JP7132799B2 - Imaging device, imaging device, and imaging method - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子、撮像装置及び撮像方法に関する。 The present invention relates to an imaging element, an imaging apparatus, and an imaging method.

半導体を用いたイメージセンサとして、CCDイメージセンサ及びCMOSイメージセンサが広く知られている。CCDイメージセンサ及びCMOSイメージセンサは、露光期間中に画素に入射される光をフォトダイオードによって電荷に変換し、電荷に応じた信号を出力する。 CCD image sensors and CMOS image sensors are widely known as image sensors using semiconductors. A CCD image sensor and a CMOS image sensor convert light incident on a pixel during an exposure period into an electric charge using a photodiode, and output a signal corresponding to the electric charge.

近年では、露光期間中にフォトダイオードに入射するフォトン(光子)の数をカウントし、フォトンのカウント値を信号値として出力するフォトンカウンティング方式のイメージセンサが提案されている。例えば、特許文献1には、アバランシェフォトダイオードと、カウンタとが用いられた固体撮像装置が開示されている。アバランシェフォトダイオードに、降伏電圧より大きい逆バイアス電圧を印加すると、単一フォトンの入射によって生成されるキャリアがアバランシェ増倍を生じさせ、大きな電流が当該アバランシェフォトダイオードに流れる。単一フォトンの入射に応じたパルス信号を、カウンタによってカウントすることによって、単一フォトンの数に応じた信号を得ることができる。フォトンカウンティング方式のイメージセンサは、フォトダイオードに入射したフォトンの数をそのまま信号値として用いるため、CCDイメージセンサ及びCMOSイメージセンサと比較して、ノイズの影響を受けにくい。このため、フォトンカウンティング方式のイメージセンサは、微弱な光環境においても良好な画像を得ることが可能である。 In recent years, there has been proposed a photon counting type image sensor that counts the number of photons incident on a photodiode during an exposure period and outputs the photon count value as a signal value. For example, Patent Literature 1 discloses a solid-state imaging device using an avalanche photodiode and a counter. When a reverse bias voltage higher than the breakdown voltage is applied to the avalanche photodiode, carriers generated by incident single photons cause avalanche multiplication and a large current flows through the avalanche photodiode. A signal corresponding to the number of single photons can be obtained by counting the pulse signal corresponding to the incident single photons with a counter. Since the photon counting type image sensor uses the number of photons incident on the photodiode as a signal value as it is, it is less susceptible to noise than the CCD image sensor and the CMOS image sensor. Therefore, the photon-counting image sensor can obtain a good image even in a weak light environment.

特開昭61-152176号公報JP-A-61-152176

しかしながら、提案されている技術では、必ずしも階調の良好な画像が得られないことが懸念される。 However, there is a concern that the proposed technique does not always provide an image with good gradation.

本発明の目的は、階調の良好な画像を取得し得る撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an imaging element, an imaging apparatus, and an imaging method capable of obtaining an image with good gradation.

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センサ部と、前記センサ部から発せられる信号のパルス数をカウントするカウンタと、がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタによるカウント値が第1の閾値に達したかどうかを検出する検出部と、前記検出部が前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタによるカウント値が前記第1の閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素の各画素ごとに前記カウント値に基づく信号を積算する積算部と、を備えことを特徴とする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 section that emits pulses at a frequency corresponding to the frequency of photon reception and a counter that counts the number of pulses of the signal emitted from the sensor section. a detection unit for detecting whether the count value of the counter provided in one of the plurality of pixels reaches a first threshold value; and the detection unit provided in one of the plurality of pixels. an integrator that integrates a signal based on the count value for each of the plurality of pixels when it is detected that the count value of the counter reaches the first threshold value. An imaging device is provided.

本発明によれば、階調の良好な画像を取得し得る撮像素子、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 an imaging element, an imaging apparatus, and an imaging method capable of obtaining an image with good gradation.

第1実施形態による撮像装置を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an imaging device according to a first embodiment; FIG. 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に備えられた単位画素を示す図である。It is a figure which shows the unit pixel with which the solid-state image sensor by 1st Embodiment was equipped. センサ部の動作を示す図である。It is a figure which shows operation|movement of a sensor part. 第1実施形態による固体撮像素子のレイアウトの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the layout of 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。4 is a timing chart showing an example of operation of the solid-state imaging device according to the first 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2実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。It is a figure which shows the unit pixel with which the solid-state image sensor by 2nd Embodiment was equipped. 第2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。9 is a timing chart showing an example of operation of the solid-state imaging device according to the second 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 by 3rd Embodiment. 第3実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。It is a figure which shows the unit pixel with which the solid-state image sensor by 3rd Embodiment was equipped. 第4実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。It is a figure which shows the unit pixel with which the solid-state image sensor by 4th Embodiment was equipped. 第5実施形態による撮像装置を示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing an imaging device according to a fifth embodiment; FIG. 第5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 5th Embodiment. 第5実施形態による測光部の測光エリアの例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of a photometry area of a photometry unit according to the fifth embodiment; 第5実施形態による固体撮像素子によって取得される画像の例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of an image acquired by a solid-state imaging device according to the fifth embodiment; FIG. 第5実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートである。FIG. 16 is a flow chart showing the flow of control of the imaging device according to the fifth embodiment; FIG. 第5実施形態による撮像装置の別の制御の流れを表すフローチャートである。FIG. 16 is a flow chart showing another control flow of the imaging device according to the fifth embodiment; FIG. 第6実施形態による撮像装置を示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing an imaging device according to a sixth embodiment; FIG. 第6実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートである。FIG. 16 is a flow chart showing the flow of control of the imaging device according to the sixth embodiment; FIG. 第6実施形態による撮像装置の別の制御の流れを表すフローチャートである。FIG. 16 is a flow chart showing another control flow of the imaging device according to the sixth embodiment; FIG. 第6実施形態による撮像装置のさらに別の制御の流れを表すフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart showing yet another control flow of the imaging device according to the sixth embodiment; FIG. 第7実施形態による撮像装置を示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing an imaging device according to a seventh embodiment; FIG. 第7実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートである。FIG. 16 is a flow chart showing the flow of control of the imaging device according to the seventh embodiment; FIG. 第8実施形態による撮像装置を示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing an imaging device according to an eighth embodiment; FIG. 第8実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートである。FIG. 16 is a flow chart showing the flow of control of the imaging device according to the eighth embodiment; FIG.

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6を用いて説明する。図1は、本実施形態による撮像装置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120は、固体撮像素子100と、信号処理部101と、レンズ駆動部103と、制御部104と、メモリ部105と、表示部106と、記録部107と、操作部108とを備えている。また、撮像装置120には、撮影レンズ(撮像光学系、レンズユニット)102が備えられる。撮影レンズ102は、撮像装置120のボディ(本体)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]
A solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. FIG. 1 is a block diagram showing an imaging device according to this embodiment. As shown in FIG. 1, an imaging device 120 according to this embodiment includes a solid-state imaging device 100, a signal processing unit 101, a lens driving unit 103, a control unit 104, a memory unit 105, a display unit 106, and a recording unit. A unit 107 and an operation unit 108 are provided. The imaging device 120 also includes a photographing lens (imaging optical system, lens unit) 102 . The imaging lens 102 may be detachable from the body (main body) of the imaging device 120, or may be non-detachable.

固体撮像素子100は、撮影レンズ102によって形成される被写体の光学像を光電変換することによって撮像信号を生成し、生成した撮像信号を出力する。固体撮像素子100に備えられた単位画素201(図2参照)には、フォトダイオード303(図3参照)とカウンタ306(図3参照)とが備えられており、入射したフォトンの数をカウントして信号値として出力し得る。また、本実施形態では、カウンタ306のカウント値が露光期間中に飽和しないようになっている。この点の詳細については、図2及び図3を用いて後述する。 The solid-state imaging device 100 generates an imaging signal by photoelectrically converting an optical image of a subject formed by the imaging lens 102, and outputs the generated imaging signal. A unit pixel 201 (see FIG. 2) provided in the solid-state imaging device 100 is provided with a photodiode 303 (see FIG. 3) and a counter 306 (see FIG. 3) to count the number of incident photons. can be output as a signal value. Also, in this embodiment, the count value of the counter 306 is not saturated during the exposure period. Details of this point will be described later with reference to FIGS.

撮影レンズ102は、被写体の光学像を固体撮像素子100の撮像面に結像させる。レンズ駆動部103は、撮影レンズ102を駆動するものであり、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御等を行う。撮影レンズ102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の撮像面に入射させる。 The imaging lens 102 forms an optical image of a subject on the imaging surface of the solid-state imaging device 100 . A lens drive unit 103 drives the photographing lens 102, and performs zoom control, focus control, aperture control, and the like. The photographing lens 102 forms an optical image of a subject and causes the formed optical image to enter the imaging surface of the solid-state imaging device 100 .

信号処理部101は、固体撮像素子100から出力される画像信号(画像データ)に対して補正処理等の所定の信号処理(画像処理)等を行う。 The signal processing unit 101 performs predetermined signal processing (image processing) such as correction processing on an image signal (image data) output from the solid-state imaging device 100 .

制御部(全体制御・演算部、制御手段)104は、撮像装置120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104は、撮像装置120の各機能ブロックを駆動するための制御信号や、固体撮像素子100を制御するための制御データ等を出力する。制御部104は、信号処理部101によって信号処理等が施された撮像信号に対して、現像や圧縮等の所定の信号処理(画像処理)等を行う。 A control unit (overall control/calculation unit, control means) 104 controls the entire imaging device 120 and performs predetermined calculation processing and the like. The control unit 104 outputs control signals for driving each functional block of the imaging device 120, control data for controlling the solid-state imaging device 100, and the like. The control unit 104 performs predetermined signal processing (image processing) such as development and compression on the imaging signal that has been subjected to signal processing by the signal processing unit 101 .

メモリ部105は画像データ等を一時的に記憶する。 A memory unit 105 temporarily stores image data and the like.

表示部106は、制御部104によって信号処理等が施された撮像信号や、撮像装置120の各種設定情報等を表示する。 A display unit 106 displays an imaging signal subjected to signal processing by the control unit 104, various setting information of the imaging apparatus 120, and the like.

記録部(記録制御部)107には、不図示の記録媒体が備えられる。かかる記録媒体は、記録部107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107は、制御部104によって信号処理等が施された撮像信号等を記録媒体に記録する。かかる記録媒体としては、例えばフラッシュメモリ等の半導体メモリ等が挙げられる。 A recording unit (recording control unit) 107 is provided with a recording medium (not shown). Such a recording medium may be removable from the recording unit 107 or may be non-removable. A recording unit 107 records an imaging signal or the like subjected to signal processing or the like by the control unit 104 on a recording medium. Examples of such recording media include semiconductor memories such as flash memories.

操作部108は、撮影モードや蓄積期間等の設定を行うためのものであり、ユーザからの操作入力を受け付ける。操作部108は、例えば、ボタン、ダイヤル等によって構成されている。なお、表示部106がタッチパネルである場合には、当該タッチパネルも操作部108に該当する。 An operation unit 108 is used to set an imaging mode, an accumulation period, and the like, and accepts operation inputs from the user. The operation unit 108 is composed of buttons, dials, and the like, for example. Note that when the display unit 106 is a touch panel, the touch panel also corresponds to the operation unit 108 .

図2は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。図2に示すように、固体撮像素子100は、画素アレイ200、垂直制御回路202、水平制御回路203、タイミングジェネレータ(TG)204、飽和検出部205、フレームメモリ206、加算回路207、及び、デジタル出力部208を備えている。 FIG. 2 is a diagram showing a solid-state imaging device according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the solid-state imaging device 100 includes a pixel array 200, a vertical control circuit 202, a horizontal control circuit 203, a timing generator (TG) 204, a saturation detection section 205, a frame memory 206, an addition circuit 207, and a digital An output unit 208 is provided.

画素アレイ(画素アレイ領域)200には、複数の単位画素(画素)201が行列状に配されている。ここでは、説明を簡単にするために、4×4の単位画素201の配列が図示されているが、実際には、多数の単位画素201が画素アレイ200に配されている。単位画素201は、当該単位画素201に入射したフォトンをカウントし、カウントによって得られたデジタルの信号を出力することが可能である。この点の詳細については、図3を用いて後述する。 A plurality of unit pixels (pixels) 201 are arranged in a matrix in a pixel array (pixel array region) 200 . Although the arrangement of 4×4 unit pixels 201 is shown here for the sake of simplicity of explanation, in reality, a large number of unit pixels 201 are arranged in the pixel array 200 . The unit pixel 201 can count photons incident on the unit pixel 201 and output a digital signal obtained by counting. Details of this point will be described later with reference to FIG.

飽和検出部205は、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素201のうちのいずれかにおいてフォトンのカウント値が露光期間中に所定の閾値Cthに達したことを検出する。複数の単位画素201のうちのいずれかにおいてフォトンのカウント値が閾値Cthに達したことを検出すると、飽和検出部205は、その旨を示す情報をタイミングジェネレータ204に供給する。 The saturation detection unit 205 detects that the photon count value reaches a predetermined threshold value Cth during the exposure period in any one of the plurality of unit pixels 201 provided in the pixel array 200 . Upon detecting that the photon count value has reached the threshold value Cth in any one of the plurality of unit pixels 201 , the saturation detection unit 205 supplies information to that effect to the timing generator 204 .

フォトンのカウント値が閾値Cthに達した単位画素201は、フォトンのカウント値が閾値Cthに達したことを示す信号である閾値到達信号PSAT(図3参照)を、配線212を介して飽和検出部205に出力する。閾値到達信号PSATは、行毎に備えられた共通の配線212を介して飽和検出部205に送信される。各々の配線212には、プルアップ抵抗211がそれぞれ接続されている。プルアップ抵抗211の一端は配線212に接続されており、プルアップ抵抗211の他端は電源電圧VDDに接続されている。 The unit pixel 201 whose photon count value has reached the threshold value Cth sends a threshold reaching signal PSAT (see FIG. 3), which is a signal indicating that the photon count value has reached the threshold value Cth, to the saturation detection unit via the wiring 212 . 205. The threshold reaching signal PSAT is transmitted to the saturation detector 205 via a common wiring 212 provided for each row. A pull-up resistor 211 is connected to each wiring 212 . One end of the pull-up resistor 211 is connected to the wiring 212, and the other end of the pull-up resistor 211 is connected to the power supply voltage VDD.

なお、ここでは、行毎に備えられた共通の配線212を介して閾値到達信号PSATが飽和検出部205に出力され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、列毎に備えられた共通の配線を介して閾値到達信号PSATが飽和検出部205に送信されるようにしてもよい。また、全ての単位画素201に対して共通に備えられた配線を介して閾値到達信号PSATが飽和検出部205に出力されるようにしてもよい。 Although the case where the threshold reaching signal PSAT is output to the saturation detection unit 205 via the common wiring 212 provided for each row has been described as an example, the present invention is not limited to this. For example, the threshold reaching signal PSAT may be transmitted to the saturation detection section 205 via a common wiring provided for each column. Alternatively, the threshold reaching signal PSAT may be output to the saturation detection unit 205 via a common wiring for all the unit pixels 201 .

閾値到達信号PSATが露光期間中に飽和検出部205に供給されると、飽和検出部205は当該閾値到達信号PSATを検出し、閾値到達信号PSATを検出したことを示す信号をタイミングジェネレータ204に送信する。タイミングジェネレータ204は、閾値到達信号PSATが検出されたことを示す信号を飽和検出部205から受け取ると、各々の単位画素201から画素信号を出力させるための制御信号を、垂直制御回路202及び水平制御回路203に対して供給する。なお、タイミングジェネレータ204は、不図示の配線を介して、フレームメモリ206、加算回路207、デジタル出力部208に、制御信号をそれぞれ供給する。 When the threshold reaching signal PSAT is supplied to the saturation detecting unit 205 during the exposure period, the saturation detecting unit 205 detects the threshold reaching signal PSAT and transmits to the timing generator 204 a signal indicating that the threshold reaching signal PSAT has been detected. do. When the timing generator 204 receives a signal indicating that the threshold reaching signal PSAT has been detected from the saturation detection unit 205 , the timing generator 204 outputs a control signal for outputting a pixel signal from each unit pixel 201 to the vertical control circuit 202 and the horizontal control circuit 202 . It is supplied to circuit 203 . Note that the timing generator 204 supplies control signals to the frame memory 206, the adder circuit 207, and the digital output unit 208 via wiring (not shown).

垂直制御回路202は、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素201をスイッチ209によって行単位で選択する。また、垂直制御回路202は、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素201に対して、不図示の配線を介して行毎に制御信号を供給する。制御信号の詳細については、図3を用いて後述する。 The vertical control circuit 202 selects a plurality of unit pixels 201 provided in the pixel array 200 row by row using a switch 209 . Further, the vertical control circuit 202 supplies a control signal to each of the plurality of unit pixels 201 provided in the pixel array 200 via wiring (not shown). Details of the control signal will be described later with reference to FIG.

水平制御回路203は、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素201をスイッチ210によって列単位で選択する。 The horizontal control circuit 203 selects a plurality of unit pixels 201 provided in the pixel array 200 by a switch 210 in units of columns.

垂直制御回路202と水平制御回路203との組み合わせによって順次選択される単位画素201からの画素信号が、フレームメモリ206に保持される。 Pixel signals from the unit pixels 201 sequentially selected by the combination of the vertical control circuit 202 and the horizontal control circuit 203 are held in the frame memory 206 .

フレームメモリ206は、各々の単位画素201から出力されるデジタルの画素信号を保持する。フレームメモリ206は、一時メモリ領域206aと積算メモリ領域206bとを備えている。 A frame memory 206 holds a digital pixel signal output from each unit pixel 201 . The frame memory 206 comprises a temporary memory area 206a and an accumulation memory area 206b.

一時メモリ領域206aは、各々の単位画素201から出力されるデジタルの画素信号を一時的に保持する。積算メモリ領域206bは、露光期間中に一時メモリ領域206aに保持された画素信号を同一アドレス毎(同一画素毎)に積算し、積算により得られた画素信号を保持する。一時メモリ領域206aに保持される画素信号(データ)のビット幅は、単位画素201から出力されるデジタルの画素信号のビット幅と同等とすることができる。一方、積算メモリ領域206bに保持される画素信号のビット幅は、単位画素201から出力されるデジタルの画素信号のビット幅に対して十分に大きい。 The temporary memory area 206 a temporarily holds the digital pixel signal output from each unit pixel 201 . The accumulation memory area 206b accumulates the pixel signals held in the temporary memory area 206a during the exposure period for each same address (for each same pixel), and holds the pixel signal obtained by the accumulation. The bit width of the pixel signal (data) held in the temporary memory area 206 a can be made equal to the bit width of the digital pixel signal output from the unit pixel 201 . On the other hand, the bit width of the pixel signal held in the integration memory area 206b is sufficiently larger than the bit width of the digital pixel signal output from the unit pixel 201 .

加算回路207は、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持されている画素信号と、フレームメモリ206の一時メモリ領域206aに新たに保持された画素信号とを加算する。加算回路207は、このような加算処理を同一アドレス毎(同一画素毎)に行う。加算回路207によって行われる加算によって得られる画素信号は、積算メモリ領域206bに保持される。こうして、積算メモリ領域206bに保持される画素信号が更新される。 The adder circuit 207 adds the pixel signal held in the integration memory area 206b of the frame memory 206 and the pixel signal newly held in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 . The addition circuit 207 performs such addition processing for each same address (for each same pixel). A pixel signal obtained by the addition performed by the addition circuit 207 is held in the integration memory area 206b. Thus, the pixel signal held in the integration memory area 206b is updated.

デジタル出力部208は、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持された画素信号(画像信号、撮像信号)を固体撮像素子100の外部に出力する。 The digital output unit 208 outputs the pixel signal (image signal, imaging signal) held in the integration memory area 206b of the frame memory 206 to the outside of the solid-state imaging device 100. FIG.

なお、ここでは、フレームメモリ206及び加算回路207が固体撮像素子100に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。フレームメモリ206及び加算回路207を固体撮像素子100の外部に設けるようにしてもよい。 Here, the case where the frame memory 206 and the adder circuit 207 are provided in the solid-state imaging device 100 has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The frame memory 206 and the adder circuit 207 may be provided outside the solid-state imaging device 100 .

図3は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。図3に示すように、単位画素201には、センサ部(受光部)301と、計数部302とが備えられている。センサ部301には、フォトダイオード303と、クエンチ抵抗304と、反転バッファ305とが備えられている。フォトダイオード303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303のアノードは接地電位に接続されており、フォトダイオード303のカソードはクエンチ抵抗304の一端に接続されている。クエンチ抵抗304の他端にはバイアス電圧(逆バイアス電圧)Vbiasが印加される。フォトダイオード303には、クエンチ抵抗304を介してフォトダイオード303の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303は、ガイガーモードで動作する。即ち、フォトダイオード303に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、クエンチ抵抗304において電圧降下が生ずる。クエンチ抵抗304は、フォトダイオード303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。クエンチ抵抗304は、トランジスタの抵抗成分を利用して構成し得る。フォトダイオード303において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、クエンチ抵抗304において電圧降下が生じ、フォトダイオード303に印加される逆バイアス電圧が降下する。逆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、フォトダイオード303には、再びバイアス電圧Vbiasが印加される。反転バッファ305は、クエンチ抵抗304で発生した電圧変化をパルス信号PLSとして取り出すために設けられる。フォトダイオード303に光子が入射すると、反転バッファ305からパルス信号PLSが出力される。このように、センサ部301からは、フォトンの受光頻度に応じた頻度でパルスが発せられる。 FIG. 3 is a diagram showing a unit pixel provided in the solid-state imaging device according to this embodiment. As shown in FIG. 3 , the unit pixel 201 includes a sensor portion (light receiving portion) 301 and a counting portion 302 . The sensor section 301 includes a photodiode 303 , a quench resistor 304 and an inverting buffer 305 . Photodiode 303 is an avalanche photodiode. The anode of the photodiode 303 is connected to ground potential, and the cathode of the photodiode 303 is connected to one end of the quench resistor 304 . A bias voltage (reverse bias voltage) Vbias is applied to the other end of the quench resistor 304 . A bias voltage Vbias equal to or higher than the breakdown voltage of the photodiode 303 is applied to the photodiode 303 via the quench resistor 304 . Therefore, the photodiode 303 operates in Geiger mode. That is, when photons enter the photodiode 303, an avalanche multiplication phenomenon occurs. This causes an avalanche current and a voltage drop across quench resistor 304 . A quench resistor 304 is a resistive element for stopping the avalanche multiplication phenomenon of the photodiode 303 . The quench resistor 304 can be constructed using the resistive component of the transistor. When an avalanche current is generated in the photodiode 303 due to the avalanche multiplication phenomenon, a voltage drop occurs in the quench resistor 304 and the reverse bias voltage applied to the photodiode 303 drops. The avalanche multiplication phenomenon stops when the reverse bias voltage drops to the breakdown voltage. As a result, the avalanche current stops flowing, and the bias voltage Vbias is applied to the photodiode 303 again. An inverting buffer 305 is provided to extract the voltage change generated at the quench resistor 304 as a pulse signal PLS. When a photon is incident on the photodiode 303, the inverting buffer 305 outputs a pulse signal PLS. In this manner, the sensor unit 301 emits pulses at a frequency corresponding to the photon reception frequency.

ここで、センサ部301の動作について図4を用いて説明する。図4は、センサ部301の動作を示す図である。図4には、フォトダイオード303にフォトンが入射した際のカソード端子電圧Voutの時間変化と、反転バッファ305から出力されるパルス信号PLSの時間変化とが示されている。図4の横軸は時刻である。カソード端子電圧Voutは、フォトダイオード303に印加される逆バイアス電圧の大きさでもある。 Here, the operation of the sensor unit 301 will be described with reference to FIG. 4A and 4B are diagrams showing the operation of the sensor unit 301. FIG. FIG. 4 shows temporal changes in the cathode terminal voltage Vout when photons are incident on the photodiode 303 and temporal changes in the pulse signal PLS output from the inverting buffer 305 . The horizontal axis of FIG. 4 is time. The cathode terminal voltage Vout is also the magnitude of the reverse bias voltage applied to the photodiode 303 .

タイミングt401において、フォトダイオード303には、降伏電圧Vbr以上のバイアス電圧Vbiasが印加されている。このため、フォトダイオード303はガイガーモードで動作する。 At timing t401, the photodiode 303 is applied with a bias voltage Vbias equal to or higher than the breakdown voltage Vbr. Therefore, the photodiode 303 operates in Geiger mode.

タイミングt402において、フォトダイオード303にフォトンが入射すると、フォトダイオード303において生成されたキャリアが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生ずる。このアバランシェ電流によって、クエンチ抵抗304に接続されたフォトダイオード303のカソード端子電圧Voutが低下し始める。 At timing t402, when photons enter the photodiode 303, carriers generated in the photodiode 303 cause an avalanche multiplication phenomenon, resulting in an avalanche current. Due to this avalanche current, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 connected to the quench resistor 304 begins to drop.

タイミングt403において、フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutは、閾値Vthまで低下し、この後、フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutは更に低下し続ける。フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutが閾値Vthまで低下するタイミングt403において、反転バッファ305から出力されるパルス信号PLSはLレベルからHレベルに遷移する。 At timing t403, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 drops to the threshold Vth, and thereafter the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 continues to drop. At timing t403 when the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 drops to the threshold Vth, the pulse signal PLS output from the inverting buffer 305 transitions from L level to H level.

フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutは、タイミングt404において、降伏電圧Vbrまで低下する。フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutが降伏電圧Vbrまで低下すると、アバランシェ増倍現象が停止する。そうすると、バイアス電圧Vbiasを供給している電源からクエンチ抵抗304を介して再充電が行われるようになるため、フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutは上昇し始める。 The cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 drops to the breakdown voltage Vbr at timing t404. When the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 drops to the breakdown voltage Vbr, the avalanche multiplication phenomenon stops. Then, recharging is performed via the quench resistor 304 from the power supply supplying the bias voltage Vbias, so the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 begins to rise.

タイミングt405において、フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutは閾値Vthまで上昇する。フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutが閾値Vthに達するタイミングt405において、反転バッファ305から出力されるパルス信号PLSはHレベルからLレベルに遷移する。 At timing t405, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 rises to the threshold Vth. At timing t405 when the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 reaches the threshold Vth, the pulse signal PLS output from the inverting buffer 305 transitions from H level to L level.

この後、タイミングt406において、再充電が完了する。再充電が完了した段階では、フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutは、バイアス電圧Vbiasに戻っている。なお、再充電に要する時間は、クエンチ抵抗304の抵抗値と寄生容量とに依存する。このように、1回のフォトンの入射によって、パルス幅ΔTpの1つのパルス信号PLSがセンサ部301から出力される。 Thereafter, at timing t406, recharging is completed. At the stage when recharging is completed, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 has returned to the bias voltage Vbias. The time required for recharging depends on the resistance value of the quench resistor 304 and the parasitic capacitance. Thus, one pulse signal PLS having a pulse width ΔTp is output from the sensor section 301 by one incidence of photons.

図3に示すように、計数部302には、カウンタ(カウンタ回路)306と、画素メモリ307と、反転バッファ308とが備えられている。 As shown in FIG. 3 , the counting section 302 includes a counter (counter circuit) 306 , a pixel memory 307 and an inverting buffer 308 .

カウンタ306には、センサ部301にフォトンが入射することによって生ずるパルス信号PLSが入力され、カウンタ306はパルス信号PLSがLレベルからHレベルに変化した回数をパルス数としてカウントする。カウンタ306によるパルスのカウント値は、画素信号となる。カウンタ306には、パルスをカウントする状態とパルスをカウントしない状態とを切り替えるためのイネーブル制御端子ENが備えられている。また、カウンタ306には、カウンタ306をリセットするためのリセット端子RESが備えられている。カウンタ306のイネーブル制御端子ENには、垂直制御回路202からイネーブル信号PENが供給される。また、カウンタ306のリセット端子RESには、垂直制御回路202からリセット信号PRESが供給される。カウンタ306に供給されるイネーブル信号PENがHレベルの状態で、パルス信号PLSがLレベルからHレベルに変化すると、カウンタ306のカウント値は1つずつ増加する。イネーブル信号PENがLレベルの状態においては、パルス信号PLSがLレベルからHレベルに変化しても、カウンタ306のカウント値は増加しない。また、カウンタ306に供給されるリセット信号PRESがLレベルからHレベルに変化すると、カウンタ306のカウント値は0にリセットされる。 A pulse signal PLS generated by incident photons on the sensor unit 301 is input to the counter 306, and the counter 306 counts the number of times the pulse signal PLS changes from L level to H level as the number of pulses. A pulse count value by the counter 306 becomes a pixel signal. The counter 306 has an enable control terminal EN for switching between a pulse counting state and a pulse non-counting state. The counter 306 also has a reset terminal RES for resetting the counter 306 . An enable signal PEN is supplied from the vertical control circuit 202 to an enable control terminal EN of the counter 306 . A reset signal PRES is supplied from the vertical control circuit 202 to the reset terminal RES of the counter 306 . When the enable signal PEN supplied to the counter 306 is at H level and the pulse signal PLS changes from L level to H level, the count value of the counter 306 is incremented by one. When enable signal PEN is at the L level, the count value of counter 306 does not increase even if pulse signal PLS changes from the L level to the H level. Also, when the reset signal PRES supplied to the counter 306 changes from L level to H level, the count value of the counter 306 is reset to zero.

画素メモリ307は、カウンタ306によってカウントされた画素信号であるカウント値を一時的に保持する。画素メモリ307には、垂直制御回路202からラッチ信号PLATが供給される。ラッチ信号PLATがLレベルからHレベルに変化すると、画素メモリ307は、カウンタ306のカウント値を取り込み、取り込んだカウント値を保持する。画素メモリ307に取り込まれたカウント値は、画素信号として用いられる。 A pixel memory 307 temporarily holds a count value, which is a pixel signal counted by the counter 306 . A latch signal PLAT is supplied to the pixel memory 307 from the vertical control circuit 202 . When the latch signal PLAT changes from L level to H level, the pixel memory 307 fetches the count value of the counter 306 and holds the fetched count value. The count value taken into the pixel memory 307 is used as a pixel signal.

垂直制御回路202と水平制御回路203とによって選択される単位画素201の画素メモリ307に保持されているカウント値(画素信号)が、フレームメモリ206に送信される。 A count value (pixel signal) held in the pixel memory 307 of the unit pixel 201 selected by the vertical control circuit 202 and the horizontal control circuit 203 is transmitted to the frame memory 206 .

なお、本実施形態においては、イネーブル信号PEN、リセット信号PRES及びラッチ信号PLATは、画素アレイ200に備えられたすべての単位画素201に対して垂直制御回路202から同時に供給される。 Note that in the present embodiment, the enable signal PEN, reset signal PRES, and latch signal PLAT are simultaneously supplied from the vertical control circuit 202 to all the unit pixels 201 provided in the pixel array 200 .

カウンタ306は、不図示の比較回路を備えている。カウンタ306は、カウント値が所定の閾値Cth以上になった際には、カウント値が閾値Cth以上になったことを示す信号である閾値到達信号PSATをオープンドレイン出力の反転バッファ308を介して出力する。カウント値が閾値Cth未満の状態においては、カウンタ306から反転バッファ308を介して出力される閾値到達信号PSATはハイレベル(Hレベル)である。一方、カウント値が閾値Cth以上になると、カウンタ306から反転バッファ308を介して出力される閾値到達信号PSATはローレベル(Lレベル)となる。上述したように、同一行に位置する単位画素201から出力される閾値到達信号PSATは、共通の配線212を介して出力される。配線212は、プルアップ抵抗211によってプルアップされている。従って、各々の単位画素201から出力される閾値到達信号PSATは、ワイヤードOR接続された状態になっている。 The counter 306 has a comparison circuit (not shown). When the count value becomes equal to or greater than a predetermined threshold value Cth, the counter 306 outputs a threshold reaching signal PSAT, which is a signal indicating that the count value has become equal to or greater than the threshold value Cth, via an open-drain output inverting buffer 308 . do. When the count value is less than the threshold value Cth, the threshold reaching signal PSAT output from the counter 306 via the inverting buffer 308 is at high level (H level). On the other hand, when the count value reaches or exceeds the threshold value Cth, the threshold reaching signal PSAT output from the counter 306 via the inverting buffer 308 becomes low level (L level). As described above, the threshold reaching signals PSAT output from the unit pixels 201 located in the same row are output via the common wiring 212 . The wiring 212 is pulled up by a pull-up resistor 211 . Therefore, the threshold reaching signals PSAT output from the respective unit pixels 201 are in a state of wired OR connection.

同一行に位置する複数の単位画素201のうちのいずれにおいてもカウント値が閾値Cth未満である場合には、配線212を介して飽和検出部205に供給される閾値到達信号PSATはHレベルである。一方、同一行に位置する複数の単位画素201のうちのいずれかにおいてカウント値が閾値Cth以上になった場合には、配線212を介して飽和検出部205に供給される閾値到達信号PSATはLレベルとなる。飽和検出部205には、すべての行から閾値到達信号PSATが供給される。このため、飽和検出部205は、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素201のうちのいずれかにおいてカウント値が閾値Cth以上になったことを検出することができる。 When the count value is less than the threshold value Cth for any of the plurality of unit pixels 201 located in the same row, the threshold reaching signal PSAT supplied to the saturation detection unit 205 via the wiring 212 is at H level. . On the other hand, when the count value of any one of the plurality of unit pixels 201 located in the same row is equal to or greater than the threshold value Cth, the threshold reaching signal PSAT supplied to the saturation detection unit 205 via the wiring 212 is L. be the level. The saturation detection unit 205 is supplied with threshold reaching signals PSAT from all rows. Therefore, the saturation detection unit 205 can detect that the count value of any one of the plurality of unit pixels 201 provided in the pixel array 200 has reached or exceeded the threshold value Cth.

図5は、本実施形態による固体撮像素子100のレイアウトの例を示す図である。固体撮像素子100は、複数のセンサ部301が行列状に配されたセンサ部基板501と、複数の計数部302が行列状に配された計数部基板502と、フレームメモリ206が配されたフレームメモリ基板503とを積層させた構成となっている。センサ部基板501に備えられた電極(図示せず)と計数部基板502に備えられた電極(図示せず)とが、互いに電気的に接続されている。また、計数部基板502に備えられた電極(図示せず)とフレームメモリ基板503に備えられた電極(図示せず)とが、互いに電気的に接続されている。こうして、センサ部基板501に備えられたセンサ部301から出力されるパルス信号PLSが、計数部基板502に備えられた計数部302に入力されるようになっている。計数部基板502には、垂直制御回路202、水平制御回路203、タイミングジェネレータ204、及び、飽和検出部205が備えられている。フレームメモリ基板503には、フレームメモリ206、加算回路207、及び、デジタル出力部208が備えられている。センサ部301と計数部302とが別個の基板に備えられているため、センサ部301の面積を広く確保することができる。また、フレームメモリ基板503をセンサ部基板501及び計数部基板502よりも微細なプロセスで製造すれば、フレームメモリ206には十分に大きなビット幅のデータを記録し得る。なお、固体撮像素子100の構成は、上記のような構成に限定されるものではない。例えば、同一の基板にセンサ部301と計数部302とを備えるようにしてもよい。 FIG. 5 is a diagram showing an example layout of the solid-state imaging device 100 according to this embodiment. The solid-state imaging device 100 includes a sensor unit substrate 501 on which a plurality of sensor units 301 are arranged in a matrix, a counting unit substrate 502 on which a plurality of counting units 302 are arranged in a matrix, and a frame on which a frame memory 206 is arranged. It has a configuration in which the memory substrate 503 is laminated. Electrodes (not shown) provided on the sensor board 501 and electrodes (not shown) provided on the counting board 502 are electrically connected to each other. Electrodes (not shown) provided on the counting section substrate 502 and electrodes (not shown) provided on the frame memory substrate 503 are electrically connected to each other. Thus, the pulse signal PLS output from the sensor section 301 provided on the sensor section board 501 is input to the counting section 302 provided on the counting section board 502 . The counting unit board 502 is provided with a vertical control circuit 202 , a horizontal control circuit 203 , a timing generator 204 and a saturation detection unit 205 . The frame memory board 503 is provided with a frame memory 206 , an adder circuit 207 and a digital output section 208 . Since the sensor section 301 and the counting section 302 are provided on separate substrates, a large area for the sensor section 301 can be secured. Also, if the frame memory substrate 503 is manufactured in a finer process than the sensor substrate 501 and the counter substrate 502, data with a sufficiently large bit width can be recorded in the frame memory 206. FIG. Note that the configuration of the solid-state imaging device 100 is not limited to the configuration described above. For example, the sensor section 301 and the counting section 302 may be provided on the same substrate.

図6は、本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。ここでは、動画像を構成する複数のフレームのうちの1つのフレームの画像を取得す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。 FIG. 6 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-state imaging device according to this embodiment. Here, a case of obtaining an image of one frame out of a plurality of frames forming a moving image will be described as an example, but the present invention is not limited to this.

タイミングt601において、撮影開始の指示が操作部108を介してユーザ等によって行われると、制御部104は、固体撮像素子100に対してパルス状の撮影開始信号STARTを供給する。撮影開始信号STARTがHレベルになると、タイミングジェネレータ204はセンサ部301にバイアス電圧Vbiasを供給する。センサ部301にバイアス電圧Vbiasが供給されると、フォトダイオード303の降伏電圧以上の逆バイアス電圧がフォトダイオード303に印加され、フォトダイオード303はガイガーモードで動作するようになる。これにより、センサ部301は、フォトダイオード303に入射するフォトンに応じてパルス信号PLSを出力するようになる。図6には、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素201のうちの任意の3つの単位画素201、即ち、単位画素A、B、Cの各々のセンサ部301からそれぞれ出力されるパルス信号PLS_A、PLS_B、PLS_Cが示されている。ここでは、単位画素Aに入射するフォトンの数が単位画素Cに入射するフォトンの数より多く、単位画素Cに入射するフォトンの数が単位画素Bに入射するフォトンの数より多い場合を例に説明する。 At timing t<b>601 , when the user or the like issues an instruction to start imaging via the operation unit 108 , the control unit 104 supplies a pulsed imaging start signal START to the solid-state imaging device 100 . When the imaging start signal START becomes H level, the timing generator 204 supplies the bias voltage Vbias to the sensor section 301 . When the bias voltage Vbias is supplied to the sensor unit 301, a reverse bias voltage higher than the breakdown voltage of the photodiode 303 is applied to the photodiode 303, and the photodiode 303 operates in the Geiger mode. As a result, the sensor unit 301 outputs the pulse signal PLS according to the photons incident on the photodiode 303 . FIG. 6 shows pulse signals output from the sensor units 301 of arbitrary three unit pixels 201 out of a plurality of unit pixels 201 provided in the pixel array 200, that is, the unit pixels A, B, and C, respectively. PLS_A, PLS_B, PLS_C are shown. In this example, the number of photons incident on the unit pixel A is greater than the number of photons incident on the unit pixel C, and the number of photons incident on the unit pixel C is greater than the number of photons incident on the unit pixel B. explain.

図6に示すカウント値COUNT_A、COUNT_B、COUNT_Cは、単位画素A、B、Cの各々のカウンタ306によって得られるカウント値を示している。カウンタ306は、カウント下限値0からカウント上限値Cmaxまでをカウントすることが可能である。カウンタ306のカウント値が閾値Cth以上になると、カウント値が閾値Cth以上になったカウンタ306が備えられている単位画素201から出力される閾値到達信号PSATがHレベルからLレベルに変化する。これにより、当該単位画素201が位置している行に備えられた配線212の電位がHレベルからLowレベルに変化する。HレベルからLレベルに変化した閾値到達信号PSATは、飽和検出部205によって検出される。閾値到達信号PSAT_A、PSAT_B、PSAT_Cは、各々の単位画素A、B、Cが備えられている行における閾値到達信号PSATを示している。 Count values COUNT_A, COUNT_B, and COUNT_C shown in FIG. 6 indicate count values obtained by the counters 306 of the unit pixels A, B, and C, respectively. The counter 306 can count from a lower count value of 0 to an upper count value of Cmax. When the count value of the counter 306 reaches or exceeds the threshold Cth, the threshold reaching signal PSAT output from the unit pixel 201 including the counter 306 whose count value reaches or exceeds the threshold Cth changes from H level to L level. As a result, the potential of the wiring 212 provided in the row where the unit pixel 201 is located changes from H level to Low level. Threshold reaching signal PSAT that has changed from H level to L level is detected by saturation detection section 205 . Threshold reaching signals PSAT_A, PSAT_B, and PSAT_C indicate the threshold reaching signals PSAT in the rows in which the respective unit pixels A, B, and C are provided.

タイミングt601において、リセット信号PRESはHレベルになっている。また、タイミングt601において、各々の単位画素201のカウンタ306は0にリセットされている。 At timing t601, the reset signal PRES is at H level. Also, the counter 306 of each unit pixel 201 is reset to 0 at timing t601.

タイミングt602において、タイミングジェネレータ204は、画素アレイ200のすべての行にLレベルのリセット信号PRESを同時に供給する。これにより、画素アレイ200に備えられた全ての単位画素201のカウンタ306のリセットが解除される。また、タイミングジェネレータ204は、画素アレイ200の全ての行にHレベルのイネーブル信号PENを供給する。これにより、画素アレイ200に備えられた全ての単位画素201のカウンタ306はイネーブル状態となり、各々の単位画素201のカウンタ306において、入力されるパルス信号PLSに応じてカウント値が増加するようになる。こうして、動画像を構成する複数のフレームのうちの1つのフレームの撮像が開始される。この後、イネーブル信号PENがLレベルに変化するタイミングt608まで当該フレームにおけるカウントが継続される。従って、タイミングt602からタイミングt608までが、露光期間に相当する。フォトンが入射する頻度は単位画素Aが最も高いため、カウント値COUNT_Aの増加率が最も大きい。 At timing t602, the timing generator 204 simultaneously supplies the L-level reset signal PRES to all the rows of the pixel array 200. FIG. As a result, resetting of the counters 306 of all the unit pixels 201 provided in the pixel array 200 is released. Also, the timing generator 204 supplies an H-level enable signal PEN to all the rows of the pixel array 200 . As a result, the counters 306 of all the unit pixels 201 provided in the pixel array 200 are enabled, and the counter 306 of each unit pixel 201 increases the count value according to the input pulse signal PLS. . In this way, imaging of one frame out of a plurality of frames forming a moving image is started. After that, counting in the frame continues until timing t608 when the enable signal PEN changes to L level. Therefore, the period from timing t602 to timing t608 corresponds to the exposure period. Since the unit pixel A has the highest incidence of photons, the increase rate of the count value COUNT_A is the highest.

タイミングt603において、カウント値COUNT_Aが閾値Cthに達すると、単位画素Aが備えられている行の閾値到達信号PSAT_AがLレベルになる。飽和検出部205は、いずれかの行の閾値到達信号PSATがLレベルに変化したことを検出すると、閾値到達信号PSATが検出されたことを示す信号をタイミングジェネレータ204に対して送信する。閾値到達信号PSATが検出されたことを示す信号をタイミングジェネレータ204が受信すると、タイミングジェネレータ204は、以下のように動作する。即ち、タイミングジェネレータ204は、垂直制御回路202から全ての単位画素201に供給されるラッチ信号PLATが一斉にHレベルとなるように、垂直制御回路202に対して制御信号を供給する。これにより、各々の単位画素201に備えられたカウンタ306のカウント値が、各々のカウンタ306に対応する画素メモリ307にそれぞれ保持される。 At timing t603, when the count value COUNT_A reaches the threshold Cth, the threshold reaching signal PSAT_A of the row in which the unit pixel A is provided becomes L level. When saturation detection section 205 detects that threshold attainment signal PSAT of any row has changed to L level, saturation detection section 205 transmits a signal indicating that threshold attainment signal PSAT has been detected to timing generator 204 . When timing generator 204 receives a signal indicating that threshold reached signal PSAT has been detected, timing generator 204 operates as follows. That is, the timing generator 204 supplies a control signal to the vertical control circuit 202 so that the latch signal PLAT supplied from the vertical control circuit 202 to all the unit pixels 201 becomes H level all at once. Thereby, the count value of the counter 306 provided for each unit pixel 201 is held in the pixel memory 307 corresponding to each counter 306 .

タイミングt604において、リセット信号PRESがHレベルになると、各々の単位画素201のカウンタ306のカウント値が0にリセットされる。そして、リセット信号PRESがLレベルに戻ると、カウンタ306のリセットが解除され、各々の単位画素201のカウンタ306は、再び入射したフォトンに応じてカウントを開始する。また、単位画素Aのカウント値が0にリセットされたことにより、閾値到達信号PSAT_AはLレベルからHレベルに戻る。 At timing t604, when the reset signal PRES becomes H level, the count value of the counter 306 of each unit pixel 201 is reset to zero. Then, when the reset signal PRES returns to L level, the reset of the counter 306 is released, and the counter 306 of each unit pixel 201 starts counting according to incident photons again. Also, since the count value of the unit pixel A is reset to 0, the threshold reaching signal PSAT_A returns from L level to H level.

タイミングt605において、タイミングジェネレータ204から垂直制御回路202に対して信号VCLKの供給が開始される。信号VCLKがHレベルになる毎に、各行のスイッチ209が順次オン状態となり、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素201を垂直制御回路202が1行ずつ選択していく。任意の1行が垂直制御回路202によって選択されると、タイミングジェネレータ204から水平制御回路203に信号HCLKが供給され、各列のスイッチ210を順次オン状態にする。これにより、選択行の単位画素201の画素メモリ307に保持されていたカウント値(画素信号)がフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに順次格納される。そして、加算回路207は、フレームメモリ206の一時メモリ領域206aに保持された画素信号と、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持されている同一アドレスの画素信号とを加算する。そして、加算回路207は、加算することにより得られる画素信号を積算メモリ領域206bに再び格納する。なお、フレームメモリ206による画素信号の保持と並行して、加算回路207による加算処理が行われる。タイミングt605~t606において行われる加算処理、即ち、最初の加算処理においては、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bには画素信号が保持されていない。このため、各々の単位画素201から出力されて一時メモリ領域206aに格納された画素信号は、そのまま積算メモリ領域206bに保持される。 At timing t<b>605 , the timing generator 204 starts supplying the signal VCLK to the vertical control circuit 202 . Each time the signal VCLK becomes H level, the switches 209 in each row are sequentially turned on, and the vertical control circuit 202 selects the plurality of unit pixels 201 provided in the pixel array 200 row by row. When an arbitrary row is selected by the vertical control circuit 202, a signal HCLK is supplied from the timing generator 204 to the horizontal control circuit 203 to sequentially turn on the switches 210 of each column. As a result, the count values (pixel signals) held in the pixel memory 307 of the unit pixels 201 in the selected row are sequentially stored in the temporary memory area 206 a of the frame memory 206 . The adder circuit 207 adds the pixel signal held in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 and the pixel signal of the same address held in the integration memory area 206b of the frame memory 206 . Then, the addition circuit 207 stores the pixel signal obtained by the addition again in the integration memory area 206b. Note that addition processing is performed by the addition circuit 207 in parallel with holding of the pixel signal by the frame memory 206 . No pixel signal is held in the integration memory area 206b of the frame memory 206 in the addition processing performed at timings t605 to t606, that is, in the first addition processing. Therefore, the pixel signal output from each unit pixel 201 and stored in the temporary memory area 206a is held as it is in the integration memory area 206b.

タイミングt607において、カウント値COUNT_Aが再び閾値Cthに達すると、閾値到達信号PSAT_AがLレベルとなる。そして、タイミングt603~t606の際と同様に、各々の単位画素201の画素信号がフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに格納される。そして、一時メモリ領域206aに格納された画素信号と積算メモリ領域206bに保持されている画素信号とが加算され、加算により得られた画素信号が積算メモリ領域206bに格納される。この後も、いずれかの単位画素201のカウント値が露光期間中に閾値Cthに達するたびに上記と同様の処理が繰り返される。 At timing t607, when the count value COUNT_A reaches the threshold Cth again, the threshold reaching signal PSAT_A becomes L level. Then, the pixel signal of each unit pixel 201 is stored in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 in the same manner as during timings t603 to t606. Then, the pixel signal stored in the temporary memory area 206a and the pixel signal held in the integration memory area 206b are added, and the pixel signal obtained by the addition is stored in the integration memory area 206b. After that, the same processing as described above is repeated each time the count value of any unit pixel 201 reaches the threshold value Cth during the exposure period.

このように、タイミングt605~t606においては、各々の単位画素201の画素メモリ307に保持されているカウント値(画素信号)が、フレームメモリ206の一時メモリ領域206aに順次格納される。各々の単位画素201の画素メモリ307に保持されているカウント値をフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに格納する処理は、単位画素201のカウント値が再び閾値Cthに達するタイミングt607より前に完了していることが好ましい。パルス信号PLSのパルス幅をΔTpとすると、カウント値が0から閾値Cthに達するまでの時間は、最短でΔTp×Cthである。従って、各々の単位画素201のカウント値をフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに格納する処理が(ΔTp×Cth)よりも短い時間で完了するように、信号VCLK、HCLKの周波数を設定することが好ましい。また、各々の単位画素201のカウント値をフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに格納する処理に要する時間よりも(ΔTp×Cth)が長くなるように、カウンタ306の閾値Cthを設定するようにしてもよい。 In this manner, the count values (pixel signals) held in the pixel memory 307 of each unit pixel 201 are sequentially stored in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 between timings t605 and t606. The process of storing the count value held in the pixel memory 307 of each unit pixel 201 in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 is completed before the timing t607 when the count value of the unit pixel 201 reaches the threshold value Cth again. preferably. Assuming that the pulse width of the pulse signal PLS is ΔTp, the shortest time required for the count value to reach the threshold value Cth from 0 is ΔTp×Cth. Therefore, the frequencies of the signals VCLK and HCLK can be set so that the process of storing the count value of each unit pixel 201 in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 is completed in a time shorter than (ΔTp×Cth). preferable. Also, the threshold value Cth of the counter 306 is set so that (ΔTp×Cth) is longer than the time required to store the count value of each unit pixel 201 in the temporary memory area 206a of the frame memory 206. good too.

タイミングt608において、露光期間が終了すると、イネーブル信号PENがLレベルとなる。これにより、各々の単位画素201のカウンタ306がディセーブル状態となり、カウンタ306にパルス信号PLSが入力されてもカウント値が増加しなくなる。また、センサ部301に対してバイアス電圧Vbiasが供給されなくなり、センサ部301はパルス信号PLSを出力しなくなる。 At timing t608, when the exposure period ends, the enable signal PEN becomes L level. As a result, the counter 306 of each unit pixel 201 is disabled, and even if the pulse signal PLS is input to the counter 306, the count value does not increase. Further, the bias voltage Vbias is no longer supplied to the sensor section 301, and the sensor section 301 no longer outputs the pulse signal PLS.

この後、タイミングジェネレータ204は、露光終了時におけるカウンタ306のカウント値をフレームメモリ206に格納するために、以下のような処理を行う。即ち、タイミングジェネレータ204は、タイミングt609において、ラッチ信号PLATをLレベルからHレベルに変化させる。ラッチ信号PLATがLレベルからHレベルに変化すると、画素メモリ307は、カウンタ306のカウント値を取り込み、取り込んだカウント値を保持する。この後、タイミングジェネレータ204から供給されたラッチ信号PLATを、HレベルからLレベルに戻す。また、タイミングジェネレータ204は、リセット信号PRES信号をHレベルにし、カウンタ306のカウント値を0にリセットする。 After that, the timing generator 204 performs the following processing to store the count value of the counter 306 at the end of exposure in the frame memory 206 . That is, the timing generator 204 changes the latch signal PLAT from L level to H level at timing t609. When the latch signal PLAT changes from L level to H level, the pixel memory 307 fetches the count value of the counter 306 and holds the fetched count value. After that, the latch signal PLAT supplied from the timing generator 204 is returned from H level to L level. The timing generator 204 also sets the reset signal PRES to H level and resets the count value of the counter 306 to zero.

タイミングt610~t611においては、タイミングt605~606と同様に、各々の単位画素201の画素信号がフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに保持される。そして、加算回路207によって加算処理された画素信号がフレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持される。積算メモリ領域206bに保持される画素信号は、タイミングt602~t608の露光期間中に画素メモリ307から取得される画素信号を加算回路207によって積算することにより得られる信号である。こうして得られる画素信号は、露光期間中に入射したフォトンの数に応じた信号となる。このように、本実施形態によれば、カウンタ306のカウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができる。 At timings t610 to t611, the pixel signal of each unit pixel 201 is held in the temporary memory area 206a of the frame memory 206, as at timings t605 to t606. Then, the pixel signal added by the adder circuit 207 is held in the accumulation memory area 206b of the frame memory 206. FIG. The pixel signal held in the integration memory area 206b is a signal obtained by integrating the pixel signal acquired from the pixel memory 307 by the addition circuit 207 during the exposure period from timing t602 to t608. The pixel signal thus obtained is a signal corresponding to the number of incident photons during the exposure period. Thus, according to this embodiment, it is possible to prevent the count value of the counter 306 from saturating during the exposure period.

なお、画素メモリ307に保持されている画素信号をフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに順次送信している最中に、露光終了のタイミングt608が到来する場合もある。このような場合には、各々の単位画素201の画素メモリ307に保持されている画素信号をフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに格納し終わってから、露光終了時のカウンタ306のカウント値を画素メモリ307に格納するようにすればよい。 It should be noted that while the pixel signals held in the pixel memory 307 are being sequentially transmitted to the temporary memory area 206a of the frame memory 206, the exposure end timing t608 may come. In such a case, after the pixel signal held in the pixel memory 307 of each unit pixel 201 is stored in the temporary memory area 206a of the frame memory 206, the count value of the counter 306 at the end of exposure is changed to the pixel. It may be stored in the memory 307 .

タイミングt612~t613では、タイミングジェネレータ204からデジタル出力部208に制御信号OUTCLKが供給される。これにより、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持された画素信号、即ち、露光期間中に積算された画素信号が、デジタル出力部208を介して固体撮像素子100の外部に順次出力される。固体撮像素子100の外部への画素信号の出力が完了すると、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持されている画素信号は0にリセットされる。 The control signal OUTCLK is supplied from the timing generator 204 to the digital output section 208 at timings t612 to t613. As a result, the pixel signals held in the integration memory area 206b of the frame memory 206, that is, the pixel signals integrated during the exposure period are sequentially output to the outside of the solid-state imaging device 100 via the digital output unit 208. When the output of the pixel signal to the outside of the solid-state imaging device 100 is completed, the pixel signal held in the integration memory area 206b of the frame memory 206 is reset to zero.

このように、本実施形態では、各々の単位画素201のカウンタ306のカウント値が閾値Cthに達するたびに、カウント値の取得及びリセット動作が行われる。このため、本実施形態によれば、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。 Thus, in the present embodiment, each time the count value of the counter 306 of each unit pixel 201 reaches the threshold value Cth, the count value acquisition and reset operation are performed. Therefore, according to this embodiment, it is possible to prevent the count value from saturating during the exposure period, and to obtain an image with good gradation.

なお、上述したように、タイミングt603においてラッチ信号PLATがHレベルになると、カウンタ306のカウント値が画素メモリ307に保持される。そして、タイミングt604においてリセット信号PRESがLレベルからHレベルに変化し、カウンタ306がリセットされる。そして、リセット信号PRESがHレベルからLレベルに戻ると、カウンタ306のリセットが解除される。このように、ラッチ信号PLATがHレベルになるタイミングt603からカウンタ306のリセットが解除されるタイミングまでの期間は、パルス信号PLSの数をカウンタ306によってカウントできなくなる。このことは、当該期間の分だけ露光期間が短くなったことに相当する。従って、この期間の分だけ露光期間を延長するようにしてもよい。 As described above, when the latch signal PLAT becomes H level at timing t603, the count value of the counter 306 is held in the pixel memory 307. FIG. Then, at timing t604, the reset signal PRES changes from L level to H level, and the counter 306 is reset. Then, when the reset signal PRES returns from H level to L level, the reset of the counter 306 is released. In this manner, the number of pulse signals PLS cannot be counted by the counter 306 during the period from the timing t603 when the latch signal PLAT becomes H level to the timing when the reset of the counter 306 is released. This corresponds to shortening the exposure period by the period. Therefore, the exposure period may be extended by this period.

また、図6に示すような駆動モード(第1の駆動モード)と異なる駆動モード(第2の駆動モード)で固体撮像素子100を駆動できるようにしてもよい。第2の駆動モードにおいては、例えば、飽和検出部205の動作を無効とする。第2の駆動モードでは、カウンタ306によって露光期間中にカウントされるカウント値は、露光期間中にはフレームメモリ206に出力されない。第2の駆動モードでは、カウンタ306によるカウント値が、露光期間が終了した後にフレームメモリ206に出力される。例えば、高照度環境下においては、第1の駆動モードで固体撮像素子100を駆動し、低照度環境下においては、第2の駆動モードで固体撮像素子100を駆動するようにしてもよい。 Further, the solid-state imaging device 100 may be driven in a drive mode (second drive mode) different from the drive mode (first drive mode) shown in FIG. In the second drive mode, for example, the operation of the saturation detector 205 is disabled. In the second drive mode, the count value counted by the counter 306 during the exposure period is not output to the frame memory 206 during the exposure period. In the second driving mode, the count value by the counter 306 is output to the frame memory 206 after the exposure period ends. For example, the solid-state imaging device 100 may be driven in the first drive mode under high-illuminance environments, and the solid-state imaging device 100 may be driven in the second drive mode under low-illuminance environments.

[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を図7乃至図9を用いて説明する。なお、図1乃至図6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。
[Second embodiment]
A solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 7 to 9. FIG. The same components as those of the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 6 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は、各々の単位画素701の計数部801に画素メモリ307(図3参照)が備えられていないものである。 In the solid-state imaging device according to this embodiment, the pixel memory 307 (see FIG. 3) is not provided in the counting section 801 of each unit pixel 701 .

図7は、第2実施形態による固体撮像素子100を示す図である。画素アレイ200には、複数の単位画素701が備えられている。垂直制御回路202は、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素701をスイッチ209によって行単位で選択する。スイッチ209は、垂直制御回路202から配線703を介して供給される行選択信号PSELによって行単位で制御される。 FIG. 7 is a diagram showing a solid-state imaging device 100 according to the second embodiment. The pixel array 200 has a plurality of unit pixels 701 . The vertical control circuit 202 selects a plurality of unit pixels 701 provided in the pixel array 200 row by row using the switch 209 . The switch 209 is controlled row by row by a row selection signal PSEL supplied from the vertical control circuit 202 via the wiring 703 .

画素アレイ200と水平制御回路203との間には、列メモリ702が備えられている。列メモリ702は、垂直制御回路202によって行単位で選択される単位画素701から出力される各列の画素信号を一時的に保持する。 A column memory 702 is provided between the pixel array 200 and the horizontal control circuit 203 . The column memory 702 temporarily holds the pixel signal of each column output from the unit pixels 701 selected in units of rows by the vertical control circuit 202 .

図8は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素701を示す図である。図8に示すように、単位画素701には、センサ部301と、計数部801とが備えられている。計数部801には、カウンタ306と、反転バッファ308とが備えられている。計数部801には、画素メモリ307(図3参照)は備えられていない。計数部801に画素メモリ307が備えられていないため、本実施形態では、カウンタ306のカウント値が画素メモリ307を介することなく列メモリ702に行単位で保持される。 FIG. 8 is a diagram showing a unit pixel 701 provided in the solid-state imaging device according to this embodiment. As shown in FIG. 8, the unit pixel 701 includes a sensor section 301 and a counting section 801 . The counting unit 801 includes a counter 306 and an inverting buffer 308 . The counting unit 801 is not provided with the pixel memory 307 (see FIG. 3). Since the counting unit 801 is not provided with the pixel memory 307 , in this embodiment, the count value of the counter 306 is held in the column memory 702 on a row-by-row basis without going through the pixel memory 307 .

カウンタ306のリセット端子RESには、垂直制御回路202からリセット信号PRESが行単位で供給される。従って、カウンタ306のカウント値は行単位でリセットされる。 A reset signal PRES is supplied from the vertical control circuit 202 to a reset terminal RES of the counter 306 on a row-by-row basis. Therefore, the count value of the counter 306 is reset row by row.

図9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、動画像を構成する複数のフレームのうちの1つのフレームの画像を取得す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。 FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device according to this embodiment. Here, a case of obtaining an image of one frame out of a plurality of frames forming a moving image will be described as an example, but the present invention is not limited to this.

図9には、画素アレイ200に備えられた複数の単位画素701のうちの任意の2つの単位画素701、即ち、単位画素D、Eの各々のセンサ部301からそれぞれ出力されるパルス信号PLS_D、PLS_Eが示されている。単位画素Dは、画素アレイ200の第1番目の行に配されており、画素信号の出力時には最初に読み出される。一方、単位画素Eは、画素アレイ200の最終行に配されており、画素信号の出力時には最後に読み出される。ここでは、単位画素Eに入射するフォトンの数が最も多い場合を例に説明する。 FIG. 9 shows two arbitrary unit pixels 701 out of a plurality of unit pixels 701 provided in the pixel array 200, that is, the pulse signals PLS_D output from the sensor units 301 of the unit pixels D and E, respectively. PLS_E is shown. The unit pixel D is arranged in the first row of the pixel array 200 and is read out first when the pixel signal is output. On the other hand, the unit pixel E is arranged in the last row of the pixel array 200 and is read last when the pixel signal is output. Here, the case where the number of photons incident on the unit pixel E is the largest will be described as an example.

図9に示すカウント値COUNT_D、COUNT_Eは、単位画素D、Eの各々のカウンタ306によって得られるカウント値を示している。カウンタ306は、カウント下限値0からカウント上限値Cmaxまでをカウントすることが可能である。カウンタ306のカウント値が閾値Cth以上になると、カウント値が閾値Cth以上になったカウンタ306が備えられている単位画素701から出力される閾値到達信号PSATがHレベルからLレベルに変化する。これにより、当該単位画素701が位置している行に備えられた配線212の電位がHレベルからLowレベルに変化する。HレベルからLレベルに変化した閾値到達信号PSATは、飽和検出部205によって検出される。閾値到達信号PSAT_D、PSAT_Eは、各々の単位画素D、Eが備えられている行における閾値到達信号PSATを示している。行選択信号PSEL_Dは、単位画素Dが配されている行、即ち、画素アレイ200の第1番目の行に供給される。行選択信号PSEL_Eは、単位画素Eが配されている行、即ち、画素アレイ200の最終行に供給される。行選択信号PSELがHレベルになると、対応する行のスイッチ209がオン状態になる。スイッチ209がオン状態になると、当該スイッチ209に対応する単位画素701のカウンタ306のカウント値が列メモリ702に出力され、当該カウント値が列メモリ702によって保持される。リセット信号PRES_Dは、単位画素Dが配されている行、即ち、画素アレイ200の第1番目の行に供給される。リセット信号PRES_Eは、単位画素Eが配されている行、即ち、画素アレイ200の最終行に供給される。リセット信号PRESがHレベルになると、対応する行のカウンタ306のカウント値が0にリセットされる。 Count values COUNT_D and COUNT_E shown in FIG. 9 indicate count values obtained by the counters 306 of the unit pixels D and E, respectively. The counter 306 can count from a lower count value of 0 to an upper count value of Cmax. When the count value of the counter 306 reaches or exceeds the threshold Cth, the threshold reaching signal PSAT output from the unit pixel 701 including the counter 306 whose count value reaches or exceeds the threshold Cth changes from H level to L level. As a result, the potential of the wiring 212 provided in the row where the unit pixel 701 is located changes from H level to Low level. Threshold reaching signal PSAT that has changed from H level to L level is detected by saturation detection section 205 . Threshold reaching signals PSAT_D and PSAT_E indicate the threshold reaching signals PSAT in the rows in which the respective unit pixels D and E are provided. A row selection signal PSEL_D is supplied to the row in which the unit pixels D are arranged, that is, the first row of the pixel array 200 . A row selection signal PSEL_E is supplied to the row in which the unit pixels E are arranged, that is, the last row of the pixel array 200 . When row selection signal PSEL attains H level, switch 209 in the corresponding row is turned on. When the switch 209 is turned on, the count value of the counter 306 of the unit pixel 701 corresponding to the switch 209 is output to the column memory 702 and held by the column memory 702 . The reset signal PRES_D is supplied to the row in which the unit pixels D are arranged, that is, the first row of the pixel array 200 . The reset signal PRES_E is supplied to the row where the unit pixels E are arranged, that is, the last row of the pixel array 200 . When reset signal PRES goes high, the count value of counter 306 in the corresponding row is reset to zero.

出力開始信号PVSTは、各々の単位画素701において取得されたカウント値の列メモリ702への出力を開始するための信号であり、タイミングジェネレータ204から垂直制御回路202に供給される。出力開始信号PVSTがLレベルからHレベルに変化すると、カウンタ306によって得られたカウント値を列メモリ702に出力する動作と、カウンタ306をリセットする動作とが、画素アレイ200の第1番目の行から順に行単位で行われる。 The output start signal PVST is a signal for starting outputting the count value obtained in each unit pixel 701 to the column memory 702 and is supplied from the timing generator 204 to the vertical control circuit 202 . When the output start signal PVST changes from L level to H level, the operation of outputting the count value obtained by the counter 306 to the column memory 702 and the operation of resetting the counter 306 are performed in the first row of the pixel array 200. It is done line by line in order from .

タイミングt901において、撮影開始の指示が操作部108を介してユーザ等によって行われると、制御部104は、固体撮像素子100に対してパルス状の撮影開始信号STARTを供給する。撮影開始信号STARTがHレベルになると、タイミングジェネレータ204はセンサ部301にバイアス電圧Vbiasを供給する。センサ部301にバイアス電圧Vbiasが供給されると、フォトダイオード303の降伏電圧以上のバイアス電圧がフォトダイオード303に印加され、フォトダイオード303はガイガーモードで動作するようになる。これにより、センサ部301は、フォトダイオード303に入射するフォトンに応じてパルス信号PLSを出力するようになる。 At timing t<b>901 , when the user or the like issues an instruction to start imaging via the operation unit 108 , the control unit 104 supplies a pulsed imaging start signal START to the solid-state imaging device 100 . When the imaging start signal START becomes H level, the timing generator 204 supplies the bias voltage Vbias to the sensor section 301 . When the bias voltage Vbias is supplied to the sensor unit 301, a bias voltage higher than the breakdown voltage of the photodiode 303 is applied to the photodiode 303, and the photodiode 303 operates in the Geiger mode. As a result, the sensor unit 301 outputs the pulse signal PLS according to the photons incident on the photodiode 303 .

タイミングt901において、リセット信号PRESはHレベルになっている。また、タイミングt901において、各々の単位画素701のカウンタ306は0にリセットされている。 At timing t901, the reset signal PRES is at H level. Also, the counter 306 of each unit pixel 701 is reset to 0 at timing t901.

タイミングt902において、タイミングジェネレータ204は、画素アレイ200のすべての行にLレベルのリセット信号PRESを同時に供給する。これにより、画素アレイ200に備えられた全ての単位画素701のカウンタ306のリセットが解除される。また、タイミングジェネレータ204は、画素アレイ200の全ての行にHレベルのイネーブル信号PENを供給する。これにより、画素アレイ200に備えられた全ての単位画素701のカウンタ306はイネーブル状態となり、各々の単位画素701のカウンタ306において、入力されるパルス信号PLSに応じてカウント値が増加するようになる。この後、イネーブル信号PENがLレベルに変化するタイミングt909まで当該フレームにおけるカウントが継続される。従って、タイミングt902からタイミングt909までが、露光期間に相当する。フォトンが入射する頻度は単位画素Eが最も高いため、カウント値COUNT_Eの増加率が最も大きい。 At timing t902, the timing generator 204 simultaneously supplies the L-level reset signal PRES to all the rows of the pixel array 200. FIG. As a result, resetting of the counters 306 of all the unit pixels 701 provided in the pixel array 200 is released. Also, the timing generator 204 supplies an H-level enable signal PEN to all the rows of the pixel array 200 . As a result, the counters 306 of all the unit pixels 701 provided in the pixel array 200 are enabled, and the counter 306 of each unit pixel 701 increases the count value according to the input pulse signal PLS. . After that, counting in the frame continues until timing t909 when the enable signal PEN changes to L level. Therefore, the period from timing t902 to timing t909 corresponds to the exposure period. Since the unit pixel E has the highest incidence of photons, the increase rate of the count value COUNT_E is the highest.

タイミングt903において、カウント値COUNT_Eが閾値Cthに達すると、単位画素Eが備えられている行の閾値到達信号PSAT_EがLレベルになる。飽和検出部205は、いずれかの行の閾値到達信号PSATがLレベルに変化したことを検出すると、パルス状の出力開始信号PVSTを出力し、これにより画素信号の読み出しの動作が開始される。 At timing t903, when the count value COUNT_E reaches the threshold Cth, the threshold reaching signal PSAT_E of the row in which the unit pixel E is provided becomes L level. When the saturation detection unit 205 detects that the threshold reaching signal PSAT of any row has changed to the L level, it outputs a pulse-shaped output start signal PVST, thereby starting the operation of reading out pixel signals.

タイミングt904において、画素アレイ200の第1番目の行にパルス状の行選択信号PSEL_Dが供給されると、単位画素Dが配された行である第1番目の行に配された各々の単位画素701のカウント値が列メモリ702に出力される。そして、画素アレイ200の第1番目の行にパルス状のリセット信号PRES_Dが供給されると、単位画素Dが配された行である第1番目の行に配された各々の単位画素701のカウント値が0にリセットされる。このような動作と並行して、タイミングジェネレータ204から水平制御回路203に信号HCLK信号が供給され、各列のスイッチ210を順次オン状態にする。これにより、列メモリ702に保持されていたカウント値、即ち、第1番目の行に位置する単位画素701によって取得された画素信号が、フレームメモリ206に順次出力され、当該画素信号はフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに保持される。 At timing t904, when the pulse-shaped row selection signal PSEL_D is supplied to the first row of the pixel array 200, each unit pixel arranged in the first row, which is the row in which the unit pixel D is arranged, is selected. The count value of 701 is output to column memory 702 . Then, when the pulse-like reset signal PRES_D is supplied to the first row of the pixel array 200, each unit pixel 701 arranged in the first row, which is the row in which the unit pixel D is arranged, is counted. The value is reset to 0. In parallel with this operation, the signal HCLK is supplied from the timing generator 204 to the horizontal control circuit 203 to sequentially turn on the switches 210 in each column. As a result, the count value held in the column memory 702, that is, the pixel signal acquired by the unit pixel 701 located in the first row is sequentially output to the frame memory 206, and the pixel signal is output to the frame memory 206. is held in the temporary memory area 206a.

第1番目の行に位置する単位画素701によって取得された画素信号の全てが列メモリ702からフレームメモリ206に転送されると、画素アレイ200の2番目の行にパルス状の行選択信号PSELが供給され、この後も、上記と同様の動作が順次行われる。即ち、カウンタ306によって得られたカウント値を列メモリ702に出力する動作と、カウンタ306をリセットする動作とが順次行われる。このような動作が、画素アレイ200の最終行まで繰り返される。画素信号のフレームメモリ206への格納と並行して、加算回路207によって以下のような処理が行われる。即ち、フレームメモリ206の一時メモリ領域206aに保持された画素信号と、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持された同一アドレスの画素信号との加算処理が加算回路207によって行われる。加算回路207による加算によって得られた画素信号は、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持される。 When all the pixel signals obtained by the unit pixels 701 located in the first row are transferred from the column memory 702 to the frame memory 206, the pulse-like row selection signal PSEL is applied to the second row of the pixel array 200. After that, the same operations as described above are sequentially performed. That is, an operation of outputting the count value obtained by the counter 306 to the column memory 702 and an operation of resetting the counter 306 are sequentially performed. Such operations are repeated until the last row of the pixel array 200 . In parallel with storing the pixel signal in the frame memory 206, the addition circuit 207 performs the following processing. That is, the adding circuit 207 performs addition processing of the pixel signal held in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 and the pixel signal of the same address held in the integration memory area 206b of the frame memory 206. FIG. The pixel signal obtained by the addition by the adder circuit 207 is held in the accumulation memory area 206b of the frame memory 206. FIG.

タイミングt905において、画素アレイ200の最終行にパルス状の行選択信号PSEL_Eが供給されると、単位画素Eが配された行である最終行に配された各々の単位画素701のカウント値が列メモリ702に出力される。そして、タイミングt906において、画素アレイ200の最終行にパルス状のリセット信号PRES_Eが供給されると、単位画素Eが配された行である最終行に配された各々の単位画素701のカウント値が0にリセットされる。タイミングt906においては、単位画素Eが配された行である最終行の閾値到達信号PSAT_EがLレベルからHレベルに戻る。 At timing t905, when the pulse-like row selection signal PSEL_E is supplied to the last row of the pixel array 200, the count value of each unit pixel 701 arranged in the last row, which is the row in which the unit pixel E is arranged, is displayed in the column. Output to memory 702 . Then, at timing t906, when the pulse-like reset signal PRES_E is supplied to the last row of the pixel array 200, the count value of each unit pixel 701 arranged in the last row, which is the row in which the unit pixel E is arranged, is changed to Reset to 0. At timing t906, the threshold reaching signal PSAT_E of the last row, which is the row in which the unit pixel E is arranged, returns from L level to H level.

タイミングt907においては、画素アレイ200の最終行に位置する単位画素701から出力される画素信号がフレームメモリ206に格納される。画素アレイ200の最終行に位置する単位画素701から出力される画素信号に対して加算回路207による加算処理が完了すると、画素アレイ200の全ての単位画素701から出力される画素信号のフレームメモリ206への格納が完了する。 At timing t<b>907 , pixel signals output from the unit pixels 701 located in the last row of the pixel array 200 are stored in the frame memory 206 . When the adding circuit 207 completes the addition processing of the pixel signals output from the unit pixels 701 located in the last row of the pixel array 200, the pixel signals output from all the unit pixels 701 of the pixel array 200 are stored in the frame memory 206. Storing to is completed.

タイミングt903からt907までの期間においては、単位画素701から出力される画素信号のフレームメモリ206への格納が完了していないため、タイミングジェネレータ204は新たな出力開始信号PVST信号を垂直制御回路202に供給しない。 During the period from timing t903 to t907, the pixel signal output from the unit pixel 701 is not completely stored in the frame memory 206, so the timing generator 204 sends a new output start signal PVST to the vertical control circuit 202. do not supply.

タイミングt904~t907において行われる加算処理、即ち、最初の加算処理においては、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bには画素信号が保持されていない。このため、各々の単位画素701から出力されて一時メモリ領域206aに格納された画素信号が、そのまま積算メモリ領域206bに保持される。 In addition processing performed at timings t904 to t907, that is, in the first addition processing, the integration memory area 206b of the frame memory 206 does not hold pixel signals. Therefore, the pixel signal output from each unit pixel 701 and stored in the temporary memory area 206a is held as it is in the integration memory area 206b.

タイミングt908において、カウント値COUNT_Eが再び閾値Cthに達すると、単位画素Eが備えられている行の閾値到達信号PSAT_EがLレベルになる。そして、タイミングt903~t907の処理と同様に、各々の単位画素701の画素信号がフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに格納される。そして、一時メモリ領域206aに格納された画素信号と積算メモリ領域206bに保持されている画素信号とが加算回路207によって加算され、加算により得られた画素信号が積算メモリ領域206bに格納される。この後も、いずれかの単位画素701のカウント値が露光期間中に閾値Cthに達するたびに上記と同様の処理が繰り返される。 At timing t908, when the count value COUNT_E reaches the threshold Cth again, the threshold reaching signal PSAT_E for the row in which the unit pixel E is provided becomes L level. Then, the pixel signal of each unit pixel 701 is stored in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 in the same manner as the processing at timings t903 to t907. Then, the pixel signal stored in the temporary memory area 206a and the pixel signal held in the integration memory area 206b are added by the addition circuit 207, and the pixel signal obtained by the addition is stored in the integration memory area 206b. After that, the same processing as described above is repeated every time the count value of any unit pixel 701 reaches the threshold value Cth during the exposure period.

なお、画素アレイ200の最終行に配された単位画素Eのカウント値COUNT_Eは、タイミングt903において閾値Cthに達した後も、入射したフォトンの数に応じてタイミングt906まで増加し続ける。即ち、画素アレイ200の最終行に配された単位画素701から出力される画素信号のフレームメモリ206への格納が完了し、カウンタ306がリセットされるまで、カウンタ306のカウント値は増加する。画素アレイ200に備えられた全ての単位画素701の画素信号のフレームメモリ206への格納が完了する前に、最終行の単位画素701のカウント値がカウント上限値Cmaxに達しないようにすべく、閾値Cthを以下の式(1)を満たすように設定する。 Note that the count value COUNT_E of the unit pixels E arranged in the last row of the pixel array 200 continues to increase until timing t906 according to the number of incident photons even after reaching the threshold value Cth at timing t903. That is, the count value of the counter 306 increases until the pixel signal output from the unit pixel 701 arranged in the last row of the pixel array 200 is completely stored in the frame memory 206 and the counter 306 is reset. Before the pixel signals of all the unit pixels 701 provided in the pixel array 200 are completely stored in the frame memory 206, the count value of the unit pixels 701 in the last row does not reach the count upper limit value Cmax. The threshold Cth is set so as to satisfy the following formula (1).

Cth < Cmax-Trd/ΔTp ・・・(1) Cth<Cmax−Trd/ΔTp (1)

ここで、Trdは、タイミングt903からタイミングt906までの期間に対応している。即ち、Trdは、出力開始信号PVSTが供給されるタイミングから、画素アレイ200の最終行に位置する単位画素701に対してリセット信号PRES_Eが供給されるまでの期間である。ΔTpは、センサ部301から出力されるパルス信号PLSの最小のパルス幅である。 Here, Trd corresponds to the period from timing t903 to timing t906. That is, Trd is a period from the timing when the output start signal PVST is supplied until the reset signal PRES_E is supplied to the unit pixels 701 located in the last row of the pixel array 200 . ΔTp is the minimum pulse width of pulse signal PLS output from sensor section 301 .

なお、上記の(1)では、閾値Cthを一律に設定したが、これに限定されるものではない。例えば、以下の式(2)のように、閾値Cthを行毎に異ならせてもよい。 Although the threshold value Cth is uniformly set in (1) above, the present invention is not limited to this. For example, the threshold value Cth may be different for each row, as shown in Equation (2) below.

Cth(n) < Cmax-T1h×n/ΔTp ・・・(2) Cth(n)<Cmax−T1h×n/ΔTp (2)

ここで、nは、第n番目の行であることを示している。Cth(n)は、第n番目の行の閾値Cthを示している。T1hは、1行分の画素信号をフレームメモリ206に転送するのに要する時間を示している。即ち、T1hは、ある行に対する行選択信号PSEL信号がHレベルになってから次の行に対する行選択信号PSELがHレベルになるまでの時間に相当する。 Here, n indicates the nth row. Cth(n) indicates the threshold value Cth of the nth row. T1h indicates the time required to transfer the pixel signals for one row to the frame memory 206. FIG. That is, T1h corresponds to the time from when the row selection signal PSEL for a certain row goes high to when the row selection signal PSEL for the next row goes high.

タイミングt909において、露光期間が終了すると、イネーブル信号PENはLレベルとなる。これにより、各々の単位画素701のカウント値は、フォトンが当該単位画素701に入射しても増加しなくなる。また、タイミングt909において、センサ部301にバイアス電圧Vbiasが供給されなくなり、センサ部301はパルス信号PLSを出力しなくなる。 At timing t909, when the exposure period ends, the enable signal PEN becomes L level. As a result, the count value of each unit pixel 701 does not increase even when photons enter the unit pixel 701 . At timing t909, the bias voltage Vbias is no longer supplied to the sensor unit 301, and the sensor unit 301 no longer outputs the pulse signal PLS.

この後、タイミングジェネレータ204は、露光終了時におけるカウンタ306のカウント値をフレームメモリ206に格納するために、以下のような処理を行う。即ち、タイミングジェネレータ204は、タイミングt910において、パルス状の出力開始信号PVSTを出力する。これにより、タイミングt903~t907と同様に、各々の単位画素701の画素信号がフレームメモリ206の一時メモリ領域206aに保持される。そして、加算回路207によって加算処理された画素信号がフレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持される。 After that, the timing generator 204 performs the following processing to store the count value of the counter 306 at the end of exposure in the frame memory 206 . That is, the timing generator 204 outputs the pulse-like output start signal PVST at timing t910. As a result, the pixel signal of each unit pixel 701 is held in the temporary memory area 206a of the frame memory 206 in the same manner as timings t903 to t907. Then, the pixel signal added by the adder circuit 207 is held in the accumulation memory area 206b of the frame memory 206. FIG.

積算メモリ領域206bに保持される画素信号は、タイミングt902~t909の露光期間中にカウンタ306から取得される画素信号を加算回路207によって積算することにより得られる信号である。こうして得られる画素信号は、露光期間中に入射したフォトンの数に応じた信号となる。このように、本実施形態によっても、カウンタ306のカウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができる。 The pixel signal held in the integration memory area 206b is a signal obtained by integrating the pixel signal obtained from the counter 306 by the addition circuit 207 during the exposure period from timings t902 to t909. The pixel signal thus obtained is a signal corresponding to the number of incident photons during the exposure period. Thus, this embodiment can also prevent the count value of the counter 306 from saturating during the exposure period.

タイミングt911~t912では、タイミングジェネレータ204からデジタル出力部208に制御信号OUTCLKが供給される。これにより、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持された画素信号、即ち、露光期間中に積算された画素信号が、デジタル出力部208を介して固体撮像素子100の外部に順次出力される。固体撮像素子100の外部への画素信号の出力が完了すると、フレームメモリ206の積算メモリ領域206bに保持されている画素信号は0にリセットされる。 The control signal OUTCLK is supplied from the timing generator 204 to the digital output section 208 at timings t911 to t912. As a result, the pixel signals held in the integration memory area 206b of the frame memory 206, that is, the pixel signals integrated during the exposure period are sequentially output to the outside of the solid-state imaging device 100 via the digital output unit 208. When the output of the pixel signal to the outside of the solid-state imaging device 100 is completed, the pixel signal held in the integration memory area 206b of the frame memory 206 is reset to zero.

このように、本実施形態においても、各々の単位画素201のカウンタ306のカウント値が閾値Cthに達するたびに、カウント値の取得及びリセット動作が行われる。このため、本実施形態においても、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。 Thus, in this embodiment as well, the count value acquisition and reset operation are performed each time the count value of the counter 306 of each unit pixel 201 reaches the threshold Cth. Therefore, also in this embodiment, it is possible to prevent the count value from saturating during the exposure period, and to obtain an image with good gradation.

[第3実施形態]
第3実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を図10及び図11を用いて説明する。なお、図1乃至図9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又は簡潔にする。
[Third embodiment]
A solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. The same components as those of the solid-state imaging device according to the first or second embodiment shown in FIGS. 1 to 9 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は、飽和検出部1104、加算回路1105及び積算メモリ1106が単位画素1101に備えられているものである。 The solid-state imaging device according to the present embodiment includes a saturation detector 1104, an adder circuit 1105, and an integration memory 1106 in a unit pixel 1101. FIG.

図10は、本実施形態による固体撮像素子100を示す図である。画素アレイ200には、複数の単位画素1101が行列状に配されている。 FIG. 10 is a diagram showing a solid-state imaging device 100 according to this embodiment. A plurality of unit pixels 1101 are arranged in a matrix in the pixel array 200 .

図11は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素1101を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing a unit pixel 1101 provided in the solid-state imaging device according to this embodiment.

単位画素1101には、センサ部301と、計数部1102と、積算部1103とが備えられている。 A unit pixel 1101 includes a sensor section 301 , a counting section 1102 , and an integrating section 1103 .

計数部1102には、カウンタ306と、画素メモリ307と、飽和検出部1104とが備えられている。カウンタ306のカウント値が露光期間中に所定の閾値Cthに達すると、閾値到達信号PSATがLレベルからHレベルに変化する。カウンタ306から出力される閾値到達信号PSATは、飽和検出部1104に供給されるようになっている。飽和検出部1104は、閾値到達信号PSATがLレベルからHレベルに変化すると、画素メモリ307にラッチ信号PLATを供給する。飽和検出部1104から画素メモリ307にラッチ信号PLATが供給されると、カウンタ306によって取得されたカウント値が画素メモリ307によって保持される。この後、飽和検出部1104は、ORゲート1107の一方の入力端子にリセット信号を供給する。これにより、飽和検出部1104から出力されるリセット信号は、ORゲート1107を介してカウンタ306のリセット端子RESに供給される。飽和検出部1104からORゲート1107を介してカウンタ306にリセット信号が供給されると、カウンタ306はカウント値をリセットする。垂直制御回路202から供給されるリセット信号PRESが、ORゲート1107の他方の入力端子に供給されるようになっている。また、垂直制御回路202から出力されるリセット信号PRESも、ORゲート1107を介してカウンタ306のリセット端子RESに入力される。このため、カウンタ306は、飽和検出部1104から供給されるリセット信号によってリセットされると共に、垂直制御回路202から供給されるリセット信号PRESによってもリセットされる。 The counting unit 1102 includes a counter 306 , a pixel memory 307 and a saturation detection unit 1104 . When the count value of the counter 306 reaches a predetermined threshold value Cth during the exposure period, the threshold reaching signal PSAT changes from L level to H level. A threshold reaching signal PSAT output from the counter 306 is supplied to the saturation detection section 1104 . The saturation detection unit 1104 supplies the latch signal PLAT to the pixel memory 307 when the threshold reaching signal PSAT changes from the L level to the H level. When the latch signal PLAT is supplied from the saturation detection unit 1104 to the pixel memory 307 , the count value acquired by the counter 306 is held by the pixel memory 307 . After that, saturation detector 1104 supplies a reset signal to one input terminal of OR gate 1107 . As a result, the reset signal output from the saturation detector 1104 is supplied to the reset terminal RES of the counter 306 via the OR gate 1107 . When a reset signal is supplied from the saturation detector 1104 to the counter 306 via the OR gate 1107, the counter 306 resets the count value. A reset signal PRES supplied from the vertical control circuit 202 is supplied to the other input terminal of the OR gate 1107 . A reset signal PRES output from the vertical control circuit 202 is also input to the reset terminal RES of the counter 306 via the OR gate 1107 . Therefore, the counter 306 is reset by the reset signal supplied from the saturation detection section 1104 and is also reset by the reset signal PRES supplied from the vertical control circuit 202 .

積算部1103には、加算回路1105と、積算メモリ1106とが備えられている。加算回路1105は、図2を用いて上述した加算回路207に相当する。積算メモリ1106は、図2を用いて上述したフレームメモリ206の積算メモリ領域206bに相当する。積算メモリ1106は、画素メモリ307に保持された画素信号を露光期間中に積算して保持する。積算メモリ1106のビット幅は、カウンタ306のビット幅に対して十分に大きく、また、画素メモリ307のビット幅に対しても十分に大きい。 The integrating section 1103 includes an adding circuit 1105 and an integrating memory 1106 . Adder circuit 1105 corresponds to adder circuit 207 described above with reference to FIG. The integration memory 1106 corresponds to the integration memory area 206b of the frame memory 206 described above with reference to FIG. The integration memory 1106 integrates and retains the pixel signals held in the pixel memory 307 during the exposure period. The bit width of the integration memory 1106 is sufficiently large with respect to the bit width of the counter 306 and also sufficiently large with respect to the bit width of the pixel memory 307 .

飽和検出部1104は、画素メモリ307にラッチ信号PLATを供給した後、加算回路1105に加算制御信号PADDを供給する。飽和検出部1104から加算回路1105に加算制御信号PADDが供給されると、加算回路1105は、画素メモリ307に保持された画素信号と積算メモリ1106に保持された画素信号とを加算する。そして、加算回路1105は、加算することにより得られた画素信号を積算メモリ1106に保持する。 After supplying the latch signal PLAT to the pixel memory 307 , the saturation detection unit 1104 supplies the addition control signal PADD to the addition circuit 1105 . When the addition control signal PADD is supplied from the saturation detection unit 1104 to the addition circuit 1105 , the addition circuit 1105 adds the pixel signal held in the pixel memory 307 and the pixel signal held in the integration memory 1106 . Then, the addition circuit 1105 holds the pixel signal obtained by the addition in the integration memory 1106 .

各々の単位画素1101の積算メモリ1106に保持された画素信号は、露光期間が終了した後、垂直制御回路202と水平制御回路203とによる制御に応じて、デジタル出力部208に順次出力される。このような動作は、第1実施形態における動作と同様であるため、詳細な説明は省略する。 The pixel signals held in the integration memory 1106 of each unit pixel 1101 are sequentially output to the digital output section 208 under the control of the vertical control circuit 202 and the horizontal control circuit 203 after the exposure period ends. Since such operations are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.

このように、各々の単位画素1101に飽和検出部1104、加算回路1105及び積算メモリ1106が備えられていてもよい。本実施形態においても、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。 In this way, each unit pixel 1101 may be provided with the saturation detector 1104, the adder circuit 1105, and the integration memory 1106. FIG. Also in this embodiment, it is possible to prevent the count value from saturating during the exposure period, and to obtain an image with good gradation.

[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12を用いて説明する。なお、図1乃至図11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 and the like according to the first to third embodiments shown in FIGS.

本実施形態による固体撮像素子は、欠陥のある単位画素である欠陥画素から好ましくない閾値到達信号PSATが出力されるのを防止し得るものである。 The solid-state imaging device according to this embodiment can prevent a defective pixel, which is a defective unit pixel, from outputting an unfavorable threshold reaching signal PSAT.

フォトダイオード303に結晶欠陥が存在すると、結晶欠陥に起因して暗電流が生じ、フォトダイオード303にフォトンが入射していないにもかかわらず、アバランシェ増倍現象が当該フォトダイオード303において生ずる場合がある。結晶欠陥が存在するフォトダイオード303が備えられたセンサ部301においては、フォトンがフォトダイオード303に入射していないにもかかわらず、パルス信号PLSが高頻度で出力され得る。このような欠陥のあるフォトダイオード303が備えられた単位画素は、欠陥画素と称される。 If there is a crystal defect in the photodiode 303, a dark current is generated due to the crystal defect, and an avalanche multiplication phenomenon may occur in the photodiode 303 even though no photons are incident on the photodiode 303. . In the sensor unit 301 including the photodiode 303 with crystal defects, the pulse signal PLS can be output with high frequency even though no photons are incident on the photodiode 303 . A unit pixel with such a defective photodiode 303 is called a defective pixel.

図12(a)は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素1201を示す図である。画素アレイ200には、複数の単位画素1201が行列状に配されている。本実施形態による固体撮像素子の構成は、単位画素1201以外は、第1実施形態による固体撮像素子と同様である。 FIG. 12A is a diagram showing a unit pixel 1201 provided in the solid-state imaging device according to this embodiment. A plurality of unit pixels 1201 are arranged in a matrix in the pixel array 200 . The configuration of the solid-state imaging device according to this embodiment is the same as that of the solid-state imaging device according to the first embodiment except for the unit pixel 1201 .

単位画素1201には、センサ部301と、計数部1202とが備えられている。計数部1202には、カウンタ306と、画素メモリ307と、欠陥制御部1203と、イネーブル端子付きの反転バッファ1204とが備えられている。カウンタ306から出力される閾値到達信号PSATは、反転バッファ1204を介して出力される。欠陥制御部1203から反転バッファ1204に供給されるイネーブル信号がLレベルである場合、反転バッファ1204はオフ状態となる。反転バッファ1204がオフ状態の場合、当該反転バッファ1204の出力は常にハイインピーダンスとなり、当該反転バッファ1204からは閾値到達信号PSATが出力されない。一方、欠陥制御部1203から反転バッファ1204に供給されるイネーブル信号がHレベルである場合、反転バッファ1204はオン状態となる。反転バッファ1204がオン状態の場合、当該反転バッファ1204は、図3を用いて上述した反転バッファ308と同様に動作し得る。 A unit pixel 1201 includes a sensor section 301 and a counting section 1202 . The counting unit 1202 includes a counter 306, a pixel memory 307, a defect control unit 1203, and an inverting buffer 1204 with an enable terminal. A threshold reaching signal PSAT output from counter 306 is output via inverting buffer 1204 . When the enable signal supplied from the defect control unit 1203 to the inverting buffer 1204 is at L level, the inverting buffer 1204 is turned off. When the inverting buffer 1204 is in an off state, the output of the inverting buffer 1204 is always at high impedance, and the threshold reaching signal PSAT is not output from the inverting buffer 1204 . On the other hand, when the enable signal supplied from the defect control unit 1203 to the inverting buffer 1204 is at H level, the inverting buffer 1204 is turned on. When inverting buffer 1204 is on, it may operate similarly to inverting buffer 308 described above with reference to FIG.

欠陥制御部1203は、各々の単位画素1201が欠陥画素であるか否かを示す欠陥情報に基づいて、反転バッファ1204にイネーブル信号を供給する。ある単位画素1201が欠陥画素である場合、当該単位画素1201においては、欠陥制御部1203から反転バッファ1204に供給されるイネーブル信号はLレベルとなり、反転バッファ1204はオフ状態となる。一方、当該単位画素1201が欠陥画素でない場合、当該単位画素1201においては、欠陥制御部1203から反転バッファ1204に供給されるイネーブル信号はHレベルとなり、反転バッファ1204はオン状態となる。単位画素1201が欠陥画素であるか否かを示す欠陥情報は、垂直制御回路202及び水平制御回路203を用いて各々の単位画素201の欠陥制御部1203に予め供給され、各々の単位画素201の欠陥制御部1203においてそれぞれ保持される。欠陥制御部1203と反転バッファ1204とは、当該単位画素1201に備えられたカウンタ306のカウント値が閾値に達したことを示す信号の出力を防止する出力防止手段として機能し得る。
The defect control unit 1203 supplies an enable signal to the inverting buffer 1204 based on defect information indicating whether each unit pixel 1201 is defective. When a certain unit pixel 1201 is a defective pixel, the enable signal supplied from the defect control unit 1203 to the inverting buffer 1204 in the unit pixel 1201 is at L level, and the inverting buffer 1204 is turned off. On the other hand, when the unit pixel 1201 is not a defective pixel, in the unit pixel 1201, the enable signal supplied from the defect control unit 1203 to the inverting buffer 1204 becomes H level, and the inverting buffer 1204 is turned on. Defect information indicating whether or not the unit pixel 1201 is a defective pixel is supplied in advance to the defect control section 1203 of each unit pixel 1201 using the vertical control circuit 202 and the horizontal control circuit 203. are held in the defect control unit 1203 of each. The defect control unit 1203 and the inverting buffer 1204 can function as output preventing means for preventing the output of a signal indicating that the count value of the counter 306 provided in the unit pixel 1201 has reached the threshold.

欠陥画素である単位画素1201から出力される画素信号は、信号処理部101又は制御部104によって補正処理される。 A pixel signal output from a unit pixel 1201 that is a defective pixel is subjected to correction processing by the signal processing unit 101 or the control unit 104 .

なお、ここでは、イネーブル端子付きの反転バッファ1204を計数部1202に設け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。図12(b)は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素1201の他の例を示す図である。図12(b)に示すように、センサ部301には、フォトダイオード303と、クエンチ抵抗304と、イネーブル端子付きの反転バッファ1205とが備えられている。計数部1202には、カウンタ306と、画素メモリ307と、欠陥制御部1203と、反転バッファ1206が備えられている。計数部1202に備えられた欠陥制御部1203から出力されるイネーブル信号が、センサ部301に備えられたイネーブル端子付きの反転バッファ1205のイネーブル端子に入力される。このように、イネーブル端子付きの反転バッファ1205をセンサ部301に設けるようにしてもよい。欠陥制御部1203と反転バッファ1205とは、当該単位画素1201に備えられたセンサ部301からのパルスの出力を防止する出力防止手段として機能し得る。 Although the case where the inverting buffer 1204 with an enable terminal is provided in the counting unit 1202 has been described as an example, the present invention is not limited to this. FIG. 12B is a diagram showing another example of the unit pixel 1201 provided in the solid-state imaging device according to this embodiment. As shown in FIG. 12B, the sensor section 301 includes a photodiode 303, a quench resistor 304, and an inverting buffer 1205 with an enable terminal. The counting section 1202 includes a counter 306 , a pixel memory 307 , a defect control section 1203 and an inversion buffer 1206 . An enable signal output from the defect control unit 1203 provided in the counting unit 1202 is input to an enable terminal of an inverting buffer 1205 with an enable terminal provided in the sensor unit 301 . As described above, the inverting buffer 1205 with an enable terminal may be provided in the sensor section 301 . The defect control unit 1203 and the inverting buffer 1205 can function as output preventing means for preventing the output of pulses from the sensor unit 301 provided in the unit pixel 1201 .

本実施形態によれば、欠陥画素から閾値到達信号PSATが出力されるのを防止し得る。このため、本実施形態によれば、フレームメモリ206への画素信号の転送が欠陥画素に起因して頻発するのを防止することができる。 According to this embodiment, it is possible to prevent the threshold reaching signal PSAT from being output from the defective pixel. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to prevent the transfer of pixel signals to the frame memory 206 from occurring frequently due to defective pixels.

[第5実施形態]
第5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13乃至図18を用いて説明する。なお、図1乃至図12に示す第1乃至第4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。
[Fifth embodiment]
A solid-state imaging device, an imaging apparatus, and an imaging method according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 13 to 18. FIG. The same components as those of the solid-state imaging devices according to the first to fourth embodiments shown in FIGS. 1 to 12 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

本実施形態による撮像装置は、測光部1303を備え、測光部1303からの測光結果に基づいて、図14に示す画素アレイ200の各ブロック1401の閾値到達信号PSATを選択的に無効とするように制御することができる。また、本実施形態による撮像装置は、操作部108を介してユーザー操作によって、閾値到達信号PSATを選択的に無効とするように制御することもできる。 The imaging apparatus according to this embodiment includes a photometry unit 1303, and selectively disables the threshold reaching signal PSAT of each block 1401 of the pixel array 200 shown in FIG. can be controlled. The imaging apparatus according to this embodiment can also be controlled to selectively disable the threshold reaching signal PSAT by user operation via the operation unit 108 .

図14は、本実施形態による固体撮像素子100を示す図である。図14には、画素アレイ200と飽和検出部1403とが抜き出して示されている。画素アレイ200及び飽和検出部1403以外の構成要素については、第1実施形態における固体撮像素子100と同様である。図13においては、説明を簡略化するために4行×4列の16個の単位画素201が図示されているが、実際には多数の単位画素201が画素アレイ200に備えられている。 FIG. 14 is a diagram showing a solid-state imaging device 100 according to this embodiment. FIG. 14 shows the pixel array 200 and the saturation detection unit 1403 extracted. Components other than the pixel array 200 and the saturation detection unit 1403 are the same as those of the solid-state imaging device 100 in the first embodiment. In FIG. 13 , 16 unit pixels 201 arranged in 4 rows×4 columns are shown for the sake of simplicity of explanation, but in reality a large number of unit pixels 201 are provided in the pixel array 200 .

図14に示すように、例えば2行×2列の4つの単位画素201によって1つのブロック1401が構成されている。閾値到達信号PSATを伝達する配線1402は、各々のブロック1401において共有されている。各々のブロック1401にそれぞれ備えられた複数の単位画素201のうちのいずれかから出力される閾値到達信号PSATは、配線1402を介して飽和検出部1403に供給される。 As shown in FIG. 14, one block 1401 is composed of, for example, four unit pixels 201 arranged in two rows and two columns. Wiring 1402 for transmitting threshold reaching signal PSAT is shared by each block 1401 . A threshold reaching signal PSAT output from one of the plurality of unit pixels 201 provided in each block 1401 is supplied to a saturation detection unit 1403 via a wiring 1402 .

図13に戻り、測光部1303は、不図示のCCDやCMOSなどの測光用の撮像素子を備え、撮影レンズ102を通して入射した光を不図示の可動式ミラー等を介して受光する。測光部1303は、図15に示すような複数の測光エリア1501を備え、測光エリア1501毎に被写体輝度を測定し、その測光結果を制御部104に送る。 Returning to FIG. 13, the photometry unit 1303 includes a photometry imaging device such as a CCD or CMOS (not shown), and receives light incident through the photographing lens 102 via a movable mirror (not shown) or the like. The photometry unit 1303 has a plurality of photometry areas 1501 as shown in FIG.

制御部104は、PSAT選択部1301及び駆動設定部1302、現像処理部1304を備える。 The control unit 104 includes a PSAT selection unit 1301 , a drive setting unit 1302 and a development processing unit 1304 .

PSAT選択部1301は、測光部1303からの測光結果を受け取り、画素アレイ200の各ブロック1401の内、閾値到達信号PSATを無効とするブロックを決定する。また、閾値到達信号PSATを無効としなかったブロックでは、閾値到達信号PSATは有効となる。また、PSAT選択部1301は、操作部108を介したユーザー操作によって、選択的に閾値到達信号PSATを無効とするブロックを決定することもできる。画素アレイ200の各ブロックの閾値到達信号PSATを有効とするか無効とするかの情報(以下、PSAT選択情報)は、駆動設定部1302に送信される。 A PSAT selection unit 1301 receives the photometry result from the photometry unit 1303, and determines, among the blocks 1401 of the pixel array 200, the blocks for which the threshold reaching signal PSAT is invalidated. In addition, the threshold reaching signal PSAT is enabled in blocks where the threshold reaching signal PSAT is not disabled. In addition, PSAT selection section 1301 can selectively determine blocks for which the threshold reaching signal PSAT is invalidated by user's operation via operation section 108 . Information on whether to enable or disable the threshold reaching signal PSAT of each block of the pixel array 200 (hereinafter referred to as PSAT selection information) is transmitted to the drive setting unit 1302 .

駆動設定部1302は、固体撮像素子100及び信号処理部101を制御するための制御信号を送信する。また、PSAT選択部1301から送信されたPSAT選択情報をもとに、画素アレイ200の各ブロック1401の閾値到達信号PSATを有効又は無効にするための制御信号を固体撮像素子100へ送信する。 A drive setting unit 1302 transmits control signals for controlling the solid-state imaging device 100 and the signal processing unit 101 . Also, based on the PSAT selection information transmitted from the PSAT selection unit 1301 , a control signal for validating or invalidating the threshold reaching signal PSAT of each block 1401 of the pixel array 200 is transmitted to the solid-state imaging device 100 .

飽和検出部1403では、駆動設定部1302からの制御信号に基づいて、各々のブロック1401から供給される閾値到達信号PSATを有効とするか無効とするかを設定する。あるブロック1401から出力される閾値到達信号PSATを無効とするように飽和検出部1403が設定されている場合、飽和検出部1403は、以下のように動作する。即ち、飽和検出部1403は、当該ブロック1401から飽和検出部1403に閾値到達信号PSATが供給された場合、当該閾値到達信号PSATを無効なものとして取り扱う。従って、当該ブロック1401内に位置する複数の単位画素201のうちのいずれかにおいてカウンタ306のカウント値が閾値Cthに達した場合であっても、ラッチ信号PLATが画素アレイ200の各々の単位画素201に供給されない。このように、飽和検出部1403は、複数の単位画素201のうちの所定の単位画素201に対しては、カウンタ306によるカウント値が閾値に達したことを無視する。一方、あるブロック1401から出力される閾値到達信号PSATを有効とするように飽和検出部1403が設定されている場合、飽和検出部1403は、以下のように動作する。即ち、飽和検出部1403は、当該ブロック1401から飽和検出部1403に閾値到達信号PSATが供給された場合、当該閾値到達信号PSATを有効なものとして取り扱う。従って、当該ブロック1401内に位置する複数の単位画素201のうちのいずれかにおいてカウンタ306のカウント値が閾値Cthに達した場合には、ラッチ信号PLATが画素アレイ200の各々の単位画素201に供給される。 Based on the control signal from the drive setting unit 1302 , the saturation detection unit 1403 sets whether to enable or disable the threshold reaching signal PSAT supplied from each block 1401 . When the saturation detector 1403 is set to invalidate the threshold reaching signal PSAT output from a certain block 1401, the saturation detector 1403 operates as follows. That is, when the threshold reaching signal PSAT is supplied from the block 1401 to the saturation detecting unit 1403, the saturation detecting unit 1403 treats the threshold reaching signal PSAT as invalid. Therefore, even if the count value of the counter 306 reaches the threshold value Cth in any one of the plurality of unit pixels 201 located within the block 1401, the latch signal PLAT is output to each unit pixel 201 of the pixel array 200. not supplied to In this way, the saturation detection unit 1403 ignores that the count value of the counter 306 reaches the threshold for a predetermined unit pixel 201 out of the plurality of unit pixels 201 . On the other hand, when the saturation detector 1403 is set to validate the threshold reaching signal PSAT output from a certain block 1401, the saturation detector 1403 operates as follows. That is, when the saturation detecting section 1403 receives the threshold reaching signal PSAT from the block 1401, the saturation detecting section 1403 treats the threshold reaching signal PSAT as valid. Therefore, when the count value of the counter 306 reaches the threshold value Cth in any one of the plurality of unit pixels 201 located within the block 1401, the latch signal PLAT is supplied to each unit pixel 201 of the pixel array 200. be done.

なお、ここでは、2行×2列の4つの単位画素201が備えられたブロック1401において閾値到達信号PSATが共通化さ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、ブロック1401に備えられた単位画素201が4つでなくてもよい。また、例えば閾値到達信号PSATを列単位で共通化するようにしてもよい。 Here, the case where the threshold reaching signal PSAT is shared in the block 1401 including the four unit pixels 201 of 2 rows×2 columns has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, the number of unit pixels 201 provided in the block 1401 does not have to be four. Further, for example, the threshold reaching signal PSAT may be shared for each column.

現像処理部1304には、固体撮像素子100から出力され、信号処理部101で各種の補正処理が行われた画像データが入力される。現像処理部1304は、この画像データにデモザイク等の現像処理を行う。現像処理が行われた画像データは、例えば、表示部106に表示される。 Image data output from the solid-state imaging device 100 and subjected to various correction processes in the signal processing unit 101 is input to the development processing unit 1304 . A development processing unit 1304 performs development processing such as demosaicing on the image data. Image data that has undergone development processing is displayed on the display unit 106, for example.

図16は、本実施形態による撮像装置によって取得される画像1600の例を示す図である。ここでは、ブロック1601から供給される閾値到達信号PSATを無効とし、ブロック1601以外から供給される閾値到達信号PSATを有効とする場合を例に説明する。ブロック1601は、太陽に対応している。ブロック1601から供給される閾値到達信号PSATは無効とされているため、ブロック1601については良好な階調の画像信号が得られない。ブロック1601以外から供給される閾値到達信号PSATについては有効とされているため、ブロック1601以外については良好な階調の画像信号が得られる。なお、太陽に対応する画素信号は、飽和していても特段の問題はない。 FIG. 16 is a diagram showing an example of an image 1600 acquired by the imaging device according to this embodiment. Here, an example will be described in which the threshold reaching signal PSAT supplied from the block 1601 is invalidated and the threshold reaching signal PSAT supplied from other than the block 1601 is validated. Block 1601 corresponds to the sun. Since the threshold reaching signal PSAT supplied from the block 1601 is disabled, an image signal with good gradation cannot be obtained for the block 1601 . Since the threshold reaching signal PSAT supplied from blocks other than block 1601 is valid, image signals with good gradation can be obtained from blocks other than block 1601 . Note that there is no particular problem even if the pixel signal corresponding to the sun is saturated.

図17に、測光部1303からの測光結果をもとに、閾値到達信号PSATを選択的に無効とするように制御して撮影する流れを表すフローチャートを示す。 FIG. 17 is a flow chart showing a flow of photographing by selectively invalidating the threshold attainment signal PSAT based on the photometry result from the photometry unit 1303 .

始めに、S1701で、測光部1303が測光を行い、複数の測光エリア1501毎に被写体輝度を測定する。その測光結果は、PSAT選択部1301に送信される。 First, in S<b>1701 , the photometry unit 1303 performs photometry to measure subject brightness for each of a plurality of photometry areas 1501 . The photometry result is sent to PSAT selection section 1301 .

次に、S1702で、PSAT選択部1301が、測光部1303からの測光結果をもとに、画素アレイ200の各ブロック1401の中から閾値到達信号PSATを無効とするブロックを決定する。ここでは、被写体輝度がある閾値以上になる測光エリア1501に対応するブロック1401の閾値到達信号PSATを無効とする。これにより、例えば、太陽のように極端に高輝度被写体のあるブロックの閾値到達信号PSATを無効にできる。各ブロックの閾値到達信号PSATを有効とするか無効とするかの情報(PSAT選択情報)は、駆動設定部1302に送信される。 Next, in step S<b>1702 , the PSAT selection unit 1301 determines a block for invalidating the threshold reaching signal PSAT from among the blocks 1401 of the pixel array 200 based on the photometry result from the photometry unit 1303 . Here, the threshold reaching signal PSAT of the block 1401 corresponding to the photometry area 1501 where the subject brightness is equal to or higher than a certain threshold is invalidated. This makes it possible to invalidate the threshold reaching signal PSAT for a block with an extremely bright subject such as the sun. Information (PSAT selection information) as to whether to validate or invalidate the threshold reaching signal PSAT of each block is transmitted to drive setting section 1302 .

S1703では、駆動設定部1302が、固体撮像素子100及び信号処理部101へ撮像を行うための制御信号を送信する。また、PSAT選択部1301から送信されたPSAT選択情報をもとに、画素アレイ200の各ブロック1401の閾値到達信号PSATを有効又は無効にするための制御信号を固体撮像素子100へ送信する。 In S<b>1703 , the drive setting unit 1302 transmits a control signal for imaging to the solid-state imaging device 100 and signal processing unit 101 . Also, based on the PSAT selection information transmitted from the PSAT selection unit 1301 , a control signal for validating or invalidating the threshold reaching signal PSAT of each block 1401 of the pixel array 200 is transmitted to the solid-state imaging device 100 .

S1704では、固体撮像素子100が上述したようにして撮像を行う。固体撮像素子100から出力された画像データは、信号処理部101で各種の補正処理が行われ、制御部104に送られる。その後現像処理部1304で現像処理が行われたのち、表示部106に表示される。 In S1704, the solid-state imaging device 100 performs imaging as described above. Image data output from the solid-state imaging device 100 undergoes various correction processes in the signal processing unit 101 and is sent to the control unit 104 . After that, development processing is performed in the development processing unit 1304 and displayed on the display unit 106 .

このように、本実施形態によれば、測光部1303の測光結果をもとに、閾値到達信号PSATを選択的に無効とすることができる。例えば、太陽等に対応する単位画素201から発せられる閾値到達信号PSATを選択的に無効とすることができる。このため、本実施形態によれば、例えば太陽に対応する領域以外の領域について階調の良好な画像を得ることができる。 As described above, according to this embodiment, the threshold attainment signal PSAT can be selectively invalidated based on the photometry result of the photometry unit 1303 . For example, it is possible to selectively disable the threshold reaching signal PSAT emitted from the unit pixel 201 corresponding to the sun or the like. Therefore, according to this embodiment, it is possible to obtain an image with good gradation for areas other than the area corresponding to the sun, for example.

また、閾値到達信号PSATを有効にするか無効にするかの切り替えを、操作部108を介してユーザが行うようにしてもよい。 Alternatively, the user may switch between enabling and disabling the threshold reaching signal PSAT via the operation unit 108 .

図18に、操作部108を介してユーザー操作によって、閾値到達信号PSATを選択的に無効とするように制御して撮影する流れを表すフローチャートを示す。 FIG. 18 is a flow chart showing the flow of photographing by selectively disabling the threshold attainment signal PSAT by user operation via the operation unit 108 .

始めに、S1801で、固体撮像素子100が撮像を行い、信号処理部101における各種の補正処理及び現像処理部1304における現像処理が行われた画像が、表示部106にライブビュー画像として表示される。 First, in S1801, the image captured by the solid-state imaging device 100 is subjected to various correction processing in the signal processing unit 101 and development processing in the development processing unit 1304. The image is displayed as a live view image on the display unit 106. .

次にS1802で、ユーザーが表示部106に表示されたライブビュー画像をもとに、操作部108を介して、閾値到達信号PSATを無効にしたい領域を選択する。選択された領域の情報はPSAT選択部1301に入力される。また、表示部106がタッチパネルである場合は、表示部106は操作部108として機能する。ユーザー操作によって選択された各ブロックの閾値到達信号PSATを有効とするか無効とするかの情報(PSAT選択情報)は、PSAT選択部1301から駆動設定部1302に送信される。 Next, in step S<b>1802 , based on the live view image displayed on the display unit 106 , the user selects a region where the threshold reaching signal PSAT is to be disabled via the operation unit 108 . Information on the selected area is input to PSAT selection section 1301 . Also, when the display unit 106 is a touch panel, the display unit 106 functions as the operation unit 108 . Information (PSAT selection information) as to whether to enable or disable the threshold reaching signal PSAT of each block selected by the user's operation is transmitted from PSAT selection section 1301 to drive setting section 1302 .

S1803では、駆動設定部1302が、固体撮像素子100及び信号処理部101へ撮像を行うための制御信号を送信する。また、PSAT選択部1301から送信されたPSAT選択情報をもとに、画素アレイ200の各ブロック1401の閾値到達信号PSATを有効又は無効にするための制御信号を固体撮像素子100へ送信する。 In S<b>1803 , the drive setting unit 1302 transmits a control signal for imaging to the solid-state imaging device 100 and signal processing unit 101 . Also, based on the PSAT selection information transmitted from the PSAT selection unit 1301 , a control signal for validating or invalidating the threshold reaching signal PSAT of each block 1401 of the pixel array 200 is transmitted to the solid-state imaging device 100 .

S1804では、固体撮像素子100が上述したようにして撮像を行う。固体撮像素子100から出力された画像データは、信号処理部101で各種の補正処理が行われ、制御部104に送られる。その後現像処理部1304で現像処理が行われたのち、表示部106に表示される。 In S1804, the solid-state imaging device 100 performs imaging as described above. Image data output from the solid-state imaging device 100 undergoes various correction processes in the signal processing unit 101 and is sent to the control unit 104 . After that, development processing is performed in the development processing unit 1304 and displayed on the display unit 106 .

このように、本実施形態によれば、操作部108を介したユーザー操作によって、閾値到達信号PSATを選択的に無効とすることができる。例えば、太陽等に対応する単位画素201から発せられる閾値到達信号PSATを選択的に無効とすることができる。このため、本実施形態によれば、例えば太陽に対応する領域以外の領域について階調の良好な画像を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, the threshold reaching signal PSAT can be selectively disabled by user's operation via the operation unit 108 . For example, it is possible to selectively disable the threshold reaching signal PSAT emitted from the unit pixel 201 corresponding to the sun or the like. Therefore, according to this embodiment, it is possible to obtain an image with good gradation for areas other than the area corresponding to the sun, for example.

なお、S1801でライブビュー画像表示用の撮影を行う際は、閾値到達信号PSATを選択的に無効にする処理は行わなくてもよい。もしくは、S1801よりも前の撮影でPSAT選択情報を設定していた場合は、その情報にもとづいて、閾値到達信号PSATを選択的に無効にして撮影してもよい。 It should be noted that when shooting for live view image display is performed in S1801, the process of selectively disabling the threshold reaching signal PSAT need not be performed. Alternatively, if PSAT selection information has been set in imaging prior to S1801, the threshold reaching signal PSAT may be selectively disabled based on that information for imaging.

[第6実施形態]
第6実施形態による撮像装置及びその制御方法について図19乃至図22を用いて説明する。なお、図1乃至図18に示す第1乃至第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。
[Sixth embodiment]
An imaging apparatus and a control method thereof according to the sixth embodiment will be described with reference to FIGS. 19 to 22. FIG. The same constituent elements as those of the solid-state imaging devices according to the first to fifth embodiments shown in FIGS.

図19は、本実施形態による撮像装置のブロック図である。図19に示す撮像装置は、図1に示す構成と比較して、測光部1303を有し、制御部104が、駆動設定部1302及び露出制御部1901を備えるところが異なる。 FIG. 19 is a block diagram of an imaging device according to this embodiment. 19 differs from the configuration shown in FIG. 1 in that it has a photometry unit 1303 and the control unit 104 has a drive setting unit 1302 and an exposure control unit 1901 .

露出制御部1901は、測光部1303からの測光結果にもとづいて、露光時間や、ISO感度、撮影レンズ102の絞り値などの撮影条件を決定し、その情報を駆動設定部1302やレンズ駆動部103に送信する。また、露出制御部1901は、操作部108を介したユーザー操作によって、露光時間や、ISO感度、絞り値などの撮影条件を決定することも可能である。
The exposure control unit 1901 determines shooting conditions such as the exposure time, ISO sensitivity , and aperture value of the shooting lens 102 based on the photometric result from the photometry unit 1303, and transmits the information to the drive setting unit 1302 and the lens drive unit. 103. The exposure control unit 1901 can also determine shooting conditions such as exposure time, ISO sensitivity, and aperture value through user operations via the operation unit 108 .

例えば、露出制御部1901で設定された露光時間の情報は、駆動設定部1302に送信され、設定された露光時間で固体撮像素子100を駆動するための制御データが駆動設定部1302から固体撮像素子100に送信される。また、露出制御部1901で設定されたISO感度の情報は駆動設定部1302に送信される。そして、駆動設定部1302から信号処理部101にISO感度に応じた制御信号が送られる。信号処理部101ではこの制御信号によって、ISO感度に応じたデジタルゲインを画像データに乗算する。例えば、ISO100では、信号処理部101でx1のデジタルゲインが画像データに乗算され、ISO200では、x2のデジタルゲインが画像データに乗算される。また、露出制御部1901で設定された絞り値の情報は、レンズ駆動部103に送信され、撮影レンズ102の絞り制御に使用される。 For example, information on the exposure time set by the exposure control unit 1901 is transmitted to the drive setting unit 1302, and control data for driving the solid-state image sensor 100 with the set exposure time is transmitted from the drive setting unit 1302 to the solid-state image sensor. 100. Information on the ISO sensitivity set by the exposure control unit 1901 is transmitted to the drive setting unit 1302 . A control signal corresponding to the ISO sensitivity is sent from the drive setting unit 1302 to the signal processing unit 101 . The signal processing unit 101 multiplies the image data by a digital gain corresponding to the ISO sensitivity based on this control signal. For example, at ISO100, the signal processing unit 101 multiplies the image data by a digital gain of x1, and at ISO200, the image data is multiplied by a digital gain of x2. Information on the aperture value set by the exposure control unit 1901 is transmitted to the lens driving unit 103 and used for aperture control of the photographing lens 102 .

更に、露出制御部1901は、測光部1303からの測光結果に基づいて、固体撮像素子100を、飽和検出部205を動作させる第1の駆動モードと、飽和検出部205の動作を無効にした第2の駆動モードのどちらで駆動するかを決定する。 Further, based on the photometry result from the photometry unit 1303, the exposure control unit 1901 switches the solid-state image sensor 100 to a first drive mode in which the saturation detection unit 205 is operated, and a second drive mode in which the operation of the saturation detection unit 205 is disabled. It determines which of the two drive modes to drive.

図20に、測光部1303からの測光結果に基づいて、飽和検出部205を動作させる第1の駆動モードと、飽和検出部205の動作を無効にした第2の駆動モードとを切り替えて撮影する流れを表すフローチャートを示す。 In FIG. 20, based on the photometry result from the photometry unit 1303, the first drive mode in which the saturation detection unit 205 is operated and the second drive mode in which the operation of the saturation detection unit 205 is disabled are switched for shooting. 4 shows a flow chart representing the flow.

始めに、S2001において、測光部1303が測光を行い、図15に示す複数の測光エリア1501毎に被写体輝度を測定する。測光結果は、露出制御部1901に送信される。 First, in S2001, the photometry unit 1303 performs photometry, and measures subject brightness for each of a plurality of photometry areas 1501 shown in FIG. A photometry result is transmitted to the exposure control unit 1901 .

S2002では、露出制御部1901が測光結果に基づいて、露光時間や、ISO感度、絞り値などの撮影条件を決定する。例えば、測光部1303からの測光結果にもとづいて、画像領域の全体の平均が適正露光量になるように露光時間や、ISO感度、絞り値などの撮影条件が設定される。 In S2002, the exposure control unit 1901 determines shooting conditions such as exposure time, ISO sensitivity, aperture value, etc. based on the result of photometry. For example, based on the photometry result from the photometry unit 1303, shooting conditions such as exposure time, ISO sensitivity, aperture value, etc. are set so that the average of the entire image area is the appropriate exposure amount.

また、露出制御部1901では、固体撮像素子100を第1の駆動モードと第2の駆動モードのどちらで駆動するかも決定する。例えば、測光結果から、一部の領域に高輝度被写体が存在し、設定された撮影条件では、露光期間中に一部の画素のカウント値が飽和すると露出制御部1901が判断した場合は、第1の駆動モードが選択される。それ以外では第2の駆動モードが選択される。このように、測光結果から、高輝度被写体が存在する場合(もしくは、高照度環境下の場合)には、第1の駆動モード、高輝度被写体が存在しない場合(もしくは、低照度環境下の場合)には、第2の駆動モードが選択される。 The exposure control unit 1901 also determines whether the solid-state imaging device 100 should be driven in the first drive mode or the second drive mode. For example, if the exposure control unit 1901 determines from the photometry result that a high-brightness subject exists in a part of the area and that the count values of some pixels are saturated during the exposure period under the set shooting conditions, 1 drive mode is selected. Otherwise, the second drive mode is selected. In this way, from the photometry results, when a high-luminance subject exists (or in a high-illuminance environment), the first drive mode is selected, and when there is no high-luminance subject (or in a low-illuminance environment) ), the second drive mode is selected.

S2002では、駆動設定部1302が、固体撮像素子100及び信号処理部101へ撮像を行うための制御信号を送信する。この際、露出制御部1901で、選択された駆動モードで固体撮像素子100を駆動させるための制御信号が固体撮像素子100へ送信される。 In S<b>2002 , the drive setting unit 1302 transmits a control signal for imaging to the solid-state imaging device 100 and signal processing unit 101 . At this time, the exposure control unit 1901 transmits a control signal to the solid-state imaging device 100 to drive the solid-state imaging device 100 in the selected drive mode.

S2003では、固体撮像素子100が駆動設定部1302から送信された制御信号にもとづいて、第1の駆動モード、第2の駆動モードのいずれかで駆動して撮像を行う。この動作は第1実施形態と同様であるため、その説明は省略する。固体撮像素子100から出力された画像データは、信号処理部101で各種の補正処理が行われ、制御部104に送られる。 In S2003, based on the control signal sent from the drive setting unit 1302, the solid-state imaging device 100 is driven in either the first drive mode or the second drive mode to perform imaging. Since this operation is the same as that of the first embodiment, the explanation thereof is omitted. Image data output from the solid-state imaging device 100 undergoes various correction processes in the signal processing unit 101 and is sent to the control unit 104 .

このように、本実施形態によれば、測光部1303の測光結果をもとに、高輝度被写体が存在する場合(もしくは、高照度環境下の場合)には、第1の駆動モードで撮影が行われる。従って、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, based on the photometry result of the photometry unit 1303, when there is a high-brightness subject (or in a high-illuminance environment), shooting is possible in the first drive mode. done. Therefore, it is possible to prevent the count value from saturating during the exposure period and obtain an image with good gradation.

また、本実施形態の別の制御方法として、測光部1303の測光結果を用いずに、露光時間や、ISO感度、絞り値の撮影条件のいずれかに応じて第1の駆動モード、第2の駆動モードを切り替えるように制御してもよい。 As another control method of this embodiment, without using the photometry result of the photometry unit 1303, the first drive mode or the second drive mode can be selected according to any one of the shooting conditions such as the exposure time, ISO sensitivity, and aperture value. You may control so that a drive mode may be switched.

図21に、操作部108を介してユーザーが設定した撮影条件に応じて、第1の駆動モード、第2の駆動モードを切り替えて撮影する流れを表すフローチャートを示す。 FIG. 21 is a flow chart showing the flow of photographing by switching between the first drive mode and the second drive mode according to the photographing conditions set by the user via the operation unit 108 .

S2101では、操作部108を介して、ユーザーが露光時間や、ISO感度、絞り値の撮影条件を設定する。設定した撮影条件の情報は露出制御部1901に送信される。 In step S<b>2101 , the user sets shooting conditions such as exposure time, ISO sensitivity, and aperture value via the operation unit 108 . Information on the set shooting conditions is transmitted to the exposure control unit 1901 .

S2102では、露出制御部1901で、S2101で設定された撮影条件にもとづいて、第1の駆動モード、第2の駆動モードのどちらで駆動するかが決定される。ここでは、例えば、ISO感度が所定の閾値よりも低い場合に第1の駆動モードが選択され、それ以外の場合は第2の駆動モードが選択される。これにより、一般的に高照度環境下で使用される低ISO感度設定時に第1の駆動モードを選択することで、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができる。 In S2102, the exposure control unit 1901 determines whether to drive in the first drive mode or the second drive mode based on the shooting conditions set in S2101. Here, for example, the first drive mode is selected when the ISO sensitivity is lower than a predetermined threshold, and the second drive mode is selected otherwise. As a result, by selecting the first drive mode when the ISO sensitivity is set to be low, which is generally used in a high-illuminance environment, it is possible to prevent the count value from saturating during the exposure period.

また、S2102における決定方法は、ISO感度に限られるものでは無い。例えば、撮影レンズ102の絞り値に応じて、ある閾値となる絞り値よりも開放側では、第1の駆動モードを選択し、小絞り側では、第2の駆動モードを選択してもよい。もしくは、露光時間に応じて、ある閾値となる秒時よりも長秒では、第1の駆動モードを選択し、短秒では第2の駆動モードを選択してもよい。また、上述した撮影条件の少なくとも1つが第1の駆動モードに対応する場合に、第1の駆動モードで駆動するようにしても良い。 Also, the determination method in S2102 is not limited to the ISO sensitivity. For example, depending on the aperture value of the photographing lens 102, the first drive mode may be selected on the open side of the aperture value serving as a certain threshold, and the second drive mode may be selected on the small aperture side. Alternatively, depending on the exposure time, the first driving mode may be selected when the exposure time is longer than a certain threshold, and the second driving mode may be selected when the exposure time is shorter. Further, when at least one of the above-described imaging conditions corresponds to the first drive mode, the first drive mode may be used for driving.

S2103以降の動作は、図20のS200以降の動作と同様であるため、その説明は省略する。
Since the operations after S2103 are the same as the operations after S2003 in FIG. 20, the description thereof will be omitted.

また、本実施形態のさらに別の制御方法として、固体撮像素子100から14ビットの画像データを出力するスタンダードダイナミックレンジ(SDR)モードと16ビットの画像データを出力するハイダイナミックレンジ(HDR)モードの撮影モードを備えた撮像装置に本発明を適用した例を説明する。本実施形態では、例えば、図3に示すカウンタ306は14ビットのビット幅を備え、SDRモード時には、第2の駆動モードで動作し、飽和検出部205の動作を無効にして、固体撮像素子100からは14ビットの画像データを出力する。HDRモード時には、カウンタ306は14ビットのビット幅しか持たないが、第1の駆動モードで動作させることで、カウンタ306のカウント値が閾値Cthに達するたびに、カウント値の取得及びリセット動作が行われるため、14ビット以上の階調を得ることができる。したがって、例えば、固体撮像素子100からは16ビットの画像データを出力する。 Further, as another control method of the present embodiment, a standard dynamic range (SDR) mode for outputting 14-bit image data from the solid-state imaging device 100 and a high dynamic range (HDR) mode for outputting 16-bit image data are selected. An example in which the present invention is applied to an imaging apparatus having a shooting mode will be described. In this embodiment, for example, the counter 306 shown in FIG. outputs 14-bit image data. In the HDR mode, the counter 306 has only a bit width of 14 bits, but by operating in the first drive mode, the count value acquisition and reset operation are performed each time the count value of the counter 306 reaches the threshold value Cth. gradation of 14 bits or more can be obtained. Therefore, for example, the solid-state imaging device 100 outputs 16-bit image data.

図22に、操作部108を介してユーザーが設定した撮影モード(SDRモード、HDRモード)に応じて、第1の駆動モード、第2の駆動モードを切り替えて撮影する流れを表すフローチャートを示す。 FIG. 22 shows a flow chart showing the flow of shooting by switching between the first drive mode and the second drive mode according to the shooting mode (SDR mode, HDR mode) set by the user via the operation unit 108 .

S2201では、操作部108を介してユーザーが撮影モード(SDRモード、HDRモード)を設定する。設定した撮影条件の情報は、露出制御部1901に送信される。 In S<b>2201 , the user sets the shooting mode (SDR mode, HDR mode) via the operation unit 108 . Information about the set shooting conditions is sent to the exposure control unit 1901 .

S2202では、露出制御部1901で、撮影条件の情報に基づいて、第1の駆動モード、第2の駆動モードのどちらで駆動するかを決定する。ここでは、例えば、SDRモード時には、第2の駆動モード、HDRモード時には、第1の駆動モードが選択される。 In S2202, the exposure control unit 1901 determines whether to drive in the first drive mode or the second drive mode based on the information on the shooting conditions. Here, for example, the second drive mode is selected during the SDR mode, and the first drive mode is selected during the HDR mode.

S2203以降の動作は、図20のS200以降の動作と同様であるため、その説明は省略する。
Since the operation after S2203 is the same as the operation after S2003 in FIG. 20 , the description thereof will be omitted.

以上の動作により、HDRモード時に第1の駆動モードで撮影を行うことで、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、高諧調の画像を得ることができる。 By performing the above operation in the first drive mode during the HDR mode, it is possible to prevent the count value from saturating during the exposure period and obtain a high-gradation image.

[第7実施形態]
第7実施形態による撮像装置及びその制御方法について図23及び図24を用いて説明する。なお、図1乃至図22に示す第1乃至第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。
[Seventh Embodiment]
An imaging apparatus and a control method thereof according to the seventh embodiment will be described with reference to FIGS. 23 and 24. FIG. The same components as those of the solid-state imaging devices according to the first to sixth embodiments shown in FIGS. 1 to 22 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

図23は、本実施形態による撮像装置のブロック図である。図23に示す本実施形態による撮像装置は、図1に示す構成と比較して、制御部104内に駆動切り替え部2301及び駆動設定部1302を備えたところが異なる。 FIG. 23 is a block diagram of an imaging device according to this embodiment. The imaging apparatus according to this embodiment shown in FIG. 23 differs from the configuration shown in FIG.

駆動切り替え部2301には、信号処理部101を介して、固体撮像素子100から出力された画像データが入力され、画像データ中に飽和した画素信号があるか否かを検出する。また、駆動切り替え部2301には、図2の飽和検出部205から出力される閾値到達信号PSATを検出したことを示す信号が、配線2302を介して入力される。そして、駆動切り替え部2301は、閾値到達信号PSATを検出したことを示す信号と、入力された画像データ中に飽和した画素信号があるか否かを検出した結果に基づいて、第1の駆動モードと第2の駆動モードのどちらで固体撮像素子100を駆動するかを決定する。 The drive switching unit 2301 receives image data output from the solid-state imaging device 100 via the signal processing unit 101, and detects whether or not there is a saturated pixel signal in the image data. In addition, a signal indicating detection of the threshold reaching signal PSAT output from the saturation detection unit 205 in FIG. Then, the drive switching unit 2301 selects the first drive mode based on the signal indicating that the threshold reaching signal PSAT has been detected and the result of detecting whether or not there is a saturated pixel signal in the input image data. or the second drive mode to drive the solid-state imaging device 100. FIG.

駆動設定部1302は、固体撮像素子100及び信号処理部101へ撮像を行うための制御信号を送信する。この際、駆動切り替え部2301で、選択された駆動モードで固体撮像素子100を駆動させるための制御信号が固体撮像素子100へ送信される。 A drive setting unit 1302 transmits a control signal for imaging to the solid-state imaging device 100 and the signal processing unit 101 . At this time, the drive switching unit 2301 transmits a control signal to the solid-state imaging device 100 to drive the solid-state imaging device 100 in the selected drive mode.

図24は、本実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートを示す。撮影が開始すると、S2401において、駆動切り替え部2301が第2の駆動モードを選択し、その情報が駆動設定部1302に送信される。S2402では、駆動設定部1302が、駆動切り替え部2301で選択された駆動モードで固体撮像素子100を駆動させるための制御信号を固体撮像素子100へ送信する。そして、固体撮像素子100が撮影を行い、撮影された画像データは信号処理部101を介して、駆動切り替え部2301に入力される。 FIG. 24 shows a flowchart representing the flow of control of the imaging apparatus according to this embodiment. When shooting starts, the drive switching unit 2301 selects the second drive mode in S2401 and the information is sent to the drive setting unit 1302 . In S<b>2402 , the drive setting unit 1302 transmits to the solid-state image sensor 100 a control signal for driving the solid-state image sensor 100 in the drive mode selected by the drive switching unit 2301 . Then, the solid-state imaging device 100 captures an image, and captured image data is input to the drive switching unit 2301 via the signal processing unit 101 .

S2403では、駆動切り替え部2301が、S2402における撮影が第1の駆動モードで行われたか否かを判定する。第1の駆動モードの場合はS2404の判定1に移り、第2の駆動モードの場合はS2405の判定2に移る。 In S2403, the drive switching unit 2301 determines whether or not the shooting in S2402 was performed in the first drive mode. In the case of the first drive mode, the process proceeds to determination 1 of S2404, and in the case of the second drive mode, the process proceeds to determination 2 of S2405.

S2404の判定1では、S2402の撮影時に配線2302を介して入力される閾値到達信号PSATを検出したことを示す信号を受信しなかったか否かを判定する。閾値到達信号PSATを検出したことを示す信号を受信しなかった場合(YES)は、S2406に移り、駆動切り替え部2301は、第2の駆動モードを選択する。閾値到達信号PSATを検出したことを示す信号を受信した場合(NO)は、駆動モードの切り替えは行わずに、S2408に移る。 In determination 1 of S2404, it is determined whether or not a signal indicating detection of the threshold reaching signal PSAT input via the wiring 2302 during imaging in S2402 has not been received. If the signal indicating that the threshold reaching signal PSAT has been detected has not been received (YES), the process moves to S2406, and the drive switching unit 2301 selects the second drive mode. If the signal indicating that the threshold reaching signal PSAT has been detected is received (NO), the drive mode is not switched and the process proceeds to S2408.

一方、S2405の判定2では、駆動切り替え部2301で、信号処理部101を介して、入力された画像データ中に飽和した画素信号があるか否かを検出する。飽和した画素信号がある場合(YES)、S2407に移り、駆動切り替え部2301は、第1の駆動モードを選択する。飽和した画素信号がない場合(NO)は、駆動モードの切り替えは行わずに、S2408に移る。 On the other hand, in determination 2 of S2405, the drive switching unit 2301 detects whether or not there is a saturated pixel signal in the image data input via the signal processing unit 101. FIG. If there is a saturated pixel signal (YES), the process moves to S2407, and the drive switching unit 2301 selects the first drive mode. If there is no saturated pixel signal (NO), the process proceeds to S2408 without switching the drive mode.

S2408では、撮影を継続するかの判定を行い、例えば、ユーザーが操作部108を介して、撮影終了の操作をした場合は、撮影が終了する。撮影が継続する場合は、S2402に戻り、駆動切り替え部2301が選択している駆動モードで撮影が行われる。 In S2408, it is determined whether or not to continue shooting. For example, if the user operates the operation unit 108 to end shooting, shooting ends. If shooting continues, the process returns to S2402 and shooting is performed in the drive mode selected by the drive switching unit 2301 .

以上のように制御することで、第2の駆動モード時に撮影画像の中に飽和した画素信号がある場合に、第1の駆動モードに移行できる。また、第1の駆動モード時に閾値到達信号PSATを検出したことを示す信号を受信しなかった場合には、第2の駆動モードに移行できる。 By controlling as described above, it is possible to shift to the first drive mode when there is a saturated pixel signal in the captured image in the second drive mode. Further, when the signal indicating that the threshold reaching signal PSAT has been detected is not received in the first driving mode, it is possible to shift to the second driving mode.

このように、本実施形態によれば、撮影画像に飽和した画素信号がある場合に、第1の駆動モードに移行できるため、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, when there is a saturated pixel signal in the captured image, it is possible to shift to the first drive mode, so that it is possible to prevent the count value from being saturated during the exposure period. An image with good gradation can be obtained.

[第8実施形態]
第8実施形態による撮像装置及びその制御方法について図25及び図26を用いて説明する。なお、図1乃至図24に示す第1乃至第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。
[Eighth Embodiment]
An imaging apparatus and a control method thereof according to the eighth embodiment will be described with reference to FIGS. 25 and 26. FIG. The same components as those of the solid-state imaging devices according to the first to seventh embodiments shown in FIGS. 1 to 24 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

図25は、本実施形態による撮像装置のブロック図である。図25に示す本実施形態による撮像装置は、図1に示す構成と比較して、制御部104内に撮影モード選択部2501及び駆動設定部2502を備えたところが異なる。 FIG. 25 is a block diagram of an imaging device according to this embodiment. The imaging apparatus according to this embodiment shown in FIG. 25 differs from the configuration shown in FIG.

本実施形態における固体撮像素子100は、第2実施形態において、図7及び図8に示した固体撮像素子と同じ構成を有し、図9のタイミングチャートに示すように駆動される。また、本実施形態による固体撮像素子100のカウンタ306の閾値Cthの値は、撮影モードに応じて駆動設定部2502により設定可能である。 The solid-state imaging device 100 in this embodiment has the same configuration as the solid-state imaging device shown in FIGS. 7 and 8 in the second embodiment, and is driven as shown in the timing chart in FIG. Also, the value of the threshold value Cth of the counter 306 of the solid-state imaging device 100 according to this embodiment can be set by the drive setting unit 2502 according to the shooting mode.

撮影モード選択部2501は、例えば、操作部108を介したユーザー操作等により、撮影モードを選択し、選択した撮影モードの情報を駆動設定部2502に送信する。撮影モードの例として、例えば、画素アレイ200のすべての画素の信号を出力する全画面読み出しモードや、画素アレイ200の一部の画素の信号を出力するクロップ読み出しモードなどがある。 A shooting mode selection unit 2501 selects a shooting mode by, for example, user operation via the operation unit 108 , and transmits information on the selected shooting mode to the drive setting unit 2502 . Examples of shooting modes include a full-screen readout mode in which signals of all pixels of the pixel array 200 are output, and a crop readout mode in which signals of some pixels of the pixel array 200 are output.

駆動設定部2502は、固体撮像素子100及び信号処理部101を撮影モード選択部2501で選択した撮影モードで駆動するための制御信号を送信する。また、駆動設定部2502は、撮影モード選択部2501で選択した撮影モードに応じて、固体撮像素子100の各画素のカウンタ306の閾値Cthの値を設定するための制御信号も送信する。ここで、駆動設定部2502が設定する閾値Cthの値は、例えば、第2実施形態の式(2)に示す値となる。ここで、式(2)の読み出し行数を示すnや、1行分の画素信号をフレームメモリ206に転送するのに要する時間であるT1hは、全画面読み出しモードやクロップ読み出しモードなどの撮影モードに応じた値が用いられる。 A drive setting unit 2502 transmits a control signal for driving the solid-state imaging device 100 and the signal processing unit 101 in the imaging mode selected by the imaging mode selection unit 2501 . The drive setting unit 2502 also transmits a control signal for setting the threshold value Cth of the counter 306 of each pixel of the solid-state imaging device 100 according to the shooting mode selected by the shooting mode selection unit 2501 . Here, the value of the threshold Cth set by the drive setting unit 2502 is, for example, the value shown in Equation (2) of the second embodiment. Here, n indicating the number of readout rows in equation (2) and T1h, which is the time required to transfer pixel signals for one row to the frame memory 206, are determined by the shooting mode such as full screen readout mode or crop readout mode. is used.

図26に、操作部108を介してユーザーが設定した撮影モード(全画面読み出しモード、クロップ読み出しモード)に応じて、閾値Cthを設定して撮影する流れを表すフローチャートを示す。 FIG. 26 is a flowchart showing a flow of shooting with the threshold value Cth set according to the shooting mode (full-screen reading mode, crop reading mode) set by the user via the operation unit 108 .

S2601では、撮影モード選択部2501が、操作部108を介したユーザー操作等により撮影モード(全画面読み出しモード、クロップ読み出しモード)を選択する。選択した撮影モードの情報は駆動設定部2502に送信される。 In S2601, the shooting mode selection unit 2501 selects a shooting mode (full screen readout mode, crop readout mode) by user operation or the like via the operation unit . Information on the selected shooting mode is transmitted to the drive setting unit 2502 .

S2602では、駆動設定部2502が固体撮像素子100及び信号処理部101に選択された撮影モードで駆動するための制御信号を送信する。また、駆動設定部2502は、撮影モード選択部2501で選択した撮影モードに応じて、固体撮像素子100の各画素のカウンタ306の閾値Cthの値を設定するための制御信号を固体撮像素子100に送信する。 In S2602, the drive setting unit 2502 transmits a control signal for driving the solid-state imaging device 100 and the signal processing unit 101 in the selected shooting mode. In addition, the drive setting unit 2502 sends a control signal to the solid-state image sensor 100 for setting the value of the threshold value Cth of the counter 306 of each pixel of the solid-state image sensor 100 according to the shooting mode selected by the shooting mode selection unit 2501. Send.

S2603では、固体撮像素子100がS2601で選択された撮影モードで撮影を行う。このとき、カウンタ306の閾値Cthは、S2601で選択された撮影モードに応じた値が用いられる。 In S2603, the solid-state imaging device 100 performs imaging in the imaging mode selected in S2601. At this time, as the threshold Cth of the counter 306, a value corresponding to the shooting mode selected in S2601 is used.

以上の動作により、本実施形態による撮像装置は、カウンタ306の閾値Cthを撮影モードに応じて変更可能である。また、本実施形態においても、第2実施形態と同様に、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。 With the above operation, the imaging apparatus according to this embodiment can change the threshold Cth of the counter 306 according to the imaging mode. Also in this embodiment, as in the second embodiment, it is possible to prevent the count value from saturating during the exposure period, and an image with good gradation can be obtained.

以上、本発明の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るものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.

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 recording 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、101:画像処理部、104:制御部、106:表示部、108:操作部、200:画素アレイ、201,1101:単位画素、202:垂直制御回路、203:水平制御回路、204:タイミング発生回路、205,1403:飽和検出部、206:フレームメモリ、206a:一時メモリ領域、206b:積算メモリ領域、207:加算回路、208:デジタル出力部、209、210:スイッチ、211:プルアップ抵抗、212:配線、306:カウンタ、207,307:画素メモリ、1202:欠陥制御部、1301:PSAT選択部、1302,2502:駆動設定部、1303:測光部、1901:露出制御部、2301:駆動切り替え部、2501:撮影モード選択部 100: solid-state imaging device, 101: image processing unit, 104: control unit, 106: display unit, 108: operation unit, 200: pixel array, 201, 1101: unit pixel, 202: vertical control circuit, 203: horizontal control circuit 204: timing generation circuit 205, 1403: saturation detector 206: frame memory 206a: temporary memory area 206b: integration memory area 207: adder circuit 208: digital output unit 209, 210: switch 211 : pull-up resistor, 212: wiring, 306: counter, 207, 307: pixel memory, 1202: defect control unit, 1301: PSAT selection unit, 1302, 2502: drive setting unit, 1303: photometry unit, 1901: exposure control unit , 2301: drive switching unit, 2501: shooting mode selection unit

Claims (20)

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と、前記センサ部から発せられる信号のパルス数をカウントするカウンタと、がそれぞれ備えられた複数の画素と、
前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタによるカウント値が第1の閾値に達したかどうかを検出する検出部と
前記検出部が前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタによるカウント値が前記第1の閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素の各画素ごとに前記カウント値に基づく信号を積算する積算部と、
を備えことを特徴とする撮像素子。
a plurality of pixels each provided with a sensor unit that emits pulses at a frequency corresponding to the frequency of photon reception , and a counter that counts the number of pulses of the signal emitted from the sensor unit ;
a detection unit that detects whether the count value of the counter provided for one of the plurality of pixels has reached a first threshold ;
when the detection unit detects that the count value of the counter provided for one of the plurality of pixels has reached the first threshold value, for each of the plurality of pixels, based on the count value an integrator that integrates the signal;
An imaging device comprising :
前記検出部が前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタによるカウント値が前記第1の閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素それぞれに備えられた前記カウンタをリセットすることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 resetting the counter provided for each of the plurality of pixels when the detection unit detects that the count value of the counter provided for one of the plurality of pixels reaches the first threshold value; 2. The imaging device according to claim 1, characterized in that: 前記カウンタによって得られたカウント値を前記複数の画素の各画素ごとに保持するメモリを更に備え、
前記カウンタによって得られたカウント値が前記メモリに保持された後に、前記複数の画素それぞれに備えられた前記カウンタリセットする
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像素子。
further comprising a memory for holding the count value obtained by the counter for each of the plurality of pixels ;
After the count value obtained by the counter is held in the memory, the counter provided for each of the plurality of pixels is reset .
3. The imaging device according to claim 1, wherein:
前記メモリは前記画素にそれぞれ備えられている
ことを特徴とする請求項3に記載の撮像素子。
4. The imaging device according to claim 3, wherein the memory is provided in each of the pixels.
前記画素の外部に設けられているとともに、前記カウンタによって得られたカウント値を順次選択して、前記複数の画素の各画素ごとに保持するメモリを更に備え、
前記カウンタによって得られたカウント値を読み出した後に、前記複数の画素それぞれに備えられた前記カウンタリセットする
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像素子。
further comprising a memory provided outside the pixels and sequentially selecting the count values obtained by the counter and holding the count values for each of the plurality of pixels ;
resetting the counter provided for each of the plurality of pixels after reading the count value obtained by the counter ;
3. The imaging device according to claim 1, wherein:
前記複数の画素は、それぞれ
記検出部と、
前記カウンタによって得られたカウント値を保持するメモリと、
記積算部と、
を備えことを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
Each of the plurality of pixels is
the detection unit;
a memory that holds the count value obtained by the counter;
the integrating section;
2. The imaging device according to claim 1, comprising :
前記検出部による検出の結果に基づいて、前記複数の画素のうちの所定の画素に備えられた前記カウンタによって得られたカウント値が前記第1の閾値に達したことを示す信号の出力を防止する出力防止手段を更に備える
ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の撮像素子。
Prevent output of a signal indicating that the count value obtained by the counter provided in a predetermined pixel among the plurality of pixels has reached the first threshold based on the result of detection by the detection unit 7. The imaging device according to any one of claims 1 to 6 , further comprising output preventing means for preventing the output of the image.
前記複数の画素のうちの所定の画素に備えられた前記センサ部からのパルスの出力を防止する出力防止手段を更に備える
ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の撮像素子。
7. The imaging according to any one of claims 1 to 6 , further comprising output prevention means for preventing a pulse from being output from the sensor unit provided in a predetermined pixel among the plurality of pixels. element.
前記所定の画素は欠陥画素である
ことを特徴とする請求項又はに記載の撮像素子。
9. The imaging device according to claim 7 , wherein the predetermined pixels are defective pixels.
前記検出部は、前記複数の画素のうちの所定の画素に対しては、前記カウンタによるカウント値が前記第1の閾値に達したことを無視する
ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の撮像素子。
7. The detection unit according to any one of claims 1 to 6 , wherein the detection unit ignores that the count value of the counter reaches the first threshold for a predetermined pixel among the plurality of pixels. 1. The imaging device according to 1.
測光手段を更に有し、
前記所定の画素は、前記測光手段による測光の結果、第2の閾値以上の輝度を有する被写体に対応する画素である
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像素子。
further comprising photometric means;
11. The imaging device according to claim 10 , wherein the predetermined pixel is a pixel corresponding to a subject having a luminance equal to or higher than a second threshold as a result of photometry by the photometry device.
操作手段を更に有し、
前記所定の画素は、前記操作手段により選択された画素である
ことを特徴とする請求項10又は11に記載の撮像素子。
further comprising operating means;
12. The imaging device according to claim 10 , wherein the predetermined pixels are pixels selected by the operating means.
前記検出部による検出を行第1のモードと、
前記検出部による検出を行わない第2のモードとで動作することが可能である
ことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の撮像素子。
a first mode for performing detection by the detection unit;
13. The imaging device according to any one of claims 1 to 12 , wherein the imaging device is capable of operating in a second mode in which detection by the detection unit is not performed .
測光手段を更に有し、
前記測光手段による測光の結果、第3の閾値以上の輝度を有する被写体が存在する場合に、前記第1のモードで動作し、前記第の閾値以上の輝度を有する被写体が存在しない場合に、前記第2のモードで動作する
ことを特徴とする請求項13に記載の撮像素子。
further comprising photometric means;
If the result of photometry by the photometry means is that there is a subject having a luminance equal to or higher than the third threshold, the operation is performed in the first mode, and if there is no subject having a luminance equal to or higher than the third threshold, 14. The imaging device according to claim 13 , which operates in the second mode.
撮影条件を設定する設定手段を更に有し、
前記設定手段により設定された撮影条件に基づいて、前記第1のモードで動作するか、前記第2のモードで動作するかを切り替えることを特徴とする請求項13または14に記載の撮像素子。
further comprising setting means for setting imaging conditions;
15. The imaging device according to claim 13 , wherein switching between operation in the first mode and operation in the second mode is performed based on the photographing conditions set by the setting means.
前記第1のモードで動作している場合であって、前記検出部により前記カウント値が前記第1の閾値に達したことが検出されなかった場合に、前記第2のモードに切り替え、
前記第2のモードで動作している場合であって、前記カウンタによるカウント値のうち、第3の閾値以上のカウント値がある場合に、前記第1のモードに切り替える
ことを特徴とする請求項13に記載の撮像素子。
When operating in the first mode and the detection unit does not detect that the count value has reached the first threshold, switching to the second mode,
3. The mode is switched to the first mode when operating in the second mode and when there is a count value equal to or greater than a third threshold among the count values of the counter. 14. The imaging device according to 13 .
複数の異なる撮影モードのいずれかを選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された撮影モードに応じて、前記第1の閾値を変更する
ことを特徴とする請求項に記載の撮像素子。
a selection means for selecting one of a plurality of different shooting modes;
2. The imaging device according to claim 1 , wherein said first threshold value is changed according to the shooting mode selected by said selection means.
前記センサ部はアバランシェフォトダイオードを備える
ことを特徴とする請求項1から17のいずれか1項に記載の撮像素子。
The imaging device according to any one of Claims 1 to 17 , wherein the sensor section includes an avalanche photodiode.
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と、前記センサ部から発せられる信号のパルス数をカウントするカウンタと、がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタによるカウント値が閾値に達したかどうかを検出する検出部と、前記検出部が前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタのカウント値が前記閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素の各画素ごとに前記カウント値に基づく信号を積算する積算部と、を備える撮像素子と、
前記撮像素子から出力される信号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 section that emits pulses at a frequency corresponding to the frequency of photon reception ; and a counter that counts the number of pulses of the signal emitted from the sensor section; a detection unit for detecting whether the count value of the provided counter reaches a threshold value; and the detection unit detects that the count value of the counter provided for one of the plurality of pixels has reached the threshold value. an imaging device comprising : an integrator that integrates a signal based on the count value for each of the plurality of pixels when detected ;
and a processing unit that performs predetermined processing on a signal output from the imaging device.
光子の受光頻度に応じた頻度で、複数の画素の各画素に備えられたセンサ部から発せられる信号のパルス数をカウンタによりカウントするステップと、
前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタのカウント値が閾値に達したかどうかを検出するステップと、
前記複数の画素の1つに備えられた前記カウンタによるカウント値が前記閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素の各画素ごとに前記カウント値に基づく信号を積算するステップと
を有することを特徴とする撮像方法。
a step of counting, by a counter , the number of pulses of a signal emitted from a sensor unit provided in each pixel of a plurality of pixels at a frequency corresponding to the frequency of photon reception;
detecting whether the count value of the counter provided for one of the plurality of pixels reaches a threshold;
and integrating a signal based on the count value for each of the plurality of pixels when detecting that the count value of the counter provided for one of the plurality of pixels has reached the threshold value. An imaging method, comprising:
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