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JP7339779B2 - Imaging device - Google Patents

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JP7339779B2 JP2019105609A JP2019105609A JP7339779B2 JP 7339779 B2 JP7339779 B2 JP 7339779B2 JP 2019105609 A JP2019105609 A JP 2019105609A JP 2019105609 A JP2019105609 A JP 2019105609A JP 7339779 B2 JP7339779 B2 JP 7339779B2
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Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関するものである。 The present invention relates to an imaging apparatus and its control method.

従来からデジタルカメラなどの撮像装置においては、撮像素子として、CCDやCMOSセンサが広く使用されている。これらの撮像素子は、露光期間中に入射した光をフォトダイオードにより電荷に変換して蓄積し、電圧あるいは電流のアナログ信号として出力する。そして、このアナログの出力信号は、後段においてデジタル信号に変換されるのが一般的である。 2. Description of the Related Art Conventionally, CCD and CMOS sensors have been widely used as imaging elements in imaging apparatuses such as digital cameras. These image pickup devices convert incident light into electric charges using photodiodes, store them, and output them as analog signals of voltage or current. This analog output signal is generally converted into a digital signal at a later stage.

こうしたCCDやCMOSセンサなどの撮像素子では、通常、光電変換した信号に読み出し回路に起因する読み出しノイズが重畳される。この読み出しノイズは入射光量に依存しないため、入射光量が微小な低照度環境などにおいては相対的にノイズ量が多くなり、入射光量に対する出力信号の線形性が悪化する。 In such an image sensor such as a CCD or CMOS sensor, readout noise caused by a readout circuit is usually superimposed on a photoelectrically converted signal. Since this readout noise does not depend on the amount of incident light, the amount of noise increases relatively in a low-illumination environment where the amount of incident light is very small, and the linearity of the output signal with respect to the amount of incident light deteriorates.

この問題を解決するために、特許文献1には、画素ソースフォロワの代わりに利得の高いソース接地回路を画素に配置することにより、読み出し回路に起因する読み出しノイズの影響を抑制する技術が開示されている。 In order to solve this problem, Patent Document 1 discloses a technique of suppressing the influence of readout noise caused by the readout circuit by arranging a source-grounded circuit with a high gain in the pixel instead of the pixel source follower. ing.

一方、近年、露光期間中にフォトダイオードに入射したフォトンを計数し、その計数値を信号値として用いるフォトンカウンティング方式の撮像素子が提案されている。フォトンカウンティングを実現する方法として、例えばアバランシェフォトダイオードとカウンタ回路を用いる方法がある。 On the other hand, in recent years, there has been proposed a photon-counting imaging device that counts photons incident on a photodiode during an exposure period and uses the counted value as a signal value. As a method for realizing photon counting, for example, there is a method using an avalanche photodiode and a counter circuit.

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、単一光子の入射による生成キャリアがアバランシェ増倍を起こし、大電流が発生する。この電流に基づいて生成したパルスをカウンタ回路で計数することにより、入射した光子数に応じた信号値を得ることができる。 When a reverse bias voltage higher than the breakdown voltage is applied to the avalanche photodiode, carriers generated by incident single photons undergo avalanche multiplication, generating a large current. By counting the pulses generated based on this current with a counter circuit, a signal value corresponding to the number of incident photons can be obtained.

フォトンカウンティング方式の撮像素子は、入射した光子数をそのまま信号値として扱うことができるため、回路のノイズによる信号への影響が少なく、単位時間における入射光量が微小な低照度環境などにおいても鮮明な画像を得ることができる。 A photon-counting image sensor can handle the number of incident photons directly as a signal value, so there is little effect on the signal due to circuit noise. image can be obtained.

一方で、フォトンカウンティング方式の撮像素子では、単位時間における入射光量の多い高照度環境などで上記のパルス幅以下の短い周期で光子が入射した場合、複数のパルスが結合してしまうことがある。この場合、カウンタ回路が計数する計数値は、入射した光子数に対して低下してしまい、入射光量に対する線形性が悪化してしまう。 On the other hand, in a photon-counting imaging device, when photons are incident in a short period equal to or less than the pulse width in a high-illuminance environment with a large amount of incident light per unit time, a plurality of pulses may be combined. In this case, the count value counted by the counter circuit decreases with respect to the number of incident photons, and the linearity with respect to the amount of incident light deteriorates.

この問題を解決するために、特許文献2には、フォトンカウンティング方式の光検出器において、複数のアバランシェフォトダイオードから得られるパルスを加算することにより、入射光量の増加に対して単調増加する出力を得る構成が開示されている。 In order to solve this problem, in Patent Document 2, in a photon counting photodetector, by adding pulses obtained from a plurality of avalanche photodiodes, an output that monotonically increases with an increase in the amount of incident light is disclosed. A resulting configuration is disclosed.

特開2016-19115号公報JP 2016-19115 A 特開2014-81253号公報JP 2014-81253 A

しかしながら、特許文献1でも述べられているように、さらなる低ノイズ化を実現するためには、特許文献1の構成に加え、読み出し回路に帯域制限を設ける、複数回のAD変換を行うなどの対策が必要である。 However, as described in Patent Document 1, in order to further reduce noise, in addition to the configuration of Patent Document 1, measures such as setting a band limit in the readout circuit and performing multiple AD conversions are taken. is necessary.

また、特許文献2の構成では、複数のアバランシェフォトダイオードの出力を加算するため、同一チップサイズにおいて得られる出力画素数が低下してしまう。加えて、単一のアバランシェフォトダイオードに上記のパルス幅以下の短い周期で光子が入射した場合には、やはり正しい出力を得ることができない。そのため受光量に対する出力の線形性を十分に改善することができなかった。 In addition, in the configuration of Patent Document 2, since the outputs of a plurality of avalanche photodiodes are added, the number of output pixels obtained with the same chip size decreases. In addition, when photons are incident on a single avalanche photodiode at a period shorter than the pulse width, a correct output cannot be obtained. Therefore, the linearity of the output with respect to the amount of received light could not be sufficiently improved.

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、入射光量に対する出力信号の線形性を向上させることができる撮像装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems described above, and an object thereof is to provide an image pickup apparatus capable of improving the linearity of an output signal with respect to the amount of incident light.

本発明に係わる撮像装置は、入射した光子を計数することにより画素信号を生成する第1の動作と、入射した光を電荷に変換して蓄積することにより画素信号を生成する第2の動作とを選択的に実行可能な複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれに、前記第1の動作と前記第2の動作のいずれを実行させるかを切り替える切り替え手段と、を備え、前記複数の画素のうちのそれぞれの画素には、前記第1の動作を行う場合に動作する第1の回路と、前記第2の動作を行う場合に動作する第2の回路と、前記第1の回路または前記第2の回路の出力をカウントするカウンタとが配置されていることを特徴とする。 An imaging device according to the present invention performs a first operation of generating pixel signals by counting incident photons and a second operation of generating pixel signals by converting incident light into charges and accumulating them. and switching means for switching between the first operation and the second operation for each of the plurality of pixels, wherein the plurality of pixels Each of the pixels includes a first circuit that operates when the first operation is performed, a second circuit that operates when the second operation is performed, and the first circuit or the A counter for counting the output of the second circuit is arranged .

本発明によれば、入射光量に対する出力信号の線形性を向上させることができる撮像装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an imaging device capable of improving the linearity of the output signal with respect to the amount of incident light.

本発明の撮像装置の第1の実施形態であるデジタルカメラの構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing the configuration of a digital camera that is a first embodiment of an imaging device of the present invention; FIG. 第1の実施形態における撮像素子の全体構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing the overall configuration of an imaging device according to the first embodiment; 第1の実施形態における単位画素の構成を示す図。4 is a diagram showing the configuration of a unit pixel according to the first embodiment; FIG. 第1の実施形態におけるSPADモードの動作タイミングを示す図。FIG. 4 is a diagram showing operation timings in a SPAD mode in the first embodiment; 第1の実施形態における蓄積モードの動作タイミングを示す図。FIG. 4 is a diagram showing operation timings in an accumulation mode according to the first embodiment; 第2の実施形態における撮像素子の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the image pick-up element in 2nd Embodiment. 第2の実施形態における単位画素の構成を示す図。FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a unit pixel according to the second embodiment; 照度判定をSPADモードで行う場合の、低照度画素の動作タイミングを示す図。FIG. 10 is a diagram showing operation timings of low-illuminance pixels when illuminance determination is performed in SPAD mode; 照度判定をSPADモードで行う場合の、高照度画素の動作タイミングを示す図。FIG. 10 is a diagram showing operation timings of high-illuminance pixels when illuminance determination is performed in SPAD mode; 照度判定を蓄積モードで行う場合の、低照度画素の動作タイミングを示す図。FIG. 7 is a diagram showing operation timings of low-illuminance pixels when illuminance determination is performed in an accumulation mode; 照度判定を蓄積モードで行う場合の、高照度画素の動作タイミングを示す図。FIG. 10 is a diagram showing operation timings of high-illuminance pixels when illuminance determination is performed in an accumulation mode; 第2の実施形態の第1の変形例の撮像素子の一部を示す図。The figure which shows some imaging elements of the 1st modification of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の第2の変形例の単位画素の構成を示す図。The figure which shows the structure of the unit pixel of the 2nd modification of 2nd Embodiment. 第3の実施形態における撮像素子の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the image pick-up element in 3rd Embodiment. 第3の実施形態における単位画素の構成を示す図。The figure which shows the structure of the unit pixel in 3rd Embodiment. 第3の実施形態における光電変換部のA-A’における電位図。FIG. 11 is an electric potential diagram along line A-A′ of the photoelectric conversion unit according to the third embodiment;

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the following embodiments do not limit the invention according to the scope of claims. Although multiple features are described in the embodiments, not all of these multiple features are essential to the invention, and multiple features may be combined arbitrarily. Furthermore, in the accompanying drawings, the same or similar configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の撮像装置の第1の実施形態であるデジタルカメラ100の構成を示すブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a digital camera 100, which is the first embodiment of the imaging apparatus of the present invention.

図1において、レンズ部101は、被写体の光学像を撮像素子105に結像させる。レンズ部101は、ズームレンズ、フォーカスレンズ、絞り機構などを備え、レンズ駆動装置102によって駆動され、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。メカニカルシャッタ(以下、シャッタ)103は、シャッタ駆動装置104によって駆動される。撮像素子105は、レンズ部101により結像された被写体像を光電変換して画像信号(画素信号)を生成する。 In FIG. 1 , a lens unit 101 forms an optical image of a subject on an imaging device 105 . A lens unit 101 includes a zoom lens, a focus lens, an aperture mechanism, and the like, and is driven by a lens driving device 102 to perform zoom control, focus control, aperture control, and the like. A mechanical shutter (hereinafter referred to as shutter) 103 is driven by a shutter driving device 104 . The imaging device 105 photoelectrically converts the subject image formed by the lens unit 101 to generate an image signal (pixel signal).

信号処理回路106は、撮像素子105から出力される画像信号に対して、ゲインアップのためのデジタルゲイン処理、各種補正処理、データ圧縮処理などを行う。メモリ部107は、画像データを一時的に記憶する。制御部108は、各種演算を行うとともに、デジタルカメラ100の全体を制御する。I/F部109は、記録媒体110に画像データを記録、または記録媒体110から画像データを読み出すためのインターフェースである。記録媒体110は、画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。表示部111は、各種情報や撮影画像を表示する。 The signal processing circuit 106 performs digital gain processing for increasing the gain, various correction processing, data compression processing, and the like on the image signal output from the image sensor 105 . The memory unit 107 temporarily stores image data. The control unit 108 performs various calculations and controls the entire digital camera 100 . The I/F unit 109 is an interface for recording image data on the recording medium 110 or reading image data from the recording medium 110 . A recording medium 110 is a removable recording medium such as a semiconductor memory for recording or reading image data. The display unit 111 displays various information and captured images.

次に、上記のように構成されるデジタルカメラ100における撮影時の動作について説明する。メイン電源がONされると、制御部108の電源がONされ、更に信号処理回路106などの撮像系回路の電源がONされる。 Next, the operation of the digital camera 100 configured as described above during photographing will be described. When the main power is turned on, the power of the control unit 108 is turned on, and further the power of the imaging circuits such as the signal processing circuit 106 is turned on.

不図示のレリーズボタンが押されると、撮影動作が開始される。撮像素子105の露光動作が終了すると、撮像素子105から出力された画像信号は、信号処理回路106において補正処理や画像処理が行われ、制御部108の指示によりメモリ部107に書き込まれる。メモリ部107に記憶されたデータは、制御部108の制御により、I/F部109を介して記録媒体111に記録される。また、不図示の外部I/F部を介して直接コンピュータ等に入力し、画像の加工を行ってもよい。 When a release button (not shown) is pressed, a shooting operation is started. When the exposure operation of the image pickup device 105 is completed, the image signal output from the image pickup device 105 is subjected to correction processing and image processing in the signal processing circuit 106 and written to the memory unit 107 according to instructions from the control unit 108 . Data stored in the memory unit 107 is recorded on the recording medium 111 via the I/F unit 109 under the control of the control unit 108 . Alternatively, the image may be processed by inputting directly to a computer or the like via an external I/F section (not shown).

図2は、撮像素子105の全体構成を示す図である。撮像素子105は、画素領域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(以下、TG)204、スイッチ205、スイッチ206、デジタル出力部207、駆動制御回路208を備えて構成される。 FIG. 2 is a diagram showing the overall configuration of the imaging device 105. As shown in FIG. The image sensor 105 includes a pixel region 200 , a vertical control circuit 202 , a horizontal control circuit 203 , a timing generator (TG) 204 , switches 205 and 206 , a digital output section 207 and a drive control circuit 208 .

画素領域200には、単位画素201が行列状に配置されている。ここでは、説明を分かりやすくするために4×4画素の配列を示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置される。単位画素201は、駆動制御回路208によって制御され、第1の駆動モード(以下、SPADモード)と第2の駆動モード(以下、蓄積モード)のいずれかの駆動モードを選択的に実行可能である。 Unit pixels 201 are arranged in a matrix in the pixel region 200 . Although a 4×4 pixel arrangement is shown here for the sake of clarity of explanation, more pixels are actually arranged. The unit pixel 201 is controlled by a drive control circuit 208 and can selectively execute either a first drive mode (hereinafter referred to as SPAD mode) or a second drive mode (hereinafter referred to as accumulation mode). .

SPADモードでは、単位画素201は、入射したフォトンの数を計数してデジタルの信号値として出力する。また、蓄積モードでは、単位画素201は、入射したフォトンを電荷に変換して蓄積し、AD変換を行うことによりデジタル信号値として出力する。この動作の詳細については、図4、図5を用いて後述する。 In the SPAD mode, the unit pixel 201 counts the number of incident photons and outputs it as a digital signal value. In addition, in the accumulation mode, the unit pixel 201 converts incident photons into charges, accumulates them, and outputs them as digital signal values by performing AD conversion. Details of this operation will be described later with reference to FIGS.

なお、第1の駆動モードは、第2の駆動モードに比較して、低照度時での入射光量に対する出力信号の線形性がよく、第2の駆動モードは、第1の駆動モードに比較して、高照度時での入射光量に対する出力信号の線形性がよい。 The first drive mode has better linearity of the output signal with respect to the amount of incident light at low illuminance than the second drive mode, and the second drive mode has better linearity than the first drive mode. Therefore, the linearity of the output signal with respect to the amount of incident light is good at high illuminance.

垂直制御回路202は、画素領域200の画素行毎に制御信号を送出することによりスイッチ205をON/OFFし、画素領域200に配置された画素の中から信号を読み出す画素を1行単位で選択する。 The vertical control circuit 202 turns ON/OFF the switch 205 by sending a control signal to each pixel row of the pixel region 200, and selects pixels for which signals are read from the pixels arranged in the pixel region 200 on a row-by-row basis. do.

水平制御回路203は、画素領域200の画素列毎にスイッチ206をON/OFFし、画素領域200から列信号線に読み出された画素の信号を1列単位で選択する。垂直制御回路202と水平制御回路203により選択された画素の信号はデジタル出力部207に読み出される。デジタル出力部207は、選択された画素の信号を撮像素子105の外部に出力する。 The horizontal control circuit 203 turns ON/OFF the switch 206 for each pixel column of the pixel region 200 to select pixel signals read out from the pixel region 200 to the column signal lines for each column. Pixel signals selected by the vertical control circuit 202 and the horizontal control circuit 203 are read out to the digital output unit 207 . A digital output unit 207 outputs the signal of the selected pixel to the outside of the image sensor 105 .

TG204は、垂直制御回路202および水平制御回路203の各々にタイミング制御信号を送出する。なお、TG204は、デジタル出力部207にもタイミング制御信号を送出する。 TG 204 sends timing control signals to each of vertical control circuit 202 and horizontal control circuit 203 . Note that the TG 204 also sends the timing control signal to the digital output section 207 .

図3は、単位画素201の構成を示す図である。単位画素201は、SPADモード回路部301、蓄積モード回路部302、フォトダイオード303、クロック切り替え部307、イネーブル切り替え部308、カウンタ313を備える。 FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the unit pixel 201. As shown in FIG. The unit pixel 201 includes a SPAD mode circuit section 301 , an accumulation mode circuit section 302 , a photodiode 303 , a clock switching section 307 , an enable switching section 308 and a counter 313 .

SPADモード回路部301は、クエンチ抵抗304、スイッチ305、反転バッファ306を備える。蓄積モード回路部302は、リセットスイッチ309、スイッチ310、転送スイッチ311、コンパレータ312を備える。 The SPAD mode circuitry 301 comprises a quench resistor 304 , a switch 305 and an inverting buffer 306 . The accumulation mode circuit section 302 includes a reset switch 309 , a switch 310 , a transfer switch 311 and a comparator 312 .

ここで図4、図5を参照して、単位画素201の動作について説明する。 Here, the operation of the unit pixel 201 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.

<SPADモード>
図4は、SPADモードにおける単位画素201の動作を示した図である。SPADモードでは、駆動制御回路208から駆動モード制御信号MCSがローレベル(以下、Lレベル)で出力されることにより、スイッチ305がONとなりSPADモード回路部301が有効となる。また、駆動モード制御信号MCSにより、クロック切り替え部307は反転バッファ306の出力PLSを出力し、イネーブル切り替え部308は信号ENを出力するよう設定される。
<SPAD mode>
FIG. 4 is a diagram showing the operation of the unit pixel 201 in SPAD mode. In the SPAD mode, the drive mode control signal MCS is output from the drive control circuit 208 at a low level (hereinafter referred to as L level), thereby turning the switch 305 ON and enabling the SPAD mode circuit section 301 . Further, the drive mode control signal MCS sets the clock switching unit 307 to output the output PLS of the inverting buffer 306 and the enable switching unit 308 to output the signal EN.

このときフォトダイオード303には、クエンチ抵抗304を介して降伏電圧より大きな逆バイアス電圧VDDSPADが印加され、ガイガーモードで動作する。一方、スイッチ310がOFFとなるため、蓄積モード回路部302は動作しない。 At this time, a reverse bias voltage VDDSPAD higher than the breakdown voltage is applied to the photodiode 303 via the quench resistor 304, and the photodiode 303 operates in Geiger mode. On the other hand, since the switch 310 is turned off, the accumulation mode circuit section 302 does not operate.

図4の時刻T1において、信号RSのLレベルがカウンタ313に入力され、カウンタ313が保持していたカウント値がリセットされる。時刻T2において、信号ENのハイレベル(以下、Hレベル)がカウンタ313に入力され、カウンタ313がカウント動作を開始することにより露光期間が開始される。 At time T1 in FIG. 4, the L level of the signal RS is input to the counter 313, and the count value held by the counter 313 is reset. At time T2, the high level (hereinafter referred to as H level) of the signal EN is input to the counter 313, and the counter 313 starts the counting operation, thereby starting the exposure period.

時刻T3において、フォトダイオード303にフォトンが入射し、アバランシェ増倍現象を引き起こし、アバランシェ電流が発生する。このアバランシェ電流により、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、降伏電圧を下回るとアバランシェ増倍現象が停止する。そして、逆バイアス電圧VDDSPADを印加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、時刻T4において再充電が完了する。 At time T3, photons are incident on the photodiode 303, causing an avalanche multiplication phenomenon and generating 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, and when it falls below the breakdown voltage, the avalanche multiplication phenomenon stops. Then, since recharging is performed via the quench resistor 304 from the power supply applying the reverse bias voltage VDDSPAD, the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 begins to rise, and recharging is completed at time T4.

反転バッファ306は、フォトダイオード303のカソード端子電圧Voutが閾値を下回る際にLレベル→Hレベル、閾値を上回る際にHレベル→Lレベルと出力を変化させるため、反転バッファ306の出力PLSは図4に示すようにパルス状になる。カウンタ313は入力された反転バッファ306のパルス状の出力PLSをカウントする。 The inversion buffer 306 changes its output from L level to H level when the cathode terminal voltage Vout of the photodiode 303 is below the threshold, and from H level to L level when it exceeds the threshold. 4 is pulsed. A counter 313 counts the input pulse-like output PLS of the inverting buffer 306 .

この後、フォトダイオード303にフォトンが入射するたびに、時刻T3~T4の動作を繰り返す。時刻T5において信号ENのLレベルがカウンタ313に入力されることにより、カウンタ313がカウント動作を停止し、露光期間が終了する。 After that, every time a photon is incident on the photodiode 303, the operations from time T3 to T4 are repeated. At time T5, the L level of the signal EN is input to the counter 313, whereby the counter 313 stops the counting operation and the exposure period ends.

<蓄積モード>
図5は、蓄積モードにおける単位画素201の動作を示した図である。蓄積モードでは、駆動制御回路208から駆動モード制御信号MCSがHレベルで出力されることにより、スイッチ310がONとなり蓄積モード回路部302が有効となる。また、駆動モード制御信号MCSにより、クロック切り替え部307はクロック信号CLKを出力し、イネーブル切り替え部308はコンパレータ312の出力COMPを出力するよう設定される。一方、スイッチ305がOFFとなるため、SPADモード回路部301は動作しない。
<Accumulation mode>
FIG. 5 is a diagram showing the operation of the unit pixel 201 in accumulation mode. In the accumulation mode, the drive control circuit 208 outputs the drive mode control signal MCS at H level, so that the switch 310 is turned on and the accumulation mode circuit section 302 is enabled. The drive mode control signal MCS sets the clock switching unit 307 to output the clock signal CLK and the enable switching unit 308 to output the output COMP of the comparator 312 . On the other hand, since the switch 305 is turned off, the SPAD mode circuit section 301 does not operate.

図5の時刻T1において、信号RSのLレベルがカウンタ313に入力され、カウンタ313が保持していたカウント値がリセットされる。また、信号TxをHレベル、信号RESをLレベルにすることで、フォトダイオード303がバイアス電圧VDDACCに接続され、コンパレータ入力電圧Vfdとともにリセットされる。 At time T1 in FIG. 5, the L level of the signal RS is input to the counter 313, and the count value held by the counter 313 is reset. By setting the signal Tx to H level and the signal RES to L level, the photodiode 303 is connected to the bias voltage VDDACC and reset together with the comparator input voltage Vfd.

時刻T2において、信号RESがHレベルになることにより、露光期間が開始される。時刻T3において信号TXがHレベルになることにより、フォトダイオード303に蓄積されていた電荷がコンパレータ312の反転ノードに転送され、コンパレータ312の入力電圧Vfdが転送された電荷に応じた電圧になる。 At time T2, the exposure period is started by the signal RES becoming H level. At time T3, the signal TX becomes H level, so that the charge accumulated in the photodiode 303 is transferred to the inverting node of the comparator 312, and the input voltage Vfd of the comparator 312 becomes a voltage corresponding to the transferred charge.

この際、コンパレータ312の入力電圧Vfdの変化により、コンパレータ312の出力信号COMPがHレベルになり、カウンタ313がカウント動作可能な状態になるが、信号RSがLレベルのため、カウントは実行されない。 At this time, due to the change in the input voltage Vfd of the comparator 312, the output signal COMP of the comparator 312 becomes H level, and the counter 313 becomes ready for counting, but since the signal RS is L level, counting is not executed.

時刻T4において、参照信号RAMPがコンパレータ312に入力され、参照信号が一定の傾きを以て下降することにより、電圧Vfdとの比較が開始される。また、信号RSがHレベルになることにより、カウンタ313がカウント動作を開始する。時刻T5において参照信号RAMPが電圧Vfdを下回ることにより、コンパレータ312の出力信号COMPがLレベルとなり、カウンタ313がカウント動作を停止する。 At time T4, the reference signal RAMP is input to the comparator 312, and the reference signal falls with a constant slope, thereby starting comparison with the voltage Vfd. In addition, the counter 313 starts the counting operation when the signal RS becomes H level. Since the reference signal RAMP falls below the voltage Vfd at time T5, the output signal COMP of the comparator 312 becomes L level, and the counter 313 stops the counting operation.

SPADモード、蓄積モード共に、カウンタの動作終了後、垂直制御回路202と水平制御回路203によるスイッチ205とスイッチ206のON/OFFにより、1行1列ごとに単位画素201のカウント値がデジタル出力部207へと出力される。 In both the SPAD mode and the accumulation mode, after the counter operation is finished, the vertical control circuit 202 and the horizontal control circuit 203 turn on/off the switches 205 and 206 to output the count value of the unit pixel 201 to the digital output section for each row and column. 207.

以上説明したように、駆動制御回路208により、画素領域200に配置された単位画素201の駆動モードを、SPADモードと蓄積モードとに切り替えることができる。本実施形態では、駆動制御回路208が画素領域200に配置された全ての単位画素201を一括制御しているため、画素領域200全体が共通の駆動モードとなる。 As described above, the drive control circuit 208 can switch the drive mode of the unit pixels 201 arranged in the pixel region 200 between the SPAD mode and the accumulation mode. In this embodiment, since the drive control circuit 208 collectively controls all the unit pixels 201 arranged in the pixel region 200, the entire pixel region 200 is in a common drive mode.

そして、入射光量に応じて、画素領域200の駆動モードを、SPADモードと蓄積モードとに切り替えることにより、入射光量と出力信号の線形性を改善することが可能となる。 By switching the drive mode of the pixel region 200 between the SPAD mode and the accumulation mode according to the amount of incident light, it is possible to improve the linearity between the amount of incident light and the output signal.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、単位画素201の動作モードを、画素領域200全体について共通に切り替えていたが、本実施形態では、各々の単位画素が自身に入射する光量に応じて動作モードを別々に切り替える構成について説明する。
(Second embodiment)
In the first embodiment, the operation mode of the unit pixel 201 is switched in common for the entire pixel region 200, but in the present embodiment, each unit pixel switches the operation mode separately according to the amount of light incident on the unit pixel. The switching configuration will be described.

図6は、第2の実施形態における撮像素子105の全体構成を示す図である。撮像素子105は、画素領域600、垂直制御回路602、水平制御回路603、タイミングジェネレータ(以下、TG)604、スイッチ605、スイッチ606、デジタル出力部607を備えて構成されている。第1の実施形態の撮像素子105と比較して、駆動制御回路208が存在しない点が異なる。駆動制御回路208が介在しない動作については第1の実施形態と同様である。なお、画素領域600には、単位画素601が行列状に配置されている。 FIG. 6 is a diagram showing the overall configuration of the imaging element 105 in the second embodiment. The image pickup device 105 includes a pixel region 600 , a vertical control circuit 602 , a horizontal control circuit 603 , a timing generator (TG) 604 , switches 605 and 606 and a digital output section 607 . It differs from the imaging device 105 of the first embodiment in that the drive control circuit 208 is not present. The operation without the intervention of the drive control circuit 208 is the same as in the first embodiment. Unit pixels 601 are arranged in a matrix in the pixel region 600 .

図7は、単位画素601の構成を示す図である。単位画素601は、SPADモード回路部701、蓄積モード回路部702、フォトダイオード703、クロック切り替え部707、イネーブル切り替え部708、カウンタ713、駆動制御部714を備える。 FIG. 7 is a diagram showing the configuration of a unit pixel 601. As shown in FIG. The unit pixel 601 includes a SPAD mode circuit section 701 , an accumulation mode circuit section 702 , a photodiode 703 , a clock switching section 707 , an enable switching section 708 , a counter 713 and a drive control section 714 .

SPADモード回路部701は、クエンチ抵抗704、スイッチ705、反転バッファ706を備える。蓄積モード回路部702は、リセットスイッチ709、スイッチ710、転送スイッチ711、コンパレータ712を備える。 The SPAD mode circuitry 701 comprises a quench resistor 704 , a switch 705 and an inverting buffer 706 . The accumulation mode circuit section 702 includes a reset switch 709 , a switch 710 , a transfer switch 711 and a comparator 712 .

駆動制御部714は、カウンタ713のカウント値を所定の閾値と比較する。そして、カウント値が所定の閾値未満であれば入射光量が少ないため、駆動制御部714はLレベルの信号MCSを出力し、単位画素601をSPADモードで駆動させる。また、カウント値が所定の閾値以上であれば入射光量が多いため、駆動制御部714はHレベルの信号MCSを出力し、単位画素601を蓄積モードで動作させる。 The drive control unit 714 compares the count value of the counter 713 with a predetermined threshold. If the count value is less than the predetermined threshold value, the amount of incident light is small, so the drive control unit 714 outputs the L level signal MCS to drive the unit pixel 601 in the SPAD mode. Also, if the count value is equal to or greater than the predetermined threshold, the amount of incident light is large, so the drive control unit 714 outputs the H level signal MCS to operate the unit pixel 601 in the accumulation mode.

ここで図8~図11を参照して、単位画素601の動作について説明する。図8、図9は、SPADモードで入射光量を判定することにより、SPADモードと蓄積モードの切り替えを行う動作を示す図である。 Here, the operation of the unit pixel 601 will be described with reference to FIGS. 8 to 11. FIG. 8 and 9 are diagrams showing the operation of switching between the SPAD mode and the accumulation mode by determining the amount of incident light in the SPAD mode.

<SPADモード判定・低照度時>
図8は、入射光量が少ない場合における単位画素601の動作を示している。図8の時刻T1~T4の動作は、第1の実施形態で示した図4の時刻T1~T4の動作と同様である。時刻T5において、駆動制御部714はカウンタ713のカウント値を所定の閾値と比較する。
<SPAD mode determination/low illumination>
FIG. 8 shows the operation of the unit pixel 601 when the amount of incident light is small. The operations at times T1 to T4 in FIG. 8 are the same as the operations at times T1 to T4 in FIG. 4 shown in the first embodiment. At time T5, the drive control unit 714 compares the count value of the counter 713 with a predetermined threshold.

判定の結果、カウント値が所定の閾値未満であるので、駆動制御部714は出力信号MCSをLレベルに維持し、SPADモード回路部701が有効のままとする。時刻T6に至るまで時刻T3~T4の動作を繰り返す。時刻T6において信号ENのLレベルがカウンタ713に入力されることにより、カウンタ713がカウント動作を停止し、露光期間が終了する。 As a result of the determination, the count value is less than the predetermined threshold, so the drive control section 714 maintains the output signal MCS at L level and the SPAD mode circuit section 701 remains enabled. The operations from time T3 to T4 are repeated until time T6. At time T6, the L level of the signal EN is input to the counter 713, whereby the counter 713 stops the counting operation and the exposure period ends.

<SPADモード判定・高照度時>
図9は、入射光量が多い場合における単位画素601の動作を示している。図9の時刻T1~T5の動作は、第1の実施形態で示した図4の時刻T1~T5の動作と同様である。時刻T6において、駆動制御部714がカウンタ713のカウント値を所定の閾値と比較する。判定の結果、閾値以上であるので、駆動制御部714は出力信号MCSをHレベルにすることにより、蓄積モード回路部702を有効にする。図9の以降の時刻T6~T10の動作は第1の実施形態で示した図5の時刻T1~T5の動作と同様である。
<SPAD mode determination/high illumination>
FIG. 9 shows the operation of the unit pixel 601 when the amount of incident light is large. The operations at times T1 to T5 in FIG. 9 are the same as the operations at times T1 to T5 in FIG. 4 shown in the first embodiment. At time T6, the drive control unit 714 compares the count value of the counter 713 with a predetermined threshold. As a result of the determination, since it is equal to or greater than the threshold, the drive control section 714 enables the accumulation mode circuit section 702 by setting the output signal MCS to H level. The operation from time T6 to T10 after FIG. 9 is the same as the operation from time T1 to T5 in FIG. 5 shown in the first embodiment.

次に、図10、図11は蓄積モードで入射光量を判定することにより、SPADモードと蓄積モードの切り替えを行う動作を示す図である。 Next, FIGS. 10 and 11 are diagrams showing the operation of switching between the SPAD mode and the accumulation mode by determining the amount of incident light in the accumulation mode.

<蓄積モード判定・低照度時>
図10は、入射光量が少ない場合における単位画素601の動作を示している。図10の時刻T1~T5の動作は、第1の実施形態で示した図5の時刻T1~T5の動作と同様である。時刻T6において、信号TxをHレベル、信号RESをLレベルにすることにより、フォトダイオード303がバイアス電圧VDDACCに接続され、コンパレータ入力電圧Vfdとともにリセットされる。
<Accumulation mode judgment/during low illumination>
FIG. 10 shows the operation of the unit pixel 601 when the amount of incident light is small. The operations at times T1 to T5 in FIG. 10 are the same as the operations at times T1 to T5 in FIG. 5 shown in the first embodiment. At time T6, by setting the signal Tx to H level and the signal RES to L level, the photodiode 303 is connected to the bias voltage VDDACC and reset together with the comparator input voltage Vfd.

時刻T7において、駆動制御部714がカウンタ713のカウント値を所定の閾値と比較する。判定の結果、カウント値が所定の閾値未満であるので、駆動制御部714は出力信号MCSをLレベルにすることにより、SPADモード回路部701を有効にする。図10の時刻T8~T12の動作は、第1の実施形態で示した図4の時刻T1~T5の動作と同様である。 At time T7, the drive control unit 714 compares the count value of the counter 713 with a predetermined threshold. As a result of the determination, the count value is less than the predetermined threshold, so the drive control section 714 enables the SPAD mode circuit section 701 by setting the output signal MCS to L level. The operations at times T8 to T12 in FIG. 10 are the same as the operations at times T1 to T5 in FIG. 4 shown in the first embodiment.

<蓄積モード判定・高照度時>
図11は、入射光量が少ない場合における単位画素601の動作を示している。図11の時刻T1~T5の動作は、第1の実施形態で示した図5の時刻T1~T5の動作と同様である。時刻T6において、信号TxをHレベル、信号RESをLレベルにすることにより、フォトダイオード303がバイアス電圧VDDACCに接続されコンパレータ入力電圧Vfdとともにリセットされる。
<Accumulation mode determination/high illumination>
FIG. 11 shows the operation of the unit pixel 601 when the amount of incident light is small. The operations at times T1 to T5 in FIG. 11 are the same as the operations at times T1 to T5 in FIG. 5 shown in the first embodiment. At time T6, by setting the signal Tx to H level and the signal RES to L level, the photodiode 303 is connected to the bias voltage VDDACC and reset together with the comparator input voltage Vfd.

時刻T7において、駆動制御部714がカウンタ713のカウント値を所定の閾値と比較する。判定の結果、カウント値が所定の閾値以上であるので、駆動制御部714は出力信号MCSをHレベルに維持し、蓄積モード回路部702が有効のままとする。時刻T8~T12は時刻T1~T5と同様の動作である。 At time T7, the drive control unit 714 compares the count value of the counter 713 with a predetermined threshold. As a result of the determination, the count value is equal to or greater than the predetermined threshold, so the drive control section 714 maintains the output signal MCS at H level and the accumulation mode circuit section 702 remains enabled. The operations at times T8 to T12 are the same as those at times T1 to T5.

全てのモードにおいて、カウンタの動作終了後、垂直制御回路602と水平制御回路603によるスイッチ605とスイッチ606のON/OFFにより、1行1列ごとに単位画素601のカウント値がデジタル出力部607へと出力される。 In all modes, after the counter operation is completed, the vertical control circuit 602 and the horizontal control circuit 603 turn ON/OFF the switches 605 and 606 to output the count value of the unit pixel 601 to the digital output unit 607 for each row and column. is output.

なお、蓄積モードでは、露光期間終了後、コンパレータ712によりフォトダイオード703に蓄積された電荷に応じた電圧を参照信号RAMPと比較することで、単位画素601のデジタル出力を得る。一方、SPADモードでは露光期間終了時にカウンタ713が保持している値が単位画素601のデジタル出力値である。このため、蓄積モードの単位画素601の比較期間の間に、SPADモードの単位画素601の読み出しを先に行うことにより、読み出し時間を短縮してもよい。 In addition, in the accumulation mode, after the exposure period ends, the digital output of the unit pixel 601 is obtained by comparing the voltage corresponding to the charge accumulated in the photodiode 703 by the comparator 712 with the reference signal RAMP. On the other hand, in the SPAD mode, the value held by the counter 713 at the end of the exposure period is the digital output value of the unit pixel 601 . Therefore, the readout time may be shortened by reading out the unit pixel 601 in the SPAD mode first during the comparison period of the unit pixel 601 in the accumulation mode.

以上説明したように、本実施形態によれば、各々の単位画素601が自身に入射する光量に応じて動作モードを切り替えることが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, each unit pixel 601 can switch the operation mode according to the amount of light incident thereon.

なお、SPADモードで入射光量の判定を行った場合、低照度の単位画素601と高照度の単位画素601で実効的な露光期間が異なる。この場合、低照度の単位画素601の判定時にカウンタ713をリセットし、判定期間を露光期間から除外してもよい。もしくは、高照度の単位画素601の出力を判定期間と実効的な露光期間(蓄積期間)の比で補正してもよい。 Note that when the amount of incident light is determined in the SPAD mode, the effective exposure period differs between the low-illuminance unit pixel 601 and the high-illuminance unit pixel 601 . In this case, the counter 713 may be reset when the unit pixel 601 with low illuminance is determined, and the determination period may be excluded from the exposure period. Alternatively, the output of the high-illuminance unit pixel 601 may be corrected by the ratio between the determination period and the effective exposure period (accumulation period).

本実施形態の第1の変形例として、複数の単位画素601で共通の動作モードをとることが考えられる。図12に示すように、図7において各々の単位画素601に存在していた駆動制御部714を複数の単位画素で共有してもよい。図12では、駆動制御部1202を共有している4つの単位画素1201が同一の動作モードをとる。
このとき駆動制御部1202は、共有している4つの単位画素1201の出力を図示しない加算器等で加算、平均した結果を所定の閾値と比較してもよい。また、共有している4つの単位画素1201の出力の各々を所定の閾値と比較し、所定の閾値以上の単位画素1201と所定の閾値未満の単位画素1201の数の大小関係により駆動モードを決定してもよい。
As a first modification of the present embodiment, it is conceivable that a plurality of unit pixels 601 take a common operation mode. As shown in FIG. 12, the drive control section 714 present in each unit pixel 601 in FIG. 7 may be shared by a plurality of unit pixels. In FIG. 12, four unit pixels 1201 sharing the drive control unit 1202 take the same operation mode.
At this time, the drive control unit 1202 may compare the result of adding and averaging the outputs of the four shared unit pixels 1201 with an adder (not shown) with a predetermined threshold value. In addition, each output of the four shared unit pixels 1201 is compared with a predetermined threshold, and the drive mode is determined based on the magnitude relationship between the number of unit pixels 1201 equal to or greater than the predetermined threshold and the number of unit pixels 1201 less than the predetermined threshold. You may

また、SPADモードと蓄積モードの駆動モードの切り替えを蓄積モードで判定する場合の第2の変形例を図13に示す。図7と異なる点は、コンパレータ712の出力信号COMPがカウンタ713に加えて、駆動制御部714にも入力されている点である。また、図示していないが、図10、図11の時刻T4でコンパレータ712に入力される参照信号RAMPに代わり、閾値電圧を入力する。 FIG. 13 shows a second modification in which switching between the SPAD mode and the accumulation mode is determined in the accumulation mode. A different point from FIG. 7 is that the output signal COMP of the comparator 712 is input to the drive control section 714 in addition to the counter 713 . Also, although not shown, a threshold voltage is input instead of the reference signal RAMP input to the comparator 712 at time T4 in FIGS.

コンパレータ712の出力信号COMPは、コンパレータ入力電圧Vfdが閾値電圧を超えなければ低照度と判定してLレベルを出力し、閾値電圧を超えれば高照度と判定してHレベルを出力する。そして、駆動制御部714は、これに基づいて駆動モードを制御する。第2の実施形態の蓄積モードで入射光量を判定する場合に比べ、本変形例では入射光量の判定が即時に終わる。 If the comparator input voltage Vfd does not exceed the threshold voltage, the output signal COMP of the comparator 712 determines that the illuminance is low and outputs the L level, and if it exceeds the threshold voltage, determines that the illuminance is high and outputs the H level. Then, the drive control unit 714 controls the drive mode based on this. Compared to the case of determining the incident light amount in the accumulation mode of the second embodiment, the determination of the incident light amount is completed immediately in this modified example.

(第3の実施形態)
図14は、第3の実施形態における撮像素子105の全体構成を示す図である。撮像素子105は、画素領域1400、垂直制御回路1402、水平制御回路1403、タイミングジェネレータ(以下、TG)1404、スイッチ1405、スイッチ1406、デジタル出力部1407、駆動電圧制御回路1408を備えて構成される。
(Third Embodiment)
FIG. 14 is a diagram showing the overall configuration of the imaging element 105 in the third embodiment. The image sensor 105 includes a pixel region 1400, a vertical control circuit 1402, a horizontal control circuit 1403, a timing generator (TG) 1404, a switch 1405, a switch 1406, a digital output section 1407, and a driving voltage control circuit 1408. .

画素領域1400には、単位画素1401が行列状に配置されている。ここでは、説明を分かりやすくするために4×4画素の配列を示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置される。単位画素1401は、駆動電圧制御回路1408から供給される電圧を使用しない場合SPADモードで動作し、使用する場合蓄積モードで動作する。 Unit pixels 1401 are arranged in a matrix in a pixel region 1400 . Although a 4×4 pixel arrangement is shown here for the sake of clarity of explanation, more pixels are actually arranged. The unit pixel 1401 operates in the SPAD mode when the voltage supplied from the drive voltage control circuit 1408 is not used, and operates in the accumulation mode when the voltage is used.

第1及び第2の実施形態では、単位画素201,601の各々は1個のフォトダイオードを備え、その1個のフォトダイオードに印加する電圧をモードに応じて切り替えることにより、SPADモード、蓄積モードを切り替えていた。 In the first and second embodiments, each of the unit pixels 201 and 601 has one photodiode, and by switching the voltage applied to the one photodiode according to the mode, the SPAD mode and the accumulation mode was switching.

本実施形態では、単位画素1401の各々に2個のフォトダイオードを備え、それぞれのフォトダイオードを、SPADモードと蓄積モードでそれぞれ独立に用いる。 In this embodiment, each unit pixel 1401 is provided with two photodiodes, and each photodiode is used independently in the SPAD mode and the accumulation mode.

図15(a)は、単位画素1401の構成を示す図である。単位画素1401は、SPADモード回路部1501、蓄積モード回路部1502、光電変換部1503、クロック切り替え部1507、イネーブル切り替え部1508、カウンタ1513、駆動制御部1514を備える。 FIG. 15A is a diagram showing the configuration of a unit pixel 1401. FIG. The unit pixel 1401 includes a SPAD mode circuit section 1501 , an accumulation mode circuit section 1502 , a photoelectric conversion section 1503 , a clock switching section 1507 , an enable switching section 1508 , a counter 1513 and a drive control section 1514 .

SPADモード回路部1501は、クエンチ抵抗1504、スイッチ1505、反転バッファ1506、アバランシェフォトダイオード1515を備える。蓄積モード回路部1502は、リセットスイッチ1509、スイッチ1510、転送スイッチ1511、コンパレータ1512、フォトダイオード1516を備える。 SPAD mode circuitry 1501 includes a quench resistor 1504 , a switch 1505 , an inverting buffer 1506 and an avalanche photodiode 1515 . The accumulation mode circuit section 1502 includes a reset switch 1509 , a switch 1510 , a transfer switch 1511 , a comparator 1512 and a photodiode 1516 .

図15(b)は、光電変換部1503の構造を示す図である。光電変換部1503は、図15(a)に示した構成に加え、素子分離領域1517、Pウェル1518、フローティングディフュージョン(FD)1526、スイッチ1522、スイッチ1523を備える。 FIG. 15B is a diagram showing the structure of the photoelectric conversion unit 1503. As shown in FIG. The photoelectric conversion section 1503 includes an element isolation region 1517, a P well 1518, a floating diffusion (FD) 1526, a switch 1522, and a switch 1523 in addition to the configuration shown in FIG. 15(a).

アバランシェフォトダイオード1515は、Nドープ領域1519と、それを囲うように配置されたPウェル1520と、一部Pウェル1520が配置されないスリット1521とを備えて構成される。フォトダイオード1516は、Nドープ領域1524と、Pドープ領域1525とを備える。 The avalanche photodiode 1515 comprises an N-doped region 1519, a P-well 1520 surrounding it, and a slit 1521 in which the P-well 1520 is not partially arranged. Photodiode 1516 comprises an N-doped region 1524 and a P-doped region 1525 .

動作については、第2の実施形態と差異のある点についてのみ説明する。第2の実施形態では、同一のフォトダイオードに印加する電圧を切り替えることにより、SPADモードと蓄積モードを切り替えていたが、本実施形態では使用するフォトダイオード自体を切り替える。 As for the operation, only points different from the second embodiment will be described. In the second embodiment, the SPAD mode and the accumulation mode are switched by switching the voltage applied to the same photodiode, but in this embodiment, the photodiode itself to be used is switched.

SPADモードで動作する場合は、信号MCSがLレベルとなり、逆バイアス電圧VDDSPADがアバランシェフォトダイオード1515のNドープ領域1519に印加される。このとき、Lレベルの信号MCSによりスイッチ1523がONになるため、Pウェル1520は素子分離領域1517と同電位に接続される。このためフォトンの入射により発生する電荷は、スリット1521を通りNドープ領域1519に引き寄せられる。この時、Nドープ領域1524には電圧が印加されておらず、電荷が充填されていれば電位が下がり、電荷が引き寄せられなくなる。 When operating in the SPAD mode, signal MCS is at L level and reverse bias voltage VDDSPAD is applied to N-doped region 1519 of avalanche photodiode 1515 . At this time, the L level signal MCS turns on the switch 1523 , so that the P well 1520 is connected to the same potential as the isolation region 1517 . Therefore, charges generated by incident photons are attracted to the N-doped region 1519 through the slit 1521 . At this time, no voltage is applied to the N-doped region 1524, and if it is filled with electric charges, the electric potential drops and electric charges are no longer attracted.

一方、蓄積モードで動作する場合は、信号MCSがHレベルとなり、Nドープ領域1519には逆バイアス電圧VDDSPADが印加されない。また、スイッチ1522がONとなり、Pウェル1520には電圧Vpが印加される。図16に図15のA-A’間の電位を示す。 On the other hand, when operating in the accumulation mode, the signal MCS is at H level and the reverse bias voltage VDDSPAD is not applied to the N-doped region 1519 . Also, the switch 1522 is turned on, and the voltage Vp is applied to the P well 1520 . FIG. 16 shows potentials between A and A' in FIG.

SPADモード動作時は、Pウェル1520が素子分離領域1517と同電位であり、Nドープ領域1519に逆バイアス電圧VDDSPADが印加されるため、A-B間でBからAに向けて電位が上がる。一方、蓄積モード動作時では、Pウェル1520に電圧Vpが印加されるため、スリット1521の領域B-B’間の電位が上昇する。 During SPAD mode operation, the P-well 1520 is at the same potential as the element isolation region 1517, and the reverse bias voltage VDDSPAD is applied to the N-doped region 1519, so the potential rises from B to A between AB. On the other hand, in the accumulation mode operation, the voltage Vp is applied to the P-well 1520, so that the potential across the region B-B' of the slit 1521 rises.

スリット1521の領域B-B’間がB’-A’間の電位より高くなるように電圧Vpを設定することにより、蓄積モード動作時に発生した電荷がアバランシェフォトダイオード1515のNドープ領域1519に向かうことなく、フォトダイオード1516のNドープ領域1524に引き寄せられる。 By setting the voltage Vp such that the potential across region BB' of slit 1521 is higher than the potential across B'-A', the charge generated during accumulation mode operation is directed to N-doped region 1519 of avalanche photodiode 1515. is attracted to N-doped region 1524 of photodiode 1516 .

以上説明したように、光電変換部1503がアバランシェフォトダイオード1515とフォトダイオード1516の双方を備える構成において、SPADモードと蓄積モードを切り替えることが可能となる。 As described above, in the configuration in which the photoelectric conversion unit 1503 includes both the avalanche photodiode 1515 and the photodiode 1516, it is possible to switch between the SPAD mode and the accumulation mode.

(他の実施形態)
また本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現できる。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現できる。
(Other embodiments)
In addition, the present invention supplies a program that implements one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in the computer of the system or apparatus reads the program. It can also be realized by executing processing. It can also be implemented by a circuit (eg, ASIC) that implements one or more functions.

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。 The invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the claims are appended to make public the scope of the invention.

100:デジタルカメラ、101:レンズ、105:撮像素子、108:制御部、200:画素領域、201:単位画素、202:垂直制御回路、203:水平制御回路、204:タイミングジェネレータ、205,206:スイッチ、207:デジタル出力部 100: Digital camera, 101: Lens, 105: Image sensor, 108: Control unit, 200: Pixel region, 201: Unit pixel, 202: Vertical control circuit, 203: Horizontal control circuit, 204: Timing generator, 205, 206: switch, 207: digital output

Claims (12)

入射した光子を計数することにより画素信号を生成する第1の動作と、入射した光を電荷に変換して蓄積することにより画素信号を生成する第2の動作とを選択的に実行可能な複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれに、前記第1の動作と前記第2の動作のいずれを実行させるかを切り替える切り替え手段と、
を備え
前記複数の画素のうちのそれぞれの画素には、前記第1の動作を行う場合に動作する第1の回路と、前記第2の動作を行う場合に動作する第2の回路と、前記第1の回路または前記第2の回路の出力をカウントするカウンタとが配置されていることを特徴とする撮像装置。
A plurality of elements capable of selectively executing a first operation of generating pixel signals by counting incident photons and a second operation of generating pixel signals by converting incident light into charges and accumulating them. pixels of and
switching means for switching between the first operation and the second operation for each of the plurality of pixels;
with
Each of the plurality of pixels includes a first circuit that operates when performing the first operation, a second circuit that operates when performing the second operation, and the first circuit. or a counter for counting the output of the second circuit .
前記切り替え手段は、前記撮像装置が有する全ての画素を一括して、前記第1の動作を実行させる状態、または前記第2の動作を実行させる状態に切り替えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 2. The method according to claim 1, wherein the switching unit collectively switches all the pixels of the imaging device to the state of executing the first operation or the state of executing the second operation. imaging device. 前記切り替え手段は、前記複数の画素のそれぞれを別々に、前記第1の動作を実行させる状態、または前記第2の動作を実行させる状態に切り替えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 2. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the switching means switches each of the plurality of pixels individually to a state of executing the first operation or a state of executing the second operation. . 前記画素は、アバランシェ増倍現象を用いて生成したパルスを計数することにより前記入射した光子を計数し、前記第1の動作を実行することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。 4. The pixel counts the incident photons by counting pulses generated using an avalanche multiplication phenomenon, and performs the first operation. The imaging device according to . 前記画素は、前記第1の動作と前記第2の動作を行うために、1つのフォトダイオードを有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。 5. The imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein said pixel has one photodiode for performing said first operation and said second operation. 前記画素は、前記第1の動作を行うためのフォトダイオードと、前記第2の動作を行うためのフォトダイオードとを別々に有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。 5. The pixel according to any one of claims 1 to 4, wherein the pixel has separate photodiodes for performing the first operation and photodiodes for performing the second operation. imaging device. 前記切り替え手段は、前記画素に入射する光量に応じて、前記第1の動作と前記第2の動作のいずれを実行させるかを切り替えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像装置。 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the switching unit switches between the first operation and the second operation according to the amount of light incident on the pixel. The imaging device described. 前記切り替え手段は、前記画素に入射する光量が所定の閾値未満の場合に、該画素に前記第1の動作を実行させ、前記画素に入射する光量が前記所定の閾値以上の場合に、該画素に前記第2の動作を実行させることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。 The switching means causes the pixel to perform the first operation when the amount of light incident on the pixel is less than a predetermined threshold, and causes the pixel to perform the first operation when the amount of light incident on the pixel is equal to or greater than the predetermined threshold. 8. The image pickup apparatus according to claim 7, wherein the second operation is performed by the image pickup apparatus. 前記切り替え手段は、前記画素に入射する光量と前記所定の閾値との大小関係を、前記第1の動作で得られた信号に基づいて判定することを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。 9. The imaging apparatus according to claim 8, wherein said switching means determines a magnitude relationship between the amount of light incident on said pixel and said predetermined threshold based on the signal obtained in said first operation. . 前記切り替え手段が前記第1の動作で得られた信号に基づいて、前記画素に入射する光量と前記所定の閾値との大小関係を判定する場合、記第2の動作を行う画素の画素信号を前記大小関係の判定のための判定期間と前記第2の動作のための蓄積期間の比で補正することを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。 When the switching means determines the magnitude relationship between the amount of light incident on the pixel and the predetermined threshold based on the signal obtained in the first operation, the pixel signal of the pixel that performs the second operation. is corrected by a ratio between a determination period for determining the magnitude relationship and an accumulation period for the second operation. 前記切り替え手段が前記第1の動作で得られた信号に基づいて、前記画素に入射する光量と前記所定の閾値との大小関係を判定する場合、前記大小関係の判定のための判定期間を、前記第1の動作を行う画素の露光期間から除外することを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。 When the switching means determines the magnitude relationship between the amount of light incident on the pixel and the predetermined threshold based on the signal obtained in the first operation, the determination period for determining the magnitude relationship is 10. The image pickup apparatus according to claim 9, wherein the pixel is excluded from the exposure period of the pixel for which the first operation is performed. 前記切り替え手段は、前記画素に入射する光量と前記所定の閾値との大小関係を、前記第2の動作で得られた信号に基づいて判定することを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。 9. The imaging apparatus according to claim 8, wherein said switching means determines the magnitude relationship between the amount of light incident on said pixel and said predetermined threshold based on the signal obtained in said second operation. .
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