(57)【要約】  一例では、方法が、プログラミングデータを受け取ることと、プログラミングデータに基づいて、フローティングドレインを含む電荷貯蔵ユニットがフォトダイオードから受け取られた電荷を蓄積する積分期間、または電荷をサンプリングする回数のうちの少なくとも１つを決定することと、フォトダイオードが、残留電荷を蓄積し、フォトダイオードが飽和した後に電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を送ることを可能にすることと、積分期間内にフォトダイオードから受け取られたオーバーフロー電荷の少なくとも一部を蓄積するように電荷貯蔵ユニットを制御することと、上記回数、オーバーフロー電荷の少なくとも一部または残留電荷をサンプリングして上記数のサンプルを取得するように量子化器を制御することと、上記数のサンプルを量子化して上記数の量子化結果を生成するように量子化器を制御することとを含む。【選択図】図１７
2021526326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、
フローティングドレインを含む電荷貯蔵ユニットと、
量子化器と、
コントローラと
を備える装置であって、前記コントローラは、
プログラミングデータを受け取ることと、
前記プログラミングデータに基づいて、フローティングドレインを含む前記電荷貯蔵ユニットが前記フォトダイオードから受け取られた電荷を蓄積する積分期間、または前記フォトダイオードから受け取られた前記電荷をサンプリングする回数のうちの少なくとも１つを決定することと、
前記フォトダイオードが、残留電荷を蓄積し、前記フォトダイオードが飽和した後に前記電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を送ることを可能にすることと、
前記積分期間内に前記フォトダイオードから受け取られた前記オーバーフロー電荷の少なくとも一部を蓄積するように前記電荷貯蔵ユニットを制御することと、
前記量子化器を制御することであって、
前記回数、前記オーバーフロー電荷の前記少なくとも一部または前記残留電荷をサンプリングして前記回数の数のサンプルを取得することと、
前記数のサンプルを量子化して前記数の量子化結果を生成することと
を行うように、前記量子化器を制御することと
を行うように構成された、
装置。
【請求項２】
前記コントローラは、
第１の時間において、前記フォトダイオードが前記残留電荷を蓄積することを開始することを可能にすることと、
リセット状態から前記電荷貯蔵ユニットを解放することを前記第１の時間の後の第２の時間において開始することと、
前記第２の時間の後の第３の時間において前記電荷貯蔵ユニットをリセットすることと
を行うように構成され、
前記コントローラが、前記プログラミングデータに基づいて前記第２の時間または前記第３の時間のうちの少なくとも１つを設定するように構成された、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記積分期間が、第１の積分期間であり、前記第２の時間において開始し、
前記フォトダイオードの第２の積分期間が前記第１の時間において開始する、
請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記フォトダイオードと第１の電荷シンクとの間に結合されたシャッタースイッチと、
前記電荷貯蔵ユニットと第２の電荷シンクとの間に結合されたリセットスイッチと
をさらに備える、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記コントローラが、
前記第１の時間において、前記第２の積分期間を開始するために前記シャッタースイッチを無効化することと、
前記第２の時間において、前記第１の積分期間を開始するために前記リセットスイッチを無効化することと、
前記第３の時間において、前記第１の積分期間を停止するために前記リセットスイッチを有効化することと
を行うように構成された、
請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記フォトダイオードと前記電荷貯蔵ユニットとの間に結合された転送スイッチをさらに備え、前記転送スイッチが、ゲートと、前記電荷貯蔵ユニットのフローティングドレイン領域とを備え、
前記コントローラは、前記フォトダイオードが前記残留電荷を貯蔵することを可能にするために、前記第１の積分期間および前記第２の積分期間内に、前記転送スイッチのゲートに第１の制御信号を送ることと、
前記第１の積分期間内に、前記電荷貯蔵ユニットにおいて蓄積された前記オーバーフロー電荷の前記少なくとも一部の第１の数のサンプルを量子化するように前記量子化器を制御することとを行うように構成された、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記第３の時間の後に、
前記リセットスイッチを無効化することと、
前記残留電荷を前記フォトダイオードから前記電荷貯蔵ユニットに転送するために、前記転送スイッチの前記ゲートに第２の制御信号を送ることと、
前記第１の積分期間と前記第２の積分期間の両方を停止するために、前記シャッタースイッチを有効化することと、
前記第１の積分期間および前記第２の積分期間が終了した後に、前記電荷貯蔵ユニットにおいて蓄積された前記残留電荷を量子化するように前記量子化器を制御することと
を行うように構成された、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記量子化器が、比較器と、カウンタと、メモリとを備え、
前記コントローラが、
開始カウント値からカウントすることを開始するように前記カウンタを制御することと、
前記電荷貯蔵ユニットにおける電圧を１つまたは複数のしきい値と比較して、比較結果を生成するように前記比較器を制御することと、
前記比較結果に基づいて、前記電圧のサンプルの量子化結果として前記カウンタからのカウント値を記憶するように前記メモリを制御することと
を含む量子化動作を実施するように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記コントローラが、前記数の前記量子化結果を生成するために前記プログラミングデータに基づいて前記数の量子化動作を実施するように構成された、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記コントローラが、前記数の量子化動作の各々において、前記電圧をランピングしきい値と比較して、前記電荷貯蔵ユニットにおいて貯蔵された前記オーバーフロー電荷の量または前記残留電荷の量を決定するように前記比較器を制御するように構成された、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記コントローラが、前記数の量子化結果の間の変化レートに基づいて、前記フォトダイオードによって受け取られた入射光の強度を表す出力を生成するように構成された、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記コントローラが、
前記数の量子化結果の第１のサブセットの間の第１の変化レートを決定することと、
前記数の量子化結果の第２のサブセットの間の第２の変化レートを決定することと、
前記第１の変化レートと前記第２の変化レートとの間の関係に基づいて、前記第１の変化レートに基づく前記出力を生成することと
を行うように構成された、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コントローラは、
前記関係に基づいて、前記数の量子化結果の前記第２のサブセットによって表された前記電圧の前記サンプルが取得されたとき、前記電荷貯蔵ユニットが飽和されたと決定することと、
前記決定に基づいて、前記第１の変化レートに基づく前記出力を生成することと
を行うように構成された、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記コントローラが、
前記数の量子化動作の各々において、前記電荷貯蔵ユニットをリセットすることと、
前記数の量子化結果の平均に基づいて、前記フォトダイオードによって受け取られた入射光の強度を表す出力を生成することと
を行うように構成された、請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
前記コントローラが、前記数の量子化動作の各々において、前記電圧を静的しきい値と比較するように前記比較器を制御するように構成され、
前記数の量子化結果の各々は、前記電荷貯蔵ユニットが前記オーバーフロー電荷によって飽和される時間を表す、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記コントローラが、前記オーバーフロー電荷の前記少なくとも一部を量子化するために前記第１の積分期間内に前記数の量子化動作を実施するように構成された、請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
前記コントローラが、前記残留電荷を量子化するために前記第２の積分期間内に前記数の量子化動作を実施するように構成された、請求項１０に記載の装置。
【請求項１８】
プログラミングデータを受け取ることと、
前記プログラミングデータに基づいて、フローティングドレインを含む電荷貯蔵ユニットがフォトダイオードから受け取られた電荷を蓄積する積分期間、または前記電荷をサンプリングする回数のうちの少なくとも１つを決定することと、
前記フォトダイオードが、残留電荷を蓄積し、前記フォトダイオードが飽和した後に前記電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を送ることを可能にすることと、
前記積分期間内に前記フォトダイオードから受け取られた前記オーバーフロー電荷の少なくとも一部を蓄積するように前記電荷貯蔵ユニットを制御することと、
前記回数、前記オーバーフロー電荷の前記少なくとも一部または前記残留電荷をサンプリングして前記回数の数のサンプルを取得するように量子化器を制御することと、
前記数のサンプルを量子化して前記数の量子化結果を生成するように前記量子化器を制御することと
を含む、方法。
【請求項１９】
第１の時間において、前記フォトダイオードが前記オーバーフロー電荷を蓄積することを開始することを可能にすることと、
リセット状態から前記電荷貯蔵ユニットを解放することを前記第１の時間の後の第２の時間において開始することと、
前記第２の時間の後の第３の時間において前記電荷貯蔵ユニットをリセットすることと
をさらに含み、
前記積分期間の持続時間が、前記第２の時間または前記第３の時間のうちの少なくとも１つに基づいて設定される、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記数の量子化プロセスを実施することであって、前記量子化プロセスの各々が、
開始カウント値からカウントすることを開始するようにカウンタを制御することと、
前記電荷貯蔵ユニットにおける電圧を１つまたは複数のしきい値と比較して、比較結果を生成するように比較器を制御することと、
前記比較結果に基づいて、前記電圧のサンプルの量子化結果として前記カウンタからのカウント値を記憶するようにメモリを制御することと
を含む、前記数の量子化プロセスを実施すること
をさらに含む、請求項１８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、「ＳＩＮＧＬＥ  ＦＲＡＭＥ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＳＡＭＰＬＩＮＧ  ＷＩＴＨ  ＭＵＬＴＩ−ＭＯＤＥ  ＤＩＧＩＴＡＬ  ＰＩＸＥＬ  ＳＥＮＳＯＲ」と題する米国仮特許出願第６２／６８３，５６３号、および２０１９年６月１０日に出願された、「ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＢＬＥ  ＩＭＡＧＥ  ＳＥＮＳＯＲ」と題する米国特許出願第１６／４３６，１３７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、フォトダイオードによって生成された電荷を電圧に変換するための電荷貯蔵ユニットをさらに含む。電圧は、入射光の強度を表すために、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル値に量子化され得る。しかしながら、電圧と入射光強度との間の相関は、そのすべてが画像センサーのダイナミックレンジを低減し得る、雑音、電荷貯蔵ユニットの飽和など、様々なソースによって低下され得る。
【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。
【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。一例では、本装置は、フォトダイオードと、フローティングドレインを含む電荷貯蔵ユニットと、量子化器と、コントローラとを備える。コントローラは、プログラミングデータを受け取ることと、プログラミングデータに基づいて、フローティングドレインを含む電荷貯蔵ユニットがフォトダイオードから受け取られた電荷を蓄積する積分期間（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｐｅｒｉｏｄ）、またはフォトダイオードから受け取られた電荷をサンプリングする回数のうちの少なくとも１つを決定することと、フォトダイオードが、残留電荷を蓄積し、フォトダイオードが飽和した後に電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を送ることを可能にすることと、積分期間内にフォトダイオードから受け取られたオーバーフロー電荷の少なくとも一部を蓄積するように電荷貯蔵ユニットを制御することとを行うように構成される。コントローラはまた、上記回数、オーバーフロー電荷の少なくとも一部または残留電荷をサンプリングして上記回数の数のサンプルを取得することと、上記数のサンプルを量子化して上記数の量子化結果を生成することとを行うように量子化器を制御することができる。
【０００６】
いくつかの態様では、コントローラは、第１の時間において、フォトダイオードが残留電荷を蓄積することを開始することを可能にすることと、リセット状態から電荷貯蔵ユニットを解放することを第１の時間の後の第２の時間において開始することと、第２の時間の後の第３の時間において電荷貯蔵ユニットをリセットすることとを行うように構成される。コントローラは、プログラミングデータに基づいて第２の時間または第３の時間のうちの少なくとも１つを設定するように構成される。
【０００７】
いくつかの態様では、積分期間は、第１の積分期間であり、第２の時間において開始する。フォトダイオードの第２の積分期間が第１の時間において開始する。
【０００８】
いくつかの態様では、本装置は、フォトダイオードと第１の電荷シンクとの間に結合されたシャッタースイッチと、電荷貯蔵ユニットと第２の電荷シンクとの間に結合されたリセットスイッチとをさらに備える。
【０００９】
いくつかの態様では、コントローラは、第１の時間において、第２の積分期間を開始するためにシャッタースイッチを無効化することと、第２の時間において、第１の積分期間を開始するためにリセットスイッチを無効化することと、第３の時間において、第１の積分期間を停止するためにリセットスイッチを有効化することとを行うように構成される。
【００１０】
いくつかの態様では、本装置は、フォトダイオードと電荷貯蔵ユニットとの間に結合された転送スイッチをさらに備え、転送スイッチは、ゲートと、電荷貯蔵ユニットのフローティングドレイン領域とを備える。コントローラは、フォトダイオードが残留電荷を貯蔵することを可能にするために、第１の積分期間および第２の積分期間内に、転送スイッチのゲートに第１の制御信号を送ることと、第１の積分期間内に、電荷貯蔵ユニットにおいて蓄積されたオーバーフロー電荷の少なくとも一部の第１の数のサンプルを量子化するように量子化器を制御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、コントローラは、第３の時間の後に、リセットスイッチを無効化することと、残留電荷をフォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに転送するために、転送スイッチのゲートに第２の制御信号を送ることと、第１の積分期間と第２の積分期間の両方を停止するために、シャッタースイッチを有効化することと、第１の積分期間および第２の積分期間が終了した後に、電荷貯蔵ユニットにおいて蓄積された残留電荷を量子化するように量子化器を制御することとを行うように構成される。
【００１２】
いくつかの態様では、量子化器は、比較器と、カウンタと、メモリとを備える。コントローラは、開始カウント値からカウントすることを開始するようにカウンタを制御することと、電荷貯蔵ユニットにおける電圧を１つまたは複数のしきい値と比較して、比較結果を生成するように比較器を制御することと、比較結果に基づいて、電圧のサンプルの量子化結果としてカウンタからのカウント値を記憶するようにメモリを制御することとを含む量子化動作を実施するように構成される。
【００１３】
いくつかの態様では、コントローラは、上記数の量子化結果を生成するためにプログラミングデータに基づいて上記数の量子化動作を実施するように構成される。
【００１４】
いくつかの態様では、コントローラは、上記数の量子化動作の各々において、電圧をランピングしきい値と比較して、電荷貯蔵ユニットにおいて貯蔵されたオーバーフロー電荷の量または残留電荷の量を決定するように比較器を制御するように構成される。
【００１５】
いくつかの態様では、コントローラは、上記数の量子化結果の間の変化レートに基づいて、フォトダイオードによって受け取られた入射光の強度を表す出力を生成するように構成される。
【００１６】
いくつかの態様では、コントローラは、上記数の量子化結果の第１のサブセットの間の第１の変化レートを決定することと、上記数の量子化結果の第２のサブセットの間の第２の変化レートを決定することと、第１の変化レートと第２の変化レートとの間の関係に基づいて、第１の変化レートに基づく出力を生成することとを行うように構成される。
【００１７】
いくつかの態様では、コントローラは、関係に基づいて、上記数の量子化結果の第２のサブセットによって表された電圧のサンプルが取得されたとき、電荷貯蔵ユニットが飽和されたと決定することと、電荷貯蔵ユニットが飽和されたという決定に基づいて、第１の変化レートに基づく出力を生成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、コントローラは、上記数の量子化動作の各々において、電荷貯蔵ユニットをリセットすることと、上記数の量子化結果の平均に基づいて、フォトダイオードによって受け取られた入射光の強度を表す出力を生成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、コントローラは、上記数の量子化動作の各々において、電圧を静的しきい値と比較するように比較器を制御するように構成される。上記数の量子化結果の各々は、電荷貯蔵ユニットがオーバーフロー電荷によって飽和される時間を表す。
【００２０】
いくつかの態様では、コントローラは、オーバーフロー電荷の少なくとも一部を量子化するために第１の積分期間内に上記数の量子化動作を実施するように構成される。
【００２１】
いくつかの態様では、コントローラは、残留電荷を量子化するために第２の積分期間内に上記数の量子化動作を実施するように構成される。
【００２２】
一例では、方法が、プログラミングデータを受け取ることと、プログラミングデータに基づいて、フローティングドレインを含む電荷貯蔵ユニットがフォトダイオードから受け取られた電荷を蓄積する積分期間、または電荷をサンプリングする回数のうちの少なくとも１つを決定することと、フォトダイオードが、残留電荷を蓄積し、フォトダイオードが飽和した後に電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を送ることを可能にすることと、積分期間内にフォトダイオードから受け取られたオーバーフロー電荷の少なくとも一部を蓄積するように電荷貯蔵ユニットを制御することと、上記回数、オーバーフロー電荷の少なくとも一部または残留電荷をサンプリングして上記回数の数のサンプルを取得するように量子化器を制御することと、上記数のサンプルを量子化して上記数の量子化結果を生成するように量子化器を制御することとを含む。
【００２３】
いくつかの態様では、本方法は、第１の時間において、フォトダイオードがオーバーフロー電荷を蓄積することを開始することを可能にすることと、リセット状態から電荷貯蔵ユニットを解放することを第１の時間の後の第２の時間において開始することと、第２の時間の後の第３の時間において電荷貯蔵ユニットをリセットすることとをさらに含む。積分期間の持続時間は、第２の時間または第３の時間のうちの少なくとも１つに基づいて設定される。
【００２４】
いくつかの態様では、本方法は、上記数の量子化プロセスを実施することであって、量子化プロセスの各々が、開始カウント値からカウントすることを開始するようにカウンタを制御することと、電荷貯蔵ユニットにおける電圧を１つまたは複数のしきい値と比較して、比較結果を生成するように比較器を制御することと、比較結果に基づいて、電圧のサンプルの量子化結果としてカウンタからのカウント値を記憶するようにメモリを制御することとを含む、上記数の量子化プロセスを実施することをさらに含む。
【００２５】
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】
【００２６】
【図１Ａ】ニアアイディスプレイ（ｎｅａｒ−ｅｙｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）の一例の図である。
【図１Ｂ】ニアアイディスプレイ（ｎｅａｒ−ｅｙｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）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（ｓｏｕｒｃｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）をもつ導波路ディスプレイ（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）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７Ａ】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の態様を示す図である。
【図７Ｂ】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の態様を示す図である。
【図７Ｃ】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の態様を示す図である。
【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−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−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、および例示的な結果を示す図である。
【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、および例示的な結果を示す図である。
【図１４Ｃ】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、および例示的な結果を示す図である。
【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。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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践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。
【００３０】
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、積分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。
【００３１】
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付け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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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：ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍａｐｐｉｎｇ）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。
【００３５】
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。
【００３６】
固定ダイナミックレンジを提供し、高速で画像データを生成する画像センサーは、一般的に、極めて高い電力を必要とし、これは、そのような画像センサーを、一般的に極めて低い電力で動作するウェアラブルデバイスにとって好適でないものにする。その上、画像センサーは、利用可能なダイナミックレンジの小さい部分のみを使用し得るが、異なるアプリケーションについて、利用可能なダイナミックレンジの異なる部分を使用し得る。たとえば、眼球を追跡するアプリケーションは、センサーが、眼の角膜によって反射される高強度光、ならびに、瞳孔によって反射される低強度光を検出するが、それらの間の中強度をもつ光を検出しないことを必要とし得る。別の例として、画像センサーのアレイがシーンの異なるスポットから光を受け取り得、アレイ内の異なる画像センサーは、非常に異なる強度の光を受け取り得る。画一的な（ｏｎｅ−ｓｉｚｅ−ｆｉｔ−ａｌｌ）手法は、すべてのこれらのアプリケーションのためのターゲット強度範囲をカバーするために極めて広いダイナミックレンジを有する画像センサーを提供することであり得るが、そのような手法は、極めて高い電力を必要とするだけでなく、画像センサーの広いダイナミックレンジが、これらのアプリケーションの各々においてめったに十分に利用されないので、電力のかなりの浪費にもつながる。
【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構成可能な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、電荷貯蔵ユニット、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、ならびに、コントローラと比較器とを含む処理回路を含み得る。ピクセルセルは、シャッタースイッチとリセットスイッチとをさらに含み、その両方は、コントローラによって制御され得る。コントローラは、フォトダイオードが、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を可能にされる、フォトダイオードの積分期間を設定するように、シャッタースイッチを制御することができる。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、リセットスイッチによってリセットされ得る。コントローラは、電荷貯蔵ユニットが、第１の電圧を生じさせるために、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、オーバーフロー電荷を蓄積することができる、電荷貯蔵ユニットの積分期間を設定するように、リセットスイッチを制御することができる。コントローラはまた、第２の電圧を生じさせるために、残留電荷をフォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに転送するように転送ゲートを制御することができる。第１の電圧および第２の電圧は、入射光の強度を測定するために量子化され得る。
【００３８】
処理回路は、異なる強度範囲について複数の測定モードを実施することができる。測定の第１のモードにおいて、コントローラは、第１の電圧を第１のランピングしきい値電圧と比較して、第１の判定を生成するように比較器を制御することができる。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。ＦＤ  ＡＤＣ動作は、フォトダイオードが残留電荷によって飽和される中強度範囲の入射光をターゲットとし得るが、電荷貯蔵ユニットはオーバーフロー電荷によって飽和されない。
【００３９】
コントローラは、測定の第２のモードについて第２の電圧を生じさせるために、残留電荷をフォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに転送するように転送ゲートを制御することができる。測定の第２のモードにおいて、コントローラは、第２の電圧を第２のランピングしきい値電圧と比較して、第２の判定を生成するように比較器を制御することができる。第２の判定が、第２の電圧が第２のランピング参照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。ＰＤ  ＡＤＣ動作は、フォトダイオードが残留電荷によって飽和されない低強度範囲の入射光をターゲットにすることができる。
【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、コントローラは、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の判定を生成するように比較器を制御することができる。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：ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）動作と呼ばれることがある。ＴＴＳ動作は、フォトダイオードがオーバーフロー電荷によって飽和される高強度範囲の入射光をターゲットにすることができる
【００４１】
コントローラは、画像フレームを生成するために、連続的に測定の異なるモードを実施することができる。フレーム開始（ＳｏＦ：ｓｔａｒｔ  ｏｆ  ｆｒａｍｅ）において、コントローラは、それぞれ、フォトダイオードの積分期間および電荷貯蔵ユニットの積分期間を開始するために、シャッタースイッチおよびリセットスイッチを解放することができる。コントローラはまた、フォトダイオードが残留電荷を貯蔵することを可能にするように転送ゲートを制御することができる。電荷貯蔵ユニットの積分期間は、フォトダイオードの積分期間が開始した後に開始することができる。フォトダイオードが光を受け取ると、フォトダイオードは、フォトダイオードの積分期間内に、および電荷貯蔵ユニットの積分期間内に電荷を生成し続けることができる。もしフォトダイオードが飽和したときは、オーバーフロー電荷が電荷貯蔵ユニット中に蓄積し得る。電荷貯蔵ユニットの積分期間が開始した後に（リセットスイッチが無効化されたとき）、コントローラは、電荷貯蔵ユニットがオーバーフロー電荷によって飽和されたかどうかを決定するために、および飽和までの時間を決定するために、ＴＴＳ動作を実施することができる。コントローラは、次いで、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決定するために、ＦＤ  ＡＤＣ動作を実施することができる。ＦＤ  ＡＤＣ動作の終了に続いて、コントローラは、電荷貯蔵ユニットに貯蔵されたオーバーフロー電荷を除去するためにリセットスイッチをアクティブ化することができ、これにより、電荷貯蔵ユニットの積分期間が終了する。コントローラは、次いで、リセットスイッチを解放し、残留電荷をフォトダイオードから電荷貯蔵ユニットに転送するように転送ゲートを制御することができ、その間に、フォトダイオードは追加の電荷を生成し続け得る。残留電荷の転送が終了した後に、コントローラは、フォトダイオードの積分期間を終了するためにシャッタースイッチをアクティブ化し、次いで、電荷貯蔵ユニットに貯蔵された残留電荷の量を決定するためにＰＤ  ＡＤＣ動作を実施することができる。ＰＤ  ＡＤＣ動作の終了は、フレーム終了（ＥｏＦ：ｅｎｄ  ｏｆ  ｆｒａｍｅ）をマークすることができる。ＳｏＦとＥｏＦとの間の時間はフレーム期間に対応することができ、フレーム期間において、ＴＴＳ動作、ＦＤ  ＡＤＣ動作およびＰＤ  ＡＤＣ動作のうちの１つの出力に基づいて、画像フレームが生成され得る。測定の異なるモードは、後続の画像フレームを生成するために、後続のフレーム期間において繰り返され得る。
【００４２】
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。
【００４３】
本開示によるピクセルセルはまた、光強度測定動作の様々な態様のための構成可能性を提供することができ、これは、ピクセルセルが異なるアプリケーションについて最適化され、ダイナミックレンジをさらに拡張することを可能にする。詳細には、いくつかの例では、ＴＴＳ動作、ＦＤ  ＡＤＣ動作、および／またはＰＤ  ＡＤＣ動作の持続時間は、構成可能である。各測定動作の持続時間は、それぞれの測定動作のターゲット強度範囲を設定することができる。たとえば、ピクセルセルが極めて高い強度の光または極めて低い強度の光のいずれかを検出することを必要とするアプリケーション（たとえば、視線追跡動作）では、コントローラは、フレーム期間を増加させることができる。増加されたフレーム期間は、フォトダイオードが残留電荷を生成および蓄積するフォトダイオード積分期間の増加を可能にする。そのような仕組みは、極めて低い強度の光の光子の、電荷への変換のために提供される時間を増加させることができ、その結果、極めて低い強度の光について、より多くの電荷が蓄積され得、これは、低強度光測定のための信号対雑音比を増加させ、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】
さらに、電荷貯蔵ユニットがオーバーフロー電荷を蓄積する第２の積分期間の持続時間は、低減され得る。そのような仕組みは、様々な利益を提供することができる。第１に、低減された第２の積分期間は、量子化器の様々なアナログ構成要素（たとえば、比較器）のオン時間を低減することができ、これは、ＴＴＳ動作およびＦＤ  ＡＤＣ動作の全体的な電力消費量を低減することができる。第２に、第２の積分期間の低減された持続時間は、暗電流によりフローティングドレインによって蓄積された暗電荷の量をも低減することができ、これは、ＴＴＳ動作およびＦＤ  ＡＤＣ動作の正確さをさらに改善することができる。電荷貯蔵ユニットは、ピクセルセルが極めて高い強度の光を受け取ったときに極めて短い持続時間内に飽和し得るので、低減された第２の積分期間はまた、ダイナミックレンジの上限を下げず、ＴＴＳ動作は、依然として光強度の正確な表現を提供することができる。
【００４５】
コントローラは、様々な技法に基づいて第２の積分期間を調整することができる。一例では、コントローラは、第２の積分期間の開始時間を設定するために、ＴＴＳ動作およびＦＤ  ＡＤＣ動作より前に、シャッタースイッチの解放に対する（電荷貯蔵ユニットをリセットする）リセットスイッチの解放の間の遅延を設定することができる。別の例では、コントローラは、第２の積分期間の終了時間を設定するために、（ＰＤ  ＡＤＣ動作より前に）リセットスイッチのアクティブ化とシャッタースイッチのアクティブ化との間の遅延を設定することができる。両方の例では、コントローラは、第２の積分期間の持続時間を設定するために外部プログラミングデータに基づいて遅延を設定することができる。
【００４６】
いくつかの例では、フレーム期間内のＴＴＳ測定動作、ＰＤ  ＡＤＣ測定動作、およびＦＤ  ＡＤＣ測定動作の数も構成可能である。各ＴＴＳ測定動作、ＰＤ  ＡＤＣ測定動作、およびＦＤ  ＡＤＣ測定動作は、サンプルの量子化結果を生成することができ、測定動作は、複数のサンプルの複数の量子化結果を生成するために、フォトダイオードの積分期間内に繰り返され（たとえば、複数のＰＤ  ＡＤＣ動作）、および／または電荷貯蔵ユニットの積分期間内に繰り返され得る（複数のＴＴＳ動作、複数のＦＤ  ＡＤＣ動作など）。各サンプルは、（ＦＤ  ＡＤＣ動作およびＰＤ  ＡＤＣ動作についての）電圧または飽和までの時間（ＴＴＳ）を含むことができる。コントローラは、様々な技法を使用して複数の量子化結果に基づいて各測定動作についての強度出力を生成することができる。
【００４７】
いくつかの例では、サンプリングされた電圧は、複数のＦＤ  ＡＤＣ測定動作またはＰＤ  ＡＤＣ測定動作にわたる、フォトダイオードからの、電荷貯蔵ユニットにおけるオーバーフロー電荷／残留電荷の連続蓄積に基づき得る。コントローラは、フレーム期間内のおよび／または複数のフレーム期間にわたるサンプリングされた電圧の変化レートに基づいて強度出力を生成することができ、変化レートは電荷の蓄積のレートを反映し、電荷の蓄積のレートは入射光強度を反映する。強度測定のそのような仕組みは、多数の利益を提供することができる。たとえば、サンプルは、高いサンプリング周波数において取得され、量子化され得、これは、１／ｆ雑音を低減し、強度測定動作の正確さを改善することができる。その上、強度測定は、ランプまたはクロック信号の遅延のような不一致のソースに対してより弾力的になり得、これは、これらの雑音ソースの較正の必要を低減するかまたはなくすことができる。
【００４８】
さらに、コントローラはまた、電荷貯蔵ユニットの飽和を検出するために、サンプリングされた電圧の変化レートの変化があるかどうかを決定することができ、飽和より前に変化レートに基づいて強度出力を決定することができる。そのような仕組みは、ＦＤ  ＡＤＣ動作のための光強度範囲の上限を拡大することができ、これは、ＴＴＳ動作が一層高い強度範囲のために使用されることを可能にし、その結果、全体的なダイナミックレンジの上限が増加され得る。
【００４９】
いくつかの例では、電荷貯蔵ユニットは、第１の／第２の積分期間を複数の積分期間に分割するために、各繰り返されるＴＴＳ／ＦＤ  ＡＤＣ／ＰＤ  ＡＤＣ動作においてサンプリングおよび量子化動作より前にリセットされ得る。たとえば、電荷貯蔵ユニットは、複数の積分期間において取得された複数の飽和までの時間測定値を表す複数のサンプルカウント値を取得するために、各ＴＴＳ動作の始まりにおいてリセットされ得る。電荷貯蔵ユニットは、各々が短縮積分期間における蓄積された電荷の量を表す複数のサンプル電圧を取得するために、各ＦＤ  ＡＤＣ／ＰＤ  ＡＤＣ動作の始まりにおいてもリセットされ得る。どちらの場合も、サンプルは、強度出力を生成するために平均化され得る。そのような仕組みは、リセット雑音および量子化雑音など、雑音ソースを低減することができ、これは、強度測定動作の正確さを改善することができる。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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、低い強度の赤外光、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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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、極めて低い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。
【００６０】
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（ｓａｃｃａｄｅ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ））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。
【００６１】
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（ｅｙｅｂｏｘ）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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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、積分期間において開き、ピクセルセル４０２のセットを露光することができる。積分期間中に、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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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信す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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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に示されているように、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。
【００９０】
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（ｐｉｎｎｅｄ）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（ｗｅｌｌ  ｃａｐａｃｉｔｙ）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の積分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。積分期間中に、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。積分期間の終了時に、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（ｓｔｅｅｒ）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は電荷の量をアナログ電圧に変換することができ、アナログ電圧は、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。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。
【００９１】
次に図７Ａを参照すると、図７Ａ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、積分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、積分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（ｔｏｔａｌ  ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ  ｃｈａｒｇｅ）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。
【００９２】
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、積分期間の終了時の、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、積分期間の終了時の、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。
【００９３】
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、積分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、積分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）積分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。
【００９４】
アプリケーションに応じて、ピクセルセル６００は、特定の強度範囲の光を主に検出し得る。たとえば、図７Ｂを参照すると、夜間に屋外環境のシーンをキャプチャするために、ピクセルセル６００を含むピクセルセルアレイ７００が動作され得、屋外環境は、光源７２０と、物体７３０とを備える。ピクセルセルアレイ７００によってキャプチャされた画像７４０は、たとえば、（たとえば、光源７２０の画像に対応する）高光強度の画像領域７４２と、（たとえば、物体７３０の画像に対応する）中光強度の画像領域７４４と、（たとえば、夜間背景に対応する）低光強度の画像領域７４６とを含み得る。画像領域７４２に対応するピクセルセルアレイ７００の領域中のピクセルセル６００は、高光強度範囲７１０の光を主に測定することができる。その上、画像領域７４４に対応するピクセルセルアレイ７００の領域中のピクセルセル６００は、中光強度範囲７０８の光を主に測定することができる。さらに、画像領域７４６に対応するピクセルセルアレイ７００の領域中のピクセルセル６００は、低強度範囲７０６の光を主に測定することができる。
【００９５】
さらに、いくつかのアプリケーションは、図７Ａの強度範囲のサブセットのみを使用し得る。一例は、注視点決定である。図７Ｃに示されているように、眼球の画像７５０をキャプチャするために、ピクセルセル６００を含むピクセルセルアレイが使用され得、画像７５０は、グリントパッチ（ｇｌｉｎｔ  ｐａｔｃｈ）７５２と、瞳孔パッチ７５４とを含み得る。グリントパッチ７５２は、眼球の角膜表面から反射される極めて高い強度の光の検出に基づいて生成され得る。角膜表面から反射される光の強度は、高強度範囲７１０の上端にあり得る。その上、瞳孔パッチ７５４は、眼球の瞳孔から反射される低強度光の検出に基づいて生成され得る。眼球の瞳孔から反射される光の強度は、低強度範囲７０６の下端にあり得る。画像７５０内のグリントパッチ７５２および瞳孔パッチ７５４の画像ロケーションに基づいて、ユーザの注視方向が決定され得る。注視方向の追跡を改善する、グリントパッチおよび瞳孔パッチの検出の正確さを改善するために、ピクセルセル６００は、高忠実度で、極めて高い強度の光と極めて低い強度の光の両方を測定することが可能である必要があるが、中光強度範囲７０８を含む、それらの中間の光はその必要はない。
【００９６】
再び図６を参照すると、転送ゲート６０６は、上記で説明されたように、異なる光強度範囲について、残留電荷キャパシタ６０３および電荷貯蔵ユニット６０８ａにおける電荷蓄積を制御するために測定制御信号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。
【００９７】
電荷の蓄積により電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて生じたアナログ電圧は、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）が生成され得る。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）デジタル出力に変換され得る。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）積分期間の終了の前に、または（低光強度範囲７０６について）積分期間の後に生成され得る。デジタル出力は、積分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に送られ得る。
【００９８】
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、残留電荷キャパシタ６０３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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）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。
【０１０２】
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、積分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。
【０１０３】
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）積分期間中に、および（たとえば、低光強度範囲７０６について）積分期間の後に行われ得る。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｄｒａｉｎ  ｎｏｄｅ）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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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電荷の量は、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。
【０１１２】
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７Ａ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コードを取り出すことができる。メモリ８１０は、ピクセルセル１１００の一部であるか、またはピクセルセル１１００の外部にあり得る。
【０１１３】
さらに、コントローラ１１１０は、制御信号のシーケンスを構成するためにプログラミングデータ１１２０を受け取ることができる。プログラミングデータ１１２０は、ピクセルセル１１００によって生成された画像データを消費するアプリケーションを動作させるホストデバイスから受け取られ得る。以下で説明されるように、構成は、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて電荷の積分期間の持続時間を設定すること、３段階測定プロセスのうちの１つまたは複数を省略すること、入射光強度の複数のサンプルを量子化するために３段階測定プロセスのうちの１つまたは複数を繰り返すことなどを含むことができ、ホストデバイスにおいて動作するアプリケーションに基づき得る。いくつかの例では、コントローラ１１１０は、サンプルに基づいて出力を生成するための強度出力モジュール１１２４をさらに含む。いくつかの例では、強度出力モジュール１１２４もピクセルセル１１００の外部にあり得る。
【０１１４】
次に図１２を参照すると、図１２は、フレーム期間内の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。時間Ｔ０は、フレーム開始（ＳｏＦ）に対応することができ、これは、フォトダイオードＰＤの積分期間１２０４ならびに電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２を開始する。Ｔ０とＴ１との間の時間期間において飽和までの時間（ＴＴＳ）測定動作が実施され、その後に、Ｔ１とＴ２との間の時間期間においてＦＤ  ＡＤＣ測定動作が続き得、その両方が、電荷貯蔵ユニット６０８ａに貯蔵されたオーバーフロー電荷を測定するためのものである。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との間の時間期間において、残留電荷が電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送され、測定され得る。Ｔ４とＴ５との間の時間期間において、電荷貯蔵ユニット６０８ａに貯蔵された残留電荷を測定するためにＰＤ  ＡＤＣ測定動作が実施され得る。ピクセルセル１１００は、時間Ｔ５において画像フレームを生成するために入射光強度を表すデジタル出力を提供することができる。時間Ｔ５は、フレーム終了時間（ＥｏＦ）に対応することができる。次いで、３段階測定動作は、後続の画像フレームを生成するために次のフレーム期間について繰り返され得る。
【０１１５】
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。その上、カウンタ８０８はリセット状態にあり得る。
【０１１６】
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。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１２１２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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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１２１４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。
【０１１９】
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。第２のリセット段階は、電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２を終了することができる。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。
【０１２０】
Ｔ３とＴ４との間の時間期間中に、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。Ｔ３とＴ４との間に、フォトダイオードＰＤはまた、新しい電荷を生成し、新しい電荷を、Ｍ１を介してＣＯＦキャパシタに転送することができる。
【０１２１】
時間Ｔ４において、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。フォトダイオードＰＤの積分期間１２０４は、時間Ｔ４において終了する。ＰＤ  ＡＤＣ動作は時間Ｔ４において開始することができ、（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。ＰＤ  ＡＤＣ動作は時間Ｔ５において終了し、これは、フレーム終了（ＥｏＦ）に対応することができる。
【０１２２】
上記で説明されたように、コントローラ１１１０は、制御信号のシーケンスを構成するためにプログラミングデータ１１２０を受け取ることができる。１つの例示的な構成は、フレーム期間を増加させることを含むことができ、これは、フォトダイオードが残留電荷を生成および蓄積するフォトダイオード積分時間の持続時間をも増加させることができる。そのような仕組みは、極めて低い強度の光の光子の、電荷への変換を提供される時間を増加させることができ、その結果、極めて低い強度の光について、より多くの電荷が蓄積され得、これは、低強度光測定のための信号対雑音比を増加させ、ダイナミックレンジの下限を押し下げることができる。そのような構成は、瞳孔パッチを生成するために、および／または、図７Ｂの画像領域７４６など、低強度光を伴うシーンの部分のための画像データを生成するために、低強度光の正確な検出を必要とする、図７Ｃに示されているような注視点決定を実施するアプリケーションのために提供され得る。いくつかの例では、プログラミングデータ１１２０は、フレーム期間の持続時間を指定することができ、コントローラ１１１０は、フレーム期間に基づいて制御信号（たとえば、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、ＴＸ、ＬＧ、ＶＲＥＦなど）のタイミングを制御し、フレーム期間に従ってフォトダイオードの積分期間１２０４をスケーリングすることができる。
【０１２３】
さらに、別の例示的な構成は、（図１２におけるＴ０とＴ２との間の）電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２の持続時間を低減することを含むことができ、これは、フレーム期間および（図１２におけるＴ０とＴ３との間の）フォトダイオードＰＤの積分期間１２０４の増加をオフセットするために実施され得る。そのような仕組みは、様々な利益を提供することができる。第１に、比較器１１０２が、オンにされ、ＴＴＳ動作とＦＤ  ＡＤＣ動作の両方のために電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２中に電力を消耗する。比較器１１０２は一般的に多くの電力を使用するので、電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２を低減することは、比較器１１０２のオン時間を低減し、ＴＴＳ動作およびＦＤ  ＡＤＣ動作の全体的な電力消費量を実質的に低減することができる。第２に、電荷貯蔵ユニット６０８ａと、特にフローティングドレインとは、一般的に、大量の暗電流を受け取る。積分期間１２０２の低減された持続時間は、暗電流によりフローティングドレインによって蓄積された暗電荷の量を低減することができ、これは、ＴＴＳ動作およびＦＤ  ＡＤＣ動作の正確さをさらに改善することができる。電荷貯蔵ユニットは、ピクセルセルが極めて高い強度の光を受け取ったときに極めて短い持続時間内に飽和し得るので、低減された第２の積分時間はまた、ダイナミックレンジの上限を下げず、ＴＴＳ動作は、依然として光強度の正確な表現を提供することができ、これは、ピクセルセル１１００が、図７Ｃのグリントパッチ７５２および図７Ｂの画像領域７４２のための正確な出力を生成することを可能にする。
【０１２４】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２の持続時間を低減するための例示的な技法を示す。図１３Ａに示されているように、時間Ｔ０において図１２の場合のようにシャッター信号のデアサーションと第１のリセット段階の終了とを整合させる代わりに、第１のリセット段階が、シャッター信号がアサート解除された後に継続することができる。フォトダイオードＰＤの積分期間１２０４は、シャッター信号がアサート解除されるとき、ＳｏＦにおいて依然として開始し、電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２の開始は、ＳｏＦに対して、図１３Ａにおいて露光開始（ＳｏＥ：ｓｔａｒｔ  ｏｆ  ｅｘｐｏｓｕｒｅ）として標示される後の時点まで遅延され得る。図１３Ｂは、電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２の持続時間を低減するための別の例示的な技法を示す。図１３Ｂに示されているように、第２のリセット段階の開始時間はまた、（フォトダイオードＰＤの積分期間１２０４を終了する）シャッタースイッチのアサーションおよびＥｏＦに対して前倒しされ得る。図１３Ａと図１３Ｂの両方において、コントローラは、第１のリセット段階が終了した後に、ＴＴＳ動作を開始し、次いで、ＦＤ  ＡＤＣ動作を開始することができ、第２のリセット段階が開始したときにＦＤ  ＡＤＣ動作を終了する。第１のリセット段階および第２のリセット段階の持続時間は、プログラミングデータ１１２０において指定され得、プログラミングデータ１１２０に基づいて、コントローラ１１１０は、ＲＳＴ１信号およびＲＳＴ２信号のタイミングを制御することができる。いくつかの例では、プログラミングデータ１１２０はまた、電荷貯蔵ユニット６０８ａの低減された積分期間１２０２に適応するために（たとえば、静的ＶＲＥＦ電圧またはランピングＶＲＥＦ電圧を提供しないことによって）ＴＴＳ／ＦＤ  ＡＤＣ測定動作のうちの１つをスキップするように、コントローラ１１１０を構成することができる。
【０１２５】
図１４Ａ〜図１４Ｃは、ピクセルセル１１００の動作の他の例示的な構成を示す。図１４Ａに示されているように、単一のＦＤ  ＡＤＣ動作の代わりに、複数のＦＤ  ＡＤＣ動作が、電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間１２０２内にＯＦノード電圧を量子化するために実施され得る。たとえば、コントローラ１１１０は、時間Ｔ１においてカウンタ８０８を再開することができ、（図１４Ａで「ＦＤ  ＡＤＣ  ０」と標示された）第１のＦＤ  ＡＤＣ動作が時間Ｔ１と時間Ｔ１ａとの間に実施され得、比較器１１０２は、ＯＦノード電圧を、ＶＦＤＳＡＴからＶＲＥＳＥＴにランプする第１のランピングＶＲＥＦと比較し、ＯＦノード電圧が第１のランピングＶＲＥＦを越えることを比較器１１０２の出力が指示するとき、カウンタ８０８からの第１のカウントがメモリ８１０に記憶され得る。第１のカウントは、ＯＦノード電圧の第１のサンプル、ならびに、時間Ｔ１ａにおいて、または時間Ｔ１ａの前に電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積されたオーバーフロー電荷の第１の量を表すことができる。カウンタ８０８は、次いで、時間Ｔ１ａにおいて再開することができ、（図１４Ａで「ＦＤ  ＡＤＣ  １」と標示された）第２のＦＤ  ＡＤＣ動作が時間Ｔ１ａと時間Ｔ１ｂとの間に実施され得、比較器１１０２は、ＯＦノード電圧を、ＶＦＤＳＡＴからＶＲＥＳＥＴにランプする第１のランピングＶＲＥＦと比較し、ＯＦノード電圧が第１のランピングＶＲＥＦを越えることを比較器１１０２の出力が指示するとき、カウンタ８０８からの第２のカウントがメモリ８１０に記憶され得る。第２のカウントは、ＯＦノード電圧の第２のサンプル、ならびに、時間Ｔ１ｂにおいて、または時間Ｔ１ｂの前に電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積されたオーバーフロー電荷の第２の量を表すことができる。追加のサンプルを生成するために追加のＦＤ  ＡＤＣ動作（たとえば、ＦＤ  ＡＤＣ  ｎ）が実施され得る。ＦＤ  ＡＤＣ動作の数は、プログラミングデータ１１２０において指定され得、プログラミングデータ１１２０に基づいて、コントローラ１１１０は、複数のサンプルを生成するために、カウンタ８０８の再開のタイミングならびに第１のランピングＶＲＥＦの生成のタイミングを制御することができる。
【０１２６】
複数の電圧サンプルは、メモリ８１０に記憶され、入射光の強度を決定するために強度出力モジュール１１２４に提供され得る。複数のサンプリング／量子化動作をサポートするために、メモリ８１０は、複数の量子化結果を記憶するための複数のメモリバンク／デバイスを含むことができ、これらは、次いで、強度出力モジュール１１２４を提供され得る。複数のメモリバンク／デバイスはまた、たとえば、後続の段（たとえば、ＦＤ  ＡＤＣ、ＰＤ  ＡＤＣなど）の量子化結果でＴＴＳの量子化結果を上書きする代わりに、ＴＴＳ動作、ＦＤ  ＡＤＣ動作、およびＰＤ  ＡＤＣ動作からの量子化結果を別々に記憶するために使用され得る。したがって、いくつかの例では、前の段からのメモリ８１０に記憶された量子化結果が後続の段の出力と置き換えられ得るかどうかの指示を提供する、図１２における検査１２１２および１２１４は、省略され得る。
【０１２７】
図１４Ｂは、複数のＦＤ  ＡＤＣ動作から取得された電圧サンプルの例示的なパターンを示す。グラフ１４０２は、時間に対する電圧サンプルの例示的なパターンを示す。グラフ１４０２に示されている例示的なパターンでは、電圧サンプル値は、時間に対して一定のレートで減少し、これは、電荷貯蔵ユニット６０８ａが一定のレートでオーバーフロー電荷を蓄積することを反映することができる。オーバーフロー電荷の蓄積のレート、ならびに電圧サンプルの変化レートは、入射光強度と相関することができ、より高い強度が電圧サンプルのより高い変化レートにつながり、より低い強度についてはその逆である。したがって、強度出力モジュール１１２４は、電圧サンプル値の変化レートに基づいて入射光強度を決定することができる。グラフ１４０２の例では、強度出力モジュール１１２４は、異なるサンプル間の（たとえば、ｖ０とｖ１との間の、ｖ１とｖ２との間の、ｖ２とｖ３との間のなど）サンプリングされた電圧の変化レートを決定し、平均変化レートを決定することができる。強度出力モジュール１１２４は、次いで、サンプリングされた電圧の平均変化レートに基づいて入射光の強度を決定することができる。いくつかの例では、強度出力モジュール１１２４はまた、複数の画像フレームにわたるサンプリングされた電圧の平均変化レートに基づいて入射光の強度を決定することができる。
【０１２８】
ＶＦＤＳＡＴ（またはＶＲＥＳＥＴ）と、（ランピングＶＲＥＦを越えるときの）特定のサンプリングされた電圧との間の差に基づくこととは対照的に、変化レートに基づいて入射光強度を決定することは、様々な利益を提供することができる。たとえば、リセット雑音と量子化雑音とは、平均化によって低減され得る。その上、電圧サンプルは、高いサンプリング周波数において取得され、量子化され得、これは、１／ｆ雑音を低減し、ＦＤ  ＡＤＣ動作の正確さを改善することができる。その上、強度測定は、ランプまたはクロック信号の遅延のような不一致のソースに対してより弾力的になり得、これは、これらの雑音ソースの較正の必要を低減するかまたはなくすことができる。
【０１２９】
グラフ１４０４は、時間に対する電圧サンプルの別の例示的なパターンを示す。グラフ１４０４に示されている例示的なパターンでは、電圧サンプル値は、時間ｔ０と時間ｔ３との間の時間に対して第１のレートで減少し、次いで、時間ｔ３と時間ｔ７との間の時間に対して、はるかに小さい第２のレートで減少する（または一定にとどまる）。はるかに遅い第２のレートは、電荷貯蔵ユニット６０８ａがオーバーフロー電荷で飽和されることを指示することができる。強度出力モジュール１１２４は、時間ｔ３において開始する電圧サンプルの変化レートの大幅な減少を検出し、入射光強度を決定するために時間ｔ０と時間ｔ３との間の電圧サンプルの第１の変化レートを使用することができる。そのような仕組みはまた、（たとえば、電荷貯蔵ユニット６０８ａの低減された積分期間１２０２に適応するように）ＴＴＳ動作をスキップすること、および／または、はるかに高い強度範囲についてＴＴＳ動作を指定する一方でＦＤ  ＡＤＣ動作の強度上限を図７Ａの飽和しきい値７０４を超えて拡張することなどを可能にすることができ、これはピクセルセル１１００のダイナミックレンジを拡張することができる。
【０１３０】
図１４Ｃは、ピクセルセル１１００の動作の別の例示的な構成を示す。図１４Ｃでは、ＯＦノード電圧を量子化するために複数のＦＤ  ＡＤＣ動作が実施され得るが、電荷貯蔵ユニット６０８ａと比較器１１０２とは、各ＦＤ  ＡＤＣ動作の終了時にリセットされ、これは、積分期間１２０２を、積分期間Ｐ０、Ｐ１、Ｐｎなどを含む複数のサブ期間に分割することができる。図１４Ｃの例では、強度出力モジュール１１２４は、サンプリングされた電圧を平均化することに基づいて入射光強度を決定することができる。図１４Ｃにおける仕組みも、ＦＤ  ＡＤＣ動作の正確さを改善するために、リセット雑音、量子化雑音、および１／ｆ雑音できる。その上、強度測定は、ランプまたはクロック信号の遅延のような不一致のソースに対してより弾力的になり得、これは、これらの雑音ソースの較正の必要を低減するかまたはなくすことができる。
【０１３１】
図１５は、ピクセルセル１１００の動作の他の例示的な構成を示す。図１５に示されているように、単一のＰＤ  ＡＤＣ動作の代わりに、複数のＰＤ  ＡＤＣ動作が、Ｔ３とＴ５との間の期間において実施され得る。複数のＰＤ  ＡＤＣ動作を実施するために、コントローラ１１１０は、フォトダイオードＰＤが、電荷を生成し、その電荷を電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送することを可能にするために、シャッタースイッチを無効化された状態に保ちながら、Ｔ３とＴ５との間の期間においてトランジスタＭ１を完全にオンにするためにバイアスＴＸをＶＨＩＧＨに設定することができる。コントローラ１１１０は、時間Ｔ３においてカウンタ８０８を再開することができ、（図１５で「ＰＤ  ＡＤＣ  ０」と標示された）第１のＰＤ  ＡＤＣ動作が時間Ｔ３と時間Ｔ３ａとの間に実施され得、比較器１１０２は、ＯＦノード電圧を、ＶＰＤＳＡＴからＶＲＥＳＥＴにランプする第２のランピングＶＲＥＦと比較し、ＯＦノード電圧が第２のランピングＶＲＥＦを越えることを比較器１１０２の出力が指示するとき、カウンタ８０８からの第１のカウントがメモリ８１０に記憶され得る。第１のカウントは、ＯＦノード電圧の第１のサンプル、ならびに、時間Ｔ３ａにおいて、または時間Ｔ３ａの前にフォトダイオードＰＤによって生成された（および電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送された）電荷の第１の量を表すことができる。カウンタ８０８は、次いで、時間Ｔ３ａにおいて再開することができ、（図１５で「ＰＤ  ＡＤＣ  １」と標示された）第２のＰＤ  ＡＤＣ動作が時間Ｔ１ａと時間Ｔ１ｂとの間に実施され得、比較器１１０２は、ＯＦノード電圧を、ＶＦＤＳＡＴからＶＲＥＳＥＴにランプする第１のランピングＶＲＥＦと比較し、ＯＦノード電圧が第２のランピングＶＲＥＦを越えることを比較器１１０２の出力が指示するとき、カウンタ８０８からの第２のカウントがメモリ８１０に記憶され得る。第２のカウントは、ＯＦノード電圧の第２のサンプル、ならびに、時間Ｔ３ｂにおいて、または時間Ｔ３ｂの前にフォトダイオードＰＤによって生成された電荷の第２の量を表すことができる。追加のサンプルを生成するために追加のＰＤ  ＡＤＣ動作（たとえば、ＰＤ  ＡＤＣ  ｎ）が実施され得る。ＰＤ  ＡＤＣ動作の数は、プログラミングデータ１１２０において指定され得、プログラミングデータ１１２０に基づいて、コントローラ１１１０は、複数のサンプルを生成するために、カウンタ８０８の再開のタイミングならびに第２のランピングＶＲＥＦの生成のタイミングを制御することができる。複数の電圧サンプルは、メモリ８１０に記憶され得る。強度出力モジュール１１２４は、たとえば、サンプリングされた電圧の変化レートを決定することに基づいて入射光の強度を決定することができる。
【０１３２】
図１６は、ピクセルセル１１００の動作の他の例示的な構成を示す。図１６に示されているように、単一のＴＴＳ動作の代わりに、複数のＴＴＳ動作が、Ｔ０とＴ１との間の期間において実施され得る。複数のＴＴＳ動作を実施するために、コントローラ１１１０は、時間Ｔ０においてカウンタ８０８を再開して、（図１６で「ＴＴＳ  ０」と標示された）第１のＴＴＳ動作を時間Ｔ０と時間Ｔ０ａとの間に実施することができ、比較器１１０２は、ＯＦノード電圧を静的しきい値電圧ＶＦＤＳＡＴと比較し、ＯＦノード電圧が第２のランピングＶＲＥＦを越えることを比較器１１０２の出力が指示するとき、カウンタ８０８からの第１のカウントがメモリ８１０に記憶され得る。第１のカウントは、ＯＦノード電圧の飽和までの時間の第１のサンプルを表すことができる。コントローラ１１１０は、次いで、ＲＳＴ１とＲＳＴ２とをアサートして、それぞれ、電荷貯蔵ユニット６０８ａと比較器１１０２とをリセットし、時間Ｔ０ａにおいてカウンタ８０８を再開することができ、（図１６で「ＴＴＳ  １」と標示された）第２のＰＤ  ＡＤＣ動作が時間Ｔ０ａと時間Ｔ０ｂとの間に実施され得、（図１６で「ＴＴＳ  ２」と標示された）第３のＰＤ  ＡＤＣ動作が時間Ｔ０ｂと時間Ｔ０ｃとの間に実施され得る。追加のサンプルを生成するために追加のＴＴＳ動作（たとえば、ＴＴＳ  ｎ）が実施され得る。ＴＴＳ動作の数は、プログラミングデータ１１２０において指定され得、プログラミングデータ１１２０に基づいて、コントローラ１１１０は、複数の飽和までの時間サンプルを生成するために、カウンタ８０８の再開のタイミングならびにＲＳＴ１およびＲＳＴ２の生成のタイミングを制御することができる。複数の飽和までの時間サンプルは、メモリ８１０に記憶され、強度出力モジュール１１２４に提供され得る。
【０１３３】
強度出力モジュール１１２４は、様々な技法に基づいて、複数の飽和までの時間サンプルに基づいて入射光強度を決定することができる。いくつかの例では、強度出力モジュール１１２４は、飽和までの時間サンプルの数をカウントし、その数に基づいて強度を決定することができる。たとえば、より高い数がより高い光強度を指示することができる。いくつかの例では、固定数の飽和までの時間サンプルが収集され得、最後の飽和までの時間サンプルが、入射光強度を決定するために使用され得る。いくつかの例では、強度出力モジュール１１２４はまた、飽和までの時間サンプルの平均に基づいて入射光強度を決定することができる。
【０１３４】
図１７は、光強度を測定するための例示的な方法１７００のフローチャートを示す。方法１７００は、たとえば、図１１のピクセルセル１１００のコントローラ１１１０によって実施され得る。
【０１３５】
方法１７００は、ステップ１７０２から開始し、コントローラ１１１０は、アプリケーションを動作させるホストデバイスからプログラミングデータ（たとえば、プログラミングデータ１１２０）を受け取る。プログラミングデータは、ピクセルセル１１００における光強度測定動作を構成することができる。構成は、たとえば、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて電荷の積分期間の持続時間を設定すること、３段階測定プロセスのうちの１つまたは複数を省略すること、入射光強度の複数のサンプルを量子化するために３段階測定プロセスのうちの１つまたは複数を繰り返すことなどを含むことができ、ホストデバイスにおいて動作するアプリケーションに基づき得る。
【０１３６】
ステップ１７０４において、コントローラ１１１０は、プログラミングデータに基づいて、フローティングドレインを含む電荷貯蔵ユニット（たとえば、電荷貯蔵ユニット６０８ａ）がフォトダイオードから受け取られた電荷を蓄積する積分期間の持続時間、または電荷をサンプリングする回数のうちの少なくとも１つを決定することができる。電荷貯蔵ユニット６０８ａの積分期間は、ＴＴＳ測定動作および／またはＦＤ  ＡＤＣ測定動作のためのオーバーフロー電荷の蓄積のために提供された時間期間の持続時間を指示することができ、電荷をサンプリングする回数は、ＴＴＳ測定動作、ＦＤ  ＡＤＣ測定動作、およびＰＤ  ＡＤＣ測定動作のうちの１つまたは複数が光強度を測定するために繰り返される回数を指示することができる。
【０１３７】
ステップ１７０６において、コントローラ１１１０は、フォトダイオードが、残留電荷を蓄積し、フォトダイオードが飽和した後に電荷貯蔵ユニットにオーバーフロー電荷を送ることを可能にすることができる。コントローラは、たとえば、シャッタースイッチを解放してフォトダイオードの積分期間を開始することによって、フォトダイオードが電荷を蓄積することを可能にすることができる。フォトダイオードの積分期間の開始は、フレーム開始（ＳｏＦ）に対応することができる。
【０１３８】
ステップ１７０８において、コントローラ１１１０は、電荷貯蔵ユニットの積分期間内にフォトダイオードから受け取られたオーバーフロー電荷の少なくとも一部を蓄積するように電荷貯蔵ユニットを制御することができる。電荷貯蔵ユニットの積分期間の持続時間は、プログラミングデータに基づいて構成され得る。いくつかの例では、コントローラ１１１０は、（図１３Ａに示されているように）ＳｏＦを超える電荷貯蔵ユニットの第１のリセット段階のタイミングを制御することに基づいて、および／または（図１３Ｂに示されているように）ＰＤ  ＡＤＣの前の電荷貯蔵ユニットの第２のリセット段階のタイミングを制御することに基づいて、電荷貯蔵ユニットの積分期間の持続時間を設定することができる。
【０１３９】
ステップ１７１０において、コントローラ１１１０は、上記回数、オーバーフロー電荷の少なくとも一部または残留電荷をサンプリングして上記回数の数のサンプルを取得することと、上記数のサンプルを量子化して上記数の量子化結果を生成することとを行うように量子化器（たとえば、ピクセルＡＤＣ６１０）を制御することができる。サンプルの数は、プログラミングデータに基づいて構成され得る。いくつかの例では、電荷貯蔵ユニットが（たとえば、ＦＤ  ＡＤＣ動作において）オーバーフロー電荷または（たとえば、ＰＤ  ＡＤＣ動作において）残留電荷を蓄積し続けるにつれて、電圧サンプルが取得され得、各電圧は、ランピングしきい値と比較することと、比較結果に基づいてメモリにカウント値を記憶することとに基づいて量子化され得る。時間に対する電圧サンプルの変化レートが決定され得、変化レートに基づいて入射光の強度が決定され得る。いくつかの例では、電荷貯蔵ユニットは、量子化器が各サンプル（たとえば、電圧サンプル、飽和までの時間サンプルなど）を取得し、そのサンプルを量子化するより前に、リセットされ得、入射光の強度は、量子化結果の平均に基づいて決定され得る。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ−９Ｂ】
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【図１０Ａ−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１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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