(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光に応答して光電流を生成するよう構成される光検出器と、
前記光検出器へ結合され、前記光電流に対応する電荷を蓄えるよう構成される第１積分キャパシタと、
前記光電流に対応する電荷を蓄えるよう構成される第２積分キャパシタと、
前記光検出器へ結合され、前記第１積分キャパシタを前記第２積分キャパシタへ選択的に結合し、前記第１積分キャパシタにかかる電圧が閾電圧レベルを超えることに応答して前記光電流を前記第２積分キャパシタへ迂回させるよう構成される電荷迂回スイッチと、
前記第１積分キャパシタ及び前記電荷迂回スイッチへ結合され、前記第１積分キャパシタに蓄えられている電荷に対応する前記第１積分キャパシタからの第１電圧サンプルを読み出し、前記第２積分キャパシタに蓄えられている電荷に対応する前記第２積分キャパシタからの第２電圧サンプルを読み出すよう構成されるリードアウト回路と、
前記電荷迂回スイッチ及び前記リードアウト回路へ結合される画像プロセッサと
を有し、
第１動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第１電圧サンプルを前記画像プロセッサへ供給するように前記リードアウト回路を動作させるよう構成され、
第２動作モードで、前記画像プロセッサは、前記電荷迂回スイッチを閉じるよう動作させて前記第１積分キャパシタを前記第２積分キャパシタへ結合するよう、且つ、前記第２電圧サンプルを前記画像プロセッサへ供給するように前記リードアウト回路を動作させるよう構成され、
前記画像プロセッサは、前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルを解析して、前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルのうちのいずれか一方が無効であるかどうかを判定するよう更に構成される、ユニットセル回路。
【請求項２】
前記電荷迂回スイッチはＭＯＳＦＥＴであり、前記閾電圧レベルは、前記電荷迂回スイッチのゲートが受けるバイアス電圧によって定義される、
請求項１に記載のユニットセル回路。
【請求項３】
前記第２積分キャパシタのキャパシタンス値は、前記第１積分キャパシタのキャパシタンス値よりも少なくとも２０倍大きい、
請求項１に記載のユニットセル回路。
【請求項４】
前記光検出器と前記第１積分キャパシタとの間に結合され、前記リードアウト回路が前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルを読み出しているときに開くよう構成されるシャッタースイッチを更に有する
請求項１に記載のユニットセル回路。
【請求項５】
前記画像プロセッサは、前記第１電圧サンプルが飽和した第１積分キャパシタを示すと特定することに応答して、前記第１電圧サンプルが無効であると決定するよう更に構成される、
請求項１に記載のユニットセル回路。
【請求項６】
前記画像プロセッサは、前記第２電圧サンプルが実質的にリセットレベルにあると特定することに応答して、前記第２電圧サンプルが無効であると決定するよう更に構成される、
請求項１に記載のユニットセル回路。
【請求項７】
前記リードアウト回路は、
前記第１積分キャパシタへ結合されるバッファと、
前記バッファ及び前記画像プロセッサへ結合される行イネーブルスイッチと
を有し、
前記第１動作モード及び前記第２動作モードで、前記画像プロセッサは、前記バッファを前記画像プロセッサへ結合するように前記行イネーブルスイッチを動作させるよう更に構成される、
請求項１に記載のユニットセル回路。
【請求項８】
前記リードアウト回路は、
前記第１積分キャパシタへ結合される第１シャッタースイッチと、
前記第１シャッタースイッチへ選択的に結合される第１シャッターキャパシタと、
前記第１シャッターキャパシタへ結合される第１バッファと、
前記第１バッファへ結合される第１行イネーブルスイッチと
を有し、
前記第１動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第１電圧サンプルが前記第１シャッターキャパシタで保持されるように前記第１シャッタースイッチを開くよう動作させるよう更に構成される、
請求項１に記載のユニットセル回路。
【請求項９】
前記リードアウト回路は、
前記第１積分キャパシタへ結合される第２シャッタースイッチと、
前記第２シャッタースイッチへ選択的に結合される第２シャッターキャパシタと、
前記第２シャッターキャパシタへ結合される第２バッファと、
前記第２バッファへ結合される第２行イネーブルスイッチと
を有し、
前記第２動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第２電圧サンプルが前記第２シャッターキャパシタで保持されるように前記第２シャッタースイッチを開くよう動作させるよう更に構成される、
請求項８に記載のユニットセル回路。
【請求項１０】
前記第１動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第１バッファを前記画像プロセッサへ結合するように前記第１行イネーブルスイッチを動作させるよう更に構成され、
前記第２動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第２バッファを前記画像プロセッサへ結合するように前記第２行イネーブルスイッチを動作させるよう更に構成される、
請求項９に記載のユニットセル回路。
【請求項１１】
光検出器と、該光検出器へ結合される第１積分キャパシタと、前記光検出器へ結合される電荷迂回スイッチと、該電荷迂回スイッチへ結合される第２積分キャパシタと、前記第１積分キャパシタ及び前記電荷迂回スイッチへ結合されるリードアウト回路とを有するユニットセル回路の作動方法であって、
前記光検出器によって、受光に応答して光電流を生成することと、
前記光電流に対応する電荷を前記第１積分キャパシタで蓄えることと、
前記電荷迂回スイッチにより、前記第１積分キャパシタにかかる電圧が閾電圧レベルを超えることに応答して前記光電流を前記第２積分キャパシタへ迂回させることと、
第１動作モードで、前記第１積分キャパシタに蓄えられている電荷に対応する前記第１積分キャパシタからの第１電圧サンプルを読み出すことと、
第２動作モードで、前記第２積分キャパシタと並列に前記第１積分キャパシタを結合することと、
前記第２動作モードで、前記第２積分キャパシタに蓄えられている電荷に対応する前記第２積分キャパシタからの第２電圧サンプルを読み出すことと、
前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルのうちのいずれか一方が無効であるかどうかを判定するよう前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルを解析することと
を有する方法。
【請求項１２】
前記電荷迂回スイッチによりバイアス電圧を受けることを更に有し、
前記第１積分キャパシタにかかる電圧が閾電圧レベルを超えることに応答して前記光電流を前記第１積分キャパシタから前記第２積分キャパシタへ迂回させることは、前記第１積分キャパシタにかかる前記電圧が前記バイアス電圧を超えることに応答して前記光電流を前記第１積分キャパシタから前記第２積分キャパシタへ迂回させることを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
シャッタースイッチにより、前記第１動作モード及び前記第２動作モードで、前記光検出器を前記第１積分キャパシタ及び前記電荷迂回スイッチから切り離すことを更に有する
請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
解析することは、
前記第１電圧サンプルが飽和した第１積分キャパシタを示すと特定することに応答して、前記第１電圧サンプルが無効であると決定することと、
前記第２電圧サンプルが実質的にリセットレベルにあると特定することに応答して、前記第２電圧サンプルが無効であると決定することと
を有する、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
画像プロセッサと、
前記画像プロセッサへ結合され、アレイにおいて構成される複数のユニットセルと
を有し、
夫々のユニットセルは、
受光に応答して光電流を生成するよう構成される光検出器と、
前記光検出器へ結合され、前記光電流に対応する電荷を蓄えるよう構成される第１積分キャパシタと、
前記光電流に対応する電荷を蓄えるよう構成される第２積分キャパシタと、
前記光検出器へ結合され、前記第１積分キャパシタを前記第２積分キャパシタへ選択的に結合し、前記第１積分キャパシタにかかる電圧が閾電圧レベルを超えることに応答して前記光電流を前記第２積分キャパシタへ迂回させるよう構成される電荷迂回スイッチと、
第１動作モードで前記第１積分キャパシタから前記画像プロセッサへスモールウェル電圧サンプルを読み出し、第２動作モードで前記第２積分キャパシタから前記画像プロセッサへラージウェル電圧サンプルを読み出す手段と
を有し、
前記画像プロセッサは、夫々のユニットセルからの前記スモールウェル電圧サンプル及び前記ラージウェル電圧サンプルを解析して、夫々のユニットセルからの前記スモールウェル電圧サンプル及び前記ラージウェル電圧サンプルのうちのいずれか一方が無効であるかどうかを判定するよう更に構成される、
画像センサ。
【請求項１６】
前記画像プロセッサは、夫々のユニットセルの前記スモールウェル電圧サンプル及び前記ラージウェル電圧サンプルの前記解析に基づき、夫々のユニットセルからの前記スモールウェル電圧サンプル及び前記ラージウェル電圧サンプルのうちの少なくとも一方に基づくデジタル画像を生成するよう更に構成される、
請求項１５に記載の画像センサ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
画像捕捉装置で使用される画像センサは、画像センサが見ているシーンから画像センサが受け取る光強度に比例して、電荷を生成する。周囲光が弱いシーンの撮像は、高い感度を提供するために低いノイズ及び低いキャパシタンスを有するコンポーネントを備えることを画像センサに求める。対照的に、周囲光が明るいシーンを撮像することは、生成された電荷を蓄えるために、より高いキャパシタンスを有するコンポーネントを備えることを画像センサに求める。それらの矛盾するキャパシタンス要件は、明るい周囲光シーン又は暗い周囲光シーンのいずれか一方のために通常最適化される画像捕捉装置の進展をもたらしてきた。
【発明の概要】
【０００２】
本明細書で記載される態様及び実施形態は、光条件が変化するシーンを撮像するために使用され得る高ダイナミックレンジ直接注入回路を対象とする。ある例では、回路は、入力トランジスタの出力側で２つの積分キャパシタを含む。第１積分キャパシタは、比較的低いキャパシタンスを有し、高い利得を低レベル画像信号に与える。第２積分キャパシタは、比較的高いキャパシタンスを有し、閾スイッチと直列に接続される。第２積分キャパシタ及び閾スイッチはともに、第１積分キャパシタと並列に接続される。第１積分キャパシタにおける電荷が、例えば、明るい照明条件の下で、あるレベルを上回る場合には、第１積分キャパシタにかかる電圧は閾スイッチのそれを超えることになり、回路飽和によって通常失われることになる過度の電荷は、代わりに、より大きい第２積分キャパシタで蓄えられる。より小さい積分キャパシタが飽和すると過度の電荷を失うのではなく、過度の電荷をより大きい積分キャパシタへ迂回させることによって、本明細書で記載されるユニットセルは、単一の又は変化する積分周期で２つの異なる用途（すなわち、暗い及び明るい周囲光用途）のために最適化され、ユニットセルのダイナミックレンジは増大される。
【０００３】
本明細書で記載される少なくとも１つの態様は、受光に応答して光電流を生成するよう構成される光検出器と、前記光検出器へ結合され、前記光電流に対応する電荷を蓄えるよう構成される第１積分キャパシタと、前記光電流に対応する電荷を蓄えるよう構成される第２積分キャパシタと、前記光検出器へ結合され、前記第１積分キャパシタを前記第２積分キャパシタへ選択的に結合し、前記第１積分キャパシタにかかる電圧が閾電圧レベルを超えることに応答して前記光電流を前記第２積分キャパシタへ迂回させるよう構成される電荷迂回スイッチと、前記第１積分キャパシタ及び前記電荷迂回スイッチへ結合され、前記第１積分キャパシタに蓄えられている電荷に対応する前記第１積分キャパシタからの第１電圧サンプルを読み出し、前記第２積分キャパシタに蓄えられている電荷に対応する前記第２積分キャパシタからの第２電圧サンプルを読み出すよう構成されるリードアウト回路とを有するユニットセル回路を対象とする。
【０００４】
一実施形態に従って、前記電荷迂回スイッチはＭＯＳＦＥＴであり、前記閾電圧レベルは、前記電荷迂回スイッチのゲートが受けるバイアス電圧によって定義される。一実施形態において、前記第２積分キャパシタのキャパシタンス値は、前記第１積分キャパシタのキャパシタンス値よりも少なくとも２０倍大きい。一実施形態において、当該ユニットセル回路は、前記光検出器と前記第１積分キャパシタとの間に結合され、前記リードアウト回路が前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルを読み出しているときに開くよう構成されるシャッタースイッチを更に有する。
【０００５】
他の実施形態に従って、当該ユニットセル回路は、記電荷迂回スイッチ及び前記リードアウト回路へ結合される画像プロセッサを更に有し、第１動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第１電圧サンプルを前記画像プロセッサへ供給するように前記リードアウト回路を動作させるよう構成され、第２動作モードで、前記画像プロセッサは、前記電荷迂回スイッチを閉じるよう動作させて前記第１積分キャパシタを前記第２積分キャパシタへ結合するよう、且つ、前記第２電圧サンプルを前記画像プロセッサへ供給するように前記リードアウト回路を動作させるよう構成される。
【０００６】
一実施形態に従って、前記画像プロセッサは、前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルを解析して、前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルのうちのいずれか一方が無効であるかどうかを判定するよう更に構成される。一実施形態において、前記画像プロセッサは、前記第１電圧サンプルが飽和した第１積分キャパシタを示すと特定することに応答して、前記第１電圧サンプルが無効であると決定するよう更に構成される。他の実施形態において、前記画像プロセッサは、前記第２電圧サンプルが実質的にリセットレベルにあると特定することに応答して、前記第２電圧サンプルが無効であると決定するよう更に構成される。一実施形態において、前記リードアウト回路は、前記第１積分キャパシタへ結合されるバッファと、前記バッファ及び前記画像プロセッサへ結合される行イネーブルスイッチとを有し、前記第１動作モード及び前記第２動作モードで、前記画像プロセッサは、前記バッファを前記画像プロセッサへ結合するように前記行イネーブルスイッチを動作させるよう更に構成される。
【０００７】
他の実施形態に従って、前記リードアウト回路は、前記第１積分キャパシタへ結合される第１シャッタースイッチと、前記第１シャッタースイッチへ選択的に結合される第１シャッターキャパシタと、前記第１シャッターキャパシタへ結合される第１バッファと、前記第１バッファへ結合される第１行イネーブルスイッチとを有し、前記第１動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第１電圧サンプルが前記第１シャッターキャパシタで保持されるように前記第１シャッタースイッチを開くよう動作させるよう更に構成される。一実施形態において、前記リードアウト回路は、前記第１積分キャパシタへ結合される第２シャッタースイッチと、前記第２シャッタースイッチへ選択的に結合される第２シャッターキャパシタと、前記第２シャッターキャパシタへ結合される第２バッファと、前記第２バッファへ結合される第２行イネーブルスイッチとを有し、前記第２動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第２電圧サンプルが前記第２シャッターキャパシタで保持されるように前記第２シャッタースイッチを開くよう動作させるよう更に構成される。他の実施形態において、前記第１動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第１バッファを前記画像プロセッサへ結合するように前記第１行イネーブルスイッチを動作させるよう更に構成され、前記第２動作モードで、前記画像プロセッサは、前記第２バッファを前記画像プロセッサへ結合するように前記第２行イネーブルスイッチを動作させるよう更に構成される。
【０００８】
本明細書で記載される他の態様は、光検出器と、該光検出器へ結合される第１積分キャパシタと、前記光検出器へ結合される電荷迂回スイッチと、該電荷迂回スイッチへ結合される第２積分キャパシタと、前記第１積分キャパシタ及び前記電荷迂回スイッチへ結合されるリードアウト回路とを有するユニットセル回路の作動方法であって、前記光検出器によって、受光に応答して光電流を生成することと、前記光電流に対応する電荷を前記第１積分キャパシタで蓄えることと、前記電荷迂回スイッチにより、前記第１積分キャパシタにかかる電圧が閾電圧レベルを超えることに応答して前記光電流を前記第２積分キャパシタへ迂回させることと、第１動作モードで、前記第１積分キャパシタに蓄えられている電荷に対応する前記第１積分キャパシタからの第１電圧サンプルを読み出すことと、第２動作モードで、前記第２積分キャパシタと並列に前記第１積分キャパシタを結合することと、前記第２動作モードで、前記第２積分キャパシタに蓄えられている電荷に対応する前記第２積分キャパシタからの第２電圧サンプルを読み出すこととを有する方法を対象とする。
【０００９】
一実施形態に従って、当該方法は、前記電荷迂回スイッチによりバイアス電圧を受けることを更に有し、前記第１積分キャパシタにかかる電圧が閾電圧レベルを超えることに応答して電荷を前記第１積分キャパシタから前記第２積分キャパシタへ迂回させることは、前記第１積分キャパシタにかかる前記電圧が前記バイアス電圧を超えることに応答して電荷を前記第１積分キャパシタから前記第２積分キャパシタへ迂回させることを含む。一実施形態において、当該方法は、シャッタースイッチにより、前記第１動作モード及び前記第２動作モードで、前記光検出器を前記第１積分キャパシタ及び前記電荷迂回スイッチから切り離すことを更に有する。
【００１０】
他の実施形態に従って、当該方法は、前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルのうちのいずれか一方が無効であるかどうかを判定するよう前記第１電圧サンプル及び前記第２電圧サンプルを解析することを更に有する。一実施形態において、解析することは、前記第１電圧サンプルが飽和した第１積分キャパシタを示すと特定することに応答して、前記第１電圧サンプルが無効であると決定することと、前記第２電圧サンプルが実質的にリセットレベルにあると特定することに応答して、前記第２電圧サンプルが無効であると決定することとを有する。
【００１１】
本明細書で記載される少なくとも１つの態様は、画像プロセッサと、前記画像プロセッサへ結合され、アレイにおいて構成される複数のユニットセルとを有し、夫々のユニットセルが、受光に応答して光電流を生成するよう構成される光検出器と、前記光検出器へ結合され、前記光電流に対応する電荷を蓄えるよう構成される第１積分キャパシタと、前記光電流に対応する電荷を蓄えるよう構成される第２積分キャパシタと、前記光検出器へ結合され、前記第１積分キャパシタを前記第２積分キャパシタへ選択的に結合し、前記第１積分キャパシタにかかる電圧が閾電圧レベルを超えることに応答して前記光電流を前記第２積分キャパシタへ迂回させるよう構成される電荷迂回スイッチと、第１動作モードで前記第１積分キャパシタから前記画像プロセッサへスモールウェル電圧サンプルを読み出し、第２動作モードで前記第２積分キャパシタから前記画像プロセッサへラージウェル電圧サンプルを読み出す手段とを有する、画像センサを対象とする。
【００１２】
一実施形態に従って、前記画像プロセッサは、夫々のユニットセルからの前記スモールウェル電圧サンプル及び前記ラージウェル電圧サンプルを解析して、夫々のユニットセルからの前記スモールウェル電圧サンプル及び前記ラージウェル電圧サンプルのうちのいずれか一方が無効であるかどうかを判定するよう更に構成される。一実施形態において、前記画像プロセッサは、夫々のユニットセルの前記スモールウェル電圧サンプル及び前記ラージウェル電圧サンプルの前記解析に基づき、夫々のユニットセルからの前記スモールウェル電圧サンプル及び前記ラージウェル電圧サンプルのうちの少なくとも一方に基づくデジタル画像を生成するよう更に構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
少なくとも１つの実施形態の様々な態様は、実寸通りであるよう意図されていない添付の図を参照して、以下で説明される。図は、実例並びに様々な態様及び実施形態の更なる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれてその部分を構成するが、本発明の限定の定義として意図されない。図中、様々な図に示されている同じか又はほぼ同じ各要素は、同じ符号によって表される。明りょうさのために、あらゆる要素が全ての図で符号を付されているわけではない。
【００１４】
【図１】本発明の態様に従って画像を捕捉するために使用され得る画像捕捉装置を表すブロック図である。
【図２】本発明の態様に従う直接注入セルの一例の概略図である。
【図３】本発明の態様に従うユニットセルの動作を表すフローチャートである。
【図４Ａ】本発明の態様に従うユニットセルの一実施形態の種々の電圧を表すグラフである。
【図４Ｂ】本発明の態様に従うユニットセルの一実施形態の種々の電圧を表すグラフである。
【図５】本発明の態様に従うユニットセルの他の実施形態の概略図である。
【図６】本発明の態様に従うユニットセルの動作を表すフローチャートである。
【図７】本発明の態様に従うユニットセルの他の実施形態の概略図である。
【図８】本発明の態様に従うユニットセルの動作を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
デジタルカメラ、ビデオカメラ、又は他の写真及び／若しくは画像捕捉機のような、多種多様な画像捕捉装置がある。それらの画像捕捉装置は、所望のシーンから画像を捕捉するために、アクティブ・ピクセル・センサ（Active  Pixel  Sensor）（ＡＰＳ）又は他の適切な光感知デバイスのような画像センサを使用し得る。例えば、ＡＰＳは、レンズ又は他のオプティックを介して光を受けるユニットセルアレイから構成され得る。光は、夫々のユニットセルに、そのユニットセルの位置での光の強さに比例した電荷を蓄えさせる。アレイ内の各ユニットセルは、通常、フォトダイオード、キャパシタ及び他の構成要素のような回路を含む。
【００１６】
アレイ内の各ユニットセルは、一般に、所望のシーンの最終的な画像におけるピクチャ要素又はピクセルに対応する。ピクセルは、デジタル画像の最も小さい部分と見なされる。デジタル画像は、一般に、ピクセルのアレイから構成される。画像捕捉装置へ結合されている回路は、夫々のユニットセルからの蓄積電荷をピクセル情報に変換するよう光捕捉後処理ステップを実行し得る。この情報は、デジタル画像記憶フォーマットが必要とする可能性がある色、彩度、輝度、又は他の情報を含み得る。デジタル画像は、．ＪＰＧ、．ＧＩＦ、．ＴＩＦＦ、又は何らかの他の適切なフォーマットのようなフォーマットで記憶され得る。
【００１７】
上述されたように、典型的な画像捕捉装置は、一般に、明るい周囲光シーン（すなわち、低センサ感度状況）又は暗い周囲光シーン（すなわち、高センサ感度状況）のどちらか一方のために最適化される。影、夜に撮られた写真、屋内で撮られた写真、又は周囲光が比較的低量である他の状況のような、周囲光が暗い状況では、画像捕捉装置は、一般に、そのユニットセルに蓄えられている電荷の異なるレベルを適切に区別するために、より高い感度（すなわち、より高い利得）を必要とする。しかし、周囲光が明るい状況に高感度／高利得画像捕捉装置（すなわち、低信号領域に対して高い信号対雑音比を提供するよう構成された装置）をさらすことは、画像飽和を生じさせることがある。
【００１８】
その上、高感度装置では、回路の電荷の単位での小さな変化が最終の画像での異なるレベルに対応し得るということで、寄生キャパシタンス（すなわち、回路の部品どうしの間に存在するキャパシタンス）が最小限にされるべきである。例えば、高感度装置では、追加の５単位の電荷が最終の画像において異なるレベルの明るさをもたらし得るのに対して、低感度装置では、追加の５０単位の電荷が最終の画像において異なるレベルの明るさをもたらし得る。然るに、高い寄生キャパシタンスを有している画像捕捉装置が暗い周囲光シーンにさらされる場合に、画像捕捉装置における蓄積電荷は、シーンの光強度を比例的に（又は正確に）反映しない可能性があり、これは、最終的に、最終の画像におけるエラーにつながる可能性がある。
【００１９】
天気の良い日中、明るい部屋、又は周囲光が比較的多量である（例えば、周囲光の強さが弱強度光状況よりも数桁大きい）他の状況のような、周囲光が明るい状況は、別の問題を示す可能性がある。周囲光が明るい状況では、画像捕捉装置によって捕捉される光がより強いことにより、よりずっと多い量の電荷が画像捕捉装置で蓄積する。このより多量の電荷は、一般に、画像センサで生成される蓄積電荷を蓄えるためのキャパシタの追加を必要とする。通常、寄生キャパシタンスの影響は、十分な量の電荷がピクセルで保持され得ることを確かにするよう上記のキャパシタを設計するときに考慮に入れられ得る。明るい周囲光状況のために最適化されるそのような画像捕捉装置は、通常は、低感度（すなわち、低利得）装置であることができる。よって、２つの状況（暗い及び明るい周囲光状況）のための蓄積電荷、利得、及びキャパシタンス要件の違いにより、明るい周囲光状況のために最適化される画像捕捉装置は、暗い周囲光状況では最適に機能しないことになる。
【００２０】
直接注入（Direct  Injection）（ＤＩ）回路は、フォーカルプレーン（focal  plane）応用で広く用いられており、従来より、上述されたような、暗い及び明るい周囲光状況の異なる要件に対処するのが困難である。より具体的には、ＤＩ回路は、通常、固定利得（又は電荷容量）のために構成され、これは、画像の暗い領域に対しては小さすぎる利得を、又は画像の明るい領域に対して大きすぎる利得（すなわち、飽和）をもたらす可能性がある。然るに、周囲光が暗い状況及び周囲光が明るい状況の両方に適切に対処することができる、新しい高ダイナミックレンジ直接注入回路が、提供される。
【００２１】
本明細書で記載される高ダイナミックレンジ直接注入回路の実施形態は、入力トランジスタの出力側で２つの積分キャパシタを含む。第１積分キャパシタは、比較的低いキャパシタンスを有し、高い利得を低レベル画像信号に与える。第２積分キャパシタは、比較的高いキャパシタンスを有し、閾スイッチと直列に接続される。第２積分キャパシタ及び閾スイッチはともに、第１積分キャパシタと並列に接続される。第１積分キャパシタにおける電荷が、例えば、高照度条件の下で起こり得るように、あるレベルを上回って蓄積する場合には、第１積分キャパシタにかかる電圧は閾スイッチのそれを超えることになり、回路飽和によって通常失われることになる過度の電荷は、代わりに、より大きい第２積分キャパシタへ迂回されてそこで蓄えられる。
【００２２】
図１は、画像を捕捉するために使用され得る画像捕捉装置１０を表すブロック図である。例えば、画像捕捉装置１０はデジタルカメラ、ビデオカメラ、又は写真及び／若しくは画像捕捉機であってよい。画像捕捉装置１０は、画像センサ１２及び画像処理ユニット１４（例えば、画像処理を実行するよう構成された画像プロセッサ又はコントローラ）を含む。画像センサ１２は、画像を捕捉することができるＡＰＳ又は他の適切な光検知デバイスであってよい。画像処理ユニット１４は、画像センサ１２から信号情報を受け取り、信号情報をデジタル画像に変換するよう動作するハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアの組み合わせであってよい。
【００２３】
表されている例で、画像センサ１２は、ユニットセル１６のアレイ１７を含む。夫々のユニットセル１６は、画像センサ１２の視野内のその位置での光強度の比例した電荷を蓄える。夫々のユニットセル１６は、捕捉された電子画像内のピクセルに対応してよい。夫々のユニットセル１６は、画像を生成するために処理ユニット１４によって使用される蓄積電荷を一時的に保持してよい。保持された電荷は、例えば、電圧に変換されてよく、電圧の値は、値を何らかのメモリ形式にデジタル化して記憶するために、処理ユニット１４によってサンプリングされてよい。
【００２４】
画像捕捉装置１０を使用した画像捕捉のための特定の方法は、ローリングシャッター（rolling  shutter）捕捉であってよい。ローリングシャッター捕捉は、画像センサ１２からピクセルの各行を順に捕捉する方法である。例えば、ローリングシャッター捕捉は、画像センサ１２のピクセルの一番上の行を露光させ、次いで２番目の行を、続いて３番目の行を、以降、画像センサ１２のピクセルの最後の行が露光されるまで続けることができる。画像処理ユニット１４が画像センサ１２によって捕捉されたピクセル情報を受け取ることができる方法の他の例は、リップル（ripple）／ローリングリード（rolling  read）である。ローリングリードは、画像センサ１２からピクセルの各行を順に処理する方法である。ローリングシャッター捕捉と同様に、リップルリードは、画像センサ１２のピクセルの一番上の行を処理し、次いで２番目の行を、続いて３番目の行を、以降、画像センサ１２のピクセルの最後の行が処理されるまで続けることができる。画像センサ１２のピクセルの行をリセットするローリングリセット動作は、同様に実行され得る。
【００２５】
ローリングシャッター捕捉、ローリングリード、及びローリングリセット動作は、通常、連続した行に対して行われる。例えば、ローリング捕捉動作は、ユニットセル１６の最初の行から開始してよい。ローリング捕捉動作が２番目の行へ移動すると、ローリングリード動作がユニットセル１６の最初の行に対して開始し得る。ローリング捕捉動作が３番目の行へ移動すると、ローリングリード動作が２番目の行に対して開始することができ、ローリングリセット動作が最初の行に対して開始することができる。これは、最後の行が処理されるまで続き得る。最後の行が処理されると、画像は処理ユニット１４によって処理及び記憶され得る。
【００２６】
ローリングに基づく動作が、画像捕捉装置１０を使用した画像の捕捉に対して上述されているが、他の実施形態では、画像捕捉装置１０は、異なる画像捕捉方法を使用してもよい。例えば、少なくとも１つの実施形態において、画像捕捉装置は、画像捕捉装置１０における全てのユニットセル１６が同時に光束を積分するよう構成される、グローバルシャッター（global  shutter）に基づく方法を利用する。
【００２７】
図２は、画像センサ１２に含まれ画像処理ユニット１４へ結合され得る直接注入ユニットセル１６の一例の概略図である。直接注入ユニットセル１６は、光検出器２０２、入力トランジスタ２０４、第１積分キャパシタ（Ｃｓｍａｌｌ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２０６、電荷迂回スイッチ２０８、第２積分キャパシタ（Ｃｌａｒｇｅ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２１０、アンチブルームスイッチ２１２、及びリードアウト回路２１５を含む。一実施形態に従って、リードアウト回路２１５は、ソースフォロワバッファ２１４及び行イネーブルスイッチ２１６を含む。一実施形態に従って、光検出器２０２はフォトダイオードを含む。
【００２８】
一実施形態において、入力トランジスタ２０４は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Metal-Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistors）（ＭＯＳＦＥＴ）であるが、他の実施形態では、入力トランジスタ２０４は、如何なる適切なタイプのスイッチ又はトランジスタであってもよい。一実施形態に従って、ユニットセル１６内のスイッチ（すなわち、電荷迂回スイッチ２０８、アンチブルームスイッチ２１２、ソースフォロワバッファ２１４及び行イネーブルスイッチ２１６）はＭＯＳＦＥＴであるが、他の実施形態では、ユニットセル１６内のスイッチ２０８、２１２、２１４、２１６は、如何なる他の適切なタイプのスイッチ又はトランジスタであってもよい。一実施形態に従って、バイアス電圧２０９が、電荷迂回スイッチ２０８のゲート２１１に印加される。一実施形態に従って、第１積分キャパシタ（Ｃｓｍａｌｌ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２０６のキャパシタンスは、第２積分キャパシタ（Ｃｌａｒｇｅ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２１０のキャパシタンスと比較して相対的に小さい。例えば、一実施形態において、第１積分キャパシタ（Ｃｓｍａｌｌ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２０６は、１０フェムトファラッドの値に設計されるのに対して、第２積分キャパシタ（Ｃｌａｒｇｅ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２１０は、２００フェムトファラッドの値に設計される。それにより、小さい積分キャパシタは、大きい積分キャパシタよりも２０倍大きい感度を有することができ、大きい積分キャパシタは、小さい積分キャパシタの電荷の２０倍を含むことができる。他の実施形態では、第１積分キャパシタ（Ｃｓｍａｌｌ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２０６は、２００フェムトファラッドの値に設計されるのに対して、第２積分キャパシタ（Ｃｌａｒｇｅ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２１０は、２ピコファラッドの値に設計される。他の実施形態では、第１積分キャパシタ（Ｃｓｍａｌｌ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２０６及び第２積分キャパシタ（Ｃｌａｒｇｅ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２１０のキャパシタンス値は、異なった適切な値に設計され得る。
【００２９】
光検出器２０２のアノードは、入力トランジスタ２０４のソースへ結合されている。入力トランジスタ２０４のドレインは、ソースフォロワバッファ２１４のゲートへ結合されている。電荷迂回スイッチ２０８のソースは、入力トランジスタ２０４のドレインへ結合されている。電荷迂回スイッチ２０８のドレインは、アンチブルームスイッチ２１２のソースへ結合されている。アンチブルームスイッチ２１２のドレインは、リセット電圧２１３へ結合されている。第１積分キャパシタ（Ｃｓｍａｌｌ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２０６の第１端子は、ソースフォロワバッファ２１４のゲートへ結合されており、第１積分キャパシタ（Ｃｓｍａｌｌ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２０６の第２端子は、接地へ結合されている。第２積分キャパシタ（Ｃｌａｒｇｅ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２１０の第１端子は、電荷迂回スイッチ２０８のドレインへ結合されており、第２積分キャパシタ（Ｃｌａｒｇｅ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２１０の第２端子は、接地へ結合されている。ソースフォロワバッファ２１４のソースは、行イネーブルスイッチ２１６のドレインへ結合されている。行イネーブルスイッチ２１６のソースは、カラムバス２１８へ結合されている。ユニットセル１６の動作は、図３乃至４Ｂを参照して以下で説明される。
【００３０】
図３は、ユニットセル１６の動作を説明するフローチャートである。図４Ａは、周囲光が暗い状況において積分期間にわたって第１積分キャパシタ２０６にかかる電圧を表す第１トレース４０２と、周囲光が暗い状況において積分期間にわたって第２積分キャパシタ２１０にかかる電圧を表す第２トレース４０４とを含むグラフ４００である。図４Ｂは、周囲光が明るい状況において積分期間にわたって第１積分キャパシタ２０６にかかる電圧を表す第１トレース４１２と、周囲光が明るい状況において積分期間にわたって第２積分キャパシタ２１０にかかる電圧を表す第２トレース４１４とを含むグラフ４１０である。
【００３１】
図３を参照すると、ブロック３０１で、シーンからの光（すなわち、光学的放射）が光検出器２０２に入射すると、光検出器２０２からの結果として現れる光電流が、入力トランジスタ２０４を経由して第１積分キャパシタ２０６へ供給され、光検出器２０２に入射する光束に対応する電荷が第１積分キャパシタに蓄積する。電荷が第１積分キャパシタ２０６でその積分期間中に蓄積するにつれて、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧は増大する。
【００３２】
図４Ａに示されるように、第１積分キャパシタ２０６にかかる電圧４０２が閾電圧レベル（例えば、電荷迂回スイッチ２０８のゲート２１１に印加されるバイアス電圧２０９）を下回ったままであることに応答して、積分期間中に生成される全ての電荷は第１積分キャパシタ２０６に蓄えられる（すなわち、第２積分キャパシタ２１０での電圧４０４はリセットレベルのままである。）。図４Ｂに示されるように、第１積分キャパシタ２０６にかかる電圧４１２が、電荷迂回スイッチ２０８のゲート２１１に印加されているバイアス電圧２０９を超えることに応答して、過度の電荷は、第２積分キャパシタ２１０へ迂回され、第２積分キャパシタ２１０に蓄積し始める（すなわち、第１積分キャパシタ２０６での電圧４１２は飽和し、第２積分キャパシタ２１０での電圧４１４は増大し始める。）。
【００３３】
再び図３を参照すると、ブロック３０２で、ユニットセル１６の積分期間は終了する。光検出器２０２に入射する光の強さに応じて、ユニットセル１６の出力は、ユニットセル１６に蓄積された電荷の異なる低いレベルを適切に区別する高感度（すなわち、高利得で低ノイズ）出力（第１積分キャパシタ２０６が飽和していないとする。）、又はユニットセル１６に蓄積された電荷の比較的高いレベルを適切に表す低感度（すなわち、より低い利得でより高いノイズ）出力（第２積分キャパシタ２１０が飽和していないとする。）のどちらか一方になる。
【００３４】
より具体的に、ブロック３０４で示されるリードアウトプロセスの間、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧（すなわち、スモールウェルサンプル）が読み出される。一実施形態において、このリードアウトを達成するよう、コントローラ（例えば、図１に示される画像処理ユニット１４）は、制御信号を行イネーブルスイッチ２１６のゲートへ送る。制御信号は、行イネーブルスイッチ２１６を閉じるよう動作させて、第１積分キャパシタ２０６をカラムバス２１８へソースフォロワバッファ２１４を介して結合する。行イネーブルスイッチ２１６が閉じると、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧は、画像処理ユニット１４によって読み出される。光検出器２０２に入射する光の強さが比較的低いことに応答して、生成された全ての電荷が第１積分キャパシタ２０６に蓄積され、そして、第１積分キャパシタ２０６が飽和していないということで、第１積分キャパシタ２０６から読み出される電圧（例えば、図４Ａに示される電圧４０２）は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現である。代替的に、光検出器２０２に入射する光の強さが比較的高いことに応答して、第１積分キャパシタ２０６が飽和し、そして、生成された電荷の少なくとも一部が第２積分キャパシタ２１０に蓄えられるということで、第１積分キャパシタ２０６から読み出される電圧（例えば、電圧４１２）は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現ではない。以下で更に詳細に説明されるように、画像処理ユニット１４は、第１積分キャパシタ２０６から読み出された電圧を解析して、電圧がフォトダイオードに入射する光の強さの有効又は無効な表現であるかどうかを判定するよう構成される。
【００３５】
図３におけるブロック３０６で、第１積分キャパシタ２０６での電圧が読み出された後、画像処理ユニット１４は、電荷迂回スイッチ２０８を閉じるよう動作させて、第１積分キャパシタ２０６を第２積分キャパシタ２１０へ並列に結合する。電荷迂回スイッチ２０８が閉じられると、第２積分キャパシタ２１０の両端電圧が、ブロック３０８で、コントローラ（例えば、図１に示される画像処理ユニット１４）によって読み出される。一実施形態において、第２積分キャパシタ２１０の両端電圧を読み出すよう、画像処理ユニット１４は、制御信号を行イネーブルスイッチ２１６のゲートへ送る。制御信号は、行イネーブルスイッチ２１６を閉じるよう動作させて、第２積分キャパシタ２１０をカラムバス２１８へソースフォロワバッファ２１４を介して結合する。行イネーブルスイッチ２１６が閉じると、第２積分キャパシタ２１０の両端電圧（すなわち、ラージウェルサンプル）は、画像処理ユニット１４によって読み出される。一実施形態に従って、第１積分キャパシタ２０６での電圧及び第２積分キャパシタ２１０での電圧が両方とも読み出されるとき、制御信号は、行イネーブルスイッチ２１６を常に閉じられた状態に保つよう行イネーブルスイッチ２１６へ供給される（すなわち、行イネーブルスイッチ２１６は、ブロック３０４から３０６の間閉じられる）。代替的に、他の実施形態では、行イネーブルスイッチへ供給される制御信号は、第１積分キャパシタ２０６での電圧及び第２積分キャパシタ２１０での電圧が読み出される間行イネーブルスイッチ２１６を開くよう動作させてもよい（すなわち、行イネーブルスイッチ２１６は、ブロック３０４から３０６の間開いている。）。
【００３６】
光検出器２０２に入射する光の強さが比較的低いことに応答して、生成された全ての電荷が第１積分キャパシタ２０６に蓄積され、そして、電荷が第２積分キャパシタ２１０へ迂回されなかった（すなわち、第２積分キャパシタ２１０にかかる電圧４０４が比較的小さいリセット値のままである。）ということで、第２積分キャパシタ２１０から読み出される電圧（例えば、図４Ａに示される電圧４０４）は、光検出器２０２に入射する光の強さの有効な表現ではない。代替的に、光検出器２０２に入射する光の強さが比較的高いことに応答して、第１積分キャパシタ２０６が飽和し、そして、過度の電荷が第２積分キャパシタ２１０へ迂回されたということで、第２積分キャパシタ２１０から読み出される電圧（例えば、電圧４１４）は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現である。以下で更に詳細に説明されるように、画像処理ユニット１４は、第２積分キャパシタ２１０から読み出された電圧を解析して、電圧がフォトダイオードに入射する光の強さの有効又は無効な表現であるかどうかを判定するよう構成される。
【００３７】
ブロック３１０で、画像処理ユニット１４は、第１積分キャパシタ２０６から読み出された電圧及び第２積分キャパシタ２１０から読み出された電圧を解析して、読み出された電圧のどちらか一方が無効であるかどうかを判定する。例えば、少なくとも１つの実施形態において、画像処理ユニット１４は、第１積分キャパシタ２０６が飽和したこと（例えば、図４Ｂの電圧トレース４１２によって示される。）を第１積分キャパシタ２０６から読み出された電圧が示す場合に、その電圧が無効であると決定する。他の実施形態では、画像処理ユニット１４は、第２積分キャパシタ２１０から読み出された電圧が比較的小さい（例えば、比較的小さいリセット電圧にある）場合に、その電圧が無効であると決定する。
【００３８】
一実施形態に従って、第１積分キャパシタ２０６から読み出された電圧が無効である（例えば、読み出された値が飽和していることによる。）と特定することに応答して、画像処理ユニット１４は、例えば、周囲光が明るい状態でのように、第１積分キャパシタ２０６から読み出された情報を捨て、第２積分キャパシタ２１０から読み出された情報を更なる画像処理のために利用する。反対に、第２積分キャパシタ２１０から読み出された電圧が無効である（例えば、読み出された値が実質的にリセットレベルにあることによる。）と特定することに応答して、画像処理ユニット１４は、例えば、周囲光が暗い状況でのように、第２積分キャパシタ２１０から読み出された情報を捨て、第１積分キャパシタ２０６から読み出された情報を更なる画像処理のために利用する。他の実施形態では、画像処理ユニット１４は、第１積分キャパシタ２０６から読み出された情報及び第２積分キャパシタ２１０から読み出された情報の両方を更なる画像処理のために利用することができる。これは、どのサンプルを保持すべきかを局所回路（例えば、画像処理ユニット１４）が決定することができない場合に有用であることができる。
【００３９】
少なくとも１つの実施形態に従って、第１積分キャパシタ２０６から読み出された情報及び第２積分キャパシタ２１０から読み出された情報の解析は、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧及び第２積分キャパシタ２１０の両端電圧が読み出された後に、画像処理ユニット１４によって実行される。しかし、少なくとも１つの実施形態において、画像処理ユニット１４は、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧及び／又は第２積分キャパシタ２１０の両端電圧を、電圧が読み出されると直ちに解析することができる。
【００４０】
第１積分キャパシタ２０６の両端電圧及び第２積分キャパシタ２１０の両端電圧が両方ともユニットセル１６から読み出された後に、画像処理ユニット１４は、アンチブルームスイッチ２１２へ信号を送って、スイッチ２１２を閉じるよう動作させる。アンチブルームスイッチ２１２が閉じられると、第１積分キャパシタ２０６（電荷迂回スイッチ２０８を介する。）及び第２積分キャパシタ２１０はリセット電圧２１３へ結合され、それにより、夫々のキャパシタ２０６、２１０の両端での電圧レベルはリセット電圧レベル２１３にリセットされる。積分キャパシタ２０６、２１０がリセットされると、画像処理ユニット１４は、開くようアンチブルームスイッチ２１２へ信号を送るとともに、開くよう電荷迂回スイッチ２０８へ信号を送り、そして、光検出器２０２に入射する光に対応する電荷は、再び第１積分キャパシタ２０６に蓄積することができる。
【００４１】
第１（より小さい）積分キャパシタが飽和すると過度の電荷を失うのではなく、過度の電荷を第２（より大きい）積分キャパシタへ迂回させることによって、ユニットセル１６は、単一の積分周期で２つの異なる用途（すなわち、暗い及び明るい周囲光用途）のために最適化され、ユニットセル１６のダイナミックレンジは増大される。一実施形態において、ユニットセルのダイナミックレンジは、１００倍超も増大され得る。上述されたように、ユニットセル１６は２つのキャパシタ（すなわち、比較的に小さい第１積分キャパシタ２０６及び比較的に大きい第２積分キャパシタ２１０）を含む。しかし、他の実施形態では、ユニットセル１６は、ユニットセル１６のダイナミックレンジをより一層広げるよう２つよりも多いキャパシタを含むことができる。
【００４２】
上述されたように、ユニットセル１６は、情報が積分キャパシタ２０６、２１０から読み出されている最中に電荷の収集が続くことができる（すなわち、情報が“リアルタイム”で読み出される）“ローリングシャッター”動作モードで動作可能である。しかし、他の実施形態では、ユニットセル１６は、異なる動作モードで動作するよう構成され得る。例えば、ユニットセル１６は、“積分後読み出し”（integrate-then-read）動作モードで構成及び動作され得る。例えば、図５は、“グローバルシャッター積分後読出”動作モードで動作するよう構成されたユニットセル１６の概略図である。図５に示されるユニットセル１６は、図５に示されるユニットセル１６がシャッタースイッチ５０２及びアンチブルームバイアススイッチ５０４を含む点を除いて、図２に示されるユニットセル１６と実質的に同じである。一実施形態において、シャッタースイッチ５０２及びアンチブルームバイアススイッチ５０４はＭＯＳＦＥＴであるが、他の実施形態では、シャッタースイッチ５０２及びアンチブルームバイアススイッチ５０４は、如何なる他の適切なタイプのスイッチ又はトランジスタであってもよい。
【００４３】
シャッタースイッチ５０２のソースは、入力トランジスタ２０４のドレインへ結合され、シャッタースイッチ５０２のドレインは、ソースフォロワバッファ２１４のゲートへ結合される。アンチブルームバイアススイッチ５０４のソースは、入力トランジスタ２０４のドレインへ結合され、アンチブルームバイアススイッチ５０４のドレインは、リセット電圧２１３へ結合される。
【００４４】
図５に示されるユニットセル１６は、情報がユニットセル１６から読み出されているときに電荷を積分し続けるのではなく、図５のユニットセル１６が最初に電荷を積分し、次いでその後に、その保持されている積分値が読み出されるときに電荷を積分することを中止するよう動作する点を除いて、図２に示されるユニットセル１６と実質的に同じように動作する。例えば、図５に示されるユニットセル１６の動作は、図６を参照して以下で更に詳細に説明される。図６は、図５に示されるユニットセル１６の動作を説明するフローチャートである。
【００４５】
ブロック６０１で、シーンからの光が光検出器２０２に入射すると、光検出器２０２からの結果として現れる光電流が、入力トランジスタ２０４及び閉じられたシャッタースイッチ５０２を介して、第１積分キャパシタ２０６へ供給され、光検出器２０２に入射する光束に対応する電荷が、第１積分キャパシタ２０６に、その積分期間中に蓄積する。電荷が第１積分キャパシタ２０６に蓄積するにつれて、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧は増大する。第１積分キャパシタ２０６の両端電圧が、電荷迂回スイッチ２０８のゲート２１１に印加されているバイアス電圧２０９を下回ったままであることに応答して、積分期間中の全ての蓄積電荷は第１積分キャパシタ２０６で保持される（すなわち、第２積分キャパシタ２１０での電圧はリセットレベルのままである。）。第１積分キャパシタ２０６の両端電圧が、電荷迂回スイッチ２０８のゲートへ印加されているバイアス電圧を超えることに応答して、過度の電圧は第２積分キャパシタ２１０へ迂回され、第２積分キャパシタ２１０に蓄積し始める（すなわち、第１積分キャパシタ２０６での電圧は飽和し、第２積分キャパシタ２１０での電圧は増大し始める。）。
【００４６】
ブロック６０２で、ユニットセルの積分期間の終わりに、コントローラ（例えば、画像処理ユニット１４）は、シャッタースイッチ５０２を開くよう動作させて、第１積分キャパシタ２０６を光検出器２０２から切り離し、ユニットセル１６のリードアウトプロセスは開始される。光検出器２０２に入射する光の強さに応じて、ユニットセル１６の出力は、ユニットセルに蓄積された電荷の異なる低いレベルを適切に区別する高感度（すなわち、高利得で低ノイズ）出力（第１積分キャパシタ２０６が飽和していないとする。）、又はユニットセルに蓄積された電荷の比較的高いレベルを適切に表す低感度（すなわち、より低い利得でより高いノイズ）出力（第２積分キャパシタ２１０が飽和していないとする。）のどちらか一方になる。
【００４７】
より具体的に、ブロック６０４で示されるリードアウトプロセスの間、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧が読み出される。一実施形態において、このリードアウトを達成するよう、コントローラ（例えば、図１に示される画像処理ユニット１４）は、制御信号を行イネーブルスイッチ２１６のゲートへ送る。制御信号は、行イネーブルスイッチ２１６を閉じるよう動作させて、第１積分キャパシタ２０６をカラムバス２１８へソースフォロワバッファ２１４を介して結合する。行イネーブルスイッチ２１６が閉じると、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧（すなわち、スモールウェルサンプル）は、画像処理ユニット１４によって読み出される。光検出器２０２に入射する光の強さが比較的低いことに応答して、生成された全ての電荷が第１積分キャパシタ２０６に蓄積され、そして、第１積分キャパシタ２０６が飽和していないということで、第１積分キャパシタ２０６から読み出される電圧は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現である。代替的に、光検出器２０２に入射する光の強さが比較的高いことに応答して、第１積分キャパシタ２０６が飽和し、そして、生成された電荷の少なくとも一部が第２積分キャパシタ２１０に蓄えられるということで、第１積分キャパシタ２０６から読み出される電圧は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現ではない。以下で更に詳細に説明されるように、画像処理ユニット１４は、第１積分キャパシタ２０６から読み出された電圧を解析して、電圧がフォトダイオードに入射する光の強さの有効又は無効な表現であるかどうかを判定するよう構成される。
【００４８】
図６におけるブロック６０６で、第１積分キャパシタ２０６での電圧が読み出された後、画像処理ユニット１４は、電荷迂回スイッチ２０８を閉じるよう動作させて、第１積分キャパシタ２０６を第２積分キャパシタ２１０へ並列に結合する。電荷迂回スイッチ２０８が閉じられると、第２積分キャパシタ２１０の両端電圧（すなわち、ラージウェルサンプル）が、ブロック６０８で、コントローラ（例えば、図１に示される画像処理ユニット１４）によって読み出される。一実施形態において、第２積分キャパシタ２１０の両端電圧を読み出すよう、画像処理ユニット１４は、制御信号を行イネーブルスイッチ２１６のゲートへ送る。制御信号は、行イネーブルスイッチ２１６を閉じるよう動作させて、第２積分キャパシタ２１０をカラムバス２１８へソースフォロワバッファ２１４を介して結合する。行イネーブルスイッチ２１６が閉じると、第２積分キャパシタ２１０の両端電圧は画像処理ユニット１４によって読み出される。光検出器２０２に入射する光の強さが比較的低いことに応答して、生成された全ての電荷が第１積分キャパシタ２０６に蓄積され、そして、電荷が第２積分キャパシタ２１０へ迂回されなかった（すなわち、第２積分キャパシタ２１０にかかる電圧が比較的小さいリセット値のままである。）ということで、第２積分キャパシタ２１０から読み出される電圧は、光検出器２０２に入射する光の強さの有効な表現ではない。代替的に、光検出器２０２に入射する光の強さが比較的高いことに応答して、第１積分キャパシタ２０６が飽和し、そして、過度の電荷が第２積分キャパシタ２１０へ迂回されたということで、第２積分キャパシタ２１０から読み出される電圧は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現である。以下で更に詳細に説明されるように、画像処理ユニット１４は、第２積分キャパシタ２１０から読み出された電圧を解析して、電圧がフォトダイオードに入射する光の強さの有効又は無効な表現であるかどうかを判定するよう構成される。
【００４９】
ブロック６１０で、画像処理ユニット１４は、上述されたのと同様に、第１積分キャパシタ２０６から読み出された電圧及び第２積分キャパシタ２１０から読み出された電圧を解析して、読み出された電圧のどちらか一方が無効であるかどうかを判定する。第１積分キャパシタ２０６の両端電圧及び第２積分キャパシタ２１０の両端電圧が両方ともユニットセル１６から読み出された後に、画像処理ユニット１４は、アンチブルームスイッチ２１２へ及びアンチブルームバイアススイッチ５０４へ信号を送って、スイッチ２１２、５０４を閉じるよう動作させる。アンチブルームスイッチ２１２及びアンチブルームバイアススイッチ５０４が閉じられると、第１積分キャパシタ２０６（電荷迂回スイッチ２０８を介する。）、第２積分キャパシタ２１０、及びシャッタースイッチ５０２のソースは、リセット電圧２１３へ結合され、それにより、夫々のキャパシタ２０６、２１０の両端での電圧レベル及びシャッタースイッチ５０２のソースでの電圧は、リセット電圧レベル２１３にリセットされる。電圧がリセットされると、画像処理ユニット１４は、開くようアンチブルームスイッチ２１２へ信号を送り、閉じるようシャッタースイッチ５０２へ信号を送り、開くよう電荷迂回スイッチ２０８へ信号を送り、そして、光検出器２０２に入射する光に対応する電荷は、再び第１積分キャパシタ２０６に蓄積することができる。
【００５０】
他の実施形態に従って、ユニットセル１６は、“積分中読み出し”（integrate-while-read）動作モードで構成及び動作され得る。例えば、図７は、“積分中読み出し”動作モードで動作するよう構成されたユニットセル１６の概略図である。図７に示されるユニットセル１６は、図７に示されるユニットセル１６が更なるリードアウト回路７１５を含む点を除いて、図２に示されるユニットセル１６と実質的に同じである。図７に示されるユニットセル１６のリードアウト回路７１５は、スモールシャッタースイッチ７０２、スモールシャッターキャパシタ７０４、スモールサンプルリセットスイッチ７０６、スモールウェルソースフォロワバッファ７０８、スモールウェル行イネーブルスイッチ７１０、ラージシャッタースイッチ７１２、ラージシャッターキャパシタ７１３、ラージサンプルリセットスイッチ７１４、ラージウェルソースフォロワバッファ７１６、及びラージウェル行イネーブルスイッチ７１８を含む。一実施形態において、スモールシャッタースイッチ７０２、スモールサンプルリセットスイッチ７０６、スモールウェルソースフォロワバッファ７０８、スモールウェル行イネーブルスイッチ７１０、ラージシャッタースイッチ７１２、ラージサンプルリセットスイッチ７１４、ラージウェルソースフォロワバッファ７１６、及びラージウェル行イネーブルスイッチ７１８は、ＭＯＳＦＥＴである。しかし、他の実施形態では、スモールシャッタースイッチ７０２、スモールサンプルリセットスイッチ７０６、スモールウェルソースフォロワバッファ７０８、スモールウェル行イネーブルスイッチ７１０、ラージシャッタースイッチ７１２、ラージサンプルリセットスイッチ７１４、ラージウェルソースフォロワバッファ７１６、又はラージウェル行イネーブルスイッチ７１８は、如何なる他の適切なタイプのスイッチ又はトランジスタであってもよい。
【００５１】
スモールシャッタースイッチ７０２のソースは、第１積分キャパシタ２０６へ結合されている。スモールシャッタースイッチ７０２のドレインは、スモールウェルソースフォロワバッファ７０８のゲートへ結合されている。スモールシャッターキャパシタ７０４の第１端子は、スモールシャッタースイッチ７０２のドレインへ結合されている。スモールシャッターキャパシタ７０４の第２端子は、接地へ結合されている。スモールサンプルリセットスイッチ７０６のドレインは、スモールウェルソースフォロワバッファ７０８のゲートへ結合されている。スモールサンプルリセットスイッチ７０６のソースは、リセット電圧２１３へ結合されている。スモールウェルソースフォロワバッファ７０８のソースは、スモールウェル行イネーブルスイッチ７１０のドレインへ結合されており、スモールウェル行イネーブルスイッチ７１０のソースは、カラムバス２１８へ結合されている。
【００５２】
ラージシャッタースイッチ７１２のソースは、第１積分キャパシタ２０６へ結合されている。ラージシャッタースイッチ７１２のドレインは、ラージウェルソースフォロワバッファ７１６のゲートへ結合されている。ラージシャッターキャパシタ７１３の第１端子は、ラージシャッタースイッチ７１２のドレインへ結合されている。ラージシャッターキャパシタ７１３の第２端子は、接地へ結合されている。ラージサンプルリセットスイッチ７１４のドレインは、ラージウェルソースフォロワバッファ７１６のゲートへ結合されている。ラージサンプルリセットスイッチ７１４のソースは、リセット電圧２１３へ結合されている。ラージウェルソースフォロワバッファ７１６のソースは、ラージウェル行イネーブルスイッチ７１８のドレインへ結合されており、ラージウェル行イネーブルスイッチ７１８のソースは、カラムバス２１８へ結合されている。一実施形態に従って、スモールシャッターキャパシタ７０４のキャパシタンス値は、ラージシャッターキャパシタ７１３のキャパシタンス値と同じである。例えば、一実施形態において、第１積分キャパシタ（Ｃｓｍａｌｌ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２０６のキャパシタンス値が２００フェムトファラッドであり、第２積分キャパシタ（Ｃｌａｒｇｅ＿Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２１０のキャパシタンス値が２ピコファラッドである場合に、スモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３の両方のキャパシタンス値は１００フェムトファラッドである。他の実施形態では、スモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３のキャパシタンス値は、異なった適切な値に設計され得る。例えば、他の実施形態に従って、スモールシャッターキャパシタ７０４のキャパシタンス値は、ラージシャッターキャパシタ７１３のキャパシタンス値とは異なるよう設計される。
【００５３】
図７に示されるユニットセル１６は、図７に示されるユニットセル１６が更なるリードアウト回路７１５を含む点を除いて、図２に示されるユニットセル１６と実質的に同じように動作する。例えば、図７に示されるユニットセル１６の動作は、図８に関して以下で更に詳細に説明される。図８は、図７に示されるユニットセル１６の動作を説明するフローチャートである。
【００５４】
ブロック８０１で、シーンからの光が光検出器２０２に入射すると、光検出器２０２からの結果として現れる光電流が、入力トランジスタ２０４を経由して第１積分キャパシタ２０６へ供給され、光検出器２０２に入射する光束に対応する電荷が、第１積分キャパシタに、その積分期間中に蓄積する。電荷が第１積分キャパシタ２０６に蓄積するにつれて、第１積分キャパシタ２０６の両端電圧は増大する。第１積分キャパシタ２０６にかかる電圧４０２が、電荷迂回スイッチ２０８のゲート２１１に印加されているバイアス電圧２０９を下回ったままであることに応答して、積分期間中の全ての蓄積電荷は第１積分キャパシタ２０６で保持される（すなわち、第２積分キャパシタ２１０での電圧はリセットレベルのままである。）。第１積分キャパシタ２０６にかかる電圧が、電荷迂回スイッチ２０８のゲート２１１に印加されているバイアス電圧２０９を超えることに応答して、過度の電荷は、第２積分キャパシタ２１０へ迂回され、第２積分キャパシタ２１０に蓄積し始める（すなわち、第１積分キャパシタ２０６での電圧は飽和し、第２積分キャパシタ２１０での電圧は増大し始める。）。
【００５５】
ブロック８０２で、第１積分期間の終わりに、コントローラ（例えば、画像処理ユニット１４）は、スモールシャッタースイッチ７０２を開くよう動作させて、スモールシャッターキャパシタ７０４を第１積分キャパシタ２０６から切り離し、第１積分キャパシタ２０６で保持されている電荷に対応する電荷サンプルをスモールシャッターキャパシタ７０４で保持する。
【００５６】
ブロック８０４で、画像処理ユニット１４は、電荷迂回スイッチ２０８を閉じるよう動作させて、第１積分キャパシタ２０６を第２積分キャパシタ２１０へ並列に結合する。ブロック８０６で、第２積分期間の終わりに、画像処理ユニット１４は、ラージシャッタースイッチ７１２を開くよう動作させて、ラージシャッターキャパシタ７１３を第１積分キャパシタ２０６及び第２積分キャパシタ２１０から切り離し、第１積分キャパシタ２０６及び第２積分キャパシタ２１０の組み合わせで保持されている電荷に対応する電荷サンプルをラージシャッターキャパシタ７１３で保持する。
【００５７】
ブロック８０８で、スモールシャッターキャパシタ７０４のリードアウトプロセスが開始される。より具体的に、ブロック８０８で示されるリードアウトプロセスの間、スモールシャッターキャパシタ７０４の両端電圧（すなわち、スモールウェルサンプル）が読み出される。一実施形態において、この読み出しを達成するよう、コントローラ（例えば、図１に示される画像処理ユニット１４）は、スモールウェル行イネーブルスイッチ７１０のゲートへ制御信号を送る。制御信号は、スモールウェル行イネーブルスイッチ７１０を閉じるよう動作させて、スモールシャッターキャパシタ７０４をカラムバス２１８へスモールウェルソースフォロワバッファ７０８を介して結合する。スモールウェル行イネーブルスイッチ７１０が閉じると、スモールシャッターキャパシタ７０４の両端電圧は画像処理ユニット１４によって読み出される。光検出器２０２に入射する光の強さが比較的低いことに応答して、生成された全ての電荷が第１積分キャパシタ２０６に（、そして、その後に、スモールシャッターキャパシタ７０４に）蓄積され、そして、第１積分キャパシタ２０６が飽和していないということで、スモールシャッターキャパシタ７０４から読み出される電圧は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現である。代替的に、光検出器２０２に入射する光の強さが比較的高いことに応答して、第１積分キャパシタ２０６（そして、その後に、スモールシャッターキャパシタ７０４）が飽和し、そして、生成された電荷の少なくとも一部が第２積分キャパシタ２１０に蓄えられるということで、スモールシャッターキャパシタ７０４から読み出される電圧は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現ではない。以下で更に詳細に説明されるように、画像処理ユニット１４は、スモールシャッターキャパシタ７０４から読み出された電圧を解析して、電圧がフォトダイオードに入射する光の強さの有効又は無効な表現であるかどうかを判定するよう構成される。
【００５８】
図８におけるブロック８１０で、ラージシャッターキャパシタ７１３のリードアウトプロセスが開始される。より具体的に、ブロック８１０で示されるリードアウトプロセスの間、ラージシャッターキャパシタ７１３の両端電圧（すなわち、ラージウェルサンプル）が読み出される。一実施形態において、ラージシャッターキャパシタ７１３の両端電圧を読み出すよう、コントローラ（例えば、図１に示される画像処理ユニット１４）は、ラージウェル行イネーブルスイッチ７１８のゲートへ制御信号を送る。制御信号は、ラージウェル行イネーブルスイッチ７１８を閉じるよう動作させて、ラージシャッターキャパシタ７１３をカラムバス２１８へラージウェルソースフォロワバッファ７１６を介して結合する。ラージウェル行イネーブルスイッチ７１８が閉じると、ラージシャッターキャパシタ７１３の両端電圧は画像処理ユニット１４によって読み出される。光検出器２０２に入射する光の強さが比較的低いことに応答して、生成された全ての電荷が第１積分キャパシタ２０６に蓄積され、そして、電荷が第２積分キャパシタ２１０へ迂回されなかった（すなわち、第２積分キャパシタ２１０、ひいてはラージシャッターキャパシタ７１３にかかる電圧が比較的低いままである）ということで、ラージシャッターキャパシタ７１３から読み出される電圧は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現ではない。代替的に、光検出器２０２に入射する光の強さが比較的高いことに応答して、第１積分キャパシタ２０６が飽和し、そして、過度の電荷が第２積分キャパシタ２１０へ迂回されたということで、ラージシャッターキャパシタ７１３から読み出される電圧は、フォトダイオードに入射する光の強さの有効な表現である。以下で更に詳細に説明されるように、画像処理ユニット１４は、ラージシャッターキャパシタ７１３から読み出された電圧を解析して、電圧がフォトダイオードに入射する光の強さの有効又は無効な表現であるかどうかを判定するよう構成される。
【００５９】
ブロック８１２で、画像処理ユニット１４は、第１積分キャパシタ２０６から読み出された電圧及び第２積分キャパシタ２１０から読み出された電圧に関して上述されたのと同様に、スモールシャッターキャパシタ７０４から読み出された電圧及びラージシャッターキャパシタ７１３から読み出された電圧を解析して、読み出された電圧のどちらか一方が無効であるかどうかを判定する。
【００６０】
スモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３が開かれると（且つ、スモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３にかかる電圧が読み出されているときに）、図７に示されるユニットセル１６は、再び電荷を積分することができる。より具体的に、スモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３が開かれると、画像処理ユニット１４は、アンチブルームスイッチ２１２へ閉じるよう信号を送る。アンチブルームスイッチ２１２が閉じられると、第１積分キャパシタ２０６（電荷迂回スイッチ２０８を介する。）及び第２積分キャパシタ２１０はリセット電圧２１３へ結合され、それにより、夫々のキャパシタ２０６、２１０にかかる電圧レベルは、リセット電圧レベル２１３にリセットされる。電圧がリセットされると、画像処理ユニット１４は、アンチブルームスイッチ２１２へ開くよう信号を送り、光検出器２０２に入射する光に対応する電荷は、再び第１積分キャパシタ２０６に蓄積することができる。然るに、前の積分期間からのサンプルがスモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３から読み出されている間に、電荷は再び第１積分キャパシタ２０６に蓄積することができる。
【００６１】
電圧サンプルがスモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３から読み出された後、画像処理ユニット１４は、スモールサンプルリセットスイッチ７０６及びラージサンプルリセットスイッチ７１４へ閉じるよう信号を送る。スモールサンプルリセットスイッチ７０６及びラージサンプルリセットスイッチ７１４が閉じられると、スモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３はリセット電圧２１３へ結合され、それにより、夫々のキャパシタ７０４、７１３にかかる電圧はリセット電圧レベル２１３にリセットされる。電圧がリセットされると、画像処理ユニット１４は、スモールサンプルリセットスイッチ７０６及びラージサンプルリセットスイッチ７１４へ開くよう信号を送る。スモールサンプルリセットスイッチ７０６及びラージサンプルリセットスイッチ７１４が開くと、画像処理ユニット１４は、再びスモールシャッタースイッチ７０２及びラージシャッタースイッチ７１２へ閉じるよう信号を送り、それにより、スモールシャッターキャパシタ７０４及びラージシャッターキャパシタ７１３は第１積分キャパシタ２０６へ結合される。
【００６２】
画像処理ユニット１４は、上述されたように画像センサ１２内の夫々のユニットセル１６から電圧サンプルを読み出し、電圧サンプルを用いて、画像センサ１２が見ているシーンのデジタル画像を生成することができる。少なくとも１つの実施形態に従って、画像処理ユニット１４は、夫々のユニットセル１６のスモールウェルサンプル及びラージウェルサンプルを個別的に（例えば、上述されたように）解析するよう構成される。しかし、少なくとも１つの実施形態に従って、画像処理ユニット１４は、画像センサ１２内のユニットセル１６のアレイ全体からの完全なスモールウェルサンプルと、画像センサ１２内のユニットセル１６のアレイ全体からの完全なラージウェルサンプルとを解析するよう構成される。
【００６３】
上述されたように、ユニットセル１６のスイッチは、画像処理ユニット１４によって動作され得る。しかし、他の実施形態では、夫々のユニットセル１６は、任意の数の異なるコントローラによって動作され得る。
【００６４】
本明細書で記載される高ダイナミックレンジ直接注入ユニットセル回路は、より小さい積分キャパシタが飽和すると過度の電荷を失うのではなく、過度の電荷を比較的大きい積分キャパシタへ迂回させるよう構成される。然るに、本明細書で記載されるユニットセル回路は、単一の積分周期及び高いダイナミックレンジで、２つの異なる用途（すなわち、暗い及び明るい周囲光用途）のために最適化される。
【００６５】
このように、本発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様について記載してきたが、当然ながら、様々な代替、変更、及び改善が当業者に容易に想到可能である。そのような代替、変更、及び改善は、本開示の部分であるよう意図され、本発明の精神及び適用範囲の中にあるよう意図される。然るに、上記の説明及び図面は、単なる一例である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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