JP7096658B2

JP7096658B2 - Solid-state image sensor and image sensor

Info

Publication number: JP7096658B2
Application number: JP2017198493A
Authority: JP
Inventors: 美絵石井; 久敬広瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2022-07-06
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: JP2019075610A

Description

本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor and an image pickup device.

従来より、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）を用いることによって単一光子の検出を行う技術が提案されている。降伏電圧（ブレークダウン電圧）より大きい逆バイアス電圧が印加されたアバランシェフォトダイオードに単一光子が入射すると、キャリアが生成され、アバランシェ増倍が起こり、大きな電流が発生する。この電流に基づいて、単一光子を検出することが可能となる。このようなアバランシェフォトダイオードは、ＳＰＡＤ（ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ）とされる。特許文献１には、アバランシェフォトダイオードが受光素子に備えられた光検出器が開示されている。 Conventionally, a technique for detecting a single photon by using an avalanche photodiode (APD: Avalanche Photo Diode) has been proposed. When a single photon is incident on an avalanche photodiode to which a reverse bias voltage larger than the breakdown voltage (breakdown voltage) is applied, carriers are generated, avalanche multiplication occurs, and a large current is generated. Based on this current, it is possible to detect a single photon. Such an avalanche photodiode is referred to as a SPAD (Single Photon Avalanche Diode). Patent Document 1 discloses a photodetector in which an avalanche photodiode is provided in a light receiving element.

特開２０１４－８１２５３号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-81253

しかしながら、大量の光子がアバランシェフォトダイオードに入射した場合には、光子の数を必ずしも正確にカウントし得ない。
本発明の目的は、光子の数をより良好にカウントし得る固体撮像素子及び撮像装置を提供することにある。 However, when a large number of photons are incident on an avalanche photodiode, the number of photons cannot always be counted accurately.
An object of the present invention is to provide a solid-state image sensor and an image pickup device capable of better counting the number of photons.

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パルスを発するパルス生成部を備える受光部をそれぞれ複数備える複数の単位画素と、前記複数の受光部からそれぞれ出力されるパルスをカウントする少なくとも１つのカウンタと、前記複数の受光部の各々から出力されるパルスを前記カウンタに選択的に入力するための複数の選択スイッチと、前記複数の選択スイッチのオン／オフを制御することにより前記カウンタによるカウント対象となる前記複数の受光部の数を制御する制御部と、を備え、１つの前記単位画素に対して備えられた前記カウンタの数は、前記１つの単位画素に備えられた前記受光部の数よりも少ない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, a plurality of unit pixels each including a plurality of light receiving units including pulse generating units that emit pulses at a frequency corresponding to the light receiving frequency of photons, and pulses output from the plurality of light receiving units are respectively. Controlling on / off of at least one counter for counting, a plurality of selection switches for selectively inputting pulses output from each of the plurality of light receiving units to the counter, and the plurality of selection switches. A control unit for controlling the number of the plurality of light receiving units to be counted by the counter is provided, and the number of the counters provided for one unit pixel is provided for the one unit pixel. Provided is a solid-state image pickup device characterized in that the number of light receiving units is smaller than the number of the light receiving units.

本発明によれば、光子の数をより良好にカウントし得る固体撮像素子及び撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state image pickup device and an image pickup apparatus capable of better counting the number of photons.

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 which shows the image pickup apparatus 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. 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. 第１実施形態による固体撮像素子の動作の例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the example of the operation of the solid-state image pickup device by 1st Embodiment. 第１実施形態による固体撮像素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the solid-state image sensor according to 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 according to 3rd Embodiment. 第３実施形態による固体撮像素子の動作の例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the example of the operation of the solid-state image sensor according to 3rd Embodiment. 第４実施形態による固体撮像素子の単位画素を示す平面図である。It is a top view which shows the unit pixel of the solid-state image sensor according to 4th Embodiment. 第４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 according to 4th Embodiment.

本発明の実施の形態について図面を参照して以下に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.

［第１実施形態］
第１実施形態による固体撮像素子及び撮像装置について図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本実施形態による撮像装置１００を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態による撮像装置１００は、固体撮像素子１０３と、信号処理部１０４と、タイミング発生部１０５と、制御部１０６と、メモリ１０７と、記録部１０８と、操作部１０９と、表示部１１０とを備えている。撮像装置１００には、撮像光学系１１１が備えられる。撮像光学系１１１は、撮像レンズ１０１と、絞り１０２とを備えている。図１における破線は、撮像光学系１１１の光軸を示している。撮像レンズ１０１及び絞り１０２を通過した光は、撮像レンズ１０１の焦点位置近傍に結像される。なお、ここでは、１つのレンズが図示されているが、実際には、撮像レンズ１０１は複数のレンズによって構成されている。撮像光学系１１１は、撮像装置１００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１０８には、記録媒体が備えられる。記録媒体は、記録部１０８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。 [First Embodiment]
The solid-state image pickup device and the image pickup apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. 1 is a block diagram showing an image pickup apparatus 100 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the image pickup device 100 according to the present embodiment includes a solid-state image pickup element 103, a signal processing unit 104, a timing generation unit 105, a control unit 106, a memory 107, a recording unit 108, and an operation unit. It includes a 109 and a display unit 110. The image pickup apparatus 100 is provided with an image pickup optical system 111. The image pickup optical system 111 includes an image pickup lens 101 and a diaphragm 102. The broken line in FIG. 1 indicates the optical axis of the imaging optical system 111. The light that has passed through the image pickup lens 101 and the aperture 102 is imaged in the vicinity of the focal position of the image pickup lens 101. Although one lens is shown here, the image pickup lens 101 is actually composed of a plurality of lenses. The image pickup optical system 111 may or may not be detachable from the image pickup apparatus 100. The recording unit 108 is provided with a recording medium. The recording medium may be removable from the recording unit 108 or may not be removable.

固体撮像素子１０３は、撮像レンズ１０１によって撮像面に結像される被写体の光学像を光電変換することによって画像信号を取得する。信号処理部１０４は、固体撮像素子１０３から出力される画像信号（画像データ）に対して所定の信号処理を行う。所定の信号処理としては、増幅、基準レベル調整、データの並べ替え等が挙げられる。タイミング発生部（タイミング発生回路）１０５は、固体撮像素子１０３及び信号処理部１０４に制御信号（駆動タイミング信号）を供給する。 The solid-state image sensor 103 acquires an image signal by photoelectrically converting an optical image of a subject imaged on an image pickup surface by an image pickup lens 101. The signal processing unit 104 performs predetermined signal processing on the image signal (image data) output from the solid-state image sensor 103. Predetermined signal processing includes amplification, reference level adjustment, data sorting, and the like. The timing generation unit (timing generation circuit) 105 supplies a control signal (drive timing signal) to the solid-state image sensor 103 and the signal processing unit 104.

制御部（全体制御・演算部）１０６は、撮像装置１００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１０６は、信号処理部１０４から出力される画像信号に対して、所定の画像処理、所定の欠陥補正等を行う。メモリ１０７としては、例えば不揮発性メモリが用いられる。メモリ１０７には、制御部１０６から出力される画像データ等が保持される。メモリ１０７は、制御部１０６のワークエリアとしても用いられ得る。記録部１０８には、メモリカード等の記録媒体が備えられる。記録媒体には、制御部１０６から出力される画像データ等が記録される。操作部１０９は、撮像装置１００に備えられた操作部材からの信号を受け付ける。ユーザによる操作に応じた信号が、操作部１０９から制御部１０６に入力される。表示部１１０は、固体撮像素子１０３によって取得される撮影画像、ライブビュー画像等を表示する。また、表示部１１０は、各種設定画面の表示をも行い得る。 The control unit (overall control / calculation unit) 106 controls the entire image pickup apparatus 100 and performs predetermined arithmetic processing and the like. The control unit 106 performs predetermined image processing, predetermined defect correction, and the like on the image signal output from the signal processing unit 104. As the memory 107, for example, a non-volatile memory is used. The memory 107 holds image data and the like output from the control unit 106. The memory 107 can also be used as a work area for the control unit 106. The recording unit 108 is provided with a recording medium such as a memory card. Image data and the like output from the control unit 106 are recorded on the recording medium. The operation unit 109 receives a signal from an operation member provided in the image pickup apparatus 100. A signal corresponding to the operation by the user is input from the operation unit 109 to the control unit 106. The display unit 110 displays a photographed image, a live view image, or the like acquired by the solid-state image sensor 103. The display unit 110 may also display various setting screens.

次に、本実施形態による固体撮像素子１０３の構成について図２及び図３を用いて説明する。図２は、本実施形態による固体撮像素子１０３を示す図である。図２に示すように、固体撮像素子１０３は、画素アレイ（画素領域）２００と、垂直選択回路２０２と、水平選択回路２０３と、タイミング発生部（ＴＧ：ＴｉｍｉｎｇＧｅｎｅｒａｔｏｒ）２０４と、デジタル出力部２０５と、制御部２０６とを備えている。画素アレイ２００には、複数の単位画素２０１が行列状に配置されている。図２においては、４行４列の計１６個の単位画素２０１が図示されているが、実際には、画素アレイ２００には、数千万個の単位画素２０１が配列されている。 Next, the configuration of the solid-state image pickup device 103 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is a diagram showing a solid-state image sensor 103 according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the solid-state image sensor 103 includes a pixel array (pixel area) 200, a vertical selection circuit 202, a horizontal selection circuit 203, a timing generator (TG: Timing Generator) 204, and a digital output unit 205. And a control unit 206. In the pixel array 200, a plurality of unit pixels 201 are arranged in a matrix. In FIG. 2, a total of 16 unit pixels 201 in 4 rows and 4 columns are shown, but in reality, tens of millions of unit pixels 201 are arranged in the pixel array 200.

垂直選択回路２０２は、画素アレイ２００に備えられた単位画素２０１をスイッチ２０７によって１行単位で選択する。水平選択回路２０３は、画素アレイ２００に備えられた単位画素２０１をスイッチ２０８によって１列単位で選択する。垂直選択回路２０２と水平選択回路２０３とにより選択された単位画素２０１によって取得された信号は、デジタル出力部２０５を介して固体撮像素子１０３の外部に出力される。
タイミング発生部２０４は、垂直選択回路２０２、水平選択回路２０３及び制御部２０６に制御信号を供給することにより、これらの駆動を制御する。 The vertical selection circuit 202 selects the unit pixel 201 provided in the pixel array 200 in units of one row by the switch 207. The horizontal selection circuit 203 selects the unit pixels 201 provided in the pixel array 200 in units of one row by the switch 208. The signal acquired by the unit pixel 201 selected by the vertical selection circuit 202 and the horizontal selection circuit 203 is output to the outside of the solid-state image pickup device 103 via the digital output unit 205.
The timing generation unit 204 controls the drive of the vertical selection circuit 202, the horizontal selection circuit 203, and the control unit 206 by supplying control signals.

図３は、本実施形態による固体撮像素子１０３を示す図である。図３には、単位画素２０１の構成が示されている。単位画素２０１は、センサ部３０７と、計数部３０８とを備えている。センサ部３０７は、受光部３００を複数備えている。受光部一般について説明する際には、符号３００を用い、個々の受光部について説明する際には、符号３００Ａ～３００Ｄを用いることとする。計数部３０８には、ＯＲ回路３０５とカウンタ３０６とが備えられている。なお、図３に示す例においては、４つの受光部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄが示されているが、受光部３００の数は４つに限定されるものではない。 FIG. 3 is a diagram showing a solid-state image sensor 103 according to the present embodiment. FIG. 3 shows the configuration of the unit pixel 201. The unit pixel 201 includes a sensor unit 307 and a counting unit 308. The sensor unit 307 includes a plurality of light receiving units 300. Reference numerals 300 will be used when describing the light receiving unit in general, and reference numerals 300A to 300D will be used when describing the individual light receiving units. The counting unit 308 is provided with an OR circuit 305 and a counter 306. In the example shown in FIG. 3, four light receiving units 300A, 300B, 300C, and 300D are shown, but the number of light receiving units 300 is not limited to four.

受光部３００は、フォトダイオード３０１と、クエンチ抵抗３０２と、反転バッファ３０３と、パルス整形部（パルス整形回路）３０４とを備えている。なお、フォトダイオード一般について説明する際には、符号３０１を用い、個々のフォトダイオードについて説明する際には、符号３０１Ａ～３０１Ｄを用いることとする。また、クエンチ抵抗一般について説明する際には、符号３０２を用い、個々のクエンチ抵抗について説明する際には、符号３０２Ａ～３０２Ｄを用いることとする。また、反転バッファ一般について説明する際には、符号３０３を用い、個々の反転バッファについて説明する際には、符号３０３Ａ～３０３Ｄを用いることとする。また、パルス整形部一般について説明する際には、符号３０４を用い、個々のパルス整形部について説明する際には、符号３０４Ａ～３０４Ｄを用いることとする。 The light receiving unit 300 includes a photodiode 301, a quench resistor 302, an inverting buffer 303, and a pulse shaping unit (pulse shaping circuit) 304. Reference numerals 301 will be used when describing the photodiodes in general, and reference numerals 301A to 301D will be used when describing the individual photodiodes. Further, when describing the quench resistance in general, reference numeral 302 will be used, and when describing individual quench resistances, reference numerals 302A to 302D will be used. Further, reference numerals 303 will be used when describing the inverting buffer in general, and reference numerals 303A to 303D will be used when describing the individual inverting buffers. Further, reference numerals 304 will be used when describing the pulse shaping unit in general, and reference numerals 304A to 304D will be used when describing the individual pulse shaping units.

フォトダイオード３０１は、アバランシェフォトダイオードである。フォトダイオード３０１には、クエンチ抵抗３０２を介して降伏電圧以上のバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。このため、フォトダイオード３０１は、ガイガーモードで動作する。すなわち、フォトダイオード３０１に光子（フォトン）が入射すると、アバランシェ増倍現象を引き起こし、アバランシェ電流が発生する。クエンチ抵抗３０２は、フォトダイオード３０１のアバランシェ増倍現象を停止するための抵抗素子である。クエンチ抵抗３０２は、例えばトランジスタの抵抗成分を用いて構成し得る。フォトダイオード３０１においてアバランシェ増倍現象が生じ、フォトダイオード３０１にアバランシェ電流が流れると、クエンチ抵抗３０２において電圧降下が生じ、フォトダイオード３０１に印加されるバイアス電圧が降下する。バイアス電圧が降伏電圧まで降下すると、アバランシェ増倍現象は停止する。その結果、アバランシェ電流がフォトダイオード３０１に流れなくなり、フォトダイオード３０１にバイアス電圧Ｖｂｉａｓが再び印加される状態に戻る。反転バッファ３０３は、クエンチ抵抗３０２において生じる電圧変化に応じたパルス信号を出力する。このように、フォトダイオード３０１に光子が入射すると、反転バッファ３０３からパルス信号を出力させることができる。信号ＰＤは、フォトダイオード３０１及びクエンチ抵抗３０２によって生成される信号である。フォトダイオード３０１及びクエンチ抵抗３０２によって生成される信号一般について説明する際には、符号ＰＤを用いることとする。フォトダイオード３０１Ａ～３０１Ｄ及びクエンチ抵抗３０２Ａ～３０２Ｄによって生成される個々の信号について説明する際には、符号ＰＤ＿Ａ～ＰＤ＿Ｄを用いることとする。パルス信号ＰＤ＿ｉｎｖは、反転バッファ３０３から出力されるパルス信号である。反転バッファ３０３から出力されるパルス信号一般について説明する際には、符号ＰＤ＿ｉｎｖを用い、反転バッファ３０３Ａ～３０３Ｄから出力される個々のパルス信号について説明する際には、符号ＰＤ＿Ａ＿ｉｎｖ～ＰＤ＿Ｄ＿ｉｎｖを用いることとする。図３に示すように、信号ＰＤの電圧が閾値Ｖｔｈより低くなっている間、パルス信号ＰＤ＿ｉｎｖはＨｉｇｈレベルとなる。フォトダイオード３０１、クエンチ抵抗３０２及び反転バッファ３０３は、光子の受光頻度に応じた頻度でパルスを発するパルス生成部として機能し得る。 The photodiode 301 is an avalanche photodiode. A bias voltage Vbias equal to or higher than the breakdown voltage is applied to the photodiode 301 via the quench resistor 302. Therefore, the photodiode 301 operates in the Geiger mode. That is, when a photon is incident on the photodiode 301, an avalanche multiplication phenomenon is caused and an avalanche current is generated. The quench resistor 302 is a resistance element for stopping the avalanche multiplication phenomenon of the photodiode 301. The quench resistance 302 can be configured by using, for example, the resistance component of the transistor. When an avalanche multiplication phenomenon occurs in the photodiode 301 and an avalanche current flows through the photodiode 301, a voltage drop occurs in the quench resistance 302 and the bias voltage applied to the photodiode 301 drops. When the bias voltage drops to the breakdown voltage, the avalanche multiplication phenomenon stops. As a result, the avalanche current does not flow to the photodiode 301, and the bias voltage Vbias is applied to the photodiode 301 again. The inverting buffer 303 outputs a pulse signal corresponding to the voltage change generated in the quench resistance 302. In this way, when a photon is incident on the photodiode 301, a pulse signal can be output from the inverting buffer 303. The signal PD is a signal generated by the photodiode 301 and the quench resistor 302. In describing the signals generated by the photodiode 301 and the quench resistor 302 in general, the reference numeral PD will be used. When the individual signals generated by the photodiodes 301A to 301D and the quench resistors 302A to 302D are described, the reference numerals PD_A to PD_D will be used. The pulse signal PD_inv is a pulse signal output from the inverting buffer 303. The reference numerals PD_inv are used when describing the pulse signals generally output from the inverting buffer 303, and the reference numerals PD_A_inv to PD_D_inv are used when describing the individual pulse signals output from the inverting buffers 303A to 303D. do. As shown in FIG. 3, the pulse signal PD_inv becomes the High level while the voltage of the signal PD is lower than the threshold value Vth. The photodiode 301, the quench resistor 302, and the inverting buffer 303 can function as a pulse generator that emits a pulse at a frequency corresponding to the light receiving frequency of the photon.

反転バッファ３０３から出力されるパルス信号ＰＤ＿ｉｎｖは、パルス整形部３０４に入力される。パルス整形部３０４は、反転バッファ３０３から出力されるパルス信号ＰＤ＿ｉｎｖに対してエッジ検出を行う。具体的には、パルス整形部３０４は、反転バッファ３０３から出力されるパルス信号ＰＤ＿ｉｎｖの立ち上がりエッジを検出する。パルス整形部３０４は、パルス信号ＰＤ＿ｉｎｖのエッジに基づいて、図３に示すように、細いパルス、すなわち、Ｈｉｇｈ状態の期間の短いパルス信号ＰＬＳを生成し、生成したパルス信号ＰＬＳを出力する。パルス整形部３０４によって整形されたパルス信号ＰＬＳの幅は、反転バッファ３０３から出力されるパルス信号ＰＤ＿ｉｎｖの幅よりも狭い。パルス整形部３０４によって整形されたパルス信号一般について説明する際には、符号ＰＬＳを用い、パルス整形部３０４によって整形された個々のパルス信号について説明する際には、符号ＰＬＳ＿Ａ～ＰＬＳ＿Ｄを用いることとする。このように、本実施形態では、パルス整形部３０４によってパルス信号ＰＬＳ＿ｉｎｖを整形することにより、Ｈｉｇｈ状態の期間の短いパルス信号ＰＬＳを生成する。このような幅の短いパルス信号ＰＬＳを生成するのは、後述するように、検出できない光子を少なくするためである。 The pulse signal PD_inv output from the inverting buffer 303 is input to the pulse shaping unit 304. The pulse shaping unit 304 performs edge detection on the pulse signal PD_inv output from the inverting buffer 303. Specifically, the pulse shaping unit 304 detects the rising edge of the pulse signal PD_inv output from the inverting buffer 303. As shown in FIG. 3, the pulse shaping unit 304 generates a thin pulse, that is, a short pulse signal PLS in a high state period, and outputs the generated pulse signal PLS based on the edge of the pulse signal PD_inv. The width of the pulse signal PLS shaped by the pulse shaping unit 304 is narrower than the width of the pulse signal PD_inv output from the inverting buffer 303. The reference numerals PLS are used when describing the pulse signal generally shaped by the pulse shaping unit 304, and the reference numerals PLS_A to PLS_D are used when describing the individual pulse signals shaped by the pulse shaping unit 304. do. As described above, in the present embodiment, the pulse signal PLS_inv is shaped by the pulse shaping unit 304 to generate a pulse signal PLS having a short period in the high state. The reason for generating such a short pulse signal PLS is to reduce the number of undetectable photons, as will be described later.

パルス整形部３０４Ａ～３０４Ｄからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ～ＰＬＳ＿Ｄは、ＯＲ回路（ＯＲゲート）３０５に入力される。ここでは、４入力、１出力のＯＲ回路３０５を例に説明するが、ＯＲ回路３０５は、これに限定されるものではない。ＯＲ回路３０５から出力される信号は、カウンタ３０６に入力される。カウンタ３０６は、ＯＲ回路３０５から出力される信号、即ち、ＯＲ回路３０５から出力されるパルスをカウントする。 The pulse signals PLS_A to PLS_D output from the pulse shaping units 304A to 304D are input to the OR circuit (OR gate) 305. Here, a 4-input, 1-output OR circuit 305 will be described as an example, but the OR circuit 305 is not limited to this. The signal output from the OR circuit 305 is input to the counter 306. The counter 306 counts the signal output from the OR circuit 305, that is, the pulse output from the OR circuit 305.

図３に示す例においては、単位画素２０１は、４つの受光部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄを備えている。そして、これらの受光部３００Ａ～３００Ｄから出力されるパルスがＯＲ回路３０５を介してカウンタ３０６によってカウントされる。すなわち、図３に示す例においては、複数の受光部３００が１つのカウンタ３０６を共有している。 In the example shown in FIG. 3, the unit pixel 201 includes four light receiving units 300A, 300B, 300C, and 300D. Then, the pulses output from these light receiving units 300A to 300D are counted by the counter 306 via the OR circuit 305. That is, in the example shown in FIG. 3, a plurality of light receiving units 300 share one counter 306.

このように、１つの単位画素２０１に複数の受光部３００Ａ～３００Ｄを備えるようにすることにより、光子を検出し得ない期間を減らすことが可能となる。例えば、単位画素２０１に１つの受光部３００のみが備えられている場合には、当該受光部３００に備えられたフォトダイオード３０１においてアバランシェ増倍が生じている期間においては、光子が更に当該受光部３００に入射しても、その光子を検出し得ない。すなわち、かかる場合には、光子を検出し得ない時間が生じてしまう。一方、本実施形態のように、単位画素２０１に複数の受光部３００が備えられていれば、異なる受光部３００に光子が入射する可能性が高くなる。ある受光部３００に光子が入射し、当該受光部３００においては光子の検出を行い得ない状態になっていても、当該受光部３００が備えられた単位画素２０１に備えられた他の受光部３００は、光子を検出し得る状態になっている。このため、当該他の受光部３００に光子が入射した場合には、当該他の受光部３００において光子を検出し得る。このように、本実施形態によれば、光子を検出し得ない時間を少なくすることができる。 As described above, by providing a plurality of light receiving units 300A to 300D in one unit pixel 201, it is possible to reduce the period during which photons cannot be detected. For example, when the unit pixel 201 is provided with only one light receiving unit 300, photons are further added to the light receiving unit during the period in which the avalanche multiplication occurs in the photodiode 301 provided in the light receiving unit 300. Even if it is incident on 300, the photon cannot be detected. That is, in such a case, there will be a time during which the photon cannot be detected. On the other hand, if the unit pixel 201 is provided with a plurality of light receiving units 300 as in the present embodiment, there is a high possibility that photons are incident on different light receiving units 300. Even if a photon is incident on a certain light receiving unit 300 and the light receiving unit 300 cannot detect a photon, another light receiving unit 300 provided in the unit pixel 201 provided with the light receiving unit 300 is provided with another light receiving unit 300. Is ready to detect photons. Therefore, when a photon is incident on the other light receiving unit 300, the photon can be detected by the other light receiving unit 300. As described above, according to the present embodiment, it is possible to reduce the time during which photons cannot be detected.

また、本実施形態では、複数の受光部３００が１つのカウンタ３０６を共有している。各々の受光部３００に対してカウンタ３０６をそれぞれ設けた場合には、回路規模が大きくなってしまうが、本実施形態では、複数の受光部３００が１つのカウンタ３０６を共有しているため、回路規模の増大を抑制し得る。 Further, in the present embodiment, a plurality of light receiving units 300 share one counter 306. If the counter 306 is provided for each light receiving unit 300, the circuit scale becomes large. However, in the present embodiment, since the plurality of light receiving units 300 share one counter 306, the circuit It can suppress the increase in scale.

続いて、本実施形態による固体撮像素子１０３の動作について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態による固体撮像素子１０３の動作の例を示すタイミングチャートである。信号ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂ、ＰＤ＿Ｃ、ＰＤ＿Ｄは、上述したように、フォトダイオード３０１Ａ～３０１Ｄ及びクエンチ抵抗３０２Ａ～３０２Ｄによってそれぞれ生成される信号である。パルス信号ＰＤ＿Ａ＿ｉｎｖ、ＰＤ＿Ｂ＿ｉｎｖ、ＰＤ＿Ｃ＿ｉｎｖ、ＰＤ＿Ｄ＿ｉｎｖは、上述したように、反転バッファ３０３Ａ～３０３Ｄからそれぞれ出力される信号である。パルス信号ＰＬＳ＿Ａ、ＰＬＳ＿Ｂ、ＰＬＳ＿Ｃ、ＰＬＳ＿Ｄは、上述したように、パルス整形部３０４Ａ～３０４Ｄによってそれぞれ整形されたパルス信号である。リセット信号ＣＮＴ＿ＲＳＴは、カウンタ３０６をリセットするための信号であり、制御部２０６からカウンタ３０６に供給される。イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮは、カウンタ３０６をイネーブル状態にするための信号であり、制御部２０６からカウンタ３０６に供給される。リセット信号ＣＮＴ＿ＲＳＴがＨｉｇｈレベルになると、カウンタ３０６はカウンタをリセットする。また、カウンタ３０６は、イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮがＨｉｇｈレベルとなっている期間のみ、パルス信号をカウントする。すなわち、イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮによって露光時間を制御することができる。カウント値ＣＮＴは、カウンタ３０６によってカウントされたパルス信号の数を示している。 Subsequently, the operation of the solid-state image pickup device 103 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-state image sensor 103 according to the present embodiment. The signals PD_A, PD_B, PD_C, and PD_D are signals generated by the photodiodes 301A to 301D and the quench resistors 302A to 302D, respectively, as described above. The pulse signals PD_A_inv, PD_B_inv, PD_C_inv, and PD_D_inv are signals output from the inverting buffers 303A to 303D, respectively, as described above. The pulse signals PLS_A, PLS_B, PLS_C, and PLS_D are pulse signals shaped by the pulse shaping units 304A to 304D, respectively, as described above. The reset signal CNT_RST is a signal for resetting the counter 306, and is supplied from the control unit 206 to the counter 306. The enable signal CNT_EN is a signal for enabling the counter 306, and is supplied from the control unit 206 to the counter 306. When the reset signal CNT_RST reaches the High level, the counter 306 resets the counter. Further, the counter 306 counts the pulse signal only during the period when the enable signal CNT_EN is at the High level. That is, the exposure time can be controlled by the enable signal CNT_EN. The count value CNT indicates the number of pulse signals counted by the counter 306.

露光開始に先立って、タイミングｔ４００においてリセット信号ＣＮＴ＿ＲＳＴをＨｉｇｈレベルにし、タイミングｔ４０１においてリセット信号ＣＮＴ＿ＲＳＴをＬｏｗレベルにする。これにより、カウンタ３０６のカウント値がリセットされる。
タイミングｔ４０１において、イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮをＨｉｇｈレベルにする。これにより、カウンタ３０６がパルス信号をカウント可能な状態となる（撮影開始）。 Prior to the start of exposure, the reset signal CNT_RST is set to the High level at the timing t400, and the reset signal CNT_RST is set to the Low level at the timing t401. As a result, the count value of the counter 306 is reset.
At the timing t401, the enable signal CNT_EN is set to the High level. As a result, the counter 306 is in a state where the pulse signal can be counted (shooting starts).

タイミングｔ４０２において、フォトダイオード３０１Ａに光子が入射すると、アバランシェ増倍が生じ、信号ＰＤ＿Ａの電位が変化する。クエンチ抵抗３０２Ａを介して電荷が排出されるため、信号ＰＤ＿Ａが再び一定の電位に戻るまである程度の時間を要する。信号ＰＤ＿Ａの電圧変化に応じて、反転バッファ３０３Ａによってパルス信号ＰＤ＿Ａ＿ｉｎｖが生成される。そして、パルス整形部３０４Ａによってパルス信号ＰＤ＿Ａ＿ｉｎｖのエッジが検出され、Ｈｉｇｈ状態の期間の短いパルス信号ＰＬＳ＿Ａがパルス整形部３０４Ａから出力される。反転バッファ３０３Ａから出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ＿ｉｎｖは、タイミングｔ４０２からタイミングｔ４０３までの間だけＨｉｇｈレベルとなる。パルス整形部３０４Ａによって整形されたパルス信号ＰＬＳ＿ＡがＨｉｇｈ状態と期間は、反転バッファ３０３Ａから出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ＿ｉｎｖがＨｉｇｈ状態となる期間よりも短い。タイミングｔ４０２においてＨｉｇｈレベルとなったパルス信号ＰＬＳ＿Ａは、ＯＲ回路３０５を介してカウンタ３０６に入力される。これにより、カウント値ＣＮＴが０から１に変化する。 When a photon is incident on the photodiode 301A at the timing t402, an avalanche multiplication occurs and the potential of the signal PD_A changes. Since the electric charge is discharged through the quench resistance 302A, it takes a certain amount of time for the signal PD_A to return to a constant potential again. The pulse signal PD_A_inv is generated by the inverting buffer 303A according to the voltage change of the signal PD_A. Then, the edge of the pulse signal PD_A_inv is detected by the pulse shaping unit 304A, and the pulse signal PLS_A having a short period of the high state is output from the pulse shaping unit 304A. The pulse signal PLS_A_inv output from the inverting buffer 303A has a high level only between the timing t402 and the timing t403. The period in which the pulse signal PLS_A shaped by the pulse shaping unit 304A is in the High state is shorter than the period in which the pulse signal PLS_A_inv output from the inverting buffer 303A is in the High state. The pulse signal PLS_A that has reached the high level at the timing t402 is input to the counter 306 via the OR circuit 305. As a result, the count value CNT changes from 0 to 1.

タイミングｔ４０３以降においても、上記と同様にして光子が順次カウントされる。イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮがＬｏｗレベルになるタイミングｔ４０４（撮影終了）まで、光子のカウントが行われる。単位画素２０１に備えられた受光部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄに光子がそれぞれ入射すると、受光部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄの各々においてパルス信号ＰＬＳ＿Ａ～ＰＬＳ＿Ｄが生成される。そして、カウンタ３０６によって当該パルス信号ＰＬＳ＿Ａ～ＰＬＳ＿Ｄがカウントされる。つまり、光子の入射数に応じたカウント値がカウンタ３０６によって得られ、こうして得られるカウント値が単位画素２０１の画素値（撮像信号値）となる。 Even after the timing t403, the photons are sequentially counted in the same manner as described above. Photons are counted until the timing t404 (shooting end) when the enable signal CNT_EN reaches the Low level. When a photon is incident on the light receiving units 300A, 300B, 300C, and 300D provided in the unit pixel 201, pulse signals PLS_A to PLS_D are generated in each of the light receiving units 300A, 300B, 300C, and 300D. Then, the pulse signals PLS_A to PLS_D are counted by the counter 306. That is, a count value corresponding to the number of incidents of photons is obtained by the counter 306, and the count value thus obtained becomes the pixel value (imaging signal value) of the unit pixel 201.

撮影が終了するタイミングｔ４０４の後、垂直選択回路２０２及び水平選択回路２０３によって単位画素２０１が順次選択され、各々の単位画素２０１に備えられたカウンタ３０６によって得られたカウント値がデジタル出力部２０５に順次供給される。デジタル出力部２０５は、このようにして順次供給されるカウント値を、固体撮像素子１０３の外部に順次出力する。 After the timing t404 at which shooting ends, the unit pixels 201 are sequentially selected by the vertical selection circuit 202 and the horizontal selection circuit 203, and the count value obtained by the counter 306 provided in each unit pixel 201 is sent to the digital output unit 205. It will be supplied sequentially. The digital output unit 205 sequentially outputs the count values sequentially supplied in this way to the outside of the solid-state image sensor 103.

図４で示す例においては、フォトダイオード３０１Ａに入射した１つ目の光子に応じて電位変化が生じた信号ＰＤ＿Ａが元の電位に復帰しようとしている最中に、フォトダイオード３０１Ｂに２つ目の光子が入射し、信号ＰＤ＿Ｂに電位変化が生じている。１つの単位画素２０１に備えられている受光部３００が１つのみであれば、このような場合には、２つ目の光子の検出は不可能である。これに対し、本実施形態では、１つの単位画素２０１に複数の受光部３００が備えられているため、２つ目の光子を検出することが可能である。しかも、単位画素２０１に備えられた受光部３００によって検出された光子に応じたパルス信号を共通のカウンタ３０６によってカウントするため、回路規模の増大を防止することができる。しかも、Ｈｉｇｈ状態の期間の短いパルス信号ＰＬＳがパルス整形部３０４によって生成されるため、近いタイミングで２つの光子が単位画素２０１に入射した場合であっても、これらをカウントすることが可能となる。 In the example shown in FIG. 4, while the signal PD_A whose potential has changed in response to the first photon incident on the photodiode 301A is about to return to the original potential, the second one is attached to the photodiode 301B. Photons are incident and a potential change occurs in the signal PD_B. If only one light receiving unit 300 is provided in one unit pixel 201, it is impossible to detect the second photon in such a case. On the other hand, in the present embodiment, since one unit pixel 201 is provided with a plurality of light receiving units 300, it is possible to detect a second photon. Moreover, since the pulse signal corresponding to the photon detected by the light receiving unit 300 provided in the unit pixel 201 is counted by the common counter 306, it is possible to prevent an increase in the circuit scale. Moreover, since the pulse signal PLS having a short period in the High state is generated by the pulse shaping unit 304, it is possible to count these even when two photons are incident on the unit pixel 201 at close timings. ..

図５は、本実施形態による固体撮像素子を示す斜視図である。図５に示すように、固体撮像素子１０３は、２つの基板（半導体チップ）５０１，５０２を積層することによって構成されている。図５に示すように、固体撮像素子１０３は、撮像光学系１１１によって形成される光学像を受光する基板（上部基板）５０１と、主としてデジタル系の回路を備える基板（下部基板）５０２とから構成されている。単位画素２０１は、上述したように、センサ部３０７と計数部３０８とを備えている。単位画素２０１のうちのセンサ部３０７は、基板５０１に形成されている。単位画素２０１のうちの計数部３０８は、基板５０２に形成されている。複数のセンサ部３０７が、基板５０１に行列状に配列されている。複数の計数部３０８が、基板５０２に行列状に配列されている。複数のセンサ部３０７の各々と、これらのセンサ部３０７に対応する複数の計数部３０８の各々とが、基板５０１に形成された不図示の複数の貫通電極をそれぞれ介して、互いに電気的に接続されている。こうして、複数の単位画素２０１がマトリクス状に配されている。上述したように、センサ部３０７には、フォトダイオード３０１と、クエンチ抵抗３０２と、反転バッファ３０３と、パルス整形部３０４とが備えられている。センサ部３０７から計数部３０８に伝送される信号はパルス信号であるため、センサ部３０７から計数部３０８への伝送は比較的ロバストである。計数部３０８には、上述したように、ＯＲ回路３０５と、カウンタ３０６とが備えられている。垂直選択回路２０２と、水平選択回路２０３と、タイミング発生部２０４と、デジタル出力部２０５と、制御部２０６とは、基板５０２に備えられている。なお、ここでは、垂直選択回路２０２と、水平選択回路２０３と、タイミング発生部２０４と、デジタル出力部２０５と、制御部２０６とが、基板５０２に備えられてい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。例えば、これらの構成要素が適宜基板５０１に備えられていてもよい。 FIG. 5 is a perspective view showing a solid-state image sensor according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the solid-state image sensor 103 is configured by laminating two substrates (semiconductor chips) 501 and 502. As shown in FIG. 5, the solid-state image sensor 103 includes a substrate (upper substrate) 501 that receives an optical image formed by the imaging optical system 111, and a substrate (lower substrate) 502 that mainly includes a digital circuit. Has been done. As described above, the unit pixel 201 includes a sensor unit 307 and a counting unit 308. The sensor unit 307 of the unit pixel 201 is formed on the substrate 501. The counting unit 308 of the unit pixels 201 is formed on the substrate 502. A plurality of sensor units 307 are arranged in a matrix on the substrate 501. A plurality of counting units 308 are arranged in a matrix on the substrate 502. Each of the plurality of sensor units 307 and each of the plurality of counting units 308 corresponding to these sensor units 307 are electrically connected to each other via a plurality of through electrodes (not shown) formed on the substrate 501. Has been done. In this way, the plurality of unit pixels 201 are arranged in a matrix. As described above, the sensor unit 307 includes a photodiode 301, a quench resistor 302, an inverting buffer 303, and a pulse shaping unit 304. Since the signal transmitted from the sensor unit 307 to the counting unit 308 is a pulse signal, the transmission from the sensor unit 307 to the counting unit 308 is relatively robust. As described above, the counting unit 308 includes an OR circuit 305 and a counter 306. The vertical selection circuit 202, the horizontal selection circuit 203, the timing generation unit 204, the digital output unit 205, and the control unit 206 are provided on the substrate 502. Here, a case where the vertical selection circuit 202, the horizontal selection circuit 203, the timing generation unit 204, the digital output unit 205, and the control unit 206 are provided on the board 502 will be described as an example. It is not limited to this. For example, these components may be appropriately provided on the substrate 501.

このように、本実施形態では、センサ部３０７が基板５０１に形成されており、計数部３０８が基板５０２に形成されている。回路規模が大きい計数部３０８が、センサ部３０７が備えられている基板５０１とは別個の基板５０２に備えられているため、センサ部３０７の面積を十分に確保することができる。このため、センサ部３０７の開口面積を十分に確保することができる。 As described above, in the present embodiment, the sensor unit 307 is formed on the substrate 501, and the counting unit 308 is formed on the substrate 502. Since the counting unit 308 having a large circuit scale is provided on the substrate 502 separate from the substrate 501 on which the sensor unit 307 is provided, a sufficient area of the sensor unit 307 can be secured. Therefore, a sufficient opening area of the sensor unit 307 can be secured.

このように、本実施形態によれば、１つの単位画素２０１に複数の受光部３００が備えられている。このため、本実施形態によれば、ある受光部３００において光子の検出が行われている際に、当該受光部３００が備えられた単位画素２０１に備えられた他の受光部３００において光子の検出を行い得る。このため、本実施形態によれば、大量の光子が単位画素２０１に入射した場合であっても、カウントし得ない光子を少なくすることができる。しかも、本実施形態によれば、反転バッファ３０３から出力されるパルス信号ＰＤ＿ｉｎｖよりもパルス幅の狭いパルス信号ＰＬＳがパルス整形部３０４から出力される。このため、本実施形態によれば、大量の光子が単位画素２０１に入射した際にカウントされ得ない光子の数をより少なくすることができる。このように、本実施形態によれば、光子の数をより良好にカウントし得る固体撮像素子及び撮像装置を提供することができる。
また、本実施形態によれば、１つの単位画素２０１に備えられた受光部３００の数よりも１つの単位画素２０１に備えられたカウンタ３０６の数の方が少ないため、回路規模の抑制をも図り得る。 As described above, according to the present embodiment, one unit pixel 201 is provided with a plurality of light receiving units 300. Therefore, according to the present embodiment, when the photon is detected in the light receiving unit 300, the photon is detected in the other light receiving unit 300 provided in the unit pixel 201 provided with the light receiving unit 300. Can be done. Therefore, according to the present embodiment, even when a large number of photons are incident on the unit pixel 201, it is possible to reduce the number of photons that cannot be counted. Moreover, according to the present embodiment, the pulse signal PLS having a pulse width narrower than that of the pulse signal PD_inv output from the inverting buffer 303 is output from the pulse shaping unit 304. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to further reduce the number of photons that cannot be counted when a large number of photons are incident on the unit pixel 201. As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a solid-state image pickup device and an image pickup apparatus capable of better counting the number of photons.
Further, according to the present embodiment, the number of counters 306 provided in one unit pixel 201 is smaller than the number of light receiving units 300 provided in one unit pixel 201, so that the circuit scale can be suppressed. It can be planned.

［第２実施形態］
第２実施形態による固体撮像素子及び撮像装置について図６を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１実施形態による固体撮像素子及び撮像装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。 [Second Embodiment]
The solid-state image pickup device and the image pickup apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those of the solid-state image pickup device and the image pickup apparatus according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.

本実施形態による固体撮像素子は、受光部３００Ａ～３００ＰとＯＲ回路３０５との間にスイッチ６０２Ａ～６０２Ｐが備えられているものである。本実施形態では、カウンタ３０６によってカウントされ得る受光部３００Ａ～３００Ｐの数を、スイッチ６０２Ａ～６０２Ｐによって制御することが可能である。 The solid-state image pickup device according to the present embodiment is provided with switches 602A to 602P between the light receiving units 300A to 300P and the OR circuit 305. In the present embodiment, the number of light receiving units 300A to 300P that can be counted by the counter 306 can be controlled by the switches 602A to 602P.

図６は、本実施形態による固体撮像素子１０３に備えられた単位画素２０１の例を示す図である。図６に示すように、単位画素２０１には、センサ部６００と、計数部６０１とが備えられている。センサ部６００には、例えば４行×４列の合計１６個の受光部３００が備えられている。なお、受光部一般について説明する際には、符号３００を用い、個々の受光部について説明する際には、符号３００Ａ～３００Ｐを用いることとする。計数部６０１には、スイッチ６０２と、ＯＲ回路３０５と、カウンタ３０６とが備えられている。なお、スイッチ一般について説明する際には、符号６０２を用い、個々のスイッチについて説明する際には、符号６０２Ａ～６０２Ｐを用いることとする。ＯＲ回路３０５は、ＯＲ回路３０５Ａ～３０５Ｅによって構成されている。スイッチ６０２は、受光部３００とＯＲ回路３０５との間に設けられている。本実施形態による固体撮像素子１０３は、図１を用いて上述した撮像装置１００に備えられ得る。 FIG. 6 is a diagram showing an example of a unit pixel 201 provided in the solid-state image sensor 103 according to the present embodiment. As shown in FIG. 6, the unit pixel 201 is provided with a sensor unit 600 and a counting unit 601. The sensor unit 600 is provided with, for example, a total of 16 light receiving units 300 having 4 rows × 4 columns. Reference numerals 300 will be used when describing the light receiving unit in general, and reference numerals 300A to 300P will be used when describing the individual light receiving units. The counting unit 601 is provided with a switch 602, an OR circuit 305, and a counter 306. Reference numerals 602 will be used when describing the switches in general, and reference numerals 602A to 602P will be used when describing the individual switches. The OR circuit 305 is composed of OR circuits 305A to 305E. The switch 602 is provided between the light receiving unit 300 and the OR circuit 305. The solid-state image pickup device 103 according to the present embodiment can be provided in the above-mentioned image pickup apparatus 100 with reference to FIG.

受光部３００Ａ～３００Ｐからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳは、ＯＲ回路３０５を介してカウンタ３０６に入力される。受光部３００とＯＲ回路３０５との間には、上述したように、スイッチ（選択スイッチ）６０２が設けられている。受光部３００Ａ～３００Ｄから出力されるパルス信号ＰＬＳは、スイッチ６０２Ａ～６０２Ｄをそれぞれ介してＯＲ回路３０５Ａに入力される。受光部３００Ｅ～３００Ｈから出力されるパルス信号ＰＬＳは、スイッチ６０２Ｅ～６０２Ｈをそれぞれ介してＯＲ回路３０５Ｂに入力される。受光部３００Ｉ～３００Ｌから出力されるパルス信号ＰＬＳは、スイッチ６０２Ｉ～６０２Ｌをそれぞれ介してＯＲ回路３０５Ｃに入力される。受光部３００Ｍ～３００Ｐから出力されるパルス信号ＰＬＳは、スイッチ６０２Ｍ～６０２Ｐをそれぞれ介してＯＲ回路３０５Ｄに入力される。ＯＲ回路３０５Ａ～３０５Ｄからそれぞれ出力されるパルス信号は、ＯＲ回路３０５Ｅに入力される。ＯＲ回路３０５Ｅから出力されるパルス信号は、カウンタ３０６によって計数される。 The pulse signals PLS output from the light receiving units 300A to 300P are input to the counter 306 via the OR circuit 305. As described above, a switch (selection switch) 602 is provided between the light receiving unit 300 and the OR circuit 305. The pulse signals PLS output from the light receiving units 300A to 300D are input to the OR circuit 305A via the switches 602A to 602D, respectively. The pulse signals PLS output from the light receiving units 300E to 300H are input to the OR circuit 305B via the switches 602E to 602H, respectively. The pulse signals PLS output from the light receiving units 300I to 300L are input to the OR circuit 305C via the switches 602I to 602L, respectively. The pulse signal PLS output from the light receiving units 300M to 300P is input to the OR circuit 305D via the switches 602M to 602P, respectively. The pulse signals output from the OR circuits 305A to 305D are input to the OR circuit 305E. The pulse signal output from the OR circuit 305E is counted by the counter 306.

制御部２０６は、スイッチ６０２のＯＮ／ＯＦＦを制御する。スイッチ６０２をＯＮ状態にすることによって、当該スイッチ６０２に対応する受光部３００がカウンタ３０６によるカウントの対象となる。従って、スイッチ６０２を適宜制御することによって、カウンタ３０６によるカウントの対象となる受光部３００の数を制御し得る。本実施形態では、カウンタ３０６によるカウントの対象となる受光部３００の数を制御し得るため、露光量を制御することが可能となる。例えば図６に示すように、１６個のスイッチ６０２のうちの８個をＯＦＦ状態にすると、ＯＦＦ状態になったスイッチ６０２に対応する受光部３００に入射した光子はカウンタ３０６によってカウントされない。図６においてハッチングが付された受光部３００は、カウンタ３０６によるカウントの対象となっていない受光部３００を示している。このように、１６個のスイッチ６０２のうちの８個をＯＦＦ状態にすれば、露光量を半分にすることができる。 The control unit 206 controls ON / OFF of the switch 602. By turning on the switch 602, the light receiving unit 300 corresponding to the switch 602 becomes the target of counting by the counter 306. Therefore, by appropriately controlling the switch 602, the number of light receiving units 300 to be counted by the counter 306 can be controlled. In the present embodiment, since the number of light receiving units 300 to be counted by the counter 306 can be controlled, the exposure amount can be controlled. For example, as shown in FIG. 6, when eight of the 16 switches 602 are turned off, the photons incident on the light receiving unit 300 corresponding to the switch 602 that is turned off are not counted by the counter 306. In FIG. 6, the hatched light receiving unit 300 indicates a light receiving unit 300 that is not counted by the counter 306. In this way, if eight of the 16 switches 602 are turned off, the exposure amount can be halved.

なお、図６に示す例においては、４入力１出力のＯＲ回路３０５Ａ～３０５Ｄの後段に４入力１出力のＯＲ回路３０５Ｅが備えられているが、ＯＲ回路３０５の構成はこのような構成に限定されるものではない。
このように、本実施形態によれば、受光部３００とカウンタ３０６との間にスイッチ６０２が設けられている。このため、本実施形態によれば、スイッチ６０２を適宜制御することにより、露光量を適宜制御することができる。 In the example shown in FIG. 6, an OR circuit 305E having 4 inputs and 1 output is provided after the OR circuits 305A to 305D having 4 inputs and 1 output, but the configuration of the OR circuit 305 is limited to such a configuration. It is not something that will be done.
As described above, according to the present embodiment, the switch 602 is provided between the light receiving unit 300 and the counter 306. Therefore, according to the present embodiment, the exposure amount can be appropriately controlled by appropriately controlling the switch 602.

［第３実施形態］
第３実施形態による固体撮像素子及び撮像装置について図７及び図８を用いて説明する。図１乃至図６に示す第１又は第２実施形態による固体撮像素子及び撮像装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
本実施形態による固体撮像素子は、受光部７００Ａ～７００Ｄの各々に光子が同時に入射した場合であっても、これらの光子をそれぞれカウントし得るものである。 [Third Embodiment]
The solid-state image pickup device and the image pickup apparatus according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8. The same components as those of the solid-state image pickup device and the image pickup apparatus according to the first or second embodiment shown in FIGS. 1 to 6 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
The solid-state image sensor according to the present embodiment can count each of the photons even when the photons are simultaneously incident on each of the light receiving units 700A to 700D.

図７は、本実施形態による固体撮像素子１０３を示す図である。単位画素２０１には、センサ部７０３と、計数部７０４とが備えられている。センサ部７０３には、複数の受光部７００が備えられている。受光部一般について説明する際には、符号７００を用い、個々の受光部について説明する際には、符号７００Ａ～７００Ｄを用いることとする。受光部７００には、第１実施形態における受光部３００と同様に、フォトダイオード３０１、クエンチ抵抗３０２及び反転バッファ３０３が備えられている。受光部７００には、パルス整形部３０４（図３参照）の代わりにパルス整形部７０１が備えられている。パルス整形部一般について説明する際には、符号７０１を用い、個々のパルス整形部について説明する際には、符号７０１Ａ～７０１Ｄを用いることとする。また、受光部７００には、ＡＮＤ回路７０２が備えられている。ＡＮＤ回路一般について説明する際には、符号７０２を用い、個々のＡＮＤ回路について説明する際には、符号７０２Ａ～７０２Ｄを用いることとする。パルス整形部７０１とＡＮＤ回路７０２には、制御部２０６から供給される制御信号が入力される。計数部７０４には、ＯＲ回路３０５と、カウンタ３０６とが備えられている。 FIG. 7 is a diagram showing a solid-state image sensor 103 according to the present embodiment. The unit pixel 201 is provided with a sensor unit 703 and a counting unit 704. The sensor unit 703 is provided with a plurality of light receiving units 700. Reference numerals 700 will be used when describing the light receiving unit in general, and reference numerals 700A to 700D will be used when describing the individual light receiving units. The light receiving unit 700 is provided with a photodiode 301, a quench resistor 302, and an inverting buffer 303, similarly to the light receiving unit 300 in the first embodiment. The light receiving unit 700 is provided with a pulse shaping unit 701 instead of the pulse shaping unit 304 (see FIG. 3). Reference numerals 701 will be used when describing the pulse shaping unit in general, and reference numerals 701A to 701D will be used when describing the individual pulse shaping units. Further, the light receiving unit 700 is provided with an AND circuit 702. Reference numerals 702 will be used when describing the AND circuit in general, and reference numerals 702A to 702D will be used when describing the individual AND circuits. A control signal supplied from the control unit 206 is input to the pulse shaping unit 701 and the AND circuit 702. The counting unit 704 is provided with an OR circuit 305 and a counter 306.

パルス整形部７０１は、反転バッファ３０３から供給されるパルス信号ＰＤ＿ｉｎｖに対してエッジ検出を行い、制御部２０６から供給される制御信号に応じて、Ｈｉｇｈ状態の期間の長いパルス信号ＰＬＳを生成して出力する。パルス整形部７０１によって整形されるパルスの幅は、反転バッファ３０３から出力されるパルスの幅よりも大きい。パルス整形部７０１から出力されるパルス信号ＰＬＳの幅は１つの単位画素２０１に備えられる受光部７００の数に依存しており、１つの単位画素２０１に備えられる受光部７００の数が大きいほどパルス信号ＰＬＳの幅は長く設定される。パルス整形部７０１から出力されるパルス信号ＰＬＳのパルス幅の決定手法については、後述することとする。パルス整形部７０１から出力されるパルス信号ＰＬＳは、ＡＮＤ回路７０２の一方の入力端子に入力される。ＡＮＤ回路７０２の他方の入力端子には、制御部２０６から供給される制御信号Ｓが入力される。制御信号一般について説明する際には、符号Ｓを用い、個々の制御信号について説明する際には、符号Ｓ＿Ａ～Ｓ＿Ｄを用いることとする。制御部２０６からＡＮＤ回路７０２に供給される制御信号Ｓは、単位画素２０１に備えられた複数の受光部７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ、７００Ｄの各々から出力されるパルス信号ＰＬＳのサンプリングのタイミングを制御するためのものである。制御部２０６は、互いに異なるタイミングでＨｉｇｈ状態になる制御信号Ｓ＿Ａ～Ｓ＿Ｄを、ＡＮＤ回路７０２Ａ～７０２Ｄの各々に供給する。このため、受光部７００Ａ～７００Ｄの各々に同時に光子が入射した場合であっても、これらの光子をそれぞれ検出し得る。例えば、制御部２０６は、１クロックずつタイミングをずらした制御信号Ｓ＿Ａ～Ｓ＿ＤをＡＮＤ回路７０２Ａ～７０２Ｄに繰り返し供給する。また、制御部２０６は、１つの単位画素２０１に備えられる受光部７００の数とクロック信号の周期とを乗ずることにより得られる期間がＨｉｇｈ状態となる期間である制御信号を、パルス整形部７０１に供給する。例えば、図７に示すように、１つの単位画素２０１に４つの受光部７００が備えられている場合には、制御部２０６は、クロック信号の４倍のパルス幅を有する制御信号を、パルス整形部７０１に供給する。パルス整形部７０１は、このような制御信号に基づいて、パルス整形部７０１から出力されるパルスの幅を設定する。ＡＮＤ回路７０２から出力される信号ＯＵＴは、ＯＲ回路３０５に供給される。ＡＮＤ回路７０２から出力される信号一般について説明する際には、符号ＯＵＴを用い、個々のＡＮＤ回路７０２から出力される信号について説明する際には、符号ＯＵＴ＿Ａ～ＯＵＴ＿Ｄを用いることとする。ＯＲ回路３０５から出力される信号は、カウンタ３０６に供給される。 The pulse shaping unit 701 performs edge detection on the pulse signal PD_inv supplied from the inversion buffer 303, and generates a pulse signal PLS having a long period in the high state according to the control signal supplied from the control unit 206. Output. The width of the pulse shaped by the pulse shaping unit 701 is larger than the width of the pulse output from the inverting buffer 303. The width of the pulse signal PLS output from the pulse shaping unit 701 depends on the number of light receiving units 700 provided in one unit pixel 201, and the larger the number of light receiving units 700 provided in one unit pixel 201, the more the pulse. The width of the signal PLS is set long. The method for determining the pulse width of the pulse signal PLS output from the pulse shaping unit 701 will be described later. The pulse signal PLS output from the pulse shaping unit 701 is input to one input terminal of the AND circuit 702. The control signal S supplied from the control unit 206 is input to the other input terminal of the AND circuit 702. When the control signal in general is described, the reference numeral S is used, and when the individual control signals are described, the reference numerals S_A to S_D are used. The control signal S supplied from the control unit 206 to the AND circuit 702 controls the sampling timing of the pulse signal PLS output from each of the plurality of light receiving units 700A, 700B, 700C, and 700D provided in the unit pixel 201. Is for. The control unit 206 supplies the control signals S_A to S_D, which are in the High state at different timings, to each of the AND circuits 702A to 702D. Therefore, even when photons are simultaneously incident on each of the light receiving units 700A to 700D, each of these photons can be detected. For example, the control unit 206 repeatedly supplies the control signals S_A to S_D whose timings are shifted by one clock to the AND circuits 702A to 702D. Further, the control unit 206 transmits a control signal, which is a period in which the period obtained by multiplying the number of light receiving units 700 provided in one unit pixel 201 and the period of the clock signal is in the high state, to the pulse shaping unit 701. Supply. For example, as shown in FIG. 7, when one unit pixel 201 is provided with four light receiving units 700, the control unit 206 pulse-shapes a control signal having a pulse width four times that of the clock signal. Supply to unit 701. The pulse shaping unit 701 sets the width of the pulse output from the pulse shaping unit 701 based on such a control signal. The signal OUT output from the AND circuit 702 is supplied to the OR circuit 305. When the signals output from the AND circuit 702 are generally described, the reference numerals OUT are used, and when the signals output from the individual AND circuits 702 are described, the reference numerals OUT_A to OUT_D are used. The signal output from the OR circuit 305 is supplied to the counter 306.

続いて、本実施形態における固体撮像素子１０３の動作について図８を用いて説明する。図８は、本実施形態による固体撮像素子１０３の動作の例を示すタイミングチャートである。信号ＰＤ＿Ａ、ＰＤ＿Ｂ、ＰＤ＿Ｃ、ＰＤ＿Ｄは、第１実施形態において上述したように、フォトダイオード３０１Ａ～３０１Ｄ及びクエンチ抵抗３０２Ａ～３０２Ｄによってそれぞれ生成される信号である。パルス信号ＰＬＳ＿Ａ、ＰＬＳ＿Ｂ、ＰＬＳ＿Ｃ、ＰＬＳ＿Ｄは、パルス整形部７０１Ａ～７０１Ｄによってそれぞれ整形されるパルス信号である。制御信号Ｓ＿Ａ～Ｓ＿Ｄは、制御部２０６からＡＮＤ回路７０２Ａ～７０２Ｄにそれぞれ供給され、互いに異なるタイミングでＨｉｇｈ状態となる。信号ＯＵＴ＿Ａ～ＯＵＴ＿Ｄは、ＡＮＤ回路７０２Ａ～７０２Ｄからそれぞれ出力される信号であり、ＯＲ回路３０５に供給される。リセット信号ＣＮＴ＿ＲＳＴは、第１実施形態において上述したように、カウンタ３０６をリセットするための信号であり、制御部２０６からカウンタ３０６に供給される。イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮは、第１実施形態において上述したように、カウンタ３０６をイネーブル状態にするための信号であり、制御部２０６からカウンタ３０６に供給される。リセット信号ＣＮＴ＿ＲＳＴがＨｉｇｈレベルになると、カウンタ３０６はカウンタをリセットする。また、カウンタ３０６は、イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮがＨｉｇｈレベルとなっている期間のみ、パルス信号をカウントする。カウント値ＣＮＴは、カウンタ３０６によってカウントされたパルス信号の数を示している。 Subsequently, the operation of the solid-state image pickup device 103 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-state image sensor 103 according to the present embodiment. The signals PD_A, PD_B, PD_C, and PD_D are signals generated by the photodiodes 301A to 301D and the quench resistors 302A to 302D, respectively, as described above in the first embodiment. The pulse signals PLS_A, PLS_B, PLS_C, and PLS_D are pulse signals shaped by the pulse shaping units 701A to 701D, respectively. The control signals S_A to S_D are supplied from the control unit 206 to the AND circuits 702A to 702D, respectively, and are in the High state at different timings. The signals OUT_A to OUT_D are signals output from the AND circuits 702A to 702D, respectively, and are supplied to the OR circuit 305. The reset signal CNT_RST is a signal for resetting the counter 306 as described above in the first embodiment, and is supplied from the control unit 206 to the counter 306. As described above in the first embodiment, the enable signal CNT_EN is a signal for enabling the counter 306, and is supplied from the control unit 206 to the counter 306. When the reset signal CNT_RST reaches the High level, the counter 306 resets the counter. Further, the counter 306 counts the pulse signal only during the period when the enable signal CNT_EN is at the High level. The count value CNT indicates the number of pulse signals counted by the counter 306.

露光開始に先立って、タイミングｔ８００においてリセット信号ＣＮＴ＿ＲＳＴをＨｉｇｈレベルにし、タイミングｔ８０１においてリセット信号ＣＮＴ＿ＲＳＴをＬｏｗレベルにする。これにより、カウンタ３０６のカウント値がリセットされる。
タイミングｔ８０１において、イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮをＨｉｇｈレベルにする。これにより、カウンタ３０６がパルス信号をカウントし得る状態となる（撮影開始）。 Prior to the start of exposure, the reset signal CNT_RST is set to the High level at the timing t800, and the reset signal CNT_RST is set to the Low level at the timing t801. As a result, the count value of the counter 306 is reset.
At the timing t801, the enable signal CNT_EN is set to the High level. As a result, the counter 306 is in a state where it can count the pulse signal (shooting starts).

タイミングｔ８０２において、フォトダイオード３０１Ａに光子が入射すると、アバランシェ増倍が生じ、信号ＰＤ＿Ａの電位が変化する。クエンチ抵抗３０２Ａを介して電荷が排出されるため、信号ＰＤ＿Ａが再び一定の電位に戻るまである程度の時間を要する。信号ＰＤ＿Ａの電圧変化に応じて、反転バッファ３０３Ａによってパルス信号ＰＤ＿Ａ＿ｉｎｖが生成される。そして、パルス整形部７０１Ａによってパルス信号ＰＤ＿Ａ＿ｉｎｖのエッジが検出され、Ｈｉｇｈ状態の期間の長いパルス信号ＰＬＳ＿Ａがパルス整形部７０１Ａから出力される。パルス信号ＰＬＳ＿Ａは、タイミングｔ８０２からタイミングｔ８０６までの間、Ｈｉｇｈレベルとなる。パルス信号ＰＬＳがＨｉｇｈレベルとなる期間は、例えば４クロック分に相当する。即ち、パルス信号ＰＬＳがＨｉｇｈレベルとなる期間は、制御信号Ｓ＿Ａ、Ｓ＿Ｂ、Ｓ＿Ｃ、Ｓ＿Ｄが１回ずつＨｉｇｈ状態になる期間に相当する。パルス信号ＰＬＳがＨｉｇｈレベルとなる期間は、アバランシェ増倍によって電位の変化が生じた信号ＰＤが、再び一定の電位に戻るまでの時間より長いことが好ましい。時刻ｔ８０２においては、フォトダイオード３０１Ｂにも別の光子が入射され、パルス信号ＰＬＳ＿ＡがＨｉｇｈレベルになるのと同じタイミングでパルス信号ＰＬＳ＿ＢもＨｉｇｈレベルになる。 When a photon is incident on the photodiode 301A at the timing t802, an avalanche multiplication occurs and the potential of the signal PD_A changes. Since the electric charge is discharged through the quench resistance 302A, it takes a certain amount of time for the signal PD_A to return to a constant potential again. The pulse signal PD_A_inv is generated by the inverting buffer 303A according to the voltage change of the signal PD_A. Then, the edge of the pulse signal PD_A_inv is detected by the pulse shaping unit 701A, and the pulse signal PLS_A having a long period of the high state is output from the pulse shaping unit 701A. The pulse signal PLS_A has a high level from timing t802 to timing t806. The period during which the pulse signal PLS reaches the high level corresponds to, for example, four clocks. That is, the period in which the pulse signal PLS becomes the High level corresponds to the period in which the control signals S_A, S_B, S_C, and S_D are in the High state once. The period during which the pulse signal PLS reaches the high level is preferably longer than the time until the signal PD in which the potential changes due to the avalanche multiplication returns to a constant potential again. At time t802, another photon is incident on the photodiode 301B, and the pulse signal PLS_B also reaches the high level at the same timing as the pulse signal PLS_A reaches the high level.

タイミングｔ８０３からタイミングｔ８０４までの間は、制御信号Ｓ＿ＢがＨｉｇｈレベルになる。パルス信号ＰＬＳ＿ＢがＨｉｇｈレベルになっている状態で、制御信号Ｓ＿ＢがＨｉｇｈレベルになると、ＡＮＤ回路７０２Ｂから出力される信号ＯＵＴ＿ＢはＨｉｇｈレベルとなる。ＡＮＤ回路７０２Ｂから出力されるＨｉｇｈレベルの信号ＯＵＴ＿Ｂが、ＯＲ回路３０５を介してカウンタ３０６に入力される。これにより、カウント値ＣＮＴが０から１に変化する。こうして、受光部７００Ｂに入射した光子がカウントされる。 During the period from the timing t803 to the timing t804, the control signal S_B becomes the High level. When the control signal S_B becomes the High level while the pulse signal PLS_B is at the High level, the signal OUT_B output from the AND circuit 702B becomes the High level. The high level signal OUT_B output from the AND circuit 702B is input to the counter 306 via the OR circuit 305. As a result, the count value CNT changes from 0 to 1. In this way, the photons incident on the light receiving unit 700B are counted.

受光部７００Ａに入射した光子は、以下のようにしてカウントされる。即ち、タイミングｔ８０５からタイミングｔ８０６までの間において、制御信号Ｓ＿ＡがＨｉｇｈレベルになる。パルス信号ＰＬＳ＿ＡがＨｉｇｈレベルになっている状態で、制御信号Ｓ＿ＡがＨｉｇｈレベルになると、ＡＮＤ回路７０２Ａから出力される信号ＯＵＴ＿ＡはＨｉｇｈレベルとなる。ＡＮＤ回路７０２Ａから出力されるＨｉｇｈレベルの信号ＯＵＴ＿Ａが、ＯＲ回路３０５を介してカウンタ３０６に入力される。これにより、カウント値ＣＮＴが１から２に変化する。こうして、受光部７００Ａに入射した光子がカウントされる。 The photons incident on the light receiving unit 700A are counted as follows. That is, the control signal S_A becomes the High level between the timing t805 and the timing t806. When the control signal S_A reaches the high level while the pulse signal PLS_A is at the high level, the signal OUT_A output from the AND circuit 702A becomes the high level. The high level signal OUT_A output from the AND circuit 702A is input to the counter 306 via the OR circuit 305. As a result, the count value CNT changes from 1 to 2. In this way, the photons incident on the light receiving unit 700A are counted.

タイミング８０６以降においても、上記と同様にして光子が順次カウントされる。イネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮがＬｏｗレベルになるタイミングｔ８０７（撮影終了）まで、光子のカウントが行われる。単位画素２０１に備えられた受光部７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ、７００Ｄに光子がそれぞれ入射すると、受光部７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ、７００Ｄの各々においてパルス信号が生成され、カウンタ３０６によってパルス信号がカウントされる。つまり、光子の入射数に応じたカウント値がカウンタ３０６によって得られ、こうして得られるカウント値が単位画素２０１の画素値（撮像信号値）となる。 Even after the timing 806, the photons are sequentially counted in the same manner as described above. Photons are counted until the timing t807 (shooting end) when the enable signal CNT_EN reaches the Low level. When a photon is incident on the light receiving units 700A, 700B, 700C, and 700D provided in the unit pixel 201, a pulse signal is generated in each of the light receiving units 700A, 700B, 700C, and 700D, and the pulse signal is counted by the counter 306. .. That is, a count value corresponding to the number of incidents of photons is obtained by the counter 306, and the count value thus obtained becomes the pixel value (imaging signal value) of the unit pixel 201.

このように、本実施形態では、反転バッファ３０３から出力されるパルスよりも大きい幅のパルスがパルス整形部３０４から出力される。各々のパルス整形部３０４から出力されるパルス信号ＰＬＳは、制御部２０６から供給される制御信号に基づいて順次サンプリングされ、カウンタ３０６に供給される。従って、本実施形態によれば、受光部７００の各々に光子が同時に入射した場合であっても、これらの光子をそれぞれカウントすることが可能である。
また、本実施形態によれば、ＡＮＤ回路７０２にそれぞれ供給される制御信号Ｓ＿Ａ～Ｓ＿Ｄを適宜制御することによって、露光量の制御をも行うことが可能である。 As described above, in the present embodiment, a pulse having a width larger than the pulse output from the inversion buffer 303 is output from the pulse shaping unit 304. The pulse signal PLS output from each pulse shaping unit 304 is sequentially sampled based on the control signal supplied from the control unit 206 and supplied to the counter 306. Therefore, according to the present embodiment, even when photons are simultaneously incident on each of the light receiving units 700, it is possible to count each of these photons.
Further, according to the present embodiment, it is possible to control the exposure amount by appropriately controlling the control signals S_A to S_D supplied to the AND circuit 702, respectively.

［第４実施形態］
第４実施形態による固体撮像素子及び撮像装置について図９及び図１０を用いて説明する。図１乃至図８に示す第１乃至第３実施形態による固体撮像素子及び撮像装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
本実施形態による固体撮像素子は、焦点検出をも行い得るものである。 [Fourth Embodiment]
The solid-state image pickup device and the image pickup apparatus according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10. The same components as those of the solid-state image pickup device and the image pickup apparatus according to the first to third embodiments shown in FIGS. 1 to 8 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
The solid-state image sensor according to the present embodiment can also perform focus detection.

図９は、本実施形態による固体撮像素子１０３に備えられた単位画素２０１を示す平面図である。単位画素２０１は、図２を用いて上述したように、行列状に複数配置されている。図９には、複数の単位画素２０１のうちの１つの単位画素２０１が抜き出して示されている。 FIG. 9 is a plan view showing a unit pixel 201 provided in the solid-state image pickup device 103 according to the present embodiment. As described above with reference to FIG. 2, a plurality of unit pixels 201 are arranged in a matrix. In FIG. 9, one unit pixel 201 out of the plurality of unit pixels 201 is extracted and shown.

図９に示すように、単位画素２０１には、マイクロレンズ９０１が備えられている。単位画素２０１には、例えば４つの受光部３００が備えられている。単位画素２０１は、横方向に２分割されており、縦方向にも２分割されている。このように、単位画素２０１は、分割された４つの領域を含んでいる。単位画素２０１のうちの左上の部分には、受光部３００Ａを備える分割画素９０２Ａが位置している。単位画素２０１のうちの右上の部分には、受光部３００Ｂを備える分割画素９０２Ｂが位置している。単位画素２０１のうちの左下の部分には、受光部３００Ｃを備える分割画素９０２Ｃが位置している。単位画素２０１のうちの右下の部分には、受光部３００Ｄを備える分割画素９０２Ｄが位置している。受光部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄは、同一のマイクロレンズ９０１の下方に位置している。受光部３００Ａ～３００Ｄは、４つに分割された射出瞳領域の光をそれぞれ受光し得る。異なる射出瞳領域の光をそれぞれ受光した４つの受光部３００Ａ～３００Ｄの計数値を適宜比較することによって、撮像レンズ１０１の焦点検出を行うことが可能である。 As shown in FIG. 9, the unit pixel 201 is provided with a microlens 901. The unit pixel 201 is provided with, for example, four light receiving units 300. The unit pixel 201 is divided into two in the horizontal direction and also in the vertical direction. As described above, the unit pixel 201 includes four divided regions. A split pixel 902A including a light receiving unit 300A is located in the upper left portion of the unit pixel 201. A split pixel 902B including a light receiving unit 300B is located in the upper right portion of the unit pixel 201. A split pixel 902C including a light receiving unit 300C is located in the lower left portion of the unit pixel 201. A split pixel 902D including a light receiving unit 300D is located in the lower right portion of the unit pixel 201. The light receiving units 300A, 300B, 300C, and 300D are located below the same microlens 901. The light receiving units 300A to 300D can receive light in the exit pupil region divided into four, respectively. Focus detection of the image pickup lens 101 can be performed by appropriately comparing the count values of the four light receiving units 300A to 300D that have received light from different exit pupil regions.

分割画素９０２Ａに備えられた受光部３００Ａの計数値を、複数の単位画素２０１の各々から取得することにより得られる計数値群によって構成される被写体像をＡ像とする。また、分割画素９０２Ｂに備えられた受光部３００Ｂの計数値を、複数の単位画素２０１の各々から取得することにより得られる計数値群によって構成される被写体像をＢ像とする。また、分割画素９０２Ｃに備えられた受光部３００Ｃの計数値を、複数の単位画素２０１の各々から取得することにより得られる計数値群によって構成される被写体像をＣ像とする。また、分割画素９０２Ｄに備えられた受光部３００Ｄの計数値を、複数の単位画素２０１の各々から取得することにより得られる計数値群によって構成される被写体像をＤ像とする。 The subject image composed of the count value group obtained by acquiring the count value of the light receiving unit 300A provided in the divided pixel 902A from each of the plurality of unit pixels 201 is defined as the A image. Further, the subject image composed of the count value group obtained by acquiring the count value of the light receiving unit 300B provided in the divided pixel 902B from each of the plurality of unit pixels 201 is referred to as the B image. Further, the subject image composed of the count value group obtained by acquiring the count value of the light receiving unit 300C provided in the divided pixel 902C from each of the plurality of unit pixels 201 is referred to as a C image. Further, the subject image composed of the count value group obtained by acquiring the count value of the light receiving unit 300D provided in the divided pixel 902D from each of the plurality of unit pixels 201 is defined as the D image.

また、分割画素９０２Ａに備えられた受光部３００Ａの計数値と分割画素９０２Ｃに備えられた受光部３００Ｃの計数値とを単位画素２０１毎に加算することにより得られる計数値群によって構成される被写体像を、Ａ＋Ｃ像とする。また、分割画素９０２Ｂに備えられた受光部３００Ｂの計数値と分割画素９０２Ｄに備えられた受光部３００Ｄの計数値とを単位画素２０１毎に加算することにより得られる計数値群によって構成される被写体像を、Ｂ＋Ｄ像とする。Ａ＋Ｃ像とＢ＋Ｄ像とに対して相関演算を実施することにより、像ずれ量（瞳分割位相差）が検出される。更に、撮像レンズ１０１の焦点位置と光学系とによって決定される変換係数とを像ずれ量に乗じることによって、画面内の任意の被写体位置に対応した焦点位置を算出することができる。こうして算出される焦点位置の情報に基づいて、撮像レンズ１０１のフォーカスを制御することによって、撮像面位相差ＡＦが可能となる。Ａ＋Ｃ像とＢ＋Ｄ像とを比較する場合には、例えば左右方向の像のずれ量を良好に検出することが可能である。また、Ａ＋Ｂ像とＣ＋Ｄ像とを比較する場合には、例えば上下方向の像のずれ量を良好に検出することが可能である。例えば、横縞状のパターンの多い被写体に対しては、左右方向の像のずれ量に基づく位相差検出のみでは焦点検出を必ずしも良好に行い得ない。このような場合、上下方向の像のずれ量に基づく位相差検出を行えば、焦点検出を良好に行い得る。つまり、異なる方向の像ずれ量にそれぞれ応じた複数の位相差信号を併用することによって、焦点検出を良好に行うことができる。 Further, a subject composed of a count value group obtained by adding the count value of the light receiving unit 300A provided in the divided pixel 902A and the count value of the light receiving unit 300C provided in the divided pixel 902C for each unit pixel 201. The image is an A + C image. Further, a subject composed of a count value group obtained by adding the count value of the light receiving unit 300B provided in the divided pixel 902B and the count value of the light receiving unit 300D provided in the divided pixel 902D for each unit pixel 201. The image is a B + D image. By performing a correlation operation on the A + C image and the B + D image, the amount of image shift (pupil division phase difference) is detected. Further, by multiplying the image shift amount by the focal position of the image pickup lens 101 and the conversion coefficient determined by the optical system, the focal position corresponding to an arbitrary subject position in the screen can be calculated. By controlling the focus of the image pickup lens 101 based on the focus position information calculated in this way, the image pickup surface phase difference AF becomes possible. When comparing the A + C image and the B + D image, for example, it is possible to satisfactorily detect the amount of deviation of the image in the left-right direction. Further, when comparing the A + B image and the C + D image, for example, it is possible to satisfactorily detect the amount of deviation of the image in the vertical direction. For example, for a subject having many horizontal striped patterns, focus detection cannot always be performed satisfactorily only by phase difference detection based on the amount of image shift in the left-right direction. In such a case, if the phase difference is detected based on the amount of displacement of the image in the vertical direction, the focus can be detected satisfactorily. That is, by using a plurality of phase difference signals corresponding to the amount of image shift in different directions in combination, focus detection can be performed satisfactorily.

また、受光部３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄのそれぞれの計数値を単位画素２０１毎に加算することにより得られる計数値群によって構成される被写体像を、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ像とする。Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ像は、通常の撮影画像に用い得る。 Further, the subject image composed of the count value group obtained by adding the count values of the light receiving units 300A, 300B, 300C, and 300D for each unit pixel 201 is referred to as an A + B + C + D image. The A + B + C + D image can be used for a normal captured image.

図１０は、本実施形態による固体撮像素子１０３の構成の例を示す図である。本実施形態における単位画素２０１には、センサ部１００４と、計数部１００５とが備えられている。センサ部１００４には、４つの受光部３００Ａ～３００Ｄが備えられている。計数部１００５には、スイッチ１００１Ａ～１００Ｄと、ＯＲ回路１００２Ａ、１００２Ｂと、カウンタ１００３Ａ、１００３Ｂとが備えられている。スイッチ一般について説明する際には、符号１００１を用い、個々のスイッチについて説明する際には、符号１００１Ａ～１００１Ｄを用いることとする。また、ＯＲ回路一般について説明する際には符号１００２を用い、個々のＯＲ回路について説明する際には符号１００２Ａ、１００２Ｂを用いることとする。また、カウンタ一般について説明する際には、符号１００３を用い、個々のカウンタについて説明する際には、符号１００３Ａ、１００３Ｂを用いることとする。 FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of the solid-state image sensor 103 according to the present embodiment. The unit pixel 201 in the present embodiment includes a sensor unit 1004 and a counting unit 1005. The sensor unit 1004 is provided with four light receiving units 300A to 300D. The counting unit 1005 includes switches 1001A to 100D, OR circuits 1002A and 1002B, and counters 1003A and 1003B. Reference numerals 1001 will be used when describing switches in general, and reference numerals 1001A to 1001D will be used when describing individual switches. Further, reference numerals 1002 will be used when describing the OR circuit in general, and reference numerals 1002A and 1002B will be used when describing the individual OR circuits. Further, reference numerals 1003 will be used when describing the counters in general, and reference numerals 1003A and 1003B will be used when describing the individual counters.

受光部３００Ａから出力される信号は、スイッチ１００１Ａを介してＯＲ回路１００２Ａ又はＯＲ回路１００２Ｂに入力される。受光部３００Ｂから出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ｂは、スイッチ１００１Ｂを介してＯＲ回路１００２Ａ又はＯＲ回路１００２Ｂに入力される。受光部３００Ｃから出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ｃは、スイッチ１００１Ｃを介してＯＲ回路１００２Ａ又はＯＲ回路１００２Ｂに入力される。受光部３００Ｄから出力される信号ＰＬＳ＿Ｄは、スイッチ１００１Ｄを介してＯＲ回路１００２Ａ又はＯＲ回路１００２Ｂに入力される。 The signal output from the light receiving unit 300A is input to the OR circuit 1002A or the OR circuit 1002B via the switch 1001A. The pulse signal PLS_B output from the light receiving unit 300B is input to the OR circuit 1002A or the OR circuit 1002B via the switch 1001B. The pulse signal PLS_C output from the light receiving unit 300C is input to the OR circuit 1002A or the OR circuit 1002B via the switch 1001C. The signal PLS_D output from the light receiving unit 300D is input to the OR circuit 1002A or the OR circuit 1002B via the switch 1001D.

図１０に示す例においては、受光部３００Ａ、３００Ｂからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ、ＰＬＳ＿ＢがＯＲ回路１００２Ａを介してカウンタ１００３Ａに入力されるように、スイッチ１００１Ａ、１００１Ｂが設定されている。また、図１０に示す例においては、受光部３００Ｃ、３００Ｄからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ｃ、ＰＬＳ＿ＤがＯＲ回路１００２Ｂを介してカウンタ１００３Ｂに入力されるように、スイッチ１００１Ｃ、１００１Ｄが設定されている。スイッチ１００１がこのように設定されている場合には、Ａ＋Ｂ像とＣ＋Ｄ像とを得ることができる。 In the example shown in FIG. 10, the switches 1001A and 1001B are set so that the pulse signals PLS_A and PLS_B output from the light receiving units 300A and 300B are input to the counter 1003A via the OR circuit 1002A, respectively. Further, in the example shown in FIG. 10, the switches 1001C and 1001D are set so that the pulse signals PLS_C and PLS_D output from the light receiving units 300C and 300D are input to the counter 1003B via the OR circuit 1002B, respectively. .. When the switch 1001 is set in this way, an A + B image and a C + D image can be obtained.

一方、以下のようにスイッチ１００１を設定することもできる。即ち、受光部３００Ａ、３００Ｃからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ、ＰＬＳ＿ＣがＯＲ回路１００２Ａを介してカウンタ１００３Ａに入力されるように、スイッチ１００１Ａ、１００１Ｃを設定することもできる。また、受光部３００Ｂ、３００Ｄからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ｂ、ＰＬＳ＿ＤがＯＲ回路１００２Ｂを介してカウンタ１００３Ｂに入力されるように、スイッチ１００１Ｂ、１００１Ｄを設定することもできる。スイッチ１００１がこのように設定されている場合には、Ａ＋Ｃ像とＢ＋Ｄ像とを得ることができる。 On the other hand, the switch 1001 can also be set as follows. That is, the switches 1001A and 1001C can be set so that the pulse signals PLS_A and PLS_C output from the light receiving units 300A and 300C are input to the counter 1003A via the OR circuit 1002A, respectively. Further, the switches 1001B and 1001D can be set so that the pulse signals PLS_B and PLS_D output from the light receiving units 300B and 300D are input to the counter 1003B via the OR circuit 1002B, respectively. When the switch 1001 is set in this way, an A + C image and a B + D image can be obtained.

こうして得られる信号は、焦点検出に用いることができる。また、これらを加算することにより、撮影画像を得ることもできる。また、焦点検出を行わない場合には、受光部３００Ａ～３００Ｄからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ～ＰＬＳ＿Ｄが、カウンタ１００３Ａとカウンタ１００３Ｂとのうちのいずれか一方にのみ入力されるようにしてもよい。例えば、受光部３００Ａ～３００Ｄからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ～ＰＬＳ＿Ｄが、カウンタ１００３Ａにのみ入力されるようにスイッチ１００１Ａ～１００１Ｄを設定した場合には、カウンタ１００３Ｂを使用しないようにすることが可能である。また、受光部３００Ａ～３００Ｄからそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ～ＰＬＳ＿Ｄが、カウンタ１００３Ｂにのみ入力されるようにスイッチ１００１Ａ～１００１Ｄを設定した場合には、カウンタ１００３Ａを使用しないようにすることが可能である。これにより、カウンタ１００３Ａとカウンタ１００３Ｂとのうちの一方のみを用いるようにすることにより、消費電力の低減を図ることができる。 The signal thus obtained can be used for focus detection. Further, by adding these, it is possible to obtain a captured image. When focus detection is not performed, the pulse signals PLS_A to PLS_D output from the light receiving units 300A to 300D may be input to only one of the counter 1003A and the counter 1003B. .. For example, when the switches 1001A to 1001D are set so that the pulse signals PLS_A to PLS_D output from the light receiving units 300A to 300D are input only to the counter 1003A, the counter 1003B can be disabled. Is. Further, when the switches 1001A to 1001D are set so that the pulse signals PLS_A to PLS_D output from the light receiving units 300A to 300D are input only to the counter 1003B, it is possible not to use the counter 1003A. Is. As a result, power consumption can be reduced by using only one of the counter 1003A and the counter 1003B.

このように、本実施形態によれば、単位画素２０１に複数のカウンタ１００３Ａ、１００３Ｂが備えられている。本実施形態によれば、いずれの受光部３００から出力される信号がいずれのカウンタ１００３に入力されるかが適宜制御されるため、焦点検出用の信号を得ることが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the unit pixel 201 is provided with a plurality of counters 1003A and 1003B. According to the present embodiment, it is possible to obtain a focus detection signal because it is appropriately controlled which counter 1003 the signal output from which light receiving unit 300 is input to.

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。
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。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiment to a system or device via a network or recording medium, and one or more processors in the computer of the system or device reads and executes the program. It can also be realized by the processing to be performed. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.

１００撮像装置
１０１撮像レンズ
１０２絞り
１０３固体撮像素子
１０４信号処理部
１０５タイミング発生部
１０６制御部
１０７メモリ
１０８記録部
１０９操作部
１１０表示部 100 Image pickup device 101 Image pickup lens 102 Aperture 103 Solid-state image sensor 104 Signal processing unit 105 Timing generation unit 106 Control unit 107 Memory 108 Recording unit 109 Operation unit 110 Display unit

Claims

A plurality of unit pixels each having a plurality of light receiving units having a pulse generating unit that emits a pulse at a frequency corresponding to the light receiving frequency of photons, and a plurality of unit pixels.
At least one counter that counts the pulses output from each of the plurality of light receiving units, and
A plurality of selection switches for selectively inputting a pulse output from each of the plurality of light receiving units to the counter, and a plurality of selection switches.
A control unit that controls the number of the plurality of light receiving units to be counted by the counter by controlling the on / off of the plurality of selection switches .
Equipped with
A solid-state image pickup device, characterized in that the number of counters provided for one unit pixel is smaller than the number of light receiving units provided for one unit pixel.

Further, a pulse shaping unit for shaping a pulse emitted from the pulse generating unit is provided.
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pulse shaped by the pulse shaping unit is counted by the counter.

The solid-state image pickup device according to claim 2, wherein the pulse shaping unit outputs a pulse generated in response to detection of an edge of a pulse emitted from the pulse generation unit.

The solid-state image pickup device according to claim 2 or 3, wherein the width of the pulse shaped by the pulse shaping unit is narrower than the width of the pulse emitted from the pulse generating unit.

The solid-state image pickup device according to any one of claims 1 to 4, wherein the control unit controls whether or not a pulse output from each of the plurality of light receiving units is input to the counter.

The width of the pulse shaped by the pulse shaping unit is wider than the width of the pulse emitted from the pulse generating unit.
The solid according to claim 2 or 3, wherein the control unit controls so that a pulse corresponding to a pulse output from each of the plurality of pulse shaping units is selectively input to the counter. Image sensor.

A plurality of the counters are provided for one unit pixel.
The solid according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit controls which of the plurality of counters the pulse output from the light receiving unit is input. Image sensor.

The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7, wherein the pulse generating unit includes an avalanche photodiode.

The pulse generation unit is provided on the first substrate, and is provided on the first substrate.
The solid-state image pickup device according to any one of claims 1 to 8, wherein the counter is provided on a different second substrate.

The solid-state image pickup device according to any one of claims 1 to 9, wherein the unit pixel is provided with a microlens.

A plurality of unit pixels each including a plurality of light receiving units including pulse generating units that emit pulses at a frequency corresponding to the light receiving frequency of photons, at least one counter that counts the pulses output from each of the plurality of light receiving units, and the above. A plurality of selection switches for selectively inputting pulses output from each of the plurality of light receiving units to the counter, and the counter being counted by controlling the on / off of the plurality of selection switches. A solid-state image sensor including a control unit that controls the number of a plurality of light receiving units, and the number of counters provided for one unit pixel is the light receiving unit provided for the one unit pixel. With less than the number of solid-state image sensors,
A processing unit that performs predetermined processing on the signal acquired by the solid-state image sensor, and
An image pickup device characterized by being provided with.