WO1986003918A1 - Solid image pickup device - Google Patents

Description

明 卿 固 体 撮 像 装 置

技 術 分 野 本発明 は固体撮像装置 に 関す る も の で あ り 、 特 に 、 光電変換 さ れ た電気信号を直接 に デ ィ ジ タ ル変換 し て 蓄積 し 、 全て の画素か ら 得 ら れ る 光情報 を デ ィ ジ タ ル 信号 と し て取 り 出す も の で あ る 。 背 景 技 術 既 に 周知の如 く 、 デ ィ ジ タ ル信号の形式 に て信号伝 送や各種の信号処理を行 う こ と に よ り 、 S N比の劣化 を 極め て 少 な く す る こ と が で き る 。 か か る 観点か ら 、 撮 像装置 に お い て も で き る だ け初期の信号処理段階 に て 映像信号を デ ィ ジ タ ル化 し 、 そ の後 に 各種の処理を行 お う と す る 試みが な さ れ て レヽ る 。

し か し 、 従来の撮像装置 に お い て は 、 光電変換さ れ た信号 を 、 で き る だ け早い段階 に お い て デ ィ ジ タ ル信 号 に 変換す る 場合で も 、 固体撮像素子の画素か ら 得 ら れ る 各 々 の ア ナ ロ グ情報 を時系列 の ア ナ ロ グ情報 と し て い つ た ん素子外 に 取 り 出 し た後 に 、 A D ( ア ナ ロ グ · デ ジ タ ル ） 変換器 に よ り デ ィ ジ タ ル信号 に 変換 し て い た。 す なわ ち 、 第 1 A図 に示さ れ る よ う に、 撮像管 2 Aか ら 取 り 出 し た ア ナ ロ グ信号をバ ッ フ ァ 増幅器 4 Aを介 し て A / D 変換器 6 Aに供給 し て デ ィ ジタ ル信号を得る。 あ る い は、 第 1 B図に示さ れ る よ う に 、 固体撮像素子 2 Bか ら送出 さ れ た信号をバ ッ フ ァ 増幅器 4 Bを介 し て A / D 変 換器 6 Bに供給 し てデ ィ ジタ ル信号を得る 。

撮像信号は種々 の形態で信号処理さ れ る の で、 第 1 A 図ま た は第 1 B図の よ う に ディ ジタ ル信号を得てか ら処 理す る こ と も メ リ ッ 卜 はあ る が、 こ の よ う な構成を採 る 限 り 、 A D変換を行 う 以前の撮像素子に お け る ア ナ 口 グ信号の処理は従来通 り で あ り 、 そ こ で の問題は全て 解決さ れず に残 つ て い る の で、 各種の雑音が重畳 し て S N比を十分 に高め る こ と が で き ない な ど、 良好な撮像 がで き ない と い う 欠点がみ ら れた。

発 明 の 開 示 そ こ で、 本発明の 目 的 ほ、 上述の点 に鑑み、 各画素 に お いて光電変換さ れ た画素毎の電気信号を、 直接 に デ ィ ジ タ ル信号の形態で取 り 出 し て信号処理す る よ う 構成 し た固体撮像装置を提供す る こ と に あ る 。

かか る 目 的を達成す る た め に 、 本発明で は、 少な く と も 1 次元的 に配列 さ れ た複数の受光手段で あ っ て、 そ の各々 の受光手段への フ ォ 卜 ン の入射量に応 じ て パ ル ス状信号を そ れぞれ送出す る複数の受光手段 と 、 受 光手段 の 各 々 に 接続 され、 パル ス状信号 を 計数 し 、 そ の計数値 を 撮像 出 力 と し て保持する 計数保持手段 と 、 所定 の 周期 で計数保持手段の計数値 を初期状態 に も ど す手段 と 計数保持手段か ら計数値 を順次 に 読 み 出 す 走査手段 と を 具備 し た 固体撮像装置 を構成す る 。

で 同 時 も し く は近接 した時間的 間隔 を も っ て フ ォ ト ン が受光手段 に 入射 し た と き に は 、 パ ル ス 状信 号 の ピ ー ク 値 ち し く は持統時間 に基づい て計数値 を 修 正す る 手段 を 備 え る こ と がで き る 。

ノ ル ス 状信号修正手段 を受光手段 と 計数保持手段 と の 間 に 設 け 、 受光手段か ら のパル ス状信号 を 計数保持 手段 に お け る 計数 に 適 し たパル ス幅の信号 に 修正す る ょ ラ に し て も よ い 。

刖 M の受光 手段 は 、 ア バ ラ ン シ ェ フ才 ト ダ イ ォ ー ド ぁ る い は マ イ ク ロ チ ャ ネ ル プ レ ー ト を含む も の と す る こ と が で さ る 。

カゝか る 受光 手段 を 2 次元的 に配列 し 、 2 次元画像情 報 を 取 り 出 す よ う に す る こ と がで き る 。

走查手段か ら 取 り 出 さ れたデジ タ ル信号 を デ ジ タ ル 信号処理部 に 供給 し 、 デ ジ タ ル信号の信号 レ ベ ル を 変 换 し て 、 所要 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ の撮像 出 力 を 得 る よ ラ に し て も よ い 図面 の簡単 な説明 第 1 A図お よ び第 I B図は従来技術を説明す る プロ ッ ク 図、

第 2 図は観測さ れる フ ォ ト ン数 と そ の生起確率 と の関 係の一例を示す線図、

第 3 A図お よ び第 3 B図は本発明の第 1 実施例を示す模式 図、

第 4 図 ほ 第 3 B図 に 対応 し た 詳細回 路例 を 示 す 回路 図、

第 5 図は本発明の第 2 実施例を示す模式図、

第 6 図は本発明の第 3 実施例を示す プ ロ ッ ク 図、 第 7 図 は第 6 図示の 回路の 動作 を説明 す る 信号波形 図、

第 8 図ほ本発明の第 4 実施例を示す プ ロ ク 図、 第 9 図は第 8 図の回路の具体例を示す詳細回路図、 第 1 0図は第 9 図の動作を説明す る信号波形図、 第 1 1図は種々 の特性を得る た めの具体的実施例を示す ブ ロ ッ ク 図、

第 1 2図はデ ジ タ ル固体撮像装置の出力の全域 （ 2 ²² ) を 映像信号の第 8 ビ ッ 卜 に対応さ せ た実施例を説明す る た め の特性図、

第 i 3図はデ ジ タ ル固体撮像装置出力の第 1 6ビ ッ ト を映 像信号の 1 Q Q % に対応さ せ た例を説明す る た め の特性 図、 ：

第 1 4図はデ ジ タ ル固体撮像装置出力の第 7 ビ ッ ト を映 像信号の 1 Q Q % に対応さ せ た例を説明す る た め の特性 図、

第 15図お よ び第 16図は被写体の高輝度部分に ニ ーボイ ン ト を設け た例を説明す る た めの特性図、

第 17図お よ び第 18図は第 15図の特性を得る た めの具体 例を示す ブ ロ ッ ク 図で あ る 。 発明を実施す る た めの最良の形態 以下 、 実 施 例 に 基 づ い て 本 発 明 を 詳細 に 説 明 す る 。 - *

本発明 に 係 る 固体撮像装置 は 、 到来す る フ オ ト ン (光子） の数をデジ タ ル的 に計測 し て、 画素ご と のデ ジ タ ル信号を送出す る も め で あ る 。 そ こ で、 到来す る フ オ ト ン の数 に つ い て言及 し て レ、 く 。 1 ル ー メ ン に含 ま れ る フ オ ト ン の数は毎秒あ た り 、 波長 （ 入 ） 550nm に つ い て は 0.4 X 1 Q " 個 / s e c 、 白 色光 に つ い て は 1 .3 X 10 " 個 / sec で あ る と いわれて い る 。 よ っ て 、 い ま 1 画素の大 き さ が約 1 Q X 1 Q μ πί と し た場合 に は、 1 ル ツ ク ス の面照度 を有す る そ の面積内 に 到達す る フ オ ト ン の数ほ、 白色光 に つい て は毎秒あ た り 、

1.3 X 10 ⁴ X 10 X 10 X 10"^a { / s e c

= 1.3 x 10^e 個ノ s e c ( 1 ) と な り 、 こ れ を通常の テ レ ビ ジ ョ ン の フ レ ー ム タ イ ム (1/30 秒） に換算す る と 、 3

¹ · ^{3 X 1} ° = 4.3 10^ (個ノ フ レ ー ム · 1 画素) ·♦· (2) と な る。 従 っ て 、 こ の フ オ ト ン の個数を カ ウ ン ト す る こ と に よ り 、 当該画素の入射光量 に応 じ た信号を デ ィ ジ タ ル信号 と し て取 り 出す こ と が可能 と な る 。

こ こ で 、 上記第 （2) 式の フ ォ ト ン 数 は、

4 , 3 X 10⁴ < 2 ^/6 = 6 .55 X 10⁴ で あ る か ら 、 16ビ ッ ト の 2 進数を 用 い て表現す る こ と がで き る 。 更 に 、 こ の光量の 1 Q倍、 あ る い は 100 倍の 入射光 ま で も 取 り 扱 う 場合を考 え る と 、

4.3 X 1 Ο^ί+ < 2 ^? ( = 5 .24 X 10⁵ ) 4 .3 X I O^i+aく 2ュ ³ ( = 8.39 X 10^¾ ) と なる の で、 そ れ ぞ れ 19ビ ッ 卜 あ る レヽ ほ 23ビ ッ 卜 の 2 進数を 用 い て表現す る こ と が可能で あ る 。

次 に 、 フ オ ト ン が光セ ン サ部 に 到達す る 周期 に つ い て述べ る 。 既述の第 （1) 式 に 示す場合、 毎秒当 た り の フ ォ ト ン 数は 1 .3 Χ ΐ Ο^ε 個 Z sec と な る が、 こ れ ら 全 て の フ ォ ト ン が等 し い周期を も っ て光セ ン サ部 に 到達 し た も の と す る と 、 そ の周波数は 1 .3MH zと な る 。 し か し 、 一般の到達周期 は ラ ン ダ ム で あ る と 考 え ら れ る の で 、 あ る 一時点 に お い て 、 フ オ ト ン が 10倍の密度で到 達す る 場合、 そ の周波数 は 13 MHz , 0-倍の 密度で到達 す る 場合、 そ の周波数 は 130 MH zと な る 。

第 2 図 に 示す グ ラ フ ほ、 到来す る フ オ ト ン の平均数 が m で あ る と き 、 フ ォ ト ン 数 n が観測 さ れ る 確率 P n m_

P n = e x p 〔 一 m 〕

n

を示 し て い る 。 こ の第 2 図は、 東北大通研 シ ン ポ ジ ゥ ム 「 光 コ ン ピ ュ ー タ へ の ア ブ ロ ー チ 」 （I V - 4 , p . 9 0 +， 1 9 8 3年 3 月 ） に お け る 神谷武志氏 「光デバ イ ス の可能 性」 図 1 の グ ラ フ を書 き な お し た も の で あ る 。 こ の グ ラ フ か ら 明 ら か な よ う に 、 あ る 特定の時期 に 到来す る フ オ ト ン を峻別す る た め の周波数応答性能 は、 せ いぜ い 1 0倍程度 （ す な わ ち 1 3 Μ Η ζ ) の余裕 を持 つ て お け ば十 分で あ る 。

も う 一方の考 え方 と し て 、 到来す る 光 も ノ イ ズ成分 を 持 っ て お り 、 一時 に 高 い 密度 で 到来 す る フ オ ト ン ほ、 か か る ノ イ ズ成分 に 相当す る と 考 え ら れ る 。 従 つ て 、 密度 の 高 い フ ォ ト ン を す べ て カ ウ ン ト し な い 方 が 、 ノ イ ズ を 少 な く で き る と 考 え る こ と も で き る 。 従 っ て 、 そ の意味か ら も 周波数応答性 は、 平均周波数 ( 1 . 3 Μ Η ζ ) の 1 0倍程度 あ れ ば十分で あ り 、 そ れ以上の高 い周波数で カ ウ ン 卜 す る 必要 は な い。

但 し 、 入射 フ オ ト ン の全数の計測を 必要 と す る と き は、 後述の よ う に すべ て の フ ォ ト ン を カ ウ ン ト す る 回 路 を設 け る こ と に よ り 達成す る こ と が で き る 。

第 3 Α図 は 本発明 の一実施例 を 示 す 概略模式 図 で あ り 、 通常の I Cプ ロ セ ス に 従 っ て 单一の ウ ェハ 上 に ラ イ ン.セ ン サ を構成す る 態様を表 し て い る 。 第 3 B図 ほ こ の 内の 1 画素分 に つ い て の光電変換手段 お よ び計数保持 手段を 示す。 こ こ で 、 8A〜 8Nは到来する フ オ ト ン の数 に対応 したパ ル ス状信号を送出する光セ ン サ部、 10 A 〜 10Ν は光 セ ン サ部 8A〜 8Nか ら それぞれ送 出 さ れ る パ ル ス状信号 を カ ウ ン 卜 する 18〜 23ビ ッ ト の ノ、。ル ス カ ウ ン タ で あ る 。 12A 〜 12N は光セ ン サ部 8A〜 8Nに 含 ま れ る 高速光電子増倍素子 （例えば、 アバ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダ イ オ ー ド） で あ り 、 フ オ ト ン 7 が到来する 受光面 9 上 に 1 列 に S列 し て あ る 。 なお、 受光面 9 に マ イ ク ロ チ ャ ネ ル プ レ ー ト （MCP) を配置 し、 こ こ で増倍 させた フ ォ ト ン を上述 し た フ ォ ト ダ イ オー ド 12A 〜 12N で受 け る よ う に し て も よ く 、 こ の場合には受光感度 を大 き く 向上 で き る 。

14は氷平走査回路 で あ り 、 各 々 の 18〜 23ビ ッ ト カ ウ ン タ 10A 〜 10N を付勢する こ と に よ り 、 そ の デ ジ タ ル 計数値 を逐次読み出 す。 こ の読み出 し を 行 う た め の付 勢方法 は従来か ら知 られてい る ァ ド、 レ ス ス ィ ツ チ ン グ 手法 を 用 い る のが好適であ る 。

か く し て 、 *実施例 に よれば、 1 次元 の固体撮像装 置 （所謂 ラ イ ン セ ン サ） を構成する こ と が で き る 。

カ ウ ン タ 10A 〜 10N の各 々 は、 た と え ば第 4 図 に 示 す よ う に 、 カ ウ ン タ の各 1 ビ ッ ト を構成する フ リ ッ プ フ ロ ッ プ 11を 縱続接繚 し て構成で き-る 。 3 は電源端 子 ， 5 は リ セ ッ ト 端子、 13はバ ッ フ ァ増幅器で あ る 。

本実施例 を 動作 さ せる場合は、 まず 1 フ レ ー ム 時間 に相当す る 1/30耖間 について、 入射 フ ォ ト ン数 に対応 し た 個 数 の パ ル ス 状 信 号 を フ ォ ト ダ イ オ ー ド、 12 A 〜 12 N で 発 生 さ せ 、 こ れ ら パ ル ス 状 信 号 を カ ウ ン タ 10 A 〜 10N に 導 入 す る 。 カ ウ ン タ A 〜 10N に お い て 、 カ ウ ン ト が終 了 し た時点 に 、 氷平走査 回路 14を 用 い て こ れ ら 各 カ ウ ン タ 10A 〜 N か ら各計数値 を 逐次 読 み 出 す。 そ し て 、 計数値の読み出 し後 に 、 リ セ ッ ト 端子 5 か ら の リ セ ッ ト 入力に よ り こ れ ら カ ウ ン タ 10A 〜 10N を 零 に リ セ ッ ト し 、 以下同 じ動作 を 繰 り 返す。 以上 の よ う に す る こ と に よ り 、 受光面 9 に お け る 照度 を 各画 素単位 でデ ィ ジ タ ル信号に直接変換 し て 出 力す る 。

第 5 図 は太発明 の 第 2 実施例 を示す模式図 で あ る 。 太実施例 で は 、 第 3A図 に示 し た構成-の ラ ィ ン セ ン サ を ウ ェ ハ上 に 集積化 し 、 約 10 m の厚 さ に 薄片化 し た半 導体装置 15と し て構成 し 、 複数枚の半導倖装置 15を 基 板 17上 に 垂直方 向 に 有機絶縁接着剤等 を 用 い て 貼 り 合 わ せ 、 も っ て 2 次元像 の撮像が可能 な セ ン サ を 構成す る 。 こ こ で 、 1 Sは垂直走査回路 を示 し 、 各半導体装置 15毎 に 配設 し た氷平走査回路 14を順次 に 指定す る 。

こ の よ う に 、 2 次元平面の形態の受光面 9 上 に フ ォ ト ダ イ ォ 一 ド 8 Aを マ ト リ ク ス状 に配列す る と 共 に 、 各 々 の半導体装置 15相 互 を電気的に絶縁 し て重ね合 わ せ る こ と に よ り 、 通常 の 二次元画像走査 を 行 う こ と が可 能 と な る 。

な お 、 术実施例 で は フ ォ ト ン計数用 の カ ウ ン タ 10 A を 3 次元的 に配列 し て あ る の で、 水平お よ び垂直走査 回路 1 4お よ び 1 6のみな ら ず、 その他の信号処理回路を こ れ ら カ ウ ン タ に隣接 し て、 た と え ば、 第 5 図の右側 スペース 内に設け る こ と も可能で あ る 。 こ の配置は、 特に画素每に こ の信号処理回路を設け る場合 に は有効 で あ る。

第 6 図ほ本発明の第 3 実施例を示す プ ロ ク 図であ る 。 本実施例は、 一度に 多数の フ オ ト ン が到来 し た た め に光セ ン サ部か ら フ ォ ト ン数 に対応 し たパ ルス数が 得 ら れない場合に特に有用 な固体撮像装置で あ る 。 こ こ で 、 1 8ほ ァ ノ ラ ン シ ェ フ オ ト ダイ オー ド 、 2 0は広带 域増幅器、 2 2は微分回路で あ る 。 2 4は レ ベ ル検出器で あ り 、 増幅器 2 0の出力信号が所定レ ベ ルを越え た場合 に 、 その出力信号に お け る超過 レ ベル成分を A / D 変換 器 2 6に送出す る 。 2 8はパ ル ス カ ウ ン タ で あ り 、 微分回 路 2 8か ら 送出 さ れ る パ ル ス S _D の個数 を カ ウ ン ト す る 。 こ の カ ウ ン タ 2 8は 、 A / D 変換器 2 6か ら パ ル ス S _w が送出 さ れ た場合 に は、 こ の パ ル ス S u が表わす個数 だ け カ ウ ン タ 2 8の計数値を イ ン ク リ メ ン 卜 す る 。

なお、 上記説明 は 1 画素分に つ い て の構成で あ る の で、 フ ォ ト ダイ オー ド 1 8を第 3 A図 に示す よ う に一列 に 配列 し た り 、 あ る い は第 5 図に示す よ う に面状 に配列 す る こ と に よ り 、 種 々 の光セ ン サ を形成す る こ と が で き る 。

第 7 図は第 6 図示の回路の動作を説明す る信号波形 !H

図で あ る 。 第 7 図は、 上か ら 、 広帯域増幅器 20の出力 信号、 A/D 変換器 26の出力信号 S 、 微分回路 22の出 力信号 S□ 、 ノ ル ス カ ウ ン タ 28の各ビ ツ ト 出力、 フ ォ ト ダイ オー ド 18に入射 し た フ ォ ト ン 数の経時的変化を 表 し て レヽ る 。 本例 で は ノ ル ス カ ウ ン タ 28ほ 4 ビ ッ ト 構 成 と す る 。

第 7 図か ら 明 ら か な よ う に 、 時刻 11〜 t 4に お い て入 射す る フ オ ト ン の数ほ 1 個ずつ で あ り 、 微分回路 22の 出力パ ル ス S□ を ノぺ ル ス カ ウ ン タ 28が逐次カ ウ ン ト し て レ、 る 。 と こ ろ が 、 時刻 15に 至 っ て 4 個 の フ ォ ト ン が 到来す る と 、 広带域増幅器 20か ら は所定の し き い値電 圧 Vsを越え る 出力信号が送出 さ れ る 。 レ ベル検出器 24 は所定の し き い値電圧 Vsを越え る 出力信号を検出す る と 、 そ の し き い値電圧 Vsを差 し 引 い た 超過電圧分 を A/D 変換器 26に送出す る 。 A/D 変換器 26は、 そ の超過 電圧を フ オ ト ン 3 個分に相当す る デ ジ タ ル信号 S_w に 変換 し て パ ルス カ ウ ン タ 28の入力端子、 す な わ ち第 1 ビ ッ ト 入力端子 に供給す る 。 こ れ に よ り 、 パ ル ス カ ウ ン タ 28は " 3 " だ け計数値を イ ン ク リ メ ン ト し 、 フ ォ ト ン数 に対応 し た計数値を示す こ と に な る 。

な お、 こ れ ま で の説明 は单一の画素 に入射す る フ ォ 卜 ン に つ い て 述べ て き た が 、 そ の 他 の 図示 し な い 画素 に入射す る フ ォ ト ン に つ い て も 同様で あ る 。

第 8 図は本発明の第 4 実施例を示す概略プ ロ ッ ク 図 で あ る 。 第 8 図 に お い て 、 30は ァ ノ ラ ン シ ェ フ オ ト ダ !2

ィ ォ ー ド 3 2お よ び広蒂域増幅器 2 0を舍 む受光部 で あ る 。 3 4は時間 ♦ パ ルス変換回路で あ り 、 増幅器 2 0の出 力信号が所定の レ ベ ル E o以上を持続す る時間をその時 間 に対応 し た パ ルス数 （ こ の パ ルス数は入射フ ォ ト ン の個数 に対応す る） に変換 し て 出力す る 。 3 6は変換回 路 3 4か ら の出力パ ルス を計数す る N ビ ッ ト のパ ルス 力 ゥ ン タ で あ る 。

次 に 、 第 8 図 に示 し た本実施例の動作を第 8 図お よ び第 9 図を参照 し て説明す る 。 第 9 図は第 8 図 に対応 し た詳細回路図、 第 1 0図ほ第 8 図の動作を説明す る波 形図で あ る 。 '

こ こ で、 受光部 3 0への フ オ ト ン入射に伴 っ て ァ バ ラ ン シ ヱ フ ォ ト ダイ オー ド 3 2か ら光電子増倍出力が得 ら れ る が、 受光部 3 0の出力 は次の条件を満た す よ う な も の と す る 。 す なわ ち 、

( 1 ) 唯 1 個の フ ォ ト ン が入射 し た場合 に も 、 そ の出力 レ ベ ル は期間 t尸 に わ た つ て所定のス レ シ ョ ル ド レ ベ ル E 0 (変換回路 3 4の ト リ ガ レ ベ ル） 以上を保持す る よ う 予め調整 し て お く 。

( 2 ) フ オ ト ン が一時に 多数入射 し た場合に は、 第 1 0図 に示す よ う に 、 そ の フ ォ ト ン数 P に 比例 し て、 お お よ そ期間 P ♦ t _P に わ た つ て上記 レ ベ ル E 0以上の出 力を有す る よ う 構成 し て お く 。 こ の構成は、 受光部 3 0の フ ォ 卜 ダイ ォー ド 3 2お よ び増幅器 2 0の周波数特 性を適切に定め る こ と で実現で き る 。 時間 * パ ル ス変換回路 34は、 た と え ば第 9 図 に 示す よ う に 構 成 さ れ 、 上 記 期 間 t_F よ り も 若 干 長 い 期 間 t₀ を 1 周期 と す る パ ル ス を 自 励発振す る 回路、 た と え ば单安定マ ル チ バ イ ブ レ ー タ 34 - 1と 、 ス レ ヅ シ ョ ル ド レ ベ ル E ₀ を越 え た と き の み こ の单安定マ ル チ バ ィ ブ レ ータ 34 - 1を ィ ネ ー ブル状態 と す る 発振制御回路 34-2と か ら 構成で き る 。 こ こ で 、 受光部 30か ら の入力 レ ベ ル が E 0を 越 え て レヽ る 間 の み 、 第 10図 に 示 す よ う に 、 周期 to の パ ルス を連続的 に 送出す る 。 従 っ て 、 時間 . パ ル ス変換回路 34か ら は、 入射 し た フ ォ ト ン の 個数 に 対応 し た パ ルス が送出 さ れ、 こ れがパ ルス 力 ゥ ン タ 36に よ り カ ウ ン 卜 さ れ る こ と に な る 。

か く し て 、 離散的 に 到達す る フ ォ' ト ン に つ い て は 1 個 ず つ カ ウ ン ト を 行 い 、 他方、 一度 に 多数到達 す る フ ォ ト ン に つ レヽ て は 、 ま ず ア ナ ロ グ量で あ る 時間の長 さ に 変換 し 、 そ の時間 に 対応 し て発生 さ れ る パ ル ス の 個数 を カ ウ ン ト す る こ と が で き る の で、 常 に フ ォ ト ン の個数を正確 に 計測す る こ と が可能 と な る 。 な お 、 上 記時間 t_P や 1₀ の値 と し て は、 例 え ば 0.1 sec 以 下 に 設定す る の が好適で あ る 。

一般 に 、 表示用 陰極線管 （CRT) な ど に よ り 表現 し得 る コ ン ト ラ ス ト 比 ほ 20対 1 が限度 で あ る と 言わ れ て い る 。 そ れ を 2 進数 で 表 す 場合 、 8 ビ ッ ト 、 つ ま り 、 2 ⁸ の 階調の 映像信号が あ れ ば十分 で あ る と 言わ れ て い る 。 そ こ で、 本発明 に よ る デ ジ タ ル固体撮像装置か !4

らの ²³ に もおよび階調の出力を映像信号に どの よ う に対応させる かに よ つ て、 種々 の特性が得られる。

こ こ で、 デ ィ ジタル固体撮像装置の出力信号か ら所 望階調の映像信号を取 り 出すための回路構成の一例を 第 1 L図に示す。 第 11図において、 デ ィ ジタル固体撮像 装置からの 23ビ ッ ト の出力を、 23個のポー ト をもつ端 子 101 を介してスィ ッ チマ ト リ クス 102 の各垂直ラ イ ン 103 に供給する 。 こ のスィ ッ チマ ト リ ク ス 102 の水 平ラ イ ン 104 の各々 を映像信号取出し用の端子 105 の 8 個のボー ト の各々 に接続する。 スィ ッ チマ ト リ クス 102 においては、 垂直ラ イ ン 103 と水平ラ イ ン 104 と の各交点にスィ ッ チ 106 を配置し、 後述する よ う な種 々 の特性に合わせて所望のス イ ッ チを閉成 し、 それに よ り デ ィ ジタル固体撮像出力のいずれの階調を映像信 号のいずれの階調に対応させるかを決める。 以下の説 明を容易にする ために、 こ こ では、 スィ ッ チ 106 の各 々 に、 マ 卜 リ クス位置に応じたサフ ィ ッ ク スを付すこ と にする。

次に、 かかる信号レベル変換特性の例について述べ る。

(1) 第 12図の例で は 、 デジ タ ル固体撮像装置か ら の

2 階調の出力を直線的に 2 ⁸ 階調の映像信号に変 換する 。 こ の場合に は 、 第 11図 に おいて 、 ス イ ツ チ 106 の う ち、 （し 1) , (2 , 5) ，（3 , 8) , (4， 11)， （5， 14) , (6 , 17) , (7 ,20) および （8 , 23)を閉成する。 一般 に 、 自 然界 に お け る 通常の一場面で は、 コ ン ト ラ ス ト 比が 100 対 1 か ら 高 々 1000対 1 な の で 、 こ の場 合 に は、 CRT 上で は極一部の コ ン ト ラ ス ト 範囲 に 圧縮 さ れ て し ま い、 良好 な変換方式 と ほ い え ず、 特殊用途 に 限 ら れ て し ま う 。

(2) 第 13図お よ び第 14図の例で は、 デ ジ タ ル固体撮像 装置か ら の 2 進数出力 の う ち の所定位置の 8 ビ ッ ト の各 ビ ッ ト を映像信号の 2 進数 に お け る 8 ビ ッ ト の 各 ビ ッ ト に そ れ ぞれ対応 さ せ る 。 ま た 、 対応範囲外 の 上位 ビ ッ ト と 下位 ビ ッ ト は 切 り 捨 て る 。 こ の 場 合、 デ ジ タ ル固体撮像装置の 2^a3 階調 に も お よ ぶ 出 力 の う ち の い ず れの範囲の 8 ビ ッ ト を映像信号 に 対 応 さ せ る か に つ レヽ て は、 被写体の明 る さ に 応 じ て 適 宜変 え る こ と が で き る 。

第 13図の例で は、 ス ィ ッ チ 106 の う ち 、 （1 , 10) ， (2 , 11) , (3 , 12) , (4 , 13) , (5 , 14) , (6 , 15) , (7 , 16) お よ び （ 8 , 17 ) を 閉成す る 。

第 14図 の 例 で は 、 ス イ ッ チ 106 の う ち 、 （1 , 1) , ( 2 , 2) , ( 3 , 3) , (4 , 4) , ( 5 , 5 ) , (6 , 6 ) , (7 , 7 ) お よ び ' (8 , 8) を閉成す る 。

本例で は、 自 然界 と ほ ぼ同 じ コ ン ト ラ ス ト で C RT 上 に 表示で き る た め 、 良好 な画像信号 と な る 。

(3) 第 15図お よ び第 16図の例で は 、 映像信号の う ち 、 あ る 特定 ビ ツ ト は上述 と 同 じ く デ ジ タ ル固体撮像装 置出力 と 1 対 1 に 対応 さ せ、 被写体の輝度の高い部 !6

分だ け、 コ ン ト ラ ス ト を圧縮 し た形で、 す なわ ち 、 ニ ーボ イ ン ト を設定 し た形で映像信号に変換す る 。

第 15図の例で は、 ス ィ ッ チ 106 の う ち 、 （1 , 10) . (2 , 11) ， (3 , 12) , (4 , 13) , (5 , 14) ， (6 , 15) , (7 , 16) お よ ぴ （ 8 , 20 )を閉成す る 。

第 16図 の 例 で は 、 ス ィ ッ チ ] _ 06 の う ち 、 （1 , 1) , ( 2 , 2 ) , (3 , 3 ) ， (4 , 4) , (5 , 5 ) , (6 , 6 ) , ( 7 , 7 ) お よ び (8 , 11)を閉成す る 。

こ の場合も 、 上述の場合 と 同様、 圧縮の比率を変え ず に入射光量に応 じ て対応す る ビ ッ ト を変え る こ と が で き る 。 本例で は、 第 13図お よ び第 14図の特性よ り も 広い光量域を表現す る こ と がで き る 。

次 に 、 信号の変換の方法は、 た と え ば第 17図 に示す よ う に 、 デ ジ タ ル固体撮像装置 110 か ら の 23ビ ッ ト の 出力の う ち の 10〜 11ビ ッ 卜 を変換器 111 に よ り 8 ビ ッ 卜 の映像信号 に直接変換す る場合 と 、 た と え ば第 18図 に示す よ う に デ ジタ ル固体撮像装置 1 L (Γ か ら の 23ビ ッ 卜 の出力の う ち の 10〜 11ビ ッ ト を上記 （ 2 ) 項 と 同様の ス ィ ッ チ マ ト リ ク ス 112 に供給 し、 こ の ス ィ ッ チ マ ト リ ク ス 112 か ら 10〜 11ビ ッ ト の映像信号を取 り 出 し、 そ の映像信号を変換器 113 に よ っ て 8 ビ ッ ト に圧縮す る 場合 と が考え ら れ る 。

上記 （ 2 ) 項の例に つ い て具体的数値を入れ る と 、 一 般 に 白 色光 1 ルーメ ン （ J2 πι) に は毎秒約 10" 個 ·の フ ォ ト ン が含 ま れ る 。 そ し て、 こ の フ オ ト ン が 1 平方メ ー !7

ト ル の 面積 を 照射 し た 状態 が 1 ル ッ ク ス （ J2 X ) で あ る 。

い ま 、 光セ ン サ部 の 1 画素の面積を Ιθ Χ ΐΟ μ πι ² と す る と 、 1 J2 X の 明 る さ に お レヽ て 100 UL m ² の面積 に は毎秒約 10 ^s 個の フ オ ト ン が到来す る こ と に な る 。 こ れ を 1/3 Q秒間 だ け カ ウ ン ト す る と 、 約 3 . 3 X 10⁴ 個 と な り 、 こ れ を 2 進カ ウ ン タ で カ ウ ン ト す る た め に は 16 ビ ッ 卜 を必要 と す る 。 そ の カ ウ ン ト 値の第 16ビ ッ ト を 映像信号に お け る 階調 1 Q D % の レ ベ ル に 対応 さ せ る こ と に よ っ て 、 面照度 1 J2 X の と き に 階調 100 % の映像 信号 と す る こ と が で き る （ 第 13図参照） 。 こ こ で 、 入 射光量が減少 し て き た場合、 映像信号 に お け る 10 Q % の レ ベ ル を デ ジ タ ル固体撮像装置の第 15ビ ッ 卜 に 対応 さ せ る こ と に よ り 、 感度を 2 倍上げ る こ と が で き る 。 逆 に 、 光量が多い場合 に は映像信号 に お け る 1 Q 0 % の レ ベ ル を デ ジ タ ル固体撮像装置の第 17ビ ッ 卜 に 対応 さ せ る こ と に よ り 、 感度を 1 / 2 に 減少 さ せ る こ と が で き る 。 こ の よ う に 、 デ ジ タ ル固体撮像装置 に お け る 出力 の う ち の い ず れの ビ ッ ト を映像信号の 100 % の レ ベ ル に 対応 さ せ る か に 応 じ て 、 受光感度を変 え る こ と が で き る 。 産業上の利用可能性 以上詳述 し た と こ ろ か ら 明 ら か な よ う に 、 本発明 に !8

よ っ て、 次の効果が得 ら れ る 。

(1) ス ィ ッ チ ン グ ノ ィ ズゃ浮遊容量な ど に 起因す る SN 比の劣化を無 く す こ と がで き る 。

す な わ ち 、 本発明 に よ れ ば、 到達 し た フ オ ト ン の数 を画素每 に 即座 に カ ウ ン ト す る こ と がで き る の で、 得 ら れ た デ ィ ジ タ ル信号 に は光量子雑音以外の雑音成分 は全 く 含 ま れず、 そ の後の伝送 ， 各種の処理過程 に お い て も デ ィ ジ タ ル信号で あ る た め雑音の混入す る 可能 性が極め て 少 く 、 最終的 に 非常 に S N比の高い 出力信号 を得る こ と が で き る 。 - な お 、 最終的 に 問題 と な る 光量子雑音 に つ い て は、 次の よ う に し て さ ら に 軽減 さ せ る こ と も で き る 。

(1) 1 画素 と し て の 必要 な蓄積時間 （ 例 え ば 、 1/30 秒） よ り も 長い時間 に わ た っ て 蓄積を行 う こ と に よ り 平均化を行 う 。

(B) 前 フ レ ー ム に お け る カ ウ ン ト 数 と の单純加算平均 を と る 。

(C) 各 フ レ ー ム ご と に 重み付 け を行い 、 以前の N フ レ ー ム に わ た つ て 移動平均を と る 。

(2) 画素毎 に デ ィ ジ タ ル信号 と し て 取扱 う の で 前 フ レ ー ム の画像情報 を完全 に ク リ ァ す る こ と が で き 、 残 像 を全 く 生 じ さ せ な い こ と が で き る 。

(3) デ ィ ジ タ ル信号 と し て蓄積お よ び伝送が行わ れ る の で ブルー ミ ン グゃ ス ミ ァ な ど を全 く 生 じ さ せ る こ と な く 非常 に 良好 な映像を得る こ と が で き る 。 す な わ ち 、 各画素 に お け る 蓄積 · 積分の過程で生 じ る ブルー ミ ン グ に つ い て は、

(A) 各 々 の走査線情報を得 る た め の ラ イ ン 状光セ ン サ 相互間 に は絶縁層 を設 け て あ る こ と ；

(B) 水平方向の 隣接画素間に も 障壁を設 け て電荷が漏 れ な レヽ よ う に す る こ と が可能で あ る こ と ；

(C) 入射 し た フ ォ 卜 ン に起因す る 電荷が直 ち に 電源側 に 吸収 さ れ て し ま う こ と ；

か ら 、 完全 に 除去す る こ と が可能で あ る 。

更 に 、 映像信号の走査 · 読み出 し の過程で生 じ る ス ミ ァ に つ い て も 、

( 走査回》路 を別個 に 独立 し'て設 け る こ と が可能で あ る こ と ；

(B) デ ジ タ ル信号化 さ れ て い る の で、 信号の漏れ あ る い ほ他の信号 と の干渉を十分 に 補償す る こ と が で き る こ と ；

か ら 完全 に 除去す る こ と が可能で あ る 。

(4) 入射光が少 く な つ た場合 ( す な わ ち 、 暗い被写体 を撮像す る 場合 ） に も 、 入射す る フ ォ ト ン 数が単 に 減 少す る だ け で あ る の で 、 光量子雑音以外 の雑音 が混入 す る こ と は な く 、 理論限界の S N比が得 ら れ る 。

(5) 同時 に 、 あ る い ほ時間的 に 非常 に 近接 し て フ ォ 卜 ン が入射 し た場合 に も 、 信号処理回路を工夫す る こ と に よ り 、 正確 な フ オ ト ン 数の計測が可能 と な る 。

(6) デ ジ タ ル固体撮像装置の 出力の接続を変 え る こ と に よ り 、 光電面照度に おい て受光感度を約 2 ¹² 倍の範 囲 にわ た っ て変え る こ と がで き 、 し か も そ の間 に おい て、 撮像装置 に起因す る画質の劣化は何一つ存在し な い 。 こ の場合、 フ オ ト ン が少な く な る こ と に よ る S N比 の劣化は生ず る が、 こ れ は装置 に起因す る も の で は な い ₀

次に、 光量， フ オ ト ン数， カ ウ ン タ の ビ ッ ト 数な ど の具体例を第 1 表に示す。

こ こ で は、 白色光 1 m の中 に は約 1 0 " 個の フ ォ ト ン が含 ま れてい る と 言われ るの で、 こ の数値 に基づい て 計 算 を 行 っ た 。 な お 、 1 画素 の 受 光面 は 1 Q X 1 0 m と " 5 る 。 第 1 表

第 1 表か ら わ かる よ う に 、 使用す る ビ ッ ト の順位を 単 に変え る こ と に よ り 、 受光感度を広範囲 に変え る こ と がで き る の で 、 撮像装置 に起因す る画像の劣化な し

-K u

Claims

2t

請求の範囲 少 な く と も 1 次元的に配列 された複数の受光手段 で あ つ て、 そ の各 々 の受光手段への フ ォ ト ン の 入射 畺 に応 じ て パ ル ス状信号を それぞれ送出す る 複数の 受光手段 と 、

前記受光手段の各 々 に接続 され、 前記パ ル ス 状信号 を計数 し 、 そ の計数値を撮像出力 と し て保持す る 計 数保持手段 と 、

所定 の周期 で前記計数保持手段の計数値を初期状態 に も どす手段 と 、

前記計数保持手段か ら前記計数値を順次に読み出す 走査手段 と を具備 し た こ と を特徴 と す る 固体撮像装 同時 も し く は近接 した時間的間隔を も っ て フ ォ ト ンが刖記受光手段 に入射 し た と き に は iu記パ ル ス 状信号の ピ — ク 値 も し く は持続時間に 基づい て 刖 計数値 を修正す る 手段を備えたこ と を 特徴 と す δ目 求の範囲第 1 項記載の固体撮像装置。

ル ス状信号修正手段を前記受光手段 と 前記計数 保持手段 と の間 に 設け、 前記受光手段か ら の 刖記ノ、 ル ス 状信号 を 刖 sc.計数保持手段におけ る 計数 に適 し たパル ス幅 の信号 に修正する よ ラ に し た こ と を特徵 と す る 求 の範囲第 1 項記載の固体撮像装置

刖記受光手段は ア バ ラ ン シ ェフオト ダ ィ ォー ド を含 23

む こ と を特徵 と す る請求の範囲第 l 項記載の固体撮 像装置。

前記受光手段は マ イ ク ロ チ ャ ネ ル ブ レ ー ト を舍む こ と を特徴 と す る請求の範囲第 1 項記載の固体撮像 前記受光手段を 2 次元的 に配列 し、 2 次元画像情 報を取 り 出す こ と を特徴 と す る請求の範囲第 1 項記 載の固体撮像装置。

前記走査手段か ら取 り 出 さ れた デ ジ タ ル信号をデ ジ タ ル信号処理部 に供給 し、 前記デ ジ タ ル信号の信 号 レ ベ ルを変換 し て、 所要ダイ ナ ミ ッ ク レ ン ジ の撮 像出力 を得る よ う に し た こ と を特徴 'と す る請求の範 囲第 1 項記載の固体撮像装置。

少 な く と も 1 次元的 に 配列 さ れ た複数 の ア バ ラ ン シ ェ フ オ ト ダ イ オ ー ド （ 12A) を 舍 み 、 そ の -各 々 へ の フ ォ ト ン の入射量 に応 じ てパ ル ス状信号 を それぞれ送 出する 複数の光セ ン サ （8A)と 、 これ ら光 セ ン サ （8A)の 各 々 に 接続 され、 パ ル ス状信号を計数 し 、 そ の計数値

2

を撮像 出力 と し て保持す約る カ ウ ン タ （ 10A)と 、 所定の 周期で カ ウ ン タ （ 1 OA ) の計数値を初期状態に も どす手 段 （5) と 、 カ ウ ン タ （ 10A) か ら前記計数値を順次に読 み出 す走査手段（14) と を具備 した固体撮像装置。 カ ウ ン タ （ 10 A )に よ り フ ォ ト ダ イ オ ー ド （ 12 A ) で光電変換 された フ ォ ト ン の個数を計数する こ と に よ り 撮像出力 を 直接 に デ ィ ジ タ ル信号の形態で取 り 出 すの で 、 SN比 の高い撮像出 力が得 られる。