JP2011071958A - 撮像素子およびカメラシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光電変換素子を有し、光子入射に応じて電気信号を出力する画素が複数アレイ状に配置された画素アレイ部110と、画素からの信号を受けて所定期間における画素への光子入射の有無を2値判定するセンス回路121が複数配置されたセンス回路部120と、センス回路の判定結果を画素ごとに複数回集積して階調のある撮像データを生成する判定結果集積回路部150とを有し、判定結果集積回路部150は、センス回路の判定結果を集積するカウント処理を行うカウント回路153と、各画素のカウント結果を格納するためのメモリ154とを含み、複数のセンス回路121−00,121−01、121−10,121−11がカウント回路153−0,153−1を共有している。
【選択図】図3
Description
CMOSイメージセンサにおける各画素は、入射した光を光電変換素子であるフォトダイオードで電子に変換し、それを一定期間蓄積した上で、その蓄積電荷量を反映した信号をチップに内蔵されたアナログデジタル(AD)変換器に出力する。AD変換器はその信号をデジタル化して外部に出力する。
CMOSイメージセンサにおいては、撮像のためにこのような画素がマトリクス状に配置されている。
一方、行駆動回路12は複数の行から1行のみを選択し、行制御線16を駆動して、画素PXからの蓄積電荷の読み出しを行単位で実行する。
行制御線16はこのような画素からの読み出し、あるいは画素のリセットを行単位で実施するために、一本または複数の制御線で構成されている。
ここでリセットとは画素の蓄積電荷を排出し、画素を露光前の状態に戻す操作であり、たとえば各行の読み出し直後、あるいは露光を開始する際のシャッター動作として実施される。
読み出しの際、垂直信号線17を介してAD変換器13に伝達されたアナログ信号はデジタル信号に変換され、スイッチ14を介して順次出力回路15に伝送され、図示されていないチップ内外の画像処理装置に出力される。
途中にホールド回路やラッチを設けて読み出し、AD変換、出力をパイプライン化することも可能であるが、それぞれ一度に1行分の処理しかできないことに変わりは無い。
全ての行を処理し終えるまでの所要時間が、動画ではそのフレームレートの上限を規定することになる。
図2は、画素とAD変換器を積層したCMOSイメージセンサの概念図である。
ここでは、理解を容易にするために、図1と同一構成部分は同一符号をもって表している。
このようなアーキテクチャーを採用する場合、一度に何行分もの画素から読み出しを行い、各々にAD変換を並列実行することが可能になる。
変換後のデータは、たとえば一旦メモリ19に転送され、出力回路15を介して図示されないチップ内外の画像処理装置に出力される。
このような積層構造をとることで、少なくとも撮像チップ内においては劇的に撮像速度を向上させることが可能になり、超高速のフレーム撮像が可能になる。
すなわちこの技術では、チップごとのバンプ接着を用いずとも、ウエハーレベルの製造工程で図2のような積層構造を作製し、画素とAD変換器を接続することが可能になりつつある。
これはウエハーレベルでの製造を終えた後で各チップを切り出せば良いので、微細加工に向く上に遥かに安価である。
これは、一定期間におけるフォトダイオードへの光子入射の有無を2値判定し、それを複数回反復した結果を集積して二次元の撮像データを得るものである。
すなわち、一定期間ごとにフォトダイオードからの信号をセンシングし、その期間に入射した光子数が一つ以上であれば、入射した光子数に関わらず、各画素に接続されたカウンタは1ずつカウントアップされる。
光子入射の頻度が時間軸でランダムであれば、実際の光子入射数とカウント数とはポワゾン分布に従うので、入射頻度が少ない場合は略リニアな関係となり、入射頻度が多い場合も一律に補正が可能である。
この際、残存するのは画素内で発生した光ショットノイズと暗電流のみであり、特に低照度の撮像においては劇的に高いS/N比を得ることが可能である。
しかし、そこでデジタル化され、メモリ19に蓄えられた撮像データの活用に関しては、まだ大きな困難が残っている。
したがって、このような超高速な撮像を応用して、できれば撮像チップ内で画質向上をはじめとする有用な効果を付加し、通常とあまり変わらぬバンド幅でデータを出力する新たな施策が求められる。
しかし、特許文献2ではメモリ蓄積以降のデータ処理については殆ど言及されていない。
しかし、この手法は各AD変換器の特性ばらつきの補正が困難であり、このようなAD変換を実現することで画質が向上するとは限らない。
しかし、基板間接続は同一基板内の接続に対してインピーダンスや寄生容量等のばらつきが大きく、それに伴ってさらに余分なノイズを発生させてしまう問題もあった。
このような撮像素子は、画素からの出力をそのままデジタルで受けるので、通常のイメージセンサにおいて不可避であったアナログ信号処理に伴うランダムノイズや固定ノイズを完全に消滅させ、極めて高いS/N比を得ることが潜在的に可能である。
たとえば、特許文献5においては画素ごとにカウンタを要する。
画素の小型化を図った特許文献6においても、各画素は各々1ビットメモリを要し、それらは受光素子とともに平面状に配置される。
しかもここで1ビットメモリと表現されている回路は信号の判定機能を併せ持つ必要があり、単なるラッチより複雑な制御と多くの回路素子を必要とする。
よって画素の開口率は非常に小さくなってしまい、十分な感度が得られない。また画素アレイの外とは言え、画素ごとにカウンタが設置されている。
たとえば、4095回の光子入射判定で12ビットの出力を得る場合、検出できる実光子数はそれ以下であり、その平方根がフレームごとにランダムに発生する光ショットノイズとなる。
低照度撮像の場合、1フレーム期間に画素に入射する光子総数は例えば200個であり、その殆どは問題なく実カウントされる。したがって、光ショットノイズのS/N比は従来のアナログセンサと同等となり、これに比べて遥かに大きなアナログ伝送ノイズが無い分、時分割フォトンカウンティングは優位となる。
このとき、光ショットノイズは100エレクトロンrmsであり、S/N比は100倍(40dB)となる。一方上記時分割フォトンカウンティングでは、仮に精度を考慮してリニアな領域を用いるなら、1,600エレクトロン程度のカウントしかできない。
このとき、光ショットノイズは40エレクトロンrmsであり、S/N比は40倍(32dB)しか得られない。
したがって、時分割フォトンカウンティングを用いるフルデジタルイメージャーの場合、高照度撮像のS/N比を向上させるには、カウント総数を増加させる必要がある。
画素データの読み出しは微小な1光子信号の検出となる一方、読み出しが高速化するほどセンス系回路のランダムノイズが増加するため、読み出しエラー率の増加が読み出し時間を律速する。
たとえば、読み出しに400ナノ秒が必要であるとする。通常イメージャーの読み出し動作は破壊読出しであり、読み出し中の画素は電荷蓄積(露光に相当)できない。
したがって、たとえばフレーム期間の9割の露光時間を確保しようとすれば、露光期間と読み出し期間を合わせた判定のサイクル時間は4マイクロ秒が必要である。
1フレーム期間を1/60秒とすると、このとき判定における最大カウント数は4,166回にしか達しない。従って高照度時に高いS/N比を確保するには不十分である。
また、本発明は、時分割フォトンカウンティングを用いた場合の露光設定の最適化を実現できる撮像素子およびカメラシステムを提供することにある。
また、時分割フォトンカウンティングを用いた場合の露光設定の最適化を実現できる。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.本実施形態の撮像素子の特徴の概要
2.第1の実施形態(撮像素子の第1の構成例)
3.第2の実施形態(撮像素子の第2の構成例)
4.第3の実施形態(撮像素子の第3の構成例)
5.第4の実施形態(カメラシステム)
本実施形態においては、高速並列読み出しを視野において、フォトン(光子)カウントを用いたフルデジタルイメージセンサとしての撮像素子(CMOSイメージセンサ)の最適な構成を実現している。
まず、各画素は特定期間内における光子の入射の有無を電気信号として出力する。センス回路は、1フレーム期間内にその結果を複数回受け取って各々2値による判定を実施する。撮像素子はその集積によってたとえば画素ごとに階調データを生成する。
本実施形態の撮像素子は、この基本的構成を基に、以下の特徴的な構成を有する。
第2は、複数のセンス回路で判定結果を集積するためのカウント回路を共有する、センス回路とカウント回路の階層化である。複数のセンス回路がカウント回路を共有することで、回路規模と処理速度との柔軟な最適化が可能になる。
第3は、リセットタイミングの変更を用いた露光時間の調整機能である。露光時間は読み出しではなく、リセットタイミングの変更によって調整され、後段の転送処理との柔軟なパイプライン化が実現される。
第4は、画素、センス回路およびカウント回路の階層化である。複数の画素でセンス回路を共有し、循環的にアクセスさせることで、露光時間を確保しつつ、さらに小型の画素にも対応できる。さらに複数のセンス回路がカウント回路を共有することで、回路規模と処理速度との柔軟な最適化が可能になる。
第5は、画素の1光子を検出可能にするための、自己参照を用いたセンシングである。画素からリセットレベルと信号レベルの2回の読み出しを行い、いずれかにオフセットを加えて両者を比較して2値判定を実施する。これにより、リセットレベルの画素ごとのばらつきを相殺する。
センス回路等は画素の下に配置でき、複雑なアナログ回路も必要としないので、チップは殆ど画素アレイのみが占有し、チップコストの低減にも寄与することができる。
さらに1フレームを構成するためのサンプリング回数を増やすことや、異なる露光時間を組み合わせてサンプリングを行うことで、画素を変えることなく、ダイナミックレンジを大幅に拡大することができる。
画素とセンス回路を異なる基板で積層しても、画素からセンス回路への出力はアナログ出力としての精度を要求されないので、信号配線のインピーダンスや寄生容量のばらつきはノイズとして影響しない。
さらに自己参照を用いたデジタル読み出しは、判定精度を大幅に向上させる。
図3は、本発明の第1の実施形態に係るCMOSイメージセンサ(撮像素子)の構成例を示す図である。
本CMOSイメージセンサ100は、画素アレイ部110、センス回路部120、出力信号線群130、転送線群140、および判定結果集積回路部150を有する。
各デジタル画素DPXは光電変換素子を有し、光子入射に応じて電気信号を出力する機能を有する。
この画素アレイ部110は、たとえば第1の半導体基板SUB1に形成される。
センス回路部120は、画素アレイ部110のマトリクス配列された複数の画素DPXに1対1に対応して複数のセンス回路121が、たとえば行方向および列方向にマトリクス状に配置されている。
各センス回路121は、デジタル画素DPXからの信号を受けて、所定期間におけるデジタル画素DPXへの光子入射の有無を2値判定する機能を有する。
たとえば第1の半導体基板SUB1に形成された複数の画素DPXと第2の半導体基板SUB2に形成された複数のセンス回路121がそれぞれ1対1で対向するように積層される。対向する画素DPXとセンス回路121が出力信号線群130の各出力信号線131により接続される。
1行0列目に配置された画素DPX−10の出力が出力信号線131−10により1行0列目に配置されたセンス回路121−10の入力と接続される。1行1列目に配置された画素DPX−11の出力が出力信号線131−11により1行1列目に配置されたセンス回路121−11の入力と接続される。
図示していないが他の行、列に配置された画素とセンス回路も同様に接続される。
図3の例では、0行目に配置されたセンス回路121−00,121−01、・・・の出力が転送線141−0に接続されている。
1行目に配置されたセンス回路121−10,121−11、・・・の出力が転送線141−1に接続されている。図示していないが2行目以降も同様に形成される。
判定結果集積回路部150は、センス回路部120におけるセンス回路121の行配置に対応して判定結果集積回路151−0,151−1、・・・が配置されている。
換言すれば、0行目に配置されたセンス回路121−00,121−01、・・・が接続された転送線141−0に判定結果集積回路151−0が接続されている。
1行目に配置されたセンス回路121−10,121−11、・・・が接続された転送線141−1に判定結果集積回路151−1が接続されている。
判定結果集積回路151−1は、転送線141−1を転送された判定値を保持するレジスタ152−1、レジスタ152−1の保持値をカウントするカウント回路153−1、およびカウント回路153−1のカウント結果を格納するメモリ154−1を有する。
本実施形態においては、判定結果集積回路151−0のカウント回路153−0が複数のセンス回路121−00,121−01、・・・により共有されている。
判定結果集積回路151−1のカウント回路153−1が複数のセンス回路121−10,121−11、・・・により共有されている。
デジタル画素(以下、単に画素という場合もある)DPXは、上述したように、光電変換素子を有し、光子入射に応じて電気信号を出力する。
撮像素子としてのCMOSイメージセンサ100は、画素DPXのリセット機能と読み出し機能を備えており、任意のタイミングでリセットと読み出しを実行することができる。
リセットは画素DPXを光子が未入射の状態にリセットする。各画素DPXは、望ましくはその受光面に、各々レンズとカラーフィルタを備えている。
このような画素の基本機能は通常画素に近いが、その出力にアナログ値としての精度やリニアリティは要求されない。
ここで、デジタル画素の構成の一例について説明する。
図4は、1単位画素DPXで3つのトランジスタを含む画素回路の一例を示している。
転送トランジスタ112のゲート電極が転送線117に接続され、リセットトランジスタ3のゲート電極がリセット線118に接続されている。
アンプトランジスタ114のゲート電極がFDノード116に接続され、アンプトランジスタ114のソースが出力信号線131に接続されている。
それらは所定のタイミングで転送トランジスタ112をオンさせることでノード116に転送され、アンプトランジスタ114のゲートを駆動する。
これにより、信号電荷は出力信号線131への信号となって読み出される。
出力信号線131は、定電流源や抵抗素子を介して接地することでソースフォロアー動作をさせても良いし、読み出し前に一旦接地し、その後浮遊状態にして、アンプトランジスタ114によるチャージレベルを出力させても良い。
リセットトランジスタ113は、転送トランジスタ112と同時並列的にオンさせることでフォトダイオード111に蓄積された電子を電源に引き抜き、画素を蓄積前の暗状態、すなわち光子が未入射の状態にリセットする。
しかし、アナログ画素が複数光子の入射総量をアナログ的に出力するのに対し、デジタル画素は光子1個の入射の有無をデジタル的に出力する。
したがって、画素の設計思想は異なるものとなる。
まず、デジタル画素は光子1個の入射に対して十分大きな電気信号を発生させる必要がある。
たとえば図4のようなアンプトランジスタ付の画素回路においては、ソースフォロアーを構成するアンプトランジスタ114の入力ノード116の寄生容量はできる限り小さくすることが望ましい。
そして、これによって光子1個の入射に対する出力信号の振幅が、アンプトランジスタ114のランダムノイズより十分大きく保たれることが望ましい。
すなわち、CMOSイメージセンサ100は、画素アレイ部110とセンス回路部120が異なる半導体基板を用いて積層されている。CMOSイメージセンサ100は、画素とセンス回路は互いにアレイ状に形成されて積層されることで、開口率を犠牲にすることなく高速な並列読み出しを実現可能に構成される。
CMOSイメージセンサ100は、複数のセンス回路がカウント回路を共有することで、回路規模と処理速度との柔軟な最適化が可能になるように構成される。
CMOSイメージセンサ100は、リセットタイミングの変更を用いた露光時間の調整機能を有し、露光時間は読み出しではなく、リセットタイミングの変更によって調整され、後段の転送処理との柔軟なパイプライン化が実現可能に構成される。
露光期間中の各画素DPXへの光子入射の有無は出力信号線131への電気信号として出力され、対応するセンス回路121で2値判定される。
センス回路121は、たとえば選択画素に光子が入射されていれば「1」を、入射されていなければ「0」を判定値として確定し、その判定値をラッチする。
すなわち、本実施形態においては、図2のような通常構成と異なり、画素DPXからの出力信号はデジタル信号として2値判定されるので、ここにはAD変換器が存在しない。また判定の速度はAD変換器より遥かに高速である。
転送は、図1のように各センス回路を共有バスに順次スイッチで接続しても良いし、シフトレジスタを用いても良い。
カウント回路153におけるカウント処理では、まず前回の読み出し時の画素のデータがメモリ154からカウント回路153にロードされる。
ここでレジスタ152に「1」が格納されていればカウント値に「1」が加えられ、「0」が格納されていればカウント値は更新されない。
その後メモリ154にカウント回路153の値が書き戻され、1画素分のカウント処理が完了する。
この処理を1行分の画素に対して順次実施する。このようなカウント処理が実施されている間、画素DPXには次のリセットと露光が実施される。
これにより、画素ごとに10ビットの階調データが生成される。
すなわち、本CMOSイメージセンサ100は、独自の構成を持ってアレイ化されたフォトンカウンタとして動作する。
そして、画素DPXとセンス回路121は各々の半導体基板上にアレイ状に配置される。たとえば、画素DPXとセンス回路121は別個の半導体ウエハー上にそれぞれ形成され、両ウエハーを張り合わせることによって上記基板の積層が実現される。
さらに、リセットまたは読み出しを行うための画素DPXの駆動回路の少なくとも一部は、画素DPXと同一の第1の半導体基板SUB1に形成されることが望ましい。
このような構成をとることで、高並列化した画素アクセスとカウント処理が可能になり、1フレーム期間に対して、上述のような多数回のデータ採取が可能になる。
たとえば、各画素は一斉にリセットと読み出しを実施し、各行は一斉にデータ転送とカウント処理を実施する。
次に、本実施形態におけるアクセス手順について説明する。
図5は、本第1の実施形態におけるアクセス手順の第1例を示す図である。
図5において、RSTはリセットを、EXPは露光を、RDは読み出しをそれぞれ示している。また、TRFは転送処理を、CNTはカウント処理を示している。
画素DPXではこの期間内にリセットRSTと読み出しRDが実施され、リセットRSTから読み出しRDまでの間が露光EXPの期間となる。
読み出しRDでセンス回路121にラッチされた判定値は、さらにレジスタ152に転送されてカウント処理されるが、このとき露光EXPと、転送TRFおよびカウント処理CNTはパイプライン的に実行される。
すなわち、たとえばサイクルCYL1でセンス回路121にラッチされた判定値が行方向に転送され、順次カウント処理がなされている間、画素ではサイクルCYL2のリセットRSTがかけられて露光EXPが開始される。
たとえば、明るい被写体の撮像では露光期間内に2個以上の光子が入射される可能性があるが、これらは全て1個にカウントされるので過小なカウントとなってしまう。
このような場合はリセットタイミングを読み出しタイミングに近づけて、露光時間を短縮し、感度を落とすことで対応すればよい。これによって、他の回路動作に影響を及ぼすことなく、撮像中も容易に感度を調整することができる。
このような機能の搭載は容易であり、バイナリーサーチ等のアルゴリズムを使用して最適な露光時間を自動設定することもできる。
カウント回路153とメモリ154はセンス回路部120のセンス回路121と同一の基板に形成されることが望ましいが、あるいは第3の半導体基板を用いて、センス回路部120の下層にさらに積層して設置しても良い。
たとえば、サンプリング数を約16倍の16383回にした場合、1サイクルは2マイクロ秒である。
このサイクル期間をフルに露光に使用すれば、低照度時のフォトン(光子)数は通常と同様にカウントできる上、高照度時のフォトン数も通常の16倍まで正確にカウントできる。それらは14ビットの階調データとして表現される。
図6は、本第1の実施形態におけるアクセス手順の第2例を示す図である。
図6は、図5のアクセス手順を発展させた例を示している。
ここではリセットタイミングを変えることにより、2種類の第1露光EXP1と第2露光EXP2の期間が設けられており、それらが交互に繰り返されてデータ採取が実施されている。
図7(A)〜(C)の具体例においては、いずれも第1露光EXP1は第2露光EXP2の8倍の露光時間を有しているものとする。
ここで第1露光EXP1のカウントが一定値を超えた画素については、強い光が入射しているとみなされて、第2露光EXP2のカウント値が採用される。
この際、たとえば出力は12ビット階調とし、第2露光EXP2のカウント値が採用された画素においてはカウント値を3ビットシフトにより8倍化して出力する。
あるいは出力ビット数を減らすため、出力を9ビットの階調と露光選択を示す1ビットのフラグで構成しても良い。
たとえば第1露光EXP1での採取4回に対して第2露光EXP2での採取を1回挿入し、それを繰り返す。そして第1露光EXP1で1023回、第2露光EXP2で255回のデータを採取する。
出力として第2露光EXP2のカウントが採用された場合は、たとえば露光回数も考慮して5ビットシフトにより32倍化する。
このとき最大13ビット階調での出力が可能となる。あるいは10ビットの階調と露光選択を示す1ビットのフラグで構成しても良い。
最初の127回のデータ採取でカウントが一定値を超えた画素については、強い光が入射しているとみなされてフラグが立つ。テスト用の採取が完了すると、メモリのカウント値はフラグを除いて一旦クリアされる。フラグが立った画素は、その後第2露光EXP2のみがカウントされてメモリに記録される。
一方、フラグの立たない画素については、第1露光EXP1のみがカウントされてメモリに記録される。このとき画素あたりのカウントに必要なメモリは、9ビットの階調にフラグを加えた10ビットのものが1系統あれば良い。
なお、第1露光EXP1が選択された場合にはテスト後にメモリをクリアせず、それで階調度を増加させても良い。
上述の例では2種の露光期間を使用したが、同様に3種以上の露光期間を使用することもでき、合成のアルゴリズムにもさまざまな変形が可能である。
基本的に高照度の画素には短い露光期間での光子入射回数を、低照度の画素には長い露光期間での光子入射回数を主体として、撮像データを合成するのが望ましい。あるいは複数種の露光のカウント値をそれぞれに出力し、後段のDSPチップ等による画像処理時に合成を実施しても良い。
1フレーム期間中に両者のデータ採取を交互に複数回実施する本手法では、そのような問題は発生しない。
より一般的には、複数の露光期間を循環させたデータ採取を複数回行い、その結果を合成して画像データを生成することが望ましい。
図8は、本発明の第2の実施形態に係るCMOSイメージセンサ(撮像素子)の構成例を示す図である。
しかし、各々に要する占有面積は必ずしも同等であるとは限らない。
また、2層の基板積層では、回路規模の大きいカウント回路やメモリは画素アレイ領域の外に配置される場合があり、各センス回路121からのデータの高速な長距離転送が必須となる上、レイアウト上の制約を受けやすい。
本第2の実施形態に係るCMOSイメージセンサ100Aでは、複数の画素で一つのセンス回路を共有することで、上記課題に対して柔軟な解決法を提供する。
そして、同一列の複数の画素DPXと選択回路により画素ブロック160−0〜160−3、・・・が形成される。
回路ブロック200は、センス回路部120Aおよび判定結果集積回路部150Aが配置されている。
すなわち、複数の画素DPX−00〜(DPX−150)で一つのセンス回路121−0を共有している。
すなわち、複数の画素DPX−01〜(DPX−151)で一つのセンス回路121−1を共有している。
すなわち、複数の画素DPX−02〜(DPX−152)で一つのセンス回路121−2を共有している。
すなわち、複数の画素DPX−03〜(DPX−153)で一つのセンス回路121−3を共有している。
判定結果集積回路部150Aは、レジスタ152A−0〜152A−3、選択回路155、カウント回路153A、およびメモリ154Aを有する。
選択回路155は、レジスタ152A−0〜152A−3の出力を順次に選択して、各レジスタ152A−0〜152A−3の保持した判定値をカウント回路153Aに供給する。
カウント回路153Aは、行選択されて読み出され、選択回路155を介した複数画素(本例では4画素)の判定値に対するカウント処理を順次行い、画素ごとのカウント結果をメモリ154Aに格納する。
カウント回路153Aは、前回の読み出し時の画素のデータがメモリ154Aからロードされる。
換言すれば、本第2の実施形態のCMOSイメージセンサ100Aは、複数のセンス回路121A−0〜121A−3でカウント回路134Aを共有している。
すなわち、CMOSイメージセンサ100Aは、複数の画素でセンス回路を共有し、循環的にアクセスさせることで、露光時間を確保しつつ、さらに小型の画素にも対応できるように構成される。
さらに、CMOSイメージセンサ100Aは、複数のセンス回路がカウント回路を共有することで、回路規模と処理速度との柔軟な最適化が可能になるように構成される。
本例では行駆動回路170により駆動される行制御線181に従って画素ブロック160中の1画素が選択される。
読み出しの際は、選択画素への光子入射の有無が出力信号線131(−0〜−3、・・)への電気信号として出力され、センス回路121A(−0〜−3)で2値判定される。
センス回路121A(−0〜−3)は、たとえば選択画素に光子が入射されていれば「1」を、入射されていなければ「0」を判定値として確定して、その判定値をラッチする。
カウント回路153Aは4個の画素ブロック160−0〜160−3で共有されており、行選択されて読み出された4画素に対するカウント処理が選択回路155を経由して順次実施される。
そして、画素ごとのカウント結果がメモリ154Aに格納される。
すなわち、まず前回の読み出し時の画素のデータがメモリ154Aからカウント回路153Aにロードされる。
ここでカウント回路153Aは、レジスタ152A(−0〜−3)に「1」が格納されていればカウント値に「1」が加えられ、「0」が格納されていればカウント値は更新されない。
その後、メモリ154Aにカウント回路153Aの値が書き戻され、1画素分のカウント処理が完了する。この処理を4画素に対して順次実施する。
このようなカウント処理が実施されている間、画素ブロック160(−0〜−3)とセンス回路121A(−0〜−3)は次の行の読み出しと判定を並行して実施することができる。
このとき、カウント回路153Aは10ビットであり、メモリ154Aは(16x4)個の画素が各々10ビットのデータを持つので640ビットである。
すなわち本CMOSイメージセンサ100Aは、独自の構成を持ってアレイ化されたフォトンカウンタとして動作する。
しかし、撮像素子が多くの画素を持つ場合には、画素ブロック160(−0〜−3)は、対応するセンス回路121A(−0〜−3)を含む支持回路の上に異なる半導体基板で積層されて形成されることが望ましい。
そして、画素ブロック160(−0〜−3)とセンス回路121A(−0〜−3)は各々異なる半導体基板上にアレイ状に配置されることが望ましい。
換言すれば、画素ブロック160(−0〜−3、・・)を含む画素アレイ部110Aとセンス回路121A(−0〜−3、・・)を含むセンス回路部120Aは各々異なる半導体基板上にアレイ状に配置されることが望ましい。
図9は、本第2の実施形態における画素ブロックの循環アクセスを説明するための図である。
なお、ここでは、アレイ配置された全ての画素ブロックが略並列に動作する場合、撮像素子の画素数がどれほど多くとも、各画素のアクセスは画素ブロック1個のアクセスで代表されるものとする。
フレームレートを1/30秒とし、その間画素ごとに1023回の読み出しが実施されるとすると、ブロック処理の1サイクルは約32マイクロ秒となり、この間に16個の画素読み出しを完了する必要がある。
図9の横軸となる時間区分はブロック中の画素ごとのアクセスに割り当てられた時間tであり、その幅は最大2マイクロ秒となる。
各画素からのデータ読み出しと判定は半導体メモリの読み出しに類した単純な動作であるので、この時間幅には十分な余裕がある。
この場合、画素ごとにアクセスタイミングは異なるものの、リセットRSTから読み出しRDまでの実質的な露光EXPの時間はどの画素も均等になる。
サイクルの範囲内でリセットRSTのタイミングを変えることで、露光時間を変化させることができ、他の回路動作に影響を与えることなく感度の調整が可能である。
たとえば、各画素DPXにおいてリセットRSTを前回の読み出しRDの直後(読み出しと同一の時間区分)に設定すれば、露光時間は最大となって低照度被写体撮像に対応する。
逆に、読み出しRDの直前(読み出しのひとつ前の時間区分)に設定すれば、露光時間は最短となって高照度の被写体撮像に対応する。あるいは同一時間区分の中でもリセットタイミングを何段階か変えられるようにすれば、露光時間はさらに自由に選択できる。
ここでたとえば時間t4においては、画素No.4が読み出され、さらに画素No.1がリセットされている。またそれと並列して、画素No.3のカウント処理が実施されている。
この例では画素No.4の読み出しと画素No.1のリセットは時分割でシリアルに実施しているが、各画素内に独立したリセット機構を持つ図4のような画素であれば、行制御線を2系統駆動することで、両者は同時並列でも実行できる。
具体的には、第1の実施形態で説明した図7(A)〜(C)等の手法に準じて行えば良く、それによってコントラストの強い被写体の撮像にも対応した広いダイナミックレンジでの撮像が可能になる。
各々をどのような比率を持って共有させるかは、上記アクセス時間と各回路の占有面積との関係によって最適化されることになる。
たとえば、本例では1画素のアクセス時間に十分な余裕があるので、より多くの画素がセンス回路を共有し、あるいはより多くのセンス回路がカウンタを共有することが可能である。
複数の回路ブロック200は、アレイ状に配置されている。
半導体基板SUB2Aには、複数の回路ブロック200を制御するための制御回路210、並びに、回路ブロック200の出力のためのデマルチプレクサ(DEMUX)220、レジスタ群230、転送線240、および出力回路250が形成される。
複数のレジスタ152A−0〜152A−3が選択回路155を介してカウント回路153Aを共有しており、カウント結果はたとえばダイナミックRAM(DRAM)よりなるメモリ154Aに格納される。
回路ブロック200へのタイミング供給やメモリ153Aの行駆動は、行ごとに配置された制御回路210により、行方向に並ぶ回路ブロックで一括に実施される。
一方、回路ブロック200は半導体基板SUB2Aに積層された異なる半導体基板SUB2Bにアレイ状に敷き詰められて形成されている。
各画素ブロック160と対応するセンス回路が適切に接続されるよう、回路ブロック200と、それに対応する画素ブロック160の一群は、同等のピッチで配置されることが望ましい。
フレームを構成する全ての行が出力されて1フレームの処理が完了する。
このような出力形態は、フレームを行毎に順次出力する通常の撮像素子の出力形態と互換になる。
この場合、2系統のメモリはフレームごとに交互に入れ替えながら使用され、片側がカウントに使用されている間、反対側は出力に使用される。
そのようなケースに対応して、幾つかの撮像素子は複数画素のデータを加算し、1画素として出力する機能を有している。このような加算処理は通常加算器を別途設けて行うが、その分回路の占有面積が増える。
これに対して、本発明の実施形態では、互いにカウント回路を共有した複数画素に対し、たとえばメモリの格納場所を共有させることで、極めて容易かつ柔軟に画素加算を実施することができる。
あるいは、図8に示す第2の実施形態においては、カウント回路153Aを共有する複数画素にメモリ154Aの格納場所を共有させることで、行方向にも列方向にも柔軟な加算が実施できる。
このような加算処理時には使用するメモリ量が節約され、たとえば4画素加算では1/4となる。
静止画では1フレームをそのまま使用し、動画ではメモリを加算で節約しつつ2系統に分け、フレームごとにカウント用と出力用とで交互に入れ替えながら使用する。
これらは全てメモリアクセスの際のアドレス選択を変えるだけで実施でき、容易に制御することが可能である。
さらに複数画素の加算処理は、加算する画素グループを一つの受光単位とみなすことで、その出力のダイナミックレンジを向上させる利点がある。例えば各画素に10ビットのカウントが実施される場合、4画素を加算した出力は12ビットとなる。
このような加算処理は用途に応じて柔軟に実施することが可能であり、2次元アレイ状に並んだ画素データを、カウンタを共有する画素グループごとに加算し、さらに出力段にも加算器を設けて、出力時に画素グループ間の加算を実施しても良い。
このような段階的な加算を行えば、全画素を加算して単一のフォトンカウンタとして使用することも容易である。この場合フォトンカウンタは画素数に応じて巨大なダイナミックレンジを持つことになる。
すなわち、画素からリセット状態の出力と、露光後の信号出力とを各々読み出し、センス回路において、いずれかに一定のオフセットを加えて両者を比較することで2値判定を実施する。
キャパシタC121の第2端子が、インバータIV121の入力端子、スイッチSW122の端子a、およびスイッチSW123の端子aに接続されている。
インバータIV121の出力端子は、インバータIV122の入力端子およびスイッチSW122の端子bに接続されている。
インバータIV122の出力端子は、スイッチSW123の端子bおよび出力端子SAOUTに接続されている。
図12(A)〜(F)は、図4の画素を例に、図11の自己参照機能を有するセンス回路を用いた読み出し動作例を説明するためのタイミングチャートである。
図12(A)は図4のリセット線118に印加されるリセットパルスRESETを、図12(B)は図14の転送線117に印加される読み出しパルスREADを、それぞれ示している。
図12(C)はスイッチSW121のON/OFF状態を、図12(D)はスイッチSW122のON/OFF状態を、図12(E)はスイッチSW123のON/OFF状態を、図12(F)はオフセット信号OFFSETを、それぞれ示している。
次いで、スイッチSW122をオフ(OFF)にしてリセット出力をホールドする。
次に、画素DPXの転送線117にパルスREADを与え、露光結果である信号出力を端子SIGに入力して、スイッチSW121をオフにする。
この間、オフセット信号OFFSET入力は0Vに保たれている。
次に、オフセット信号OFFSETのレベルを僅かに上昇させて、キャパシタC122を介して読み出し信号にオフセット電位を追加する。
これにより、リセット状態の出力と、読み出し信号に若干のオフセットを加えた状態での出力とが比較される。
図4の画素に光子が入射している場合、後者の信号は前者より低電位となり、出力端子SAOUTに「0」が出力される。
画素に光子が入射していない場合はその逆となって出力端子SAOUTに「1」が出力される。
最後に、スイッチSW123をオンにして判定結果をラッチする。
なお、アナログ信号のAD変換における相関二重サンプリング(CDS)でも類似の効果が見込める。
ただし、さらに2値判定のセンシングでは2回の読み出しと判定に要する期間が常に一定であることから、画素のアンプトランジスタやセンス回路自体が発する熱雑音やフリッカーノイズも以下のように影響を軽減できる。
すなわち、低周波帯域のノイズはその多くが双方の読み出しに同様に乗る(重畳する)のでその影響を相殺でき、高周波帯域のノイズはセンス回路の容量負荷で感応を制限できる。
したがって、上記容量負荷を、正しくセンシングできる範囲でなるべく大きく設定することで、影響のあるノイズの帯域を最小限に絞り込むことが可能である。
AD変換における相関二重サンプリングでは、信号の大きさやビット数に従って変換への所要期間が異なることが多く、広いノイズ帯域の影響を受けざるを得ない。
あるいは、先に読み出し信号を取得し、その後画素をリセットしてさらにリセット信号を取得し、いずれかにオフセットを加えて比較判定を行っても良い。この場合、kTCノイズは相殺できないが、画素ごとのばらつきに起因する固定ノイズ等は相殺でき、あらゆる画素構成に汎用的に適用できる利点がある。
このような自己参照機能を搭載しても、センス回路は通常のAD変換器より遥かに素子数が少なく、大きな占有面積は必要としない。
内部増幅型フォトダイオードとしては、光電変換された電子、ホール対を電界で加速させてなだれ増幅を発生させる、アバランシェ・フォトダイオード(APD)等が知られている。
この場合にも、図4のような画素回路が使用できるが、自己増幅型のフォトダイオードを使用して十分に大きな信号が得られる場合には、画素にアンプトランジスタは不要である。
すなわち、この例の画素DPXCは、部増幅型フォトダイオード111Cとそれに対応する転送(選択)トランジスタ112Cのみで形成されている。同一行の各画素DPXCの転送トランジスタ112Cのゲート電極が共通の転送線117Cに接続されている。そして、各画素ブロック160Cの複数の画素の転送トランジスタのソースまたはドレインが共通の出力信号線131に接続されている。
また、各出力信号線131には、リセット電位線LVRSTとの間にリセットトランジスタ113Cが接続されている。各リセットトランジスタ113Cのゲート電極が共通のリセット線118Cに接続されている。
本例では、各画素DPXCは、リセットトランジスタ113C、出力信号線131、転送トランジスタ112Cを介してリセットされる。
なお、画素ブロック160Cをセンス回路121C上に積層する場合、リセットトランジスタ113Cは画素ブロック160C側の基板に属しても良いし、センス回路121C側の基板に属しても良い。
しかし、研磨速度の異なる金属パッドと絶縁膜を同時に露出させ、それらを当時に研磨して、貼り合せに必要な高精度の平坦面を作製し、貼り合せ強度を維持するのは容易ではない。
また研磨中や貼り合せ前にパッド表面が変質し、絶縁不良を発生させる問題もある。異なるチップを貼り合わせる場合も、電極パッドを介した高精度の直接接続には同様の困難が発生する。
キャパシタ容量はサイズや誘電体膜厚等による製造ばらつきの影響を受け、キャパシタごとに信号の大きさに依存した固有のノイズを発生させるので、アナログ信号の伝達には多くの困難が生ずる。
しかし、デジタル信号の場合そのような問題は無く、さらに前述の自己参照と組み合わせれば、小さな信号でもそれらの影響を排して読み取ることが可能である。
一方、センス回路121Eは半導体基板SUB2E上に形成されており、画素DPXからの出力信号を入力電極部122で受ける。
両基板SUB1E,SUB2Eの接合面BDSには高誘電体膜300を電極で挟んだキャパシタCCPが形成されている。画素DPXEの出力電極部119とセンス回路121Eの入力電極部122はそのキャパシタCCPを介して接続されている。
なお、基板貼り合せ後に、画素DPXEの受光面にはカラーフィルタ310やマイクロレンズ320が形成されている。
図15は、キャパシタを介したカップリング容量による接続構造を採用したCMOSイメージセンサの自己参照機能を有するセンス回路の一例を示す回路図である。
なお、図15において、図11と同一構成部分は同一符号をもって表している。
図15のセンス回路121Eは、図11のセンス回路121BのスイッチSW121およびキャパシタC121を持たない構成となっている。
センス回路121EはSW2をオンし、さらにオフして、カップリングキャパシタ(CCP)を介して伝達されたリセットレベル信号を浮遊状態となったノードである入力電極部122にホールドする。
すなわち、出力電極部119にリセットレベルが入力されると、入力電極部122がインバータの閾値に達するような電荷が蓄積ノードとして機能する入力電極部122に蓄積される。
この後、デジタル画素DPXEは、出力電極部119に信号レベルを出力する。
さらに、オフセット信号OFFSETのレベルを僅かに正電位側に駆動することで、読み出し信号に若干のオフセットを追加する。これによってインバータIV121、IV122が駆動され、判定結果が出力端子SAOUTに出力される。
最後に、スイッチSW123をオンして判定結果をラッチする。
このようなケースでは、カップリングキャパシタCCPはセンス回路の一部と解釈することも可能である。
第2の実施形態ではたとえば画素からの出力電極部119が画素ブロック内の複数画素で共有される。
図16は、本発明の第3の実施形態に係るCMOSイメージセンサ(撮像素子)の構成例を示す図である。
そして、CMOSイメージセンサ100Bは、判定のサイクル期間を、単位サイクル期間のN倍(Nは整数)に従う複数のサイクル期間の範囲で、可変に設定する機能を有する。
CMOSイメージセンサ100Bは、さらに同一の単位フレーム期間における入射光量の導出を、長いサイクル期間による少回数の判定で実施するモードと、短いサイクル期間による多回数の判定で実施するモードを備えている。
CMOSイメージセンサ100Bは、低照度の撮像においては長いサイクル期間による少回数の判定を実施し、高照度の撮像においては短いサイクル期間による多回数の判定を実施する機能を有している。
CMOSイメージセンサ100Bは、単位フレーム期間内に、短いサイクル期間による判定と長いサイクル期間による判定を含む複数回の判定を、さらに循環的に複数回反復し、それらの判定結果を合成、集積して受光部への光子入射量を導出する機能を有する。
すなわち、低照度の露光で十分な感度を得るには、実露光時間は長い方が望ましいが、その一方で多くの判定カウント数は必要としない。
一方、高照度で高いS/N比を得るには実露光時間よりカウント総数が優先される。例えば上述のように読み出しに400ナノ秒を使用しても、判定のサイクル時間を1マイクロ秒にすれば最大16,666回のカウント総数が確保できる。
このときフレーム期間の最大6割の露光時間しか確保できないが、高照度の撮像では殆ど問題にならない。
一方、低照度の撮像時は、例えば判定のサイクル時間をその4倍の4マイクロ秒にして、フレーム期間の9割の露光時間を確保すればよい。
また、さらに異なるサイクル時間による複数の判定をセットにして単位フレーム期間内に反復動作させることで、高照度部と低照度部を含むコントラストの高い撮像にも対応でき、かつ低照度部に対しては十分な露光時間を確保できる。
さらに低照度部と高照度部を含むコントラストの高い撮像にも対応でき、動被写体の色ズレも発生せず、かつかつ低照度部に対しては十分な露光時間を確保できる。さらに低照度の撮像時は、消費電力も大幅に削減することが可能になる。
以下、具体的な構成および機能について説明する。
CMOSイメージセンサ100Bは、画素アレイ部110B、センス回路部120B、レジスタ(ラッチ)152B−0〜152B−3、カウント回路153B、メモリ154B、およびセレクタ155Bを有する。
レジスタ152B−0〜152B−3、カウント回路153B、メモリ154B、およびセレクタ155Bにより判定結果集積回路部150Bが形成されている。
さらに、4つのセンス回路121Bがセレクタ155Bを介してカウント回路153Bとメモリ154Bを共有している。
メモリ154Bには各画素に対応するカウントデータが、各々異なるアドレスに保存されている。
処理は1μ秒の単位サイクルで以下のように実施される。
まず、時刻T0のタイミングで画素DX1への電荷蓄積が開始され、600ナノ秒後にセンス回路120Bによってその読み出しが開始されて2値判定される。
そして単位サイクルの終わり際に判定データはラッチ152B−0〜152B−3に保存される。
自刻T1のタイミングで始まる次のサイクルでは、再び画素DX1への電荷蓄積が開始されるとともに、ラッチ152B−0〜152B−3に保存されたデータのカウント処理が開始される。
カウント回路153Bは4列で共有されているため、各列の対応する画素のラッチデータがセレクタ155Bを介して順次カウント回路153Bに送信され、列ごとのカウント処理が実施される。
画素DX1のカウント処理は、まずメモリ154Bから対応するカウントデータがカウント回路153Bにセットされ、たとえばラッチ152B−0〜152B−3に保存された値が1であれば値がカウントアップされるが、0であれば何もなされない。
その後、カウント回路153Bのデータがメモリ154Bの元のアドレスに書き戻されて、画素DX1のカウント処理が完了する。
あるいはラッチ152B−0〜152B−3に保存されたデータが1の場合のみ上記動作が行われ、0では何も行われないようにしても良い。
このような処理フローを繰り返すことで、センス回路121B、ラッチ152B−0〜152B−3、カウント回路153B、メモリ154Bは共有された複数画素のデータをパイプライン的に処理していく。
このとき、たとえば1フレーム期間を1/60秒とすると、14ビットに相当する16,300回超のカウントが可能であり、高いS/N比でデータを採取することが可能である。
図17の処理から読み出しとカウント処理が1サイクルおきに省略され、その間蓄積が継続されている。即ち各画素の処理サイクルの長さは2倍の2μ秒となっている。
このとき、サイクルごとの露光時間は最大1600ナノ秒であり、フレーム期間の8割の露光期間が確保できる。
一方、1フレーム期間を1/60秒とすると、カウント数は図2の処理の約半分となる。即ち13ビットに相当する8,190カウント超に留まるが、低照度でのカウント数としては十分である。
図19において、斜線部分が蓄積期間、白抜き部分が読み出し期間を示している。
このときの最大カウント数は略1/Nである。このように低照度撮像時に必要に応じてサイクル期間を延ばしていくことで、実効的な露光期間を長く確保できるだけでなく、消費電力も大幅に低減できる。
すなわち図17および図18の蓄積期間は最大蓄積期間を示しているが、この期間の途中に任意のタイミングで画素のリセットを行うことで、実質的な蓄積時間を微調整することができる。
このようにサイクル切り替えと、画素リセットのタイミング調整の組み合わせで、蓄積時間を柔軟に調整でき、最適な露光条件での撮像が可能になる。
そして高照度の撮像に対しては短いサイクル期間と高頻度のサンプリングを、低照度の撮像に対しては長いサイクル期間と低頻度のサンプリングを採用する。
すなわち、サイクル期間を延ばすとともにカウント総数を減らしていく。あるいは長いサイクル期間からスタートして、高照度側の撮像モードに移行する形の調整を行っても良い。
これを循環的に繰り返し、たとえば1フレーム期間内にサイクルCYC1で4095回、サイクルCYC2で1023回のサンプリングを行う。各画素の各々のサイクルにおけるカウント値はメモリの異なるアドレスに独立して保存される。
一方、長サイクルCYC2でのサンプリングにおいては、低照度時はほぼ正確にカウントしているものの、高照度時には多くのカウントミスを含む。
すなわち、サイクルCYC2のカウント値が256以上であれば、この画素は高照度の画素と判定され、その出力値としては、たとえばサイクルCYC1のカウント値に(CYC1とCYC2の合計サイクル時間/CYC1の合計蓄積時間)を乗じた値が採用される。
つまり、サイクルCYC1のカウント値のみから出力が生成される。
この画素の出力値としては、たとえばサイクルCYC2のカウント値に(CYC2の合計サイクル時間/CYC2の合計蓄積時間)を乗じた値とサイクルCYC1のカウント値に(CYC1の合計サイクル時間/CYC1の合計蓄積時間)を乗じた値が加算される。そして、その加算値が出力される。
すなわち、サイクルCYC1のカウント値とサイクルCYC2のカウント値の双方が使用される。
一方、低照度の画素においては、より長い実蓄積時間を得ることができ、その分高感度化が実現できる。
したがって、同一画面に高照度部と低照度部が混在した場合にも、画素ごとに最適な合成手法を選択することができ、ノイズが小さくダイナミックレンジの広い撮像が可能となる。
さらに2種類のサイクルによるサンプリングは1フレーム期間内に循環的に多数回実行されるので、結果は各々平均化されて、動いている被写体の撮像においても、画素ごとのサンプル期間の相違による色ズレの発生等が無い。
また、実蓄積時間が十分に長ければ、低照度画素の出力はサイクルCYC2のカウント値のみから生成しても良い。この際も高照度画素の出力はサイクルCYC1のカウント値のみから生成される。
また、3種類以上のサイクルを組み合わせて撮像を行っても良い。異なるサイクル期間ごとのカウント値から出力を合成する際の手法には、さまざまなバリエーションが生じえる。
図21は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像素子が適用されるカメラシステムの構成の一例を示す図である。
カメラシステム400は、この撮像デバイス410の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系、たとえば入射光(像光)を撮像面上に結像させるレンズ420を有する。
さらに、カメラシステム400は、撮像デバイス410を駆動する駆動回路(DRV)430と、撮像デバイス410の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)440と、を有する。
信号処理回路440で処理された画像信号は、たとえばメモリなどの記録媒体に記録される。記録媒体に記録された画像情報は、プリンタなどによってハードコピーされる。また、信号処理回路440で処理された画像信号を液晶ディスプレイ等からなるモニターに動画として映し出される。
Claims (19)
- 光電変換素子を有し、光子入射に応じて電気信号を出力する画素が、複数アレイ状に配置された画素アレイ部と、
上記画素からの電気信号を受けて、所定期間における画素への光子入射の有無を2値判定するセンス回路が、複数配置されたセンス回路部と、
上記センス回路の判定結果を画素ごとまたは画素グループごとに複数回集積して、階調のある撮像データを生成する判定結果集積回路部と、を有し、
上記判定結果集積回路部は、
上記センス回路の判定結果を集積するカウント処理を行うカウント回路と、
上記カウント回路における各画素のカウント結果を格納するためのメモリと、を含み、
複数の上記センス回路が上記判定結果を集積するためのカウント回路を共有している
撮像素子。 - 上記画素アレイ部の上記複数の画素と上記センス回路部の上記複数のセンス回路は1対1に対応して形成されて互いに接続され、
上記複数のセンス回路のうちの所定数のセンス回路ごとに上記カウント回路を共有している
請求項1記載の撮像素子。 - 上記画素アレイ部は、
上記複数の画素が行方向および列方向にマトリクス状に配置され、
上記センス回路部は、
上記複数のセンス回路が行方向および列方向にマトリクス状に配置され、
上記画素アレイ部の上記複数の画素と上記センス回路部の上記複数のセンス回路は1対1に対応して互いに接続され、
上記複数のセンス回路のうち、同一行または同一列に配置された複数のセンス回路が上記カウント回路を共有している
請求項2記載の撮像素子。 - 上記各画素を光子が未入射の状態にリセットするリセット機能を有し、
上記センス回路による光子入射判定は、各画素において一定のサイクルで実施され、
各サイクル期間内でリセットのタイミングを変えることによって露光期間の調整を行う調整機能を有する
請求項1から3のいずれか一に記載の撮像素子。 - 上記調整機能は、
上記リセットのタイミングを変えた複数セットの露光期間を形成し、
上記センス回路は、
各々の露光期間で複数回の光子入射判定を実行し、
上記判定結果集積回路部は、
上記センス回路の光子入射判定結果を集積して撮像データを生成する
請求項4記載の撮像素子。 - 複数の画素が上記センス回路を共有している
請求項1記載の撮像素子。 - 上記画素アレイ部は、
各々複数の画素とその選択手段を含む複数の画素ブロックが形成され、
上記センス回路部は、
上記各画素ブロックに対応して各々独立したセンス回路が配置されている
請求項6記載の撮像素子。 - 上記画素ブロックの上記選択手段は、
当該画素ブロック内の各画素を循環的に選択して上記センス回路に選択画素の信号を出力し、
上記センス回路は、
前回選択から今回選択までの間の一定期間における各画素への光子の入射の有無を判定する
請求項7記載の撮像素子。 - 上記各画素を光子が未入射の状態にリセットするリセット機能を有し、
上記画素ブロックにおける各画素の選択出力から次の選択出力までの間に、各画素で露光時間が一定になるようにリセット処理を挿入することで、露光期間の調整を行う調整機能を有する
請求項8記載の撮像素子。 - 上記各画素を光子が未入射の状態にリセットするリセット機能を有し、
上記センス回路は、
リセット状態の信号と、露光後の読み出し信号を各々読み出して、いずれか一方にオフセットを加えて両者を比較することで上記2値判定を実施する
請求項1から9のいずれか一に記載の撮像素子。 - 上記判定結果集積回路部は、互いに共有する上記カウント回路を介して複数の画素のカウント値を加算する機能を有する
請求項1から10のいずれか一に記載の撮像素子。 - アレイ状に配置された上記複数の画素を含む上記画素アレイ部が第1の半導体基板が形成され、
アレイ状に配置された上記複数のセンス回路を含む上記センス回路部が第2の半導体基板が形成され、
上記第1の半導体基板と上記第2の半導体基板は互いに積層されている
請求項1から11のいずれか一に記載の撮像素子。 - 上記カウント回路と上記メモリのうち、少なくとも上記カウント回路は、上記第2の半導体基板に形成されている
請求項12記載の撮像素子。 - 上記第1の半導体基板と上記第2の半導体基板は、両者の接合面を研磨した貼り合せによって接合され、
上記画素または上記画素ブロックからの出力信号は、対応するセンス回路へ、上記貼り合せ接合面に形成されたキャパシタを介して伝達される
請求項12または13記載の撮像素子。 - 上記センス回路部は、
2値判定を、単位フレーム期間内において複数回反復実行し、当該判定結果を集積することで、受光部への光子入射量を導出する
上記判定のサイクル期間を、単位サイクル期間のN倍(Nは整数)に従う複数のサイクル期間の範囲で、可変に設定する機能を有する
請求項1から14のいずれか一に記載の撮像素子。 - 同一の単位フレーム期間における上記入射光量の導出を、長いサイクル期間による少回数の判定で実施するモードと、短いサイクル期間による多回数の判定で実施するモードを含む
請求項15記載の撮像素子。 - 低照度の撮像においては長いサイクル期間による少回数の判定を実施し、高照度の撮像においては短いサイクル期間による多回数の判定を実施する
請求項15または16記載の撮像素子。 - 上記単位フレーム期間内に、短いサイクル期間による判定と長いサイクル期間による判定を含む複数回の判定を、さらに循環的に複数回反復し、それらの判定結果を合成、集積することで、受光部への光子入射量を導出する
請求項16または17記載の撮像素子。 - 撮像素子と、
上記撮像素子に被写体像を結像する光学系と、
上記撮像素子の出力画像信号を処理する信号処理回路と、を有し、
上記撮像素子は、
光電変換素子を有し、光子入射に応じて電気信号を出力する画素が、複数アレイ状に配置された画素アレイ部と、
上記画素からの電気信号を受けて、所定期間における画素への光子入射の有無を2値判定するセンス回路が、複数配置されたセンス回路部と、
上記センス回路の判定結果を画素ごとまたは画素ブロックごとに複数回集積して、階調のある撮像データを生成する判定結果集積回路部と、を有し、
上記判定結果集積回路部は、
上記センス回路の判定結果を集積するカウント処理を行うカウント回路と、
上記カウント回路における各画素のカウント結果を格納するためのメモリと、を含み、
複数の上記センス回路が上記判定結果を集積するためのカウント回路を共有している
カメラシステム。
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