(57)【要約】画像センサデバイスは、ピクセルアレイに配列された複数のピクセルセルと、画像センサデバイスの露出段階およびサンプリング段階を制御するための制御回路とを含む。複数のピクセルセルの各々は、フォトダイオードと、貯蔵ダイオードと、フローティングディフュージョン領域とを含む。制御回路は、複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにし、各時間窓と対応する放射光パルスとの間に所定の遅延時間を伴って、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知するように構成されている。フォトダイオードは、複数のバイアス電圧パルスまたは複数のグロバールシャッタ信号パルスを使用して、アクティブにされることができる。
2021507584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させる方法であって、前記ピクセル回路は、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに隣接し、バイアス電圧に結合されたドレイン領域と、
前記フォトダイオードと前記ドレイン領域との間に配置されたシャッタゲートであって、前記シャッタゲートは、光感知のために、前記バイアス電圧を印加し、前記フォトダイオードにバイアスをかけるように、グロバールシャッタ信号によって制御される、シャッタゲートと、
第１の転送信号によって制御される第１の転送ゲートを通して前記フォトダイオードに結合される貯蔵ダイオードと、
第２の転送信号によって制御される第２の転送ゲートを通して前記貯蔵ダイオードに結合されるフローティングディフュージョン領域と
を備え、
前記方法は、
露出期間において、
前記第１の転送信号を使用して、前記第１の転送ゲートをアクティブにし、前記フォトダイオードと前記貯蔵ダイオードとを結合することと、
第１の複数の時間窓において、前記フォトダイオードをアクティブにし、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知することであって、各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ１として指定される、ことと、
サンプリング期間において、
前記第２の転送信号を使用して、前記第２の転送ゲートをアクティブにし、前記貯蔵ダイオードから前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送することであって、前記フローティングディフュージョン領域における電荷は、前記露出期間中に収集された電荷を表す第１のサンプリング信号Ｓ１を決定するためにサンプリングされる、ことと
を含む、方法。
【請求項２】
第１の複数の時間窓において前記フォトダイオードを露出することは、前記シャッタゲートへの第１のグロバールシャッタ信号を前記シャッタゲートに提供することを含み、前記第１のグロバールシャッタ信号は、前記フォトダイオードを露出するための第１の複数のグロバールシャッタパルスを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の複数の時間窓において前記フォトダイオードを露出することは、前記フォトダイオードに隣接する前記ドレイン領域を複数のバイアス電圧パルス（ＶＡＡＧＳ）に結合することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記バイアス電圧は、前記第１の転送信号および前記第２の転送信号より高い、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記フローティングディフュージョン領域における電荷は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）を使用してサンプリングされる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させる方法であって、前記ピクセル回路は、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードに隣接し、バイアス電圧に結合されたドレイン領域と、
前記フォトダイオードと前記ドレイン領域との間に配置されたシャッタゲートであって、前記シャッタゲートは、光感知のために、前記バイアス電圧を印加し、前記フォトダイオードにバイアスをかけるように、グロバールシャッタ信号によって制御される、シャッタゲートと、
第１の転送信号によって制御される第１の転送ゲートを通して前記フォトダイオードに結合される貯蔵ダイオードと、
第２の転送信号によって制御される第２の転送ゲートを通して前記貯蔵ダイオードに結合されるフローティングディフュージョン領域と
を備え、
前記方法は、
第１の露出期間において、
前記第１の転送信号を使用して、前記第１の転送ゲートをアクティブにし、前記フォトダイオードと前記貯蔵ダイオードとを結合することと、
第１の複数の時間窓において、前記フォトダイオードをアクティブにし、対応する第１の複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知することであって、各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ１として指定される、ことと、
第１のサンプリング期間において、
前記第２の転送信号を使用して、前記第２の転送ゲートをアクティブにし、前記貯蔵ダイオードから前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送することであって、前記フローティングディフュージョン領域における電荷は、前記第１の露出期間中に収集された電荷を表す第１のサンプリング信号Ｓ１を決定するためにサンプリングされる、ことと、
第２の露出期間において、
前記第１の転送信号を使用して、前記第１の転送ゲートをアクティブにし、前記フォトダイオードと前記貯蔵ダイオードとを結合することと、
第２の複数の時間窓において、前記フォトダイオードをアクティブにし、対応する第２の複数の放射光パルスの結果として前記標的から反射される光を感知することであって、各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ２として指定される、ことと、
第２のサンプリング期間において、
前記第２の転送信号を使用して、前記第２の転送ゲートをアクティブにし、前記貯蔵ダイオードから前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送することであって、前記フローティングディフュージョン領域における電荷は、前記第２の露出期間中に収集された電荷を表す第２のサンプリング信号Ｓ２を決定するためにサンプリングされる、ことと、
前記第１のサンプリング信号Ｓ１および前記第２のサンプリング信号Ｓ２に基づいて、前記標的までの距離を決定することと
を含む、方法。
【請求項７】
前記標的までの前記距離を決定することは、前記第１のサンプリング信号Ｓ１および前記第２のサンプリング信号Ｓ２に基づくルックアップテーブルを使用することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記標的までの前記距離を決定することは、畳み込み方法を使用することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
第１の複数の時間窓において前記フォトダイオードを露出することは、第１のグロバールシャッタ信号を前記シャッタゲートに提供することを含み、前記尾第１のグロバールシャッタ信号は、前記フォトダイオードを露出するための第１の複数のグロバールシャッタパルスを有する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
第１の複数の時間窓において前記フォトダイオードを露出することは、前記フォトダイオードの前記ドレイン領域を複数のバイアス電圧パルス（ＶＡＡＧＳ）に結合することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記バイアス電圧は、前記第１の転送信号および前記第２の転送信号より高い、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記フローティングディフュージョン領域における電荷は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）を使用してサンプリングされる、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
画像センサデバイスであって、前記画像センサデバイスは、
ピクセルアレイに配列された複数のピクセルセルと、
前記画像センサデバイスの露出段階およびサンプリング段階を制御するための制御回路と、
露出段階においてピクセル電力供給線を第１の電圧に、サンプリング段階において第２の電圧に結合するための切り替え回路であって、前記第１の電圧は、前記第２の電圧より高い、切り替え回路と
を備え、
前記複数のピクセルセルの各々は、
半導体基板の中のフォトダイオードであって、前記フォトダイオードの第１の端部は、グロバールシャッタ信号によって制御されるシャッタゲートを通してバイアス電圧に結合されるフォトダイオードと、
電気接地導電線を通して前記フォトダイオードの第２の端部を電気接地に結合するための接地接点と、
前記半導体基板の中にあり、第１の転送信号によって制御される第１の転送ゲートを通して前記フォトダイオードの第２の端部に結合される貯蔵ダイオードと、
前記半導体基板の中にあり、第２の転送信号によって制御される第２の転送ゲートを通して前記貯蔵ダイオードに結合されるフローティングディフュージョン領域と
を備えている、画像センサデバイス。
【請求項１４】
前記制御回路は、複数の時間窓において、前記フォトダイオードをアクティブにし、各時間窓と対応する放射光パルスとの間に所定の遅延時間を伴って、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知するように構成されている、請求項１３に記載の画像センサデバイス。
【請求項１５】
ドレイン領域をさらに備え、
前記フォトダイオードの第１の端部は、前記ドレイン領域を通してバイアス電圧に結合され、
前記制御回路は、反射光を感知するために、前記複数の時間窓において、複数のバイアス電圧パルスを提供し、前記フォトダイオードをアクティブにするように構成されている、請求項１４に記載の画像センサデバイス。
【請求項１６】
前記制御回路は、反射光を感知するために、前記複数の時間窓において、複数のグロバールシャッタ信号パルスを提供し、前記フォトダイオードをアクティブにするように構成されている、請求項１４に記載の画像センサデバイス。
【請求項１７】
飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためのピクセルセルであって、前記ピクセルセルは、
基板と、
フォトダイオードと、
電気接地導電線を通して前記フォトダイオードの第２の端部を電気接地に結合するための接地接点と、
前記フォトダイオードに隣接し、バイアス電圧に結合されたドレイン領域と、
前記フォトダイオードと前記ドレイン領域との間に配置されたシャッタゲートであって、前記シャッタゲートは、光感知のために、前記バイアス電圧を印加し、前記フォトダイオードにバイアスをかけるように、グロバールシャッタ信号によって制御される、シャッタゲートと、
第１の転送信号によって制御される第１の転送ゲートを通して前記フォトダイオードに結合される貯蔵ダイオードと、
第２の転送信号によって制御される第２の転送ゲートを通して前記貯蔵ダイオードに結合されるフローティングディフュージョン領域と
を備えている、ピクセルセル。
【請求項１８】
前記フォトダイオードは、４本の側線を有する長方形拡散エリアにおいて形成され、
前記シャッタゲートは、前記フォトダイオードと前記ドレイン領域との間の第１の側線に沿って配置され、前記シャッタゲートは、前記第１の側線と同一の長さを有し、
前記第１の転送ゲートは、前記第１の側線に隣接する第２の側線に沿って配置され、前記第１の転送ゲートは、前記第２の側線の長さの半分である長さを有し、前記第１の側線から離れて前記フォトダイオードの角の上に配置されている、
請求項１７に記載のピクセルセル。
【請求項１９】
第１、第２、および第３の金属相互接続層をさらに備え、
第１の転送線、第２の転送線、選択線、およびリセット線は、第１の方向に沿って前記第１の金属相互接続層において形成され、Ｗの全幅に及び、
ＶＤＤＡ線、ＶＳＳＡ線、およびピクセル出力線は、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って前記第２の金属相互接続層において形成され、
グロバールシャッタ線は、前記第１の方向に沿って前記第３の金属相互接続層において形成され、前記グロバールシャッタ線は、Ｗと実質的に等しい幅を有する、
請求項１７に記載のピクセルセル。
【請求項２０】
前記ドレイン領域は、前記バイアス電圧の変調を促進するための低静電容量ドレイン拡散領域を備えている、請求項１７に記載のピクセルセル。
【請求項２１】
ピクセルセルであって、前記ピクセルセルは、
４つのフォトダイオードと、
４つの貯蔵ダイオードと
を備え、
各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、前記第１の隣接するフォトダイオードおよび前記第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成され、
各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、前記第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび前記第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成されている、ピクセルセル。
【請求項２２】
前記４つのフォトダイオードは、２×２アレイに配列され、各貯蔵ダイオードは、２つの隣接するフォトダイオード間に配置されている、請求項２１に記載のピクセルセル。
【請求項２３】
各対の隣接するフォトダイオードと貯蔵ダイオードとの間に転送ゲートをさらに備えている、請求項２１に記載のピクセルセル。
【請求項２４】
各貯蔵ダイオードの上に重なっている電荷制御ゲートをさらに備えている、請求項２１に記載のピクセルセル。
【請求項２５】
４つのフローティングディフュージョン領域をさらに備え、各フローティングディフュージョン領域は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置されている、請求項２１に記載のピクセルセル。
【請求項２６】
各対の隣接する貯蔵ダイオードとフローティングディフュージョン領域との間の転送ゲートをさらに備えている、請求項２５に記載のピクセルセル。
【請求項２７】
前記フォトダイオードにおける電荷を排出するために各フォトダイオードに関連付けられたグロバールシャッタ制御ゲートをさらに備えている、請求項２１に記載のピクセルセル。
【請求項２８】
ピクセルアレイに配列された複数の請求項２１に記載のピクセルセルを備えている画像センサデバイス。
【請求項２９】
ピクセルセルを動作させる方法であって、前記方法は、露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことを含み、
前記ピクセルセルは、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードとを含み、
各貯蔵ダイオードは、２つの隣接するフォトダイオード間に配置され、各貯蔵ダイオードは、前記２つの隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成され、
各フォトダイオードは、２つの隣接する貯蔵ダイオードの間に配置され、各フォトダイオードは、前記２つの隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成されている、方法。
【請求項３０】
第１の期間中、
第１の対のフォトダイオードから前記第１の対のフォトダイオード間に配置された第１の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、
第２の対のフォトダイオードから前記第２の対のフォトダイオード間に配置された第２の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、
第２の期間中、
第３の対のフォトダイオードから前記第３の対のフォトダイオード間に配置された第３の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、
第４の対のフォトダイオードから前記第４の対のフォトダイオード間に配置された第４の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、
差動信号を生成することと
をさらに含み、
前記差動信号を生成することは、
前記第１の貯蔵ダイオードと前記第２の貯蔵ダイオードとからの前記光電荷の合計を差動増幅器の第１の入力に提供することと、
前記第３の貯蔵ダイオードと前記第４の貯蔵ダイオードとからの前記光電荷の合計を前記差動増幅器の第２の入力に提供することと
による、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の貯蔵ダイオードおよび前記第２の貯蔵ダイオードから第１のフローティングディフュージョン領域に光電荷を転送することと、
前記第１の貯蔵ダイオードおよび前記第２の貯蔵ダイオードから第２のフローティングディフュージョン領域に光電荷を転送することと、
前記第１のフローティングディフュージョン領域から第１のサンプルアンドホールドコンデンサに光電荷を転送することと、
前記第２のフローティングディフュージョン領域から第２のサンプルアンドホールドコンデンサに光電荷を転送することと、
前記第１および第２のサンプルアンドホールドコンデンサから前記差動増幅器に信号を転送することと
をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の対のフォトダイオードと前記第２の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有しておらず、
前記第３の対のフォトダイオードと前記第４の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有していない、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
第１の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第１の貯蔵ダイオードに転送することと、
第２の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第２の貯蔵ダイオードに転送することと、
前記第１の貯蔵ダイオードおよび前記第２の貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、ビニングのために２つの感知信号を提供することと
をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
各フォトダイオードにおいて収集された光電荷をそれぞれの隣接する貯蔵ダイオードに転送することと、
各貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、４つのサブピクセルのための感知信号を提供することと
をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
差動光感知のためのピクセルセルであって、前記ピクセルセルは、
複数のフォトダイオードと、
対応する複数の貯蔵ダイオードと
を備え、
各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、前記第１の隣接するフォトダイオードおよび前記第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成され、
各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、前記第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび前記第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成されている、ピクセルセル。
【請求項３６】
対応する複数のフローティングディフュージョン領域をさらに備え、各フローティングディフュージョン領域は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置されている、請求項３５に記載のピクセルセル。
【請求項３７】
画像感知デバイスであって、前記画像感知デバイスは、
ピクセルアレイに配列された複数のピクセルセルであって、各ピクセルセルは、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードと、４つのフローティングディフュージョン領域とを含み、
各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、前記第１の隣接するフォトダイオードおよび前記第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成され、
各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、前記第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび前記第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成され、
各フローティングディフュージョン領域は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置されている、
ピクセルセルと、
第２のフローティングディフュージョン領域および第４のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るための第１の加算デバイスと、
第１のフローティングディフュージョン領域および第３のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るための第２の加算デバイスと、
前記第１および第２の加算デバイスに結合された差動増幅器と、
前記画像感知デバイスにおける電荷転送を制御するための制御回路と
を備えている、画像感知デバイス。
【請求項３８】
前記制御回路は、
露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことと、
第１の期間中、
第１の対のフォトダイオードから前記第１の対のフォトダイオード間に配置された第１の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、
第２の対のフォトダイオードから前記第２の対のフォトダイオード間に配置された第２の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、
第２の期間中、
第３の対のフォトダイオードから前記第３の対のフォトダイオード間に配置された第３の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、
第４の対のフォトダイオードから前記第４の対のフォトダイオード間に配置された第４の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、
差動信号を生成することと
を行うために構成され、
前記差動信号を生成することは、
前記第２の貯蔵ダイオードと前記第４の貯蔵ダイオードとからの前記光電荷の合計を差動増幅器の第１の入力に提供することと、
前記第１の貯蔵ダイオードと前記第３の貯蔵ダイオードとからの前記光電荷の合計を前記差動増幅器の第２の入力に提供することと
による、請求項３７に記載の画像感知デバイス。
【請求項３９】
前記制御回路は、
露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことと、
第１の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第１の貯蔵ダイオードに転送することと、
第２の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第２の貯蔵ダイオードに転送することと、
前記第１の貯蔵ダイオードおよび前記第２の貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、ビニングのために２つの感知信号を提供することと
を行うために構成されている、請求項３７に記載の画像感知デバイス。
【請求項４０】
前記制御回路は、
露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことと、
各フォトダイオードにおいて収集された光電荷を対応する隣接貯蔵ダイオードに転送することと、
各貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、４つのサブピクセルのために感知信号を提供することと
を行うために構成されている、請求項３７に記載の画像感知デバイス。
【請求項４１】
画像感知デバイスであって、前記画像感知デバイスは、
フォトダイオードのアレイと、
前記アレイにおける第１の対のフォトダイオード間に配置された第１の貯蔵ダイオードであって、前記第１の貯蔵ダイオードは、前記第１の対のフォトダイオードにおける各フォトダイオードから光電荷を受け取るように構成されている、第１の貯蔵ダイオードと、
前記第１の貯蔵ダイオードに隣接して配置された第１のフローティングディフュージョン領域と、
前記アレイにおける第２の対のフォトダイオード間に配置された第２の貯蔵ダイオードであって、前記第２の貯蔵ダイオードは、前記第２の対のフォトダイオードにおける各フォトダイオードから光電荷を受け取るように構成されている、第２の貯蔵ダイオードと、
前記第２の貯蔵ダイオードに隣接して配置された第２のフローティングディフュージョン領域と、
前記第１のフローティングディフュージョン領域および前記第２のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るように構成された回路と
を備えている、画像感知デバイス。
【請求項４２】
前記回路は、前記第１の貯蔵ダイオードおよび前記第２の貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、ビニングのために２つの感知信号を提供するように構成されている、請求項４１に記載の画像感知デバイス。
【請求項４３】
前記回路は、前記第１の貯蔵ダイオードと前記第２の貯蔵ダイオードとにおける光電荷を合計するように構成されている、請求項４１に記載の画像感知デバイス。
【請求項４４】
前記アレイにおける第３の対のフォトダイオード間に配置された第３の貯蔵ダイオードであって、前記第３の貯蔵ダイオードは、前記第３の対のフォトダイオードにおける各フォトダイオードから光電荷を受け取るように構成されている、第３の貯蔵ダイオードと、
前記第１の貯蔵ダイオードに隣接して配置された第３のフローティングディフュージョン領域と、
前記アレイにおける第４の対のフォトダイオード間に配置された第４の貯蔵ダイオードであって、前記第４の貯蔵ダイオードは、前記第４の対のフォトダイオードにおける各フォトダイオードから光電荷を受け取るように構成されている、第４の貯蔵ダイオードと、
前記第４の貯蔵ダイオードに隣接して配置された第４のフローティングディフュージョン領域と
をさらに備え、
前記回路は、前記第３のフローティングディフュージョン領域および前記第４のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るようにさらに構成されている、請求項４１に記載の画像感知デバイス。
【請求項４５】
前記回路は、
前記第１の貯蔵ダイオードと前記第２の貯蔵ダイオードとにおける光電荷を合計することと、
前記第３の貯蔵ダイオードと前記第４の貯蔵ダイオードとにおける光電荷を合計することと、
前記第１の貯蔵ダイオードと前記第２の貯蔵ダイオードとにおける前記光電荷の合計を前記第３の貯蔵ダイオードと前記第４の貯蔵ダイオードとにおける前記光電荷の合計と比較することと
を行うようにさらに構成されている、請求項４１に記載の画像感知デバイス。
【請求項４６】
前記第１の対のフォトダイオードと前記第２の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有しておらず、
前記第３の対のフォトダイオードと前記第４の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有していない、請求項４１に記載の画像感知デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、それらの全体として参照することによって組み込まれる２０１７年１２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／５９８，３９０号の利益を主張する。
【０００２】
以下の正規米国特許出願（本願を含む）は、並行して出願されており、他の出願の開示全体は、あらゆる目的のために参照することによって本願に組み込まれる。
・「ＧＬＯＢＡＬ  ＳＨＵＴＴＥＲ  ＰＩＸＥＬ  ＣＩＲＣＵＩＴ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＣＯＭＰＵＴＥＲ  ＶＩＳＩＯＮ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された２０１８年１２月１３日に出願された米国特許出願第１６／＿＿＿＿号
・「ＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬ  ＰＩＸＥＬ  ＣＩＲＣＵＩＴ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＣＯＭＰＵＴＥＲ  ＶＩＳＩＯＮ  ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された２０１８年１２月１３日に出願された米国特許出願第１６／＿＿＿＿号
（技術分野）
【０００３】
本発明の実施形態は、概して、飛行時間（ＴｏＦ）深度測定システムのための画像センサピクセル回路および方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
画像センサが、幅広い範囲の用途で使用されている。例は、デジタルカメラ、携帯電話、家庭電化製品、内視鏡、および衛星望遠鏡を含む。いくつかの画像センサが、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を使用して実装されている。これらのセンサにおいて、ＭＯＳトランジスタの数は、ピクセルの数に等しい。トランジスタは、光学画像を電気信号に変換するために使用される。
【０００５】
いくつかの方法が、ＣＭＯＳ画像センサのピクセル回路を駆動するために使用され得る。例は、ローリングシャッタ（ＲＳ）方法およびグロバールシャッタ（ＧＳ）方法を含む。ローリングシャッタ方法において、信号が、１つのフレーム中の各行における光要素によって光電的に変換される。信号は、連続的に選択される各行における１つ以上のフローティングディフュージョンノードに転送され、対応するピクセルの画像信号が、出力される。グロバールシャッタ方法において、全ての信号が、１つのフレーム中の全ての光要素によって光電的に変換される。信号は、同時に１つ以上のフローティングディフュージョンノードに転送される。次いで、連続的に選択される行における対応するピクセルの画像信号が、出力される。
【０００６】
飛行時間（ＴｏＦ）カメラは、光の速度に基づいて距離を分解する測距撮像カメラシステムであり、画像の各点に関して、カメラと対象との間の光信号の飛行時間を測定する。飛行時間カメラに関し、場面全体は、各レーザまたは光パルスを用いて捕捉される。飛行時間カメラ製品は、半導体デバイスがそのような用途を支援するために十分に高速になるにつれて人気を博しつつある。直接飛行時間撮像システムは、単一のレーザパルスがカメラを出発し、焦点面アレイの上で反射して戻るために必要とされる直接飛行時間を測定する。３次元画像は、単一のレーザパルスを用いて、完全な３次元場面を記録する完全な空間および時間データを捕捉することができる。これは、場面情報の迅速な入手およびリアルタイム処理を可能にし、幅広い範囲の用途につながる。これらの用途は、自動車用用途、ヒューマンマシンインターフェースおよびゲーム、測定およびマシンビジョン、産業および監視測定、および、ロボット工学等を含む。
【０００７】
しかしながら、従来のＣＭＯＳピクセルセンサは、大きいサイズおよび高い電力消費等の欠点を有する傾向がある。したがって、改良されたピクセル回路および方法が、種々のモバイルコンピュータビジョンアプリケーションのために望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態において、ＴｏＦ深度測定が、一連の時間窓を使用して、物体または場面を光パルスで照明し、センサにおいて受信される光学信号に畳み込みプロセスを適用することによって、実施されることができる。本発明の実施形態は、改良されたピクセル回路、およびピクセルあたり単一の制御線を使用する高速飛行時間ゲーティングを有する方法を提供する。ピクセル回路は、改良されたグロバールシャッタＣＭＯＳ画像センサプロセスフローに基づいて実装されることができる。いくつかの実施形態において、動的ＬＤＭ（ラテラルドレイン変調）と組み合わせられる静的ゲート統合に基づく、シャッタリング機構が、グローバルリセットゲートまたはドレイン電圧変調のいずれかを使用して実現されることができる。高速信号転送は、低静電容量および低抵抗デバイス構造および相互接続線を使用して、ピクセル回路において有効にされる。
【０００９】
本発明のいくつかの実施形態によると、方法が、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させるために提供される。ピクセル回路は、フォトダイオードと、フォトダイオードに隣接し、バイアス電圧に結合されたドレイン領域と、フォトダイオードとドレイン領域との間に配置されたシャッタゲートとを含む。シャッタゲートは、バイアス電圧を印加し、光感知のためにフォトダイオードにバイアスをかけるように、グロバールシャッタ信号によって制御される。ピクセル回路は、貯蔵ダイオードと、フローティングディフュージョン領域とも有する。貯蔵ダイオードは、第１の転送信号によって制御される第１の転送ゲートを通してフォトダイオードに結合される。フローティングディフュージョン領域は、第２の転送信号によって制御される第２の転送ゲートを通して貯蔵ダイオードに結合される。方法は、露出期間と、サンプリング期間とを含む。露出期間において、方法は、第１の転送信号を使用して、第１の転送ゲートをアクティブにし、フォトダイオードと貯蔵ダイオードとを結合することと、第１の複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにし、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知することであって、各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ１として指定される、こととを含む。サンプリング期間において、方法は、第２の転送信号を使用して、第２の転送ゲートをアクティブにし、貯蔵ダイオードからフローティングディフュージョン領域に電荷を転送することを含む。フローティングディフュージョン領域における電荷は、露出期間中に収集された電荷を表す第１のサンプリング信号Ｓ１を決定するためにサンプリングされる。
【００１０】
本発明のいくつかの実施形態によると、方法は、２つの露出およびサンプリング段階を含むことができる。第１の露出およびサンプリング段階において、フォトダイオードは、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知するために、第１の露出期間における第１の複数の時間窓において露出され、各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ１として指定される。第１のサンプリング期間において、電荷は、第１のサンプリング信号Ｓ１を決定するためにサンプリングされる。第１の露出およびサンプリング段階において、フォトダイオードは、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知するために、第２の露出期間における第２の複数の時間窓において露出され、各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ２として指定される。第２のサンプリング期間において、電荷は、第２のサンプリング信号Ｓ２を決定するためにサンプリングされる。方法は、第１のサンプリング信号Ｓ１および第２のサンプリング信号Ｓ２に基づいて、標的までの距離を決定することをさらに含む。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態によると、画像センサデバイスは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルと、画像センサデバイスの露出段階およびサンプリング段階を制御するための制御回路と、露出段階においてピクセル電力供給線を第１の電圧に、サンプリング段階において第２の電圧に結合するための切り替え回路であって、第１の電圧は、第２の電圧より高い、切り替え回路とを含む。複数のピクセルセルの各々は、半導体基板の中のフォトダイオードを含む。フォトダイオードの第１の端部は、グロバールシャッタ信号によって制御されるシャッタゲートを通してバイアス電圧に結合される。接地接点は、電気接地導電線を通してフォトダイオードの第２の端部を電気接地に結合する。各ピクセルセルは、半導体基板の中にあり、第１の転送信号によって制御される第１の転送ゲートを通してフォトダイオードの第２の端部に結合される貯蔵ダイオードも有する。ピクセルセルは、半導体基板の中にあり、第２の転送信号によって制御される第２の転送ゲートを通して貯蔵ダイオードに結合されるフローティングディフュージョン領域も有する。
【００１２】
上記の画像センサデバイスのいくつかの実施形態において、制御回路は、複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにし、各時間窓と対応する放射光パルスとの間に所定の遅延時間を伴って、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知するように構成される。フォトダイオードは、複数のバイアス電圧パルスまたは複数のグロバールシャッタ信号パルスを使用して、アクティブにされることができる。
【００１３】
本発明のいくつかの実施形態によると、差動ＴｏＦモード動作のための４フォトダイオードピクセルセルは、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードとを含む。各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードおよび第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成される。本明細書で使用されるように、用語「光電荷」は、光がフォトダイオードにおいて輝くときに発生させられる電荷を指す。ある場合、用語「光電荷」は、用語「光電子」と同義的に使用される。各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。
【００１４】
上記のピクセルセルのいくつかの実施形態において、４つのフォトダイオードは、各貯蔵ダイオードが２つの隣接するフォトダイオード間に配置された２×２アレイに配列される。
【００１５】
いくつかの実施形態において、ピクセルセルは、各対の隣接するフォトダイオードと貯蔵ダイオードとの間に転送ゲートも有する。いくつかの実施形態において、ピクセルセルは、各貯蔵ダイオードの上に重なっている電荷制御ゲートも有する。
【００１６】
いくつかの実施形態において、ピクセルセルは、４つのフローティングディフュージョン領域も有し、各フローティングディフュージョン領域は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置される。ピクセルセルは、各対の隣接する貯蔵ダイオードとフローティングディフュージョン領域との間に転送ゲートも有する。いくつかの実施形態において、ピクセルセルは、フォトダイオードにおける電荷を排出するために各フォトダイオードに関連付けられたグロバールシャッタ制御ゲートも有する。
【００１７】
いくつかの実施形態は、ピクセルアレイに配列された上で説明される複数のピクセルセルを含む画像センサデバイスを提供する。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態によると、ピクセルセルを動作させる方法は、露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことであって、ピクセルセルは、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードとを含む、ことを含む。各貯蔵ダイオードは、２つの隣接するフォトダイオード間に配置され、各貯蔵ダイオードは、２つの隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成される。各フォトダイオードは、２つの隣接する貯蔵ダイオードの間に配置され、各フォトダイオードは、２つの隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。
【００１９】
いくつかの実施形態において、差動ＴｏＦモードに関して、上記の方法は、第１の期間中、第１の対のフォトダイオードから第１の対のフォトダイオード間に配置された第１の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、第２の対のフォトダイオードから第２の対のフォトダイオード間に配置された第２の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することとも含むことができる。方法は、第２の期間中、第３の対のフォトダイオードから第３の対のフォトダイオード間に配置された第３の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、第４の対のフォトダイオードから第４の対のフォトダイオード間に配置された第４の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することとを含む。さらに、差動信号を生成するために、方法は、第１の貯蔵ダイオードと第２の貯蔵ダイオードとからの光電荷の合計を差動増幅器の第１の入力に提供することと、第３の貯蔵ダイオードと第４の貯蔵ダイオードとからの光電荷の合計を差動増幅器の第２の入力に提供することとを含む。
【００２０】
上記の方法のいくつかの実施形態において、方法は、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードから第１のフローティングディフュージョン領域に光電荷を転送することと、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードから第２のフローティングディフュージョン領域に光電荷を転送することと、第１のフローティングディフュージョン領域から第１のサンプルアンドホールドコンデンサに光電荷を転送することと、第２のフローティングディフュージョン領域から第２のサンプルアンドホールドコンデンサに光電荷を転送することとも含む。方法は、第１および第２のサンプルアンドホールドコンデンサから差動増幅器に信号を転送することも含む。
【００２１】
上記の方法のいくつかの実施形態において、第１の対のフォトダイオードと第２の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有しておらず、第３の対のフォトダイオードと第４の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有していない。
【００２２】
上記の方法のいくつかの実施形態において、ビニング動作に関して、方法は、第１の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第１の貯蔵ダイオードに転送することと、第２の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第２の貯蔵ダイオードに転送することとを含む。方法は、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、ビニングのために２つの感知信号を提供することも含む。
【００２３】
上記の方法のいくつかの実施形態において、ビニング動作に関して、方法は、各フォトダイオードにおいて収集された光電荷をそれぞれの隣接する貯蔵ダイオードに転送することと、各貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、４つのサブピクセルのための感知信号を提供することとを含む。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態によると、ピクセルセルは、複数のフォトダイオードと、対応する複数の貯蔵ダイオードとを含むことができる。各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードおよび第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成される。各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。
【００２５】
いくつかの実施形態において、上記のピクセルセルは、対応する複数のフローティングディフュージョン領域も含むこともでき、各フローティングディフュージョン領域は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置される。いくつかの実施形態において、ピクセルセルは、各対の隣接するフォトダイオードと貯蔵ダイオードとの間に転送ゲートも含むことができる。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態によると、画像感知デバイスは、ピクセルアレイに配列された複数のピクセルセルを含むことができ、各ピクセルセルは、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードと、４つのフローティングディフュージョン領域とを含む。各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードおよび第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成される。各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。各フローティングディフュージョン領域は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置される。画像感知デバイスは、第２のフローティングディフュージョン領域および第４のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るための第１の加算デバイスと、第１のフローティングディフュージョン領域および第３のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るための第２の加算デバイスとを含むことができる。画像感知デバイスは、第１および第２の加算デバイスに結合された差動増幅器と、画像感知デバイスにおける電荷転送を制御するための制御回路とも含むことができる。
【００２７】
上記の画像感知デバイスのいくつかの実施形態において、差動ＴｏＦモードに関して、制御回路は、露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことと、第１の期間中、第１の対のフォトダイオードから第１の対のフォトダイオード間に配置された第１の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、第２の対のフォトダイオードから第２の対のフォトダイオード間に配置された第２の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することとを行うために構成される。第２の期間中、制御回路は、第３の対のフォトダイオードから第３の対のフォトダイオード間に配置された第３の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、第４の対のフォトダイオードから第４の対のフォトダイオード間に配置された第４の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することとを行うために構成される。さらに、制御回路は、第２の貯蔵ダイオードと第４の貯蔵ダイオードとからの光電荷の合計を差動増幅器の第１の入力に提供することと、第１の貯蔵ダイオードと第３の貯蔵ダイオードとからの光電荷の合計を差動増幅器の第２の入力に提供することとによって、差動信号を生成するために構成される。
【００２８】
上記の画像感知デバイスのいくつかの実施形態において、ビニングモードに関して、制御回路は、露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことと、第１の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第１の貯蔵ダイオードに転送することと、第２の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第２の貯蔵ダイオードに転送することと、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、ビニングのために２つの感知信号を提供することとを行うために構成される。
【００２９】
上記の画像感知デバイスのいくつかの実施形態において、フル解像度モードに関して、制御回路は、露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことと、各フォトダイオードにおいて収集された光電荷を対応する隣接貯蔵ダイオードに転送することと、各貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、４つのサブピクセルのために感知信号を提供することとを行うために構成される。
【００３０】
本発明のいくつかの実施形態において、画像感知デバイスは、フォトダイオードのアレイを含むことができる。画像感知デバイスは、アレイにおける第１の対のフォトダイオード間に配置された第１の貯蔵ダイオードも含み、第１の貯蔵ダイオードは、第１の対のフォトダイオードにおける各フォトダイオードから光電荷を受け取るように構成される。画像感知デバイスは、第１の貯蔵ダイオードに隣接して配置された第１のフローティングディフュージョン領域も含む。さらに、画像感知デバイスは、アレイにおける第２の対のフォトダイオード間に配置された第２の貯蔵ダイオードも含み、第２の貯蔵ダイオードは、第２の対のフォトダイオードにおける各フォトダイオードから光電荷を受け取るように構成される。画像感知デバイスは、第２の貯蔵ダイオードに隣接して配置された第２のフローティングディフュージョン領域と、第１のフローティングディフュージョン領域および第２のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るように構成される回路とも含む。
【００３１】
画像感知デバイスのいくつかの実施形態において、回路は、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、ビニングのために２つの感知信号を提供するように構成される。
【００３２】
画像感知デバイスのいくつかの実施形態において、回路は、第１の貯蔵ダイオードと第２の貯蔵ダイオードとにおける光電荷を合計するように構成される。
【００３３】
いくつかの実施形態において、画像感知デバイスは、アレイにおける第３の対のフォトダイオード間に配置された第３の貯蔵ダイオードも有することができ、第３の貯蔵ダイオードは、第３の対のフォトダイオードにおける各フォトダイオードから光電荷を受け取るように構成される。画像感知デバイスは、第１の貯蔵ダイオードに隣接して配置された第３のフローティングディフュージョン領域も有することができる。第４の貯蔵ダイオードが、アレイにおける第４の対のフォトダイオード間に配置され、第４の貯蔵ダイオードは、第４の対のフォトダイオードにおける各フォトダイオードから光電荷を受け取るように構成される。第４のフローティングディフュージョン領域が、第４の貯蔵ダイオードに隣接して配置される。回路は、第３のフローティングディフュージョン領域および第４のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るようにさらに構成される。いくつかの実施形態において、回路は、第１の貯蔵ダイオードと第２の貯蔵ダイオードとにおける光電荷を合計し、第３の貯蔵ダイオードと第４の貯蔵ダイオードとにおける光電荷を合計し、第１の貯蔵ダイオードと第２の貯蔵ダイオードとにおける光電荷の合計を第３の貯蔵ダイオードと第４の貯蔵ダイオードとにおける光電荷の合計と比較するようにさらに構成される。いくつかの実施形態において、第１の対のフォトダイオードと第２の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有しておらず、第３の対のフォトダイオードと第４の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有していない。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態によると、画像感知デバイスは、複数のフォトダイオードと、複数の貯蔵ダイオードとを含む。各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置される。画像感知デバイスは、各フォトダイオードを第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび第２の隣接する貯蔵ダイオードに電気的に結合する制御回路も含む。制御回路は、（ｉ）各フォトダイオードから第１の隣接する貯蔵ダイオードに光電荷を転送すること、および、（ｉｉ）各フォトダイオードから第２の隣接する貯蔵ダイオードに光電荷を転送することを交互に繰り返すために構成される。
【００３５】
以下の説明は、添付図面とともに、請求される発明の性質および利点のさらなる理解を提供するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の実施形態による、深度測定のための飛行時間（ＴｏＦ）撮像システムを図示する略図である。
【００３７】
【図２Ａ】図２Ａおよび２Ｂは、本発明の実施形態による、較正のための光ファイバのフィードバックを有する飛行時間（ＴｏＦ）撮像システムにおける画像センサピクセルアレイの例を図示する略図である。
【図２Ｂ】図２Ａおよび２Ｂは、本発明の実施形態による、較正のための光ファイバのフィードバックを有する飛行時間（ＴｏＦ）撮像システムにおける画像センサピクセルアレイの例を図示する略図である。
【００３８】
【図３】図３は、本発明の実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）撮像システム内の光学フィードバック経路を図示する略図である。
【００３９】
【図４】図４Ａおよび４Ｂは、本発明の実施形態による、較正のための光ファイバのフィードバックを伴う飛行時間（ＴｏＦ）撮像システムを図示する略図である。
【００４０】
【図５】図５は、本発明の実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）深度測定のための方法を図示するタイミング図である。
【００４１】
【図６】図６は、本発明の実施形態による、感知される信号対光からシャッタまでの遅延時間を図示する略図である。
【００４２】
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施形態による、２つのシャッタを用いた２つの信号の感知される信号対光からシャッタまでの遅延時間を図示する略図である。
【００４３】
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施形態による、２つのシャッタを用いた２つの信号のシミュレーションされた信号対光からシャッタまでの遅延時間を図示する略図である。
【００４４】
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の実施形態による、２つのシャッタを用いた２つの信号のシミュレーションされた信号対深度を図示する略図である。
【００４５】
【図８】図８は、本発明の実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）撮像システムにおける較正および深度測定のための方法を図示するタイミング図である。
【００４６】
【図９】図９は、本発明の実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）撮像システムにおける較正および深度測定のための方法を図示する別のタイミング図である。
【００４７】
【図１０】図１０は、本発明の実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）撮像システムにおける較正および深度測定のための方法を図示するフローチャートである。
【００４８】
【図１１】図１１は、本発明のいくつかの実施形態による、グロバールシャッタ画像センサのためのピクセル回路を図示する概略図、およびフォトダイオードを含むピクセルの一部の断面図を示す。
【００４９】
【図１２】図１２は、本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させる方法を図示する波形タイミング図である。
【００５０】
【図１３】図１３は、本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させるための別の方法を図示する波形タイミング図である。
【００５１】
【図１４】図１４は、本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させる方法を図示するフローチャートである。
【００５２】
【図１５】図１５は、本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させる方法を図示するフローチャートである。
【００５３】
【図１６】図１６は、本発明の実施形態による、ピクセルセルの別の例を図示する概略図である。
【００５４】
【図１７】図１７は、本発明の実施形態による、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルの一部の別の例を図示する概略図である。
【００５５】
【図１８】図１８は、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルデバイス構造を図示する断面図を示す。
【００５６】
【図１９】図１９Ａ−１９Ｆは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルにおける種々の構成要素のレイアウトオプションを図示する上面図である。
【００５７】
【図２０Ａ】図２０Ａ−２０Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルのシミュレーション結果を図示する。
【図２０Ｂ】図２０Ａ−２０Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルのシミュレーション結果を図示する。
【図２０Ｃ】図２０Ａ−２０Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルのシミュレーション結果を図示する。
【図２０Ｄ】図２０Ａ−２０Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルのシミュレーション結果を図示する。
【図２０Ｅ】図２０Ａ−２０Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルのシミュレーション結果を図示する。
【００５８】
【図２１Ａ】図２１Ａ−２１Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルアレイのための相互接続レイアウト構造を図示する。
【図２１Ｂ】図２１Ａ−２１Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルアレイのための相互接続レイアウト構造を図示する。
【図２１Ｃ】図２１Ａ−２１Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルアレイのための相互接続レイアウト構造を図示する。
【００５９】
【図２２Ａ】図２２Ａ−２２Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルアレイのためのレンズレイアウト構造を図示する。
【図２２Ｂ】図２２Ａ−２２Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルアレイのためのレンズレイアウト構造を図示する。
【図２２Ｃ】図２２Ａ−２２Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルアレイのためのレンズレイアウト構造を図示する。
【図２２Ｄ】図２２Ａ−２２Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルアレイのためのレンズレイアウト構造を図示する。
【図２２Ｅ】図２２Ａ−２２Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルアレイのためのレンズレイアウト構造を図示する。
【００６０】
【図２３】図２３は、本発明のいくつかの実施形態による、画像感知システムを図示するブロック図である。
【００６１】
【図２４】図２４は、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセル信号対レーザからシャッタまでの遅延時間を示す実験結果のグラフである。
【００６２】
【図２５】図２５は、本発明のいくつかの実施形態による、グロバールシャッタ画像感知のためにピクセル回路を動作させる方法を図示する波形タイミング図である。
【００６３】
【図２６】図２６は、本発明のいくつかの実施形態による、ローリングシャッタ画像感知のためにピクセル回路を動作させる方法を図示する波形タイミング図である。
【００６４】
【図２７】図２７は、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルを図示する簡略化された上面図である。
【００６５】
【図２８】図２８は、本発明のいくつかの実施形態による、差動ピクセルセルを図示する簡略化された上面概略図である。
【００６６】
【図２９Ａ】図２９Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、差動ピクセルセルを図示する簡略化された回路図である。
【００６７】
【図２９Ｂ】図２９Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、図２９Ａのピクセル回路のピクセル内差動モード動作のための支援回路を図示する簡略化された概略図である。
【００６８】
【図３０Ａ】図３０Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、図２８、２９Ａ、および２９Ｂのピクセルセルのための飛行時間（ＴｏＦ）動作を図示するタイミング図である。
【００６９】
【図３０Ｂ】図３０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、図１１のピクセルセルのための飛行時間（ＴｏＦ）動作を図示するタイミング図である。
【００７０】
【図３０Ｃ】図３０Ｃは、従来の位相変調飛行時間（ＴｏＦ）動作を図示するタイミング図である。
【００７１】
【図３１】図３１は、本発明のいくつかの実施形態による、図２８のピクセルセルにおけるフォトダイオードの動作を図示する電位のプロットである。
【００７２】
【図３２】図３２Ａおよび３２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、図１１のピクセルセルにおけるフォトダイオードの動作を図示する電位のプロットである。
【００７３】
【図３３】図３３は、差動ＴｏＦモード動作のための方法を要約するフローチャートである。
【００７４】
【図３４】図３４は、本発明のいくつかの実施形態による、ビニングモード動作のためのピクセルセルを図示する簡略化された上面概略図である。
【００７５】
【図３５】図３５は、本発明のいくつかの実施形態による、フル解像度モード動作のためのピクセルセルを図示する簡略化された上面概略図である。
【００７６】
【図３６】図３６は、本発明のいくつかの実施形態による、図２８のピクセルセルの一部のレイアウトを図示する線画プロットである。
【００７７】
【図３７】図３７Ａ、３７Ｂ、および３７Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、図２８−２９Ｂのピクセルセルを使用して実装され得る異なる動作モードを図示する簡略化されたタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００７８】
本発明の実施形態は、ＴｏＦ深度測定を可能にするシステムおよび方法を提供し、ＴｏＦ深度測定は、光学フィードバックおよび高速画像処理を使用して高い正確度を提供する較正を伴う。ある範囲の深度測定が、センサ性能および電力消費に及ぼす最小限の影響を伴って、各フレームのために較正され得る。
【００７９】
上で列挙された一連の図面を参照して、下記説明が、提示される。これらの略図は、例にすぎず、本明細書の請求項の範囲を不当に限定すべきではない。図示かつ説明される種々の側面に関連して、当業者は、他の変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
【００８０】
図１は、本発明の実施形態による、深度測定のための飛行時間（ＴｏＦ）撮像システムを図示する略図である。図１に示されるように、ＴｏＦデジタルカメラとも称される飛行時間（ＴｏＦ）撮像システム１００は、標的物体までの距離を決定するために、標的物体１２０を照明するための光パルス１１２を伝送するための照明器１１０を含む。照明器１１０は、標的物体に向かって光パルス１１２を放射するためのパルス照明ユニットおよび光学系を含み得る。この例において、照明器１１０は、例えば、レーザ光源を使用して光を標的物体に伝送するように構成される。しかしながら、例えば、赤外線光、無線周波数ＥＭ波等の他の電磁放射源も、使用され得ることを理解されたい。撮像システム１００はまた、センサレンズの視野（ＦＯＶ）１３２内の光パルスからの光学信号を受信するための感光性ピクセルアレイを含むゲートセンサユニットを有する画像センサ１３０も含む。ピクセルアレイは、図２Ａおよび２Ｂに関連して下で解説されるように、アクティブ領域と、フィードバック領域とを含む。撮像システム１００は、照明器１１０からの光の一部をピクセルアレイのフィードバック領域に向けるための光学フィードバックデバイス１４０も有する。光学フィードバックデバイス１４０は、事前設定された基準深度を提供する。事前設定された基準深度は、固定ＴｏＦ長であり得、それは、感知された光と深度測定値とを互いに関係づけるルックアップテーブル（ＬＵＴ）を作成するために使用され得る。いくつかの実施形態において、光学フィードバックデバイスは、照明ユニットからの直接光をセンサユニットにおけるレンズの視野（ＦＯＶ）の中に折り曲げ得る。撮像システム１００は、光同期信号とシャッタ同期信号とを照明器と画像センサとに提供するためのＴｏＦタイミング発生器１５０をさらに含む。
【００８１】
図１において、ＴｏＦ撮像システム１００は、標的物体１２０を照明するための光パルスを伝送するように構成されている。撮像システム１００は、ピクセルアレイのフィードバック領域において、深度の範囲を表す遅延時間を含む一続きのシャッタ窓を使用して、光学フィードバックデバイス１４０からの光を感知するように構成されている。深度の範囲は、撮像システムによって決定され得る距離の範囲全体を含み得る。撮像システム１００は、ピクセルアレイのフィードバック領域において感知された光に基づいて、飛行時間（ＴｏＦ）深度測定基準情報を較正する。撮像システム１００は、感光性ピクセルアレイのアクティブ領域において、標的物体から反射される光を感知し、感知された反射光と較正されたＴｏＦ測定基準情報とに基づいて標的物体の距離を決定するようにさらに構成されている。
【００８２】
図２Ａは、本発明の実施形態による、撮像システム１００において使用され得るピクセルアレイを図示する簡略図である。示されるように、ピクセルアレイ２００は、複数のピクセル２１２を含み、ピクセルアレイにおける各ピクセルは、入射光を電流に変換する、感光性要素（例えば、フォトダイオード）を含む。高速電子スイッチが、光感知動作のタイミングを制御するためのシャッタとして使用される。飛行時間（ＴｏＦ）カメラは、光が源から物体まで、およびカメラのセンサまで進行する間の時間を決定することによって、深度画像を入手する。これは、一続きの時間窓を使用して、光パルスを用いて物体または場面を照明し、センサにおいて受信される光学信号に畳み込みプロセスを適用することによって、行われることができる。さらなる詳細が、下で説明される。図２Ａに示されるように、ピクセルアレイ２００は、アクティブ領域２１０と、フィードバック領域２２０とを含む。アクティブ領域は、標的物体の距離を決定するために使用され得、フィードバック領域は、深度較正のために使用され得る。ピクセルアレイは、干渉を低減させるために、アクティブ領域２１０からフィードバック領域２２０を分離する隔離領域２２１も含み得る。隔離領域の寸法は、フィードバックループからの光が対物レンズによって収集される撮像信号を汚染することを防止するように、選択され得る。いくつかの実施形態において、例えば、隔離領域は、約１００μｍ〜２００μｍの幅を有し得る。いくつかの実施形態において、フィードバック領域２２０は、視野の外側にあるピクセルアレイの一部、例えば、ピクセルアレイの角、またはあまり使用されていない領域に位置し得る。したがって、センサの専用フィードバック領域は、あまりオーバーヘッドを招かない。小型のフィードバック領域は、限定された数のピクセル、例えば、単一のピクセルから１０×１０個のピクセルのアレイを有し得、それは、高速の感知および信号処理を可能にする。いくつかの実施形態において、より大きなフィードバック領域が、より良好な信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供するために使用され得る。小型のアレイにおけるピクセルを平均することは、正確度に寄与し得る。いくつかの実施形態において、フィードバック領域およびアクティブ領域の両方は、較正段階中、別個に露出される。その２つの間の差が、ランタイムにおける補償のために使用され得る。
【００８３】
図２Ｂは、本発明の別の実施形態による、撮像システム１００において使用され得るピクセルアレイを図示する簡略図である。図２Ｂに示されるように、ピクセルアレイ２５０は、図２Ａのピクセルアレイ２００に類似するが、２つ以上のフィードバック領域を有し得る。ピクセルアレイ２５０は、アクティブ領域２１０と、２つ以上のフィードバック領域２２０とを含む。ピクセルアレイは、アクティブ領域から各フィードバック領域を分離する隔離領域２２１も含み得る。隔離領域は、フィードバック領域とアクティブ領域との間の干渉を低減させ得る。ピクセルアレイ２５０は、２つの照明源を有するＴｏＦ撮像システムにおいて使用され得る。いくつかの実施形態において、撮像システムは、３つ以上の照明源と、対応するフィードバックセンサ領域とを含み得る。
【００８４】
図３は、図１の飛行時間（ＴｏＦ）撮像システム１００の一部を図示する単純化された概略図である。図３は、光学フィードバックデバイスが、光学フィードバックデバイス１４０からアレイにおける通常のピクセルへの光漏出を防止するように構成されることを図示する。ＦＯＶの縁において挿入される光は、ピクセルアレイにおける特定のピクセルにしか衝打することができず、異なる角度を有する光は、センサの光学系に進入することができない。
【００８５】
いくつかの実施形態において、光学フィードバックデバイスは、照明ユニットからの直接光をセンサユニットにおけるレンズの視野（ＦＯＶ）の中に折り曲げるように構成され得る。図４Ａおよび４Ｂは、本発明の実施形態による、較正のための光ファイバのフィードバックを伴う飛行時間（ＴｏＦ）撮像システム４００を図示する簡略図である。図４Ａは、撮像システムの上面図であり、図４Ｂは、その側面断面図である。撮像システム４００は、プリント回路基板（ＰＣＢ）４０１上に配置された照明ユニット４１０およびセンサユニット４３０を含む。図４Ａおよび４Ｂに示されるように、照明ユニット４１０は、照明筐体４１８の内側に、ダイオードレーザ源４１２と、コリメートレンズ４１４と、拡散器４１６とを含む。センサユニット４３０は、画像センサ４３２と、レンズ４３４と、画像センサ上に接着剤４３８を用いて搭載された鏡筒４３６とを含む。撮像システム４００は、フィードバック経路を提供するための光ファイバ４２０を有する。本実施形態において、光ファイバ４２０が、照明筐体の内部（例えば、内側の寄生反射）からある量の光を収集し、それを画像センサ４３２のピクセルアレイ４４０の角４４２、但し、鏡筒４３６の外側に向ける。いくつかの実施形態において、不透明な接着剤４３８が、光が鏡筒に進入することを遮断する。この例において、ピクセルアレイの角領域４４２が、画像センサのフィードバック領域としての役割を果たす。
【００８６】
図５は、本発明の実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）深度測定のための方法を図示するタイミング図である。図５において、水平軸は、時間であり、垂直軸は、光信号の強度または大きさである。波形１は、センサに到着する光パルスを表し、光パルスは、標的から反射されるか、または、フィードバック光学デバイスによって提供され得る。波形２は、シャッタ窓を表す。光パルスが、幅Ｗｌｉｇｈｔを有し、シャッタ窓が、Ｗｓｈｕｔｔｅｒの幅を有することが理解され得る。さらに、光の前縁とシャッタとの間、時間遅延ＤＬ−＞ＳＨが、存在する。センサによって感知された光の量は、光に対するシャッタの相対的遅延とともに変動することが理解され得る。
【００８７】
図６は、本発明のいくつかの実施形態による、感知される光信号対光からシャッタまでの遅延時間の大きさを図示する略図である。図６において、水平軸は、光からシャッタまでの遅延ＤＬ−＞ＳＨであり、垂直軸は、センサによって感知された光の量である。略図は、いくつかの領域６０１〜６０５に分割される。領域６０１において、シャッタ窓は、光パルスからはるか前方（左方）にあり、シャッタは、光が到着する前にすでに閉鎖されている。換言すると、光からシャッタまでの遅延は、負である。したがって、シャッタと光との間の重複が存在しない。遅延は、水平軸の右側に移動し、増加する。点６１１において、シャッタが、光と重複し始める。遅延が領域６０２を通してさらに増加するにつれて、シャッタと光との間の重複が、増加し続け、さらなる光が、感知され、領域６０２において上昇曲線をもたらす。点６１２において、光の全幅が、シャッタ窓と重複し始める。領域６０３において、シャッタは、光パルスの持続期間全体を通して完全に開放しており、領域６０３の幅は、（開口部Ｗｓｈｕｔｔｅｒの幅−光パルスＷｌｉｇｈｔの幅）によって決定される。この領域において受け取られる光の大きさは、顕著「シャッタオン信号」である。点６１３において、シャッタ窓の立ち上がりエッジが、光パルスの立ち上がりエッジと整列させられ、点６１７によってマーキングされるように、遅延ＤＬ−＞ＳＨは、ゼロである。領域６０４において、遅延ＤＬ−＞ＳＨが、増加し続け、シャッタ窓と光との間の重複が、減少する。結果として、感知される光の大きさは、減少曲線によって示されるように、この領域において減少する。点６１５において、遅延は、光の幅に等しく、シャッタは、光パルスが終了しているとき、開放しており、結果として、光は、感知されない。領域６０５において、シャッタは、光パルスがすでに通過した後、開放している。領域６０５において、光は、感知されず、この領域において感知される光の量は、顕著「シャッタオフ信号」である。領域６０２および６０４において、センサによって収集される光の量が、光からシャッタまでの遅延ＤＬ−＞ＳＨに応じて変動することに留意されたい。これらの領域は、下で解説されるように、ＴｏＦ深度測定較正において使用される。
【００８８】
図７Ａは、本発明の実施形態による、２つのシャッタを用いた２つの信号の感知される光信号対光からシャッタまでの遅延時間を図示する略図である。飛行時間（ＴｏＦ）カメラは、源から物体に進行し、反射してカメラに戻る光が必要とする時間を決定することによって、深度画像を入手する。これは、光パルスを用いて物体または場面を照明し、種々の遅延時間を伴う一続きの窓の畳み込みをセンサによって受信される光学信号に適用することによって行われ得る。いくつかの実施形態において、複数の群の較正光パルスが、深度の範囲を表す遅延時間を含む一続きのシャッタ窓を使用して伝送される。読み出し動作が、光パルスの各群に続く。各読み出しにおいて、光学フィードバックデバイスからの光が、センサのピクセルアレイのフィードバック領域において感知される。読み出しデータが、次いで、ＴｏＦ深度データを決定するために、畳み込みプロセスを使用して分析される。上で説明されるように、図６の領域６０２および６０４において、センサにおいて収集される光の量は、光からシャッタまでの遅延ＤＬ−＞ＳＨに応じて変動する。図６のそれに類似する、感知された光データが、収集され得る。これらの領域が、ＴｏＦ深度測定較正において使用される。図７Ａに示されるように、２つの較正シーケンスが、標的物体の未知の反射率の影響を低減させるために実行され得、図中、２つのシーケンスが、Ｓ１およびＳ２と示されている。ある実施形態において、２つのシーケンスに関する光からシャッタまでの遅延ＤＬ−＞ＳＨの差異は、シャッタ窓の幅Ｗｓｈｕｔｔｅｒに等しい。この条件下で、シーケンスＳ１の領域６０４およびシーケンスＳ２の領域６０２は、図７Ａのプロットにおいて整列させられ、スライスｔ−１、ｔ−２、・・・ｔ−ｋを形成し得る。各スライスにおいて、Ｓ１およびＳ２において収集された光の量は、それぞれ、反射された光パルスの２つの部分を表し、Ｓ２／Ｓ１の比率は、標的物体までの対応する深度または距離に関連する。図７Ａの点ＡとＢとの間の領域は、このＴｏＦ撮像機によって決定され得る深度範囲を表す。受け取られる光のデータは、標的の正面におけるＡとＢとの間の遅延を伴う複数の点において測定することによって収集され得る。畳み込みプロセスを使用して、比率Ｓ２／Ｓ１を標的までの深度または距離に関連させるルックアップテーブル（ＬＵＴ）が、構成され得る。最初のルックアップテーブルが、工場較正プロセスにおいて構築され得る。後続のＴｏＦ深度測定において、２つの測定が、図７Ａの時間の同一のスライスからの遅延を用いて行われる。感知される光の比率Ｓ２／Ｓ１が、感知されたデータに基づいて決定され、対応する深度が、ルックアップテーブルから決定され得る。
【００８９】
図７Ｂは、本発明の実施形態による、２つのシャッタを用いた２つの信号のシミュレーションされた信号対光からシャッタまでの遅延時間を図示する略図である。カメラから１００ｃｍにおける平坦な標的を用いた静的試験において２つのシャッタを用いて、シミュレーションが、実行され、光からシャッタまでの遅延の範囲を走査した。図７Ａと同様、２つのシャッタＳ１およびＳ２に関するシャッタ信号（すなわち、センサにおいて収集される光電子の数）が、プロットされている。この図において、深度は、負であり得る。図７Ｂの水平軸において、遅延が、以下の等式によって深度に変換される。
＜深度＞＝＜光の速度＞／２＊（＜電子的遅延＞−＜シミュレーション遅延ベクトル＞）
【００９０】
いくつかの実施形態において、光パルスの幅は、５〜１０ナノ秒であり、シャッタ窓幅は、５〜１５ナノ秒である。検査された遅延の範囲は、５〜２０ナノ秒である。いくつかの実施形態において、光パルス幅は、３ナノ秒〜２０秒であり得る。シャッタの幅は、同一の範囲内であり得る。
【００９１】
図７Ｃは、本発明の実施形態による、２つのシャッタを用いた２つの信号のシミュレーションされた信号対深度を図示する略図である。図７Ｃは、異なる距離における壁に対するレール上で測定されるようなデータ（１／距離２の減衰を伴う）を示す。Ｓ２／Ｓ１の比率と深度との間に相関が存在することが理解され得る。
【００９２】
図５、６、および７Ａ−７Ｃに説明される方法を使用して取得されるもの等の試験データから、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）が、工場較正プロセス内で構築される。ＴｏＦ深度測定において、Ｓ２／Ｓ１の比率が、感知されたデータに基づいて決定され、対応する深度が、ルックアップテーブルから決定され得る。
【００９３】
上で説明されるように、飛行時間深度測定システムは、温度、電圧、およびフレームレート等のプロセスおよび動作条件の変動を受けやすくあり得る。変動の影響を軽減するために、本発明の実施形態は、上で説明されるような光学フィードバックデバイスを使用するＴｏＦ深度測定のランタイム較正のためのシステムおよび方法を提供する。少数のフィードバックピクセルは、高速の感知および信号処理を可能にし、例えば、光ファイバによって提供される強力なフィードバック照明を用いて、サンプリングパルスの数が、多いに低減させられ得る。照明および読み出しのプロセスが、短時間において実行されることができる。結果として、深度較正は、カメラのフレームレートに影響を及ぼすことなく、ランタイム時に実行されることができる。較正は、各フレームにおいて実行されることができる。さらに、電力消費または専用フィードバックピクセルにおけるオーバーヘッドは、小さい。ピクセルアレイのフィードバック領域とアクティブ領域との間の隔離が、干渉を最小化するために提供される。
【００９４】
図８は、本発明の実施形態による、飛行時間深度測定のフレーム間の深度プロファイル較正のための方法を図示するタイミング図である。方法は、安定化期間８１０と、較正期間８２０と、測定期間８３０とを含む。安定化期間８１０において、熱的安定化照明パルスが、放射され、センサの熱的安定化のためのダミー読み出しが、後に続く。較正期間８２０において、飛行時間ルックアップテーブル（ＬＵＴ）が、較正される。ここで、複数の群の較正照明パルスＰ−１、Ｐ−２、・・・Ｐ−Ｎが、深度の範囲を表す遅延時間を含む一続きのシャッタ窓を使用して放射される。読み出し動作Ｒ−１、Ｒ−２、・・・Ｒ−Ｎが、それぞれ、光パルスの各群の後に続く。各読み出しにおいて、光学フィードバックデバイスからの光が、センサのピクセルアレイのフィードバック領域において感知される。読み出しデータが、次いで、図５、６、および７Ａ−７Ｃに関連して上で説明されるように、ＴｏＦ深度データを決定するために、畳み込みプロセスを使用して分析される。深度データが、次いで、ルックアップテーブルを較正するために使用される。
【００９５】
測定期間８３０は、２つのステップ８３１および８３２を有する。第１のステップ８３１において、第１のシャッタ遅延Ｄ１を伴う光パルスの第１の群Ｓ１が、標的を照明するために伝送される。少量の光のみが、シャッタ窓内のセンサによって収集され得るので、信号対雑音比を増加させるために、多くの場合、多数（例えば、数千）のパルスが、送出され、採集される。「Ｓ１読み出し」期間中、標的から反射される光が、センサにおけるピクセルのアクティブ領域において感知される。第２のステップ８３２において、第２のシャッタ遅延Ｄ２を伴う光パルス２の第２の群Ｓ２が、標的を照明するために伝送される。Ｓ２読み出し中、標的から反射される光が、センサにおけるピクセルのアクティブ領域において感知される。次に、感知されたデータ読み出し値の比率Ｓ２／Ｓ１が、較正されたルックアップテーブルを使用して標的物体の距離を決定するために使用される。いくつかの実施形態において、Ｓ１およびＳ２は、工場較正プロセスまたは適用分野において選定された事前設定された遅延を有する。
【００９６】
図９は、本発明の実施形態による、深度プロファイル較正が飛行時間深度測定のフレーム間に適合し得ることを例証するタイミング図である。図９は、図８に類似し、各動作が飛行時間深度測定のフレーム内で要する時間の長さの例を解説するために使用される。本実施形態において、熱的安定化パルスは、０．１５ミリ秒を要し、熱的安定化のためのダミー読み出しは、０．１ミリ秒を要する。したがって、安定化期間の長さは、約０．２５ミリ秒である。ルックアップテーブル（ＬＵＴ）較正期間８２０において、各々が異なる光からシャッタまでの遅延時間を伴う較正光パルスと読み出しとの２０個のステップが、使用される。ある例において、各ステップは、各々が１５０ナノ秒のパルス幅を有し、３μ秒の読み出し動作がその後に続く、３０個のパルスを含む。したがって、較正期間は、約０．１５ミリ秒を要する。測定期間８３０において、Ｓ１ステップは、０．５ミリ秒の読み出しが後に続く、１．５ミリ秒の光パルス（例えば、１５０ナノ秒パルスの１，０００個のパルス）を含み得る。同様に、Ｓ２ステップは、０．５ミリ秒の読み出しが後に続く、２．０ミリ秒の光パルスを含み得る。この例において、安定化と、全範囲深度較正と、ＴｏＦ深度測定とを含む完全な動作は、４．９ミリ秒を要する。較正段階は、全動作の約１／３００を要する。この光学動作は、１秒あたり６０個以上のフレームのフレームレート（ｆｐｓ）に適合するために十分に高速である。
【００９７】
本発明の実施形態は、従来の方法に優る多くの利点を提供する。例えば、フィードバック光学デバイスは、較正のための強力な光を提供することができる。例えば、フィードバック光学デバイスは、光ファイバを含み得る。ピクセルアレイにおける１つ以上の別個のフィードバック領域が、フィードバック光学信号を感知するために使用される。フィードバック領域は、ピクセルアレイの未使用またはあまり使用されていない領域において構成され、アレイのアクティブ領域よりはるかに小さい。例えば、フィードバック光学デバイスが強力な信号を提供することができる場合、いくつかのピクセルが、フィードバック感知のために十分である。小さいフィードバック感知領域は、迅速な感知および感知されたデータの高速処理を可能にし、着目深度範囲の高速較正を可能にする。
【００９８】
図１０は、本発明の実施形態による、全範囲深度較正を含むＴｏＦ深度測定のための方法を図示する簡略化されたフローチャートである。上で説明される方法は、図１０のフローチャートにおいて要約されることができる。示されるように、方法１０００は、ステップ１０１０において、標的物体を照明するための光パルスを伝送することを含む。次に、ステップ１０２０において、光学フィードバックデバイスから提供された光が、感光性ピクセルアレイの第１の領域において感知される。ここで、第１の領域は、フィードバック領域として使用される。光学フィードバックデバイスは、伝送された光パルスの一部を受け取る。フィードバック光学デバイスは、ＴｏＦ深度測定の事前設定された基準深度を含む。光学フィードバックデバイスからの光は、ある範囲の距離を表す遅延時間を含む一続きのシャッタ窓を使用して、サンプリングされる。ＴｏＦ深度測定のために、方法は、ステップ１０３０において、感光性ピクセルアレイの第２の領域において、伝送された光パルスからの標的物体から反射された光である場面データを感知することを含む。第２の領域は、ピクセルアレイのアクティブ領域である。方法は、ステップ１０４０において、ピクセルアレイの第１の領域において感知される光に基づいて、飛行時間（ＴｏＦ）深度測定基準情報を較正することを含む。このプロセスは、図５、６、および７Ａ−７Ｃに関連して、上で詳細に説明される。実施形態に応じて、ステップ１０３０および１０４０が、任意の順序で実行され得ることに留意されたい。例えば、較正データ（１０２０）および場面データ（１０４０）が捕捉された後、データ較正が、最初に処理され得、次いで、場面データが、処理される。代替として、ＴｏＦデータ較正および場面データ処理の両方が、同時に実行されることもできる。次いで、方法は、ステップ１０５０において、感知された反射光および較正されたＴｏＦ測定基準情報に基づいて標的物体の距離を決定することを含む。
【００９９】
いくつかの実施形態において、方法は、事前設定されたフレームレートによって特徴付けられるデジタルカメラにおいて実行されることができる。較正は、カメラの単一のフレーム期間に適合し得る。ある実施形態において、光学フィードバックデバイスからの光が、ある範囲の距離を表す遅延時間を含む一続きのシャッタ窓を使用して、サンプリングされる。次いで、測定される信号を距離に互いに関係づけるために、畳み込みプロセスが、使用される。上で説明される方法のさらなる詳細は、「Ｒｅａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ  Ｄｅｐｔｈ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」と題された２０１７年９月２９日に出願された米国特許出願１５／７２１，６４０号（その内容全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）で見出されることができる。
【０１００】
本発明のいくつかの実施形態によると、画像感知デバイスは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルと、画像センサデバイスの露出段階とサンプリング段階とを制御するための制御回路とを含むことができる。図２Ａおよび２Ｂは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルの例を図示する。画像感知デバイスは、図８および９に関連して上で説明される本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）深度プロファイルのための方法を実装するために使用されることができる。そのような画像デバイスで使用され得るピクセルセルの例が、図１１−１３に関連して下で説明される。
【０１０１】
図１１は、本発明のいくつかの実施形態による、グロバールシャッタ画像センサのためのピクセル回路を図示する概略図１１００、およびフォトダイオードを含むピクセルの一部の断面図を示す。ピクセル回路１１１０は、フォトダイオード１１１４、例えば、埋め込みフォトダイオード（ＰＰＤ）と、貯蔵ダイオード（ＳＤ）１１１８と、フローティングディフュージョン（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ、ＦＤ）１１１９とを含む。本明細書で使用されるように、貯蔵ダイオード（ＳＤ）は、感知拡散（ｓｅｎｓｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ、ＳＤ）とも称される。ピクセル回路１１１０は、トランジスタと、対応する制御信号とも含む。制御信号は、画像感知デバイスにおける制御回路によって提供されることができる。例えば、グロバールシャッタトランジスタ１１１１が、グロバールシャッタ（ＧＳ）制御信号を受信するために結合され、第１の転送ゲートトランジスタ１１１２が、第１の転送信号（ＴＸ１）を受信し、第２の転送ゲートトランジスタ１１１３が、第２の転送信号（ＴＸ２）を受信し、リセットトランジスタ１１１５が、リセット信号（ＲＳＴ）を受信する。ソースフォロワトランジスタ（ＳＦ）１１１６および選択トランジスタ１１１７が、選択（ＳＥＬ）信号を受信する。
【０１０２】
上で説明されるピクセル回路は、読み出し雑音を低減させるために、フローティングディフュージョン領域における電荷の相関二重サンプリング（ＣＤＳ）のために構成されることができる。相関二重サンプリングにおいて、ピクセルの基準電圧（すなわち、リセットされた後のピクセルの電圧）が、各積分期間の終了時にピクセルの信号電圧（すなわち、積分の終了時のピクセルの電圧）から除去される。
【０１０３】
図１１は、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセル回路１１１０の一部におけるピクセルセル１１５０の断面図も図示する。示されるように、ピクセルセル１１５０は、基板１１５１と、フォトダイオード（ＰＰＤ）１１１４と、接地接点とを含み、接地接点は、電気接地導電線を通してフォトダイオードの第２の端部を電気接地（ＶＳＳ）に結合する。ピクセルセル１１５０は、フォトダイオードに隣接し、バイアス電圧（ＶＡＡＧＳ）に結合されたドレイン領域１１５３も有する。さらに、ピクセルセル１１５０は、フォトダイオードＰＰＤ１１１４とドレイン領域１１５３との間に配置されたシャッタゲート１１１１を有する。シャッタゲート１１１１は、光感知のためにフォトダイオード（例えば、埋め込みフォトダイオードまたはＰＰＤ）にバイアス電圧を印加するためのグロバールシャッタ信号（ＧＳ）によって制御される。貯蔵ダイオード（ＳＤ）１１１８が、第１の転送信号（ＴＸ１）によって制御される第１の転送ゲート１１１２を通してフォトダイオードＰＰＤ１１１４に結合されている。
【０１０４】
フォトダイオードの例は、Ｐ型ウェル内に形成されるＮ型領域を有する半導体ダイオードを含むことができる。Ｐ型ウェルは、Ｎ型基板内に形成されることができる。埋め込みフォトダイオード（ＰＰＤ）は、Ｎ型領域の表面に配置された追加のＰ＋固定層を有し、それは、インターフェースが枯渇させられることを防止し、フォトダイオードを電気的に安定させる。
【０１０５】
回路ブロック１１３０は、信号Ｖバイアスによってバイアスをかけられる行電流源トランジスタ１１３７を含む。さらに、サンプルアンドホールド回路は、第１のコンデンサ１１３５に結合された第１のトランジスタ１１３１を含む。第１のトランジスタ１１３１は、信号サンプリング時間中に電荷をサンプリングするための第１のサンプルアンドホールド信号（ＳＨ／Ｓ）を受信する。第２のトランジスタ１１３２が、第２のコンデンサ１１３６に結合されている。第２のトランジスタ１１３２は、リセット時間中に電荷をサンプリングするための第２のサンプルアンドホールド信号（ＳＨ／Ｒ）を受信する。
【０１０６】
図１２は、本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させる方法を図示する波形タイミング図である。方法は、図１１に関連して上で説明されるピクセル回路１１０を使用して、実装されることができ、制御信号は、画像感知デバイスにおける制御回路によって発生させられる。画像感知デバイスの例が、図２３に図示される。図１２に示されるように、方法は、露出期間およびサンプリング期間を含む。露出期間において、グロバールシャッタ（ＧＳ）信号が、第１の複数の時間窓１２１０においてオンにされ、フォトダイオードをアクティブにし、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知する。各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間が、図８および９に関連して上で説明されるように、Ｄ１として指定される。この時間中、第１の転送信号（ＴＸ１）１２２０は、図１１の第１の転送ゲート１１１２をアクティブにするために上昇させられている。図１１に示されるように、このアクションは、フォトダイオード（ＰＰＤ）１１１４および貯蔵ダイオード（ＳＤ）１１１８を結合する。
【０１０７】
サンプリング期間において、バックグラウンド信号が、最初にサンプリングされ、次いで、画像信号が、サンプリングされる。バックグラウンド信号をサンプリングするために、リセット（ＲＳＴ）信号１２３０および選択（ＳＥＬ）信号１２４０が、オンにされる。２つのサンプルアンドホールド制御信号ＳＨＲ１２５０およびＳＨＳ１２６０も、オンにされる。結果として、リセットレベル信号とも称されるバックグラウンド信号が、サンプルアンドホールドコンデンサ１３５および１３６に転送される。
【０１０８】
次に、第２の転送信号（ＴＸ２）１２７０が、図１の第２の転送ゲート１１１３をアクティブにするようにオンにされる。このアクションは、フォトダイオード（ＰＰＤ）および貯蔵ダイオード（ＳＤ）からの電荷が図１１のフローティングディフュージョン領域（ＦＤ）に転送されるようにする。電荷がフローティングディフュージョン（ＦＤ）に転送された後、第２の転送信号（ＴＸ２）は、図１２の１２７２において、オフにされる。ＳＥＬおよびＳＨＳ信号がオンにされると、フローティングディフュージョン領域（ＦＤ）における電荷は、相関二重サンプリングのために、図１１のサンプルアンドホールドコンデンサ１３５および１３６においてサンプリングされる。この時点で、コンデンサ１３５と１３６とにおける電荷は、第１の露出段階中に収集された電荷を表す第１のサンプリングされた信号１を決定するために、比較されることができる。このサンプリング動作は、図８および９に図示されるＳ１読み取り期間に対応する。
【０１０９】
図１２において、ＶＤＤは、電力供給電圧である。いくつかの実施形態において、電力供給電圧ＶＤＤは、露出期間中、それがサンプリング期間中の１２９０であるより高い電圧１２８０にある。例えば、電力供給電圧ＶＤＤは、露出期間中、４．５Ｖ（１２８０）であり得、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２は、露出期間中、３．３Ｖ（１２９０）であり得る。したがって、バイアス電圧ＶＡＡＧＳまたはＶＤＤは、第１の転送信号（ＴＸ１）および第２の転送信号（ＴＸ２）より高い。
【０１１０】
いくつかの実施形態において、図１１のグロバールシャッタゲート１１１１は、第１のグロバールシャッタ信号（ＧＳ）を提供することによって、第１の複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにするためにオンにされることができ、ＧＳ信号は、フォトダイオードを露出するための複数のグロバールシャッタパルスを有する。この場合、電力供給電圧ＶＡＡＧＳ（またはＶＤＤ）は、ある電圧、例えば、４．５Ｖにおいて維持され、第１のグロバールシャッタ信号（ＧＳ）は、パルス信号を印加するために使用される。
【０１１１】
いくつかの代替実施形態において、グロバールシャッタゲートは、電力供給電圧ＶＡＡＧＳ（またはＶＤＤ）を提供することによって、第１の複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにするために、オンにされることができ、ＶＡＡＧＳは、フォトダイオードを露出するための複数のパルスを有する。この場合、第１のグロバールシャッタ信号（ＧＳ）は、ある電圧、例えば、４．５Ｖにおいて維持され、電力供給電圧ＶＡＡＧＳ（またはＶＤＤ）は、パルス信号を印加するために使用される。本実施形態は、図１３にさらに図示される。
【０１１２】
図１３は、本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させるための別の方法を図示する波形タイミング図である。図１３は、１つの差異を伴って図１２に類似する。図１３において、グロバールシャッタゲート（図１１の１１１１）は、複数のパルス信号ＶＡＡＧＳまたはＶＤＤを受信する。対照的に、図１２において、グロバールシャッタゲート１１１１は、グロバールシャッタ制御信号（ＧＳ）から複数のパルス信号を受信する。いくつかの実施形態において、信号ＶＡＡＧＳまたはＶＤＤは、例えば、ナノ秒範囲内の高周波数パルス信号を含む。ドレイン変調を信号ＶＡＡＧＳまたはＶＤＤとともに使用するために、図１１の低静電容量ドレイン領域１５３が、使用される。
【０１１３】
図１４は、本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させる方法を図示するフローチャートである。図１４に示されるように、方法１４００は、図１１−１３に関連して上で説明されるピクセル回路を使用する方法を要約し、図８に関連して上で説明されるような安定化期間８１０、較正期間８２０、または測定期間８３０の第１の段階で使用され得る。
【０１１４】
方法１４００は、露出期間およびサンプリング期間を含む。露出期間において、１４１０において、方法は、第１の転送信号（ＴＸ１）を使用して、第１の転送ゲートをアクティブにし、フォトダイオード（ＰＰＤ）および貯蔵ダイオード（ＳＤ）を結合することを含む。１４２０において、複数の放射光パルスが、標的に伝送される。１４３０において、方法は、複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにし、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知することを含む。各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ１として指定される。シャッタ信号パルス（ＧＳまたはＶＤＤ）は、事前設定された第１の遅延Ｄ１を伴って照明パルスに整列させられる。
【０１１５】
サンプリング期間において、１４４０において、方法は、第２の転送信号（ＴＸ２）を使用して、第２の転送ゲートをアクティブにし、貯蔵ダイオード（ＳＤ）からフローティングディフュージョン領域（ＦＤ）に電荷を転送することを含む。１４５０において、フローティングディフュージョン領域における電荷が、第１の露出期間中に収集された電荷を表す第１のサンプリング信号Ｓ１を決定するためにサンプリングされる。
【０１１６】
図１５は、本発明のいくつかの実施形態による、飛行時間（ＴｏＦ）距離測定のためにピクセル回路を動作させる方法を図示するフローチャートである。図１５に示されるように、方法１５００は、図１１−１３に関連して上で説明されるピクセル回路を使用する方法を要約し、図８に関連して上で説明されるような測定期間８３０で使用され得る。方法１５００は、２つの露出およびサンプリング段階を含む。図１５において、第１の露出期間において、１５１０において、方法は、第１の転送信号（ＴＸ１）を使用して、第１の転送ゲートをアクティブにし、フォトダイオード（ＰＰＤ）と貯蔵ダイオード（ＳＤ）とを結合することを含む。１５２０において、複数の放射光パルスが、標的に伝送される。１５３０において、方法は、複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにし、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知することを含む。各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ１として指定される。第１のサンプリング期間において、１５４０において、方法は、第２の転送信号（ＴＸ２）を使用して、第２の転送ゲートをアクティブにし、貯蔵ダイオード（ＳＤ）からフローティングディフュージョン領域（ＦＤ）に電荷を転送することを含む。フローティングディフュージョン領域における電荷は、第１の露出期間中に収集された電荷を表す第１のサンプリング信号Ｓ１を決定するためにサンプリングされる。
【０１１７】
方法は、第２の露出期間において、１５５０において、第１の転送信号（ＴＸ１）を使用して、第１の転送ゲートをアクティブにし、フォトダイオード（ＰＰＤ）と貯蔵ダイオード（ＳＤ）とを結合することをさらに含む。１５６０において、第２の複数の放射光パルスが、標的に伝送され、フォトダイオードが、対応する第２の複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知するために、対応する複数の時間窓においてアクティブにされる。各時間窓と対応する放射光パルスとの間の遅延時間は、Ｄ２として指定される。１５７０において、第２のサンプリング期間において、方法は、第２の転送信号（ＴＸ２）を使用して、第２の転送ゲートをアクティブにし、貯蔵ダイオード（ＳＤ）からフローティングディフュージョン領域（ＦＤ）に電荷を転送することを含む。１５８０において、フローティングディフュージョン領域における電荷が、第２の露出期間中に収集された電荷を表す第２のサンプリング信号Ｓ２を決定するためにサンプリングされる。１５９０において、方法は、第１のサンプリング信号Ｓ１と第２のサンプリング信号Ｓ２とに基づいて、標的までの距離を決定することを含む。
【０１１８】
方法についてのさらなる詳細が、図８および９に関連して上で説明されている。例えば、標的までの距離は、第１のサンプリング信号Ｓ１および第２のサンプリング信号Ｓ２に基づくルックアップテーブルを使用するＴｏＦ方法に基づいて、決定されることができる。方法は、図８および９に関連して上で説明される畳み込み方法に基づくことができる。
【０１１９】
本発明のいくつかの実施形態において、画像センサデバイスが、ＴｏＦ距離測定のために提供される。画像センサデバイスは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルと、画像センサデバイスの露出段階およびサンプリング段階を制御するための制御回路とを含むことができる。図２Ａおよび２Ｂは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルの例を図示する。制御回路は、図１、３、および、図４Ａおよび４Ｂに図示されるように、パルス照明ユニット１１０、センサユニット１３０、およびＴｏＦタイミング発生器１５０等の回路を含むことができる。複数のピクセルセルのうちの１つの例が、図１１に図示される。
【０１２０】
図１６は、本発明の実施形態による、ピクセルセルの別の例を図示する概略図である。図１６に示されるように、ピクセルセル１６００は、半導体基板（図示せず）におけるフォトダイオード（ＰＰＤ）であって、フォトダイオードの第１の端部は、グロバールシャッタ信号（ＧＳ）によって制御されるシャッタゲート（ＳＧＴ）を通してバイアス電圧（ＶＡＡＧＳ）に結合されたフォトダイオードと、ドレイン領域（ドレイン）とを含む。接地接点（Ｇ１）が、電気接地導電線を通してフォトダイオードの第２の端部を電気接地（ＶＳＳ）に結合する。ピクセルセル１６００は、半導体基板内にあり、第１の転送信号（ＴＸ１）によって制御される第１の転送ゲート（ＴＧ１）を通してフォトダイオードに結合された貯蔵ダイオード（ＳＤ）も有する。半導体基板内のフローティングディフュージョン領域（ＦＤ）が、第２の転送信号（ＴＸ２）によって制御される第２の転送ゲート（ＴＧ２）を通して貯蔵ダイオード（ＳＤ）に結合される。切り替え回路Ｓ１は、露出段階でピクセル電力供給線を第１の電圧（Ｖ１）に、サンプリング段階で第２の電圧（Ｖ２）に結合するために構成される。この場合、第１の電圧（Ｖ１）は、第２の電圧（Ｖ２）より高くあり得る。ピクセルセル１６００は、感知回路に結合されたビット線に結合するためのソースフォロワ（ＳＦ）および選択トランジスタ（ＳＥＬ）をさらに有する。感知回路の一部が、図１１に関連して上で説明される。
【０１２１】
画像感知デバイスのいくつかの実施形態において、制御回路は、各時間窓と対応する放射光パルスとの間に所定の遅延時間を伴って、対応する複数の放射光パルスの結果として標的から反射される光を感知するために、複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにするように構成される。いくつかの実施形態において、複数のグロバールシャッタ信号パルス（ＧＳ）が、複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにし、反射光を感知するために、使用される。他の実施形態において、複数のバイアス電圧パルス（ＶＧＳＡＡ）が、複数の時間窓においてフォトダイオードをアクティブにし、反射光を感知するために、使用される。この場合、フォトダイオードは、ピクセルセルにおけるドレイン領域を通してバイアス電圧（ＶＡＡＧＳ）に結合される。
【０１２２】
図１７は、本発明の実施形態による、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルの一部の別の例を図示する概略図である。２つのピクセルセル、すなわち、セル１およびセル２が、図１７に示される。セル１およびセル２の各々は、図１６に関連して上で説明されるピクセルセル１６００に類似する。図１７は、奇数および偶数ピクセルにおける二重ビット線構成を図示する。ビット線Ｂ１は、セル１に関連付けられ、ビット線Ｂ２は、セル２に関連付けられることが理解され得る。高速読み出しは、アナログ読み出し機構の専用設計、およびコントローラによって画像を収集するための高速インターフェース回路と一緒に、奇数／偶数ピクセルのための二重ビット線構成によって可能にされることができる。
【０１２３】
本発明の実施形態において、ＴｏＦ測定が、ピクセルあたり単一の制御線のみを使用して、実装されることができる。いくつかの実施形態において、ＴｏＦ距離測定のための畳み込み方法が、説明される。このＴｏＦ方法は、異なる相対遅延を伴う光パルスおよびシャッタ窓を要求する。ＶＲおよびＡＲ用途に関して、着目距離は、比較的に短く、例えば、キロメートルの代わりに、メートルの範囲内の部屋の寸法であり得る。したがって、その方法は、非常に狭い光パルスおよびシャッタ窓を要求する。十分な光をサンプリングするために、各露出サイクルにおける複数（例えば、数千）の放射光パルスおよび狭いシャッタ窓が、必要とされる。したがって、高速ピクセルセルおよび回路が、提供される。いくつかの実施形態において、ピクセル回路は、ナノ秒範囲内で動作することができる。対照的に、従来のピクセル回路は、多くの場合、マイクロ秒範囲内で動作する。
【０１２４】
本発明のいくつかの実施形態において、高速飛行時間（ＴｏＦ）ゲーティングは、ピクセルあたり単一の制御線を使用することによって達成され、制御線は、低静電容量を維持するために他の制御線から隔離される。単一の制御線は、上で説明されるグロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートを制御するために使用されることができる。グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートは、グロバールシャッタ信号（ＧＳ）またはバイアス電圧（ＶＡＡＧＳ）のいずれかによって制御されることができる。対照的に、従来のＴｏＦピクセル技術は、２つの場合のうちの１つを含むことができる：１）ピクセルの２つの信号を同時に切り替えること。それは、良好な信号合致を要求する；または、２）基板信号を切り替えること。それは、実装するためのプロセス複雑性を要求する。
【０１２５】
ピクセルセルの高速切り替えを可能にするために、フォトダイオード（ＰＰＤ）、グローバルゲート（ＧＳ）、および第１の転送ゲート（ＴＸ１）は、図１１に関連して上で説明されるように、一緒に統合される。本明細書に説明されるピクセルセルおよびピクセル回路は、ＧＳのみの変調を用いて、ＴｏＦ撮像のみならず、グロバールシャッタまたはローリングシャッタ撮像のためにも使用されることができる。いくつかの実施形態において、ＰＰＤとＶＳＳとの間の抵抗の低減は、（図１６および１７の鎖線で示されるように）ピクセルあたりの専用ＶＳＳ接点を追加することによって、達成されることができる。ＧＳ線と他のグローバル線との間の寄生静電容量は、グローバル線を別個の金属層に移すことによって低減させられる。フォトダイオードは、ＰＰＤ  Ｖｐｉｎ（およびＦＷＣ）を低減させ、電荷担体の遷移時間を改良するように構成される。グロバールシャッタ線の幅および長さ寸法は、シャッタ効率を改良するように増加させられる。さらに、上で説明されるように、ＴｏＦ露出期間中、高電圧が、シャッタ効率を改良するために使用される。デバイス構造およびレイアウトのさらなる詳細が、下で説明される。
【０１２６】
図１８は、本発明のいくつかの実施形態によるピクセルセルデバイス構造を図示する断面図を示す。図１８において、セルＡは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルを図示する断面図であり、セルＢは、従来のピクセルセルを図示する断面図である。セルＡは、約８μｍの接合点深度を伴うフォトダイオード（ＰＰＤ）を有する一方で、セルＢは、約２μｍの接合点深度を有することが理解され得る。深い接合点を形成するための１つの方法は、基板のドーピングレベルを減少させることである。セルＡにおけるより深い接合点深度は、ピクセルセルにおける量子効率（ＱＥ）光感知を改良し得る。ある実装によると、フォトダイオードが製作されるエピタキシャル層は、６〜９ミクロンの範囲内の厚さを有することができ、エピタキシャル層におけるドーピング密度は、２Ｅ１３〜５Ｅ１３であり得る。
【０１２７】
図１９Ａ−１９Ｆは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルにおける種々の構成要素のレイアウトオプションを図示する上面図である。図１９Ａ−１９Ｆの各々において、ピクセルセルは、フォトダイオード（ＰＰＤ）、転送ゲート（ＴＧ）、および１つまたは２つのグロバールシャッタゲート（ＧＳ）を有することが示される。各図における破線は、図２０Ａ−２０Ｅに図示されるデバイスシミュレーション結果を参照してさらに解説される、電荷分水界である。
【０１２８】
図１９Ａは、フォトダイオード（ＰＰＤ）の一側面に配置された１つのグロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートを有するピクセルセルを図示し、転送ゲート（ＴＧ）は、グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートの隣接する側面に配置されている。図１９Ｂは、フォトダイオード（ＰＰＤ）の一側面に配置された１つのグロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートを有するピクセルセルを図示し、転送ゲート（ＴＧ）は、グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートの隣接する側面に配置されている。さらに、転送ゲート（ＴＧ）は、フォトダイオードの側面の中心に対してオフセットを有する。
【０１２９】
図１９Ｃは、フォトダイオード（ＰＰＤ）の一側面に配置された１つのグロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートを有するピクセルセルを図示し、転送ゲート（ＴＧ）は、グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートの反対側に配置されている。図１９Ｄは、フォトダイオード（ＰＰＤ）の一側面に配置された１つのグロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートを有するピクセルセルを図示し、転送ゲート（ＴＧ）は、グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートの反対側に配置されている。さらに、転送ゲート（ＴＧ）は、フォトダイオードの側面の中心に対してオフセットを有する。
【０１３０】
図１９Ｅは、フォトダイオード（ＰＰＤ）の隣接する側面に配置された２つのグロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートを有するピクセルセルを図示し、転送ゲート（ＴＧ）は、グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートの別の側面に配置されている。図１９Ｆは、フォトダイオード（ＰＰＤ）の隣接する側面に配置された２つのグロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートを有するピクセルセルを図示し、転送ゲート（ＴＧ）は、グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートの別の側面に配置されている。さらに、転送ゲート（ＴＧ）は、フォトダイオードの側面の中心に対してオフセットを有する。
【０１３１】
いくつかの実施形態において、図１９Ｂに図示されるピクセルセルは、最良のピクセルデバイス性能を提供する。ＧＳオン状態中の光の積分は、ＧＳ信号を汚染し得る。したがって、撮像システムにさらされるＴＸ１側を最小化することが望ましい。
【０１３２】
図２０Ａ−２０Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルのシミュレーション結果を図示する。図２０Ａは、グロバールシャッタゲート（ＧＳ）および転送ゲート（ＴＸ）がＰＰＤの隣接する側面に配置されたフォトダイオード（ＰＰＤ）を図示するピクセルセルの斜視図を示す。図２０Ａは、積分がオンであるシャッタ開放条件下、および積分がオフにされた閉鎖位置にシャッタがある、ピクセルセルのＰＰＤの内側の等電位静電電位も示す。シャッタが、積分がオンである開放条件であるとき、全てのＰＰＤエリアが、積分される。シャッタが、積分がオフである閉鎖条件であるとき、ＰＰＤエリアのわずかな部分のみが、積分される。破線は、電荷分水界をマーキングする。図２０Ｂは、図２０Ａに図示されるデバイスの追加のシミュレーション結果を図示する。
【０１３３】
図２０Ｃは、グロバールシャッタゲート（ＧＳ）および転送ゲート（ＴＸ）がＰＰＤの反対側に配置されたフォトダイオード（ＰＰＤ）を図示するピクセルセルの斜視図を示す。図２０Ｃは、シャッタ開放条件およびシャッタ閉鎖位置下のピクセルセルのＰＰＤの内側の等電位静電電位も示す。電荷分水界が、破線によってマーキングされる。図２０Ｄは、図２０Ｃに図示されるデバイスの追加のシミュレーション結果を図示する。
【０１３４】
図２０Ｅは、フォトダイオード（ＰＰＤ）と、転送ゲート（ＴＸ）と、二重ＧＳと称され得る２つのグロバールシャッタゲート（ＧＳ）とを有するピクセルセルにおけるシミュレートされた等電位静電電位等高線を示す。
【０１３５】
図２１Ａ−２１Ｃは、本発明のいくつかの実施形態によるピクセルアレイのための相互接続レイアウト構造を図示する。図２１Ａは、異なる金属レベルで実装される種々の制御信号線および電力供給線を伴う埋め込みフォトダイオード（ＰＰＤ）を示す。例えば、ＲＳＴ、ＳＥＬ、ＴＸ１、およびＴＸ２のための制御信号線は、第１レベル金属Ｍ１で実装される。電圧供給源ＶＤＤＡおよびＶＳＳＡ、および、出力信号線ＰｉｘｅｌＯＵＴは、第２レベル金属Ｍ２で実装される。グロバールシャッタ信号（ＧＳ）線は、第３レベル金属Ｍ３で実装される。グロバールシャッタ信号（ＧＳ）線は、線抵抗および隣接する線との静電容量を低減させ得るＭ３の幅広い金属線であることに留意されたい。図２１Ａは、下記のさらなる例証のために、種々の断面切断線ＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’、およびＤＤ’も識別する。
【０１３６】
図２１Ｂは、図２１Ａのピクセルセル構造の切断線に沿った断面図を図示する。切断線ＡＡ’およびＢＢ’に沿った断面図から、Ｍ３とＭ１との間の間隔が大きく、Ｍ２とＭ３およびＭ１との間の重複が小さいことが理解され得る。結果として、種々の金属線の間の静電容量が、低減させられることができる。
【０１３７】
図２１Ｃは、図２１Ａのピクセルセル構造の切断線に沿った断面図を図示する。切断線ＣＣ’およびＤＤ’に沿った断面図から、金属層Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３は、フォトダイオード（ＰＰＤ）からオフセットされて配置されていることが理解され得る。このレイアウトは、フォトダイオードにおける広い画像感知エリアを提供することができる。
【０１３８】
図２２Ａ−２２Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルアレイのためのレンズレイアウト構造を図示する。図２２Ａ−２２Ｃは、各ピクセルセルが、図２１Ａ−２１Ｃに示されるようなフォトダイオードおよび金属相互接続構造を有するピクセルセルアレイの一部の上面図を図示する。図２２Ａは、マイクロレンズがフォトダイオードの上にピクセルセルの中心に位置付けられた配列を図示する。図２２Ｂは、マイクロレンズがピクセルにおけるフォトダイオードに対して右にシフトされた配列を図示する。図２２Ｃは、マイクロレンズがピクセルにおけるフォトダイオードに対して下にシフトされた配列を図示する。各レンズは、関連付けられた外部結像レンズ（図示せず）を通して到着する主光線をフォトダイオードの中心に操向し、改良された集光効率を促進するために、その関連付けられたフォトダイオードに対して好適に位置付けられる。
【０１３９】
図２２Ｄは、図２２Ａ−２２Ｃに示されるような切断線Ｅ−Ｅ’に沿ったピクセルセルアレイの一部の断面図である。図２２Ｅは、図２２Ａ−２２Ｃに示されるような切断線Ｆ−Ｆ’に沿ったピクセルセルアレイの一部の断面図である。図２２Ｄおよび２２Ｅは、通常の場合および極端な場合に関して、ピクセルアレイの上部におけるピクセルの中に入射する光を伴って、ピクセルアレイにおいて幅広いマイクロレンズを有することの利点を図示する。図２２Ｄおよび２２Ｅにおいて、フォトダイオードが幅広であるので、幅広い光入射範囲から光電極を収集し得ることが理解され得る。
【０１４０】
図２３は、本発明のいくつかの実施形態による、上で説明される方法を評価するための画像感知システムを図示するブロック図である。図２３に示されるように、画像感知デバイスまたはシステム２３００は、ピクセルアレイ２３１０において行列に配列された複数のピクセルセルと、画像センサデバイスの露出段階およびサンプリング段階を制御するための高速グロバールシャッタ回路を伴う制御回路またはコントローラ２３２０とを含むことができる。画像感知システム２３００は、遅延発生器２３３０、短パルスレーザ発生器２３４０、コリメータ２３５０、および拡散器２３６０等の照明タイミングを制御するための回路を含むこともできる。画像感知システム２３００は、プロセッサ２３７０と、電力供給システム２３８０とも有することができる。システムは、上で説明される方法を評価するために使用されることを理解されたい。実際の使用において、レーザ発生器２３４０によって放射され、コリメータ２３５０によってコリメートされた光は、ピクセルアレイ２３１０に到達する前に、環境内の物体から反射される。結像レンズ（図示せず）が、ピクセルアレイ２３１０の正面に配置されることができる。
【０１４１】
そのような画像デバイスで使用され得るピクセルセルの例が、図１１−１３に関連して上で説明される。画像感知デバイスは、図１１−２２Ｅに関連して上で説明される本発明のいくつかの実施形態に従って、飛行時間（ＴｏＦ）深度プロファイルのための方法を実装するために使用されることができる。
【０１４２】
いくつかの実施形態において、６つのトランジスタ（６Ｔ）のための回路を含む図１１のＴｏＦピクセル回路は、１１０ｎｍの半導体製作技術ノードにおいて４．５μｍのセルピッチを有することができる。ある場合、約３０％の量子効率（ＱＥ）が、達成された。いくつかの実施形態において、高速飛行時間ゲーティングは、５ナノ秒と同程度に少ない短い積分時間を可能にする。本発明のある実装は、６つのトランジスタを伴うピクセルを含み、５０未満の製作で使用された半導体ノードに対するセルピッチの比、２５％を上回る量子効率、および７ナノ秒未満の積分時間によって特徴付けられる。異なるアレイ電圧が、効率的な転送／ドレイン遷移を行うために、グローバルリセット中およびピクセルアレイ読み出し中に使用されることができる。周囲光は、センサが積分のために開いている短い時間（典型的に、約０．５ミリ秒）中のみ、積分される。動作周囲光の量は、積分時間中の能動照明束に依存する。
【０１４３】
本発明の実施形態は、高速飛行時間ゲーティングを提供し、５ナノ秒と同程度に少ない短い積分時間を可能にすることができる。ピクセルアレイ全体にわたる高い量子効率および大きい光学開口は、赤外線照明電力消費を節約することができる。画像デバイスおよびシステムは、受動および能動照明、およびＴｏＦを用いて、小さいピクセルおよび低いシステム電力を有することによって、仮想現実、拡張現実等のモバイルコンピュータビジョンシステムを支援することができる。幅広いフォトダイオードおよび高いピクセルアレイ解像度は、ＶＧＡまたは高次コンピュータビジョンアプリケーションを支援するように構成される。低雑音が、グロバールシャッタ動作およびローリングシャッタ動作モードにおいて存在する。周囲光積分は、最小化され、例えば、直射日光下での屋外動作を可能にする。
【０１４４】
例として、静電容量およびタイミング計算が、１１０ｎｍプロセスノードにおける４．５μｍのＶＧＡアレイ（６４０×４８０）に関して実施される。ピクセル静電容量（ゲート＋寄生相互接続を含む）は、Ｃｐｉｘｅｌ＝６ｆＦである。アルミニウム相互接続の抵抗は、
【数１０】
2021507584.tif 000003
である。ピクセル（半分のＶＧＡ行）の数は、ｎ＝３２０、２４０である（両側からのＨまたはＶ駆動に関して）。アレイ側面からアレイの中心までのＲＣチェーンの遅延は、以下のように計算されることができる。
エルモア遅延：
【数２０】
2021507584.tif 000004
したがって、ナノ秒レベルの遅延が、上で説明されるピクセル回路内で達成され得る。
【０１４５】
図２４は、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセル信号対レーザからシャッタまでの遅延時間を示す、実験結果のグラフである。グラフは、上で説明される図６および図７Ａおよび７Ｂに図示されるそれらに類似する。上昇／下降時間は、３．３Ｖにおいて約２ナノ秒変調されることが理解され得る。ピクセル信号コントラスト比は、約２０：１である。データは、高インダクタンス既製品パッケージを使用して測定されたことに留意されたい。性能は、チップオンボードパッケージ等の低インダクタンスパッケージングを使用することによって、改良されることが予期される。
【０１４６】
ピクセル回路および画像感知デバイスは、ＴｏＦ撮像に関連して上で説明される。しかしながら、上で説明されるピクセル回路および画像感知デバイスは、図２５および２６を参照して下で図示されるように、グロバールシャッタ（ＧＳ）撮像およびローリングシャッタ（ＲＳ）撮像のためにも使用されることもできる。
【０１４７】
図２５は、本発明のいくつかの実施形態による、グロバールシャッタ画像感知のためにピクセル回路を動作させる方法を図示する波形タイミング図である。方法は、図１１に関連して上で説明されるピクセル回路１１０を使用して、実装されることができる。グロバールシャッタ方法において、全ての信号が、１つのフレームにおいて全ての光要素によって光電的に変換される。信号は、直ちに１つ以上のフローティングディフュージョンノードに転送される。図２５に示されるように、グロバールシャッタ画像感知は、露出期間およびサンプリング期間を含む。露出期間において、フォトダイオードをアクティブにし、放射光の結果として標的から反射される光を感知するために、グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートは、第１の転送信号（ＴＸ１）２５２０とともにオンにされる（２５１０）。サンプリング期間において、動作は、図１２に関連して上で説明されるそれに類似する。
【０１４８】
図２６は、本発明のいくつかの実施形態による、ローリングシャッタ画像感知のためにピクセル回路を動作させる方法を図示する波形タイミング図である。方法は、図１１に関連して上で説明されるピクセル回路１１０を使用して、実装されることができる。ローリングシャッタ方法において、信号が、１つのフレームにおいて各行における光要素によって光電的に変換される。信号は、連続的に選択される各行における１つ以上のフローティングディフュージョンノードに転送され、対応するピクセルの画像信号が、出力される。図２６に示されるように、ローリングシャッタ画像感知は、露出期間およびサンプリング期間を含むことができる。露出期間およびサンプリング期間の両方において、フォトダイオードをアクティブにし、放射光の結果として標的から反射される光を感知するために、グロバールシャッタ（ＧＳ）ゲートは、ラテラルオーバーフロー電位において維持され（２５１０）、第１の転送信号（ＴＸ１）２６２０は、オン状態である。
【０１４９】
本発明のいくつかの実施形態によると、代替ピクセルセルは、複数のフォトダイオードおよび対応する複数の貯蔵ダイオードを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態において、各ピクセルセルは、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードと、４つのフローティングディフュージョン領域とを含む。他の実施形態において、異なる数のこれらの構成要素が、利用されることができる。いくつかの実施形態において、各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードおよび／または第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成される。さらに、各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび／または第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。さらに、各フローティングディフュージョン領域が、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置される。
【０１５０】
いくつかの実施形態において、ピクセルセルは、ピクセル内差動ＴｏＦ決定を実施し得る画像センサデバイスを含むことができる。これらの実施形態において、標的から反射される光は、効果的に収集され、周囲光の大部分は、収集されない。ピクセル内差動モード信号は、ＴｏＦ決定のために使用され、受け取られた周囲光をさらに取り消すことができる。いくつかの実施形態において、ピクセルセルは、複数のフォトダイオードが集光のためのビンにグループ化され得るビニングモードで使用されることができる。代替として、ピクセルセルは、各フォトダイオードがサブピクセルとして動作し得るフル解像度モードで使用されることもできる。これらおよび他の動作モードが、下でさらに詳細に説明される。いくつかの実施形態において、画像センサデバイスは、本明細書に説明される２つ以上の動作モードの間で切り替わるように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態において、画像センサは、ユーザ入力、センサデータ、動作の所定のスケジュール等に基づいて、１つの動作モードから別のものに切り替わるか、または、切り替わるように命令され得る。いくつかの実装において、画像センサデバイスは、本明細書に説明される２つ以上の動作モードの間で切り替わるように構成されないこともあるが、代わりに、本明細書に説明される動作モードののうちの１つに従って機能するように構成され得る。
【０１５１】
図２７は、本発明のいくつかの実施形態による、ピクセルセルを図示する簡略化された上面図である。図２７に示されるように、ピクセルセル２７００は、フォトダイオード２７１０と、貯蔵拡散２７２０とも称される貯蔵ダイオードと、読み出し回路２７３０とを含む。ある用途において、ピクセルセル２７００は、図１１の１１００として上で図示されるピクセルセルおよびピクセル回路を実装するために使用されることができる。例えば、図２７のフォトダイオード２７１０は、図１１の埋め込みフォトダイオード（ＰＰＤ）１１１４に対応し、貯蔵ダイオード２７２０は、図１１の貯蔵ダイオード（ＳＤ）１１１８に対応し、読み出し回路２７３０は、図１１のピクセル回路１１１０および回路ブロック１１３０の一部に対応する。用語「貯蔵ダイオード」は、「感知拡散」および「感知ダイオード」と同義的に使用される。
【０１５２】
さらに、図２７において、フォトダイオード２７１０から貯蔵ダイオード２７２０までの電荷転送は、図１１の第１の転送ゲート１１１２に対応する第１の転送ゲート２７４０において第１の転送信号ＴＸ１によって制御される。貯蔵ダイオード２７２０から読み出し回路２７３０までの電荷転送は、図１１の第２の転送ゲート１１１３に対応する第２の転送ゲート２７５０において第２の転送信号ＴＸ２によって制御される。
【０１５３】
図２８は、本発明のいくつかの実施形態による、差動ピクセルセルを図示する簡略化された上面概略図である。図２８に示されるように、ピクセルセル２８００は、４つのフォトダイオード、すなわち、第１のフォトダイオードＰＰＤ１、第２のフォトダイオードＰＰＤ２、第３のフォトダイオードＰＰＤ３、および第４のフォトダイオードＰＰＤ４を含む。ピクセルセル２８００は、４つの貯蔵ダイオード、すなわち、第１の貯蔵ダイオードＳＤ１、第２の貯蔵ダイオードＳＤ２、第３の貯蔵ダイオードＳＤ３、および第４の貯蔵ダイオードＳＤ４も含む。
【０１５４】
ピクセルセル２８００は、４つの読み出し回路、すなわち、第１の読み出し回路ＲＯ＿１、第２の読み出し回路ＲＯ＿２、第３の読み出し回路ＲＯ＿３、および第４の読み出し回路ＲＯ＿４も含む。各読み出し回路は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置されたフローティングディフュージョン領域を含む。例えば、第１の読み出し回路ＲＯ＿１は、第１の貯蔵ダイオードＳＤ１に隣接して配置された第１のフローティングディフュージョン領域ＦＤ１を含み、第２の読み出し回路ＲＯ＿２は、第２の貯蔵ダイオードＳＤ２に隣接して配置された第２のフローティングディフュージョン領域ＦＤ２を含み、第３の読み出し回路ＲＯ＿３は、第３の貯蔵ダイオードＳＤ３に隣接して配置された第３のフローティングディフュージョン領域ＦＤ３を含み、第４の読み出し回路ＲＯ＿４は、第４の貯蔵ダイオードＳＤ４に隣接して配置された第４のフローティングディフュージョン領域ＦＤ４を含む。フローティングディフュージョン領域は、読み出し回路に転送されるべき光電荷を保持するための電荷貯蔵領域である。
【０１５５】
さらに、図２８は、２つの読み出し回路からの光電荷を積分するように構成された２つの電荷加算デバイスＡＭＰ１およびＡＭＰ２を示す。電荷加算デバイスは、サンプルアンドホールドコンデンサ、加算増幅器等を使用して、実装されることができる。これらの実施形態において、電荷加算デバイスＡＭＰ１およびＡＭＰ２は、ピクセルセル２８００を表す鎖線の外側のそれらの位置によって図示されるように、ピクセルセル２８００に含まれない。ＰＰＤ２／ＰＰＤ３へのＰＰＤ１／ＰＰＤ４の電荷の加算は、ＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）回路を利用して、それをデジタルに変換する直前、例えば、列平行回路内に位置するサンプルアンドホールド（Ｓ／Ｈ）コンデンサにおいて、ピクセルアレイの外側で実施されることができる。
【０１５６】
図２７に図示されるピクセルセル２７００と同様、図２８に図示されるピクセルセル２８００におけるフォトダイオードの各々において、フォトダイオード（ＰＰＤ）から貯蔵ダイオード（ＳＤ）までの光電荷の転送は、第１の転送ゲート信号ＴＸ１によって制御され、貯蔵ダイオード（ＳＤ）から読み出し回路におけるフローティングディフュージョン（ＦＤ）までの光電荷の転送は、第２の転送信号ＴＸ２によって制御される第２の転送ゲートによって制御される。しかしながら、図２８において、第１の転送信号ＴＸ１は、異なる位相を伴う４つの信号、すなわち、ＴＸ１＿１、ＴＸ１＿２、ＴＸ１＿３、およびＴＸ１＿４に分割され、第２の転送信号ＴＸ２は、異なる位相を伴う２つの転送信号、すなわち、ＴＸ２＿１およびＴＸ２＿２に分割される。
【０１５７】
いくつかの実施形態において、ピクセルセル２８００は、４つの電荷制御ゲートを含むこともでき、各電荷制御ゲートは、貯蔵ダイオードの上に配置された電荷制御信号ＴＸ３に応答する。図２８において、各電荷制御ゲートは、それぞれ、対応する貯蔵ダイオードＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３、およびＳＤ４の上に点線の長方形として示される。いくつかの実施形態において、電荷制御ゲートは、共通貯蔵ダイオード電荷制御信号ＴＸ３によって制御される。電荷制御ゲートは、差動ＴｏＦモードで光電荷を維持するように、電荷制御信号ＴＸ３によって一定の電圧に保たれる。ＴＸ３は、スピルバックを防止し、切り替えられるゲート静電容量を低減させ得る。ＴＸ３は、電荷貯蔵および転送のために、ウェルの形状および望ましい電位傾斜を維持することもできる。標準モードにおいて、読み出し中、ＴＸ３は、それらが単一のゲートとしての機能を果たすように、転送ゲートＴＸ１＿Ｎと同時に、または並行して切り替えられる（Ｎ＝１、２、３、または４である）。いくつかの実施形態において、ＴＸ３と転送ゲートＴＸ１＿Ｎとの間に埋め込まれたドープ領域は、存在しない。
【０１５８】
図２９Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、差動ピクセルセルを図示する簡略化された回路図である。図２９Ａは、ピクセルアレイにおける列ｉおよび行ｊに関しするセル（ｉ，ｊ）のための差動ピクセルセル２９００を示す。図２９Ａに示されるように、ピクセルセル２９００は、第１のフォトダイオードＰＰＤ１（ｉ，ｊ）、第２のフォトダイオードＰＰＤ２（ｉ，ｊ）、第３のフォトダイオードＰＰＤ３（ｉ，ｊ）、および第４のフォトダイオードＰＰＤ４（ｉ，ｊ）を含む。ピクセルセル２９００は、第１の貯蔵ダイオードＳＤ１（ｉ，ｊ）、第２の貯蔵ダイオードＳＤ２（ｉ，ｊ）、第３の貯蔵ダイオードＳＤ３（ｉ，ｊ）、および第４の貯蔵ダイオードＳＤ４（ｉ，ｊ）も含む。ピクセルセル２９００は、４つの読み出し回路、すなわち、第１の読み出し回路ＲＯ＿１、第２の読み出し回路ＲＯ＿２、第３の読み出し回路ＲＯ＿３、および第４の読み出し回路ＲＯ＿４も含む。ある用途において、ピクセルセル２９００の回路が、図２８を参照して上で説明されるように、ピクセルセル２８００の１つ以上の構成要素を実装するために使用されることができる。
【０１５９】
図２９Ａにおいて、転送信号ＴＸ１＿１は、制御ゲート２９１１を通した第１のフォトダイオードＰＰＤ１（ｉ，ｊ）から第１の貯蔵ダイオードＳＤ１（ｉ，ｊ）までの光電荷の転送を制御する。転送信号ＴＸ１＿２は、制御ゲート２９１２を通した第４のフォトダイオードＰＰＤ４（ｉ，ｊ）から第１の貯蔵ダイオードＳＤ１（ｉ，ｊ）までの光電荷の転送を制御する。第１の貯蔵ダイオードＳＤ１（ｉ，ｊ）から第１の読み出し回路ＲＯ＿１までの電荷転送は、転送ゲート２９２２において転送信号ＴＸ２＿２によって制御される。
【０１６０】
同様に、転送信号ＴＸ１＿３は、制御ゲート２９１３を通した第１のフォトダイオードＰＰＤ１（ｉ，ｊ）から第２の貯蔵ダイオードＳＤ２（ｉ，ｊ）までの電荷の転送を制御する。転送信号ＴＸ１＿４は、制御ゲート２９１４を通した第４のフォトダイオードＰＰＤ４（ｉ，ｊ）から第２の貯蔵ダイオードＳＤ２（ｉ，ｊ）までの電荷の転送を制御する。第２の貯蔵ダイオードＳＤ１（ｉ，ｊ）から第２の読み出し回路ＲＯ＿２までの電荷転送は、転送ゲート２９２１上の転送信号ＴＸ２＿１によって制御される。
【０１６１】
さらに、図２９Ａにおいて、転送信号ＴＸ１＿２は、制御ゲート２９３２を通した第３のフォトダイオードＰＰＤ２（ｉ，ｊ）から第３の貯蔵ダイオードＳＤ３（ｉ，ｊ）までの電荷の転送を制御する。転送信号ＴＸ１＿１は、制御ゲート２９３１を通した第３のフォトダイオードＰＰＤ３（ｉ，ｊ）から第３の貯蔵ダイオードＳＤ３（ｉ，ｊ）までの電荷の転送を制御する。第３の貯蔵ダイオードＳＤ３（ｉ，ｊ）から第３の読み出し回路ＲＯ＿３までの電荷転送は、転送ゲート２９４１上の転送信号ＴＸ２＿１によって制御される。
【０１６２】
同様に、転送信号ＴＸ１＿４は、制御ゲート２９３４を通した第２のフォトダイオードＰＰＤ２（ｉ，ｊ）から第２の貯蔵ダイオードＳＤ２（ｉ，ｊ）までの電荷の転送を制御する。転送信号ＴＸ１＿３は、制御ゲート２９３３を通した第３のフォトダイオードＰＰＤ３（ｉ，ｊ）から第４の貯蔵ダイオードＳＤ４（ｉ，ｊ）までの電荷の転送を制御する。第３の貯蔵ダイオードＳＤ３（ｉ，ｊ）から第４の読み出し回路ＲＯ＿４までの電荷転送は、転送ゲート２９４２上の転送信号ＴＸ２＿２によって制御される。
【０１６３】
読み出し回路ＲＯ＿１、ＲＯ＿２、ＲＯ＿３、およびＲＯ＿４の動作は、図１１に関連して上で説明される読み出し回路に類似する。したがって、簡略化された回路のみが、読み出し回路ＲＯ＿１、ＲＯ＿２、ＲＯ＿３、およびＲＯ＿４の各々において示され、それらは、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１＜ｊ＞、ＦＤ２＜ｊ＞、ＦＤ３＜ｊ＞、およびＦＤ４＜ｊ＞と、リセット信号ＲＳＴ＜ｊ＞を受信するための４つの制御ゲートと、４つのソースフォロワトランジスタＳＦ１＜ｊ＞、ＳＦ２＜ｊ＞、ＳＦ３＜ｊ＞、およびＳＦ４＜ｊ＞と、選択信号ＳＥＬ＜ｊ＞を受信するためのさらに４つの制御ゲートとを含む。読み出し回路ＲＯ＿１、ＲＯ＿２、ＲＯ＿３、およびＲＯ＿４におけるフローティングディフュージョン領域は、図２８を参照して貯蔵デバイスから電荷を受信するために説明されるフローティングディフュージョン領域に類似する。図２９Ｂのソースフォロワ（ＳＦ）およびリセットゲート（ＲＳＴ）は、図１１の対応する要素と類似する機能を果たす。
【０１６４】
ピクセルセル２９００は、各フォトダイオードを電力供給源ＶＤＤに結合するためのグロバールシャッタゲートと、グロバールシャッタゲートを制御するためのグロバールシャッタ信号（ＧＳ）とを含む。図２９において、図面を簡略化するために、１つだけのグロバールシャッタゲート（２９０１）が、グロバールシャッタ信号（ＧＳ）および電力供給源ＶＤＤを支援するグロバールシャッタゲートを表すように、フォトダイオードＰＰＤ１（ｉ，ｊ）に関連付けられて示されている。しかしながら、４つのフォトダイオードの各々は、それぞれのグロバールシャッタ信号（ＧＳ）を有効にするための各フォトダイオードに関連付けられたグロバールシャッタゲートを有することを理解されたい。いくつかの実施形態において、グロバールシャッタ信号（ＧＳ）は、２つの機能を有する。第１の機能は、オーバーフロードレインを提供し、ブルーミングを回避することであり、第２の機能は、グローバルリセットを有効にし、積分シーケンス外でフォトダイオードを空にすることである。
【０１６５】
いくつかの実施形態において、読み出し回路ＲＯ＿１、ＲＯ＿２、ＲＯ＿３、およびＲＯ＿４は、隣接するピクセルセルと共有されることができる。したがって、ＴＸ２＿１（ｉ−１，ｊ）、ＳＤ３（ｉ−１，ｊ）、ＴＸ２＿２（ｉ，ｊ−１）、ＳＤ４（ｉ，ｊ−１）、ＴＸ２＿１（ｉ，ｊ＋１）、ＳＤ２（Ｉ，ｊ＋１）、ＴＸ２＿２（ｉ＋１，ｊ）、およびＳＤ１（ｉ＋１，ｊ）等のいくつかの回路構成要素および隣接するピクセルセルに関連付けられた信号が、図２９Ａに示される。これらの配列は、ＳＤ２およびＳＤ４からの同時または並行電荷転送と、ＳＤ１およびＳＤ３からの同時または並行電荷転送とを促進することができる。
【０１６６】
図２９Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、図２９Ａのピクセル回路２９００のピクセル内差動モード動作のための支援回路を図示する簡略化された概略図である。図２９Ｂに示されるように、回路２９５０において、加算デバイスＡＭＰ１は、図２９Ａの読み出し回路ＲＯ＿２およびＲＯ＿４から出力信号を受信するためのそれぞれのサンプルアンドホールドコンデンサＳＨ２およびＳＨ４を含む。同様に、加算デバイスＡＭＰ２は、図２９Ａの読み出し回路ＲＯ＿１およびＲＯ＿３から出力信号を受信するためのそれぞれのサンプルアンドホールドコンデンサＳＨ１およびＳＨ３を含む。回路２９５０は、サンプルアンドホールドコンデンサから信号を受信し、差動信号を決定するための差動増幅器２９７０も含む。
【０１６７】
図３０Ａ、３０Ｂ、および３０Ｃは、３つの異なるピクセルセルのための飛行時間（ＴｏＦ）動作を図示するタイミング図である。図３０Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、図２８、２９Ａ、および２９Ｂのピクセルセルのための差動パルス飛行時間（ＴｏＦ）動作を図示するタイミング図である。図３０Ａにおいて、曲線３０１０は、光源からＴｏＦ決定のための標的に向かって放射される光パルスを表す。曲線３０１１は、周囲光信号を表す。動作ＴｏＦ範囲は、ＴｏＦシステムを使用して測定可能である最短距離と最長距離との間の分離によって定義される。タイミング曲線３０１６は、フォトダイオードが光入力を感知することを可能にされる、露出時間窓を表す。いくつかの実施形態において、タイミング曲線３０１６は、図１１−１３に関して説明されるようなラテラルドレイン配列における制御信号を表すことができる。図３０Ａに図示されるように、ラテラルドレインと称され得るタイミング曲線３０１６の持続時間は、（標的からピクセルセルまで測定される最短距離に関連付けられる）タイミングパルス＃１  ３００１の開始に先立った時間から、（標的からピクセルセルまで測定される最長距離に関連付けられる）タイミングパルス＃４  ３００４の終了に続く時間まで延びている。すなわち、タイミング曲線３０１６の持続時間は、動作ＴｏＦ範囲に関連付けられた持続時間を上回る。動作ＴｏＦ範囲に関連付けられた動作窓の外側で受け取られる周囲光は、ラテラルドレインに関連付けられたタイミング曲線３０１６を使用して、排出されることができ、それによって、周囲光に関連付けられた光電荷を低減させ、信号対雑音比を改良する。
【０１６８】
タイミング曲線３０１２および３０１４は、電荷がフォトダイオードから貯蔵ダイオードまで転送されるタイミング窓を表す。貯蔵ダイオードにおける電荷は、次いで、読み出し回路におけるフローティングディフュージョン領域に転送される。４つのタイミングパルスは、それぞれ、３００１、３００２、３００３、および３００４と標識される。これらのタイミングパルス中、フォトダイオードによって収集される光子は、光子の到着時間に応じて、下でより完全に説明されるような１つ以上の加算デバイス（例えば、ＡＭＰ１またはＡＭＰ２）のうちの１つに指向されることができる。
【０１６９】
動作ＴｏＦ範囲に関連付けられた持続時間は、タイミングパルス＃１  ３００１の開始からタイミングパルス＃４  ３００４の終了まで延びている。例えば、異なるＴｏＦフレームにおいて、ＴｏＦ標的は、短い距離から長い距離までゆっくりと単調に移動し得る。光パルス３０１０が標的に向かって放射され、標的から戻るように反射されると、反射光は、最初にパルス＃１によって、次いで、パルス＃１および＃２によって、次いで、パルス＃２によって、次いで、パルス＃２および＃３によって、次いで、パルス＃３によって、次いで、パルス＃３および＃４によって、次いで、パルス＃４によって、捕捉される。その後、反射光は、例えば、標的が動作ＴｏＦ範囲外に移動すると、積分されなくなる。
【０１７０】
図２８を参照すると、ＡＭＰ２（図３０Ａのタイミングチャートでは貯蔵２と称される）は、タイミングパルス１および３中にＳＤ１およびＳＤ３からの電荷を組み合わせ、ＡＭＰ１（図３０Ａのタイミングチャートでは貯蔵１と称される）は、タイミングパルス＃２  ３００２およびタイミングパルス＃４  ３００４中にＳＤ２およびＳＤ４からの電荷を組み合わせる。図２９Ｂにおいて上で示されるように、ＡＭＰ１およびＡＭＰ２からの出力信号は、差動信号を生成するために差動増幅器２９７０に結合される。図３０Ａのタイミングチャートに従って発生させられる差動信号は、帰還光が（３０１２における）タイミングパルス＃１と（３０１４における）タイミングパルス＃４との間で積分されると、ＴｏＦ深度／時間シフトに対して変動し得る。したがって、標的から反射される光に基づく差動信号が、ＴｏＦ決定のために使用される。さらに、差動信号は、周囲光からの寄与を排除すること、または低減させることができる。
【０１７１】
差動モード動作において、電荷転送は、図２８、２９Ａ、および２９Ｂを参照して説明されることができる。補完的様式で、転送信号ＴＸ１＿１とＴＸ１＿２とは、一緒に切り替えられ、転送信号ＴＸ１＿３およびＴＸ１＿４は、一緒に切り替えられる。例えば、図３０Ａのタイミングパルス＃１  ３００１によって示されるような段階１の電荷加算中、転送信号ＴＸ１＿１およびＴＸ１＿２の制御下で、フォトダイオードＰＰＤ１およびフォトダイオードＰＰＤ４からの光電荷が、貯蔵ダイオードＳＤ１に転送され、フォトダイオードＰＰＤ２およびフォトダイオードＰＰＤ３からの光電荷が、貯蔵ダイオードＳＤ３に転送される。貯蔵ダイオードＳＤ１およびＳＤ３における電荷は、それぞれの読み出し回路におけるフローティングディフュージョン領域に転送され、読み出し回路ＲＯ＿１およびＲＯ＿３からの出力信号は、次いで、増幅器ＡＭＰ２に転送され、電荷は、サンプルアンドホールドコンデンサの中に貯蔵されることができる。
【０１７２】
同様に、図３０Ａのタイミングパルス＃２  ３００２によって示されるような段階２の電荷加算中、転送信号ＴＸ１＿３およびＴＸ１＿４の制御下で、フォトダイオードＰＰＤ１およびフォトダイオードＰＰＤ２からの光電荷が、貯蔵ダイオードＳＤ２に転送され、フォトダイオードＰＰＤ３およびフォトダイオードＰＰＤ４からの光電荷が、貯蔵ダイオードＳＤ４に転送される。貯蔵ダイオードＳＤ２およびＳＤ４における電荷は、それぞれの読み出し回路におけるフローティングディフュージョン領域に転送され、読み出し回路ＲＯ＿２およびＲＯ＿４からの出力信号は、増幅器ＡＭＰ１に入力され、電荷は、サンプルアンドホールドコンデンサの中に貯蔵されることができる。
【０１７３】
同様に、タイミングパルス＃３  ３００３中、転送信号ＴＸ１＿１およびＴＸ１＿２の制御下で、フォトダイオードＰＰＤ１およびフォトダイオードＰＰＤ４からの光電荷が、貯蔵ダイオードＳＤ１に転送され、フォトダイオードＰＰＤ２およびフォトダイオードＰＰＤ３からの光電荷が、貯蔵ダイオードＳＤ３に転送される。貯蔵ダイオードＳＤ１およびＳＤ３における電荷は、読み出し回路におけるフローティングディフュージョン領域に転送される。読み出し回路ＲＯ＿１およびＲＯ＿３からの出力信号は、次いで、増幅器ＡＭＰ２に転送され、電荷は、サンプルアンドホールドコンデンサの中に貯蔵されることができる。
【０１７４】
タイミングパルス＃４  ３００４中、転送信号ＴＸ１＿３およびＴＸ１＿４の制御下で、フォトダイオードＰＰＤ１およびフォトダイオードＰＰＤ２からの光電荷が、貯蔵ダイオードＳＤ２に転送され、フォトダイオードＰＰＤ３およびフォトダイオードＰＰＤ４からの光電荷が、貯蔵ダイオードＳＤ４に転送される。貯蔵ダイオードＳＤ２およびＳＤ４における電荷は、読み出し回路におけるフローティングディフュージョン領域に転送される。読み出し回路ＲＯ＿２およびＲＯ＿４からの出力信号は、増幅器ＡＭＰ１に転送され、電荷は、サンプルアンドホールドコンデンサの中に貯蔵されることができる。
【０１７５】
いくつかの実施形態において、転送信号ＴＸ２＿１およびＴＸ２＿２は、貯蔵ダイオードからフローティングディフュージョン領域まで光電荷を転送するために使用される。例えば、図２８に示されるように、転送信号ＴＸ２＿１の制御下で、貯蔵ダイオードＳＤ２からの光電荷が、フローティングディフュージョン領域ＦＤ２に転送され、貯蔵ダイオードＳＤ３からの光電荷が、フローティングディフュージョン領域ＦＤ３に転送される。同様に、転送信号ＴＸ２＿２の制御下で、貯蔵ダイオードＳＤ１からの光電荷が、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１に転送され、貯蔵ダイオードＳＤ４からの光電荷が、フローティングディフュージョン領域ＦＤ４に転送される。いくつかの実施形態において、これらの電荷転送は、図２８のタイミングパルス＃４の後に行われることができる。代替実施形態において、これらの電荷転送は、図２８のタイミングパルス＃３の後、次いで、タイミングパルス＃４の後、行われることができる。
【０１７６】
図２９Ｂに示されるように、増幅器ＡＭＰ１およびＡＭＰ２からの出力信号は、差動信号が形成される差動増幅器２９７０に提供される。したがって、標的から反射される光に基づく差動信号が、ＴｏＦ決定のために使用される。上で解説されるように、図３０Ａのタイミングチャートに従って発生させられる差動信号は、帰還光が（３０１２内の）タイミングパルス＃１と（３０１４内の）タイミングパルス＃４との間で積分されるので、ＴｏＦ深度／時間シフトに対して変動し得る。
【０１７７】
図３０Ａに示されるように、標的から反射される光の実質的に全てが、収集されることができる。本実施形態において、周囲光信号３０１１と比較して、高強度光源が、エミッタとして使用される。結果として、いくつかの実施形態において、反射光と比較して、少量の周囲光が、収集される。光パルス３０１０は、標的に伝送され、帰還する。３０１２のタイミングパルス＃１の開始と３０１４のタイミングパルス＃４の終了との間の時間範囲は、動作ＴｏＦ範囲を表す。この範囲において、反射光の全てが、収集される。対照的に、周囲光の大部分は、時間範囲外であり、収集されない。ＴｏＦのためのピクセル内差動モードのさらなる利点は、周囲光寄与がさらに低減させられること、または取り消され得ることである。ＴｏＦ動作のための時間範囲後、光電荷は、排出されることができる。いくつかの実施形態において、グロバールシャッタゲートが、フォトダイオードと電力供給源との間に配置され、グロバールシャッタゲートをオンにすることは、収集された光電荷の大部分を排出することができる。例えば、光電荷の９０％が、フォトダイオードから排出されることができる。この特定の割合は、単に代表的にすぎず、他の割合も、本発明の範囲に含まれる。図３０Ａは、主に、４つのタイミングパルス（例えば、タイミングパルス＃１  ３００１、タイミングパルス＃２  ３００２、タイミングパルス＃３  ３００３、およびタイミングパルス＃４  ３００４）を参照して上で説明されるが、いくつかの実装において、本明細書に説明される画像感知デバイスのうちの１つ以上のものは、ＴｏＦ測定サイクルあたり４つより少ない、またはそれを上回るタイミングパルスを採用し得ることを理解されたい。
【０１７８】
図３０Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、図１１のピクセルセルのための飛行時間（ＴｏＦ）動作を図示するタイミング図である。図１１のピクセルセルのためのＴｏＦ動作は、図５−１１に関連して上で説明され、ＴｏＦ揺動が、貯蔵ダイオード（ＳＤ）とグロバールシャッタ（ＧＳ）との間にある。このタイミング図は、ドレインのみのパルスＴｏＦ動作モードに関連付けられることができる。図３０Ｂにおいて、曲線３０２０は、光源からＴｏＦ決定のための標的に向かって放射される光パルスを表す。曲線３０２１は、周囲光信号を表す。タイミング曲線３０２２は、フォトダイオードがピクセル変調のために光入力を感知することを可能にされる露出時間窓を表す。本実施形態において、周囲光信号３０２１と比較して、高強度光源が、エミッタとして使用される。結果として、いくつかの実施形態において、反射光と比較して、少量の周囲光が、収集される。したがって、少数の放射光パルスのみが、本実施形態で利用され、そのうちの１つが、図３０Ｂに示される。図３０Ａに関連する上記説明と同様、反射光の大部分が、収集され、周囲光３０２１の大部分が、拒否される。しかしながら、出力信号が非差動であるので、さらなる周囲光取消は、実現されることができない。光源から放射されるレーザ光の一部のエネルギー、例えば、いくつかの実施形態において、露出時間窓外の時間にピクセルセルにおいて受け取られる光が、排出される。
【０１７９】
図３０Ｃは、従来の位相変調飛行時間（ＴｏＦ）動作を図示するタイミング図である。図３０Ｃにおいて、３０３０は、光源から放射されるレーザ光を表し、３０３１は、周囲光を表す。加えて、３０３２および３０３５は、位相変調飛行時間（ＴｏＦ）決定のためのタイミングパルスを表す。標的に向かって放射される各光パルスに関し、標的から放射される光は、３０３２および３０３５における２つの連続タイミング窓において収集される。ＴｏＦ情報が、２つの感知された反射光信号から導出される。このＴｏＦ方法において、周囲光は、拒否されず、全てのレーザエネルギーが、収集される。さらに、差動出力が、周囲光を取り消し得る。
【０１８０】
図３１は、本発明のいくつかの実施形態による、図２８のピクセルセルにおけるフォトダイオードの動作を図示する電位のプロットである。図２８のピクセルセル２８００を参照すると、図３１は、フォトダイオードＰＰＤ４、ＰＰＤ４の両側の貯蔵ダイオードＳＤ１およびＳＤ４、フローティングディフュージョンＦＤ、および、電力供給源ＶＤＤにわたる電位を示す。転送信号ＴＸ１＿２は、ＰＰＤ４からＳＤ１までの電荷転送を制御し、転送信号ＴＸ１＿３は、ＰＰＤ４からＳＤ４までの電荷転送を制御する。転送信号ＴＸ２は、貯蔵ダイオードＳＤ１およびＳＤ３からフローティングディフュージョン領域ＦＤまでの電荷転送を制御する。リセット信号ＲＳＴは、電力供給源を印加し、回路をリセットする。図３０Ａのタイミングプロットに関連して上で説明されるように、転送信号ＴＸ１＿１とＴＸ１＿３とは、補完的様式で切り替えられ、すなわち、一方がオンであるとき、他方は、オフであり、逆も同様である。換言すると、転送ゲートＴＸ１は、変調または非変調部分への複数の転送ゲート、例えば、ＴＸ１＿１、ＴＸ１＿２、ＴＸ１＿３、およびＴＸ１＿４に分割される。図３１において、実線は、転送信号ＴＸ１＿３がオンにされているときのフォトダイオードＰＰＤ４から貯蔵ダイオードＳＤ４までの光電荷の転送を図示する。点線は、転送信号ＴＸ１＿２がオンにされているときのフォトダイオードＰＰＤ４から貯蔵ダイオードＳＤ１までの電荷の転送を図示する。点線は、転送信号ＴＸ２の制御下の貯蔵ダイオードＳＤ１からフローティングディフュージョンＦＤまでの電荷の転送、およびリセット信号ＲＳＴの制御下の電荷の排出も示す。示されるように、ＴＸ１＿２およびＴＸ１＿３は、補完的様式で切り替わる。換言すると、ＴＸ１＿２とＴＸ１＿３とのうちの一方がより高いとき、他方は、低く、逆も同様である。この配列は、電荷のスピルバックを防止し得る。
【０１８１】
上で説明されるように、図２８のピクセルセル２８００におけるフォトダイオードの各々は、フォトダイオードの各々の両側の２つの貯蔵ダイオードに結合された第１の時間窓中、フォトダイオードＰＰＤ４における電荷は、図３１の実線の電位曲線によって図示されるように、貯蔵ダイオードＳＤ４に転送される。第２の時間窓中、フォトダイオードＰＰＤ４における電荷は、図３１Ａの点線の電位曲線によって図示されるように、貯蔵ダイオードＳＤ１に転送される。この時点で、電荷は、読み出し回路におけるフローティングディフュージョン領域に転送するために、それぞれ、ＳＤ１およびＳＤ４において保たれる。電荷制御信号ＴＸ３は、電荷がＰＰＤに逆漏出することを防止するために、かつゲートエリア、したがって、ＴＸ１＿Ｎの静電容量の低減を可能にするために、貯蔵ダイオードの上に配置された電荷制御ゲートを制御する。静電容量および漏出の低減は、より高いコントラストを伴って、より高速のＴｏＦ変調を可能にする。したがって、図２８のピクセルセルは、電荷貯蔵ユニットとして機能し、異なるタイミング窓中の電荷収集を可能にし、ＴｏＦ変調性能の改良をもたらす。ピクセルセルは、電荷のスピルバック、ゲート静電容量の低減（ゲーティング速度およびコントラストに影響を及ぼし得る）、変調コントラストの改良を防止するようにも構成される。さらに、ピクセルセルは、図３４および３５に関連して下で説明されるように、差動および非差動画像捕捉を可能にすることもできる。さらに、上で説明されるピクセルセルは、埋め込みフォトダイオードグロバールシャッタピクセル設計と適合的でもある。
【０１８２】
図３２Ａおよび３２Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、図１１のピクセルセルにおけるフォトダイオードの動作を図示する電位のプロットである。図１１のピクセルセルにおいて、各フォトダイオード（ＰＰＤ）は、１つのみの貯蔵ダイオード（ＳＤ）に結合される。図３１において、転送ゲートＴＸ１をオンにすることは、フォトダイオード（ＰＰＤ）から貯蔵ダイオード（ＳＤ）に光電荷を転送する。光電荷は、次いで、読み出し回路に転送される。図３２Ａにおいて、露出期間後、グロバールシャッタ（ＧＳ）をオンにすることは、フォトダイオードにおける電荷を排出する。したがって、フォトダイオードは、さらなる光電荷を提供するためにもはや利用可能ではない。
【０１８３】
本発明のいくつかの実施形態において、図２８−３１に描写されるピクセルセルは、ＴｏＦ距離測定のために画像センサデバイスで使用されることができる。画像センサデバイスは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルと、画像センサデバイスの露出段階およびサンプリング段階を制御するための制御回路とを含むことができる。図２Ａおよび２Ｂは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルの例を図示する。
【０１８４】
図２８−３１に描写されるピクセルセルにおいて、各ピクセルセルは、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードと、４つのフローティングディフュージョン領域とを含む。各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードおよび／または第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成される。さらに、各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび／または第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。さらに、各フローティングディフュージョン領域は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置される。
【０１８５】
代替実施形態において、ピクセルセルは、４つのフォトダイオードに限定されない。一般に、ピクセルセルは、複数のフォトダイオードと、対応する複数の貯蔵ダイオードとを含むことができる。本明細書に説明される方法は、５つ以上のピクセルフォトダイオードを有するピクセルに採用されることができる。同様に、いくつかの実施形態において、本明細書に説明される方法は、３つ以下のフォトダイオード（例えば、２つのフォトダイオードまたは３つのフォトダイオード）を有するピクセルに採用されることができる。さらに、いくつかの実施形態において、ピクセルセルは、４つの貯蔵ダイオードに限定されない。本明細書に説明される方法は、４つを上回る、またはそれよりも少ない貯蔵ダイオードを有するピクセルに採用されることができる。いくつかの実装において、ピクセルセルは、等しくない数量のフォトダイオードおよび貯蔵ダイオードを含むことができる。例えば、そのような実装において、ピクセルセルは、チェッカーボード様構成に配列された奇数の数量のフォトダイオード（例えば、５つのフォトダイオード）と、偶数の数量の貯蔵ダイオード（例えば、４つの貯蔵ダイオード）とを含み得る。この例において、各貯蔵ダイオードは、３つ以上のフォトダイオード（例えば、３つのフォトダイオードまたは４つのフォトダイオード）の間に配置され、また、３つ以上のフォトダイオードから光電荷を受け取るように構成され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
【０１８６】
図２８および２９Ｂに示されるように、画像センサデバイスは、第２のフローティングディフュージョン領域および第４のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るための第１の加算デバイスと、第１のフローティングディフュージョン領域および第３のフローティングディフュージョン領域から光電荷を受け取るための第２の加算デバイスとを含む。図２９Ｂに示されるように、画像センサデバイスは、第１および第２の加算デバイスに結合された差動増幅器を含むこともできる。画像センサデバイスは、画像感知デバイスにおける電荷転送を制御するための制御回路を有することもできる。制御回路は、図１、３、図４Ａおよび４Ｂに図示されるように、パルス照明ユニット１１０、センサユニット１３０、およびＴｏＦタイミング発生器１５０等の回路を含むことができる。
【０１８７】
いくつかの実施形態において、画像センサデバイスは、差動ＴｏＦ測定のために使用されることができる。図２８−３１に関連して説明されるように、画像センサデバイスにおける制御回路は、差動ＴｏＦモードで方法を実装するために構成される。
【０１８８】
図３３は、差動ＴｏＦモード動作のための方法３３００を要約する、フローチャートである。方法は、３３１０において、露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことから開始する。３３２０において、第１の期間中、収集された光電荷が、第１の対のフォトダイオードから第１の対のフォトダイオード間に配置された第１の貯蔵ダイオードに転送され、３３３０において、第２の対のフォトダイオードからの収集された光電荷が、第２の対のフォトダイオード間に配置された第２の貯蔵ダイオードに転送される。
【０１８９】
第２の期間中、３３４０において、収集された光電荷が、第３の対のフォトダイオードから第３の対のフォトダイオード間に配置された第３の貯蔵ダイオードに転送され、３３５０において、収集された光電荷が、第４の対のフォトダイオードから第４の対のフォトダイオード間に配置された第４の貯蔵ダイオードに転送される。３３６０において、第２の貯蔵ダイオードと第４の貯蔵ダイオードとからの光電荷の第１の合計が、形成される。３３７０において、第１の貯蔵ダイオードと第３の貯蔵ダイオードとからの光電荷の第２の合計が、形成される。３３８０において、第１の合計が、差動増幅器の第１の入力に転送され、第２の合計が、差動増幅器の第２の入力に転送される。３３９０において、差動増幅器が、第１の合計および第２の合計に基づいて、差動信号を決定する。差動信号は、ＴｏＦ決定で使用されることができる。
【０１９０】
図３３に図示される具体的ステップは、本発明のある実施形態による、差動ＴｏＦモード動作を実装する特定の方法を提供することを理解されたい。ステップの他のシーケンスも、代替実施形態によると、実施され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、異なる順序で上で概説されるステップを実施し得る。さらに、図３３に図示される個々のステップは、個々のステップに適切であるような種々のシーケンスで実施され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、追加のステップが、特定の用途に応じて追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。
【０１９１】
いくつかの実施形態において、差動ＴｏＦモードでピクセルセルを動作させる方法は、上で説明されるように、露出時間窓中、ピクセルセルを光にさらすことであって、ピクセルセルは、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードとを含むことを含むことができる。方法は、第１の期間中、第１の対のフォトダイオードから第１の対のフォトダイオード間に配置された第１の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、第２の対のフォトダイオードから第２の対のフォトダイオード間に配置された第２の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することとを含む。方法は、第２の期間中、第３の対のフォトダイオードから第３の対のフォトダイオード間に配置された第３の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することと、第４の対のフォトダイオードから第４の対のフォトダイオード間に配置された第４の貯蔵ダイオードに収集された光電荷を転送することとを含む。方法は、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードからの光電荷の合計を差動増幅器の第１の入力に提供することと、第３の貯蔵ダイオードおよび第４の貯蔵ダイオードからの光電荷の合計を差動増幅器の第２の入力に提供することとによって、差動信号を生成することも含む。
【０１９２】
いくつかの実施形態において、方法は、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードから第１のフローティングディフュージョン領域に光電荷を転送することと、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードから第２のフローティングディフュージョン領域に光電荷を転送することとを含むことができる。方法は、第１のフローティングディフュージョン領域から第１のサンプルアンドホールドコンデンサに光電荷を転送することと、第２のフローティングディフュージョン領域から第２のサンプルアンドホールドコンデンサに光電荷を転送することと、第１および第２のサンプルアンドホールドコンデンサから差動増幅器に信号を転送することとを含むことができる。方法のいくつかの実施形態において、第１の対のフォトダイオードと第２の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有しておらず、第３の対のフォトダイオードと第４の対のフォトダイオードとは、共通するフォトダイオードを有していない。差動ＴｏＦモードのための方法の例が、図２８−３１に関連して説明される。
【０１９３】
いくつかの実施形態において、ビニングモードでピクセルセルを動作させる方法は、第１の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第１の貯蔵ダイオードに転送することと、第２の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷を第２の貯蔵ダイオードに転送することとを含むことができる。方法はまた、第１の貯蔵ダイオードおよび第２の貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、ビニングのために２つの感知された信号を提供することを含むこともできる。ビニングモードのための方法の例が、図３４に関連して説明される。
【０１９４】
いくつかの実施形態において、フル解像度モードでピクセルセルを動作させる方法は、各フォトダイオードにおいて収集された光電荷を隣接する貯蔵ダイオードに転送することと、各貯蔵ダイオードにおける光電荷を感知し、４つのサブピクセルのための感知信号を提供することとを含むことができる。フル解像度モードのための方法の例が、図３５に関連して説明される。
【０１９５】
図２８に示されるように、ピクセルセル２８００は、４つのフォトダイオードＰＰＤ１、ＰＰＤ２、ＰＰＤ３、およびＰＰＤ４を含む。ピクセルセル２８００は、４つの貯蔵ダイオード電荷制御ゲートの下に配置された４つの貯蔵ダイオードも含む。各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードと第２の隣接するフォトダイオードとの間に配置され、各貯蔵ダイオードは、第１の隣接するフォトダイオードおよび／または第２の隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成されることが理解され得る。さらに、各フォトダイオードは、第１の隣接する貯蔵ダイオードと第２の隣接する貯蔵ダイオードとの間に配置され、各フォトダイオードは、転送ゲートの制御下で第１の隣接する貯蔵ダイオードおよび／または第２の隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。フォトダイオードと貯蔵ダイオードとの間の電荷転送は、図２８に関連して上で説明されるように、転送ゲートＴＸ１＿１、ＴＸ１＿２、ＴＸ１＿３、およびＴＸ１＿４の制御下にある。
【０１９６】
図２８−２９Ｂの実施形態において、４つのフォトダイオードは、各貯蔵ダイオードが２つの隣接するフォトダイオード間に配置された２×２アレイに配列される。各対の隣接するフォトダイオードと貯蔵ダイオードとの間に転送ゲートが存在する。ピクセルセル２８００は、図２８のピクセルセル２８と同様、４つのフローティングディフュージョン領域も含む。各フローティングディフュージョン領域は、対応する貯蔵ダイオードに隣接して配置される。１つのフローティングディフュージョン領域ＦＤ１が、示されている。各対の隣接する貯蔵ダイオードとフローティングディフュージョン領域との間に転送ゲートが存在する。さらに、各貯蔵ダイオードに重なり、一定の電圧を維持するように構成された電荷制御ゲートＴＸ３も存在する。
【０１９７】
本発明のいくつかの実施形態において、図２８−２９Ｂに描写されるピクセルセルが、ＴｏＦ距離測定のために画像センサデバイスで使用されることができる。画像感知デバイスは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルと、画像センサデバイスの露出段階およびサンプリング段階を制御するための制御回路とを含むことができる。図２Ａおよび２Ｂは、ピクセルアレイにおいて行列に配列された複数のピクセルセルの例を図示する。制御回路は、図１、３、および、図４Ａおよび４Ｂに図示されるように、パルス照明ユニット１１０、センサユニット１３０、およびＴｏＦタイミング発生器１５０等の回路を含むことができる。
【０１９８】
図３４は、本発明のいくつかの実施形態による、ビニングモード動作のためのピクセルセルを図示する簡略化された上面概略図である。図３４は、図２８−２９Ｂのピクセルセルと同様、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードとを含むピクセルセル３４００を図示する。各貯蔵ダイオードは、２つの隣接するフォトダイオード間に配置され、各貯蔵ダイオードは、２つの隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成される。各フォトダイオードは、２つの隣接する貯蔵ダイオードの間に配置され、各フォトダイオードは、２つの隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。ビニング動作モードに関して、第１の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷は、第１の貯蔵ダイオードに転送され、第２の対の隣接するフォトダイオードにおいて収集された光電荷は、第２の貯蔵ダイオードに転送される。例えば、図３４において、フォトダイオードＰＰＤ２およびＰＰＤ３において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ３に転送され、フォトダイオードＰＰＤ１およびＰＰＤ４において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ１に転送される。次いで、第１の貯蔵ダイオード（ＳＤ３）および第２の貯蔵ダイオード（ＳＤ１）における光電荷は、ビニングのための２つの感知信号を提供するために感知される。この例において、転送信号ＴＸ１＿１およびＴＸ１＿２は、電荷転送を制御するために一緒に切り替えられる。上で説明される動作は、図２８のタイミングパルス＃１中に行われる動作に類似する。代替として、異なる対のフォトダイオードも、ビニング動作のために使用されることもできる。例えば、図２８のタイミングパルス＃中に行われる動作と同様、フォトダイオードＰＰＤ１およびＰＰＤ２において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ２に転送され、フォトダイオードＰＰＤ３およびＰＰＤ４において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ４に転送される。次いで、第１の貯蔵ダイオード（ＳＤ２）および第２の貯蔵ダイオード（ＳＤ４）における光電荷は、ビニングのための２つの感知信号を提供するために感知される。この例において、転送信号ＴＸ１＿３およびＴＸ１＿４は、電荷転送を制御するために一緒に切り替えられる。図３７Ｃを参照して下で説明されるように、ビニングモードは、ビン化差動モードＴｏＦ決定で使用されることができる。
【０１９９】
図３５は、本発明のいくつかの実施形態による、フル解像度モード動作のためのピクセルセルを図示する簡略化された上面概略図である。図３５は、図２８−２９Ｂのピクセルセルと同様、４つのフォトダイオードと、４つの貯蔵ダイオードとを含むピクセルセル３５００を図示する。各貯蔵ダイオードは、２つの隣接するフォトダイオード間に配置され、各貯蔵ダイオードは、２つの隣接するフォトダイオードのいずれか一方または両方から光電荷を受け取るように構成される。各フォトダイオードは、２つの隣接する貯蔵ダイオードの間に配置され、各フォトダイオードは、２つの隣接する貯蔵ダイオードのいずれか一方または両方に光電荷を転送するように構成される。フル解像度動作モードに関して、各フォトダイオードにおいて収集された光電荷は、それぞれの隣接する貯蔵ダイオードに転送される。各貯蔵ダイオードにおける光電荷は、４つのサブピクセルのための感知信号を提供するために感知される。例えば、図３５において、フォトダイオードＰＰＤ１において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ２に転送され、フォトダイオードＰＰＤ２において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ３に転送され、フォトダイオードＰＰＤ３において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ４に転送され、フォトダイオードＰＰＤ４において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ１に転送される。次いで、４つの貯蔵ダイオードＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３、およびＳＤ４の各々における光電荷は、４つのサブピクセルの各々のための４つの感知信号を提供するために感知される。この例において、転送信号ＴＸ１＿２およびＴＸ１＿４は、電荷転送を制御するために一緒に切り替えられることができる。図３５は、各々が光学信号を読み出すためのフローティングディフュージョン領域を有する４つの読み出し回路ＲＯ＿１、ＲＯ＿２、ＲＯ＿３、およびＲＯ＿４も示す。
【０２００】
代替として、フォトダイオードと貯蔵ダイオードとの異なる関連性も、フル解像度モード動作のために使用されることができる。例えば、図３５において、フォトダイオードＰＰＤ１において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ１に転送されることができ、フォトダイオードＰＰＤ２において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ２に転送されることができ、フォトダイオードＰＰＤ３において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ３に転送されることができ、フォトダイオードＰＰＤ４において収集された光電荷は、貯蔵ダイオードＳＤ４に転送されることができる。次いで、４つの貯蔵ダイオードＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３、およびＳＤ４の各々における光電荷は、４つのサブピクセルの各々のための４つの感知信号を提供するために感知される。
【０２０１】
図３６は、本発明のいくつかの実施形態による、図２８のピクセルセルの一部のレイアウトを図示する線画プロットである。図３０Ａのタイミング図を参照すると、差動ＴｏＦモードにおいて、図３１Ａに示されるような標識貯蔵１および貯蔵２によって示されるように、２つの揺動相は、フリンジ静電容量を低減させるために、２行のピクセル間でインターリーブされる。標識貯蔵１に関連付けられた２本の金属線３６１０および３６１２、例えば、図２８の転送信号ＴＸ１＿３およびＴＸ１＿４に関連付けられた金属線は、一緒に切り替えられる。したがって、２本の線間の静電容量は、低い。同様に、標識貯蔵２に関連付けられた２本の金属線３６２０および３６２２、例えば、図２８の転送信号ＴＸ１＿１およびＴＸ１＿２に関連付けられた金属線は、一緒に切り替えられる。したがって、２本の線間の静電容量は、低い。他方において、標識貯蔵１に関連付けられた２本の金属線は、標識貯蔵２に関連付けられた２本の金属線から離れて配置される。この配列は、厚い金属線を伴っても静電容量を低減させ、電気抵抗を低減させ得る。この配列は、高速応答が、例えば、サブナノ秒の範囲内で要求されるとき、ＴｏＦ動作のために望ましい。
【０２０２】
図３７Ａ、３７Ｂ、および３７Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、図２８−２９Ｂのピクセルセルを使用して実装され得る異なる動作モードを図示する簡略化されたタイミング図である。図３７Ａは、２回の完全読み出しが要求される標準画像センサ差動モードのタイミング図を図示する。このモードにおいて、第１のパルスは、アクティブな照明と一緒に動作させられ、第２のパルスは、アクティブな照明が「オフ」状態であるときに動作させられる。この差動モードにおいて、センサが、ビン化モードで稼働し、完全読み出しが、捕捉の合間に実施される。差動信号は、捕捉されたフレーム間のデジタル処理で減法演算によって取得されることができる。
【０２０３】
図３７Ｂは、１回のみの差動読み出しが実施される図２８−３６に関連して上記で図示されるように、ピクセル内差動ＴｏＦモードのタイミング図を図示する。このモードにおいて、アクティブな照明されたサブフレームとオフ状態サブフレームとの間に読み出しシーケンスが存在しない。このピクセル内差動モードにおいて、センサが、差動モードで動作し、差動信号が、差動増幅器を使用して実施される減法によって発生させられる。
【０２０４】
図３７Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、先進「動的モード」動作のタイミング図を図示する。動的モードにおいて、ピクセルセルのアレイが、差動コンパレータを用いて走査され、事前設定された閾値を上回る感知された信号を伴うピクセルのアドレスが、ＳＰＩ（シリアル周辺インターフェース）等の通信リンクを介して伝送される。このモードにおいて、選択的なイベントベースの出力が、低データ帯域幅を伴って提供されることができる。いくつかの実施形態において、アクティブな照明が、要求されず、時間に伴う信号の変化が、２つの貯蔵に交互に積分することによって追跡される。いくつかの実施形態において、各ピクセルが、２つの貯蔵を有し、画像が、前の画像と比較されることができる。差異は、ローリングシャッタおよび単一のビットのみを含み得る簡略化されたＡＤＣ（アナログ／−デジタル変換器）によって、試験されることができる。それは、コンパレータを用いて実装されることができる。
【０２０５】
本発明の好ましい実施形態が、図示され、説明されているが、本発明が、これらの実施形態にのみ限定されないことが、明確となるであろう。多数の修正、変更、変形例、代用、および均等物が、本請求項に説明されるような本発明の精神ならびに範囲から逸脱することなく、当業者に明白であろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2021507584.tif 000012
【図７Ｂ】
2021507584.tif 000013
【図７Ｃ】
2021507584.tif 000014
【図８】
2021507584.tif 000015
【図９】
2021507584.tif 000016
【図１０】
2021507584.tif 000017
【図１１】
2021507584.tif 000018
【図１２】
2021507584.tif 000019
【図１３】
2021507584.tif 000020
【図１４】
2021507584.tif 000021
【図１５】
2021507584.tif 000022
【図１６】
2021507584.tif 000023
【図１７】
2021507584.tif 000024
【図１８】
2021507584.tif 000025
【図１９】
2021507584.tif 000026
【図２０Ａ】
2021507584.tif 000027
【図２０Ｂ】
2021507584.tif 000028
【図２０Ｃ】
2021507584.tif 000029
【図２０Ｄ】
2021507584.tif 000030
【図２０Ｅ】
2021507584.tif 000031
【図２１Ａ】
2021507584.tif 000032
【図２１Ｂ】
2021507584.tif 000033
【図２１Ｃ】
2021507584.tif 000034
【図２２Ａ】
2021507584.tif 000035
【図２２Ｂ】
2021507584.tif 000036
【図２２Ｃ】
2021507584.tif 000037
【図２２Ｄ】
2021507584.tif 000038
【図２２Ｅ】
2021507584.tif 000039
【図２３】
2021507584.tif 000040
【図２４】
2021507584.tif 000041
【図２５】
2021507584.tif 000042
【図２６】
2021507584.tif 000043
【図２７】
2021507584.tif 000044
【図２８】
2021507584.tif 000045
【図２９Ａ】
2021507584.tif 000046
【図２９Ｂ】
2021507584.tif 000047
【図３０Ａ】
2021507584.tif 000048
【図３０Ｂ】
2021507584.tif 000049
【図３０Ｃ】
2021507584.tif 000050
【図３１】
2021507584.tif 000051
【図３２】
2021507584.tif 000052
【図３３】
2021507584.tif 000053
【図３４】
2021507584.tif 000054
【図３５】
2021507584.tif 000055
【図３６】
2021507584.tif 000056
【図３７】
2021507584.tif 000057
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月12日(2020.8.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２０Ａ】
2021507584.tif 000058
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２０Ｂ】
2021507584.tif 000059
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２０Ｃ】
2021507584.tif 000060
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２０Ｄ】
2021507584.tif 000061
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０Ｅ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２０Ｅ】
2021507584.tif 000062
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２１Ａ】
2021507584.tif 000063
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２１Ｂ】
2021507584.tif 000064
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２１Ｃ】
2021507584.tif 000065
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２２Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２２Ａ】
2021507584.tif 000066
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２２Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２２Ｂ】
2021507584.tif 000067
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２２Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２２Ｃ】
2021507584.tif 000068
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２２Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２２Ｄ】
2021507584.tif 000069
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２２Ｅ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２２Ｅ】
2021507584.tif 000070
【国際調査報告】
2021507584.tif 000071