CN112470460B - 具有扩展的动态范围的数字像素 - Google Patents

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Abstract

在一个示例中，一种装置包括光电二极管、电荷存储单元和处理电路，该处理电路被配置为：将溢出电荷从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第一电压；将第一电压与第一斜坡阈值电压进行比较，以产生第一判定；基于第一判定，生成第一数字值；将剩余电荷从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第二电压；将第二电压与静态阈值电压进行比较，以确定光电二极管是否饱和，从而产生第二判定；将第二电压与第二斜坡阈值电压进行比较，以产生第三判定；基于第三判定，生成第二数字值；以及基于第二判定，输出第一数字值或第二数字值之一，用于表示由光电二极管接收的光的强度。

Description

具有扩展的动态范围的数字像素
相关申请
本专利申请享有2018年6月11日提交的标题为“DIGITAL PIXEL SENSOR WITHMULTIPLE QUANTIZATION MODES”的美国临时专利申请第62/683,550序列号以及2019年6月7日提交的标题为“DIGITAL PIXEL WITH EXTENDED DYNAMIC RANGE”的美国专利申请第16/435,451序列号的优先权，出于所有目的，这些申请通过引用以其整体并入文本。
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，提供了一种装置。该装置包括光电二极管、电荷存储单元和处理电路。处理电路被配置为：将溢出电荷从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第一电压；将第一电压与第一斜坡阈值电压进行比较，以产生第一判定；基于第一判定，生成第一数字值；将剩余电荷从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第二电压；将第二电压与静态阈值电压进行比较，以确定光电二极管是否饱和，从而产生第二判定；将第二电压与第二斜坡阈值电压进行比较，以产生第三判定；基于第三判定，生成第二数字值；以及基于第二判定，输出第一数字值或第二数字值之一，用于表示由光电二极管接收的光的强度。
在一些方面，静态阈值电压基于当电荷存储单元存储的剩余电荷的量等于光电二极管的饱和容量时在电荷存储单元处产生的第三电压。
在一些方面，静态阈值电压还基于表示由暗电流沉积的暗电荷的电压偏移。
在一些方面，第二斜坡阈值电压从静态阈值电压起始或结束。
在一些方面，该装置还包括计数器和存储器。处理电路被配置为：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；基于第三判定，将来自计数器的第二计数值作为第二数字值存储在存储器中；以及基于第二判定，从存储器输出第一数字值或第二数字值之一。
在一些方面，处理电路被配置为基于第二判定，在存储器中用第二计数值重写第一计数值。
在一些方面，该装置还包括寄存器。处理电路被配置为：将指示第二判定的第一标志值存储在寄存器中；以及基于来自寄存器的第一标志值，从存储器输出第一数字值或第二数字值之一。
在一些方面，处理电路被配置成：当第一斜坡阈值电压达到第一断点电压时，确定第一判定的状态；将指示第一判定的状态的第二标志值存储在寄存器中；以及基于来自寄存器的第一标志值和第二标志值，输出第一数字值或第二数字值之一。
在一些方面，处理电路被配置为当第一斜坡阈值电压达到第一断点电压时复位计数器。
在一些方面，处理电路被配置成：当第二斜坡阈值电压达到第二断点电压时，确定第三判定的状态；将指示第三判定的状态的第二标志值存储在寄存器中；以及基于来自寄存器的第一标志值和第二标志值，输出第一数字值或第二数字值之一。
在一些方面，处理电路被配置为当第一斜坡阈值电压达到第二断点电压时复位计数器。
在一些方面，静态阈值电压是第一静态阈值电压。处理电路被配置为：将第一电压与第二静态阈值电压进行比较以产生第四判定，该第二静态阈值电压表示电荷存储单元的饱和容量；将指示第四判定的第二标志值存储在寄存器中；基于第四判定，存储来自计数器的第三计数值作为第三数字值；以及基于第一标志值和第二标志值，输出第一数字值、第二数字值或第三数字值之一，用于表示由光电二极管接收的光的强度。
在一些方面，处理电路被配置为：在预定时间段内将第一电压与第二静态阈值电压进行比较；当所述时间段的预定部分已经过去时，确定第四判定的第一状态；将指示第四判定的第一状态的第一标志值存储在寄存器中；当所述时间段已经过去时，确定第四判定的第二状态；将指示第四判定的第二状态的第二标志值存储在寄存器中；以及基于第一标志值和第二标志值，输出第一数字值、第二数字值或第三数字值之一，用于表示由光电二极管接收的光的强度。
在一些方面，处理电路被配置为当所述时间段的预定部分已经过去时复位计数器。
在一些方面，电荷存储单元的电荷存储容量可由处理电路配置。处理电路被配置为：将电荷存储单元配置为具有第一容量以产生第一电压；以及将电荷存储单元配置为具有第二容量以产生第二电压，第二容量小于第一容量。
在一些方面，电荷存储单元包括浮置漏极节点和电容器。
在一个示例中，提供了一种方法。该方法包括：将溢出电荷从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第一电压；将第一电压与第一斜坡阈值电压进行比较，以产生第一判定；基于第一判定生成第一数字值；将剩余电荷从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第二电压；将第二电压与静态阈值电压进行比较，以确定光电二极管是否饱和，从而产生第二判定；将第二电压与第二斜坡阈值电压进行比较，以产生第三判定；基于第三判定生成第二数字值；以及基于第二判定，输出第一数字值或第二数字值之一，用于表示由光电二极管接收的光的强度。
在一些方面，静态阈值电压基于当电荷存储单元存储的剩余电荷的量等于光电二极管的饱和容量时在电荷存储单元处产生的第三电压，并且基于表示由暗电流沉积的暗电荷的电压偏移。
在一些方面，第二斜坡阈值电压从静态阈值电压起始或结束。
在一些方面，该方法还包括：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；基于第三判定，将来自计数器的第二计数值作为第二数字值存储在存储器中；以及基于第二判定，从存储器输出第一数字值或第二数字值之一。
附图简述
参考以下附图描述说明性示例。
图1A和图1B是近眼显示器的示例的示意图。
图2是近眼显示器的横截面的示例。
图3示出了具有单个源组件的波导显示器的示例的等轴视图。
图4示出了波导显示器的示例的横截面。
图5是包括近眼显示器的系统的示例的框图。
图6示出了像素单元的示例的框图。
图7示出了通过图6的示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示出了像素单元的示例的框图。
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示出了用于执行光强度测量的控制信号的另一示例序列以及测量结果的示例。
图14A和图14B示出了用于执行光强度测量的控制信号的另一示例序列。
图15示出了用于执行光强度测量的控制信号的另一示例序列。
图16示出了用于执行光强度测量的控制信号的另一示例序列。
图17示出了用于执行光强度测量的控制信号的另一示例序列。
图18示出了用于测量光强度的示例过程的流程图。
图19示出了用于测量光强度的另一示例过程的流程图。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的示例。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示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示例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种示例。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电荷。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、暗电荷以及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门(transfer gate)的晶体管、以及处理电路。光电二极管可以响应入射光而产生电荷，并将该电荷中的至少一些电荷存储为剩余电荷，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以产生第一电压，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转移的电荷。电荷存储单元可以包括浮置漏极节点。
处理电路可以通过执行多个测量模式来测量入射光的强度。在第一测量模式中，处理电路可以通过将第一电压与第一斜坡阈值电压进行比较来执行量化过程，以产生第一判定。当第一判定指示第一电压越过(cross)第一斜坡阈值电压时，可以从计数器捕获第一计数值并将其存储在存储器中。第一计数值可以表示第一斜坡阈值电压越过第一电压所花费的时间的测量值，其也可以表示量化存储在电荷存储单元中的溢出电荷的结果。溢出电荷的量可以与入射光的强度成比例。对于本公开的其余部分，第一测量模式可以被称为“FDADC”操作。
处理电路可以将剩余电荷从光电二极管转移到电荷存储设备，以产生用于第二测量模式的第二电压。在第二测量模式中，处理电路可以通过将第二电压与第二斜坡阈值电压进行比较来执行另一量化过程，以产生第二判定。当第二判定指示第二电压越过第二斜坡阈值电压时，可以从计数器捕获第二计数值并将其存储在存储器中。第二计数值可以表示第二斜坡阈值电压越过第二电压所花费的时间的测量值，这也表示量化存储在电荷存储单元中的剩余电荷的结果。剩余电荷的量可以与入射光的强度成比例。对于本公开的其余部分，第二测量模式可以被称为“PD ADC”操作。
在一些示例中，处理电路还可以执行第三测量模式。在第三测量模式中，处理电路可以将第一电压与静态阈值电压进行比较以产生第三判定，该静态阈值电压表示电荷存储单元的饱和极限。当第三判定指示电荷存储单元达到或超过饱和极限时，可以从计数器捕获第三计数值并将其存储在存储器中。第三计数值可以表示电荷存储单元变得饱和所花费的时间的测量值，并且时间的长短可以与入射光的强度成反比。对于本公开的其余部分，第三测量模式可以称为饱和时间(TTS)测量操作。在一些示例中，第三测量模式可以在第一测量模式之前执行。
不同的测量模式可以针对不同的光强度范围，并且处理电路可以基于入射光属于哪个光强度范围，从存储器输出第一计数值、第二计数值或第三计数值之一，用于表示入射光的强度。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。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。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。
如上面所讨论的，处理电路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，并且处理电路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(基于溢出电荷)指示光电二极管饱和，则处理电路可以选择第一计数值(其度量存储在电荷存储单元中的溢出电荷的量)作为输出。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，则处理电路可以选择第二计数值(其度量存储在光电二极管中的剩余电荷量)作为输出。在一些示例中，像素单元可以包括一组寄存器，用于将第一判定、第二判定和第三判定中的至少一些存储为标志。处理电路可以基于标志值来决定，在每个测量模式中是将计数值存储在存储器处还是丢弃计数值，或者在所有测量模式都已经完成之后从存储器输出哪个计数值。
上述多模式测量操作可以扩展像素单元的光强度测量的动态范围。具体而言，TTS测量操作允许测量超过使电荷存储单元饱和的强度水平的高光强度，这可以扩展动态范围的上限。此外，PD ADC的操作测量低光强度下光电二极管中存储的剩余电荷。由于光电二极管通常接收非常少的暗电流，所以由暗电流引起的暗电荷的大小相对于由入射光引起的真实信号可以保持很小，这可以降低可检测到的入射光强度并降低动态范围的下限。
虽然多模式测量操作可以扩展像素单元的动态范围，但是光强度测量的准确度仍然会受到各种噪声源的影响。一个噪声源可以是暗电流。具体地，如上所述，处理电路基于第一判定是否指示光电二极管饱和来选择第一计数值或第二计数值之一作为输出，其中第一判定是基于将电荷存储单元处的第一电压与作为第一电压斜坡的部分的阈值电压进行比较来产生的，该阈值电压表示没有溢出电荷。但是第一判定可能受到暗电流的影响，暗电流会将暗电荷添加到浮置漏极节点，与光电二极管相比，尤其当光电二极管是钉扎光电二极管时，浮置漏极节点通常接收几个数量级的暗电流。由于浮置漏极节点在累积溢出电荷的同时累积了暗电荷，所以暗电荷可能相对较大，并且可能导致不正确的第一判定。例如，浮置漏极节点可能没有存储溢出电荷，但是累积在浮置漏极节点中的暗电荷可能很大，足以引起指示浮置漏极节点存储了溢出电荷的不正确的第一判定。不正确的第一判定会导致处理电路丢弃第二计数值，该第二计数值提供了对低强度范围内的入射光的正确表示。结果，处理电路可能从存储器输出不正确的计数值来表示入射光强度。
影响多模式测量操作的另一个噪声源是量化误差。如上所述，来自计数器的计数值可以表示斜坡电压达到电荷存储设备处的电压的时间的测量值(对于FD ADC和PD ADC)，或者电荷存储设备处的电压达到饱和极限的时间的测量值(对于TTS)。在这两种情况下，时间测量值的准确度可以由计数器更新计数值的频率以及要测量的持续时间来定义，这两者可以定义量化误差。即使PD ADC操作不易受暗电流的影响，量化误差也可以定义最小可检测到的光强度，并设置动态范围的下限。
本公开提出了几种技术来减轻暗电流和量化误差的影响。在一些示例中，在将剩余电荷从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第二电压之后，处理电路可以将第二电压与表示使光电二极管饱和的剩余电荷量的静态阈值进行比较，以确定光电二极管是否饱和。静态阈值可以基于当这种量的剩余电荷被存储在电荷存储单元处时在电荷存储单元处产生的电压。与基于溢出电荷相比，基于剩余电荷检测光电二极管的饱和可能更不易受暗电流的影响。这是因为光电二极管通常接收少得多的暗电流，而将剩余电荷转移到浮置漏极节点的时间也相对较短，这两者都可以减少浮置漏极节点中存在的暗电荷。
在一些示例中，TTS、FD ADC和PD ADC测量中的每一个都可以基于一个或更多个断点被分成两个或更多个子阶段。处理电路可以在这些断点处检查第一判定的状态(对于FDADC)、第二判定的状态(对于PD ADC)和/或第三判定的状态(对于TTS)，并且基于这些判定的状态来确定光电二极管或电荷存储单元是否饱和。这种布置可以为光电二极管和电荷存储单元的饱和检测引入冗余(redundancy)，这可以提高检测的准确度。此外，可以在每个子阶段开始时复位计数器，这缩小了要通过计数器的整个输出范围来测量的时间范围(以及相应的输入电压范围)。在计数器的位数相同的情况下，计数器可以以更高的频率更新，以测量减小的时间范围，这可以减少量化误差。所有这些都可以进一步提高多模式测量操作的准确度。
本公开的示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，真实世界的)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，在一些示例中，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的示例的示意图。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。在一些示例中，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。在一些示例中，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。在一些示例中，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。
在一些示例中，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。在一些示例中，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。
在一些示例中，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。
在一些示例中，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的另一个示例的示意图。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1A所示的近眼显示器100的横截面200的示例。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。在一些示例中，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。
在一些示例中，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。在替代示例中，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的示例的等轴视图。在一些示例中，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)。在一些示例中，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，但是在一些示例中，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。在一些示例中，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。在一些示例中，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的示例。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。在一些示例中，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。在一些示例中，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。在一些示例中，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是衍射光栅的示例中，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是衍射光栅的示例中，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。
在一些示例中，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)。在一些示例中，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的示例的框图。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。在一些示例中，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。在一些示例中，近眼显示器100也可以充当AR眼镜。在一些示例中，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。在一些示例中，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以及处理电路，处理电路包括快门开关604、转移门606、复位开关607、包括电荷存储单元608a和缓冲器608b的电荷感测单元608以及像素ADC 610。
在一些示例中，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、转移门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电荷存储单元608a。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(currentsink)617。此外，复位开关607也可以由复位信号618禁用(关闭)，这允许电荷存储单元608a累积电荷。电荷存储单元608a可以是转移门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。电荷存储单元608a可以用于将一定量的电荷转换成模拟电压，该模拟电压可以由像素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电荷存储单元608a处的电荷清空到电荷吸收器620，以使电荷存储单元608a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，则入射光强度在高光强度范围710内。如果光电二极管在整个低光强度范围706内不饱和，并且电荷存储单元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和电荷存储单元608a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，存储在电荷存储单元608a中的电荷总量低于或等于电荷存储单元的存储容量，并且阈值704可以基于电荷存储单元608a的存储容量。典型地，阈值704也被设置为基于电荷存储单元608a的缩放的存储容量，以确保当为了强度确定而测量存储在电荷存储单元608a中的电荷量时，电荷存储单元不会饱和，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和电荷存储单元608a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，电荷存储单元608a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，电荷存储单元608a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。为了避免由于电荷存储单元608a达到满容量而引起的测量误差，可以执行饱和时间测量，以测量在电荷存储单元608a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电荷存储单元608a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)在电荷存储单元608a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，转移门606可以由测量控制信号612控制，以控制剩余电荷电容器603(在图中未示出)和电荷存储单元608a处如上所述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，可以控制转移门606在部分导通状态下操作。例如，转移门606的门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)将通过转移门606转移到达电荷存储单元608a，以测量饱和时间(对于高光强度范围710)和存储在电荷存储单元608a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，转移门606可以被控制在完全导通状态，以将存储在光电二极管602中的电荷转移到电荷存储单元608a，从而测量存储在光电二极管602中的电荷量。
由电荷存储单元608a处的电荷累积产生的模拟电压可以由缓冲器608b缓冲，以在模拟输出节点614处产生模拟电压的副本(但是具有更大的驱动强度)。像素ADC 610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)，电荷存储单元608a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，电荷存储单元608a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，当电荷存储单元608a用于测量存储在光电二极管602处的剩余电荷时，可以减小电荷存储单元608a的电容。电荷存储单元608a电容的减小可以增加电荷存储单元608a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，可以增加电荷存储单元608a的电容，以确保电荷存储单元608a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ADC 610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)。在一些示例中，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，数字输出生成器806的至少一部分，例如计数器808，可以在许多的多个像素单元之间共享，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VREF 815可以被设置在对应于电荷存储单元608a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，电荷存储单元608a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814编程，以生成斜坡VREF 815，斜坡VREF 815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(用于电荷存储单元608a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处的模拟电压的一个量化步长内时，比较器804的判定816从负翻转到正。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。计数值对应于VREF 815达到模拟电压所花费的时间的测量值，并且可以是电荷存储单元608a处存储的电荷量的数字表示以及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，量化步长大小可以基于例如减小量化操作的输入范围902(在阈值702和阈值704之间)、减小计数器808要测量的相应时间范围、增加时钟信号812的时钟频率或其任何组合，而被减小每个时钟周期的VREF 815增加(或减少)的量。
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。例如，在时钟信号812的时钟频率增加而输入范围902保持不变的情况下，表示特定范围的电荷量(和光强度)所需的量化步长的总数可能增加。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ΔS表示)小于大输入电荷量的量化步长大小(用ΔL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(ΔS)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的示例。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可以对应于转移门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电荷存储单元608a。COF电容器可以是浮置漏极节点的寄生电容器。电荷存储单元608a的电容可由信号LG配置。当LG被使能时，电荷存储单元608a提供COF电容器和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，并且电荷存储单元608a仅包括COF电容器(加上其他寄生电容)。如上面所讨论的，可以减小电荷存储单元608a的电容以增加电荷电压转换比以用于低光强度确定，并且可以增加电荷存储单元608a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608b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608b，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、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ADC 610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608b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608b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608b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’和T0之间的时间对应于第一复位阶段。T0和T1之间的时间段可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706。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信号以及快门信号被宣称有效，而TX信号被偏置在电压VLOW(图中未示出)。VLOW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VRESET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608b的阈值不匹配等的电荷。此外，VREF也可以设置为等于VRESET的值。在一些示例中，VRESET可以等于像素单元1100的电源电压(例如，VDD)。此外，计数器808可以处于复位状态。
在时间T0，计数器808可以从初始值(例如，零)开始计数。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VLOW。T0和T1之间的时间段可以是曝光周期。VREF可以设置为等于VFDSAT的值，其可以对应于当CEXT和COF电容器都处于满容量时的OF节点的电压。VFDSAT和VRESET之间的差可以对应于例如图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，可以将OF节点处的模拟电压的缓冲和误差补偿版本(VIN)与VFDSAT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的输出可以翻转，这指示入射光在高强度范围内，并且TTS测量结果可以用于表示入射光的强度。因此，在翻转时由计数器808产生的计数值可以存储到存储器810中。可以在时间T1对比较器1102的输出进行检查1202，并且比较器1102的翻转还使得控制器1110将寄存器1112中的FLAG_1信号宣称有效。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。
在时间T1，计数器808可以从其初始值(例如，零)重新开始计数。在T1和T2之间的时间段期间，可以执行FD ADC操作，其中，OF节点处的模拟电压可以由ADC 610量化，以测量存储在CEXT电容器和COF电容器中的溢出电荷的量。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。可以将第一斜坡阈值电压(在图12中被标记为“第一斜坡VREF”)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。在一些示例中，第一斜坡VREF可以由DAC基于来自自由运行计数器的计数值来生成。如果斜坡VREF与VIN匹配(在一个量化步长内)，则比较器1102的输出可以翻转，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)，则在翻转时由计数器808产生的计数值可以存储到存储器810中。如果存储器被锁定，则计数值将不被存储到存储器810中。
在一些示例中，如图12所示，第一斜坡VREF的电压范围可以在VFDSAT和VRESET之间。VFDSAT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CEXT电容器和COF电容器接近饱和时)，而VRESET可以定义存储在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VRESET)。比较器1102在FD ADC阶段的翻转可以指示OF节点的电压低于VRESET，这可能意味着存储在电容器中的总溢出电荷超过下限。因此，比较器1102在FD ADC阶段的翻转可以指示光电二极管PD饱和，因此在电容器中存储有溢出电荷，并且溢出电荷的量化结果可以表示入射光的强度。可以在FD ADC阶段之后的时间T2对比较器1102的输出进行检查1204，并且控制器1110可以基于比较器1102的翻转来将寄存器1114中的FLAG_2信号宣称有效，以锁定存储在存储器810中的计数值，这防止了后续阶段在存储器810中存储另一个计数值。
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，从而减小电荷存储单元的电容。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，在复位完成后，RST1和RST2信号被宣称无效，而偏置TX可以增加到电压VHIGH以完全导通晶体管M1。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。
在时间T3，计数器808可以从其初始值(例如，零)重新开始计数。在T3和T4之间的时间段期间，可以针对低光强度范围执行PD ADC操作。在此时间段期间，快门信号被宣称有效，而TX信号被宣称无效(例如，设置为零)或设置回电压VLOW，以防止存储在COF电容器处的电荷经由M1泄漏。可以将第二斜坡阈值电压(在图12中被标记为“第二斜坡VREF”)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。第二斜坡VREF可以具有VPDSAT和VRESET之间的电压范围，VPDSAT表示当COF电容器存储使光电二极管PD饱和的剩余电荷量时在COF电容器处的电压。如果第二斜坡VREF与VIN匹配(在一个量化步长内)，则比较器1102的输出可以翻转，并且如果存储器没有被第一测量阶段(如由FLAG_1信号的零值所指示的)或第二测量阶段(如由FLAG_2信号的零值所指示的)锁定，则在翻转时由计数器808产生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。
如上所述，对光电二极管PD是否饱和的检测可以基于在FD ADC中将OF电压与VRESET进行比较，以确定电荷存储单元中是否存储有溢出电荷。然而，基于测量溢出电荷的对光电二极管PD的饱和的检测可能易于产生暗电流。具体地，COF电容器由M1晶体管的浮置漏极节点形成，并且浮置漏极节点可以接收大量的暗电流，该暗电流可以在浮置漏极节点中累积而成为暗电荷。暗电荷会导致光电二极管饱和的错误检测。作为一个说明性示例，在室温，总暗电荷可以是大约50e-每像素每秒。在曝光周期(例如，在T0和T1之间)为大约10毫秒的情况下，每帧具有少于一个的暗电子。但是浮置漏极节点上的暗电流可以是两个或三个数量级。由于浮置漏极节点在曝光周期期间集合(integrate)溢出电荷的同时接收如此大的暗电流，因此会累积大量的暗电荷。即使浮置漏极节点没有存储溢出电荷，暗电荷也会导致OF电压降至低于VRESET，从而导致光电二极管饱和的错误检测。因此，FLAG_2信号可能被错误地宣称有效，这导致PD ADC输出被丢弃，而实际上PD ADC输出提供了在低强度范围内的入射光的正确表示。
图13A示出了用于像素单元1100的控制信号的示例序列，其可以减轻暗电流对光电二极管PD饱和的检测的影响。如图13A所示，用于与OF电压进行比较的第一斜坡VREF的电压范围是在VFDSAT和VRESET-VDARK-FD之间。VDARK-FD电压可以是对应于预定电荷量的电压保护带(voltage guard band)。具体而言，为了使比较器1102的输出在FD ADC期间的翻转指示光电二极管PD饱和，存储在COF电容器和CEXT电容器中的电荷(该电荷可能包括溢出电荷和暗电荷)需要超过预定的电荷量。电压保护带可以被配置成使得暗电荷不太可能单独导致比较器1102的输出翻转，这可以降低由于暗电流而导致的光电二极管饱和的错误检测的可能性。可以在FD ADC测量完成之后的时间T2对比较器1102输出的状态进行检查1304，以确定是否将FLAG_2宣称有效来锁定存储在存储器中的计数值。
虽然图13A中的布置可以降低由于暗电流而导致的光电二极管饱和的错误检测的可能性，但是电压保护带VDARK-FD减小了第一斜坡VREF的电压范围，这也减小了量化操作的输入电压范围。落入电压保护带内的OF电压以及对应的溢出电荷量将不会被量化，并且可能导致如图13B所示的量化间隙(quantization gap)。电压保护带以及产生的量化间隙可能相当大，以考虑像素之间的各种变化源，例如比较器的失调变化的随机分布、暗电流变化等。在电压保护带被配置为考虑最大的比较器的失调和最大的暗电流的情况下，电压保护带会非常大，以至于它可以占据输入电压范围的1/8，并且会导致大的量化间隙。大的量化间隙会导致量化噪声显著增加，以及信噪比大幅下降，尤其是对于在FD ADC和PD ADC测量操作的强度范围之间交叉的光强度范围。
图14A示出了用于像素单元1100的控制信号的示例序列，其可以减轻暗电流对光电二极管PD饱和的检测的影响，同时减少量化间隙的出现。具体地，如图14A所示，可以在CEXT与COF电容器断开连接以减小电荷存储单元608a的电容之后，并且在剩余电荷被转移到COF电容器以用于后续的PD ADC测量操作之后，在时间T3执行对光电二极管PD饱和的检测。具体地，在时间T3，比较器1102将OF电压与VPDSAT进行比较，如上所述，VPDSAT表示当COF电容器存储使光电二极管PD饱和的剩余电荷量时在COF电容器处的电压。如果存储在COF电容器中的剩余电荷小于光电二极管PD的饱和容量，则COF电容器处的电压可以高于VPDSAT，并且比较器1102的输出可以保持为低。另一方面，如果光电二极管PD饱和，则存储在COF电容器中的剩余电荷等于光电二极管PD的饱和容量。COF电容器处的电压可以变得低于或等于VPDSAT，并且比较器1102的输出可以翻转。可以在时间T3对比较器1102的输出进行检查1404。如果比较器1102的输出在时间T3为正，控制器1110可以将FLAG_2位宣称有效，否则FLAG_2位可以变成被宣称无效的，以锁定存储器810或允许存储器810锁存PD ADC输出(如果FLAG_1位也为低)。
图14A的布置可以提高光电二极管PD饱和检测对暗电流的鲁棒性，因为光电二极管PD与浮置漏极节点相比通常接收少得多的暗电流，因此在曝光周期期间(例如，在T0和T1之间)由光电二极管PD累积并存在于从光电二极管PD转移的电荷中的暗电荷通常可以忽略不计，并且不太可能导致错误的光电二极管饱和检测。例如，如上面所讨论的，在室温，总暗电荷可以是大约50e-每像素每秒，并且在曝光周期为大约10毫秒的情况下，每帧具有少于一个的暗电子。此外，与曝光周期相比，用于将剩余电荷转移到浮置漏极节点的时间(T2和T3之间的时间段的一半)相对较短，这也可以减少在光电二极管饱和检测之前由浮置漏极节点累积的暗电荷。结果，与FD ADC期间相比，在PD ADC开始时存在于浮置漏极节点(和COF电容器)中的暗电荷可以显著较少，并且当光电二极管PD不饱和时，该暗电荷不太可能导致比较器1102的输出翻转。
在一些示例中，如图14B所示，电压保护带VDARK-PD可以被添加到VPDSAT，使得OF电压与VPDSAT+VDARK-PD的静态阈值电压进行比较，用于光电二极管PD饱和检测。第二斜坡VREF可以从VPDSAT+VDARK-PD起始至VRESET。这种布置可以防止光电二极管饱和的错误检测，例如，当存储在COF电容器中的剩余电荷量略少于光电二极管PD的饱和容量时，但是由于暗电荷的存在，COF电容器处的总电荷超过饱和容量，并且比较器1102的输出翻转。但是电压保护带VDARK-PD可以比图13A的电压保护带VDARK-FD小得多，因为预期的暗电荷量低得多(例如，由于光电二极管处的暗电流低、浮置漏极节点处额外暗电荷的短时间累积等)。结果，由于VDARK-PD电压保护带的引入而导致的PD ADC操作的输入电压范围的减小可能远不如图13A和图13B中的显著，并且产生的量化间隙(如果有的话)也可以减小。
在一些示例中，TTS、FD ADC和PD ADC测量中的每一个都可以基于一个或更多个断点被分成两个或更多个子阶段。控制器1110可以在这些断点处检查比较器1102的输出，并基于比较器1102在这些断点处的输出的状态来执行光电二极管PD饱和的检测(以在FD ADC和PD ADC输出之间进行选择)和电荷存储单元饱和的检测(以在TTS输出或FD ADC/PD ADC输出之间进行选择)。这种布置可以引入冗余并提高检测的准确性。此外，可以在每个子阶段开始时复位计数器，这缩小了输入电压范围和/或要量化的时间范围。在计数器的位数相同的情况下，计数器可以以更高的频率更新，以测量减小的时间范围，这可以减少量化误差。
图15示出了用于像素单元1100的控制信号的序列的示例，其具有被分成多个子阶段的FD ADC操作。如图15所示，对应于在时间T1A的第一斜坡VREF的电压的电压断点VFD-BREAK可以被设置为将FD ADC操作分成FD ADC 1和FD ADC 2子阶段。在一些示例中，可以基于在曝光周期期间在浮置漏极节点(COF电容器)中累积的预定的暗电荷量，将VFD-BREAK配置为电压保护带。
在时间T1，控制器1110可以执行检查1202，以确定比较器1102的输出在TTS期间是否翻转(并且变为正)，比较器1102的输出在TTS期间翻转(并且变为正)指示电荷存储单元608a饱和。当比较器1102的输出在TTS期间翻转时，来自计数器808的计数值可以被存储在存储器810中。如果电荷存储单元608a饱和，控制器1110可以将FLAG_1位宣称有效，以锁定存储器810，并防止存储的计数值在后续的FD ADC和PD ADC操作中被重写。然后，在TTS操作之后，计数器808可以被复位，并从初始值开始计数。
FD ADC 1子阶段可以发生在时间T1和T1A之间，其中比较器1102可以将OF电压与从VFDSAT斜变到VFD-BREAK的第一斜坡VREF进行比较。如果第一斜坡VREF越过OF电压，则比较器1102的输出可以翻转，并且如果在TTS操作中FLAG_1位没有被宣称有效且存储器810未被锁定，则来自计数器808的计数值可以被锁存到存储器810中。如果第一斜坡VREF没有越过OF电压，则比较器1102的输出可以保持为低，并且存储器810中存储的计数值(如果有的话)不被更新。
在时间T1A，控制器1110可以对比较器1102的输出执行检查1502，以确定比较器1102的输出是否为正。比较器1102的输出在FD ADC 1子阶段内翻转可以指示OF电压低于VFD-BREAK，这可以指示存储在浮置漏极节点中的电荷超过预定的暗电荷量，并且光电二极管PD可能饱和。基于这样的指示，控制器1110可以将FLAG_2位宣称有效。但是如下所述，控制器1110将在锁定存储器810之前对比较器1102的输出执行一次或更多次检查。然后，在FDADC 1操作完成后，计数器808可以被复位，并从初始值开始计数。
FD ADC 2子阶段可以发生在时间T1A和T2之间，其中比较器1102可以将OF电压与从VFD-BREAK继续斜变到VRESET的第一斜坡VREF进行比较。如果第一斜坡VREF越过OF电压，则比较器1102的输出可以翻转，并且如果FLAG_1位和FLAG_2位都没有被宣称有效，则来自计数器808的计数值可以被锁存到存储器810中。如果第一斜坡VREF没有越过OF电压，则比较器1102的输出可以保持为低，并且存储器810中存储的计数值(如果有的话)不被更新。FD ADC2子阶段可以在时间T2完成。
在时间T2和时间T3之间，如上面关于图12所述的，COF电容器和CEXT电容器都可以被复位，并且CEXT电容器可以与COF电容器断开连接。剩余电荷可以从光电二极管PD转移到COF电容器。可以将OF电压与静态阈值VPDSAT(如图13A所示)或VPDSAT+VDARK-PD(如图14B所示)进行比较，以确定剩余电荷的量是否超过光电二极管PD的饱和容量。比较器1102的输出的翻转指示OF电压低于静态阈值，可以指示光电二极管PD饱和。控制器1110可以在时间T3对比较器1102的输出执行检查1404。如果在时间T3比较器1102的输出是正的，并且如果在时间T1的检查1202中没有将FLAG_1位宣称有效，则控制器1110可以将FLAG_1位宣称有效。FLAG_1位和FLAG_2位的宣称有效可以指示光电二极管PD饱和，并且存储器810中存储的值将被锁定，并且不会被后续的PD ADC输出重写。另一方面，如果FLAG_1位和FLAG_2位都保持被宣称无效，则后续的PD ADC输出可以被存储在存储器810中，用于表示入射光的强度的测量值。
下表1提供了FLAG_1值和FLAG_2值之间的映射的示例，以及对于图15的布置，哪个测量操作将计数值存储在存储器810中：
表1
在图15的布置中，光电二极管是否饱和的确定可以基于溢出电荷的测量(在时间T1A的检查1502)和剩余电荷的测量(检查1404)，这可以添加冗余并提高光电二极管饱和检测的鲁棒性。此外，由于在时间T1A计数器808被复位，将由计数器808的计数值表示的输入电压范围被缩小，这允许计数器808以更高的频率更新计数值(例如，通过以更快的时钟操作)，以减小量化步长并提高FD ADC操作的量化分辨率，而不需要扩展计数器808(和相关联的硬件电路)的位宽来支持提高的量化分辨率。
此外，PD ADC和TTS测量操作也可以分成多个子阶段，其中计数器808在每个子阶段开始时复位，以提高量化分辨率。如图16所示，对应于在时间T3A的第二斜坡VREF的电压的电压断点VPD-BREAK可以被设置为将PD ADC操作分成PD ADC 1和PD ADC 2子阶段。PD ADC 1的第一输入电压范围可以是从VPDSAT(如图13A所示)或VPDSAT+VDARK-PD(如图14B所示)到VPD-BREAK，而PD ADC 2的第二输入电压范围可以是从VPD-BREAK到VRESET。
在时间T3，计数器808可以被复位并从初始值开始计数。PD ADC 1子阶段可以发生在时间T3和T3A之间，其中比较器1102可以将OF电压与从VPDSAT或VPDSAT+VDARK-PD斜变到VPD-BREAK的第二斜坡VREF进行比较。如果第二斜坡VREF越过OF电压，则比较器1102的输出可以翻转，并且如果FLAG_1位和FLAG_2位都没有被宣称有效，则来自计数器808的计数值可以被锁存到存储器810中。如果第一斜坡VREF没有越过OF电压，则比较器1102的输出可以保持为低，并且存储器810中存储的计数值(如果有的话)不被更新。
在时间T3A，控制器1110可以对比较器1102的输出执行检查1602，以确定PD ADC 1的输出是否被存储在存储器810中。如果比较器1102的输出是正的，控制器1110可以将FLAG_1位和FLAG_2位宣称有效(如果此时两者都没有被宣称有效的话)，以防止存储器810被PD ADC 2的输出重写。然后，在PD ADC 1操作完成之后，计数器808可以被复位并从初始值开始计数。
PD ADC 2子阶段可以发生在时间T3A和时间T4之间，其中比较器1102可以将OF电压与从VPD-BREAK继续斜变到VRESET的第二斜坡VREF进行比较。如果第二斜坡VREF越过OF电压，则比较器1102的输出可以翻转，并且如果FLAG_1位和FLAG_2位都没有被宣称有效，则来自计数器808的计数值可以被锁存到存储器810中。
下表2提供了FLAG_1值和FLAG_2值之间的映射的示例，以及对于图16的布置，哪个测量操作将计数值存储在存储器810中：
表2
FLAG_1 FLAG_2 哪个测量操作将计数值存储在存储器810中
1 0 TTS
0 1 FD ADC
1 1 PD ADC 1
0 0 PD ADC 2
在图16的布置中，可以基于各种标准(例如预期的剩余电荷量)来配置VPD-BREAK，以最大化量化分辨率。例如，基于应用和/或操作条件，可以确定平均的剩余电荷量更接近光电二极管PD的饱和容量(由VPDSAT表示)。在这种情况下，可以将VPD-BREAK设置得更接近VPDSAT而不是VRESET，以减小第一输入电压范围并提高第一输入电压范围的量化分辨率。在一些示例中，VPD-BREAK也可以被设置在VPDSAT和VRESET之间的中点处。
图17示出了用于像素单元1100的控制信号的序列的示例，其具有被分成多个子阶段的FD ADC操作。如图17所示，可以在时间T0和时间T1之间设置时间断点TTTS-BREAK，以将TTS操作分成TTS1和TTS2子阶段。在时间T0，计数器808可以被复位并从初始值开始计数，并且比较器1102可以将OF电压与静态阈值VFDSAT进行比较。如果OF电压低于VFDSAT(这表明电荷存储单元608a饱和)，则比较器1102的输出翻转(从负到正)，来自计数器808的计数值可以被锁存到存储器810中。如果OF电压不低于VFDSAT，则比较器1102的输出可以保持为低，并且没有值被存储到存储器810中。
在时间TTTS-BREAK，控制器1110可以对比较器1102的输出执行检查1702。如果在时间TTTS-BREAK比较器1102的输出是正的，则控制器1110可以将FLAG_1位宣称有效，以防止后续的TTS2、FD ADC和PD ADC操作。如果比较器1102的输出保持为负(没有翻转)，则在TTTS-BREAK，FLAG_1位将不被宣称有效。在TTTS-BREAK，计数器808也可以被复位并从初始值开始计数。在时间TTTS-BREAK时间和时间T1之间，比较器1102可以将OF电压与静态阈值VFDSAT进行比较。如果OF电压低于VFDSAT(这表明电荷存储单元608a饱和)，则比较器1102的输出翻转(从负到正)，来自计数器808的计数值可以被锁存到存储器810中。如果OF电压不低于VFDSAT，则比较器1102的输出可以保持为低，并且没有值被存储到存储器810中。
在时间T1，控制器1110可以对比较器1102的输出执行检查1202。如果在时间T1比较器1102的输出是正的，则控制器1110可以将FLAG_1位(如果FLAG_1位在时间TTTS-BREAK没有被宣称有效的话)和FLAG_2位宣称有效。如果比较器1102的输出保持为负，则FLAG_1位和FLAG_2位将保持被宣称无效，这允许后续的FD ADC或PD ADC操作之一将计数值存储到存储器810中。
下面的表3提供了FLAG_1值和FLAG_2值之间的映射的示例，以及对于图17的布置，哪个测量操作将计数值存储在存储器810中：
表3
在图17的布置中，可以基于各种标准(例如预期的入射光强度)来配置TTTS-BREAK，以最大化量化分辨率。例如，基于应用和/或操作条件，可以确定平均入射光强度使得饱和时间更接近T0并且在TTS1的时间段内。在这种情况下，可以将TTTS-BREAK设置得更接近T0而不是T1，以提高TTS1的量化分辨率。在一些示例中，TTTS-BREAK也可以设置在T0和T1之间的中点处。
虽然图15至图17中的每一个示出了TTS、FD ADC或PD ADC操作被分割，但是应当理解，它们都可以在同一多模式测量操作中被分成多个子阶段。
图18示出了测量光强度的示例方法1800的流程图。该方法可以由像素单元1100的处理电路来执行，处理电路包括例如M0、M1、M2和M6开关、电荷存储单元608a、比较器1102、控制器1110等。
在步骤1802中，溢出电荷可以从光电二极管PD转移到电荷存储单元608a以产生第一电压。转移可以发生在光电二极管PD响应入射光而产生电荷时的曝光周期期间。光电二极管PD可以存储该电荷中的部分电荷作为剩余电荷，并且如果光电二极管PD饱和，则经由M1开关将该电荷中的其余电荷作为溢出电荷转移到电荷存储单元608a。
在步骤1804中，比较器1102可以将第一电压与第一斜坡阈值电压进行比较，以产生第一判定。第一判定可以指示第一电压是否越过第一斜坡阈值电压。
在步骤1806中，可以基于第一判定生成第一数字值来表示溢出电荷的量。在一些示例中，自由运行计数器可以在第一斜坡阈值电压的起始点开始计数并产生计数值，并且在产生第一判定时由计数器产生的第一计数值可以被存储在存储器中。第一计数值可以是第一数字值。
在步骤1808中，剩余电荷可以从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第二电压。在该转移之前，电荷存储单元可以被复位以移除溢出电荷。电荷存储单元的电容可以被减小(例如，通过从COF断开CEXT)，以增加电荷到电压的转换率。
在步骤1810中，比较器1102可以将第二电压与静态阈值电压进行比较，以确定光电二极管是否饱和，从而产生第二判定。静态阈值电压可以表示当COF电容器存储使光电二极管PD饱和的剩余电荷量时在COF电容器处的电压，例如VPDSAT。在一些示例中，静态阈值电压可以被暗电流电压VDARK-PD偏移，该暗电流电压VDARK-PD可以表示在光电二极管PD处(在曝光周期期间)和在浮置漏极节点处(在剩余电荷的转移期间)由暗电流沉积的暗电荷的总量。在一些示例中，如果第二判定指示光电二极管PD饱和，则控制器1110可以将信号(例如，FLAG_2位)宣称有效以锁定存储器810。
在步骤1812中，比较器1102可以将第二电压与第二斜坡阈值电压进行比较，以产生第三判定。第三判定可以指示第二电压是否越过第二斜坡阈值电压。
在步骤1814中，比较器1102可以基于第三判定生成第二数字值。例如，在产生第三判定时来自计数器808的第二计数值可以是第二数字值。
在步骤1816中，控制器1110可以基于第二判定输出第一数字值或第二数字值之一来表示光的强度。在一些示例中，存储器基于步骤1810中的第二判定被锁定，这防止存储器存储第二数字值，并且从存储器输出第一数字值。在一些示例中，第一数字值和第二数字值都被存储在存储器中，并且控制器1110可以基于第二判定从存储器选择第一数字值或第二数字值之一用于输出。
图19示出了测量光强度的示例方法1900的流程图。该方法可以由像素单元1100的处理电路来执行，处理电路包括例如M0、M1、M2和M6开关、电荷存储单元608a、比较器1102、控制器1110等。
在步骤1902中，电荷可以从光电二极管PD转移到电荷存储单元608a以产生第一电压。电荷可以是对于TTS或FD ADC测量的溢出电荷，也可以是对于PD ADC测量的剩余电荷。
在步骤1904中，在第一时间，控制器1110可以控制计数器(例如，计数器808)从初始值开始计数。可以通过复位计数器然后释放复位来执行步骤1904。步骤1904可以在步骤1902的电荷转移开始时执行(例如，对于TTS)，在电荷转移的中间执行(例如，对于FD ADC)，或者在电荷转移完成之后执行(例如，对于PD ADC)。
在步骤1906中，比较器1102可以在第一时间和第二时间之间将电压与第一阈值进行比较，以产生第一判定。第二时间可以对应于电压断点(对于FD ADC和PD ADC)或时间断点(对于TTS)。第一阈值可以是在电压断点处结束的静态阈值电压(对于TTS)或斜坡阈值电压(对于FD ADC和PD ADC)。在产生第一判定时，来自计数器的第一计数值可以被存储在存储器中。
在步骤1908中，控制器1110可以确定在第一时间和第二时间之间是否产生了第一判定。如果产生了第一判定(在步骤1910中)，则控制器1110可以进行到步骤1912以锁定存储器，以防止存储在存储器中的第一计数值被重写。
如果没有产生第一判定(在步骤1910中)，或者在存储器被锁定(在步骤1912中)之后，控制器1110可以进行到步骤1914。在步骤1914中，在第三时间，控制器1110可以控制计数器从初始值开始计数。类似于步骤1904，可以通过复位计数器然后释放复位来执行步骤1914。步骤1914可以在步骤1902的电荷转移开始时执行(例如，对于TTS)，在电荷转移的中间执行(例如，对于FD ADC)，或者在电荷转移完成之后执行(例如，对于PD ADC)。
在步骤1916中，比较器1102可以在第三时间和第四时间之间将电压与第二阈值进行比较，以产生指示电压越过第二阈值的第二判定。第二阈值可以是与步骤1906中相同的静态阈值电压(对于TTS)，或者是从电压断点起始的斜坡阈值电压的部分(对于FD ADC和PDADC)。
如果产生了第二判定(在步骤1918中)，并且如果存储器没有被锁定(在步骤1920中)，则在步骤1922中，当产生第二判定时由计数器产生的第二计数值可以被存储到存储器中。但是如果没有产生第二判定(在步骤1918中)，或者如果存储器被锁定(在步骤1920中)，则存储在存储器中的第一计数值可以被保持。在步骤1924中，可以输出存储在存储器中的计数值(第一计数值或第二计数值)来表示光强度。
本公开的示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示例。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。在一些示例中，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。
本公开的示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。
本公开的示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示例。
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，示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 (18)

1.一种用于测量入射光的强度的装置，包括：
光电二极管；
电荷存储单元；和
处理电路，其被配置为：
将溢出电荷从所述光电二极管转移到所述电荷存储单元以产生第一电压；
将所述第一电压与第一斜坡阈值电压进行比较，以产生第一判定，所述第一判定指示所述第一电压是否越过所述第一斜坡阈值电压；
基于所述第一判定，生成第一数字值，所述第一数字值表示所述溢出电荷的量；
将剩余电荷从所述光电二极管转移到所述电荷存储单元以产生第二电压；
将所述第二电压与静态阈值电压进行比较，以确定所述光电二极管是否饱和，从而产生第二判定，其中所述静态阈值电压表示当所述电荷存储单元存储等于所述光电二极管的饱和容量的剩余电荷的量时在所述电荷存储单元处的电压；
将所述第二电压与第二斜坡阈值电压进行比较，以产生第三判定，所述第三判定指示所述第二电压是否越过所述第二斜坡阈值电压；
基于所述第三判定，生成第二数字值；和
基于所述第二判定，输出所述第一数字值或所述第二数字值之一，用于表示由所述光电二极管接收的光的强度；
其中，如果所述第一判定基于所转移的溢出电荷来指示所述光电二极管饱和，则所述处理电路能够选择所述第一数字值作为输出，所述第一数字值度量存储在所述电荷存储单元中的溢出电荷的量，而如果所述第一判定或者所述第二判定指示所述光电二极管未饱和，则所述处理电路能够选择所述第二数字值作为输出，所述第二数字值度量存储在所述光电二极管中的剩余电荷的量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述静态阈值电压包括电压偏移，所述电压偏移表示由暗电流沉积的暗电荷。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二斜坡阈值电压从所述静态阈值电压起始或结束。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括：
计数器；和
存储器；
其中所述处理电路被配置成：
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；
基于所述第三判定，将来自所述计数器的第二计数值作为所述第二数字值存储在所述存储器中；和
基于所述第二判定，从所述存储器输出所述第一数字值或所述第二数字值之一。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述处理电路被配置为基于所述第二判定，在所述存储器中用所述第二计数值重写所述第一计数值。
6.根据权利要求4所述的装置，还包括寄存器；
其中所述处理电路被配置成：
将指示所述第二判定的第一标志值存储在所述寄存器中；和
基于来自所述寄存器的指示所述第二判定的第一标志值，从所述存储器输出所述第一数字值或所述第二数字值之一。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述处理电路被配置成：
当所述第一斜坡阈值电压达到第一断点电压时，确定所述第一判定的状态，其中所述第一断点电压对应于斜变期间在预定时间处的所述第一斜坡阈值电压的值；
将指示所述第一判定的状态的第二标志值存储在所述寄存器中；和
基于来自所述寄存器的指示所述第二判定的第一标志值和指示所述第一判定的状态的第二标志值，输出所述第一数字值或所述第二数字值之一。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述处理电路被配置为当所述第一斜坡阈值电压达到所述第一断点电压时，复位所述计数器。
9.根据权利要求6所述的装置，其中所述处理电路被配置成：
当所述第二斜坡阈值电压达到第二断点电压时，确定所述第三判定的状态，其中所述第二断点电压对应于斜变期间在预定时间处的所述第二斜坡阈值电压的值；
将指示所述第三判定的状态的第二标志值存储在所述寄存器中；和
基于来自所述寄存器的指示所述第二判定的第一标志值和指示所述第三判定的状态的第二标志值，输出所述第一数字值或所述第二数字值之一。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述处理电路被配置为当所述第二斜坡阈值电压达到所述第二断点电压时，复位所述计数器。
11.根据权利要求6所述的装置，其中所述静态阈值电压是第一静态阈值电压；和
其中所述处理电路被配置成：
将所述第一电压与第二静态阈值电压进行比较，以产生第四判定，所述第二静态阈值电压表示所述电荷存储单元的饱和容量；
将指示所述第四判定的第二标志值存储在所述寄存器中；
基于所述第四判定，存储来自所述计数器的第三计数值作为第三数字值；和
基于指示所述第二判定的第一标志值和指示所述第四判定的第二标志值，输出所述第一数字值、所述第二数字值或所述第三数字值之一，用于表示由所述光电二极管接收的光的强度。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述处理电路被配置成：
在预定时间段内将所述第一电压与所述第二静态阈值电压进行比较；
当所述时间段的预定部分已经过去时，确定所述第四判定的第一状态；
将指示所述第四判定的第一状态的第一标志值存储在所述寄存器中；
当所述时间段已经过去时，确定所述第四判定的第二状态；
将指示所述第四判定的第二状态的第二标志值存储在所述寄存器中；和
基于指示所述第二判定的第一标志值、指示所述第四判定的第一状态的第一标志值和指示所述第四判定的第二状态的第二标志值，输出所述第一数字值、所述第二数字值或所述第三数字值之一，用于表示由所述光电二极管接收的光的强度。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述处理电路被配置为当所述时间段的预定部分已经过去时，复位所述计数器。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述电荷存储单元的电荷存储容量能够由所述处理电路配置；
其中所述处理电路被配置成：
将所述电荷存储单元配置为具有第一容量以产生所述第一电压；和
将所述电荷存储单元配置为具有小于所述第一容量的第二容量，
以产生所述第二电压。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述电荷存储单元包括浮置漏极节点和电容器。
16.一种用于测量入射光的强度的方法，包括：
将溢出电荷从光电二极管转移到电荷存储单元以产生第一电压；
将所述第一电压与第一斜坡阈值电压进行比较，以产生第一判定，所述第一判定指示所述第一电压是否越过所述第一斜坡阈值电压；
基于所述第一判定生成第一数字值，所述第一数字值表示所述溢出电荷的量；
将剩余电荷从所述光电二极管转移到所述电荷存储单元以产生第二电压；
将所述第二电压与静态阈值电压进行比较，以确定所述光电二极管是否饱和，从而产生第二判定，其中所述静态阈值电压表示当所述电荷存储单元存储等于所述光电二极管(602)的饱和容量的剩余电荷的量时在所述电荷存储单元处的电压；
将所述第二电压与第二斜坡阈值电压进行比较，以产生第三判定，所述第三判定指示所述第二电压是否越过所述第二斜坡阈值电压；
基于所述第三判定生成第二数字值；和
基于所述第二判定，输出所述第一数字值或所述第二数字值之一，用于表示由所述光电二极管接收的光的强度；
其中，如果所述第一判定基于所转移的溢出电荷来指示所述光电二极管饱和，则输出所述第一数字值，所述第一数字值度量存储在所述电荷存储单元中的溢出电荷的量，而如果所述第一判定或者所述第二判定指示所述光电二极管未饱和，则输出所述第二数字值，所述第二数字值度量存储在所述光电二极管中的剩余电荷的量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二斜坡阈值电压从所述静态阈值电压起始或结束。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
基于所述第一判定，将来自计数器的第一计数值作为所述第一数字值存储在存储器中；
基于所述第三判定，将来自所述计数器的第二计数值作为所述第二数字值存储在所述存储器中；和
基于所述第二判定，从所述存储器输出所述第一数字值或所述第二数字值之一。
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