CN111989911B - 具有扩展的动态范围的数字像素 - Google Patents

Abstract

在一个示例中，一种装置包括：光电二极管、电荷存储单元和模数转换器(ADC)电路。在第一模式中，ADC电路可以将表示存储在电荷存储单元处的溢出电荷的量的第一电压与第一斜坡电压进行比较，以产生第一判定；并且基于第一判定输出获得第一数字值。在第二模式中，ADC电路可以将表示存储在光电二极管中的剩余电荷量的第二电压与第二斜坡电压进行比较，以产生第二判定，并基于第二判定获得第二数字值。ADC电路可以基于第一判定输出或第二判定输出之一来确定光电二极管是否饱和，并输出第一数字值或第二数字值之一来表示入射光的强度。

Description

具有扩展的动态范围的数字像素

背景

本公开总体上涉及图像传感器，且更具体地涉及包括接口电路的像素单元结构，用于确定用于图像生成的光强度。

典型的图像传感器包括光电二极管，用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。图像传感器还包括浮置节点(floating node)，该浮置节点被配置为电容器，以收集曝光周期期间光电二极管产生的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压。电压可以被缓冲并馈送到模数转换器(ADC)，模数转换器可以将电压量化为表示入射光的强度的数字值。然而，量化的准确度会受到各种噪声源(例如浮置节点处的暗电流)的影响。

概述

本公开涉及图像传感器。更具体地，但不限于，本公开涉及像素单元。本公开还涉及操作像素单元的电路以在不同的测量模式中测量入射光的强度。

本公开提供了一种用于测量入射光的强度的装置。在一个示例中，该装置包括：光电二极管、电荷存储单元和模数转换器(ADC)电路。在第一测量模式中，ADC电路被配置为：将表示存储在电荷存储单元处的溢出电荷量的第一电压与第一斜坡电压进行比较，以产生第一判定；并且基于第一判定获得第一数字值。在第二测量模式中，ADC电路被配置为：将表示存储在光电二极管中的剩余电荷量的第二电压与第二斜坡电压进行比较，以产生第二判定；并且基于第二判定获得第二数字值。ADC电路被配置为基于第一判定或第二判定之一来确定光电二极管是否饱和，并且基于光电二极管是否饱和来输出第一数字值或第二数字值以表示入射光的强度。

在一些方面，第二测量模式在第一测量模式之后执行。

在一些方面，该装置还包括：计数器，其被配置为生成计数值；存储器；以及寄存器，其被配置为存储指示光电二极管是否饱和的标志。ADC电路被配置为：基于第一判定，将来自计数器的第一计数值作为第一数字值存储在存储器中；并且基于该标志是否指示光电二极管饱和，或者将第一数字值保持在存储器中，或者用来自计数器的第二计数值作为第二数字值重写第一数字值。

在一些方面，光电二极管是否饱和的确定基于第一判定。第一斜坡电压的电压范围基于浮置漏极节点(floating drain node)处的暗电流的预测量，浮置漏极节点是电荷存储单元的一部分。

在一些方面，第一斜坡电压的电压范围还基于在曝光周期内暗电流沉积的噪声电荷的预测量以及电荷存储单元的电荷存储容量。

在一些方面，ADC电路被配置为基于确定光电二极管在第一测量模式中饱和：将标志设置为第一值，以指示光电二极管在第一测量模式中饱和；以及基于标志的第一值，在第二测量模式中将第一数字值保持在存储器中，而不在存储器中用第二数字值重写第一数字值。

在一些方面，ADC电路被配置为基于确定光电二极管在第一测量模式中不饱和：将标志设置为第二值，以指示光电二极管在第一测量模式中不饱和；以及基于标志的第二值，在第二测量模式中将第二数字值存储在存储器中。

在一些方面，光电二极管是否饱和的确定基于第二判定。ADC电路被配置为在第一测量模式中，基于第一判定，将标志设置为第一值以指示光电二极管饱和。ADC电路被配置为在第二测量模式中：基于第二判定，确定光电二极管是否饱和；以及基于第二判定，或者将标志设置为第二值以指示光电二极管不饱和，或者将标志保持在第一值。

在一些方面，ADC电路被配置为在第二测量模式中：基于标志被设置为第二值，将第二数字值存储在存储器中，或者基于标志被保持在第一值，将第一数字值保持在存储器中。

在一些方面，第二斜坡电压的电压范围基于光电二极管的满阱容量(full wellcapacity)。

在一些方面，第二斜坡电压的电压范围基于使用与光电二极管相同的工艺技术制造的多个光电二极管之间的满阱容量的分布来配置。

在一些方面，基于转换增益和表示第一满阱容量的值之间的乘积来配置第二斜坡电压的电压范围，基于该分布，第一满阱容量低于多个光电二极管的满阱容量的预定百分比。

在一些方面，基于第二斜坡电压的电压范围超过光电二极管的满阱容量的预定目标可能性和基于分布来确定百分比。

在一些方面，第二斜坡电压的电压范围超过光电二极管的满阱容量的目标可能性基于以下项来确定：基于第二判定确定光电二极管是否饱和的容许误差率。

本公开还提供了一种用于测量入射光强度的方法。在一个示例中，该方法包括，在第一测量模式中：将表示来自光电二极管并存储在电荷存储单元中的溢出电荷量的第一电压与第一斜坡电压进行比较，以产生第一判定；以及基于第一判定获得第一数字值。该方法还包括，在第二测量模式中：比较表示存储在光电二极管中的剩余电荷量的第二电压，以产生第二判定；以及基于第二判定获得第二数字值。该方法还包括：基于第一判定或第二判定之一，确定光电二极管是否饱和；以及基于光电二极管是否饱和，输出第一数字值或第二数字值以表示入射光的强度。

在一些方面，第二测量模式在第一测量模式之后执行。

在一些方面，光电二极管是否饱和的确定基于第一判定。第一斜坡电压的电压范围基于浮置漏极节点处的暗电流的预测量，该浮置漏极节点是电荷存储单元的一部分。

在一些方面，光电二极管是否饱和的确定基于第二判定。第二斜坡电压的电压范围基于光电二极管的满阱容量。在一些方面，第二斜坡电压的电压范围还基于使用与光电二极管相同的工艺技术制造的多个光电二极管之间的满阱容量的分布来配置。

附图简述

参考以下附图描述说明性实施例。

图1A和图1B是近眼显示器的实施例的示意图。

图2是近眼显示器的横截面的实施例。

图3示出了具有单个源组件的波导显示器的实施例的等轴视图。

图4示出了波导显示器的实施例的横截面。

图5是包括近眼显示器的系统的实施例的框图。

图6示出了像素单元的实施例的框图。

图7示出了通过图6的实施例来确定不同范围的光强度的操作。

图8示出了图6的像素单元的内部部件的示例。

图9A和图9B示出了用于确定光强度的示例方法。

图10A和图10B示出了用于执行量化的技术。

图11示出了像素单元的实施例的框图。

图12示出了用于执行光强度测量的控制信号的示例序列。

图13A和图13B示出了用于测量光强度的示例过程的流程图。

图14示出了用于测量光强度的另一示例过程的流程图。

图15示出了用于图14的示例过程的控制信号的示例序列。

图16示出了用于测量光强度的另一示例过程的流程图。

图17示出了用于图16的示例过程的控制信号的示例序列。

附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本公开的原理和所推崇的益处。

在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的参考标记。此外，可以通过在参考标记之后用短划线(dash)和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各个部件。如果说明书中仅使用第一参考标记，则该描述适用于具有相同第一参考标记的任何一个相似部件，而与第二参考标记无关。

详细描述

在以下描述中，为了解释的目的阐述了具体细节，以便提供对某些创造性实施例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种实施例。附图和描述并不旨在是限制性的。

典型的图像传感器包括光电二极管，用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。图像传感器还包括浮置节点，该浮置节点被配置为电容器，以收集曝光周期期间光电二极管产生的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压。电压可以被缓冲并馈送到模数转换器(ADC)，该模数转换器可以将电压转换成表示入射光的强度的数字值。

ADC生成的数字值反映了在某个周期内存储在浮置节点处的电荷数量，该数字值可以与入射光的强度相关。然而，相关程度会受到不同因素的影响。首先，存储在浮置节点中的电荷量可以与入射光的强度直接相关，直到浮置节点达到饱和极限。超过饱和极限后，浮置节点可能无法接受光电二极管生成的额外电荷，而且该额外电荷可能会泄漏并且不被存储。结果，存储在浮置节点处的电荷量可能低于光电二极管实际产生的电荷量。饱和极限可以确定图像传感器的可测量光强度的上限。

各种因素也可以设定图像传感器的可测量光强度的下限。例如，在浮置节点处收集的电荷可以包括与入射光的强度无关的噪声电荷，以及由暗电流贡献的暗信号。暗电流可以包括由于晶体缺陷(crystallographic defects)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的p-n结处生成的漏电流。暗电流可以流入电容器，并添加与入射光的强度不相关的电荷。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。噪声电荷的另一个来源可能是与其他电路电容耦合。例如，当ADC电路执行读取操作以确定存储在浮置节点中的电荷量时，ADC电路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，ADC还可能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的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，一组离散的量级(quantity level)可以用来表示一组连续的电荷量，每个量级表示预定的电荷量。ADC可以将输入电荷量与量级进行比较，确定最接近输入量的量级，并(例如，以表示量级的数字代码的形式)输出所确定的量级。当由量级表示的电荷量与映射到量级的输入电荷量之间不匹配时，可能会出现量化误差。可以用较小的量化步长大小(quantizationstep size)(例如，通过减小两个相邻量级之间的电荷量差异)来减小量化误差。测量误差的其他来源也可以包括，例如，设备噪声(例如，ADC电路的噪声)和比较器的失调(offset)，它们增加了电荷量测量的不确定性。噪声电荷、暗信号以及ADC测量误差可以定义图像传感器的可测量光强度的下限，而饱和极限可以确定图像传感器的可测量光强度的上限。上限和下限之间的比率定义了动态范围，该动态范围可以设定图像传感器的操作光强度的范围。

可以在许多不同的应用中发现图像传感器。作为一个示例，图像传感器被包括在数字成像设备(例如，数码相机、智能电话等)中，以提供数字成像。作为另一个示例，图像传感器可以被配置为输入设备，以控制或影响设备的操作，例如控制或影响可佩戴的虚拟现实(VR)系统和/或增强现实(AR)和/或混合现实(MR)系统中近眼显示器的显示内容。例如，图像传感器可以用于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，该定位跟踪系统操作同步定位和映射(SLAM)算法来跟踪例如，物理环境中用户的定位、用户的定向(orientation)和/或用户的移动路径。图像传感器也可以用于生成包括用于测量物理环境中用户和对象之间距离的立体深度信息的物理图像数据。图像传感器也可以被配置为近红外(NIR)传感器。照明器可以将NIR光的图案投射到用户的眼球中。眼球的内部结构(例如，瞳孔)可以从NIR光生成反射图案。图像传感器可以捕获反射图案的图像，并将图像提供给系统以跟踪用户眼球的移动，从而确定用户的凝视点(gazepoint)。基于这些物理图像数据，VR/AR/MR系统可以生成并更新虚拟图像数据，用于经由近眼显示器向用户显示，以向用户提供交互式体验。例如，VR/AR/MR系统可以基于用户的凝视方向(这可以表示用户对对象的兴趣)、用户的定位等来更新虚拟图像数据。

可佩戴的VR/AR/MR系统可以在光强度范围非常宽的环境中操作。例如，可佩戴的VR/AR/MR系统可以在室内环境或室外环境中和/或在一天中的不同时间操作，并且可佩戴的VR/AR/MR系统的操作环境的光强度可以显著地变化。此外，可佩戴的VR/AR/MR系统还可以包括前述的NIR眼球跟踪系统，其可能需要将非常低强度的光投射到用户的眼球中，以防止损伤眼球。因此，可佩戴的VR/AR/MR系统的图像传感器可能需要具有宽的动态范围，以便能够在与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，生成与入射光强度相关的输出)。可佩戴的VR/AR/MR系统的图像传感器也可能需要以足够高的速度生成图像，以允许跟踪用户的定位、定向、凝视点等。动态范围相对有限并且以相对低的速度生成图像的图像传感器可能不适合这种可佩戴的VR/AR/MR系统。

本公开涉及能够提供扩展的动态范围的像素单元。该像素单元可以包括光电二极管、电荷存储单元、被配置为光电二极管和电荷存储单元之间的转移栅极的晶体管、以及模数转换器(ADC)电路。光电二极管可以响应入射光而产生电荷，并存储电荷中的至少一些电荷，直到光电二极管饱和。电荷存储单元可以是晶体管的浮置漏极、金属电容器、金属氧化物半导体(MOS)电容器或其任意组合。电荷存储单元可以存储溢出电荷，溢出电荷是当光电二极管饱和且无法存储额外的电荷时从光电二极管溢出的电荷。

ADC电路可以在多种测量模式中工作。在第一测量模式中，ADC电路可以基于来自自由运行计数器的计数值产生第一斜坡电压，并将第一斜坡参考电压与表示存储在电荷存储单元中的溢出电荷量的第一测量电压进行比较，以产生第一判定输出。当第一判定输出指示第一测量电压越过(cross)第一斜坡参考电压时，可以从计数器捕获第一计数值并将其存储在存储器中。在第二测量模式中，ADC电路可以基于计数器的计数值生成第二斜坡参考电压，并将第二斜坡参考电压与表示存储在光电二极管中的电荷量的第二测量电压进行比较，以生成第二判定输出。当第二判定输出指示第二测量电压越过第二斜坡参考电压时，可以从计数器捕获第二计数值并将其存储在存储器中。在一些实施例中，ADC还可以通过将第一测量电压与表示电荷存储单元的饱和极限的固定参考电压进行比较来执行第三模式测量，以在计数器运行并更新计数值的同时产生第三判定输出。如果第三判定输出指示第一测量电压达到或超过饱和极限，则可以从计数器捕获第三计数值并将其存储在存储器中。ADC可以从存储器输出第一计数值、第二计数值或第三计数值之一，以表示入射光的强度。

不同的测量模式可以针对不同的光强度范围。第一测量模式可以针对中等光强度范围，对于该范围，光电二极管预期将达到满容量并饱和。可以操作ADC来测量存储在电荷存储单元中的溢出电荷的量，以确定光强度。第二测量模式可以针对光电二极管预期不会饱和的低光强度范围，并且ADC可以通过将电荷存储单元处的测量电压与斜坡参考电压进行比较来测量存储在光电二极管中的电荷的量。第一计数值和第二计数值中的每一个都可以表示越过测量电压的参考电压的幅度，并且可以表示测量电压。此外，第三测量模式可以针对电荷存储单元饱和的高光强度范围，并且ADC可以将电荷存储单元处产生的电压与固定的参考电压进行比较，以测量电荷存储单元饱和所需的时间(在下文中称为饱和时间或TTS)。饱和时间可以与电荷存储单元处的电荷累积速率成反比，并且该速率也可以反映入射光的强度。

如上面所讨论的，ADC可以从存储器中选择第一计数值、第二计数值或第三计数值之一来表示入射光的强度。该选择可以基于第一判定输出、第二判定输出和第三判定输出中的一个或更多个。例如，如果第三判定输出指示电荷存储单元饱和，则可以优先于第一计数值和第二计数值选择第三计数值作为输出。如果第三判定输出指示电荷存储单元未饱和，则可以丢弃第三计数值，并且ADC可以在第一计数值和第二计数值之间进行选择作为输出。如果第一判定输出或第二判定输出指示光电二极管饱和，则ADC可以选择第一计数值作为输出，该第一计数值度量电荷存储单元中存储的溢出电荷量。但是，如果第一判定输出或第二判定输出指示光电二极管未饱和，则ADC可以选择第二值作为输出，该第二值度量光电二极管中存储的电荷量。在一些实施例中，像素单元可以包括一组寄存器，以将第一、第二和第三判定中的至少一些存储为标志。ADC可以基于标志值来决定是将计数值存储在存储器处还是(例如，通过不存储计数值，或者用另一计数值重写存储器中的计数值)丢弃计数值。

对光电二极管饱和的检测确定了是输出第一计数值还是第二计数值，它可能会受到各种噪声源例如暗电流的影响。例如，暗电流可能向浮置漏极节点添加暗信号。暗信号会导致在第一测量模式期间产生不正确的第一判定，该判定指示浮置漏极节点存储溢出电荷。该不正确的第一判定会导致ADC丢弃第二计数值。结果，ADC不输出表示存储在光电二极管中的电荷量的计数值，而是可能从存储器输出不正确的计数值来表示入射光强度。

本公开提供了几种技术来减轻暗电流对光电二极管饱和检测的影响。在一些示例中，第一斜坡参考电压可以被配置为包括电压裕量(voltage headroom)，使得如果电压是由浮置漏极上的暗电流引起的，则最大的第一斜坡参考电压不会越过浮置漏极的电压。这种布置可以减少由暗电流引起的第一测量模式中错误的第一判定输出的产生。在一些示例中，光电二极管饱和检测可以基于第二判定输出。如上所述，第二判定输出可以基于测量光电二极管中所存储的已经转移到浮置漏极的电荷量。由于光电二极管通常具有低得多的暗电流，所以从光电二极管转移到浮置漏极的电荷也可能由于暗电流而包括较少的噪声电荷。这种布置允许在第二测量模式期间做出更准确的、受暗电流影响较小的光电二极管饱和判定。在一些示例中，第二斜坡参考电压可以被配置为覆盖反映光电二极管的存储容量(例如，满阱容量)的电压范围。该电压范围也可以通过尺度因子进行缩放，以考虑光电二极管的存储容量的潜在变化，从而提高正确检测光电二极管饱和并选择第一计数值作为输出的可能性。

利用所公开的技术，像素单元的动态范围可以被扩展用于低光强度测量和高光强度测量。例如，像素单元可测量的最大强度不再受电荷存储单元的存储容量限制，因为可以基于饱和时间测量来测量高光强度。此外，通过测量存储在光电二极管中的电荷以及如上所述的用于减轻暗电流影响的各种技术，可以提高低光强度测量的准确度。所公开的技术还可以提高依赖于像素单元的数字输出的应用(例如，VR/AR/MR系统)的性能，以及改善用户体验。

所公开的实施例可以包括人工现实系统，或结合人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)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，真实世界)内容组合地生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道(例如向观看者产生三维效果的立体视频)中呈现。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些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看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

图1A是近眼显示器100的实施例的示意图。近眼显示器100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。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机(headphone))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通常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被修改为作为增强现实(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包括框架105和显示器110。框架105耦合到一个或更多个光学元件。显示器110被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施例中，显示器110包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个图像的光导向用户的眼睛。

近眼显示器100还包括图像传感器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，该像素阵列被配置为生成表示沿着不同方向的不同视场的图像数据。例如，传感器120a和120b可以被配置成提供表示沿着Z轴朝向方向A的两个视场的图像数据，而传感器120c可以被配置成提供表示沿着X轴朝向方向B的视场的图像数据，并且传感器120d可以被配置成提供表示沿着X轴朝向方向C的视场的图像数据。

在一些实施例中，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，从而向佩戴近眼显示器100的用户提供交互式VR/AR/MR体验。例如，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，定位跟踪系统可以运行SLAM算法来跟踪在物理环境中且在用户的视场内的一组对象。定位跟踪系统可以基于该组对象来构建和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，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，可以提高跟踪用户在物理环境内的定位的精确度和鲁棒性。

在一些实施例中，近眼显示器100还可以包括一个或更多个有源照明器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(或者在具有低强度的红外光、紫外光等的环境中)投射光，以帮助传感器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(marker)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，传感器120a或120b中的一个或更多个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、绿色或蓝色之一)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，其中IR图像的每个像素被映射到RGB图像的每个像素。照明器130可以将一组IR标记投射到对象上，该对象的图像可以被IR像素阵列捕获。基于图像中所示的对象的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立体图像。基于对象的立体图像，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显示器100的图像数据，以提供交互式体验。

如上面所讨论的，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有源照明器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，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，生成与入射光的强度相关的输出)。

图1B是近眼显示器100的另一个实施例的示意图。图1B示出了近眼显示器100的面向佩戴近眼显示器100的用户的眼球135的一侧。如图1B所示，近眼显示器100还可以包括多个照明器140a、140b、140c、140d、140e和140f。近眼显示器100还包括多个图像传感器150a和150b。照明器140a、140b和140c可以朝向方向D(与图1A的方向A相反)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。传感器150a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140d、140e和140f可以发射携带图案的NIR光。NIR光可以被用户的右眼球反射，并且可以被传感器150b接收。传感器150b还可以包括像素阵列，以生成反射图案的图像。基于来自传感器150a和150b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显示器100的图像数据，以向用户提供交互式体验。

如上面所讨论的，为了避免损害用户的眼球，照明器140a、140b、140c、140d、140e和140f通常被配置成输出非常低强度的光。在图像传感器150a和150b包括与图1A的图像传感器120a-120d相同的传感器设备的情况下，当入射光的强度非常低时，图像传感器120a-120d可能需要能够生成与入射光的强度相关的输出，这可能进一步增加图像传感器的动态范围要求。

此外，图像传感器120a-120d可能需要能够以高速度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需要以高速度生成眼球的图像。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像素单元的总曝光时间要短，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，如上面所讨论的，图像传感器也需要能够在低光强度的环境下操作。

图2是图1所示的近眼显示器100的横截面200的实施例。显示器110包括至少一个波导显示组件210。出射光瞳(exit pupil)230是当用户佩戴近眼显示器100时，用户的单个眼球220在视窗(eyebox)区域中的定位。为了说明的目的，图2示出了与眼球220和单个波导显示组件210相关联的横截面200，但是第二波导显示器用于用户的第二只眼睛。

波导显示组件210被配置成将图像光导向位于出射光瞳230处的视窗，并导向眼球220。波导显示组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成。在一些实施例中，近眼显示器100包括在波导显示组件210和眼球220之间的一个或更多个光学元件。

在一些实施例中，波导显示组件210包括一个或更多个波导显示器的堆叠，包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠式波导显示器是通过堆叠波导显示器来创建的多色显示器(例如，红-绿-蓝(RGB)显示器)，波导显示器的相应单色源具有不同的颜色。堆叠式波导显示器也是可以被投射在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器是可以被投射在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代实施例中，波导显示组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。

图3示出了波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300是近眼显示器100的部件(例如，波导显示组件210)。在一些实施例中，波导显示器300是将图像光导向特定定位的某个其他近眼显示器或其他系统的一部分。

波导显示器300包括源组件310、输出波导320和控制器330。为了说明的目的，图3示出了与单个眼球220相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分分离的另一个波导显示器向用户的另一只眼睛提供图像光。

源组件310生成图像光355。源组件310生成图像光355并将其输出到位于输出波导320的第一侧面370-1上的耦合元件350。输出波导320是向用户的眼球220输出扩展的图像光340的光波导。输出波导320在位于第一侧面370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收到的输入图像光355引导至导向元件360。在一些实施例中，耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是，例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件(prismatic surfaceelement)、和/或全息反射器阵列。

导向元件360将接收到的输入图像光355重定向到去耦元件(decouplingelement)365，使得接收到的输入图像光355经由去耦元件365从输出波导320去耦出去。导向元件360是输出波导320的第一侧面370-1的一部分，或固定到输出波导320的第一侧面370-1。去耦元件365是输出波导320的第二侧面370-2的一部分，或固定到输出波导320的第二侧面370-2，使得导向元件360与去耦元件365相对。导向元件360和/或去耦元件365可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件、和/或全息反射器阵列。

第二侧面370-2表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以由有助于图像光355的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导320可以由例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物组成。输出波导320具有相对较小的形状因子。例如，输出波导320可以沿x维度宽约50mm，沿y维度长约30mm，以及沿z维度厚约0.5mm-1mm。

控制器330控制源组件310的扫描操作。控制器330确定源组件310的扫描指令。在一些实施例中，输出波导320将扩展的图像光340以大视场(FOV)输出到用户的眼球220。例如，扩展的图像光340以(x和y中的)60度和/或更大和/或150度和/或更小的对角FOV被提供给用户的眼球220。输出波导320被配置成提供视窗，该视窗长度为20mm或更大和/或等于或小于50mm；和/或宽度为10mm或更大和/或等于或小于50mm。

此外，控制器330还基于由图像传感器370提供的图像数据来控制由源组件310生成的图像光355。图像传感器370可以位于第一侧面370-1上，并且可以包括例如图1A的图像传感器120a-120d，以生成用户前方的物理环境的图像数据(例如，用于定位确定)。图像传感器370也可以位于第二侧面370-2上，并且可以包括图1B的图像传感器150a和150b，以生成用户的眼球220的图像数据(例如，用于凝视点确定)。图像传感器370可以与不位于波导显示器300内的远程控制台通过接口连接。图像传感器370可以向远程控制台提供图像数据，远程控制台可以确定例如用户的定位、用户的凝视点等，并确定要向用户显示的图像内容。远程控制台可以向控制器330传输与所确定的内容相关的指令。基于这些指令，控制器330可以控制源组件310生成并输出图像光355。

图4示出了波导显示器300的横截面400的实施例。横截面400包括源组件310、输出波导320和图像传感器370。在图4的示例中，图像传感器370可以包括位于第一侧面370-1上的一组像素单元402，以生成用户前方的物理环境的图像。在一些实施例中，可以在该组像素单元402和物理环境之间插入机械快门404，以控制该组像素单元402的曝光。在一些实施例中，如下面将讨论的，机械快门404可以由电子快门(electronic shutter gate)代替。每个像素单元402可以对应于图像的一个像素。尽管图4中未示出，但应当理解，每个像素单元402也可以覆盖有滤光器，以控制要由像素单元感测的光的频率范围。

在从远程控制台接收到指令之后，机械快门404可以在曝光周期中打开并曝光该组像素单元402。在曝光周期期间，图像传感器370可以获得入射到该组像素单元402上的光样本，并且基于由该组像素单元402检测到的入射光样本的强度分布来生成图像数据。图像传感器370然后可以向远程控制台提供图像数据，该远程控制台确定显示内容，并向控制器330提供显示内容信息。控制器330然后可以基于显示内容信息来确定图像光355。

源组件310根据来自控制器330的指令生成图像光355。源组件310包括源410和光学系统415。源410是生成相干光或部分相干光的光源。源410可以是，例如，激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。

光学系统415包括一个或更多个光学部件，光学部件调节来自源410的光。调节来自源410的光可以包括例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调整定向。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，光学系统415包括具有多个电极的液体透镜，该液体透镜允许用阈值的扫描角度来扫描光束，以将光束移到液体透镜外部的区域。从光学系统415(还有源组件310)发射的光被称为图像光355。

输出波导320接收图像光355。耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的栅距被选择成使得在输出波导320中发生全内反射，并且图像光355在输出波导320中(例如，通过全内反射)朝向去耦元件365进行内部传播。

导向元件360将图像光355重定向到去耦元件365，用于从输出波导320去耦。在导向元件360是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的栅距被选择成使得入射图像光355以相对于去耦元件365的表面倾斜的角度离开输出波导320。

在一些实施例中，导向元件360和/或去耦元件365在结构上类似。离开输出波导320的扩展的图像光340沿着一个或更多个维度被扩展(例如，可以沿着x维度被拉长)。在一些实施例中，波导显示器300包括多个源组件310和多个输出波导320。每个源组件310发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的特定波段的单色图像光。每个输出波导320可以以一定的间隔距离堆叠在一起，以输出多色的扩展的图像光340。

图5是包括近眼显示器100的系统500的实施例的框图。系统500包括近眼显示器100、成像设备535、输入/输出接口540以及图像传感器120a-120d和150a-150b，它们各自耦合到控制电路510。系统500可以被配置为头戴式设备、可佩戴设备等。

近眼显示器100是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(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100和/或控制电路510接收音频信息，并基于音频信息来向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100也可以充当AR眼镜。在一些实施例中，近眼显示器100利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、真实世界环境的视图。

近眼显示器100包括波导显示组件210、一个或更多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210包括源组件310、输出波导320和控制器330。

IMU 530是一种电子设备，其基于从一个或更多个位置传感器525接收的测量信号生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置。

成像设备535可以生成用于各种应用的图像数据。例如，成像设备535可以根据从控制电路510接收的校准参数来生成图像数据以提供慢速校准数据。成像设备535可以包括例如图1A的图像传感器120a-120d，用于生成用户所处的物理环境的图像数据，用于执行对用户的定位跟踪。成像设备535还可以包括例如图1B的图像传感器150a-150b，用于生成用于确定用户的凝视点的图像数据，以识别用户感兴趣的对象。

输入/输出接口540是允许用户向控制电路510发送动作请求的设备。动作请求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。

控制电路510根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在一些示例中，控制电路510可以被容纳在被配置为头戴式设备的系统500内。在一些示例中，控制电路510可以是与系统500的其他部件通信耦合的独立控制台设备。在图5所示的示例中，控制电路510包括应用储存器545、跟踪模块550和引擎555。

应用储存器545存储用于由控制电路510执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于显现给用户的内容。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。

跟踪模块550使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。

跟踪模块550使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。

引擎555执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210，该信号确定呈现给用户的内容类型。例如，为了提供交互式体验，引擎555可以基于(例如，由跟踪模块550提供的)用户的定位、或(例如，基于由成像设备535提供的图像数据的)用户的凝视点、(例如，基于由成像设备535提供的图像数据的)对象与用户之间的距离来确定要呈现给用户的内容。

图6示出了像素单元600的示例。像素单元600可以是像素阵列的一部分，并且可以生成对应于图像的像素的数字强度数据。例如，像素单元600可以是图4的像素单元402的一部分。如图6所示，像素单元600可以包括光电二极管602、快门开关604、转移栅极606、复位开关607、测量电容器608、缓冲器609和像素ADC 610。

在一些实施例中，光电二极管602可以包括例如P-N二极管、P-I-N二极管、钉扎二极管(pinned diode)等。光电二极管602可以在接收光时产生电荷，并且产生的电荷量可以与光的强度成比例。光电二极管602还可以存储产生的电荷中的一些电荷，直到光电二极管饱和，光电二极管饱和发生在达到光电二极管的阱容量时。此外，快门开关604、转移栅极(transfer gate)606和复位开关607中的每一个都可以包括晶体管。例如，晶体管可以包括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604可以充当电子快门(代替图4的机械快门404或与其结合)，以控制像素单元600的曝光周期。在曝光周期期间，快门开关604可以由曝光使能信号611禁用(关闭)，这允许光电二极管602存储产生的电荷，并且当光电二极管602饱和时，允许溢出的电荷流向测量电容器608。在曝光周期结束时，快门开关604可以被启用，以操纵光电二极管602所产生的电荷进入光电二极管电流吸收器(current sink)617。此外，复位开关607也可以由复位信号618禁用(关闭)，这允许测量电容器608累积电荷。测量电容器608可以是转移栅极606的浮置端子处的器件电容器、金属电容器、MOS电容器或其任意组合。测量电容器608可以用于存储一定量的电荷，这些电荷可以由像素ADC 610进行测量，以提供表示入射光强度的数字输出。在测量模式完成之后，复位开关607可以被启用以将存储在测量电容器608处的电荷清空到电荷吸收器620，以使测量电容器608可用于下一次测量。

现在参考图7，图7示出了对于不同的光强度范围，累积的电荷量相对于时间的关系。在特定时间点累积的电荷总量可以反映曝光周期期间入射到光电二极管602上的光的强度。该量可以在曝光周期结束时被测量。对于限定入射光强度的低光强度范围706、中等光强度范围708和高光强度范围710的阈值电荷量，可以定义阈值702和阈值704。例如，如果总累积电荷低于阈值702(例如，Q1)，则入射光强度在低光强度范围706内。如果总累积电荷在阈值704和阈值702之间(例如，Q2)，则入射光强度在中等光强度范围708内。如果总累积电荷高于阈值704，则入射光强度在中等光强度范围710内。如果光电二极管在整个低光强度范围706内不饱和，并且测量电容器在整个中等光强度范围708内不饱和，则对于低光强度范围和中等光强度范围，累积电荷的量可以与入射光的强度相关。

低光强度范围706和中等光强度范围708以及阈值702和704的定义可以基于光电二极管602和测量电容器608的存储容量。例如，可以定义低光强度范围706，使得在曝光周期结束时，存储在光电二极管602中的电荷总量低于或等于光电二极管的存储容量，并且阈值702可以基于光电二极管602的存储容量。如下所述，阈值702可以基于光电二极管602的缩放的存储容量来设置，以考虑光电二极管的潜在容量变化。这种布置可以确保，当为了强度确定而测量光电二极管602中存储的电荷量时，光电二极管不会饱和，并且所测量的量与入射光强度相关。此外，中等光强度范围708可以被定义为使得在曝光周期结束时，存储在测量电容器608中的电荷总量低于或等于测量电容器的存储容量，并且阈值704可以基于测量电容器608的存储容量。典型地，阈值704也被设置为基于测量电容器608的缩放的存储容量，以确保当为了强度确定而测量存储在测量电容器608中的电荷量时，测量电容器不会饱和，并且所测量的量也与入射光强度相关。如下所述，阈值702和704可以用于检测光电二极管602和测量电容器608是否饱和，这可以确定入射光的强度范围和要输出的测量结果。

此外，在入射光强度在高光强度范围710内的情况下，在曝光周期结束之前，测量电容器608处累积的总溢出电荷可能超过阈值704。随着附加电荷的累积，测量电容器608可能在曝光周期结束之前达到满容量，而且可能发生电荷泄漏。为了避免由于测量电容器608达到满容量而引起的测量误差，可以执行饱和时间测量，以测量在测量电容器608处累积的总溢出电荷达到阈值704所花费的持续时间。可以基于阈值704与饱和时间之间的比率来确定测量电容器608处的电荷累积速率，并且可以根据电荷累积速率通过外推(extrapolation)来确定在曝光周期结束时(如果电容器具有无限的容量)在测量电容器608处可能已经累积的假设电荷量(Q3)。假设电荷量(Q3)可以对在高光强度范围710内的入射光强度提供合理准确的表示。

返回参考图6，如上所述，转移栅极606可以由测量控制信号612来控制，以控制剩余电荷电容器603和测量电容器608处对于不同光强度范围的电荷累积。为了测量高光强度范围710和中等光强度范围708，可以控制转移栅极606在部分导通状态下操作。例如，转移栅极606的栅极电压可以基于光电二极管602处产生的、对应于光电二极管的电荷存储容量的电压来设置。利用这种布置，只有溢出电荷(例如，在光电二极管饱和后由光电二极管产生的电荷)将通过转移栅极606转移到达测量电容器608，以测量饱和时间(对于高光强度范围710)和存储在测量电容器608中的电荷量(对于中等光强度范围708)。此外，为了测量低光强度范围706，转移栅极606可以被控制在完全导通状态，以将存储在光电二极管602中的电荷转移到测量电容器608，从而测量存储在光电二极管602中的电荷量。

在测量电容器608处累积的电荷可以由缓冲器609感测，以在模拟输出节点614处生成模拟电压的副本(但是具有更大的驱动强度)。像素ADC610可以将模拟输出节点614处的模拟电压转换成一组数字数据(例如，包括逻辑1和0)。在曝光周期结束之前(例如，对于中等光强度范围708和高光强度范围710)，或者在曝光周期之后(对于低光强度范围706)，测量电容器608处产生的模拟电压可以被采样，并且数字输出可以被生成。数字数据可以通过一组像素输出总线616传输到例如图5的控制电路510，以表示曝光周期期间的光强度。

在一些示例中，测量电容器608的电容可以是可配置的，以提高对于低光强度范围的光强度确定的准确度。例如，当测量电容器608被用于测量存储在剩余电荷电容器603中的剩余电荷时，可以减小测量电容器608的电容。测量电容器608电容的减小可以增加测量电容器608处的电荷电压转换比，使得对于一定量的存储电荷可以产生更高的电压。较高的电荷电压转换比可以降低由像素ADC 610引入的测量误差(例如，量化误差、比较器的失调等)对低光强度确定的准确度的影响。测量误差可以对像素ADC 610可以检测和/或区分的最小电压差设置限制。通过增加电荷电压转换比，可以减少对应于最小电压差的电荷量，这又降低了像素单元600的可测量光强度的下限，并扩展了动态范围。另一方面，对于中等光强度，可以增加测量电容器608的电容，以确保测量电容器608具有足够的容量来存储高达例如由阈值704定义的量的电荷量。

图8示出了像素ADC 610的内部部件的示例。如图8所示，像素ADC610包括阈值生成器802、比较器804和数字输出生成器806。数字输出生成器806还可以包括计数器808和存储器设备810。计数器808可以基于自由运行时钟信号812生成一组计数值，而存储器810可以存储由计数器808生成的计数值中的至少一些计数值(例如，最新计数值)。在一些实施例中，存储器810可以是计数器808的一部分。存储器810可以是例如如下所述的基于局部像素值存储计数器值的锁存电路。阈值生成器802包括数模转换器(DAC)813，DAC 813可以接受一组数字值并输出表示该组数字值的参考电压(VREF)815。如下文更详细讨论的，阈值生成器802可以接受静态数字值以生成固定阈值，或者接受计数器808的输出814以生成斜坡阈值。

尽管图8示出了DAC 813(以及阈值生成器802)是像素ADC 610的一部分，但应当理解，DAC 813(以及阈值生成器802)可以与来自不同像素单元的多个数字输出生成器806耦合。此外，也可以在许多的多个像素单元之间共享数字输出生成器806，以生成数字值。

比较器804可以将模拟输出节点614处产生的模拟电压与阈值生成器802提供的阈值进行比较，并基于比较结果生成判定(decision)816。例如，如果模拟输出节点614处的模拟电压等于或超过阈值生成器802生成的阈值，则比较器804可以生成逻辑1用于判定816。如果模拟电压落在阈值之下，则比较器804还可以生成逻辑0用于判定816。判定816可以控制计数器808的计数操作和/或存储在存储器810中的计数值，以对模拟输出节点614处的斜坡模拟电压执行前述饱和时间测量，以及对模拟输出节点614处的模拟电压执行量化处理，用于入射光强度确定。

图9A示出了像素ADC 610的饱和时间测量的示例。为了执行饱和时间测量，阈值生成器802可以控制DAC 813生成固定VREF 815。固定VREF815可以被设置在对应于测量电容器608饱和的电荷量阈值(例如，图7的阈值704)的电压。计数器808可以在曝光周期开始之后(例如，就在快门开关604被禁用之后)立即开始计数。随着模拟输出节点614处的模拟电压斜坡下降(或上升，这取决于实现方式)，时钟信号812持续切换(toggle)以更新计数器808处的计数值。模拟电压可以在某个时间点达到固定阈值，这导致比较器804处的判定816翻转(flip)。判定816的翻转可以停止计数器808的计数，并且计数器808处的计数值可以表示饱和时间。如下面将更详细讨论的，测量电容器608处的电荷累积速率也可以基于持续时间来确定，并且入射光强度可以基于电荷累积速率来确定。

图9B示出了像素ADC 610量化模拟电压的示例。在测量开始之后，DAC 813可以由计数器输出714编程，以生成斜坡VREF 815，斜坡VREF815可以根据实现方式而斜坡上升(在图9B的示例中)或斜坡下降。斜坡VREF 815的电压范围可以在阈值704(用于测量电容器608饱和的电荷量阈值)和阈值702(用于光电二极管602饱和的电荷量阈值)之间(其可以定义中等光强度范围)。在图9B的示例中，可以用均匀的量化步长(quantization step)来执行量化过程，对于时钟信号812的每个时钟周期，VREF 815增加(或减少)相同的量。VREF 815增加(或减少)的量对应于量化步长。当VREF 815达到模拟输出节点614处模拟电压的一个量化步长内时，比较器804的判定816翻转。判定816的翻转可以停止计数器808的计数，并且计数值可以对应于累积的量化步长总数，以在一个量化步长内匹配模拟电压。计数值可以成为存储在测量电容器608处的电荷量的数字表示，以及成为入射光强度的数字表示。如上面所讨论的，模拟电压的量化可以发生在曝光周期期间(例如，对于中等光强度范围708)和在曝光周期之后(例如，对于低光强度范围706)。

如上面所讨论的，当由ADC 610输出的量级所表示(例如，由量化步长的总数表示)的电荷量与由ADC 610映射到量级的实际输入电荷量之间不匹配时，ADC 610会引入量化误差。可以通过使用较小的量化步长大小来减小量化误差。在图9B的示例中，可以通过VREF815在每个时钟周期增加(或减少)的量来减小量化误差。

虽然可以通过使用较小的量化步长大小来减小量化误差，但是面积和性能速度可能会限制量化步长可以减小的程度。使用较小的量化步长大小，表示特定范围的电荷量(和光强度)所需的量化步长总数可能会增加。可能需要较大数量的数据位来表示量化步长的增加的数量(例如，需要8位来表示255个步长，需要7位来表示127个步长等等)。较大数量的数据位可能需要将附加总线添加到像素输出总线616，而如果像素单元600用于头戴式设备或具有非常有限空间的其他可佩戴设备，这可能是不可行的。此外，使用较大数量的量化步长大小，ADC 610可能需要在找到(与一个量化步长)匹配的量级之前在较大数量的量化步长中循环，这导致处理功耗和时间的增加，以及图像数据生成速率的降低。对于一些需要高帧速率的应用(例如，跟踪眼球运动的应用)，降低的速率可能是不可接受的。

减小量化误差的一种方法是采用非均匀量化方案，其中量化步长在输入范围上是不均匀的。图10A示出了对于非均匀量化过程和均匀量化过程，ADC代码(量化过程的输出)与输入电荷量级之间的映射的示例。虚线示出了针对非均匀量化过程的映射，而实线示出了针对均匀量化过程的映射。对于均匀量化过程，量化步长大小(用Δ₁表示)对于输入电荷量的整个范围是相同的。相反，对于非均匀量化过程，量化步长大小根据输入电荷量而不同。例如，低输入电荷量的量化步长大小(用Δ_S表示)小于大输入电荷量的量化步长大小(用Δ_L表示)。此外，对于相同的低输入电荷量，可以使非均匀量化过程的量化步长大小(Δ_S)小于均匀量化过程的量化步长大小(Δ₁)。

采用非均匀量化方案的一个优点是可以减小用于量化低输入电荷量的量化步长，这进而减小了量化低输入电荷量的量化误差，并且可以减小可由ADC 610区分的最小输入电荷量。因此，减小的量化误差可以降低图像传感器的可测量光强度的下限，并且可以增加动态范围。此外，尽管对于高输入电荷量，量化误差增加了，但是与高输入电荷量相比，量化误差可以保持很小。因此，可以减少被引入到电荷测量的整体量化误差。另一方面，覆盖输入电荷量整个范围的量化步长的总数可以保持相同(或者甚至减小)，并且与增加量化步长的数量相关联的前述潜在问题(例如，面积增加、处理速度降低等)可以避免。

图10B示出了像素ADC 610使用非均匀量化过程量化模拟电压的示例。与图9B相比，(图9B采用均匀量化过程)，VREF 815随着每个时钟周期以非线性方式增加，最初具有较浅的斜率(swallower slope)，随后具有较陡的斜率(steeper slope)。斜率的差异归因于不均等(uneven)的量化步长大小。对于较低的计数器计数值(对应于较低输入量范围)，量化步长较小，因此VREF 815以较慢的速率增加。对于较高的计数器计数值(对应于较高输入量范围)，量化步长较大，因此VREF 815以较高的速率增加。VREF 815中不均等的量化步长可以使用不同的方案来引入。例如，如上面所讨论的，DAC 813被配置成输出对于(来自计数器808的)不同计数器计数值的电压。DAC 813可以被配置成使得对于不同的计数器计数值，两个相邻计数器计数值之间的输出电压的差(其定义量化步长大小)是不同的。作为另一个示例，计数器808还可以被配置成在计数器计数值中生成跳跃以生成不均等的量化步长，而不是增加或减小相同的计数步长。在一些示例中，图10B的非均匀量化过程可以用于低光强度范围706和中等光强度范围708的光强度确定。

现在参考图11，图11示出了像素单元1100的示例，像素单元1100可以是图6的像素单元600的实施例。在图11的示例中，PD可以对应于光电二极管602，晶体管M0可以对应于快门开关604，晶体管M1可以对应于转移栅极606，而晶体管M2可以对应于复位开关607。此外，COF电容器和CEXT电容器的组合可以对应于测量电容器608。测量电容器608的电容可由信号LG配置。当LG被启用(enabled)时，测量电容器608提供COF和CEXT电容器的组合容量。当LG被禁用(disabled)时，CEXT电容器可以从并联组合断开，并且测量电容器608仅包括COF电容器(加上其他寄生电容)。如上面所讨论的，可以减小测量电容器608的电容以增加电荷电压转换比以用于低光强度确定，并且可以增加测量电容器608的电容以提供用于中等光强度确定的必要容量。

像素单元1100还包括缓冲器609的示例和像素ADC 610的示例。例如，晶体管M3和M4形成源极跟随器，该源极跟随器可以是图6的缓冲器609，以缓冲在OF节点处产生的模拟电压，该模拟电压表示存储在COF电容器(或COF和CEXT电容器)处的电荷量。此外，CC电容器(CC cap)、比较器1102、晶体管M5、或非门(NOR gate)1112以及存储器810可以是像素ADC610的一部分，以生成表示OF节点处的模拟电压的数字输出。如上面所讨论的，量化可以基于由比较器1102生成的、在OF节点处产生的模拟电压与VREF之间的比较结果(VOUT)。此处，CC电容器被配置成生成VIN电压(在比较器1102的一个输入端处)，该CC电容器跟踪缓冲器609的输出，并将VIN电压提供给比较器1102以与VREF进行比较。VREF可以是用于饱和时间测量的静态电压(对于高光强度范围)或者是用于模拟电压量化的斜坡电压(对于低光强度范围和中等光强度范围)。ADC代码可以由自由运行计数器(例如，计数器808)生成，并且比较器1102生成的比较结果可以确定将被存储在存储器810中并且将作为入射光强度的数字表示被输出的ADC代码。在一些示例中，用于低光强度确定和中等光强度确定的VREF的生成可以基于如图10A和图10B中讨论的非均匀量化方案。

除了以上公开的技术，像素单元1100还包括可以进一步提高入射光强度确定的准确度的技术。例如，CC电容器和晶体管M5的组合可以用于补偿由比较器1102引入的测量误差(例如，比较器的失调)以及被引入比较器1102的其他误差信号，从而可以提高比较器1102的准确度。噪声信号可以包括例如由复位开关607引入的复位噪声电荷、由于源极跟随器阈值不匹配而在缓冲器609的输出端产生的噪声信号等。在复位阶段，当晶体管M2和M5都被启用时，反映比较器的失调以及误差信号的电荷量可以被存储在CC电容器处。在复位阶段期间，由于存储的电荷，还可能在CC电容器两端产生电压差。在测量阶段期间，CC电容器两端的电压差保持不变，并且CC电容器可以通过减去(或加上)电压差来跟踪缓冲器609的输出电压，以生成VIN。因此，可以针对测量误差和误差信号来补偿VIN电压，这提高了VIN和VREF之间比较的准确度以及随后量化的准确度。

此外，像素单元1100还包括控制器1110。控制器1110可以产生一系列控制信号，例如快门(SHUTTER)、TX、RST1、RST2等，以操作像素单元1100来执行对应于图7的三个光强度范围(例如，低光强度范围706、中等光强度范围708和高光强度范围710)的三阶段测量操作。在每个阶段，像素单元1100可以在针对相应光强度范围的测量模式中操作，并且基于比较器1102的判定输出(VOUT)来确定入射光强度是否落在相应光强度范围内。像素单元1100还包括一组寄存器，用于将一些阶段的判定输出存储为FLAG_1和FLAG_2信号。基于FLAG_1和FLAG_2信号，控制器1110可以从三个阶段之一中选择ADC代码来表示入射光强度。所选择的ADC代码可以存储在存储器810中，并且存储器810可以由或非门1116基于FLAG_1和FLAG_2信号的组合来锁定，以防止后续测量阶段重写存储器810中所选择的ADC代码输出。在三阶段测量过程结束时，控制器1110可以检索存储在存储器810中的ADC代码，并提供ADC代码作为表示入射光强度的数字输出。

现在参考图12，图12示出了三阶段测量操作的像素单元1100的控制信号相对于时间的序列。参考图12，T0之前的时间对应于第一复位阶段。T0和T1之间的时间段对应于曝光周期和时间饱和测量模式。T1和T2之间的时间段对应于测量存储在浮置漏极中的溢出电荷的量的测量模式。用于测量溢出电荷的测量模式在图12中被标记为“FD ADC”，并且可以用于测量中等光强度708。此外，T2和T3之间的时间段包括第二复位阶段，在第二复位阶段后，存储在光电二极管602中的电荷转移到浮置漏极。此外，T3和T4之间的时间段对应于测量存储在光电二极管中并转移到浮置漏极的电荷量的测量模式。用于测量存储在光电二极管中的电荷的测量模式在图12中被标记为“PD ADC”，并且可以用于测量低光强度712。在时间T4，像素单元1100可以提供表示入射光强度的数字输出，然后开始下一个三阶段测量操作。

如图12所示，在T0之前，RST1和RST2信号、LG信号和快门信号被宣称有效，而TX信号被偏置在电压V_低。V_低可以对应于光电二极管PD的电荷容量，以仅允许溢出电荷(如果有的话)从光电二极管PD经由晶体管M1流到CEXT电容器和COF电容器。利用这种布置，光电二极管PD以及CEXT电容器和COF电容器都可以复位。此外，没有电荷被添加到这些电容器，因为由光电二极管PD产生的电荷被晶体管M0转移走了。光电二极管PD两端的电压以及OF节点可以设置为等于V_复位的电压，这可以表示光电二极管PD、CEXT电容器和COF电容器不存储任何电荷的状态。此外，比较器1102也处于复位阶段，并且CC电容器可以存储反映由M2引入的复位噪声、比较器的失调、缓冲器609的阈值不匹配等的电荷。此外，VREF也可以设置为等于V_复位的值。在一些示例中，V_复位可以等于像素单元1100的电源电压(例如，VDD)。

在T0和T1之间的时间段期间，快门信号被宣称无效，而LG信号保持有效，并且TX信号保持在V_低。VREF可以被设置为等于V_SAT的值，该值可以对应于当CEXT和COF电容器都处于满容量时OF节点的电压。V_SAT和V_复位之间的差值可以对应于例如图7的阈值704。在T0和T1之间的时间段期间，可以执行饱和时间(TTS)测量，其中溢出电荷从光电二极管PD经由晶体管M1流到COF电容器和CEXT电容器，以在OF节点处产生斜坡电压。当计数器808自由运行时，在OF节点的模拟电压的缓冲和误差补偿版本(VIN)可以与V_SAT进行比较。如果存储在COF电容器和CEXT电容器处的总电荷超过阈值704(基于OF节点电压)，则比较器1102将跳变，并且在翻转时计数器808生成的计数值可以存储在存储器810中。比较器1102的翻转还导致控制器1110在寄存器1112中存储值1用于FLAG_1信号。非零的FLAG_1信号值可以使或非门1116的输出保持为低，而不管或非门的其他输入，并且可以锁定存储器并防止后续测量阶段重写计数值。另一方面，如果比较器1102在T1和T2之间的时间段期间从不翻转，这表明入射光强度低于高光强度范围，则FLAG_1信号保持为零。控制器1110在时间段T0-T1之间不更新存储在寄存器1114中的FLAG_2值，并且FLAG_2值可以保持为零。

在T1和T2之间的时间段期间(对应于第二测量阶段)，ADC 610可以量化OF节点处的模拟电压，以测量存储在CEXT电容器和COF电容器中的溢出电荷量(被标记为“FD ADC”)。在一些示例中，在时间段T1-T2期间，光电二极管PD可以(例如，通过机械快门404)被屏蔽而不暴露于入射光，使得存储在CEXT电容器和COF电容器中的总溢出电荷以及OF节点处的模拟电压保持恒定。第一斜坡电压VREF可以被提供给比较器1102，以与在OF节点处的模拟电压的缓冲和误差补偿版本(VIN)进行比较。第一斜坡VREF可以由DAC基于来自自由运行计数器的计数值生成。如果斜坡VREF(在一个量化步长大小内)与VIN匹配，则比较器1102将跳变，并且如果存储器没有被第一测量阶段锁定(如由FLAG_1信号的零值所指示的)，在翻转时计数器808生成的计数值可以被存储到存储器810中。如果存储器被锁定，则计数值将不被存储在存储器810中。

在一个示例中，如图12所示，斜坡VREF的电压范围可以在V_SAT和V_复位之间。V_SAT可以定义存储在CEXT电容器和COF电容器中的总溢出电荷的上限(当它们接近饱和时)，而V_复位可以定义存储在这些电容器中的总溢出电荷的下限(当没有溢出电荷时，因此OF节点的电压保持在V_复位)。如下面将要详细描述的，第一斜坡VREF的最大电压可以降低到低于V_复位，以提供裕量/余量(margin)来考虑暗电流的影响。这种布置可以提高比较器1102在FD ADC阶段的翻转正确指示光电二极管PD饱和的可能性。

在一些示例中，如下所述，控制器1110可以基于比较器1102在FD ADC阶段的翻转来宣称寄存器1114中的FLAG_2信号有效，以锁定存储在存储器808中的计数值，这防止后续阶段在存储器808中存储另一计数值。在一些示例中，如下面将要描述的，控制器1110也可以在FD ADC阶段不使用比较器1102的翻转。控制器1110可以允许后续阶段检测光电二极管PD是否饱和，并且如果FLAG_1信号未被宣称有效，则可以用在后续阶段获得的新计数值来重写存储器中的计数值。这种布置可以降低在FD ADC阶段期间由OF节点处的暗电流引起的对光电二极管饱和的错误检测的风险。

在T2和T3之间的时间段开始时，RST1和RST2信号可以被再次宣称有效以进行第二复位阶段。第二复位阶段的目的是复位CEXT和COF电容器，并准备COF电容器用于存储在第三阶段测量(针对低光强度范围)中从PDCAP电容器转移的电荷。LG信号也可以被宣称无效，以将CEXT电容器与COF电容器断开连接，从而减小测量电容器的电容。如上面所讨论的，电容的减小是为了增加电荷电压转换比，以改善低光强度确定。比较器1102也进入复位状态，在该状态下，CC电容器可以用来存储由CEXT和COF电容器的复位生成的噪声电荷。在接近时间T3时，复位完成后，RST1和RST2信号被宣称无效，而偏置TX可以增加到V_高以使晶体管M1完全导通。然后，存储在光电二极管PD中的电荷可以经由M1移动COF电容器中。

在T3和T4之间的时间段期间，可以执行第三阶段的测量，以针对低光强度范围测量光电二极管中存储的电荷(被标记为“PD ADC”阶段)。在该时段期间，快门信号被宣称有效，而TX信号被宣称无效(例如，设置为零)或设置回V_低，以防止存储在COF电容器处的电荷经由M1泄漏。第二斜坡VREF可以被提供给比较器1102，以与OF节点处的模拟电压的缓冲和误差补偿版本(VIN)进行比较。如果第二斜坡VREF(在一个量化步长大小内)与VIN匹配，比较器1102将跳变，并且如果存储器没有被第一测量阶段锁定(如由FLAG_1信号的零值所指示的)，在翻转时计数器808生成的计数值可以被存储到存储器810中。

在图12所示的示例中，第二斜坡VREF可以具有与第一斜坡VREF相同的电压范围，如在V_SAT和V_复位之间。在一些其他示例中，光电二极管饱和检测可以在PD ADC阶段期间执行，并且第二斜坡VREF的最大电压可以被设置为反映光电二极管PD的电荷存储容量的值。比较器1102在PD ADC阶段期间的翻转可以指示存储在光电二极管PD中的电荷低于电荷存储容量，并且光电二极管PD不饱和。基于这样的确定，如果存储器没有被第一测量阶段锁定，则在PD ADC阶段获得的计数值可以被存储到存储器810中。

虽然图12示出了测量入射光强度的三阶段测量操作，但是应当理解，基于例如操作环境的预期入射光强度范围，可以跳过一个或更多个阶段。例如，如果像素单元在具有低环境光的环境中工作(例如，在夜间)，则可以跳过针对高光强度的第一测量阶段。此外，如果像素单元在具有中等或强环境光的环境中工作(例如，在白天)，则可以跳过针对低光强度的第三测量阶段。

图13A和13B示出了用于确定像素单元(例如，像素单元600、像素单元1100等)处的入射光强度的过程1300的流程图的实施例。过程1300可以由例如控制器1110与像素单元的各种部件一起执行。参考图13A，过程1300开始于步骤1302，在步骤1302中，像素单元的光电二极管(例如，光电二极管PD)暴露于入射光，并被允许响应于入射光而产生并存储电荷。可以基于宣称快门信号和复位信号(例如，RST_1、RST_2)无效来执行步骤1302。

在步骤1304中，光电二极管和测量电容器(例如，CEXT和COF)之间的转移栅极可以被偏置，以使溢出电荷能够从光电二极管流到测量电容器，从而产生电压。可以基于例如当光电二极管饱和时光电二极管的电压来设置偏置电压。

在步骤1306中，在第一测量阶段，比较器(例如，比较器1102)可以将测量电容器的电压与固定的参考电压进行比较。第一测量阶段可以对应于图12的时间T0和T1之间的饱和时间(TTS)测量。固定的参考电压可以基于当测量电容器接近饱和时测量电容器的电压。自由运行计数器也在第一测量阶段期间更新其计数值。第一测量阶段可以用于测量高光强度范围。

在步骤1308中，作为第一测量阶段的一部分，控制器确定比较器是否翻转。如果比较器翻转，这表明存储在测量电容器处的总溢出电荷接近存储容量，则控制器可以进行到步骤1310，以基于比较器的翻转从计数器获得第一计数值，并在步骤1312中将第一计数值存储在存储器中。在步骤1314中，控制器可以锁定存储器，以防止第一计数值被后续测量阶段重写。然后，控制器可以进行到如图13B、图14和图16所示的后续测量阶段，用于测量中等光强度范围和/或低光强度范围。如果在步骤1308中比较器没有翻转，控制器也可以进行后续的测量阶段。

在一些示例中，如图11所示，存储器可以包括锁存电路，并且像素单元可以包括或非门1116以宣称锁存信号有效，该锁存信号使得存储器能够用自由运行计数器的最新计数值更新存储的计数值。作为步骤1310、1312和1314的一部分，基于比较器的翻转，控制器可以宣称FLAG_1信号有效，这会导致或非门1116宣称锁存信号无效，从而停止存储器进一步更新存储的计数值。FLAG_1信号的有效也可以使锁存信号保持无效并锁定存储器。

参考图13B，控制器然后可以进行到步骤1316以执行第二测量阶段。第二测量阶段可以被配置为测量在光电二极管饱和之后累积在测量电容器处的溢出电荷的量，并且可以对应于图12中T1和T2之间的FD ADC阶段。作为第二测量阶段的一部分，比较器可以将由溢出电荷的累积产生的测量电容器的电压与第一斜坡参考电压进行比较。第一斜坡参考电压可以由DAC基于来自自由运行计数器的计数值生成。

然后，控制器可以进行到步骤1318，以确定比较器是否翻转。如果比较器翻转，控制器可以进行到步骤1320，并且基于比较器的翻转从计数器获得第二计数值，并且如果存储器没有被锁定，则将第二计数值存储在存储器中。第二计数值可以表示存储在测量电容器中的溢出电荷的量。如上所述，在将第一计数值存储在存储器中之后，可以通过FLAG_1信号的有效来锁定存储器。如果FLAG_1信号不是有效的，控制器可以将第二计数值存储在存储器中。然后，控制器可以进行到步骤1322，以执行第三测量阶段。如果比较器没有跳变，控制器也可以进行到步骤1322以执行第三测量阶段。

第三测量阶段可以被配置为测量存储在光电二极管中的电荷量，并且可以对应于图12的时间T3和T4之间的PD ADC阶段。在第三测量阶段开始之前，在时间T2和T3之间，可以复位测量电容器，然后可以将转移栅极M1完全导通，以使存储在光电二极管中的电荷能够流向测量电容器，从而产生电压。测量电容器电容也可以(例如，通过将CEXT与COF断开连接)被减小，以提高电荷电压转换增益。然后，在步骤1322中，可以将该电压与第二斜坡参考电压进行比较，该第二斜坡参考电压可以由DAC基于来自自由运行计数器的计数值来生成。

然后，控制器可以进行到步骤1324，以确定比较器是否翻转。如果比较器翻转，控制器可以进行到步骤1326，并基于比较器的翻转从计数器获得第三计数值。第三计数值可以表示存储在光电二极管中并转移到测量电容器的电荷量。然后，控制器可以进行到步骤1328，以确定光电二极管是否饱和。如果在步骤1324中比较器没有翻转，控制器也可以进行到步骤1328以确定光电二极管是否饱和。在步骤1328中确定光电二极管是否饱和可以基于第二测量阶段中比较器的翻转，或者基于第三测量阶段中比较器的翻转。

然后，控制器可以基于例如FLAG_1信号的值来确定存储器是否被锁定。如果存储器被锁定，控制器可以进行到步骤1332，以保持存储在存储器中的第一计数值或第二计数值。如果存储器没有被锁定，则控制器可以进行到步骤1334，以在光电二极管饱和时将第三计数存储在存储器中。

如上所述，光电二极管是否饱和的确定可以基于第二测量阶段中比较器的翻转。图14示出了过程1400的示例，其中光电二极管是否饱和的确定以及是否将第三计数值存储在存储器中的确定基于第二测量阶段中比较器的翻转。过程1400可以跟随图13A的第一测量阶段，或者可以是独立的过程(例如，以中等光强度测量和低光强度测量为目标)。图15示出了过程1400中涉及的控制信号序列。

过程1400从步骤1402开始，在步骤1402中，在第二测量阶段中，比较器将测量电容器处产生的电压与第一斜坡参考电压进行比较。步骤1402的第二测量阶段可以与图13B的步骤1316相同，并且对应于图12的FD ADC阶段。第一斜坡参考电压的电压范围(例如，最大电压)基于暗电流所沉积的噪声电荷的量来设置。

图15示出了第一斜坡参考电压的示例。如图15所示，在第一测量阶段(饱和时间测量)期间，参考电压预先设定在V_SAT。OF节点的电压(由图15中的标记VOF表示)表示测量电容器两端的电压，并且当测量电容器接近饱和时可以等于V_SAT。因此，V_SAT可以对应于测量电容器处累积的最大电荷量。此外，在第一复位阶段复位测量电容器之后，VOF电压可以处于复位电压V_复位。理想情况下，V_复位可以用作检测测量电容器处是否累积有溢出电荷(这可以指示光电二极管是否饱和)的阈值。理想情况下，如果光电二极管不饱和，并且测量电容器处没有累积(或累积非常少的)溢出电荷，则VOF电压应等于V_复位。但由于暗电流的存在，即使没有溢出电荷，暗电流也会在测量电容器处沉积噪声电荷，从而将VOF电压降至V_复位以下的电平。结果，第一斜坡参考电压可能在向V_复位斜变时越过(cross)VOF电压，并导致比较器跳变。比较器的翻转可能提供光电二极管饱和的错误指示，这会导致控制器丢弃从第三阶段测量获得的第三计数值。结果，控制器可能使用错误的计数值来表示入射光强度，这导致光强度测量中的显著误差。

为了降低光电二极管饱和的错误指示的可能性，第一斜坡参考电压的最大电压可以设置为低于复位电压V_复位的电平。如图15所示，由V_MAX表示的第一斜坡参考电压的最大电压可以低于V_复位一个电压偏移ΔV_暗。电压偏移ΔV_暗可以根据以下等式基于曝光周期T_曝光内暗电流I_暗沉积的暗信号的量Q_噪声、以及测量电容器的电容C_测量：

在等式1中，暗电流I_暗可以是基于例如晶体管M1的器件模型的预测量。

如图15所示，在第一斜坡参考电压的最大电压被限制在V_MAX的情况下，即使VOF电压(对于零或非常少的溢出电荷)由于暗电流而被降至V_复位以下，第一斜坡参考电压也不会越过VOF电压，并且比较器不会跳变。因此，可以防止由于暗电流导致的光电二极管饱和的错误指示。由于比较器没有跳变，FLAG_2信号保持宣称无效，这允许控制器将来自第三阶段测量的第三计数值存储在存储器中，以表示入射光强度。

返回参考图14，然后在步骤1404中，控制器可以确定比较器是否翻转。如果比较器翻转，则在步骤1406中，控制器可以从计数器获得第二计数值。比较器的翻转也可以指示光电二极管饱和，并且从第三阶段测量产生的第三计数值可以被丢弃。如果在步骤1408中，控制器(例如，基于FLAG_1信号被宣称无效)确定存储器没有被第一测量阶段锁定，则控制器可以进行到步骤1410以将第二计数值存储在存储器中，然后在步骤1412中锁定存储器。步骤1412可以通过例如宣称FLAG_2信号有效以防止将第三计数值存储到存储器中来执行。然后，比较器进行到步骤1414，以执行第三测量阶段。此外，如果在步骤1404中比较器没有翻转，和/或如果在步骤1408中存储器被锁定，控制器也可以进行到步骤1414以执行第三测量阶段。第三测量阶段可以与图13B的步骤1322相同，并且可以对应于图12的PD ADC阶段，如上所述，该阶段包括将存储在光电二极管中的电荷转移到测量电容器以产生电压，并将该电压与第二斜坡参考电压进行比较。

然后，在步骤1416中，控制器可以确定比较器是否翻转。如果比较器翻转，则在步骤1418中，控制器可以基于比较器的翻转从计数器获得第三计数值。步骤1418可以与图13B的步骤1326相同。如果在步骤1420中，控制器(例如，基于FLAG_1和FIAG_2信号都被宣称无效)确定存储器未被锁定，则在步骤1418中控制器可以将第三计数存储在存储器中。如果在步骤1420中控制器(例如，基于FLAG_1或FLAG_2信号之一被宣称有效)确定存储器被锁定，则在步骤1422中控制器可以在存储器中保持第一计数值或第二计数值。如果在步骤1416中比较器没有翻转，控制器也可以进行到步骤1424，并且在存储器中保持第一计数值或第二计数值。

尽管将第一斜坡参考电压的最大电压调整ΔV_暗值以考虑暗电流引入的噪声电荷(如图15所示)可以减轻在第二测量阶段(测量溢出电荷的FD ADC阶段)中光电二极管饱和的错误检测的风险，但是这种布置会减小第二测量阶段的量化范围。此外，在低强度范围测量(PD ADC阶段)和中等强度范围测量(FD ADC阶段)之间的过渡处也可能产生间隙(gap)，使得某个强度范围可能不被量化。第二测量阶段的量化范围的减小以及过渡中的间隙可能随着暗电流而增加。此外，暗电流依赖于温度，也不被工艺技术很好地控制。可能很难设置ΔV_暗来适应整个温度范围的暗电流以及考虑工艺变化。

在一些示例中，光电二极管饱和的检测可以在第三测量阶段(PD ADC阶段)执行，这可以解决上述一些挑战。第三测量阶段包括测量存储在光电二极管中的电荷量。光电二极管饱和可以通过将电荷量和与光电二极管的存储容量相关的阈值进行比较来检测。基于存储在光电二极管中的电荷执行光电二极管饱和检测的一个优点是光电二极管具有小得多的暗电流。因此，暗电流会对光电二极管饱和检测产生小得多的误差。此外，光电二极管的存储容量通常不依赖于温度，并且被工艺技术更好地控制。因此，可以降低由于温度和/或电荷存储容量变化而导致的光电二极管饱和的错误检测的可能性。

图16示出了过程1600的示例，其中光电二极管是否饱和的确定以及是否将第三计数值存储在存储器中的确定基于第三测量阶段中比较器的翻转。过程1600可以跟随图13A的第一测量阶段，或者可以是独立的过程(例如，以中等光强度测量和低光强度测量为目标)。图17示出了过程1600中涉及的控制信号序列。

过程1600从步骤1602开始，在步骤1602中，在第二测量阶段中，比较器将测量电容器处产生的电压与第一斜坡参考电压进行比较。步骤1602的第二测量阶段可以与图13B的步骤1316相同，并且对应于图12的FD ADC阶段。第一斜坡参考电压的最大电压可以设置为V_复位，以最大化溢出电荷的量化范围。

然后，在步骤1604中，控制器可以确定比较器是否翻转。如果比较器翻转，则在步骤1606中，控制器可以从计数器获得第二计数值。如果在步骤1608中，存储器没有被第一测量阶段锁定(例如，基于FLAG_1信号被宣称无效)，则控制器可以进行到步骤1610以将第二计数值存储在存储器中，并且在步骤1612中宣称溢出标志位(例如，FLAG_2信号)有效。宣称溢出标志位有效可以防止第三阶段测量用第三计数值重写第二计数值，但是如下所述，溢出标志位可以基于第三阶段测量结果中的光电二极管饱和检测而被宣称无效，以允许存储第三计数值。然后，比较器进行到步骤1614，以执行第三测量阶段。此外，如果在步骤1604中比较器没有翻转，和/或如果在步骤1608中存储器被锁定，控制器也可以进行到步骤1614以执行第三阶段的测量。

第三测量阶段可以与图13B的步骤1322相同，并且可以对应于图12的PD ADC阶段，其包括将存储在光电二极管中的电荷转移到测量电容器以产生电压，并将该电压与第二斜坡参考电压进行比较。第二斜坡参考的电压范围V_FWC可以基于光电二极管的满阱容量Q_FWC以及测量电容器的转换增益G来设置，如下所示：

V_FWC＝Q_FWC×G(等式2)

在等式2中，Q_FWC可以表示在同一晶片上和/或采用相同工艺技术制造的一组光电二极管中光电二极管的标称/平均满阱容量。如下文更详细描述的，例如当光电二极管具有低于标称/平均满阱容量Q_FWC的满阱容量时，V_FWC可以被偏移以考虑光电二极管的满阱容量的潜在变化。

参考图17，在第三测量阶段之前，可以将OF节点电压(VOF)复位为V_SAT+V_FWC。然后，存储在光电二极管中的电荷可以被转移到测量电容器，以将VOF从复位电压降低，ΔVOF表示存储在光电二极管中并转移到测量电容器的电荷量。如果光电二极管饱和，ΔVOF可以等于V_FWC，VOF可以达到V_SAT或低于V_SAT的值。当第二斜坡参考电压从V_SAT斜变到V_SAT+V_FWC时，第二斜坡参考电压可能不会到达VOF，并且比较器可能不会翻转。如果光电二极管不饱和，ΔVOF将小于V_FWC，VOF在V_SAT之上。第二斜坡参考电压可以达到FOF并导致比较器翻转，如图17所示。

返回参考图16，然后在步骤1616中，控制器可以确定比较器是否翻转。如果比较器翻转，则在步骤1618中，控制器可以基于比较器的翻转从计数器获得第三计数值。步骤1618可以与图13B的步骤1326相同。如上所述，比较器的翻转也可以发出光电二极管未饱和的信号。基于比较器的翻转，控制器还在步骤1620中宣称溢出标志位(例如，FLAG_2信号)无效，并在步骤1622中将第三计数存储在存储器中。如图17所示，溢出标志位的无效可以产生锁存脉冲1702，以控制存储器锁存第三计数值。在第三计数值被锁存到存储器中之后，FLAG_2信号可以被重新宣称(re-asserted)，以防止存储器锁存来自计数器的后续计数值。

返回参考图16，如果在步骤1616中比较器没有翻转，则控制器可以进行到步骤1624，并在存储器中保持第一计数值或第二计数值。例如，如果在步骤1616中比较器没有翻转，则FLAG_2信号可以保持有效，这可以宣称锁存信号无效，并防止存储器存储新的计数值。

如上所述，第二斜坡参考的电压范围V_FWC可以基于光电二极管的标称/平均满阱容量Q_FWC来设置。V_FWC可以被偏移，以考虑光电二极管的满阱容量相对于Q_FWC的潜在变化。V_FWC的偏移可以降低由于该变化导致的第三测量阶段中光电二极管饱和的错误检测的可能性。例如，光电二极管可能具有比Q_FWC更小的满阱容量。即使光电二极管饱和，ΔVOF(其表示光电二极管中存储的电荷量)将小于V_FWC。比较器可能在第三测量阶段中翻转，并错误地指示光电二极管未饱和。结果，从第二测量阶段(FD ADC)获得的第二计数值将被丢弃，并且溢出电荷被排除在入射光强度测量输出之外，从而导致测量误差。

为了降低因满阱容量变化导致测量误差的可能性，第二斜坡参考的电压范围可配置为V_FWC’，V_FWC’与V_FWC偏离了偏移量ΔV_var。新的电压范围V_FWC’可以表示减少的满阱容量Q_{FWC_低}，如下所示：

V_FWC′＝V_FWC-ΔV_var＝Q_{FWC_低}×G (等式3)

偏移ΔV_var可以基于晶片上的和/或使用相同的工艺技术来制造的多个光电二极管的满阱容量的分布来设置。例如，可以设置ΔV_var，使得基于该分布，一定百分比的光电二极管(例如，99.95％)具有高于Q_{FWC_低}的满阱容量。该百分比可以基于例如容许/目标测量误差、或者基于第三测量阶段中比较器的翻转来确定光电二极管饱和的容许/目标误差率来确定。

具体而言，当光电二极管的满阱容量超过Q_{FWC_低}使得第二斜坡参考可以越过VOF而光电二极管不饱和时，确定光电二极管饱和的误差发生，因为光电二极管可以存储比Q_{FWC_低}更多的电荷。基于容许/目标误差率，可以确定任何给定光电二极管具有低于Q_{FWC_低}的满阱容量的目标可能性。然后可以基于目标可能性和光电二极管的满阱容量的分布来确定Q_{FWC_低}的值。

作为说明性示例，如果容许/目标测量误差为0.05％，则任何给定光电二极管具有低于Q_{FWC_低}的满阱容量的目标可能性也可以为0.05％。因此，可以选择Q_{FWC_低}使99.95％的光电二极管具有高于Q_{FWC_低}的满阱容量，使得任何给定光电二极管具有高于Q_{FWC_低}的满阱容量的概率为0.05％(100％-99.95％)，当如上所述的第二斜坡参考越过VOF电压时，这会导致饱和的错误指示。

就像第一测量阶段中的偏移ΔV_暗的设置一样，偏移ΔV_var的设置也会减小第三测量阶段的量化范围。在低强度范围测量(PD ADC阶段)和中等强度范围测量(FD ADC阶段)之间的过渡处也可能产生间隙，使得某个强度范围可能不被量化。但是考虑到像素满阱容量的变化通常比暗电流得到好得多的控制，偏移ΔV_var可以比偏移ΔV_暗小得多，这可以减少对量化范围的影响以及PD ADC和FD ADC之间过渡的间隙。

提供以下示例来说明图16和图17的测量操作的第二阶段和第三阶段。在下面的示例中，像素阵列的标称/平均PD满阱容量是Q_FWC，是5000e-。99.99％的像素的满阱容量大于4950e-的Q_{FWC_低}。G可以等于200uV/e-。由Q_FWC*G给出的电压范围V_FWC等于1V。基于上面的等式3，V_FWC可以基于Q_{FWC_低}*G来设置，其中G是0.99V。对于具有4960e-的满阱容量的像素，可能发生以下三种情况：

情况1：PD存储了2000e-的电荷量。如步骤1616中所确定的，比较器在PD ADC阶段期间翻转。在步骤1620中，可以宣称FLAG_2无效，并且在步骤1622中，可以将来自PD ADC阶段的第三计数值存储在存储器中，以表示入射光强度，该第三计数值对应于2000e-。

情况2：PD存储了4955e-的电荷量。如步骤1616中所确定的，比较器不翻转，这表明光电二极管饱和。即使4955e-比PD的实际满阱容量(实际满阱容量是4960e-)小，但它是非常接近的。在步骤1620中，可以宣称FLAG_2信号有效，并且在步骤1624中，可以将在FD ADC阶段期间存储在存储器中的第二计数值保持在存储器中，并且提供该第二计数值来表示入射光强度。

情况3：总信号为7000e-，其在PD和测量电容器之间分配。PD有4960e-，测量电容器处的溢出电荷量为2040e-。在步骤1616中，比较器不翻转，这表明光电二极管饱和。在步骤1620中可以宣称FLAG_2信号有效，并且在步骤1624中，在FD ADC阶段期间存储在存储器中的第二计数值(其表示2040e-溢出电荷)可以被保持在存储器中，并且被提供来表示入射光强度。

本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。

本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件和/或硬件中。

可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现所描述的步骤、操作或过程。在一些实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。

本公开的实施例也可以涉及用于执行所描述操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者任何类型的适于存储电子指令的介质中，其可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计来提高计算能力的架构。

本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。

在说明书中使用的语言主要出于可读性和指导性的目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制发明的主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

光电二极管；

电荷存储单元；和

模数转换器(ADC)电路，其被配置为：

在第一测量模式中：

将表示存储在所述电荷存储单元处的溢出电荷量的第一电压与第一斜坡电压进行比较，以产生第一判定；和

基于所述第一判定，获得第一数字值；

在第二测量模式中：

将表示所述光电二极管中存储的剩余电荷量的第二电压与第二斜坡电压进行比较，以产生第二判定；和

基于所述第二判定，获得第二数字值；

基于所述第一判定或所述第二判定之一，确定所述光电二极管是否饱和；和

基于所述光电二极管是否饱和，输出所述第一数字值或所述第二数字值以表示入射光的强度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二测量模式在所述第一测量模式之后执行。

3.根据权利要求2所述的装置，还包括：

计数器，其被配置为生成计数值；

存储器；和

寄存器，其被配置为存储指示所述光电二极管是否饱和的标志；

其中，所述ADC电路被配置成：

基于所述第一判定，将来自所述计数器的第一计数值作为所述第一数字值存储在所述存储器中；和

基于所述标志是否指示所述光电二极管饱和，或者在所述存储器中保持所述第一数字值，或者用来自所述计数器的第二计数值作为所述第二数字值来重写所述第一数字值。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述光电二极管是否饱和的确定基于所述第一判定；和

其中，所述第一斜坡电压的电压范围基于浮置漏极节点处的暗电流的预测量，所述浮置漏极节点是所述电荷存储单元的一部分。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一斜坡电压的电压范围还基于在曝光周期内由所述暗电流沉积的噪声电荷的预测量以及所述电荷存储单元的电荷存储容量。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述ADC电路被配置为基于确定所述光电二极管在所述第一测量模式中饱和：

将所述标志设置为第一值，以指示所述光电二极管在所述第一测量模式中饱和；和

基于所述标志的所述第一值，在所述第二测量模式中，将所述第一数字值保持在所述存储器中，而不在所述存储器中用所述第二数字值重写所述第一数字值。

7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述ADC电路被配置为基于确定所述光电二极管在所述第一测量模式中不饱和：

将所述标志设置为第二值，以指示所述光电二极管在所述第一测量模式中不饱和；和

基于所述标志的所述第二值，在所述第二测量模式中将所述第二数字值存储在所述存储器中。

8.根据权利要求3所述的装置，其中，所述光电二极管是否饱和的确定基于所述第二判定。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述ADC电路被配置为在所述第一测量模式中，基于所述第一判定将所述标志设置为第一值，以指示所述光电二极管饱和；和

其中，所述ADC电路被配置为在所述第二测量模式中：

基于所述第二判定，确定所述光电二极管是否饱和；和

基于所述第二判定，或者将所述标志设置为第二值以指示所述光电二极管不饱和，或者将所述标志保持在所述第一值。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述ADC电路被配置为，在所述第二测量模式中：基于所述标志被设置为所述第二值，将所述第二数字值存储在所述存储器中，或者基于所述标志被保持在所述第一值，将所述第一数字值保持在所述存储器中。

11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第二斜坡电压的电压范围基于所述光电二极管的满阱容量。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第二斜坡电压的电压范围基于使用与所述光电二极管相同的工艺技术制造的多个光电二极管之间的满阱容量的分布来配置。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第二斜坡电压的电压范围基于转换增益和表示第一满阱容量的值之间的乘积来配置，基于所述分布，所述第一满阱容量低于所述多个光电二极管的满阱容量的预定百分比。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述百分比基于所述第二斜坡电压的电压范围超过所述光电二极管的满阱容量的预定目标可能性以及基于所述分布来确定。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第二斜坡电压的电压范围超过所述光电二极管的满阱容量的目标可能性基于以下项来确定：基于所述第二判定确定所述光电二极管是否饱和的容许误差率。

16.一种方法，包括：

在第一测量模式中：

将表示来自光电二极管并存储在电荷存储单元中的溢出电荷量的第一电压与第一斜坡电压进行比较，以产生第一判定；和

基于所述第一判定，获得第一数字值；

在第二测量模式中：

比较表示存储在所述光电二极管中的剩余电荷量的第二电压，以产生第二判定；和

基于所述第二判定，获得第二数字值；

基于所述第一判定或所述第二判定之一，确定所述光电二极管是否饱和；和

基于所述光电二极管是否饱和，输出所述第一数字值或所述第二数字值以表示入射光的强度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二测量模式在所述第一测量模式之后执行。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述光电二极管是否饱和的确定基于所述第一判定；和

其中，所述第一斜坡电压的电压范围基于在浮置漏极节点处的暗电流的预测量，所述浮置漏极节点是所述电荷存储单元的一部分。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述光电二极管是否饱和的确定基于所述第二判定；和

其中，第二斜坡电压的电压范围基于所述光电二极管的满阱容量。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二斜坡电压的电压范围还基于使用与所述光电二极管相同的工艺技术制造的多个光电二极管之间的满阱容量的分布来配置。

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