CN106716994B - 固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

固体摄像装置具备：对示出是否有光子向受光元件的入射的数字信号进行输出检测部；通过将从检测部输出的数字信号转换为模拟电压并进行计数，从而作为计数值来保持的计数值保持部；以及将计数值作为模拟信号进行输出的读出部，检测部具有：对光子进行检测的雪崩式放大型的受光元件、以及对受光元件的输出电位进行复位的复位部。

Description

固体摄像装置
技术领域
本申请涉及固体摄像装置，例如涉及对微弱的光进行检测的固体摄像装置。
背景技术
近些年，在医疗、生物、放射线测量等各种领域，需要一种能够正确地测量小到一个光子(Photon)左右的微弱光的微弱光传感器。目前，作为微弱光传感器广范利用了光电倍增管(Photomultiplier Tube：PMT)。
但是，作为真空管器件的PMT，即便小也需要有10mm×10mm左右的大小，因此难于实现多像素化。并且，在利用PMT进行成像时，需要通过在XY面内对被摄体进行扫描等方法，先收集被摄体的各个点的信息，再进行图像化处理。为此，难于实现即时的拍摄。鉴于这种状况，为了同时实现微弱光传感器的多像素化以及高速化，则需要微弱光传感器的固态元件化。
作为对微弱光进行检测的固体摄像装置之一，提出了一种光子计数型的固体摄像装置，其对入射到光电二极管的光子进行计数，作为数字值的信号，将计数结果传输到像素之外(例如，参照专利文献1)。并且也存在具有如下结构的固体摄像装置，即连接有负载电阻，将施加了击穿电压以上的高电压的雪崩式光电二极管(所谓的盖革模式APD)排列成矩阵的固体摄像装置(例如，参照专利文献2)。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1 日本 特开平7-67043号公报
专利文献2 日本 特开昭61-152176号公报
(非专利文献)
非专利文献1“9.8μm SPAD-based Analogue Single Photon Counting Pixelwith Bias Controlled Sensitivity”
然而，在像专利文献1以及专利文献2这种将数字计数型的电路作为计数单元搭载到像素的情况下，计数电路的电路规模会大出1比特。为了得到所希望的灰度而增加比特数时，与电路元件数与比特数对应的信号线的数量也会成比例的增加，这样，像素单元尺寸就会增大，从而出现难于实现多像素化的问题。
并且，为了解决这一问题，公开一种将模拟电路作为计数单元来搭载到像素的固体摄像装置(例如，非专利文献1)。在非专利文献1所涉及的固体摄像装置中，每当光子入射到受光元件时，检测单元从保持起始电压的保持单元对电荷进行放电。
然而，实际上，由于光子能量的强弱而造成的振幅不均、以及用于控制来自保持单元的放电的控制晶体管的寄生电容的不均，因此从保持单元放电的电荷量也出现不均。为此，保持单元的电压的变化量(ΔV)不固定，每当光子入射时都会出现不同的情况。关于入射到受光元件的光子的数量的测量，是通过对复位电压、与减去ΔV的累积量时的保持单元的电压进行比较来实现的，因此，由于ΔV的不均而难于进行正确的测量。
发明内容
因此，本申请的目的在于提供一种具有高性能的光子计数功能、且能够以小的像素尺寸来实现多像素化的固体摄像装置。
为了达成上述的目的，本申请的一个形态所涉及的固体摄像装置具备：检测部，该检测部具有对光子进行检测的雪崩式放大型的受光元件、以及对该受光元件的输出电位进行复位的复位部，并且，该检测部对示出是否有光子向所述受光元件的入射的数字信号进行输出；计数值保持部，通过将从所述检测部输出的数字信号转换为模拟电压并进行计数，从而作为计数值来保持；以及读出部，将所述计数值作为模拟信号来输出。。
通过本申请，能够提供一种具有高性能的光子计数功能、且能够以小的像素尺寸来实现多像素化的固体摄像装置。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的固体摄像装置的单位像素的功能构成的电路方框图。
图2是示出实施方式1所涉及的固体摄像装置的单位像素的电路构成例子的电路图。
图3是示出实施方式1所涉及的固体摄像装置的工作的一个例子的时间图。
图4示出了在实施方式1所涉及的固体摄像装置中，入射到受光元件的光子的数量与计数值的对应关系。
图5是示出实施方式2所涉及的固体摄像装置的单位像素的功能构成的电路方框图。
图6是示出实施方式2所涉及的固体摄像装置的单位像素的电路构成例子的电路图。
图7是示出实施方式2所涉及的固体摄像装置的工作的一个例子的时间图。
图8是示出实施方式3所涉及的固体摄像装置的单位像素的功能构成的电路方框图。
图9是示出实施方式3所涉及的固体摄像装置的单位像素的电路构成例子的电路图。
图10示出了实施方式3所涉及的固体摄像装置的工作例子。
图11是示出实施方式的变形例所涉及的固体摄像装置的单位像素的电路构成例子的电路图。
具体实施方式
以下参照附图对本申请所涉及的实施方式进行具体的说明。
并且，以下将要说明的实施方式均为概括性的或具体的例子。以下的实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形态、步骤、步骤的顺序等均为一个例子，其主旨并非是对本申请进行限定。并且，对于以下的实施方式的构成要素之中的、示出最上位概念的独立技术方案中所没有记载的构成要素，作为任意的构成要素来说明。
(实施方式1)
首先，参照图1以及图2，对本实施方式所涉及的固体摄像装置的单位像素的像素电路1进行说明。图1是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的单位像素的功能构成的电路方框图。图2是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的单位像素的电路构成例子的电路图。
本实施方式所涉及的固体摄像装置具备被配置成矩阵状的多个像素。多个像素的每一个(单位像素)具备图1所示的像素电路1。如图1所示，像素电路1具备：检测部10、计数值保持部20、读出部30。
检测部10具备：受光部11、复位部12、以及AD转换放大器13。检测部10输出数字信号，该数字信号示出是否有光子入射到受光部11所具备的受光元件。
受光部11具备：雪崩式放大型的受光元件APD、浮置扩散FD、初级放大器AMP0。
受光元件APD是用于对光子进行检测的受光元件的一个例子。具体而言，受光元件APD是雪崩式放大型光电二极管。受光元件APD的阳极与电源VPD连接，阴极与浮置扩散FD连接。受光元件APD捕捉入射的光子，并通过捕捉的光子产生电荷。产生的电荷被蓄积保持到浮置扩散FD。
浮置扩散FD是对在受光元件APD产生的电荷进行蓄积的电荷蓄积部的一个例子。在浮置扩散FD与受光元件APD的阴极的连接点，被连接有初级放大器AMP0的输入端子以及复位部12。
初级放大器AMP0对被蓄积在浮置扩散FD的电荷进行电压转换并放大。具体而言，对浮置扩散FD上的电位(以下称为FD电位)进行电压转换并放大。具体而言，FD电位是浮置扩散FD与受光元件APD的阴极的连接点的电位。
复位部12对受光元件APD的输出电位进行复位。在本实施方式中，复位部12将浮置扩散FD的FD电位复位到初始状态。
具体而言，复位部12具备晶体管TR1。晶体管TR1是被连接在浮置扩散FD与电源RSD之间的开关晶体管。晶体管TR1的控制端子(例如，栅极端子)与端子RS1连接，通过从端子RS1输入的控制信号而被控制成导通以及非导通。在晶体管TR1为导通的情况下，复位电压Vrsd从电源RSD被施加到浮置扩散FD，FD电位被复位成初始状态。即，初始状态是被施加了复位电压Vrsd的状态。
AD转换放大器13将初级放大器AMP0的输出电压转换为数字信号并放大。在本实施方式中，AD转换放大器13从受光部11的输出电压读取是否有向受光元件APD的光子入射，并将读取的结果作为数字信号来输出。
具体而言，由AD转换放大器13输出的数字信号具有：FD电位从初始状态没有变动的情况下的第一信号电平、以及因光子入射到受光元件APD而产生了FD电位变动的情况下的第二信号电平。例如，数字信号是具有高电平和低电平的数字二值信号。
该数字二值信号在光子入射到受光元件APD时为低电平(第二信号电平)，在光子没有入射到受光元件APD时为高电平(第一信号电平)。具体而言，数字二值信号在FD电位被复位时，即因光子的入射而降低了的FD电位上升时，成为低电平。
在本实施方式中，AD转换放大器13如图2所示，具备：隔直电容C0、逆变器AMP1、以及晶体管TR2～TR4。
隔直电容C0是用于去除从受光部11输出的信号的直流分量的电容器。隔直电容C0被连接在初级放大器AMP0的输出端子与逆变器AMP1的输入端子之间。
逆变器AMP1将由初级放大器AMP0生成的电压信号转换为数字信号。逆变器AMP1的输入端子经由隔直电容C0而与初级放大器AMP0连接，逆变器AMP1的输出端子经由晶体管TR3而与计数值保持部20(具体而言，逆变器AMP2)连接。并且，逆变器AMP1与电源VINV连接，作为电源电压而被供给电压Vinv。
例如，在逆变器AMP1的输入电压上升的情况下，逆变器AMP1的输出电压成为低电平。由于逆变器AMP1的输入电压因初级放大器AMP0的输出电压而发生变化，因此会因向受光元件APD的光子的入射有无而发生变化。因此，逆变器AMP1输出因光子的入射有无而信号电平不同的数字信号。
晶体管TR2是用于对逆变器AMP1进行均衡的开关晶体管，被连接在逆变器AMP1的输入端子与输出端子之间。晶体管TR2的控制端子与端子RS2连接，由从端子RS2输入的控制信号而被控制成导通以及非导通。在晶体管TR2为导通的情况下，逆变器AMP1被均衡。
晶体管TR3是被连接在逆变器AMP1的输出端子与逆变器AMP2的输入端子之间的开关晶体管。晶体管TR3的控制端子与端子RS1连接，由从端子RS1输入的控制信号而被控制成导通以及非导通。即，晶体管TR3与晶体管TR1同步工作。在晶体管TR3为导通的情况下，逆变器AMP1的输出电压被提供到逆变器AMP2。
晶体管TR4是被连接在逆变器AMP2的输入端子与电源VCHG之间的开关晶体管。晶体管TR4的控制端子与端子RS2连接，由从端子RS2输入的控制信号而被控制成导通以及非导通。即，晶体管TR4与晶体管TR2同步工作。在晶体管TR4为导通的情况下，逆变器AMP2的输入电压被设定为电压Vchg。
计数值保持部20通过将从检测部10输出的数字信号转换为模拟值并进行计数，从而作为计数值来保持。具体而言，计数值保持部20将从AD转换放大器13输出的数字信号转换为模拟电压(后述的ΔV(n))，并对转换了的模拟电压进行累计来计数。
具体而言，数字信号在每当光子入射到受光元件APD时，其信号电平就会发生变化(例如，从高电平向低电平)。计数值保持部20通过对与该变化相当的模拟电压进行累计，从而将光子的入射数作为模拟值的累计值来计数。换而言之，模拟电压的累计值(即，计数值)相当于入射到受光元件APD的光子的数量。
在本实施方式中，计数值保持部20如图2所示，具备：逆变器AMP2、电容C1和C2、以及晶体管TR5～TR8。
逆变器AMP2对从逆变器AMP1输出的数字信号进行反转放大。逆变器AMP2的输入端子经由晶体管TR3而与逆变器AMP1的输出端子连接，逆变器AMP2的输出端子与电容C1连接。并且，逆变器AMP2与电源VCHG连接，被供给有作为电源电压的电压Vchg。
电容C1以及电容C2在逆变器AMP2的输出端子与接地电位之间串联连接。具体而言，电容C1的一方的电极与逆变器AMP2连接，另一方的电极经由晶体管TR5与电容C2的一方的电极连接。电容C2的另一方的电极接地。
据此，根据电容C1以及电容C2的每一个的电容值的比率，从AD转换放大器13输出的数字信号被转换成模拟电压。具体而言，逆变器AMP2的输出电压通过电容C1以及电容C2，被分配到电容C2的一方的电极(具体而言，输出节点VCOUNT)。输出节点VCOUNT的电压Vcount(n)相当于计数值。并且，n为光子的检测次数(入射光子数)。
晶体管TR5是被连接在电容C1与电容C2之间的开关晶体管。晶体管TR5的控制端子与逆变器AMP2的输出端子连接，通过逆变器AMP2的输出电压被控制为导通以及非导通。
具体而言，在逆变器AMP2的输出端子的电压成为高电平时，晶体管TR5导通，电容C1以及电容C2串联地电连接。在逆变器AMP2的输出电压为低电平时，由于晶体管TR5为非导通，因此被保持在电容C2的电压不发生变化。即，被保持在电容C2的电压，只有在逆变器AMP2的输出电压成为高电平时才发生变化。具体而言，只有在在光子入射到受光元件APD，而电位为降低状态的FD电位被复位时，即只有向初级放大器AMP0的输入上升时，被保持在电容C2的电压才发生变化。
晶体管TR6是被连接在电容C1的另一方的电极(中间节点VM)与电源VINIT之间的开关晶体管。晶体管TR6的控制端子与端子RS2连接，通过从端子RS2输入的控制信号而被控制成导通以及非导通。即，晶体管TR6与晶体管TR2以及TR4同步工作。在晶体管TR6为导通的情况下，中间节点VM的电压被设定为起始电压Vinit。
晶体管TR7是被连接在电容C1的另一方的电极(中间节点VM)与电源VINIT之间的开关晶体管。晶体管TR7的控制端子与端子RS3连接，通过从端子RS3输入的控制信号而被控制为导通以及非导通。在晶体管TR7为导通的情况下，中间节点VM的电压被设定为起始电压Vinit。
晶体管TR8是被连接在电容C2的一方的电极(输出节点VCOUNT)与电源VINIT之间的开关晶体管。晶体管TR8的控制端子与端子RS3连接，通过从端子RS3输入的控制信号被控制为导通以及非导通。即，晶体管TR8与晶体管TR7同步工作。在晶体管TR8为导通的情况下，输出节点VCOUNT的电压Vcount(n)被设定为起始电压Vinit。
读出部30将被保持在计数值保持部20的计数值作为模拟信号来输出。在本实施方式中，读出部30如图2所示，具备：放大器AMP3、晶体管TR9、以及输出信号线31。读出部30以规定的定时，将计数值作为模拟信号读出到输出信号线31。
放大器AMP3对输出节点VCOUNT的电压Vcount(n)进行放大。放大器AMP3的输入端子与输出节点VCOUNT连接，放大器AMP3的输出端子经由晶体管TR9与输出信号线31以及输出端子OUT连接。
晶体管TR9被连接在放大器AMP3的输出端子与输出信号线31之间。晶体管TR9的控制端子与端子SEL连接，通过从端子SEL输入的控制信号而被控制为导通以及非导通。在晶体管TR9为导通的情况下，放大器AMP3的输出电压经由输出信号线31被输出到输出端子OUT。
接着，利用图3对本实施方式所涉及的固体摄像装置的像素电路1的工作进行说明。图3是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的工作的一个例子的时间图。
另外，在图3中，FD表示FD电位，RS1、RS2、RS3以及SEL分别示出从端子RS1、端子RS2、端子RS3以及端子SEL供给的控制信号。CHG表示逆变器AMP2的输出电压，VCOUNT表示电容C2的一方的电极(输出节点VCOUNT)的电压，即表示计数值。OUT表示输出端子OUT的电压。
在时刻t0，通过向端子RS3施加脉冲(高电平的控制信号)，从而使计数值保持部20的晶体管TR7与TR8导通。据此，输出节点VCOUNT的电压Vcount(n)被设定为起始电压Vinit。将与起始电压Vinit相当的模拟电压视为计数值0。并且，浮置扩散FD的FD电位被复位到初始状态。即，在浮置扩散FD被施加复位电压Vrsd。
在此之后，当光子入射到受光元件APD时，FD电位下降。浮置扩散FD保持下降后的电位。初级放大器AMP0对FD电位进行电压转换，并输出电压信号。此时，通过将脉冲施加到端子RS2，从而使AD转换放大器13的晶体管TR2导通。据此，能够使逆变器AMP1均衡化。
在时刻t1，通过向端子RS1施加脉冲，向浮置扩散FD施加复位电压Vrsd，从而FD电位上升因光子入射而减少了的部分。该电位的上升部分由初级放大器AMP0放大，经由隔直电容C0，而逆变器AMP1的输入电位上升。因此，逆变器AMP1的输出电压成为低电平。在经由晶体管TR3，将低电平的输出电压输入到计数值保持部20的逆变器AMP2时，逆变器AMP2对作为其电源电压的电压Vchg(高电平)进行输出。
此时，由于晶体管TR5导通，因此逆变器AMP2的输出电压Vchg经由晶体管TR5，在输出节点VCOUNT对电容C1与电容C2的电荷进行再分配，从而作为以下的(式1)～(式3)所表示的电压ΔV(n)而被充电。例如，ΔV(n)相当于作为模拟电压的计数值1，通过对ΔV(n)进行累计，从而能够对入射的光子的数量进行计数。
(式1)ΔV(n)＝(Vchg-Vcount(n-1))×C1÷(C1+C2)
(式2)Vcount(0)＝Vinit
(式3)Vcount(n)＝Vinit+ΔV(n)
并且，由于逆变器AMP1的输出振幅的宽度由均衡器电压与逆变器AMP1的电源电压Vinv来规定，因此不能成为电源电压Vinv与接地电平的全摆幅。因此，需要逆变器AMP2。
另外，检测部10能够对输出的数字信号的第一信号电平以及第二信号电平进行变更。具体而言，检测部10能够对数字信号的高电平以及低电平进行变更。更具体而言，逆变器AMP1的电源电压Vinv与接地侧的低电压能够任意设定。
之后，通过向端子RS2施加脉冲，使AD转换放大器13的晶体管TR4导通。据此，逆变器AMP1的输出端子与逆变器AMP2的输入端子成为电压Vchg，即成为高电平。此时，由于晶体管TR6也导通，因此，中间节点VM经由晶体管TR6而被初始化为起始电压Vinit，从而对光子检测状态进行复位。
在图3所示的驱动例子中，由于在此之间也有光子向受光元件APD的入射，因此示出了FD电位下降的状态。因此，先前所说明的工作被反复，在时刻t2通过向端子RS1施加脉冲，从而作为计数值的电压Vcount(2)成为作为模拟电压的计数值2。
而且，在下一个光子刚好入射了的时刻t3，电压Vcount(3)成为模拟电压的计数值3。
在时刻t4，在读出部30的放大器AMP3被放大的计数值3，通过脉冲被施加到端子SEL而晶体管TR9被导通，从而被输出到端子OUT。
时刻t5是先前所说明的时刻t0的重复，从时刻t0至时刻t5是光子计数的一个周期。即，在图3中示出了，在一个周期中能够检测到三个光子。在此之后，在时刻t5～时刻t9、以及时刻t9～时刻t12，分别检测到两个光子以及一个光子。
这样，本实施方式所涉及的像素电路1，能够在规定期间内对入射到受光元件APD的光子的数量进行计数。具体而言，计数值保持部20在规定期间内，能够将与示出复位部12进行复位定时的复位脉冲的数量为相同数量的光子，作为模拟电压的累计值来计数。即，计数值保持部20能够对规定期间内的FD电位的复位次数进行计数，具体而言，能够对供给到端子RS1的复位脉冲的数量以下的光子进行计数。
如以上所示，本实施方式所涉及的固体摄像装置具备：检测部10，该检测部10具有对光子进行检测的雪崩式放大型的受光元件APD、以及对受光元件APD的输出电位进行复位的复位部12，并对示出是否有光子向受光元件APD的入射的数字信号进行输出；计数值保持部20，通过将从检测部10输出的数字信号转换成模拟电压并进行计数，从而作为计数值来保持，以及读出部30，将计数值作为模拟信号来输出。
这样，由于检测部10能够对示出是否有光子向受光元件APD的入射的数字信号进行输出，因此，能够缓解光子入射时的受光元件APD的振幅的不均匀。据此，能够抑制在每个光子上产生的误差，从而能够抑制光子的入射数与计数值产生误差。并且，由于计数值保持部20能够将数字信号转换为模拟值来计数，因此与以往的数字计数电路相比，能够大幅度地减少构成计数值保持部20的电路元件的数量。
因此，通过本实施方式，能够实现既具有高性能的光子计数功能，又能够以小的像素尺寸实现多像素化的固体摄像装置。
并且，例如，受光元件APD是雪崩式放大型光电二极管，检测部10进一步具备：浮置扩散FD，对雪崩式放大型光电二极管所产生的电荷进行蓄积；初级放大器AMP0，将被蓄积到浮置扩散FD的电荷转换为电压并进行放大；以及AD转换放大器13，将初级放大器AMP0的输出电压转换为数字信号，复位部12将FD电位复位到初始状态，数字信号具有第一信号电平和第二信号电平，所述第一信号电平是FD电位从初始状态没有发生变动的情况下的电位，所述第二信号电平是因光子向受光元件APD的入射而FD电位从初始状态发生了变动的情况下的电位。
据此，根据在对FD电位进行复位时的FD电位变动的有无，从而能够判断是否有光子向受光元件APD的入射。因此，能够通过简单的构成来对光子进行检测。
并且也可以是，例如，检测部10能够对第一信号电平以及第二信号电平进行变更。
据此，能够增加电路设计的自由度，例如能够实现降低耗电量等。
并且，例如，计数值保持部20能够在规定期间内，将与示出复位部12进行复位定时的复位脉冲的数量为相同数量的光子，作为模拟电压的累计值来计数。
据此，通过对规定期间内的复位脉冲的数量进行调整，从而能够恰当地对能够检测的光子的数量进行调整。
并且，例如，读出部30具备输出信号线31，以规定的定时将计数值作为模拟信号来读出到输出信号线31。
据此，由于能够将计数值作为模拟信号来读出，因此用于读出计数值的输出信号线31能够以一条来实现。换而言之，本实施方式所涉及的固体摄像装置的像素电路1只要具备一条对计数值进行读出的输出信号线31即可。
并且也可以是，例如，计数值保持部20具备电容C1以及电容C2，根据电容C1以及电容C2的每一个的电容值的比率，将数字信号转换为模拟电压，电容C1以及电容C2的至少一个为可变电容。
从(式1)可知，在电容C1与电容C2的电容值的比率中，电容值C1越小则ΔV(n)就越小。或者，电容值C2越大则ΔV(n)越小。
由于电压Vcount(n)的振幅需要在与读出部30连接的电源电压以下，因此通过对电容C1与电容C2的电容值的比率进行任意地调整，从而能够设定能够对所希望的光子数进行计数的ΔV(n)。
并且，同样可以从(式1)知道，逆变器AMP2的电源电压Vchg越大，则ΔV(n)就越大。ΔV(n)越大，则从计数值保持部20输出的计数值就能够在后级进行读取，因此，优选为将电压Vchg尽可能地设定为大。
例如，本实施方式所涉及的固体摄像装置也可以具备能够将电源电压控制为可变的电压控制部(未图示)。具体而言，电压控制部将电源RSD、电源VPD、电源VINV、电源VCHG以及电源VINIT分别供给的电压控制为可变。例如，电压控制部能够对电源RSD所供给的复位电压Vrsd进行变更。或者，电压控制部也可以对电压Vinv、电压Vchg或起始电压Vinit进行变更。
并且，如先前所说明的晶体管TR6、TR7以及TR8，与电容C1以及电容C2连接的晶体管，在作为开关来工作时，会产生热噪声(也称为kTC噪声)。即，非导通时的kTC噪声由于在电容C1与电容C2之间产生，因此，在将作为模拟的计数值的ΔV(n)设定为小的情况下，会导致画质变差。
为了抑制这种画质变差，一个以上的晶体管可以由振幅以及波形的至少一方为可变的控制信号来控制。即，本实施方式所涉及的固体摄像装置可以具备控制部(未图示)，生成对一个以上的晶体管进行控制的控制信号，且该控制信号为振幅以及波形的至少一方可变的信号。具体而言，如图2的端子RS2以及RS3，将对被连接于电容的晶体管进行控制的控制信号，任意变更为振幅值缩小或波形为梯形形状等。据此，能够不易产生kTC噪声。
另外，例如初级放大器AMP0可以进行逆变器的工作。在这种情况下，例如可以是，复位部12对互不相同的两个复位电压有选择地施加到浮置扩散FD。据此，能够更容易地进行光子的检测。
例如，通过在时刻t1施加图3的复位电压Vrsd，从而可以在进行了光子的入射有无的检测之后，将比复位电压Vrsd低的电压施加到浮置扩散FD，使晶体管TR1成为非导通。据此，在比复位电压Vrsd低的电位被设定到浮置扩散FD的状态下，受光元件APD成为曝光状态。
在该状态下，当光子入射到受光元件APD时，即使在光子的能量减弱、浮置扩散FD的电位变动变小的情况下，初级放大器AMP0的输出也容易反转。因此，即使是弱的光子也能够检测。
(实施方式2)
接着，对实施方式2所涉及的固体摄像装置进行说明。
在实施方式1所说明的光子的检测工作中，当入射到受光元件APD的光子的数量增多时，如图4所示，作为计数值的电压Vcount(n)会有不为线状增大的情况。另外，图4示出了，在实施方式1所涉及的固体摄像装置中入射到受光元件APD的光子的数量与计数值的对应关系。
从上述的(式1)～(式3)可知，在逆变器AMP2的输出电压Vchg与计数值Vcount(n-1)的差减小时，作为模拟电压的ΔV(n)则逐渐变小。最终，当电压Vcount(n-1)成为与电压Vchg相等的情况下，ΔV(n)成为0，从而累计停止。虽然通过将起始电压Vinit设为低电压、或者使电容C2变大，从而能够增加计数值(累计次数)，但是在这种情况下，由于ΔV(n)变小，因此难于进行后级的ΔV(n)的读取。
作为对策，在本实施方式所涉及的固体摄像装置，将计数值分为高阶位和低阶位来保持。另外，计数值的低阶位例如是将计数值作为数字值来表示时的相当于低阶的一个以上的比特的数量值。计数值的高阶位例如是将计数值作为数字值来表示时的相当于高阶的一个以上的比特的数量值。例如，在计数值以n比特的数字值来表示时，低阶位可以是从最低有效位开始的m比特的数量值，高阶位可以是从最高有效位开始的n-m比特的数量值。
以下利用图5以及图6，首先对本实施方式所涉及的固体摄像装置的单位像素的像素电路进行说明。
图5是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的单位像素的功能构成的电路方框图。图6是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的电路构成例子的电路图。
如图5所示，本实施方式所涉及的像素电路2与图1所示的像素电路1比较，取代计数值保持部20以及读出部30，而具备计数值保持部120以及读出部130。
计数值保持部120具备：模拟计数电路121、以及数字计数电路122。
模拟计数电路121将计数值的低阶位作为模拟值来保持。在本实施方式中，模拟计数电路121具备多个电容，根据该多个电容的每一个的电容值的比率，将从检测部10输出的数字信号转换为模拟电压并保持。具体而言，模拟计数电路121具有与图2所示的计数值保持部20相同的电路构成。
数字计数电路122将计数值的高阶位作为数字值来保持。在本实施方式中，如图6所示，数字计数电路122具备：比较器AMP4、晶体管TR10～TR12、延迟电路DELAY、以及电容C3。
比较器AMP4对输出节点VCOUNT的电压Vcount(n)、与参考电压Vref进行比较，并输出比较结果。比较器AMP4的两个输入端子分别与模拟计数电路121的输出节点VCOUNT、和用于供给参考电压Vref的电源REF连接。比较器AMP4的输出端子(节点VDIG)经由晶体管TR11，与读出部130(具体而言，数字读出部132)连接。例如，比较器AMP4在电压Vcount(n)比参考电压Vref大的情况下，输出高电平的信号。
晶体管TR10是被连接于输出节点VCOUNT和电源VINIT之间的开关晶体管。晶体管TR10的控制端子经由延迟电路DELAY，与比较器AMP4的输出端子(节点VDIG)连接。因此，晶体管TR10在比较器AMP4输出高电平的信号之后经过延迟期间之后成为导通。在晶体管TR10为导通的情况下，输出节点VCOUNT被设定为起始电压Vinit。即，在输出节点VCOUNT的电压Vcount(n)，也就是说在计数值超过参考电压Vref时，被复位为起始电压Vinit。
晶体管TR11是被连接于比较器AMP4与数字读出部132的放大器AMP5之间的开关晶体管。晶体管TR11的控制端子与比较器AMP4的输出端子连接。因此，晶体管TR11在比较器AMP4输出高电平的信号的情况下而被导通，将高电平的信号输入到放大器AMP5。
晶体管TR12是并联地与电容C3电连接的开关晶体管。晶体管TR12的控制端子与端子RS3连接，通过从端子RS3输入的控制信号，而被控制成导通以及非导通。即，晶体管TR12与晶体管TR7以及TR8同步工作。在晶体管TR12为导通的情况下，电容C3中保持的电压被复位。
电容C3是用于对计数值的高阶位进行保持的电容。电容C3的一方的电极经由晶体管TR11，与比较器AMP4的输出端子连接，另一方的电极接地。因此，在比较器AMP4输出了高电平的信号的情况下，保持该电压值。
这样，计数值保持部120在作为计数值的电压Vcount(n)超过了一定的参考电压Vref的时刻，提升到高阶位，将电压Vcount(n)返回到起始电压Vinit并进行计数。
读出部130如图5所示，具备：模拟读出部131、以及数字读出部132。
模拟读出部131将被保持在模拟计数电路121的计数值的低阶位作为模拟信号来输出。在本实施方式中，模拟读出部131具有与图2所示的读出部30相同的电路构成。
数字读出部132将保持在数字计数电路122的计数值的高阶位作为数字信号来输出。在本实施方式中，数字读出部132与图2所示的读出部30同样，具备放大器AMP5和晶体管TR13。放大器AMP5以及晶体管TR13分别相当于放大器AMP3以及晶体管TR9，并进行同样的工作。
接着，利用图7对本实施方式所涉及的固体摄像装置的像素电路2的工作进行说明。图7是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的工作的一个例子的时间图。图7所示的驱动例子与图3所示的驱动例子比较，不同之处是，在光子的入射数超过63的情况下，就设定为进行比特提升。
在电源REF，被设定与计数值63(电压Vcount(n)＝63)相当的参考电压Vref。
在时刻t6，在电压Vcount(n)超过参考电压Vref时，比较器AMP4对高电平的信号进行输出。据此，晶体管TR11导通，电压被保持在电容C3。换而言之，在电容C3存储与计数值63相当的1比特。
之后，通过延迟电路DELAY而经过了延迟期间后，使晶体管TR10导通，并将电压Vcount(n)复位到起始电压Vinit。之后，若对光子进行检测，则如时刻t7所示，计数值保持部120从0开始计数1。
在时刻t8，分别从OUTA读出低阶位的模拟计数值(具体而言，1)、从OUTD读出高阶位的数字值(具体而言，63)，在时刻t9将计数值全部清除。通过加上低阶位的模拟值和高阶位的数字值，从而能够对在规定期间内入射的光子的数量正確地进行计数。
如以上所示，在本实施方式所涉及的固体摄像装置，例如，计数值保持部120具备：将计数值的低阶位作为模拟值来保持的模拟计数电路121、以及将计数值的高阶位作为数字值来保持的数字计数电路122。
据此，即使在入射的光子的数量多的情况下，由于也能够将计数值分为高阶位和低阶位，从而能够正确地对光子数进行计数。例如，在图4所示的光子数和计数值从线性关系发生大的偏离之前，由于能够对电压Vcount(n)进行复位，因此能够利用ΔV(n)来正确地对光子数进行计数。
并且，例如，读出部130将计数值的低阶位以模拟值读出，将计数值的高阶位以数字值读出。
据此，即使在入射的光子的数量多的情况下，由于能够将计数值分为高阶位与低阶位来读出，因此能够对光子数进行正确地计数。
(实施方式3)
接着，对实施方式3所涉及的固体摄像装置进行说明。
在本实施方式所涉及的固体摄像装置中，与实施方式2同样，将计数值分为高阶位与低阶位来进行保持。在实施方式2中，对将计数值的高阶位作为数字值来保持，将计数值的低阶位作为模拟值来保持的例子进行了说明，在本实施方式中，将计数值的低阶位作为数字值来保持将计数值的高阶位作为模拟值来保持。
以下利用图8以及图9，首先对本实施方式所涉及的固体摄像装置的单位像素的像素电路进行说明。图8是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的单位像素的功能构成的电路方框图。图9是示出本实施方式所涉及的固体摄像装置的电路构成例子的电路图。
如图8所示，本实施方式所涉及的像素电路3与图1所示的像素电路1比较，取代了计数值保持部20以及读出部30，而具备计数值保持部220以及读出部230。
计数值保持部220具备：高阶位保持部221、以及低阶位保持部222。
高阶位保持部221是将计数值的高阶位作为模拟值来保持的模拟计数电路的一个例子。在本实施方式中，高阶位保持部221具有与图2所示的计数值保持部20相同的电路构成。高阶位保持部221不是从AD转换放大器13的输出端子，而是从低阶位保持部222的输出端子接受输入。
低阶位保持部222是将计数值的低阶位作为数字值来保持的数字计数电路的一个例子。在本实施方式中，如图9所示，低阶位保持部222具备4比特(16灰度)计数器，该4比特(16灰度)计数器具备四个D型双稳态电路Q0～Q3。D型双稳态电路Q0保持4比特的计数值的最低有效位，D型双稳态电路Q3保持4比特的计数值的最高有效位。
在四个D型双稳态电路Q0～Q3的各自的时钟端子CK，连接有前级的输出端子-Q(意味着Q的否定)，在输入端子D连接有自身的输出端子-Q。并且，在先头级的D型双稳态电路Q0的时钟端子CK，连接有AD转换放大器13的输出端子。并且，最后级的D型双稳态电路Q3的输出端子-Q与高阶位保持部221(具体而言，逆变器AMP2)的输入端子连接。并且，D型双稳态电路Q0～Q3的输出端子Q分别与低阶位读出部232的晶体管TR20～TR23的控制端子连接。
读出部230将计数值分为低阶位与高阶位，并分别作为模拟值读出。在本实施方式中，如图8所示，读出部230具备：高阶位读出部231、以及低阶位读出部232。
高阶位读出部231将高阶位保持部221中保持的计数值的高阶位作为模拟信号来输出。在本实施方式中，高阶位读出部231具有与图2所示的读出部30相同的电路构成。
低阶位读出部232将低阶位保持部222中保持的计数值的低阶位作为模拟信号来输出。在本实施方式中，如图9所示，低阶位读出部232具备：晶体管TR20～TR23、以及恒流电源。
晶体管TR20～TR23是被连接在电源VDD、与恒流电源以及输出端子OUTL之间的开关晶体管。晶体管TR20～TR23彼此并联地电连接。晶体管TR20～TR23的各自的控制端子与D型双稳态电路Q0～Q3的输出端子Q连接。
具体而言，晶体管TR20在D型双稳态电路Q0的输出端子Q成为高电平的情况下导通。晶体管TR21在D型双稳态电路Q1的输出端子Q成为高电平的情况下导通。晶体管TR22在D型双稳态电路Q2的输出端子Q成为高电平的情况下导通。晶体管TR23在D型双稳态电路Q3的输出端子Q成为高电平的情况下导通。
晶体管TR20～TR23的通道宽W与通道长L的比(W/L)彼此不同。具体而言，在将晶体管TR20的通道宽与通道长的比由W/L来表示的情况下，晶体管TR21～TR23的比分别为2W/L、4W/L、8W/L。
在晶体管TR20～TR23的任一个为导通的情况下，在输出端子OUTL输出与导通的晶体管对应的输出电压。据此，通过对晶体管TR20～TR23进行组合并导通，从而在输出端子OUTL能够输出与低阶位保持部222所保持的低阶位对应的模拟电压。
具体而言，通过从AD转换放大器13输出的数字信号(低电平)，从而低阶位保持部222所具备的4比特的计数器电路开始计数工作。例如，在保持最低有效位的D型双稳态电路Q0的输出Q成为1时，晶体管TR20导通，由晶体管TR20和恒流电源，在输出端子OUTL产生一定的电压。将该电压作为计数值1。
之后，每当光子入射，低电平的数量字信号被输入时，D型双稳态电路Q1、Q2、Q3的输出发生变化，与此相对应地，输出端子OUTL的电压发生变化。之后，在4比特的计数器电路计数满时，使CARRY信号成为高电平，并输入到高阶位保持部221。
以后，高阶位由高阶位保持部221计数。据此，如图10所示，按照光子的检测数，而高阶位的输出端子OUT和低阶位的输出端子OUTL的输出发生变化。并且，图10示出了本实施方式所涉及的固体摄像装置的工作例子。
如以上所述，在本实施方式所涉及的固体摄像装置，例如计数值保持部220具备：将计数值的低阶位作为数字值来保持的低阶位保持部222、以及将计数值的高阶位作为模拟值来保持的高阶位保持部221。
据此，即使在入射的光子的数量多的情况下，由于也能够将计数值分为高阶位与低阶位来保持，因此能够对光子数进行正确地计数。例如，在图4所示的光子数与计数值从线性关系发生大的偏离之前，由于能够对电压Vcount(n)进行复位，因此能够利用ΔV(n)对光子数进行正确地计数。
并且，例如，读出部230将计数值分为低阶位与高阶位，并分别作为模拟值来读出。
据此，即使在入射的光子的数量多的情况下，由于也能够将计数值分为高阶位与低阶位来读出，因此能够对光子数进行正确地计数。
(变形例)
在以上的实施方式1～3所设想的是，在入射的光子的数量有限的环境下进行的工作，在一般的环境下，在计数值保持部的计数值发生溢出的数量的光子入射的情况下，本申请所涉及的雪崩式放大型的受光元件APD也可以不作为雪崩式放大型，而作为普通的光电二极管来工作。
图11是示出本变形例所涉及的固体摄像装置的单位像素的电路构成例子的电路图。
图11所示的像素电路4与图2所示的像素电路1比较，不同之处是具备输出部340。
输出部340在受光元件APD作为不是雪崩式放大型的受光元件来进行工作时，不将初级放大器AMP0的输出电压转换为数字信号，而是进行输出。在本实施方式中，输出部340具备：信号线341、放大器AMP6、以及晶体管TR100。放大器AMP6以及晶体管TR100分别相当于读出部30的放大器AMP3以及晶体管TR9。并且，晶体管TR的控制端子与端子SEL2连接，能够以与读出部30不同的定时进行读出。
信号线341与初级放大器AMP0的输出端子、和放大器AMP6的输入端子连接。因此，不必藉由AD转换放大器13以及计数值保持部20，就能够将初级放大器AMP0的输出电压从初级放大器AMP0输出到输出端子OUT2。
如以上所述，在本变形例所涉及的固体摄像装置，例如受光元件APD在计数值发生溢出的数量的光子入射了的情况下，作为不是雪崩式放大型的受光元件来进行工作。
据此，例如不受使用环境的影响，就能够捕捉光子并进行输出，从而能够在从微弱光的检测到日常环境的较大的动态范围内进行拍摄。
并且，例如，受光元件APD也可以具备彩色滤光片或微透镜。
据此，能够实现更高灵敏度的画像的色彩化。
(其他的实施方式)
以上基于实施方式对本申请所涉及的固体摄像装置进行了说明，但是本申请并非受上述实施方式所限。本申请的技术能够适用于，通过对各个实施方式中的任意的构成要素进行组合而实现的其他的实施方式、针对各个实施方式执行在不脱离本申请的主旨的范围内本领域技术人员所能够想到的各种变形而得到的变形例、以及内置了本申请所涉及的固体摄像装置的各种设备、各种系统。
例如，在上述的实施方式中，以将计数值分为高阶位与低阶位进行读出为例进行了说明，不过也可以分为三个以上进行读出。
并且，例如在上述的实施方式中，虽然作为雪崩式放大型的受光元件而利用雪崩式放大型光电二极管进行了说明，不过也可以利用雪崩式放大型光电晶体管。
并且，例如在上述的实施方式中，作为电荷蓄积部而采用浮置扩散FD的例子进行了说明，不过并非受此所限，只要是能够对在受光元件产生的电荷进行蓄积的电容即可。
并且，本申请所涉及的固体摄像装置的结构也可以是，像素被形成在与半导体基板的表面、即形成了晶体管的栅极端子以及布线的面相同的面侧。或者，本申请所涉及的固体摄像装置的结构也可以是，像素被形成在半导体基板的背面、即形成了晶体管的栅极端子以及布线的面的背面侧，即可以是所谓的背面照射型图像传感器(背面照射型固体摄像装置)的结构。
并且，上述的各个实施方式能够进行在权利要求或与其等同的范围内的各种变形、替换、附加以及省略等。
本申请所涉及的固体摄像装置能够利用于例如对放射线检测等随机发光现象的微弱光进行检测的摄像装置等。
符号说明
1、2、3、4 像素电路
10 检测部
11 受光部
12 复位部
13 AD转换放大器
20、120、220 计数值保持部
30、130、230 读出部
31 输出信号线
121 模拟计数电路
122 数字计数电路
131 模拟读出部
132 数字读出部
221 高阶位保持部
222 低阶位保持部
231 高阶位读出部
232 低阶位读出部
340 输出部
341 信号线
AMP0 初级放大器
AMP1、AMP2 逆变器
AMP3、AMP5、AMP6 放大器
AMP4 比较器
APD 受光元件
C0 隔直电容
C1、C2、C3 电容
DELAY 延迟电路
FD 浮置扩散
Q0、Q1、Q2、Q3 D型双稳态电路
TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6、TR7、TR8、TR9、TR10、TR11、TR12、TR13、TR20、TR21、TR22、TR23、TR100 晶体管

Claims (15)

1.一种固体摄像装置，具备：
检测部，该检测部具有对光子进行检测的雪崩式放大型的受光元件、以及对该受光元件的输出电位进行复位的复位部，并且，该检测部对示出是否有光子向所述受光元件的入射的数字信号进行输出；
计数值保持部，通过将从所述检测部输出的数字信号转换为模拟电压并进行计数，从而作为计数值来保持；以及
读出部，将所述计数值作为模拟信号来输出，
所述检测部进一步具备：
电荷蓄积部，对在所述受光元件产生的电荷进行蓄积；
初级放大器，对被蓄积在所述电荷蓄积部的电荷进行电压转换，并放大；以及
AD转换器，将所述初级放大器的输出电压转换为数字信号，
所述受光元件是雪崩式放大型光电二极管，
所述复位部将所述电荷蓄积部的电位复位成初始状态，
所述数字信号具有第一信号电平和第二信号电平，
所述第一信号电平是，所述电荷蓄积部的电位从所述初始状态没有发生变动的情况下的电平，
所述第二信号电平是，因光子向所述受光元件的入射，而所述电荷蓄积部的电位从所述初始状态发生了变动的情况下的电平。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述复位部将彼此不同的两个复位电压，有选择地施加到所述电荷蓄积部。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述初级放大器进行逆变器工作。
4.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述检测部，能够对所述第一信号电平以及所述第二信号电平进行变更。
5.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述计数值保持部具备多个电容，根据所述多个电容的每一个的电容值的比率，将所述数字信号转换为所述模拟电压，
所述多个电容的至少一个为可变电容。
6.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述计数值保持部具备：一个以上的晶体管、以及与所述一个以上的晶体管连接的多个电容，根据所述多个电容的每一个的电容值的比率，将所述数字信号转换为所述模拟电压，
所述一个以上的晶体管由振幅以及波形的至少一方为可变的控制信号控制。
7.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述计数值保持部，能够在规定期间内将与复位脉冲的数量为相同数量的光子，作为所述模拟电压的累计值来计数，所述复位脉冲示出所述复位部进行复位的定时。
8.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述受光元件，在所述计数值发生溢出的数量的光子入射了的情况下，作为非雪崩式放大型的受光元件来进行工作。
9.如权利要求8所述的固体摄像装置，
所述固体摄像装置进一步具备输出部，在所述受光元件作为非雪崩式放大型的受光元件来进行工作时，不是将所述初级放大器的输出电压转换为所述数字信号，而是由所述输出部对所述初级放大器的输出电压进行输出。
10.如权利要求8所述的固体摄像装置，
所述受光元件具备彩色滤光片或微透镜。
11.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述读出部具备输出信号线，以规定的定时，将所述计数值作为所述模拟信号读出到所述输出信号线。
12.如权利要求1至11的任一项所述的固体摄像装置，
所述计数值保持部具备：
模拟计数电路，将所述计数值的低阶位作为模拟值来保持；以及
数字计数电路，将所述计数值的高阶位作为数字值来保持。
13.如权利要求12所述的固体摄像装置，
所述读出部，对所述计数值的低阶位以模拟值来读出，对所述计数值的高阶位以数字值来读出。
14.如权利要求1至11的任一项所述的固体摄像装置，
所述计数值保持部具备：
数字计数电路，将所述计数值的低阶位作为数字值来保持；以及
模拟计数电路，将所述计数值的高阶位作为模拟值来保持。
15.如权利要求1至11的任一项所述的固体摄像装置，
所述读出部将所述计数值分成低阶位和高阶位，并分别作为模拟值来读出。
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