(57)【要約】  一実施例では、装置は、フォトダイオード、電荷蓄積ユニット、およびアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路を備える。第１のモードでは、ＡＤＣ回路は、電荷蓄積ユニットに蓄積されたオーバーフロー電荷の量を表す第１の電圧と、第１のランピング電圧とを比較して第１の判定を下し、第１の判定出力に基づいて、第１のデジタル値を取得することができる。第２のモードでは、ＡＤＣ回路は、フォトダイオードに蓄積された残留電荷の量を表す第２の電圧を第２のランピング電圧と比較して第２の判定を下し、第２の判定に基づいて、第２のデジタル値を取得することができる。ＡＤＣ回路は、第１の判定または第２の判定のうちの一方に基づいて、フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定し、入射光の強度を表す第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。【選択図】図１１、図１２
2021519013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、
電荷蓄積ユニットと、
アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路であって、
第１の測定モードにおいて、
前記電荷蓄積ユニットに蓄積されたオーバーフロー電荷を表す第１の電圧を第１のランピング電圧と比較して第１の判定を下して、
前記第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を取得し、
第２の測定モードにおいて、
前記フォトダイオードに蓄積された残留電荷の量を表す第２の電圧を第２のランピング電圧と比較して第２の判定を下して、
前記第２の判定に基づいて、第２のデジタル値を取得し、
前記第１の判定または前記第２の判定のうちの１つに基づいて、前記フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定し、
前記フォトダイオードが飽和しているかどうかに基づいて、入射光の強度を表すために前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値を出力する、
アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路と、
を備える装置。
【請求項２】
前記第２の測定モードは、前記第１の測定モードの後に実行される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
カウント値を生成するように構成されたカウンタと、
メモリと、
前記フォトダイオードが飽和しているかどうかを示すフラグを記憶するように構成されたレジスタとを、さらに備え、
前記ＡＤＣ回路は、
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内に記憶し、
前記フラグが前記フォトダイオードの飽和を示しているかどうかに基づいて、前記第１のデジタル値を前記メモリ内に維持するか、または第２のデジタル値として前記カウンタからの第２のカウント値で前記第１のデジタル値を上書きするように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記フォトダイオードが飽和しているかどうかの前記決定は前記第１の判定に基づいており、
前記第１のランピング電圧の電圧範囲は、前記電荷蓄積ユニットの一部であるフローティングドレインノードにおける暗電流の予測量に基づいている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のランピング電圧の前記電圧範囲は、露光期間内に前記暗電流によって蓄積されたノイズ電荷の予測量、および前記電荷蓄積ユニットの電荷蓄積容量にさらに基づいている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記ＡＤＣ回路は、前記第１の測定モードで前記フォトダイオードが飽和しているとの決定に基づいて、
前記第１の測定モードで前記フォトダイオードが飽和していることを示すためにフラグを第１の値に設定し、
前記フラグの前記第１の値に基づいて前記第２の測定モードで、前記メモリ内の前記第１のデジタル値を前記第２のデジタル値で上書きすることなく、前記第１のデジタル値を前記メモリ内に保持するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記ＡＤＣ回路は、前記第１の測定モードで前記フォトダイオードが飽和していないとの決定に基づいて、
前記第１の測定モードで前記フォトダイオードが飽和していないことを示すために前記フラグを第２の値に設定し、
前記フラグの前記第２の値に基づいて前記第２の測定モードで、前記第２のデジタル値を前記メモリに記憶するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記フォトダイオードが飽和しているかどうかの決定は、前記第２の判定に基づく、請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記ＡＤＣ回路は、前記第１の測定モードでの前記第１の判定に基づいて、前記フォトダイオードが飽和していることを示すために前記フラグを第１の値に設定するように構成され、
前記ＡＤＣ回路は、前記第２の測定モードで、
前記第２の判定に基づいて、前記フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定し、
前記第２の判定に基づいて、前記フォトダイオードが飽和していないことを示すために前記フラグを第２の値に設定するか、または前記フラグを前記第１の値に維持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ＡＤＣ回路は、前記第２の測定モードで、前記フラグが前記第２の値に設定されていることに基づいて前記第２のデジタル値を前記メモリに記憶するか、または前記フラグが前記第１の値に維持されていることに基づいて前記第１のデジタル値を前記メモリに保持するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２のランピング電圧の電圧範囲は、前記フォトダイオードのフルウェル容量に基づく、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２のランピング電圧の前記電圧範囲は、前記フォトダイオードと同じプロセス技術を使用して製造される複数のフォトダイオード間のフルウェル容量の分布に基づいて構成される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２のランピング電圧の前記電圧範囲は、変換利得と第１のフルウェル容量を表す値との積に基づいて構成され、前記第１のフルウェル容量は、前記分布に基づく前記複数のフォトダイオードの前記フルウェル容量の所定のパーセンテージよりも低い、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記パーセンテージは、前記第２のランピング電圧の前記電圧範囲が前記フォトダイオードのフルウェル容量を超える所定の目標尤度に基づいて、かつ、前記分布に基づいて決定される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記フォトダイオードのフルウェル容量を超える前記第２のランピング電圧の前記電圧範囲の前記目標尤度は、前記第２の判定に基づいて前記フォトダイオードが飽和するかどうかを決定する許容誤差率に基づいて決定される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
第１の測定モードにおいて、
フォトダイオードからのオーバーフロー電荷の量を表し、電荷蓄積ユニットに蓄積された第１の電圧を第１のランピング電圧と比較して第１の判定を下すことと、
前記第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を取得することと、
第２の測定モードにおいて、
前記フォトダイオードに蓄積された残留電荷の量を表す第２の電圧を比較して第２の判定を下すことと、
前記第２の判定に基づいて、第２のデジタル値を取得することと、
前記第１の判定または前記第２の判定のうちの１つに基づいて、前記フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定することと、
前記フォトダイオードが飽和しているかどうかに基づいて、入射光の強度を表すために前記第１のデジタル値または前記第２のデジタル値を出力することと、
を含む方法。
【請求項１７】
前記第２の測定モードは、前記第１の測定モードの後に実行される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記フォトダイオードが飽和しているかどうかの前記決定は前記第１の判定に基づいており、
前記第１のランピング電圧の電圧範囲は、前記電荷蓄積ユニットの一部であるフローティングドレインノードにおける暗電流の予測量に基づいている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記フォトダイオードが飽和しているかどうかの前記決定は前記第２の判定に基づいており、
第２のランピング電圧の電圧範囲は、前記ダイオードのフルウェル容量に基づいている、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２のランピング電圧の前記電圧範囲は、前記フォトダイオードと同じプロセス技術を使用して製造される複数のフォトダイオード間のフルウェル容量の分布に基づいてさらに構成される、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
［０００１］  本開示は、概して画像センサに関し、より具体的には、画像生成のための光強度を決定するためのインターフェース回路を含むピクセルセル構造に関する。
【０００２】
［０００２］  典型的な画像センサは、光子を電荷（例えば、電子または正孔）に変換することによって入射光を感知するフォトダイオードを含む。画像センサは、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発生させることができる。電圧は、バッファリングされ、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に供給され得、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。しかしながら、量子化の精度は、フローティングノードでの暗電流など、様々なノイズ源によって影響され得る。
【発明の概要】
【０００３】
［０００３］  本開示は、画像センサに関する。より具体的には、限定はしないが、本開示はピクセルセルに関する。また、本開示は、異なる測定モードにおける入射光の強度を測定するため、ピクセルセルの回路を動作させることにも関する。
【０００４】
［０００４］  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。一実施例では、装置は、フォトダイオード、電荷蓄積ユニット、およびアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路を備える。第１の測定モードでは、ＡＤＣ回路は、電荷蓄積ユニットに蓄積されたオーバーフロー電荷の量を表す第１の電圧と、第１のランピング電圧とを比較して第１の判定（ｄｅｃｉｓｉｏｎ）を下し、第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を取得するように構成される。第２の測定モードでは、ＡＤＣ回路は、フォトダイオードに蓄積された残留電荷の量を表す第２の電圧を第２のランピング電圧と比較して第２の判定を下し、第２の判定に基づいて、第２のデジタル値を取得するように構成される。ＡＤＣ回路は、第１の判定または第２の判定のうちの一方に基づいて、フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定し、フォトダイオードが飽和しているかどうかに基づいて、入射光の強度を表す第１のデジタル値または第２のデジタル値を出力するように構成される。
【０００５】
［０００５］  いくつかの態様では、第２の測定モードは、第１の測定モードの後に実行される。
【０００６】
［０００６］  いくつかの態様では、装置は、カウント値を生成するように構成されたカウンタと、メモリと、フォトダイオードが飽和しているかどうかを示すフラグを記憶するように構成されたレジスタとを、さらに備える。ＡＤＣ回路は、第１の判定に基づいて、カウンタからの第１のカウント値をメモリ内の第１のデジタル値として記憶し、フラグがフォトダイオードの飽和を示しているかどうかに基づいて、第１のデジタル値をメモリ内に維持するか、または第２のデジタル値としてカウンタからの第２のカウント値で第１のデジタル値を上書きするように構成される。
【０００７】
［０００７］  いくつかの態様では、フォトダイオードが飽和しているかどうかの決定は、第１の判定に基づく。第１のランピング電圧の電圧範囲は、フローティングドレインノードにおける暗電流の予測量に基づいており、フローティングドレインノードは電荷蓄積ユニットの一部である。
【０００８】
［０００８］  いくつかの態様では、第１のランピング電圧の電圧範囲は、露光期間内に暗電流によって堆積されたノイズ電荷の予測量、および電荷蓄積ユニットの電荷蓄積容量にさらに基づいている。
【０００９】
［０００９］  いくつかの態様では、ＡＤＣ回路は、フォトダイオードが第１の測定モードで飽和するとの決定に基づいて、フォトダイオードが第１の測定モードで飽和することを示すためにフラグを第１の値に設定し、フラグの第１の値に基づいて第２の測定モードでメモリ内の第１のデジタル値を第２のデジタル値で上書きすることなく、第１のデジタル値をメモリ内に保持するように構成される。
【００１０】
［００１０］  いくつかの態様では、ＡＤＣ回路は、第１の測定モードでフォトダイオードが飽和していないとの決定に基づいて、フォトダイオードが第１の測定モードで飽和していないことを示すためにフラグを第２の値に設定し、フラグの第２の値に基づいて第２の測定モードでメモリに第２のデジタル値を記憶するように構成される。
【００１１】
［００１１］  いくつかの態様では、フォトダイオードが飽和しているかどうかの決定は、第２の判定に基づく。ＡＤＣ回路は、第１の測定モードにおける第１の判定に基づいてフォトダイオードが飽和していることを示すために、フラグを第１の値に設定するように構成される。ＡＤＣ回路は、第２の測定モードにおいて、第２の判定に基づいて、フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定し、第２の判定に基づいて、フォトダイオードが飽和していないことを示すためにフラグを第２の値に設定するか、またはフラグを第１の値に維持するように構成される。
【００１２】
［００１２］  いくつかの態様では、ＡＤＣ回路は、第２の測定モードにおいて、フラグが第２の値に設定されていることに基づいて第２のデジタル値をメモリに記憶するか、またはフラグが第１の値に維持されていることに基づいて第１のデジタル値をメモリに保持するように構成される。
【００１３】
［００１３］  いくつかの態様において、第２のランピング電圧の電圧範囲は、フォトダイオードのフルウェル容量に基づく。
【００１４】
［００１４］  いくつかの態様では、第２のランピング電圧の電圧範囲は、フォトダイオードと同じプロセス技術を使用して製造される複数のフォトダイオード間のフルウェル容量の分布に基づいて構成される。
【００１５】
［００１５］  いくつかの態様では、第２のランピング電圧の電圧範囲は、変換利得と第１のフルウェル容量を表す値との積に基づいて構成され、第１のフルウェル容量は、分布に基づいて、複数のフォトダイオードのフルウェル容量の所定のパーセンテージよりも低い。
【００１６】
［００１６］  いくつかの態様では、パーセンテージは、第２のランピング電圧の電圧範囲がフォトダイオードのフルウェル容量を超える所定の目標尤度（ｔａｒｇｅｔ  ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）に基づいて、また、分布に基づいて決定される。
【００１７】
［００１７］  いくつかの態様では、フォトダイオードのフルウェル容量を超える第２のランピング電圧の電圧範囲の目標尤度は、フォトダイオードが第２の判定に基づいて飽和するかどうかを決定する許容誤差率に基づいて決定される。
【００１８】
［００１８］  本開示はさらに、入射光強度を測定するための方法を提供する。一実施例では、本方法は、第１の測定モードにおいて、フォトダイオードからのオーバーフロー電荷の量を表し、電荷蓄積ユニットに蓄積された第１の電圧を第１のランピング電圧と比較して第１の判定を下すことと、第１の判定に基づいて、第１のデジタル値を取得することと、を含む。本方法はさらに、第２の測定モードにおいて、フォトダイオードに蓄積された残留電荷の量を表す第２の電圧を比較して第２の判定を下すことと、第２の判定に基づいて、第２のデジタル値を取得することと、を含む。本方法はさらに、第１の判定または第２の判定のうちの１つに基づいて、フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定することと、フォトダイオードが飽和しているかどうかに基づいて、入射光の強度を表すために第１のデジタル値または第２のデジタル値を出力することとをさらに含む。
【００１９】
［００１９］  いくつかの態様では、第２の測定モードは、第１の測定モードの後に実行される。
【００２０】
［００２０］  いくつかの態様では、フォトダイオードが飽和しているかどうかの決定は、第１の判定に基づく。第１のランピング電圧の電圧範囲は、電荷蓄積ユニットの一部であるフローティングドレインノードにおける暗電流の予測量に基づいている。
【００２１】
［００２１］  いくつかの態様では、フォトダイオードが飽和しているかどうかの決定は、第２の判定に基づく。第２のランピング電圧の電圧範囲は、フォトダイオードのフルウェル容量に基づく。いくつかの態様では、第２のランピング電圧の電圧範囲はさらに、フォトダイオードと同じプロセス技術を使用して製造される複数のフォトダイオード間のフルウェル容量の分布に基づいて構成される。
【００２２】
［００２２］  例示的な実施形態は、以下の図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】ニアアイディスプレイの実施形態の図である。
【図１Ｂ】ニアアイディスプレイの実施形態の図である。
【図２】ニアアイディスプレイの断面の実施形態である。
【図３】単一のソースアセンブリを有する導波路ディスプレイの実施形態の等角図を示す。
【図４】導波路ディスプレイの実施形態の断面図を示す。
【図５】ニアアイディスプレイを含むシステムの実施形態のブロック図である。
【図６】ピクセルセルの実施形態のブロック図を示す。
【図７】図６の実施形態による異なる範囲の光強度を決定するための操作を示す。
【図８】図６のピクセルセルの内部構成要素の例を示す。
【図９Ａ】光強度を決定するための例示的な方法を示す。
【図９Ｂ】光強度を決定するための例示的な方法を示す。
【図１０Ａ】量子化を実行するための技法を示す。
【図１０Ｂ】量子化を実行するための技法を示す。
【図１１】ピクセルセルの実施形態のブロック図を示す。
【図１２】光強度の測定を実行するための例示的な一連の制御信号を示す。
【図１３Ａ】光強度を測定するための例示的なプロセスのフロー図を示す。
【図１３Ｂ】光強度を測定するための例示的なプロセスのフロー図を示す。
【図１４】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図を示す。
【図１５】図１４の例示的なプロセスのための例示的な一連の制御信号を示す。
【図１６】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図を示す。
【図１７】図１６の例示的なプロセスのための例示的な一連の制御信号を示す。
【００２４】
［００４０］  図は、単に説明を目的として、本開示の実施形態を示したものである。当業者であれば、以下の説明から、図示された構造および方法の代替実施形態が、本開示の原理または謳われている利点から逸脱することなく用いられ得ることを容易に認識するであろう。
【００２５】
［００４１］  添付の図では、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する場合がある。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ている場合、説明は、第２の参照ラベルに関係なく同じ第１の参照ラベルを有する類似の構成要素のいずれかに適用可能である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［００４２］  以下の説明において、説明の目的のために、特定の発明の実施形態の完全な理解を提供するために、特定の詳細が述べられている。しかしながら、これらの特定の詳細なしで様々な実施形態が実施され得ることは明らかであろう。図および説明は、限定的であることを意図していない。
【００２７】
［００４３］  典型的な画像センサは、光子を電荷（例えば、電子または正孔）に変換することによって入射光を感知するフォトダイオードを含む。画像センサは、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発生させることができる。電圧は、バッファリングされ、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に供給され得、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。
【００２８】
［００４４］  特定の期間内にフローティングノードにおいて蓄積された電荷の数を反映するＡＤＣによって生成されたデジタル値は、入射光の強度と相関し得る。しかしながら、相関の程度は、様々な要因によって影響を受ける可能性がある。第１に、フローティングノード内に蓄積された電荷の量は、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場合があり、追加の電荷は漏れ、蓄積されない場合がある。結果として、フローティングノードにおいて蓄積された電荷の量は、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る場合がある。飽和限界は、画像センサの測定可能な光強度の上限を決定し得る。
【００２９】
［００４５］  また、様々な要因が画像センサの測定可能な光強度の下限を設定する可能性がある。例えば、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ノイズ電荷、並びに暗電流によってもたらされる暗信号を含む場合がある。暗電流には、フォトダイオードのｐ−ｎ接合、およびキャパシタに接続されている他の半導体デバイスのｐ−ｎ接合において、結晶学的欠陥のために発生する漏れ電流が含まれることがある。暗電流は、キャパシタに流れ込み、入射光の強度と相関しない電荷を追加する可能性がある。フォトダイオードにおいて生成される暗電流は、典型的には、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。ノイズ電荷の別のソースは、他の回路との容量結合である可能性がある。例えば、ＡＤＣ回路がフローティングノード内に蓄積された電荷の量を決定するために読み取り動作を実行するとき、ＡＤＣ回路は、容量結合を介してフローティングノードにノイズ電荷をもたらす可能性がある。
【００３０】
［００４６］  ノイズ電荷のほかにも、ＡＤＣは、電荷の量を決定する際に測定誤差をもたらす可能性もある。測定誤差は、デジタル出力と入射光の強度との間の相関度を低下させる可能性がある。測定誤差の１つの原因は、量子化誤差である。量子化プロセスでは、量レベルの離散セットを使用して、電荷の量の連続セットを表すことができ、各量レベルは、所定の電荷量を表す。ＡＤＣは、入力電荷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（例えば、量レベルを表すデジタルコードの形態で）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た入力電荷量との間に不一致がある場合に発生する可能性がある。量子化誤差は、より小さい量子化ステップサイズを用いて（例えば、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）低減され得る。測定誤差の他の原因には、例えば、（例えば、ＡＤＣ回路の）デバイスノイズ、および電荷量の測定に不確実性に付加する比較器オフセットも含まれることもある。ノイズ電荷、暗信号、並びにＡＤＣ測定誤差は、イメージセンサの測定可能な光強度の下限を規定することができ、一方、飽和限界は、イメージセンサの測定可能な光強度の上限を決定することができる。上限と下限との間の比率は、ダイナミックレンジを定義し、ダイナミックレンジは、画像センサに関する動作光強度の範囲を設定し得る。
【００３１】
［００４７］  画像センサは、多くの異なる用途において見いだされ得る。例として、画像センサは、デジタル撮像を提供するデジタル撮像デバイス（例えば、デジタルカメラ、スマートフォンなど）内に含まれる。別の例として、画像センサは、ウェアラブル仮想現実（ＶＲ）システムならびに／または拡張現実（ＡＲ）および／もしくは複合現実（ＭＲ）システムにおけるニアアイディスプレイの表示コンテンツを制御するまたは影響を与えるなど、デバイスの動作を制御するまたは影響を与える入力デバイスとして構成され得る。例えば、画像センサは、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、例えば、物理的環境内のユーザの位置、ユーザの向き、および／またはユーザの移動経路を追跡する同時位置推定およびマッピング（ＳＬＡＭ）アルゴリズムを動作させる位置追跡システムに提供され得る。画像センサは、物理的環境内のユーザとオブジェクト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。画像センサは、近赤外線（ＮＩＲ）センサとしても構成され得る。照明器は、ＮＩＲ光のパターンをユーザの眼球に投影し得る。眼球の内部構造（例えば、瞳孔）は、ＮＩＲ光から反射パターンを生成し得る。画像センサは、反射パターンの画像を取り込み、ユーザの注視点を決定するためにユーザの眼球の動きを追跡するシステムに画像を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、インタラクティブ体験をユーザに提供するために、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。例えば、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、（オブジェクトにおけるユーザの関心点を示し得る）ユーザの注視方向、ユーザの位置などに基づいて、仮想画像データを更新し得る。
【００３２】
［００４８］  ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、非常に広範囲の光強度を伴う環境において動作し得る。例えば、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、屋内環境もしくは屋外環境において、および／または、一日の異なる時間において動作することが可能である場合があり、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの動作環境の光強度は、大幅に変化し得る。さらに、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、前述のＮＩＲ眼球追跡システムも含む場合があり、眼球に損傷を与えることを防ぐために、非常に低い強度の光をユーザの眼球に投影することが要求される場合がある。結果として、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの画像センサは、異なる動作環境に関連する非常に広い範囲の光強度にわたって適切に動作する（例えば、入射光の強度と相関する出力を生成する）ことを可能にするために、広いダイナミックレンジを有することが要求される場合がある。ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの画像センサは、ユーザの位置、向き、注視点を追跡できるように、十分に高速で画像を生成するように要求される場合がある。比較的ダイナミックレンジが限られ、比較的低速で画像を生成する画像センサは、このようなウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムには適していない場合がある。
【００３３】
［００４９］  本開示は、拡張されたダイナミックレンジと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、電荷蓄積ユニットと、フォトダイオードと電荷蓄積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、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）回路とを含み得る。フォトダイオードは、入射光に反応して電荷を発生させ、フォトダイオードが飽和するまで少なくとも一部の電荷を蓄積することができる。電荷蓄積ユニットは、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、あるいはこれらの任意の組合せになり得る。電荷蓄積ユニットは、フォトダイオードが飽和し、追加の電荷を蓄積できないときにフォトダイオードから溢れる電荷である、オーバーフロー電荷を蓄積することができる。
【００３４】
［００５０］  ＡＤＣ回路は、複数の測定モードで動作可能である。第１の測定モードでは、ＡＤＣ回路は、フリーランニングカウンタからのカウント値に基づいて第１のランピング電圧を生成し、第１のランピング基準電圧を、電荷蓄積ユニットに蓄積されたオーバーフロー電荷の量を表す第１の測定電圧と比較して、第１の判定出力を生成することができる。第１の判定出力が、第１の測定電圧が第１のランピング基準電圧と交差することを示すとき、第１のカウント値をカウンタから取り込み、メモリに記憶することができる。第２の測定モードでは、ＡＤＣ回路は、カウンタのカウント値に基づいて第２のランピング基準電圧を生成し、第２のランピング基準電圧を、フォトダイオードに蓄積された電荷の量を表す第２の測定電圧と比較して、第２の判定出力を生成することができる。第２の判定出力が、第２の測定電圧が第２のランピング基準電圧と交差することを示すときに、第２のカウント値をカウンタから取り込み、メモリに記憶することができる。いくつかの実施形態では、ＡＤＣは、カウンタが動作している間に第３の判定出力を生成し、カウント値を更新するために、第１の測定電圧を電荷蓄積ユニットの飽和限界を表す固定基準電圧と比較することによって、第３のモード測定を行うこともできる。第３の判定出力が、第１の測定電圧が飽和限界に達するか、または飽和限界を超えることを示す場合、第３のカウント値をカウンタから取り込み、メモリに記憶することができる。ＡＤＣは、入射光の強度を表すために、第１、第２、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。
【００３５】
［００５１］  測定の異なるモードは、異なる光強度範囲を対象とすることができる。第１の測定モードは、フォトダイオードがフル容量に達し、飽和すると予想される中程度の光強度範囲を対象とすることができる。ＡＤＣは、光強度を決定するために、電荷蓄積ユニットに蓄積されたオーバーフロー電荷の量を測定するように動作させることができる。第２の測定モードは、フォトダイオードが飽和することが期待されない低光強度範囲を対象とすることができ、ＡＤＣは、電荷蓄積ユニットでの測定電圧とランピング基準電圧とを比較することによって、フォトダイオードに蓄積された電荷の量を測定することができる。第１および第２のカウント値の各々は、測定電圧と交差する基準電圧の大きさを表すことができ、測定電圧を表すことができる。さらに、第３の測定モードは、電荷蓄積ユニットが飽和する高い光強度範囲を目標とすることができ、ＡＤＣは、電荷蓄積ユニットで発生した電圧を固定基準電圧と比較して、電荷蓄積ユニットが飽和するのに必要な時間（以下、飽和時間、すなわちＴＴＳ）を測定することができる。飽和時間は、電荷蓄積ユニットにおける電荷の蓄積速度に反比例することができ、その速度は入射光の強度も反映することができる。
【００３６】
［００５２］  上述のように、ＡＤＣは、入射光の強度を表すために、メモリから第１、第２、または第３のカウント値のうちの１つを選択することができる。選択は、第１、第２、および第３の判定出力のうちの１つまたは複数に基づくことができる。例えば、第３の判定出力が、電荷蓄積ユニットが飽和していることを示す場合、第３のカウント値は、第１のカウント値および第２のカウント値よりも出力として選択され得る。第３の判定出力が、電荷蓄積ユニットが飽和していないことを示す場合、第３のカウント値は破棄され、ＡＤＣは、第１のカウント値と第２のカウント値との間で出力として選択することができる。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ることを示す場合、ＡＤＣは、電荷蓄積ユニットに蓄積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することができる。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示す場合、ＡＤＣは、フォトダイオードに蓄積された電荷の量を測定する第２の値を出力として選択することができる。いくつかの実施形態では、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１組のレジスタを含むことができる。ＡＤＣは、フラグ値に基づいて、カウント値をメモリに記憶するか、カウント値を破棄するか（カウント値を記憶しないか、カウント値を別のカウント値でメモリに上書きするなど）を決定できる。
【００３７】
［００５３］  第１のカウント値と第２のカウント値のどちらが出力されるかを決定するフォトダイオード飽和の検出は、暗電流のような種々のノイズ源の影響を受けることがある。例えば、暗電流は、フローティングドレインノードに暗信号を加えることができる。暗信号は、第１の測定モード中に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蓄積することを示す誤った第１の判定を下すことにつながる可能性がある。誤った第１の判定は、ＡＤＣに第２のカウント値を破棄させる可能性がある。その結果、ＡＤＣは、フォトダイオードに蓄積された電荷量を表すカウント値を出力せず、代わりに、入射光強度を表すためにメモリから不正確なカウント値を出力することがある。
【００３８】
［００５４］  本開示は、フォトダイオード飽和検出に対する暗電流の影響を緩和するためのいくつかの技術を提供する。いくつかの実施例では、第１のランピング基準電圧は、電圧がフローティングドレイン上の暗電流によって生じる場合には、最大の第１のランピング基準電圧がフローティングドレインの電圧と交差しないように、電圧ヘッドルームを含むように構成することができる。このような構成は、暗電流によって引き起こされる第１の測定モードでの誤った第１の判定出力の発生を低減することができる。いくつかの実施例では、フォトダイオード飽和検出は、第２の判定出力に基づくことができる。上述のように、第２の判定出力は、フローティングドレインに転送されてきたフォトダイオードに蓄積された電荷の量の測定に基づくことができる。フォトダイオードは典型的にははるかに低い暗電流を有するので、フォトダイオードからフローティングドレインに移される電荷も、暗電流によるものよりも少ないノイズ電荷を含む可能性が高い。このような構成により、第２の測定モード中に暗電流の影響を受けにくい、より正確なフォトダイオード飽和判定が可能になる。いくつかの実施例では、第２のランピング基準電圧は、フォトダイオードの記憶容量（例えば、フルウェル容量）を反映する電圧範囲をカバーするように構成することができる。また、電圧範囲は、フォトダイオードの記憶容量の潜在的変動を考慮するためにスケーリング係数によってスケーリングすることができ、フォトダイオードの飽和を正しく検出し、第１のカウント値を出力として選択する可能性を向上させることができる。
【００３９】
［００５５］  本開示の技術により、ピクセルセルのダイナミックレンジは、低光強度測定および高光強度測定の両方に対して拡張され得る。例えば、ピクセルセルによって測定可能な最大強度は、飽和時間測定に基づいて高い光強度を測定することができるので、電荷蓄積ユニットの蓄積容量によってもはや制限されない。さらに、低光強度測定の精度は、フォトダイオードに蓄積された電荷を測定すること、並びに上述のような効果暗電流を緩和する種々の技術によって改善することができる。また、本開示の技術は、ピクセルセルのデジタル出力に依存するアプリケーション（例えば、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステム）の性能を向上させることができ、同様に、ユーザエクスペリエンスを向上させることができる。
【００４０】
［００５６］  本開示の実施形態は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムと共に実装され得る。人工現実は、ユーザへの提示前になんらかの方法で調整された現実の形式であり、例えば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはこれらの何らかの組合せおよび／もしく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、または取り込まれた（例えば、現実世界の）コンテンツと組み合わせて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、音声、触覚フィードバック、または、これらのなんらかの組み合わせを含み、これらのいずれかは、１つのチャネルもしくは複数のチャネル（見る人に立体効果をもたらすステレオビデオなど）において提示され得る。加えて、いくつかの実施形態では、人工現実は、例えば、人工現実におけるコンテンツを作成するために使用される、および／または人工現実において他の方法で使用される（例えば、人工現実における活動を実行する）用途、製品、付属品、サービス、またはこれらの何らかの組み合わ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人または複数の視聴者に人工現実コンテンツを提供することができる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。
【００４１】
［００５７］  図１Ａは、ニアアイディスプレイ１００の実施形態の図である。ニアアイディスプレイ１００は、メディアをユーザに提示する。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／または音声を含む。いくつかの実施形態では、音声は、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音声情報を受け取り、音声情報に基づいて音声データを提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドフォン）を介して提示される。ニアアイディスプレイ１００は、一般に、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。いくつかの実施形態では、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修正される。
【００４２】
［００５８］  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連結される。ディスプレイ１１０は、ユーザがニアアイディスプレイ１００によって提示されるコンテンツを見るように構成される。いくつかの実施形態では、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目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。
【００４３】
［００５９］  ニアアイディスプレイ１００は、画像センサ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄをさらに含む。画像センサ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。例えば、センサ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。
【００４４】
［００６０］  いくつかの実施形態では、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００を着用している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の表示コンテンツを制御または影響を与える入力デバイスとして構成され得る。例えば、センサ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、物理的環境内のユーザの位置および／または移動経路を追跡するために、位置追跡システムに提供され得る。次いで、システムは、インタラクティブ体験を提供するために、例えば、ユーザの位置および向きに基づいて、ディスプレイ１１０に提供される画像データを更新することができる。いくつかの実施形態では、位置追跡システムは、ユーザが物理的環境内を移動するときに、物理的環境内およびユーザの視野内のオブジェクトの組を追跡するために、ＳＬＡＭアルゴリズムを動作させ得る。位置追跡システムは、オブジェクトの組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位置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１２０ａ〜１２０ｄは、位置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、マップの構築および更新内により多くのオブジェクトが含まれることにつながり得る。そのような配置により、物理的環境内のユーザの位置を追跡することの精度および堅牢性が改善され得る。
【００４５】
［００６１］  いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、光を物理的環境に投影するために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（例えば、可視光、赤外線、紫外線など）に関連付けられ得、様々な目的を果たすことができる。例えば、照明器１３０は、例えば、ユーザの位置追跡を可能にするために、暗い環境内の異なるオブジェクトの画像を取り込む際にセンサ１２０ａ〜１２０ｄを支援するために、暗い環境内で（または、低い強度の赤外線、紫外線などを有する環境内で）光を投影し得る。照明器１３０は、マップ構築／更新のためにオブジェクトを識別する際に位置追跡システムを支援するために、環境内のオブジェクトに特定のマーカを投影し得る。
【００４６】
［００６２］  いくつかの実施形態では、照明器１３０は、立体撮像も可能にし得る。例えば、センサ１２０ａまたは１２０ｂの１つまたは複数は、可視光感知用の第１のピクセルアレイと、赤外（ＩＲ）光感知用の第２のピクセルアレイの両方を含むことができる。第１のピクセルアレイには、カラーフィルタ（例えば、ベイヤーフィルタ）が重ねられ得、第１のピクセルアレイの各ピクセルは、特定の色（例えば、赤色、緑色、または青色の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。第２のピクセルアレイ（ＩＲ光感知用）にも、ＩＲ光のみを通過させるフィルタが重ねられ得、第２のピクセルアレイの各ピクセルは、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、オブジェクトのＲＧＢ画像およびＩＲ画像を生成することができ、ＩＲ画像の各ピクセルは、ＲＧＢ画像の各ピクセルにマッピングされる。照明器１３０は、ＩＲマーカの組をオブジェクト上に投影し得、その画像は、ＩＲピクセルアレイによって取り込まれ得る。画像内に示されたオブジェクトのＩＲマーカの分布に基づいて、システムは、ＩＲピクセルアレイからのオブジェクトの異なる部分の距離を推定し、距離に基づいてオブジェクトの立体画像を生成することができる。オブジェクトの立体画像に基づいて、システムは、例えば、ユーザに対するオブジェクトの相対位置を決定し、インタラクティブ体験を提供するために、相対位置に基づいて、ディスプレイ１００に提供される画像データを更新することができる。
【００４７】
［００６３］  上述のように、ニアアイディスプレイ１００は、非常に広い範囲の光強度に関連する環境において動作され得る。例えば、ニアアイディスプレイ１００は、屋内環境もしくは屋外環境において、および／または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、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。結果として、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００に関する異なる動作環境に関連する非常に広い範囲の光強度にわたって適切に動作する（例えば、入射光の強度と相関する出力を生成する）ことを可能にするために、広いダイナミックレンジを有することを必要とする場合がある。
【００４８】
［００６４］  図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００の別の実施形態の図である。図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００を着用しているユーザの眼球１３５に面するニアアイディスプレイ１００の面を示す。図１Ｂに示すように、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１５０ａおよび１５０ｂをさらに含む。照明１４０ａ、１４０ｂ、および１４０ｃは、（図１Ａの方向Ａと反対である）方向Ｄに向けて特定の周波数範囲（例えば、ＮＩＲ）の光を照射し得る。放射された光は、特定の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る可能性がある。センサ１５０ａは、反射光を受け取り、反射パターンの画像を生成する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光を放射し得る。ＮＩＲ光は、ユーザの右眼球によって反射される可能性があり、センサ１５０ｂによって受け取られ得る。センサ１５０ｂは、反射パターンの画像を生成するピクセルアレイも含み得る。センサ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に提供される画像データを更新することができる。
【００４９】
［００６５］  上述のように、ユーザの眼球を損傷することを防ぐために、照明器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆは、典型的には、非常に低い強度の光を出力するように構成される。画像センサ１５０ａおよび１５０ｂが図１Ａの画像センサ１２０ａ〜１２０ｄと同じセンサデバイスを備える場合、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、入射光の強度が非常に低いときに入射光の強度と相関する出力を生成できる必要がある場合があり、これは、画像センサのダイナミックレンジ要件をさらに増大させる場合がある。
【００５０】
［００６６］  さらに、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、眼球の動きを追跡するために、高速において出力を生成できることを必要とする場合がある。例えば、ユーザの眼球は、１つの眼球位置から別の眼球位置への素早いジャンプが存在する可能性がある非常に急速な動き（例えば、サッカード運動）を実行する可能性がある。ユーザの眼球の急速な動きを追跡するために、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、高速で眼球の画像を生成する必要がある。例えば、画像センサが画像フレームを生成するレート（フレームレート）は、少なくとも眼球の動き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際に関与するピクセルセルのすべてに関する短い総露光時間、ならびに、センサ出力を画像生成のためデジタル値に変換する高い速度を必要とする。さらに、上記で論じたように、画像センサは、低光強度を有する環境において動作できることも必要とする。
【００５１】
［００６７］  図２は、図１に示すニアアイディスプレイ１００の断面２００の実施形態である。ディスプレイ１１０は、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を着用しているときに、ユーザの単一の眼球２２０がアイボックス領域内に配置される場所である。例示のために、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とに関連する断面２００を示すが、第２の導波路ディスプレイがユーザの第２の眼球のために使用される。
【００５２】
［００６８］  導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、射出瞳２３０において位置するアイボックスと眼球２２０とに画像光を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有する１つまたは複数の材料（例えば、プラスチック、ガラスなど）から構成され得る。いくつかの実施形態において、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。
【００５３】
［００６９］  いくつかの実施形態では、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、可変焦点導波路ディスプレイなどを含むが、これらに限定されない、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、それぞれの単色光源が異なる色である導波路ディスプレイを積層することによって生成される多色ディスプレイ（例えば、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（例えば、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（例えば、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射される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。代替的な実施形態では、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。
【００５４】
［００７０］  図３は、導波路ディスプレイ３００の実施形態の等角図を示す。いくつかの実施形態では、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（例えば、導波路ディスプレイアセンブリ２１０）である。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３００は、画像光を特定の場所に導く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。
【００５５】
［００７１］  導波路ディスプレイ３００は、光源アセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、コントローラ３３０とを含む。例示のため、図３は、１つの眼球２２０に関連する導波路ディスプレイ３００を示しているが、いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３００から分離した、または部分的に分離した別の導波路ディスプレイが、画像光をユーザのもう一方の眼に提供する。
【００５６】
［００７２］  光源アセンブリ３１０は、画像光３５５を生成する。光源アセンブリ３１０は、画像光３５５を生成し、出力導波路３２０の第１の面３７０−１上に位置するカップリング素子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の面３７０−１上に位置する１つまたは複数のカップリング素子３５０において画像光３５５を受け取り、受け取った入力画像光３５５を方向付け要素３６０に導く。いくつかの実施形態において、カップリング素子３５０は、光源アセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に連結する。カップリング素子３５０は、例えば、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。
【００５７】
［００７３］  方向付け要素３６０は、受け取った入力画像光３５５がデカップリング素子３６５を介して出力導波路３２０から分離されるように、受け取った入力画像光３５５をデカップリング素子３６５に方向転換する。方向付け要素３６０は、出力導波路３２０の第１の面３７０−１の一部であるか、または出力導波路３２０の第１の面３７０−１に取り付けられる。デカップリング素子３６５は、方向付け要素３６０がデカップリング素子３６５に対向するように、出力導波路３２０の第２の面３７０−２の一部であるか、または出力導波路３２０の第２の面３７０−２に取り付けられる。方向付け要素３６０よび／またはデカップリング素子３６５は、例えば、回折格子、ホログラフィック格子、１つもしくは複数のカスケード型反射器、１つもしく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。
【００５８】
［００７４］  第２の面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で構成され得る。出力導波路３２０は、例えば、シリコン、プラスチック、ガラス、および／またはポリマーで構成され得る。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。例えば、出力導波路３２０は、ｘ方向に沿って約５０ｍｍの幅、ｙ方向に沿って３０ｍｍの長さ、およびｚ方向に沿って０．５〜１ｍｍの厚みになり得る。
【００５９】
［００７５］  コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０の走査動作を制御する。コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０の走査命令を決定する。いくつかの実施形態では、出力導波路３２０は、拡大画像光３４０を、大きな視野（ＦＯＶ）でユーザの眼球２２０に出力する。例えば、拡大画像光３４０は、対角ＦＯＶ（ｘおよびｙ）が６０度以上および／または１５０度以下でユーザの眼球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、かつ／または１０ｍｍ以上および／または５０ｍｍ以下の幅を有するアイボックスを提供するように構成される。
【００６０】
［００７６］  さらに、コントローラ３３０は、画像センサ３７０によって提供される画像データに基づいて、光源アセンブリ３１０によって生成される画像光３５５も制御する。画像センサ３７０は、第１の面３７０−１上に位置し、例えば（位置決定のために）、ユーザの前面の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１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。画像センサ３７０は、第２の面３７０−２上に位置し、（例えば、注視点決定のための）ユーザの眼球２２０の画像データを作成するために図１Ｂの画像センサ１５０ａおよび１５０ｂを含み得る。画像センサ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３７０は、画像データをリモートコンソールに提供し、リモートコンソールは、例えば、ユーザの位置、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連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、光源アセンブリ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。
【００６１】
［００７７］  図４は、導波路ディスプレイ３００の断面４００の実施形態を示す。断面４００は、光源アセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、画像センサ３７０とを含む。図４の例において、画像センサ３７０は、ユーザの前面の物理的環境の画像を生成するために、第１の面３７０−１上に位置するピクセルセル４０２の組を含み得る。いくつかの実施形態において、ピクセルセル４０２の組の露出を制御するために、ピクセルセル４０２の組と物理的環境との間に挿入された機械的シャッタ４０４が存在し得る。いくつかの実施形態において、機械的シャッタ４０４は、以下で論じるように、電子シャッタゲートに置き換えられ得る。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４０２の各々は、ピクセルセルによって感知されるべき光の周波数範囲を制御するために、フィルタも重ねられ得ることが理解される。
【００６２】
［００７８］  リモートコンソールから命令を受信した後、機械的シャッタ４０４は、露光期間において開き、ピクセルセル４０２の組を露光することができる。露光期間中、画像センサ３７０は、ピクセルセル４０２の組に入射する光のサンプルを取得し、ピクセルセル４０２の組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３７０は、次いで、画像データをリモートコンソールに提供することができ、リモートコンソールは、表示コンテンツを決定し、表示コンテンツ情報をコントローラ３３０に提供する。コントローラ３３０は、次いで、表示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。
【００６３】
［００７９］  光源アセンブリ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。光源アセンブリ３１０は、光源４１０と光学系４１５とを含む。光源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。光源４１０は、例えば、レーザダイオード、垂直キャビティ面発光レーザ、および／または発光ダイオードであり得る。
【００６４】
［００８０］  光学系４１５は、光源４１０からの光を調節する１つまたは複数の光学構成要素を含む。光源４１０からの光を調節することは、例えば、コントローラ３３０からの命令に従って、拡大すること、コリメートすること、および／または方位を調節することを含み得る。１つまたは複数の光学構成要素は、１つまたは複数のレンズ、液体レンズ、鏡、開口、および／または格子を含み得る。いくつかの実施形態では、光学系４１５は、閾値のスキャン角度を有する光ビームのスキャンが光ビームを液体レンズの外側の領域にシフトさせる複数の電極を有する液体レンズを含む。光学系４１５（および光源アセンブリ３１０も）から放出される光は、画像光３５５と呼ばれる。
【００６５】
［００８１］  出力導波路３２０は、画像光３５５を受け取る。カップリング素子３５０は、光源アセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に連結する。カップリング素子３５０が回折格子である実施形態では、出力導波路３２０内で内部全反射が生じ、画像光３５５が出力導波路３２０内でデカップリング素子３６５に向かって（例えば、内部全反射によって）内部的に伝播するように、回折格子のピッチが選択される。
【００６６】
［００８２］  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をデカップリング素子３６５に方向転換する。方向付け要素３６０が回折格子である実施形態では、回折格子のピッチは、入射画像光３５５がデカップリング素子３６５の表面に対して傾斜した角度で出力導波路３２０を出るように選択される。
【００６７】
［００８３］  いくつかの実施形態では、方向付け要素３６０および／またはデカップリング素子３６５は、構造的に類似している。出力導波路３２０を出る拡大画像光３４０は、１つまたは複数の次元に沿って拡大される（例えば、ｘ方向に沿って延長され得る）。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３００は、複数の光源アセンブリ３１０と複数の出力導波路３２０とを含む。光源アセンブリ３１０の各々は、原色（例えば、赤色、緑色、または青色）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、多色化された拡大画像光３４０を出力するために、分離距離とともに一緒に積層され得る。
【００６８】
［００８４］  図５は、ニアアイディスプレイ１００を含むシステム５００の実施形態のブロック図である。システム５００は、ニアアイディスプレイ１００と、撮像デバイス５３５と、入力／出力インターフェース５４０と、各々が制御回路５１０に連結された画像センサ１２０ａ〜１２０ｄおよび１５０ａ〜１５０ｂとを備える。システム５００は、頭部装着型デバイス、ウェアラブルデバイスなどとして構成され得る。
【００６９】
［００８５］  ニアアイディスプレイ１００は、メディアをユーザに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／または音声を含む。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００および／または制御回路５１０から音声情報を受信し、音声情報に基づいて音声データをユーザに提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドフォン）を介して音声が提示される。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、ＡＲアイウェアグラスとしても機能し得る。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、コンピュータ生成要素（例えば、画像、ビデオ、音など）を用いて、物理的な現実世界環境のビューを拡張する。
【００７０】
［００８６］  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つもしくは複数の位置センサ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、光源アセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、コントローラ３３０とを含む。
【００７１】
［００８７］  ＩＭＵ５３０は、位置センサ５２５のうちの１つまたは複数から受信し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の推定位置を示す高速較正データを生成する電子デバイスである。
【００７２】
［００８８］  撮像デバイス５３５は、様々な用途のための画像データを生成し得る。例えば、撮像デバイス５３５は、制御回路５１０から受信し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、例えば、ユーザの位置追跡を実行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の図１Ａの画像センサ１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。撮像デバイス５３５は、例えば、ユーザの関心対象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の図１Ｂの画像センサ１５０ａ〜１５０ｂをさらに含み得る。
【００７３】
［００８９］  入力／出力インターフェース５４０は、ユーザがアクション要求を制御回路５１０に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行するための要求である。例えば、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行するためのものであり得る。
【００７４】
［００９０］  制御回路５１０は、撮像デバイス５３５、ニアアイディスプレイ１００、および入力／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信した情報に従って、ユーザに提示するためのメディアをニアアイディスプレイ１００に提供する。いくつかの実施例では、制御回路５１０は、頭部装着型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。いくつかの実施例では、制御回路５１０は、システム５００の他の構成要素と通信可能に連結された独立型コンソールデバイスであり得る。図５に示す実施例では、制御回路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。
【００７５】
［００９１］  アプリケーションストア５４５は、制御回路５１０による実行のための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ると、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、ゲーミングアプリケーション、会議アプリケーション、動画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。
【００７６】
［００９２］  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。
【００７７】
［００９３］  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の動きを追跡する。追跡モジュール５５０は、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の基準点の位置も決定する。
【００７８】
［００９４］  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／または予想される将来の位置を受信する。いくつかの実施形態では、エンジン５５５によって受信された情報は、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（例えば、表示命令）をもたらすために使用され得る。例えば、インタラクティブ体験を提供するために、エンジン５５５は、（例えば、追跡モジュール５５０によって提供される）ユーザの位置、（例えば、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（例えば、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）オブジェクト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。
【００７９】
［００９５］  図６は、ピクセルセル６００の例を示す。ピクセルセル６００は、ピクセルアレイの一部であり、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。例えば、ピクセルセル６００は、図４のピクセルセル４０２の一部であってもよい。図６に示したように、ピクセルセル６００は、フォトダイオード６０２と、シャッタスイッチ６０４と、転送ゲート６０６と、リセットスイッチ６０７と、測定キャパシタ６０８と、バッファ６０９と、ピクセルＡＤＣ６１０とを含み得る。
【００８０】
［００９６］  いくつかの実施形態では、フォトダイオード６０２は、例えば、Ｐ−Ｎダイオード、Ｐ−Ｉ−Ｎダイオード、ピン止めダイオード等を含んでもよい。フォトダイオード６０２は、受光時に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、フォトダイオードが飽和するまで生成された電荷の一部を蓄えることができ、これはフォトダイオードのウェル容量に達したときに起こる。さらに、シャッタスイッチ６０４、転送ゲート６０６、およびリセットスイッチ６０７のそれぞれは、トランジスタを含んでもよい。トランジスタは、例えば、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）などを含むことができる。シャッタスイッチ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ゲート（図４の機械的シャッタ４０４の代わりに、またはそれと組み合わせて）として動作することができる。露光期間中、シャッタスイッチ６０４は、露光イネーブル信号６１１によってディスエーブル（オフ）され得、これは、フォトダイオード６０２が生成された電荷を蓄積することを可能にし、フォトダイオード６０２が飽和すると、オーバーフロー電荷が測定キャパシタ６０８に流れることを可能にする。露光期間の終わりに、シャッタスイッチ６０４は、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に導くことが可能になる。さらに、リセットスイッチ６０７は、リセット信号６１８によって無効化される（オフにされる）ことも可能であり、これは、測定キャパシタ６０８が電荷を蓄積することを可能にする。測定キャパシタ６０８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、またはこれらの任意の組合せであり得る。測定キャパシタ６０８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蓄積するために使用され得る。測定モードが完了した後、リセットスイッチ６０７は、測定キャパシタ６０８を次の測定のために利用可能にするように、シンク６２０を充電するために測定キャパシタ６０８において蓄積された電荷を空にすることが可能である。
【００８１】
［００９７］  次に、異なる光強度範囲で時間に対する蓄積された電荷の量を示す図７を参照する。特定の時点で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。この量は、露光期間が終了したときに測定することができる。入射光の強度に関して、低光強度範囲７０６、中光強度範囲７０８、および高光強度範囲７１０を定義する電荷の閾値量として、閾値７０２および閾値７０４が定義され得る。例えば、総蓄積電荷が閾値７０２未満である場合（例えば、Ｑ１）には、入射光強度は低光強度範囲７０６内である。総蓄積電荷が閾値７０４と閾値７０２との間にある場合（例えば、Ｑ２）には、入射光強度は中光強度範囲７０８内である。総蓄積電荷が閾値７０４を超える場合には、入射光強度は、高光強度範囲７１０内である。フォトダイオードが低光強度範囲７０６の全体にわたって飽和せず、かつ測定キャパシタが中光強度範囲７０８の全体にわたって飽和しない場合には、蓄積された電荷の量は、低光強度範囲および中光強度範囲では、入射光の強度と相関し得る。
【００８２】
［００９８］  低光強度範囲７０６および中光強度範囲７０８、並びに閾値７０２および７０４の定義は、フォトダイオード６０２および測定キャパシタ６０８の蓄積容量に基づき得る。例えば、低光強度範囲７０６は、露光期間の終了時に、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷の総量が、フォトダイオードの蓄積容量以下であるように定義することができ、閾値７０２は、フォトダイオード６０２の蓄積容量に基づくことができる。以下に説明するように、閾値７０２は、フォトダイオードの潜在的な容量変動を考慮するために、フォトダイオード６０２のスケーリングされた記憶容量に基づいて設定することができる。このような構成は、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷の量が強度決定のために測定されるとき、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連することを保証することができる。さらに、中光強度範囲７０８は、露光期間の終了時に、測定キャパシタ６０８に蓄積された電荷の総量が、測定キャパシタの蓄積容量以下であるように定義することができ、閾値７０４は、測定キャパシタ６０８の蓄積容量に基づくことができる。典型的に、閾値７０４は、測定キャパシタ６０８に蓄積された電荷の量が強度決定のために測定されるとき、測定キャパシタが飽和せず、測定量も入射光強度に関連することを保証するために、測定キャパシタ６０８のスケールされた蓄積容量に基づくように設定される。以下に説明するように、閾値７０２および７０４は、フォトダイオード６０２および測定キャパシタ６０８が飽和するか否かを検出するために使用することができ、これは、入射光の強度範囲および出力されるべき測定結果を決定することができる。
【００８３】
［００９９］  加えて、入射光強度が高光強度範囲７１０内にある場合、測定キャパシタ６０８において蓄積された総オーバーフロー電荷は、露光期間が終わる前に閾値７０４を超える場合がある。追加の電荷が蓄積されると、測定キャパシタ６０８は、露光期間の終了前にフル容量に達する場合があり、電荷漏れが生じる場合がある。フル容量に達する測定キャパシタ６０８によって引き起こされる測定誤差を回避するために、測定キャパシタ６０８における総オーバーフロー電荷が閾値７０４に達するのにかかる持続時間を測定するために、飽和時間測定が実行される。測定キャパシタ６０８における電荷蓄積率は、閾値７０４と飽和時間と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）露光期間の終わりに測定キャパシタ６０８において蓄積され得る仮定上の電荷量（Ｑ３）は、電荷蓄積率に従って外挿法によって決定され得る。仮定上の電荷量（Ｑ３）は、高光強度範囲７１０内の入射光強度の十分に正確な表現を提供することができる。
【００８４】
［０１００］  図６に戻って参照すると、転送ゲート６０６は、上記で説明したように、異なる光強度範囲について、残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８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。高光度範囲７１０および中光度範囲７０８を測定するために、転送ゲート６０６は、部分的にターンオン状態で動作するように制御され得る。例えば、転送ゲート６０６のゲート電圧は、フォトダイオードの電荷蓄積容量に対応するフォトダイオード６０２で生成された電圧に基づいて設定することができる。このような構成により、オーバーフロー電荷（例えば、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、測定キャパシタ６０８に到達するように転送ゲート６０６を通って転送され、（高光強度範囲７１０での）飽和時間および（中光強度範囲７０８で）測定キャパシタ６０８に蓄積された電荷の量を測定する。さらに、低光強度範囲７０６を測定するため、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷を測定キャパシタ６０８に転送し、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷の量を測定するように、転送ゲート６０６を完全にターンオン状態で制御することができる。
【００８５】
［０１０１］  測定キャパシタ６０８において蓄積された電荷は、アナログ出力ノード６１４においてアナログ電圧の複製（しかし、より大きい駆動強度を有する）を生成するために、バッファ６０９によって感知され得る。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（例えば、論理値の１と０とを備える）デジタルデータの組に変換され得る。測定キャパシタ６０８において生成されたアナログ電圧は、サンプリングされ、デジタル出力が、（例えば、中光強度範囲７０８および高光強度範囲７１０について）露光期間の終了前、または（低光強度範囲７０６について）露光期間後に生成され得る。デジタルデータは、露光期間中の光強度を表すために、ピクセル出力バス６１６の組によって、例えば、図５の制御回路５１０に送信され得る。
【００８６】
［０１０２］  いくつかの実施例では、測定キャパシタ６０８の静電容量は、低光強度範囲に関する光強度決定の精度を改善するように構成可能であり得る。例えば、測定キャパシタ６０８が残留電荷キャパシタ６０３において蓄積された残留電荷を測定するために使用される場合、測定キャパシタ６０８の静電容量は、低減され得る。測定キャパシタ６０８の静電容量の低減は、蓄積された電荷の特定の量に対してより高い電圧が発生され得るように、測定キャパシタ６０８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、低光強度決定の精度に対するピクセルＡＤＣ６１０によってもたらされる測定誤差（例えば、量子化誤差、比較器オフセットなど）の影響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／または区別され得る最小電圧差に対する制限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、これは次に、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、中光強度について、測定キャパシタ６０８が、例えば、閾値７０４によって定義される量までの電荷量を蓄積するのに十分な容量を有することを保証するために、測定キャパシタ６０８の静電容量は、増加され得る。
【００８７】
［０１０３］  図８は、ピクセルＡＤＣ６１０の内部構成要素の例を示す。図８に示すように、ピクセルＡＤＣ６１０は、閾値生成器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とメモリデバイス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組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（例えば、最新のカウント値）を記憶することができる。いくつかの実施形態において、メモリ８１０は、カウンタ８０８の一部であり得る。メモリ８１０は、例えば、以下で説明するように、ローカルピクセル値に基づいてカウンタ値を記憶するラッチ回路であり得る。閾値生成器８０２は、デジタル値の組を受け入れ、デジタル値の組を表す基準電圧（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。以下でより詳細に論じるように、閾値生成器８０２は、固定閾値を生成するために静的デジタル値を受け入れるか、またはランピング閾値を生成するためにカウンタ８０８の出力８１４を受け入れてもよい。
【００８８】
［０１０４］  図８は、ＤＡＣ８１３（および閾値生成器８０２）がピクセルＡＤＣ６１０の一部であることを示しているが、ＤＡＣ８１３（および閾値生成器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と連結され得ることが理解される。さらに、デジタル出力生成器８０６は、デジタル値を生成するために複数のピクセルセル間で共有もされ得る。
【００８９】
［０１０５］  比較器８０４は、アナログ出力ノード６１４において生成されたアナログ電圧を、閾値生成器８０２によって提供された閾値と比較し、比較結果に基づいて判定８１６を生成することができる。例えば、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧が閾値生成器８０２によって生成された閾値に等しいかそれを超える場合、比較器８０４は、判定８１６のための論理値１を生成することができる。アナログ電圧が閾値を下回る場合、比較器８０４は、判定８１６のための論理値０を生成することもできる。判定８１６は、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プロセスと同様に、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前述の飽和時間測定を実行するために、カウンタ８０８のカウント動作および／またはメモリ８１０内に記憶されたカウント値を制御することができる。
【００９０】
［０１０６］  図９Ａは、ピクセルＡＤＣ６１０による飽和時間測定の例を示す。飽和時間測定を実行するために、閾値生成器８０２は、固定ＶＲＥＦ８１５を生成するためにＤＡＣ８１３を制御することができる。固定ＶＲＥＦ８１５は、測定キャパシタ６０８の電荷量閾値（例えば、図７の閾値７０４）に対応する電圧で設定され得る。カウンタ８０８は、露光期間が開始した直後（例えば、シャッタスイッチ６０４が無効にされた直後）にカウント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（または、実装形態に応じてランプアップ）すると、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リングし続ける。アナログ電圧は、特定の時点において固定閾値に達する場合があり、これは、比較器８０４による判定８１６を反転させる。判定８１６の反転は、カウンタ８０８のカウントを停止し、カウンタ８０８におけるカウント値は、飽和時間を表し得る。以下でより詳細に論じるように、測定キャパシタ６０８における電荷蓄積率は、持続時間に基づいて決定することもでき、入射光強度は、電荷蓄積率に基づいて決定することができる。
【００９１】
［０１０７］  図９Ｂは、ピクセルＡＤＣ６１０によってアナログ電圧を量子化する例を示す。測定が開始した後、ＤＡＣ８１３は、実装形態に応じて（図９Ｂの例において）ランプアップまたはランプダウンすることができるランピングＶＲＥＦ８１５を生成するために、カウンタ出力７１４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、閾値７０４（測定キャパシタ６０８の飽和のための電荷量閾値）と閾値７０２（フォトダイオード６０２の飽和のための電荷量閾値）との間であってよく、中光強度範囲を規定し得る。図９Ｂの実施例では、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）する均一な量子化ステップで実行され得る。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すると、比較器８０４による判定８１６が反転する。判定８１６の反転は、カウンタ８０８のカウントを停止し得、カウント値は、１つの量子化ステップ内でアナログ電圧と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、測定キャパシタ６０８において蓄積された電荷量のデジタル表現、ならびに入射光強度のデジタル表現になり得る。上述のように、アナログ電圧の量子化は、（例えば、中光強度範囲７０８について）露光期間中および（例えば、低光強度範囲７０６について）露光期間後に起こり得る。
【００９２】
［０１０８］  上述のように、ＡＤＣ６１０によって出力される量レベルによって表される（例えば、量子化ステップの総数によって表される）電荷量と、ＡＤＣ６１０によって量レベルにマッピングされる実際の入力電荷量との間に不一致がある場合、ＡＤＣ６１０は、量子化誤差をもたらす可能性がある。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、量子化誤差は、クロックサイクルごとのＶＲＥＦ８１５における増加（または減少）量によって低減され得る。
【００９３】
［０１０９］  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、エリアおよびパフォーマンス速度が、量子化ステップがどれくらい低減され得るかを制限する場合がある。より小さい量子化ステップサイズでは、特定の範囲の電荷量（および光強度）を表すために必要な量子化ステップの総数は、増加する場合がある。増加し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が必要とされる場合がある（例えば、２５５ステップを表す８ビット、１２７ステップを表す７ビットなど）。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する場合があり、これは、ピクセルセル６００が非常に限られた空間を有する頭部装着型デバイスまたは他のウェアラブルデバイスにおいて使用される場合、実行可能ではないことがある。さらに、より多数の量子化ステップサイズでは、ＡＤＣ６１０は、（１つの量子化ステップと）一致する量子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させることが必要な場合があり、これは、処理電力消費および時間の増大と、画像データ生成速度の低下を引き起こす。速度の低下は、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（例えば、眼球の動きを追跡するアプリケーション）では受け入れられない場合がある。
【００９４】
［０１１０］  量子化誤差を低減する１つの方法は、量子化ステップが入力範囲にわたって均一ではない不均一量子化方式を採用することである。図１０Ａは、不均一量子化プロセスおよび均一量子化プロセスに関する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例を示す。点線は、不均一量子化プロセスに関するマッピングを示し、実線は、均一量子化プロセスに関するマッピングを示す。均一量子化プロセスに関しては、量子化ステップサイズ（Δ１によって示される）は、入力電荷量の全範囲について同一である。対照的に、不均一量子化プロセスに関しては、量子化ステップサイズは、入力電荷量に応じて異なる。例えば、低入力電荷量に関する量子化ステップサイズ（ΔＳによって示される）は、大入力電荷量に関する量子化ステップサイズ（ΔＬによって示される）よりも小さい。さらに、同じ低入力電荷量について、不均一量子化プロセスに関する量子化ステップサイズ（ΔＳ）は、均一量子化プロセスに関する量子化ステップサイズ（Δ１）よりも小さくされ得る。
【００９５】
［０１１１］  不均一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軽減され、次に低入力電荷量を量子化するための量子化誤差が低減され、ＡＤＣ６１０によって区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は、増大され得る。さらに、量子化誤差は、高入力電荷量に対して増大するが、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、電荷の測定でもたらされる全体的な量子化誤差は、低減され得る。一方、入力電荷量の全範囲をカバーする量子化ステップの総数は、同じままであり（または減少することさえあり）、量子化ステップの数を増加させることに関連する前述の潜在的な問題（例えば、エリアの増加、処理速度の低下など）は、回避され得る。
【００９６】
［０１１２］  図１０Ｂは、不均一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例を示す。（均一量子化プロセスを採用する）図９Ｂと比較すると、ＶＲＥＦ８１５は、最初はより緩やかな勾配で、その後はより急峻な勾配で、各クロックサイクルについて非線形的に増加する。勾配の違いは、一様でない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における一様でない量子化ステップは、異なる方式を使用して導入され得る。例えば、上述のように、ＤＡＣ８１３は、（カウンタ８０８からの）異なるカウンタカウント値に対して電圧を出力するように構成される。ＤＡＣ８１３は、２つの隣接するカウンタカウント値（量子化ステップサイズを定義する）間の出力電圧の差が、カウンタカウント値ごとに異なるように構成され得る。別の例として、カウンタ８０８は、一様でない量子化ステップを生成するため、同じカウントステップだけ増加または減少させるのではなく、カウンタカウント値においてジャンプを生成するようにも構成され得る。いくつかの実施例では、図１０Ｂの不均一量子化プロセスは、低光強度範囲７０６および中光強度範囲７０８に関する光強度決定に採用され得る。
【００９７】
［０１１３］  ここで、図１１を参照すると、図１１は図６のピクセル６００の実施形態となり得るピクセルセル１１００の例を示す。図１１の実施例では、ＰＤは、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は、シャッタスイッチ６０４に対応することができ、トランジスタＭ１は、転送ゲート６０６に対応することができ、トランジスタＭ２は、リセットスイッチ６０７に対応することができる。しかも、ＣＯＦキャパシタとＣＥＸＴキャパシタの組み合わせは、測定キャパシタ６０８に対応し得る。測定キャパシタ６０８の静電容量は、信号ＬＧによって設定可能である。ＬＧが有効にされている場合、測定キャパシタ６０８は、ＣＯＦキャパシタとＣＥＸＴキャパシタを組み合わせた静電容量を提供する。ＬＧが無効にされている場合、ＣＥＸＴキャパシタは、並列の組み合せから切断され得、測定キャパシタ６０８は、ＣＯＦキャパシタ（他の寄生静電容量を加えた）のみを備える。上述のように、測定キャパシタ６０８の静電容量は、低光強度決定のため、電荷−電圧変換比を増加させるように低減され得、中光強度決定のための必要な容量を提供するように増加され得る。
【００９８】
［０１１４］  ピクセルセル１１００は、バッファ６０９の例とピクセルＡＤＣ６１０の例とをさらに含む。例えば、トランジスタＭ３およびＭ４は、ＣＯＦキャパシタに（またはＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタに）蓄積された電荷の量を表すＯＦノードで生成されたアナログ電圧をバッファリングする、図６のバッファ６０９になり得るソースフォロワを形成する。さらに、ＣＣキャップ、比較器１１０２、トランジスタＭ５、ＮＯＲゲート１１１２は、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ピクセルＡＤＣ６１０の一部になり得る。上述のように、量子化は、ＯＦノードにおいて発生されたアナログ電圧とＶＲＥＦとの間の比較器１１０２によって生成された比較結果（ＶＯＵＴ）に基づくことができる。ここで、ＣＣキャップは、バッファ６０９の出力を追跡するＶＩＮ電圧を（比較器１１０２の一方の入力において）生成するように構成され、ＶＲＥＦと比較するために比較器１１０２にＶＩＮ電圧を提供する。ＶＲＥＦは、（高光強度範囲で）飽和時間測定のための静電圧、または（低光強度範囲および中光強度範囲で）アナログ電圧の量子化のためのランピング電圧になり得る。ＡＤＣコードは、自走カウンタ（例えば、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内に保存され、入射光強度のデジタル表現として出力されるＡＤＣコードを決定することができる。いくつかの実施例では、低光強度および中光強度を決定するためのＶＲＥＦの生成は、図１０Ａおよび図１０Ｂで論じたように不均一量子化方式に基づき得る。
【００９９】
［０１１５］  ピクセルセル１１００は、上記で論じた技法に加えて、入射光強度決定の精度をさらに改善することができる技法を含む。例えば、ＣＣキャップとトランジスタＭ５との組合せは、比較器１１０２の精度が改善され得るように、比較器１１０２によってもたらされる測定誤差（例えば、比較器オフセット）、ならびに、比較器１１０２にもたらされる他の誤差信号を補償するために使用され得る。ノイズ信号は、例えば、リセットスイッチ６０７によって導入されるリセットノイズ電荷、ソースフォロワ閾値不整合によるバッファ６０９の出力におけるノイズ信号などを含み得る。トランジスタＭ２とＭ５の両方が有効にされている場合、比較器オフセットならびに誤差信号を反映する電荷量がリセットフェーズ中にＣＣキャップにおいて保存され得る。保存された電荷によってリセットフェーズ中に、ＣＣキャップにわたって電圧差が生成される可能性がある。測定フェーズ中、ＣＣキャップにわたる電圧差は、維持される可能性があり、ＣＣキャップは、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６０９の出力電圧を追跡することができる。結果として、ＶＩＮ電圧は、測定誤差および誤差信号に対して補正され得、これは、ＶＩＮとＶＲＥＦとの間の比較とそれに続く量子化の精度を改善する。
【０１００】
［０１１６］  さらに、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、ピクセルセル１１００を動作させて、図７の３つの光強度範囲（例えば、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フェーズ測定動作を実行するために、ＳＨＵＴＴＥＲ、ＴＸ、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２などの一連の制御信号を生成することができる。各フェーズにおいて、ピクセルセル１１００は、対応する光強度範囲を対象とする計測モードで動作され、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入射光強度範囲内にあるかどうかを決定することができる。ピクセルセル１１００はさらに、フェーズのいくつかの判定出力をＦＬＡＧ＿１およびＦＬＡＧ＿２信号として記憶するための１組のレジスタを含む。ＦＬＡＧ＿１およびＦＬＡＧ＿２信号に基づいて、コントローラ１１１０は、３つのフェーズのうちの１つからＡＤＣコードを選択して、入射光強度を表すことができる。選択されたＡＤＣコードは、メモリ８１０に記憶することができ、メモリ８１０は、ＮＯＲゲート１１１６によるＦＬＡＧ＿１およびＦＬＡＧ＿２信号の組み合わせに基づいてロックされ、後続の測定フェーズがメモリ８１０内の選択されたＡＤＣコード出力を上書きすることを防止することができる。３フェーズ測定プロセスの終わりに、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、入射光強度を表すデジタル出力としてＡＤＣコードを提供することができる。
【０１０１】
［０１１７］  ここで、時間に関する３フェーズ測定動作のためのピクセルセル１１００の制御信号のシーケンスを示す図１２を参照する。図１２を参照すると、Ｔ０の前の時間は、第１のリセットフェーズに対応する。Ｔ０とＴ１の間の期間は、露光期間および飽和時間測定モードに対応する。Ｔ１とＴ２の間の期間は、フローティングドレインに蓄積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において「ＦＤ  ＡＤＣ」とラベル付けされ、中程度の光強度７０８を測定するために使用され得る。さらに、Ｔ２とＴ３の間の期間は、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷のフローティングドレインへの転送に続く第２のリセットフェーズを含む。また、Ｔ３とＴ４の間の期間は、フォトダイオードに蓄積され、フローティングドレインに転送された電荷量を測定する測定モードに相当する。フォトダイオードに蓄積された電荷を測定するための測定モードは、図１２において「ＰＤ  ＡＤＣ」とラベル付けされ、低光強度７１２を測定するために使用することができる。ピクセルセル１１００は、時刻Ｔ４における入射光強度を表すデジタル出力を提供し、次いで、次の３フェーズ測定動作を開始することができる。
【０１０２】
［０１１８］  図１２に示すように、Ｔ０の前に、ＲＳＴ１およびＲＳＴ２信号、ＬＧ信号、およびシャッタ信号がアサートされるのに対して、ＴＸ信号は電圧ＶＬＯＷでバイアスされる。ＶＬＯＷは、オーバーフロー電荷（もしあれば）だけ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の充電容量に対応することができる。このような構成により、フォトダイオードＰＤ、並びにＣＥＸＴキャパシタ及びＣＯＦキャパシタの両方をリセットすることができる。さらに、フォトダイオードＰＤによって生成された電荷がトランジスタＭ０によって分流されるため、キャパシタに電荷が追加されない。フォトダイオードＰＤの両端の電圧は、ＯＦノードと同様に、フォトダイオードＰＤ、ＣＥＸＴキャパシタ、およびＣＯＦキャパシタが電荷を蓄積しない状態を表すことができるＶＲＥＳＥＴに等しい電圧に設定することができる。また、比較器１１０２もリセットフェーズにあり、ＣＣキャパシタは、Ｍ２によってもたらされたリセットノイズ、比較器オフセット、バッファ６０９の閾値不整合等を反映した電荷を蓄積することができる。さらに、ＶＲＥＦは、ＶＲＥＳＥＴに等しい値に設定することもできる。いくつかの実施例では、ＶＲＥＳＥＴは、ピクセルセル１１００への供給電圧（例えば、ＶＤＤ）に等しくなり得る。
【０１０３】
［０１１９］  Ｔ０とＴ１の間の期間、シャッタ信号はデアサートされ、一方、ＬＧ  信号はアサートされ、ＴＸ信号はＶＬＯＷのままとなる。ＶＲＥＦは、ＶＳＡＴに等しい値に設定可能で、ＶＲＥＦは、ＣＥＸＴとＣＯＦの両方のキャパシタが限度に達している場合、ＯＦノードの電圧に対応できる。ＶＳＡＴとＶＲＥＳＥＴとの差は、例えば、図７の閾値７０４に対応し得る。Ｔ０とＴ１の間の期間中、飽和時間（ＴＴＳ）測定を行うことができ、オーバーフロー電荷がフォトダイオードＰＤからＣＯＦキャパシタとＣＥＸＴキャパシタにトランジスタＭ１を介して流れ、ＯＦノードでランピング電圧を発生させる。カウンタ８０８が自走している間、ＯＦノード（ＶＩＮ）におけるアナログ電圧のバッファ付きバージョンと誤差補償バージョンをＶＳＡＴと比較することができる。ＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタに蓄積された総電荷が、（ＯＦノード電圧に基づいて）閾値７０４を超える場合、比較器１１０２はトリップし、反転時にカウンタ８０８によって生成されたカウント値をメモリ８１０に蓄積することができる。比較器１１０２の反転はまた、コントローラ１１１０に、ＦＬＡＧ＿１信号の値１をレジスタ１１１２に記憶させる。非ゼロＦＬＡＧ＿１信号値は、ＮＯＲゲートへの他の入力にかかわらず、ＮＯＲゲート１１１６の出力をローのままにすることができ、メモリをロックし、後続の測定フェーズがカウント値を上書きすることを防止することができる。一方、比較器１１０２が、入射光強度が高光強度範囲未満であることを示す、Ｔ１とＴ２との間の期間中に決して反転しない場合、ＦＬＡＧ＿１信号はゼロのままである。コントローラ１１１０は、Ｔ０〜Ｔ１の期間にレジスタ１１１４に記憶されたＦＬＡＧ＿２値を更新せず、ＦＬＡＧ＿２値はゼロのままとなり得る。
【０１０４】
［０１２０］  第２の測定フェーズに対応するＴ１とＴ２の間の期間中、ＯＦノードにおけるアナログ電圧は、ＡＤＣ６１０によって量子化され、ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタ（「ＦＤ  ＡＤＣ」とラベル付けされている）に蓄積されたオーバーフロー電荷の量を測定することができる。いくつかの実施例では、Ｔ１〜Ｔ２の期間に、フォトダイオードＰＤは、入射光からシールドすることができ（例えば、機械的シャッタ４０４によって）、その結果、ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタに蓄積された総オーバーフロー電荷、ならびにＯＦノードにおけるアナログ電圧が一定に保たれる。第１のランピングＶＲＥＦは、比較器１１０２に供給され、ＯＦノード（ＶＩＮ）におけるアナログ電圧のバッファされたバージョンおよび誤差補償されたバージョンと比較され得る。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によって生成することができる。ランピングＶＲＥＦがＶＩＮと一致する場合（１量子化ステップ内で）、比較器１１０２はトリップし、（ＦＬＡＧ＿１のゼロ値によって示されているように）メモリが第１の測定フェーズによってロックされていない場合、反転時にカウンタ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ている場合、カウント値は、メモリ８１０に記憶されない。
【０１０５】
［０１２１］  一実施例では、図１２に示すように、ランピングＶＲＥＦの電圧範囲は、ＶＳＡＴとＶＲＥＳＥＴとの間とすることができる。ＶＳＡＴは、ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタに蓄積されるオーバーフロー電荷の合計の上限を定義でき（飽和に近い場合）、一方、ＶＲＥＳＥＴは、キャパシタに蓄積されるオーバーフロー電荷の合計の下限を定義できる（したがって、オーバーフロー電荷がない場合には、ＯＦノードの電圧はＶＲＥＳＥＴのまま）。以下に詳細に説明するように、第１のランピングＶＲＥＦの最大電圧は、ヘッドルーム／マージンを提供するためＶＲＥＳＥＴよりも低くなるように下げて、暗電流の影響を考慮することができる。このような構成により、ＦＤ  ＡＤＣフェーズ中の比較器１１０２の反転が、フォトダイオードＰＤが飽和することを正しく示す可能性を改善することができる。
【０１０６】
［０１２２］  いくつかの実施例では、以下で説明するように、コントローラ１１１０は、ＦＤ  ＡＤＣフェーズにおける比較器１１０２の反転に基づいてレジスタ１１１４内のＦＬＡＧ＿２信号をアサートして、メモリ８０８内に格納されたカウント値をロックすることができ、これにより、後続のフェーズがメモリ８０８内に別のカウント値を記憶することが防止される。いくつかの実施例では、後述するように、コントローラ１１１０は、ＦＤ  ＡＤＣフェーズの間、比較器１１０２の反転を使用することもできない。コントローラ１１１０は、ＦＬＡＧ＿１信号がアサートされない場合、後続のフェーズが、フォトダイオードＰＤが飽和しているかどうかを検出することを可能にし、後続のフェーズで得られた新しいカウント値でメモリ内のカウント値を上書きすることができる。このような構成は、ＦＤ  ＡＤＣフェーズ中にＯＦノードにおける暗電流によって引き起こされるフォトダイオード飽和の誤検出のリスクを低減することができる。
【０１０７】
［０１２３］  Ｔ２とＴ３の間の期間の開始時に、ＲＳＴ１信号とＲＳＴ２信号の両方が第２のリセットフェーズに対して再びアサートされ得る。第２のリセットフェーズの目的は、ＣＥＸＴキャパシタとＣＯＦキャパシタをリセットし、（低光強度範囲での）第３の測定フェーズおいてＰＤＣＡＰキャパシタから転送された電荷を蓄積するためのＣＯＦキャパシタを準備することにある。ＬＧ信号はまた、ＣＯＦキャパシタからＣＥＸＴキャパシタを切断し、測定キャパシタの静電容量を低減するためにデアサートされ得る。静電容量の縮小は、上述のように、低光強度決定を改善するために電荷−電圧変換比を増加させることである。比較器１１０２もリセット状態にされ、ＣＣキャップは、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ノイズ電荷を蓄積するために使用され得る。時刻Ｔ３に向かって、リセットが完了した後、ＲＳＴ１信号およびＲＳＴ２信号はデアサートされ、バイアスＴＸはトランジスタＭ１を完全にオンにするために増やすことができる。フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、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。
【０１０８】
［０１２４］  Ｔ３とＴ４の間の期間中に、低光強度範囲でフォトダイオードに蓄積された電荷（「ＰＤ  ＡＤＣ」フェーズとラベル付けされている）を測定するために、第３の測定フェーズが実行される得る。その間、シャッタ信号はアサートされるが、一方、ＴＸ信号はデアサートされる（例えば、ゼロに設定される）か、ＶＬＯＷに戻されて、ＣＯＦキャパシタに蓄積された電荷がＭ１を介して漏れないようにする。第２のランピングＶＲＥＦは、比較器１１０２に供給され、ＯＦノード（ＶＩＮ）におけるアナログ電圧のバッファされたバージョンおよび誤差補償されたバージョンと比較され得る。第２のランピングＶＲＥＦがＶＩＮと一致する場合（１量子化ステップ内で）、比較器１１０２はトリップし、（ＦＬＡＧ＿１のゼロ値によって示されているように）メモリが第１の測定フェーズによってロックされていない場合、反転時にカウンタ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。
【０１０９】
［０１２５］  図１２に示した実施例では、第２のランピングＶＲＥＦは、ＶＳＡＴとＶＲＥＳＥＴとの間で第１のランピングＶＲＥＦと同じ電圧範囲を有し得る。他のいくつかの実施例では、フォトダイオード飽和検出は、ＰＤ  ＡＤＣフェーズの間に実行され得、第２のランピングＶＲＥＦの最大電圧は、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積容量を反映するために、ある値に設定され得る。ＰＤ  ＡＤＣフェーズ中の比較器１１０２の反転は、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が電荷蓄積容量を下回っていることを示すことができ、フォトダイオードＰＤは飽和しない。このような決定に基づいて、メモリが第１の測定フェーズによってロックされていない場合、ＰＤ  ＡＤＣフェーズで得られたカウント値をメモリ８１０に記憶することができる。
【０１１０】
［０１２６］  図１２は、入射光強度を測定するための３フェーズ測定動作を示すが、例えば、動作環境のための予想入射光強度範囲に基づいて、１つまたは複数のフェーズがスキップされることが理解される。例えば、ピクセルセルが、低い周囲光を有する環境（例えば、夜間）で動作する場合、高い光強度を目標とする第１の測定フェーズをスキップすることができる。さらに、ピクセルセルが、中程度または強い周囲光を有する環境（例えば、昼間）で動作する場合、低い光強度を目標とする第３の測定フェーズをスキップすることができる。
【０１１１】
［０１２７］  図１３Ａおよび図１３Ｂは、ピクセルセル（例えば、ピクセルセル６００、ピクセルセル１１００など）における入射光強度を決定するためのプロセス１３００のフローチャートの実施形態を示す。プロセス１３００は、例えば、ピクセルセルの様々な構成要素と共にコントローラ１１１０によって実行することができる。図１３Ａを参照すると、プロセス１３００は、ステップ１３０２で開始され、ピクセルセル（例えば、フォトダイオードＰＤ）のフォトダイオードは、入射光に曝され、入射光に応答して電荷を生成および蓄積することが可能である。ステップ１３０２は、シャッタ信号およびリセット信号（例えば、ＲＳＴ＿１、ＲＳＴ＿２）をデアサートすることに基づいて実行され得る。
【０１１２】
［０１２８］  ステップ１３０４では、フォトダイオードと測定キャパシタ（例えば、ＣＥＸＴおよびＣＯＦ）との間の転送ゲートをバイアスして、オーバーフロー電荷がフォトダイオードから測定キャパシタに流れて電圧を生成できるようにすることが可能である。このバイアス電圧は、例えばフォトダイオードが飽和しているときのフォトダイオードの電圧に基づいて設定することができる。
【０１１３】
［０１２９］  ステップ１３０６では、第１の測定フェーズにおいて、比較器（例えば、比較器１１０２）は、測定キャパシタの電圧を固定基準電圧と比較することができる。第１の測定フェーズは、図１２の時刻Ｔ０とＴ１の間の飽和時間（ＴＴＳ）測定に対応することができる。固定基準電圧は、測定キャパシタが飽和に近いときの、測定キャパシタの電圧に基づくことができます。自走カウンタはまた、第１の測定フェーズの間にそのカウント値を更新する。第１の測定フェーズは、高光強度範囲を測定するためのものになり得る。
【０１１４】
［０１３０］  ステップ１３０８では、第１の測定フェーズの一部として、コントローラは、比較器が反転するか否かを判断する。測定キャパシタに蓄積された総オーバーフロー電荷が蓄積容量に近いことを示す比較器が反転する場合には、コントローラは、ステップ１３１０に進み、比較器の反転に基づいてカウンタから第１のカウント値を取得し、ステップ１３１２で、第１のカウント値をメモリに記憶することができる。コントローラは、ステップ１３１４で、第１のカウント値が後続の測定フェーズによって上書きされることを防止するために、メモリをロックすることができる。次いで、コントローラは、中光度範囲および／または低光度範囲を測定するため、図１３Ｂ、図１４、および図１６に示すように、後続の測定フェーズに進むことができる。ステップ１３０８で比較器が反転しない場合、コントローラは、後続の測定フェーズに進むこともできる。
【０１１５】
［０１３１］  いくつかの実施例では、図１１に示すように、メモリはラッチ回路を含むことができ、ピクセルセルは、メモリが自走カウンタの最新のカウント値で記憶されているカウント値を更新することを可能にするラッチ信号をアサートするためのＮＯＲゲート１１１６を含むことができる。ステップ１３１０、１３１２、および１３１４の一部として、比較器の反転に基づいて、コントローラはＦＬＡＧ＿１信号をアサートすることができ、これによりＮＯＲゲート１１１６がラッチ信号をデアサートして、メモリが記憶されているカウント値をさらに更新することを停止させることができる。ＦＬＡＧ＿１信号のアサートはまた、ラッチ信号をデアサートしたままにし、メモリをロックすることができる。
【０１１６】
［０１３２］  図１３Ｂを参照すると、次に、コントローラは、ステップ１３１６に進んで、第２の測定フェーズを実行することができる。第２の測定フェーズは、フォトダイオードが飽和した後に測定キャパシタに蓄積されたオーバーフロー電荷の量を測定するように構成することができ、図１２のＴ１とＴ２との間のＦＤ  ＡＤＣフェーズに対応することができる。第２の測定フェーズの一部として、比較器は、オーバーフロー電荷の蓄積によって生成された測定キャパシタの電圧を、第１のランピング基準電圧と比較することができる。第１のランピング基準電圧は、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。
【０１１７】
［０１３３］  次に、コントローラは、ステップ１３１８に進み、比較器が反転するかどうかを決定することができる。比較器が反転する場合、コントローラは、ステップ１３２０に進み、比較器の反転に基づいてカウンタから第２のカウント値を取得し、メモリがロックされていない場合、第２のカウントをメモリに記憶することができる。第２のカウント値は、測定キャパシタに蓄積されたオーバーフロー電荷の量を表すことができる。上述のように、メモリ内の最初のカウント値の記憶に続くＦＬＡＧ＿１  信号のアサートによってメモリをロックすることができる。ＦＬＡＧ＿１信号がアサートされない場合、コントローラは、第２のカウント値をメモリに記憶することができる。次に、コントローラは、ステップ１３２２に進み、第３の測定フェーズを実行することができる。比較器がトリップしない場合、コントローラは、ステップ１３２２に進んで、測定の第３のフェーズを実行することもできる。
【０１１８】
［０１３４］  第３の測定フェーズは、フォトダイオードに蓄積された電荷の量を測定するように構成することができ、図１２の時刻Ｔ３とＴ４との間のＰＤ  ＡＤＣフェーズに対応することができる。第３の測定フェーズが開始される前に、測定キャパシタをリセットすることができ、次いで、トランスファーゲートＭ１を完全にオンにして、フォトダイオードに蓄積された電荷を測定キャパシタに流れて、時間Ｔ２とＴ３の間の電圧を発生させることができるようにすることができる。また、電荷−電圧変換利得を改善するために、測定キャパシタの静電容量を減少させることもできる（例えば、ＣＥＸＴをＣＯＦから切り離すことによって）。次いで、ステップ１３２２で、電圧は、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、第２のランピング基準電圧と比較され得る。
【０１１９】
［０１３５］  次に、コントローラは、ステップ１３２４に進み、比較器が反転するかどうかを決定することができる。比較器が反転する場合、コントローラはステップ１３２６に進み、比較器の反転に基づいてカウンタから第３のカウント値を得ることができる。第３のカウント値は、フォトダイオードに蓄積され、測定キャパシタに転送される電荷の量を表すことができる。次に、コントローラは、ステップ１３２８に進み、フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定することができる。ステップ１３２４で比較器が反転しない場合、コントローラは、ステップ１３２８に進み、フォトダイオードが飽和しているかどうかを決定することもできる。ステップ１３２８でフォトダイオードが飽和しているかどうかの決定は、第２の測定フェーズにおける比較器の反転に基づくことができ、または第３の測定フェーズにおける比較器の反転に基づくことができる。
【０１２０】
［０１３６］  次に、コントローラは、例えば、ＦＬＡＧ＿１信号の値に基づいて、メモリがロックされているかどうかを決定することができる。メモリがロックされている場合には、コントローラは、ステップ１３３２に進み、メモリに記憶された第１のカウント値または第２のカウント値を保持することができる。メモリがロックされていない場合には、コントローラは、ステップ１３３４に進み、フォトダイオードが飽和すると、第３のカウントをメモリに記憶することができる。
【０１２１】
［０１３７］  上述のように、フォトダイオードが飽和しているかどうかの決定は、第２の測定段階における比較器の反転に基づき得る。図１４はプロセス１４００の例を示しており、フォトダイオードが飽和しているかどうかの決定と、メモリに第３のカウント値を記憶するかどうかの決定は、第２の測定フェーズでの比較器の反転に基づく。プロセス１４００は、図１３Ａの第１の測定フェーズに従うことができるが、（例えば、中光強度測定および低光強度測定を目標とする）スタンドアローンプロセスであってもよい。図１５は、プロセス１４００に含まれる制御信号のシーケンスを示す。
【０１２２】
［０１３８］  プロセス１４００は、ステップ１４０２から始まり、比較器は第２の測定フェーズで、測定キャパシタで生成された電圧を第１のランピング基準電圧と比較する。ステップ１４０２の第２の測定フェーズは、図１３Ｂのステップ１３１６と同一であってよく、図１２のＦＤ  ＡＤＣフェーズに対応し得る。第１のランピング基準電圧（例えば、最大電圧）の電圧範囲は、暗電流によって蓄積されるノイズ電荷の量に基づいて設定される。
【０１２３】
［０１３９］  図１５は、第１のランピング基準電圧の実施例を示す。図１５に示したように、基準電圧は、測定の最初のフェーズ（飽和時間測定）の間に、あらかじめＶＳＡＴに設定された。ＯＦノードの電圧（図１５ではラベルＶＯＦで表される）は、測定キャパシタの両端の電圧を表し、測定キャパシタが飽和に近い場合、ＶＳＡＴに等しくなり得る。したがって、ＶＳＡＴは測定キャパシタに蓄積される電荷の最大量に対応し得る。加えて、第１のリセットフェーズでの測定キャパシタのリセットに続いて、ＶＯＦ電圧をリセット電圧ＶＲＥＳＥＴにすることができる。理想的には、ＶＲＥＳＥＴを閾値として使用して、測定キャパシタに蓄積されたオーバーフロー電荷があるかどうかを検出することができ、これにより、フォトダイオードが飽和しているかどうかを示すことができる。理想的には、フォトダイオードが飽和しておらず、測定コンデンサに（またはごくわずかな）オーバーフロー電荷が蓄積されない場合は、ＶＯＦ電圧はＶＲＥＳＥＴに等しくなるはずである。しかし、暗電流が存在するために、オーバーフロー電荷がない場合でも、暗電流は測定キャパシタにノイズ電荷を蓄積することができ、これによりＶＯＦ電圧をＶＲＥＳＥＴ未満のレベルまで下げることができる。その結果、第１のランピング基準電圧は、ＶＲＥＳＥＴに向かってランピングするときにＶＯＦ電圧と交差し、比較器をトリップさせることがある。比較器の反転は、フォトダイオードが飽和しているという誤った指示を提供することがあり、これは、コントローラが第３の測定フェーズから得られた第３のカウント値を破棄する原因となり得る。その結果、コントローラは、入射光強度を表すために誤ったカウント値を使用することがあり、これは、光強度測定においてかなり大きな誤差をもたらす。
【０１２４】
［０１４０］  フォトダイオード飽和の誤表示の可能性を低減するため、第１のランピング基準電圧の最大電圧をリセット電圧ＶＲＥＳＥＴより低いレベルに設定することができる。図１５に示したように、ＶＭＡＸで表される第１のランピング基準電圧の最大電圧は、電圧オフセットΔＶｄａｒｋによってＶＲＥＳＥＴ未満にすることができる。電圧オフセットΔＶｄａｒｋは、次の式に従って、露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ内の暗電流Ｉｄａｒｋによって蓄積されたある量の暗信号Ｑｎｏｉｓｅ、ならびに測定キャパシタＣｍｅａｓｕｒｅのキャパシタンスに基づくことができる。
【０１２５】
［０１４１］
ΔＶｄａｒｋ＝Ｑｎｏｉｓｅ／Ｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＝（Ｉｄａｒｋ×Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ）／Ｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ      （式１）
【０１２６】
［０１４２］  式１では、暗電流Ｉｄａｒｋは、例えば、トランジスタＭ１のデバイスモデルに基づく予測量になり得る。
【０１２７】
［０１４３］  図１５に示したように、第１のランピング基準電圧の最大電圧がＶＭＡＸに制限されている状態で、暗電流によってＶＯＦ電圧（ゼロまたは非常に少ないオーバーフローチャージの場合）がＶＲＥＳＥＴ未満に下げられても、第１のランピング基準電圧はＶＯＦ電圧と交差せず、比較器はトリップしない。その結果、暗電流によるフォトダイオードの飽和の誤表示を防止することができる。比較器がトリップしないので、ＦＬＡＧ＿２信号はデアサートされたままであり、これにより、コントローラは、入射光強度を表すために、第３の測定フェーズからの第３のカウント値をメモリに記憶することができる。
【０１２８】
［０１４４］  図１４に戻って参照すると、コントローラは、ステップ１４０４において、比較器が反転するかどうかを決定することができる。比較器が反転する場合、コントローラは、ステップ１４０６において、カウンタから第２のカウント値を得ることができる。比較器の反転は、フォトダイオードが飽和していることを示すこともでき、第３の測定フェーズから生成される第３のカウント値を破棄することができる。コントローラがステップ１４０８で、（例えば、デアサートされているＦＬＡＧ＿１信号に基づいて）メモリが第１の測定フェーズによってロックされていないと決定した場合には、コントローラは、ステップ１４１０に進み、第２のカウント値をメモリに記憶し、次いで、ステップ１４１２で、メモリをロックすることができる。ステップ１４１２は、例えば、ＦＬＡＧ＿２信号をアサートすることによって実行され、第３のカウント値をメモリに記憶しないようにすることができる。次に、比較器はステップ１４１４に進み、第３の測定フェーズを実行する。さらに、比較器がステップ１４０４で反転しない場合、および／またはメモリがステップ１４０８でロックされる場合には、コントローラは、ステップ１４１４に進んで、第３の測定フェーズを実行することもできる。第３の測定フェーズは、図１３Ｂのステップ１３２２と同一であってもよく、図１２のＰＤ  ＡＤＣ位相に対応することができ、これは、フォトダイオードに蓄積された電荷を測定キャパシタに転送して電圧を生成するステップと、上述のように、電圧を第２のランピング基準電圧と比較するステップとを含む。
【０１２９】
［０１４５］  次に、コントローラは、ステップ１４１６で、比較器が反転するかどうかを決定することができる。比較器が反転する場合、コントローラは、ステップ１４１８で、比較器の反転に基づいて、カウンタから第３のカウント値を得ることができる。ステップ１４１８は、図１３Ｂのステップ１３２６と同一になり得る。ステップ１４２０で、（例えば、ＦＬＡＧ＿１およびＦＩＡＧ＿２信号の両方がデアサートされていることに基づいて）メモリがロックされていないとコントローラが決定した場合、コントローラは、ステップ１４１８で、第３のカウントをメモリに記憶することができる。ステップ１４２０で、（例えば、ＦＬＡＧ＿１またはＦＬＡＧ＿２信号のうちの１つがアサートされていることに基づいて）メモリがロックされているとコントローラが決定した場合、コントローラは、ステップ１４２２で、第１のカウント値または第２のカウント値をメモリに保持することができる。ステップ１４１６で、比較器が反転しない場合、コントローラは、ステップ１４２４に進み、第１のカウント値または第２のカウント値をメモリに保持することもできる。
【０１３０】
［０１４６］  第１のランピング基準電圧の最大電圧を、暗電流によって導入されるノイズ電荷を説明するためにΔＶｄａｒｋ値だけ調整するが、図１５に示したように、第２の測定フェーズ（オーバーフロー電荷を測定するためのＦＤ  ＡＤＣフェーズ）でフォトダイオード飽和の誤検出のリスクを緩和することができ、このような構成は、第２の測定フェーズのための量子化範囲を低減することができる。さらに、ギャップは、低強度範囲測定（ＰＤ  ＡＤＣフェーズ）と中強度範囲測定（ＦＤ  ＡＤＣフェーズ）との間の遷移においても生じ得、その結果、ある強度範囲は量子化されないことがある。第２の測定フェーズに対する量子化範囲の減少、ならびに遷移におけるギャップは暗電流と共に増大する可能性がある。さらに、暗電流は温度に依存し、プロセス技術によっても十分に制御されない。温度範囲全体の暗電流に対応し、プロセスのばらつきを考慮するために、ΔＶｄａｒｋを設定することは困難になり得る。
【０１３１】
［０１４７］  いくつかの実施例では、フォトダイオード飽和の検出は、第３の測定フェーズ（ＰＤ  ＡＤＣフェーズ）で実行することができ、これは、上述の課題のいくつかに対処することができる。第３の測定フェーズは、フォトダイオードに蓄積された量の電荷を測定することを含む。フォトダイオードの飽和は、フォトダイオードの蓄積容量に関係する閾値と電荷の量を比較することによって検出できる。フォトダイオードに蓄積された電荷に基づいてフォトダイオード飽和検出を行う１つの利点は、フォトダイオードがはるかに少ない暗電流を有することである。その結果、暗電流は、フォトダイオードの飽和検出に及ぼす誤差はかなり小さくなり得る。さらに、フォトダイオードの蓄積容量は、典型的には、温度に依存せず、プロセス技術によってより良好に制御される。その結果、温度および／または電荷蓄積容量の変動によるフォトダイオードの飽和の誤検出の可能性を低減することができる。
【０１３２】
［０１４８］  図１６は、フォトダイオードが飽和しているかどうかの決定と、第３のカウント値をメモリに記憶するかどうかの決定とが、第３の測定フェーズにおける比較器の反転に基づく、プロセス１６００の例を示している。プロセス１６００は、図１３Ａの第１の測定フェーズに従うことができるが、（例えば、中光強度測定および低光強度測定を目標とする）スタンドアローンプロセスであってもよい。図１７は、プロセス１６００に含まれる制御信号のシーケンスを示す。
【０１３３】
［０１４９］  プロセス１６００は、ステップ１６０２から始まり、比較器は第２の測定フェーズで、測定キャパシタで生成された電圧を第１のランピング基準電圧と比較する。ステップ１６０２の第２の測定フェーズは、図１３Ｂのステップ１３１６と同一であってよく、図１２のＦＤ  ＡＤＣフェーズに対応し得る。第１のランピング基準電圧の最大電圧は、オーバーフロー電荷の量子化範囲を最大化するため、ＶＲＥＳＥＴに設定することができる。
【０１３４】
［０１５０］  次に、コントローラは、ステップ１６０４で、比較器が反転するかどうかを決定することができる。比較器が反転する場合、コントローラは、ステップ１６０６で、カウンタから第２のカウント値を得ることができる。ステップ１６０８で、メモリが第１の測定フェーズによって（例えば、デアサートされているＦＬＡＧ＿１信号に基づいて）ロックされていない場合、コントローラはステップ１６１０に進み、第２のカウント値をメモリに記憶し、ステップ１６１２でオーバーフローフラグビット（例えば、ＦＬＡＧ＿２信号）をアサートすることができる。オーバーフローフラグビットのアサートは、第３の測定フェーズが第２のカウント値を第３のカウント値で上書きすることを防止することができるが、以下に説明するように、オーバーフローフラグビットは、第３の測定フェーズの結果におけるフォトダイオード飽和検出に基づいてデアサートされ、第３のカウント値の記憶を可能にすることができる。次に、比較器はステップ１６１４に進み、第３の測定フェーズを実行する。さらに、比較器がステップ１６０４で反転しない場合、および／またはメモリがステップ１６０８でロックされる場合には、コントローラは、ステップ１６１４に進んで、第３の測定フェーズを実行することもできる。
【０１３５】
［０１５１］  第３の測定フェーズは、図１３Ｂのステップ１３２２と同一であってもよく、図１２のＰＤ  ＡＤＣフェーズに対応することができ、これは、フォトダイオードに蓄積された電荷を測定キャパシタに転送して電圧を生成するステップと、電圧を第２のランピング基準電圧と比較するステップとを含む。第２のランピング基準の電圧範囲ＶＦＷＣは、次のように、フォトダイオードＱＦＷＣのフルウェル容量、ならびに測定キャパシタの変換利得Ｇに基づいて設定することができる。
【０１３６】
［０１５２］  ＶＦＷＣ＝ＱＦＷＣ×Ｇ          （式２）
【０１３７】
［０１５３］  式２において、ＱＦＷＣは、同じウエハ上および／または同じプロセス技術で製造された一群のフォトダイオードの中で、フォトダイオードの公称／平均フルウェル容量を表し得る。以下でより詳細に説明するように、ＶＦＷＣは、フォトダイオードが公称／平均フルウェル容量ＱＦＷＣより十分に低いフル容量を有する場合など、フォトダイオードのフルウェル容量における電位変動を考慮するためにオフセットされ得る。
【０１３８】
［０１５４］  図１７を参照すると、第３の測定フェーズの前に、ＯＦノード電圧（ＶＯＦ）をＶＳＡＴ＋ＶＦＷＣにリセットすることができる。次いで、フォトダイオードに蓄積された電荷を測定キャパシタに転送して、リセット電圧からＶＯＦを降下させることができ、ΔＶＯＦは、フォトダイオードに蓄積され、測定キャパシタに転送される電荷の量を表す。フォトダイオードが飽和していると、ΔＶＯＦはＶＦＷＣに等しくなることができ、ＶＯＦはＶＳＡＴ以下に達することができる。第２のランピング基準電圧がＶＳＡＴからＶＳＡＴ＋ＶＦＷＣに上がるため、第２のランピング基準電圧がＶＯＦに達せず、比較器が反転しないことがあり得る。フォトダイオードが飽和していない場合、ΔＶＯＦはより小さいＶＦＷＣとなり、ＶＯＦはＶＳＡＴを上回る。図１７に示したように、第２のランピング基準電圧はＦＯＦに達し、比較器を反転させることができる。
【０１３９】
［０１５５］  図１６に戻って参照すると、コントローラは、ステップ１６１６で、比較器が反転するかどうかを決定することができる。比較器が反転する場合、コントローラは、ステップ１６１８で、比較器の反転に基づいて、カウンタから第３のカウント値を得ることができる。ステップ１６１８は、図１３Ｂのステップ１３２６と同一になり得る。上述のように、比較器の反転は、フォトダイオードが飽和していないことを発信することもできる。比較器の反転に基づいて、コントローラはまた、ステップ１６２０において、オーバーフローフラグビット（例えば、ＦＬＡＧ＿２信号）をデアサートし、ステップ１６２２において、第３のカウントをメモリに記憶する。図１７に示すように、オーバーフローフラグビットのデアサートは、ラッチパルス１７０２を生成して、第３のカウント値をラッチするようにメモリを制御することができる。第３のカウント値がメモリにラッチされた後、ＦＬＡＧ＿２信号を再アサートして、メモリがカウンタからの後続のカウント値をラッチするのを防止することができる。
【０１４０】
［０１５６］  図１６に戻って参照すると、ステップ１６１６で比較器が反転しない場合、コントローラはステップ１６２４に進み、第１のカウント値または第２のカウント値をメモリに保持することができる。例えば、ステップ１６１６で比較器が反転しない場合、ＦＬＡＧ＿２信号はアサートされたままであり、ラッチ信号をデアサートし、メモリが新しいカウント値を記憶するのを防止することができる。
【０１４１】
［０１５７］  上述のように、第２のランピング基準の電圧範囲ＶＦＷＣは、フォトダイオードの公称／平均フルウェル容量ＱＦＷＣに基づいて設定され得る。ＶＦＷＣは、ＱＦＷＣに関するフォトダイオードのフルウェル容量における電位変動を考慮するためにオフセットされ得る。ＶＦＷＣのオフセットは、変動による第３の測定フェーズでのフォトダイオード飽和の誤検出の可能性を低減することができる。例えば、フォトダイオードは、ＱＦＷＣよりも小さいフルウェル容量を有してもよい。フォトダイオードが飽和していても、フォトダイオードに蓄積される電荷の量を表すΔＶＯＦは、より小さなＶＦＷＣとなる。比較器は、第３の測定フェーズで反転し、フォトダイオードが飽和していないことを誤って示す場合がある。その結果、第２の測定フェーズ（ＦＤ  ＡＤＣ）から得られた第２のカウント値が破棄され、オーバーフロー電荷が入射光強度測定出力から除外され、測定誤差につながる。
【０１４２】
［０１５８］  フルウェル容量変動による測定誤差の可能性を低減するために、第２のランピング基準の電圧範囲は、オフセットΔＶｖａｒによってＶＦＷＣからオフセットされるＶＦＷＣ’として構成することができる。新しい電圧範囲ＶＦＷＣ’は、以下のように、低減されたフルウェル容量ＱＦＷＣ＿ｌｏｗを表すことができる。
【０１４３】
［０１５９］  ＶＦＷＣ’＝ＶＦＷＣ−ΔＶｖａｒ＝ＱＦＷＣ＿ｌｏｗ×Ｇ      （式３）
【０１４４】
［０１６０］  オフセットΔＶｖａｒは、ウエハ上の複数のフォトダイオードのフルウェル容量の分布に基づいて設定することができ、および／または同じプロセス技術を用いて製造することができる。例えば、ΔＶｖａｒは、特定のパーセンテージ（例えば、９９．９５％）のフォトダイオードが、分布に基づいてＱＦＷＣ＿ｌｏｗを超えるフルウェル容量を有するように設定することができる。このパーセンテージは、例えば、許容／目標測定誤差、または第３の測定フェーズにおける比較器の反転に基づいてフォトダイオードを決定する許容／目標誤差率に基づいて決定することができる。
【０１４５】
［０１６１］  具体的には、フォトダイオードがＱＦＷＣ＿ｌｏｗよりも多くの電荷を蓄積することができるので、フォトダイオードが飽和することなく第２のランピング基準がＶＯＦと交差することができるように、フォトダイオードのフルウェル容量がＱＦＷＣ＿ｌｏｗを超えるときに、フォトダイオードの飽和を決定する誤差が生じる。許容／目標誤差率に基づいて、ＱＦＷＣ＿ｌｏｗ未満のフルウェル容量を有する任意の所与のフォトダイオードの目標尤度を決定することができる。ＱＦＷＣ＿ｌｏｗの値は、目標尤度及びフォトダイオードのフルウェル容量の分布に基づいて決定することができる。
【０１４６】
［０１６２］  例示的な実施例として、許容／目標測定誤差が０．０５％である場合、ＱＦＷＣ＿ｌｏｗ未満のフルウェル容量を有する任意の所与のフォトダイオードの目標尤度も、０．０５％とすることができる。したがって、ＱＦＷＣ＿ｌｏｗは、フォトダイオードの９９．９５％がＱＦＷＣ＿ｌｏｗを超えるフルウェル容量を有するように選択され得、その結果、ＱＦＷＣ＿ｌｏｗを超えるフルウェル容量を有する任意の所与のフォトダイオードの０．０５％となる可能性（１００％〜９９．９５％）が存在し、これは、第２のランピング基準が上述のようにＶＯＦ電圧と交差するときに飽和の誤った表示をもたらし得る。
【０１４７】
［０１６３］  第１の測定フェーズにおけるオフセットΔＶｄａｒｋの設定と同様に、オフセットΔＶｖａｒの設定は、第３の測定フェーズに対する量子化範囲を減少させることもできる。また、ギャップは、低強度範囲測定（ＰＤ  ＡＤＣフェーズ）と中強度範囲測定（ＦＤ  ＡＤＣフェーズ）との間の遷移において生じ、その結果、ある強度範囲は量子化されないことがある。しかしながら、ピクセルフルウェル容量の変動が、典型的には暗電流よりもはるかに良好に制御されると仮定すると、オフセットΔＶｖａｒは、オフセットΔＶｄａｒｋよりもはるかに小さくすることができ、これは、ＰＤ  ＡＤＣとＦＤ  ＡＤＣとの間の遷移におけるギャップと同様に、量子化範囲への影響を低減することができる。
【０１４８】
［０１６４］  以下の実施例は、図１６および図１７の第２および第３の測定操作のフェーズを説明するために提供される。以下の実施例では、ピクセルアレイの公称／平均ＰＤフルウェル容量ＱＦＷＣは、５０００ｅ−である。９９．９９％のピクセルは、４９５０ｅ−のＱＦＷＣ＿ｌｏｗよりも大きなフルウェル容量を有する。Ｇは、２００μＶ／ｅに等しくすることができ、ＱＦＷＣ＊Ｇによって与えられる電圧範囲ＶＦＷＣは、１Ｖに等しい。ＶＦＷＣは、上記の式３に基づくＱＦＷＣ＿ｌｏｗ＊Ｇに基づいて設定することができる。ここで、Ｇは０．９９Ｖである。４９６０ｅ−のフルウェル容量を有する画素に関しては、以下の３つのケースが起こり得る。
【０１４９】
［０１６５］  ケース１．ＰＤは２０００ｅ−の電荷量を蓄積する。ステップ１６１６で決定されるように、比較器はＰＤ  ＡＤＣフェーズ中に反転する。ステップ１６２０で、ＦＬＡＧ＿２をデアサートすることができ、ステップ１６２２で、２０００ｅ−に対応するＰＤ  ＡＤＣフェーズからの第３のカウント値をメモリに格納して、入射光強度を表すことができる。
【０１５０】
［０１６６］  ケース２．ＰＤは４９５５ｅ−の電荷量を蓄積する。ステップ１６１６で決定されるように、比較器は反転せず、フォトダイオードが飽和することを示す。４９５５ｅ−であっても、４９６０ｅ−であるＰＤの実際のフルウェル容量より小さく、非常に近い。ＦＬＡＧ＿２信号は、ステップ１６２０でアサートされ、ＦＤ  ＡＤＣフェーズ中にメモリに記憶された第２のカウント値は、ステップ１６２４でメモリに保持され、入射光強度を表すために提供され得る。
【０１５１】
［０１６７］  ケース３．合計信号は、ＰＤと測定キャパシタの間に分割された７０００ｅ−である。ＰＤは４９６０ｅ−を有し、測定キャパシタでのオーバーフロー電荷量は２０４０ｅ−である。比較器はステップ１６１６で反転せず、フォトダイオードが飽和することを示す。ステップ１６２０でＦＬＡＧ＿２信号をアサートすることができ、ＦＤ  ＡＤＣフェーズ中にメモリに記憶された第２のカウント値（２０４０ｅ−オーバーフロー電荷を表す）を、ステップ１６２４でメモリに保持し、入射光強度を表すために提供することができる。
【０１５２】
［０１６８］  本開示の実施形態の上の説明は、例示を目的として提示されてきたものであり、網羅的であること、または開示した厳密な形態に本開示を限定することは意図していない。当業者は、上記の開示に照らして多くの修正形態および変形形態が可能であることを理解されよう。
【０１５３】
［０１６９］  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実施形態について説明する。これらのアルゴリズム的記述および表現は、データ処理分野の当業者によって、自らの研究の主旨を効果的に他の当業者に伝えるために一般的に使用される。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、一般性を失うことなく、動作のこれらの構成をモジュールと呼ぶことが、ときに好都合であることも証明されている。説明した動作およびそれらに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化され得る。
【０１５４】
［０１７０］  説明したステップ、動作、またはプロセスは、単独で、または他のデバイスと組み合わせて、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を用いて実行または実装され得る。いくつかの実施形態において、ソフトウェアモジュールは、説明したステップ、動作、またはプロセスのいずれかまたはすべてを実行するためのコンピュータプロセッサによって実行され得るコンピュータプログラムコードを含む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を用いて実装される。
【０１５５】
［０１７１］  本開示の実施形態はまた、本明細書の動作を実施するための装置に関してもよい。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／または、コンピュータ内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もしく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。このようなコンピュータプログラムは、一時的でない有形のコンピュータ可読記憶媒体、または電子命令を記憶するのに適した任意のタイプの媒体に記憶することができ、この媒体はコンピュータシステムバスに結合することができる。さらに、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んでもよく、または増加されたコンピューティング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ってもよい。
【０１５６】
［０１７２］  本開示の実施形態はまた、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てもよい。このような製品は、コンピューティングプロセスから生じる情報を含み、その情報は、非一過性の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の組合せの任意の実施形態を含み得る。
【０１５７】
［０１７３］  本明細書で使用される言語は、主に、読みやすさおよび説明目的のために選択されたものであり、本発明の主題を描写または限定するために選択されたものではない。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、実施形態の開示は、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】
2021519013.tif 000003
【図１Ｂ】
2021519013.tif 000004
【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１４】
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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】
2021519013.tif 000024
2021519013.tif 000025