JP2000253320A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カウンタ回路の規模を大きくすることなく、
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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換された電
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。

【０００２】

【従来の技術】既に周知の如く、デジタル信号の形式に
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。

【０００３】しかし、従来の撮像装置においては、光電
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。

【０００４】このような構成を採る限り、ＡＤ変換を行
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。

【０００５】上述の点に鑑み、各画素において光電変換
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」）。

【０００６】上記出願にかかる固体撮像装置は、到来す
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。

【０００７】１ルーメンに含まれるフォトンの数は毎秒
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。

【０００８】よって、いま１画素の大きさが約１０×１
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、

【０００９】

【数１】 １．３×１０¹⁶×１０×１０×１０^-12 個／ｓｅｃ ＝１．３×１０⁶ 個／ｓｅｃ・・・（１） となり、これを通常のテレビジョンのフレームタイム
（１／３０秒）に換算すると、１フレームの１画素あた
り

【００１０】

【数２】 （１．３×１０⁶ ）／３０ ＝４．３×１０⁴ （個）・・・（２） となる。従って、このフォトンの数をカウントすること
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。

【００１１】ここで、上記（２）式のフォトン数は、

【００１２】

【数３】 ４．３×１０⁴ ＜２¹⁶ ≒６．５５×１０⁴ ・・・（３） であるから、１６ビットの２進数を用いて表現すること
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、

【００１３】

【数４】 ４．３×１０⁴⁺¹ ＜２¹⁹（≒５．２４×１０⁵ ） ４．３×１０⁴⁺² ＜２²³（≒８．３９×１０⁶ ） ・・・（４） となるので、それぞれ１９ビットあるいは２３ビットの
２進数を用いて表現することが可能である。

【００１４】一般に、表示用ブラウン管（ＣＲＴ）など
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。

【００１５】（１）デジタル固体撮像装置の２²³の出力
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。

【００１６】しかし、自然界における通常の一場面で
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。

【００１７】（２）デジタル固体撮像装置の２進数出力
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。

【００１８】図１７は、図１５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。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。

【００１９】（３）映像信号のうち、ある特定の映像信
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。

【００２０】以上の手法を採ることにより、より広い光
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。

【００２１】上記（２）項について具体的数値を入れる
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。

【００２２】いま、センサーの１画素の面積を１０×１
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）。

【００２３】ここで、入射光量が減少してきた場合に
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。

【００２４】このように、デジタル固体撮像装置におけ
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。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】以上説明してきたよう
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。

【００２６】よって、本発明の目的は上述の点に鑑み、
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。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
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。

【００２８】ここで、上記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。

【００２９】本発明に係る他の固体撮像装置は、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、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。

【００３０】ここで、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構成
を採ることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】図１は、以下に詳述する各実施の
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。

【００３２】この図１に示したフォトン数計測のための
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。

【００３３】図１において、８Ａ〜８Ｎは到来するフォ
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。

【００３４】１２Ａ〜１２Ｎは、各光センサ部に含まれ
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。

【００３５】また、１１Ａ〜１１Ｎは、各々の光検出素
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。

【００３６】かくして、図１および図２によれば、１次
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。

【００３７】図１に示した回路を動作させる場合は、ま
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。

【００３８】光センサ部８Ａ〜８Ｎに含まれる光検出素
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。

【００３９】図１における光検出素子１２Ａ〜１２Ｎの
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。

【００４０】このマイナス電荷の放電時定数は、入射光
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。

【００４１】実施の形態１ 図５は、本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置
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。

【００４２】ここで、ＦＥＴスイッチＳ２，Ｓ３は、そ
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。

【００４３】図６は、入射光量が一定の場合において、
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。

【００４４】なお、図６において、ｔ_r はフォトダイオ
ードリセット期間、ｔ_s は信号蓄積期間、ｔ₁ はカウン
ト期間を表している。

【００４５】また、各状態におけるパルス数は放電時定
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。

【００４６】図７は、図５および図６に示した固体撮像
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。

【００４７】既述の通り、第７ビットに１が立つと（状
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。

【００４８】従って、同じ光量下でフォトン数をカウン
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。

【００４９】先述した通り、図７は簡単のために各状態
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。

【００５０】なお、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。

【００５１】実施の形態２ 図５に示した実施の形態１では、それぞれのオン抵抗の
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。

【００５２】そこで、図８に示す実施の形態２では、図
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。

【００５３】この実施の形態２の場合、第７ビットおよ
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。

【００５４】実施の形態３ 図９に示す実施の形態３は、カウンタの各ビットの出力
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。

【００５５】この実施の形態３では、ＦＥＴスイッチ９
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。

【００５６】実施の形態４ 図１０は、入射光量−カウンタ出力（出力階調）特性の
変更点をきめ細かく制御するための実施の形態である。

【００５７】カウンタの第６乃至第８ビットからの帰還
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。

【００５８】この考え方を拡張して第１乃至第８ビット
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。

【００５９】実施の形態５ 実施の形態１では、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、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。

【００６０】実施の形態５では、図１１に示すように、
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。

【００６１】すなわち、光検出素子に蓄積されたマイナ
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。

【００６２】この場合もＶ₁ 〜Ｖ₄ の供給電位を変える
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。

【００６３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、カ
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。

【００６４】また、カウンタのフィードバック回路構成
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。

【００６５】さらに、各光センサ部の後段にはデジタル
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の各実施の形態の前提となるフォトン数
計測のための模式図である。

【図２】図１における模式図の一部を詳細に示した図で
ある。

【図３】図２をより具体的に示した詳細回路図である。

【図４】図２に示した光検出素子の等価回路図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態による固体撮像装置
の１画素分を示すブロック図である。

【図６】入射光量が一定の場合において、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。

【図７】図５に示した固体撮像装置において、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。

【図８】本発明の第２の実施の形態による固体撮像装置
の１画素分を示すブロック図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態による固体撮像装置
の１画素分を示すブロック図である。

【図１０】本発明の第４の実施の形態による固体撮像装
置の１画素分を示すブロック図である。

【図１１】本発明の第５の実施の形態を示す図である。

【図１２】本発明の第５の実施の形態を示す図である。

【図１３】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従来例
を示す特性図である。

【図１４】図１３に示した特性を得るための具体的回路
を示す図である。

【図１５】デジタル固体撮像装置から出力された２¹⁶レ
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。

【図１６】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％値に対応させた従来例
を示す特性図である。

【図１７】図１５に示した特性を得るための具体的回路
を示す図である。

【図１８】被写体を表す映像信号の高輝度部分にニーポ
イントを設けた従来例を示す特性図である。

【図１９】被写体を表す映像信号の高輝度部分にニーポ
イントを設けた他の従来例を示す特性図である。

【図２０】図１８および図１９に示した特性を得るため
の具体回路を示すブロック図である。

【図２１】図１８および図１９に示した特性を得るため
の他の具体回路を示すブロック図である。

【符号の説明】

８Ａ〜８Ｎ 光センサ部 ９Ａ〜９Ｎ オン（ＯＮ）抵抗 １０Ａ〜１０Ｎ パルスカウンタ １１Ａ〜１１Ｎ 放電用スイッチ １２Ａ〜１２Ｎ 光検出素子（フォトダイオード） １４ 水平走査回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島本 洋 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 (72)発明者 中山 美穂 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA10 AB01 BA06 CA02 DD01 DD12 5C024 AA01 CA15 DA07 FA01 GA01 GA45 HA10 HA14 HA15 HA16 JA04 JA22

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。