TWI810312B - 用於量測具有經擴展之動態範圍的數位像素之光強度的設備和方法 - Google Patents

用於量測具有經擴展之動態範圍的數位像素之光強度的設備和方法 Download PDF

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TWI810312B
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新橋 劉
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偉 高
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Abstract

在一個實例中，一種設備包含一光電二極體、一電荷儲存單元及一處理電路，該處理電路經組態以：將溢出電荷自該光電二極體轉移至該電荷儲存單元以產生一第一電壓；比較該第一電壓與一第一斜坡臨限電壓以產生一第一決策；基於該第一決策而產生一第一數位值；將殘餘電荷自該光電二極體轉移至該電荷儲存單元以產生一第二電壓；比較該第二電壓與一靜態臨限電壓以判定該光電二極體是否飽和以產生一第二決策；比較該第二電壓與一第二斜坡臨限電壓以產生一第三決策；基於該第三決策而產生一第二數位值；及基於該第二決策輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者，以表示由該光電二極體所接收之一光強度。

Description

用於量測具有經擴展之動態範圍的數位像素之光強度的設備和方法
本發明大體上關於影像感測器，且更具體而言關於像素單元結構，其包括用於判定影像產生之光強度的界接電路系統。
相關申請案
本專利申請案主張2018年6月11日申請之標題為「DIGITAL PIXEL SENSOR WITH MULTIPLE QUANTIZATION MODES」的美國臨時專利申請案第62/683,550號之優先權，該案讓與給本受讓人並出於所有目的以全文引用的方式併入本文中。
典型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經組態為收集由光電二極體在曝光週期期間所產生之電荷的電容器的浮點節點。所收集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)，其可將電壓量化成表示入射光之強度之數位值。然而，量化之準確性可受到諸如浮點節點處之暗電流之各種雜訊源所影響。
本發明關於影像感測器。更具體而言且非限制性，本發明關於一種像素單元。本發明亦關於操作像素單元之電路系統以不同量測模式來量測入射光之強度。
本發明提供一種用於量測入射光之強度的設備。
在一個實例中，提供一種設備。該設備包含一光電二極體、一電荷儲存單元及處理電路。該處理電路經組態以：將溢出電荷自該光電二極體轉移至該電荷儲存單元以產生一第一電壓；比較該第一電壓與一第一斜坡臨限電壓以產生一第一決策；基於該第一決策而產生一第一數位值；將殘餘電荷自該光電二極體轉移至該電荷儲存單元以產生一第二電壓；比較該第二電壓與一靜態臨限電壓以判定該光電二極體是否飽和以產生一第二決策；比較該第二電壓與一第二斜坡臨限電壓以產生一第三決策；基於該第三決策而產生一第二數位值；及基於該第二決策而輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者以表示由該光電二極體所接收之一光強度。
在一些態樣中，該靜態臨限電壓是基於當儲存等於該光電二極體之飽和容量的一定量殘餘電荷時在該電荷儲存單元處所產生的一第三電壓。
在一些態樣中，該靜態臨限電壓是進一步基於表示由暗電流所沈積之暗電荷的電壓偏移。
在一些態樣中，第二斜坡臨限電壓自該靜態臨限電壓開始或結束。
在一些態樣中，該設備進一步包含一計數器及一記憶體。該處理電路經組態以：基於該第一決策而將來自該計數器之一第一計數值作為該第一數位值以儲存於該記憶體中；基於該第三決策而將來自該計數器之一第二計數值作為該第二數位值以儲存於該記憶體中；及基於該第二決策而自該記憶體 輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
在一些態樣中，該處理電路經組態以基於該第二決策而運用該記憶體中之該第二計數值以覆寫該第一計數值。
在一些態樣中，該設備進一步包含一暫存器。該處理電路經組態以：將指示該第二決策之一第一旗標值儲存於該暫存器中；及基於來自該暫存器之第一旗標值而自該記憶體輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
在一些態樣中，該處理電路經組態以：當該第一斜坡臨限電壓達到一第一斷點電壓時判定該第一決策之一狀態；將指示該第一決策之該狀態的一第二旗標值儲存於該暫存器中；及基於來自該暫存器之該第一旗標值及該第二旗標值而輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
在一些態樣中，該處理電路經組態以當該第一斜坡臨限電壓達到該第一斷點電壓時重設該計數器。
在一些態樣中，該處理電路經組態以：當該第二斜坡臨限電壓達到一第二斷點電壓時判定該第三決策之一狀態；將指示該第三決策之該狀態的一第二旗標值儲存於該暫存器中；及基於來自該暫存器之該第一旗標值及該第二旗標值而輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
在一些態樣中，該處理電路經組態以當該第一斜坡臨限電壓達到該第二斷點電壓時重設該計數器。
在一些態樣中，該靜態臨限電壓為一第一靜態臨限電壓。該處理電路經組態以：比較該第一電壓與表示該電荷儲存單元之一飽和容量的一第二靜態臨限電壓以產生一第四決策；將指示該第四決策之一第二旗標值儲存於該暫存器中；基於該第四決策將來自該計數器之一第三計數值作為一第三數位值予以儲存；及基於該第一旗標值及該第二旗標值而輸出該第一數位值、該第二數位值或該第三數位值中之一者以表示由該光電二極體所接收之該光強度。
在一些態樣中，該處理電路經組態以：在一預定的時間週期內比較該第一電壓與該第二靜態臨限電壓；當該時間週期之一預定部分已經過時判定該第四決策之一第一狀態；將指示該第四決策之該第一狀態的該第一旗標值儲存於該暫存器中；當該時間週期已經過時判定該第四決策之一第二狀態；將指示該第四決策之該第二狀態的該第二旗標值儲存於該暫存器中；及基於該第一旗標值及該第二旗標值而輸出該第一數位值、該第二數位值或該第三數位值中之一者以表示由該光電二極體所接收之該光強度。
在一些態樣中，該處理電路經組態以當該時間週期之該預定部分已經過時重設該計數器。
在一些態樣中，該電荷儲存單元之一電荷儲存容量可由該處理電路加以組態。該處理電路經組態以：組態該電荷儲存單元以具有一第一容量以產生該第一電壓；並組態該電荷儲存單元以具有小於該第一容量之一第二容量以產生該第二電壓。
在一些態樣中，該電荷儲存單元包含一浮動汲極節點及一電容器。
在一個實例中，提供一種方法。該方法包含：將溢出電荷自一光電二極體轉移至一電荷儲存單元以產生一第一電壓；比較該第一電壓與一第一斜坡臨限電壓以產生一第一決策；基於該第一決策而產生一第一數位值；將殘餘電荷自該光電二極體轉移至該電荷儲存單元以產生一第二電壓；比較該第二電壓與一靜態臨限電壓以判定該光電二極體是否飽和以產生一第二決策；比較該第二電壓與一第二斜坡臨限電壓以產生一第三決策；基於該第三決策而產生一第二數位值；及基於該第二決策而輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者以表示由該光電二極體接收之一光強度。
在一些態樣中，該靜態臨限電壓是基於當儲存等於該光電二極 體之一飽和容量的一定量之殘餘電荷時在該電荷儲存單元處所產生的一第三電壓，並基於表示由暗電流所沈積之暗電荷的一電壓偏移。
在一些態樣中，第二斜坡臨限電壓自該靜態臨限電壓開始或結束。
在一些態樣中，該方法進一步包含：基於該第一決策而將來自一計數器之一第一計數值作為該第一數位值儲存於一記憶體中；基於該第三決策而將來自該計數器之一第二計數值作為該第二數位值儲存於該記憶體中；及基於該第二決策而自該記憶體輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
100:近眼顯示器
105:框架
110:顯示器
120a、120b、120c、120d:影像感測器
130:主動照明器
135:眼球
140a、140b、140c、140d、140e、140f:照明器
150a、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:經擴大之影像光
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:像素單元
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/輸出界面
545:應用程式儲存區
550:追蹤模組
555:引擎
600:像素單元
602:光電二極體
604:快門開關
606:轉移閘極
607:重設開關
608:電荷感測單元
608a:電荷儲存單元
608b:緩衝器
610:像素類比至數位轉換器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、704:臨限值
706:低光強度範圍
708:中等光強度範圍
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: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
1102:比較器
1110:控制器
1112、1114:暫存器
1116:反或(NOR)閘
1202、1204:檢查
1304:檢查
1404:檢查
1502:檢查
1602:檢查
1702:檢查
1800:方法
1802、1804、1806、1808、1810、1812、1814、1816:步驟
1900:方法
1902、1904、1906、1908、1910、1912、1914、1916、1918、1920、1922、1924:步驟
參考以下附圖描述說明性實例。
圖1A及圖1B是近眼顯示器之實例的圖式。
圖2是近眼顯示器之橫截面的實例。
圖3說明具有單一源總成之波導顯示器之實例的等距視圖。
圖4說明波導顯示器之實例的橫截面。
圖5是包括近眼顯示器之系統之實例的方塊圖。
圖6說明像素單元之實例的方塊圖。
圖7說明用於由圖6之實例判定不同範圍之光強度的操作。
圖8說明圖6之像素單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說明像素單元之實例的方塊圖。
圖12說明用以執行光強度量測之控制信號的實例序列。
圖13A及圖13B說明用以執行光強度量測之控制信號的另一實例序列，及量 測結果之實例。
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說明用以執行光強度量測之控制信號的另一實例序列。
圖16說明用以執行光強度量測之控制信號的另一實例序列。
圖17說明用以執行光強度量測之控制信號的另一實例序列。
圖18說明用於量測光強度之實例程序之流程圖。
圖19說明用於量測光強度之另一實例程序的流程圖。
附圖僅出於說明的目的描繪本發明之實例。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聲稱之益處之情況下，可採用說明的結構及方法之替代性實例。
在附圖中，類似組件及/或特徵可具有相同參考標記。此外，可藉由在參考標記之後加上破折號及在類似組件之間進行區分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而與第二參考標記無關的類似組件中之任一者。
在以下描述中，出於解釋目的，闡述眾多特定細節以便提供對某些發明性實例之透徹理解。然而，將顯然的是各種實例可在無此等特定細節之情況下實踐。圖式及描述不意欲為限定性的。
典型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經組態為收集由光電二極體在曝光週期期間所產生之電荷的電容器的浮點節點。所收集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所產生的反映某一週期內儲存於浮動節點處之電荷量的數位值可與入射光強度相關。然而，相關程度可受不同因素影響。首先，儲存於浮動節點中之電荷量可與入射光之強度直接相關，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所產生之額外電荷，且額外電荷可能漏洩而未儲存。結果是，儲存於浮動節點處之電荷量可低於由光電二極體實際上所產生的電荷量。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及由暗電流產生之暗電荷。暗電流可包括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的其他半導體裝置之p-n接面處產生的洩漏電流。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量時，ADC電路系統可經由電容耦合將雜訊電荷引入浮動節點中。
除了雜訊電荷，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所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)及比較器偏移，其添加電荷量量測之不確 定性。雜訊電荷、暗電荷以及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。
影像感測器可見於許多不同應用中。作為實例，影像感測器包括於數位成像裝置(例如，數位攝影機、智慧型手機等)以提供數位成像。作為另一實例，影像感測器可經組態為輸入裝置以控制或影響裝置之操作，諸如控制或影響可佩戴式虛擬實境(VR)系統及/或擴增實境(AR)及/或混合實境(MR)系統中之近眼顯示器的顯示內容。舉例而言，影像感測器可用以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操作同時定位及映射(SLAM)演算法以追蹤例如使用者之位置、使用者之定向及/或使用者在實體環境中之移動路徑的位置追蹤系統。影像感測器亦可用以產生包括用於量測使用者與實體環境中之物件之間的距離之立體深度資訊的實體影像資料。影像感測器亦可經組態為近紅外(NIR)感測器。照明器可將NIR光之圖案投射至使用者之眼球中。眼球之內部結構(例如，瞳孔)可自NIR光產生反射圖案。影像感測器可捕獲反射圖案之影像，且將影像提供至系統以追蹤使用者之眼球的移動以判定使用者之凝視點。基於此等實體影像資料，VR/AR/Mr系統可產生並更新用於經由近眼顯示器向使用者顯示的虛擬影像資料，以向使用者提供互動式體驗。舉例而言，VR/AR/MR系統可基於使用者之凝視方向(其可發信使用者對物件之關注)、使用者之位置等來更新虛擬影像資料。
可佩戴式VR/AR/MR系統可在具有極寬範圍之光強度的環境中操作。舉例而言，可佩戴式VR/AR/MR系統能夠操作在室內環境中或在室外環境中及/或在當日之不同時間，且可佩戴式VR/AR/MR系統之操作環境的光強度可實質上變化。此外，可佩戴式VR/AR/MR系統亦可包括前述NIR眼球追蹤系統，其可需要將具有極低強度之光投射至使用者之眼球中以防止損害眼球。結 果是可佩戴式VR/AR/MR系統之影像感測器可需要具有寬動態範圍以能夠遍及與不同操作環境相關聯之光強度之極寬範圍而適當地操作(例如，產生與入射光強度相關之輸出)。可佩戴式VR/AR/MR系統之影像感測器亦可需要以充分高的速度產生影像以允許追蹤使用者之位置、定向、凝視點等。具有相對有限之動態範圍且以相對低速產生影像之影像感測器可能不適合於此可佩戴式VR/AR/MR系統。
本發明關於可提供經擴展之動態範圍之像素單元。像素單元可包括光電二極體、電荷儲存單元、經組態為光電二極體與電荷儲存單元之間的轉移閘極的電晶體，及處理電路。光電二極體可回應於入射光而產生電荷，且將至少一些電荷儲存作為殘餘電荷直至光電二極體飽和。電荷儲存單元可為電晶體之浮動汲極、金屬電容器、金氧半導體(MOS)電容器或其任何組合。電荷儲存單元可儲存溢出電荷以產生第一電壓，溢出電荷為在光電二極體飽和且無法儲存額外電荷時自光電二極體所轉移之電荷。電荷儲存單元可包括浮動汲極節點。
該處理電路可藉由執行多個量測模式來量測入射光強度。在第一量測模式中，處理電路可藉由將第一電壓與第一斜坡臨限電壓比較以產生第一決策來執行量化程序。當第一決策指示第一電壓超過第一斜坡臨限電壓時，可自計數器捕獲第一計數值且將其儲存於記憶體中。第一計數值可表示第一斜坡臨限電壓超過第一電壓所耗費之時間的量測值，其亦可表示量化所儲存於電荷儲存單元中之溢出電荷的結果。溢出電荷量可與入射光強度成比例。對於本發明之其餘部分，第一量測模式可被稱作「FD ADC」操作。
處理電路可將殘餘電荷自光電二極體轉移至電荷儲存裝置，以產生用於第二量測模式之第二電壓。在第二量測模式中，處理電路可藉由將第二電壓與第二斜坡臨限電壓比較以產生第二決策來執行另一量化程序。當第二 決策指示第二電壓超過第二斜坡參考電壓時，可自計數器捕獲第二計數值且將其儲存於記憶體中。第二計數值可表示第二斜坡臨限電壓超過第二電壓所花費之時間的量測結果，其亦可表示量化所儲存於電荷儲存單元中之殘餘電荷的結果。殘餘電荷量可與入射光強度成比例。對於本發明之其餘部分，第二量測模式可被稱作「PD ADC」操作。
在一些實例中，處理電路亦可執行第三量測模式。在第三量測模式中，處理電路可比較第一電壓與表示電荷儲存單元之飽和極限的靜態臨限電壓以產生第三決策。當第三決策指示電荷儲存單元達到或超過飽和極限時，可自計數器捕獲第三計數值且將其儲存於記憶體中。第三計數值可表示電荷儲存單元變得飽和所耗費之時間的量測值，且持續時間可與入射光強度成反比。對於本發明之其餘部分，第三量測模式可被稱作飽和時間(TTS)量測操作。在一些實例中，第三量測模式可在第一量測模式之前執行。
不同量測模式可針對於不同光強度範圍，且處理電路可基於入射光所屬於的光強度範圍而自記憶體將第一、第二或第三計數值中之一者輸出，以表示入射光強度。第一量測模式可針對中等光強度範圍，其中光電二極體預期達到滿容量且飽和。第二量測模式可針對低光強度範圍，其中預期光電二極體不飽和。第三量測模式可針對高光強度範圍，其中電荷儲存單元飽和。
如上文所論述，處理電路可自記憶體選擇第一、第二或第三計數值中之一者以表示入射光強度。該選擇可基於第一及第三決策的輸出中之一或多者。舉例而言，若第三決策的輸出指示電荷儲存單元飽和，則可相比於第一及第二計數值選擇第三計數值作為輸出。若第三決策的輸出指示電荷儲存單元不飽和，則第三計數值可被丟棄，且處理電路可在第一計數值與第二計數值之間選擇作為輸出。若第一決策的輸出(基於溢出電荷)指示光電二極體飽和，則處理電路可選擇第一計數值作為輸出，該第一計數值量測儲存於電荷儲 存單元中的溢出電荷量。但若第一決策的輸出或第二決策的輸出指示光電二極體不飽和，則處理電路可選擇第二計數值作為輸出，該第二計數值量測儲存於光電二極體中的殘餘電荷量。在一些實例中，像素單元可包括一組暫存器以儲存第一、第二及第三決策之至少一些作為旗標。處理電路可基於旗標值來決定在每一量測模式中是在記憶體處儲存一計數值或丟棄該計數值，或決定在全部量測模式已完成之後此些計數值中之哪一者要自記憶體輸出。
上文所描述之多模式量測操作可擴展像素單元之光強度量測的動態範圍。具體而言，TTS量測操作允許量測超過使電荷儲存單元飽和之強度位準的高光強度，此可擴展動態範圍之上限。此外，對於低光強度，PD ADC操作量測所儲存於光電二極體中之殘餘電荷。由於光電二極體典型地接收極少暗電流，因此由暗電流所產生之暗電荷之量值相對於由入射光產生之真實信號可保持較小，此可減小可偵測之入射光強度且下拉動態範圍之下限。
儘管多模式量測操作可擴展像素單元之動態範圍，但光強度量測之準確性仍可受各種雜訊源影響。一個雜訊源可為暗電流。特定言之，如上文所描述，處理電路基於第一決策是否指示光電二極體飽和而選擇第一計數值或第二計數值中之一者作為輸出，其中第一決策基於比較電荷儲存單元處之第一電壓與表示無溢出電荷作為第一電壓斜坡之部分的臨限電壓而產生。但第一決策可受到可添加暗電荷至浮動汲極節點的暗電流所影響，與光電二極體(尤其當該光電二極體為固定(pinned)光電二極體時)相比較，浮動汲極節點典型地接收若干數量級之暗電流。因為浮動汲極節點在溢出電荷的同時累積暗電荷，因此暗電荷可相對較大且可導致不正確的第一決策。舉例而言，浮動汲極節點可不儲存溢出電荷，但在浮動汲極節點中所累積的暗電荷可足夠大以引起指示浮動汲極節點儲存溢出電荷之不正確的第一決策。不正確的第一決策可引起處理電路丟棄第二計數值，其提供低強度範圍中的入射光之正確表示。結果 是，處理電路可自記憶體輸出不正確計數值以表示入射光強度。
影響多模式量測操作之另一雜訊源為量化誤差。如上文所描述，來自計數器之計數值可表示斜坡電壓到達電荷儲存裝置處之電壓的時間之量測值(用於FD ADC及PD ADC)，或電荷儲存裝置處之電壓到達飽和極限的時間之量測值(用於TTS)。在兩種情況下，時間量測值之準確性可由計數器更新計數值所依據之頻率以及待量測的時間之持續時間來定義，頻率及持續時間兩者可定義量化誤差。即使PD ADC操作對暗電流不大敏感，量化誤差仍可定義最小可偵測光強度並設定動態範圍之下限。
本發明提議減輕暗電流及量化誤差之影響的若干技術。在一些實例中，在將殘餘電荷自光電二極體轉移至電荷儲存單元以產生第二電壓之後，處理電路可比較第二電壓與表示使光電二極體飽和的殘餘電荷量的靜態臨限值，以判定光電二極體是否飽和。當此殘餘電荷量儲存於電荷儲存單元處時，靜態臨限值可基於在電荷儲存單元處所產生的電壓。與基於溢出電荷相比，基於殘餘電荷來偵測光電二極體之飽和可對暗電流不大敏感。此是因為光電二極體典型地接收少得多的暗電流，同時殘餘電荷轉移至浮動汲極節點之時間亦相對較短，兩者可減小存在於浮動汲極節點中的暗電荷。
在一些實例中，TTS、FD ADC及PD ADC量測中之每一者可基於一或多個斷點而分裂成兩個或更多子階段。處理電路可在彼等斷點處檢查第一決策之狀態(用於FD ADC)，第二決策之狀態(用於PD ADC)，及/或第三決策之狀態(用於TTS)，並基於此些決策之狀態而判定光電二極體抑或電荷儲存單元飽和。此些配置可引入冗餘至光電二極體及電荷儲存單元之飽和偵測，可改良偵測之準確性。此外，計數器可在每一子階段之開始處重設，此縮小待由計數器之滿輸出範圍所量測的時間範圍(及對應輸入電壓範圍)。運用相同數目計數器位元情況下，計數器可以較高頻率更新以量測經減小之時間範 圍，此可減小量化誤差。所有如此可進一步改良多模式量測操作之準確性。
本發明之實例可包括一人工實境系統或可與該人工實境系統一起實施。人工實境為在向使用者呈現之前已以某一方式進行調整的實境形式，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捕獲之(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(諸如，對檢視者產生三維效應之立體視訊)呈現。另外，在一些實例中，人工實境亦可與用以例如在人工實境中建立內容及/或另外用於人工實境中(例如，在人工實境中執行活動)之應用、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檢視者之任何其他硬體平台。
圖1A是近眼顯示器100之實例的圖式。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)顯示器來操作。
近眼顯示器100包括一框架105及一顯示器110。框架105耦接至一或多個光學元件。顯示器110經組態以使使用者看見由近眼顯示器100所呈現之內容。在一些實例中，顯示器110包含一波導顯示器總成，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中每一者可包括像素陣列，其經組態產生表示沿著不同方向之不同視場的影像資料。舉例而言，影像感測器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，而影像感測器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，且影像感測器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。
在一些實例中，影像感測器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，以向佩戴近眼顯示器100之使用者提供互動式VR/AR/MR體驗。舉例而言，影像感測器120a至120d可產生使用者所位於之實體環境的實體影像資料。實體影像資料可提供至一位置追蹤系統以追蹤使用者在實體環境中之位置及/或移動路徑。系統可接著基於例如使用者之位置及定向更新提供至顯示器110之影像資料以提供互動式體驗。在一些實例中，位置追蹤系統可運算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之視場內的一組物件。位置追蹤系統可基於該組物件而建構及更新實體環境之映圖，且追蹤使用者在該映圖內之位置。藉由提供對應於多個視場之影像資料，影像感測器120a至120d可給位置追蹤系統提供實體環境之更整體視圖，此可導致更多物件包括於映圖之建構及更新中。藉由此配置，可改良追蹤使用者在實體環境內之位置的準確性及穩固性。
在一些實例中，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，主動照明器130可在暗環境中(或在具有低強度紅外光、紫外光等之環境中)投射光以輔助影像感測器120a至120d捕獲暗環境內之不同物件的影像，從而例如實現對使用者之位置追蹤。主動照明器130可將某些標記投射至環境內之物件上，以輔助位置 追蹤系統識別物件以用於映圖建構/更新。
在一些實例中，主動照明器130亦可實現立體成像。舉例而言，影像感測器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顏色(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。主動照明器130可將一組IR標記投射於物件上，該物件之影像可由IR像素陣列所捕獲。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相距IR像素陣列的距離，且基於距離而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所提供至顯示器100之影像資料以提供互動式體驗。
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可操作在室內環境中或在室外環境中及/或在當日之不同時間。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之另一實例的圖式。圖1B說明面向佩戴近眼顯示器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相對)發射某一頻率範圍(例如，NIR)之光。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。影像感測器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，且可由影像感測器150b接收。影像感測器150b亦可包括像素陣列以產生經反射圖案之影像。基於來自影像感測器150a及150b的經反射圖案之影像，系統可判定使用者之凝視點，且基於所判定之凝視點而更新所提供至顯示器100之影像資料以向使用者提供互動式體驗。
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情況下，當入射光之強度極低時，影像感測器120a至120d需要能夠產生與入射光之強度相關的輸出，此可進一步增大影像感測器之動態範圍要求。
此外，影像感測器120a至120d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，掃視移動)，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單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中所說明的近眼顯示器100之橫截面200之一實例。顯示器110包括至少一個波導顯示器總成210。出射光瞳230為當使用者佩戴近眼顯示器100時使用者之單一眼球220定位於眼眶區中的位置。出於說明的目的， 圖2展示相關聯之眼球220及一單一波導顯示器總成210之橫截面200，但將一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處之眼眶及至眼球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-綠-藍(RGB)顯示器)。堆疊式波導顯示器亦為可投射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射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所發射的影像光之聚焦位置之顯示器。在替代實例中，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之一實例之等距視圖。在一些實例中，波導顯示器300為近眼顯示器100之一組件(例如，波導顯示器總成210)。在一些實例中，波導顯示器300為將影像光引導至一特定位置的某一其他近眼顯示器或其他系統之部分。
波導顯示器300包括源總成310、輸出波導320及控制器330。出於說明目的，圖3展示與一單一眼球220相關聯之波導顯示器300，但在一些實例中，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為光波 導，其將經擴大之影像光340輸出至使用者之眼球220。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，且將接收到之輸入影像光355導引至引導元件360。在一些實例中，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、全訊光柵、一或多個級聯反射器、一或多個稜柱形表面元件及/或一陣列的全訊反射器。
引導元件360將所接收輸入之影像光355重新引導至解耦元件365，使得所接收輸入之影像光355經由解耦元件365以自輸出波導320解耦。引導元件360為輸出波導320之第一側370-1之部分，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之部分，或貼附至該第二側，使得引導元件360與解耦元件365對置。引導元件360及/或解耦元件365可為例如繞射光柵、全訊光柵、一或多個級聯反射器、一或多個稜柱形表面元件及/或一陣列的全訊反射器。
第二側370-2表示沿著x維度及y維度之一平面。輸出波導320可由促進影像光355之全內反射的一或多種材料構成。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維度為大致50mm寬，沿著y維度為大致30mm長，且沿著z維度為大致0.5mm至1mm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。在一些實例中，輸出波導320將經擴大之影像光340輸出至具有大視場(FOV)的使用者之眼球220。舉例而言，經擴大之影像光340經提供至具有60度及/或更大及/或150度及/或更小之一對角線FOV(在x及y上)的使用者之眼球220。輸出波導320經組態以向眼眶提供具有20mm或大於20mm及/或等於或小於50mm之長度；及/或10mm或大於10mm及/或等於或小於50mm之寬度。
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所產生之影像光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，用於位置判定)。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內之遠端控制台界接。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位置、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之一實例。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上之一組像素單元402，以產生在使用者之前方的實體環境之影像。在一些實例中，在該組像素單元402與實體環境之間插入有機械快門404以控制該組像素單元402之曝光。在一些實例中，機械快門404可由電子快門閘所代替，如下文將論述。像素單元402中之每一者可對應於該影像之一個像素。儘管圖4中未展示，但應理解到像素單元402中之每一者亦可覆疊有一濾光片以控制待由像素單元所感測之光的頻率範圍。
在接收到來自遠端控制台之指令後，機械快門404可打開且將在一曝光週期中曝光該組像素單元402。在曝光週期期間，影像感測器370可獲得入射於該組像素單元402的光之樣本，且基於由該組像素單元402所偵測到的入射光樣本之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判定顯示內容之遠端控制台，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而判定影像光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包括一源410及一光學系統415。源410為產生相干或部分相干光之一光源。源410可為例如雷射二極體、垂直共振腔面射型雷射及/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之指令擴展、準直及/或調整定向。該一或多個光學組件可包括一或多個透鏡、液體透鏡、鏡子、光圈及/或光柵。在一些實例中，光學系統415包括具有複數個電極之液體透鏡，其允許掃描具有掃描角度之臨限值的光束以使光束移位至液體透鏡外部的區。自光學系統415(及亦源總成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為繞射光柵之實例中，繞射光柵之間距經選擇使得在輸出波導320中發生全內反射，且影像光355在輸出波導320中內部地朝向解耦元件365傳播(例如，藉由全內反射)。
引導元件360將影像光355朝向解耦元件365重新引導以用於自輸出波導320解耦。在引導元件360為繞射光柵之實例中，繞射光柵之間距經選擇以使入射影像光355相對於解耦元件365之表面之傾斜角而離開輸出波導320。
在一些實例中，引導元件360及/或解耦元件365在結構上類似。離開輸出波導320的經擴大之影像光340沿著一或多個維度擴展(例如，可沿著x維度為細長的)。在一些實例中，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中之每一者可以分開距離一起堆疊以輸出多色的經擴大之影像光340。
圖5係包括近眼顯示器100之系統500之實例的方塊圖。系統500包含各耦接至控制電路系統510之近眼顯示器100、一成像裝置535、一輸入/輸 出界面540及影像感測器120a至120d及150a至150b。系統500可經組態為一頭戴式裝置、一可佩戴裝置等。
近眼顯示器100是向使用者呈現媒體的顯示器。由近眼顯示器100所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，且將基於音訊資訊之音訊資料向使用者呈現。在一些實例中，近眼顯示器100亦可充當AR眼鏡。在一些實例中，近眼顯示器100藉由電腦產生之元素(例如，影像、視訊、聲音等)來擴增實際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/或一慣性量測單元(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是一電子裝置，其基於自位置感測器525中之一或多者所接收到的量測信號，來產生指示近眼顯示器100之估計位置相對於近眼顯示器100之初始位置的快速校準資料。
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所接收之校準參數來提供慢速校準資料。成像裝置535可包括例如圖1A之影像感測器120a至120d用於產生使用者所位於的實體環境之影像資料，以用於執行使用者之位置追蹤。成像裝置535可進一步包括例如圖1B之影像感測器150a至150b而用於產生用於判定使用者之凝視點之影像資料，以識別使用者之所關注之物件。
輸入/輸出界面540為允許使用者將動作請求發送至控制電路系統510之一裝置。動作請求為執行一特定動作之請求。舉例而言，動作請求可為開始或結束應用或執行該應用內之特定動作。
控制電路系統510根據自以下中之一或多者所接收的資訊而將媒體提供至近眼顯示器100供向使用者呈現：成像裝置535、近眼顯示器100及輸入/輸出界面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之其他組件通信耦接之一獨立式控制台裝置。在於圖5中展示之實例中，控制電路系統510包括一應用程式儲存區545、一追蹤模組550及一引擎555。
應用程式儲存區545儲存一或多個應用程式以用於由控制電路系統510來執行。一應用程式為一指令群，其在由一處理器執行時產生用於向使用者呈現之內容。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來校準系統500，且可調整一或多個校準參數以減小在近眼顯示器100之位置之判定中的誤差。
追蹤模組550使用來自成像裝置535之慢速校準資訊來追蹤近眼顯示器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來判定近眼顯示器100之參考點之位置。
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。在一些實例中，由引擎555接收到之資訊可用於向波導顯示器總成210產生判定呈現給使用者之內容類型的信號(例如，顯示指令)。舉例而言，為提供互動式體驗，引擎555可基於使用者之位置(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)判定將呈現給使用者之內容。
圖6說明像素單元600之實例。像素單元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，像素單元600可為圖4 之像素單元402的部分。如圖6中所展示，像素單元600可包括光電二極體602以及處理電路，其包括快門開關604、轉移閘極606、重設開關607、包含電荷儲存單元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、固定二極體等。光電二極體602可在接收到光後即刻產生電荷，且所產生電荷之量可與光之強度成比例。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，其在達到光電二極體之井容量時發生。此外，快門開關604、轉移閘極606及重設開關607中之每一者可包括電晶體。舉例而言，電晶體可包括金氧半導體場效電晶體(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)以控制像素單元600之曝光週期。在曝光週期期間，快門開關604可由曝光啟用信號611而停用(斷開)，該曝光啟用信號允許光電二極體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。在曝光週期結束時，可啟用快門開關604以將由光電二極體602所產生之電荷導向至光電二極體電流槽617中。此外，重設開關607亦可由重設信號618而停用(斷開)，該重設信號允許電荷儲存單元608a累積電荷。電荷儲存單元608a可為轉移閘極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可用以將電荷量轉換成類比電壓，類比電壓可由像素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以將所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可取用於下一量測。
現參看圖7，其說明針對不同光強度範圍相對於時間所累積之電荷量。在特定時間點所累積之電荷的總量可反映在曝光週期期間入射於光電二極體602上之光強度。當曝光週期結束時，可量測該量。可針對電荷之臨限量 來定義臨限值702及臨限值704，其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)，則入射光強度處於低光強度範圍706。若總累積電荷界於臨限值704與臨限值702之間(例如，Q2)，則入射光強度在中等光強度範圍708。若總累積電荷大於臨限值704，則入射光強度處於中等光強度範圍710。若光電二極體在整個低光強度範圍706未飽和且量測電容器在整個中等光強度範圍708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及臨限值702及704之定義可基於光電二極體602及電荷儲存單元608a之儲存容量。舉例而言，可定義低光強度範圍706而使得在曝光週期結束時儲存於光電二極體602中之電荷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。此類配置可確保當量測儲存於光電二極體602中之電荷量以判定強度時，光電二極體不飽和，且所量測量與入射光強度相關。此外，中等光強度範圍708可經定義使得在曝光週期結束時儲存於電荷儲存單元608a中之電荷總量低於或等於量測電容器之儲存容量，且臨限值704可基於電荷儲存單元608a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，以確保當量測儲存於電荷儲存單元608a中之電荷量以判定強度時，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。
另外，在入射光強度處於高光強度範圍710內的情況下，在電荷儲存單元608a處所累積的總溢出電荷可在曝光週期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可在曝光週期結束之前達到滿容 量，且可能發生電荷洩漏。為了避免歸因於電荷儲存單元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處所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判定，且在曝光週期結束時(若電容器具有無限容量)可能已累積於電荷儲存單元608a處之假設電荷量(Q3)可根據電荷累積速率而藉由外插來判定。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，轉移閘極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(未見於圖中)及電荷儲存單元608a處之電荷累積。為了量測高光強度範圍710及中等光強度範圍708，可控制轉移閘極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處所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極606之閘極電壓。藉由此類配置，僅溢出電荷(例如，在光電二極體飽和之後由光電二極體所產生之電荷)將經由轉移閘極606轉移到達電荷儲存單元608a，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，可控制轉移閘極606處於完全接通狀態中以將儲存於光電二極體602中之電荷轉移至電荷儲存單元608a，以量測儲存於光電二極體602中之電荷量。
藉由電荷儲存單元608a處之電荷累積所產生的類比電壓可由緩衝器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1及0)。在曝光週期結束之前(例如，對於中等光強度範圍708及高光強度範圍710)或在曝光週期之後(對於低光強度範圍706)，可對電荷儲存單元608a處所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，以表示曝光週期期間之光強度。
在一些實例中，電荷儲存單元608a之電容可組態以改良針對低光強度範圍之光強度判定的準確性。舉例而言，當將電荷儲存單元608a用以量測所儲存於光電二極體602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之電容可增加電荷儲存單元608a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來產生較高電壓。較高電荷至電壓轉換比率可減小由像素ADC 610所引入之量測誤差(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極限。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，此又減小可由像素單元600所量測之光強度的下限且擴展動態範圍。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704所定義之量的電荷量。
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810。計數器808可基於自由運行(free-running)的時脈信號812來產生一組計數值，而記憶體810可儲存由計數器808所產生之計數值中的至少一些(例如，最新計數值)。在一些實例中，記憶體810可為計數器808之部分。舉例而言，記憶體810可為鎖存電路以基於如下文所描述之本地像素值而儲存計數器值。臨限值產生器802包括數位至類比轉換器(DAC)813，其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，但應理解到DAC 813(及臨限值產生器802)可與來自不同像素單元之多個數位輸出產生器806耦接。此外，數位輸出產生器806之至少部分(諸如計數器808)可在複數個多像素單元之間共用以產生數位值。
比較器804可比較在類比輸出節點614處所產生之類比電壓與由臨限值產生器802所提供之臨限值，且基於比較結果來產生決策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所產生之臨限值，則比較器804可為決策816產生邏輯1。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0。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，以執行類比輸出節點614處之斜坡類比電壓的前述飽和時間量測以及類比輸出節點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以產生固定的VREF 815。可將固定的VREF 815設定為對應於使電荷儲存單元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可緊接在曝光週期開始之後(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，此引起比較器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說明由像素ADC 610量化類比電壓之實例。在量測開始之 後，DAC 813可由計數器之輸出814程式化以產生可取決於實施方案而斜升(在圖9B之實例中)或斜降之斜坡的VREF 815。斜坡的VREF 815之電壓範圍可界於臨限值704(用於電荷儲存單元608a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之各時脈循環增加(或減小)相同量。VREF 815之增加(或減小)的量對應於量化步長。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自負翻轉至正。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，其經累積以在一個量化步長內匹配類比電壓。計數值對應於VREF 815達到類比電壓所花費之時間的量測值，且可為所儲存於電荷儲存單元608a處之電荷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週期期間(例如用於中等光強度範圍708)及在曝光週期之後(例如用於低光強度範圍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)的電荷量與由ADC 610所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，基於例如減小量化操作之輸入範圍902(界於臨限值702與704之間)，減小待由計數器808所量測之對應時間範圍，增加時脈信號812之時脈頻率或因此的任何組合，量化步長大小可減小每時脈循環之VREF 815的增加(或減小)量。
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之程度。舉例而言，在時脈信號812之時脈頻率增加的同時輸入範圍902保持相同的情況下，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需要將額外匯流排添加至像素輸出匯流排616，此在像素單元600用於頭戴式裝置或具有極有限空間之其他可佩戴裝置上的情況下可能不可行。此外，在量化步長大小較大之情況下，ADC 610在找到匹配(藉由一個量化步長)之量位準之前可需要循環通過較大數目個量化步長，此導致處理功率消耗及時間增加且產生影像資料之速率減小。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△l指示)對於輸入電荷量之整個範圍是相同。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。例如，用於低輸入電荷量之量化步長大小(由△s指示)小於用於大輸入電荷量之量化步長大小(由△L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(△S)小於用於均一量化程序之量化步長大小(△l)。
採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，經減小之量化誤差可下拉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，可減小所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(例如，面積增加、處理速度減小等)相關聯的前述潛在問題。
圖10B說明由像素ADC 610使用非均一量化程序來量化類比電壓之實例。相較於圖9B(其採用均一量化程序)，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。斜率之差異歸因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。可使用不同方案來引入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)而輸出電壓。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是不同的。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，其說明像素單元1100之實例，該像素單元可為圖6之像素單元600的實例。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可對應於轉移閘極606，而電晶體M2可對應於重設開關607。此外，COF電容器與CEXT電容器之組合可對應於電荷儲存單元608a。COF電容器可為浮動汲極節點之寄生電容器。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COF電容器與CEXT電容器之組合容量。當停用LG時，CEXT電容器可自並聯組合斷開連接，且電荷儲存單元608a僅包含COF電容器(外加其他寄生電容)。如上文所論述，電荷儲存單元608a之電容可經減小以增加電荷至電壓轉換比率以用於低光線強度判定，且可經增加以提供必需容量用於中等光強度判定。
像素單元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形成源極隨耦器，其可為圖6之緩衝器608b以緩衝在OF節點處所產生之類比電壓，其表示儲存於COF電容器處(或COF電容器及CEXT電容器處)之電荷量。另外，CC電容器、比較器1102、電晶體M5、反或(NOR)閘1116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。如上文所述，量化可基於在OF節點處產生之類比電壓與VREF之間的比較結果(VOUT)(由比較器1102所產生)。此處，CC電容器經組態以產生追蹤緩衝器608b之輸出的VIN電壓(在比較器1102之一個輸入處)，且將VIN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。ADC碼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輸出的ADC碼。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中所述之非均一量化方案。
除了上文所記載之技術，像素單元1100亦包括可進一步改良入射光強度判定之準確性的技術。舉例而言，CC電容器與電晶體M5之組合可用以補償由比較器1102引入之量測誤差(例如，比較器偏移)以及引入比較器1102之其他誤差信號，使得可改良比較器1102之準確性。雜訊信號可包括例如由重設開關607所引入之重設雜訊電荷、緩衝器608b之輸出處由於源極隨耦器臨限值失配而產生的雜訊信號等。當啟用電晶體M2及M5兩者時，反映比較器偏移以及誤差信號之一定量的電荷可在重設階段期間儲存於CC電容器處。由於所儲存電荷，在重設階段期間亦可在CC電容器上產生電壓差。在量測階段期間，保持CC電容器上之電壓差，且CC電容器可藉由減去(或加上)電壓差來追蹤緩衝器608b之輸出電壓以產生VIN。結果，VIN電壓可補償量測誤差及誤差信號，此改良VIN與VREF之間的比較及隨後發生的量化的準確性。
此外，像素單元1100進一步包括控制器1110。控制器1110可產生一連串控制信號，諸如SHUTTER、TX、RST1、RST2等，以操作像素單元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。在各階段中，像素單元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)來判定入射光強度是否在對應光強度範圍內。像素單元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可自三個階段中之一者選擇ADC碼以表示入射光強度。選定ADC碼可儲存於記憶體810中，且記憶體810可由NOR閘1116基於FLAG_1信號與FLAG_2信號之組合被鎖定以防止後續量測階段覆寫記憶體810中之選定ADC碼的輸出。在三階段量測程序結束時，控制器1110可擷取儲存於記憶體810中之ADC碼且將ADC碼提供為表示入射光強度之數位輸出。
現參看圖12，其說明相對於時間之用於三階段量測操作的像素單元1100之一連串控制信號。參看圖12，在T0'與T0之間的時間對應於第一重設階段。在T0與T1之間的時間週期可對應於曝光週期及飽和時間量測模式。界於T1與T2之間的時間週期對應於量測所儲存於浮動汲極中之溢出電荷量的量測模式。用於量測溢位電荷之量測模式在圖12中標記為「FD ADC」且可用以量測中等光強度708。此外，在T2與T3之間的時間週期包括第二重設階段，接著將儲存於光電二極體602中之電荷轉移至浮動汲極。此外，在T3與T4之間的時間週期對應於量測所儲存於光電二極體中且轉移至浮動汲極之電荷量的量測模式。用於量測所儲存於光電二極體中之電荷的量測模式在圖12中標記為「PD ADC」且可用以量測低光強度712。像素單元1100可在時間T4提供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。
如圖12中所展示，在T0之前，確證RST1及RST2信號、LG信號 以及快門信號，而TX信號經偏壓於電壓VLOW(圖中未展示)。VLOW可對應於光電二極體PD之電荷容量以僅允許溢出電荷(若存在)自光電二極體PD經由電晶體M1流動至CEXT電容器及COF電容器。藉由此類配置，可重設光電二極體PD以及CEXT電容器及COF電容器兩者。此外，因為由光電二極體PD所產生之電荷被電晶體M0分流掉，所以無電荷添加至電容器。光電二極體PD以及OF節點上之電壓可設定為等於可表示光電二極體PD、CEXT電容器及COF電容器不儲存任何電荷之狀態中的VRESET的電壓。另外，比較器1102亦處於重設階段，且CC電容器可儲存反映由M2所引入之重設雜訊、比較器偏移、緩衝器608b之臨限值失配等的電荷。此外，VREF亦可設定為等於VRESET之值。在一些實例中，VRESET可等於至像素單元1100之供應電壓(例如，VDD)。此外，計數器808可處於重設狀態中。
在時間T0，計數器808可自初始值(例如，零)開始計數。在T0與T1之間的時間週期期間，撤銷確證快門信號，而LG信號保持經確證且TX信號保持於VLOW。在T0與T1之間的時間週期可為曝光週期。VREF可設定為等於VFDSAT之值，VFDSAT可對應於CEXT電容器及COF電容器兩者皆滿容量時OF節點之電壓。在VFDSAT與VRESET之間的差可對應於例如圖7之臨限值704。在T0與T1之間的時間週期期間，可執行時間飽和(TTS)量測，其中溢出電荷自光電二極體PD經由電晶體Ml流動至COF電容器及CEXT電容器，以在OF節點處產生斜坡電壓。在計數器808自由運行時，可將OF節點處之類比電壓(VIN)的經緩衝及誤差補償版本與VFDSAT進行比較。若儲存於COF電容器及CEXT電容器處之總電荷超過臨限值704(基於OF節點之電壓)，則比較器1102之輸出可翻轉，其指示入射光處於高強度範圍中，且TTS量測結果可用以表示入射光強度。因此，在翻轉時由計數器808所產生之計數值可儲存至記憶體810中。可在時間T1進行對比較器1102之輸出的檢查1202，且比較器1102之翻轉亦使控制器 1110確證暫存器1112中之FLAG_1信號。FLAG_1信號的非零值可使NOR閘1116之輸出保持為低而無關於至NOR閘之其他輸入，且可鎖定記憶體並防止後續量測階段覆寫計數值。另一方面，若比較器1102在Tl與T2之間的時間週期期間從不翻轉，其指示入射光強度低於高光強度範圍，則FLAG_1信號保持為零。控制器1110在時間週期T0至T1之間不更新所儲存於暫存器1114中之FLAG_2的值，且FLAG_2的值可保持為零。
在時間T1，計數器808可自其初始值(例如，零)重新開始計數。在T1與T2之間的時間週期期間，可執行FD ADC操作，其中可由ADC 610量化OF節點處之類比電壓以量測所儲存於CEXT電容器及COF電容器中之溢出電荷量。在一些實例中，在時間週期T1至T2期間，可遮蔽光電二極體PD以免受入射光(例如，由機械快門404)，而使得所儲存於CEXT電容器及COF電容器中之總溢出電荷及OF節點處之類比電壓保持恆定。可將第一斜坡臨限電壓(在圖12中標記為「第一斜坡VREF」)供應至比較器1102以與OF節點處之類比電壓(VIN)的經緩衝及誤差補償版本進行比較。在一些實例中，第一斜坡VREF可由DAC基於來自自由運行的計數器之計數值所產生。若斜坡VREF匹配VIN(在一個量化步長內)，則比較器1102之輸出可翻轉，且若記憶體810未由第一量測階段(如由FLAG_1信號之零值指示)所鎖定，則在翻轉時由計數器808所產生之計數值可儲存至該記憶體中。若記憶體經鎖定，則計數值將不儲存至記憶體810中。
在一些實例中，如圖12中所展示，第一斜坡VREF之電壓範圍可界於VFDSAT與VRESET之間。VFDSAT可定義儲存於CEXT電容器及COF電容器(當其接近飽和時)中之總溢出電荷的上限，而VRESET可定義所儲存於電容器中之總溢出電荷的下限(當不存在溢出電荷時，因此OF節點之電壓保持在VRESET)。FD ADC階段中之比較器1102的翻轉可指示OF節點之電壓低於 VRESET，此可意謂儲存於電容器中之總溢出電荷超過下限。因此，FD ADC階段中之比較器1102的翻轉可指示光電二極體PD飽和，因此存在儲存於電容器中之溢出電荷，且溢出電荷之量化結果可表示入射光之強度。可在FD ADC之後在時間T2進行對比較器1102之輸出的檢查1204，且控制器1110可基於比較器1102之翻轉來確證暫存器1114中之FLAG_2信號以鎖定儲存於記憶體810中之計數值，此防止後續階段將另一計數值儲存於記憶體810中。
在T2與T3之間的時間週期開始時，可針對第二重設階段再次確證RST1信號及RST2信號兩者。第二重設階段之目的為重設CEXT及COF電容器，且準備用於在第三量測階段(對於低光強度範圍)中儲存自PDCAP電容器所轉移之電荷的COF電容器。亦可撤銷確證LG信號以將CEXT電容器與COF電容器斷開連接且減小量測電容器之電容。電容之減小將增加電荷至電壓轉換比率，以改良低光強度判定，如上文所論述。亦將比較器1102置於重設狀態中，其中CC電容器可用以儲存藉由重設CEXT及COF電容器而產生的雜訊電荷。接近時間T3，在重設完成之後，撤銷確證RST1及RST2信號，而偏壓TX可增加至電壓VHIGH以完全接通電晶體Ml。儲存於光電二極體PD中之電荷可接著經由M1移至COF電容器中。
在時間T3，計數器808可自其初始值(例如，零)重新開始計數。在T3與T4之間的時間週期期間，可針對低光強度範圍執行PD ADC操作。在彼週期期間，確證快門信號，而撤銷確證TX信號(例如，設定成零)或將其設定回至電壓VLOW，以防止儲存於COF電容器處之電荷經由Ml漏洩。可將第二斜坡臨限電壓(在圖12中標記為「第二斜坡VREF」)供應至比較器1102以與OF節點處之類比電壓(VIN)的經緩衝及誤差補償版本進行比較。第二斜坡VREF可具有界於VPDSAT與VRESET之間的電壓範圍：VPDSAT其表示在COF電容器儲存使光電二極體PD飽和之殘餘電荷量時所處於之電壓。若第二斜坡VREF匹 配VIN(在一個量化步長內)，則比較器1102之輸出可翻轉，且若記憶體810未由第一量測階段(如由FLAG_1信號之零值指示)或由第二量測階段(如由FLAG_2信號之零值指示)所鎖定，則在翻轉時由計數器808所產生之計數值可儲存至記憶體中。
儘管圖12展示量測入射光強度之三階段量測操作，但應理解到基於例如用於操作環境之預期入射光強度範圍，跳過此些階段中之一或多者。舉例而言，若像素單元在具有低周圍光之環境中(例如，在夜間)操作，則可跳過針對高光強度之第一量測階段。此外，若像素單元在具有中等或強周圍光之環境中(例如，在日間)操作，則可跳過針對低光強度之第三量測階段。
如上文所描述，光電二極體PD是否飽和的偵測可基於比較OF電壓與FD ADC中之VRESET，以判定是否存在儲存於電荷儲存單元中的溢出電荷。然而，基於量測溢出電荷來偵測光電二極體PD之飽和可能有暗電流的傾向。具體而言，COF電容器由M1電晶體之浮動汲極節點所形成，且該浮動汲極節點可接收大量暗電流，其可累積於浮動汲極節點中以變為暗電荷。暗電荷可導致光電二極體飽和之錯誤偵測。作為說明性實例，在室溫下之總暗電荷可為每像素及每秒約50e。在約10毫秒之曝光週期(例如T0與T1之間)情況下，存在每圖框小於一個暗電子。但浮動汲極節點上之暗電流可為兩個或三個數量級。因為浮動汲極節點在曝光週期期間整合溢出電荷的同時接收此大暗電流，因此可累積大量暗電荷。即使浮動汲極節點不儲存溢出電荷，暗電荷仍可使得OF電壓降低至VRESET以下，此可導致光電二極體飽和之錯誤偵測。結果，FLAG_2信號可經不正確地確證，此導致PD ADC輸出在實際上提供低強度範圍中之入射光的正確表示時被予以丟棄。
圖13A說明用於像素單元1100之控制信號的實例序列，其可減輕暗電流對光電二極體PD飽和之偵測的影響。如圖13A中所展示，用以與OF電 壓進行比較的第一斜坡VREF之電壓範圍界於VFDSAT與VRESET-VDARK-FD之間。VDARK-FD電壓可為對應於預定電荷量之電壓防護帶。具體而言，為了比較器1102之輸出在FD ADC期間翻轉以指示光電二極體PD飽和，儲存於COF及CEXT電容器中之電荷(其可包括溢出電荷及暗電荷)需要超過預定電荷量。電壓防護帶可經組態而使得暗電荷單獨可引起比較器1102之輸出翻轉是不大可能，此可減小由於暗電流而錯誤偵測光電二極體飽和之可能性。可在FD ADC量測完成之後，在時間T2進行比較器1102之輸出之狀態的檢查1304，以判定是否確證FLAG_2以鎖定儲存於記憶體中的計數值。
儘管圖13A中的配置可減小歸因於暗電流而錯誤偵測光電二極體飽和之可能性，但電壓防護帶VDARK-FD減少第一斜坡VREF之電壓範圍，其亦減少用於量化操作之輸入電壓範圍。落入電壓防護帶內的OF電壓及對應的溢出電荷量將不經量化，且可產生如圖13B中所示的量化空隙。電壓防護帶以及所得量化空隙可能非常大以考量像素之間的各種變化源，諸如比較器偏移變化、暗電流變化等之隨機分佈。在電壓防護帶經組態以考量最大比較器偏移及最大暗電流的情況下，電壓防護帶可如此大以致其可佔據輸入電壓範圍之1/8，且可產生大的量化空隙。尤其對於超過FD ADC與PD ADC量測操作之強度範圍之間的光強度範圍，大的量化空隙可導致量化雜訊之顯著增加及信雜比的大降低。
圖14A說明用於像素單元1100的控制信號之實例序列，其可減輕暗電流對光電二極體PD飽和的影響的同時減少量化空隙之出現。具體而言，如圖14A中所示，在CEXT與COF電容器斷開連接以減小電荷儲存單元608a之電容之後及在殘餘電荷轉移至COF電容器以用於後續的PD ADC量測操作之後，可在時間T3執行光電二極體PD飽和之偵測。具體而言，在時間T3，比較器1102比較OF電壓與VPDSAT，如上文所描述，VPDSAT表示當COF電容器儲存使該光電二極體PD飽和的一定量的殘餘電荷時所處於的電壓。若儲存於COF電容器 中之殘餘電荷小於光電二極體PD之飽和容量，則在COF電容器處的電壓可高於VPDSAT，且比較器1102之輸出可保持為低。另一方面，若光電二極體PD飽和，則儲存於COF電容器中之殘餘電荷等於光電二極體PD之飽和容量。在COF電容器處的電壓可變為低於或等於VPDSAT，且比較器1102之輸出可翻轉。可在時間T3進行比較器1102之輸出的檢查1404。若比較器1102之輸出在時間T3處為正，則控制器1110可確證FLAG_2的位元，否則FLAG_2的位元可變為撤銷確證，以鎖定記憶體810或允許記憶體810鎖存於PD ADC的輸出中(若FLAG_1的位元亦為低)。
圖14A之配置可改良光電二極體PD飽和偵測針對暗電流的穩固性，因為光電二極體PD典型地比浮動汲極節點接收少得多的暗電流，因此由光電二極體PD在曝光週期(例如在T0與T1之間)期間所累積並存在於自該光電二極體PD所轉移的電荷中之暗電荷典型地可忽略且不大可能引起錯誤光電二極體飽和偵測。舉例而言，如上文所論述，在室溫下的總暗電荷可為每像素及每秒約50e，且在約10毫秒之曝光週期情況下，存在每圖框小於一個暗電子。此外，殘餘電荷轉移至浮動汲極節點的時間(T2與T3之間的時間週期之一半)與曝光週期相比較相對較短，此亦可減小在光電二極體飽和偵測之前由浮動汲極節點所累積的暗電荷。結果是，在PD ADC開始時存在於浮動汲極節點中(及COF電容器中)之暗電荷可顯著比FD ADC期間小且當光電二極體PD不飽和時不大可能引起比較器1102之輸出翻轉。
在一些實例中，如圖14B中所示，電壓防護帶VDARK-PD可被添加至VPDSAT，使得將OF電壓與VPDSAT+VDARK-PD之靜態臨限電壓進行比較以用於光電二極體PD飽和偵測。第二斜坡VREF可自VPDSAT+VDARK-PD開始至VRESET。當例如儲存於COF電容器中之殘餘電荷的量稍小於光電二極體PD之飽和容量時，此類配置可防止光電二極體飽和之錯誤偵測，但歸因於存在暗電荷，在 COF電容器處的總電荷超過飽和容量且比較器1102之輸出翻轉。但電壓防護帶VDARK-PD可比圖13A之電壓防護帶VDARK-FD小得多，此是由於暗電荷之低得多的預期量(例如歸因於光電二極體處之低暗電流、浮動汲極節點處之額外暗電荷的短時間累積等)。結果是，歸因於VDARK-PD電壓防護帶之引入而在對於PD ADC操作之輸入電壓範圍的減小可比圖13A及圖13B中顯著小得多，且所得量化空隙(若存在)亦可減小。
在一些實例中，TTS、FD ADC及PD ADC量測中之每一者可基於一或多個斷點分裂成兩個或更多子階段。控制器1110可在彼等斷點處檢查比較器1102之輸出並基於彼等斷點處的比較器1102之輸出的狀態執行光電二極體PD飽和之偵測(以在FD ADC與PD ADC的輸出之間選擇)及電荷儲存單元飽和之偵測(以在TTS的輸出或FD ADC/PD ADC的輸出之間選擇)。此類配置可引入冗餘並改良偵測之準確性。此外，計數器可在各子階段開始時重設，此縮小待量化的輸入電壓範圍及/或時間範圍。運用具相同數目個位元的計數器，計數器可以較高頻率更新以量測減小之時間範圍，此可減小量化誤差。
圖15說明使FD ADC操作分裂成多個子階段的像素單元1100之控制信號之序列的實例。如圖15中所示，對應於時間TlA處的第一斜坡VREF之電壓的電壓中斷點VFD-BREA可經設定以將FD ADC操作分裂成FD ADC 1及FD ADC 2子階段。在一些實例中，VFD-BREA可基於曝光週期期間在浮動汲極節點(COF電容器)中所累積的預定暗電荷量而組態為電壓防護帶。
在時間T1，檢查1202可由控制器1110執行以判定比較器1102的輸出在TTS期間是否翻轉(及變為正)，此指示電荷儲存單元608a飽和。當比較器1102的輸出在TTS期間翻轉時，來自計數器808之計數值可儲存在記憶體810中。假如電荷儲存單元608a飽和，則控制器1110可確證FLAG_1的位元以鎖定記憶體810並防止所儲存計數值在後續FD ADC及PD ADC操作中被覆寫。計 數器808可接著經重設並在TTS操作之後自初始值開始計數。
FD ADC 1子階段可出現在時間Tl與T1A之間，其中比較器1102可比較OF電壓與自VFDSAT斜向VFD-BREA的第一斜坡VREF。若第一斜坡VREF超過OF電壓，則比較器1102之輸出可翻轉且若FLAG_1的位元未自TTS操作確證且記憶體810未被鎖定，則來自計數器808之計數值可鎖存至記憶體810中。若第一斜坡VREF不超過OF電壓，則比較器1102之輸出可保持為低且記憶體810中之所儲存計數值(若存在)未經更新。
在時間T1A處，控制器1110可執行比較器1102之輸出的檢查1502以判定比較器1102之輸出是否為正。比較器1102的輸出在FD ADC 1子階段內之翻轉可指示OF電壓低於VFD-BREA，其可指示儲存於浮動汲極節點中的電荷超過預定暗電荷量，且光電二極體PD可能飽和。基於此指示，控制器1110可確證FLAG_2的位元。但如在下文將描述，控制器1110將在鎖定記憶體810之前執行比較器1102之輸出進行再一次檢查。計數器808可接著經重設並在FD ADC 1操作完成之後自初始值開始計數。
FD ADC 2子階段可出現在時間T1A與T2之間，其中比較器1102可比較OF電壓與繼續自VFD-BREA斜向VRESET的第一斜坡VREF。若第一斜坡VREF超過OF電壓，則比較器1102之輸出可翻轉且若FLAG_1和FLAG_2的位元皆不被確證，則來自計數器808之計數值可鎖存至記憶體810中。若第一斜坡VREF不超過OF電壓，則比較器1102之輸出可保持為低且記憶體810中之所儲存計數值(若存在)未經更新。FD ADC 2子階段可在時間T2完成。
在時間T2與T3之間，如上文關於圖12所描述，COF電容器及CEXT電容器兩者可經重設，且CEXT電容器可與COF電容器斷開連接。殘餘電荷可自光電二極體PD轉移至COF電容器。OF電壓可與靜態臨限值VPDSAT(如圖13A中所示)或VPDSAT+VDARK-PD(如圖14B中所示)進行比較以判定殘餘電荷量 是否超過光電二極體PD之飽和容量。比較器1102之輸出的翻轉(其指示OF電壓低於靜態臨限值)可指示光電二極體PD飽和。控制器1110可在時間T3執行比較器1102之輸出的檢查1404。若比較器1102之輸出在時間T3處為正，且若FLAG_1的位元未自在時間T1之檢查1202被確證，則控制器1110可確證FLAG_1的位元。FLAG_1的位元及FLAG_2的位元兩者的確證可指示光電二極體PD飽和且記憶體810中之所儲存值將被鎖定而不被後續PD ADC輸出覆寫。另一方面，若FLAG_1的位元及FLAG_2的位元兩者保持撤銷確證，則後續PD ADC輸出可儲存至記憶體810中以表示入射光之強度的量測。
下表1提供針對圖15之配置而在FLAG_1及FLAG_2的值與哪一量測操作將計數值儲存於記憶體810中之間的映射之實例：
Figure 108120143-A0305-02-0043-1
在圖15之配置中，光電二極體是否飽和的判定可基於溢出電荷之量測(在時間T1A處的檢查1502)及殘餘電荷之量測(檢查1404)兩者，此可添加冗餘並改良光電二極體飽和偵測之穩固性。此外，當計數器808在時間T1A被重設時，待由計數器808之計數值所表示的輸入電壓範圍縮小，此允許計數器808以較高頻率(例如藉由運用較快時脈操作)更新計數值以減小量化步長並改良FD ADC操作之量化解析度，同時計數器808(及相關聯硬體電路)之位元寬度不需要被擴展以支援改良之量化解析度。
另外，PD ADC及TTS量測操作兩者亦可分裂成多個子階段，其中計數器808在每一子階段開始時重設以改良量化解析度。如圖16中所示，對 應於時間T3A處之第二斜坡VREF之電壓的電壓中斷點VPD-BREA可經設定以將PD ADC操作分裂成PD ADC 1及PD ADC 2子階段。用於PD ADC 1之第一輸入電壓範圍可自VPDSAT(如圖13A中所示)或VPDSAT+VDARK-PD(如圖14B中所示)至VPD-BREA，而用於PD ADC 2之第二輸入電壓範圍可自VPD-BREA至VRESET。
在時間T3處，計數器808可經重設並自初始值開始計數。PD ADC 1子階段可出現在時間T3與T3A之間，其中比較器1102可比較OF電壓與自VPDSAT或VPDSAT+VDARK-PD斜向VPD-BREA的第二斜坡VREF。若第二斜坡VREF超過OF電壓，則比較器1102之輸出可翻轉，且若FLAG_1的位元和FLAG_2的位元皆不被確證，則來自計數器808之計數值可鎖存至記憶體810中。若第一斜坡VREF不超過OF電壓，則比較器1102之輸出可保持為低且記憶體810中之所儲存計數值(若存在)未經更新。
在時間T3A處，控制器1110可執行比較器1102之輸出的檢查1602以判定PD ADC 1輸出是否儲存至記憶體810中。若比較器1102之輸出為正，則控制器1110可確證FLAG_1的位元及FLAG_2的位元兩者(若此時兩者皆未被確證)以防止記憶體810被PD ADC 2的輸出覆寫。計數器808可接著經重設並在PD ADC 1操作完成之後自初始值開始計數。
PD ADC 2子階段可出現在時間T3A與T4之間，其中比較器1102可比較OF電壓與繼續自VPD-BREA斜向VRESET的第二斜坡VREF。若第二斜坡VREF超過OF電壓，則比較器1102之輸出可翻轉，且若FLAG_1和FLAG_2的位元皆不被確證，則來自計數器808之計數值可鎖存至記憶體810中。
下表2提供針對圖16之配置而在FLAG_1及FLAG_2的值與哪一量測操作將計數值儲存於記憶體810中之間的映射之實例：
Figure 108120143-A0305-02-0044-2
Figure 108120143-A0305-02-0045-3
在圖16之配置中，VPD-BREAK可基於各種準則(諸如預期殘餘電荷量)而組態以最大化量化解析度。舉例而言，基於應用及/或操作條件，可判定殘餘電荷之平均量更接近於光電二極體PD之飽和容量(由VPDSAT表示)。在此情況下，與接近VRESET相比，VPD-BREAK可經設定為更接近於VPDSAT以減小第一輸入電壓範圍並改良第一輸入電壓範圍之量化解析度。在一些實例中，VPD-BREAK亦可經設定為處於VPDSAT與VRESET之間的中點。
圖17說明使FD ADC操作分裂成多個子階段的像素單元1100之控制信號之序列的實例。如圖17中所示，時間中斷點TTTS-BREAK可經設定於時間T0與T1之間，以將TTS操作分裂成TTS 1及TTS 2子階段。在時間T0，計數器808可經重設並自初始值開始計數，且比較器1102可比較OF電壓與靜態臨限值VFDSAT。若OF電壓低於VFDSAT(其指示電荷儲存單元608a飽和)，則比較器1102之輸出翻轉(自負至正)，來自計數器808之計數值可鎖存至記憶體810中。若OF電壓不低於VFDSAT，則比較器1102之輸出可保持為低且沒有值儲存至記憶體810中。
在時間TPD-BREAK，控制器1110可執行比較器1102之輸出的檢查1702。若比較器1102之輸出在時間TTTS-BREAK為正，則控制器1110可確證FLAG_1的位元以防止後續TTS 2、FD ADC及PD ADC操作。若比較器1102之輸出保持為負(無翻轉)，則FLAG_1的位元在TTTS-BREAK將不被確證。在時間TPD-BREAK處，計數器808亦可經重設並自初始值開始計數。在時間TTTS-BREAK與Tl之間，比較器1102可比較OF電壓與靜態臨限值VFDSAT。若OF電壓低於VFDSAT(其指示電荷儲存單元608a飽和)，則比較器1102之輸出翻轉(自負至正)，來自 計數器808之計數值可鎖存至記憶體810中。若OF電壓不低於VFDSAT，則比較器1102之輸出可保持為低且沒有值儲存至記憶體810中。
在時間T1，控制器1110可執行比較器1102之輸出的檢查1202。 若比較器1102之輸出在時間T1處為正，則控制器1110可確證FLAG_1的位元(若FLAG_1的位元在時間Ttts-break未確證)及FLAG_2的位元。若比較器1102之輸出保持負，則FLAG_1的位元及FLAG_2的位元將保持撤銷確證，此允許後續FD ADC或PD ADC操作中之一者將計數值儲存至記憶體810中。
下表2提供針對圖17之配置的在FLAG_1及FLAG_2的值與哪一量測操作將計數值儲存於記憶體810中之間的映射之實例：
Figure 108120143-A0305-02-0046-4
在圖17之配置中，TTTS-BREAK可基於各種準則(諸如預期入射光強度)而組態以最大化量化解析度。舉例而言，基於應用及/或操作條件，可判定平均入射光強度使得飽和時間更接近於T0且在TTS 1之時間週期內。在此情況下，與接近Tl相比，TTTS-BREAK可經設定為更接近於T0以改良TTS 1之量化解析度。在一些實例中，TTTS-BREAK亦可經設定處於T0與Tl之間的中點。
儘管圖15至圖17中之每一者說明TTS、FD ADC或PD ADC操作經分裂，但應理解其可在同一多模式量測操作中全部經分裂成多個子階段。
圖18說明量測光強度之實例方法1800之流程圖。方法可由像素單元1100之處理電路來執行，其中包含例如M0、M1、M2及M6開關、電荷儲存單元608a、比較器1102、控制器1110等。
在步驟1802中，可將溢出電荷自光電二極體PD轉移至電荷儲存單元608a，以產生第一電壓。當光電二極體PD回應於入射光而產生電荷時，轉移可出現在曝光週期期間。光電二極體PD可儲存電荷之部分作為殘餘電荷，且若光電二極體PD飽和，則經由M0開關將電荷之剩餘部分作為溢出電荷以轉移至電荷儲存單元608a。
在步驟1804中，比較器1102可比較第一電壓與第一斜坡臨限電壓，以產生第一決策。該第一決策可指示該第一電壓是否超過該第一斜坡臨限電壓。
在步驟1806中，基於第一決策，可產生第一數位值以表示溢出電荷量。在一些實例中，自由運行的計數器可在第一斜坡臨限電壓之起點處開始計數及產生計數值，且在產生第一決策時，由計數器所產生的第一計數值可儲存於記憶體中。第一計數值可為第一數位值。
在步驟1808中，可將殘餘電荷自光電二極體轉移至電荷儲存單元，以產生第二電壓。電荷儲存單元可在轉移之前經重設以移除溢出電荷。電荷儲存單元之電容可減小(例如藉由將CEXT與COF斷開連接)以增加電荷至電壓轉換速率。
在步驟1810中，比較器1102可比較第二電壓與靜態臨限電壓以判定光電二極體是否飽和，以產生第二決策。靜態臨限電壓可表示在COF電容器儲存使光電二極體PD飽和之殘餘電荷量時所處於之電壓，諸如VPDSAT。在一些實例中，靜態臨限電壓可被偏移暗電流電壓VDARK-PD，VDARK-PD可表示由在光電二極體PD處(在曝光週期期間)及在浮動汲極節點處(在殘餘電荷之轉移期間)的暗電流所沈積的暗電荷總量。在一些實例中，若第二決策指示光電二極體PD飽和，則控制器1110可確證一信號(例如FLAG_2的位元)以鎖定記憶體810。
在步驟1812中，比較器1102可比較第二電壓與第二斜坡臨限電壓，以產生第三決策。第三決策可指示第二電壓是否超過第二斜坡臨限電壓。
在步驟1814中，比較器1102可基於第三決策而產生第二數位值。舉例而言，在產生第三決策時，來自計數器808之第二計數值可為第二數位值。
在步驟1816中，控制器1110可基於第二決策而輸出第一數位值或第二數位值中之一者，以表示光強度。在一些實例中，基於步驟1810中之第二決策而鎖定記憶體，此防止記憶體儲存第二數位值，且第一數位值自記憶體輸出。在一些實例中，第一數位值及第二數位值兩者皆儲存於記憶體中，且控制器1110可基於第二決策而自該記憶體選擇第一數位值或第二數位值中之一者以用於輸出。
圖19說明量測光強度之實例方法1900之流程圖。方法可由像素單元1100之處理電路來執行，其中包含例如M0、M1、M2及M6開關、電荷儲存單元608a、比較器1102、控制器1110等。
在步驟1902中，可將電荷自光電二極體PD轉移至電荷儲存單元608a，以產生第一電壓。電荷可為用於TTS或FD ADC量測之溢出電荷，或用於PD ADC量測之殘餘電荷。
在步驟1904中，在第一時間，控制器1110可控制計數器(例如計數器808)以自初始值開始計數。步驟1904可藉由重設計數器接著釋放重設而執行。步驟1904可在步驟1902之電荷轉移開始時(例如用於TTS)、在電荷轉移中間時(例如用於FD ADC)或在電荷轉移完成之後(例如用於PD ADC)而執行。
在步驟1906中，比較器1102可在第一時間與第二時間之間比較電壓與第一臨限值，以產生第一決策。第二時間可對應於電壓斷點(用於FD ADC及PD ADC)或時間斷點(用於TTS)。第一臨限值可為靜態臨限電壓(用於TTS)或在電壓斷點處結束的斜坡臨限電壓(用於FD ADC及PD ADC)。來自計數器之第一計數值可在產生第一決策時儲存至記憶體中。
在步驟1908中，控制器1110可判定第一決策是否在第一時間與第二時間之間產生。若第一決策被產生(在步驟1910中)，則控制器1110可繼續進行至步驟1912以鎖定記憶體以防止儲存於記憶體中之第一計數值被覆寫。
若第一決策未被產生(在步驟1910中)，或在記憶體被鎖定(在步驟1912中)之後，控制器1110可繼續進行至步驟1914。在步驟1914中，在第三時間，控制器1110可控制計數器以自初始值開始計數。類似於步驟1904，步驟1914可藉由重設計數器接著釋放重設而執行。步驟1914可在步驟1902之電荷轉移開始時(例如用於TTS)、在電荷轉移中間時(例如用於FD ADC)或在電荷轉移完成之後(例如用於PD ADC)而執行。
在步驟1916中，比較器1102可在第三時間與第四時間之間比較電壓與第二臨限值，以產生指示電壓超過第二臨限值之第二決策。第二臨限值可為與步驟1906中相同的靜態臨限電壓(用於TTS)或自電壓斷點處開始的斜坡臨限電壓之部分(用於FD ADC及PD ADC)。
若第二決策被產生(在步驟1918中)，且若記憶體未被鎖定(在步驟1920中)，則可在步驟1922中，將由計數器在第二決策被產生時所產生的第二計數值儲存至記憶體中。但若第二決策未被產生(在步驟1918中)，或若記憶體被被鎖定(在步驟1920中)，則可維持儲存於記憶體中之第一計數值。在步驟1924中，可輸出儲存於記憶體中之計數值(第一計數值或第二計數值)以表示光強度
本發明之實例的前述描述已出於說明目的而呈現；其並不意欲詳盡的或將本發明限於所記載精確形式。熟習相關技術者可以瞭解，根據以上 記載內容，許多修改及變化係可能的。
本描述之一些部分按關於資訊的運算之演算法及符號表示來描述本發明之實例。熟習資料處理技術者常用此等演算法描述及表示來將其實質性工作有效地傳達給熟習此項技術的其他者。此等運算雖然在功能上、計算上或邏輯上描述，但是應理解為由電腦程式或等效電路、微碼或類似者來實施。此外，在不失一般性的情況下，將此等操作配置稱為模組，有時亦證明為方便的。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由一或多個硬體或軟體模組執行或實施。在一些實例中，軟體模組係運用包含含有電腦程式碼之電腦可讀取媒體之一電腦程式產品實施，電腦程式碼可由一電腦處理器執行以用於執行描述之任何或所有步驟、操作或程序。
本發明之實例亦可關於用於執行描述之操作的設備。該設備可經特別建構以用於所需要目的，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一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的任何類型之媒體中，其可耦接至一電腦系統匯流排。此外，在本說明書中參考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增加計算能力的構架。
本發明之實例亦可關於由本文中所描述的計算程序產生的產品。此產品可包含產生於計算程序之資訊，且可包括本文中所描述之電腦程式產品或其他資料組合的任何實例，其中該資訊儲存於非暫時性有形電腦可讀取儲存媒體上。
最後，用於本說明書中之語言主要出於可讀性及指導性目的而選擇，且非經選擇來劃定或限定本發明標的物。因此，本發明範疇不欲受此實施方式限制，而是由基於發佈在此處之本申請案的任何請求項限制。因此，實 例之記載內容意欲說明但不限制在以下申請專利範圍中所闡述的本發明範疇。
1800:方法
1802、1804、1806、1808、1810、1812、1814、1816:步驟

Claims (20)

  1. 一種用於量測入射光之強度的設備，其包含：光電二極體；電荷儲存單元；及處理電路，其經組態以：將溢出電荷自該光電二極體轉移至該電荷儲存單元以產生第一電壓；比較該第一電壓與第一斜坡臨限電壓以產生第一決策；基於該第一決策而產生第一數位值；將殘餘電荷自該光電二極體轉移至該電荷儲存單元以產生第二電壓；比較該第二電壓與靜態臨限電壓以判定該光電二極體是否飽和，以產生第二決策；比較該第二電壓與第二斜坡臨限電壓以產生一第三決策；基於該第三決策而產生第二數位值；及基於該第二決策而輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者，以表示由該光電二極體所接收之光強度。
  2. 如請求項1所述之設備，其中該靜態臨限電壓是基於當儲存等於該光電二極體之飽和容量的一定量之該殘餘電荷時在該電荷儲存單元處所產生的第三電壓。
  3. 如請求項2所述之設備，其中該靜態臨限電壓是進一步基於表示由暗電流所沈積之暗電荷的電壓偏移。
  4. 如請求項3所述之設備，其中該第二斜坡臨限電壓自該靜態臨限電壓開始或結束。
  5. 如請求項1所述之設備，其進一步包含：計數器；及 記憶體；其中該處理電路經組態以：基於該第一決策將來自該計數器之第一計數值作為該第一數位值而儲存於該記憶體中；基於該第三決策將來自該計數器之第二計數值作為該第二數位值而儲存於該記憶體中；及基於該第二決策而自該記憶體輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
  6. 如請求項5所述之設備，其中該處理電路經組態以基於該第二決策，而運用該記憶體中之該第二計數值來覆寫該第一計數值。
  7. 如請求項5所述之設備，其進一步包含一暫存器；其中該處理電路經組態以：將指示該第二決策之第一旗標值儲存於該暫存器中；及基於來自該暫存器之該第一旗標值而自該記憶體輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
  8. 如請求項7所述之設備，其中該處理電路經組態以：當該第一斜坡臨限電壓達到第一斷點電壓時判定該第一決策之狀態；將指示該第一決策之該狀態的第二旗標值儲存於該暫存器中；及基於來自該暫存器之該第一旗標值及該第二旗標值而輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
  9. 如請求項8所述之設備，其中該處理電路經組態以當該第一斜坡臨限電壓達到該第一斷點電壓時重設該計數器。
  10. 如請求項7所述之設備，其中該處理電路經組態以：當該第二斜坡臨限電壓達到第二斷點電壓時判定該第三決策之狀態； 將指示該第三決策之該狀態的第二旗標值儲存於該暫存器中；及基於來自該暫存器之該第一旗標值及該第二旗標值而輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
  11. 如請求項10所述之設備，其中該處理電路經組態以當該第一斜坡臨限電壓達到該第二斷點電壓時重設該計數器。
  12. 如請求項7所述之設備，其中該靜態臨限電壓為第一靜態臨限電壓；且其中該處理電路經組態以：比較該第一電壓與表示該電荷儲存單元之飽和容量的第二靜態臨限電壓以產生第四決策；將指示該第四決策之第二旗標值儲存於該暫存器中；基於該第四決策而將來自該計數器之第三計數值作為第三數位值予以儲存；及基於該第一旗標值及該第二旗標值而輸出該第一數位值、該第二數位值或該第三數位值中之一者，以表示由該光電二極體所接收之該光強度。
  13. 如請求項12所述之設備，其中該處理電路經組態以：在預定的時間週期內比較該第一電壓與該第二靜態臨限電壓；當該時間週期之預定部分已經過時判定該第四決策之第一狀態；將指示該第四決策之該第一狀態的該第一旗標值儲存於該暫存器中；當該時間週期已經過時判定該第四決策之第二狀態；將指示該第四決策之該第二狀態的該第二旗標值儲存於該暫存器中；及基於該第一旗標值及該第二旗標值而輸出該第一數位值、該第二數位值或該第三數位值中之一者，以表示由該光電二極體所接收之該光強度。
  14. 如請求項13所述之設備，其中該處理電路經組態以當該時間週 期之該預定部分已經過時重設該計數器。
  15. 如請求項1所述之設備，其中該電荷儲存單元之電荷儲存容量由該處理電路加以組態；其中該處理電路經組態以：組態該電荷儲存單元以具有第一容量以產生該第一電壓；及組態該電荷儲存單元以具有小於該第一容量之第二容量以產生該第二電壓。
  16. 如請求項15所述之設備，其中該電荷儲存單元包含浮動汲極節點及電容器。
  17. 一種用於量測入射光之強度的方法，其包含：將溢出電荷自光電二極體轉移至電荷儲存單元以產生第一電壓；比較該第一電壓與第一斜坡臨限電壓以產生第一決策；基於該第一決策而產生第一數位值；將殘餘電荷自該光電二極體轉移至該電荷儲存單元以產生第二電壓；比較該第二電壓與靜態臨限電壓以判定該光電二極體是否飽和，以產生第二決策；比較該第二電壓與第二斜坡臨限電壓以產生第三決策；基於該第三決策而產生第二數位值；及基於該第二決策而輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者，以表示由該光電二極體所接收之光強度。
  18. 如請求項17所述之方法，其中該靜態臨限電壓是基於當儲存等於該光電二極體之飽和容量的一定量之該殘餘電荷時在該電荷儲存單元處所產生的第三電壓，並基於表示由暗電流所沈積之暗電荷的電壓偏移。
  19. 如請求項17所述之方法，其中該第二斜坡臨限電壓自該靜態臨 限電壓開始或結束。
  20. 如請求項17所述之方法，其進一步包含：基於該第一決策而將來自計數器之第一計數值作為該第一數位值，以儲存於記憶體中；基於該第三決策而將來自該計數器之第二計數值作為該第二數位值，以儲存於該記憶體中；及基於該第二決策而自該記憶體輸出該第一數位值或該第二數位值中之一者。
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