JP3029363B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JP3029363B2 JP5207525A JP20752593A JP3029363B2 JP 3029363 B2 JP3029363 B2 JP 3029363B2 JP 5207525 A JP5207525 A JP 5207525A JP 20752593 A JP20752593 A JP 20752593A JP 3029363 B2 JP3029363 B2 JP 3029363B2
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    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/772Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters
    • H04N25/773Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters comprising photon counting circuits, e.g. single photon detection [SPD] or single photon avalanche diodes [SPAD]

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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、固体撮像装置に関
し、光電変換された信号を直ちにデジタル変換し、すべ
ての画素から得る光情報をデジタル信号として取り出せ
るようにしたものである。
【0002】
【従来の技術】光電変換された信号を直ちにデジタル変
換し、すべての画素から得られる光情報をデジタル信号
として取り出す固体撮像装置として、特開昭61−15
2176号公報に記載された技術がある。この技術で
は、到来するフォトン(光子)の数をデジタル的に計数
して、その計数値を直接、光電変換された(入射光量に
応じた)デジタル信号として利用するというものであ
る。
【0003】この技術では、入射したフォトンのほとん
どすべてを計数し、高ダイナミックレンジ、高S/Nの
信号を得ようとするものである。しかしながら、入射フ
ォトン数が最大計数値を越えた場合には、図Aに示すよ
うに入射光量に対する出力値の単調増加性が失われると
いう問題がある。これを避けるために計数保持手段の最
大計数値は、十分な余裕をもつ必要がある。例えば、1
画素の大きさが10μm×10μmで100lux の最大
入射光量とすると23ビットが必要である。また計数値
保持手段の最大動作周波数は、23ビットの計数値を得
るためには、 1023×(フレーム周波数)=1023×30=240M
Hz が最低必要であり、高速動作の計数値保持手段が必要で
ある。また画素表示装置の代表的な存在である表示用ブ
ラウン管(CRT)では、表現できるコントラスト比
は、20:1が限度であると言われており、8ビットの
情報量があれば十分とされていて、23ビットの信号を
8ビットの信号へマッピングする変換手段も必要とな
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、デジ
タル信号を直接得る従来の固体撮像装置においては、入
射フォトン数が計数値保持手段の最大計数値を超えた場
合に問題がある(入射光量に対する出力値の単調増加性
が失われる)。これを回避するためにビット数の大きい
計数値保持手段を用いると高速動作のものが必要
る。また、1画素当たりの最大入射光量に対する計数値
が23ビットになると、8ビット表現のディスプレイに
供給するには、ビット変換手段が必要となる。
【0005】そこでこの発明は、実際の設計上のビット
数がすくなくてもそれ以上の解析能力を持ち、無理な高
速処理を行う必要が無く、かつビット変換手段も不要な
固体撮像装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、光電変換機
能を有する受光素子と、前記受光素子を繰り返しリセッ
トするリセット手段と、前記受光素子をリセットするリ
セットパルスの間に入射フォトンの入射個数では無く入
フォトンが有ったか否かの情報を検出する検出手段
と、前記検出手段の検出パルスを所定の期間計数する計
数値保持手段と、前記計数値保持手段の計数値を前記所
定の期間毎に読み出す読み出し手段とを備える。
【0007】
【作用】上記の手段によると、入射フォトン数を計数す
るのではなく、入射フォトンが有ったか否かを計数する
ようにしているために、ビット数がすくなくてもダイナ
ミックレンジを拡大できる。
【0008】
【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。図1(A)はこの発明の一実施例であり、1画
素に対応する周辺回路の構成を示している。102はリ
セットトランジスタであり、そのドレインにはリセット
電源電圧Vrが与えられ、ゲート103にはリセットパ
ルスが与えられ、ソースには、フォトダイオード(受光
素子)104のカソードが接続されている。このフォト
ダイオード104のアノードは接地ラインに接続され
る。フォトダイオード104のカソードは、検出手段を
構成する増幅器105を介して計数値保持手段106の
クロック入力端子に接続されている。計数値保持手段1
06の初期設定端子107には初期設定パルスが与えら
れる。
【0009】リセットトランジスタ102がオフのとき
に、フォトトランジスタ104にフォトンが入射する
と、光電変換作用によりフォトダイオード104のカソ
ード電位が低下する。次に、ゲート103に与えられる
リセットパルスによりリセットトランジスタ102がオ
ンすると、フォトダイオード104のカソード電位がリ
セット電位Vrに上昇する。このリセット電位への上昇
変化は、増幅器105により増幅され、計数値保持手段
106に供給される。
【0010】計数保値持手段106は、増幅器105か
ら得られるパルスを計数した値を以下のように保持す
る。図1(B)は上記の回路の動作例を示している。リ
セットトランジスタ102には、端子103から任意の
周期でリセットパルス(B1)が与えられる。これに対
して入射フォトンが(B2)のように入力したとする。
すると、リセットパルスの周期で区分していくと、(B
3)に示すように、入射フォトンの有無情報が得られ
る。有無情報は、リセットパルスの1周期に入射フォト
が何個存在するかというのではなく、有ったか否かの
情報である。入射フォトンが無かった区間は、リセット
トランジスタ102がオンされても増幅器105からパ
ルスが得られない。よって計数値保持手段106の計数
値は、フォトンが1個以上有った場合は+1(計数値に
1を加える)、無かった場合は、+0(計数値はそのま
ま)というように、リセットパルスの周期で増加または
維持される。
【0011】リセットパルスが一定数入力すると(例え
ば1/60sec 、1/120sec 等)、その累積値が保
持されて、読み出し手段200により読み出される。こ
のとき読み出した値が、入射光量に応じた1画素分のデ
ジタル信号である。その後は、計数値保持手段106は
初期設定端子107からパルスが与えられ初期値に設定
される。
【0012】フォトンは、ランダムに入射するものであ
るから、ある期間内に入射するフォトンの数は、ポアソ
ン分布にしたがっている。単位時間当たりの平均入射フ
ォトン数をLとすると、時間tの間にn個のフォトンが
入射する確率は、 exp(−L・t)×(L・t)n÷n! であるから、フォトンが入射しない確率は、exp(−
L・t)であり、1個以上のフォトンが入射する確率
は、1−exp(−L・t)となる。つまり、平均1−
exp(−L・t)の計数値増加となる。ここで、受光
素子のリセット間隔が一定でt0として、計数値の読み
出し周期をm・t0とすると、対数値出力は、m(1−
exp(−L・t))の期待値をもつことになる。この
計数値出力の期待値と入射光量の関係が、光電変換特性
を与えることになる。
【0013】図2は、上記光電変換特性を示している。
この特性図からわかるように、計数値=mが漸近線とな
り、どんなに入射光量が増加しても単調増加性を保持で
きる範囲が大きい。
【0014】これにより、計数値保持手段106のビッ
ト数を大きくすることなく、そのビット数以上のダイナ
ミックレンジを得ることができる。この発明は上記の実
施例に限定されるものではない。
【0015】図3(A)に示すように、リセットパルス
の間隔は、常に一定の周期でなくても良い。この場合の
光電変換特性は、リセットパルス間の時間がtiであ
り、その回数がmi回であるとすると、
【0016】
【数1】
【0017】
【表1】 としたときの光電変換特性は、図3(B)のようにな
り、ほぼγ=0.45の光電変換特性とすることができ
る。
【0018】また、リセットパルスの間隔は、図4に示
すように同一時間のものが集合せずにランダムに並んだ
ものでも非線形特性には影響ない。上記受光素子として
は、アバランシェダイオードで形成されてもよいし、ま
た、マイクロチャンネルプレート(MCP)による電子
増倍手段を用いたものであってもよい。
【0019】上記したように、フォトン計数型の撮像装
置において、受光素子をリセットするときの電位変化を
計数することにより、光電変換特性高照度になるにつ
れて微分利得が低下する非線形型特性を持たせることが
でき、高ダイナミックレンジの装置を実現するものであ
る。
【0020】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
実際の設計上のビット数がすくなくてもそれ以上の解析
能力を持ち、無理な高速処理を行う必要が無く、かつビ
ット変換手段も不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例とその動作を説明するため
の図。
【図2】図1の装置の光電変換特性の例を示す図。
【図3】図1の装置の動作タイミングの他の例とそのと
きの光電変換特性を示す図。
【図4】この発明の装置のさらに他の動作タイミングを
示す図。
【符号の説明】
102…リセットトランジスタ、104…フォトトラン
ジスタ、105…増幅器、106…計数値保持手段、2
00…読み出し手段。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光電変換機能を有する受光素子と、 前記受光素子を繰り返しリセットするリセット手段と、 前記受光素子をリセットするリセットパルスの間に入射
    フォトンの入射個数では無く入射フォトンが有ったか否
    かの情報を検出する検出手段と、 前記検出手段の検出パルスを所定の期間計数する計数値
    保持手段と、 前記計数値保持手段の計数値を前記所定の期間毎に読み
    出す読み出し手段とを具備したことを特徴とする固体撮
    像装置。
  2. 【請求項2】 上記受光素子は、複数個が1次元配列さ
    れ、それぞれの受光素子に前記リセット手段、検出手
    段、読み出し手段が対応して設けられていることを特徴
    とする固体撮像装置。
  3. 【請求項3】 上記受光素子は、複数個が2次元配列さ
    れ、それぞれの受光素子に前記リセット手段、検出手
    段、読み出し手段が対応して設けられていることを特徴
    とする固体撮像装置。
  4. 【請求項4】 前記受光素子は、アバランシェダイオー
    ドであることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装
    置。
  5. 【請求項5】 前記受光素子は、マイクロチャンネルプ
    レートによる電子増倍手段を用いていることを特徴とす
    る請求項1記載の固体撮像装置。
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