CN1631033A - 时间积分像素传感器中的数字双采样 - Google Patents

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CN1631033A CNA028247124A CN02824712A CN1631033A CN 1631033 A CN1631033 A CN 1631033A CN A028247124 A CNA028247124 A CN A028247124A CN 02824712 A CN02824712 A CN 02824712A CN 1631033 A CN1631033 A CN 1631033A
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Abstract

一种双采样时间积分像素传感器，具有光检测器(102)；电容器(104)；电压选择器(120)，输出第一(122)和第二(124)参考电压；比较器(110)；逻辑开关(116)；第一像素数据缓冲(130)和反相器(132)，配置用于在由电容器(104)感应的光电压超过第一参考电压(122)时，接收第一全局计数器值；第二像素数据缓冲(134)，配置用于在由电容器(104)感应的光电压超过第二参考电压(124)时，接收第二全局计数器值；全局计数器(111)，用于输出计数器值到每个像素传感器。通过储存在第一和第二数据缓冲中的第一和第二计数器值之间的差来确定落在光检测器(102)上的光能量。

Description

时间积分像素传感器中的数字双采样
相关申请交叉引用
本申请的主题与随同提交并具有相同申请日、题为“TIMEINTEGRATING PIXEL SENSOR”的联合未决美国申请(律师案卷编号为CML00031D)＿＿＿＿相关，其转让给了摩托罗拉公司，并且在此通过引用将其特别结合进来。
技术领域
本发明一般涉及用于图像传感的技术和装置，更具体涉及用于获取光电流的数字测量的方法和装置。
背景技术
通常的光检测器，诸如电荷耦合器件(CCD)，是由像素阵列构成的，每像素都具有其自己的PN结光电二极管。每个光电二极管具有与之相关联的电容，并且当光落在检测器上时，生成的光电流对电容进行充电。因此，累积的电荷是落在每像素上的光强度的时间积分。CCD周期性、连续地开关电荷到视频线，从而产生一系列脉冲，其可以被转换成表示阵列上光模式入射的电压信号。如果积分时间太长，器件就会饱和。如果积分时间太短，电压信号就会丢失在器件噪声中。当检测器复位时，电容对其上的电压进行放电，但电压不会变为0，因为电路上有残留的电噪声。该噪声也被称为复位噪声。例如，在读取每像素的电荷包之后在输出传感电容中可能保留大约100个电子的均方根(rms)水平。复位噪声与温度成比例地增加，因此在需要在更高温度操作的器件中，该问题更为值得关注。
一种降低复位噪声的方法是通过双采样技术使用模拟差分测量。这种方法首先将输出传感电容中的初始电荷偏移镜像到另一电容上，然后在预定的积分时间内读取累加的信号电荷。在这两个模拟值上基于每列或基于每像素来进行差分测量。由于初始读数被作为差分放大器的输出，所以基于列的计算需要两倍的带宽，而基于像素的差分测量对较高温度敏感。技术缩放产生了额外要关注的问题，差分测量变得对温度变化更加敏感，且较低的偏压级使得复位操作更难于进行。
根据前述讨论可以看出，本领域需要在出现复位噪声时更具鲁棒性的像素传感器和图像传感器阵列。
附图说明
通过所附权利要求中的特性阐述了本发明被认为具有新颖性的特征。但是，通过参考下面的本发明的详细描述，可以在组织和操作方法两方面最好地理解本发明自身及其目标和优点，本发明的详细描述结合附图说明了本发明的特定示例性实施例，在附图中：
图1是根据本发明一个方面的光电二极管传感器的框图。
图2是根据本发明一个方面、示出作为光电二极管的积分时间的函数的光电压的图。
图3是根据本发明一个方面、使用光电二极管传感器阵列的系统的框图。
图4是示出根据本发明感应光能量的方法的流程图。
图5A-5C是根据本发明的器件的三个可替换实施例的框图。
图6是根据本发明实施例的电路图。
图7是说明本发明实施例的图。
具体实施方式
尽管本发明易受许多不同形式的实施例的影响，但图中示出并在此在详细的特定实施例中进行了描述，并且应当理解，本公开希望被视为本发明原理的示例，而不想把本发明限制到所示出和描述的特定实施例。在下面的说明书中，类似的参考标号可用于在附图的几个视图中描述相同、相似或相应部分。
现在参看图1，示出了本发明优选实施例的时间积分像素结构100。像素结构100包括光检测器102和电容为Cfd的浮动扩散电容器104。在操作中，光电流对浮动扩散电容器进行充电，并产生光电压106。允许电荷直接从光检测器移动到扩散电容器，而不使用传输门。由浮动扩散电容感应的光电压106和参考电压126作为比较器110的输入而施加。如果系统在时间t＝0复位，则时间t的电容器上的电压V是光电流i的时间积分，由下式给出：
V = 1 C fd ∫ 0 t i ( τ ) dτ + V reset = it C fd + V reset
其中，Cfd是浮动扩散电容器的电容，t是电容器的积分时间，Vreset是由于复位噪声而带来的电压。光电流由下式给出：
i = PqQEλ hc
其中，P是发光强度，q是电子上的电荷，λ是光波长，c是光速，h是普朗克常量，QE是光检测器的量子效率。因此，电容器上的电压与积分时间相关：
V = PqQEλt C fd hc + V reset = P K t + V reset
其中， K = C fd hc qQEλ 是常量。对于发光强度Pi，达到参考电压V1的时间为
t 1 = K ( V 1 - V reset ) P i
也就是说，在积分时间t1之后，由浮动扩散电容器所感应到的光电压106和参考电压126是相等的。在图1所示的像素结构中，全局计数器111在时间t＝0时复位。全局计数器的值通过像素数据存储译码器112和数据总线114施加到像素结构。开关116向选择器120提供逻辑控制信号118，使两个参考电压122和124中的一个传递到选择器120的输出126。最初，选择两个电压122和124中较低的。当对于特殊像素，光电压106超过参考电压126时，比较器110的输出128的值会发生改变。此时，将全局计数器值锁存并储存在第一像素数据缓冲130中。可选地，计数器值可以通过将其传递通过反相器132而取反。锁存计数器值避免了对比较器输出询问的需要。在优选实施例中，计数器值储存作为像素数据缓冲130中的10比特值。但是，也可使用不同大小的缓冲。通常，较大的缓冲较为昂贵但提供更高的精确度。缓冲中的每个比特使用一个锁存器。在图中，假定锁存机制是像素数据缓冲的积分部分。在计数器值储存在第一像素数据缓冲130之后，切换逻辑控制信号118，以使两个电压122和124中的较高的传递到选择器120的输出126。这提供了更高的参考电压电平。当超过较高的参考电压电平时，全局计数器的值锁存到第二像素数据缓冲134中。之后，第一和第二像素数据缓冲包含全局计数器值，其对应于传感电容器达到这两个参考电压所用的时间。
对于发光强度Pi，达到较高参考电压V2的时间为：
t 2 = K ( V 2 - V reset ) P i .
两段积分时间的差为：
t 2 - t 1 = K ( V 2 - V 1 ) P i
其与复位电压Vreset不相关。发光强度Pi可如下式计算：
P i = K ( V 2 - V 1 ) t 2 - t 1 .
发光强度Pi因此可通过两个参考电压、两个积分时间和常量K而计算出。
图1中所示的装置提供了与发光强度相关的直接数字值(两个计数器值)。这与现有系统形成对比，在现有技术系统中，感应模拟电压，然后使用模数转换器将其转换成数字值。本发明的系统相比较于现有技术系统的简化允许传感器更小、更便宜。此外，计算出的发光强度不对复位电压敏感。
在图1中，只示出了单独的像素传感器。但是，可以预想，可将像素传感器阵列集成在单独的器件(诸如CMOS器件)中，其可以结合本发明使用。像素数据存储译码器112连接到数据总线114，用于对来自单独像素传感器的数据进行译码并将其通过数据总线136发送到处理器(未示出)。开关116中的逻辑元件用于将来自像素数据缓冲130和134的数据发送到总线114。
图2是示出对于本发明的光电二极管传感器，积分时间与光电压的函数关系的图。标有Pk的线示出了对于具有光能Pk的光，积分时间与光电压之间的关系。在时间t1，光电压达到第一参考电压V1，如图中A所标。此时，比较器(图1中的110)的输出值切换。这使得全局计数器被锁存到第一像素数据缓冲(图1的130)中。在稍后的时间t2，光电压将达到第二参考电压V2，如图中B所标。此时，全局计数器被锁存到第二像素数据缓冲(图1的134)中。在更靠后的时间tmax，光电压将达到饱和电平Vsat。
如果增加参考电压，就需要更长的积分时间。如果降低参考电压，则将需要更短的积分时间。甚至在没有光入射到光检测器上时，由于电噪声，在传感器上也将会出现很小的电流和电压。低于电压固有噪声电平的电压电平将不可检测，因此第一电压参考电平优选地设置得高于电压固有噪声电平。电容器可储存的电荷量有上限。对应于此最大电荷的电压被称为饱和电压。第二电压参考电平设置在或设置得低于该饱和电压。
积分时间可以从计数器值之间的差来确定。如果t1时刻的计数器值标为N1，t2时刻的计数器值标为N2，则光能量由下式给出：
P i = C V 2 - V 1 N 2 - N 1 ,
其中，C＝K×fcounter是常量，fcounter是计数器频率。该计算可由处理器进行。图1中的像素数据存储译码器112还用于将全局计数器111通过总线114连接到单独的像素传感器。
参看图3，单独的像素传感器优选在阵列302中排列。阵列的每个元件包括光检测器、电连接到光检测器的浮动扩散电容器以及比较器。比较器具有：第一输入，用于接收参考电压；第二输入，电连接到浮动扩散电容器；以及输出。每个元件还包括像素数据缓冲，可以是随机存取存储器(RAM)。像素阵列以与用于标准存储器(DRAM、SRAM等)寻址相同的方式来寻址。像素的每列优选连接到其自己的数据总线。行地址发送到像素行地址译码器304，该译码器使用字行314选择特殊像素行。像素列地址译码器306还包括数据译码器，可用于根据所选行，从所选的像素列接收数据或向所选的像素列发送数据。这允许寻址单独的像素，使得数据可以通过像素比特线316被“写入”像素或从像素中读出。全局序列发生器312连接到系统控制器310。全局序列发生器产生查找表地址324和334，其被传递到查找表326和334。查找表1(326)用于将查找表地址324转换成电压参考值，将电压参考值传递到数模转换器(DAC)328。DAC 328随后产生参考电压108，将参考电压108传递到像素阵列302。查找表2(334)用于将实际计数器值转换成系统合适的数字代码值，通过像素列译码器308将代码值传递到像素。数字代码值不需要相对于实际计数器值线性。数字代码值可以对应于对于给定电压参考与每个计数器值相关联的光能级。这避免了稍后计算光能级的需要。此外，像素时序控制器308连接到行和列译码器以控制访问单独阵列元件的时序。像素比特数据由行译码器306通过比特线316感应，数据作为多路复用数据流322发送到图像处理器和系统控制器310。图像处理器对每个像素传感器进行从积分时间到光能量的转换，并可以进行其他图像处理功能，诸如色彩处理或压缩。表示处理后图像的数据在318从图像处理器输出。该转换可以通过查找表或者通过计算或者二者的组合来进行。包括在310中的系统控制器提供像素阵列时序和控制信号320，其被传递到像素时序和控制单元308。像素时序和控制单元308控制像素行译码器304和像素列译码器306。包括在310中的系统控制器还提供对全局计数器312的控制。
在图4中示出了描绘出当前发明方法的一个实施例的流程图。操作开始于开始框402。像素光检测器在框404复位，例如对浮动扩散电容放电。在框405选择两参考电压中较低的。光检测器的输出在框406积分。如果使用浮动放电电容器，则光检测输出电流通过电容器积分以产生光电压。在判断框408，将光电压与参考电压作比较。如果光电压小于参考电压，如判断框408的肯定分支所示，全局计数器的当前值(施加到像素传感器)在框410被储存到第一像素数据缓冲中。随后流程继续到判断框412。如果光电压超过参考电压，如判断框408的否定分支所示，在框411选择较高的参考电压，积分过程继续。判断框408可以实现为比较器。因此，最后储存在第一像素数据缓冲中的值将是光电压达到较低参考电压时的计数器值。因此将该值锁存到像素数据缓冲中。当光电压小于较高参考电压时，如判断框408的肯定分支所示，全局计数器的当前值在框410被储存到第二像素数据缓冲中。当超过较高参考电压时，当前全局计数器值不再写入到第二像素数据缓冲，因此越过阈值时的值被锁存到缓冲中。在判断框412，进行检查，以判定是否超出了积分的最大时间。如果超出了最大时间，如判断框412的肯定分支所示，读取像素数据缓冲。如果没有超出最大时间，如判断框412的否定分支所示，系统等待，直到超出该时间。在框414，读取像素数据缓冲，是否达到参考电压。在框416，通过从像素数据缓冲读取的计数器值来确定光能量。该确定可在积分处理器或在传感器阵列外部的处理器中进行。该确定可使用下述计算：
P i = C V 2 - V 1 N 2 - N 1
当使用图1中的反相器132时，将值(-N1)储存在第一像素数据缓冲中，因此表达式中的分母可以通过简单加上来自这两个像素数据缓冲的值而计算。
计算可以使用查找表来进行，该查找表通过计数器差N2-N1来索引，或者通过从计数器差计算出的积分时间来索引。
在上述实施例中，每个像素元件包括两个数据缓冲，差N2-N1的计算是由像素元件外部的处理器来进行的。在另一实施例中，和N2+(-N1)是由与每个像素元件结合的加法器来进行的。加法器可以是串行加法器或并行加法器。该实施例的优点在于，从像素元件阵列到外部处理器的数据率降到了原来的二分之一，因为只有计数器值之间的差被传递到了处理器。
在又一实施例中，像素阵列配置成集成电路，包括由像素元件共享的一个或多个加法器。此外，流向外部处理器的数据流减小了。
在又一实施例中，像素数据缓冲并没有与每个像素元件结合。而是将中央存储器用于所有的像素元件。该中央存储器可以是包括像素阵列的集成电路的一部分，或可以是独立的存储器，其封装有像素阵列或通过数据总线连接到像素阵列。
在图5A-5C中示出了这些各种不同实施例中的某些。图5A描绘了包括像素元件阵列510的像素阵列502。加法器512和像素数据存储器514并未与每个单独的像素元件结合。而是与像素阵列集成在单独的集成电路中，如虚线所示，或者它们可以独立于像素阵列集成电路并通过总线连接到该集成电路。图5B描绘了像素传感器阵列504，其中的加法器512并没有与每个单独像素元件相结合。但是，像素数据存储器和像素元件集成在组合的像素阵列/存储器单元516中。如图1所示，每个像素元件具有两个与之相关联的数据缓冲。加法器512可与像素阵列集成在单独集成电路中，如虚线所示，或者独立于像素阵列集成电路并通过总线连接到该集成电路。图5C描绘了像素传感器阵列504，其中的加法器和像素数据缓冲与每个单独的像素元件相结合，使得所有的元件都包括在组合的像素阵列/存储器阵列/加法器阵列518中。
图6中示出了本发明的进一步的实施例。该实施例实现了光电压的数字双采样。为了在一个单独帧内捕获两个电压读数并由此进行数字双采样，指定像素在电压捕捉模式中操作。参看图6，T_SAMP信号602是触发信号，用于触发采样和保持单元604并在两个不同的时刻读取光电二极管电压106。采样和保持(S/H)单元604在每个采样情况中对电容104上的电压采样，并将值锁存到比较器110的输入之一。相同信号也用于控制开关框(SW)116，从而读取来自数据总线114的数字值并在合适时将其储存在寄存器130或134中。V_RAMP信号608是线性电压斜上升，用作参考，以比较光电二极管的采样电压，并在合适时刻加载在触发比较器110时来自总线114的数字值。因为两个差值是在不同时刻在比较器上采样的，V_RAMP信号必须斜上升两次以进行这两个值的数字映射。这需要数据总线以两倍的速度操作，因为相同数字值的序列在单独帧内需要在总线中获得两次。图6剩余的元件上面参考图1进行了描述。
图7图示说明了信号T_SAMP和V_RAMP与采样光电二极管电压的时域工作状况。T_SAMP信号在时刻T1和T2提供触发，对应于T_SAMP电压信号的上升沿。电压参考信号V_RAMP，如图中虚线所示，在时刻T1和T2从最小值开始升高。在此实施例中，V_RAMP信号具有“锯齿”波形，每帧周期内具有两个脉冲。在采样时刻T1，光电压达到了电平V1。该值被采样和保持，如采样和保持电压图线所示。当V_RAMP信号与采样和保持信号相等时，如点702所示，将来自数字数据总线的值储存在第一寄存器(图6中的130)中。在采样时刻T2，光电压达到电平V2。该值被采样和保持，如采样和保持电压图线所示。当V_RAMP信号与采样和保持信号相等时，如点704所示，将来自数字数据总线的值取反储存在第二寄存器(图6中的134)中。储存在寄存器中的值随后通过数据总线被读取并用于确定落在该像素上的光能量。该过程在每个T_FRAME周期中重复。
本领域普通技术人员将认识到，本发明是通过示范性实施例来描述的，基于对光检测器输出进行积分的电容器以及将全局计数器值锁存到像素数据缓冲中的比较器的使用。但是，本发明不应该被这样限制，因为本发明可以使用硬件或软件组件来实现，这些硬件或软件组件等价于那些描述和要求权益的。许多其他的变化对本领域普通技术人员也是显然的。
虽然本发明是结合特定实施例描述的，但很显然，通过前面的描述，许多更改、修改、置换和变化对于本领域普通技术人员来说都将变得愈加显然。因此，本发明希望包含落入所附权利要求范围内的所有这样的更改、修改和变化。

Claims (38)

1.一种时间积分像素传感器，包括：
光检测器；
电容性元件，电连接到所述光检测器；
比较器元件，具有用于接收第一和第二参考电压的第一输入，电连接到所述电容性元件的第二输入，以及输出；
第一像素数据缓冲，响应于所述比较器的输出，可操作在超出所述第一参考电压时储存全局计数器的第一计数器值；和
第二像素数据缓冲，响应于所述比较器的输出，可操作在超出所述第二参考电压时储存所述全局计数器的第二计数器值。
2.根据权利要求1所述的时间积分像素传感器，还包括：
电压选择器，具有第一和第二选择器输入以及输出，其中输出电连接到所述比较器的第一输出，可操作向其提供参考电压；和
电压参考供应元件，电连接到第一和第二选择器输入，可操作向其提供第一和第二参考电压。
3.根据权利要求2所述的时间积分像素传感器，其中，所述电压参考供应元件包括数模转换器。
4.根据权利要求1所述的时间积分像素传感器，还包括：
全局计数器，连接到所述第一和第二像素数据缓冲，可操作向其提供计数器值。
5.根据权利要求4所述的时间积分像素传感器，还包括：
开关，响应于所述比较器输出，可操作将所述第一像素数据缓冲和所述第二像素数据缓冲之一连接到所述全局计数器。
6.根据权利要求1所述的时间积分像素传感器，还包括：
反相器，连接到所述第一像素数据缓冲，可操作在所述第一像素数据缓冲中储存之前对所述第一计数器值取反；和
加法器，连接到所述第一和第二像素数据缓冲，可操作将第二计数器值添加到取反的第一计数器值，从而获得计数器差值。
7.根据权利要求6所述的时间积分像素传感器，还包括处理器，可操作连接到所述加法器，所述处理器可操作将所述计数器差值转换成光能量电平。
8.根据权利要求7所述的时间积分像素传感器，其中，所述处理器根据 P = C V 2 - V 1 D 来计算光能量电平P，其中C为常量，V1是第一参考电压，V2是第二参考电压，D是计数器差值。
9.根据权利要求7所述的时间积分像素传感器，其中，所述处理器使用储存在存储器中的查找表。
10.根据权利要求1所述的时间积分像素传感器，还包括处理器，可操作连接到所述第一和第二像素数据缓冲，并可操作将所述第一和第二计数器值转换成光能量电平。
11.根据权利要求10所述的时间积分像素传感器，其中，所述处理器根据 P = C V 2 - V 1 N 2 - N 1 来计算光能量电平P，其中C为常量，V1是第一参考电压，V2是第二参考电压，N1是第一计数器值，N2是第二计数器值。
12.根据权利要求10所述的时间积分像素传感器，其中，所述处理器使用储存在存储器中的查找表。
13.根据权利要求1所述的时间积分像素传感器，还包括：
像素数据存储译码器，连接到所述第一和第二像素数据缓冲。
14.根据权利要求1所述的时间积分像素传感器，其中，所述第一和第二像素数据缓冲包括在每个所述像素数据缓冲中每比特的锁存器。
15.一种时间积分像素传感器，包括：
(a)像素元件阵列，具有多个行和多个列，每个像素元件包括：
光检测器；
电容性元件，电连接到所述光检测器；
比较器元件，具有用于接收第一和第二参考电压的第一输入，电连接到所述电容性元件的第二输入，以及输出；
第一像素数据缓冲，响应于所述比较器的输出，可操作在超出所述第一参考电压时储存全局计数器的第一计数器值；和
第二像素数据缓冲，响应于所述比较器的输出，可操作在超出所述第二参考电压时储存所述全局计数器的第二计数器值；
(b)电压参考供应元件，电连接到所述比较器的第一输入，可操作向其提供所述第一和第二参考电压；
(c)全局计数器，可操作连接到所述第一和第二像素数据缓冲，可操作向其提供计数器值；
(d)像素行译码器，可操作选择所述像素元件阵列中的像素元件行；
(e)像素列译码器，可操作选择所述像素元件阵列中的像素元件列并从中接收数据；和
(f)控制器，用于控制所述像素行译码器、所述像素列译码器和所述全局计数器。
16.根据权利要求15所述的时间积分像素传感器，其中，所述像素元件阵列的每个像素元件还包括：
反相器，连接到所述第一像素数据缓冲，用于将储存在所述第一像素数据缓冲中的第一计数器值取反；和
加法器，连接到所述第一和第二像素数据缓冲，可操作将第二计数器值添加到取反的第一计数器值，从而获得计数器差值。
17.根据权利要求16所述的时间积分像素传感器，其中，所述像素元件阵列的每个像素元件还包括：
反相器，连接到所述第一像素数据缓冲，用于将储存在所述第一像素数据缓冲中的第一计数器值取反；并且
还包括：
加法器，可操作连接到多个所述第一和第二像素数据缓冲，可操作将第二计数器值与取反的第一计数器值相加，以获得多个计数器差值。
18.根据权利要求15所述的时间积分像素传感器，还包括：
(g)图像处理器，可操作接收来自所述像素列译码器的数据。
19.根据权利要求15所述的时间积分像素传感器，其中，将所述时间积分像素传感器形成为集成电路半导体器件。
20.一种用于感应落在光检测器上的光的光能量的方法，所述光检测器具有用于接收光的输入和电输出，所述方法包括：
操作全局计数器；
对所述光检测器的电输出进行积分，以获得光电压；
将所述光电压与第一参考电压相比较；
如果所述光电压大于所述第一参考电压，就将所述全局计数器的第一计数器值锁存到第一像素数据缓冲中；
将所述光电压与第二参考电压相比较；
如果所述光电压大于所述第二参考电压，就将所述全局计数器的第二计数器值锁存到第二像素数据缓冲中；和
确定来自所述第一和第二计数器值的光能量。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述确定还包括：
从所述像素数据缓冲中读取第一和第二计数器值；
计算所述第二和第一计数器值之间的差值；和
通过所述差值来对查找表做索引。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述确定还包括：
从所述像素数据缓冲中读取第一和第二计数器值；
计算所述第二和第一计数器值之间的差值；和
根据 P = C V 2 - V 1 N 2 - N 1 来计算光能量P，其中C为常量，V1是第一参考电压，V2是第二参考电压，N1是第一计数器值，N2是第二计数器值。
23.一种用于感应落在像素传感器阵列上的光的光能量的方法，每个传感器具有第一像素数据缓冲、第二像素数据缓冲和光检测器，其中光检测器具有用于接收光的输入和电输出，所述方法包括：
对于像素传感器阵列的每个像素传感器：
对光检测器的电输出进行积分以获得光电压；
测量第一积分时间，作为所述光电压到达第一参考电压所用的时间；和
测量第二积分时间，作为所述光电压到达第二参考电压所用的时间；和
从所述第一和第二积分时间确定光能量。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，对于像素传感器阵列的每个像素传感器，所述积分包括在电容性元件中对光检测器的电输出进行积分。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括根据落在像素传感器阵列上的最小光能量来设置所述第一参考电压电平。
26.根据权利要求23所述的方法，还包括根据落在像素传感器阵列上的最大光能量来设置所述第二参考电压电平。
27.根据权利要求23所述的方法，还包括：
通过数模转换器产生所述第一和第二参考电压。
28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述测量包括：
操作全局计数器；和
对于像素传感器的每个像素传感器：
将所述光电压与第一参考电压相比较；
如果所述光电压大于所述第一参考电压，就将所述全局计数器的第一计数器值锁存到第一像素数据缓冲中；
将所述光电压与第二参考电压相比较；
如果所述光电压大于所述第二参考电压，就将所述全局计数器的第二计数器值锁存到第二像素数据缓冲中。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述确定还包括：
对所述阵列中的像素数据缓冲的行和列地址进行译码；
在所述行和列地址从所述像素数据缓冲中读取第一和第二计数器值；和
通过第二和第一计数器值之间的差来对查找表做索引。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述确定还包括：
对所述阵列中的像素数据缓冲的行和列地址进行译码；
从所述像素数据缓冲中读取锁存的全局计数器值；和
根据 P = C V 2 - V 1 N 2 - N 1 来计算光能量P，其中C为常量，V1是第一参考电压，V2是第二参考电压，N1是第一计数器值，N2是第二计数器值。
31.一种双采样像素传感器，包括：
光检测器；
电容性元件，电连接到所述光检测器；
采样和保持元件，具有电连接到所述电容性元件的输入以及输出，所述采样和保持元件可操作响应于触发信号；
比较器元件，具有用于接收斜上升电压信号的第一输入，电连接到所述采样和保持元件的输出的第二输入，以及输出；
第一像素数据缓冲，响应于所述比较器输出，可操作在第一次超出所述斜上升电压信号时储存全局计数器的第一计数器值；和
第二像素数据缓冲，响应于所述比较器输出，可操作在下一次超出所述斜上升电压信号时储存所述全局计数器的第二计数器值。
32.根据权利要求31所述的双采样像素传感器，还包括：
数据总线，连接到全局计数器，可操作提供多个全局计数器值；和
开关，可操作接收所述触发信号，配置用于根据所述触发信号将所述数据总线连接到所述第一或第二像素数据缓冲。
33.根据权利要求31所述的双采样像素传感器，还包括反相器，可操作在将所述第二计数器值储存在所述第二像素数据缓冲中之前对其取反。
33.根据权利要求31所述的双采样像素传感器，其中，所述斜上升电压信号具有锯齿波形，每帧周期内有两个脉冲。
34.一种用于感应落在光检测器上的光的光能量的方法，其中所述光检测器具有用于接收光的输入和电输出，所述方法包括：
产生斜上升电压信号；
对光检测器的电输出进行积分以获得光电压；
在第一时刻对所述光电压进行采样以获得第一采样光电压；
将所述第一光电压与所述斜上升电压信号相比较；
当所述第一光电压超过所述斜上升电压信号时，储存第一数字值到第一像素数据缓冲中；
在第二时刻对所述光电压进行采样以获得第二采样光电压；
将所述第二光电压与所述斜上升电压信号相比较；
当所述第二光电压超过所述斜上升电压信号时，储存第二数字值到第二像素数据缓冲中；和
从所述第一和第二数字值确定光能量。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述确定还包括：
从所述像素数据缓冲中读取第一和第二数字值；
计算所述第二和第一数字值之间的差值；和
通过所述差值对查找表做索引。
36.根据权利要求34所述的方法，还包括：
通过数据总线提供多个数字值；
在所述第一时刻将所述数据总线连接到所述第一像素数据缓冲；和
在所述第二时刻将所述数据总线连接到所述第二像素数据缓冲。
37.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一和第二时刻在帧周期中出现，并且，所述斜上升信号电压具有锯齿波形，每帧周期内有两个脉冲。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103391099A (zh) * 2013-07-15 2013-11-13 中国科学院微电子研究所 适用于一维缓变信号的随机采样器
WO2014000400A1 (zh) * 2012-06-29 2014-01-03 飞天诚信科技股份有限公司 一种光信号处理方法及装置
CN104204774A (zh) * 2011-12-02 2014-12-10 诺丁汉大学 用于光学评估的方法和系统以及光学检测器
CN103716052B (zh) * 2012-10-04 2017-04-12 株式会社索思未来 Ad转换电路、半导体装置以及ad转换方法
CN102883117B (zh) * 2011-07-15 2017-04-12 瑞萨电子株式会社 固态图像拾取设备
CN108700649A (zh) * 2016-02-29 2018-10-23 赛峰电子与防务公司 用于检测激光光斑的设备
CN110324547A (zh) * 2018-03-29 2019-10-11 亚德诺半导体无限责任公司 有源像素图像传感器
CN111801895A (zh) * 2018-03-20 2020-10-20 德克萨斯仪器股份有限公司 具有多个计数器的西格玛-德尔塔模数转换器
CN112399100A (zh) * 2019-08-14 2021-02-23 天津大学青岛海洋技术研究院 一种实现相关双采样的同步复位脉冲输出像素结构

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6664556B2 (en) * 2001-01-31 2003-12-16 Intel Corporation Method and apparatus for a phototransistor pulse width converter
US6954793B2 (en) 2002-05-13 2005-10-11 Thomson Licensing S.A. Pre-paid data card authentication in a public wireless LAN access system
KR100833177B1 (ko) * 2002-05-14 2008-05-28 삼성전자주식회사 자동적으로 오프 셋을 조정할 수 있는 신호변환회로 및 그방법
US7858912B2 (en) * 2002-08-16 2010-12-28 The Hong Kong University Of Science And Technology Ultra low voltage CMOS image sensor architecture
US20040042569A1 (en) * 2002-09-03 2004-03-04 Electro-Radiation Incorporated Method and apparatus to provide communication protection technology for satellite earth stations
US6888573B2 (en) * 2002-10-31 2005-05-03 Motorola, Inc. Digital pixel sensor with anti-blooming control
US7738014B2 (en) * 2002-12-05 2010-06-15 Atlab Inc. Image sensor and optical pointing system
US20100225579A1 (en) * 2002-12-05 2010-09-09 Atlab Inc. Image sensor and optical pointing system
KR100581296B1 (ko) * 2002-12-05 2006-05-17 주식회사 애트랩 움직임 검출용 이미지 센서와 그것을 사용한 이미지신호처리 시스템
EP1460838A1 (en) * 2003-03-18 2004-09-22 Thomson Licensing S.A. Image sensing device, process for driving such a device and electrical signal generated in a such device
US7148831B2 (en) * 2003-10-27 2006-12-12 Micron Technology, Inc. Variable quantization ADC for image sensors
JP4107269B2 (ja) * 2004-02-23 2008-06-25 ソニー株式会社 固体撮像装置
US20060007248A1 (en) * 2004-06-29 2006-01-12 Damoder Reddy Feedback control system and method for operating a high-performance stabilized active-matrix emissive display
GB0412296D0 (en) * 2004-06-02 2004-07-07 Council Cent Lab Res Councils Imaging device
US7462811B2 (en) * 2004-11-24 2008-12-09 Eastman Kodak Company Light detection circuit
US7362647B2 (en) * 2006-07-12 2008-04-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Power control circuit
CN102118585B (zh) * 2009-12-31 2013-01-02 比亚迪股份有限公司 在图像传感器中获取固定帧率动态图像的方法及装置
US8704912B2 (en) * 2011-01-20 2014-04-22 Canon Kabushiki Kaisha Apparatus and method for compressive sampling
US8809759B2 (en) * 2011-10-11 2014-08-19 Omnivision Technologies, Inc. Multiple-row concurrent readout scheme for high-speed CMOS image sensor with backside illumination
US20140104452A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Sub-pixels, image sensors having the same and image sensing systems
KR20160119587A (ko) 2015-04-06 2016-10-14 에스케이하이닉스 주식회사 카운팅 마스크를 이용한 ｄｄｓ 글로벌 카운팅 장치 및 그에 따른 씨모스 이미지 센서
KR101933009B1 (ko) * 2017-01-03 2019-03-15 아주대학교산학협력단 광-디지털 변환기
IL262372B (en) * 2018-10-14 2020-05-31 Semi Conductor Devices An Elbit Systems Rafael Partnership Pixel reading circuit and imaging method
KR102611704B1 (ko) * 2021-07-14 2023-12-07 연세대학교 산학협력단 이미지 센서 및 이미지 획득 방법

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3372555B2 (ja) * 1991-06-21 2003-02-04 キヤノン株式会社 光電変換装置
US5822468A (en) 1992-03-10 1998-10-13 Ivp Integrated Vision Products Ab Method of carrying out picture processing operations upon a two-dimensional picture and a device for carrying out said method
US5872596A (en) * 1992-09-28 1999-02-16 Canon Kabushiki Kaisha Device for widening the dynamic range of solid-state image pickup elements
US5565915A (en) * 1993-06-15 1996-10-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state image taking apparatus including photodiode and circuit for converting output signal of the photodiode into signal which varies with time at variation rate depending on intensity of light applied to the photodiode
JP3571770B2 (ja) * 1994-09-16 2004-09-29 キヤノン株式会社 光電変換装置
US6377303B2 (en) * 1997-11-26 2002-04-23 Intel Corporation Strobe compatible digital image sensor with low device count per pixel analog-to-digital conversion
US6330030B1 (en) * 1998-01-05 2001-12-11 Intel Corporation Digital image sensor with low device count per pixel analog-to-digital conversion
US6307195B1 (en) * 1999-10-26 2001-10-23 Eastman Kodak Company Variable collection of blooming charge to extend dynamic range

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102883117B (zh) * 2011-07-15 2017-04-12 瑞萨电子株式会社 固态图像拾取设备
CN104204774A (zh) * 2011-12-02 2014-12-10 诺丁汉大学 用于光学评估的方法和系统以及光学检测器
CN104204774B (zh) * 2011-12-02 2017-06-09 诺丁汉大学 用于光学评估的方法和系统以及光学检测器
WO2014000400A1 (zh) * 2012-06-29 2014-01-03 飞天诚信科技股份有限公司 一种光信号处理方法及装置
US9515744B2 (en) 2012-06-29 2016-12-06 Feitian Technologies Co., Ltd. Optical signal processing method and device
CN103716052B (zh) * 2012-10-04 2017-04-12 株式会社索思未来 Ad转换电路、半导体装置以及ad转换方法
CN103391099A (zh) * 2013-07-15 2013-11-13 中国科学院微电子研究所 适用于一维缓变信号的随机采样器
CN103391099B (zh) * 2013-07-15 2016-04-13 中国科学院微电子研究所 适用于一维缓变信号的随机采样器
CN108700649A (zh) * 2016-02-29 2018-10-23 赛峰电子与防务公司 用于检测激光光斑的设备
CN111801895A (zh) * 2018-03-20 2020-10-20 德克萨斯仪器股份有限公司 具有多个计数器的西格玛-德尔塔模数转换器
CN110324547A (zh) * 2018-03-29 2019-10-11 亚德诺半导体无限责任公司 有源像素图像传感器
CN112399100A (zh) * 2019-08-14 2021-02-23 天津大学青岛海洋技术研究院 一种实现相关双采样的同步复位脉冲输出像素结构

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