專利名稱：時間積分像素傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及用于圖像傳感的技術(shù)和設(shè)備，更具體地涉及一種用于獲得光電流的數(shù)字測量值的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在成像中的一個主要問題是圖像傳感器陣列的動態(tài)范圍受到限制。因此，圖像的一些部分就可能飽和而其他部分則感光不足。一種典型的光電二極管光檢測器，諸如電荷耦合裝置(CCD)，由一個pn結(jié)光電二極管陣列組成。每個光電二極管具有一個與其相關(guān)聯(lián)的電容，并且當光線落在檢測器上時，所得到的光電流對該電容充電。充電就是落在檢測器上的光強度的時間積分。CCD周期性地并且順序地把電荷轉(zhuǎn)換為視頻線，從而得到一系列脈沖，其可以被轉(zhuǎn)換為代表入射在該陣列上的光線圖案的電壓信號。如果積分時間太長，那么該裝置將飽和。如果積分時間太短，那么該電壓信號將會淹沒在裝置的噪聲中。
因此，一種調(diào)整靈敏度的方法是根據(jù)落在該陣列上的光強度來調(diào)整積分時間。這例如可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)換速率來對整個陣列全局進行。這使得該陣列可以對各種亮度級進行調(diào)整(如調(diào)整模擬照相機的曝光時間一樣)，但是不會增加一個單獨圖像內(nèi)的動態(tài)范圍。
另一種方法是測量電容電壓達到一個參考電平所花費的時間。這樣系統(tǒng)的一個例子在Anders strm，Robert Forchheimer和Per-erikDanielsson的文章“Intensity Mappings Within The Context Of Near-Sensor Image Processing”，IEEE Transactions on Image Processing，Vol.1，No.12，December 1998進行了描述。時間長說明落在陣列上的光強度低，而時間短說明強度高。電壓參考電平對于整個陣列是通用的，但是可以根據(jù)落在陣列上的整體強度來調(diào)整。該方法計算密集，因為積分時間是通過以預(yù)定間隔詢問一個比較器的輸出來測量的。為了精確測量，這些間隔需要彼此非常接近。該方法還要求每個像素有一個讀出電路。此外，每個傳感器元件需要一個預(yù)充電晶體管。
一個另外稱為“Locally Autoadaptive TFA Sensor(局部自適應(yīng)TFA傳感器)”的裝置在“High Dynamic Range Image Sensors In Thin Film OnAsic Technology For Automotive Applications”，by M.Bhm et al.，inAvanced Microsytems for Automotive Applications，D.E.Ricken，W.Gessner(Eds)，Springer Verlag，Berlin，pp157-172，1998中描述了。在該裝置中，積分時間根據(jù)局部光照時間適應(yīng)于各個像素。在一個初始積分時間之后，比較電容器電壓與稍低于飽和電壓一半的參考電壓。如果該電壓低于參考電壓，積分時間就加倍。重復(fù)該過程，直到超過參考電壓。這樣，避免電容器飽和并且延長積分時間以避免感光不足。最后電壓和積分時間一起用于確定光照強度。該方法需要電路來比較和調(diào)整積分時間并且需要電路來測量在積分時間終點的電壓。
根據(jù)前面的討論，可以看出，在本領(lǐng)域中需要使圖像傳感器陣列得到代表一個對象的強度分布的圖像，以便該圖像的部分不會飽和或不會感光不足。
在附加的權(quán)利要求中具體闡明了本發(fā)明的特點，其被認為是新穎的。但是本發(fā)明本身，關(guān)于操作的結(jié)構(gòu)和方法，以及其目的和優(yōu)點，通過參考下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的詳細描述可能最好理解，在詳細描述中說明了本發(fā)明的某些示例性實施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一方面的光電二極管傳感器的框圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的一方面，作為用于光電二極管傳感器的積分時間的函數(shù)的光電壓的曲線圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一方面，利用一個光電二極管陣列的系統(tǒng)的框圖；圖4是表示一種根據(jù)本發(fā)明的感測光功率的方法的流程圖；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的感測光功率的另外一種方法的流程圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的一方面，作為用于光電二極管傳感器的積分時間的函數(shù)的光電壓的曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明能夠以許多不同形式實施，在附圖中示出并且在此詳細描述了具體實施例，應(yīng)該理解，當前的公開應(yīng)該認為是本發(fā)明的原理的實例而并不意味著本法明限制于所示出和描述的具體實施例。在下面的描述中，類似的參考數(shù)字用于說明在附圖的幾個視圖中相同、類似或相應(yīng)的部分。
現(xiàn)在參照圖1，示出了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的時間積分像素結(jié)構(gòu)100。像素結(jié)構(gòu)100包括一個光檢測器102和一個電容為Cfd的漂移擴散電容器104。在操作中，光電流對漂移擴散電容器充電并且產(chǎn)生光電壓106。電荷可以直接從光檢測器移到擴散電容器，而不需使用傳輸門(transfer gate)。漂移擴散電容器感測的光電壓106和參考電壓108作為輸入送到比較器110。如果系統(tǒng)在時間t＝0復(fù)位，在時間t電容兩端的電壓V是光電流i的時間積分，其由下式給出V=1Cfd∫0ti(τ)dt=itCfd,]]>這里Cfd是漂移擴散電容器的電容，t是電容器的積分時間。光電流由下式給出i=PeQEλhc,]]>這里，P是光照強度，q是一個電子上的電量，λ是光的波長，c是光速，h是普朗克常量并且QE是光檢測器的量子效率。因此在電容兩端的電壓與積分時間有關(guān)V=PqQEλtCfdthc=PKt,]]>
這里，K=CfdhcqQEλ]]>是常量。對于光照強度Pi，到達參考電壓Vref的時間是ti=KVrefPi]]>也就是，在積分時間ti后，漂移擴散電容器所感測的光電壓106和參考電壓108相等。在圖1所示的像素結(jié)構(gòu)中，一個全局計數(shù)器或代碼產(chǎn)生器118在時間t＝0復(fù)位。對于一個特定的像素，當光電壓106超過參考電壓108時，比較器110的輸出就會改變數(shù)值。在那個時間，全局計數(shù)器數(shù)值或代碼數(shù)值被鎖存并且存儲在相關(guān)聯(lián)的像素數(shù)據(jù)緩沖器114中。鎖存計數(shù)器或代碼數(shù)值可以避免詢問比較器輸出。在優(yōu)選實施例中，計數(shù)器或代碼數(shù)值作為一個10位的數(shù)值存儲在像素數(shù)據(jù)緩沖器114中。但是，可以使用不同大小的緩沖器。通常，越大的緩沖器越貴，但是可以提供更大的精確度。緩沖器中的每一位使用一個鎖存器，并且在圖中假定鎖存器為緩沖器的一個組成部分。
在圖1中所示的設(shè)備提供了與光照強度相關(guān)的直接數(shù)字數(shù)值(計數(shù)器或代碼數(shù)值)。這與現(xiàn)有系統(tǒng)形成對比，在現(xiàn)有系統(tǒng)中感測一個模擬電壓然后使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的系統(tǒng)的簡化考慮到了傳感器更小更便宜。
在圖1中，只示出了一個單獨的像素傳感器。但是，可以想到，一個像素傳感器陣列也可以集成在一個單獨的裝置中，例如結(jié)合本發(fā)明可以利用CMOS裝置。像素數(shù)據(jù)存儲檢測器116用于對來自各個像素傳感器的數(shù)據(jù)解碼并且把它發(fā)送到一個處理器中(未示出)。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的一方面，作為用于光電二極管傳感器的積分時間的函數(shù)的光電壓的曲線圖。在該實施例中，參考電壓作為時間的函數(shù)變化。在圖2中示出了參考電壓隨時間變化的兩個例子。第一個由標有“線性映射”的虛線表示，第二個由標有“非線性映射”的線表示?？梢赃x擇“線性映射”提供在所存儲的數(shù)字代碼和功率之間的線性關(guān)系。當使用非線性映射時，可以最大化傳感器的動態(tài)范圍。在下面描述的例子中使用非線性映射。標有P1的線表示對于具有光功率P1的光線，積分時間和光電壓之間的關(guān)系。在優(yōu)選實施例中，全局計數(shù)器或代碼產(chǎn)生器(圖1中的118)在時間t＝0設(shè)置為零。在時間t1，光電壓達到參考電壓Vref，并且比較器(圖1中的110)的輸出改變數(shù)值。在該時間，全局計數(shù)器鎖存到像素數(shù)據(jù)緩沖器(圖1中的114)。在稍后的時間，光電壓將達到飽和電平Vsat。標有P2的線表示對于具有光功率P2的光線，積分時間和光電壓之間的關(guān)系，功率P2小于P1。在時間t2，光電壓達到參考電壓Vref，并且比較器(圖1中的110)的輸出改變數(shù)值。在該時間，全局計數(shù)器鎖存到像素數(shù)據(jù)緩沖器(圖1中的114)。這樣，當具有較低光功率的光線落在光檢測器上時，達到參考電壓所花費的時間就會增加。因此，達到參考電壓所花費的積分時間與強度或光功率成反比。類似地，標有P3的線表示對于具有光功率P3的光線，積分時間和光電壓之間的關(guān)系，功率P3小于P1或P2。在時間t3，光電壓達到參考電壓Vref，全局計數(shù)器鎖存到像素數(shù)據(jù)緩沖器。如果電壓參考升高，那么就需要更長的積分時間。如果電壓參考降低，就需要較短的積分時間。即使沒有光線入射在光檢測器上，在傳感器中也將存在小的電流和電壓，因為有電噪聲。低于電壓噪聲最低限度的電壓電平將不能檢測到，因此最小電壓參考電平由噪聲最低限度確定。上限為電容器可以存儲的電荷量。相應(yīng)于該最大電荷量的電壓稱為飽和電壓。最大電壓參考電平Vmax由飽和電壓確定。
積分時間與強度成反比，光功率或強度由下式給出Pi=KVrefti.]]>如果全局計數(shù)器數(shù)值在積分時間開始時設(shè)置為零，那么積分時間ti可以直接從全局計數(shù)器數(shù)值確定。否則，積分時間從積分終點處的計數(shù)器數(shù)值Ni和積分開始處的計數(shù)器數(shù)值N0之間的差值來確定。光功率由下式給出
Pi=CVrefNi-N0,]]>這里C＝K×fcounter是一個常量，fcounter是計數(shù)器頻率。該計算由處理器執(zhí)行。像素數(shù)據(jù)存儲解碼器116還用于把全局計數(shù)器或代碼產(chǎn)生器118耦合到各個像素傳感器。
最小強度可以通過下式測量Pmin=KVrefTframe,]]>這里Tframe是連續(xù)的視頻幀之間的時間，或最大容許積分時間。低于該強度，在該幀周期內(nèi)計數(shù)器將不會被鎖存。
飽和強度是Pmax=KVrefTclock,]]>這里，Tclock是計數(shù)器周期或最小容許積分時間。高于該強度，在一個單個計數(shù)器周期內(nèi)計數(shù)器將被鎖存。因此，如果電壓恒定，在一個單個圖像內(nèi)的動態(tài)范圍是DR=20.log10(TframeTclock)dB.]]>一個圖像的幀內(nèi)(intraframe)動態(tài)范圍可以通過在一個單個幀期間改變參考電壓進行調(diào)整。如圖2所示，為了得到最大的可能動態(tài)范圍，Vref可以改變，以便在等于Tclock的時間等于Vmax，并且在等于Tframe的時間等于Vmin。可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)改變電壓Vref來提供參考電壓108。如果最大參考電壓是Mmax并且最小是Vmin，那么整個動態(tài)范圍是DR=20.log10(VmaxTframeVminTclock)dB.]]>例如，對于50Hz的幀速率和10MHz的時鐘，如果Vref恒定，那么最大動態(tài)范圍是106dB。另外，如果參考電壓在300μV-1.5V的范圍內(nèi)變化，那么就會另外增加74dB的動態(tài)范圍，因此總的范圍就是180dB。
傳感器的精確度通過光電壓在一個計數(shù)器周期內(nèi)可以變化的程度來確定。如果在時間t＝(n-γ)Tcloek，第n個計數(shù)器周期之前超過電壓參考，這里γ＝1，計數(shù)器數(shù)值就鎖定在數(shù)值n，并且在強度中的誤差由下式給出error=KVref(n-γ)Tclock-KVrefnTclock=KγVrefn(n-γ)Tclock=γPin.]]>因此相對誤差與n成反比。大的強度將會有最大的相對誤差。可以通過使n較大來降低誤差。這又可以通過增大時鐘(計數(shù)器)速度或通過提高參考電壓來實現(xiàn)。
參考圖3，最好各個像素傳感器布置在陣列302中。陣列的每個元件包括一個光檢測器，一個電耦合到該光檢測器的漂移擴散電容器，以及一個比較器。比較器具有一個用于接收參考電壓的第一輸入，一個電耦合到該漂移擴散電容器的第二輸入，和一個輸出。每個元件還包括一個像素數(shù)據(jù)緩沖器，其可以是隨機訪問存儲器(RAM)。以類似于訪問標準存儲器(DRAM，SRAM等)的方式來訪問像素陣列。每一列像素最好連接到它自己的數(shù)據(jù)總線。一個行地址被發(fā)送到一個像素行地址解碼器304，解碼器304使用字線314來選擇一個特定像素行。像素列地址解碼器306還包括一個數(shù)據(jù)解碼器，其可以用于根據(jù)所選行收發(fā)來自或去往所選像素列的數(shù)據(jù)。這使得各個像素都可以被訪問，從而數(shù)據(jù)可以經(jīng)位線316“寫入”像素或從像素“讀出”。一個全局序列發(fā)生器312耦合到系統(tǒng)控制器310。全局序列發(fā)生器產(chǎn)生查找表地址324和334，這些地址被送往查找表326和334。查找表1即326用于把查找表地址324轉(zhuǎn)換為電壓參考值，然后送往一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)328。然后DAC328產(chǎn)生參考電壓108，并送往像素陣列302。查找表2即334用于把實際的計數(shù)器數(shù)值轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)字代碼數(shù)值，并經(jīng)像素列解碼器306將其送往像素。數(shù)字代碼數(shù)值不需要相對于實際的計數(shù)器數(shù)值是線性的。對于一個給定的電壓參考，數(shù)字代碼數(shù)值可以相應(yīng)于與每個計數(shù)器數(shù)值相關(guān)聯(lián)的光功率電平。這可以避免對隨后計算光功率電平的需要。此外，一個像素定時控制器308耦合到行和列解碼器，以控制訪問該陣列的各個元件的定時。像素位數(shù)據(jù)由列解碼器305經(jīng)位線316感測，并且該數(shù)據(jù)作為一個復(fù)用數(shù)據(jù)流332送往圖像處理器和系統(tǒng)控制器310。圖像處理器對每個像素傳感器執(zhí)行從積分時間到光功率的轉(zhuǎn)換并且可以執(zhí)行其他圖像處理功能，例如顏色處理或壓縮。代表所處理的圖像的數(shù)據(jù)在318從圖像處理器輸出。該轉(zhuǎn)換可以經(jīng)一個查找表或經(jīng)計算或經(jīng)他們的組合來執(zhí)行。包含在310中的系統(tǒng)控制器提供像素陣列定時以及傳送到一個像素定時和控制單元308的控制信號320。像素定時和控制單元308控制像素行解碼器304和像素列解碼器306。包含在310中的系統(tǒng)控制器還提供對全局計數(shù)器或代碼產(chǎn)生器312的控制。
圖4示出了說明本發(fā)明的方法的一個實施例的流程圖。操作在框402開始，在框404傳感器復(fù)位，例如通過對漂移擴散電容器放電進行。在框406對光檢測器的輸出積分。如果使用漂移擴散電容器，光檢測器的輸出電流通過電容器積分，從而產(chǎn)生一個光電壓。在判定框408，比較光電壓和一個參考電壓。如果如框408的肯定分支所說明的那樣，該光電壓小于參考電壓，那么在框410全局計數(shù)器或代碼產(chǎn)生器的當前值(其提供給像素傳感器)被存儲在一個像素數(shù)據(jù)緩沖器中。然后流程進行到判定框412。如果如框408的否定分支所說明的那樣，該光電壓小于參考電壓，那么該流程進行到框412。判定框408可以作為一個比較器來實現(xiàn)。這樣，存儲在像素數(shù)據(jù)緩沖器中的最后值將是光電壓達到參考電壓時的計數(shù)器數(shù)值。因此，該數(shù)值被鎖存到像素數(shù)據(jù)緩沖器。在判定框412，進行一個檢查，以確定是否超過積分的最大時間。如果如框412的肯定分支所說明的那樣，已經(jīng)超過最大時間，那么讀取像素數(shù)據(jù)緩沖器。如果如框412的否定分支所說明的那樣，還沒有超過最大時間，那么系統(tǒng)等待，直到已經(jīng)超過最大時間。在框414，無論是否已經(jīng)超過參考電壓都讀取像素數(shù)據(jù)緩沖器。在框416，由從像素緩沖器讀取的計數(shù)器數(shù)值中確定光功率(如果沒有達到參考電壓則為零)。該確定可以在一個集成的處理器或在傳感器外部的一個處理器中執(zhí)行。該確定可以如上所述使用下式計算Pi=CVrefNi-N0.]]>圖5示出了本發(fā)明的方法的替換實施例。操作在框402開始，在框404傳感器復(fù)位，例如通過對漂移擴散電容器放電進行。在框406對光檢測器的輸出積分。如果使用漂移擴散電容器，那么光檢測器的輸出電流通過電容器積分，從而產(chǎn)生一個光電壓。在判定框422，比較光電壓和一個參考電壓。如果如框422的肯定分支所說明的那樣，該光電壓大于參考電壓，那么在框410全局計數(shù)器的當前值(其被提供給像素傳感器)被存儲在一個像素數(shù)據(jù)緩沖器中。在判定框424，進行檢查，以確定是否已經(jīng)超過積分的最大時間。如果如框424的肯定分支所說明的那樣已經(jīng)超過最大時間，那么在框414讀取像素數(shù)據(jù)緩沖器。如果如框424的否定分支所說明的那樣，還沒有超過最大時間，那么系統(tǒng)等待，直到已經(jīng)超過最大時間。如果如框422的否定分支所說明的那樣該光電壓小于參考電壓，那么該流程進行到框412。判定框408可以作為一個比較器來實現(xiàn)。這樣，存儲在像素數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)值將是光電壓達到參考電壓時的計數(shù)器數(shù)值。在判定框412，進行一個檢查，來確定是否超過積分的最大時間。如果如框412的肯定分支所說明的那樣已經(jīng)超過最大時間，那么在框414讀取像素數(shù)據(jù)緩沖器。如果如框412的否定分支所說明的那樣還沒有超過最大時間，那么系統(tǒng)等待，直到已經(jīng)超過最大時間。在框414，無論是否已經(jīng)超過參考電壓都讀取像素數(shù)據(jù)緩沖器。在框416，由從像素緩沖器讀取的計數(shù)器數(shù)值中確定光功率(如果沒有達到參考電壓則為零)。該計算可以通過使用計數(shù)器差值Ni-N0索引的或從計數(shù)器差值計算的積分時間索引的查找表來執(zhí)行。
在幀期間改變Vref的另一個好處是能夠改變光強度電平的范圍，其中強度電平可以由代表積分時間的一組特定的連續(xù)數(shù)字代碼得到。這可以改變傳感器的靈敏度。這可以通過對那組代碼降低或增加Vref的平均傾斜度以分別增加或降低可達到的強度電平的范圍來實現(xiàn)。這在圖6中進行了描述。圖6示出了作為積分時間的函數(shù)的電壓的曲線圖。積分時間由變量n標出的數(shù)字代碼來表示。強度為P0的光線在數(shù)字代碼m標出的時間達到參考電壓Vref1或Vref2。如果參考電壓作為時間的函數(shù)根據(jù)曲線Vref1(n)變化，那么強度為P1的光線在數(shù)字代碼m+k所標出的時間達到參考電壓Vref1(m+k)。另一方面，如果電壓參考作為時間的函數(shù)根據(jù)曲線Vref2(n)改變，那么強度為P2的光線在數(shù)字代碼m+k所標出的時間達到參考電壓Vref2(m+k)。因此，如果電壓參考作為時間的函數(shù)根據(jù)曲線Vref1(n)改變，那么數(shù)字代碼m到m+k代表強度從P1到P0的光線，而如果電壓參考作為時間的函數(shù)根據(jù)曲線Vref2(n)改變，那么數(shù)字代碼m到m+k代表強度從P2到P0的光線。曲線Vref1(n)的平均傾斜度大于Vref2(n)的，因此使用電壓參考函數(shù)Vref1(n)的傳感器的靈敏度將更高。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認識到，雖然按照基于使用電容器來對光檢測器輸出積分并且使用比較器來把全局計數(shù)器數(shù)值鎖存到一個像素數(shù)據(jù)緩沖器這樣的實施例來描述本發(fā)明。但是，本發(fā)明并不應(yīng)該限制于此，因為本發(fā)明可以使用等效于所描述和闡述的方式的硬件或軟件部件來實現(xiàn)。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，許多其他的變形也是顯而易見的。
已經(jīng)結(jié)合具體實施例描述了本發(fā)明，很顯然根據(jù)前面的描述，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，許多替換、修改、置換和變形都是顯而易見的。因此，這意味著本發(fā)明包括所有這樣落在附加的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的替換、修改和變形。
權(quán)利要求
1.一種時間積分的像素傳感器，其包括光檢測器；電耦合到該光檢測器的電容元件；比較元件，具有用于接收參考電壓的第一輸入、電耦合到該電容元件的第二輸入、和一個輸出；以及像素數(shù)據(jù)緩沖器，響應(yīng)該比較器的輸出、并且可操作地存儲數(shù)字代碼數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的時間積分像素傳感器，進一步包括電壓參考電源元件，電耦合到所述比較器的第一輸入、并且可操作地為其提供參考電壓；以及全局代碼產(chǎn)生器，耦合到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器、并且可操作地為其提供該數(shù)字代碼數(shù)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的時間積分像素傳感器，其中，所述電壓參考電源元件包括一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的時間積分像素傳感器，進一步包括一個處理器，其可操作地耦合到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器、并且可操作地把所述數(shù)字代碼數(shù)值轉(zhuǎn)換為光功率電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的時間積分像素傳感器，其中，所述的處理器使用存儲在一個存儲器中的查找表。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的時間積分像素傳感器，其中，所述處理器根據(jù)P=CVrefN-N0]]>計算所述光功率電平P，這里C是常量，Vref是參考電壓，N是存儲在所述像素數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)字代碼數(shù)值，N0是一個初始數(shù)字代碼數(shù)值。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的時間積分像素傳感器，進一步包括耦合到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器的像素數(shù)據(jù)存儲解碼器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的時間積分像素傳感器，其中，所述參考電壓隨時間變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的時間積分像素傳感器，進一步包括一個查找表存儲器，用于存儲具有電壓參考數(shù)值的查找表，其中，所述具有電壓參考數(shù)值的查找表被根據(jù)所述全局代碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的一個查找表地址來進行訪問，并且可操作地提供一個電壓參考數(shù)值給所述電壓參考電源元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的時間積分像素傳感器，進一步包括一個查找表存儲器，用于存儲具有數(shù)字代碼數(shù)值的查找表，其中，所述具有數(shù)字代碼數(shù)值的查找表被根據(jù)所述全局代碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的一個查找表地址來進行訪問，并且可操作地提供所述數(shù)字代碼數(shù)值給所述像素數(shù)據(jù)緩沖器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的時間積分像素傳感器，其中，所述像素數(shù)據(jù)緩沖器包括用于所述緩沖器中的每一位的一個鎖存器。
12.一種時間積分像素傳感器，其包括(a)像素元件陣列，其具有多行和多列，每個像素元件包括光檢測器；電耦合到所述光檢測器的電容元件；比較元件，具有用于接收一個參考電壓的第一輸入、電耦合到所述電容元件的第二輸入、和一個輸出；以及像素數(shù)據(jù)緩沖器，響應(yīng)所述比較器的輸出、并且可操作地存儲一個數(shù)字代碼數(shù)值；(b)電壓參考電源元件，電耦合到所述比較器的第一輸入、并且可操作地為其提供參考電壓；(c)全局代碼產(chǎn)生器，耦合到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器、并且可操作為其提供該數(shù)字代碼數(shù)值；(d)像素行解碼器，可操作地在所述像素元件陣列中選擇像素元件行；(e)像素列解碼器，可操作地在所述像素元件陣列中選擇像素元件列、并且從中接收數(shù)據(jù)；以及(f)控制器，用于控制所述像素行解碼器、所述像素列解碼器和所述全局代碼產(chǎn)生器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的時間積分像素傳感器，其中，所述全局代碼產(chǎn)生器產(chǎn)生一個全局代碼數(shù)值，從所述全局代碼數(shù)值確定所述數(shù)字代碼數(shù)值。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的時間積分像素傳感器，其中，從由所述全局代碼數(shù)值訪問的查找表中確定所述數(shù)字代碼數(shù)值。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的時間積分像素傳感器，其中，所述全局代碼產(chǎn)生器產(chǎn)生一個全局代碼數(shù)值，從所述全局代碼數(shù)值中確定所述參考電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的時間積分像素傳感器，其中，從由所述全局代碼數(shù)值訪問的查找表中確定所述參考電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的時間積分像素傳感器，進一步包括(g)圖像處理器，可操作地從所述像素列解碼器接收數(shù)據(jù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的時間積分像素傳感器，其中，所述時間積分像素傳感器構(gòu)成為一個集成電路半導(dǎo)體器件。
19.一種用于感測落在光檢測器上的光線的光功率的方法，所述檢測器具有一個用于接收光線的輸入和一個電輸出，該方法包括操作一個全局代碼產(chǎn)生器；對所述光檢測器的電輸出積分，以得到一個光電壓；將所述光電壓和一個參考電壓進行比較；當所述光電壓超過所述參考電壓時，把所述全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值存儲到像素數(shù)據(jù)緩沖器中；并且從存儲到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器中的全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值中確定所述光功率。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，所述確定進一步包括讀取存儲到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器中的全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值；并且通過該全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值來索引查找表。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，所述確定進一步包括讀取存儲到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器中的全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值；并且根據(jù)P=KVreft]]>來計算光功率P，這里K是常量，Vref是參考電壓，t是從所述全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值中確定的積分時間。
22.一種用于感測落在光檢測器上的光線的光功率的方法，該檢測器具有用于接收光線的輸入和一個電輸出，該方法包括操作全局代碼產(chǎn)生器，以得到全局代碼數(shù)值；對該光檢測器的電輸出進行積分，得到一光電壓；從所述全局代碼數(shù)值中確定一參考電壓數(shù)值；根據(jù)所述參考電壓數(shù)值產(chǎn)生參考電壓；從所述全局代碼數(shù)值中確定一數(shù)字代碼數(shù)值；將所述光電壓和所述參考電壓進行比較；如果所述光電壓大于所述參考電壓，把所述數(shù)字代碼數(shù)值存儲到像素數(shù)據(jù)緩沖器中；并且從存儲到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)字代碼數(shù)值中確定光功率。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，所述參考電壓是所述全局計數(shù)器數(shù)值的單調(diào)遞減函數(shù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，選擇所述參考電壓，以便落在所述光檢測器上的光線的光功率與存儲到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)字代碼數(shù)值成正比。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，從所述全局代碼數(shù)值中確定一參考電壓數(shù)值包括從具有由所述全局代碼數(shù)值索引的參考電壓值的查找表中找到所述參考電壓數(shù)值。
26.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，從所述全局代碼數(shù)值確定一參考電壓數(shù)值包括從具有由所述全局代碼數(shù)值索引的數(shù)字代碼數(shù)值的查找表中找到所述數(shù)字代碼電壓數(shù)值。
27.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，存儲到所述像素數(shù)據(jù)緩沖器中的所述數(shù)字代碼數(shù)值與落在所述光檢測器上的光線的光功率成正比。
28.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，所述數(shù)字代碼數(shù)值等于所述全局代碼數(shù)值。
29.一種用于感測落在像素傳感器陣列上的光線的光功率的方法，其中，每個傳感器具有一個像素數(shù)據(jù)緩沖器和一個光檢測器，該光檢測器具有用于接收光線的輸入和電輸出，所述方法包括對于所述像素傳感器陣列的每個像素傳感器對所述光檢測器的電輸出進行積分，以得到一光電壓；測量作為所述光電壓達到一個參考電壓所花費的時間的一積分時間，并且從所述積分時間中確定所述光功率。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，所述參考電壓隨時間變化。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，對于所述像素傳感器陣列的每個像素傳感器，所述積分包括對在電容元件中的光檢測器的電輸出進行積分。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，進一步包括根據(jù)落在所述像素傳感器陣列上的光功率的最大值來設(shè)置所述參考電壓電平。
33.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，進一步包括根據(jù)落在所述像素傳感器陣列上的光功率的最小值來設(shè)置所述參考電壓電平。
34.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，進一步包括用數(shù)模轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生所述參考電壓。
35.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中，所述測量包括運行一全局代碼產(chǎn)生器；并且對于所述像素傳感器陣列的每個像素傳感器將所述光電壓和一個參考電壓進行比較；并且如果所述光電壓大于所述參考電壓，把所述全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值存儲到像素數(shù)據(jù)緩沖器中。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中，所述確定進一步包括對在所述陣列中的一個像素數(shù)據(jù)緩沖器的行和列地址進行解碼；從在所述行和列地址的像素數(shù)據(jù)緩沖器中讀取所存儲的全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值；并且通過所存儲的全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值和該全局代碼產(chǎn)生器的初始值之間的差值來索引查找表。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中，所述確定進一步包括對在所述陣列中的一像素數(shù)據(jù)緩沖器的行和列地址進行解碼；從所述像素數(shù)據(jù)緩沖器中讀取所存儲的全局代碼產(chǎn)生器的數(shù)值；并且根據(jù)P=CVrefN-N0]]>來計算光功率電平P，這里C是常量，Vref是參考電壓，N是所存儲的全局計數(shù)器數(shù)值，N0是全局代碼產(chǎn)生器的初始值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種時間積分的像素傳感器(100)，其具有光檢測器(102)、電容元件(104)、比較器(110)和像素數(shù)據(jù)緩沖器(114)。在操作中，來自光檢測器的光電流對電容進行充電并且產(chǎn)生光電壓。利用比較器對電容器感測到的光電壓和參考電壓(108)進行比較。如果光電壓超過參考電壓，將全局代碼數(shù)值鎖存到像素數(shù)據(jù)緩沖器中。從鎖存的代碼數(shù)值中確定落在光檢測器上的光功率。傳感器陣列與電路(116)一起被集成到半導(dǎo)體器件中，以讀出并且解碼像素數(shù)據(jù)緩沖器。參考電壓可隨時間變化，以增加傳感器的動態(tài)范圍。
文檔編號H04N5/374GK1602621SQ02824612
公開日2005年3月30日 申請日期2002年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月10日
發(fā)明者奧斯汀·哈頓, 弗朗西斯科·卡斯特羅, 巴里·赫羅爾德 申請人:摩托羅拉公司