JP7129182B2 - Solid-state imaging device, imaging device, and imaging method - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, an imaging device, and an imaging method.
近年、CMOSイメージセンサ等の固体撮像素子を備えた撮像装置が広く普及している。一方、アバランシェフォトダイオードを用いて単一光子の検出を行う技術が提案されている。単一光子を検出し得るアバランシェフォトダイオードは、SPAD(Single Photon Avalanche Diode、単一光子アバランシェダイオード)と称される。特許文献1には、アバランシェフォトダイオードを受光素子として用いて飛行時間法(Time Of Flight)法に基づく測距を行う光学的測距装置が記載されている。
2. Description of the Related Art In recent years, imaging devices equipped with solid-state imaging devices such as CMOS image sensors have become widespread. On the other hand, a technique for detecting single photons using an avalanche photodiode has been proposed. Avalanche photodiodes that can detect single photons are called SPADs (Single Photon Avalanche Diodes).
SPADを単に用いて固体撮像素子を構成しようとした場合には、消費電力が大きくなってしまう場合がある。
本発明の目的は、消費電力を抑制し得る固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することにある。
If an attempt is made to configure a solid-state imaging device simply using SPADs, power consumption may increase.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method capable of suppressing power consumption.
実施形態の一態様によれば、アバランシェフォトダイオードを含むとともに光子の受光頻度に応じた頻度でパルスを発するセンサ部がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記センサ部から発せられるパルスの数をカウントするカウンタと、前記カウンタのカウント値が閾値未満である場合には、前記アバランシェフォトダイオードに接続されたクエンチ素子を構成するトランジスタをON状態とするように制御を行い、前記カウンタのカウント値が前記閾値に達した場合には、前記トランジスタをOFF状態とするように制御を行う制御部とを備える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 pixels each provided with a sensor unit that includes an avalanche photodiode and emits a pulse at a frequency corresponding to the frequency of photon reception, and the number of pulses emitted from the sensor unit is counted. and when the count value of the counter is less than the threshold value, control is performed so that the transistor constituting the quench element connected to the avalanche photodiode is turned on, and the count value of the counter is set to the above A solid-state imaging device characterized by comprising a control section for controlling the transistor to be in an OFF state when a threshold value is reached.
実施形態の他の態様によれば、アバランシェフォトダイオードを含むとともに光子の受光頻度に応じた頻度でパルスを発するセンサ部がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記センサ部から発せられるパルスの数をカウントするカウンタと、前記カウンタのカウント値が閾値未満である場合には、前記アバランシェフォトダイオードに対して第1の電圧が印加されるように制御を行い、前記カウンタのカウント値が前記閾値に達した場合には、前記アバランシェフォトダイオードに対して前記第1の電圧より低い第2の電圧が印加されるように制御を行う制御部とを備え、前記第2の電圧は、接地電圧であることを特徴とする固体撮像素子が提供される。
According to another aspect of the embodiment, a plurality of pixels each provided with a sensor unit that includes an avalanche photodiode and emits a pulse at a frequency corresponding to the frequency of photon reception, and the number of pulses emitted from the sensor unit is A counter for counting, and when the count value of the counter is less than a threshold , control is performed so that a first voltage is applied to the avalanche photodiode, and the count value of the counter reaches the threshold. a control unit for controlling a second voltage lower than the first voltage to be applied to the avalanche photodiode , wherein the second voltage is a ground voltage. There is provided a solid-state imaging device characterized by:
本発明によれば、消費電力を抑制し得る固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method capable of suppressing power consumption.
本発明の実施の形態について図面を用いて以下に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態を適宜組み合わせるようにしてもよい。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and can be modified as appropriate. Also, the embodiments shown below may be combined as appropriate.
[第1実施形態]
第1実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法について図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、列メモリ部103と、水平走査部104とを備えている。また、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が固体撮像素子100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。
[First embodiment]
A solid-state imaging device, an imaging device, and an imaging method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. FIG. 1 is a diagram showing a solid-state imaging device according to this embodiment.
As shown in FIG. 1 , the solid-
タイミングジェネレータ102は、処理部404(図4参照)から供給される制御信号等に基づいて、固体撮像素子100の各部を制御するための信号を生成する。タイミングジェネレータ102には、処理部404から同期信号VD等が供給される。タイミングジェネレータ102は、垂直走査部101、列メモリ部103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、水平走査部104に対して信号HCLK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、制御信号CTL、転送信号WRT、及び、リセット信号RESをそれぞれ供給する。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(制御手段)として機能し得る。
各々の画素110には、SPAD111と、クエンチ素子112と、インバータ113と、カウンタ114と、制御部115と、転送スイッチ116と、画素メモリ117と、読み出しスイッチ118とがそれぞれ備えられている。
The
Each
SPAD111のアノードは接地電圧に接続されており、SPAD111のカソードはクエンチ素子112の一端に接続されている。クエンチ素子112の他端にはバイアス電圧Vbiasが印加される。SPAD111には、クエンチ素子112を介してSPAD111の降伏電圧より大きいバイアス電圧Vbiasが印加され得る。このため、SPAD111はガイガーモードと称される動作モードで動作し得る。即ち、SPAD111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す。これにより、アバランシェ電流が生じ、クエンチ素子112において電圧降下が生ずる。クエンチ素子112は、SPAD111のアバランシェ増倍現象を停止させ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SPAD111の降伏電圧以下にな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の出力端子とカウンタ114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に光子が入射すると、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。より具体的には、SPAD111に1つの光子が入射すると、インバータ113から1つのパルス信号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するようにしてもよい。
The SPAD 111 has an anode connected to ground voltage and a cathode connected to one end of the
1つのパルス信号PLSが生成される過程において、画素110においては、以下のような電流が流れる。即ち、アバランシェ増倍現象によるアバランシェ電流が画素110において流れる。また、アバランシェ増倍現象が停止した後、ノードPLSaの電位がVbiasに戻る際に、過渡電流が画素110において流れる。
In the process of generating one pulse signal PLS, the following current flows in the
クエンチ素子112は、上述したように、MOSトランジスタの抵抗成分を利用して構成されている。クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタのゲート端子には、後述する制御部115から出力される制御信号(制御パルス)CTRLが供給される。クエンチ素子112の動作は、制御部115によって制御される。制御信号CTRLがHighレベルである場合、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタはON状態である。この場合、SPAD111にバイアス電圧Vbiasが印加されるため、SPAD111はガイガーモードで動作し得る。一方、制御信号CTRLがLowレベルである場合、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタはOFF状態である。この場合、SPAD111にバイアス電圧Vbiasが印加されないため、SPAD111はガイガーモードで動作し得ない。正確には、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタがOFF状態になると、バイアス電圧Vbiasを供給する電源にSPAD111から電流が流れない。このため、SPAD111のカソードの電位が一旦降伏電圧Vbr以下になると、SPAD111はガイガーモードに復帰し得なくなる。ガイガーモードではないSPAD111の動作モードは、「非ガイガーモード」とも称される。
The
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のパルス数をカウントする。カウンタ114のビット(bit)幅は、例えば16である。ビット幅が16のカウンタ114がカウント可能な上限値、即ち、カウント上限値は、0xFFFF(10進数で65535)である。カウンタ114には、タイミングジェネレータ102から出力されるリセット信号(リセットパルス)RESが入力される。カウンタ114のカウント値は、リセット信号RESによってリセットされる。リセットが解除されると、カウンタ114は、パルス信号PLSのカウントを開始する。
Counter 114 counts the number of pulses of pulse signal PLS output from
制御部115には、タイミングジェネレータ102から供給される制御信号CTLが入力されるようになっている。制御部115は、カウンタ114のカウント値に応じて、制御信号CTRLを出力する。制御信号CTRLは、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタのゲート端子に供給される。より具体的には、制御部115は、カウント値が閾値(所定値)Cref未満である場合には、制御信号CTRLをHighレベルとする。また、制御部115は、カウント値が閾値Crefに達した場合には、制御信号CTRLをLowレベルとする。カウンタ114のビット幅が16である場合、閾値Crefを例えば0xFFFF(10進数で65535)とする。なお、閾値Crefは、0xFFFFに限定されるものではない。固体撮像素子100が備えられる撮像装置400(図4参照)において必要とされる信号レンジの最大値を閾値Crefとするようにしてもよい。カウンタ114のカウント値が上昇していき、やがて閾値Crefに達すると、制御部115は、制御信号CTRLをLowレベルにし、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタをOFF状態にする。クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタをOFF状態にすることによって、SPAD111の動作モードを非ガイガーモードとすることができる。制御部115は、画素110毎に備えられている。従って、SPAD111の動作モードは、画素110毎に切り替え得る。本実施形態では、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した以降において、当該画素110にアバランシェ電流が流れなくなるため、消費電力の抑制を図ることができる。
A control signal CTL supplied from the
転送スイッチ116は、タイミングジェネレータ102から供給される転送信号WRTによって制御される。転送信号WRTがHighレベルになると、転送スイッチ116がON状態になり、カウンタ114から出力されるカウント値が、当該画素110の画素信号値として画素メモリ117に書き込まれる。
垂直走査部101には、水平方向に延在する複数の制御線が接続されている。垂直走査部101は、これらの制御線に読み出し信号READを順次供給する。読み出し信号一般について説明する際には、符号READを用い、個々の読み出し信号について説明する際には、符号READn、READn+1を用いることとする。ここでは、2つの制御線が図示されているが、実際には、多数の制御線が備えられている。読み出し信号READnは、第n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。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。
A plurality of control lines extending in the horizontal direction are connected to the
列メモリ部103には、垂直方向に延在する複数の信号線(垂直信号線、出力信号線)105が接続されている。なお、信号線一般について説明する際には、符号105を用い、個々の信号線について説明する際には、符号105a,105bを用いることとする。ここでは、2つの信号線105が図示されているが、実際には、多数の信号線105が備えられている。画素メモリ117から出力される信号が、読み出しスイッチ118及び信号線105を介して、列メモリ部103に出力される。読み出しスイッチ118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画素信号値が、信号線105をそれぞれ介して列メモリ部103に書き込まれる。列メモリ部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、列メモリ部103に保持された各々の画素信号値を、出力線Outputを介して画像処理部402(図4参照)に順次出力する。
A plurality of signal lines (vertical signal lines, output signal lines) 105 extending in the vertical direction are connected to the
このように、本実施形態では、カウンタ114のカウント値が閾値Cref未満の場合には、当該画素110に備えられたSPAD111がガイガーモードで動作する。そして、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した場合には、当該画素110に備えられたSPAD111がガイガーモードで動作しなくなるように、当該画素110に備えられた制御部115が制御を行う。このため、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した以降においては、当該画素110にアバランシェ電流が流れなくなる。このため、本実施形態によれば、消費電力の抑制を図ることができる。
Thus, in this embodiment, when the count value of the
図2は、本実施形態による固体撮像素子100の動作の例を示すタイミングチャートである。ここでは、複数の画素110のうちの画素110aの動作に着目して説明する。図2には、動画像を構成する複数のフレームのうちの2つのフレームに対応するタイミングチャートが示されている。タイミングt210からタイミングt220までの期間は、第m番目のフレームFRAMEmに対応している。タイミングt220からタイミングt230までの期間は、第m+1番目のフレームFRAMEm+1に対応している。
FIG. 2 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-
まず、タイミングt210において、同期信号(同期パルス)VDがHighレベルになると、タイミングジェネレータ102は、制御信号CTLをHighレベルにする。制御信号CTLは、全ての画素110の各々に備えられた制御部115に一斉に供給される。制御信号CTLがHighレベルになると、制御部115は、制御信号CTRLをHighレベルにする。制御信号CTRLがHighレベルになると、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタがON状態となり、SPAD111に対してバイアス電圧Vbiasが印加される。タイミングジェネレータ102は、タイミングt210において、リセット信号(リセットパルス)RESをもHighレベルにする。リセット信号RESをHighレベルにすると、カウンタ114がリセット状態となる。こうして、全ての画素110に備えられたSPAD111に対してバイアス電圧Vbiasが一斉に印加されるようになり、また、全ての画素110に備えられたカウンタ114が一斉にリセットされる。
First, at timing t210, when the synchronization signal (synchronization pulse) VD becomes High level, the
タイミングt211において、ノードPLSaの電圧がバイアス電圧Vbiasに達すると、SPAD111は、ガイガーモードで動作することが可能となる。
タイミングt212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。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、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のカウントを開始する。このように、カウンタ114は、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタがON状態になってから所定時間が経過した後に、パルス信号PLSのカウントを開始する。クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタがON状態になってから所定時間が経過した後にパルス信号PLSのカウントを開始するのは、SPAD111がガイガーモードで安定して動作し得るようにするためのマージン期間を確保するためである。従って、タイミングt210からタイミングt212までの間においては、インバータ113からパルス信号PLSが出力されたとしても、カウンタ114は当該パルス信号PLSの数をカウントしない。
At timing t211, when the voltage of the node PLSa reaches the bias voltage Vbias, the
At timing t212, the
タイミングt212からタイミングt215までの期間が、第m番目のフレームFRAMEmの光子検出期間であり、当該光子検出期間内に各々の画素110において検出された光子の数が第m番目のフレームFRAMEmにおける画素信号値となる。ここでは、タイミングt213において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明する。
タイミングt213において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達すると、制御部115は制御信号CTRLをLowレベルにする。制御信号CTRLがLowレベルになると、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタはOFF状態となる。
The period from timing t212 to timing t215 is the photon detection period of the m-th frame FRAMEm, and the number of photons detected in each
At timing t213, when the count value of the
タイミングt214において、ノードPLSaの電位が、SPAD111の降伏電圧Vbr以下となる。ノードPLSaの電位が、SPAD111の降伏電圧Vbr以下になると、SPAD111の動作モードは非ガイガーモードとなる。非ガイガーモードにおいては、SPAD111に光子が入射しても、アバランシェ電流は生じない。カウンタ114は、カウント値として閾値Crefを保持し続ける。
At timing t214, the potential of the node PLSa becomes equal to or lower than the breakdown voltage Vbr of the SPAD111. When the potential of the node PLSa becomes equal to or lower than the breakdown voltage Vbr of the
タイミングt215において、タイミングジェネレータ102は、転送信号WRTをHighレベルにする。転送信号WRTがHighレベルになると、転送スイッチ116がON状態となり、タイミングt215におけるカウンタ114のカウント値が、画素メモリ117に書き込まれる。カウンタ114のカウント値が閾値Crefとなっているため、画素メモリ117には、閾値Crefを示すデータが書き込まれる。
なお、ここでは、タイミングt215よりも前のタイミングt213において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明した。しかし、カウンタ114のカウント値が、タイミングt215においても閾値Cref未満である場合には、以下のようになる。即ち、かかる場合には、タイミングt215に至るまで、カウンタ114によるパルス信号PLSのカウントが継続される。そして、タイミングt215におけるカウンタ114のカウント値が、タイミングt215において画素メモリ117に書き込まれる。
At timing t215, the
Here, the case where the count value of the
タイミングt220からタイミングt230までの期間においては、第m+1番目のフレームFRAMEm+1の取得が行われるとともに、第m番目のフレームFRAMEmの画素信号値の読み出しが行われる。第m+1番目のフレームFRAMEm+1の取得については、第m番目のフレームFRAMEmの取得と同様である。ここでは、タイミングt225において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する。なお、ここでは、タイミングt226よりも前のタイミングt225において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明した。しかし、カウンタ114のカウント値が、タイミングt226においても閾値Cref未満である場合には、以下のようになる。即ち、かかる場合には、タイミングt226に至るまで、カウンタ114によるパルス信号PLSのカウントが継続される。そして、タイミングt226におけるカウンタ114のカウント値が、タイミングt226において画素メモリ117に書き込まれる。第m番目のフレームFRAMEmの画素信号値の読み出しは、以下のようにして行われる。まず、タイミングt221において、垂直走査部101が、読み出し信号READ0をHighレベルにする。これにより、第0番目の行に位置する複数の画素110の各々の画素信号値が、信号線105を介して列メモリ部103に書き込まれる。この後、タイミングt222~タイミングt223において、水平走査部104が、列メモリ部103に保持された各々の画素信号値を、出力線Outputを介して画像処理部402(図4参照)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110の各々の画素信号値の出力が行われる。この後、同様にして、第1番目の行に位置する複数の画素110の各々の画素信号値の出力が行われる。この後も同様にして画素信号値の出力が行われ、タイミングt224までに全ての画素信号値の出力の処理が完了する。こうして、第m番目のフレームFRAMEmの画像データが画像処理部402に出力される。
During the period from timing t220 to timing t230, the (m+1)th frame FRAMEm+1 is acquired and the pixel signal values of the mth frame FRAMEm are read. Acquisition of the (m+1)th frame FRAMEm+1 is similar to acquisition of the mth frame FRAMEm. Here, the count value of the
このように、本実施形態では、タイミングt215よりも前のタイミングt213や、タイミングt226よりも前のタイミングt225において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した場合には、制御部115は以下のように動作する。即ち、制御部115は、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタのゲートに供給する制御信号CTRLをLowレベルとし、バイアス電圧VbiasがSPAD111に供給されないようにし、SPAD111の動作モードを非ガイガーモードとする。このため、本実施形態によれば、多数の光子が画素110に入射した場合であっても、アバランシェ電流が大量に流れるのを防止することができ、消費電流の増大を防止することができる。
As described above, in the present embodiment, when the count value of the
図3は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。図3(a)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3(a)に示すように、固体撮像素子100は、2つの基板(半導体チップ)301,302を積層することによって構成されている。図3(b)は、本実施形態による固体撮像素子100に備えられている画素を示している。図3(b)においては、固体撮像素子100に備えられた複数の画素110のうちの1つの画素110が抜き出して示されている。
FIG. 3 is a diagram showing a solid-state imaging device according to this embodiment. FIG. 3A is a perspective view showing the solid-state imaging device according to this embodiment. As shown in FIG. 3A, the solid-
図3(a)に示すように、固体撮像素子100は、不図示の光学系(撮像光学系)によって形成される光学像を受光する基板(上部基板)301と、主としてデジタル系の回路を備える基板(下部基板)302とから構成されている。図3(b)に示すように、画素110は、センサ部(受光部、画素部)303と計数部304とによって構成されている。画素110のうちのセンサ部303が基板301に形成されている。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。センサ部303には、SPAD111と、クエンチ素子112と、インバータ113とが備えられている。センサ部303にインバータ113が備えられているため、波形整形されたパルス信号PLSがセンサ部303から計数部304に伝送される。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、カウンタ114と、制御部115と、転送スイッチ116と、画素メモリ117と、読み出しスイッチ118とが備えられている。垂直走査部101と、タイミングジェネレータ102と、列メモリ部103と、水平走査部104とは、基板301の周辺回路部305又は基板302の周辺回路部306とのうちのいずれかに備えられている。ここでは、垂直走査部101と、タイミングジェネレータ102と、列メモリ部103と、水平走査部104とが、基板302の周辺回路部306に配置されている場合を例に説明する。
As shown in FIG. 3A, the solid-
このように、本実施形態では、センサ部303が基板301に形成されており、計数部304が基板302に形成されている。回路規模が大きい計数部304が、センサ部303が備えられている基板301とは別個の基板302に備えられているため、センサ部303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303の開口面積を十分に確保することができる。
Thus, in this embodiment, the
なお、固体撮像素子100の構造は、上記に限定されるものではない。目的や用途に応じて固体撮像素子100の構造を適宜変更し得る。例えば、3つ以上の基板を積層することにより固体撮像素子100を構成してもよいし、1つの基板によって固体撮像素子100を構成してもよい。複数の基板(半導体チップ)の各々は、異なるプロセスルールに従って製造するようにしてもよい。また、信号処理を行うための別の回路や、フレームメモリ等を、基板302に設けるようにしてもよい。例えば、ノイズ低減処理を施す信号処理回路や、撮像された被写体の検出等を行う検出回路等を、基板302に設けるようにしてもよい。
Note that the structure of the solid-
図4は、本実施形態による撮像装置を示すブロック図である。光学系(撮像光学系)401には、フォーカスレンズ、ズームレンズ、及び、絞り等が備えられている。光学系401は、被写体の光学像を形成し、形成した光学像を固体撮像素子100の撮像面に入射する。固体撮像素子100は、光学系401によって形成される光学像を上記のようにして撮像する。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画像処理部402に順次出力する。
FIG. 4 is a block diagram showing the imaging device according to this embodiment. An optical system (imaging optical system) 401 includes a focus lens, a zoom lens, an aperture, and the like. The
画像処理部402は、固体撮像素子100から出力される画素信号値に対して所定の処理を順次行い、画像、即ち、画像データを生成する。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。画像処理部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。
The
メモリ403は、画像処理部402が演算処理等を行う際に用いられる。メモリ403としては、例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory)やフラッシュメモリ等を用い得る。メモリ403は、連続撮影の際には、バッファメモリとしても用い得る。処理部(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。処理部404には、CPU(Central Processing Unit)等が備えられている。また、処理部404は、画像処理部402によって処理された画像信号を、記録部407や表示部406に出力する。操作部405は、ボタン、スイッチ、電子ダイヤル等の操作部材によって構成される。ユーザ等が操作部405を操作すると、操作内容に応じた信号が操作部405から処理部404に供給される。表示部406は、処理部404から供給される画像を表示する。記録部(記録制御部)407には、不図示の記録媒体が装着される。かかる記録媒体としては、例えば、メモリカード等が用いられる。なお、記録媒体として、ハードディスク等が用いられてもよい。光学系駆動部408は、光学系401に備えられたフォーカスレンズ、ズームレンズ、絞り等の制御を行う。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。また、被写体に光を投射する光源装置を、撮像装置400が更に備えるようにしてもよい。この場合、当該光源装置は、例えば、同期信号VD等に同期してパルス状に光を発することができる。また、当該光源装置は、常時発光を行うことも可能である。当該光源装置によって被写体に光を照射し得るため、被写体をより確実に認識することが可能となる。
The
このように、本実施形態では、カウンタ114のカウント値が閾値未満である場合には、当該画素110に備えられたSPAD111はガイガーモードで動作する。一方、カウンタ114のカウント値が閾値に達した場合には、当該画素110に備えられたSPAD111はガイガーモードとは異なる動作モードである非ガイガーモードで動作する。このため、本実施形態によれば、多数の光子が画素110に入射した場合であっても、当該画素110におけるアバランシェ電流を抑制することができる。このため、本実施形態によれば、消費電力の抑制を図ることができる。
Thus, in this embodiment, when the count value of the
[第2実施形態]
第2実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法について図5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又は簡潔にする。
本実施形態による固体撮像素子500は、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した場合に、当該画素に備えられたSPAD111に印加するバイアス電圧を低くするものである。
[Second embodiment]
A solid-state imaging device, imaging apparatus, and imaging method according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those of the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
The solid-
図5は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。図5に示すように、本実施形態による固体撮像素子500は、垂直走査部101と、タイミングジェネレータ102と、列メモリ部103と、水平走査部104と、行列状に配された複数の画素510とを備えている。なお、ここでは、説明の簡略化のため、4つの画素510a、510b、510c、510dが図示されているが、実際には多数の画素510が固体撮像素子500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510を用い、具体的な個々の画素について説明する際には、符号510a~510dを用いることとする。
FIG. 5 is a diagram showing a solid-state imaging device according to this embodiment. As shown in FIG. 5, a solid-
画素510は、SPAD111と、クエンチ素子512と、インバータ113と、カウンタ114と、制御部515と、転送スイッチ116と、画素メモリ117と、読み出しスイッチ118と、切り替えスイッチ519とを備えている。SPAD111と、クエンチ素子512と、インバータ113とは、基板301に配されたセンサ部303に備えられている。カウンタ114と、制御部515と、転送スイッチ116と、画素メモリ117と、読み出しスイッチ118と、切り替えスイッチ519とは、基板302に配された計数部304に備えられている。
The pixel 510 includes a
クエンチ素子512は、第1実施形態において上述したクエンチ素子112と同様に、SPAD111のアバランシェ増倍を停止させるための抵抗素子である。MOSトランジスタの抵抗成分を利用してクエンチ素子512が構成されている。クエンチ素子512を構成するMOSトランジスタのゲート端子には、所定の電圧Vgが印加されるようになっており、クエンチ素子512はON状態となっている。クエンチ素子512を構成するMOSトランジスタのドレイン端子は、切り替えスイッチ(電源切り替えスイッチ)519に接続されている。
The quench
制御部515は、カウンタ114のカウント値に基づいて、切り替えスイッチ519に制御信号CTRL2を供給する。切り替えスイッチ519は、制御部515から供給される制御信号CTRL2によって切り替えられる。切り替えスイッチ519は、クエンチ素子512を構成するMOSトランジスタのドレイン端子の接続先を、制御信号CTRL2に基づいて、バイアス電圧Vbiasと電圧Vresとのうちのいずれかに設定する。バイアス電圧Vbiasは、上述したように、SPAD111の降伏電圧Vbrより大きい電圧であり、例えば+20Vである。一方、電圧Vresは、降伏電圧Vbrより小さい電圧であり、例えば+5Vである。制御部515は、カウンタ114のカウント値が閾値Cref未満である場合には、制御信号CTRL2を例えばHighレベルとする。一方、制御部515は、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した場合には、制御信号CTRL2を例えばLowレベルとする。制御信号CTRL2がHighレベルである場合、クエンチ素子512を構成するMOSトランジスタのドレイン端子には、バイアス電圧Vbiasが印加される。また、制御信号CTRL2がHighレベルからLowレベルに変化すると、クエンチ素子512を構成するMOSトランジスタのドレイン端子に電圧Vresが印加されるようになる。このように、制御部515は、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達すると、制御信号CTRL2をHighレベルからLowレベルに変化させ、切り替えスイッチ519を切り替える。これにより、クエンチ素子512を介してSPAD111に印加される電圧が、バイアス電圧Vbiasから電圧Vresに切り替わる。上述したように、バイアス電圧Vbiasは、SPAD111の降伏電圧Vbrより大きく、電圧Vresは、SPAD111の降伏電圧Vbrより小さい。従って、SPAD111の動作モードが、ガイガーモードから非ガイガーモードに切り替わる。制御部515は、画素510毎に備えられている。従って、SPAD111の動作モードは、画素510毎に切り替えられる。カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した以降において、当該画素510にアバランシェ電流が流れなくなるため、本実施形態においても、消費電力の抑制を図ることができる。
The
本実施形態では、SPAD111の動作モードをガイガーモードから非ガイガーモードに切り替えた以降においても、クエンチ素子512を構成するMOSトランジスタはON状態のままである。このため、本実施形態では、SPAD111が非ガイガーモードで動作する際に生じる不要な電荷を、電圧Vresを供給する電源に、クエンチ素子512を介して放電し得る。かかる不要な電荷を放電し得ない場合には、SPAD111から溢れた電荷が当該SPAD111の周辺に位置する画素510に達し、ノイズの要因となる虞があるが、本実施形態では、かかる不要な電荷を放電し得るため、ノイズの低減に寄与し得る。
In this embodiment, even after the operation mode of the
なお、ここでは、電圧Vresを、SPAD111の降伏電圧Vbrより小さい電圧である例えば+5Vとする場合を例に説明したが、電圧Vresは、これに限定されるものではない。例えば、電圧Vresを、接地電圧(グラウンド、0V)としてもよい。この場合には、固体撮像素子500を駆動するために必要な電源電圧の種類を削減することができる。
Here, the case where the voltage Vres is set to a voltage lower than the breakdown voltage Vbr of the
このように、本実施形態では、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した場合には、当該画素510に備えられたSPAD111に印加されるバイアス電圧の大きさが、SPAD111の降伏電圧以下となる。このため、当該画素510に備えられたSPAD111の動作モードが非ガイガーモードとなり、当該画素510にアバランシェ電流が流れなくなる。このため、本実施形態においても、消費電力の増大を防止することができる。しかも、本実施形態によれば、非ガイガーモードで動作する際に生ずる不要な電荷を、SPAD111の降伏電圧以下の電圧を供給する電源に放電し得るため、不要な電荷が溢れて他の画素510に達するのを防止することができ、ノイズの低減に寄与し得る。
As described above, in this embodiment, when the count value of the
[第3実施形態]
第3実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び駆動方法について図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又は簡潔にする。
[Third embodiment]
A solid-state imaging device, an imaging device, and a driving method according to the third embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those of the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
本実施形態による固体撮像素子の構成は、第1実施形態による固体撮像素子100の構成又は第2実施形態による固体撮像素子500の構成と同様とすることができる。ここでは、本実施形態による固体撮像素子の構成が、第1実施形態による固体撮像素子100と同様である場合を例として説明する。但し、本実施形態では、後述するように、制御部115の動作が第1実施形態や第2実施形態における制御部115、515の動作と相違している。
The configuration of the solid-state imaging device according to this embodiment can be the same as the configuration of the solid-
図6は、本実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、複数の画素110のうちの画素110aの動作に着目して説明する。図6には、動画像を構成する複数のフレームのうちの2つのフレームに対応するタイミングチャートが示されている。タイミングt610からタイミングt620までの期間は、第m番目のフレームFRAMEmに対応している。タイミングt620からタイミングt630までの期間は、第m+1番目のフレームFRAMEm+1に対応している。
FIG. 6 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device according to this embodiment. Here, the operation of the pixel 110a among the plurality of
まず、タイミングt610において、同期信号VDがHighレベルになると、タイミングジェネレータ102は、制御信号CTLをHighレベルにする。制御信号CTLは、全ての画素110の各々に備えられた制御部115に一斉に供給される。制御信号CTLがHighレベルになると、制御部115は、制御信号CTRLをHighレベルにする。制御信号CTRLがHighレベルになると、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタがON状態となり、SPAD111に対してバイアス電圧Vbiasが印加される。タイミングジェネレータ102は、タイミングt610において、リセット信号RESをもHighレベルにする。リセット信号RESをHighレベルにすると、カウンタ114がリセット状態となる。
First, at timing t610, when the synchronization signal VD becomes High level, the
タイミングt611において、ノードPLSaの電圧がバイアス電圧Vbiasに達すると、SPAD111は、ガイガーモードで動作することが可能となる。
タイミングt612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。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、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のカウントを開始する。
タイミングt612からタイミングt618までの期間が、第m番目のフレームFRAMEmの光子検出期間であり、当該光子検出期間内に各々の画素110において検出された光子の数が、第m番目のフレームFRAMEmにおける画素信号値となる。
At timing t611, when the voltage of the node PLSa reaches the bias voltage Vbias, the
At timing t612, the
The period from timing t612 to timing t618 is the photon detection period of the m-th frame FRAMEm, and the number of photons detected in each
制御部115では、カウンタ114のカウント値が閾値(参照信号)Cref未満である場合には、制御信号CTRLをHighレベルに維持する。制御部115は、時間の経過に伴って、閾値Crefを徐々に増加させる。制御部115は、第1のタイミングから第2のタイミングまでの期間においては、閾値Crefを第1の値に設定する。これにより、タイミングt610からタイミングt613までの期間においては、閾値CrefはCref0に設定される。制御部115は、第2のタイミングから第3のタイミングまでの期間においては、閾値Crefを第1の値より大きい第2の値に設定する。これにより、タイミングt613からタイミングt614までの期間においては、閾値CrefがCref0よりも大きいCref1に設定される。制御部115は、第3のタイミングから第4のタイミングまでの期間においては、閾値Crefを第2の値より大きい第3の値に設定する。これにより、タイミングt614からタイミングt615までの期間においては、閾値CrefはCref1よりも大きいCref2に設定される。制御部115は、第4のタイミングから第5のタイミングまでの期間においては、閾値Crefを第3の値より大きい第4の値に設定する。これにより、タイミングt615からタイミングt620までの期間においては、閾値CrefはCref2よりも大きいCref3に設定される。このように、制御部115は、時間の経過に伴って閾値Crefの値を徐々に増加させる。制御部115は、制御部115に備えられたタイマ(図示せず)によって時間の経過を検出することができる。なお、制御部115にタイマを備えるのではなく、閾値Crefを増加させるための信号が、タイミングジェネレータ102から制御部115に供給されるようにしてもよい。カウンタ114のカウント値が光子検出期間内において最終的にCref3に達することが十分に見込まれるように、Cref0、Cref1、Cref2の具体的な値と、閾値Crefをこれらの値に設定するタイミングとが、それぞれ設定されている。カウンタ114のビット幅が例えば16である場合、Cref3を例えば0xFFFF(10進数で65535)とする。なお、Cref3は、0xFFFFに限定されるものではない。本実施形態による固体撮像素子が備えられる撮像装置において必要とされる信号レンジの最大値をCref3とするようにしてもよい。ここでは、タイミングt616において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明する。タイミングt616における閾値Crefは、Cref3である。
When the count value of the
タイミングt616において、カウンタ114のカウント値が、閾値Crefに達すると、制御部115は、制御信号CTRLをLowレベルにする。制御信号CTRLがLowレベルになると、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタはOFF状態となる。
At timing t616, when the count value of the
タイミングt617において、ノードPLSaの電位が、SPAD111の降伏電圧Vbr以下となる。ノードPLSaの電位が、SPAD111の降伏電圧Vbr以下になると、SPAD111の動作モードは非ガイガーモードとなる。非ガイガーモードにおいては、SPAD111に光子が入射しても、アバランシェ電流は生じない。カウンタ114は、カウント値としてCref3を保持し続ける。
At timing t617, the potential of the node PLSa becomes equal to or lower than the breakdown voltage Vbr of the
タイミングt618において、タイミングジェネレータ102は、転送信号WRTをHighレベルにする。転送信号WRTがHighレベルになると、転送スイッチ116がON状態となり、タイミングt618におけるカウンタ114のカウント値が、画素メモリ117に書き込まれる。カウンタ114のカウント値がCref3となっているため、画素メモリ117には、Cref3を示すデータが書き込まれる。
At timing t618, the
なお、ここでは、タイミングt618よりも前のタイミングt616において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明した。しかし、カウンタ114のカウント値が、タイミングt618においても閾値Cref未満である場合には、以下のようになる。即ち、かかる場合には、タイミングt618に至るまで、カウンタ114によるパルス信号PLSのカウントが継続される。そして、タイミングt618におけるカウンタ114のカウント値が、タイミングt618において画素メモリ117に書き込まれる。
Here, the case where the count value of the
タイミングt620からタイミングt630までの期間においては、第m+1番目のフレームFRAMEm+1の取得が行われるとともに、第m番目のフレームFRAMEmの画素信号値の読み出しが行われる。ここでは、タイミングt622において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明する。第m番目のフレームFRAMEmの画素信号値の読み出しについては、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
タイミングt620からタイミングt621までの期間においては、制御部115は、閾値Crefの値をCref0に設定する。ここでは、タイミングt621よりも前の段階において、カウンタ114のカウンタ値がCref0に達しない場合を例に説明する。
During the period from timing t620 to timing t630, the (m+1)th frame FRAMEm+1 is acquired and the pixel signal values of the mth frame FRAMEm are read. Here, a case where the count value of the
During the period from timing t620 to timing t621, the
タイミングt621において、制御部115は、閾値CrefをCref0からCref1に変化させる。ここでは、Cref1からCref2に閾値Crefが切り替えられるタイミングt623よりも前のタイミングt622において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明する。
At timing t621, the
タイミングt622において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達すると、制御部115は、以下のように動作する。即ち、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した場合には、制御部115は、制御信号CTRLをLowレベルにし、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタをOFF状態にする。また、制御部115は、当該カウンタ114のカウント値をCref3に設定する。カウンタ114は、制御部115によって設定されたCref3をカウント値として維持する。そして、タイミングt624において、カウンタ114のカウント値、即ち、Cref3が画素メモリ117に書き込まれる。
At timing t622, when the count value of the
このように、本実施形態によれば、経過時間に応じて閾値Crefを徐々に増加させるため、多数の光子が入射する画素110においては、比較的早い段階でカウンタ114のカウンタ値が閾値Crefに達し、アバランシェ電流が流れなくなる。このため、本実施形態によれば、消費電力の更なる抑制を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, since the threshold Cref is gradually increased according to the elapsed time, the counter value of the
[第4実施形態]
第4実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法について図7を用いて説明する。図1乃至図6に示す第1乃至第3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又は簡潔にする。
[Fourth embodiment]
A solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those of the solid-state imaging devices according to the first to third embodiments shown in FIGS.
本実施形態による固体撮像素子の構成は、第2実施形態による固体撮像素子500の構成と同様とすることができる。ここでは、本実施形態による固体撮像素子の構成が、第2実施形態による固体撮像素子500(図5参照)と同様である場合を例として説明する。但し、本実施形態では、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した場合に、当該画素に備えられたSPAD111に印加する電圧Vresの大きさを、SPAD111の降伏電圧Vbrより少し小さい電圧にするものである。SPAD111の降伏電圧Vbrは例えば+19Vとし、バイアス電圧Vbiasは例えば+20Vとして、電圧Vresは例えば+18Vとすることができるが、これらに限定されるものではない。
The configuration of the solid-state imaging device according to this embodiment can be the same as the configuration of the solid-
図7は、本実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、複数の画素110のうちの画素110aの動作に着目して説明する。図7には、動画像を構成する複数のフレームのうちの2つのフレームに対応するタイミングチャートが示されている。タイミングt710からタイミングt720までの期間は、第m番目のフレームFRAMEmに対応している。タイミングt720からタイミングt730までの期間は、第m+1番目のフレームFRAMEm+1に対応している。
FIG. 7 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device according to this embodiment. Here, the operation of the pixel 110a among the plurality of
まず、タイミングt710において、同期信号(同期パルス)VDがHighレベルになると、制御部515は、制御信号CTRL2をHighレベルにする。制御信号CTRL2がHighレベルになると、クエンチ素子512を構成するMOSトランジスタのドレイン端子には、バイアス電圧Vbiasが印加される。バイアス電圧Vbiasは、上述したように、例えば+20Vである。
First, at timing t710, when the synchronization signal (synchronization pulse) VD becomes High level, the
タイミングt711において、ノードPLSaの電圧がバイアス電圧Vbiasに達すると、SPAD111は、ガイガーモードで動作することが可能となる。
タイミングt712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。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、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のカウントを開始する。
At timing t711, when the voltage of the node PLSa reaches the bias voltage Vbias, the
At timing t712, the
タイミングt712からタイミングt715までの期間が、第m番目のフレームFRAMEmの光子検出期間であり、当該光子検出期間内に各々の画素110において検出された光子の数が第m番目のフレームFRAMEmにおける画素信号値となる。ここでは、タイミングt713において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明する。
The period from timing t712 to timing t715 is the photon detection period of the m-th frame FRAMEm, and the number of photons detected in each
タイミングt713において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達すると、制御部515は、制御信号CTRL2をLowレベルにする。制御信号CTRL2がLowレベルになると、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタのドレインには、電圧Vresが印加される。電圧Vresは、上述したように、例えば+18Vである。
At timing t713, when the count value of the
タイミングt714において、ノードPLSaの電位が、SPAD111の降伏電圧Vbr以下となると、SPAD111の動作モードは非ガイガーモードとなる。非ガイガーモードにおいては、SPAD111に光子が入射しても、アバランシェ電流は生じない。カウンタ114は、カウント値として閾値Crefを保持し続ける。
At timing t714, when the potential of the node PLSa becomes lower than the breakdown voltage Vbr of the
タイミングt715において、タイミングジェネレータ102は、転送信号WRTをHighレベルにする。転送信号WRTがHighレベルになると、転送スイッチ116がON状態となり、タイミングt715におけるカウンタ114のカウント値が、画素メモリ117に書き込まれる。カウンタ114のカウント値が閾値Crefとなっているため、画素メモリ117には、閾値Crefを示すデータが書き込まれる。
At timing t715, the
なお、ここでは、タイミングt715よりも前のタイミングt713において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達する場合を例に説明した。しかし、カウンタ114のカウント値が、タイミングt715においても閾値Cref未満である場合には、以下のようになる。即ち、かかる場合には、タイミングt715に至るまで、カウンタ114によるパルス信号PLSのカウントが継続される。そして、タイミングt715におけるカウンタ114のカウント値が、タイミングt715において画素メモリ117に書き込まれる。
Here, the case where the count value of the
タイミングt720からタイミングt730までの期間においては、第m+1番目のフレームFRAMEm+1の取得が行われるとともに、第m番目のフレームFRAMEmの画素信号値の読み出しが行われる。第m+1番目のフレームFRAMEm+1の取得については、第m番目のフレームFRAMEmの取得と同様であるため、説明を省略する。 During the period from timing t720 to timing t730, the (m+1)th frame FRAMEm+1 is acquired and the pixel signal values of the mth frame FRAMEm are read. Acquisition of the (m+1)th frame FRAMEm+1 is the same as acquisition of the mth frame FRAMEm, and thus description thereof is omitted.
このように、本実施形態では、タイミングt715よりも前のタイミングt713において、カウンタ114のカウント値が閾値Crefに達した場合には、制御部115は制御信号CTRL2をLowレベルにする。制御信号CTRL2がLowレベルになると、クエンチ素子112を構成するMOSトランジスタのドレインには、電圧Vresが印加される。電圧Vresは、上述したように、SPAD111の降伏電圧Vbrより小さい電圧である。このため、SPAD111の動作モードは、非ガイガーモードとなる。このため、多数の光子が画素110に入射した場合であっても、アバランシェ電流が大量に流れるのを防止することができ、本実施形態においても、消費電流の増大を防止することができる。
As described above, in the present embodiment, when the count value of the
更に、本実施形態では、SPAD111を非ガイガーモードにする際に印加される電圧Vresを降伏電圧Vbrより少し小さい電圧Vresとする。このため、本実施形態によれば、非ガイガーモードからガイガーモードへの切り替えに要する時間が短縮される。即ち、本実施形態では、ノードPLSaの電位がタイミングt710において比較的高い電圧Vresに保持されている。このため、本実施形態によれば、ノードPLSaの電圧がバイアス電圧Vbiasに達するまでの期間、即ち、タイミングt710からタイミングt711までの期間を短縮することができる。
Furthermore, in this embodiment, the voltage Vres applied when the
このように、本実施形態によれば、SPAD111がガイガーモードで安定して動作し得るようにするための期間、即ち、タイミングt710からタイミングt712までの期間を短縮することが可能となる。
Thus, according to this embodiment, it is possible to shorten the period for allowing the
[変形実施形態]
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、複数の画素の各々にカウンタ114,制御部115,画素メモリ117等が備え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。例えば、互いに隣接する画素において、これらが共有されるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、カウンタ114のカウント値が閾値に達した場合に、SPAD111にアバランシェ電流が流れなくなるように制御を行う場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。カウンタ114のカウント値が閾値に達した場合に、SPAD111に流れる電流を制限するようにしてもよい。例えば、電流を制限するための素子をSPAD111のアノード側又はカソード側に配し、カウンタ114のカウント値が閾値に達した際に、当該素子によって電流の制限を行うようにしてもよい。
[Modified embodiment]
Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist.
For example, in the above embodiment, the case where each of the plurality of pixels is provided with the
Further, in the above embodiment, the case where control is performed so that the avalanche current does not flow to the
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサ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。 The present invention supplies a program that implements one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in the computer of the system or apparatus reads and executes the program. It can also be realized by processing to It can also be implemented by a circuit (for example, ASIC) that implements one or more functions.
100…固体撮像素子
102…タイミングジェネレータ
110…画素
111…SPAD
112…クエンチ素子
113…インバータ
114…カウンタ
115…制御部
116…転送スイッチ
117…画素メモリ部
118…読み出しスイッチ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記センサ部から発せられるパルスの数をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値が閾値未満である場合には、前記アバランシェフォトダイオードに接続されたクエンチ素子を構成するトランジスタをON状態とするように制御を行い、前記カウンタのカウント値が前記閾値に達した場合には、前記トランジスタをOFF状態とするように制御を行う制御部と
を備えることを特徴とする固体撮像素子。 a plurality of pixels each provided with a sensor unit that includes an avalanche photodiode and emits a pulse at a frequency corresponding to the frequency of photon reception;
a counter that counts the number of pulses emitted from the sensor unit;
When the count value of the counter is less than the threshold value, control is performed so that the transistor constituting the quench element connected to the avalanche photodiode is turned on, and the count value of the counter reaches the threshold value. A solid-state imaging device, comprising: a controller for controlling the transistor to be in an OFF state in a case where the transistor is in an OFF state .
前記センサ部から発せられるパルスの数をカウントするカウンタと、 a counter that counts the number of pulses emitted from the sensor unit;
前記カウンタのカウント値が閾値未満である場合には、前記アバランシェフォトダイオードに対して第1の電圧が印加されるように制御を行い、前記カウンタのカウント値が前記閾値に達した場合には、前記アバランシェフォトダイオードに対して前記第1の電圧より低い第2の電圧が印加されるように制御を行う制御部と When the count value of the counter is less than the threshold value, control is performed so that a first voltage is applied to the avalanche photodiode, and when the count value of the counter reaches the threshold value, a control unit for controlling a second voltage lower than the first voltage to be applied to the avalanche photodiode;
を備え、with
前記第2の電圧は、接地電圧であることを特徴とする固体撮像素子。 A solid-state imaging device, wherein the second voltage is a ground voltage.
前記第1の値より低い第2の値に前記閾値が設定された状態で、前記カウンタのカウント値が前記閾値に達した場合には、前記カウンタのカウント値を前記第1の値に設定することを特徴とする請求項7に記載の固体撮像素子。 the threshold eventually increases to a first value over time;
setting the count value of the counter to the first value when the count value of the counter reaches the threshold value in a state where the threshold value is set to a second value lower than the first value; 8. The solid-state imaging device according to claim 7 , characterized by:
前記固体撮像素子から出力される画像に対して所定の処理を行う処理部と
を有することを特徴とする撮像装置。 A plurality of pixels each provided with a sensor unit that includes an avalanche photodiode and emits a pulse at a frequency corresponding to the frequency of photon reception, a counter that counts the number of pulses emitted from the sensor unit, and a count value of the counter is less than the threshold, the transistor constituting the quench element connected to the avalanche photodiode is controlled to be turned on, and when the count value of the counter reaches the threshold, the A solid-state imaging device comprising a control unit that controls the transistor to be in an OFF state ;
and a processing unit that performs predetermined processing on an image output from the solid-state imaging device.
を備え、前記第2の電圧は、接地電圧である、固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される画像に対して所定の処理を行う処理部と
を有することを特徴とする撮像装置。 A plurality of pixels each provided with a sensor unit that includes an avalanche photodiode and emits a pulse at a frequency corresponding to the frequency of photon reception, a counter that counts the number of pulses emitted from the sensor unit, and a count value of the counter is less than the threshold, control is performed to apply a first voltage to the avalanche photodiode, and when the count value of the counter reaches the threshold, the avalanche photodiode a control unit that controls so that a second voltage lower than the first voltage is applied to the
wherein the second voltage is a ground voltage, a solid-state imaging device;
and a processing unit that performs predetermined processing on an image output from the solid-state imaging device.
前記カウンタのカウント値が前記閾値に達した場合に、前記トランジスタをOFF状態とするように制御を行うステップと
を有することを特徴とする撮像方法。 When the count value of a counter that counts the number of pulses emitted from a sensor unit that includes an avalanche photodiode and emits pulses at a frequency corresponding to the frequency of photon reception is less than a threshold value, the counter is connected to the avalanche photodiode. a step of controlling to turn on the transistor constituting the quench element ;
and controlling the transistor to be in an OFF state when the count value of the counter reaches the threshold value.
前記カウンタのカウント値が前記閾値に達した場合に、前記アバランシェフォトダイオードに対して前記第1の電圧より低い第2の電圧が印加されるように制御を行うステップと
を有し、
前記第2の電圧は、接地電圧である
ことを特徴とする撮像方法。 When the count value of a counter that counts the number of pulses emitted from a sensor unit that includes an avalanche photodiode and emits pulses at a frequency corresponding to the frequency of photon reception is less than a threshold value, the avalanche photodiode receives a first a step of controlling to apply a voltage of
controlling a second voltage lower than the first voltage to be applied to the avalanche photodiode when the count value of the counter reaches the threshold ;
has
the second voltage is a ground voltage
An imaging method characterized by:
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