JP7292269B2 - 拡張ダイナミックレンジを有するデジタルピクセル - Google Patents

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Description

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。
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。従来、キャパシタ、バッファ、およびＡＤＣは、配線と関連する寄生容量とを減少させるために、同じ半導体基板上のフォトダイオードと統合され得、ＡＤＣは、フォトダイオードと同じ側に配置される。
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、フォトダイオードによって生成される電荷のレートは、フォトダイオードが飽和限界に達するまで、入射光の強度に直接関係することができ、飽和限界を超えると、生成される電荷のレートは、停滞するか、または、少なくとも光強度に対して線形に増加しない場合がある。さらに、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も含む。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。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。ノイズ電荷は、測定可能な光強度の下限を決定することができ、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。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。
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。
ＡＤＣのサイズおよび制限された利用可能なエリアのために、専用のＡＤＣをピクセルアレイの各ピクセルセルと同じ側に置くことは不可能な場合がある。結果として、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。
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。
上記で論じたように、従来、ＡＤＣ（および他の支援回路）は、配線と関連する寄生容量とを減少させるために、フォトダイオードと同じ半導体基板上にあるように配置され得る。そのような手法は、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムではうまく機能しない場合がある。第１に、ユーザのより正確な位置／移動追跡のために、物理的環境の異なる視野を提供するために、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの異なる場所において複数の画像センサが含まれる場合がある。ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの限られたフォームファクタにより、画像センサの各々は、非常に小さいエリアを占める場合がある。ＡＤＣをフォトダイオードと同じ側に置くことによって、フォトダイオードに利用可能なエリアは、減少する場合がある。より小さいフォトダイオードエリアは、画像センサの全体的な光感度を低下させ、これは、低光環境用途にとって重大である可能性がある。より小さいフォトダイオードは、フォトダイオードにおいて収集され得る光子の量も制限する。結果として、低光強度の下で、フォトダイオードにおいて収集された光子は、ノイズ電荷によってマスクされる可能性があり、これは、測定可能な光強度の範囲の縮小、ならびに、画像センサのダイナミックレンジの縮小につながる可能性がある。さらに、ＡＤＣ回路は、典型的には、センサ基板エリア全体の大きい部分を占めるので、フォームファクタの制約により、より少ないピクセルセルが画像センサの各々に含まれる可能性があり、これは、利用可能な解像度を低下させる。さらに、複数のピクセル（例えば、それらの列全体）がＡＤＣを共有するセンサアーキテクチャにおいて、画像を生成するための処理時間は、増加する。増加した処理時間はまた、画像に基づく位置／眼球追跡に遅延を追加する。
一方、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。
さらに、デバイスが共通の半導体基板を共有する場合、光感知のための半導体デバイス（例えば、フォトダイオード、電荷貯蔵用のフローティングノードを提供するトランジスタデバイスなど）とＡＤＣのための半導体デバイスとを最適化することは、典型的には困難である。これは、光感知用の半導体デバイスおよびＡＤＣのための半導体デバイスが典型的には異なる性能目標を有し、これが共通半導体基板の競合する構成につながる可能性があるためである。例えば、光感知を担当する半導体デバイスにおける暗電流を低減することが望ましい。上記で論じたように、暗電流は、これらの半導体デバイスのｐ－ｎ接合における漏れ電流として生成される。漏れ電流を低減する１つの方法は、電荷キャリアの移動度を低減するために半導体基板のドーピングを変更することである。しかしながら、半導体デバイスの帯域幅が減少し、それがＡＤＣのスループットを低下させる場合があるので、電荷キャリアの移動度を低減することは、ＡＤＣの半導体デバイスに望ましくない場合がある。さらに、最適化された光感知用の半導体デバイスは、ＡＤＣ動作についてより高い電力消費をもたらす場合もあり、これは、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムに関する重大なパフォーマンス側面である可能性がある。最低の電力消費でより高速なデジタル機能動作のために、ＡＤＣおよび他のセンサ論理機能ブロックについて最先端の半導体プロセス技術ノードを使用することが有利であるが、そのようなプロセス技術ノードは、光感知に最適化されない。結果として、従来の手法におけるように、光感知デバイスおよびＡＤＣデバイスが同じ半導体基板を共有する場合、良好な光感知能力と、高い処理速度と、低電力消費とを提供する画像センサを組み立てるためにデバイスの両方のセットを最適化することが非常に困難になる。
したがって、解像度と、低い光感度と、処理速度とを改善するためにフォトダイオードおよびＡＤＣのためのより大きい利用可能なエリアと、拡張されたダイナミックレンジとを画像センサに提供する必要がある。また、パフォーマンスの改善と電力削減の両方のために、光感知とＡＤＣデバイスとを独立して最適化する必要がある。
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。
一例において、ピクセルセルが提供される。ピクセルセルは、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アナログ信号に変換するように構成された１つまたは複数のトランジスタデバイスとを含む第１の半導体層であって、フォトダイオードが第１の半導体層内の第１の領域を占有する、第１の半導体層と、アナログ信号を１つまたは複数のデジタル信号に変換するように構成された１つまたは複数のトランジスタデバイスを含む第２の半導体層であって、第２の半導体層の１つまたは複数のトランジスタデバイスが第２の半導体層内の第２の領域を占有する、第２の半導体層とを備え得る。第１の半導体層は、軸に沿って第２の半導体層と積層構造を形成し得る。第１の領域および第２の領域は、軸に沿って少なくとも部分的に重なり合う。
いくつかの態様において、第１の半導体層は、第１の表面と第２の表面とを含む。第１の半導体層は、第２の表面上に配置された１つまたは複数の第１の金属相互接続を含み得る。第２の半導体層は、第２の表面に面する第３の表面を含み得る。第２の半導体層は、第３の表面上に配置された１つまたは複数の第２の金属相互接続を含み得る。ピクセルセルは、１つまたは複数の第１の金属相互接続と１つまたは複数の第２の金属相互接続との間に電気接続を提供するために、１つまたは複数の第３の金属相互接続をさらに含み得る。第１の表面は、光の光子を受け取るように構成される。
いくつかの態様において、第１の半導体層は、第２の半導体層とは異なるドーピングプロファイルを含む。第１の半導体層は、第１の半導体層の第１の表面と第２の表面との間に電界を導入するドーピング勾配を含み得る。第１の半導体層は、第２の半導体層とは異なる厚さも有し得る。第１の半導体層の厚さは、所定の周波数に関連する光子の目標量子効率に基づいて構成され得る。
いくつかの態様において、第１の半導体層の１つまたは複数のトランジスタデバイスは、フォトダイオードに結合されたソース端子と、キャパシタとして構成されたドレイン端子と、フォトダイオードによって生成された電子のキャパシタへの流れを制御するように動作可能なゲート端子とを有する第１のトランジスタを備える。第２の半導体層の１つまたは複数のトランジスタデバイスは、第１のトランジスタのドレイン端子におけるアナログ電圧に基づいて１つまたは複数のデジタル信号を生成するように構成されたデジタル－アナログ変換器を備え得る。デジタル－アナログ変換器は、カウンタと、メモリと、電圧比較器とを備え得る。メモリは、カウンタによって出力された１つまたは複数のカウント値を記憶するように構成される。電圧比較器は、１つまたは複数のデジタル信号を生成するために、第１のトランジスタのドレイン端子におけるアナログ電圧に基づいてメモリにおける１つまたは複数のカウント値の記憶を制御するように構成され得る。ゲート端子は、フォトダイオードにおいて貯蔵された電荷の量が閾値を超えると、電子がフォトダイオードからキャパシタに流れることを可能にするように制御され得る。第１の半導体層の１つまたは複数のトランジスタデバイスは、リセットモード中に、キャパシタにおいて貯蔵された電荷を除去するように構成された第２のトランジスタを備え得る。第１の半導体層の１つまたは複数のトランジスタデバイスは、リセットモード中に、キャパシタおよびフォトダイオードにおいて貯蔵された電荷を除去するように構成された第２のトランジスタを備え得る。
別の例において、ピクセルセルが提供される。ピクセルセルは、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キャパシタと、フォトダイオードに入射する光の強度を表すデータを生成するために第１の測定モードおよび第２の測定モードのうちの少なくとも１つを実行するように構成された処理回路とを備え得る。第１の測定モードにおいて、処理回路は、キャパシタがフォトダイオードに電気的に結合されたときに、キャパシタにおいて貯蔵された電荷の量を測定するように構成される。第２の測定モードにおいて、処理回路は、キャパシタがフォトダイオードから電気的に分離されたときに、キャパシタにおいて貯蔵された電荷の量を測定するように構成される。
いくつかの態様において、処理回路は、可変閾値生成器と、比較器と、カウンタとを備え得る。第１の測定モードにおいて、可変閾値生成器は、固定閾値電圧を生成するように構成され得る。比較器は、判定出力を生成するために、固定閾値電圧を、キャパシタにおいて貯蔵された電荷の量を表す電圧と比較するように構成され得る。カウンタは、判定出力に基づいてカウント値のセットを生成するように構成され得る。判定出力における変化に対応するカウンタによって生成されたカウント値のセットのうちの１つまたは複数は、フォトダイオードに入射する光の強度を表し得る。フォトダイオードに入射する光の強度が増加すると、カウント値のセットのうちの１つまたは複数は、減少する。固定閾値電圧は、フォトダイオードの飽和光強度に対応する。
いくつかの態様において、第２の測定モードにおいて、可変閾値生成器は、カウンタによって生成されたカウント値のセットに基づいてランピング電圧を生成するように構成され得る。比較器は、判定出力を生成するために、ランピング電圧を、キャパシタにおいて貯蔵された電荷の量を表す電圧と比較するように構成され得る。カウンタは、判定出力に基づいてカウント値のセットを生成するように構成され得る。判定出力における変化に対応するカウンタによって生成されたカウント値のセットのうちの１つまたは複数は、フォトダイオードに入射する光の強度を表し得る。フォトダイオードに入射する光の強度が増加すると、カウント値のセットのうちの１つまたは複数は、増加する。
いくつかの態様において、処理回路は、フォトダイオードがフォトダイオードと電気的に結合されたときにキャパシタにおいて貯蔵された電荷の量が閾値を超えるという、第１の測定モードからの決定に基づいて、第２の測定モードをスキップするように構成される。
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。
ニアアイディスプレイの実施形態の図である。 ニアアイディスプレイの実施形態の図である。 ニアアイディスプレイの断面の実施形態の図である。 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。 導波路ディスプレイの実施形態の断面図である。 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。 ピクセルセルの実施形態のブロック図である。 ピクセルセルの実施形態のブロック図である。 ピクセルセルの実施形態のブロック図である。 ピクセルセルの内部構成要素の例を示すブロック図である。 光強度を決定するための例示的な方法を示す図である。 光強度を決定するためのピクセルセルの動作の例を示す図である。 光強度を決定するためのピクセルセルの動作の例を示す図である。 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。
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。
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。
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。
本開示は、全体的には画像センサに関する。より具体的には、限定することなく、本開示は、積層構造を有するピクセルセルに関し、ピクセルセルのフォトダイオードは、フォトダイオードの出力をデジタル信号に変換するための回路の少なくとも一部の上に積層される。積層構造を提供することによって、ピクセルセルのフットプリントは、低減され得、これは、より多くのピクセルセルが画像センサ内に含まれることを可能にし、これは、画像センサの解像度を改善することができる。さらに、積層構造は、各ピクセルセルがフォトダイオードの出力をデジタル化するための専用回路を有することも可能にし、これは、ピクセルセルがデジタル出力を生成するレートを高めることができる。これらのすべては、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ができる。
本開示は、２つの測定モードの下で光強度測定を実行するようにピクセルセルを動作させることにも関する。ピクセルセルは、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キャパシタとを含み得る。第１の測定モードにおいて、キャパシタがフォトダイオードと電気的に結合されているとき、ピクセルセルは、キャパシタ内に貯蔵された電荷に基づいて光強度を測定するように動作され得る。第２の測定モードにおいて、キャパシタがフォトダイオードから電気的に分離されているとき、ピクセルセルは、キャパシタ内に貯蔵された電荷を測定するように動作され得る。２つの異なる測定モードにより、強度がフォトダイオードの飽和限界を超えるときに、ピクセルセルは、入射光の強度を追跡するデジタル出力を生成することが可能である場合がある。これは、ピクセルセルのダイナミックレンジを拡張することができ、ピクセルセルのデジタル出力に依存するアプリケーション（例えば、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステム）のパフォーマンス、ならびにユーザ体験を改善することもできる。
本発明の実施形態は、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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の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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、各々がコンソール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。
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／またはコンソール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。
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。
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。
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、コンソール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。
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コンソール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。
コンソール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。図５に示す例において、コンソール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。
アプリケーションストア５４５は、コンソール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。
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。
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。
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。
図６Ａ～図６Ｃ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６Ａは、ピクセルセル６００の回路概略図を示し、図６Ｂは、ピクセルセル６００のデバイス構造を示す。図６Ａに示すように、ピクセルセル６００は、フォトダイオード６０２と、第１のスイッチ６０４と、第２のスイッチ６０６と、第３のスイッチ６０７と、キャパシタ６０８と、バッファ６０９と、ピクセルＡＤＣ６１０とを含み得る。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。第１のスイッチ６０４、第２のスイッチ６０６、および第３のスイッチ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。キャパシタ６０８は、第１のスイッチ６０４のトランジスタのフローティング端子であり得る。フローティング端子は、例えば、電圧を確立するために電荷を貯蔵することができる寄生容量を有する（ＭＯＳＦＥＴ用の）ドレイン端子、（ＢＪＴ用の）コレクタ端子などであり得る。バッファ６０９は、キャパシタ６０８とＡＤＣ６１０との間に電圧バッファを提供するように構成され得る。本開示の残りについて、第１のスイッチ６０４と、第２のスイッチ６０６と、第３のスイッチ６０７の両方がＭＯＳＦＥＴトランジスタであり、バッファ６０９もソースフォロワとして構成されたＭＯＳＦＥＴトランジスタを備えると仮定する。ピクセルＡＤＣ６１０は、入射光の強度のデジタル表現を提供する任意の回路を含み得る。ピクセルＡＤＣ６１０の例を以下に提供する。
いくつかの実施形態において、第１のスイッチ６０４は、ピクセル６００の露光期間を制御するために（図４の機械的シャッタ４０４の代わりに、またはそれと組み合わせて）電子シャッタゲートとして機能することができる。露光期間中、第１のスイッチ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、第２のスイッチ６０６は、蓄積イネーブル信号６１２によって有効化され（オンにされ）得る。露光期間中、フォトダイオード６０２は、光子を電荷に変換し、光電流Ｉｐｈを生成することによって、入射光を感知することができる。フォトダイオード６０２が飽和していない場合、光電流Ｉｐｈの量は、入射光の強度と相関することができる。電荷は、フォトダイオード６０２のカソードから流れ出て、第２のスイッチ６０６を介してキャパシタ６０８に流れ込むことができ、キャパシタ６０８においてアナログ電圧が発生され得る。バッファ６０９は、アナログ電圧を感知し、アナログ出力ノード６１４においてアナログ電圧の（しかしより大きい駆動強度を有する）複製を生成することができる。キャパシタ６０８において蓄積された電荷の量（または電荷の量における変化）は、光電流Ｉｐｈの大きさに相関し、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は、光電流Ｉｐｈの大きさに相関する。以下で論じるように、露光期間中、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によってデジタルデータ（例えば、論理１および０を備える）のセットに変換され得る。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のコンソール５１０に送信され得る。
露光期間が完了した後、オプションの静的測定期間が続く場合があり、この静的測定期間において、キャパシタ６０８において蓄積された電荷の量（または貯蔵された電荷の量における変化）が露光期間中に捕捉された光の強度に相関するように、第１のスイッチ６０４および第２のスイッチ６０６が、キャパシタ６０８において蓄積された電荷を保存するように制御され得る。例えば、フォトダイオード６０２によって生成された任意の光電流をキャパシタ６０８から離れてフォトダイオード電流シンク６１７に導くために、露光イネーブル信号６１１によって第１のスイッチ６０４が有効化され（オンにされ）得る。光電流がキャパシタ６０８を充電／放電することを防止するために、第２のスイッチ６０６はまた、蓄積イネーブル信号６１２によって無効化され（オフにされ）得る。以下で論じるように、静的測定期間中、（キャパシタ６０８において貯蔵された総電荷を反映する）アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧はまた、露光期間中の光強度を表すために、デジタルデータの別のセットに変換され得る。
露光期間の終了（およびオプションで静的測定期間）の終了後、キャパシタ６０８内に貯蔵された電荷を除去するために、ピクセルセル６００はリセット期間において動作され得る。リセット期間中、第１のスイッチ６０４は、キャパシタ６０８から光電流を遠ざけるために有効化されたままであり得、第２のスイッチ６０６も、光電流がキャパシタ６０８に入るのを防止するために無効化されたままであり得る。さらに、第３のスイッチ６０７は、キャパシタ６０８において貯蔵された電荷を除去するために、キャパシタ６０８を電荷シンク６２０に接続するために、リセット信号６１８によって有効化され得る。光電流が負電荷を備える場合、フォトダイオード電流シンク６１７と電荷シンク６２０の両方が、負電荷を引き付けるための正電圧を有する電圧源であり得る。光電流が正電荷を備える場合、フォトダイオード電流シンク６１７と電荷シンク６２０の両方が、正電荷を引き付けるための接地または負電圧を有する電圧源であり得る。リセット期間が終了した後、光強度の新しいサンプルを取得するために、ピクセルセル６００が再び露光され得る。
いくつかの実施形態において、ピクセルセル６００の露光が機械的シャッタ（例えば、機械的シャッタ４０４）によって制御される場合、第１のスイッチ６０４が省略され得るが、第３のスイッチ６０７（および電荷シンク６２０）は、依然としてリセットスイッチとして機能することができる。そのような場合、リセット期間中、入射光からピクセルセル６００をブロックする機械的シャッタにより、フォトダイオード６０２が光電流を生成していないと同時に、キャパシタ６０８において蓄積された電荷を除去するために、第３のスイッチ６０７と第２のスイッチ６０６の両方が有効化され得る。露光段階中、フォトダイオード６０２によって生成された光電流がキャパシタ６０８に流れ込むことを可能にするために、第３のスイッチ６０７は、無効化され得、第２のスイッチ６０６０は、有効化され得る。ＡＤＣ６１０は、露光段階中の任意の時点において、キャパシタ６０８において貯蔵された電荷を表すデジタル信号を生成することができる。さらに、露光段階の終わりに、ＡＤＣ６１０が露光段階中に蓄積された総電荷を測定することを可能にするために、第２のスイッチ６０６はまた、静的測定期間において無効化され得る。
ピクセルセル６００内にピクセルＡＤＣ６１０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６００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６００を使用する画像生成の処理時間は、短縮され得る。位置／眼球追跡を実行するためにインタラクティブＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムによって画像が使用される場合、低減された画像生成時間は、追跡を高速化することができ、これは、よりよいユーザ体験につながる可能性がある。
図６Ｂは、ピクセルセル６００のデバイス構造の側面図を示し、図６Ｃは、ピクセルセル６００の構成要素のうちのいくつかの三次元図を示す。図６Ｂに示すように、ピクセルセル６００は、２つの半導体層６３０および６４５を含む。半導体層６３０は、シリコン基板６３２を含み得る。シリコン基板６３２は、フォトダイオード６０２を形成し得るＰ型層６３４とＮ型層６３６を含むＰ型基板であり得る。シリコン基板６３２は、Ｎ型ドレイン６３５と、Ｎ型ドレイン６３７と、Ｎ型ドレイン６３８と、Ｎ型ドレイン６３９とをさらに含む。シリコン基板６３２は、シリコン基板６３２の前面６４４上に、ポリシリコンゲート６４０と、ポリシリコンゲート６４１と、ポリシリコンゲート６４２とをさらに含む。Ｎ型ドレイン６３７およびポリシリコンゲート６４０は、第１のスイッチ６０４のためのＮＭＯＳトランジスタの一部を形成し得、Ｎ型ドレイン６３８およびポリシリコンゲート６４０は、第２のスイッチ６０６のためのＮＭＯＳトランジスタの一部を形成し得る。Ｎ型ドレイン６３８は、キャパシタ６０８として構成され得る。さらに、Ｎ型ドレイン６３５、Ｎ型ドレイン６３９、およびポリシリコンゲート６４２は、Ｎ型ドレイン６３８において発生された電圧をバッファリングするためのバッファ６０９のためのＮＭＯＳトランジスタ（例えば、ソースフォロワ）の一部を形成し得、Ｎ型ドレイン６３５は、電圧源（図６Ｂには図示せず）に接続され、ポリシリコンゲート６４２は、バッファ入力として構成され、Ｎ型ドレイン６３９は、バッファ出力として構成される。図６Ａには示されていないが、シリコン基板６３２は、（リセット用の）第３のスイッチ６０７を形成するデバイスをさらに含み得る。
半導体層６３０は、例えば、金属６５０、６５２、および６５３を含む金属線のセットをさらに含む。金属６５０は、ポリシリコンゲート６４１に信号（例えば、蓄積イネーブル信号６１２）を送信するためのものであり得、金属６５３は、バッファ６０９によるバッファリングのためにＮ型ドレイン６３８（キャパシタ６０８）における電圧をポリシリコンゲート６４２に送信するためのものであり得る。バッファ６０９の出力は、Ｎ型ドレイン６３９であり得る。以下により詳細に説明するように、金属６５２は、アナログ－デジタル変換のために、バッファリングされた電圧を半導体層６４５に送信し得る。金属６５０と６５２の両方は、銅から作られ得る。半導体層６３０は、前面６４４においてシリコン基板６３２とインターフェースし、金属６５０および６５２、Ｎ型ドレイン６３７、６３８、および６３９、ならびにポリシリコンゲート６４０、６４１、および６４２を覆う絶縁体６５４をさらに含み得る。絶縁体６５４は、金属、ならびに半導体層６３０のゲートおよびドレイン／ソース端子に対する電気的絶縁を提供するために、例えば、二酸化ケイ素を含み得る。

光６５１がシリコン基板６３２の裏面６４６に衝突すると、光６５１の光子は、Ｐ型層６３４とＮ型層６３６との間のｐ－ｎ接合に入り、電子－正孔対を作成し得る。金属６５０を介してポリシリコンゲート６４１に加えられた電圧に基づいて、第２のスイッチ６０６が有効化され得、Ｎ型層６３６とＮ型ドレイン６３８との間のシリコン基板６３２の領域内に電子チャネルが形成し得る。ｐ－ｎ接合において光子によって作成された電子は、光電流Ｉｐｈとして、Ｎ型層６３６から電子チャネルを通ってＮ型ドレイン６３８に流れ得る。電子は、次いで、Ｎ型ドレイン６３８において蓄積され得、アナログ電圧を発生させることができる。Ｎ型ドレイン６３９（バッファ６０９の出力）において、アナログ電圧のバッファリングされたバージョンが生成され得る。
いくつかの実施形態において、シリコン基板６３２は、正電荷として光電流Ｉｐｈを生成するＰ型層６３４を有するようにも構成され得る。そのような場合、シリコン基板６３２は、第１のスイッチ６０４、第２のスイッチ６０６、バッファ６０９（および、図６Ｂには図示されていない第３のスイッチ６０７）のためのＰＭＯＳトランジスタを形成するために、（Ｎ型ドレインの代わりに）Ｐ型ドレイン６３７、６３８、および６３９を取り囲む１つまたは複数のＮウェルを含み得る。
さらに、半導体層６４５は、シリコン基板６６０を含む。シリコン基板６６０は、ｐ型ドレイン／ソース６６２ａ、６６２ｂ、６６２ｃ、および６６２ｄ、ｎ型ドレイン／ソース６６４ａおよび６６４ｂ、ならびにＮウェル領域６６６などを含み得る。シリコン基板６６０は、前面６７０上にポリシリコンゲート６６８ａ、６６８ｂ、および６６８ｃなどをさらに含み得る。ドレイン／ソース、Ｎウェル領域、ならびにポリシリコンゲートは、ピクセルＡＤＣ６１０のためのデバイスを形成することができる。半導体層６４５は、半導体層６３０から延びる金属６５２、ならびに金属６７２をさらに含む。金属６５２は、ピクセルＡＤＣ６１０のポリシリコンゲート６６８ｃへの入力として、ｐ型ドレイン６４１において発生されたアナログ電圧を送信するために使用され得る。金属６７２は、ピクセルＡＤＣ６１０によって生成されたアナログ電圧のデジタル表現を送信するためのピクセル出力バス６１６の一部であり得る。半導体層６４５は、電気的絶縁を提供するために、前面６７０においてシリコン基板６６０とインターフェースし、金属６５２および６７２、ならびにドレイン／ソース端子およびシリコン基板６６０のポリシリコンゲートを覆う絶縁体６７４をさらに含み得る。
いくつかの実施形態において、図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、半導体層６３０および６４５は、積層構造を形成するために、ｚ軸に沿って積層され得、（Ｐ型層６３４とＮ型層６３６とを備える）フォトダイオード６０２が、ピクセルＡＤＣ６１０のデバイスと少なくとも部分的に重なり合う。そのような積層構造により、ピクセルＡＤＣ６１０は、フォトダイオード６０２と同じ側にあるように配置される必要はない。そのような配置は、各フォトダイオードのための利用可能なエリアを増加させることができる。上記で論じたように、ウェアラブルＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムは、複数の視野を生成するために複数の画像センサを含む場合があるが、ウェアラブルシステムは、画像センサを設置するための非常に限られたエリアを提供することしかできない。積層構造により、より多くのピクセル（および関連するフォトダイオード）がこれらの画像センサのピクセルアレイ内に含まれ得、これは、これらの画像センサの解像度における大幅な改善をもたらすことができる。さらに、積層構造は、各ピクセルセルがフォトダイオードの下に、追加のエリアを取ることなく、積層された専用ＡＤＣ（例えば、ピクセルＡＤＣ６１０）を含むことも可能にする。これは、ピクセルアレイの各ピクセルセルが同時に入射光に露光され、入射光強度のデジタル表現を生成することを可能にし、これは、上記で論じたように、画像生成のための処理時間を短縮する。
フォトダイオードのための利用可能なエリアを増加させることに加えて、積層構造は、Ｎ型ドレイン６３９（バッファ６０９の出力）とピクセルＡＤＣ６１０との間のルーティングを最小にすることも可能にする。最小化されたルーティングは、容量結合とノイズ電荷とを削減することができる。例えば、図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、半導体層６３０および６４５は、シリコン基板６３２の前面６４４がシリコン基板６６０の前面６７０に面するように配向され得る。そのような配置により、（キャパシタとして構成された）Ｎ型ドレイン６３９と（ピクセルＡＤＣ６１０の入力端子として構成された）ポリシリコンゲート６６８ｃとの間のルーティング距離は、低減され得る。図６Ｂおよび図６Ｃの例において、Ｎ型ドレイン６３９およびポリシリコンゲート６６８ｃは、まっすぐな金属６５２によって接続され得る。低減されたルーティングにより、ノイズ電荷は、低減され得、これは、ピクセルセル６００による最小測定可能光強度を低下させることができる。結果として、ピクセルセル６００のダイナミックレンジは、拡張され得る。少なくとも、低減されたルーティング距離によりバッファ６０９の駆動強度が低減され得るので、ルーティング距離およびその関連する寄生容量の低減は、電力消費も大幅に低減させる。
ステック構造は、シリコン基板６３２とシリコン基板６６０との間の分離も可能にし、これは、光感知デバイス（例えば、フォトダイオード６０２、第１のスイッチ６０４）がピクセルＡＤＣ６１０のデバイスから独立して最適化されることを可能にする。例として、（例えば、前面６４４と裏面６４６との間で測定される）シリコン基板６３２の厚さは、特定の周波数範囲に関連する光子を感知する際のフォトダイオード６０２の量子効率を改善するように設定され得る。一方、シリコン基板６６０の厚さは、目標量子効率に基づいて影響を受けない。例示的な例として、シリコン基板６３２の厚さは、約４ミクロンに設定され得る。ＩＲ光を感知する際のフォトダイオード６０２の量子効率を改善するために、Ｐ型層６３４は、約３ミクロンの厚さを有し得、Ｎ型層６３６は、約１ミクロンの厚さを有し得る。一方、シリコン基板６６０の厚さは、典型的には、３００ミクロンの範囲内にある。
異なる厚さのほかに、積層構造は、光感知デバイスとピクセルＡＤＣ６１０のデバイスとを最適化するために、シリコン基板６３２およびシリコン基板６６０に異なるドーピングプロファイルが導入されることも可能にする。例えば、シリコン基板６３２において、フォトダイオード６０２への（光子によって作成された）電荷の移動を促進するために静電界を作成するために、Ｐ型層６３４内にドーピング勾配が導入され得る。そのような配置により、より多くの光電子がＮ型ドレイン６３８によって収集され、これは、光６５１の強度のより正確な表現を提供することができる。シリコン基板６３２のドーピングプロファイルは、（例えば、漏れ電流を低減するために基板内のキャリアの移動度を低減することによって）暗電流を低減するように調整もされ得る。一方、シリコン基板６６０のドーピングプロファイルは、例えば、デバイスの帯域幅を改善する、ピクセルＡＤＣ６１０の電力消費を低減するなどのために、キャリアの移動度を高めるように調整され得る。積層構造は、センサシャッタ効率も高め、これは、シャッタオフ期間中の光漏れのために収集される（理想的にはゼロであるべき）光子電荷の測定値である。積層センサの実施形態において、すべてのピクセルのバッファ出力ノード６１４におけるアナログ電圧は、シャッタがオフにされた直後にピクセルＡＤＣによって同時に量子化されるので、光漏れによる蓄積された追加の光子は、非常に小さい。対照的に、ＡＤＣがピクセルの列によって共有される場合、いくつかのピクセルは、シャッタオフの後に量子化されるまで長時間待たなければならない。そのような種類のセンサアーキテクチャは、信号電荷を保持するためにピクセル内部に電荷貯蔵ダイオードを必要とし、このタイプのセンサは、長期間にわたる漏れ光の蓄積により、より低いシャッタ効率を有する傾向がある。
図７は、ピクセルＡＤＣ６１０の内部構成要素の例を示す。図７に示すように、ピクセルＡＤＣ６１０は、閾値生成器７０２と、比較器７０４と、デジタル出力生成器７０６とを含む。デジタル出力生成器７０６は、カウンタ７０８とメモリデバイス７１０とをさらに含み得る。カウンタ７０８は、自走クロック信号７１２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７１０は、カウンタ７０８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７１０は、カウンタ７０８の一部であり得る。メモリ７１０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７０２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アナログ電圧を出力することができるデジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）７１３を含む。以下でより詳細に論じるように、閾値生成器７０２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７０８の出力７１４を受け入れ得る。
図７は、ＤＡＣ７１３（および閾値生成器７０２）がピクセルＡＤＣ６１０の一部であることを示しているが、ＤＡＣ７１３（および閾値生成器７０２）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７０６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７０６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。
比較器７０４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７０２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７１６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７０２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７０４は、判定７１６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７０４は、判定７１６のための論理ゼロを生成することもできる。判定７１６は、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧のプロパティを測定するために、カウンタ７０８のカウント動作および／またはメモリ７１０内に記憶されたカウント値を制御することができる。プロパティは、ピクセルセル６００に入射する光の強度を表すことができる。メモリ７１０内に記憶されたカウント値は、ピクセルセル６００によって出力されるデジタル強度値として、ピクセル出力バス６１６によって送信され得る。
ピクセルＡＤＣ６１０によって測定され得るアナログ電圧のプロパティは、アナログ電圧のランピングレートである。アナログ電圧のランピングレートは、入射光の強度を反映することができる。上記で論じたように、入射光強度が増加すると、より多くの光子が時間期間中にピクセルセル６００に入る。光子の数の増加により、フォトダイオード６０２は、その時間期間中により多くの電荷を生成することもできる。第１のスイッチ６０４が有効にされていると仮定すると、その時間期間内により多くの電荷がキャパシタ６０８内に蓄積される。より多くの電荷がキャパシタ６０８内に蓄積されると、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧も、より速くランプアップする。
図８は、異なる入射光強度に対するアナログ出力ノード６１４における（初期リセット電圧レベルとある時点の瞬時の電圧レベルとの間の）アナログ電圧変化の例を示す。図８において、縦軸は電圧を表し、横軸は時間を表す。プロット８０２は、フォトダイオード６０２が第１の強度レベルを有する入射光に露光される時間に対するアナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の変化を表す。プロット８０４は、フォトダイオード６０２が第２の強度レベルを有する入射光に露光される時間に対するアナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の変化を表す。さらに、プロット８０６は、フォトダイオード６０２が第３の強度レベルを有する入射光に露光される時間に対するアナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の変化を表す。図８の例において、第１の強度レベルは、第２の強度レベルよりも高く、第２の強度レベルは、第３の強度レベルよりも高い。
強度レベルにおける差は、アナログ電圧の異なる変化率、ならびに、ランピングアナログ電圧が特定の閾値に達するための持続時間においても反映される。例えば、プロット８０２によって表されるアナログ電圧が閾値８０８に達するにはＴ１の持続時間がかかり、プロット８０４によって表されるアナログ電圧が同じ閾値８０８に達するにはＴ２の持続時間がかかり、プロット８０６によって表されるアナログ電圧が閾値８０８に達するにはＴ３の持続時間がかかる。持続時間Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３は、それぞれ、入射光の第１の強度レベル、第２の強度レベル、および第３の強度レベルを表す（または推定する）ために使用され得、持続時間の長さは、強度レベルに反比例する。持続時間は、図７のカウンタ７０８などのカウンタを使用して測定され得る。
持続時間の測定は、光強度がフォトダイオードの飽和限界を超えるときに入射光強度を推定するための有用な方法となり得る。上記で論じたように、フォトダイオードによって生成される電荷（例えば、光電流）のレートは、フォトダイオードが飽和限界に達するまで入射光の強度に直接関係することができ、飽和限界を超えると、光電流は、停滞するようになる場合があり、入射光強度に対してもはや線形に増加しない。したがって、一定の持続時間内（例えば、露光期間内）にフォトダイオードによって発生された総電荷の測定は、飽和限界を超える入射光強度の正確な表現を提供しない場合がある。一方、ランピングアナログ電圧が閾値に達する持続時間によって反映される、フォトダイオードによって生成された電荷のレートの直接測定は、飽和限界を超える入射光強度のより正確な表現を提供し得る。
図８に戻って参照すると、閾値８０８は、飽和限界を超える入射光強度の測定のために使用される飽和閾値電圧であり得る。例えば、（プロット８０４が対応する）第２の強度レベルは、フォトダイオード６０２の光電流が入射光強度レベルに線形に関連したままである、フォトダイオード６０２が飽和の範囲外のままである最大入射光強度レベルであり得る。閾値８０８は、時間Ｔ２によってマークされた露光期間の終わりにおいてアナログ出力ノード６１４における最大アナログ電圧変化になるように選択され得る。
いくつかの実施形態において、ピクセルＡＤＣ６１０は、入射光強度が飽和限界を超えるかどうかを決定するために閾値８０８を使用することができ、飽和限界に達したかどうかに基づいて入射光強度をデジタルで表す方法を決定することができる。例えば、図８に戻って参照すると、（プロット８０２によって表されるアナログ電圧の変化を引き起こす）入射光の第１の強度レベルが（プロット８０４によって表されるアナログ電圧の変化を引き起こす）入射光の第２の強度レベルを超えているので、プロット８０２によって表されるアナログ電圧は、露光期間の終了（Ｔ２）前の時間Ｔ１において閾値８０８に達する。一方、（プロット８０６によって表されるアナログ電圧の変化を引き起こす）入射光の第３の強度レベルが（プロット８０４によって表されるアナログ電圧の変化を引き起こす）入射光の第２の強度レベルよりも低いので、プロット８０６によって表されるアナログ電圧は、露光期間の終了（Ｔ２）後の時間Ｔ３において閾値８０８に達する。
したがって、ピクセルＡＤＣ６１０は、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が露光期間の終了前に閾値８０８に達するかどうかに基づいて、入射光強度が飽和限界を超えるかどうかを決定することができる。（例えば、プロット８０２と同様に）露光期間中にアナログ電圧が閾値８０８に達した場合、ピクセルＡＤＣ６１０は、入射光強度が飽和限界を超えていると決定し得る。ピクセルＡＤＣ６１０は、飽和までの時間測定を実行するために、アナログ電圧が閾値８０８に到達する持続時間を測定するためにカウンタ７０８を使用することができる。飽和までの時間測定値を表すカウント値は、入射光強度を推定するために使用され得る。一方、（例えば、プロット８０６と同様に）露光期間中にアナログ電圧が閾値８０８に達しない場合、ピクセルＡＤＣ６１０は、入射光強度が飽和限界を超えていないと決定し得る。そのような場合、ピクセルＡＤＣ６１０は、入射光強度を推定するために、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表す、露光期間の終わりにおけるアナログ電圧のレベルを測定し得る。
そのような配置により、ピクセルセル６００に関する最大測定可能光強度は、フォトダイオード６０２の飽和限界を超えて増加し得、これは、ピクセルセル６００のダイナミックレンジをさらに増加させることができる。増加したダイナミックレンジにより、ピクセルセル６００は、非常に広範囲の光強度を有する環境において良好な品質の画像データを提供することができる場合がある。
ここで、露光期間中のピクセルセルＡＤＣ６１０の動作を示す図９Ａを参照する。プロット９０２は、時間に対するアナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧の変化を表し、プロット９０３は、閾値生成器７０２による閾値出力を表す。閾値出力は、飽和閾値電圧を表す固定閾値（例えば、図８の閾値８０８）を出力するようにプログラムされた閾値生成器７０２のＤＡＣ７１３によって生成され得る。プロット７０４は、時間に対する比較器７０４によって出力される判定７１６における変化を表す。プロット７０６は、時間に対するメモリ７１０内に記憶されたカウント値の変化を表す。
露光期間の開始時（時間Ｔ０）に、ピクセルセル６００の第３のスイッチ６０７は、キャパシタ６０８を既知の電圧にリセットするか、またはキャパシタ６０８内に貯蔵された電荷を他の方法でクリアすることを許可される。例示の目的のために、この例では、フォトダイオード６０２によって提供される光電流がキャパシタ６０８内に貯蔵された電荷を増加させる（および、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧を上昇させる）と仮定されるが、光電流はまた、キャパシタ６０８内に貯蔵された電荷を減少させる（および、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧を低下させる）場合もあることが理解される。プロット９０２において示すように、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧は、ランプアップし続け、時間Ｔ１において（閾値生成器７０２によって出力された）閾値に達する。時間Ｔ１において、アナログ電圧が飽和限界を超えると、比較器７０４による判定７１６も反転する（例えば、論理１から論理０になる）。それに基づいて、判定７１６の反転は、飽和期間中に発生し、ピクセルＡＤＣ６１０は、入射光強度が飽和限界を超えていると決定し、入射光の強度を表す飽和までの時間測定値を取得することを決定し得る。この決定に基づいて、ピクセルＡＤＣ６１０は、時間Ｔ１において、メモリ７１０からカウンタ７０８の最新のカウント値を取得し、カウンタ７０８のカウントを停止し得る（および／または、メモリ７１０内に記憶されたカウント値を凍結する）。ピクセルＡＤＣ６１０は、次いで、入射光強度を表すために、メモリ７１０内に記憶されたカウント値を提供することができる。ピクセルＡＤＣ６１０は、カウント値が飽和までの時間測定値として取得され、入射光強度に反比例することを示す信号（例えば、フラグインジケータ）も含み得る。
一方、判定７１６が露光期間中に反転しない場合、これは、入射光強度が飽和限界を超えていないことを示し、ピクセルＡＤＣ６１０は、入射光強度レベルを推定するために、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表す、露光期間の終わりにおけるアナログ電圧を測定することを決定し得る。
ここで、露光期間が終了した後のピクセルＡＤＣ６１０の動作を示す図９Ｂを参照する。プロット９１２は、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧を表す。プロット９１３は、閾値生成器７０２によって出力される閾値を表す。露光期間が終了した後、閾値生成器７０２は、電圧ランプを生成するようにカウンタ出力７１４によってプログラムされ得る。プロット９１４は、時間に対する比較器７０４によって出力される判定７１６の変化を表す。プロット９１６は、時間に対するメモリ７１０内に記憶されたカウント値の変化を表す。
露光期間の終わり（時間Ｔ２）において、ピクセルセル６００の第１のスイッチ６０４は、フォトダイオード６０２をキャパシタ６０８か分離するために無効化される。プロット９１２に示すように、アナログ電圧は、静的なままである。時間Ｔ２において、カウンタ７０８はまた、クロック信号７１２に基づいてカウント値のセットを生成するために有効化される。カウント値は、プロット９１３によって表されるように、ランピング閾値を生成するように閾値生成器７０２のＤＡＣ７１３をプログラムするために出力される。ランピング閾値がアナログ電圧に達する前に、比較器７０４は、プロット９１４によって表されるように、判定７１６のための論理１を出力する。メモリ７１０は、カウンタ７０８によって出力された最新のカウント値も記憶する。時間Ｔ３において、ランピング閾値は、アナログ電圧に到達する（またはそれを超える）。その時点において、判定７１６が反転し、ピクセルＡＤＣ６１０は、カウンタ７０８が更新するのを停止することができ、および／またはメモリ７１０内に記憶されたカウント値を凍結することができる。ピクセルＡＤＣ６１０は、次いで、入射光強度を表すために、メモリ７１０内に記憶されたカウント値を提供することができる。ピクセルＡＤＣ６１０は、カウント値が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の測定値として取得され、入射光強度に直接関係することを示す信号（例えば、フラグインジケータ）も含み得る。
いくつかの実施形態において、ピクセルＡＤＣ６１０は、フォトダイオード６０２における飽和までの時間測定も実行し、これは、フォトダイオード６０２におけるより低い暗電流により強度測定の精度を改善することができる。露光期間中、第１のスイッチ６０４は、フォトダイオード６０２において（電荷蓄積によって）発生された電圧が飽和限界に対応する電圧閾値を超えるまで、フォトダイオード６０２によって生成された光電流を遮断する障壁として構成され得る。電圧が閾値を超えると、光電流がキャパシタ６０８に流れ始め、これは、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧におけるジャンプを引き起こす。ピクセルＡＤＣ６１０は、露光期間の開始と、ジャンプが発生する時間との間に経過する時間を（例えば、カウンタ７０８を使用して）測定することによって、フォトダイオード６０２における飽和までの時間を実行することができる。
図１０は、ピクセルセル（例えば、ピクセルセル６００）における入射光強度を決定するためのプロセス１０００のフローチャートの実施形態を示す。プロセス１０００は、ピクセルセル６００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１０００は、ステップ１００２において、ピクセルセル６００がリセット期間において動作されて開始する。図６Ａの例を参照すると、ステップ１００２のリセット期間中、コントローラは、例えば、キャパシタ６０８における電圧をリセットし、フォトダイオード６０２によって生成された光電流がキャパシタ６０８に到達するのを阻止するために、第１のスイッチ６０４と第３のスイッチ６０７とを有効にし、第２のスイッチ６０６を無効にすることができる。
ステップ１００４において、ピクセルセル６００は、リセット期間を出て露光期間に入るように動作され得る。露光期間中、コントローラは、フォトダイオード６０２によって生成された光電流がキャパシタ内に貯蔵された電荷量を変化させるようにキャパシタ６０８に到達することを可能にするために、第１のスイッチ６０４を無効にし、第２のスイッチ６０６を有効にし、第３のスイッチ６０７を無効にすることができる。
ステップ１００６において、ピクセルセル６００は、入射光の強度が露光期間中に飽和限界に達する（またはそれを超える）かどうかを決定するように動作され得る。決定は、例えば、アナログ出力ノード６１４におけるアナログ電圧が（光電流からのキャパシタ６０８における追加の電荷の蓄積により）露光期間中に飽和限界に到達するかどうかに基づくことができる。飽和限界に達した場合、ピクセルセル６００は、ステップ１００８において、光強度決定のための飽和までの時間測定を実行するように動作され得る。
一方、飽和限界に達していない場合、ピクセルセル６００は、ステップ１０１０において、露光期間の終わりにおいてキャパシタ６０８において蓄積された総電荷を決定するように動作され得る。ステップ１０１０において、コントローラは、静的測定期間に入ることができ、静的測定期間において、測定のためにキャパシタ６０８において貯蔵された電荷を保存するために、第１のスイッチ６０４が有効にされ、第２のスイッチ６０６および第３のスイッチ６０７が無効にされる。
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。
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。
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。
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。
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。
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示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。本開示は、以下に記載する実施形態をさらに含む。
（実施形態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アナログ信号に変換するように構成された１つまたは複数のトランジスタデバイスとを含む第１の半導体層であって、前記フォトダイオードが前記第１の半導体層内の第１の領域を占有する、第１の半導体層と、
前記アナログ信号を１つまたは複数のデジタル信号に変換するように構成された１つまたは複数のトランジスタデバイスを含む第２の半導体層であって、前記第２の半導体層の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが前記第２の半導体層内の第２の領域を占有する、第２の半導体層と
を備えるピクセルセルであって、
前記第１の半導体層が、軸に沿って前記第２の半導体層と積層構造を形成し、
前記第１の領域および前記第２の領域が、前記軸に沿って少なくとも部分的に重なり合う、
ピクセルセル。
（実施形態２）
前記第１の半導体層は、第１の表面と第２の表面とを含み、
前記第１の半導体層が、前記第２の表面上に配置された１つまたは複数の第１の金属相互接続を含み、
前記第２の半導体層が、前記第２の表面に面する第３の表面を含み、
前記第２の半導体層が、前記第３の表面上に配置された１つまたは複数の第２の金属相互接続を含み、
前記ピクセルセルが、前記１つまたは複数の第１の金属相互接続と前記１つまたは複数の第２の金属相互接続との間に電気接続を提供するために、１つまたは複数の第３の金属相互接続をさらに含む、
実施形態１に記載のピクセルセル。
（実施形態３）
前記第１の表面が、光の光子を受け取るように構成された、実施形態２に記載のピクセルセル。
（実施形態４）
前記第１の半導体層が、前記第２の半導体層とは異なるドーピングプロファイルを含む、実施形態１に記載のピクセルセル。
（実施形態５）
前記第１の半導体層が、前記第１の半導体層の第１の表面と第２の表面との間に電界を導入するためのドーピング勾配を含む、実施形態４に記載のピクセルセル。
（実施形態６）
前記第１の半導体層が、第２の半導体層とは異なる厚さを有する、実施形態１に記載のピクセルセル。
（請求項７）
前記第１の半導体層の厚さが、所定の周波数に関連する光子の目標量子効率に基づいて構成された、実施形態６に記載のピクセルセル。
（請求項８）
前記第１の半導体層の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが、前記フォトダイオードに結合されたソース端子と、キャパシタとして構成されたドレイン端子と、前記フォトダイオードによって生成された電子の前記キャパシタへの流れを制御するように動作可能なゲート端子とを有する第１のトランジスタを備え、
前記第２の半導体層の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが、前記第１のトランジスタの前記ドレイン端子におけるアナログ電圧に基づいて前記１つまたは複数のデジタル信号を生成するように構成されたデジタル－アナログ変換器を備える、
実施形態１に記載のピクセルセル。
（実施形態９）
前記デジタル－アナログ変換器が、カウンタと、メモリと、電圧比較器とを備え、
前記メモリが、前記カウンタによって出力された１つまたは複数のカウント値を記憶するように構成され、
前記電圧比較器が、前記１つまたは複数のデジタル信号を生成するために、前記第１のトランジスタの前記ドレイン端子における前記アナログ電圧に基づいて前記メモリにおける前記１つまたは複数のカウント値の前記記憶を制御するように構成された、
実施形態８に記載のピクセルセル。
（実施形態１０）
前記ゲート端子が、前記フォトダイオードにおいて貯蔵された電荷の量が閾値を超えると、電子が前記フォトダイオードから前記キャパシタに流れることを可能にするように制御される、実施形態８に記載のピクセルセル。
（実施形態１１）
前記第１の半導体層の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが、リセットモード中に、前記キャパシタにおいて貯蔵された電荷を除去するように構成された第２のトランジスタを備える、実施形態８に記載のピクセルセル。
（実施形態１２）
前記第１の半導体層の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが、リセットモード中に、前記キャパシタおよび前記フォトダイオードにおいて貯蔵された電荷を除去するように構成された第２のトランジスタを備える、実施形態８に記載のピクセルセル。
（実施形態１３）
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キャパシタと、
前記フォトダイオードに入射する光の強度を表すデータを生成するために第１の測定モードおよび第２の測定モードのうちの少なくとも１つを実行するように構成された処理回路と
を備えるピクセルセルであって、
前記第１の測定モードにおいて、前記処理回路が、前記キャパシタが前記フォトダイオードに電気的に結合されたときに、前記キャパシタにおいて貯蔵された電荷の量を測定するように構成され、
前記第２の測定モードにおいて、前記処理回路が、前記キャパシタが前記フォトダイオードから電気的に分離されたときに、前記キャパシタにおいて貯蔵された電荷の量を測定するように構成された、
ピクセルセル。
（実施形態１４）
前記処理回路が、可変閾値生成器と、比較器と、カウンタとを備える、実施形態１３に記載のピクセルセル。
（実施形態１５）
前記第１の測定モードにおいて、
前記可変閾値生成器が、固定閾値電圧を生成するように構成され、
前記比較器が、判定出力を生成するために、前記固定閾値電圧を、前記キャパシタにおいて貯蔵された電荷の量を表す電圧と比較するように構成され、
前記カウンタが、前記判定出力に基づいてカウント値のセットを生成するように構成され、
前記判定出力における変化に対応する前記カウンタによって生成された前記カウント値のセットのうちの１つまたは複数が、前記フォトダイオードに入射する光の強度を表す、
実施形態１４に記載のピクセルセル。
（実施形態１６）
前記フォトダイオードに入射する光の前記強度が増加すると、前記カウント値のセットのうちの１つまたは複数が減少する、実施形態１５に記載のピクセルセル。
（実施形態１７）
前記固定閾値電圧が、前記フォトダイオードの飽和光強度に対応する、実施形態１５に記載のピクセルセル。
（実施形態１８）
前記第２の測定モードにおいて、
前記可変閾値生成器が、前記カウンタによって生成されたカウント値のセットに基づいてランピング電圧を生成するように構成され、
前記比較器が、判定出力を生成するために、前記ランピング電圧を、前記キャパシタにおいて貯蔵された電荷の前記量を表す電圧と比較するように構成され、
前記カウンタが、前記判定出力に基づいて前記カウント値のセットを生成するように構成され、
前記判定出力における変化に対応する前記カウンタによって生成された前記カウント値のセットのうちの１つまたは複数が、前記フォトダイオードに入射する光の強度を表す、
実施形態１４に記載のピクセルセル。
（実施形態１９）
前記フォトダイオードに入射する光の前記強度が増加すると、前記カウント値のセットのうちの１つまたは複数が増加する、実施形態１８に記載のピクセルセル。
（実施形態２０）
前記処理回路が、前記フォトダイオードが前記フォトダイオードと電気的に結合されたときに前記キャパシタにおいて貯蔵された電荷の量が閾値を超えるという、前記第１の測定モードからの決定に基づいて、前記第２の測定モードをスキップするように構成された、実施形態１３に記載のピクセルセル。

Claims (11)

  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アナログ信号に変換するように構成された１つまたは複数のトランジスタデバイスとを含む第１の半導体基板であって、前記フォトダイオードが前記第１の半導体基板内の第１の領域を占有する、第１の半導体基板と、
    前記アナログ信号を１つまたは複数のデジタル信号に変換するように構成された１つまたは複数のトランジスタデバイスを含む第２の半導体基板であって、前記第２の半導体基板の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが前記第２の半導体基板内の第２の領域を占有する、第２の半導体基板と
    を備えるピクセルセルであって、
    前記第１の半導体基板が、軸に沿って前記第２の半導体基板と積層構造を形成し、
    前記第１の領域および前記第２の領域が、前記軸に沿って少なくとも部分的に重なり合い、
    前記第１の半導体基板は、第１の表面と第２の表面とを含み、
    前記第１の半導体基板が、前記第２の表面上に配置された１つまたは複数の第１の金属相互接続を含み、
    前記第２の半導体基板が、前記第２の表面に面する第３の表面を含み、
    前記第２の半導体基板が、前記第３の表面上に配置された１つまたは複数の第２の金属相互接続を含み、
    前記ピクセルセルが、前記１つまたは複数の第１の金属相互接続と前記１つまたは複数の第２の金属相互接続との間に電気接続を提供するために、１つまたは複数の第３の金属相互接続をさらに含む、
    ピクセルセル。
  2. 前記第１の表面が、光の光子を受け取るように構成された、請求項１に記載のピクセルセル。
  3. 前記第１の半導体基板が、前記第２の半導体基板とは異なるドーピングプロファイルを含む、請求項１に記載のピクセルセル。
  4. 前記第１の半導体基板が、前記第１の半導体基板の前記第１の表面と前記第２の表面との間に電界を導入するためのドーピング勾配を含む、請求項３に記載のピクセルセル。
  5. 前記第１の半導体基板が、前記第２の半導体基板とは異なる厚さを有する、請求項１に記載のピクセルセル。
  6. 前記第１の半導体基板の厚さが、所定の周波数に関連する光子の目標量子効率に基づいて構成された、請求項５に記載のピクセルセル。
  7. 前記第１の半導体基板の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが、前記フォトダイオードに結合されたソース端子と、キャパシタとして構成されたドレイン端子と、前記フォトダイオードによって生成された電子の前記キャパシタへの流れを制御するように動作可能なゲート端子とを有する第１のトランジスタを備え、
    前記第２の半導体基板の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが、前記第１のトランジスタの前記ドレイン端子におけるアナログ電圧に基づいて前記１つまたは複数のデジタル信号を生成するように構成されたデジタル－アナログ変換器を備える、
    請求項１に記載のピクセルセル。
  8. 前記デジタル－アナログ変換器が、カウンタと、メモリと、電圧比較器とを備え、
    前記メモリが、前記カウンタによって出力された１つまたは複数のカウント値を記憶するように構成され、
    前記電圧比較器が、前記１つまたは複数のデジタル信号を生成するために、前記第１のトランジスタの前記ドレイン端子における前記アナログ電圧に基づいて前記メモリにおける前記１つまたは複数のカウント値の前記記憶を制御するように構成された、
    請求項７に記載のピクセルセル。
  9. 前記ゲート端子が、前記フォトダイオードにおいて貯蔵された電荷の量が閾値を超えると、電子が前記フォトダイオードから前記キャパシタに流れることを可能にするように制御される、請求項７に記載のピクセルセル。
  10. 前記第１の半導体基板の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが、リセットモード中に、前記キャパシタにおいて貯蔵された電荷を除去するように構成された第２のトランジスタを備える、請求項７に記載のピクセルセル。
  11. 前記第１の半導体基板の前記１つまたは複数のトランジスタデバイスが、リセットモード中に、前記キャパシタおよび前記フォトダイオードにおいて貯蔵された電荷を除去するように構成された第２のトランジスタを備える、請求項７に記載のピクセルセル。
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