一側邊 370-2:第二側邊 400:橫截面 402:像素單元 404:機械式快門 410: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(IMU) 535:成像裝置 540:輸入/輸出介面 545:應用程式儲存 550:追蹤模組 555:引擎 600:影像感測器 602a:像素單元 612、612a、612b、612c、612d:光電二極體 614、614a、614b:電荷感測單元 616、616a、616b、616c、616d:類比至數位轉換器 622:照明器 624:濾光片 628:成像模組 632:2D成像模組 634:3D成像模組 640:感測控制器 700:可見光源 702:可見光 704:物體 706:可見光 708:點 710:影像 710a:紅色影像訊框 710b:藍色影像訊框 710c:綠色影像訊框 710d:紅外光影像 714:訊框期間 720:影像 720a:紅色影像 720b:藍色影像 720c:綠色影像 720d:紅外光影像 724:訊框期間 732:紅外光 800:光接收表面 802:入射光 804a:點 804b:點 808:ADC 812:光 814:計數器 816:像素輸出匯流排 822:光 832:光 840:半導體基板 842:半導體基板 844:半導體基板 846:半導體基板 848:半導體基板 849:像素單元處理電路 850、852、854、856:金屬互連 860:濾光片陣列 860a、860b、860c、860d:濾光片元件 862:微透鏡 864:光 870:全通元件 872:紅外光阻擋元件 874:全通元件 876:通過綠色的元件 878:紅外光阻擋元件 880:全通元件 882:可見光阻擋濾光片 902、902a、902b:電荷儲存裝置 904、904a、904b:可切換的緩衝器 906:比較器 908:輸出邏輯電路 912:記憶體 914:計數器 920:控制器 922:曝光停止信號 924:選擇信號 942:反相器鏈 946:多工器裝置 948、950:旗標暫存器 952:NOR閘 1002:臨界值 1004:臨界值 1006:低的光強度範圍 1008:中等的光強度範圍 1010:高的光強度範圍 1100:像素單元 1110:控制器 1300:序列 1400:像素單元 1402:飽和指示 1410:序列 1500:點光源 1502:核心 1502a、1502b、1502c、1502d:像素單元 1504:核心 1504a、1504b、1504c、1504d:像素單元 1506:核心 1506a、1506b、1506c、1506d:像素單元 1508:核心 1508a、1508b、1508c、1508d:像素單元 1600:影像感測器 1602:圖案 1602a、1602b:點 1604:核心 1604a、1604b、1604c、1604d:像素單元 1700:方法 1702:步驟 1704:步驟 1706:步驟 1708:步驟 1710:步驟 1712:步驟 1714:步驟 B:藍色頻道 G:綠色頻道 M:單色頻道 M0、M0a、M0b:快門開關 M1、M1a、M1b:傳輸開關 M2:重置開關 M3:開關 M5:開關 M6:開關 M8:開關 NIR:紅外光頻道 PD0、PD1:光電二極體 R:紅色頻道 w0、w1、w2、w3:波長範圍

舉例說明的例子是參考以下的圖式來加以描述。

圖1A及圖1B是一近眼顯示器的一個例子的圖式。

圖2是所述近眼顯示器的一橫截面的一個例子。

圖3是描繪一具有單一源組件的波導顯示器的一個例子的等角視圖。

圖4是描繪所述波導顯示器的一個例子的一橫截面。

圖5是一種包含所述近眼顯示器之系統的一個例子的方塊圖。

圖6是描繪一影像感測器的一個例子的方塊圖。

圖7A、圖7B及圖7C描繪用於藉由圖6的範例影像感測器判斷不同範圍的光強度的操作。

圖8A、圖8B、圖8C及圖8D描繪圖6的範例影像感測器的一範例像素單元的內部構件的例子。

圖9A及圖9B描繪圖8A、圖8B、圖8C及圖8D的範例像素單元的內部構件的例子。

圖10描繪待藉由所揭露的技術量測的光強度的範圍的一個例子。

圖11A、圖11B、圖11C及圖11D描繪用於判斷一光強度之範例的方法。

圖12描繪用以執行光強度量測的一範例序列的控制信號。

圖13A、圖13B及圖13C描繪一多光電二極體的像素單元及其操作的例子。

圖14A及圖14B描繪一多光電二極體的像素單元及其操作的另一個例子。

圖15A、圖15B及圖15C描繪光電二極體的範例分組以共用量化資源。

圖16A及圖16B描繪光電二極體的另一範例分組以共用量化資源。

圖17描繪一用於量測光強度之範例過程的流程圖。

所述圖式只是為了說明之目的而描繪本揭露內容的例子。熟習此項技術者從以下的說明將會輕易地體認到所描繪的結構及方法的替代例子可被採用，而不脫離此揭露內容的原理或是所宣揚的益處。

在所附的圖式中，類似的構件及/或特徵可以具有相同的元件符號。再者，相同類型的各種構件可以藉由在元件符號之後接上一破折號以及一第二符號來加以區別，所述第二符號是在類似的構件之間做區別。若只有第一元件符號在說明書中被使用，則所述說明可以適用於具有相同的第一元件符號的類似的構件的任一個，而不論第二元件符號為何。

1700:方法

1702:步驟

1704:步驟

1706:步驟

1708:步驟

1710:步驟

1712:步驟

1714:步驟

Claims

一種設備，其包括：用以產生第一電荷的第一光電二極體；用以產生第二電荷的第二光電二極體；用以轉換所述第一電荷成為第一電壓的第一電荷感測單元；用以轉換所述第二電荷成為第二電壓的第二電荷感測單元；能夠量測飽和時間以及電荷量的類比至數位轉換器(ADC)；以及控制器，其被配置以：將所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體曝光至入射光以分別產生所述第一電荷及所述第二電荷；連接所述ADC至所述第一電荷感測單元以根據所述第一電壓來偵測所述第一電荷的量到達飽和臨界值，並且量測當所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值時的飽和時間；根據偵測所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值來停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光；以及連接所述ADC至所述第二電荷感測單元，以根據所述第二電壓來量測藉由所述第二光電二極體在所述曝光結束之前產生的所述第二電荷的量。
如請求項1所述之設備，其進一步包括：第一快門開關，其耦接在所述第一光電二極體以及第一電荷吸收器之間；以及第二快門開關，其耦接在所述第二光電二極體以及第二電荷吸收器之間；其中所述控制器被配置以：根據禁能所述第一快門開關以及所述第二快門開關來將所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體曝光至所述入射光；以及根據致能所述第一快門開關以及所述第二快門開關來停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光。
如請求項2所述之設備，其中所述控制器被配置以在第一時間一起禁能所述第一快門開關以及所述第二快門開關，並且在第二時間一起致能所述第一快門開關以及所述第二快門開關，使得用於所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體的全域的快門開關在所述第一時間開始並且在所述第二時間結束。
如請求項1所述之設備，其中所述第一電荷感測單元以及所述第二電荷感測單元中的每一者分別包含第一電容器以及第二電容器；其中所述設備進一步包括：第一傳輸開關，其耦接在所述第一光電二極體以及所述第一電荷感測單元之間；以及第二傳輸開關，其耦接在所述第二光電二極體以及所述第二電荷感測單元之間；以及其中所述控制器被配置以：控制所述第一傳輸開關以傳輸所述第一電荷至所述第一電荷感測單元的第一電容器；控制所述第二傳輸開關以傳輸所述第一電荷至所述第一電荷感測單元的第二電容器；以及在所述第一電荷及所述第二電荷的傳輸完成之後，停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光。
如請求項4所述之設備，其中所述控制器被配置以：在第一時間，以第一偏壓電壓來偏壓所述第一傳輸開關以從所述第一光電二極體傳輸所述第一電荷的第一溢出電荷至所述第一電荷感測單元以用於儲存；在所述第一時間，以所述第一偏壓電壓來偏壓所述第二傳輸開關以從所述第二光電二極體傳輸所述第二電荷的第二溢出電荷至所述第二電荷感測單元以用於儲存；在第二時間，以第二偏壓電壓來偏壓所述第一傳輸開關以從所述第一光電二極體傳輸所述第一電荷的第一殘留電荷至所述第一電荷感測單元以用於儲存；以及在所述第二時間，以所述第二偏壓電壓來偏壓所述第二傳輸開關以從所述第二光電二極體傳輸所述第二電荷的第二殘留電荷至所述第二電荷感測單元以用於儲存；以及其中在所述第一殘留電荷的傳輸以及所述第二殘留電荷的傳輸完成之後，停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光。
如請求項5所述之設備，其中：所述第一電荷感測單元包含耦接在所述第一電容器以及所述ADC之間的第一可切換的緩衝器；以及所述第二電荷感測單元包含耦接在所述第一電容器以及所述ADC之間的第二可切換的緩衝器；所述控制器被配置以：當所述第一傳輸開關被偏壓在所述第一偏壓電壓時，致能所述第一開關緩衝器以控制所述ADC來偵測所述第一溢出電荷的量是否超出所述飽和臨界值，並且量測當所述第一溢出電荷的量到達所述飽和臨界值時的飽和時間；以及在所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光停止之後：控制所述ADC以量測在所述第二電容器中所儲存的第二殘留電荷的量。
如請求項6所述之設備，其中：當所述第一溢出電荷被傳輸至所述第一電容器時，所述第一電容器發展出所述第一電壓；以及所述ADC被配置以根據比較所述第一電壓與一代表所述飽和臨界值的第一靜態臨界電壓來量測所述飽和時間。
如請求項7所述之設備，其中：所述第一電容器包含第一主要電容器以及第一輔助電容器；在所述第一殘留電荷的傳輸之前，所述控制器被配置以：將所述第一輔助電容器與所述第一主要電容器斷連；以及重置所述第一主要電容器；所述第一殘留電荷是在所述第一主要電容器被重置之後被傳輸至所述第一主要電容器以產生一第三電壓；以及所述ADC被配置以根據比較在所述第一主要電容器的第三電壓與第一斜波的臨界電壓來量測在所述第一主要電容器中所儲存的第一殘留電荷的量。
如請求項8所述之設備，其中所述ADC被配置以在量測所述第一殘留電荷的量之後：連接儲存所述第一溢出電荷的一部分的所述第一輔助電容器與所述第一主要電容器以產生第四電壓；以及根據比較所述第四電壓與第二斜波的臨界電壓來量測所述第一溢出電荷的量。
如請求項9所述之設備，其中所述控制器被配置以根據所述第一電壓、所述第三電壓、或是所述第四電壓中之一者來選擇由ADC產生的輸出；其中所述選擇是根據所述第一電壓是否交叉所述第一靜態臨界電壓以及根據所述第三電壓是否交叉代表所述第一光電二極體的儲存容量的第二靜態臨界電壓而定；以及其中所述控制器被配置以提供所選擇的輸出以代表由所述第一光電二極體接收到入射光的強度。
如請求項6所述之設備，其中：所述第二電容器包含第二主要電容器以及第二輔助電容器；在所述第二殘留電荷的傳輸之前，所述控制器被配置以：將所述第二輔助電容器與所述第二主要電容器斷連；以及重置所述第二主要電容器；所述第二殘留電荷是在所述第二主要電容器被重置之後被傳輸至所述第二主要電容器以產生所述第二電壓；以及所述ADC被配置以根據比較在所述第二主要電容器的第二電壓與第一斜波的臨界電壓來量測在所述第二主要電容器中所儲存的第二殘留電荷的量。
如請求項11所述之設備，其中所述ADC被配置以在量測所述第二殘留電荷的量之後：連接儲存所述第二溢出電荷的一部分的所述第二輔助電容器與所述第二主要電容器以產生第三電壓；以及根據比較所述第三電壓與第二斜波的臨界電壓來量測所述第二溢出電荷的量。
如請求項12所述之設備，其中所述控制器被配置以根據所述第二電壓或是所述第三電壓中之一者來選擇由ADC產生的輸出；其中所述選擇是根據所述第二電壓是否交叉代表所述第二光電二極體的儲存容量的靜態臨界電壓而定；以及其中所述控制器被配置以提供所選擇的輸出以代表由所述第二光電二極體接收到的入射光的強度。
如請求項1所述之設備，其中所述第一光電二極體被配置以偵測所述入射光的具有第一波長範圍的第一成分；以及其中所述第二光電二極體被配置以偵測所述入射光的具有第二波長範圍的第二成分。
如請求項14所述之設備，其中所述第一波長範圍以及所述第二波長範圍是相同的。
如請求項15所述之設備，其中所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體是一像素單元的部分。
如請求項15所述之設備，其中所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體分別是第一像素單元以及第二像素單元的部分。
如請求項17所述之設備，其中所述第一像素單元以及所述第二像素單元是一像素單元陣列的部分；以及其中所述第一像素單元以及所述第二像素單元藉由一或多個像素單元而分開。
一種方法，其包括：將第一光電二極體曝光至入射光以產生第一電荷；將第二光電二極體曝光至所述入射光以產生第二電荷；藉由第一電荷感測單元來轉換所述第一電荷成為第一電壓；藉由第二電荷感測單元來轉換所述第二電荷成為第二電壓；控制ADC以根據所述第一電壓來偵測所述第一電荷的量到達一飽和臨界值，並且量測當所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值時的飽和時間；根據偵測所述第一電荷的量到達所述飽和臨界值來停止所述第一光電二極體以及所述第二光電二極體至所述入射光的曝光；以及控制所述ADC以根據所述第二電壓來量測藉由所述第二光電二極體在所述曝光結束之前產生的所述第二電荷的量。
如請求項19所述之方法，其中所述第一電荷是藉由所述第一光電二極體根據偵測所述入射光的具有第一波長範圍的第一成分而被產生；其中所述第二電荷是藉由所述第二光電二極體根據偵測所述入射光的具有第二波長範圍的第二成分而被產生；以及其中所述第一波長範圍以及所述第二波長範圍是不同的。