TWI783152B - 具有延伸動態範圍之數位像素 - Google Patents

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Abstract

在一個實例中，一種設備包含：一比較器；一取樣電容器，其具有一第一板及一第二板。該第一板與感測由一光電二極體產生之電荷的一電荷感測單元之一輸出耦接，而該第二板與該比較器之一輸入耦接。該設備進一步包括一控制器，該控制器經組態以：在一第一時間，基於該電荷感測單元之一輸出電壓而設定該取樣電容器上之一第一電壓；重設該電荷感測單元，以將該第一板設定於一第二電壓，且基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於一第三電壓；使用該比較器比較該第三電壓與一或多個臨限值；及基於比較結果產生該電荷感測單元在該第一時間之該輸出電壓的一量化結果。

Description

具有延伸動態範圍之數位像素
本發明大體上係關於影像感測器，且更具體而言，係關於像素胞元結構，其包括用於判定影像產生之光強度的介接電路系統。
本專利申請案主張2018年6月9日申請之題為「用於減少影像感測器中之取樣雜訊的系統及方法（SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING SAMPLING NOISE IN IMAGE SENSOR）」的美國臨時專利申請案第62/682,874號之優先權，該案讓與給本申請案之受讓人且出於所有目的以全文引用之方式併入本文中。
典型的影像感測器包括光電二極體以藉由將光子轉換成電荷（例如，電子或電洞）來感測入射光。影像感測器進一步包括浮動節點，該浮動節點經組態為電容器以收集在曝光時段期間由光電二極體產生之電荷。所收集之電荷可在電容器處產生電壓。電壓可經緩衝且饋入至類比至數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC），該轉換器可將電壓量化成表示入射光強度之數位值。然而，量化之準確性可受到諸如熱雜訊、比較器偏移等之各種雜訊源影響。
本發明係關於影像感測器。更具體而言且非限制，本發明係關於一種像素胞元。本發明亦係關於操作像素胞元之電路系統以產生入射光強度之數位表示。
在一個實例中，提供一種設備。該設備包括：一光電二極體，其在一積分時段內回應於入射光而產生電荷；一電荷感測單元，其儲存該電荷中之至少一些且基於在該積分時段內由該光電二極體產生之該電荷的一量而產生一輸出電壓；及一類比至數位轉換器（ADC），其包含：一比較器；一取樣電容器，其具有與該電荷感測單元之一輸出耦接的一第一板及與該比較器之一輸入耦接的一第二板；及一控制器，其經組態以在該積分時段之後：基於該電荷感測單元之該輸出電壓而設定該取樣電容器上之一第一電壓；重設該電荷感測單元，以將該第一板設定於一第二電壓，且基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於一第三電壓；使用該比較器比較該第三電壓與一或多個臨限值；及基於比較結果產生該輸出電壓之一量化結果，以表示在該積分時段內由該光電二極體接收之該入射光的一強度。
在一些態樣中，該控制器經組態以基於將該比較器之該輸入與該比較器之一輸出電連接而設定該第一電壓。該第一電壓包括：一第一分量，其表示在該積分時段內由該光電二極體產生之該電荷的一量；一第二分量，其表示該比較器之一偏移；及一第三分量，其表示在該重設該電荷感測單元之前在一重設操作中引入至該電荷感測單元之第一重設雜訊電荷。該第二電壓包含表示藉由該重設該電荷感測單元而引入至該電荷感測單元之第二重設雜訊電荷的一第四分量；且該第三電壓包括表示該第三分量與該第四分量之一組合的一第五分量。
在一些態樣中，該第三電壓包括表示該比較器之一偏移的該第二分量，以在藉由該比較器比較該第三電壓與該一或多個臨限值時抵消該比較器之該偏移。
在一些態樣中，該一或多個臨限值包含一斜坡臨限值。該斜坡臨限值包含基於該電荷感測單元中之暗電流之一預期量的臨限值之一範圍。
在一些態樣中，該ADC進一步包含一計數器及一記憶體。該計數器經組態以相對於時間產生計數值。該記憶體經組態以基於該比較結果而儲存該等計數值中之一計數值作為該量化結果。
在一些態樣中，該光電二極體經組態以儲存殘餘電荷（residual charge）直至該光電二極體飽和，且在該光電二極體飽和時傳輸溢出電荷（overflow charge）。
在一些態樣中，該ADC經組態以：基於該比較結果判定該電荷感測單元儲存在該積分時段內來自該光電二極體之該溢出電荷；及基於該判定，確證一旗標位元以維持該記憶體中之所儲存計數值作為該量化結果。
在一些態樣中，該量化結果為一第一量化結果。該比較結果為一第一比較結果。該ADC經組態以：使用該取樣電容器獲得一第四電壓，該第四電壓表示在該積分時段期間儲存於該電荷感測單元中之溢出電荷的一量；使用該比較器比較該第四電壓與該一或多個臨限值中之一固定臨限值以產生一第二比較結果；及基於該第二比較結果產生該第四電壓達到該固定臨限值之一持續時間的一第二量化結果，以表示在該積分時段內由該光電二極體接收之該入射光的一強度。
在一些態樣中，該控制器經組態以基於該積分時段之一持續時間超過一持續時間臨限值而在該積分時段結束時，設定該取樣電容器上之該第一電壓且重設該電荷感測單元，以基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於該第三電壓。
在一些態樣中，該光電二極體、該電荷感測單元及該ADC為一像素胞元之部分。該量化結果對應於一像素值。
在一些實例中，提供一類比至數位轉換器（ADC）。該ADC包含：一比較器；一取樣電容器，其具有與一電荷感測單元之一輸出耦接的一第一板及與該比較器之一輸入耦接的一第二板；及一控制器，其經組態以：在一第一時間，基於該電荷感測單元在該第一時間之一輸出電壓而設定該取樣電容器上之一第一電壓；重設該電荷感測單元，以將該第一板設定於一第二電壓，且基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於一第三電壓；使用該比較器比較該第三電壓與一或多個臨限值；及基於比較結果產生該電荷感測單元在該第一時間之該輸出電壓的一量化結果。
在一些態樣中，該控制器經組態以基於將該比較器之該輸入與該比較器之一輸出電連接而設定該第一電壓。該第一電壓包括：一第一分量，其表示儲存於該電荷感測單元中之電荷的一量；一第二分量，其表示該比較器之一偏移；及一第三分量，其表示在該重設該電荷感測單元之前在一重設操作中引入至該電荷感測單元之第一重設雜訊電荷。該第二電壓包含表示藉由該重設該電荷感測單元而引入至該電荷感測單元之第二重設雜訊電荷的一第四分量。該第三電壓包括表示該第三分量與該第四分量之一組合的一第五分量。
在一些態樣中，該第三電壓包括表示該比較器之該偏移的該第二分量，以在藉由該比較器比較該第三電壓與該一或多個臨限值時抵消該比較器之該偏移。
在一些態樣中，該ADC進一步包括一計數器及一記憶體。該計數器經組態以相對於時間產生計數值。該記憶體經組態以基於比較結果而儲存該等計數值中之一計數值作為該量化結果。
在一些態樣中，該一或多個臨限值包含一斜坡臨限值。該斜坡臨限值包含基於該電荷感測單元中之暗電流之一預期量設定的臨限值之一範圍。
在一些態樣中，該電荷感測單元包含經組態以儲存電荷之一電晶體的一浮動汲極。
在一些態樣中，該取樣電容器上之一電壓在該設定該第一電壓之前漂移。
在一些實例中，提供一種方法。該方法包含：啟用一光電二極體以在一積分時段內回應於入射光而產生電荷；控制一電荷感測單元以基於在該積分時段內由該光電二極體產生之該電荷之一量而生一輸出電壓；在該積分時段之後且基於該電荷感測單元之該輸出電壓，設定一取樣電容器上之一第一電壓，其中該取樣電容器之一第一板與該電荷感測單元之一輸出耦接且該取樣電容器之一第二板與一比較器之一輸入耦接；重設該電荷感測單元，以將該第一板設定於一第二電壓，且基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於一第三電壓；使用該比較器比較該第三電壓與一或多個臨限值；及基於比較結果產生該輸出電壓之一量化結果，以表示在該積分時段內由該光電二極體接收之該射光的一強度。
在一些態樣中，該方法進一步包含將該比較器之該輸入與該比較器之一輸出電連接以設定該取樣電容器上之該第一電壓。該第一電壓包括：一第一分量，其表示儲存於該電荷感測單元中之電荷的一量；一第二分量，其表示該比較器之一偏移；及一第三分量，其表示在該重設該電荷感測單元之前在一重設操作中引入至該電荷感測單元之第一重設雜訊電荷。該第二電壓包含表示藉由該重設該電荷感測單元而引入至該電荷感測單元之第二重設雜訊電荷的一第四分量。該第三電壓包括表示該第三分量與該第四分量之一組合的一第五分量。
在一些態樣中，該第三電壓包括表示該比較器之該偏移的該第二分量，以在藉由該比較器比較該第三電壓與該一或多個臨限值時抵消該比較器之該偏移。
在以下描述中，出於解釋之目的，闡述特定細節以便提供對本發明之某些具體實例的透徹理解。然而，將顯而易見，可在無此等特定細節之情況下實踐各種具體實例。諸圖及描述並不意欲為限制性的。
典型的影像感測器包括光電二極體以藉由將光子轉換成電荷（例如，電子或電洞）來感測入射光。影像感測器進一步包括浮動節點，該浮動節點經組態為電容器以收集在曝光時段期間由光電二極體產生之電荷。所收集之電荷可在電容器處產生電壓。電壓可經緩衝且饋入至類比至數位轉換器（ADC），其可將電壓轉換成表示入射光強度之數位值。
由ADC產生的反映曝光時段內儲存於浮動節點處之電荷之量的數位值可與入射光強度相關。然而，相關程度可能受不同因素影響。首先，儲存於浮動節點中之電荷之量可與入射光強度直接相關，直至浮動節點達到飽和極限。超過飽和極限，浮動節點可能無法接受由光電二極體產生之額外電荷，且額外電荷可能漏泄且未儲存。結果，儲存於浮動節點處之電荷之量可低於由光電二極體實際上產生之量。飽和極限可判定影像感測器之可量測光強度的上限。
各種因素亦可設定影像感測器之可量測光強度的下限。舉例而言，在浮動節點處收集之電荷可包括與入射光強度無關之雜訊電荷。雜訊電荷之一個來源可為暗電流，其可為由於結晶缺陷而在光電二極體之p-n接面處及在連接至電容器之其他半導體裝置之p-n接面處產生的漏電流。暗電流可流入電容器中且添加與入射光強度無關之電荷。在光電二極體處產生之暗電流典型地小於在其他半導體裝置處產生之暗電流。雜訊電荷之另一來源可為與其他電路系統之電容耦合。舉例而言，當ADC電路系統執行讀取操作以判定儲存於浮動節點中之電荷之量時，ADC電路系統可經由電容耦合將雜訊電荷引入至浮動節點中。
除雜訊電荷以外，ADC亦可在判定電荷量時引入量測誤差。量測誤差可降低數位輸出與入射光強度之間的相關程度。量測誤差之一個來源為量化誤差。在量化程序中，一組離散的量位準可用以表示一組連續的電荷量，其中每一量位準表示預定電荷量。ADC可比較輸入電荷量與量位準，判定最接近輸入量之量位準，且輸出所判定量位準（例如，呈表示量位準之數位碼的形式）。量化誤差可在由量位準表示之電荷量與映射至量位準之輸入電荷量之間存在失配時出現。可藉由較小量化步長大小來減小量化誤差（例如，藉由減小兩個鄰近量位準之間的電荷量差）。量測誤差之其他來源亦可包括例如裝置雜訊（例如，ADC電路系統之雜訊）。舉例而言，在量測之間的浮動節點之重設期間，可將熱雜訊（以及其他雜訊，諸如1/f雜訊等）作為重設雜訊注入至浮動節點中，此將不反映入射光強度之電荷添加至浮動節點。此外，比較器偏移亦可導致電荷輸入量與量位準之間的比較之誤差。雜訊電荷（例如，暗電荷）及ADC量測誤差可定義影像感測器之可量測光強度的下限，而飽和極限可判定影像感測器之可量測光強度的上限。上限與下限之間的比率定義動態範圍，其可設定用於影像感測器之操作光強度的範圍。
可使用諸如相關雙重取樣（correlated double sampling，CDS）之各種技術來減輕重設雜訊及比較器偏移之效應。在相關雙重取樣之情況下，取樣電容器可用以對浮動節點電壓進行取樣兩次。當浮動節點及比較器在重設狀態中時，可執行第一取樣操作。自第一取樣操作，取樣電容器可儲存表示重設雜訊及比較器偏移之電荷以產生第一量測結果。當浮動節點及比較器脫離重設狀態時，可執行第二取樣操作以感測入射光，且可獲得第二量測結果。第二量測結果包括入射光強度以及相同重設雜訊及比較器偏移之量測結果。可自第二量測結果減去第一量測結果以產生補償量測結果，其中消除或實質上減少了重設雜訊。同時，比較器偏移分量保留於補償量測結果中。在藉由比較器比較補償量測結果與臨限值以執行量化時，補償量測結果中之比較器偏移分量可消除或實質上減少由比較器引入之比較器偏移。
儘管相關雙重取樣可減輕重設雜訊及比較器偏移之效應，但各種因素可降低相關雙重取樣之有效性。一個因素可為自取樣電容器之電荷洩漏。若第一量測與第二量測分開長持續時間，則當進行第二量測時，表示重設雜訊及比較器偏移之雜訊電荷之很大一部分可能已自取樣電容器漏泄。結果，當自第二量測結果減去第一量測結果時，第一量測結果可能不包括重設雜訊及/或比較器偏移之準確表示，且減輕重設雜訊及比較器偏移之效率變得低得多。因此，第一取樣操作與第二取樣操作之間可能需要較短時間間隙以使相關雙重取樣方案為有效的。
然而，可能不希望對第一量測與第二量測之間的時間間隙強加限制，此係因為此限制可限制像素胞元之光感測操作。具體而言，像素胞元可經組態以在積分時段內感測入射光，在積分時段中浮動節點可累積自光電二極體轉移之電荷。可在積分時段之前重設浮動節點。為了執行相關雙重取樣，作為第一取樣操作之部分，可操作取樣電容器以量測重設狀態中之浮動節點電壓，從而獲得第一量測結果。浮動節點接著脫離重設狀態且可在積分時段期間累積來自光電二極體之電荷。作為第二取樣操作之部分，可操作取樣電容器以在積分時段結束時對浮動節點電壓進行取樣，從而獲得第二量測結果。由於積分時段可設定為相對較長，以確保浮動節點可累積當在低光環境中操作時可由ADC量測的足夠量之電荷，因此可在積分時段期間導致自取樣電容器之大量電荷洩漏。同時，若像素胞元在低光環境中操作，則縮短積分時段可為不希望的。縮短積分時段可升高影像感測器之可量測光強度的下限且減小動態範圍，且像素胞元之效能降級。此像素胞元可能不適合於在具有極寬範圍之光強度之環境中操作的應用，諸如可穿戴式虛擬實境（VR）/擴增實境（AR）/混合實境（MR）系統。
本發明係關於一種像素胞元，其可藉由解決上文所論述之問題中之一些來提供延伸動態範圍。該像素胞元包括：光電二極體，其經組態以回應於入射光而產生及儲存電荷；及電荷儲存單元（例如，浮動節點），其經組態以在積分時段中累積來自光電二極體之電荷。該像素胞元進一步包括類比至數位轉換器（ADC）。該ADC包括取樣電容器及比較器且可由可為ADC之部分的控制器控制。在積分時段結束時，控制器可重設比較器。可執行第一取樣操作，其中該取樣電容器可基於儲存於電荷儲存單元中之電荷及比較器之偏移電壓而儲存第一電壓。儲存於電荷儲存單元中之電荷亦包括來自在積分時段之前電荷儲存單元之先前重設操作的第一重設雜訊電荷。在第一取樣操作之後，控制器可啟用比較器且重設電荷儲存單元以執行第二取樣操作。作為第二取樣操作之部分，取樣電容器可接收與由電荷儲存單元之重設引入之第二重設雜訊電荷相關的第二電壓。該取樣電容器可基於第一電壓及第二電壓之組合輸出第三電壓。第三電壓可包括：第一分量，其表示在積分時段內自光電二極體轉移至取樣電容器之電荷的量；第二分量，其表示偏移電壓；及第三分量，其表示第一重設雜訊電荷與第二雜訊電荷之間的差。該比較器可比較該差與臨限值以產生表示在積分時段內由光電二極體接收之入射光之強度的數位輸出。
具體而言，該取樣電容器可經組態為交流耦合式（ac-coupled）電容器。該取樣電容器之左側板可與電荷儲存單元耦接，而取樣電容器之右側板可與比較器耦接。作為第一取樣操作之部分，可重設比較器。可基於儲存於電荷儲存單元中之包括第一重設雜訊電荷的電荷而設定取樣電容器之左側板的電壓。可基於比較器之偏移電壓而設定取樣電容器之右側板的電壓。取樣電容器之左側板與右側板之間的電壓差可作為第一電壓儲存於取樣電容器中。
第二取樣操作可在第一取樣操作完成且第一電壓儲存於取樣電容器中之後開始。作為第二取樣操作之部分，可重設電荷儲存單元，而可啟用比較器。電荷儲存單元之重設可將取樣電容器之左側板設定成第二電壓，該第二電壓含有關於第二重設雜訊之資訊。當保持取樣電容器上之電壓差（第一電壓）時，經由交流耦合，取樣電容器之右側板可基於組合第一電壓及第二電壓而產生第三電壓。該組合可導致第三電壓中之第一重設雜訊電荷與第二雜訊電荷之間的至少部分抵消，同時保留比較器偏移分量。第三電壓可藉由具有比較器偏移之比較器與臨限值進行比較（例如，藉由與臨限值進行比較）。比較器偏移之效應可藉由含於第三電壓中之比較器偏移分量來抵消或實質上減輕。
藉由所揭示技術，可在積分時段之後獲得兩個取樣操作（用於量測重設雜訊及比較器偏移，及用於量測來自光電二極體之電荷）。該兩個取樣操作可分開相對較短的時段。結果，可減少取樣電容器之雜訊電荷洩漏之效應，而無需限制積分時段以減少電荷洩漏效應。所揭示技術即使在提供延伸積分時段以量測低光強度時亦使得能夠有效地減輕重設雜訊及比較器偏移，此可減小可量測光強度之下限且延伸動態範圍。
所揭示技術亦可為像素胞元添加操作靈活性。舉例而言，像素胞元可具有自適應積分時段，其中當像素胞元在具有低光強度之環境中操作時可延長積分時段，且其中當像素胞元在具有高或中等光強度之環境中操作時可縮短積分時段。在積分時段縮短之情況下，可控制像素胞元以執行相關雙重取樣操作（例如，其中兩個取樣操作由積分時段分開）以用於增強量測誤差補償。在積分時段延長之情況下，可控制像素胞元以基於所揭示技術執行量測（例如，其中在積分時段之後執行兩個取樣操作）。藉由延伸像素胞元之動態範圍，所揭示技術亦可改善依賴於像素胞元之數位輸出的應用（例如，VR/AR/MR系統）之效能以及改善使用者體驗。
所揭示技術可包括人工實境系統或結合人工實境系統實施。人工實境為在向使用者呈現之前已以某一方式調整的實境形式，其可包括例如虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）、混合實境（MR）、混雜實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全產生內容或與所俘獲之（例如，真實世界）內容組合之所產生內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、觸覺反饋或其某一組合，其中之任一者可在單一通道中或在多個通道中呈現（諸如，對觀看者產生三維效應之立體視訊）。另外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用以例如在人工實境中產生內容及/或以其他方式用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用程式、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括連接至主機電腦系統之頭戴式顯示器（HMD）、獨立式HMD、行動裝置或計算系統或能夠將人工實境內容提供至一或多個觀看者之任何其他硬體平台。
圖 1A 為近眼顯示器100之具體實例的圖。近眼顯示器100向使用者呈現媒體。由近眼顯示器100呈現之媒體的實例包括一或多個影像、視訊及/或音訊。在一些具體實例中，音訊經由外部裝置（例如，揚聲器及/或頭戴式耳機）呈現，外部裝置自近眼顯示器100、控制台或其兩者接收音訊資訊，且基於音訊資訊呈現音訊資料。近眼顯示器100大體經組態以作為虛擬實境（VR）顯示器操作。在一些具體實例中，近眼顯示器100經修改以作為擴增實境（AR）顯示器及/或混合實境（MR）顯示器操作。
近眼顯示器100包括框架105及顯示器110。框架105耦接至一或多個光學元件。顯示器110經組態以供使用者看到由近眼顯示器100呈現之內容。在一些具體實例中，顯示器110包含波導顯示器總成，其用於將來自一或多個影像之光引導至使用者之眼睛。
近眼顯示器100進一步包括影像感測器120a、120b、120c及120d。影像感測器120a、120b、120c及120d中之每一者可包括像素陣列，該像素陣列經組態以產生表示沿著不同方向之不同視場的影像資料。舉例而言，感測器120a及120b可經組態以提供表示朝向沿著Z軸之方向A之兩個視場的影像資料，而感測器120c可經組態以提供表示朝向沿著X軸之方向B之視場的影像資料，且感測器120d可經組態以提供表示朝向沿著X軸之方向C之視場的影像資料。
在一些具體實例中，感測器120a至120d可經組態為輸入裝置以控制或影響近眼顯示器100之顯示內容，從而向穿戴近眼顯示器100之使用者提供互動VR/AR/MR體驗。舉例而言，感測器120a至120d可產生使用者所位於之實體環境的實體影像資料。可將實體影像資料提供至地點追蹤系統以追蹤使用者在實體環境中之地點及/或移動路徑。系統可接著基於例如使用者之地點及定向來更新提供至顯示器110之影像資料，以提供互動體驗。在一些具體實例中，地點追蹤系統可運算SLAM演算法，以當使用者在實體環境內移動時追蹤實體環境中及使用者視場內之一組物件。該地點追蹤系統可基於該組物件建構及更新實體環境之地圖，且追蹤使用者在該地圖內之地點。藉由提供對應於多個視場之影像資料，感測器120a至120d可向地點追蹤系統提供實體環境之更全面視圖，此可致使在建構及更新地圖時包括更多物件。在此配置之情況下，可改善追蹤使用者在實體環境內之地點的準確性及穩固性。
在一些具體實例中，近眼顯示器100可進一步包括一或多個主動照明器130以將光投射至實體環境中。投射之光可與不同頻譜（例如，可見光、紅外光、紫外光等）相關聯，且可用於各種目的。舉例而言，照明器130可在暗環境中（或在紅外光、紫外光等之強度低的環境中）投射光，以輔助感測器120a至120d俘獲暗環境內之不同物件的影像，從而例如實現對使用者之地點追蹤。照明器130可將某些標誌投影至環境內之物件上，以輔助地點追蹤系統識別物件以用於地圖建構/更新。
在一些具體實例中，照明器130亦可實現立體成像。舉例而言，感測器120a或120b中之一或多者可包括用於可見光感測之第一像素陣列及用於紅外（IR）光感測之第二像素陣列兩者。第一像素陣列可覆疊有彩色濾光片（例如，拜耳濾光片），其中第一像素陣列之每一像素經組態以量測與特定色彩（例如，紅色、綠色或藍色中之一者）相關聯之光的強度。第二像素陣列（用於IR光感測）亦可覆疊有僅允許IR光通過之濾光片，其中第二像素陣列之每一像素經組態以量測IR光之強度。像素陣列可產生物件之RGB影像及IR影像，其中IR影像之每一像素映射至RGB影像之每一像素。照明器130可將一組IR標誌投影於物件上，該物件之影像可由IR像素陣列俘獲。基於如影像中所展示之物件之IR標記的分佈，系統可估計物件之不同部分距IR像素陣列的距離，且基於距離產生物件之立體影像。基於物件之立體影像，系統可判定例如物件相對於使用者之相對位置，且可基於相對位置資訊來更新提供至顯示器100之影像資料以提供互動體驗。
如上文所論述，近眼顯示器100可在與極寬範圍之光強度相關聯的環境中操作。舉例而言，近眼顯示器100可在室內環境中或在室外環境中及/或在當日之不同時間操作。近眼顯示器100亦可在主動照明器130接通或不接通之情況下操作。結果，影像感測器120a至120d可需要具有寬動態範圍以能夠遍及與用於近眼顯示器100之不同操作環境相關聯的光強度之極寬範圍而適當地操作（例如，產生與入射光之強度相關的輸出）。
圖 1B 為近眼顯示器100之另一具體實例的圖。圖 1B 說明面向穿戴近眼顯示器100之使用者之眼球135的近眼顯示器100之一側。如圖 1B 中所展示，近眼顯示器100可進一步包括複數個照明器140a、140b、140c、140d、140e及140f。近眼顯示器100進一步包括複數個影像感測器150a及150b。照明器140a、140b及140c可朝向方向D（其與圖 1A 之方向A相反）發射某頻率範圍之光（例如，NIR）。所發射之光可與某一圖案相關聯，且可由使用者之左眼球反射。感測器150a可包括像素陣列以接收反射光且產生經反射圖案之影像。類似地，照明器140d、140e及140f可發射攜載圖案之NIR光。NIR光可由使用者之右眼球反射，且可由感測器150b接收。感測器150b亦可包括像素陣列以產生經反射圖案之影像。基於來自感測器150a及150b之經反射圖案的影像，系統可判定使用者之凝視點，且基於判定之凝視點更新提供至顯示器100之影像資料以向使用者提供互動體驗。
如上文所論述，為了避免損害使用者之眼球，照明器140a、140b、140c、140d、140e及140f典型地經組態以輸出極低強度之光。在影像感測器150a及150b包含與圖 1A 之影像感測器120a至120d相同之感測器裝置的狀況下，當入射光之強度極低時，影像感測器120a至120d可需要能夠產生與入射光之強度相關的輸出，此可進一步提高影像感測器之動態範圍要求。
此外，影像感測器120a至120d可需要能夠以高速產生輸出以追蹤眼球之移動。舉例而言，使用者之眼球可執行極快速移動（例如，跳視（saccade）移動），其中可存在自一個眼球位置至另一眼球位置之快速跳轉。為了追蹤使用者之眼球的快速移動，影像感測器120a至120d需要以高速產生眼球之影像。舉例而言，影像感測器產生影像圖框之速率（圖框速率）需要至少匹配眼球之移動速度。高圖框速率需要在產生影像圖框中所涉及之所有像素胞元的短的總曝光時間，以及用於將感測器輸出轉換成用於影像產生之數位值的高速度。此外，如上文所論述，影像感測器亦需要能夠在具有低光強度之環境下操作。
圖 2 為圖 1 中所說明之近眼顯示器100之橫截面200的具體實例。顯示器110包括至少一個波導顯示器總成210。出射光瞳（exit pupil）230為在使用者穿戴近眼顯示器100時使用者之單一眼球220定位於眼箱（eyebox）區中的地點。出於說明之目的，圖 2 展示與眼球220及單一波導顯示器總成210相關聯之橫截面200，但第二波導顯示器用於使用者之第二眼睛。
波導顯示器總成210經組態以將影像光引導至位於出射光瞳230處之眼箱及引導至眼球220。波導顯示器總成210可由具有一或多個折射率之一或多種材料（例如，塑膠、玻璃等）構成。在一些具體實例中，近眼顯示器100包括在波導顯示器總成210與眼球220之間的一或多個光學元件。
在一些具體實例中，波導顯示器總成210包括一或多個波導顯示器之堆疊，包括但不限於堆疊式波導顯示器、變焦波導顯示器等。堆疊式波導顯示器為藉由堆疊各別單色源具有不同色彩之波導顯示器而建立的多色顯示器（例如，紅色-綠色-藍色（RGB）顯示器）。堆疊式波導顯示器亦為可投影於多個平面上之多色顯示器（例如，多平面彩色顯示器）。在一些組態中，堆疊式波導顯示器為可投影於多個平面上之單色顯示器（例如，多平面單色顯示器）。變焦波導顯示器為可調整自波導顯示器發射之影像光之聚焦位置的顯示器。在替代具體實例中，波導顯示器總成210可包括堆疊式波導顯示器及變焦波導顯示器。
圖 3 說明波導顯示器300之具體實例的等角視圖。在一些具體實例中，波導顯示器300為近眼顯示器100之組件（例如，波導顯示器總成210）。在一些具體實例中，波導顯示器300為將影像光引導至特定地點之某其他近眼顯示器或其他系統的部分。
波導顯示器300包括源總成310、輸出波導320及控制器330。用於說明之目的，圖 3 展示與單一眼球220相關聯之波導顯示器300，但在一些具體實例中，與波導顯示器300分開或部分分開之另一波導顯示器將影像光提供至使用者之另一眼睛。
源總成310產生影像光355。源總成310產生影像光355且將其輸出至位於輸出波導320之第一側370-1上的耦合元件350。輸出波導320為將擴展之影像光340輸出至使用者之眼球220的光波導。輸出波導320在位於第一側370-1上之一或多個耦合元件350處接收影像光355且將所接收之輸入影像光355導引至引導元件360。在一些具體實例中，耦合元件350將來自源總成310之影像光355耦合至輸出波導320中。耦合元件350可為例如繞射光柵、全像（holographic）光柵、一或多個級聯反射器、一或多個稜鏡表面元件及/或全像反射器陣列。
引導元件360將所接收之輸入影像光355重新引導至解耦元件365，使得所接收之輸入影像光355經由解耦元件365自輸出波導320解耦。引導元件360為輸出波導320之第一側370-1的部分或貼附至該第一側。解耦元件365為輸出波導320之第二側370-2的部分或貼附至該第二側，使得引導元件360與解耦元件365相對。引導元件360及/或解耦元件365可為例如繞射光柵、全像光柵、一或多個級聯（cascade）反射器、一或多個稜鏡表面元件及/或全像反射器陣列。
第二側370-2表示沿著x維度及y維度之平面。輸出波導320可由促進影像光355之全內反射之一或多種材料構成。輸出波導320可由例如矽、塑膠、玻璃及/或聚合物構成。輸出波導320具有相對較小的外觀尺寸。舉例而言，輸出波導320可沿著x維度為大約50 mm寬，沿著y維度為大約30 mm長，且沿著z維度為大約0.5至1 mm厚。
控制器330控制源總成310之掃描操作。控制器330判定用於源總成310之掃描指令。在一些具體實例中，輸出波導320以大視場（field of view，FOV）將擴展之影像光340輸出至使用者之眼球220。舉例而言，以60度及/或大於60度及/或150度及/或小於150度之對角線FOV（在x及y上）將擴展之影像光340提供至使用者之眼球220。輸出波導320經組態以提供具有20 mm或大於20 mm及/或等於或小於50 mm之長度；及/或10 mm或大於10 mm及/或等於或小於50 mm之寬度的眼箱。
此外，控制器330亦基於由影像感測器370提供之影像資料控制由源總成310產生之影像光355。影像感測器370可位於第一側370-1上，且可包括例如圖 1A 之影像感測器120a至120d，以產生在使用者前方之實體環境的影像資料（例如，用於地點判定）。影像感測器370亦可位於第二側370-2上，且可包括圖 1B 之影像感測器150a及150b，以產生使用者之眼球220的影像資料（例如，用於凝視點判定）。影像感測器370可與不位於波導顯示器300內之遠端控制台介接。影像感測器370可將影像資料提供至遠端控制台，該遠端控制台可判定例如使用者之地點、使用者之凝視點等，且判定待顯示給使用者之影像的內容。該遠端控制台可將與所判定內容相關之指令傳輸至控制器330。基於指令，控制器330可控制影像光355由源總成310之產生及輸出。
圖 4 說明波導顯示器300之橫截面400的具體實例。橫截面400包括源總成310、輸出波導320及影像感測器370。在圖 4 之實例中，影像感測器370可包括位於第一側370-1上之一組像素胞元402，以產生在使用者前方之實體環境的影像。在一些具體實例中，可存在插入於該組像素胞元402與實體環境之間的機械快門404，以控制該組像素胞元402之曝光。在一些具體實例中，機械快門404可由電子快門閘代替，如下文將論述。像素胞元402中之每一者可對應於影像之一個像素。儘管圖 4 中未展示，但應理解，像素胞元402中之每一者亦可覆疊有一濾光片以控制待由像素胞元感測之光的頻率範圍。
在接收到來自遠端控制台之指令之後，機械快門404可在曝光時段中開放該組像素胞元402且使其曝光。在曝光時段期間，影像感測器370可獲得入射於該組像素胞元402上之光的樣本，且基於由該組像素胞元402偵測到之入射光樣本的強度分佈而產生影像資料。影像感測器370可接著將影像資料提供至遠端控制台，該遠端控制台判定顯示內容，且將顯示內容資訊提供至控制器330。控制器330可接著基於顯示內容資訊判定影像光355。
源總成310根據來自控制器330之指令產生影像光355。源總成310包括源410及光學系統415。源410為產生同調（coherent）或部分同調光之光源。源410可為例如雷射二極體、垂直腔面發射雷射及/或發光二極體。
光學系統415包括調節來自源410之光的一或多個光學組件。調節來自源410之光可包括例如根據來自控制器330之指令而擴展、準直及/或調整定向。一或多個光學組件可包括一或多個透鏡、液體透鏡、鏡面、孔隙及/或光柵。在一些具體實例中，光學系統415包括具有複數個電極之液體透鏡，其允許以臨限值掃描角度掃描光束以使該光束移位至液體透鏡外之區。自光學系統415（以及源總成310）發射之光被稱作影像光355。
輸出波導320接收影像光355。耦合元件350將來自源總成310之影像光355耦合至輸出波導320中。在耦合元件350為繞射光柵之具體實例中，選擇繞射光柵之間距（pitch）使得在輸出波導320中發生全內反射，且影像光355在輸出波導320內部（例如，藉由全內反射）朝向解耦元件365傳播。
引導元件360將影像光355重新導向解耦元件365以與輸出波導320解耦。在引導元件360為繞射光柵之具體實例中，選擇繞射光柵之間距以使入射影像光355以相對於解耦元件365之表面傾斜的角度射出輸出波導320。
在一些具體實例中，引導元件360及/或解耦元件365在結構上類似。射出輸出波導320的擴展之影像光340沿著一或多個維度擴展（例如，可沿著x維度伸長）。在一些具體實例中，波導顯示器300包括複數個源總成310及複數個輸出波導320。源總成310中之每一者發射具有對應於原色（例如，紅色、綠色或藍色）之特定波長帶的單色影像光。輸出波導320中之每一者可按照分開距離堆疊在一起以輸出多色的擴展之影像光340。
圖 5 為包括近眼顯示器100之系統500之具體實例的方塊圖。系統500包含各自耦接至控制電路系統510之近眼顯示器100、成像裝置535、輸入/輸出介面540以及影像感測器120a至120d及150a至150b。系統500可經組態為頭戴式裝置、可穿戴式裝置等。
近眼顯示器100為向使用者呈現媒體之顯示器。由近眼顯示器100呈現之媒體的實例包括一或多個影像、視訊及/或音訊。在一些具體實例中，音訊經由外部裝置（例如，揚聲器及/或頭戴式耳機）呈現，外部裝置自近眼顯示器100及/或控制電路系統510接收音訊資訊且向使用者呈現基於音訊資訊之音訊資料。在一些具體實例中，近眼顯示器100亦可充當AR眼鏡。在一些具體實例中，近眼顯示器100使用電腦產生之元素（例如，影像、視訊、聲音等）擴增實體真實世界環境之視圖。
近眼顯示器100包括波導顯示器總成210、一或多個位置感測器525及/或慣性量測單元（IMU） 530。波導顯示器總成210包括源總成310、輸出波導320及控制器330。
IMU 530為基於自位置感測器525中之一或多者接收的量測信號產生快速校準資料的電子裝置，快速校準資料指示近眼顯示器100相對於近眼顯示器100之初始位置的估計位置。
成像裝置535可產生用於各種應用之影像資料。舉例而言，成像裝置535可產生影像資料，以根據自控制電路系統510接收之校準參數提供緩慢校準資料。成像裝置535可包括例如圖 1A 之影像感測器120a至120d，該等影像感測器用於產生使用者所位於之實體環境的影像資料，從而用於執行對使用者之地點追蹤。成像裝置535可進一步包括例如圖 1B 之影像感測器150a至150b，該等影像感測器用於產生用於判定使用者之凝視點的影像資料，以識別使用者所關注之物件。
輸入/輸出介面540為允許使用者將動作請求發送至控制電路系統510之裝置。動作請求為執行特定動作之請求。舉例而言，動作請求可為開始或結束應用程式或執行該應用程式內之特定動作。
控制電路系統510根據自以下各者中之一或多者接收的資訊將媒體提供至近眼顯示器100以供呈現給使用者：成像裝置535、近眼顯示器100及輸入/輸出介面540。在一些實例中，控制電路系統510可容納於經組態為頭戴式裝置之系統500內。在一些實例中，控制電路系統510可為與系統500之其他組件以通信方式耦接的單獨控制台裝置。在圖 5 中所展示之實例中，控制電路系統510包括應用程式儲存器545、追蹤模組550及引擎555。
應用程式儲存器545儲存用於由控制電路系統510執行之一或多個應用程式。應用程式為在由處理器執行時產生供呈現給使用者之內容的一組指令。應用程式之實例包括：遊戲應用程式、會議應用程式、視訊播放應用程式或其他合適的應用程式。
追蹤模組550使用一或多個校準參數校準系統500，且可調整一或多個校準參數以減小在判定近眼顯示器100之位置中的誤差。
追蹤模組550使用來自成像裝置535之緩慢校準資訊追蹤近眼顯示器100之移動。追蹤模組550亦使用來自快速校準資訊之位置資訊判定近眼顯示器100之參考點的位置。
引擎555執行系統500內之應用程式，且自追蹤模組550接收近眼顯示器100之位置資訊、加速度資訊、速度資訊及/或預測未來位置。在一些具體實例中，由引擎555接收之資訊可用於產生至波導顯示器總成210之信號（例如，顯示指令），該信號判定呈現給使用者之內容的類型。舉例而言，為了提供互動體驗，引擎555可基於使用者之地點（例如，由追蹤模組550提供）或使用者之凝視點（例如，基於由成像裝置535提供之影像資料）、物件與使用者之間的距離（例如，基於由成像裝置535提供之影像資料）判定待呈現給使用者之內容。
圖 6 說明像素胞元600之實例。像素胞元600可為像素陣列之部分且可產生對應於影像之像素的數位強度資料。舉例而言，像素胞元600可為圖 4 之像素胞元402的部分。如圖6中所展示，像素胞元600可包括光電二極體602、快門開關604、轉移閘606、重設開關607、包括電荷儲存單元608a及緩衝器608b之電荷感測單元608，及像素ADC 610。
在一些具體實例中，光電二極體602可包括例如P-N二極體、P-I-N二極體、鉸接二極體（pinned diode）等。光電二極體602可在接收到光後產生電荷，且所產生之電荷的量可與光強度成比例。光電二極體602亦可儲存所產生電荷中之一些直至光電二極體飽和，該飽和在達到光電二極體之井容量（well capacity）時發生。此外，快門開關604、轉移閘606及重設開關607中之每一者可包括電晶體。電晶體可包括例如金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）、雙極接面電晶體（BJT）等。快門開關604可充當電子快門閘（代替或與圖 4 之機械快門404組合）以控制像素胞元600之曝光時段。在曝光時段期間，快門開關604可藉由曝光啟用信號611停用（斷開），該曝光啟用信號611允許光電二極體602儲存所產生電荷，且在光電二極體602飽和時允許溢出電荷流動至電荷儲存單元608a，該電荷儲存單元608a可累積電荷且將電荷轉換成類比電壓。在曝光時段結束時，可啟用快門開關604以將由光電二極體602產生之電荷導向（steer）至光電二極體電流槽617中。此外，重設開關607亦可藉由重設信號618停用（斷開），該重設信號618允許電荷儲存單元608a累積電荷。電荷儲存單元608a可為轉移閘606之浮動端子處的裝置電容器、金屬電容器、MOS電容器或其任何組合。電荷儲存單元608a可用以藉由將電荷量轉換成電壓來量測/感測該量，該電壓可藉由像素ADC 610量測以提供表示入射光強度之數位輸出。在量測模式完成之後，可啟用重設開關607以將儲存於電荷儲存單元608a處之電荷清空至電荷槽620，從而使電荷儲存單元608a可用於下一量測。
現參看圖 7 ，其說明針對不同光強度範圍相對於時間累積之電荷量。在特定時間點累積之電荷的總量可反映在曝光時段期間入射於光電二極體602上之光的強度。當曝光時段結束時，可量測該量。可針對電荷之臨限量定義臨限值702及臨限值704，該等臨限值定義入射光強度之低光強度範圍706、中等光強度範圍708及高光強度範圍710。舉例而言，若總累積電荷低於臨限值702（例如，Q1），則入射光強度在低光強度範圍706內。若總累積電荷介於臨限值704與臨限值702（例如，Q2）之間，則入射光強度在中等光強度範圍708內。若總累積電荷高於臨限值704，則入射光強度在中等光強度範圍710內。若光電二極體在整個低光強度範圍706內未飽和且量測電容器在整個中等光強度範圍708內未飽和，則對於低及中等光強度範圍，累積電荷之量可與入射光強度相關。
低光強度範圍706及中等光強度範圍708以及臨限值702及704之定義可基於光電二極體602及儲存單元608之儲存容量。舉例而言，可定義低光強度範圍706使得在曝光時段結束時，儲存於光電二極體602中之電荷的總量低於或等於光電二極體之儲存容量，且臨限值702可基於光電二極體602之儲存容量。如下文將描述，可基於光電二極體602之經按比例調整儲存容量而設定臨限值702以考量光電二極體之潛在容量變化。此類配置可確保當為了判定強度而量測儲存於光電二極體602中之電荷的量時，光電二極體不飽和，且所量測量與入射光強度相關。此外，可定義中等光強度範圍708，使得在曝光時段結束時儲存於儲存單元608中之電荷的總量低於或等於量測電容器之儲存容量，且臨限值704可基於儲存單元608之儲存容量。典型地，臨限值704亦設定成基於電荷儲存單元608a之經按比例調整儲存容量，以確保當為了判定強度而量測儲存於電荷儲存單元608a中之電荷的量時，量測電容器不飽和，且所量測量亦與入射光強度相關。如下文將描述，臨限值702及704可用以偵測光電二極體602及電荷儲存單元608a是否飽和，其可判定入射光之強度範圍及待輸出之量測結果。
此外，在入射光強度處於高光強度範圍710內之狀況下，在電荷儲存單元608a處累積之總溢出電荷可在曝光時段結束之前超過臨限值704。由於額外電荷被累積，因此電荷儲存單元608a可在曝光時段結束之前達到滿容量，且可發生電荷洩漏。為了避免由於電荷儲存單元608a達到滿容量而引起之量測誤差，可執行飽和時間量測以量測在電荷儲存單元608a處累積之總溢出電荷達到臨限值704所花費的持續時間。電荷儲存單元608a處之電荷累積的速率可基於臨限值704與飽和時間之間的比率而被判定，且在曝光時段結束時（若電容器具有無限容量）可能已累積於電荷儲存單元608a處之電荷的假設量（Q3）可根據電荷累積速率藉由外插而被判定。假設電荷量（Q3）可提供高光強度範圍710內之入射光強度的相當準確之表示。
返回參看圖 6 ，轉移閘606可由量測控制信號612控制，以針對如上文所描述之不同光強度範圍而控制殘餘電荷電容器603及電荷儲存單元608a處之電荷累積。為量測高光強度範圍710及中等光強度範圍708，可控制轉移閘606以在部分接通狀態中操作。舉例而言，可基於光電二極體602處產生之對應於光電二極體之電荷儲存容量的電壓來設定轉移閘606之閘極電壓。在此類配置之情況下，僅溢出電荷（例如，在光電二極體飽和之後由光電二極體產生之電荷）將經由轉移閘606轉移到達儲存單元608，以量測飽和時間（對於高光強度範圍710）及儲存於電荷儲存單元608a中之電荷的量（對於中等光強度範圍708）。此外，為了量測低光強度範圍706，可控制轉移閘606處於完全接通狀態中以將儲存於光電二極體602中之電荷轉移至儲存單元608，以量測儲存於光電二極體602中之電荷的量。
累積於儲存單元608a處之電荷可產生類比電壓，該類比電壓可藉由緩衝器608b緩衝以產生類比輸出節點614處之類比電壓的複本（但具有較大驅動強度）。類比輸出節點614處之類比電壓可由像素ADC 610轉換成一組數位資料（例如，包含邏輯一及零）。在曝光時段結束之前（例如，對於中等光強度範圍708及高光強度範圍710）或在曝光時段之後（對於低光強度範圍706），可對在電荷儲存單元608a處產生之類比電壓進行取樣且可產生數位輸出。數位資料可由一組像素輸出匯流排616傳輸至例如圖 5 之控制電路系統510，以表示曝光時段期間之光強度。
在一些實例中，電荷儲存單元608a之電容可組態以改善針對低光強度範圍之光強度判定的準確性。舉例而言，當電荷儲存單元608a用以量測儲存於殘餘電荷電容器603處之殘餘電荷時，可減小電荷儲存單元608a之電容。減小電荷儲存單元608a之電容可增加儲存單元608處之電荷至電壓轉換比率，使得可針對一定量之所儲存電荷產生較高電壓。較高電荷至電壓轉換比率可減小由像素ADC 610引入之量測誤差（例如，量化誤差、比較器偏移等）對低光強度判定之準確性的影響。量測誤差可對可由像素ADC 610偵測及/或區分之最小電壓差設定限制。藉由增加電荷至電壓轉換比率，可減小對應於最小電壓差之電荷量，此又減小可由像素胞元600量測之光強度的下限且延伸動態範圍。另一方面，對於中等光強度，可增加電荷儲存單元608a之電容以確保電荷儲存單元608a具有足夠容量以儲存多達例如由臨限值定義704之量的電荷量。
圖 8 說明像素ADC 610之內部組件的實例。如圖 8 中所展示，像素ADC 610包括臨限值產生器802、比較器804及數位輸出產生器806。數位輸出產生器806可進一步包括計數器808及記憶體裝置810。計數器808可基於自由運行（free-running）時脈信號812產生一組計數值，而記憶體810可儲存由計數器808產生之計數值中的至少一些（例如，最新計數值）。在一些具體實例中，記憶體810可為計數器808之部分。記憶體810可為例如基於局部像素值儲存計數器值之鎖存電路，如下文所描述。臨限值產生器802包括數位至類比轉換器（DAC） 813，該數位至類比轉換器可接受一組數位值且輸出表示該組數位值之參考電壓（VREF） 815。如將在下文更詳細地論述，臨限值產生器802可接受靜態數位值以產生固定臨限值，或接受計數器808之輸出814以產生斜坡臨限值。
儘管圖 8 說明DAC 813（及臨限值產生器802）為像素ADC 610之部分，但應理解，DAC 813（及臨限值產生器802）可與來自不同像素胞元之多個數位輸出產生器806耦接。此外，數位輸出產生器806亦可在複數個像素胞元當中共用以產生數位值。
比較器804可比較在類比輸出節點614處產生之類比電壓與由臨限值產生器802提供之臨限值，且基於比較結果產生決策816。舉例而言，若類比輸出節點614處之類比電壓等於或超過由臨限值產生器802產生之臨限值，則比較器804可為決策816產生邏輯一。若類比電壓降低至臨限值以下，則比較器804亦可為決策816產生邏輯零。決策816可控制計數器808之計數操作及/或儲存於記憶體810中之計數值，以執行前述在類比輸出節點614處之斜坡類比電壓的飽和時間量測、以及在類比輸出節點614處之類比電壓的量化處理，以用於入射光強度判定。
圖 9A 說明藉由像素ADC 610進行之飽和時間量測的實例。為了執行飽和時間量測，臨限值產生器802可控制DAC 813以產生固定VREF 815。可將固定VREF 815設定為對應於用於使電荷儲存單元608a飽和之電荷量臨限值（例如，圖 7 之臨限值704）的電壓。計數器808可緊接在曝光時段開始之後（例如，緊接在停用快門開關604之後）開始計數。在類比輸出節點614處之類比電壓斜降（或取決於實施方案而斜升）時，時脈信號812保持雙態觸發（toggle）以更新計數器808處之計數值。類比電壓可在某一時間點達到固定臨限值，此致使比較器804之決策816翻轉。決策816之翻轉可停止計數器808之計數，且計數器808處之計數值可表示飽和時間。如下文將更詳細地論述，電荷儲存單元608a處之電荷累積速率亦可基於持續時間而判定，且入射光強度可基於電荷累積速率而判定。
圖 9B 說明藉由像素ADC 610量化類比電壓之實例。在量測開始之後，DAC 813可藉由計數器輸出714程式化以產生可取決於實施方案而斜升（在圖 9B 之實例中）或斜降的斜坡VREF 815。斜坡VREF 815之電壓範圍可介於臨限值704（用於儲存單元608之飽和的電荷量臨限值）與臨限值702（用於光電二極體602之飽和的電荷量臨限值），其可定義中等光強度範圍。在圖 9B 之實例中，可以均一量化步長執行量化程序，其中VREF 815針對時脈信號812之每一時脈循環增加（或減小）相同量。VREF 815之增加（或減小）量對應於量化步長。當VREF 815達到類比輸出節點614處之類比電壓的一個量化步長內時，比較器804之決策816翻轉。決策816之翻轉可停止計數器808之計數，且計數值可對應於量化步長之總數，該等量化步長經累積以在一個量化步長內匹配類比電壓。計數值可成為儲存於儲存單元608處之電荷之量的數位表示以及入射光強度之數位表示。如上文所論述，類比電壓之量化可在曝光時段期間（例如，對於中等光強度範圍708）及在曝光時段之後（例如，對於低光強度範圍706）發生。
如上文所論述，當由ADC 610輸出之量位準所表示（例如，由量化步長之總數所表示）的電荷量與藉由ADC 610映射至量位準之電荷的實際輸入量之間存在失配時，ADC 610可引入量化誤差。可藉由使用較小量化步長大小來減小量化誤差。在圖 9B 之實例中，量化誤差可藉由每時脈循環之VREF 815的增加（或減小）量而被減小。
儘管可藉由使用較小量化步長大小來減小量化誤差，但面積及執行速度可限制量化步長可減小多少。在較小量化步長大小之情況下，表示電荷量（及光強度）之特定範圍所需的量化步長之總數可增加。可能需要較大數目個資料位元來表示增加數目個量化步長（例如，8個位元表示255個步長，7個位元表示127個步長等）。較大數目個資料位元可能需要將額外匯流排添加至像素輸出匯流排616，此在像素胞元600用於頭戴式裝置上或具有極有限空間之其他可穿戴式裝置上的情況下可能並不可行。此外，在量化步長大小數目較大之情況下，ADC 610可能需要在找到匹配（藉由一個量化步長）之量位準之前循環通過較大數目個量化步長，此導致增加處理功率消耗及時間且減小產生影像資料之速率。對於需要高圖框速率之一些應用（例如，追蹤眼球移動之應用），速率減小可能為不可接受的。
減小量化誤差之一種方式為使用非均一量化方案，其中遍及輸入範圍，量化步長不均一。圖 10A 說明針對非均一量化程序及均一量化程序之ADC碼（量化程序之輸出）與輸入電荷量位準之間的映射之實例。虛線說明用於非均一量化程序之映射，而實線說明用於均一量化程序之映射。對於均一量化程序，量化步長大小（由Δ1 指示）對於輸入電荷量之整個範圍係相同的。相比而言，對於非均一量化程序，量化步長大小取決於輸入電荷量而不同。舉例而言，用於低輸入電荷量之量化步長大小（由ΔS 指示）小於用於大輸入電荷量之量化步長大小（由ΔL 指示）。此外，對於相同的低輸入電荷量，可使用於非均一量化程序之量化步長大小（ΔS ）小於用於均一量化程序之量化步長大小（Δ1 ）。
使用非均一量化方案之一個優點為可減小用於量化低輸入電荷量之量化步長，此又減小量化低輸入電荷量之量化誤差，且可減小可由ADC 610區分之最小輸入電荷量。因此，減小之量化誤差可降低影像感測器之可量測光強度的下限，且動態範圍可增加。此外，儘管對於高輸入電荷量，量化誤差增加，但相較於高輸入電荷量，量化誤差可保持較小。因此，可減小引入至電荷之量測的總量化誤差。另一方面，覆蓋輸入電荷量之整個範圍的量化步長之總數可保持相同（或甚至減少），且可避免與增加量化步長之數目相關聯的前述潛在問題（例如，面積增加、處理速度減小等）。
圖 10B 說明藉由像素ADC 610使用非均一量化程序量化類比電壓之實例。相較於圖 9B （其使用均一量化程序），VREF 815隨每一時脈循環以非線性方式增加，其中最初具有較小斜率且稍後具有較大斜率。斜率之差異係由於不均勻的量化步長大小。對於較低計數器計數值（其對應於較低輸入量範圍），使量化步長較小，因此VREF 815以較慢速率增加。對於較高計數器計數值（其對應於較高輸入量範圍），使量化步長較大，因此VREF 815以較高速率增加。可使用不同方案引入VREF 815中之不均勻量化步長。舉例而言，如上文所論述，DAC 813經組態以針對不同計數器計數值（來自計數器808）輸出電壓。DAC 813可經組態使得兩個相鄰計數器計數值之間的輸出電壓的差（其定義量化步長大小）對於不同計數器計數值係不同的。作為另一實例，計數器808亦可經組態以產生計數器計數值之跳變，而非增加或減小同一計數步長，以產生不均勻量化步長。在一些實例中，圖 10B 之非均一量化程序可用於低光強度範圍706及中等光強度範圍708之光強度判定。
現參看圖 11 ，其說明像素胞元1100之實例，該像素胞元可為圖 6 之像素胞元600的具體實例。在圖 11 之實例中，PD可對應於光電二極體602，電晶體M0可對應於快門開關604，電晶體M1可對應於轉移閘606，而電晶體M2可對應於重設開關607。此外，CFD 電容器（例如，浮動汲極）與CEXT 電容器之組合可對應於儲存單元608。電荷儲存單元608a之電容可由信號LG組態。當啟用LG時，電荷儲存單元608a提供CFD 電容器及CEXT 電容器之組合容量。當停用LG時，CEXT 可與並聯組合斷開連接，且電荷儲存單元608a僅包含CFD 電容器（外加其他寄生電容）。如上文所論述，為了低光強度判定，可減小電荷儲存單元608a之電容以增加電荷至電壓轉換比率，且為了中等光強度判定可增加電荷儲存單元608a之電容以提供必需容量。
像素胞元1100進一步包括緩衝器608b之實例及像素ADC 610之實例。舉例而言，電晶體M3及M4可形成可切換源極隨耦器，其可為圖 6 之緩衝器608b以緩衝在PIXEL_OUT節點處產生之類比電壓，該類比電壓表示儲存於儲存單元608處之電荷的量。另外，CC電容器、比較器1102、電晶體開關M5、「反或（NOR）」閘1112連同記憶體810可為像素ADC 610之部分，以產生表示OF節點處之類比電壓的數位輸出。如上文所描述，量化可基於由比較器1102產生的在PIXEL_OUT節點處產生之類比電壓與VREF之間的比較結果（VOUT）。此處，CC電容器經組態為取樣電容器，以產生追蹤緩衝器608b之輸出（及PIXEL_OUT）的COMP_IN電壓（在比較器1102之一個輸入處），且將COMP_IN電壓提供至比較器1102以與VREF進行比較。VREF可為用於飽和時間量測（對於高光強度範圍）之靜態電壓，或用於量化類比電壓（對於低及中等光強度範圍）之斜坡電壓。計數值（在圖 11 中標記為「cnt」）可由自由運行計數器（例如，計數器808）產生，且由比較器1102產生之比較結果可判定待儲存於記憶體810中且待作為入射光強度之數位表示而輸出的計數值。在一些實例中，產生用於低及中等光強度判定之VREF可基於如在圖 10A 及圖 10B 中所論述之非均一量化方案。
像素胞元1100可包括可進一步改善入射光強度判定之準確性的特徵。舉例而言，可操作CC電容器、電晶體M5以及電晶體M2之組合以補償由比較器1102引入之量測誤差（例如，比較器偏移）以及其他誤差信號，諸如由電晶體M2引入至電荷儲存單元608a之重設雜訊。如下文將描述，在第一取樣操作中，可閉合M2及M5以分別重設電荷儲存單元608a（及電荷感測單元608）及比較器1102。在重設電荷儲存單元608a之情況下，CC電容器可儲存由重設操作引入之雜訊電荷。此外，在閉合M5之情況下，比較器1102之負端子的電壓（VCOMP_IN ）可追蹤比較器1102之正端子的電壓，但相差比較器偏移。結果，反映比較器偏移以及重設雜訊之一定量的雜訊電荷可儲存於CC電容器處，以產生CC電容器上之電壓差VCC ，且VCC 可包括表示比較器偏移及重設雜訊之分量。
在第二取樣操作中，可切斷M2及M5使得電荷儲存單元608a及比較器1102可退出各別重設狀態。電荷儲存單元608a可在積分時段期間累積來自光電二極體PD之電荷以產生電壓，該電壓可藉由緩衝器608b緩衝以在PIXEL_OUT處產生電壓Vpixel_out 。在重設操作中由電晶體M2引入之重設雜訊電荷亦保留於儲存單元608中，因此Vpixel_out 亦包括重設雜訊之分量。經由交流耦合，可獲得新Vcomp_in ，且新Vcomp_in 基於加上VCC 而追蹤Vpixel_out 。由於VCC 亦含有重設雜訊之分量，因此在仍包括比較器偏移之分量的新VCOMP_IN 中可抵消重設雜訊分量。比較器1102可比較新VCOMP_IN 電壓與VREF以產生決策（VOUT），從而控制將計數器808之輸出儲存於記憶體810處的時間，以量化儲存於電荷儲存單元608a處之電荷之量。新Vcomp_in 中之比較器偏移分量可抵消或實質上減少比較器1102之比較器偏移的效應。由於消除或至少實質上減小比較器偏移及重設雜訊兩者，因此可改善量化之準確性。
在一些具體實例中，如下文將論述，可操作CC電容器、電晶體M5以及電晶體M2之組合以在積分時段之後執行第一及第二取樣操作，從而減小電荷洩漏對量測誤差補償操作之影響。在一些具體實例中，積分時段可適應於光強度，且可基於光強度在不同量測誤差補償操作中操作此等組件。舉例而言，可操作該等組件以執行相關雙重取樣操作，其中若積分時段短於臨限值（例如，對於取樣中等及高光強度）及/或在取樣電容器在積分時段內之電荷洩漏之程度處於容限範圍內的情況下，第一取樣操作及第二取樣操作由積分時段分開。亦可操作此等組件以：若積分時段超過臨限值（例如，對於取樣低光強度）及/或在取樣電容器在積分時段內之電荷洩漏之程度超出容限範圍的情況下，在積分時段之後執行第一及第二取樣操作。
此外，像素胞元1100進一步包括可為ADC 610之部分或在其外部的控制器1110。控制器1110可產生一連串控制信號，諸如AB、TG、RST、COMP_RST等，以操作像素胞元1100執行對應於圖 7 之三個光強度範圍（例如，低光強度範圍706、中等光強度範圍708及高光強度範圍710）之三階段量測操作，且執行如上文所描述之量測誤差補償操作。在每一階段中，像素胞元1100可在針對對應光強度範圍之量測模式中操作，且基於比較器1102之決策輸出（VOUT）判定入射光強度是否在對應光強度範圍內。像素胞元1100進一步包括一組暫存器以將一些階段之決策輸出儲存為FLAG_1及FLAG_2信號。基於FLAG_1及FLAG_2信號，控制器1110可選擇三個階段中之一者中的計數值輸出以表示入射光強度。選定計數值可儲存於記憶體810中，且記憶體810可藉由NOR閘1116基於FLAG_1及FLAG_2訊號之組合鎖定，以防止後續量測階段覆寫記憶體810中之選定ADC碼輸出。在三階段量測程序結束時，控制器1110可取回儲存於記憶體810中之計數值且將計數值提供為表示入射光強度之數位輸出。
現參看圖 12A 及圖 12B ，其說明用於三階段量測操作及實例量測誤差補償操作之像素胞元1100之控制信號的實例序列。圖 12A 說明COMP_IN、PIXEL_OUT、AB、RST、COMP_RST、TG、LG、VREF及cnt（來自計數器808之計數值）相對於時間的改變。圖 12A 中之實例量測誤差補償操作可基於相關雙重取樣。參看圖 12A ，在t1 之前的時間段可對應於第一重設階段，在該第一重設階段中，電荷儲存單元608a（及電荷感測單元608）及比較器1102可藉由確證（assert）RST及COMP_RST信號而由控制器1110置於重設狀態中。在時間t1 與t2 之間，電荷儲存單元608a及比較器1102可退出重設狀態，而快門信號AB可保持經確證以防止由光電二極體PD產生之電荷到達電荷儲存單元608a。如下文將描述，可在時間t2 執行第一取樣操作，以對由於進入及退出重設狀態而由電晶體M2引入之重設雜訊進行取樣。t2 與t3 之間的時間段可對應於積分時段，在該積分時段中，快門信號AB可經撤銷確證以允許自光電二極體PD溢出（在光電二極體達到其殘餘電荷儲存容量之後）之電荷累積於電荷儲存單元608a處。可在積分時段期間執行兩個量測階段，包括用於高光強度範圍710之飽和時間（time-to-saturation，TTS）量測階段及用於針對中等光強度708量測溢出電荷之FD ADC階段。t3 與t5 之間的時間段可對應於第二重設階段，在該第二重設階段中，電荷儲存單元608a及比較器1102可再次置於重設狀態中。在時間t5 與t6 之間，控制器1102可確證TG以啟用電晶體M1，從而將儲存於光電二極體PD中之殘餘電荷轉移至電荷儲存單元608a。可在時間t6 與t7 之間執行第三量測階段PD ADC以針對低光強度範圍712量測殘餘電荷。像素胞元1100可提供來自TTS、FD ADC或PD ADC階段之量測結果中之一者的表示入射光強度之數位輸出，且接著開始下一三階段量測操作。
TTS中之量測操作類似於圖 9A 中所描述之操作，其中藉由比較器1102將PIXEL_OUT電壓與表示電荷儲存單元608a之飽和位準的靜態VREFLOW 進行比較。當PIXEL_OUT電壓達到靜態VREF時，比較器1102之輸出（VOUT）可跳變，且在VOUT跳變時來自計數器808之計數值可儲存至記憶體810中。此外，參看圖 12B ，控制器1110可在TTS階段結束時判定比較器1102之VOUT的狀態，且可在VOUT經確證之情況下確證FLAG_1信號。FLAG_1信號之確證可指示電荷儲存單元608a飽和且可防止後續量測階段（FD ADC及PD ADC）覆寫儲存於記憶體810中之計數值。可接著提供來自TTS之計數值以表示在積分時段期間由光電二極體PD接收之光的強度。
此外，FD ADC及PD ADC量測操作類似於關於圖 9B 所描述之操作，其中藉由比較器1102比較PIXEL_OUT電壓與斜坡VREF。FD ADC階段可在TTS階段之後。如圖 12A 中所展示，VREF斜坡可自Vref_low 開始，至Vref_high 。Vref_low 至Vref_high 之間的範圍可對應於ADC 610之全尺度輸入範圍。對於FD ADC，Vref_high 可對應於儲存於電荷儲存單元608a中之溢出電荷的最小量，其分開低光強度範圍706與中等光強度範圍708，而Vref_low 可對應於電荷儲存單元608a之飽和臨限值，其分開中等光強度範圍708與高光強度範圍710。若比較器1102之VOUT在FD ADC期間跳變，則在VOUT跳變時計數器808之計數值可儲存於記憶體810中。如圖 12B 中所展示，控制器1110可在FD ADC結束時判定比較器1102之VOUT的狀態，且可在VOUT經確證之情況下確證FLAG_2。FLAG_2信號之確證可指示電荷儲存單元608a儲存大於溢出電荷之最小量，且可防止後續PD ADC階段覆寫儲存於記憶體810中之計數值。可接著提供來自FD ADC之計數值以表示光強度。
同時，在PD ADC階段中，可將表示儲存於光電二極體PD中之殘餘電荷的PIXEL_OUT電壓與自Vref_low 開始至Vref_high 之VREF斜坡進行比較。在PD ADC階段中，Vref_high 可表示儲存於光電二極體PD中之殘餘電荷的最小可偵測量，而Vref_low 可表示光電二極體PD之飽和臨限值，超過該飽和臨限值，光電二極體PD將溢出電荷轉移至電荷儲存單元608。若在PD ADC之前既未確證FLAG_1亦未確證FLAG_2，則可將當比較器1102在PD ADC期間跳變時獲得之計數值儲存至記憶體810中，且可提供來自PD ADC之計數值以表示光強度。
在一些實例中，為了減輕FD ADC期間由於在浮動汲極（例如，電荷儲存單元608之CFD ）中存在暗電流而發生之錯誤溢出電荷偵測及跳變的風險，可減小用於FD ADC之VREF斜坡的範圍。舉例而言，如圖12A中所展示，引入電壓餘量ΔV以減小Vref_high 。在此配置之情況下，若PIXEL_OUT電壓僅由於存在暗電流而低於未修改之Vref_high ，則VREF斜坡將不會與PIXEL_OUT電壓交叉（且比較器1102將不會跳變），且由於存在暗電流之錯誤跳變的可能性可減小。
如上文所論述，圖 12A 中之控制信號的序列可控制像素胞元1100以執行量測誤差補償操作，諸如相關雙重取樣。以下為由圖 12A 中之控制信號之序列提供的實例相關雙重取樣操作。
可在積分時段開始之前在時間t2 執行第一取樣操作。在時間t2 ，在已重設電荷儲存單元608a之後，可將PIXEL_OUT重設至重設電壓Vpixel_out_rst 。此外，第一重設階段亦將重設雜訊電荷引入至電荷儲存單元608中。重設雜訊電荷引入雜訊電壓分量VσKTC 。因此，在時間t2 ，CC電容器之左側板的電壓（Vpixel_out ）可如下：
Figure 02_image001
（等式1）
此外，在比較器1102處於重設狀態中之情況下，CC電容器之右側板（連接至比較器1102之負端子）的電壓Vcomp_in 可追蹤比較器1102之正端子的電壓，但相差比較器偏移Vcomp_offset 。在正端子與Vref_low 連接之情況下，COMP_IN (Vcomp_in )之電壓可如下：
Figure 02_image003
= Vref_low +
Figure 02_image005
（等式2）
在時間t2 ，PIXEL_OUT與COMP_IN之間的電壓差Vcc 可如下：
Figure 02_image007
（等式3）
組合等式1、2及3，在時間t2 之電壓差Vcc 可如下：
Figure 02_image009
（等式4）
電壓差Vcc （t2 ）可表示第一取樣操作之結果。
在t2 與t3 之間，電荷儲存單元608a可累積來自光電二極體PD之溢出電荷。溢出電荷可在電荷儲存單元608處產生電壓Vpixel_out_sig 。此外，由第一重設階段注入之重設雜訊電荷保留於電荷儲存單元608中。
在積分結束時，在時間t3 ，可執行第二取樣操作以量測電荷儲存單元608處之溢出電荷的量。在時間t3 ，CC電容器之左側板的電壓（Vpixel_out ）可如下：
Figure 02_image011
（等式5）
Vpixel_out (t3 )可表示第二取樣操作之結果。
經由交流耦合，CC電容器之右側板在時間t3 的電壓（VCOMP_IN ）可追蹤Vpixel_out (t3 )，但相差電壓差Vcc (t3 )，如下：
Figure 02_image013
（等式6）
若Vcc (t3 )相同於Vcc (t2 )，則Vcc (t3 )亦可包括重設電荷雜訊分量VσKTC 。可如下重寫等式6：
Figure 02_image015
) （等式7）
如等式7中所展示，可抵消Vpixel_out (t3 )之VσKTC 分量與Vcc (t3 )之VσKTC 分量。可如下簡化等式7：
Figure 02_image017
（等式8）
如等式8中所展示，Vcomp_in (t3 )包括差分量Vpixel_out_sig -Vpixel_out_rst ，其表示在積分時段期間來自光電二極體且由電荷儲存單元608a累積之電荷的量。VCOMP_IN (t3 )進一步包括Vcomp_offset 分量以及Vref_low （來自Vcc ）。當比較器1102比較VCOMP_IN (t3 )與Vref_low 時，可藉由Vcomp_offset 分量抵消由比較器1102引入之比較器偏移，且僅量化表示來自光電二極體之電荷之量的差Vpixel_out_sig -Vpixel_out_rst ，以產生量化結果。此類配置可自量化結果移除重設雜訊及比較器偏移且改善光強度量測之準確性。
在FD ADC之後，作為相關雙重取樣操作之第一取樣操作，可在時間t3 與t5 之間重設比較器1102及電荷儲存單元608a，以將重設雜訊電荷及比較器偏移資訊儲存於CC電容器中。可在時間t5 與t6 之間確證TG信號，以將來自光電二極體PD之殘餘電荷轉移至電荷儲存單元608a，且可在時間t6 執行第二取樣操作以量測儲存於電荷儲存單元608a中之殘餘電荷。可根據等式8定義在t6 之Vcomp_in ，其中Vpixel_out_sig -Vpixel_out_rst 表示殘餘電荷之量且在時間t6 與t7 之間的PD ADC階段中經量化。
如上文所展示，在圖 12A 之相關雙重取樣中抵消重設雜訊及比較器偏移取決於CC電容器上之電壓差Vcc ，其跨越積分時段為恆定的，使得在積分時段結束時，Vcc 保留在積分時段開始之前量測的重設雜訊分量VσKTC 及Vcomp_offset 。然而，由於自CC電容器之電荷洩漏，表示重設雜訊及比較器偏移之雜訊電荷可經由負端子比較器1102自CC電容器之右側板洩漏，該雜訊電荷在積分時段期間為浮動的。結果，在積分時段結束時，Vcc 不包括在積分時段之前取樣的比較器偏移及重設雜訊之準確表示。
圖 13 說明自CC電容器之電荷洩漏的效應之實例。在圖 13 中，用於COMP_IN之虛線表示Vcomp_in 並無自CC電容器之電荷洩漏的效應，且相同於圖 12A 中之對應曲線。用於COMP_IN之實線表示在自CC電容器之電荷洩漏的效應下的實際Vcomp_in 。如圖 13 中所展示，在t2 與t3 之間，Vcomp_in 可漂移。漂移可由於經由比較器1102之浮動負端子（COMP_IN）自CC電容器之右側板的電荷洩漏。由於漏泄電荷之總量係累積的，因此由Vleak 標記之漂移的程度隨時間增加。因為漂移，在時間t2 與t3 之間，Vcc 亦隨時間改變。結果，在時間t2 取樣之雜訊電荷及比較器偏移資訊中之一些或全部在時間t3 丟失。由於Vcc (t3 )不再包括重設雜訊之準確表示，因此當如等式7及8中所展示，將Vpixel_out (t3 )與Vcc (t3 )組合成Vcomp_in (t3 )時，無法抵消Vpixel_out (t3 )之重設雜訊。此外，由於Vcc (t3 )（及Vcomp_in (t3 )）不再包括比較器偏移之準確表示，因此當比較Vcomp_in (t3 )時，亦無法消除比較器1102之偏移。
圖 14A 及圖 14B 說明用於三階段量測操作及實例量測誤差補償操作之像素胞元1100之控制信號的實例序列。在實例量測誤差補償操作中，可在積分時段之後執行兩個取樣操作。在第一取樣操作中，可重設比較器1102，且第一取樣操作可量測在積分時段期間由電荷儲存單元608a累積之電荷，其包括來自先前重設操作之第一重設雜訊電荷，及比較器偏移。在第一取樣操作之後，可重設電荷儲存單元608a，且可執行第二取樣操作以量測由電荷儲存單元之重設引入的第二重設雜訊電荷。可組合第一取樣操作及第二取樣操作之結果，且可量化組合結果。該組合結果包括表示第一重設雜訊電荷與第二雜訊電荷之間的差之雜訊分量。由於雜訊分量小於第一重設雜訊電荷或第二重設雜訊電荷，因此可補償重設雜訊對在積分時段期間由電荷儲存單元608a累積之電荷之量測的影響。同時，組合結果亦保留比較器偏移分量，其可用以在量化操作期間補償比較器1102之比較器偏移。
參看圖 14A ，在t1 之前的時間段可對應於第一重設階段，在該第一重設階段中，電荷儲存單元608a及比較器1102可藉由確證RST及COMP_RST信號而由控制器1110置於重設狀態中。第一重設階段亦將第一重設雜訊電荷引入至電荷儲存單元608a中，該第一重設雜訊電荷由電壓分量VσKTC1 表示。在對應於積分時段之t2 與t3 之間，比較器1102及電荷儲存單元608a兩者脫離重設狀態，且電荷儲存單元608a可累積來自光電二極體PD之溢出電荷以在時間t3 產生電壓Vpixel_out_sig 。
在積分結束之後，在時間t4 ，可執行第一取樣操作。CC電容器之左側板的電壓（Vpixel_out ）可如下：
Figure 02_image019
（等式9）
在時間t3 與t4 之間，作為第一取樣操作之部分，可重設比較器1102。作為重設比較器1102之結果，CC電容器之右側板（連接至比較器1102之負端子）的電壓Vcomp_in 可追蹤比較器1102之正端子的電壓，但相差比較器偏移Vcomp_offset ，類似於以上等式2。在時間t4 ，Vcomp_in 可如下：
Figure 02_image021
= Vref_low +
Figure 02_image005
（等式10）
在時間t4 ，CC電容器上之電壓差Vcc 變成以下：
Figure 02_image023
（等式11）
組合等式9、10及11，在時間t4 之電壓差Vcc 可如下：
Figure 02_image025
（等式12）
作為第一取樣操作之結果，在時間t4 之電壓差Vcc 可儲存於CC電容器中。第一取樣操作之結果包括：表示在積分時段期間自光電二極體轉移至電荷儲存單元608a之電荷的分量（Vpixel_out_sig ）、表示第一重設雜訊電荷之分量（VσKTC1 ）及表示比較器1102之比較器偏移的分量（Vcomp_offset ）。
在時間t4 與t5 之間，作為第二取樣操作之部分，可重設電荷儲存單元608a，而比較器1012退出重設狀態。作為重設電荷儲存單元608a之結果，可將PIXEL_OUT重設至重設電壓Vpixel_out_rst 。此外，亦將第二重設雜訊電荷引入至電荷儲存單元608a中，該第二重設雜訊電荷可由VσKTC2 表示。第二重設雜訊電荷可追蹤第一重設雜訊電荷。在時間t5 ，CC電容器之左側板的電壓（Vpixel_out ）可如下：
Figure 02_image027
（等式13）
Vpixel_out (t5 )可為第二取樣操作之結果。
經由交流耦合，基於以下等式，CC電容器之右側板在時間t5 的電壓（Vcomp_in ）可追蹤Vpixel_out (t5 )，但相差電壓差Vcc (t5 )：
Figure 02_image029
（等式14）
由於時間t4 與t5 之間的差典型地極短（且典型地亦比積分時段短得多），因此自CC電容器之電荷洩漏亦極少。因此，Vcc (t5 )與Vcc (t4 )基本上相同。可如下基於等式12、13及14定義V comp_in (t5 )：
Figure 02_image031
（等式15）
可如下重新配置等式15：
Figure 02_image033
（等式16）
如等式16中所展示，V comp_in (t5 )包括表示VσKTC1 及VσKTC2 （分別為第一重設雜訊及第二重設雜訊）之組合的雜訊分量。在第一重設雜訊與第二重設雜訊追蹤彼此且具有相同極性之狀況下，雜訊分量可變得小於VσKTC1 或VσKTC2 。結果，可減小V comp_in 中之重設雜訊分量。同時，比較器偏移分量Vcomp_offset 保留於Vcomp_in 中。當比較器1102比較Vcomp_in 以執行量化時，比較器偏移分量可抵消比較器1102之比較器偏移。
在第二取樣操作之後，Vcomp_in 可藉由與VREF斜坡進行比較來量化。在圖 14A 之量化操作中，由於Vcomp_in 表示Vpixel_out_rst -Vpixel_out_sig ，因此比較之極性與圖 12A 之量化操作相反，在該量化操作中，Vcomp_in 表示Vpixel_out_sig -Vpixel_out_rst 。在圖 14A 中，Vref_low 可表示電荷儲存單元608a中之溢出電荷的最小量，其分開低光強度範圍706與中等光強度範圍708，而Vref_high 可表示電荷儲存單元608a之飽和極限，其分開中等光強度範圍708與高光強度範圍710。用以指示電荷儲存單元608a是否儲存溢出電荷之最小量的FLAG_2信號之判定，可基於在FD ADC期間比較Vcomp_in 與Vref_low 。
在FD ADC之後，可執行PD ADC階段以量化光電二極體PD中之殘餘電荷。可執行相關雙重取樣操作以減小重設雜訊對殘餘電荷之量化的影響。具體而言，在時間t6 與t7 之間，作為相關雙重取樣操作之第一取樣操作，可重設比較器1102及電荷儲存單元608a，以將重設雜訊電荷及比較器偏移資訊儲存於CC電容器中。可在時間t7 與t8 之間確證TG信號，以將來自光電二極體PD之殘餘電荷轉移至電荷儲存單元608a，且可在時間t8 執行第二取樣操作，以量測儲存於電荷儲存單元608a中之殘餘電荷。可根據等式8定義在t8 之Vcomp_in ，其中Vpixel_out_sig -Vpixel_out_rst 表示殘餘電荷之量且在時間t8 與t9 之間的PD ADC階段中經量化。在PD ADC階段中，Vref_high 可表示儲存於光電二極體PD中之殘餘電荷的最小可偵測量，而Vref_low 可表示光電二極體PD之飽和臨限值，超過該飽和臨限值，光電二極體PD將溢出電荷轉移至電荷儲存單元608。若在PD ADC之前既未確證FLAG_1亦未確證FLAG_2，則可將當比較器1102在PD ADC期間跳變時獲得之計數值儲存至記憶體810中，且可提供來自PD ADC之計數值以表示光強度，如在圖 12A 之PD ADC操作中。
類似於圖 12A 中之實例操作，為了減輕FD ADC期間由於在浮動汲極（例如，電荷儲存單元608之CFD ）中存在暗電流而發生之錯誤溢出電荷偵測及跳變的風險，在圖 14A 中，可減小用於FD ADC之VREF斜坡的範圍，其中可將電壓餘量ΔV引入至表示儲存單元608中之溢出電荷之最小量的臨限電壓。在圖14中，可加上電壓餘量ΔV以升高Vref_low 。在此配置之情況下，若PIXEL_OUT電壓僅由於存在暗電流而高於未修改之Vref_low ，則VREF斜坡將不會與PIXEL_OUT電壓交叉（且比較器1102將不會跳變），且由於存在暗電流之錯誤跳變的可能性可減小。
可調整FLAG_2信號之判定的時序以進一步減輕錯誤溢出電荷偵測之風險。舉例而言，如圖 14B 中所展示，在將殘餘電荷自光電二極體PD轉移至電荷儲存單元608之後，在PD ADC階段期間可判定FLAG_2。如上文所描述，在PD ADC階段中，Vref_low 可表示光電二極體PD之飽和臨限值，超過該飽和臨限值，光電二極體PD將溢出電荷轉移至電荷儲存單元608。在PD ADC中比較Vcomp_in （其表示光電二極體PD中之殘餘電荷的量）與Vref_low ，可使得能夠判定在積分時段期間光電二極體PD是否達到飽和極限。基於PD ADC模式中之光電二極體PD的殘餘電荷而非FD ADC模式中之溢出電荷去執行光電二極體PD是否飽和之判定，其一個優點可為光電二極體PD不易受暗電流影響。儲存於光電二極體中之殘餘電荷典型地含有比電荷儲存單元608中之溢位電荷小的暗電流分量。因此，可減小暗電流引起不正確之溢出電荷偵測及FLAG_2信號確證的風險。在一些實例中，如圖 14B 中所展示，為了進一步減輕暗電流之效應，在PD ADC中Vref_low 可藉由電壓餘量ΔV升高。在此配置之情況下，若PIXEL_OUT電壓僅由於存在暗電流而高於未修改之Vref_low ，則VREF斜坡將不會與PIXEL_OUT電壓交叉（且比較器1102將不會跳變），且由於存在暗電流之錯誤跳變的可能性可減小。
在一些實例中，像素胞元1100可組態以在使用圖12A之相關雙重取樣操作（其中兩個取樣操作由積分時段分開）與使用圖14A中用於FD ADC之實例量測誤差補償操作（其中在積分時段之後執行兩個取樣操作）之間切換。切換可基於積分時段之持續時間，該持續時間可為可調適的。舉例而言，像素胞元1100可具有自適應積分時段，其中當像素胞元在具有低光強度之環境中操作時可延長積分時段，且其中當像素胞元在具有高或中等光強度之環境中操作時可縮短積分時段。在積分時段縮短之情況下，可控制像素胞元1100以執行圖12A之相關雙重取樣操作，其允許自FD ADC操作完全消除重設雜訊。在積分時段延長之情況下，可控制像素胞元1100以執行圖 14A 之量測誤差補償操作，其允許自PD ADC操作顯著減少重設雜訊（若並非完全消除）。
圖 15 說明量測光強度之方法1500的流程圖。方法1500可藉由例如包括控制器1110之像素胞元600/1100之各種組件執行。
在步驟1502中，控制器1110可啟用光電二極體（例如，光電二極體602/PD）以在積分時段內回應於入射光而產生電荷。控制器1110可啟用光電二極體以基於例如停用快門開關604/M0而產生電荷。
在步驟1504中，控制器1110可控制電荷感測單元，諸如電荷感測單元608，以基於在積分時段內由光電二極體產生之電荷的量而產生輸出電壓。控制器1110可控制轉移閘606/M1之偏壓電壓，以允許電荷自光電二極體流動至電荷感測單元之電荷儲存單元（例如，電荷儲存單元608a），以產生類比電壓，該類比電壓可由電荷感測單元608之緩衝器608b緩衝。
在步驟1506中，在積分時段結束之後，控制器1110可基於在積分時段結束時電荷感測單元之輸出電壓而設定取樣電容器上之第一電壓。取樣電容器可包括例如圖 11 之CC電容器，且具有與電荷感測單元之輸出耦接的第一板、及與輸入比較器（例如，比較器1102）耦接之第二板。第一電壓可為上文所描述之電壓差Vcc ，且可基於藉由將比較器之輸入及輸出電連接在一起來重設比較器1102而設定。參考以上等式12，電壓差Vcc 可包括：表示在積分時段期間自光電二極體轉移至電荷儲存單元608a之電荷的分量（Vpixel_out_sig ）、表示第一重設雜訊電荷之分量（VσKTC1 ）及表示比較器1102之比較器偏移的分量（Vcomp_offset ）。
在步驟1508中，控制器1110可重設電荷感測單元以將取樣電容器之第一板設定於第二電壓，且基於第一電壓及第二電壓將取樣電容器之第二板設定於第三電壓。在步驟1508中，控制器1110亦可控制比較器1102以藉由將比較器之輸入與輸出斷開連接來退出重設狀態。作為重設電荷儲存單元608a（及電荷感測單元608）之結果，與電荷感測單元輸出耦接的取樣電容器之第一板可被設定於重設電壓Vpixel_out_rst 。此外，亦將第二重設雜訊電荷引入至電荷儲存單元608a中，該第二重設雜訊電荷可由VσKTC2 表示。第二重設雜訊電荷可追蹤第一重設雜訊電荷。經由交流耦合，CC電容器之第二板的電壓可追蹤第一板電壓，但相差電壓差Vcc 。CC電容器之第二板處的電壓（第三電壓）可基於等式15，且包括表示分別為第一重設雜訊及第二重設雜訊之VσKTC1 及VσKTC2 之組合的雜訊分量。在第一重設雜訊與第二重設雜訊追蹤彼此且具有相同極性之狀況下，雜訊分量可變得小於VσKTC1 或VσKTC2 。結果，可減小重設雜訊分量。同時，比較器偏移分量Vcomp_offset 保留於第三電壓中。
在步驟1510中，控制器1110可使用比較器1102比較第三電壓與一或多個臨限值。該比較可對照斜坡臨限電壓（對於FD ADC或PD ADC操作）或對照靜態臨限值（對於TTS操作）。比較器1102之比較器偏移可由第三電壓中之比較器偏移分量抵消。
在步驟1512中，可基於比較結果產生輸出電壓之量化結果，以表示在積分時段內由光電二極體接收之入射光的強度。計數器（例如，計數器808）可週期性地產生計數值，且記憶體（例如，記憶體810）可在比較器輸出跳變時儲存計數值。儲存於記憶體中之計數值可表示量化結果。
本說明書之一些部分關於資訊操作之演算法及符號表示來描述本發明之具體實例。熟習資料處理技術者通常使用此等演算法描述及表示來將其工作的主旨有效地傳達給其他熟習此項技術者。雖然在功能上、計算上或邏輯上描述此等操作，但應理解，此等操作藉由電腦程式或等效電路、微碼或類似者來實施。此外，亦已證實，在不失一般性的情況下，將操作之此等配置稱為模組係方便的。所描述操作及其相關聯模組可體現於軟體、韌體及/或硬體中。
所描述之步驟、操作或程序可單獨地或與其他裝置組合地藉由一或多個硬體或軟體模組來執行或實施。在一些具體實例中，軟體模組藉由包含電腦可讀取媒體之電腦程式產品實施，電腦可讀取媒體含有可由電腦處理器執行以用於執行所描述之任何或所有步驟、操作或程序的電腦程式碼。
本發明之具體實例亦可關於一種用於執行所描述之操作的設備。該設備可經特別建構以用於所需目的，及/或其可包含由儲存於電腦中之電腦程式選擇性地啟動或重組態之通用計算裝置。此電腦程式可儲存於非暫時性有形電腦可讀取儲存媒體或適合於儲存電子指令之任何類型之媒體中，該或該等媒體可耦接至電腦系統匯流排。此外，在本說明書中提及之任何計算系統可包括單一處理器，或可為使用多個處理器設計以用於提高計算能力的架構。
本發明之具體實例亦可關於一種藉由本文中所描述之計算程序產生的產品。此產品可包含由計算程序產生之資訊，其中資訊儲存於非暫時性有形電腦可讀取儲存媒體上，且可包括本文中所描述之電腦程式產品或其他資料組合之任何具體實例。
用於本說明書中之語言主要出於可讀性及指導性之目的而加以選擇，且其可能尚未經選擇以劃定或限定本發明主題。因此，本發明之範疇不欲受此實施方式限制，而是由基於此處之應用發佈的任何技術方案限制。因此，具體實例之揭示內容意欲說明而非限制在以下申請專利範圍中所闡述之本發明的範疇。
100:近眼顯示器 105:框架 110:顯示器 120a:影像感測器 120b:影像感測器 120c:影像感測器 120d:影像感測器 130:主動照明器 135:眼球 140a:照明器 140b:照明器 140c:照明器 140d:照明器 140e:照明器 140f:照明器 150a:影像感測器 150b:影像感測器 200:橫截面 210:波導顯示器總成 220:眼球 230:出射光瞳 300:波導顯示器 310:源總成 320:輸出波導 330:控制器 340:擴展之影像光 350:耦合元件 355:影像光 360:引導元件 365:解耦元件 370:影像感測器 370-1:第一側 370-2:第二側 400:橫截面 402:像素胞元 404:機械快門 410:源 415:光學系統 500:系統 510:控制電路系統 525:位置感測器 530:慣性量測單元（IMU） 535:成像裝置 540:輸入/輸出介面 545:應用程式儲存器 550:追蹤模組 555:引擎 600:像素胞元 602:光電二極體 603:殘餘電荷電容器 604:快門開關 606:轉移閘 607:重設開關 608:儲存單元/電荷感測單元 608a:電荷儲存單元 608b:緩衝器 610:像素ADC 611:曝光啟用信號 612:量測控制信號 614:類比輸出節點 616:像素輸出匯流排 617:光電二極體電流槽 618:重設信號 620:電荷槽 702:臨限值 704:臨限值 706:低光強度範圍 708:中等光強度範圍/中等光強度 710:高光強度範圍 802:臨限值產生器 804:比較器 806:數位輸出產生器 808:計數器 810:記憶體 812:自由運行時脈信號 813:數位至類比轉換器（DAC） 814:輸出 815:參考電壓（VREF） 816:決策 902:輸入範圍 1100:像素胞元 1102:比較器 1110:控制器 1112:「反或（NOR）」閘 1114:暫存器 1116:「反或」閘 1500:量測光強度之實例方法 1502:步驟 1504:步驟 1506:步驟 1508:步驟 1510:步驟 1512:步驟 A:方向 AB:控制信號/快門信號 B:方向 C:方向 CC:電容器 CEXT:電容器 CFD:電容器 cnt:計數值 COMP_IN:電壓 COMP_RST:控制信號 D:方向 FLAG_1:信號 FLAG_2:信號 LG:信號 M0:電晶體/快門開關 M1:電晶體 M2:電晶體 M3:電晶體 M4:電晶體 M5:電晶體開關/電晶體 PD:光電二極體 PIXEL_OUT:節點 RST:控制信號 t1:時間 t2:時間 t3:時間 t4:時間 t5:時間 t6:時間 t7:時間 t8:時間 t9:時間 TG:控制信號 VCC:電壓差 VCOMP_IN:電壓 VOUT:比較結果/決策輸出 VREF:參考電壓 Δl:量化步長大小 ΔL:量化步長大小 ΔS:量化步長大小 ΔV:電壓餘量
參看以下諸圖描述說明性具體實例。
圖 1A 及圖 1B 為近眼顯示器之具體實例的圖。
圖 2 為近眼顯示器之橫截面的具體實例。
圖 3 說明具有單一源總成之波導顯示器之具體實例的等角視圖。
圖 4 說明波導顯示器之具體實例的橫截面。
圖 5 為包括近眼顯示器之系統之具體實例的方塊圖。
圖 6 說明像素胞元之具體實例的方塊圖。
圖 7 說明用於藉由圖 6 之具體實例判定不同範圍之光強度的操作。
圖 8 說明圖 6 之像素胞元之內部組件的實例。
圖 9A 及圖 9B 說明用於判定光強度之實例方法。
圖 10A 及圖 10B 說明用於執行量化之技術。
圖 11 說明像素胞元之具體實例的方塊圖。
圖 12A 及圖 12B 說明用以執行光強度量測之控制信號的實例序列。
圖 13 說明電荷洩漏對圖 12A 及圖 12B 之光強度量測操作的影響之實例。
圖 14A 及圖 14B 說明用以執行光強度量測之控制信號的另一實例序列。
圖 15 說明用於量測光強度之實例程序的流程圖。
該等圖僅出於說明之目的描繪本發明之具體實例。熟習此項技術者將易於自以下描述認識到，在不脫離本發明之原理或所稱讚益處之情況下，可使用所說明之結構及方法的替代具體實例。
在附圖中，類似組件及/或特徵可具有相同參考標記。另外，可藉由在參考標記之後加上破折號及區分類似組件之第二標記來區分相同類型之各種組件。若在說明書中僅使用第一參考標記，則描述適用於具有相同第一參考標記之類似組件中的任一者，而無關於第二參考標記。
608:儲存單元/電荷感測單元
610:像素ADC
808:計數器
810:記憶體
1100:像素胞元
1102:比較器
1110:控制器
1112:「反或(NOR)」閘
1114:暫存器
1116:「反或」閘
AB:控制信號/快門信號
CC:電容器
CEXT:電容器
CFD:電容器
cnt:計數值
COMP_RST:控制信號
FLAG_1:信號
FLAG_2:信號
LG:信號
M0:電晶體/快門開關
M1:電晶體
M2:電晶體
M3:電晶體
M4:電晶體
M5:電晶體開關/電晶體
PD:光電二極體
PIXEL_OUT:節點
RST:控制信號
TG:控制信號
VCC:電壓差
VOUT:比較結果/決策輸出
VREF:參考電壓

Claims (20)

  1. 一種用於感測影像之設備，其包含：一光電二極體，其在一積分時段內回應於入射光而產生電荷；一電荷感測單元，其儲存該電荷中之至少一些且基於在該積分時段內由該光電二極體產生之該電荷的一量而產生一輸出電壓；及一類比至數位轉換器(ADC)，其包含：一比較器；一取樣電容器，其具有與該電荷感測單元之一輸出耦接的一第一板及與該比較器之一輸入耦接的一第二板；及一控制器，其經組態以在該積分時段之後：基於該電荷感測單元之該輸出電壓而設定該取樣電容器上之一第一電壓；重設該電荷感測單元，以將該第一板設定於一第二電壓，且基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於一第三電壓；使用該比較器比較該第三電壓與一或多個臨限值；及基於比較結果產生該輸出電壓之一量化結果，以表示在該積分時段內由該光電二極體接收之該入射光的一強度。
  2. 如請求項1所述之設備，其中該控制器經組態以基於將該比較器之該輸入與該比較器之一輸出電連接而設定該第一電壓；且其中該第一電壓包括：一第一分量，其表示在該積分時段內由該光電二極體產生之該電荷的一量，一第二分量，其表示該比較器之一偏移，及一第三分量，其表示在該重設該電荷感測單元之前在一重設操作中引入 至該電荷感測單元之第一重設雜訊電荷；其中該第二電壓包含表示藉由該重設該電荷感測單元而引入至該電荷感測單元之第二重設雜訊電荷的一第四分量；且其中該第三電壓包括表示該第三分量與該第四分量之一組合的一第五分量。
  3. 如請求項2所述之設備，其中該第三電壓包括表示該比較器之一偏移的該第二分量，以在藉由該比較器比較該第三電壓與該一或多個臨限值時抵消該比較器之該偏移。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該一或多個臨限值包含一斜坡臨限值；且其中該斜坡臨限值包含基於該電荷感測單元中之暗電流之一預期量的臨限值之一範圍。
  5. 如請求項1所述之設備，其中該ADC進一步包含一計數器及一記憶體；其中該計數器經組態以相對於時間產生計數值；且其中該記憶體經組態以基於該比較結果而儲存該等計數值中之一計數值作為該量化結果。
  6. 如請求項5所述之設備，其中該光電二極體經組態以儲存殘餘電荷直至該光電二極體飽和，且在該光電二極體飽和時傳輸溢出電荷。
  7. 如請求項6所述之設備，其中該ADC經組態以：基於該比較結果判定該電荷感測單元儲存在該積分時段內來自該光電二極體之該溢出電荷；及基於該判定，確證一旗標位元以維持該記憶體中之所儲存計數值作為該量 化結果。
  8. 如請求項6所述之設備，其中該量化結果為一第一量化結果；其中該比較結果為一第一比較結果；且其中該ADC經組態以：使用該取樣電容器獲得一第四電壓，該第四電壓表示在該積分時段期間儲存於該電荷感測單元中之溢出電荷的一量；使用該比較器比較該第四電壓與該一或多個臨限值中之一固定臨限值以產生一第二比較結果；及基於該第二比較結果產生該第四電壓達到該固定臨限值之一持續時間的一第二量化結果，以表示在該積分時段內由該光電二極體接收之該入射光的一強度。
  9. 如請求項1所述之設備，其中該控制器經組態以基於該積分時段之一持續時間超過一持續時間臨限值而在該積分時段結束時，設定該取樣電容器上之該第一電壓且重設該電荷感測單元，以基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於該第三電壓。
  10. 如請求項1所述之設備，其中該光電二極體、該電荷感測單元及該ADC為一像素胞元之部分；且其中該量化結果對應於一像素值。
  11. 一種類比至數位轉換器(ADC)，其包含：一比較器；一取樣電容器，其具有與一電荷感測單元之一輸出耦接的一第一板及與該比較器之一輸入耦接的一第二板；及一控制器，其經組態以： 在一第一時間，基於該電荷感測單元在該第一時間之一輸出電壓而設定該取樣電容器上之一第一電壓；重設該電荷感測單元，以將該第一板設定於一第二電壓，且基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於一第三電壓；使用該比較器比較該第三電壓與一或多個臨限值；及基於比較結果產生該電荷感測單元在該第一時間之該輸出電壓的一量化結果。
  12. 如請求項11所述之ADC，其中該控制器經組態以基於將該比較器之該輸入與該比較器之一輸出電連接而設定該第一電壓；且其中該第一電壓包括：一第一分量，其表示儲存於該電荷感測單元中之電荷的一量，一第二分量，其表示該比較器之一偏移，及一第三分量，其表示在該重設該電荷感測單元之前在一重設操作中引入至該電荷感測單元之第一重設雜訊電荷；其中該第二電壓包含表示藉由該重設該電荷感測單元而引入至該電荷感測單元之第二重設雜訊電荷的一第四分量；且其中該第三電壓包括表示該第三分量與該第四分量之一組合的一第五分量。
  13. 如請求項12所述之ADC，其中該第三電壓包括表示該比較器之該偏移的該第二分量，以在藉由該比較器比較該第三電壓與該一或多個臨限值時抵消該比較器之該偏移。
  14. 如請求項11所述之ADC，其進一步包含一計數器及一記憶體；其中該計數器經組態以相對於時間產生計數值；且 其中該記憶體經組態以基於比較結果而儲存該等計數值中之一計數值作為該量化結果。
  15. 如請求項11所述之ADC，其中該一或多個臨限值包含一斜坡臨限值；且其中該斜坡臨限值包含基於該電荷感測單元中之暗電流之一預期量設定的臨限值之一範圍。
  16. 如請求項11所述之ADC，其中該電荷感測單元包含經組態以儲存電荷之一電晶體的一浮動汲極。
  17. 如請求項11所述之ADC，其中該取樣電容器上之一電壓在該設定該第一電壓之前漂移。
  18. 一種用於感測影像之方法，其包含：啟用一光電二極體以在一積分時段內回應於入射光而產生電荷；控制一電荷感測單元以基於在該積分時段內由該光電二極體產生之該電荷的一量而產生一輸出電壓；在該積分時段之後且基於該電荷感測單元之該輸出電壓，設定一取樣電容器上之一第一電壓，其中該取樣電容器之一第一板與該電荷感測單元之一輸出耦接且該取樣電容器之一第二板與一比較器之一輸入耦接；重設該電荷感測單元，以將該第一板設定於一第二電壓，且基於該第一電壓及該第二電壓將該第二板設定於一第三電壓；使用該比較器比較該第三電壓與一或多個臨限值；及基於比較結果產生該輸出電壓之一量化結果，以表示在該積分時段內由該光電二極體接收之該入射光的一強度。
  19. 如請求項18所述之方法，其進一步包含：將該比較器之該輸入與該比較器之一輸出電連接以設定該取樣電容器上之 該第一電壓；其中該第一電壓包括：一第一分量，其表示儲存於該電荷感測單元中之電荷的一量，一第二分量，其表示該比較器之一偏移，及一第三分量，其表示在該重設該電荷感測單元之前在一重設操作中引入至該電荷感測單元之第一重設雜訊電荷；其中該第二電壓包含表示藉由該重設該電荷感測單元而引入至該電荷感測單元之第二重設雜訊電荷的一第四分量；且其中該第三電壓包括表示該第三分量與該第四分量之一組合的一第五分量。
  20. 如請求項18所述之方法，其中該第三電壓包括表示該比較器之偏移的第二分量，以在藉由該比較器比較該第三電壓與該一或多個臨限值時抵消該比較器之該偏移。
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