JP2006523074A - センサのダイナミックレンジを差分拡大する方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
Description
Canesta社が譲受人である、2003年4月11日に出願された、「差分ダイナミックレンジの拡大方法及びシステム」という名称の米国仮特許出願第60/462,167号に基づく優先権が、出願人より主張されており、その出願の内容全体が引用により本出願に組み入れられる。
式(1) Z = C・t/2
ここで、Cは光の速度である。
式(2) Qmax = Cx・Vswing
ここで、Cxは全静電容量であり、Vswingはコンデンサ間の最大電圧変動である。コンデンサ上で積分された全電荷が最大電荷容量を越える時、画素検出器は飽和状態であると言われ、その場合、その画素から何の役立つ情報も読み取ることができない。
検出される光エネルギーにおける共通モードの寄与による飽和効果を避けることにより、差分画素検出器における実効差分ダイナミックレンジは増大される。各光検出器のペアによって生成される光電流は、積分時間Tにわたって、関連コンデンサによって直接積分される。結果として生じるコンデンサ電圧は、周辺光を含む、検出された光エネルギーに比例する。時間T内で、いずれかの積分されたコンデンサ電圧が、光検出器におけるVsatに到達する前に、コンデンサのうちの少なくとも1つが、所望の差分検出器信号がなおも特定可能であるような電圧にリセットされる。
ここで、本発明の好ましい実施形態を詳細に言及し、その例を添付図面に示す。好ましい実施形態と組み合わせて、本発明を説明する一方で、本発明をそれらの実施形態に限定することは意図されないことを理解するであろう。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲で定められるような本発明の技術的範囲内に含まれ得る代替、変更、及び均等物も対象として含むことを意図されている。
式(3) Vswing-a=ΔVaf・T/Δtf
式(4) Vswing-b=ΔVbf・T/Δtf
ここで、Tは全積分時間であり、既知である。
式(5) Vswing-a=ΔVaf
式(6) Vswing-b=ΔVbf
式(7) VDA = Vref + VCA + K
式(8) VDB = Vref + VCB + K = Vref − VCA + K
式(9) VDA + VDB = Vref + VCA + K + Vref − VCA + K = 2(Vref + K)
式(10) VDA' = [CDA・VDA+CA・(Vref+VCA)]/(CDA+CA)
式(11) = [CDA・(Vref+VCA+K)+CA・(Vref+VCA)]/(CDA+CA)
式(12) = [(Vref+VCA)+CDA・K/(CDA+CA)] かつ、
式(13) VDB' = [CDB・VDB+CB・(Vref+VCB)]/(CDB+CB)
式(14) = [CDB・(Vref+VCB+K)+CB・(Vref+VCB)]/(CDB+CB)
式(15) = [(Vref+VCB)+CDB・K(CDB+CB)]
式(16) = [(Vref-VCA)+CDA・K/(CDA+CA)]
従って、和VDA'+VDB'は、以下になる。
式(17) VDA'+VDB' = [(Vref+VCA)+CDA・K/(CDA+CA)]+ [(Vref-VCA)+CDA・K/(CDA+CA)] = 2・[Vref+ K・CDA/(CDA+CA)]
従って、和VDA'+VDB'は、有利なことに、VDA+VDBよりも2Vrefに常に近い。これは、図6Aにおける各リセットによって、共通モードが、K・[1-CDA/(CDA+CA)]=K・CA/(CDA+CA)だけ、Vrefのより近くに動かされる、ということを証明する。
式(19)
ここで、QA,0は、0°の光位相について検出器DAによって集められた電荷を表し、QB,0は、0°の光位相について検出器DBによって集められた電荷を表し、QA,180は、180°の光位相について検出器DAによって集められた電荷を表し、QB,180は、180°の光位相について検出器DBによって集められた電荷を表している。上式から明らかであるように、共通モードリセットの全数がnである場合には、最終差分電荷の半分が検出器DAから集められ、電荷の残りの半分が検出器DBから集められる。この実施形態の更なる利点は、トランジスタスイッチと関連付けられるKT/Cノイズが共通モードになる、すなわち、そのようなノイズは、最終差分信号値から相殺される、ということである。
Claims (27)
- 第一の光検出器、及び関連する第一のコンデンサ、及び、第二の光検出器、及び関連する第二のコンデンサを含む、共通モード成分を持つ光エネルギーにさらされる差分画素検出器における有効差分ダイナミックレンジを増大する方法であって、
(a)積分時間Tの開始時に、前記各コンデンサ上の電圧を固定基準電圧にリセットし、
(b)前記積分時間Tの間、前記第一のコンデンサ内の前記第一の光検出器によって生成された光電流を直接積分し、かつ前記第二のコンデンサ内の前記第二の光検出器によって生成された光電流を直接積分し、及び、
(c)前記積分時間T内で、前記第一のコンデンサ又は前記第二のコンデンサのいずれかの間に生じた電圧が、前記差分画素検出器と関連付けられる飽和電圧Vsatに達する前に、所望の差分画素検出器信号がなおも特定可能であるように、前記コンデンサ上に生じた電圧をリセットする、
ステップを含むことを特徴とする方法。 - ステップ(c)が、前記差分画素検出器の外部の、生成されたリセット信号でリセットすることを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - ステップ(c)が、前記第一のコンデンサ又は前記第二のコンデンサ上のいずれかに生じた電圧が、前記飽和電圧に近い電圧に達した時、前記画素内で自動的に生成されたリセット信号でリセットすることを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - ステップ(c)が、前記コンデンサ上に生じた前記電圧を電圧Vrefにリセットすることを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記各コンデンサ間に生じた電圧を検知して、前記各コンデンサ上に生じた電圧を前記Vrefにリセットすること、
をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記コンデンサの各々の間に生じた前記電圧が、(i)同時に、及び(ii)独立して、から成る群から選択された手法でリセットされる、
ことを特徴とする請求項5に記載の方法。 - ステップ(c)が、前記コンデンサ上に生じた前記電圧を電圧Vrefにリセットすることを含み、
前記積分時間Tの間に前記コンデンサ間に生じた電圧のリセットの数を数えるステップ、
をさらに含み、関連する前記光検出器の実効ダイナミックレンジがn・(Vref-Vsat)+Vfinal であり、ここで、nは前記リセットの数、Vfinalは積分時間Tの終了時における前記コンデンサ上の電圧である、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - アナログカウンタを使って、前記リセットの数を検知すること、
をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 前記第一のコンデンサが、前記第一の光検出器と関連付けられる寄生キャパシタンスであり、かつ、前記第二のコンデンサが、前記第二の光検出器と関連付けられる寄生キャパシタンスであり、
第三のコンデンサを、切換可能に、前記第一のコンデンサと並列に結合できるように提供し、かつ、第四のコンデンサを、切換可能に、前記第二のコンデンサと並列に結合できるように提供し、
前記第三のコンデンサを、切換可能に、前記第一の光検出器から切り離し、かつ、前記第四のコンデンサを、切換可能に、前記第二の光検出器から切り離し、
共通モード成分が実質的に減るように、蓄積された電荷が、前記第三のコンデンサと前記第四のコンデンサとの間で再分配するように、前記第三のコンデンサ及び前記第四のコンデンサを、切換可能に、反転させて、並列に一つに結合する、
ステップをさらに含み、前記所望の差分画素検出器信号がなおも特定可能であり、各リセットが、共通モードの大きさを電圧Vrefのより近くに持ってくる、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記各光検出器が、フォトダイオード、及びフォトゲートから成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 各コンデンサ上の電位がVsatに近い電位から離れるように、固定量の電荷を、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサ内に制御可能に注入すること、
を更に含み、前記所望の差分検出器信号がなおも特定可能である一方で、共通モードが抑制されて、飽和を防ぐ、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 2つの整合定電流源からの出力を、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサに切換可能に結合することにより、前記固定量の電荷が注入される、
ことを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 小さい高電圧充電コンデンサからの出力を、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサに切換可能に結合することにより、それぞれ、前記固定量の電荷が注入される、
ことを特徴とする請求項11に記載の方法。 - その電流出力が前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサに結合されるパルス整合定電流源の出力から、前記固定量の電荷が注入される、
ことを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 共通モード成分を持つ光エネルギーに反応する差分画素検出器であって、
第一の光検出器、及び、積分時間Tの間に前記第一の光検出器によって生成された光電流を直接積分する、関連する第一のコンデンサ、
第二の光検出器、及び、前記積分時間Tの間に前記第二の光検出器によって生成された光電流を直接積分する、関連する第二のコンデンサ、
前記積分時間Tの開始前に、前記各コンデンサ上の電位を固定電圧電位に強制するための手段、及び、
所望の差分画素検出器信号がなおも特定可能であるように、前記積分時間Tの間、いずれのコンデンサ上の電位も、前記差分画素検出器と関連付けられる飽和電圧Vsatに達する前にリセットするための手段、
を備えることを特徴とする差分画素検出器。 - 前記リセットするための手段が、外部信号から起動可能である、
ことを特徴とする請求項15に記載の画素。 - 前記第一のコンデンサ又は前記第二のコンデンサの一方に生じた電圧が、前記飽和電圧Vsatに近い大きさに達した時を検出するための手段、
をさらに含むことを特徴とする請求項15に記載の画素。 - 前記強制するための手段が、固定電圧Vref電位のソースと前記第一のコンデンサとの間に結合された第一のスイッチ、及び、前記ソースと前記第二のコンデンサとの間に結合された第二のスイッチを含む、
ことを特徴とする請求項15に記載の差分画素検出器。 - 第一の入力を前記第一のコンデンサに結合され、第二の入力を前記第二のコンデンサに結合され、かつ、前記第一の入力における信号と前記第二の入力における信号との間の差異に比例した差分信号を出力する差分比較器、及び、
前記差分比較器から前記差分信号出力を受け取り、かつ前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサの両方をリセットする時、リセットされるように結合されたリセット可能な充電ポンプ、
をさらに含み、前記リセット可能な充電ポンプからの出力が、前記第一の光検出器と前記第二の光検出器との間の電圧差分の格納蓄積である、ことを特徴とする請求項18に記載の差分画素検出器。 - 前記リセットするための手段が、前記電位を電圧Vrefにリセットする、
ことを特徴とする請求項15に記載の差分画素検出器。 - 前記積分時間Tの間の、前記第一のコンデンサ間の電位のリセットの数を数えるための第一のカウンタ、
をさらに含み、関連する前記光検出器の実効ダイナミックレンジはn・(Vref-Vsat)+Vfinal であり、ここで、nは前記リセットの数、Vrefはリセット電圧、及びVfinalは積分時間Tの終了時における前記第一のコンデンサ上の電圧である、ことを特徴とする請求項15に記載の差分画素検出器。 - 前記第一のカウンタが、(a)デジタルカウンタ、及び(b)アナログカウンタから成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項21に記載の差分画素検出器。 - 前記第一のコンデンサが、前記第一の光検出器と関連付けられる寄生キャパシタンスであり、前記第二のコンデンサが、前記第二の光検出器と関連付けられる寄生キャパシタンスであり、
切換可能に、前記第一のコンデンサと並列に結合可能な第三のコンデンサ、及び、切換可能に、前記第二のコンデンサと並列に結合可能な第四のコンデンサ、
前記第三のコンデンサを、切換可能に、前記第一の光検出器から切り離し、前記第四のコンデンサを、切換可能に、前記第二の光検出器から切り離すための手段、及び
共通モード成分が実質的に減るように、蓄積された電荷が、前記第三のコンデンサと前記第四のコンデンサとの間で再分配するように、前記第三のコンデンサ、及び前記第四のコンデンサを、切換可能に、反転させて、並列に一つに結合するための手段、
をさらに含み、前記所望の差分画素検出器信号がなおも特定可能であり、かつ、各リセットが、共通モードの大きさを電圧Vrefのより近くに持ってくる、ことを特徴とする請求項15に記載の差分画素検出器。 - 前記第一のコンデンサの各リードを、固定電位Vrefのソースに、補完的に切り換えて結合し、かつ、前記第二のコンデンサの各リードを、固定電位Vrefの前記ソースに、補完的に切り換えて結合するための手段、及び、
前切り換え可能に、記各コンデンサの各リードに存在する電位を積分する、リセット可能な積分器、
をさらに含み、積分が、前記第一の光検出器、及び前記第二の光検出器に存在する差分信号に比例する出力を提供する一方で、KT/Cノイズを含む共通モード成分を、前記差分画素検出器内の構成部品の整合とは実質的に無関係に相殺する、ことを特徴とする請求項15に記載の差分画素検出器。 - 各コンデンサ上の電位がVsatに近い電位から離れるように、前記第一のコンデンサ、及び前記第二のコンデンサ内に、固定量の電荷を注入するためのミラー電流源、
をさらに含み、所望の差分画素検出器信号はなおも特定可能である一方で、共通モードを抑制して、飽和を防ぎ、
前記ミラー電流源が、(a)その整合出力が、切り換え可能に、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサに結合される定電流源、及び(b)その電流出力が、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサに結合されるパルス整合定電流源、から成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項15に記載の差分画素検出器。 - 各コンデンサ上の電位がVsatに近い電位から離れるように、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサ内に固定量の電荷を注入するための、小さい高電圧コンデンサ、
をさらに含み、前記所望の差分画素検出器信号がなおも特定可能である一方で、共通モードを抑制して、飽和を防ぐ、ことを特徴とする請求項15に記載の差分画素検出器。 - 前記各光検出器が、フォトダイオード、及びフォトゲートから成る群から選択された、
ことを特徴とする請求項15に記載の差分画素検出器。
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