專利名稱：光感測(cè)像素傳感器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像裝置，更具體地涉及使用像素的圖像傳感器，其包括用于產(chǎn)生一個(gè)幀圖像的光電檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
最近對(duì)基于時(shí)間的像素光傳感器的電子結(jié)構(gòu)的描述已經(jīng)是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的描述了。在這些實(shí)現(xiàn)中，不是把在固定積分時(shí)間最終的模擬光電檢測(cè)器電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，而是基于時(shí)間的傳感器測(cè)量在復(fù)位后光電檢測(cè)器電壓達(dá)到一個(gè)參考電壓的持續(xù)時(shí)間。該持續(xù)時(shí)間直接與入射在光電檢測(cè)器上的光強(qiáng)度有關(guān)，并且因此能夠用于確定代表入射在光電檢測(cè)器上的測(cè)量光功率的數(shù)字值。
在常規(guī)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，時(shí)間分辨率和電壓分辨率是恒定的，他們?cè)诖朔Q為單分辨率系統(tǒng)。單分辨率傳感器有許多性能限制。例如，當(dāng)光電檢測(cè)器電壓以等間隔，即Ts、2Ts、3Ts被抽樣并且與一個(gè)固定的參考電壓比較時(shí)，為了確定光電檢測(cè)器在復(fù)位后達(dá)到參考電壓的持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間輸出和光強(qiáng)度輸入的傳遞函數(shù)是1/x，是非線性的，因此造成光強(qiáng)度測(cè)量的分辨率不均勻。非線性1/x傳遞函數(shù)將會(huì)壓縮圖像亮度，這對(duì)于大多數(shù)視覺(jué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不希望的。分辨在高的光強(qiáng)度上的不同功率電平的能力也大大受限于這些系統(tǒng)中的時(shí)間分辨率。
因此，需要一種改進(jìn)技術(shù)，用于數(shù)字地測(cè)量光感測(cè)像素中的光強(qiáng)度。


本發(fā)明通過(guò)例子進(jìn)行描述并且不限制于這些附圖，其中類似的標(biāo)記表示類似的元件，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的光成像裝置的示意性框圖；圖2表示根據(jù)用在常規(guī)的光成像裝置中的時(shí)間積分電路的一個(gè)曲線圖，包括對(duì)于四種不同的光強(qiáng)度光電二極管電壓和時(shí)間的關(guān)系的曲線；圖3表示根據(jù)常規(guī)的光成像裝置的一個(gè)曲線圖，包括光(功率)強(qiáng)度和時(shí)間間隔的數(shù)量的關(guān)系的曲線；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)曲線圖，包括光(功率)強(qiáng)度和抽樣脈沖的數(shù)量的關(guān)系的曲線圖；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的二極管結(jié)電壓和時(shí)間的曲線圖，其中示出了四個(gè)二極管結(jié)電壓曲線；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)曲線圖，包括對(duì)于四種不同的光強(qiáng)度光電二極管電壓和時(shí)間的曲線；以及圖7表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法的流程圖，用于以經(jīng)歷時(shí)間的形式從像素傳感器確定光強(qiáng)度測(cè)量的方法的流程圖。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，圖中所示的元件為了簡(jiǎn)單和清楚，它們不需要按比例來(lái)畫。例如，為了幫助對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的理解，圖中一些元件的尺寸相對(duì)于其他元件來(lái)說(shuō)可能放大了。
具體實(shí)施例方式
在詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的特殊光感測(cè)像素傳感器和方法之前，應(yīng)該注意到，本發(fā)明主要在于有關(guān)光傳感器的方法步驟和設(shè)備部件的組合。相應(yīng)地，在附圖中用合適的常規(guī)符號(hào)表示這些方法步驟和設(shè)備部件，這里僅僅示出了理解本發(fā)明有關(guān)的那些特定細(xì)節(jié)，以便對(duì)于受益于此處描述的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見的細(xì)節(jié)會(huì)造成本公開的不清楚。
參照?qǐng)D1，示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的光成像裝置101的示意性框圖。光成像裝置101包括M個(gè)像素的一個(gè)陣列(在圖1中未示出)和一個(gè)控制處理器160。在M個(gè)像素的陣列中的每個(gè)像素是一個(gè)光感測(cè)像素結(jié)構(gòu)100，其包括一個(gè)光電檢測(cè)器105和一個(gè)像素測(cè)量電路110。光電檢測(cè)器105最好包括一個(gè)光敏二極管(光電二極管)120，特征在于一個(gè)反向偏置的結(jié)電容125，它們按照?qǐng)D1所示的那樣并行耦合做成。光電檢測(cè)器105進(jìn)一步包括一個(gè)復(fù)位晶體管115，其具有一個(gè)耦合到光敏二極管120的正極的輸出，一個(gè)耦合到源電壓Vdd的受控輸入，以及一個(gè)耦合到復(fù)位信號(hào)線116的控制輸入。光電二極管的負(fù)極被耦合以吸收電壓，該電壓最好是源電壓Vdd的接地參考Vss。當(dāng)控制處理器160產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位命令時(shí)，復(fù)位晶體管115導(dǎo)通，并且光電二極管120反向偏壓為量值Vdd-Vss，Vdd-Vss被存儲(chǔ)作為反向偏置結(jié)電容125的電荷。復(fù)位命令在該例中用復(fù)位信號(hào)線161上的一個(gè)電壓脈沖來(lái)表示，其變“低”(相對(duì)于Vdd為負(fù)；典型地下降到接近Vss的一個(gè)電壓)，然后回到“高”電壓(典型地接近Vdd)。當(dāng)在此使用術(shù)語(yǔ)“在復(fù)位命令之后”，或“自一個(gè)最近的復(fù)位命令起”等等時(shí)，指的是完成復(fù)位命令的時(shí)間，在該例中該時(shí)間是它返回到高電壓時(shí)的時(shí)間。在復(fù)位命令之后，復(fù)位晶體管115關(guān)斷(變成非常高的阻抗)，并且在反向偏置結(jié)電容125中的電荷開始通過(guò)光電二極管120的結(jié)點(diǎn)耗散，這樣反向偏置結(jié)電壓以入射在光電二極管120結(jié)點(diǎn)上的光強(qiáng)度所確定的速率變化。光敏二極管120最好是與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造技術(shù)相兼容的一種類型，但是作為替換可以是使光電二極管的輸出信號(hào)與光強(qiáng)度至少單調(diào)相關(guān)的任何類型。對(duì)于與CMOS技術(shù)兼容的光電二極管，反向偏置結(jié)電壓的變化速率實(shí)質(zhì)上在一個(gè)寬的光強(qiáng)度范圍上相對(duì)于光強(qiáng)度是線性的，直到結(jié)電壓變?yōu)榻咏愕囊粋€(gè)值，但是當(dāng)反向偏置電壓的變化速率可以由一個(gè)在預(yù)定的有用電壓范圍上單調(diào)的函數(shù)模擬時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一些好處。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，復(fù)位線161的高和低狀態(tài)和在此描述的其他邏輯信號(hào)一樣，可以通過(guò)使用合適類型的晶體管、偏置和邏輯電路來(lái)反轉(zhuǎn)。
像素測(cè)量電路110最好包括一個(gè)比較器130和一個(gè)時(shí)間值存儲(chǔ)電路135，控制處理器160最好包括一個(gè)復(fù)位命令產(chǎn)生器170、一個(gè)時(shí)間產(chǎn)生器175和一個(gè)參考電壓產(chǎn)生器180。反向偏置結(jié)電壓通過(guò)光電檢測(cè)器輸出信號(hào)線117耦合到比較器130，在這里比較反向偏置結(jié)電壓的值與參考電壓Vref，參考電壓Vref通過(guò)信號(hào)線162從控制處理器160的參考電壓產(chǎn)生器180耦合到比較器的另一個(gè)輸入。比較器130最好是一個(gè)選通比較器，例如一種三態(tài)型的裝置，其在一個(gè)抽樣脈沖的預(yù)定狀態(tài)(高狀態(tài)或低狀態(tài))期間之外都是斷開的，該抽樣脈沖是由控制處理器160產(chǎn)生的并且通過(guò)信號(hào)線163耦合到比較器。比較器130每接收一個(gè)抽樣脈沖，比較器130的比較狀態(tài)就通過(guò)信號(hào)線耦合到時(shí)間值存儲(chǔ)電路135。例如，當(dāng)反向偏置結(jié)電壓高于參考電壓Vref時(shí)該狀態(tài)是高，否則是低。復(fù)位命令從控制處理器160通過(guò)信號(hào)線161耦合到M個(gè)光感測(cè)像素結(jié)構(gòu)100的每一個(gè)中的時(shí)間值存儲(chǔ)電路135。當(dāng)時(shí)間值存儲(chǔ)電路135接收一個(gè)復(fù)位命令時(shí)，時(shí)間值存儲(chǔ)電路135開始把比較器130輸出的最近狀態(tài)存儲(chǔ)在一個(gè)比較狀態(tài)寄存器中。當(dāng)時(shí)間值存儲(chǔ)電路135接收到一個(gè)比較器130輸出的新的不同于最近存儲(chǔ)狀態(tài)的狀態(tài)時(shí)，時(shí)間值存儲(chǔ)電路135存儲(chǔ)時(shí)間產(chǎn)生器175產(chǎn)生的一個(gè)N比特的時(shí)間值，其通過(guò)信號(hào)線164從時(shí)間產(chǎn)生器175耦合到M個(gè)光感測(cè)像素結(jié)構(gòu)100的每一個(gè)中的時(shí)間值存儲(chǔ)電路135。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，時(shí)間產(chǎn)生器175產(chǎn)生一個(gè)總數(shù)為八比特的周期性時(shí)鐘脈沖(即，在該例中N為8)，其自復(fù)位命令產(chǎn)生器170接收一個(gè)最近的復(fù)位命令起開始產(chǎn)生。這樣，耦合到時(shí)間值存儲(chǔ)電路的時(shí)間值是從復(fù)位命令到比較狀態(tài)變化之間的經(jīng)歷時(shí)間，因此其是入射在光電檢測(cè)器上的光功率的測(cè)量值。本發(fā)明一個(gè)特殊方面在于，抽樣脈沖之間的時(shí)間間隔如在下面詳細(xì)描述的那樣是不均勻的。
耦合到時(shí)間產(chǎn)生器175的復(fù)位命令與通過(guò)信號(hào)線161耦合到每個(gè)像素中的光電二極管120的復(fù)位晶體管115的復(fù)位命令是相同的。復(fù)位命令最好在復(fù)位間隔的開始周期性地產(chǎn)生，其中，復(fù)位間隔不大于時(shí)間產(chǎn)生器175計(jì)數(shù)的最大時(shí)間，但是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的好處并不需要復(fù)位命令是周期的。為了在產(chǎn)生一個(gè)新的復(fù)位命令之前從所有的像素中上載數(shù)據(jù)，在復(fù)位命令之間的時(shí)間可以大于復(fù)位間隔。
信號(hào)線161、162、163和164耦合到光成像裝置101中的其他M-1個(gè)像素中的可比較輸入上。
在一個(gè)復(fù)位間隔結(jié)束時(shí)，控制處理器160在信號(hào)線171上向時(shí)間值存儲(chǔ)電路135發(fā)送一個(gè)調(diào)用(或上載)命令，響應(yīng)于此，時(shí)間值存儲(chǔ)電路135在N比特的信號(hào)線137上把所存儲(chǔ)的時(shí)間值(根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例是經(jīng)歷時(shí)間)耦合到控制處理器160?？刂铺幚砥髟谛盘?hào)線169上發(fā)送類似的上載命令給光成像裝置101的其他M-1個(gè)像素，并且在N*(M-1)個(gè)信號(hào)線168上從其他M-1個(gè)像素接收時(shí)間值。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，時(shí)間值可以通過(guò)具有合適邏輯電路、信號(hào)線和命令信號(hào)的一組多路復(fù)用信號(hào)線送到控制處理器160。然后以常規(guī)方式使用從M個(gè)像素接收的多個(gè)經(jīng)歷時(shí)間來(lái)產(chǎn)生一個(gè)視頻幀，其在信號(hào)線172上耦合到使用該視頻幀的一個(gè)電路或裝置。
在一個(gè)第一可選的實(shí)施例，時(shí)間值存儲(chǔ)電路135包括一個(gè)代替存儲(chǔ)寄存器(如在該優(yōu)選實(shí)施例中所使用的)的計(jì)數(shù)器并且耦合到信號(hào)線163，其中從該信號(hào)線接收抽樣脈沖。如上所述，時(shí)間值存儲(chǔ)電路135確定比較器狀態(tài)的變化，并且還對(duì)從最近的復(fù)位命令到比較器的狀態(tài)變化期間產(chǎn)生的周期性時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)。在復(fù)位間隔結(jié)束時(shí)，控制處理器160在信號(hào)線171上發(fā)送一個(gè)調(diào)用(上載)命令，根據(jù)本發(fā)明的該第一可選實(shí)施例，響應(yīng)于此，時(shí)間值存儲(chǔ)電路135在N比特的信號(hào)線137上把所存儲(chǔ)的時(shí)間值(周期性時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù))耦合到控制處理器160?？刂铺幚砥髟谛盘?hào)線169上發(fā)送類似的上載命令給光成像裝置101的其他M-1個(gè)像素，并且在N*(M-1)個(gè)信號(hào)線168上從其他M-1個(gè)像素接收時(shí)間值?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)使用諸如查找表這樣的常規(guī)技術(shù)把來(lái)自每個(gè)像素的周期性時(shí)鐘脈中的計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)經(jīng)歷時(shí)間，并且然后以常規(guī)方式使用與M個(gè)像素相關(guān)的多個(gè)經(jīng)歷時(shí)間來(lái)產(chǎn)生一個(gè)視頻幀，其在信號(hào)線172上耦合到使用該視頻幀的一個(gè)電路或裝置。在該第一可選實(shí)施例中，不需要信號(hào)線164，但這是對(duì)查找表轉(zhuǎn)換過(guò)程的折衷選擇。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的對(duì)邏輯電路和電子電路的變形，它們可以產(chǎn)生在此所述的提供本發(fā)明好處的功能。例如，時(shí)間值可以可選地從控制處理器160串行傳送到時(shí)間值存儲(chǔ)電路135，并且可以可選地使用具有合適邏輯電路、信號(hào)線和命令信號(hào)的公共總線傳送它。如另一個(gè)例子，比較器130可以連續(xù)地產(chǎn)生比較狀態(tài)，抽樣脈沖信號(hào)線163可以耦合到時(shí)間值存儲(chǔ)電路135而不是比較器130，并且時(shí)間值存儲(chǔ)電路135可以在每個(gè)抽樣脈沖確定比較狀態(tài)。
參照?qǐng)D2，曲線圖示出了對(duì)于四種不同的光強(qiáng)度光電二極管電壓205、210、215、220對(duì)時(shí)間的曲線，其中曲線205的光強(qiáng)度大于210的，曲線210的光強(qiáng)度大于曲線215，曲線215的光強(qiáng)度大于曲線220的。在豎軸上指出了固定的參考電壓Vref。光電二極管電壓205、210、215、220超過(guò)參考電壓Vref的值分別由截距線206、211、216、221表示。在該圖中，橫軸表示經(jīng)歷時(shí)間并且表示所產(chǎn)生的等效持續(xù)時(shí)間的256個(gè)抽樣間隔，這與常規(guī)的光成像裝置中使用的時(shí)間積分電路一致。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，光強(qiáng)度由曲線的斜率表示，并且曲線的斜率與經(jīng)歷時(shí)間有關(guān)，即(Vdd-Vref)/t，這里t是經(jīng)歷時(shí)間，因此光強(qiáng)度和常規(guī)光成像裝置中的抽樣脈沖之間的均勻時(shí)間間隔的的數(shù)量的關(guān)系與經(jīng)歷時(shí)間的倒數(shù)成正比，因此高度地非線性。這在圖3中說(shuō)明，圖3中畫出了根據(jù)常規(guī)的光成像裝置的光強(qiáng)度(功率)和時(shí)間間隔的數(shù)量的關(guān)系。使用該關(guān)系來(lái)確定經(jīng)歷時(shí)間會(huì)導(dǎo)致在高強(qiáng)度的時(shí)間測(cè)量值的分辨率相對(duì)于在低強(qiáng)度的分辨率來(lái)說(shuō)非常差，通常會(huì)造成圖像在高強(qiáng)度區(qū)域感光不足。
參照?qǐng)D4，一個(gè)曲線圖示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的光強(qiáng)度(功率)和抽樣脈沖的數(shù)量的關(guān)系曲線。這里，脈沖抽樣的數(shù)量相對(duì)于光強(qiáng)度是線性。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)，控制處理器160以非均勻的時(shí)間間隔產(chǎn)生抽樣脈沖，以便在復(fù)位命令后，非均勻時(shí)間間隔tn的累計(jì)持續(xù)時(shí)間的倒數(shù)是時(shí)間間隔的數(shù)量的線性函數(shù)。為了得到該關(guān)系，控制處理器160可以以非均勻時(shí)間間隔產(chǎn)生抽樣脈沖，以便時(shí)間間隔的累計(jì)持續(xù)時(shí)間Tn是T*N/(N-n+1)，這里T是復(fù)位命令之后的第一個(gè)間隔的持續(xù)時(shí)間，n是復(fù)位命令后的時(shí)間間隔的數(shù)量，N是抽樣脈沖的最大數(shù)量。例如，如果第一個(gè)間隔是10微秒，抽樣脈沖的最大數(shù)量是256，那么在第n個(gè)脈沖的累計(jì)持續(xù)時(shí)間是2560/(257-n)微秒，或者最大持續(xù)時(shí)間2.560毫秒。這個(gè)關(guān)系也可以更一般地表達(dá)為產(chǎn)生非均勻時(shí)間間隔，以便在復(fù)位命令后，累計(jì)持續(xù)時(shí)間的倒數(shù)即時(shí)間間隔tn的1/Tn是時(shí)間間隔的數(shù)目n的線性函數(shù)。
在圖5中說(shuō)明了該關(guān)系，其是光電二極管偏置電壓和時(shí)間的曲線圖，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的四個(gè)相同的光電二極管偏置電壓曲線205、210、215、220。如圖2所示，橫軸表示自最近的復(fù)位命令起的經(jīng)歷時(shí)間，還表示了一些抽樣脈沖計(jì)數(shù)的產(chǎn)生。豎軸上指出了固定的參考電壓Vref。對(duì)于剛才引用的例子，在橫軸的右邊Tmax是2.560毫秒。還表示了對(duì)于這四個(gè)曲線的時(shí)間截距，分別是截距506、511、516、521。從圖5可以看出，在時(shí)間軸的左邊時(shí)間間隔非常小，那里曲線的斜率非常高(負(fù)的)，而在時(shí)間軸的右邊時(shí)間間隔非常大，那里曲線的斜率非常低(負(fù)的)，這樣控制電路所進(jìn)行的經(jīng)歷時(shí)間測(cè)量的分辨率可以線性地跟蹤斜率(光強(qiáng)度)。在一些應(yīng)用中，最好使用不同的關(guān)系。在剛才引用的例子中，以10微秒出現(xiàn)第一時(shí)間間隔，但是接下來(lái)的128個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)都小于0.15微秒。希望使第一個(gè)128個(gè)時(shí)間間隔是均勻的0.15微秒(對(duì)于18.75微秒的積累)，然后根據(jù)上述的公式開始增加他們。在另一個(gè)例子中，對(duì)數(shù)函數(shù)基于由256/log(256)、256/log(255)，...，256/log(3)，256/log(2)縮放的積累時(shí)間間隔，得到的傳遞函數(shù)將具有對(duì)數(shù)響應(yīng)。在另一個(gè)例子中，當(dāng)有一個(gè)對(duì)較高分辨率的時(shí)間測(cè)量有特殊需要的光強(qiáng)度范圍時(shí)，那么時(shí)間增量的持續(xù)時(shí)間對(duì)于該范圍內(nèi)的強(qiáng)度可能經(jīng)常做的最小，而對(duì)于在該范圍外的強(qiáng)度做得較長(zhǎng)。因此，可以看出，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例可以使用各種提供單調(diào)增加的積累間隔的非均勻時(shí)間函數(shù)的任何一個(gè)。
參照?qǐng)D6，根據(jù)本發(fā)明的第二可選實(shí)施例的曲線圖示出了對(duì)于四種不同的光強(qiáng)度光電二極管電壓205、210、215、220和時(shí)間的曲線。如在圖2所示，橫軸表示自最近復(fù)位命令起的經(jīng)歷時(shí)間，還示出了出現(xiàn)的一些抽樣脈沖計(jì)數(shù)。優(yōu)選實(shí)施例和第二可選實(shí)施例之間的本質(zhì)不同在于，控制處理器160產(chǎn)生參考電壓Vref為步進(jìn)的時(shí)變值，如圖6所述，這里示出了四個(gè)電壓參考值Vref1，Vref2，Vref3，Vref4。在該例中每個(gè)電壓參考值對(duì)于多個(gè)非均勻時(shí)間間隔都保持恒定，并且電壓參考值之間的變化隨著非均勻時(shí)間間隔變長(zhǎng)而增加，這樣使得對(duì)較大的電壓變化有較多的穩(wěn)定時(shí)間。但是，電壓步長(zhǎng)可以持續(xù)像一個(gè)時(shí)間間隔那么小，并且在一些實(shí)施例中電壓變化量是恒定的。對(duì)光電二極管電壓圖205、210、215、220示出了各自的截距時(shí)間606、611、616、621。如在優(yōu)選實(shí)施例中的，仍然以非均勻方式產(chǎn)生抽樣脈沖，但是是通過(guò)使用時(shí)變的電壓參考結(jié)合非均勻時(shí)間間隔，通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度的曲線有較低的參考電壓可以獲得較好的時(shí)間分辨率，因?yàn)楝F(xiàn)在截距時(shí)間606、611比參照?qǐng)D4所述的響應(yīng)截距時(shí)間506、511更長(zhǎng)。因此，在第二可選實(shí)施例中可能可以降低抽樣次數(shù)。圖6中所描述的是通過(guò)64次抽樣而不是256?？梢赃x擇抽樣次數(shù)的實(shí)際數(shù)量和參考電壓，以便最優(yōu)化一組具體參數(shù)，例如包括光電二極管的靈敏度、期望的幀速率、所使用的邏輯電路的處理速度以及使用該幀的應(yīng)用的類型，但是電壓的步長(zhǎng)最好隨著經(jīng)歷時(shí)間而增加。本發(fā)明的第二可選實(shí)施例是通過(guò)使用優(yōu)選或第一可選實(shí)施例的時(shí)間值確定技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7，一個(gè)流程圖示出了用于以經(jīng)歷時(shí)間的形式確定從像素傳感器的光強(qiáng)度測(cè)量的方法的一些步驟，本公開中使用了所述的技術(shù)。在步驟705，光電檢測(cè)器的復(fù)位輸入接收到一個(gè)最近的復(fù)位命令，從而產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，其具有一個(gè)值，該值按照一個(gè)速率基本上線性變化，該速率與入射在光電檢測(cè)器上的光強(qiáng)度的量值成正比。在步驟710產(chǎn)生一個(gè)比較狀態(tài)，其基于響應(yīng)多個(gè)抽樣脈沖之一而進(jìn)行的該電信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)的值的比較。在步驟715確定經(jīng)歷時(shí)間為從復(fù)位命令到比較狀態(tài)的變化期間所出現(xiàn)的非均均時(shí)間間隔的積累。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)比較狀態(tài)的新值不同于最近的值時(shí)，在步驟720產(chǎn)生一個(gè)比較變化指示，響應(yīng)于該比較變化指示在步驟725產(chǎn)生經(jīng)歷時(shí)間，并且在步驟730存儲(chǔ)該經(jīng)歷時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的第一可選實(shí)施例，當(dāng)比較狀態(tài)的新值不同于最近的值時(shí)，在步驟735存儲(chǔ)自最近的復(fù)位命令起的非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)，在步驟740調(diào)用非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)，并且在步驟745從非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)確定經(jīng)歷時(shí)間。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，通過(guò)使光感測(cè)裝置中的高強(qiáng)度區(qū)域或其他相關(guān)區(qū)域有較好的時(shí)間分辨率，我們可以改善在這些區(qū)域的強(qiáng)度測(cè)量的精確度，并且通過(guò)允許使用非均勻(可變)時(shí)間分辨率，我們可以得到具有1/t的時(shí)間步長(zhǎng)的線性光電轉(zhuǎn)換特性。通過(guò)使用非均勻時(shí)間間隔(或分辨率)而不需要時(shí)變的參考電壓，可以實(shí)現(xiàn)其他重要的和有用的光電轉(zhuǎn)換特性，。對(duì)于低成本應(yīng)用來(lái)說(shuō)這是很有吸引力的，因?yàn)樗恍枰獢?shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來(lái)產(chǎn)生用在固定持續(xù)時(shí)間的感測(cè)裝置中的時(shí)變參考電壓。使用非均勻時(shí)間間隔和可變參考電壓的技術(shù)在一些應(yīng)用中可能有利。
進(jìn)一步應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，由在此描述的本發(fā)明的實(shí)施例所得到的所述好處可以產(chǎn)生各種顯示器，例如彩色顯示器，在這些彩色顯示器中光感測(cè)像素結(jié)構(gòu)100放置在像素組中，它們對(duì)于不同的光波段敏感，并且響應(yīng)于紫外光和/或可見光進(jìn)行顯示。
在此所述的像素感測(cè)裝置可以包含在一個(gè)復(fù)雜芯片級(jí)系統(tǒng)上，例如包括一種實(shí)質(zhì)上完全的蜂窩無(wú)線照相機(jī)，或用在各種電子裝置中的光成像裝置，這些電子裝置包括從全功能視頻照相機(jī)到用于因特網(wǎng)通信的小幀捕獲成像器的消費(fèi)品；諸如夜視成像器和目標(biāo)成像器這樣的軍用品；以及涵蓋從電視廣播照相機(jī)到機(jī)器人乃至一些簡(jiǎn)單的測(cè)試設(shè)備的商業(yè)設(shè)備，這僅僅是列舉出一些類型和類別的電子設(shè)備。
在前述的說(shuō)明中，已經(jīng)參照具體實(shí)施例描述了本發(fā)明和它的好處以及優(yōu)點(diǎn)。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，可以進(jìn)行各種修改和變化而不脫離下面權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明的范圍。因此，說(shuō)明書和附圖應(yīng)該認(rèn)為是說(shuō)明性地而不是限制性的，并且所有這樣的修改都應(yīng)該包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些好處、優(yōu)點(diǎn)、解決問(wèn)題的方案、以及可以產(chǎn)生任何好處、優(yōu)點(diǎn)或解決方案或使其變得更加明確的任何元件(一個(gè)或多個(gè))都不應(yīng)該解釋為任何或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵的、必需的或本質(zhì)的特定或元件。
在此所使用的術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或其任何其他的變形都應(yīng)該覆蓋非排除性的包括，例如包括一系列元素的處理、方法、產(chǎn)品或設(shè)備都不僅僅包括這些元素，而可以包括未明確列出或這樣處理、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其他元素。
在此使用的術(shù)語(yǔ)“多個(gè)”定義為兩個(gè)或兩個(gè)以上。在此使用的術(shù)語(yǔ)“另一個(gè)”，定義為至少一個(gè)第二或更多個(gè)。在此使用的術(shù)語(yǔ)“包括“和/或“具有”定義為包括。參照光電技術(shù)，在此使用的術(shù)語(yǔ)“耦合”定義為連接，但不需要是直接連接并且不需要是機(jī)械連接。在此使用的術(shù)語(yǔ)“程序”定義為用于在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的指令序列。“程序”或“計(jì)算機(jī)程序”可以包括子例程、函數(shù)、程序、目標(biāo)方法、目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、可執(zhí)行應(yīng)用程序、java小程序(applet)、小服務(wù)程序(servlet)、源代碼、目標(biāo)代碼、共享庫(kù)/動(dòng)態(tài)加載庫(kù)和/或用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行所設(shè)計(jì)的其他指令序列。在此使用的一“組”意思是非空的組(即，對(duì)于在此定義的組，包括至少一個(gè)成員)。
權(quán)利要求
1.一種像素傳感器，其包括產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)的光電檢測(cè)器(105)，，該電信號(hào)具有一個(gè)值，該值以與自在光電檢測(cè)器(105)的一個(gè)復(fù)位輸入上接收最近的復(fù)位命令起的、入射在該像素傳感器上的光強(qiáng)度的量值成正比的速率單調(diào)變化，該像素傳感器特征在于像素測(cè)量電路(110)，其基于響應(yīng)多個(gè)抽樣脈沖之一而進(jìn)行的該光電檢測(cè)器信號(hào)的值和一個(gè)參考信號(hào)的比較來(lái)產(chǎn)生一比較狀態(tài)；和控制電路(160)，其以非均勻時(shí)間間隔產(chǎn)生所述多個(gè)抽樣脈沖，產(chǎn)生一個(gè)N比特的時(shí)間值，產(chǎn)生復(fù)位命令，并且產(chǎn)生所述參考信號(hào)，其中，該控制電路(160)確定從復(fù)位命令到該比較狀態(tài)變化的經(jīng)歷時(shí)間，該經(jīng)歷時(shí)間是非均勻時(shí)間間隔的積累。
2.如權(quán)利要求1的像素傳感器，其中，像素測(cè)量電路(110)特征在于比較器(130)，產(chǎn)生所述比較狀態(tài)；以及時(shí)間值存儲(chǔ)電路(135)，其產(chǎn)生一個(gè)比較狀態(tài)指示，并存儲(chǔ)控制電路(160)產(chǎn)生的該N比特的時(shí)間值，直到該控制電路(160)調(diào)用。
3.如權(quán)利要求1的像素傳感器，其中，像素測(cè)量電路(110)特征在于比較器(130)，其產(chǎn)生所述比較狀態(tài)；以及時(shí)間值存儲(chǔ)電路(135)，其存儲(chǔ)自所述最近復(fù)位信號(hào)起的非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)，其中，該時(shí)間值存儲(chǔ)電路(135)把該非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)耦合到控制電路(160)，其中，該控制電路(160)從該非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)確定所述經(jīng)歷時(shí)間。
4.如權(quán)利要求1的像素傳感器，其中，控制電路(160)產(chǎn)生所述非均勻時(shí)間間隔，以便在所述復(fù)位命令之后，累計(jì)持續(xù)時(shí)間的倒數(shù)即時(shí)間間隔tn的1/Tn是非均勻時(shí)間間隔的數(shù)目即n的線性函數(shù)。
5.如權(quán)利要求1的像素傳感器，其中，控制電路(160)產(chǎn)生所述非均勻時(shí)間間隔，以便在一個(gè)復(fù)位命令之后，時(shí)間間隔的累計(jì)持續(xù)時(shí)間隨著非均勻時(shí)間隔的數(shù)目而單調(diào)增加。
6.如權(quán)利要求1的像素傳感器，其中，控制電路(160)產(chǎn)生所述參考信號(hào)，作為一個(gè)電壓，所述電壓在復(fù)位命令之間具有時(shí)變的值。
7.如權(quán)利要求6的像素傳感器，其中，控制電路(160)產(chǎn)生所述參考信號(hào)，作為一個(gè)電壓，其具有一系列電壓步長(zhǎng)。
8.如權(quán)利要求6的像素傳感器，其中，控制電路(160)產(chǎn)生所述參考信號(hào)，作為一個(gè)電壓，所述電壓具有一系列非均勻電壓步長(zhǎng)。
9.一種用于確定入射在像素傳感器上的光強(qiáng)度的方法，該方法包括產(chǎn)生(705)一電信號(hào)，其具有一個(gè)值，該值以與自在光電檢測(cè)器(105)的一個(gè)復(fù)位輸入上接收一最近的復(fù)位命令起的、入射在光電檢測(cè)感器(105)上的光強(qiáng)度的量值成正比的速率近似線性變化；產(chǎn)生(710)一比較狀態(tài)，該比較狀態(tài)基于響應(yīng)多個(gè)抽樣脈沖之一而進(jìn)行該電信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)的值的比較；以及確定(715)一經(jīng)歷時(shí)間，作為從復(fù)位命令到所述比較狀態(tài)變化期間出現(xiàn)的非均勻時(shí)間間隔的積累。
10.如權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)比較狀態(tài)的新值不同于最近值時(shí)產(chǎn)生(720)一個(gè)比較變化指示；和響應(yīng)于所述比較變化指示而產(chǎn)生(725)所述經(jīng)歷時(shí)間；并且存儲(chǔ)(730)所述經(jīng)歷時(shí)間。
11.如權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)比較狀態(tài)的新值不同于最近值時(shí)，存儲(chǔ)(735)自該最近復(fù)位信號(hào)起出現(xiàn)的非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)；調(diào)用(740)該非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)；以及從該非均勻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)確定(745)所述經(jīng)歷時(shí)間。
全文摘要
一種光電檢測(cè)器(105)，其產(chǎn)生一電信號(hào)，該電信號(hào)具有一個(gè)值，該值以與自在光電檢測(cè)器(105)的復(fù)位輸入上接收一最近的復(fù)位命令其的、入射在光電檢測(cè)器上的光強(qiáng)度的量值成正比的速率近似線性變化。測(cè)量電路(110基于響應(yīng)多個(gè)抽樣脈沖之一而進(jìn)行的該光電檢測(cè)器信號(hào)和參考信號(hào)的值的比較產(chǎn)生一比較狀態(tài)?？刂齐娐?160)以非均勻時(shí)間間隔產(chǎn)生多個(gè)抽樣脈沖，并且產(chǎn)生一經(jīng)歷時(shí)間作為從復(fù)位命令到該比較狀態(tài)變化期間出現(xiàn)的非均勻時(shí)間間隔的積累。在一個(gè)實(shí)施例中非均勻時(shí)間間隔的累計(jì)持續(xù)時(shí)間的倒數(shù)是在該復(fù)位命令之后的時(shí)間間隔的線性函數(shù)。
文檔編號(hào)H04N5/353GK1578387SQ200410061988
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者金·F·李, 奧斯汀·哈頓, 巴里·W·赫羅爾德, 唐北 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司