(57)【要約】  装置の例が開示される。いくつかの例において、装置は、フォトダイオードと、フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵するように構成された第１の電荷貯蔵ユニットであって、第１の電荷貯蔵ユニットが第１の容量を有する、第１の電荷貯蔵ユニットと、フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵するように構成された第２の電荷貯蔵ユニットであって、第２の電荷貯蔵ユニットが第１の容量よりも大きい第２の容量を有する、第２の電荷貯蔵ユニットとを含み得る。装置は、第１の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第１の量の電荷と第２の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第２の量の電荷とを測定し、第１の量の電荷を表す第１のカウントまたは第２の量の電荷を表す第２のカウントに基づいて、フォトダイオードに入射する光の強度を表すデジタル出力を生成するように構成されたアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）回路をさらに含み得る。【選択図】図８
2020526104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵するように構成された第１の電荷貯蔵ユニットであって、前記第１の電荷貯蔵ユニットが第１の容量を有する、第１の電荷貯蔵ユニットと、
前記フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵するように構成された第２の電荷貯蔵ユニットであって、前記第２の電荷貯蔵ユニットが前記第１の容量よりも大きい第２の容量を有する、第２の電荷貯蔵ユニットと、
第１の測定モードにおいて、
第１のカウンタを使用して第１のランピング電圧を生成することと、
第１の判定出力を生成するために、前記第１の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第１の量の電荷を表す第１の電圧を前記第１のランピング電圧と比較することであって、前記第１の判定出力が前記第１のカウンタにおける第１のカウントを設定する、ことと、
第２の測定モードにおいて、
第２のカウンタを使用して第２のランピング電圧を生成することと、
第２の判定出力を生成するために、前記第２の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第２の量の電荷を表す第２の電圧を前記第２のランピング電圧と比較することであって、前記第２の判定出力が前記第２のカウンタにおける第２のカウントを設定する、ことと、
前記第１のカウントまたは前記第２のカウントのいずれかに基づいて、前記フォトダイオードに入射する光の強度を表すデジタル出力を生成することと
を行うように構成されたアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）回路と
を備える装置。
【請求項２】
前記第１の電荷貯蔵ユニットと前記第２の電荷貯蔵ユニットとの間に結合された転送ゲートをさらに備え、
前記第２の測定モードにおいて、前記ＡＤＣ回路が、
前記第１の量の電荷が前記転送ゲートを通って前記第２の電荷貯蔵ユニットに移動するのを防ぐように前記転送ゲートを制御し、
第１の比較器を使用して、前記第２のカウントを生成するために、前記第２の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された前記第２の電圧を前記第２のランピング電圧と比較する
ように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の測定モードにおいて、前記ＡＤＣ回路が、
前記第１の量の電荷が前記転送ゲートを通って前記第２の電荷貯蔵ユニットに移動するのを可能にするように転送ゲートを制御し、
第２の比較器を使用して、前記第１のカウントを生成するために、前記第２の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された前記第１の電圧を前記第１のランピング電圧と比較する
ように構成された、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ＡＤＣ回路が、前記第２の測定モードと前記第１の測定モードとの間で前記第２の電荷貯蔵ユニットをリセットするように構成された、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ＡＤＣ回路が、前記第２の電荷貯蔵ユニットと、前記第１の比較器または前記第２の比較器の少なくとも１つとの間に結合された第３のキャパシタを備え、
前記第３のキャパシタが、前記第２の電荷貯蔵ユニットに導入されるリセットノイズ、または前記第１の比較器もしくは前記第２の比較器の少なくとも１つのオフセット電圧の少なくとも１つを補償するために、前記第２の電荷貯蔵ユニットの前記リセット中に電荷を貯蔵するように構成された、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の電荷貯蔵ユニットの前記第２の容量が設定可能であり、デジタル−アナログ回路が、前記第１の測定モードにおいて前記第２の容量を低減し、前記第２の測定モードにおいて前記第２の容量を増大するように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ＡＤＣ回路が、前記第２の測定モードの後に前記第１の測定モードを実行するように構成され、前記ＡＤＣ回路が、
前記第１の判定出力と前記第２の判定出力とに基づいて、前記第１のカウントまたは前記第２のカウントの一方をメモリ内に記憶することを決定し、
前記メモリ内に記憶された第１のカウントまたは第２のカウントを、前記光の前記強度を表す前記デジタル出力として提供する
ようにさらに構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１のカウンタまたは前記第２のカウンタの少なくとも１つが、それぞれ、時間に対して不均一なランピング勾配を有するように前記第１のランピング電圧または前記第２のランピング電圧の少なくとも１つを生成するように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ＡＤＣ回路が、第３の測定モードにおいて、
前記第２の電圧が固定閾値を超えるかどうかを示す第３の判定出力を生成するために前記第２の電圧を前記固定閾値と比較し、
前記第３の判定出力のタイミングに基づいて、前記フォトダイオードに入射する光の強度を表す前記デジタル出力を生成する
ようにさらに構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ＡＤＣ回路が、前記第３の測定モードにおいて、
前記フォトダイオードが電荷を前記第２の電荷貯蔵ユニットに転送できるようにした後、第３のカウンタを開始し、
前記第３の判定出力を用いて前記第３のカウンタにおける第３のカウントを設定する
ようにさらに構成され、
前記光の前記強度を表すデジタル出力が、前記第３のカウントに基づいて生成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＡＤＣ回路が、前記第２の測定モードおよび前記第１の測定モードの前に前記第３の測定モードを実行するように構成され、
前記ＡＤＣ回路が、
前記第３のカウントをメモリ内に記憶し、
前記第３の判定出力に基づいて、前記メモリ内の前記第３のカウントを前記第１のカウントまたは前記第２のカウントで上書きしないことを決定し、
前記メモリ内に記憶された第３のカウントを、前記光の前記強度を表す前記デジタル出力として提供する
ようにさらに構成された、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のカウンタが前記第２のカウンタを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の比較器が前記第２の比較器を備える、請求項３に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のカウンタが前記第３のカウンタを備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
フォトダイオードに電荷を生成させるために前記フォトダイオードを入射光に露光させることであって、前記フォトダイオードが第１の電荷貯蔵ユニットおよび第２の電荷貯蔵ユニットに結合され、前記第１の電荷貯蔵ユニットが第１の容量を有し、前記第２の電荷貯蔵ユニットが前記第１の容量よりも大きい第２の容量を有する、前記フォトダイオードを入射光に露光させることと、
第１の測定モードを実行することであって、
第１のカウンタを使用して第１のランピング電圧を生成することと、
第１の判定出力を生成するために、前記第１の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第１の量の電荷を表す第１の電圧を前記第１のランピング電圧と比較することであって、前記第１の判定出力が前記第１のカウンタにおける第１のカウントを設定する、前記第１の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第１の量の電荷を表す第１の電圧を前記第１のランピング電圧と比較することと
を備える第１の測定モードを実行することと、
第２の測定モードを実行することであって、
第２のカウンタを使用して第２のランピング電圧を生成することと、
第２の判定出力を生成するために、前記第２の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第２の量の電荷を表す第２の電圧を前記第２のランピング電圧と比較することであって、前記第２の判定出力が前記第２のカウンタにおける第２のカウントを設定する、前記第２の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第２の量の電荷を表す第２の電圧を前記第２のランピング電圧と比較することと
を備える第２の測定モードを実行することと、
前記第１のカウントまたは前記第２のカウントのいずれかに基づいて、前記入射光の強度を表すデジタル出力を生成することと
を備える方法。
【請求項１６】
前記第１の電荷貯蔵ユニットが転送ゲートを介して第２の電荷貯蔵ユニットに結合され、
前記第２の測定モードを実行することが、
前記第１の量の電荷が前記転送ゲートを通って前記第２の電荷貯蔵ユニットに移動するのを防ぐように前記転送ゲートを制御することと、
前記第２のカウントを生成するために、前記第２の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された前記第２の電圧を前記第２のランピング電圧と比較することと
をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の測定モードを実行することが、
前記第１の量の電荷が前記転送ゲートを通って前記第２の電荷貯蔵ユニットに移動するのを可能にするように前記転送ゲートを制御することと、
前記第１のカウントを生成するために、前記第２の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された前記第１の電圧を前記第１のランピング電圧と比較することと
をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のランピング電圧または前記第２のランピング電圧の少なくとも１つが、時間に対して不均一なランピング勾配を有するように生成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
第３の測定モードを実行することであって、
前記第２の電圧が固定閾値を超えるかどうかを示す第３の判定出力を生成するために前記第２の電圧を前記固定閾値と比較することと、
前記第３の判定出力のタイミングに基づいて、前記フォトダイオードに入射する光の強度を表すデジタル出力を生成することと
を備えることをさらに備え、
前記第３の測定モードが、前記第１の測定モードおよび前記第２の測定モードが実行される前に実行される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
複数のピクセルを備える装置であって、各ピクセルが、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵するように構成された第１の電荷貯蔵ユニットであって、前記第１の電荷貯蔵ユニットが第１の容量を有する、第１の電荷貯蔵ユニットと、
前記フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵するように構成された第２の電荷貯蔵ユニットであって、前記第２の電荷貯蔵ユニットが前記第１の容量よりも大きい第２の容量を有する、第２の電荷貯蔵ユニットと、
第１の測定モードにおいて、
第１のカウンタを使用して第１のランピング電圧を生成することと、
第１の判定出力を生成するために、前記第１の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第１の量の電荷を表す第１の電圧を前記第１のランピング電圧と比較することであって、前記第１の判定出力が前記第１のカウンタにおける第１のカウントを設定する、ことと、
第２の測定モードにおいて、
第２のカウンタを使用して第２のランピング電圧を生成することと、
第２の判定出力を生成するために、前記第２の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第２の量の電荷を表す第２の電圧を前記第２のランピング電圧と比較することであって、前記第２の判定出力が前記第２のカウンタにおける第２のカウントを設定する、ことと、
前記第１のカウントまたは前記第２のカウントのいずれかに基づいて、前記フォトダイオードに入射する光の強度を表すデジタル出力を生成することと
を行うように構成されたアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）回路と
を備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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を感知するフォトダイオードを含む。画像センサは、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収集するキャパシタとして構成されたフローティングノードをさらに含む。収集された電荷は、キャパシタにおいて電圧を発生させることができる。電圧は、バッファリングされ、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）に供給され得、ＡＤＣは、電圧を入射光の強度を表すデジタル値に変換することができる。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、画像センサに関する。より具体的には、限定はしないが、本開示は、ピクセルセルを形成するためのスタック構造を使用することに関する。本開示は、２つの異なる計測モードにおいて入射光の強度を測定するようにピクセルセルの回路を動作させることにも関する。
【０００４】
一例において、装置が提供される。装置は、フォトダイオードと、第１の電荷貯蔵ユニットと、第２の電荷貯蔵ユニットとを含み得る。第１の電荷貯蔵ユニットと第２の電荷貯蔵ユニットの両方は、フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵するように構成される。第１の電荷貯蔵ユニットは、第１の容量を有し、第２の電荷貯蔵ユニットは、第１の容量よりも大きい第２の容量を有する。装置は、第１の測定モードにおいて、第１のカウンタを使用して第１のランピング電圧を生成し、第１の判定出力を生成するために、第１の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第１の量の電荷を表す第１の電圧を第１のランピング電圧と比較するように構成されたアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）回路をさらに含み得、第１の判定出力は、第１のカウンタにおける第１のカウントを設定する。ＡＤＣ回路は、第２の測定モードにおいて、第２のカウンタを使用して第２のランピング電圧を生成し、第２の判定出力を生成するために、第２の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第２の量の電荷を表す第２の電圧を第２のランピング電圧と比較するようにも構成され、第２の判定出力は、第２のカウンタにおける第２のカウントを設定する。ＡＤＣ回路は、第１のカウントまたは第２のカウントのいずれかに基づいて、フォトダイオードに入射する光の強度を表すデジタル出力を生成するようにも構成される。
【０００５】
いくつかの態様において、装置は、第１の電荷貯蔵ユニットと第２の電荷貯蔵ユニットとの間に結合された転送ゲートをさらに備える。第２の測定モードにおいて、ＡＤＣ回路は、第１の量の電荷が転送ゲートを通って第２の電荷貯蔵ユニットに移動するのを防ぐように転送ゲートを制御し、第１の比較器を使用して、第２のカウントを生成するために、第２の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された第２の電圧を第２のランピング電圧と比較するように構成される。
【０００６】
いくつかの態様において、第１の測定モードにおいて、ＡＤＣ回路は、第１の量の電荷が転送ゲートを通って第２の電荷貯蔵ユニットに移動するのを可能にするように転送ゲートを制御するように構成される。ＡＤＣ回路は、第２の比較器を使用して、第１のカウントを生成するために、第２の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された第１の電圧を第１のランピング電圧と比較するようにも構成される。
【０００７】
いくつかの態様において、ＡＤＣ回路は、第２の測定モードと第１の測定モードとの間で第２の電荷貯蔵ユニットをリセットするように構成される。
【０００８】
いくつかの態様において、ＡＤＣ回路は、第２の電荷貯蔵ユニットと、第１の比較器または第２の比較器の少なくとも１つとの間に結合された第３のキャパシタを備える。第３のキャパシタは、第２の電荷貯蔵ユニットに導入されるリセットノイズ、または第１の比較器もしくは第２の比較器の少なくとも１つのオフセット電圧の少なくとも１つを補償するために、第２の電荷貯蔵ユニットのリセット中に電荷を貯蔵するように構成される。
【０００９】
いくつかの態様において、第２の電荷貯蔵ユニットの第２の容量は、設定可能である。ＡＤＣ回路は、第１の測定モードにおいて第２の容量を低減し、第２の測定モードにおいて第２の容量を増大するように構成される。
【００１０】
いくつかの態様において、ＡＤＣ回路は、第２の測定モードの後に第１の測定モードを実行するように構成される。ＡＤＣ回路は、第１の判定出力と第２の判定出力とに基づいて、第１のカウントまたは第２のカウントの一方をメモリ内に記憶することを決定し、メモリ内に記憶された第１のカウントまたは第２のカウントを、光の強度を表すデジタル出力として提供するようにさらに構成される。
【００１１】
いくつかの態様において、第１のカウンタまたは第２のカウンタの少なくとも１つは、それぞれ、時間に対して不均一なランピング勾配を有するように第１のランピング電圧または第２のランピング電圧の少なくとも１つを生成するように構成される。
【００１２】
いくつかの態様において、ＡＤＣ回路は、第３の測定モードにおいて、第２の電圧が固定閾値を超えるかどうかを示す第３の判定出力を生成するために第２の電圧を固定閾値と比較し、第３の判定出力のタイミングに基づいて、フォトダイオードに入射する光の強度を表すデジタル出力を生成するようにさらに構成される。いくつかの態様において、ＡＤＣ回路は、第３の測定モードにおいて、フォトダイオードが電荷を第２の電荷貯蔵ユニットに転送できるようにした後、第３のカウンタを開始し、第３の判定出力を用いて第３のカウンタにおける第３のカウントを設定するようにさらに構成される。光の強度を表すデジタル出力は、第３のカウントに基づいて生成され得る。
【００１３】
いくつかの態様において、ＡＤＣ回路は、第２の測定モードおよび第１の測定モードの前に第３の測定モードを実行するように構成される。ＡＤＣ回路は、第３のカウントをメモリ内に記憶し、第３の判定出力に基づいて、メモリ内の第３のカウントを第１のカウントまたは第２のカウントで上書きしないことを決定し、メモリ内に記憶された第３のカウントを、光の強度を表すデジタル出力として提供するようにさらに構成される。
【００１４】
いくつかの態様において、第１のカウンタは、第２のカウンタを備え得る。第１の比較器は、第２の比較器も備え得る。
【００１５】
別の例において、方法が提供される。方法は、フォトダイオードに電荷を生成させるためにフォトダイオードを入射光に露光させることを備え、フォトダイオードは、第１の電荷貯蔵ユニットおよび第２の電荷貯蔵ユニットに結合され、第１の電荷貯蔵ユニットは、第１の容量を有し、第２の電荷貯蔵ユニットは、第１の容量よりも大きい第２の容量を有する。方法は、第１の測定モードを実行することをさらに備える。第１の測定モードは、第１のカウンタを使用して第１のランピング電圧を生成することと、第１の判定出力を生成するために、第１の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第１の量の電荷を表す第１の電圧を第１のランピング電圧と比較することとを備え、第１の判定出力は、第１のカウンタにおける第１のカウントを設定する。方法は、第２の測定モードを実行することをさらに備える。第２の測定モードは、第２のカウンタを使用して第２のランピング電圧を生成することと、第２の判定出力を生成するために、第２の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された第２の量の電荷を表す第２の電圧を第２のランピング電圧と比較することとを備え、第２の判定出力は、第２のカウンタにおける第２のカウントを設定する。方法は、第１のカウントまたは第２のカウントのいずれかに基づいて、入射光の強度を表すデジタル出力を生成することをさらに備える。
【００１６】
いくつかの態様において、第１の電荷貯蔵ユニットは、転送ゲートを介して第２の電荷貯蔵ユニットに結合され、第２の測定モードを実行することは、第１の量の電荷が転送ゲートを通って第２の電荷貯蔵ユニットに移動するのを防ぐように転送ゲートを制御することと、第２のカウントを生成するために、第２の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された第２の電圧を第２のランピング電圧と比較することとをさらに備える。
【００１７】
いくつかの態様において、第１の測定モードを実行することは、第１の量の電荷が転送ゲートを通って第２の電荷貯蔵ユニットに移動するのを可能にするように転送ゲートを制御することと、第１のカウントを生成するために、第２の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された第１の電圧を第１のランピング電圧と比較することとをさらに備える。
【００１８】
いくつかの態様において、第１のランピング電圧または第２のランピング電圧の少なくとも１つは、時間に対して不均一なランピング勾配を有するように生成される。
【００１９】
いくつかの態様において、方法は、第３の測定モードを実行することをさらに備え得る。第３の測定モードを実行することは、第２の電圧が固定閾値を超えるかどうかを示す第３の判定出力を生成するために第２の電圧を固定閾値と比較することと、第３の判定出力のタイミングに基づいて、フォトダイオードに入射する光の強度を表すデジタル出力を生成することとを備え得る。第３の測定モードは、第１の測定モードおよび第２の測定モードが実行される前に実行され得る。
【００２０】
例示的な実施形態について、以下の図を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】ニアアイディスプレイの実施形態の図である。
【図１Ｂ】ニアアイディスプレイの実施形態の図である。
【図２】ニアアイディスプレイの断面の実施形態の図である。
【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実施形態の等角図である。
【図４】導波路ディスプレイの実施形態の断面図である。
【図５】ニアアイディスプレイを含むシステムの実施形態のブロック図である。
【図６】ピクセルセルの実施形態のブロック図である。
【図７】図６の実施形態による異なる範囲の光強度を決定するための動作を示す図である。
【図８】図６のピクセルセルの内部構成要素の例を示す図である。
【図９Ａ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図９Ｂ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図１０Ａ】量子化を実行するための技法を示す図である。
【図１０Ｂ】量子化を実行するための技法を示す図である。
【図１１】ピクセルセルの実施形態のブロック図である。
【図１２Ａ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図１２Ｂ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図１２Ｃ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図１２Ｄ】光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。
【図１３】本開示の実施形態によって達成可能な入射光強度範囲のセットにわたる信号対ノイズ比の例示的なプロットである。
【図１４】光強度を決定するためのプロセスのフローチャートの実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図は、例示のみの目的のための本開示の実施形態を示す。当業者は、以下の説明から、図示された構造および方法の代替実施形態が、本開示の原理またはうたわれ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。
【００２３】
添付の図において、同様の構成要素および／または特徴は、同じ参照ラベルを有する場合がある。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。
【００２４】
以下の説明において、説明の目的のために、特定の発明の実施形態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形態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。
【００２５】
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を感知するフォトダイオードを含む。画像センサは、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収集するキャパシタとして構成されたフローティングノードをさらに含む。収集された電荷は、キャパシタにおいて電圧を発生させることができる。電圧は、バッファリングされ、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）に供給され得、ＡＤＣは、電圧を入射光の強度を表すデジタル値に変換することができる。
【００２６】
特定の期間内にフローティングノードにおいて貯蔵された電荷の数を反映するＡＤＣによって生成されたデジタル値は、入射光の強度と相関し得る。しかしながら、相関の程度は、様々な要因によって影響を受ける可能性がある。第１に、フローティングノード内に貯蔵された電荷の量は、フローティングノードが飽和限界に達するまで、入射光の強度に直接関係し得る。飽和限界を超えると、フォトダイオードによって生成された追加の電荷を受け入れることができない場合があり、追加の電荷は漏れ、貯蔵されない場合がある。結果として、フローティングノードにおいて貯蔵された電荷の量は、フォトダイオードによって実際に生成された電荷の量よりも少なくなる場合がある。飽和限界は、画像センサの測定可能な光強度の上限を決定し得る。
【００２７】
また、様々な要因が画像センサの測定可能な光強度の下限を設定する可能性がある。例えば、フローティングノードにおいて収集された電荷は、入射光の強度に関係しないノイズ電荷を含む場合がある。ノイズ電荷の１つの原因は、暗電流である可能性があり、暗電流は、結晶学的欠陥のためにフォトダイオードのｐ−ｎ接合およびキャパシタに接続された他の半導体デバイスのｐ−ｎ接合において生成される漏洩電流である可能性がある。暗電流は、キャパシタに流れ込み、入射光の強度と相関しない電荷を追加する可能性がある。フォトダイオードにおいて生成される暗電流は、典型的には、他の半導体デバイスにおいて生成される暗電流よりも小さい。ノイズ電荷の別の原因は、他の回路との容量結合によるものである可能性がある。例えば、ＡＤＣ回路がフローティングノード内に貯蔵された電荷の量を決定するために読み取り動作を実行するとき、ＡＤＣ回路は、容量結合を介してフローティングノードにノイズ電荷を導入する可能性がある。
【００２８】
ノイズ電荷のほかにも、ＡＤＣは、電荷の量を決定する際に測定誤差を導入する可能性もある。測定誤差は、デジタル出力と入射光の強度との間の相関度を低下させる可能性がある。測定誤差の１つの原因は、量子化誤差である。量子化プロセスにおいて、電荷の量の連続セットを表すために量レベルの離散的セットが使用され得、各量レベルは、所定の電荷量を表す。ＡＤＣは、入力電荷量を量レベルと比較し、入力量に最も近い量レベルを決定し、決定された量レベルを（例えば、量レベルを表すデジタルコードの形式で）出力する。量子化誤差は、量レベルによって表される電荷の量と、量レベルにマッピングされた入力電荷量との間に不一致がある場合に発生する可能性がある。量子化誤差は、より小さい量子化ステップサイズを用いて（例えば、２つの隣接する量レベル間の電荷量の差を低減することによって）削減され得る。測定誤差の他の原因は、例えば、（例えば、ＡＤＣ回路の）デバイスノイズ、および電荷量の測定における不確実性に加わる比較器オフセットも含む場合がある。ノイズ電荷およびＡＤＣ測定誤差は、画像センサの測定可能な光強度の下限を定義する可能性がある。上限と下限との間の比率は、ダイナミックレンジを定義し、ダイナミックレンジは、画像センサに関する動作光強度の範囲を設定し得る。
【００２９】
画像は、画像センサのアレイによって提供される強度データに基づいて生成され得、各画像センサは、画像のピクセルに対応するピクセルセルを形成する。ピクセルセルのアレイは、行および列に配置され得、各ピクセルセルは、画像内の特定の場所に関連付けられたピクセルに関する強度を表す電圧を生成する。アレイ内に含まれるいくつかのピクセルは、生成される画像の解像度を決定することができる。電圧は、ＡＤＣによってデジタル強度データに変換され得、各ピクセルのデジタル強度データに基づいて画像が再構築され得る。現在の技術では、ピクセルセルのうちのいくつかは、デジタル強度データを生成するためにＡＤＣにアクセスする際に交替でやらなければならない場合がある。例えば、１行内の各ピクセルセルによって生成された電圧を同時に処理するために、ＡＤＣのセットが提供される。しかし、ピクセルセルの隣接する行は、ＡＤＣのセットにアクセスする際に交替でやらなければならない場合がある。一例において、画像を生成するために、ピクセルアレイは、各ピクセル行が強度データを順次に生成するように入射光に露光されるローリングシャッタ方式において動作され得る。例えば、画像センサの１ピクセル行が、露光期間中に入射光に露光され得る。行内の各ピクセルセルは、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に基づいて電圧を生成し、電圧をＡＤＣに転送することができる。ＡＤＣは、そのピクセル行によって受け取られた入射光の強度を表すデジタルデータのセットを生成することができる。１ピクセル行に関してデジタルデータのセットが生成された後、すべてのピクセル行が入射光に露光され、出力強度データを有するまで、デジタル強度データの別のセットを生成するために後続の露光期間において次のピクセル行が入射光に露光され得る。さらに別の例において、ピクセルの異なる行の露光時間は、いくらかの重複を有することができるが、ピクセルの各行は、依然として、フォトダイオードから生成された電圧をデジタルデータに変換する際に交替でやる必要がある。各ピクセル行のデジタル強度に基づいて画像が生成され得る。
【００３０】
画像センサは、多くの異なる用途において見いだされ得る。例として、画像センサは、デジタル撮像を提供するデジタル撮像デバイス（例えば、デジタルカメラ、スマートフォンなど）内に含まれる。別の例として、画像センサは、ウェアラブル仮想現実（ＶＲ）システムならびに／または拡張現実（ＡＲ）および／もしくは複合現実（ＭＲ）システムにおけるニアアイディスプレイの表示コンテンツを制御するまたは影響を与えるなど、デバイスの動作を制御するまたは影響を与える入力デバイスとして構成され得る。例えば、画像センサは、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ために使用され得る。物理的画像データは、例えば、物理的環境内のユーザの位置、ユーザの向き、および／またはユーザの移動経路を追跡する同時位置推定およびマッピング（ＳＬＡＭ）アルゴリズムを動作する位置追跡システムに提供され得る。画像センサは、物理的環境内のユーザとオブジェクトとの間の距離を測定するためのステレオ深度情報を含む物理的画像データを生成するためにも使用され得る。画像センサは、近赤外線（ＮＩＲ）センサとしても構成され得る。照明器が、ＮＩＲ光のパターンをユーザの眼球に投影し得る。眼球の内部構造（例えば、瞳孔）は、ＮＩＲ光から反射パターンを生成し得る。画像センサは、反射パターンの画像をキャプチャし、ユーザの注視点を決定するためにユーザの眼球の動きを追跡するシステムに画像を提供することができる。これらの物理的画像データに基づいて、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、インタラクティブ体験をユーザに提供するために、ニアアイディスプレイを介してユーザに表示するための仮想画像データを生成および更新し得る。例えば、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、ユーザの注視方向（オブジェクトにおけるユーザの関心を合図し得る）、ユーザの位置などに基づいて、仮想画像データを更新し得る。
【００３１】
ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、非常に広範囲の光強度を伴う環境において動作し得る。例えば、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、屋内環境もしくは屋外環境において、および／または、一日の異なる時間において動作することが可能である場合があり、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの動作環境の光強度は、大幅に変化し得る。さらに、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、前述のＮＩＲ眼球追跡システムも含む場合があり、眼球に損傷を与えることを防ぐために、非常に低い強度の光をユーザの眼球に投影することを必要とする場合がある。結果として、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの画像センサは、異なる動作環境に関連する非常に広い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。ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの画像センサは、ユーザの位置、向き、注視点などの追跡を可能にするために、十分な高速において画像を生成することも必要とする場合がある。比較的制限されたダイナミックレンジを有し、比較的低速において画像を生成する画像センサは、そのようなウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムには適さない場合がある。
【００３２】
本開示は、拡張されたダイナミックレンジと改善された処理速度とを提供することができるピクセルセルに関する。ピクセルセルは、フォトダイオードと、第１の電荷貯蔵ユニットと、第２の電荷貯蔵ユニットと、第１の電荷貯蔵ユニットと第２の電荷貯蔵ユニットとの間の転送ゲートと、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）回路とを含み得る。第１の電荷貯蔵ユニットと第２の電荷貯蔵ユニットの両方は、フォトダイオードによって生成された電荷を貯蔵することができ、転送ゲートは、第１の電荷貯蔵ユニットから第２の電荷貯蔵ユニットへの電荷の流れを制御することができる。例えば、転送ゲートは、フォトダイオードが入射光に露光されることにより電荷を生成するときに、第１の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された電圧がバイアス電圧によって設定された閾値を超えるまで、電荷が残留電荷として第１の電荷貯蔵ユニットにおいて最初に蓄積されるように、バイアス電圧によって制御され得る。第１の電荷貯蔵ユニットにおいて発生された電圧が閾値を超えると、（フォトダイオードによって生成された）追加の電荷が、転送ゲートを介してオーバフロー電荷として第２の電荷貯蔵ユニットに移動することができる。第１の電荷貯蔵ユニットは、フォトダイオードのデバイスキャパシタであり得る。第２の電荷貯蔵ユニットは、転送ゲートのデバイスキャパシタ、金属キャパシタ、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）キャパシタ、またはそれらの任意の組合せであり得る。第２の電荷貯蔵ユニットは、典型的には、第１の電荷貯蔵ユニットよりもはるかに大きい容量を有する。
【００３３】
ピクセルセルは、異なる測定モードが異なる光強度範囲を対象とする複数の測定モードの下で入射光測定を実行するように動作可能である。第１の電荷貯蔵ユニットが全容量に達すると予想されない低光強度範囲を対象とする第１の動作モードにおいて、ＡＤＣは、光強度を決定するために、第１の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵された残留電荷の量を測定するように動作され得る。第１の電荷貯蔵ユニットが全容量に達すると予想される中光強度範囲を対象とする第２の測定モードにおいて、ＡＤＣは、光強度を決定するために、第２の電荷貯蔵ユニット内に貯蔵されたオーバフロー電荷の量を測定するように動作され得る。さらに、第１の電荷貯蔵ユニットと第２の電荷貯蔵ユニットの両方が全容量に達すると予想される高光強度範囲を対象とする第３の測定モードにおいて、ＡＤＣは、光強度を決定するために、第２の電荷貯蔵ユニットにおけるオーバフロー電荷の蓄積率を測定するように動作され得る。
【００３４】
開示された技法は、低光強度測定と高光強度測定の両方についてピクセルセルのダイナミックレンジを拡張し、測定を表すデジタル出力を生成することができる。例えば、（高光強度範囲に関する）オーバフロー電荷の蓄積率は、光強度の合理的に正確な表現を提供し、第２の電荷貯蔵ユニットが容量制限に達した場合でも、光強度が測定されることを可能にする。したがって、画像センサの測定可能な光強度の上限は、上昇され得、ダイナミックレンジは、拡張され得る。
【００３５】
さらに、低光強度範囲について、フォトダイオードのデバイスキャパシタにおいて貯蔵された残留電荷を測定することに基づいて光強度を決定することは、光強度決定の精度を改善することもできる。上記で論じたように、フォトダイオードは、典型的には、他の半導体デバイスよりも少ない暗電流を生成する。したがって、フォトダイオードのデバイスキャパシタにおいて貯蔵された残留電荷を測定することに基づいて光強度を決定することによって、残留電荷測定（および光強度決定）の精度に対する暗電流の影響は、低減され得る。したがって、（例えば、暗電流による）より少ないノイズ電荷が導入され、そのことは、画像センサの測定可能な光強度の下限を低下させ、ダイナミックレンジをさらに拡張する。特に低強度光範囲について光強度決定の精度をさらに改善するために、可変電荷対電圧変換比、不均一量子化などの他の技法が開示されている。
【００３６】
さらに、ピクセルセル内にＡＤＣを設けることによって、ピクセルアレイの各ピクセルセルは、入射光に露光され、グローバルシャッタ動作を提供するために、同時にピクセルセルにおいて受け取られる入射光強度のデジタル表現を生成することができる。高速モーションキャプチャについて、異なる時間において動いているオブジェクトの異なる部分の画像をキャプチャするピクセルセルの行によって引き起こされるローリングシャッタ動作に関連するモーション歪み問題を回避するので、グローバルシャッタが有利である。さらに、ピクセルセルの行が露光され強度データを生成する際に交替でやる従来の手法と比較して、ピクセルセルを使用する画像生成の処理時間は、短縮され得る。したがって、開示された技法は、ダイナミックレンジを拡張するだけでなく、ピクセルセルの動作速度も増加させ、ピクセルセルのデジタル出力に依存する用途（例えば、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステム）の性能ならびにユーザ体験を改善することもできる。
【００３７】
本開示の実施形態は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムに関連して実装され得る。人工現実は、ユーザへの提示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、またはそれらのなんらかの組合せおよび／もしくは派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ、またはキャプチャされた（例えば、現実世界の）コンテンツと組合せた生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、音声、触覚フィードバック、または、それらのなんらかの組合せを含み得、それらのいずれかは、単一のチャネルもしくは複数のチャネル（観察者に立体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、いくつかの実施形態において、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、人工現実における活動を実行する）用途、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらのなんらかの組合せにも関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続された頭部装着型ディスプレイ（ＦＤＶＩＤ）、独立型ＦＤＶＩＤ、モバイルデバイスもしくはコンピューティングシステム、または、１人もしくは複数の観察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。
【００３８】
図１Ａは、ニアアイディスプレイ１００の実施形態の図である。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、１つまたは複数の画像、ビデオ、および／または音声を含む。いくつかの実施形態において、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において、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。
【００３９】
ニアアイディスプレイ１００は、フレーム１０５とディスプレイ１１０とを含む。フレーム１０５は、１つまたは複数の光学要素に結合される。ディスプレイ１１０は、ユーザがニアアイディスプレイ１００によって提示されるコンテンツを見るように構成される。いくつかの実施形態において、ディスプレイ１１０は、１つまたは複数の画像からの光をユーザの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。
【００４０】
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得、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得、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得る。
【００４１】
いくつかの実施形態において、センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００を着用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または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において、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オブジェクトのセットを追跡するために、ＳＬＡＭアルゴリズムを動作させ得る。位置追跡システムは、オブジェクトのセットに基づいて物理的環境のマップを構築および更新し、マップ内のユーザの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物理的環境のより全体的なビューを提供することができ、これは、マップの構築および更新内により多くのオブジェクトが含まれることにつながり得る。そのような配置により、物理的環境内のユーザの位置を追跡することの精度および堅牢性が改善され得る。
【００４２】
いくつかの実施形態において、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に１つまたは複数のアクティブ照明器１３０をさらに含み得る。投影された光は、異なる周波数スペクトル（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オブジェクトの画像をキャプチャする際にセンサ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／更新のためにオブジェクトを識別する際に位置追跡システムを支援するために、環境内のオブジェクトに特定のマーカを投影し得る。
【００４３】
いくつかの実施形態において、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１つまたは複数は、可視光感知用の第１のピクセルアレイと、赤外（ＩＲ）光感知用の第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）が重ねられ得、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光感知用）にも、ＩＲ光のみを通過させるフィルタが重ねられ得、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、オブジェクトの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マーカのセットをオブジェクト上に投影し得、その画像は、ＩＲピクセルアレイによってキャプチャされ得る。画像内に示されたオブジェクトの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オブジェクトの異なる部分の距離を推定し、距離に基づいてオブジェクトの立体画像を生成することができる。オブジェクトの立体画像に基づいて、システムは、例えば、ユーザに対するオブジェクト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。
【００４４】
上記で論じたように、ニアアイディスプレイ１００は、非常に広い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、屋内環境もしくは屋外環境において、および／または１日の異なる時間において動作され得る。ニアアイディスプレイ１００は、アクティブ照明器１３０がオンにされていてもいなくても動作し得る。結果として、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、ニアアイディスプレイ１００に関する異なる動作環境に関連する非常に広い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。
【００４５】
図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００の別の実施形態の図である。図１Ｂは、ニアアイディスプレイ１００を着用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の側面を示す。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１４０ａ、１４０ｂ、および１４０ｃは、（図１Ａの方向Ａと反対である）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。放射された光は、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は、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、パターンを搬送する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。
【００４６】
上記で論じたように、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必要がある場合があり、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場合がある。
【００４７】
さらに、画像センサ１２０ａ〜１２０ｄは、眼球の動きを追跡するために、高速において出力を生成できることを必要とする場合がある。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が存在する可能性がある非常に急速な動き（例えば、サッカード運動）を実行する可能性がある。ユーザの眼球の急速な動きを追跡するために、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関する短い総露光時間、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必要とする。さらに、上記で論じたように、画像センサは、低光強度を有する環境において動作できることも必要とする。
【００４８】
図２は、図１に示すニアアイディスプレイ１００の断面２００の実施形態である。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を着用しているときに、ユーザの単一の眼球２２０がアイボックス領域内に配置される場所である。例示の目的のために、図２は、眼球２２０と単一の導波路ディスプレイアセンブリ２１０とに関連する断面２００を示すが、第２の導波路ディスプレイがユーザの第２の眼球のために使用される。
【００４９】
導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、射出瞳２３０において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、１つまたは複数の屈折率を有する１つまたは複数の材料（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において、ニアアイディスプレイ１００は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０と眼球２２０との間に１つまたは複数の光学要素を含む。
【００５０】
いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、限定はしないが、積層導波路ディスプレイ、可変焦点導波路ディスプレイなどを含む、１つまたは複数の導波路ディスプレイのスタックを含む。積層導波路ディスプレイは、それぞれの単色光源が異なる色のものである導波路ディスプレイを積層することによって作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。堆積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。いくつかの構成において、堆積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。代替実施形態において、導波路ディスプレイアセンブリ２１０は、堆積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。
【００５１】
図３は、導波路ディスプレイ３００の実施形態の等角図を示す。いくつかの実施形態において、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。いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイ３００は、画像光を特定の場所に向けるなん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。
【００５２】
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。例示の目的のために、図３は、単一の眼球２２０に関連する導波路ディスプレイ３００を示すが、いくつかの実施形態において、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、画像光をユーザの別の目に提供する。
【００５３】
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の側面３７０−１上に位置する結合要素３５０に出力する。出力導波路３２０は、拡大された画像光３４０をユーザの眼球２２０に出力する光導波路である。出力導波路３２０は、第１の側面３７０−１上に位置する１つまたは複数の結合要素３５０において画像光３５５を受け取り、受け取った入力画像光３５５を方向付け要素３６０に導く。いくつかの実施形態において、結合要素３５０は、光源アセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に結合する。結合要素３５０は、例えば、回折格子、ホログラフィック格子、１つもしくは複数のカスケード型反射器、１つもしく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。
【００５４】
方向付け要素３６０は、受け取られた入力３５５が分離要素３６５を介して出力導波路３２０から分離されるように、受け取られた入力画像光３５５を分離要素３６５に向け直す。方向付け要素３６０は、出力導波路３２０の第１の側面３７０−１の一部であるか、または出力導波路３２０の第１の側面３７０−１に取り付けられる。分離要素３６５は、方向付け要素３６０が分離要素３６５に対向するように、出力導波路３２０の第２の側面３７０−２の一部であるか、または出力導波路３２０の第２の側面３７０−２に取り付けられる。方向付け要素３６０および／または分離要素３６５は、例えば、回折格子、ホログラフィック格子、１つもしくは複数のカスケード型反射器、１つもしく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。
【００５５】
第２の側面３７０−２は、ｘ次元およびｙ次元に沿った平面を表す。出力導波路３２０は、画像光３５５の内部全反射を促進する１つまたは複数の材料で構成され得る。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、ｘ次元に沿って約５０ｍｍ幅、ｙ次元に沿って３０ｍｍ長、およびｚ次元に沿って０．５〜１ｍｍ厚であり得る。
【００５６】
コントローラ３３０は、光源アセンブリ３１０のスキャン動作を制御する。コントローラ３３０は、光源アセンブリ３１０に対するスキャン命令を決定する。いくつかの実施形態において、出力導波路３２０は、拡大された画像光３４０を大きい視野（ＦＯＶ）でユーザの眼球２２０に出力する。例えば、拡大された画像光３４０は、６０度以上および／または１５０度以下の対角ＦＯＶ（ｘおよびｙにおける）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／もしくは５０ｍｍ以下の長さ、ならびに／または１０ｍｍ以上および／もしくは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。
【００５７】
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の側面３７０−１上に位置し得、例えば、（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の側面３７０−２上に位置し得、（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し得る。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得、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。
【００５８】
図４は、導波路ディスプレイ３００の断面４００の実施形態を示す。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の例において、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の側面３７０−１上に位置するピクセルセル４０２のセットを含み得る。いくつかの実施形態において、ピクセルセル４０２のセットの露出を制御するために、ピクセルセル４０２のセットと物理的環境との間に挿入された機械的シャッタ４０４が存在し得る。いくつかの実施形態において、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感知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。
【００５９】
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、露光期間において開き、ピクセルセル４０２のセットを露光することができる。露光期間中、画像センサ３７０は、ピクセルセル４０２のセットに入射する光のサンプルを取得し、ピクセルセル４０２のセットによって検出された入射光サンプルの強度分布に基づいて画像データを生成することができる。画像センサ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。
【００６０】
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。
【００６１】
光学系４１５は、光源４１０からの光を調節する１つ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／または方位を調節することを含み得る。１つまたは複数の光学構成要素は、１つまたは複数のレンズ、液体レンズ、鏡、開口、および／または格子を含み得る。いくつかの実施形態において、光学系４１５は、閾値のスキャン角度を有する光ビームのスキャンが光ビームを液体レンズの外側の領域にシフトさせる複数の電極を有する液体レンズを含む。光学系４１５（および光源アセンブリ３１０も）から放出される光は、画像光３５５と呼ばれる。
【００６２】
出力導波路３２０は、画像光３５５を受け取る。結合要素３５０は、光源アセンブリ３１０からの画像光３５５を出力導波路３２０に結合する。結合要素３５０が回折格子である実施形態において、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内で分離要素３６５に向かって（例えば、内部全反射によって）内部的に伝播するように、回折格子のピッチが選択される。
【００６３】
方向付け要素３６０は、出力導波路３２０から分離するために、画像光３５５を分離要素３６５の方に向け直す。方向付け要素３６０が回折格子である実施形態において、回折格子のピッチは、入射画像光３５５が分離要素３６５の表面に対して傾斜角において出力導波路３２０を出るように選択される。
【００６４】
いくつかの実施形態において、方向付け要素３６０および／または分離要素３６５は、構造的に類似している。出力導波路３２０を出る拡大された画像光３４０は、１つまたは複数の次元に沿って拡大される（例えば、ｘ次元に沿って延長され得る）。いくつかの実施形態において、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出する。出力導波路３２０の各々は、多色化された拡大された画像光３４０を出力するために、分離距離とともに一緒に積層され得る。
【００６５】
図５は、ニアアイディスプレイ１００を含むシステム５００の実施形態のブロック図である。システム５００は、各々が制御回路５１０に結合された、ニアアイディスプレイ１００と、撮像デバイス５３５と、入力／出力インターフェース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。
【００６６】
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、１つまたは複数の画像、ビデオ、および／または音声を含む。いくつかの実施形態において、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。いくつかの実施形態において、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。いくつかの実施形態において、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増強する。
【００６７】
ニアアイディスプレイ１００は、導波路ディスプレイアセンブリ２１０、１つもしく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。
【００６８】
ＩＭＵ５３０は、位置センサ５２５のうちの１つ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。
【００６９】
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。
【００７０】
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もしくは終了すること、またはアプリケーション内で特定のアクションを実行することであり得る。
【００７１】
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１つ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。いくつかの例において、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。いくつかの例において、制御回路は、システム５００の他の構成要素と通信可能に結合された独立型コンソールデバイスであり得る。図５に示す例において、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。
【００７２】
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、ビデオ再生アプリケーション、または他の適切なアプリケーションを含む。
【００７３】
追跡モジュール５５０は、１つまたは複数の較正パラメータを使用してシステム５００を較正し、ニアアイディスプレイ１００の位置の決定における誤差を低減するために１つまたは複数の較正パラメータを調整し得る。
【００７４】
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。
【００７５】
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。いくつかの実施形態において、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）オブジェクト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。
【００７６】
図６は、ピクセルセル６００の例を示す。ピクセルセル６００は、ピクセルアレイの一部であり得、画像のピクセルに対応するデジタル強度データを生成することができる。例えば、ピクセルセル６００は、図４のピクセルセル４０２の一部であり得る。図６に示すように、ピクセルセル６００は、フォトダイオード６０２と、残留電荷キャパシタ６０３と、シャッタスイッチ６０４と、転送ゲート６０５と、リセットスイッチ６０７と、測定キャパシタ６０８と、バッファ６０９と、ピクセルＡＤＣ６１０とを含み得る。
【００７７】
いくつかの実施形態において、フォトダイオード６０２は、Ｐ−ＮダイオードまたはＰ−Ｉ−Ｎダイオードを含み得る。シャッタスイッチ６０４、転送ゲート６０６、およびリセットスイッチ６０７の各々は、トランジスタを含むことができる。トランジスタは、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などを含み得る。シャッタスイッチ６０４は、ピクセルセル６００の露光期間を制御する電子シャッタゲートとして（図４の機械的シャッタ４０４の代わりにまたは機械的シャッタ４０４と組み合わせて）機能することができる。露光期間中、シャッタスイッチ６０４は、露光イネーブル信号６１１によって無効化され（オフにされ）得、これは、フォトダイオード６０２によって生成された電荷が残留電荷キャパシタ６０３および／または測定キャパシタ６０８に移動することを可能にする。露光期間の終わりに、シャッタスイッチ６０４は、フォトダイオード６０２によって生成された電荷をフォトダイオード電流シンク６１７に導くことが可能になる。さらに、リセットスイッチ６０７は、リセット信号６１８によって無効化される（オフにされる）ことも可能であり、これは、測定キャパシタ６０８が電荷を蓄積し、蓄積された電荷の量を反映する電圧を発生させることを可能にする。測定モードが完了した後、リセットスイッチ６０７は、測定キャパシタ６０８を次の測定のために利用可能にするために、シンク６２０を充電するために測定キャパシタ６０８において貯蔵された電荷を空にすることが可能である。
【００７８】
残留電荷キャパシタ６０３は、フォトダイオード６０２のデバイスキャパシタであり得、フォトダイオード６０２によって生成された電荷を貯蔵することができる。残留電荷キャパシタ６０３は、例えば、Ｐ−Ｎダイオード接合インターフェースにおける接合キャパシタ、またはフォトダイオード６０２に接続された他のデバイスキャパシタを含むことができる。残留電荷キャパシタ６０２がフォトダイオード６０２に近接しているため、フォトダイオード６０２によって生成された電荷は、電荷キャパシタ６０３において蓄積され得る。測定キャパシタ６０８は、転送ゲート６０６のフローティング端子におけるデバイスキャパシタ、金属キャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、またはそれらの任意の組合せであり得る。測定キャパシタ６０８は、入射光強度を表すデジタル出力を提供するためにピクセルＡＤＣ６１０によって測定され得る電荷の量を貯蔵するために使用され得る。測定キャパシタ６０８において貯蔵される電荷は、残留電荷キャパシタ６０３において蓄積されない（フォトダイオード６０２からの）オーバフロー電荷、または残留電荷キャパシタ６０３から空にされる残留電荷のいずれかであり得る。
【００７９】
ここで図７を参照し、図７は、異なる目標光強度範囲に関する残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８における電荷蓄積動作を示す。図７は、異なる光強度範囲に関する、時間に対する残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８において蓄積された（または蓄積されると予測された）電荷の総量を示す。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によって生成された総電荷を反映することができ、これは、次に、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。量は、露光期間が終了すると測定され得る。入射光の強度について低光強度範囲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について閾値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）、入射光強度は、低光強度範囲７０６内である。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）入射光強度は、中光強度範囲７０８内である。総蓄積電荷が閾値７０４を超える場合、入射光強度は、高光強度範囲７１０内である。
【００８０】
閾値７０２および７０４は、入射光強度が低光強度範囲７０６または中光強度範囲７０８のいずれかの範囲内にあるときにキャパシタにおける蓄積電荷の量が入射光強度と相関することを保証するために、残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８における電荷の蓄積を制御するように設定され得る。例えば、閾値７０２および７０４は、残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８の容量未満に設定され得る。上記で論じたように、残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８が全容量に達すると、キャパシタは、電荷を漏出し始め、キャパシタにおいて発生された電圧は、露光期間中にフォトダイオード６０２によって生成された電荷の総数を正確に表さないか、または反映しない場合がある。閾値７０２および７０４を残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８の容量未満に設定することによって、電流漏れによって引き起こされる測定誤差が回避され得る。いくつかの例において、閾値７０２は、２０００ｅ−（２０００電荷）に設定され得、閾値７０４は、６３０００ｅ−（６３０００電荷）に設定され得る。
【００８１】
残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８における電荷の蓄積は、閾値７０２および７０４によって制御され得る。例えば、低光強度範囲７０６内に入る入射光強度は、残留電荷キャパシタ６０３において蓄積された総電荷に基づき得る。残留電荷キャパシタ６０３が露光期間の終わりにまだ満杯ではないと仮定すると、残留電荷キャパシタ６０３において蓄積された総電荷は、露光期間中にフォトダイオード６０２によって生成された総電荷を反映することができ、入射光強度を決定するために使用され得る。残留電荷キャパシタ６０３において蓄積された総電荷が閾値７０２を超えると、フォトダイオード６０２によって生成された追加の電荷は、オーバフロー電荷として測定キャパシタ６０８に迂回され得る。測定キャパシタ６０８が露光期間の終わりにまだ満杯でないと仮定すると、測定キャパシタ６０８において蓄積された総オーバフロー電荷も、露光期間中にフォトダイオード６０２によって生成された総電荷を反映することができ、（中光強度範囲７０８内に入る）入射光強度を決定するために使用され得る。
【００８２】
一方、入射光強度が高光強度範囲７１０内にある場合、測定キャパシタ６０８において蓄積された総オーバフロー電荷は、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、測定キャパシタ６０８は、露光期間の終了前に総容量に達する場合があり、電荷漏れが生じる場合がある。総容量に達する測定キャパシタ６０８によって引き起こされる測定誤差を回避するために、測定キャパシタ６０８における総オーバフロー電荷が閾値７０４に達するのにかかる持続時間を測定するために、飽和までの時間測定が実行される。測定キャパシタ６０８における電荷蓄積率は、閾値７０４と飽和までの時間との間の比に基づいて決定され得、（キャパシタが無限の容量を有する場合に）露光期間の終わりに測定キャパシタ６０８において蓄積され得る仮定の電荷量（Ｑ３）は、電荷蓄積率に従って外挿法によって決定され得る。仮定の電荷量（Ｑ３）は、高光強度範囲７１０内の入射光強度の合理的に正確な表現を提供することができる。
【００８３】
図６に戻って参照すると、転送ゲート６０６は、上記で説明したように、異なる光強度範囲について、残留電荷キャパシタ６０３および測定キャパシタ６０８における電荷蓄積を制御するために測定制御信号６１２によって制御され得る。例えば、低光強度範囲７０６について、転送ゲート６０６は、部分的にオンにされた状態において動作するように制御され得る。露光期間中、転送ゲート６０６のゲート電圧は、残留電荷キャパシタ６０３における総蓄積電荷が閾値７０２に達したときに残留電荷キャパシタ６０３において発生される電圧に基づいて設定することができる。そのような構成によって、フォトダイオード６０２によって生成された電荷は、蓄積電荷の量が閾値７０２に達するまで、最初に残留電荷キャパシタ６０３内に貯蔵される。露光期間が終了する直前に、転送ゲート６０６は、残留電荷キャパシタ６０３内に貯蔵された電荷を測定キャパシタ６０８に移動させるために、完全にオンにされた状態において動作するように制御され得る。電荷転送の終わりに、転送ゲート６０６は、測定キャパシタ６０８内に貯蔵された電荷を保存するために、完全にオフにされた状態において動作するように制御され得る。その時点で、測定キャパシタ６０８内に貯蔵された電荷は、残留電荷キャパシタ６０３内に貯蔵された電荷を表し得、入射光強度を決定得るために使用され得る。一方、中光強度範囲７０８および高光強度範囲７１０について、転送ゲート６０６が依然として部分的にオンにされた状態にあり、残留電荷キャパシタ６０３内に貯蔵された電荷がまだ測定キャパシタ６０８に転送されていない場合、測定キャパシタ６０８内に蓄積されたオーバフロー電荷も、露光期間が終了する直前に測定され得る。
【００８４】
測定キャパシタ６０８において蓄積された電荷は、アナログ出力ノード６１４においてアナログ電圧の複製（しかし、より大きい駆動強度を有する）を生成するために、バッファ６０９によって感知され得る。アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧は、ピクセルＡＤＣ６１０によって（例えば、論理的な１と０とを備える）デジタルデータのセットに変換され得る。測定キャパシタ６０８において発生されたアナログ電圧は、サンプリングされ得、デジタル出力が、（例えば、中光強度範囲７０８および高光強度範囲７１０について）露光期間の終了前、または（低光強度範囲７０６について）露光期間後に生成され得る。デジタルデータは、露光期間中の光強度を表すために、ピクセル出力バス６１６のセットによって、例えば、図５の制御回路５１０に送信され得る。
【００８５】
いくつかの例において、測定キャパシタ６０８の静電容量は、低光強度範囲に関する光強度決定の精度を改善するように構成可能であり得る。例えば、測定キャパシタ６０８が残留電荷キャパシタ６０３において貯蔵された残留電荷を測定するために使用される場合、測定キャパシタ６０８の静電容量は、低減され得る。測定キャパシタ６０８の静電容量の低減は、貯蔵された電荷の特定の量に対してより高い電圧が発生され得るように、測定キャパシタ６０８における電荷−電圧変換比を増加させることができる。より高い電荷−電圧変換比は、低光強度決定の精度に対するピクセルＡＤＣ６１０によって導入される測定誤差（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、ピクセルＡＤＣ６１０によって検出および／または区別され得る最小電圧差に対する制限を設定することができる。電荷−電圧変換比を増加させることによって、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６００による測定可能な光強度の下限を低減し、ダイナミックレンジを拡張する。一方、中光強度について、測定キャパシタ６０８が、例えば、閾値７０４によって定義される量までの電荷量を貯蔵するのに十分な容量を有することを保証するために、測定キャパシタ６０８の静電容量は、増加され得る。
【００８６】
図８は、ピクセルＡＤＣ６１０の内部構成要素の例を示す。図８に示すように、ピクセルＡＤＣ６１０は、閾値生成器８０２と、比較器８０４と、デジタル出力生成器８０６とを含む。デジタル出力生成器８０６は、カウンタ８０８とメモリデバイス８１０とをさらに含み得る。カウンタ８０８は、自走クロック信号８１２に基づいてカウント値のセットを生成することができ、メモリ８１０は、カウンタ８０８によって生成されたカウント値のうちの少なくともいくつか（例えば、最新のカウント値）を記憶することができる。いくつかの実施形態において、メモリ８１０は、カウンタ８０８の一部であり得る。メモリ８１０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。閾値生成器８０２は、デジタル値のセットを受け入れ、デジタル値のセットを表す基準電圧（ＶＲＥＦ）８１５を出力することができるデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）８１３を含む。以下でより詳細に論じるように、閾値生成器８０２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８０８の出力８１４を受け入れ得る。
【００８７】
図８は、ＤＡＣ８１３（および閾値生成器８０２）がピクセルＡＤＣ６１０の一部であることを示しているが、ＤＡＣ８１３（および閾値生成器８０２）は、異なるピクセルセルからの複数のデジタル出力生成器８０６と結合され得ることが理解される。さらに、デジタル出力生成器８０６は、デジタル値を生成するために複数のピクセルセル間で共有もされ得る。
【００８８】
比較器８０４は、アナログ出力ノード６１４において発生されたアナログ電圧を、閾値生成器８０２によって提供された閾値と比較し、比較結果に基づいて判定８１６を生成することができる。例えば、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧が閾値生成器８０２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８０４は、判定８１６のための論理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８０４は、判定８１６のための論理ゼロを生成することもできる。判定８１６は、入射光強度決定のためのアナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の量子化処理と同様に、アナログ出力ノード６１４におけるランピングアナログ電圧の前述の飽和の時間測定を実行するために、カウンタ８０８のカウント動作および／またはメモリ８１０内に記憶されたカウント値を制御することができる。
【００８９】
図９Ａは、ピクセルＡＤＣ６１０による飽和までの時間測定の例を示す。飽和までの時間測定を実行するために、閾値生成器８０２は、固定ＶＲＥＦ８１５を生成するためにＤＡＣ８１３を制御することができる。固定ＶＲＥＦ８１５は、中光強度範囲と高光強度範囲との間の電荷量閾値（例えば、図７の閾値７０４）に対応する電圧において設定され得る。カウンタ８０８は、露光期間が開始した直後（例えば、シャッタスイッチ６０４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、実装形態に応じてランプアップ）すると、クロック信号８１２は、カウンタ８０８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８０４による判定８１６を反転させる。判定８１６の反転は、カウンタ８０８のカウントを停止し得、カウンタ８０８におけるカウント値は、飽和までの時間を表し得る。以下でより詳細に論じるように、測定キャパシタ６０８における電荷蓄積率は、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。
【００９０】
図９Ｂは、ピクセルＡＤＣ６１０によってアナログ電圧を量子化する例を示す。測定が開始した後、ＤＡＣ８１３は、実装形態に応じて（図９Ｂの例において）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ＶＲＥＦ８１５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。図９Ｂの例において、量子化プロセスは、ＶＲＥＦ８１５がクロック信号８１２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。ＶＲＥＦ８１５の増加（または減少）の量は、量子化ステップに対応する。ＶＲＥＦ８１５がアナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の１つの量子化ステップ内に達すると、比較器８０４による判定８１６が反転する。判定８１６の反転は、カウンタ８０８のカウントを停止し得、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、測定キャパシタ６０８において貯蔵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ることができる。上記で論じたように、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）露光期間後に起こることができる。
【００９１】
上記で論じたように、ＡＤＣ６１０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、ＡＤＣ６１０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、ＡＤＣ６１０は、量子化誤差を導入する可能性がある。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の例において、量子化誤差は、クロックサイクルごとのＶＲＥＦ８１５における増加（または減少）量によって低減され得る。
【００９２】
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が、量子化ステップがどれくらい低減され得るかを制限する場合がある。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、増加する場合がある。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場合がある（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、追加のバスがピクセル出力バス６１６に追加されることを必要とする場合があり、これは、ピクセルセル６００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、実行可能ではない場合がある。さらに、より多数の量子化ステップサイズでは、ＡＤＣ６１０は、（１つの量子化ステップと）一致する量子化レベル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する必要があり場合があり、これは、増加した処理能力消費および時間と、画像データを生成する低減したレートとにつながる。低減したレートは、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。
【００９３】
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方式を用いることによるものである。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に関する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に関するマッピングを示し、実線は、均一量子化プロセスに関するマッピングを示す。均一量子化プロセスについて、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ついて同一である。対照的に、不均一量子化プロセスについて、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、低入力電荷量に関する量子化ステップサイズ（ΔＳによって示される）は、大入力電荷量に関する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、同じ低入力電荷量について、不均一量子化プロセスに関する量子化ステップサイズ（ΔＳ）は、均一量子化プロセスに関する量子化ステップサイズ（Δ１）よりも小さくされ得る。（注：図１０Ａにおいてタイプミスがあり、「均一がない」の代わりに「不均一」にすべきである）
【００９４】
不均一量子化方式を用いることの１つの利点は、次に低入力電荷量を量子化するための量子化誤差を低減する、低入力電荷量を量子化するための量子化ステップが低減され得ること、ならびに、ＡＤＣ６１０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、低減された量子化誤差は、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、高入力電荷量について増加されるが、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、電荷の測定に導入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、同じままであり得（または低減さえされ）、量子化ステップの数を増加させること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。
【００９５】
図１０Ｂは、不均一量子化プロセスを使用してピクセルＡＤＣ６１０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用いる）図９Ｂと比較すると、ＶＲＥＦ８１５は、最初はより緩やかな勾配で、後により急峻な勾配で、各クロックサイクルについて非線形的に増加する。勾配における違いは、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について、量子化ステップは、より小さくされ、したがって、ＶＲＥＦ８１５は、より遅いレートにおいて増加する。（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について、量子化ステップは、より大きくされ、したがって、ＶＲＥＦ８１５は、より高いレートにおいて増加する。ＶＲＥＦ８１５における一様でない量子化ステップは、異なる方式を使用して導入され得る。例えば、上記で論じたように、ＤＡＣ８１３は、（カウンタ８０８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。ＤＡＣ８１３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）間の出力電圧における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。別の例として、カウンタ８０８は、一様でない量子化ステップを生成するために、同じカウントステップだけ増加または減少させる代わりに、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。いくつかの例において、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用いられ得る。
【００９６】
ここで、図１１を参照し、図１１は、図６のピクセル６００の実施形態であり得るピクセルセル１１００の例を示す。図１１の例において、ＰＤは、フォトダイオード６０２に対応することができ、トランジスタＭ０は、シャッタスイッチ６０４に対応することができ、トランジスタＭ１は、転送ゲート６０６に対応することができ、トランジスタＭ２は、リセットスイッチ６０７に対応することができる。さらにＰＤＣＡＰは、残留電荷キャパシタ６０３に対応することができ、ＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタの組合せは、測定キャパシタ６０８に対応することができる。測定キャパシタ６０８の静電容量は、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、測定キャパシタ６０８は、ＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタの組み合わされた静電容量を提供する。ＬＧが無効にされている場合、ＣＥＸＴキャパシタは、並列の組合せから切断され得、測定キャパシタ６０８は、ＣＯＦキャパシタ（他の寄生静電容量を加えた）のみを備える。上記で論じたように、測定キャパシタ６０８の静電容量は、低光強度決定のための電荷−電圧変換比を増加させるために低減され得、中光強度決定のための必要な容量を提供するために増加され得る。
【００９７】
ピクセルセル１１００は、バッファ６０９の例とピクセルＡＤＣ６１０の例とをさらに含む。例えば、トランジスタＭ３およびＭ４は、ＣＯＦキャパシタにおいて（またはＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタにおいて）貯蔵された電荷の量を表すＯＦノードにおいて発生されたアナログ電圧をバッファリングする図６のバッファ６０９であり得るソースフォロワを形成する。さらに、ＣＣキャップ、比較器１１１０、トランジスタＭ５、ＮＯＲゲート１１１２は、メモリ８１０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ＡＤＣ６１０の一部であり得る。上記で説明したように、量子化は、ＯＦノードにおいて発生されたアナログ電圧とＶＲＥＦとの間の比較器１１１０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６０９の出力を追跡するＶＩＮ電圧を（比較器１１１０の一方の入力において）生成するように構成され、ＶＲＥＦと比較するために比較器１１１０にＶＩＮ電圧を提供する。ＶＲＥＦは、（高光強度範囲のための）飽和の時間測定のための静的電圧、または（低および中光強度範囲のための）アナログ電圧の量子化のためのランピング電圧であり得る。ＡＤＣコード入力は、自走カウンタ（例えば、カウンタ８０８）によって生成され得、比較器１１１０によって生成された比較結果は、メモリ８１０内に保存され、入射光強度のデジタル表現として出力されるＡＤＣコード入力を決定することができる。いくつかの例において、低および中光強度決定のためのＶＲＥＦの生成は、図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて論じたように不均一量子化方式に基づき得る。
【００９８】
ピクセルセル１１１０は、上記で論じた技法に加えて、入射光強度決定の精度をさらに改善することができる技法を含む。例えば、ＣＣキャップとトランジスタＭ５との組合せは、比較器１１１０の精度が改善され得るように、比較器１１１０によって導入される測定誤差（例えば、比較器オフセット）、ならびに、比較器１１１０に導入される他の誤差信号を補償するために使用され得る。ノイズ信号は、例えば、リセットスイッチ６０７によって導入されるリセットノイズ電荷、ソースフォロワ閾値不整合によるバッファ６０９の出力におけるノイズ信号などを含み得る。トランジスタＭ２とＭ５の両方が有効にされている場合、比較器オフセットならびに誤差信号を反映する電荷量がリセット段階中にＣＣにおいて保存され得る。保存された電荷によってリセット段階中にＣＣキャップにわたって電圧差も発生される可能性がある。測定段階中、ＣＣキャップにわたる電圧差は、維持される可能性があり、ＣＣキャップは、ＶＩＮを生成するために、電圧差を減算（または加算）することによってバッファ６０９の出力電圧を追跡することができる。結果として、ＶＩＮ電圧は、測定誤差および誤差信号に対して補正され得、これは、ＶＩＮとＶＲＥＦとの間の比較とそれに続く量子化の精度を改善する。
【００９９】
いくつかの例において、ピクセルセル１１００は、３段階測定プロセスにおいて動作され得る。３つの段階の各々は、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）のうちの１つに対応することができる。各相において、ピクセルセル１１００は、対応する光強度範囲を対象とする計測モードにおいて動作され、比較器１１１０の出力に基づいて、入射光強度が対応する入射光強度範囲内に入るかどうかを決定することができる。入射光強度が対応する光強度範囲内に入る場合、ピクセルセル１１００は、（カウンタ８０８からの）ＡＤＣコード入力をメモリ８１０にラッチし、後続の測定段階がメモリ８１０を上書きするのを防ぐために、メモリに（ＦＬＡＧ信号とＦＬＡＧ２信号の組合せを使用して）ロックをかけることができる。３段階測定プロセスの終わりに、メモリ８１０内に保存されたＡＤＣコード入力は、次いで、入射光強度を表すデジタル出力として提供され得る。
【０１００】
ここで図１２Ａ〜図１２Ｄを参照し、図１２Ａ〜図１２Ｄは、時間に対する３段階測定プロセスに関するピクセルセル１１００の制御信号の変化を示す。図１２Ａを参照すると、Ｔ０とＴ１との間の時間期間は、第１のリセット段階に対応し、Ｔ１とＴ４との間の時間期間は、露光期間に対応する。露光期間内で、Ｔ１とＴ２との間の時間期間は、高光強度範囲（例えば、高光強度範囲７１０）のための測定の第１の段階に対応し、Ｔ２とＴ３との間の時間期間は、中光強度範囲（例えば、中光強度範囲７０８）のための測定の第２の段階に対応し、Ｔ３とＴ４との間の時間期間は、第２のリセット段階に対応する。さらに、Ｔ４とＴ５との間の時間期間は、低光強度範囲（例えば、低光強度範囲７０６）のための測定の第３の段階に対応する。ピクセルセル１１００は、時間Ｔ５において入射光強度を表すデジタル出力を提供することができ、次いで、次の３段階測定プロセスを開始することができる。
【０１０１】
図１２Ａに示すように、Ｔ０とＴ１との間の時間期間中、ＲＳＴ１信号とＲＳＴ２信号の両方、ならびに、ＬＧ信号、ＴＸ信号、およびシャッタ信号がアサートされる。結果として、ＰＤＣＡＰキャパシタ、ＣＥＸＴキャパシタ、およびＣＯＦキャパシタ内に貯蔵された電荷は、除去される。さらに、フォトダイオードＰＤによって生成された電荷は、トランジスタＭ０によって迂回されるので、キャパシタに電荷が追加されない。さらに、比較器１１１０もリセット段階にあり、ＣＣキャパシタは、Ｍ２によって導入されるリセットノイズ、比較器オフセット、バッファ６０９の閾値不整合などを反映する電荷を貯蔵する可能性がある。期間の終わりに向かって、ＴＸゲートは、ＰＤＣＡＰにおける所定の数の電荷（例えば、閾値７０２）をトラップするために、閾値レベルにおいてバイアスされる。閾値レベルは、所定の数の電荷に対応する電圧に基づいて設定され得る。
【０１０２】
Ｔ１とＴ２との間の時間期間中、シャッタ信号は、デアサートされ、ＬＧ信号は、アサートされたままであり、これは、ＰＤフォトダイオードによって生成された電荷がＰＤキャパシタに流れ込み、ＰＤキャパシタがＴＸによって設定された閾値レベルを超える場合、ＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタに流れ込むことを可能にする。図１２Ｂは、その時間期間中にＡＤＣ６１０によって実行される測定動作を示す。図１２Ｂに示すように、ＡＤＣ６１０は、飽和までの時間測定を実行することができ、ＯＦノードにおけるアナログ電圧（ＶＩＮ）のバッファリングされ誤差補償されたバージョンは、カウンタ８０８が自走している間、閾値７０４の電荷量を表す閾値電圧と比較され得る。ＣＯＦキャパシタおよびＣＥＸＴキャパシタにおいて貯蔵された総電荷が（ＯＦノード電圧に基づく）閾値７０４を超える場合、比較器１１１０は、トリップし、トリップ時にカウンタ８０８によって生成されたカウント値は、メモリ８１０に記憶され得る。カウンタ１１１０のトリップはまた、ＦＬＡＧ＿１を記憶するレジスタに１の値を記憶させる。非ゼロＦＬＡＧ＿１は、ＮＯＲゲートへの他の入力に関係なくＮＯＲゲート１１１２の出力をローのままにすることができ、メモリをロックし、後続の測定段階がカウンタ８０８を上書きするのを防ぐことができる。一方、比較器１１１０がＴ１とＴ２との間の時間期間中に決してトリップしない場合、これは、入射光強度が高光強度範囲よりも低いことを示し、ＦＬＡＧ＿１は、ゼロにとどまる。後続の測定段階によって更新され得るＦＬＡＧ＿２は、比較器１１１０がトリップするかどうかに関係なくゼロにとどまる。
【０１０３】
測定の第２の段階に対応するＴ２とＴ３との間の時間期間中、ＯＦノードにおけるアナログ電圧は、ＡＤＣ６１０によって量子化され得る。図１２Ｃは、その時間期間中にＡＤＣ６１０によって実行される測定動作を示す。図１２Ｃに示すように、ＯＦノードにおけるアナログ電圧（ＶＩＮ）のバッファリングされ誤差補償されたバージョンと比較されるように、比較器１１１０にランピングＶＲＥＦが供給され得る。図１２Ｃは、均一量子化ステップに対応するランピングＶＲＥＦを示すが、ランピングＶＲＥＦは、図１０Ｂに関して説明したように不均一量子化プロセスに対応する不均一な傾斜も含むことができることが理解される。測定の第２段階は、Ｔ３において終了し、そのときまでに、中入射光範囲全体を表すＡＤＣ入力コードは、循環されている。ランピングＶＲＥＦがＶＩＮと一致する場合（１量子化ステップ内）、比較器１１１０は、トリップし、（ＦＬＡＧ＿１のゼロ値によって示されているように）メモリが測定の第１段階によってロックされていない場合、トリップ時にカウンタ８０８によって生成されたカウント値は、メモリ８１０に記憶され得る。メモリがロックされている場合、カウント値は、メモリ８１０に記憶されない。一方、メモリがロックされていない場合、トリップ時にカウンタ８０８によって生成されたカウント値は、メモリ８１０に記憶され得、メモリは、ＦＬＡＧ＿２を記憶するレジスタに１の値を書き込むことによってロックされ得る。
【０１０４】
Ｔ３とＴ４との間の時間期間の開始時に、ＲＳＴ１信号とＲＳＴ２信号の両方が第２のリセット段階のために再びアサートされ得る。第２のリセット段階の目的は、ＣＥＸＴキャパシタとＣＯＦキャパシタをリセットし、（低光強度範囲のための）測定の第３段階においてＰＤＣＡＰキャパシタから転送された電荷を貯蔵するためのＣＯＦキャパシタを準備することである。ＬＧ信号はまた、ＣＯＦキャパシタからＣＥＸＴキャパシタを切断し、測定キャパシタ６０８の静電容量を低減するためにデアサートされ得る。静電容量の縮小は、上記で論じたように、低光強度決定を改善するために電荷−電圧変換比を増加させることである。比較器１１１０もリセット状態にされ、そこで、ＣＣキャップは、ＣＥＸＴキャパシタおよびＣＯＦキャパシタをリセットすることによって生成されたノイズ電荷を貯蔵するために使用され得る。時間Ｔ４に向かって、リセットが完了した後、ＲＳＴ１信号およびＲＳＴ２信号は、デアサートされ、バイアスＴＸは、トランジスタＭ１を完全にオンにするために増加することができる。ＰＤキャップ内に貯蔵された電荷は、次いで、Ｍ１を介してＣＯＦキャパシタに移動することができる。
【０１０５】
Ｔ４とＴ５との間の時間期間中、測定の第３段階が低光強度範囲に対して実行される。その期間中、シャッタ信号は、露光期間を終了させるためにアサートされ、ＴＸ信号は、測定の時間中にＣＯＦキャパシタが露光期間中にＰＤＣＡＰキャパシタ内に貯蔵された電荷のみを貯蔵することを保証するために、ＰＤＣＡキャパシタおよびＰＤフォトダイオードをＣＯＦキャパシタから切断するためにデアサートされる。図１２Ｄは、その時間期間中にＡＤＣ６１０によって実行される測定動作を示す。図１２Ｄに示すように、ＯＦノードにおけるアナログ電圧（ＶＩＮ）のバッファリングされ誤差補償されたバージョンと比較されるように、比較器１１１０にランピングＶＲＥＦが供給され得る。図１２Ｄは、均一量子化ステップに対応するランピングＶＲＥＦを示すが、ランピングＶＲＥＦは、図１０Ｂに関して説明したように不均一量子化プロセスに対応する不均一な傾斜も含むことができることが理解される。測定の第３段階は、Ｔ５において終了し、そのときまでに、低入射光範囲全体を表すＡＤＣ入力コードは、循環されている。図１２Ｄに示すように、ランピングＶＲＥＦがＶＩＮと一致する場合（１量子化ステップ内）、比較器１１１０は、トリップし、（ＦＬＡＧ＿１およびＦＬＡＧ＿２のゼロ値によって示されているように）メモリが測定の第１および第２段階によってロックされていない場合、トリップ時にカウンタ８０８によって生成されたカウント値は、メモリ８１０に記憶され得る。メモリがロックされている場合、カウント値は、メモリ８１０に記憶されない。メモリ８１０内に記憶されたカウント値は、次いで、入射光強度を表すデジタル出力として提供され得る。
【０１０６】
図１３は、本開示の実施形態によって達成可能な入射光強度範囲のセットにわたる信号対ノイズ比の例示的なプロットである。信号対ノイズ比（ＳＲ）は、入射光強度を表す信号電力とノイズ電力との間の比に基づいて決定され得る。ノイズ電力は、例えば、暗電流によって生成されたノイズ電荷、スイッチングノイズ（例えば、読み取りノイズ）、デバイスノイズ（例えば、ショットノイズ）、ならびに、例えば、量子化誤差、比較器オフセット、デバイス不整合などを含む信号電力の測定において導入される誤差を含むことができる。図１３に示すように、ＳＮＲプロットは、光強度範囲全体にわたって、および隣接する強度範囲間で滑らかで連続的にされ得る。ＳＮＲプロットの滑らかさは、ピクセルセルのパフォーマンスにおける予測可能性を確保するために望ましい。この例において、デバイスノイズ（例えば、ショットノイズおよび暗電流）が入射光強度範囲のセット全体を通して他のノイズ（例えば、量子化誤差、リセットノイズなどの測定誤差によって生成されるノイズ）を主に支配しているので、ＳＮＲプロットは、滑らかにされ得る。それらのノイズは、低光強度測定のための電荷−電圧変換比を増加すること、不均一量子化、ならびに、比較器オフセット、デバイス不整合、リセットノイズなどのための補償方式などの、開示された技法を使用して低減され得る。
【０１０７】
図１４は、ピクセルセル（例えば、ピクセルセル６００、ピクセルセル１１００など）における入射光強度を決定するためのプロセス１４００のフローチャートの実施形態を示す。プロセス１４００は、ピクセルセル６００およびピクセルセル１１００の様々な構成要素とともにコントローラによって実行され得る。プロセス１４００は、フォトダイオードが残留電荷キャパシタおよび／または測定キャパシタに電荷を転送することができる露光モードにおいてピクセルセルが動作されるステップ１４０２において開始する。ステップ１４０４において、ピクセルセルは、第１の判定と、カウンタにおける第１のカウントとを生成するために、測定キャパシタにおいて発生された電圧を固定閾値電圧と比較するように動作され得る。ステップ１４０４は、高光強度範囲を対象とする第１の測定段階であり得、第１のカウントは、飽和の時間測定を表すことができる。第１の判定が肯定的である場合（ステップ１４０６）、ピクセルセルは、ステップ１４０８に進み、第１のカウントをメモリ内に記憶し、次いで、第１のフラグ（例えば、ＦＬＡＧ＿１）をアサートすることによってメモリをロックし、次いで、第２の測定段階を実行するためにステップ１４１０に進むことができる。第１の判定が否定的である場合、ピクセルセルは、第２の測定段階を実行するためにステップ１４１０に直接進むこともできる。
【０１０８】
ステップ１４０８において、ピクセルセルは、第２の判定と、カウンタにおける第２のカウントとを生成するために、測定キャパシタにおいて発生された電圧を第１のランピング電圧と比較するように動作される。ステップ１４０８は、中光強度範囲のための第２の測定段階であり得る。ピクセルセルは、次いで、ステップ１４１２において、第２の判定が肯定的であるかどうかと、（例えば、第１のフラグＦＬＡＧ＿１がデアサートされたままであることに基づいて）メモリがロックされていないかどうかとを決定することができる。第２の判定が肯定的であり、メモリがロックされていない場合、ピクセルセルは、ステップ１４１４に進み、第２のカウントをメモリ内に記憶し、第２のフラグ（例えば、ＦＬＡＧ＿２）をアサートすることによってメモリをロックし、次いで、第２の測定段階を実行するためにステップ１４１６に進むことができる。第１の判定が肯定的ではない場合、ピクセルセルは、第３の測定段階を実行するためにステップ１４１６に直接進むこともできる。
【０１０９】
ステップ１４１６において、第３の測定段階の一部として、ピクセルセルは、貯蔵された電荷を空にするために測定キャパシタをリセットすることができる。ピクセルセルは、ステップ１４１８において、電荷−電圧変換比を増加させるために測定キャパシタの静電容量を低減することもできる。ステップ１４２０において、ピクセルセルは、フォトダイオードの残留電荷キャパシタ内に貯蔵された残留電荷を測定キャパシタに転送することができる。ピクセルセルは、次いで、第３の判定と、カウンタにおける第３のカウントとを生成するために、測定キャパシタにおいて発生された電圧を第２のランピング電圧と比較するためにステップ１４２２に進む。ピクセルセルは、次いで、ステップ１４２４において、第３の判定が肯定的であるかどうかと、（例えば、第１のフラグＦＬＡＧ＿１および第２のフラグＦＬＡＧ＿２のいずれか１つがアサートされているかどうかに基づいて）メモリがロックされていないかどうかとを決定することができる。第３の判定が肯定的であり、メモリがロックされていない場合、ピクセルセルは、ステップ１４２６において第３のカウントをメモリ内に記憶し、次いで、メモリ内に記憶されたカウント値を出力するためにステップ１４２８に進む。一方、第３の判定が肯定的ではないか、またはメモリがロックされている場合、ピクセルセルは、メモリ内に記憶された（第１のカウントまたは第２のカウントのうちの１つであり得る）カウント値を出力するために、ステップ１４２８に直接進む。
【０１１０】
本開示の実施形態の前述の説明は、例示の目的のために提示されており、網羅的であること、または本開示を開示された正確な形態に限定することを意図していない。当業者は、上記の開示に照らして多くの修正および変形が可能であることを理解することができる。
【０１１１】
この説明のいくつかの部分は、情報に対する動作のアルゴリズムおよび記号表現に関して本開示の実施形態を説明している。これらのアルゴリズムの説明および表現は、当業者の仕事の実質を他の当業者に効果的に伝えるために、データ処理における当業者によって一般的に使用される。これらの動作は、機能的、計算的、または論理的に説明されているが、コンピュータプログラム、または同等の電気回路、マイクロコードなどによって実装されると理解される。さらに、一般性を失うことなく、これらの動作の配置をモジュールと呼ぶことがときには便利であることもわかっている。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体化され得る。
【０１１２】
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、１つまたは複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュールを用いて実行または実装され得る。いくつかの実施形態において、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。
【０１１３】
本開示の実施形態は、説明した動作を実行するための装置にも関係し得る。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。そのようなコンピュータプログラムは、非一時的で有形のコンピュータ可読記憶媒体内、または、コンピュータシステムバスに結合され得る電子命令を記憶するのに適した任意のタイプの媒体内に記憶され得る。さらに、本明細書において言及される任意のコンピューティングシステムは、単一のプロセッサを含み得、または、増加したコンピューティング能力のために複数のプロセッサ設計を用いるアーキテクチャであり得る。
【０１１４】
本開示の実施形態は、本明細書で説明したコンピューティングプロセスによって作り出される製品にも関係し得る。そのような製品は、コンピューティングプロセスから結果として生じる情報を備え得、情報は、非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体上に記憶され、本明細書で説明した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形態を含み得る。
【０１１５】
本明細書において使用される言語は、主として読みやすさと教育目的のために選択されており、発明の主題を描写または制限するために選択されていない場合がある。したがって、本開示の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に基づく出願において発行される任意の請求項によって制限されることが意図されている。したがって、実施形態の開示は、限定はしないが、以下の特許請求の範囲に記載される本開示の範囲の例示であることが意図されている。
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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