脉宽调制像素传感器

相关申请的交叉引用

本申请是2021年7月29日提交的美国临时专利申请第63/227202号的非临时性申请，并且根据35 U.S.C.119(e)要求该美国临时专利申请的权益，其内容如同在本文中完全公开一样以引用方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及图像传感器，并且具体地涉及脉宽调制图像传感器及其使用方法。

背景技术

相机和其他图像记录设备可使用一个或多个图像传感器，诸如电荷耦接器件(CCD)图像传感器或互补金属-氧化物-半导体(CMOS)图像传感器。典型的CMOS图像传感器可包括二维像素阵列，其中每个像素可包括光电二极管和用于激活并读取每个像素的一个或多个晶体管。

在CMOS图像传感器中，由CMOS图像传感器成像的对象中的任何移动都可能使对象的图像模糊，或者可能以其他方式导致不同类型的运动伪影。CMOS图像传感器可能难以获得单次拍摄的高动态范围(HDR)，因为图像的高对比度区域可能被描绘为太暗或太亮。CMOS图像传感器可另外具有有限的全阱容量，这可能限制输出图像的动态范围，并导致无法捕获场景中表示的全范围光强度。

发明内容

本发明内容提供用于以简化形式介绍一系列概念，这些概念在本文进一步描述。本发明内容并非意图识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作确定要求保护的主题的范围的辅助手段。

根据所提供的公开内容的一些实施方案，可提供一种脉宽调制(PWM)图像传感器的操作方法。该方法可包括：在检测周期期间，在该PWM图像传感器的PWM像素处接收光子数量；随着该光子数量的接收，将该光子数量转换成光电流；在该检测周期期间在感测节点处积聚电子数量，该电子数量响应于该感测节点接收到该光电流而积聚；在该检测周期期间并与该检测周期同步，根据触发时间与该光电流之间的非线性关系递增计数，该计数与时间基准同步；以及当该积聚电子数量达到阈值电子数量时，将该计数的值锁存在时间数字转换器(TDC)电路的存储器中。

在一些实施方案中，随着该触发时间的增加，该计数以减小的速率递增。此外，该时间基准t可通过

一种根据所提供的公开内容的方法还可包括经由双向总线传输图像信息，该图像信息对应于该TDC电路的该存储器中的该计数的该锁存值。该方法还可包括响应于该光电流而终止该检测周期的持续时间。在一些实施方案中，较高光电流可导致较短检测周期，而较低光电流可导致较长检测周期。

在一些实施方案中，可提供一种对脉宽调制(PWM)图像传感器执行自动曝光控制的方法。该方法可包括：从该PWM图像传感器的查找表中查询与该PWM图像传感器的初始曝光设置相关联的第一值，该第一值至少包括时钟频率、检测时间和用于操作该PWM图像传感器的阈值电子数量；将该时钟频率除以分割系数，该分割系数至少部分地基于该阈值电子数量和该检测时间，以获得经更新的时钟频率；使用该经更新的时钟频率，确定转换时间是否小于或等于检测时间；以及根据确定该转换时间小于或等于该检测时间，维持该初始曝光设置。

一种根据所提供的公开内容的方法可另外包括：使用该PWM图像传感器来生成对应于从场景反射的光的信号；使用该PWM图像传感器生成的该信号，计算平均亮度值；使用该平均亮度值来识别该查找表的包括第二值的行，该第二值至少包括第二分割系数、第二检测时间和计数器延迟；以及至少使用该第二分割系数、该第二检测时间和该计数器延迟来将该初始曝光设置转换为经更新的曝光设置，从而更改该PWM图像传感器的操作。

一种根据所提供的公开内容的方法还可包括当该转换时间大于该检测时间时，计算第二检测时间并使用该第二检测时间来将该PWM图像传感器的该初始曝光设置更改为经更新的曝光设置。

在一些情况下，该阈值电子数量可为最大阈值电子数量并且该方法还可包括：当该转换时间大于该检测时间时，减小该最大阈值电子数量；以及使用该减小的最大阈值电子数量执行新的曝光操作。

计算该第二检测时间T

在一些实施方案中，可提供一种脉宽调制(PWM)图像传感器。该PWM图像传感器可包括：顶部晶片，该顶部晶片包括电荷时间转换器(CTC)电路，该CTC电路包括光电二极管、复位门和比较器；和底部晶片，该底部晶片与该顶部晶片堆叠并且包括时间数字转换器(TDC)电路。在一些实施方案中，可向该复位门施加复位信号以发起检测周期，在该检测周期期间，该光电二极管可积聚电子数量，并且当该电子数量达到阈值电子数量时，该CTC电路可将写信号从该比较器传输到该TDC电路。

在一些实施方案中，该TDC电路可以是包括多个锁存器的静态随机存取存储器，并且该写信号可锁存该多个锁存器中的计数。

可向该比较器施加阈值电压，并且该阈值电子数量可对应于施加到该比较器的该阈值电压。该CTC电路和该TDC电路可包括像素，并且该PWM图像传感器还可包括多个像素，该多个像素中的每个像素包括相应的CTC电路和相应的TDC电路对。该多个像素中的每个像素可被布置成阵列并且可被逐行读取。该顶部晶片和该底部晶片可通过垂直传输门、穿硅通孔或接合焊盘中的至少一者通信耦接。

附图说明

现在将参考在附图示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个或多个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可以被包括在由所附权利要求限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。在可行情况下，已使用类似的附图标记来表示类似的特征。

图1A至图1C示出了如本文所讨论的包括像素阵列及其部件的示例性脉宽调制(PWM)图像传感器。

图2描绘了如本文所讨论的PWM图像传感器的示例性像素以及相关联电子部件。

图3描绘了如本文所讨论的示例性PWM图像传感器的部件的时序图。

图4描绘了如本文所讨论的光电流与PWM图像传感器像素的触发时间之间的示例性关系。

图5描绘了如本文所讨论的根据非线性采样率的时间数字转换器(TDC)输出和光电流之间的示例性关系。

图6A至图6B描绘了如本文所讨论的示例性动态范围扩展，并且具体地描绘了时间和积分电荷之间的关系。

图7描绘了如本文所讨论的时域中的示例性TDC传递函数，并且具体地描绘了TDC输出码和照度之间的关系。

图8描绘了如本文所讨论的光电流和信噪比之间关于光子噪声极限的示例性关系。

图9A至图9B描绘了如本文所讨论的控制阈值电子数量以扩展PWM图像传感器的动态像素范围的示例。

图10A至图10B描绘了如本文所讨论的PWM图像传感器的示例性快门性能。

图11描绘了如本文所讨论的TDC时序控制的示例性流程图。

图12描绘了如本文所讨论的利用最大光电流和阈值接收电子数量进行的曝光控制的示例性流程图。

图13描绘了如本文所讨论的利用最大光电流和最大接收电子数量进行的曝光控制的示例性流程图。

图14描绘了如本文所讨论的斜坡模式下的曝光控制的示例性流程图。

图15A至图15B描绘了如本文所讨论的自动曝光控制的示例性方法和配置。

图16描绘了如本文所讨论的用于单次拍摄高动态范围(HDR)的对数TDC模式的示例性方法和配置。

附图中的交叉影线或阴影的使用通常被提供以阐明相邻元件之间的边界并有利于附图的易读性。因此，存在或不存在无交叉影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料特性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特征、属性、或特性的任何偏好或要求。

附加地，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。

具体实施方式

所提供的公开内容涉及脉宽调制(PWM)图像传感器，并且具体地涉及堆叠晶片上的PWM图像传感器阵列，该PWM图像传感器阵列将电荷时间转换器(CTC)和时间数字转换器(TDC)沿Z方向取向，从而减小XY平面中的图像传感器像素的尺寸。所提供的公开内容的进一步方面提供对PWM图像传感器的TDC的传递函数的灵活控制。本文另外提供了所提供的公开内容的其他方面。

诸如智能电话、平板电脑、膝上型计算机等许多电子设备包括用于捕获图像和/或视频信息的一个或多个相机。例如，智能电话可具有被配置为捕获高分辨率图像和视频的一个或多个相机。所捕获的图像和视频可存储在智能电话的本地存储装置中和/或可经由网络传输到其他设备，用于与其他用户共享诸如图片或视频的社交媒体的目的，和/或用于使用图像或视频的任何其他目的。

如上文所引用，图像传感器可在各种类型的相机中使用，并且可包括多个像素的阵列，其将模拟信息(例如，电磁辐射诸如光波)转换成数字信号，以在电子设备中使用和/或在电子设备上显示。通过这种模拟-数字转换过程，可创建对应于作为图像捕获操作的对象的场景和/或真实世界物体的数字图像。可通过聚集来自与图像传感器相关联的每个像素的数字信号来创建数字图像。因此，增加特定图像传感器的像素数量可能导致所得图像的分辨率的对应增加。

然而，电子设备通常具有用于内部部件的有限空间，因为电子设备中的其他典型部件(诸如麦克风、显示器、传感器等)可能需要电子设备中可用的有限空间的一部分。因此，图像传感器中的像素空间有限，并且图像传感器的分辨率可能同样受到可用空间量的限制。此外，设计考虑(例如，设备厚度或美学外观)可能进一步限制特定电子设备中的可用空间量，这可能进一步限制图像传感器像素阵列可用的空间，从而导致由相关联图像传感器和/或相机捕获的图像的分辨率降低。

另外，某些图像传感器结构(诸如某些CMOS传感器架构)可能产生具有某些质量缺陷的图像。例如，在低光或高光条件下，在物体相对于图像传感器移动的情况下，在产生无像素饱和的图像时，以及在产生具有高动态范围的图像时，传统传感器可能难以产生高质量图像。

所提供的公开内容涉及一种PWM图像传感器，该PWM图像传感器可具有减小的像素尺寸，从而增加特定区域中的潜在像素数量，可允许对数字域传递函数的灵活控制，可提供单次拍摄高动态范围(HDR)成像，可减少运动模糊，并且可提供如下所述的附加功能。PWM图像传感器可例如通过控制向负载提供电压和电流的开关，在基于时间的转换过程期间利用PWM控制。可通过更改开关的速率来修改电压和电流的平均值。

根据所提供的公开内容，PWM图像传感器可包括电荷时间转换器(CTC)和时间数字转换器(TDC)。CTC可定位在顶部晶片上并且TDC可定位在逻辑晶片上，其中逻辑晶片沿垂直取向(例如，Z方向)定位在顶部晶片下方。通过利用Z方向上的空间，PWM图像传感器可在XY平面中具有更高的像素密度。与传统图像传感器相比，在晶片级堆叠CTC和TDC可进一步减小整体管芯和/或模块尺寸。

CTC可诸如通过一个或多个电迹线与TDC通信耦接，并且可将写信号传输到TDC。如本文所讨论，当CTC的感测节点(另外称为浮动扩散(FD))从由CTC的光电二极管生成的光电流积聚阈值电子数量时，CTC可生成写(WRT)信号。一旦达到阈值电子数量，就可生成WRT信号并将其发送到TDC，以锁存或以其他方式标记图像数据。在一些情况下，阈值电子数量的阈值可手动或自动修改，以便最小化信噪比(SNR)，扩展动态范围(针对PWM传感器的所有像素或其一部分)，控制曝光设置等。

TDC还可允许在时间数字转换过程期间控制数字域中的传递函数。通过对传递函数的控制，PWM图像传感器的动态范围(DR)可在某些条件(例如，低光条件或高光条件)期间得到扩展。可通过使用PWM图像传感器来实现诸如通过SNR、曝光设置(手动或自动)、触发时间的选择等对各种附加功能的控制。

下文参考图1A至图16讨论这些实施方案和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。

图1A示出了捕获从物体110反射的光112的示例性脉宽调制(PWM)图像传感器100。在图1中，物体110被描绘为汽车，但应当理解，任何物体或物体的组合都可以是PWM图像传感器100的图像检测操作的对象。例如，其中设置有PWM图像传感器100的电子设备的用户的面部可以是由PWM图像传感器100检测到的对象。

在图像检测操作期间，光112从物体110和/或场景反射，并且在PWM图像传感器100处，特别是在PWM图像传感器100的一个或多个光电二极管处被接收。如本文所述，光112可以是自然光(例如，由太阳产生)、外部人造光(例如，来自外部灯泡)或与PWM图像传感器100相关联的人造光源(例如，闪光发射元件的光源)。图1中描绘了示例性光源114，并且在一些实施方案中可省略示例性光源。在一些情况下，光源114是发光二极管并且可用作手电筒和/或相机闪光灯。光源114可与PWM图像传感器100操作性地耦接。在一些具体实施中，光112可以是人眼不可见的光，包括例如红外光或紫外光。

PWM图像传感器100可包括多个层，诸如顶部晶片102和底部逻辑晶片104。顶部晶片102和底部逻辑晶片104可由半导体材料(诸如硅(Si)或砷化镓(GaAs))形成，并且可以多种方式键合在一起，诸如但不限于直接键合、等离子体活化键合、共晶键合、混合键合、它们的任意组合等。在一些情况下，顶部晶片102和底部逻辑晶片104位于单个晶片的相对侧上。

电荷时间转换器(CTC)阵列106可定位在顶部晶片102上。如图1A中所描绘，CTC阵列106可包括以规则和重复方式布置的多个CTC像素，但根据所提供的公开内容，也可使用CTC像素的任何布置方式。CTC阵列106可通过使用任何潜在的技术或技术的组合形成在顶部晶片102上，诸如例如外延生长、材料沉积、蚀刻工艺，p型或n型掺杂、焊接等。CTC阵列106的每个CTC像素均可包括光电二极管、复位门和比较器。光电二极管可以是任何光电二极管并且可将电磁能(例如，光波)转换成电流(例如，光电流)。光电流的强度可取决于传入的电磁能的强度，使得更亮的光导致更强的光电流。复位门可包括开关，该开关被配置为复位CTC像素以开始检测周期(例如，通过将CTC像素与电压源耦接/解耦)。比较器可用于确定浮动扩散(FD)电压何时达到预定阈值电压，如参考图3所讨论的。每个CTC像素均可另外包括一个或多个电容器，该一个或多个电容器可称为感测节点/FD电容器(C

时间数字转换器(TDC)阵列108可设置在底部逻辑晶片104上，该TDC阵列可定位在顶部晶片102的下面，或以其他方式与该顶部晶片堆叠。顶部晶片102和底部逻辑晶片104可以是单独的晶片，或者在某些情况下可以是同一晶片的相对侧。TDC阵列108可通过一个或多个通信路径116(诸如但不限于垂直传输门、穿硅通孔(TSV)、接合焊盘等)与CTC阵列106耦接。

TDC阵列108可包括多个单独的TDC像素。每个TDC像素均可包括静态随机存取存储器(SRAM)，该SRAM使用锁存电路来存储数据位。每个SRAM中的锁存器的数量可以是任意数量，这取决于每个TDC像素的期望分辨率，并且每个锁存器可对应于一个数据位。在非限制性示例中，每个单独TDC像素的SRAM包括五个锁存器，该五个锁存器对应于五个数据位。外部计数器可另外与TDC阵列108通信地耦接(例如，耦接到每一TDC像素)，并且双向数据总线可将数据(例如，图像数据)传输到外部计数器或从外部计数器传输数据。外部计数器可定义对光电流(例如，由光电二极管生成的光电流)进行采样的采样率。尽管讨论了SRAM，但任何类型的存储器(诸如动态随机存取存储器(DRAM))均可用作TDC阵列108的TDC像素。

每个TDC像素均可耦接到相应CTC像素，使得TDC像素和CTC像素的数量相等。此外，每个TDC像素和CTC像素对均可形成PWM图像传感器100的像素并且可对应于由PWM图像传感器100生成的图像上的像素。以此方式，TDC/CTC像素对的数量可对应于PWM图像传感器100能够产生的最大图像分辨率。在非限制性示例中，如果由PWM图像传感器100产生的图像的潜在最大分辨率为1792×828，则可为PWM图像传感器100提供1,483,776个TDC/CTC像素对。尽管提供了特定示例，但TDC/CTC像素对的数量不限于任何特定值，并且可提供任何数量。由于TDC像素和CTC像素沿Z方向布置，因此通过堆叠底部逻辑晶片104和顶部晶片102，可减小XY平面中TDC/CTC像素对的尺寸。

图1B描绘了PWM图像传感器100的示例性表示，其包括与TDC阵列108堆叠的CTC阵列106。如图1B中所描绘的，CTC阵列106可设置在顶部晶片102上。CTC阵列106可生成信号(例如，WRITE信号)并且可将该信号传输到TDC阵列108。TDC阵列108可设置在底部逻辑晶片104上。如图1A中所描绘的，CTC阵列106和TDC阵列108可以堆叠布置方式设置。

图1C描绘了根据所提供的公开内容的各方面的示例性CTC电路106。需注意，CTC电路106仅是CTC电路的一个示例，并且根据相关联公开内容，可提供任何数量的布置方式。

CTC电路106可包括比较器107、光电二极管109、浮动扩散电容器111和复位门113。CTC电路106的操作可响应于施加到复位门113的RESET信号而开始。如图1C中所描绘的，当复位门113闭合时，可提供像素电压V

可另外提供光电二极管109，并且该光电二极管可使用光(例如，光子)来生成相关联光电流(例如，电流)。光电流的强度可取决于由光电二极管109检测到的光的强度。生成的光电流可使浮动扩散电容器(C

图2描绘了PWM图像传感器的像素200的示例性电子部件。具体地，在图2中，另外参考图3中所描绘的时序图来讨论像素200的潜在操作。虽然讨论了参考一个像素的操作，但可以理解，在PWM图像传感器中(诸如在阵列中)可使用大量单独像素，如关于图1A所讨论的。不同像素的操作可以相同，或者可以根据光电二极管产生的光电流和/或PWM图像传感器的其他电势设置(模拟的或数字的)而变化。

如关于图1A所讨论的，PWM图像传感器的像素200可包括CTC/TDC像素对。具体地，电荷时间转换器(CTC)206可定位在第一晶片(例如，顶部晶片102)上，并且时间数字转换器(TDC)208可定位在与第一晶片堆叠的第二晶片(例如，底部逻辑晶片104)上。在一些情况下，CTC 206和TDC 208诸如在同一晶片的相对侧上以交替布置方式定位。另外地或另选地，需注意，CTC 206和TDC 208的特定布置方式不受特别限制。尽管图1A描绘了堆叠在TDC顶部的CTC，但根据所提供的公开内容，也可使用其他布置方式。

现在将参考图2和图3讨论像素200的操作。如上所述，图3描绘了PWM图像传感器的像素(诸如像素200)的操作时序图，并且为了便于描述，将一前一后地讨论图2和图3。

如图2中所描绘的，复位(RST)信号214可施加到CTC 206。复位信号214可发起检测周期的开始并且可清除或复位存储在感测节点及/或浮动扩散(FD)处的电子。参考图3，复位时序曲线图252描绘了RST信号214的操作。如所描绘的，复位信号214可以是二进制的(例如，1和0和/或“开”和“关”)。例如，复位信号可通过开关的断开和闭合提供给CTC 206，其中开关的一个端部连接到CTC 206(例如，CTC 206的感测节点/FD)，而开关的另一端部连接到固定电压(例如，像素电压)。在发起检测周期之前，可闭合开关，从而将像素电压供应给CTC206，以耗散可能存在于感测节点/FD处的任何电荷(例如，通过先前图像检测操作)。在检测周期开始时，在时间230处，可断开开关并且可停止像素电压。这可允许在CTC 206的感测节点/FD处开始积聚电子。在检测周期结束之后，可闭合开关(在图3中描绘为在触发时间232和帧时间234结束之间)，从而供应像素电压，以耗散由电子积聚产生的先前电荷。当先前电荷完全耗散时和/或当开关移回到断开位置时，可发起后续检测周期，从而停止将像素电压施加到CTC 206的感测节点/FD。

在时间230处，当检测周期作为RST信号214的结果而开始时，可在CTC 206的感测节点/FD处开始积聚电子数量217a，如电子时序曲线图256中所描绘。电子时序曲线图256描绘了检测周期期间电子的积聚。电压时序曲线图254描绘了感测节点/FD的电压216a，其与电子数量217a相对应。电子数量217a可以取决于由CTC 206的光电二极管生成的光强度/光电流的速率增加，直到达到阈值电子数量217b。同样，电压216a可减小，直到达到阈值电压216b。电压216a达到阈值电压216b和电子数量217a达到阈值电子数量217b的时间可称为触发时间232。

可通过向CTC 206供应预选电压来建立阈值电压216b，如图2中所描绘。具体地，阈值电压216b可施加到CTC 206的比较器的第一输入。由于CTC 206的比较器的第二输入可接收电压216a，该电压对应于在检测周期期间在CTC 206的感测节点/FD处积聚的接收电子数量216a，因此比较器可能能够检测所接收的电压216a何时与阈值电压216b匹配，从而产生触发时间232。

在时间232处(其对应于检测周期的结束)，可在CTC 206处生成写入(WRT)信号218并可将其传输到TDC 208。WRT信号218可对应于在特定时间周期上的积聚电子数量217a，其对应于来自作为图像对象的场景和/或物体(例如，物体210)的反射光212的亮度。如写信号曲线图258中所描绘，在触发时间232之后发起WRT信号218。WRT信号218可对应于发起在TDC208中锁存计数的过程。选择时序曲线图260描绘了正施加到TDC 208的读信号222，如图2和图3中所描绘。可逐行读取每个像素(对应于CTC/TDC对)。

表示帧时间结束的时间234可对应于所有检测和信号分析过程完成的时间。例如，可在此阶段完全处理PWM图像传感器的一个或多个像素的图像数据，并且可发起后续过程。

数据总线220可另外设置在TDC 208与外部计数器(未描绘)之间。外部计数器可将计数数据馈送到TDC 208，或者可以其他方式从TDC 208传输和/或接收数据。参考图4至图5来描述关于计数数据的进一步描述。

现在将提供根据图2至图3的示例性操作。为了发起图像检测过程，可将复位信号214施加到电荷时间转换器(CTC)206。从物体210反射的光212可被CTC 206接收，并且CTC206的光电二极管可将光212转换成电流(例如，光电流)。该电流可将电子供应给其中积聚电子的感测节点/浮动扩散。一旦积聚的电子达到阈值电子数量(对应于供应给CTC 206的阈值电压216)，就可将对应于图像信息的写信号218从CTC 206发送到时间数字转换器(TDC)208。写信号218可锁存TDC 208中的计数并且该计数可由读信号222读取。可以任何顺序(例如，逐行)读取PWM传感器的任何数量的像素，并且可生成物体210的图像信息。双向数据总线220可另外设置在TDC 208和外部计数器之间。双向数据总线220可以是双向的，以节省像素面积，从而进一步减小像素200的尺寸，但另选地也可使用单向数据总线。

图4至图5描述了与非线性计数器相关的曲线图，如参考关于图2至图3讨论的外部计数器所讨论。图4描绘了曲线图400，该曲线图示出了光电流(例如，由光电二极管响应于接收到光而产生的电流)与触发时间(例如，对应于PWM图像传感器的特定像素的检测周期的长度的时间)之间的关系。

如图4中可见，随着光电流的增加，PWM图像传感器的像素的相关联触发时间减少。这是因为高光电流导致CTC的感测节点/FD处的高电子积聚速率。随着电子在感测节点/FD处的快速积聚，触发时间可能很快出现。相反，低光电流可能导致低电子积聚速率，从而延长必要的触发时间。简而言之，随着光电流的增加，触发时间减少，并且随着光电流的减少，触发时间增加。如图4中所描绘，此关系并非线性的，而是在X轴和Y轴之间弯曲。曲线可由等式

如曲线图400所指示，光电流和触发时间之间的关系是非线性的。因此，如果使用了线性采样计数器，则可压缩对应于曲线的结束部分或开始部分处的光电流的高光。也就是说，具有由一致时间分隔的滴答声的线性计数器将光电流样本压缩到约0.1安培(A)以上，如图4中所描绘。这将导致低光和/或高光情况下的图像质量较差(导致对应于相对亮像素/暗像素的像素的高光压缩)。

为了避免潜在的高光压缩，所提供的公开内容的一个方面提供了非线性计数器505以允许对光电流进行均匀采样。以此方式，TDC输出与光电流之间的关系可以是线性的，从而允许在低光电流或高光电流范围内进行高质量的高光捕获而无需压缩。如图5中所描绘，曲线图500根据非线性计数器505描绘了TDC输出和光电流I

在一些情况下，非线性计数器505的每个滴答声相隔由等式

图6A至图6B描绘了显示示例性动态范围(DR)扩展的曲线图。图6A描绘了对应于具有恒定阈值电子数量(N

如曲线图600a中所描绘，对应于常数N

在一些情况下，IC阈值602a在PWM图像传感器中的多个像素上是相同的。也就是说，PWM图像传感器可在不同像素处接收不同量的光，从而致使与相应像素相关联的相应光电二极管生成不同量的光电流。因此，基于相关联光电流的值，不同像素的触发时间可能不同。

图6B描绘了具有可变IC阈值602b的曲线图600b。如图6B中所描绘，可变IC阈值602b可导致针对PWM图像传感器的特定像素结束触发周期所需的阈值电子数量降低。以此方式，可检测到低于典型最小光电流的较小光电流(例如，I

然而，如果在PWM图像传感器的每个像素上降低IC阈值，则可能会丢失有价值的图像数据，而没有多大益处(因为触发时间可能已经很短)。例如，在高光状态下(例如，导致7I

可变IC阈值602b可手动设置(例如，通过DR扩展旋钮)或者可响应于检测到的光强度水平而自动设置。例如，如果电子设备处于黑暗环境中(如能够被任意数量的传感器检测到)，则可变IC阈值602b可降低。

可变IC阈值602b在PWM图像传感器的不同像素上可能不同。例如，在高光条件下(导致高光电流)的像素可能具有相对高的IC阈值，而在低光条件下(导致低光电流)的像素可能具有相对低的IC阈值。在附加或替代实施方案中，当尚未达到IC阈值时，IC阈值可逐渐减小(例如，以恒定速率)。以此方式，无论相关联光电流的值如何，并且无论各个PWM像素的触发时间如何，整个检测周期都可具有易于预测的终点。

图7描绘了具有各种示例性TDC传递函数的曲线图700。TDC传递函数可指基于照度(以勒克斯测量；lx)的输出曲线的编码曲线。在图7中所描绘的曲线图700中，针对5位输出码(例如，其中TDC可存储5个信息位)描绘传递函数。

曲线702描绘了可变阈值电子数量(N

TDC传递函数可在时域中通过由等式t＝f(n)*t

所描绘的TDC传递函数中的每个传递函数以及任何其他合适的传递函数均可用于PWM图像传感器中。如上文所讨论，PWM图像传感器的传递函数灵活性可允许PWM图像传感器针对特定应用(例如，电子设备上的应用)需求进行专门定制。

图8描绘了曲线图800，该曲线图描绘了第一阈值电子数量(N

SNR可由等式

如上文所讨论，曲线804表示第一阈值电子数量(N

以此方式，可避免PWM图像传感器的任何特定像素的像素饱和，并且可通过TDC的计数器延迟来定义最高可检测电流(例如，光电流)。此外，在读取噪声远小于光子散粒噪声的情况下，PWM像素的动态范围可由定义的最大触发时间T

图9A至图9B描绘了与通过使用N

参考图9B，描绘了曲线图900b，该曲线图描绘了第一阈值电子数量N

图9A描绘了通过降低施加到CTC的电压来降低N

图10A至图10B描绘了对应于PWM图像传感器的多个像素的不同检测周期的曲线图。如上文所讨论，不同像素可接收不同量的光，导致相应光电流具有不同的值。因此，不同像素可在不同时间达到阈值电子数量(N

如图10A的曲线图1000a中所描绘，对于PWM图像传感器，可使运动模糊最小化，因为所有像素中的大多数像素均可在短时间周期内达到N

图10B描绘了曲线图1000b，该曲线图描绘了TDC码(例如，以最低有效位(lsb)为单位的TDC码)与时间(t)之间的关系。线1004描绘了常数N

图11描绘了用于PWM图像传感器的TDC时序控制的示例性结构1100。对于特定PWM图像传感器，时间数字转换的分辨率(例如，通过TDC)可由

如示例性结构1100中所描绘，如先前段落中所定义的时钟频率F

除以时钟分割系数的时钟频率可应用于时钟门控1104。时钟门控1104可用于节省功率，使得相关联时钟电路在当前不使用时不工作。通过将时钟频率和时钟分割系数应用于时钟门控，可激活时钟。可另外向时钟门控1104提供计数器延迟。计数器1106(例如，如关于图4至图5所讨论的非线性计数器)可对由光电二极管产生的光电流进行采样，并且比较器1108(例如，数字比较器)可用于确定在感测节点/FD处积聚的电子数量何时达到阈值电子数量(例如，通过输入到比较器1108中的阈值电压)。

如图11中所描绘，TRIGGER信号可以是用于格雷码计数器1110的非线性同步信号。计数器1106、比较器1108和查找表1112可用于生成TRIGGER信号。也就是说，查找表1112可保存特定范围内(例如，1至2

图11仅讨论了TDC时序控制的一种方式，并且可根据所提供的公开内容的PWM图像传感器使用任意数量的TDC时序控制方法。图12至图15B中提供了多个此类示例。

图12描绘了曝光控制的示例性方法1200，其中初始N

如操作1202处所描绘，检测周期T

在操作1204处，可计算时钟分割系数K的值。如上文关于图11所讨论，时钟分割系数可用作缩放系数以将时钟频率从最大水平(例如，对应于最大光电流的水平)按比例缩小。如操作1204处所描绘，可从等式

在操作1206处，通过将原始时钟频率(例如，如操作1202处所指示的)除以如操作1204处所确定的K的值来确定新的时钟频率。在操作1208处，使用新的时钟频率进行确定。确定检测周期除以2乘以对应于TDC的位深度的幂是否大于或等于表达式

如果对1208处的操作的回答是否定的(“否”)，则检测周期可更改为转换时间，如操作1210处所指示。如果对1208处的操作的回答是肯定的(“是”)，则检测周期可保持相同。在操作1210的情况下，可延长低光检测时间以降低PWM像素的帧速率。在操作1212处，可确定和/或存储K、t

图13描绘了曝光控制的替代方法1300。如操作1302处所指示，最大“N”值(例如，在感测节点/FD处积聚的阈值电子数量)可用作曝光控制的起始点。相比之下，图12中所描绘的方法1200使用SNR期望值(例如，基于单次拍摄估计)使用预定N

在操作1302处，可获得检测周期(T

在操作1306处，可使用计算的时钟频率分割系数K来更新时钟频率值，如F

在操作1308处，确定转换时间是否小于或等于检测周期。如果转换时间不小于或等于检测周期(例如，“否”)，则该方法可前进到操作1310，在操作1310中，确定N

如果在操作1310处，Nmax值小于Nmin值，则方法1300可继续(经由“否”)到操作1312，其中使用与图12中的操作1210处所提供的等式相同的等式来计算检测周期。然后，可在操作1314处获得和/或存储K、t

如果在操作1308处，检测周期大于或等于转换时间，则方法1300可立即前进到操作1314，在操作1314中，可获得和/或存储K、t

图14描绘了在斜坡N

在操作1402处，可获得时钟频率(F

在操作1408处，确定检测周期(T

图15A至图15B描绘了自动曝光过程的示例。图15A描绘了使用片上系统查找表(SOC LUT)进行的自动曝光过程的方法1500。在操作1502处，从与i＝0处的PWM图像传感器相关联的LUT的地址“N”输入K、t

在操作1506处，确定平均亮度是否小于或等于“1”。如果平均亮度大于“1”，则可在操作1508处查询查找表(LUT)以获得Clog

一旦在操作1508处接收到来自LUT1和LUT3的值，则在操作1510处可通过等式n＝Clog

在操作1512处，使用n的计算值。例如，如在操作1512处所描绘，如果n小于或等于0，则可将n更新为等于“0”。如果n大于或等于N，则可将n更新为等于“N”。在操作1514处，可查询LUT，以在LUT2、LUT4和LUT5处获得K、t

如果在操作1506处确定平均亮度值小于1，则可发生操作1516。在这种情况下，在操作1514处查询LUT之前，可将n设置为等于N/2。

在操作1520处，可将i值递增“1”。如果在操作1522处，i小于或等于3，则操作可在操作1504处重新开始。否则，如果i大于3，则方法1500可在操作1524处结束。

如上所述，图15B描绘了示例性LUT 1550，包括平均亮度、LUT1、地址和LUT2-LUT5的列。提供此LUT 1550仅出于说明性目的，并且根据所提供的公开内容，也可使用任何潜在LUT布局。

图16描绘了包括平均亮度S段LUT 1602和照度段LUT 1604的示例性LUT 1600。如上文所讨论，对数TDC模式可允许PWM图像传感器在单次拍摄中捕获整个场景动态范围(例如，高动态范围HDR)。以此方式，可测量场景的平均照度以帮助识别LUT 1600中的照度段n。在一些情况下，照度段n可通过等式

通过识别正确的照度段n，对于特定图像可达到适当的场景亮度，而不会出现某些部分太暗或太亮。如图16中进一步描绘，数据可从PWM传感器1606传输到LUT 1600。此外，I

在示例性操作的任何时间期间，可能会另外发生附加过程。例如，为了向图像提供颜色，可提供拜耳滤波器阵列，并且相关联处理电子设备可确定任何特定像素的颜色。此外，可提供软件特征以改变PWM图像传感器的操作。根据PWM图像传感器的操作，可使用任何部件、结构、滤波器、方法、过程等。

其他示例和具体实施在本公开和所附权利要求的范围和实质内。例如，实现功能的特征也可在物理上位于各个位置处，包括被分布成使得功能部分在不同的物理位置处实现。此外，如本文所用，包括在权利要求中，在前缀为“至少一个”的一系列项中使用的“或”指示分离性列表，使得例如“A、B或C中的至少一者”是指A或B或C，或者AB或AC或BC，或者ABC(即，A和B和C)。另外，术语“示例性”并不意味着所述示例为优选的或比其他示例更好。

为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节，以便实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可行的。