JP7100518B2 - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、回路規模を抑制しつつ画像取得と測距とを実現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。
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4を用いて説明する。図1は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。
図1に示すように、本実施形態による固体撮像素子100は、垂直走査部101と、タイミングジェネレータ(TG:Timing Generator)102と、列メモリ103と、水平走査部104とを備えている。
また、固体撮像素子100には、画素アレイ130が備えられている。画素アレイ130には、複数の画素110を含む単位画素140が複数備えられている。図1には、画素アレイ130に備えられた複数の単位画素140のうちの1つの単位画素140が図示されている。固体撮像素子100は、行列状、即ち、マトリクス状に配された複数の画素110を備えている。
なお、ここでは、説明の簡略化のため、4つの画素110a、110b、110c、110dが図示されているが、実際には多数の画素110が画素アレイ130に備えられている。また、画素一般について説明する際には、符号110を用い、個々の画素について説明する際には、符号110a~110dを用いることとする。
タイミングジェネレータ102は、垂直走査部101、列メモリ103、及び、水平走査部104の各々に対して各種の信号等を供給する。また、タイミングジェネレータ102は、各々の画素110に対して、各種の制御信号を供給する。タイミングジェネレータ102は、固体撮像素子100の各部を制御する制御部として機能し得る。
即ち、SPAD111に単一光子(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す。これにより、アバランシェ電流が生じ、クエンチング素子112において電圧降下が生ずる。クエンチング素子112は、SPAD111のアバランシェ増倍現象を停止されるための抵 抗素子である。ここでは、MOSトランジスタの抵抗成分を利用してクエンチング素子112が構成されている。
アバランシェ増倍現象によってアバランシェ電流が生じると、クエンチング素子112において電圧降下が生じ、SPAD111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が停止する。その結果、アバランシェ電流が流れなくなり、SPAD111には、再びバイアス電圧Vbiasが印加される。SPAD111のカソードと、クエンチング素子112の一端と、インバータ113の入力端子とは、ノードPLSaにおいて互いに接続されている。インバータ113の出力端子と、入力選択スイッチ115の一方の入力端子と、LPF119の入力端子とは、ノードPLSdにおいて互いに接続されている。
SPAD111に単一光子が入射すると、上記のような現象が生ずるため、ノードPLSaにおいて電圧変化が生じる。インバータ113は、ノードPLSaにおける電圧変化に応じてパルス信号PLSを生成し、生成したパルス信号PLSをノードPLSdに出力する。こうして、波形整形されたパルス信号PLSがインバータ113から出力される。
このように、センサ部303(図3参照)においては、SPAD111に単一光子が入射すると、単一光子の受光頻度に応じた頻度でインバータ113からパルス信号PLSが出力される。バイアス電圧Vbiasは、例えば+20V程度とすることができるが、これに限定されるものではない。例えば、SPAD111のアノードを負の電位に接続してもよい。
カウンタ114によるパルス信号PLSのカウント値を、撮像カウント値と称することとする。撮像カウント値は、インバータ113から出力されるパルス信号PLSのパルス数をカウントすることにより得られるものであるため、SPAD111の受光量に依存する。
入力選択スイッチ115は、タイミングジェネレータ102から供給される制御信号CLK_selによって制御される。制御信号CLK_selがLowレベルの際には、インバータ113から出力されるパルス信号PLSがカウンタ114の入力端子に入力されるように、入力選択スイッチ115が設定される。
制御信号CLK_selがHighレベルの際には、クロック信号CLKがカウンタ114の入力端子に入力されるように、入力選択スイッチ115が設定される。カウンタ114によるクロック信号CLKのカウント値を、測距カウント値と称することとする。測距カウント値は、所定周期のクロック信号CLKをカウントすることにより得られるものであるため、経過時間に比例する。
AND素子118の他方の入力端子には、NAND素子117から出力される信号が供給される。NAND素子117の一方の入力端子には、制御信号CLK_selが供給され、NAND素子117の他方の入力端子には、比較器120から出力される信号が供給される。NAND素子117は、制御信号CLK_selと、比較器120から出力される信号との否定論理積を出力する。
イネーブル信号ENABLEがHighレベルであり、且つ、NAND素子117の出力がHighレベルである場合にのみ、AND素子118の出力はHighレベルとなり、カウンタ114がカウント動作する。従って、イネーブル信号ENABLEがHighレベルの際には、カウンタ114が動作するか否かは、NAND素子117から出力される信号のみによって確定される。
制御信号CLK_selがHighレベルであり、且つ、比較器120の出力がHighレベルである場合にのみ、NAND素子117の出力はLowレベルとなる。従って、イネーブル信号ENABLEがHighレベルの際には、制御信号CLK_selがHighレベルである場合にのみ、カウンタ114を動作させるか否かが比較器120の出力によって制御される。
即ち、イネーブル信号ENABLEがHighレベルの際には、カウンタ114によって測距カウント値が得られる場合のみ、カウンタ114を動作させるか否かが比較器120の出力によって制御される。制御信号CLK_selがLowレベルである場合、即ち、カウンタ114によって撮像カウント値が得られる場合には、イネーブル信号ENABLEがHighレベルであれば、カウンタ114は常にカウント動作を行い得る。
この後、画素110の受光量が低下した場合においても、SRラッチ回路123はQ端子をHighレベルに維持する。このため、カウンタ114のカウント動作の停止は、カウンタ114のリセット端子に入力されるリセット信号RESがHighレベルとなるまで維持される。こうして、発光部409が発光するタイミングと、被写体によって反射された光が画素110によって受光されるタイミングとの差に応じた測距カウント値が得られる。距離に関する情報の一例である光飛行時間tTOFは、以下のような式(1)によって求め得る。
tTOF=測距カウント値/クロック信号CLKの周波数 ・・・(1)
光飛行時間tTOFと光速cとに基づいて、被写体までの距離Dを以下のような式(2)に基づいて求め得る。光速cは、299792458m/sである。
D=c×tTOF/2 ・・・(2)
画素メモリ116は、カウンタ114から供給されるカウント値を一時的に格納する。読み出しスイッチ122をON状態とすることによって、画素メモリ116に格納されたカウント値が、信号線105を介して、列メモリ103に書き込まれる。
読み出し信号READn+1は、第n+1番目の行に位置する制御線に印加される読み出し信号である。同じ行に位置する複数の画素110には、同じ制御線を介して読み出し信号READが供給される。読み出し信号READは、読み出しスイッチ122に供給される。読み出しスイッチ122は、読み出し信号READnがHighレベルになるとON状態となる。
画素メモリ116から出力される信号が、読み出しスイッチ122、出力部125及び信号線105を介して、列メモリ103に出力される。読み出しスイッチ122は、垂直走査部101から供給される読み出し信号READがLowレベルの際にはOFF状態となり、読み出し信号READがHighレベルの際にはON状態となる。
垂直走査部101から供給される読み出し信号READによって選択される行に位置する複数の画素110からそれぞれ出力される信号値、即ち、画素信号値(カウント値)が、信号線105をそれぞれ介して列メモリ103に書き込まれる。列メモリ103は、各々の画素110から読み出された画素信号値をそれぞれ保持する。
水平走査部104は、列メモリ103に保持された各々の画素信号値を、出力線Outputを介して信号処理部402(図4参照)に順次出力する。
タイミングt201からタイミングt211までの期間は、1フレームの期間である1フレーム期間である。タイミングt203からタイミングt205までの期間は、画素110が撮像モードで動作する期間である。タイミングt206からタイミングt211までの期間は、画素110が測距モードで動作する期間である。
タイミングt203からタイミングt205までの期間は、撮像モードで動作する期間である。当該期間においては、図1を用いて上述したように、SPAD111に単一光子が入射すると、SPAD111によって信号が生成され、波形整形されたパルス信号PLSがインバータ113から出力される。カウンタ114は、インバータ113から出力されるパルス信号PLSの数をカウントする。
タイミングt205の直前のタイミングt204において、制御パルスMEMがHighレベルとなる。制御パルスMEMがHighレベルになると、転送スイッチ121がON状態となり、カウンタ114のカウント値が画素メモリ116に格納される。従って、タイミングt203からタイミングt204までにカウントされたパルス信号PLSの数が、撮像カウント値となる。
読み出し信号READ0がHighレベルになると、第0番目の行に位置する複数の画素110によってそれぞれ取得された撮像カウント値が、列メモリ103に書き込まれる。この後、読み出し信号READ0を遅延回路124によって遅延されることにより得られる信号が画素メモリ116のリセット端子に供給され、これにより画素メモリ116がリセットされる。
水平走査部104は、第0番目の行に位置する複数の画素110によって取得されるとともに列メモリ103に格納された画素信号値を、出力線Outputを介して信号処理部402に順次出力する。こうして、第0番目の行に位置する複数の画素11 0からの撮像カウント値の読み出しが完了する。
この後、同様にして、各々の行に位置する複数の画素110から撮像カウント値が順次読み出される。こうして、全ての行からの撮像カウント値が読み出され、1フレーム分の撮像カウント値の読み出しが完了する。
タイミングt207からタイミングt208までの期間においては、発光部409を発光させるための発光制御信号がHighレベルに設定されるとともに、リセット信号RESがHighレベルに設定される。これにより、撮像カウント値が保持されているカウンタ114がリセットされる。
タイミングt209において、LPF119から出力される信号の電圧が第1の閾値Vth1以上になり、比較器120からHighレベルの信号が出力される。制御信号CLK_selがHighレベルであるため、比較器120からHighレベルの信号が出力されると、NAND素子117から出力される信号はLowレベルとなる。
NAND素子117から出力される信号がLowレベルになると、AND素子118から出力される信号はLowレベルになり、カウンタ114のイネーブル端子はLowレベルとなる。タイミングt207とタイミングt209との間の時刻差は、被写体までの距離に比例する。タイミングt207とタイミングt209との時間差に応じた測距カウント値がカウンタ114によって取得される。
タイミングt211以降においては、各々の行から画素信号値が順次読み出される。各々の行に位置する複数の画素110から測距カウント値が順次読み出される。こうして、全ての行からの測距カウント値が読み出され、1フレーム分の測距カウント値の読み出しが完了する。
画素110のうちの計数部304が基板302に形成されている。複数のセンサ部303が、基板301に行列状に配列されている。複数の計数部304が、基板302に行列状に配列されている。複数のセンサ部303の各々と、これらのセンサ部303に対応する複数の計数部304の各々とが、互いに電気的に接続されている。こうして、複数の画素110がマトリクス状に配されている。
従って、センサ部303から計数部304への伝送は比較的ロバストである。計数部304には、入力選択スイッチ115と、カウンタ114と、転送スイッチ121と、画素メモリ116と、NAND素子117と、AND素子118と、LPF119と、比較器120と、読み出しスイッチ122とが備えられている。計数部304には、SRラッチ回路123と、遅延回路124とが更に備えられている。
固体撮像素子100は、画素信号値を複数の画素110の各々から順次読み出し、読み出した画素信号値を信号処理部402に順次出力する。撮像モードにおいては、固体撮像素子100から撮像カウント値が出力され、測距モードにおいては、固体撮像素子100から測距カウント値が出力される。
また、信号処理部402は、撮像カウント値に対して、補正処理等を行い得る。こうして、画像、即ち、画像データが生成される。かかる画像は、静止画像であってもよいし、動画像を構成するフレームであってもよい。信号処理部402は、画像を生成する過程において、信号の並べ替え、欠陥画素の補正、ノイズリダクション、色変換、ホワイトバランス補正、ガンマ補正、解像度変換、データ圧縮等を更に行うこともできる。
制御部(全体制御・演算部)404は、本実施形態による撮像装置400の全体の制御を司る。制御部404には、CPU(Central Processing Unit)等が備えられている。また、制御部404は、信号処理部402によって処理された画像信号を、メモリ403や表示部406に出力する。制御部404は、信号処理部402から供給される静止画像又は動画像を記録部407や表示部406に供給する。
なお、外部装置と通信するための有線又は無線による通信インターフェースを、撮像装置400が更に備えるようにしてもよい。この場合、撮像装置400は、当該通信インターフェースを介して、生成した画像等を外部装置等に送信したり、外部装置から制御信号等を受信したりすることが可能となる。
このように、本実施形態によれば、カウンタ114は、センサ部303から発せられるパルス信号PLSのパルス数をカウントする第1のモードで動作し得る。また、カウンタ114は、発光部409から光が発せられたタイミングからの経過時間に応じたクロック信号CLKのパルス数をカウントする第2のモードでも動作し得る。このため、本実施形態によれば、回路規模を抑制しつつ画像取得と測距とを実現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。
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4(b)、図5及び図6を用いて説明する。図1乃至図4に示す第1実施形態による固体撮像素子等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。
固体撮像素子500には、制御信号CLK_sel_Gをタイミングジェネレータ102から画素110に供給するための配線と、制御信号CLK_sel_RBをタイミングジェネレータ102から画素110に供給するための配線とが備えられている。制御信号CLK_sel_RBは、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられた入力選択スイッチ115に供給される。
また、制御信号CLK_sel_RBは、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたNAND素子117の一方の入力端子にも供給される。制御信号CLK_sel_Gは、Gの画素であるG画素110b、110cにそれぞれ備えられた入力選択スイッチ115に供給される。また、制御信号CLK_sel_Gは、G画素110b、110cにそれぞれ備えられたNAND素子117の一方の入力端子にも供給される。
タイミングt603において、制御部404は、R発光部409Rを発光させるためのR発光制御信号と、B発光部409Bを発光させるためのB発光制御信号とをHighレベルに設定する。これにより、R発光部409RとB発光部409Bとが発光開始する。
また、タイミングt603において、タイミングジェネレータ102は、リセット信号RESをHighレベルにする。これにより、各々の画素110のカウンタ114と、各々の画素110のSRラッチ回路123とがリセットされる。
また、タイミングt603において、タイミングジェネレータ102は、制御信号CLK_sel_RBをLowレベルからHighレベルに変化させる。これにより、R画素110aとB画素110dとにおいて、クロック信号CLKがカウンタ114の入力端子に入力されるように、入力選択スイッチ115が設定される。これにより、R画素110aとB画素110dとは、測距モードで動作し得るようになる。
また、タイミングt603において、タイミングジェネレータ102は、制御信号CLK_sel_GをHighレベルからLowレベルに変化させる。これにより、G画素110b、110cにおいて、インバータ113から出力されるパルス信号PLSがカウンタ114の入力端子に入力されるように、入力選択スイッチ115が設定される。これにより、G画素110b、110cが、撮像モードで動作し得るようになる。
また、タイミングt604において、タイミングジェネレータ102は、リセット信号RESをLowレベルにするとともに、イネーブル信号ENABLEをHighレベルにする。リセット信号RESがLowレベルになると、カウンタ114のリセットが解除され、イネーブル信号ENABLEがHighレベルになると、カウンタ114は、カウント動作を開始する。
R発光部409RとB発光部409Bとから発せられた光が被写体によって反射され、固体撮像素子500の撮像面に配された画素110に達する。被写体によって反射された光が固体撮像素子500の撮像面に配された画素110に達すると、R画素110aとB画素110dとにおいて、パルス信号PLSの時間間隔が狭くなる。
R画素110aとB画素110dとにおいて、パルス信号PLSの時間間隔が狭くなると、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたLPF119から出力される信号の電圧が上昇する。そして、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたLPF119から出力される信号の電圧が、タイミングt605において第1の閾値Vth1以上となる。これにより、R画素110aとB画素110dとに備えられた比較器120から出力される信号がHighレベルに反転する。
タイミングt603とタイミングt605との間の時刻差は、被写体までの距離に比例する。制御信号CLK_sel_RBはHighレベルとなっている。このため、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられた比較器120から出力される信号がHighレベルに反転すると、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたNAND素子117から出力される信号はLowレベルとなる。
R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたNAND素子117から出力される信号がLowレベルになると、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたAND素子118から出力される信号はLowレベルとなる。また、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたNAND素子117から出力される信号がLowレベルになると、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたカウンタ114のイネーブル端子はLowレベルとなる。
こうして、タイミングt603とタイミングt605との時間差に応じた測距カウント値が、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたカウンタ114によって取得される。なお、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられた比較器120から出力される信 号は、タイミングt606においてLowレベルとなる。
一方、G画素110b、110cにおいては、タイミングt604において、カウンタ114が、インバータ113から出力されるパルス信号PLSのカウントを開始する。G画素110b、110cに備えられたSPAD111に光子が入射すると、当該SPAD111によって信号が生成され、波形整形されたパルス信号PLSがインバータ113から出力される。G画素110b、110cに備えられたカウンタ114は、G画素110b、110cに備えられたインバータ113から出力されるパルス信号PLSの数をカウントする。
また、タイミングt608において、タイミングジェネレータ102は、制御信号CLK_sel_RBをHighレベルからLowレベルに変化させる。これにより、R画素110aとB画素110dとにおいて、インバータ113から出力されるパルス信号PLSがカウンタ114の入力端子に入力されるように、入力選択スイッチ115が設定される。これにより、R画素110aとB画素110dとは、撮像モードで動作し得るようになる。
また、タイミングt608において、タイミングジェネレータ102は、制御信号CLK_sel_GをLowレベルからHighレベルに変化させる。これにより、G画素110b、110cにおいて、クロック信号CLKがカウンタ114の入力端子に入力されるように、入力選択スイッチ115が設定される。これにより、G画素110b、110cが、測距モードで動作し得るようになる。
G発光部409Gから発せられた光が被写体によって反射され、固体撮像素子100の撮像面に配された画素110に達する。被写体によって反射された光が固体撮像素子100の撮像面に達すると、G画素110b、110cにおいて、パルス信号PLSの時間間隔が狭くなる。G画素110b、110cにおいて、パルス信号PLSの時間間隔が狭くなると、G画素110b,110cにそれぞれ備えられたLPF119から出力される信号の電圧が上昇する。
そして、G画素110b,110cにそれぞれ備えられたLPF119から出力される信号の電圧が、タイミングt610において第1の閾値Vth1以上となる。これにより、G画素110b,110cに備えられた比較器120から出力される信号がH ighレベルとなる。
タイミングt608とタイミングt610との間の時刻差は、被写体までの距離に比例する。制御信号CLK_sel_GはHighレベルとなっている。このため、G画素110b,110cにそれぞれ備えられた比較器120からHighレベルの信号が出力されると、G画素110b,110cにそれぞれ備えられたNAND素子117から出力される信号はLowレベルとなる。
G画素110b,110cにそれぞれ備えられたNAND素子117から出力される信号がLowレベルになると、G画素110b,110cにそれぞれ備えられたAND素子118から出力される信号はLowレベルとなる。また、G画素110b,110cにそれぞれ備えられたNAND素子117から出力される信号がLowレベルになると、G画素110b、110cにそれぞれ備えられたカウンタ114のイネーブル端子はLowレベルとなる。こうして、タイミングt608とタイミングt610との時間差に応じた測距カウント値が、G画素110b、110cにそれぞれ備えられたカウンタ114によって取得される。
なお、G画素110b、110cに備えられた比較器120から出力される信号は、タイミングt611においてLowレベルとなる。一方、R画素110aとB画素110dとにおいては、タイミングt609において、カウンタ114が、インバータ113から出力されるパルス信号PLSのカウントを開始する。R画素110aとB画素110dとに備えられたSPAD111に光子が入射すると、当該SPAD111によって信号が生成され、波形整形されたパルス信号PLSがインバータ113から出力される。R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたカウンタ114は、R画素110aとB画素110dとにそれぞれ備えられたインバータ113から出力されるパルス信号PLSの数をカウントする。
従って、R画素110aとB画素110dの各々に備えられたカウンタ114により得られたカウント値が、R画素110aとB画素110dの各々における撮像カウント値となる。また、G画素110b、110cの各々に備えられたカウンタ114により得られたカウント値が、G画素110b、110cにおける測距カウント値となる。
タイミングt613以降においては、各々の行から画素信号値が順次読み出される。R画素110a及びB画素110dからは撮像カウント値が読み出され、G画素110b、110cからは測距カウント値が読み出される。こうして、全ての行からのこれらのカウント値が読み出される。
第3実施形態による固体撮像素子及び撮像装置を図4(c)及び図7乃至図11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等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、赤外光を検出し得る画素810cが備えられているものである。
画素一般について説明する際には、符号810を用い、個々の画素について説明する際には、符号810a~810dを用いることとする。画素810cの構成は、図1を用いて上述した第1実施形態における固体撮像素子100に備えられた画素110cの構成と同様である。制御信号CLK_sel_Area(p,q)は、領域Area(p,q)内に位置する画素810cに供給される。制御信号CLK_sel_Area(p,q)は、画素810a、810b、810dには供給されない。
また、画素810a、810b、810dにおいては、SRラッチ回路123のQ端子から出力される信号は、カウンタ114から供給されるカウント値とともに、画素メモリ116に供給される。また、画素810a、810b、810dに備えられた比較器120の一方の入力端子には、画素810cに備えられた比較器120と同様に、LPF119から出力される信号が入力される。
画素810a、810b、810dに備えられた比較器120の他方の入力端子には、第1の閾値Vth1とは異なる第2の閾値Vth2が供給される。画素810a、810b、810dにおいては、LPF119の出力電圧が第2の閾値Vth2よりも小さい場合に、比較器120からLowレベルの信号が出力される。画素810a、810b、810dにおいては、LPF119の出力電圧が第2の閾値Vth2以上である場合に、比較器120からHighレベルの信号が出力される。
これにより、画素810a、810b、810dに備えられたSRラッチ回路123のQ端子はHighレベルとなる。この後、画素810a、810b、810dの受光量が低下した場合においても、画素810a、810b、810dに備えられたSRラッチ回路123のQ端子はHighレベルを維持する。
画素810dは、B画素であり、B(青色)に対応する所定波長域の光を透過するとともに赤外光を透過しないカラーフィルタが備えられている。即ち、本実施形態における単位画素840は、ベイヤ配列を基本としつつ、ベイヤ配列の単位画素を構成する2つのG画素のうちの1つがIR画素によって置き換えられた単位画素である。
本実施形態では、IR画素810cが備えられているため、R画素810 a、G画素810b及びB画素810dを用いて撮像を行いつつ、IR画素810cを用いて測距を行い得る。また、主要被写体が位置する領域である主要被写体領域内のIR画素810cのみを測距モードで動作させるようにすることにより、可視光画像のみならず、赤外光画像をも取得することが可能となる。なお、主要被写体の検出には、公知の顔検出技術等を用いてもよい。
図9には、第1番目のフレームの取得と、第2番目のフレームの取得とに対応するタイミングチャートが示されている。第1番目のフレームの取得においては、例えば、全てのR画素810a、G画素810b及びB画素810dを撮像モードで動作させるとともに、全てのIR画素810cを測距モードで動作させる。第2番目のフレームの取得においては、例えば主要被写体領域内に位置するIR画素810cを測距モードで動作させるとともに、当該IR画素810c以外の全ての画素810を撮像モードで動作させる。
タイミングt903において、制御部404は、赤外発光部409IRを発光させるための赤外発光制御信号をHighレベルに設定する。これにより、赤外発光部409IRが発光開始する。また、タイミングt903において、タイミングジェネレータ102は、リセット信号RESをHighレベルにする。これにより、各々の画素810のカウンタ114と、各々の画素810のSRラッチ回路123とがリセットされる。
また、タイミングt903において、タイミングジェネレータ102は、全ての領域Area(p,q)にそれぞれ供給される制御信号CLK_sel_Area(p,q)をLowレベルからHighレベルに変化させる。これにより、画素アレイ830に備えられた全てのIR画素810cにおいて、クロック信号CLKがカウンタ114の入力端子に入力されるように、入力選択スイッチ115が設定される。これにより、画素アレイ830に備えられた全てのIR画素810cが、測距モードで動作し得るようになる。
赤外発光部409IRから発せられた赤外光が被写体によって反射され、固体撮像素子800の撮像面に配された画素810に達する。被写体によって反射された光が固体撮像素子100の撮像面に配された画素810に達すると、IR画素810cにおいて、パルス信号PLSの時間間隔が狭くなる。IR画素810cにおいて、パルス信号PLSの時間間隔が狭くなると、IR画素810cに備えられたLPF119から出力される信号の電圧が上昇する。
そして、IR画素810cに備えられたLPF119から出力される信号の電圧が、タイミングt905において第1の閾値Vth1以上となる。これにより、IR画素810cに備えられた比較器120から出力される信号がHighレベルとなる。
タイミングt903とタイミングt905との間の時刻差は、被写体までの距離に比例する。制御信号CLK_sel_Area(p,q)はHighレベルとなっている。このため、IR画素810cに備えられた比較器120からHighレベルの信号が出力されると、IR画素810cに備えられたNAND素子117から出力される信号はLowレベルとなる。
IR画素810cに備えられたNAND 素子117から出力される信号がLowレベルになると、IR画素810cに備えられたAND素子118から出力される信号はLowレベルとなる。また、IR画素810cにそれぞれ備えられたNAND素子117から出力される信号がLowレベルになると、IR画素810cに備えられたカウンタ114のイネーブル端子はLowレベルとなる。
こうして、タイミングt903とタイミングt905との時間差に応じた測距カウント値が、IR画素810cに備えられたカウンタ114によって取得される。なお、IR画素810cに備えられた比較器120から出力される信号は、タイミングt906においてLowレベルとなる。
R画素810a、G画素810b、B画素810dに備えられたSPAD111に光子が入射すると、当該SPAD111によって信号が生成され、波形整形されたパルス信号PLSがインバータ113から出力される。
R画素810a、G画素810b、B画素810dに備えられたカウンタ114は、R画素810a、G画素810b、B画素810dに備えられたインバータ113から出力されるパルス信号PLSの数をカウントする。
従って、R画素810a、G画素810b及びB画素810dの各々に備えられたカウンタ114により得られたカウント値が、R画素810a、G画素810b及びB画素810dの各々における撮像カウント値となる。また、IR画素810cに備えられたカウンタ114により得られたカウント値が、IR画素810cにおける測距カウント値となる。
また、タイミングt908において、タイミングジェネレータ102は、主要被写体領域以外の領域に位置するIR画素810cに供給される制御信号CLK_sel_Area(p,q)をHighレベルからLowレベルに変化させる。これにより、主要被写体領域以外の領域に位置するIR画素810cにおいて、インバータ113から出力されるパルス信号PLSがカウンタ114の入力端子に入力されるように、入力選択スイッチ115が設定される。これにより、主要被写体領域以外の領域に位置するIR画素810cは撮像モードで動作することとなる。
一方、主要被写体領域に位置するIR画素810cに供給される制御信号CLK_sel_Area(p,q)は、Highレベルのまま維持される。このため、主要被写体領域に位置するIR画素810cは、測距モードで引き続き動作する。R画素810a、G画素810b、B画素810dは、撮像モードで引き続き動作する。
タイミングt908以降においては、各々の行から画素信号値が順次読み出される。R画素810a、G画素810b、B画素810dからは撮像カウント値が読み出され、IR画素810cからは測距カウント値が読み出される。こうして、全ての行からのこれらのカウント値が読み出される。
赤外発光部409IRから発せられた光が被写体によって反射され、固体撮像素子800の撮像面に配された画素810に達する。被写体によって反射された光が固体撮像素子800の撮像面に配された画素810に達すると、IR画素810cにおいては、パルス信号PLSの時間間隔が狭くなる。IR画素810cにおいて、パルス信号PLSの時間間隔が狭くなると、IR画素810cに備えられたLPF119から出力される信号の電圧が上昇する。そして、IR画素810cに備えられたLPF119から出力される信号の電圧が、タイミングt910において第1の閾値Vth1以上となる。
これにより、IR画素810cに備えられた比較器120から出力される信号がHighレベルとなる。主要被写体領域に位置するIR画素810cに供給される制御信号CLK_sel_Area(p,q)はHighレベルとなっている。このため、主要被写体領域に位置するIR画素810cに備えられた比較器120からHighレベルの信号が出力されると、当該IR画素810cに備えられたNAND素子117から出力される信号はLowレベルとなる。
主要被写体領域に位置するIR画素810cに備えられたNAND素子117から出力される信号がLowレベルになると、主要被写体領域に位置するIR画素810cに備えられたAND素子118から出力される信号はLowレベルとなる。また、主要被写体領域に位置するIR画素810cに備えられたNAND素子117から出力される信号がLowレベルになると、主要被写体領域に位置するIR画素810cに備えられたカウンタ114のイネーブル端子はLowレベルとなる。
タイミングt908とタイミングt910との間の時刻差は、被写体までの距離に比例する。タイミングt908とタイミングt910との時間差に応じた測距カウント値が、主要被写体領域に位置するIR画素810cに備えられたカウンタ114によって取得される。なお、IR画素810cに備えられた比較器120から出力される信号は、タイミングt911においてLowレベルとなる。一方、R画素810a、G画素810b及びB画素810dにおいては、タイミングt909において、カウンタ114が、インバータ113から出力されるパルス信号PLSのカウントを開始する。
R画素810a、G画素810b、B画素810dに備えられたSPAD111に光子が入射すると、当該SPAD111によって信号が生成され、波形整形されたパルス信号PLSがインバータ113から出力される。R画素810a、G画素810b、B画素810dにそれぞれ備えられたカウンタ114は、R画素810a、G画素810b、B画素810dにそれぞれ備えられたインバータ113から出力されるパルス信号PLSの数をカウントする。
主要被写体領域以外の領域に位置するIR画素810cに備えられたカウンタ114により得られたカウント値が、当該IR画素810cにおける撮像カウント値となる。主要被写体領域に位置するIR画素810cに備えられたカウンタ114により得られたカウント値が、当該IR画素810cにおける測距カウント値となる。
図9においては、このような現象がG画素810bで生じている場合の例が示されている。即ち、R画素810a、B画素810dにおいては、受光量が比較的小さいため、クエンチング動作が完了しないうちに次の光子が受光されるような現象は生じていない。一方、G画素810bにおいては、受光量が比較的大きいため、クエンチング動作が完了しないうちに次の光子が受光されるような現象が生じている。
このため、図9に示す例においては、G画素810bに備えられたカウンタ114におけるカウント値が、R画素810a及びB画素810dに備えられたカウンタ114におけるカウント値よりも小さくなっている。本実施形態では、このような現象が生じる場合には、信号処理部402において以下のような補正処理を行うことによって、本来の受光量に応じた信号が得られるようにしている。
図10は、補正処理に用いられるルックアップテーブル(LUT)の例を示す図である。横軸は、撮像カウント値を示している。縦軸は、補正処理後の撮像カウント値を示している。上述したように、受光量が大きすぎる場合には、撮像カウント値が小さくなることがある。受光量が大きいことに起因して撮像カウント値が小さくなっているのか否かは、当該画素810に備えられたSRラッチ回路123の出力に基づいて判定し得る。
即ち、SRラッチ回路123の出力がHighレベル、即ち、1である場合には、受光量が大きいことに起因して撮像カウント値が小さくなっていると判定し得る。一方、SRラッチ回路123の出力がLowレベル、即ち、0である場合には、受光量に応じた撮像カウント値が得られていると判定し得る。例えば、SRラッチ回路123の出力が0である場合には、SRラッチ回路123の出力が0である場合のルックアップテーブルに基づいて、撮像カウント値が判定される。
図10から分かるように、画素810から出力された撮像カウント値が100であり、且つ、当該画素810に備えられたSRラッチ回路123の出力が0である場合には、当該撮像カウント値に対応する補正後の撮像カウント値は100である。従って、この場合には、100という撮像カウント値が画素データに用いられる。SRラッチ回路123の出力が1である場合には、SRラッチ回路123の出力が1である場合のルックアップテーブルに基づいて、撮像カウント値が判定される。
図10から 分かるように、画素810から出力された撮像カウント値が100であり、且つ、当該画素810に備えられたSRラッチ回路123の出力が1である場合には、当該撮像カウント値に対応する補正後の撮像カウント値は160である。従って、この場合には、160という撮像カウント値が画素データに用いられる。なお、このようなルックアップテーブルは、撮像装置400に備えられたメモリ403に予め格納されている。
まず、S1001において、信号処理部402は、処理の対象となる信号が、IR画素810cによって取得された信号であるか否かを判定する。処理の対象となる信号がIR画素810cによって取得された信号である場合には(S1001においてYES)、S1002に移行する。処理の対象となる信号がIR画素810cによって取得された信号でない場合には(S1001においてNO)、S1009に移行する。
S1004において、信号処理部402は、S1003において算出された光飛行時間tTOFに基づいて、距離データを生成する。こうして生成された距離データは、オートフォーカス処理に用いられ得る。オートフォーカス処理においては、撮像装置400に備えられた制御部404が、S1004において算出された距離データに基づいて光学系駆動部408を介して光学系401を駆動する。
S1007において、信号処理部402は、SRラッチ回路123の出力が0である場合のルックアップテーブル、即ち、低輝度側のルックアップテーブルに基づいて補正処理を行う。
S1008においては、こうしてIR画素810cから得られた撮像カウント値に基づいて、モノクロの赤外光画像を生成する。
S1011において、信号処理部402は、SRラッチ回路123の出力が0である場合のルックアップテーブル、即ち、低輝度側のルックアップテーブルに基づいて補正処理を行う。
S1012においては、こうして画素810a、810b、810dから得られた撮像カウント値に基づいて、カラーの可視光画像を生成する。なお、可視光画像を生成する際に、G画素810bの撮像カウント値を用いた補間処理を行うことによって、IR画素810cの位置のG信号を生成するようにしてもよい。
こうして、図11に示す処理が終了する。
一部のIR画素810cのみを測距に用いるようにすれば、当該一部のIR画素810cのみを用いて測距を行いつつ、可視光画像と赤外光画像とを取得することができる。赤外発光部409IRから発せられる赤外光を照明として用いて、赤外光画像を得ることもできる。人間は赤外光を肉眼で認識し得ないため、本実施形態による撮像装置400は例えば監視用として好適である。
次に、第4実施形態について図12を用いて説明する。本実施形態は、各単位画素に測距用のSPADと撮像用のSPADとを別個に設けた構成を有する。単位画像以外の周辺回路の構成に関しては第1~第3実施形態と同様であってよい。
図12(a)は、本実施形態における単位画素の等価回路の一例を示す図である。単位画素は、受光領域としてのSPAD PD_AおよびPD_Bを備える。SPAD PD_AおよびPD_BはPN接合に逆バイアス電圧を印加して形成した空乏化領域を含む。SPAD PD_AおよびPD_Bのカソード端子には、それぞれ独立したクエンチング回路としての抵抗R_AおよびR_Bを直列に介して、図示しない電圧供給部より正電圧VDDAおよびVDDB(例えばいずれも3V)が与えられている。
しかし、クエンチング回路としての抵抗R_AおよびR_Bを備えることで、ある時定数を以ってこの電流を打ち消すことができる(いわゆるガイガーモード動作)。抵抗R_AおよびR_Bに電流が流れなくなれば、SPAD PD_AおよびPD_Bのカソード端子の電位は3Vに戻る。つまり単一光子の光電変換で生じた1つの電子により1つの電圧パルスが生じる。
一方、測距モードでは、セレクタSELが、インバータINVにSPAD PD_Bのカソード端子を接続するよう、TG102がSEL_CNTによってセレクタSELを制御する。また、TG102はSPAD PD_Aの電源VDDAを浮遊状態とする。
マイクロレンズ(ML)1201は、撮影光学系から入射する光束を集光する。第1導電型領域としてのN型エピタキシャル層(N-Epi)1202は、受光領域の一部として機能する。
これにより、空乏化領域で発生した電子が第1導電形領域1204Aまたは1204Bにドリフトするのを促進し、再結合する前にもれなく高電界領域Eに移動してアバランシェ増倍を発生させることができる。つまり、マイクロレンズ1201を通じてちょうど第1導電形領域1204Aと1204Bの間に垂直入射した単一光子は50%の確率で第1導電形領域1204AとP型半導体領域1203との間の高電界領域Eでアバランシェ増倍する。また、50%の確率で第1導電形領域1204BとP型半導体領域1203との間の高電界領域Eでアバランシェ増倍する。そのため、光子を確実に検出できる。
TOF方式の測距に赤外光を用いる場合、被写体からの反射光は波長が長いため、マイクロレンズ1201から離れた深部まで到達して光電変換される。そのため、測距用のSPAD PD_Bを形成する第1導電形領域1204Bをマイクロレンズ1201から離れた位置に形成することにより、赤外光が十分光電変換された位置でアバランシェ増倍を発生されれば、測距に関する信号を漏れなく検出することができる。
なお、撮像モードで正電圧VDDBを浮遊状態としたとき、SPAD PD_Bでは第1導電型領域1204Bが非リセット状態となっている。そのため、前のフレームで発生した電子や暗電流による電子で満たされた平衡状態となっており、受光領域で発生した電子を新たにドリフトで移動させることができない。
したがって、受光領域で発生した新たな電子は全てSPAD PD_Aの第1導電形領域1204Aにドリフトで移動し、アバランシェ増倍に寄与するため、撮像信号を集約することができる。測距モード時には逆に、受光領域で発生した新たな電子は全てSPAD PD_Bの第1導電形領域1204Bにドリフトで移動し、アバランシェ増倍に寄与する。図12(c)は、図12(b)のGの位置における水平断面をマイクロレンズ1201側から見た模式図である。
次に、第5実施形態について図13(a)~図14(b)を用いて説明する。本実施形態は、第4実施形態において、第1導電形領域1204Aおよび1204Bをマイクロレンズ1201から同じ距離に設けた構成を有する。そして、1つのマイクロレンズ1201を共有する第1導電形領域1204Aおよび1204Bの出力を別個に取り扱うことにより、位相差方式のオートフォーカスの原理に基づく測距を実現する。
1つのマイクロレンズを共有する複数の光電変換部を設け、個々の光電変換部から得られる信号の位相差を検出して撮像光学系のデフォーカス量を求める手法は公知であるため、詳細については説明を省略する。また、デフォーカス量が求まれば、合焦距離に相当するフォーカスレンズ位置が特定できるため、距離を特定することができる。また、画素ごとに距離を求めることも可能である。一方で、1つのマイクロレンズ1201を共有する第1導電形領域1204Aおよび1204Bの出力をまとめて取り扱うことにより、撮像を実現する。
特に、マイクロレンズ1201から第1導電形領域1204Aまでの距離が、マイクロレンズ1201から第1導電形領域1204Bまでの距離と等しいことである。あるいは、第1導電形領域1204Aおよび1204Bが深さ方向で等しい位置に設けられることである。そして、第1導電形領域1204Aの位置が異なることにより、第1導電形領域1204Aに接する第1導電形領域1202および1205、第2導電形領域1203の構成も異なっている。
図14(a)は、第1の駆動モードおける制御信号のタイミングチャートの一例である。なお、正電圧VDDAおよびVDDB(例えば3V)と、-20Vの逆バイアスを与え、SPAD PD_AおよびPD_Bをガイガーモードで動作させているものとする。
このように、各画素が有するカウンタCNT_AおよびCNT_Bの計数値を独立して読み出す第1の駆動モードより、測距用の信号と、画像生成用の信号との両方を得ることができる。しかしながら、測距用の信号を撮像素子とは別個のセンサで取得する場合など、測距用の信号を撮像素子から読み出す必要がない場合には、以下の第2の駆動モードによって撮像素子から画像信号を読み出すことができる。
なお、行ごとにVDDBの状態を浮遊状態と3Vとで切り替え可能に構成すれば、特定の行はVDDBを3Vとして他の行では浮遊状態とすることで、特定の行について測距することができる。例えば測距はp=1行目やp=2行目のように主要被写体が多い画像中央部で行い、それ以外の領域では撮像信号のみを得ることで、読み出し期間の短縮と位相差検出信号の取得とを両立することもできる。また、VDDBの状態を列ごとに切り替え可能に構成し、特定の列について測距することができる。
次に、第6実施形態について図15を用いて説明する。本実施形態は、第5実施形態において、第1導電形領域1202を第1導電形領域120Aに対応する領域と、第1導電形領域1204Bに対応する領域に分割した構成を有する。このような構成においても、第5実施形態で説明した第1の駆動モードによってカウンタCNT_AおよびCNT_Bの計数値を別個に読み出し、測距を実現することができる。
これにより、第1導電形領域1204Aと1204Bのいずれかについての正電圧VDDAもしくはVDDBを浮遊状態とすれば、第2駆動モードが実現できる。すなわち、SPAD PD_AもしくはPD_Bのみガイガーモード動作として、撮像信号をアバランシェ増倍の段階から片方に集約してカウンタCNT_AもしくはCNT_Bで計数することができる。
そのため受光領域で発生した新たな電子は全て第1導電形領域1204Aにドリフトで移動しアバランシェ増倍に寄与する。したがって、画素全体で受光した光子を1つのSPAD PD_Aで検出し、1つのカウンタCNT_Aで電圧パルスを計数することができる。なお、駆動時の制御信号のタイミングチャートは第5実施形態と同様であるため、説明を省略する。
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および変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、固体撮像素子100,500,800と信号処理部402とが別個に設けられている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。信号処理部402が、固体撮像素子100,500,800に備えられていてもよい。この場合には、例えば、基板302(図3(a)参照)に信号処理部402が備えられ得る。また、信号処理部402が備えられた基板(図示せず)を、基板302に積層させるようにしてもよい。
114…カウンタ
303…センサ部
Claims (11)
- 複数の画素を有する固体撮像素子であって、
前記複数の画素のそれぞれが、
光子の受光に応じてパルス信号を発するセンサ部と、
前記センサ部から発せられる前記パルス信号が入力されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力と閾値とを比較する比較器と、
発光部が光を発しない際に前記センサ部から発せられる前記パルス信号のパルス数をカウントする第1のモードでの動作と、所定信号のパルス数をカウントする第2のモードであって、該パルス数が前記発光部から光が発せられたタイミングからの経過時間に依存する第2のモードでの動作とを選択的に切り換えるように構成されたカウンタと、を有し、
前記カウンタは、前記第2のモードで動作する場合、前記発光部から光が発せられたタイミングから前記比較器の出力が反転するタイミングまでの前記所定信号のパルス数をカウントする、
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記カウンタが前記第1のモードで動作する場合においては、前記センサ部から発せられる前記パルス信号が前記カウンタに供給されるように設定され、前記カウンタが前記第2のモードで動作する場合においては、前記所定信号が前記カウンタに供給されるように設定されるスイッチを更に有する請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記複数の画素のうちの第1の画素には、第1の透過波長域を備える第1のカラーフィルタが備えられ、
前記複数の画素のうちの第2の画素には、前記第1の透過波長域とは異なる第2の透過波長域を備える第2のカラーフィルタが備えられ、
前記第1の透過波長域に含まれる波長の光が前記発光部から発せられた際には、前記第1の画素に備えられた前記カウンタを前記第2のモードで動作させるとともに、前記第2の画素に備えられた前記カウンタを前記第1のモードで動作させ、
前記第2の透過波長域に含まれる波長の光が前記発光部から発せられた際には、前記第2の画素に備えられた前記カウンタを前記第2のモードで動作させるとともに、前記第1の画素に備えられた前記カウンタを前記第1のモードで動作させることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素子。 - 前記複数の画素のうちの第1の画素には、所定波長域の可視光を透過するとともに赤外光を透過しない第1のカラーフィルタが備えられ、
前記複数の画素のうちの第2の画素には、赤外光を透過する第2のカラーフィルタが備えられ、
前記発光部からは赤外光が発せられることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素子。 - 前記複数の画素のうち、所定の領域に位置する画素に備えられた前記カウンタを前記第2のモードで動作させ、前記複数の画素のうち、前記所定の領域以外の領域に位置する画素に備えられた前記カウンタを前記第1のモードで動作させることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記カウンタが前記第1のモードで動作する場合、前記ローパスフィルタと前記比較器に供給する電力を制限することを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子。
- 前記カウンタが前記第1のモードで動作した際に得られたカウント値を、前記比較器の出力に基づいて補正する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項1又は6に記載の固体撮像素子。
- 複数の画素を有する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される信号を処理する信号処理手段と、を有する撮像装置であって、
前記複数の画素のそれぞれが、
光子の受光に応じてパルス信号を発するセンサ部と、
前記センサ部から発せられる前記パルス信号が入力されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力と閾値とを比較する比較器と、
発光部が光を発しない際に前記センサ部から発せられる前記パルス信号のパルス数をカウントする第1のモードでの動作と、所定信号のパルス数をカウントする第2のモードであって、該パルス数が前記発光部から光が発せられたタイミングからの経過時間に依存する第2のモードでの動作とを選択的に切り換えるように構成されたカウンタと、を有し、
前記カウンタは、前記第2のモードで動作する場合、前記発光部から光が発せられたタイミングから前記比較器の出力が反転するタイミングまでの前記所定信号のパルス数をカウントする、
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記信号処理手段は、前記カウンタが前記第1のモードで動作した際に得られたカウント値を、前記比較器の出力に基づいて補正することを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
- 前記信号処理手段は、前記カウンタが前記第1のモードで動作した際に得られたカウント値に基づいて画像を生成し、前記カウンタが前記第2のモードで動作した際に得られたカウント値に基づいて被写体までの距離を算出することを特徴とする請求項8又は9に記載の撮像装置。
- 複数の画素を有する固体撮像素子と、ここで、前記複数の画素のそれぞれは、光子の受光に応じてパルス信号を発するセンサ部と、前記センサ部から発せられる前記パルス信号が入力されるローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力と閾値とを比較する比較器と、カウンタとを有する、固体撮像素子と、
被写体を撮像する第1のモードでの動作と、前記被写体までの距離に関する情報を取得する第2のモードでの動作とを選択的に切り換えるように前記固体撮像素子を駆動ならびに制御する制御手段と、を有し、
前記第1のモードにおいて、前記制御手段は、発光部が光を発しない際に前記センサ部から発せられる前記パルス信号のパルス数をカウントするように前記カウンタを制御し、
前記第2のモードにおいて、前記制御手段は、所定信号のパルス数をカウントするように前記カウンタを制御し、ここで、該パルス数は前記発光部から光が発せられたタイミングからの経過時間に依存し、
前記第2のモードにおいて、前記制御手段は、前記発光部から光が発せられたタイミングから前記比較器の出力が反転するタイミングまでの前記所定信号のパルス数をカウントするように前記カウンタを制御する、
ことを特徴とする撮像装置。
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