[发明专利]具有自适应曝光的数字像素阵列

说明书

提供了用于光感测的方法和系统。在一个示例中，装置包括像素单元阵列和控制器。像素单元阵列中的每个像素单元包括被配置成在接收入射光时生成电荷的光电二极管和被配置成累积由光电二极管生成的电荷的电容器。控制器被配置成：开始曝光周期，以在像素单元处累积电荷；以及基于由至少一个像素单元累积的电荷量超过预定阈值的确定：结束曝光周期，以使像素单元阵列的电容器停止累积电荷，基于曝光周期内在每个像素单元的电容器处累积的电荷，为每个像素单元生成输出像素值；以及提供输出像素值以生成图像帧。

背景

本公开总体上涉及图像传感器，且更具体地涉及包括接口电路的像素单元(pixelcell)结构，该接口电路用于确定用于图像生成的光强度。

典型的图像传感器包括光电二极管，用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。图像传感器还包括浮置节点(floating node)，该浮置节点被配置为电容器，以收集曝光周期期间光电二极管生成的电荷。收集的电荷可以在电容器处产生电压。电压可以被缓冲并馈送到模数转换器(ADC)，ADC可以将电压转换成表示入射光强度的数字值。

概述

本公开涉及图像传感器。更具体地且没有限制地，本公开涉及一种像素单元阵列，其支持曝光周期中的多级读出以生成图像帧。

在一个示例中，提供了一种装置。该装置包括像素单元阵列，每个像素单元包括被配置成在接收入射光时生成电荷的光电二极管和被配置成累积由光电二极管生成的电荷的电容器。该装置还包括控制器，该控制器被配置成：开始曝光周期，以使像素单元阵列的电容器能够累积电荷；确定由像素单元阵列中的至少一个像素单元累积的电荷量是否超过预定阈值；以及基于由至少一个像素单元累积的电荷量超过预定阈值的确定：结束曝光周期，以使像素单元阵列的电容器停止累积电荷；基于曝光周期内在每个像素单元的电容器处累积的电荷，为每个像素单元生成输出像素值；以及提供输出像素值用于生成图像帧。

在一些方面，控制器还被配置成：基于曝光周期内在每个像素单元的电容器处累积的电荷来确定每个像素单元的中间像素值；基于结束的曝光周期的持续时间来确定缩放值；以及使用缩放值来缩放中间像素值中的每一个，以生成输出像素值。

在一些方面，基于使至少一个像素单元饱和的入射光的强度范围来设置预定阈值。在一些方面，基于至少一个像素单元的用于累积电荷的电容器的容量来设置预定阈值。

在一些方面，该装置还包括一个或更多个模数转换器(ADC)，该一个或更多个ADC被配置成基于以下至少一项来生成数字像素值：像素单元的电容器累积等于预定阈值的电荷量的时间测量值，或者当曝光周期结束时在电容器处累积的电荷量的测量值；以及选择模块，该选择模块被配置成将像素单元阵列中的每个像素单元顺序地耦合到该一个或更多个ADC，以基于在每个像素单元的光电二极管处累积的电荷来为每个像素单元生成数字像素值。

在一些方面，控制器被配置成在多个曝光周期中的每个曝光周期中：从像素单元阵列选择一像素单元作为至少一个像素单元；控制选择模块将选定像素单元耦合到一个或更多个ADC，以确定在选定像素单元处累积的电荷量是否超过预定阈值；以及响应于确定在选定像素单元处累积的电荷量超过预定阈值，结束每个曝光周期。

在一些方面，控制器被配置成在多个曝光周期中的每个曝光周期中选择相同的像素单元。在一些方面，控制器被配置成在多个曝光周期中的第一曝光周期和第二曝光周期中选择不同的像素单元。在一些方面，控制器还被配置成基于像素单元的数字像素值在先前曝光周期中超过预定阈值，来在当前曝光周期中选择该像素单元。在一些方面，控制器被配置成基于随机函数来选择像素单元。

在一些方面，该装置的每个像素单元可以包括模数转换器(ADC)，该ADC被配置成基于以下至少一项来为每个像素单元生成数字像素值：每个像素单元的电容器累积等于预定阈值的电荷量的时间测量值，或者当曝光周期结束时在电容器处累积的电荷量的测量值。控制器可以监控在至少一个像素单元处累积的电荷量超过预定阈值的指示；并且基于接收到该指示来结束每个像素单元的曝光周期。