DE102022207783A1

DE102022207783A1 - Pixelsensor mit pulsweitenmodulation

Info

Publication number: DE102022207783A1
Application number: DE102022207783.0A
Authority: DE
Inventors: Nikolai E. Bock; Andrew Kenneth John McMahon; Dario Clocchiatti; Emanuele Mandelli; Gennady A. MANOKHIN; Robert H. Mullis
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2023-02-02
Also published as: KR20230018345A; NL2032629A; NL2032629B1; US20230044950A1; JP2023021086A; CN115706873A

Abstract

Hierin wird ein Bildsensor mit Pulsweitenmodulation (PWM) beschrieben. Der PWM-Bildsensor kann eine gestapelte Konfiguration aufweisen. Ein oberer Wafer des PWM-Bildsensors kann einen Ladungs-Zeit-Wandler aufweisen und ein mit dem oberen Wafer gestapelter Logikwafer kann einen Zeit-Digital-Wandler einschließen. Der PWM-Bildsensor kann variable Übertragungsfunktionen verwenden, um eine Highlight-Komprimierung zu vermeiden und kann eine nichtlineare Zeitquantisierung verwenden. Eine Schwellenspannung als Eingang für einen Ladungs-Zeit-Wandler kann zusätzlich gesteuert werden, um die Lichterkennung, den Dynamikbereich und andere dem PWM-Bildsensors zugeordnete Merkmale zu beeinflussen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Bildsensoren und insbesondere auf Bildsensoren mit Pulsweitenmodulation und Verfahren zur Verwendung derselben.
STAND DER TECHNIK
Kameras und andere Bildaufnahmevorrichtungen können einen oder mehrere Bildsensoren verwenden, wie einen Bildsensor mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD) oder einen CMOS-Bildsensor (complementary metal-oxide-semiconductor - komplementärer MetallOxid-Halbleiter). Ein typischer CMOS-Bildsensor kann ein zweidimensionales Array von Pixeln einschließen, wobei jeder Pixel eine Fotodiode und einen oder mehrere Transistoren einschließen kann, die verwendet werden, um jedes Pixel zu aktivieren und zu lesen.
Bei CMOS-Bildsensoren kann jede Bewegung eines Objekts, das von einem CMOS-Bildsensor abgebildet wird, das Bild des Objekts verwischen oder auf andere Weise verschiedene Arten von Bewegungsartefakten verursachen. CMOS-Bildsensoren können Schwierigkeiten haben, einen hohen Dynamikumfang (HDR) für eine einzelne Aufnahme zu erzielen, da kontrastreiche Bereiche eines Bildes möglicherweise zu dunkel oder zu hell dargestellt werden. CMOS-Bildsensoren können darüber hinaus eine begrenzte Full-Well-Kapazität haben, was den Dynamikbereich eines Ausgabebildes begrenzen und dazu führen kann, dass nicht die gesamte Bandbreite der in einer Szene dargestellten Lichtintensitäten erfasst werden kann.
KURZDARSTELLUNG
Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die hierin näher beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung hat nicht die Aufgabe, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie als Hilfe bei der Bestimmung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands dienen.
Gemäß einigen Ausführungsformen der bereitgestellten Offenbarung kann Verfahren zum Betrieb eines Bildsensors mit Pulsweitenmodulation (PWM) bereitgestellt werden. Das Verfahren kann umfassen: während eines Erfassungszeitraums, Empfangen einer Anzahl von Photonen an einem PWM-Pixel des PWM-Bildsensors, Umwandeln der Anzahl von Photonen in einen Fotostrom während die Anzahl von Photonen empfangen wird, Akkumulieren einer Anzahl von Elektronen an einem Ausleseknoten während des Erfassungszeitraums, wobei die Anzahl von Elektronen als Reaktion darauf akkumuliert wird, dass der Ausleseknoten den Fotostrom empfängt, während und in Synchronisation mit dem Erfassungszeitraum, Erhöhen einer Zählung in Übereinstimmung mit einer nichtlinearen Beziehung zwischen einer Auslösezeit und dem Fotostrom, wobei die Zählung mit einer Zeitreferenz synchronisiert wird, und, wenn die akkumulierte Anzahl von Elektronen eine Schwellenanzahl von Elektronen erreicht, einen Wert der Zählung in einem Speicher einer TDC-Schaltung (time-to-digital converter - Zeit-Digital-Wandler) zwischenzuspeichern.
In einigen Ausführungsformen nimmt die Zählung mit zunehmender Auslösezeit mit einer geringeren Rate zu. Ferner kann die Zeitreferenz, t, definiert werden durch $t = \frac{2^{b} * t_{m i n}}{2^{b} - n},$
wobei b die Bittiefe der TDC-Schaltung ist, n die Anzahl der Zählerschritte ist und t_min die Zählerverzögerung ist. Die Zählerverzögerung kann ferner definiert werden durch $t_{m i n} = \frac{q * N_{T H}}{l_{m}},$
wobei q eine Elementarladung ist, N_TH die Schwellenanzahl der Elektronen ist und I_max ein maximal erzeugbarer Fotostrom ist.
Ein Verfahren gemäß der bereitgestellten Offenbarung kann ferner das Übertragen von Bildinformationen, die dem zwischengespeicherten Wert der Zählung im Speicher der TDC-Schaltung entsprechen, über einen bidirektionalen Bus umfassen. Das Verfahren kann ferner das Beenden einer Dauer des Erfassungszeitraums als Reaktion auf den Fotostrom umfassen. In einigen Ausführungsformen kann ein höherer Fotostrom zu einem kürzeren Erfassungszeitraum führen und ein niedrigerer Fotostrom kann zu einem längeren Erfassungszeitraum führen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Durchführen einer automatischen Belichtungssteuerung für einen Bildsensor mit Pulsweitenmodulation (PWM) bereitgestellt werden. Das Verfahren kann umfassen: das Abfragen erster Werte, die den anfänglichen Belichtungseinstellungen des PWM-Bildsensors zugeordnet sind, aus einer Nachschlagetabelle des PWM-Bildsensors, wobei die ersten Werte mindestens eine Taktfrequenz, eine Erfassungszeit und eine Schwellenanzahl von Elektronen zum Betreiben des PWM-Bildsensors umfassen, Dividieren der Taktfrequenz durch einen Teilungskoeffizienten, wobei der Teilungskoeffizient mindestens teilweise auf der Schwellenanzahl von Elektronen und der Erfassungszeit basiert, um eine aktualisierte Taktfrequenz zu erhalten, unter Verwendung der aktualisierten Taktfrequenz bestimmen, ob eine Umwandlungszeit kleiner oder gleich der Erfassungszeit ist, und, in Übereinstimmung mit der Bestimmung, dass die Umwandlungszeit kleiner oder gleich der Erfassungszeit ist, Beibehalten der anfänglichen Belichtungseinstellungen.
Ein Verfahren gemäß der bereitgestellten Offenbarung kann zusätzlich umfassen: Verwenden des PWM-Bildsensors, um Signale zu erzeugen, die Licht entsprechen, das von einer Szene reflektiert wird, unter Verwendung der von dem PWM-Bildsensor erzeugten Signale, Berechnen eines mittleren Helligkeitswerts, Verwenden des mittleren Helligkeitswerts, um eine Zeile der Nachschlagetabelle zu identifizieren, die zweite Werte enthält, die mindestens einen zweiten Teilungskoeffizienten, eine zweite Erfassungszeit und eine Zählerverzögerung umfassen, und Verwenden mindestens des zweiten Teilungskoeffizienten, der zweiten Erfassungszeit und der Zählerverzögerung, um die anfänglichen Belichtungseinstellungen in aktualisierte Belichtungseinstellungen umzuwandeln, wodurch ein Arbeitsvorgang des PWM-Bildsensors geändert wird.
Ein Verfahren gemäß der bereitgestellten Offenbarung kann ferner umfassen, dass, wenn die Umwandlungszeit größer ist als die Erfassungszeit, eine zweite Erfassungszeit berechnet wird und die zweite Erfassungszeit verwendet wird, um die anfänglichen Belichtungseinstellungen des PWM-Bildsensors in aktualisierte Belichtungseinstellungen zu ändern.
In einigen Fällen kann die Schwellenanzahl von Elektronen eine maximale Schwellenanzahl von Elektronen sein und das Verfahren kann ferner umfassen, dass, wenn die Umwandlungszeit größer ist als die Erfassungszeit, die maximale Schwellenanzahl von Elektronen verringert wird und ein neuer Belichtungsvorgang unter Verwendung der verringerten maximalen Schwellenanzahl von Elektronen durchgeführt wird.
Das Berechnen der zweiten Erfassungszeit, T_DET, kann definiert werden durch $T_{D E T} = \frac{2^{b} (2^{b} - 2) K}{F_{c l k}},$
=
wobei b eine Bittiefe ist, K der Teilungskoeffizient ist und F_clk die Taktfrequenz ist. Das Bestimmen, ob die Umwandlungszeit kleiner als oder gleich der Erfassungszeit ist, kann das Auswerten von $\frac{(2^{b} - 2) K}{F_{c l k}} \leq \frac{T_{D E T}}{2^{b}}$
umfassen, wobei b eine Bittiefe ist, K der Teilungskoeffizient ist, F_clk die Taktfrequenz ist und T_DET die Erfassungszeit ist. Ein Wert für den Teilungskoeffizienten kann auf einem maximal erfassbaren Fotostrom basieren, der von einer Fotodiode des PWM-Bildsensors erzeugt werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann ein Bildsensor mit Pulsweitenmodulation (PWM) bereitgestellt werden. Der PWM-Bildsensor kann einen oberen Wafer umfassen, der eine CTC-Schaltung (charge-to-time converter - Ladungs-Zeit-Wandler) umfasst, wobei die CTC-Schaltung eine Fotodiode, ein Reset-Gate und einen Komparator umfasst, sowie einen unteren Wafer, der mit dem oberen Wafer gestapelt ist und eine TDC-Schaltung (time-to-digital converter - Zeit-Digital-Wandler) umfasst. In einigen Ausführungsformen kann ein Reset-Signal an das Reset-Gate angelegt werden, um einen Erfassungszeitraum zu initiieren, während des Erfassungszeitraums kann die Fotodiode eine Anzahl von Elektronen akkumulieren, und wenn die Anzahl der Elektronen eine Schwellenanzahl von Elektronen erreicht, kann die CTC-Schaltung ein Schreibsignal von dem Komparator an die TDC-Schaltung übertragen.
In einigen Ausführungsformen kann die TDC-Schaltung ein statischer Direktzugriffsspeicher sein, der eine Anzahl von Latches umfasst, und das Schreibsignal kann eine Zählung in der Anzahl von Latches zwischenspeichern.
Eine Schwellenspannung kann an den Komparator angelegt werden und die Schwellenanzahl von Elektronen kann der Schwellenspannung entsprechen, die an den Komparator angelegt wird. Die CTC-Schaltung und die TDC-Schaltung können ein Pixel umfassen und der PWM-Bildsensor kann ferner eine Anzahl von Pixeln umfassen, wobei jedes Pixel der Anzahl von Pixeln ein Paar aus einer jeweiligen CTC-Schaltung und einer jeweiligen TDC-Schaltung umfasst. Jedes Pixel der Anzahl von Pixeln kann in einem Array angeordnet sein und kann Zeile für Zeile gelesen werden. Der obere Wafer und der untere Wafer können durch mindestens eines von einem vertikalen Transfer-Gate, einer Silizium-Durchkontaktierung oder einem Bondpad kommunikativ gekoppelt sein.
Figurenliste
Im Folgenden wird Bezug genommen auf repräsentative Ausführungsformen, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es versteht sich, dass die folgenden Beschreibungen nicht dazu gedacht sind, die Ausführungsformen auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen zu beschränken. Sie sollen vielmehr Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die in den Geist und Umfang der beschriebenen, durch die beiliegenden Ansprüche definierten Ausführungsformen eingeschlossen werden können. Soweit möglich, wurden ähnliche Referenznummern verwendet, um ähnliche Merkmale zu kennzeichnen.

1A-1C veranschaulichen einen beispielhaften Bildsensor mit Pulsweitenmodulation (PWM), der ein Array von Pixeln und deren Komponenten umfasst, wie hierin erörtert.
2 stellt ein beispielhaftes Pixel eines PWM-Bildsensors zusammen mit zugehörigen elektronischen Komponenten dar, wie hierin erörtert.
3 stellt ein Zeitablaufdiagramm für die Komponenten eines beispielhaften PWM-Bildsensors dar, wie hierin erörtert.
4 stellt eine beispielhafte Beziehung zwischen einem Fotostrom und einer Auslösezeit eines PWM-Bildsensorpixels dar, wie hierin erörtert.
5 stellt eine beispielhafte Beziehung zwischen einer Ausgabe eines Zeit-Digital-Wandlers (TDC) und einem Fotostrom dar, in Übereinstimmung mit einer nichtlinearen Abtastrate, wie hierin erörtert.
6A-6B stellen beispielhafte Erweiterungen des dynamischen Bereichs und insbesondere die Beziehungen zwischen der Zeit und den integrierten Ladungen dar, wie hierin erörtert.
7 stellt beispielhafte TDC-Übertragungsfunktionen im Zeitbereich dar, insbesondere die Beziehungen zwischen einem TDC-Ausgangscode und einer Beleuchtungsstärke, wie hierin erörtert.
8 stellt beispielhafte Beziehungen zwischen Fotostrom und einem Signal-Rausch-Verhältnis in Bezug auf eine Photonenrauschgrenze dar, wie hierin erörtert.
9A-9B stellen ein Beispiel zum Steuern einer Schwellenanzahl von Elektronen dar, um einen dynamischen Bereich eines Pixels eines PWM-Bildsensors zu erweitern, wie hierin erörtert.
10A-10B stellen beispielhafte Verschlussleistungen eines PWM-Bildsensors dar, wie hierin erörtert.
11 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm der TDC-Zeitsteuerung dar, wie hierin erörtert.
12 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm der Belichtungssteuerung unter Verwendung eines maximalen Fotostroms und einer Schwellenanzahl empfangener Elektronen dar, wie hierin erörtert.
13 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm der Belichtungssteuerung unter Verwendung eines maximalen Fotostroms und einer maximalen Anzahl von empfangenen Elektronen dar, wie hierin erörtert.
14 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm der Belichtungssteuerung in einem rampenförmigen Modus dar, wie hierin erörtert.
15A-15B stellen beispielhafte Verfahren und Konfigurationen der automatischen Belichtungssteuerung dar, wie hierin erörtert.
16 stellt ein beispielhaftes Verfahren und eine Konfiguration eines logarithmischen TDC-Modus für eine Einzelaufnahme mit hohem Dynamikumfang (high dynamic range - HDR) dar, wie hierin erörtert.

Die Verwendung von Kreuzschraffuren oder Schattierungen in den begleitenden Figuren wird im Allgemeinen bereitgestellt, um die Grenzen zwischen benachbarten Elementen zu verdeutlichen und die Lesbarkeit der Figuren zu erleichtern. Dementsprechend vermittelt weder das Vorhandensein noch das Fehlen von Kreuzschraffuren oder Schattierungen irgendeine Präferenz oder Anforderung für bestimmte Materialien, Materialeigenschaften, Elementproportionen, Elementdimensionen, Gemeinsamkeiten von ähnlich veranschaulichten Elementen oder irgendein anderes Merkmal, Attribut oder Eigenschaft für irgendein in den begleitenden Figuren veranschaulichtes Element.
Zusätzlich sollte es sich verstehen, dass die (entweder relativen oder absoluten) Proportionen und Dimensionen der verschiedenen Merkmale und Elemente (und deren Ansammlungen und Gruppierungen) sowie die Grenzen, Trennungen und dazwischen dargestellten Positionsbeziehungen in den beiliegenden Abbildungen lediglich zur Erleichterung des Verständnisses der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen gegeben werden und folglich nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeigt oder dargestellt werden und keine Präferenz oder Anforderung für eine dargestellte Ausführungsform mit Ausschluss von Ausführungsformen zeigen, die unter Bezugnahme darauf beschrieben sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die bereitgestellte Offenbarung bezieht sich auf Bildsensoren mit Pulsweitenmodulation (PWM) und insbesondere auf PWM-Bildsensor-Arrays auf einem gestapelten Wafer, die einen Ladungs-Zeit-Wandler (charge-to-time converter - CTC) und einen Zeit-Digital-Wandler (time-to-digital converter - TDC) in Z-Richtung ausrichten und dadurch die Größe eines Bildsensorpixels in der XY-Ebene verringern. Weitere Gesichtspunkte der bereitgestellten Offenbarung stellen eine flexible Steuerung einer Übertragungsfunktion eines TDC eines PWM-Bildsensors bereit. Andere Gesichtspunkte der bereitgestellten Offenbarung werden hierin zusätzlich bereitgestellt.
Viele elektronische Vorrichtungen, wie Smartphones, Tablets, Laptop-Computer usw., umfassen eine oder mehrere Kameras zum Erfassen von Bild- und/oder Videoinformationen. Zum Beispiel kann ein Smartphone eine oder mehrere Kameras aufweisen, die konfiguriert sind, um hochauflösende Bilder und Videos zu erfassen. Die aufgenommenen Bilder und Videos können in einem lokalen Speicher des Smartphones gespeichert werden und/oder über ein Netzwerk an andere Vorrichtungen übertragen werden, um soziale Medien, wie Bilder oder Videos, mit anderen Benutzern zu teilen und/oder für jeden anderen Zweck bei dem Bilder oder Videos verwendet werden.
Bildsensoren können in verschiedenen Arten von Kameras verwendet werden, wie vorstehend erwähnt, und können ein Array mehrerer Pixel umfassen, die analoge Informationen (z. B. elektromagnetische Strahlung, wie Lichtwellen) in digitale Signale zur Verwendung in und/oder zur Anzeige auf einer elektronischen Vorrichtung umwandeln. Durch diesen Prozess der Analog-Digital-Wandlung kann ein digitales Bild erzeugt werden, das einer Szene und/oder realen Objekten entspricht, die Gegenstand eines Bildaufnahmevorgangs sind. Das digitale Bild kann durch Agglomerieren von digitalen Signalen von jedem Pixel, das dem Bildsensor zugeordnet ist, erstellt werden. Infolgedessen kann das Erhöhen einer Anzahl von Pixeln für einen bestimmten Bildsensor zu einer entsprechenden Erhöhung der Auflösung eines resultierenden Bildes führen.
Elektronische Vorrichtungen haben jedoch in der Regel nur begrenzten Platz für interne Komponenten, da andere für elektronische Vorrichtungen typische Komponenten wie Mikrofone, Anzeigen, Sensoren usw. einen Teil des verfügbaren begrenzten Platzes in einer elektronischen Vorrichtung benötigen können. Der Platz für Pixel in einem Bildsensor ist daher begrenzt, und eine Auflösung eines Bildsensors kann ebenfalls durch den Umfang des verfügbaren Platzes begrenzt sein. Darüber hinaus können Designüberlegungen (z. B. die Dicke der Vorrichtung oder das ästhetische Erscheinungsbild) den in einer bestimmten elektronischen Vorrichtung Umfang des verfügbaren Platzes weiter begrenzen, was den für ein Array von Bildsensorpixeln verfügbaren Platz weiter begrenzen kann, was zu einer verringerten Auflösung der von einem zugehörigen Bildsensor und/oder einer Kamera aufgenommenen Bilder führt.
Außerdem können bestimmte Bildsensorarchitekturen, wie etwa bestimmte CMOS-Sensorarchitekturen, Bilder mit bestimmten Qualitätsmängeln erzeugen. Herkömmliche Sensoren haben beispielsweise Schwierigkeiten, qualitativ hochwertige Bilder bei schwachem oder starkem Licht, in Situationen, in denen sich ein Objekt in Bezug auf den Bildsensor bewegt, bei der Erstellung von Bildern ohne Pixelsättigung und bei der Erstellung von Bildern mit hohem Dynamikumfang zu erzeugen.
Die bereitgestellte Offenbarung bezieht sich auf einen PWM-Bildsensor, der eine reduzierte Pixelgröße aufweisen kann, wodurch sich die Anzahl der potenziellen Pixel in einem bestimmten Bereich erhöht, der eine flexible Steuerung einer Übertragungsfunktion im digitalen Bereich ermöglichen kann, der eine Einzelaufnahme mit hohem Dynamikumfang (HDR) bereitstellen kann, der Bewegungsunschärfe reduzieren kann und der zusätzliche Funktionen bereitstellen kann, wie nachstehend beschrieben. Der PWM-Bildsensor kann die PWM-Steuerung während der zeitbasierten Umwandlungsprozesse nutzen, indem er z. B. einen Schalter steuert, der eine Last mit Spannung und Strom versorgt. Der Durchschnittswert der Spannung und des Stroms kann durch Ändern der Schaltgeschwindigkeit verändert werden.
Gemäß der bereitgestellten Offenbarung kann ein PWM-Bildsensor einen Ladungs-Zeit-Wandler (CTC) und einen Zeit-Digital-Wandler (TDC) umfassen. Der CTC kann auf einem oberen Wafer positioniert werden und der TDC kann auf einem Logikwafer positioniert werden, wobei der Logikwafer in vertikaler Ausrichtung (z. B. in Z-Richtung) unter dem oberen Wafer positioniert ist. Durch die Nutzung des Platzes in Z-Richtung kann der PWM-Bildsensor eine höhere Pixeldichte in einer XY-Ebene aufweisen. Das Stapeln des CTC und des TDC auf Waferebene kann die Gesamtgröße des Chips und/oder des Moduls im Vergleich zu herkömmlichen Bildsensoren weiter reduzieren.
Der CTC kann kommunikativ mit dem TDC gekoppelt sein, wie etwa durch eine oder mehrere elektrische Leiterbahnen, und kann Schreibsignale an den TDC übertragen. Wie hierin erörtert, kann der CTC ein Schreibsignal (WRT) erzeugen, wenn ein Ausleseknoten, der auch als Floating Diffusion (FD) bezeichnet wird, des CTC eine Schwellenanzahl von Elektronen aus einem von einer Fotodiode des CTC erzeugten Fotostrom akkumuliert. Sobald die Schwellenanzahl der Elektronen erreicht ist, kann das WRT-Signal erzeugt und an den TDC gesendet werden, um Bilddaten zwischenzuspeichern oder anderweitig zu kennzeichnen. In einigen Fällen ist der Schwellenwert für die Schwellenanzahl von Elektronen entweder manuell oder automatisch modifizierbar, um ein Signal-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio - SNR) zu minimieren, einen Dynamikbereich (für alle Pixel des PWM-Sensors oder einen Teil davon) zu erweitern, eine Belichtungseinstellung zu steuern und so weiter.
Der TDC kann ferner die Steuerung einer Übertragungsfunktion in einem digitalen Bereich während des Zeit-Digital-Umwandlungsprozesses ermöglichen. Durch die Steuerung der Übertragungsfunktion kann ein Dynamikbereich (DR) des PWM-Bildsensors unter bestimmten Bedingungen (z. B. bei schlechten Lichtverhältnissen oder Starklichtbedingungen) erweitert werden. Die Steuerung verschiedener zusätzlicher Funktionen, wie über ein SNR, Belichtungseinstellungen (entweder manuell oder automatisch), die Auswahl der Auslösezeit und so weiter, kann durch die Verwendung des PWM-Bildsensors erreicht werden.
Diese und andere Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 1A-16 erörtert. Für Fachleute wird jedoch leicht ersichtlich sein, dass die hierin in Hinblick auf diese Figuren gegebene detaillierte Beschreibung nur erklärenden Zwecken dient und nicht als einschränkend aufgefasst werden soll.
1A veranschaulicht einen beispielhaften Bildsensoren mit Pulsweitenmodulation (PMW-Bildsensor) 100, der Licht 112 erfasst, das von einem Objekt 110 reflektiert wird. In 1 ist das Objekt 110 als ein Automobil dargestellt, obwohl es sich versteht, dass jedes Objekt oder jede Kombination von Objekten Gegenstand eines Bilderfassungsvorgangs eines PWM-Bildsensors 100 sein kann. Zum Beispiel kann ein Gesicht eines Benutzers einer elektronischen Vorrichtung, in der sich der PWM-Bildsensor 100 befindet, ein Motiv sein, das von dem PWM-Bildsensor 100 erfasst wird.
Während eines Bilderfassungsvorgangs wird Licht 112 von einem Objekt 110 und/oder einer Szene reflektiert und an einem PWM-Bildsensor 100 und insbesondere an einer oder mehreren Fotodioden des PWM-Bildsensors 100 empfangen. Wie hierin beschrieben, kann das Licht 112 natürliches Licht (z. B. von der Sonne erzeugtes), externes künstliches Licht (z. B. von externen Glühlampen) oder Licht aus künstlichen Lichtquellen, die dem PWM-Bildsensor 100 zugeordnet sind (z. B. eine Lichtquelle eines Blitzlichtelements), sein. Eine beispielhafte Lichtquelle 114 ist in 1 dargestellt und kann in einigen Ausführungsformen weggelassen werden. In einigen Fällen ist die Lichtquelle 114 eine Leuchtdiode und kann als Blitzlicht und/oder Kamerablitz verwendet werden. Die Lichtquelle 114 kann betriebsmäßig mit dem PWM-Bildsensor 100 gekoppelt sein. Das Licht 112 kann in einigen Implementierungen Licht sein, das für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, einschließlich beispielsweise infrarotes oder ultraviolettes Licht.
Der PWM-Bildsensor 100 kann mehrere Schichten umfassen, wie einen oberen Wafer 102 und einen unteren Logikwafer 104. Der obere Wafer 102 und der untere Logikwafer 104 können aus einem Halbleitermaterial wie Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs) gebildet sein und können und auf verschiedene Weise miteinander verbunden werden, wie z. B., aber nicht beschränkt auf, durch direktes Bonden, plasmaaktiviertes Bonden, eutektisches Bonden, hybrides Bonden, eine beliebige Kombination davon und so weiter. In einigen Fällen befinden sich der obere Wafer 102 und der untere Logikwafer 104 auf gegenüberliegenden Seiten eines einzelnen Wafers.
Ein Ladungs-Zeit-Wandler-Array (CTC-Array) kann auf dem oberen Wafer 102 positioniert werden. Wie in 1A dargestellt, kann das CTC-Array 106 eine Anzahl von CTC-Pixeln umfassen, die in einer regelmäßigen und sich wiederholenden Weise angeordnet sind, obwohl jede Art der Anordnung der CTC-Pixel gemäß der bereitgestellten Offenbarung verwendet werden kann. Das CTC-Array 106 kann auf dem oberen Wafer 102 durch die Verwendung beliebiger möglicher Techniken oder Kombinationen von Techniken gebildet werden, wie zum Beispiel epitaxiales Wachstum, Materialabscheidung, Ätzverfahren, p- oder n-Typ-Dotierung, Löten und so weiter. Jedes CTC-Pixel des CTC-Arrays 106 kann eine Fotodiode, ein Reset-Gate und einen Komparator umfassen. Die Fotodiode kann eine beliebige Fotodiode sein und kann elektromagnetische Energie (z. B. Lichtwellen) in einen Strom (z. B. einen Fotostrom) umwandeln. Eine Stärke des Fotostroms kann von einer Intensität der einfallenden elektromagnetischen Energie abhängen, sodass helleres Licht zu einem stärkeren Fotostrom führt. Das Reset-Gate kann einen Schalter umfassen, der konfiguriert ist, um ein CTC-Pixel zurückzusetzen, um einen Erfassungszeitraum zu beginnen (z. B. durch Koppeln/Entkoppeln des CTC-Pixels von einer Spannungsquelle). Der Komparator kann verwendet werden, um zu bestimmen, wann eine FD-Spannung (Floating Diffusion) eine vorbestimmte Schwellenspannung erreicht, wie unter Bezugnahme auf 3 erörtert. Jedes CTC-Pixel kann zusätzlich einen oder mehrere Kondensatoren einschließen, die als Ausleseknoten/FD-Kondensator (C_FD) bezeichnet werden können. In einigen Ausführungsformen ist der CTC eine MOS-PN-Hybridvorrichtung (PN-Typ-Metalloxidhalbleiter), die Licht unter niedriger Spannung direkt in Zeit umwandelt.
Ein Zeit-Digital-Wandler-Array (TDC-Array) 108 kann auf dem unteren Logikwafer 104 bereitgestellt werden, der unter dem oberen Wafer 102 positioniert oder auf andere Weise mit diesem gestapelt werden kann. Der obere Wafer 102 und der untere Logikwafer 104 können separate Wafer sein oder können in manchen Fällen gegenüberliegende Seiten desselben Wafers sein. Das TDC-Array 108 kann mit dem CTC-Array 106 über einen oder mehrere Kommunikationswege 116 gekoppelt sein, wie z. B., aber nicht beschränkt auf, vertikale Transfer-Gates, Silizium-Durchkontaktierungen (TSVs), Bondpads und so weiter.
Das TDC-Array 108 kann eine Anzahl von einzelnen TDC-Pixeln umfassen. Jedes TDC-Pixel kann einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM) umfassen, der eine Zwischenspeicherschaltung verwendet, um ein Datenbit zu speichern. Die Anzahl der Latches in jedem SRAM kann je nach gewünschter Auflösung jedes TDC-Pixels beliebig sein und jeder Latch kann einem Datenbit entsprechen. In einem nicht einschränkenden Beispiel umfasst ein SRAM für jedes einzelne TDC-Pixel fünf Latches, die fünf Datenbits entsprechen. Ein externer Zähler kann zusätzlich kommunikativ mit dem TDC-Array 108 gekoppelt sein (z. B. mit jedem TDC-Pixel), und ein bidirektionaler Datenbus kann Daten (z. B. Bilddaten) zu und von dem externen Zähler übertragen. Der externe Zähler kann eine Abtastrate definieren, mit der ein Fotostrom (z. B. wie von einer Fotodiode erzeugt) abgetastet wird. Obwohl ein SRAM erörtert wird, kann jede Art von Speicher, wie ein dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM), als ein TDC-Pixel des TDC-Arrays 108 verwendet werden.
Jedes TDC-Pixel kann mit einem jeweiligen CTC-Pixel gekoppelt sein, sodass die Anzahl von TDC-Pixeln und CTC-Pixeln gleich ist. Darüber hinaus kann jedes TDC-Pixel- und CTC-Pixelpaar ein Pixel des PWM-Bildsensors 100 bilden und einem Pixel auf einem von dem PWM-Bildsensor 100 erzeugten Bild entsprechen. Auf diese Weise kann eine Anzahl von TDC/CTC-Pixelpaaren einer maximalen Bildauflösung entsprechen, die von dem PWM-Bildsensor 100 erzeugt werden kann. Wenn, in einem nicht einschränkenden Beispiel, eine potenzielle maximale Auflösung eines von dem PWM-Bildsensor 100 erzeugten Bildes 1792x828 beträgt, kann es 1.483.776 TDC/CTC-Pixelpaare geben, die für den PWM-Bildsensor 100 bereitgestellt werden. Obwohl ein besonderes Beispiel bereitgestellt wird, ist die Anzahl von TDC/CTC-Pixelpaaren nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt und es kann jede beliebige Anzahl bereitgestellt werden. Da die TDC-Pixel und CTC-Pixel in einer Z-Richtung angeordnet sind, kann durch Stapeln eines unteren Logikwafers 104 und eines oberen Wafers 102 eine Größe des TDC/CTC-Pixelpaares in einer XY-Ebene verringert werden.
1B zeigt eine beispielhafte Darstellung eines PWM-Bildsensors 100, der ein CTC-Array 106 umfasst, das mit einem TDC-Array 108 gestapelt ist. Wie in 1B dargestellt, kann das CTC-Array 106 auf einem oberen Wafer 102 bereitgestellt werden. Das CTC-Array 106 kann ein Signal (z. B. ein WRITE-Signal) erzeugen und das Signal an das TDC-Array 108 übertragen. Das TDC-Array 108 kann auf einem unteren Logikwafer 104 bereitgestellt werden. Wie in 1A dargestellt, können das CTC-Array 106 und das TDC-Array 108 in einer gestapelten Anordnung bereitgestellt sein.
1C stellt eine beispielhafte CTC-Schaltung 106 gemäß Gesichtspunkten der bereitgestellten Offenbarung dar. Es sei angemerkt, dass die CTC-Schaltung 106 lediglich ein Beispiel einer CTC-Schaltung ist und eine beliebige Anzahl von Anordnungen gemäß der zugehörigen Offenbarung bereitgestellt werden kann.
Die CTC-Schaltung 106 kann einen Komparator 107, eine Fotodiode 109, einen Floating-Diffusion-Kondensator 111 und ein Reset-Gate 113 einschließen. Ein Arbeitsvorgang der CTC-Schaltung 106 kann als Reaktion darauf beginnen, dass ein Reset-Signal an das Reset-Gate 113 angelegt wird. Wie in 1C dargestellt, kann eine Pixelspannung V_PX bereitgestellt und an die CTC-Schaltung 106 angelegt werden, wenn das Reset-Gate 113 geschlossen ist, und kann daran gehindert werden, Komponenten der CTC-Schaltung 106 zu erreichen, wenn es geöffnet ist.
Eine Fotodiode 109 kann zusätzlich bereitgestellt sein und kann Licht (z. B. Photonen) verwenden, um einen zugehörigen Fotostrom (z. B. einen Strom) zu erzeugen. Eine Stärke des Fotostroms kann von einer Intensität des Lichts abhängen, das von der Fotodiode 109 erfasst wird. Der erzeugte Fotostrom kann den Floating-Diffusion-Kondensator (C_FD) 111 entladen, um den Eingang des Komparators 107 vorzuspannen. Der Komparator 107 kann die eingehende Anzahl von Elektronen mit einer Schwellenanzahl von Elektronen vergleichen. Die Schwellenanzahl von Elektronen kann durch Eingeben einer Schwellenspannung Vt_h in den Komparator 107 festgelegt werden. Die Schwellenspannung V_th kann steuerbar sein und kann änderbar sein (z. B. durch eine Steuerung), um unterschiedliche Auslöseschwellenwerte festzulegen. Sobald eine Schwellenanzahl von Elektronen an dem Komparator 107 erreicht ist, kann ein WRITE-Signal erzeugt werden (z. B. an eine TDC-Schaltung).
2 stellt beispielhafte elektronische Komponenten eines Pixels 200 eines PWM-Bildsensors dar. Insbesondere wird in 2 ein möglicher Arbeitsvorgang eines Pixels 200 unter zusätzlicher Bezugnahme auf das in 3 dargestellte Zeitablaufdiagramm erörtert. Während ein Arbeitsvorgang unter Bezugnahme auf ein Pixel erörtert wird, versteht es sich, dass eine große Anzahl einzelner Pixel in einem PWM-Bildsensor verwendet werden kann, wie in einem Array, wie in Bezug auf 1A erörtert. Arbeitsvorgänge verschiedener Pixel können identisch sein oder können abhängig von einem Fotostrom, der von einer Fotodiode erzeugt wird, und/oder abhängig von anderen möglichen Einstellungen, entweder analog oder digital, des PWM-Bildsensors, variieren.
Wie in Bezug auf 1A erörtert, kann ein Pixel 200 eines PWM-Bildsensors ein CTC/TDC-Pixelpaar umfassen. Insbesondere kann der Ladungs-Zeit-Wandler (CTC) 206 auf einem ersten Wafer (z. B. einem oberen Wafer 102) positioniert sein und der Zeit-Digital-Wandler (TDC) 208 kann auf einem zweiten Wafer (z. B. einem unteren Logikwafer 104) positioniert sein, der mit dem ersten Wafer gestapelt ist. In einigen Fällen sind der CTC 206 und der TDC 208 in alternativen Anordnungen positioniert, wie etwa auf gegenüberliegenden Seiten desselben Wafers. Zusätzlich oder alternativ sei angemerkt, dass die spezielle Anordnung des CTC 206 und des TDC 208 nicht besonders einschränkend ist. Obwohl 1A einen auf einem TDC gestapelten CTC darstellt, kann gemäß der bereitgestellten Offenbarung auch eine andere Anordnung verwendet werden.
Ein Arbeitsvorgang des Pixels 200 wird nun unter Bezugnahme auf sowohl 2 als auch auf 3 erörtert. Wie vorstehend erwähnt, stellt 3 ein Zeitablaufdiagramm von Arbeitsvorgängen eines Pixels eines PWM-Bildsensors (wie des Pixels 200) dar, und zur Vereinfachung der Beschreibung werden 2 und 3 zusammen erörtert.
Wie in 2 dargestellt, kann ein Reset-Signal (RST-Signal) 214 an einen CTC 206 angelegt werden. Das Reset-Signal 214 kann den Beginn eines Erfassungszeitraums initiieren und kann Elektronen löschen oder zurücksetzen, die an einem Ausleseknoten und/oder einer Floating Diffusion (FD) gespeichert sind. Unter Bezugnahme auf 3 stellt ein Reset-Zeitablaufdiagramm 252 den Arbeitsvorgang eines RST-Signals 214 dar. Wie dargestellt, kann das Reset-Signal 214 binär sein (z. B. 1 und 0 und/oder „ein“ und „aus“). Zum Beispiel kann das Reset-Signal dem CTC 206 durch das Öffnen und Schließen eines Schalters bereitgestellt werden, wobei ein Ende des Schalters mit dem CTC 206 (z. B. einem Ausleseknoten/FD des CTC 206) verbunden ist und ein anderes Ende des Schalters mit einer festen Spannung (z. B. einer Pixelspannung) verbunden ist. Bevor ein Erfassungszeitraum eingeleitet wird, kann der Schalter geschlossen sein, wodurch die Pixelspannung an den CTC 206 geliefert wird, um jegliche elektrische Ladung abzubauen, die an dem Ausleseknoten/FD vorhanden sein kann (z. B. durch vorherige Bilderfassungsvorgänge). Zu Beginn eines Erfassungszeitraums kann zu einem Zeitpunkt 230 der Schalter geöffnet werden und die Pixelspannung kann gestoppt werden. Dies kann ermöglichen, dass Elektronen die Akkumulation an einem Ausleseknoten/FD des CTC 206 beginnen. Nach dem Ende des Erfassungszeitraums kann der Schalter geschlossen werden, in 3 zwischen einer Auslösezeit 232 und dem Ende einer Frame-Zeit 234 dargestellt, wodurch die Pixelspannung bereitgestellt wird, um die zuvor durch die Ansammlung von Elektronen entstandene elektrische Ladung abzubauen. Nachfolgende Erfassungszeiträume können eingeleitet werden, wenn die vorherige elektrische Ladung vollständig abgebaut ist und/oder wenn sich der Schalter zurück in eine offene Position bewegt, wodurch verhindert wird, dass die Pixelspannung an den Ausleseknoten/FD des CTC 206 angelegt wird.
Zu einem Zeitpunkt 230, wenn der Erfassungszeitraum infolge des RST-Signals 214 beginnt, kann eine Anzahl von Elektronen 217a damit beginnen, an einem Ausleseknoten/FD des CTC 206 akkumuliert zu werden, wie in einem Elektronenzeitablaufdiagramm 256 dargestellt. Das Elektronenzeitablaufdiagramm 256 stellt die Akkumulation von Elektronen während des Erfassungszeitraums dar. Ein Spannungszeitablaufdiagramm 254 stellt eine Spannung 216a des Ausleseknotens/FD dar, die der Anzahl von Elektronen 217a entspricht. Die Anzahl der Elektronen 217a kann mit einer Rate zunehmen, die von einer Lichtintensität/einem Fotostrom abhängig ist, die von einer Fotodiode des CTC 206 erzeugt wird, bis eine Schwellenanzahl von Elektronen 217b erreicht ist. Ebenso kann die Spannung 216a abnehmen, bis eine Schwellenspannung 216b erreicht ist. Der Zeitpunkt, an dem Spannung 216a die Schwellenspannung 216b erreicht und an dem die Anzahl von Elektronen 217a eine Schwellenanzahl von Elektronen 217b erreicht, kann als eine Auslösezeit 232 bezeichnet werden.
Die Schwellenspannung 216b kann durch Zuführen einer vorgewählten Spannung an den CTC 206 festgelegt werden, wie in 2 dargestellt. Insbesondere kann die Schwellenspannung 216b an einen ersten Eingang eines Komparators des CTC 206 angelegt werden. Da ein zweiter Eingang des Komparators des CTC 206 die Spannung 216a empfangen kann, entsprechend einer Anzahl empfangener Elektronen 216a, die während eines Erfassungszeitraums an einem Ausleseknoten/FD des CTC 206 akkumuliert wurden, kann der Komparator in der Lage sein, zu erfassen, wann die empfangene Spannung 216a mit einer Schwellenspannung 216b übereinstimmt, woraus ein Auslösezeit 232 resultiert.
Zum Zeitpunkt 232, der einem Ende des Erfassungszeitraums entspricht, kann ein Schreibsignal (WRT-Signal) 218 an dem CTC 206 erzeugt und an den TDC 208 übertragen werden. Das WRT-Signal 218 kann der akkumulierten Anzahl von Elektronen 217a über einen bestimmten Zeitraum entsprechen, die einer Helligkeit des reflektierten Lichts 212 von einer Szene und/oder einem Objekt entsprechen, das Gegenstand eines Bildes ist (z. B. Objekt 210). Wie in dem Schreibsignaldiagramm 258 dargestellt, wird das WRT-Signal 218 nach der Auslösezeit 232 eingeleitet. Das WRT-Signal 218 kann dem Einleiten des Prozesses zum Speichern einer Zählung im TDC 208 entsprechen. Ein Auswahlzeitablaufdiagramm 260 stellt ein Lesesignal 222 dar, das an den TDC 208 angelegt wird, wie in 2 und 3 dargestellt. Jedes Pixel (das einem CTC/TDC-Paar entspricht) kann Zeile für Zeile gelesen werden.
Ein Zeitpunkt 234, der ein Ende einer Frame-Zeit signalisiert, kann einem Zeitpunkt entsprechen, zu dem alle Erfassungs- und Signalanalyseprozesse abgeschlossen sind. Zum Beispiel können die Bilddaten eines oder mehrerer Pixel eines PWM-Bildsensors in diesem Stadium vollständig verarbeitet sein und ein nachfolgender Prozess kann eingeleitet werden.
Zwischen dem TDC 208 und einem externen Zähler (nicht dargestellt) kann zusätzlich ein Datenbus 220 bereitgestellt werden. Der externe Zähler kann Zähldaten an den TDC 208 übermitteln oder auf andere Weise Daten von dem TDC 208 senden und/oder empfangen. Eine weitere Beschreibung bezüglich der Zähldaten wird unter Bezugnahme auf 4-5 beschrieben.
Ein beispielhafter Arbeitsvorgang gemäß 2-3 wird nun bereitgestellt. Um einen Bilderfassungsprozess einzuleiten, kann ein Reset-Signal 214 an einen Ladungs-Zeit-Wandler (CTC) 206 angelegt werden. Licht 212, das von einem Objekt 210 reflektiert wird, kann von dem CTC 206 empfangen werden, und eine Fotodiode des CTC 206 kann das Licht 212 in einen Strom (z. B. einen Fotostrom) umwandeln. Der Strom kann Elektronen zu einem Ausleseknoten/Floating Diffusion liefern, wo die Elektronen akkumuliert werden. Sobald die akkumulierten Elektronen eine Schwellenanzahl von Elektronen erreichen (die einer Schwellenspannung 216 entsprechen, die dem CTC 206 zugeführt wird), kann ein Schreibsignal 218, das den Bildinformationen entspricht, von dem CTC 206 an einen Zeit-Digital-Wandler (TDC) 208 gesendet werden. Das Schreibsignal 218 kann eine Zählung in dem TDC 208 zwischenspeichern, und die Zählung kann durch ein Lesesignal 222 gelesen werden. Eine beliebige Anzahl von Pixeln eines PWM-Sensors kann in beliebiger Reihenfolge (z. B. Zeile für Zeile) gelesen werden und Bildinformationen des Objekts 210 können erzeugt werden. Zusätzlich kann ein bidirektionaler Datenbus 220 zwischen dem TDC 208 und einem externen Zähler bereitgestellt werden. Der bidirektionale Datenbus 220 kann bidirektional sein, um einen Pixelbereich zu begrenzen, um eine Größe des Pixels 200 weiter zu reduzieren, obwohl alternativ ein unidirektionaler Datenbus verwendet werden kann.
4-5 stellen Diagramme dar, die sich auf einen nichtlinearen Zähler beziehen, wie unter Bezugnahme auf den externen Zähler erörtert, der in Bezug auf die 2-3 erörtert wurde. 4 stellt ein Diagramm 400 dar, das eine Beziehung zwischen einem Fotostrom (z. B. einem Strom, der von einer Fotodiode als Reaktion auf den Empfang von Licht erzeugt wird) und einer Auslösezeit (z. B. einer Zeit, die einer Länge eines Erfassungszeitraums für ein bestimmtes Pixel eines PWM-Bildsensors entspricht) zeigt.
Wie in 4 zu sehen ist, verringert sich mit steigendem Fotostrom die zugehörige Auslösezeit für ein Pixel des PWM-Bildsensors. Dies tritt auf, da ein hoher Fotostrom zu einer hohen Rate der Elektronenakkumulation an einem Ausleseknoten/FD eines CTC führt. Wenn sich die Elektronen am Ausleseknoten/FD schnell akkumulieren, kann es schnell zu einer Auslösezeit kommen. Umgekehrt kann ein niedriger Fotostrom zu einer geringen Rate der Elektronenakkumulation führen, wodurch eine erforderliche Auslösezeit verlängert wird. Einfach ausgedrückt: Je höher der Fotostrom, desto kürzer die Auslösezeit, und je niedriger der Fotostrom, desto länger die Auslösezeit. Wie in 4 dargestellt, ist diese Beziehung nicht linear, sondern zwischen den X- und Y-Achsen gekrümmt. Die gekrümmte Linie kann definiert werden durch die Gleichung $T_{t r i g} = \frac{q * N_{T H}}{l_{p h}},$
wobei T_trig eine Auslösezeit ist (z_. B. eine Länge des Erfassungszeitraums für ein spezifisches Pixel), q eine Elementarladung ist (z. B. die Ladung eines Protons), N_th eine Schwellenanzahl von Elektronen ist, die zum Beenden eines Erfassungszeitraums erforderlich ist, und I_ph ein Fotostrom ist, der von einer Fotodiode eines CTC erzeugt wird. So wie die Begriffe hier verwendet werden, kann sich eine Auslösezeit auf eine Zeit beziehen, in der ein bestimmtes Pixel ausgelöst wird, und ein Erfassungszeitraum kann sich auf einen Zeitraum beziehen, in dem der gesamte PWM-Bildsensor aktiv ist.
Wie aus dem Diagramm 400 hervorgeht, ist die Beziehung zwischen dem Fotostrom und der Auslösezeit nichtlinear. Wenn ein linearer Abtastzähler verwendet wird, können die Highlights, die einem Fotostrom an einem Endabschnitt oder einem Anfangsabschnitt der Kurve entsprechen, komprimiert werden. Das heißt, ein linearer Zähler mit Ticks, die durch eine gleichbleibende Zeit getrennt sind, würde die Fotostromabtastung auf über 0,1 Ampere (A) komprimieren, wie in 4 dargestellt. Dies würde zu einer schlechten Bildqualität bei schwachem und/oder starkem Licht führen (was zu einer Highlight-Komprimierung für Pixel führt, die relativ hellen/dunklen Pixeln entsprechen).
Um eine potentielle Highlight-Komprimierung zu vermeiden, stellt ein Gesichtspunkt der bereitgestellten Offenbarung einen nichtlinearen Zähler 505 bereit, um eine gleichmäßige Abtastung eines Fotostroms zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die Beziehung zwischen dem TDC-Ausgang und dem Fotostrom linear sein, was eine qualitativ hochwertige Erfassung von Highlights ohne Komprimierung sowohl im Bereich niedriger als auch hoher Fotoströme ermöglicht. Das Diagramm 500, wie in 5 dargestellt, stellt diese lineare Beziehung zwischen dem TDC-Ausgang und dem Fotostrom, I_ph, gemäß dem nichtlinearen Zähler 505 dar. Der nichtlineare Zähler 505 stellt die nichtlineare Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Zählerticks dar, wobei ein hoher Fotostrom gemäß einer steileren Fotostromkurve in einem Bereich mit hohem Fotostrom schneller abgetastet wird als ein niedriger Fotostrom, wie in 4 dargestellt.
In einigen Fällen ist jeder Tick des nichtlinearen Zählers 505 durch eine Zeit getrennt, die definiert wird durch die Gleichung $t = \frac{2^{b} * t_{m i n}}{2^{b} - n},$
wobei b eine mit einem TDC verbundene Bittiefe ist, n eine Zählerschrittzahl ist, 2^b-n der TDC-Zählercode ist und t_min die Zählerverzögerung ist, die erforderlich ist, um einen maximal möglichen Fotostrom, I_max, zu erfassen, der von einer Fotodiode des CTC erzeugt werden kann. Der I_max-Wert kann auf den physikalischen Eigenschaften der im CTC verwendeten Fotodiode beruhen und/oder von Software festgelegt werden, die einem PWM-Bildsensor zugeordnet ist. In einigen Fällen wird t_min durch die Gleichung $t_{m i n} = \frac{q * N_{T H}}{l_{m a x}}$
definiert, die der Gleichung ähnelt, die die Kurve in 4 definiert, mit der Ausnahme, dass der Strom ein maximal möglicher Fotostrom ist, der von einer Fotodiode im PWM-Bildsensor erzeugt werden kann, und nicht ein erfasster Fotostrom. Es sei zusätzlich darauf hingewiesen, dass der Wert t_min basierend auf der Änderung einer Schwellenanzahl von Elektronen geändert werden kann (z. B. durch Festlegen unterschiedlicher Schwellenspannungen, die an den CTC angelegt werden).
6A-6B zeigen Diagramme, die eine beispielhafte Erweiterung des dynamischen Bereichs (dynamic range - DR) anzeigen. 6A stellt ein Diagramm 600a dar, das einer DR-Erweiterung mit einer konstanten Schwellenanzahl von Elektronen (N_th) entspricht und 6B stellt ein Diagramm 600b dar, das einer DR-Erweiterung mit einer variablen N_th entspricht. So wie der Begriff hierin verwendet wird, bezieht sich eine „Auslösezeit“ auf einen Moment, in dem eine Schwellenanzahl von Elektronen an einem Ausleseknoten/FD für ein bestimmtes Pixel eines PWM-Bildsensors akkumuliert worden ist. Die Auslösezeit wird eingeleitet, wenn ein Erfassungszeitraum beginnt und sie tritt auf, wenn ein bestimmtes Pixel ausgelöst wird.
Wie im Diagramm 600a dargestellt, das einem konstanten N_th entspricht, kann ein Schwellenwert für die integrierte Ladung (integrated charge - IC) 602a auf einen konstanten Wert eingestellt werden. Während eines Erfassungszeitraums hängt eine Zeit (t), die erforderlich ist, um den IC-Schwellenwert 602a zu erreichen, von einem Wert eines Fotostroms ab, der von einer Fotodiode als Reaktion auf Licht erzeugt wird. Zum Beispiel führt, wie durch das Kästchen , 1' im Diagramm 600a angegeben, ein minimaler Fotostrom I_min, der von einer Fotodiode erzeugt wird, zu einer Auslösezeit T_trig, die einer Zeit entspricht, in der die Anzahl von Elektronen, die an einem Ausleseknoten/FD akkumuliert wird, den IC-Schwellenwert 602a für ein bestimmtes Pixel erreicht. In ähnlicher Weise führt ein von der Fotodiode erzeugter Fotostrom von 4I_min, wie durch das Kästchen ,4` im Diagramm 600a angezeigt, zu einer zweiten Auslösezeit, die unter dem in 6A dargestellten T_trig-Wert liegt, da die zum Erreichen des IC-Schwellenwerts 602a erforderliche Zeit aufgrund einer schnelleren Akkumulierung von Elektronen am Ausleseknoten/FD schneller wäre. Ebenso würden sich die jeweiligen Auslösezeiten basierend auf einem Wert eines von der Fotodiode erzeugten Fotostroms unterscheiden, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Fotoströme im Bereich von I_min bis 7I_min. Auf diese Weise basiert eine bestimmte Auslösezeit auf dem Wert eines zugehörigen Stroms und einer Schwellenanzahl von Elektronen (z. B. einem IC-Schwellenwert 602a).
In einigen Fällen ist der IC-Schwellenwert 602a über eine Anzahl von Pixeln in einem PWM-Bildsensor hinweg gleich. Das heißt, ein PWM-Bildsensor kann an verschiedenen Pixeln unterschiedliche Lichtmengen empfangen und dadurch bewirken, dass die den jeweiligen Pixeln zugehörigen Fotodioden unterschiedliche Mengen an Fotostrom erzeugen. Als solches kann sich eine Auslösezeit für unterschiedliche Pixel basierend auf einem Wert eines zugehörigen Fotostroms unterscheiden.
6B stellt ein Diagramm 600b mit einem variablen IC-Schwellenwert 602b dar. Wie in 6B dargestellt, kann der variable IC-Schwellenwert 602b dazu führen, dass eine verringerte Schwellenanzahl von Elektronen notwendig ist, um eine Auslöseperiode für ein bestimmtes Pixel eines PWM-Bildsensors zu beenden. Auf diese Weise können auch kleinere Fotoströme (z. B. I_min/4) unterhalb eines typischen minimalen Fotostroms erfasst werden, ohne dass dies zu langen Auslösezeiten führt. Zum Beispiel ist in 6B ein Fotostrom von I_min/4 dargestellt. Wenn sich der IC-Schwellenwert auf dem in 6A dargestellten Pegel, dem IC-Schwellenwert 602a, befindet, würde die Auslösezeit, die erforderlich ist, um eine Schwellenanzahl von Elektronen an einem Ausleseknoten/FD zu erreichen, sich drastisch erhöhen. Um die Auslösezeit zu verkürzen, kann der IC-Schwellenwert gesenkt werden.
Wenn der IC-Schwellenwert jedoch über jedes Pixel eines PWM-Bildsensors gesenkt würde, könnten wertvolle Bilddaten ohne viel Nutzen verloren gehen (da eine Auslösezeit bereits klein sein kann). Zum Beispiel kann bei hellen Lichtzuständen (die z. B. zu einem Fotostrom von 7I_min führen) ein hoher Prozentsatz (z. B. 90+ %) von Elektronen unerkannt bleiben, wenn der IC-Schwellenwert genauso eingestellt wäre, wie er für schwache Lichtzustände (z. B. I_min/4) eingestellt wäre. Zusätzlich können die verbleibenden Elektronen in den hellen Lichtzuständen in der Lage sein, innerhalb eines kurzen Zeitraums empfangen zu werden, im Gegensatz zu schwachen Lichtzuständen.
Der variable IC-Schwellenwert 602b kann manuell (z. B. durch einen DR-Erweiterungsknopf) eingestellt werden oder kann als Reaktion auf erfasste Lichtintensitätspegel automatisch eingestellt werden. Zum Beispiel kann, wenn eine elektronische Vorrichtung sich in einer dunklen Umgebung befindet (wie durch eine beliebige Anzahl von Sensoren erfassbar), der variable IC-Schwellenwert 602b herabgesetzt werden.
Der variable IC-Schwellenwert 602b kann sich über verschiedene Pixel eines PWM-Bildsensors hinweg unterscheiden. Zum Beispiel können Pixel unterstarken Lichtverhältnissen (die zu einem hohen Fotostrom führen) einen relativ hohen IC-Schwellenwert aufweisen und Pixel unter schwachen Lichtverhältnissen (die zu einem niedrigen Fotostrom führen) können einen relativ niedrigen IC-Schwellenwert aufweisen. In zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen kann ein IC-Schwellenwert allmählich abnehmen (z. B. mit einer konstanten Rate), wenn der IC-Schwellenwert noch nicht erreicht wurde. Auf diese Weise kann ein Gesamterfassungszeitraum unabhängig von einem Wert eines zugehörigen Fotostroms und unabhängig von Auslösezeiten für einzelne PWM-Pixel einen leicht vorhersagbaren Endpunkt aufweisen.
7 stellt ein Diagramm 700 mit verschiedenen beispielhaften TDC-Übertragungsfunktionen dar. Eine TDC-Übertragungsfunktion kann sich auf eine Kodierungskurve für eine Ausgangskurve beziehen, die auf einer Beleuchtungsstärke basiert (gemessen in Lux; lx). In dem in 7 dargestellten Diagramm 700 sind Übertragungsfunktionen für einen 5-Bit-Ausgangscode dargestellt (z. B. wobei ein TDC 5 Bits von Informationen speichern kann).
Die Kurve 702 stellt eine logarithmische TDC-Übertragungsfunktion für eine variable Schwellenanzahl von Elektronen (N_th) dar. Die Kurve 704 stellt eine logarithmische TDC-Übertragungsfunktion für eine konstante N_th dar. Die Kurve 706 stellt eine linearisierende TDC-Übertragungsfunktion für eine konstante N_th dar. Die spezifische Übertragungsfunktion, die verwendet wird, kann basierend auf einer spezifischen Anwendung ausgewählt werden, für die ein PWM-Bildsensor verwendet wird (z. B. abhängig von den Lichtbedingungen einer Kamera, einem Video- oder Bildmodus usw.).
Zum Beispiel können die Kurven 704 und 706 (die TDC-Übertragungsfunktionen darstellen) für helle Lichtverhältnisse verwendet werden, bei denen eine Mindestbeleuchtungsstärke über etwa 300 lx liegt, obwohl gemäß der bereitgestellten Offenbarung jeder beliebige Wert verwendet werden kann.
Die TDC-Übertragungsfunktion kann im Zeitbereich durch Zählerschritte gesteuert werden, die durch die Gleichung t = ƒ(n) * t_min definiert sind, wobei t_min, wie vorstehend beschrieben, eine Zählerverzögerung ist. Die Funktion ƒ(n) kann sich auf ein lineares, logarithmisches und/oder stückweises Profil beziehen. Als nicht einschränkendes Beispiel für ein solches Profil, das durch ƒ(n) dargestellt wird, kann eine logarithmische Funktion durch die Gleichung $ƒ (n) = \frac{l_{m a x}}{l_{m i n} * 10^{p}}$
definiert werden, wobei I_max ein von einer Fotodiode erzeugter maximaler Fotostrom ist und I_min ein von der Fotodiode erzeugter minimaler Fotostrom ist.
Der Wert p kann durch die Gleichung $p = \frac{n * l o g_{10} (\frac{l_{m a x}}{l_{m i n}})}{2^{b} - 1}$
definiert werden, wobei n ein Bereich von 0 bis 2^b-1 ist und b eine Bittiefe des TDC ist (z. B. fünf in dem in 7 dargestellten Beispiel). Gemäß der bereitgestellten Offenbarung kann jede Gleichung ƒ(n) darstellen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die vorstehend dargestellte logarithmische Gleichung, um eine Übertragungsfunktion zu definieren. In dem vorstehenden Beispiel kann die logarithmische Antwort das Festmusterrauschen (fixed-pattern noise - FPN) aufgrund von Schwellenwertschwankungen einer Stromquelle (z. B. eines Stromquellentransistors) reduzieren oder eliminieren.
Jede der dargestellten TDC-Übertragungsfunktionen und jede andere geeignete Übertragungsfunktion können in einem PWM-Bildsensor verwendet werden. Wie vorstehend erörtert, kann die Flexibilität der Übertragungsfunktion für PWM-Bildsensor ermöglichen, dass der PWM-Bildsensor spezifisch auf besondere Anwendungsanforderungen (z. B. eine Anwendung auf einer elektronischen Vorrichtung) zugeschnitten werden kann.
8 stellt ein Diagramm 800 dar, das ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für eine erste Schwellenanzahl von Elektronen (N_th1; definiert durch die Kurve 804) und eine zweite Schwellenanzahl von Elektronen (N_th2; definiert durch die Kurve 806) darstellt. Die gestrichelte Linie 802 kann ein Photonenschussrauschen, N_phot, in Situationen darstellen, in denen das SNR weitgehend dem N_phot entspricht.
Das SNR kann durch die Gleichung $S N R = \frac{N_{p h o t}}{\sqrt{N_{p h o t} + N_{d a r k} + σ_{q}^{2}}}$
dargestellt werden, wobei N_phot das durch statistische Quantenfluktuationen verursachte Photonenschussrauschen ist, N_dark das Dunkelrauschen ist, das das thermische Rauschen der Elektronenbewegung darstellt, und $σ_{q}^{2}$
das Leserauschen ist, das die Spannungsschwankungen eines PWM-Bildsensors (z. B. während eines Lesevorgangs) darstellt. In Situationen, in denen die Schwellenanzahl von Elektronen (N_th) viel höher ist als potenzielles Leserauschen und Dunkelrauschen, wird das SNR weitgehend durch das Photonenschussrauschen definiert. Dies kann dazu führen, dass das SNR ungefähr der Quadratwurzel von N_th entspricht, was durch die Linie 802 als Photonenrauschgrenze dargestellt wird.
Wie vorstehend erörtert, stellt die Kurve 804 eine erste Schwellenanzahl von Elektronen (N_th1) dar und die Kurve 806 stellt eine zweite Schwellenanzahl von Elektronen (N_th2) dar. Mit Bezug auf Nt_hi kann ein SNR bis zur Photonenrauschgrenze 802 ansteigen, wenn der Fotostrom I_ph erhöht wird. Sobald jedoch die Photonenrauschgrenze 802 erreicht ist, kann das SNR konsistent bleiben, da andere Gesichtspunkte des SNR (z. B. das Leserauschen) ignoriert werden können, da die Werte durch das Photonenschussrauschen überschattet werden. Dies führt zu einem System, bei dem das SNR nicht mehr ansteigt, sobald ein Schwellenwert erreicht wurde. Bei einem höheren Schwellenwertpegel, N_th2, kann das SNR größer sein als das entsprechende SNR für N_th1, aber kann dennoch konsistent bleiben, sobald die Photonenrauschgrenze 802 erreicht wurde, unabhängig von einem erhöhten Fotostrom I_ph.
Auf diese Weise kann die Pixelsättigung eines bestimmten Pixels des PWM-Bildsensors vermieden werden und der höchste nachweisbare Strom (z. B. Fotostrom) kann durch die Zählerverzögerung des TDC definiert werden. Ferner kann in Situationen, in denen das Leserauschen viel geringer ist als das Photonenschussrauschen, der Dynamikbereich eines PWM-Pixels durch das Verhältnis zwischen einer maximalen Auslösezeit T_trig und einer minimalen Auslösezeit t_min bestimmt werden, die im Falle eines konstanten N_th durch die Gleichung $D R = 20 l o g_{10} (\frac{T_{D E T}}{t_{m i n}}) = 20 l o g_{10} (2^{b})$
definiert ist, wobei b eine Bittiefe des TDC ist.
9A-9B stellen Diagramme dar, die sich auf das Formen des SNR durch die Verwendung der Steuerung von N_th beziehen. Wie in Bezug auf 8 vorstehend erörtert, kann ein SNR-Wert als die Quadratwurzel von N_th approximiert werden, unter der Annahme, dass ein Photonenschussrauschen das Gesamtrauschen eines SNR dominiert. Um den Dynamikbereich, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen, zu erweitern, kann während eines Erfassungszeitraums ein niedrigerer Wert von N_th ausgewählt werden, wenn in einem Ausleseknoten/FD innerhalb eines bestimmten Zeitraums nicht eine Schwellenanzahl von Elektronen akkumuliert wird. Dies kann einen schnelleren Erfassungszeitraum ermöglichen, da andernfalls bestimmte Pixel viel Zeit in Anspruch nehmen können, um die Schwellenanzahl von Elektronen zu akkumulieren und/oder ein Bild unscharf machen können, wenn sich der Bildsensor relativ zu einer Szene und/oder einem Objekt, das Gegenstand eines Bildes ist, in Bewegung befindet.
Unter Bezugnahme auf 9B, die ein Diagramm 900b darstellt, sind eine erste Schwellenanzahl von Elektronen N_th1 und eine zweite Schwellenanzahl von Elektronen N_th2 dargestellt. Innerhalb eines bestimmten Erfassungszeitraums kann erwartet werden, dass ein durch die Linie 904 definierter Fotostrom in Bezug auf ein bestimmtes Pixel N_th1 zu einer Auslösezeit N_trig erreicht. In Situationen mit schwachem Licht kann jedoch ein niedrigerer Fotostrom von einer Fotodiode erzeugt werden und eine Auslösezeit kann mit einer langsameren Rate erreicht werden, wie durch die Linie 906 definiert. Um lange Auslösezeiten zu vermeiden, kann der N_th-Wert herabgesetzt werden. Wie hierin erörtert, kann N_th durch Absenken einer Schwellenspannung, die an einen CTC angelegt wird, herabgesetzt werden. Ein N_th-Wert kann zusätzlich oder alternativ auf andere Weise herabgesetzt werden, wie durch Verringern einer Kapazität eines Ausleseknoten/FD-Kondensators oder durch eine Struktur mit doppelter Umwandlungsverstärkung.
9A stellt eine Verringerung eines N_th-Werts dar, indem eine an einen CTC angelegte Spannung reduziert wird. Wie in Diagramm 900a dargestellt, wird eine Spannung 902 von einem Wert V_th1 auf einen Wert V_th2 reduziert, nachdem eine gewisse Zeitspanne verstrichen ist. Infolgedessen kann die Auslösezeit enden (angegeben durch T_trig), wenn ein N_th2-Wert erreicht wird, anstelle eines anfänglichen N_th1-Wertes (siehe 9B). Durch eine Herabstufung von N_th auf diese Weise kann das SNR zusätzlich gesteuert werden, da das SNR als Quadratwurzel von N_th approximiert werden kann. Dies kann ein SNR-Formen bei Verwendung eines PWM-Sensors ermöglichen.
10A-10B stellen Diagramme dar, die unterschiedlichen Erfassungszeiträumen für eine Anzahl von Pixeln eines PWM-Bildsensors entsprechen. Wie vorstehend erörtert, können unterschiedliche Pixel unterschiedliche Lichtmengen empfangen, was zu jeweiligen Fotoströmen mit unterschiedlichen Werten führt. Daher können unterschiedliche Pixel eine Schwellenanzahl von Elektronen (N_th) zu unterschiedlichen Zeiten erreichen. Bei herkömmlichen Bildsensoren kann dies bei sich schnell bewegenden Objekten zu einem unscharfen Bild führen (z. B. kann sich ein Objekt zu Beginn eines Erfassungszeitraums im Vergleich zu einem Ende des Erfassungszeitraums an einer anderen Position befinden).
Wie im Diagramm 1000a in 10A dargestellt, kann die Bewegungsunschärfe bei einem PWM-Bildsensor minimiert werden, da ein Großteil aller Pixel innerhalb einer kurzen Zeitspanne einen N_th-Wert erreichen kann. In dem in Diagramm 1000a dargestellten Beispiel werden beispielsweise 94 % aller Pixel innerhalb einer Auslösezeit ausgelöst, die T_DET/17 entspricht. Die verbleibenden 6 % der Pixel (z. B. Pixel, bei denen ein zugehöriger Fotostrom einen Wert von I_min aufweist, wie durch Linie 1002 dargestellt) können innerhalb einer Auslösezeit ausgelöst werden, die T_DET entspricht. Durch diese Steuerung kann eine Bewegungsunschärfe eines resultierenden Bildes minimiert oder eliminiert werden, insbesondere für Pixel, die einen hohen Fotostrom erzeugen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mindestens 94 % der Pixel, die ein Bild umfasst, eine Auslösezeit innerhalb eines sehr kleinen Fensters (z. B. 1/17 der Gesamterfassungszeit) erreichen. Das Ergebnis kann daher ein schärferes Bild sein.
10B stellt ein Diagramm 1000b dar, das eine Beziehung zwischen einem TDC-Code (z. B. einem TDC-Code in Einheiten der niedrigstwertigen Bits (LSB)) und der Zeit (t) darstellt. Linie 1004 stellt ein Beispiel für eine konstante N_th dar, wobei eine Schwellenanzahl von Elektronen über ein oder mehrere Pixel und/oder über einen Erfassungszeitraum konsistent bleibt. Linie 1006 stellt ein Beispiel für eine rampenförmige Nth dar, bei der sich eine Schwellenanzahl von Elektronen über ein oder mehrere Pixel und/oder über einen Erfassungszeitraum hinweg ändert (siehe z. B. 9A-9B). Aufgrund der schnelleren Umwandlungskurve der Linie 1004 (die einen konstanten N_th-Fall darstellt) kann eine höhere Anzahl von Pixeln in einer kürzeren Zeitspanne ausgelöst werden. Im Gegensatz dazu kann die langsamere Umwandlungskurve der Linie 1006 (die einen rampenförmigen N_th-Fall darstellt) zu langsameren Auslösezeiten führen. Als solches kann eine Umwandlungskurve, die der Linie 1004 entspricht, im Vergleich zu der Umwandlungskurve, die der Linie 1006 entspricht, ein schärferes Bild darstellen.
11 stellt eine beispielhafte Struktur 1100 für die TDC-Zeitsteuerung eines PWM-Bildsensors dar. Für einen bestimmten PWM-Bildsensor kann die Auflösung der Zeit-Digital-Wandlung (z. B. durch einen TDC) durch $Δ I = \frac{l_{m a x}}{2^{b} - 1}$
geben sein, wobei I_max der maximale Fotostrom einer Fotodiode ist und b die Bittiefe eines TDC ist. Unter Verwendung der Auflösung kann ein kleinster Zeitschritt zusätzlich gegeben werden durch: $Δ t = \frac{q * N_{T H}}{l_{m a x} - Δ I} - \frac{q * N_{T H}}{l_{m a x}} = \frac{t_{m i n}}{2^{b} - 2},$
wobei N_th eine Schwellenanzahl der am Ausleseknoten/FD gesammelten Elektronen, q eine Elementarladung (z. B. die Elementarladung eines Protons) und t_min eine Zählerverzögerung ist. Unter Verwendung des kleinsten Zeitschritts Δt kann eine Taktfrequenz F_clk zusätzlich durch $F_{c l k} = \frac{1}{Δ t}$
gegeben werden.
Wie in der Beispielstruktur 1100 dargestellt, kann eine Taktfrequenz F_clk, wie im vorherigen Absatz definiert, von einem maximalen Fotostrom I_max durch einen Taktteilungskoeffizienten K, der als Teiler 1102 bezeichnet wird, herunterskaliert werden. Die Taktfrequenz kann proportional zum maximalen Fotostrom sein. In Fällen, in denen ein maximaler Fotostrom erwartet wird (z. B. für eine höchste Menge an messbarem Licht), kann K dem Wert ,1' entsprechen.
Die Taktfrequenz, geteilt durch den Taktteilungskoeffizienten, kann auf ein Clock-Gating 1104 angewendet werden. Das Clock-Gating 1104 kann verwendet werden, um Strom zu sparen, sodass eine zugehörige Taktschaltung nicht betrieben wird, während sie gerade nicht verwendet wird. Durch Anlegen der Taktfrequenz und des Taktteilungskoeffizienten an das Clock-Gating kann der Takt aktiviert werden. Zusätzlich kann dem Clock-Gating 1104 eine Zählerverzögerung bereitgestellt werden. Ein Zähler 1106 (z. B. ein nichtlinearer Zähler, wie in Bezug auf 4-5 erörtert) kann einen von einer Fotodiode erzeugten Fotostrom abtasten, und ein Komparator 1108 (z. B. ein digitaler Komparator) kann verwendet werden, um zu bestimmen, wann eine Anzahl von Elektronen, die sich einem Ausleseknoten/FD akkumuliert hat, eine Schwellenanzahl von Elektronen erreicht (z. B. durch eine Schwellenspannung, die in den Komparator 1108 eingegeben wird).
Wie in 11 dargestellt, kann das TRIGGER-Signal ein nichtlineares Synchronisationssignal für den Gray-Zähler 1110 sein. Der Zähler 1106, der Komparator 1108 und die Nachschlagetabelle 1112 können verwendet werden, um das TRIGGER-Signal zu erzeugen. Das heißt, die Nachschlagetabelle 1112 kann Taktteilungswerte für jede TDC-Zählung innerhalb eines bestimmten Bereichs (z. B. 1 bis 2^b-1) enthalten, der Komparator 1108 kann den Wert des Zählers 1106 mit dem aktuellen Wert aus der Nachschlagetabelle 1112 vergleichen, und das TRIGGER-Signal kann erzeugt werden, wenn die beiden Werte übereinstimmen. Der Komparator 1108 kann zusätzlich ein Reset-Signal an den Zähler 1106 senden. Der Teiler 1102 kann zusätzlich dazu verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Gray-Zählers 1110 zu beeinflussen und kann eine Belichtungs- oder Erfassungszeit eines zugehörigen PWM-Bildsensors steuern. In einigen Implementierungen, wie z. B. in einem rampenförmigen N_th-Modus, kann die Nachschlagetabelle 1112 zusätzlich N_th Werte für jede TDC-Zählung enthalten.
11 beschreibt lediglich eine Art der TDC-Zeitsteuerung, und gemäß einem PWM-Bildsensor der bereitgestellten Offenbarung kann eine beliebige Anzahl von TDC-Zeitsteuerungsverfahren verwendet werden. Eine Reihe solcher Beispiele wird in 12-15B bereitgestellt.
12 stellt ein beispielhaftes Verfahren 1200 der Belichtungssteuerung dar, bei dem ein anfänglicher N_th-Wert durch eine SNR-Erwartung vorgegeben ist und 13 stellt ein beispielhaftes Verfahren 1300 der Belichtungssteuerung dar, bei dem ein maximaler Wert von N_th (z. B. N_max) verwendet wird.
Wie in Arbeitsvorgang 1202 dargestellt, können Anfangswerte für einen Erfassungszeitraum, T-_DET, eine Schwellenanzahl von Elektronen, N_th, und eine Taktfrequenz, F_clk, als Ausgangspunkt für eine Belichtungssteuerung verwendet werden. Diese Anfangswerte können einem erwarteten SNR und/oder einem Bereich von Fotostrom entsprechen, der in einem Objekt/einer Szene erwartet wird, das/die Gegenstand eines von einem PWM-Bildsensor erfassten Bildes ist.
In Arbeitsvorgang 1204 kann ein Wert für den Taktteilungskoeffizienten K berechnet werden. Wie vorstehend in Bezug auf 11 erörtert, kann der Taktteilungskoeffizient als Skalierungsfaktor verwendet werden, um die Taktfrequenz von einem maximalen Pegel (z. B. einem Pegel, der einem maximalen Fotostrom entspricht) herunterzuskalieren. Wie in Arbeitsvorgang 1204 dargestellt, kann der Wert für K anhand der Gleichung K = ROUND $(\frac{F_{c l k} q N_{T H}}{(2^{b} - 2) l_{m a x}})$
berechnet werden, wobei die Funktion ROUND den berechneten Wert auf die nächste ganze Zahl rundet. Die Funktion ROUND kann zusätzlich oder alternativ auf- oder abrunden.
In Arbeitsvorgang 1206 wird eine neue Taktfrequenz bestimmt, indem die ursprüngliche Taktfrequenz (z. B. wie in Arbeitsvorgang 1202 angegeben) durch den in Arbeitsvorgang 1204 bestimmten Wert für K geteilt wird. In Arbeitsvorgang 1208 wird eine Bestimmung unter Verwendung der neuen Taktfrequenz vorgenommen. Die Bestimmung besteht darin, ob ein Erfassungszeitraum, geteilt durch 2 hoch eine Potenz, die einer Bittiefe eines TDC entspricht, größer oder gleich dem Ausdruck $\frac{2^{b} (2^{b} - 2)}{F_{c l k} (n)}$
ist. Mit anderen Worten wird eine Bestimmung vorgenommen, ob eine Umwandlungszeit kleiner oder gleich einem Erfassungszeitraum ist.
Wenn der Arbeitsvorgang 1208 negativ beantwortet wird („NEIN“), kann der Erfassungszeitraum durch die Umwandlungszeit ersetzt werden, wie in Arbeitsvorgang 1210 angegeben. Wenn der Arbeitsvorgang bei 1208 positiv beantwortet wird („JA“), kann der Erfassungszeitraum gleich bleiben. Im Falle des Arbeitsvorgangs 1210 kann die Zeit für die Erfassung von schwachem Licht verlängert werden, um eine Bildrate eines PWM-Pixels zu reduzieren. In Arbeitsvorgang 1212 können die Werte für K, t_min und/oder T_DET bestimmt und/oder gespeichert werden (z. B. in einer Nachschlagetabelle). Wie hierin beschrieben, entspricht das in 12 dargestellte Verfahren 1200 im Allgemeinen einer Schätzung einer Einzelaufnahme-Szene in einem logarithmischen Modus (z. B. einer logarithmischen Übertragungsfunktion).
13 stellt ein alternatives Verfahren 1300 der Belichtungssteuerung dar. Wie in Arbeitsvorgang 1302 angegeben, kann ein maximaler ,N'-Wert (z. B. eine Schwellenanzahl von Elektronen, die an einem Ausleseknoten/FD akkumuliert wurden) als Ausgangspunkt für die Belichtungssteuerung verwendet werden. Im Gegensatz dazu verwendet das in 12 dargestellte Verfahren 1200 einen vorbestimmten N_th-Wert unter Verwendung einer SNR-Erwartung (z. B. basierend auf einer Schätzung einer Einzelaufnahme).
In Arbeitsvorgang 1302 können Anfangswerte für einen Erfassungszeitraum (T_DET), eine Taktfrequenz (F_clk), eine maximale Anzahl von akkumulierten Elektronen (N_max) und eine minimale Anzahl von akkumulierten Elektronen (N_min) ermittelt werden. In Arbeitsvorgang 1304 kann ein Taktfrequenz-Teilungskoeffizient K berechnet werden. Die in Arbeitsvorgang 1304 dargestellte Gleichung kann dieselbe sein wie die in Arbeitsvorgang 1204 dargestellte, unter Bezugnahme auf 12, mit der Ausnahme, dass ein Wert der maximalen Schwellenanzahl der Elektronen, N_max, anstelle einer Schwellenanzahl der Elektronen, N_th, verwendet wird, der auf einer Schätzung einer Einzelaufnahme basiert.
In Arbeitsvorgang 1306 kann der berechnete Taktfrequenz-Teilungskoeffizient K verwendet werden, um einen Taktfrequenzwert zu aktualisieren, wie durch F_clk(n) angegeben. Auf diese Weise kann ein Taktfrequenzkoeffizient berechnet werden, der einem maximalen Schwellenwertpegel von Elektronen entspricht. In einigen Fällen ist der Wert für ,K` bei diesem Anfangsschritt gleich , 1'.
In Arbeitsvorgang 1308 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob eine Umwandlungszeit kleiner oder gleich einem Erfassungszeitraum ist. Wenn die Umwandlungszeit nicht kleiner oder gleich dem Erfassungszeitraum ist (z. B. „NEIN“), kann das Verfahren mit dem Arbeitsvorgang 1310 fortfahren, in dem bestimmt wird, ob ein N_max-Wert größer als ein N_min-Wert ist. Wenn N_max größer ist als N_min („JA“ in Arbeitsvorgang 1310), kann der N_max-Wert um ,1' verringert und in Arbeitsvorgang 1302 als neuer N_max-Wert verwendet werden. Auf diese Weise kann die Belichtungssteuerung schrittweise durchgeführt werden.
Wenn in Arbeitsvorgang 1310 der Nmax-Wert kleiner ist als der Nmin-Wert, dann kann das Verfahren 1300 (über „NEIN“) mit Arbeitsvorgang 1312 fortgesetzt werden, wo ein Erfassungszeitraum unter Verwendung der gleichen Formel berechnet wird, wie in Arbeitsvorgang 1210 von 12 bereitgestellt wurde. Die Werte für K, t_min und T_DET können dann in Arbeitsvorgang 1314 erhalten und/oder gespeichert werden.
Wenn in Arbeitsvorgang 1308 ein Erfassungszeitraum größer oder gleich der Umwandlungszeit ist, kann das Verfahren 1300 sofort zu Arbeitsvorgang 1314 übergehen, wo Werte für K, t_min und T_DET erhalten und/oder gespeichert werden können. Auf diese Weise kann das Verfahren 1300 verwendet werden, um eine Schwellenanzahl von Elektronen auf ein Mindestniveau (N_min) zu reduzieren, bevor eine Bildrate verringert wird (z. B. bei Arbeitsvorgang 1312). Das Verfahren 1300 kann daher im Allgemeinen einen schrittweisen Ansatz verwenden, um einen bestimmten Belichtungswert zu steuern.
14 stellt ein zusätzliches Verfahren 1400 zur Belichtungssteuerung in einem rampenförmigen N_th-Modus dar (z. B. ein Modus wie in 9A-9B dargestellt). Im rampenförmigen N_th-Modus sind die N_max- und N_min-Werte konstant, sodass es nicht notwendig ist, die zugehörigen Werte in einer Nachschlagetabelle (LUT) zu ändern, wie in 13 dargestellt.
In Arbeitsvorgang 1402 können Anfangswerte für eine Taktfrequenz (F_clk), einen Erfassungszeitraum (T_DET), eine maximale Schwellenanzahl von Elektronen (N_max) und eine minimale Schwellenanzahl von Elektronen (N_min) erhalten werden. Bei Arbeitsvorgang 1404 kann ein Taktfrequenz-Teilungskoeffizient K unter Verwendung einer Ladung q, der Taktfrequenz, einer maximalen Schwellenanzahl von Elektronen und eines maximalen Fotostroms berechnet werden, wie vorstehend erörtert. Bei Arbeitsvorgang 1406 kann eine aktualisierte Taktfrequenz erhalten werden, indem die ursprüngliche Taktfrequenz durch den Taktfrequenz-Teilungskoeffizienten K geteilt wird.
In Arbeitsvorgang 1408 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob ein Erfassungszeitraum (T_DET) größer oder gleich einer Umwandlungszeit ist, wie definiert durch die Gleichung $\frac{q N_{m i n} (2^{b} - 1)}{l_{m a x}} \leq T_{D E T} .$
Wenn der Erfassungszeitraum größer oder gleich der Umwandlungszeit ist, kann das Verfahren 1400 zu Arbeitsvorgang 1412 übergehen, wo Werte für K, t_min und T_DET erhalten werden können. Wird Arbeitsvorgang 1408 negativ beantwortet (z. B. „NEIN“), kann die Bildrate durch Änderung eines Erfassungszeitraums gemäß der Gleichung $T_{D E T} = \frac{q N_{m i n} (2^{b} - 1)}{l_{m}}$
geändert werden. Nachdem der Erfassungszeitraums geändert wurde, kann das Verfahren 1400 mit dem Arbeitsvorgang 1412 fortfahren, wie vorstehend erörtert.
15A-15B stellen Beispiele eines automatischen Belichtungsprozesses dar. 15A stellt ein Verfahren 1500 eines automatischen Belichtungsprozesses unter Verwendung einer System-On-A-Chip-Nachschlagetabelle (SOC LUT) dar. In Arbeitsvorgang 1502 werden die Anfangswerte für K, t_min und T_DET von der Adresse ,N` einer LUT, die einem PWM-Bildsensor bei i=0 zugeordnet ist, eingegeben. In Arbeitsvorgang 1504 kann ein Fenstersignalwert von dem PWM-Bildsensor erhalten werden und eine mittlere Helligkeit S kann berechnet werden. Zur Berechnung von S kann die Gleichung $S = \frac{l_{p h} (2^{b} - 1)}{l_{m a x}}$
verwendet werden, wobei I_max direkt proportional zu einer TDC-Taktfrequenz ist und als $l_{m a x} = \frac{q N_{m a x} F_{c l k}}{(2^{b} - 2) K}$

definiert ist, wobei q eine Elementarladung ist, N_max eine maximale Schwellenanzahl der an einem Ausleseknoten/FD empfangenen Elektronen ist, F_clk eine Taktfrequenz des TDC ist, b eine Bittiefe des TDC ist, I_pn der mittlere Fotostrom ist und K ein Teilungskoeffizient ist. Die Gleichung für die mittlere Helligkeit S kann als $S = k 1 * L * \frac{K}{F_{c l k}}$
vereinfacht werden, wobei k1 ein konstanter Wert ist.
In Arbeitsvorgang 1506 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob die mittlere Helligkeit kleiner oder gleich , 1' ist. Wenn die mittlere Helligkeit größer als ,1' ist, kann eine Nachschlagetabelle (LUT) abgefragt werden, um in Arbeitsvorgang 1508 Daten für Clog₂S und Clog₂K zu erhalten, die in der in den 15A-15B dargestellten Ausführungsform LUT1 und LUT3 entsprechen (siehe LUT 1550, dargestellt in 15B). Obwohl LUT1 und LUT3 in Arbeitsvorgang 1508 abgefragt werden, kann jede LUT-Spalte die notwendigen Informationen entsprechend der jeweiligen LUT-Einstellungen speichern.
Sobald die Werte von LUT1 und LUT3 in Arbeitsvorgang 1508 empfangen wurden, kann in Arbeitsvorgang 1510 eine Zählerschrittzahl n durch die Gleichung n = Clog₂S + Clog₂K - K2 berechnet werden, wobei n die Zählerschrittzahl ist, C durch die Gleichung $C = \frac{N - 1}{l o g_{2} L_{m a x} - l o g_{2} L_{m i n}}$

definiert ist, und K2 durch die Gleichung K2 = Clog₂L_min - Clog₂F_clk + Clog₂k1 definiert ist. Wie hierin verwendet, können die Werte für die Beleuchtungsstärke (L) aus der Gleichung log_2L = log₂S - log₂K + log₂F_clk - log₂k1 abgeleitet werden und die minimalen und maximalen Werte für die Beleuchtungsstärke können durch $L_{n} = {(\frac{L_{m a x}}{L_{m i n}})}^{\frac{1}{N - 1}} L_{n - 1}$

gegeben werden, wobei Ln die Beleuchtungsstärke des Fensters ist.
In Arbeitsvorgang 1512 wird der berechnete Wert für n verwendet. Zum Beispiel kann, wie bei Arbeitsvorgang 1512 dargestellt, wenn n kleiner oder gleich 0 ist, n auf gleich ,0` aktualisiert werden. Wenn n größer oder gleich N ist, dann kann n auf ,N` aktualisiert werden. Die LUT kann in Arbeitsvorgang 1514 abgefragt werden, um Tabellendaten für K, t_min und T_trig bei LUT2, LUT4 und LUT5 zu erhalten (siehe Tabelle 1550, dargestellt in 15B), obwohl die jeweilige Spalte für diese Werte nur zu Erklärungszwecken bereitgestellt wird. In Arbeitsvorgang 1518 können die in Arbeitsvorgang 1514 erhaltenen Werte an den PWM-Bildsensor ausgegeben werden, um die Belichtungseinstellungen automatisch zu aktualisieren.
Arbeitsvorgang 1516 kann auftreten, wenn ein mittlerer Helligkeitswert kleiner ist als 1, wie in Arbeitsvorgang 1506 bestimmt. In diesem Fall kann n auf gleich N/2 gesetzt werden, bevor eine LUT in Arbeitsvorgang 1514 abgefragt wird.
In Arbeitsvorgang 1520 kann ein i-Wert um ,1' inkrementiert werden. Wenn in Arbeitsvorgang 1522 i kleiner oder gleich 3 ist, kann der Arbeitsvorgang bei Arbeitsvorgang 1504 neu gestartet werden. Andernfalls, wenn i größer als 3 ist, kann das Verfahren 1500 bei Arbeitsvorgang 1524 beendet werden.
Wie vorstehend beschrieben, stellt 15B eine beispielhafte LUT 1550 dar, die Spalten für mittlere Helligkeit, LUT1, eine Adresse und LUT2-LUT5 einschließt. Diese LUT 1550 wird lediglich zu Erläuterungszwecken bereitgestellt und jedes mögliche LUT-Layout kann gemäß der bereitgestellten Offenbarung verwendet werden.
16 stellt ein Beispiel für eine LUT 1600 dar, die ein Segment für die mittlere Helligkeit S LUT 1602 und ein Segment für die Beleuchtungsstärke LUT 1604 einschließt. Wie vorstehend erörtert, kann ein logarithmischer TDC-Modus es einem PWM-Bildsensor ermöglichen, einen gesamten Dynamikumfang einer Szene (z. B. high dynamic range - HDR) in einer Einzelaufnahme zu erfassen. Auf diese Weise kann die durchschnittliche Beleuchtungsstärke einer Szene gemessen werden, um das Identifizieren eines Beleuchtungsstärkesegments n in der LUT 1600 zu unterstützen. In einigen Fällen kann das Beleuchtungsstärkesegment n durch die Gleichung $n = C l o g_{2} L_{m a x} - C l o g_{2} L_{m i n} = C S \frac{P}{2^{b} - 1} - K 2$
berechnet werden, wobei S die mittlere gemessene Helligkeit ist, b eine Bittiefe eines TDC ist, P eine Anzahl von Blenden ist und C und K2 Konstanten sind.
Durch Identifizieren des korrekten Beleuchtungsstärkesegments n kann eine geeignete Szenenhelligkeit für ein bestimmtes Bild erreicht werden, ohne dass bestimmte Abschnitte zu dunkel oder zu hell erscheinen. Wie ferner in 16 dargestellt, können Daten von einem PWM-Sensor 1606 an die LUT 1600 übertragen werden. Ferner kann I²C (Inter-Integrated Circuit) verwendet werden, um die LUT 1600 (insbesondere das n-Segment 1604) mit dem PWM-Sensor 1606 zu verbinden.
Zusätzliche Prozesse können zu jeder Zeit während der beispielhaften Arbeitsvorgänge auftreten. Zum Beispiel kann zum Bereitstellen von Farbe in ein Bild ein Bayer-Filterarray bereitgestellt werden und die zugehörige Verarbeitungselektronik kann eine Farbe eines bestimmten Pixels bestimmen. Ferner können Softwaremerkmale bereitgestellt werden, um einen Arbeitsvorgang eines PWM-Bildsensors zu variieren. Jegliche Komponenten, Strukturen, Filter, Verfahren, Prozesse usw. können in Übereinstimmung mit den Arbeitsvorgängen eines PWM-Bildsensors verwendet werden.
Andere Beispiele und Implementierungen liegen innerhalb des Schutzumfangs und des Geistes der Offenbarung und der beiliegenden Ansprüche. Zum Beispiel können Merkmale, die Funktionen implementieren, auch physisch an verschiedenen Positionen angeordnet sein, einschließlich davon so verteilt zu sein, sodass Teile von Funktionen an verschiedenen physischen Orten implementiert werden. Zudem deutet, wie hierin, einschließlich in den Ansprüchen, verwendet, „oder“ in einer Aufzählung von Elementen, der „mindestens eines von“ vorangestellt ist, auf eine disjunktive Aufzählung hin, sodass zum Beispiel eine Aufzählung von „mindestens eines von A, B oder C“ A oder B oder C oder AB oder AC oder BC oder ABC (d. h. A und B und C) bedeutet. Ferner bedeutet der Begriff „beispielhaft“ nicht, dass das beschriebene Beispiel bevorzugt oder besser als andere Beispiele ist.
Die vorhergehende Beschreibung verwendete zu Zwecken der Erklärung eine spezifische Nomenklatur, um ein vollständiges Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen bereitzustellen. Es ist jedoch für den Fachmann ersichtlich, dass die spezifischen Details nicht benötigt werden, um die beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Somit werden die vorstehenden Beschreibungen der spezifischen Ausführungsformen hierin zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt. Sie haben nicht zum Ziel, umfassend zu sein oder die Ausführungsformen auf die präzisen, offenbarten Formen zu beschränken. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass viele Modifikationen und Variationen angesichts der vorstehenden Lehren möglich sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Bildsensors mit Pulsbreitenmodulation (PWM), das Verfahren umfassend: während eines Erfassungszeitraums, Empfangen einer Anzahl von Photonen an einem PWM-Pixel des PWM-Bildsensors; Umwandeln der Anzahl von Photonen in einen Fotostrom, wenn die Anzahl von Photonen empfangen wird; Akkumulieren einer Anzahl von Elektronen an einem Ausleseknoten während des Erfassungszeitraums, wobei die Anzahl der Elektronen in Reaktion auf das Empfangen des Fotostroms durch den Ausleseknoten akkumuliert wird; während und in Synchronisation mit dem Erfassungszeitraum, Inkrementieren einer Zählung gemäß einer nichtlinearen Beziehung zwischen einer Auslösezeit und dem Fotostrom, wobei die Zählung mit einer Zeitreferenz synchronisiert ist; und wenn die akkumulierte Anzahl von Elektronen eine Schwellenanzahl von Elektronen erreicht, Zwischenspeichern eines Werts der Zählung in einem Speicher einer Zeit-Digital-Wandler-Schaltung (TDC-Schaltung).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit zunehmender Auslösezeit die Zählung mit einer verringerten Rate inkrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeitreferenz, t, definiert ist durch $t = \frac{2^{b} * t_{m i n}}{2^{b} - n},$
wobei b eine Bittiefe der TDC-Schaltung ist, n eine Zählerschrittzahl ist und t_min eine Zählerverzögerung ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Zählerverzögerung ferner definiert wird durch $t_{m i n} = \frac{q * N_{T H}}{l_{m a x}},$
wobei q eine Elementarladung ist, N_TH die Schwellenanzahl der Elektronen ist und I_max ein maximal erzeugbarer Fotostrom ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Übertragen von Bildinformationen, die dem zwischengespeicherten Wert der Zählung in dem Speicher der TDC-Schaltung entsprechen, über einen bidirektionalen Bus.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Beenden einer Dauer des Erfassungszeitraums als Reaktion auf den Fotostrom.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein höherer Fotostrom zu einem kürzeren Erfassungszeitraum führt und ein niedrigerer Fotostrom zu einem längeren Erfassungszeitraum führt.
Verfahren zum Durchführen einer automatischen Belichtungssteuerung für einen Bildsensor mit Pulsbreitenmodulation (PWM), das Verfahren umfassend: Abfragen erster Werte, die den anfänglichen Belichtungseinstellungen des PWM-Bildsensors zugeordnet sind, aus einer Nachschlagetabelle des PWM-Bildsensors, wobei die ersten Werte mindestens eine Taktfrequenz, eine Erfassungszeit und eine Schwellenanzahl von Elektronen zum Betreiben des PWM-Bildsensors umfassen; Teilen der Taktfrequenz durch einen Teilungskoeffizienten, wobei der Teilungskoeffizient mindestens teilweise auf der Schwellenanzahl von Elektronen und der Erfassungszeit basiert, um eine aktualisierte Taktfrequenz zu erhalten; unter Verwendung der aktualisierten Taktfrequenz, Bestimmen, ob eine Umwandlungszeit kleiner oder gleich der Erfassungszeit ist; und gemäß dem Bestimmen, dass die Umwandlungszeit kleiner oder gleich der Erfassungszeit ist, Beibehalten der anfänglichen Belichtungseinstellungen.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Verwenden des PWM-Bildsensors, um Signale zu erzeugen, die Licht entsprechen, das von einer Szene reflektiert wird; unter Verwendung der von dem PWM-Bildsensor erzeugten Signale, Berechnen eines mittleren Helligkeitswerts; Verwenden des mittleren Helligkeitswerts, um eine Zeile der Nachschlagetabelle zu identifizieren, die zweite Werte einschließt, die mindestens einen zweiten Teilungskoeffizienten, eine zweite Erfassungszeit und eine Zählerverzögerung umfassen; und Verwenden mindestens des zweiten Teilungskoeffizienten, der zweiten Erfassungszeit und der Zählerverzögerung, um die anfänglichen Belichtungseinstellungen in aktualisierte Belichtungseinstellungen umzuwandeln, wodurch ein Arbeitsvorgang des PWM-Bildsensors geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, wenn die Umwandlungszeit größer ist als die Erfassungszeit, das Berechnen einer zweiten Erfassungszeit und das Verwenden der zweiten Erfassungszeit, um die anfänglichen Belichtungseinstellungen des PWM-Bildsensors in aktualisierte Belichtungseinstellungen zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei: die Schwellenanzahl von Elektronen eine maximale Schwellenanzahl von Elektronen ist; und wobei das Verfahren ferner umfasst: wenn die Umwandlungszeit größer ist als die Erfassungszeit, das Verringern der maximalen Schwellenanzahl von Elektronen; und das Durchführen eines neuen Belichtungsvorgangs unter Verwendung der verringerten maximalen Schwellenanzahl von Elektronen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Berechnen der zweiten Erfassungszeit, Tdet, definiert wird durch $T_{D E T} = \frac{2^{b} (2^{b} - 2) K}{F_{c l k}},$
wobei b eine Bittiefe ist, K der Teilungskoeffizient ist und F_clk die Taktfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen, ob die Umwandlungszeit kleiner als oder gleich der Erfassungszeit ist, das Auswerten von $\frac{(2^{b} - 2) K}{F_{c l k}} \leq \frac{T_{D E T}}{2^{b}}$
umfasst, wobei b eine Bittiefe ist, K der Teilungskoeffizient ist, F_clk die Taktfrequenz ist und T_det die Erfassungszeit ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Wert für den Teilungskoeffizienten auf einem maximal erfassbaren Fotostrom basiert, der von einer Fotodiode des PWM-Bildsensors erzeugt werden kann.
Bildsensor mit Pulsweitenmodulation (PWM), umfassend: einen oberen Wafer, der eine Ladungs-Zeit-Wandler-Schaltung (CTC-Schaltung) umfasst, die CTC-Schaltung umfassend: eine Fotodiode; ein Reset-Gate; und einen Komparator; und einen unteren Wafer, der mit dem oberen Wafer gestapelt ist und eine Zeit-Digital-Wandler-Schaltung (TDC-Schaltung) umfasst, wobei: ein Reset-Signal an das Reset-Gate angelegt wird, um einen Erfassungszeitraum einzuleiten; während des Erfassungszeitraums die Fotodiode eine Anzahl von Elektronen akkumuliert; und wenn die Anzahl von Elektronen eine Schwellenanzahl von Elektronen erreicht, die CTC-Schaltung ein Schreibsignal von dem Komparator an die TDC-Schaltung überträgt.
PWM-Bildsensor nach Anspruch 15, wobei: die TDC-Schaltung ein statischer Direktzugriffsspeicher ist, der eine Anzahl von Latches umfasst; und das Schreibsignal eine Zählung in der Anzahl von Latches zwischenspeichert.
PWM-Bildsensor nach Anspruch 15, wobei: eine Schwellenspannung an den Komparator angelegt wird; und die Schwellenanzahl von Elektronen der an den Komparator angelegten Schwellenspannung entspricht.
PWM-Bildsensor nach Anspruch 15, wobei: die CTC-Schaltung und die TDC-Schaltung ein Pixel umfassen; und der PWM-Bildsensor ferner eine Anzahl von Pixeln umfasst, wobei jedes Pixel der Anzahl von Pixeln ein Paar aus einer jeweiligen CTC-Schaltung und einer jeweiligen TDC-Schaltung umfasst.
PWM-Bildsensor nach Anspruch 18, wobei jedes Pixel der Anzahl von Pixeln in einem Array angeordnet ist und zeilenweise gelesen wird.
PWM-Bildsensor nach Anspruch 15, wobei der obere Wafer und der untere Wafer durch mindestens eines von einem vertikalen Transfer-Gate, einer Silizium-Durchkontaktierung oder einem Bondpad kommunikativ gekoppelt sind.