JP2019110409A - Solid state imaging device, imaging apparatus, and imaging method - Google Patents

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Abstract

To provide a solid state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method, capable of acquiring an image with an excellent gray scale.SOLUTION: A solid state imaging device comprises: a pixel array in which a plurality of pixels in which an optical sensor part emitting a pulse of a prescribed pulse width at a frequency in accordance with a light reception frequency of a light quantum is arranged in a matrix state; a counter counting the number of pulses emitted from the optical sensor part; and a control part capable of performing a control so that a count value is read out from the counter in a period smaller than the product of a counter upper limit value of the counter and a prescribed pulse width.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device, an imaging device, and an imaging method.

半導体を用いたイメージセンサとして、CCDイメージセンサ及びCMOSイメージセンサが広く知られている。CCDイメージセンサ及びCMOSイメージセンサは、露光期間中に画素に入射される光をフォトダイオードによって電荷に変換し、電荷に応じた信号を出力する。   CCD image sensors and CMOS image sensors are widely known as image sensors using semiconductors. The CCD image sensor and the CMOS image sensor convert the light incident on the pixel during the exposure period into a charge by the photodiode and output a signal according to the charge.

近年では、露光期間中にフォトダイオードに入射する光子(フォトン)の数をカウントし、フォトンのカウント値を信号値として出力するフォトンカウンティング方式のイメージセンサが提案されている。例えば、特許文献1には、アバランシェフォトダイオードと、カウンタとが用いられた固体撮像装置が開示されている。アバランシェフォトダイオードに、降伏電圧より大きい逆バイアス電圧を印加すると、単一フォトンの入射によって生成されるキャリアがアバランシェ増倍を生じさせ、大きな電流が当該アバランシェフォトダイオードに流れる。単一フォトンの入射に応じたパルス信号を、カウンタによってカウントすることによって、単一フォトンの数に応じた信号を得ることができる。フォトンカウンティング方式のイメージセンサは、フォトダイオードに入射したフォトンの数をそのまま信号値として用いるため、CCDイメージセンサ及びCMOSイメージセンサと比較して、ノイズの影響を受けにくい。このため、フォトンカウンティング方式のイメージセンサは、微弱な光環境においても良好な画像を得ることが可能である。   In recent years, a photon counting type image sensor has been proposed which counts the number of photons (photons) incident on a photodiode during an exposure period and outputs the count value of photons as a signal value. For example, Patent Document 1 discloses a solid-state imaging device in which an avalanche photodiode and a counter are used. When a reverse bias voltage greater than the breakdown voltage is applied to the avalanche photodiode, carriers generated by the incidence of single photon cause avalanche multiplication, and a large current flows in the avalanche photodiode. It is possible to obtain a signal corresponding to the number of single photons by counting pulse signals corresponding to the incidence of single photons by a counter. The image sensor of the photon counting method uses the number of photons incident on the photodiode as it is as a signal value, and thus is less susceptible to noise compared to a CCD image sensor and a CMOS image sensor. For this reason, the photon counting type image sensor can obtain a good image even in a weak light environment.

特開昭61−152176号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-152176

しかしながら、提案されている技術では、必ずしも階調の良好な画像が得られないことが懸念される。   However, with the proposed technology, there is a concern that images with good gradation can not always be obtained.

本発明の目的は、階調の良好な画像を取得し得る固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device, an imaging device and an imaging method capable of acquiring an image with good gradation.

実施形態の一観点によれば、光子の受光頻度に応じた頻度で所定のパルス幅のパルスを発する光センサ部が備えられた複数の画素が行列状に配された画素アレイと、前記光センサ部から発せられるパルスの数をカウントするカウンタと、前記カウンタのカウント上限値と前記所定のパルス幅との積以下の周期で、前記カウンタからのカウント値の読み出しが行われるように制御を行い得る制御部とを備えることを特徴とする固体撮像素子が提供される。   According to one aspect of the embodiment, there is provided a pixel array in which a plurality of pixels provided in a matrix are provided with a light sensor unit that emits a pulse having a predetermined pulse width at a frequency according to the light reception frequency of photons The counter can be controlled to read out the count value from the counter in a cycle equal to or less than the product of the count upper limit value of the counter and the predetermined pulse width, and a counter that counts the number of pulses emitted from the unit. There is provided a solid-state imaging device comprising: a control unit.

本発明によれば、階調の良好な画像を取得し得る固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device, an imaging device, and an imaging method capable of acquiring an image with good gradation.

第1実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation of a solid-state image sensing device by a 1st embodiment. 第1実施形態による撮像装置を示すブロック図である。It is a block diagram showing an imaging device by a 1st embodiment. 第1実施形態による固体撮像素子のレイアウトを示す図である。It is a figure which shows the layout of the solid-state image sensor by 1st Embodiment. 第1実施形態による固体撮像素子を示す図である。It is a figure which shows the solid-state image sensor by 1st Embodiment. 光センサ部の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of an optical sensor part. カウンタのカウント値の遷移を示す図である。It is a figure which shows transition of the count value of a counter. カウンタのカウント値とフレームメモリに記憶される画素信号との遷移を示す図である。It is a figure which shows transition of the count value of a counter, and the pixel signal memorize | stored in frame memory. 第1実施形態の変形例による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation of a solid-state image sensing device by a modification of a 1st embodiment. 第2実施形態による固体撮像素子を示す図である。It is a figure which shows the solid-state image sensor by 2nd Embodiment. 第2実施形態による固体撮像素子の駆動を示す駆動タイミングチャートDriving timing chart showing driving of solid-state imaging device according to the second embodiment カウンタのカウント値の遷移を示す図である。It is a figure which shows transition of the count value of a counter. 第3実施形態による固体撮像素子を示す図である。It is a figure which shows the solid-state image sensor by 3rd Embodiment. 第3実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation of a solid-state image sensing device by a 3rd embodiment.

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
[第1実施形態]
第1実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を図1乃至図7を用いて説明する。
図2は、本実施形態による撮像装置を示すブロック図である。図2に示すように、本実施形態による撮像装置200は、固体撮像素子1と、信号処理部2と、レンズ駆動部6と、制御部3と、表示部4と、記録部5とを備えている。また、撮像装置200には、撮影レンズ(撮像光学系、レンズユニット)7が備えられる。撮影レンズ7は、撮像装置200のボディ(本体)から着脱可能であってもよいし着脱不能であってもよい。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
First Embodiment
A solid-state imaging device, an imaging device, and an imaging method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
FIG. 2 is a block diagram showing an imaging device according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the imaging device 200 according to the present embodiment includes a solid-state imaging device 1, a signal processing unit 2, a lens driving unit 6, a control unit 3, a display unit 4 and a recording unit 5. ing. Further, the imaging device 200 is provided with a photographing lens (imaging optical system, lens unit) 7. The imaging lens 7 may be detachable from the body (main body) of the imaging device 200 or may not be detachable.

固体撮像素子1は、撮影レンズ7によって形成される被写体の光学像を光電変換することによって撮像信号を生成し、生成した撮像信号を出力する。固体撮像素子1に備えられた画素セル(単位画素)10(図4参照)には、フォトダイオード101(図4参照)とカウンタ(パルスカウンタ)111(図4参照)とが備えられており、入射したフォトンの数をカウントして信号値として出力し得る。   The solid-state imaging device 1 generates an imaging signal by photoelectrically converting an optical image of a subject formed by the imaging lens 7, and outputs the generated imaging signal. The pixel cell (unit pixel) 10 (see FIG. 4) provided in the solid-state imaging device 1 includes a photodiode 101 (see FIG. 4) and a counter (pulse counter) 111 (see FIG. 4). The number of incident photons can be counted and output as a signal value.

撮影レンズ7は、被写体の光学像を固体撮像素子1の撮像面に結像させる。レンズ駆動部6は、撮影レンズ7を駆動するものであり、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御等を行う。撮影レンズ7は、被写体の光学像を形成し、形成した光学像を固体撮像素子1の撮像面に入射させる。   The imaging lens 7 forms an optical image of a subject on the imaging surface of the solid-state imaging device 1. The lens drive unit 6 drives the photographing lens 7 and performs zoom control, focus control, aperture control and the like. The imaging lens 7 forms an optical image of a subject, and causes the formed optical image to be incident on the imaging surface of the solid-state imaging device 1.

信号処理部2は、固体撮像素子1から出力される撮像信号(画像データ)に対して補正処理等の所定の信号処理(画像処理)等を行う。   The signal processing unit 2 performs predetermined signal processing (image processing) such as correction processing on an imaging signal (image data) output from the solid-state imaging device 1.

制御部(全体制御・演算部、制御手段)3は、撮像装置200全体の制御を司るとともに、所定の演算処理等を行う。制御部3は、撮像装置200の各機能ブロックを駆動するための制御信号や、固体撮像素子1を制御するための制御データ等を出力する。制御部3は、信号処理部2によって信号処理等が施された撮像信号に対して、現像や圧縮等の所定の信号処理(画像処理)等を行う。   The control unit (whole control / calculation unit, control means) 3 controls the entire imaging apparatus 200 and performs predetermined arithmetic processing and the like. The control unit 3 outputs control signals for driving each functional block of the imaging device 200, control data for controlling the solid-state imaging device 1, and the like. The control unit 3 performs predetermined signal processing (image processing) and the like such as development and compression on the imaging signal subjected to the signal processing and the like by the signal processing unit 2.

表示部4は、制御部3よって信号処理等が施された撮像信号や、撮像装置200の各種設定情報等を表示する。   The display unit 4 displays an imaging signal subjected to signal processing and the like by the control unit 3, various setting information of the imaging device 200, and the like.

記録部(記録制御部)5には、不図示の記録媒体が備えられる。かかる記録媒体は、記録部5から着脱可能であってもよいし着脱不能であってもよい。記録部5は、制御部3によって信号処理等が施された撮像信号等を記録媒体に記録する。かかる記録媒体としては、例えばフラッシュメモリ等の半導体メモリ等が挙げられる。   The recording unit (recording control unit) 5 includes a recording medium (not shown). The recording medium may or may not be detachable from the recording unit 5. The recording unit 5 records, on a recording medium, an imaging signal or the like which has been subjected to signal processing and the like by the control unit 3. As such a recording medium, for example, a semiconductor memory such as a flash memory can be mentioned.

図3は、本実施形態による固体撮像素子1のレイアウトを示す図である。固体撮像素子1は、複数の光センサ部100が行列状に配された光センサ部基板30と、複数の計数部110が行列状に配された計数部基板31と、フレームメモリ13が配されたフレームメモリ基板32とを積層させた構成となっている。   FIG. 3 is a view showing a layout of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment. The solid-state imaging device 1 includes an optical sensor unit substrate 30 in which a plurality of optical sensor units 100 are arranged in a matrix, a counting unit substrate 31 in which a plurality of counting units 110 are arranged in a matrix, and a frame memory 13. The frame memory substrate 32 is stacked.

光センサ部基板30は、複数の光センサ部(センサ部)100がJ行×K列で行列状に配された画素アレイ(撮像領域)300を備える。なお、光センサ部100の詳細な構成については後述する。   The light sensor unit substrate 30 includes a pixel array (imaging area) 300 in which a plurality of light sensor units (sensor units) 100 are arranged in a matrix of J rows × K columns. The detailed configuration of the light sensor unit 100 will be described later.

計数部基板31は、複数の計数部(計数手段)110がJ行×K列で行列状に配された計数領域310を備える。計数領域310に配された複数の計数部110は、画素アレイ300に配された複数の光センサ部100にそれぞれ対応している。   The counting unit substrate 31 includes a counting area 310 in which a plurality of counting units (counting means) 110 are arranged in a matrix of J rows × K columns. The plurality of counting units 110 disposed in the counting area 310 correspond to the plurality of light sensor units 100 disposed in the pixel array 300.

光センサ部基板30に備えられた電極(図示せず)と計数部基板31に備えられた電極(図示せず)とが、互いに電気的に接続されている。また、計数部基板31に備えられた電極(図示せず)とフレームメモリ基板32に備えられた電極(図示せず)とが、互いに電気的に接続されている。こうして、光センサ部基板30に備えられた光センサ部100から出力されるパルス信号Poutが、計数部基板31に備えられた計数部110に入力されるようになっている。   An electrode (not shown) provided on the light sensor unit substrate 30 and an electrode (not shown) provided on the counting unit substrate 31 are electrically connected to each other. Further, an electrode (not shown) provided on the counter substrate 31 and an electrode (not shown) provided on the frame memory substrate 32 are electrically connected to each other. Thus, the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 provided on the light sensor unit substrate 30 is input to the counting unit 110 provided on the counting unit substrate 31.

1つの光センサ部100と1つの計数部110とによって、1つの画素セル10が構成される。なお、計数部110の詳細な構成については後述する。   One pixel cell 10 is configured by one light sensor unit 100 and one counting unit 110. The detailed configuration of the counting unit 110 will be described later.

計数部基板31は、駆動制御部311と、一時記憶部312とを備える。駆動制御部311は、計数領域310の駆動を制御する。一時記憶部312は、後述する読み出しメモリ11が備えられた一時記憶部312を備える。読み出しメモリ11は、計数部110から読み出されるカウント値を一時的に記憶する。   The counting unit substrate 31 includes a drive control unit 311 and a temporary storage unit 312. The drive control unit 311 controls the drive of the counting area 310. The temporary storage unit 312 includes a temporary storage unit 312 provided with a read memory 11 described later. The read memory 11 temporarily stores the count value read from the counting unit 110.

フレームメモリ基板32は、加算回路12と、フレームメモリ13とを備える。フレームメモリ13は、各々の計数部110から読み出されるカウント値を、各々の画素の画素信号として記憶する。加算回路12は、読み出しメモリ11を介して順次読み出される各々の画素セル10からのカウント値を、フレームメモリ13に記憶された画素信号に順次加算する。フレームメモリ13には、計数部110から読み出されたカウント値の積算値が記憶される。フレームメモリ基板32は、メモリ制御部321と、出力部322とを更に有する。メモリ制御部321は、フレームメモリ13へのデータ(信号値)の書き込みや読み出しを制御する。出力部322は、フレームメモリ13に保持された画素信号(画像信号、撮像信号)を固体撮像素子1の外部に出力する。   The frame memory substrate 32 includes an adder circuit 12 and a frame memory 13. The frame memory 13 stores the count value read from each counting unit 110 as a pixel signal of each pixel. The adder circuit 12 sequentially adds the count value from each of the pixel cells 10 sequentially read out through the readout memory 11 to the pixel signal stored in the frame memory 13. The frame memory 13 stores the integrated value of the count value read from the counting unit 110. The frame memory substrate 32 further includes a memory control unit 321 and an output unit 322. The memory control unit 321 controls writing and reading of data (signal value) to the frame memory 13. The output unit 322 outputs the pixel signal (image signal, imaging signal) held in the frame memory 13 to the outside of the solid-state imaging device 1.

光センサ部100と計数部110とが別個の基板に備えられているため、光センサ部100の面積を広く確保することができる。また、フレームメモリ基板32を光センサ部基板30及び計数部基板31よりも微細なプロセスで製造すれば、フレームメモリ13には十分に大きなビット幅のデータを記録し得る。なお、固体撮像素子1の構成は、上記のような構成に限定されるものではない。例えば、同一の基板に光センサ部100と計数部110とを備えるようにしてもよい。   Since the light sensor unit 100 and the counting unit 110 are provided on separate substrates, a large area of the light sensor unit 100 can be secured. In addition, if the frame memory substrate 32 is manufactured by a process finer than the optical sensor unit substrate 30 and the counting unit substrate 31, data with a sufficiently large bit width can be recorded in the frame memory 13. The configuration of the solid-state imaging device 1 is not limited to the above configuration. For example, the light sensor unit 100 and the counting unit 110 may be provided on the same substrate.

図4は、本実施形態による固体撮像素子1の構成を示す図である。
画素セル10は、光センサ部100と、計数部110とを備える。光センサ部100は、フォトダイオード(アバランシェフォトダイオード)101と、負荷抵抗102と、波形整形回路103とを備える。フォトダイオード101のアノードは、接地されている。フォトダイオード101のカソードは、負荷抵抗102を介してバイアス電圧Vbiasに接続されている。フォトダイオード101のカソードと負荷抵抗102との接続部は、波形整形回路103に接続されている。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment.
The pixel cell 10 includes an optical sensor unit 100 and a counting unit 110. The light sensor unit 100 includes a photodiode (avalanche photodiode) 101, a load resistor 102, and a waveform shaping circuit 103. The anode of the photodiode 101 is grounded. The cathode of the photodiode 101 is connected to the bias voltage Vbias via the load resistor 102. The connection portion between the cathode of the photodiode 101 and the load resistor 102 is connected to the waveform shaping circuit 103.

計数部110は、カウンタ111と、選択スイッチ121とを備える。カウンタ111には、波形整形回路103から出力されるパルス信号Poutが入力される。カウンタ111は、パルス信号Poutがローレベルからハイレベルに転じる回数をカウントする。カウンタ111は、パルス信号Poutを(2−1)回カウント可能である。カウンタ111は、Nビット分のパルス数をカウントし得るとともにカウント値を記憶し得るNビットカウンタである。Nビットカウンタは、例えばN個のフリップフロップを連結することによって構成されている。カウンタ111には、カウンタ111をイネーブル状態にするためのカウントイネーブル信号PENが駆動制御部311から供給される。カウントイネーブル信号PENがハイレベルの際、カウンタ111はカウント動作を行い得る。カウントイネーブル信号PENがローレベルの際、カウンタ111はカウント動作を停止し、カウント動作が停止する直前のカウント値を保持する。カウンタ111には、カウント値をリセットするためのリセット信号PRESが駆動制御部311から供給される。リセット信号PRESがローレベルの際、カウンタ111は、カウントイネーブル信号PENに従ってカウント動作又はカウント値を保持する動作を行う。リセット信号PRESがハイレベルになると、カウンタ111のカウント値がリセットされる。 The counting unit 110 includes a counter 111 and a selection switch 121. The pulse signal Pout output from the waveform shaping circuit 103 is input to the counter 111. The counter 111 counts the number of times the pulse signal Pout turns from low level to high level. The counter 111 can count the pulse signal Pout (2 N −1) times. The counter 111 is an N-bit counter capable of counting the number of pulses for N bits and storing the count value. The N-bit counter is configured, for example, by connecting N flip-flops. The count enable signal PEN for enabling the counter 111 is supplied from the drive control unit 311 to the counter 111. When the count enable signal PEN is at high level, the counter 111 can perform counting operation. When the count enable signal PEN is at low level, the counter 111 stops the counting operation and holds the count value immediately before the counting operation is stopped. A reset signal PRES for resetting the count value is supplied from the drive control unit 311 to the counter 111. When the reset signal PRES is at low level, the counter 111 performs the counting operation or the operation of holding the count value according to the count enable signal PEN. When the reset signal PRES becomes high level, the count value of the counter 111 is reset.

カウンタ111から出力されるビット幅がNのカウント値は、N本の配線が備えられたバスライン122を介して、読み出しメモリ11にパラレル伝送される。駆動制御部311からハイレベルの画素選択信号PSELが選択スイッチ121に供給されると、バスライン122に備えられた選択スイッチ121がオン状態となる。駆動制御部311から読み出しメモリ11にハイレベルのメモリ選択信号PMEMが供給されると、カウンタ111から出力されたビット幅がNのカウント値が読み出しメモリ11に供給される。なお、ここでは、同一の列に配されたJ個の画素セル10のカウンタ111から順次出力されるカウント値が、Nビット分の共通のバスライン122を介して読み出しメモリ11に入力される場合を例に説明する。駆動制御部311からハイレベルの読み出し信号PRDが読み出しメモリ11に供給されると、読み出しメモリ11に保持されたカウント値が加算回路12に出力される。加算回路12は、読み出しメモリ11を介して画素セル10から順次読み出されるカウント値を、フレームメモリ13に記憶された画素信号に順次加算する。より具体的には、加算回路12は、ある画素セル10から出力されるカウント値を読み出しメモリ11を介して取得する。また、加算回路12は、当該画素セル10に対応する画素信号をフレームメモリ13から読み出す。そして、加算回路12は、読み出しメモリ11を介して取得した当該画素セル10のカウント値と、フレームメモリ13から読み出した当該画素セル10の画素信号とを加算する。そして、加算回路12は、このような加算処理によって得られた画素信号を、当該画素セル10の画素信号としてフレームメモリ13に記憶する。こうして、画素信号の積算処理が行われる。加算回路12は、画素アレイ300に備えられた複数の画素セル10の各々によって取得されたカウント値に対して、このような処理を順次行う。フレームメモリ13は、1画素あたりMビット(M>N)の画素信号を記憶し得る。   The count value having a bit width of N output from the counter 111 is parallel-transmitted to the read memory 11 via the bus line 122 provided with N wirings. When a high level pixel selection signal PSEL is supplied from the drive control unit 311 to the selection switch 121, the selection switch 121 provided on the bus line 122 is turned on. When a high level memory selection signal PMEM is supplied from the drive control unit 311 to the read memory 11, the count value with a bit width N output from the counter 111 is supplied to the read memory 11. Here, in the case where the count value sequentially output from the counters 111 of the J pixel cells 10 arranged in the same column is input to the readout memory 11 via the common bus line 122 for N bits. Will be described by way of example. When the high level read signal PRD is supplied from the drive control unit 311 to the read memory 11, the count value held in the read memory 11 is output to the adder circuit 12. The adder circuit 12 sequentially adds the count value sequentially read out from the pixel cell 10 via the readout memory 11 to the pixel signal stored in the frame memory 13. More specifically, the adder circuit 12 reads out the count value output from a certain pixel cell 10 and acquires it via the memory 11. Further, the addition circuit 12 reads a pixel signal corresponding to the pixel cell 10 from the frame memory 13. Then, the adding circuit 12 adds the count value of the pixel cell 10 acquired via the readout memory 11 and the pixel signal of the pixel cell 10 read out from the frame memory 13. Then, the addition circuit 12 stores the pixel signal obtained by such addition processing in the frame memory 13 as a pixel signal of the pixel cell 10. Thus, integration processing of pixel signals is performed. The adder circuit 12 sequentially performs such processing on the count value acquired by each of the plurality of pixel cells 10 provided in the pixel array 300. The frame memory 13 can store pixel signals of M bits (M> N) per pixel.

次に、本実施形態による固体撮像素子1の動作について説明する。
本実施形態では、カウンタ111によって光子がカウントされるカウント期間において、カウンタ111のカウント値が飽和するのに要する期間よりも短い読み出し周期でカウント値の読み出しが繰り返される。カウンタ111からカウント値が読み出されると、当該カウンタ111はリセットされる。この後も、カウンタ111は光子のカウントを継続する。本実施形態では、1回の読み出し周期のうちに、カウンタ111のカウント値が飽和することがない。このため、カウント期間中にカウンタ111のカウント上限値を超える数のパルス信号Poutが入力された場合でも、カウンタ111によって取得されたカウント値を漏れなく画素信号に反映させることが可能である。カウンタ111から読み出されたカウント値は、画素単位で積算される。このため、カウンタ111のビット幅Nを超えるビット幅のMビットの画素信号を得ることが可能となる。従って、カウンタ111のカウント上限値を超える数の光子に対応する画素信号を得ることが可能となる。
Next, the operation of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment will be described.
In the present embodiment, in the count period in which photons are counted by the counter 111, the readout of the count value is repeated in a readout cycle shorter than the period required for the count value of the counter 111 to saturate. When the count value is read from the counter 111, the counter 111 is reset. After this, the counter 111 continues counting photons. In the present embodiment, the count value of the counter 111 is not saturated in one read cycle. Therefore, even when pulse signals Pout whose number exceeds the count upper limit value of the counter 111 are input during the count period, the count value acquired by the counter 111 can be reflected on the pixel signal without leakage. The count value read from the counter 111 is integrated in pixel units. Therefore, it is possible to obtain an M bit pixel signal having a bit width exceeding the bit width N of the counter 111. Therefore, it is possible to obtain pixel signals corresponding to the number of photons exceeding the count upper limit value of the counter 111.

ここで、光センサ部100の動作について図5を用いて説明する。図5は、光センサ部100の動作を示す図である。図5には、フォトダイオード101に光子が入射した際のカソード端子電圧Voutの時間変化と、波形整形回路103から出力されるパルス信号Poutの時間変化とが示されている。図5の横軸は時刻Tを示している。   Here, the operation of the light sensor unit 100 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing an operation of the light sensor unit 100. As shown in FIG. FIG. 5 shows a time change of the cathode terminal voltage Vout when a photon is incident on the photodiode 101 and a time change of the pulse signal Pout output from the waveform shaping circuit 103. The horizontal axis in FIG. 5 indicates time T.

ブレークダウン電圧Vbrを超える逆バイアス電圧Vbiasが、フォトダイオード101のカソード端子に印加される。このため、フォトダイオード101はガイガーモードで動作し得る。この状態において、フォトダイオード101に光子が入射すると、フォトダイオード101において生成されたキャリアがアバランシェ増倍現像を引き起こし、アバランシェ電流が生ずる。このアバランシェ電流によって、負荷抵抗102に接続されたフォトダイオード101のカソード端子電圧Voutが低下し始める。   A reverse bias voltage Vbias exceeding the breakdown voltage Vbr is applied to the cathode terminal of the photodiode 101. Thus, the photodiode 101 can operate in Geiger mode. In this state, when a photon is incident on the photodiode 101, carriers generated in the photodiode 101 cause avalanche multiplication development to generate an avalanche current. Due to this avalanche current, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 connected to the load resistor 102 starts to decrease.

フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutは、閾値電圧Vthまで低下し、この後、フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutは更に低下し続ける。フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutが閾値電圧Vthまで低下するタイミングにおいて、波形整形回路103から出力されるパルス信号Poutはローレベルからハイレベルに遷移する。   The cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 decreases to the threshold voltage Vth, and thereafter, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 continues to further decrease. At the timing when the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 falls to the threshold voltage Vth, the pulse signal Pout output from the waveform shaping circuit 103 transitions from the low level to the high level.

フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutは、ブレークダウン電圧Vbrまで低下する。フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutがブレークダウン電圧Vbrまで低下すると、アバランシェ増倍現像が停止する。そうすると、バイアス電圧Vbiasを供給している電源から負荷抵抗102を介して再充電が行われるようになるため、フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutは上昇し始める。
この後、フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutは、閾値電圧Vthまで上昇する。フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutが閾値電圧Vthに達するタイミングにおいて、波形整形回路103から出力されるパルス信号Poutはハイレベルからローレベルに遷移する。
The cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 falls to the breakdown voltage Vbr. When the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 falls to the breakdown voltage Vbr, avalanche multiplication development is stopped. Then, since the power supply supplying the bias voltage Vbias is recharged via the load resistor 102, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 starts to rise.
Thereafter, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 rises to the threshold voltage Vth. At the timing when the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 reaches the threshold voltage Vth, the pulse signal Pout output from the waveform shaping circuit 103 transitions from high level to low level.

この後、再充電が完了する。再充電が完了した段階では、フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutは、逆バイアス電圧Vbiasに戻っている。なお、再充電に要する時間は、負荷抵抗102の抵抗値と寄生容量とに依存する。このように、1回の光子の入射によって、パルス幅ΔTpの1つのパルス信号Poutが光センサ部100から出力される。このように、光センサ部100からは、光子の受光頻度に応じた頻度でパルス信号Poutが発せられる。   After this, recharging is completed. At the stage where the recharging is completed, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 returns to the reverse bias voltage Vbias. The time required for recharging depends on the resistance value of the load resistor 102 and the parasitic capacitance. As described above, one pulse signal Pout having a pulse width ΔTp is output from the light sensor unit 100 by the incidence of one photon. As described above, the light sensor unit 100 generates the pulse signal Pout at a frequency according to the light reception frequency of the photons.

このように、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutは、定常状態ではローレベルとなる。一方、フォトダイオード101のカソード端子電圧Voutが閾値電圧Vthを下回っている間は、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutはハイレベルとなる。つまり、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutは、フォトダイオード101に光子が入射する度にローレベルからハイレベルに転じ、一定期間が経過した後、ローレベルに戻る。従って、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutをカウントすることによって、フォトダイオード101に入射した光子の数を検出することができる。パルス信号Poutのパルス幅ΔTpは、1回の光子の入射によってパルス信号Poutがハイレベルに転じてからローレベルに戻るまでの期間に相当する。   As described above, the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 is at the low level in the steady state. On the other hand, while the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 101 is lower than the threshold voltage Vth, the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 is at the high level. That is, the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 changes from the low level to the high level each time a photon is incident on the photodiode 101, and returns to the low level after a predetermined period elapses. Therefore, by counting the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100, the number of photons incident on the photodiode 101 can be detected. The pulse width ΔTp of the pulse signal Pout corresponds to a period from when the pulse signal Pout turns to high level and then returns to low level by the incidence of one photon.

図6は、カウンタ111のカウント値Cの遷移を示す図である。カウンタ111のビット幅がNであるため、カウンタ111がカウント可能な最大値であるカウント上限値は(2−1)である。図6は、カウンタ111のカウント値Cが最短時間ΔTsatでカウント上限値に達する場合の例を示している。 FIG. 6 is a diagram showing the transition of the count value C of the counter 111. As shown in FIG. Since the bit width of the counter 111 is N, the count upper limit, which is the maximum value that can be counted by the counter 111, is (2 N −1). FIG. 6 shows an example where the count value C of the counter 111 reaches the count upper limit value in the shortest time ΔTsat.

カウンタ111のカウント値Cは、パルス信号Poutがハイレベルに遷移するたびにインクリメントされる。カウント値Cがインクリメントされる間隔は、パルス信号Poutのパルス幅ΔTpを下回ることはない。このため、カウンタ111のカウント値Cが0からカウント上限値に達するまでに要する最短時間ΔTsatは、以下のような式(1)によって表される。
ΔTsat = ΔTp×(2−1) ・・・(1)
The count value C of the counter 111 is incremented each time the pulse signal Pout transitions to the high level. The interval at which the count value C is incremented does not fall below the pulse width ΔTp of the pulse signal Pout. Therefore, the shortest time ΔTsat required for the count value C of the counter 111 to reach the count upper limit value from 0 is expressed by the following equation (1).
ΔTsat = ΔTp × (2 N −1) (1)

従って、上述した最短時間ΔTsat以下の周期でカウンタ111からのカウント値の読み出しとカウンタ111のリセットとを繰り返すようにすれば、カウンタ111が飽和するのを防止しつつ、パルス信号Poutをカウントすることができる。   Therefore, if the reading of the count value from the counter 111 and the resetting of the counter 111 are repeated in a cycle equal to or less than the above-described shortest time ΔTsat, the pulse signal Pout is counted while preventing the counter 111 from being saturated. Can.

図1は、本実施形態による固体撮像素子1の動作の例を示すタイミングチャートである。図1には、カウント期間ΔTacc中にカウントされる光子の総数が画素毎に取得され、1フレーム分の画像信号が生成される動作が示されている。   FIG. 1 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment. FIG. 1 shows an operation in which the total number of photons counted during the count period ΔTacc is acquired for each pixel, and an image signal of one frame is generated.

タイミングT100において、駆動制御部311がパルス状のリセット信号PRESを、全ての画素セル10にそれぞれ備えられたカウンタ111に供給する。これにより、全ての画素セル10のカウンタ111がリセットされ、1フレーム分の撮影動作が開始される。カウンタ111からカウント値の読み出しが開始されるタイミングよりも前のタイミングで、フレームメモリ13がリセットされる。ここでは、タイミングT100において、フレームメモリ13がリセットされる場合を例に説明する。   At timing T100, the drive control unit 311 supplies the pulse-like reset signal PRES to the counters 111 respectively provided to all the pixel cells 10. Thereby, the counters 111 of all the pixel cells 10 are reset, and the photographing operation for one frame is started. The frame memory 13 is reset at a timing prior to the timing at which the reading of the count value from the counter 111 is started. Here, the case where the frame memory 13 is reset at timing T100 will be described as an example.

タイミングT101において、駆動制御部311が、ハイレベルのカウントイネーブル信号PENを、全ての画素セル10にそれぞれ備えられたカウンタ111に供給する。これにより、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutのカウンタ111によるカウントが、全ての画素セル10において開始される。   At timing T101, the drive control unit 311 supplies the high-level count enable signal PEN to the counters 111 respectively provided to all the pixel cells 10. Thereby, the counting by the counter 111 of the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 is started in all the pixel cells 10.

タイミングT102において、第1回目のカウント値の読み出しが開始される。駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10にハイレベルの画素選択信号PSELを供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10が選択される。読み出しメモリ11を共有しているJ個の画素セル10のうち、第1番目の行に位置する画素セル10が選択される。また、駆動制御部311は、ハイレベルのメモリ選択信号PMEMを読み出しメモリ11に供給する。これにより、画素セル10のカウンタ111から出力されるカウント値が読み出しメモリ11に記憶される。この後、駆動制御部311は、第1番目の行に位置する画素セル10にハイレベルのリセット信号PRESを供給する。これにより、第1番目の行に位置する画素セル10に備えられたカウンタ111がリセットされる。リセットが行われた後、当該カウンタ111は、パルス信号Poutのカウントを継続する。駆動制御部311は、この後、読み出しメモリ11に読み出し信号PRDを供給する。これにより、読み出しメモリ11に記憶されたカウント値が、加算回路12を介してフレームメモリ13に入力される。各々の画素セル10を用いて取得される画素信号が、このようにしてフレームメモリ13に順次記憶される。カウントが開始されるタイミングT101から第J番目の行に位置するカウンタ111がリセットされるタイミングT103までの期間ΔTreadは、上述した最短時間ΔTsat以下に設定される。期間ΔTreadが最短時間ΔTsat以下に設定されるため、全ての画素セル10のカウンタ111がカウント上限値に達する前に、カウント値の読み出しが完了される。このように、本実施形態では、カウンタ111のカウント上限値とパルス信号Poutのパルス幅ΔTpとの積以下の周期で、カウンタ111からのカウント値の読み出しとカウンタ111に対するリセットとが行われる。   At timing T102, the first reading of the count value is started. The drive control unit 311 supplies a pixel selection signal PSEL of high level to the plurality of pixel cells 10 located in the first row of the pixel array 300. Thus, the plurality of pixel cells 10 located in the first row of the pixel array 300 are selected. Among the J pixel cells 10 sharing the readout memory 11, the pixel cell 10 located in the first row is selected. In addition, the drive control unit 311 reads the high level memory selection signal PMEM and supplies the read memory selection signal PMEM to the memory 11. Thus, the count value output from the counter 111 of the pixel cell 10 is stored in the readout memory 11. After this, the drive control unit 311 supplies a high level reset signal PRES to the pixel cells 10 located in the first row. As a result, the counters 111 provided in the pixel cells 10 located in the first row are reset. After the reset is performed, the counter 111 continues counting the pulse signal Pout. Thereafter, the drive control unit 311 supplies the read signal PRD to the read memory 11. Thus, the count value stored in the read memory 11 is input to the frame memory 13 via the adder circuit 12. The pixel signals acquired using the respective pixel cells 10 are sequentially stored in the frame memory 13 in this manner. A period ΔTread from the timing T101 when the counting is started to the timing T103 when the counter 111 located in the J-th row is reset is set to the above-mentioned shortest time ΔTsat or less. Since the period ΔTread is set to the shortest time ΔTsat or less, readout of the count value is completed before the counters 111 of all the pixel cells 10 reach the count upper limit value. As described above, in the present embodiment, reading of the count value from the counter 111 and resetting of the counter 111 are performed in a cycle equal to or less than the product of the count upper limit value of the counter 111 and the pulse width ΔTp of the pulse signal Pout.

第1番目の行に位置する画素セル10に備えられたカウンタ111から第1回目のカウント値の読み出しが行われてから期間ΔTreadが経過したタイミングT104において、第2回目のカウント値の読み出しが開始される。第2回目のカウント値の読み出しにおいても、第1回目のカウント値の読み出しと同様に、画素セル10からカウント値が順次読み出される。加算回路12は、読み出しメモリ11を介して順次読み出されるカウント値を、フレームメモリ13に記憶された画素信号に順次加算する。第1番目の行に位置するある画素セル10のカウント値は、第1回目のカウント値の読み出しの際には例えばC1である。カウント値C1は、当該画素セル10の画素信号としてフレームメモリ13に保持されている。当該一の画素セル10のカウント値は、第2回目のカウント値の読み出しの際には例えばC2である。加算回路12は、カウント値C1とカウント値C2とを加算することによって加算値(C1+C2)を取得する。加算回路12によってこうして得られる加算値(C1+C2)が、当該画素セル10の画素信号としてフレームメモリ13に記憶される。タイミングT103は、上述したように、第1回目のカウント値の読み出しにおいて第J番目の行に位置するカウンタ111がリセットされるタイミングである。タイミングT105は、上述したように、第2回目のカウント値の読み出しにおいて第J番目の行に位置するカウンタ111がリセットされるタイミングである。タイミングT103からT105までの期間ΔTreadも、上述した最短時間ΔTsat以下に設定される。   The readout of the second count value starts at timing T104 when the period ΔTread has elapsed since the first count value readout from the counter 111 provided in the pixel cell 10 positioned in the first row. Be done. Also in the second reading of the count value, the count value is sequentially read from the pixel cell 10 as in the first reading of the count value. The adder circuit 12 sequentially adds the count values sequentially read out through the readout memory 11 to the pixel signals stored in the frame memory 13. The count value of a certain pixel cell 10 located in the first row is, for example, C1 at the time of reading the first count value. The count value C1 is held in the frame memory 13 as a pixel signal of the pixel cell 10. The count value of the one pixel cell 10 is, for example, C2 at the time of reading the second count value. The adder circuit 12 obtains the addition value (C1 + C2) by adding the count value C1 and the count value C2. The addition value (C1 + C2) thus obtained by the addition circuit 12 is stored in the frame memory 13 as a pixel signal of the pixel cell 10. As described above, timing T103 is timing at which the counter 111 located in the J-th row is reset in the first reading of the count value. The timing T105 is, as described above, the timing at which the counter 111 located in the J-th row is reset in the second reading of the count value. The period ΔTread from the timing T103 to the timing T105 is also set equal to or less than the above-described shortest time ΔTsat.

第3回目以降のカウント値の読み出しも、第2回目のカウント値の読み出しと同様に行われる。タイミングT106以降においても、カウントイネーブル信号PENがローレベルに遷移するまでの間、上記と同様の動作が繰り返される。   Reading of the third and subsequent count values is also performed in the same manner as reading of the second count value. Also after timing T106, the same operation as described above is repeated until the count enable signal PEN transitions to the low level.

カウントが開始されるタイミングT101からカウント期間ΔTaccが経過したタイミングT107において、駆動制御部311が、カウントイネーブル信号PENをローレベルに遷移させる。これにより、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutに対するカウントが、全ての画素セル10のカウンタ111において停止される。画素アレイ300に備えられた複数の画素セル10の各々に備えられたカウンタ111は、カウント値をそれぞれ保持する。この後、上記と同様にして、各々の画素セル10からカウント値が読み出される。加算回路12は、各々の画素セル10から順次読み出されるカウント値を、フレームメモリ13に保持された画素信号に順次加算する。   At timing T107 at which the count period ΔTacc has elapsed from timing T101 at which counting is started, the drive control unit 311 causes the count enable signal PEN to transition to the low level. As a result, counting of the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 is stopped at the counters 111 of all the pixel cells 10. The counters 111 provided in each of the plurality of pixel cells 10 provided in the pixel array 300 respectively hold count values. Thereafter, the count value is read from each pixel cell 10 in the same manner as described above. The adder circuit 12 sequentially adds the count value sequentially read from each pixel cell 10 to the pixel signal held in the frame memory 13.

タイミングT108からタイミングT109においては、フレームメモリ13に記憶された各々の画素の信号値が固体撮像素子1の外部に出力される。こうして、1つのフレームの撮影動作が終了する。   From timing T108 to timing T109, the signal value of each pixel stored in the frame memory 13 is output to the outside of the solid-state imaging device 1. Thus, the shooting operation of one frame is completed.

図7は、カウンタ111のカウント値とフレームメモリ13に記憶される画素信号との遷移を示す図である。図7は、画素アレイ300に備えられた複数の画素セル10のうちの1つの画素セル10に着目したものである。図7には、カウンタ111のカウント値とフレームメモリ13に記憶される画素信号とが示されている。   FIG. 7 is a diagram showing the transition between the count value of the counter 111 and the pixel signal stored in the frame memory 13. FIG. 7 focuses on one pixel cell 10 among the plurality of pixel cells 10 provided in the pixel array 300. The count value of the counter 111 and the pixel signal stored in the frame memory 13 are shown in FIG.

カウント期間ΔTaccが開始されるタイミングにおいて、カウンタ111とフレームメモリ13とがリセットされる。カウンタ111は、パルス信号のカウントを開始する。この後、パルス信号Poutが出力される毎に、カウンタ111のカウント値が当該画素セル10においてインクリメントされる。   At the timing when the count period ΔTacc starts, the counter 111 and the frame memory 13 are reset. The counter 111 starts counting pulse signals. Thereafter, each time the pulse signal Pout is output, the count value of the counter 111 is incremented in the pixel cell 10.

上述した最短時間ΔTsatよりも短い期間ΔT1が経過したタイミングにおいて、カウンタ111からカウント値が読み出され、当該カウンタ111のカウント値がリセットされる。カウンタ111は、リセットされた後も、パルス信号Poutのカウントを継続する。カウンタ111から読み出されたカウント値は、フレームメモリ13に保持されたリセット値0に積算され、画素信号としてフレームメモリ13に記憶させる。   At the timing when a period ΔT1 shorter than the above-described shortest time ΔTsat elapses, the count value is read from the counter 111, and the count value of the counter 111 is reset. The counter 111 continues counting the pulse signal Pout even after being reset. The count value read from the counter 111 is integrated with the reset value 0 held in the frame memory 13 and stored in the frame memory 13 as a pixel signal.

この後、上述した最短時間ΔTsatよりも短い上述した期間ΔTreadが経過したタイミングにおいて、カウンタ111からカウント値が読み出され、当該カウンタ111のカウント値がリセットされる。カウンタ111は、リセットされた後も、パルス信号Poutのカウントを継続する。カウンタ111から読み出されたカウント値は、フレームメモリ13に保持されている画素信号に積算され、積算により得られた画素信号がフレームメモリ13に記憶される。この後も、上記と同様の動作がΔTreadの周期で繰り返される。   After that, at the timing when the above-mentioned period ΔTread which is shorter than the above-mentioned shortest time ΔTsat elapses, the count value is read from the counter 111, and the count value of the counter 111 is reset. The counter 111 continues counting the pulse signal Pout even after being reset. The count value read from the counter 111 is integrated with the pixel signal held in the frame memory 13, and the pixel signal obtained by the integration is stored in the frame memory 13. After this, the same operation as described above is repeated with a period of ΔTread.

カウント期間ΔTaccが経過したタイミングにおいて、カウンタ111は、パルス信号のカウントを停止する。そして、当該カウンタ111からカウント値が読み出される。当該カウンタ111から読み出されたカウント値は、フレームメモリ13に保持されている画素信号に積算され、積算により得られた画素信号がフレームメモリ13に記憶される。こうしてフレームメモリ13に記憶される画素信号は、カウント期間ΔTacc内に各々の画素セル10でカウントされたパルス信号Poutの数に相当する。   At the timing when the count period ΔTacc has elapsed, the counter 111 stops counting the pulse signal. Then, the count value is read from the counter 111. The count value read from the counter 111 is integrated with the pixel signal held in the frame memory 13, and the pixel signal obtained by the integration is stored in the frame memory 13. Thus, the pixel signals stored in the frame memory 13 correspond to the number of pulse signals Pout counted in each pixel cell 10 within the count period ΔTacc.

このように、本実施形態によれば、カウンタ111のカウント値がカウント上限値に達するまでに要する最短時間ΔTsatよりも短い期間内にカウントされるカウント値が読み出され、当該カウンタ111に対してリセットが行われる。カウンタ111から読み出されるカウント値は、カウンタ111のビット幅より大きいビット幅の画像信号を保持し得るフレームメモリ13に、順次積算されて保持される。このため、本実施形態によれば、カウンタ111のカウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the count value counted in a period shorter than the shortest time ΔTsat required for the count value of the counter 111 to reach the count upper limit value is read, and the counter 111 is read. Reset is performed. The count values read out from the counter 111 are sequentially accumulated and held in the frame memory 13 which can hold an image signal having a bit width larger than that of the counter 111. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to prevent the count value of the counter 111 from being saturated during the exposure period, and it is possible to obtain an image with good gradation.

(変形例1)
次に、本実施形態の変形例による固体撮像素子1について説明する。
本変形例による固体撮像素子1の、画素セル10に備えられたカウンタ111は、カウント値が飽和した場合、次のカウントで0にリセットされ、以降もカウント動作を繰り返すカウント動作を行う。加算回路12は、カウンタ111からi番目に読み出されたカウント値Ciから、カウント値Ciより1回前に同一のカウンタ111から読み出されたカウント値Ci-1を減算する。カウント値Ci-1は、カウント値Ci-1を読み出した際にフレームメモリ13に送られ記憶されており、カウント値Ciの読み出しの際に加算回路12へ送られ減算処理に用いられる。このとき得られる減算値は、2進数で表されたNビットのカウント値Ci、Ci-1に対し、カウント値Ci-1の補数に1を加え、カウント値Ciに加算することで得られるNビットの値である。加算回路12は、さらに、露光開始からi-1番目のカウント値読み出しまでに得られた減算値の積算値に、カウント値Ciからのカウント値Ci-1の減算値を加算する。フレームメモリ13は、露光開始からの減算値の、カウンタ111ごとの積算値とカウント値Ciとを記憶する。フレームメモリに記憶されたカウント値Ciは、カウント値の読み出しのたびに、カウンタ111ごとの最新のカウント値に更新される。
この構成においては、露光期間中のカウンタ111のリセットが不要となり、カウンタ111の駆動制御が簡略化される。
本実施形態によれば、カウンタ111のカウント値を露光期間中にリセットすることなく、階調の良好な画像を得ることができる。
(Modification 1)
Next, a solid-state imaging device 1 according to a modification of the present embodiment will be described.
The counter 111 provided in the pixel cell 10 of the solid-state imaging device 1 according to the present modification is reset to 0 at the next count when the count value is saturated, and performs the count operation repeating the count operation thereafter. The adder circuit 12 subtracts the count value Ci−1 read from the same counter 111 one time earlier than the count value Ci from the count value Ci read out from the counter 111 i. The count value Ci-1 is sent to and stored in the frame memory 13 when the count value Ci-1 is read, and sent to the addition circuit 12 when the count value Ci is read, and used for subtraction processing. The subtraction value obtained at this time is N obtained by adding 1 to the complement of count value Ci-1 and adding to count value Ci with respect to N-bit count value Ci and Ci-1 represented by binary numbers. It is a bit value. The addition circuit 12 further adds the subtraction value of the count value Ci-1 from the count value Ci to the integrated value of the subtraction values obtained from the exposure start to the i-1st count value readout. The frame memory 13 stores the integrated value for each counter 111 and the count value Ci of the subtraction value from the start of exposure. The count value Ci stored in the frame memory is updated to the latest count value for each counter 111 each time the count value is read.
In this configuration, it is not necessary to reset the counter 111 during the exposure period, and the drive control of the counter 111 is simplified.
According to the present embodiment, it is possible to obtain an image with good gradation without resetting the count value of the counter 111 during the exposure period.

(変形例2)
次に、本実施形態の別の変形例による固体撮像素子1について図8を用いて説明する。
本変形例による固体撮像素子1は、画素セル10に備えられたカウンタ111からカウント値が読み出される周期を被写体の輝度に応じて設定し得るものである。
(Modification 2)
Next, a solid-state imaging device 1 according to another modification of the present embodiment will be described with reference to FIG.
The solid-state imaging device 1 according to this modification can set the cycle in which the count value is read out from the counter 111 provided in the pixel cell 10 according to the luminance of the subject.

図8は、本変形例による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。図8は、読み出し動作の例を示している。ここでは、カウント期間ΔTaccにおいては、カウント値の読み出しが行われず、カウント期間ΔTaccが終了した後に、カウント値の読み出しが行われる場合を例に説明する。本変形例では、カウント期間ΔTacc中においてカウント値の読み出しが行われないため、カウンタ111の後段に位置する構成要素が駆動される頻度が低くなり、ひいては、消費電力が低減される。   FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device according to the present modification. FIG. 8 shows an example of the read operation. Here, the case where the reading of the count value is not performed in the counting period ΔTacc and the reading of the count value is performed after the counting period ΔTacc ends will be described as an example. In the present modification, since the reading of the count value is not performed during the count period ΔTacc, the frequency at which the component positioned downstream of the counter 111 is driven is reduced, and power consumption is thus reduced.

タイミングT800、T801における動作は、図1を用いて上述したタイミングT100、T101における動作と同様である。   The operation at timings T800 and T801 is similar to the operation at timings T100 and T101 described above with reference to FIG.

カウント期間ΔTaccにおいては、カウンタ111からのカウント値の読み出しは行われることはなく、カウンタ111によってパルス信号Poutのカウントが行われる。   During the count period ΔTacc, reading of the count value from the counter 111 is not performed, and the counter 111 counts the pulse signal Pout.

カウント開始のタイミングT801からカウント期間ΔTaccが経過したタイミングT802において、駆動制御部311がカウントイネーブル信号PENをローレベルにする。これにより、画素アレイ300に備えられた複数の画素セル10の全てにおいて、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutのカウンタ111によるカウントが停止される。カウントが停止された時点で各々の画素セル10のカウンタ111において得られているカウント値は、各々の画素セル10のカウンタ111によってそれぞれ保持される。この後、各々の画素セル10のカウンタ111からカウント値がそれぞれ読み出され、読み出された各々の画素信号がフレームメモリ13に記憶される。   At timing T802 when the count period ΔTacc has elapsed from timing T801 of the count start, the drive control unit 311 sets the count enable signal PEN to the low level. Thereby, in all of the plurality of pixel cells 10 provided in the pixel array 300, the counting by the counter 111 of the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 is stopped. The count value obtained in the counter 111 of each pixel cell 10 when the counting is stopped is held by the counter 111 of each pixel cell 10 respectively. Thereafter, the count value is read from the counter 111 of each pixel cell 10, and the read pixel signal is stored in the frame memory 13.

タイミングT803からT804においては、フレームメモリ13に記憶された各画素の画素信号が、固体撮像素子1の外部に出力される。こうして、1つのフレームに対応する画像の撮影が終了する。   At timings T803 to T804, the pixel signal of each pixel stored in the frame memory 13 is output to the outside of the solid-state imaging device 1. Thus, shooting of an image corresponding to one frame is completed.

本変形例による撮像装置には、不図示の測光手段が備えられている。測光手段は、被写体の輝度を判定し得る。測光手段としては、例えば測光センサ等を用い得るが、これに限定されるものではない。例えば、固体撮像素子1により取得される画素信号に基づいて、被写体の輝度を判定するようにしてもよい。   The imaging device according to the present modification is provided with a photometric unit (not shown). The photometric means can determine the brightness of the subject. For example, a photometric sensor or the like can be used as the photometric means, but it is not limited to this. For example, the luminance of the subject may be determined based on the pixel signal acquired by the solid-state imaging device 1.

カウント期間ΔTaccが終了するタイミングでカウンタ111のカウント値がカウント上限値に達するような被写体の輝度に基づいて閾値が設定される。被写体の輝度が閾値未満である場合には、カウンタ111のカウント値がカウント期間ΔTacc中にカウント上限値に達する可能性は低い。そこで、本変形例では、被写体の輝度が閾値以上である場合には、固体撮像素子1を第1の動作モードで動作させる。第1の動作モードは、図1乃至図7を用いて上述したような動作モードである。   A threshold value is set based on the luminance of the subject such that the count value of the counter 111 reaches the count upper limit value at the end of the count period ΔTacc. When the brightness of the subject is less than the threshold value, the possibility that the count value of the counter 111 reaches the count upper limit during the count period ΔTacc is low. Therefore, in the present modification, when the luminance of the subject is equal to or higher than the threshold value, the solid-state imaging device 1 is operated in the first operation mode. The first operation mode is the operation mode as described above with reference to FIGS. 1 to 7.

一方、被写体の輝度が閾値以上である場合には、カウンタ111のカウント値がカウント期間ΔTacc中にカウント上限値に達する可能性が高い。そこで、本変形例では、被写体の輝度が閾値未満である場合には、固体撮像素子1を第2の動作モードで動作させる。第2の動作モードは、図8を用いて上述したような動作モードである。   On the other hand, when the luminance of the subject is equal to or higher than the threshold, the count value of the counter 111 is likely to reach the count upper limit during the count period ΔTacc. Therefore, in the present modification, when the luminance of the subject is less than the threshold value, the solid-state imaging device 1 is operated in the second operation mode. The second operation mode is the operation mode as described above with reference to FIG.

なお、上記においては、カウント期間ΔTaccにおいては、カウント値の読み出しが行われず、カウント期間ΔTaccが終了した後に、カウント値の読み出しが行われる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、画素セル10に備えられたカウンタ111からカウント値が読み出される周期を、被写体の輝度に応じて設定するようにしてもよい。例えば、被写体の輝度が低くなるに従って、画素セル10に備えられたカウンタ111からカウント値が読み出される周期が長くなるようにしてもよい。   In the above description, reading of the count value is not performed in the count period ΔTacc, and reading of the count value is performed after the count period ΔTacc is completed. Absent. For example, the cycle in which the count value is read out from the counter 111 provided in the pixel cell 10 may be set according to the luminance of the subject. For example, as the luminance of the subject decreases, the cycle in which the count value is read out from the counter 111 provided in the pixel cell 10 may be made longer.

本実施形態によれば、画素セル10に備えられたカウンタ111からカウント値が読み出される周期を、被写体の輝度に応じて設定する。このため、本実施形態によれば、被写体の輝度が低い場合には、カウンタ111の後段に位置する構成要素が駆動される頻度が低くなり、消費電力の低減を図ることが可能である。   According to the present embodiment, the cycle in which the count value is read out from the counter 111 provided in the pixel cell 10 is set according to the luminance of the subject. For this reason, according to the present embodiment, when the luminance of the subject is low, the frequency at which the component positioned downstream of the counter 111 is driven is low, and power consumption can be reduced.

[第2実施形態]
第2実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を図9及び図10を用いて説明する。図1乃至図8に示す第1実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。
Second Embodiment
A solid-state imaging device, an imaging device, and an imaging method according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10. The same members of the present embodiment as those of the solid-state imaging device, the imaging device and the imaging method according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 are represented by the same reference numbers not to repeat or to simplify their explanation.

本実施形態による固体撮像素子は、カウンタ111aのビット幅よりも小さい数の配線が備えられたバスライン122aを介して、カウンタ111aによって取得されるカウント値が読み出されるものである。   In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the count value obtained by the counter 111a is read out via the bus line 122a provided with a number of wires smaller than the bit width of the counter 111a.

図9は、本実施形態による固体撮像素子1aを示す図である。
画素アレイ300には、複数の画素セル10aが行列状に配されている。画素セル10aに備えられた計数部110aには、ビット幅がNのカウンタ111aが備えられている。カウンタ111aは、上位ビット部112と、下位ビット部113と、桁上がりメモリ114とを備えている。上位ビット部112のビット幅は、Lである。ここでは、LがN/2である場合を例に説明するが、これに限定されるものではない。下位ビット部113のビット幅は、(N−L)である。ここでは、LがN/2である場合を例に説明するため、(N−L)もN/2である。桁上がりメモリ114は、下位ビット部113の桁上がりを示す情報を取得するとともに保持する。桁上がりメモリ114のビット幅は、例えば1である。
FIG. 9 is a view showing a solid-state imaging device 1a according to the present embodiment.
In the pixel array 300, a plurality of pixel cells 10a are arranged in a matrix. The counting unit 110a provided in the pixel cell 10a is provided with a counter 111a having a bit width of N. The counter 111 a includes an upper bit unit 112, a lower bit unit 113, and a carry memory 114. The bit width of the upper bit part 112 is L. Here, although the case where L is N / 2 is described as an example, the present invention is not limited to this. The bit width of the lower bit portion 113 is (N−L). Here, (N−L) is also N / 2 in order to explain an example where L is N / 2. The carry memory 114 acquires and holds information indicating the carry of the lower bit portion 113. The bit width of the carry memory 114 is, for example, one.

下位ビット部113には、駆動制御部311からカウントイネーブル信号PENが供給される。カウントイネーブル信号PENがハイレベルの際、下位ビット部113はカウント動作を行い得る。カウントイネーブル信号PENがローレベルの際、下位ビット部113はカウント動作を停止し、カウント動作が停止する直前のカウント値を保持する。   The count enable signal PEN is supplied from the drive control unit 311 to the lower bit unit 113. When the count enable signal PEN is at the high level, the lower bit unit 113 can perform the counting operation. When the count enable signal PEN is at low level, the lower bit unit 113 stops the count operation and holds the count value immediately before the count operation is stopped.

上位ビット部112には、駆動制御部311から上位ビットイネーブル信号PEN1が供給される。上位ビットイネーブル信号PEN1がハイレベルの際、上位ビット部112はカウント動作を行い得る。上位ビットイネーブル信号PEN1がローレベルの際、上位ビット部112はカウント動作を停止し、カウント動作が停止する直前のカウント値を保持する。   The upper bit enable signal PEN1 is supplied to the upper bit unit 112 from the drive control unit 311. When the upper bit enable signal PEN1 is at high level, the upper bit unit 112 can perform counting operation. When the upper bit enable signal PEN1 is at low level, the upper bit unit 112 stops the count operation and holds the count value immediately before the stop of the count operation.

桁上がりメモリ114には、上位ビットイネーブル信号PEN1の反転信号が入力される。なお、図面においては、バーが付されたPEN1という符号を用いて、上位ビットイネーブル信号PEN1の反転信号が示されており、明細書においては、/PEN1という符号を用いて上位ビットイネーブル信号PEN1の反転信号が示されている。   The carry memory 114 receives an inverted signal of the upper bit enable signal PEN1. In the drawing, the inverted signal of the upper bit enable signal PEN1 is shown using the symbol PEN1 with a bar, and in the specification, the upper bit enable signal PEN1 is represented using the code / PEN1. An inverted signal is shown.

桁上がりメモリ114は、上位ビットイネーブル信号PEN1がローレベルの際、即ち、上位ビット部112のカウント動作が停止している際、上位ビット部112の最下位ビットと同様のカウント動作を行う。下位ビット部113のカウント値が下位ビット部113のカウント上限値を超えていない場合には、桁上がりメモリ114には桁上がり情報が記憶されていない。即ち、かかる場合には、桁上がりメモリ114に例えばローレベルの桁上がり信号が記憶されている。一方、下位ビット部113のカウント値が下位ビット部113のカウント上限値を超えた場合には、桁上がりメモリ114に桁上がり情報が記憶される。即ち、かかる場合には、桁上がりメモリ114に例えばハイレベルの桁上がり信号が記憶される。下位ビット部113のカウント値がカウント上限値である(2N−L−1)からカウント下限値である0に戻ると、桁上がりメモリ114にはハイレベルの桁上がり信号が記憶される。このように、桁上がりメモリ114は、上位ビット部112のカウント動作が停止している間に、上位ビット部112のカウント値がカウント上限値を超えたか否かを示す。このため、上位ビット部112のカウント動作が停止している間に、下位ビット部113のカウント値が下位ビット部113のカウント上限値を超えた場合であっても、桁上がりメモリ114に記憶された情報を用いてカウント値を補い得る。このため、本実施形態によれば、カウント値に関する情報の欠落を防止することができる。 The carry memory 114 performs the same counting operation as the least significant bit of the upper bit unit 112 when the upper bit enable signal PEN1 is at low level, that is, when the counting operation of the upper bit unit 112 is stopped. If the count value of the lower bit portion 113 does not exceed the count upper limit value of the lower bit portion 113, no carry information is stored in the carry memory 114. That is, in this case, for example, a low level carry signal is stored in the carry memory 114. On the other hand, when the count value of the lower bit portion 113 exceeds the count upper limit value of the lower bit portion 113, carry information is stored in the carry memory 114. That is, in this case, for example, a high level carry signal is stored in the carry memory 114. When the count value of the lower bit portion 113 returns from (2 N-L- 1) which is the count upper limit value to 0 which is the count lower limit value, the carry memory 114 stores a high level carry signal. As described above, the carry memory 114 indicates whether or not the count value of the upper bit part 112 exceeds the count upper limit while the count operation of the upper bit part 112 is stopped. Therefore, even when the count value of lower bit portion 113 exceeds the upper limit value of lower bit portion 113 while the count operation of upper bit portion 112 is stopped, it is stored in carry memory 114. The count information can be supplemented using the above information. For this reason, according to the present embodiment, it is possible to prevent the information related to the count value from being lost.

上位ビット部112には、駆動制御部311からリセット信号PRES1が供給される。リセット信号PRES1がハイレベルになると、上位ビット部112のカウント値がリセットされる。下位ビット部113には、駆動制御部311からリセット信号PRES2が供給される。リセット信号PRES2がハイレベルになると、下位ビット部113のカウント値がリセットされる。下位ビット部113には、駆動制御部311からデータシフト信号PDSが供給される。データシフト信号PDSがハイレベルになると、下位ビット部113のカウント値が上位ビット部112に書き込まれる。桁上がりメモリ114には、駆動制御部311からリセット信号PRES3が供給される。リセット信号PRES3がハイレベルになると、桁上がりメモリ114に保持された桁上がり情報がリセットされる。   The reset signal PRES1 is supplied from the drive control unit 311 to the upper bit unit 112. When the reset signal PRES1 becomes high level, the count value of the upper bit unit 112 is reset. The lower bit unit 113 is supplied with a reset signal PRES 2 from the drive control unit 311. When the reset signal PRES2 becomes high level, the count value of the lower bit portion 113 is reset. The data shift signal PDS is supplied from the drive control unit 311 to the lower bit unit 113. When the data shift signal PDS becomes high level, the count value of the lower bit part 113 is written to the upper bit part 112. The carry memory 114 is supplied with a reset signal PRES3 from the drive control unit 311. When the reset signal PRES3 becomes high level, the carry information held in the carry memory 114 is reset.

バスライン122aには、上位ビット部112のビット幅に対応するL本の配線が備えられている。上位ビット部112の最下位ビットの信号は、選択スイッチ123及び選択スイッチ121aを介して、バスライン122aの最下位ビットの配線に出力される。上位ビット部112の最下位ビットを除くビットの信号は、選択スイッチ121aを介して、バスライン122aの最下位ビットを除くビットの配線にそれぞれ出力される。バスライン122aに備えられたL本の配線のうち、上位ビット部112の最下位ビットからの信号が供給される配線には、桁上がりメモリ114からの信号が選択スイッチ123を介して供給される。上位ビット部112の最下位ビットからの信号と、桁上がりメモリ114からの信号とのうちのいずれかが、選択スイッチ123によって選択的にバスライン122aの最下位ビットの配線に供給される。選択スイッチ123には、駆動制御部311から画素選択信号PSEL2が供給される。選択スイッチ121aには、駆動制御部311から画素選択信号PSEL1が供給される。   The bus line 122 a is provided with L wirings corresponding to the bit width of the upper bit portion 112. The signal of the least significant bit of the upper bit portion 112 is output to the wiring of the least significant bit of the bus line 122 a via the selection switch 123 and the selection switch 121 a. The signal of bits other than the least significant bit of the upper bit part 112 is output to the wiring of bits other than the least significant bit of the bus line 122a through the selection switch 121a. A signal from the carry memory 114 is supplied through the selection switch 123 to the wiring to which the signal from the least significant bit of the upper bit portion 112 is supplied among the L wirings provided on the bus line 122a. . One of the signal from the least significant bit of the upper bit portion 112 and the signal from the carry memory 114 is selectively supplied by the selection switch 123 to the wiring of the least significant bit of the bus line 122 a. The pixel selection signal PSEL2 is supplied from the drive control unit 311 to the selection switch 123. The pixel selection signal PSEL1 is supplied from the drive control unit 311 to the selection switch 121a.

読み出しメモリ11aのビット幅は、N+1である。読み出しメモリ11aに備えられたN+1ビットのメモリ領域のうちのNビットのメモリ領域118には、カウンタ111aによって取得されるカウント値が格納される。読み出しメモリ11aに備えられたN+1ビットのメモリ領域のうちの1ビットのメモリ領域117には、桁上がりメモリ114によって取得される情報が格納される。メモリ領域118は、上位ビット部115と、下位ビット部116とが備えられている。上位ビット部115のビット幅は、Lである。下位ビット部116のビット幅は、(N−L)である。読み出しメモリ11aの上位ビット部115には、カウンタ111aによって取得されるカウント値の上位ビットのデータがバスライン122aを介して入力される。読み出しメモリ11aの下位ビット部116には、カウンタ111aによって取得されるカウント値の下位ビットのデータがバスライン122aを介して入力される。バスライン122aの最下位ビットの配線は、読み出しメモリ11aの下位ビット部116の最下位ビットのみならず、メモリ領域117にも接続されている。   The bit width of the read memory 11a is N + 1. The count value acquired by the counter 111a is stored in the N bit memory area 118 of the N + 1 bit memory area provided in the read memory 11a. Information acquired by the carry memory 114 is stored in a 1-bit memory area 117 of the (N + 1) -bit memory area provided in the read memory 11 a. The memory area 118 is provided with an upper bit portion 115 and a lower bit portion 116. The bit width of the upper bit part 115 is L. The bit width of the lower bit portion 116 is (N−L). Data of the upper bits of the count value acquired by the counter 111a is input to the upper bit unit 115 of the read memory 11a via the bus line 122a. Data of lower bits of the count value acquired by the counter 111a is input to the lower bit portion 116 of the read memory 11a through the bus line 122a. The wiring of the least significant bit of the bus line 122a is connected not only to the least significant bit of the lower bit portion 116 of the read memory 11a but also to the memory area 117.

読み出しメモリ11aの上位ビット部115には、駆動制御部311からメモリ選択信号PMEM1が供給される。メモリ選択信号PMEM1がハイレベルになると、カウンタ111aからバスライン122aに供給されている信号が、読み出しメモリ11aの上位ビット部115に書き込まれる。読み出しメモリ11aの下位ビット部116には、駆動制御部311からメモリ選択信号PMEM2が供給される。メモリ選択信号PMEM2がハイレベルになると、カウンタ111aからバスライン122aに供給されている信号が、読み出しメモリ11の下位ビット部116に書き込まれる。読み出しメモリ11aのメモリ領域117には、駆動制御部311からメモリ選択信号PMEM3が供給される。メモリ選択信号PMEM3がハイレベルになると、桁上がりメモリ114からバスライン122aに供給されている信号が、メモリ領域117に書き込まれる。読み出しメモリ11aには、駆動制御部311から読み出し信号PRDが供給される。読み出し信号PRDがハイレベルになると、読み出しメモリ11aのメモリ領域118に保持されたカウント値と、読み出しメモリ11aのメモリ領域117に保持された桁上がり信号とが、加算回路12に送信される。読み出しメモリ11aから読み出されたカウント値と桁上がり信号とは、加算回路12に入力され、画素信号の算出に用いられる。   The memory selection signal PMEM1 is supplied from the drive control unit 311 to the upper bit unit 115 of the read memory 11a. When the memory selection signal PMEM1 becomes high level, the signal supplied from the counter 111a to the bus line 122a is written to the upper bit section 115 of the read memory 11a. The memory selection signal PMEM2 is supplied from the drive control unit 311 to the lower bit portion 116 of the read memory 11a. When the memory selection signal PMEM2 becomes high level, the signal supplied from the counter 111a to the bus line 122a is written to the lower bit portion 116 of the read memory 11. The memory selection signal PMEM3 is supplied from the drive control unit 311 to the memory area 117 of the read memory 11a. When the memory selection signal PMEM 3 becomes high level, the signal supplied from the carry memory 114 to the bus line 122 a is written to the memory area 117. The read signal PRD is supplied from the drive control unit 311 to the read memory 11 a. When the read signal PRD becomes high level, the count value held in the memory area 118 of the read memory 11a and the carry signal held in the memory area 117 of the read memory 11a are sent to the addition circuit 12. The count value and the carry signal read out from the read out memory 11a are input to the addition circuit 12 and used to calculate the pixel signal.

本実施形態による固体撮像素子1に備えられた構成要素のうちの上記以外の構成要素は、第1実施形態による固体撮像素子1の構成要素と同様である。   The components other than the above among the components provided in the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment are the same as the components of the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment.

次に、本実施形態による固体撮像素子の動作について図10を用いて説明する。図10は、カウンタ111aのカウント値の遷移を示す図である。カウンタ111aのビット幅がNであるため、カウンタ111aがカウント可能な最大値であるカウント上限値は(2−1)である。本実施形態においても、第1実施形態と同様に、カウンタ111aのカウント値がカウント上限値に達するのに要する最短時間はΔTsatである。 Next, the operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows the transition of the count value of the counter 111a. Since the bit width of the counter 111a is N, the count upper limit, which is the maximum value that the counter 111a can count, is (2 N -1). Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the shortest time required for the count value of the counter 111a to reach the count upper limit value is ΔTsat.

但し、本実施形態では、後述するように、カウンタ111aの下位ビット部113のカウント値の読み出しがカウント期間中に行われず、また、カウンタ111aの下位ビット部113のリセットもカウント期間中に行われない。カウンタ111aのカウント値が(2(N−L)−1)からカウント上限値(2−1)に達するまでに要する最短時間ΔTsat1は、以下のような式(2)によって表される。
ΔTsat1 = ΔTp×(2−2(N−L)) ・・・(2)
However, in the present embodiment, as described later, reading of the count value of the lower bit portion 113 of the counter 111a is not performed during the count period, and reset of the lower bit portion 113 of the counter 111a is also performed during the count period. Absent. The shortest time ΔTsat1 required for the count value of the counter 111 a to reach the count upper limit value (2 N −1) from (2 (N−L) −1) is expressed by the following equation (2).
ΔTsat1 = ΔTp × (2 N −2 (N−L) ) (2)

なお、2(N−L)−1は、上位ビット部112のカウント値が0であり、且つ、下位ビット部113のカウント値がカウント上限値である際のカウンタ111aのカウント値である。また、(2−1)は、上位ビット部112がカウント上限値であり、且つ、下位ビット部113のカウント値がカウント上限値である際のカウンタ111aのカウント値である。カウンタ111aの上位ビット部112に対する読み出しとリセットとを、最短時間ΔTsat1以下の周期で行うようにすれば、カウンタ111aが飽和するのを防止しつつ、パルス信号Poutをカウントし得る。 Note that 2 (N−L) −1 is the count value of the counter 111 a when the count value of the upper bit unit 112 is 0 and the count value of the lower bit unit 113 is the count upper limit value. Also, (2 N −1) is the count value of the counter 111a when the upper bit part 112 is the count upper limit value and the count value of the lower bit part 113 is the count upper limit value. If reading and resetting of the upper bit portion 112 of the counter 111a are performed in a cycle of the shortest time ΔTsat1 or less, the pulse signal Pout can be counted while preventing the counter 111a from being saturated.

また、本実施形態では、カウンタ111aの上位ビット部112に対して読み出しとリセットとを行っている際、下位ビット部113の最上位ビットからの桁上がりを示す桁上がり信号を、桁上がりメモリ114によって保持する。桁上がりメモリ114に保持された桁上がり信号は、上位ビット部112のカウント動作が再開された後に読み出され、カウント値に基づく画素信号を算出する際に用いられる。   Further, in the present embodiment, when reading and resetting the upper bit portion 112 of the counter 111 a, a carry signal indicating a carry from the most significant bit of the lower bit portion 113 is stored in the carry memory 114. Hold by The carry signal held in the carry memory 114 is read out after the count operation of the upper bit unit 112 is resumed, and is used when calculating a pixel signal based on the count value.

図10は、本実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。図10(A)には、カウント期間ΔTacc中にカウントされる光子の総数が画素毎に取得され、1フレーム分の画像信号が生成される動作が示されている。   FIG. 10 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 10A shows an operation in which the total number of photons counted during the count period ΔTacc is acquired for each pixel, and an image signal of one frame is generated.

タイミングT1000において、駆動制御部311が、パルス状のリセット信号PRES1、PRES2、PRES3を、全ての画素セル10aにそれぞれ備えられたカウンタ111aに供給する。これにより、全ての画素セル10aのカウンタ111aがリセットされ、1フレーム分の撮影動作が開始される。カウンタ111aからカウント値の読み出しが開始されるタイミングよりも前のタイミングで、フレームメモリ13がリセットされる。ここでは、タイミングT1000において、フレームメモリ13がリセットされる場合を例に説明する。   At timing T1000, the drive control unit 311 supplies the pulse-like reset signals PRES1, PRES2, and PRES3 to the counters 111a respectively provided to all the pixel cells 10a. As a result, the counters 111a of all the pixel cells 10a are reset, and a photographing operation for one frame is started. The frame memory 13 is reset at a timing prior to the timing at which the reading of the count value from the counter 111a is started. Here, the case where the frame memory 13 is reset at timing T1000 will be described as an example.

タイミングT1001における動作は、図1を用いて上述した第1実施形態による固体撮像素子1のタイミングT101における動作と同様である。即ち、タイミングT1001において、駆動制御部311が、ハイレベルのカウントイネーブル信号PENを、全ての画素セル10にそれぞれ備えられたカウンタ111に供給する。これにより、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutのカウンタ111によるカウントが、全ての画素セル10aにおいて開始される。   The operation at timing T1001 is the same as the operation at timing T101 of the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment described above with reference to FIG. That is, at timing T1001, the drive control unit 311 supplies the count enable signal PEN of high level to the counters 111 respectively provided to all the pixel cells 10. Thereby, the counting by the counter 111 of the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 is started in all the pixel cells 10a.

タイミングT1002において、第1回目のカウント値の読み出しが開始される。ここでは、カウンタ111aの上位ビット部112からカウント値が読み出され、また、桁上がりメモリ114から桁上がり信号が読み出される。   At timing T1002, the first reading of the count value is started. Here, the count value is read from the upper bit section 112 of the counter 111a, and the carry signal is read from the carry memory 114.

ここで、タイミングT1002からT1010までの動作を、図10(B)を用いて説明する。   Here, the operation from timing T1002 to T1010 will be described with reference to FIG.

タイミングT1002において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aに供給する上位ビットイネーブル信号PEN1をローレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの上位ビット部112のカウント動作が停止する。画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの桁上がりメモリ114には、上位ビットイネーブル信号PEN1の反転信号/PEN1が入力される。これにより、下位ビット部113の最上位ビットからの桁上がりを桁上がりメモリ114によって検出することが可能となる。また、駆動制御部311が、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aに備えられた選択スイッチ121aに供給する画素選択信号PSEL1をハイレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aが選択され、カウンタ111aの上位ビット部112のカウント値がバスライン122aを介して出力される。   At timing T1002, the drive control unit 311 sets the upper bit enable signal PEN1 supplied to the pixel cells 10a located in the first row of the pixel array 300 to the low level. As a result, the counting operation of the upper bit portion 112 of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 is stopped. An inverted signal / PEN1 of the upper bit enable signal PEN1 is input to the carry memory 114 of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300. Thus, the carry memory 114 can detect a carry from the most significant bit of the lower bit portion 113. In addition, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL1 supplied to the selection switch 121a provided in the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 to a high level. As a result, the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 is selected, and the count value of the upper bit portion 112 of the counter 111a is output via the bus line 122a.

タイミングT1003において、駆動制御部311は、パルス状のメモリ選択信号PMEM1を読み出しメモリ11aに供給する。これにより、画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112から出力されたカウント値は、読み出しメモリ11aの上位ビット部115に記憶される。   At timing T1003, the drive control unit 311 supplies the pulsed memory selection signal PMEM1 to the read memory 11a. As a result, the count value output from the upper bit unit 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a is stored in the upper bit unit 115 of the readout memory 11a.

タイミングT1004において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112にパルス状のリセット信号PRES1を供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112がリセットされる。即ち、カウント値の出力が完了した画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112がリセットされる。   At timing T1004, the drive control unit 311 supplies the pulse-like reset signal PRES1 to the upper bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300. As a result, the upper bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 is reset. That is, the upper bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a for which the output of the count value is completed is reset.

タイミングT1005において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aに供給する上位ビットイネーブル信号PEN1をハイレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112のカウント動作が再開される。即ち、リセットされたカウンタ111aの上位ビット部112のカウント動作が再開される。また、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの桁上がりメモリ114には、上位ビットイネーブル信号PEN1の反転信号/PEN1が入力される。このため、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの桁上がりメモリ114は、下位ビット部113の最上位ビットからの桁上がりの検出を停止する。また、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの選択スイッチ123に供給する画素選択信号PSEL2をハイレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの桁上がりメモリ114によって取得された桁上がり信号が、バスライン122aを介して出力される。   At timing T1005, the drive control unit 311 sets the upper bit enable signal PEN1 supplied to the counters 111a of the pixel cells 10a located in the first row of the pixel array 300 to a high level. Thereby, the count operation of the upper bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 is resumed. That is, the counting operation of the upper bit unit 112 of the reset counter 111a is resumed. In addition, the inverted signal / PEN1 of the upper bit enable signal PEN1 is input to the carry memory 114 of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300. Therefore, the carry memory 114 of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 stops detecting the carry from the most significant bit of the lower bit portion 113. Further, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL2 supplied to the selection switch 123 of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 to the high level. As a result, the carry signal acquired by the carry memory 114 of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 is output via the bus line 122a.

タイミングT1006において、駆動制御部311は、パルス状のメモリ選択信号PMEM3を読み出しメモリ11aに供給する。これにより、画素セル10aの桁上がりメモリ114から出力された桁上がり信号は、読み出しメモリ11aのメモリ領域117に記憶される。   At timing T1006, the drive control unit 311 supplies the pulsed memory selection signal PMEM3 to the read memory 11a. As a result, the carry signal output from the carry memory 114 of the pixel cell 10 a is stored in the memory area 117 of the read memory 11 a.

タイミングT1007において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの選択スイッチ121aに供給する画素選択信号PSEL1をローレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aに備えられた上位ビット部112及び桁上がりメモリ114がバスライン122aに接続されない状態となる。また、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aにパルス状のリセット信号PRES3を供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの桁上がりメモリ114がリセットされる。即ち、桁上がり信号の出力が完了した桁上がりメモリ114がリセットされる。また、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aの選択スイッチ123に供給される画素選択信号PSEL2をローレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112の最下位ビットの出力端子が、選択スイッチ123を介して選択スイッチ121aに接続された状態となる。   At timing T1007, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL1 supplied to the selection switch 121a of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 to the low level. As a result, the upper bit portion 112 and the carry memory 114 provided in the counter 111a of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 are not connected to the bus line 122a. In addition, the drive control unit 311 supplies a pulse-like reset signal PRES3 to the pixel cells 10a located in the first row of the pixel array 300. As a result, the carry memory 114 of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 is reset. That is, the carry memory 114 which has completed the output of the carry signal is reset. Further, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL2 supplied to the selection switch 123 of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 to the low level. Thus, the output terminal of the least significant bit of the upper bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 is connected to the selection switch 121a via the selection switch 123. Become.

タイミングT1007からT1008までにおいて、駆動制御部311は、画素アレイ300の複数の列の各々に対応する複数の読み出しメモリ11aに読み出し信号PRDを順次供給する。これにより、複数の読み出しメモリ11aにそれぞれ保持されたカウント値及び桁上がり信号が、加算回路12に順次出力される。加算回路12は、メモリ領域117からの桁上がり信号が例えばハイレベルの場合には、上位ビット部115からのカウント値に対して1を加える。一方、加算回路12は、メモリ領域117からの桁上がり信号が例えばローレベルの場合には、上位ビット部115からのカウント値に対して例えば0を加える。こうして、加算回路12によって加算処理が順次行われる。加算回路12による加算処理によって得られた各々のカウント値は、下位の(N−L)ビットのデータがすべて0であるNビットの画素信号として、フレームメモリ13に順次記憶される。   From timing T1007 to T1008, the drive control unit 311 sequentially supplies the readout signal PRD to the plurality of readout memories 11a corresponding to each of the plurality of columns of the pixel array 300. Thereby, the count value and the carry signal respectively held in the plurality of read memories 11 a are sequentially output to the adder circuit 12. The adder circuit 12 adds 1 to the count value from the upper bit unit 115 when the carry signal from the memory area 117 is, for example, high level. On the other hand, the adding circuit 12 adds, for example, 0 to the count value from the upper bit unit 115 when the carry signal from the memory area 117 is, for example, low level. Thus, addition processing is sequentially performed by the addition circuit 12. Each count value obtained by the addition processing by the addition circuit 12 is sequentially stored in the frame memory 13 as an N-bit pixel signal in which all the lower (NL) bit data is 0.

この後、タイミングT1002からT1008までの動作と同様の動作が、画素アレイ300の第2番目の行から第J番目の行まで順次行われる。タイミングT1010において、第J番目の行に対する読み出しの処理が完了する。   Thereafter, the same operation as the operation from timing T1002 to T1008 is sequentially performed from the second row to the J-th row of the pixel array 300. At timing T1010, the read process for the Jth row is completed.

タイミングT1001は、画素アレイ300に備えられた全ての画素セル10aにおいてカウント動作が開始されるタイミングである。タイミングT1009は、第J番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112のカウント動作が停止されるタイミングである。タイミングT1001からタイミングT1009までの期間ΔTread1は、最短時間ΔTsat1以下に設定される。このようにΔTreadを設定することにより、画素アレイ300に備えられた全ての画素セル10aのカウンタ111aがカウント上限値に達する前に、カウント値の読み出しを完了することができる。   Timing T1001 is timing when the count operation is started in all the pixel cells 10a included in the pixel array 300. Timing T1009 is timing when the counting operation of the upper bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a located in the J-th row is stopped. A period ΔTread1 from the timing T1001 to the timing T1009 is set to the shortest time ΔTsat1 or less. By setting ΔTread in this manner, readout of the count value can be completed before the counters 111a of all the pixel cells 10a included in the pixel array 300 reach the count upper limit value.

上述したように、タイミングT1002においては、第1回目のカウント値の読み出しが開始される。タイミングT1002から期間ΔTread1が経過したタイミングT1011において、第2回目のカウント値の読み出しが開始される。第2回目のカウント値の読み出しにおいても、第1回目のカウント値の読み出しと同様に、画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112からカウント値が読み出され、また、桁上がりメモリ114から桁上がり信号が読み出される。加算回路12は、タイミングT1007からT1008において加算回路12によって行われた加算処理と同様の加算処理を行い、加算処理によって得られるカウント値を、フレームメモリ13に記憶された画素信号に順次加算する。加算回路12による加算処理によって得られる画素信号は、フレームメモリ13に記憶される。タイミングT1012において、画素アレイ300の第J番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112のカウンタ動作が停止される。上述したように、タイミングT1009は、第2回目のカウント値の読み出しにおいて第J番目の行に位置するカウンタ111aが停止されるタイミングである。タイミングT1012は、第2回目のカウント値の読み出しにおいて第J番目の行に位置するカウンタ111aが停止されるタイミングである。タイミングT1009からタイミングT1012までの期間ΔTread1も、上述した最短時間ΔTsat1以下に設定される。こうして、第2回目のカウント値の読み出しが行われる。   As described above, at timing T1002, the first reading of the count value is started. At timing T1011 after the period ΔTread1 has elapsed from timing T1002, the second reading of the count value is started. Also in the second reading of the count value, the count value is read from the high-order bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a as in the first reading of the count value. The rising signal is read out. The addition circuit 12 performs addition processing similar to the addition processing performed by the addition circuit 12 at timings T1007 to T1008, and sequentially adds the count value obtained by the addition processing to the pixel signal stored in the frame memory 13. The pixel signal obtained by the addition processing by the addition circuit 12 is stored in the frame memory 13. At timing T1012, the counter operation of the upper bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a located in the J-th row of the pixel array 300 is stopped. As described above, timing T1009 is timing at which the counter 111a located in the J-th row is stopped in the second reading of the count value. A timing T1012 is a timing at which the counter 111a located in the J-th row is stopped in the second reading of the count value. The period ΔTread1 from the timing T1009 to the timing T1012 is also set equal to or less than the above-described shortest time ΔTsat1. Thus, the second reading of the count value is performed.

上述したように、タイミングT1011においては、第2回目のカウント値の読み出しが開始される。タイミングT1011から期間ΔTread1が経過したタイミングT1013において、第3回目のカウント値の読み出しが開始される。タイミングT1013以降においても、カウントイネーブル信号PENがローレベルに遷移するまでの間、タイミングT1011からT1013までと同様の動作が繰り返される。   As described above, at timing T1011, the second reading of the count value is started. At timing T1013 after the period ΔTread1 has elapsed from timing T1011, the third reading of the count value is started. Also after timing T1013, the same operation as timing T1011 to T1013 is repeated until the count enable signal PEN transitions to the low level.

カウントが開始されるタイミングT1001からカウント期間ΔTaccが経過したタイミングT1014において、駆動制御部311が、カウントイネーブル信号PENをローレベルに遷移させる。これにより、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutに対するカウントが、全ての画素セル10aのカウンタ111aにおいて停止される。画素アレイ300に備えられた複数の画素セル10aの各々に備えられたカウンタ111aは、カウント値をそれぞれ保持する。この後、各々の画素セル10aのカウンタ111aから、上位ビット部112のカウント値及び下位ビット部113のカウント値を読み出す。即ち、Nビット分のカウント値が各々の画素セル10aのカウンタ111aから読み出される。加算回路12は、こうして読み出されるカウント値を、フレームメモリ13から読み出される画素信号に加算する。加算回路12による加算処理によって得られる画素信号は、フレームメモリ13に記憶される。   At timing T1014 when the count period ΔTacc has elapsed from timing T1001 at which counting is started, the drive control unit 311 causes the count enable signal PEN to transition to the low level. As a result, counting of the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 is stopped at the counters 111 a of all the pixel cells 10 a. The counters 111 a provided in each of the plurality of pixel cells 10 a provided in the pixel array 300 respectively hold count values. Thereafter, the count value of the upper bit portion 112 and the count value of the lower bit portion 113 are read out from the counters 111a of the respective pixel cells 10a. That is, the count value for N bits is read out from the counter 111a of each pixel cell 10a. The adder circuit 12 adds the count value read out in this manner to the pixel signal read out from the frame memory 13. The pixel signal obtained by the addition processing by the addition circuit 12 is stored in the frame memory 13.

ここで、タイミングT1014からT1020までの動作について図10(C)を用いて説明する。   Here, the operation from timing T1014 to T1020 will be described with reference to FIG.

タイミングT1014において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10aの各々に供給する画素選択信号PSEL1をハイレベルに遷移させる。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10aが選択される。   At timing T1014, the drive control unit 311 causes the pixel selection signal PSEL1 supplied to each of the plurality of pixel cells 10a located in the first row of the pixel array 300 to transition to the high level. Thus, the plurality of pixel cells 10a located in the first row of the pixel array 300 are selected.

タイミングT1015において、駆動制御部311は、読み出しメモリ11aの上位ビット部115にパルス状のメモリ選択信号PMEM1を供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112のカウント値が、読み出しメモリ11aの上位ビット部115に保持される。   At timing T1015, the drive control unit 311 supplies a pulsed memory selection signal PMEM1 to the upper bit unit 115 of the read memory 11a. As a result, the count value of the upper bit portion 112 of the counters 111a of the plurality of pixel cells 10a located in the first row of the pixel array 300 is held in the upper bit portion 115 of the readout memory 11a.

タイミングT1016において、駆動制御部311は、パルス状のデータシフト信号PDSをカウンタ111aの下位ビット部113に供給する。これにより、カウンタ111aの下位ビット部113のカウント値が、当該カウンタ111aの上位ビット部112に書き込まれる。当該カウンタ111aの上位ビット部112は、書き込まれたカウント値と保持する。   At timing T1016, the drive control unit 311 supplies the pulse-like data shift signal PDS to the lower bit portion 113 of the counter 111a. As a result, the count value of the lower bit portion 113 of the counter 111a is written to the upper bit portion 112 of the counter 111a. The upper bit unit 112 of the counter 111a holds the written count value.

タイミングT1017において、駆動制御部311は、読み出しメモリ11aの下位ビット部116にパルス状のメモリ選択信号PMEM2を供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10aのカウンタ111aの下位ビット部113によって取得されたカウント値が、読み出しメモリ11aの下位ビット部116に保持される。このように、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10aのカウンタ111aの下位ビット部113によって取得されたカウント値は、当該カウンタ111aの上位ビット部112を介して読み出しメモリ11aの下位ビット部116に格納される。   At timing T1017, the drive control unit 311 supplies a pulse-like memory selection signal PMEM2 to the lower bit portion 116 of the read memory 11a. As a result, the count value acquired by the lower bit portion 113 of the counters 111a of the plurality of pixel cells 10a located in the first row of the pixel array 300 is held in the lower bit portion 116 of the readout memory 11a. Thus, the count value acquired by the lower bit portion 113 of the counter 111a of the pixel cell 10a located in the first row of the pixel array 300 is read out via the upper bit portion 112 of the counter 111a. It is stored in the lower bit part 116.

タイミングT1018からT1019までの間、駆動制御部311は、画素アレイ300の複数の列の各々に対応する複数の読み出しメモリ11aに読み出し信号PRDを順次供給する。これにより、複数の読み出しメモリ11aにそれぞれ保持されたカウント値が、加算回路12に順次出力される。加算回路12は、こうして読み出されるカウント値を、フレームメモリ13から読み出される画素信号に加算する。加算回路12による加算処理によって得られる画素信号は、フレームメモリ13に記憶される。なお、この際には、桁上がり信号の加算処理は加算回路12によって行われない。この後、タイミングT1020までの間、タイミングT1014からT1019までの動作と同様の動作が、画素アレイ300の第2番目の行から第J番目の行まで順次行われる。タイミングT1020において、第J番目の行に対する読み出しの処理が完了する。   During timing T1018 to T1019, the drive control unit 311 sequentially supplies the readout signal PRD to the plurality of readout memories 11a corresponding to each of the plurality of columns of the pixel array 300. Thus, the count values respectively stored in the plurality of read memories 11 a are sequentially output to the adder circuit 12. The adder circuit 12 adds the count value read out in this manner to the pixel signal read out from the frame memory 13. The pixel signal obtained by the addition processing by the addition circuit 12 is stored in the frame memory 13. At this time, addition processing of the carry signal is not performed by the addition circuit 12. Thereafter, until timing T1020, operations similar to the operations from timing T1014 to T1019 are sequentially performed from the second row to the J-th row of the pixel array 300. At timing T1020, the read process for the Jth row is completed.

この後、図10(A)に示すように、タイミングT1020からT1021において、フレームメモリ13に記憶された各画素の画素信号が固体撮像素子1aから出力される。こうして、1フレームの撮影動作が終了する。   Thereafter, as shown in FIG. 10A, at timings T1020 to T1021, the pixel signal of each pixel stored in the frame memory 13 is output from the solid-state imaging device 1a. Thus, the photographing operation of one frame is completed.

図11は、カウンタ111aのカウント値とフレームメモリ13に記憶される画素信号との遷移を示す図である。図11は、画素アレイ300に備えられた複数の画素セル10aのうちの1つの画素セル10aに着目したものである。図11には、カウンタ111aの上位ビット部112のカウント値と、カウンタ111aの下位ビット部113のカウント値と、桁上がり信号と、フレームメモリ13に記憶される画素信号とが示されている。   FIG. 11 is a diagram showing the transition between the count value of the counter 111 a and the pixel signal stored in the frame memory 13. FIG. 11 focuses on one pixel cell 10 a of the plurality of pixel cells 10 a provided in the pixel array 300. FIG. 11 shows the count value of the upper bit unit 112 of the counter 111a, the count value of the lower bit unit 113 of the counter 111a, the carry signal, and the pixel signal stored in the frame memory 13.

カウント期間ΔTaccが開始されるタイミングにおいて、カウンタ111aとフレームメモリ13とがリセットされる。カウンタ111aは、パルス信号のカウントを開始する。この後、パルス信号Poutが出力される毎に、カウンタ111aのカウント値が当該画素セル10aにおいてインクリメントされる。   At the timing when the count period ΔTacc is started, the counter 111a and the frame memory 13 are reset. The counter 111a starts counting of pulse signals. After that, each time the pulse signal Pout is output, the count value of the counter 111a is incremented in the pixel cell 10a.

上述した最短時間ΔTsat1よりも短い期間ΔT1が経過したタイミングにおいて、カウンタ111aの上位ビット部112によって取得されたカウント値が読み出され、当該カウンタ111aの上位ビット部112のカウント値がリセットされる。カウンタ111aは、リセットされた後も、パルス信号Poutのカウントを継続する。この後、当該カウンタ111aの上位ビット部112に対して読み出し及びリセットを行っている間に得られた桁上がり信号が、桁上がりメモリ114から読み出される。当該カウンタ111aの上位ビット部112から読み出されたカウント値には、当該カウンタ111aの桁上がりメモリ114から読み出された1ビットの桁上がり信号が加算される。こうして得られたカウント値を用いて、下位(N−L)ビットを0としたNビットのカウント値が生成される。こうして生成されたカウント値は、フレームメモリ13に保持されたリセット値0に積算され、画素信号としてフレームメモリ13に記憶される。   At a timing when a period ΔT1 shorter than the above-described shortest time ΔTsat1 elapses, the count value acquired by the upper bit unit 112 of the counter 111a is read out, and the count value of the upper bit unit 112 of the counter 111a is reset. The counter 111a continues counting the pulse signal Pout even after being reset. Thereafter, the carry signal obtained while reading and resetting the upper bit portion 112 of the counter 111a is read from the carry memory 114. The 1-bit carry signal read from the carry memory 114 of the counter 111a is added to the count value read from the upper bit unit 112 of the counter 111a. Using the count value thus obtained, an N-bit count value is generated with the lower (NL) bit set to 0. The count value generated in this manner is integrated to the reset value 0 held in the frame memory 13 and stored in the frame memory 13 as a pixel signal.

この後、上述した最短時間ΔTsat1よりも短い期間ΔTread1が経過したタイミングにおいて、カウンタ111aの上位ビット部112からカウント値が読み出され、当該カウンタ111aの上位ビット部112のカウント値がリセットされる。当該カウンタ111aの桁上がりメモリ114からは、第1回目の読み出しと同様に、桁上がり信号が読み出される。当該カウンタ111aの上位ビット部112から読み出されたカウント値には、当該カウンタ111aの桁上がりメモリ114から読み出された1ビットの桁上がり信号が加算される。こうして得られたカウント値を用いて、下位(N−L)ビットを0としたNビットのカウント値が生成される。こうして生成されたカウント値は、フレームメモリ13に保持されている画素信号に積算され、積算により得られた画素信号がフレームメモリ13に記憶される。この後も、上記と同様の動作がΔTread1の周期で繰り返される。   After that, at the timing when the period ΔTread1 shorter than the above-described shortest time ΔTsat1, the count value is read from the upper bit unit 112 of the counter 111a, and the count value of the upper bit unit 112 of the counter 111a is reset. A carry signal is read out from the carry memory 114 of the counter 111a, as in the first read. The 1-bit carry signal read from the carry memory 114 of the counter 111a is added to the count value read from the upper bit unit 112 of the counter 111a. Using the count value thus obtained, an N-bit count value is generated with the lower (NL) bit set to 0. The count value generated in this manner is integrated with the pixel signal held in the frame memory 13, and the pixel signal obtained by the integration is stored in the frame memory 13. After this, the same operation as described above is repeated in the cycle of ΔTread1.

カウント期間ΔTaccが経過したタイミングにおいて、カウンタ111aは、パルス信号のカウントを停止する。そして、当該カウンタ111aの上位ビット部112からカウント値が読み出される。当該カウンタ111aの上位ビット部112から読み出されたカウント値は、フレームメモリ13に保持されている画素信号に積算され、積算により得られた画素信号がフレームメモリ13に記憶される。なお、この際には、桁上がり信号の読み出し処理は行われず、桁上がり信号の加算処理も行われない。この後、当該カウンタ111aの下位ビット部113のカウント値が当該カウンタ111aの上位ビット部112に書き込まれる。この後、当該カウンタ111aの上位ビット部112からカウント値が読み出される。当該カウンタ111aの上位ビット部112から読み出されるカウント値は、フレームメモリ13に保持されている画素信号の下位(N−L)ビットのデータとして用いられる。こうして、当該カウンタ111aの下位ビット部113によって取得されたカウント値が、フレームメモリ13に保持されている画素信号の下位(N−L)ビットのデータとして用いられる。   At the timing when the count period ΔTacc has elapsed, the counter 111a stops counting the pulse signal. Then, the count value is read out from the upper bit section 112 of the counter 111a. The count value read from the upper bit portion 112 of the counter 111 a is integrated with the pixel signal held in the frame memory 13, and the pixel signal obtained by the integration is stored in the frame memory 13. At this time, the reading process of the carry signal is not performed, and the addition process of the carry signal is not performed. Thereafter, the count value of the lower bit portion 113 of the counter 111a is written to the upper bit portion 112 of the counter 111a. Thereafter, the count value is read out from the upper bit section 112 of the counter 111a. The count value read out from the upper bit portion 112 of the counter 111a is used as data of lower (NL) bits of the pixel signal held in the frame memory 13. Thus, the count value acquired by the lower bit portion 113 of the counter 111a is used as data of lower (NL) bits of the pixel signal stored in the frame memory 13.

なお、ここでは、カウンタ111aの上位ビット部112のビット幅とカウンタ111aの下位ビット部113のビット幅とが等しい場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。カウンタ111aの上位ビット部112のビット幅より、カウンタ111aの下位ビット部113のビット幅が大きい場合には、下位ビット部113により得られたカウント値は複数回に分けて上位ビット部112を介して読み出される。   Here, although the case where the bit width of the upper bit portion 112 of the counter 111a and the bit width of the lower bit portion 113 of the counter 111a are equal to each other has been described as an example, the present invention is not limited to this. If the bit width of the lower bit portion 113 of the counter 111a is larger than the bit width of the upper bit portion 112 of the counter 111a, the count value obtained by the lower bit portion 113 is divided into plural times via the upper bit portion 112. Read out.

こうしてフレームメモリ13に記憶される画素信号は、カウント期間ΔTacc内に各々の画素セル10でカウントされたパルス信号outの数に相当する。   Thus, the pixel signals stored in the frame memory 13 correspond to the number of pulse signals out counted by each pixel cell 10 within the count period ΔTacc.

このように、本実施形態によっても、カウンタ111aのカウント値がカウント上限値に達するまでに要する最短時間ΔTsat1よりも短い時間内にカウントされるカウント値が読み出され、当該カウンタ111aに対してリセットが行われる。カウンタ111から読み出されるカウント値は、カウンタ111のビット幅より大きいビット幅の画像信号を保持し得るフレームメモリ13に、順次積算されて保持される。このため、本実施形態によれば、カウンタ111のカウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。しかも、カウンタ111aの上位ビット部112により取得されるカウント値はΔTreadの周期で読み出される一方、カウンタ111aの下位ビット部113により取得されるカウント値が読み出されるのはカウント期間ΔTacc内において1回のみである。このため、本実施形態によれば、バスライン122に備える配線の本数を削減することができ、配線レイアウトの容易化を実現することが可能となる。   As described above, also according to the present embodiment, the count value counted within the time shorter than the shortest time ΔTsat1 required for the count value of the counter 111a to reach the count upper limit value is read, and the counter 111a is reset. Is done. The count values read out from the counter 111 are sequentially accumulated and held in the frame memory 13 which can hold an image signal having a bit width larger than that of the counter 111. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to prevent the count value of the counter 111 from being saturated during the exposure period, and it is possible to obtain an image with good gradation. Moreover, while the count value acquired by the upper bit unit 112 of the counter 111a is read in the cycle of ΔTread, the count value acquired by the lower bit unit 113 of the counter 111a is read only once in the count period ΔTacc. It is. Therefore, according to the present embodiment, the number of wirings provided in the bus line 122 can be reduced, and the wiring layout can be simplified.

[第3実施形態]
第3実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法について図12及び図13を用いて説明する。
本実施形態による固体撮像素子は、画素セル10bのカウンタ111bのビット幅と等しい数の配線を備えたバスラインを介して、複数の画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112からそれぞれ出力されるカウント値を同時に読み出すものである。
Third Embodiment
A solid-state imaging device, an imaging device, and an imaging method according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. 12 and 13.
The solid-state imaging device according to the present embodiment is output from the upper bit unit 112 of the counters 111b of the plurality of pixel cells 10b via a bus line provided with the same number of interconnections as the bit width of the counters 111b of the pixel cells 10b. The count value is read out simultaneously.

図12は、本実施形態による固体撮像素子1bを示す図である。
画素アレイ300には、複数の画素セル10bが行列状に配されている。画素セル10bに備えられた計数部110bには、ビット幅がNのカウンタ111bが備えられている。カウンタ111bは、図9を用いて上述したカウンタ111aと同様に、上位ビット部112と、下位ビット部113と、桁上がりメモリ114とを備えている。但し、カウンタ111bには、データシフト信号PDS(図9参照)が供給されない。
FIG. 12 is a view showing a solid-state imaging device 1b according to the present embodiment.
In the pixel array 300, a plurality of pixel cells 10b are arranged in a matrix. The counting unit 110 b provided in the pixel cell 10 b is provided with a counter 111 b having a bit width of N. Similar to the counter 111a described above with reference to FIG. 9, the counter 111b includes the upper bit unit 112, the lower bit unit 113, and the carry memory 114. However, the data shift signal PDS (see FIG. 9) is not supplied to the counter 111b.

バスライン122bには、カウンタ111bのビット幅に対応するL本の配線が備えられている。上位ビット部112の最下位ビットの信号は、選択スイッチ123及び選択スイッチ121bを介して、バスライン122bの最下位ビットの配線に出力され得る。上位ビット部112の最下位ビットを除くビットの信号は、選択スイッチ121bを介して、バスライン122bの最下位ビットを除くビットの配線にそれぞれ出力され得る。バスライン122bに備えられたL本の配線のうち、上位ビット部112の最下位ビットからの信号が供給される配線には、桁上がりメモリ114からの信号が選択スイッチ123及び選択スイッチ121bを介して供給され得る。バスライン126には、(N−L)本の配線が備えられている。上位ビット部112の最下位ビットの信号は、選択スイッチ123及び選択スイッチ124を介して、バスライン126の最下位ビットの配線に出力され得る。上位ビット部112の最下位ビットを除くビットの信号は、選択スイッチ124を介して、バスライン126の最下位ビットを除くビットの配線にそれぞれ出力され得る。バスライン126に備えられたL本の配線のうち、上位ビット部112の最下位ビットからの信号が供給される配線には、桁上がりメモリ114からの信号が選択スイッチ123及び選択スイッチ124を介して供給され得る。下位ビット部113の各々のビットの信号は、選択スイッチ125を介して、バスライン126の配線にそれぞれ出力され得る。選択スイッチ121bには、駆動制御部311から画素選択信号PSEL1が供給される。選択スイッチ124には、駆動制御部311から画素選択信号PSEL3が供給される。選択スイッチ125には、駆動制御部311から画素選択信号PSEL4が供給される。   The bus line 122 b is provided with L wirings corresponding to the bit width of the counter 111 b. The signal of the least significant bit of the upper bit unit 112 can be output to the wiring of the least significant bit of the bus line 122 b through the selection switch 123 and the selection switch 121 b. The signal of bits other than the least significant bit of the upper bit portion 112 can be output to the wiring of bits other than the least significant bit of the bus line 122 b through the selection switch 121 b. The signal from the carry memory 114 is supplied to the wiring to which the signal from the least significant bit of the upper bit portion 112 is supplied among the L wirings provided on the bus line 122 b via the selection switch 123 and the selection switch 121 b. Can be supplied. The bus line 126 is provided with (N−L) wires. The signal of the least significant bit of the upper bit portion 112 can be output to the wiring of the least significant bit of the bus line 126 via the selection switch 123 and the selection switch 124. The signal of bits other than the least significant bit of the upper bit portion 112 can be output to the wiring of bits other than the least significant bit of the bus line 126 through the selection switch 124. A signal from the carry memory 114 is transmitted to the wiring to which the signal from the least significant bit of the upper bit portion 112 is supplied among the L wirings provided on the bus line 126 via the selection switch 123 and the selection switch 124. Can be supplied. The signal of each bit of the lower bit portion 113 can be output to the wiring of the bus line 126 through the selection switch 125, respectively. The pixel selection signal PSEL1 is supplied from the drive control unit 311 to the selection switch 121b. The pixel selection signal PSEL3 is supplied to the selection switch 124 from the drive control unit 311. The pixel selection signal PSEL4 is supplied to the selection switch 125 from the drive control unit 311.

読み出しメモリ11bのビット数は、N+2である。読み出しメモリ11bには、N/2ビットの第1のメモリ領域1201と、N/2ビットの第2のメモリ領域1202と、1ビットの第3のメモリ領域1203と、1ビットの第4のメモリ領域1204とが備えられている。第1のメモリ領域1201には、画素アレイ300の第P番目の行に位置する画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112によって取得されるカウント値が、バスライン122bを介して入力される。第2のメモリ領域1202には、画素アレイ300の第P+1番目の行に位置する画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112によって取得されるカウント値が、バスライン126を介して入力される。第3のメモリ領域1203には、画素アレイ300の第P番目の行に位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114から出力される桁上がり情報がバスライン122bを介して入力される。第4のメモリ領域1204には、画素アレイ300の第P+1番目の行に位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114から出力される桁上がり情報がバスライン126を介して入力される。   The number of bits of the read memory 11 b is N + 2. The read memory 11b includes an N / 2 bit first memory area 1201, an N / 2 bit second memory area 1202, a 1 bit third memory area 1203, and a 1 bit fourth memory. An area 1204 is provided. The count value acquired by the upper bit unit 112 of the counter 111b of the pixel cell 10b located in the Pth row of the pixel array 300 is input to the first memory area 1201 through the bus line 122b. The count value obtained by the upper bit unit 112 of the counter 111b of the pixel cell 10b located in the (P + 1) th row of the pixel array 300 is input to the second memory area 1202 via the bus line 126. The carry information output from the carry memory 114 of the pixel cell 10b located in the Pth row of the pixel array 300 is input to the third memory area 1203 via the bus line 122b. The carry information output from the carry memory 114 of the pixel cell 10 b located in the (P + 1) th row of the pixel array 300 is input to the fourth memory area 1204 via the bus line 126.

読み出しメモリ11bの第1のメモリ領域1201及び第2のメモリ領域1202には、駆動制御部311からメモリ選択信号PMEMが供給される。メモリ選択信号PMEMがハイレベルになると、第P番目の行に位置する画素セル10bのカウンタ111bからバスライン122bに供給されている信号が、読み出しメモリ11bの第1のメモリ領域1201に書き込まれる。また、メモリ選択信号PMEMがハイレベルになると、第P+1番目の行に位置する画素セル10bのカウンタ111bからバスライン126に供給されている信号が、読み出しメモリ11bの第2のメモリ領域1202に書き込まれる。   The memory selection signal PMEM from the drive control unit 311 is supplied to the first memory area 1201 and the second memory area 1202 of the read memory 11 b. When the memory selection signal PMEM becomes high level, the signal supplied to the bus line 122b from the counter 111b of the pixel cell 10b located in the Pth row is written to the first memory area 1201 of the read memory 11b. In addition, when the memory selection signal PMEM becomes high level, the signal supplied to the bus line 126 from the counter 111b of the pixel cell 10b located in the (P + 1) th row is written to the second memory area 1202 of the read memory 11b. Be

読み出しメモリ11bの第3のメモリ領域1203及び第4のメモリ領域1204には、駆動制御部311からメモリ選択信号PMEM3が供給される。メモリ選択信号PMEM3がハイレベルになると、第P番目の行に位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114からバスライン122bに供給されている桁上がり信号が、読み出しメモリ11bの第3のメモリ領域1203に書き込まれる。また、メモリ選択信号PMEMがハイレベルになると、第P+1番目の行に位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114からバスライン126に供給されている桁上がり信号が、読み出しメモリ11bの第4のメモリ領域1204に書き込まれる。読み出しメモリ11bには、駆動制御部311から読み出し信号PRDが供給される。読み出し信号PRDがハイレベルになると、読み出しメモリ11bに保持されたカウント値と桁上がり信号とが、ビットシフト回路14に送信される。読み出しメモリ11bから読み出された桁上がり信号は、カウント値とともにビットシフト回路14を経て加算回路12に入力され、信号値の算出に用いられる。   The memory selection signal PMEM3 is supplied from the drive control unit 311 to the third memory area 1203 and the fourth memory area 1204 of the read memory 11b. When the memory selection signal PMEM3 becomes high level, the carry signal supplied from the carry memory 114 of the pixel cell 10b located in the Pth row to the bus line 122b is the third memory area 1203 of the read memory 11b. Is written to Further, when the memory selection signal PMEM becomes high level, the carry signal supplied from the carry memory 114 of the pixel cell 10b located in the (P + 1) th row to the bus line 126 is the fourth memory of the read memory 11b. It is written to area 1204. The read signal PRD is supplied from the drive control unit 311 to the read memory 11 b. When the read signal PRD becomes high level, the count value and the carry signal held in the read memory 11 b are transmitted to the bit shift circuit 14. The carry signal read from the read memory 11b is input to the addition circuit 12 through the bit shift circuit 14 together with the count value, and is used for calculation of the signal value.

ビットシフト回路14には、駆動制御部311からビットシフト信号PBSが供給される。ビットシフト信号PBSがハイレベルの際、ビットシフト回路14は、以下のように動作する。即ち、ビットシフト回路14は、読み出しメモリ11bの第1のメモリ領域1201から出力されるカウント値に対して(N−L)ビット分のビットシフトを行い、下位(N−L)ビットに0を付すことによって、Nビットのカウント値を生成する。また、ビットシフト信号PBSがハイレベルの際、ビットシフト回路14は、以下のように動作する。即ち、ビットシフト回路14は、読み出しメモリ11bの第2のメモリ領域1202から出力されるカウント値に対して(N−L)ビット分のビットシフトを行い、下位(N−L)ビットに0を付すことによって、Nビットのカウント値を生成する。また、ビットシフト回路14は、読み出しメモリ11bの第3のメモリ領域1203から出力されるカウント値に対してはビットシフトを行わない。また、ビットシフト回路14は、読み出しメモリ11bの第4のメモリ領域1204から出力されるカウント値に対してはビットシフトを行わない。ビットシフト回路14は、ビットシフトを施したカウント値及びビットシフトを施していない桁上がり信号を、加算回路12に出力する。なお、ここでは、桁上がり信号に対してビットシフトを行わない場合を例に説明したが、桁上がり信号に対してビットシフトを行うようにしてもよい。   The bit shift circuit PBS is supplied with the bit shift signal PBS from the drive control unit 311. When the bit shift signal PBS is at high level, the bit shift circuit 14 operates as follows. That is, the bit shift circuit 14 performs bit shift of (NL) bits with respect to the count value output from the first memory area 1201 of the read memory 11b, and sets the lower (NL) bits to 0. By the addition, an N-bit count value is generated. In addition, when the bit shift signal PBS is at high level, the bit shift circuit 14 operates as follows. That is, the bit shift circuit 14 performs bit shift of (NL) bits with respect to the count value output from the second memory area 1202 of the read memory 11b, and sets the lower (NL) bits to 0. By the addition, an N-bit count value is generated. Also, the bit shift circuit 14 does not perform bit shift on the count value output from the third memory area 1203 of the read memory 11 b. Also, the bit shift circuit 14 does not perform bit shift on the count value output from the fourth memory area 1204 of the read memory 11 b. The bit shift circuit 14 outputs the count value subjected to the bit shift and the carry signal not subjected to the bit shift to the addition circuit 12. Here, although the case where the bit shift is not performed on the carry signal has been described as an example, the bit shift may be performed on the carry signal.

ビットシフト信号PBSがローレベルの際、ビットシフト回路14は、読み出しメモリ11bの第1のメモリ領域1201から出力されたカウント値の下位に、読み出しメモリ11bの第2のメモリ領域1202から出力されたカウント値を付加する。ビットシフト回路14は、こうして生成したNビットのカウント値を、加算回路12に出力する。   When the bit shift signal PBS is at a low level, the bit shift circuit 14 outputs the count value output from the first memory area 1201 of the read memory 11 b below the count value output from the second memory area 1202 of the read memory 11 b. Add count value. The bit shift circuit 14 outputs the thus generated N-bit count value to the addition circuit 12.

なお、このような処理によって読み出し速度が律速されないことが好ましいため、ビットシフト回路14及び加算回路12を以下のように構成することが好ましい。即ち、ある読み出しメモリ11bからカウント値及び桁上がり信号が読み出されている間に、他の読み出しメモリ11bから読み出されたカウント値及び桁上がり信号に対する所定の演算処理が完了するように、ビットシフト回路14及び加算回路12を構成する。   Since it is preferable that the read rate is not limited by such processing, it is preferable to configure the bit shift circuit 14 and the addition circuit 12 as follows. That is, while the count value and the carry signal are being read from one read memory 11b, the bit is processed so that the predetermined arithmetic processing on the count value and the carry signal read from the other read memory 11b is completed. The shift circuit 14 and the adder circuit 12 are configured.

本実施形態による固体撮像素子1に備えられた構成要素のうちの上記以外の構成要素は、第1実施形態による固体撮像素子1の構成要素と同様である。   The components other than the above among the components provided in the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment are the same as the components of the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment.

次に、本実施形態による固体撮像素子の動作について図13を用いて説明する。図13は、本実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。本実施形態においても、カウント値の読み出し周期に対応する期間ΔTread1は、第2実施形態と同様にして決定される。図13(A)には、カウント期間ΔTacc中にカウントされる光子の総数が画素毎に取得され、1フレーム分の画像信号が生成される動作が示されている。   Next, the operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment. Also in the present embodiment, the period ΔTread1 corresponding to the readout cycle of the count value is determined in the same manner as in the second embodiment. FIG. 13A shows an operation in which the total number of photons counted during the count period ΔTacc is acquired for each pixel, and an image signal of one frame is generated.

タイミングT1300における動作は、第2実施形態による固体撮像素子によって行われるタイミングT1000における動作と同様である。   The operation at timing T1300 is the same as the operation at timing T1000 performed by the solid-state imaging device according to the second embodiment.

タイミングT1301において、駆動制御部311は、ビットシフト信号PBSをハイレベルにする。タイミングT1301におけるその他の動作は、第2実施形態による固体撮像素子において行われるタイミングT1001における動作と同様である。   At timing T1301, the drive control unit 311 sets the bit shift signal PBS to the high level. The other operations at timing T1301 are the same as the operations at timing T1001 performed in the solid-state imaging device according to the second embodiment.

タイミングT1302からT1310において、第1回目のカウント値の読み出しが行われる。ここでは、カウンタ111bの上位ビット部112からカウント値が読み出され、桁上がりメモリ114から桁上がり信号が読み出される。この際、ある行に位置する画素セル10bからの信号と、当該画素セル10bが位置する行とは異なる行に位置する画素セル10bからの信号とが、同じ読み出しメモリ11bに入力される。   At timings T1302 to T1310, the first reading of the count value is performed. Here, the count value is read from the upper bit section 112 of the counter 111b, and the carry signal is read from the carry memory 114. At this time, the signal from the pixel cell 10b positioned in a certain row and the signal from the pixel cell 10b positioned in a row different from the row in which the pixel cell 10b is positioned are input to the same readout memory 11b.

ここで、タイミングT1302からT1310までの動作を、図13(B)を用いて説明する。   Here, the operation from timing T1302 to T1310 will be described using FIG. 13 (B).

タイミングT1302において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bに供給する上位ビットイネーブル信号PEN1をローレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bの上位ビット部112のカウント動作が停止する。画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114には、上位ビットイネーブル信号PEN1の反転信号/PEN1が入力される。これにより、下位ビット部113の最上位ビットからの桁上がりを桁上がりメモリ114によって検出することが可能となる。駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bに備えられた選択スイッチ121bに供給する画素選択信号PSEL1をハイレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bが選択され、カウンタ111bの上位ビット部112のカウント値がバスライン122bを介して出力される。また、駆動制御部311は、画素アレイ300の第2番目の行に位置する画素セル10bに備えられた選択スイッチ125に供給する画素選択信号PSEL3をハイレベルにする。これにより、画素アレイ300の第2番目の行に位置する画素セル10bが選択され、カウンタ111bの上位ビット部112のカウント値がバスライン126を介して出力される。   At timing T1302, the drive control unit 311 sets the upper bit enable signal PEN1 supplied to the pixel cells 10b located in the first row and the second row of the pixel array 300 to the low level. As a result, the counting operation of the upper bit portion 112 of the pixel cell 10b located in the first row and the second row of the pixel array 300 is stopped. An inverted signal / PEN1 of the upper bit enable signal PEN1 is input to the carry memory 114 of the pixel cell 10b located in the first row and the second row of the pixel array 300, respectively. Thus, the carry memory 114 can detect a carry from the most significant bit of the lower bit portion 113. The drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL1 supplied to the selection switch 121b provided in the pixel cell 10b positioned in the first row of the pixel array 300 to a high level. As a result, the pixel cell 10b located in the first row of the pixel array 300 is selected, and the count value of the upper bit portion 112 of the counter 111b is output through the bus line 122b. Further, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL3 supplied to the selection switch 125 provided in the pixel cell 10b located in the second row of the pixel array 300 to a high level. As a result, the pixel cell 10 b located in the second row of the pixel array 300 is selected, and the count value of the upper bit portion 112 of the counter 111 b is output via the bus line 126.

タイミングT1303において、駆動制御部311は、パルス状のメモリ選択信号PMEMを読み出しメモリ11bに供給する。これにより、第1番目の行の画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112から出力されたカウント値は、読み出しメモリ11bの第1のメモリ領域1201に記憶される。また、第2番目の行の画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112から出力されたカウント値は、読み出しメモリ11bの第2のメモリ領域1202に記憶される。   At timing T1303, the drive control unit 311 supplies the pulsed memory selection signal PMEM to the read memory 11b. As a result, the count value output from the upper bit portion 112 of the counter 111 b of the pixel cell 10 b of the first row is stored in the first memory area 1201 of the read memory 11 b. Further, the count value output from the upper bit portion 112 of the counter 111b of the pixel cell 10b of the second row is stored in the second memory area 1202 of the readout memory 11b.

タイミングT1304において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bの上位ビット部112と第2番目の行に位置する画素セル10bの上位ビット部112とにパルス状のリセット信号PRES1を供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112がリセットされる。即ち、カウント値の出力が完了した画素セル10aのカウンタ111bの上位ビット部112がリセットされる。   At timing T1304, the drive control unit 311 pulses the upper bit portion 112 of the pixel cell 10b located in the first row of the pixel array 300 and the upper bit portion 112 of the pixel cell 10b located in the second row. Supply a reset signal PRES1 of As a result, the upper bit portion 112 of the counter 111 b of the pixel cell 10 b located in the first row of the pixel array 300 is reset. That is, the upper bit portion 112 of the counter 111b of the pixel cell 10a for which the output of the count value is completed is reset.

タイミングT1305において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bに供給する上位ビットイネーブル信号PEN1をハイレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112のカウント動作が停止する。即ち、リセットされたカウンタ111bの上位ビット部112のカウント動作が停止する。また、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114には、上位ビットイネーブル信号PEN1の反転信号/PEN1が入力される。このため、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114は、下位ビット部113の最上位ビットからの桁上がりの検出を停止する。また、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bの選択スイッチ123に供給する画素選択信号PSEL2をハイレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114によって取得された桁上がり信号が、バスライン122bに備えられた複数の配線のうち1つの配線を介して出力される。また、画素アレイ300の第2番目の行に位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114によって取得された桁上がり信号が、バスライン126に備えられた複数の配線のうちの1つの配線を介して出力される。   At timing T1305, the drive control unit 311 sets the upper bit enable signal PEN1 supplied to the pixel cells 10b positioned in the first row and the second row of the pixel array 300 to the high level. Thereby, the count operation of the upper bit portion 112 of the counter 111b of the pixel cell 10b located in the first row and the second row of the pixel array 300 is stopped. That is, the counting operation of the upper bit unit 112 of the reset counter 111b is stopped. Further, the inverted signal / PEN1 of the upper bit enable signal PEN1 is input to the carry memory 114 of the pixel cell 10b located in the first row and the second row of the pixel array 300, respectively. Therefore, the carry memory 114 of the pixel cell 10b located in the first row and the second row of the pixel array 300 stops detecting the carry from the most significant bit of the lower bit portion 113. . Further, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL2 supplied to the selection switch 123 of the pixel cell 10b located in the first row and the second row of the pixel array 300 to a high level. As a result, the carry signal acquired by the carry memory 114 of the pixel cell 10b located in the first row of the pixel array 300 passes through one of the plurality of wirings provided in the bus line 122b. It is output. Further, a carry signal acquired by carry memory 114 of pixel cell 10 b located in the second row of pixel array 300 is transmitted via one of the plurality of wirings provided in bus line 126. It is output.

タイミングT1306において、駆動制御部311は、パルス状のメモリ選択信号PMEM3を読み出しメモリ11bに供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114から出力された桁上がり信号は、読み出しメモリ11bの第3のメモリ領域1203に記憶される。また、画素アレイ300の第2番目の行に位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114から出力された桁上がり信号は、読み出しメモリ11bの第4のメモリ領域1204に記憶される。   At timing T1306, the drive control unit 311 supplies the pulsed memory selection signal PMEM3 to the read memory 11b. Thus, the carry signal output from the carry memory 114 of the pixel cell 10 b located in the first row of the pixel array 300 is stored in the third memory area 1203 of the read memory 11 b. In addition, the carry signal output from the carry memory 114 of the pixel cell 10 b located in the second row of the pixel array 300 is stored in the fourth memory area 1204 of the read memory 11 b.

タイミングT1307において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bの選択スイッチ121bに供給する画素選択信号PSEL1をローレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bのカウンタ111bに備えられた上位ビット部112及び桁上がりメモリ114がバスライン122bに接続されない状態となる。また、駆動制御部311は、画素アレイ300の第2番目の行に位置する画素セル10bの選択スイッチ124に供給する画素選択信号PSEL3をローレベルにする。これにより、画素アレイ300の第2番目の行に位置する画素セル10bのカウンタ111bに備えられた上位ビット部112及び桁上がりメモリ114がバスライン126に接続されない状態となる。また、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bにパルス状のリセット信号PRES3を供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bの桁上がりメモリ114がリセットされる。即ち、桁上がり信号の出力が完了した桁上がりメモリ114がリセットされる。また、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10bの選択スイッチ123に供給される画素選択信号PSEL2をローレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行と第2番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10aのカウンタ111bの上位ビット部112の最下位ビットの出力端子が、選択スイッチ123を介して選択スイッチ121bに接続された状態となる。   At timing T1307, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL1 supplied to the selection switch 121b of the pixel cell 10b located in the first row of the pixel array 300 to the low level. As a result, the upper bit portion 112 and the carry memory 114 provided in the counter 111 b of the pixel cell 10 b located in the first row of the pixel array 300 are not connected to the bus line 122 b. Further, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL3 supplied to the selection switch 124 of the pixel cell 10b located in the second row of the pixel array 300 to the low level. As a result, the upper bit portion 112 and the carry memory 114 provided in the counter 111 b of the pixel cell 10 b located in the second row of the pixel array 300 are not connected to the bus line 126. In addition, the drive control unit 311 supplies a pulse-like reset signal PRES3 to the pixel cells 10b positioned in the first row and the second row of the pixel array 300, respectively. As a result, the carry memory 114 of the pixel cell 10b located in the first row and the second row of the pixel array 300 is reset. That is, the carry memory 114 which has completed the output of the carry signal is reset. Further, the drive control unit 311 sets the pixel selection signal PSEL2 supplied to the selection switch 123 of the pixel cell 10b positioned in the first row and the second row of the pixel array 300 to the low level. As a result, the output terminal of the least significant bit of the upper bit portion 112 of the counter 111b of the pixel cell 10a located in the first row and the second row of the pixel array 300 is selected via the selection switch 123. It will be in the state connected to switch 121b.

タイミングT1307からT1308までにおいて、駆動制御部311は、画素アレイ300の複数の列の各々に対応する複数の読み出しメモリ11bに読み出し信号PRDを順次供給する。これにより、複数の読み出しメモリ11bにそれぞれ保持されたカウント値及び桁上がり信号が、ビットシフト回路14に順次出力される。ビットシフト信号PBSがハイレベルとなっているため、読み出しメモリ11の第1のメモリ領域1201から出力されたカウント値は、ビットシフト回路14によって(N−L)ビット分だけ桁上げされる。ビットシフト回路14は、桁上げを行うことにより生成されたNビットの画素信号を加算回路12に出力する。ビットシフト回路14は、読み出しメモリ11bの第3のメモリ領域1203から出力される桁上がり信号に対して桁上げを行うことなく、当該桁上がり信号を加算回路12に出力する。ビットシフト回路14は、読み出しメモリ11bの第4のメモリ領域1204から出力される桁上がり信号に対して桁上げを行うことなく、当該桁上がり信号を加算回路12に出力する。加算回路12は、第3のメモリ領域1203からの桁上がり信号が例えばハイレベルの場合には、第1のメモリ領域1201からのカウント値に対して例えば1を加える。一方、加算回路12は、第3のメモリ領域1203からの桁上がり信号がローレベルの場合には、第1のメモリ領域1201からのカウント値に対して例えば0を加える。また、加算回路12は、第4のメモリ領域1204からの桁上がり信号が例えばハイレベルの場合には、第2のメモリ領域1202からのカウント値に対して例えば1を加える。一方、加算回路12は、第4のメモリ領域1204からの桁上がり信号がローレベルの場合には、第2のメモリ領域1202からのカウント値に対して例えば0を加える。こうして、加算回路12によって加算処理が順次行われる。加算回路12による加算処理によって得られた各々のカウント値は、下位の(N−L)ビットのデータがすべて0であるNビットの画素信号として、フレームメモリ13に順次記憶される。   From timing T1307 to T1308, the drive control unit 311 sequentially supplies the readout signal PRD to the plurality of readout memories 11b corresponding to each of the plurality of columns of the pixel array 300. As a result, the count value and the carry signal respectively held in the plurality of read memories 11 b are sequentially output to the bit shift circuit 14. Since the bit shift signal PBS is at high level, the count value output from the first memory area 1201 of the read memory 11 is carried by the bit shift circuit 14 by (NL) bits. The bit shift circuit 14 outputs an N-bit pixel signal generated by carrying out to the addition circuit 12. The bit shift circuit 14 outputs the carry signal to the addition circuit 12 without carrying out the carry signal output from the third memory area 1203 of the read memory 11 b. The bit shift circuit 14 outputs the carry signal to the addition circuit 12 without carrying out the carry signal output from the fourth memory area 1204 of the read memory 11 b. The adder circuit 12 adds, for example, 1 to the count value from the first memory area 1201 when the carry signal from the third memory area 1203 is, for example, high level. On the other hand, the addition circuit 12 adds, for example, 0 to the count value from the first memory area 1201 when the carry signal from the third memory area 1203 is at low level. The addition circuit 12 adds, for example, 1 to the count value from the second memory area 1202 when, for example, the carry signal from the fourth memory area 1204 is at high level. On the other hand, the addition circuit 12 adds, for example, 0 to the count value from the second memory area 1202 when the carry signal from the fourth memory area 1204 is at low level. Thus, addition processing is sequentially performed by the addition circuit 12. Each count value obtained by the addition processing by the addition circuit 12 is sequentially stored in the frame memory 13 as an N-bit pixel signal in which all the lower (NL) bit data is 0.

この後、タイミングT1302からT1308までの動作と同様の動作が、画素アレイ300の第3番目の行から第J番目の行まで2行ずつ順次行われる。タイミングT1310において、第J番目の行に対する読み出しの処理が完了する。   Thereafter, the same operation as the operation from the timing T1302 to the timing T1308 is sequentially performed every two rows from the third row to the J-th row of the pixel array 300. At timing T1310, the read process for the Jth row is completed.

本実施形態によれば、読み出しが2行ずつ行われるため、第2実施形態と比較して、読み出しに要する時間を全体としてほぼ半減することが可能である。   According to the present embodiment, since reading is performed every two rows, the time required for reading can be almost halved as a whole as compared with the second embodiment.

タイミングT1301は、画素アレイ300に備えられた全ての画素セル10bにおいてカウント動作が開始されるタイミングである。タイミングT1309は、第J−1番目の行と第J番目の行とにそれぞれ位置する画素セル10aのカウンタ111aの上位ビット部112のカウント動作が停止されるタイミングである。タイミングT1301からタイミングT1309までの期間ΔTread1は、最短時間ΔTsat1以下に設定される。このようにΔTreadを設定することにより、画素アレイ300に備えられた全ての画素セル10bのカウンタ111bがカウント上限値に達する前に、カウント値の読み出しを完了することができる。   Timing T1301 is timing when the count operation is started in all the pixel cells 10b provided in the pixel array 300. Timing T1309 is timing when the counting operation of the upper bit portion 112 of the counter 111a of the pixel cell 10a located in the J-1st row and the Jth row is stopped. A period ΔTread1 from timing T1301 to timing T1309 is set to the shortest time ΔTsat1 or less. By setting ΔTread in this manner, the reading of the count value can be completed before the counters 111 b of all the pixel cells 10 b provided in the pixel array 300 reach the count upper limit value.

上述したように、タイミングT1302においては、第1回目のカウント値の読み出しが開始される。タイミングT1302から期間ΔTread1が経過したタイミングT1311において、第2回目のカウント値の読み出しが開始される。第2回目のカウント値の読み出しにおいて行われる処理も、第1回目のカウント値の読み出しにおいて行われる処理と同様である。   As described above, at timing T1302, the first reading of the count value is started. At timing T1311 when the period ΔTread1 has elapsed from timing T1302, the second reading of the count value is started. The process performed in the second reading of the count value is the same as the process performed in the first reading of the count value.

上述したように、タイミングT1309は、第2回目のカウント値の読み出しにおいて第J−1番目の行と第J番目の行とにそれぞれ位置するカウンタ111bが停止されるタイミングである。タイミングT1312は、第2回目のカウント値の読み出しにおいて第J−1番目の行と第J番目の行とにそれぞれ位置するカウンタ111bが停止されるタイミングである。タイミングT1309からタイミングT1312までの期間ΔTread1も、上述した最短時間ΔTsat1以下に設定される。こうして、第2回目のカウント値の読み出しが行われる。   As described above, timing T1309 is timing at which the counters 111b positioned on the (J-1) th row and the Jth row are stopped in the second reading of the count value. The timing T1312 is a timing at which the counters 111b positioned on the J-1st row and the Jth row are stopped in the second reading of the count value. The period ΔTread1 from the timing T1309 to the timing T1312 is also set equal to or less than the above-described shortest time ΔTsat1. Thus, the second reading of the count value is performed.

上述したように、タイミングT1311においては、第2回目のカウント値の読み出しが開始される。タイミングT1311から期間ΔTread1が経過したタイミングT1313において、第3回目のカウント値の読み出しが開始される。タイミングT1313以降においても、カウントイネーブル信号PENがローレベルに遷移するまでの間、タイミングT1311からT1313までと同様の動作が繰り返される。   As described above, at timing T1311, the second reading of the count value is started. At timing T1313 when the period ΔTread1 has elapsed from timing T1311, the third reading of the count value is started. After timing T1313, the same operation as that from timing T1311 to timing T1313 is repeated until the count enable signal PEN transitions to the low level.

カウントが開始されるタイミングT1301からカウント期間ΔTaccが経過したタイミングT1314において、駆動制御部311が、カウントイネーブル信号PENをローレベルに遷移させる。これにより、光センサ部100から出力されるパルス信号Poutに対するカウントが、全ての画素セル10bのカウンタ111bにおいて停止される。画素アレイ300に備えられた複数の画素セル10bの各々に備えられたカウンタ111bは、カウント値をそれぞれ保持する。また、駆動制御部311は、ビットシフト回路14に供給するビットシフト信号PBSをローレベルにする。各々の画素セル10bのカウンタ111bから、下位(N−L)ビットのデータを含むNビットのカウント値の読み出しが開始される。   At timing T1314 when the count period ΔTacc has elapsed from timing T1301 at which counting is started, the drive control unit 311 causes the count enable signal PEN to transition to the low level. As a result, the counting of the pulse signal Pout output from the light sensor unit 100 is stopped at the counters 111 b of all the pixel cells 10 b. The counters 111 b provided in each of the plurality of pixel cells 10 b provided in the pixel array 300 respectively hold count values. Further, the drive control unit 311 sets the bit shift signal PBS supplied to the bit shift circuit 14 to the low level. Reading out of an N-bit count value including data of lower (NL) bits is started from the counter 111b of each pixel cell 10b.

ここで、タイミングT1314からT1320までの動作について図13(C)を用いて説明する。   Here, the operation from timing T 1314 to timing T 1320 will be described with reference to FIG.

タイミングT1314において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10bの各々に供給する画素選択信号PSEL1、PSEL4をハイレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112がバスライン122bにそれぞれ接続される。また、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10bのカウンタ111bの下位ビット部113がバスライン126にそれぞれ接続される。   At timing T1314, the drive control unit 311 sets the pixel selection signals PSEL1 and PSEL4 supplied to each of the plurality of pixel cells 10b located in the first row of the pixel array 300 to the high level. As a result, the upper bit portions 112 of the counters 111b of the plurality of pixel cells 10b located in the first row of the pixel array 300 are connected to the bus line 122b. Further, the lower bit portions 113 of the counters 111 b of the plurality of pixel cells 10 b located in the first row of the pixel array 300 are connected to the bus line 126 respectively.

タイミングT1315において、駆動制御部311は、読み出しメモリ11aにパルス状のメモリ選択信号PMEMを供給する。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bの上位ビット部112のカウント値が、読み出しメモリ11bの第1のメモリ領域1201に記憶される。また、画素アレイ300の第1番目の行に位置する画素セル10bの下位ビット部113のカウント値が、読み出しメモリ11bの第2のメモリ領域1202に記憶される。   At timing T1315, the drive control unit 311 supplies a pulse-like memory selection signal PMEM to the read memory 11a. As a result, the count value of the upper bit portion 112 of the pixel cell 10 b located in the first row of the pixel array 300 is stored in the first memory area 1201 of the readout memory 11 b. Further, the count value of the lower bit portion 113 of the pixel cell 10b located in the first row of the pixel array 300 is stored in the second memory area 1202 of the readout memory 11b.

タイミングT1316において、駆動制御部311は、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10bの各々に供給する画素選択信号PSEL1、PSEL4をローレベルにする。これにより、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10bの各々の上位ビット部112がバスライン122bに接続されない状態になる。また、画素アレイ300の第1番目の行に位置する複数の画素セル10bの各々の下位ビット部113がバスライン126に接続されない状態となる。   At timing T1316, the drive control unit 311 sets the pixel selection signals PSEL1 and PSEL4 supplied to each of the plurality of pixel cells 10b located in the first row of the pixel array 300 to the low level. As a result, the upper bit portion 112 of each of the plurality of pixel cells 10b located in the first row of the pixel array 300 is not connected to the bus line 122b. Also, the lower bit portion 113 of each of the plurality of pixel cells 10 b located in the first row of the pixel array 300 is not connected to the bus line 126.

タイミングT1316からT1317までの間、駆動制御部311は、画素アレイ300の複数の列の各々に対応する複数の読み出しメモリ11bに読み出し信号PRDを順次供給する。これにより、複数の読み出しメモリ11bにそれぞれ保持されたカウント値が、ビットシフト回路14に順次出力させる。ビットシフト信号PBSはローレベルになっている。このため、ビットシフト回路14は、読み出しメモリ11bの第1のメモリ領域1201から読み出したLビットのデータの下位に、読み出しメモリ11bの第2のメモリ領域1202から読み出した(N−L)ビットのデータを付加する。これにより、Nビットのカウント値が生成される。各々の画素セル10bにそれぞれ対応するNビットのカウント値は、加算回路12に順次出力される。加算回路12は、こうして読み出されるカウント値を、フレームメモリ13から読み出される画素信号に加算する。加算回路12による加算処理によって得られる画素信号は、フレームメモリ13に記憶される。なお、この際には、桁上がり信号の加算処理は加算回路12によって行われない。この後、タイミングT1320までの間、タイミングT1314からT1317までの動作と同様の動作が、画素アレイ300の第2番目の行から第J番目の行まで順次行われる。タイミングT1320において、第J番目の行に対する読み出しの処理が完了する。タイミングT1314からタイミングT1320までは、1行ずつ読み出しが行われるため、2行ずつ読み出しを行う場合と比較して、読み出しに長時間を要する。しかし、カウンタ111bのカウント動作が既に停止されているため、読み出しに要する時間が上述したΔTsat1を超えたとしても特段の問題は生じない。   During timing T1316 to T1317, the drive control unit 311 sequentially supplies the readout signal PRD to the plurality of readout memories 11b corresponding to each of the plurality of columns of the pixel array 300. As a result, the count values respectively stored in the plurality of read memories 11 b are sequentially output to the bit shift circuit 14. The bit shift signal PBS is at low level. Therefore, the bit shift circuit 14 lowers the L-bit data read from the first memory area 1201 of the read memory 11b, and reads (NL) bits of the (N−L) bits read from the second memory area 1202 of the read memory 11b. Add data. Thus, an N-bit count value is generated. The N-bit count values respectively corresponding to the respective pixel cells 10 b are sequentially output to the adder circuit 12. The adder circuit 12 adds the count value read out in this manner to the pixel signal read out from the frame memory 13. The pixel signal obtained by the addition processing by the addition circuit 12 is stored in the frame memory 13. At this time, addition processing of the carry signal is not performed by the addition circuit 12. Thereafter, until the timing T1320, operations similar to the operations from the timing T1314 to the timing T1317 are sequentially performed from the second row to the J-th row of the pixel array 300. At timing T1320, the read process for the Jth row is completed. From timing T 1314 to timing T 1320, reading is performed row by row, and therefore, it takes a long time for reading as compared with the case where reading is performed every two rows. However, since the counting operation of the counter 111b is already stopped, no particular problem occurs even if the time required for reading exceeds the above-mentioned ΔTsat1.

この後、図13(A)に示すように、タイミングT1320からT1321において、フレームメモリ13に記憶された各画素の画素信号が固体撮像素子1bから出力される。こうして、1フレームの撮影動作が終了する。   Thereafter, as shown in FIG. 13A, at timings T1320 to T1321, the pixel signal of each pixel stored in the frame memory 13 is output from the solid-state imaging device 1b. Thus, the photographing operation of one frame is completed.

このように、本実施形態によっても、カウンタ111bのカウント値がカウント上限値に達するまでに要する最短時間ΔTsat1よりも短い時間内にカウントされるカウント値が読み出され、当該カウンタ111aに対してリセットが行われる。カウンタ111bから読み出されるカウント値は、カウンタ111bのビット幅より大きいビット幅の画像信号を保持し得るフレームメモリ13に、順次積算されて保持される。このため、本実施形態によれば、カウンタ111bのカウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。しかも、カウンタ111bの上位ビット部112により取得されるカウント値はΔTreadの周期で読み出される一方、カウンタ111bの下位ビット部113により取得されるカウント値が読み出されるのはカウント期間ΔTacc内において1回のみである。このため、本実施形態によれば、複数の行にそれぞれ位置する画素セル10bのカウンタ111bの上位ビット部112からそれぞれ出力されるカウント値をバスライン122b、126を介してまとめて読み出すことが可能である。このため、本実施形態によれば、読み出しに要する時間を短縮することができ、ひいては、高画素化等に寄与することができる。   As described above, also according to the present embodiment, the count value counted within a time shorter than the shortest time ΔTsat1 required for the count value of the counter 111b to reach the count upper limit value is read, and the counter 111a is reset. Is done. The count values read from the counter 111b are sequentially accumulated and held in the frame memory 13 which can hold an image signal having a bit width larger than that of the counter 111b. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to prevent the count value of the counter 111b from being saturated during the exposure period, and it is possible to obtain an image with good gradation. Moreover, while the count value acquired by the upper bit unit 112 of the counter 111b is read in the cycle of ΔTread, the count value acquired by the lower bit unit 113 of the counter 111b is read only once in the count period ΔTacc. It is. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to collectively read the count values output from the upper bit portion 112 of the counter 111b of the pixel cell 10b located in each of the plurality of rows through the bus lines 122b and 126. It is. Therefore, according to the present embodiment, the time required for reading can be shortened, which in turn can contribute to increasing the number of pixels and the like.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。   As mentioned above, although the preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記録媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。   The present invention supplies a program that implements one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a recording medium, and one or more processors in a computer of the system or apparatus read and execute the program. Can also be realized. It can also be implemented by a circuit (eg, an ASIC) that implements one or more functions.

第2実施形態では、画素セル10aによって取得されたカウント値を複数の配線が備えられたバスライン122aを介して伝送する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、画素セル10aによって取得された複数ビットのカウント値をシリアル伝送するようにしてもよい。この場合には、画素セル10aによって取得されたカウント値を読み出すための配線を1本にすることも可能である。   In the second embodiment, the count value acquired by the pixel cell 10a is transmitted via the bus line 122a having a plurality of wirings, but the present invention is not limited to this. For example, the count value of a plurality of bits acquired by the pixel cell 10a may be serially transmitted. In this case, it is also possible to use one wiring for reading the count value acquired by the pixel cell 10a.

100…受光手段
110、110a、110b…カウント手段
300…画素アレイ
PRES、PRES1…リセット信号
11、11a、11b…読み出しメモリ
13…フレームメモリ
100: Light receiving means 110, 110a, 110b: Counting means 300: Pixel array PRES, PRES1: Reset signal 11, 11a, 11b: Reading memory 13: Frame memory

Claims (13)

光子の受光頻度に応じた頻度で所定のパルス幅のパルスを発する光センサ部が備えられた複数の画素が行列状に配された画素アレイと、
前記光センサ部から発せられるパルスの数をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント上限値と前記所定のパルス幅との積以下の周期で、前記カウンタからのカウント値の読み出しが行われるように制御を行い得る制御部と
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
A pixel array in which a plurality of pixels provided in a matrix are provided with a light sensor unit that emits a pulse having a predetermined pulse width at a frequency according to the light reception frequency of photons;
A counter that counts the number of pulses emitted from the light sensor unit;
A control unit capable of performing control such that reading of the count value from the counter is performed in a cycle equal to or less than a product of the count upper limit value of the counter and the predetermined pulse width; .
前記カウンタから読み出されたカウント値の積算値を保持するメモリを更に備える
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a memory that holds an integrated value of the count value read from the counter.
前記カウンタからのカウント値の読み出しの後、前記カウンタに対するリセットが行われることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the counter is reset after reading the count value from the counter. 前記カウンタのビット幅はNであり、
前記カウンタは、ビット幅がNより小さいLである上位ビット部と、ビット幅が(N−L)である下位ビット部とを含み、
前記カウンタによってパルスの数がカウントされる期間内において、前記下位ビット部により得られたカウント値を読み出すことなく、前記上位ビット部により得られたカウント値を読み出すとともに、前記上位ビット部に対してリセットを行う第1の読み出し処理が繰り返され、
前記カウンタによってパルスの数がカウントされる期間が終了した後において、前記カウンタによって得られたNビットのカウント値を読み出す第2の読み出し処理が行われる
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The bit width of the counter is N,
The counter includes an upper bit portion which is L with a bit width smaller than N, and a lower bit portion which is (NL) with a bit width
During a period in which the number of pulses is counted by the counter, the count value obtained by the upper bit portion is read without reading the count value obtained by the lower bit portion, and The first read process to reset is repeated,
The second read process for reading out the N-bit count value obtained by the counter is performed after the period in which the number of pulses is counted by the counter is completed. The solid-state imaging device according to claim 1.
前記カウンタのうちの前記上位ビット部により得られたカウント値が前記第1の読み出し処理において前記上位ビット部から読み出されている際に、前記カウンタのうちの前記下位ビット部の最上位ビットからの桁上がりを検出する検出手段を更に備える
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。
When the count value obtained by the upper bit portion of the counter is read from the upper bit portion in the first read process, the most significant bit of the lower bit portion of the counter The solid-state imaging device according to claim 4, further comprising a detection unit that detects a carry of the carrier.
前記上位ビット部により得られたカウント値は、Nより小さい数の配線を備えるバスラインを介して伝送され、
前記下位ビット部により得られたカウント値も、前記バスラインを介して伝送される
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の固体撮像素子。
The count value obtained by the upper bit portion is transmitted via a bus line provided with a number of wires smaller than N,
The solid-state imaging device according to claim 4 or 5, wherein the count value obtained by the lower bit part is also transmitted via the bus line.
前記バスラインに備えられた前記配線の数は、Lである
ことを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 6, wherein the number of the wirings provided in the bus line is L.
前記画素アレイのうちの第1の行に位置する画素に備えられた前記カウンタの前記上位ビット部によって得られるカウント値は、第1のバスラインを介して伝送され、
前記画素アレイのうちの前記第1の行とは異なる第2の行に位置する画素に備えられた前記カウンタの前記上位ビット部によって得られるカウント値は、第2のバスラインを介して伝送される
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の固体撮像素子。
The count value obtained by the upper bit portion of the counter provided to the pixels located in the first row of the pixel array is transmitted via a first bus line,
A count value obtained by the upper bit portion of the counter provided in a pixel located in a second row different from the first row of the pixel array is transmitted via a second bus line The solid-state imaging device according to claim 4 or 5, characterized in that
前記第1のバスラインに備えられた配線の数は、Lであり、
前記第2のバスラインに備えられた配線の数は、Lである
ことを特徴とする請求項8に記載の固体撮像素子。
The number of wires provided in the first bus line is L,
9. The solid-state imaging device according to claim 8, wherein the number of wirings provided in the second bus line is L.
前記カウンタによってパルスの数がカウントされる期間内において、前記第1の読み出し処理が繰り返され、前記カウンタによってパルスの数がカウントされる期間が終了した後において、前記第2の読み出し処理が行われる第1の動作モードと、
前記カウンタによってパルスの数がカウントされる期間内において、前記第1の読み出し処理が行われず、前記カウンタによってパルスの数がカウントされる期間が終了した後において、前記第2の読み出し処理が行われる第2の動作モードとで動作し得る
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。
The first readout process is repeated within a period in which the number of pulses is counted by the counter, and the second readout process is performed after the period in which the number of pulses is counted by the counter is ended. A first operation mode,
The first readout process is not performed within a period in which the number of pulses is counted by the counter, and the second readout process is performed after a period in which the number of pulses is counted by the counter is completed. The solid-state imaging device according to claim 4, which can operate in the second operation mode.
前記光センサ部は、アバランシェフォトダイオードを備える
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 10, wherein the light sensor unit includes an avalanche photodiode.
光子の受光頻度に応じた頻度で所定のパルス幅のパルスを発する光センサ部が備えられた複数の画素が行列状に配された画素アレイと、前記光センサ部から発せられるパルスの数をカウントするカウンタと、前記カウンタのカウント上限値と前記所定のパルス幅との積以下の周期で、前記カウンタからのカウント値の読み出しが行われるように制御を行い得る制御部とを備える固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される信号に対して所定の処理を行う処理部と
を有することを特徴とする撮像装置。
A pixel array including a plurality of pixels arranged in a matrix, and a number of pulses emitted from the light sensor unit are provided with a plurality of pixels provided with a light sensor unit that emits a pulse with a predetermined pulse width at a frequency according to the light reception frequency of photons A solid-state imaging device comprising a counter, and a control unit capable of performing control such that reading of the count value from the counter is performed at a cycle equal to or less than the product of the count upper limit value of the counter and the predetermined pulse width; ,
And a processing unit configured to perform predetermined processing on a signal output from the solid-state imaging device.
光子の受光頻度に応じた頻度で光センサ部から発せられる所定のパルス幅のパルスをカウンタによりカウントするステップと、
前記カウンタのカウント上限値と前記所定のパルス幅との積以下の周期で、前記カウンタからのカウント値の読み出しを行うステップと、
前記カウンタから読み出されたカウント値を積算するステップと
を有することを特徴とする撮像方法。
Counting by a counter a pulse of a predetermined pulse width emitted from the optical sensor unit at a frequency corresponding to the light reception frequency of photons;
Reading the count value from the counter at a cycle equal to or less than the product of the count upper limit value of the counter and the predetermined pulse width;
And D. integrating the count value read from the counter.
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