(57)【要約】  一実施例では、方法は、入射光に応じて、フォトダイオードが残留電荷を蓄積し、フォトダイオードが飽和したときにオーバーフロー電荷を第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置に転送することを可能にすること、第１の電荷蓄積装置から第２の電荷蓄積装置を切断すること、フォトダイオードが残留電荷を第１の電荷蓄積装置に転送して、電荷検出ユニットに第１の電圧を出力させることを可能にすること、残留電荷を測定するため、第１の電圧を量子化して第１のデジタル値を生成すること、第２の電荷蓄積装置を第１の電荷蓄積装置に接続して、電荷検出ユニットに第２の電圧を出力させること、オーバーフロー電荷を測定するため、第２の電圧を量子化して第２のデジタル値を生成すること、および、第１のデジタル値および第２のデジタル値に基づいて、入射光強度のデジタル表現を生成すること、を含む。【選択図】図２
2021532614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、
第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置を含む電荷検出ユニットと、
アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、
コントローラであって、
露光期間中に、
前記フォトダイオードが、入射光に応答して、残留電荷を蓄積し、前記フォトダイオードが飽和したときにオーバーフロー電荷を前記第１の電荷蓄積装置および前記第２の電荷蓄積装置に転送することを可能にし、
前記露光期間終了後に、
前記第２の電荷蓄積装置を前記第１の電荷蓄積装置から切り離し、
前記残留電荷を前記第１の電荷蓄積装置に転送して、前記電荷検出ユニットに第１の電圧を生成させ、
前記ＡＤＣを制御し、前記第１の電圧を量子化して第１のデジタル値を生成し、前記残留電荷を測定し、
前記第１の電荷蓄積装置を前記第２の電荷蓄積装置に接続して、前記電荷検出ユニットに第２の電圧を生成させ、
前記第２の電圧を量子化して第２のデジタル値を生成し、前記オーバーフロー電荷を測定し、
前記第１のデジタル値、前記第２のデジタル値に基づいて、かつ、前記フォトダイオードが飽和しているかどうかに基づいて、前記入射光の強度のデジタル表現を生成する、
ように構成されたコントローラと、
を備える装置。
【請求項２】
前記装置は、
前記フォトダイオードと前記第１の電荷蓄積装置との間に連結された第１のスイッチであって、前記フォトダイオードから前記残留電荷または前記オーバーフロー電荷を転送するように前記コントローラによって制御可能な第１のスイッチと、
前記第１の電荷蓄積装置と前記第２の電荷蓄積装置とを並列に接続するか、または前記第２の電荷蓄積装置を前記第１の電荷蓄積装置から切断するように、前記コントローラによって制御可能な第２のスイッチと、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記露光期間中に、
前記第１の電荷蓄積装置と前記第２の電荷蓄積装置を並列に接続するように、前記第２のスイッチを制御し、
前記フォトダイオードが飽和している場合に、前記フォトダイオードが、並列に接続された前記第１の電荷蓄積装置および前記第２の電荷蓄積装置に前記オーバーフロー電荷を転送することができるように、前記第１のスイッチを制御する、
ように構成されている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記第１の電荷蓄積装置から、および前記フォトダイオードから、前記第２の電荷蓄積装置を切断し、前記第１の電荷蓄積装置が前記オーバーフロー電荷の第１の部分を保存し、前記第２の電荷蓄積装置が前記オーバーフロー電荷の第２の部分を保存できるように、前記第２のスイッチを制御し、
前記残留電荷を前記第１の電荷蓄積装置に転送し、前記電荷検出ユニットに前記第１の電圧を生成させるように、前記第１のスイッチを制御する、
ように構成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の電圧は、前記残留電荷の量と、前記オーバーフロー電荷の前記第１の部分の量と、前記第１の電荷蓄積装置のキャパシタンスとに基づく、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の電圧は、前記残留電荷の前記量と、前記オーバーフロー電荷の前記量と、前記第１の電荷蓄積装置および前記第２の電荷蓄積装置の総キャパシタンスとに基づく、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記コントローラは、各ピクセルセルの前記残留電荷を前記第１の電荷蓄積装置に転送する前に、前記第１の電荷蓄積装置を空にするように構成され、
前記第１の電圧は、前記残留電荷の量および前記第１の電荷蓄積装置のキャパシタンスに基づく、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の電圧は、前記残留電荷の前記量と、前記オーバーフロー電荷の前記第２の部分の量と、前記第１の電荷蓄積装置および前記第２の電荷蓄積装置の総キャパシタンスとに基づく、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記コントローラは、
前記第１のデジタル値、前記第２のデジタル値、並びに前記第１の電荷蓄積装置および前記第２の電荷蓄積装置のキャパシタンスに基づいて、前記残留電荷の第１のデジタル表現およびオーバーフロー電荷の第２のデジタル表現を生成し、
前記フォトダイオードが飽和するかどうかに基づいて、前記残留電荷の前記第１のデジタル表現または前記オーバーフロー電荷の前記第２のデジタル表現に基づいて、前記入射光の前記強度のデジタル表現を生成する、
ように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
メモリおよびカウンタをさらに備え、
前記ＡＤＣは、
前記第１の電圧を第１のランピング電圧と比較して、第１の判定を出力し、
前記第１の判定に基づいて、前記カウンタから前記第１のデジタル値を取得し、
前記第２の電圧を第２のランピング電圧と比較して、第２の判定を出力し、
前記第２の判定に基づいて、前記カウンタから前記第２のデジタル値を取得し、
前記第１のデジタル値と前記第２のデジタル値の両方を前記メモリに記憶する、
ように構成された比較器を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記第１の電圧を前記第１のランピング電圧と比較する前に、前記比較器と前記第１の電荷蓄積装置および前記第２の電荷蓄積装置を同時にリセットするように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記第２の電圧を前記第２のランピング電圧と比較する前に、前記比較器をリセットし、次いで、前記比較器がリセット解除されたときに前記第１の電荷蓄積装置および前記第２の電荷蓄積装置をリセットするように構成される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１のランピング電圧および前記第２のランピング電圧は、反対のランピング方向を有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記比較器の比較の極性は、前記第１のデジタル値の生成に関しては、前記第２のデジタル値の生成時に反転される、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記比較器の第１の入力端子および第２の入力端子への入力を、前記第１のデジタル値の生成と前記第２のデジタル値の生成との間で入れ替えて、前記比較の前記極性を反転させるように制御可能な入力マルチプレクサをさらに備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１のデジタル値の生成と前記第２のデジタル値の生成との間で前記比較器の出力を反転させ、前記比較の前記極性を反転させるように制御可能な出力マルチプレクサをさらに備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
露光期間中に、フォトダイオードが、入射光に応答して、残留電荷を蓄積し、前記フォトダイオードが飽和すると、オーバーフロー電荷を第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置に転送することを可能にすること、
前記第２の電荷蓄積装置を前記第１の電荷蓄積装置から切り離すこと、
前記フォトダイオードが、前記残留電荷を前記第１の電荷蓄積装置に転送して、電荷検出ユニットに第１の電圧を出力させることを可能にすること、
前記残留電荷を測定するために、前記第１の電圧を量子化して第１のデジタル値を生成すること、
前記第２の電荷蓄積装置を前記第１の電荷蓄積装置に接続して、前記電荷検出ユニットに第２の電圧を出力させること、
前記オーバーフロー電荷を測定するために、前記第２の電圧を量子化して第２のデジタル値を生成すること、および、
前記第１のデジタル値および前記第２のデジタル値に基づいて前記入射光の強度のデジタル表現を生成すること、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記方法は、
前記第１の電荷蓄積装置と前記第２の電荷蓄積装置とを並列に接続して、前記フォトダイオードから前記オーバーフロー電荷を受け取ること、および
前記第１の電荷蓄積装置が前記オーバーフロー電荷の第１の部分を蓄積し、前記第２の電荷蓄積装置が前記オーバーフロー電荷の第２の部分を蓄積するように、前記第１の電荷蓄積装置を前記第２の電荷蓄積装置から切断すること、
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記残留電荷は前記オーバーフロー電荷の前記第１の部分と結合して、前記第１の電圧を生成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記残留電荷を前記第１の電荷蓄積装置に転送する前に、前記第１の電荷蓄積装置を空にすることをさらに含み、
前記残留電荷は、空になった前記第１の電荷蓄積装置に蓄積されて、前記第１の電圧を生成する、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
［０００１］  本特許出願は、「ＤＩＧＩＴＡＬ  ＰＩＸＥＬ  ＳＥＮＳＯＲ  ＷＩＴＨ  ＥＮＨＡＮＣＥＤ  ＳＨＵＴＴＥＲ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ」と題する、２０１８年６月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／６９１，２２３号、および「ＧＬＯＢＡＬ  ＳＨＵＴＴＥＲ  ＩＭＡＧＥ  ＳＥＮＳＯＲ」と題する、２０１９年６月２７日に出願された米国特許出願第１６／４５４，７８７号の優先権を主張し、これらは、すべての目的のためにその全体が参照により組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］  本開示は、概して画像センサに関し、より具体的には、画像生成のための光強度を決定するためのインターフェース回路を含むピクセルセル構造に関する。
【０００３】
［０００３］  典型的な画像センサは、光子を電荷（例えば、電子または正孔）に変換することによって入射光の強度を測定するフォトダイオードと、電荷を蓄積する電荷蓄積装置とを含む。画像の歪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、グローバル露光期間（ｇｌｏｂａｌ  ｅｘｐｏｓｕｒｅ  ｐｅｒｉｏｄ）に入射光を同時に検出して電荷を生成するグローバルシャッタ操作を実行することができる。次いで、フォトダイオードのアレイによって生成された電荷を、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して、画像を生成することができる。画像センサの１つの重要な性能測定基準は、グローバルシャッタ効率（ＧＳＥ）であり、これは、電荷蓄積装置に蓄積された電荷のどれだけが、グローバル露光期間外に受け取った寄生光（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｌｉｇｈｔ）による寄与であるかを測定する。
【発明の概要】
【０００４】
［０００４］  本開示は、画像センサに関する。より具体的には、限定するものではないが、本開示はピクセルセルに関する。また、本開示は、入射光の強度のデジタル表現を生成するために、ピクセルセルの回路を動作させることにも関する。
【０００５】
［０００５］  一実施例では、装置が提供される。装置は、フォトダイオードと、第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置を含む電荷検出ユニットと、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、コントローラとを備える。コントローラは、露光期間中にフォトダイオードが、入射光に応答して残留電荷を蓄積し、フォトダイオードが飽和するときに、オーバーフロー電荷を第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置に転送することができるように構成される。また、コントローラは、露光期間が終了した後に、第１の電荷蓄積装置から第２の電荷蓄積装置を切断し、残留電荷を第１の電荷蓄積装置に転送して、電荷検出ユニットに第１の電圧を生成させ、残留電荷を測定するため、第１の電圧を量子化して第１のデジタル値を生成するようにＡＤＣを制御し、第１の電荷蓄積装置を第２の電荷蓄積装置に接続して、電荷検出ユニットに第２の電圧を生成させ、オーバーフロー電荷を測定するため、第２の電圧を量子化して第２のデジタル値を生成し、第１のデジタル値、第２のデジタル値に基づいて、およびフォトダイオードが飽和するかどうかに基づいて、入射光の強度のデジタル表現を生成するように構成される。
【０００６】
［０００６］  いくつかの態様では、装置は、フォトダイオードと第１の電荷蓄積装置との間に連結された第１のスイッチであって、残留電荷又はオーバーフロー電荷をフォトダイオードから転送するようにコントローラによって制御可能な第１のスイッチと、第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置を並列に接続するように、または第２の電荷蓄積装置を第１の電荷蓄積装置から切断するように、コントローラによって制御可能な第２のスイッチと、をさらに備える。
【０００７】
［０００７］  いくつかの態様では、コントローラは、露光期間中に、第２のスイッチを制御して第１の電荷蓄積装置と第２の電荷蓄積装置を並列に接続し、フォトダイオードが飽和した場合に第１の電荷蓄積装置と並列に接続された第２の電荷蓄積装置にオーバーフロー電荷を転送するように第１のスイッチを制御する、ように構成される。
【０００８】
［０００８］  いくつかの態様では、コントローラは、第２のスイッチを制御して、第１の電荷蓄積装置およびフォトダイオードから第２の電荷蓄積装置を切断し、第１の電荷蓄積装置がオーバーフロー電荷の第１の部分を蓄積し、第２の電荷蓄積装置がオーバーフロー電荷の第２の部分を蓄積することを可能にし、また、第１のスイッチを制御して、残留電荷を第１の電荷蓄積装置に転送し、電荷検出ユニットに第１の電圧を生成させる、ように構成される。
【０００９】
［０００９］  いくつかの態様では、第１の電圧は、残留電荷の量と、オーバーフロー電荷の第１の部分の量と、第１の電荷蓄積装置のキャパシタンスとに基づく。
【００１０】
［００１０］  いくつかの態様では、第２の電圧は、残留電荷の量と、オーバーフロー電荷の量と、第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置の総キャパシタンスに基づく。
【００１１】
［００１１］  いくつかの態様では、コントローラは、各ピクセルセルの残留電荷を第１の電荷蓄積装置に転送する前に、第１の電荷蓄積装置を空にするように構成される。第１の電圧は、残留電荷の量と第１の電荷蓄積装置のキャパシタンスとに基づく。
【００１２】
［００１２］  いくつかの態様では、第２の電圧は、残留電荷の量と、オーバーフロー電荷の第２の部分の量と、第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置の総キャパシタンスに基づく。
【００１３】
［００１３］  いくつかの態様では、コントローラは、第１のデジタル値と、第２のデジタル値と、第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置のキャパシタンスとに基づいて、残留電荷の第１のデジタル表現と、オーバーフロー電荷の第２のデジタル表現とを生成するように構成され、また、フォトダイオードが飽和するかどうかに基づいて、残留電荷の第１のデジタル表現またはオーバーフロー電荷の第２のデジタル表現に基づいて、入射光の強度のデジタル表現を生成するように構成される。
【００１４】
［００１４］  いくつかの態様では、装置は、メモリおよびカウンタをさらに備える。ＡＤＣは、第１の判定を出力するために第１のランピング電圧と第１の電圧を比較し、第１の判定に基づいてカウンタから第１のデジタル値を取得し、第２の判定を出力するために第２のランピング電圧と第２の電圧を比較し、第２の判定に基づいてカウンタから第２のデジタル値を取得し、第１のデジタル値と第２のデジタル値の両方をメモリに格納するように構成された比較器をさらに備える。
【００１５】
［００１５］  いくつかの態様では、コントローラは、第１の電圧を第１のランピング電圧と比較する前に、比較器と第１および第２の電荷蓄積装置を同時にリセットするように構成される。
【００１６】
［００１６］  いくつかの態様では、コントローラは、第２の電圧を第２のランピング電圧と比較する前に、比較器をリセットし、次いで比較器がリセット解除されたときに第１および第２の電荷蓄積装置をリセットするように構成される。
【００１７】
［００１７］  いくつかの態様では、第１のランピング電圧および第２のランピング電圧は、反対のランピング方向を有する。
【００１８】
［００１８］  いくつかの態様では、比較器の比較の極性は、第１のデジタル値の生成に関しては、第２のデジタル値の生成時に反転される。
【００１９】
［００１９］  いくつかの態様では、装置は、比較の極性を反転させるために、第１のデジタル値の生成と第２のデジタル値の生成との間に、入力を第１の入力端子と比較器の第２の入力端子とで入れ替えるように制御可能な入力マルチプレクサをさらに含む。
【００２０】
［００２０］  いくつかの態様では、装置は、比較の極性を反転させるために、第１のデジタル値の生成と第２のデジタル値の生成との間に、比較器の出力を反転させるように制御可能な出力マルチプレクサをさらに備える。
【００２１】
［００２１］  一実施例では、方法が提供される。この方法は、露光期間中に、入射光に応答してフォトダイオードが、残留電荷を蓄積し、フォトダイオードが飽和したときに第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置にオーバーフロー電荷を転送することを可能にすることと、第１の電荷蓄積装置から第２の電荷蓄積装置を切断することと、フォトダイオードが残留電荷を第１の電荷蓄積装置に転送して、電荷検出ユニットに第１の電圧を出力させることを可能にすることと、残留電荷を測定するために、第１の電圧を量子化して第１のデジタル値を生成することと、第２の電荷蓄積装置を第１の電荷蓄積装置に接続して、電荷検出ユニットに第２の電圧を出力させることと、オーバーフロー電荷を測定するために、第２の電圧を量子化して第２のデジタル値を生成することと、第１のデジタル値および第２のデジタル値に基づいて、入射光強度のデジタル表現を生成することとを含む。
【００２２】
［００２２］  いくつかの態様では、方法は、第１の電荷蓄積装置と第２の電荷蓄積装置とを並列に接続してフォトダイオードからオーバーフロー電荷を受け取ることと、第１の電荷蓄積装置がオーバーフロー電荷の第１の部分を蓄積し、第２の電荷蓄積装置がオーバーフロー電荷の第２の部分を蓄積するように、第１の電荷蓄積装置を第２の電荷蓄積装置から切断することとをさらに含む。
【００２３】
［００２３］  いくつかの態様において、残留電荷は、オーバーフロー電荷の第１の部分と結合して、第１の電圧を生成する。
【００２４】
［００２４］  いくつかの態様では、方法は、残留電荷を第１の電荷蓄積装置に転送する前に、第１の電荷蓄積装置を空にすることをさらに含む。残留電荷は、空になった第１の電荷蓄積装置に蓄積され、第１の電圧を生成する。
【００２５】
［００２５］  例示的な実施形態は、以下の図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】ニアアイディスプレイの一例の図である。
【図１Ｂ】ニアアイディスプレイの一例の図である。
【図２】ニアアイディスプレイの断面の例である。
【図３】単一の光源アセンブリを有する導波路ディスプレイの一例の等角図を示す。
【図４】導波路ディスプレイの一例の断面図を示す。
【図５】ニアアイディスプレイを含むシステムの一例のブロック図である。
【図６】ピクセルセルの一例のブロック図を示す。
【図７】図６の例による異なる範囲の光強度を決定するための操作を示す。
【図８】図６のピクセルセルの内部構成要素の例を示す。
【図９Ａ】光強度を決定するための例示的な方法を示す。
【図９Ｂ】光強度を決定するための例示的な方法を示す。
【図１０Ａ】量子化を実行するための技法を示す。
【図１０Ｂ】量子化を実行するための技法を示す。
【図１１】ピクセルセルの一例のブロック図を示す。
【図１２】光強度の測定を実行するための制御信号の例示的なシーケンスを示す。
【図１３】光強度の測定を実行するための制御信号の例示的なシーケンスを示す。
【図１４Ａ】ピクセルセルの例を示す。
【図１４Ｂ】ピクセルセルの例を示す。
【図１４Ｃ】ピクセルセルの例を示す。
【図１５】図１３の制御信号の制御信号の例示的なシーケンスに基づく図１４Ａ、図１４Ｂ、および図１４Ｃの例示的なピクセルセルの出力の例示的なシーケンスを示す。
【図１６】ピクセルセルの別の例を示す。
【図１７】図１６の例示的なピクセルセルを使用して光強度測定を実行するための制御信号の例示的なシーケンスを示す。
【図１８】光強度を測定するための例示的な処理のフロー図を示す。
【００２７】
［００４４］  図は、単に説明を目的として、本開示の実施例を示したものである。当業者であれば、以下の説明から、図示された構造および方法の代替的な実施例が、本開示の原理または謳われている利点から逸脱することなく用いられ得ることを容易に認識するであろう。
【００２８】
［００４５］  添付の図では、同様の構成要素および／または特徴は、同じ参照ラベルを有する場合がある。さらに、同じタイプの様々な構成要素は、同様の構成要素間を区別するダッシュおよび第２のラベルを参照ラベルの後に続けることによって区別され得る。第１の参照ラベルのみが明細書において使用されている場合、説明は、第２の参照ラベルに関係なく同じ第１の参照ラベルを有する類似の構成要素のいずれかに適用可能である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［００４６］  以下の説明において、説明の目的のために、特定の発明の実施例の完全な理解を提供するために、特定の詳細が述べられている。しかしながら、これらの特定の詳細なしで様々な実施例が実施され得ることは明らかであろう。図および説明は、限定的であることを意図していない。
【００３０】
［００４７］  典型的な画像センサは、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（例えば、電子または正孔）に変換することによって入射光の強度を測定するフォトダイオードを含む。フォトダイオードによって生成された電荷は、ピクセルセル内のフローティングドレインノードなどの電荷蓄積装置に一時的に蓄積され得る。各ピクセルセルに蓄積された電荷は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によりデジタル値に量子化できる。ＡＤＣは、例えば、比較器を使用して電荷を表す電圧を一または複数の量子化レベルと比較することによって量子化することができ、比較結果に基づいてデジタル値を生成することができる。次いで、ピクセルセルからのデジタル値をメモリに記憶して画像を生成することができる。
【００３１】
［００４８］  電力およびチップ面積の制限により、各ピクセルセルに専用のＡＤＣおよびメモリを提供する代わりに、少なくともいくつかのピクセルセルでＡＤＣおよびメモリを共有するのが典型的である。ＡＤＣおよびメモリのピクセルセル間の共有に対応するために、ローリングシャッタ操作を実行することができる。例えば、ピクセルセルのアレイは、複数のグループ（例えば、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は、ＡＤＣおよびメモリを共有する。ＡＤＣおよびメモリの共有に対応するために、ローリングシャッタ操作を実行することが可能で、グループ内の各ピクセルセルは順次入射光に露光されて電荷を生成することができ、その後、ＡＤＣにアクセスすることによって電荷をデジタル値に量子化し、デジタル値をメモリに記憶する。ローリングシャッタ操作は、異なるピクセルセルを異なる時間で入射光に露光するため、ローリングシャッタ操作から生成される画像は、特に、移動物体の画像および／または画像センサが動いているときに捕捉される画像に関しては、歪みが認められることがある。ローリングシャッタ操作によって導入される潜在的な歪みは、画像センサがヘッドセットの一部になっていて、画像を捕捉するときに動いていることがあり得る、拡張現実／混合現実／仮想現実（ＡＲ／ＭＲ／ＶＲ）アプリケーション、ウェアラブルアプリケーションなどには不適である。
【００３２】
［００４９］  画像の歪みを低減するため、ピクセルセルのアレイの各ピクセルセルが入射光に露光される際にグローバルシャッタ操作を実行して、グローバルシャッタ期間（またはグローバル積分期間）内に同時に電荷を生成することができる。また、各ピクセルセルは、グローバル露光期間中にフォトダイオードによって生成された電荷を一時的に蓄積するための電荷蓄積装置を含むことができる。電荷蓄積装置に蓄積された電荷を量子化して、各ピクセルセルに対してデジタル値を生成することができる。ピクセルセルのデジタル値は、グローバルシャッタ期間内に、ピクセルセルによって受け取られた入射光の強度の分布を表し得る。
【００３３】
［００５０］  グローバルシャッタ操作のための１つの重要な性能測定基準は、グローバルシャッタ効率（ＧＳＥ）であり、これは、電荷蓄積装置に蓄積され、ＡＤＣによって量子化された電荷のうちのどれだけが、強度測定の対象ではない寄生光によるものかを測定する。寄生光の１つの源は、例えば、不均一な露光の開始時刻および／または終了時刻によって引き起こされる不均一な露光期間に起因し得る。例えば、多段読み出しおよび量子化スキームにおいて、第１段階の読み出しおよび量子化操作は、フォトダイオードがまだ電荷蓄積装置に電荷を転送しているときに実行され、その後、電荷転送が停止した後に第２段階の読み出しおよび量子化操作が実行されてもよい。その結果、読み出しおよび量子化操作の２段階に対する露光期間は、異なる終了時刻を有し得る。不均一な露光期間は、同じグローバル露光期間中ではなく、異なる期間に検出された光に基づいて、異なるピクセルセルが画素データを生成することにつながる可能性がある。これは、ローリングシャッタ操作と同様に、明るく速い移動物体を撮像するときに、被写体ぶれを引き起こし得る。
【００３４】
［００５１］  本開示は、上述した問題のいくつかに対処することによって、改良されたグローバルシャッタ操作を提供することができる撮像素子に関する。画像センサは、グローバル露光期間中の入射光の強度を測定するためのピクセルセルアレイを含む。各ピクセルセルは、バッファ、第１の電荷蓄積装置、および第２の電荷蓄積装置を備える電荷検出ユニットと、フォトダイオードとを含む。第１の電荷蓄積装置は、フローティングドレインとすることができ、一方、第２の電荷蓄積装置は、キャパシタ（例えば、金属酸化物シリコン（ＭＯＳ）キャパシタ、金属キャパシタ等）とすることができる。第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置は、フォトダイオードから電荷を受け取るために並列に接続することができ、あるいは、第１の電荷蓄積装置のみがフォトダイオードから電荷を受け取るように切断することができる。電荷検出ユニットは、第１の電荷で蓄積された電荷に基づいて、一または複数の電荷蓄積装置に電圧を出力することができる。画像センサは、一または複数のＡＤＣおよびコントローラをさらに含む。コントローラは、各ピクセルセルのフォトダイオードが、グローバル露光期間中に、入射光に応答して電荷を生成することを可能にすることができる。フォトダイオードは、電荷の少なくとも一部を残留電荷として蓄積し、フォトダイオードが飽和した後に、残った電荷をオーバーフロー電荷として電荷検出部に転送することができる。このオーバーフロー電荷は、第１の電荷蓄積装置と第２の電荷蓄積装置との並列組合せによって蓄積することができる。グローバル露光期間が終了した後、コントローラは、電荷検出ユニットからフォトダイオードを切断して、電荷検出ユニットへの電荷の転送を停止し、一または複数のＡＤＣを制御して、電荷検出ユニットの出力電圧に対して、第１の量子化操作および第２の量子化操作を実行して、それぞれ、第１のデジタル値および第２のデジタル値を生成し、各ピクセルセルのフォトダイオードが飽和するかどうかに基づいて、各ピクセルセルについて第１のデジタル値または第２のデジタル値のうちの１つを出力することができる。
【００３５】
［００５２］  具体的には、グローバル露光期間が終了した後、コントローラは、まず、各ピクセルセルのフォトダイオードが残留電荷を第１の電荷蓄積装置に転送することを可能にし、これにより、電荷検出ユニットは第１の電圧を出力することができる。いくつかの実施例では、第１の電圧は、残留電荷の量、並びにオーバーフロー電荷の一部を表すことができる。いくつかの実施例では、第１の電荷蓄積装置は、残留電荷の転送前にリセットすることができ、第１の電圧は、残留電荷の量を表すことができる。グローバル露光期間は、各ピクセルにおける第１の電荷蓄積装置への残留電荷の転送が終了した後に、終了する。残留電荷の移動（並びにグローバル露光期間）が終了した後、コントローラは、一または複数のＡＤＣを制御して第１の電圧の第１の量子化操作を実行し、グローバル露光期間中に各ピクセルセルで生成される残留電荷を測定することができる。
【００３６】
［００５３］  第１の量子化操作後、コントローラは次に、第１の電荷蓄積装置を第２の電荷蓄積装置に接続することができ、これにより、電荷検出ユニットに第２の電圧を出力させることができる。第２の電圧は、残留電荷の量およびオーバーフロー電荷の一部（残留電荷の転送の前に第１の電荷蓄積装置がリセットされる場合）、またはオーバーフロー電荷の全体を表すことができる。コントローラは、一または複数のＡＤＣを制御して、第２の電圧の第２の量子化操作を実行し、グローバル露光期間中に各ピクセルセルで生成されるオーバーフロー電荷を測定することができる。
【００３７】
［００５４］  いくつかの実施例では、一または複数のＡＤＣは、カウンタおよびメモリとともに、各ピクセルセルに比較器を含み得る。メモリは定期的にカウント値を更新できる。第１の量子化操作と第２の量子化操作の両方において、比較器は、第１の電圧および第２の電圧をランピング閾値電圧と比較して、決定を下すことができる。この決定は、第１の電圧（または第２の電圧）に一致する整合閾値電圧が見つかったことを示すことができる。この決定は、メモリが、各量子化操作における整合閾値電圧に対応するカウンタのカウント値を、（第１の量子化操作のための）第１のデジタル値として、または（第２の量子化操作のための）第２のデジタル値として、いつ記憶するかを制御することができる。ランピング閾値電圧に対して第１の電圧を比較することによって下される決定は、光の強度を表すために、（オーバーフロー電荷の）第２の量子化操作からの第２のデジタル値をメモリに記憶するかどうかをコントローラが決定できることに基づいて、フォトダイオードが飽和するかどうかを示すこともできる。量子化操作に対するリセットノイズおよび比較器オフセットの影響を緩和するため、相関２重サンプリングなどの様々なノイズおよびオフセット補償技術を採用することができる。いくつかの実施例では、第１のランピング閾値電圧は、第２の量子化操作に使用される第２のランピング閾値電圧とは反対のランピング方向を有し得る第１の量子化操作に使用することができる。
【００３８】
［００５５］  本開示の実施例では、各ピクセルセルにおける光強度測定は、グローバル露光期間中にピクセルセルのフォトダイオードで生成された電荷に基づくことができる。さらに、フォトダイオードが、グローバル露光期間が終了した後に電荷蓄積装置への電荷の転送を停止すると、その後の読み出しおよび量子化操作の各々は、同じグローバル露光期間中に生成された電荷に基づくことができる。その結果、画像センサは、グローバルシャッタ操作を支援することができるだけでなく、改善されたグローバルシャッタ効率を提供することができる。さらに、多段読み出しおよび量子化操作において採用される様々な技術は、画像センサのダイナミックレンジをさらに拡張することができる。これらはすべて、画像センサ出力に依存するアプリケーションと同様に、画像センサの性能を改善することができる。
【００３９】
［００５６］  本開示の技術は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムと共に実装され得る。人工現実は、ユーザへの提示前になんらかの方法で調整された現実の形式であり、例えば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはこれらの何らかの組合せおよび／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、または取り込まれた（例えば、現実世界の）コンテンツと組み合わせて生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、音声、触覚フィードバック、または、これらのなんらかの組み合わせを含み、これらのいずれかは、１つのチャネルもしくは複数のチャネル（見る人に３次元効果をもたらすステレオビデオなど）において提示され得る。加えて、いくつかの実施例では、人工現実は、例えば、人工現実におけるコンテンツを作成するために使用される、および／または人工現実において他の方法で使用される（例えば、活動を実行する）用途、製品、付属品、サービス、またはこれらの何らかの組み合わせにも関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、独立型ＨＭＤ、モバイルデバイスまたはコンピューティングシステム、あるいは、一または複数の視聴者に人工現実コンテンツを提供することができる任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装され得る。
【００４０】
［００５７］  図１Ａは、ニアアイディスプレイ１００の実施例の図である。ニアアイディスプレイ１００は、メディアをユーザに提示する。ニアアイディスプレイ１００によって提示されるメディアの例は、一または複数の画像、ビデオ、および／または音声を含む。いくつかの実施形態では、音声は、ニアアイディスプレイ１００、コンソール、またはその両方から音声情報を受け取り、音声情報に基づいて音声データを提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドフォン）を介して提示される。ニアアイディスプレイ１００は、一般的に、仮想現実（ＶＲ）ディスプレイとして動作するように構成される。いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、拡張現実（ＡＲ）ディスプレイおよび／または複合現実（ＭＲ）ディスプレイとして動作するように修正される。
【００４１】
［００５８］  ニアアイディスプレイ１００は、フレーム１０５とディスプレイ１１０とを含む。フレーム１０５は、一または複数の光学要素に連結される。ディスプレイ１１０は、ユーザがニアアイディスプレイ１００によって提示されるコンテンツを見るように構成される。いくつかの実施例では、ディスプレイ１１０は、一または複数の画像からの光をユーザの目に向けるための導波路ディスプレイアセンブリを備える。
【００４２】
［００５９］  ニアアイディスプレイ１００は、画像センサ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄをさらに含む。画像センサ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄの各々は、異なる方向に沿った異なる視野を表す画像データを生成するように構成されたピクセルアレイを含み得る。例えば、センサ１２０ａおよび１２０ｂは、Ｚ軸に沿った方向Ａに向かう２つの視野を表す画像データを提供するように構成されてよく、一方、センサ１２０ｃは、Ｘ軸に沿った方向Ｂに向かう視野を表す画像データを提供するように構成されてよく、センサ１２０ｄは、Ｘ軸に沿った方向Ｃに向かう視野を表す画像データを提供するように構成されてよい。
【００４３】
［００６０］  いくつかの実施形態では、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００を装着しているユーザにインタラクティブＶＲ／ＡＲ／ＭＲ体験を提供するために、ニアアイディスプレイ１００の表示コンテンツを制御する、または表示コンテンツに影響を与える入力デバイスとして構成され得る。例えば、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ユーザが位置する物理的環境の物理的画像データを生成することができる。物理的画像データは、物理的環境内のユーザの位置および／または移動経路を追跡するために、位置追跡システムに提供され得る。次いで、システムは、インタラクティブ体験を提供するために、例えば、ユーザの位置および向きに基づいて、ディスプレイ１１０に提供される画像データを更新することができる。いくつかの実施形態では、位置追跡システムは、ユーザが物理的環境内を移動するときに、物理的環境内およびユーザの視野内の対象物の組を追跡するために、ＳＬＡＭアルゴリズムを動作させ得る。位置追跡システムは、対象物の組に基づいて物理的環境のマップを構築および更新し、マップ内のユーザの位置を追跡することができる。複数の視野に対応する画像データを提供することによって、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、位置追跡システムに対して、物理的環境のより全体的な視野を提供することができ、これは、マップの構築および更新の際により多くの対象物が含まれることにつながり得る。このような構成により、物理的環境内におけるユーザ位置の追跡の精度およびロバスト性が改善され得る。
【００４４】
［００６１］  いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は、光を物理的環境に投影するため、一または複数のアクティブ照明器１３０をさらに含み得る。投影された光は、異なる周波数スペクトル（例えば、可視光、赤外線、紫外線など）に関連付けられ得、様々な目的を果たすことができる。例えば、照明器１３０は、例えば、ユーザの位置追跡を可能にするために、暗い環境内の異なる対象物の画像を取り込む際にセンサ１２０ａ〜１２０ｄを支援するために、暗い環境内で（または、低い強度の赤外線、紫外線などを有する環境内で）光を投影し得る。照明器１３０は、マップ構築／更新のために対象物を識別する際に位置追跡システムを支援するために、環境内の対象物に特定のマーカを投影し得る。
【００４５】
［００６２］  いくつかの実施形態では、照明器１３０は、立体撮像も可能にし得る。例えば、センサ１２０ａまたは１２０ｂの一または複数は、可視光検出用の第１のピクセルアレイと、赤外（ＩＲ）光検出用の第２のピクセルアレイの両方を含むことができる。第１のピクセルアレイには、カラーフィルタ（例えば、ベイヤーフィルタ）を重ねることができ、第１のピクセルアレイの各ピクセルは、特定の色（例えば、赤色、緑色、または青色の１つ）に関連付けられた光の強度を測定するように構成される。第２のピクセルアレイ（ＩＲ光検出用）にも、ＩＲ光のみを通過させるフィルタを重ねることができ、第２のピクセルアレイの各ピクセルは、ＩＲ光の強度を測定するように構成される。ピクセルアレイは、対象物のＲＧＢ画像およびＩＲ画像を生成することができ、ＩＲ画像の各ピクセルは、ＲＧＢ画像の各ピクセルにマッピングされる。照明器１３０は、ＩＲマーカの組を対象物上に投影してもよく、その画像はＩＲピクセルアレイによって取り込まれ得る。画像内に示された対象物のＩＲマーカの分布に基づいて、システムは、ＩＲピクセルアレイからの対象物の異なる部分の距離を推定し、距離に基づいて対象物の立体画像を生成することができる。対象物の立体画像に基づいて、システムは、例えば、ユーザに対する対象物の相対位置を決定し、インタラクティブ体験を提供するために、相対位置情報に基づいて、ディスプレイ１００に提供される画像データを更新することができる。
【００４６】
［００６３］  上述のように、ニアアイディスプレイ１００は、非常に広範囲の光強度に関連する環境において動作され得る。例えば、ニアアイディスプレイ１００は、屋内環境や屋外環境において、および／または１日の異なる時刻に動作され得る。ニアアイディスプレイ１００は、アクティブ照明器１３０がオンになっていなくても動作し得る。結果として、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００の異なる動作環境に関連する非常に広範囲の光強度にわたって適切に動作する（例えば、入射光の強度と相関する出力を生成する）ことを可能にするために、広いダイナミックレンジを有することを必要とする場合がある。
【００４７】
［００６４］  図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００の別の実施例の図である。図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００を装着しているユーザの眼球１３５に面するニアアイディスプレイ１００の面を示す。図１Ｂに示すように、ニアアイディスプレイ１００は、複数の照明器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆをさらに含み得る。ニアアイディスプレイ１００は、複数の画像センサ１５０ａおよび１５０ｂをさらに含む。照明器１４０ａ、１４０ｂ、および１４０ｃは、（図１Ａの方向Ａと反対の）方向Ｄに向けて、特定の周波数範囲（例えば、ＮＩＲ）の光を照射し得る。照射された光は、特定のパターンに関連付けられ得、ユーザの左眼球によって反射される可能性がある。センサ１５０ａ、反射光を受け取り、反射パターンの画像を生成するピクセルアレイを含み得る。同様に、照明器１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆは、パターンを伝達するＮＩＲ光を放射し得る。ＮＩＲ光は、ユーザの右眼球によって反射される可能性があり、センサ１５０ｂによって受け取られ得る。センサ１５０ｂは、反射パターンの画像を生成するピクセルアレイも含み得る。センサ１５０ａおよび１５０ｂからの反射パターンの画像に基づいて、システムは、ユーザの注視点を決定し、ユーザにインタラクティブ体験を提供するために、決定された注視点に基づいてディスプレイ１００に提供される画像データを更新することができる。
【００４８】
［００６５］  上述のように、ユーザの眼球を損傷することを防ぐために、照明器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｅ、および１４０ｆは、典型的には、非常に低い強度の光を出力するように構成される。画像センサ１５０ａおよび１５０ｂが図１Ａの画像センサ１２０ａ〜１２０ｄと同じセンサデバイスを備える場合、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、入射光の強度が非常に低いときに入射光の強度と相関する出力を生成できることが必要な場合があり、これは、画像センサのダイナミックレンジ要件をさらに増大させることがある。
【００４９】
［００６６］  さらに、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、眼球の動きを追跡するため、高速で出力を生成できることが必要な場合がある。例えば、ユーザの眼球は、１つの眼球位置から別の眼球位置への素早いジャンプとなり得る非常に急速な動き（例えば、サッカード運動）を行う可能性がある。ユーザの眼球の急速な動きを追跡するため、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、高速で眼球の画像を生成する必要がある。例えば、画像センサが画像フレームを生成するレート（フレームレート）は、少なくとも眼球の動きの速度に一致する必要がある。高いフレームレートは、画像フレームを生成する際に関与するピクセルセルのすべてに対して、短い総露光時間、ならびに、センサ出力を画像生成のためデジタル値に変換する高い速度を要求する。さらに、上述のように、画像センサは、低い光強度を有する環境において動作可能であることも要求とする。
【００５０】
［００６７］  図２は、図１に示すニアアイディスプレイ１００の断面２００の実施例である。ディスプレイ１１０は、少なくとも１つの導波路ディスプレイアセンブリ２１０を含む。射出瞳２３０は、ユーザがニアアイディスプレイ１００を装着しているときに、ユーザの１つの眼球２２０がアイボックス領域内に配置される位置である。例示として、図２は、眼球２２０と１つの導波路ディスプレイアセンブリ２１０とに関連する断面２００を示しているが、第２の導波路ディスプレイはユーザの第２の眼球のために使用される。
【００５１】
［００６８］  導波路ディスプレイアセンブリ２１０、射出瞳２３０に位置するアイボックスと眼球２２０とに画像光を向けるように構成される。導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、一または複数の屈折率を有する一または複数の材料（例えば、プラスチック、ガラスなど）から構成され得る。いくつかの実施形態では、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との間に一または複数の光学要素を含む。
【００５２】
［００６９］  いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、限定するものではないが、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一または複数の導波路ディスプレイのスタックを含む。積層導波路ディスプレイは、それぞれの単色光源が異なる色である導波路ディスプレイを積層することによって生成される多色ディスプレイ（例えば、赤−緑−青（ＲＧＢ）ディスプレイ）である。積層導波路ディスプレイは、複数の平面上に投影され得る多色ディスプレイ（例えば、多平面カラーディスプレイ）でもある。いくつかの構成では、積層導波路ディスプレイは、複数の平面上に投影され得る単色ディスプレイ（例えば、多平面単色ディスプレイ）である。可変焦点導波路ディスプレイは、導波路ディスプレイから放射される画像光の焦点位置を調整することができるディスプレイである。代替的な実施例では、導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、積層導波路ディスプレイと可変焦点導波路ディスプレイとを含み得る。
【００５３】
［００７０］  図３は、導波路ディスプレイ３００の実施例の等角図を示す。いくつかの実施例では、導波路ディスプレイ３００は、ニアアイディスプレイ１００の構成要素（例えば、導波路ディスプレイアセンブリ２１０）である。いくつかの実施例では、導波路ディスプレイ３００は、画像光を特定の場所に導く何らかの他のニアアイディスプレイまたは他のシステムの一部である。
【００５４】
［００７１］  導波路ディスプレイ３００は、光源アセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、コントローラ３３０とを含む。例示のため、図３は、１つの眼球２２０に関連する導波路ディスプレイ３００を示しているが、いくつかの実施例では、導波路ディスプレイ３００から分離した、または部分的に分離した別の導波路ディスプレイが、画像光をユーザのもう一方の眼に提供する。
【００５５】
［００７２］  光源アセンブリ３１０は、画像光３５５を生成する。光源アセンブリ３１０は、画像光３５５を生成し、出力導波路３２０の第１の面３７０−１上に位置するカップリング素子３５０に出力する。出力導波路３２０は、拡大された画像光３４０をユーザの眼球２２０に出力する光導波路である。出力導波路３２０は、第１の面３７０−１上に位置する一または複数のカップリング素子３５０で画像光３５５を受け取り、受け取った入力画像光３５５を方向付け要素３６０に導く。いくつかの実施形態では、カップリング素子３５０は、光源アセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に連結する。カップリング素子３５０は、例えば、回折格子、ホログラフィック格子、一または複数のカスケード型反射器、一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ってもよい。
【００５６】
［００７３］  方向付け要素３６０は、受け取った入力画像光３５５がデカップリング素子３６５を介して出力導波路３２０から分離されるように、受け取った入力画像光３５５をデカップリング素子３６５に方向転換する。方向付け要素３６０は、出力導波路３２０の第１の面３７０−１の一部であるか、または出力導波路３２０の第１の面３７０−１に取り付けられる。デカップリング素子３６５は、方向付け要素３６０がデカップリング素子３６５に対向するように、出力導波路３２０の第２の面３７０−２の一部であるか、または出力導波路３２０の第２の面３７０−２に取り付けられる。方向付け要素３６０および／またはデカップリング素子３６５は、例えば、回折格子、ホログラフィック格子、一または複数のカスケード型反射器、一または複数のプリズム表面要素、および／またはホログラフィック反射器のアレイであり得る。
【００５７】
［００７４］  第２の面３７０−２は、ｘ方向およびｙ方向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一または複数の材料で構成され得る。出力導波路３２０は、例えば、シリコン、プラスチック、ガラス、および／またはポリマーで構成され得る。出力導波路３２０は、比較的小さいフォームファクタを有する。例えば、出力導波路３２０は、ｘ方向に沿って約５０ｍｍの幅、ｙ方向に沿って３０ｍｍの長さ、およびｚ方向に沿って０．５〜１ｍｍの厚みになり得る。
【００５８】
［００７５］  コントローラ３３０は、光源アセンブリ３１０の走査動作を制御する。コントローラ３３０は、光源アセンブリ３１０の走査命令を決定する。いくつかの実施例では、出力導波路３２０は、拡大画像光３４０を、大きな視野（ＦＯＶ）でユーザの眼球２２０に出力する。例えば、拡大画像光３４０は、対角ＦＯＶ（ｘおよびｙ）が６０度以上および／または１５０度以下でユーザの眼球２２０に提供される。出力導波路３２０は、２０ｍｍ以上および／または５０ｍｍ以下の長さ、かつ／または１０ｍｍ以上および／または５０ｍｍ以下の幅を有するアイボックスを提供するように構成される。
【００５９】
［００７６］  さらに、コントローラ３３０は、画像センサ３７０によって提供される画像データに基づいて、光源アセンブリ３１０によって生成される画像光３５５も制御する。画像センサ３７０は、第１の面３７０−１上に位置し、例えば（位置決定のために）、ユーザの前面の物理的環境の画像データを生成するために図１Ａの画像センサ１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。画像センサ３７０は、第２の面３７０−２上に位置し、（例えば、注視点決定のための）ユーザの眼球２２０の画像データを作成するために図１Ｂの画像センサ１５０ａおよび１５０ｂを含み得る。画像センサ３７０は、導波路ディスプレイ３００内に位置しないリモートコンソールとインターフェース接続され得る。画像センサ３７０は、画像データをリモートコンソールに提供し、リモートコンソールは、例えば、ユーザの位置、ユーザの注視点などを決定し、ユーザに表示されるべき画像のコンテンツを決定し得る。リモートコンソールは、決定されたコンテンツに関連する命令をコントローラ３３０に送信することができる。命令に基づいて、コントローラ３３０は、光源アセンブリ３１０による画像光３５５の生成および出力を制御することができる。
【００６０】
［００７７］  図４は、導波路ディスプレイ３００の断面４００の実施例を示す。断面４００は、光源アセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、画像センサ３７０とを含む。図４の例では、画像センサ３７０は、ユーザの前面の物理的環境の画像を生成するために、第１の面３７０−１上に位置するピクセルセル４０２の組を含み得る。いくつかの実施例では、ピクセルセル４０２の組の露光を制御するために、ピクセルセル４０２の組と物理的環境との間に挿入された機械的シャッタ４０４が存在し得る。いくつかの実施例では、機械的シャッタ４０４は、以下で論じるように、電子シャッタゲートに置き換えられ得る。ピクセルセル４０２の各々は、画像の１つのピクセルに対応し得る。図４には示されていないが、ピクセルセル４０２の各々は、ピクセルセルによって検出されるべき光の周波数範囲を制御するために、フィルタも重ねられ得ることが理解される。
【００６１】
［００７８］  リモートコンソールから命令を受信した後、機械的シャッタ４０４は、露光期間中に開き、ピクセルセル４０２の組を露光することができる。露光期間中、画像センサ３７０は、ピクセルセル４０２の組に入射する光のサンプルを取得し、ピクセルセル４０２の組によって検出された入射光サンプルの強度分布に基づいて画像データを生成することができる。画像センサ３７０は、次いで、画像データをリモートコンソールに提供することができ、リモートコンソールは、表示コンテンツを決定し、表示コンテンツ情報をコントローラ３３０に提供する。コントローラ３３０は、次いで、表示コンテンツ情報に基づいて画像光３５５を決定することができる。
【００６２】
［００７９］  光源アセンブリ３１０は、コントローラ３３０からの命令に従って画像光３５５を生成する。光源アセンブリ３１０は、光源４１０と光学系４１５とを含む。光源４１０は、コヒーレント光または部分的にコヒーレントな光を生成する光源である。光源４１０は、例えば、レーザダイオード、垂直キャビティ面発光レーザ、および／または発光ダイオードであり得る。
【００６３】
［００８０］  光学系４１５は、光源４１０からの光を調節する一または複数の光学構成要素を含む。光源４１０からの光を調節することは、例えば、コントローラ３３０からの命令に従って、拡大すること、コリメートすること、および／または配向を調節することを含み得る。一または複数の光学構成要素は、一または複数のレンズ、液体レンズ、鏡、開口部、および／または格子を含み得る。いくつかの実施例では、光学系４１５は、複数の電極を有する液体レンズを含み、これにより、閾値のスキャン角度を有する光ビームのスキャニングは、光ビームを液体レンズの外側の領域にシフトさせることができる。光学系４１５（および光源アセンブリ３１０）から放出される光は、画像光３５５と呼ばれる。
【００６４】
［００８１］  出力導波路３２０は、画像光３５５を受け取る。カップリング素子３５０は、光源アセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に連結する。カップリング素子３５０が回折格子である実施例では、出力導波路３２０内で内部全反射が生じ、画像光３５５が出力導波路３２０内でデカップリング素子３６５に向かって（例えば、内部全反射によって）内部を伝播するように、回折格子のピッチが選択される。
【００６５】
［００８２］  方向付け要素３６０は、出力導波路３２０から分離するために、画像光３５５をデカップリング素子３６５に方向転換する。方向付け要素３６０が回折格子である実施例では、回折格子のピッチは、入射画像光３５５がデカップリング素子３６５の表面に対して傾斜した角度で出力導波路３２０を出るように選択される。
【００６６】
［００８３］  いくつかの実施例では、方向付け要素３６０および／またはデカップリング素子３６５は、構造的に類似している。出力導波路３２０を出る拡大画像光３４０は、一または複数の方向に沿って拡大される（例えば、ｘ方向に沿って延長され得る）。いくつかの実施例では、導波路ディスプレイ３００は、複数の光源アセンブリ３１０と複数の出力導波路３２０とを含む。光源アセンブリ３１０の各々は、原色（例えば、赤色、緑色、または青色）に対応する波長の特定の帯域の単色画像光を放射する。出力導波路３２０の各々は、多色化された拡大画像光３４０を出力するために、一定の分離距離で積層され得る。
【００６７】
［００８４］  図５は、ニアアイディスプレイ１００を含むシステム５００の実施例のブロック図である。システム５００は、ニアアイディスプレイ１００と、撮像デバイス５３５と、入力／出力インターフェース５４０と、各々が制御回路５１０に連結された画像センサ１２０ａ〜１２０ｄおよび１５０ａ〜１５０ｂとを備える。システム５００は、頭部装着型デバイス、ウェアラブルデバイスなどとして構成され得る。
【００６８】
［００８５］  ニアアイディスプレイ１００は、メディアをユーザに提示するディスプレイである。ニアアイディスプレイ１００によって提示されるメディアの例は、一または複数の画像、ビデオ、および／または音声を含む。いくつかの実施例では、ニアアイディスプレイ１００および／または制御回路５１０から音声情報を受信し、音声情報に基づいて音声データをユーザに提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドフォン）を介して音声が提示される。いくつかの実施例では、ニアアイディスプレイ１００は、ＡＲアイウェアグラスとしても機能し得る。いくつかの実施例では、ニアアイディスプレイ１００は、コンピュータ生成要素（例えば、画像、ビデオ、音など）を用いて、物理的な現実世界環境のビューを拡張する。
【００６９】
［００８６］  ニアアイディスプレイ１００は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０、一または複数の位置センサ５２５、および／または慣性測定ユニット（ＩＭＵ）５３０を含む。導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、光源アセンブリ３１０と、出力導波路３２０と、コントローラ３３０とを含む。
【００７０】
［００８７］  ＩＭＵ５３０は、位置センサ５２５のうちの一または複数から受信した測定信号に基づいて、ニアアイディスプレイ１００の初期位置に対するニアアイディスプレイ１００の推定位置を示す高速較正データを生成する電子デバイスである。
【００７１】
［００８８］  撮像デバイス５３５は、様々な用途のための画像データを生成し得る。例えば、撮像デバイス５３５は、制御回路５１０から受信した較正パラメータに従って低速較正データを提供するために画像データを生成し得る。撮像デバイス５３５は、例えば、ユーザの位置追跡を実行するためにユーザが位置する物理的環境の画像データを生成するための図１Ａの画像センサ１２０ａ〜１２０ｄを含み得る。撮像デバイス５３５は、例えば、ユーザの関心対象を識別するためにユーザの注視点を決定するための画像データを生成するための図１Ｂの画像センサ１５０ａ〜１５０ｂをさらに含み得る。
【００７２】
［００８９］  入力／出力インターフェース５４０は、ユーザがアクション要求を制御回路５１０に送信することを可能にするデバイスである。アクション要求は、特定のアクションを実行するための要求である。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始または終了するためのものであるか、あるいはアプリケーション内で特定のアクションを実行するためのものであり得る。
【００７３】
［００９０］  制御回路５１０は、撮像デバイス５３５、ニアアイディスプレイ１００、および入力／出力インターフェース５４０のうちの一または複数から受信した情報に従って、ユーザに提示するためのメディアをニアアイディスプレイ１００に提供する。いくつかの実施例では、制御回路５１０は、頭部装着型デバイスとして構成されたシステム５００内に収容され得る。いくつかの実施例では、制御回路５１０は、システム５００の他の構成要素と通信可能に連結された独立型コンソールデバイスであり得る。図５に示す実施例では、制御回路５１０は、アプリケーションストア５４５と、追跡モジュール５５０と、エンジン５５５とを含む。
【００７４】
［００９１］  アプリケーションストア５４５は、制御回路５１０による実行のための１つまたは複数のアプリケーションを記憶する。アプリケーションは、プロセッサによって実行されると、ユーザへの提示のためのコンテンツを生成する命令のグループである。アプリケーションの例は、ゲーミングアプリケーション、会議アプリケーション、動画再生アプリケーション、または他の好適なアプリケーションを含む。
【００７５】
［００９２］  追跡モジュール５５０は、一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一または複数の較正パラメータを調整し得る。
【００７６】
［００９３］  追跡モジュール５５０は、撮像デバイス５３５からの低速較正情報を使用してニアアイディスプレイ１００の動きを追跡する。追跡モジュール５５０は、高速較正情報からの位置情報を使用してニアアイディスプレイ１００の基準点の位置も決定する。
【００７７】
［００９４］  エンジン５５５は、システム５００内でアプリケーションを実行し、追跡モジュール５５０からニアアイディスプレイ１００の位置情報、加速度情報、速度情報、および／または予想される将来の位置を受信する。いくつかの実施例では、エンジン５５５によって受信された情報は、ユーザに提示されるコンテンツのタイプを決定する導波路ディスプレイアセンブリ２１０への信号（例えば、表示命令）をもたらすために使用され得る。例えば、インタラクティブ体験を提供するために、エンジン５５５は、（例えば、追跡モジュール５５０によって提供される）ユーザの位置、（例えば、撮像デバイス５３５によって提供される画像データに基づく）ユーザの注視点（例えば、撮像デバイス５３５によって提供される画像データに基づく）対象物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。
【００７８】
［００９５］  図６は、画像センサおよびその動作の例を示す。図６に示されるように、画像センサ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、イメージの画素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の一部であってもよい。図６に示すように、ピクセルセル６０１は、フォトダイオード６０２と、電子シャッタスイッチ６０３と、転送スイッチ６０４と、電荷蓄積装置６０８ａおよびバッファ６０８ｂを備える電荷検出ユニット６０８と、充電シンク６１０とを含み得る。フォトダイオード６０２は、例えば、Ｐ−Ｎダイオード、Ｐ−Ｉ−Ｎダイオード、ピン止めダイオード等を含んでもよい。フォトダイオード６０２は、露光期間中の受光時に電荷を生成することができ、露光期間中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、生成された電荷を蓄積することもできる。
【００７９】
［００９６］  グローバル露光期間が開始される前に、各ピクセルセルの電子シャッタスイッチ６０３は、フォトダイオード６０２によって生成された任意の電荷を充電シンク６１０まで誘導することができる。グローバル露光期間を開始するために、電子シャッタスイッチ６０３を無効にすることができる。各ピクセルセルのフォトダイオード６０２は、電荷を生成および蓄積することができる。露光期間の終わりに向かって、各ピクセルセルの転送スイッチ６０４は、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷を電荷蓄積装置６０８ａに転送して電圧を生成するように有効にすることができる。転送を停止するために転送スイッチ６０４が無効にされると、グローバル露光期間は終了するが、電子シャッタスイッチ６０３もまた、フォトダイオード６０２によって生成される新しい電荷を除去するように有効にすることができる。グローバルシャッタ操作を支援するために、グローバル露光期間は、各ピクセルセルに対して同時に、開始および終了することができる。ｖ００、ｖ０１、．．．ｖｊｉを含む電圧のアレイは、グローバル露光期間の終わりに得ることができる。電圧のアレイは、Ａ／Ｄコンバータ（ピクセルセルの外部または内部にあり得る）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６１２を生成するためにさらに処理することができる。別のグローバル露光期間は、電子シャッタスイッチ６０３が再び無効にされて新しい画像を生成するときに、開始することができる。
【００８０】
［００９７］  次に、異なる光強度範囲で時間に対して蓄積された電荷の量を示す図７を参照する。特定の時点で蓄積された電荷の総量は、露光期間中にフォトダイオード６０２に入射する光の強度を反映することができる。この量は、露光期間が終了したときに測定することができる。入射光の強度に関して、低光強度範囲７０６、中光強度範囲７０８、および高光強度範囲７１０を定義する電荷の閾値量として、閾値７０２および閾値７０４が定義され得る。例えば、総蓄積電荷が閾値７０２未満である場合（例えば、Ｑ１）には、入射光強度は低光強度範囲７０６内にある。総蓄積電荷が閾値７０４と閾値７０２との間にある場合（例えば、Ｑ２）には、入射光強度は中光強度範囲７０８内にある。総蓄積電荷が閾値７０４を超える場合には、入射光強度は、高光強度範囲７１０内にある。フォトダイオードが低光強度範囲７０６の全体にわたって飽和せず、かつ測定キャパシタが中光強度範囲７０８の全体にわたって飽和しない場合には、蓄積された電荷の量は、低光強度範囲および中光強度範囲では、入射光の強度と相関し得る。
【００８１】
［００９８］  低光強度範囲７０６および中光強度範囲７０８、並びに閾値７０２および７０４の定義は、フォトダイオード６０２および電荷蓄積装置６０８の蓄積容量に基づき得る。例えば、低光強度範囲７０６は、露光期間の終了時に、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷の総量が、フォトダイオードの蓄積容量以下であるように定義することができ、閾値７０２は、フォトダイオード６０２の蓄積容量に基づくことができる。以下で説明するように、閾値７０２は、フォトダイオードの潜在的な容量変動を考慮するために、フォトダイオード６０２の拡大された蓄積容量に基づいて設定することができる。このような構成は、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷の量が強度決定のために測定されるとき、フォトダイオードが飽和せず、測定された量が入射光強度に相関することを保証することができる。さらに、中光強度範囲７０８は、露光期間の終了時に、電荷蓄積装置６０８に蓄積された電荷の総量が、測定キャパシタの蓄積容量以下であるように定義することができ、閾値７０４は、電荷蓄積装置６０８の蓄積容量に基づくことができる。典型的には、閾値７０４は、電荷蓄積装置６０８ａに蓄積された電荷の量が強度決定のために測定されるとき、測定キャパシタが飽和せず、測定量も入射光強度に関連することを保証するために、電荷蓄積装置６０８ａの拡大された蓄積容量に基づくように設定される。以下で説明するように、閾値７０２および７０４は、フォトダイオード６０２および電荷蓄積装置６０８ａが飽和するか否かを検出するために使用することができ、これは、入射光の強度範囲および出力されるべき測定結果を決定することができる。
【００８２】
［００９９］  加えて、入射光強度が高光強度範囲７１０内にある場合、電荷蓄積装置６０８ａにおいて蓄積される総オーバーフロー電荷は、露光期間が終わる前に閾値７０４を超える場合がある。追加の電荷が蓄積されると、電荷蓄積装置６０８ａは、露光期間の終了前にフル容量に達することがあり、電荷漏れが生じる場合がある。フル容量に達する電荷蓄積装置６０８ａによって引き起こされる測定誤差を回避するために、電荷蓄積装置６０８ａにおいて蓄積される総オーバーフロー電荷が閾値７０４に達するのにかかる持続時間を測定するために、飽和時間測定が実行される。電荷蓄積装置６０８ａにおける電荷蓄積率は、閾値７０４と飽和時間との比に基づいて決定可能で、（キャパシタが無制限の容量を有する場合に）露光期間の終わりに電荷蓄積装置６０８ａにおいて蓄積され得る仮定した上での電荷量（Ｑ３）は、電荷蓄積率に従って外挿法によって決定することができる。仮定上の電荷量（Ｑ３）は、高光強度範囲７１０内の入射光強度をかなり正確に表現することができる。
【００８３】
［０１００］  ここで、図８を参照すると、ピクセルセル６０１の追加の構成要素、および光強度範囲７０６、７０８、および７１０にわたる光の測定を支援するそれらの動作が説明される。図８に示すように、電子シャッタスイッチ６０３および転送スイッチ６０４の各々は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などを含むことができる。電子シャッタスイッチ６０３は、露光許可信号８０１によって制御することができ、一方、転送スイッチ６０４は、転送信号８０２によって制御することができる。さらに、電荷蓄積装置６０８ａは、可変キャパシタンスを有することができる。例えば、後述するように、電荷蓄積装置６０８ａは、第１のキャパシタとして構成されるフローティングドレインノード、並びに、例えば、ＭＯＳキャパシタ、金属キャパシタ、ダイオード接合キャパシタ等に基づいて実装される第２のキャパシタを含むことができる。電荷蓄積装置６０８ａは、第１のキャパシタと第２のキャパシタとにわたって連結されたスイッチを含んでもよい。このスイッチは、２つのキャパシタを並列に接続して、電荷蓄積装置６０８ａのキャパシタンスを増加させることができる。また、第１のキャパシタのみがフォトダイオードから電荷を受け取ることができるよう、スイッチを機能しないようにして、電荷蓄積装置のキャパシタンスを減少させることができる。さらに、ピクセルセル６０１は、リセット信号８０４によって制御されるリセットスイッチ８０３を含むことができる。リセットスイッチ８０３はまた、トランジスタであってもよく、充電シンク８０５に接続されてもよい。リセットスイッチ８０３は、電荷蓄積装置６０８ａをリセットするように制御することができる。
【００８４】
［０１０１］  高光強度範囲７１０および中光強度範囲７０８を測定するために、転送スイッチ６０４は、転送信号８０２によって部分的にターンオン状態にバイアスされ得る。例えば、転送スイッチ６０４のゲート電圧は、フォトダイオードの電荷蓄積容量に対応するフォトダイオード６０２で生成された電圧に基づいて設定することができる。このような構成により、オーバーフロー電荷（例えば、フォトダイオードが飽和した後にフォトダイオードによって生成された電荷）のみが、電荷蓄積装置６０８ａに到達するように転送スイッチ６０４を通って転送され、（高光強度範囲７１０での）飽和時間および（中光強度範囲７０８で）電荷蓄積装置６０８ａに蓄積された電荷の量を測定する。中光強度範囲および高光強度範囲の測定のために、電荷蓄積装置６０８ａのキャパシタンスを最大化して、閾値７０４を増加させることもできる。
【００８５】
［０１０２］  さらに、低光強度範囲７０６を測定するために、転送スイッチ６０４を完全にターンオン状態に制御して、フォトダイオード６０２に蓄積された電荷を電荷蓄積装置６０８ａに転送することができる。さらに、電荷蓄積装置６０８ａのキャパシタンスを低減することができる。電荷蓄積装置６０８ａのキャパシタンスを低減することで、蓄積された電荷の特定の量に対してより高い電圧が生成され得るように、電荷蓄積装置６０８ａにおける電荷−電圧変換比を高めることができる。電荷−電圧変換比をより高めることで、低光強度決定の精度に対するその後の量子化によってもたらされる測定誤差（例えば、量子化誤差、比較器オフセットなど）の影響を低減することができる。測定誤差は、量子化操作によって検出および／または区別され得る最小電圧差の限度を設定することができる。電荷−電圧変換比を高めることによって、最小電圧差に対応する電荷の量は、低減され得、これは次に、ピクセルセル６０１による測定可能な光強度の下限を引き下げ、ダイナミックレンジを拡大する。
【００８６】
［０１０３］  電荷蓄積装置６０８ａに蓄積された電荷（残留電荷および／またはオーバーフロー電荷）は、アナログ電圧８０６を生成することができ、これは、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）８０８によって量子化され、露光期間中の入射光の強度を表すデジタル値を生成することができる。図８に示すように、ＡＤＣ８０８は、閾値生成器８０９と、比較器８１０と、カウンタ８１１と、メモリ８１２とを含む。カウンタ８１１は、自走クロック信号８１４に基づいてカウント値８１３の組を生成することができ、メモリ８１２は、カウンタ８１１によって生成されたカウント値（例えば、最新のカウント値）を記憶することができる。メモリ８１２は、例えば、以下で説明するように、ローカルピクセル値に基づいてカウンタ値を記憶するラッチ回路であり得る。記憶されたカウント値は、ピクセル出力バス８１６を介して出力することができる。閾値生成器８０９は、デジタル値の組を受け入れ、デジタル値の組を表す基準電圧（ＶＲＥＦ）８２５を出力することができるデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）８２３を含む。以下でより詳細に説明するように、閾値生成器８０９は、固定閾値を生成するために静的デジタル値を受け入れるか、またはランピング閾値を生成するためにカウンタ８１１のカウント値８１３を受け入れてもよい。図８は、ＡＤＣ８０６がピクセルセル６０１とは分離されて示されているが、ＡＤＣ８０８の一部または全部をピクセルセル６０１の一部とすることができることを理解されたい。例えば、比較器８１０は、ピクセルセル６０１の一部であり得るのに対し、閾値生成器８０９（およびＤＡＣ８２３）、カウンタ８１１、およびメモリ８１２は、ピクセルセル間で共有され得る。
【００８７】
［０１０４］  比較器８１０は、アナログ電圧８０６を、閾値生成器８０９によって提供される閾値と比較し、比較結果に基づいて判定８２６を行うことができる。例えば、アナログ電圧８０６が閾値生成器８０９によって生成された閾値に等しいかそれを超える場合、比較器８１０は、判定８２６のための論理値１を生成することができる。アナログ電圧が閾値を下回る場合、比較器８１０は、判定８２６のための論理値０を生成することもできる。判定８２６は、量子化操作の結果として、メモリ８１２に記憶されるカウンタ８１１のカウント値を制御することができる。
【００８８】
［０１０５］  図９Ａは、ＡＤＣ８０８による飽和時間測定の例を示す。飽和時間測定を実行するために、閾値生成器８０９は、ＤＡＣ８２３を制御して、固定ＶＲＥＦ８２５を生成することができる。固定ＶＲＥＦ８２５は、電荷蓄積装置６０８ａが飽和する電荷量閾値（例えば、図７の閾値７０４）に対応する電圧に設定することができる。カウンタ８１１は、露光期間の開始直後（例えば、シャッタスイッチ６０３が無効にされた直後）にカウントを開始することができる。アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧がランプダウン（または、実装に応じてランプアップ）すると、クロック信号８１４は、カウンタ８１１におけるカウント値を更新するようにトグリングし続ける。アナログ電圧は、特定の時点において固定閾値に達する場合があり、これは、比較器８１０による判定８２６を反転させる。判定８２６の反転は、カウンタ８１１のカウントを停止し、カウンタ８１１におけるカウント値は、飽和時間を表し得る。以下でより詳細に説明するように、電荷蓄積装置６０８ａでの電荷蓄積率は、持続時間に基づいて決定することもでき、入射光強度は、電荷蓄積率に基づいて決定することができる。
【００８９】
［０１０６］  図９Ｂは、ピクセルＡＤＣ８０８によるアナログ電圧の量子化の例を示す。測定開始後、ＤＡＣ８２３は、実装に応じて（図９Ｂの実施例では）ランプアップまたはランプダウンすることができるランピングＶＲＥＦ８２５を生成するために、カウンタ出力７１４によってプログラムされ得る。ランピングＶＲＥＦ８２５の電圧範囲は、閾値７０４（電荷蓄積装置６０８ａの飽和のための電荷量閾値）と閾値７０２（フォトダイオード６０２の飽和のための電荷量閾値）との間であってよく、中光強度範囲を画定し得る。図９Ｂの実施例では、量子化プロセスは、ＶＲＥＦ８２５がクロック信号８１４の各クロックサイクルについて同じ量だけ増加（または減少）する均一な量子化ステップで実行され得る。ＶＲＥＦ８２５の増加（または減少）の量は、量子化ステップに対応する。ＶＲＥＦ８２５がアナログ電圧８０６の量子化ステップ内に達すると、比較器８１０による判定８２６が反転する。判定８２６の反転は、カウンタ８１１のカウントを停止することがあり、カウント値は、１つの量子化ステップ内でアナログ電圧と一致するように蓄積された量子化ステップの総数に対応することができる。カウント値は、電荷蓄積装置６０８ａにおいて蓄積された電荷量のデジタル表現、ならびに入射光強度のデジタル表現になり得る。上述のように、アナログ電圧の量子化は、（例えば、中光強度範囲７０８について）露光期間中および（例えば、低光強度範囲７０６について）露光期間後に起こり得る。
【００９０】
［０１０７］  上述のように、ＡＤＣ８０８によって出力される量レベルによって表される（例えば、量子化ステップの総数によって表される）電荷量と、ＡＤＣ８０８によって量レベルにマッピングされる実際の入力電荷量との間に不一致がある場合、ＡＤＣ８０８は、量子化誤差をもたらし得る。量子化誤差は、より小さい量子化ステップサイズを使用することによって低減され得る。図９Ｂの実施例では、量子化誤差は、クロックサイクルごとのＶＲＥＦ８２５における増加（または減少）量によって低減され得る。
【００９１】
［０１０８］  量子化誤差は、より小さい量子化ステップサイズを使用することによって低減され得るが、エリアおよびパフォーマンス速度によって、量子化ステップがどれだけ低減され得るかを制限されることがある。より小さい量子化ステップサイズでは、特定の範囲の電荷量（および光強度）を表すために必要な量子化ステップの総数は、増加することがある。増加した数の量子化ステップを表すために、より多数のデータビットが必要とされることがある（例えば、２５５ステップを表す８ビット、１２７ステップを表す７ビットなど）。より多数のデータビットは、付加的なバスがピクセル出力バス８１６に追加されることが必要となる場合があり、これは、ピクセルセル６０１が非常に限られた空間を有する頭部装着型デバイスまたは他のウェアラブルデバイスにおいて使用される場合には、実行可能ではないことがある。さらに、より多数の量子化ステップサイズでは、ＡＤＣ８０８は、（１つの量子化ステップと）一致する量レベルを見つける前に、より多数の量子化ステップを循環させることが必要な場合があり、これは、処理電力消費および時間の増大と、画像データ生成速度の低下を引き起こす。速度の低下は、高いフレームレートを必要とするいくつかのアプリケーション（例えば、眼球の動きを追跡するアプリケーション）では受け入れられない場合がある。
【００９２】
［０１０９］  量子化誤差を低減する１つの方法は、量子化ステップが入力範囲にわたって均一ではない不均一量子化スキームを採用することである。図１０Ａは、不均一量子化プロセスおよび均一量子化プロセスでのＡＤＣコード（量子化プロセスの出力）と入力電荷量レベルとの間のマッピングの例を示す。点線は、不均一量子化プロセスでのマッピングを示し、実線は、均一量子化プロセスでのマッピングを示す。均一量子化プロセスでは、量子化ステップサイズ（Δ１によって示される）は、入力電荷量の全範囲に対して同一である。対照的に、不均一量子化プロセスでは、量子化ステップサイズは、入力電荷量に応じて異なる。例えば、低入力電荷量での量子化ステップサイズ（ΔＳによって示される）は、大入力電荷量での量子化ステップサイズ（ΔＬによって示される）よりも小さい。さらに、同じ低入力電荷量の場合、不均一量子化プロセスでの量子化ステップサイズ（ΔＳ）は、均一量子化プロセスでの量子化ステップサイズ（Δ１）よりも小さくすることができる。
【００９３】
［０１１０］  不均一量子化スキームを採用する利点の１つは、低入力電荷量を量子化するための量子化ステップを小さくすることが可能で、これを受けて、低入力電荷量を量子化するための量子化誤差が低減され、ＡＤＣ８０８によって区別され得る最小入力電荷量が低減され得ることである。したがって、量子化誤差が低減されることで、画像センサの測定可能な光強度の下限を押し下げることができ、ダイナミックレンジは増大され得る。さらに、量子化誤差は、高入力電荷量に対して増大するが、量子化誤差は、高入力電荷量と比較して小さいままであり得る。したがって、電荷の測定でもたらされる全体的な量子化誤差は、低減され得る。一方、入力電荷量の全範囲をカバーする量子化ステップの総数は、同じままであり（あるいは、減少することさえある）、量子化ステップ数の増大に関連する前述の潜在的な問題（例えば、エリアの増加、処理速度の低下など）は、回避され得る。
【００９４】
［０１１１］  図１０Ｂは、不均一量子化プロセスを使用してピクセルＡＤＣ８０８によってアナログ電圧を量子化する例を示す。（均一量子化プロセスを採用する）図９Ｂと比較すると、ＶＲＥＦ８２５は、最初はより緩やかな勾配で、その後はより急峻な勾配で、各クロックサイクルについて非線形的に増加する。勾配の違いは、一様でない量子化ステップサイズに起因する。（より低い入力量範囲に対応する）より低いカウンタカウント値では、量子化ステップはより小さくされ、したがって、ＶＲＥＦ８２５はより緩やかなレートで増加する。（より高い入力量範囲に対応する）より高いカウンタカウント値では、量子化ステップはより大きくされ、したがって、ＶＲＥＦ８２５はより高いレートで増加する。ＶＲＥＦ８２５における一様でない量子化ステップは、異なるスキームを用いて導入され得る。例えば、上述のように、ＤＡＣ８２３は（カウンタ８１１からの）異なるカウンタカウント値に対して、電圧を出力するように構成される。ＤＡＣ８２３は、２つの隣接するカウンタカウント値（量子化ステップサイズを定義する）間の出力電圧の差が、カウンタカウント値ごとに異なるように構成され得る。別の実施例として、カウンタ８１１は、一様でない量子化ステップを生成するため、同じカウントステップだけ増加または減少させるのではなく、カウンタカウント値においてジャンプを生成するようにも構成され得る。いくつかの実施例では、図１０Ｂの不均一量子化プロセスは、低光強度範囲７０６および中光強度範囲７０８に関する光強度決定に採用され得る。
【００９５】
［０１１２］  ここで、図１１を参照すると、図１１は図６のピクセル６０１の実施例となり得るピクセルセル１１００の実施例を示す。図１１の実施例では、ＰＤはフォトダイオード６０２に対応し、トランジスタＭ０はシャッタスイッチ６０３に対応し、トランジスタＭ１は転送スイッチ６０４に対応し、トランジスタＭ２はリセットスイッチ８０３に対応し得る。さらに、ＣＦＤキャパシタ（例えば、フローティングドレイン）とＣＥＸＴキャパシタ（例えば、ＭＯＳキャパシタ）との組み合わせは、電荷蓄積装置６０８ａに対応し得る。電荷蓄積装置６０８ａのキャパシタンスは、信号ＬＧによって設定可能である。ＬＧが有効にされている場合、電荷蓄積装置６０８ａは、ＣＦＤキャパシタとＣＥＸＴキャパシタを組み合わせた容量を提供する。ＬＧが無効にされている場合、ＣＥＸＴキャパシタは、並列の組み合せから切断され得、電荷蓄積装置６０８ａは、ＣＦＤキャパシタ（他の寄生キャパシタンスを加算）のみからなる。上述のように、電荷蓄積装置６０８ａのキャパシタンスは、低光強度決定のため、電荷−電圧変換比を増大させるように低減され得、中光強度決定に必要な容量を提供するように増加され得る。
【００９６】
［０１１３］  ピクセルセル１１００は、バッファ１１０２とピクセルＡＤＣ８０８の一実施例とをさらに含む。例えば、トランジスタＭ３およびＭ４は、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴノードで生成されたアナログ電圧をバッファするためのソースフォロワを形成することができ、これは電荷蓄積装置６０８ａに蓄積された電荷の量を表す。さらに、ＣＣキャップ、比較器１１０４、トランジスタスイッチＭ５、ＮＯＲゲート１１１２は、メモリ８１２とともに、ＯＦノードにおけるアナログ電圧を表すデジタル出力を生成するピクセルＡＤＣ８０８の一部になり得る。上述のように、量子化は、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴノードにおいて生成されたアナログ電圧とＶＲＥＦとの間の比較器１１０４によって生成された比較結果（ＶＯＵＴ）に基づくことができる。ここで、ＣＣキャップは、バッファ１１０２（およびＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ）の出力を追跡するＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を（比較器１１０４の一方の入力において）生成するサンプリングキャパシタとして構成され、ＶＲＥＦと比較するため比較器１１０４にＶＩＮ電圧を提供する。ＶＲＥＦは、（高光強度範囲で）飽和時間測定のための静電圧、または（低光強度範囲および中光強度範囲で）アナログ電圧の量子化のためのランピング電圧になり得る。（図１１で「Ｃｎｔ」と表記されている）カウント値は、自走カウンタ（例えば、カウンタ８１１）によって生成され得、比較器１１０４によって生成された比較結果は、メモリ８１２内に記憶され、入射光強度のデジタル表現として出力されるカウント値を決定することができる。いくつかの実施例では、低光強度および中光強度を決定するためのＶＲＥＦの生成は、図１０Ａおよび図１０Ｂで説明したように不均一量子化スキームに基づき得る。
【００９７】
［０１１４］  ピクセルセル１１００は、入射光強度決定の精度をさらに改善することができる特徴を含み得る。例えば、ＣＣキャパシタ、トランジスタＭ５、並びにトランジスタＭ２の組み合わせは、相関二重サンプリング動作を実行して、比較器１１０４によって導入される測定誤差（例えば、比較器オフセット）、並びに例えば、トランジスタＭ２によって電荷蓄積装置６０８ａに導入されるリセットノイズなどの他の誤差信号を補償することができる。
【００９８】
［０１１５］  加えて、ピクセルセル１１００は、デジタル論理回路を含み、ＡＤＣ８０８の一部となるか、ＡＤＣ８０８の外部に存在し得るコントローラ１１１０をさらに含む。コントローラ１１１０は、ＡＢ、ＴＧ、ＲＳＴ、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴなどの制御信号のシーケンスを生成して、ピクセルセル１１００を動作させて、図７の３つの光強度範囲（例えば、低光強度範囲７０６、中光強度範囲７０８、および高光強度範囲７１０）に対応する３フェーズ測定動作を実行し、上述のように測定誤差補償動作を実行することができる。各フェーズにおいて、ピクセルセル１１００は、対応する光強度範囲を対象とする測定モードで動作され、比較器１１０４の判定出力（ＶＯＵＴ）に基づいて、入射光強度が対応する入射光強度範囲内にあるかどうかを判定することができる。ピクセルセル１１００はさらに、いくつかのフェーズの判定出力をＦＬＡＧ＿１およびＦＬＡＧ＿２信号として記憶するためのレジスタの組を含む。ＦＬＡＧ＿１およびＦＬＡＧ＿２信号に基づいて、コントローラ１１１０は、３つのフェーズのうちの１つでカウント値出力を選択して、入射光強度を表すことができる。選択されたカウント値は、メモリ８１２に記憶することができ、メモリ８１２は、ＮＯＲゲート１１１６によるＦＬＡＧ＿１およびＦＬＡＧ＿２信号の組み合わせに基づいてロックされ、後続の測定フェーズがメモリ８１２内の選択されたＡＤＣコード出力を上書きすることを防止することができる。３フェーズ測定プロセスの終わりに、コントローラ１１１０は、メモリ８１２に記憶されたカウント値を取り出し、入射光強度を表すデジタル出力としてカウント値を提供することができる。
【００９９】
［０１１６］  ここで、入射光強度の測定のためのピクセルセル１１００の制御信号の例示的なシーケンスを示す図１２を参照する。図１２は、時間に対するＡＢ、ＲＳＴ、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴ、ＴＧ、ＬＧ、およびＶＲＥＦの変化を示している。図１２を参照すると、時刻Ｔ０とＴ１との間の期間は、第１のリセットフェーズに対応することができ、このフェーズでは、ＲＳＴ信号およびＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号をアサートすることによって、電荷蓄積装置６０８ａおよび比較器１１０４をコントローラ１１１０によってリセット状態にすることができ、一方、フォトダイオードＰＤによって生成された電荷が電荷蓄積装置６０８ａに到達するのを防止するため、シャッタ信号ＡＢをアサートすることができる。ＣＦＤキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタをリセットして、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴをリセットレベルに設定するため、ＲＳＴ信号およびＬＧ信号の両方がアサートされる。ＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号がアサートされ、比較器１１０４の正端子がＶｒｅｆ＿ｈｉｇｈに接続されると、ＣＯＭＰ＿ＩＮは、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈと比較器オフセットＶｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔとの和に設定することができる。さらに、ＲＳＴ信号がアサートされると、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴはリセット電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔに設定可能となり、リセットノイズＶσＫＴＣを含むことができる。次のように、比較器オフセット、リセットノイズ、およびリセットレベルでのＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧の成分を含むＶＣＣ電圧を記憶するため、第１のサンプリング動作はＣＣキャップによって実行されうる。
Ｖｃｃ（Ｔ１）＝（Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ）  （式１）
【０１００】
［０１１８］  時刻Ｔ１において、ＲＳＴ信号、ＡＢ信号、およびＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号が解放され、フォトダイオードＰＤが電荷を蓄積し転送することができる露光期間（Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅと表記）が開始される。露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅは、時刻Ｔ２で終了することができる。時刻Ｔ１とＴ３との間に、ＴＧ信号は、フォトダイオードＰＤが飽和する前にＰＤが残留電荷を蓄積することを可能にするために、転送スイッチＭ１を部分的にターンオン状態に設定することができる。光強度が図７の中強度範囲または高強度範囲にある場合、フォトダイオードＰＤは、飽和し、転送スイッチＭ１を介してオーバーフロー電荷を転送することができる。ＬＧ信号は、低利得モードで動作するようにアサートされたままにすることができ、この場合、ＣＦＤキャパシタとＣＥＸＴキャパシタの両方が並列に接続されて、電荷蓄積装置６０８ａを形成し、オーバーフロー電荷を蓄積する。オーバーフロー電荷は、新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１を生成する。ＣＣキャパシタは、リセットノイズおよび比較器オフセット成分を含むＶＣＣ電圧を加えることによって、新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１をＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧にＡＣ連結することができる。新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ  電圧にはリセットノイズも含まれており、ＶＣＣ電圧のリセットノイズ成分によって相殺することができる。時刻Ｔ１とＴ３との間の時間ＴｘにおけるＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧は、次のようになり得る。
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（Ｔｘ）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ  （式２）
【０１０１】
［０１２０］  式２において、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１とＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓと間の差は、電荷蓄積装置６０８ａに保存されたオーバーフロー電荷の量を表す。ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧における比較器オフセットは、比較を実行するときに比較器１１０４によって導入された比較器オフセットを相殺することもできる。
【０１０２】
［０１２１］  時刻Ｔ１と時刻Ｔ３との間に、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧の２つの測定フェーズを実行することができ、これには、高光強度範囲７１０での飽和時間（ＴＴＳ）測定フェーズと、中光強度７０８でのオーバーフロー電荷を測定するためのＦＤ  ＡＤＣフェーズとが含まれる。時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間（Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ）に、ＴＴＳ測定は、比較器１１０４によって、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を電荷蓄積装置６０８ａの飽和レベルを表す静的Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗと比較することによって、実行することができる。ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧が静的ＶＲＥＦに達すると、比較器１１０４（ＶＯＵＴ）の出力はトリップすることができ、ＶＯＵＴトリップ時のカウンタ８１１からのカウント値をメモリ８１２に記憶することができる。時刻Ｔ２において、コントローラ１１１０は、ＴＴＳフェーズの終了時に比較器１１０４のＶＯＵＴの状態を判定することができ、ＶＯＵＴがアサートされた場合にはＦＬＡＧ＿１信号をアサートすることができる。ＦＬＡＧ＿１信号のアサートは、電荷蓄積装置６０８ａが飽和することを示すことができ、後続の測定フェーズ（ＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣ）がメモリ８１２に記憶されたカウント値を上書きすることを防止することができる。次いで、集積期間中にフォトダイオードＰＤによって受け取られる光の強度を表すため、ＴＴＳからのカウント値が提供され得る。
【０１０３】
［０１２２］  時刻Ｔ２と時刻Ｔ３との間（ＴＦＤＡＤＣと表記）では、ＦＤ  ＡＤＣ動作は、図９Ｂに記載されているように、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を、フォトダイオードＰＤの飽和レベル（例えば、閾値７０２）を表すＶｒｅｆ＿ｌｏｗからＶｒｅｆ＿ｈｉｇｈまでランプするランピングＶＲＥＦ電圧と比較することによって実行することができる。比較器１１０４のＶＯＵＴがＦＤ  ＡＤＣの間にトリップする場合、ＦＬＡＧ＿１がローで、電荷蓄積装置６０８ａが飽和しないことを示しめしているのであれば、ＶＯＵＴがトリップしたときのカウンタ８１１のカウント値はメモリ８１２に記憶することができる。露光期間は時刻Ｔ２で終了するが、時刻Ｔ２と時刻Ｔ３との間では、フォトダイオードＰＤは（飽和していない場合には）残留電荷を蓄積するか、またはオーバーフロー電荷を電荷蓄積装置６０８ａに転送することができる状態のままである。
【０１０４】
［０１２３］  時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間（ＴＰＤＡＤＣ−ｔｒａｎｓｆｅｒと表記）に、第２のリセットフェーズとすることができ、このフェーズでは、ＲＳＴ信号とＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号の両方がアサートされて、電荷蓄積装置６０８ａ（ＣＦＤキャパシタとＣＥＸＴキャパシタとの並列結合を含む）と比較器１１０４とをリセットして、後続のＰＤ  ＡＤＣ動作の準備をする。ＶＣＣ電圧は、式（１）に従って設定可能である。
【０１０５】
［０１２４］  ＲＳＴおよびＣＯＭＰ＿ＲＳＴが解放された後、ＣＥＸＴをＣＦＤから切断し、ＰＤ  ＡＤＣ動作のための電荷−電圧変換レートを増大させるため、ＬＧはオフにされる。フォトダイオードＰＤに蓄積された残留電荷をＣＦＤに転送するため、ＴＧはＭ１転送スイッチを完全にオンするレベルに設定される。残留電荷は、新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２を生成する。ＣＣキャパシタは、ＶＣＣ電圧を加えることによって、新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２をＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧にＡＣ連結することができる。時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間では、フォトダイオードＰＤは、時刻Ｔ１と時刻Ｔ３との間に生成された電荷に加えて追加の電荷を生成し、追加の電荷を電荷蓄積装置６０８ａに転送することができる状態のままである。Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２はまた、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間に転送される追加の電荷を表す。時刻Ｔ４では、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧は、次のようになり得る。
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（Ｔ４）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ  （式３）
【０１０６】
［０１２６］  式３において、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２とＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔとの間の差分は、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間にフォトダイオードによって電荷蓄積装置６０８ａに転送される電荷の量を表す。ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧における比較器オフセットは、比較を実行するときに比較器１１０４によって導入された比較器オフセットを相殺することもできる。
【０１０７】
［０１２７］  時刻Ｔ４には、ＡＢ信号がアサートされ、フォトダイオードＰＤが追加の電荷を蓄積し転送するのを防止する。さらに、ＶＲＥＦは静的レベルＶｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎに設定可能である。比較器１１０４は、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧をＶｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎと比較して、フォトダイオードＰＤが飽和しているかどうかを判定することができる。Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎは、フォトダイオードＰＤの飽和レベル（例えば、閾値７０２）を表すＶｒｅｆ＿ｌｏｗよりもわずかに高く、残留電荷の量が飽和レベルに近いがそれを超えないときに比較器１１０４の誤ったトリップを防止する。コントローラ１１１０は、比較器１１０４のＶＯＵＴの状態を判定することができ、フォトダイオードＰＤが飽和していることを示すためにＶＯＵＴがアサートされた場合には、ＦＬＡＧ＿２をアサートすることができる。ＦＬＡＧ＿２がアサートされた場合、メモリ８１２は、（ＦＤ  ＡＤＣから）メモリ８１２に記憶されたカウント値を保持するためにロックすることができ、メモリ８１２が後続のＰＤ  ＡＤＣ動作によって上書きされることを防止する。
【０１０８】
［０１２８］  時刻Ｔ４と時刻Ｔ５との間に、コントローラ１１１０は、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎから始まりＶｒｅｆ＿ｈｉｇｈに至るＶＲＥＦランプと比較することによって、ＰＤ  ＡＤＣ動作を実行することができる。ＰＤ  ＡＤＣフェーズでは、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈは、フォトダイオードＰＤに蓄積された残留電荷の最小検出可能量を表すことができ、一方、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎは、上述のように、暗電流を考慮するためのマージンを有するフォトダイオードＰＤの飽和閾値を表すことができる。ＰＤ  ＡＤＣの前にＦＬＡＧ＿１もＦＬＡＧ＿２もアサートされていない場合には、比較器１１０４がＰＤ  ＡＤＣの間にトリップするときに得られるカウント値は、メモリ８１２に記憶することができ、ＰＤ  ＡＤＣからのカウント値は、光の強度を表すために提供され得る。
【０１０９】
［０１２９］  画像センサは、複数のピクセルセル１１００を含み、各ピクセルセルは、図１２に記載されるような制御信号のシーケンスを使用して動作され、グローバルシャッタ動作を実行することができる。各ピクセルセル１１００は、時刻Ｔ１で開始され、時刻Ｔ２で終了する同じグローバル露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅを有することができ、この期間内では、フォトダイオードＰＤは、入射光に応答して電荷を生成し、フォトダイオードが飽和するまで残留電荷として電荷の少なくとも一部を蓄積し、フォトダイオードが飽和すると、残留電荷をオーバーフロー電荷として電荷蓄積装置６０８ａに転送することができる。しかしながら、フォトダイオードＰＤはまた、時刻Ｔ２と時刻Ｔ３との間（ＴＦＤＡＤＣ）、および時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間（ＴＰＤＡＤＣ−ｔｒａｎｓｆｅｒ）に、追加の電荷を蓄積し転送することもできる。グローバル露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ外にフォトダイオードＰＤによって受け取られる光は寄生光であり、ピクセルセル１１００のグローバルシャッタ効率（ＧＳＥ）を低下させ得る。例えば、図１２に従って動作するピクセルセル１１００のＧＳＥは、次のようになり得る。
ＧＳＥ＝ＴＥｘｐｏｓｕｒｅ／（ＴＥｘｐｏｓｕｒｅ＋ＴＦＤＡＤＣ＋ＴＰＤＡＤＣ−ｔｒａｎｓｆｅｒ）  （式４）
【０１１０】
［０１３１］  式４に示されるように、図１２に従って動作するピクセルセル１１００のＧＳＥは、理想値１に満たない。より低いＧＳＥは、ピクセルセルが、露光期間外のより長い期間内に寄生光を受け取り得ることを示している。寄生光は、速い移動物体の撮像に使用される場合、被写体ぶれなどのアーチファクトをもたらし得る。例えば、隣接するピクセルセルは、ピクセルセルによって受光される光の強度が異なる強度範囲にあるときには、異なる露光期間を有することがあり得る。
【０１１１】
［０１３２］  次に、より高いＧＳＥを提供することができる入射光強度の測定のためのピクセルセル１１００の制御信号の例示的なシーケンスを示す図１３を参照する。図１３に示すように、時刻Ｔ０と時刻Ｔ１との間は、図１２に示すような第１のリセットフェーズにあり、このフェーズでは、ＲＳＴ信号およびＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号をアサートすることで、電荷蓄積装置６０８ａおよび比較器１１０４の両方をコントローラ１１１０によってリセット状態にすることができ、一方、フォトダイオードＰＤによって生成された電荷が電荷蓄積装置６０８ａに到達するのを防止するために、シャッタ信号ＡＢをアサートすることができる。リセットノイズと比較器オフセットは、第１のリセットフェーズでＶＣＣの一部としてサンプリングされ、記憶される。ＶＣＣは、上記の式１に基づいて設定することができる。
【０１１２】
［０１３３］  時刻Ｔ１で、ＡＢ、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴ、およびＲＳＴ信号が解放され、フォトダイオードＰＤが電荷を蓄積し転送することができる露光期間（Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅと表記）が始まる。ＴＧ信号は、ＰＤがオーバーフロー電荷を電荷蓄積装置６０８ａに転送することを可能にするため、転送スイッチＭ１を部分的にターンオン状態に設定することができる。ＬＧ信号は、低利得モードで動作するようにアサートされたままにすることができ、この場合、ＣＦＤキャパシタとＣＥＸＴキャパシタの両方が並列に接続されて、電荷蓄積装置６０８ａを形成し、オーバーフロー電荷を蓄積する。オーバーフロー電荷は、新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１を生成する。ＣＣキャパシタは、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧をＡＣ結合して、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧にすることができる。時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間のＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧は、上記の式２に基づいて設定することができる。
【０１１３】
［０１３４］  時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間に、図１２のように、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を静的Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗと比較してＶＯＵＴを生成する比較器１１０４によって、飽和時間（ＴＴＳ）測定を実行することができる。露光期間ＴｅｘｐｏｓｕｒｅおよびＴＴＳ測定は、コントローラ１１１０が比較器１１０４のＶＯＵＴの状態を判定し、ＶＯＵＴがアサートされた場合にＦＬＡＧ＿１信号をアサートすることができる時刻Ｔ２で終了する。
【０１１４】
［０１３５］  ＴＴＳ測定に続いて、時刻Ｔ２と時刻Ｔ５との間に、ＰＤ  ＡＤＣ動作を実行して、フォトダイオードＰＤに蓄積された残留電荷を測定することができる。上述のように、ＣＥＸＴをＣＦＤから切断して電荷ー電圧変換比を増加させるために、ＬＧ  信号がデアサートされます。オーバーフロー電荷（ある場合）は、ＣＦＤがオーバーフロー電荷の第１の部分を蓄積し、ＣＥＸＴがオーバーフロー電荷の第２の部分を蓄積するように、ＣＦＤとＣＥＸＴ間のキャパシタンスの比率に基づいてＣＦＤとＣＥＸＴとの間で分割される。Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１は、ＣＦＤに格納されたオーバーフロー電荷の第１の部分に対応し得る。
【０１１５】
［０１３６］  ＰＤ  ＡＤＣ動作の準備をするために、時刻Ｔ２と時刻Ｔ３との間に比較器１１０４をリセットするため、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号が再びアサートされる。比較器１１０４のリセットは、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１とリセット状態にある比較器１１０４の出力との間の差に基づいて、次のように、ＣＣキャパシタの両端の新しいＶＣＣ電圧を設定することができる。
Ｖｃｃ（Ｔ３）＝（Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１（Ｔ３）＋ＶσＫＴＣ）  （式５）
【０１１６】
［０１３８］  時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間に、比較器１１０４がリセット状態を終了するように、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号が解放される。さらに、ＴＧ信号は、残留電荷をＣＦＤに転送するため、転送スイッチＭ１を完全にターンオン状態に設定することができる。残留電荷は、ＣＦＤ内のオーバーフロー電荷に加えることができ、これは、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧をＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２に変化させる。新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧は、次のように、時刻Ｔ４において新しいＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧にＡＣ結合され得る。
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（Ｔ４）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１（Ｔ３）＋Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ  （式６）
【０１１７】
［０１４０］  式６において、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２とＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１（Ｔ３）との間の差は、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間にフォトダイオードによって電荷蓄積装置６０８ａに転送される残留電荷の量を表す。
【０１１８】
［０１４１］  図１３において、ＴＧが時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間に完全にターンオンされた後、フォトダイオードＰＤをＣＦＤおよびＣＥＸＴから切り離すため、ＴＧはデアサートされる。その結果、時刻Ｔ４の後、次の露光期間の開始まで、追加の電荷はＣＦＤおよびＣＥＸＴに転送されない。このような構成は、ＧＳＥを増大させ、露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ外にフォトダイオードＰＤによって受け取られる光を含み得る寄生光の、蓄積電荷への影響を低減することができる。図１３に従って動作するピクセルセル１１００のＧＳＥは、つぎのようになり得る。
ＧＳＥ＝ＴＥｘｐｏｓｕｒｅ／（ＴＥｘｐｏｓｕｒｅ＋Ｔ４−Ｔ２）  （式７）
【０１１９】
［０１４３］  式７のＧＳＥは、少なくとも、図１３の時刻Ｔ４と時刻Ｔ２との間の持続時間が、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧と比較するために完全なＶＲＥＦランプが循環される完全なＰＤ  ＡＤＣまたはＦＤ  ＡＤＣ動作を含まないため、式４のＧＳＥよりもはるかに高くなり得る。
【０１２０】
［０１４４］  時刻Ｔ４と時刻Ｔ５との間に、コントローラ１１１０は、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈから始まりＶｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎに至るＶＲＥＦランプと比較することによって、ＰＤ  ＡＤＣ動作を実行することができる。ＰＤ  ＡＤＣフェーズでは、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈは、フォトダイオードＰＤに蓄積された残留電荷の最小検出可能量を表すことができ、一方、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎは、上述のように、暗電流を考慮するためのマージンを有するフォトダイオードＰＤの飽和閾値を表すことができる。ＰＤ  ＡＤＣの前にＦＬＡＧ＿１がアサートされる場合、比較器１１０４がＰＤ  ＡＤＣの間にトリップするときに得られるカウント値は、メモリ８１２に記憶させることができ、ＰＤ  ＡＤＣ動作からのカウント値は、光の強度を表すために提供され得る。
【０１２１】
［０１４５］  さらに、時刻Ｔ５に向かって、コントローラ１１１０は、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧がＶｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎを下回るかどうかをチェックすることもでき、これは、フォトダイオードＰＤが飽和しているかどうかを示すことができる。ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧が、フォトダイオードＰＤが飽和していることを示すＶｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎを下回る場合、コントローラ１１１０は、ＦＬＡＧ＿２をデアサートして、後続のＦＤ  ＡＤＣ動作が、メモリ８１２に記憶されたカウント値を上書きできるようにする（ＦＬＡＧ＿１もデアサートされる場合）。ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧がＶｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎを超えたままである場合には、コントローラ１１１０は、ＦＬＡＧ＿２をアサートして、ＰＤ  ＡＤＣ動作によって記憶されたカウント値をロックすることができる。
【０１２２】
［０１４６］  時刻Ｔ５と時刻Ｔ８の間に、ＦＤ  ＡＤＣ動作を行い、露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ内にフォトダイオードＰＤによって転送されたオーバーフロー電荷を測定することができる。フォトダイオードＰＤはＣＦＤおよびＣＥＸＴから切り離されたままであるので、追加の電荷はＣＦＤおよびＣＥＸＴに転送されず、ＣＦＤおよびＣＥＸＴに蓄積された総電荷は、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間にフォトダイオードによって生成された追加の電荷と共に、その大部分が露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ中に生成される。このような構成により、ピクセルのＧＳＥは、
【０１２３】
［０１４７］  時刻Ｔ５では、ＬＧ信号がＣＦＤとＣＥＸＴを接続するようにアサートされ、これにより、ＣＥＸＴに蓄積されたオーバーフロー電荷の第２の部分が、オーバーフロー電荷の第１の部分およびＣＦＤに蓄積された残留電荷と結合することが可能になり、新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３が、ＣＦＤとＣＥＸＴの並列組合せで発生し得る。Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３は、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間にフォトダイオードＰＤによって生成された残留電荷およびオーバーフロー電荷の総量に加えて、寄生光によって時刻Ｔ２と時刻Ｔ４との間に生成された電荷を表すことができる。コントローラ１１１０は、ＦＤ  ＡＤＣ動作を実行して、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３を量子化することができ、ＦＬＡＧ＿２が、フォトダイオードが飽和することを示す場合には、露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ内の光の強度を表すために、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３の量子化結果を提供する。
【０１２４】
［０１４８］  時刻Ｔ５と時刻Ｔ７との間に、ＦＤ  ＡＤＣ動作に対するリセットノイズおよび比較器オフセットの影響を緩和するため、２重サンプリング技術が実行され得る。具体的には、時刻Ｔ５と時刻Ｔ６との間に、比較器１１０４は、第１のサンプリング動作の一部としてリセットされ得る。比較器１１０４の正端子は、ＶＲＥＦの下端Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗに接続される。ＶＣＣ電圧は、上述のように、リセットノイズおよび比較器オフセットの成分を含み得る。ＶＣＣ電圧は次のようになり得る。
Ｖｃｃ（Ｔ５）＝（Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３＋ＶσＫＴＣ１）  （式８）
【０１２５】
［０１５０］  時刻Ｔ６と時刻Ｔ７との間に、ＣＦＤとＣＥＸＴの両方をリセットすることができ、一方、比較器１１０４は、第２のサンプリング動作の一部として、リセット状態を終了する。リセットの結果、ＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴをリセット電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔにリセットすることができる。さらに、第２のリセットノイズ電荷はまた、電荷蓄積素子６０８ａにも導入され、ＶσＫＴＣ２で表すことができる。第２のリセットノイズ電荷は、典型的には、第１のリセットノイズ電荷をトラックする。時刻Ｔ６には、第２のサンプリング動作の結果として、Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔは、次のようになり得る。
Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（Ｔ６）＝Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ＋ＶσＫＴＣ２  （式９）
【０１２６】
［０１５２］  時刻Ｔ７には、ＣＯＭＰ＿ＲＳＴが解放され、比較器１１０４はリセット状態を終了する。ＡＣ結合を介して、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧は、次のようにＶｃｃ（Ｔ５）に加えてＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ（Ｔ６）をトラックし得る。
Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ（Ｔ７）＝（Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＋Ｖｃｏｍｐ＿ｏｆｆｓｅｔ）＋（Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３）＋（ＶσＫＴＣ２−ＶσＫＴＣ１）  （式１０）
【０１２７】
［０１５４］  式８〜式１０で上述したようなノイズ／オフセット補償スキームをＰＤ  ＡＤＣに使用して、ＶＣＣ電圧内のサンプリングされたノイズ／オフセット情報に対する漏れの影響を緩和することができる。ＰＤ  ＡＤＣ  は、ＦＤ  ＡＤＣ  の後に発生するため、ＦＤ  ＡＤＣ  よりも漏れの影響を受けやすくなり、これにより、漏れがＶＣＣ電圧およびＶＣＣ電圧で表されるサンプリングされたノイズ／オフセット情報に影響するまでの時間が長くなる。
【０１２８】
［０１５５］  第２のサンプリング動作に続いて、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧は、時刻Ｔ７と時刻Ｔ８との間のＶＲＥＦランプと比較することによって量子化され得る。ＶＲＥＦランプは、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗから開始することができ、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗは、ＣＥＸＴおよびＣＦＤを含む電荷蓄積装置６０８ａ内で検出可能なオーバーフロー電荷の最小量を表すことができ、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈは、電荷蓄積装置６０８ａが飽和したときのオーバーフロー電荷の量を表すことができる。ＶＯＵＴがトリップしたときのカウンタ８１１からのカウント値は、露光期間に受け取った光の強度を表すため、メモリ８１２に記憶することができる。時刻Ｔ８の後、メモリ８１２に記憶されたデジタル値は、露光期間Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ内にフォトダイオードＰＤによって受け取られた光の強度を表すために読み出し可能である。
【０１２９】
［０１５６］  式８に示すように、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎ  がＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ２−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ１（Ｔ３）を表すＰＤ  ＡＤＣ演算での比較の極性は、ＦＤ  ＡＤＣ演算での比較の極性とは逆で、ここで、Ｖｃｏｍｐ＿ｉｎはＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｒｓｔ−Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３を表す。ＰＤ  ＡＤＣでは、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧がＶｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎよりも高いとき、図１１の比較器１１０４のＶＯＵＴは論理値ゼロになり、これはフォトダイオードＰＤが飽和していないことを示す。しかし、残留電荷の測定値を表すＶＯＵＴがトリップしたときのデジタル値をメモリ８１２に記憶するためには、メモリ８１２は、比較器１１０４から正のＶＯＵＴを受け取る必要がある。対照的に、ＦＤ  ＡＤＣでは、ＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧がＶｒｅｆ＿ｌｏｗよりも高いとき、図１１の比較器１１０４のＶＯＵＴは論理値１になり、これは、オーバーフロー電荷が最小検出可能レベルを超えることを示す。
【０１３０】
［０１５７］  図１３では、オーバーフロー電荷Ｑｏｖおよび残留電荷Ｑｒｅｓは、ＰＤ  ＡＤＣ出力電圧（「第１の電圧」とも呼ばれるＶ１）およびＦＤ  ＡＤＣ出力電圧（「第２の電圧」とも呼ばれるＶ２）に基づいて決定され得る。
Ｖ１＝（Ｑｒｅｓ＋ＣＦＤ／（ＣＦＤ＋ＣＥＸＴ）×Ｑｏｖ）×ＣＦＤ  （式１１）
Ｖ２＝（Ｑｒｅｓ＋Ｑｏｖ）×（ＣＦＤ＋ＣＥＸＴ）  （式１２）
【０１３１】
［０１６０］  式１１において、第１の電圧は、ＣＦＤがＣＥＸＴから切り離される前に、残留電荷Ｑｒｅｓの量、並びにＣＦＤに蓄積されたオーバーフロー電荷Ｑｏｖの第１の部分の量（ＣＦＤと全キャパシタンスＣＦＤ＋ＣＥＸＴとの間の比に基づく）に基づき得る。式１２において、第２の電圧は、残留電荷Ｑｒｅｓ（ＣＦＤに残る）およびＣＦＤ＋ＣＥＸＴ内で再配分される総オーバーフロー電荷Ｑｏｖに基づき得る。図１３のスキームでは、ＦＤ  ＡＤＣおよびＰＤ  ＡＤＣ量子化出力の両方をメモリに記憶することができる。光の強度を測定するために使用できるＱｒｅｓおよびＱｏｖを得るために、ポストプロセッサは、ＰＤ  ＡＤＣ（Ｖ１）およびＦＤ  ＡＤＣ（Ｖ２）の量子化出力を取得し、上記の式１１および式１２に基づいてＱｒｅｓおよびＱｏｖを計算することができる。フォトダイオードが飽和するかどうかに基づいて（例えば、ＦＬＡＧ＿２に基づいて）、ポストプロセッサは、Ｑｒｅｓのデジタル表現またはＱｏｖのデジタル表現を出力することができる。
【０１３２】
［０１６１］  ＰＤ  ＡＤＣ動作とＦＤ  ＡＤＣ動作との間の比較の反対の極性を説明するために、ピクセルセル１１００は、ＰＤ  ＡＤＣ動作とＦＤ  ＡＤＣ動作との間の比較器１１０４の比較の極性を反転するように修正され得る。図１４Ａ、図１４Ｂ、および図１４Ｃは、ＰＤ  ＡＤＣとＦＤ  ＡＤＣとの間で反転された比較の極性を有するピクセルセル１１００の例を提示する。図１４Ａおよび図１４Ｂに示されるように、インバータ１４０２のチェーンは、比較器１１０４の出力とＶＯＵＴノードとの間に連結され得る。出力マルチプレクサ装置１４０４は、比較器１１０４の出力の非反転バージョン、または比較器１１０４の出力の反転バージョンを、ＶＯＵＴ電圧として選択するために、ＳＥＬ信号によって制御され得る。いくつかの実施例では、ＳＥＬ信号は、ＰＤ  ＡＤＣ動作とＦＤ  ＡＤＣ動作との間で逆極性を有する図１３の制御信号の１つに基づくことができる。たとえば、ＳＥＬ信号はＬＧ信号に基づいて生成され得る。ＰＤ  ＡＤＣの間に、ＬＧ信号がデアサートされ、比較器１１０４の出力の反転バージョンがＶＯＵＴとして提供される。ＦＤ  ＡＤＣの間に、ＬＧ信号がアサートされ、比較器１１０４の出力の非反転バージョンがＶＯＵＴとして提供される。
【０１３３】
［０１６２］  いくつかの実施例では、比較の極性を反転させるために、比較器１１０４への正および負の入力を交換することもできる。図１４Ｃはそのような例を示す。図１４Ｃに示すように、ピクセルセル１１００は、入力マルチプレクサ１４０６を含み得る。ＳＥＬ信号（ＬＧ信号に基づいて生成することができる）がアサートされる場合、入力マルチプレクサ１４０６は、バッファ１１０２の出力を、比較器１１０４への負の入力としてＣＣキャパシタの左プレートに転送し、比較器１１０４への正の入力としてＶＲＥＦを転送することができる。ＳＥＬ信号がデアサートされる場合、入力マルチプレクサ１４０６は、バッファ１１０２の出力を比較器１１０４への正の入力として転送し、バッファ１１０２の出力を比較器１１０４への負の入力として転送することができる。ＰＤ  ＡＤＣ動作とＦＤ  ＡＤＣ動作との間で比較器１１０４への正および負の入力を交換することによって、比較の極性を２つの動作の間で反転させることができる。
【０１３４】
［０１６３］  図１５は、図１３の制御信号シーケンスおよび図１４Ａから図１４Ｃの修正ピクセルセル１１００に基づく、時間に対するＣＯＭＰ＿ＩＮおよびＶＯＵＴ電圧の変化の例を示す。図１５に示すように、時刻Ｔ４’において、ＶＲＥＦは、ＰＤ  ＡＤＣ動作においてＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を下回り、これは、フォトダイオードＰＤが飽和しないことを示す。比較器１１０４の出力が論理値０である間には、比較器１１０４の出力の反転バージョンがＶＯＵＴとして提供され、メモリ８１２は、ＰＤ  ＡＤＣ動作からのカウント値をラッチすることができる。さらに、時刻Ｔ７’では、ＦＤ  ＡＤＣ動作において、ＶＲＥＦがＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧を超えて立ち上がる。比較器１１０４の出力は論理値１である。比較器１１０４の出力の非反転バージョンはＶＯＵＴとして提供されるが、ＦＬＡＧ＿２がアサートされると、メモリ８１２はロックされ、ＦＤ  ＡＤＣ動作からのカウント値はメモリ８１２に記憶されない。
【０１３５】
［０１６４］  ＰＤ  ＡＤＣ動作およびＦＤ  ＡＤＣ動作に対して、残留電荷がＣＦＤおよびＣＥＸＴにおけるオーバーフロー電荷と組み合わされる図１３の動作は、ＣＦＤおよびＣＥＸＴにおける大きな電圧スイング、並びにＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴおよびＣＯＭＰ＿ＩＮ電圧の大きなスイングをもたらし得る。利用可能な電圧スイングは、ピクセルセル１１００への供給電圧によって制限されるので、フォトダイオードＰＤからの電荷を蓄積するためのＣＦＤおよびＣＥＸＴの容量、および測定可能な光強度の範囲は、結果として制限され得る。フォトダイオードＰＤからの電荷を蓄積するようにＣＦＤおよびＣＥＸＴの容量を増加させるため、ＣＦＤに蓄積されたオーバーフロー電荷は、ＣＥＸＴがＣＦＤから切断された後で、フォトダイオードＰＤがＰＤ  ＡＤＣ動作のために残留電荷をＣＦＤに転送する前に除去することができる。しかしながら、このような構成は、光強度を表す電荷の一部が除去されたときに、信号対ノイズ比を低減することができる。
【０１３６】
［０１６５］  図１６は、ＰＤ  ＡＤＣ動作の前に、ＣＦＤからのオーバーフロー電荷の除去を支援する、修正ピクセルセル１１００を示す。図１６に示すように、リセットスイッチ８０３として構成されるトランジスタＭ２は、ＯＦノードにおいてＣＦＤに直接連結される。さらに、スイッチＭ６は、ＬＧ信号によって制御され、また、ＯＦノードとＣＥＸＴとの間を連結する。図１６の構成により、ＲＳＴ信号のアサートは、ＬＧ信号がデアサートされた場合にはＣＦＤのみをリセットすることができ、ＬＧ信号がアサートされた場合にはＣＦＤとＣＥＸＴをリセットすることができる。
【０１３７】
［０１６６］  図１６では、ＰＤ  ＡＤＣ出力電圧（Ｖ１）およびＦＤ  ＡＤＣ出力電圧（Ｖ２）に基づいて、オーバーフロー電荷Ｑｏｖおよび残留電荷Ｑｒｅｓを決定することができる。
Ｖ１＝Ｑｒｅｓ×ＣＦＤ  （式１３）
Ｖ２＝（Ｑｒｅｓ＋ＣＥＸＴ／（ＣＦＤ＋ＣＥＸＴ）×Ｑｏｖ）×（ＣＦＤ＋ＣＥＸＴ）  （式１４）
【０１３８】
［０１６９］  式１３において、第１の電圧は、オーバーフロー電荷の第１の部分が、残留電荷の転送前にＣＦＤから除去される際に、ＣＦＤに蓄積される残留電荷Ｑｒｅｓの量に基づき得る。式１４において、第２の電圧は、（ＣＦＤに残る）残留電荷Ｑｒｅｓと、ＣＦＤ＋ＣＥＸＴ内で再分配されるＣＦＤから切り離される前にＣＥＸＴが受け取るオーバーフロー電荷Ｑｏｖの第２の部分とに基づき得る。第２の部分は、ＣＥＸＴと総キャパシタンスＣＦＤ＋ＣＥＸＴとの比に基づき得る。光の強度を測定するために使用できるＱｒｅｓおよびＱｏｖを得るために、ポストプロセッサは、ＰＤ  ＡＤＣ（Ｖ１）およびＦＤ  ＡＤＣ（Ｖ２）の量子化出力を取得し、上記の式１３および式１４に基づいてＱｒｅｓおよびＱｏｖを計算することができる。フォトダイオードが飽和するかどうかに基づいて、ポストプロセッサは、Ｑｒｅｓのデジタル表現またはＱｏｖのデジタル表現を出力することができる。
【０１３９】
［０１７０］  図１７は、図１６のピクセルセル１１００に対する制御信号の例示的なシーケンスを示す。第１のリセットフェーズ（時刻Ｔ０から時刻Ｔ１）および飽和時間動作（時刻Ｔ１から時刻Ｔ２）のための制御信号のシーケンスは、図１３と同じである。ＴＴＳ動作の後、時刻Ｔ２と時刻Ｔ３との間に、ＬＧ信号がデアサートされ、ＣＥＸＴをＣＦＤから切断する。時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間にフォトダイオードＰＤから受け取ったオーバーフロー電荷は、それらのキャパシタンス比に基づいてＣＦＤとＣＥＸＴの間で分割できる。ＣＦＤはオーバーフロー電荷の第１の部分を記憶することができ、一方、ＣＥＸＴは上述したように、オーバーフロー電荷の第２の部分を記憶することができる。さらに、ＲＳＴ信号とＣＯＭＰ＿ＲＳＴ信号の両方がアサートされる。ＲＳＴ信号のアサートによってＣＦＤをリセットし、オーバーフロー電荷の第１の部分を除去できるが、オーバーフロー電荷の第２の部分はＣＦＤに残る。
【０１４０】
［０１７１］  時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間に、ＴＧ信号は、Ｍ１スイッチを完全オン状態に設定して、残留電荷をフォトダイオードＰＤからＣＦＤに転送することができ、ＣＦＤは、時刻Ｔ２と時刻Ｔ３との間のＲＳＴ信号のアサートによる転送の前に電荷が空になる。ＰＤ  ＡＤＣ動作は、上述のように、時刻Ｔ４と時刻Ｔ５との間に残留電荷を量子化するために実行される。
【０１４１】
［０１７２］  時刻Ｔ５  から時刻Ｔ８の間に、ＣＦＤをＣＥＸＴに再接続するため、ＬＧ  信号がアサートされ得る。ＣＦＤに蓄積された残留電荷は、ＣＥＸＴにおけるオーバーフロー電荷の第２の部分と結合することができる。ＣＦＤとＣＥＸＴとの並列結合における新しいＰＩＸＥＬ＿ＯＵＴ電圧Ｖｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３は、残留電荷の総量とオーバーフロー電荷の第２の部分とを表すことができる。ＦＤ  ＡＤＣ動作によるＶｐｉｘｅｌ＿ｏｕｔ＿ｓｉｇ３の量子化から得られるデジタル値は、フルオーバーフロー電荷を得るために、ＣＦＤとＣＥＸＴとの間のキャパシタンスの比に基づいてスケーリングすることができる。
【０１４２】
［０１７３］  図１８は、光強度を測定する例示的な方法１８００のフロー図を示す。方法１８００は、例えば、図１１、図１２、図１４Ａ〜図１４Ｃ、および図１６に示すようなピクセルセル１１００の構成要素によって実行され得る。ピクセルセルは、フォトダイオード（例えば、フォトダイオードＰＤ）と、第１の電荷蓄積装置（例えば、ＣＦＤ）を備える電荷検出ユニットと、第２の電荷蓄積装置（例えば、ＣＥＸＴ）と、バッファ（例えば、バッファ６０８ｂ、バッファ１１０２など）とを含み得る。ピクセルセルはまた、ピクセルセルの一部であり得る比較器（例えば、比較器１１０４）、並びにピクセルセルの外部にあり得るカウンタ（例えば、カウンタ８１１）およびメモリ（例えば、メモリ８１２）を含むＡＤＣに連結され得る。ピクセルセルは、フォトダイオードと電荷蓄積装置との間に連結された転送スイッチ（例えば、Ｍ１）、フォトダイオードと連結されたシャッタスイッチ、および電荷蓄積装置を並列に接続するか、またはそれらを切断するためのキャパシタスイッチ（例えば、Ｍ６）を含み得る。ピクセルは、第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置をリセットするためのリセットスイッチをさらに含む。いくつかの実施例では、リセットスイッチは、第２の電荷蓄積装置をリセットすることなく、第１の電荷蓄積装置をリセットすることができる。転送スイッチ、シャッタスイッチ、キャパシタスイッチ、およびリセットスイッチは、図１３、図１５、および図１７に記載されるような制御信号の例示的なシーケンスに基づいて、コントローラ（例えば、コントローラ１１１０）によって制御され得る。
【０１４３】
［０１７４］  方法１８００は、ステップ１８０２から始まり、露光期間（例えば、Ｔｅｘｐｏｓｕｒｅ）中に、入射光に応答して、フォトダイオードが、残留電荷を蓄積し、フォトダイオードが飽和すると、オーバーフロー電荷を電荷検出ユニットの第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置に転送することが、コントローラによって可能になる。コントローラは、フォトダイオードが残留電荷を蓄積できるように、シャッタスイッチをデアサートすることができる。コントローラはまた、フォトダイオードの残留電荷容量を設定するために、バイアス電圧によって転送スイッチをバイアスすることができる。残留電荷容量は、例えば、図７の低光強度範囲７０６の閾値７０２に対応することができる。残留電荷容量に達した後、フォトダイオードは、新たに生成された電荷をオーバーフロー電荷として第１の電荷蓄積装置および第２の電荷蓄積装置に転送することができ、これらはキャパシタスイッチにより並列に接続可能である。並列接続は、電荷蓄積装置が飽和する前にオーバーフロー電荷を蓄積するための総キャパシタンスを増加させ得る。
【０１４４】
［０１７５］  ステップ１８０４では、コントローラは、第２の電荷蓄積装置を第１の電荷蓄積装置から切断することができる。切断は、キャパシタスイッチを無効にすることに基づき得る。切断後、第１の電荷蓄積装置は、露光期間中にフォトダイオードから受け取ったオーバーフロー電荷の第１の部分を蓄積することができ、一方、第２の電荷蓄積装置は、オーバーフロー電荷の第２の部分を蓄積することができる。
【０１４５】
［０１７６］  ステップ１８０６では、コントローラは、フォトダイオードが第１の電荷蓄積装置に残留電荷を転送することを可能にし、電荷検出ユニットに第１の電圧を出力させることができる。コントローラは、転送スイッチを完全にオンにして、フォトダイオードから残留電荷を除去することができる。いくつかの実施例では、コントローラは、（第２の電荷蓄積装置をリセットすることなく）第１の電荷蓄積装置をリセットすることができ、第１の電圧は、残留電荷の量および第１の電荷蓄積装置のキャパシタンスに基づき得る。いくつかの実施例では、コントローラは、第１の電荷蓄積装置をリセットせず、第１の電圧は、残留電荷の量、オーバーフロー電荷の第１の部分の量、および第１の電荷蓄積装置のキャパシタンスに基づき得る。電荷検出ユニットのバッファは、第１の電圧をバッファして、その駆動強度を増大させることができる。
【０１４６】
［０１７７］  ステップ１８０８では、コントローラは、残留電荷を測定するため、第１の電圧を量子化して第１のデジタル値を生成することができる。量子化は、比較器１１０４を使用して、第１の電圧を第１の電圧ランプと比較することによって、ＰＤ  ＡＤＣ動作の一部となり得る。第１の電圧ランプは、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈから始まりＶｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎに至る。ＰＤ  ＡＤＣフェーズでは、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈは、フォトダイオードＰＤに蓄積された残留電荷の最小検出可能量を表し、一方、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗ＿ｍａｒｇｉｎは、暗電流を考慮するマージンを有するフォトダイオードＰＤの飽和閾値を表し得る。比較器は、メモリ８１２へのラッチ信号に連結され得る。比較器がトリップすると、メモリ８１２は、第１のデジタル値を表すカウンタ８１１からのカウント値をラッチすることができる。第１のデジタル値は、上記の式１１〜式１４に基づいて残留電荷の量を測定するために使用できる。いくつかの実施例では、ＡＤＣは、リセットノイズおよび比較器オフセット情報をサンプリングするために、電荷検出ユニットと比較器との間に結合されたＡＣキャパシタを含み得る。サンプリングは、比較器と電荷蓄積装置を同時にリセットして、ＡＣキャパシタの両端にＶＣＣ電圧を設定し、ＶＣＣ電圧に基づいて第１の電圧を調整し、上記の式５および式６に基づいて、リセットノイズおよび比較器が量子化動作に及ぼす影響を補償することに基づいて行うことができる。
【０１４７】
［０１７８］  ステップ１８１０では、コントローラは、第２の電荷蓄積装置を第１の電荷蓄積装置と接続して（例えば、キャパシタスイッチを有効にすることによって）、電荷検出ユニットに第２の電圧を出力させることができる。具体的には、接続を介して、第１の電荷蓄積装置に蓄積された電荷（残留電荷、並びに第１の電荷蓄積装置がリセットされていない場合にはオーバーフロー電荷の第１の部分）は、第２の電荷蓄積装置に充電された電荷（オーバーフロー電荷の第２の部分）と同様に、電荷蓄積装置間で再分配され得、また、電荷蓄積装置の並列組合せで第２の電圧が生成され得る。
【０１４８】
［０１７９］  ステップ１８１２では、コントローラは、オーバーフロー電荷を測定するため、第２の電圧を量子化して第２のデジタル値を生成することができる。具体的には、量子化は、比較器１１０４を使用して、第２の電圧を第２の電圧ランプと比較することによって、ＦＤ  ＡＤＣ動作の一部となり得る。第２の電圧ランプは、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗから始まりＶｒｅｆ＿ｈｉｇｈに至る。ＦＤ  ＡＤＣフェーズでは、Ｖｒｅｆ＿ｈｉｇｈはフォトダイオードＰＤの飽和レベルを表すことができ、Ｖｒｅｆ＿ｌｏｗはオーバーフロー電荷の最小検出可能量を表すことができ、ＦＤ  ＡＤＣフェーズにおける比較の極性はＰＤ  ＡＤＣフェーズとは逆になり得る。これは、ＦＤ  ＡＤＣフェーズとＰＤ  ＡＤＣフェーズの間で使用される異なるノイズ／オフセット補償スキームに起因し得る。例えば、比較器がリセット状態から外れたときに電荷蓄積装置のリセットに続いて比較器がリセットされ得る、式８〜式１０で説明したような異なるノイズ／オフセット補償スキームは、漏れの影響を緩和するために使用可能で、結果として比較の極性は入れ替えることができる。図１４Ａ〜図１４Ｃに記載の例示的な回路は、ＦＤ  ＡＤＣ動作とＰＤ  ＡＤＣ動作との間の比較の極性を変更するために使用され得る。比較器がトリップすると、メモリ８１２は、第２のデジタル値を表すカウンタ８１１からのカウント値をラッチすることができる。第２のデジタル値は、上述の式１１〜式１４に基づいて、オーバーフロー電荷の量の測定に使用され得る。
【０１４９】
［０１８０］  ステップ１８１４では、コントローラは、第１のデジタル値および第２のデジタル値に基づいて、入射光強度のデジタル表現を生成することができる。上述のように、コントローラは、第１のデジタル値（Ｖ１）および第２のデジタル値（Ｖ２）に基づいて、かつ上述の式１１〜式１４に基づいて、残留電荷の測定値およびオーバーフロー電荷の測定値を生成することができる。フォトダイオードが飽和するかどうかに基づいて（例えば、ＦＬＡＧ＿２信号に基づいて）、コントローラは、残留電荷の測定値またはオーバーフロー電荷の測定値を出力して、入射光強度を表すことができる。
【０１５０】
［０１８１］  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、本開示の実施例を記述している。これらのアルゴリズムの記述および表現は、データ処理分野の当業者によって、自らの研究の主旨を効果的に他の当業者に伝えるために一般的に使用される。これらの動作は、機能的に、計算により、または論理的に説明されるが、コンピュータプログラムまたは等価な電気回路、マイクロコードなどによって実装されることが理解される。さらに、一般性を失うことなく、動作のこれらの構成をモジュールと呼ぶことが、ときに好都合であることも証明されている。説明した動作およびそれらに関連するモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、および／またはハードウェアにおいて具現化され得る。
【０１５１】
［０１８２］  説明したステップ、動作、またはプロセスは、単独で、または他のデバイスと組み合わせて、一または複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュールを用いて実行または実装され得る。いくつかの実施形態では、ソフトウェアモジュールは、説明したステップ、動作、またはプロセスのいずれかまたはすべてを実行するためのコンピュータプロセッサによって実行され得るコンピュータプログラムコードを含むコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品を用いて実装される。
【０１５２】
［０１８３］  本開示の実施例はまた、記載の動作を実施するための装置に関してもよい。装置は、必要とされる目的のために特別に構築され得、および／または、コンピュータ内に記憶されたコンピュータプログラムによって選択的にアクティブ化もしくは再構成される汎用コンピューティングデバイスを備え得る。このようなコンピュータプログラムは、一時的でない有形のコンピュータ可読記憶媒体、または電子命令を記憶するのに適した任意のタイプの媒体に記憶することができ、この媒体はコンピュータシステムバスに結合することができる。さらに、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んでもよく、または計算能力増強のために複数のプロセッサ設計を採用するアーキテクチャであってもよい。
【０１５３】
［０１８４］  本開示の実施例はまた、本明細書で説明されるコンピューティングプロセスによって製造される製品に関してもよい。このような製品は、コンピューティングプロセスから生じる情報を含み、その情報は、非一過性の有形コンピュータ可読記憶媒体に記憶され、本明細書で説明されるコンピュータプログラム製品または他のデータの組合せの任意の実施例を含み得る。
【０１５４】
［０１８５］  本明細書で使用される言語は、主に、読みやすさおよび説明を目的として選択されたものであり、本発明の主題を表現または限定するために選択されたものではない。したがって、本開示の範囲はこの詳細な説明によって限定されるものではなく、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、実施例の開示は、以下の特許請求の範囲に記載される本開示の範囲を例示するものであり、限定するものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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