JP2023545370A - 量子化動作を低減したデジタル画素センサ - Google Patents
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Abstract
いくつかの例において、センサ装置は、電圧を生成するように構成された画素セルであって、入射光に応答して電荷を生成するように構成されたフォトダイオードと、電荷を電圧に変換する電荷蓄積デバイスとを含む画素セルと、第1の期間中に電荷蓄積デバイスによって変換された第1のキャプチャ電圧を決定し、第1のキャプチャ電圧を閾値電圧値と比較し、第1のキャプチャ電圧が閾値電圧値を満たすかまたは超えると判定することに応答して、第1の期間に対応する第1の時間データを決定し、電荷蓄積デバイスが電荷をさらに生成することを防止するように構成された集積回路と、第1のキャプチャ電圧に基づいてデジタル画素値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)と、デジタル画素値および第1の時間データを記憶するメモリとを備える。
Description
本開示は、量子化動作を低減したデジタル画素センサに関する。本願は、2020年10月9日に出願された「DIGITAL PIXEL SENSOR HAVING REDUCED QUANTIZATION OPERATION」を名称とする米国仮特許出願第63/089,704号の優先権を主張し、その全体が参照によって本明細書に明示的に組み込まれる。
典型的な画像センサは、画素セルのアレイを含む。各画素セルは、光子を電荷(例えば、電子または正孔)に変換することによって光を感知するフォトダイオードを含み得る。また、画像センサは、生成された電荷を記憶し、その電荷をアナログデジタル変換器(ADC)に送るように構成された集積回路を含み得る。ADCは、デジタル画像生成のための処理の一部として、記憶された電荷をデジタル値に変換する(すなわち、電荷を「量子化」する)。画素セルが受光する環境を正確に表すために、画素セルは、露光時間の期間にわたって光子から十分な電荷を生成し、蓄積し、変換しなければならない。
したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲による画像センサおよび方法を開示する。具体的には、これに限定されないが、本開示は、デジタル画像センサのダイナミックレンジ(すなわち、センサが生成および出力し得る光値の範囲)を保ちながら、電荷を量子化するときの電力消費を低減するように構成された集積回路を含む画素セルを組み込んだデジタル画像センサに関する。
いくつかの例において、装置が提供される。装置は、電圧を生成するように構成された画素セルであって、入射光に応答して電荷を生成するように構成されたフォトダイオードと、前記電荷を電圧に変換する電荷蓄積デバイスとを含む前記画素セルと、第1の期間中に前記電荷蓄積デバイスによって変換された第1のキャプチャ電圧を決定し、前記第1のキャプチャ電圧を閾値電圧値と比較し、前記第1のキャプチャ電圧が前記閾値電圧値を満たすかまたは超えると判定することに応答して、前記第1の期間に対応する第1の時間データを決定し、前記電荷蓄積デバイスが電荷をさらに生成することを防止するように構成された集積回路と、前記第1のキャプチャ電圧に基づいてデジタル画素値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)と、前記デジタル画素値および前記第1の時間データを記憶するためのメモリとを含む。
いくつかの態様において、前記集積回路はラッチを含み得る。前記画素セルのフォトダイオードは、前記ラッチを介して前記画素セルの前記電荷蓄積デバイスに結合され得る。いくつかのさらなる態様において、前記ラッチは、前記ラッチが閉じられているときに前記電荷蓄積デバイスによる電荷の蓄積を可能とし得る。前記ラッチは、前記ラッチが開いているときに前記電荷蓄積デバイスによる電荷の蓄積を防止し得る。いくつかのさらなる態様において、前記集積回路は、前記電荷蓄積デバイスから前記第1のキャプチャ電圧を受け取って前記第1のキャプチャ電圧を前記閾値電圧値と比較するように構成された比較器をさらに含み得る。
いくつかのさらなる態様において、演算増幅器はさらに、ラッチに比較信号を出力するように構成され得る。前記ラッチは、前記電荷蓄積デバイスからの前記第1のキャプチャ電圧が前記閾値電圧値を満たすかまたは超えることを示す信号を前記演算増幅器から受信することに応答して開かれる。いくつかの態様において、前記センサ装置はさらに、記憶されたデジタル画素値を増幅するように構成された1つまたは複数のセンス増幅器をさらに含み得る。前記センス増幅器は、前記記憶された画素値を前記センサ装置からエクスポートする前に当該画素値を増幅するように構成されている。
いくつかの態様において、前記第1の時間データは、前記第1の期間とともに少なくとも第2の期間を含む複数の期間を表すバイナリフラグフィールドであり得る。前記集積回路はさらに、バイナリフラグ値および前記第1のキャプチャ電圧を記憶するように構成され得る。いくつかのさらなる実施形態において、前記複数の期間は、前記フォトダイオードのタイプに基づいて決定され得る。前記フォトダイオードのタイプは、入射光強度に基づく電荷生成のレートを示す。いくつかのさらなる態様において、前記複数の期間は、前記センサ装置のターゲットダイナミックレンジに基づいて決定され得る。
これに加えて、いくつかの態様において、前記第2の期間は、前記第1の期間の前に生じ得る。前記集積回路はさらに、前記第2の期間に前記電荷蓄積デバイスによって変換された第2のキャプチャ電圧を決定するように構成され得る。いくつかのさらなる態様において、前記集積回路はさらに、前記第2の期間に前記電荷蓄積デバイスによって変換された前記第2のキャプチャ電圧を前記閾値電圧値と比較するように構成され得る。いくつかのさらなる態様において、前記集積回路はさらに、前記第2のキャプチャ電圧が前記閾値電圧値を満たさないかまたは超えないと判定することに応答して、前記バイナリフラグフィールドを更新するように構成され得る。いくつかのさらなる態様において、前記バイナリフラグは、前記第1および第2の期間に対応する1ビットバイナリフラグであり得る。いくつかのさらなる態様において、前記バイナリフラグは、前記第1および第2の期間ならびに第3および第4の期間に対応する2ビットバイナリフラグであり得る。前記第3および第4の期間は、前記第1の期間の後に発生する。
いくつかの態様において、前記集積回路はさらに、前記第1のキャプチャ電圧を前記閾値電圧値と比較する前に、前記閾値電圧値を受け取るように構成され得る。いくつかのさらなる態様において、前記集積回路は、ADCランプ生成器から前記閾値電圧値を受け取り得る。いくつかのさらなる態様において、前記センサ装置はさらに、前記集積回路に結合された集積回路周辺部を備え得る。前記集積回路周辺部は前記ADCランプ生成器を含み、前記ADCランプ生成器は、前記ADCランプ生成器において受信されたランプ入力に基づいて前記閾値電圧値を決定するように構成されている。いくつかのさらなる態様において、前記集積回路周辺部は、アプリケーションインスタンスにさらに結合され得る。前記アプリケーションインスタンスは、シーンの1つまたは複数の特徴に基づいてランプ入力を決定し、前記ランプ入力を前記ADCランプ生成器に送るように構成されている。いくつかのさらなる態様において、シーンの前記1つまたは複数の特徴は、環境センサ、モーションセンサ、および生成モデルのうちの1つ以上に基づいて生成され得る。
いくつかの例において、方法は、フォトダイオードで受光した入射光に基づいて電荷を変換することによって電圧を生成すること、第1の期間中に生成された第1のキャプチャ電圧を決定すること、前記第1のキャプチャ電圧を閾値電圧値と比較すること、前記第1のキャプチャ電圧が前記閾値電圧値を満たすかまたは超えると判定することに応答して、前記第1の期間に対応する第1の時間データを決定し、電荷のさらなる蓄積を防止すること、前記第1のキャプチャ電圧および前記第1の時間データを、1つまたは複数のデジタル画素値を含むデジタル画素データに変換することを備える。
以下、図面を参照して例示的な実施形態を説明する。以下では、説明を目的として、特定の発明の実施形態の十分な理解を提供するために特定の詳細を述べる。しかしながら、様々な実施形態がこれら具体的な詳細なしに実施され得ることは明らかである。図面および説明は限定を意図するものではない。
図面は、例示のみを目的として本開示の実施形態を示すものである。当業者であれば、以下の説明から、例示された構造および方法の代替的な実施形態が本開示の原理または利益から逸脱することなく使用され得ることを容易に認識し得る。
添付の図面において、同様の構成要素および/または特徴は同じ参照符号を有し得る。さらに、同種の様々な構成要素は、参照符号の後に、ダッシュと、同様の構成要素を区別する第2の符号とを続けることによって区別され得る。第1の参照符号のみが本明細書で使用される場合、説明は、第2の参照符号にかかわらず、同じ第1の参照符号を有する同様の構成要素のうちのいずれか1つに適用可能である。
典型的な画像センサは、画素セルのアレイを含む。各画素セルは、光子を電荷(例えば、電子または正孔)に変換することによって入射光を感知するフォトダイオードを含む。画素セルのアレイのフォトダイオードによって生成された電荷は、次いでアナログデジタル変換器(ADC)によってデジタル値に量子化され得る。ADCは、例えば、比較器を使用して、電荷を表す電圧を1つまたは複数の量子化レベルと比較することによって電荷を量子化し得る。デジタル値は、その比較結果に基づいて生成され得る。デジタル値は次いでメモリに記憶され、デジタル画像を生成するために使用され得る。
デジタル画像データは、オブジェクト認識および追跡、位置追跡、拡張現実(AR)、仮想現実(VR)などの種々のウェアラブルアプリケーションをサポートし得る。これらおよび他のアプリケーションは、抽出技術を利用して、デジタル画像の画素のサブセットから、デジタル画像の態様(すなわち、光レベル、風景、意味領域)および/またはデジタル画像の特徴(すなわち、デジタル画像において表されるオブジェクトおよびエンティティ)を抽出し得る。例えば、アプリケーションは、反射構造化光の画素(例えば、ドット)を識別し、その画素から抽出されたパターンを透過構造化光と比較し、その比較に基づいて深度計算を実行し得る。
また、アプリケーションは、抽出された構造化光のパターンを提供する同じ画素セルからの2D画素データを識別して、2Dセンシングと3Dセンシングの融合を実施し得る。オブジェクト認識および追跡を実行するために、アプリケーションはさらに、オブジェクトの画像特徴の画素を識別し、その画素から画像特徴を抽出し、その抽出結果に基づいて認識および追跡を実行し得る。これらのアプリケーションは、典型的には、画像センサと電気的に接続されるとともに相互接続を介して画素データを受信し得るホストプロセッサ上で実行される。ホストプロセッサ、画像センサ、および相互接続は、ウェアラブル装置の一部であり得る。
現在のデジタル画像センサは、光をデジタル画像データに変換する複雑な装置である。デジタル画像センサの効率および電力は、様々な装置およびアプリケーションへのデジタル画像センサの統合において重要な要因である。例えば、効率的なセンサ機能(例えば、その通常動作中に可能な限り電力消費を少なくすること)は、コンシューマデバイス、特に、利用可能な電力が制限されている状況で動作する無線バッテリ動作デバイス(例えば、ウェアラブル装置)に組み込まれたデジタル画像センサにとって非常に望ましい特性である。同時に、高い処理能力のデジタル画像センサ(例えば、フォトダイオードでキャプチャされた色のより広いダイナミックレンジを出力し得るセンサ)も、広範囲の用途(例えば、より正確で視覚的に心地よいAR/VR用途)での使用に望ましい。
デジタル画像センサは、センサキャプチャ能力のより高いダイナミックレンジを維持するために追加の電力を必要とするため、電力と効率との間のバランスを取らなければならない。例えば、表現可能な光強度のより高いダイナミックレンジを有するセンサは、キャプチャされたフレームごとの間隔でキャプチャされた電荷に対して複数の量子化動作を実行することが多い。これは、処理されるフレームごとにより多くの電力を消費するとともに、その機能のためにセンサの各ピクセル内により多くの埋め込みトランジスタを必要とする。複数の量子化演算は、キャプチャされた色をより正確にかつより高いレンジで提供し得るが、各量子化演算は、他の画素セル機能と比較して比較的電力の消費量が大きい。また、フォトダイオードで生成された電荷を蓄積し処理するために、追加の電力も必要とされる。したがって、高ダイナミックレンジ(HDR)センサを促進させる上での典型的な画素セルにおける各追加の構成要素および動作は、集積センサ回路上により多くのスペースを必要とするとともに追加の電力を消費するものとなり、センサの効率を低下させる。対照的に、低ダイナミックレンジセンサは、動作する上でより少ないエネルギーを必要とし得る(すなわち、より少ない量子化動作が行われる)が、センサによって達成され得る、結果として生じるダイナミックレンジは制限される。
本開示は、単一量子化動作および時間ベースの画素電荷閾値処理動作を利用するデジタル画像センサに関する。具体的には、デジタル画像センサは、フレームキャプチャの複数の期間中において電荷蓄積デバイスが所望の電荷閾値に比較して十分な電荷を生成したかどうかを判定するための集積処理回路を含み得る。電荷蓄積デバイスが電荷を十分に変換する(すなわち、電荷蓄積デバイスによって蓄積された電荷が蓄積電荷の所望の閾値を上回る)と、論理回路はさらなる電荷蓄積を防止し得るとともに、十分な電荷がキャプチャされた期間を記録し得る。電荷蓄積デバイスがフォトダイオードから変換された電荷を蓄積するときに電力が消費されるため、所望の閾値を超えて蓄積された電荷は不要な電力消費を生じさせる。また、所望の閾値を超えて電力消費が継続すると、光による画素の飽和が生じ、画像センサによって生成される最終的なデジタル画像に歪みが生じ得る。したがって、所望の閾値を満たす電荷のみをキャプチャして、その点を超えるキャプチャを防止することが望ましい。
時間ベースのフラグフィールドは、電荷蓄積デバイスがフォトダイオードからの電荷を変換および蓄積している期間を表し得る。異なる波長および強度の光は異なるレートで電荷を生成するため、時間ベースのフラグフィールドは、画素セルによってキャプチャされた光が、デジタル画像において光強度を正確に表すのに十分な電荷に変換された時間を示すために使用され得る。例えば、キャプチャされる光の強度が高いほど、電荷蓄積デバイスは、光の強度が低い場合よりも速く閾値電荷に到達する。この時間ベースのフラグフィールドは、ADCによって出力されるデジタルデータのダイナミックレンジを改善するために、単一の量子化動作の一部として利用され得る。例えば、時間ベースのフラグフィールドが、フレームキャプチャにおいて早期に測定された電荷が十分であったことを示す場合、下流側アプリケーションは、記憶された電荷値およびフラグを利用して、画素値が下流側アプリケーションにて表される方法を変更し得る。これにより、デジタル画像センサは、下流側アプリケーションにて動作のより高いダイナミックレンジを維持しつつ電力消費を低減するために単一の量子化動作を実行することが可能になる。
いくつかの例において、センサ装置は、電圧を生成するように構成された画素セルを備え、画素セルは、光に応答して電荷を生成するように構成された1つまたは複数のフォトダイオードと、電荷を電圧に変換するための電荷蓄積デバイスとを含む。画素セルは、システムオンチップ(SOC)画素の一部として構成され得る。また、画素セルは、画素セルのアレイにおける1つの画素セルであり得る。画素セルは、受光した光に応答して電荷を生成する1つまたは複数のフォトダイオードを有する独自の個別回路を含む。生成され蓄積される電荷の量は、入射光の強度およびフォトダイオードが光にさらされる時間の量に基づいて変化し得る。キャパシタなどの電荷蓄積デバイスは、1つまたは複数のフォトダイオードで生成された電荷を、以下で説明するように、画素値を生成するために使用され得るアナログ電圧信号に変換する。
いくつかの例において、センサ装置は、SOC画素に結合された特定用途向け集積回路(ASIC)層に組み込まれた集積回路をさらに備える。集積回路は、電荷蓄積デバイスによってキャプチャされたアナログ電圧信号と相互作用してそれを処理するために、比較器および論理状態ラッチなどの複数の構成要素を含む。例えば、集積回路は、第1の期間に電荷蓄積デバイスによって変換されたキャプチャ電圧を決定し、第1のキャプチャ電圧を閾値電圧値と比較し、第1のキャプチャ電圧が閾値電圧値を満たすかまたは超えると判定することに応答して、第1の期間に対応する第1の時間データを決定し、電荷蓄積デバイスが電荷をさらに生成することを防止するように構成され得る。
集積回路は、フォトダイオードからの変換光を十分に正確に表現するために必要とされる閾値電圧に電圧が等しくなるかまたはそれを超えるまで電荷蓄積デバイスがアナログ電圧信号をキャプチャ可能とするように利用され得る。言い換えれば、所望の閾値電圧値を満たすかまたはそれを超える電圧値を有する電荷によって表されるアナログ電圧信号は「十分に電荷を有している」。言い換えれば、閾値未満の電荷は望ましくない低い信号対雑音比を有し、その閾値レベルを超えてキャプチャされた電荷は画素の望ましくない飽和を引き起こし得る。
したがって、電荷蓄積デバイスは、1つまたは複数のフォトダイオードが弱い光を受けているときに十分な電荷を達成するために、より長い期間にわたって1つまたは複数のフォトダイオードによって生成された電荷を変換する必要があり得る。一方、明るい光に対して電荷の変換および蓄積を継続することは、電荷が十分なレベルに達した後に不必要な電力を消費するだけでなく、強い光によって画素が飽和することで、最終的なデジタル画像にノイズまたはアーチファクトを生じさせ得るものとなる。電荷蓄積デバイスが閾値の電荷量に達すると、電荷蓄積デバイスは、電荷のさらなる蓄積を防止して電力の不必要な消費を防止するためにフォトダイオードから分離され得る。表現可能な値のより高いダイナミックレンジを可能にするために、飽和が達成される時間が判定され得るとともに、電荷に対応するバイナリフラグビットを記憶するために使用され得る。例えば、コンピュータメモリは、第1の値として受け取った電荷値と、信号が閾値を超えた時間に基づく時間ベースのバイナリフラグビットとの両方を記憶し得る。これらの値は、その後、より高いダイナミックレンジで新しい画素値を表すために使用され得る。例えば、2つの画素がそれぞれ150の量子化値を有するとともに、第1の画素が対応するフラグフィールド値「10」を有し、第2の画素がフラグフィールド値「01」を有する場合、第1の画素は、出力画像において第2の画素とは異なって表され得る。
いくつかの例において、センサ装置は、キャプチャ電圧を、1つまたは複数のデジタル画素値を含むデジタル画素データに変換するように構成された1つまたは複数のアナログデジタル変換器(ADC)をさらに備える。具体的に、ADCは、電荷蓄積デバイスに記憶されたアナログ電圧信号を、画素セルにおいて取り込まれた入射光の強度を表すデジタル画素値を含むデジタルデータに変換し得る(アナログ電圧信号を「量子化する」と呼ばれる)。例えば、画素セルがフレームキャプチャの期間の非常に早期に十分な電荷を蓄積したことを示す第1の時間データは、キャプチャ時において光の強度がより高かったことを示し得る。画素値および第1の時間データの両方を記憶することによって、それらが高ダイナミックレンジ画素値を生成するために使用され得る。
いくつかの例において、集積回路は、電荷蓄積デバイスが特定の時間に隣接回路のフォトダイオードに結合されるかどうかを制御し得る状態ラッチを含む。状態ラッチは、信号に応答してラッチを開閉するように構成された1ビット状態ラッチを含む論理ラッチであり得る。例えば、電荷蓄積デバイスは、ラッチが閉状態にあるときに1つまたは複数のフォトダイオードによって生成された電荷を変換し得る。これは、電荷蓄積デバイスが露光中に十分なレベルの電圧電荷を依然として収集している間に起こり得る。電荷蓄積デバイスが十分な電荷を一旦蓄積すると、ラッチが開とされ得る。これにより、電荷蓄積デバイスとフォトダイオードとの間の接続が解除され、電荷蓄積デバイスがさらに電荷を収集することが防止される。したがって、画素セルは、正確な画素値を提供するのに十分な電荷を生成しつつも、さらなる不必要な電力消費および画素セルの望ましくない飽和を防止する。また、状態ラッチは、フラグデータの記憶を可能にするために、フラグデータを示す値を集積回路上のメモリに送信するように構成され得る。
集積回路はさらに、電荷蓄積デバイスが閾値電圧値以上の電圧電荷を含んでいるかどうかを判定するための比較器を含み得る。すなわち、比較器は、キャプチャされた電荷の電圧レベルが閾値電荷を満たすかまたはそれを超えるかどうか(すなわち、電荷蓄積デバイスが量子化のために十分な電荷を蓄積したかどうか)を所与の期間において決定する。比較器は、電荷蓄積デバイスからキャプチャ電圧と閾値電圧値とを受け取り得る演算増幅器を含み得る。比較器は、キャプチャ電圧が閾値電圧値以上であるかどうかを判定し得る。比較器は、キャプチャ電圧が閾値電圧値を満たさないかまたは超えないと判定した場合には、電力を節約するために信号を出力しないものとされ得るか、または電荷がまだ十分なレベルにない旨の単純な信号を出力し得る。比較器は、キャプチャ電圧が閾値電圧値を満たすかまたはそれを超えると判定した場合には、電荷蓄積の継続を防止するためにラッチを開くべきであることを示すとともに、そのときの現在のフラグデータを記憶すべきであることを示す信号をラッチに出力し得る。
デジタル画素センサはさらに、デジタル画素センサから値をエクスポートする前に、記憶されたデジタル画素値およびフラグデータを増幅するように構成された1つまたは複数のセンス増幅器を含み得る。いくつかの例において、使用される第1の時間データは、バイナリフラグフィールドデータとして表現可能である。バイナリフラグフィールドデータは、フレームのキャプチャ中の複数の期間を表し得る。バイナリフラグフィールドデータは、このように2の倍数で期間の数を表し得る。例えば、「11」の値を有するバイナリ「フラグビットフィールド」は、現在の期間が合計4つの期間のうちの第1の期間であることを示し得る。また、「101」の値を有する別のフラグビットフィールドは、現在の期間が合計8つの期間のうちの6番目の期間であることを示し得る。この構成において、値「0」、「00」、「000」などは、その期間がフレームキャプチャの終了前の最後の期間であり、電荷蓄積デバイスに蓄積された現在のアナログ電圧が電荷蓄積の現在のレベルにかかわらず量子化されるべきであることを示すが、任意の適切な規約が使用されてもよい。バイナリフラグビットフィールドは、フレームキャプチャ期間中の新たな期間ごとに更新され、キャプチャ電圧が閾値電圧を満たさないかまたは超えないと判定することに応答して更新され得る。なお、表現可能な全ての値が使用されなくてもよい。例えば、システムは、3つの期間のみを使用可能であるが、期間を表すために2ビットのフラグフィールドを依然として使用してもよい。代替として、本明細書で説明されるシステムは、例えば、以前にキャプチャされた画像において測定された光強度に基づいて、動作中にビットフィールド幅または値の数を動的に変更してもよい。
フレームキャプチャのために使用され得る期間の数および持続時間は、画素セル内のフォトダイオードのタイプ、センサ装置の予期されるダイナミックレンジ、フレームごとの所望の期間数など、いくつかのセンサ構成要素に依存し得る。例えば、他のフォトダイオードよりも光に対する感度が低いフォトダイオードの場合、画素セルが十分な電荷をできるだけ迅速に蓄積する機会を増加させるために、期間の数または期間の持続時間を増加させることが望ましい場合がある。
いくつかの例において、集積回路は、デジタル画像センサ上のASIC周辺回路に結合され得る。この周辺回路は、センサの「エッジ」における動作(すなわち、別個の構成要素または装置により、センサにおけるデータの入力または出力を伴う動作)を可能にするための構成要素を含み得る。センサの周辺回路は、比較器に送る閾値電圧値を決定するための構成要素を含み得る。例えば、ADCランプ生成器自体が、比較を実行するための比較器に、現在の相対的な期間に基づくランプ信号を送信し得る。入力する閾値電圧値は、デジタル画像センサの任意の要因または環境に基づき得る。例えば、デジタル画素センサが低照度環境にあると決定したことに応答して、閾値電圧値は、予期される低照度環境を補償するために、より低いレベルに設定され得る。いくつかの実施形態において、周辺回路と通信するソフトウェアアプリケーションは、閾値電圧値を決定し、それを最初に周辺回路に送り、次いで比較器に送り得る。
いくつかの例において、方法は、アプリケーションシステムおよびセンサ装置に関して上述した処理を含む。本開示の技術は、人工現実システムを含むかまたはそれと併せて実装され得る。人工現実は、ユーザへの提示の前に何らかの方法で調整された現実の形態であり、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、またはそれらのいずれかの組み合わせおよび/または派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ、またはキャプチャされた(例えば、現実世界の)コンテンツと組み合わされて生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、触覚フィードバック、またはそれらのいずれかの組み合わせを含み得る。それらはいずれも、単一チャネルまたは複数チャネル(例えば、視聴者に対して3次元効果を生成するステレオビデオなど)で提示され得る。加えて、いくつかの実施形態において、人工現実は、例えば、人工現実において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(例えば、アクティビティを行うために)使用される、アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらのいくつかの組み合わせに関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントディスプレイ(HMD)、スタンドアロンHMD、モバイルデバイスもしくはモバイルコンピューティングシステム、または人工現実コンテンツを1人もしくは複数の視聴者に提供することが可能な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で実装され得る。
図1は、ニアアイディスプレイ100を含むシステムの一実施形態のブロック図である。システムは、ニアアイディスプレイ100と、撮像装置160と、入力/出力インタフェース180と、画像センサ120a~120d,150a~150bとを含み、それらは各々、制御回路170に結合されている。システム100は、ヘッドマウント装置、ウェアラブル装置などとして構成され得る。
ニアアイディスプレイ100は、ユーザにメディアを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/またはオーディオを含む。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および/または制御回路170から音声情報を受信してその音声情報に基づく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/またはヘッドホン)を介して提示される。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)を用いて、物理的な実世界環境のビューを拡張する。
ニアアイディスプレイ100は、導波管ディスプレイアセンブリ110、1つまたは複数の位置センサ130、および/または慣性測定ユニット(IMU)140を含む。導波管ディスプレイアセンブリ110は、ソースアセンブリと、出力導波管と、コントローラとを含み得る。
IMU140は、複数の位置センサ130のうちの1つ以上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。
撮像装置160は、様々なアプリケーションのための画像データを生成し得る。例えば、撮像装置160は、制御回路170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の画像データを生成し得る。撮像装置160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環境の画像データを生成するための画像センサ120a~120dを含み得る。撮像装置160はさらに、例えば、ユーザの注視点を決定するための画像データを生成してユーザの関心対象を識別するための画像センサ150a,150bを含み得る。
入力/出力インタフェース180は、ユーザがアクション要求を制御回路170に送信することを可能にするデバイスである。アクション要求は、特定のアクションを実行するための要求である。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始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。
制御回路170は、撮像装置160、ニアアイディスプレイ100、および入力/出力インタフェース180のうちの1つ以上から受信した情報に従って、ユーザへの提示の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170は、ヘッドマウント装置として構成されたシステム100内に収容され得る。いくつかの例において、制御回路170は、システム100の他の構成要素と通信可能に結合されたスタンドアロンコンソールデバイスであり得る。図1に示された例では、制御回路170は、アプリケーションストア172、追跡モジュール174、およびエンジン176を含む。
アプリケーションストア172は、制御回路170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たときに、ユーザに提示するためのコンテンツを生成する一群の命令である。アプリケーションの例には、ゲームアプリケーション、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が含まれる。
トラッキングモジュール174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100を較正するとともに、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。
追跡モジュール174は、撮像装置160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。また、追跡モジュール174は、高速較正情報による位置情報を使用してニアアイディスプレイ100の基準点の位置を決定する。
エンジン176は、システム100内でアプリケーションを実行し、追跡モジュール174から、位置情報、加速度情報、速度情報、および/またはニアアイディスプレイ100の予測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176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、導波管ディスプレイアセンブリ110への信号(例えば、表示命令)を生成するために使用され得る。例えば、対話型体験を提供するために、エンジン176は、ユーザの位置(例えば、追跡モジュール174によって提供される)、またはユーザの注視点(例えば、撮像装置160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(例えば、撮像装置160によって提供される画像データに基づく)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。
図2A、図2B、図2C、図2D、図2E、および図2Fは、画像センサ200(すなわち、デジタル画像センサ)およびその動作の例を示す。図2Aに示されるように、画像センサ200は、画素セル201を含む画素セルのアレイを含むとともに、画像の画素に対応するデジタル強度データを生成し得る。画素セル201は、画像センサ200内の画素セルのアレイの一部であり得る。図2Aに示されるように、画素セル201は、1つまたは複数のフォトダイオード202と、電子シャッタスイッチ203と、転送スイッチ204と、リセットスイッチ205と、電荷蓄積デバイス206と、量子化器207とを含み得る。量子化器207は、画素セル201のみがアクセス可能な画素レベルADCであり得る。フォトダイオード202は、例えば、PNダイオード、PINダイオード、またはピン留めダイオードを含み得る。電荷蓄積デバイス206は、転送スイッチ204の浮遊拡散ノードであってもよい。フォトダイオード202は、露光期間内に光を受光すると電荷を生成して蓄積し得るものであり、露光期間内に生成された電荷の量は光の強度に比例し得る。
露光期間は、電子シャッタスイッチ203を制御するAB信号のタイミングと、転送スイッチ204を制御するTX信号のタイミングとに基づいて規定され得る。電子シャッタスイッチ12は、イネーブル時に、フォトダイオード202によって生成された電荷をステアリングし得る。転送スイッチ212は、イネーブル時に、フォトダイオード202によって生成された電荷を電荷蓄積デバイス206に転送し得る。例えば、図2Bを参照すると、AB信号が時間T0においてデアサートされることにより、フォトダイオード202は電荷を生成することが可能となるとともに、フォトダイオード202が飽和するまで電荷の少なくとも一部を残留電荷として蓄積することが可能となる。T0は、露光期間の開始を示し得る。TX信号は、飽和後にフォトダイオード202によって生成された追加の電荷(例えば、オーバーフロー電荷)を電荷蓄積デバイス206に転送するために、転送スイッチ204を部分的にオン状態に設定し得る。時間T1において、TG信号がアサートされることにより、残留電荷が電荷蓄積デバイス206に転送され、これにより、電荷蓄積デバイス206は、時間T0における露光期間の開始以降にフォトダイオード202によって生成された電荷のすべてを蓄積し得る。
時間T2において、TX信号は、電荷蓄積デバイス206をフォトダイオード202から分離するためにデアサートされ得る一方、AB信号は、フォトダイオード202によって生成された電荷をステアリングするためにアサートされ得る。時間T2は、露光期間の終了を示し得る。時間T2における電荷蓄積デバイス206にわたるアナログ電圧は、電荷蓄積デバイス206内に蓄積された電荷の総量を表し得る。これは、露光期間内にフォトダイオード202によって生成された電荷の総量に相当し得る。TX信号およびAB信号の両方は、画素セル201の一部であり得るコントローラ(図2Aには図示せず)によって生成され得る。アナログ電圧が量子化された後、リセットスイッチ205がRST信号によってイネーブルとされることで、電荷蓄積デバイス206内の電荷を除去して次の測定に備えることができる。
図2Cは、画素セル201の追加の構成要素を示す。図2Cに示されるように、画素セル201は、電荷蓄積デバイス206における電圧をバッファし、量子化器207に電圧を出力し得るソースフォロワ210を含み得る。電荷蓄積デバイス206およびソースフォロワ210は、電荷測定回路212を形成し得る。ソースフォロワ210は、ソースフォロワ210を流れる電流を設定するバイアス電圧VBIASによって制御される電流源211を含み得る。量子化器207は、比較器を含み得る。電荷測定回路212および量子化器207は共に、処理回路214を形成し得る。比較器は、量子化出力を画素値208として記憶するためのメモリ216にさらに結合されている。メモリ216は、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)デバイスなどのメモリデバイスのバンクを含み得る。各メモリデバイスはビットセルとして構成される。バンク内のメモリデバイスの数は、量子化出力の分解能に基づき得る。例えば、量子化出力が10ビット分解能を有する場合、メモリ216は10個のSRAMビットセルのバンクを含み得る。画素セル201が異なる波長チャネルの光を検出するために複数のフォトダイオードを含む場合、メモリ216はSRAMビットセルの複数のバンクを含み得る。
量子化器207は、時間T2の後のアナログ電圧を量子化して画素値208を生成するようにコントローラによって制御され得る。図2Dは、量子化器207によって実行される例示的な量子化動作を示す。図2Dに示されるように、量子化器207は、ソースフォロワ210によって出力されたアナログ電圧をランプ基準電圧(図2Cおよび図2Dにおいて「VREF」のラベルが付されている)と比較することで比較結果(図2Cおよび図2Dにおいて「ラッチ」のラベルが付されている)を生成し得る。この比較結果がトリップするのにかかる時間は、アナログ電圧の量子化の結果を表すカウンタによって測定し得る。いくつかの例において、この時間は、ランプ基準電圧が開始点にあるときにカウントを開始する自走カウンタによって測定され得る。自走カウンタは、クロック信号(図2Dにおいて「クロック」のラベルが付されている)に基づき、ランプ基準電圧が増加(または減少)するにつれて、そのカウント値を周期的に更新し得る。比較器出力は、ランプ基準電圧がアナログ電圧を満たすときにトリップする。比較器出力のトリッピングにより、カウント値がメモリ216に記憶され得る。このカウント値は、アナログ電圧の量子化出力を表し得る。図2Cを再度参照すると、メモリ216に記憶されたカウント値は、画素値208として読み出され得る。
図2Aおよび図2Cにおいて、画素セル201は、処理回路214(電荷測定回路212および量子化器207を含む)およびメモリ216を含むものとして示されている。いくつかの例において、処理回路214およびメモリ216は、画素セル201の外部にあってもよい。例えば、画素セルのブロックは、各画素セルのフォトダイオード(1つまたは複数)によって生成された電荷を量子化して量子化結果を記憶するために、処理回路214およびメモリ216を共有して順番にアクセスし得る。
図2Eは、画像センサ200の追加の構成要素を示す。図2Eに示されるように、画像センサ200は、画素セル201a0~a3,201a4~a7,201b0~b3,201b4~b7など、行および列に配置された画素セル201を含む。各画素セルは、1つまたは複数のフォトダイオード202を含み得る。画像センサ200はさらに、処理回路214(例えば、電荷測定回路212および比較器/量子化器207)とメモリ216とを備える量子化回路220(例えば、量子化回路220a0,a1,b0,b1)を含む。図2Eの例では、4つの画素セルのブロックは、マルチプレクサ(図2Eには図示せず)を介してブロックレベルADC(例えば、比較器/量子化器207)とブロックレベルメモリ216とを含み得るブロックレベル量子化回路220を共有し得る。各画素セルは、電荷を量子化するために量子化回路220に順番にアクセスする。例えば、画素セル201a0~a3は量子化回路220a0を共有し、画素セル201a4~a7は量子化回路220a1を共有し、画素セル201b0~b3は量子化回路220b0を共有し、画素セル201b4~b7は量子化回路220b1を共有する。いくつかの例において、各画素セルは、その専用の量子化回路を含み得るかまたは有し得る。
加えて、画像センサ200は、カウンタ240およびデジタルアナログ変換器(DAC)242などの他の回路をさらに含む。カウンタ240は、メモリ216にカウント値を供給するデジタルランプ回路として構成され得る。また、カウント値は、図2Cおよび図2DのVREFなどのアナログランプを生成するためにDAC242に供給され得る。アナログランプは量子化動作を実行するために量子化器207に供給され得る。画像センサ200は、カウンタ値を表すデジタルランプ信号とアナログランプ信号を画素セルの異なるブロックの処理回路214に分配するためのバッファ230a,230b,230c,230dなどを含むバッファネットワーク230をさらに含み、任意の所与の時間において各処理回路214が同じアナログランプ電圧と同じデジタルランプカウンタ値を受信するようにする。これは、異なる画素セルによって出力されるデジタル値の差が、画素セルによって受け取られる光の強度の差によるものであって、画素セルによって受け取られるデジタルランプ信号/カウンタ値およびアナログランプ信号の不一致によるものではないことを保証するためである。
画像センサ200からの画像データは、ホストプロセッサ(図2A~図2Eには図示せず)に送信されることで、物体252の識別および追跡、または図2Fに示される画像センサ200に対する物体252の深度感知の実行など、異なるアプリケーションをサポートし得る。これら全てのアプリケーションに対して、画素セルのサブセットのみが関連情報(例えば、オブジェクト252の画素データ)を提供し、残りの画素セルは関連情報を提供しない。例えば、図2Fを参照すると、時間T0において、画像センサ200の画素セル250の群が、物体252によって反射された光を受信する一方、時間T6において、物体252は(例えば、物体252の移動、画像センサ200の移動、または両方に起因して)シフトしている可能性があり、画像センサ200の画素セル270の群が、物体252によって反射された光を受信する。時間T0,T6の両方において、画像センサ200は、画素セル260,270の群からの画素データのみをスパース画像フレームとしてホストプロセッサに送信することで、送信される画素データの量を低減し得る。このような構成は、より高いフレームレートでより高い解像度の画像の送信を可能にし得る。例えば、より多くの画素セルを含むより大きな画素セルアレイを使用して物体252を撮像することで画像解像度を向上させることができるとともに、物体252の画素データを提供する画素セルを含む画素セルのサブセットのみが画素データをホストプロセッサに送信する場合には、向上した画像解像度を提供するために必要な帯域幅および電力を低減することができる。同様に、画像センサ200は、より高いフレームレートで画像を生成するように動作し得るが、各画像が画素セルのサブセットによって出力された画素値のみを含む場合、帯域幅および電力の増加を低減することができる。同様の技術が、3Dセンシングの場合に画像センサ200によって使用され得る。
3Dセンシングの場合にも、画素データの伝送量を低減することができる。例えば、照明器は、構造化光のパターンを物体上に投影し得る。構造化光は物体の表面上で反射され得るとともに、反射光のパターンは、画像を生成するために画像センサ200によってキャプチャされ得る。ホストプロセッサは、パターンをオブジェクトパターンと照合し、画像内のオブジェクトパターンの構成に基づいて、画像センサ200に対するオブジェクトの深度を決定し得る。3Dセンシングの場合、画素セルの群のみが関連情報(例えば、パターン252の画素データ)を含む。送信される画素データの量を低減するために、画像センサ200は、画素セルの群からの画素データまたは画像内のパターンの画像位置のみをホストプロセッサに送信するように構成され得る。
図3は、図2Aの画素セル201の構成要素のうちの少なくともいくつかを含み得る画素セルアレイの画素セル300の例示的な内部構成要素を示す。画素セル300は、フォトダイオード310a,310bなどを含む1つまたは複数のフォトダイオードを含み得る。各フォトダイオードは、異なる周波数範囲の光を検出するように構成され得る。例えば、フォトダイオード310aは可視光(例えば、単色、あるいは赤色、緑色、または青色のうちの1つ)を検出し得る一方、フォトダイオード310bは赤外光を検出し得る。画素セル300はさらに、画素データ生成のためにどのフォトダイオードが電荷を出力するかを制御するためのスイッチ320(例えば、トランジスタ、コントローラバリア層)を含む。
加えて、画素セル300は、図2Aに示されるように、電子シャッタスイッチ203、転送スイッチ204、電荷蓄積デバイス205、バッファ206、量子化器207、およびメモリ380をさらに含む。電荷蓄積デバイス205は、電荷-電圧変換利得を設定するように構成可能なキャパシタンスを有し得る。いくつかの例において、電荷蓄積デバイス205のキャパシタンスは、電荷蓄積デバイス205がオーバーフロー電荷によって飽和される可能性を低減するために、中程度の光強度に対するFD_ADC動作のためのオーバーフロー電荷を蓄積するように増加され得る。また、電荷蓄積デバイス205のキャパシタンスは、低い光強度に対するPD_ADC動作のための電荷-電圧変換利得を増加させるように減少され得る。電荷-電圧変換利得を増加させることで、量子化誤差を低減し、量子化分解能を増加させることができる。いくつかの例においては、電荷蓄積デバイス205のキャパシタンスは、量子化分解能を増加させるために、FD_ADC動作中にも減少され得る。バッファ206は、バイアス信号BIAS1によって電流が設定され得る電流源340と、バッファ206をオン/オフするためにPWR_GATE信号によって制御され得る電力ゲート330とを含む。バッファ206は、画素セル300をディセーブルにするための一部としてオフにされ得る。
また、量子化器207は、比較器360および出力論理370を含む。比較器207は、バッファの出力を基準電圧(VREF)と比較して、出力を生成し得る。量子化動作(例えば、TTS動作、FD_ADC動作、およびPD_ADC動作)に応じて、比較器360は、バッファリングされた電圧を異なるVREF電圧と比較して出力を生成し得る。この出力は、画素出力として自走カウンタからの値をメモリ380に記憶させるために、出力論理370によってさらに処理され得る。比較器360のバイアス電流は、比較器360の帯域幅を設定し得るバイアス信号BIAS2によって制御され得る。この帯域幅は、画素セル300によってサポートされるフレームレートに基づいて設定され得る。また、比較器360の利得は、利得制御信号GAINによって制御され得る。比較器360の利得は、画素セル300によってサポートされる量子化分解能に基づいて設定され得る。比較器360はさらに、比較器360をオン/オフするためにPWR_GATE信号によって制御され得る電力スイッチ350を含む。比較器360は、画素セル300をディセーブルにするための一部としてオフにされ得る。
また、出力論理370は、TTS動作、FD_ADC動作、またはPD_ADC動作のうちの1つの出力を選択し得るとともに、その選択に基づいて、カウンタからの値を記憶するべく比較器360の出力をメモリ380に転送するかどうかを決定し得る。出力論理370は、比較器360の出力に基づいて、フォトダイオード310(例えば、フォトダイオード310a)が残留電荷によって飽和しているかどうか、および電荷蓄積デバイス205がオーバーフロー電荷によって飽和しているかどうかを示す値を記憶するための内部メモリを含み得る。電荷蓄積デバイス205がオーバーフロー電荷によって飽和している場合、出力論理370は、メモリ380に記憶されるべきTTS出力を選択し、メモリ380がFD_ADC/PD_ADC出力によってTTS出力を上書きすることを防止し得る。電荷蓄積デバイス205は飽和していないが、フォトダイオード310が飽和している場合には、出力論理370は、FD_ADC出力を選択してメモリ380に記憶するようにし得る。そうでない場合には、出力論理370は、PD_ADC出力を選択してメモリ380に記憶するようにし得る。いくつかの例においては、カウンタ値の代わりに、フォトダイオード310が残留電荷によって飽和しているかどうか、および電荷蓄積デバイス205がオーバーフロー電荷によって飽和しているかどうかを示す値がメモリ380に記憶されることで最低精度画素データが提供され得る。
また、画素セル300は、AB、TG、BIAS1、BIAS2、GAIN、VREF、PWR_GATEなどの制御信号を生成する論理回路を含み得る画素セルコントローラ390を含み得る。画素セルコントローラ390は、画素レベルプログラミング信号395によってプログラムされ得る。例えば、画素セル300をディセーブルにするために、画素セルコントローラ390は、PWR_GATEをデアサートしてバッファ206および比較器360をオフにするように画素レベルプログラミング信号395によってプログラムされ得る。また、量子化分解能を増加させるために、画素セルコントローラ390は、電荷蓄積デバイス205のキャパシタンスを減少させ、例えばGAIN信号を介して比較器360の利得を増加させるように画素レベルプログラミング信号395によってプログラムされ得る。また、フレームレートを増加させるために、画素セルコントローラ390は、BIAS1信号およびBIAS2信号を増加させてそれぞれバッファ206および比較器360の帯域幅を増加させるように画素レベルプログラミング信号395によってプログラムされ得る。さらには、画素セル300によって出力される画素データの精度を制御するために、画素セルコントローラ390は、画素レベルプログラミング信号395によってプログラムされることで、例えば、カウンタのビットのサブセット(例えば、最上位ビット)のみをメモリ380に接続してメモリ380がビットのサブセットのみを記憶するようにしたり、または出力論理370に記憶された値を画素データとしてメモリ380に記憶するようにしたりする。加えて、画素セルコントローラ390は、画素レベルプログラミング信号395によってプログラムされることで、AB信号およびTG信号のシーケンスおよびタイミングを制御して、例えば、露光期間を調整し、および/または特定の量子化動作(例えば、TTS、FD_ADC、またはPD_ADCのうちの1つ)を選択する一方で、上述のように、動作条件に基づいて他をスキップし得る。
図4A、図4B、および図4Cは、画像センサ200などのイメージセンサの周辺回路および画素セルアレイの例示的な構成要素を示す。図4Aに示されるように、画像センサは、プログラミングマップパーサ(parser)402と、列制御回路404と、行制御回路406と、画素データ出力回路407とを含み得る。プログラミングマップパーサ402は、シリアルデータストリーム内に存在し得る画素アレイプログラミングマップ400を解析して、各画素セル(または画素セルのブロック)のプログラミングデータを識別し得る。プログラミングデータの識別は、例えば、2次元画素アレイプログラミングマップをシリアルフォーマットに変換する所定の走査パターン、およびプログラミングデータがシリアルデータストリームからプログラミングマップパーサ402によって受信される順序に基づき得る。プログラミングマップパーサ402は、画素セルを対象とするプログラミングデータに基づいて、画素セルの行アドレスと、画素セルの列アドレスと、1つまたは複数の設定信号(configuration signal)との間のマッピングを作成し得る。このマッピングに基づいて、プログラミングマップパーサ402は、列アドレスと設定信号とを含む制御信号408を列制御回路404に送信し得るとともに、列アドレスにマッピングされた行アドレスと設定信号とを含む制御信号410を行制御回路406に送信し得る。いくつかの例において、設定信号は、制御信号408と制御信号410との間で分割され得るか、または制御信号410の一部として行制御回路406に送信され得る。
列制御回路404および行制御回路406は、プログラミングマップパーサ402から受信した設定信号を画素セルアレイ318の各画素セルの設定(configuration)メモリに転送するように構成されている。図4Aにおいて、Pij(例えば、P00,P01,P10,P11)のラベルが付された各ボックスは、画素セルまたは画素セルのブロック(例えば、画素セルの2×2アレイ、画素セルの4×4アレイ)を表し得るものであり、処理回路214とメモリ216とを含む図2Eの量子化回路220を含み得るかまたはそれに関連付けられ得る。図4Aに示されるように、列制御回路404は、複数組の列バスC0,C1,・・・Ciを駆動する。各組の列バスは1つまたは複数のバスを含み、列選択信号および/または他の設定信号を含み得る制御信号を画素セルの列に送信するために使用され得る。例えば、列バスC0は、列選択信号408aを送信することにより、画素セルP00,P01,・・・P0jの列(または画素セルのブロックの列)を選択し得る。また、列バスC1は、列選択信号408bを送信することにより、画素セルP10,P11,・・・P1jの列(または画素セルのブロック)を選択し得る。
さらに、行制御回路406は、R0,R1,・・・Rjのラベルが付された複数組の行バスを駆動する。同様に、各組の行バスは1つまたは複数のバスを含み、行選択信号および/または他の設定信号を含み得る制御信号を画素セルの行または画素セルのブロックの行に送信するために使用され得る。例えば、行バスR0は、行選択信号410aを送信することにより、画素セルP00,P10,・・・Pi0(または画素セルのブロック)の行を選択し得る。また、行バスR1は、行選択信号410bを送信することにより、画素セルP01,P11,・・・P1i(または画素セルのブロック)の行を選択し得る。画素セルアレイ318内の任意の画素セル(または画素セルのブロック)は、行選択信号と列選択信号との組み合わせに基づいて選択されることにより設定信号を受信し得る。行選択信号、列選択信号、および設定信号(ある場合)は、上述したように、プログラミングマップパーサ402からの制御信号408,410に基づいて同期される。画素セルの各列は、画素データを画素データ出力回路407に送信するための出力バスのセットを共有し得る。例えば、画素セルP00,P01,・・・P0jの列(または画素セルのブロック)は出力バスD0を共有し得るとともに、画素セルP10,P11,・・・P1jの列(または画素セルのブロック)は出力バスD1を共有し得る。
画素データ出力回路407は、バスから画素データを受信し、画素データを(例えば、シフトレジスタを使用して)1つまたは複数のシリアルデータストリームに変換して、MIPIなどの所定のプロトコル下でデータストリームをホストデバイス435に送信し得る。データストリームは、スパース画像フレームの一部として各画素セル(または画素セルのブロック)に関連付けられた量子化回路220(例えば、処理回路214およびメモリ216)から到来し得る。また、画素データ出力回路407は、プログラミングマップパーサ402から制御信号408,410を受信して、例えば、どの画素セルが画素データを出力しないのかまたは各画素セルによって出力される画素データのビット幅を決定し、それに応じてシリアルデータストリームの生成を調整し得る。例えば、画素データ出力回路407は、例えば画素セル間の出力画素データの可変ビット幅を考慮したり、または特定の画素セルにおける画素データ出力のディセーブル化を考慮したりするために、シリアルデータストリームを生成する際にいくつかのビットをスキップするようにシフトレジスタを制御し得る。
また、画素セルアレイ制御回路は、階層的電力状態制御回路を形成する各画素セルまたは画素セルの各ブロック(図4Aには図示せず)において、グローバル電力状態制御回路420などのグローバル電力状態制御回路、列電力状態制御回路422、行電力状態制御回路424、およびローカル電力状態制御回路430をさらに含む。グローバル電力状態制御回路420は階層内の最高レベルのものとすることができ、行/列電力状態制御回路422/424が続き、ローカル電力状態制御回路430が階層内の最低レベルにある。
階層的電力状態制御回路は、画像センサ200などの画像センサの電力状態を制御する際に異なる粒度を提供し得る。例えば、グローバル電力状態制御回路420は、全ての画素セルの処理回路214およびメモリ216、図2EのDAC242およびカウンタ240などを含む、画像センサの全ての回路のグローバル電力状態を制御し得る。行電力状態制御回路424は、各行の画素セル(または画素セルのブロック)の処理回路214およびメモリ216の電力状態を別々に制御し得る。また、列電力状態制御回路422は、各列の画素セル(または画素セルのブロック)の処理回路214およびメモリ216の電力状態を別々に制御し得る。いくつかの例は、行電力状態制御回路424を含む一方、列電力状態制御回路422を含まなくてもよく、またはその逆であってもよい。また、ローカル電力状態制御回路430は、画素セルまたは画素セルのブロックの一部とすることができ、画素セルまたは画素セルのブロックの処理回路214およびメモリ216の電力状態を制御し得る。
図4Bは、階層的電力状態制御回路の内部構成要素およびそれらの動作の例を示す。具体的に、グローバル電力状態制御回路420は、画像センサのグローバル電力状態を設定する、バイアス電圧、バイアス電流、供給電圧、またはプログラミングデータの形態であり得るグローバル電力状態信号432を出力し得る。また、列電力状態制御回路422(または行電力状態制御回路424)は、画像センサの画素セル(または画素セルのブロック)の列/行の電力状態を設定する列/行電力状態信号434を出力し得る。列/行電力状態信号434は、行信号410および列信号408として画素セルに送信され得る。また、ローカル電力状態制御回路430は、関連する処理回路214およびメモリ216を含む画素セル(または画素セルのブロック)の電力状態を設定するローカル電力状態信号436を出力し得る。ローカル電力状態信号436は、画素セルの処理回路214およびメモリ216に出力されることでそれらの電力状態を制御し得る。
階層的電力状態制御回路において、上位の電力状態信号は、下位の電力状態信号の上限を設定し得る。例えば、グローバル電力状態信号432は、列/行電力状態信号434の上位の電力状態信号であってよく、列/行電力状態信号434の上限を設定し得る。また、列/行電力状態信号434は、ローカル電力状態信号436の上位の電力状態信号であってよく、ローカル電力状態信号436の上限を設定し得る。例えば、グローバル電力状態信号432が低電力状態を示す場合、列/行電力状態信号434およびローカル電力状態信号436も低電力状態を示し得る。
グローバル電力状態制御回路420、列/行電力状態制御回路422/424、およびローカル電力状態制御回路430の各々は、電力状態信号生成器を含み得る。一方、列/行電力状態制御回路422/424、およびローカル電力状態制御回路430は、上位の電力状態信号によって課される上限を実施するためのゲーティング論理を含み得る。具体的に、グローバル電力状態制御回路420は、グローバル電力状態信号432を生成するグローバル電力状態信号生成器421を含み得る。グローバル電力状態信号生成器421は、例えば、(例えば、ホストデバイスからの)外部設定信号440またはグローバル電力状態の所定の時間シーケンスに基づいて、グローバル電力状態信号432を生成し得る。
また、列/行電力状態制御回路422/424は、列/行電力状態信号生成器423とゲーティング論理425とを含み得る。列/行電力状態信号生成器423は、例えば、(例えば、ホストデバイスからの)外部設定信号442または行/列電力状態の所定の時間シーケンスに基づいて、中間列/行電力状態信号433を生成し得る。ゲーティング論理425は、グローバル電力状態信号432と中間列/行電力状態信号433とのうちより低い電力状態を表す1つを列/行電力状態信号434として選択し得る。
さらに、ローカル電力状態制御回路430は、ローカル電力状態信号生成器427およびゲーティング論理429を含み得る。低電力状態信号生成器427は、例えば、画素アレイプログラミングマップ、行/列電力状態の所定の時間シーケンスなどによる外部設定信号444に基づいて、中間ローカル電力状態信号435を生成する。ゲーティング論理429は、ローカル電力状態信号435と列/行電力状態信号434とのうちより低い電力状態を表す1つをローカル電力状態信号436として選択し得る。
図4Cは、各画素セル(または画素セルの各ブロック)のローカル電力状態制御回路430(例えば、図4Cにおいて「PWR」のラベルが付された430a,430b,430c,430d)および設定メモリ450(例えば、図4Cにおいて「設定」のラベルが付された450a,450b,450c,450d)を含む画素セルアレイの追加の詳細を示す。設定メモリ450は、画素セル(または画素セルのブロック)の光測定動作(例えば、露光期間持続時間、量子化分解能)を制御するための第1のプログラミングデータを記憶し得る。また、設定メモリ450は、処理回路214およびメモリ216の電力状態を設定するためにローカル電力状態制御回路430によって使用され得る第2のプログラミングデータを記憶し得る。設定メモリ450は、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)として実装され得る。図4Cは、ローカル電力状態制御回路430および設定メモリ450が各画素セルの内部にあることを示しているが、ローカル電力状態制御回路430および設定メモリ450が画素セルのブロック用のものである場合など、設定メモリ450は各画素セルの外部にあってもよいことが理解される。
図4Cに示されるように、各画素セルの設定メモリ450は、S00,S01,S10,S11などのトランジスタSを介して列バスCおよび行バスRと結合されている。いくつかの例において、列バス(例えば、C0,C1)および行バス(例えば、R0,R1)の各組は、複数のビットを含み得る。例えば、図4Cにおいて、列バスおよび行バスの各組は、N+1ビットを搬送し得る。いくつかの例においては、列バスおよび行バスの各組が単一のデータビットを搬送し得ることが理解される。また、各画素セルは、画素セル(または画素セルのブロック)への設定信号の送信を制御するためにT00,T01,T10,T11などのトランジスタTと電気的に接続されている。各画素セルのトランジスタSは、対応するトランジスタTをイネーブル(またはディセーブル)にして設定信号を画素セルに送信するために行選択信号および列選択信号によって駆動され得る。いくつかの例において、列制御回路404および行制御回路406は、複数の画素セルの設定メモリ450に同時に書き込むように(例えば、ホストデバイスからの)単一の書込み命令によってプログラムされ得る。これにより、列制御回路404および行制御回路406は、行バスおよび列バスを制御して、画素セルの設定メモリに書き込むことができる。
いくつかの例において、ローカル電力状態制御回路430は、設定信号を設定メモリ450に記憶することなくトランジスタTから設定信号を直接受信することもできる。例えば、上述したように、ローカル電力状態制御回路430は、画素セルの電力状態、および画素セルによって使用される処理回路および/またはメモリの電力状態を制御するために、電圧バイアス信号または供給電圧などのアナログ信号であり得る行/列電力状態信号434を受信し得る。
また、各画素セルは、画素セルの列の間の出力バスDの共有を制御するために、O00,O01,O10,O11などのトランジスタOも含む。各行のトランジスタOは、画素セルの1つの行が出力バスD0,D1,・・・Diを介して画素データを出力し、次いで画素セルの次の行がそれに続くように、画素データの行ごとの読み出しを可能にするための読み出し信号(例えば、Read_R0,Read_R1)によって制御され得る。
いくつかの例において、処理回路214およびメモリ216、カウンタ240、DAC242、バッファ230を含むバッファネットワークなどを含む画素セルアレイの回路構成要素は、階層的電力状態制御回路によって管理される階層的電力領域に編成され得る。階層的電力ドメインは、複数の電力ドメインおよび電力サブドメインの階層を含み得る。階層的電力状態制御回路は、各電力ドメインの電力状態、および各電力ドメイン下の各電力サブドメインの電力状態を個別に設定し得る。そのような構成は、画像センサ304による電力消費のきめ細かな制御を可能にするとともに、様々な空間的および時間的電力状態制御動作をサポートすることで画像センサの電力効率をさらに改善する。
スパース画像感知動作は、電力および帯域幅要件を低減し得るが、スパース画像感知動作のための量子化動作を実行するために(例えば、図6Cに示されるような)画素レベルADCまたは(例えば、図2Eに示されるような)ブロックレベルADCを有することは、依然として電力の非効率的な使用につながり得る。具体的に、画素レベルADCまたはブロックレベルADCのうちのいくつかがディセーブルにされている間、クロック、アナログランプ信号、またはデジタルランプ信号などの高速制御信号は、依然として、バッファネットワーク630を介して各画素レベルADCまたはブロックレベルADCに送信され得る。これは、かなりの量の電力を消費し、各画素の生成のための平均電力消費を増加させ得る。画像フレームのスパース性が高くなる(例えば、より少ない画素を含む)一方、依然として高速制御信号が各画素セルに送信されることにより、高速制御信号を送信する際の電力消費が変わらないまま、生成される画素がより少ないことに起因して各画素の生成のための平均電力消費が増加する場合、非効率性がさらに悪化し得る。
図5は、量子化演算を低減した、画素セル、集積回路、および周辺部の一例を示す図である。具体的に、図5は、本明細書に記載の実施形態を実行するためのデジタル画像センサ装置の一例を示す。SOC画素500は、図2Aおよび図2Cに示される画素セル201と同様に、フォトダイオードにおいて電荷を生成するように構成された画素セルであり得る。例えば、SOC画素500は、構成要素201~206などの画素セル201の構成要素を含む。
SOC画素500はさらに、サンプリングキャパシタ502を含む。サンプリングキャパシタ502は、フォトダイオード202などのフォトダイオードから生成された電荷をアナログ電圧信号に変換することが可能なキャパシタまたは他の電荷蓄積デバイスであり得る。図5に示されるように、サンプリングキャパシタ502は、ASIC510層内のスイッチ518を介してSOC画素500の残りの部分に結合されている。したがって、スイッチ518が開状態にあるときはサンプリングキャパシタ502にて電荷をさらに生成することが防止され、スイッチ518が閉状態にあるときはサンプリングキャパシタ502にて電荷の生成が開始されるかまたは電荷の生成が継続され得る。
ASIC510は、比較器512をさらに備える。比較器512は、アナログ電圧値を比較するように構成された演算増幅器ベースの比較器であり得る。例えば、図5に示されるように、比較器512は、サンプリングキャパシタ502からの信号を1つの入力として受信し得る。様々な実施形態において、サンプリングキャパシタ502から受信される信号は、電荷共有演算増幅器の利得を2倍にするための相関二重サンプリング処理の一部として、第2の相関キャパシタ(図5ではCCとして示される)によって修正される。演算増幅器は、閾値電圧値信号を受信し、キャプチャ電圧信号と比較して、サンプリングキャパシタ502によって蓄積された電荷が閾値電圧値を満たすかまたは超えるのに十分であるかどうかを判定し得る。例えば、図5に示されるように、デジタル画像センサのASIC周辺部520に配置されたADCランプ生成器522は、比較を実行するための比較器512にランプ信号(図5においてVRAMPとして示される)を送信し得る。比較器の出力は、別の論理回路に転送され得る。
状態ラッチ514は、比較器512の出力に結合されている。状態ラッチ514は、比較器512からの出力とCOMP_CHK信号とを入力として受信し、十分な電荷が収集されたかどうかを判定して、1ビット状態ラッチ信号(図5においてSELとして示される)を出力するように構成されたASIC510内のラッチベース回路であり得る。SEL信号は、サンプリングキャパシタ502のキャプチャ電圧信号が、比較器512において受信された閾値電圧値を満たすかまたは超えると判定されたとき、スイッチ518を開くために使用される。いくつかの実施形態において、状態ラッチ514は、キャプチャ電圧値と閾値電圧値との比較が実行される期間に対応するフラグビットフィールドを生成し、有効にし、更新するように構成されている。状態ラッチ514は、正確な量子化のために十分な電荷についてサンプリングキャパシタ502がチェックされる期間を追跡するために、フレームキャプチャ期間全体を通じて特定の期間におけるフラグビットフィールドを更新し得る。
比較器512の出力および状態ラッチ514の出力は、メモリ516などのASIC510内のメモリに接続されている。メモリ516は、収集された電荷および対応するフラグビットフィールド値に基づいて画素値を記憶するためにASIC510に組み込まれたメモリであり得る。メモリ516は、例えば、本明細書に記載の実施形態を可能にするためのスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)の集合体であり得る。メモリ516は、比較器512および状態ラッチ514からの変換電圧値およびフラグビットフィールドを受信し、後続の読み出し動作のためにそれらの値を記憶し得る。
一例として、図5に示されるROW_SEL信号は、比較器512の出力とメモリ516との間の接続を切り替えるスイッチのための制御信号として機能し得る。キャパシタに蓄積された電荷が閾値電圧に達するか、または露光期間が終了すると、SELスイッチが開き、電荷のさらなる蓄積が防止される。これと実質的に同時に、状態ラッチは、フラグビット値をメモリ516に記憶する。露光期間の終わりに達すると、記憶された電圧が量子化され、記憶されたフラグビット値に対応するようにメモリ516に記憶される。したがって、量子化された画素値とフラグビット値との両方がキャプチャされて一緒に記憶される。
図6は、スタティックランダムアクセスメモリを含む、量子化演算を低減した画素セル、集積回路、および周辺機器の一例を示す図である。具体的に、図6は、図5に示されるメモリ516の一部として実装されるデジタル相関二重サンプリング(CDS)動作の一部としての、信号用SRAMおよびリセット(RST)値用SRAMを含む、図5に示されるデジタル画像センサと同様のデジタル画像センサを示している。デジタルCDS動作は、画素間固定パターンノイズ(FPN)を除去し得る。図6に示されるように、デジタルCDS処理を可能にするために、RST用のSRAM構成要素が図5のデジタル画像センサに導入される。この構成要素は、RST用SRAM610として図6に示されている。RST用SRAM610は、信号用SRAM600として示されるメモリ内に存在し得る。信号用SRAM600は、図5に示されるように、比較器512および状態ラッチ514に接続されている。RST用SRAM610は、ROW_RST_SEL接続を介して比較器にもさらに接続され得る。RST用SRAM610は、RST用SRAM610に記憶され得る画素のノイズレベルをキャプチャするために、第1のキャプチャ期間の開始前の期間にわたって信号をパルス化し得る。このRST用SRAM610の構成要素におけるノイズ値は、信号用SRAM600の構成要素に記憶された値における対応するノイズ信号をデジタル的に除去するために使用され得る。
図7は、キャプチャ期間中の構成要素の動作の時系列を示すタイミング図である。具体的に、図7は、本明細書に記載される単一量子化動作中のデジタル画像センサの構成要素のタイミング信号を示している。図7に示されたタイミング図は、全フレームキャプチャ期間中に発生する4つの別個の期間におけるデジタル画像センサ内の回路のタイミングを示している。例えば、図7のタイミング図は、全て異なる持続時間T1,T2,T3,T4を有する4つの別個の期間を示している。このタイミング図に示されるように、これらの期間は、期間のバイナリ表現に対応する2ビットバイナリフラグに対応する。
図7に示されるように、光の異なる強度に基づく例示的な電荷蓄積レベルおよびタイミング情報の描写が各期間において示されている。図7に示されたタイミング図は、画素間サンプリング動作における回路のリセットに続いて開始され、SOC画素500およびASIC510の処理回路は、先のデジタル画素値の量子化の後、図7に示される新たなフレームキャプチャの前にリセットされる。
SOC画素500およびASIC510のリセットから時間T1までの期間は、デジタル画素センサの露光の第1の期間である。この期間中、フォトダイオードは光に曝され、電荷蓄積デバイスは、その結果として生じる生成電荷をアナログ電圧信号に変換する。リセットが発生した後、フレームキャプチャの期間を示すフラグビットフィールドはヌル値(「X」として表される)に設定され、その後、期間を表すバイナリ値に変換される。例えば、タイミング図に示されるように、フラグビットフィールド値は10進値の(とり得る値である3,2,1,0のうちの)3を表す「11」のバイナリ値に変換される。フラグビットフィールドは、図7に示されるように、後続の期間に対して他の対応するバイナリ値にさらに変換される。例えば、第2の期間では、フラグビットフィールドはバイナリ値「10」に変換され、第3の期間では、フラグビットフィールドはバイナリ値「01」に変換され、第4の期間では、フラグビットフィールドはバイナリ値「00」に変換される。次いで、画素値および対応するフラグビットフィールド値が記憶され、後で最終画素値を生成するために使用され得る。
タイミング図が期間T1~T4を通じて進むにつれて、電荷蓄積デバイスは、フォトダイオードによって生成された電荷に対応する電圧信号を蓄積し変換する。フォトダイオードは低い光強度の環境ではそれほど強く変化を生じない可能性があるため、フォトダイオードで受光される光の強度に依存する十分に長い期間にわたってフォトダイオードが光に曝されるまでは、電荷蓄積デバイスは正確に量子化されるのに十分な電荷を蓄積しない可能性がある。例えば、構成要素CSについてのタイミング図の点線は、フォトダイオードで受光される光の強度に基づいてキャプチャされた電荷の異なる例示的な状態を表している。
例えば、フォトダイオードが図7に示されるように「高」強度光源に基づき電荷を生成しているとき、電荷蓄積デバイスは、測定の第1の期間(T1で測定される)前に、閾値電圧値(QThresholdで示される)よりも大きな値を有する電荷を蓄積し得る。例えば、図7において「高」のラベルが付された行に示されるように、高強度の光を受けるフォトダイオードによって生成された電荷を蓄積していた電荷蓄積デバイス(電荷を蓄積するウェルとして図7に示される)は、時間T1の前にすでに十分な電圧を蓄積していることが考えられる(または飽和していることも考えられる)。これは、キャプチャされた電圧のレベルがQThresholdラインを超える蓄積ウェルの対応する電荷レベルで示されている。「高」強度の例における電荷蓄積デバイスは、(例えば、比較器512によって)T1において測定されたときに量子化のために十分な電荷をすでに生成しているため、T1における「11」の対応するフラグビットフィールドがラッチされてメモリ516に記憶され得る。電力を節約して電荷蓄積デバイスの飽和を防止するべく、回路が開かれて電荷蓄積デバイスにおける電荷のさらなる生成を防止する。露光期間の終わりに、蓄積電荷はADCに送られてデジタル値に量子化され、次いでメモリ516に記憶される。したがって、露光期間の終わりに、フラグビット値と量子化された画素値との両方が一緒にメモリ516に記憶される。
フォトダイオードで受光される光の他の強度は、正確な量子化のために電荷蓄積デバイスにおいて十分な量の電荷を生成するために、電荷蓄積デバイスがさらに露光される必要があり得ることを意味し得る。例えば、光源が「中~高」強度光源である場合、電荷蓄積デバイスは、閾値電圧値を満たさないまたは超えない時間T1までの電圧電荷(QThresholdラインを満たさないT1の電荷を蓄積するウェルによって表される)を変換および蓄積し得る。電荷蓄積デバイスは、その後、期間T2の終わりに達する時間までに閾値電圧値を超えるのに十分な電荷を変換および蓄積し得るが、その時点において、電荷蓄積デバイスは、光を受光するフォトダイオードからの十分な電荷を、QThreshold値を満たすかまたは超える電圧値として蓄積している。時間T2においてフラグビットフィールドは「10」であり、これは、電荷蓄積デバイスが「中~高」強度光をキャプチャするときに閾値を満たすかまたは超えるのに十分な電荷を蓄積した第2の期間を表している。
フォトダイオードで受光される光の強度がさらに低い場合は、電荷蓄積デバイスによって量子化のために十分な電荷を変換および蓄積するためにさらなる露光時間が必要とされ得る。例えば、光源が「中~低」強度の光である場合には、期間T1または期間T2のいずれかの前に変換および蓄積された電荷が量子化に十分でない可能性がある(これらの時間にQThreshold値を満たしていない電荷蓄積デバイスの対応するウェルによって表される)。代わりに、図7に示されるように、期間T3の前に十分な電荷の蓄積が行われる。時間T3において、フラグビットフィールドは現在「01」であり、これは、蓄積電荷が閾値を満たすかまたは超える第3の期間を表している。次いで、回路が開かれることで電荷蓄積デバイスにおける電荷のさらなる生成が防止されて、フラグビット値がSRAMに記憶される。露光期間の終わりに、電荷信号は、上述したように量子化および記憶のためにADCに送られる。
フォトダイオードで受光される非常に低い強度の光は、十分な変換および蓄積された電荷に達するためにフレームキャプチャの全露光時間を必要とする場合がある。いくつかの場合には、最終期間(図7のT4)の前であっても、画素が十分な電荷レベルに到達しない場合がある。例えば、光源が「低」強度光である場合、変換および蓄積された電荷は、期間T3の前に十分でない可能性があり、期間T4の前であっても、十分である場合もあれば十分でない場合もある。例えば、フォトダイオードによってキャプチャされたくすんだ赤色光は、期間T3の前ではなく、期間T4のいくらか前に十分な電荷の変換および蓄積を引き起こし得る。T4の時点において、フラグビットフィールドは「00」であり、第4の期間が発生したことを表す。その後、蓄積電荷は、この期間における電荷の十分性にかかわらず量子化され、その量子化された画素値と対応するフラグビット値との両方がメモリ516に記憶される。例えば、蓄積電荷が期間T4において閾値電圧に到達するのに十分でない(例えば、受光された光が非常に低い強度であるため、結果として得られる画素の色が非常に薄暗いまたは黒である)場合であっても、この特定のフレームキャプチャ中に電荷蓄積デバイスに対するさらなる露光時間が存在しないため、電荷は依然として量子化される。
図8は、フォトダイオード内に電荷を生成する光の様々な強度に対する一連の時間ベースの電荷充足閾値を示す電荷キャプチャのグラフを示す。具体的に、図8は、どの信号範囲/強度が図7に示される4つの露光期間に対応するのかに対応するグラフを示している。例えば、QThreshold値は、十分な電荷が発生すると予想される、設定された電荷電圧閾値を示している。グラフの水平軸は、期間T1~T4およびフレームキャプチャ中のそれらのそれぞれの持続時間を表す。縦軸は、フォトダイオードQPDの全容量ダイナミックレンジを示す。
図9は、時間データおよび電荷閾値を満たすかまたは超える十分な画素電荷に基づく単一量子化を使用してデジタル画素データを量子化するための例示的な処理を示す。具体的に、図9は、本明細書に記載される単一量子化動作を実行するために電荷蓄積デバイスにおいて電荷を変換するためのフローチャートを示している。処理900は902で開始し、フラグデータが初期期間に対して設定される(例えば、図7に示されるような2ビットフラグフィールド構成を使用する例ではフラグデータが「11」に設定される)。このフラグデータは、初期期間の例えば図7のT0~T1に対応し、この期間にわたってフォトダイオードの露光が行われる。
いくつかの実施形態において、フラグデータは、状態ラッチ514などの状態ラッチによってキャプチャされる。例えば、フレームキャプチャ前に画素センサをリセットするための信号に応答して、状態ラッチ514は、現在存在するフラグビットフィールドを露光のための初期期間を表す新たなバイナリフラグビットフィールドに変換し得る。いくつかの実施形態では、状態ラッチ514は、フラグビットフィールドを第1の期間を表す第1のバイナリ値に設定する前にフラグビットフィールドをまずヌル値(例えば、図7に示されるような「X」)に設定可能であり得る。
904において、現在の期間中にフォトダイオードを露光した後に、その現在の期間についてキャプチャ電荷が判定される。例えば、SOC画素層500のフォトダイオード202は、電荷の生成を開始するために光源から光を受光し得る。電荷は、サンプリングキャパシタ502などの電荷蓄積デバイスによってキャプチャされるとともにアナログ電圧信号に変換され得る。電荷蓄積デバイスは、比較器512などの論理構成要素または回路に結合され得る。比較器512は、比較動作の一部としてキャプチャ電荷の値を判定するように構成され得る。様々な実施形態において、比較器512を含むASIC510は、比較のためのサンプリング電荷を得るために、別のキャパシタまたは他の電荷蓄積デバイスを含む。
906において、キャプチャ電荷が閾値電荷以上であるか否かについての判定が行われる。例えば、ASIC510の比較器512は、904で判定されたキャプチャ電荷を、ADCランプ生成器522などの別の構成要素から受け取った閾値電荷と比較する。この閾値電荷は、電荷蓄積デバイスによって変換された電圧を使用して、フォトダイオードにより受光された光の適切な信号対雑音比を提供するのに十分な電荷の電圧レベルを表す。キャプチャ電荷が閾値電荷以上でない場合、電荷蓄積デバイスは現在の露光時間中に十分な電荷を収集していない。そのような場合、方法900はブロック908に進む。そうでない場合、以下で説明するように、方法900はブロック910に進む。
908において、キャプチャ電荷が閾値電荷以上でないとの判定に続いて、次の期間のためにフラグデータが更新される。例えば、現在の期間における現在のキャプチャ電圧が閾値電圧値を満たさないかまたは超えないとの信号を比較器512から受信することに応答して、状態ラッチ514は、比較器512がキャプチャ電荷値を閾値と比較するときの次の期間を表すようにフラグビットフィールドを更新し得る。いくつかの実施形態において、状態ラッチ514などの構成要素は、比較器512からの信号の受信に応答してフラグデータをデクリメントし得るバイナリ算術回路を含み得る。デクリメント動作は、バイナリ値をデクリメントすることによって現在の期間フラグを更新することにより次の露光期間が発生しようとしていることを表す。
さらなる実施形態において、キャプチャ電荷が閾値電圧値を満たさないかまたは超えないことを示す値は、電荷蓄積デバイスが量子化のために十分な電荷を蓄積するまでフォトダイオードからの変換電荷を蓄積し続けることができるようにラッチが閉じられたままであることを表す。例えば、状態ラッチ514は、サンプリングキャパシタ502がフォトダイオード202によって生成された電荷を受け取り続けることができるように、ラッチが閉じたままであることを示す信号をスイッチ518に送信または継続し得る。908に続いて、処理は904に戻り、フォトダイオードに対する追加の露光および次の期間中に電荷蓄積デバイスで電荷の変換が行われた後に、キャプチャ電荷が次の期間についてもう一度判定される。
906において、キャプチャ電荷が閾値電荷以上であると判定された場合、処理は910に進み、電荷のさらなるキャプチャが防止されてフラグデータがメモリに記憶される。例えば、比較器512が、904で判定されたキャプチャ電荷が閾値電圧値以上であると判定した場合、SEL信号は、電荷のさらなる蓄積を防止するためにスイッチ518を切り替えて開き得る。これにより、画素による電力消費を低減し得る。これは、電荷蓄積デバイスが十分なレベルの電荷に到達したかまたは露光期間が終了したかのいずれかであることによって生じる。この時点で、電荷蓄積デバイスにおける電荷のさらなる露光および変換は電荷蓄積デバイスを飽和させる可能性があるかまたはさらなる露光時間が利用可能でないかのいずれかである。したがって、910でキャプチャ電荷が十分であるとき、電荷蓄積デバイスとフォトダイオードとを接続する回路は、電力の浪費および望ましくない画素飽和を防止するために開かれる。
例えば、電荷蓄積デバイスにおける電荷のさらなるキャプチャの防止は、サンプリングキャパシタ502またはCDS実施形態における別のキャパシタ(例えば、CC)にフォトダイオード202が結合される回路を開くことによって実行され得る。この場合、904で判定されたキャプチャ電荷が閾値電荷以上であるとの入力を比較器512から受信することに応答して、状態ラッチ514は、スイッチ518を開かせるSEL回路の信号を更新または生成し得る。スイッチ518が開いているとき、フォトダイオードによって生成された電荷はもはや電荷蓄積デバイスには到達せず、電荷はもはや変換されない。
その後の電荷のキャプチャが防止されると、フラグデータは、回路が開かれてさらなる電荷蓄積が防止された期間を示す値としてメモリに記憶される。例えば、状態ラッチ514は、その期間を表すために2ビットバイナリフラグベースの値をSRAMコンピュータメモリにラッチし得る。
912において、量子化された画素値が記憶される。露光期間の終わりに蓄積電荷は量子化され、フラグビット値とともにSRAMに記憶される。そして、これら2つの値は、後で読み出されてHDR画像を構築するために使用され得る。
例示的な実施形態では、画素センサのフォトダイオードはリセットされて、フレームキャプチャ中に中程度の強度の光を受光し始める。フラグビットフィールドは、フレームキャプチャ中の4つの別個の期間のうちの第1の期間を示すバイナリ値「11」に設定される。デジタルクロックは、画素センサのリセットから経過した時間を測定する。クロックが期間T1を示すとき、比較器は、基準電圧値と、フォトダイオードから受け取った電荷を変換および蓄積している電荷蓄積デバイスからの蓄積電荷値とを受信し得る。比較器は、蓄積電荷が期間T1において閾値基準電圧値を満たさないかまたは超えないと判定し得る。比較器は、電荷蓄積デバイスが電荷を蓄積し続けることができるように回路を閉じたままにし続けるための信号をラッチに送信する。期間T2前のある時点で、フラグビットフィールドは「10」の値にデクリメントされ得る。
デジタルクロックが期間T2を示すとき、比較器は、基準電圧値と電荷蓄積デバイスからの記憶電荷値とを受信し得る。比較器は、蓄積電荷が期間T2において閾値基準電圧値を超えたと判定し得る。比較器は、ラッチに信号を送信することにより電荷蓄積デバイスとフォトダイオードとの間の回路を開いて電荷のさらなる蓄積を防止する。したがって、電荷蓄積デバイスは、フォトダイオードからの電荷を変換する不必要な電力をもはや消費せず、電荷蓄積デバイスの望ましくない飽和を防止する。
また、ラッチは、現在のフラグビットフィールドをSRAMなどのメモリに送信する。ただし、露光期間はまだ終了していないので、蓄積電荷はまだ量子化されていない。代わりに、露光期間の残りは、開かれたスイッチに起因して電荷のさらなる蓄積が生じることなく経過する。そして、露光期間の終わりに、蓄積電荷は量子化されて同様にSRAMに記憶される。したがって、量子化された画素値と、電荷蓄積が停止されたときの対応するフラグビット値との両方が記憶され、その後の読み出しに利用することが可能となる。
本明細書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するものである。これらアルゴリズムの説明および表現は、データ処理技術の当業者によって作業の内容を他の当業者に効果的に伝えるために一般に使用される。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それと等価な電気回路、マイクロコードなどによって実装されるものであることが理解される。また、一般性を失うことなくこれらの動作の構成をモジュールと呼ぶことが便利である場合があることも分かっている。説明した動作およびそれらの関連するモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、および/またはハードウェアにおいて具現化され得る。
説明したステップ、動作、または処理は、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モジュールまたはソフトウェアモジュールを用いて実行または実装され得る。いくつかの実施形態では、ソフトウェアモジュールは、上述したステップ、動作、または処理のうち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たコンピュータプログラム製品を用いて実装される。
また、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関し得る。この装置は、必要な目的のために特別に構築されてもよく、および/またはコンピュータ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にされるまたは再構成される汎用コンピューティングデバイスを含み得る。このようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステムバスに結合され得る、非一時的な有形コンピュータ可読記憶媒体、または電子命令を記憶するのに適した任意のタイプの媒体に記憶され得る。さらに、本明細書で言及される任意のコンピューティングシステムは、単一のプロセッサを含んでもよく、またはコンピューティング能力を高めるために複数のプロセッサ設計を採用するアーキテクチャであってもよい。
また、本開示の実施形態は、本明細書で説明されるコンピューティング処理によって生成される製品に関し得る。このような製品は、コンピューティング処理から生じる情報を含んでもよく、その情報は、非一時的な有形コンピュータ可読記憶媒体上に記憶される。また、そのような製品は、本明細書で説明されるコンピュータプログラム製品または他のデータ組み合わせの任意の実施形態を含んでもよい。
本明細書で使用される用語は、主に読みやすさおよび教示目的のために選択されたものであり、本発明の主題の境界を定めるまたは制限するために選択されたものでない場合がある。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、むしろ本明細書に基づく出願に関して記載される特許請求の範囲によって限定されることが意図される。したがって、実施形態の開示は、特許請求の範囲に記載される本開示の範囲の例示であり、限定ではないことが意図される。
Claims (20)
- センサ装置であって、
電圧を生成するように構成された画素セルであって、入射光に応答して電荷を生成するように構成されたフォトダイオードと、前記電荷を電圧に変換する電荷蓄積デバイスとを含む前記画素セルと、
集積回路であって、
第1の期間中に前記電荷蓄積デバイスによって変換された第1のキャプチャ電圧を決定し、
前記第1のキャプチャ電圧を閾値電圧値と比較し、
前記第1のキャプチャ電圧が前記閾値電圧値を満たすかまたは超えると判定することに応答して、
前記第1の期間に対応する第1の時間データを決定し、
前記電荷蓄積デバイスが電荷をさらに生成することを防止する、
ように構成された前記集積回路と、
前記第1のキャプチャ電圧に基づいてデジタル画素値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)と、
前記デジタル画素値および前記第1の時間データを記憶するメモリと、
を備えるセンサ装置。 - 前記集積回路がラッチを含み、前記画素セルの前記フォトダイオードが前記ラッチを介して前記画素セルの電荷蓄積デバイスに結合されている、請求項1に記載のセンサ装置。
- 前記ラッチは、前記ラッチが閉じているときに前記電荷蓄積デバイスによる電荷の蓄積を可能とし、前記ラッチが開いているときに前記電荷蓄積デバイスによる電荷の蓄積を防止する、請求項2に記載のセンサ装置。
- 前記集積回路は、前記電荷蓄積デバイスから前記第1のキャプチャ電圧を受け取って前記第1のキャプチャ電圧を前記閾値電圧値と比較するように構成された比較器を含む、請求項3に記載のセンサ装置。
- 前記比較器はさらに、前記ラッチに比較信号を出力するように構成されており、前記ラッチは、前記電荷蓄積デバイスからの前記第1のキャプチャ電圧が前記閾値電圧値を満たすかまたは超えることを示す信号を前記比較器から受信することに応答して開かれる、請求項4に記載のセンサ装置。
- 前記デジタル画素値を処理して増幅値を生成する1つまたは複数のセンス増幅器であって、前記センサ装置から前記増幅値をエクスポートする前に当該増幅値を生成するように構成された前記1つまたは複数のセンス増幅器をさらに備える請求項1に記載のセンサ装置。
- 前記第1の時間データが、前記第1の期間と少なくとも第2の期間とを含む複数の期間を表すように構成されたバイナリフラグフィールドである、請求項1に記載のセンサ装置。
- 前記複数の期間は、前記フォトダイオードのタイプに基づいて決定され、前記フォトダイオードのタイプは、入射光強度に基づく電荷生成のレートを示す、請求項7に記載のセンサ装置。
- 前記複数の期間は、前記センサ装置のターゲットダイナミックレンジに基づいて決定される、請求項8に記載のセンサ装置。
- 前記第2の期間は前記第1の期間の前に生じ、
前記集積回路はさらに、前記第2の期間に前記電荷蓄積デバイスによって変換された第2のキャプチャ電圧を決定するように構成されている、請求項7に記載のセンサ装置。 - 前記集積回路はさらに、前記第2の期間に前記電荷蓄積デバイスによって変換された前記第2のキャプチャ電圧を前記閾値電圧値と比較するように構成されている、請求項10に記載のセンサ装置。
- 前記集積回路は、前記第2のキャプチャ電圧が前記閾値電圧値を満たさないかまたは超えないと判定することに応答して前記バイナリフラグフィールドを更新するように構成されている、請求項11に記載のセンサ装置。
- 前記バイナリフラグフィールドは、前記第1および第2の期間に対応する1ビットバイナリフラグである、請求項12に記載のセンサ装置。
- 前記バイナリフラグフィールドは、前記第1および第2の期間ならびに第3および第4の期間に対応する2ビットバイナリフラグであり、前記第3および第4の期間は、前記第1の期間の後に生じる、請求項12に記載のセンサ装置。
- 前記集積回路はさらに、前記第1のキャプチャ電圧を前記閾値電圧値と比較する前に前記閾値電圧値を受け取るように構成されている、請求項1に記載のセンサ装置。
- 前記集積回路は、ADCランプ生成器から前記閾値電圧値を受け取る、請求項15に記載のセンサ装置。
- 前記センサ装置はさらに、前記集積回路に結合された集積回路周辺部を備えており、
前記集積回路周辺部は、前記ADCランプ生成器を含み、
前記ADCランプ生成器は、前記ADCランプ生成器において受信されたランプ入力に基づいて前記閾値電圧値を決定するように構成されている、請求項16に記載のセンサ装置。 - 前記集積回路周辺部はさらに、アプリケーションインスタンスに結合されており、前記アプリケーションインスタンスは、
シーンの1つまたは複数の特徴に基づいて前記ランプ入力を決定し、
前記ランプ入力を前記ADCランプ生成器に送る、
ように構成されている、請求項17に記載のセンサ装置。 - シーンの前記1つまたは複数の特徴は、環境センサ、モーションセンサ、および生成モデルのうちの1つ以上に基づいて生成される、請求項18に記載のセンサ装置。
- フォトダイオードで受光した入射光に基づいて電荷を変換することによって電圧を生成すること、
第1の期間中に生成された第1のキャプチャ電圧を決定すること、
前記第1のキャプチャ電圧を閾値電圧値と比較すること、
前記第1のキャプチャ電圧が前記閾値電圧値を満たすかまたは超えると判定することに応答して、
前記第1の期間に対応する第1の時間データを決定し、
前記第1の時間データをメモリに記憶し、
電荷のさらなる蓄積を防止すること、
前記第1のキャプチャ電圧を、1つまたは複数のデジタル画素値を有するデジタル画素データに変換すること、および、
前記デジタル画素データを前記メモリに記憶すること、
を備える方法。
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