JP2020028081A - Imaging apparatus and control method of the same, program, and storage medium - Google Patents
Imaging apparatus and control method of the same, program, and storage medium Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020028081A JP2020028081A JP2018153207A JP2018153207A JP2020028081A JP 2020028081 A JP2020028081 A JP 2020028081A JP 2018153207 A JP2018153207 A JP 2018153207A JP 2018153207 A JP2018153207 A JP 2018153207A JP 2020028081 A JP2020028081 A JP 2020028081A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- counting
- state
- unit
- exposure period
- frame
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
Description
本発明は撮像装置及びその制御方法に関する。 The present invention relates to an imaging device and a control method thereof.
近年、露光期間中にフォトダイオードに入射した光子の数を計数し、その計数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。 In recent years, there has been proposed a photon counting type image sensor that counts the number of photons incident on a photodiode during an exposure period and outputs the counted value as a signal value.
フォトンカウンティング方式を実現する手法として、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、カウンタを用いる方法が開示されている。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、単一光子の入射による生成キャリアがアバランシェ増倍を起こし、大電流が発生する。
As a method for realizing the photon counting method, for example,
この電流をもとに生成したパルス信号を、カウンタ回路で計数することで、アバランシェフォトダイオードに入射した光子の数に応じた信号値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光子の数をそのまま信号値として扱う。そのため、CCDやCMOSイメージセンサなどと比較して、信号への回路ノイズの影響が少なく、微弱な光環境においても画像を鮮明にとらえることができるという利点がある。 By counting the pulse signal generated based on this current by the counter circuit, a signal value corresponding to the number of photons incident on the avalanche photodiode can be obtained. The photon counting type image sensor treats the number of photons incident on the photodiode as a signal value as it is. Therefore, as compared with a CCD or a CMOS image sensor, there is an advantage that the influence of circuit noise on a signal is small and an image can be clearly captured even in a weak light environment.
しかしながら、この様なイメージセンサにおいては、複数の画素で光子が入射する都度、前述した大電流が発生する。とりわけ、多画素化されたイメージセンサに高輝度光が照射され続けると、多くの画素でこの様な電流が繰り返し発生し続けるため、消費電力の増大を招く。 However, in such an image sensor, each time a photon is incident on a plurality of pixels, the above-described large current is generated. In particular, if high-intensity light is continuously irradiated on an image sensor having a large number of pixels, such a current continues to be repeatedly generated in many pixels, resulting in an increase in power consumption.
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、単一光子の検出が可能な撮像装置おいて、高輝度光の照射に伴う消費電力の増大を抑制することである。 The present invention has been made in view of the above-described problem, and an object of the present invention is to suppress an increase in power consumption due to irradiation of high-brightness light in an imaging device capable of detecting a single photon.
本発明に係わる撮像装置は、入射した光子の数を計数する計数手段と、前記計数手段を、前記光子の数を計数する第1の状態と、前記光子の数を計数しない第2の状態とのいずれに設定するかを選択する選択手段と、をそれぞれ有する複数の画素と、それぞれの前記画素における前記計数手段による計数結果に基づいて、前記画素に入射した光に応じた画像を生成する生成手段とを備え、前記選択手段は、第1の露光期間に前記画素に入射する光量に応じて、前記第1の露光期間よりも後に行われる第2の露光期間において、前記計数手段を前記第1の状態に設定するか、前記第2の状態に設定するかを選択することを特徴とする。 The imaging apparatus according to the present invention includes a counting unit that counts the number of incident photons, a first state in which the counting unit counts the number of photons, and a second state in which the number of photons is not counted. Generating means for generating an image corresponding to the light incident on the pixel, based on a plurality of pixels each having a selecting means for selecting which one to set, and a counting result of the counting means in each of the pixels. Means, and wherein the selecting means controls the counting means in the second exposure period performed after the first exposure period in accordance with the amount of light incident on the pixel during the first exposure period. It is characterized by selecting whether to set to the first state or to the second state.
本発明によれば、単一光子の検出が可能な撮像装置おいて、高輝度光の照射に伴う消費電力の増大を抑制することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the imaging device which can detect a single photon, it becomes possible to suppress the increase of the power consumption accompanying irradiation of high luminance light.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る撮像装置150の構成を示すブロック図である。図1において、固体撮像素子100は、撮影レンズ101により結像された被写体像を信号値に変換する。レンズ駆動部102は、全体制御演算部103からの指示により、撮影レンズ101が有するフォーカスレンズの駆動、及び絞りの駆動を行う。
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an
全体制御演算部103は、固体撮像素子100の制御、固体撮像素子100から出力された信号の補正・現像を含む、撮像装置150の全体の制御を行う。メモリ部104は、画像データを一時的に保存し、表示部105は、各種情報や撮影画像の表示を行う。
The overall
記録部106は、画像データなどが記録される半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。操作部107は、ユーザーが撮像装置150に各種の指示を入力するためのインターフェースである。操作部107から出力される信号に基づいて、全体制御演算部103は撮像装置150の各ブロックを制御する。
The recording unit 106 is a removable recording medium such as a semiconductor memory in which image data and the like are recorded. The operation unit 107 is an interface for a user to input various instructions to the
図2は、固体撮像素子100の構成を示す図である。本実施形態の固体撮像素子100は、露光期間において単位画素200に入射した光に応じた信号値を出力する。その際に、露光期間を分割したサブフレームに入射した光に応じた信号値を内部で加算し、露光期間全体に対応する1フレームの信号値を生成する。この駆動方法の詳細については後述する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the solid-
固体撮像素子100は、単位画素200が行列状に多数配置された画素部201、列信号線202、加算回路203、メモリ204、信号処理回路205、タイミング制御回路206を備えて構成される。タイミング制御回路206は、画素部201に駆動信号を出力して画素部201の制御を行うとともに、加算回路203、メモリ204、信号処理回路205の制御も行う。
The solid-
列信号線202は、単位画素200の出力を加算回路203に伝送する信号線である。そして、タイミング制御回路206の制御により、画素部201に配置された複数の単位画素200は、入射した光に応じた信号値を後述するサブフレームの間隔で繰り返し列信号線202に出力する。
The
加算回路203は、単位画素200から出力された信号値を、単位画素200毎に順次加算し、メモリ204に出力する。この加算処理は信号値を混合する処理に相当し、加算回路203は混合手段として機能する。
The
メモリ204は、加算回路203から出力された信号値を保持すると共に、保持した信号値を加算回路203及び信号処理回路205に出力することができる。
The
具体的には、画像の生成に用いられる1フレームの最初のサブフレームに応じた単位画素200の出力が加算回路203に入力された際には、加算回路203はメモリ204にこの信号値を出力する。メモリ204は、この信号値を保持する。
Specifically, when the output of the
以降のサブフレームに応じた単位画素200の出力が加算回路203に入力された際には、メモリ204に保持した信号値が加算回路203に出力され、単位画素200の出力とメモリ204に保持された信号値が加算され、再度メモリ204に保持される。
When the output of the
このような駆動を繰り返すことにより、単位画素200毎に信号値を順次累積加算した信号が加算回路203により生成され、メモリ204に保持される。1フレームの信号値が生成された後に、メモリ204はこの1フレームの信号値を信号処理回路205に出力する。
By repeating such driving, a signal obtained by sequentially accumulating the signal values for each
信号処理回路205は、入力された1フレームの信号値に対し、黒レベル補正等の各種補正を行い、補正された画像信号を全体制御演算部103へと出力する。
The
次に、図3は、単位画素200の構成を示す図である。また、図4は、固体撮像素子100のサブフレーム駆動を示すタイミングチャートである。図3と図4を参照して、本実施形態における固体撮像素子100の駆動タイミングについて説明する。
Next, FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the
単位画素200は、光子を検出する状態と、光子を検出しない状態のいずれかで選択的に駆動することが可能である。そして、光子を検出する「検出サブフレーム」と光子を検出しない「非検出サブフレーム」のどちらかがサブフレーム毎に選択される。複数のサブフレーム駆動を繰り返すことにより1フレーム(所定の露光期間)における単位画素200の信号値を生成する。
The
図4(a)は、単位画素200により光子を検出する「検出サブフレーム」における駆動を示し、図4(b)は、単位画素200により光子を検出しない「非検出サブフレーム」における駆動を示している。なお、1フレームの駆動については図5を用いて後述する。
FIG. 4A illustrates driving in a “detection subframe” in which a photon is detected by the
図3に示すように、単位画素200は、アバランシェフォトダイオード(以下、APDとする)300、クエンチトランジスタ301、波形整形回路302、カウンタ303を備える。さらに、ラッチ304、制御回路305、AND回路306、選択スイッチ307を備えて構成される。
As shown in FIG. 3, the
また、図4において、「SubVD」、「RST」、「Latch」は、タイミング制御回路206から画素部201内の単位画素200に共通に入力される駆動信号を表している。「APD」は、APD300とクエンチトランジスタ301の間のノードの電位を表している。「波形整形回路出力」は、波形整形回路302の出力を表している。「計数値」は、カウンタ303の計数値を表している。「ラッチEN」は制御回路305の出力するラッチEN信号を表している。さらに、「ラッチ出力」はラッチ304の出力を表している。
In FIG. 4, “SubVD”, “RST”, and “Latch” represent drive signals commonly input from the
APD300は、APD用電源VAPDと接続されるとともに、クエンチトランジスタ301を介して電源電圧VDDと接続されており、逆バイアスを印加することが可能なように構成されている。APD300は、逆バイアスの電位差が降伏電圧以上かかった状態では、光子が入射し光電変換による電荷が発生するとアバランシェ増倍による多数の電荷を発生させる。
The
発生した電荷は、クエンチトランジスタ301を介してある時間をもって排出される。この発生した電荷がクエンチトランジスタ301を介して排出されることにより生じる電流をアバランシェ電流と呼ぶ。この動作により、APD300とクエンチトランジスタ301の間のノードにおいて、APDに光子が入射するのに応じて電位が降下する変動が起きる。このようにして、APD300とクエンチトランジスタ301は受光部として機能する。
The generated charge is discharged through the quench
波形整形回路302は、例えばインバータ回路により構成され、APD300への光子の入射に応じた電荷の生成及び排出による電位の変化に対し、増幅およびエッジ検出を行うことにより、パルス信号を生成する。
The
カウンタ303は、計数部として機能し、波形整形回路302の出力するパルス信号を計数し、計数値(計数結果)を出力する。カウンタ303の計数値は、タイミング制御回路206から出力される駆動信号RSTにより0にリセットされる。ラッチ304は、AND回路306から出力されるパルスのタイミングに合わせてカウンタ303から出力された計数値の保持を行う。
The
制御回路305は、タイミング制御回路206から出力される駆動信号SubVD、全体制御演算部103から出力されるモード選択信号modeに応じて、ラッチEN信号と、電圧Vqncを出力する。
The
駆動信号SubVDは、サブフレームの開始タイミングを示す信号であり、モード選択信号modeは単位画素200の駆動モードを設定する信号である。
The drive signal SubVD is a signal indicating the start timing of the sub-frame, and the mode selection signal mode is a signal for setting the drive mode of the
制御回路305は、モード選択信号modeに応じて、そのサブフレームが、「検出サブフレーム」であるか、或いは「非検出サブフレーム」であるのかを判断する。そして、判断結果に応じたラッチEN信号とゲート電圧Vqncを出力する。この制御により、制御回路305は選択手段として機能する。
The
ラッチEN信号は、カウンタ303の計数値をラッチ304が保持するか、しないかを制御する信号であり、サブフレーム毎にHighレベル(以下“H”とする)かLowレベル(以下“L”とする)が出力される。具体的には、「検出サブフレーム」において“H”を、「非検出サブフレーム」において“L”を出力する。
The latch EN signal is a signal for controlling whether or not the count value of the
また、電圧Vqncは、クエンチトランジスタ301のゲートに供給する電圧である。制御回路305は、クエンチトランジスタ301のゲート電圧Vqncを制御することにより、APD300について、光子に応じてアバランシェ電流が発生する状態と発生しない状態のどちらかを選択する。
The voltage Vqnc is a voltage supplied to the gate of the quench
具体的には、ゲート電圧Vqncを、クエンチトランジスタ301の閾値電圧を越える電圧にすることにより、クエンチトランジスタ301は導通状態となる。この状態において、APD300で発生したアバランシェ増倍による電荷は、ある時間をもって電源電圧VDDに排出される。そして、電荷排出後は再びAPD300に降伏電圧以上の逆バイアスがかかり、再度、光子に応じてアバランシェ電流が発生する状態になる。
Specifically, by setting the gate voltage Vqnc to a voltage exceeding the threshold voltage of the quench
一方、ゲート電圧Vqncを電源電圧VDDと同じ電圧に制御することにより、クエンチトランジスタ301は非導通状態となる。この状態においては、APD300で一度発生したアバランシェ増倍による電荷は排出されず、APD300とクエンチトランジスタ301の間のノードは低い電位に維持される。この状態では、APD300にかかる逆バイアスは降伏電圧以上とならないので、光子が入射してもアバランシェ増倍が起きず、アバランシェ電流は発生しない。
On the other hand, by controlling the gate voltage Vqnc to the same voltage as the power supply voltage VDD, the quench
このように、制御回路305は、ゲート電圧Vqncを制御することにより、APD300について、光子の入射に応じてアバランシェ電流が発生する状態と、発生しない状態のどちらかを選択することができる。そして、「検出サブフレーム」では、アバランシェ電流が発生する状態に制御され、「非検出サブフレーム」ではアバランシェ電流が発生しない状態に制御される。
As described above, by controlling the gate voltage Vqnc, the
AND回路306には、制御回路305の出力するラッチEN信号と、タイミング制御回路206の出力する駆動信号Latchが入力される。ラッチEN信号が“H”であるサブフレームにおいて、駆動信号Latchが“H”レベルになるタイミングでAND回路306は“H”を出力し、このタイミングにおいてラッチ304はカウンタ303の計数値を保持する。
To the AND
選択スイッチ307には、タイミング制御回路206の出力する駆動信号SELが入力される。駆動信号SELが“H”のタイミングにおいてラッチ304が保持している計数値が、単位画素200に入射した光に応じた信号値として列信号線202に出力される。
The drive signal SEL output from the
駆動信号SELは、画素部201内の単位画素200にそれぞれ個別の駆動信号として入力されており、順に駆動信号SELが“H”になることにより、画素部201内の単位画素200の信号値が順に列信号線202に出力される。
The drive signal SEL is input as an individual drive signal to each of the
初めに、図4(a)を用いて、「検出サブフレーム」における固体撮像素子100の駆動について説明する。
First, the driving of the solid-
タイミングt400では、駆動信号SubVDが“H”となり、サブフレームが開始される。同時に、駆動信号RSTが“H”となりカウンタ303の計数値が0にリセットされ、ラッチEN信号が“H”になる。駆動信号RSTは、カウンタ303の計数値のリセットに必要な時間が経過した後に“L”となり、リセットが解除される。また、このタイミングにおいて、ラッチ304の出力はこのサブフレーム以前に保持された計数値に設定されている。
At timing t400, the drive signal SubVD becomes “H”, and the subframe starts. At the same time, the drive signal RST becomes “H”, the count value of the
タイミングt401では、APD300に光子が入射し、アバランシェ電流が発生する。具体的には、アバランシェ増倍による電荷により、APD300とクエンチトランジスタ301の間のノードの電位が降下し、その後クエンチトランジスタ301から電荷が徐々に排出され、ノードの電位は電源電圧VDDになる。波形整形回路302は、ノードの電位の降下によるエッジを検出し、信号レベル“H”を出力する。
At timing t401, a photon enters the
そして、ノードの電位が上昇するのに応じて信号レベル“L”に遷移することにより、入射した光子に応じたパルスを出力する。カウンタ303では、このパルスを計数し、計数値は上昇し1となる。タイミングt401〜t402では、入射した光子に応じて生成されたパルスをカウンタ303が計数する状態が維持される。
Then, a transition is made to the signal level “L” as the potential of the node rises, thereby outputting a pulse corresponding to the incident photon. The
サブフレーム期間が終了する直前のタイミングであるタイミングt403まで、上記の動作が、APD300に光子が入射するたびに繰り返される。
The above operation is repeated every time a photon enters the
タイミングt403では、駆動信号Latchが“H”となり、カウンタ303の計数値をラッチ304が取り込み、駆動信号Latchが“L”になることにより計数値をラッチ304が保持する。図4(a)の例では、光子は10個検出されており、ラッチ304の出力は10となる。駆動信号Latchが“H”になるタイミングは、次の駆動信号SubVDが入力されるサブフレーム終了タイミングから、ラッチ304が計数値を保持するのに必要な時間を考慮し、予め定めた時間だけ前のタイミングであることが望ましい。
At timing t403, the driving signal Latch becomes “H”, the count value of the
ラッチ304が保持する計数値は、駆動信号RSTが“L”となりリセットが解除されたタイミングから、駆動信号Latchが“L”となり保持が完了するタイミングまでの間の期間にAPD300に入射した光子に応じた計数値となる。つまり、光子をカウントした期間は、サブフレームの期間に完全には一致していない。しかしながら、この期間とサブフレームの期間との差はサブフレームの期間に対して非常に小さいため、このサブフレームにおいて入射した光子に応じた計数値とみなすことができる。
The count value held by the
続いて、図4(b)を用いて、「非検出サブフレーム」における固体撮像素子100の駆動について説明する。
Subsequently, the driving of the solid-
タイミングt404では、駆動信号SubVDが“H”となり、サブフレームが開始される。「検出サブフレーム」と異なり、ラッチEN信号は“L”になる。更に、図示しないゲート電圧Vqncは電源電圧VDDとなり、クエンチトランジスタ301は非導通状態となる。
At timing t404, the drive signal SubVD becomes “H”, and the subframe starts. Unlike the “detection subframe”, the latch EN signal becomes “L”. Further, the gate voltage Vqnc (not shown) becomes the power supply voltage VDD, and the quench
タイミングt405では、APD300に光子が入射し、アバランシェ増倍による電荷が発生することで、APD300とクエンチトランジスタ301の間のノードの電位が降下する。しかし、クエンチトランジスタ301は非導通状態なのでこの電荷は排出されず、アバランシェ電流は発生しない。
At timing t405, photons enter the
前述したように、ノードの電位は降下した状態から変化しないので、APD300にかかる逆バイアスは降伏電圧以上とならず、光子が入射してもアバランシェ増倍が起きない状態になる。波形整形回路302は、ノードの電位の降下に応じて信号レベル“H”となり、カウンタ303の計数値は1となる。
As described above, since the potential of the node does not change from the lowered state, the reverse bias applied to the
タイミングt406では、駆動信号Latchが“H”となるが、ラッチEN信号は“L”であるので、AND回路306の出力は“L”のままとなり、ラッチ304はこのサブフレーム以前に保持された計数値を引き続き保持する。
At timing t406, the drive signal Latch becomes “H”, but the latch EN signal is “L”, so that the output of the AND
このように、「非検出サブフレーム」においては、光子の入射の有無によらず、アバランシェ電流は発生しない。これにより、「非検出サブフレーム」の駆動を行う単位画素200では、光子の入射しない「検出サブフレーム」と同じく、光子の入射する条件において、単位画素200で発生する消費電力を大幅に低減することが可能となる。
As described above, in the “non-detection subframe”, no avalanche current is generated regardless of the presence / absence of photons. As a result, in the
続いて、図5を参照して、本実施形態における固体撮像素子100の駆動タイミングについてさらに説明する。図5は、固体撮像素子の1フレームの画像を取得する駆動を示すタイミングチャートである。
Subsequently, the drive timing of the solid-
図5において、「VD」は、1フレームの開始タイミングを示す信号であり、全体制御演算部103から固体撮像素子100に入力される。「Mode:A」、「Mode:B」、「Mode:C」は、モード選択信号modeがA、B、Cとなる単位画素200の動作例を表す。
In FIG. 5, “VD” is a signal indicating the start timing of one frame, and is input from the overall
具体的には、画素部201をマトリクス状に複数の分割領域に分割し、入射光量(撮影条件)に応じて、各々の分割領域に、モードA、モードB、モードCのいずれかのモードが割り当てられる。
Specifically, the
すなわち、入射光量が少ない分割領域にはモードA、中間の入射光量の分割領域にはモードB、入射光量が多い分割領域にはモードCが割り当てられる。分割領域とモードの設定に関しては、図6を用いて後述する。 That is, mode A is assigned to a divided area with a small amount of incident light, mode B is assigned to a divided area with an intermediate amount of incident light, and mode C is assigned to a divided area with a large amount of incident light. The setting of the divided area and the mode will be described later with reference to FIG.
また、図5において、「動作」は、各サブフレームにおいて、単位画素200が「検出サブフレーム」と「非検出サブフレーム」のどちらで駆動されているかを表す。
In FIG. 5, “operation” indicates whether the
「計数値」は、実線がカウンタ303の計数値を、破線がラッチ304の出力する信号値を表す。「SEL」は、タイミング制御回路206の出力する駆動信号SELにより、画素部201内の単位画素200の信号値が順に出力される駆動を模式的に表している。
As for “count value”, the solid line indicates the count value of the
「加算処理」は、加算回路203により、単位画素200の出力と、メモリ204に保持されたその同じ単位画素200の累積加算された信号値との加算を行うタイミングを表している。さらに、「センサ出力」は、メモリ204に保持された1フレームの信号が信号処理回路205を介して固体撮像素子100から全体制御演算部103に出力されるタイミングを表している。
“Addition processing” indicates the timing at which the
続いて、図5に示す駆動タイミングに沿った固体撮像素子100の動作について具体的に説明する。
Subsequently, the operation of the solid-
タイミングt500では駆動信号VDが“H”となり1フレームの駆動が開始される。同時に駆動信号SubVDも“H”となり、予め設定される1フレームの露光期間を等間隔に分割したサブフレーム(分割露光期間)のうち、最初のサブフレームが開始される。1フレームの開始にあたり、単位画素200には、分割領域毎にそれぞれ全体制御演算部103からモード選択信号modeが入力される。
At timing t500, the drive signal VD becomes “H”, and driving of one frame is started. At the same time, the drive signal SubVD also becomes “H”, and the first sub-frame of sub-frames (divided exposure periods) obtained by dividing a preset exposure period of one frame at equal intervals is started. At the start of one frame, the mode selection signal mode is input to the
1フレームの最初のサブフレームでは、モード選択信号modeによらず全ての単位画素200は「検出サブフレーム」で駆動される。それにより、カウンタ303の計数値は光子の入射に応じて上昇していく。
In the first sub-frame of one frame, all
タイミングt501では、駆動信号SubVDが再び“H”となり、最初のサブフレームが終了し、2回目のサブフレームが開始される。このタイミングにおいてラッチ304では、最初のサブフレームに単位画素200に入射した光子に応じた信号値が保持されている。
At timing t501, the drive signal SubVD becomes "H" again, the first subframe ends, and the second subframe starts. At this timing, the
そして、駆動信号SELが順次“H”になることにより、画素部201内の単位画素200の最初のサブフレームにおいて入射した光子に応じた信号値が順次列信号線202を介して加算回路203へと出力される。
When the drive signal SEL sequentially becomes “H”, a signal value corresponding to a photon incident in the first subframe of the
最初のサブフレームの信号値が加算回路203に入力されるタイミングにおいては、加算回路203では、単位画素200の信号値を加算することなくメモリ204へ出力し、メモリ204はこの信号値を保持する。
At the timing when the signal value of the first subframe is input to the
2回目のサブフレームにおいては、モード選択信号modeによりモードAが割り当てられた単位画素200は、再び「検出サブフレーム」として駆動される。一方、モード選択信号modeによりモードB及びモードCが割り当てられた単位画素200は、「非検出サブフレーム」として駆動される。
In the second sub-frame, the
タイミングt502では、駆動信号SubVDが再び“H”となり、2回目のサブフレームが終了し、3回目のサブフレームが開始される。
モードAが割り当てられ、2回目のサブフレームで「検出サブフレーム」として駆動された単位画素200では、ラッチ304に2回目のサブフレームで入射した光子に応じた信号値が保持される。
At timing t502, the drive signal SubVD becomes "H" again, the second sub-frame ends, and the third sub-frame starts.
In the
一方、モードB及びモードCが割り当てられ、2回目のサブフレームが「非検出サブフレーム」として駆動された単位画素200では、ラッチ304に最初のサブフレームで入射した光子に応じた信号値が保持され続ける。
On the other hand, in the
そして、加算回路203では、単位画素200の出力と、メモリ204に保持されていた単位画素200の信号値が加算され、再度メモリ204に保持される処理が行われる。つまり、メモリ204に保持される、モードAが割り当てられた単位画素200に対応する信号値は、最初と2回目のサブフレームに入射した光子に応じた信号値である。
Then, in the adding
一方、メモリ204に保持される、モードB及びモードCが割り当てられた単位画素200に対応する信号値は、最初のサブフレームに入射した光子に応じた信号値の2倍の信号値になる。
On the other hand, the signal value corresponding to the
3回目のサブフレームにおいては、モード選択信号modeによりモードA及びモードBが割り当てられた単位画素200は、「検出サブフレーム」として駆動される。一方、モード選択信号modeによりモードCが割り当てられた単位画素200は、「非検出サブフレーム」として駆動される。
In the third sub-frame, the
タイミングt503では3回目のサブフレームが終了し、4回目のサブフレームが開始される。4回目のサブフレームにおいては、モード選択信号modeによりモードA及びモードCが割り当てられた単位画素200は、「検出サブフレーム」として駆動される。一方、モード選択信号modeによりモードBが割り当てられた単位画素200は、「非検出サブフレーム」として駆動される。
At timing t503, the third subframe ends and the fourth subframe starts. In the fourth sub-frame, the
このように、モード選択信号modeによりモードAが割り当てられた単位画素200は、常に「検出サブフレーム」で駆動される。また、モード選択信号modeによりモードBが割り当てられた単位画素200は、「検出サブフレーム」と「非検出サブフレーム」を交互に繰り返すように駆動される。
As described above, the
さらに、モード選択信号modeによりモードCが割り当てられた単位画素200は、「検出サブフレーム」で1回駆動された後、「非検出サブフレーム」で2回繰り返すように駆動される。つまり、単位画素200に入射する光量が多いほど、アバランシェ電流の発生しない「非検出サブフレーム」の期間(累積時間)が長くなるように制御される。
Furthermore, the
タイミングt504では、予め設定された回数のサブフレームの繰り返しが終わり、露光期間が終了する。露光期間終了後は、モード選択信号modeにかかわらず、単位画素200は「非検出サブフレーム」で駆動される。最後のサブフレームで入射した光子に応じた信号値の累積加算が終わり保持された信号値は、メモリ204から順次信号処理回路205を介して固体撮像素子100の外部へと出力される。これにより、固体撮像素子100の1フレームの画像の出力が完了する。
At the timing t504, the repetition of the subframe a preset number of times ends, and the exposure period ends. After the end of the exposure period, the
続いて、図6を参照して、画素部201内の分割領域毎のモードの設定について説明する。図6は、画素部内の分割領域における駆動モードを表す図である。
Subsequently, the setting of the mode for each divided region in the
図6における外枠の撮像領域600が画素部201の領域と対応しており、背景の画像は撮影するシーンの例を示している。分割領域601は、撮像領域600を分割した1つの領域を示している。分割領域601の中には、複数の単位画素200が行列状に配置されている。
The
分割領域601内の記号A、B、Cは、その分割領域601に配置される単位画素200を制御するモード選択信号modeによるモードの設定例を表している。分割領域601毎のモード選択信号modeは、全体制御演算部103によって、撮像を行うフレームの直前に固体撮像素子100から出力された前フレームの信号値から演算される。
Symbols A, B, and C in the divided
具体的には、前フレームの画像の信号値に対して分割領域601毎に平均値を算出し、その領域において入射する光量を推測する。そしてその平均値を予め定められた閾値と比較することにより、その比較結果に応じて、分割領域601毎のモード選択信号modeが決定される。全体制御演算部103は、撮像を行うフレーム開始前に上記演算を行い、固体撮像素子100にモード選択信号modeを出力する。
Specifically, an average value is calculated for each divided
なお、本実施形態においては、前フレームの信号により、分割領域601毎のモード選択信号modeを決定した。しかし、本発明はこれに限られるものでなく、例えば、図示しない測光センサを別途設け、この測光センサにおいて画素領域601毎に入射する光量を計測することにより、モード選択信号modeにより各画素領域601に割り当てるモードを決定してもよい。
In the present embodiment, the mode selection signal mode for each divided
次に、図7を参照して、本実施形態における固体撮像素子の半導体チップ構造について説明する。 Next, a semiconductor chip structure of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
図7(a)は、固体撮像素子100が、2つの半導体基板が互いに積層されることによって構成されていることを示す図である。また、図7(b)は、単位画素200の各構成要素が、2つの半導体基板のどちらに配置されているかを説明する図である。
FIG. 7A is a diagram illustrating that the solid-
固体撮像素子100は、単位画素200が多くの構成要素を含んでおり、特にカウンタ303は、多bitのカウンタで構成されるため、回路規模が大きくなる。従って、撮像素子100は、複数の半導体基板を画素単位で接続した積層構造で実現されることが好ましい。
In the solid-
図7(a)に示すように、固体撮像素子100は、撮影レンズ101を通過した光を受ける上部半導体基板700と、主にデジタル系の回路を含む下部基板701とから構成されている。
As shown in FIG. 7A, the solid-
上部半導体基板700側の上部画素702は、図7(b)に示すように、単位画素200のAPD300と、クエンチトランジスタ301を含んでいる。一方、下部半導体基板701側の下部画素703は、単位画素200の波形整形回路302と、カウンタ303と、ラッチ304と、制御回路305と、AND回路306と、選択スイッチ307とを含んでいる。また、加算回路203と、メモリ204と、信号処理回路205と、タイミング制御回路206は、下部半導体基板701に配置されている。
The
このように構成することで、固体撮像素子100は、APD300に光子を入射させるための十分な開口面積を上部半導体基板700側の上部画素702に確保することができる。さらに、下部半導体基板701側では、カウンタ303を配置する回路面積を確保することができる。
With such a configuration, the solid-
ただし、固体撮像素子100の半導体チップ構造は、目的、用途に応じて自由に変えることができる。例えば、3つ以上の半導体基板の積層構造としてもよく、あるいは単一チップで構成してもよい。更に、複数の各半導体基板は異なるプロセスルールに従って製造されてもよい。
However, the semiconductor chip structure of the solid-
本実施形態では、単位画素200に入射する光量に応じて、周期的に単位画素200をアバランシェ電流の発生しない「非検出サブフレーム」として駆動することにより、高照度光の照射に伴う消費電力の増大を抑制することができる。
In the present embodiment, the
また、消費電力が小さい、入射する光量の少ない単位画素200では露光期間において常に光子を検出するため、単位画素200の信号値により生成される画像は、画質を損うことがない。
In addition, in the
一方、入射する光量の多い単位画素200では、サブフレームの内の一部を「非検出サブフレーム」で駆動することにより、検出する光子数が少なくなる。これにより、光ショットノイズの影響が増し、単位画素200の信号値により生成される画像は画質が悪化する。
On the other hand, in the
しかしながら、単位時間当たりに計数する光子の数が多いため、入射する光量の少ない分割領域601に比べ、検出する光子の数が少なくなりすぎることはなく、画像のノイズとして視認されにくい。つまり、画質の劣化を抑制しつつ高輝度光の照射に伴う消費電力の増大を抑制することができる。
However, since the number of photons counted per unit time is large, the number of photons to be detected does not become too small as compared with the divided
また、前述したように、「非検出サブフレーム」において、単位画素200が以前の「検出サブフレーム」における信号値を出力し、加算回路203において累積加算を行う。これにより、「非検出サブフレーム」による光子を検出しない期間においても、時間的に近く相関性の高い直前の「検出サブフレーム」における信号値を出力し、単位画素200間の光子を検出する時間の長さの差を補間することができる。
Further, as described above, in the “non-detection sub-frame”, the
更に、入射する光量が多い単位画素200において露光期間内に周期的に検出サブフレームの駆動を行うことにより、単位時間当たりに単位画素200に入射する光量が変化しても相関性を高めることができる。結果として、「非検出サブフレーム」の駆動を行うことによる画質の劣化を抑制することができる。
Further, by driving the detection sub-frame periodically during the exposure period in the
<第2の実施形態>
以下、本発明の第2の実施形態の撮像装置について説明する。第2の実施形態では、同一フレーム内の検出サブフレームにおいて入射した光子に応じた信号値に基づいて、単位画素210毎に「非検出サブフレーム」で駆動する回数を異ならせる。
<Second embodiment>
Hereinafter, an imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the number of times of driving in the “non-detection sub-frame” is changed for each
加えて、第2の実施形態では、画像を保存する静止画モードと、画像を保存せず撮像装置の表示部105にリアルタイムで画像を表示するライブビューモードにおいて、入射する光量に応じた「非検出サブフレーム」の回数を異ならせる。
In addition, in the second embodiment, in the still image mode for saving images and the live view mode for displaying images in real time on the
以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点について説明する。第2の実施形態における固体撮像素子は、単位画素210を除き、第1の実施形態の固体撮像素子100と同じ構成である。
Hereinafter, points of the present embodiment different from the first embodiment will be described. The solid-state imaging device according to the second embodiment has the same configuration as the solid-
図8を参照して、本発明の第2の実施形態における単位画素210の構成について説明する。図8は、第2の実施形態における単位画素210の構成を示す図である。単位画素210の構成要素のうち、構成要素800〜807は、図3に示す第1の実施形態の単位画素の構成要素300〜307に対応し、それぞれの機能は第1の実施形態と同様である。
The configuration of the
単位画素210は、閾値判定回路808を有する点が第1の実施形態の単位画素200と異なる。閾値判定回路808は、「検出サブフレーム」においてラッチ804が保持する信号値と、予め定められた閾値を比較し、信号値の大きさに応じて、「検出サブフレーム」後に行われる「非検出サブフレーム」の回数を制御回路805に出力する。制御回路805は内部に図示しないカウンタを有し、「非検出サブフレーム」の回数に応じて「非検出サブフレーム」を繰り返すように制御を行う。
The
このように、単位画素210内に閾値判定回路808を設け、「検出サブフレーム」における信号値に応じて「非検出サブフレーム」を行う回数を制御する。これにより、単位画素210毎に入射する光量に合わせて、単位画素210で発生する消費電力の低減を行うことができる。
As described above, the threshold
そのため、分割領域601毎に制御する第1の実施形態に比べて、分割領域601内の光量が不均一な被写体において、より画質の劣化を抑制することが可能となる。また、「非検出サブフレーム」の回数の判定に用いられる信号値が同一フレーム内の光量に応じた信号であるため、時間的な相関性が高い。そのため、単位時間当たりに入射する光量が変化する被写体に対しても、画質と消費電力のバランスをより望ましく設定することが可能である。
Therefore, as compared with the first embodiment in which control is performed for each of the divided
続いて、図9を参照して、第2の実施形態におけるサブフレーム駆動について説明する。図9(a)は、光子を検出する「検出サブフレーム」における駆動を示し、図9(b)は、光子を検出しない「非検出サブフレーム」における駆動を示している。 Subsequently, the sub-frame driving in the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9A illustrates driving in a “detection sub-frame” for detecting photons, and FIG. 9B illustrates driving in a “non-detection sub-frame” for detecting no photons.
図9において、「Cs1」、「Cs2」、「Cs3」は、閾値判定回路808の判定に用いられる閾値を表しており、詳細は図10を用いて説明する。また、「閾値判定回路出力」は、閾値判定回路808の出力を表している。その他は、図4に示した第1の実施形態と同様である。
9, “Cs1”, “Cs2”, and “Cs3” represent thresholds used for the determination by the
初めに、「検出サブフレーム」について説明する。タイミングt900では、駆動信号SubVDが“H”となり、サブフレームが開始される。ラッチ804は、以前の「検出サブフレーム」における信号値を保持しており、閾値判定回路808の出力もその信号値に応じた値となる。
First, the “detection subframe” will be described. At timing t900, the drive signal SubVD becomes “H”, and the subframe starts. The
その後、APD800に1個目の光子が入射し、アバランシェ電流が発生する。具体的には、アバランシェ増倍による電荷により、APD800とクエンチトランジスタ801の間のノードの電位が降下し、その後クエンチトランジスタ801から電荷が徐々に排出され、ノードの電位は電源電圧VDDになる。
After that, the first photon enters the
波形整形回路802は、ノードの電位の降下によるエッジを検出し、信号レベル“H”を出力する。そして、ノードの電位が上昇するのに応じて信号レベル“L”に遷移することにより、入射した光子に応じたパルスを出力する。カウンタ803では、このパルスを計数し、計数値は上昇し1となる。
The
サブフレーム期間が終了する直前のタイミングであるタイミングt901まで、上記の動作が、APD800に光子が入射するたびに繰り返される。
The above operation is repeated every time a photon enters the
タイミングt901では駆動信号Latchが“H”となり、ラッチ804は、この「検出サブフレーム」に入射した光子に応じた信号値を保持する。これにより、閾値判定回路808は、この信号値と閾値の比較を行う。図9(a)に示す例では、信号値はCs2より大きく、Cs3より小さいため、閾値判定回路808の出力は2となる。
At timing t901, the drive signal Latch becomes “H”, and the
この閾値判定結果をもって、次のサブフレームが「検出サブフレーム」で駆動されるか、「非検出サブフレーム」で駆動されるかが決まるため、駆動信号Latchが“H”となるタイミングは、サブフレームの終了タイミングより前の、制御に必要な時間を考慮したタイミングで行われる。 Based on the threshold determination result, whether the next sub-frame is driven by the “detection sub-frame” or “non-detection sub-frame” is determined. Therefore, the timing when the drive signal Latch becomes “H” is This is performed at a timing before the end timing of the frame in consideration of a time required for control.
なお、本実施形態においても、ラッチ804が信号値を保持した後の光子が検出されない時間は、サブフレームの期間に対して非常に小さいため、ラッチ804が保持した信号値はそのサブフレームにおいて入射した光子に応じた信号値とみなすことができる。
Also in this embodiment, the time during which no photon is detected after the
なお、「非検出サブフレーム」においては、ラッチ804は、以前の「検出サブフレーム」における信号値を保持し続けるので、閾値判定回路808の出力もこの信号値に応じた値のまま変化しない。
In the “non-detection sub-frame”, the
続いて、図10を参照して、本実施形態における固体撮像素子の駆動タイミングについて説明する。図10は、固体撮像素子の1フレームの画像を取得する駆動を示すタイミングチャートである。 Subsequently, the drive timing of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a timing chart showing the driving of the solid-state imaging device for acquiring an image of one frame.
図10(a)は、静止画モードにおける、「検出サブフレーム」の信号値と、閾値判定回路808の出力する、直後に行われる「非検出サブフレーム」の回数の関係を示す図である。図10(b)は、ライブビューモードにおける同関係を示す図である。そして、図10(c)は、非検出回数が異なる単位画素210における1フレームの駆動を示すタイミングチャートである。
FIG. 10A is a diagram illustrating the relationship between the signal value of the “detected subframe” and the number of “non-detected subframes” output from the threshold
図10(a)に示すように、「検出サブフレーム」における信号値が大きくなるにつれて、直後に行われる「非検出サブフレーム」の回数が増加するように、閾値Cs1、Cs2、Cs3が設定される。このとき、閾値Cs1は、「非検出サブフレーム」の回数が1になる閾値であり、Cs2、Cs3も同様に、「非検出サブフレーム」の回数がそれぞれ2、3になる閾値を示している。 As shown in FIG. 10A, the threshold values Cs1, Cs2, and Cs3 are set so that the number of “non-detection subframes” performed immediately after the signal value in the “detection subframe” increases. You. At this time, the threshold value Cs1 is a threshold value at which the number of “non-detection subframes” becomes 1, and Cs2 and Cs3 similarly indicate a threshold value at which the number of “non-detection subframes” becomes 2, 3 respectively. .
一方、図10(b)に示すように、ライブビューモードでは、静止画モードに比べ、「検出サブフレーム」における信号値が同じ大きさでも、より直後に行われる「非検出サブフレーム」の回数が増加するように、閾値Cm1、Cm2、Cm3、Cm4、Cm5が設定される。 On the other hand, as shown in FIG. 10B, in the live view mode, even if the signal value in the “detection subframe” is the same as in the still image mode, the number of “non-detection subframes” performed immediately after Threshold values Cm1, Cm2, Cm3, Cm4, and Cm5 are set so as to increase.
ライブビューモードでは、静止画モードと異なり、画像は保存しないが、被写体の変化をよりリアルタイムに反映できるよう、高フレームレートが求められる。加えて、ライブビューモードでは連続して撮影される時間が長い。そのため、ライブビューモードでは、静止画モードに比べて画質より消費電力の低減が優先されることが望ましい。このことから、ライブビューモードでは、より「非検出サブフレーム」の回数が増加するように閾値を設定する。 Unlike the still image mode, the live view mode does not store images, but requires a high frame rate so that changes in the subject can be reflected in real time. In addition, continuous shooting takes a long time in the live view mode. Therefore, in the live view mode, it is desirable that reduction of power consumption be prioritized over image quality as compared with the still image mode. For this reason, in the live view mode, the threshold is set so that the number of “non-detected subframes” increases.
図10(c)に示すように入射する光量が少なく、非検出回数が0の単位画素210では、露光期間において常に「検出サブフレーム」で駆動される。一方、非検出回数が1の単位画素210では、「検出サブフレーム」1回の後に「非検出サブフレーム」が1回行われるように駆動される。同様に、非検出回数が2の単位画素210では、「検出サブフレーム」1回の後に「非検出サブフレーム」が2回行われるように駆動される。また、非検出回数が3の単位画素210では、「検出サブフレーム」1回の後に「非検出サブフレーム」が3回行われるように駆動される。
As shown in FIG. 10C, the
このように、単位画素210に入射する光量が多いほど、蓄積期間に占める「非検出サブフレーム」の回数が増えるように制御される。
In this way, the control is performed so that the number of “non-detection subframes” in the accumulation period increases as the amount of light incident on the
なお、図10(c)では、単位画素210に単位時間当たりに入射する光量が露光期間内で概ね変化しない例を示している。閾値判定回路808における非検出回数の判定は、「検出サブフレーム」毎に行われるので、単位時間当たりに単位画素210に入射する光量が露光期間内で変化した場合は、「非検出サブフレーム」が連続する回数も変化する。
FIG. 10C shows an example in which the amount of light incident on the
本実施形態の撮像装置においても、第1の実施形態と同様に、画質の劣化を抑制しつつ、高輝度光の照射に伴う消費電力の増大を抑制することが可能である。加えて、単位画素210毎に同一フレーム内の信号値を用いて非検出サブフレームの回数を制御する。そのため、分割領域601内に入射する光量が不均一な被写体や、露光期間において単位時間当たりに入射する光量が変化する被写体において、第1の実施形態に比べて、より望ましい画質と消費電力のバランスをとることが可能となる。
In the imaging apparatus according to the present embodiment, similarly to the first embodiment, it is possible to suppress an increase in power consumption due to irradiation of high-luminance light while suppressing deterioration in image quality. In addition, the number of non-detection subframes is controlled using the signal value in the same frame for each
さらに、静止画モードとライブビューモードにおいて、「非検出サブフレーム」の回数を判定する閾値を異ならせることにより、撮像装置の駆動するモードに応じて、より望ましい画質と消費電力のバランスをとることが可能となる。 Further, by setting different thresholds for judging the number of “non-detection sub-frames” in the still image mode and the live view mode, a more desirable balance between image quality and power consumption can be achieved depending on the driving mode of the imaging device. Becomes possible.
<第3の実施形態>
以下、本発明の第3の実施形態の撮像装置について説明する。第3の実施形態では、単位画素220から加算回路203へ信号値を読み出す駆動を、複数のサブフレームに1回行うことにより、加算回路203やメモリ204での消費電力を低減する。
<Third embodiment>
Hereinafter, an imaging device according to a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the driving of reading the signal value from the
以下、本実施形態が第1及び第2の実施形態と異なる点について説明する。第3の実施形態における固体撮像素子は、単位画素220を除き、第1の実施形態の固体撮像素子100と同じ構成である。
Hereinafter, the points of this embodiment different from the first and second embodiments will be described. The solid-state imaging device according to the third embodiment has the same configuration as the solid-
図11を参照して、本発明の第3の実施形態における単位画素220の構成について説明する。図11は、第3の実施形態における単位画素220の構成を示す回路図である。単位画素220の構成要素のうち、構成要素1100〜1108は、図8に示す第2の実施形態の単位画素の構成要素800〜808に対応し(AND回路806は除く)、それぞれの機能は第2の実施形態と同様である。
The configuration of the
単位画素220は、閾値判定回路1108にタイミング制御回路206から出力される駆動信号Judgeが入力されていること、制御回路1104に駆動信号RSTが入力されていること、が第2の実施形態の単位画素210と異なる。
The
また、制御回路1104が「非検出サブフレーム」の駆動を行った回数である非検出総数をラッチ1105に出力すること、ラッチ1105は駆動信号Latchにより直接制御されること、が第2の実施形態の単位画素210と異なる。
The second embodiment is that the total number of non-detections, which is the number of times the
さらに、ラッチ1105はカウンタ1104の計数値と共に非検出総数を保持し、選択スイッチ1107を介して加算回路203に信号値及び非検出回数を出力すること、が第2の実施形態の単位画素210と異なる。
Further, the
制御回路1105は、図示しないカウンタを有し、「非検出サブフレーム」の駆動を行った回数を計数し、非検出総数として出力する。非検出総数は駆動信号RSTに応じて、非検出総数がラッチ1105に保持された後に0にリセットされる。
The
閾値判定回路1108は、駆動信号Judgeに応じてカウンタ1104の計数値の判定を行い、判定結果を保持する。計数値の判定は、1フレームにおける最初のサブフレーム及び、加算回路203に出力する信号値がラッチ1105に保持された直後のサブフレームにおいて行われる。
The threshold value determination circuit 1108 determines the count value of the
制御回路1105は、この判定結果に基づき、「非検出サブフレーム」の駆動が行われる回数を異ならせる。ラッチ1105は、駆動信号Latchに応じてカウンタ1104の計数値と共に非検出総数を保持し、出力する。
The
選択スイッチ1107が駆動信号SELで制御されることにより、ラッチ1105の保持した信号値が加算回路203に出力されるのと同じタイミングで、非検出総数も加算回路203に出力される。加算回路203に出力された非検出総数は、信号値と同様に累積加算され、メモリ204に保持される。
When the
そして、信号値と非検出総数の累積結果は各々信号処理回路205に出力される。信号処理回路205では非検出総数の累積結果に基づき、「非検出サブフレーム」の駆動を行うことにより生じる単位画素220間の光子を検出する時間の長さの差を補正する。
The signal value and the cumulative result of the total number of non-detections are output to the
続いて、図12を参照して、本実施形態における固体撮像素子の駆動タイミングについて説明する。図12は、固体撮像素子の1フレームの画像を取得する駆動を示すタイミングチャートである。図12では、サブフレーム6回に1回、単位画素220から加算回路203へ信号値を読み出す駆動を行う例を示している。
Subsequently, the drive timing of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a timing chart illustrating the driving of the solid-state imaging device for acquiring an image of one frame. FIG. 12 illustrates an example in which driving is performed once every six subframes to read a signal value from the
図12において、「Judge」は、画素部201内の単位画素220に共通に入力される駆動信号である。「ラッチ出力非検出総数」は、ラッチ1105が保持する非検出総数を表している。
In FIG. 12, “Judge” is a drive signal commonly input to the
「非検出回数:0」は、単位画素220に入射する光量が少なく、閾値判定を行うタイミングにおいて、カウンタ1103の計数値が閾値Cs1より小さい単位画素220の駆動例を表している。
“Number of non-detections: 0” indicates a driving example of the
「非検出回数:1」はカウンタ1103の計数値が閾値Cs1以上かつ閾値Cs2より小さい単位画素220の駆動例を表している。
“Number of non-detections: 1” indicates a driving example of the
同様に、「非検出回数:2」はカウンタ1103の計数値が閾値Cs2以上かつ閾値Cs3より小さい単位画素220の駆動例を表している。
Similarly, “number of non-detections: 2” indicates a driving example of the
上記の駆動例は、入射する光量の異なる単位画素220の駆動の一例であり、閾値判定を行うタイミングにおいて、カウンタ1103の計数値に応じて、第2の実施形態における固体撮像素子と同様に、「非検出サブフレーム」の回数が設定される。そして、次に閾値判定を行うまで「検出サブフレーム」と「非検出サブフレーム」が設定に応じて繰り返される。
The above driving example is an example of driving the
より具体的に一例を挙げると、カウンタ1103の計数値が閾値Cs3以上の単位画素220では、「検出サブフレーム」の後に「非検出サブフレーム」を3回繰り返す駆動が、次に閾値判定を行うまで繰り返される。
More specifically, for example, in the
続いて、固体撮像素子の駆動についてさらに説明する。タイミングt1200では、信号VDが“H”となり1フレームの駆動が開始される。同時に駆動信号SubVDも“H”となり、予め設定される露光期間を等間隔に分割したサブフレームの内、最初のサブフレームが開始される。最初のサブフレームでは、全ての単位画素220が「検出サブフレーム」で駆動される。また、最初のサブフレームの開始時に駆動信号RSTが“H”となり、カウンタ1103の計数値が0にリセットされる。
Subsequently, the driving of the solid-state imaging device will be further described. At timing t1200, the signal VD becomes “H”, and driving of one frame is started. At the same time, the drive signal SubVD also becomes “H”, and the first subframe among the subframes obtained by dividing the preset exposure period at equal intervals is started. In the first sub-frame, all the
タイミングt1201では、駆動信号Judgeが“H”となり、閾値判定回路1108においてカウンタ1103の計数値の閾値判定が行われる。この閾値判定の判定結果に応じて、以降のサブフレームにおいて「非検出サブフレーム」の駆動の行われる回数が制御される。駆動信号Judgeが“H”になり閾値判定が行われるタイミングは、最初のサブフレームの終了タイミングより前の、閾値判定及び以降のサブフレームの制御の変更に必要な時間を考慮したタイミングで行われる。
At timing t1201, the drive signal Judge becomes “H”, and the threshold value determination circuit 1108 performs threshold value determination of the count value of the
タイミングt1202では、駆動信号SubVDが再び“H”となり、最初のサブフレームが終了し、2回目のサブフレームが開始される。単位画素220毎、に最初のサブフレームにおける判定結果に応じて、「検出サブフレーム」と「非検出サブフレーム」のどちらかの駆動が行われる。
At timing t1202, the drive signal SubVD becomes “H” again, the first subframe ends, and the second subframe starts. Either the “detection sub-frame” or the “non-detection sub-frame” is driven for each
2回目のサブフレームの開始時には駆動信号RSTは“H”にならず、「検出サブフレーム」で駆動される単位画素220のカウンタ1103では、最初のサブフレームでの計数値に累積加算するように、入射した光子に応じて生成されるパルス信号を計数する。一方、「非検出サブフレーム」で駆動される単位画素220のカウンタ1103ではパルス信号は生成されないので、最初のサブフレームにおいて計数した計数値を保持する。
At the start of the second sub-frame, the drive signal RST does not become “H”, and the
タイミングt1203では、駆動信号Latchが“H”となり、カウンタ1103の計数値と非検出総数をラッチ1105が保持する。非検出総数は、現在のサブフレームまでの「非検出サブフレーム」の駆動を行った回数を計数したものなので、常に「検出サブフレーム」駆動を行っている非検出回数:0の単位画素220では、0が保持される。
At a timing t1203, the drive signal Latch becomes “H”, and the count value of the
一方、非検出回数:1の単位画素220では3が、非検出回数:2の単位画素220では4が保持される。保持が完了した後に、ラッチ1105が保持した計数値及び非検出総数は、駆動信号SELが順に“H”になることにより加算回路203に信号値として出力される。
On the other hand, 3 is held in the
この加算回路203への出力は1フレーム内の最初なので、加算回路203では単位画素220の信号値及び非検出総数を加算することなくメモリ204へ出力し、メモリ204はこの信号値及び非検出総数を保持する。
Since the output to the adding
タイミングt1204では、駆動信号SubVDが再び“H”となり、6回目のサブフレームが終了し、7回目のサブフレームが開始される。加算回路203に出力する単位画素220の信号値及び非検出総数がラッチ1105に保持された次のフレームでは、加算回路203への出力が並行して行われること以外は、最初のサブフレームと同様の駆動が行われる。
At timing t1204, the drive signal SubVD becomes “H” again, the sixth sub-frame ends, and the seventh sub-frame starts. In the next frame in which the signal value of the
タイミングt1205では予め設定された回数のサブフレームの繰り返しが終わり、露光期間が終了する。露光期間終了後は、全ての単位画素220は「非検出サブフレーム」で駆動される。最後のサブフレームにおいてラッチ1105が保持した信号値及び非検出総数の累積加算が終わると、保持された信号値及び非検出総数はメモリ204から順次信号処理回路205へと出力される。
At a timing t1205, the repetition of the subframe a preset number of times ends, and the exposure period ends. After the end of the exposure period, all the
信号処理回路205では、非検出総数の累積加算結果に応じて、累積加算された信号値に対し補正が行われる。補正は、「非検出サブフレーム」で駆動したサブフレームにおいて、「検出サブフレーム」で駆動したサブフレームにおける信号値の平均と同じ信号値が出力されたと見なすように行われる。
The
例えば、図12における非検出回数:1の単位画素220の累積加算された信号値に対しては、露光期間を分割したサブフレーム数が12、「検出サブフレーム」の回数が6なので、12/6=2を乗算する。
For example, with respect to the signal value obtained by cumulatively adding the
同様に、非検出回数:2の単位画素220の累積加算された信号値に対しては、12/4=3を乗算する。信号処理回路205において補正された信号値は、固体撮像素子100の外部へと順次出力され、これにより固体撮像素子100の1フレームの画像の出力が完了する。
Similarly, the signal value obtained by cumulatively adding the
なお、図12では、単位画素220に単位時間当たりに入射する光量が露光期間内で概ね変化しない例を示している。閾値判定回路1108における非検出回数の判定は、単位画素220の信号値及び非検出総数が加算回路203に出力される度に行われる。
FIG. 12 shows an example in which the amount of light incident on the
そのため、単位画素220に単位時間当たりに入射する光量が露光期間内で変化した場合は、「非検出サブフレーム」が連続する回数も変化する。このような駆動にすることにより、第2の実施形態と同様に露光期間において単位時間当たりに入射する光量が変化する被写体において、より望ましい画質と消費電力のバランスをとることが可能となる。
Therefore, when the amount of light incident on the
本実施形態の撮像装置においても、第1及び第2の実施形態と同様に、画質の劣化を抑制しつつ高輝度光の照射に伴う消費電力の増大を抑制することが可能である。加えて、単位画素220から加算回路203へ信号値を読み出す駆動を、複数のサブフレームに1回行うことにより、加算回路203やメモリ204で発生する消費電力を低減することが可能である。
Also in the imaging device of the present embodiment, similarly to the first and second embodiments, it is possible to suppress an increase in power consumption due to irradiation of high-brightness light while suppressing deterioration in image quality. In addition, by performing driving for reading a signal value from the
なお、本実施形態において、6回のサブフレームに1回、加算回路203への信号値の読み出しを行う駆動としたが、本発明はこれに限られるものではない。閾値と非検出回数の制御によって想定される複数サブフレーム経過後のカウンタ1103の計数値の最大値を考慮し、カウンタ1103のビット数により定まる最大値を越えない範囲で信号値を読み出すよう、予め設定されることが望ましい。
In the present embodiment, the drive for reading the signal value to the
(その他の実施形態)
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憶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ー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。
(Other embodiments)
The present invention supplies a program for realizing one or more functions of the above-described embodiments to a system or an apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in a computer of the system or the apparatus read and execute the program. This processing can be realized. Further, it can be realized by a circuit (for example, an ASIC) that realizes one or more functions.
100:固体撮像素子、101:撮影レンズ、102:レンズ駆動部、103:全体制御演算部、104:メモリ部、105:表示部、106:記録部、107:操作部、200,210,220:単位画素 100: solid-state imaging device, 101: photographing lens, 102: lens drive unit, 103: overall control operation unit, 104: memory unit, 105: display unit, 106: recording unit, 107: operation unit, 200, 210, 220: Unit pixel
Claims (15)
それぞれの前記画素における前記計数手段による計数結果に基づいて、前記画素に入射した光に応じた画像を生成する生成手段とを備え、
前記選択手段は、第1の露光期間に前記画素に入射する光量に応じて、前記第1の露光期間よりも後に行われる第2の露光期間において、前記計数手段を前記第1の状態に設定するか、前記第2の状態に設定するかを選択することを特徴とする撮像装置。 Counting means for counting the number of incident photons; and selecting whether the counting means is set to a first state for counting the number of photons or a second state for not counting the number of photons. A plurality of pixels each having:
Generating means for generating an image corresponding to light incident on the pixel, based on a counting result by the counting means in each of the pixels,
The selecting unit sets the counting unit to the first state in a second exposure period performed after the first exposure period according to a light amount incident on the pixel during the first exposure period. Or setting to set to the second state.
前記選択手段が、第1の露光期間に前記画素に入射する光量に応じて、前記第1の露光期間よりも後に行われる第2の露光期間において、前記計数手段を前記第1の状態に設定するか、前記第2の状態に設定するかを選択する工程を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。 Counting means for counting the number of incident photons; and selecting whether the counting means is set to a first state for counting the number of photons or a second state for not counting the number of photons. A plurality of pixels each having a selection unit, and a generation unit that generates an image corresponding to light incident on the pixel based on a count result of the counting unit in each of the pixels. A way to
The selecting unit sets the counting unit to the first state in a second exposure period performed after the first exposure period in accordance with a light amount incident on the pixel during the first exposure period. Or a step of selecting whether to set to the second state.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018153207A JP7278039B2 (en) | 2018-08-16 | 2018-08-16 | IMAGING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF, PROGRAM, STORAGE MEDIUM |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018153207A JP7278039B2 (en) | 2018-08-16 | 2018-08-16 | IMAGING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF, PROGRAM, STORAGE MEDIUM |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020028081A true JP2020028081A (en) | 2020-02-20 |
JP2020028081A5 JP2020028081A5 (en) | 2021-09-09 |
JP7278039B2 JP7278039B2 (en) | 2023-05-19 |
Family
ID=69620460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018153207A Active JP7278039B2 (en) | 2018-08-16 | 2018-08-16 | IMAGING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF, PROGRAM, STORAGE MEDIUM |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7278039B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023131996A1 (en) * | 2022-01-05 | 2023-07-13 | キヤノン株式会社 | Photoelectric conversion device and light detection system |
US11835386B2 (en) | 2022-01-01 | 2023-12-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion device, imaging system, light detection system, and mobile body |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009246757A (en) * | 2008-03-31 | 2009-10-22 | Casio Comput Co Ltd | Imaging device, imaging method and program |
JP2012530917A (en) * | 2009-06-22 | 2012-12-06 | トヨタ モーター ヨーロッパ ナームロゼ フェンノートシャップ/ソシエテ アノニム | Optical distance meter using pulsed light |
WO2017098725A1 (en) * | 2015-12-08 | 2017-06-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Solid-state imaging device, distance measuring device, and distance measurement method |
JP2018113725A (en) * | 2018-04-05 | 2018-07-19 | 株式会社ニコン | Imaging apparatus |
-
2018
- 2018-08-16 JP JP2018153207A patent/JP7278039B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009246757A (en) * | 2008-03-31 | 2009-10-22 | Casio Comput Co Ltd | Imaging device, imaging method and program |
JP2012530917A (en) * | 2009-06-22 | 2012-12-06 | トヨタ モーター ヨーロッパ ナームロゼ フェンノートシャップ/ソシエテ アノニム | Optical distance meter using pulsed light |
WO2017098725A1 (en) * | 2015-12-08 | 2017-06-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Solid-state imaging device, distance measuring device, and distance measurement method |
JP2018113725A (en) * | 2018-04-05 | 2018-07-19 | 株式会社ニコン | Imaging apparatus |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11835386B2 (en) | 2022-01-01 | 2023-12-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion device, imaging system, light detection system, and mobile body |
WO2023131996A1 (en) * | 2022-01-05 | 2023-07-13 | キヤノン株式会社 | Photoelectric conversion device and light detection system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7278039B2 (en) | 2023-05-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3499873B1 (en) | Correction for variations in received light amount in photon counting image sensor | |
US10785423B2 (en) | Image sensor, image capturing apparatus, and image capturing method | |
US7948537B2 (en) | Method for resetting image sensing and image sensing device using the same | |
US9843752B2 (en) | Solid-state image sensor, driving method thereof, and camera | |
JP7278039B2 (en) | IMAGING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF, PROGRAM, STORAGE MEDIUM | |
JP2017005392A (en) | Imaging device, imaging system | |
JP7223070B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging device | |
JP2009206709A (en) | Solid-state imaging apparatus, driving method of solid-state imaging apparatus and electronic apparatus | |
US11172151B2 (en) | Image capture apparatus and method for controlling the same | |
US20160073008A1 (en) | Image capturing apparatus and method of controlling image capturing apparatus | |
US10257430B2 (en) | Image processing apparatus for detecting flicker, method of controlling the same, and non-transitory storage medium | |
JP7132799B2 (en) | Imaging device, imaging device, and imaging method | |
RU2491754C1 (en) | Solid-state image capturing device and image capturing system | |
JP7108471B2 (en) | Solid-state imaging device, imaging device, and imaging method | |
JP2020025171A (en) | Imaging device, control method thereof, and imaging device | |
JP2019017065A5 (en) | ||
JP7339779B2 (en) | Imaging device | |
JP2014053838A (en) | Solid-state imaging apparatus | |
JP2021090134A (en) | Imaging apparatus and control method for the same | |
JP2020123930A (en) | Imaging device | |
JP2007215062A (en) | Flicker suppressing imaging apparatus | |
JP2020182026A (en) | Imaging apparatus and control method of the same | |
JP2023046663A (en) | Photovoltaic device, imaging apparatus, control method, and computer program | |
US20230095243A1 (en) | Photoelectric conversion device, imaging device, control method, and storage medium | |
JP2023032283A (en) | Photoelectric conversion device, imaging apparatus, control method, and computer program |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20210103 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210113 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210730 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210730 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220420 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220513 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220620 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20221028 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230126 |
|
C60 | Trial request (containing other claim documents, opposition documents) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60 Effective date: 20230126 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20230206 |
|
C21 | Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21 Effective date: 20230210 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230410 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230509 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 7278039 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |