CN112154608A - 具有可编程量化分辨率的模数转换器 - Google Patents

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Abstract

提出了用于执行模数转换的方法和系统。在一个示例中，模数转换器(ADC)包括量化器，该量化器对于第一量化操作子范围具有第一量化分辨率，并且对于第二量化操作子范围具有第二量化分辨率。第一量化分辨率或第一量化操作子范围中的至少一个是可编程的。第二量化分辨率或第二量化操作子范围中的至少一个是可编程的。量化器被配置为：接收输入电压；并且基于输入电压属于第一量化操作子范围还是属于第二量化操作子范围，以第一量化分辨率或以第二量化分辨率量化输入电压来生成数字输出。

Description

具有可编程量化分辨率的模数转换器
背景
本公开总体上涉及模数转换，且更具体地说，涉及具有一个或更多个可编程量化分辨率的模数转换器(ADC)。
模数转换通常是指通过模数转换器(ADC)生成模拟信号的数字表示。出于各种原因，可以执行模数转换。例如，可以生成数字表示用于传输、存储和/或用于后续处理(例如，滤波)，这两者在数字域中比在模拟域中更容易和更可靠地被执行。例如，通过总线传输数字信息以及在存储设备中存储数字信息比传输和存储模拟电压更可靠，并且更不易受到电荷泄漏和噪声的影响。此外，数字信息的处理可以基于使用硬件处理器(例如数字信号处理器(DSP))的各种数字信号处理算法来执行，该硬件处理器通常比在模拟域中实现类似处理所需的模拟电路(例如，运算放大器、诸如电阻器、电容器和电感器的无源器件)更紧凑得多并且需要更少得多的功率。
ADC可以在很多应用中被发现，例如图像处理。例如，诸如像素单元的图像传感器可以包括光电二极管，以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生成的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生模拟电压。该模拟电压可以被缓冲并馈送到ADC，该ADC可以将模拟电压量化成表示在光电二极管处接收的入射光强度的数字值。可以基于由多个像素单元生成的数字值来获得场景的图像，其中每个数字值对应于从场景的一部分接收的入射光。图像的数字值也可以针对不同的应用进行存储和后处理。
模拟电压和其量化值之间可能存在差异。该差异导致量化误差。模拟电压(它们由图像传感器中累积的电荷产生)和它们的量化值之间的量化误差会给图像添加噪声，并降低图像对场景的表示的保真度。可以通过提高ADC的量化分辨率来减少量化误差。
概述
本公开涉及模数转换。更具体地，但不限于，本公开涉及具有一个或更多个可编程量化分辨率的模数转换器(ADC)。本公开还涉及一种图像传感器，其包括一个或更多个具有一个或更多个可编程量化分辨率的ADC，以生成表示图像传感器接收的光强度的数字输出。
在一个示例中，提供了一种模数转换器(ADC)。该ADC包括量化器，该量化器对于第一量化操作子范围具有第一量化分辨率，并且对于第二量化操作子范围具有第二量化分辨率。第一量化分辨率或第一量化操作子范围中的至少一个是可编程的。第二量化分辨率或第二量化操作子范围中的至少一个是可编程的。量化器被配置为：接收输入电压；基于输入电压属于第一量化操作子范围还是属于第二量化操作子范围，以第一量化分辨率或以第二量化分辨率量化输入电压来生成数字输出。
在一些方面，第一量化分辨率和第一量化操作子范围是单独可编程的。第二量化分辨率和第二量化操作子范围是单独可编程的。
在一些方面，量化器还被配置成接收编程信息，其中，编程信息定义了第一量化操作子范围、第二量化操作子范围、第一量化操作子范围的第一量化分辨率和第二量化操作子范围的第二量化分辨率。量化器基于编程信息被编程。
在一些方面，量化器包括：阈值生成器，其被配置为提供阈值电压斜坡，其中阈值电压斜坡在参考时间开始；量化比较器，其被配置为将输入电压与阈值电压斜坡进行比较；以及数字时间测量电路，其被配置为基于输入时钟信号产生在参考时间和交叉时间(crossover time)之间所经过的持续时间的测量值，该交叉时间是阈值电压斜坡的电压与输入电压匹配时的时间。基于持续时间的测量值生成数字输出。第一量化操作子范围和第二量化操作子范围是基于从参考时间起经过的持续时间或阈值电压斜坡的电压中的至少一个来定义的。第一量化分辨率和第二量化分辨率基于以下中的至少一个来定义：持续时间内的输入时钟信号的频率，或者电压之间的阈值电压斜坡的斜坡率(ramp rate)。
在一些方面，数字时间测量电路包括第一计数器，该第一计数器被配置为基于对输入时钟信号的时钟周期的数量进行计数来生成第一计数值，该第一计数值对应于在参考时间和交叉时间之间的持续时间的测量值。量化器被配置为基于编程信息，在第一时间接收第一控制信号，并且在第二时间接收第二控制信号。第一控制信号包括第一时钟频率的第一时钟信号，该第一时钟信号作为第一量化操作子范围的输入时钟信号被提供给第一计数器，第一时钟频率是基于第一量化分辨率设置的。第二控制信号包括第二时钟频率的第二时钟信号，该第二时钟信号作为第二量化操作子范围的输入时钟信号被提供给第一计数器，第二时钟频率是基于第二量化分辨率设置的。第一时间定义了第一量化操作子范围。第二时间定义了第二量化操作子范围。交叉时间在第一时间或第二时间之一内。
在一些方面，ADC还包括参考计数器，该参考计数器被配置为基于对参考输入时钟的时钟周期的数量进行计数来生成参考计数值。量化器被配置为在参考计数值等于第一阈值计数的时间之间接收第一时钟信号，该第一阈值计数对应于第一时间的开始。量化器被配置为当参考计数值等于第二阈值计数时接收第二时钟信号，该第二阈值计数对应于第二时间的开始。第一阈值计数和第二阈值计数被包括在编程信息中。
在一些方面，ADC还包括第一比较器、第二比较器、第一时钟生成器、第二时钟生成器和选择电路。第一时钟生成器被配置成产生第一时钟信号。第二时钟生成器被配置成产生第二时钟信号。第一比较器被配置为基于参考计数值与第一阈值计数的比较来生成第一比较结果。第二比较器被配置为基于参考计数值与第二阈值计数的比较来生成第二比较结果。选择电路被配置为基于第一比较结果和第二比较结果，选择来自第一时钟生成器的第一时钟信号或来自第二时钟生成器的第二时钟信号之一，以输出到量化器的数字时间测量电路。
在一些方面，参考计数器、第一比较器、第二比较器、第一时钟生成器、第二时钟生成器或选择电路中的至少一个在量化器外部。
在一些方面，量化器被配置成基于编程信息，在第一时间接收第一控制信号，并且在第二时间接收第二控制信号。第一控制信号包括在第一电压和第二电压之间的第一电压斜坡，第一电压斜坡被提供给阈值生成器以作为第一量化操作子范围的阈值电压斜坡而输出，第一电压斜坡具有第一斜坡率，第一斜坡率基于第一量化分辨率来设置。第二控制信号包括在第三电压和第四电压之间的第二电压斜坡，第二电压斜坡被提供给阈值生成器以作为第二量化操作子范围的阈值电压斜坡而输出，第二电压斜坡具有第二斜坡率，第二斜坡率基于第二量化分辨率设置。第一电压和第二电压定义了第一量化操作子范围。第三电压和第四电压定义了第二量化操作子范围。输入电压在第一电压和第二电压之间或者在第三电压和第四电压之间。
在一些方面，ADC还包括参考斜坡生成器，该参考斜坡生成器被配置为产生参考斜坡。量化器被配置为当参考斜坡的电压等于第一阈值电压时，基于第一电压斜坡接收电压。量化器被配置为当参考斜坡的电压等于第二阈值电压时，基于第二电压斜坡接收电压。第一阈值电压和第二阈值电压被包括在编程信息中。
在一些方面，ADC还包括第一比较器、第二比较器、第一斜坡生成器、第二斜坡生成器和选择电路。第一斜坡生成器被配置成产生第一电压斜坡。第二斜坡生成器被配置成产生第二电压斜坡。第一比较器被配置为基于参考斜坡的电压与第一阈值电压的比较来生成第一比较结果。第二比较器被配置为基于参考斜坡的电压与第二阈值电压的比较来生成第二比较结果。选择电路被配置为基于第一比较结果和第二比较结果，选择来自第一斜坡生成器的第一电压斜坡或来自第二斜坡生成器的第二电压斜坡之一，以输出到量化器的阈值生成器。
在一些方面，参考斜坡生成器包括参考电流源和第一电容器，参考电流源被配置为在第一电容器处沉积电荷以产生参考斜坡。第一斜坡生成器包括第一电流源。第二斜坡生成器包括第二电流源。选择电路与第二电容器耦合，并被配置为基于第一比较结果和第二比较结果选择第一电流源或第二电流源之一，以在第二电容器处沉积电荷，从而向量化器的阈值生成器输出第一电压斜坡或第二电压斜坡。
在一些方面，参考斜坡生成器、第一比较器、第二比较器、第一斜坡生成器、第二斜坡生成器或选择电路中的至少一个在量化器外部。
在一些方面，ADC还包括可配置电流源和电阻器。可配置电流源被配置为向电阻器提供可配置电流以产生电压。由可配置电流源提供的电流基于模式序列来配置，以控制可配置电流源在第一时间内以第一电压斜坡率并且在第二时间内以第二电压斜坡率产生阈值电压斜坡。模式序列被包含在编程信息中。
在一些方面，编程信息定义了阈值电压斜坡的第一电压斜坡率和输入时钟信号的第一时钟频率，以设置第一量化分辨率。可编程信息还定义阈值电压斜坡的第二电压斜坡率和输入时钟信号的第二时钟频率，以设置第二量化分辨率。
在一个示例中，提供了像素单元阵列。该像素单元阵列包括第一像素单元，该第一像素单元与具有可编程量化分辨率的第一模数转换器(ADC)耦合，第一ADC被配置为通过以第一编程的量化分辨率量化由第一像素单元接收的光强度的测量值来生成第一数字输出。该像素单元阵列还包括第二像素单元，该第二像素单元与具有可编程量化分辨率的第二ADC耦合，第二ADC被配置为通过以第二编程的量化分辨率量化由第二像素单元接收的光强度的测量值来生成第二数字输出。
在一些方面，第一编程的量化分辨率和第二编程的量化分辨率在第一时间被设置为第一值，并且在第二时间被设置为不同于第一值的第二值。
在一些方面，第一编程的量化分辨率和第二编程的量化分辨率被设置用于量化对应于公共光强度范围的测量值范围。第一编程的量化分辨率具有不同于第二编程的量化分辨率的值。第一编程的量化分辨率和第二编程的量化分辨率分别基于像素单元阵列内第一像素单元的第一位置和第二像素单元的第二位置来设置。
在一些方面，第一ADC和第二ADC中的每一个分别包括第一计数器和第二计数器。第一计数器和第二计数器被配置成将在第一像素单元和第二像素单元处接收的光强度的测量值转换成时间的测量值，以分别生成第一数字输出和第二数字输出。基于以第一时钟频率设置第一计数器的输入时钟来设置第一编程的量化分辨率。基于以第二时钟频率设置第二计数器的输入时钟来设置第二编程的量化分辨率。
在一些方面，第一ADC和第二ADC中的每一个分别包括第一比较器和第二比较器。第一比较器被配置为将表示在第一像素单元处接收的光强度的第一电压与具有第一斜坡率的第一电压斜坡进行比较。第二比较器被配置为将表示在第二像素单元处接收的光强度的第二电压与具有第二斜坡率的第二电压斜坡进行比较。基于设置第一斜坡率来设置第一编程的量化分辨率。基于设置第二斜坡率来设置第二编程的量化分辨率。
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7A、7B、7C、7D、7E和7F示出了用于通过图6的像素单元确定光强度的量化操作的示例。
图8A、8B和8C示出了图6的像素单元的内部部件和操作的示例。
图9A、9B和9C示出了用于执行量化的示例技术。
图10示出了用于实现图9A、9B和9C的示例技术的时钟调制系统的示例。
图11A、11B和11C示出了用于执行量化的示例技术。
图12示出了用于实现图11A、11B和11C的示例技术的电压斜坡调制系统的示例。
图13示出了使用图9A至图12中描述的技术来配置图6的像素单元以执行量化的示例。
图14示出了用于执行量化的数模转换器(DAC)的示例。
图15示出了用于执行量化的过程的流程图的实施例。
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，为了解释的目的而阐述了具体细节，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。
ADC可以在很多应用中被发现，例如图像处理。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生成的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压。该电压可以被缓冲并馈送到ADC，该ADC可以将电压转换成表示入射光强度的数字值。
该数字值表示在某个时段内存储在浮置节点处的电荷量，它可能在一定程度上与入射光的强度相关。相关程度会受到不同因素的影响，这些因素包括例如，ADC在确定电荷量时引入的测量误差。测量误差的一个来源是量化误差。在量化过程中，可以使用一组离散的量化级别来表示连续值。在ADC应用的这个示例中，该组量化级别可以由一组离散且固定的电荷量化级别来表示。该组离散的量化级别可以均匀地分布在基于例如要由ADC量化的光强度范围而设置的输入电荷量的范围内。该组离散的量化级别可以将输入电荷量的范围划分成子范围，并且每个子范围可以与数字代码相关联。ADC可以将电荷(例如，存储在浮置漏极节点处的电荷)的输入量与量化级别进行比较，并确定包括该输入量的子范围。ADC可以输出表示子范围的数字代码。当由数字代码表示的电荷量(例如，子范围的中间)和被数字代码表示的电荷的输入量之间存在不匹配时，会出现量化误差。可以用较小的量化步长(例如，通过减小两个相邻量化级别之间的子范围)来减少量化误差。
除了量化误差，还有其他因素可以进一步降低相关程度。例如，ADC以及其他接口电路(例如，源极跟随器)会由于器件噪声(例如，读取噪声、散粒噪声、热噪声等)以及通过电容耦合的噪声而添加噪声电荷。此外，存储的电荷也会受到暗电流的影响，暗电流可能是由于晶体缺陷而在p-n结处产生的漏电流。
噪声电荷和ADC测量误差可以定义图像传感器的可测量光强度的下限。可测量光强度的上限和可测量光强度的下限之间的比率定义了动态范围，该动态范围可以为图像传感器设置操作的光强度的范围。对于图像传感器的许多应用，高动态范围是期望的，包括例如其中图像传感器可以被配置为输入设备来控制或影响设备的操作的应用，例如控制或影响可佩戴虚拟现实(VR)系统和/或增强现实(AR)和/或混合现实(MR)系统中的近眼显示器的显示内容。例如，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)。
提高动态范围的一种方式是通过降低可测量光强度的下限，这可以通过例如减少量化误差来实现，而减少量化误差可以通过提高ADC的量化分辨率来实现。如上所述，在量化过程中，可以将电荷的输入量与离散且固定的一组量化级别进行比较，并且ADC可以生成数字输出，该数字输出表示例如与电荷的输入量最接近的量化级别。为了提高量化分辨率，可以减小量化步长，这可以通过减小相邻离散的量化级别之间的差异来实现。这可以通过使一组较大数量的离散的量化级别均匀分布在输入量的范围内来提供。
但是离散的量化级别组的数量的增加也增加了表示比较结果所需的数字值的总位数。数字表示的位数增加可能需要更宽的总线来进行传输以及更大的存储设备来进行存储，这两者都会导致功耗增加，并且是不期望的。作为说明性的示例，在将输入与一组八个离散的量化级别进行比较的情况下，需要三个位来表示八个量化级别中的每一个以及表示识别八个量化级别中最接近输入量的一个量化级别的输出。相比之下，当将输入与一组十六个离散的量化级别进行比较时，将需要四个位来表示十六个量化级别。当输入量的范围增大以进一步扩展可测量光强度的下限时，该问题进一步恶化。随着输入范围的增大，离散的量化级别组的数量可以进一步增加，这又进一步增加了数字值的总位数。结果，会进一步增加传输和存储数字值所需的功率。
在提高量化分辨率的同时减缓总位数增加的一种方式是通过执行非均匀量化过程，其中将输入与未均匀分布在输入范围内的一组固定量化级别进行比较。输入范围可以被细分为多个子范围，每个子范围具有不同的量化步长。例如，较大数量的量化级别(具有减小的量化步长)可以被分配给较低的输入子范围，而较小数量的量化级别(具有增大的量化步长)可以被分配给较高的输入子范围。利用这种布置，可以减少测量低电荷量(其可以对应于低光强)的量化误差，代价是对于较高电荷量(其可以对应于较高光强)具有较高量化误差。
虽然这种布置可以改善测量低电荷量的量化误差，但是具有固定的量化级别(均匀分布的或非均匀分布的)会在量化操作中引入不灵活性，这又会降低图像传感器的整体性能。首先，图像传感器可以在不同的时间在不同的操作条件下操作，并且提高图像传感器在一种操作条件下的性能的固定量化方案实际上可能降低图像传感器在另一种操作条件下的性能。例如，图像传感器可以在夜间在环境光弱的室外环境中操作，并且可以在白天在环境光较强的室外环境中操作。虽然增加用于低光强度测量的量化步长的数量可以提高图像传感器在环境光弱的环境中的性能，但是当图像传感器在分配有较小数量的量化级别的较高输入子范围中操作时，图像传感器在测量较高强度光时的性能可能会降低，并且可能导致较大的量化误差。其次，当一组图像传感器(例如，像素单元阵列)用于捕获场景的图像时，不同的图像传感器可以接收不同强度的光。应用于每个图像传感器的固定量化方案会导致例如图像的一些区域具有大的量化误差，而图像的一些区域具有低的量化误差。图像内量化误差的不均匀性也会降低图像对场景的表示的保真度。
本公开涉及一种可用于图像处理的模数转换器(ADC)。在一个示例中，该ADC可以包括量化器和可编程配置模块。可编程配置模块可以接收编程信息，该编程信息可以定义量化器的多个量化操作子范围，并且设置多个量化操作子范围中的每一个的量化分辨率。基于编程信息，可编程配置模块可以在第一时间内向量化器发送第一控制信号，以设置多个量化操作子范围中的第一量化操作子范围的第一量化分辨率。可编程配置模块还可以在第二时间内向量化器发送第二控制信号，以设置多个量化操作子范围中的第二量化操作子范围的第二量化分辨率。量化器可以接收输入电压，并且基于输入电压的量化操作是在第一量化操作子范围内还是在第二量化操作子范围内，以由第一控制信号设置的第一量化分辨率或者以由第二控制信号设置的第二量化分辨率量化输入电压。
所公开的技术允许每个量化操作子范围的量化分辨率是可编程的，这允许ADC将量化方案适应不同的操作条件。这种灵活性可以提高ADC的整体性能。例如，在ADC是像素单元的一部分以测量入射光强度来生成图像的情况下，量化分辨率可以基于像素单元的操作环境的环境光强度来进行编程。在具有低光强度的环境(例如，夜间的室外环境)下，ADC可以被编程为将较大数量的量化级别(具有减小的量化步长)分配给较低的输入强度范围，并将较小数量的量化级别(具有增大的量化步长大小)分配给较高的输入强度范围。编程可以基于像素单元不太可能接收到较高强度的光的假设。相反，在具有相对高的光强度的环境(例如，白天的室外环境)下，基于像素单元不太可能接收到低强度光的假设，ADC可以被编程为将较小数量的量化级别(具有增大的量化步长大小)分配给较低的输入强度范围，并将较大数量的量化级别(具有减小的量化步长大小)分配给较高的输入强度范围。
作为另一个示例，ADC(或被包括在每个像素单元中的ADC)还可以被编程，以便为像素阵列的不同像素单元分配最大数量的量化级别用于不同输入强度范围。这种布置可以基于不同的像素单元(或像素单元的不同区域)可以接收到不同强度的光。ADC(或被包括在每个像素单元中的ADC)可以被编程，以最小化每个像素单元最有可能接收到的光的强度范围的量化误差，并且可以针对每个像素单元不同地编程具有最小量化误差的强度范围。
利用这些布置，可以静态地或动态地优化ADC，以减少ADC最有可能从其接收输入的输入范围的量化误差。这种灵活性可以扩展ADC的动态范围，并提高ADC的整体性能。
本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被实现。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在适眼区(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处的适眼区，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外的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被配置成提供适眼区，该适眼区长度为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、(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、剩余电荷电容器603、快门开关604、转移栅极(transfer gate)606、复位开关607、测量电容器608、缓冲器609和像素ADC610。
在一些实施例中，光电二极管602可以包括PN二极管或PIN二极管。快门开关604、转移栅极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(断开)，这允许光电二极管602所产生的电荷移动到剩余电荷电容器603和/或测量电容器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(断开)，这允许测量电容器608累积电荷并产生反映累积电荷量的电压。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。
剩余电荷电容器603可以是光电二极管602的器件电容器，并且可以存储光电二极管602所产生的电荷。剩余电荷电容器603可以包括例如，PN二极管结接口处的结电容器(junction capacitor)，或者连接到光电二极管602的其他器件电容器。由于剩余电荷电容器603靠近光电二极管602，所以光电二极管602所产生的电荷可以在电荷电容器603处累积。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。存储在测量电容器608处的电荷可以是不被累积在剩余电荷电容器603处的溢出电荷(来自光电二极管602)，或者是从剩余电荷电容器603清空的剩余电荷。存储在测量电容器608处的电荷可以基于存储的电荷的量和测量电容器608的电容产生模拟电压。该模拟电压可以表示存储的电荷的量以及入射光强度。
像素ADC 610可以测量在测量电容器608处产生的模拟电压，并提供表示入射光强度的数字输出。像素ADC 610包括量化器630和可编程配置模块640。量化器630可以根据量化方案来量化模拟电压，而可编程配置模块640可以接收编程信息并改变量化器630所采用的量化方案。尽管图6示出了量化器630和可编程配置模块640是分离的实体，但是应当理解，将在下面详细描述的可编程配置模块640的内部部件可以是量化器630的一部分。
图7A示出了量化器630可以采用以量化测量电容器608处的模拟电压的量化方案的示例。如图7A所示，可以使用均匀量化方案，其包括由离散电压电平形成的一组N个离散电压步长(在图7A中由步长大小Δ表示)，所述离散电压电平包括例如电压电平702a、电压电平702b、电压电平702c、电压电平702n等，它们均匀分布在将由量化器630量化的输入电压范围内。每个离散电压电平可以表示电荷量化级别(和光强度)，而输入电压范围可以表示一个量化操作范围，该量化操作范围也表示要由量化器630测量的光强度范围。每个电压电平代表图7A中的量化级别。可以为每个电压步长分配数字代码。像素ADC 610可以确定哪个电压步长包括输入电压，并输出对应于该电压步长的数字代码。图7A的量化方案中的量化误差可以基于步长大小Δ来定义。数字代码的位数可以由离散电压步长的数量(N)决定。例如，假设数字代码是经二进制编码的，总位数可以由log2(N)给出。为了减少量化误差，可以减小步长大小Δ。对于均匀量化方案，将需要更大数量的离散电压电平(N)来覆盖相同的输入电压范围。结果，总位数log2(N)也增加了。
图7B提供了当使用均匀量化方案来量化入射光强度测量值时，不同噪声的幅度以及信噪比(SNR)相对于入射光强度的示例图。曲线图704示出了量化噪声和入射光强度之间的示例关系。曲线图706示出了散粒噪声和入射光强度之间的示例关系，而曲线图708示出了读取噪声和入射光强度之间的示例关系。此外，曲线图710示出了SNR相对于入射光强度之间的示例关系，其中SNR是基于检测到的入射光功率与曲线图704-708的量化噪声、散粒噪声和读取噪声的组合噪声功率之间的比率来计算的。
如图7B所示，量化噪声和读取噪声相对于入射光强度都是恒定的，而散粒噪声随着入射光强度而增加。由于使用均匀量化方案来量化入射光测量值，导致量化噪声可以保持恒定。随着量化步长大小保持恒定，量化误差也相对于入射光强度保持恒定。此外，读取噪声主要由像素单元传感器的器件的热噪声造成，并且假设ADC的温度不随着入射光强度而增加，读取噪声也可以相对于入射光强度保持恒定。相反，散粒噪声可以由光子到光电子的随机转换引起，并且随着入射光强度的增加，由于更多的光子被像素单元传感器的光电二极管接收并转换成光电子，所以(例如，基于产生的光电子的数量来测量的)散粒噪声的量会增加。因此，对于相对低的入射光强度的测量值(例如，低于阈值712)，量化噪声可以占主导，而对于相对高的入射光强度的测量值(例如，高于阈值712)，散粒噪声可以占主导。
如曲线图710所示，SNR的图还可以反映各种噪声源相对于入射光强度的相对贡献的前述变化。例如，对于相对低的入射光强度(例如，低于阈值712)，低入射光功率结合相对高的量化噪声会导致相对低的SNR。随着入射光强度的增加，相对于散粒噪声，量化噪声对总噪声功率的贡献减少。当散粒噪声增加时，入射光功率也增加，并且SNR增加。
为了进一步提高SNR，特别是对于低光强度的测量，可以使用非均匀量化方案来执行入射光测量值的量化。非均匀量化方案可以被配置成使得相对小的量化步长被用来量化相对低强度的入射光的测量值。此外，相对大的量化步长可以被用来量化相对高强度的入射光的测量值，其中量化误差的贡献与散粒噪声相比较小，并且由于入射光功率是相对大的，导致SNR是相对高的。这种布置还可以将量化步长的总数保持为N，使得数字输出代码的位数可以保持为log2(N)。图7C示出了非均匀量化方案的示例。在图7C的示例中，(N个量化步长中的)预定数量的量化步长可以被分配给一个或更多个量化操作子范围，使得量化操作子范围具有不同的量化步长大小。例如，量化操作子范围720具有Δ1的量化步长大小，量化操作子范围722具有Δ2的量化步长大小，而量化操作子范围724具有Δ3的量化步长大小。量化步长大小Δ2大于Δ1和Δ3，使得与输入落在量化操作子范围720或724内时相比，落在量化操作子范围722内的输入以更低的量化精度被量化。量化操作子范围720具有n1个量化步长，量化操作子范围722具有n2个量化步长，而量化操作子范围724具有n3个量化步长，其中n1和n3大于n2，并且n1、n2和n3之和等于N。
为了提高操作灵活性，非均匀量化方案可以是可变的，其中每个量化操作子范围中的量化步长数量(量化分辨率)或每个量化操作子范围的边界中的至少一个可以是可编程的。此外，量化分辨率和相关联的量化操作子范围也可以是单独可编程的。编程可以基于例如将像素ADC可能操作的量化操作子范围优先化，以及优先化的量化操作子范围的目标量化分辨率。优先化的量化操作子范围可以对应于例如像素单元600在特定操作条件下可能接收的光的强度范围。对于不同的操作条件，可以识别不同的量化操作子范围，并且对于不同的量化操作子范围，可以最大化量化步长的数量。利用这种布置，像素ADC 610的量化分辨率可以在不同的操作条件下得到提高。
在一些示例中，像素单元阵列的每个像素单元600可以被编程为对于特定量化操作范围具有相同的量化分辨率，并且公共量化分辨率可以基于操作条件而改变。例如，参考图7D，在操作条件730下(例如，在具有强环境光的白天期间的室外)，基于每个像素单元600接收的光可能落在高光强度范围714内的假设，像素单元阵列740的每个像素单元600的可编程配置模块640可以被编程为对于例如高光强度范围714具有相同的最大数量的量化级别。此外，在操作条件750下(例如，在具有弱环境光的夜间照明期间的室外)，基于每个像素单元600接收的光可能落在低光强度范围710内的假设，像素单元阵列740的每个像素单元600可以被编程为对于例如低光强度范围710具有相同的最大数量的量化级别。在一些示例中，编程可以手动执行(例如，通过操作像素单元阵列750来捕获图像的人)。在一些示例中，编程也可以基于例如感测环境光的光传感器的输出来自动执行(例如，通过应用储存器545的应用)。
在一些示例中，像素单元阵列(例如，像素单元阵列740)的像素单元600的不同区域也可以被编程，以最大化像素单元ADC 610最有可能操作的特定量化操作范围的量化分辨率。这可以基于像素单元阵列的不同区域可能接收不同强度范围的光的假设。每个区域内的像素单元可以被编程以最大化像素单元可能接收的光的强度范围的量化分辨率。例如，参考图7E，在操作750下，像素单元阵列740可以被操作以在夜间捕获室外环境的场景，并且该室外环境包括光源760和对象770。由像素单元阵列740捕获的图像780可以包括例如高光强度的图像区域782(例如，对应于光源760的图像)、中等光强度的图像区域784(例如，对应于对象770的图像)和低光强度的图像区域786(例如，对应于夜间背景)。
作为操作750的一部分，对应于图像区域782的像素单元600的可编程配置模块640可以被编程为最大化高光强度范围714的量化分辨率，对应于图像区域784的像素单元600的可编程配置模块640可以被编程为最大化中等光强度范围712的量化分辨率，而对应于图像区域786的像素单元600的可编程配置模块640可以被编程为最大化低光强度范围710的量化分辨率。在一些示例中，当在操作750下捕获一系列图像时，可以自动执行编程(例如，通过应用储存器545的应用)。例如，该应用可以对每个像素单元600进行编程，以使用默认量化方案(例如，图7A所示的均匀量化方案)来量化入射光强度，从而生成场景的第一图像。从第一图像，该应用可以识别落入低光强度范围710、中等光强度范围712和高光强度范围714之一内的图像区域。然后，该应用可以对每个所识别的区域的像素单元600进行编程，以最大化所识别的区域所属的光强度范围的量化分辨率，用于捕获场景的后续图像。
在一些示例中，像素单元阵列740的每个像素单元600的可编程配置模块640也可以被编程为最大化高光强度范围714和低光强度范围710的量化分辨率，而中等光强度范围712的量化分辨率可以被降低。这种布置可能有用的一个示例是用于凝视点确定。如图7F所示，像素单元阵列740可以用于捕获眼球的图像790，并且图像790可以包括闪光块(glintpatch)792和瞳孔块(pupil patch)794。闪光块792可基于对从眼球的角膜表面反射的高强度光的检测而产生，而瞳孔块794可基于对从眼球的瞳孔反射的低强度光的检测而产生。用户的凝视方向可以基于闪光块792和瞳孔块794在图像790内的图像位置来确定。为了提高闪光块和瞳孔块的检测精度，进而改善对凝视方向的跟踪，可以最大化高光强度范围714的量化分辨率(以量化从眼球的角膜表面反射的高强度光)和低光强度范围710的量化分辨率(以量化从眼球的瞳孔反射的低强度光)。另一方面，给定凝视方向确定不依赖于眼球的其他部分的图像(该图像可以基于对中等强度范围的光的检测来生成)，则可以降低中等光强度范围712的量化分辨率。
图8示出了量化器630的内部部件的示例。如图8所示，量化器630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可以基于时钟信号812生成一组计数值，在一些示例中，时钟信号812可以由可编程配置模块640提供。存储器810可以存储计数器808所生成的计数值。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。
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的计数操作和存储在存储器810中的计数值。例如，当判定816是逻辑0时，计数器808可以对于时钟信号812的每个时钟周期持续递增(或递减)计数值。当判定816从逻辑0转变到逻辑1时，计数器808可以停止，并且存储器810可以在判定816转变之后立即对时钟信号812的时钟周期进行计数之后，存储计数值。
根据像素ADC 610的测量模式，阈值生成器802可以向比较器804提供电压斜坡或静态电压作为参考电压(VREF)815，以与模拟输出节点614处的电压进行比较，从而产生判定816。图8B和图8C示出了测量模式的两个示例。图8B示出了量化器630的饱和时间测量模式的示例。饱和时间测量可针对测量高强度范围的入射光而执行，其中测量电容器608变得饱和并停止接受新电荷，并且测量电容器608处的电压可能与入射光的强度不相关。在饱和时间操作中，可以测量测量电容器608处的总电荷达到饱和阈值的持续时间(例如，在图7B的中等光强度范围712和高光强度范围714之间)。该持续时间可以反映在像素单元600处接收的光的强度。例如，光强度可以与该持续时间成反比，其中较高的光强度导致较短的饱和时间，反之，对于较低的光强度亦然。
返回参考图6，饱和时间测量可以在曝光周期期间进行，此时光电二极管602暴露于光下，并且电荷被转移到测量电容器608，其中，快门开关604被禁用，并且转移栅极606被启用。光电二极管所产生的电荷可能继续累积，并且可能导致模拟输出节点614处的斜坡电压。为了执行饱和时间测量，阈值生成器802可以提供固定的VREF 815。固定的VREF 815可以设置为对应于饱和阈值的电压。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。
图8C示出了量化器630的静态电压测量模式的示例。可以执行静态电压测量，以测量低强度范围和中等强度范围的入射光，其中测量电容器608接受电荷，并且测量电容器608处的电压与入射光的强度相关。在静态电压测量中，在曝光周期结束之后，测量电容器608处的电压可以变成静态的，并且可以相对于斜坡VREF 815来测量静态电压。斜坡VREF815的电压可以是时间的函数，其可以通过计数器808处的计数值来测量，并且斜坡VREF815的电压范围可以覆盖要测量的光强度范围。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处的判定816翻转。判定816的翻转可以停止计数器808的计数，并且计数值可以指示斜坡VREF 815的最接近模拟电压的值。计数值可以变成存储在测量电容器608处的电荷量的数字表示，以及入射光强度的数字表示。
在静态电压测量模式中，量化步长大小可由以下等式表示：
Figure BDA0002787981480000271
在等式1中，
Figure BDA0002787981480000272
可以指斜坡VREF 815的斜坡率(例如，斜率)，而tCLK可以指时钟信号812的时钟周期，并且
Figure BDA0002787981480000273
和tCLK的乘积提供由计数值范围DN表示的电压范围。步长大小(以伏特为单位)可以通过将该电压范围除以计数值范围来确定。在计数器808对于时钟信号812的每个时钟周期递增或递减1的情况下，DN可以等于1。可以通过减小步长大小来提高量化分辨率，减小步长大小可以通过减小斜坡VREF 815的斜坡率、通过增加时钟周期tCLK或通过两者的组合来实现。参考图8A，为了在静态电压测量模式中支持可变量化方案，可编程配置模块640可以被编程为改变时钟信号812的时钟周期tCLK和/或斜坡VREF 815的斜坡率，以针对不同的量化操作范围产生不同的量化步长大小。
图9A示出了非均匀量化方案的示例，像素ADC 610可以被编程为针对图8B的静态电压测量模式执行该非均匀量化方案。如图9A所示，测量在时间t0开始。在由时间t0和t6定义的量化操作范围902上，可以使斜坡VREF 815的斜坡率恒定，并且斜坡VREF 815的电压范围(从Vmin到Vmax)定义了要量化的输入电压范围。量化操作范围902进一步细分为多个量化操作子范围，包括由时间t0和t1定义的量化操作子范围904、由时间t1和t2定义的量化操作子范围906、由时间t2和t3定义的量化操作子范围908、由时间t3和t4定义的量化操作子范围910、由时间t4和t5定义的量化操作子范围912以及由时间t5和t6定义的量化操作子范围914。每个量化操作范围对应于VREF 815的电压子范围，并且覆盖要测量的光强度范围的子范围。例如，量化操作子范围904对应于从Vmin到V0的电压子范围(其可以覆盖要测量的光的最低强度子范围)，量化操作子范围906对应于从V0到V1的电压子范围，量化操作子范围908对应于从V1到V2的电压子范围，量化操作子范围910对应于从V2到V3的电压子范围，量化操作子范围912对应于从V3到V4的电压子范围，而量化操作子范围914对应于从V4到V5的电压子范围(其可以覆盖要测量的光的最高强度子范围)。在每个量化操作子范围中，VREF 815的斜坡率是相同的。
如图9A所示，对于每个量化子范围，时钟信号812的时钟周期可以被设置为不同的，以提供用于量化输入电压的不同量化分辨率。例如，如图9A所示，对于覆盖最低光强度子范围的量化操作子范围904，时钟信号812的时钟周期可以被设置为最小(具有最高时钟频率)。对于覆盖较高光强度子范围的其他量化操作子范围，时钟信号812的时钟周期可以被逐渐设置得更高，其中对于量化操作子范围914，时钟信号812的时钟周期被设置为最高(具有最低时钟频率)。另一方面，可以基于具有固定时钟周期(和频率)的参考时钟信号920来生成VREF 815，以具有均匀的斜坡率。可编程配置模块640还可以使用参考时钟信号920来测量时间，以确定是否已经达到当前量化操作子范围的结束边界，并且为下一个量化操作子范围切换时钟信号812的时钟周期。利用这种布置，用于量化对应于较低光强度子范围(例如，对应于量化操作子范围904)的输入电压的量化分辨率可以用较高的量化分辨率来进行量化，以减少量化误差。
作为可变量化方案的一部分，每个量化操作子范围的时钟周期以及每个量化操作子范围的边界可以通过编程来调整。图9B示出了非均匀量化方案的另一个示例，像素ADC610可以被编程为针对图8B的静态电压测量模式执行该非均匀量化方案。例如，如图9B所示，可以使量化操作子范围906的时钟周期最小，以便为该子范围提供最高的量化分辨率。量化操作子范围906的边界也可以在时域中从t1到t2变为t1’到t2’，并且在电压域中从V0到V1变为V0’到V1’。该编程可以用于图7D和图7E的操作条件730和750，并且可以基于例如确定像素单元最有可能接收具有落在与量化操作子范围906相对应的光强度子范围内的强度的光，使得优先考虑最小化量化操作子范围906的量化误差。
图9C示出了非均匀量化方案的另一个示例，像素ADC 610可以被编程为针对图8B的静态电压测量模式执行该非均匀量化方案。可以对图7F的凝视确定操作执行该非均匀量化方案。如图9C所示，可以使量化操作子范围904和914的时钟周期最小，以便为这些子范围提供最高的量化分辨率。量化操作子范围904可以被配置为量化落在低光强度范围710内的光，而量化操作子范围914可以被配置为量化落在高光强度范围714内的光。该编程可以基于例如闪光块792的光可能在量化子范围914内被量化，以及瞳孔块794的光可能在量化子范围904内被量化。
图10示出了时钟调制系统1000的示例，该时钟调制系统1000可以被包括在可编程配置模块640中，以支持图9A和图9B中描述的非均匀量化方案。如图10所示，时钟调制系统1000包括参考时钟生成器1002、参考计数器1004、一组可编程时钟分频器1006、多路复用器1008、多路复用器控制电路1010、边界编程寄存器1012、时钟周期编程寄存器1014、数模转换器(DAC)1020和DAC编程寄存器1022。
参考时钟生成器1002可以产生参考时钟920，该参考时钟920可以用于给参考计数器1004计时。参考时钟920还可以被提供给可编程时钟分频器1006，以产生一组候选时钟信号，每个候选时钟信号都是参考时钟920的下分频版本(例如，1/2、1/4、1/8等)。每个候选时钟信号可以被提供用于图9A和图9B的量化操作子范围，并且可以被提供给复用器1008，复用器1008可以选择一组候选时钟信号中的一个候选时钟信号，作为时钟信号812输出到数字输出生成器806。可编程时钟分频器1006的分频比可以基于存储在时钟周期编程寄存器1014中的值被编程，时钟周期编程寄存器1014可以为每个量化操作子范围设置时钟周期。
此外，参考时钟920也被提供给参考计数器1004，参考计数器1004可以针对参考时钟920的每个时钟周期更新计数值，以提供时间的测量值。可以在多路复用器控制电路1010处将时间的测量值与由边界编程寄存器1012提供的每个量化操作范围的一组时间边界进行比较，以确定当前量化操作范围。多路复用器控制电路1010可以包括一组比较器，用于将来自参考计数器1004的计数值与表示量化操作子范围的一组时间边界(例如，图9A和图9B的t0、t1、t2等)的一组阈值计数进行比较。多路复用器控制电路1010还包括逻辑电路，该逻辑电路可以将该组比较器的输出转换为对当前量化操作范围的判定，以及到多路复用器1008的相应选择输入，以选择该组候选时钟信号中的一个候选时钟信号来作为时钟信号812输出到数字输出生成器806。
此外，参考计数器1004的计数值也被提供给DAC 1020，当ADC在图8C的静态电压测量模式中操作时，DAC 1020可以基于数字计数值产生模拟电压。随着对于参考时钟920的每个固定时钟周期更新计数值，DAC1020的输出可以近似具有固定斜坡率的电压斜坡，并且DAC 1020的输出可以被提供给阈值生成器802以产生图8C的斜坡VREF 815。此外，DAC1020还可以从DAC编程寄存器1022接收固定的数字计数值，以产生平坦的VREF 815，用于图8B的饱和时间测量。在一些示例中，代替比较计数值，多路复用器控制电路1010还可以将DAC1020的输出与表示量化操作子范围的电压边界(例如，图9A和图9B的V1、V2、V3等)的一组阈值电压进行比较，以确定当前量化操作子范围并设置时钟信号812的时钟周期。
图11A示出了非均匀量化方案的另一个示例，像素ADC 610可以被编程为针对图8B的静态电压测量模式执行该方案。如图11A所示，测量在时间t0开始。斜坡VREF 815的斜坡率可以在由时间t0和t6定义的量化操作范围902上改变，并且斜坡VREF 815的电压范围(从Vmin到Vmax)定义了要量化的输入电压范围。正如图9A和图9B，量化操作范围902进一步细分为量化操作子范围904、906、908、910、912和914，并且每个量化操作范围对应于VREF 815的电压子范围，并且覆盖要测量的光强度范围的子范围。对于从Vmin到V0的电压子范围(其可以覆盖要测量的光的最低强度子范围)，可以使斜坡VREF 815的斜坡率最小，并且对于更高的电压子范围，斜坡率可以逐渐变得更高。利用这种布置，用于量化对应于较低光强度子范围(例如，对应于量化操作子范围904)的输入电压的量化分辨率可以用较高的量化分辨率来进行量化，以减少量化误差。
作为可变量化方案的一部分，每个量化操作子范围的电压斜坡率以及每个量化操作子范围的时间边界可以通过编程来调整。图11B示出了非均匀量化方案的另一个示例，像素ADC 610可以被编程为针对图8B的静态电压测量模式执行该方案。如图11B所示，可以使量化操作子范围906的VREF 815的斜坡率最小，以便为该子范围提供最高的量化分辨率。量化操作子范围906的边界也可以在时域中从t1到t2变为t1’到t2’，并且在电压域中从V0到V1变为V0’到V1’。该编程可以用于图7D和图7E的操作条件730和750，并且可以基于例如确定像素单元最有可能接收具有落在与量化操作子范围906相对应的光强度子范围内的强度的光，使得优先考虑最小化量化操作子范围906的量化误差。
图11C示出了非均匀量化方案的另一个示例，像素ADC 610可以被编程为针对图8B的静态电压测量模式执行该方案。可以对图7F的凝视确定操作执行非均匀量化方案。如图11C所示，可以使量化操作子范围904和914的VREF 815的斜坡率最小，以便为那些子范围提供最高的量化分辨率。该编程可以基于例如闪光块792的光可能在量化子范围914内被量化，以及瞳孔块794的光可能在量化子范围904内被量化。
图12示出了电压斜坡调制系统1200的示例，该电压斜坡调制系统1200可以是可编程配置模块640的一部分，以支持图11A和图11B中描述的非均匀量化方案。如图12所示，电压斜坡调制系统1200包括参考电流源1202、参考电容器1204、一组可编程电流源1206、多路复用器1208、输出电容器1209、多路复用器控制电路1210、电压边界编程寄存器1112和电流源编程寄存器1214。
每个可编程电流源1206可由多路复用器1208选择，以将电流注入输出电容器1209，从而产生电压斜坡，其中斜坡率由所选择的可编程电流源1206设置。可以选择每个可编程电流源1206来为图11A和图11B的量化操作子范围产生电压斜坡。在输出电容器1209处产生的电压斜坡可以被提供给阈值生成器802，以作为斜坡VREF 815输出。斜坡率可以经由电流源编程寄存器1214编程，电流源编程寄存器1214可以设置每个可编程电流源1206输出的电流量，以设置每个量化操作子范围的电压斜坡率。
此外，参考电流源1202可以将参考电流注入参考电容器1204，来以参考斜坡率产生参考斜坡。可以在多路复用器控制电路1210处将参考斜坡与由边界编程寄存器1212提供的一组阈值电压进行比较，以确定当前操作量化子范围。多路复用器控制电路1210可以包括一组电压比较器，以将参考斜坡与一组阈值电压进行比较，该组阈值电压表示量化操作子范围的一组时间边界(例如，图9A和图9B的t0、t1、t2等)，并被映射到量化操作子范围的一组电压边界(例如，图9A和图9B的V0、V1、V2等)。多路复用器控制电路1210还包括逻辑电路，该逻辑电路可以将该组比较器的输出转换为对当前量化操作范围的判定，以及到多路复用器1208的相应选择输入，以选择该组可编程电流源1206中的一个可编程电流源来将电流注入输出电容器1209，从而产生斜坡VREF 815。尽管在图12中未示出，但是应当理解，电压斜坡调制系统1200的输出可以与固定电压源(其产生平坦的VREF 815)进行多路复用，使得可以基于ADC是在静态电压测量模式中还是在时间饱和测量模式中操作来提供斜坡VREF815或平坦的VREF 815。
在一些示例中，可编程配置模块640可以包括时钟调制系统1000和电压斜坡调制系统1200，以允许时钟信号812的时钟周期和VREF 815的斜坡率对于不同的量化操作子范围是可变的，以允许时钟周期和斜坡率被设置以实现特定的量化步长大小。这种布置允许将时钟周期设置为相对高的值，以实现特定的量化步长大小(同时降低斜坡率)，这可以放宽对时钟频率和DAC分辨率的要求。高频时钟(以减小时钟周期)会引入高抖动(jitter)，并需要高功率来传输和分配。通过放宽对时钟频率的要求，可以在时钟抖动和功率方面以较低的成本提高量化分辨率。
图13示出了包括时钟调制系统1000和电压斜坡调制系统1200的可编程配置模块640的示例。如图13所示，可编程配置模块640的编程信息可以包括一组断点，其中每个断点与时钟调制系统1000的参考计数器1004的参考计数的计数阈值和电压斜坡调制系统1200的参考斜坡的电压阈值相关联。当时钟调制系统1000和电压斜坡调制系统1200都操作时，它们中的每一个都检查与断点相关联的相关阈值信息(例如，时钟调制系统1000检查计数阈值，电压斜坡调制系统1200检查电压阈值，等等)，以确定当前量化操作子范围，并调整时钟信号812的时钟周期和VREF 815的斜坡率。
在一些示例中，电压斜坡调制系统也可以使用DAC来实现。图14示出了电压斜坡调制系统1400的示例，该电压斜坡调制系统1400可以是可编程配置模块640的一部分。如图14所示，电压斜坡调制系统1400包括DAC 1402，该DAC 1402包括一组可编程电流源1406、多路复用器1408和输出电阻器1409。电压斜坡调制系统1400还包括DAC控制电路1410、DAC输出编程寄存器1412和电流源编程寄存器1414。多路复用器1408可由DAC控制电路1410控制，以选择可编程电流源1406中的一个或更多个，这些可编程电流源可以组合以通过电阻器1409注入总电流来产生电压。DAC控制电路1410可以控制多路复用器1408选择不同组的可编程电流源1406来产生斜坡电压VREF 815。尽管在图14中未示出，但是应当理解，电压斜坡调制系统1400的输出可以与固定电压源(其产生平坦的VREF 815)进行多路复用，使得可以基于ADC是在静态电压测量模式中还是在时间饱和测量模式中操作来提供斜坡VREF 815或平坦的VREF815。
DAC控制电路1410可以从边界编程寄存器1412接收编程信息，该编程信息可以包括代码模式序列(a sequence of code patterns)以控制DAC1402产生电压斜坡。例如，边界编程寄存器1412可以存储阈值计数序列(a sequence of threshold counts)，其中每个阈值计数(例如，计数0、计数1、计数2等)与DAC代码(例如，代码X、代码Y、代码Z等)相关联。可以将阈值计数与参考计数器输出(例如，图10的参考计数器1004)进行比较以提供时间测量值，基于该时间测量值，DAC控制电路1410可以设置输出电压以实现预定的电压斜坡率，而代码可以被提供给多路复用器1408以选择可编程电流源1406中的一个或更多个来设置输出电压。DAC控制电路1410可以针对参考时钟的每个时钟周期从参考计数器接收更新的计数，并将该计数与阈值计数进行比较以确定代码，并将该代码提供给DAC 1402的多路复用器1408以产生斜坡电压VREF 815的电压。电流源编程寄存器1414还可以通过设置每个电流源输出的电流量来对该组可编程电流源1406进行编程，以设置每个量化操作子范围的电压斜坡率。
图15示出了用于将模拟输入(例如，像素单元的模拟输出电压)量化为数字输出的过程1500的流程图的实施例。过程1500可以由模数转换器(ADC)(例如像素ADC 610)结合允许像素ADC 610执行非均匀量化过程的可编程配置模块640来执行。可编程部件可以包括例如图10的时钟调制系统1000、图12的电压斜坡调制系统1200、图14的电压斜坡调制系统1400等。
过程1500从步骤1502开始，在步骤1502，可编程配置模块640为ADC的第一操作子范围设置第一量化分辨率，并为ADC的第二操作子范围设置第二量化分辨率。ADC可以基于模拟输入电压与参考电压斜坡的比较来执行量化，并且数字输出可以由计数器产生，该计数器测量参考电压斜坡与模拟输入电压相交的时间。在一些示例中，量化分辨率的设置可以基于为不同操作子范围定义到计数器的时钟的时钟频率，如时钟调制系统1000中。在一些示例中，量化分辨率的设置可以基于为不同操作子范围定义参考电压斜坡率，如在电压斜坡调制系统1200中。在一些示例中，电压斜坡率和时钟频率可以针对不同的操作子范围来定义，如图13中所述。在一些示例中，可以定义不同的DAC代码来为不同的操作子范围设置参考电压，如在电压斜坡调制系统1400中。
在步骤1504，ADC可以接收输入电压。输入电压可以由例如缓冲器609和测量电容器608提供，表示由光电二极管602在曝光周期内产生的电荷量。
在步骤1506，ADC可以确定输入电压属于第一操作子范围还是第二操作子范围。该确定可以基于在不同时间将输入电压与对应于第一量化子范围的第一参考斜坡电压和对应于第二量化子范围的第二参考斜坡电压进行比较。
如果输入电压属于第一操作子范围，则在步骤1508，ADC可以以第一量化分辨率量化输入电压。例如，ADC可以通过以第一时钟速率测量参考电压斜坡与输入电压相交的时间、通过将参考电压斜坡设置为第一斜坡率(基于电容器或DAC)等来量化输入电压。
如果输入电压属于第二操作子范围，则在步骤1510，ADC可以以第二量化分辨率量化输入电压。例如，ADC可以通过以第二时钟速率测量参考电压斜坡与输入电压相交的时间、通过将参考电压斜坡设置为第二斜坡率(基于电容器或DAC)等来量化输入电压。
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)

1.一种模数转换器(ADC)，包括量化器，所述量化器对于第一量化操作子范围具有第一量化分辨率，并且对于第二量化操作子范围具有第二量化分辨率，
其中，所述第一量化分辨率或所述第一量化操作子范围中的至少一个是可编程的；
其中，所述第二量化分辨率或所述第二量化操作子范围中的至少一个是可编程的；和
其中，所述量化器被配置成：
接收输入电压；和
基于所述输入电压属于所述第一量化操作子范围还是属于所述第二量化操作子范围，以所述第一量化分辨率或以所述第二量化分辨率量化所述输入电压以生成数字输出。
2.根据权利要求1所述的ADC，其中：
所述第一量化分辨率和所述第一量化操作子范围是单独可编程的；和
所述第二量化分辨率和所述第二量化操作子范围是单独可编程的。
3.根据权利要求2所述的ADC，其中所述量化器还被配置为接收编程信息，其中所述编程信息定义了所述第一量化操作子范围、所述第二量化操作子范围、所述第一量化操作子范围的所述第一量化分辨率和所述第二量化操作子范围的所述第二量化分辨率；和
其中所述量化器基于所述编程信息被编程。
4.根据权利要求3所述的ADC，其中所述量化器包括：
阈值生成器，其被配置为提供阈值电压斜坡，其中所述阈值电压斜坡在参考时间开始；
量化比较器，其被配置为将所述输入电压与所述阈值电压斜坡进行比较；和
数字时间测量电路，其被配置为基于输入时钟信号产生所述参考时间和交叉时间之间所经过的持续时间的测量值，所述交叉时间是当所述阈值电压斜坡的电压与所述输入电压匹配时的时间；
其中基于所述持续时间的测量值来生成所述数字输出；
其中所述第一量化操作子范围和所述第二量化操作子范围基于以下中的至少一个来定义：从所述参考时间起经过的持续时间，或者所述阈值电压斜坡的电压；和
其中所述第一量化分辨率和所述第二量化分辨率基于以下中的至少一个来定义：所述持续时间内的所述输入时钟信号的频率，或者所述电压之间的所述阈值电压斜坡的斜坡率。
5.根据权利要求4所述的ADC，其中所述数字时间测量电路包括第一计数器，所述第一计数器被配置为基于对所述输入时钟信号的时钟周期的数量进行计数来生成第一计数值，所述第一计数值对应于所述参考时间和所述交叉时间之间的持续时间的测量值；
其中所述量化器被配置成基于所述编程信息，在第一时间接收第一控制信号，并且在第二时间接收第二控制信号；
其中所述第一控制信号包括第一时钟频率的第一时钟信号，所述第一时钟信号作为所述第一量化操作子范围的输入时钟信号被提供给所述第一计数器，所述第一时钟频率是基于所述第一量化分辨率设置的；
其中所述第二控制信号包括第二时钟频率的第二时钟信号，所述第二时钟信号作为所述第二量化操作子范围的输入时钟信号被提供给所述第一计数器，所述第二时钟频率是基于所述第二量化分辨率设置的；
其中所述第一时间定义所述第一量化操作子范围；
其中所述第二时间定义所述第二量化操作子范围；和
其中所述交叉时间在所述第一时间或所述第二时间之一内。
6.根据权利要求5所述的ADC，还包括参考计数器，所述参考计数器被配置为基于对参考输入时钟的时钟周期的数量进行计数来生成参考计数值；
其中所述量化器被配置为在所述参考计数值等于第一阈值计数的时间之间接收所述第一时钟信号，所述第一阈值计数对应于所述第一时间的开始；
其中所述量化器被配置为当所述参考计数值等于第二阈值计数时接收所述第二时钟信号，所述第二阈值计数对应于所述第二时间的开始；和
其中所述第一阈值计数和所述第二阈值计数被包括在所述编程信息中。
7.根据权利要求6所述的ADC，还包括第一比较器、第二比较器、第一时钟生成器、第二时钟生成器和选择电路；
其中所述第一时钟生成器被配置成产生所述第一时钟信号；
其中所述第二时钟生成器被配置成产生所述第二时钟信号；
其中所述第一比较器被配置为基于将所述参考计数值与所述第一阈值计数进行比较来生成第一比较结果；
其中所述第二比较器被配置为基于将所述参考计数值与所述第二阈值计数进行比较来生成第二比较结果；和
其中，所述选择电路被配置为基于所述第一比较结果和所述第二比较结果，选择来自所述第一时钟生成器的第一时钟信号或来自所述第二时钟生成器的第二时钟信号之一，用于输出到所述量化器的所述数字时间测量电路。
8.根据权利要求7所述的ADC，其中，所述参考计数器、所述第一比较器、所述第二比较器、所述第一时钟生成器、所述第二时钟生成器或所述选择电路中的至少一个在所述量化器的外部。
9.根据权利要求4所述的ADC，
其中所述量化器被配置为基于所述编程信息，在第一时间接收第一控制信号，并且在第二时间接收第二控制信号；
其中所述第一控制信号包括在第一电压和第二电压之间的第一电压斜坡，所述第一电压斜坡被提供给所述阈值生成器以作为所述第一量化操作子范围的阈值电压斜坡而输出，所述第一电压斜坡具有第一斜坡率，所述第一斜坡率基于所述第一量化分辨率来设置；
其中所述第二控制信号包括在第三电压和第四电压之间的第二电压斜坡，所述第二电压斜坡被提供给所述阈值生成器以作为所述第二量化操作子范围的阈值电压斜坡而输出，所述第二电压斜坡具有第二斜坡率，所述第二斜坡率基于所述第二量化分辨率来设置；
其中所述第一电压和所述第二电压定义了所述第一量化操作子范围；
其中所述第三电压和所述第四电压定义了所述第二量化操作子范围；和
其中所述输入电压在所述第一电压和所述第二电压之间或者在所述第三电压和所述第四电压之间。
10.根据权利要求9所述的ADC，还包括参考斜坡生成器，所述参考斜坡生成器被配置为产生参考斜坡；
其中所述量化器被配置为当所述参考斜坡的电压等于第一阈值电压时，基于所述第一电压斜坡接收电压；
其中所述量化器被配置为当所述参考斜坡的电压等于第二阈值电压时，基于所述第二电压斜坡接收电压；和
其中所述第一阈值电压和所述第二阈值电压被包括在所述编程信息中。
11.根据权利要求10所述的ADC，还包括第一比较器、第二比较器、第一斜坡生成器、第二斜坡生成器和选择电路；
其中所述第一斜坡生成器被配置成产生所述第一电压斜坡；
其中所述第二斜坡生成器被配置成产生所述第二电压斜坡；
其中所述第一比较器被配置为基于将所述参考斜坡的电压与所述第一阈值电压进行比较来生成第一比较结果；
其中所述第二比较器被配置为基于将所述参考斜坡的电压与所述第二阈值电压进行比较来生成第二比较结果；和
其中，所述选择电路被配置为基于所述第一比较结果和所述第二比较结果，选择来自所述第一斜坡生成器的第一电压斜坡或来自所述第二斜坡生成器的第二电压斜坡之一，用于输出到所述量化器的阈值生成器。
12.根据权利要求11所述的ADC，其中：
所述参考斜坡生成器包括参考电流源和第一电容器，所述参考电流源被配置为在所述第一电容器处沉积电荷以产生所述参考斜坡；
所述第一斜坡生成器包括第一电流源；
所述第二斜坡生成器包括第二电流源；和
所述选择电路与第二电容器耦合，并被配置为基于所述第一比较结果和所述第二比较结果选择所述第一电流源或所述第二电流源之一，以在所述第二电容器处沉积电荷，从而向所述量化器的阈值生成器输出所述第一电压斜坡或所述第二电压斜坡。
13.根据权利要求12所述的ADC，其中，所述参考斜坡生成器、所述第一比较器、所述第二比较器、所述第一斜坡生成器、所述第二斜坡生成器或所述选择电路中的至少一个在所述量化器的外部。
14.根据权利要求4所述的ADC，还包括可配置电流源和电阻器；
其中所述可配置电流源被配置为向所述电阻器提供可配置电流以产生电压；
其中由所述可配置电流源提供的电流基于模式序列来配置，以控制所述可配置电流源在第一时间内以第一电压斜坡率并且在第二时间内以第二电压斜坡率产生所述阈值电压斜坡；和
其中所述模式序列被包括在所述编程信息中。
15.根据权利要求4所述的ADC，其中所述编程信息定义了所述阈值电压斜坡的第一电压斜坡率和所述输入时钟信号的第一时钟频率，以设置所述第一量化分辨率；和
其中所述编程信息还定义了所述阈值电压斜坡的第二电压斜坡率和所述输入时钟信号的第二时钟频率，以设置所述第二量化分辨率。
16.一种像素单元阵列，包括：
第一像素单元，其与具有可编程量化分辨率的第一模数转换器(ADC)耦合，所述第一ADC被配置为通过以第一编程的量化分辨率量化由所述第一像素单元接收的光强度的测量值来生成第一数字输出；和
第二像素单元，其与具有可编程量化分辨率的第二ADC耦合，所述第二ADC被配置为通过以第二编程的量化分辨率量化由所述第二像素单元接收的光强度的测量值来生成第二数字输出。
17.根据权利要求16所述的像素单元阵列，其中所述第一编程的量化分辨率和所述第二编程的量化分辨率在第一时间被设置为第一值，并且在第二时间被设置为不同于所述第一值的第二值。
18.根据权利要求16所述的像素单元阵列，其中所述第一编程的量化分辨率和所述第二编程的量化分辨率被设置用于量化对应于公共光强度范围的测量值范围；和
其中所述第一编程的量化分辨率具有不同于所述第二编程的量化分辨率的值；和
其中分别基于所述像素单元阵列内所述第一像素单元的第一位置和所述第二像素单元的第二位置来设置所述第一编程的量化分辨率和所述第二编程的量化分辨率。
19.根据权利要求16所述的像素单元阵列，其中所述第一ADC和所述第二ADC中的每一个分别包括第一计数器和第二计数器；
其中所述第一计数器和所述第二计数器被配置成将在所述第一像素单元和所述第二像素单元处接收的光强度的测量值转换成时间测量值，以分别生成所述第一数字输出和所述第二数字输出；
其中基于以第一时钟频率设置所述第一计数器的输入时钟来设置所述第一编程的量化分辨率；和
其中基于以第二时钟频率设置所述第二计数器的输入时钟来设置所述第二编程的量化分辨率。
20.根据权利要求16所述的像素单元阵列，其中所述第一ADC和所述第二ADC中的每一个分别包括第一比较器和第二比较器；
其中所述第一比较器被配置为将表示在所述第一像素单元处接收的光强度的第一电压与具有第一斜坡率的第一电压斜坡进行比较；
其中所述第二比较器被配置为将表示在所述第二像素单元处接收的光强度的第二电压与具有第二斜坡率的第二电压斜坡进行比较；
其中基于设置所述第一斜坡率来设置所述第一编程的量化分辨率；和
其中基于设置所述第二斜坡率来设置所述第二编程的量化分辨率。
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