(57)【要約】  一例では、装置は、フォトダイオードと、電荷貯蔵ユニットと、処理回路であって、第１の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を転送することと、第１の判定を生成するために、第１の電圧を第１のランピングしきい値電圧と比較することと、第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を生成することと、第２の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに残留電荷を転送することと、フォトダイオードが飽和したかどうかを判定して第２の判定を生成するために、第２の電圧を静的しきい値電圧と比較することと、第３の判定を生成するために、第２の電圧を第２のランピングしきい値電圧と比較することと、第３の判定に基づいて、第２のデジタル値を生成することと、第２の判定に基づいて、フォトダイオードによって受け取られた光の強度を表すための、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つを出力することとを行うように構成された、処理回路とを備える。【選択図】図１１
2021526327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、
電荷貯蔵ユニットと、
処理回路であって、
第１の電圧を生じさせるために、前記フォトダイオードから前記電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を転送することと、
第１の判定を生成するために、前記第１の電圧を第１のランピングしきい値電圧と比較することと、
前記第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を生成することと、
第２の電圧を生じさせるために、前記フォトダイオードから前記電荷貯蔵ユニットに残留電荷を転送することと、
前記フォトダイオードが飽和したかどうかを判定して第２の判定を生成するために、前記第２の電圧を静的しきい値電圧と比較することと、
第３の判定を生成するために、前記第２の電圧を第２のランピングしきい値電圧と比較することと、
前記第３の判定に基づいて、第２のデジタル値を生成することと、
前記第２の判定に基づいて、前記フォトダイオードによって受け取られた光の強度を表すための、前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値のうちの１つを出力することと
を行うように構成された、処理回路と
を備える装置。
【請求項２】
前記静的しきい値電圧が、前記フォトダイオードの飽和容量に等しい量の前記残留電荷を貯蔵したときに前記電荷貯蔵ユニットで生じた第３の電圧に基づく、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記静的しきい値電圧が、暗電流によって溜められた暗電荷を表す電圧オフセットにさらに基づく、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２のランピングしきい値電圧が、前記静的しきい値電圧から開始または終了する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
カウンタと、
メモリと
をさらに備え、
前記処理回路が、
前記第１の判定に基づいて、前記カウンタからの第１のカウント値を前記第１のデジタル値として前記メモリに記憶することと、
前記第３の判定に基づいて、前記カウンタからの第２のカウント値を前記第２のデジタル値として前記メモリに記憶することと、
前記第２の判定に基づいて、前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値のうちの１つを前記メモリから出力することと
を行うように構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記処理回路が、前記第２の判定に基づいて、前記メモリ内で前記第２のカウント値で前記第１のカウント値を上書きするように構成される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
レジスタをさらに備え、
前記処理回路が、
前記第２の判定を指示する第１のフラグ値を前記レジスタに記憶することと、
前記レジスタからの前記第１のフラグ値に基づいて、前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値のうちの１つを前記メモリから出力することと
を行うように構成される、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記処理回路が、
前記第１のランピングしきい値電圧が第１のブレークポイント電圧に達したときに、前記第１の判定のステータスを決定することと、
前記第１の判定の前記ステータスを指示する第２のフラグ値を前記レジスタに記憶することと、
前記レジスタからの前記第１のフラグ値および前記第２のフラグ値に基づいて、前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値のうちの１つを出力することと
を行うように構成される、
請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記処理回路が、前記第１のランピングしきい値電圧が前記第１のブレークポイント電圧に達したときに、前記カウンタをリセットするように構成される、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記処理回路が、
前記第２のランピングしきい値電圧が第２のブレークポイント電圧に達したときに、前記第３の判定のステータスを決定することと、
前記第３の判定の前記ステータスを指示する第２のフラグ値を前記レジスタに記憶することと、
前記レジスタからの前記第１のフラグ値および前記第２のフラグ値に基づいて、前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値のうちの１つを出力することと
を行うように構成される、
請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記処理回路が、前記第１のランピングしきい値電圧が前記第２のブレークポイント電圧に達したときに、前記カウンタをリセットするように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記静的しきい値電圧が、第１の静的しきい値電圧であり、
前記処理回路が、
第４の判定を生成するために、前記第１の電圧を、前記電荷貯蔵ユニットの飽和容量を表す第２の静的しきい値電圧と比較することと、
前記第４の判定を指示する第２のフラグ値を前記レジスタに記憶することと、
前記第４の判定に基づいて、前記カウンタからの第３のカウント値を第３のデジタル値として記憶することと、
前記第１のフラグ値および前記第２のフラグ値に基づいて、前記フォトダイオードによって受け取られた光の前記強度を表すための、前記第１のデジタル値、前記第２のデジタル値、または前記第３のデジタル値のうちの１つを出力することと
を行うように構成される、
請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
前記処理回路が、
所定の時間期間内に前記第１の電圧を前記第２の静的しきい値電圧と比較することと、
前記時間期間の所定の部分が経過したときに、前記第４の判定の第１のステータスを決定することと、
前記第４の判定の前記第１のステータスを指示する前記第１のフラグ値を前記レジスタに記憶することと、
前記時間期間が経過したときに、前記第４の判定の第２のステータスを決定することと、
前記第４の判定の前記第２のステータスを指示する前記第２のフラグ値を前記レジスタに記憶することと、
前記第１のフラグ値および前記第２のフラグ値に基づいて、前記フォトダイオードによって受け取られた光の前記強度を表すための、前記第１のデジタル値、前記第２のデジタル値、または前記第３のデジタル値のうちの１つを出力することと
を行うように構成される、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記処理回路が、前記時間期間の前記所定の部分が経過したときに、前記カウンタをリセットするように構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記電荷貯蔵ユニットの電荷貯蔵容量が、前記処理回路によって構成可能であり、
前記処理回路が、
前記第１の電圧を生じさせるために、第１の容量を有するように前記電荷貯蔵ユニットを構成することと、
前記第２の電圧を生じさせるために、前記第１の容量より小さい第２の容量を有するように前記電荷貯蔵ユニットを構成することと
を行うように構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記電荷貯蔵ユニットが、フローティングドレインノードおよびキャパシタを備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
第１の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を転送することと、
第１の判定を生成するために、前記第１の電圧を第１のランピングしきい値電圧と比較することと、
前記第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を生成することと、
第２の電圧を生じさせるために、前記フォトダイオードから前記電荷貯蔵ユニットに残留電荷を転送することと、
前記フォトダイオードが飽和したかどうかを判定して第２の判定を生成するために、前記第２の電圧を静的しきい値電圧と比較することと、
第３の判定を生成するために、前記第２の電圧を第２のランピングしきい値電圧と比較することと、
前記第３の判定に基づいて、第２のデジタル値を生成することと、
前記第２の判定に基づいて、前記フォトダイオードによって受け取られた光の強度を表すための、前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値のうちの１つを出力することと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記静的しきい値電圧が、前記フォトダイオードの飽和容量に等しい量の前記残留電荷を貯蔵したときに前記電荷貯蔵ユニットで生じた第３の電圧に基づき、暗電流によって溜められた暗電荷を表す電圧オフセットに基づく、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２のランピングしきい値電圧が、前記静的しきい値電圧から開始または終了する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の判定に基づいて、カウンタからの第１のカウント値を前記第１のデジタル値としてメモリに記憶することと、
前記第３の判定に基づいて、前記カウンタからの第２のカウント値を前記第２のデジタル値として前記メモリに記憶することと、
前記第２の判定に基づいて、前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値のうちの１つを前記メモリから出力することと
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願
本特許出願は、その全体がすべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年６月１１日に出願された、「ＤＩＧＩＴＡＬ  ＰＩＸＥＬ  ＳＥＮＳＯＲ  ＷＩＴＨ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＱＵＡＮＴＩＺＡＴＩＯＮ  ＭＯＤＥＳ」と題する米国仮特許出願第６２／６８３，５５０号、および２０１９年６月７日に出願された、「ＤＩＧＩＴＡＬ  ＰＩＸＥＬ  ＷＩＴＨ  ＥＸＴＥＮＤＥＤ  ＤＹＮＡＭＩＣ  ＲＡＮＧＥ」と題する米国特許出願第１６／４３５，４５１号の優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、一般に画像センサーに関し、より詳細には、画像生成のために光強度を決定するためのインターフェース回路要素を含むピクセルセル構造に関する。
【０００３】
一般的な画像センサーは、光子を電荷（たとえば、電子または正孔）に変換することによって入射光を検知するためのフォトダイオードを含む。画像センサーは、露光期間中にフォトダイオードによって生成された電荷を収集するためのキャパシタとして構成されたフローティングノードをさらに含む。収集された電荷は、キャパシタにおいて電圧を生じさせることができる。電圧は、バッファされ、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に与えられ得、ＡＤＣは、電圧を、入射光の強度を表すデジタル値に量子化することができる。しかしながら、量子化の正確さは、フローティングノードにおける暗電流などの様々な雑音ソースによって影響を及ぼされ得る。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、画像センサーに関する。より詳細には、限定はしないが、本開示は、ピクセルセルに関する。本開示はまた、異なる測定モードで入射光の強度を測定するために、ピクセルセルの回路要素を動作させることに関する。
【０００５】
本開示は、入射光の強度を測定するための装置を提供する。
【０００６】
一例では、装置が提供される。装置は、フォトダイオードと、電荷貯蔵ユニットと、処理回路とを備える。処理回路は、第１の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を転送することと、第１の判定を生成するために、第１の電圧を第１のランピングしきい値電圧と比較することと、第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を生成することと、第２の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに残留電荷を転送することと、フォトダイオードが飽和したかどうかを判定して第２の判定を生成するために、第２の電圧を静的しきい値電圧と比較することと、第３の判定を生成するために、第２の電圧を第２のランピングしきい値電圧と比較することと、第３の判定に基づいて、第２のデジタル値を生成することと、第２の判定に基づいて、フォトダイオードによって受け取られた光の強度を表すための、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つを出力することとを行うように構成される。
【０００７】
いくつかの態様では、静的しきい値電圧は、フォトダイオードの飽和容量に等しい量の残留電荷を貯蔵したときに電荷貯蔵ユニットで生じた第３の電圧に基づく。
【０００８】
いくつかの態様では、静的しきい値電圧は、暗電流によって溜められた暗電荷を表す電圧オフセットにさらに基づく。
【０００９】
いくつかの態様では、第２のランピングしきい値電圧は、静的しきい値電圧から開始または終了する。
【００１０】
いくつかの態様では、装置が、カウンタと、メモリとをさらに備える。処理回路は、第１の判定に基づいて、カウンタからの第１のカウント値を第１のデジタル値としてメモリに記憶することと、第３の判定に基づいて、カウンタからの第２のカウント値を第２のデジタル値としてメモリに記憶することと、第２の判定に基づいて、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つをメモリから出力することとを行うように構成される。
【００１１】
いくつかの態様では、処理回路は、第２の判定に基づいて、メモリ内で第２のカウント値で第１のカウント値を上書きするように構成される。
【００１２】
いくつかの態様では、装置は、レジスタをさらに備える。処理回路は、第２の判定を指示する第１のフラグ値をレジスタに記憶することと、レジスタからの第１のフラグ値に基づいて、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つをメモリから出力することとを行うように構成される。
【００１３】
いくつかの態様では、処理回路は、第１のランピングしきい値電圧が第１のブレークポイント電圧に達したときに、第１の判定のステータスを決定することと、第１の判定のステータスを指示する第２のフラグ値をレジスタに記憶することと、レジスタからの第１のフラグ値および第２のフラグ値に基づいて、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つを出力することとを行うように構成される。
【００１４】
いくつかの態様では、処理回路は、第１のランピングしきい値電圧が第１のブレークポイント電圧に達したときに、カウンタをリセットするように構成される。
【００１５】
いくつかの態様では、処理回路は、第２のランピングしきい値電圧が第２のブレークポイント電圧に達したときに、第３の判定のステータスを決定することと、第３の判定のステータスを指示する第２のフラグ値をレジスタに記憶することと、レジスタからの第１のフラグ値および第２のフラグ値に基づいて、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つを出力することとを行うように構成される。
【００１６】
いくつかの態様では、処理回路は、第１のランピングしきい値電圧が第２のブレークポイント電圧に達したときに、カウンタをリセットするように構成される。
【００１７】
いくつかの態様では、静的しきい値電圧は、第１の静的しきい値電圧である。処理回路は、第４の判定を生成するために、第１の電圧を、電荷貯蔵ユニットの飽和容量を表す第２の静的しきい値電圧と比較することと、第４の判定を指示する第２のフラグ値をレジスタに記憶することと、第４の判定に基づいて、カウンタからの第３のカウント値を第３のデジタル値として記憶することと、第１のフラグ値および第２のフラグ値に基づいて、フォトダイオードによって受け取られた光の強度を表すための、第１のデジタル値、第２のデジタル値、または第３のデジタル値のうちの１つを出力することとを行うように構成される。
【００１８】
いくつかの態様では、処理回路は、所定の時間期間内に第１の電圧を第２の静的しきい値電圧と比較することと、時間期間の所定の部分が経過したときに、第４の判定の第１のステータスを決定することと、第４の判定の第１のステータスを指示する第１のフラグ値をレジスタに記憶することと、時間期間が経過したときに、第４の判定の第２のステータスを決定することと、第４の判定の第２のステータスを指示する第２のフラグ値をレジスタに記憶することと、第１のフラグ値および第２のフラグ値に基づいて、フォトダイオードによって受け取られた光の強度を表すための、第１のデジタル値、第２のデジタル値、または第３のデジタル値のうちの１つを出力することとを行うように構成される。
【００１９】
いくつかの態様では、処理回路は、時間期間の所定の部分が経過したときに、カウンタをリセットするように構成される。
【００２０】
いくつかの態様では、電荷貯蔵ユニットの電荷貯蔵容量は、処理回路によって構成可能である。処理回路は、第１の電圧を生じさせるために、第１の容量を有するように電荷貯蔵ユニットを構成することと、第２の電圧を生じさせるために、第１の容量より小さい第２の容量を有するように電荷貯蔵ユニットを構成することとを行うように構成される。
【００２１】
いくつかの態様では、電荷貯蔵ユニットは、フローティングドレインノードおよびキャパシタを備える。
【００２２】
一例では、方法が提供される。方法は、第１の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を転送することと、第１の判定を生成するために、第１の電圧を第１のランピングしきい値電圧と比較することと、第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を生成することと、第２の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに残留電荷を転送することと、フォトダイオードが飽和したかどうかを判定して第２の判定を生成するために、第２の電圧を静的しきい値電圧と比較することと、第３の判定を生成するために、第２の電圧を第２のランピングしきい値電圧と比較することと、第３の判定に基づいて、第２のデジタル値を生成することと、第２の判定に基づいて、フォトダイオードによって受け取られた光の強度を表すための、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つを出力することとを含む。
【００２３】
いくつかの態様では、静的しきい値電圧は、フォトダイオードの飽和容量に等しい量の残留電荷を貯蔵したときに電荷貯蔵ユニットで生じた第３の電圧に基づき、暗電流によって溜められた暗電荷を表す電圧オフセットに基づく。
【００２４】
いくつかの態様では、第２のランピングしきい値電圧は、静的しきい値電圧から開始または終了する。
【００２５】
いくつかの態様では、方法は、第１の判定に基づいて、カウンタからの第１のカウント値を第１のデジタル値としてメモリに記憶することと、第３の判定に基づいて、カウンタからの第２のカウント値を第２のデジタル値としてメモリに記憶することと、第２の判定に基づいて、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つをメモリから出力することとをさらに含む。
【００２６】
以下の図を参照しながら、例示的な例が説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】ニアアイディスプレイの一例の図である。
【図１Ｂ】ニアアイディスプレイの一例の図である。
【図２】ニアアイディスプレイの断面の一例の図である。
【図３】単一のソースアセンブリをもつ導波路ディスプレイの一例の等角図である。
【図４】導波路ディスプレイの一例の断面を示す図である。
【図５】ニアアイディスプレイを含むシステムの一例のブロック図である。
【図６】ピクセルセルの例のブロック図である。
【図７】図６の例による、異なる範囲の光強度を決定するための動作を示す図である。
【図８】図６のピクセルセルの内部構成要素の例を示す図である。
【図９Ａ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図９Ｂ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図１０Ａ】量子化を実施するための技法を示す図である。
【図１０Ｂ】量子化を実施するための技法を示す図である。
【図１１】ピクセルセルの一例のブロック図である。
【図１２】光強度測定を実施するための制御信号の例示的なシーケンスを示す図である。
【図１３Ａ】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンス、および測定結果の例を示す図である。
【図１３Ｂ】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンス、および測定結果の例を示す図である。
【図１４Ａ】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンスを示す図である。
【図１４Ｂ】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンスを示す図である。
【図１５】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンスを示す図である。
【図１６】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンスを示す図である。
【図１７】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンスを示す図である。
【図１８】光強度を測定するための例示的なプロセスのフローチャートである。
【図１９】光強度を測定するための別の例示的なプロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図は、単に説明の目的で本開示の例を示す。本開示の原理またはうたわれている利益から逸脱することなく、示される構造および方法の代替例が採用され得ることを、当業者は以下の説明から容易に認識されよう。
【００２９】
添付の図において、同様の構成要素および／または特徴は、同じ参照ラベルを有し得る。さらに、同じタイプの様々な構成要素は、同様の構成要素間を区別するダッシュおよび第２のラベルを参照ラベルの後に続けることによって区別され得る。第１の参照ラベルのみが明細書において使用される場合、説明は、第２の参照ラベルには関係なく同じ第１の参照ラベルを有する同様の構成要素のいずれか１つに適用可能である。
【００３０】
以下の説明では、説明の目的で、いくつかの発明の例の完全な理解を提供するために、具体的な詳細が記載される。ただし、様々な例がこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることは明らかであろう。図および説明は、限定するものではない。
【００３１】
一般的な画像センサーは、光子を電荷（たとえば、電子または正孔）に変換することによって入射光を検知するためのフォトダイオードを含む。画像センサーは、露光期間中にフォトダイオードによって生成された電荷を収集するためのキャパシタとして構成されたフローティングノードをさらに含む。収集された電荷は、キャパシタにおいて電圧を生じさせることができる。電圧は、バッファされ、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に与えられ得、ＡＤＣは、電圧を、入射光の強度を表すデジタル値に変換することができる。
【００３２】
ある期間内にフローティングノードにおいて貯蔵された電荷の量を反映する、ＡＤＣによって生成されたデジタル値は、入射光の強度に相関し得る。しかしながら、相関の程度は、異なる要因によって影響を及ぼされ得る。第１に、フローティングノードに貯蔵された電荷の量は、フローティングノードが飽和限界に達するまで、入射光の強度に直接関係し得る。飽和限界を超えると、フローティングノードは、フォトダイオードによって生成された追加の電荷を受け入れることができないことがあり、追加の電荷は、漏洩され、貯蔵されないことがある。その結果、フローティングノードにおいて貯蔵された電荷の量は、フォトダイオードによって実際に生成された電荷の量よりも少なくなり得る。飽和限界は、画像センサーの測定可能な光強度の上限を決定し得る。
【００３３】
また、様々な要因が、画像センサーの測定可能な光強度の下限を設定することがある。たとえば、フローティングノードにおいて収集された電荷は、入射光の強度に関係しない雑音電荷、ならびに暗電流によってもたらされる暗電荷を含み得る。暗電流は、結晶欠陥により、フォトダイオードのｐｎ接合においておよびキャパシタに接続された他の半導体デバイスのｐｎ接合において生成される、漏洩電流を含むことがある。暗電流は、キャパシタ中に流れ、入射光の強度に相関されない電荷を追加することがある。フォトダイオードにおいて生成される暗電流は、一般的に、他の半導体デバイスにおいて生成される暗電流よりも小さい。雑音電荷の別のソースは、他の回路要素との容量結合であり得る。たとえば、ＡＤＣ回路要素が、フローティングノードに貯蔵された電荷の量を決定するための読取り動作を実施するとき、ＡＤＣ回路要素は、容量結合を通してフローティングノードに雑音電荷を導入することがある。
【００３４】
雑音電荷のほかに、ＡＤＣは、電荷の量を決定する際の測定誤差をも導入することがある。測定誤差は、デジタル出力と入射光の強度との間の相関の程度を低下させることがある。測定誤差の１つのソースは量子化誤差である。量子化プロセスにおいて、電荷の量の連続セットを表すために、量レベルの離散セットが使用され、各量レベルは、電荷の所定の量を表すことができる。ＡＤＣは、電荷の入力量を量レベルと比較し、入力量に最も近い量レベルを決定し、決定された量レベルを（たとえば、量レベルを表すデジタルコードの形式で）出力することができる。量子化誤差は、量レベルによって表される電荷の量と、量レベルにマッピングされる電荷の入力量との間に不一致があるとき、発生することがある。量子化誤差は、（たとえば、２つの隣接する量レベル間の電荷量の差を低減することによって）より小さい量子化ステップサイズを伴って低減され得る。測定誤差の他のソースは、たとえば、電荷の量の測定における不確実性を増やす、（たとえば、ＡＤＣ回路要素の）デバイス雑音と比較器オフセットとをも含み得る。雑音電荷、暗電荷、ならびにＡＤＣ測定誤差は、画像センサーの測定可能な光強度の下限を定義することがあるが、飽和限界は、画像センサーの測定可能な光強度の上限を決定し得る。上限と下限との間の比がダイナミックレンジを定義し、ダイナミックレンジは、画像センサーのための動作光強度の範囲を設定し得る。
【００３５】
画像センサーは、多くの異なるアプリケーションにおいて見られ得る。一例として、画像センサーは、デジタル撮像を提供するためのデジタル撮像デバイス（たとえば、デジタルカメラ、スマートフォンなど）中に含まれる。別の例として、画像センサーは、ウェアラブル仮想現実（ＶＲ）システムならびに／あるいは拡張現実（ＡＲ）および／または複合現実（ＭＲ）システム中のニアアイディスプレイのディスプレイコンテンツを制御するかまたはそのディスプレイコンテンツに影響を与えることなど、デバイスの動作を制御するかまたはデバイスの動作に影響を与えるための入力デバイスとして構成され得る。たとえば、画像センサーは、ユーザが位置する物理的環境の物理的画像データを生成するために使用され得る。物理的画像データは、たとえば、物理的環境におけるユーザのロケーション、ユーザの向き、および／またはユーザの移動の経路を追跡するための同時位置特定およびマッピング（ＳＬＡＭ）アルゴリズムを動作させるロケーション追跡システムに提供され得る。画像センサーは、物理的環境におけるユーザと物体との間の距離を測定するためのステレオ深度情報を含む、物理的画像データを生成するためにも使用され得る。画像センサーはまた、近赤外（ＮＩＲ：ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ）センサーとして構成され得る。照明器が、ユーザの眼球にＮＩＲ光のパターンを投影し得る。眼球の内部構造（たとえば、瞳孔）が、ＮＩＲ光から反射パターンを生成し得る。画像センサーは、反射パターンの画像をキャプチャし、その画像を、ユーザの眼球の移動を追跡してユーザの注視点を決定するためのシステムに提供することができる。これらの物理的画像データに基づいて、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、ユーザにインタラクティブ体験を提供するために、ニアアイディスプレイを介してユーザに表示するための仮想画像データを生成および更新し得る。たとえば、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、（物体に対するユーザの関心をシグナリングし得る）ユーザの注視する方向、ユーザのロケーションなどに基づいて仮想画像データを更新し得る。
【００３６】
ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、極めて広範囲の光強度を伴う環境において動作し得る。たとえば、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、屋内環境または屋外環境において、および／あるいは１日の異なる時間において動作することが可能であり得、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの動作環境の光強度は大幅に変動し得る。その上、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムはまた、上述のＮＩＲ眼球追跡システムを含み得、これは、眼球に損傷を与えることを防ぐために、ユーザの眼球に極めて低い強度の光を投影することを必要とし得る。その結果、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの画像センサーは、異なる動作環境に関連する極めて広範囲の光強度にわたって適切に動作すること（たとえば、入射光の強度と相関する出力を生成すること）が可能であるために、広いダイナミックレンジを有する必要があり得る。ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの画像センサーは、ユーザのロケーション、向き、注視点などの追跡を可能にするために十分高速で画像を生成する必要もあり得る。比較的限られたダイナミックレンジをもち、比較的低速で画像を生成する画像センサーは、そのようなウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムに好適でないことがある。
【００３７】
本開示は、拡張されたダイナミックレンジを提供することができるピクセルセルに関する。ピクセルセルは、フォトダイオードと、電荷貯蔵ユニットと、フォトダイオードと電荷貯蔵ユニットとの間の転送ゲートとして構成されたトランジスタと、処理回路とを含み得る。フォトダイオードは、入射光に応答して電荷を生成し、フォトダイオードが飽和するまで、電荷の少なくとも一部を残留電荷として貯蔵することができる。電荷貯蔵ユニットは、トランジスタのフローティングドレイン、金属キャパシタ、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）キャパシタ、またはそれらの任意の組合せであり得る。電荷貯蔵ユニットは、第１の電圧を生じさせるために、オーバーフロー電荷を貯蔵することができ、オーバーフロー電荷は、フォトダイオードが飽和し、追加の電荷を貯蔵することができないとき、フォトダイオードから転送される電荷である。電荷貯蔵ユニットはフローティングドレインノードを含み得る。
【００３８】
処理回路は、入射光の強度を、測定の複数のモードを実施することによって測定することができる。測定の第１のモードにおいて、処理回路は、第１の電圧を第１のランピングしきい値電圧と比較することによって量子化プロセスを実施して、第１の判定を生成することができる。第１の判定が、第１の電圧が第１のランピングしきい値電圧を越えることを指示するとき、第１のカウント値が、カウンタからキャプチャされ、メモリに記憶され得る。第１のカウント値は、第１のランピングしきい値電圧が第１の電圧を越えるのにかかった時間の測定値を表すことができ、これは、電荷貯蔵ユニットに貯蔵されたオーバーフロー電荷を量子化した結果をも表すことができる。オーバーフロー電荷の量は、入射光の強度に比例し得る。本開示の残部では、測定の第１のモードは「ＦＤ  ＡＤＣ」動作と呼ばれることがある。
【００３９】
処理回路は、測定の第２のモードについて第２の電荷を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵デバイスに残留電荷を転送することができる。測定の第２のモードにおいて、処理回路は、第２の電圧を第２のランピングしきい値電圧と比較することによって別の量子化プロセスを実施して、第２の判定を生成することができる。第２の判定が、第１が第２のランピング基準電圧を越えることを指示するとき、第２のカウント値が、カウンタからキャプチャされ、メモリに記憶され得る。第２のカウント値は、第２のランピングしきい値電圧が第２の電圧を越えるのにかかった時間の測定値を表すことができ、これは、電荷貯蔵ユニットに貯蔵された残留電荷を量子化した結果をも表す。残留電荷の量は、入射光の強度に比例し得る。本開示の残部では、測定の第２のモードは「ＰＤ  ＡＤＣ」動作と呼ばれることがある。
【００４０】
いくつかの例では、処理回路は、測定の第３のモードをも実施することができる。測定の第３のモードにおいて、処理回路は、第１の電圧を、電荷貯蔵ユニットの飽和限界を表す静的しきい値電圧と比較して、第３の判定を生成することができる。第３の判定が、電荷貯蔵ユニットが飽和限界に達するかまたは飽和限界を超えることを指示するとき、第３のカウント値が、カウンタからキャプチャされ、メモリに記憶され得る。第３のカウント値は、電荷貯蔵ユニットが飽和されるのにかかった時間の測定値を表すことができ、持続時間は、入射光の強度に反比例し得る。本開示の残部では、測定の第３のモードは、飽和までの時間（ＴＴＳ）測定動作と呼ばれることがある。いくつかの例では、測定の第３のモードは、測定の第１のモードの前に実施され得る。
【００４１】
測定の異なるモードは、異なる光強度範囲を対象にし得、処理回路は、入射光がどの光強度範囲に属するかに基づいて、入射光の強度を表すための、第１のカウント値、第２のカウント値、または第３のカウント値のうちの１つをメモリから出力することができる。測定の第１のモードは、フォトダイオードが全容量に達し、飽和することが予想される、中光強度範囲を対象とし得る。測定の第２のモードは、フォトダイオードが飽和することが予想されない、低光強度範囲を対象とし得る。測定の第３のモードは、電荷貯蔵ユニットが飽和する、高光強度範囲を対象とし得る。
【００４２】
上記で説明されたように、処理回路は、入射光の強度を表すための、第１のカウント値、第２のカウント値、または第３のカウント値のうちの１つをメモリから選択することができる。選択は、第１および第３の判定出力の１つまたは複数に基づき得る。たとえば、第３の判定出力が、電荷貯蔵ユニットが飽和したことを指示する場合、第３のカウント値は、第１および第２のカウント値より優先して、出力として選択され得る。第３の判定出力が、電荷貯蔵ユニットが飽和していないことを指示する場合、第３のカウント値は捨てられ得、処理回路は、第１および第２のカウント値から出力として選択し得る。（オーバーフロー電荷に基づく）第１の判定出力が、フォトダイオードが飽和したことを指示する場合、処理回路は、電荷貯蔵ユニットに貯蔵されたオーバーフロー電荷の量を測定する第１のカウント値を出力として選択し得る。しかし、第１の判定出力または第２の判定出力が、フォトダイオードが飽和していないことを指示する場合、処理回路は、フォトダイオードに貯蔵された残留電荷の量を測定する第２のカウント値を出力として選択し得る。いくつかの例では、ピクセルセルは、第１、第２、および第３の判定のうちの少なくともいくつかをフラグとして記憶するためのレジスタのセットを含み得る。処理回路は、フラグ値に基づいて、カウント値をメモリに記憶するべきか、測定の各モードにおけるカウント値を捨てるべきか、または、測定のすべてのモードが完了した後、カウント値のどれをメモリから出力するべきかを判定することができる。
【００４３】
上記で説明されたマルチモード測定動作は、ピクセルセルによる光強度測定のダイナミックレンジを拡張することができる。詳細には、ＴＴＳ測定動作は、電荷貯蔵ユニットを飽和させる強度レベルを超える高光強度の測定を可能にし、これは、ダイナミックレンジの上限を拡張することができる。その上、ＰＤ  ＡＤＣ動作は、低光強度について、フォトダイオードに貯蔵された残留電荷を測定する。フォトダイオードは、一般的に、ごくわずかな暗電流を受け取るので、暗電流によって引き起こされる暗電荷の大きさは、入射光によって引き起こされる実信号に対して小さいままであり得、これは、検出可能な入射光強度を低減し、ダイナミックレンジの下限を押し下げることができる。
【００４４】
マルチモード測定動作は、ピクセルセルのダイナミックレンジを拡張することができるが、光強度測定の正確さは、依然として、様々な雑音ソースによって影響を及ぼされ得る。１つの雑音ソースは、暗電流であり得る。特に、上記で説明されたように、処理回路は、第１の判定が、フォトダイオードが飽和したことを指示するかどうかに基づいて、第１のカウント値または第２のカウント値のうちの１つを出力として選択し、ここで、第１の判定は、電荷貯蔵ユニットにおける第１の電圧を、第１の電圧ランプの一部としてのオーバーフロー電荷がないことを表すしきい値電圧と比較することに基づいて生成される。しかし、第１の判定は、フローティングドレインノードに暗電荷を印加し得る暗電流によって影響を及ぼされ得、フローティングドレインノードは、典型的には、特に、フォトダイオードがピン型フォトダイオードであるとき、フォトダイオードと比較して、かなり大きい暗電流を受け取る。フローティングドレインノードは、オーバーフロー電荷と同時に暗電荷を蓄積するので、暗電荷は比較的大きくなり得、正しくない第１の判定につながり得る。たとえば、フローティングドレインノードは、オーバーフロー電荷を貯蔵し得ないが、フローティングドレインノードに蓄積された暗電荷は、フローティングドレインノードがオーバーフロー電荷を貯蔵したことを指示する正しくない第１の判定を引き起こすのに十分大きくなり得る。正しくない第１の判定は、処理回路が、低強度範囲での入射光の正しい表現を提供する第２のカウント値を捨てることを引き起こすことができる。その結果、処理回路は、入射光強度を表すための、正しくないカウント値をメモリから出力し得る。
【００４５】
マルチモード測定動作に影響を及ぼす別の雑音ソースは、量子化誤差である。上記で説明されたように、カウンタからのカウント値は、ランピング電圧が、（ＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣについての）電荷貯蔵デバイスにおける電圧に達するための時間の測定値、または、電荷貯蔵デバイスにおける電圧が、（ＴＴＳについての）飽和限界に達するための時間の測定値を表すことができる。両方の場合、時間の測定値の正確さは、カウンタがカウント値を更新する頻度、および、測定されることになる持続時間によって定義され得、これらの両方が、量子化誤差を定義し得る。ＰＤ  ＡＤＣ動作が暗電流の影響を受けにくかったとしても、量子化誤差は、最小の検出可能な光強度を定義し、ダイナミックレンジのより低い限界を設定することができる。
【００４６】
本開示は、暗電流および量子化誤差の影響を軽減するためのいくつかの技法を提案する。いくつかの例では、第２の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに残留電荷を転送した後、処理回路は、フォトダイオードが飽和したかどうかを判定するために、第２の電圧を、フォトダイオードを飽和させる残留電荷の量を表す静的しきい値と比較することができる。静的しきい値は、このような量の残留電荷が電荷貯蔵ユニットに貯蔵されたときに、電荷貯蔵ユニットで生じた電圧に基づき得る。残留電荷に基づいてフォトダイオードの飽和を検出することは、オーバーフロー電荷に基づくよりも、暗電流の影響を受けにくくし得る。これは、フォトダイオードが典型的にはずっと少ない暗電流を受け取る一方で、フローティングドレインノードへの残留電荷の転送のための時間も比較的短く、これらの両方が、フローティングドレインノード内に存在する暗電荷を低減することができるからである。
【００４７】
いくつかの例では、ＴＴＳ、ＦＤ  ＡＤＣ、およびＰＤ  ＡＤＣ測定のそれぞれは、１つまたは複数のブレークポイントに基づく２つ以上のサブステージに分けられ得る。処理回路は、これらのブレークポイントにおいて、（ＦＤ  ＡＤＣについての）第１の判定のステータス、（ＰＤ  ＡＤＣについての）第２の判定のステータス、および／または（ＴＴＳについての）第３の判定のステータスを検査し、これらの判定のステータスに基づいて、フォトダイオードまたは電荷貯蔵ユニットが飽和したかどうかを判定することができる。このような仕組みは、フォトダイオードの、および電荷貯蔵ユニットの飽和の検出に冗長性を導入することができ、これは、検出の正確さを改善することができる。その上、カウンタは、各サブステージの始まりにおいてリセットされ得、これは、カウンタの完全な出力範囲によって測定されることになる時間の範囲（および対応する入力電圧範囲）を収縮させる。カウンタの同じビット数で、カウンタは、時間の低減された範囲を測定するために、より高い頻度で更新することができ、これは、量子化誤差を低減することができる。これらすべては、マルチモード測定動作の正確さをさらに改善することができる。
【００４８】
本開示の例は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムに関連して実装され得る。人工現実は、ユーザへの提示の前に何らかの様式で調整された形式の現実であり、これは、たとえば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、あるいはそれらの何らかの組合せおよび／または派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ、またはキャプチャされた（たとえば、現実世界の）コンテンツと組み合わせられた生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、触覚フィードバック、またはそれらの何らかの組合せを含み得、それらのいずれも、単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示され得る（観察者に３次元効果をもたらすステレオビデオなど）。加えて、いくつかの例では、人工現実は、たとえば、人工現実におけるコンテンツを作り出すために使用される、および／または人工現実において別様に使用される（たとえば、人工現実におけるアクティビティを実施する）アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組合せにも関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、独立型ＨＭＤ、モバイルデバイスまたはコンピューティングシステム、あるいは、１人または複数の観察者に人工現実コンテンツを提供することが可能な任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装され得る。
【００４９】
図１Ａは、ニアアイディスプレイ１００の一例の図である。ニアアイディスプレイ１００は、ユーザにメディアを提示する。ニアアイディスプレイ１００によって提示されるメディアの例は、１つまたは複数の画像、ビデオ、および／またはオーディオを含む。いくつかの例では、オーディオは、外部デバイス（たとえば、スピーカーおよび／またはヘッドフォン）を介して提示され、この外部デバイスは、ニアアイディスプレイ１００、コンソール、またはその両方からオーディオ情報を受け取り、そのオーディオ情報に基づいてオーディオデータを提示する。ニアアイディスプレイ１００は、概して、仮想現実（ＶＲ）ディスプレイとして動作するように構成される。いくつかの例では、ニアアイディスプレイ１００は、拡張現実（ＡＲ）ディスプレイおよび／または複合現実（ＭＲ）ディスプレイとして動作するように変更される。
【００５０】
ニアアイディスプレイ１００は、フレーム１０５とディスプレイ１１０とを含む。フレーム１０５は、１つまたは複数の光学要素に結合される。ディスプレイ１１０は、ユーザがニアアイディスプレイ１００によって提示されたコンテンツを見るように構成される。いくつかの例では、ディスプレイ１１０は、１つまたは複数の画像からの光をユーザの眼に向けるための導波路ディスプレイアセンブリを備える。
【００５１】
ニアアイディスプレイ１００は、画像センサー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄをさらに含む。画像センサー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄの各々は、異なる方向に沿った異なる視野を表す画像データを生成するように構成されたピクセルアレイを含み得る。たとえば、センサー１２０ａおよび１２０ｂは、Ｚ軸に沿った方向Ａに向かう２つの視野を表す画像データを提供するように構成され得、センサー１２０ｃは、Ｘ軸に沿った方向Ｂに向かう視野を表す画像データを提供するように構成され得、センサー１２０ｄは、Ｘ軸に沿った方向Ｃに向かう視野を表す画像データを提供するように構成され得る。
【００５２】
いくつかの例では、センサー１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００を装着したユーザにインタラクティブＶＲ／ＡＲ／ＭＲ体験を提供するために、ニアアイディスプレイ１００のディスプレイコンテンツを制御するかまたはニアアイディスプレイ１００のディスプレイコンテンツに影響を与えるための入力デバイスとして構成され得る。たとえば、センサー１２０ａ〜１２０ｄは、ユーザが位置する物理的環境の物理的画像データを生成することができる。物理的画像データは、物理的環境におけるユーザのロケーションおよび／または移動の経路を追跡するためのロケーション追跡システムに提供され得る。システムは、次いで、インタラクティブ体験を提供するために、たとえば、ユーザのロケーションおよび向きに基づいて、ディスプレイ１１０に提供された画像データを更新することができる。いくつかの例では、ロケーション追跡システムは、ユーザが物理的環境内を移動するにつれて、物理的環境におけるおよびユーザの視野内の物体のセットを追跡するために、ＳＬＡＭアルゴリズムを動作させ得る。ロケーション追跡システムは、物体のセットに基づいて物理的環境のマップを構築および更新し、マップ内のユーザのロケーションを追跡することができる。複数の視野に対応する画像データを提供することによって、センサー１２０ａ〜１２０ｄは、ロケーション追跡システムに物理的環境のより全体的なビューを提供することができ、これは、より多くの物体がマップの構築および更新に含まれることにつながり得る。そのような仕組みにより、物理的環境内のユーザのロケーションを追跡することの正確さおよびロバストネスが改善され得る。
【００５３】
いくつかの例では、ニアアイディスプレイ１００は、物理的環境に光を投影するための１つまたは複数のアクティブ照明器１３０をさらに含み得る。投影された光は、異なる周波数スペクトル（たとえば、可視光、赤外光、紫外光など）に関連付けられ得、様々な目的を果たすことができる。たとえば、照明器１３０は、たとえば、ユーザのロケーション追跡を可能にするために、センサー１２０ａ〜１２０ｄが暗い環境内の異なる物体の画像をキャプチャするのを支援するために、暗い環境において（または、低強度の赤外光、紫外光などを伴う環境において）光を投影し得る。照明器１３０は、ロケーション追跡システムがマップ構築／更新のために物体を識別するのを支援するために、環境内の物体上にいくつかのマーカーを投影し得る。
【００５４】
いくつかの例では、照明器１３０は、立体撮像をも可能にし得る。たとえば、センサー１２０ａまたは１２０ｂのうちの１つまたは複数は、可視光検知のための第１のピクセルアレイと赤外（ＩＲ）光検知のための第２のピクセルアレイの両方を含むことができる。第１のピクセルアレイは、カラーフィルタ（たとえば、バイエルフィルタ）で覆われ得、第１のピクセルアレイの各ピクセルが、特定の色（たとえば、赤色、緑色または青色のうちの１つ）に関連付けられた光の強度を測定するように構成される。また、（ＩＲ光検知のための）第２のピクセルアレイは、ＩＲ光の通過のみを可能にするフィルタで覆われ得、第２のピクセルアレイの各ピクセルが、ＩＲ光の強度を測定するように構成される。ピクセルアレイは、物体のＲＧＢ画像およびＩＲ画像を生成することができ、ＩＲ画像の各ピクセルが、ＲＧＢ画像の各ピクセルにマッピングされる。照明器１３０は、物体上にＩＲマーカーのセットを投影し得、その画像は、ＩＲピクセルアレイによってキャプチャされ得る。画像に示されている物体のＩＲマーカーの分布に基づいて、システムは、ＩＲピクセルアレイからの物体の異なる部分の距離を推定し、その距離に基づいて物体の立体画像を生成することができる。物体の立体画像に基づいて、システムは、たとえば、ユーザに対する物体の相対位置を決定することができ、インタラクティブ体験を提供するために、相対位置情報に基づいて、ディスプレイ１００に提供された画像データを更新することができる。
【００５５】
上記で説明されたように、ニアアイディスプレイ１００は、極めて広範囲の光強度に関連する環境において動作され得る。たとえば、ニアアイディスプレイ１００は、屋内環境または屋外環境において、および／あるいは１日の異なる時間において動作され得る。ニアアイディスプレイ１００はまた、アクティブ照明器１３０がオンにされていてもいなくても動作し得る。その結果、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００のための異なる動作環境に関連する極めて広範囲の光強度にわたって適切に動作すること（たとえば、入射光の強度と相関する出力を生成すること）が可能であるために、広いダイナミックレンジを有する必要があり得る。
【００５６】
図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００の別の例の図である。図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００を装着したユーザの（１つまたは複数の）眼球１３５に面するニアアイディスプレイ１００の側面を示す。図１Ｂに示されているように、ニアアイディスプレイ１００は、複数の照明器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆをさらに含み得る。ニアアイディスプレイ１００は、複数の画像センサー１５０ａおよび１５０ｂをさらに含む。照明器１４０ａ、１４０ｂ、および１４０ｃは、（図１Ａの方向Ａと反対である）方向Ｄに向かってある周波数範囲（たとえば、ＮＩＲ）の光を放出し得る。放出された光は、あるパターンに関連付けられ得、ユーザの左眼球によって反射され得る。センサー１５０ａは、反射光を受け取り、反射パターンの画像を生成するためのピクセルアレイを含み得る。同様に、照明器１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆは、パターンを搬送するＮＩＲ光を放出し得る。ＮＩＲ光は、ユーザの右眼球によって反射され得、センサー１５０ｂによって受け取られ得る。センサー１５０ｂも、反射パターンの画像を生成するためのピクセルアレイを含み得る。センサー１５０ａおよび１５０ｂからの反射パターンの画像に基づいて、システムは、ユーザの注視点を決定し、ユーザにインタラクティブ体験を提供するために、決定された注視点に基づいて、ディスプレイ１００に提供された画像データを更新することができる。
【００５７】
上記で説明されたように、ユーザの眼球に損傷を与えることを回避するために、照明器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆは、一般的に、極めて低強度の光を出力するように構成される。画像センサー１５０ａおよび１５０ｂが図１Ａの画像センサー１２０ａ〜１２０ｄと同じセンサーデバイスを備える場合、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄは、入射光の強度が極めて低いときに入射光の強度と相関する出力を生成することが可能である必要があり得、これは、画像センサーのダイナミックレンジ要件をさらに増加させ得る。
【００５８】
その上、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄは、眼球の移動を追跡するために高速で出力を生成することが可能である必要があり得る。たとえば、ユーザの眼球は、ある眼球位置から別の眼球位置への素早いジャンプがあり得る極めて急速な移動（たとえば、サッカード運動）を実施することができる。ユーザの眼球の急速な移動を追跡するために、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄは、高速で眼球の画像を生成する必要がある。たとえば、画像センサーが画像フレームを生成するレート（フレームレート）は、少なくとも、眼球の移動の速度に一致する必要がある。高いフレームレートは、画像フレームを生成することに関与するピクセルセルのすべてについての短い総露光時間、ならびに、画像生成のためにセンサー出力をデジタル値に変換するための高い速度を必要とする。その上、上記で説明されたように、画像センサーは、低光強度を伴う環境において動作することが可能である必要もある。
【００５９】
図２は、図１に示されているニアアイディスプレイ１００の断面２００の一例である。ディスプレイ１１０が、少なくとも１つの導波路ディスプレイアセンブリ２１０を含む。射出瞳２３０は、ユーザがニアアイディスプレイ１００を装着したときにユーザの単一の眼球２２０がアイボックス領域中に配置されるロケーションである。説明の目的で、図２は、眼球２２０と単一の導波路ディスプレイアセンブリ２１０に関連する断面２００を示すが、第２の導波路ディスプレイがユーザの第２の眼のために使用される。
【００６０】
導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、画像光を、射出瞳２３０に位置するアイボックスに、および眼球２２０に向けるように構成される。導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、１つまたは複数の屈折率をもつ１つまたは複数の材料（たとえば、プラスチック、ガラスなど）から構成され得る。いくつかの例では、ニアアイディスプレイ１００は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０と眼球２２０との間に１つまたは複数の光学要素を含む。
【００６１】
いくつかの例では、導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、制限はしないが、積層導波路ディスプレイ、可変焦点導波路ディスプレイなどを含む、１つまたは複数の導波路ディスプレイのスタックを含む。積層導波路ディスプレイは、それぞれの単色ソースが異なる色のものである導波路ディスプレイを積層することによって作り出された多色ディスプレイ（たとえば、赤緑青（ＲＧＢ）ディスプレイ）である。積層導波路ディスプレイは、複数の平面上に投影され得る多色ディスプレイ（たとえば、多平面カラーディスプレイ）でもある。いくつかの構成では、積層導波路ディスプレイは、複数の平面上に投影され得る単色ディスプレイ（たとえば、多平面単色ディスプレイ）である。可変焦点導波路ディスプレイは、導波路ディスプレイから放出された画像光の焦点位置を調整することができるディスプレイである。代替例では、導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、積層導波路ディスプレイと可変焦点導波路ディスプレイとを含み得る。
【００６２】
図３は、導波路ディスプレイ３００の一例の等角図を示す。いくつかの例では、導波路ディスプレイ３００は、ニアアイディスプレイ１００の構成要素（たとえば、導波路ディスプレイアセンブリ２１０）である。いくつかの例では、導波路ディスプレイ３００は、画像光を特定のロケーションに向ける何らかの他のニアアイディスプレイまたは他のシステムの一部である。
【００６３】
導波路ディスプレイ３００は、ソースアセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、コントローラ３３０とを含む。説明の目的で、図３は、単一の眼球２２０に関連付けられた導波路ディスプレイ３００を示すが、いくつかの例では、導波路ディスプレイ３００とは別個の、または部分的に別個の別の導波路ディスプレイが、ユーザの別の眼に画像光を提供する。
【００６４】
ソースアセンブリ３１０は、画像光３５５を生成する。ソースアセンブリ３１０は、画像光３５５を生成し、出力導波路３２０の第１の側面３７０−１上に位置する結合要素３５０に出力する。出力導波路３２０は、拡大された画像光３４０をユーザの眼球２２０に出力する光導波路である。出力導波路３２０は、第１の側面３７０−１上に位置する１つまたは複数の結合要素３５０において画像光３５５を受け取り、受け取られた入力画像光３５５を方向付け要素３６０に導く。いくつかの例では、結合要素３５０は、ソースアセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に結合する。結合要素３５０は、たとえば、回折格子、ホログラフィック格子、１つまたは複数のカスケード型反射器、１つまたは複数のプリズム表面要素、および／またはホログラフィック反射器のアレイであり得る。
【００６５】
方向付け要素３６０は、受け取られた入力画像光３５５が分離要素３６５を介して出力導波路３２０から分離されるように、受け取られた入力画像光３５５を分離要素３６５に向け直す。方向付け要素３６０は、出力導波路３２０の第１の側面３７０−１の一部であるか、または出力導波路３２０の第１の側面３７０−１に取り付けられる。分離要素３６５は、方向付け要素３６０が分離要素３６５に対向するように、出力導波路３２０の第２の側面３７０−２の一部であるか、または出力導波路３２０の第２の側面３７０−２に取り付けられる。方向付け要素３６０および／または分離要素３６５は、たとえば、回折格子、ホログラフィック格子、１つまたは複数のカスケード型反射器、１つまたは複数のプリズム表面要素、および／またはホログラフィック反射器のアレイであり得る。
【００６６】
第２の側面３７０−２は、ｘ次元およびｙ次元に沿った平面を表す。出力導波路３２０は、画像光３５５の内部全反射を促進する１つまたは複数の材料から構成され得る。出力導波路３２０は、たとえば、シリコン、プラスチック、ガラス、および／またはポリマーから構成され得る。出力導波路３２０は、比較的小さいフォームファクタを有する。たとえば、出力導波路３２０は、ｘ次元に沿って幅約５０ｍｍ、ｙ次元に沿って長さ約３０ｍｍ、およびｚ次元に沿って厚さ約０．５〜１ｍｍであり得る。
【００６７】
コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０のスキャン動作を制御する。コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０のためのスキャン命令を決定する。いくつかの例では、出力導波路３２０は、拡大された画像光３４０を大きい視野（ＦＯＶ）でユーザの眼球２２０に出力する。たとえば、拡大された画像光３４０は、６０度のおよび／またはそれよりも大きい、ならびに／あるいは１５０度のおよび／またはそれよりも小さい（ｘおよびｙにおける）対角ＦＯＶでユーザの眼球２２０に提供される。出力導波路３２０は、２０ｍｍ以上および／または５０ｍｍ以下の長さ、ならびに／あるいは１０ｍｍ以上および／または５０ｍｍ以下の幅をもつアイボックスを提供するように構成される。
【００６８】
その上、コントローラ３３０は、画像センサー３７０によって提供される画像データに基づいて、ソースアセンブリ３１０によって生成される画像光３５５をも制御する。画像センサー３７０は、第１の側面３７０−１上に位置し得、たとえば、（たとえば、ロケーション決定のための）ユーザの前にある物理的環境の画像データを生成するために図１Ａの画像センサー１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。画像センサー３７０はまた、第２の側面３７０−２上に位置し得、ユーザの（たとえば、注視点決定のための）眼球２２０の画像データを生成するために図１Ｂの画像センサー１５０ａおよび１５０ｂを含み得る。画像センサー３７０は、導波路ディスプレイ３００内に位置しないリモートコンソールとインターフェースし得る。画像センサー３７０は、画像データをリモートコンソールに提供し得、リモートコンソールは、たとえば、ユーザのロケーション、ユーザの注視点などを決定し、ユーザに表示されるべき画像のコンテンツを決定し得る。リモートコンソールは、決定されたコンテンツに関係する命令をコントローラ３３０に送信することができる。命令に基づいて、コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０による画像光３５５の生成および出力を制御することができる。
【００６９】
図４は、導波路ディスプレイ３００の断面４００の一例を示す。断面４００は、ソースアセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、画像センサー３７０とを含む。図４の例では、画像センサー３７０は、ユーザの前にある物理的環境の画像を生成するために、第１の側面３７０−１上に位置するピクセルセル４０２のセットを含み得る。いくつかの例では、ピクセルセル４０２のセットの露光を制御するために、ピクセルセル４０２のセットと物理的環境との間に挿入された機械的シャッター４０４があり得る。いくつかの例では、機械的シャッター４０４は、以下で説明されるように、電子シャッターゲートと置き換えられ得る。ピクセルセル４０２の各々は、画像の１つのピクセルに対応し得る。図４には示されていないが、ピクセルセルによって検知されるべき光の周波数範囲を制御するために、ピクセルセル４０２の各々もフィルタで覆われ得ることを理解されたい。
【００７０】
リモートコンソールから命令を受け取った後に、機械的シャッター４０４は、露光期間において開き、ピクセルセル４０２のセットを露光することができる。露光期間中に、画像センサー３７０は、ピクセルセル４０２のセットに入射した光のサンプルを取得し、ピクセルセル４０２のセットによって検出された入射光サンプルの強度分布に基づいて画像データを生成することができる。画像センサー３７０は、次いで、画像データを、ディスプレイコンテンツを決定するリモートコンソールに提供し、ディスプレイコンテンツ情報をコントローラ３３０に提供することができる。コントローラ３３０は、次いで、ディスプレイコンテンツ情報に基づいて画像光３５５を決定することができる。
【００７１】
ソースアセンブリ３１０は、コントローラ３３０からの命令に従って画像光３５５を生成する。ソースアセンブリ３１０は、ソース４１０と光学システム４１５とを含む。ソース４１０は、コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を生成する光源である。ソース４１０は、たとえば、レーザーダイオード、垂直キャビティ面発光レーザー、および／または発光ダイオードであり得る。
【００７２】
光学システム４１５は、ソース４１０からの光を調節する１つまたは複数の光学的構成要素を含む。ソース４１０からの光を調節することは、たとえば、コントローラ３３０からの命令に従って拡大し、コリメートし、および／または向きを調整することを含み得る。１つまたは複数の光学的構成要素は、１つまたは複数のレンズ、液体レンズ、ミラー、開口、および／または格子を含み得る。いくつかの例では、光学システム４１５は、光ビームを液体レンズ外の領域にシフトするためにしきい値のスキャン角度を伴う光ビームのスキャンを可能にする複数の電極をもつ液体レンズを含む。光学システム４１５（同じくソースアセンブリ３１０）から放出される光は、画像光３５５と呼ばれる。
【００７３】
出力導波路３２０は、画像光３５５を受け取る。結合要素３５０は、ソースアセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に結合する。結合要素３５０が回折格子である例では、内部全反射が出力導波路３２０中で発生し、画像光３５５が、分離要素３６５に向かって、（たとえば、内部全反射によって）出力導波路３２０中を内部的に伝搬するように、回折格子のピッチが選定される。
【００７４】
方向付け要素３６０は、出力導波路３２０から分離するために、画像光３５５を分離要素３６５のほうへ向け直す。方向付け要素３６０が回折格子である例では、回折格子のピッチは、入射画像光３５５が、分離要素３６５の表面に対して（１つまたは複数の）傾斜角において出力導波路３２０を出ることを引き起こすように選定される。
【００７５】
いくつかの例では、方向付け要素３６０および／または分離要素３６５は、構造的に同様である。出力導波路３２０を出た拡大された画像光３４０は、１つまたは複数の次元に沿って拡大される（たとえば、ｘ次元に沿って延長され得る）。いくつかの例では、導波路ディスプレイ３００は、複数のソースアセンブリ３１０と複数の出力導波路３２０とを含む。ソースアセンブリ３１０の各々は、原色（たとえば、赤、緑、または青）に対応する、波長の特定の帯域の単色画像光を放出する。出力導波路３２０の各々は、多色である拡大された画像光３４０を出力するために、離間距離を伴って一緒に積層され得る。
【００７６】
図５は、ニアアイディスプレイ１００を含むシステム５００の一例のブロック図である。システム５００は、各々制御回路要素５１０に結合された、ニアアイディスプレイ１００と、撮像デバイス５３５と、入出力インターフェース５４０と、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄおよび１５０ａ〜１５０ｂとを備える。システム５００は、ヘッドマウントデバイス、ウェアラブルデバイスなどとして構成され得る。
【００７７】
ニアアイディスプレイ１００は、ユーザにメディアを提示するディスプレイである。ニアアイディスプレイ１００によって提示されるメディアの例は、１つまたは複数の画像、ビデオ、および／またはオーディオを含む。いくつかの例では、オーディオは、外部デバイス（たとえば、スピーカーおよび／またはヘッドフォン）を介して提示され、この外部デバイスは、ニアアイディスプレイ１００および／または制御回路要素５１０からオーディオ情報を受け取り、そのオーディオ情報に基づいてオーディオデータをユーザに提示する。いくつかの例では、ニアアイディスプレイ１００はまた、ＡＲアイウェアグラスとして働き得る。いくつかの例では、ニアアイディスプレイ１００は、コンピュータ生成された要素（たとえば、画像、ビデオ、音など）を用いて、物理的現実世界の環境のビューを増強する。
【００７８】
ニアアイディスプレイ１００は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０、１つまたは複数の位置センサー５２５、および／または慣性測定ユニット（ＩＭＵ）５３０を含む。導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、ソースアセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、コントローラ３３０とを含む。
【００７９】
ＩＭＵ５３０は、位置センサー５２５のうちの１つまたは複数から受け取られた測定信号に基づいて、ニアアイディスプレイ１００の初期位置に対するニアアイディスプレイ１００の推定位置を指示する高速較正データを生成する電子デバイスである。
【００８０】
撮像デバイス５３５は、様々なアプリケーションのための画像データを生成し得る。たとえば、撮像デバイス５３５は、制御回路要素５１０から受け取られた較正パラメータに従って低速較正データを提供するために画像データを生成し得る。撮像デバイス５３５は、たとえば、ユーザのロケーション追跡を実施するために、ユーザが位置する物理的環境の画像データを生成するために図１Ａの画像センサー１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。撮像デバイス５３５は、たとえば、ユーザの関心物体を識別するために、ユーザの注視点を決定するための画像データを生成するために、図１Ｂの画像センサー１５０ａ〜１５０ｂをさらに含み得る。
【００８１】
入出力インターフェース５４０は、ユーザが制御回路要素５１０にアクション要求を送ることを可能にするデバイスである。アクション要求は、特定のアクションを実施するための要求である。たとえば、アクション要求は、アプリケーションを開始または終了するためのものであるか、あるいはアプリケーション内で特定のアクションを実施するためのものであり得る。
【００８２】
制御回路要素５１０は、撮像デバイス５３５、ニアアイディスプレイ１００、および入出力インターフェース５４０のうちの１つまたは複数から受け取られた情報に従って、ユーザへの提示のためのメディアをニアアイディスプレイ１００に提供する。いくつかの例では、制御回路要素５１０は、ヘッドマウントデバイスとして構成されたシステム５００内に収容され得る。いくつかの例では、制御回路要素５１０は、システム５００の他の構成要素と通信可能に結合された独立型コンソールデバイスであり得る。図５に示されている例では、制御回路要素５１０は、アプリケーションストア５４５と、追跡モジュール５５０と、エンジン５５５とを含む。
【００８３】
アプリケーションストア５４５は、制御回路要素５１０が実行するための１つまたは複数のアプリケーションを記憶する。アプリケーションは、プロセッサによって実行されたとき、ユーザへの提示のためのコンテンツを生成する命令のグループである。アプリケーションの例は、ゲームアプリケーション、会議アプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、または他の好適なアプリケーションを含む。
【００８４】
追跡モジュール５５０は、１つまたは複数の較正パラメータを使用してシステム５００を較正し、ニアアイディスプレイ１００の位置の決定における誤差を低減するために、１つまたは複数の較正パラメータを調整し得る。
【００８５】
追跡モジュール５５０は、撮像デバイス５３５からの低速較正情報を使用して、ニアアイディスプレイ１００の移動を追跡する。追跡モジュール５５０はまた、高速較正情報からの位置情報を使用して、ニアアイディスプレイ１００の基準点の位置を決定する。
【００８６】
エンジン５５５は、システム５００内でアプリケーションを実行し、追跡モジュール５５０から、ニアアイディスプレイ１００の位置情報、加速度情報、速度情報、および／または予測された将来の位置を受け取る。いくつかの例では、エンジン５５５によって受け取られた情報は、ユーザに提示されるコンテンツのタイプを決定する導波路ディスプレイアセンブリ２１０への信号（たとえば、ディスプレイ命令）をもたらすために使用され得る。たとえば、インタラクティブ体験を提供するために、エンジン５５５は、（たとえば、追跡モジュール５５０によって提供される）ユーザのロケーション、または（たとえば、撮像デバイス５３５によって提供される画像データに基づく）ユーザの注視点、（たとえば、撮像デバイス５３５によって提供される画像データに基づく）物体とユーザとの間の距離に基づいて、ユーザに提示されるべきコンテンツを決定し得る。
【００８７】
図６は、ピクセルセル６００の一例を示す。ピクセルセル６００は、ピクセルアレイの一部であり得、画像のピクセルに対応するデジタル強度データを生成することができる。たとえば、ピクセルセル６００は、図４のピクセルセル４０２の一部であり得る。図６に示されるように、ピクセルセル６００は、フォトダイオード６０２、ならびに、シャッタースイッチ６０４と、転送ゲート６０６と、リセットスイッチ６０７と、電荷貯蔵ユニット６０８ａおよびバッファ６０８ｂを備える電荷検知ユニット６０８と、ピクセルＡＤＣ６１０とを含む処理回路を含み得る。
【００８８】
いくつかの例では、フォトダイオード６０２は、たとえば、Ｐ−Ｎダイオード、Ｐ−Ｉ−Ｎダイオード、ピン止めダイオードなどを含み得る。フォトダイオード６０２は、光を受け取ると電荷を生成することができ、生成される電荷の量は、光の強度に比例し得る。フォトダイオード６０２はまた、フォトダイオードのウェル容量に達したときに発生する、フォトダイオードの飽和まで、生成された電荷の一部を貯蔵することができる。その上、シャッタースイッチ６０４、転送ゲート６０６、およびリセットスイッチ６０７の各々は、トランジスタを含むことができる。トランジスタは、たとえば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などを含み得る。シャッタースイッチ６０４は、ピクセルセル６００の露光期間を制御するための電子シャッターゲートとして（図４の機械的シャッター４０４の代わりに、または機械的シャッター４０４と組み合わせて）働くことができる。露光期間中に、シャッタースイッチ６０４は、露光イネーブル信号６１１によって無効化され（オフにされ）得、これは、フォトダイオード６０２が生成された電荷を貯蔵することを可能にし、フォトダイオード６０２が飽和したとき、オーバーフロー電荷が電荷貯蔵ユニット６０８ａに流れることを可能にする。露光期間の終了時に、シャッタースイッチ６０４は有効化されて、フォトダイオード６０２によって生成された電荷をフォトダイオード電流シンク６１７に誘導することができる。その上、リセットスイッチ６０７が、リセット信号６１８によって同じく無効化され（オフにされ）得、これは、電荷貯蔵ユニット６０８ａが電荷を蓄積することを可能にする。電荷貯蔵ユニット６０８ａは、転送ゲート６０６のフローティング端子におけるデバイスキャパシタ、金属キャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、またはそれらの任意の組合せであり得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａは、入射光強度を表すデジタル出力を提供するためにピクセルＡＤＣ６１０によって測定され得る電荷の量をアナログ電圧に変換するために使用され得る。測定のモードが完了した後に、リセットスイッチ６０７は有効化されて、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて貯蔵された電荷を空にして電荷シンク６２０に移して、電荷貯蔵ユニット６０８ａを次の測定のために利用可能にすることができる。
【００８９】
次に図７を参照すると、図７は、異なる光強度範囲についての時間に対する蓄積された電荷の量を示す。特定の時点において蓄積された電荷の総量は、露光期間中にフォトダイオード６０２に入射する光の強度を反映することができる。上記量は、露光期間が終了したときに測定され得る。入射光の強度についての低光強度範囲７０６、中光強度範囲７０８、および高光強度範囲７１０を定義する電荷のしきい値の量について、しきい値７０２およびしきい値７０４が定義され得る。たとえば、総蓄積電荷がしきい値７０２未満である場合（たとえば、Ｑ１）、入射光強度は低光強度範囲７０６内にある。総蓄積電荷がしきい値７０４としきい値７０２との間にある場合（たとえば、Ｑ２）、入射光強度は中光強度範囲７０８内にある。総蓄積電荷がしきい値７０４を超える場合、入射光強度は高光強度範囲７１０内にある。低光強度範囲および中光強度範囲についての、蓄積された電荷の量は、フォトダイオードが低光強度範囲７０６全体内で飽和せず、測定キャパシタが中光強度範囲７０８全体内で飽和しない場合、入射光の強度と相関することができる。
【００９０】
低光強度範囲７０６および中光強度範囲７０８、ならびにしきい値７０２および７０４の定義は、フォトダイオード６０２および電荷貯蔵ユニット６０８ａの貯蔵容量に基づき得る。たとえば、低光強度範囲７０６は、露光期間の終了時の、フォトダイオード６０２に貯蔵された電荷の総量が、フォトダイオードの貯蔵容量を下回るかまたはそれに等しくなるように定義され得、しきい値７０２は、フォトダイオード６０２の貯蔵容量に基づき得る。以下で説明されるように、しきい値７０２は、フォトダイオード６０２の潜在的容量変動を考慮するために、フォトダイオードのスケーリングされた貯蔵容量に基づいて設定され得る。そのような仕組みは、フォトダイオード６０２に貯蔵された電荷の量が強度決定のために測定されたとき、フォトダイオードが飽和せず、測定された量が入射光強度に関係することを保証することができる。その上、中光強度範囲７０８は、露光期間の終了時の、電荷貯蔵ユニット６０８ａに貯蔵された電荷の総量が、測定キャパシタの貯蔵容量を下回るかまたはそれに等しくなるように定義され得、しきい値７０４は、電荷貯蔵ユニット６０８ａの貯蔵容量に基づき得る。一般的に、しきい値７０４も、電荷貯蔵ユニット６０８ａに貯蔵された電荷の量が強度決定のために測定されたとき、測定キャパシタが飽和せず、測定された量が同じく入射光強度に関係することを保証するために、電荷貯蔵ユニット６０８ａのスケーリングされた貯蔵容量に基づくように設定される。以下で説明されるように、しきい値７０２および７０４は、フォトダイオード６０２および電荷貯蔵ユニット６０８ａが飽和したかどうかを検出するために使用され得、これは、出力されるべき入射光の強度範囲および測定結果を決定することができる。
【００９１】
さらに、入射光強度が高光強度範囲７１０内にある場合、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積された総オーバーフロー電荷は、露光期間が終了する前にしきい値７０４を超え得る。追加の電荷が蓄積されるにつれて、電荷貯蔵ユニット６０８ａは、露光期間の終了の前に全容量に達し得、電荷漏洩が発生し得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａが全容量に達したことにより引き起こされる測定誤差を回避するために、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積された総オーバーフロー電荷がしきい値７０４に達するのにかかる持続時間を測定するために、飽和までの時間測定が実施され得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａにおける電荷蓄積のレートは、しきい値７０４と飽和までの時間との間の比に基づいて決定され得、（キャパシタが無限の容量を有する場合に、）露光期間の終了時に電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積され得る電荷の仮定量（Ｑ３）は、電荷蓄積のレートに従って外挿法によって決定され得る。電荷の仮定量（Ｑ３）は、高光強度範囲７１０内の入射光強度の合理的に正確な表現を提供することができる。
【００９２】
再び図６を参照すると、転送ゲート６０６は、残留電荷キャパシタ６０３（図にはこれを示していない）、および、上記で説明されたような異なる光強度範囲についての、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおける電荷蓄積を制御するための測定制御信号６１２によって制御され得る。高光強度範囲７１０と中光強度範囲７０８とを測定するために、転送ゲート６０６は、部分的にオンにされた状態において動作するように制御され得る。たとえば、転送ゲート６０６のゲート電圧は、フォトダイオード６０２の電荷貯蔵容量に対応する、フォトダイオードにおいて生じた電圧に基づいて設定され得る。そのような仕組みにより、（高光強度範囲７１０について）飽和までの時間、および（中光強度範囲７０８について）電荷貯蔵ユニット６０８ａに貯蔵された電荷の量を測定するために、オーバーフロー電荷（たとえば、フォトダイオードが飽和した後にフォトダイオードによって生成された電荷）のみが、転送ゲート６０６を通って移って電荷貯蔵ユニット６０８ａに達する。その上、低光強度範囲７０６を測定するために、転送ゲート６０６は、フォトダイオード６０２に貯蔵された電荷の量を測定するために、フォトダイオード６０２に貯蔵された電荷を電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送するように、完全にオンにされた状態において制御され得る。
【００９３】
電荷貯蔵ユニット６０８ａにおける電荷蓄積によって生成されたアナログ電圧は、バッファ６０８ｂによってバッファされて、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の複製（ただし、より大きい駆動の強さをもつ）を生成し得る。アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧は、ピクセルＡＤＣ６１０によって（たとえば、論理１および０を備える）デジタルデータのセットに変換され得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて生じたアナログ電圧がサンプリングされ得、デジタル出力が、（たとえば、中光強度範囲７０８および高光強度範囲７１０について）露光期間の終了の前に、または（低光強度範囲７０６について）露光期間の後に生成され得る。デジタルデータは、露光期間中の光強度を表すために、たとえば、図５の制御回路要素５１０に、ピクセル出力バス６１６のセットによって送信され得る。
【００９４】
いくつかの例では、電荷貯蔵ユニット６０８ａのキャパシタンスは、低光強度範囲についての光強度決定の正確さを改善するように構成可能であり得る。たとえば、フォトダイオード６０２において貯蔵された残留電荷を測定するために電荷貯蔵ユニット６０８ａが使用されるとき、電荷貯蔵ユニット６０８ａのキャパシタンスは低減され得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａのキャパシタンスの低減は、ある量の貯蔵された電荷についてより高い電圧を生じさせることができるように、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおける電荷−電圧変換比を増加させることができる。より高い電荷−電圧変換比は、低光強度決定の正確さに対するピクセルＡＤＣ６１０によって導入される測定誤差（たとえば、量子化誤差、比較器オフセットなど）の効果を低減することができる。測定誤差は、ピクセルＡＤＣ６１０によって検出および／または弁別され得る最小電圧差に対する限界を設定することができる。電荷−電圧変換比を増加させることによって、最小電圧差に対応する電荷の量は低減され得、これは、ピクセルセル６００による測定可能な光強度の下限を低減し、ダイナミックレンジを拡張する。一方、中光強度では、電荷貯蔵ユニット６０８ａのキャパシタンスは、電荷貯蔵ユニット６０８ａが、たとえば、しきい値７０４によって定義される量までの電荷の量を貯蔵するのに十分な容量を有することを保証するために、増加され得る。
【００９５】
図８は、ピクセルＡＤＣ６１０の内部構成要素の一例を示す。図８に示されているように、ピクセルＡＤＣ６１０は、しきい値生成器８０２と、比較器８０４と、デジタル出力生成器８０６とを含む。デジタル出力生成器８０６は、カウンタ８０８とメモリ８１０とをさらに含み得る。カウンタ８０８は、自走クロック信号８１２に基づいてカウント値のセットを生成することができ、メモリ８１０は、カウンタ８０８によって生成されたカウント値のうちの少なくともいくつか（たとえば、最新のカウント値）を記憶することができる。いくつかの例では、メモリ８１０は、カウンタ８０８の一部であり得る。メモリ８１０は、たとえば、以下で説明されるように、ローカルピクセル値に基づいてカウンタ値を記憶するためのラッチ回路であり得る。しきい値生成器８０２は、デジタル値のセットを受け付け、デジタル値のセットを表す基準電圧（ＶＲＥＦ）８１５を出力することができる、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）８１３を含む。以下でより詳細に説明されるように、しきい値生成器８０２は、静的デジタル値を受け付けて、固定しきい値を生成するか、またはカウンタ８０８の出力８１４を受け付けて、ランピングしきい値を生成し得る。
【００９６】
図８は、ＤＡＣ８１３（およびしきい値生成器８０２）がピクセルＡＤＣ６１０の一部であることを示しているが、ＤＡＣ８１３（およびしきい値生成器８０２）は異なるピクセルセルからの複数のデジタル出力生成器８０６と結合され得ることを理解されたい。その上、カウンタ８０８など、デジタル出力生成器８０６の少なくとも一部は、デジタル値を生成するために複数のピクセルセルの間で共有され得る。
【００９７】
比較器８０４は、アナログ出力ノード６１４において生じたアナログ電圧をしきい値生成器８０２によって提供されたしきい値と比較し、比較結果に基づいて判定８１６を生成することができる。たとえば、比較器８０４は、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧がしきい値生成器８０２によって生成されたしきい値に等しいかまたはそのしきい値を超える場合、判定８１６について論理１を生成することができる。比較器８０４はまた、アナログ電圧がしきい値を下回る場合、判定８１６について論理０を生成することができる。判定８１６は、アナログ出力ノード６１４におけるランピングアナログ電圧の上述の飽和の時間測定、ならびに入射光強度決定のためのアナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の量子化処理を実施するために、カウンタ８０８のカウンティング動作および／またはメモリ８１０に記憶されたカウント値を制御することができる。
【００９８】
図９Ａは、ピクセルＡＤＣ６１０による飽和までの時間測定の一例を示す。飽和までの時間測定を実施するために、しきい値生成器８０２は、固定ＶＲＥＦ８１５を生成するようにＤＡＣ８１３を制御することができる。固定ＶＲＥＦ８１５は、電荷貯蔵ユニット６０８ａの飽和についての電荷量しきい値（たとえば、図７のしきい値７０４）に対応する電圧に設定され得る。カウンタ８０８は、露光期間が開始した直後に（たとえば、シャッタースイッチ６０４が無効化された直後に）カウントすることを開始することができる。アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧がランプダウンする（または実装形態に応じてランプアップする）とき、クロック信号８１２は、カウンタ８０８におけるカウント値を更新するようにトグルし続ける。アナログ電圧は、ある時点において固定しきい値に達し得、これは、比較器８０４による判定８１６が反転することを引き起こす。判定８１６の反転はカウンタ８０８のカウンティングを停止し得、カウンタ８０８におけるカウント値は飽和までの時間を表し得る。以下でより詳細に説明されるように、持続時間に基づいて電荷貯蔵ユニット６０８ａにおける電荷蓄積のレートも決定され得、電荷蓄積のレートに基づいて入射光強度が決定され得る。
【００９９】
図９Ｂは、ピクセルＡＤＣ６１０によってアナログ電圧を量子化することの一例を示す。測定が開始した後に、ＤＡＣ８１３は、（図９Ｂの例において）ランプアップするかまたは実装形態に応じてランプダウンすることができるランピングＶＲＥＦ８１５を生成するように、カウンタ出力８１４によってプログラムされ得る。ランピングＶＲＥＦ８１５の電圧範囲は、しきい値７０４（電荷貯蔵ユニット６０８ａの飽和についての電荷量しきい値）としきい値７０２（フォトダイオード６０２の飽和についての電荷量しきい値）との間にあり得、これは、中光強度範囲を定義することができる。図９Ｂの例では、量子化プロセスは、ＶＲＥＦ８１５がクロック信号８１２の各クロックサイクルについて同じ量だけ増加（または減少）する、一様量子化ステップで実施され得る。ＶＲＥＦ８１５の増加（または減少）の量は量子化ステップに対応する。ＶＲＥＦ８１５がアナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の１つの量子化ステップ内に達したとき、比較器８０４による判定８１６が、負から正に反転する。判定８１６の反転は、カウンタ８０８のカウンティングを停止し得、カウント値は、１つの量子化ステップ内でアナログ電圧に一致するように蓄積された量子化ステップの総数に対応することができる。カウント値は、ＶＲＥＦ８１５がアナログ電圧に達するのにかかった時間の測定値に対応し、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて貯蔵された電荷の量のデジタル表現、ならびに入射光強度のデジタル表現であり得る。上記で説明されたように、アナログ電圧の量子化は、（たとえば、中光強度範囲７０８について）露光期間中に、および（たとえば、低光強度範囲７０６について）露光期間の後に行われ得る。
【０１００】
上記で説明されたように、ＡＤＣ６１０は、（たとえば、量子化ステップの総数によって表される）ＡＤＣ６１０によって出力された量レベルによって表される電荷の量と、ＡＤＣ６１０による量レベルにマッピングされる電荷の実際の入力量との間に不一致があるとき、量子化誤差を導入することがある。量子化誤差は、より小さい量子化ステップサイズを使用することによって低減され得る。図９Ｂの例では、量子化ステップサイズは、たとえば、（しきい値７０２としきい値７０４との間の）量子化動作の入力範囲９０２を低減すること、カウンタ８０８によって測定されるべき時間の対応する範囲を低減すること、クロック信号８１２のクロック周波数を増加させること、または、それらの任意の組合せに基づいて、クロックサイクルごとにＶＲＥＦ８１５の増加（または減少）の量だけ低減され得る。
【０１０１】
量子化誤差は、より小さい量子化ステップサイズを使用することによって低減され得るが、エリアおよび実施速度は、量子化ステップがどの程度低減され得るかを限定し得る。たとえば、クロック信号８１２のクロック周波数が増加され、入力範囲９０２が同じままである場合、電荷量（および光強度）の特定の範囲を表すために必要とされる量子化ステップの総数は、増加し得る。増加された数の量子化ステップを表すためにより多数のデータビット（たとえば、２５５個のステップを表すために８ビット、１２７個のステップを表すために７ビットなど）が必要とされ得る。より多数のデータビットは、追加のバスがピクセル出力バス６１６に追加されることを必要とし得、これは、ピクセルセル６００が、ヘッドマウントデバイスまたはごく限られたスペースをもつ他のウェアラブルデバイス上で使用される場合、実現可能でないことがある。その上、より多数の量子化ステップサイズの場合、ＡＤＣ６１０は、（１つの量子化ステップと）一致する量レベルを見つける前により多数の量子化ステップを循環する必要があり得、これは、処理電力消費量および時間の増加、ならびに画像データを生成するレートの低減につながる。レートの低減は、高いフレームレートを必要とするいくつかのアプリケーション（たとえば、眼球の移動を追跡するアプリケーション）にとって許容できないことがある。
【０１０２】
量子化誤差を低減するための１つのやり方は、量子化ステップが入力範囲にわたって一様でない非一様量子化方式を採用することによるものである。図１０Ａは、非一様量子化プロセスおよび一様量子化プロセスについてのＡＤＣコード（量子化プロセスの出力）と入力電荷量レベルとの間のマッピングの一例を示す。点線は、非一様量子化プロセスについてのマッピングを示し、実線は、一様量子化プロセスについてのマッピングを示す。一様量子化プロセスでは、（Δ１によって示される）量子化ステップサイズは、入力電荷量の範囲全体について同等である。対照的に、非一様量子化プロセスでは、量子化ステップサイズは、入力電荷量に応じて異なる。たとえば、（ΔＳによって示される）低入力電荷量についての量子化ステップサイズは、（ΔＬによって示される）大きい入力電荷量についての量子化ステップサイズよりも小さい。その上、同じ低入力電荷量について、非一様量子化プロセスについての量子化ステップサイズ（ΔＳ）は、一様量子化プロセスについての量子化ステップサイズ（Δ１）よりも小さくされ得る。
【０１０３】
非一様量子化方式を採用することの１つの利点は、低入力電荷量を量子化するための量子化ステップが低減され得、これが、低入力電荷量を量子化する際の量子化誤差を低減し、ＡＤＣ６１０によって弁別され得る最小入力電荷量が低減され得ることである。したがって、低減された量子化誤差は、画像センサーの測定可能な光強度の下限を押し下げることができ、ダイナミックレンジが増加され得る。その上、量子化誤差は高入力電荷量について増加されるが、量子化誤差は、高入力電荷量と比較して小さいままであり得る。したがって、電荷の測定に導入される全体的な量子化誤差は低減され得る。一方、入力電荷量の範囲全体をカバーする量子化ステップの総数は、同じ（さらには低減された）ままであり得、量子化ステップの数を増加させることに関連する上述の潜在的問題（たとえば、エリアの増加、処理速度の低減など）は、回避され得る。
【０１０４】
図１０Ｂは、非一様量子化プロセスを使用してピクセルＡＤＣ６１０によってアナログ電圧を量子化することの一例を示す。（一様量子化プロセスを採用する）図９Ｂと比較して、ＶＲＥＦ８１５は、最初により緩やかな傾きで、および後でより急な傾きで、各クロックサイクルに関して非線形様式で増加する。傾きの差は、不均一な量子化ステップサイズに起因する。（より低い入力量範囲に対応する）より低いカウンタカウント値では、量子化ステップはより小さくされ、したがって、ＶＲＥＦ８１５は、より遅いレートで増加する。（より高い入力量範囲に対応する）より高いカウンタカウント値では、量子化ステップはより大きくされ、したがって、ＶＲＥＦ８１５は、より高いレートで増加する。ＶＲＥＦ８１５における不均一な量子化ステップは、異なる方式を使用して導入され得る。たとえば、上記で説明されたように、ＤＡＣ８１３は、（カウンタ８０８からの）異なるカウンタカウント値について電圧を出力するように構成される。ＤＡＣ８１３は、（量子化ステップサイズを定義する）２つの隣接するカウンタカウント値間の出力電圧の差が、異なるカウンタカウント値について異なるように構成され得る。別の例として、カウンタ８０８はまた、同じカウントステップだけ増加または減少する代わりに、カウンタカウント値の跳びを生成して、不均一な量子化ステップを生成するように構成され得る。いくつかの例では、図１０Ｂの非一様量子化プロセスは、低光強度範囲７０６および中光強度範囲７０８についての光強度決定のために採用され得る。
【０１０５】
次に図１１を参照すると、図１１は、ピクセルセル１１００の一例を示し、ピクセルセル１１００は、図６のピクセルセル６００の一例であり得る。図１１の例では、ＰＤがフォトダイオード６０２に対応することができ、トランジスタＭ０がシャッタースイッチ６０４に対応することができ、トランジスタＭ１が転送ゲート６０６に対応することができ、トランジスタＭ２がリセットスイッチ６０７に対応することができる。その上、ＣＯＦキャパシタとＣＥＸＴキャパシタとの組合せが電荷貯蔵ユニット６０８ａに対応することができる。ＣＯＦキャパシタは、フローティングドレインノードの寄生キャパシタであり得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａのキャパシタンスは、信号ＬＧによって構成可能である。ＬＧが有効化されたとき、電荷貯蔵ユニット６０８ａは、ＣＯＦキャパシタとＣＥＸＴキャパシタとの組み合わせられた容量を提供する。ＬＧが無効化されたとき、ＣＥＸＴキャパシタは、並列の組合せから切断され得、電荷貯蔵ユニット６０８ａは、ＣＯＦキャパシタのみ（および他の寄生キャパシタンス）を備える。上記で説明されたように、電荷貯蔵ユニット６０８ａのキャパシタンスは、低光強度決定のための電荷−電圧変換比を増加させるために低減され得、中光強度決定のための必須の容量を提供するために増加され得る。
【０１０６】
ピクセルセル１１００は、バッファ６０８ｂの一例と、ピクセルＡＤＣ６１０の一例とをさらに含む。たとえば、トランジスタＭ３およびＭ４は、ＣＯＦキャパシタにおいて（またはＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタにおいて）貯蔵された電荷の量を表す、ＯＦノードにおいて生じたアナログ電圧をバッファするための、図６のバッファ６０８ｂであり得るソースフォロワを形成する。さらに、ＣＣキャパシタ、比較器１１０２、トランジスタＭ５、ＮＯＲゲート１１１６が、メモリ８１０とともに、ＯＦノードにおけるアナログ電圧を表すデジタル出力を生成するためのピクセルＡＤＣ６１０の一部であり得る。上記で説明されたように、量子化は、ＯＦノードにおいて生じたアナログ電圧とＶＲＥＦと間の、比較器１１０２によって生成された比較結果（ＶＯＵＴ）に基づき得る。ここで、ＣＣキャパシタは、バッファ６０８ｂの出力を追跡する（比較器１１０２の１つの入力における）ＶＩＮ電圧を生成するように構成され、ＶＩＮ電圧を比較器１１０２に提供して、ＶＲＥＦと比較する。ＶＲＥＦは、（高光強度範囲についての）飽和の時間測定のための静的電圧または（低光強度範囲および中光強度範囲についての）アナログ電圧の量子化のためのランピング電圧であり得る。ＡＤＣコードは自走カウンタ（たとえば、カウンタ８０８）によって生成され得、比較器１１０２によって生成された比較結果は、メモリ８１０に記憶され、入射光強度のデジタル表現として出力されるべき、ＡＤＣコードを決定することができる。いくつかの例では、低光強度決定および中光強度決定のためのＶＲＥＦの生成は、図１０Ａおよび図１０Ｂで説明されたように、非一様量子化方式に基づき得る。
【０１０７】
ピクセルセル１１００は、上記で開示された技法に加えて、入射光強度決定の正確さをさらに改善することができる技法を含む。たとえば、ＣＣキャパシタとトランジスタＭ５との組合せは、比較器１１０２の正確さが改善され得るように、比較器１１０２によって導入される測定誤差（たとえば、比較器オフセット）、ならびに比較器１１０２に導入される他の誤差信号を補償するために使用され得る。雑音信号は、たとえば、リセットスイッチ６０７によって導入されるリセット雑音電荷、ソースフォロワしきい値不一致によるバッファ６０８ｂの出力における雑音信号などを含み得る。比較器オフセットならびに誤差信号を反映する量の電荷が、トランジスタＭ２とトランジスタＭ５の両方が有効化されたとき、リセット段階中にＣＣキャパシタにおいて貯蔵され得る。貯蔵された電荷により、リセット段階中にＣＣキャパシタにわたる電圧差も生じ得る。測定段階中に、ＣＣキャパシタにわたる電圧差は残っており、ＣＣキャパシタは、ＶＩＮを生成するために、電圧差を減算（または加算）することによってバッファ６０８ｂの出力電圧を追跡することができる。その結果、ＶＩＮ電圧は、測定誤差および誤差信号について補償され得、これは、ＶＩＮとＶＲＥＦとの間の比較と、その後の量子化との正確さを改善する。
【０１０８】
加えて、ピクセルセル１１００は、コントローラ１１１０をさらに含む。コントローラ１１１０は、図７の３つの光強度範囲（たとえば、低光強度範囲７０６、中光強度範囲７０８、および高光強度範囲７１０）に対応する３段階測定動作を実施するようにピクセルセル１１００を動作させるために、シャッター、ＴＸ、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２など、制御信号のシーケンスを生成することができる。各段階において、ピクセルセル１１００は、対応する光強度範囲を対象とする測定モードにおいて動作され、比較器１１０２の判定出力（ＶＯＵＴ）に基づいて、入射光強度が、対応する光強度範囲内に入るかどうかを決定することができる。ピクセルセル１１００は、段階のうちのいくつかの判定出力をＦＬＡＧ＿１信号およびＦＬＡＧ＿２信号として記憶するためのレジスタのセットをさらに含む。ＦＬＡＧ＿１信号およびＦＬＡＧ＿２信号に基づいて、コントローラ１１１０は、入射光強度を表すために、３つの段階のうちの１つからＡＤＣコードを選択することができる。選択されたＡＤＣコードはメモリ８１０に記憶され得、メモリ８１０は、後続の測定段階がメモリ８１０中の選択されたＡＤＣコード出力を上書きするのを防ぐために、ＮＯＲゲート１１１６によってＦＬＡＧ＿１信号とＦＬＡＧ＿２信号との組合せに基づいてロックされ得る。３段階測定プロセスの終了時に、コントローラ１１１０は、メモリ８１０に記憶されたＡＤＣコードを取り出し、そのＡＤＣコードを、入射光強度を表すデジタル出力として提供することができる。
【０１０９】
次に図１２を参照すると、図１２は、時間に対する３段階測定動作についてのピクセルセル１１００の制御信号のシーケンスを示す。図１２を参照すると、Ｔ０’とＴ０との間の時間は第１のリセット段階に対応する。Ｔ０とＴ１との間の時間期間は、露光期間、および飽和までの時間測定モードに対応し得る。Ｔ１とＴ２との間の時間期間は、フローティングドレインに貯蔵されたオーバーフロー電荷の量を測定するための測定モードに対応する。オーバーフロー電荷の測定のための測定モードは、図１２では「ＦＤ  ＡＤＣ」と標示されており、中光強度範囲７０８を測定するために使用され得る。さらに、Ｔ２とＴ３との間の時間期間は第２のリセット段階を含み、その後に、フローティングドレインへのフォトダイオード６０２に貯蔵された電荷の転送が続く。その上、Ｔ３とＴ４との間の時間期間は、フォトダイオードに貯蔵され、フローティングドレインに転送された電荷の量を測定するための測定モードに対応する。フォトダイオードに貯蔵された電荷を測定するための測定モードは、図１２では「ＰＤ  ＡＤＣ」と標示されており、低光強度範囲７０６を測定するために使用され得る。ピクセルセル１１００は、時間Ｔ４において入射光強度を表すデジタル出力を提供し、次いで、次の３段階測定動作を開始することができる。
【０１１０】
図１２に示されているように、Ｔ０の前に、ＲＳＴ１信号およびＲＳＴ２信号と、ＬＧ信号と、シャッター信号とはアサートされるが、ＴＸ信号は電圧ＶＬＯＷにおいてバイアスされる。ＶＬＯＷ(図示せず)は、（もしあれば）オーバーフロー電荷のみがフォトダイオードＰＤからトランジスタＭ１を介してＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタに流れることを可能にするために、フォトダイオードＰＤの電荷容量に対応することができる。そのような仕組みにより、フォトダイオードＰＤ、ならびにＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタの両方が、リセットされ得る。その上、フォトダイオードＰＤによって生成された電荷はトランジスタＭ０によって迂回されるので、電荷はキャパシタに追加されない。フォトダイオードＰＤ、ならびにＯＦノードにわたる電圧は、フォトダイオードＰＤとＣＥＸＴキャパシタとＣＯＦキャパシタとが電荷を貯蔵しない状態を表すことができる、ＶＲＥＳＥＴに等しい電圧に設定され得る。さらに、比較器１１０２もリセット段階にあり、ＣＣキャパシタは、Ｍ２によって導入されたリセット雑音、比較器オフセット、バッファ６０８ｂのしきい値不一致などを反映する、電荷を貯蔵することができる。さらに、ＶＲＥＦも、ＶＲＥＳＥＴに等しい値に設定され得る。いくつかの例では、ＶＲＥＳＥＴは、ピクセルセル１１００への電源電圧（たとえば、ＶＤＤ）に等しくなり得る。
【０１１１】
時間Ｔ０において、カウンタ８０８は、初期値（たとえば、０）からカウントすることを開始することができる。Ｔ０とＴ１との間の時間期間中に、シャッター信号はアサート解除されるが、ＬＧ信号はアサートされたままであり、ＴＸ信号はＶＬＯＷのままである。Ｔ０とＴ１との間の時間期間は露光期間であり得る。ＶＲＥＦは、ＣＥＸＴキャパシタとＣＯＦキャパシタの両方の容量がいっぱいであるときのＯＦノードの電圧に対応することができる、ＶＦＤＳＡＴに等しい値に設定され得る。ＶＦＤＳＡＴとＶＲＥＳＥＴとの間の差は、たとえば、図７のしきい値７０４に対応することができる。Ｔ０とＴ１との間の時間期間中に、飽和までの時間（ＴＴＳ）測定が実施され得、この測定において、オーバーフロー電荷が、フォトダイオードＰＤからトランジスタＭ１を介してＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタに流れて、ＯＦノードにおいてランピング電圧を生じさせる。ＯＦノードにおけるアナログ電圧（ＶＩＮ）のバッファされ、誤差補償されたバージョンは、カウンタ８０８が自走している間、ＶＦＤＳＡＴと比較され得る。ＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタにおいて貯蔵された総電荷が（ＯＦノード電圧に基づく）しきい値７０４を超える場合、比較器１１０２の出力は反転することができ、これは、入射光が高強度範囲中にあり、ＴＴＳ測定結果が、入射光の強度を表すために使用され得ることを指示する。したがって、反転の時間においてカウンタ８０８によって生成されたカウント値は、メモリ８１０に記憶され得る。比較器１１０２の出力の検査１２０２が時間Ｔ１において行われ得、比較器１１０２の反転はまた、コントローラ１１１０がレジスタ１１１２中のＦＬＡＧ＿１信号をアサートすることを引き起こす。非０ＦＬＡＧ＿１信号値は、ＮＯＲゲート１１１６の出力が、ＮＯＲゲートへの他の入力にかかわらず低いままであることを引き起こすことができ、メモリをロックし、後続の測定段階がカウント値を上書きするのを防ぐことができる。一方、比較器１１０２がＴ１とＴ２との間の時間期間中に決して反転しない場合、これは、入射光強度が高光強度範囲よりも低いことを指示し、ＦＬＡＧ＿１信号は０にとどまる。コントローラ１１１０は、時間期間Ｔ０〜Ｔ１の間にレジスタ１１１４に記憶されたＦＬＡＧ＿２値を更新せず、ＦＬＡＧ＿２値は０のままであり得る。
【０１１２】
時間Ｔ１において、カウンタ８０８は、その初期値（たとえば、０）からカウントすることを再開することができる。Ｔ１とＴ２との間の時間期間中に、ＦＤ  ＡＤＣ動作が実施され得、ＯＦノードにおけるアナログ電圧は、ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタに貯蔵されたオーバーフロー電荷の量を測定するために、ＡＤＣ６１０によって量子化され得る。いくつかの例では、時間期間Ｔ１〜Ｔ２中に、フォトダイオードＰＤは、ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタに貯蔵された総オーバーフロー電荷と、ＯＦノードにおけるアナログ電圧とが一定のままであるように、（たとえば、機械的シャッター４０４によって）入射光から遮蔽され得る。（図１２で「第１のランピングＶＲＥＦ」と標示された）第１のランピングしきい値電圧が、ＯＦノードにおけるアナログ電圧（ＶＩＮ）のバッファされ、誤差補償されたバージョンと比較されるように、比較器１１０２に供給され得る。いくつかの例では、第１のランピングＶＲＥＦは、自走カウンタからのカウント値に基づいてＤＡＣによって生成され得る。ランピングＶＲＥＦが（１つの量子化ステップ内で）ＶＩＮに一致する場合、比較器１１０２の出力は反転することができ、（ＦＬＡＧ＿１信号の０値によって指示されるように）測定の第１の段階によってメモリがロックされない場合、反転の時間においてカウンタ８０８によって生成されたカウント値は、メモリ８１０に記憶され得る。メモリがロックされる場合、カウント値はメモリ８１０に記憶されない。
【０１１３】
いくつかの例では、図１２に示されているように、第１のランピングＶＲＥＦの電圧範囲は、ＶＦＤＳＡＴとＶＲＥＳＥＴとの間にあり得る。ＶＦＤＳＡＴは、（ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタが飽和状態に近いときの）ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタに貯蔵される総オーバーフロー電荷の上限を定義することができ、ＶＲＥＳＥＴは、（オーバーフロー電荷がなく、したがって、ＯＦノードの電圧がＶＲＥＳＥＴのままであるときの）キャパシタに貯蔵される総オーバーフロー電荷の下限を定義することができる。ＦＤ  ＡＤＣ段階における比較器１１０２の反転は、ＯＦノード電圧がＶＲＥＳＥＴよりも低いことを指示することができ、これは、キャパシタに貯蔵された総オーバーフロー電荷が下限を超えることを意味し得る。したがって、ＦＤ  ＡＤＣ段階における比較器１１０２の反転は、フォトダイオードＰＤが飽和し、したがって、キャパシタに貯蔵されたオーバーフロー電荷があり、オーバーフロー電荷の量子化結果が入射光の強度を表すことができることを、指示することができる。比較器１１０２の出力の検査１２０４が、ＦＤ  ＡＤＣ段階の後に時間Ｔ２において行われ得、コントローラ１１１０は、比較器１１０２の反転に基づいてレジスタ１１１４中のＦＬＡＧ＿２信号をアサートして、メモリ８１０に記憶されたカウント値をロックすることができ、これは、後続の段階がメモリ８１０に別のカウント値を記憶するのを防ぐ。
【０１１４】
Ｔ２とＴ３との間の時間期間の始まりにおいて、ＲＳＴ１信号とＲＳＴ２信号の両方が第２のリセット段階のために再びアサートされ得る。第２のリセット段階の目的は、ＣＥＸＴキャパシタとＣＯＦキャパシタとをリセットすること、および（低光強度範囲についての）測定の第３の段階においてＰＤＣＡＰキャパシタから転送された電荷を貯蔵するためにＣＯＦキャパシタを準備することである。また、ＬＧ信号は、ＣＯＦキャパシタからＣＥＸＴキャパシタを切断し、測定キャパシタのキャパシタンスを低減するために、アサート解除され得る。キャパシタンスの低減は、上記で説明されたように、電荷−電圧変換比を増加させて、低光強度決定を改善することになる。比較器１１０２もリセット状態に入れられ、ここで、ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタをリセットすることによって生成された雑音電荷を貯蔵するためにＣＣキャパシタが使用され得る。時間Ｔ３に向かって、リセットが完了した後に、ＲＳＴ１信号とＲＳＴ２信号とはアサート解除されるが、バイアスＴＸは電圧ＶＨＩＧＨまで増加して、トランジスタＭ１を完全にオンにすることができる。フォトダイオードＰＤに貯蔵された電荷は、次いで、Ｍ１を介してＣＯＦキャパシタに移動することができる。
【０１１５】
時間Ｔ３において、カウンタ８０８は、その初期値（たとえば、０）からカウントすることを再開することができる。Ｔ３とＴ４との間の時間期間中に、ＰＤ  ＡＤＣ動作が、低光強度範囲について実施され得る。その期間中に、シャッター信号はアサートされるが、ＴＸ信号は、アサート解除される（たとえば、０への設定）かまたは電圧ＶＬＯＷに設定されて、ＣＯＦキャパシタにおいて貯蔵された電荷がＭ１を介して漏洩するのを防ぐ。（図１２で「第２のランピングＶＲＥＦ」と標示された）第２のランピングしきい値電圧が、ＯＦノードにおけるアナログ電圧（ＶＩＮ）のバッファされ、誤差補償されたバージョンと比較されるように、比較器１１０２に供給され得る。第２のランピングＶＲＥＦは、フォトダイオードＰＤを飽和させる残留電荷の量をＣＯＦキャパシタが貯蔵するときのＣＯＦキャパシタにおける電圧を表すＶＰＤＳＡＴと、ＶＲＥＳＥＴとの間の電圧範囲を有することができる。第２のランピングＶＲＥＦが（１つの量子化ステップ内で）ＶＩＮに一致する場合、比較器１１０２の出力は反転し得、（ＦＬＡＧ＿１信号の０値によって指示されるように）測定の第１の段階によってまたは（ＦＬＡＧ＿２信号の０値によって指示されるように）測定の第２の段階によってメモリがロックされない場合、反転の時間においてカウンタ８０８によって生成されたカウント値は、メモリ８１０に記憶され得る。
【０１１６】
図１２は、入射光強度を測定するための３段階測定動作を示すが、それらの段階のうちの１つまたは複数が、たとえば、動作環境についての予想される入射光強度範囲に基づいて、スキップされることを理解されたい。たとえば、ピクセルセルが、低い周辺光を伴う環境において（たとえば、夜間において）動作する場合、高光強度を対象とする測定の第１の段階はスキップされ得る。その上、ピクセルセルが、中程度のまたは強い周辺光を伴う環境において（たとえば、昼間において）動作する場合、低光強度を対象とする測定の第３の段階はスキップされ得る。
【０１１７】
上記で説明されたように、フォトダイオードＰＤが飽和したかどうかの検出は、電荷貯蔵ユニットに貯蔵されたオーバーフロー電荷があるかどうかを判定するために、ＦＤ  ＡＤＣにおいてＯＦ電圧をＶＲＥＳＥＴと比較することに基づき得る。しかしながら、オーバーフロー電荷を測定することに基づくフォトダイオードＰＤの飽和の検出は、暗電流の傾向があり得る。特に、ＣＯＦキャパシタは、Ｍ１トランジスタのフローティングドレインノードによって形成され、フローティングドレインノードは、大量の暗電流を受け取り得、暗電流は、フローティングドレインノードに蓄積して暗電荷になり得る。暗電荷は、フォトダイオード飽和の偽検出につながり得る。例証的な例として、室温では、総暗電荷は、ピクセルあたり、および１秒あたり、およそ５０ｅ−であり得る。約１０ミリ秒の（たとえば、Ｔ０とＴ１の間の）露光期間により、フレームあたり１個未満の暗電子がある。しかし、フローティングドレインノード上の暗電流は、２または３桁であり得る。フローティングドレインノードは、露光期間中にオーバーフロー電荷を積分する間に、このような大きい暗電流を受け取るので、大量の暗電荷が、結果として蓄積され得る。暗電荷は、フローティングドレインノードがオーバーフロー電荷を貯蔵しなかったとしても、ＯＦ電圧をＶＲＥＳＥＴより下に落とすことを引き起こし得、これは、フォトダイオード飽和の偽検出につながり得る。その結果、ＦＬＡＧ＿２信号が不正確にアサートされ得、これは、実際には、低強度範囲での入射光の正しい表現をＰＤ  ＡＤＣ出力が提供するときでも、ＰＤ  ＡＤＣ出力が捨てられることにつながる。
【０１１８】
図１３Ａは、フォトダイオードＰＤ飽和の検出に対する暗電流の影響を軽減することができるピクセルセル１１００についての制御信号の例示的なシーケンスを示す。図１３Ａに示されるように、第１のランピングＶＲＥＦの電圧範囲は、ＯＦ電圧と比較するために使用され、ＶＦＤＳＡＴとＶＲＥＳＥＴ〜ＶＤＡＲＫ−ＦＤとの間にある。ＶＤＡＲＫ−ＦＤ電圧は、電荷の所定の量に対応する電圧保護帯域（ｖｏｌｔａｇｅ  ｇｕａｒｄ  ｂａｎｄ）であり得る。特に、比較器１１０２の出力がＦＤ  ＡＤＣ中に反転して、フォトダイオードＰＤが飽和したことを指示するために、オーバーフロー電荷および暗電荷を含み得る、ＣＯＦおよびＣＥＸＴキャパシタに貯蔵された電荷は、電荷の所定の量を超える必要がある。電圧保護帯域は、暗電荷だけが、比較器１１０２の出力が反転することを引き起こし得る可能性が低くなるように構成され得、これは、暗電流によるフォトダイオード飽和の偽検出の可能性を低減することができる。比較器１１０２の出力のステータスの検査１３０４は、ＦＬＡＧ＿２をアサートして、メモリに記憶されたカウント値をロックするべきかどうかを判定するために、ＦＤ  ＡＤＣ測定が完了した後、時間Ｔ２において行われ得る。
【０１１９】
図１３Ａにおける仕組みは、暗電流によるフォトダイオード飽和の偽検出の可能性を低減することができるが、電圧保護帯域ＶＤＡＲＫ−ＦＤは、第１のランピングＶＲＥＦの電圧範囲を低減させ、これも、量子化動作のための入力電圧範囲を低減する。電圧保護帯域内に入るＯＦ電圧、および対応する量のオーバーフロー電荷は量子化されず、量子化ギャップが、図１３Ｂに示されるように生じ得る。電圧保護帯域、および結果として生じる量子化ギャップは、比較器オフセットの変動、暗電流の変動、等のランダムな分布など、ピクセル間の変動の様々なソースを考慮するには、かなり大きくなり得る。電圧保護帯域が、最大比較器オフセットおよび最大暗電流を考慮するように構成される場合、電圧保護帯域は、入力電圧範囲の１／８を占め得るほどに大きくなり得るので、大きい量子化ギャップが生じ得る。大きい量子化ギャップは、特に、ＦＤ  ＡＤＣ測定動作とＰＤ  ＡＤＣ測定動作の強度範囲の間を越える光強度範囲について、量子化雑音の著しい増加、および信号対雑音比の大きな低下につながり得る。
【０１２０】
図１４Ａは、量子化ギャップの発生を低減させつつ、フォトダイオードＰＤ飽和の検出に対する暗電流の影響を軽減することができるピクセルセル１１００についての制御信号の例示的なシーケンスを示す。特に、図１４Ａに示されるように、フォトダイオードＰＤ飽和の検出は、電荷貯蔵ユニット６０８ａのキャパシタンスを低減するために、ＣＥＸＴがＣＯＦキャパシタから切断された後、および、その後のＰＤ  ＡＤＣ測定動作のために残留電荷がＣＯＦキャパシタに転送された後、時間Ｔ３において実施され得る。特に、時間Ｔ３において、比較器１１０２は、上記で説明されたように、フォトダイオードＰＤを飽和させる量の残留電荷を貯蔵したときのＣＯＦキャパシタにおける電圧を表すＶＰＤＳＡＴと、ＯＦ電圧を比較する。ＣＯＦキャパシタに貯蔵された残留電荷が、フォトダイオードＰＤの飽和容量より小さい場合、ＣＯＦキャパシタにおける電圧は、ＶＰＤＳＡＴより大きくなり得、比較器１１０２の出力は、低いままになり得る。その一方で、フォトダイオードＰＤが飽和した場合、ＣＯＦキャパシタに貯蔵された残留電荷は、フォトダイオードＰＤの飽和容量に等しい。ＣＯＦキャパシタにおける電圧は、ＶＰＤＳＡＴを下回るかまたはそれに等しくなり得、比較器１１０２の出力は反転し得る。比較器１１０２の出力の検査１４０４は、時間Ｔ３において行われ得る。時間Ｔ３において比較器１１０２の出力が正である場合、コントローラ１１１０は、ＦＬＡＧ＿２ビットをアサートすることができ、そうでなければ、ＦＬＡＧ＿２ビットは、メモリ８１０をロックするために、または、（ＦＬＡＧ＿１ビットも低い場合）ＰＤ  ＡＤＣ出力において、メモリ８１０がラッチすることを可能にするために、デアサートされ得る。
【０１２１】
図１４Ａの仕組みは、フォトダイオードＰＤが、典型的には、フローティングドレインノードよりずっと少ない暗電流を受け取り、したがって、（たとえば、Ｔ０とＴ１の間の）露光期間中にフォトダイオードＰＤによって蓄積され、フォトダイオードＰＤから転送された電荷に存在する暗電荷が、典型的には、無視できるほどのものであり、偽のフォトダイオード飽和検出を引き起こす可能性が低いので、暗電流に対する、フォトダイオードＰＤ飽和検出のロバストネスを改善することができる。たとえば、上記で説明されたように、室温では、総暗電荷は、ピクセルあたり、および１秒あたり、約５０ｅ−であり得、約１０ミリ秒の露光期間では、フレームあたり１つ未満の暗電子がある。その上、残留電荷をフローティングドレインノードに転送するための時間（Ｔ２とＴ３の間の時間期間の半分）は、露光期間と比較すると比較的短く、これは、フォトダイオード飽和検出の前にフローティングドレインノードによって蓄積された暗電荷を低減することもできる。その結果、ＰＤ  ＡＤＣの始まりにおいてフローティングドレインノード内（およびＣＯＦキャパシタ内）に存在する暗電荷は、ＦＤ  ＡＤＣ中より著しく少なくなり得、フォトダイオードＰＤが飽和していないときに、比較器１１０２の出力が反転することを引き起こす可能性が低くなる。
【０１２２】
いくつかの例では、図１４Ｂに示されるように、電圧保護帯域ＶＤＡＲＫ−ＰＤは、フォトダイオードＰＤ飽和検出のために、ＯＦ電圧が、ＶＰＤＳＡＴ＋ＶＤＡＲＫ−ＰＤの静的しきい値電圧と比較されるように、Ｖ  ＰＤＳＡＴに追加され得る。第２のランピングＶＲＥＦは、ＶＰＤＳＡＴ＋ＶＤＡＲＫ−ＰＤから開始してＶＲＥＳＥＴになり得る。このような仕組みは、たとえば、ＣＯＦキャパシタに貯蔵された残留電荷の量が、フォトダイオードＰＤの飽和容量よりわずかに少ないとき、フォトダイオード飽和の偽検出を防ぐことができるが、暗電荷の存在により、ＣＯＦキャパシタにおける総電荷は飽和容量を超え、比較器１１０２の出力は反転する。しかし、電圧保護帯域ＶＤＡＲＫ−ＰＤは、（たとえば、フォトダイオードにおける低い暗電流、フローティングドレインノードにおけるさらなる暗電荷の短時間の蓄積、等により）暗電荷のずっと低い予想量のために、図１３Ａの電圧保護帯域ＶＤＡＲＫ−ＦＤよりずっと小さくなり得る。その結果、ＶＤＡＲＫ−ＰＤ電圧保護帯域の導入によるＰＤ  ＡＤＣ動作についての入力電圧範囲の低減は、図１３Ａおよび図１３Ｂにおけるよりもずっと重要でなくなり得、結果として生じる量子化ギャップは（もしあれば）、同様に低減され得る。
【０１２３】
いくつかの例では、ＴＴＳ、ＦＤ  ＡＤＣ、およびＰＤ  ＡＤＣ測定のそれぞれは、１つまたは複数のブレークポイントに基づく２つ以上のサブステージに分けられ得る。コントローラ１１１０は、これらのブレークポイントにおいて比較器１１０２の出力を検査し、これらのブレークポイントにおける比較器１１０２の出力のステータスに基づいて、（ＦＤ  ＡＤＣ出力およびＰＤ  ＡＤＣ出力から選択するための）フォトダイオードＰＤ飽和の検出、ならびに、（ＴＴＳ出力またはＦＤ  ＡＤＣ／ＰＤ  ＡＤＣ出力から選択するための）電荷貯蔵ユニット飽和の検出を、実施することができる。このような仕組みは、冗長性を導入し、検出の正確さを改善することができる。その上、カウンタは、各サブステージの始まりにおいてリセットされ得、これは、量子化されることになる入力電圧範囲および／または時間の範囲を収縮させる。カウンタの同じビット数で、カウンタは、時間の低減された範囲を測定するために、より高い頻度で更新することができ、これは、量子化誤差を低減することができる。
【０１２４】
図１５は、複数のサブステージに分けられたＦＤ  ＡＤＣ動作を有するピクセルセル１１００についての制御信号のシーケンスの例を示す。図１５に示されるように、電圧ブレークポイントＶＦＤ−ＢＲＥＡＫは、時間Ｔ１Ａにおける第１のランピングＶＲＥＦの電圧に対応し、ＦＤ  ＡＤＣ動作を、ＦＤ  ＡＤＣ１およびＦＤ  ＡＤＣ２サブステージに分けるように設定され得る。いくつかの例では、ＶＦＤ−ＢＲＥＡＫは、露光期間中にフローティングドレインノード（ＣＯＦキャパシタ）に蓄積された所定の量の暗電荷に基づいて、電圧保護帯域として構成され得る。
【０１２５】
時間Ｔ１において、検査１２０２は、電荷貯蔵ユニット６０８ａが飽和したことを指示する、ＴＴＳ中に比較器１１０２の出力が反転するかどうか（および正になるかどうか）を判定するために、コントローラ１１１０によって実施され得る。ＴＴＳ中に比較器１１０２の出力が反転したとき、カウンタ８０８からのカウント値は、メモリ８１０に記憶され得る。コントローラ１１１０は、電荷貯蔵ユニット６０８ａが飽和した場合、ＦＬＡＧ＿１ビットをアサートして、メモリ８１０をロックし、記憶されたカウント値がその後のＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣ動作で上書きされるのを防ぐことができる。次に、カウンタ８０８がリセットされ、ＴＴＳ動作後に初期値からカウントを開始することができる。
【０１２６】
ＦＤ  ＡＤＣ１サブステージは、時間Ｔ１とＴ１Ａの間で発生することができ、このサブステージにおいて、比較器１１０２は、ＶＦＤＳＡＴからＶＦＤ−ＢＲＥＡＫにランプする第１のランピングＶＲＥＦと、ＯＦ電圧を比較することができる。第１のランピングＶＲＥＦがＯＦ電圧を越える場合、比較器１１０２の出力は反転することができ、カウンタ８０８からのカウント値は、ＦＬＡＧ＿１ビットがＴＴＳ動作からアサートされず、メモリ８１０がロックされない場合、メモリ８１０にラッチされ得る。第１のランピングＶＲＥＦがＯＦ電圧を越えない場合、比較器１１０２の出力は低いままであり得、メモリ８１０に記憶されたカウント値は（もしあっても）、更新されない。
【０１２７】
時間Ｔ１Ａにおいて、コントローラ１１１０は、比較器１１０２の出力が正であるかどうかを判定するために、比較器１１０２の出力の検査１５０２を実施することができる。ＦＤ  ＡＤＣ１サブステージ内の比較器１１０２の出力の反転は、ＯＦ電圧がＶＦＤ−ＢＲＥＡＫを下回ることを指示することができ、これは、フローティングドレインノードに貯蔵された電荷が暗電荷の所定の量を超えたこと、および、フォトダイオードＰＤが飽和される可能性が高いことを指示することができる。このような指示に基づいて、コントローラ１１１０は、ＦＬＡＧ＿２ビットをアサートすることができる。しかし、以下で説明されるように、コントローラ１１１０は、メモリ８１０をロックする前に、比較器１１０２の出力について、もう１つの検査を実施する。カウンタ８０８は、次に、ＦＤ  ＡＤＣ１動作が完了した後、リセットされ、初期値からカウントを開始することができる。
【０１２８】
ＦＤ  ＡＤＣ２サブステージは、時間Ｔ１ＡとＴ２の間で発生することができ、このサブステージにおいて、比較器１１０２は、ＶＦＤ−ＢＲＥＡＫからＶＲＥＳＥＴへのランピングを続ける第１のランピングＶＲＥＦと、ＯＦ電圧を比較することができる。第１のランピングＶＲＥＦがＯＦ電圧を越える場合、比較器１１０２の出力は反転することができ、カウンタ８０８からのカウント値は、ＦＬＡＧ＿１ビットもＦＬＡＧ＿２ビットもアサートされない場合、メモリ８１０にラッチされ得る。第１のランピングＶＲＥＦがＯＦ電圧を越えない場合、比較器１１０２の出力は低いままになり得、メモリ８１０に記憶されたカウント値は（もしあっても）、更新されない。ＦＤ  ＡＤＣ２サブステージは、時間Ｔ２に完了することができる。
【０１２９】
時間Ｔ２とＴ３の間に、図１２に対して上記で説明されたように、ＣＯＦキャパシタとＣＥＸＴキャパシタの両方がリセットされ得、ＣＥＸＴキャパシタは、ＣＯＦキャパシタから切断され得る。残留電荷は、フォトダイオードＰＤからＣＯＦキャパシタに転送され得る。ＯＦ電圧は、残留電荷の量が、フォトダイオードＰＤの飽和容量を超えたかどうかを判定するために、（図１３Ａに示されるような）静的しきい値ＶＰＤＳＡＴ、または（図１４Ｂに示されるような）ＶＰＤＳＡＴ＋ＶＤＡＲＫ−ＰＤと比較され得る。比較器１１０２の出力の反転は、ＯＦ電圧が静的しきい値を下回ることを指示し、フォトダイオードＰＤが飽和されたことを指示することができる。コントローラ１１１０は、時間Ｔ３において、比較器１１０２の出力の検査１４０４を実施することができる。時間Ｔ３において、比較器１１０２の出力が正である場合、および、時間Ｔ１において、ＦＬＡＧ＿１ビットが検査１２０２からアサートされない場合、コントローラ１１１０は、ＦＬＡＧ＿１ビットをアサートすることができる。ＦＬＡＧ＿１ビットとＦＬＡＧ＿２ビット両方のアサートは、フォトダイオードＰＤが飽和したことを指示することができ、メモリ８１０に記憶された値はロックされることになり、その後のＰＤ  ＡＤＣ出力によって上書きされることにはならない。その一方で、ＦＬＡＧ＿１ビットとＦＬＡＧ＿２ビット両方がデアサートされたままの場合、その後のＰＤ  ＡＤＣ出力は、入射光の強度の測定値を表すために、メモリ８１０に記憶され得る。
【０１３０】
以下の表１は、図１５の仕組みについて、ＦＬＡＧ＿１とＦＬＡＧ＿２の値の間のマッピングの例、および、どの測定動作が、カウント値をメモリ８１０に記憶するかを提供する。
2021526327.tif 000003
【０１３１】
図１５の仕組みでは、フォトダイオードが飽和したかどうかの判定は、オーバーフロー電荷の測定（時間Ｔ１Ａにおける検査１５０２）と残留電荷の測定（検査１４０４）の両方に基づき得、これは、冗長性を追加し、フォトダイオード飽和検出のロバストネスを改善することができる。その上、時間Ｔ１Ａにおいてカウンタ８０８がリセットされるので、カウンタ８０８のカウント値によって表されることになる入力電圧範囲は収縮され、これは、カウンタ８０８が、（たとえば、より速いクロックで動作することによって）より高い頻度でカウント値を更新して、量子化ステップを低減させること、および、ＦＤ  ＡＤＣ動作の量子化分解能を改善することを可能にし、一方で、カウンタ８０８（および関連付けられたハードウェア回路）のビット幅は、改善された量子化分解能をサポートするために拡大される必要はない。
【０１３２】
さらに、ＰＤ  ＡＤＣ測定動作とＴＴＳ測定動作の両方も、複数のサブステージに分けられ得、カウンタ８０８は、量子化分解能を改善するために、各サブステージの始まりにおいてリセットされる。図１６に示されるように、電圧ブレークポイントＶＰＤ−ＢＲＥＡＫは、時間Ｔ３Ａにおける第２のランピングＶＲＥＦの電圧に対応し、ＰＤ  ＡＤＣ動作を、ＰＤ  ＡＤＣ１およびＰＤ  ＡＤＣ２サブステージに分けるように設定され得る。ＰＤ  ＡＤＣ１についての第１の入力電圧範囲は、（図１３Ａに示されるような）ＶＰＤＳＡＴまたは（図１４Ｂに示されるような）ＶＰＤＳＡＴ＋ＶＤＡＲＫ−ＰＤから、ＶＰＤ−ＢＲＥＡＫまでであり得、ＰＤ  ＡＤＣ２についての第２の入力電圧範囲は、ＶＰＤ−ＢＲＥＡＫからＶＲＥＳＥＴまでであり得る。
【０１３３】
時間Ｔ３において、カウンタ８０８はリセットされ、初期値からカウントを開始することができる。ＰＤ  ＡＤＣ１サブステージは、時間Ｔ３とＴ３Ａの間で発生することができ、このサブステージにおいて、比較器１１０２は、ＶＰＤＳＡＴまたはＶＰＤＳＡＴ＋ＶＤＡＲＫ−ＰＤから、ＶＰＤ−ＢＲＥＡＫにランプする第２のランピングＶＲＥＦと、ＯＦ電圧を比較することができる。第２のランピングＶＲＥＦがＯＦ電圧を越える場合、比較器１１０２の出力は反転することができ、ＦＬＡＧ＿１ビットもＦＬＡＧ＿２ビットもアサートされない場合、カウンタ８０８からのカウント値はメモリ８１０にラッチされ得る。第１のランピングＶＲＥＦがＯＦ電圧を越えない場合、比較器１１０２の出力は低いままであり得、メモリ８１０に記憶されたカウント値は（もしあっても）、更新されない。
【０１３４】
時間Ｔ３Ａにおいて、コントローラ１１１０は、ＰＤ  ＡＤＣ１出力がメモリ８１０に記憶されたかどうかを判定するために、比較器１１０２の出力の検査１６０２を実施することができる。比較器１１０２の出力が正である場合、コントローラ１１１０は、（この時点でどちらもアサートされていなかった場合）ＦＬＡＧ＿１ビットとＦＬＡＧ＿２ビット両方をアサートして、メモリ８１０が、ＰＤ  ＡＤＣ２の出力で上書きされるのを防ぐことができる。カウンタ８０８は、次に、ＰＤ  ＡＤＣ１動作が完了した後、リセットされ、初期値からカウントを開始することができる。
【０１３５】
ＰＤ  ＡＤＣ２サブステージは、時間Ｔ３ＡとＴ４の間で発生することができ、このサブステージにおいて、比較器１１０２は、ＶＰＤ−ＢＲＥＡＫからＶＲＥＳＥＴにランピングを続ける第２のランピングＶＲＥＦと、ＯＦ電圧を比較することができる。第２のランピングＶＲＥＦがＯＦ電圧を越える場合、比較器１１０２の出力は反転することができ、カウンタ８０８からのカウント値は、ＦＬＡＧ＿１ビットもＦＬＡＧ＿２ビットもアサートされない場合、メモリ８１０にラッチされ得る。
【０１３６】
以下の表２は、図１６の仕組みについて、ＦＬＡＧ＿１とＦＬＡＧ＿２の値の間のマッピングの例、および、どの測定動作が、カウント値をメモリ８１０に記憶するかを提供する。
2021526327.tif 000004
【０１３７】
図１６の仕組みでは、ＶＰＤ−ＢＲＥＡＫは、量子化分解能を最大化するために、残留電荷の予想される量などの様々な尺度に基づいて構成され得る。たとえば、アプリケーションおよび／または動作条件に基づいて、残留電荷の平均量が、（ＶＰＤＳＡＴによって表される）フォトダイオードＰＤの飽和容量に近くなることが判定され得る。このような場合、ＶＰＤ−ＢＲＥＡＫは、第１の入力電圧範囲を低減させるため、および、第１の入力電圧範囲の量子化分解能を改善するために、ＶＲＥＳＥＴよりもＶＰＤＳＡＴに近く設定され得る。いくつかの例では、ＶＰＤ−ＢＲＥＡＫは、ＶＰＤＳＡＴとＶＲＥＳＥＴの中間点にも設定され得る。
【０１３８】
図１７は、複数のサブステージに分けられたＦＤ  ＡＤＣ動作を有するピクセルセル１１００についての制御信号のシーケンスの例を示す。図１７に示されるように、時間ブレークポイントＴＴＴＳ−ＢＲＥＡＫは、ＴＴＳ動作を、ＴＴＳ１およびＴＴＳ２サブステージに分けるために、時間Ｔ０とＴ１の間に設定され得る。カウンタ８０８はリセットされ、時間Ｔ０において初期値からカウントを開始することができ、比較器１１０２は、ＯＦ電圧を静的しきい値ＶＦＤＳＡＴと比較することができる。ＯＦ電圧がＶＦＤＳＡＴを下回る場合、これは、電荷貯蔵ユニット６０８ａが飽和したことを指示し、比較器１１０２の出力は（負から正に）反転し、カウンタ８０８からのカウント値は、メモリ８１０にラッチされ得る。ＯＦ電圧がＶＦＤＳＡＴを下回らない場合、比較器１１０２の出力は低いままであり得、値はメモリ８１０に記憶されない。
【０１３９】
時間ＴＰＤ−ＢＲＥＡＫにおいて、コントローラ１１１０は、比較器１１０２の出力の検査１７０２を実施することができる。時間ＴＴＴＳ−ＢＲＥＡＫにおいて、比較器１１０２の出力が正である場合、コントローラ１１１０は、ＦＬＡＧ＿１ビットをアサートして、その後のＴＴＳ２、ＦＤ  ＡＤＣ、およびＰＤ  ＡＤＣ動作を防ぐことができる。比較器１１０２の出力が負のままである（反転しない）場合、ＦＬＡＧ＿１ビットは、ＴＴＴＳ−ＢＲＥＡＫにおいてアサートされない。カウンタ８０８は、同様にリセットされ、時間ＴＰＤ−ＢＲＥＡＫにおいて初期値からカウントを開始することができる。時間ＴＴＴＳ−ＢＲＥＡＫとＴ１の間に、比較器１１０２は、ＯＦ電圧を静的しきい値ＶＦＤＳＡＴと比較することができる。ＯＦ電圧がＶＦＤＳＡＴを下回る場合、これは、電荷貯蔵ユニット６０８ａが飽和したことを指示し、比較器１１０２の出力は（負から正に）反転し、カウンタ８０８からのカウント値は、メモリ８１０にラッチされ得る。ＯＦ電圧がＶＦＤＳＡＴを下回らない場合、比較器１１０２の出力は低いままであり得、値はメモリ８１０に記憶されない。
【０１４０】
時間Ｔ１において、コントローラ１１１０は、比較器１１０２の出力の検査１２０２を実施することができる。時間Ｔ１において、比較器１１０２の出力が正である場合、コントローラ１１１０は、ＦＬＡＧ＿１ビット（時間ＴＴＴＳ−ＢＲＥＡＫにおいて、ＦＬＡＧ＿１ビットがアサートされない場合）、およびＦＬＡＧ＿２ビットをアサートすることができる。比較器１１０２の出力が負のままである場合、ＦＬＡＧ＿１ビットおよびＦＬＡＧ＿２ビットはデアサートされたままになり、これは、その後のＦＤ  ＡＤＣまたはＰＤ  ＡＤＣ動作のうちの１つが、カウント値をメモリ８１０に記憶することを可能にする。
【０１４１】
以下の表３は、図１７の仕組みについて、ＦＬＡＧ＿１とＦＬＡＧ＿２の値の間のマッピングの例、および、どの測定動作が、カウント値をメモリ８１０に記憶するかを提供する。
2021526327.tif 000005
【０１４２】
図１７の仕組みでは、ＴＴＴＳ−ＢＲＥＡＫは、量子化分解能を最大化するために、予想される入射光強度などの様々な尺度に基づいて構成され得る。たとえば、アプリケーションおよび／または動作条件に基づいて、平均入射光強度が、飽和までの時間がＴ０に近くなり、ＴＴＳ１の時間帯内になるようになることが決定され得る。このような場合、ＴＴＴＳ−ＢＲＥＡＫは、ＴＴＳ１の量子化分解能を改善するために、Ｔ１よりもＴ０に近くなるように設定され得る。いくつかの例では、ＴＴＴＳ−ＢＲＥＡＫは、Ｔ０とＴ１の中間点にも設定され得る。
【０１４３】
図１５〜図１７のそれぞれは、ＴＴＳ、ＦＤ  ＡＤＣ、またはＰＤ  ＡＤＣ動作が分けられていることを示すが、これらが、同じマルチモード測定動作における複数のサブステージにすべて分けられ得ることを理解されたい。
【０１４４】
図１８は、光強度の測定の例示的な方法１８００のフローチャートを示す。方法は、たとえば、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２、およびＭ６スイッチ、電荷貯蔵ユニット６０８ａ、比較器１１０２、コントローラ１１１０、等を備えるピクセルセル１１００の処理回路によって実施され得る。
【０１４５】
ステップ１８０２では、オーバーフロー電荷は、第１の電圧を生じさせるために、フォトダイオードＰＤから電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送され得る。転送は、フォトダイオードＰＤが、入射光に応答して電荷を生成する露光期間中に発生することができる。フォトダイオードＰＤは、電荷の一部を残留電荷として記憶し、フォトダイオードＰＤが飽和した場合、残りの電荷をオーバーフロー電荷としてＭ０スイッチを介して電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送することができる。
【０１４６】
ステップ１８０４では、比較器１１０２は、第１の判定を生成するために、第１の電圧を第１のランピングしきい値電圧と比較することができる。第１の判定は、第１の電圧が第１のランピングしきい値電圧を越えるかどうかを指示することができる。
【０１４７】
ステップ１８０６では、第１の判定に基づいて、第１のデジタル値が、オーバーフロー電荷の量を表すために生成され得る。いくつかの例では、自走カウンタは、第１のランピングしきい値電圧の開始点において、カウント値のカウントおよび生成を開始することができ、第１の判定が生成された時にカウンタによって生成された第１のカウント値は、メモリに記憶され得る。第１のカウント値は、第１のデジタル値であり得る。
【０１４８】
ステップ１８０８では、残留電荷が、第２の電圧を生じさせるために、フォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに転送され得る。電荷貯蔵ユニットは、転送の前にオーバーフロー電荷を除去するためにリセットされ得る。電荷貯蔵ユニットのキャパシタンスは、電荷−電圧変換レートを向上させるために、（たとえば、ＣＥＸＴをＣＯＦから切断することによって）低減され得る。
【０１４９】
ステップ１８１０では、比較器１１０２は、フォトダイオードが飽和したかどうかを判定して第２の判定を生成するために、第２の電圧を静的しきい値電圧と比較することができる。静的しきい値電圧は、ＣＯＦキャパシタが、ＶＰＤＳＡＴなど、フォトダイオードＰＤを飽和させた量の残留電荷を貯蔵したときのＣＯＦキャパシタにおける電圧を表すことができる。いくつかの例では、静的しきい値電圧は、（露光期間中に）フォトダイオードＰＤにおいて、および、（残留電荷の転送中に）フローティングドレインノードにおいて、暗電流によって溜められた暗電荷の総量を表し得る暗電流電圧ＶＤＡＲＫ−ＰＤによってオフセットされ得る。いくつかの例では、第２の判定が、フォトダイオードＰＤが飽和したことを指示する場合、コントローラ１１１０は、信号（たとえば、ＦＬＡＧ＿２ビット）をアサートして、メモリ８１０をロックすることができる。
【０１５０】
ステップ１８１２では、比較器１１０２は、第３の判定を生成するために、第２の電圧を第２のランピングしきい値電圧と比較することができる。第３の判定は、第２の電圧が第２のランピングしきい値電圧を越えるかどうかを指示することができる。
【０１５１】
ステップ１８１４では、比較器１１０２は、第３の判定に基づいて、第２のデジタル値を生成することができる。たとえば、第３の判定が生成された時のカウンタ８０８からの第２のカウント値は、第２のデジタル値であり得る。
【０１５２】
ステップ１８１６では、コントローラ１１１０は、第２の判定に基づいて、光の強度を表すための、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つを出力することができる。いくつかの例では、メモリは、ステップ１８１０において第２の判定に基づいてロックされ、これは、メモリが第２のデジタル値を記憶するのを防ぎ、第１のデジタル値は、メモリから出力される。いくつかの例では、第１のデジタル値と第２のデジタル値両方がメモリに記憶され、コントローラ１１１０は、第２の判定に基づいて出力するために、第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つをメモリから選択し得る。
【０１５３】
図１９は、光強度の測定の例示的な方法１９００のフローチャートを示す。方法は、たとえば、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２、およびＭ６スイッチ、電荷貯蔵ユニット６０８ａ、比較器１１０２、コントローラ１１１０、等を備えるピクセルセル１１００の処理回路によって実施され得る。
【０１５４】
ステップ１９０２では、電荷が、第１の電圧を生じさせるために、フォトダイオードＰＤから電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送され得る。電荷は、ＴＴＳもしくはＦＤ  ＡＤＣ測定についてのオーバーフロー電荷、または、ＰＤ  ＡＤＣ測定についての残留電荷であり得る。
【０１５５】
ステップ１９０４では、第１の時間において、コントローラ１１１０は、初期値からカウントを開始するようにカウンタ（たとえば、カウンタ８０８）を制御することができる。ステップ１９０４は、カウンタをリセットすることによって実施され得、その後、リセットを解放する。ステップ１９０４は、（たとえば、ＴＴＳについての）ステップ１９０２の電荷転送の始まりにおいて、（たとえば、ＦＤ  ＡＤＣについての）電荷転送の中間で、または、（たとえば、ＰＤ  ＡＤＣについての）電荷転送が完了した後に、実施され得る。
【０１５６】
ステップ１９０６では、比較器１１０２は、第１の判定を生成するために、第１の時間と第２の時間の間で、電圧を第１のしきい値と比較することができる。第２の時間は、（ＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣについての）電圧ブレークポイント、または、（ＴＴＳについての）時間ブレークポイントに対応し得る。第１のしきい値は、（ＴＴＳについての）静的しきい値電圧、または、電圧ブレークポイントで終了する（ＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣについての）ランピングしきい値電圧であり得る。カウンタからの第１のカウント値は、第１の判定が生成されたときにメモリに記憶され得る。
【０１５７】
ステップ１９０８では、コントローラ１１１０は、第１の時間と第２の時間の間で、第１の判定が生成されたかどうかを判定することができる。（ステップ１９１０において）第１の判定が生成された場合、コントローラ１１１０は、ステップ１９１２に進み、メモリをロックして、メモリに記憶された第１のカウント値が上書きされるのを防ぐことができる。
【０１５８】
（ステップ１９１０において）第１の判定が生成されなかった場合、または（ステップ１９１２において）メモリがロックされた後、コントローラ１１１０は、ステップ１９１４に進むことができる。ステップ１９１４では、第３の時間において、コントローラ１１１０は、初期値からカウントを開始するようにカウンタを制御することができる。ステップ１９０４と同様に、ステップ１９１４は、カウンタをリセットすることによって実施され得、その後、リセットを解放する。ステップ１９１４は、（たとえば、ＴＴＳについての）ステップ１９０２の電荷転送の始まりにおいて、（たとえば、ＦＤ  ＡＤＣについての）電荷転送の中間に、または、（たとえば、ＰＤ  ＡＤＣについての）電荷転送が完了した後に実施され得る。
【０１５９】
ステップ１９１６では、比較器１１０２は、電圧が第２のしきい値を越えたことを指示する第２の判定を生成するために、第３の時間と第４の時間の間で、電圧を第２のしきい値と比較することができる。第２のしきい値は、（ＴＴＳについての）ステップ１９０６におけるものと同じ静的しきい値電圧、または、電圧ブレークポイントから開始する（ＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣについての）ランピングしきい値電圧の一部であり得る。
【０１６０】
（ステップ１９１８において）第２の判定が生成された場合、および、（ステップ１９２０において）メモリがロックされていない場合、第２の判定が生成されたときにカウンタによって生成された第２のカウント値は、ステップ１９２２において、メモリに記憶され得る。ただし、（ステップ１９１８において）第２の判定が生成されていない場合でも、または、（ステップ１９２０において）メモリがロックされている場合でも、メモリに記憶された第１のカウント値は維持され得る。メモリに記憶されたカウント値（第１のカウント値または第２のカウント値）は、ステップ１９２４において、光強度を表すために、出力され得る。
【０１６１】
本開示の例の上記の説明は、説明の目的で提示されており、網羅的であること、または開示される正確な形態に本開示を限定することは意図されない。当業者は、上記の開示に照らして多くの修正および変形が可能であることを諒解することができる。
【０１６２】
本明細書のいくつかの部分は、情報に関する動作のアルゴリズムおよび記号表現に関して本開示の例について説明する。これらのアルゴリズム説明および表現は、データ処理技術分野の当業者が、他の当業者に自身の仕事の本質を効果的に伝えるために通常使用される。これらの動作は、機能的に、計算量的に、または論理的に説明されるが、コンピュータプログラムまたは等価な電気回路、マイクロコードなどによって実装されることが理解される。さらに、一般性の喪失なしに、動作のこれらの仕組みをモジュールと呼ぶことが時々好都合であることも証明された。説明される動作およびそれらの関連するモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、および／またはハードウェアにおいて具現され得る。
【０１６３】
説明されるステップ、動作、またはプロセスは、１つまたは複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュールで、単独でまたは他のデバイスとの組合せで実施または実装され得る。いくつかの例では、ソフトウェアモジュールは、コンピュータプログラムコードを含んでいるコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品で実装され、コンピュータプログラムコードは、説明されるステップ、動作、またはプロセスのいずれかまたはすべてを実施するためにコンピュータプロセッサによって実行され得る。
【０１６４】
本開示の例はまた、説明される動作を実施するための装置に関し得る。本装置は、必要とされる目的のために特別に構築され得、および／あるいは、本装置は、コンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって選択的にアクティブ化または再構成される汎用コンピューティングデバイスを備え得る。そのようなコンピュータプログラムは、非一時的有形コンピュータ可読記憶媒体、または、コンピュータシステムバスに結合され得る、電子命令を記憶するのに好適な任意のタイプのメディアに記憶され得る。さらに、本明細書で言及される任意のコンピューティングシステムは、単一のプロセッサを含み得るか、または、増加された計算能力のために複数のプロセッサ設計を採用するアーキテクチャであり得る。
【０１６５】
本開示の例はまた、本明細書で説明されるコンピューティングプロセスによって製造される製品に関し得る。そのような製品は、コンピューティングプロセスから生じる情報を備え得、その情報は、非一時的有形コンピュータ可読記憶媒体に記憶され、本明細書で説明されるコンピュータプログラム製品または他のデータ組合せの任意の例を含み得る。
【０１６６】
本明細書で使用される言い回しは、主に読みやすさおよび教授の目的で選択されており、その言い回しは、本発明の主題を画定または制限するために選択されていないことがある。したがって、本開示の範囲はこの詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ、本明細書に基づく出願に関して生じる請求項によって限定されることが意図される。したがって、例の開示は、以下の特許請求の範囲に記載される本開示の範囲を例示するものであり、限定するものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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