JP7339779B2 - Imaging device - Google Patents
Imaging device Download PDFInfo
- Publication number
- JP7339779B2 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
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pixel
- mode
- amount
- pixels
- predetermined threshold
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims description 28
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 23
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 6
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000013144 data compression Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/772—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters
- H04N25/773—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters comprising photon counting circuits, e.g. single photon detection [SPD] or single photon avalanche diodes [SPAD]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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。
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
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
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
<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
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
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
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
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
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
<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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
<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
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
<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
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
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
<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
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
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
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
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
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-
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
At this time, the
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
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
(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
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。
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
(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)
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 .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019105609A JP7339779B2 (en) | 2019-06-05 | 2019-06-05 | Imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019105609A JP7339779B2 (en) | 2019-06-05 | 2019-06-05 | Imaging device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020198601A JP2020198601A (en) | 2020-12-10 |
JP7339779B2 true JP7339779B2 (en) | 2023-09-06 |
Family
ID=73649401
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019105609A Active JP7339779B2 (en) | 2019-06-05 | 2019-06-05 | Imaging device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7339779B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022259645A1 (en) * | 2021-06-08 | 2022-12-15 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Light detection device |
JP2024047123A (en) * | 2022-09-26 | 2024-04-05 | キヤノン株式会社 | Measurement device, measurement method, and program |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011071958A (en) | 2009-08-28 | 2011-04-07 | Sony Corp | Imaging device and camera system |
JP2011097581A (en) | 2009-10-01 | 2011-05-12 | Sony Corp | Image taking device, and camera system |
JP2013090139A (en) | 2011-10-18 | 2013-05-13 | Sony Corp | Image pickup device and camera system |
JP2016111670A (en) | 2014-12-01 | 2016-06-20 | ソニー株式会社 | Radiation counting device and method for controlling radiation counting device |
-
2019
- 2019-06-05 JP JP2019105609A patent/JP7339779B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011071958A (en) | 2009-08-28 | 2011-04-07 | Sony Corp | Imaging device and camera system |
JP2011097581A (en) | 2009-10-01 | 2011-05-12 | Sony Corp | Image taking device, and camera system |
JP2013090139A (en) | 2011-10-18 | 2013-05-13 | Sony Corp | Image pickup device and camera system |
JP2016111670A (en) | 2014-12-01 | 2016-06-20 | ソニー株式会社 | Radiation counting device and method for controlling radiation counting device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020198601A (en) | 2020-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10205904B2 (en) | Image sensor capable of correcting noise caused by dark charge of a floating diffusion portion, control method therefor, and image capturing apparatus | |
US9319614B2 (en) | Image pickup device with a group of focus detection pixels associated with a dedicated readout circuit and image pickup apparatus including the image pickup device | |
US8031241B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging apparatus | |
US9571758B2 (en) | Imaging apparatus, imaging system, and imaging apparatus driving method | |
US10091430B2 (en) | Solid-state imaging device and driving method of same | |
KR20130026393A (en) | Solid-state imaging apparatus and method of driving the same | |
KR101497821B1 (en) | Solid-state imaging device | |
JP2001320630A (en) | Image pickup device | |
JP2010004146A (en) | Solid-state imaging element, and camera system | |
US11936987B2 (en) | Image capturing apparatus | |
JP6362511B2 (en) | Imaging apparatus and control method thereof | |
US10536675B2 (en) | Image capturing apparatus, driving method therefor, and image capturing system | |
JP7339779B2 (en) | Imaging device | |
JP2018011141A (en) | Solid-state imaging apparatus, driving method for solid-state imaging apparatus, and, electronic apparatus | |
KR20110015499A (en) | Solid-state imaging element and camera system | |
KR20140107212A (en) | Solid-state imaging element, method for driving same, and camera system | |
JP2020028115A (en) | Imaging apparatus | |
WO2011105018A1 (en) | Solid-state imaging device and camera system | |
US10623642B2 (en) | Image capturing apparatus and control method thereof with change, in exposure period for generating frame, of conversion efficiency | |
JP2011091474A (en) | Solid-state imaging apparatus and imaging apparatus | |
US10009561B2 (en) | Driving method of imaging apparatus, imaging apparatus, and imaging system | |
JP2013102312A (en) | Solid-state imaging apparatus, imaging apparatus and imaging method | |
JP2021022799A (en) | Imaging apparatus and method for controlling the same | |
JP2023032283A (en) | Photoelectric conversion device, imaging apparatus, control method, and computer program | |
JP2023124783A (en) | Imaging apparatus and method for controlling the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20210103 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210113 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220526 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230410 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230529 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230728 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230825 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 7339779 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |