CN111919435A - 用于像素单位单元中的移位寄存器数字的方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个方面，本文的实施例提供了一种数字单位单元，其包括：光电二极管；积分电容器，其耦接到所述光电二极管并且被配置为累积响应于在积分周期上入射到所述光电二极管上的输入光信号而由所述光电二极管产生的电荷；比较器，其耦接到所述积分电容器，并被配置为将所述积分电容器两端的电压与参考电压进行比较，并在每次作出所述积分电容器两端的电压大于参考电压的判定时产生处于第一电平的时钟信号；移位寄存器，其耦接到所述比较器并被配置为接收来自所述比较器的所述时钟信号，并在每次从所述比较器接收到处于所述第一电平的所述时钟信号时增加计数值；以及输出端，其耦接到所述移位寄存器并被配置为将所述计数值提供给外部系统。

Description

用于像素单位单元中的移位寄存器数字的方法
背景技术
存在许多不同类型的图像捕获装置，例如数字相机、摄影机或其他摄影和/或图像捕获设备。这些图像捕获装置可使用图像传感器来从期望场景捕获图像。例如，图像传感器可包括经由透镜或其他聚焦光学器件接收光的单位单元阵列(即，焦平面阵列)。所接收的光使阵列中的每个单位单元(unit cell)累积与其位置处的光强度成比例的电荷。
焦平面阵列通常包括由列和行组织而成的二维单位单元的阵列。单位单元内的电路或成像器通常累积来自光电二极管的电荷，该电荷对应于入射在光电二极管上的各种波长的光的通量。通常，电荷累积在对电荷进行有效积分的电容元件上，从而产生电压，该电压对应于在给定的时间间隔(称为积分间隔或积分周期)内的通量强度。
焦平面阵列中的每个单位单元大致对应于期望的场景的最终图像中的图片元素或像素。像素被认为是数字图像的最小部分。数字图像通常由像素的阵列组成。耦接到图像捕获装置的电路可执行光捕获后处理步骤，以将来自每个单位单元的累积电荷转换为像素信息。该信息可包括颜色、饱和度、亮度或数字图像存储格式可能需要的其他信息。数字图像可以以诸如.JPG、.GIF、.TIFF的格式或任何其他合适的格式存储。
在传统的模拟单位单元中，阱电容器耦接到探测器二极管。阱电容器在积分间隔(例如10μs)内对来自探测器二极管的光电流进行积分。每帧一次，阱电容器上的电压被传送到采样-保持电容器，然后逐行传送到将电压转换为二进制值的模数转换器(ADC)。然而，由于单位单元尺寸已减小，阱电容器存储有效量的电荷的能力已降低了。
传统的“数字”单位单元可提供用于累积电荷的模数转换(ADC)。即使单位单元的期望尺寸持续缩小(例如，低于15微米)，单位单元内的ADC成像仍提供了改善的光电荷容量。例如，传统的数字单位单元设计包括量化模拟前端电路，其将电荷累积在相对小的电容器上，并且每次当临界电荷被存储在电容器上时复位(即，被放电)。随着更多的光电流积分，重复进行充电和复位的模式。每个复位事件通过数字计数器电路“累计”(即计数)。每一帧，通过将数字计数器内容复制到快照寄存器，并且然后逐行读出该快照寄存器，可获取全局快照。效果是在保持相对小的单位单元尺寸的同时增加成像器的阱容量。
发明内容
本文提供了基于移位寄存器的数字计数器，其成本相对较低并且不需要校准。每次当积分电容器两端的电压超过参考电压时，基于移位寄存器的数字计数器都会通过寄存器对电荷进行移位，以使从计数器中读出的“位(bit)”指示积分电容器两端的电压超过参考电压的次数。
本发明的至少一个方面涉及一种数字单位单元，其包括：光电二极管；积分电容器，其耦接到该光电二极管并且被配置为累积响应于在积分周期上入射到光电二极管上的输入光信号由光电二极管产生的电荷；比较器，其耦接到积分电容器，并被配置为将积分电容器两端的电压与参考电压进行比较，且在每次作出积分电容器两端的电压大于参考电压的判定时生成处于第一电平的时钟信号；移位寄存器，其耦接到比较器并被配置为接收来自比较器的时钟信号，并在每次从比较器接收到处于第一电平的时钟信号时增加计数值；以及输出端，其耦接到移位寄存器并被配置为将计数值提供到外部系统。
根据一个实施例，移位寄存器是斗链式器件(Bucket Brigade Device，BBD)。在一个实施例中，移位寄存器包括多个晶体管，其耦接到比较器并被配置为接收时钟信号。在另一个实施例中，移位寄存器还包括耦接到多个晶体管的多个电容器，并且响应于从比较器接收到处于第一电平的时钟信号，多个晶体管被配置为操作以通过多个电容器传播电荷。在一个实施例中，响应于第一次从比较器接收到处于第一电平的时钟信号，多个晶体管被配置为操作以将电荷存储在多个电容器中的第一电容器上。在另一个实施例中，数字单位单元还包括复位开关，其耦接到移位寄存器并被配置为选择性地将第一电容器耦接到地。
根据另一个实施例，响应于第二次从比较器接收到处于第一电平的时钟信号，多个晶体管被配置为操作以将存储的电荷从第一电容器传播到多个电容器中的第二电容器。在一个实施例中，由输出端提供的计数值指示多个电容器中电荷已通过其传播的电容器的数量。在另一个实施例中，移位寄存器还包括耦接到多个晶体管的多个电阻器。
根据一个实施例，数字单位单元还包括残留电路，其耦接至积分电容器并被配置为将在积分周期结束时存储在积分电容器上的电荷转换为数字信号。
本发明的另一方面涉及一种用于操作包括光电二极管和积分电容器的数字单位单元的方法，该方法包括：响应于在积分周期上入射到光电二极管上的输入光信号而产生电荷，将电荷累积在积分电容器上，将积分电容器两端的电压与参考电压进行比较，每次在作出积分电容器两端的电压大于参考电压的判定时增加移位寄存器的计数值，以及将计数值提供给数字单位单元的输出端。
根据一个实施例，增加移位寄存器的计数值包括通过移位寄存器中的多个电容器来传播电荷。在一个实施例中，将计数值提供给输出端包括将指示多个电容器中电荷通过其已传播的电容器的数量的计数值提供给输出端。
根据另一实施例，通过移位寄存器中的多个电容器传播电荷包括：第一次确定积分电容器两端的电压大于参考电压时，将电荷存储在多个电容器的第一电容器上。在一个实施例中，该方法还包括：在积分周期之前，将第一电容器耦接到地。在另一实施例中，通过移位寄存器中的多个电容器传播电荷包括：响应于第二次确定积分电容器两端的电压大于参考电压，将存储的电荷从第一电容器传播至多个电容器中的第二电容器。
根据一个实施例，该方法还包括在积分周期结束时将积分电容器上的残留电荷转换成数字信号。在一个实施例中，该方法还包括基于计数值和数字信号来计算输入光信号的强度。
本发明的至少一个方面涉及一种图像传感器，其包括图像处理电路和耦接到该图像处理电路的单位单元的阵列，每个单位单元包括：光电二极管；积分电容器，其耦接到该光电二极管并且被配置为累积响应于在积分周期上入射在光电二极管上的输入光信号由光电二极管产生的电荷；比较器，其耦接至积分电容器，并被配置为将积分电容器两端的电压与参考电压进行比较，并在每次作出积分电容器两端的电压大于参考电压的判定时产生处于第一电平的时钟信号；移位寄存器，其耦接到比较器，并被配置为从比较器接收时钟信号，且在每次从比较器接收到处于第一电平的时钟信号时增加计数值；以及输出端，其耦接到移位寄存器并被配置将计数值提供给图像处理电路，其中，图像处理电路被配置为至少部分地基于来自每个单位单元的计数值来计算入射在每个光电二极管上的输入光信号的强度。
根据一个实施例，每个单位单元还包括残留电路，其耦接到积分电容器，并被配置为在积分周期结束时将存储在积分电容器上的电荷转换为数字信号，并且图像处理电路被配置为基于来自每个单位单元的计数值和来自每个残留电路的数字信号计算入射到每个光电二极管上的输入光信号的强度。
附图说明
下面参考附图论述至少一个实施例的各个方面，这些附图并非意在按比例绘制。附图被包括以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，但并不意在作为对本发明的限制定义。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相同的数字表示。为了清楚起见，并非每个部件都可在每个图中标记。图中：
图1是示出根据本发明多个方面的图像捕获装置的框图；
图2是示出根据本发明多个方面的数字单位单元的框图；以及
图3包括图示出根据本发明多个方面的数字单位单元电路运行的曲线图。
具体实施方式
如上所述，图像捕获装置的图像传感器可包括配置为接收来自所视场景的光的模拟或数字单位单元阵列。所接收的光使阵列中的每个单位单元累积与其位置处的光强度成比例的电荷，并且耦接到每个单位单元的图像处理电路将所累积的电荷转换为对应于所视场景的图像信息。
数字单位单元类似于模拟单位单元对电荷进行积分；然而，当数字单位单元的积分电荷超过最大电平时，数字单位单元内部的附加电路移除所积分的电荷同时递增一个另外的计数器值。移除积分电荷(并且计数器递增)后，数字单位单元中的电荷积分将再次开始。因此，数字单位单元需要计数元件，该计数元件配置为每次积分节点被复位时(即，每次从单位单元移除电荷时)递增。
模拟计数器通常需要数字化(即模数转换器)、校准以及后期非均匀校正(NUC)，以恢复数字计数值。另外，这样的模拟计数器通常具有阱尺寸限制(well sizelimitations)。这样，在数字单位单元中通常使用数字计数器元件来计数存储在单位单元上的电荷已被复位的次数；然而，这样的数字计数器通常大且复杂。例如，传统的数字计数器实现方式每位利用多个(例如，大约15个)晶体管，并且因此，可实体上适配于单位单元的“计数器位”的数量可能受到限制。此外，复杂的数字焦平面阵列(FPA)电路可导致读出集成电路(ROIC)的产率降低。
作为单位单元内数字计数器元件的替代，可利用外围(即，在像素阵列之外的)数字计数器。然而，这样的外围数字计数器通常导致对应的FPA相对大/昂贵，并且通常需要单位单元与外围计数器之间的大量互连。此外，外围数字计数器通常表现出相对高的计数/开关噪声，并且由于在积分周期结束时忽略了存储在单位单元中的残留电荷而导致外围数字计数器也可能稍微不准确。
因此，本文描述的各方面和实施例涉及可与单位单元内的数字像素结合使用的基于移位寄存器的数字计数器。根据至少一个实施例，本文描述的数字计数器是相对低成本的，并且不需要校准。此外，与模拟FPA相比，数字计数器可减少馈通要求，并且对于长驻留长波红外(LWIR)和中波红外(MWIR)应用来说具有相对高的性能。此外，数字计数器通过利用模拟残留电容器读取途径来保持完整性能。
应当理解，本文论述的方法和装置的实施例在不限于应用在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和组件布置。该方法和装置能够在其他实施例中实现并且能够以多种方式被实施或执行。本文提供的特定实施方式的示例仅出于说明性目的，并不意在进行限制。同样，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，不应被视为限制。本文使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变体意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及其他项目。对“或”的引用可被解释为包括性的，使得使用“或”描述的任何术语可表明所描述的术语中的单个、多于一个以及全部中的任一个。
图1是示出根据本文描述的多个方面的可用于捕获图像的图像捕获装置10的框图。例如，装置10可以是数码相机、摄影机或其他摄影和/或图像捕获设备。图像捕获装置10包括图像传感器120和图像处理单元106。图像传感器120可以是有源像素传感器(APS)或其他合适的可捕获图像的光感测装置。图像处理单元106可以是可操作以从图像传感器120接收信号信息并将信号信息转换为数字图像的硬件、软件和/或固件的组合。
图像传感器120包括单位单元160的阵列170。每个单位单元160累积与视场中该位置处的光强成比例的电荷，并将该位置处的光强的指示提供给图像处理单元106。每个单位单元160可对应于捕获的电子图像中的像素。
使用图像捕获装置10进行图像捕获的特定方法可以是纹波捕获。纹波捕获是一种按顺序捕获来自图像传感器120单位单元160的每一行的方法。例如，纹波捕获可使图像传感器120的单位单元160的顶行暴露于光，随后第二行，随后第三行，依此类推，直到图像传感器120的单位单元160的最后一行被暴露于光。用于图像处理单元106接收由图像传感器120捕获的像素信息的另一特定方法可以是纹波读取。纹波读取是按顺序处理来自图像传感器120的单位单元160的每一行的方法。与纹波捕获类似，纹波读取可处理图像传感器120的单位单元160的顶行，随后第二行，随后第三行，依此类推，直到处理图像传感器120的单位单元160的最后一行。可类似地执行用于复位图像传感器120的单位单元160的行的纹波复位操作。
这些方法可在连续的行上执行。例如，纹波捕获操作可从图像传感器120的单位单元160的第一行开始。随着纹波捕获操作移至第二行，纹波读取操作可在图像传感器120的第一行上开始。在纹波捕获操作移至第三行之后，纹波读取操作可在第二行上开始，并且纹波复位操作可在第一行上开始。这可继续直到最后一行被处理为止。一旦处理了最后一行，图像可由图像处理单元106处理、存储和/或传输。
图2是说明根据本文描述的各方面的数字单位单元200的框图。数字单位单元200被包括在图1的单位单元160中的至少一个中，并且包括输入电路202、计数器210和残留电路211。输入电路202包括光电探测器204、探测器输入电路206、积分电容器208、第一复位开关209和比较器212。光电探测器204耦接到探测器输入电路206。积分电容器208耦接到光电探测器204和地。第一复位开关209与积分电容器208并联而耦接到检测器输入电路206和地。比较器212耦接到探测器输入电路206和参考电压215。根据一个实施例，探测器输入电路206是直接注入(DI)电路；然而，在其他实施例中，可利用不同类型的输入电路(例如，电容器跨阻抗放大器(CTIA))。探测器输入电路206可以是单端或差分的。
计数器210包括移位寄存器219、用于接收第一时钟信号(Clk)214的第一输入端、用于接收第二时钟信号(Clk-)216的第二输入端以及输出端218。移位寄存器219耦接到第一时钟信号214、第二时钟信号216和输出端218。根据一个实施例(例如，如图2所示)，移位寄存器219是斗链式器件(BBD)。BBD移位寄存器219包括多个晶体管220、第一电容器(C1)222、多个电容器224(例如，第二电容器(C2)224a、第三电容器(C3)224b、第四电容器(C4)224c…第n个电容器(Cn))和第二复位开关213。多个晶体管220的第一部分220a的栅极耦接到第一时钟信号(Clk)214，并且多个晶体管220的第二部分220b的栅极耦接到第二时钟信号(Clk-)216。
第一电容器(C1)222耦接在多个晶体管220和地221之间。第二复位开关213与第一电容器(C1)222并联地耦接在多个晶体管220和地221之间。多个电容器224(例如，第二电容器(C2)224a，第三电容器(C3)224b，第四电容器(C4)224c…第n个电容器(Cn))中的每一个耦接在栅极和多个晶体管220中的一个的端子之间。根据一个实施例，BBD移位寄存器219包括耦接到多个晶体管220的第三部分220c的电压偏置线(Vselect)217。输出端218耦接到图像处理单元106。残留电路211耦接到积分电容器208和图1的图像处理单元106。根据一个实施例，残留电路211包括至少一个耦接至积分电容器208的模数转换器和耦接至图像处理单元106的输出端。下面参照图3论述数字单位单元200的操作。
图3是示出图2的数字单位单元200的操作的一个实施例的曲线图300。曲线图300包括：第一迹线302，其代表通过控制器(例如，图像处理单元106)提供给复位开关209、213的复位信号；第二迹线304，其代表积分电容器208两端的电压；第三迹线306，其代表第一时钟信号(Clk)214；第四迹线308，其代表第一电容器(C1)222两端的电压；第五迹线310，其代表多个电容器224中的第二电容器(C2)224a两端的电压；第六迹线312，其代表多个电容器224中的第三电容器(C3)224b两端的电压；以及第七迹线314，其代表多个电容器224中的第四电容器(C4)224c两端的电压。
在积分周期(Tint)316开始之前，(例如，来自诸如图像处理单元106的控制器的)复位信号302操作输入电路202的第一复位开关209以将积分电容器208耦接至地，从而使积分电容器208放电，以及操作移位寄存器219的第二复位开关213以将第一电容器(C1)222耦接至地221，从而使第一电容器(C1)222放电。
在积分周期(Tint)316开始时，积分电容器208两端的电压304为零，并且图像处理单元106操作复位开关209、213以断开。当来自场景的光照射(例如，输入光信号)入射到光电二极管204上时，来自光电二极管204的产生的光电流经由探测器输入电路206被提供给积分电容器208，并且对应于入射在光电二极管204上的光辐射的通量的电荷累积在积分电容器208上。随着电荷累积在积分电容器208上，积分电容器208两端的电压304以等于光电流的电平除以积分电容208的电容的比率而增加(即，迹线304的斜率取决于入射在光电二极管204上的光照射通量的强度)。积分电容器208两端的电压304由比较器212监测。更具体地，通过比较器212将积分电容器208两端的电压304与参考电压215进行比较。
响应于积分电容器208两端的电压304小于参考电压215的判定，比较器212以低电平输出第一时钟信号(Clk)214。低电平第一时钟信号(Clk)214(和互补的高电平反相第二时钟信号(Clk-)216)被提供给计数器210。响应于接收到低电平第一时钟信号(Clk)214，计数器210不产生动作，并且第一电容器(C1)222和多个电容器224中的每一个的两端的电压308保持为零。
响应于积分电容器208两端的电压304大于参考电压215的判定，比较器212以高电平输出第一时钟信号(Clk)214。高电平第一时钟信号(Clk)214(和互补的低电平反相第二时钟信号(Clk-)216)被提供给计数器210。响应于接收到高电平第一时钟信号(Clk)214和相应的低电平反相第二时钟信号(Clk-)216，计数器210操作以将电荷存储在第一电容器(C1)222上，使得第一电容器(C1)222两端的电压308增加到一电平，该电平指示积分电容器208两端的电压304已经超过参考电压215一次。
在第一电容器(C1)222两端的电压308增加之后，(例如，来自诸如图像处理单元106的控制器的)复位信号302操作输入电路202的第一复位开关209以耦接积分电容器208到地，从而使积分电容器208放电并使积分电容器208两端的电压304变为零。一旦积分电容器208被放电，第一复位开关209断开，并且来自所视场景(入射在光电二极管204上)的持续光照射再次导致来自光电二极管204的光电流经由探测器输入电路206提供给积分电容器208。与入射在光电二极管204上的光照射的通量相对应的电荷再次累积在积分电容器208上。
比较器212通过将电压304与参考电压215进行比较来继续监视积分电容器两端的电压304。响应于积分电容器208两端的电压304小于参考电压215的判定，比较器212输出处于低电平的第一时钟信号(Clk)214。低电平第一时钟信号(Clk)214(和互补的高电平反相第二时钟信号(Clk-)216)被提供给计数器210。响应于接收到低电平第一时钟信号(Clk)214，计数器210不产生额外的动作，第一电容器(C1)222两端的电压308保持在高电平，并且多个电容器224中的每一个的两端的电压保持为零。
响应于积分电容器208两端的电压304大于参考电压215的判定，比较器212将处于高电平的第一时钟信号(Clk)214输出到计数器210。响应于接收到高电平第一时钟信号(Clk)214(和互补的低电平反相第二时钟信号(Clk-)216)，计数器210操作以通过移位寄存器219传播电荷，使得电荷被存储在多个电容器224中的第二电容器(C2)224a上，导致第二电容器(C2)224a两端的电压310增加到一电平，该电平指示积分电容器208两端的电压已第二次超过参考电压215。
在第二电容器(C2)224a两端的电压310增加之后，(例如，来自诸如图像处理单元106这样的控制器的)复位信号302操作输入电路202的第一复位开关209以耦接积分电容器208到地，从而使积分电容器208放电并使积分电容器208两端的电压变为零。一旦积分电容器208被放电，第一复位开关209断开，并且来自所视场景(入射在光电二极管204上)的持续光照射再次导致来自光电二极管204的光电流经由探测器输入电路206提供给积分电容器208。与入射在光电二极管204上的光照射的通量相对应的电荷再次累积在积分电容器208上。
比较器212通过将积分电容器两端的电压304与参考电压215进行比较来继续监视电压304。响应于积分电容器208两端的电压304小于参考电压215的判定，比较器212输出处于低电平的第一时钟信号(Clk)214。低电平第一时钟信号(Clk)214(和互补的高电平反相第二时钟信号(Clk-)216)被提供给计数器210。响应于接收到低电平第一时钟信号(Clk)214，计数器210不产生额外的动作，第一电容器(C1)222两端的电压308保持在高电平，第二电容器(C2)224a两端的电压310保持在高电平，并且多个电容器224中的其他每个的电压保持为零。
响应于积分电容器208两端的电压304大于参考电压215的判定，比较器212将处于高电平的第一时钟信号(Clk)214输出到计数器210。响应于接收到高电平第一时钟信号(Clk)214(和互补的低电平反相第二时钟信号(Clk-)216)，计数器210操作以通过移位寄存器219传播电荷，使得电荷被存储在多个电容器224中的第三电容器(C3)224b，导致第三电容器(C3)224b两端的电压312增加到一电平，该电平指示积分电容器208两端的电压已第三次超过参考电压215。
在第三电容器(C3)224b两端的电压312增加之后，(例如，来自诸如图像处理单元106的控制器的)复位信号302操作输入电路202的第一复位开关209以耦接积分电容器208到地，从而使积分电容器208放电并使积分电容器208两端的电压变为零。一旦积分电容器208被放电，第一复位开关209断开，并且来自所视场景(入射在光电二极管204上)的持续光照射再次导致来自光电二极管204的光电流经由探测器输入电路206而提供给积分电容器208。与入射在光电二极管204上的光照射的通量相对应的电荷再次累积在积分电容器208上。
如图2所示，并且如上所述，移位寄存器219包括四个电容器；然而，在其他实施例中，移位寄存器219可包括任意数量的期望电容器，使得计数器的计数深度(即，计数容量)可被限定在任何期望水平。只要来自所视场景的光照射继续入射到单位单元200上，计数器200就可继续增加其计数值(即，通过移位寄存器219传播电荷)直到其最大计数值。
在积分周期(Tint)316结束时，输出端218将计数器210的“位”或“计数值”(即，移位寄存器219中的每个电容器(即，第一电容器(C1)222和多个电容器224中的每个)两端的电压电平)提供到诸如图像处理单元106的外部系统，其分析计数器210的“位”以确定入射在单位单元200上的光照射的总强度。在一个实施例中，并行读出每个电容器两端的电压(即，计数器210的“位”)；然而，在其他实施例中，每个电容器两端的电压是串行读出的。根据一个实施例，计数器210还包括耦接在多个晶体管220和输出端218之间的比较器226。比较器226可被用于帮助区分Hi/Lo信号和/或缓冲数字逻辑值。
计数器210的“位”为高的数量与积分电容器208两端的电压(由于入射在单位单元200上的光照射)超过参考电压215的次数相关。例如，响应于确认计数器210的三个“位”为高的(即，第一电容器(C1)222、第二电容器(C2)224a和第三电容器(C3)224b两端的电压308、310、312为高的)，图像处理单元106确定积分电容器208两端的电压(由于入射在单位单元200上的光照射)超过参考电压215三次。
根据一个实施例，计数器210的最终“位”(即，电容器224的串中的最后一个电容器(例如，第四电容器(C4)224c))被用作指示符，其指示计数器210已经达到其计数容量。例如，如果图像处理单元106判定第四电容器(C4)224c两端的电压314(即，图2中所示的计数器210的电容器224的串中的最终电容器)为高的，图像处理单元106可确定计数器210已经达到其计数容量。
同样在积分周期(Tint)316结束时，残留电路211读出存储在积分电容器208上的任何残留电荷。例如，在至少一个实施例中，残留电路211的A/D转换器产生数字信号，其指示在积分周期(Tin)316结束时存储在积分电容器208上的残留电荷的电平。该数字信号被提供给图像处理单元106。
基于来自计数器210的计数值和来自残留电路211的数字信号，图像处理单元106可计算在积分周期(Tin)316期间入射在单位单元200上的光照射的强度。例如，根据至少一个实施例中，图像处理单元106通过利用以下等式来计算在积分周期(Tin)316期间入射在单位单元200上的光照射的强度(即“像素值”)：
像素值＝(计数器“位”值)*(积分电容器容量)+残留(A/D)值。
如上所述，移位寄存器219是斗链式器件；然而，在其他实施例中，可利用不同类型的移位寄存器。同样如上所述，在移位寄存器219中利用多个电容器224；然而，在其他实施例中，可通过多个电阻器代替多个电容器。在至少一个实施例中，移位寄存器可由级联的晶体管锁存器和限流电阻器来实现。
同样如上所述，单位单元200包括用于在积分结束时捕获存储在积分电容器208上的残留电荷的残留电路。然而，在其他实施例中，单位单元200可不包括残留电路。
如上所述，描述了基于移位寄存器的数字计数器，其可与单位单元内的数字像素结合利用。根据至少一个实施例，本文描述的数字计数器是相对低成本的并且不需要校准。此外，与传统的数字计数器相比，该数字计数器所需的晶体管更少。此外，与模拟焦平面阵列相比，数字计数器可减少馈通要求，并且对于长驻留长波红外(LWIR)和中波红外(MWIR)应用来说具有相对高的性能。此外，数字计数器通过利用模拟残留电容器读取方法来保持完整性能。
已经在上面描述了至少一个实施例的几个方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进意在作为本申请的一部分，并且意在落入本发明的范围内。因此，前面的描述和附图仅是示例性的，本发明的范围应由所附权利要求及其等同物的适当理解来确定。

Claims (20)

1.一种数字单位单元，包括：
光电二极管；
积分电容器，其耦接到所述光电二极管并且被配置为累积响应于在积分周期上入射在所述光电二极管上的输入光信号而由所述光电二极管产生的电荷；
比较器，其耦接到所述积分电容器，并被配置为将所述积分电容器两端的电压与参考电压进行比较，并在每次作出所述积分电容器两端的电压大于所述参考电压的判定时产生处于第一电平的时钟信号；
移位寄存器，其耦接到所述比较器，并被配置为从所述比较器接收所述时钟信号，并在每次从所述比较器接收到处于所述第一电平的所述时钟信号时增加计数值；以及
输出端，其耦接到所述移位寄存器并被配置为将所述计数值提供给外部系统。
2.根据权利要求1所述的数字单位单元，其中，所述移位寄存器是斗链式器件(BBD)。
3.根据权利要求1所述的数字单位单元，其中，所述移位寄存器包括多个晶体管，其耦接至所述比较器并被配置为接收所述时钟信号。
4.根据权利要求3所述的数字单位单元，其中，所述移位寄存器还包括耦接到所述多个晶体管的多个电容器，以及
其中，响应于从所述比较器接收到处于所述第一电平的所述时钟信号，所述多个晶体管被配置为操作以通过所述多个电容器传播电荷。
5.根据权利要求4所述的数字单位单元，其中，响应于第一次从所述比较器接收到处于所述第一电平的所述时钟信号，所述多个晶体管被配置为操作以将电荷存储在所述多个电容器中的第一电容器上。
6.根据权利要求5所述的数字单位单元，还包括复位开关，其耦接到所述移位寄存器并且被配置为将所述第一电容器选择性地耦接到地。
7.根据权利要求5所述的数字单位单元，其中，响应于第二次从所述比较器接收到处于所述第一电平的所述时钟信号，所述多个晶体管被配置为操作以将所存储的电荷从所述第一电容器传播到所述多个电容器中的第二电容器。
8.根据权利要求4所述的数字单位单元，其中，由所述输出端提供的所述计数值指示所述多个电容器中所述电荷已通过其传播的电容器的数量。
9.根据权利要求3所述的数字单位单元，其中，所述移位寄存器还包括耦接到所述多个晶体管的多个电阻器。
10.根据权利要求1所述的数字单位单元，还包括残留电路，其耦接到所述积分电容器，并被配置为将在所述积分周期结束时存储在所述积分电容器上的电荷转换为数字信号。
11.一种用于操作包括光电二极管和积分电容器的数字单位单元的方法，所述方法包括：
响应于在积分周期上入射在所述光电二极管上的输入光信号而产生电荷；
将所述电荷累积在所述积分电容器上；
将所述积分电容器两端的电压与参考电压进行比较；
每次作出所述积分电容器两端的电压大于所述参考电压的判定时，增加移位寄存器的计数值；以及
将所述计数值提供给所述数字单位单元的输出端。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，增加所述移位寄存器的所述计数值包括通过所述移位寄存器中的多个电容器来传播电荷。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述计数值提供给所述输出端包括：将所述计数值提供给所述输出端，所述计数值指示所述多个电容器中电荷已通过其传播的电容器的数量。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，通过所述移位寄存器中的所述多个电容器传播电荷包括：
第一次判定所述积分电容器两端的电压大于所述参考电压时，将电荷存储在所述多个电容器中的第一电容器上。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述积分周期之前，将所述第一电容器耦接到地。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，通过所述移位寄存器中的所述多个电容器传播电荷包括：
响应于第二次判定所述积分电容器两端的电压大于所述参考电压，将存储的电荷从所述第一电容器传播到所述多个电容器中的第二电容器。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：在所述积分周期结束时，将所述积分电容器上的残留电荷转换为数字信号。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括基于所述计数值和所述数字信号来计算所述输入光信号的强度。
19.一种图像传感器，包括：
图像处理电路；以及
耦接到所述图像处理电路的单位单元的阵列，每个单位单元包括：
光电二极管；
积分电容器，其耦接到所述光电二极管并被配置为累积响应于在积分周期上入射在所述光电二极管上的输入光信号而由所述光电二极管产生的电荷；
比较器，其耦接到所述积分电容器，并被配置为将所述积分电容器两端的电压与参考电压进行比较，并在每次作出所述积分电容器两端的电压大于所述参考电压时产生处于第一电平的时钟信号；
移位寄存器，其耦接到所述比较器，并被配置为从所述比较器接收所述时钟信号，并在每次从所述比较器接收到处于所述第一电平的所述时钟信号时增加计数值；以及
输出端，其耦接到所述移位寄存器并被配置为将所述计数值提供给所述图像处理电路，
其中，所述图像处理电路被配置为至少部分地基于来自每个单位单元的计数值来计算入射在每个光电二极管上的所述输入光信号的强度。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，每个单位单元还包括：残留电路，其耦接至所述积分电容器，并被配置为在所述积分周期结束时将存储在所述积分电容器上的电荷转换为数字信号；以及
其中，所述图像处理电路被配置为基于来自每个单位单元的所述计数值和来自每个残留电路的所述数字信号来计算入射在每个光电二极管上的所述输入光信号的强度。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019102132B4 (de) * 2019-01-29 2020-08-06 Infineon Technologies Ag Schaltung mit Kondensatoren und entsprechendes Verfahren
CN111246136B (zh) * 2020-03-16 2022-04-22 西安理工大学 Cmos图像传感器像素读出加速电路
US11496701B2 (en) * 2021-03-29 2022-11-08 Raytheon Company Digital pixel comparator with bloom transistor frontend
US11894670B2 (en) 2021-09-21 2024-02-06 Raytheon Company High-energy suppression for infrared imagers or other imaging devices
US11843355B2 (en) 2022-02-04 2023-12-12 Raytheon Company High-energy suppression for capacitor transimpedance amplifier (CTIA)-based imagers or other imaging devices

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3030581A (en) * 1953-08-11 1962-04-17 Hughes Aircraft Co Electronic counter
CN1717014A (zh) * 2004-06-29 2006-01-04 富士通株式会社 图像处理对图像传感器的影响的降低
CN102461158A (zh) * 2009-04-10 2012-05-16 宽银幕电影成像有限责任公司 每列图像传感器adc和cds
WO2013127450A1 (en) * 2012-02-29 2013-09-06 Sabanci Üniversitesi Self-reset asynchronous pulse frequency modulated droic with extended counting and having reduced quantization noise
CN105794203A (zh) * 2013-12-04 2016-07-20 拉姆伯斯公司 高动态范围图像传感器
WO2017180228A1 (en) * 2016-04-12 2017-10-19 Raytheon Company Digital unit cell with analog counter element

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3819954A (en) 1973-02-01 1974-06-25 Gen Electric Signal level shift compensation in chargetransfer delay line circuits
JPS53116052A (en) * 1977-03-18 1978-10-11 Nec Corp Band pass filter
US5315114A (en) * 1981-12-18 1994-05-24 Texas Instruments Incorporated Integrated circuit detector array incorporating bucket brigade devices for time delay and integration
US6459077B1 (en) * 1998-09-15 2002-10-01 Dalsa, Inc. Bucket brigade TDI photodiode sensor
US6762795B1 (en) * 2000-01-07 2004-07-13 Raytheon Company Bi-directional capable bucket brigade circuit
US8179296B2 (en) 2005-09-30 2012-05-15 The Massachusetts Institute Of Technology Digital readout method and apparatus
US8625012B2 (en) 2009-02-05 2014-01-07 The Hong Kong University Of Science And Technology Apparatus and method for improving dynamic range and linearity of CMOS image sensor
US8704144B2 (en) 2010-10-27 2014-04-22 Teledyne Scientific & Imaging, Llc Dual speed readout integrated circuit for high spatial and temporal resolution applications
US8581168B2 (en) 2011-03-29 2013-11-12 Flir Systems, Inc. Dual well read-out integrated circuit (ROIC)
US8890052B2 (en) 2011-05-03 2014-11-18 Raytheon Company Shift register with two-phase non-overlapping clocks
EP4192026A1 (en) 2012-04-19 2023-06-07 Raytheon Company Repartitioned digital pixel

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3030581A (en) * 1953-08-11 1962-04-17 Hughes Aircraft Co Electronic counter
CN1717014A (zh) * 2004-06-29 2006-01-04 富士通株式会社 图像处理对图像传感器的影响的降低
CN102461158A (zh) * 2009-04-10 2012-05-16 宽银幕电影成像有限责任公司 每列图像传感器adc和cds
WO2013127450A1 (en) * 2012-02-29 2013-09-06 Sabanci Üniversitesi Self-reset asynchronous pulse frequency modulated droic with extended counting and having reduced quantization noise
CN105794203A (zh) * 2013-12-04 2016-07-20 拉姆伯斯公司 高动态范围图像传感器
WO2017180228A1 (en) * 2016-04-12 2017-10-19 Raytheon Company Digital unit cell with analog counter element

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
邓记才 等: "基于模拟移位寄存器的递归滤波器设计", 《微电子学与计算机》 *

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Publication number Publication date
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US10419699B1 (en) 2019-09-17
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