(57)【要約】  高ダイナミックレンジ固体画像センサおよびカメラシステムが開示される。一態様では、固体画像センサは、ピクセルのアレイを含む第1のウェハであって、ピクセルの各々が光センサを備える、第1のウェハと、読出し回路のアレイを含む第2のウェハとを含む。読出し回路の各々は、ピクセルのうちの対応する1つによって受光された光の量を示す読出し信号を出力するように構成され、読出し回路の各々は、カウンタを含む。カウンタの各々は、対応する光センサが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答してインクリメントするように構成される。読出し回路の各々は、対応するカウンタ内に記憶された値と、対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づいて、読出し信号を生成するように構成される。
2018530250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピクセルのアレイを備える第1のウェハであって、前記ピクセルの各々が光センサを備える、第1のウェハと、
読出し回路のアレイを備える第2のウェハであって、前記読出し回路の各々が前記ピクセルのうちの対応する1つによって受光された光の量を示す読出し信号を出力するように構成され、前記読出し回路の各々がカウンタを備える、第2のウェハと
を備える固体画像センサであって、
前記カウンタの各々が、前記対応する光センサが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答してインクリメントするように構成され、
前記読出し回路の各々が、前記対応するカウンタ内に記憶された値と、前記対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づいて、前記読出し信号を生成するように構成された、固体画像センサ。
【請求項２】
前記ピクセルの各々が、前記光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答してリセットされるように構成された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項３】
前記カウンタの各々および前記ピクセルの各々が、露光期間の終了時にリセットされるように構成され、前記読出し回路の各々が、前記露光期間の終了時に、i)前記対応するカウンタ内に記憶された前記値に基づく最上位ビットと、ii)前記対応するピクセル内に蓄積された前記残余に基づく最下位ビットとを有するデジタル値として前記読出し信号を生成するように構成された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項４】
前記最上位ビットおよび前記最下位ビットが、それぞれ前記ピクセルおよび前記読出し回路から同時に読み出される、請求項3に記載の固体画像センサ。
【請求項５】
前記光センサの各々が裏面照射型(BSI)センサである、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項６】
前記ピクセルの各々が、露光期間内に複数回リセットされるように構成された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項７】
前記読出し信号が、複数の露光期間の各々について1回前記読出し回路の各々から読み出されるように構成された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項８】
前記読出し回路が、前記ピクセルと一対一で対応する、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項９】
前記第1および第2のウェハが、1μm未満のピッチで積層され、ハイブリッド接合された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項１０】
ピクセルのアレイを備える第1のウェハであって、前記ピクセルの各々が光センサを備える、第1のウェハと、読出し回路のアレイを備える第2のウェハであって、前記読出し回路の各々がカウンタを備える、第2のウェハとを備える固体画像センサによって動作可能な方法であって、前記方法が、
前記光センサのうちの対応する1つが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して前記カウンタのうちの1つをインクリメントするステップと、
前記読出し回路を介して、露光期間内に前記対応する光センサによって受光された光の量を示す読出し信号を生成するステップであって、前記読出し信号が、前記対応するカウンタ内に記憶された値と、前記対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づく、ステップと
を備える方法。
【請求項１１】
前記対応する光センサが前記光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して前記対応するピクセルをリセットするステップをさらに備える、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
露光期間の終了時に前記カウンタの各々と前記ピクセルの各々とをリセットするステップと、
前記読出し回路を介して、前記露光期間の終了時に、i)前記対応するカウンタ内に記憶された前記値に基づく最上位ビットと、ii)前記対応するピクセル内に蓄積された前記残余に基づく最下位ビットとを有するデジタル値として前記読出し信号を生成するステップと
をさらに備える、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記対応するピクセルおよび前記読出し回路から、前記最上位ビットおよび前記最下位ビットをそれぞれ同時に読み出すステップをさらに備える、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記光センサの各々が裏面照射型(BSI)センサである、請求項10に記載の方法。
【請求項１５】
露光期間内に前記対応するピクセルを複数回リセットするステップをさらに備える、請求項10に記載の方法。
【請求項１６】
複数の露光期間の各々について1回前記読出し回路から前記読出し信号を読み出すステップをさらに備える、請求項10に記載の方法。
【請求項１７】
前記読出し回路が、前記ピクセルと一対一で対応する、請求項10に記載の方法。
【請求項１８】
前記第1および第2のウェハが、1μm未満のピッチで積層され、ハイブリッド接合された、請求項10に記載の方法。
【請求項１９】
複数の光センサのうちの対応する1つが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して複数のカウンタのうちの1つをインクリメントするための手段であって、ピクセルが画像センサの第1のウェハ上に形成された、インクリメントするための手段と、
露光期間内に前記光センサのうちの対応する1つによって受光された光の量を示す読出し信号を生成するための手段であって、前記読出し信号が、前記対応するカウンタ内に記憶された値と、前記対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づき、前記生成するための手段が、前記画像センサの第2のウェハ上に配置された、生成するための手段と
を備える装置。
【請求項２０】
前記生成するための手段が、複数の読出し回路のうちの1つを介して前記読出し信号を生成するための手段を備え、前記読出し回路の各々が、前記カウンタのうちの対応する1つを備える、請求項19に記載の装置。
【請求項２１】
前記対応する光センサが前記光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して前記対応するピクセルをリセットするための手段をさらに備える、請求項19に記載の装置。
【請求項２２】
露光期間の終了時に前記カウンタの各々と前記ピクセルの各々とをリセットするための手段と、
前記読出し回路を介して、前記露光期間の終了時に、i)前記対応するカウンタ内に記憶された前記値に基づく最上位ビットと、ii)前記対応するピクセル内に蓄積された前記残余に基づく最下位ビットとを有するデジタル値として前記読出し信号を生成するための手段と
をさらに備える、請求項19に記載の装置。
【請求項２３】
前記対応するピクセルおよび前記読出し回路から、前記最上位ビットおよび前記最下位ビットをそれぞれ同時に読み出すための手段をさらに備える、請求項21に記載の装置。
【請求項２４】
露光期間内に前記対応するピクセルを複数回リセットするための手段をさらに備える、請求項19に記載の装置。
【請求項２５】
実行されたとき、デバイスのプロセッサ回路に、
複数の光センサのうちの対応する1つが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して複数のカウンタのうちの1つをインクリメントすることであって、ピクセルが画像センサの第1のウェハ上に形成された、ことと、
複数の読出し回路のうちの1つを介して、露光期間内に前記光センサのうちの対応する1つによって受光された光の量を示す読出し信号を生成することであって、前記読出し信号が、前記対応するカウンタ内に記憶された値と、前記対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づき、前記読出し回路が前記画像センサの第2のウェハ上に形成され、前記読出し回路の各々が前記カウンタのうちの対応する1つを備える、ことと
を行わせる命令を記憶している非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２６】
実行されたとき、前記プロセッサ回路に、前記対応する光センサが前記光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して前記対応するピクセルをリセットさせる命令をさらに記憶している、請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２７】
実行されたとき、前記プロセッサ回路に、
露光期間の終了時に前記カウンタの各々と前記ピクセルの各々とをリセットさせ、
前記読出し回路を介して、前記露光期間の終了時に、i)前記対応するカウンタ内に記憶された前記値に基づく最上位ビットと、ii)前記対応するピクセル内に蓄積された前記残余に基づく最下位ビットとを有するデジタル値として前記読出し信号を生成させる命令をさらに記憶している、請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２８】
実行されたとき、前記プロセッサ回路に、前記対応するピクセルおよび前記読出し回路から、前記最上位ビットおよび前記最下位ビットをそれぞれ同時に読み出させる命令をさらに記憶している、請求項27に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２９】
前記光センサの各々が裏面照射型(BSI)センサである、請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項３０】
実行されたとき、前記プロセッサ回路に、露光期間内に前記対応するピクセルを複数回リセットさせる命令をさらに記憶している、請求項25に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示されるシステムおよび方法は、固体画像センサを対象とし、より具体的には、ダイナミックレンジ拡張を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
フルウェルキャパシティ(full well capacity)は、信号の劣化をもたらす飽和前にピクセルが保持し得る最大電荷である。ピクセル内の電荷が飽和レベルを超えると、電荷は、隣接するピクセルを満たし始め、プロセスは、ブルーミングとして知られる。センサはまた、線形応答から逸脱し始め、したがって、カメラの定量的性能を損なう。
【０００３】
ダイナミックレンジは、センサが、飽和に達するまでずっと、低い光強度において信号をどれくらい正確に測定できるのかの尺度であり、フルウェルキャパシティに関連し得る。従来のセンサにおけるカメラのダイナミックレンジは、典型的には、カメラノイズによって除算されたフルウェルキャパシティとして定義され、非常に低い光信号を明るい信号と一緒に同時に記録するカメラの能力に関連する。したがって、従来のセンサについて、同様のノイズフロアが与えられた場合、感知素子のダイナミックレンジは、そのウェルキャパシティに比例し、ウェルキャパシティは、典型的には、そのような光感知素子のサイズに比例する。より大きいピクセルは、より大きいウェルキャパシティを有し、したがって、より大きいダイナミックレンジを有する。
【０００４】
デジタルイメージングでは、相補型金属酸化物半導体(CMOS)センサのダイナミックレンジは、時々、屋外シーンを正確に表現するのに不十分であり得る。このことは、モバイルデバイスの中で、たとえば、携帯電話上のカメラの中で使用され得る、よりコンパクトなセンサにおいて特にそうであり得る。たとえば、モバイルデバイスカメラの中で使用される典型的なセンサは、約60〜70dBのダイナミックレンジを有することがある。しかしながら、典型的な自然屋外シーンは、光エリアと影との間で100dBのコントラスト範囲を容易にカバーし得る。このダイナミックレンジはモバイルデバイスの中で使用される典型的なセンサのダイナミックレンジよりも大きいので、モバイルデバイスによって取り込まれる画像の中でディテールが失われることがある。
【０００５】
さらに、デジタルカメラにおける傾向は、メガピクセル数を上昇させるために、またはより小さいセンサ面積を可能にするために、より小さいピクセルに向かっており、より小さいピクセルは、より大きいピクセルよりも制限されたフルウェルキャパシティの害を受ける可能性がある。特に、モバイルセンサでは、ピクセルサイズにおける傾向は、ピクセルサイズおよびセンサ面積を縮小し、高度な処理またはセンサアーキテクチャによって性能を維持しようとするものである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示のシステム、方法、およびデバイスは、各々、いくつかの革新的な態様を有し、そのうちの1つだけが、本明細書で開示される所望の属性に単独で関与するものではない。
【０００７】
一態様では、ピクセルのアレイを備える第1のウェハであって、ピクセルの各々が光センサを備える、第1のウェハと、読出し回路のアレイを備える第2のウェハであって、読出し回路の各々がピクセルのうちの対応する1つによって受光された光の量を示す読出し信号を出力するように構成され、読出し回路の各々がカウンタを備える、第2のウェハとを備える固体画像センサが提供される。カウンタの各々は、対応する光センサが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答してインクリメントするように構成され、読出し回路の各々は、対応するカウンタ内に記憶された値と、対応するピクセル内に蓄積された残余(remainder)とに基づいて、読出し信号を生成するように構成される。
【０００８】
別の態様では、ピクセルのアレイを備える第1のウェハであって、ピクセルの各々が光センサを備える、第1のウェハと、読出し回路のアレイを備える第2のウェハであって、読出し回路の各々がカウンタを備える、第2のウェハとを備える固体画像センサによって動作可能な方法が提供され、方法は、光センサのうちの対応する1つが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答してカウンタのうちの1つをインクリメントするステップと、読出し回路を介して、露光期間内に対応する光センサによって受光された光の量を示す読出し信号を生成するステップであって、読出し信号が、対応するカウンタ内に記憶された値と、対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づく、ステップとを備える。
【０００９】
さらに別の態様では、複数の光センサのうちの対応する1つが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して複数のカウンタのうちの1つをインクリメントするための手段であって、ピクセルが画像センサの第1のウェハ上に形成された、インクリメントするための手段と、露光期間内に光センサのうちの対応する1つによって受光された光の量を示す読出し信号を生成するための手段であって、読出し信号が、対応するカウンタ内に記憶された値と、対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づき、生成するための手段が、画像センサの第2のウェハ上に配置された、生成するための手段とを備える装置が提供される。
【００１０】
さらに別の態様では、実行されたとき、デバイスのプロセッサ回路に、複数の光センサのうちの対応する1つが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して複数のカウンタのうちの1つをインクリメントすることであって、ピクセルが画像センサの第1のウェハ上に形成された、ことと、複数の読出し回路のうちの1つを介して、露光期間内に光センサのうちの対応する1つによって受光された光の量を示す読出し信号を生成することであって、読出し信号が、対応するカウンタ内に記憶された値と、対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づき、読出し回路が画像センサの第2のウェハ上に形成され、読出し回路の各々がカウンタのうちの対応する1つを備える、こととを行わせる命令を記憶している非一時的コンピュータ可読記憶媒体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本開示の態様による、シーンの画像を記録することができる撮像システムを含む装置(たとえば、モバイル通信デバイス)の一例を示す図である。
【図１Ｂ】本開示の態様による撮像デバイスの一例を示すブロック図である。
【図２Ａ】本開示の態様によるピクセル読出しシステムの実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】図2Aのピクセル読出しシステムの1つのピクセルのためのピクセル回路の一実施形態を示す図である。
【図３Ａ】本開示の特定の態様による高ダイナミック固体画像センサを示す図である。
【図３Ｂ】本開示の特定の態様による読出し回路を示す図である。
【図３Ｃ】本開示の特定の態様による、ピクセル値を生成するために使用される入力の組合せを示す図である。
【図４】本開示の態様による上部ウェハおよび下部ウェハの3次元(3D)ビューを示す図である。
【図５】本開示の態様による、それぞれの上部ウェハおよび下部ウェハ内のいくつかのピクセルおよびカウンタ回路の断面図である。
【図６】本開示の態様による固体画像センサの別の実施形態を示す図である。
【図７】本開示の態様による固体画像センサのさらに別の実施形態を示す図である。
【図８】本開示で説明される態様による、固体画像センサを使用して画像をキャプチャするための方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の実施形態は、固体画像センサおよび関連するカメラシステムのダイナミックレンジを増加させるためのシステムおよび技法に関する。固体撮像デバイスのダイナミックレンジは、ピクセルのフルウェルキャパシティによって制限される場合がある。ピクセル面積が他のカメラシステムと比較して比較的小さいモバイルデバイスなどにおける用途では、この問題に対処するためのデジタル回路を実装するために十分なスペースがウェハ上に存在しない。本開示の特定の態様は、所与の露光内での複数回の各ピクセルのサンプリングを可能にし得る、カウンタなどの追加の回路のための十分なスペースを提供しながら、最大ピクセル面積を可能にするために、1対のウェハを積み重ねるためのシステムおよび技法に関する。
【００１３】
以下の発明を実施するための形態は、いくつかの特定の実施形態を対象とする。しかしながら、説明されている技術は、多数の異なる方法で具体化され得る。本明細書における態様は、多種多様な形態で具体化され得、本明細書で開示される任意の特定の構造、機能、または両方は、単に典型的なものであることは明らかであろう。本明細書における教示に基づいて、当業者は、本明細書で開示される態様が任意の他の態様から独立して実施され得、これらの態様の2つ以上が様々な方法で組み合わされ得ることを認識すべきである。たとえば、本明細書に記載の任意の数の態様を使用して、装置が実装され得、または方法が実施され得る。加えて、本明細書に記載の1つまたは複数の態様に加えて、またはそれ以外の他の構造、機能、または構造および機能を使用して、そのような装置が実装され得、またはそのような方法が実施され得る。
【００１４】
さらに、本明細書で説明するシステムおよび方法は、カメラをホストする様々な異なるコンピューティングデバイス上で実施され得る。これらは、モバイル電話、タブレット、専用カメラ、ポータブルコンピュータ、フォトブースまたはキオスク、携帯情報端末、ウルトラモバイルパーソナルコンピュータ、モバイルインターネットデバイス、セキュリティカメラ、アクションカメラ、ドローンカメラ、自動車用カメラ、ボディカメラ、頭部装着型カメラなどを含む。それらは、汎用または専用のコンピューティングシステム環境または構成を使用し得る。説明する技術と共に使用するのに適する可能性があるコンピューティングシステム、環境、および/または構成の例は、限定はしないが、パーソナルコンピュータ(PC)、サーバコンピュータ、ハンドヘルドデバイスまたはラップトップデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのシステム、プログラム可能な民生用電子機器、ネットワークPC、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上記のシステムまたはデバイスのいずれかを含む分散コンピューティング環境などを含む。
【００１５】
図1Aは、本開示の態様による、シーンの画像を記録することができる撮像システムを含む装置(たとえば、モバイル通信デバイス)の一例を示す。装置100は、ディスプレイ120を含む。装置100はまた、図示しされていない装置の裏側にカメラを含む場合がある。ディスプレイ120は、カメラの視野130内にキャプチャされた画像を表示し得る。図1Aは、カメラによってキャプチャされ得る視野130内の被写体150(たとえば、人物)を示す。装置100内のプロセッサは、シーンのキャプチャされた画像に基づいて、ハイブリッドAFプロセスの較正を実行し得る。
【００１６】
装置100は、装置100のユーザによってキャプチャされた画像に基づいて、ハイブリッドAFプロセスの較正を実行し得る。一態様では、装置100は、実行時に(たとえば、装置100のエンドユーザによる使用中に)実行されるハイブリッドAFプロセスでキャプチャされた画像に基づいて較正を実行し得る。本開示の態様は、生産ライン較正と比較して、装置100のハイブリッドAFプロセスの較正を改善することができる技法に関し得る。
【００１７】
図1Bは、本開示の態様による撮像デバイスの一例を示すブロック図を示す。本明細書ではカメラと同じ意味でも呼ばれる撮像デバイス200は、画像センサ214と、オプションの深度センサ216と、レンズ210と、アクチュエータ212と、メモリ230と、オプションのストレージ275と、オプションのディスプレイ280と、オプションの入力デバイス290と、オプションのフラッシュ295とに動作可能に接続されたプロセッサ205を含み得る。この例では、図示されたメモリ230は、撮像デバイス200に関連する機能を実行するようにプロセッサ205を構成する命令を記憶し得る。この例では、メモリ230は、ハイブリッドAFプロセスの較正を実行するようにプロセッサ205に命令するための命令を含み得る。
【００１８】
例示的な実施形態では、光は、レンズ210に入り、画像センサ214上に集束される。いくつかの実施形態では、レンズ210は、ハイブリッドAFシステムの一部であり、ハイブリッドAFシステムは、複数のレンズと調整可能な光学要素とを含むことができ、プロセッサ205によって制御可能であり得る。一態様では、画像センサ214は、電荷結合素子(CCD)を利用する。別の態様では、画像センサ214は、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)またはCCDセンサのいずれかを利用する。レンズ210は、アクチュエータ212に結合され、画像センサ214に対してアクチュエータ212によって移動され得る。画像センサ214に対するレンズ210の移動は、キャプチャされた画像の焦点に影響を及ぼし得る。アクチュエータ212は、たとえば、画像の焦点を変更するためにレンズ位置を調整するAF動作中の一連の1つまたは複数のレンズの移動においてレンズ210を移動させるように構成される。レンズ210がその移動範囲の境界に達すると、レンズ210またはアクチュエータ212は、飽和と呼ばれ得る。例示的な実施形態では、アクチュエータ212は、開ループボイスコイルモータ(VCM: voice coil motor)アクチュエータである。しかしながら、レンズ210は、閉ループVCM、微小電気機械システム(MEMS: Micro-Electronic Mechanical System)、形状記憶合金(SMA: shape memory alloy)、圧電(PE: piezo-electric)、または液体レンズを含む、当該技術分野で公知の任意の方法によって作動され得る。
【００１９】
深度センサ216は、撮像デバイス200によって画像内にキャプチャされる被写体の深度を推定するように構成される。深度センサ216は、TOFAF、レーザオートフォーカス、もしくはDCIAFなどの深度を推定するためのAF技法、または構造化光センサなどの他の深度感知技術を含む、撮像デバイス200に対する被写体またはシーンの深度を決定または推定することに適用可能な任意の技法を使用して深度推定を実行するように構成され得る。代替的には、深度センサ216は、PDAFによって決定されたレンズ位置に基づいて深度推定を実行するように構成され得る。技法はまた、シーン内の被写体からまたは被写体について撮像デバイス200によって受信される深度または位置情報を使用して適用され得る。用いられるAF技法に応じて、深度センサ216は、撮像デバイス200の他の構成要素に統合され得る。たとえば、PDAFを使用するとき、画像センサ214は、部分的にマスクされ得る特殊な位相検出ピクセルを含み得る。これらの位相検出ピクセルは、「左」および「右」位相検出ピクセルと呼ばれる対として形成され得る。
【００２０】
ディスプレイ280は、レンズ210および画像センサ214を介してキャプチャされた画像を表示するように構成され、撮像デバイス200の構成機能を実装するためにも利用され得る。一実装形態では、ディスプレイ280は、撮像デバイス200の入力デバイス290を介してユーザによって選択されたキャプチャされた画像の1つまたは複数の領域を表示するように構成され得る。いくつかの実施形態では、撮像デバイス200は、ディスプレイ280を含まなくてもよい。
【００２１】
入力デバイス290は、実装形態に応じて多くの形態をとってもよい。いくつかの実装形態では、入力デバイス290は、タッチスクリーンディスプレイを形成するためにディスプレイ280と統合されてもよい。他の実装形態では、入力デバイス290は、撮像デバイス200上の別個のキーまたはボタンを含んでもよい。これらのキーまたはボタンは、ディスプレイ280上に表示されるメニューのナビゲーションのための入力を提供してもよい。他の実装形態では、入力デバイス290は、入力ポートであってもよい。たとえば、入力デバイス290は、撮像デバイス200への別のデバイスの動作可能な結合を提供してもよい。次に、撮像デバイス200は、入力デバイス290を介して、取り付けられたキーボードまたはマウスから入力を受信してもよい。さらに他の実施形態では、入力デバイス290は、撮像デバイス200から遠隔であってもよく、通信ネットワーク、たとえば、ワイヤレスネットワークを介して撮像デバイス200と通信してもよい。
【００２２】
メモリ230は、撮像デバイス200の動作中に動的に作成されるデータを記憶するためにプロセッサ205によって利用され得る。いくつかの例では、メモリ230は、動的に作成されたデータを記憶する別個の作業メモリを含み得る。たとえば、メモリ230内に記憶された命令は、プロセッサ205によって実行されるとき、作業メモリ内に記憶され得る。作業メモリはまた、プロセッサ205上で実行されるプログラムによって利用されるスタックまたはヒープデータなどの動的実行時データを記憶し得る。ストレージ275は、撮像デバイス200によって作成されたデータを記憶するために利用され得る。たとえば、画像センサ214を介してキャプチャされた画像は、ストレージ275上に記憶され得る。入力デバイス290と同様に、ストレージ275はまた、撮像デバイス200と遠隔に配置されてもよく、すなわち、撮像デバイス200と一体化しなくてもよく、通信ネットワークを介してキャプチャされた画像を受信し得る。
【００２３】
メモリ230は、コンピュータ可読媒体と考えられ得、本開示による様々な機能を実行するようにプロセッサ205に命令するための命令を記憶する。たとえば、いくつかの態様では、メモリ230は、以下に説明し、図4、図7、および図8に示すように、方法500、方法800、方法900、またはそれらの一部をプロセッサ205に実行させる命令を記憶するように構成され得る。
【００２４】
一実装形態では、メモリ230内に記憶された命令は、実行されたとき、プロセッサ205に、画像をキャプチャするための所望のレンズ位置を含み得るレンズ210のレンズ位置の範囲内のレンズ位置を決定させる命令を含み得る。決定されたレンズ位置は、レンズ位置の範囲内のすべての可能なレンズ位置を含まない場合があり、レンズ位置の範囲内の可能なレンズ位置のサブセットのみを含む場合がある。決定されたレンズ位置は、決定されたレンズ位置の間の1つまたは複数の可能なレンズ位置のステップサイズによって分離され得る。たとえば、決定されたレンズ位置は、レンズ位置の範囲の一端における、第1の焦点距離を表す第1のレンズ位置と、レンズ位置の範囲の他端における、第2の焦点距離を表す第2のレンズ位置とを含み得る。決定されたレンズ位置は、1つまたは複数の中間レンズ位置をさらに含み得、各中間レンズ位置は、第1の焦点距離と第2の焦点距離との間の焦点距離を表し、決定されたレンズ位置は、レンズ位置の第1の範囲内の決定されたレンズ位置の間の1つまたは複数の可能なレンズ位置のステップサイズによって分離される。例示的な実施形態では、プロセッサ205は、被写体の深度の推定に少なくとも部分的に基づいて、レンズ位置の範囲内のレンズ位置を決定してもよい。
【００２５】
命令はまた、実行されたとき、レンズ位置の範囲内の1つまたは複数のレンズ位置においてキャプチャされた画像に関するフォーカス値をプロセッサ205に決定または生成させ得る。画像をキャプチャするための所望のレンズ位置は、最大フォーカス値を有するレンズ位置であり得る。命令はまた、実行されたとき、決定または生成されたフォーカス値に基づいて、フォーカス値曲線またはフォーカス値曲線を表すデータをプロセッサ205に決定または生成させ得る。命令はまた、実行されたとき、生成されたフォーカス値に少なくとも部分的に基づいて、レンズ位置の探索範囲内のレンズ位置をプロセッサ205に決定させ得、または、レンズ位置の以前の探索範囲に基づいて、フォーカス値曲線もしくはフォーカス値曲線を表すデータをプロセッサ205に決定させ得る。
【００２６】
例示的なピクセル読出しアーキテクチャの概要
図2Aは、(センサ)ピクセルアレイ312と、読出し回路314(「読出しチェーン」とも呼ばれる)と、増幅器316と、アナログ-デジタルコンバータ(ADC)318とを含むアナログ構成要素のセット310を含むピクセル読出しシステム300の実施形態を示す。ピクセル読出しシステム300は、タイミング回路311(図2Aは、アナログ構成要素310内に含まれるものとしてタイミング回路311を示しているが、デジタル構成要素でもあり得る、「タイミング発生器」とも呼ばれる)をさらに含む。アナログ構成要素310は、バス320を介してメモリ330に結合される。図示されていないが、バス320は、他の構成要素との、たとえば、画像信号プロセッサ、デバイスメモリ、および/または読出し制御回路との通信を可能にし得る。
【００２７】
ピクセル読出しシステム300は、任意のCMOS、電荷結合素子(CCD)、または他の画像センサのために使用され得る。いくつかの実施形態では、センサは、たとえば、各々が約1000電子(-e)のフルウェルキャパシティを有する約0.5μmのピクセルを有する32メガピクセル(MP)/毎秒30フレーム(fps)の画像センサであり得る。画像センサは、10ビット(b)/240fpsの読出し速度を有するように設計され得る。画像センサのいくつかの実装形態は、たとえば、フルフレームを格納する必要なしにインターリーブされたローリングシャッタを実装する、8フレーム蓄積シャッタ速度を有するデジタル的に統合された設計を有し得る。一例では、データは、約12b/30fpsの速度で、たとえば、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)であり得る外部メモリ330から出力され得る。そのような画像センサは、たとえば、1ピクセルあたり約8000-eのフルウェルキャパシティに達する、8の係数を乗じた等価ピクセルフルウェルキャパシティをもたらし得る。これらの画像センサの仕様は、ピクセル読出しシステム300を使用する画像センサのちょうど1つの実施形態を表し、様々な仕様を有する他の画像センサが、他の実施形態において使用され得る。
【００２８】
ピクセルアレイ312は、所定の数の行および列(たとえば、M行およびN列)に配列された複数のピクセル340を含み得る。各ピクセル340は、ピクセルアレイ312の単一の光電電荷検出素子を表し得る。ピクセルの各々は、各々、基板の下にある部分において光生成電荷を蓄積するための基板の上にある光感知素子、たとえば、フォトゲート、光導電体、フォトダイオード、または他の光検出器を含み得る。ピクセルアレイ312は、いくつかの実装形態では、入射光をフィルタリングするために配置された1つまたは複数のフィルタ、たとえば、赤外線カットフィルタまたはカラーフィルタを含み得る。CMOSピクセルの光感知素子は、空乏型p-n接合フォトダイオード、またはフォトゲートの下の電界誘起空乏領域のうちの1つであり得る。
【００２９】
タイミング発生器311は、ピクセルアレイ312のピクセルの各々に蓄積された光の量を表す値(ピクセル値と呼ばれる場合もある)を読み出すためのタイミング信号を提供し得る。たとえば、タイミング発生器311は、行および列ドライバを含み得、行および列ドライバから出力された信号の組合せは、対応するピクセル値を読み出すためにピクセルアレイからピクセルを個別に選択することを可能にし得る。タイミング発生器311は、ピクセルアレイ312のピクセル340のためのリセット動作、露光時間、ライン時間、およびピクセル時間を制御するための制御ロジックを含み得、また、タイミング信号をADC318に提供し得る。読出し回路314は、ピクセルアレイ312内のピクセル340の各々からピクセル値を読み出すための回路を含み得る。たとえば、読出し回路314は、アレイ312全体に設けられた複数の行ラインおよび列ラインを含み得る。読出し回路314の列ラインおよび行ラインは、それぞれ、タイミング発生器311によって提供されるタイミングに従って動作する列サンプルホールド(S/H)回路および行制御回路に電気的に接続され得る。動作時に、ピクセルアレイ312内の各行のピクセル340は、行選択ラインによって同時にオンにされ得、各列のピクセルは、列選択ラインによって選択的に出力され得る。
【００３０】
ピクセル回路を通過した後、ピクセル信号は、ピクセル値(たとえば、電圧または電流)の強度を増加させるために、増幅器316に通される。要約として、タイミング発生器311、ピクセルアレイ312、読出し回路314、および増幅器316は共に、(1)光子から電荷への変換と、(2)画像電荷の蓄積と、(3)電荷増幅が伴うフローティング拡散ノードへの電荷の転送と、(4)電荷の転送前にフローティング拡散ノードを既知の状態にリセットすることと、(5)読出しのためのピクセルの選択と、(6)ピクセル電荷を表す信号の出力および増幅とを含む機能を実行し得る。
【００３１】
増幅されたピクセル信号は、アナログ構成要素310から出力される前に、ADC318に通される。デジタル回路は、情報の処理速度および効率的な伝送に関してアナログ回路と比較して利点を提供し得るので、ピクセル値がアナログ構成要素310においてアナログ信号として読み出された後、ピクセル値は、デジタル回路によって読み出され処理されるデジタル信号に変換され得る。したがって、少なくとも1つの実装形態では、ADC318は、アナログピクセル値信号を適切なデジタル信号に、たとえば、対応するデジタルピクセル値に変換する。ADC318は、蓄積キャパシタからの蓄積された電荷を対応するデジタルピクセル値に変換し得る。
【００３２】
図2Bは、図2Aのピクセル読出しシステム300の1つのピクセルに関するピクセル回路340の一実施形態を示す。多くのそのようなピクセル340がアレイ312内に配置され、たとえば、行および列を形成する。明瞭化のために、1つのピクセル340のみがより詳細に示されている。図2Bの読出し回路の実施形態は、低ノイズで遅れのない電荷転送、ならびにスナップショット機能、たとえば、フレーム記憶および電荷シンクの両方を実行し得る。加えて、蓄積キャパシタSTOは、ピクセルのための拡張されたフルウェルキャパシティを提供する。
【００３３】
各ピクセル340は、対応するピクセル340内に収集された電荷を読み出すための回路を含む。一実装形態では、ピクセル回路は、ピクセル340のうちの対応する1つに接続され、基板内に形成された出力電界効果トランジスタと、ピクセル340に隣接する基板上に形成された電荷転送部とを含む。ピクセル340は、出力トランジスタのゲートに接続された感知ノード、たとえば、フローティング拡散ノードを含み得る。フローティング拡散ノードは、(たとえば、電荷が蓄積されているとき)読出し回路のすべての他のノードから電気的に絶縁された活性シリコン内の領域であり得、フローティング拡散ノードの電位は、フローティング拡散ノード内に蓄積された電荷の量およびフローティング拡散ノードのキャパシタンスによって決定され得る。フローティング拡散ノードのキャパシタンスは、十分に高い変換利得を達成するために、しきい値キャパシタンスよりも低くてもよい。ピクセル回路の電荷転送部は、基板の下にある部分からフローティング拡散ノードに電荷を転送するための少なくとも1つの電子構成要素、たとえば、トランジスタと、別の構成要素、たとえば、電荷転送の前にノードを所定の電荷レベルにリセットするためのリセットトランジスタとを含み得る。光電荷は、初期電荷蓄積領域からフローティング拡散ノードに移動するときに増幅され得、フローティング拡散ノードにおける電荷は、ソースフォロワ出力トランジスタSF_AMPによってピクセル出力電圧に変換され得る。以下により詳細に論じるように、ピクセル回路は、ピクセルからの複数の電荷ダンプをアナログ領域において蓄積するための蓄積キャパシタSTOまたは他の電子電荷蓄積デバイスをさらに含み得る。蓄積キャパシタSTOは、いくつかの実施形態では(ピクセル340の位置に対して)ピクセル回路内のフローティング拡散ノードを越えて配置され得、フローティング拡散ノードのキャパシタンスよりも大きいキャパシタンスを有し得る。蓄積キャパシタSTOは、様々な実施形態において、ピクセル間接続を有する積層ダイの同じセンサチップ上または底部チップ内にあり得る。
【００３４】
ピクセル回路は、光生成電荷を蓄積するためのフォトダイオードPDを含む。以下の説明は、特にフォトダイオードPDを参照する場合があるが、当業者は、本開示から逸脱することなく他の光センサがフォトダイオードに代わりに使用され得ることを認識するであろう。フォトダイオードPD内に収集された電荷は、蓄積キャパシタSTOまで転送トランジスタTX2に通され、蓄積キャパシタSTOは、フォトダイオードPDからの複数の電荷ダンプ、たとえば、8以上の電荷ダンプを蓄積するのに十分に大きい実効キャパシタンスを有し得る。蓄積キャパシタSTOからの蓄積された電荷は、フローティング拡散キャパシタFDのフローティング拡散ノードまで別の転送トランジスタTX1を通され得る。セレクタトランジスタSELは、ピクセルアレイの単一の行が画像センサによって読み出されることを可能にする。ソースフォロワトランジスタSF_AMPは、フローティング拡散ノードから印加される入力を、出力ノードVcolにおいて感知され得る出力信号(たとえば、電圧または電流)に変換する。したがって、ソースフォロワトランジスタSF_AMPは、ソースフォロイング増幅器の一部を形成し、検出された画像電荷を対応する電気信号に変換する駆動トランジスタである。
【００３５】
リセットトランジスタRSTは、フローティング拡散キャパシタFDをリセットするスイッチとして機能する。リセットトランジスタRSTがオンにされると、フローティング拡散トランジスタは、電源に効果的に接続され、その上に蓄積されたすべての電荷をクリアする。ピクセルは、リセットトランジスタRSTおよび転送トランジスタTX3が同時にオンにされたときにリセットされ、フローティング拡散キャパシタFDとフォトダイオードPDの両方をVDD電圧レベルに設定する。転送トランジスタTX2またはTX1のいずれかをオンにすることは、同様に蓄積キャパシタSTOをVDD電圧レベルに設定し得る。転送トランジスタTX3がオフにされ、フォトダイオードおよびフローティング拡散トランジスタRFを遮断すると、フォトダイオードPDは、受光した光を電荷に積分し得る。加えて、転送トランジスタTX3は、ブルーミング保護制御のため、ならびに、スナップショット機能(たとえば、フレーム記憶および電荷シンク)を可能にするためのオーバーフローゲートとして機能し得、高速動作を止めるために電子的なグローバルシャッタ動作を提供する。
【００３６】
一例では、kTCノイズ低減技法を実施するために、最初に、リセットトランジスタRSTは、フローティング拡散キャパシタFDをリセットするためにオンおよびオフにされる。リセットレベルの信号測定値は、フローティング拡散ノードからサンプリングされ、たとえば、列回路に記憶される。次に、転送トランジスタTX1は、オンおよびオフにされ、それは、フォトダイオードにおける電荷がフローティング拡散キャパシタFDに転送されることを可能にする。電荷転送が完了すると、この電荷(フォトダイオード信号レベルプラスフローティング拡散リセットレベル)は、測定され、同様に列回路に記憶される。これらの2つの記憶された電圧は、次いで、フォトダイオード信号レベルを決定するために差し引かれ、kTCノイズを低減する。
【００３７】
特定の固体画像センサアーキテクチャの制限の概要
カメラシステムによってキャプチャされ得るシーンの画像は、100dBを超えて変化し得る強度を有する広範囲の照度を有する場合がある。人間の視覚系などの生物学的視覚系は、シーン内のこれらのタイプの高照度変動に敏感である。高ダイナミックレンジシーンは、100dBを超えて変動する照明強度を有するそのようなシーンを含む場合がある。この照明強度の範囲に敏感であり得る1つの技術は、ハロゲン化銀フィルムを含む。
【００３８】
様々なグレードの固体画像センサが、実行可能な照度感度範囲を有し得る。たとえば、ハイエンドCCDは、78dBよりも高い照度感度を有し得、消費者グレードのCCDは、約66dBの照度感度を有し得、消費者グレードのCMOSイメージャは、約60dBの照度感度を有し得る。したがって、特定のハイエンドCCDを除いて、固体画像センサは、一般に、高ダイナミックレンジシーンをキャプチャするために十分に高いダイナミックレンジを有していない。高ダイナミックレンジシーンを正確にキャプチャするために十分であり得るダイナミックレンジの例は、たとえば、12ビッド深度において100dBよりも高い照度感度である。
【００３９】
ダイナミックレンジを拡張するための方法およびアーキテクチャ
シーンからキャプチャされた画像のダイナミックレンジを拡張するためのいくつかの方法およびアーキテクチャが存在する。ダイナミックレンジを増加させるために、検出可能な最大光電流が増加され得、および/または検出可能な最小光電流が減少され得る。これらの目標を達成するための1つの方法は、シーン照度に基づいてピクセル積分時間を空間的に変更することである。たとえば、高照度シーンまたは領域は、短くされた積分時間でキャプチャされ得、低照度シーンまたは領域は、長くされた積分時間でキャプチャされ得る。しかしながら、積分時間を延ばすことは、飽和または動きボケなどの特定の視覚的欠陥につながる場合がある。
【００４０】
ダイナミックレンジを増加させるための別の技法は、ウェルキャパシティを調整することであり、それは、ノイズを増加させ、より低い信号対ノイズ比および/または非線形のセンサ応答につながる。ダイナミックレンジを増加させるためのさらに別の技法は、複数(画像)キャプチャである。複数キャプチャは、高速と、非破壊読出しと、オンチップメモリと、高ダイナミックレンジ画像の再構成を実行するロジックとを必要とする。ダイナミックレンジを増加させるためのさらに別の技法は、良好な線形性を有する空間的に変化する露光である。空間的に変化する露光は、相関二重サンプリング(CDS: correlated double sampling)ノイズ抑制を含み得、それは、空間分解能がCDS処理において低下するので、比較的高解像度のイメージャを必要とし得る。
【００４１】
加えて、ダイナミックレンジを増加させるために特定の画像センサが使用され得る。たとえば、サブスレッショルド金属酸化物半導体FET(MOSFET)特性の大きい変動により固体パターンノイズ(FPN: fixed-pattern noise)を生成する可能性がある対数センサが使用され得る。対数センサはまた、非線形応答を有し、CDSノイズ抑制が使用され得ず、結果として低い信号対ノイズ比を生じる。使用されている別の画像センサは、局所適応センサである。局所適応センサも、CDSノイズ抑制を使用することができず、非線形応答と、低い信号対ノイズ比と、ピクセルの低い複雑さとを有する。
【００４２】
図3Aおよび図3Bは、本開示の特定の態様による高ダイナミックレンジ固体画像センサを示す。具体的には、図3Aおよび図3Bに示す画像センサは、列並列12ビットADCを有する高速で高解像度の画像センサ読出しチェーンを有し得る。以下に論じるように、これは、モジュロカウンタ(MOD-Nカウンタ)を追加することによって、たとえば、24ビットデータ出力までビット深度を拡張するために使用され得、たとえば、4ビットリップルカウンタは、MOD-16カウンタと呼ばれる。
【００４３】
積層技術は、各々がその上に形成された回路を有する一対のウェハが電気的に互いに接続されることを可能にする。本開示の特定の態様は、一対のウェハ間のピクセルレベルの相互接続を有する積層技術を利用する。一例では、第1のウェハ(たとえば、上部ウェハまたはダイ)上に形成されたピクセルのアレイを含むセンサが、第2のウェハ(たとえば、下部ウェハまたはダイ)上に形成されたカウンタのアレイと結合される。特定の実装形態では、センサウェハ(たとえば、上部ダイ)は、所与の露光においてピクセルに関するピクセル値の最下位ビットを出力し得、カウンタウェハ(たとえば、下部ダイ)は、ピクセル値の最上位ビットを出力し得る。詳細に、所与のピクセルのためのカウンタは、所与の露光について、対応するピクセルで受光された光から積分された電荷がしきい値(たとえば、光センサしきい値)を満たすかそれを超えた回数をカウントし得る。最下位ビットおよび最上位ビットの組合せの視覚的表現が図3Cに示されており、これについては以下により詳細に説明する。一実施形態では、所与の露光について、上部ダイ上のピクセルが12の最下位ビットを提供し得、下部ダイ上の対応するカウンタが12の最上位ビットを提供し得る。
【００４４】
図3Aは、本開示の特定の態様による高ダイナミック固体画像センサを示す。図3Bは、本開示の特定の態様による読出し回路を示す。図3Aに示すピクセル440は、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTGと、フローティング拡散キャパシタFDと、リセットトランジスタRSTと、電圧VDDと、ソースフォロワトランジスタSF_AMP、選択トランジスタSELと、出力ノードV_colと、アナログ-デジタルコンバータADCと、電圧生成器Vldと、負荷トランジスタLTRと、最下位ビットデジタル出力Doutとを含む。図3Bの読出し回路は、入力ノードV_colと、電荷結合キャパシタCcと、デジタル-アナログコンバータDACと、比較器選択トランジスタComp_selと、比較器460と、カウンタ470と、ラッチ480と、最上位ビットデジタル出力Doutとを含む。カウンタ470は、クロックとアップ/ダウン(またはリセット)入力とを受信し得る。
【００４５】
一実装形態では、図3Aに示すピクセル440の回路図は、上部ウェハ上に含まれ得、図3Bに示す読出し回路450は、下部ウェハ上に含まれ得る。上部ウェハと下部ウェハとの間の図3Aおよび図3Bに示す特定の要素の分割は、画像センサの設計要件に基づいて選択され得る。そのように、図3Aと図3Bとの間の特定の要素の分割は、単なる例示であり、様々な設計上の考慮に基づいて変更され得る。たとえば、一実装形態では、画像センサのためのアナログ構成要素は、上部ウェハ上に形成され、ピクセルアドレス指定ラインを含む残りの構成要素は、下部ウェハ上に形成される。下部ウェハ上に可能な限り多くの構成要素を含めることによって、追加の構成要素のためのスペースを確保する必要がないので、各ピクセルのための開口部のサイズは、増加され得る。さらに、本開示の態様から逸脱することなく、様々な構成要素が図3Aおよび図3Bに示す実装形態から除去され得、またはそれに追加され得る。
【００４６】
図3Aを参照し、ピクセル440は、受光された光を積分し、受光された光を電荷に変換するフォトダイオードPDを含み得る。フォトダイオードPDによって収集される電荷の量は、フォトダイオードPDによって受光された光の強度に比例し得る。フォトダイオードPDから蓄積された電荷は、転送トランジスタTGを介してフローティング拡散キャパシタFDに転送され得る。フローティング拡散キャパシタFD上に蓄積された電荷は、次いで、ソースフォロワトランジスタSF_AMPを介して増幅され得、選択トランジスタSELがオンにされると出力ノードV_colに印加され得る。そのように、出力ノードV_colは、ピクセル440のフォトダイオードPDによって受光された光の量を示す値(たとえば、電荷、電圧、電流など)を出力し得る。図2の実装形態におけるように、フローティング拡散キャパシタFDは、リセットトランジスタRSTを介して電圧VDDにリセットされ得、フォトダイオードは、リセットトランジスタRSTおよび転送トランジスタTGを介して電圧VDDにリセットされ得る。
【００４７】
図3Aの実装形態では、ピクセル値の最下位ビットは、アナログ-デジタルコンバータADCを介して出力ノードV_colにおけるアナログ信号をデジタル信号に変換することによって直接読み出される。最下位ビットは、次いで、出力Doutを介して出力され得る。ピクセル値の最下位ビットを表すために様々な数のビットが使用され得るが、図3Aは、12ビットを有する実施形態を示す。ピクセルは、電圧発生器Vldと負荷トランジスタLTRとをさらに含む。負荷トランジスタPTRは、ソースフォロワ出力トランジスタSF_AMPの負荷トランジスタであり得る。電圧発生器Vldは、負荷トランジスタLTRのゲートをバイアスするバイアス電圧源である。
【００４８】
ここで図3Bの読出し回路450を参照すると、入力ノードV_colは、アナログ出力信号をそこから受信するために、図3Aのピクセル440の出力ノードV_colに接続され得る。入力ノードV_colによって受信されたアナログ出力は、電荷結合キャパシタCc内に蓄積され得る。デジタル-アナログコンバータDACは、デジタルフォトダイオードしきい値(光センサしきい値とも呼ばれる)を、比較器460に供給されるアナログ値に変換し得る。しかしながら、他の実装形態では、デジタル-アナログコンバータDACを使用せず、アナログフォトダイオードしきい値が直接比較器460に供給され得る。特定の実装形態では、フォトダイオードしきい値は、フォトダイオードPDを飽和させるのに必要な電荷の量に基づき得る。たとえば、フォトダイオードしきい値は、カウンタ470がインクリメントされたことに応答して、フォトダイオードPDが飽和される前に、フォトダイオードPDがリセットされるように選択され得る。比較器選択トランジスタComp_selは、比較器460による電荷結合キャパシタ内に蓄積されたアナログ信号とフォトダイオードしきい値との比較を開始する。
【００４９】
図3Aおよび図3Bを参照し、一実装形態では、アナログ-デジタルコンバータADCおよびデジタル-アナログコンバータDACは、各々、比較器およびカウンタの複数の並列バンクを含み得る。デジタル-アナログコンバータDAC内の比較器の列は、ランプ発生器と、直列接続された電荷結合キャパシタCcを介してアナログ-デジタルコンバータADCから受信されたピクセル出力とによって駆動され得る。少なくとも1つの実装形態では、リップルカウンタとして実装された複数の列カウンタを含み得るカウンタ470は、比較器460の出力が変化するまで発生するクロックサイクルの数をカウントし得る。
【００５０】
比較器460は、電荷結合キャパシタ内に蓄積されたアナログ信号がフォトダイオードしきい値よりも大きいかどうかを示す値を出力する。上記で論じたように、カウンタ470は、電荷結合キャパシタ内に蓄積されたアナログ信号がフォトダイオードしきい値よりも大きくなるまで発生する各クロックサイクルに対してインクリメントする。他の実装形態では、比較器460の出力Coutは、電荷結合キャパシタ内に蓄積されたアナログ信号がフォトダイオードしきい値以上であるかどうかを示し得る。カウンタ470は、ピクセル440から受信された入力ノードV_colの値に基づいてインクリメントされるので、カウンタ470は、対応するフォトダイオードPDがフォトダイオードしきい値に比例するしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答してインクリメントされる。ラッチ480は、値が後の時間に読出しチェーン314(図2A参照)によって読み出され得るように、各露光期間の終わりにカウンタ470の値を記憶し得る。
【００５１】
図示していないが、比較器460の出力Coutと、リセットトランジスタRSTおよび転送トランジスタTGの各々との間に、フィードバックループが存在し得る。そのように、ピクセル440の出力V_outがフォトダイオードしきい値よりも大きいとき、フォトダイオードPDおよびフローティング拡散キャパシタFDの各々は、電圧VDDにリセットされ得る。カウンタ470をインクリメントし、フォトダイオードPDおよびフローティング拡散キャパシタFDの各々をリセットするサイクルは、所与の露光期間内に複数回発生し得る。したがって、カウンタ470によって記憶された値は、フォトダイオードがリセットされた回数(たとえば、ピクセル440の出力V_colがフォトダイオードしきい値を超えた回数)を示し得る。
【００５２】
ピクセル440および読出し回路450によって生成された全体的なピクセル値は、図3Cに示す図490によって示される。ピクセル値の最下位ビット(たとえば、ビット0〜11)は、各露光期間の終わりにおけるピクセル440のアナログ-デジタルコンバータADCのDoutの出力によって表され得る。したがって、カウンタ470が露光時間の経過に伴ってインクリメントされると、残りの出力V_colまたは残余は、ピクセル値の最下位ビットを生成するために使用される。ラッチ480の出力Dout(たとえば、露光期間の終わりにおけるカウンタ470の出力)は、ピクセル値の最上位ビット(たとえば、ビット12〜23)を表し得る。したがって、ピクセル440および読出し回路450のデジタル出力の組合せは、露光期間にわたってピクセルによって受光された光のピクセル値を表し得る。
【００５３】
より詳細には、所与の露光に対して、ピクセル440のダイナミックレンジがピクセル440によってキャプチャされるシーンのダイナミックレンジ未満である場合、ピクセル440は、飽和する。ピクセル440が飽和するのを防ぐために、ピクセル440がフォトダイオードしきい値を超えるたびに、カウンタ470は、インクリメントされ、ピクセル440の露光は、フォトダイオードPDおよびフローティング拡散キャパシタFDをリセットすることによって再開される。ピクセル440が所与の露光内でリセットされる最後のときに、ピクセル440は、残余値を最下位ビットとして記録する。次いで、ラッチ480を介して、ピクセル440のADCからの残余値を対応するカウンタ470の値と共に同時に取ることによって、完全なピクセル値が読み出される。残余値およびカウンタ値は、次いで、ピクセル440によって検出された全体的な値を形成するために、整数および端数値として組み合わされ得る。
【００５４】
図4は、本開示の態様による画像センサの上部ウェハおよび下部ウェハの3次元(3D)ビューを示す。上部ウェハ510内のピクセルの各々は、下部ウェハ520内の対応するカウンタ回路に電気的に接続され得る。図4は、上部ウェハ510上に形成されたいくつかのピクセルP1〜P4と、下部ウェハ520上に形成された複数のカウンタ回路/ロジックCNT1〜CNT4とを示す。上部ウェハ510は、アレイの様々なピクセルP1〜P4を選択し得る垂直および水平スキャナまたはドライバをさらに含み得る。同様に、下部ウェハ520は、カウンタ回路/ロジックCNT1〜CNT4のカウンタから出力値を読み出すために使用される周辺回路を含み得る。
【００５５】
図5は本開示の態様による、それぞれの上部ウェハ510および下部ウェハ520内のいくつかのピクセルおよびカウンタ回路の断面図600を示す。画像センサ内のピクセルは、ピクセルレベルにおいて3D積層され、そこでは、ピクセルサイズは、カウンタサイズと一致し得る。特定の実装形態では、これは、高度なノード技術と、1.0μm未満の微細なハイブリッド接合ピッチとを必要とする。図4の実装形態では、上部ウェハ510は、裏面照射型(BSI)センサであり、下部ウェハ520は、カウンタのアレイと、制御ロジックと、列読出し回路ブロックとを含む。特定のウェハ積層技術の実装形態によれば、ウェハは、対面して積層される必要がある。したがって、BSIセンサアレイは、センサウェハの裏面がシーンからの照明を受光しつつ、ウェハが対面して積層されることを可能にする。
【００５６】
本開示による固体画像センサにはいくつかの利点が存在する。光検出器が飽和に達しないように、上記で説明したように拡張ダイナミックレンジ画像信号読出しを提供するために、各ピクセル読出しにおいてリップルカウンタが実装され得る。この高ダイナミックレンジピクセルの動作は、所定の飽和のしきい値を介して飽和前のピクセル値を記録し得る。このプロセスには、次いで、光検出器をリセットし、光積分およびリセットの後続の反復プロセスをすべてフレーム露光時間の単一のショットにおいて可能にすることが続き得る。
【００５７】
本開示による固体画像センサは、ハイブリッド接合の微細なパッドピッチ(1.0μm未満)をサポートする高度なノードCMOS画像センサ3Dウェハ積層技術を用いて実現され得る。この3D積層センサ実装形態は、ピクセル設計の複雑さを軽減し、解像度およびフレームレートの損失なしに、堅牢な画像ブルーミング保護を有する小型ピクセル高ダイナミックレンジの実現を可能にする。
【００５８】
図6および図7は、本開示の態様による固体画像センサの2つの実施形態を示す。
【００５９】
図6の実施形態では、ウェハ700は、ピクセルレベルで3D積層され、そこでは、ピクセルサイズは、カウンタサイズと一致し得る。特定の実装形態では、これは、高度なノード技術と、1.0μm未満の微細なハイブリッド接合ピッチとを必要とする。この実施形態の上部ウェハは、通常のBSIセンサであり、下部ウェハは、カウンタのアレイと、制御ロジックと、列読出し回路ブロックとを含む。図6の例示では、上部ウェハおよび下部ウェハの向きは、図4および図5に示す向きに対して逆転されている。具体的には、上部ウェハは、裏面照射型検出器アレイを含み、マイクロビアを使用して下部ウェハにハイブリッド接合される。下部ウェハは、カウンタのアレイと、制御ロジックと、アナログフロントエンド(AFE: analog front end)と、ADCとを含む。
【００６０】
図7の実施形態では、ウェハ800は、成熟したシリコン貫通ビア(TSV: through silicon via)接合技術を用いて列レベルにおいて3D積層され、そこでは、ピクセルサイズは、カウンタサイズと一致し得る。最上層ウェハは、BSIセンサであり、最下層ウェハは、カウンタのアレイと、制御ロジックと、列読出し回路ブロックとで構成される。図7の上部ウェハおよび下部ウェハの向きは、図4および図5に示す向きに対して逆転されている。具体的には、上部ウェハは、裏面照射型検出器アレイを含み、マイクロビアを使用して下部ウェハにハイブリッド接合される。下部ウェハは、カウンタのアレイと、制御ロジックと、アナログフロントエンド(AFE)と、ADCとを含む。下部ウェハは、下部ウェハのカウンタアレイに対応するアレイとして形成されたデジタル信号プロセッサ(DSP)を含む補助ウェハにさらに溶着される。
【００６１】
固体画像センサの動作のための例示的なフローチャート
ここで本開示の例示的な実装形態について、固体画像センサによって動作可能な方法の文脈において説明する。図8は、本開示の態様による固体画像センサの動作のために、ピクセル読出しシステム300またはその構成要素によって動作可能な例示的な方法900を示すフローチャートである。たとえば、図8に示す方法900のステップは、固体画像センサのピクセル440および読出し回路450によって実行され得る。
【００６２】
方法900は、ブロック901において開始する。ブロック905において、固体画像センサは、複数の光センサのうちの対応する1つが光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して、複数のカウンタのうちの1つをインクリメントする。固体画像センサは、ピクセルのアレイを備える第1のウェハを含み得、ピクセルの各々は、光センサを備える。固体画像センサは、読出し回路のアレイを備える第2のウェハをさらに含み得、読出し回路の各々は、カウンタを備える。
【００６３】
ブロック910において、読出し回路は、露光期間内に対応する光センサによって受光された光の量を示す読出し信号を生成する。読出し信号は、対応するカウンタ内に記憶された値と、対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づき得る。方法900は、ブロック915において終了する。
【００６４】
他の考慮事項
いくつかの実施形態では、上記で論じた回路、プロセス、およびシステムは、装置100などのワイヤレス通信デバイスにおいて利用され得る。ワイヤレス通信デバイスは、他の電子デバイスとワイヤレス通信するために使用される一種の電子デバイスであり得る。ワイヤレス通信デバイスの例は、セルラー電話、スマートフォン、携帯情報端末(PDA)、電子リーダー、ゲーミングシステム、音楽プレーヤ、ネットブック、ワイヤレスモデム、ラップトップコンピュータ、タブレットデバイスなどを含む。
【００６５】
ワイヤレス通信デバイスは、1つまたは複数の画像センサと、2つ以上の画像信号プロセッサと、上記で論じたプロセスを実行するための命令またはモジュールを含むメモリとを含み得る。デバイスはまた、データと、メモリから命令および/またはデータをロードするプロセッサと、1つまたは複数の通信インターフェースと、1つまたは複数の入力デバイスと、ディスプレイデバイスなどの1つまたは複数の出力デバイスと、電源/インターフェースとを有し得る。ワイヤレス通信デバイスは、加えて、トランスミッタとレシーバとを含み得る。トランスミッタおよびレシーバは、併せてトランシーバと呼ばれる場合がある。トランシーバは、ワイヤレス信号を送信および/または受信するための1つまたは複数のアンテナに結合され得る。
【００６６】
ワイヤレス通信デバイスは、別の電子デバイス(たとえば、基地局)とワイヤレスで接続し得る。ワイヤレス通信デバイスは、その代わりに、モバイルデバイス、移動局、加入者局、ユーザ機器(UE)、リモート局、アクセス端末、モバイル端末、端末、ユーザ端末、加入者ユニットなどと呼ばれる場合がある。ワイヤレス通信デバイスの例は、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、セルラー電話、スマートフォン、ワイヤレスモデム、電子ブックリーダー、タブレットデバイス、ゲームシステムなどを含む。ワイヤレス通信デバイスは、第3世代パートナーシッププロジェクト(3GPP)などの1つまたは複数の産業標準に従って動作することができる。したがって、「ワイヤレス通信デバイス」という全般的な用語は、産業標準に従う変化する用語体系を用いて説明されるワイヤレス通信デバイスを含むことができる(たとえば、アクセス端末、ユーザ機器(UE)、リモート端末など)。
【００６７】
本明細書で説明した機能は、プロセッサ可読媒体またはプロセッサ可読媒体上に1つまたは複数の命令として記憶され得る。「コンピュータ可読媒体」という用語は、コンピュータまたはプロセッサによってアクセスされる場合がある任意の利用可能な媒体を指す。例として、限定はしないが、そのような媒体は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読出し専用メモリ(ROM)、電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ(EEPROM)、フラッシュメモリもしくは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージもしくは他の磁気記憶デバイス、または、所望のプログラムコードを命令もしくはデータ構造の形態で記憶するために使用され得、コンピュータによってアクセスされ得る任意の他の媒体を含み得る。本明細書で使用されるディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー(登録商標)ディスク、Blu-ray(登録商標)ディスクを含み、ディスク(disk)は通常、データを磁気的に再生し、ディスク(disc)は、レーザを用いてデータを光学的に再生する。コンピュータ可読媒体が有形かつ非一時的であり得ることに留意すべきである。「コンピュータプログラム製品」という用語は、コンピューティングデバイスまたはプロセッサによって実行、処理、または演算され得るコードまたは命令(たとえば、「プログラム」)と組み合わせたコンピューティングデバイスまたはプロセッサを指す。本明細書で使用される場合、「コード」という用語は、コンピューティングデバイスまたはプロセッサによって実行可能なソフトウェア、命令、コード、またはデータを指す場合がある。
【００６８】
本明細書で開示される方法は、説明された方法を達成するための1つまたは複数のステップまたはアクションを含む。方法のステップおよび/またはアクションは、特許請求の範囲から逸脱することなく、互いに置き換えることができる。言い換えれば、説明されている方法の適切な動作のためにステップまたはアクションの特定の順序が必要とされない限り、特定のステップおよび/またはアクションの順序および/または使用は、特許請求の範囲から逸脱することなく変更され得る。
【００６９】
本明細書で使用される「結合する」、「結合すること」、「結合された」、または結合という単語の他の変形は、間接的接続または直接接続の両方を指し得ることに留意すべきである。たとえば、第1の構成要素が第2の構成要素に「結合されている」場合、第1の構成要素は、第2の構成要素に間接的に接続されてもよく、または第2の構成要素に直接接続されてもよい。本明細書で使用する「複数の」という用語は2つ以上を示す。たとえば、複数の構成要素は、2つ以上の構成要素を示す。
【００７０】
「決定すること」という用語は、多種多様なアクションを包含し、したがって、「決定すること」は、計算すること、演算すること、処理すること、導出すること、調査すること、検索すること(たとえば、テーブル、データベース、または別のデータ構造を検索すること)、確認することなどを含むことができる。また、「決定すること」は、受信すること(たとえば、情報を受信すること)、アクセスすること(たとえば、メモリ内のデータにアクセスすること)などを含むことができる。また、「決定すること」は、解決すること、選択すること、選出すること、確立することなどを含むことができる。
【００７１】
「基づいて」という句は、明示的に指定されていない限り、「のみに基づいて」を意味しない。言い換えれば、「基づいて」という句は、「のみに基づいて」と「少なくとも〜に基づいて」の両方を説明する。
【００７２】
前述の説明では、例の完全な理解を提供するために具体的な詳細が与えられている。しかしながら、例は、これらの具体的な詳細なしに実施され得ることが、当業者によって理解されるであろう。たとえば、不必要な詳細で例を不明瞭にしないために、電気構成要素/電気デバイスがブロック図で示されることがある。他の事例では、例をさらに説明するために、そのような構成要素、他の構造および技法が詳細に示されることがある。
【００７３】
参照のため、および様々なセクションを見つけるのを助けるために、本明細書には見出しが含まれる。これらの見出しは、それに関して説明される概念の範囲を限定することを意図されたものではない。そのような概念は、明細書全体を通じて適用可能性を有する場合がある。
【００７４】
例は、フローチャート、フロー図、有限状態図、構造図、またはブロック図として示されるプロセスとして説明される場合があることにも留意されたい。フローチャートについては、動作を順次プロセスとして説明する場合があるが、動作の多くは並列、または同時に実行することができ、プロセスを繰り返すことが可能である。また、動作の順序は並べ替えられてもよい。プロセスは、その動作が完了したとき、終了する。プロセスは、方法、機能、手順、サブルーチン、サブプログラムなどに対応する場合がある。プロセスがソフトウェア機能に対応するとき、その終了は、呼び出し側機能またはメイン機能への機能の戻りに対応する。
【００７５】
開示された実装形態の前述の説明は、当業者が本開示を作成または使用することを可能にするために提供される。これらの実装形態に対する様々な修正は、当業者に容易に明らかになり、本明細書で定義した一般原理は、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実装形態に適用され得る。したがって、本開示は、本明細書に示す実装形態に限定されるものではなく、本明細書で開示する原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【符号の説明】
【００７６】
100  装置
120  ディスプレイ
130  視野
150  被写体
200  撮像デバイス
205  プロセッサ
210  レンズ
212  アクチュエータ
214  画像センサ
216  深度センサ
230  メモリ
275  ストレージ
280  ディスプレイ
290  入力デバイス
295  フラッシュ
300  ピクセル読出しシステム
310  アナログ構成要素
311  タイミング発生器
312  ピクセルアレイ、アレイ
314  読出し回路
316  増幅器
318  アナログ-デジタルコンバータ(ADC)、ADC
320  バス
330  メモリ、外部メモリ
340  ピクセル、ピクセル回路
440  ピクセル
450  読出し回路
460  比較器
470  カウンタ
480  ラッチ
490  図
500  方法
510  上部ウェハ
520  下部ウェハ
600  断面図
700  ウェハ
800  方法、ウェハ
900  方法
【図１Ａ】
2018530250.tif 000003
【図１Ｂ】
2018530250.tif 000004
【図２Ａ】
2018530250.tif 000005
【図２Ｂ】
2018530250.tif 000006
【図３Ａ】
2018530250.tif 000007
【図３Ｂ】
2018530250.tif 000008
【図３Ｃ】
2018530250.tif 000009
【図４】
2018530250.tif 000010
【図５】
2018530250.tif 000011
【図６】
2018530250.tif 000012
【図７】
2018530250.tif 000013
【図８】
2018530250.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月3日(2018.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピクセルのアレイを備える第1のウェハであって、前記ピクセルの各々が光センサを備え、前記ピクセルの各々が対応する光センサによって受光された光の量を示す第1の値を出力するように構成された、第1のウェハと、
読出し回路のアレイを備える第2のウェハであって、前記読出し回路の各々が前記ピクセルのうちの対応する1つによって受光された光の量を示す読出し信号を出力するように構成され、前記読出し回路の各々が比較器とカウンタとを備え、前記比較器の各々が、i)前記ピクセルのうちの対応する1つから前記第1の値を受信し、ii)前記受信された第1の値を光センサしきい値と比較し、iii)前記第1の値が前記光センサしきい値よりも大きいかどうかを示す第2の値を出力するように構成された、第2のウェハと
を備える固体画像センサであって、
前記カウンタの各々が、i)前記比較器のうちの対応する1つから前記第2の値を受信し、ii)前記受信された第2の値が、前記第1の値が前記光センサしきい値よりも大きいことを示すことに応答してインクリメントするように構成され、
前記読出し回路の各々が、前記対応するカウンタ内に記憶された値と、前記対応するピクセル内に蓄積された残余とに基づいて、前記読出し信号を生成するように構成され、
前記ピクセルの各々が、前記光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答してリセットされるようにさらに構成された、固体画像センサ。
【請求項２】
前記カウンタの各々および前記ピクセルの各々が、露光期間の終了時にリセットされるように構成され、前記読出し回路の各々が、前記露光期間の終了時に、i)前記対応するカウンタ内に記憶された前記値に基づく最上位ビットと、ii)前記対応するピクセル内に蓄積された前記残余に基づく最下位ビットとを有するデジタル値として前記読出し信号を生成するように構成された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項３】
前記最上位ビットおよび前記最下位ビットが、それぞれ前記ピクセルおよび前記読出し回路から同時に読み出される、請求項2に記載の固体画像センサ。
【請求項４】
前記光センサの各々が裏面照射型(BSI)センサである、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項５】
前記ピクセルの各々が、露光期間内に複数回リセットされるように構成された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項６】
前記読出し信号が、複数の露光期間の各々について1回前記読出し回路の各々から読み出されるように構成された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項７】
前記読出し回路が、前記ピクセルと一対一で対応する、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項８】
前記第1および第2のウェハが、1μm未満のピッチで積層され、ハイブリッド接合された、請求項1に記載の固体画像センサ。
【請求項９】
ピクセルのアレイを備える第1のウェハであって、前記ピクセルの各々が光センサを備える、第1のウェハと、読出し回路のアレイを備える第2のウェハであって、前記読出し回路の各々が比較器とカウンタとを備える、第2のウェハとを備える固体画像センサによって動作可能な方法であって、前記方法が、
複数のピクセルのうちの第1のピクセルから、対応する光センサによって受光された光の量を示す第1の値を出力するステップと、
複数の比較器のうちの第1の比較器によって、前記第1のピクセルから前記第1の値を受信するステップと、
前記第1の比較器によって、前記受信された第1の値を光センサしきい値と比較するステップと、
前記第1の比較器によって、前記第1の値が前記光センサしきい値よりも大きいかどうかを示す第2の値を出力するステップと、
複数のカウンタのうちの第1のカウンタによって、前記第1の比較器から前記第2の値を受信するステップと、
前記受信された第2の値が、前記第1の値が前記光センサしきい値よりも大きいことを示すことに応答して前記第1のカウンタをインクリメントするステップと、
複数の読出し回路のうちの第1の読出し回路を介して、露光期間内に前記第1のピクセルの前記光センサによって受光された光の量を示す読出し信号を生成するステップであって、前記読出し信号が、前記第1のカウンタ内に記憶された値と、前記第1のピクセル内に蓄積された残余とに基づく、ステップと、
前記第1のピクセルが前記光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して前記第1のピクセルをリセットするステップと
を備える方法。
【請求項１０】
露光期間の終了時に前記カウンタの各々と前記ピクセルの各々とをリセットするステップと、
前記第1の読出し回路を介して、前記露光期間の終了時に、i)前記第1のカウンタ内に記憶された前記値に基づく最上位ビットと、ii)前記第1のピクセル内に蓄積された前記残余に基づく最下位ビットとを有するデジタル値として前記読出し信号を生成するステップと
をさらに備える、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記第1のピクセルおよび前記読出し回路から、前記最上位ビットおよび前記最下位ビットをそれぞれ同時に読み出すステップをさらに備える、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記光センサの各々が裏面照射型(BSI)センサである、請求項9に記載の方法。
【請求項１３】
露光期間内に前記第1のピクセルを複数回リセットするステップをさらに備える、請求項9に記載の方法。
【請求項１４】
複数の露光期間の各々について1回前記第1の読出し回路から前記読出し信号を読み出すステップをさらに備える、請求項9に記載の方法。
【請求項１５】
前記読出し回路が、前記ピクセルと一対一で対応する、請求項9に記載の方法。
【請求項１６】
前記第1および第2のウェハが、1μm未満のピッチで積層され、ハイブリッド接合された、請求項9に記載の方法。
【請求項１７】
複数のピクセルのうちの第1のピクセルから、複数の光センサのうちの第1の光センサによって受光された光の量を示す第1の値を出力するための手段であって、前記ピクセルが画像センサの第1のウェハ上に形成された、出力するための手段と、
前記第1の値を光センサしきい値と比較するための手段と、
前記第1の値が前記光センサしきい値よりも大きいかどうかを示す第2の値を出力するための手段と、
前記第2の値が、前記第1の値が前記光センサしきい値よりも大きいことを示すことに応答して複数のカウンタのうちの第1のカウンタをインクリメントするための手段と、
露光期間内に前記第1の光センサによって受光された光の量を示す読出し信号を生成するための手段であって、前記読出し信号が、前記第1のカウンタ内に記憶された値と、前記第1のピクセル内に蓄積された残余とに基づき、前記比較するための手段、前記出力するための手段、前記インクリメントするための手段、および前記生成するための手段が、前記画像センサの第2のウェハ上に配置された、生成するための手段と、
前記第1の光センサが前記光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して前記第1のピクセルをリセットするための手段と
を備える装置。
【請求項１８】
露光期間の終了時に前記カウンタの各々と前記ピクセルの各々とをリセットするための手段と、
第1の読出し回路を介して、前記露光期間の終了時に、i)前記第1のカウンタ内に記憶された前記値に基づく最上位ビットと、ii)前記第1のピクセル内に蓄積された前記残余に基づく最下位ビットとを有するデジタル値として前記読出し信号を生成するための手段と
をさらに備える、請求項17に記載の装置。
【請求項１９】
前記第1のピクセルおよび前記第1の読出し回路から、前記最上位ビットおよび前記最下位ビットをそれぞれ同時に読み出すための手段をさらに備える、請求項18に記載の装置。
【請求項２０】
露光期間内に前記第1のピクセルを複数回リセットするための手段をさらに備える、請求項17に記載の装置。
【請求項２１】
実行されたとき、デバイスのプロセッサ回路に、
複数のピクセルのうちの第1のピクセルから、複数の光センサのうちの第1の光センサによって受光された光の量を示す第1の値を出力することであって、前記ピクセルが画像センサの第1のウェハ上に形成された、ことと、
複数の比較器のうちの第1の比較器によって、前記第1のピクセルから前記第1の値を受信することと、
前記第1の比較器によって、前記受信された第1の値を光センサしきい値と比較することと、
前記第1の比較器によって、前記第1の値が前記光センサしきい値よりも大きいかどうかを示す第2の値を出力することと、
複数のカウンタのうちの第1のカウンタによって、前記第1の比較器からの前記第2の値を受信することと、
前記第2の値が、前記第1の値が前記光センサしきい値よりも大きいことを示すことに応答して前記第1のカウンタをインクリメントすることと、
複数の読出し回路のうちの1つを介して、露光期間内に前記第1の光センサによって受光された光の量を示す読出し信号を生成することであって、前記読出し信号が、前記第1のカウンタ内に記憶された値と、前記第1のピクセル内に蓄積された残余とに基づき、前記比較器、前記カウンタ、および前記読出し回路が前記画像センサの第2のウェハ上に形成される、ことと、
前記第1の光センサが前記光センサしきい値よりも大きい光の量を受光したことに応答して前記第1のピクセルをリセットすることと
を行わせる命令を記憶している非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２２】
実行されたとき、前記プロセッサ回路に、
露光期間の終了時に前記カウンタの各々と前記ピクセルの各々とをリセットさせ、
第1の読出し回路を介して、前記露光期間の終了時に、i)前記第1のカウンタ内に記憶された前記値に基づく最上位ビットと、ii)前記第1のピクセル内に蓄積された前記残余に基づく最下位ビットとを有するデジタル値として前記読出し信号を生成させる命令をさらに記憶している、請求項21に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２３】
実行されたとき、前記プロセッサ回路に、前記第1のピクセルおよび前記第1の読出し回路から、前記最上位ビットおよび前記最下位ビットをそれぞれ同時に読み出させる命令をさらに記憶している、請求項22に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２４】
前記光センサの各々が裏面照射型(BSI)センサである、請求項21に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２５】
実行されたとき、前記プロセッサ回路に、露光期間内に前記第1のピクセルを複数回リセットさせる命令をさらに記憶している、請求項21に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【国際調査報告】
2018530250.tif 000015
2018530250.tif 000016