CN110999278B - 数字像素图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于数字成像的技术。一种数字像素图像传感器在多个像素的每个像素中包括数字转换器，其中数字转换器使用比较器、全局参考斜坡信号和时钟计数器对来自像素的光电二极管的模拟输出信号进行数字化。在一些实施例中，比较器包括预充电电路，而不是恒定偏置电路，以降低每个像素的功耗。在一些实施例中，每个像素包括数字或模拟相关双采样(CDS)电路，以降低噪声和提供更高的动态范围。

Description

数字像素图像传感器
背景
图像传感器用于许多不同的应用。例如，图像传感器可以在数字成像设备(例如，数字相机、智能电话等)中被发现，用来捕获数字图像。作为另一个示例，在诸如虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统和混合现实(MR)系统的人工现实系统中，图像传感器可以用于捕获用户所处物理环境的图像，并且所捕获的图像然后可以用于控制或影响人工现实系统的操作，例如控制或影响人工现实系统的显示内容。对于许多这些应用(包括人工现实系统)来说，可能需要具有高速、高灵敏度、高动态范围、低噪声、高密度、高分辨率和低功耗的图像传感器。
概述
本发明总体上涉及数字像素图像传感器。更具体地，本文公开的技术涉及每个像素中包括数字转换器(digitizer)(例如，ADC)的数字像素图像传感器，其中数字转换器使用比较器、参考斜坡信号和计数器来对来自像素的光电二极管的模拟输出进行数字化。在一些实施例中，每个像素可以包括数字或模拟相关双采样(CDS)电路，以降低噪声并提供更高的动态范围。在一些实施例中，比较器可以包括预充电电路，而不是恒定偏置电路，以降低每个数字像素的功耗。
在一些实施例中，数字像素图像传感器可以包括多个像素。每个像素可以包括被配置成响应于光学信号而生成电荷的光电二极管，以及被配置成存储由光电二极管生成的电荷的电荷存储器件，其中存储的电荷可以在电荷存储器件上导致电压信号。每个像素也可以包括像素存储器和数字转换器。数字转换器可以包括被配置成接收斜坡信号和电压信号的比较器，其中斜坡信号的电压电平在时钟信号的每个周期之后增加或减小。比较器还可以被配置成在斜坡信号的电压电平达到电压信号的电压电平之后改变比较器的输出状态。数字转换器也可以包括数字输出生成电路，该数字输出生成电路被配置成在比较器的输出状态改变时，接收对应于斜坡信号开始的时间和比较器的输出状态改变的时间之间的时钟信号的周期总数的第一数目，并将该第一数目保存到像素存储器，其中该第一数目对应于电压信号的电压电平的数字化值。
在某些实施例中，用于图像传感器的数字像素可以包括被配置成响应于光学信号而生成电荷的光电二极管，以及被配置成存储由光电二极管生成的电荷的电荷存储器件，其中存储的电荷可以在电荷存储器件上导致电压信号。每个像素也可以包括像素存储器和数字转换器。数字转换器可以包括被配置成接收斜坡信号和电压信号的比较器，其中斜坡信号的电压电平在时钟信号的每个周期之后增加或减小。比较器还可以被配置成在斜坡信号的电压电平达到电压信号的电压电平之后改变比较器的输出状态。数字转换器也可以包括数字输出生成电路，该数字输出生成电路被配置成在比较器的输出状态改变时，接收对应于斜坡信号开始的时间和比较器的输出状态改变的时间之间的时钟信号的周期总数的第一数目，并将该第一数目保存到像素存储器，其中该第一数目对应于电压信号的电压电平的数字化值。
在某些实施例中，公开了一种数字成像方法。该方法可以包括在曝光周期期间由图像传感器中像素的光电二极管接收光信号，并且由像素将光信号转换成像素的电荷存储器件上的电压信号。该方法还可以包括启动对时钟信号的时钟周期数进行计数的时钟计数器，并且由像素的比较器比较电压信号和斜坡信号，其中斜坡信号的电压电平随时钟周期数线性增加或减小。该方法还可以包括当斜坡信号的电压电平达到电压信号的电压电平时改变比较器的输出状态，并将对应于比较器的输出状态改变时的时钟周期数的第一数目保存到像素的像素存储器，作为电压信号的第一数字值。
本申请还涉及以下方面：
1).一种数字像素图像传感器，包括：
多个像素，每个像素包括：
光电二极管，其被配置成响应于光学信号而生成电荷；
电荷存储器件，其被配置成存储由所述光电二极管生成的电荷，所存储的电荷在所述电荷存储器件上导致电压信号；
像素存储器；以及
数字转换器，其包括：
比较器，其被配置成：
接收斜坡信号和所述电压信号，其中，所述斜坡信号的电压电平在时钟信号的每个周期之后增加或减小；和
在所述斜坡信号的电压电平达到所述电压信号的电压电平之后，改变所述比较器的输出状态；以及
数字输出生成电路，其被配置成在所述比较器的输出状态改变时，
接收对应于所述斜坡信号开始的时间和所述比较器的输出状态改变的时间之间的所述时钟信号的周期总数的第一数目；和
将所述第一数目保存到所述像素存储器，所述第一数目对应于所述电压信号的电压电平的数字化值。
2).根据1)所述的数字像素图像传感器，还包括时钟计数器，所述时钟计数器被配置成：
计数在所述斜坡信号开始之后接收的时钟信号的周期总数；以及
向所述多个像素发送对应于所述周期总数的计数器值。
3).根据2)所述的数字像素图像传感器，还包括参考信号生成器，所述参考信号生成器被配置成：
基于所述计数器值生成所述斜坡信号；以及
向所述多个像素发送所述斜坡信号。
4).根据1)所述的数字像素图像传感器，还包括：
耦合到所述光电二极管和所述电荷存储器件的转移栅极，
其中，所述光电二极管被配置成在曝光时间周期期间累积所述电荷；并且
其中，所述转移栅极被配置成：
在所述曝光时间周期期间，将所述光电二极管从所述电荷存储器件断开；
在所述曝光时间周期之后，将所述光电二极管连接到所述电荷存储器件，以将累积的电荷从所述光电二极管转移到所述电荷存储器件；以及
在转移所述累积的电荷之后，将所述光电二极管从所述电荷存储器件断开。
5).根据1)所述的数字像素图像传感器，还包括：
复位电路，所述复位电路能够被配置成将所述电荷存储器件复位到复位电压电平。
6).根据5)所述的数字像素图像传感器，其中：
所述比较器还被配置成，在所述电荷存储器件被复位之后：
接收第二斜坡信号，其中，所述第二斜坡信号的电压电平在所述时钟信号的每个周期之后增加或减小；和
在所述第二斜坡信号的电压电平达到所述复位电压电平之后，改变所述比较器的输出状态；
所述数字输出生成电路还被配置成，当所述第二斜坡信号的电压电平达到所述复位电压电平之后所述比较器的输出状态改变时，
接收对应于所述第二斜坡信号开始的时间和所述比较器的输出状态改变的时间之间的所述时钟信号的周期总数的第二数目；和
将所述第二数目保存到所述像素存储器，所述第二数目对应于所述复位电压电平的数字化值；以及
所述第一数目和所述第二数目之间的差值对应于所述光学信号的强度。
7).根据6)所述的数字像素图像传感器，其中，所述像素存储器包括：
M位存储器块，其被配置成存储所述第二数目；以及
N位存储器块，其被配置成存储所述第一数目，其中，N大于M。
8).根据6)所述的数字像素图像传感器，还包括：
转移栅极，其耦合到所述光电二极管和所述电荷存储器件，所述转移栅极被配置成：
在曝光时间周期期间将所述光电二极管从所述电荷存储器件断开；
在所述曝光时间周期之后，将所述光电二极管连接到所述电荷存储器件，以将电荷从所述光电二极管转移到所述电荷存储器件；以及
在转移所述电荷之后，将所述光电二极管从所述电荷存储器件断开。
9).根据8)所述的数字像素图像传感器，其中：
所述复位电路被配置成，在所述曝光时间周期结束时并且在所述转移栅极将所述光电二极管连接到所述电荷存储器件之前，复位所述电荷存储器件。
10).根据1)所述的数字像素图像传感器，其中，所述比较器包括耦合到所述比较器的输出节点的预充电电路，所述预充电电路被配置成将所述比较器的输出节点充电到DC电平。
11).根据10)所述的数字像素图像传感器，其中：
所述比较器还包括p沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管；
所述PMOS晶体管的栅极耦合到所述电荷存储器件；
所述PMOS晶体管的源极被配置成接收所述斜坡信号；以及
所述比较器的输出节点耦合到所述PMOS晶体管的漏极。
12).根据1)所述的数字像素图像传感器，其中，每个像素还包括快门栅极，所述多个像素的快门栅极由同一曝光使能信号控制。
13).一种用于图像传感器的数字像素，所述数字像素包括：
光电二极管，其被配置成响应于光学信号而生成电荷；
电荷存储器件，其被配置成存储由所述光电二极管生成的电荷，所存储的电荷在所述电荷存储器件上导致电压信号；
像素存储器；以及
数字转换器，其包括：
比较器，其被配置成：
接收斜坡信号和所述电压信号，其中，所述斜坡信号的电压电平在时钟信号的每个周期之后增加或减小；和
在所述斜坡信号的电压电平达到所述电压信号的电压电平之后，改变所述比较器的输出状态；以及
数字输出生成电路，其被配置成在所述比较器的输出状态改变时，
接收对应于所述斜坡信号开始的时间和所述比较器的输出状态改变的时间之间的所述时钟信号的周期总数的第一数目；和
将所述第一数目保存到所述像素存储器，所述第一数目对应于所述电压信号的电压电平的数字化值。
14).根据13)所述的数字像素，还包括：
复位栅极，所述复位栅极能够被配置成将所述电荷存储器件复位到复位电压电平，
其中，所述比较器还被配置成，在所述电荷存储器件被复位之后：
接收第二斜坡信号，其中，所述第二斜坡信号的电压电平在所述时钟信号的每个周期之后增加或减小；和
在所述第二斜坡信号的电压电平达到所述复位电压电平之后，改变所述比较器的输出状态；
其中，所述数字输出生成电路还被配置成，当所述第二斜坡信号的电压电平达到所述复位电压电平之后所述比较器的输出状态改变时，
接收对应于所述第二斜坡信号开始的时间和所述比较器的输出状态改变的时间之间的所述时钟信号的周期总数的第二数目；和
将所述第二数目保存到所述像素存储器，所述第二数目对应于所述复位电压电平的数字化值；并且
其中，所述第一数目和所述第二数目之间的差值对应于所述光学信号的强度。
15).一种数字成像的方法，所述方法包括：
在曝光周期期间，由图像传感器中像素的光电二极管接收光信号；
由所述像素将所述光信号转换成所述像素的电荷存储器件上的电压信号；
启动对时钟信号的时钟周期数进行计数的时钟计数器；
由所述像素的比较器比较所述电压信号和斜坡信号，其中，所述斜坡信号的电压电平随所述时钟周期数线性增加或减小；
当所述斜坡信号的电压电平达到所述电压信号的电压电平时，由所述比较器改变所述比较器的输出状态；以及
将对应于所述比较器的输出状态改变时的时钟周期数的第一数目保存到所述像素的像素存储器，作为所述电压信号的第一数字值。
16).根据15)所述的方法，还包括：
将所述电荷存储器件从所述光电二极管断开；
将所述电荷存储器件复位到DC电压电平；
启动对所述时钟信号的时钟周期数进行计数的所述时钟计数器；
由所述比较器比较所述DC电压电平和第二斜坡信号，其中，所述第二斜坡信号的电压电平随所述时钟周期数线性增加或减小；以及
将对应于所述第二斜坡信号的电压电平达到所述DC电压电平时的时钟周期数的第二数目保存到所述像素存储器，作为第二数字值。
17).根据16)所述的方法，其中，将所述电荷存储器件复位到所述DC电压电平包括：
在所述曝光周期结束时将所述电荷存储器件复位到所述DC电压电平。
18).根据15)所述的方法，其中，将所述光信号转换成所述电荷存储器件上的电压信号包括：
将所述电荷存储器件从所述光电二极管断开；
响应于在所述曝光周期期间接收到所述光信号，由所述光电二极管生成电荷；
在所述曝光周期期间在所述光电二极管处累积所述电荷；
在所述曝光周期之后，将所述电荷存储器件连接到所述光电二极管，以将累积的电荷转移到所述电荷存储器件，其中，转移的电荷在所述电荷存储器件上导致所述电压信号；以及
将所述电荷存储器件从所述光电二极管断开。
19).根据15)所述的方法，还包括：
在所述曝光周期之前复位所述光电二极管和所述电荷存储器件。
20).根据15)所述的方法，还包括，在比较所述电压信号和所述斜坡信号之前：
将所述比较器的输出节点连接到DC电压源，以对所述比较器的输出节点预充电；以及
将所述比较器的输出节点从所述DC电压源断开。
本概述既不旨在标识所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解主题。前述内容以及其他特征和示例将在下面的说明书、权利要求书和附图中更详细地被描述。
附图简述
下面参考以下附图详细描述说明性实施例：
图1A是根据某些实施例的包括各种传感器的简化示例近眼显示器的透视图；
图1B是根据某些实施例的包括各种传感器的简化示例近眼显示器的横截面图；
图2A是根据某些实施例的包括各种传感器的简化示例近眼显示器的正视图；
图2B是根据某些实施例的包括各种传感器的简化示例近眼显示器的横截面图；
图3是具有模拟像素的示例图像传感器的简化框图；
图4示出了有源像素传感器(APS)的示例四晶体管有源像素；
图5A示出了在第一时间使用滚动快门的图像传感器中不同像素行的示例状态；
图5B示出了在第二时间使用滚动快门的图像传感器中不同像素行的示例状态；
图6是根据某些实施例的示例全局快门数字像素图像传感器的简化框图；
图7是根据某些实施例的示例全局快门数字像素图像传感器的示例数字像素的简化框图；
图8示出了根据某些实施例的示例全局快门数字像素图像传感器的示例数字像素的示例操作；
图9是根据某些实施例的包括模拟相关双采样(CDS)电路的示例数字像素的简化框图；
图10是根据某些实施例的包括数字CDS电路的示例数字像素的简化框图；
图11示出了根据某些实施例的包括数字CDS电路的示例数字像素；
图12A示出了根据某些实施例的每个像素具有数字CDS电路的全局快门数字像素图像传感器的示例时间帧中的示例定时周期；
图12B是示出根据某些实施例的全局快门数字像素图像传感器中具有数字CDS电路的数字像素的操作的时序图；
图13示出了包括DC偏置电路的示例比较器；
图14示出了根据某些实施例的包括预充电电路的示例比较器；
图15是根据某些实施例的示出图14的示例比较器的操作的时序图；
图16是示出根据某些实施例的数字成像的示例方法的流程图；以及
图17是示例人工现实系统环境的简化框图，该示例人工现实系统环境包括可以实现本文公开的一些示例的近眼显示器。
详细描述
本文公开了高速、高分辨率、高动态范围、高灵敏度和低功耗的图像传感器。在各种实施例中，每个像素包括数字转换器的数字像素图像传感器可以用于实现期望的性能。在一些实施方式中，数字像素图像传感器中的每个数字像素可以包括光电二极管、转移栅极、模拟存储器件(例如，显式(explicit)或寄生电容器)、数字转换器(例如，ADC)以及数字存储器。光电二极管可以将光信号转换成电信号。转移栅极可以用于将电信号(例如，累积电荷)从光电二极管转移到模拟存储器件，数字转换器可以将模拟存储器件处的电信号转换成数字位。数字存储器可以在数字位被读出之前存储数字位。在一个示例中，每个数字像素中的数字转换器可以包括比较器。比较器可以将模拟存储器件处的电信号与参考斜坡信号进行比较。参考斜坡信号可以是由，例如，DAC生成的全局信号。时钟计数器(例如，全局时钟计数器)可以在每个图像帧中连续计数时钟周期数。当参考斜坡信号达到模拟存储器件处电信号的电平时，数字像素中比较器的输出状态可以改变(例如，翻转、切换或斜坡上升/下降)。然后，通过切换比较器的输出，可以在数字像素中比较器的输出改变状态时将计数器值锁存到数字像素的存储器中。
在一些实施例中，数字像素可以包括相关双采样(CDS)电路(例如，数字CDS电路)，以降低随机噪声(例如，1/f噪声、电容器上的热kT/C噪声)和(例如，由像素之间比较器阈值的失配引起的)固定模式噪声(FPN)。CDS电路可以对模拟存储器件处的复位电平进行数字化(例如，数字化到m位)和对从光电二极管转移的模拟存储器件处的电信号的电平进行数字化(例如，数字化到n位)。这两个数字化值可以存储在(n+m)位像素存储器中。两个数字化值之间的差值可以用作图像帧的数字像素的数字输出。
在一个实施方式中，对于每个图像帧，光电二极管可以首先暴露于光信号，并开始对转换的电信号进行积分。在曝光(或积分)周期结束时或接近曝光(或积分)周期结束时(例如，在曝光(或积分)周期结束前大约100μs)，可以复位模拟存储器件。可以使用数字转换器对复位电平进行数字化。在曝光周期之后，可以将(积分的)电信号从光电二极管转移到模拟存储器件，并且可以由数字转换器数字化。因此，在帧周期(例如，33ms)的大部分时间(例如，大约95％、99％或更多)期间，数字像素可以低功率模式(例如，积分模式)工作。
在一些实施例中，数字转换器的比较器可以包括可以最小化静态(DC)功耗的电路。例如，可以使用预充电电路将比较器的内部节点预充电到例如数字化之前的低电平，而不是使用DC偏置电路将比较器设置在工作条件。预充电可以持续较短的时间周期，例如几微秒。在帧周期的剩余时间期间，比较器可能消耗很少或不消耗静态功率。因此，比较器的总功耗可以显著降低。
在以下描述中，为了解释的目的阐述了具体细节，以便提供对本公开示例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被显示为部件，以免以不必要的细节模糊示例。在其他情况下，公知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以避免模糊示例。附图和描述并不旨在是限制性的。在本公开中使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且这些术语和表达的使用无意排除所示出并描述的特征的任何等同物或其部分。
图像传感器可以包括光电传感器(photo sensor)阵列。每个光电传感器可以是光电二极管，其可以通过利用一些光电材料的光电效应将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。光电传感器也可以包括模拟存储器件，例如电容器件(例如，寄生电容器)，以收集(例如，累积或积分)曝光周期期间光电二极管生成的电荷。收集的电荷会导致电容器件处的电压改变。电压改变反映了在曝光时间周期内存储在电容器件处的电荷数量，该电压改变可以与入射光的强度相关。电容器件处的电压电平可以被缓冲并馈送到模数转换器(ADC)或其他数字转换器，ADC或其他数字转换器可以将电压电平转换成表示入射光强度的数字值。可以基于由光电传感器阵列提供的强度数据来生成图像帧，且每个光电传感器形成对应于图像帧的像素的图像传感器的像素。图像传感器的像素阵列可以排列成行和列，每个像素生成表示图像中特定定位处的像素强度的电压。阵列中包括的像素数量可以确定所生成图像帧的分辨率。
本文所公开的图像传感器的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在被呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括，例如，虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以仅包括计算机生成的内容或者与所捕获内容(例如，现实世界对象的图像)组合的计算机生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
图1A是根据某些实施例的包括各种传感器的简化示例近眼显示器100的透视图。图1B是根据某些实施例的包括各种传感器的简化示例近眼显示器100的横截面视图。近眼显示器100可以向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频内容。在一些实施例中，音频内容可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)被呈现，该外部设备从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100可以被配置成作为虚拟现实(VR)显示器进行操作。在一些实施例中，近眼显示器100可以被配置成作为增强现实(AR)显示器和/或混合现实(MR)显示器来进行操作。
近眼显示器100可以包括框架105和显示器110。一个或更多个光学元件可以耦合到或嵌入框架105中。显示器110可以被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。显示器110可以包括电子显示器和/或光学显示器。例如，在一些实施方式中，显示器110可以包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个生成的图像或现实图像的光导向用户的眼睛。
近眼显示器100可以包括一个或更多个图像传感器120a、120b、120c和120d。图像传感器120a、120b、120c和120d中的每一个可以包括像素阵列，该像素阵列被配置成生成表示不同方向上不同视场的图像数据。例如，图像传感器120a和120b可以被配置成提供表示沿着Z轴在方向A上的两个视场的图像数据，而图像传感器120c可以被配置成提供表示沿着X轴在方向B上的视场的图像数据，并且图像传感器120d可以被配置成提供表示沿着X轴在方向C上的视场的图像数据。
在一些实施例中，图像传感器120a-120d可以被配置为输入设备，以控制或影响近眼显示器100的显示内容，从而向近眼显示器100的用户提供交互式VR/AR/MR体验。例如，图像传感器120a-120d可以生成用户所处物理环境的物理图像数据。物理图像数据可以被提供给定位跟踪系统，以跟踪用户在物理环境中的定位和/或移动路径。然后，系统可以基于例如用户的定位和定向来更新提供给显示器110的图像数据，以提供交互式体验。在一些实施例中，当用户在物理环境内移动时，定位跟踪系统可以执行同步定位和映射(SLAM)算法来跟踪在物理环境中和用户视场内的一组对象。定位跟踪系统可以基于该组对象来构建并更新物理环境的地图(map)，并且跟踪用户在地图内的定位。通过提供对应于多个视场的图像数据，图像传感器120a-120d可以向定位跟踪系统提供物理环境的更全面的视图，这可以导致更多的对象被包括在地图的构建和更新中。利用这种布置，可以提高在物理环境内跟踪用户定位的精度和鲁棒性。
近眼显示器100还可以包括一个或更多个照明器130，以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频谱(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，照明器130可以在黑暗环境中(或者在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，以帮助图像传感器120a-120d捕获黑暗环境内不同对象的图像，从而例如实现对用户进行定位跟踪。照明器130可以将某些标记(例如，结构化光图案)投射到环境内的对象上，以帮助定位跟踪系统识别对象用于地图构建/更新。
在一些实施例中，照明器130还可以实现立体成像。例如，一个或更多个图像传感器120a或120b可以包括用于可见光感测的第一像素阵列和用于红外(IR)光感测的第二像素阵列。第一像素阵列可以覆盖有彩色滤光器(filter)(例如，Bayer滤光器)，第一像素阵列的每个像素被配置成测量与特定颜色(例如，红色、绿色或蓝色)相关联的光的强度。第二像素阵列(用于IR光感测)也可以覆盖有仅允许IR光通过的滤光器，第二像素阵列的每个像素被配置成测量IR光的强度。像素阵列可以生成对象的RGB图像和IR图像，IR图像的每个像素被映射到RGB图像的每个像素。照明器130可以在对象上投射一组IR标记，该对象的图像可以被IR像素阵列捕获。基于图像中所示对象的IR标记分布，系统可以估计对象的不同部分离IR像素阵列的距离，并基于该距离生成对象的三维(3D)图像。基于对象的3D图像，系统可以确定例如，对象相对于用户的相对位置，并且可以基于相对位置信息来更新提供给近眼显示器100的图像数据，以提供交互式体验。
如上所讨论，近眼显示器100可以在与非常宽的光强度范围相关联的环境中操作。例如，近眼显示器100可以在室内环境或在室外环境中和/或在一天中的不同时间操作。近眼显示器100也可以在开启或不开启照明器130的情况下操作。结果，图像传感器120a-120d可能需要具有宽的动态范围、高灵敏度和低噪声水平，以便能够在与近眼显示器100的不同操作环境相关联的非常宽的光强度范围上正确操作(例如，生成与入射光强度有关的输出)。
此外，图像传感器120a-120d可能需要能够高速生成输出来跟踪眼球的运动。例如，用户的眼球可以进行非常快速的运动(例如，眼跳运动(saccade movement))，其中可以从一个眼球位置快速跳跃到另一个眼球位置。为了跟踪用户眼球的快速运动，图像传感器120a-120d可能需要高速生成眼球的图像。例如，图像传感器生成图像帧的速率(帧速率)至少需要匹配眼球的运动速度。高的帧速率要求生成图像帧所涉及的所有图像传感器像素的总曝光时间要短，并且要求将传感器输出转换成用于图像生成的数字值的速度要快。此外，图像传感器可能还需要能够以低功耗操作。
图2A是根据某些实施例的包括各种传感器的简化示例近眼显示器200的正视图。图2B是根据某些实施例的包括各种传感器的简化示例近眼显示器200的横截面图。近眼显示器200可以类似于近眼显示器100，并且可以包括框架205和显示器210。一个或更多个图像传感器250a和250b可以耦合到或嵌入框架205中。图2A示出了面向近眼显示器200的用户的眼球235的近眼显示器200的一侧。如图2A和图2B所示，近眼显示器200可以包括多个照明器240a、240b、240c、240d、240e和240f。近眼显示器200还可以包括多个图像传感器250a和250b。照明器240a、240b和240c可以在方向D(与图1A和图1B的方向A相反)上发射特定频率范围(例如，NIR)的光。发射的光可以与某种图案相关联，并且可以被用户的左眼球反射。图像传感器250a可以包括像素阵列，以接收反射的光并生成反射图案的图像。类似地，照明器240d、240e和240f可以发射携带某种图案的NIR光。NIR光可以被用户的右眼反射，并且可以被图像传感器250b接收。图像传感器250b也可以包括像素阵列，以生成反射图案的图像。基于来自图像传感器250a和250b的反射图案的图像，系统可以确定用户的凝视点，并基于所确定的凝视点来更新提供给近眼显示器200的图像数据，以向用户提供交互式体验。
为了避免损害用户的眼球，照明器240a、240b、240c、240d、240e和240f通常被配置成以非常低的强度发光。在图像传感器250a和250b包括与图像传感器120a-120d相同的传感器设备的情形中，当入射光的强度非常低时，图像传感器250a和250b可能需要能够生成与入射光的强度有关的输出，这可能进一步增加图像传感器的动态范围要求。
图3是具有模拟像素的示例图像传感器300的简化框图。在一些实施方式中，图像传感器300可以是有源像素传感器(APS)图像传感器。图像传感器300可以包括像素阵列310、ADC接口320、数模转换器(DAC)和支持电路330以及定时和控制电路340。像素阵列310可以包括多个APS像素。像素阵列310中的每个像素可以包括光电传感器，例如光电探测器或光电二极管，其可以生成对应于照射像素的光学信号的强度的电压或电流信号。例如，每个像素可以将像素上的光学信号转换成电流。像素阵列310中的每个像素也可以包括模拟存储器件(例如电容器件)，其可以对电流进行积分以生成并存储电压信号，该电压信号可以被称为表示像素灰度级别/颜色信息的模拟检测信号。
定时和控制电路340可以包括像素阵列310边界处的行解码器和驱动器电路和/或列解码器和驱动器电路，用于选择性地激活一个或更多个像素(例如，一行像素)以将模拟检测信号发送到ADC接口320。
ADC接口320可以包括多个ADC器件。在一些实施方式中，ADC器件可以各自对应于一列像素，并且可以用于一次一行地将来自像素的模拟检测信号转换成数字图像数据。每个ADC器件可以包括两个输入，一个用于参考信号，并且另一个用于模拟检测信号。参考信号可以由例如，数模转换器(DAC)和支持电路330生成。来自每个像素的模拟检测信号可以由ADC器件基于参考信号转换成数字数据。来自每行像素的数字数据可以保存在数字图像数据文件中以形成图像帧。
在一些实施例中，每个ADC可以包括内部偏移校正电路和相关双采样(CDS)电路，这两个电路被配置成降低噪声(例如由像素到像素的参数变化引起的固定模式噪声(FPN))。CDS电路也可以是ADC接口320外部的独立单元。可以通过以下项来完成CDS操作：例如，采样并保持参考或复位信号；采样并保持模拟检测信号；以及从模拟检测信号中减去参考信号以生成相关模拟检测信号。相关模拟检测信号然后可以由ADC转换成数字图像数据。
在一些实施例中，像素阵列310中的每个像素可以包括，例如，4晶体管(4T)APS像素或3晶体管(3T)APS像素。例如，像素阵列中的每个3T像素可以包括光电探测器(例如，钳位光电二极管(pinned photodiode))、复位栅极、选择栅极、源极跟随器放大器晶体管、以及电容器件(例如，源极跟随器放大器晶体管的栅极处的寄生电容器)。复位栅极可以被导通以清除存储在电容器件上的电荷。在曝光期间，由光电探测器生成的电荷可以存储在电容器件上，以生成模拟检测信号(例如，电压信号)。当通过使用例如，行选择信号激活相应的选择栅极来选择像素时，电容器件处的模拟检测信号可以被源极跟随器放大器晶体管放大，并被发送到读出总线(例如，列线)，以由对应列的ADC转换成数字图像数据。在一些实施方式中，多个像素可以共享一些栅极，以降低用于图像传感器的栅极总数。
图4示出了CMOS有源像素传感器(APS)中的示例四晶体管(4T)有源像素400。4T有源像素400可以包括光电探测器(例如，钳位光电二极管(PD)410)、转移栅极M4 420、电容存储器件(例如，浮置扩散(FD)电容器CFD 430)、复位栅极M1 440、源极跟随器读出晶体管M2450、以及选择栅极M3 460。钳位光电二极管410可以将光学信号转换成电信号，并将该电信号作为电荷存储在电容器件上(例如钳位光电二极管410处的寄生电容器412上)。存储的电荷可以通过转移栅极M4 420转移到FD电容器CFD 430。复位栅极M1 440可以用于将FD电容器CFD 430复位到已知的电压电平。选择栅极M3 460的栅极可以连接到选择信号(例如行选择信号)，以通过源极跟随器读出晶体管M2 450来选择性地将FD电容器CFD 430耦合到读出总线(例如，列线480)，源极跟随器读出晶体管M2 450可以放大FD电容器CFD 430处的电压信号。
在有源像素400的操作期间，在曝光每行像素之前，可以使用例如，快门信号来清除或释放存储在寄生电容器412处的电荷，并且可以导通复位栅极M1 440来清除存储在FD电容器CFD 430上的电荷。可选地，可以在复位之后读出FD电容器CFD 430上的电压电平(即，复位电平)。在曝光期间，光电探测器生成的电荷可以存储在光电二极管410处的寄生电容器412上。在曝光结束时，电荷可以通过转移栅极M4 420转移到FD电容器CFD 430。钳位光电二极管410可以具有低暗电流和良好的蓝光响应(blue response)，并且当与转移栅极耦合时，可以允许从钳位光电二极管410到FD电容器CFD 430的完全电荷转移。电荷可能导致FD电容器CFD 430处的电压改变。当通过激活相应的选择栅极M3 460来选择像素时，FD电容器CFD430处的电压信号(即，模拟检测信号)可以被源极跟随器读出晶体管M2 450放大，并被发送到列线480。连接到列线480的ADC然后可以将放大的电压信号转换成数字图像数据。在一些实施方式中，使用从光电探测器到浮置扩散电容器的像素内电荷转移可以通过启用相关双采样(CDS)来降低噪声。
在许多图像传感器中，图像传感器中的像素可以依次访问ADC以生成数字图像数据，例如，一次一行像素，因为图像传感器中ADC的数量由于例如，芯片尺寸和/或功率限制而有限。通常，可以提供一组ADC(例如，每列像素一个ADC)，以将一行中的像素生成的电压信号同时转换成数字图像数据。但是相邻行的像素单元可能必须依次访问该组ADC。在一个示例中，滚动电子快门可以用在CMOS图像传感器上，其中像素行顺序地暴露于入射光以生成电荷，并且一次可以选择和读取图像传感器中的一个像素行，使得图像传感器的像素可以被逐行选择和读取以生成图像帧。在一个实施方式中，图像传感器的每行像素可以在曝光周期内暴露于入射光。该行中的像素可以各自基于曝光周期期间由光电二极管生成的电荷来生成电压信号，并将该电压信号发送到一列ADC。所有列的ADC可以生成一组数字图像数据，该组数字图像数据表示该行像素接收的入射光的强度。下一行像素可以在随后的曝光周期中被暴露于入射光，以生成另一组数字图像数据，直到所有像素行都已经暴露于入射光并且已经输出用于图像帧的数字图像数据。在另一个示例中，相邻像素行的曝光时间可以有一些重叠，但是每个像素行仍然需要依次将光电电荷生成的电压信号转换成数字图像数据。可以基于图像传感器中每个像素行的数字图像数据生成图像帧。
图5A示出了在第一时刻使用滚动快门的图像传感器510中不同像素行的示例状态。在第一时刻，图像传感器510的行520上的像素可以被复位，行530上的像素可以暴露于光信号以在每个像素上累积电荷，并且来自行540上的像素的电压信号可以被一组ADC读出并转换成数字信号。图像传感器510中的剩余像素在第一时刻可以被去激活，并且可以不消耗任何电功率。包括被复位的像素行(例如，行520)、暴露于VLC光信号的像素行(例如，行530)以及被读取的像素行(例如，行540)的窗口可以一次向下移动一行以生成图像帧。
图5B示出了在第二时刻使用滚动快门的图像传感器510中不同像素行的示例状态。第二时刻晚于第一时刻。在图5B中，被复位的像素行(例如，行520)、暴露于光信号的像素行(例如，行530)和被读取的像素行(例如，行540)可以与它们在如图5A所示的第一时刻的定位相比向下移动。
如上所述，期望具有高速(例如，高帧速率)、高灵敏度、高动态范围、高分辨率和低功耗的图像传感器用于诸如虚拟现实或增强现实设备的应用。然而，由于不同行上的像素共享有限数量的ADC以及每个像素行的有限的曝光时间，上述使用滚动快门的图像传感器可能具有有限的速度和有限的灵敏度。
在一些实施例中，每个像素具有数字转换器的数字像素图像传感器可以用于实现高帧速率。数字像素图像传感器中的每个数字像素可以包括光电探测器(例如，光电二极管)、转移栅极、模拟存储器件(例如，显式或寄生电容器)、数字转换器(例如，ADC)以及数字存储器。光电二极管可以将光信号转换成电信号(例如，电荷或电流)和/或对电信号进行积分。转移栅极可以用于将(积分的)电信号从光电二极管转移到模拟存储器件，并且数字转换器可将模拟存储器件处的电信号转换成数字位。在从每个像素读出数字位之前，数字存储器可以存储数字位。因为数字像素图像传感器中的每个像素具有它自己的ADC，所以数字像素图像传感器的所有像素可以在图像帧的同一曝光时间段期间暴露于光信号，并且来自数字像素图像传感器的所有像素的电压信号可以被并行地转换成数字图像数据。因此，全局快门可以用于控制图像传感器中所有像素的曝光，并且与上述滚动快门图像传感器相比，图像传感器的帧速率可以显著增加。
图6是根据某些实施例的示例全局快门数字像素图像传感器600的简化框图。数字像素图像传感器600可以包括数字像素阵列610和其他支持电路(例如行驱动器和全局信号驱动器电路620)、全局计数器630、计数器缓冲器640以及斜坡生成器和缓冲器电路650。数字像素图像传感器600也可以包括读出放大器(sense amplifier)660、读出放大器偏置电路670和行存储器(line memory)680，用于从每个数字像素行读出数字数据以形成数字图像。数字像素图像传感器600也可以包括其他电路，例如数字块690、功率调节电路695和/或移动产业处理器接口(MIPI)电路698。
数字像素阵列610可以包括二维像素阵列。每个像素可以包括光电探测器(例如，光电二极管)和数字转换器。通过累积光电二极管响应于入射光信号生成的电荷而生成的模拟电压信号可以由数字转换器在每个像素内部进行转换。因此，每个像素可以输出对应于入射光强度和/或颜色的数字数据，而不是模拟电压信号。此外，数字像素阵列610所有像素上的模拟电压信号可以同时被转换，允许全局快门操作，而不使用像素中的附加屏蔽模拟存储节点来存储模拟电压信号。行驱动器和全局信号驱动器电路620可以控制像素的操作，包括电荷积分、比较器操作、数字写入、数字输出等。
全局计数器630可以用于向数字像素阵列610的所有像素提供全局计数器值。计数器缓冲器640可以从全局计数器630向每个像素发送全局计数器值。斜坡生成器和缓冲器电路650可以为所有像素生成全局参考信号，例如斜坡信号(斜坡上升或下降)或三角信号。每个像素中的数字转换器可以使用全局计数器值和全局参考信号来确定对应于由像素生成的模拟电压信号的数字数据。
在一些实施方式中，像素中数字位可能不会轨对轨(rail-to-rail)摆动，因此读出放大器可以用于重新生成数字值。在模数转换之后，读出放大器660可以读出像素中的数字值。读出放大器660可以一次读出一个像素行中的数字值。每个读出放大器660可以连接到像素数字输出线，以读出一行中每个像素的数字数据。读出放大器偏置电路670可以用于向读出放大器660提供偏置电压和电流。行存储器680可以暂时保持从像素行读出的数字数据。
数字块690可以包括控制图像传感器的操作(包括图像传感器的定时)的逻辑电路。功率调节电路695可以为图像传感器生成不同电平(例如，3.3V、1.8V和1.2V)的模拟功率和电压源，并且管理图像传感器的供电，包括块级别加电和/或断电。MIPI电路698可以用于将MIPI输出格式的数字数据发送到存储器。
通过在每个像素中提供数字转换器(例如，ADC)，像素阵列的像素可以同时暴露于入射光，并生成在像素处接收的入射光的强度的数字表示，以提供全局快门操作。对于高速运动捕获，全局快门是有利的，因为它可以避免与滚动快门操作相关联的运动失真问题，这种运动失真由像素行在不同时间捕获移动对象的不同部分的图像引起。进一步地，与像素行依次曝光以生成表示光强度的图像数据的方法相比，可以减少使用像素生成图像帧的总时间。因此，所公开的技术可以提高图像传感器的操作速度。此外，因为所有像素同时曝光，所以与使用滚动快门相比，每个像素的平均曝光时间可以增加。因此，图像传感器的灵敏度也可以增加。
图7是根据某些实施例的示例全局快门数字像素图像传感器的示例数字像素700的简化框图。数字像素700可以是数字像素图像传感器中数字像素阵列(例如数字像素图像传感器600中的数字像素阵列610)的一部分。数字像素700可以生成对应于图像帧中像素强度的数字图像数据。如图7所示，数字像素700可以包括光电二极管702、积分电容器703、转移栅极704、复位开关718、测量电容器706、可选的缓冲器710和像素数字转换器750。在一些实施例中，数字像素700还可以包括由全局快门信号控制的快门开关726。
在一些实施例中，光电二极管702可以包括PN二极管或PIN二极管。快门开关726、转移栅极704和复位开关718中的每一个都可以包括晶体管。晶体管可以包括例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)等。快门开关726可以充当电子快门栅极，以控制数字像素700的曝光周期。在曝光周期之前，快门开关726可以被启用(导通)以复位积分电容器703。在曝光周期期间，快门开关726可以被曝光使能信号724禁用(关断)，这可以允许光电二极管702生成的电荷移动到积分电容器703和/或测量电容器706。复位开关718可以被复位信号720禁用(关断)，这可以允许测量电容器706存储由光电二极管702生成的电荷，并产生与存储的电荷量相关的电压信号。测量电容器706处的电压信号然后可以被转换成数字数据。在测量电容器处的电压信号的转换完成之后，复位开关718可以被启用以将存储在测量电容器706处的电荷清空到电荷吸收器722，以使测量电容器706可用于下一次测量。
积分电容器703可以是光电二极管702和连接到光电二极管702的其他电路的寄生电容器，并且可以存储由光电二极管702生成的电荷。积分电容器703可以包括例如，PN二极管结界面处的结电容器(junction capacitor)，或者连接到光电二极管702的其他寄生电容器。由于积分电容器703靠近光电二极管702，所以由光电二极管702生成的电荷可以在积分电容器703处累积。测量电容器706可以是浮置扩散节点(例如，转移栅极704的浮置端子)处的寄生电容器、金属电容器、MOS电容器或其任意组合。测量电容器706可以用于存储一定量的电荷，这些电荷可以由像素数字转换器750进行测量，以提供表示入射光强度的数字输出。存储在测量电容器706处的电荷可以是通过转移栅极704从积分电容器703转移的电荷。转移栅极704可以由测量控制信号708控制，以控制从积分电容器703到测量电容器706的电荷转移。积分电容器703和/或测量电容器706处累积的电荷总量可以反映光电二极管702在曝光周期期间生成的总电荷量，这又反映了在曝光周期期间入射到光电二极管702上的光强度。
测量电容器706处存储的电荷可以由可选的读出放大器或可选的缓冲器710读出，以在模拟输出节点712处生成模拟电压信号的副本(但是具有更大的驱动强度)。像素数字转换器750可以将模拟输出节点712处的模拟电压信号转换成一组数字数据(例如，包括逻辑1和0)。可以对测量电容器706处产生的模拟电压信号进行采样，并且可以在曝光周期之后生成数字输出。
像素数字转换器750可以包括比较器754和数字输出生成器760，数字输出生成器760可以包括像素存储器764。像素数字转换器750可以使用时钟计数器762生成的计数器值，时钟计数器762可以是数字像素图像传感器中所有像素的全局时钟计数器。时钟计数器762可以基于时钟信号780生成一组计数器值。在一些实施方式中，时钟计数器762也可以被参考信号生成器770用来生成全局参考信号，参考信号生成器770可以包括可以生成任意参考信号的数模转换器(DAC)772，或者使用计数器值的斜坡或三角波形生成器。例如，在数字化开始之后，可以对DAC 772进行编程，以生成对应于来自时钟计数器762的计数器输出766的斜坡参考信号VREF 752，该斜坡参考信号VREF 752可以根据实施方式而斜坡上升或斜坡下降。比较器754可以比较来自缓冲器710的模拟电压信号和来自参考信号生成器770的参考信号VREF 752。当来自缓冲器710的模拟电压信号与参考信号VREF 752相互交叉时，比较器754的输出可以改变状态。数字输出生成器760可以使用比较器的输出将来自时钟计数器762的计数器输出766的当前值锁存到像素存储器764中。当前计数器输出766可以对应于用于数字化模拟电压信号的量化阶梯(quantization step)的总数，量化误差小于表示量化阶梯(也称为最低有效位(LSB))的电压电平。计数器输出766因此是存储在测量电容器706处的电荷量的数字表示，以及入射光强度的数字表示。像素存储器764中的数字数据可以通过一组像素输出总线790被读出到例如，行存储器680或用于存储数字图像帧的外部存储器。
数字像素700也可以包括或者可以连接到其他控制电路(图7中未示出)，以控制曝光使能信号724、测量控制信号708和复位信号720的定时和幅度，从而控制用于光强度确定的积分电容器703和测量电容器706中的电荷累积操作。应当理解，这些控制电路可以在数字像素700的外部，并且可以是例如，图6的行驱动器和全局信号驱动器电路620和/或数字块690的一部分。
图8示出了根据某些实施例的示例全局快门数字像素图像传感器的示例数字像素(例如，数字像素700)的示例操作。在图8所示的示例中，可以使用均匀的量化阶梯来执行量化过程，其中对于时钟信号(例如，时钟信号780)的每个时钟周期，参考信号(例如，图7的参考信号VREF 752)增加(或减小)相同的量。参考信号的增加(或减小)量可以对应于量化阶梯(即，LSB)。随着时钟周期数的增加，参考信号可以增加并达到比较器输入处的模拟电压信号的一个量化阶梯内，此时比较器的输出可以改变状态，例如，从低电平翻转到高电平。比较器输出的翻转可以将当前计数器值锁存到像素存储器中，作为表示像素处模拟电压信号的数字数据。
图8示出了两个像素处的模拟电压信号，像素1处的模拟电压信号810和像素2处的模拟电压信号820。图8还示出了时钟信号860和对时钟信号860的周期数进行计数的时钟计数器的时钟计数器值870。在时间t0(数字化开始时)，时钟计数器可以开始计数时钟信号860的周期数。例如，时钟计数器值870可以在时钟信号860的每个周期之后增加1。如上所述，时钟计数器可以是由许多像素共享的全局时钟计数器，从而可以降低每个像素的尺寸。随着时钟计数器值的增加，参考信号VREF 830的电压电平可以增加。参考信号VREF 830可以由例如，DAC基于时钟计数器值870生成。因为参考信号VREF 830低于像素1处的模拟电压信号810和像素2处的模拟电压信号820，所以像素1中比较器的输出840和像素2中比较器的输出850可以处于低(或高)电平。
在时间t1，参考信号VREF 830可以达到(例如，在一个LSB之内)像素1处的模拟电压信号810，并且像素1中的比较器的输出840可以从低电平翻转到高电平。像素1中比较器的输出840的翻转可以导致时钟计数器值870在时间t1的数字值D1被保存到像素1的像素存储器中。时钟计数器可以继续计数时钟信号860的周期数，并且参考信号VREF 830的电压电平可以继续增加。在时间t2，参考信号VREF 830可以达到(例如，在一个LSB之内)像素2处的模拟电压信号820，因此像素2中比较器的输出850可以从低电平翻转到高电平。像素2中比较器的输出850的翻转可以导致时钟计数器值870在时间t2的数字值D2被保存到像素2的像素存储器中。
以这种方式，不同像素处的模拟电压信号可以由每个像素中的比较器使用全局时钟计数器值和全局斜坡信号VREF 830(而不是由每个像素或每个像素列中的复杂ADC)同时转换成表示不同像素处的光强度的数字值。因此，数字像素的尺寸和数字像素的功耗可以显著降低，这可以允许图像传感器具有更高的分辨率、更高的密度、更小的尺寸和低功耗。
各种噪声或误差可能影响图像传感器的可测量光强度的下限(通常称为最小可分辨信号电平)。例如，在浮置节点处收集的电荷可以包括与入射光强度无关的噪声电荷。噪声电荷的一个来源是暗电流，暗电流可以是由于例如晶体学缺陷，在光电二极管的p-n结处和在连接到电容器的其他半导体器件(例如，晶体管)的p-n结处生成的漏电流。暗电流可能流入电容器，并导致与入射光强度无关的电压改变。光电二极管处生成的暗电流通常小于其他半导体器件处生成的暗电流。一些噪声电荷可能是由与其他电路的电容耦合引起的。例如，当数字转换器执行读取操作以确定存储在浮置节点中的电荷量时，数字转换器可能通过电容耦合将噪声电荷引入浮置节点。
除了噪声电荷，数字转换器还会在确定电荷量时引入测量误差。测量误差会降低数字输出和入射光强度之间的相关程度。测量误差的一个来源是量化误差。在量化过程中，一组离散的电平可以用来表示一组连续的电压信号，每个电平表示电压信号电平的预定范围。因此，当由数量级(quantity level)表示的电压电平和由数量级近似的输入模拟电压之间存在差异时，可能会发生量化误差。图7中所示的数字转换器的量化误差可以通过使用较小的量化步长(step size)(例如，每个阶梯或每个时钟周期中参考信号VREF 830的增加或减小)和/或更快的时钟信号来减小。测量误差的其他来源可以包括例如，随机噪声(例如，电容器上的热kT/C噪声)、器件噪声(例如，ADC电路的噪声)和比较器偏移，它们增加了电容器中存储的电荷量测量的不确定性。
噪声电荷和数字转换器测量误差可以确定图像传感器的可测量光强度(灵敏度)的下限。图像传感器的可测量光强度的上限可以由导致光电二极管在单位时间内生成的电荷(即，光电流)饱和的光强度来确定。上限和下限之间的比率通常可以被称为动态范围，其可以确定图像传感器的操作光强度的范围。
在某些情形中，比较器中不希望的偏移以及数字像素的其他部件和参数的变化可能导致固定模式噪声(FPN)。在一些实施例中，数字像素图像传感器中的数字像素可以包括相关双采样(CDS)电路，以降低偏移误差，从而降低FPN。CDS电路可以测量模拟存储器件(例如，测量电容器806)处的复位电平和曝光后模拟存储器件处模拟电压信号的信号电平，并且使用测量的信号电平和复位电平之间的差来确定像素的实际信号值。因为所测量的信号电平包括由图像传感器中像素之间的其他参数或器件的不同偏移或变化引起的复位电平分量，所以所测量的信号电平和复位电平之间的差可以更准确地表示由于像素的光照所生成的电荷所引起的实际电压改变。
图9是根据某些实施例的包括模拟相关双采样(CDS)电路的示例数字像素900的简化框图。数字像素900可以包括钳位光电二极管910、由控制信号TX控制的转移栅极920、浮置扩散节点930、由控制信号RST控制的复位栅极940、由控制信号SEL控制的选择栅极950、包括晶体管942和952以及选择栅极950的像素内源极跟随器缓冲级，以确保高像素转换增益。数字像素900还可以包括比较器970和像素存储器980。这些电路的操作可以类似于上述有源像素400或数字像素700的操作。
如图9所示，数字像素900还可以包括模拟CDS电路960。在一些实施方式中，模拟CDS电路960可以包括两个CDS电容器、两个栅极和一个差分放大器。复位之后测量电容器(即，FD节点930)处的模拟电压电平(即，复位电平)可以通过一个栅极被存储在一个CDS电容器处，并且电荷转移之后测量电容器处的模拟电压电平(即，信号电平)可以通过另一个栅极被存储在另一个CDS电容器处。两个模拟电压电平之间的差可以使用差分放大器来被生成，然后可以由比较器970数字化。也可以使用模拟CDS的一些其他实施方式。例如，在一些实施方式中，模拟CDS电路960的一些电路简化可以用于降低晶体管的总数。然而，为了使电容器的热噪声(kT/C噪声)满足图像传感器的要求，模拟CDS可以针对像素中CDS电容器使用相对大的面积。此外，使用源极跟随器缓冲级来驱动模拟CDS电容器以及CDS电容器的面积可能限制缩小数字像素的能力，并且还可能增加数字像素的功耗。
图10是根据某些实施例的包括数字CDS电路的示例数字像素1000的简化框图。数字像素1000可以包括如上所述的3T或4T光电传感器、比较器1050和像素存储器块。光电传感器可以包括钳位光电二极管1010、转移栅极1020、复位栅极1040和浮置扩散电容器1030。
在曝光数字像素1000之前或期间，通过使用复位信号RST导通复位栅极1040，浮置扩散电容器1030可以被复位到复位电平(例如，0V或另一个DC电平)。浮置扩散电容器1030处的电压电平可以被数字化并保存到像素存储器的m位存储器块1060。因为复位电平通常较低，所以使用上述数字转换器进行数字化的时间可以较短，并且复位电平可以被数字化为可以由少量位表示的较小值。
在曝光数字像素1000之后，由钳位光电二极管1010生成并在光电二极管1010处累积的电荷可以通过使用转移控制信号TX导通转移栅极1020而被转移到浮置扩散电容器1030。浮置扩散电容器1030处的电压电平可以被数字化并保存到像素存储器的n位存储器块1070，其中n可以大于m。因为电荷转移之后浮置扩散电容器1030处的电压电平可以高于复位电平，所以使用上述数字转换器进行数字化的时间可以较长，并且电压电平可以被数字化为可以由较多位表示的较大值。
可以读出表示复位电平的m位数据和表示信号电平的n位数据，并且n位数据和m位数据之间的差可以表示由光电流或电荷引起的检测到的电压信号，从而表示像素处的检测到的光强度。以这种方式，数字图像数据中由像素的器件和参数的失配或变化(例如，偏移误差、比较器阈值失配、电容器失配等)引起的误差或噪声可以降低。在一些实施方式中，可以在读出像素的输出之前在像素级处执行n位数据和m位数据的相减，使得从像素读取的数字位的总数可以很小。
因为在数字CDS中不可以使用附加的CDS电容器或差分放大器，所以包括数字CDS电路的数字像素可以比使用模拟CDS电路的数字像素使用显著少的硅面积和功率。
图11示出了根据某些实施例的包括数字CDS电路的示例数字像素1100。数字像素1100可以是数字像素1000的示例实施方式。数字像素1100可以包括光电传感器1105(其可以包括钳位光电二极管1110)、转移栅极1120、复位栅极1140和浮置扩散电容器1130。数字像素1100还可以包括用于模拟电压电平数字化的比较器1150(例如比较器754)。
数字像素1100还可以包括写逻辑，该写逻辑可以包括与(AND)(或者与非(NAND))门1160。与(或者与非)门1160的输入可以连接到比较器1150的输出和复位使能信号enable_rst(例如，用于导通复位栅极1140的复位信号或与复位信号同步的信号)。与(或者与非)门1160的输出可以连接到m位单元1180(例如，D触发器(D flip-flop))的写使能输入。当复位电平被数字化，复位使能信号enable_rst可以被宣称有效(asserted)(例如，被设置为高电平)。当比较器1150的输出改变状态时，例如，在参考信号(例如，斜坡信号)达到复位电平时比较器1150的输出从“0”改变到“1”，与(或者与非)门1160的输出可以从“0”翻转到“1”，这可以导致来自例如，全局时钟计数器的当前计数器值被锁存到m位单元1180中，其稍后可以被读出。
数字像素1100的写逻辑还可以包括与(或者与非)门1170。与(或者与非)门1170的输入可以连接到比较器1150的输出和读使能信号enable_sig(例如，用于选择像素的选择信号)。与(或者与非)门1170的输出可以连接到n位单元1190(例如，D触发器)的写使能输入。当像素信号电平被数字化时，读使能信号enable_sig可以被宣称有效(例如，被设置为高电平)。当参考信号(例如，斜坡信号)达到像素信号电平时，比较器1150的输出可以例如从“0”翻转到“1”，因此与(或者与非)门1170的输出可以从“0”翻转到“1”，这可以导致来自全局时钟计数器的当前计数器值被锁存到n位单元1190中，其稍后可以被读出。
以这种方式，数字图像数据中由像素的器件和参数的失配和变化(例如，偏移误差、比较器阈值失配、电容器失配等)引起的误差或噪声可以降低。与可能不包括数字CDS电路的数字像素相比，数字像素1100可以使用m个附加位单元(例如D触发器)，这些附加位单元是数字电路并且可以使用小面积。同样如上所述，使用数字像素，图像传感器可以使用全局快门来提高帧速率和灵敏度(例如，由于每个像素的曝光时间较长)。数字像素的复位电平可以在图像帧的时间周期期间的不同时间被数字化。
图12A示出了根据某些实施例的每个像素具有数字CDS电路的全局快门数字像素传感器操作期间的示例定时周期。数字像素传感器中的所有像素可以同时以相同的方式操作。数字像素输出用于图像帧的一组输出数据的时间周期1200可以包括快门周期1210、积分周期1212、复位周期1214、复位电平转换周期1216、电荷转移周期1218、信号电平转换周期1220和数据输出周期1222。
数字像素生成用于图像帧的一组输出数据的时间周期可以从快门周期1210开始，在快门周期1210期间，可以复位光电二极管处的电压电平，并且可以设置像素积分的时间周期。在快门周期1210结束时，每个数字像素可以在积分周期1212中开始信号积分(例如，电荷累积)，在积分周期1212期间，数字像素的光电二极管的寄生电容器(例如，积分电容器703，其可以包括光电二极管702和连接到光电二极管702的其他电路的寄生电容器)可以收集光电二极管响应于数字像素处的入射光而生成的电荷(例如，光电子)。在积分周期1212结束之前的短周期(例如，小于100μs)内，每个像素的测量电容器(例如，测量电容器706或浮置扩散电容器1130)可以在复位周期1214中被复位，接下来是复位电平转换周期1216期间复位电压电平的模数转换。数字化像素复位电平可以存储在像素存储器(例如m位单元1180)中。在像素复位电平被转换之后，在电荷转移周期1218期间，每个像素的光电二极管处的积分电容器中累积的电荷可以被转移到测量电容器(例如，在测量电容器和光电二极管处的积分电容器之间重新分配)，接下来是信号电平转换周期1220期间像素信号电平(即，电荷转移之后测量电容器上的电压电平)的模数转换。每个像素的数字化像素信号电平可以存储在像素存储器(例如n位单元1190)中。在数字化的像素复位电平和信号电平被存储在像素存储器中之后，数据输出周期1222可以开始，并且每个像素的像素复位电平和信号电平的数字值可以逐行从像素阵列中读出。数字值的读出速度比模拟电压快得多。
因为在先前累积的电荷已经转移到测量电容器之后，数字像素可以开始累积下一图像帧的电荷，所以数字图像传感器的帧时间周期(T_Frame)可以等于快门周期1210(T_Shutter)、积分周期1212(T_Int)、复位周期1214和复位电平转换周期1216(统称为T_Rst)以及电荷转移周期1218(T_TX)的总和。如上所讨论，复位电平通常较低，因此数字化复位电平的时间可以较短。与积分周期相比，电荷转移周期1218、信号电平转换周期1220和数据输出周期1222也可以较短。因此，帧时间周期内的帧积分开销(非积分时间)可以很小。在一个示例中，帧时间周期可以是大约33ms(即，以每秒30帧的帧速率)，则帧积分开销(其可以包括复位周期1214、复位电平转换周期1216、电荷转移周期1218，并且在一些实施方式中，包括信号电平转换周期1220和数据输出周期1222)可以是大约100μs。因此，在帧时间周期的大部分时间(例如，大约95％、99％或更多)期间，数字像素可以低功率模式(例如，积分模式)工作。因为在快门周期1210和积分周期1212期间(它们可能占据帧时间周期的大部分时间周期)，数字像素可以在低功率模式中消耗非常少的功率，所以数字像素的总功耗可以非常低。
图12B是示出根据某些实施例的全局快门数字像素传感器中具有数字CDS电路的数字像素的操作的时序图。在图12B中，复位信号RST 1250的第一复位脉冲1252和转移控制信号TX 1260的第一转移控制脉冲1262可以同时发生(例如，在诸如快门周期1210的快门周期结束时)，使得积分电容器和测量电容器可以被复位或放电。在第一复位脉冲1252和第一转移控制脉冲1262之后，像素积分可以开始。在积分周期结束时，第二复位脉冲1254可以将测量电容器(例如，浮置扩散电容器)复位到复位电平(例如0V或另一DC电平)。测量电容器的复位电平可以使用比较器、时钟计数器和斜坡信号1270来被数字化。如上所述，在复位电平的数字化期间，斜坡信号1270可以逐渐增加或减小(如斜坡1272所示)。时钟计数器可以对时钟周期数进行计数。斜坡信号1270达到复位电平时的时钟计数器值1280可以作为复位计数1282保存在像素存储器(例如，m位复位电平存储器)中。随后，第二转移控制脉冲1264可以被宣称有效，以将电荷从光电二极管处的积分电容器转移到测量电容器。测量电容器上的电压电平(称为信号电平)可以使用如上所述的比较器、斜坡信号1270和时钟计数器被数字化。在信号电平的数字化期间，斜坡信号1270可以逐渐增加或减小(如斜坡1274所示)。斜坡信号1270达到信号电平时的时钟计数器值1280可以作为信号计数1284保存在像素存储器(例如，n位信号电平存储器)中。复位计数1282和信号计数1284可以从数字像素存储器中被读出，并在MIPI接口1290上以MIPI格式作为输出数据1292被发送出去。表示复位电平的复位计数可以使用比表示信号电平的信号计数更少的位，因为测量电容器处的复位值通常较小。
图12A和图12B示出了在积分周期结束时测量复位电平。在一些实施方式中，复位电平可以在另一时间被测量。例如，复位电平可以在快门周期期间、积分周期开始时或积分周期中间被测量并数字化，因为测量电容器和积分电容器可以被转移栅极隔离。图12A和图12B中所示的示例在降低数字像素的噪声方面(例如降低由暗电流引起的噪声和1/f噪声)可以比数字像素的其他操作和定时配置具有更好的性能。
例如，如图12A和图12B所示，因为测量电容器恰好在电荷转移和信号电平数字化之前被复位，所以在信号电平数字化之前暗电流在测量电容器上累积电荷的时间可以很短，因此暗电流引起的噪声或误差可以很小。相反，如果测量电容器在积分周期开始时或在快门周期期间被复位，暗电流在测量电容器上累积电荷的时间可能持续整个或大部分积分周期，因此暗电流引起的噪声或误差可能很大。
此外，因为测量电容器恰好在电荷转移和信号电平数字化之前被复位，所以由于测量电容器的复位和电荷转移之间的短时间周期，CDS电路被有效地以高频率切换。因此，由于较高的操作频率，数字像素的1/f噪声(即，闪烁噪声或粉红噪声)可以降低。相反，如果测量电容器在例如积分周期开始时被复位，由于测量电容器的复位和电荷转移之间的时间周期较长，CDS电路以较低频率被有效地切换。因此，在这种数据转换过程中，1/f噪声引起的噪声或误差可能较大。
如上所述，因为每个数字像素包括数字转换器，所以当所有像素并行操作时，数字像素图像传感器的总功耗可能较高。例如，如果每个数字转换器消耗1μW，则具有100万个数字像素的图像传感器可能消耗至少1W，这可能不适用于移动或可佩戴设备(例如HMD)。因此，希望降低数字像素中数字转换器、缓冲器和其他电路的功耗。在上面参考例如图7描述的一些示例中，数字转换器可以使用比较器将信号电平与参考电平进行比较，并将时钟计数器值锁存到像素存储器。因为锁存器和像素存储器可能消耗很少的功率，所以在降低数字转换器和数字像素的功耗方面，降低比较器的功耗可能更有效。
图13示出了包括DC偏置电路的示例比较器1300。比较器1300可以包括不同的放大器，这些放大器可以包括P沟道晶体管1310和1320、N沟道晶体管1330、1340和1350。来自测量电容器的模拟电压信号VFD可以连接到晶体管1330和晶体管1340之一的栅极，而来自参考信号生成器(例如，参考信号生成器770)的斜坡信号VRAMP可以连接到晶体管1330和晶体管1340中另一个的栅极。斜坡信号VRAMP和来自测量电容器的模拟电压信号VFD之间的差可能导致通过晶体管1310、1320、1330和1340的不同电流。因此，节点1325处的电压电平可以取决于斜坡信号VRAMP和来自测量电容器的模拟电压信号VFD之间的差。连接到节点1325的反相器1360可以将节点1325处的电压电平转换成“高”或“低”信号。
在比较器1300中，差分放大器的晶体管可以被晶体管1350偏置到晶体管的适当DC操作电平。在比较器的操作期间，通过晶体管1330的电流的降低可以对应于通过晶体管1340的电流的增加，并且通过晶体管1350的DC偏置电流可以保持恒定。因此，比较器1300的差分放大器可以消耗DC功率来偏置晶体管。如上所讨论，如果用于偏置的DC功率为每像素1μW，则具有100万个数字像素的图像传感器可能消耗至少1W。
图14示出了根据某些实施例的包括预充电电路的示例比较器1400。在比较器1400中，来自测量电容器的模拟电压信号VFD可以连接到晶体管1410的栅极，而参考信号VRAMP可以连接到晶体管1410的源极(或漏极)。在一些实施方式中，晶体管1410可以是p沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管，并且不使用DC偏置电路来偏置晶体管1410。相反，包括预充电晶体管1420的预充电电路可以用于在模拟电压信号VFD的数字化开始之前对比较器的输出节点COMP预充电。在数字化期间，预充电晶体管1420可以关断，并且没有电流可以流过预充电晶体管1420。因此，可以降低或最小化DC偏置电流和静态功耗。
比较器1400还可以包括一个或更多个反相器。例如，如图14所示，第一反相器可以包括晶体管1430和1440以生成写信号(write signal)，并且第二反相器可以包括晶体管1450和1460以生成writeb信号。写信号和writeb信号可以用于将时钟计数器值锁存到像素存储器中。在一些实施方式中，晶体管1410和1420可以具有厚栅极氧化物，并且可以在3.3V操作，而两个反相器中的一个或两个可以包括具有薄栅极氧化物的晶体管，并且可以在诸如1.8V或1.2V的较低电压操作，使得写信号和/或writeb信号的切换边缘可以是尖锐的，并且写信号和/或writeb信号的电平可以更好地匹配包括组合逻辑(例如，与门1160和1170)和存储器器件的数字电路的操作电压。使用薄氧化物晶体管的一个动机是，它们可以在像素中占据较小的面积，并且还比厚氧化物晶体管具有更低的功耗。
图15是示出根据某些实施例的示例比较器(例如图14所示的比较器1400)的操作的时序图1500。图15示出了可以用于控制预充电晶体管1420的预充电信号1510、可以连接到p沟道晶体管1410的源极的斜坡信号VRAMP 1520、可以驱动晶体管1410的栅极的VFD信号1530、晶体管1410漏极处的信号VCOMP 1540、比较器1400的第一反相器的输出处的写信号1550以及比较器的第二反相器的输出处的writeb信号1560。如图15所示，在数字化操作开始之前，高电平脉冲被施加到预充电晶体管1420的栅极以导通预充电晶体管1420，因此节点COMP可以被预充电到低电平(例如，Vss)。在预充电操作之后，预充电信号1510可以被设置为低电平以关断预充电晶体管1420，并且模数转换可以开始。在模数转换期间，斜坡信号VRAMP 1520可以逐渐增加。当斜坡信号VRAMP 1520小于VFD信号1530和晶体管1410的阈值电压Vtp之和时，晶体管1410可以被关断，并且信号VCOMP 1540可以为低。因此，第一反相器输出处的写信号1550可以为高，而第二反相器输出处的writeb信号1560可以为低。在时间t1，斜坡信号VRAMP 1520变得大于VFD信号1530和晶体管1410的阈值电压Vtp之和，晶体管1410可以被导通以对节点COMP充电，使得信号VCOMP 1540可以增加到可以触发第一反相器翻转的高电平。因此，在门延时(gate delay)之后，第一反相器输出处的写信号1550可能变低，而第二反相器输出处的writeb信号1560可能变高。
如图15所示，在测量电容器处的模拟电压信号的数字化之前，预充电晶体管仅被导通较短时间周期(例如，大约1us)。在帧时间周期的剩余时间期间，比较器可能消耗很少或不消耗静态功率。因此，可以降低或最小化比较器的静态(DC)功耗。这样，数字像素图像传感器的总功耗可以降低或最小化。
因此，本文公开的技术可以通过使用全局快门和每像素的数字转换器，并且通过每个像素读取数字值而不是模拟信号来提高帧速率。本文公开的技术还可以使用CDS电路来降低随机和固定噪声(例如，偏移误差、暗电流和1/f噪声)，从而提高图像传感器的灵敏度、信噪比(SNR)、动态范围等。本文公开的技术还可以通过使用比较器(而不是复杂的ADC)和数字CDS来降低每个数字像素的像素尺寸，从而可以增加数字像素图像传感器的密度或分辨率。本文公开的技术还可以通过降低数字像素可以在高功率模式下操作的时间周期以及通过降低数字像素的数字转换器中比较器的静态(DC)功耗来降低数字像素的功耗。
图16是示出根据某些实施例的数字成像的示例方法的流程图。该方法可以由例如数字像素图像传感器600和/或数字像素700、900、1000或1100来执行。该方法可以用于以高帧速率、高灵敏度、低噪声水平和低功耗捕获数字图像帧。该方法可以由数字像素图像传感器中的所有数字像素并行地执行。
在块1610，图像传感器中像素的光电二极管可以在曝光周期期间接收光信号。在一些实施方式中，在接收光信号之前或期间，像素的光电二极管可以通过例如，控制图像传感器中所有像素的光电二极管的复位的电子快门信号来被复位。因此，图像传感器中所有像素的光电二极管可以通过同一电子快门信号(即，全局电子快门)来被同时复位。光电二极管可以被复位到DC电压电平(例如0V)，以释放与光电二极管相关联的寄生电容器处的所有电荷。在一些实施方式中，诸如显式或寄生电容器(例如，浮置扩散节点)的电荷存储器件(即，测量电容器)也可以被复位。在一些实施方式中，像素的光电二极管可以由复位信号(例如，复位信号720或图10中的RST信号)和转移栅极控制信号(例如，测量控制信号708或图10中的TX信号)通过复位开关(例如，复位开关718或复位栅极1040)和转移栅极(例如，转移栅极704或1020)来复位。
在块1620，像素可以将光信号转换成电荷存储器件(例如，FD节点)上的电压电平。在曝光周期期间，光电二极管可以通过例如，关断转移栅极而与电荷存储器件断开。光电二极管可以响应于接收到光信号而生成电荷(例如，光电子或空穴)或光电流。例如，对于更亮的光信号，光电二极管可以生成更大的光电流，从而生成更多的电荷。曝光周期期间光电二极管生成的电荷可以累积在积分电容器处或由积分电容器积分。在一些实施方式中，积分电容器可以是与光电二极管和/或连接到光电二极管的电路相关联的寄生电容器。在曝光周期之后，电荷存储器件可以通过例如，导通转移栅极来连接到光电二极管，以将至少一部分或全部累积电荷从积分电容器转移到电荷存储器件。在一些实施方式中，电荷存储器件可以在曝光周期结束之前(例如在曝光周期结束之前的100μs)被复位。转移的电荷可以导致电荷存储器件(例如，测量电容器706或FD电容器1030)上电压信号的产生(或电压电平的改变)。电压信号电平可以与电荷存储器件上存储的电荷量相关，因此也可以与光信号的亮度或强度相关。电压信号电平也可以取决于电荷存储器件的电容。在电荷转移之后，电荷存储器件可以通过例如关断转移栅极而与光电二极管断开。
在块1630，像素(更具体地，像素数字转换器中的比较器)可以从时钟计数器接收计数器值，该时钟计数器对时钟信号的时钟周期数进行计数。时钟计数器可以是向图像传感器的多个或所有像素提供计数器值的全局时钟计数器。当数字化周期开始时，时钟计数器可以开始对时钟周期数进行计数，并且可以在数字化周期开始之前或数字化周期结束之后被复位到默认值(例如，0或大于0的数字)。
在块1640，像素的比较器可以将电荷存储器件上的电压电平与斜坡信号进行比较。斜坡信号的电压电平可以随着时钟周期数的增加而线性增加(即，对于斜坡上升)或减小(即，对于斜坡下降)。在一些实施例中，斜坡信号可以由全局参考信号生成器生成。例如，在一些实施方式中，斜坡信号可以由DAC使用时钟计数器的计数器值(计数的时钟周期数)作为输入来生成，并且可以被图像传感器的多个或所有像素的比较器用作参考信号。电荷存储器件上的电压电平在被发送到比较器之前可以被读出(例如，使用选择信号)并放大(例如，通过如上所述的源极跟随器放大器或缓冲器)。当斜坡信号低于(或对于斜坡下降信号而言高于)来自电荷存储器件的读出(并放大)的电压电平时，比较器的输出可以处于低电平(或在一些实施方式中处于高电平)。斜坡信号可以随着时钟周期数的增加而逐渐增加(或者对于斜坡下降信号而言逐渐减小)。
在块1650，当斜坡信号达到等于或大于(或对于斜坡下降信号而言低于)来自电荷存储器件的读出电压电平的电平(例如，比该读出电压电平大(或对于斜坡下降信号而言低)晶体管的阈值电压)时，比较器的输出可以改变状态(例如，从低电平翻转或切换到高电平)。
在块1660，当比较器的输出状态改变(例如翻转或切换)时，时钟计数器的计数器值可以被保存为第一数字值，例如，保存在像素存储器的n位块中。第一数字值可以对应于像素处的光信号强度。可以逐行读出图像传感器每个像素的第一数字值，以形成数字图像帧。
在一些实施方式中，在曝光周期结束之前的时间复位电荷存储器件之后，可以使用比较器、时钟计数器和由参考信号生成器生成的第二斜坡信号，以类似于与光信号相关联的电压电平被数字化的方式，将电荷存储器件的电压电平数字化为第二数字值。第一数字值和第二数字值之间的差可以是像素处光信号强度的更精确表示。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(VR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，并且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动器件或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
图17是根据某些实施例的包括近眼显示器1720的示例人工现实系统环境1700的简化框图。图17所示的人工现实系统环境1700可以包括近眼显示器1720、外部成像设备1750和输入/输出接口1740，它们各自耦合到控制台1710。尽管图17示出了包括一个近眼显示器1720、一个外部成像设备1750和一个输入/输出接口1740的示例人工现实系统环境1700，但人工现实系统环境1700中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略任何部件。例如，可以有多个近眼显示器1720，这些近眼显示器1720由与控制台1710通信的一个或更多个外部成像设备1750监控。在替代配置中，人工现实系统环境1700中可以包括不同或附加的部件。
近眼显示器1720可以是向用户呈现内容的头戴式显示器(HMD)。由近眼显示器1720呈现的内容示例包括一个或更多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器1720、控制台1710或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器1720可以包括一个或更多个刚性主体，该刚性主体可以刚性或非刚性地彼此联接。刚性主体之间的刚性联接可以使所联接的刚性主体充当单个刚性实体。刚性主体之间的非刚性联接可以允许刚性主体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器1720可以以任何合适的形状因子(包括一副眼镜)来被实现。将在下面进一步描述近眼显示器1720的一些实施例。附加地，在各种实施例中，本文描述的功能可以用在头戴式装置(headset)中，该头戴式装置光学地或电学地组合近眼显示器1720外部环境的图像和从控制台1710(或从生成并向用户提供内容的任何其他控制台)接收的内容。因此，近眼显示器1720可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器1720外部的物理、现实环境的图像，以向用户呈现增强现实。
在各种实施例中，近眼显示器1720可以包括显示电子器件1722、显示光学器件1724、一个或更多个定位器1726、一个或更多个位置传感器1728、眼睛跟踪单元1730和惯性测量单元(IMU)1732中的一个或更多个。在各种实施例中，近眼显示器1720可以省略这些元件中的任何一个，或者可以包括附加元件。附加地，在一些实施例中，近眼显示器1720可以包括组合了结合图17描述的各种元件的功能的元件。
显示电子器件1722可以根据从控制台1710接收的数据向用户显示图像。在各种实施例中，显示电子器件1722可以包括用于生成虚拟或现实对象的图像的电路，和/或用于驱动显示光学器件1724(例如下面详细描述的电可操控反射镜)的一些部件的电路。在一些实施例中，显示电子器件1722可以包括一个或更多个显示面板，例如液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、微发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(AMOLED)、透明OLED显示器(TOLED)、数字微镜器件(DMD)或一些其他显示器。在近眼显示器1720的一个实施方式中，显示电子器件1722可以包括TOLED面板，该TOLED面板可以包括发射主要颜色(predominant color)(例如红色、绿色、蓝色、白色或黄色)的光的子像素(sub-pixels)。在一些实施方式中，显示电子器件1722可以通过由二维面板产生的立体效果来显示3D图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子器件1722可以包括分别位于用户的左眼和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像的副本，以产生立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。
在某些实施例中，显示光学器件1724可以(例如，使用光学波导和耦合器)光学地显示图像内容、或者放大从显示电子器件1722接收的图像光、校正与图像光相关联的光学误差、组合来自显示电子器件1722和环境的图像光、并向近眼显示器1720的用户呈现校正的和组合的图像光。在各种实施例中，显示光学器件1724可以包括一个或更多个光学元件。示例光学元件可以包括衬底、光学波导、光圈(aperture)、Fresnel透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、反射镜、衍射光学元件(DOE)或者可以影响从显示电子器件1722和环境发射的图像光的任何其他合适的光学元件。显示光学器件1724可以包括不同光学元件以及机械联接的组合，以保持组合中的光学元件的相对间距和定向。显示光学器件1724中的一个或更多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
显示光学器件1724对图像光的放大可以允许显示电子器件1722比更大的显示器物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。附加地，放大可以增加显示内容的视场。在一些实施例中，显示光学器件1724可以具有比显示光学器件1724和显示电子器件1722之间间距大的有效焦距，以放大由显示电子器件1722投射的图像光。显示光学器件1724对图像光的放大倍数可以通过从显示光学器件1724增加光学元件或移除光学元件来被调节。
显示光学器件1724可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或其组合。二维误差可以包括二维中出现的光学像差(opticalaberration)。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括三维中出现的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差(spherical aberration)、彗形像差(comatic aberration)、像场弯曲(field curvature)和像散(astigmatism)。在一些实施例中，被提供给显示电子器件1722用于显示的内容可以被预失真，并且当显示光学器件1724从显示电子器件1722接收基于预失真内容生成的图像光时，显示光学器件1724可以校正失真。
定位器1726可以是相对于彼此并相对于近眼显示器1720上的参考点位于近眼显示器1720上特定位置的对象。控制台1710可以识别由外部成像设备1750捕获的图像中的定位器1726，以确定人工现实头戴式装置的位置、定向或两者。定位器1726可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器1720操作的环境形成对比的一种类型的光源或者它们的一些组合。在定位器1726是有源部件(例如，LED或其他类型的发光器件)的实施例中，定位器1726可以发射可见光频带(例如，约380nm至750nm)中的光、红外(IR)频带(例如，约750nm至17mm)中的光、紫外频带(例如，约170nm至约380nm)中的光、电磁波谱的另一部分中的光或电磁波谱中各部分的任意组合中的光。
外部成像设备1750可以基于从控制台1710接收的校准参数生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器1726的观察位置的一个或更多个图像，这些图像可被外部成像设备1750检测到。外部成像设备1750可以包括一个或更多个照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个定位器1726的图像的任何其他设备，或者它们的一些组合。附加地，外部成像设备1750可以包括一个或更多个滤光器(例如，用于提高信噪比)。外部成像设备1750可以被配置成检测从外部成像设备1750的视场中的定位器1726发射或反射的光。在定位器1726包括无源元件(例如，回射器(retroreflector))的实施例中，外部成像设备1750可以包括照亮一些或所有定位器1726的光源，定位器1726可以将光回射到外部成像设备1750中的光源。可以将慢速校准数据从外部成像设备1750传送到控制台1710，并且外部成像设备1750可以从控制台1710接收一个或更多个校准参数，用于调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、孔径等)。
位置传感器1728可以响应于近眼显示器1720的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器1728的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或误差校正传感器或者它们的一些组合。例如，在一些实施例中，位置传感器1728可以包括测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下、或向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、或滚动)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各个位置传感器可以彼此正交定向。
IMU 1732可以是基于从一个或更多个位置传感器1728接收的测量信号生成快速校准数据的电子器件。位置传感器1728可以位于IMU 1732的外部、IMU 1732的内部或者其某种组合。基于来自一个或更多个位置传感器1728的一个或更多个测量信号，IMU 1732可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器1720的初始位置的近眼显示器1720的估计位置。例如，IMU 1732可以对从加速度计接收的测量信号在时间上进行积分，以估计速度向量，并且对速度向量在时间上进行积分，以确定近眼显示器1720上参考点的估计位置。替代地，IMU 1732可以向控制台1710提供采样的测量信号，控制台1710可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在各种实施例中，参考点也可以被定义为近眼显示器1720内的点(例如，IMU 1732的中心)。
眼睛跟踪单元1730可以包括一个或更多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪系统可以包括对一只或更多只眼睛进行成像的成像系统，并且可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪单元1730可以包括发射可见光谱或红外光谱中的光的相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户眼睛反射的光的照相机。作为另一个示例，眼睛跟踪单元1730可以捕获由微型雷达单元发射的反射无线电波。眼睛跟踪单元1730可以使用低功率光发射器，其以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪单元1730可以被布置成提高眼睛跟踪单元1730捕获的眼睛图像中的对比度，同时降低眼睛跟踪单元1730消耗的总功率(例如，降低由眼睛跟踪单元1730中包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪单元1730可以消耗小于1700毫瓦的功率。
眼睛跟踪单元1730可以被配置成估计用户眼睛的定向。眼睛的定向可以对应于用户在近眼显示器1720内的凝视方向。用户眼睛的定向可以被定义为视网膜中央凹轴(foveal axis)的方向，视网膜中央凹轴是视网膜中央凹(fovea)(眼睛视网膜上感光细胞最集中的区域)与眼睛瞳孔中心之间的轴。通常，当用户的眼睛固定在一点上时，用户两只眼睛的视网膜中央凹轴与该点相交。眼睛的瞳孔轴可以被定义为穿过瞳孔中心并垂直于角膜表面(corneal surface)的轴。通常，即使瞳孔轴和视网膜中央凹轴在瞳孔中心相交，瞳孔轴也可能不直接与视网膜中央凹轴对准。因为视网膜中央凹轴是根据位于眼睛后部的视网膜中央凹来定义的，所以在一些眼睛跟踪实施例中，视网膜中央凹轴可能难以或不可能直接测量。相应地，在一些实施例中，可以检测瞳孔轴的定向，并且可以基于检测到的瞳孔轴来估计视网膜中央凹轴。
近眼显示器1720可以使用眼睛的定向来例如，确定用户的瞳孔间距离(IPD)、确定凝视方向、引入深度线索(例如模糊用户主视线之外的图像)、收集关于人工现实媒体中的用户交互的启发信息(heuristics)(例如，根据经受的刺激在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)、实现部分基于至少一只用户眼睛的定向的一些其他功能、或者实现上述的一些组合。因为可以确定用户双眼的定向，所以眼睛跟踪单元1730可以确定用户正在看哪里。例如，确定用户凝视的方向可以包括基于所确定的用户左眼和右眼的定向来确定集合点(point of convergence)。集合点可以是用户眼睛的两个视网膜中央凹轴相交的点(或者是两个轴之间最近的点)。用户凝视的方向可以是穿过集合点和用户眼睛瞳孔之间中点的线的方向。
输入/输出接口1740可以是允许用户向控制台1710发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入/输出接口1740可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台1710的任何其他合适的设备。由输入/输出接口1740接收的动作请求可以被传送到控制台1710，控制台1710可以执行对应于所请求动作的动作。在一些实施例中，输入/输出接口1740可以根据从控制台1710接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台1710已经执行了所请求的动作并将指令传送给输入/输出接口1740时，输入/输出接口1740可以提供触觉反馈。
控制台1710可以根据从外部成像设备1750、近眼显示器1720和输入/输出接口1740中的一个或更多个接收的信息，向近眼显示器1720提供内容以呈现给用户。在图17所示的示例中，控制台1710可以包括应用储存器1712、头戴式装置跟踪模块1714、人工现实引擎1716和眼睛跟踪模块1718。控制台1710的一些实施例可以包括与结合图17描述的模块不同的或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台1710的部件中。
在一些实施例中，控制台1710可以包括处理器和存储可由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(DRAM))。在各种实施例中，结合图17描述的控制台1710的模块可以被编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，当由处理器执行时，这些指令使得处理器执行下面进一步描述的功能。
应用储存器1712可以存储用于由控制台1710执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以对经由用户眼睛的移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口1740接收的输入进行响应。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
头戴式装置跟踪模块1714可以使用来自外部成像设备1750的慢速校准信息来跟踪近眼显示器1720的移动。例如，头戴式装置跟踪模块1714可以使用来自慢速校准信息的观察到的定位器和近眼显示器1720的模型来确定近眼显示器1720的参考点的位置。头戴式装置跟踪模块1714还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器1720的参考点的位置。此外，在一些实施例中，头戴式装置跟踪模块1714可以使用快速校准信息、慢速校准信息中的一部分或其某种组合来预测近眼显示器1720的未来位置。头戴式装置跟踪模块1714可以向人工现实引擎1716提供近眼显示器1720的估计或预测的未来位置。
头戴式装置跟踪模块1714可以使用一个或更多个校准参数来校准人工现实系统环境1700，并且可以调整一个或更多个校准参数以降低确定近眼显示器1720的位置时的误差。例如，头戴式装置跟踪模块1714可以调整外部成像设备1750的焦点，以获得在近眼显示器1720上观察到的定位器的更准确的位置。此外，头戴式装置跟踪模块1714执行的校准也可以考虑从IMU 1732接收的信息。附加地，如果对近眼显示器1720的跟踪丢失(例如，外部成像设备1750失去至少阈值数量定位器1726的视线)，头戴式装置跟踪模块1714可以重新校准一些或所有校准参数。
人工现实引擎1716可以在人工现实系统环境1700内执行应用，并且从头戴式装置跟踪模块1714接收近眼显示器1720的位置信息、近眼显示器1720的加速度信息、近眼显示器1720的速度信息、近眼显示器1720的预测未来位置或者它们的某种组合。人工现实引擎1716还可以从眼睛跟踪模块1718接收估计的眼睛位置和定向信息。基于接收到的信息，人工现实引擎1716可以确定要提供给近眼显示器1720用于显现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎1716可以为近眼显示器1720生成反映用户眼睛在虚拟环境中的移动的内容。附加地，人工现实引擎1716可以响应于从输入/输出接口1740接收的动作请求来执行在控制台1710上执行的应用内的动作，并且向用户提供指示动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器1720的视觉或听觉反馈，或者经由输入/输出接口1740的触觉反馈。
眼睛跟踪模块1718可以从眼睛跟踪单元1730接收眼睛跟踪数据，并基于眼睛跟踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括相对于近眼显示器1720或其任何元件的眼睛的定向、定位或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在眼眶中的定位而改变，所以确定眼睛在眼眶中的定位可以允许眼睛跟踪模块1718更精确地确定眼睛的定向。
在一些实施例中，眼睛跟踪单元1730可以输出包括眼睛图像的眼睛跟踪数据，并且眼睛跟踪模块1718可以基于图像确定眼睛的位置。例如，眼睛跟踪模块1718可以存储由眼睛跟踪单元1730捕获的图像与眼睛位置之间的映射，以从由眼睛跟踪单元1730捕获的图像确定参考眼睛位置。替代地或附加地，眼睛跟踪模块1718可以通过比较从中确定参考眼睛位置的图像和从中确定更新的眼睛位置的图像来确定相对于参考眼睛位置的更新的眼睛位置。眼睛跟踪模块1718可以使用来自不同成像设备或其他传感器的测量结果来确定眼睛位置。例如，如上所述，眼睛跟踪模块1718可以使用来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定参考眼睛位置，然后从快速眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新的位置，直到基于来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定下一个参考眼睛位置为止。
上面讨论的方法、系统和器件是示例。各种实施例可以酌情省略、替换或添加各种过程或部件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来被执行，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以组合在各种其他实施例中。实施例的不同方面和元素可以以相似的方式进行组合。此外，技术不断发展，因此，许多元素是示例，其并不将本公开的范围限制于那些特定示例。
在描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，为了避免模糊实施例，众所周知的电路、过程、系统、结构和技术在没有不必要的细节的情况下被示出。本描述仅提供示例实施例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的可行的描述。可以对元件的功能和布置进行各种改变而不脱离本公开的精神和范围。
此外，一些实施例被描述为被描绘为流程图或框图的过程。虽然每一个可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时被执行。另外，操作的顺序可以被重新安排。过程可以有图中未包括的附加步骤。此外，方法的实施例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现。当在软件、固件、中间件或微代码中实现时，用于执行相关联的任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，也可以使用定制或专用的硬件，和/或特定的元件可以在硬件、软件(包括便携式软件(例如小程序等))或两者中被实现。此外，可以采用到诸如网络输入/输出设备的其他计算设备的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。如本文所使用的，术语“机器可读介质(machine-readable medium)”和“计算机可读介质(computer-readable medium)”是指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，在向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以供执行时可能涉及各种机器可读介质。附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或传送这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这种介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如，磁介质和/或光介质(例如光盘(CD)或数字多功能光盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒式磁盘(cartridge)、下文所述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以代表过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类或指令、数据结构或程序语句的任意组合。
本领域的技术人员将理解，可以使用各种不同的技术和技艺中的任何一种来表示用于传送本文描述的消息的信息和信号。例如，在以上通篇描述中可以被引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或其任意组合来表示。
本文使用的术语“和(and)”和“或(or)”可以包括多种含义，这些含义也预期至少部分取决于使用这些术语的上下文。典型地，如果“或”被用来关联列表(例如A、B或C)，其意在表示A、B和C(这里以包含的意义使用)，以及A、B或C(这里以排他的意义使用)。此外，本文使用的术语“一个或更多个(one or more)”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且要求保护的主题不限于该示例。此外，如果术语“…中的至少一个(at least oneof)”被用来关联列表(例如A、B或C)，该术语可以被解释为意指A、B和/或C的任意组合，例如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件的方式实现，或者仅以软件的方式实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，软件可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行本公开中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在同一处理器上被实现，或者在任何组合中的不同的处理器上被实现。
在设备、系统、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，这种配置可以例如通过设计执行操作的电子电路来被实现、通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程(诸如通过执行计算机指令或代码)以执行操作来被实现、或者通过被编程为执行存储在非暂时性存储介质上的代码或指令的处理器或核心来被实现、或者通过它们的任意组合来被实现。多个进程可以使用各种技术(包括但不限于用于进程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者相同的进程对可以在不同的时间使用不同的技术。
因此，应当从说明性意义上而非从限制性意义上来考虑说明书和附图。然而，显而易见的是，在不脱离权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，虽然已经描述了特定的实施例，但是这些实施例并不旨在是限制性的。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种数字像素图像传感器，包括：
单个计数器，其被配置成生成计数值；
多个像素，所述多个像素中的每个像素与所述单个计数器耦合并且包括：
光电二极管，其被配置成响应于光学信号而生成电荷；
电荷存储器件，其被配置成存储由所述光电二极管生成的电荷，所存储的电荷在所述电荷存储器件上导致电压信号；
像素存储器；以及
数字转换器，其包括：
比较器，其被配置成：
接收斜坡信号和与所述电压信号有关的输入信号，其中，所述斜坡信号的电压电平在时钟信号的每个周期之后增加或减小；和
基于确定了所述斜坡信号的电压电平达到所述输入信号的电压电平，生成切换输出；以及
数字输出生成电路，其被配置成响应于所述比较器的所述切换输出，将从所述单个计数器接收的所述计数值中的第一计数值存储在所述像素存储器中。
2.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中存储于所述多个像素中的所述每个像素的所述像素存储器处的所述第一计数值对应于在所述斜坡信号开始时与在所述每个像素的所述比较器生成所述切换输出时之间经过的所述时钟信号的周期数，并且
其中，存储于所述多个像素中的至少两个像素的所述像素存储器处的所述第一计数值是不同的。
3.根据权利要求2所述的数字像素图像传感器，还包括参考信号生成器，所述参考信号生成器被配置成：
基于来自所述单个计数器的所述计数值生成所述斜坡信号；以及
向所述多个像素发送所述斜坡信号。
4.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中，所述多个像素中的所述每个像素还包括：
耦合到所述光电二极管和所述电荷存储器件的转移栅极，
其中，所述光电二极管被配置成在曝光时间周期期间累积所述电荷；并且
其中，所述转移栅极被配置成：
在所述曝光时间周期期间，将所述光电二极管从所述电荷存储器件断开；
在所述曝光时间周期之后，将所述光电二极管连接到所述电荷存储器件，以将累积的电荷从所述光电二极管转移到所述电荷存储器件；以及
在转移所述累积的电荷之后，将所述光电二极管从所述电荷存储器件断开。
5.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中，所述多个像素中的所述每个像素还包括：
复位电路，所述复位电路能够被配置成将所述电荷存储器件复位到复位电压电平。
6.根据权利要求5所述的数字像素图像传感器，其中：
所述斜坡信号是第一斜坡信号；
所述比较器的所述切换输出是所述比较器的第一切换输出；
在所述多个像素中的所述每个像素处：
所述比较器还被配置成，在所述电荷存储器件被复位之后：
接收第二斜坡信号，其中，所述第二斜坡信号的电压电平在所述时钟信号的每个周期之后增加或减小；和
基于确定了所述第二斜坡信号的电压电平达到所述复位电压电平，生成第二切换输出；
所述数字输出生成电路还被配置成响应于所述比较器的所述第二切换输出，将从所述单个计数器接收的所述计数值中的第二计数值存储在所述像素存储器中，存储的所述第二计数值对应于所述复位电压电平的数字化值；以及
在存储的所述第一计数值和存储的所述第二计数值之间的差值对应于在所述多个像素中的所述每个像素处接收的所述光学信号的强度。
7.根据权利要求6所述的数字像素图像传感器，其中，所述像素存储器包括：
M位存储器块，其被配置成存储所述第二计数值；以及
N位存储器块，其被配置成存储所述第一计数值，其中，N大于M。
8.根据权利要求6所述的数字像素图像传感器，其中，所述多个像素中的所述每个像素还包括：
转移栅极，其耦合到所述光电二极管和所述电荷存储器件，所述转移栅极被配置成：
在曝光时间周期期间将所述光电二极管从所述电荷存储器件断开；
在所述曝光时间周期之后，将所述光电二极管连接到所述电荷存储器件，以将电荷从所述光电二极管转移到所述电荷存储器件；以及
在转移所述电荷之后，将所述光电二极管从所述电荷存储器件断开。
9.根据权利要求8所述的数字像素图像传感器，其中：
所述多个像素中的所述每个像素的所述复位电路被配置成，在所述曝光时间周期结束时并且在所述转移栅极将所述光电二极管连接到所述电荷存储器件之前，复位所述电荷存储器件。
10.根据权利要求9所述的数字像素图像传感器，其中，所述多个像素中的所述每个像素的所述复位电路被配置成在所述曝光时间周期开始之前，复位所述电荷存储器件。
11.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中，所述比较器包括耦合到所述比较器的输出节点的预充电电路，所述预充电电路被配置成将所述比较器的输出节点充电到DC电平。
12.根据权利要求11所述的数字像素图像传感器，其中：
所述比较器还包括p沟道金属氧化物半导体PMOS晶体管；
所述PMOS晶体管的栅极耦合到所述电荷存储器件；
所述PMOS晶体管的源极被配置成接收所述斜坡信号；以及
所述比较器的输出节点耦合到所述PMOS晶体管的漏极。
13.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中，所述多个像素中的所述每个像素还包括快门栅极，所述多个像素的快门栅极由同一曝光使能信号控制。
14.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中：
所述电荷存储器件是第一电荷存储器件；
所述第一电荷存储器件的电压信号是第一电压信号；
所述每个像素还包括第二电荷存储器件和差分放大器；
所述第二电荷存储器件被配置成存储第二电压信号，所述第二电压信号表示当所述第一电荷存储器件被复位时所述第一电荷存储器件的复位电压电平；
所述差分放大器被配置成：
生成表示所述第一电压信号和所述第二电压信号之间的差值的所述输入信号；以及
向所述比较器提供所述输入信号。
15.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中，所述输入信号是所述电荷存储器件的电压信号。
16.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中，所述每个像素的所述像素存储器包括锁存器件，所述锁存器件被配置为基于使能信号的状态执行以下中的一项：基于所接收的计数值更新存储的值，或者保持所述存储的值；并且
其中，所述每个像素包括逻辑电路，所述逻辑电路用于基于所述比较器的所述切换输出改变所述使能信号的状态。
17.根据权利要求1所述的数字像素图像传感器，其中，所述单个计数器是第一计数器，其中，所述数字像素图像传感器还包括不与所述多个像素耦合的第二计数器。
18.一种数字像素图像传感器，包括：
单个计数器，其被配置成生成计数值；
多个像素，所述多个像素中的每个像素与所述单个计数器相耦合；
其中，所述多个像素中的第一像素包括：
光电二极管，其被配置成响应于光学信号而生成电荷；
电荷存储器件，其被配置成存储由所述光电二极管生成的电荷，所存储的电荷在所述电荷存储器件上导致电压信号；
像素存储器；以及
数字转换器，其包括：
比较器，其被配置成：
接收第一斜坡信号和所述电压信号，其中，所述第一斜坡信号的电压电平在时钟信号的每个周期之后增加或减小；和
基于确定了所述第一斜坡信号的电压电平达到所述电压信号的电压电平，生成第一切换输出；以及
数字输出生成电路，其被配置成响应于所述比较器的所述第一切换输出，将从所述单个计数器接收的所述计数值的第一计数值存储在所述像素存储器中，存储的所述第一计数值对应于所述电压信号的电压电平的数字化值。
19.根据权利要求18所述的数字像素图像传感器，
其中，所述第一像素还包括复位栅极，所述复位栅极能够被配置成将所述电荷存储器件复位到复位电压电平；
其中，所述比较器还被配置成，在所述电荷存储器件被复位之后：
接收第二斜坡信号，其中，所述第二斜坡信号的电压电平在所述时钟信号的每个周期之后增加或减小；和
基于确定了所述第二斜坡信号的电压电平达到所述复位电压电平，生成第二切换输出；
其中，所述数字输出生成电路还被配置成，响应于所述比较器的所述第二切换输出，将从所述单个计数器接收的所述计数值中的第二计数值存储在所述像素存储器中，存储的所述第二计数值对应于所述复位电压电平的数字化值；
其中，存储的所述第一计数值和存储的所述第二计数值之间的差值对应于所述光学信号的强度。
20.一种数字成像的方法，所述方法包括：
启动单个计数器以将计数值输出到图像传感器的多个像素；
在曝光周期期间，将所述多个像素中的每个像素的光电二极管暴露于光；
控制所述每个像素以将由所述每个像素的所述光电二极管接收的所述光转换成所述每个像素的电荷存储器件上的电压信号；
控制所述每个像素的比较器以将所述电压信号与斜坡信号相比较以生成切换输出，其中，所述斜坡信号的电压电平随时钟周期数线性增加或减小，并且其中，所述切换输出是基于所述斜坡信号的电压电平达到所述电压信号的电压电平而生成的；
响应于所述比较器的所述切换输出，将从所述单个计数器接收的所述计数值中的第一计数值存储于所述每个像素的像素存储器，其中，存储的所述第一计数值对应于所述电压信号的电压电平的数字化值。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
重启所述单个计数器；
在所述每个像素处：
将所述电荷存储器件从所述光电二极管断开；
将所述电荷存储器件复位到DC电压电平；
由所述比较器比较所述DC电压电平和第二斜坡信号以生成第二切换输出，其中，所述第二斜坡信号的电压电平随所述时钟周期数线性增加或减小，并且其中，所述第二切换输出是基于所述第二斜坡信号的电压电平达到所述DC电压电平而生成的；以及
响应于所述第二切换输出，将从所述单个计数器接收的所述计数值中的第二计数值存储在所述像素存储器中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，将所述电荷存储器件复位到所述DC电压电平包括：
在所述曝光周期结束时将所述电荷存储器件复位到所述DC电压电平。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，将所述光转换成所述电荷存储器件上的电压信号包括：
将所述电荷存储器件从所述光电二极管断开；
响应于在所述曝光周期期间接收到所述光，由所述光电二极管生成电荷；
在所述曝光周期期间在所述光电二极管处累积所述电荷；
在所述曝光周期之后，将所述电荷存储器件连接到所述光电二极管，以将累积的电荷转移到所述电荷存储器件，其中，转移的电荷在所述电荷存储器件上导致所述电压信号；以及
将所述电荷存储器件从所述光电二极管断开。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括，在所述每个像素处：
在所述曝光周期之前复位所述光电二极管和所述电荷存储器件。
25.根据权利要求20所述的方法，还包括，在所述每个像素处，在比较所述电压信号和所述斜坡信号之前：
将所述比较器的输出节点连接到DC电压源，以对所述比较器的输出节点预充电；以及
将所述比较器的输出节点从所述DC电压源断开。
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