(57)【要約】  画像センサーの例が提供される。一例では、ピクセルセルは、第１の半導体ダイと、サンプリングキャパシタと、サンプリングキャパシタを含み得る第２の半導体ダイとを備える。第１の半導体ダイは、フォトダイオードと電荷検知デバイスとを含む。第２の半導体ダイは、第１の半導体ダイとともにスタックを形成し、第２の半導体ダイは、フォトダイオード、電荷検知デバイス、およびサンプリングキャパシタと結合されたインターフェース回路を含む。インターフェース回路は、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蓄積することを可能にすることと、電荷をフォトダイオードから電荷検知デバイスに転送することと、サンプリングキャパシタを使用して、電荷検知デバイス中の電荷を電圧に変換するためのサンプルアンドホールド動作を実施することと、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、電圧に基づいてデジタル出力を生成することとを行うように構成される。【選択図】図８Ａおよび図９
2021517764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと電荷検知デバイスとを含む第１の半導体ダイと、
サンプリングキャパシタと、
前記第１の半導体ダイとともにスタックを形成する第２の半導体ダイであって、前記フォトダイオード、前記電荷検知デバイス、および前記サンプリングキャパシタと結合されたインターフェース回路を含む、第２の半導体ダイと
を備えるピクセルセルであって、前記インターフェース回路は、
前記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蓄積することを可能にすることと、
前記電荷を前記フォトダイオードから前記電荷検知デバイスに転送することと、
前記サンプリングキャパシタを使用して、前記電荷検知デバイス中の前記電荷を電圧に変換するためのサンプルアンドホールド動作を実施することと、
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、前記電圧に基づいてデジタル出力を生成することと
を行うように構成された、ピクセルセル。
【請求項２】
前記ピクセルセルが、前記電荷検知デバイスと前記サンプリングキャパシタとの間に結合されたサンプリングスイッチをさらに含み、
前記インターフェース回路は、前記サンプルアンドホールド動作の一部として、
前記電圧を生じさせるために、前記サンプリングキャパシタが、前記電荷検知デバイス中に蓄積された前記電荷をサンプリングすることを引き起こすために、前記サンプリングスイッチを有効化することと、
前記サンプリングキャパシタが前記電圧を保持することを引き起こすために、前記サンプリングスイッチを無効化することと
を行うように構成された、請求項１に記載のピクセルセル。
【請求項３】
前記電圧が第１の電圧であり、
前記電荷検知デバイスが、貯蔵された前記電荷に基づいて第２の電圧を出力するように構成され、
前記ピクセルセルが、前記電荷検知デバイスと前記サンプリングキャパシタとの間に結合され、前記第１の電圧を前記サンプリングキャパシタに出力するために前記第２の電圧をバッファするように構成された電圧バッファをさらに含み、
前記サンプリングキャパシタは、前記サンプリングスイッチが有効化されたとき、前記電圧バッファから受け取られた前記第１の電圧をサンプリングし、前記サンプリングスイッチが無効化された後に、前記第１の電圧を保持するように動作される、
請求項２に記載のピクセルセル。
【請求項４】
前記サンプリングスイッチと前記電圧バッファとが、前記第１の半導体ダイ中に含まれる、請求項３に記載のピクセルセル。
【請求項５】
前記サンプリングキャパシタが、
前記スタック中の前記第１の半導体ダイと前記第２の半導体ダイとの間にはさまれた金属キャパシタまたは半導体キャパシタ、あるいは
前記第２の半導体ダイ中に形成された金属キャパシタまたは半導体キャパシタ
のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載のピクセルセル。
【請求項６】
前記インターフェース回路が、リセット可能比較器をさらに備え、
前記ピクセルセルが、前記サンプリングキャパシタと前記比較器との間に結合されたＡＣキャパシタをさらに備え、
前記インターフェース回路は、前記サンプリングスイッチが有効化されたとき、
リセット状態に入るように前記比較器を制御することと、
前記電荷検知デバイスの前のリセット動作によって引き起こされた前記電荷検知デバイスのリセット電圧の第１のサンプルを取得することと、
前記比較器が前記リセット状態にあるとき、前記比較器のオフセットの第２のサンプルを取得することと、
前記リセット電圧の前記第１のサンプルと前記オフセットの前記第２のサンプルとに基づいて前記ＡＣキャパシタにかかる第３の電圧を貯蔵することと、
前記第１の電圧と前記第３の電圧とに基づいて前記比較器に第４の電圧を出力することと
を行うように前記ＡＣキャパシタを動作させることと
を行うように構成され、
前記デジタル出力が前記第４の電圧に基づいて生成される、
請求項４に記載のピクセルセル。
【請求項７】
前記フォトダイオードと前記電荷検知デバイスとの間に結合された転送スイッチをさらに備え、
前記インターフェース回路は、
前記ＡＣキャパシタにかかる前記第３の電圧を保持するために前記リセット状態を出るように前記比較器を制御することと、
前記電荷を前記フォトダイオードから前記電荷検知デバイスに転送するために、前記転送スイッチを有効化することであって、前記電荷の前記転送が前記サンプリングキャパシタにおいて前記第１の電圧を生じさせる、前記転送スイッチを有効化することと、
前記電荷の前記転送を停止するために、前記転送スイッチを無効化することであって、前記転送スイッチの前記無効化が、前記サンプリングキャパシタが前記第１の電圧を保持することを引き起こし、前記ＡＣキャパシタが前記デジタル出力の前記生成のために前記第４の電圧を保持することを引き起こす、前記転送スイッチを無効化することと
を行うように構成された、請求項６に記載のピクセルセル。
【請求項８】
前記比較器の出力がメモリと結合され、
前記メモリが、クロックに基づいて周期的にカウント値を更新するように構成されたカウンタと結合され、
前記比較器は、前記転送スイッチが無効化された後に、前記第４の電圧をランピングしきい値と比較して判定を出力するように構成され、
前記メモリが、前記判定に基づいて前記カウンタからの前記カウント値を記憶するように構成され、
前記記憶されたカウント値が前記デジタル出力を表す、
請求項７に記載のピクセルセル。
【請求項９】
前記比較器の前記出力と前記メモリとの間に結合された選択スイッチをさらに備え、
前記インターフェース回路は、
前記デジタル出力を前記メモリに記憶するために前記ピクセルセルが選択されたとき、前記判定を前記メモリに送信するために、前記選択スイッチを有効化することと、
前記デジタル出力を前記メモリに記憶するために前記ピクセルセルが選択されないとき、前記メモリからの前記判定を阻止するために、前記選択スイッチを無効化することと
を行うように構成された、請求項８に記載のピクセルセル。
【請求項１０】
前記メモリと前記カウンタとが前記第２の半導体ダイ中に含まれる、請求項８に記載のピクセルセル。
【請求項１１】
前記フォトダイオードと電荷シンクとの間に結合されたシャッタースイッチをさらに備え、
前記インターフェース回路は、
前記積分期間を開始するために、および前記フォトダイオードが前記電荷を蓄積することを可能にするために、前記シャッタースイッチを無効化することと、
前記積分期間を終了するために、および前記フォトダイオードが前記電荷を蓄積するのを防ぐために、前記シャッタースイッチを有効化することと
を行うように構成された、請求項１に記載のピクセルセル。
【請求項１２】
前記電荷検知デバイスが、フローティングドレインノード、またはピン止め貯蔵ノードのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のピクセルセル。
【請求項１３】
光検知回路のアレイを含む第１の半導体ダイであって、光検知回路の前記アレイの各光検知回路がフォトダイオードと電荷検知デバイスとを備える、第１の半導体ダイと、
サンプリングキャパシタのアレイであって、サンプリングキャパシタの前記アレイの各サンプリングキャパシタが光検知回路の前記アレイの光検知回路に対応する、サンプリングキャパシタのアレイと、
前記第１の半導体ダイとともにスタックを形成する第２の半導体ダイであって、インターフェース回路のアレイを含む、第２の半導体ダイと
を備える画像センサーであって、
インターフェース回路の前記アレイの各インターフェース回路と、光検知回路の前記アレイの各光検知回路と、サンプリングキャパシタの前記アレイの各サンプリングキャパシタとがピクセルセルを形成し、各ピクセルセルの前記各インターフェース回路は、
前記対応する光検知回路の前記フォトダイオードが、グローバル積分期間内に入射光に応答して電荷を蓄積することを可能にすることと、
前記電荷を前記フォトダイオードから前記対応する光検知回路の前記電荷検知デバイスに転送することと、
前記対応するサンプリングキャパシタを使用して、電圧を取得するために前記電荷検知デバイスに貯蔵された前記電荷に対してサンプルアンドホールド動作を実施することと、
対応するピクセルセルによって受け取られた前記入射光の強度を表すために、前記電圧に基づいてデジタル出力を生成することと
を行うように構成された、画像センサー。
【請求項１４】
前記各ピクセルセルにおいて、
前記光検知回路が、前記電荷検知デバイスと前記サンプリングキャパシタとの間に結合されたサンプリングスイッチをさらに含み、
前記インターフェース回路は、前記サンプルアンドホールド動作の一部として、
前記電圧を生じさせるために、前記サンプリングキャパシタが、前記電荷検知デバイスに貯蔵された前記電荷をサンプリングすることを引き起こすために、前記サンプリングスイッチを有効化することと、
前記サンプリングキャパシタが前記電圧を保持することを引き起こすために、前記サンプリングスイッチを無効化することと
を行うように構成された、請求項１３に記載の画像センサー。
【請求項１５】
前記各ピクセルセルにおいて、
前記電圧が第１の電圧であり、
前記電荷検知デバイスが、前記貯蔵された電荷に基づいて第２の電圧を出力するように構成され、
前記光検知回路が、前記電荷検知デバイスと前記サンプリングキャパシタとの間に結合され、前記第１の電圧を前記サンプリングキャパシタに出力するために前記第２の電圧をバッファするように構成された電圧バッファをさらに含み、
前記サンプリングキャパシタは、前記サンプリングスイッチが有効化されたとき、前記電圧バッファから受け取られた前記第１の電圧をサンプリングし、前記サンプリングスイッチが無効化された後に、前記第１の電圧を保持するように動作される、
請求項１４に記載の画像センサー。
【請求項１６】
前記各ピクセルセルにおいて、
前記各インターフェース回路が、リセット可能比較器をさらに備え、
前記各光検知回路が、前記サンプリングキャパシタと前記比較器との間に結合されたＡＣキャパシタをさらに備え、
前記各インターフェース回路は、前記サンプリングスイッチが有効化されたとき、
リセット状態に入るように前記比較器を制御することと、
前記電荷検知デバイスの前のリセット動作によって引き起こされた前記電荷検知デバイスのリセット電圧の第１のサンプルを取得することと、
前記比較器が前記リセット状態にあるとき、前記比較器のオフセットの第２のサンプルを取得することと、
前記リセット電圧の前記第１のサンプルと前記オフセットの前記第２のサンプルとに基づいて前記ＡＣキャパシタにかかる第３の電圧を貯蔵することと、
前記第１の電圧と前記第３の電圧とに基づいて前記比較器に第４の電圧を出力することと
を行うように前記ＡＣキャパシタを動作させることと
を行うように構成され、
前記デジタル出力が前記第４の電圧に基づいて生成される、
請求項１５に記載の画像センサー。
【請求項１７】
前記各光検知回路が、前記フォトダイオードと前記電荷検知デバイスとの間に結合された転送スイッチをさらに備え、
前記各インターフェース回路は、
前記ＡＣキャパシタにかかる前記第３の電圧を保持するために前記リセット状態を出るように前記比較器を制御することと、
前記電荷を前記フォトダイオードから前記電荷検知デバイスに転送するために、前記転送スイッチを有効化することであって、前記電荷の前記転送が前記サンプリングキャパシタにおいて前記第１の電圧を生じさせる、前記転送スイッチを有効化することと、
前記電荷の前記転送を停止するために、前記転送スイッチを無効化することであって、前記転送スイッチの前記無効化が、前記サンプリングキャパシタが前記第１の電圧を保持することを引き起こし、前記ＡＣキャパシタが前記デジタル出力の前記生成のために前記第４の電圧を保持することを引き起こす、前記転送スイッチを無効化することと
を行うように構成された、請求項１６に記載の画像センサー。
【請求項１８】
コントローラと、カウンタと、メモリバッファのバンクとをさらに備え、
メモリバッファの前記バンクの各メモリバッファが前記カウンタと結合され、
前記カウンタが、クロックに基づいて周期的にカウント値を更新するように構成され、
前記各インターフェース回路の前記比較器の出力が、前記コントローラによって制御される選択スイッチを介して前記各メモリバッファに結合され、
前記比較器は、前記転送スイッチが無効化された後に、前記第４の電圧をランピングしきい値と比較して判定を生成するように構成され、
前記コントローラが、前記ピクセルセルのサブセットの選択スイッチを、前記ピクセルセルの選択された前記サブセットの前記比較器の前記判定をメモリバッファの前記バンクに送信するために異なる時間において有効化するように構成され、
メモリバッファの前記バンクが、前記異なる時間において前記ピクセルセルの前記選択されたサブセットの前記判定に基づいて前記カウンタからの前記カウント値を記憶するように構成され、
前記記憶されたカウント値が前記ピクセルセルのデジタル出力を表す、
請求項１７に記載の画像センサー。
【請求項１９】
インターフェース回路によって、光検知回路の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蓄積することを可能にすることであって、前記光検知回路および前記インターフェース回路が、それぞれ、スタックを形成する第１の半導体ダイおよび第２の半導体ダイ中にある、電荷を蓄積することを可能にすることと、
前記インターフェース回路によって、前記電荷を前記フォトダイオードから前記光検知回路の電荷検知デバイスに転送することと、
前記インターフェース回路によって、およびサンプリングキャパシタを使用して、前記電荷検知デバイスに貯蔵された前記電荷を電圧に変換するためのサンプルアンドホールド動作を実施することと、
前記インターフェース回路によって、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、前記電圧に基づいて前記デジタル出力を生成することと
を含む、方法。
【請求項２０】
前記電圧をランピングしきい値と比較して判定を出力することと、
前記判定に基づいてカウンタからのカウント値を記憶するようにメモリを制御することと、
前記カウント値を前記デジタル出力として提供することと
をさらに含み、
前記メモリと前記カウンタとが前記第２の半導体ダイ中にある、
請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本開示は、一般に画像センサーに関し、より詳細には、画像生成のために光強度を決定するためのインターフェース回路を含むピクセルセル構造に関する。
【０００２】
一般的な画像センサーは、光子を電荷（たとえば、電子または正孔）に変換することによって入射光を検知するためのフォトダイオードのアレイを含む。画像ひずみを低減するために、フォトダイオードのアレイの各フォトダイオードが同時に入射光を検知して電荷を生成するグローバルシャッター動作が実施され得る。フォトダイオードのアレイによって生成された電荷は、次いで、画像を生成するためにアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル値に量子化され得る。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、画像センサーに関する。より詳細には、限定はしないが、本開示は、ピクセルセルに関する。本開示はまた、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要素を動作させることに関する。
【０００４】
一例では、ピクセルセルが提供される。本ピクセルセルは、フォトダイオードと電荷検知デバイスとを含む第１の半導体ダイを含む。本ピクセルセルは、サンプリングキャパシタと、第１の半導体ダイとともにスタックを形成する第２の半導体ダイであって、フォトダイオード、電荷検知デバイス、およびサンプリングキャパシタと結合されたインターフェース回路を含む、第２の半導体ダイとをさらに含む。インターフェース回路は、フォトダイオードが、積分期間（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｐｅｒｉｏｄ）内に入射光に応答して電荷を蓄積することを可能にすることと、電荷をフォトダイオードから電荷検知デバイスに転送することと、サンプリングキャパシタを使用して、電荷検知デバイス中の電荷を電圧に変換するためのサンプルアンドホールド動作を実施することと、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、電圧に基づいてデジタル出力を生成することとを行うように構成される。
【０００５】
いくつかの態様では、本ピクセルセルは、電荷検知デバイスとサンプリングキャパシタとの間に結合されたサンプリングスイッチをさらに含む。インターフェース回路は、サンプルアンドホールド動作の一部として、電圧を生じさせるために、サンプリングキャパシタが、電荷検知デバイス中に蓄積された電荷をサンプリングすることを引き起こすために、サンプリングスイッチを有効化することと、サンプリングキャパシタが電圧を保持することを引き起こすために、サンプリングスイッチを無効化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、電圧は第１の電圧である。電荷検知デバイスは、貯蔵された電荷に基づいて第２の電圧を出力するように構成される。本ピクセルセルは、電荷検知デバイスとサンプリングキャパシタとの間に結合され、第１の電圧をサンプリングキャパシタに出力するために第２の電圧をバッファするように構成された電圧バッファをさらに含む。サンプリングキャパシタは、サンプリングスイッチが有効化されたとき、電圧バッファから受け取られた第１の電圧をサンプリングし、サンプリングスイッチが無効化された後に、第１の電圧を保持するように動作される。
【０００７】
いくつかの態様では、サンプリングスイッチと電圧バッファとは、第１の半導体ダイ中に含まれる。
【０００８】
いくつかの態様では、サンプリングキャパシタは、スタック中の第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとの間にはさまれた金属キャパシタまたは半導体キャパシタ、あるいは第２の半導体ダイ中に形成された金属キャパシタまたは半導体キャパシタのうちの少なくとも１つを含む。
【０００９】
いくつかの態様では、インターフェース回路は、リセット可能比較器をさらに備える。本ピクセルセルは、サンプリングキャパシタと比較器との間に結合されたＡＣキャパシタをさらに備える。インターフェース回路は、サンプリングスイッチが有効化されたとき、リセット状態に入るように比較器を制御するように構成され、電荷検知デバイスの前のリセット動作によって引き起こされた電荷検知デバイスのリセット電圧の第１のサンプルを取得することと、比較器がリセット状態にあるとき、比較器のオフセットの第２のサンプルを取得することと、リセット電圧の第１のサンプルとオフセットの第２のサンプルとに基づいてＡＣキャパシタにかかる第３の電圧を貯蔵することと、第１の電圧と第３の電圧とに基づいて比較器に第４の電圧を出力することとを行うようにＡＣキャパシタを動作させるように構成される。デジタル出力は第４の電圧に基づいて生成される。
【００１０】
いくつかの態様では、本ピクセルセルは、フォトダイオードと電荷検知デバイスとの間に結合された転送スイッチをさらに備える。インターフェース回路は、ＡＣキャパシタにかかる第３の電圧を保持するためにリセット状態を出るように比較器を制御することと、電荷をフォトダイオードから電荷検知デバイスに転送するために、転送スイッチを有効化することであって、電荷の転送がサンプリングキャパシタにおいて第１の電圧を生じさせる、転送スイッチを有効化することと、電荷の転送を停止するために、転送スイッチを無効化することであって、転送スイッチの無効化が、サンプリングキャパシタが第１の電圧を保持することを引き起こし、ＡＣキャパシタがデジタル出力の生成のために第４の電圧を保持することを引き起こす、転送スイッチを無効化することとを行うように構成される。
【００１１】
いくつかの態様では、ピクセルセルの比較器の出力がメモリと結合される。メモリは、クロックに基づいて周期的にカウント値を更新するように構成されたカウンタと結合される。比較器は、転送スイッチが無効化された後に、第４の電圧をランピングしきい値と比較して判定を出力するように構成される。メモリは、判定に基づいてカウンタからのカウント値を記憶するように構成される。記憶されたカウント値はデジタル出力を表す。
【００１２】
いくつかの態様では、本ピクセルセルは、比較器の出力とメモリとの間に結合された選択スイッチをさらに備える。インターフェース回路は、デジタル出力をメモリに記憶するためにピクセルセルが選択されたとき、判定をメモリに送信するために、選択スイッチを有効化することと、デジタル出力をメモリに記憶するためにピクセルセルが選択されないとき、メモリからの判定を阻止するために、選択スイッチを無効化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、メモリとカウンタとは、第２の半導体ダイ中に含まれる。
【００１４】
いくつかの態様では、本ピクセルセルは、フォトダイオードと電荷シンクとの間に結合されたシャッタースイッチをさらに備える。インターフェース回路は、積分期間を開始するために、およびフォトダイオードが電荷を蓄積することを可能にするために、シャッタースイッチを無効化することと、積分期間を終了するために、およびフォトダイオードが電荷を蓄積するのを防ぐために、シャッタースイッチを有効化することとを行うように構成される。
【００１５】
いくつかの態様では、電荷検知デバイスは、フローティングドレインノード（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｄｒａｉｎ  ｎｏｄｅ）、またはピン止め（ｐｉｎｎｅｄ）貯蔵ノード（ｓｔｏｒａｇｅ  ｎｏｄｅ）のうちの少なくとも１つを備える。
【００１６】
いくつかの例では、画像センサーが提供される。本画像センサーは、光検知回路のアレイを含む第１の半導体ダイであって、光検知回路のアレイの各光検知回路がフォトダイオードと電荷検知デバイスとを備える、第１の半導体ダイを備える。本画像センサーは、サンプリングキャパシタのアレイであって、サンプリングキャパシタのアレイの各サンプリングキャパシタが光検知回路のアレイの光検知回路に対応する、サンプリングキャパシタのアレイをさらに備える。本画像センサーは、第１の半導体ダイとともにスタックを形成する第２の半導体ダイであって、インターフェース回路のアレイを含む、第２の半導体ダイをさらに備え、インターフェース回路のアレイの各インターフェース回路と、光検知回路のアレイの各光検知回路と、サンプリングキャパシタのアレイの各サンプリングキャパシタとがピクセルセルを形成する。各ピクセルセルの各インターフェース回路は、対応する光検知回路のフォトダイオードが、グローバル積分期間内に入射光に応答して電荷を蓄積することを可能にすることと、電荷をフォトダイオードから対応する光検知回路の電荷検知デバイスに転送することと、対応するサンプリングキャパシタを使用して、電圧を取得するために電荷検知デバイスに貯蔵された電荷に対してサンプルアンドホールド動作を実施することと、対応するピクセルセルによって受け取られた入射光の強度を表すために、電圧に基づいてデジタル出力を生成することとを行うように構成される。
【００１７】
いくつかの態様では、各ピクセルセルにおいて、光検知回路は、電荷検知デバイスとサンプリングキャパシタとの間に結合されたサンプリングスイッチをさらに含む。インターフェース回路は、サンプルアンドホールド動作の一部として、電圧を生じさせるために、サンプリングキャパシタが、電荷検知デバイス中に貯蔵された電荷をサンプリングすることを引き起こすために、サンプリングスイッチを有効化することと、サンプリングキャパシタが電圧を保持することを引き起こすために、サンプリングスイッチを無効化することとを行うように構成される。
【００１８】
いくつかの態様では、各ピクセルセルにおいて、電圧は第１の電圧である。電荷検知デバイスは、貯蔵された電荷に基づいて第２の電圧を出力するように構成される。光検知回路は、電荷検知デバイスとサンプリングキャパシタとの間に結合され、第１の電圧をサンプリングキャパシタに出力するために第２の電圧をバッファするように構成された電圧バッファをさらに含む。サンプリングキャパシタは、サンプリングスイッチが有効化されたとき、電圧バッファから受け取られた第１の電圧をサンプリングし、サンプリングスイッチが無効化された後に、第１の電圧を保持するように動作される。
【００１９】
いくつかの態様では、各ピクセルセルにおいて、各インターフェース回路は、リセット可能比較器をさらに備える。各光検知回路は、サンプリングキャパシタと比較器との間に結合されたＡＣキャパシタをさらに備える。各インターフェース回路は、サンプリングスイッチが有効化されたとき、リセット状態に入るように比較器を制御するように構成され、電荷検知デバイスの前のリセット動作によって引き起こされた電荷検知デバイスのリセット電圧の第１のサンプルを取得することと、比較器がリセット状態にあるとき、比較器のオフセットの第２のサンプルを取得することと、リセット電圧の第１のサンプルとオフセットの第２のサンプルとに基づいてＡＣキャパシタにかかる第３の電圧を貯蔵することと、第１の電圧と第３の電圧とに基づいて比較器に第４の電圧を出力することとを行うようにＡＣキャパシタを動作させるように構成される。デジタル出力は第４の電圧に基づいて生成される。
【００２０】
いくつかの態様では、各光検知回路は、フォトダイオードと電荷検知デバイスとの間に結合された転送スイッチをさらに備える。各インターフェース回路は、ＡＣキャパシタにかかる第３の電圧を保持するためにリセット状態を出るように比較器を制御することと、電荷をフォトダイオードから電荷検知デバイスに転送するために、転送スイッチを有効化することであって、電荷の転送がサンプリングキャパシタにおいて第１の電圧を生じさせる、転送スイッチを有効化することと、電荷の転送を停止するために、転送スイッチを無効化することであって、転送スイッチの無効化が、サンプリングキャパシタが第１の電圧を保持することを引き起こし、ＡＣキャパシタがデジタル出力の生成のために第４の電圧を保持することを引き起こす、転送スイッチを無効化することとを行うように構成される。
【００２１】
いくつかの態様では、本画像センサーは、コントローラと、カウンタと、メモリバッファのバンクとをさらに含む。メモリバッファのバンクの各メモリバッファはカウンタと結合される。カウンタは、クロックに基づいて周期的にカウント値を更新するように構成される。各インターフェース回路の比較器の出力が、コントローラによって制御される選択スイッチを介して各メモリバッファに結合される。比較器は、転送スイッチが無効化された後に、第４の電圧をランピングしきい値と比較して判定を生成するように構成される。コントローラは、ピクセルセルのサブセットの選択スイッチを、ピクセルセルの選択されたサブセットの比較器の判定をメモリバッファのバンクに送信するために異なる時間において有効化するように構成される。メモリバッファのバンクは、異なる時間においてピクセルセルの選択されたサブセットの判定に基づいてカウンタからのカウント値を記憶するように構成される。記憶されたカウント値はピクセルセルのデジタル出力を表す。
【００２２】
いくつかの例では、方法が提供される。本方法は、インターフェース回路によって、光検知回路の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蓄積することを可能にすることであって、光検知回路およびインターフェース回路が、それぞれ、スタックを形成する第１の半導体ダイおよび第２の半導体ダイ中にある、電荷を蓄積することを可能にすることと、インターフェース回路によって、電荷をフォトダイオードから光検知回路の電荷検知デバイスに転送することと、インターフェース回路によって、およびサンプリングキャパシタを使用して、電荷検知デバイスに貯蔵された電荷を電圧に変換するためのサンプルアンドホールド動作を実施することと、インターフェース回路によって、フォトダイオードによって受け取られた入射光の強度を表すために、電圧に基づいてデジタル出力を生成することとを含む。
【００２３】
いくつかの態様では、本方法は、電圧をランピングしきい値と比較して判定を出力することと、判定に基づいてカウンタからのカウント値を記憶するようにメモリを制御することと、カウント値をデジタル出力として提供することとをさらに含む。メモリとカウンタとは第２の半導体ダイ中にある。
【００２４】
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】
【００２５】
【図１Ａ−１Ｂ】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】単一のソースアセンブリ（ｓｏｕｒｃｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）をもつ導波路ディスプレイ（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）の一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６Ａ−６Ｃ】ピクセルセルおよびその動作の例を示す図である。
【図７Ａ−７Ｅ】ピクセルセルおよびその動作の例を示す図である。
【図８Ａ−８Ｅ】画像センサーおよびその動作の一例を示す図である。
【図９】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】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
一般的な画像センサーは、ピクセルセルのアレイを含む。各ピクセルセルは、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。ピクセルセルのアレイのフォトダイオードによって生成された電荷は、次いで、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル値に量子化され得る。ＡＤＣは、たとえば、比較器を使用して、電荷を表す電圧を１つまたは複数の量子化レベルと比較することによって、電荷を量子化することができ、比較結果に基づいてデジタル値が生成され得る。デジタル値は、次いで、画像を生成するためにメモリに記憶され得る。
【００３０】
電力およびチップ面積の限定により、一般的に、専用ＡＤＣおよびメモリを各ピクセルセルに提供する代わりに、ＡＤＣおよびメモリがピクセルセルのうちの少なくともいくつかによって共有される。ピクセルセルの間のＡＤＣおよびメモリの共有に順応するために、ローリングシャッター動作が実施され得る。たとえば、ピクセルセルのアレイは、複数のグループ（たとえば、ピクセルセルの行または列）に分割され得、各グループのピクセルがＡＤＣおよびメモリを共有する。ＡＤＣおよびメモリの共有に順応するために、グループ内の各ピクセルセルが、入射光に露光されて電荷を生成し、その後に、ＡＤＣにアクセスしてデジタル値への電荷の量子化を実施し、デジタル値をメモリに記憶することを交替で行うことができる、ローリングシャッター動作が実施され得る。ローリングシャッター動作は異なるピクセルセルを異なる時間において入射光に露光するので、ローリングシャッター動作から生成された画像は、特に、移動している物体の画像および／または画像センサーが移動しているときにキャプチャされた画像について、ひずみを経験し得る。ローリングシャッター動作によって導入される潜在的ひずみにより、画像センサーがヘッドセットの一部であり得、画像をキャプチャするときに動いていることがある、拡張現実／複合現実／仮想現実（ＡＲ／ＭＲ／ＶＲ）用途、ウェアラブル用途などにとって、ローリングシャッター動作は好適でないものになる。
【００３１】
画像ひずみを低減するために、ピクセルセルのアレイの各ピクセルセルが、グローバルシャッター期間（またはグローバル積分期間）内で同時に電荷を生成するために入射光に露光される、グローバルシャッター動作が実施され得る。各ピクセルセルは、フォトダイオードによって生成された電荷を一時的に貯蔵するための電荷検知デバイスを含むことができる。ピクセルセルがＡＤＣおよびメモリへのアクセスを許可されたとき、ピクセルセルは、電荷を電荷検知デバイスからＡＤＣに提供して、量子化を実施して、デジタル値を生成し、次いでデジタル値をメモリに記憶することができる。
【００３２】
電荷検知デバイスを、フローティングドレインノード、（ピン止めダイオードの）ピン止め貯蔵ノードなどとして実装するなど、ピクセルセル中に電荷検知デバイスを実装するための様々な技法がある。しかし、これらの技法を使用して実装される電荷検知デバイスは、雑音電荷を受けやすく、これは、電荷検知デバイスに貯蔵された電荷と入射光強度との間の相関を低下させ、ピクセルセルの感度を低減し得る。たとえば、電荷検知デバイスとして構成されたフローティングドレインノードは、結晶欠陥により半導体デバイスのｐｎ接合において生成される漏洩電流であり得る、暗電流を受けやすいことがある。暗電流は、電荷検知デバイス中に流れ、フォトダイオードによって生成された電荷を増やし得る。別の例として、ピン止め貯蔵ノードは、入射光の光子がピクセルセルの半導体基板に浸透し、ピン止め貯蔵ノードに達したとき、電荷を生成することができる。電荷検知デバイスによって生成された電荷は、フォトダイオードによって生成された電荷を増やし得る。どちらの場合も、電荷検知デバイスに貯蔵された電荷は、グローバルシャッター期間中にフォトダイオードによって生成された電荷とは異なり、電荷検知デバイス中の電荷の量子化結果は、入射光強度の正確な表現を提供しないことがある。
【００３３】
入射光強度の正確な表現をさらに低下させ得る他の雑音ソースがある。たとえば、測定間の電荷検知デバイスのリセット中に、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電荷検知デバイスに注入され得、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、上記で説明されたように、量子化プロセスは、一般的に、比較器を使用して、電荷を表す電圧を１つまたは複数の量子化レベルと比較することを含み、比較の結果に基づいてデジタル値が生成され得る。比較器オフセットは、量子化レベルとの比較における誤差にもつながり得、これは、デジタル値における誤差を導入し得る。
【００３４】
本開示は、グローバルシャッター動作を改善することができるピクセルセルに関する。一例では、ピクセルセルは、第１の半導体ダイと、サンプリングキャパシタと、第２の半導体ダイとを含むことができる。第１の半導体ダイは、受光面と、受光面を介して入射光を受け取るためのフォトダイオードと、フォトダイオードによって生成された電荷を蓄積するための電荷検知デバイスとを含む。第２の半導体ダイは、第１の半導体ダイとともにスタックを形成し、サンプリングキャパシタ、フォトダイオード、および電荷検知デバイスと結合されたインターフェース回路を含む。サンプリングキャパシタは、スタック内の第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとの間にはさまれた金属キャパシタを含み得るか、または、第２の半導体ダイ中に形成されたデバイスキャパシタを含み得る。電荷検知デバイスは、フローティングドレインノード、ピン止め貯蔵ノードなどを含み得る。
【００３５】
入射光の検知を実施するために、インターフェース回路は、積分期間内にフォトダイオードを入射光に露光して、フォトダイオードが電荷を生成することを引き起こすことができる。インターフェース回路は、サンプリングキャパシタを使用して、電圧を取得するために、積分期間内に貯蔵デバイス中に蓄積された電荷に対してサンプルアンドホールド動作を実施することができる。より詳細には、ピクセルセルは、サンプルアンドホールド動作をサポートするために、電荷検知デバイスとサンプリングキャパシタとの間に結合されたサンプリングスイッチを含むことができる。インターフェース回路は、電圧を生じさせるために、サンプリングキャパシタが、貯蔵デバイス中に蓄積された電荷をサンプリングすることを引き起こすために、サンプリングスイッチを有効化し、次いで、サンプリングキャパシタが電圧を保持することを引き起こすために、サンプリングスイッチを無効化することができる。サンプリングスイッチが無効化された後に、サンプリングキャパシタにおいて保持された電圧は、デジタル出力を生成するために量子化され得る。
【００３６】
ピクセルセルのインターフェース回路は、量子化を実施するために比較器を含み得る。比較器は、メモリおよびカウンタと結合され得、その両方がピクセルセルの外部にあり得る。カウンタは、クロックに基づいて周期的にカウント値を更新することができる。比較器は、サンプリングキャパシタにおいて保持された電圧をランピングしきい値と比較して判定を生成することができる。判定に基づいて、メモリは、カウンタからの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、デジタル出力であり得る。
【００３７】
いくつかの例では、入射光の検知の正確さをさらに改善するために、電荷検知デバイスに導入されるリセット雑音と比較器のオフセットとを表す第２の電圧を貯蔵するために、サンプリングキャパシタと比較器との間にＡＣキャパシタが提供され得る。ＡＣキャパシタはまた、スタック内の第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとの間にはさまれた金属キャパシタを含むことができる。ＡＣキャパシタは、第２の電圧をサンプリングキャパシタにおいて保持された電圧（「第１の電圧」）と合成して、第３の電圧を比較器に出力することができ、合成の結果として、第３の電圧からリセット雑音成分が除去される。比較器は、第３の電圧をしきい値と比較して、第３の電圧における比較器オフセット成分が比較器の実際のオフセットを補償することができる、量子化動作を実施することができる。
【００３８】
開示される技法は、多数のやり方で光検知を改善することができる。最初に、サンプリングキャパシタは、フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵するための追加の電荷検知デバイスを提供することができる。サンプリングキャパシタはまた、雑音電荷を受けにくいことがある。たとえば、サンプリングキャパシタは、結晶欠陥による暗電流を受けにくく、光子を受け取るときに電荷を生成しない、金属キャパシタであり得る。上記で説明されたような量子化動作へのリセット雑音および比較器オフセットの影響を低減するために、ＡＣキャパシタにリセット雑音と比較器オフセットとを事前貯蔵する技法と組み合わせて、光検知動作の正確さ、および画像生成動作の忠実度が実質的に改善され得る。
【００３９】
開示される技法はまた、ピクセルセルのフットプリントを低減することができ、これにより、画像センサー中の多数のピクセルセルをパックすることにより、画像センサーのフットプリントを最小化しながら解像度を改善することが可能になる。たとえば、処理回路とともにフォトダイオードを積層してピクセルセルを形成することによって、およびメモリをピクセルセルの外部に置くことによって、ピクセルセルのフットプリントは低減され得る。その上、半導体ダイ間にサンプリングキャパシタとＡＣキャパシタとを形成することによって、これらのキャパシタは受光面をカバーせず、これは、受光面のための利用可能なピクセルセル面積を最大化することができ、ピクセルセルのフットプリントがさらに低減されることを可能にする。開示される技法では、利用可能な空間がごく限られているウェアラブルデバイス（たとえば、ヘッドセット）上での用途のために特に有用である、小さいフットプリントをもつ高解像度画像センサーが達成され得る。
【００４０】
開示される技法は、画像生成の信頼性および速度をも改善することができる。たとえば、メモリがピクセルセル外に配置され、ピクセルセルのフットプリントに影響を及ぼさないとき、欠陥メモリによりデジタル出力（およびピクセル値）を失う可能性を低減するために各ピクセルセルからのデジタル出力を記憶するために、冗長メモリデバイスが提供され得る。しかし、メモリは大部分がデジタル回路を備え、一般的に、極めて小さいフットプリントを有するので、（ピクセルセルによって共有されることになる）冗長メモリを追加することは、一般的に、画像センサーのフットプリントを著しく増加させない。その上、ピクセルセルが、量子化動作を実施するためにアナログ電圧（たとえば、電荷検知デバイスにおける電圧）を外部ＡＤＣに送信する実装形態と比較して、開示される技法は、量子化（比較器比較）動作の一部がピクセルセル内で実施されることを可能にし、デジタル出力（比較器の判定）のみがピクセルセルから外部メモリに送信される。アナログ電圧と比較して、デジタル出力は、（０と１とを区別するために）高忠実度で、および高速で送信され得る。これらすべては、ピクセルセルによる光検知動作に基づく画像生成の信頼性および速度を改善することができる。
【００４１】
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）用途、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人以上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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
ニアアイディスプレイ１００は、画像センサー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄをさらに含む。画像センサー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄの各々は、異なる方向に沿った異なる視野を表す画像データを生成するように構成されたピクセルアレイを含み得る。たとえば、センサー１２０ａおよび１２０ｂは、Ｚ軸に沿った方向Ａに向かう２つの視野を表す画像データを提供するように構成され得、センサー１２０ｃは、Ｘ軸に沿った方向Ｂに向かう視野を表す画像データを提供するように構成され得、センサー１２０ｄは、Ｘ軸に沿った方向Ｃに向かう視野を表す画像データを提供するように構成され得る。
【００４５】
いくつかの実施形態では、センサー１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００を装着したユーザにインタラクティブＶＲ／ＡＲ／ＭＲ体験を提供するために、ニアアイディスプレイ１００のディスプレイコンテンツを制御するかまたはニアアイディスプレイ１００のディスプレイコンテンツに影響を与えるための入力デバイスとして構成され得る。たとえば、センサー１２０ａ〜１２０ｄは、ユーザが位置する物理的環境の物理的画像データを生成することができる。物理的画像データは、物理的環境におけるユーザのロケーションおよび／または移動の経路を追跡するためのロケーション追跡システムに提供され得る。システムは、次いで、インタラクティブ体験を提供するために、たとえば、ユーザのロケーションおよび向きに基づいて、ディスプレイ１１０に提供された画像データを更新することができる。いくつかの実施形態では、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、センサー１２０ａ〜１２０ｄは、ロケーション追跡システムに物理的環境のより全体的なビューを提供することができ、これは、より多くの物体がマップの構築および更新に含まれることにつながり得る。そのような仕組みにより、物理的環境内のユーザのロケーションを追跡することの正確さおよびロバストネスが改善され得る。
【００４６】
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、センサー１２０ａ〜１２０ｄが暗い環境内の異なる物体の画像をキャプチャするのを支援するために、暗い環境において（または、低い強度の赤外光、紫外光などを伴う環境において）光を投影し得る。照明器１３０は、ロケーション追跡システムがマップ構築／更新のために物体を識別するのを支援するために、環境内の物体上にいくつかのマーカーを投影し得る。
【００４７】
いくつかの実施形態では、照明器１３０は、立体視撮像をも可能にし得る。たとえば、センサー１２０ａまたは１２０ｂのうちの１つまたは複数は、可視光検知のための第１のピクセルアレイと赤外（ＩＲ）光検知のための第２のピクセルアレイの両方を含むことができる。第１のピクセルアレイは、カラーフィルタ（たとえば、バイエルフィルタ）で覆われ得、第１のピクセルアレイの各ピクセルが、特定の色（たとえば、赤色、緑色または青色のうちの１つ）に関連付けられた光の強度を測定するように構成される。また、（ＩＲ光検知のための）第２のピクセルアレイは、ＩＲ光の通過のみを可能にするフィルタで覆われ得、第２のピクセルアレイの各ピクセルが、ＩＲ光の強度を測定するように構成される。ピクセルアレイは、物体のＲＧＢ画像およびＩＲ画像を生成することができ、ＩＲ画像の各ピクセルが、ＲＧＢ画像の各ピクセルにマッピングされる。照明器１３０は、物体上にＩＲマーカーのセットを投影し得、その画像は、ＩＲピクセルアレイによってキャプチャされ得る。画像に示されている物体のＩＲマーカーの分布に基づいて、システムは、ＩＲピクセルアレイからの物体の異なる部分の距離を推定し、その距離に基づいて物体の立体視画像を生成することができる。物体の立体視画像に基づいて、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。
【００４８】
上記で説明されたように、ニアアイディスプレイ１００は、極めて広範囲の光強度に関連する環境において動作され得る。たとえば、ニアアイディスプレイ１００は、屋内環境または屋外環境において、および／あるいは１日の異なる時間において動作され得る。ニアアイディスプレイ１００はまた、アクティブ照明器１３０がオンにされていてもいなくても動作し得る。その結果、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００のための異なる動作環境に関連する極めて広範囲の光強度にわたって適切に動作すること（たとえば、入射光の強度と相関する出力を生成すること）が可能であるために、広いダイナミックレンジを有する必要があり得る。
【００４９】
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の側面を示す。図１Ｂに示されているように、ニアアイディスプレイ１００は、複数の照明器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆをさらに含み得る。ニアアイディスプレイ１００は、複数の画像センサー１５０ａおよび１５０ｂをさらに含む。照明器１４０ａ、１４０ｂ、および１４０ｃは、（図１Ａの方向Ａと反対である）方向Ｄに向かってある周波数範囲（たとえば、ＮＩＲ）の光を放出し得る。放出された光は、あるパターンに関連付けられ得、ユーザの左眼球によって反射され得る。センサー１５０ａは、反射光を受け取り、反射パターンの画像を生成するためのピクセルアレイを含み得る。同様に、照明器１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆは、パターンを搬送するＮＩＲ光を放出し得る。ＮＩＲ光は、ユーザの右眼球によって反射され得、センサー１５０ｂによって受け取られ得る。センサー１５０ｂも、反射パターンの画像を生成するためのピクセルアレイを含み得る。センサー１５０ａおよび１５０ｂからの反射パターンの画像に基づいて、システムは、ユーザの注視点を決定し、ユーザにインタラクティブ体験を提供するために、決定された注視点に基づいて、ディスプレイ１００に提供された画像データを更新することができる。
【００５０】
上記で説明されたように、ユーザの眼球に損傷を与えることを回避するために、照明器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆは、一般的に、極めて低い強度の光を出力するように構成される。画像センサー１５０ａおよび１５０ｂが図１Ａの画像センサー１２０ａ〜１２０ｄと同じセンサーデバイスを備える場合、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄは、入射光の強度が極めて低いときに入射光の強度と相関する出力を生成することが可能である必要があり得、これは、画像センサーのダイナミックレンジ要件をさらに増加させ得る。
【００５１】
その上、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄは、眼球の移動を追跡するために高速で出力を生成することが可能である必要があり得る。たとえば、ユーザの眼球は、ある眼球位置から別の眼球位置への素早いジャンプがあり得る極めて急速な移動（たとえば、サッカード運動（ｓａｃｃａｄｅ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ））を実施することができる。ユーザの眼球の急速な移動を追跡するために、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄは、高速で眼球の画像を生成する必要がある。たとえば、画像センサーが画像フレームを生成するレート（フレームレート）は、少なくとも、眼球の移動の速度に一致する必要がある。高いフレームレートは、画像フレームを生成することに関与するピクセルセルのすべてについての短い総露光時間、ならびに、画像生成のためにセンサー出力をデジタル値に変換するための高い速度を必要とする。その上、上記で説明されたように、画像センサーは、低い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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
導波路ディスプレイ３００は、ソースアセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、コントローラ３３０とを含む。説明の目的で、図３は、単一の眼球２２０に関連付けられた導波路ディスプレイ３００を示すが、いくつかの実施形態では、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。
【００５７】
ソースアセンブリ３１０は、画像光３５５を生成する。ソースアセンブリ３１０は、画像光３５５を生成し、出力導波路３２０の第１の側面３７０−１上に位置する結合要素３５０に出力する。出力導波路３２０は、拡大された画像光３４０をユーザの眼球２２０に出力する光導波路である。出力導波路３２０は、第１の側面３７０−１上に位置する１つまたは複数の結合要素３５０において画像光３５５を受け取り、受け取られた入力画像光３５５を方向付け要素３６０に導く。いくつかの実施形態では、結合要素３５０は、ソースアセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に結合する。結合要素３５０は、たとえば、回折格子、ホログラフィック格子、１つまたは複数のカスケード型反射器、１つまたは複数のプリズム表面要素、および／またはホログラフィック反射器のアレイであり得る。
【００５８】
方向付け要素３６０は、受け取られた入力画像光３５５が分離要素３６５を介して出力導波路３２０から分離されるように、受け取られた入力画像光３５５を分離要素３６５に向け直す。方向付け要素３６０は、出力導波路３２０の第１の側面３７０−１の一部であるか、または出力導波路３２０の第１の側面３７０−１に取り付けられる。分離要素３６５は、方向付け要素３６０が分離要素３６５に対向するように、出力導波路３２０の第２の側面３７０−２の一部であるか、または出力導波路３２０の第２の側面３７０−２に取り付けられる。方向付け要素３６０および／または分離要素３６５は、たとえば、回折格子、ホログラフィック格子、１つまたは複数のカスケード型反射器、１つまたは複数のプリズム表面要素、および／またはホログラフィック反射器のアレイであり得る。
【００５９】
第２の側面３７０−２は、ｘ次元およびｙ次元に沿った平面を表す。出力導波路３２０は、画像光３５５の内部全反射を促進する１つまたは複数の材料から構成され得る。出力導波路３２０は、たとえば、シリコン、プラスチック、ガラス、および／またはポリマーから構成され得る。出力導波路３２０は、比較的小さいフォームファクタを有する。たとえば、出力導波路３２０は、ｘ次元に沿って幅約５０ｍｍ、ｙ次元に沿って長さ約３０ｍｍ、およびｚ次元に沿って厚さ約０．５〜１ｍｍであり得る。
【００６０】
コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０のスキャン動作を制御する。コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０のためのスキャン命令を決定する。いくつかの実施形態では、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。
【００６１】
その上、コントローラ３３０は、画像センサー３７０によって提供される画像データに基づいて、ソースアセンブリ３１０によって生成される画像光３５５をも制御する。画像センサー３７０は、第１の側面３７０−１上に位置し得、たとえば、（たとえば、ロケーション決定のための）ユーザの前にある物理的環境の画像データを生成するために図１Ａの画像センサー１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。画像センサー３７０はまた、第２の側面３７０−２上に位置し得、ユーザの（たとえば、注視点決定のための）眼球２２０の画像データを生成するために図１Ｂの画像センサー１５０ａおよび１５０ｂを含み得る。画像センサー３７０は、導波路ディスプレイ３００内に位置しないリモートコンソールとインターフェースし得る。画像センサー３７０は、画像データをリモートコンソールに提供し得、リモートコンソールは、たとえば、ユーザのロケーション、ユーザの注視点などを決定し、ユーザに表示されるべき画像のコンテンツを決定し得る。リモートコンソールは、決定されたコンテンツに関係する命令をコントローラ３３０に送信することができる。命令に基づいて、コントローラ３３０は、ソースアセンブリ３１０による画像光３５５の生成および出力を制御することができる。
【００６２】
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、ソースアセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、画像センサー３７０とを含む。図４の例では、画像センサー３７０は、ユーザの前にある物理的環境の画像を生成するために、第１の側面３７０−１上に位置するピクセルセル４０２のセットを含み得る。いくつかの実施形態では、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ー４０４があり得る。いくつかの実施形態では、機械的シャッター４０４は、以下で説明されるように、電子シャッターゲートと置き換えられ得る。ピクセルセル４０２の各々は、画像の１つのピクセルに対応し得る。図４には示されていないが、ピクセルセルによって検知されるべき光の周波数範囲を制御するために、ピクセルセル４０２の各々もフィルタで覆われ得ることを理解されたい。
【００６３】
リモートコンソールから命令を受け取った後に、機械的シャッター４０４は、露光期間において開き、ピクセルセル４０２のセットを露光することができる。露光期間中に、画像センサー３７０は、ピクセルセル４０２のセットに入射した光のサンプルを取得し、ピクセルセル４０２のセットによって検出された入射光サンプルの強度分布に基づいて画像データを生成することができる。画像センサー３７０は、次いで、画像データを、ディスプレイコンテンツを決定するリモートコンソールに提供し、ディスプレイコンテンツ情報をコントローラ３３０に提供することができる。コントローラ３３０は、次いで、ディスプレイコンテンツ情報に基づいて画像光３５５を決定することができる。
【００６４】
ソースアセンブリ３１０は、コントローラ３３０からの命令に従って画像光３５５を生成する。ソースアセンブリ３１０は、ソース４１０と光学システム４１５とを含む。ソース４１０は、コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を生成する光源である。ソース４１０は、たとえば、レーザーダイオード、垂直キャビティ面発光レーザー、および／または発光ダイオードであり得る。
【００６５】
光学システム４１５は、ソース４１０からの光を調節する１つまたは複数の光学的構成要素を含む。ソース４１０からの光を調節することは、たとえば、コントローラ３３０からの命令に従って拡大し、コリメートし、および／または向きを調整することを含み得る。１つまたは複数の光学的構成要素は、１つまたは複数のレンズ、液体レンズ、ミラー、開口、および／または格子を含み得る。いくつかの実施形態では、光学システム４１５は、光ビームを液体レンズ外の領域にシフトするためにしきい値のスキャン角度を伴う光ビームのスキャンを可能にする複数の電極をもつ液体レンズを含む。光学システム４１５（同じくソースアセンブリ３１０）から放出される光は、画像光３５５と呼ばれる。
【００６６】
出力導波路３２０は、画像光３５５を受け取る。結合要素３５０は、ソースアセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に結合する。結合要素３５０が回折格子である実施形態では、内部全反射が出力導波路３２０中で発生し、画像光３５５が、分離要素３６５に向かって、（たとえば、内部全反射によって）出力導波路３２０中を内部的に伝搬するように、回折格子のピッチが選定される。
【００６７】
方向付け要素３６０は、出力導波路３２０から分離するために、画像光３５５を分離要素３６５のほうへ向け直す。方向付け要素３６０が回折格子である実施形態では、回折格子のピッチは、入射画像光３５５が、分離要素３６５の表面に対して（１つまたは複数の）傾斜角において出力導波路３２０を出ることを引き起こすように選定される。
【００６８】
いくつかの実施形態では、方向付け要素３６０および／または分離要素３６５は、構造的に同様である。出力導波路３２０を出た拡大された画像光３４０は、１つまたは複数の次元に沿って拡大される（たとえば、ｘ次元に沿って延長され得る）。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３００は、複数のソースアセンブリ３１０と複数の出力導波路３２０とを含む。ソースアセンブリ３１０の各々は、原色（たとえば、赤、緑、または青）に対応する、波長の特定の帯域の単色画像光を放出する。出力導波路３２０の各々は、多色である拡大された画像光３４０を出力するために、離間距離を伴って一緒に積層され得る。
【００６９】
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、各々制御回路要素５１０に結合された、ニアアイディスプレイ１００と、撮像デバイス５３５と、入出力インターフェース５４０と、画像センサー１２０ａ〜１２０ｄおよび１５０ａ〜１５０ｂとを備える。システム５００は、ヘッドマウントデバイス、ウェアラブルデバイスなどとして構成され得る。
【００７０】
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／または制御回路要素５１０からオーディオ情報を受け取り、そのオーディオ情報に基づいてオーディオデータをユーザに提示する。いくつかの実施形態では、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。
【００７１】
ニアアイディスプレイ１００は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０、１つまたは複数の位置センサー５２５、および／または慣性測定ユニット（ＩＭＵ）５３０を含む。導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、ソースアセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、コントローラ３３０とを含む。
【００７２】
ＩＭＵ５３０は、位置センサー５２５のうちの１つまたは複数から受け取られた測定信号に基づいて、ニアアイディスプレイ１００の初期位置に対するニアアイディスプレイ１００の推定位置を示す高速較正データを生成する電子デバイスである。
【００７３】
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。たとえば、撮像デバイス５３５は、制御回路要素５１０から受け取られた較正パラメータに従って低速較正データを提供するために画像データを生成し得る。撮像デバイス５３５は、たとえば、ユーザのロケーション追跡を実施するために、ユーザが位置する物理的環境の画像データを生成するために図１Ａの画像センサー１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。撮像デバイス５３５は、たとえば、ユーザの関心物体を識別するために、ユーザの注視点を決定するための画像データを生成するために、図１Ｂの画像センサー１５０ａ〜１５０ｂをさらに含み得る。
【００７４】
入出力インターフェース５４０は、ユーザが制御回路要素５１０にアクション要求を送ることを可能にするデバイスである。アクション要求は、特定のアクションを実施するための要求である。たとえば、アクション要求は、アプリケーションを開始または終了するためのものであるか、あるいはアプリケーション内で特定のアクションを実施するためのものであり得る。
【００７５】
制御回路要素５１０は、撮像デバイス５３５、ニアアイディスプレイ１００、および入出力インターフェース５４０のうちの１つまたは複数から受け取られた情報に従って、ユーザへの提示のためのメディアをニアアイディスプレイ１００に提供する。いくつかの例では、制御回路要素５１０は、ヘッドマウントデバイスとして構成されたシステム５００内に収容され得る。いくつかの例では、制御回路要素５１０は、システム５００の他の構成要素と通信可能に結合された独立型コンソールデバイスであり得る。図５に示されている例では、制御回路要素５１０は、アプリケーションストア５４５と、追跡モジュール５５０と、エンジン５５５とを含む。
【００７６】
アプリケーションストア５４５は、制御回路要素５１０が実行するための１つまたは複数のアプリケーションを記憶する。アプリケーションは、プロセッサによって実行されたとき、ユーザへの提示のためのコンテンツを生成する命令のグループである。アプリケーションの例は、ゲームアプリケーション、会議アプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、または他の好適なアプリケーションを含む。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、画像センサーおよびその動作の例を示す。図６Ａに示されているように、画像センサー６００は、ピクセルセル６０１を含むピクセルセルのアレイを含むことができ、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。ピクセルセル６０１は、図４のピクセルセル４０２の一部であり得る。図６Ａに示されているように、ピクセルセル６０１は、フォトダイオード６０２と、転送ゲート６０４と、電荷検知デバイス６０６とを含み得る。フォトダイオード６０２は、たとえば、Ｐ−Ｎダイオード、Ｐ−Ｉ−Ｎダイオード、ピン止めダイオードなどを含み得る。フォトダイオード６０２は、露光期間内に光を受け取ると電荷を生成することができ、露光期間内に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、生成された電荷を貯蔵することができる。転送ゲート６０４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。電荷検知デバイス６０６は、たとえば、転送ゲート６０４のトランジスタのフローティングドレイン（ＦＤ）ノード、ピン止めダイオードから形成されるピン止め貯蔵デバイスなどを含み得る。露光期間の終了に向かって、転送ゲート６０４は有効化されて、電圧を生じさせるために、フォトダイオード６０２に貯蔵された電荷を電荷検知デバイス６０６に転送することができる。ｖ００、ｖ０１、．．．ｖｊｉを含む電圧のアレイが取得され得る。電圧のアレイは、（ピクセルセルの外部または内部にあり得る）Ａ／Ｄ変換器によってデジタル値に量子化され得る。デジタル値は、画像６１０を生成するためにさらに処理され得る。
【００８１】
図６Ａでは、各ピクセルセル中の電荷検知デバイス６０６の存在は、ピクセルセルがＡ／Ｄ変換器を共有しなければならない場合でも、画像センサー６００がグローバルシャッター動作を実施することを可能にする。詳細には、各ピクセルセルのフォトダイオード６０２は、電荷を生成するために同じグローバル露光期間内に入射光に露光され得る。その電荷は、少なくとも、ピクセルセルが電荷を量子化するためにＡ／Ｄ変換器にアクセスすることができるまで、そのピクセルセルの電荷検知デバイス６０６において一時的に貯蔵され得る。そのような仕組みにより、ピクセルセルによって生成された電圧が同時に量子化されない場合でも、グローバルシャッター動作がサポートされ得る。
【００８２】
図６Ｂおよび図６Ｃは、画像センサー６００の例の断面図を示す。画像センサー６００は、複数のピクセルセル６０１（たとえば、ピクセルセル６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃなど）を含むことができ、各ピクセルセルが、フォトダイオード６０２（たとえば、フォトダイオード６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃなど）と電荷検知デバイス６０６（たとえば、電荷検知デバイス６０６ａ、６０６ｂ、６０６ｃ）とを含む。電荷検知デバイス６０６は、たとえば、ピン止め貯蔵ノード、フローティングドレインノードなどであり得る。図６Ｂおよび図６Ｃに示されているように、画像センサー６００は、前側表面６２２と裏側表面６２４とを有する半導体ダイ６２０中に含まれ得る。前側表面６２２は、半導体ダイ６２０を作製するための半導体ウエハの前側であり得、裏側表面６２４は、半導体ウエハの裏側であり得る。半導体ウエハの前側は、フォトダイオード６０２と電荷検知デバイス６０６の両方が裏側表面６２４よりも前側表面６２２に近くなるようにフォトダイオード６０２と電荷検知デバイス６０６とを形成するために、ドーピング、イオン注入などを受けることができる。金属相互接続６２６（たとえば、金属相互接続６２６ａ、６２６ｂ、６２６ｃなど）が、図６Ｂに示されているように前側表面６２２上に、または図６Ｃに示されているように裏側表面６２４上に形成され得る。金属相互接続６２６は、電荷をフォトダイオード６０２から電荷検知デバイス６０６に転送するために使用され得る。
【００８３】
画像センサー６００は異なる構成を有することができる。たとえば、図６Ｂに示されているように、画像センサー６００は、裏側表面６２４が画像センサー６００のための受光面であり得る裏面照射（ＢＳＩ：ｂａｃｋ  ｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）構成を有することができる。その上、図６Ｃに示されているように、画像センサー６００は、前側表面６２２が画像センサー６００のための受光面であり得る前面照射（ＦＳＩ：ｆｒｏｎｔ  ｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）構成を有することができる。図６Ｂと図６Ｃの両方では、画像センサー６００は、受光面上に形成されるカラーフィルタ６３２（たとえば、フィルタ６３２ａ、６３２ｂ、６３２ｃなど）とびマイクロレンズ６３４（たとえば、マイクロレンズ６３４ａ、６３４ｂ、６３４ｃなど）とを含み得る。光は、マイクロレンズ６３４、カラーフィルタ６３２、および受光面（図６Ｂ中の裏側表面６２４、図６Ｃ中の前側表面６２２）を通って進み、フォトダイオード６０２に達することができる。
【００８４】
上記で説明されたように、雑音電荷が電荷検知デバイス６０６に追加され得、これは、光強度測定動作に誤差を導入することがある。たとえば、電荷検知デバイス６０６がフローティングドレインノードである場合、結晶欠陥による暗電流が、フォトダイオード６０２から転送された電荷に雑音電荷を追加し得る。光強度測定動作は、グローバルシャッター期間内にフォトダイオード６０２によって生成された電荷の量を測定することに基づくが、その測定は、電荷検知デバイス６０６に貯蔵された電荷に基づくので、暗電流からの雑音電荷は、光強度測定動作に誤差を導入することがある。
【００８５】
電荷検知デバイス６０６がピン止めダイオードのピン止め貯蔵ノードである場合、暗電流は、フローティングドレインノードと比較して低減され得るが、ピン止めダイオードは、受光面を介して光子６４０を受け取り、光子６４０に応答して光子雑音電荷を生成することがあり、これも、フォトダイオード６０２から転送された電荷に追加され得る。フローティングドレインノードは、暗電流を受けやすいが、一般的に、ピン止めダイオードよりも少ない光子雑音電荷を生成する。図６ＣのＦＳＩ構成における電荷検知デバイス６０６は、ＦＳＩ構成において電荷検知デバイス６０６が受光面により近く、光子６４０が電荷検知デバイス６０６に達するのを阻止するための光遮蔽構造がないので、図６ＢのＢＳＩ構成においてよりも多くの雑音電荷を生成することがある。その結果、ＦＳＩ構成では、電荷検知デバイス６０６は、ＢＳＩ構成と比較して、より多くの光子６４０を受け取り、より多くの雑音電荷を生成することがある。その上、図６Ｂおよび図６Ｃに示されているように、ＢＳＩ構成では、フォトダイオード６０２は、ＦＳＩ構成においてよりも受光面からより遠くに離れて配置される。その結果、ＢＳＩ構成では、入射光は、半導体６２０内をより長い距離を通って進む必要があり、したがって、ＦＳＩ構成においてよりも、フォトダイオード６０２に達する前に、より大きい電力損失を受ける。その結果、ＢＳＩ構成を有する画像センサー６００は、一般的に、ＦＳＩ構成よりも低い光電荷変換レートを提供し、これは、特に低光環境における画像センサー６００の感度を低減し得る。
【００８６】
図７Ａおよび図７Ｂは、ピクセルセル７００の一例を示す。図７Ａはピクセルセル７００の断面構造図を示し、図７Ｂはピクセルセル７００の概略図を示す。ピクセルセル７００は、改善された雑音性能をもつグローバルシャッター動作を実施することができる。図７Ａに示されているように、ピクセルセル７００は、垂直方向に沿って（たとえば、ｚ軸に沿って）スタックを形成する、第１の半導体ダイ７０２と、第２の半導体ダイ７０４と、サンプリングキャパシタ７０６とを含み得る。第１の半導体ダイ７０２は、フォトダイオード７１６と電荷検知デバイス７１８とを含み得る。第２の半導体ダイ７０４は、インターフェース回路７２０を含み得る。図７Ａの例では、サンプリングキャパシタ７０６は、第１の半導体ダイ７０２と第２の半導体ダイ７０４との間にはさまれた１つまたは複数の金属層７０８から形成される金属キャパシタを含むことができる。いくつかの例では、サンプリングキャパシタ７０６はまた、第１の半導体ダイ７０２または第２の半導体ダイ７０４のうちの１つ中にデバイスキャパシタ（たとえば、フローティングドレインノード、ピン止め貯蔵ノードなど）として形成され得る。垂直方向に沿ってフォトダイオード７１６とサンプリングキャパシタ７０６とインターフェース回路７２０とを積層することによって、（ｘ／ｙ軸に沿った）ピクセルセル７００の水平フットプリントは低減され得、これにより、画像センサー中の多数のピクセルセルをパックすることにより、画像センサーのフットプリントを最小化しながら解像度を改善することが可能になる。その上、半導体ダイ間にサンプリングキャパシタとＡＣキャパシタとを形成することによって、これらのキャパシタは受光面をカバーせず、これは、受光面のための利用可能なピクセルセル面積を最大化することができ、ピクセルセルのフットプリントがさらに低減されることを可能にする。開示される技法では、利用可能な空間がごく限られているウェアラブルデバイス（たとえば、ヘッドセット）上での用途のために特に有用である、小さいフットプリントをもつ高解像度画像センサーが達成され得る。
【００８７】
上記で説明されたように、第１の半導体ダイ７０２は、フォトダイオード７１６と電荷検知デバイス７１８とを含み得る。フォトダイオード７１６は、電荷を生成および貯蔵するために積分期間内に入射光に露光され得る。積分期間の終了に向かって、電圧を生じさせるために、フォトダイオード７１６に貯蔵された電荷が電荷検知デバイス７１８に転送され得る。第２の半導体ダイ７０４のインターフェース回路７２０は、電圧をサンプリングし、次いで電圧を貯蔵するためにサンプルアンドホールド動作を実施するようにサンプリングキャパシタ７０６を制御するための制御回路７２２を含み得る。インターフェース回路７２０は、フォトダイオード７１６によって受け取られた入射光の強度を表すデジタル出力を生成するために、貯蔵された電圧に対して量子化動作を実施するための処理回路７２４をも含む。以下で説明されるように、サンプルアンドホールド動作は、暗電流へのサンプリングキャパシタ７０６の露光を低減することができ、これは、光検知動作の正確さを改善することができる。
【００８８】
第１の半導体ダイ７０２は、前側表面７１０と裏側表面７１２とを含む。フォトダイオード７１６と電荷検知デバイス７１８とは、フォトダイオード７１６と電荷検知デバイス７１８の両方が裏側表面７１２よりも前側表面７１０に近くなるように、前側表面７１０上で実施される、たとえば、ドーピングプロセス、イオン注入プロセスなどによって形成され得る。光電荷変換レートを改善するために、ピクセルセル７００は、前側表面７１０が受光面として構成され、マイクロレンズ７２６とカラーフィルタ７２８とが、入射光を集束させ、フィルタ処理するために、前側表面７１０上に配置される、ＦＳＩ構成を有することができる。光子雑音電荷生成の影響を低減するために、電荷検知デバイス７１８は、フローティングドレインノード、金属キャパシタ、ポリシリコンキャパシタなどとして形成され得る。
【００８９】
図７Ｂを参照すると、第１の半導体ダイ７０２は、たとえば、随意のシャッタースイッチ７３２、転送スイッチ７３４、貯蔵リセットスイッチ７３６、電圧バッファ７３８、およびサンプリングスイッチ７４０を含む他の回路をさらに含む。スイッチは、入射光強度を測定するために制御回路７２２によって制御され得る。詳細には、（「ＡＢ」と標示された信号によって制御される）シャッタースイッチ７３２は、フォトダイオード７１６が光強度測定のために電荷を蓄積することができる露光／積分期間を制御するための電子シャッターゲートとして（図４の機械的シャッター４０４の代わりに、または機械的シャッター４０４と組み合わせて）働くことができる。いくつかの例では、シャッタースイッチ７３２は、フォトダイオード７１６が飽和したときにそのフォトダイオードによって生成された電荷が他のピクセルセル中に漏洩するのを防ぐためのアンチブルーミングゲートとしても構成され得る。さらに、転送スイッチ７３４は、電圧を生じさせるために電荷をフォトダイオード７１６から電荷検知デバイス７１８に転送するように制御され得、その電圧は、電圧バッファ７３８によってバッファされ得る。サンプリングスイッチ７４０は、サンプリングキャパシタ７０６とともに、バッファされた電圧のサンプルアンドホールド動作を実施するように制御され得る。貯蔵リセットスイッチ７３６は、新しい光強度測定をやり直すために、サンプルアンドホールド動作の前および後に電荷検知デバイス７１８をリセットすることができる。
【００９０】
図７Ｃは、サンプルアンドホールド動作を実施するための、シャッタースイッチ７３２、転送スイッチ７３４、貯蔵リセットスイッチ７３６、およびサンプリングスイッチ７４０のための制御信号の例示的なシーケンスを示す。図７Ｃに示されているように、シャッタースイッチ７３２は、時間Ｔ０において（ＡＢ信号をアサート解除することによって）無効化されて、フォトダイオード７１６が光強度測定のために電荷を蓄積することができる積分／シャッター期間を開始することができる。時間Ｔ０と時間Ｔ１との間に、電荷検知デバイス７１８はリセット状態にあり得、貯蔵リセットスイッチ７３６は（ＲＳＴ信号をアサートすることによって）有効化され、その間、フォトダイオード７１６は電荷を蓄積している。時間Ｔ１と時間Ｔ４との間に、サンプリング期間があり得、サンプリング期間内に、サンプリングスイッチ７４０が有効化されて、サンプリングキャパシタ７０６を電圧バッファ７３８の出力に電気的に接続し、電圧バッファ７３８は電荷検知デバイス７１８の電圧をバッファする。サンプリング期間中に、貯蔵リセットスイッチ７３６が（ＲＳＴ信号をアサート解除することによって）無効化され得る。サンプリングキャパシタ７０６にかかる電圧は、電荷検知デバイス７１８におけるバッファされた電圧を追跡することができる。サンプリング期間内の時間Ｔ２と時間Ｔ３との間に、転送スイッチ７３４は有効化されて、フォトダイオード７１６中に蓄積された電荷を電荷検知デバイス７１８に転送することができる。時間Ｔ３において、転送スイッチ７３４は無効化され得、これにより積分期間が終了し、時間Ｔ３における電荷検知デバイス７１８における電圧は、時間Ｔ０と時間Ｔ３との間の積分期間内にフォトダイオード７１６によって蓄積された（および電荷検知デバイス７１８に転送された）電荷の量を表すことができる。サンプリングキャパシタ７０６は、サンプリングキャパシタ７０６における電圧が、電荷検知デバイス７１８におけるバッファされた電圧を追跡するように、時間Ｔ４まで、電荷検知デバイス７１８におけるバッファされた電圧をサンプリングすることができる。時間Ｔ４の後に、サンプリングキャパシタ７０６は、サンプリングされた電圧を保持することができ、サンプリングされた電圧は、次いで、時間Ｔ４の後の後続の時間において処理回路７２４によって量子化され得る。
【００９１】
画像センサーは、ピクセルセル７００のアレイを含むことができる。グローバルシャッター動作をサポートするために、ピクセルセル７００のアレイは、グローバル積分期間が、各ピクセルセル７００について、同じ時間Ｔ０において開始し、同じ時間Ｔ３において終了するように、グローバルＡＢ信号およびグローバルＴＧ信号を共有することができる。各ピクセルセルのサンプリングキャパシタ７０６は、グローバル積分期間内に各ピクセルセルのフォトダイオード７１６によって蓄積された電荷を表す電圧を貯蔵することができる。ピクセルに貯蔵された電圧は、次いで、１つまたは複数のＡＤＣによって量子化され得る。
【００９２】
図６のピクセルセル６０１と比較して、ピクセルセル７００は、改善された雑音性能を提供することができる。詳細には、電荷検知デバイス７１８は、（たとえば、時間Ｔ０および時間Ｔ１からの）積分期間の大部分の間リセット状態にあり、サンプリング期間中にリセット状態にない。電荷検知デバイス７１８は、電荷検知デバイス７１８がリセット状態にあるときと比較して、サンプリング期間中に、暗電流および光子をより受けやすく、より多くの暗電流雑音電荷および光子雑音電荷を蓄積することがある。サンプリング期間が比較的短い場合、フォトダイオード７１６から転送された電荷に追加される雑音電荷は低減され得る。その上、サンプルアンドホールド動作を実施することによって、サンプリングキャパシタ７０６は、電荷検知デバイス７１８におけるバッファされた電圧をサンプリングした後に、電荷検知デバイス７１８から切断され得、これは、サンプリングされた電圧を汚染することがある、暗電流が電荷検知デバイス７１８（または第１の半導体ダイ７０２の他の構成要素）からサンプリングキャパシタ７０６中に流れることを防ぐことができる。さらに、サンプリングキャパシタ７０６をフローティングドレインノードまたはピン止め貯蔵ノードではなく金属キャパシタとして実装することによって、サンプリングキャパシタ７０６は、サンプリングされた電圧を保持するときに暗電流および光子雑音電荷を受けにくくなり得る。これらすべてが、量子化されている電圧中の雑音成分を低減することができ、光検知動作の正確さを改善することができる。
【００９３】
図７Ｄは、処理回路７２４の一例を示す。図７Ｄに示されているように、処理回路７２４は比較器７５０を含む。比較器７５０はメモリ７６０と結合され得、メモリ７６０はカウンタ７６２とも結合される。いくつかの例では、メモリ７６０およびカウンタ７６２は、ピクセルセル７００および処理回路７２４の一部であり得る。いくつかの例では、以下で説明されるように、メモリ７６０およびカウンタ７６２は、ピクセルセル７００のフットプリントを低減するために、ピクセルセル７００の外部にあり、ピクセルセル７００のアレイの間で共有され得る。
【００９４】
比較器７５０とメモリ７６０とカウンタ７６２とは、（「ＶＳ」と標示された）サンプリングキャパシタ７０６におけるサンプリングされた電圧の量子化プロセスを実施することができる。詳細には、メモリ７６０はラッチメモリであり得る。カウンタ７６２は、（「ｃｎｔ」と標示された）その出力カウント値を、クロック信号に基づいて周期的に更新することができる。比較器７５０は、（「ＶＳ」と標示された）サンプリングキャパシタ７０６におけるサンプリングされた電圧から導出された、（「ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ」と標示された）入力電圧を、（「ＶＲＥＦ」と標示された）ランピングしきい値電圧と比較して、（「ＶＯＵＴ」と標示された）判定を生成することができる。判定は、カウンタ７６２によって出力されたカウント値を記憶するようにラッチメモリを制御するためのラッチ信号であり得る。ランピングＶＲＥＦ電圧がＶＣＯＭＰ＿ＩＮに達するかまたはＶＣＯＭＰ＿ＩＮを超えるとき、比較器７５０の判定出力はトリップし（ｔｒｉｐ）、判定がトリップしたときにカウンタ７６２によって出力されたカウント値はメモリ７６０に記憶され得る。メモリ７６０に記憶されたカウント値は、図７Ｃのグローバルシャッター期間内の入射光強度の測定値を表すことができる、ＶＣＯＭＰ＿ＩＮおよびＶＳの量子化結果を表すことができる。
【００９５】
図７Ｄに示されているように、ピクセルセル７００は、ＡＣキャパシタ７４６と比較器リセットスイッチ７５２とをさらに含み、それらは、比較器７５０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、ＶＳのサンプリングされた電圧中に存在し得る（ＲＳＴ信号のアサーションによって）電荷検知デバイス７１８に導入されるリセット雑音など、他の誤差信号を補償するように動作され得る。ＡＣキャパシタ７４６は、第１の半導体ダイ７０２と第２の半導体ダイ７０４との間の金属キャパシタとして実装され得る。ＡＣキャパシタ７４６は、サンプリング期間内に２つのサンプリング動作を実施するために使用され得る。フォトダイオード７１６から、リセット雑音電荷を貯蔵する電荷検知デバイス７１８への電荷の転送より前に、第１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一部として、比較器リセットスイッチ７５２が（ＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号のアサーションによって）有効化され得、これは、比較器の負入力および出力端子を短絡させることがある。第１のサンプリング動作の結果として、ＡＣキャパシタ７４６は、リセット雑音の成分と比較器７５０のオフセット電圧とを含む、キャパシタにかかる（「ＶＣＣ」と標示された）電圧を貯蔵することができる。次いで、第２のサンプリング動作が実施され得、比較器リセットスイッチ７５２が無効化され得、その後に、電荷転送スイッチ７４２を有効化して、電荷をフォトダイオード７１６から電荷検知デバイス７１８に転送する。ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ入力電圧は、（フォトダイオード７１６に貯蔵され、電荷検知デバイス７１８に転送された電荷を表す）最新のＶＳのサンプリングされた電圧と、ＶＣＣ電圧とを含むことができる。最新のＶＳのサンプリングされた電圧中のリセット雑音電荷成分は、ＶＣＣ電圧のリセット雑音電荷成分によって相殺され得、ＶＣＣ電圧中の比較器オフセット成分は、ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ入力電圧中に残る。ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ入力電圧中の比較器オフセット成分は、比較器７５０が新しいＶＣＯＭＰ＿ＩＮ入力電圧をランピングしきい値電圧と比較するとき、比較器７５０の比較器オフセットの影響を相殺するか、または実質的に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なくなるかまたは少なくとも実質的に低減されるので、量子化の正確さが改善され得る。
【００９６】
図７Ｅは、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴを含むサンプルアンドホールド動作のための制御信号の例示的なシーケンスを示す。図７Ｅ中のＡＢ信号、ＲＳＴ信号、ＴＧ信号、およびＳＡＭＰＬＥ信号のタイミングは、図７Ｃ中のものと同等であり、それらの説明はここでは繰り返されない。図７Ｅに示されているように、サンプリング期間内に、および時間Ｔ１と時間Ｔ２との間に、フォトダイオード７１６から電荷検知デバイス７１８への電荷転送は開始していない。電荷検知デバイス７１８における電圧（およびサンプリングされた電圧ＶＳ）は、リセット電圧ＶＳ＿ｒｓｔにおけるものであり得、リセット雑音成分ＶσＫＴＣをも含み得る。時間Ｔ１と時間Ｔ２との間に、サンプリングされた電圧ＶＳは、以下の通りであり得る。
【００９７】
ＶＳ（Ｔ２）＝ＶＳ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ    （式１）
【００９８】
その上、比較器リセットスイッチ７５２が有効化され、比較器７５０の正端子がＶＲＥＦ電圧に接続される場合、ＣＯＭＰ＿ＩＮの電圧（ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ）は、以下のように、ＶＲＥＦ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。
【００９９】
ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（Ｔ２）＝ＶＲＥＦ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ    （式２）
【０１００】
時間Ｔ２において、（ＣＯＭＰ＿ＩＮと接続された）ＡＣキャパシタ７４６の右プレートと（サンプリングキャパシタ７０６と接続された）ＡＣキャパシタ７４６の左プレートとの間の電圧差ＶＣＣは、以下の通りであり得る。
【０１０１】
ＶＣＣ（Ｔ２）＝ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（Ｔ２）−ＶＳ（Ｔ２）    （式３）
【０１０２】
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。
【０１０３】
ＶＣＣ（Ｔ２）＝（ＶＲＥＦ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（ＶＳ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ）    （式４）
【０１０４】
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。
【０１０５】
Ｔ２とＴ３との間に、電荷転送スイッチ７３４が有効化され、新しい電圧を生じさせるために、電荷がフォトダイオード７１６から電荷検知デバイス７１８に転送される。時間Ｔ３において、サンプリングされた電圧ＶＳ（Ｔ３）は、以下のように、サンプリングキャパシタ７０６によってサンプリングされ得る、転送された電荷に対応する新しい電圧ＶＳ＿ｏｕｔ、ならびに、電荷検知デバイス７１８において残るリセット雑音成分ＶσＫＴＣを含むことができる。
【０１０６】
ＶＳ（Ｔ３）＝ＶＳ＿ｏｕｔ＋ＶσＫＴＣ    （式５）
【０１０７】
ＶＳ（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。
【０１０８】
時間Ｔ３において、比較器リセットスイッチ７５２が無効化される。ＡＣキャパシタ７４６にかかる電圧差ＶＣＣは、時間Ｔ２におけるものと同じままである。ＡＣ結合を介して、時間Ｔ３におけるＡＣキャパシタ７４６の右プレートの電圧（ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ）は、以下のように、ＶＳ（Ｔ３）を追跡するが、電圧差ＶＣＣだけ異なり得る。
【０１０９】
ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（Ｔ３）＝ＶＳ（Ｔ３）＋ＶＣＣ（Ｔ２）    （式６）
【０１１０】
式６を式４と組み合わせると、以下のようになる。
【０１１１】
ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（Ｔ３）＝ＶＳ＿ｏｕｔ＋ＶσＫＴＣ＋（ＶＲＥＦ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（ＶＳ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ）    （式７）
【０１１２】
式７に示されているように、ＶＳ（Ｔ３）のＶσＫＴＣ成分とＶＣＣ（Ｔ２）（および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。
【０１１３】
ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（Ｔ３）＝ＶＳ＿ｏｕｔ−ＶＳ＿ｒｓｔ＋ＶＲＥＦ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ    （式８）
【０１１４】
Ｔ３の後に、ＶＣＯＭＰ＿ＩＮにおける電圧は、追加の電荷が電荷検知デバイス７１８に転送されないとき、および／またはサンプリングスイッチ７４０が無効化された後に、ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（Ｔ３）において保持され得る。
【０１１５】
式８に示されているように、ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ（Ｔ３）は、時間Ｔ２と時間Ｔ３との間のフォトダイオードからの、および電荷検知デバイス７１８に転送された電荷の量を表す、差成分ＶＳ＿ｏｕｔ−ＶＳ＿ｒｓｔを含む。
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は、Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ成分ならびに（ＶＣＣからの）ＶＲＥＦをさらに含む。比較器７４０がＶＣＯＭＰ＿ＩＮをＶＲＥＦと比較するとき、比較器７４０によって導入された比較器オフセットは、Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ成分によって相殺され得、フォトダイオードからの電荷の量を表す差ＶＳ＿ｏｕｔ−ＶＳ＿ｒｓｔのみが、量子化プロセスの一部としてＶＲＥＦと比較されて、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除去し、光強度測定の正確さを改善することができる。
【０１１６】
上記で説明されたように、ピクセルセル７００のフットプリントをさらに低減するために、メモリ７６０とカウンタ７６２とは、ピクセルセル７００の外部に配置され得、ピクセルセル７００のセットの間で共有され得る。図８Ａは、共有されたカウンタとメモリとを含む例示的な画像センサー８００を示す。図８Ａに示されているように、画像センサー８００は、第１の半導体ダイ８０２と第２の半導体ダイ８０４とを含む。半導体ダイ８０２は、光検知回路８０６ａを含む、光検知回路８０６のアレイを含み、各光検知回路８０６が、フォトダイオード７１６と、電荷検知デバイス７１８と、シャッタースイッチ７３２と、転送スイッチ７３４と、貯蔵リセットスイッチ７３６と、電圧バッファ７３８と、サンプリングスイッチ７４０とを含む。半導体ダイ８０４は、インターフェース回路８０８ａを含む、インターフェース回路８０８のアレイを含む。各インターフェース回路８０８は、比較器７５０と比較器リセットスイッチ７５２とを含み、各光検知回路８０６に対応する。画像センサー８００は、サンプリングキャパシタ７０６のアレイと、ＡＣキャパシタ７４６のアレイとをさらに含む。各サンプリングキャパシタ７０６とＡＣキャパシタ７４６とは、光検知回路８０６とインターフェース回路８０８の対応するペアの間に結合されて、ピクセルセル８１０を形成する。サンプリングキャパシタ７０６のアレイとＡＣキャパシタ７４６のアレイとは、第１の半導体ダイ８０２と第２の半導体ダイ８０４との間に積層された金属層８１２中に形成され得る。サンプリングキャパシタ７０６とＡＣキャパシタ７４６とを使用する光検知回路８０６およびインターフェース回路８０８の光検知動作は、図７Ｂ〜図７Ｅで説明された動作と同様であり、ここでは繰り返されない。
【０１１７】
さらに、画像センサー８００は、カウンタ８２０と、メモリバッファ８２２のバンクと、コントローラ８２４とを含み、それらの一部または全部がインターフェース回路８０８の一部であり得る。バンク内の各メモリバッファ８２２は、メモリ７６０と同様のラッチメモリであり得る。カウンタ８２０は、クロックに基づいて周期的にカウント値（「ｃｎｔ」）を更新することができる。カウンタ８２０は、カウント値をメモリバッファ８２２のバンクに出力することができる。ピクセルセル８１０は、上記で説明されたように、サンプリングされた電圧を量子化するために、ピクセルセルにおいて貯蔵されたサンプリングされた電圧をランピングしきい値と比較することに基づいて、カウント値がメモリバッファ８２２のバンクにいつ記憶されるかのタイミングを制御することができる。コントローラ８２４は、サンプリングされた電圧を量子化するための、ピクセルセル８１０の間のメモリバッファ８２２のバンクへのアクセスを制御することができる。図８Ａでは、コントローラ８２４は、ピクセルセル８１０のある行（たとえば、図８Ａのｘ軸に沿って整列されたピクセルセルのセット）が、メモリバッファ８２２のバンクにアクセスして、ピクセルセル８１０のその行におけるサンプリングされた電圧を量子化し、その後に別の行が続くことを可能にすることができる。ピクセルセル８１０の列（たとえば、図８Ａのｙ軸に沿って整列されたピクセルセルのセット）内で、各ピクセルセルの比較器７５０は、行スイッチ８３０を介してバンク内のメモリバッファと選択的に結合され得る。各ピクセルセルの比較器７５０はまた、電力スイッチ８３２を介して電源と選択的に結合される。
【０１１８】
図８Ｂおよび図８Ｃは、画像センサー８００のための制御信号の例示的なシーケンスを示す。図８Ｂについての制御信号のシーケンスは、一例では、シャッタースイッチ７３２を含むピクセルセル８１０のものであり得、図８Ｃについての制御信号のシーケンスは、一例では、シャッタースイッチ７３２を含まないピクセルセル８１０のものであり得る。図８Ｂおよび図８Ｃでは、ＲＳＴと、ＴＧと、ＡＢと、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴとは、グローバル積分期間におけるグローバルシャッター動作、ならびに、サンプリング期間における（リセット雑音電荷と比較器オフセットとをサンプリングするための）第１のサンプリング動作および（グローバル積分期間において蓄積された電荷をサンプリングするための）第２のサンプリング動作を実施するための、各ピクセルセルへのグローバル信号であり得る。サンプリング期間に続いて、ピクセルセル８１０の行は、メモリバッファ８２２のバンクにアクセスして量子化を実施することを交替で行うことができる。たとえば、ピクセルセル８１０の第１の行が、メモリバッファ８２２のバンクにアクセスするように選択されたとき、（「ＲＯＷ［１］」と標示された、）行内の各ピクセルセルの行スイッチ８３０は、有効化されて、比較器７５０の出力をメモリバッファ８２２に結合し、（「ＯＮ［１］」と標示された、）その行内の各ピクセルセルの電力スイッチ８３２は、コントローラ８２４によって有効化されて、比較器７５０を有効化する。各ピクセルセルの比較器７５０は、ピクセルセルにおいて貯蔵されたサンプリングされた電圧をランピングしきい値ＶＲＥＦと比較して判定を生成することができ、判定は、行スイッチ８３０を介して送信されて、メモリバッファ８２２がカウンタ８２０からのカウント値を記憶する時間を制御することができる。メモリバッファ８２２のバンクに記憶されたカウント値は、ピクセルセル８１０の第１の行についての量子化結果を表すことができる。メモリバッファ８２２のバンク中のカウント値は、ｄａｔａ＿ｏｕｔバスを介して（たとえば、画像再構築エンジンによって）読み出され得る。カウント値がピクセルセル８１０の第１の行についてメモリバッファのバンクから読み出された後に、ピクセルセル８１０の第１の行の行スイッチ８３０および電力スイッチ８３２（ＲＯＷ［１］およびＯＮ［１］）が、コントローラ８２４によって無効化され得る。コントローラ８２４は、次いで、メモリバッファ８２２のバンクにアクセスして、ピクセルセル８１０の第２の行において貯蔵されたサンプリングされた電圧を量子化するように、ピクセルセル８１０の第２の行を選択することができる。ピクセルセルの第２の行の行スイッチ８３０および電力スイッチ８３２（ＲＯＷ［２］およびＯＮ［２］）が、コントローラ８２４によって有効化されて、量子化を実施することができる。
【０１１９】
図８Ａは、メモリバッファ８２２の単一のバンクがピクセルセル８１０の行の間で共有されることを示しているが、メモリバッファの複数のバンクが提供され得、これは、カウンタ８２０とメモリバッファとを用いた量子化をコンカレントに実施することができるピクセルセルの数を増加させることができ、読出しおよび画像生成の速度が増加され得ることを理解されたい。たとえば、図８Ｄに示されているように、２つのメモリバンク８４０および８４２が提供され得る。第１のメモリバンク８４０はピクセルセル８１０の行８５０の間で共有され得、下のメモリバンク８４２はピクセルセル８１０の行８５２の間で共有され得る。その上、図８Ｅに示されているように、４つのメモリバンク８６０、８６２、８６４、および８６６が提供され得る。メモリバンク８７０はピクセルセル８１０の行８８０ａおよび８８０ｂの間で共有され得、メモリバンク８７２はピクセルセル８１０の行８８２ａおよび８８２ｂの間で共有され得、メモリバンク８７４はピクセルセル８１０の行８８４ａおよび８８４ｂの間で共有され得、メモリバンク８７６はピクセルセル８１０の行８８６ａおよび８８６ｂの間で共有され得る。
【０１２０】
図８Ａ〜図８Ｅ中の配列は、メモリをピクセルセルの外部に置くことによって、ピクセルセルのフットプリントをさらに低減することができ、これにより、画像センサー中の多数のピクセルセルをパックすることにより、画像センサーのフットプリントを最小化しながら解像度を改善することが可能になる。その上、画像生成の信頼性および速度も改善され得る。たとえば、メモリがピクセルセル外に配置され、ピクセルセルのフットプリントに影響を及ぼさないとき、欠陥メモリによりデジタル出力（およびピクセル値）を失う可能性を低減するために各ピクセルセルからのデジタル出力を記憶するために、冗長メモリデバイスが提供され得る。しかし、メモリは大部分がデジタル回路を備え、一般的に、極めて小さいフットプリントを有するので、（ピクセルセルによって共有されることになる）冗長メモリを追加することは、一般的に、画像センサーのフットプリントを著しく増加させない。その上、ピクセルセルが、量子化動作を実施するためにアナログ電圧（たとえば、電荷検知デバイスにおける電圧）を外部ＡＤＣに送信する実装形態と比較して、開示される技法は、量子化（比較器比較）動作の一部がピクセルセル内で実施されることを可能にし、デジタル出力（比較器の判定）のみがピクセルセルから外部メモリに送信される。アナログ電圧と比較して、デジタル出力は、（０と１とを区別するために）高忠実度で、および高速で送信され得る。これらすべては、ピクセルセルによる光検知動作に基づく画像生成の信頼性および速度を改善することができる。
【０１２１】
図９は、光強度の測定を実施するための例示的な方法９００を示すフローチャートを含む。方法９００は、たとえば、上記で説明された技法に基づいて図７Ａ〜図７Ｅのピクセルセル７００および図８Ａ〜図８Ｄの画像センサー８００によって実施され得る。
【０１２２】
ステップ９０２において、インターフェース回路（たとえば、インターフェース回路７２０、インターフェース回路８０８）は、光検知回路（たとえば、光検知回路８０６）の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蓄積することを可能にすることがきる。光検知回路は第１の半導体ダイ（たとえば、第１の半導体ダイ７０２、８０２など）中にあり得、インターフェース回路は第２の半導体ダイ（たとえば、第２の半導体ダイ７０４、８０４など）中にあり得る。第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとは、図７Ａおよび図８Ａに示されているように、スタックを形成し得る。第１の半導体ダイ中の光検知回路は、図６Ａおよび図６Ｂに示されているように、前面照射デバイスまたは裏面照射デバイスとして構成され得る。可能にすることは、たとえば、シャッタースイッチ７３２を無効化して、フォトダイオードが電荷を蓄積することを可能にすることに基づき得る。
【０１２３】
ステップ９０４において、インターフェース回路は、電荷をフォトダイオードから光検知回路の電荷検知デバイス（たとえば、電荷検知デバイス７１８）に転送することができる。転送は、インターフェース回路の制御下で転送スイッチ７３４を介して実施され得る。電荷検知デバイスは、たとえば、フローティングドレインデバイス、金属キャパシタ、ポリシリコンキャパシタなどであり得る。
【０１２４】
ステップ９０６において、インターフェース回路は、サンプリングキャパシタ（たとえば、サンプリングキャパシタ７０６）を使用して、電荷検知デバイスに貯蔵された電荷を電圧に変換するためのサンプルアンドホールド動作を実施することができる。詳細には、サンプリングキャパシタは、インターフェース回路によって制御されるサンプリングスイッチを介して電荷検知デバイスと結合され得る。再び図７Ｃを参照すると、サンプリング期間内に、転送スイッチが有効化されて、ステップ９０４の一部として、電圧を生じさせるために、電荷をフォトダイオードから電荷検知デバイスに転送することができ、サンプリングスイッチも有効化されて、サンプリングキャパシタが電荷検知デバイスの電圧を追跡することを可能にする。転送スイッチは、サンプリング期間の終了より前に無効化されて、電荷検知デバイスにおける電圧をフリーズさせることができ、サンプリングキャパシタは、サンプリング期間が終了するまで電荷検知デバイスにおける電圧を追跡し続ける。サンプリング期間が終了した後に、サンプリングスイッチは無効化され、サンプリングキャパシタは、後続の量子化プロセスのために、サンプリングされた電圧を保持することができる。
【０１２５】
いくつかの例では、インターフェース回路は、リセット可能な比較器（たとえば、比較器７５０）とＡＣキャパシタ（たとえば、ＡＣキャパシタ７４６）とを含むことができる。再び図７Ｅを参照すると、ステップ９０６の一部として、比較器は、サンプリング期間内にリセットされて、比較器オフセットと（電荷検知デバイス中に同じく存在し、サンプリングキャパシタにおけるサンプリングされた電圧において反映される）リセット雑音とをＡＣキャパシタに貯蔵することができる。ＡＣキャパシタはまた、サンプリングキャパシタによってサンプリングされ、保持された電圧を追跡し、サンプリングされた電圧をリセット雑音および比較器オフセット情報と合成して、出力電圧（たとえば、ＶＣＯＭＰ＿ＩＮ）を生成することができる。
【０１２６】
ステップ９０８において、インターフェース回路は、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、サンプリングキャパシタにおいてサンプリングされ、保持された電圧に基づいて、デジタル出力を生成することができる。デジタル出力は、比較器がＡＣキャパシタの出力電圧をランピングしきい値と比較して判定を生成することができる、量子化プロセスに基づいて生成され得る。判定は、カウンタ（たとえば、カウンタ７６２、８２０など）から生成されたデジタル値を記憶するようにメモリ（たとえば、メモリ７６０、８２２など）を制御することができる。メモリとカウンタとは、図８Ａ〜図８Ｅで説明されたように、複数のピクセルセルによって共有され得、したがって、ピクセルセルのグループは、共有されたメモリにおいてデジタル値を記憶することを交替で行うことができる。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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６Ａ】
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【図６Ｂ−６Ｃ】
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【図７Ａ−７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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