高分辨率、高帧率、低功率的图像传感器的制作方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域。具体地，其涉及基于测量对象的距离的雪崩光电二极管的图像传感器。

背景技术：

测距是可确定从检测器到感兴趣的对象的距离的过程。传统的测距系统可提供一个或更多个功能，包括接近感测、远程感测和/或三维(3D)成像。这些系统通常包括用于照明感兴趣的对象的探询源(例如，光源)，以及用于寄存来自探询源与对象的交互的返回信号的图像传感器阵列(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器)。传统的光学探询系统可使用基于顺序帧的图像传感器捕捉图像，并对捕捉的图像应用图像处理和模式识别算法。这些算法通常基于投影广播模式(例如，结构光)或探询源的相位相关束扫描的知识。由于每个相应像素的有限的灵敏度，典型的图像传感器需要在每个像素集合很多光子(例如1000或更多的光子)来建立具有足够信噪比(SNR)的光学信号。传统光学传感器对SNR的需求反过来产生了对光源(例如，探询光束可在可见波长范围和/或红外(IR)波长范围)的功率的需求。换句话说，探询束必须能够提供用于检测的足够数量的光子，以针对扫描的环境(或对象)提取有意义的信息。

具有提高的灵敏度的图像传感器(例如，包括雪崩光电二极管的图像传感器)能够使用更少的来自探询源的入射光子启动信号检测，但是也变得对背景噪声更敏感。当到感兴趣的对象距离很远时，来自探询源的光子具有长的飞行时间(TOF)。对于基于来自感兴趣的对象的反射(或反向散射)照明的系统，探询源的辐射耗散(为1/R⁴，其中，R＝范围，由于往返路径)需要大的探询源功率以在可能检测的长距离上提供足够的SNR。在此情景中，来自“场景”的信号可被背景(例如，明媚晴天的高辐射)覆盖，其导致图像传感器中的光电二极管在接收到从感兴趣的对象返回的探询信号之前被激活。通常，TOF测距问题，特别是消耗的功率(其通常与到探询对象的距离成比例)，与其他系统组件的尺寸一起限制了小的形状因数的装置的使用，例如，用于诸如虚拟和/或增强现实的应用的手持装置和/或可穿戴装置。传统的基于TOF的系统对能源需求过大并过慢(关于延迟和帧率)而不能实际用于移动电话、可穿戴装置和其他移动应用。

在传统的系统中，对整个图像传感器阵列采样(所有像素)以生成灰度图像。使用该方案在低功率下获得高帧率是不可能的，当使用高清(很多像素，例如，1280*720)图像传感器时，数据流过大。此外，具有高分辨率的图像传感器通常使用记忆启发式阵列寻址和读出架构，其严格限制临时信息的可用性，此临时信息涉及光子到达传感器的时间。必须对大量的像素数据进行挑选以在传统的图像传感器中找到感兴趣的事件，此过程的电源效率很低。此外，考虑到光的高速(大约每纳秒0.3米)，即使是能够实现精细的时间分辨率(例如，0.5纳秒)的系统，其空间分辨率也会被限制到0.15米，这对很多应用来说是无法解决的。

技术实现要素：

提供此发明内容是为了以简要的形式对构思的选择进行介绍，在下面的详细描述中对其做进一步描述。此发明内容不意图确定要求的技术主题的主要特征或基本特征，也不意图用于限制要求的技术主题的范围。

在一方面，根据本公开的实施例提供一种用于确定到对象的距离(例如，测距)的设备和方法。所述设备包括：探询源，用于照明对象；图像传感器，包括用于检测从对象反射的照明并从检测的照明生成信号的高灵敏的光电探测器装置。与探询源和图像传感器一起操作的分析电路能够基于从图像传感器信号得到的三角测量确定到对象的距离，所述图像传感器信号对应于接收的从对象反射的照明。在实施例中，与探询源的激活相呼应地激活图像传感器中的光电探测器器件的子集，此激活限定设备的一个距离测量时段，在此时段中通过图像传感器中的响应于入射的反射照明生成信号的特定光电探测器器件的位置来确定距离。在实施例中，基于在测量时段期间响应于入射的反射照明存储在光电探测器器件中的电荷的量确定到对象的距离。

根据本发明的实施例，提供一种用于测量到对象的距离的系统。所述系统包括配置为在受控的角度发射探询光束的光子探询源。所述探询光束用于照明对象。所述系统包括结合到探询源并与探询源一同操作的图像传感器。图像传感器配置为接收由对象的照明(来自探询光束)生成的反射光束，图像传感器基于反射光束的特性生成信号。所述系统包括结合到探询源和图像传感器并与探询源一同操作的分析电路。分析电路配置为基于光子探询源的受控的角度和由图像传感器生成的信号确定到对象的距离。

图像传感器可以数种方式配置以在测距系统中运行，所述图像传感器包括适用于使用激活的像素地址对对象进行三角测距的图像传感器架构，其也包括在此描述的像素级别的飞行时间信息。在一方面，高灵敏光电二极管(例如，SPAD)具有高空间分辨力，使用其能够识别图像传感器阵列中经由从对象反射的照明入射的具体位置。当使用由SPAD激发事件直接触发的闩锁效应时，全部图像传感器能够二值化。可选择的，高灵敏光电二极管在像素级别的TOF 3D系统中可适用作触发器，其中，像素的电荷电平与光子从探询源到成像对象并返回图像传感器的飞行时间成正比。

根据本公开的实施例的图像传感器可制作为具有堆叠的基底定位，其中，顶基底(即，照明入射于其上的基底)包括光敏元件(例如，雪崩光电二极管)，底基底包括与在此描述的功能对应的控制逻辑和电路。

如在此描述的，根据本公开的实施例提供了一种具有完整数字图像传感器架构的3D成像系统。

在一方面，检测光学事件的方法包括：使用光子探询光束探询对象，与光子探询光束的激活基本同时地激活像素的阵列，所述像素包括雪崩光电二极管，雪崩二极管的电压偏置电平对应于以盖革模式和雪崩模式中的一个操作的像素；在阵列处接收从探询的对象反射的光束；在阵列上生成与反射光束的入射的位置对应的信号，所述信号对应于像素阵列地址和光子探询光束和反射光束的飞行时间(TOF)中的至少一个；以及基于信号确定到对象的距离。

根据实施例，探询在光子探询光束的受控的角度执行，其中，发射探询光束的探询源和阵列放置在彼此相距受控的距离，其中，基于受控的角度、受控的距离和由反射光输的像素阵列地址确定的入射角度的三角测距确定距离。在另一个实施例中，激活阵列包括快门，其中，快门包括以时变方式激活阵列的多个子集，其中，多个子集中的每个子集的子集激活时段基于受控的角度的值和受控的角度的变化速率。在另一实施例中，基于由包括在多个子集中的激活子集中的像素接收的反射光束生成信号，此外，其中，由活跃子集的剩余的像素对反射的光束的任意检测不包括在信号中。在实施例中，信号的生成包括由阵列的像素的锁存电路直接响应于接收反射的光束的像素来生成设定信号，其中，设定信号将像素的行地址和列地址中的至少一个传送到列解码器电路和行解码器电路中的至少一个。在另一个实施例中，设定信号是由接地参考光电二极管电流生成的正电压脉冲。在实施例中，生成信号包括生成响应于接收反射光束的像素在阵列的像素生成列解码信号，其中，列解码信号将像素的列地址传送到行锁存电路。在实施例中，阵列的像素包括至少一个电荷存储元件，并进一步激活光子探询光束和雪崩光电二极管的阵列，在从探询光束发射到接收来自对象的反射光束的时间段期间启动和终止至少一个电荷存储元件的变化的电荷电平，其中电荷电平对应于TOF。

根据本公开的一方面，用于检测光学事件的光学事件传感器包括操作为与光子探询源的激活基本一同激活的像素的阵列，像素包括雪崩二极管，雪崩二极管的电压偏置电平与在盖革模式和雪崩模式中的一个操作的像素对应；其中，像素的阵列操作为在阵列处接收从对象反射的光束并在阵列上生成与反射的光束的入射的位置对应的信号，其中，信号对应于像素阵列地址和探询光束与反射光束的飞行时间(TOF)中的一个，其中，像素的阵列操作为基于信号确定对象的距离。

在实施例中，在光子探询源的受控角度探询对象，此外，光子探询源和像素的阵列相对彼此设置在受控的距离，所述距离基于受控角度、受控的距离和由反射光束的像素阵列地址确定的入射的角度的三角测量确定。在另一个实施例中，阵列操作为快门，其包括以时变方式激活阵列的多个子集，其中，多个子集中的每个子集的子集激活时段基于受控角度的值和受控角度的变化速度。在另一个实施例中，基于由多个子集中的活跃子集的第一像素检测的反射光束生成信号，由活跃子集的剩余的像素对反射的光束的任意检测不包括在信号中。在实施例中，信号包括来自阵列的像素的锁存电路的设定信号，设定信号直接响应于接收反射光束的像素，其中，设定信号将像素的行地址和列地址中的至少一个发送到列解码器电路和行解码器电路中的至少一个。在另一个实施例中，设定信号是由接地参考光电二极管电流生成的正电压脉冲。在实施例中，信号包括在阵列的像素处的列解码信号，列解码信号响应于接收反射光束的像素，其中，列解码信号将像素的列地址发送到行锁存电路。在另一个实施例中，像素的阵列包括配置为在第一电压操作的第一基底和配置为在第二电压操作的第二基底，其中，第一电压高于第二电压，其中，光电二极管包括在第一基底中，其中，像素的阵列的逻辑和控制电路包括在第二基底中。在实施例中，阵列的像素包括至少一个电荷存储元件，其中，光电二极管的激活和雪崩二极管的阵列操作为在从探询光束发射到接收来自对象的反射光束的时间段期间启动和终止至少一个电荷存储元件的变化的电荷电平，其中电荷电平对应于TOF。

根据本公开的一方面，距离测量移动装置包括：处理器；存储器，有效地结合到处理器；光子探询源，配置为发射用于照明对象的探询光束；以及图像传感器，包括像素的阵列并对应于电荷存储元件，图像传感器有效地结合到探询源和处理器，图像传感器配置为接收由通过探询源对对象的照明生成的反射的光束，并基于反射的光束在阵列上生成信号，其中，探询源和图像传感器的激活在从探询光束发射到接收来自对象的反射光束的时间段期间启动和终止至少一个电荷存储元件的变化的电荷电平，其中，电荷电平由信号组成，其中，处理器操作为接收信号并基于信号输出对象的距离信息。

根据实施例，像素的阵列包括在盖革模式下操作的雪崩二极管的阵列。在另一个实施例中，电荷存储元件包括电容器，电容器配置为在接收由对应的像素的光电二极管生成的信号时响应反射光束的接收终止充电。

高灵敏二值化光电二极管能够用于本公开的图像传感器架构的操作，传统的(例如，活跃的)像素架构也能够用于两种图像传感器形态(例如，经由像素地址的三角测量和用于像素级别的TOF信息)。活跃的像素需要足够的灵敏度来检测有意义的数量的探询源光子以生成电压信号。然而，使用电压阈值方法，根据在此描述的实施例的数字图像传感器可用活跃的像素实现，但是当使用雪崩光电二极管或SPAD时，图像传感器不需要感测放大器或模数转换器。

因此，可预期图像传感器架构实施方式的范围-使用SPAD阵列的三角测量；使用激活像素阵列的三角测量；使用SPAD阵列的TOF；以及，使用活跃像素阵列的TOF。这些架构实施方式中的每个在控制成像传感器的操作方面提供很多自由度。改变探询源的激活和图像传感器的激活之间的时序的能力提供对探询视场的景深的控制。对探询源的输出功率的控制能够提高信号与环境光的噪声比，以及实现相对于期望的探询范围调整探询源的功率的能力-接近图像传感器的探询的对象比位于更远的探询对象需要更少的照明。图像传感器的输出帧率可通过针对给定的测量控制激活的像素的数目来改变。根据本公开的架构的这些特征提供在功耗、帧率和/或3D成像系统的图像分辨率方面的优化。

在本公开的上下文中，术语“照明”通常涉及在红外、可见光和/或紫外范围内的电磁波。

在本公开的上下文中，术语“多路复用器”涉及具有可由电信号或光信号控制的选择输入的电开关或光电开关。

在本公开的上下文中，术语“阵列”涉及元件以R行和C列的布置，其中，R和C均大于或等于1。例如，阵列可为图像传感器中的光电二极管和/或图像传感器中的像素的完全集。此外，R和C可具有相等或不等的值，行间和列间的空隙可相等或不等。术语“子阵列”和“阵列的子集”涉及数目小于全阵列的阵列元素的组，其可为连续的或不连续的。

前述是总结，因此必然地包含对细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将明白总结仅是示意性的并不意图以任何方式进行限制。如由权利要求唯一限定的，本发明的其他方面、发明特征和优点，将在下面阐述的非限制性的相似描述中变得清楚明白。

附图说明

包含在此说明书中并构成此说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于解释发明的原理。

图1描述了根据本发明的实施例的示例性的光学探询系统；

图2描述了根据本发明的实施例的示例性的雪崩光电二极管像素；

图3描述了根据本发明的实施例的单光子雪崩光电二极管的示例性电流-电压关系；

图4描述了根据本发明的实施例的在包括背景辐射源的环境中操作的示例性的光学探询系统；

图5描述了根据本发明的实施例的图像传感器架构的示例性原理图；

图6是对根据本发明的实施例的具有用于距离确定的多个目标的环境的说明；

图7是对根据本发明的实施例的具有用于距离确定的多个目标的环境的说明；

图8是示出根据本发明的实施例的确定到目标的距离的方法的流程图；

图9描述了根据本发明的实施例的集成有主机设备的示例性光学探询系统；

图10描述了根据本发明的实施例的示例性像素电路的框图；

图11描述了根据本发明的实施例的示例性像素电路；

图12描述了根据本发明的实施例的包括缓冲器和解码元件的示例性像素电路；

图13描述了根据本发明的实施例的用于图像传感器列自定时和读出行波传送功能的示例性电路逻辑；

图14描述了根据本发明的实施例的连接的像素电路的框图；

图15描述了根据本发明的实施例的图像传感器架构的原理图；

图16描述了根据本发明的实施例的图像传感器架构的原理图；

图17描述了根据本发明的实施例的具有部分配置为用于在第一电压和第二电压操作的至少两层的示意性半导体装置；

图18描述了根据本发明的实施例的具有堆叠的晶片设计的成像传感器阵列；

图19描述了根据本发明的实施例的制作具有堆叠的晶片设计的成像传感器阵列的处理步骤；

图20描述了根据本发明的实施例的具有堆叠的晶片设计和减小的像素间距的成像传感器阵列；

图21是示出根据本发明的实施例的制作半导体装置的方法的流程图。

具体实施方式

在一方面，本公开的实施例提供一种具有有效地结合到图像传感器的探询源的系统。探询源(例如，调谐到红外(IR)波长的激光器)可配置为照明在系统的视场中一个目标或多个目标，图像传感器配置为检测来自感兴趣的目标的反射照明。图像传感器包括高光敏探测器的阵列(例如，雪崩光电二极管的阵列)。在实施例中，雪崩光电二极管包括在其击穿区域外操作的操作为单光子雪崩二极管(SPAD)的p-n结装置，使得入射光子能够引发自激雪崩效应(例如，在被称为盖革模式下操作的雪崩光电二极管)。在实施例中，图像传感器响应一个(或数个)入射光子并生成指示在具体的图像传感器阵列地址处的光子检测的信号。换句话说，通过像素的光敏元件对数个光子的接收适用于通过像素的检测，当使用这些像素时，导致检测光学事件需要的光子的数量减少(如与在传统模式下操作、具有在时间周期集合数百个光子的光电二极管以检测照明并生成信号的像素比较)。通过像素地址与已知的探询源角度和到图像传感器的距离得出的精确的位置信息，可高准确度确定到目标的距离，并最小化电路复杂度、成本和功耗。此外，图像传感器能够被配置为与探询源的激活一起，通过启动图像阵列像素的时变子集来操作(例如，旋转的像素子阵列)，以降低背景噪声和系统功率需求。这些使用允许例如，在光学探询系统的对应的光源中使用低得多的光学输出功率，低光学功率需求的一个可能优点是人眼的安全。

应理解的是，单个或少数光子事件检测像素适用于各种基于光学探询的感测模式，包括但不限于，测距、TOF和3D成像应用。在实施例中，图像传感器阵列的独立像素能够确定从感兴趣的(多个)目标反射(或反向散射)的接收照明的TOF信息。系统上可包括光学封装件，其能够过滤输入到图像传感器的辐射波长和/或用于将入射辐射会聚在像素的光敏区域上(例如，提高像素的填充因子)。在实施例中，图像传感器阵列能够以与探询源的激活同步的方式接收照明。本公开的系统能够用最小化的片上电路、延迟和功耗在明亮的环境光中在中等的距离区分从探询源接收的光子爆发和从背景噪声接收的光子爆发。图1示出了根据本公开的实施例的测距装置的整体图。应理解的是使用这样的一个或少数光子像素的光学探询系统能够集成在诸如移动装置(例如，智能电话、平板电脑等)的主机装置或其他主机装置中。

现在将详细说明几个实施例。将结合可选的实施例描述主题名称，但是将理解的是其不意图将要求的技术主题限制到这些实施例。相反，要求的技术主题意图覆盖在由所附的权利要求限定的所要求的技术主题的精神和范围内的替换、修改和等同物。

此外，在下面的详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对要求的技术主题的彻底理解。然而，本领域技术人员将认识到，可不使用这些具体的细节或其等同物来实施实施例。在其他实例中，没有详细描述公知方法、过程和组件以避免主题的方面和特征的不必要的模糊。

下面的详细描述部分是对方法的描述和讨论。尽管在此在附图中(例如，图8和图21)公开了用于描述方法的操作的步骤和顺序，但是这些步骤和顺序是示例性的。实施例也适用于执行各种不同的步骤或在此附图的流程图中记载的步骤的变化，并可以以在此描述和描绘的不同的顺序执行。

在驻留在某种形式(诸如，程序模块，由一个或更多个计算机或其他计算装置执行)的计算机可用媒介上的计算机可执行指令的通用情境中讨论在此描述的实施例。通常，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，其执行具体的作业或实现具体的抽象数据类型。程序模块的功能可如在各种实施例中期望地那样组合或分布。

通过示例的方式而非限制，计算机可用媒介可包括计算机存储媒介和通信媒介。计算机存储媒介包括以任意方法或技术实现的用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的易失的和非易失的、可移动的和不可移动的媒介。计算机存储媒介包括但不限于，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除编程ROM(EEPROM)、闪存或其他存储技术、光盘ROM(CD-ROM)、数字通用光盘(DVD)或其他光学存储器、盒式磁带、磁带、磁盘存储器或其他磁存储装置，或可用于存储期望的信息的任意其他媒介。

通信媒介可在诸如载波或其他传输机制的调制数据信号中实现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据并包括任意信息传递媒介。术语“调制数据信号”意味着具有以关于在信号中编码信息的这样的方式设置或改变其一个或更多个特征的信号。通过示例的方式而非限制，通信媒介包括诸如有线网络或直线连接的有线媒介以及诸如声音的、射频(RF)、红外线的和其他无线媒介的无线媒介。上述的任意的组合也可包括在计算机可读媒介的范围内。

在下述实施例中，描述了执行高分辨率、高帧率、低功耗测距的技术。实施例包括确定到对象的距离的方法，所述方法包括如下步骤：使用探询光束照明对象、使用高感光图像传感器接收从对象反射的照明以及基于激活的像素的地址使用三角法确定到对象的距离和/或在像素级别确定的TOF信息。

SPAD控制

在本发明的实施例中，图像传感器中的雪崩光电二极管(包括，例如，局部和/或全局可变的反向偏置)可用于在测距和3D成像应用中提高敏感度并减少曝光时间的需求。盖革模式下的雪崩光电二极管(例如，SPAD)在超过自然反向偏压击穿的很极端的反向偏置条件下工作，并可仅仅暂时保持在这样的电压直到事件触发它以(非常快速地)产生电流为止。由于SPAD不能长时间保持在极端的反向偏压条件下，因此当使用这样的装置作为探测器时存在时间因素。在事件触发之后由SPAD生成的大电流可为破坏性的，因此，经常将电阻器加到所述二极管以限制电流，使得一旦SPAD“激发”(例如，快速地生成电流)，其可在短时间内将电流输出为安全级别。一旦激发，SPAD的雪崩电流由电阻器或其他负载机制淬灭(quenching，抑制)。可缓冲SPAD处的电压(同样的，可诱发极性的改变)用于像素操作。在图2中描述了根据本公开的雪崩光电二极管的示例。

SPAD对光子事件的响应非常快，是皮秒级的。诸如入射光子的波长、环境温度、SPAD的单元尺寸(面积)和偏置电压的范围(例如，过电压)、量子效率和暗计数率(DCR)的因素影响SPAD的功能。一旦放电，SPAD需要一些时间来再充电(被称为死时间dead time)，通常为大约20-40纳秒的范围。通常，只要几十个光子(大约20个光子，根据光子波长和探测器单元尺寸)就足够触发SPAD的快速电流生成。

在本实施例中，包括SPAD的像素能够被配置为局部和/或全局级别上的可变像素灵敏度，并可根据环境光需求和/或景深需求来调谐(即，反向偏压控制可用于根据曝光约束和/或需求调整光电二极管灵敏度)。在此操作的系统中，存在由光电二极管的灵敏度设置的范围限制。当在盖革模式下操作时，SPAD处理暗计速率(DCR)，对SPAD噪声的测量(SPAD噪声的值依赖于诸如SPAD单元尺寸、SPAD的温度和过电压(例如，超过击穿阈值的电压电平)等因素)。不存在任何照明时，SPAD的DCR提供对SPAD在经历雪崩事件之前可保持在盖革模式的时间长度的统计测量。与环境光组合，DCR提供必需与探询光束的传输的信号区分开的背景噪声信号以获得有意义的信号。因此，当与在TOF期间积聚的环境光子结合时，DCR提供对对象能够被探询的最大范围的估计。

在本公开的实施例中，使用光学陷波滤波器(例如，图1的光学器件135)来阻止过多的感兴趣的探询波长之外的背景噪声光子影响像素。探询源能够被选择、或调谐以发射接近光学陷波滤波器的中心的波长。在另一个实施例中，选择光学陷波滤波器的中心波长以最小化来自太阳的背景辐射。例如，具有对应于强烈的大气吸收线的中心波长，诸如850纳米或940纳米(例如，由于水引起的大气吸收线)。本公开的这样的实施方式可允许，例如，更高的光电二极管增益。减小光学滤波器的带宽的权衡是在于带宽的减小同样导致系统的视场的减小。可调谐的探询源，在潜在的增加成本的同时，可用于进一步提高SNR。当在可预期的可对眼睛产生危害的环境中操作时，应考虑整体的光学功率和波长。此外，成像帧率可基于像素的灵敏度(即，曝光时间需求)和/或读出速率和/或像素阵列的尺寸确定。可采用高帧率刷新来获得对运动目标的适当的高奈奎斯特采样速率。

本公开的实施例提供具有极度敏感的光电二极管的图像传感器，因而，对对象的距离确定能够由报告入射的探询照明激活的像素的阵列地址的新的寻址方案得出。应当知道的是，本发明不限于SPAD技术，可使用任意具有足够灵敏度的光子探测器。

经由集成三角测量的测距

在一方面，本公开的实施例提供一种用于确定到对象的距离的光子探询系统。图1是根据本公开的实施例的用于确定到对象的距离的示例性光子探询装置105的示意图。探询装置105包括探询源110和图像传感器115。探询源110和图像传感器115分开限定的距离120(作为非限制的示例，距离120为5厘米)。在实施例中，可以以受控的方式修改距离120。探询源110配置为发射探询光束125，图像传感器115配置为在光学装置105的视场中检测从对象返回的照明130。成像传感器115包括形成图像传感器115的像素的光敏二极管140(例如，雪崩光电二极管)的阵列。

在根据本公开的实施例中，阵列140包括由至少两个堆叠的晶片(或基底)形成的SPAD像素140a。SPAD像素140a可基于偏置电压在线性雪崩模式或盖革模式下操作。SPAD像素140a包括光敏区域145a和像素电路区域150a(例如，高电压线、像素输入/输出线)。根据实施例，与像素电路逻辑对应的像素电路元件形成在与SPAD单元(例如，形成在与p/n结对应的基底上的光敏区域)分开的基底上。即，如在此描述的，具有多个SPAD单元的基底可堆叠在具有多个逻辑控制电路的晶片的顶部(例如，晶体管、启动线等)。在根据本公开的实施例中，阵列140包括形成在一个晶片上的SPAD像素140b，其中，光敏区域145b可与像素电路逻辑150b(例如，高电压线、像素输入/输出、TOF信息存储元件)邻接。像素140a和140b可包括至少一个飞行时间(TOF)元件，即，雪崩二极管在线性雪崩模式或盖革模式下操作并包括例如，配置为存储与TOF值对应的电荷的存储电容器。光学系统135可被包括在装置105中，藉此，光学装置135聚焦和/或过滤入射到图像传感器115上的反射光。光学探询装置可包括环境光传感器(未示出)。如在图1中示出的，探询光束125直接朝向对象150，返回的照明130落在图像传感器115上。

在实施例中，探询源110为激光器，例如，具有谐振MEMS扫描镜的激光器(垂直腔面发射激光器(VCSEL))。探询源110能够发射IR波长或其他波长的辐射。在实施例中，镜子在x方向谐振(例如，沿图像传感器阵列的列)，并在y方向阶跃(例如，沿图像传感器阵列的行)。谐振扫描激光器能够使探询光束125横扫探询装置105的视场。在实施例中，探询源110从激光器生成高强度光子(例如，探询光束125)的光栅扫描。在实施例中，为了解释探询源110跨越视场的谐振运动，控制探询光束125的激活以提供跨越图像传感器115的基本相等的辐射(例如，基于探询源角度111的探询源110的占空比的正弦线性化)。

在准直“点”模式下，在特定的角度(例如，探询源角度111)并具有限定的脉冲周期的探询源110的激活用于在图像传感器115处每次一个像素地“描绘”网格图像。如在此描述的，镜子的扫描速率(因而激光束)是系统时序的重要因素，尤其是像素激活时序的重要因素。探询源110和图像传感器115共平面，将图像传感器115的场景的视场限制为与装置105的视场在相同的平面。因此，任何返回的光子(例如，返回的照明130)将与探询光束125在相同的平面。因此，对于图像传感器115的阵列，基于探询源110的角度111，将得知具有预期的光电二极管激发的行。然而，行中的特定列是未知的，因为到对象150的距离(以及返回照明130的返回角度)是未知的。对象150可在装置105的视场中的多个距离/位置。

返回的光130入射到光学器件的角度(角度116)确定具有光电二极管激活的图像传感器阵列的列(例如，在行中的位置)和距离(经由三角测量)。包括图像传感器115的装置105的透镜和光学器件(例如，光学器件135)将看到在直至观看范围界限的距离处的点(光的立体角)。来自此点(对象150上的点)的击中图像传感器115的孔径的光子将聚焦到一个阵列元件(例如，一个像素)上。在可选的实施例中，探询源110以“扇形”模式下操作，其中，发射照明的条纹。在实施例中，条纹与探询源移动的轴(例如，谐振轴)基本垂直。在这样的实施例中，反射的照明130可入射到阵列元件的与探询光束125的方向平行的全部列(或行)上。由于被探询对象(例如，对象轮廓)的特征，返回的照明130也可非平面地返回并入射到与对象的轮廓对应的数个列上。在扇形模式中，所有的光电二极管行一次全部激活。探询源的输出功率可增加以补偿整个列(所有行)的分布。用于此装置的图像传感器115架构能够用最小的延迟、最小的功耗、高刷新频率和最小化的芯片上电路记录在明亮的阳光中来自探询源110的光子爆发。在实施例中，经由在图像传感器115阵列中的激发的光电二极管的位置(例如阵列地址)使用精确的位置三角法确定到对象的测定距离。如在此讨论的，由于考虑到背景噪声，本公开的实施例包括图像传感器115的光敏二极管，在具体的测量时段，光敏二极管为与探询光束125的激活同步的方式感测而激活。在此描述的系统能够经由根据像素地址记录的高灵敏度像素事件提供高吞吐量。此外，根据本公开的实施例提供经由像素级别的TOF计算计算到对象的距离的装置，这样的信息对于根据三角法信息(例如，三角测量)计算距离的实施例不是必需的。定位方法(例如，像素地址)通过去除对在像素中的生成TOF信息的昂贵电路的需求，能够降低系统的成本。此外，由于像素地址可经由例如查找表寻找，降低了计算需求。此外，在像素级别的电路的最小化增加了相同尺寸的阵列的系统的分辨率，因为每个像素的光敏部分随着全部像素的共享(例如，填充因数增加)变得更大。诸如成本和尺寸的因素对于诸如手持和/或可穿戴装置的应用非常重要。

图2描绘了根据本公开的实施例的SPAD像素架构140。在实施例中，通过字线信号和位线信号实现SPAD像素的启用。SPAD像素包括光电二极管145。SPAD像素可包括分别经由有源负载或电阻负载220的有源和/或无源抑制(淬灭)。SPAD像素可包括缓冲器225。在实施例中，有源抑制(淬灭)由有源负载提供，可基于来自可选的反馈抑制电路230的反馈激活所述有源负载(例如，SPAD雪崩电流的上升沿触发)。抑制时间能够计入多路复用解码开关开销时间。在实施例中，被驱动重置的像素行和列被内建，启用统计噪声(例如，DCR、环境光)的重置。在实施例中，高电压供应线是静态的(例如，非开关的)，并且接地参考字线允许高电压电流通路。

图3描绘了根据本公开的实施例的SPAD电流电压特性300。电流电压特性300包括指示SPAD操作的相位的箭头。描绘了反向偏置电平Vgeiger，其中，反向偏置电平Vgeiger是超越半导体p-n结的击穿电压Vbreakdown的反向偏置电压，并指示雪崩光电二极管(例如，SPAD)的所谓的盖革模式。在电压电平Vgeiger，SPAD将从入射的光子辐射生成电流(电子的雪崩)和热噪声。SPAD增益(例如，电子倍增器因素)基本线型依赖于过电压和SPAD单元尺寸的面积。同样地，光子和/或SPAD的热激活(例如，DCR)的可能性随着过电压的增加而增加。一旦雪崩电流开始，SPAD被抑制以阻止过大的电流。一旦SPAD被抑制并返回至较低的电压偏置，为了准备用于进一步激活的SPAD，SPAD电压偏置返回至Vgeiger。击穿(例如，“激发”)SPAD的典型的定时值少于1纳秒，抑制和重置是大约20-40纳秒。抑制可为无源或有源的，在优选的实施例中，使用有源抑制以最小化抑制时间并由此提高SPAD生成多信号的速率。

图4描绘了包括明亮照明的场景400，并包括使用背景辐射源401(例如，太阳)照明对象440的操作以确定到对象440的距离的示例性光子探询装置105的示意图。探询源110以角度411发射探询光束425，其从对象440反射(或反向散射)以形成具有角度416的返回的照明430。返回的照明430由图像传感器115接收(位于距图像传感器115距离120处)，并形成由光子探询装置105所做的距离确定的基础。与照明光束425同时地，辐射源401使用基于辐射源401的输出功率的光子的通量不断地照明对象440，在辐射源401是太阳的情况下，辐射是宽光谱的。来自辐射源401的光子照明对象440，并形成入射到图像传感器115上的反射照明435。

包括高灵敏光电二极管的图像传感器115不区分来自探询源110的光子和来自辐射源401的光子。对在盖革模式下操作的包括雪崩光电二极管(例如，包括SPAD)的图像传感器，单个的二极管响应大约20个光子。SPAD的暗计速率连同来自辐射源401的大的光子流量将导致图像传感器215内的SPAD快速的激发，其可早于从距离装置105适中的距离处的对象440返回的照明430的接收。探询源110在对象440上的照明(例如，发送信号)，连同由辐射源401(例如，太阳(具有光学滤波，在可被感测的太阳的照明的波长，例如，探询源110的激光波长))对对象440的照明带来信号背景噪声比(SNR)。因此以基于探询源110的激活的时机激活图像传感器115是有益的，以通过在测量时最小化入射在图像传感器115上的环境光子的数量来提高SNR，同样通过降低的像素激活时间来减少在图像传感器115处的整个DCR对噪声的贡献。

对于背景噪声，更长的测量长度对应更长的TOF，导致接收的环境光子和暗计数的增加。光子经过探询光束425的整个TOF到达图像传感器115。为了生成对确定到对象440的距离有意义的信号，返回的照明430必须传递需要的光子的数量以在通过环境光和DCR激活之前激活第一启用光电二极管。由于通常为激光器的探询源110发射具有有限脉冲宽度的脉冲，能够计算来自探询源110的期望的发送光子的数量。来自辐射源401的光子通量(例如，光子接收的速率)可始终是固定的，根据输出功率和占空比，来自探询源110的光子通量能够高得多。

下述时窗提供在一个测量时段内对像素激活有用的时窗，在所述时窗中，在响应于背景噪声生成信号之前激活SPAD。换种方式说，将要被测量的对象(例如，对象440)将在这样的距离内，所述距离应使得探询光束425和返回的照明430的TOF将不超过SPAD将由于背景噪声而激发的时间。因此，存在与对象距离测量的最大范围对应的最大的有用TOF(光每纳秒行进大约0.3米，由于测量的输出和返回的性质，确定的最大范围减小1/2)。在到探询对象的大约范围是已知的测量场景中，可基于到被探询对象的已知的大致距离通过协调图像传感器115的激活与探询光束425和返回的照明430的预期的组合TOF来最小化环境光子(例如，背景噪声)的累积。换句话说，为了拒绝来自在到探询对象的预期范围之外的景深范围里的环境光子，图像传感器115的光电二极管的激活可为TOF-选通。此TOF不需要由TOF特定电路直接测量，但可基于根据在此描述的三角测量的距离测量来确定。

脉冲窗口和像素窗口限定一个距离测量时段。在此方式下，探询光束角度411可与返回角度416相关，并与距离120一起提供到对象440的距离确定。在图像传感器115处接收的光子是清楚的是重要的，使得在角度416接收的光子恰当地归因于发射光子的探询源角度411。此外，在探询光束角度411和接收角度416之间可发生去同步，导致到对象440的距离计算的错误。然而，对于每个像素可用的时间必须受光子预算(photon budget)和距离限制，允许探询源(例如,110)或图像传感器115的每次扫描的总时间将遭受由噪声导致的激发以及探询光束的发射和接收的去同步。

作为可理解的，图像传感器的功能和时序对于根据本公开的光学探询系统是具有特别的重要性的。基于三角测量确定到对象的距离的概念可进一步由传感器的架构加强，以最小化由传感器消耗的功率和高灵敏雪崩光电二极管的阵列由于噪声而可能产生的虚假信息。例如，如果图像传感器的全部阵列配置在盖革模式下并且被启用，则SPAD的大部分可几乎同时激活，但由于探询源110(例如，发送信号)可能只有一个(左右)依赖于曝光时间被激活。相反地，在阵列内的SPAD的选择性地激活能够降低图像传感器115的感兴趣的区域的基于阵列的DCR噪声，从而提高光学探询装置的SNR。

可编程的图像传感器行&列快门

图5是根据本公开的实施例的示例性图像传感器架构500的示意图。图像传感器架构500包括光电二极管140的阵列，开始、设定、测距控制输入505、高电压和供电电路510、复用器体(multiplexer bank，复用器库、复用器堆)515、感测放大器520、检测和锁存电路525、复用器序列发生器530、地址锁存器535以及地址和边缘触发器输入/输出电路540。架构500进一步包括图像传感器中像素的阵列的像素550的子集，所述子集在此被称为像素的“子阵列”或“阵列的子集”，全部阵列具有R行和C列的尺寸。

利用图像传感器(例如，图1中的图像传感器115)中高灵敏的光电探测器的使用，使得低功率高分辨率光学探询系统能够确定到对象的距离。通常，利用小单元尺寸和在IR波长，SPAD像素140需要接收大约20个光子来被激发。在实施例中，通过仅记录基于对来自由感兴趣的对象反射的入射探询光束的光子的接收在特定的时间帧内(例如，像素时间帧)产生信号的像素的地址来确定精确位置的三角测量。由于光学探询系统控制探询源激活的时序(装置控制何时产生输出信号)，装置能够被编程以预期返回信号应到达的大致时间段(对于呈现在已知范围内的对象，例如，在已知的景深内)。

为了在低功率操作光学探询系统，应在尽可能多的组件中实现功率节约(同时仍保持适当的分辨能力)。在基于高灵敏度SPAD的像素的使用降低了探询源的功率需求时，仔细考虑在图像传感器阵列中的单个SPAD被启用的方式能够得到进一步的增益。如在此讨论的，雪崩光电二极管需要大的反向偏压来进入盖革模式，其初始化(例如，经由高电压和供电电路510)对每个单独二极管需要一定的功率。此外，在盖革模式中的雪崩二极管(例如，SPAD)不能够无限制地保持此状态，而是在相对短的时间过去后将自发地激发(根据诸如环境光、单元尺寸、温度、二极管的过电压的情况)。因此，在图像传感器阵列同时激活所有光电二极管是不期望的，随着在除探询源之外的其他源出现激发事件的可能性增加，光电二极管的启动消耗的功率也增加。

降低功耗和由非探询源事件导致像素激活的可能性这两者的方法是在测量时段期间仅激活图像传感器中的光电二极管的子集。换一种方式说，在给定的时间时段(例如，像素激活时间)期间激活“页”(例如，像素的子阵列550)并启用“页”以检测探询源的发送并生成信号，同时图像传感器阵列中的其他像素保持休眠。减少数量的光电二极管的激活降低功耗，也可降低由于背景噪声(例如，通过去除DCR，环境光触发阵列中的未启用像素)导致的假的自发激活的可能性。

对于没有对象存在的位置/距离的在先的知识的视场，优选地启动图像传感器中的所有像素以提供检测来自视场中的对象的反射照明的最佳时机。使用图像传感器中的像素的子阵列执行对了解视场中对象的之前位置/距离的所述视场的探询。由于对到视场中的对象的预期位置/距离的了解提供在来自探询系统中的给定的探询光束角度下的来自对象的反射照明的预期的(大约的)位置，因此可使用像素的子阵列。此情景代表探询系统的配置图像传感器以仅激活像素阵列的子集的能力的使用。结合光学探询系统，其可反过来提高帧率并降低探询系统的功耗。例如，此情景可在视场中已知场景(例如，近来已经被测量的视场)的更新期间存在。

在给予正被测量的体空间(例如，最小距离和最大距离)的资讯的情况下，子阵列550的尺寸可基于对光子应到达的地点的预测。由于诸如视场中对象的位置、探询源的功率、环境光级别、单个SPAD的过电压电平等因素，子阵列550的尺寸可需要增加或减小。对于具体的测量时段活跃的光电二极管的特定子集能够随测量改变(例如，当探询源移动以对视场的不同部分采样时)，从而生成活跃的图像传感器光电二极管550的“滚动子阵列”。其在图5中通过若干个像素子阵列550的集如虚线箭头指示的随时间沿传感器阵列移动来描绘。作为非限制的示例，使用图像传感器阵列的3个相邻行和4个相邻列(3×4子阵列尺寸)来构造子阵列550。作为另一个非限制示例，使用所有行和数个(例如，3)相邻激活列来构造阵列-高子阵列550'。可与以例如扇形(例如，线)模式构造的探询光束125一起来使用子阵列550'。

在一方面，可考虑此滚动子阵列550作为用于光学探询系统的一种滚动开关。子阵列550的移动通常以相同的在测量时段像素的激活/失活的速率(也被称为“像素率”)增加。如在此描述的，像素速率可由诸如探询源在测量视场内移动的角速度(例如，基于扫描镜的MEMS的谐振频率)、探询源的模式(例如，阶跃模式或“扇形”模式)、环境光级别等因素确定。此外，通过仅记录经由像素地址的像素事件，能够获得信息的高输出。

能够以多种方式设置与光学探询源的激活相关的像素子阵列550激活的时序。在同步模式中，探询源的连续脉冲之间的时间通过诸如环境光级别、探询源的功率、脉冲时间等的因素确定为光学探询系统级别，子阵列550在与来自探询源的脉冲激发的同时激活。换句话说，探询源和像素子阵列550以同步、逐脉冲方式被控制。脉冲之间时段的约束包括激活像素子阵列550的子集中的单个光电二极管需要的光子的数量，以及用于确定对象的位置的最大TOF(指示用于检测的对象的最大范围)。在实施例中，在启用一个探询源脉冲的时间段内，每个像素完成达到额外的反向偏压阈值、在直到最大TOF的时间段内保持阈值、激发(如果检测到光子)、以及淬灭的序列。如果最大TOF大于探询源的脉冲时段，则在像素子阵列550的同一测量时段将存在探询源的多个脉冲，导致距离确定不清楚。距离的三角法确定需要唯一的探询源角度与唯一的接收像素地址。因此，最小化SPAD完成启用/激发/重置循环需要的时间对光学探询系统的操作是有益的，因为其能提供更高的探询源脉冲频率和更精细的图像传感器阵列分辨率。降低SPAD操作循环的一种方式是通过最小化SPAD的淬灭时间。其能够经由SPAD的有源淬灭实现，藉此有源负载能够在来自SPAD的雪崩电流出现时启动。在实施例中，如果TOF超过(探询源频率)^-1，则探询源脉冲和像素子阵列550均增加，没有事件被记录。

像素子阵列550的可选时序是异步操作，其中，探询源和像素子阵列550是同步启用的，但是通过检测事件的时序确定探询源脉冲之间的时序。在实施例中，探询源仅在像素子阵列550接收返回信号(例如，反射的光子)或当系统出现超时(time-out，暂停)时发射脉冲。系统超时(time-out，暂停)是可在系统级配置的，并能够基于环境光级别、到对象的最大范围、探询源脉冲功率和脉冲宽度等。在此方式下，能够执行光学探询系统的可变的或自定时操作。对于位于更远距离(例如，数米)的对象，系统的帧率将是可变的。对于附近的对象，异步模式下的操作能实现更快的探询源脉冲和像素子阵列率，因为在存在待测量的近处对象时，最大TOF超时(timeout，暂停)不是因素。

在根据本公开的实施例中，复用器体515结合到图像传感器阵列的行和列。在一个实施例中，复用器体515根据激活的当前子阵列选择输出，例如，对应于当前子阵列，从768行，8位分辨率中选择3行，从1024列,8位分辨率中选择4列。其他的复用器体构造也是可能的。复用器体515的输出分别连接至行和列感测放大器(或比较器)520。在实施例中，在任意行发出信号的第一光电二极管将产生“赢者通吃”检测和锁存525，例如，对于3活跃行，1将作为检测信号输出。同样的，与发射信号的光电二极管对应的列能够生成检测和锁存525输出(例如，4个中的1个)。根据本公开的实施例，输出信号仅记录激发的像素位置(例如，仅来自“赢者通吃”检测和锁存的像素的地址)，并不包括来自其他像素的信息。检测和锁存525的其他组合是可能的，并且与本公开的精神和范围一致。要被激活的第一行地址和要被激活的第一列地址的组合给出了与在测量时段期间启用的探询源光束关联的唯一像素地址。该像素地址包括与特定的探询源角度对应的输出信号。例如，图像传感器的输出是2位行信息和2位列信息，由于测距信息是基于确定的子阵列地址，因此，信号管理和输入/输出挑战与传统的测距系统相比能够充分的减少。

尽管以系统测量范围(例如，最大景深)作为代价，但是SPAD时序能够被外部选通以减低噪声。为了减小的芯片尺寸，可使用外部定时和控制电子器件，然而，存在印刷电路板(PCB)的设计与芯片设计级别之间的权衡。控制输入信号能够经由边沿触发产生可编程设置、像素启用和复用器序列发生器530的自时序。复用器序列发生器530包括由开始信号505触发的定时和控制逻辑。

在光学探询系统的测量阶段期间，随着探询源增加探询光束的发送的角度，与探询系统相距不同距离的两个对象的存在可导致以下情况的出现：对象位置的突然明显的改变的出现，或者对象的存在没有被恰当地检测。图6和图7示出了一个此情景的实施例，其中，近处的对象掩盖远处对象的至少一部分。

图6示出了环境600，其中近处对象610和远处对象615由光学探询装置105测量。在第一测量时段，发射探询光束60，其在近处对象610反射回来并以角度θι入射在图像传感器上。在第一测量时段后的第二测量时段，发射探询光束62，其以角度θ₂从远处对象反射回来。由于对象610和对象615处于不同的距离，返回角度θι和θ₂不同的程度依赖于两个对象610和615之间的相对距离。在仅一个测量时段这些不同的返回角度的影响在于来自第二测量的返回的照明将在从第一接收信号的地址远离一些位置的阵列地址处接收，导致接收角度的与对象之间距离成比例的明显变化。跳跃角度由图6中的θ_S代表。由于正在使用三角测量确定的距离，此情景导致装置105返回的对象的位置的跳跃活动。通常，存在比近处的对象距离探询源更远的对象不能成像的区域650。

图7也描绘了具有待测量的多个对象(近处对象710和远处对象715)的环境700。对象710和715的几何关系使得在探询光束角度的一定范围内，由入射在远处对象715上的照明引起的反射的照明将被近处对象710阻挡而不能在装置105图像传感器处接收。该情景可通常被称为对象遮挡。在示例中，第一探询光束70入射在远处对象715上，勉强避开对象710，形成反射光束72并入射在装置105的图像传感器上。之后的探询光束71入射在对象715上，但71的反射被对象710阻挡而不能进入图像传感器的视场。这导致装置105的测量到远处对象715的被近处对象710遮挡的部分的距离的失败。在扫描循环的后续点处，发射入射在近处对象710上的探询光束78，并再次在探询装置105的图像传感器处接收反射的照明。通常，存在这样的区域750，在该区域750中，距离探询装置105比对象710远的对象将由于反射的照明被遮挡而不能成像。

解决在探询光束返回角度中的这些突然跳跃(例如，图6和图7中的)的方法是一次启用更大组的像素(例如，增加子阵列或像素的页的尺寸，例如，图5的子阵列550)。在最大程度上，此尺寸可高达达视场的一半(与探询光束扫描的相同维度，例如，沿着列)。在此情况下，像素的子阵列的宽度可高达列的一半。此外，像素的子阵列在与扫描方向正交的方向上(例如，行)可需要一些深度以解决在探询源的与图像传感器相比的受控位置与实际位置之间的不重合，和/或光学探询系统相对于视场的移动。探询源位置中的机械/光学的多个源的未对准的种类包括MEMS转向和响应线性。这些能够通过增加活跃的像素的子阵列尺寸来解决。由未对准导致的距离确定错误涉及像素阵列的分辨率，对于给定的角度失配，精细解决的阵列(小像素尺寸)将具有更大的返回位置错误，因为更多数量的像素将被跳过。但是这种方法可一定程度上导致光学探询系统的更大的电路复杂性和更大的功耗，应寻求由于(采样的)过小的子阵列尺寸导致的来自探询光束的光子的返回集的丢失的可能性和由于观察过大的区域而增加背景噪声的可能性之间的平衡。

近处对象和远处对象(例如，对象610和615)之间的距离影响跳跃的角度，更小的内部对象距离给出更小的跳跃角度，反过来导致减小的子阵列尺寸需求。在根据本公开的实施例中，可基于(例如，经由确定的跳跃角度)检测的光学探询装置的视场中对象之间的距离而自动做出子阵列尺寸调整。根据实施例，为解决由诸如视场中的运动对象或新引入的对象导致的跳跃角度的改变，动态调整子阵列550的尺寸。

光学探询装置的调整传感器阵列的像素的子集(例如，像素子阵列550的尺寸)的能力进一步提供功能性。在本公开的实施例中，通过在(例如，帧缩放)期间减少图像传感器阵列中的激活的行的数目来调整光学探询装置的输出帧的帧率。换句话说，通过考虑比总的可能阵列行少的行(例如，在图像传感器架构500中激活少于768行的行)来减小帧尺寸，其导致帧率的增加。帧率的增加将与扫描的行的减少成正比(由于探询源的谐振运动，列的扫描的时间保持不变)。通过探询源的全扫描能够生成全帧，例如，探询源谐振与图像传感器行轴平行谐振并在与图像传感器列轴平行阶跃。探询源脉冲激活的脉冲能够被限制到包括在减小的帧区域中的区域，同样地，滚动的像素子阵列550能够仅在减小的帧区域激活。在实施例中，探询源以脉冲点模式激活，探询源的阶跃运动减小至仅覆盖帧缩放区域中的行。以此方式的探询源和图像传感器的操作可导致探询源和图像传感器阵列的功耗的减少。此外，如在上面记载的，随着在视场中的特定区域的缩放，帧率可增加。

用于激活图像传感器光电二极管的子集的各种实施方式是可能的。作为对相邻像素的滚动子阵列的示例性替代，使用分开的8列像素的激活执行粗略的第一扫描，之后进行分开的4列的更精细的扫描，然后2列，等等。在此方式下，确定设置在视场中的对象的位置的粗略估计。通过从粗略到精细能够实现独立的位置的精细化，从而实现对象位置的微调，并且其探询源角度制造“跳跃”角度。在实施例中，校准模式包括具有活跃的像素的大列间隙的粗扫描及之后的列间隔(例如，列间隙中的列的数量)和/或扫描的区域(例如，在图像传感器阵列中的滚动子阵列位置)的微调。在此方式中，能够通过设定逻辑脉冲相对于当前视场中的对象位置更精确地设置逻辑脉冲来减小背景噪声，例如，启用在确定的列上的像素以形成减小的滚动子阵列的逻辑脉冲。

在实施例中，使用确定初始对象所处位置的检测的接收信号的位置产生第一扫描，以生成最大分辨率的第一帧。在此最初的高帧率扫描之后，对像素(列)活跃、曝光延迟、定时等做出改变。根据本公开的实施例，通过迭代循环实现这些改变。作为非限制性的示例，确定信号检测停止的点(例如，通过连续减少曝光)。从此点开始，增加曝光至信号重新开始的点，然后将曝光与在此条件下的对对象成像的实质优化方案关联。在此方式下，与光学探询范围的增加一起实现背景噪声的基本减小。在系统级别实现此调整。

另一种用于增加图像传感器的帧率的技术包括全行扫描模式(例如，阵列-高，探询源光“扇”的扫动)。在此模式中，像素页(例如，子阵列550)可为阵列-高页，具有利用探询源脉冲增加的激活列的确定的子集。由于所有的像素将利用探询源的每个角度扫描激活，可显著增加帧率，具有增加的系统带宽需求。

经由集成飞行时间的测距

在本发明的实施例中，够使用每像素(例如，像素140b)时间编码光子激发信息结合在探询源(即，光源)和探测器之间的同步接口，来配置单个或数个光子检测阵列，以允许获得TOF和测距信息。作为示例，为获得1cm的自由空间分辨率需要具有大约30皮秒的精度的事件分辨率(即，光子从探询系统的光源到目标场景并返回探询系统的图像传感器的飞行时间)。能够执行在此描述的方法，以利用高灵敏度光子检测器阵列实现3D成像和测距系统从高功率广播或扫描模式到低功率光子爆发(即，闪光或脉冲直接激光光束)的进化，由此实现减小图像数据的后处理需求的本质数字光子探测器，其中，所述高灵敏度光子检测器阵列设计为产生x-、y-、z-坐标信息和事件时间。

如在此描述的，SPAD像素阵列(例如，光电二极管140的阵列)可与脉冲和/或用于3D成像和测距应用的操纵探询源(例如，激光光源)结合使用。在实施例中，探询源和图像传感器阵列通过同一光学孔径共轴地放置。由于高灵敏度SPAD装置除了探询源外还将响应于环境光，应仔细安排图像传感器和探询源。在本发明的实施例中，光学探询系统包括操作性地结合到感测元件的光源。作为示例，光源为垂直腔面发射激光器(VCSEL)，感测元件可为包括在光子像素的阵列中的基于SPAD的像素。在此系统中，能够监测光源的发射和像素的检测之间的时间延迟，时间延迟反映至少一个光子从光源到场景的一部分并返回感测元件的传播时间，传播时间对应于系统和场景的一部分之间的距离。TOF计算和后续输出能够整合在SPAD像素功能中，SPAD像素能够以像素存储TOF信息(与例如光学强度信息的存储相反)的方式关断电荷积分器。

时间延迟的监视可通过不同方案执行，包括但不限于，将电荷存储能力添加到像素传感器单元(即，电容器的电荷级别的控制)。电容器的电荷级别随后能与时间延迟相关，因此提供对从系统到场景的距离的估计。在一个示例中，光源的发射事件能够触发电容器的放电，像素检测事件能够终止同一电容器的放电。在另一个示例中，光源的发射事件能够触发电容器的充电，检测事件能够终止同一电容器的充电。在另一个示例中，与来自VCSEL的光脉冲的发射对应的激光器导通沿能够用于初始化时间测量活动(例如，电容器的充电或放电)。当通过与光源发射对应的SPAD像素检测到返回的光子时，雪崩电流上升的前沿能够用于触发时间测量活动(即，中断电容器的充电级别的改变，因此，导致电容器的电荷与和光子传播相关联的时间段成正比)的结束。在电容性的充电用作时间测量手段的情况下，穿越SPAD像素阵列，每个像素能够在各自的存储电容器中包括一些与距离相关的电荷量，所述电荷量对应于场景中的特定部分并能够被读出并处理以提供作为整体的场景的空间-时间信息。此SPAD像素能够以与传统CMOS图像传感器(CIS)像素阵列的读出使用的技术相似的阵列的形式读出。

这样的实施例提供高帧率，昂贵的基于MEMS的光束操纵(steering，引导)，且可规避其他需求。此外，由于SPAD像素的提高的灵敏度，可使用缩短的且较低级别光源照明。可认识到，在实施例中，可将成像系统与同步和/或可操纵的光子探询光束(例如，光源)，其中，探询光束照明提供定时基准。此外，由于将触发仅仅阵列中的像素组，因此能够执行用于触发寻址事件的局部决策。本实施例可延伸至在具有在SPAD像素阵列内成像的相应区域的探询光束中对来自衍射光栅的预定探询模式的使用(例如结构光方法)。如所描述的实施例具有较低的光源功率需求和生成直接图像至例如处理器(例如，处理单元902)的能力。因此，如所描述的成像传感器实施例适合集成在主机装置中(诸如具有主处理器的移动装置中)。

像素阵列能够进一步包括像素尺度微透镜阵列以提高像素的填充因子，即，将入射光聚焦在像素的光敏区域。像素阵列能够包含可以以列级别、行级别、阵列区域级别、像素级别、全局级别或它们的任意组合执行的灵敏度控制(例如，通过反向偏置电压电平控制)。也能够执行无源和/或有源淬灭、时间选通、浮栅编程的使用(例如，用于失配校准和/或像素决策电路)。

根据本公开的实施例，图像传感器具有包括TOF启用的像素和非TOF启用的像素的组合(例如，像素140b和140a)的光电二极管阵列。作为非限制性的示例，TOF像素140b的子集布置在图像传感器阵列中的粗网格中，其余的像素包括像素140a。这样的布置可用于简化或增加用于寻址阵列中的像素的控制系统逻辑(例如，用于产生移动的子阵列550)。使用来自探询源的输入信号的控制，粗网格校对能够使用来自TOF像素140b的TOF信息来进行，并能够通过使用图像传感器阵列的像素140a的高分辨率扫描来增强。能够为图像传感器阵列提供更高的精度和/或更快的开窗口速度的各种控制方案是可能的。此外，能够定期地使用TOF像素140b来帮助光学探询装置抑制噪声(例如，通过提供到对象的直接TOF测量)。

图8是根据本公开的实施例的使用探询光束确定到对象的距离的方法的流程图800。步骤801-809描述了根据在此描述的各种实施例的包括流程图800中描绘的处理的示例性步骤。在一个实施例中，流程图800能够实现为存储在计算机可读介质中的计算机可执行指令并由运行用于确定到对象的距离的处理的计算装置执行。

在步骤801，用光子探询光束探询对象。探询光束能够为例如来自光学探询装置105的探询源110的探询光束125。在实施例中，探询源为具有谐振MEMS扫描镜的激光器(例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL))。探询源能够发射在IR波长或其他波长的辐射。在实施例中，反射镜可在x方向谐振(例如，沿着图像传感器阵列的列)，并在y方向阶跃(例如，沿图像传感器阵列的行增加)。谐振扫描镜能够用于跨越探询装置105的视场扫动探询光束125，从而探询视场中的对象。在实施例中，激光器以“光斑(spot，点)”模式操作；可选择的，激光探询源在“扇形”模式操作，发射宽条纹的照明。

在步骤803，激活雪崩光电二极管的阵列(例如，SPAD光电二极管的阵列)，雪崩光电二极管在盖革模式下操作，激活与光子探询光束的激活基本同时发生。在实施例中，在探询源的脉冲期间仅激活阵列的子集。在实施例中，阵列的子集以时变(随时间变化)的方式改变并与探询光束(例如，滚动子阵列550)的连续脉冲一致地增加。子阵列的尺寸能够被改变，并能基于探询源强度和移动的速率以及到视场中的对象范围，除了其他因素以外。

在步骤805，接收来自对象的反射光束(例如，在图像传感器115处接收的光束130)。光学系统(例如，光学系统135)可被包括在图像传感器中，光学装置能够聚焦和/或过滤入射在图像传感器上的反射。在实施例中，在步骤807的产生信号之后，阵列的失活与反射光束的接收基本同时发生。

在步骤807产生与反射光束的特性对应的信号。在实施例中，基于由多个子集的激活子集包括的第一阵列元件接收的反射光束产生信号，而由所述激活子集的阵列中的其余阵列元件对反射光束的任意检测不包括在所述信号中。在实施例中，雪崩光电二极管的阵列的每个光电二极管包括至少一个电荷存储元件，对阵列的激活在从探询光束的发射到接收来自对象的反射光束之间的时段期间终止所述至少一个电荷存储元件的变化的充电电平。在实施例中，存储元件为电容器，充电电平由信号组成并提供对在探询源发射和反射照明的接收之间的时间(例如，TOF信息)的测量。

在步骤809，基于信号确定到对象的距离。在实施例中，反射光进入光学器件的角度(例如，角度116)确定图像传感器阵列的具有光电二极管激活的列(例如，在行中的位置)。像素地址与光学探询源角度(例如，111)一起提供对返回光角度116的估计，并与探询源和图像传感器之间的距离一起提供距离确定(经由三角测量)。在实施例中，TOF计算和后续的读出集成在SPAD像素功能中(例如，像素150b)，SPAD像素以像素存储TOF信息的方式触发(toggle,翻转)整体的电荷积分器的操作。

示例性的测距装置

根据本公开的光学探询装置可包括各种配置并可在采用光学探询装置的主电子装置中使用。这样的电子装置包括但不限于可穿戴装置和其他便携的和非便携的计算装置，诸如眼镜、手表、蜂窝电话、智能电话、平板电脑和膝上型电脑。如在图9中呈现的，根据本发明的实施例的示例性主装置可实现为包括通用计算机系统环境900。主装置包括光学探询系统907。根据实施例，光学探询系统907包括：位于系统上的在图像捕获期间(例如，使用激光)照明目标场景的探询源(例如探询源110)；位于系统上的受控位置(例如，从探询源110水平偏移)的单个和/或数个光子像素阵列图像传感器(例如，图像传感器115)；将目标场景的光学图像转换为用于图像处理的电子信号的图像传感器内的电路。光学探询系统907选择性地包括成像透镜和/或微透镜阵列，和/或在图像捕获期间抑制环境光的滤波器(例如，光学波长带通滤波器)。

在最基本的配置中，计算系统900可包括至少一个处理器902和至少一个内存904。处理器902通常代表能够处理数据或解释和执行指令的任意类型或形式的处理单元。在特定的实施例中，处理器902可从软件应用或模块接收指令。这些指令可导致处理器902执行在此描述和/或示出的一个或更多个示例实施例的功能。根据本公开的实施例，处理器902被配置为从图像传感器接收目标场景的图像，并从图像估计目标场景的距离信息。

内存904通常代表能够存储数据和/或其他计算机可读指令的任意类型或形式的易失性或非易失性存储装置或媒介。在特定实施例中，计算系统900可包括易失性存储单元(诸如，例如，内存904)和非易失性存储装置908两者。计算系统900也包括操作性地结合到处理器902的显示装置906。显示装置906通常被配置为在用户和计算系统之间提供容易使用的接口的图形用户界面(GUI)。

在实施例中，计算系统900包括用于执行根据本公开的方面的处理的指令，其中，指令可存储在内存904上或存储器908上。例如，计算机系统可包括对象距离确定指令913，其中，对象距离确定指令913包含使计算机系统900执行根据本公开的实施例的确定到对象的距离的处理的指令(例如，处理800)。

如在图9中示出的，计算系统900也可包括至少一个输入/输出(I/O)装置910。I/O装置910通常代表能够将计算机或人生成的输入或输出提供至计算系统900或从计算系统900接收计算机或人生成的输入或输出的任意类型或形式的输入装置。I/O装置910的示例包括但不限于，指示或光标控制装置(例如，触摸敏感装置和/或鼠标)，语音识别装置，键盘或任意其他输入装置。

图9的通信接口922广义地代表能够促进示例计算系统900与一个或更多个附加装置之间通信的任意类型或形式的通信装置或适配器。例如，通信接口922可促进计算系统900与包括附加主装置和/或计算系统的私人网络或公共网络之间的通信。通信接口922的示例包括但不限于，无线网络接口(诸如无线网络接口卡和/或蓝牙适配器)、有线网络接口(诸如网络接口卡)、调制解调器和任意其他适合的接口。在一个实施例中，通信接口922经由到网络(诸如蜂窝网络或互联网)的直接链路提供到远程服务器的直接连接。通信接口922也可通过任意其他合适的连接间接地提供这样的连接。通信接口922也可代表配置为经由外部总线或通信信道促进计算系统900与一个或更多个附加网络或存储装置之间通信的主适配器。

像素电路

图10描绘了根据本发明的实施例的示例性像素电路1000的框图。示例性像素电路1000包括光电二极管145、锁存电路1005以及解码和控制电路1010。光电二极管145在接收照明时产生电流脉冲，电流脉冲可通过电耦合电阻器(例如，图2的220)转换为电压脉冲。电压脉冲可通过像素电路1000直接用于逻辑，例如，启用光电二极管激活事件的直接应用(例如，激发)以在锁存电路1005处设置锁存。

图11描绘了根据本公开的实施例的示例性晶体管级的示意性像素电路1100。像素电路1100包括缓冲元件1125(例如，对应于图2的缓冲器225)、锁存元件1105(例如，对应于锁存器1005)以及解码和控制元件1110(例如，对应于解码和控制1010)。图11的像素电路由列和行使能信号选通(ColHVen和RowEn)，并具有接地参考光电二极管。在实施例中，光电二极管被配置为在盖革模式下操作(例如，操作为SPAD)。接地参考光电二极管在接收充分的光子照明(例如，数个光子)时生成迅速的电流脉冲，电流脉冲经由电阻器转换为电压脉冲。电压脉冲可通过像素电路直接用于逻辑，因而启用光电二极管激活事件的直接应用(例如，激发)以控制图像传感器的功能。例如，电压脉冲可为用作电阻器的输入的正脉冲(相对于地)。根据本公开的实施例，从光电二极管事件产生的电压脉冲能够生成逻辑电平电压，其可为例如直接输入到CMOS逻辑中的输入以置位(或复位)元件1105的置位-复位锁存电路。

根据本公开的实施例的图像传感器(例如图像传感器115)包括像素电路1100的阵列，并且用于锁存器1105的设置值能够使图像传感器阵列报告激发的像素的地址，其可用于确定从对象反射的探询光束的返回角度。如在此描述的，利用确定的返回的角度(例如，图1的角度116)，能够经由三角测量找到到对象的距离。作为非限制性的示例，正电压尖峰可由源极跟随器反转以提供与Vcc有关的负电压尖峰，其可为到置位-复位锁存器的置位信号。根据图11的像素架构不需要高增益模拟感测放大器或模拟时间数字转换器(analog time-to-digital converter)，这能够降低系统的功率需求和由于缺少模拟组件导致的测量延迟。根据图11的像素架构1100为完全的数字像素。

根据本公开的实施例，光电二极管积极淬灭以控制光电二极管的潜在连续激发之间的时间段(例如，为了最小化激发事件之后的SPAD的复位时间)。相反地，在很多其他方法中，电阻的位置位于光电二极管的顶部，光电二极管固定在地面。当SPAD从光子检测事件激发时，这样的架构产生负脉冲，其对于被设计为直接使用光电二极管激活事件作为CMOS逻辑的直接输入的系统用处很小。通常地，SPAD可为AC-耦合(例如，与电容器结合的光电二极管)以执行无源电路的电平转换。这样的架构基本比本公开的架构慢，并不允许像素的活性淬灭或选通。此外，在根据本公开的架构中不需要用于感测小电流的感测放大器。

根据本公开的实施例，门控像素电路1100(例如，选择性地激活光电二极管)。在非活动状态中，光电二极管是不接地的，不存在跨过光电二极管的电压，因此，即使在入射光子的情况下，光电二极管也不能被激发。根据这里的实施例，由高电压轨(high voltage rail)对光电二极管进行与逻辑电路(诸如锁存器)分开地供电。像素电路1100的高电压组件受限于盒1145中的元件，即，高电压供电线、光电二极管阴极和接合点A(例如，与光电二极管的阳极互连)。当通过以系统级别控制的控制线(例如，ColHVen和RowEn)启用像素时，入射在光电二极管处的光子可产生引起电压脉冲的信号(例如，来自雪崩击穿事件的电流脉冲)。如在图11所示，可仅在FireEn、ColHVen和RowEn处于高电平时在节点B产生激发脉冲。此架构提供完整的像素选通控制，从而在图像传感器阵列中的在每个特定的测量时段启用的像素的集上控制(例如，针对可变的像素页尺寸的专用、通用像素控制)。在实施例中，在缓冲元件1125中使用电压钳以限制在光电二极管的激发事件期间在栅极处的电压尖峰。此外，通过限制电压尖峰，电压钳用于保持光电二极管的电压电平接近目标光电二极管偏置电平，从而降低了将光电二极管复位到对于后续激发事件准备就绪的状态所需要的时间。

在此方式中，选通像素，(启用的)接地参照光电二极管能够在激发事件时设置锁存。根据实施例，RowEn允许HV图像传感器列以HV模式控制，在读模式(READ模式)下进行列访问。HV偏置横跨二极管可由行和列寻址，同时READ信号防止在HV模式下的列争用(column contention)。根据实施例，读取按ROW可寻址，从图像传感器阵列光电二极管对列采样激发事件信息。此外，控制逻辑启用锁存的全局复位(例如，用于之后的测距测量)，锁存复位信号LtchRst通过低脉冲启用，并被施加到活跃的行以复位光电二极管。

如在图11中呈现的像素架构为图像传感器架构启用激发像素的快速、功率高效、串行自排序读出。根据本公开的实施例，像素响应于从已由测距系统的探测源探询的对象反射的照明的接收利用激发事件进行锁存。此锁存启用已经激发的像素的地址的读出，其与关于探询系统的知识(例如，探询光束的角度，探询源和图像传感器之间的距离)一起提供确定到探询对象的距离需要的信息。

现在参照图12，描绘了包括缓冲器1225和解码器元件1210的示例性像素电路1200。像素电路1200可进一步包括淬灭反馈电路1230。根据实施例，像素电路1200是可操作的，以在图像传感器阵列115的像素基于接收的照明激活时生成列地址值。来自解码电路1210的列地址可用于在像素所位于的行的端部置位行锁存。此外，像素的激活可将禁用信号发送到同一行(例如，对应于行的其他列的)的其他像素(例如其他像素电路1200)，以此方式可最小化信号争用。即，在所述行激活的第一列置位锁存器，存储在图像传感器阵列115的外侧，也禁用所述行的其他像素。像素电路1200适合以扇形模式(例如，线扫描模式)探询的图像传感器架构，例如，图16描述的图像传感器架构。

图13描绘了基于诸如在图11描述的像素架构的用于图像传感器列自定时启用和读出行波传送进位功能(readout ripple-through functionality)的电路逻辑的实施例。根据本公开的实施例，电路逻辑能够从光电二极管(例如，SPAD激发事件)直接地接收信号，从而(快速地)置位锁存。在图像传感器中的像素处的第一激发事件能够使其他像素失活。作为非限制性的示例，一旦在图像传感器中的行上一个锁存器已经被置位，经由自定时环禁用此行上的所有其他像素。此架构启用对图像传感器阵列处的入射光子的位置的精确确定。使用此信息可作出距离确定，如经由在此的实施例描述的。虽然相邻像素存在电势以生成信号(例如，用于相邻光电二极管以激发)，此电势可基本通过如在此描述的对来自探询源的照明的时序以及图像传感器激活时序(例如，像素子阵列选通)的仔细控制来调解。

在实施例中，基于SPAD的像素包含用于驱动读出电路、降低功耗以及防止事件堆存模式的自定时锁存器，其与在高光子计数环境中使用单个光子探测器关联。系统级定时命令(例如，列和行启用信号)可用于在像素级别触发自定时异步逻辑。根据本公开的实施例，系统级定时使探询源的激活与图像传感器中的一个或更多个像素的激活同步(例如，像素子阵列，其尺寸能够从一个像素变化到全部图像传感器阵列)。一旦设置列启用，通过置位-复位锁存器针对像素触发定时环路。如果未检测到光电二极管激活，不置位锁存器，激活下一启用路径以在启用的行上的下一个像素处继续图像传感器读出(例如，在相邻列处的像素)。防止读取下一行直到当前像素具有其完整的读取循环。在具有自定时读出时段的图像传感器中像素顺序地记录。具体地，仅经历激活事件(例如SPAD激发)并因此置位锁存器的像素是记录给定的与探询脉冲关联的像素。换句话说，仅来自图像阵列的读出记录是用于置位锁存器的第一像素的地址，通过在读出期间(例如，如果本像素不置位锁存器，则启用之后的像素的读出)禁用顺序的像素防止另外的像素记录。因此在通过异步给进逻辑(例如，行波传送进位)读出的期间，顺序地跳过未置位的像素地址，由于仅报告在特定行(或列，用于逐列读出配置)激发的第一像素的地址，所以与传统系统相比，读出发生地更快且数据带宽需求更低。

图14描绘了根据本公开的实施例的连接的读取逻辑电路的框图1400(例如，具有全局定时电路的并行逻辑电路)。逻辑电路包括具有列旁路逻辑以及用于列启用的外部时序脉冲发生器。时序被配置为使得可以进行当前列的状态的读出，与下一列启用并根据相似的逻辑读出一起。特定的时序被配置在系统级，并可根据成像条件调整(例如，环境光级别、探询源功率、到成像的对象距离的估计等)。根据本公开的实施例，当设置光电二极管的Read Row(读出行)时输入所有的列。在一方面，当列具有低值时(例如，光电二极管关闭)，启用行波传送进位逻辑。随着读出通过阵列顺序地进行，返回高值的第一列停止行波传送进位逻辑，并可对应该列的高值设置值。在实施例中，列高值将ROM Row(ROM行)设置为高值，直到定时器复位并设置Next Enable(下一启用)。在下一(例如，顺序的)列重复此处理，直到到达阵列中的最后一列。具有已经被(例如，从列高值)设置的光电二极管的ROM Row在图像传感器输入/输出电路被读出。行波传送进位逻辑的读出能够在数个图像传感器实施例中(包括在下面的图15和图16中描述的实施例)被执行，其中，分别在ROM列地址或行列寄存器的读出期间使用行波传送进位逻辑。

图像传感器架构

图15是根据本公开的实施例的图像传感器架构1500的示意图。图像传感器架构1500包括光电二极管阵列、串行可编程接口(SPI)、列控制多路复用器、行多路复用器、输入/输出控制和定时电路、快速ROM解码器以及用于行和列序列发生器的配置电路。如在此描述的(例如，图10和图11)，图像传感器阵列的每个像素被选通和自锁存的。在一方面，图像传感器是具有预编程的子阵列尺寸550的(多达整个图像传感器阵列)自报告像素序列发生器。像素本质上是数字的并在距离测量时段期间具有分别对应于已被置位的或未被置位的锁存器1或0的值。图像传感器阵列被分为用户可配置页，其能够随着探询光束的角度的改变顺序地增大，和/或激活的像素的地址能够与探询光束在3D空间的发送的位置协调。后者允许在曝光几何分离的子阵列时同时读取曝光的像素的子阵列，其可增加帧率和吞吐量，并能够配置在系统级别。

当通过光电二极管激活设置时，处于ROM解码器的前端的控制逻辑(例如，图13-14)启用像素，以驱动快速ROM解码器，并同时关闭所有其他像素。根据本公开的实施例，图像传感器阵列的输出是进入快速ROM解码器中的行驱动器信号，信号对应于具有激发事件的图像传感器的列，ROM解码器具有例如，包括用于确定图像传感器位置的激活列的地址的查找表。当前启用的行是已知的(其由成像系统控制)，由ROM解码器确定的列位置提供已经被激活的光电二极管的唯一地址。在此方式中，图像传感器架构1500以像素锁存激活事件并以列(经由快速ROM解码器)解码位置。图像传感器的所有的行是到快速ROM解码器的输入，其中，像素包括如在此根据实施例描述的逻辑。根据本发明的图像传感器架构仅输出在测量时段期间(例如，通过SPAD激发事件)激活的像素的阵列地址，行上所有未被读出的像素被失活并被跳过，因此最小化由噪声事件(例如，暴露于环境光)导致的激发的机会和数据传输的带宽需求两者。

高级别(例如，系统级别)定时命令用来使来自探询源的照明光脉冲与像素的图像传感器激活同步。定时命令用于触发在图像传感器中的自定时读出，其驱动仅仅已经在相关联的光脉冲时段激发的像素的顺序报告(例如，操作为异步状态机的像素)。在所有的行已经被读出之后，全局复位(在系统级别控制)复位图像传感器中的用于下一个探询光束脉冲(例如，下一个测量时段)的所有像素。行读出机制使用前述的直通(pass-through)逻辑功能，以针对每一行仅报告激活的像素(行)。可选择地，寄存器组(寄存器库)可用于与在随后的行扫描发生的读出一起锁存行扫描。

现在参照图16，描绘了根据本公开的一个实施例的图像传感器架构1600的框图。与图像传感器架构1500相比，图像传感器架构1600的快速ROM解码器功能被包括在单独的像素级别中，并位于图像传感器阵列(例如，图12的像素架构)的内部。然而，置位-复位锁存电路位于阵列的外部使得在行级别执行锁存并对每行设置仅仅一个锁存。架构1600包括列地址锁存器(例如，寄存器组)，所述列地址锁存器包括用于锁存行扫描的第一锁存器，可经由从第一锁存器的转换来置位的第二锁存器。可在后续的行扫描期间读出第二锁存器。因此，图像传感器在行级别锁存并在像素(单元)级别解码。如在此描述的，行波传送进位逻辑被包括在图像传感器电路中，使得图像传感器阵列沿位于行(而不是列，如在图15中所描述的)的端部的行锁存器读取。

图像传感器架构1600可配置为线扫描探询模式，其中，所有的图像传感器行同时激活。基于探询源激活的时刻，激活图像传感器阵列的一条或更多条行线。根据图像传感器架构1600，在行激活的第一光电二极管将要求该行的地址总线，因此，能够为来自探询源的返回的照明确定唯一的图像传感器阵列位置。在实施例中，每行存在10条列地址线(更多或更少的列地址线是可能的)，用于每个像素的电路的ROM地址，使得当像素由输入的光子激活时，在地址线上的离散的(例如，单个的)列地址信号以设置相应的寄存器。如果像素在测量时段被激活，则这提供了图像传感器确定最后激活的像素的列地址的能力。

电路配置可比在此公开的其他图像传感器架构的空间效率低，然而，利用在每行嵌入的列地址ROM可实现提高的传感器灵活性。图像传感器1600能够采用子阵列方法(例如，移动的子阵列550、550')控制并调停在测量时段的背景噪声和其他因素。根据实施例，对于线扫描或点扫描探询模式，在图像传感器中的全部或部分行可由系统控制基本同时启用，图像传感器能够在每行报告第一光电二极管激发事件。

如在图16中描述的具有在行级别的锁存器的图像传感器启用在感测中的并行操作，锁存值(即，行值)的读出可与图像传感器阵列中的下一线的曝光同步进行。根据本公开的实施例，图像传感器阵列包括两组寄存器，用于锁存的列地址的第一寄存器组(此组每行包括1个寄存器)，接收来自第一寄存器组的值的转移的第二寄存器组。在此方式下，使用第一测量循环，对于给定行的锁存的列地址的值可写入与该行对应的第一寄存器。值转移至第二寄存器，同时启用随后的第二测量(和锁存)的操作与第一读出操作(来自第一测量循环)。在此方式下，可显著减小根据本公开的采用图像传感器的系统的延迟。

用于使用图像传感器架构1600的成像器件的示例性测距场景包括被配置为发射照明的竖直线(例如，线扫描模式)的探询光源。入射在具有3D轮廓的对象上的探询光束将具有不再严格竖直的返回的照明，根据3D对象的具体轮廓导致差异的出现。返回的照明将因此具有由图16的弯曲的虚线代表的非一致的方面(例如，非一致的竖直)。图像传感器阵列操作为在第一光电二极管激活时(例如，SPAD激发事件)置位行锁存器，图像传感器电路被配置为使得对锁存器的置位防止其他邻近的光电二极管激活直到执行主复位。激活主复位以使图像传感器为之后的测量时段准备。根据本公开的实施例，由图像传感器阵列包括决策逻辑，以使得在行上激活的第一探测光电二极管在该测量时段要求整行的列地址。该决策逻辑在图像传感器的每行被重复，使得逐行置位被实现。将明白的是虽然在逐行的基础上描述决策逻辑，但是图像传感器架构也可配置为用于逐列逻辑和测量。

因此，对于竖直探询光束，在图像传感器上每行存在一个能够读出的激活的光电二极管的轮廓线。在图像传感器的读出期间，如果存在没有光电二极管被激活的行，则行波传送进位逻辑使要被跳过的该行和要被读取的行读出。在此方式下，将图像传感器形成为在读出时间和需要的功率两方面更有效。将继续行波传送进位逻辑，直到遇到在测量时段期间具有锁存器置位的行，在此点将发生读取，以输出该行上激活的光电二极管的地址。行波传送进位逻辑是自定时的以至图像传感器阵列的单个输入触发器信号开始的。

在本公开的另一实施例中，不同于与传统CIS像素一起使用的图像处理和模式识别范例的图像处理和模式识别范例能够被利用，这基于与通过高光子灵敏度成为可能的局部决策结合的二元的像素输出。作为非限制性示例，在使用用于反向偏置的高电压引脚的SPAD像素的情况下，执行用于失配校准和像素决策电路的浮置栅极编程方案。在另一个示例中，针对与使用与像素阵列相同的寻址解码器方案的并行存储器阵列的失配，校准和数字校正每个像素。当与充分高速互连和其他组件结合使用时，在此描述的实施例能够与例如，大量并行异步事件总线一起使用。在此描述的实施例也可以以使得光子输入时序和几何结构(例如，点、图案、线或闪光)用探询光源控制且像素决策响应根据探询光源类型调整的方式实现。在实施例中，使用不同的配置和/或操作的方法实现SPAD像素，所述不同的配置和/或操作的方法包括例如，使用电流反射镜(例如，用于恒定的电流操作而不管负载条件如何)、锁存方案(例如，开始和终止事件驱动活动)、内部触发雪崩事件(例如，初始化时间测量活动)等。

单个或堆叠晶片图像传感器的制造

根据本公开的实施例，半导体装置可在一个基底(例如，图1的像素140b)上制造，或在具有具有被配置为以不同的电压操作的多个部分的至少两层的堆叠基底(例如，图1的像素140a)上制造。根据本公开的实施例，单基底半导体装置的制造包括光电二极管(例如，图1的145b)的形成，其可为接地参考光电二极管与电路元件(例如，图1的150b)一起共用同一基底作为光电二极管，电路元件提供如在这里的各种实施例描述的逻辑和控制(例如，锁存、解码和控制、读取逻辑、启用信号)。

现在参照图17，描述了半导体装置1700的一部分。半导体装置包括至少两层，第一层1740和第二层1750。第一层1740包括第一部分1745，第二层1750包括第二部分1755。根据本公开的实施例，第一部分1745配置为在第一电压下操作，第二部分配置为在第二电压下操作。根据实施例，第一电压和第二电压不同。根据实施例，第一电压高于第二电压。根据实施例，第一层1740包括形成光电二极管(例如，图1的145a，活跃的光电二极管，或SPAD)的散射件，第二层1750包括与逻辑和控制(例如，图1的150a，锁存、解码和控制、读取逻辑、启用信号)对应的电路。作为非限制性的示例，第二层1750逻辑和控制电路可提供在图11的部分中描绘的但不包括在高电压部分1145的电路逻辑功能。第二层1750可包括本领域技术人员了解的晶体管、电阻器、电容器和其他组件以提供在此描述的逻辑和控制功能。第一部分1745可包括光电二极管的阵列。

根据本公开的实施例，图像传感器阵列被制造为具有堆叠晶片设计，其中，掺杂顶部晶片(例如，与成像传感器阵列的暴露到入射照明的顶侧对应的晶片)以形成SPAD单元(例如，为SPAD晶片)，以及底部晶片形成为具有逻辑和控制电路以提供在此公开的成像传感器实施例的结构和功能。现在参照图18，描绘成像传感器115的具有包括SPAD单元的晶片1840的部分，其中，SPAD单元具有光敏区域145，晶片1840堆叠在逻辑和控制电路晶片1850上。虽然SPAD晶片1840与逻辑和控制电路晶片1850被描绘为分离的，但是在操作中(即，在测距系统中执行的)，SPAD晶片1840与逻辑和控制电路晶片1850可为结合到一起的两个基底(如由虚箭头指明的)，或可为如在此描述的一个基底。

在逻辑和控制电路晶片1850上方的SPAD晶片1840的堆叠晶片配向与在同一晶片上每个SPAD单元包含控制与逻辑电路的实施方式相比能够减小像素间距P(即，更近的SPAD单元)。例如，像素间距P可为3-4微米。根据本公开的实施例，SPAD晶片为高电压(HV)散射晶片，而逻辑和控制电路晶片为低电压(LV)晶片。LV晶片能够实现比HV晶片更精细的特征，增加可形成在给定空间的晶片上的晶体管数量。

现在参照图19，描绘根据本公开的实施例的具有堆叠的晶片设计的成像传感器阵列115的制造的处理步骤1905-1915。成像传感器阵列115在图19中示出的部分对应于来自图18的部分A-A。在步骤1905，示出包括耗尽区、互连件1920和硅穿孔1930的逻辑和控制电路晶片1850。根据实施例，逻辑和控制电路晶片1850形成在低电压CMOS晶片上。

此外，在步骤1905示出了SPAD晶片1840，SPAD晶片1840包括耗尽的p-n结。SPAD晶片1840可为CMOS晶片，例如，高电压CMOS晶片。p扩散可对应于SPAD单元的光敏区域并可被配置为由n扩散围绕，其充当阻挡SPAD二极管的激活到邻近SPAD单元的势垒。根据实施例，SPAD二极管可共用n井。SPAD晶片1840的邻近SPAD单元可进一步由隔离沟1940隔绝。SPAD晶片1840包括金属互连件1920。SPAD晶片1840可制成绝缘体上硅(SOI)晶片。绝缘体可为，例如，氧化层。在步骤1905，SPAD晶片1840可进一步包括支撑晶片。SPAD晶片1840与逻辑和控制电路晶片1850为一起设计的(例如，互连件的位置)，并具有相同的裸片尺寸(die size)。根据实施例，互连件1920为阳极/阴极焊盘的阵列。根据实施例，高电压布线可限于仅仅在SPAD晶片1840上的阴极布线，去除逻辑和控制电路1850晶片的绝缘需求。在实施例中，将阵列互连件1920降低至仅低电压阳极。

在步骤1910，SPAD晶片1840以堆叠的方向(倒装芯片安装的)面对面安装在逻辑和控制电路晶片1850上(例如，倒装芯片安装)，使得每个晶片的互连件朝向堆叠件的中心。随后晶片键合到一起。逻辑和控制电路晶片1850和SPAD晶片1840之间的所有互连件在堆叠的中间完成(即，在面接口)。因此，横跨SPAD晶片1840表面的阵列形式的互连金属不遮挡来自入射照明的散射。SPAD像素每个单元(例如，阳极)具有向下连接到逻辑和控制电路晶片1850的一个布线连接。所有的精细特征(对于图像传感器逻辑)位于逻辑和控制电路晶片1850。根据实施例，只有晶片的层之间的连接是阳极连接。例如，在顶部(SPAD)高电压阴极连接提供与成像传感器阵列的高供电电压对应的连接，而低电压连接对应于行启用和读出信号。

在步骤1915，键合的晶片1840和1850经过背侧研磨以使堆叠件变薄，从逻辑和控制电路晶片1850充分去除基底以暴露TSV 1930，并从SPAD晶片1840去除支撑晶片。虽然示出了TSV 1930，但其他组件(例如，键合线)与其他键合方案也是可能的。根据本公开的实施例形成的成像传感器阵列的像素节距为大约3微米。在背磨之后，微透镜阵列1950附着到SPAD晶片1840的背侧，以增加在成像传感器阵列115中的SPAD像素的填充因子。SPAD晶片被配置为背侧照明。有利地，采用以在此描述的方式配向的SPAD晶片1840对红外光谱的照明的敏感度增加，因为光敏元件对红外波长的灵敏度在距入射表面的更大的深度增加。可基于光学探询系统配置为操作的特定的光学探询波长选择可为外延生长基底的厚度的SPAD晶片1840的厚度1725。

现在参照图20，描绘了根据本公开的实施例的具有堆叠晶片设计和减小的像素节距P'的成像传感器阵列115b。成像传感器阵列115b包括晶片2040，晶片2040包括具有光敏区域145的SPAD单元，晶片2040堆叠在逻辑和控制电路晶片2050上。由于共用的HV n井和单元之间的n扩散，成像传感器阵列115b包括具有减小的节距P'。这由具有恒定HV输入的n井与仅局部结由于直接光子入射击穿的事实一起造成的。由于根据本公开的图像传感器阵列架构启用高电压信号浩的全局控制，HV n井和单元之间的绝缘n扩散可共用。根据图20的实施例的图像传感器具有由多个p扩散共用的n扩散。这使得示出的成像传感器阵列构造具有例如2-3微米的像素节距P'，进一步增加在测距装置中的成像传感器的分辨能力。现在参照图20，描绘了根据本公开的实施例的具有堆叠的晶片设计和减小的像素节距P'的成像传感器阵列115b。成像传感器阵列115b包括晶片1840，晶片1840包括具有光敏区域145的SPAD单元，晶片1840堆叠在逻辑和控制电路晶片1850上。由于共用的HV n-井和单元间n-扩散，成像传感器阵列115b包括具有减小的节距P'的像素。这由具有恒定HV输入的n井与仅部分结由直接光子入射击穿的事实一起造成的。由于根据本公开的图像传感器阵列架构启用高电压信号的全局控制，HV n-井和单元间绝缘n-扩散可共用。这使得示出的成像传感器阵列配置具有例如2-3微米的像素节距P'，进一步增加在测距装置中的成像传感器的分辨能力。

现在参照图21，描述了根据本公开的实施例的制造半导体装置的方法的流程图2100。半导体装置可为成像传感器(例如，成像传感器115)。

在步骤2101，第一部分形成在第一层中，第一部分被配置为在第一电压操作。第一部分包括光电二极管，例如，SPAD。

在步骤2103，第二部分形成在第二层中，第二部分配置为在第二电压操作。第二电压可不同于第一电压。根据实施例，第一电压高于第二电压(例如，第一电压对应于高电压CMOS晶片，第二电压对应于低电压CMOS晶片)。第二部分包括被配置为选择性地将启用信号发送至在第一部分中的光电二极管并从光电二极管接收激活的逻辑和控制电路。

在步骤2105，逻辑和控制电路与光电二极管电结合。根据实施例，逻辑和控制电路和光电二极管经由波纹互连电结合。根据实施例，逻辑和控制电路与光电二极管经由键合焊盘电结合。

本公开的下述构思提供示例性实施例：

1、一种用于测量到对象的距离的系统，所述系统包括：

光子探询源，被配置为以受控的角度发射探询光束，所述探询光束用于照明物体；

图像传感器，包括配置为在盖革模式下操作的雪崩光电二极管的阵列，图像传感器选择性地结合到探询源并被配置为接收由通过探询光束对对象的照明产生的反射光束，以及基于反射光束在阵列上的入射位置生成信号；以及

分析电路，操作性地结合到探询源和图像传感器，并被配置为基于光子探询源的受控角度和信号确定到对象的距离。

2、根据权利要求1所述的系统，其中，图像传感器设置在与探询源相距受控的距离的位置，分析电路配置为基于受控的角度、受控的距离和由在阵列上的反射光束的位置确定的入射角度的三角测量确定到对象的距离。

3、根据构思1所述的系统，其中，图像传感器配置为快门，快门包括以时变方式激活阵列的多个子集，对多个子集中的每个子集的子集激活时段基于受控角度的值和受控的角度变化的速率。

4、根据构思3所述的系统，其中，基于由包括在多个子集中的激活子集中的像素接收的反射光束生成信号，此外，其中，由活跃子集的剩余的像素对反射的光束的任意检测不包括在信号中。

5、根据构思3所述的系统，其中，探询源配置为在脉冲时段发射探询光束，其中，子集激活时段也基于脉冲时段。

6、根据构思3所述的系统，其中，图像传感器配置为帧缩放，包括阵列的区域的去激活，其中，快门配置为仅在阵列的区域的外侧发生。

7、根据构思5所述的系统，其中，脉冲时段基于在最大测距的探询光束返回到图像传感器的飞行时间的自定时脉冲时段。

8、根据构思5所述的系统，其中，系统进一步包括配置为检测环境光级别的环境光传感器，此外，其中，脉冲时段基于探测的环境光级别。

9、根据构思1所述的系统，其中，图像传感器整体包括多个聚焦元素，所述多个聚焦元件设置为将反射光束聚焦到阵列的光敏区域上。

10、根据构思3所述的系统，其中，激活阵列包括帧缩放，其中，帧缩放包括阵列的区域的去激活，其中，快门仅发生在阵列的区域的外侧。

11、根据构思3所述的方法，其中，激活阵列是用于阵列激活时段，其中，阵列激活时段的初始化是基于根据通过之前到对象的三角距离测量确定的距离的飞行时间估计做出的。

12、一种距离测量移动设备，所述距离测量移动设备包括：

处理器，

存储器，操作性地结合到处理器；

光子探询源，被配置为以受控的角度发射探询光束，探询光束用于照明对象；以及

图像传感器，包括光电二极管的阵列，图像传感器操作性地结合到探询源和处理器，图像传感器被配置为接收由通过探询源对对象的照明产生的反射的光束，并基于反射的光束在阵列上的入射的位置生成信号，其中，处理器被配置为基于光子探询源的受控的角度和信号确定到对象的距离。

13、根据构思12所述的设备，其中，图像传感器包括像素的阵列，每个像素包括配置为在盖革模式操作的至少一个雪崩二极管。

14、根据构思12所述的设备，其中，根据变化的电压偏置配置组成光电二极管的阵列的光电二极管的光子敏感度。

15、一种用于测量到对象的距离的传感器，所述传感器包括：

图像传感器，包括光电二极管的阵列，图像传感器操作性地结合到探询源并被配置为接收由通过探询源的探询光束对对象的照明产生的反射光束，并基于由反射的光束在阵列上的入射激活的光电二极管的阵列的光电二极管的阵列地址生成信号；

存储器，包括被配置为直接响应于光电二极管接收反射光束产生置位(设置)信号的锁存器电路，其中，置位(设置)信号报告光电二极管的阵列地址；

地址解码器电路，配置为存储所述阵列地址；

定时电路，操作性地结合到地址解码器电路以读取阵列地址；以及

分析电路，操作性地结合到探询源和图像传感器，并被配置为基于光子探询源的受控的角度和阵列地址确定到对象的距离。

16、根据构思15所述的传感器，其中，地址解码器电路包括配置为存储光电二极管的阵列的列地址的存储器，其中，光电二极管的阵列中的每个光电二极管有效地结合到各自的锁存电路。

17、根据构思16所述的传感器，其中，定时电路配置为顺序地确定列地址的状态，并进一步配置为保持用于下一列的读出的时序的激活，直到到达与记录的阵列地址对应的列地址。

18、根据构思16所述的传感器，其中，光电二极管的阵列中的每个光电二极管有效地结合到各自的配置为存储各自的列地址的地址解码器电路，其中，光电二极管的阵列的每行有效地结合到各自的行锁存电路。

19、根据构思18所述的传感器，其中，设定信号配置为当光电二极管接收反射光束时去激活光电二极管的阵列的同一行上的其他光电二极管。

20、根据构思18所述的传感器，其中，定时电路配置为顺序地确定行锁存电路的状态，并进一步配置为保持用于下一行锁存电路的读出的时序的激活，直到到达与记录的阵列地址对应的航行锁存电路。

21、根据构思15所述的传感器，其中，光电二极管的阵列包括配置为在盖革模式下操作的雪崩光电二极管。

22、根据构思15所述的传感器，其中，光电二极管的阵列包括活跃的光电二极管，其中，当光电二极管的电压达到基于入射光子的阈值电平时激活光电二极管阵列的光电二极管。

23、根据构思15所述的传感器，其中，，图像传感器设置在与探询源相距受控的距离的位置，分析电路配置为基于受控的角度、受控的距离和由光电二极管的阵列地址确定的入射角度的三角测量确定到对象的距离。

24、根据构思15所述的传感器，其中，控制时序电路在受控的激活时段基于最大范围的飞行时间和探询光束返回图像传感器的返回角度激活光电二极管的阵列中的光电二极管。

25、根据构思22所述的图像传感器，其中，传感器进一步包括配置为检测环境光级别的环境光传感器，其中，基于检测的环境光级别确定受控的激活时段。

26、一种确定到对象的距离的方法，所述方法包括：

使用光子探询光束探询对象；

与光子探询光束的激活基本同时地激活光电二极管的阵列；

在阵列接收从对对象的探询反射的光束；

产生与通过反射光束在阵列上的入射激活的光电二极管的阵列的光电二极管的阵列地址对应的信号；以及

基于信号确定到对象的距离。

27、根据构思26所述的方法，其中，生成信号包括有效地结合到光电二极管的锁存电路直接响应于接收反射光束的光电二极管接收设定信号。

28、根据构思27所述的方法，所述方法进一步包括随着光电二极管接收反射光束，去激活光电二极管的阵列中同一行的其他光电二极管。

29、根据构思28所述的方法，其中，阵列包括在盖革模式下操作的雪崩光电二极管。

30、根据构思26所述的方法，其中，阵列包括活跃的光电二极管，其中，当光电二极管的电压达到基于入射光之的阈值时激活光电二极管的阵列的光电二极管。

31、根据构思26所述的方法，其中，探询在光子探询光束的受控角度执行，其中，发射探询光束的探询源与阵列彼此相距受控的距离设置。

32、根据构思28所述的方法，其中，基于受控的角度、受控的距离和由光电二极管的阵列地址确定的入射角度的三角测量确定到对象的距离。

33、一种像素电路，所述像素电路包括：

光电二极管；

负载，包括至少一个有源和无源元件，电结合到光电二极管；以及

多个晶体管，电结合光电二极管，所述多个晶体管包括锁存电路；

其中，对光电二极管的控制是以地作为参考并被配置为选择性地激活光电二极管，其中，光电二极管被配置为基于入射在光电二极管上的光子生成电流，负载被配置为将电流转换为电压脉冲，电压脉冲被配置为用于置位(设置)锁存电路的逻辑电平的输入。

34、根据构思33所述的像素电路，其中，像素电路进一步包括电结合到光电二极管的电压钳位电路，电压钳位配置为显示输入值锁存电路的电压脉冲的电压电平。

35、根据构思33所述的像素电路，其中，光电二极管是配置为在盖革模式操作的雪崩光电二极管，电流是由光子触发的雪崩电流。

36、根据构思33所述的像素电路，其中，光电二极管为活跃的光电二极管，其中，当光电二极管的电压达到基于入射在光电二极管的光子的阈值电平时，生成电流。

37、一种半导体装置，所述半导体装置包括：

第一层，包括被配置为在第一电压操作的第一部分，第一部分包括单个光子雪崩光电二极管(SPAD)；以及

第二层，包括被配置为在第二电压操作的第二部分，第二部分包括逻辑和控制电路，所述逻辑和控制电路与SPAD电结合并被配置为选择性地将启用信号发送到SPAD和从SPAD接收激活信号；

其中，第一电压和第二电压不同。

38、根据构思37所述的半导体装置，其中，第一基底包括第一层，第二基底包括第二层。

39、根据构思37所述的半导体装置，其中，第一基底和第二基底以堆叠结构布置。

40、根据构思38所述的半导体装置，其中，第二基底包括配置为向第一基底和第二基底提供电通信的硅穿孔(TSV)。

41、根据构思37所述的半导体装置，其中，第一电压高于第二电压。

42、根据构思37所述的半导体装置，其中，SPAD的阵列包括SPAD。

43、根据构思42所述的半导体装置，其中，逻辑和控制电路包括配置为存储SPAD的阵列的阵列地址的地址解码电路和有效地结合到用于读取阵列地址的地址解码电路的时序电路。

44、根据构思43所述的半导体装置，其中，逻辑和控制电路包括锁存电路，锁存电路配置为直接响应于SPAD的激活生成设定信号，SPAD响应于接收的照明激活，其中，设定信号记录SPAD的阵列地址。

45、根据构思42所述的半导体装置，其中，SPAD的阵列中相邻的SPAD之间的中心到中心的距离在3微米到5微米之间。

46、根据构思42所述的半导体装置，其中，SPAD的阵列中相邻的SPAD之间的中心到中心的距离为大约2微米。

47、根据构思42所述的半导体装置，所述装置进一步包括设置在第一层上的微透镜阵列，微透镜阵列设置为将入射照明聚焦到SPAD的阵列上。

48、一种形成半导体装置的方法，所述方法包括：

在第一层中形成被配置为在第一电压操作的第一部分，第一部分包括单光子雪崩光电二极管(SPAD)；

在第二层中形成被配置为在不同于第一电压的第二电压操作的第二部分，第二部分包括被配置为选择性地将启用信号发送到SPAD和从SPAD接收激活信号的逻辑和控制电路；以及

将逻辑和控制电路与SPAD电结合。

49、根据构思48所述的方法，其中，第一基底包括第一层，第二基底包括第二层。

50、根据构思49所述的方法，其中，第一基底和第二基底以堆叠结构布置。

51、根据构思49所述的方法，其中，所述方法进一步包括在第二基底中形成配置为向第一基底和第二基底提供电通信的硅穿孔(TSV)。

52、根据构思48所述的方法，其中，第一电压高于第二电压。

53、根据构思48所述的方法，其中，SPAD的阵列包括SPAD。

54、根据构思53所述的方法，其中，逻辑和控制电路包括配置为存储SPAD的阵列的阵列地址的地址解码电路和有效地结合到用于读取阵列地址的地址解码电路的时序电路。

55、根据构思54所述的方法，其中，逻辑和控制电路包括锁存电路，锁存电路配置为直接响应于SPAD的激活生成设定信号，SPAD响应于接收的照明激活，其中，设定信号记录SPAD的阵列地址。

56、根据构思53所述的方法，其中，SPAD的阵列中相邻的SPAD之间的中心到中心的距离在3微米到5微米之间。

57、根据构思53所述的方法，其中，SPAD的阵列中相邻的SPAD之间的中心到中心的距离为大约2微米。

58、根据构思53所述的方法，所述装置进一步包括设置在第一层上的微透镜阵列，微透镜阵列设置为将入射照明聚焦到SPAD的阵列上。

虽然已经使用特定的语言对技术主题的结构特征和/或方法动作进行了描述，但是应理解的是，在所附构思中限定的技术主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作公开为实现权利要求的示例形式。