JP4135486B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はイメージセンサに係り、特に入射光に応じてフォトダイオードに入ったフォトンを1個1個数え、その数をそのまま信号として取り扱うフォトン・カウンタ型イメージセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体を利用したイメージセンサとしては、CCD(電荷転送素子)やCMOSイメージセンサなどが実用化されている。このイメージセンサでは、フォトダイオードで光を光電変換により電荷に変換し、その電荷を電圧、あるいは電流のアナログ信号として取り出す。1画素当たり、数百〜数万個のフォトン(光子)が入り、電荷増倍機構などのない一般的なフォトダイオードの場合、フォトン1個につき電子1個が発生する。このように発生した電荷を一塊として扱い、電荷による電位変化などを信号とする。ディジタル化する時にはそのアナログ信号をさらにA/D変換する。
【0003】
一方で、フォトダイオードに入ったフォトンを1個1個数え、その数をそのまま信号として取り扱う、シングル・フォトン・カウンティングという方法がある。通常のCCDやCMOSイメージセンサと異なり、この場合、出力信号はフォトン数なので、すでにディジタル化されており、信号出力後の扱いは非常に簡便である。
【0004】
図11(a)にシングル・フォトン・カウンティングの基本的な仕組みを示す。負荷抵抗2等の負荷に接続されたフォトダイオード(多くは高感度のAPD:アバランシェ・フォトダイオード)1にフォトンが1個入射すると、パルス信号が発生する。パルス信号が1つ発生すると、カウンタ3が1つ進むようにする。カウンタ3の数を数えれば、特定の時間の間にいくつのパルスが発生したかが容易に分かる。
【0005】
構成としては、図11(a)では単純すぎるので、図11(b)のように、フォトダイオード1の出力を増幅するアンプ4をカウンタ3の入力側に設けたり、図11(c)に示すように、アンプ4の出力信号をパルス波に整形する波形整形回路5をカウンタ3の入力側に挿入することもある。
【0006】
このようなシングル・フォトン・カウンティング法の最も身近な例は、医療機器に使うSPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)である。これは血液中に微量の放射性物質を注入し、放射性物質の発するガンマ線(波長の短い高エネルギーのフォトン)の数を計測して、コンピュータで画像化し、血流の様子を見るというものである。また、生体発光観察や光通信のフォトン数の計測など、微弱な光の観察には、シングル・フォトン・カウンティング法がよく用いられる。
【0007】
このようにシングル・フォトン・カウンティング法は、微弱な光を計測する場合に非常に有効な測定方法であり、イメージセンサに応用すれば、星明かりで鮮明な映像を、ディジタル信号で得ることも可能になる。このため、シングル・フォトン・カウンティング法を応用したイメージセンサ(固体撮像装置)が、従来より知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
この特許文献1記載の従来のイメージセンサでは、フォトダイオードとカウンタの組を1画素として、それを1次元、あるいは2次元状に配置すれば、イメージセンサが得られるとしている。ところが、この特許文献1記載の従来のイメージセンサでは、入射した全てのフォトンをカウントすることを考えているため、カウンタに必要なビット数は大きくなり、読み出しには時間がかかり、高速な回路動作が必要になる。
【0009】
そこで、全てのフォトンをカウントするのではなく、観測時間を一定の周期で区切り、その周期内にフォトンが入射したかどうかだけを調べ、その結果をカウントするようにしたイメージセンサも従来提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0010】
この特許文献2記載の従来のイメージセンサでは、上記の一定の周期に2個以上フォトンが入射した場合も1つとカウントすることになり、入射したフォトン数の計測という点では正確ではなくなるが、統計的な検討から、このような方法で得られた結果が実用上十分な精度であることを示し、カウンタのビット数を少なくでき、読み出し速度を減らすことができるとしている。
【0011】
【特許文献1】
特公平7−99868号公報(第2−3頁、第1図、第3図)
【特許文献2】
特開平7−67043号公報(第2−3頁、図1、図12)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記の特許文献1及び2記載の従来のイメージセンサでは、シングル・フォトン・カウンティング法でエリア・イメージセンサに実用化する場合、画素サイズが重要な問題となる。画素サイズが大きいほど、同じ画素数では光学系のサイズも大きくなり、不利になる。
【0013】
例えば、特許文献1記載の従来のイメージセンサでは、1次元的に配置する場合は、フォトダイオードを基板に並べ、各フォトダイオードの横にカウンタ等の回路を配置する構成にする。これを2次元のエリアセンサに展開する時は、上記1次元的に並べた基板を積層し、3次元の直方体の1面を使うような構成にする。しかしながら、このような構成は実用的とはいえない。
【0014】
現在の半導体製造技術を用いる場合、図12のように、シリコン基板上にフォトダイオード7と回路8を同一平面に並べ、その組を1つの画素9として、画素9をエリア状に展開すると共に、行制御回路10に各行毎の複数の画素9を接続するのが最も実現性が高い。これはCMOSイメージセンサの画素構成と同じである。
【0015】
しかしながら、ここで問題になるのは回路規模である。光学系との兼ね合いで、受光部分の面積が限られるので、1画素のピッチはなるべく小さくしたい。しかし、回路規模が大きくなると、画素ピッチを大きくしなくてはいけない。現状のCMOSイメージセンサの回路規模は、0.25μmルール、5μm□の画素で、トランジスタ数がせいぜい3〜5個といったレベルである。ところが、シングル・フォトン・カウンタを構成した場合、回路規模は20〜100トランジスタという規模になってしまう。
【0016】
これをそのまま作ると、1画素は数10μm〜数100μm□といった画素サイズになってしまい、1/3インチや2/3インチといった光学サイズに多くの画素を並べられなくなり、実用的ではない。従って、なるべく1画素当たりの回路規模を小さくするような構成を考える必要がある。
【0017】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、1画素当たりの回路規模を従来に比べて小さくできるイメージセンサを提供することを目的とする。
【0018】
また、本発明の他の目的は、撮影対象の明るさの違いに応じられる、ダイナミックレンジの広い効率的なイメージセンサを提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、光電変換を行う受光素子と、受光素子にフォトンが入射したか否かの1ビット情報を記録する1ビットメモリと、観測時間内で1ビット情報を1ビットメモリに記録するスイッチ手段と、1ビット情報が読み出された1ビットメモリをリセットするリセット手段とから構成された画素が、複数個規則的に配列された画素敷き詰め部と、画素敷き詰め部の外に設けられており、スイッチ手段及びリセット手段を定期的に制御するコントロール回路と、画素敷き詰め部の外に設けられており、複数個の画素内の各1ビットメモリから1ビット情報を順次読み出す読み出し回路と、画素敷き詰め部の外に複数個の画素に対応して複数個設けられており、読み出し回路により読み出された1ビット情報のうち、対応して設けられた画素の1ビット情報を累積加算するカウンタとを有する構成としたものである。
【0020】
この発明では、画素を構成する受光素子に観測時間内でフォトンが入射したか否かを示す1ビット情報を加算するカウンタと、1ビット情報の読み出し回路とを、画素の外に設けるようにしたため、画素を構成する回路規模を小さくすることができる。
【0021】
また、上記の目的を達成するため、本発明は、上記コントロール回路が、撮影対象の明るさに応じて、観測時間を可変するようにスイッチ手段を制御するようにしたことを特徴とする。この発明では、撮影対象の明るさに応じて観測時間を可変するようにしたため、撮影対象が明るくても飽和することなく明るさの濃淡をつけることができ、また、撮影対象が暗くても鮮明な映像を得ることができる。
【0022】
また、上記の目的を達成するため、本発明は、読み出し回路を、複数個の画素のうち共通の読み出し線で接続された2以上の画素の1ビット情報を、その画素内の1ビットメモリから読み出すために、2以上の画素の1ビットメモリの読み出し動作を時間的にずらせる構成としたことを特徴とする。この発明では、共通の読み出し線で接続された2以上の画素の1ビット情報を時間的にずらして読み出すようにしたため、読み出し線の本数を最小限にすることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施の形態について図面と共に説明する。図1は本発明になるイメージセンサの一実施の形態の構成図を示す。本実施の形態のイメージセンサは、チップ15内に画素敷き詰め部16と、行コントロール回路17と、列読み出し回路18−1〜18−3と、カウンタ19−1〜19−3と、カウンタ20−1〜20−3と、カウンタ21−1〜21−3と、カウンタ情報出力回路22とが設けられた構成である。
【0024】
また、画素敷き詰め部16は、3行3列のマトリクス状に9個の画素2311〜2333が配列されている。これらの画素2311〜2333は同一構成であるので、代表して画素2311についてその構成を説明するに、負荷抵抗Rに接続されたフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDと負荷抵抗Rとの接続点に入力端が接続された1ビットメモリMとを少なくとも有し、例えば後述する図3(a)の構成とされている。1ビットメモリMの出力端は、読み出し用スイッチSWreadを介して列読み出し回路18−1に接続されている。
【0025】
また、画素2311〜2333のうち、第1行の画素2311、2321、2331は同一の第1の行コントロール線を介して行コントロール回路17に接続されており、同様に、第2行の画素2312、2322、2332は第2の行コントロール線を介して、第3行の画素2313、2323、2333は第3の行コントロール線を介してそれぞれ行コントロール回路17に接続されている。
【0026】
更に、画素2311〜2333のうち、第1列の画素2311、2312、2313は同一の列信号線を介して列読み出し回路18−1に接続されており、同様に、第2列の画素2321、2322、2323は同一の列信号線を介して列読み出し回路18−2に接続され、第3列の画素2331、2332、2333は同一の列信号線を介して列読み出し回路18−3に接続されている。
【0027】
かかる構成とした理由は次の通りである。1画素当たりの回路規模を小さくするには、画素内に必ずしも必要ない機能を外に出すことである。従来は、図11(a)〜(c)に示したシングル・フォトン・カウンティングのシステム全てを画素内に抱えていた。従って、画素の面積が大きくなりすぎていた。
【0028】
そこで、本実施の形態では図1に示すように、まず画素内にカウンタを持たず、画素領域以外にカウンタ19−1〜19−3、20−1〜20−3、21−1〜21−3を配置する。それぞれのカウンタ19−1〜19−3、20−1〜20−3、21−1〜21−3は特定の画素に対応している。画素内には少なくとも1ビットメモリMを置く。
【0029】
画素内の1ビットメモリMの情報を読み出して、その画素に対応する特定のカウンタに加算する列読み出し回路18−1〜18−3がある。画素の周辺には、画素の動作を制御する行コントロール回路17がある。このようにカウンタ19−1〜19−3、20−1〜20−3、21−1〜21−3を画素2311〜2333の外に出したので、画素2311〜2333を構成する回路数は減少する。なお、ここでは画素を3行3列に配置しているが、実際には必要な数だけ、例えばVGAサイズなら水平方向640画素、垂直方向480画素といった具合に並んでいるのはもちろんのことである。
【0030】
画素内の1ビットメモリMには、設定されたある期間TinにフォトンがフォトダイオードPDに入ったかどうかの情報のみを記録する。例えば入射があった場合は「1」、無かった場合は「0」とする。画素から外へはその1ビットの信号を出力する。この作業を高速に繰り返せば、所定の分解能の情報が得られる。例えば、30フレーム/秒の時間内に12ビット、すなわち4096の分解能で、ある画素の明るさを表現すると、8.1380(=1/30/4096)μsごとに、各画素の1ビットの情報を読み出せばよい。読み出した情報は、画素外部に用意された各画素に対応するカウンタに加算していき、4096回繰り返したところで、その加算数をディジタル信号で出力する。
【0031】
このようにして、図1のカウンタ19−1〜19−3には第1行の画素2311〜2331からの各々4096回の測定による1ビット情報、カウンタ20−1〜20−3には第2行の画素2312〜2332からの各々4096回の測定による1ビット情報、カウンタ21−1〜21−3には第3行の画素2313〜2333からの各々4096回の測定による1ビット情報の各累積加算値が得られ、これらはカウンタ情報出力回路22に供給され、ここでディジタル映像信号に変換されてチップ外へ出力される。
【0032】
次に、本実施の形態の画素の駆動方法について図2と共に説明する。まず、フォトンを受ける時間Tinを設ける。この時問TinにフォトダイオードPDにフォトンが入射するとパルス信号が発生し、1ビットメモリMに「1」が記録される。その後、1ビットメモリMの信号を読み出す時間Toutを設ける。このToutの読み出し時間では、フォトダイオードPDにフォトンが入っても、フォトダイオードPDで発生したパルス信号が1ビットメモリMに伝わらないようにする。
【0033】
このようなTin、Toutの違いは、例えば図3(a)〜(c)に示すように、フォトダイオードPDと1ビットメモリMの間に入力用スイッチSWinを一つ挿入し、このスイッチSWinを行コントロール回路17からの制御信号により時間Tinでオン、時間Toutでオフすることで容易に実現できる。このスイッチSWinは、図3では(a)〜(c)のすべてで、1ビットメモリMの直前に置いているが、図3(b)ではアンプAの入力側、同図(c)ではアンプAの出力側に設けた波形整形器Sの入力側に置いても同様の効果がある。
【0034】
列読み出し回路18−1〜18−3は画素からの情報を、図2のTout中の特定の時間Treadで読み出し、外部のカウンタ19−1〜21−3に情報を出力して加算させる。ここで、列読み出し回路18−1は、画素2311、2312、2313内の各1ビットメモリから順次に読み出した値を、カウンタ19−1、20−1、21−1へ順次に供給する。従って、例えばカウンタ19−1には画素2311内の1ビットメモリMの記憶値の累積加算値が計数される。同様に、他の列読み出し回路18−2は、画素2321、2322、2323内の各1ビットメモリの値を順次に読み出してカウンタ19−2、20−2、21−2に別々に累積加算し、列読み出し回路18−3は、画素2331、2332、2333内の各1ビットメモリの値を順次に読み出してカウンタ19−3、20−3、21−3に別々に累積加算する。
【0035】
列読み出し回路18−1〜18−3の読み出し終了後に、図2にTresetで示す時間で1ビットメモリMの内容をリセットし、「0」に戻す。TinとToutを合わせた時間Ttotalが8.138(=1/30/4096)μsあれば、毎秒30フレームの12ビット表現が実現できる。
【0036】
上記のTreadのタイミングは、図3(a)〜(c)において1ビットメモリMの出力側に設けられた読み出し用スイッチSWreadを行コントロール回路17からの制御信号によりオン・オフすることで制御できる。また、上記のTresetの時間は、1ビットメモリMと電源の間に設けられた、常開(ノーマルオープン)のリセット用スイッチSWresetを行コントロール回路17からのリセット信号によりオンして1ビットメモリMの内容を0に書き直し、リセットする。
【0037】
ここで、Ttotalの時間を変えずに、TinとToutの比率を可変にできるようにしておく。Toutの時間は最低限、Tread+Tresetの分は必要なので、Tinの最大値はTtotal−(Tread+Treset)となる。したがって、上記の時間Tinは
0<Tin<{Ttotal−(Tread+Treset)}
の範囲で可変にできる。
【0038】
さて、Tinの長さが長いほど、フォトンがフォトダイオードPDに入射した結果生じるパルスが1ビットメモリMに伝わり、カウンタ19−1〜21−3に加算される確率を高める。従って、Tin時間はシャッタ時間ともいえる。このTin時間をどのように設定するかについて、次に述べる。
【0039】
前記の特許文献1では、10μm□のフォトダイオードに太陽光に相当する100(lx)の面照度があると、1秒当たり入射フォトン数は1018個となると記載されている。これは平均10ns毎に1個のフォトンがフォトダイオードに入っていることになる(平均入射間隔=10ns)。従って、上記の時間Tinを10ns以上にすることにより、この時間Tinの間に平均1個以上のフォトンがフォトダイオードPDに入ることが期待でき、1ビットメモリMに「1」が記録される。
【0040】
このように設定した場合、全てのTinで「1」が1ビットメモリMに記録される確率が高いので、この時、12ビットの信号は最大の飽和状態(100%)になる可能性が高い。従って、撮影対象が明るい場合(太陽光100lx)には、図4(a)に示すように上記の時間Tinを10ns以下に、例えば8nsに設定することにより、太陽光のもとで飽和することなく、明るさの濃淡を付けられることになる。つまり、
Tin≦平均入射間隔
と設定する必要がある。
【0041】
逆に、撮影対象が暗い場合、上記の時間Tinを長くする。月明かりは0.01(lx)で、1秒間の入射フォトン数が10000個となる。すると、平均入射間隔は100μsとなる。これは12ビット分の観測サイクル8.138μs(=Ttotal)よりもはるかに長いので、Tinを最大限にしておく。Tinの最大値はTtotal−(Tread+Treset)で表わされるが、Tread=Treset=20nsとすると、図4(b)に示すように時間Tinは8.098μsとなる。以上より、上記の時間Tinは図4(a)、(b)に示すように、8ns〜8.09μsという広い範囲を取ることになる。このように、シャッタ時間に相当するTinを可変することにより、様々な光量に対応して、12ビットの範囲で明暗を付けられる。
【0042】
ところで、本発明のイメージセンサでは、従来例と違って、単純にカウンタで数えた数字がそのままフォトン数を表わすのではなく、Tinという可変時間に依存することに留意する必要がある。例えば、カウンタ18−1〜21−3のうち、あるカウンタに同じ1200個とカウントされていても、前記時間Tinが短いほど実際の入射フォトン数はもっと多く、すなわち明るい。このようなことは通常のフィルムで、撮影時の露光時間に留意しなければいけないのと同じである。
【0043】
また、本発明のイメージセンサではフォトンカウントをする期間Tinを定めて、その間に入射があったかどうかだけを情報として持つので、測定方法に起因する特有の誤差がある。入射フォトン数はポワソン分布に従い、平均入射間隔の均等な割合で入射するわけではない。従って、明るさが時間的に安定で、Tin=平均入射間隔にしていても、あるTinには2個以上のフォトンが入射し、別のTinでは全く入射しないということが起こり得る。
【0044】
そこで、本実施の形態ではTinの期間内にフォトダイオードPDに2個以上のフォトンが入っても、それは1個と判断する。また、たまたまフォトンの入射間隔が開いたため、Tinの間にフォトンがフォトダイオードPDに入射しなければ、0とカウントする。その分が測定誤差となるが、1つのTinの期間内にフォトンが入ったかどうかの観測を1回行うという動作を12ビット分の4096回繰り返すと、この誤差はならされて、明るさに応じてカウンタ数が単調増加することが期待できる。
【0045】
次に、エリア状に配置されている各画素からの情報の読み出し方法について説明する。各画素からの出力線は、配線数を節約するために、縦方向の画素について共有されているものとする。このように出力線が共有されていると、それぞれの画素からの出力は時間分割して行なう必要がある。この読み出し方法には、CMOSイメージセンサの読み出し方法と全く同様に、「ローリング読み出し」と「シンクロナス・フレーム読み出し」の2つのモードを設定できる。
【0046】
なお、「ローリング読み出し」は「ローリング・シャッタ」、「シンクロナス・フレーム読み出し」は「フレーム・シャッタ」あるいは「シンクロナス・シャッタ」あるいは「グローバル・シャッタ」などと呼ぶことが多いが、シャッタという言葉は露光時間の意味で使うシャッタと紛らわしいので、本明細書では「ローリング読み出し」と「シンクロナス・フレーム読み出し」の表現を使うことにする。
【0047】
ローリング読み出しとシンクロナス・フレーム読み出しの違いは、図5、図6に示すようにTinの時間が各行で揃っているか、ずれているかの違いである。すなわち、ローリング読み出しの場合、図5に示すように観測する時間Tinが各行の画素でずれているので、最大1ビット分でTtotal時間の観測タイミングのずれが生じる。本実施の形態のVGAサイズ、12ビット精度の場合は、8.138μsのずれが生じる可能性がある。しかし、このずれは12ビット、4096回の観測のうち1回分に過ぎないので、ほとんど問題にならない。ローリング読み出しの場合は他の画素の読み出し中にも観測が可能なので、Tinを最大限に取ることが可能になる。
【0048】
ところが、ビット精度を落としてもいいから高速でたくさんの画像を取得したいという分野がある。例えば、ビット精度を7ビットに落とすと、12ビットに比べて、32倍の1秒間に960枚の画像を取得できる。この場合、観測回数128回で1つの画面を構成するので、1回分のずれの影響は大きくなり、問題となる。
【0049】
このような場合は、シンクロナス・フレーム読み出しにすれば、問題を解消できる。シンクロナス・フレーム読み出しでは、図6に示すように観測する時間Tinが各行の画素で同じであり、全画素で同じタイミングで観測を開始して同じタイミングで観測を終了するが、共通の読み出し線で接続された各画素の1ビット情報を読み出すには、Treadに示すように各行の画素毎に読み出し動作を時間的にずらす必要があり、全画素で一斉にTinに入るためには、全画素の読み出しが終了してから行う必要がある。従って、Tinの最大値は
Ttotal−(Tread × Nv + Treset)
となる。ただしNvはイメージセンサの画素の行数である。
【0050】
これはかなり厳しい数字である。例えば、TinをTtotalの半分にするためには、Treadを8.4ns程度に設定しなくてはならない。読み出し周波数は120MHz程度になる。TinをTtotalの半分にすると当然感度が下がる(フォトダイオードへの入射確率が半分になる)ので、Tinをもっと大きな割合にしようとすると、Treadの読み出し周波数をさらに高くしなくてはならなくなる。
【0051】
このような場合には、図7のように、各画素にメモリを2ビット設ける方法が得策である。同図において、フォトダイオードPDと負荷抵抗Rとの接続点は、第1の入力用スイッチSWin1を介して第1の1ビットメモリM1に接続されると共に、第2の入力用スイッチSWin2を介して第2の1ビットメモリM2に接続される。また、1ビットメモリM1、M2は、常開のリセット用スイッチSWreset1、SWreset2を別々に介して電源に接続されると共に、出力端子が第1、第2の読み出し用スイッチSWread1、SWread2に別々に接続されている。
【0052】
この実施の形態の各部のタイミングチャートを図8に示す。図8に示すように、上記のTinを2つの1ビットメモリM1、M2で互いに異なる時間となるようにTin1、Tin2に設定することで、1ビットメモリM1、M2にフォトダイオードPDに入射するフォトン数の記録を交互に行い、一方の1ビットメモリM1又はM2にフォトンの情報を記録している間に、もう一方の1ビットメモリM2又はM1から前回の観測結果を出力する。このようにすることで、Tinは最大Ttotalまで広げることができ、読み出しの周波数も低くすることができる。
【0053】
さて、観測時間Tinを可変にできるということから、いろいろな観測方法が可能となる。これまでの実施の形態では、12ビット分4096回の観測のうち、全てを固定のTinで観測することを前提にしていた。しかしながら、本発明では、Tinを可変にできるので、4096回の観測中にTinを変更することができる。
【0054】
最も単純な例は、図9に示すように、前半の2048回をTin1という時間で設定し、後半の2048回をTin2という別の時間で観測する方法である。ここでTin1≫Tin2とする。例えば、Tin1はTtotalに近い8μs程度で、Tin2は8nsであるとする。撮影する画面は、太陽光下の野外と薄暗い室内を同時に撮るような状況を考える。
【0055】
前半ではTin1の長い時間で観測を行う。すると、明るい野外を観測している画素にはフォトンが多数やってくるので、ほとんど全ての観測でフォトンが測定され、飽和状態になる。従って、明るい野外の画素同士では、明暗の濃淡はつかない。一方、暗い室内を観測している画素には、フォトンが観測されたりしなかったりして、濃淡がつく。
【0056】
後半ではTin2の短い時間で観測を行う。すると、明るい野外を観測している画素にも、フォトンが入射したりしなかったりして、画素間で濃淡がつく。一方、暗い室内からはフォトンがほとんど観測されなくなり、カウンタ数は増えない。したがって、4096回の観測が終わった後には野外、室内ともに明暗の濃淡が付き、幅広い明るさに対処できる。
【0057】
さらに積極的には、図10に示すように、Tinの時間を対数的に変化させると、対数圧縮した画面が得られ、ダイナミックレンジの広い画像が得られる。
【0058】
なお、図1では画素は2次元マトリクス状に配列されているが、一次元直線状に配列された構成のイメージセンサにも本発明を適用できることは勿論である。また、フォトダイオード以外の受光素子も使用可能である。
【0059】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、画素を構成する受光素子に観測時間内でフォトンが入射したか否かを示す1ビット情報を加算するカウンタと、1ビット情報の読み出し回路とを、画素の外に設けることで、画素を構成する回路規模を小さくするようにしたため、従来に比べて画素ピッチの小さな多画素のイメージセンサを構成でき、高解像度の映像信号を得ることができる。
【0060】
また、本発明によれば、撮影対象の明るさに応じて観測時間を可変することにより、撮影対象が明るくても飽和することなく明るさの濃淡をつけることができ、また、撮影対象が暗くても鮮明な映像を得ることができるため、撮影対象の明るさの違いに応じてダイナミックレンジを広げることができる。
【0061】
更に、本発明によれば、共通の読み出し線でつながった画素の1ビット情報を読み出すために、各画素の動作を時間的にずらせて動作させることにより、読み出し線の本数を最小限にするようにしたため、装置の規模を極力小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の全体構成図である。
【図2】図1の画素の動作タイミング図である。
【図3】図1のイメージセンサにおける一画素回路の各例の構成図である。
【図4】Tinによるシャッタ制御例を示すタイミングチャートである。
【図5】図1のローリング読み出し動作時のタイミングチャートである。
【図6】図1のシンクロナス・フレーム読み出し動作時のタイミングチャートである。
【図7】本発明のイメージセンサにおける一画素回路の他の例の構成図である。
【図8】図7の動作説明用のタイミングチャートである。
【図9】本発明における観測時間の変化の一例を示す図である。
【図10】本発明における観測時間の変化の他の例を示す図である。
【図11】 従来のシングル・フォトン・カウンタ型イメージセンサの1画素回路の各例を示す図である。
【図12】従来のイメージセンサの平面的な画素配置例を示す図である。
【符号の説明】
15 チップ全体
16 画素敷き詰め部
17 行コントロール回路
18−1〜18−3 列読み出し回路
19−1〜19−3、20−1〜20−3、21−1〜21−3 カウンタ
22 カウンタ情報出力回路
2311〜2333 画素
PD フォトダイオード
R 負荷抵抗
M、M1、M2 1ビットメモリ
SWin、SWin1、SWin2 入力用スイッチ
SWread、SWread1、SWread2 読み出し用スイッチ
SWreset、SWreset1、SWreset2 リセット用スイッチ
A アンプ
S 波形整形器
Claims (3)
- 光電変換を行う受光素子と、前記受光素子にフォトンが入射したか否かの1ビット情報を記録する1ビットメモリと、観測時間内で前記1ビット情報を前記1ビットメモリに記録するスイッチ手段と、前記1ビット情報が読み出された前記1ビットメモリをリセットするリセット手段とから構成された画素が、複数個規則的に配列された画素敷き詰め部と、
前記画素敷き詰め部の外に設けられており、前記スイッチ手段及びリセット手段を定期的に制御するコントロール回路と、
前記画素敷き詰め部の外に設けられており、前記複数個の画素内の各1ビットメモリから前記1ビット情報を順次読み出す読み出し回路と、
前記画素敷き詰め部の外に前記複数個の画素に対応して複数個設けられており、前記読み出し回路により読み出された前記1ビット情報のうち、対応して設けられた画素の1ビット情報を累積加算するカウンタと
を有し、前記複数個のカウンタの加算値に基づいて映像信号を出力することを特徴とするイメージセンサ。 - 前記コントロール回路は、撮影対象の明るさに応じて、前記観測時間を可変するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項1記載のイメージセンサ。
- 前記読み出し回路は、前記複数個の画素のうち共通の読み出し線で接続された2以上の画素の前記1ビット情報を、その画素内の前記1ビットメモリから読み出すために、前記2以上の画素の前記1ビットメモリの読み出し動作を時間的にずらせることを特徴とする請求項1又は2記載のイメージセンサ。
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