JP2000253320A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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Abstract
所望の光量レンジを広範囲にわったってカバーする固体
撮像装置を提供する。 【解決手段】 第7ビットに1が出力されると、FET
スイッチS2がオンとなり、フォトダイオード12Aに
蓄積された電荷の放電抵抗(オン抵抗)が下がって放電
時定数が小さくなるので、より深くリセットされる。第
8ビットも同様で、1が出力されると、リセット時のオ
ン抵抗値がさらに下がり、放電時定数がさらに小さくな
る。従って、同じ光量下でフォトン数をカウントした場
合、単位時間あたりにカウントされるパルスの数が減少
し、結果として感度が下がり、ダイナミックレンジが広
がる。
Description
気信号を直ちにデジタル変換して蓄積し、全ての画素か
ら得られる光情報をデジタル信号として取り出す固体撮
像装置に関するものである。
て信号伝送や各種の信号処理を行うことにより、SN比
の劣化を極めて少なくすることができる。かかる観点か
ら、撮像装置においても、できるだけ初期の信号処理段
階にて映像信号をデジタル化し、その後に各種の処理を
行おうとする試みがなされている。
変換された信号を、できるだけ早くデジタル信号に変換
する場合でも、固体撮像素子の画素から得られる各々の
アナログ情報を時系列のアナログ情報として一度素子外
に取り出した後に、AD(アナログ・デジタル)変換器
によりデジタル信号に変換していた。
う以前の撮像素子におけるアナログ信号処理は従来通り
であり、そこでの問題は何ら解決されずに残ることにな
る。すなわち、各種の雑音が重畳してSN比を十分に高
めることができないなど、良好な撮像ができないという
欠点がみられた。
された画素毎の電気信号を、デジタル信号に直接変換し
て信号処理するよう構成した固体撮像装置が本出願人に
より既に提案されている(特公平7−99868号「固
体撮像装置」)。
るフォトン(光子)の数をデジタル的に計測して、画素
ごとのデジタル信号を送出するものであって、『少なく
とも1次元的に配列され、入射フォトン数に応じたパル
ス状信号を送出する複数の受光手段と、前記受光手段の
各々に接続され、前記パルス状信号を計数し、保持する
計数保持手段と、任意の周期で前記計数保持手段の計数
値を初期状態に戻す手段と、前記計数保持手段からデジ
タル信号を逐次読み出す走査手段とを具備し、同時もし
くは近接した時間的間隔をもってフォトンが前記受光手
段に入射したときには、前記パルス状信号のピーク値も
しくは持続時間に基づいて前記デジタル信号の値を修正
する手段を前記計数保持手段に備えたことを特徴とする
固体撮像装置。』を要旨とするものである。かかる発明
の原理は、以下に述べる通りである。
当たり、波長(λ)550nmについては0.4×10
16個/sec、白色光については1.3×1016個/s
ecであるといわれている。
0μm2 とした場合には、1ルックスの面照度を有する
その面積内に到達するフォトンの数は、白色光について
は毎秒あたり、
(1/30秒)に換算すると、1フレームの1画素あた
り
により、当該画素の入射光量に応じた信号をデジタル信
号として取り出すことが可能になる。
ができる。更に、この光量の10倍、あるいは100倍
の入射光までも取り扱う場合を考えると、
2進数を用いて表現することが可能である。
により表現し得るコントラスト比は20対1が限度であ
ると言われている。このようなコントラストを有する映
像を2進数で表す場合、8ビットつまり、28 の階調の
映像信号があれば十分であると言われている。そこで、
上記の特公平7−99868号「固体撮像装置」では、
223にもおよぶ出力を映像信号にどのように対応させる
かについて、次に列挙する提案(1),(2),(3)
を行っている。
を直線的に映像信号の28 に変換する(図13参照)。
図13は、デジタル固体撮像装置からの全出力値(1〜
223とする)を8ビットの映像信号に対応させた例を示
す特性図である。そして、図14は、図13に示した特
性を近似的に得るための具体的回路を示す図である。
は、コントラスト比が100対1から高々1000対1
なのでCRT上では極一部のコントラスト範囲に圧縮さ
れてしまい、一般的な変換方式とはいえない。
における1ビットを映像信号の2進数における1ビット
にそれぞれ対応させる(図15,図16参照)。ここ
で、図15は、デジタル固体撮像装置から出力された2
16レベルの信号を映像信号の100%値に対応させた例
を示す特性図である。図16は、デジタル固体撮像装置
から出力された28 レベルの信号を映像信号の100%
値に対応させた例を示す特性図である。このとき、対応
外の上位ビットと下位ビットは切り捨てる。
得るための具体的回路を示す図である。このような特性
を近似的に実現することにより、自然界とほぼ同じコン
トラストでCRT上に表示できるので、良好な画像表現
が可能になる。但し、デジタル固体撮像装置からの223
にもおよぶ出力のうち、どのビットを映像信号のどのビ
ットに対応させるかについては、被写体の明るさに応じ
て適宜変えることができるようにする。
号ビットは上述と同じくデジタル固体撮像装置の出力と
1対1に対応させ、被写体の輝度の高い部分だけ、コン
トラストを圧縮した形で映像信号に変換する(図18,
図19参照)。つまり、ニーポイントを設定する。ここ
で、図18は、被写体を表す映像信号のある高輝度部分
にニーポイントを設けた例を示す特性図である。図19
は、被写体を表す映像信号の他の高輝度部分にニーポイ
ントを設けた例を示す特性図である。これらの場合も、
上述の場合と同様、圧縮の比率を変えずに入射光量に応
じて対応するビットを変えることができるようにする。
量域を表現することが可能になる。このとき、変換の方
法としては、デジタル固体撮像装置の出力11ビット分
を映像信号の8ビットに直接変換する方法(図20参
照)と、デジタル固体撮像装置出力の11ビットを一度
上記(2)項と同様の方法で11ビットの映像信号とし
て取り出し、その後8ビットに圧縮する方法(図21参
照)を採ることができる。
と、一般に白色光1ルーメン(lm)には毎秒約1.3
×1016個のフォトンが含まれる。そして、このフォト
ンが1平方メートルの面積にふりそそいだ状態が1ルッ
クス(lx)である。
0μm2 とすると、1lxの明るさにおいて100μm
2 の面積には毎秒約1.3×106 個のフォトンが到来
することになる。これを1/30秒間だけカウントする
と、約4.3×104 個となり、これを2進カウンタで
カウントするためには16ビットを必要とする。そこ
で、216レベルの信号を映像信号における100%のレ
ベルに対応させることによって、面照度1lxのときほ
ぼ100%の映像信号とすることができる(図15参
照)。
は、映像信号における100%のレベルをデジタル固体
撮像装置からの215レベルの信号に対応させることによ
り、感度を2倍上げることができる。逆に、光量が多い
場合には、デジタル固体撮像装置からの217レベルの信
号に対応させることにより、感度は1/2となる。
る出力のどのビットを映像信号の100%のレベルに対
応させるかによって、感度を変えることができる。
に、従来のデジタル固体撮像装置では、223にも及ぶ撮
像出力を映像信号にどのように対応させるかを「信号変
換(圧縮)の問題」として捉えていたので、デジタル固
体撮像装置内に22ビットまたはこれに近い出力を有す
るカウンタ回路を必要とし、その結果として、カウンタ
回路規模を大きくせざるを得ないという欠点があった。
カウンタ回路の規模を大きくすることなく、所望の入射
光量レンジを広範囲にわたってカバーする固体撮像装置
を提供することにある。
めに、本発明に係る固体撮像装置は、少なくとも1次元
的に配列され、入射フォトン数に応じたパルス状信号を
送出する複数の受光手段と、前記受光手段の各々に接続
され、前記パルス状信号を計数する計数手段と、前記受
光手段の各々に含まれている光検出素子の蓄積マイナス
電荷を、当該光検出素子に対応して設けられている放電
用抵抗を介して、放電するリセット手段と、前記計数手
段の計数出力に応答して、前記放電用抵抗の抵抗値を可
変設定する抵抗値設定手段とを具備したものである。
つの前記光検出素子には複数の放電用抵抗が備えられて
おり、前記抵抗値設定手段は、前記計数手段の所定出力
ビットに応じて特定の放電用抵抗を当該光検出素子に接
続する構成を採ることが可能である。さらに加えて、前
記放電用抵抗の抵抗値を外部からの制御信号に基づいて
設定する制御手段を備えることも可能である。
とも1次元的に配列され、入射フォトン数に応じたパル
ス状信号を送出する複数の受光手段と、前記受光手段の
各々に接続され、前記パルス状信号を計数する計数手段
と、前記受光手段の各々に含まれている光検出素子の蓄
積マイナス電荷を、当該光検出素子に対応して設けられ
ている放電用抵抗を介して、電源ラインに放電するリセ
ット手段と、前記計数手段の計数出力に応答して、前記
電源ラインの電位を可変設定する電位設定手段とを具備
したものである。
ンにはそれぞれ異なる電位を供給する複数のスイッチ手
段が備えられており、前記電位設定手段は、前記計数手
段の所定出力ビットに応じて前記スイッチ手段により特
定の電位を当該光検出素子の電源ラインに供給する構成
を採ることができる。
形態の前提となる、フォトン数計測のための原理的模式
図である。図2は、図1における模式図の一部を詳細に
示した図である。以下の説明では、すべてマイナス電荷
(電子)に注目して充放電を定義する。
模式図は、通常のICプロセスに従って単一のウエハ上
にラインセンサを構成する態様を表している。図2は、
1画素分の光センサ部8Aおよびカウンタ10Aを示し
ている。
トンの数に対応したパルス状信号を送出する光センサ
部、9A〜9Nは蓄積マイナス電荷の放電時定数を決め
るオン(ON)抵抗、10A〜10Nは各光センサ部8
A〜8Nから送出されるパルス状信号をカウントするパ
ルスカウンタである。
るフォトダイオードや光導電膜などの光電変換素子ある
いは高速光電子増倍素子(例えば、アバランシェフォト
ダイオード、または光電面とマイクロチャンネルプレー
トの組合わせ等)から成る光検出素子であり、これら光
検出素子はフォトンが到来する受光面上に1列に配列し
てある。ここでは、光検出素子12A〜12Nとしてフ
ォトダイオードを用いる場合について説明する。
子12A〜12Nに蓄えられたマイナス電荷(電子)を
リセットするための放電用のスイッチである(具体的に
は、FETスイッチを用いる)。14は水平走査回路で
あり、カウンタ10A〜10Nをそれぞれ付勢すること
により、そのデジタル計数値を逐次読み出すと同時にリ
セットも行う。この読み出しを行う為の付勢方法には、
従来から知られているアドレススイッチング手法を用い
るのが好適である。
元の固体撮像装置(所謂、ラインセンサ)を構成するこ
とができる。なお、各々のカウンタの詳細構成は図3に
示す通り、フリップフロップを縦続接続してある。
ず1フレーム時間に相当する1/30秒間について、入
射フォトン数に対応したパルス状信号をフォトダイオー
ド12A〜12Nからカウンタ10A〜10Nに導入
し、カウントが終了した時点で水平走査回路14を用い
て、これら各カウンタからその計数値を逐次読み出す。
そして、計数値の読み出し後に各カウンタを零にリセッ
トし、以下同じ動作を繰り返す。このことにより、受光
面における照度を各画素単位でデジタル信号に直接変換
し、出力することができる。
子(フォトダイオード)12A〜12Nの等価回路は図
4のように表される。
役割は、光電変換された電子を集めるものであるが、等
価的にその内部抵抗Ri(図4参照)が入射光量によっ
て伝導度変調されると考えてもよい。この伝導度変調に
応じて、a点(図2参照)の浮遊容量を光電変換された
電子で充電する時定数が変化して、光センサ部8Aから
の出力電圧が初段カウンタ10Aのスレッシュホールド
電圧を超えたとたんに、1カウントがなされる。そし
て、初段のカウンタから出力が得られるとスイッチ11
Aが閉じ、オン抵抗9Aの抵抗値で決まる放電時定数に
従って、蓄積されているマイナス電荷が放電される。
量で決められる充電時定数より十分小さくすることが可
能である。本実施の形態では、この放電時定数を決める
オン抵抗9A〜9Nの抵抗値を図5,図8,図9(いず
れも、以下に詳述する)に示すように、上位2つのカウ
ンタ57,58の出力により変化させている。
の1画素分を示すブロック図である。本図において、1
2Aは図2に示した光検出素子(フォトダイオード)、
S1〜S3は図2に示したマイナス電荷の放電用スイッ
チ11Aと同等の機能を果たすFETスイッチ、R1〜
R3は図2に示したオン抵抗9Aと同等の機能を果たす
放電時定数決定用抵抗(R1>R2>R3)である。5
0はパルス発生器であり、光検出素子(フォトダイオー
ド)からの出力電圧がスレッシュホールド電圧を超えた
とたんにパルスを出力するとともに、光検出素子12A
を初期状態に戻すリセットパルスを発生する(詳細は、
図6に示す)。51〜58はそれぞれ2進カウンタであ
る。
れぞれカウンタ57,58から論理1の信号が出力され
たときに閉成(ON)される。換言すると、カウンタか
ら出力された第7ビットまたは第8ビットに応答して、
抵抗R2またはR3が抵抗R1と並列に接続されるの
で、等価的なオン抵抗が低下することになる。
図5に示した固体撮像装置の感度が変更される原理を示
す説明図である。本説明ではマイナス電荷(電子)に注
目しているため、図6では縦軸の電荷量はマイナス電荷
(電子)が蓄積されて増える状態を表している。本図に
示すように、カウンタの第7ビット出力および第8ビッ
ト出力に応じて、4つの状態が存するので、各状態に応
じて光検出素子(フォトダイオード)の蓄積電荷量が例
えば図示の如く変化する。すなわち、「状態1」の場合
には、第7ビット=0,第8ビット=0であるので、オ
ン抵抗はR1(最大)となり、リセット期間一定の下で
リセット時(マイナス電荷放電時)における放電電荷量
は最小となるため、次のスレッシュホールド電圧に到達
するまでの時間が短くなる。その結果、パルス発生器5
0からは、本実施の形態では8個のパルスが出力され
る。他方、「状態4」の場合には、第7ビット=1,第
8ビット=1であるので、オン抵抗はR1//R2//R3
(3つの抵抗の並列接続)となり、最小になる。その結
果、リセット期間一定の下でより深い放電が行われるの
で、次のスレッシュホールド電圧に到達するまでの時間
が長くなり、パルス発生器からは、本実施の形態では1
個のパルスが出力される。
ードリセット期間、ts は信号蓄積期間、t1 はカウン
ト期間を表している。
数決定用抵抗の大きさに依存する。図6では簡単のため
各状態間のパルス数比を2とした例を示したが、実際に
はダイナミックレンジを拡大するためにこのパルス数比
をもっと大きくする。
装置において、ダイナミックレンジの拡大が行われた場
合の入射光量−カウンタ出力(出力階調)の関係を示す
特性図である。本図に示す4本の直線は、それぞれ、図
6における「状態1」ないし「状態4」に対応する。
態2)、リセット時のオン抵抗値が下がって放電時定数
が小さくなるので、より深くリセットされる。第8ビッ
トも同様で、1が立つと(状態3)、リセット時のオン
抵抗値がさらに下がり、放電時定数がさらに小さくなる
ため、より深くリセットされる。
トした場合、初段カウンタで単位時間あたりにカウント
されるパルスの数が減少し、結果として感度が下がり、
既述のニーポイント(図18,図19参照)が設定さ
れ、ダイナミックレンジが広がる。この実施の形態1で
は、図7に示す通り、ダイナミックレンジが約3.75
倍に拡大される。すなわち、3個のニーポイントが設定
され、その結果として、4本の折れ線から成る入射光量
−カウンタ出力(出力階調)特性が得られる。
間のパルス数比が小さい例を示したが、例えば図18や
図19のようにダイナミックレンジを拡大したい場合
は、放電時定数決定用抵抗の抵抗値の比を大きくとれば
よい。
もってフォトンが光検出素子12Aに入射したときに対
処するため、パルス状信号のピーク値もしくは持続時間
に基づいてカウンタのカウント値を適正化する修正手段
を、パルス発生器50に内蔵させ、あるいは、パルス発
生器50とカウンタ初段との間に挿入するのが好適であ
る。この修正手段は、本出願時における公知の手段によ
って実現可能である。例えば、本出願人による特公平7
−99868号公報の第4図、第5図、および第7図、
第8図、ならびに、これら図面に関する説明には、同時
もしくは近接した時間的間隔をもってフォトンが光検出
素子12Aに入射したときにも、正確なパルスカウント
値を得るための技術が開示されている。
値は固定とされているので、各ビットにおける入力信号
への影響度は固定となる。
5に示した固定抵抗の代わりに、FET81,82,8
3のドレイン・ソース間抵抗を変化させることにより、
等価的なオン抵抗値(放電抵抗値)を外部からの信号
(=ゲート電圧)により制御できるようにしている。す
なわち、図8に示す実施の形態2では、第7ビット出力
および第8ビット出力における入力信号への影響度を外
部から制御することが可能である。
び/または第8ビットからの帰還信号は、単にFETス
イッチS2,S3をON/OFFするために使用するだ
けである。しかし、FETスイッチS1,S2,S3が
ONされた場合の放電特性は、外部からFET81,8
2,83のゲート電圧a,b,cを制御して各FET
(放電用抵抗として機能する)のオン抵抗を変化させる
ことによって、決めることができる。
を入力に戻すか否か、すなわちカウンタ出力によってオ
ン抵抗を挿入するか否かを、外部から制御できるように
したものである。すなわち、第7ビット出力の帰還路に
はFETスイッチ91を挿入し、第8ビット出力の帰還
路にはFETスイッチ92を挿入してある。その他の動
作は、図5と同様であるので、詳細な説明は省略する。
1,92をOFFしてニーポイントを設定しないか、F
ETスイッチ92のみONして1つのニーポイントを設
定するか、あるいは、FETスイッチ91,92のいず
れもONして実施の形態1と同様にニーポイントを設定
するかを外部から制御できる。
変更点をきめ細かく制御するための実施の形態である。
信号はゲート電圧a,b,cにより制御されるFETス
イッチを介して3本のオン抵抗のFETスイッチに接続
されているため、各ビット出力と各オン抵抗のいかなる
組合わせにも対応できる。これにより最大7つのニーポ
イントを設定することができる。
からの帰還信号と8本のオン抵抗とを対応させれば、2
56階調のどのポイントからでも、入出力特性を変える
ことが可能となる。
荷を放電するリセット期間一定の下で、放電抵抗の抵抗
値を可変にして放電電荷量をコントロールし、スレッシ
ュホールド電圧を超えるパルスの発生数を制御してい
た。
光検出素子に蓄積されたマイナス電荷を放電するための
電源ラインの電位を可変にしている。そして、光検出素
子に蓄積されたマイナス電荷を放電するリセット期間一
定の下で、各ビット出力でオン抵抗に接続される電源ラ
インの電位をコントロールすることによって、実施の形
態1と同様の効果を得ようとするものである。
ス電荷を放電する放電抵抗の抵抗値を固定値としてリセ
ット期間内に深い放電を行わせるのに十分な値または0
Ωに設定し、リセット時に光検出素子に蓄積されたマイ
ナス電荷を放電するための電源ラインの供給電位を図1
2に示すようにV1 〜V4 だけ用意し、図11に示すよ
うに各ビット出力によりV1 〜V4 の接続を変えて電源
ラインへの供給電位を各ビット出力でコントロールする
ことにより、図12に模式図を示すようにリセット電位
を変化させ、実施の形態1と同様の結果を得るものであ
る。
だけで放電特性を自由に設定できる。また、実施の形態
4のように拡張することも可能である。
ウンタ(計数手段)の回路規模を大きくすることなく、
光センサ部の出力を映像信号に適切に対応させることが
できる。
を工夫することにより、入出力特性を外部から変えるこ
とができるため、1つの光検出素子に対して、必要に応
じて任意の変換特性を作り出すことが可能になる。
カウンタが接続されており、且つ、カウンタ出力によっ
てオン抵抗が制御されるので、各画素間でニーポイント
が異なることもない。
計測のための模式図である。
ある。
の1画素分を示すブロック図である。
固体撮像装置の感度が変更される原理を示す説明図であ
る。
ックレンジの拡大が行われた場合の入射光量−カウンタ
出力(出力階調)の関係を示す特性図である。
の1画素分を示すブロック図である。
の1画素分を示すブロック図である。
置の1画素分を示すブロック図である。
223とする)を8ビットの映像信号に対応させた従来例
を示す特性図である。
を示す図である。
ベルの信号を映像信号の100%値に対応させた従来例
を示す特性図である。
ベルの信号を映像信号の100%値に対応させた従来例
を示す特性図である。
を示す図である。
イントを設けた従来例を示す特性図である。
イントを設けた他の従来例を示す特性図である。
の具体回路を示すブロック図である。
の他の具体回路を示すブロック図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 少なくとも1次元的に配列され、入射フ
ォトン数に応じたパルス状信号を送出する複数の受光手
段と、 前記受光手段の各々に接続され、前記パルス状信号を計
数する計数手段と、 前記受光手段の各々に含まれている光検出素子の蓄積マ
イナス電荷を、当該光検出素子に対応して設けられてい
る放電用抵抗を介して、放電するリセット手段と、 前記計数手段の計数出力に応答して、前記放電用抵抗の
抵抗値を可変設定する抵抗値設定手段とを具備したこと
を特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、 1つの前記光検出素子には複数の放電用抵抗が備えられ
ており、前記抵抗値設定手段は、前記計数手段の所定出
力ビットに応じて特定の放電用抵抗を当該光検出素子に
接続することを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項3】 請求項1または請求項2のいずれかに記
載の固体撮像装置において、さらに加えて、 前記放電用抵抗の抵抗値を外部からの制御信号に基づい
て設定する制御手段を備えたことを特徴とする固体撮像
装置。 - 【請求項4】 少なくとも1次元的に配列され、入射フ
ォトン数に応じたパルス状信号を送出する複数の受光手
段と、 前記受光手段の各々に接続され、前記パルス状信号を計
数する計数手段と、 前記受光手段の各々に含まれている光検出素子の蓄積マ
イナス電荷を、当該光検出素子に対応して設けられてい
る放電用抵抗を介して、電源ラインに放電するリセット
手段と、 前記計数手段の計数出力に応答して、前記電源ラインの
電位を可変設定する電位設定手段とを具備したことを特
徴とする固体撮像装置。 - 【請求項5】 請求項4記載の固体撮像装置において、 1つの前記光検出素子の電源ラインにはそれぞれ異なる
電位を供給する複数のスイッチ手段が備えられており、
前記電位設定手段は、前記計数手段の所定出力ビットに
応じて前記スイッチ手段により特定の電位を当該光検出
素子の電源ラインに供給することを特徴とする固体撮像
装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04898399A JP3867882B2 (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 固体撮像装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04898399A JP3867882B2 (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 固体撮像装置 |
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JP2000253320A true JP2000253320A (ja) | 2000-09-14 |
JP3867882B2 JP3867882B2 (ja) | 2007-01-17 |
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ID=12818488
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP04898399A Expired - Lifetime JP3867882B2 (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | 固体撮像装置 |
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JP (1) | JP3867882B2 (ja) |
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