(57)【要約】  一例では、装置が、比較器と、第１のプレートと第２のプレートとを有するサンプリングキャパシタとを備える。第１のプレートは、フォトダイオードによって生成された電荷を検知する電荷検知ユニットの出力に結合され、第２のプレートは、比較器の入力に結合される。本装置は、第１の時間において、電荷検知ユニットの出力電圧に基づいて、サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することと、第１のプレートを第２の電圧に設定し、第２のプレートを第１の電圧および第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、電荷検知ユニットをリセットすることと、比較器を使用して、第３の電圧を１つまたは複数の閾値と比較することと、比較結果に基づいて、第１の時間における電荷検知ユニットの出力電圧の量子化結果を生成することとを行うように構成されたコントローラをさらに備える。【選択図】図１１
2021525472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積分期間内に入射光に応答して電荷を生成するためのフォトダイオードと、
前記電荷のうちの少なくともいくらかを貯蔵し、前記積分期間内に前記フォトダイオードによって生成された前記電荷の量に基づいて出力電圧を生成するための電荷検知ユニットと、
アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と
を備える装置であって、前記ＡＤＣが、
比較器と、
前記電荷検知ユニットの出力に結合された第１のプレートと前記比較器の入力に結合された第２のプレートとを有するサンプリングキャパシタと、
コントローラと
を備え、前記コントローラが、前記積分期間の後に、
前記電荷検知ユニットの前記出力電圧に基づいて、前記サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することと、
前記第１のプレートを第２の電圧に設定し、前記第２のプレートを前記第１の電圧および前記第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、前記電荷検知ユニットをリセットすることと、
前記比較器を使用して、前記第３の電圧を１つまたは複数の閾値と比較することと、
比較結果に基づいて、前記積分期間内に前記フォトダイオードによって受け取られた前記入射光の強度を表すために前記出力電圧の量子化結果を生成することと
を行うように構成された、装置。
【請求項２】
前記コントローラが、前記比較器の前記入力を前記比較器の出力と電気的に接続することに基づいて、前記第１の電圧を設定するように構成され、
前記第１の電圧が、
前記積分期間内に前記フォトダイオードによって生成された前記電荷の量を表す第１の成分と、
前記比較器のオフセットを表す第２の成分と、
前記電荷検知ユニットを前記リセットすることより前のリセット動作において前記電荷検知ユニットに導入される第１のリセット雑音電荷を表す第３の成分と
を含み、
前記第２の電圧が、前記電荷検知ユニットを前記リセットすることによって前記電荷検知ユニットに導入される第２のリセット雑音電荷を表す第４の成分を含み、
前記第３の電圧が、前記第３の成分と前記第４の成分との組合せを表す第５の成分を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第３の電圧は、前記比較器によって前記第３の電圧が前記１つまたは複数の閾値と比較されるときに前記比較器のオフセットを消去するために、前記比較器の前記オフセットを表す前記第２の成分を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記１つまたは複数の閾値が、ランピング閾値を含み、
前記ランピング閾値が、前記電荷検知ユニットにおける暗電流の予想される量に基づく閾値の範囲を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ＡＤＣが、カウンタとメモリとをさらに備え、
前記カウンタが、時間に関するカウント値を生成するように構成され、
前記メモリが、前記比較結果に基づいて、前記カウント値のうちのカウント値を前記量子化結果として記憶するように構成された、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記フォトダイオードは、前記フォトダイオードが飽和するまで、残留電荷を貯蔵し、前記フォトダイオードが飽和したとき、オーバーフロー電荷を送るように構成された、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ＡＤＣは、
前記比較結果に基づいて、前記電荷検知ユニットが前記積分期間内に前記フォトダイオードからの前記オーバーフロー電荷を貯蔵すると決定することと、
前記決定に基づいて、前記量子化結果として前記メモリに記憶されたカウント値を維持するためにフラグビットをアサートすることと
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】
前記量子化結果が第１の量子化結果であり、
前記比較結果が第１の比較結果であり、
前記ＡＤＣは、
前記サンプリングキャパシタを使用して、前記積分期間中に前記電荷検知ユニットに貯蔵されたオーバーフロー電荷の量を表す第４の電圧を取得することと、
前記比較器を使用して、第２の比較結果を生成するために、前記第４の電圧を前記１つまたは複数の閾値のうちの固定閾値と比較することと、
前記第２の比較結果に基づいて、前記積分期間内に前記フォトダイオードによって受け取られた前記入射光の強度を表すために、前記第４の電圧が前記固定閾値に達するための持続時間の第２の量子化結果を生成することと
を行うように構成された、
請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記コントローラは、前記サンプリングキャパシタの両端間の前記第１の電圧を設定することと、前記積分期間の持続時間が持続時間閾値を超えたことに基づいて、前記積分期間の終了時に前記第２のプレートを前記第１の電圧および前記第２の電圧に基づく前記第３の電圧に設定するために、前記電荷検知ユニットをリセットすることとを行うように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記フォトダイオード、前記電荷検知ユニット、および前記ＡＤＣが、ピクセルセルの一部であり、
前記量子化結果がピクセル値に対応する、
請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
比較器と、
電荷検知ユニットの出力に結合された第１のプレートと前記比較器の入力に結合されている第２のプレートとを有するサンプリングキャパシタと、
コントローラと
を備えるアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）であって、前記コントローラが、
第１の時間において、前記第１の時間における前記電荷検知ユニットの出力電圧に基づいて、前記サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することと、
前記第１のプレートを第２の電圧に設定し、前記第２のプレートを前記第１の電圧および前記第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、前記電荷検知ユニットをリセットすることと、
前記比較器を使用して、前記第３の電圧を１つまたは複数の閾値と比較することと、
比較結果に基づいて、前記第１の時間における前記電荷検知ユニットの前記出力電圧の量子化結果を生成することと
を行うように構成された、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）。
【請求項１２】
前記コントローラが、前記比較器の前記入力を前記比較器の出力と電気的に接続することに基づいて、前記第１の電圧を設定するように構成され、
前記第１の電圧が、
前記電荷検知ユニットに貯蔵された電荷の量を表す第１の成分と、
前記比較器のオフセットを表す第２の成分と、
前記電荷検知ユニットを前記リセットすることより前のリセット動作において前記電荷検知ユニットに導入される第１のリセット雑音電荷を表す第３の成分と
を含み、
前記第２の電圧が、前記電荷検知ユニットを前記リセットすることによって前記電荷検知ユニットに導入される第２のリセット雑音電荷を表す第４の成分を含み、
前記第３の電圧が、前記第３の成分と前記第４の成分との組合せを表す第５の成分を含む、
請求項１１に記載のＡＤＣ。
【請求項１３】
前記第３の電圧は、前記比較器によって前記第３の電圧が前記１つまたは複数の閾値と比較されるときに前記比較器の前記オフセットを消去するために、前記比較器の前記オフセットを表す前記第２の成分を含む、請求項１２に記載のＡＤＣ。
【請求項１４】
カウンタとメモリとをさらに備え、
前記カウンタが、時間に関するカウント値を生成するように構成され、
前記メモリが、比較結果に基づいて、前記カウント値のうちのカウント値を前記量子化結果として記憶するように構成された、
請求項１１に記載のＡＤＣ。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の閾値が、ランピング閾値を含み、
前記ランピング閾値が、前記電荷検知ユニットにおける暗電流の予想される量に基づいて設定された閾値の範囲を含む、
請求項１１に記載のＡＤＣ。
【請求項１６】
前記電荷検知ユニットが、電荷を貯蔵するように構成されたトランジスタのフローティングドレインを備える、請求項１１に記載のＡＤＣ。
【請求項１７】
前記サンプリングキャパシタの両端間の電圧が、前記第１の電圧を前記設定することより前にドリフトする、請求項１１に記載のＡＤＣ。
【請求項１８】
フォトダイオードが、積分期間内に入射光に応答して電荷を生成す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によって生成された前記電荷の量に基づいて出力電圧を生成するように、電荷検知ユニットを制御することと、
前記積分期間の後に、および前記電荷検知ユニットの前記出力電圧に基づいて、サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することであって、前記サンプリングキャパシタの第１のプレートが前記電荷検知ユニットの出力に結合され、前記サンプリングキャパシタの第２のプレートが比較器の入力に結合される、第１の電圧を設定することと、
前記第１のプレートを第２の電圧に設定し、前記第２のプレートを前記第１の電圧および前記第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、前記電荷検知ユニットをリセットすることと、
前記比較器を使用して、前記第３の電圧を１つまたは複数の閾値と比較することと、
比較結果に基づいて、前記積分期間内に前記フォトダイオードによって受け取られた前記入射光の強度を表すために前記出力電圧の量子化結果を生成することと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記サンプリングキャパシタの両端間の前記第１の電圧を設定するために、前記比較器の前記入力を前記比較器の出力と電気的に接続すること
をさらに含み、
前記第１の電圧が、
前記電荷検知ユニットに貯蔵された電荷の量を表す第１の成分と、
前記比較器のオフセットを表す第２の成分と、
前記電荷検知ユニットを前記リセットすることより前のリセット動作において前記電荷検知ユニットに導入される第１のリセット雑音電荷を表す第３の成分と
を含み、
前記第２の電圧が、前記電荷検知ユニットを前記リセットすることによって前記電荷検知ユニットに導入される第２のリセット雑音電荷を表す第４の成分を含み、
前記第３の電圧が、前記第３の成分と前記第４の成分との組合せを表す第５の成分を含む、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第３の電圧は、前記比較器によって前記第３の電圧が前記１つまたは複数の閾値と比較されるときに前記比較器のオフセットを消去するために、前記比較器の前記オフセットを表す第２の成分を含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【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９日に出願された、「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＲＥＤＵＣＩＮＧ  ＳＡＭＰＬＩＮＧ  ＮＯＩＳＥ  ＩＮ  ＩＭＡＧＥ  ＳＥＮＳＯＲ」と題する米国仮特許出願第６２／６８２，８７４号、および２０１９年６月４日に出願された、「ＤＩＧＩＴＡＬ  ＰＩＸＥＬ  ＷＩＴＨ  ＥＸＴＥＮＤＥＤ  ＤＹＮＡＭＩＣ  ＲＡＮＧＥ」と題する米国特許出願第１６／４３１，６９３号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、一般に画像センサに関し、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。画像センサは、露光期間中にフォトダイオードによって生成された電荷を収集するためのキャパシタとして構成されたフローティングノードをさらに含む。収集された電荷は、キャパシタにおいて電圧を生じさせることができる。電圧は、バッファされ、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に与えられ得、ＡＤＣは、電圧を、入射光の強度を表すデジタル値に量子化することができる。しかしながら、量子化の正確さは、熱雑音、比較器オフセットなど、様々な雑音ソースによって影響を及ぼされ得る。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、画像センサに関する。より詳細には、限定はしないが、本開示は、ピクセルセルに関する。本開示はまた、入射光の強度のデジタル表現を生成するためにピクセルセルの回路を動作させることに関する。
【０００５】
一例では、装置が提供される。本装置は、積分期間内に入射光に応答して電荷を生成するためのフォトダイオードと、電荷のうちの少なくともいくらかを貯蔵し、積分期間内にフォトダイオードによって生成された電荷の量に基づいて出力電圧を生成するための電荷検知ユニットと、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）とを含み、ＡＤＣは、比較器と、電荷検知ユニットの出力に結合された第１のプレートと比較器の入力に結合された第２のプレートとを有するサンプリングキャパシタと、コントローラとを備え、コントローラは、積分期間の後に、電荷検知ユニットの出力電圧に基づいて、サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することと、第１のプレートを第２の電圧に設定し、第２のプレートを第１の電圧および第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、電荷検知ユニットをリセットすることと、比較器を使用して、第３の電圧を１つまたは複数の閾値と比較することと、比較結果に基づいて、積分期間内に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ために出力電圧の量子化結果を生成することとを行うように構成される。
【０００６】
いくつかの態様では、コントローラは、比較器の入力を比較器の出力と電気的に接続することに基づいて、第１の電圧を設定するように構成される。第１の電圧は、積分期間内にフォトダイオードによって生成された電荷の量を表す第１の成分と、比較器のオフセットを表す第２の成分と、電荷検知ユニットをリセットすることより前のリセット動作において電荷検知ユニットに導入される第１のリセット雑音電荷を表す第３の成分とを含む。第２の電圧は、電荷検知ユニットをリセットすることによって電荷検知ユニットに導入される第２のリセット雑音電荷を表す第４の成分を含み、第３の電圧は、第３の成分と第４の成分との組合せを表す第５の成分を含む。
【０００７】
いくつかの態様では、第３の電圧は、比較器によって第３の電圧が１つまたは複数の閾値と比較されるときに比較器のオフセットを消去するために、比較器のオフセットを表す第２の成分を含む。
【０００８】
いくつかの態様では、１つまたは複数の閾値は、ランピング閾値を含む。ランピング閾値は、電荷検知ユニットにおける暗電流の予想される量に基づく閾値の範囲を含む。
【０００９】
いくつかの態様では、ＡＤＣは、カウンタとメモリとをさらに備える。カウンタは、時間に関するカウント値を生成するように構成される。メモリは、比較結果に基づいて、カウント値のうちのカウント値を量子化結果として記憶するように構成される。
【００１０】
いくつかの態様では、フォトダイオードは、フォトダイオードが飽和するまで、残留電荷を貯蔵し、フォトダイオードが飽和したとき、オーバーフロー電荷を送るように構成される。
【００１１】
いくつかの態様では、ＡＤＣは、比較結果に基づいて、電荷検知ユニットが積分期間内にフォトダイオードからのオーバーフロー電荷を貯蔵すると決定することと、決定に基づいて、量子化結果としてメモリに記憶されたカウント値を維持するためにフラグビットをアサート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、量子化結果は第１の量子化結果である。比較結果は第１の比較結果である。ＡＤＣは、サンプリングキャパシタを使用して、積分期間中に電荷検知ユニットに貯蔵されたオーバーフロー電荷の量を表す第４の電圧を取得することと、比較器を使用して、第２の比較結果を生成するために、第４の電圧を１つまたは複数の閾値のうちの固定閾値と比較することと、第２の比較結果に基づいて、積分期間内に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ために、第４の電圧が固定閾値に達するための持続時間の第２の量子化結果を生成することとを行うように構成される。
【００１３】
いくつかの態様では、コントローラは、サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することと、積分期間の持続時間が持続時間閾値を超えたことに基づいて、積分期間の終了時に第２のプレートを第１の電圧および第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、電荷検知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。
【００１４】
いくつかの態様では、フォトダイオード、電荷検知ユニット、およびＡＤＣは、ピクセルセルの一部である。量子化結果はピクセル値に対応する。
【００１５】
いくつかの例では、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）が提供される。本ＡＤＣは、比較器と、電荷検知ユニットの出力に結合された第１のプレートと比較器の入力に結合されている第２のプレートとを有するサンプリングキャパシタと、コントローラとを備え、コントローラは、第１の時間において、第１の時間における電荷検知ユニットの出力電圧に基づいて、サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することと、第１のプレートを第２の電圧に設定し、第２のプレートを第１の電圧および第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、電荷検知ユニットをリセットすることと、比較器を使用して、第３の電圧を１つまたは複数の閾値と比較することと、比較結果に基づいて、第１の時間における電荷検知ユニットの出力電圧の量子化結果を生成することとを行うように構成される。
【００１６】
いくつかの態様では、コントローラは、比較器の入力を比較器の出力と電気的に接続することに基づいて、第１の電圧を設定するように構成される。第１の電圧は、電荷検知ユニットに貯蔵された電荷の量を表す第１の成分と、比較器のオフセットを表す第２の成分と、電荷検知ユニットをリセットすることより前のリセット動作において電荷検知ユニットに導入される第１のリセット雑音電荷を表す第３の成分とを含む。第２の電圧は、電荷検知ユニットをリセットすることによって電荷検知ユニットに導入される第２のリセット雑音電荷を表す第４の成分を含む。第３の電圧は、第３の成分と第４の成分との組合せを表す第５の成分を含む。
【００１７】
いくつかの態様では、第３の電圧は、比較器によって第３の電圧が１つまたは複数の閾値と比較されるときに比較器のオフセットを消去するために、比較器のオフセットを表す第２の成分を含む。
【００１８】
いくつかの態様では、ＡＤＣは、カウンタとメモリとをさらに含む。カウンタは、時間に関するカウント値を生成するように構成される。メモリは、比較結果に基づいて、カウント値のうちのカウント値を量子化結果として記憶するように構成される。
【００１９】
いくつかの態様では、１つまたは複数の閾値は、ランピング閾値を含む。ランピング閾値は、電荷検知ユニットにおける暗電流の予想される量に基づいて設定された閾値の範囲を含む。
【００２０】
いくつかの態様では、電荷検知ユニットは、電荷を貯蔵するように構成されたトランジスタのフローティングドレインを備える。
【００２１】
いくつかの態様では、サンプリングキャパシタの両端間の電圧が、第１の電圧を設定することより前にドリフトする。
【００２２】
いくつかの例では、方法が提供される。本方法は、フォトダイオードが、積分期間内に入射光に応答して電荷を生成す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によって生成された電荷の量に基づいて出力電圧を生成するように、電荷検知ユニットを制御することと、積分期間の後に、および電荷検知ユニットの出力電圧に基づいて、サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することであって、サンプリングキャパシタの第１のプレートが電荷検知ユニットの出力に結合され、サンプリングキャパシタの第２のプレートが比較器の入力に結合される、第１の電圧を設定することと、第１のプレートを第２の電圧に設定し、第２のプレートを第１の電圧および第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、電荷検知ユニットをリセットすることと、比較器を使用して、第３の電圧を１つまたは複数の閾値と比較することと、比較結果に基づいて、積分期間内に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ために出力電圧の量子化結果を生成することとを含む。
【００２３】
いくつかの例では、本方法は、サンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定するために、比較器の入力を比較器の出力と電気的に接続することをさらに含む。第１の電圧は、電荷検知ユニットに貯蔵された電荷の量を表す第１の成分と、比較器のオフセットを表す第２の成分と、電荷検知ユニットをリセットすることより前のリセット動作において電荷検知ユニットに導入される第１のリセット雑音電荷を表す第３の成分とを含む。第２の電圧は、電荷検知ユニットをリセットすることによって電荷検知ユニットに導入される第２のリセット雑音電荷を表す第４の成分を含む。第３の電圧は、第３の成分と第４の成分との組合せを表す第５の成分を含む。
【００２４】
いくつかの態様では、第３の電圧は、比較器によって第３の電圧が１つまたは複数の閾値と比較されるときに比較器のオフセットを消去するために、比較器のオフセットを表す第２の成分を含む。
【００２５】
以下の図を参照しながら、例示的な実施形態が説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】ニアアイディスプレイ（ｎｅａｒ−ｅｙｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）の一実施形態の図である。
【図１Ｂ】ニアアイディスプレイの一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一実施形態の図である。
【図３】単一の光源アセンブリ（ｓｏｕｒｃｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）をもつ導波路ディスプレイ（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）の一実施形態の等角図である。
【図４】導波路ディスプレイの一実施形態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である。
【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動作を示す図である。
【図８】図６のピクセルセルの内部構成要素の例を示す図である。
【図９Ａ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図９Ｂ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図１０Ａ】量子化を実施するための技法を示す図である。
【図１０Ｂ】量子化を実施するための技法を示す図である。
【図１１】ピクセルセルの一実施形態のブロック図である。
【図１２Ａ】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１２Ｂ】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１３】図１２Ａおよび図１２Ｂの光強度測定動作に対する電荷漏洩の影響の一例を示す図である。
【図１４Ａ】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンスを示す図である。
【図１４Ｂ】光強度測定を実施するための制御信号の別の例示的なシーケンスを示す図である。
【図１５】光強度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実施形態を示す。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実施形態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、いくつかの発明の実施形態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、様々な実施形態がこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることは明らかであろう。図および説明は、限定するものではない。
【００３０】
一般的な画像センサは、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。画像センサは、露光期間中にフォトダイオードによって生成された電荷を収集するためのキャパシタとして構成されたフローティングノードをさらに含む。収集された電荷は、キャパシタにおいて電圧を生じさせることができる。電圧は、バッファされ、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に与えられ得、ＡＤＣは、電圧を、入射光の強度を表すデジタル値に変換することができる。
【００３１】
露光期間内にフローティングノードにおいて貯蔵された電荷の量を反映する、ＡＤＣによって生成されたデジタル値は、入射光の強度に相関し得る。しかしながら、相関の程度は、異なる要因によって影響を及ぼされ得る。第１に、フローティングノードに貯蔵された電荷の量は、フローティングノードが飽和限界に達するまで、入射光の強度に直接関係し得る。飽和限界を超えると、フローティングノードは、フォトダイオードによって生成された追加の電荷を受け入れることができないことがあり、追加の電荷は、漏洩され、貯蔵されないことがある。その結果、フローティングノードにおいて貯蔵された電荷の量は、フォトダイオードによって実際に生成された電荷の量よりも少なくなり得る。飽和限界は、画像センサ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を含み得る。雑音電荷の１つのソースは暗電流であり得、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、漏洩電流であり得る。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、他の回路との容量結合であり得る。たとえば、ＡＤＣ回路が、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、（たとえば、ＡＤＣ回路の）デバイス雑音をも含み得るたとえば、測定間のフローティングノードのリセット中に、熱雑音（ならびに、１／ｆ雑音などの他の雑音）がリセット雑音としてフローティングノードに注入され得、これは、入射光強度を反映しない電荷をフローティングノードに追加する。その上、比較器オフセットも、電荷の入力量と量レベルとの間の比較における誤差につながり得る。雑音電荷（たとえば、暗電流）およびＡＤＣ測定誤差は、画像センサ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、画像センサのための動作光強度の範囲を設定し得る。
【００３４】
リセット雑音および比較器オフセットの影響は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  ｄｏｕｂｌｅ  ｓａｍｐｌｉｎｇ）など、様々な技法を使用して緩和され得る。相関二重サンプリングでは、サンプリングキャパシタを使用して、フローティングノード電圧が２回サンプリングされ得る。第１のサンプリング動作は、フローティングノードおよび比較器がリセット状態にあるときに実施され得る。第１のサンプリング動作から、サンプリングキャパシタは、第１の測定値を生成するために、リセット雑音および比較器オフセットを表す電荷を貯蔵することができる。第２のサンプリング動作は、フローティングノードおよび比較器が、入射光を検知するためにリセット状態から抜けるときに実施され得、第２の測定値が取得され得る。第２の測定値は、入射光強度の測定値ならびに同じリセット雑音および比較器オフセットを含む。第１の測定値は、補償された測定値を生成するために第２の測定値から減算され得、リセット雑音は、除去されるかまたはかなり低減される。一方、比較器オフセット成分は、補償された測定値中に残る。補償された測定値は、量子化を実施するために比較器によって閾値と比較されるので、補償された測定値中の比較器オフセット成分は、比較器によって導入される比較器オフセットを除去するかまたはかなり低減することができる。
【００３５】
相関二重サンプリングは、リセット雑音および比較器オフセットの影響を緩和することができるが、様々なファクタが、相関二重サンプリングの有効性を低減し得る。１つのファクタは、サンプリングキャパシタからの電荷漏洩であり得る。第１の測定と第２の測定とが、長い持続時間だけ離された場合、リセット雑音および比較器オフセットを表す雑音電荷のかなりの部分が、第２の測定が行われる時間までにはサンプリングキャパシタから漏洩されていることがある。その結果、第１の測定値は、第１の測定値が第２の測定値から減算される時間まで、リセット雑音および／または比較器オフセットの正確な表現を含まないことがあり、リセット雑音および比較器オフセットの緩和は、ほとんど有効でなくなる。したがって、相関二重サンプリング方式が有効であるために、第１のサンプリング動作と第２のサンプリング動作との間のより短い時間ギャップが必要とされ得る。
【００３６】
しかしながら、第１の測定と第２の測定との間の時間ギャップに制限を課すことは、そのような制限がピクセルセルの光検知動作を限定することがあるので、望ましくないことがある。詳細には、ピクセルセルは、フローティングノードがフォトダイオードから転送される電荷を蓄積することができる積分期間内に入射光を検知するように構成され得る。フローティングノードは、積分期間より前にリセットされ得る。相関二重サンプリングを実施するために、サンプリングキャパシタは、第１の測定値を取得するために、第１のサンプリング動作の一部として、リセット状態でフローティングノード電圧を測定するように動作され得る。フローティングノードは、次いで、リセット状態から抜け、積分期間中にフォトダイオードからの電荷を蓄積することができる。サンプリングキャパシタは、第２のサンプリング動作の一部として、第２の測定値を取得するために積分期間の終了時にフローティングノード電圧をサンプリングするように動作され得る。積分期間は、フローティングノードが、低光環境において動作しているときにＡＤＣによって測定可能な十分な量の電荷を蓄積することができることを保証するために、相対的に長く設定され得るので、サンプリングキャパシタからのかなりの電荷漏洩が、積分期間中に生じ得る。一方、積分期間を低減することは、ピクセルセルが低光環境において動作する場合、望ましくないことがある。積分期間を低減することは、画像センサの測定可能な光強度の下限を上げ、ダイナミックレンジを低減し得、ピクセルセルの性能は低下される。そのようなピクセルセルは、非常に広範囲の光強度をもつ環境において動作する、ウェアラブル仮想現実（ＶＲ）／拡張現実（ＡＲ）／複合現実（ＭＲ）システムなどのアプリケーションにとって好適でないことがある。
【００３７】
本開示は、上記で説明された問題のうちのいくつかに対処することによって、拡張されたダイナミックレンジを提供することができるピクセルセルに関する。ピクセルセルは、入射光に応答して電荷を生成し、貯蔵するように構成されたフォトダイオードと、積分期間においてフォトダイオードからの電荷を蓄積するように構成された電荷貯蔵ユニット（たとえば、フローティングノード）とを含む。ピクセルセルは、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）をさらに含む。ＡＤＣは、サンプリングキャパシタと比較器とを含み、ＡＤＣの一部であり得るコントローラによって制御され得る。積分期間の終了時に、コントローラは、比較器をリセットすることができる。第１のサンプリング動作が実施され得、サンプリングキャパシタは、電荷貯蔵ユニットに貯蔵された電荷と比較器のオフセット電圧とに基づいて、第１の電圧を貯蔵することができる。電荷貯蔵ユニットに貯蔵された電荷は、積分期間の前の電荷貯蔵ユニットの前のリセット動作からの第１のリセット雑音電荷をも含む。第１のサンプリング動作の後に、コントローラは、第２のサンプリング動作を実施するために、比較器を有効化し、電荷貯蔵ユニットをリセットすることができる。第２のサンプリング動作の一部として、サンプリングキャパシタは、電荷貯蔵ユニットをリセットすることによって導入される第２のリセット雑音電荷に関係する第２の電圧を受け取ることができる。サンプリングキャパシタは、第１の電圧と第２の電圧との組合せに基づく第３の電圧を出力することができる。第３の電圧は、積分期間内にフォトダイオードからサンプリングキャパシタに転送された電荷の量を表す第１の成分、オフセット電圧を表す第２の成分、および第１のリセット雑音電荷と第２の雑音電荷との間の差を表す第３の成分を含むことができる。比較器は、積分期間内に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ためのデジタル出力を生成するために、差を閾値と比較することができる。
【００３８】
詳細には、サンプリングキャパシタは、ａｃ結合されたキャパシタとして構成され得る。サンプリングキャパシタの左プレートは、電荷貯蔵ユニットに結合され得るが、サンプリングキャパシタの右プレートは、比較器に結合され得る。第１のサンプリング動作の一部として、比較器はリセットされ得る。サンプリングキャパシタの左プレートの電圧が、第１のリセット雑音電荷を含む電荷貯蔵ユニットに貯蔵された電荷に基づいて設定され得る。サンプリングキャパシタの右プレートの電圧が、比較器のオフセット電圧に基づいて設定され得る。サンプリングキャパシタの左プレートと右プレートとの間の電圧差が、第１の電圧としてサンプリングキャパシタに記憶され得る。
【００３９】
第２のサンプリング動作は、第１のサンプリング動作が完了し、第１の電圧がサンプリングキャパシタに記憶された後に開始することができる。第２のサンプリング動作の一部として、電荷貯蔵ユニットはリセットされ得るが、比較器は有効化され得る。電荷貯蔵ユニットをリセットすることにより、サンプリングキャパシタの左プレートを第２の電圧に設定することができ、第２の電圧は第２のリセット雑音に関する情報を含んでいる。サンプリングキャパシタの両端間の電圧差（第１の電圧）が残るので、ａｃ結合を介して、サンプリングキャパシタの右プレートは、第１の電圧と第２の電圧とを組み合わせることに基づく第３の電圧を生じさせることができる。その組合せは、第３の電圧における第１のリセット雑音電荷と第２の雑音電荷との間での少なくとも部分消去につながり得るが、比較器オフセット成分は残る。第３の電圧は、（たとえば、閾値と比較することによる）比較器オフセットを有する比較器によって、閾値と比較され得る。比較器オフセットの影響は、第３の電圧中に含まれている比較器オフセット成分によって消去されるかまたはかなり緩和され得る。
【００４０】
開示される技法では、（リセット雑音と比較器オフセットとを測定するための、およびフォトダイオードからの電荷を測定するための）２つのサンプリング動作は、積分期間の後に取得され得る。２つのサンプリング動作は、比較的短い期間だけ離され得る。その結果、サンプリングキャパシタの雑音電荷漏洩の影響は低減され得、積分期間は、電荷漏洩影響を低減するために限定される必要がない。開示される技法は、低光強度を測定するために、拡張された積分期間が提供されたときでも、リセット雑音および比較器オフセットの有効緩和を可能にし、これは、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ことができる。
【００４１】
開示される技法は、ピクセルセルに動作フレキシビリティをも追加することができる。たとえば、ピクセルセルは、適応的積分期間を有することができ、積分期間は、低光強度をもつ環境においてピクセルセルが動作するときに増加され得、積分期間は、高または中光強度をもつ環境においてピクセルセルが動作するときに低減され得る。低減された積分期間の場合、ピクセルセルは、拡張された測定誤差補償のために、相関二重サンプリング動作を実施するように制御され得る（たとえば、２つのサンプリング動作は、積分期間だけ離される）。増加された積分期間の場合、ピクセルセルは、開示される技法に基づいて測定を実施するように制御され得る（たとえば、２つのサンプリング動作は、積分期間の後に実施される）。ピクセルセルのダイナミックレンジを拡張することによって、開示される技法は、ピクセルセルのデジタル出力に依拠するアプリケーション（たとえば、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステム）の性能を改善すること、ならびにユーザ体験を改善することもできる。
【００４２】
開示される技法は、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、いくつかの実施形態では、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。
【００４３】
図１Ａは、ニアアイディスプレイ１００の一実施形態の図である。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。いくつかの実施形態では、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変更される。
【００４４】
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。
【００４５】
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。たとえば、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。
【００４６】
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。いくつかの実施形態では、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。
【００４７】
いくつかの実施形態では、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。
【００４８】
いくつかの実施形態では、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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１５０ｂによって受け取られ得る。センサ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。
【００５１】
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、画像センサのダイナミックレンジ要件をさらに増加させ得る。
【００５２】
その上、画像センサ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。
【００５３】
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の一実施形態である。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。
【００５４】
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。いくつかの実施形態では、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。
【００５５】
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、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。
【００５６】
図３は、導波路ディスプレイ３００の一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（たとえば、導波路ディスプレイアセンブリ２１０）である。いくつかの実施形態では、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。
【００５７】
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。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、いくつかの実施形態では、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。
【００５８】
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。いくつかの実施形態では、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に結合する。カップリング素子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。
【００５９】
方向付け要素３６０は、受け取られた入力画像光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、受け取られた入力画像光３５５をデカップリング素子３６５に向け直す。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および／またはデカップリング素子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。
【００６０】
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。
【００６１】
コントローラ３３０は、光源アセンブリ３１０のスキャン動作を制御する。コントローラ３３０は、光源アセンブリ３１０のためのスキャン命令を決定する。いくつかの実施形態では、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。
【００６２】
その上、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をも制御する。画像センサ３７０は、第１の面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１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。画像センサ３７０はまた、第２の面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、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。
【００６３】
図４は、導波路ディスプレイ３００の断面４００の一実施形態を示す。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の例では、画像センサ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。いくつかの実施形態では、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４０４があり得る。いくつかの実施形態では、機械的シャッタ４０４は、以下で説明されるように、電子シャッタ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。
【００６４】
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４０４は、露光期間において開き、ピクセルセル４０２のセットを露光することができる。露光期間中に、画像センサ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。
【００６５】
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、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。
【００６６】
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的構成要素を含む。光源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。いくつかの実施形態では、光学系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閾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。光学系４１５（同じく光源アセンブリ３１０）から放出される光は、画像光３５５と呼ばれる。
【００６７】
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に結合する。カップリング素子３５０が回折格子である実施形態では、内部全反射が出力導波路３２０中で発生し、画像光３５５が、デカップリング素子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。
【００６８】
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のほうへ向け直す。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（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。
【００６９】
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（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。
【００７０】
図５は、ニアアイディスプレイ１００を含むシステム５００の一実施形態のブロック図である。システム５００は、各々制御回路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。
【００７１】
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。いくつかの実施形態では、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。いくつかの実施形態では、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。
【００７２】
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。
【００７３】
ＩＭＵ５３０は、位置センサ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の推定位置を示す高速較正データを生成する電子デバイスである。
【００７４】
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１５０ａ〜１５０ｂをさらに含み得る。
【００７５】
入出力インターフェース５４０は、ユーザが制御回路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。
【００７６】
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。
【００７７】
アプリケーションストア５４５は、制御回路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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。いくつかの実施形態では、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。
【００８１】
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、電荷貯蔵ユニット６０８ａおよびバッファ６０８ｂを含む電荷検知ユニット６０８と、ピクセルＡＤＣ６１０とを含み得る。
【００８２】
いくつかの実施形態では、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、生成された電荷のうちのいくらかを貯蔵することができる。その上、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として（図４の機械的シャッタ４０４の代わりに、または機械的シャッタ４０４と組み合わせて）働くことができる。露光期間中に、シャッタスイッチ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し、電荷貯蔵ユニット６０８ａは、電荷を蓄積し、電荷をアナログ電圧に変換することができる。露光期間の終了時に、シャッタスイッチ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、電荷の量を電圧に変換することによって電荷の量を測定／検知するために使用され得、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。
【００８３】
次に図７を参照すると、図７は、異なる光強度範囲についての時間に対する蓄積された電荷の量を示す。特定の時点において蓄積された電荷の総量は、露光期間中にフォトダイオード６０２に入射する光の強度を反映することができる。上記量は、露光期間が終了したときに測定され得る。入射光の強度についての低光強度範囲７０６、中光強度範囲７０８、および高光強度範囲７１０を定義する電荷の閾値の量について、閾値７０２および閾値７０４が定義され得る。たとえば、総蓄積電荷（ｔｏｔａｌ  ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ  ｃｈａｒｇｅ）が閾値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。総蓄積電荷が閾値７０４と閾値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。総蓄積電荷が閾値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。
【００８４】
低光強度範囲７０６および中光強度範囲７０８、ならびに閾値７０２および７０４の定義は、フォトダイオード６０２および貯蔵ユニット６０８の貯蔵容量に基づき得る。たとえば、低光強度範囲７０６は、露光期間の終了時の、フォトダイオード６０２に貯蔵された電荷の総量が、フォトダイオードの貯蔵容量を下回るかまたはそれに等しくなるように定義され得、閾値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、閾値７０２は、フォトダイオード６０２の潜在的容量変動を考慮するために、フォトダイオードのスケーリングされた貯蔵容量に基づいて設定され得る。そのような仕組みは、フォトダイオード６０２に貯蔵された電荷の量が強度決定のために測定されたとき、フォトダイオードが飽和せず、測定された量が入射光強度に関係することを保証することができる。その上、中光強度範囲７０８は、露光期間の終了時の、貯蔵ユニット６０８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、閾値７０４は、貯蔵ユニット６０８の貯蔵容量に基づき得る。一般的に、閾値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、閾値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。
【００８５】
さらに、入射光強度が高光強度範囲７１０内にある場合、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積された総オーバーフロー電荷は、露光期間が終了する前に閾値７０４を超え得る。追加の電荷が蓄積されるにつれて、電荷貯蔵ユニット６０８ａは、露光期間の終了の前に全容量に達し得、電荷漏洩が発生し得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａが全容量に達したことにより引き起こされる測定誤差を回避するために、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積された総オーバーフロー電荷が閾値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、閾値７０４と飽和までの時間との間の比に基づいて決定され得、（キャパシタが無限の容量を有する場合に）露光期間の終了時に電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積され得る電荷の仮定量（Ｑ３）は、電荷蓄積のレートに従って外挿法によって決定され得る。電荷の仮定量（Ｑ３）は、高光強度範囲７１０内の入射光強度の合理的に正確な表現を提供することができる。
【００８６】
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を通って移って貯蔵ユニット６０８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貯蔵ユニット６０８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。
【００８７】
貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積された電荷は、アナログ電圧を生じさせることができ、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）デジタルデータのセットに変換され得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて生じたアナログ電圧がサンプリングされ得、デジタル出力が、（たとえば、中光強度範囲７０８および高光強度範囲７１０について）露光期間の終了の前に、または（低光強度範囲７０６について）露光期間の後に生成され得る。デジタルデータは、露光期間中の光強度を表すために、たとえば、図５の制御回路５１０に、ピクセル出力バス６１６のセットによって送られ得る。
【００８８】
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、貯蔵ユニット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、閾値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。
【００８９】
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、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。いくつかの実施形態では、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。閾値生成器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、閾値生成器８０２は、静的デジタル値を受け付けて、固定閾値を生成するか、またはカウンタ８０８の出力８１４を受け付けて、ランピング閾値を生成し得る。
【００９０】
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と結合され得ることを理解されたい。その上、デジタル出力生成器８０６はまた、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。
【００９１】
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。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閾値生成器８０２によって生成された閾値に等しいかまたはその閾値を超える場合、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、アナログ電圧が閾値を下回る場合、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。
【００９２】
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、閾値生成器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閾値（たとえば、図７の閾値７０４）に対応する電圧に設定され得る。カウンタ８０８は、露光期間が開始した直後に（たとえば、シャッタスイッチ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閾値に達し得、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。
【００９３】
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、閾値７０４（貯蔵ユニット６０８の飽和についての電荷量閾値）と閾値７０２（フォトダイオード６０２の飽和についての電荷量閾値）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、均一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、貯蔵ユニット６０８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になり得る。上記で説明されたように、アナログ電圧の量子化は、（たとえば、中光強度範囲７０８について）露光期間中に、および（たとえば、低光強度範囲７０６について）露光期間の後に行われ得る。
【００９４】
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、量子化誤差は、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。
【００９５】
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制限し得る。より小さい量子化ステップサイズの場合、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。
【００９６】
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均一でない不均一量子化方式を採用することによるものである。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、不均一量子化プロセスについてのマッピングを示し、実線は、均一量子化プロセスについてのマッピングを示す。均一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、不均一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、不均一量子化プロセスについての量子化ステップサイズ（ΔＳ）は、均一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。
【００９７】
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。
【００９８】
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ことの一例を示す。（均一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についての光強度決定のために採用され得る。
【００９９】
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の一実施形態であり得る。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、ＣＦＤ（たとえば、フローティングドレイン）キャパシタとＣＥＸＴキャパシタとの組合せが貯蔵ユニット６０８に対応することができる。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、ＣＦＤ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、ＣＦＤ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。
【０１００】
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、貯蔵ユニット６０８において貯蔵された電荷の量を表す、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ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であり得る切替え可能なソースフォロワを形成することができる。さらに、ＣＣキャップ（ＣＣ  ｃａｐ）、比較器１１０２、トランジスタスイッチ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、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ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キャプは、バッファ６０８ｂの出力（およびＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ）を追跡する（比較器１１０２の１つの入力における）ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を生成するためのサンプリングキャパシタとして構成され、ＣＯＭＰ＿ＩＮ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。（図１１では「ｃｎｔ」と標示される）カウント値は自走カウンタ（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、カウント値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、不均一量子化方式に基づき得る。
【０１０１】
ピクセルセル１１００は、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特徴を含むことができる。たとえば、ＣＣキャパシタ、トランジスタＭ５、ならびにトランジスタＭ２の組合せは、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、たとえば、トランジスタＭ２によって電荷貯蔵ユニット６０８ａに導入されるリセット雑音などの他の誤差信号を補償するように動作され得る。以下で説明されるように、第１のサンプリング動作では、Ｍ２およびＭ５が閉じられて、それぞれ、電荷貯蔵ユニット６０８ａ（および電荷検知ユニット６０８）および比較器１１０２をリセットすることができる。電荷貯蔵ユニット６０８ａがリセットされた場合、ＣＣキャパシタは、リセット動作によって導入された雑音電荷を貯蔵することができる。その上、Ｍ５が閉じられた場合、比較器１１０２の負端子の電圧（ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ）が、比較器１１０２の正端子の電圧を追跡するが、比較器オフセットだけ異なり得る。その結果、比較器オフセットならびにリセット雑音を反映する雑音電荷の量は、ＣＣキャパシタの両端間の電圧差ＶＣＣを生じさせるためにＣＣキャパシタにおいて貯蔵され、ＶＣＣは、比較器オフセットおよびリセット雑音を表す成分を含むことができる。
【０１０２】
第２のサンプリング動作では、電荷貯蔵ユニット６０８ａおよび比較器１１０２がそれぞれのリセット状態を出ることができるように、Ｍ２およびＭ５が開かれ得る。電荷貯蔵ユニット６０８ａは、電圧を生じさせるために積分期間中にフォトダイオードＰＤからの電荷を蓄積することができ、電圧は、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴにおける電圧、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔを生成するために、バッファ６０８ｂによってバッファされ得る。リセット動作においてトランジスタＭ２によって導入されたリセット雑音電荷も、貯蔵ユニット６０８中に残り、したがって、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔはリセット雑音の成分をも含む。ａｃ結合を通して、新しいＶｃｏｍｐ＿ｉｎが取得され得、新しいＶｃｏｍｐ＿ｉｎは、ＶＣＣの追加に基づいてＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔを追跡する。ＶＣＣもリセット雑音の成分を含んでいるので、リセット雑音成分は新しいＶＣＯＭＰ＿ＩＮにおいて相殺され得、新しいＶＣＯＭＰ＿ＩＮは依然として比較器オフセットの成分を含む。比較器１１０２は、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて貯蔵された電荷の量を量子化するために、メモリ８１０におけるカウンタ８０８の出力を記憶する時間を制御するための判定（ＶＯＵＴ）を生成するために、新しいＶＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧をＶＲＥＦと比較することができる。新しいＶｃｏｍｐ＿ｉｎ中の比較器オフセット成分は、比較器１１０２の比較器オフセットの影響を相殺するか、またはかなり低減することができる。比較器オフセットとリセット雑音の両方が除去されるかまたは少なくともかなり低減されるので、量子化の正確さが改善され得る。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、以下で説明されるように、ＣＣキャップ、トランジスタＭ５、ならびにトランジスタＭ２の組合せは、測定誤差補償動作への電荷漏洩の影響を低減するために、積分期間の後に第１および第２のサンプリング動作を実施するように動作され得る。いくつかの実施形態では、積分期間は、光強度に対して適応的であり得、これらの構成要素は、光強度に基づいて異なる測定誤差補償動作において動作され得る。たとえば、構成要素は、相関二重サンプリング動作を実施するように動作され得、ここで、積分期間が（たとえば、中または高光強度をサンプリングするための）閾値よりも短い場合、および／または、積分期間内のサンプリングキャパシタの電荷漏洩の程度が許容範囲内にある場合、第１のサンプリング動作と第２のサンプリング動作とは積分期間だけ離される。また、これらの構成要素は、積分期間が（たとえば、低光強度をサンプリングするための）閾値を超える場合、および／または積分期間内のサンプリングキャパシタの電荷漏洩の程度が許容差範囲を超える場合、第１および第２のサンプリング動作を積分期間の後に実施するように動作され得る。
【０１０４】
さらに、ピクセルセル１１００はコントローラ１１１０をさらに含み、コントローラ１１１０は、ＡＤＣ６１０の一部であるかまたはＡＤＣ６１０の外部にあり得る。コントローラ１１１０は、図７の３つの光強度範囲（たとえば、低光強度範囲７０６、中光強度範囲７０８、および高光強度範囲７１０）に対応する３段階測定動作を実施し、上記で説明されたように測定誤差補償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、ＡＢ、ＴＧ、ＲＳＴ、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴ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つにおいて出力されたカウント値を選択することができる。選択されたカウント値はメモリ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に記憶されたカウント値を取り出し、そのカウント値を、入射光強度を表すデジタル出力として提供することができる。
【０１０５】
次に図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、図１２Ａおよび図１２Ｂは、３段階測定動作および例示的な測定誤差補償動作のためのピクセルセル１１００の制御信号の例示的なシーケンスを示す。図１２Ａは、時間に対するＣＯＭＰ＿ＩＮ、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ、ＡＢ、ＲＳＴ、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴ、ＴＧ、ＬＧ、ＶＲＥＦ、およびｃｎｔ（カウンタ８０８からのカウント値）の変化を示す。図１２Ａ中の例示的な測定誤差補償動作は、相関二重サンプリングに基づき得る。図１２Ａを参照すると、ｔ１の前の時間期間は第１のリセット段階に対応することができ、第１のリセット段階では、電荷貯蔵ユニット６０８ａ（および電荷検知ユニット６０８）および比較器１１０２は、ＲＳＴおよびＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号をアサートすることによってコントローラ１１１０によってリセット状態に入れられ得る。時間ｔ１と時間ｔ２との間に、電荷貯蔵ユニット６０８ａおよび比較器１１０２は、リセット状態を出ることができ、シャッタ信号ＡＢは、フォトダイオードＰＤによって生成された電荷が電荷貯蔵ユニット６０８ａに達するのを防ぐために、アサートされたままであり得る。以下で説明されるように、第１のサンプリング動作は、リセット状態に入ることおよびリセット状態を出ることの結果としてトランジスタＭ２によって導入されたリセット雑音をサンプリングするために、時間ｔ２において実施され得る。ｔ２とｔ３との間の時間期間は、積分期間に対応することができ、積分期間では、シャッタ信号ＡＢは、（フォトダイオードがその残差電荷貯蔵容量に達した後の）フォトダイオードＰＤからの電荷オーバーフローが電荷貯蔵ユニット６０８ａにおいて蓄積されることを可能にするために、アサート解除され得る。測定の２つの段階が、積分期間中に実施され、高光強度範囲７１０についての飽和までの時間（ＴＴＳ）測定段階と、中光強度７０８についてのオーバーフロー電荷の測定のためのＦＤ  ＡＤＣ段階とを含み得る。ｔ３とｔ５との間の時間期間は、第２のリセット段階に対応することができ、第２のリセット段階では、電荷貯蔵ユニット６０８ａおよび比較器１１０２は、再びリセット状態に入れられ得る。時間ｔ５と時間ｔ６との間に、コントローラ１１０２は、トランジスタＭ１がフォトダイオードＰＤに貯蔵された残留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、ＴＧをアサートすることができる。測定の第３の段階、ＰＤ  ＡＤＣは、低光強度範囲７１２について残留電荷を測定するために時間ｔ６と時間ｔ７の間に実施され得る。ピクセルセル１１００は、ＴＴＳ段階、ＦＤ  ＡＤＣ段階、またはＰＤ  ＡＤＣ段階からの測定結果のうちの１つから入射光強度を表すデジタル出力を提供し、次いで、次の３段階測定動作を開始することができる。
【０１０６】
ＴＴＳにおける測定動作は、図９Ａで説明された動作と同様であり、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧が、比較器１１０２によって、電荷貯蔵ユニット６０８ａの飽和レベルを表す静的ＶＲＥＦＬＯＷと比較される。ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧が静的ＶＲＥＦに達したとき、比較器１１０２の出力（ＶＯＵＴ）はトリップすることができ、ＶＯＵＴがトリップした時間におけるカウンタ８０８からのカウント値が、メモリ８１０に記憶され得る。さらに、図１２Ｂを参照すると、コントローラ１１１０は、ＴＴＳ段階の終了時に比較器１１０２のＶＯＵＴの状態を決定することができ、ＶＯＵＴがアサートされる場合、ＦＬＡＧ＿１信号をアサートすることができる。ＦＬＡＧ＿１信号のアサーションは、電荷貯蔵ユニット６０８ａが飽和したことを示すことができ、後続の測定段階（ＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣ）がメモリ８１０に記憶されたカウント値を上書きするのを防ぐことができる。次いで、ＴＴＳからのカウント値は、積分期間中にフォトダイオードＰＤによって受け取られた光の強度を表すために提供され得る。
【０１０７】
さらに、ＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣ測定動作は、図９Ｂに関して説明された動作と同様であり、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧が、比較器１１０２によってランピングＶＲＥＦと比較される。ＦＤ  ＡＤＣ段階は、ＴＴＳ段階の後に続くことができる。図１２Ａに示されているように、ＶＲＥＦランプは、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗから開始してＶｒｅｆ＿ｈｉｇｈに至ることができる。Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗからＶｒｅｆ＿ｈｉｇｈの間の範囲は、ＡＤＣ６１０のフルスケール入力範囲に対応することができる。ＦＤ  ＡＤＣについて、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈは、低光強度範囲７０６と中光強度範囲７０８とを分ける、電荷貯蔵ユニット６０８ａに貯蔵されたオーバーフロー電荷の最小量に対応することができ、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗは、中光強度範囲７０８と高光強度範囲７１０とを分ける、電荷貯蔵ユニット６０８ａの飽和閾値に対応することができる。比較器１１０２のＶＯＵＴがＦＤ  ＡＤＣ中にトリップした場合、ＶＯＵＴがトリップした時間におけるカウンタ８０８のカウント値は、メモリ８１０に記憶され得る。図１２Ｂに示されているように、コントローラ１１１０は、ＦＤ  ＡＤＣの終了時に比較器１１０２のＶＯＵＴの状態を決定することができ、ＶＯＵＴがアサートされる場合、ＦＬＡＧ＿２をアサートすることができる。ＦＬＡＧ＿２のアサーションは、電荷貯蔵ユニット６０８ａがオーバーフロー電荷の最小量よりも多く貯蔵したことを示すことができ、後続のＰＤ  ＡＤＣ段階がメモリ８１０に記憶されたカウント値を上書きするのを防ぐことができる。次いで、ＦＤ  ＡＤＣからのカウント値は、光の強度を表すために提供され得る。
【０１０８】
一方、ＰＤ  ＡＤＣ段階では、フォトダイオードＰＤに貯蔵された残留電荷を表すＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧は、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗから開始してＶｒｅｆ＿ｈｉｇｈに至るＶＲＥＦランプと比較され得る。ＰＤ  ＡＤＣ段階では、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈは、フォトダイオードＰＤに貯蔵された残留電荷の最小の検出可能な量を表すことができ、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗは、フォトダイオードＰＤの飽和閾値を表すことができ、飽和閾値を超えると、フォトダイオードＰＤはオーバーフロー電荷を電荷貯蔵ユニット６０８に転送する。ＰＤ  ＡＤＣより前にＦＬＡＧ＿１もＦＬＡＧ＿２もアサートされない場合、比較器１１０２がＰＤ  ＡＤＣ中にトリップしたときに取得されたカウント値が、メモリ８１０に記憶され得、ＰＤ  ＡＤＣからのカウント値は、光の強度を表すために提供され得る。
【０１０９】
いくつかの例では、フローティングドレイン（たとえば、電荷貯蔵ユニット６０８のＣＦＤ）における暗電流の存在による、ＦＤ  ＡＤＣ中の偽オーバーフロー電荷検出およびトリッピングのリスクを緩和するために、ＦＤ  ＡＤＣのためのＶＲＥＦランプの範囲は低減され得る。たとえば、図１２Ａに示されているように、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈを低減するために電圧ヘッドルームΔＶが導入される。そのような仕組みにより、ＶＲＥＦランプは、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧が、暗電流の存在のみにより、変更されていないＶｒｅｆ＿ｈｉｇｈを下回る場合、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧を越えないことになり（および比較器１１０２がトリップしないことになり）、暗電流の存在による偽トリッピングの可能性は低減され得る。
【０１１０】
上記で説明されたように、図１２Ａ中の制御信号のシーケンスは、ピクセルセル１１００を、相関二重サンプリングなど、測定誤差補償動作を実施するように制御することができる。以下は、図１２Ａ中の制御信号のシーケンスによって提供される例示的な相関二重サンプリング動作である。
【０１１１】
第１のサンプリング動作は、積分期間が開始する前の時間ｔ２において実施され得る。時間ｔ２において、電荷貯蔵ユニット６０８ａがリセットされた後に、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴがリセット電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔにリセットされ得る。その上、第１のリセット段階は、電荷貯蔵ユニット６０８にリセット雑音電荷をも導入する。リセット雑音電荷は、雑音電圧成分ＶσＫＴＣを導入する。したがって、時間ｔ２において、ＣＣキャップの左プレートの電圧（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ）は、以下の通りであり得る。
【０１１２】
Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ２）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ    （式１）
【０１１３】
その上、リセット状態にある比較器１１０２では、（比較器１１０２の負端子に接続された）ＣＣキャップの右プレートの電圧Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎは、比較器１１０２の正端子の電圧を追跡するが、比較器オフセットＶｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔだけ異なり得る。Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗと接続された正端子では、ＣＯＭＰ＿ＩＮの電圧（Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ）は、以下の通りであり得る。
【０１１４】
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ２）＝Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ    （式２）
【０１１５】
時間ｔ２において、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴとＣＯＭＰ＿ＩＮとの間の電圧差Ｖｃｃは、以下の通りであり得る。
【０１１６】
Ｖｃｃ（ｔ２）＝Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ２）−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ２）    （式３）
【０１１７】
式１と式２と式３とを組み合わせると、時間ｔ２における電圧差Ｖｃｃは、以下の通りであり得る。
【０１１８】
Ｖｃｃ（ｔ２）＝（Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ）    （式４）
【０１１９】
電圧差Ｖｃｃ（ｔ２）は、第１のサンプリング動作の結果を表すことができる。
【０１２０】
ｔ２とｔ３との間に、電荷貯蔵ユニット６０８ａは、フォトダイオードＰＤからのオーバーフロー電荷を蓄積することができる。オーバーフロー電荷は、電荷貯蔵ユニット６０８において電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇを生じさせることができる。さらに、第１のリセット段階によって注入されたリセット雑音電荷は、電荷貯蔵ユニット６０８中に残る。
【０１２１】
積分の終了時に、時間ｔ３において、電荷貯蔵ユニット６０８におけるオーバーフロー電荷の量を測定するために、第２のサンプリング動作が実施され得る。時間ｔ３において、ＣＣキャップの左プレートの電圧（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ）は、以下の通りであり得る。
【０１２２】
Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ３）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ＋ＶσＫＴＣ    （式５）
【０１２３】
Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ３）は、第２のサンプリング動作の結果を表すことができる。
【０１２４】
ａｃ結合を介して、時間ｔ３におけるＣＣキャップの右プレートの電圧（ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ）は、以下のように、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ３）を追跡するが、電圧差Ｖｃｃ（ｔ３）だけ異なり得る。
【０１２５】
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ３）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ３）＋Ｖｃｃ（ｔ３）    （式６）
【０１２６】
Ｖｃｃ（ｔ３）がＶｃｃ（ｔ２）と同等である場合、Ｖｃｃ（ｔ３）は、リセット電荷雑音成分ＶσＫＴＣをも含むことができる。式６は、以下のように書き直され得る。
【０１２７】
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ３）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ＋ＶσＫＴＣ＋（Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ）    （式７）
【０１２８】
式７に示されているように、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ３）のＶσＫＴＣ成分とＶｃｃ（ｔ３）のＶσＫＴＣ成分とは、相殺され得る。式７は、以下のように簡略化され得る。
【０１２９】
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ３）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ    （式８）
【０１３０】
式８に示されているように、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ３）は、差成分Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔを含み、差成分は、積分期間中の、フォトダイオードからの、および電荷貯蔵ユニット６０８ａによって蓄積された電荷の量を表す。ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（ｔ３）は、Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ成分ならびに（Ｖｃｃからの）Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗをさらに含む。比較器１１０２がＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（ｔ３）をＶｒｅｆ＿ｌｏｗと比較するとき、比較器１１０２によって導入された比較器オフセットは、Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ成分によって消去され得、フォトダイオードからの電荷の量を表す差Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔのみが量子化されて、量子化結果を生成する。そのような仕組みは、量子化結果からリセット雑音および比較器オフセットを取り除き、光強度測定の正確さを改善することができる。
【０１３１】
ＦＤ  ＡＤＣに続いて、比較器１１０２および電荷貯蔵ユニット６０８ａは、時間ｔ３と時間ｔ５との間にリセットされて、相関二重サンプリング動作の第１のサンプリング動作として、リセット雑音電荷および比較器オフセット情報をＣＣキャパシタに貯蔵し得る。ＴＧ信号は、時間ｔ５と時間ｔ６との間にアサートされて、残留電荷をフォトダイオードＰＤから電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送し得、時間ｔ６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、第２のサンプリング動作が実施され得る。ｔ６におけるＶｃｏｍｐ＿ｉｎが、式８に従って定義され得、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔが、残留電荷の量を表し、時間ｔ６と時間ｔ７との間のＰＤ  ＡＤＣ段階において量子化される。
【０１３２】
上記に示されているように、図１２Ａの相関二重サンプリング動作におけるリセット雑音と比較器オフセットとの消去は、ＣＣキャパシタの両端間の電圧差、Ｖｃｃが、積分期間の終了までに、Ｖｃｃが、積分期間が開始する前に測定されたリセット雑音成分ＶσＫＴＣとＶｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔとを保持するように、積分期間にわたって一定であることに依存する。しかしながら、ＣＣキャパシタからの電荷漏洩により、リセット雑音と比較器オフセットとを表す雑音電荷は、積分期間中に浮動している比較器１１０２の負端子を介して、ＣＣキャパシタの右プレートから漏洩し得る。その結果、積分期間の終了時に、Ｖｃｃは、積分期間の前にサンプリングされた比較器オフセットとリセット雑音との正確な表現を含まない。
【０１３３】
図１３は、ＣＣキャパシタからの電荷漏洩の影響の一例を示す。図１３では、ＣＯＭＰ＿ＩＮについての点線は、ＣＣキャパシタからの電荷漏洩の影響なしのＶｃｏｍｐ＿ｉｎを表し、図１２Ａ中の対応するグラフと同等である。ＣＯＭＰ＿ＩＮについての実線は、ＣＣキャパシタからの電荷漏洩の影響下での実際のＶｃｏｍｐ＿ｉｎを表す。図１３に示されているように、ｔ２とｔ３との間に、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎがドリフトし得る。ドリフトすることは、浮動している比較器１１０２の負端子（ＣＯＭＰ＿ＩＮ）を介するＣＣキャパシタの右プレートからの電荷漏洩によるものであり得る。漏洩された電荷の総量は、蓄積するものであるので、Ｖｌｅａｋによって標示されるドリフトの程度は、時間とともに増加する。ドリフトすることにより、Ｖｃｃも、時間ｔ２と時間ｔ３との間の時間で変化する。その結果、時間ｔ２においてサンプリングされた雑音電荷および比較器オフセット情報の一部または全部が、時間ｔ３において失われる。Ｖｃｃ（ｔ３）は、リセット雑音の正確な表現をもはや含まないので、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ３）のリセット雑音は、式７および式８に示されているようにＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ３）がＶｃｃ（ｔ３）と組み合わさってＶｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ３）になるとき、消去され得ない。その上、Ｖｃｃ（ｔ３）（およびＶｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ３））は、比較器オフセットの正確な表現をもはや含まないので、比較器１１０２のオフセットも、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ３）を比較するとき、除去され得ない。
【０１３４】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、３段階測定動作および例示的な測定誤差補償動作のためのピクセルセル１１００の制御信号の例示的なシーケンスを示す。例示的な測定誤差補償動作では、２つのサンプリング動作が、積分期間の後に実施され得る。第１のサンプリング動作では、比較器１１０２がリセットされ得、第１のサンプリング動作は、積分期間中に電荷貯蔵ユニット６０８ａによって蓄積された電荷を測定することができ、その電荷は、前のリセット動作からの第１のリセット雑音電荷と、比較器オフセットとを含む。第１のサンプリング動作の後に、電荷貯蔵ユニット６０８ａがリセットされ得、電荷貯蔵ユニットをリセットすることによって導入された第２のリセット雑音電荷を測定するために、第２のサンプリング動作が実施され得る。第１のサンプリング動作の結果と第２のサンプリング動作の結果とが組み合わせられ得、組み合わせられた結果が量子化され得る。組み合わせられた結果は、第１のリセット雑音電荷と第２の雑音電荷との間の差を表す雑音成分を含む。雑音成分は、第１のリセット雑音電荷または第２のリセット雑音電荷のいずれかよりも小さいので、積分期間中に電荷貯蔵ユニット６０８ａによって蓄積された電荷の測定へのリセット雑音の影響は、補償され得る。一方、組み合わせられた結果は、比較器オフセット成分をも保持し、比較器オフセット成分は、量子化動作中に比較器１１０２の比較器オフセットを補償するために使用され得る。
【０１３５】
図１４Ａを参照すると、ｔ１の前の時間期間は、第１のリセット段階に対応することができ、第１のリセット段階では、電荷貯蔵ユニット６０８ａおよび比較器１１０２は、ＲＳＴおよびＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号をアサートすることによってコントローラ１１１０によってリセット状態に入れられ得る。第１のリセット段階はまた、電荷貯蔵ユニット６０８ａに、電圧成分ＶσＫＴＣ１によって表される第１のリセット雑音電荷をも導入する。積分期間に対応する、時間ｔ２と時間ｔ３との間に、比較器１１０２と電荷貯蔵ユニット６０８ａの両方がリセット状態から抜け、電荷貯蔵ユニット６０８ａは、時間ｔ３において電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇを生じさせるために、フォトダイオードＰＤからのオーバーフロー電荷を蓄積することができる。
【０１３６】
積分の終了の後に、時間ｔ４において、第１のサンプリング動作が実施され得る。ＣＣキャップの左プレートの電圧（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ）は、以下の通りであり得る。
【０１３７】
Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ４）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ＋ＶσＫＴＣ１    （式９）
【０１３８】
時間ｔ３と時間ｔ４との間に、比較器１１０２は、第１のサンプリング動作の一部としてリセットされ得る。比較器１１０２をリセットしたことの結果として、（比較器１１０２の負端子に接続された）ＣＣキャップの右プレートの電圧Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎは、上記の式２と同様に、比較器１１０２の正端子の電圧を追跡するが、比較器オフセットＶｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔだけ異なり得る。時間ｔ４において、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎは、以下の通りであり得る。
【０１３９】
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ４）＝Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ    （式１０）
【０１４０】
時間ｔ４において、ＣＣキャパシタの両端間の電圧差、Ｖｃｃは、以下の通りになる。
【０１４１】
Ｖｃｃ（ｔ４）＝Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ４）−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ４）    （式１１）
【０１４２】
式９と式１０と式１１とを組み合わせると、時間ｔ４における電圧差Ｖｃｃは、以下の通りであり得る。
【０１４３】
Ｖｃｃ（ｔ４）＝（Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ＋ＶσＫＴＣ１）    （式１２）
【０１４４】
時間ｔ４における電圧差Ｖｃｃは、第１のサンプリング動作の結果としてＣＣキャパシタに貯蔵され得る。第１のサンプリング動作の結果は、積分期間中にフォトダイオードから電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送された電荷を表す成分（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ）と、第１のリセット雑音電荷を表す成分（ＶσＫＴＣ１）と、比較器１１０２の比較器オフセットを表す成分（Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）とを含む。
【０１４５】
時間ｔ４と時間ｔ５との間に、第２のサンプリング動作の一部として、電荷貯蔵ユニット６０８ａはリセットされ得、比較器１０１２はリセット状態を出る。電荷貯蔵ユニット６０８ａをリセットしたことの結果として、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴがリセット電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔにリセットされ得る。その上、第２のリセット雑音電荷も、電荷貯蔵ユニット６０８ａに導入され、これは、ＶσＫＴＣ２によって表され得る。第２のリセット雑音電荷は、第１のリセット雑音電荷を追跡し得る。時間ｔ５において、ＣＣキャパシタの左プレートの電圧（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ）は、以下の通りであり得る。
【０１４６】
Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ５）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ２    （式１３）
【０１４７】
Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ５）は、第２のサンプリング動作の結果であり得る。
【０１４８】
ａｃ結合を介して、時間ｔ５におけるＣＣキャップの右プレートの電圧（Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ）は、以下の式に基づいて、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ５）を追跡するが、電圧差Ｖｃｃ（ｔ５）だけ異なり得る。
【０１４９】
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ５）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（ｔ５）＋Ｖｃｃ（ｔ５）    （式１４）
【０１５０】
時間ｔ４と時間ｔ５との間の差は、一般的に、極めて短い（および同じく一般的に、積分期間よりもはるかに短い）ので、ＣＣキャパシタからの電荷漏洩も極めて小さい。したがって、Ｖｃｃ（ｔ５）とＶｃｃ（ｔ４）とは、ほとんど同等である。Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ５）は、以下のように、式１２、式１３、および式１４に基づいて定義され得る。
【０１５１】
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ５）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ２＋（Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ＋ＶσＫＴＣ１）    （式１５）
【０１５２】
式１５は、以下のように並べ替えられ得る。
【０１５３】
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ５）＝（Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）＋（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ）＋（ＶσＫＴＣ２−ＶσＫＴＣ１）    （式１６）
【０１５４】
式１６に示されているように、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（ｔ５）は、それぞれ第１のリセット雑音と第２のリセット雑音との、ＶσＫＴＣ１とＶσＫＴＣ２との組合せを表す雑音成分を含む。第１のリセット雑音と第２のリセット雑音とが、互いを追跡し、同じ極性を有する場合、雑音成分は、ＶσＫＴＣ１またはＶσＫＴＣ２のいずれかよりも小さくなり得る。その結果、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ中のリセット雑音成分は低減され得る。一方、比較器オフセット成分Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔは、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ中に残る。比較器オフセット成分は、比較器１１０２が量子化を実施するためにＶｃｏｍｐ＿ｉｎを比較するとき、比較器１１０２の比較器オフセットを相殺することができる。
【０１５５】
第２のサンプリング動作に続いて、ＶＲＥＦランプと比較することによって、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎが量子化され得る。図１４Ａの量子化動作では、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎがＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇを表すので、比較の極性は、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎがＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔを表す図１２Ａの量子化動作と反対である。図１４Ａでは、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗは、低光強度範囲７０６と中光強度範囲７０８とを分ける、電荷貯蔵ユニット６０８ａにおけるオーバーフロー電荷の最小量を表すことができ、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈは、中光強度範囲７０８と高光強度範囲７１０とを分ける、電荷貯蔵ユニット６０８ａの飽和限界を表すことができる。電荷貯蔵ユニット６０８ａがオーバーフロー電荷の最小量を貯蔵するかどうかを示すためのＦＬＡＧ＿２信号の決定は、ＦＤ  ＡＤＣ中にＶｃｏｍｐ＿ｉｎをＶｒｅｆ＿ｌｏｗと比較することに基づき得る。
【０１５６】
ＦＤ  ＡＤＣに続いて、ＰＤ  ＡＤＣ段階が、フォトダイオードＰＤ中の残留電荷を量子化するために実施され得る。残留電荷の量子化へのリセット雑音の影響を低減するために、相関二重サンプリング動作が実施され得る。詳細には、時間ｔ６と時間ｔ７との間に、比較器１１０２および電荷貯蔵ユニット６０８ａはリセットされて、相関二重サンプリング動作の第１のサンプリング動作として、リセット雑音電荷および比較器オフセット情報をＣＣキャパシタに貯蔵し得る。ＴＧ信号は、時間ｔ７と時間ｔ８との間にアサートされて、残留電荷をフォトダイオードＰＤから電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送し得、時間ｔ８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、第２のサンプリング動作が実施され得る。ｔ８におけるＶｃｏｍｐ＿ｉｎが、式８に従って定義され得、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔが、残留電荷の量を表し、時間ｔ８と時間ｔ９との間のＰＤ  ＡＤＣ段階において量子化される。ＰＤ  ＡＤＣ段階では、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈは、フォトダイオードＰＤに貯蔵された残留電荷の最小の検出可能な量を表すことができ、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗは、フォトダイオードＰＤの飽和閾値を表すことができ、飽和閾値を超えると、フォトダイオードＰＤはオーバーフロー電荷を電荷貯蔵ユニット６０８に転送する。ＰＤ  ＡＤＣより前にＦＬＡＧ＿１もＦＬＡＧ＿２もアサートされない場合、比較器１１０２がＰＤ  ＡＤＣ中にトリップしたときに取得されたカウント値が、メモリ８１０に記憶され得、ＰＤ  ＡＤＣからのカウント値は、図１２ＡのＰＤ  ＡＤＣ動作の場合のように、光の強度を表すために提供され得る。
【０１５７】
図１２Ａ中の例示的な動作と同様に、フローティングドレイン（たとえば、電荷貯蔵ユニット６０８のＣＦＤ）における暗電流の存在による、ＦＤ  ＡＤＣ中の偽オーバーフロー電荷検出およびトリッピングのリスクを緩和するために、ＦＤ  ＡＤＣのためのＶＲＥＦランプの範囲は、図１４Ａにおいて低減され得、電圧ヘッドルームΔＶが、貯蔵ユニット６０８中のオーバーフロー電荷の最小量を表す閾値電圧に導入され得る。図１４では、電圧ヘッドルームΔＶは、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗを上げるために追加され得る。そのような仕組みにより、ＶＲＥＦランプは、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧が、暗電流の存在のみにより、変更されていないＶｒｅｆ＿ｌｏｗを上回る場合、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧を越えないことになり（および比較器１１０２がトリップしないことになり）、暗電流の存在による偽トリッピングの可能性は低減され得る。
【０１５８】
ＦＬＡＧ＿２信号の決定のタイミングは、偽オーバーフロー電荷検出のリスクをさらに緩和するように調整され得る。たとえば、図１４Ｂに示されているように、ＦＬＡＧ＿２は、残留電荷がフォトダイオードＰＤから電荷貯蔵ユニット６０８に転送された後に、ＰＤ  ＡＤＣ段階中に決定され得る。上記で説明されたように、ＰＤ  ＡＤＣ段階では、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗは、フォトダイオードＰＤの飽和閾値を表すことができ、飽和閾値を超えると、フォトダイオードＰＤはオーバーフロー電荷を電荷貯蔵ユニット６０８に転送する。ＰＤ  ＡＤＣにおいて（フォトダイオードＰＤ中の残留電荷の量を表す）Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎをＶｒｅｆ＿ｌｏｗと比較することは、フォトダイオードＰＤが積分期間中に飽和限界に達したかどうかを決定することを可能にすることができる。ＦＤ  ＡＤＣモードにおけるオーバーフロー電荷ではなく、ＰＤ  ＡＤＣモードにおけるフォトダイオードＰＤ中の残留電荷に基づいて、フォトダイオードＰＤが飽和したかどうかの決定を実施することの１つの利点は、フォトダイオードＰＤが暗電流を受けにくいことであり得る。フォトダイオードに貯蔵された残留電荷は、一般的に、電荷貯蔵ユニット６０８におけるオーバーフロー電荷よりも小さい暗電流成分を含んでいる。したがって、暗電流が不正確なオーバーフロー電荷検出とＦＬＡＧ＿２信号のアサーションとを引き起こすリスクは、低減され得る。いくつかの例では、図１４Ｂに示されているように、暗電流の影響をさらに緩和するために、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗが、ＰＤ  ＡＤＣにおいて電圧ヘッドルームΔＶだけ上げられ得る。そのような仕組みにより、ＶＲＥＦランプは、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧が、暗電流の存在のみにより、変更されていないＶｒｅｆ＿ｌｏｗを上回る場合、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧を越えないことになり（および比較器１１０２がトリップしないことになり）、暗電流の存在による偽トリッピングの可能性は低減され得る。
【０１５９】
いくつかの例では、ピクセルセル１１００は、ＦＤ  ＡＤＣについて、（２つのサンプリング動作が積分期間だけ離される）図１２Ａの相関二重サンプリング動作を使用することと、（２つのサンプリング動作が積分期間の後に実施される）図１４Ａ中の例示的な測定誤差補償動作を使用することとの間で切り替えるように構成可能であり得る。切替えは、積分期間の持続時間に基づき得、積分期間は適応可能であり得る。たとえば、ピクセルセル１１００は、適応的積分期間を有することができ、積分期間は、低光強度をもつ環境においてピクセルセルが動作するときに増加され得、積分期間は、高または中光強度をもつ環境においてピクセルセルが動作するときに低減され得る。低減された積分期間の場合、ピクセルセル１１００は、図１２Ａの相関二重サンプリング動作を実施するように制御され得、これは、ＦＤ  ＡＤＣ動作からのリセット雑音の完全な除去を可能にする。増加された積分期間の場合、ピクセルセル１１００は、図１４Ａの測定誤差補償動作を実施するように制御され得、これは、ＰＤ  ＡＤＣ動作からのリセット雑音の、完全な除去ではないにしても、かなりの低減を可能にする。
【０１６０】
図１５は、光強度を測定する方法１５００のフローチャートを示す。方法１５００は、たとえば、コントローラ１１１０を含むピクセルセル６００／１１００の様々な構成要素によって、実施され得る。
【０１６１】
ステップ１５０２において、コントローラ１１１０は、フォトダイオード（たとえば、フォトダイオード６０２／ＰＤ）が、積分期間内に入射光に応答して電荷を生成することを可能にすることができる。コントローラ１１１０は、フォトダイオードが、たとえば、シャッタスイッチ６０４／Ｍ０を無効化することに基づいて、電荷を生成することを可能にすることができる。
【０１６２】
ステップ１５０４において、コントローラ１１１０は、積分期間内にフォトダイオードによって生成された電荷の量に基づいて出力電圧を生成するように、電荷検知ユニット６０８など、電荷検知ユニットを制御することができる。コントローラ１１１０は、電荷検知ユニット６０８のバッファ６０８ｂによってバッファされ得るアナログ電圧を生じさせるために、電荷がフォトダイオードから電荷検知ユニットの電荷貯蔵ユニット（たとえば電荷貯蔵ユニット６０８ａ）に流れることを可能にするように、転送ゲート６０６／Ｍ１のバイアス電圧を制御することができる。
【０１６３】
ステップ１５０６において、積分期間が終了した後に、コントローラ１１１０は、積分期間の終了時の電荷検知ユニットの出力電圧に基づいてサンプリングキャパシタの両端間の第１の電圧を設定することができる。サンプリングキャパシタは、たとえば、図１１のＣＣキャパシタを含むことができ、電荷検知ユニットの出力に結合された第１のプレートと、比較器（たとえば、比較器１１０２）の入力に結合された第２のプレートとを有する。第１の電圧は、上記で説明された電圧差Ｖｃｃであり得、比較器の入力と出力とを一緒に電気的に接続することによって比較器１１０２をリセットすることに基づいて、設定され得る。上記の式１２を参照すると、電圧差Ｖｃｃは、積分期間中にフォトダイオードから電荷貯蔵ユニット６０８ａに転送された電荷を表す成分（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ）と、第１のリセット雑音電荷を表す成分（ＶσＫＴＣ１）と、比較器１１０２の比較器オフセットを表す成分（Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）とを含むことができる。
【０１６４】
ステップ１５０８において、コントローラ１１１０は、サンプリングキャパシタの第１のプレートを第２の電圧に設定し、サンプリングキャパシタの第２のプレートを第１の電圧および第２の電圧に基づく第３の電圧に設定するために、電荷検知ユニットをリセットすることができる。ステップ１５０８において、コントローラ１１１０は、比較器の出力から入力を切断することによってリセット状態を出るように比較器１１０２を制御することもできる。電荷貯蔵ユニット６０８ａ（および電荷検知ユニット６０８）をリセットしたことの結果として、電荷検知ユニット出力に結合されたサンプリングキャパシタの第１のプレートは、リセット電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔに設定され得る。その上、第２のリセット雑音電荷も、電荷貯蔵ユニット６０８ａに導入され、これは、ＶσＫＴＣ２によって表され得る。第２のリセット雑音電荷は、第１のリセット雑音電荷を追跡し得る。ａｃ結合を介して、ＣＣキャップの第２のプレートの電圧は、第１のプレート電圧を追跡するが、電圧差Ｖｃｃだけ異なり得る。ＣＣキャップの第２のプレートにおける電圧（第３の電圧）は、式１５に基づき、それぞれ第１のリセット雑音と第２のリセット雑音との、ＶσＫＴＣ１とＶσＫＴＣ２との組合せを表す雑音成分を含むことができる。第１のリセット雑音と第２のリセット雑音とが、互いを追跡し、同じ極性を有する場合、雑音成分は、ＶσＫＴＣ１またはＶσＫＴＣ２のいずれかよりも小さくなり得る。その結果、リセット雑音成分は低減され得る。一方、比較器オフセット成分Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔは、第３の電圧中に残る。
【０１６５】
ステップ１５１０において、コントローラ１１１０は、比較器１１０２を使用して、第３の電圧を１つまたは複数の閾値と比較することができる。比較は、（ＦＤ  ＡＤＣ動作またはＰＤ  ＡＤＣ動作について）ランピング閾値電圧とのものであるか、または（ＴＴＳ動作について）静的閾値とのものであり得る。比較器１１０２の比較器オフセットは、第３の電圧中の比較器オフセット成分によって消去され得る。
【０１６６】
ステップ１５１２において、積分期間内に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ために、比較結果に基づいて、出力電圧の量子化結果が生成され得る。カウンタ（たとえば、カウンタ８０８）は、周期的にカウント値を生成することができ、メモリ（たとえば、メモリ８１０）は、比較器出力がトリップした時間におけるカウント値を記憶することができる。メモリに記憶されたカウント値は、量子化結果を表すことができる。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。いくつかの実施形態では、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。
【０１６９】
本開示の実施形態はまた、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。
【０１７０】
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実施形態を含み得る。
【０１７１】
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、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】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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2021525472.tif 000024
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