JP7132799B2 - 撮像素子、撮像装置及び撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子、撮像装置及び撮像方法に関する。

半導体を用いたイメージセンサとして、ＣＣＤイメージセンサ及びＣＭＯＳイメージセンサが広く知られている。ＣＣＤイメージセンサ及びＣＭＯＳイメージセンサは、露光期間中に画素に入射される光をフォトダイオードによって電荷に変換し、電荷に応じた信号を出力する。

近年では、露光期間中にフォトダイオードに入射するフォトン（光子）の数をカウントし、フォトンのカウント値を信号値として出力するフォトンカウンティング方式のイメージセンサが提案されている。例えば、特許文献１には、アバランシェフォトダイオードと、カウンタとが用いられた固体撮像装置が開示されている。アバランシェフォトダイオードに、降伏電圧より大きい逆バイアス電圧を印加すると、単一フォトンの入射によって生成されるキャリアがアバランシェ増倍を生じさせ、大きな電流が当該アバランシェフォトダイオードに流れる。単一フォトンの入射に応じたパルス信号を、カウンタによってカウントすることによって、単一フォトンの数に応じた信号を得ることができる。フォトンカウンティング方式のイメージセンサは、フォトダイオードに入射したフォトンの数をそのまま信号値として用いるため、ＣＣＤイメージセンサ及びＣＭＯＳイメージセンサと比較して、ノイズの影響を受けにくい。このため、フォトンカウンティング方式のイメージセンサは、微弱な光環境においても良好な画像を得ることが可能である。

特開昭６１－１５２１７６号公報

しかしながら、提案されている技術では、必ずしも階調の良好な画像が得られないことが懸念される。

本発明の目的は、階調の良好な画像を取得し得る撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、光子の受光頻度に応じた頻度でパルスを発するセンサ部と、前記センサ部から発せられる信号のパルス数をカウントするカウンタと、がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタによるカウント値が第１の閾値に達したかどうかを検出する検出部と、前記検出部が前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタによるカウント値が前記第１の閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素の各画素ごとに前記カウント値に基づく信号を積算する積算部と、を備えることを特徴とする撮像素子が提供される。

本発明によれば、階調の良好な画像を取得し得る撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することができる。

第１実施形態による撮像装置を示すブロック図である。 第１実施形態による固体撮像素子を示す図である。 第１実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。 センサ部の動作を示す図である。 第１実施形態による固体撮像素子のレイアウトの例を示す図である。 第１実施形態による固体撮像素子の動作の例を示すタイミングチャートである。 第２実施形態による固体撮像素子を示す図である。 第２実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。 第２実施形態による固体撮像素子の動作の例を示すタイミングチャートである。 第３実施形態による固体撮像素子を示す図である。 第３実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。 第４実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。 第５実施形態による撮像装置を示すブロック図である。 第５実施形態による固体撮像素子を示す図である。 第５実施形態による測光部の測光エリアの例を示す図である。 第５実施形態による固体撮像素子によって取得される画像の例を示す図である。 第５実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートである。 第５実施形態による撮像装置の別の制御の流れを表すフローチャートである。 第６実施形態による撮像装置を示すブロック図である。 第６実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートである。 第６実施形態による撮像装置の別の制御の流れを表すフローチャートである。 第６実施形態による撮像装置のさらに別の制御の流れを表すフローチャートである。 第７実施形態による撮像装置を示すブロック図である。 第７実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートである。 第８実施形態による撮像装置を示すブロック図である。 第８実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートである。

本発明の実施の形態について図面を用いて以下に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態を適宜組み合わせるようにしてもよい。

［第１実施形態］
第１実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法について図１乃至図６を用いて説明する。図１は、本実施形態による撮像装置を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態による撮像装置１２０は、固体撮像素子１００と、信号処理部１０１と、レンズ駆動部１０３と、制御部１０４と、メモリ部１０５と、表示部１０６と、記録部１０７と、操作部１０８とを備えている。また、撮像装置１２０には、撮影レンズ（撮像光学系、レンズユニット）１０２が備えられる。撮影レンズ１０２は、撮像装置１２０のボディ（本体）から着脱可能であってもよいし、着脱不能であってもよい。

固体撮像素子１００は、撮影レンズ１０２によって形成される被写体の光学像を光電変換することによって撮像信号を生成し、生成した撮像信号を出力する。固体撮像素子１００に備えられた単位画素２０１（図２参照）には、フォトダイオード３０３（図３参照）とカウンタ３０６（図３参照）とが備えられており、入射したフォトンの数をカウントして信号値として出力し得る。また、本実施形態では、カウンタ３０６のカウント値が露光期間中に飽和しないようになっている。この点の詳細については、図２及び図３を用いて後述する。

撮影レンズ１０２は、被写体の光学像を固体撮像素子１００の撮像面に結像させる。レンズ駆動部１０３は、撮影レンズ１０２を駆動するものであり、ズーム制御、フォーカス制御、絞り制御等を行う。撮影レンズ１０２は、被写体の光学像を形成し、形成した光学像を固体撮像素子１００の撮像面に入射させる。

信号処理部１０１は、固体撮像素子１００から出力される画像信号（画像データ）に対して補正処理等の所定の信号処理（画像処理）等を行う。

制御部（全体制御・演算部、制御手段）１０４は、撮像装置１２０全体の制御を司るとともに、所定の演算処理等を行う。制御部１０４は、撮像装置１２０の各機能ブロックを駆動するための制御信号や、固体撮像素子１００を制御するための制御データ等を出力する。制御部１０４は、信号処理部１０１によって信号処理等が施された撮像信号に対して、現像や圧縮等の所定の信号処理（画像処理）等を行う。

メモリ部１０５は画像データ等を一時的に記憶する。

表示部１０６は、制御部１０４によって信号処理等が施された撮像信号や、撮像装置１２０の各種設定情報等を表示する。

記録部（記録制御部）１０７には、不図示の記録媒体が備えられる。かかる記録媒体は、記録部１０７から着脱可能であってもよいし、着脱不能であってもよい。記録部１０７は、制御部１０４によって信号処理等が施された撮像信号等を記録媒体に記録する。かかる記録媒体としては、例えばフラッシュメモリ等の半導体メモリ等が挙げられる。

操作部１０８は、撮影モードや蓄積期間等の設定を行うためのものであり、ユーザからの操作入力を受け付ける。操作部１０８は、例えば、ボタン、ダイヤル等によって構成されている。なお、表示部１０６がタッチパネルである場合には、当該タッチパネルも操作部１０８に該当する。

図２は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。図２に示すように、固体撮像素子１００は、画素アレイ２００、垂直制御回路２０２、水平制御回路２０３、タイミングジェネレータ（ＴＧ）２０４、飽和検出部２０５、フレームメモリ２０６、加算回路２０７、及び、デジタル出力部２０８を備えている。

画素アレイ（画素アレイ領域）２００には、複数の単位画素（画素）２０１が行列状に配されている。ここでは、説明を簡単にするために、４×４の単位画素２０１の配列が図示されているが、実際には、多数の単位画素２０１が画素アレイ２００に配されている。単位画素２０１は、当該単位画素２０１に入射したフォトンをカウントし、カウントによって得られたデジタルの信号を出力することが可能である。この点の詳細については、図３を用いて後述する。

飽和検出部２０５は、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素２０１のうちのいずれかにおいてフォトンのカウント値が露光期間中に所定の閾値Ｃｔｈに達したことを検出する。複数の単位画素２０１のうちのいずれかにおいてフォトンのカウント値が閾値Ｃｔｈに達したことを検出すると、飽和検出部２０５は、その旨を示す情報をタイミングジェネレータ２０４に供給する。

フォトンのカウント値が閾値Ｃｔｈに達した単位画素２０１は、フォトンのカウント値が閾値Ｃｔｈに達したことを示す信号である閾値到達信号ＰＳＡＴ（図３参照）を、配線２１２を介して飽和検出部２０５に出力する。閾値到達信号ＰＳＡＴは、行毎に備えられた共通の配線２１２を介して飽和検出部２０５に送信される。各々の配線２１２には、プルアップ抵抗２１１がそれぞれ接続されている。プルアップ抵抗２１１の一端は配線２１２に接続されており、プルアップ抵抗２１１の他端は電源電圧ＶＤＤに接続されている。

なお、ここでは、行毎に備えられた共通の配線２１２を介して閾値到達信号ＰＳＡＴが飽和検出部２０５に出力される場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、列毎に備えられた共通の配線を介して閾値到達信号ＰＳＡＴが飽和検出部２０５に送信されるようにしてもよい。また、全ての単位画素２０１に対して共通に備えられた配線を介して閾値到達信号ＰＳＡＴが飽和検出部２０５に出力されるようにしてもよい。

閾値到達信号ＰＳＡＴが露光期間中に飽和検出部２０５に供給されると、飽和検出部２０５は当該閾値到達信号ＰＳＡＴを検出し、閾値到達信号ＰＳＡＴを検出したことを示す信号をタイミングジェネレータ２０４に送信する。タイミングジェネレータ２０４は、閾値到達信号ＰＳＡＴが検出されたことを示す信号を飽和検出部２０５から受け取ると、各々の単位画素２０１から画素信号を出力させるための制御信号を、垂直制御回路２０２及び水平制御回路２０３に対して供給する。なお、タイミングジェネレータ２０４は、不図示の配線を介して、フレームメモリ２０６、加算回路２０７、デジタル出力部２０８に、制御信号をそれぞれ供給する。

垂直制御回路２０２は、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素２０１をスイッチ２０９によって行単位で選択する。また、垂直制御回路２０２は、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素２０１に対して、不図示の配線を介して行毎に制御信号を供給する。制御信号の詳細については、図３を用いて後述する。

水平制御回路２０３は、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素２０１をスイッチ２１０によって列単位で選択する。

垂直制御回路２０２と水平制御回路２０３との組み合わせによって順次選択される単位画素２０１からの画素信号が、フレームメモリ２０６に保持される。

フレームメモリ２０６は、各々の単位画素２０１から出力されるデジタルの画素信号を保持する。フレームメモリ２０６は、一時メモリ領域２０６ａと積算メモリ領域２０６ｂとを備えている。

一時メモリ領域２０６ａは、各々の単位画素２０１から出力されるデジタルの画素信号を一時的に保持する。積算メモリ領域２０６ｂは、露光期間中に一時メモリ領域２０６ａに保持された画素信号を同一アドレス毎（同一画素毎）に積算し、積算により得られた画素信号を保持する。一時メモリ領域２０６ａに保持される画素信号（データ）のビット幅は、単位画素２０１から出力されるデジタルの画素信号のビット幅と同等とすることができる。一方、積算メモリ領域２０６ｂに保持される画素信号のビット幅は、単位画素２０１から出力されるデジタルの画素信号のビット幅に対して十分に大きい。

加算回路２０７は、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持されている画素信号と、フレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに新たに保持された画素信号とを加算する。加算回路２０７は、このような加算処理を同一アドレス毎（同一画素毎）に行う。加算回路２０７によって行われる加算によって得られる画素信号は、積算メモリ領域２０６ｂに保持される。こうして、積算メモリ領域２０６ｂに保持される画素信号が更新される。

デジタル出力部２０８は、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持された画素信号（画像信号、撮像信号）を固体撮像素子１００の外部に出力する。

なお、ここでは、フレームメモリ２０６及び加算回路２０７が固体撮像素子１００に備えられている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。フレームメモリ２０６及び加算回路２０７を固体撮像素子１００の外部に設けるようにしてもよい。

図３は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素を示す図である。図３に示すように、単位画素２０１には、センサ部（受光部）３０１と、計数部３０２とが備えられている。センサ部３０１には、フォトダイオード３０３と、クエンチ抵抗３０４と、反転バッファ３０５とが備えられている。フォトダイオード３０３は、アバランシェフォトダイオードである。フォトダイオード３０３のアノードは接地電位に接続されており、フォトダイオード３０３のカソードはクエンチ抵抗３０４の一端に接続されている。クエンチ抵抗３０４の他端にはバイアス電圧（逆バイアス電圧）Ｖｂｉａｓが印加される。フォトダイオード３０３には、クエンチ抵抗３０４を介してフォトダイオード３０３の降伏電圧以上のバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。このため、フォトダイオード３０３は、ガイガーモードで動作する。即ち、フォトダイオード３０３にフォトンが入射するとアバランシェ増倍現象を引き起こす。これにより、アバランシェ電流が生じ、クエンチ抵抗３０４において電圧降下が生ずる。クエンチ抵抗３０４は、フォトダイオード３０３のアバランシェ増倍現象を停止させるための抵抗素子である。クエンチ抵抗３０４は、トランジスタの抵抗成分を利用して構成し得る。フォトダイオード３０３においてアバランシェ増倍現象によってアバランシェ電流が生じると、クエンチ抵抗３０４において電圧降下が生じ、フォトダイオード３０３に印加される逆バイアス電圧が降下する。逆バイアス電圧が降伏電圧まで降下するとアバランシェ増倍現象が停止する。その結果、アバランシェ電流が流れなくなり、フォトダイオード３０３には、再びバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。反転バッファ３０５は、クエンチ抵抗３０４で発生した電圧変化をパルス信号ＰＬＳとして取り出すために設けられる。フォトダイオード３０３に光子が入射すると、反転バッファ３０５からパルス信号ＰＬＳが出力される。このように、センサ部３０１からは、フォトンの受光頻度に応じた頻度でパルスが発せられる。

ここで、センサ部３０１の動作について図４を用いて説明する。図４は、センサ部３０１の動作を示す図である。図４には、フォトダイオード３０３にフォトンが入射した際のカソード端子電圧Ｖｏｕｔの時間変化と、反転バッファ３０５から出力されるパルス信号ＰＬＳの時間変化とが示されている。図４の横軸は時刻である。カソード端子電圧Ｖｏｕｔは、フォトダイオード３０３に印加される逆バイアス電圧の大きさでもある。

タイミングｔ４０１において、フォトダイオード３０３には、降伏電圧Ｖｂｒ以上のバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加されている。このため、フォトダイオード３０３はガイガーモードで動作する。

タイミングｔ４０２において、フォトダイオード３０３にフォトンが入射すると、フォトダイオード３０３において生成されたキャリアがアバランシェ増倍現象を引き起こし、アバランシェ電流が生ずる。このアバランシェ電流によって、クエンチ抵抗３０４に接続されたフォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔが低下し始める。

タイミングｔ４０３において、フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔは、閾値Ｖｔｈまで低下し、この後、フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔは更に低下し続ける。フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔが閾値Ｖｔｈまで低下するタイミングｔ４０３において、反転バッファ３０５から出力されるパルス信号ＰＬＳはＬレベルからＨレベルに遷移する。

フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔは、タイミングｔ４０４において、降伏電圧Ｖｂｒまで低下する。フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔが降伏電圧Ｖｂｒまで低下すると、アバランシェ増倍現象が停止する。そうすると、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを供給している電源からクエンチ抵抗３０４を介して再充電が行われるようになるため、フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔは上昇し始める。

タイミングｔ４０５において、フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔは閾値Ｖｔｈまで上昇する。フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔが閾値Ｖｔｈに達するタイミングｔ４０５において、反転バッファ３０５から出力されるパルス信号ＰＬＳはＨレベルからＬレベルに遷移する。

この後、タイミングｔ４０６において、再充電が完了する。再充電が完了した段階では、フォトダイオード３０３のカソード端子電圧Ｖｏｕｔは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓに戻っている。なお、再充電に要する時間は、クエンチ抵抗３０４の抵抗値と寄生容量とに依存する。このように、１回のフォトンの入射によって、パルス幅ΔＴｐの１つのパルス信号ＰＬＳがセンサ部３０１から出力される。

図３に示すように、計数部３０２には、カウンタ（カウンタ回路）３０６と、画素メモリ３０７と、反転バッファ３０８とが備えられている。

カウンタ３０６には、センサ部３０１にフォトンが入射することによって生ずるパルス信号ＰＬＳが入力され、カウンタ３０６はパルス信号ＰＬＳがＬレベルからＨレベルに変化した回数をパルス数としてカウントする。カウンタ３０６によるパルスのカウント値は、画素信号となる。カウンタ３０６には、パルスをカウントする状態とパルスをカウントしない状態とを切り替えるためのイネーブル制御端子ＥＮが備えられている。また、カウンタ３０６には、カウンタ３０６をリセットするためのリセット端子ＲＥＳが備えられている。カウンタ３０６のイネーブル制御端子ＥＮには、垂直制御回路２０２からイネーブル信号ＰＥＮが供給される。また、カウンタ３０６のリセット端子ＲＥＳには、垂直制御回路２０２からリセット信号ＰＲＥＳが供給される。カウンタ３０６に供給されるイネーブル信号ＰＥＮがＨレベルの状態で、パルス信号ＰＬＳがＬレベルからＨレベルに変化すると、カウンタ３０６のカウント値は１つずつ増加する。イネーブル信号ＰＥＮがＬレベルの状態においては、パルス信号ＰＬＳがＬレベルからＨレベルに変化しても、カウンタ３０６のカウント値は増加しない。また、カウンタ３０６に供給されるリセット信号ＰＲＥＳがＬレベルからＨレベルに変化すると、カウンタ３０６のカウント値は０にリセットされる。

画素メモリ３０７は、カウンタ３０６によってカウントされた画素信号であるカウント値を一時的に保持する。画素メモリ３０７には、垂直制御回路２０２からラッチ信号ＰＬＡＴが供給される。ラッチ信号ＰＬＡＴがＬレベルからＨレベルに変化すると、画素メモリ３０７は、カウンタ３０６のカウント値を取り込み、取り込んだカウント値を保持する。画素メモリ３０７に取り込まれたカウント値は、画素信号として用いられる。

垂直制御回路２０２と水平制御回路２０３とによって選択される単位画素２０１の画素メモリ３０７に保持されているカウント値（画素信号）が、フレームメモリ２０６に送信される。

なお、本実施形態においては、イネーブル信号ＰＥＮ、リセット信号ＰＲＥＳ及びラッチ信号ＰＬＡＴは、画素アレイ２００に備えられたすべての単位画素２０１に対して垂直制御回路２０２から同時に供給される。

カウンタ３０６は、不図示の比較回路を備えている。カウンタ３０６は、カウント値が所定の閾値Ｃｔｈ以上になった際には、カウント値が閾値Ｃｔｈ以上になったことを示す信号である閾値到達信号ＰＳＡＴをオープンドレイン出力の反転バッファ３０８を介して出力する。カウント値が閾値Ｃｔｈ未満の状態においては、カウンタ３０６から反転バッファ３０８を介して出力される閾値到達信号ＰＳＡＴはハイレベル（Ｈレベル）である。一方、カウント値が閾値Ｃｔｈ以上になると、カウンタ３０６から反転バッファ３０８を介して出力される閾値到達信号ＰＳＡＴはローレベル（Ｌレベル）となる。上述したように、同一行に位置する単位画素２０１から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴは、共通の配線２１２を介して出力される。配線２１２は、プルアップ抵抗２１１によってプルアップされている。従って、各々の単位画素２０１から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴは、ワイヤードＯＲ接続された状態になっている。

同一行に位置する複数の単位画素２０１のうちのいずれにおいてもカウント値が閾値Ｃｔｈ未満である場合には、配線２１２を介して飽和検出部２０５に供給される閾値到達信号ＰＳＡＴはＨレベルである。一方、同一行に位置する複数の単位画素２０１のうちのいずれかにおいてカウント値が閾値Ｃｔｈ以上になった場合には、配線２１２を介して飽和検出部２０５に供給される閾値到達信号ＰＳＡＴはＬレベルとなる。飽和検出部２０５には、すべての行から閾値到達信号ＰＳＡＴが供給される。このため、飽和検出部２０５は、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素２０１のうちのいずれかにおいてカウント値が閾値Ｃｔｈ以上になったことを検出することができる。

図５は、本実施形態による固体撮像素子１００のレイアウトの例を示す図である。固体撮像素子１００は、複数のセンサ部３０１が行列状に配されたセンサ部基板５０１と、複数の計数部３０２が行列状に配された計数部基板５０２と、フレームメモリ２０６が配されたフレームメモリ基板５０３とを積層させた構成となっている。センサ部基板５０１に備えられた電極（図示せず）と計数部基板５０２に備えられた電極（図示せず）とが、互いに電気的に接続されている。また、計数部基板５０２に備えられた電極（図示せず）とフレームメモリ基板５０３に備えられた電極（図示せず）とが、互いに電気的に接続されている。こうして、センサ部基板５０１に備えられたセンサ部３０１から出力されるパルス信号ＰＬＳが、計数部基板５０２に備えられた計数部３０２に入力されるようになっている。計数部基板５０２には、垂直制御回路２０２、水平制御回路２０３、タイミングジェネレータ２０４、及び、飽和検出部２０５が備えられている。フレームメモリ基板５０３には、フレームメモリ２０６、加算回路２０７、及び、デジタル出力部２０８が備えられている。センサ部３０１と計数部３０２とが別個の基板に備えられているため、センサ部３０１の面積を広く確保することができる。また、フレームメモリ基板５０３をセンサ部基板５０１及び計数部基板５０２よりも微細なプロセスで製造すれば、フレームメモリ２０６には十分に大きなビット幅のデータを記録し得る。なお、固体撮像素子１００の構成は、上記のような構成に限定されるものではない。例えば、同一の基板にセンサ部３０１と計数部３０２とを備えるようにしてもよい。

図６は、本実施形態による固体撮像素子の動作の例を示すタイミングチャートである。ここでは、動画像を構成する複数のフレームのうちの１つのフレームの画像を取得する場合を例に説明するが、これに限定されるものではない。

タイミングｔ６０１において、撮影開始の指示が操作部１０８を介してユーザ等によって行われると、制御部１０４は、固体撮像素子１００に対してパルス状の撮影開始信号ＳＴＡＲＴを供給する。撮影開始信号ＳＴＡＲＴがＨレベルになると、タイミングジェネレータ２０４はセンサ部３０１にバイアス電圧Ｖｂｉａｓを供給する。センサ部３０１にバイアス電圧Ｖｂｉａｓが供給されると、フォトダイオード３０３の降伏電圧以上の逆バイアス電圧がフォトダイオード３０３に印加され、フォトダイオード３０３はガイガーモードで動作するようになる。これにより、センサ部３０１は、フォトダイオード３０３に入射するフォトンに応じてパルス信号ＰＬＳを出力するようになる。図６には、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素２０１のうちの任意の３つの単位画素２０１、即ち、単位画素Ａ、Ｂ、Ｃの各々のセンサ部３０１からそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ａ、ＰＬＳ＿Ｂ、ＰＬＳ＿Ｃが示されている。ここでは、単位画素Ａに入射するフォトンの数が単位画素Ｃに入射するフォトンの数より多く、単位画素Ｃに入射するフォトンの数が単位画素Ｂに入射するフォトンの数より多い場合を例に説明する。

図６に示すカウント値ＣＯＵＮＴ＿Ａ、ＣＯＵＮＴ＿Ｂ、ＣＯＵＮＴ＿Ｃは、単位画素Ａ、Ｂ、Ｃの各々のカウンタ３０６によって得られるカウント値を示している。カウンタ３０６は、カウント下限値０からカウント上限値Ｃｍａｘまでをカウントすることが可能である。カウンタ３０６のカウント値が閾値Ｃｔｈ以上になると、カウント値が閾値Ｃｔｈ以上になったカウンタ３０６が備えられている単位画素２０１から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴがＨレベルからＬレベルに変化する。これにより、当該単位画素２０１が位置している行に備えられた配線２１２の電位がＨレベルからＬｏｗレベルに変化する。ＨレベルからＬレベルに変化した閾値到達信号ＰＳＡＴは、飽和検出部２０５によって検出される。閾値到達信号ＰＳＡＴ＿Ａ、ＰＳＡＴ＿Ｂ、ＰＳＡＴ＿Ｃは、各々の単位画素Ａ、Ｂ、Ｃが備えられている行における閾値到達信号ＰＳＡＴを示している。

タイミングｔ６０１において、リセット信号ＰＲＥＳはＨレベルになっている。また、タイミングｔ６０１において、各々の単位画素２０１のカウンタ３０６は０にリセットされている。

タイミングｔ６０２において、タイミングジェネレータ２０４は、画素アレイ２００のすべての行にＬレベルのリセット信号ＰＲＥＳを同時に供給する。これにより、画素アレイ２００に備えられた全ての単位画素２０１のカウンタ３０６のリセットが解除される。また、タイミングジェネレータ２０４は、画素アレイ２００の全ての行にＨレベルのイネーブル信号ＰＥＮを供給する。これにより、画素アレイ２００に備えられた全ての単位画素２０１のカウンタ３０６はイネーブル状態となり、各々の単位画素２０１のカウンタ３０６において、入力されるパルス信号ＰＬＳに応じてカウント値が増加するようになる。こうして、動画像を構成する複数のフレームのうちの１つのフレームの撮像が開始される。この後、イネーブル信号ＰＥＮがＬレベルに変化するタイミングｔ６０８まで当該フレームにおけるカウントが継続される。従って、タイミングｔ６０２からタイミングｔ６０８までが、露光期間に相当する。フォトンが入射する頻度は単位画素Ａが最も高いため、カウント値ＣＯＵＮＴ＿Ａの増加率が最も大きい。

タイミングｔ６０３において、カウント値ＣＯＵＮＴ＿Ａが閾値Ｃｔｈに達すると、単位画素Ａが備えられている行の閾値到達信号ＰＳＡＴ＿ＡがＬレベルになる。飽和検出部２０５は、いずれかの行の閾値到達信号ＰＳＡＴがＬレベルに変化したことを検出すると、閾値到達信号ＰＳＡＴが検出されたことを示す信号をタイミングジェネレータ２０４に対して送信する。閾値到達信号ＰＳＡＴが検出されたことを示す信号をタイミングジェネレータ２０４が受信すると、タイミングジェネレータ２０４は、以下のように動作する。即ち、タイミングジェネレータ２０４は、垂直制御回路２０２から全ての単位画素２０１に供給されるラッチ信号ＰＬＡＴが一斉にＨレベルとなるように、垂直制御回路２０２に対して制御信号を供給する。これにより、各々の単位画素２０１に備えられたカウンタ３０６のカウント値が、各々のカウンタ３０６に対応する画素メモリ３０７にそれぞれ保持される。

タイミングｔ６０４において、リセット信号ＰＲＥＳがＨレベルになると、各々の単位画素２０１のカウンタ３０６のカウント値が０にリセットされる。そして、リセット信号ＰＲＥＳがＬレベルに戻ると、カウンタ３０６のリセットが解除され、各々の単位画素２０１のカウンタ３０６は、再び入射したフォトンに応じてカウントを開始する。また、単位画素Ａのカウント値が０にリセットされたことにより、閾値到達信号ＰＳＡＴ＿ＡはＬレベルからＨレベルに戻る。

タイミングｔ６０５において、タイミングジェネレータ２０４から垂直制御回路２０２に対して信号ＶＣＬＫの供給が開始される。信号ＶＣＬＫがＨレベルになる毎に、各行のスイッチ２０９が順次オン状態となり、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素２０１を垂直制御回路２０２が１行ずつ選択していく。任意の１行が垂直制御回路２０２によって選択されると、タイミングジェネレータ２０４から水平制御回路２０３に信号ＨＣＬＫが供給され、各列のスイッチ２１０を順次オン状態にする。これにより、選択行の単位画素２０１の画素メモリ３０７に保持されていたカウント値（画素信号）がフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに順次格納される。そして、加算回路２０７は、フレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに保持された画素信号と、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持されている同一アドレスの画素信号とを加算する。そして、加算回路２０７は、加算することにより得られる画素信号を積算メモリ領域２０６ｂに再び格納する。なお、フレームメモリ２０６による画素信号の保持と並行して、加算回路２０７による加算処理が行われる。タイミングｔ６０５～ｔ６０６において行われる加算処理、即ち、最初の加算処理においては、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂには画素信号が保持されていない。このため、各々の単位画素２０１から出力されて一時メモリ領域２０６ａに格納された画素信号は、そのまま積算メモリ領域２０６ｂに保持される。

タイミングｔ６０７において、カウント値ＣＯＵＮＴ＿Ａが再び閾値Ｃｔｈに達すると、閾値到達信号ＰＳＡＴ＿ＡがＬレベルとなる。そして、タイミングｔ６０３～ｔ６０６の際と同様に、各々の単位画素２０１の画素信号がフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに格納される。そして、一時メモリ領域２０６ａに格納された画素信号と積算メモリ領域２０６ｂに保持されている画素信号とが加算され、加算により得られた画素信号が積算メモリ領域２０６ｂに格納される。この後も、いずれかの単位画素２０１のカウント値が露光期間中に閾値Ｃｔｈに達するたびに上記と同様の処理が繰り返される。

このように、タイミングｔ６０５～ｔ６０６においては、各々の単位画素２０１の画素メモリ３０７に保持されているカウント値（画素信号）が、フレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに順次格納される。各々の単位画素２０１の画素メモリ３０７に保持されているカウント値をフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに格納する処理は、単位画素２０１のカウント値が再び閾値Ｃｔｈに達するタイミングｔ６０７より前に完了していることが好ましい。パルス信号ＰＬＳのパルス幅をΔＴｐとすると、カウント値が０から閾値Ｃｔｈに達するまでの時間は、最短でΔＴｐ×Ｃｔｈである。従って、各々の単位画素２０１のカウント値をフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに格納する処理が（ΔＴｐ×Ｃｔｈ）よりも短い時間で完了するように、信号ＶＣＬＫ、ＨＣＬＫの周波数を設定することが好ましい。また、各々の単位画素２０１のカウント値をフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに格納する処理に要する時間よりも（ΔＴｐ×Ｃｔｈ）が長くなるように、カウンタ３０６の閾値Ｃｔｈを設定するようにしてもよい。

タイミングｔ６０８において、露光期間が終了すると、イネーブル信号ＰＥＮがＬレベルとなる。これにより、各々の単位画素２０１のカウンタ３０６がディセーブル状態となり、カウンタ３０６にパルス信号ＰＬＳが入力されてもカウント値が増加しなくなる。また、センサ部３０１に対してバイアス電圧Ｖｂｉａｓが供給されなくなり、センサ部３０１はパルス信号ＰＬＳを出力しなくなる。

この後、タイミングジェネレータ２０４は、露光終了時におけるカウンタ３０６のカウント値をフレームメモリ２０６に格納するために、以下のような処理を行う。即ち、タイミングジェネレータ２０４は、タイミングｔ６０９において、ラッチ信号ＰＬＡＴをＬレベルからＨレベルに変化させる。ラッチ信号ＰＬＡＴがＬレベルからＨレベルに変化すると、画素メモリ３０７は、カウンタ３０６のカウント値を取り込み、取り込んだカウント値を保持する。この後、タイミングジェネレータ２０４から供給されたラッチ信号ＰＬＡＴを、ＨレベルからＬレベルに戻す。また、タイミングジェネレータ２０４は、リセット信号ＰＲＥＳ信号をＨレベルにし、カウンタ３０６のカウント値を０にリセットする。

タイミングｔ６１０～ｔ６１１においては、タイミングｔ６０５～６０６と同様に、各々の単位画素２０１の画素信号がフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに保持される。そして、加算回路２０７によって加算処理された画素信号がフレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持される。積算メモリ領域２０６ｂに保持される画素信号は、タイミングｔ６０２～ｔ６０８の露光期間中に画素メモリ３０７から取得される画素信号を加算回路２０７によって積算することにより得られる信号である。こうして得られる画素信号は、露光期間中に入射したフォトンの数に応じた信号となる。このように、本実施形態によれば、カウンタ３０６のカウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができる。

なお、画素メモリ３０７に保持されている画素信号をフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに順次送信している最中に、露光終了のタイミングｔ６０８が到来する場合もある。このような場合には、各々の単位画素２０１の画素メモリ３０７に保持されている画素信号をフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに格納し終わってから、露光終了時のカウンタ３０６のカウント値を画素メモリ３０７に格納するようにすればよい。

タイミングｔ６１２～ｔ６１３では、タイミングジェネレータ２０４からデジタル出力部２０８に制御信号ＯＵＴＣＬＫが供給される。これにより、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持された画素信号、即ち、露光期間中に積算された画素信号が、デジタル出力部２０８を介して固体撮像素子１００の外部に順次出力される。固体撮像素子１００の外部への画素信号の出力が完了すると、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持されている画素信号は０にリセットされる。

このように、本実施形態では、各々の単位画素２０１のカウンタ３０６のカウント値が閾値Ｃｔｈに達するたびに、カウント値の取得及びリセット動作が行われる。このため、本実施形態によれば、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。

なお、上述したように、タイミングｔ６０３においてラッチ信号ＰＬＡＴがＨレベルになると、カウンタ３０６のカウント値が画素メモリ３０７に保持される。そして、タイミングｔ６０４においてリセット信号ＰＲＥＳがＬレベルからＨレベルに変化し、カウンタ３０６がリセットされる。そして、リセット信号ＰＲＥＳがＨレベルからＬレベルに戻ると、カウンタ３０６のリセットが解除される。このように、ラッチ信号ＰＬＡＴがＨレベルになるタイミングｔ６０３からカウンタ３０６のリセットが解除されるタイミングまでの期間は、パルス信号ＰＬＳの数をカウンタ３０６によってカウントできなくなる。このことは、当該期間の分だけ露光期間が短くなったことに相当する。従って、この期間の分だけ露光期間を延長するようにしてもよい。

また、図６に示すような駆動モード（第１の駆動モード）と異なる駆動モード（第２の駆動モード）で固体撮像素子１００を駆動できるようにしてもよい。第２の駆動モードにおいては、例えば、飽和検出部２０５の動作を無効とする。第２の駆動モードでは、カウンタ３０６によって露光期間中にカウントされるカウント値は、露光期間中にはフレームメモリ２０６に出力されない。第２の駆動モードでは、カウンタ３０６によるカウント値が、露光期間が終了した後にフレームメモリ２０６に出力される。例えば、高照度環境下においては、第１の駆動モードで固体撮像素子１００を駆動し、低照度環境下においては、第２の駆動モードで固体撮像素子１００を駆動するようにしてもよい。

［第２実施形態］
第２実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を図７乃至図９を用いて説明する。なお、図１乃至図６に示す第１実施形態による固体撮像素子等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。

本実施形態による固体撮像素子は、各々の単位画素７０１の計数部８０１に画素メモリ３０７（図３参照）が備えられていないものである。

図７は、第２実施形態による固体撮像素子１００を示す図である。画素アレイ２００には、複数の単位画素７０１が備えられている。垂直制御回路２０２は、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素７０１をスイッチ２０９によって行単位で選択する。スイッチ２０９は、垂直制御回路２０２から配線７０３を介して供給される行選択信号ＰＳＥＬによって行単位で制御される。

画素アレイ２００と水平制御回路２０３との間には、列メモリ７０２が備えられている。列メモリ７０２は、垂直制御回路２０２によって行単位で選択される単位画素７０１から出力される各列の画素信号を一時的に保持する。

図８は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素７０１を示す図である。図８に示すように、単位画素７０１には、センサ部３０１と、計数部８０１とが備えられている。計数部８０１には、カウンタ３０６と、反転バッファ３０８とが備えられている。計数部８０１には、画素メモリ３０７（図３参照）は備えられていない。計数部８０１に画素メモリ３０７が備えられていないため、本実施形態では、カウンタ３０６のカウント値が画素メモリ３０７を介することなく列メモリ７０２に行単位で保持される。

カウンタ３０６のリセット端子ＲＥＳには、垂直制御回路２０２からリセット信号ＰＲＥＳが行単位で供給される。従って、カウンタ３０６のカウント値は行単位でリセットされる。

図９は、本実施形態による固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、動画像を構成する複数のフレームのうちの１つのフレームの画像を取得する場合を例に説明するが、これに限定されるものではない。

図９には、画素アレイ２００に備えられた複数の単位画素７０１のうちの任意の２つの単位画素７０１、即ち、単位画素Ｄ、Ｅの各々のセンサ部３０１からそれぞれ出力されるパルス信号ＰＬＳ＿Ｄ、ＰＬＳ＿Ｅが示されている。単位画素Ｄは、画素アレイ２００の第１番目の行に配されており、画素信号の出力時には最初に読み出される。一方、単位画素Ｅは、画素アレイ２００の最終行に配されており、画素信号の出力時には最後に読み出される。ここでは、単位画素Ｅに入射するフォトンの数が最も多い場合を例に説明する。

図９に示すカウント値ＣＯＵＮＴ＿Ｄ、ＣＯＵＮＴ＿Ｅは、単位画素Ｄ、Ｅの各々のカウンタ３０６によって得られるカウント値を示している。カウンタ３０６は、カウント下限値０からカウント上限値Ｃｍａｘまでをカウントすることが可能である。カウンタ３０６のカウント値が閾値Ｃｔｈ以上になると、カウント値が閾値Ｃｔｈ以上になったカウンタ３０６が備えられている単位画素７０１から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴがＨレベルからＬレベルに変化する。これにより、当該単位画素７０１が位置している行に備えられた配線２１２の電位がＨレベルからＬｏｗレベルに変化する。ＨレベルからＬレベルに変化した閾値到達信号ＰＳＡＴは、飽和検出部２０５によって検出される。閾値到達信号ＰＳＡＴ＿Ｄ、ＰＳＡＴ＿Ｅは、各々の単位画素Ｄ、Ｅが備えられている行における閾値到達信号ＰＳＡＴを示している。行選択信号ＰＳＥＬ＿Ｄは、単位画素Ｄが配されている行、即ち、画素アレイ２００の第１番目の行に供給される。行選択信号ＰＳＥＬ＿Ｅは、単位画素Ｅが配されている行、即ち、画素アレイ２００の最終行に供給される。行選択信号ＰＳＥＬがＨレベルになると、対応する行のスイッチ２０９がオン状態になる。スイッチ２０９がオン状態になると、当該スイッチ２０９に対応する単位画素７０１のカウンタ３０６のカウント値が列メモリ７０２に出力され、当該カウント値が列メモリ７０２によって保持される。リセット信号ＰＲＥＳ＿Ｄは、単位画素Ｄが配されている行、即ち、画素アレイ２００の第１番目の行に供給される。リセット信号ＰＲＥＳ＿Ｅは、単位画素Ｅが配されている行、即ち、画素アレイ２００の最終行に供給される。リセット信号ＰＲＥＳがＨレベルになると、対応する行のカウンタ３０６のカウント値が０にリセットされる。

出力開始信号ＰＶＳＴは、各々の単位画素７０１において取得されたカウント値の列メモリ７０２への出力を開始するための信号であり、タイミングジェネレータ２０４から垂直制御回路２０２に供給される。出力開始信号ＰＶＳＴがＬレベルからＨレベルに変化すると、カウンタ３０６によって得られたカウント値を列メモリ７０２に出力する動作と、カウンタ３０６をリセットする動作とが、画素アレイ２００の第１番目の行から順に行単位で行われる。

タイミングｔ９０１において、撮影開始の指示が操作部１０８を介してユーザ等によって行われると、制御部１０４は、固体撮像素子１００に対してパルス状の撮影開始信号ＳＴＡＲＴを供給する。撮影開始信号ＳＴＡＲＴがＨレベルになると、タイミングジェネレータ２０４はセンサ部３０１にバイアス電圧Ｖｂｉａｓを供給する。センサ部３０１にバイアス電圧Ｖｂｉａｓが供給されると、フォトダイオード３０３の降伏電圧以上のバイアス電圧がフォトダイオード３０３に印加され、フォトダイオード３０３はガイガーモードで動作するようになる。これにより、センサ部３０１は、フォトダイオード３０３に入射するフォトンに応じてパルス信号ＰＬＳを出力するようになる。

タイミングｔ９０１において、リセット信号ＰＲＥＳはＨレベルになっている。また、タイミングｔ９０１において、各々の単位画素７０１のカウンタ３０６は０にリセットされている。

タイミングｔ９０２において、タイミングジェネレータ２０４は、画素アレイ２００のすべての行にＬレベルのリセット信号ＰＲＥＳを同時に供給する。これにより、画素アレイ２００に備えられた全ての単位画素７０１のカウンタ３０６のリセットが解除される。また、タイミングジェネレータ２０４は、画素アレイ２００の全ての行にＨレベルのイネーブル信号ＰＥＮを供給する。これにより、画素アレイ２００に備えられた全ての単位画素７０１のカウンタ３０６はイネーブル状態となり、各々の単位画素７０１のカウンタ３０６において、入力されるパルス信号ＰＬＳに応じてカウント値が増加するようになる。この後、イネーブル信号ＰＥＮがＬレベルに変化するタイミングｔ９０９まで当該フレームにおけるカウントが継続される。従って、タイミングｔ９０２からタイミングｔ９０９までが、露光期間に相当する。フォトンが入射する頻度は単位画素Ｅが最も高いため、カウント値ＣＯＵＮＴ＿Ｅの増加率が最も大きい。

タイミングｔ９０３において、カウント値ＣＯＵＮＴ＿Ｅが閾値Ｃｔｈに達すると、単位画素Ｅが備えられている行の閾値到達信号ＰＳＡＴ＿ＥがＬレベルになる。飽和検出部２０５は、いずれかの行の閾値到達信号ＰＳＡＴがＬレベルに変化したことを検出すると、パルス状の出力開始信号ＰＶＳＴを出力し、これにより画素信号の読み出しの動作が開始される。

タイミングｔ９０４において、画素アレイ２００の第１番目の行にパルス状の行選択信号ＰＳＥＬ＿Ｄが供給されると、単位画素Ｄが配された行である第１番目の行に配された各々の単位画素７０１のカウント値が列メモリ７０２に出力される。そして、画素アレイ２００の第１番目の行にパルス状のリセット信号ＰＲＥＳ＿Ｄが供給されると、単位画素Ｄが配された行である第１番目の行に配された各々の単位画素７０１のカウント値が０にリセットされる。このような動作と並行して、タイミングジェネレータ２０４から水平制御回路２０３に信号ＨＣＬＫ信号が供給され、各列のスイッチ２１０を順次オン状態にする。これにより、列メモリ７０２に保持されていたカウント値、即ち、第１番目の行に位置する単位画素７０１によって取得された画素信号が、フレームメモリ２０６に順次出力され、当該画素信号はフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに保持される。

第１番目の行に位置する単位画素７０１によって取得された画素信号の全てが列メモリ７０２からフレームメモリ２０６に転送されると、画素アレイ２００の２番目の行にパルス状の行選択信号ＰＳＥＬが供給され、この後も、上記と同様の動作が順次行われる。即ち、カウンタ３０６によって得られたカウント値を列メモリ７０２に出力する動作と、カウンタ３０６をリセットする動作とが順次行われる。このような動作が、画素アレイ２００の最終行まで繰り返される。画素信号のフレームメモリ２０６への格納と並行して、加算回路２０７によって以下のような処理が行われる。即ち、フレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに保持された画素信号と、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持された同一アドレスの画素信号との加算処理が加算回路２０７によって行われる。加算回路２０７による加算によって得られた画素信号は、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持される。

タイミングｔ９０５において、画素アレイ２００の最終行にパルス状の行選択信号ＰＳＥＬ＿Ｅが供給されると、単位画素Ｅが配された行である最終行に配された各々の単位画素７０１のカウント値が列メモリ７０２に出力される。そして、タイミングｔ９０６において、画素アレイ２００の最終行にパルス状のリセット信号ＰＲＥＳ＿Ｅが供給されると、単位画素Ｅが配された行である最終行に配された各々の単位画素７０１のカウント値が０にリセットされる。タイミングｔ９０６においては、単位画素Ｅが配された行である最終行の閾値到達信号ＰＳＡＴ＿ＥがＬレベルからＨレベルに戻る。

タイミングｔ９０７においては、画素アレイ２００の最終行に位置する単位画素７０１から出力される画素信号がフレームメモリ２０６に格納される。画素アレイ２００の最終行に位置する単位画素７０１から出力される画素信号に対して加算回路２０７による加算処理が完了すると、画素アレイ２００の全ての単位画素７０１から出力される画素信号のフレームメモリ２０６への格納が完了する。

タイミングｔ９０３からｔ９０７までの期間においては、単位画素７０１から出力される画素信号のフレームメモリ２０６への格納が完了していないため、タイミングジェネレータ２０４は新たな出力開始信号ＰＶＳＴ信号を垂直制御回路２０２に供給しない。

タイミングｔ９０４～ｔ９０７において行われる加算処理、即ち、最初の加算処理においては、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂには画素信号が保持されていない。このため、各々の単位画素７０１から出力されて一時メモリ領域２０６ａに格納された画素信号が、そのまま積算メモリ領域２０６ｂに保持される。

タイミングｔ９０８において、カウント値ＣＯＵＮＴ＿Ｅが再び閾値Ｃｔｈに達すると、単位画素Ｅが備えられている行の閾値到達信号ＰＳＡＴ＿ＥがＬレベルになる。そして、タイミングｔ９０３～ｔ９０７の処理と同様に、各々の単位画素７０１の画素信号がフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに格納される。そして、一時メモリ領域２０６ａに格納された画素信号と積算メモリ領域２０６ｂに保持されている画素信号とが加算回路２０７によって加算され、加算により得られた画素信号が積算メモリ領域２０６ｂに格納される。この後も、いずれかの単位画素７０１のカウント値が露光期間中に閾値Ｃｔｈに達するたびに上記と同様の処理が繰り返される。

なお、画素アレイ２００の最終行に配された単位画素Ｅのカウント値ＣＯＵＮＴ＿Ｅは、タイミングｔ９０３において閾値Ｃｔｈに達した後も、入射したフォトンの数に応じてタイミングｔ９０６まで増加し続ける。即ち、画素アレイ２００の最終行に配された単位画素７０１から出力される画素信号のフレームメモリ２０６への格納が完了し、カウンタ３０６がリセットされるまで、カウンタ３０６のカウント値は増加する。画素アレイ２００に備えられた全ての単位画素７０１の画素信号のフレームメモリ２０６への格納が完了する前に、最終行の単位画素７０１のカウント値がカウント上限値Ｃｍａｘに達しないようにすべく、閾値Ｃｔｈを以下の式（１）を満たすように設定する。

Ｃｔｈ ＜ Ｃｍａｘ－Ｔｒｄ／ΔＴｐ ・・・（１）

ここで、Ｔｒｄは、タイミングｔ９０３からタイミングｔ９０６までの期間に対応している。即ち、Ｔｒｄは、出力開始信号ＰＶＳＴが供給されるタイミングから、画素アレイ２００の最終行に位置する単位画素７０１に対してリセット信号ＰＲＥＳ＿Ｅが供給されるまでの期間である。ΔＴｐは、センサ部３０１から出力されるパルス信号ＰＬＳの最小のパルス幅である。

なお、上記の（１）では、閾値Ｃｔｈを一律に設定したが、これに限定されるものではない。例えば、以下の式（２）のように、閾値Ｃｔｈを行毎に異ならせてもよい。

Ｃｔｈ（ｎ） ＜ Ｃｍａｘ－Ｔ１ｈ×ｎ／ΔＴｐ ・・・（２）

ここで、ｎは、第ｎ番目の行であることを示している。Ｃｔｈ（ｎ）は、第ｎ番目の行の閾値Ｃｔｈを示している。Ｔ１ｈは、１行分の画素信号をフレームメモリ２０６に転送するのに要する時間を示している。即ち、Ｔ１ｈは、ある行に対する行選択信号ＰＳＥＬ信号がＨレベルになってから次の行に対する行選択信号ＰＳＥＬがＨレベルになるまでの時間に相当する。

タイミングｔ９０９において、露光期間が終了すると、イネーブル信号ＰＥＮはＬレベルとなる。これにより、各々の単位画素７０１のカウント値は、フォトンが当該単位画素７０１に入射しても増加しなくなる。また、タイミングｔ９０９において、センサ部３０１にバイアス電圧Ｖｂｉａｓが供給されなくなり、センサ部３０１はパルス信号ＰＬＳを出力しなくなる。

この後、タイミングジェネレータ２０４は、露光終了時におけるカウンタ３０６のカウント値をフレームメモリ２０６に格納するために、以下のような処理を行う。即ち、タイミングジェネレータ２０４は、タイミングｔ９１０において、パルス状の出力開始信号ＰＶＳＴを出力する。これにより、タイミングｔ９０３～ｔ９０７と同様に、各々の単位画素７０１の画素信号がフレームメモリ２０６の一時メモリ領域２０６ａに保持される。そして、加算回路２０７によって加算処理された画素信号がフレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持される。

積算メモリ領域２０６ｂに保持される画素信号は、タイミングｔ９０２～ｔ９０９の露光期間中にカウンタ３０６から取得される画素信号を加算回路２０７によって積算することにより得られる信号である。こうして得られる画素信号は、露光期間中に入射したフォトンの数に応じた信号となる。このように、本実施形態によっても、カウンタ３０６のカウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができる。

タイミングｔ９１１～ｔ９１２では、タイミングジェネレータ２０４からデジタル出力部２０８に制御信号ＯＵＴＣＬＫが供給される。これにより、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持された画素信号、即ち、露光期間中に積算された画素信号が、デジタル出力部２０８を介して固体撮像素子１００の外部に順次出力される。固体撮像素子１００の外部への画素信号の出力が完了すると、フレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに保持されている画素信号は０にリセットされる。

このように、本実施形態においても、各々の単位画素２０１のカウンタ３０６のカウント値が閾値Ｃｔｈに達するたびに、カウント値の取得及びリセット動作が行われる。このため、本実施形態においても、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。

［第３実施形態］
第３実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を図１０及び図１１を用いて説明する。なお、図１乃至図９に示す第１又は第２実施形態による固体撮像素子等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。

本実施形態による固体撮像素子は、飽和検出部１１０４、加算回路１１０５及び積算メモリ１１０６が単位画素１１０１に備えられているものである。

図１０は、本実施形態による固体撮像素子１００を示す図である。画素アレイ２００には、複数の単位画素１１０１が行列状に配されている。

図１１は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素１１０１を示す図である。

単位画素１１０１には、センサ部３０１と、計数部１１０２と、積算部１１０３とが備えられている。

計数部１１０２には、カウンタ３０６と、画素メモリ３０７と、飽和検出部１１０４とが備えられている。カウンタ３０６のカウント値が露光期間中に所定の閾値Ｃｔｈに達すると、閾値到達信号ＰＳＡＴがＬレベルからＨレベルに変化する。カウンタ３０６から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴは、飽和検出部１１０４に供給されるようになっている。飽和検出部１１０４は、閾値到達信号ＰＳＡＴがＬレベルからＨレベルに変化すると、画素メモリ３０７にラッチ信号ＰＬＡＴを供給する。飽和検出部１１０４から画素メモリ３０７にラッチ信号ＰＬＡＴが供給されると、カウンタ３０６によって取得されたカウント値が画素メモリ３０７によって保持される。この後、飽和検出部１１０４は、ＯＲゲート１１０７の一方の入力端子にリセット信号を供給する。これにより、飽和検出部１１０４から出力されるリセット信号は、ＯＲゲート１１０７を介してカウンタ３０６のリセット端子ＲＥＳに供給される。飽和検出部１１０４からＯＲゲート１１０７を介してカウンタ３０６にリセット信号が供給されると、カウンタ３０６はカウント値をリセットする。垂直制御回路２０２から供給されるリセット信号ＰＲＥＳが、ＯＲゲート１１０７の他方の入力端子に供給されるようになっている。また、垂直制御回路２０２から出力されるリセット信号ＰＲＥＳも、ＯＲゲート１１０７を介してカウンタ３０６のリセット端子ＲＥＳに入力される。このため、カウンタ３０６は、飽和検出部１１０４から供給されるリセット信号によってリセットされると共に、垂直制御回路２０２から供給されるリセット信号ＰＲＥＳによってもリセットされる。

積算部１１０３には、加算回路１１０５と、積算メモリ１１０６とが備えられている。加算回路１１０５は、図２を用いて上述した加算回路２０７に相当する。積算メモリ１１０６は、図２を用いて上述したフレームメモリ２０６の積算メモリ領域２０６ｂに相当する。積算メモリ１１０６は、画素メモリ３０７に保持された画素信号を露光期間中に積算して保持する。積算メモリ１１０６のビット幅は、カウンタ３０６のビット幅に対して十分に大きく、また、画素メモリ３０７のビット幅に対しても十分に大きい。

飽和検出部１１０４は、画素メモリ３０７にラッチ信号ＰＬＡＴを供給した後、加算回路１１０５に加算制御信号ＰＡＤＤを供給する。飽和検出部１１０４から加算回路１１０５に加算制御信号ＰＡＤＤが供給されると、加算回路１１０５は、画素メモリ３０７に保持された画素信号と積算メモリ１１０６に保持された画素信号とを加算する。そして、加算回路１１０５は、加算することにより得られた画素信号を積算メモリ１１０６に保持する。

各々の単位画素１１０１の積算メモリ１１０６に保持された画素信号は、露光期間が終了した後、垂直制御回路２０２と水平制御回路２０３とによる制御に応じて、デジタル出力部２０８に順次出力される。このような動作は、第１実施形態における動作と同様であるため、詳細な説明は省略する。

このように、各々の単位画素１１０１に飽和検出部１１０４、加算回路１１０５及び積算メモリ１１０６が備えられていてもよい。本実施形態においても、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。

［第４実施形態］
第４実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法について図１２を用いて説明する。なお、図１乃至図１１に示す第１乃至第３実施形態による固体撮像素子等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。

本実施形態による固体撮像素子は、欠陥のある単位画素である欠陥画素から好ましくない閾値到達信号ＰＳＡＴが出力されるのを防止し得るものである。

フォトダイオード３０３に結晶欠陥が存在すると、結晶欠陥に起因して暗電流が生じ、フォトダイオード３０３にフォトンが入射していないにもかかわらず、アバランシェ増倍現象が当該フォトダイオード３０３において生ずる場合がある。結晶欠陥が存在するフォトダイオード３０３が備えられたセンサ部３０１においては、フォトンがフォトダイオード３０３に入射していないにもかかわらず、パルス信号ＰＬＳが高頻度で出力され得る。このような欠陥のあるフォトダイオード３０３が備えられた単位画素は、欠陥画素と称される。

図１２（ａ）は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素１２０１を示す図である。画素アレイ２００には、複数の単位画素１２０１が行列状に配されている。本実施形態による固体撮像素子の構成は、単位画素１２０１以外は、第１実施形態による固体撮像素子と同様である。

単位画素１２０１には、センサ部３０１と、計数部１２０２とが備えられている。計数部１２０２には、カウンタ３０６と、画素メモリ３０７と、欠陥制御部１２０３と、イネーブル端子付きの反転バッファ１２０４とが備えられている。カウンタ３０６から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴは、反転バッファ１２０４を介して出力される。欠陥制御部１２０３から反転バッファ１２０４に供給されるイネーブル信号がＬレベルである場合、反転バッファ１２０４はオフ状態となる。反転バッファ１２０４がオフ状態の場合、当該反転バッファ１２０４の出力は常にハイインピーダンスとなり、当該反転バッファ１２０４からは閾値到達信号ＰＳＡＴが出力されない。一方、欠陥制御部１２０３から反転バッファ１２０４に供給されるイネーブル信号がＨレベルである場合、反転バッファ１２０４はオン状態となる。反転バッファ１２０４がオン状態の場合、当該反転バッファ１２０４は、図３を用いて上述した反転バッファ３０８と同様に動作し得る。

欠陥制御部１２０３は、各々の単位画素１２０１が欠陥画素であるか否かを示す欠陥情報に基づいて、反転バッファ１２０４にイネーブル信号を供給する。ある単位画素１２０１が欠陥画素である場合、当該単位画素１２０１においては、欠陥制御部１２０３から反転バッファ１２０４に供給されるイネーブル信号はＬレベルとなり、反転バッファ１２０４はオフ状態となる。一方、当該単位画素１２０１が欠陥画素でない場合、当該単位画素１２０１においては、欠陥制御部１２０３から反転バッファ１２０４に供給されるイネーブル信号はＨレベルとなり、反転バッファ１２０４はオン状態となる。単位画素１２０１が欠陥画素であるか否かを示す欠陥情報は、垂直制御回路２０２及び水平制御回路２０３を用いて各々の単位画素１２０１の欠陥制御部１２０３に予め供給され、各々の単位画素２０１の欠陥制御部１２０３においてそれぞれ保持される。欠陥制御部１２０３と反転バッファ１２０４とは、当該単位画素１２０１に備えられたカウンタ３０６のカウント値が閾値に達したことを示す信号の出力を防止する出力防止手段として機能し得る。

欠陥画素である単位画素１２０１から出力される画素信号は、信号処理部１０１又は制御部１０４によって補正処理される。

なお、ここでは、イネーブル端子付きの反転バッファ１２０４を計数部１２０２に設ける場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。図１２（ｂ）は、本実施形態による固体撮像素子に備えられた単位画素１２０１の他の例を示す図である。図１２（ｂ）に示すように、センサ部３０１には、フォトダイオード３０３と、クエンチ抵抗３０４と、イネーブル端子付きの反転バッファ１２０５とが備えられている。計数部１２０２には、カウンタ３０６と、画素メモリ３０７と、欠陥制御部１２０３と、反転バッファ１２０６が備えられている。計数部１２０２に備えられた欠陥制御部１２０３から出力されるイネーブル信号が、センサ部３０１に備えられたイネーブル端子付きの反転バッファ１２０５のイネーブル端子に入力される。このように、イネーブル端子付きの反転バッファ１２０５をセンサ部３０１に設けるようにしてもよい。欠陥制御部１２０３と反転バッファ１２０５とは、当該単位画素１２０１に備えられたセンサ部３０１からのパルスの出力を防止する出力防止手段として機能し得る。

本実施形態によれば、欠陥画素から閾値到達信号ＰＳＡＴが出力されるのを防止し得る。このため、本実施形態によれば、フレームメモリ２０６への画素信号の転送が欠陥画素に起因して頻発するのを防止することができる。

［第５実施形態］
第５実施形態による固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法について図１３乃至図１8を用いて説明する。なお、図１乃至図１２に示す第１乃至第４実施形態による固体撮像素子等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。

本実施形態による撮像装置は、測光部１３０３を備え、測光部１３０３からの測光結果に基づいて、図１４に示す画素アレイ２００の各ブロック１４０１の閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効とするように制御することができる。また、本実施形態による撮像装置は、操作部１０８を介してユーザー操作によって、閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効とするように制御することもできる。

図１４は、本実施形態による固体撮像素子１００を示す図である。図１４には、画素アレイ２００と飽和検出部１４０３とが抜き出して示されている。画素アレイ２００及び飽和検出部１４０３以外の構成要素については、第１実施形態における固体撮像素子１００と同様である。図１３においては、説明を簡略化するために４行×４列の１６個の単位画素２０１が図示されているが、実際には多数の単位画素２０１が画素アレイ２００に備えられている。

図１４に示すように、例えば２行×２列の４つの単位画素２０１によって１つのブロック１４０１が構成されている。閾値到達信号ＰＳＡＴを伝達する配線１４０２は、各々のブロック１４０１において共有されている。各々のブロック１４０１にそれぞれ備えられた複数の単位画素２０１のうちのいずれかから出力される閾値到達信号ＰＳＡＴは、配線１４０２を介して飽和検出部１４０３に供給される。

図１３に戻り、測光部１３０３は、不図示のＣＣＤやＣＭＯＳなどの測光用の撮像素子を備え、撮影レンズ１０２を通して入射した光を不図示の可動式ミラー等を介して受光する。測光部１３０３は、図１５に示すような複数の測光エリア１５０１を備え、測光エリア１５０１毎に被写体輝度を測定し、その測光結果を制御部１０４に送る。

制御部１０４は、ＰＳＡＴ選択部１３０１及び駆動設定部１３０２、現像処理部１３０４を備える。

ＰＳＡＴ選択部１３０１は、測光部１３０３からの測光結果を受け取り、画素アレイ２００の各ブロック１４０１の内、閾値到達信号ＰＳＡＴを無効とするブロックを決定する。また、閾値到達信号ＰＳＡＴを無効としなかったブロックでは、閾値到達信号ＰＳＡＴは有効となる。また、ＰＳＡＴ選択部１３０１は、操作部１０８を介したユーザー操作によって、選択的に閾値到達信号ＰＳＡＴを無効とするブロックを決定することもできる。画素アレイ２００の各ブロックの閾値到達信号ＰＳＡＴを有効とするか無効とするかの情報（以下、ＰＳＡＴ選択情報）は、駆動設定部１３０２に送信される。

駆動設定部１３０２は、固体撮像素子１００及び信号処理部１０１を制御するための制御信号を送信する。また、ＰＳＡＴ選択部１３０１から送信されたＰＳＡＴ選択情報をもとに、画素アレイ２００の各ブロック１４０１の閾値到達信号ＰＳＡＴを有効又は無効にするための制御信号を固体撮像素子１００へ送信する。

飽和検出部１４０３では、駆動設定部１３０２からの制御信号に基づいて、各々のブロック１４０１から供給される閾値到達信号ＰＳＡＴを有効とするか無効とするかを設定する。あるブロック１４０１から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴを無効とするように飽和検出部１４０３が設定されている場合、飽和検出部１４０３は、以下のように動作する。即ち、飽和検出部１４０３は、当該ブロック１４０１から飽和検出部１４０３に閾値到達信号ＰＳＡＴが供給された場合、当該閾値到達信号ＰＳＡＴを無効なものとして取り扱う。従って、当該ブロック１４０１内に位置する複数の単位画素２０１のうちのいずれかにおいてカウンタ３０６のカウント値が閾値Ｃｔｈに達した場合であっても、ラッチ信号ＰＬＡＴが画素アレイ２００の各々の単位画素２０１に供給されない。このように、飽和検出部１４０３は、複数の単位画素２０１のうちの所定の単位画素２０１に対しては、カウンタ３０６によるカウント値が閾値に達したことを無視する。一方、あるブロック１４０１から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴを有効とするように飽和検出部１４０３が設定されている場合、飽和検出部１４０３は、以下のように動作する。即ち、飽和検出部１４０３は、当該ブロック１４０１から飽和検出部１４０３に閾値到達信号ＰＳＡＴが供給された場合、当該閾値到達信号ＰＳＡＴを有効なものとして取り扱う。従って、当該ブロック１４０１内に位置する複数の単位画素２０１のうちのいずれかにおいてカウンタ３０６のカウント値が閾値Ｃｔｈに達した場合には、ラッチ信号ＰＬＡＴが画素アレイ２００の各々の単位画素２０１に供給される。

なお、ここでは、２行×２列の４つの単位画素２０１が備えられたブロック１４０１において閾値到達信号ＰＳＡＴが共通化されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ブロック１４０１に備えられた単位画素２０１が４つでなくてもよい。また、例えば閾値到達信号ＰＳＡＴを列単位で共通化するようにしてもよい。

現像処理部１３０４には、固体撮像素子１００から出力され、信号処理部１０１で各種の補正処理が行われた画像データが入力される。現像処理部１３０４は、この画像データにデモザイク等の現像処理を行う。現像処理が行われた画像データは、例えば、表示部１０６に表示される。

図１６は、本実施形態による撮像装置によって取得される画像１６００の例を示す図である。ここでは、ブロック１６０１から供給される閾値到達信号ＰＳＡＴを無効とし、ブロック１６０１以外から供給される閾値到達信号ＰＳＡＴを有効とする場合を例に説明する。ブロック１６０１は、太陽に対応している。ブロック１６０１から供給される閾値到達信号ＰＳＡＴは無効とされているため、ブロック１６０１については良好な階調の画像信号が得られない。ブロック１６０１以外から供給される閾値到達信号ＰＳＡＴについては有効とされているため、ブロック１６０１以外については良好な階調の画像信号が得られる。なお、太陽に対応する画素信号は、飽和していても特段の問題はない。

図１７に、測光部１３０３からの測光結果をもとに、閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効とするように制御して撮影する流れを表すフローチャートを示す。

始めに、Ｓ１７０１で、測光部１３０３が測光を行い、複数の測光エリア１５０１毎に被写体輝度を測定する。その測光結果は、ＰＳＡＴ選択部１３０１に送信される。

次に、Ｓ１７０２で、ＰＳＡＴ選択部１３０１が、測光部１３０３からの測光結果をもとに、画素アレイ２００の各ブロック１４０１の中から閾値到達信号ＰＳＡＴを無効とするブロックを決定する。ここでは、被写体輝度がある閾値以上になる測光エリア１５０１に対応するブロック１４０１の閾値到達信号ＰＳＡＴを無効とする。これにより、例えば、太陽のように極端に高輝度被写体のあるブロックの閾値到達信号ＰＳＡＴを無効にできる。各ブロックの閾値到達信号ＰＳＡＴを有効とするか無効とするかの情報（ＰＳＡＴ選択情報）は、駆動設定部１３０２に送信される。

Ｓ１７０３では、駆動設定部１３０２が、固体撮像素子１００及び信号処理部１０１へ撮像を行うための制御信号を送信する。また、ＰＳＡＴ選択部１３０１から送信されたＰＳＡＴ選択情報をもとに、画素アレイ２００の各ブロック１４０１の閾値到達信号ＰＳＡＴを有効又は無効にするための制御信号を固体撮像素子１００へ送信する。

Ｓ１７０４では、固体撮像素子１００が上述したようにして撮像を行う。固体撮像素子１００から出力された画像データは、信号処理部１０１で各種の補正処理が行われ、制御部１０４に送られる。その後現像処理部１３０４で現像処理が行われたのち、表示部１０６に表示される。

このように、本実施形態によれば、測光部１３０３の測光結果をもとに、閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効とすることができる。例えば、太陽等に対応する単位画素２０１から発せられる閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効とすることができる。このため、本実施形態によれば、例えば太陽に対応する領域以外の領域について階調の良好な画像を得ることができる。

また、閾値到達信号ＰＳＡＴを有効にするか無効にするかの切り替えを、操作部１０８を介してユーザが行うようにしてもよい。

図１８に、操作部１０８を介してユーザー操作によって、閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効とするように制御して撮影する流れを表すフローチャートを示す。

始めに、Ｓ１８０１で、固体撮像素子１００が撮像を行い、信号処理部１０１における各種の補正処理及び現像処理部１３０４における現像処理が行われた画像が、表示部１０６にライブビュー画像として表示される。

次にＳ１８０２で、ユーザーが表示部１０６に表示されたライブビュー画像をもとに、操作部１０８を介して、閾値到達信号ＰＳＡＴを無効にしたい領域を選択する。選択された領域の情報はＰＳＡＴ選択部１３０１に入力される。また、表示部１０６がタッチパネルである場合は、表示部１０６は操作部１０８として機能する。ユーザー操作によって選択された各ブロックの閾値到達信号ＰＳＡＴを有効とするか無効とするかの情報（ＰＳＡＴ選択情報）は、ＰＳＡＴ選択部１３０１から駆動設定部１３０２に送信される。

Ｓ１８０３では、駆動設定部１３０２が、固体撮像素子１００及び信号処理部１０１へ撮像を行うための制御信号を送信する。また、ＰＳＡＴ選択部１３０１から送信されたＰＳＡＴ選択情報をもとに、画素アレイ２００の各ブロック１４０１の閾値到達信号ＰＳＡＴを有効又は無効にするための制御信号を固体撮像素子１００へ送信する。

Ｓ１８０４では、固体撮像素子１００が上述したようにして撮像を行う。固体撮像素子１００から出力された画像データは、信号処理部１０１で各種の補正処理が行われ、制御部１０４に送られる。その後現像処理部１３０４で現像処理が行われたのち、表示部１０６に表示される。

このように、本実施形態によれば、操作部１０８を介したユーザー操作によって、閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効とすることができる。例えば、太陽等に対応する単位画素２０１から発せられる閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効とすることができる。このため、本実施形態によれば、例えば太陽に対応する領域以外の領域について階調の良好な画像を得ることができる。

なお、Ｓ１８０１でライブビュー画像表示用の撮影を行う際は、閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効にする処理は行わなくてもよい。もしくは、Ｓ１８０１よりも前の撮影でＰＳＡＴ選択情報を設定していた場合は、その情報にもとづいて、閾値到達信号ＰＳＡＴを選択的に無効にして撮影してもよい。

［第６実施形態］
第６実施形態による撮像装置及びその制御方法について図１９乃至図２２を用いて説明する。なお、図１乃至図１８に示す第１乃至第５実施形態による固体撮像素子等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。

図１９は、本実施形態による撮像装置のブロック図である。図１９に示す撮像装置は、図１に示す構成と比較して、測光部１３０３を有し、制御部１０４が、駆動設定部１３０２及び露出制御部１９０１を備えるところが異なる。

露出制御部１９０１は、測光部１３０３からの測光結果にもとづいて、露光時間や、ＩＳＯ感度、撮影レンズ１０２の絞り値などの撮影条件を決定し、その情報を駆動設定部１３０２やレンズ駆動部１０３に送信する。また、露出制御部１９０１は、操作部１０８を介したユーザー操作によって、露光時間や、ＩＳＯ感度、絞り値などの撮影条件を決定することも可能である。

例えば、露出制御部１９０１で設定された露光時間の情報は、駆動設定部１３０２に送信され、設定された露光時間で固体撮像素子１００を駆動するための制御データが駆動設定部１３０２から固体撮像素子１００に送信される。また、露出制御部１９０１で設定されたＩＳＯ感度の情報は駆動設定部１３０２に送信される。そして、駆動設定部１３０２から信号処理部１０１にＩＳＯ感度に応じた制御信号が送られる。信号処理部１０１ではこの制御信号によって、ＩＳＯ感度に応じたデジタルゲインを画像データに乗算する。例えば、ＩＳＯ１００では、信号処理部１０１でｘ１のデジタルゲインが画像データに乗算され、ＩＳＯ２００では、ｘ２のデジタルゲインが画像データに乗算される。また、露出制御部１９０１で設定された絞り値の情報は、レンズ駆動部１０３に送信され、撮影レンズ１０２の絞り制御に使用される。

更に、露出制御部１９０１は、測光部１３０３からの測光結果に基づいて、固体撮像素子１００を、飽和検出部２０５を動作させる第１の駆動モードと、飽和検出部２０５の動作を無効にした第２の駆動モードのどちらで駆動するかを決定する。

図２０に、測光部１３０３からの測光結果に基づいて、飽和検出部２０５を動作させる第１の駆動モードと、飽和検出部２０５の動作を無効にした第２の駆動モードとを切り替えて撮影する流れを表すフローチャートを示す。

始めに、Ｓ２００１において、測光部１３０３が測光を行い、図１５に示す複数の測光エリア１５０１毎に被写体輝度を測定する。測光結果は、露出制御部１９０１に送信される。

Ｓ２００２では、露出制御部１９０１が測光結果に基づいて、露光時間や、ＩＳＯ感度、絞り値などの撮影条件を決定する。例えば、測光部１３０３からの測光結果にもとづいて、画像領域の全体の平均が適正露光量になるように露光時間や、ＩＳＯ感度、絞り値などの撮影条件が設定される。

また、露出制御部１９０１では、固体撮像素子１００を第１の駆動モードと第２の駆動モードのどちらで駆動するかも決定する。例えば、測光結果から、一部の領域に高輝度被写体が存在し、設定された撮影条件では、露光期間中に一部の画素のカウント値が飽和すると露出制御部１９０１が判断した場合は、第１の駆動モードが選択される。それ以外では第２の駆動モードが選択される。このように、測光結果から、高輝度被写体が存在する場合（もしくは、高照度環境下の場合）には、第１の駆動モード、高輝度被写体が存在しない場合（もしくは、低照度環境下の場合）には、第２の駆動モードが選択される。

Ｓ２００２では、駆動設定部１３０２が、固体撮像素子１００及び信号処理部１０１へ撮像を行うための制御信号を送信する。この際、露出制御部１９０１で、選択された駆動モードで固体撮像素子１００を駆動させるための制御信号が固体撮像素子１００へ送信される。

Ｓ２００３では、固体撮像素子１００が駆動設定部１３０２から送信された制御信号にもとづいて、第１の駆動モード、第２の駆動モードのいずれかで駆動して撮像を行う。この動作は第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。固体撮像素子１００から出力された画像データは、信号処理部１０１で各種の補正処理が行われ、制御部１０４に送られる。

このように、本実施形態によれば、測光部１３０３の測光結果をもとに、高輝度被写体が存在する場合（もしくは、高照度環境下の場合）には、第１の駆動モードで撮影が行われる。従って、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。

また、本実施形態の別の制御方法として、測光部１３０３の測光結果を用いずに、露光時間や、ＩＳＯ感度、絞り値の撮影条件のいずれかに応じて第１の駆動モード、第２の駆動モードを切り替えるように制御してもよい。

図２１に、操作部１０８を介してユーザーが設定した撮影条件に応じて、第１の駆動モード、第２の駆動モードを切り替えて撮影する流れを表すフローチャートを示す。

Ｓ２１０１では、操作部１０８を介して、ユーザーが露光時間や、ＩＳＯ感度、絞り値の撮影条件を設定する。設定した撮影条件の情報は露出制御部１９０１に送信される。

Ｓ２１０２では、露出制御部１９０１で、Ｓ２１０１で設定された撮影条件にもとづいて、第１の駆動モード、第２の駆動モードのどちらで駆動するかが決定される。ここでは、例えば、ＩＳＯ感度が所定の閾値よりも低い場合に第１の駆動モードが選択され、それ以外の場合は第２の駆動モードが選択される。これにより、一般的に高照度環境下で使用される低ＩＳＯ感度設定時に第１の駆動モードを選択することで、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができる。

また、Ｓ２１０２における決定方法は、ＩＳＯ感度に限られるものでは無い。例えば、撮影レンズ１０２の絞り値に応じて、ある閾値となる絞り値よりも開放側では、第１の駆動モードを選択し、小絞り側では、第２の駆動モードを選択してもよい。もしくは、露光時間に応じて、ある閾値となる秒時よりも長秒では、第１の駆動モードを選択し、短秒では第２の駆動モードを選択してもよい。また、上述した撮影条件の少なくとも１つが第１の駆動モードに対応する場合に、第１の駆動モードで駆動するようにしても良い。

Ｓ２１０３以降の動作は、図２０のＳ２００３以降の動作と同様であるため、その説明は省略する。

また、本実施形態のさらに別の制御方法として、固体撮像素子１００から１４ビットの画像データを出力するスタンダードダイナミックレンジ（ＳＤＲ）モードと１６ビットの画像データを出力するハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）モードの撮影モードを備えた撮像装置に本発明を適用した例を説明する。本実施形態では、例えば、図３に示すカウンタ３０６は１４ビットのビット幅を備え、ＳＤＲモード時には、第２の駆動モードで動作し、飽和検出部２０５の動作を無効にして、固体撮像素子１００からは１４ビットの画像データを出力する。ＨＤＲモード時には、カウンタ３０６は１４ビットのビット幅しか持たないが、第１の駆動モードで動作させることで、カウンタ３０６のカウント値が閾値Ｃｔｈに達するたびに、カウント値の取得及びリセット動作が行われるため、１４ビット以上の階調を得ることができる。したがって、例えば、固体撮像素子１００からは１６ビットの画像データを出力する。

図２２に、操作部１０８を介してユーザーが設定した撮影モード（ＳＤＲモード、ＨＤＲモード）に応じて、第１の駆動モード、第２の駆動モードを切り替えて撮影する流れを表すフローチャートを示す。

Ｓ２２０１では、操作部１０８を介してユーザーが撮影モード（ＳＤＲモード、ＨＤＲモード）を設定する。設定した撮影条件の情報は、露出制御部１９０１に送信される。

Ｓ２２０２では、露出制御部１９０１で、撮影条件の情報に基づいて、第１の駆動モード、第２の駆動モードのどちらで駆動するかを決定する。ここでは、例えば、ＳＤＲモード時には、第２の駆動モード、ＨＤＲモード時には、第１の駆動モードが選択される。

Ｓ２２０３以降の動作は、図２０のＳ２００３以降の動作と同様であるため、その説明は省略する。

以上の動作により、ＨＤＲモード時に第１の駆動モードで撮影を行うことで、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、高諧調の画像を得ることができる。

［第７実施形態］
第７実施形態による撮像装置及びその制御方法について図２３及び図２４を用いて説明する。なお、図１乃至図２２に示す第１乃至第６実施形態による固体撮像素子等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。

図２３は、本実施形態による撮像装置のブロック図である。図２３に示す本実施形態による撮像装置は、図１に示す構成と比較して、制御部１０４内に駆動切り替え部２３０１及び駆動設定部１３０２を備えたところが異なる。

駆動切り替え部２３０１には、信号処理部１０１を介して、固体撮像素子１００から出力された画像データが入力され、画像データ中に飽和した画素信号があるか否かを検出する。また、駆動切り替え部２３０１には、図２の飽和検出部２０５から出力される閾値到達信号ＰＳＡＴを検出したことを示す信号が、配線２３０２を介して入力される。そして、駆動切り替え部２３０１は、閾値到達信号ＰＳＡＴを検出したことを示す信号と、入力された画像データ中に飽和した画素信号があるか否かを検出した結果に基づいて、第１の駆動モードと第２の駆動モードのどちらで固体撮像素子１００を駆動するかを決定する。

駆動設定部１３０２は、固体撮像素子１００及び信号処理部１０１へ撮像を行うための制御信号を送信する。この際、駆動切り替え部２３０１で、選択された駆動モードで固体撮像素子１００を駆動させるための制御信号が固体撮像素子１００へ送信される。

図２４は、本実施形態による撮像装置の制御の流れを表すフローチャートを示す。撮影が開始すると、Ｓ２４０１において、駆動切り替え部２３０１が第２の駆動モードを選択し、その情報が駆動設定部１３０２に送信される。Ｓ２４０２では、駆動設定部１３０２が、駆動切り替え部２３０１で選択された駆動モードで固体撮像素子１００を駆動させるための制御信号を固体撮像素子１００へ送信する。そして、固体撮像素子１００が撮影を行い、撮影された画像データは信号処理部１０１を介して、駆動切り替え部２３０１に入力される。

Ｓ２４０３では、駆動切り替え部２３０１が、Ｓ２４０２における撮影が第１の駆動モードで行われたか否かを判定する。第１の駆動モードの場合はＳ２４０４の判定１に移り、第２の駆動モードの場合はＳ２４０５の判定２に移る。

Ｓ２４０４の判定１では、Ｓ２４０２の撮影時に配線２３０２を介して入力される閾値到達信号ＰＳＡＴを検出したことを示す信号を受信しなかったか否かを判定する。閾値到達信号ＰＳＡＴを検出したことを示す信号を受信しなかった場合（ＹＥＳ）は、Ｓ２４０６に移り、駆動切り替え部２３０１は、第２の駆動モードを選択する。閾値到達信号ＰＳＡＴを検出したことを示す信号を受信した場合（ＮＯ）は、駆動モードの切り替えは行わずに、Ｓ２４０８に移る。

一方、Ｓ２４０５の判定２では、駆動切り替え部２３０１で、信号処理部１０１を介して、入力された画像データ中に飽和した画素信号があるか否かを検出する。飽和した画素信号がある場合（ＹＥＳ）、Ｓ２４０７に移り、駆動切り替え部２３０１は、第１の駆動モードを選択する。飽和した画素信号がない場合（ＮＯ）は、駆動モードの切り替えは行わずに、Ｓ２４０８に移る。

Ｓ２４０８では、撮影を継続するかの判定を行い、例えば、ユーザーが操作部１０８を介して、撮影終了の操作をした場合は、撮影が終了する。撮影が継続する場合は、Ｓ２４０２に戻り、駆動切り替え部２３０１が選択している駆動モードで撮影が行われる。

以上のように制御することで、第２の駆動モード時に撮影画像の中に飽和した画素信号がある場合に、第１の駆動モードに移行できる。また、第１の駆動モード時に閾値到達信号ＰＳＡＴを検出したことを示す信号を受信しなかった場合には、第２の駆動モードに移行できる。

このように、本実施形態によれば、撮影画像に飽和した画素信号がある場合に、第１の駆動モードに移行できるため、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。

［第８実施形態］
第８実施形態による撮像装置及びその制御方法について図２５及び図２６を用いて説明する。なお、図１乃至図２４に示す第１乃至第７実施形態による固体撮像素子等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。

図２５は、本実施形態による撮像装置のブロック図である。図２５に示す本実施形態による撮像装置は、図１に示す構成と比較して、制御部１０４内に撮影モード選択部２５０１及び駆動設定部２５０２を備えたところが異なる。

本実施形態における固体撮像素子１００は、第２実施形態において、図７及び図８に示した固体撮像素子と同じ構成を有し、図９のタイミングチャートに示すように駆動される。また、本実施形態による固体撮像素子１００のカウンタ３０６の閾値Ｃｔｈの値は、撮影モードに応じて駆動設定部２５０２により設定可能である。

撮影モード選択部２５０１は、例えば、操作部１０８を介したユーザー操作等により、撮影モードを選択し、選択した撮影モードの情報を駆動設定部２５０２に送信する。撮影モードの例として、例えば、画素アレイ２００のすべての画素の信号を出力する全画面読み出しモードや、画素アレイ２００の一部の画素の信号を出力するクロップ読み出しモードなどがある。

駆動設定部２５０２は、固体撮像素子１００及び信号処理部１０１を撮影モード選択部２５０１で選択した撮影モードで駆動するための制御信号を送信する。また、駆動設定部２５０２は、撮影モード選択部２５０１で選択した撮影モードに応じて、固体撮像素子１００の各画素のカウンタ３０６の閾値Ｃｔｈの値を設定するための制御信号も送信する。ここで、駆動設定部２５０２が設定する閾値Ｃｔｈの値は、例えば、第２実施形態の式（２）に示す値となる。ここで、式（２）の読み出し行数を示すｎや、１行分の画素信号をフレームメモリ２０６に転送するのに要する時間であるＴ１ｈは、全画面読み出しモードやクロップ読み出しモードなどの撮影モードに応じた値が用いられる。

図２６に、操作部１０８を介してユーザーが設定した撮影モード（全画面読み出しモード、クロップ読み出しモード）に応じて、閾値Ｃｔｈを設定して撮影する流れを表すフローチャートを示す。

Ｓ２６０１では、撮影モード選択部２５０１が、操作部１０８を介したユーザー操作等により撮影モード（全画面読み出しモード、クロップ読み出しモード）を選択する。選択した撮影モードの情報は駆動設定部２５０２に送信される。

Ｓ２６０２では、駆動設定部２５０２が固体撮像素子１００及び信号処理部１０１に選択された撮影モードで駆動するための制御信号を送信する。また、駆動設定部２５０２は、撮影モード選択部２５０１で選択した撮影モードに応じて、固体撮像素子１００の各画素のカウンタ３０６の閾値Ｃｔｈの値を設定するための制御信号を固体撮像素子１００に送信する。

Ｓ２６０３では、固体撮像素子１００がＳ２６０１で選択された撮影モードで撮影を行う。このとき、カウンタ３０６の閾値Ｃｔｈは、Ｓ２６０１で選択された撮影モードに応じた値が用いられる。

以上の動作により、本実施形態による撮像装置は、カウンタ３０６の閾値Ｃｔｈを撮影モードに応じて変更可能である。また、本実施形態においても、第２実施形態と同様に、カウント値が露光期間中に飽和するのを防止することができ、階調の良好な画像を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記録媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１００：固体撮像素子、１０１：画像処理部、１０４：制御部、１０６：表示部、１０８：操作部、２００：画素アレイ、２０１，１１０１：単位画素、２０２：垂直制御回路、２０３：水平制御回路、２０４：タイミング発生回路、２０５，１４０３：飽和検出部、２０６：フレームメモリ、２０６ａ：一時メモリ領域、２０６ｂ：積算メモリ領域、２０７：加算回路、２０８：デジタル出力部、２０９、２１０：スイッチ、２１１：プルアップ抵抗、２１２：配線、３０６：カウンタ、２０７，３０７：画素メモリ、１２０２：欠陥制御部、１３０１：ＰＳＡＴ選択部、１３０２，２５０２：駆動設定部、１３０３：測光部、１９０１：露出制御部、２３０１：駆動切り替え部、２５０１：撮影モード選択部

Claims (20)

1. 光子の受光頻度に応じた頻度でパルスを発するセンサ部と、前記センサ部から発せられる信号のパルス数をカウントするカウンタと、がそれぞれ備えられた複数の画素と、
   前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタによるカウント値が第１の閾値に達したかどうかを検出する検出部と、
   前記検出部が前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタによるカウント値が前記第１の閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素の各画素ごとに前記カウント値に基づく信号を積算する積算部と、
   を備えることを特徴とする撮像素子。
2. 前記検出部が前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタによるカウント値が前記第１の閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素それぞれに備えられた前記カウンタをリセットすることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記カウンタによって得られたカウント値を前記複数の画素の各画素ごとに保持するメモリを更に備え、
   前記カウンタによって得られたカウント値が前記メモリに保持された後に、前記複数の画素それぞれに備えられた前記カウンタをリセットする
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
4. 前記メモリは前記画素にそれぞれ備えられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
5. 前記画素の外部に設けられているとともに、前記カウンタによって得られたカウント値を順次選択して、前記複数の画素の各画素ごとに保持するメモリを更に備え、
   前記カウンタによって得られたカウント値を読み出した後に、前記複数の画素それぞれに備えられた前記カウンタをリセットする
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
6. 前記複数の画素は、それぞれ、
   前記検出部と、
   前記カウンタによって得られたカウント値を保持するメモリと、
   前記積算部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
7. 前記検出部による検出の結果に基づいて、前記複数の画素のうちの所定の画素に備えられた前記カウンタによって得られたカウント値が前記第１の閾値に達したことを示す信号の出力を防止する出力防止手段を更に備える
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子。
8. 前記複数の画素のうちの所定の画素に備えられた前記センサ部からのパルスの出力を防止する出力防止手段を更に備える
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子。
9. 前記所定の画素は欠陥画素である
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の撮像素子。
10. 前記検出部は、前記複数の画素のうちの所定の画素に対しては、前記カウンタによるカウント値が前記第１の閾値に達したことを無視する
    ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子。
11. 測光手段を更に有し、
    前記所定の画素は、前記測光手段による測光の結果、第２の閾値以上の輝度を有する被写体に対応する画素である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の撮像素子。
12. 操作手段を更に有し、
    前記所定の画素は、前記操作手段により選択された画素である
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の撮像素子。
13. 前記検出部による検出を行う第１のモードと、
    前記検出部による検出を行わない第２のモードとで動作することが可能である
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の撮像素子。
14. 測光手段を更に有し、
    前記測光手段による測光の結果、第３の閾値以上の輝度を有する被写体が存在する場合に、前記第１のモードで動作し、前記第３の閾値以上の輝度を有する被写体が存在しない場合に、前記第２のモードで動作する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像素子。
15. 撮影条件を設定する設定手段を更に有し、
    前記設定手段により設定された撮影条件に基づいて、前記第１のモードで動作するか、前記第２のモードで動作するかを切り替えることを特徴とする請求項１３または１４に記載の撮像素子。
16. 前記第１のモードで動作している場合であって、前記検出部により前記カウント値が前記第１の閾値に達したことが検出されなかった場合に、前記第２のモードに切り替え、
    前記第２のモードで動作している場合であって、前記カウンタによるカウント値のうち、第３の閾値以上のカウント値がある場合に、前記第１のモードに切り替える
    ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像素子。
17. 複数の異なる撮影モードのいずれかを選択する選択手段と、
    前記選択手段により選択された撮影モードに応じて、前記第１の閾値を変更する
    ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
18. 前記センサ部はアバランシェフォトダイオードを備える
    ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の撮像素子。
19. 光子の受光頻度に応じた頻度でパルスを発するセンサ部と、前記センサ部から発せられる信号のパルス数をカウントするカウンタと、がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタによるカウント値が閾値に達したかどうかを検出する検出部と、前記検出部が前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタのカウント値が前記閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素の各画素ごとに前記カウント値に基づく信号を積算する積算部と、を備える撮像素子と、
    前記撮像素子から出力される信号に対して所定の処理を行う処理部とを有することを特徴とする撮像装置。
20. 光子の受光頻度に応じた頻度で、複数の画素の各画素に備えられたセンサ部から発せられる信号のパルス数をカウンタによりカウントするステップと、
    前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタのカウント値が閾値に達したかどうかを検出するステップと、
    前記複数の画素の１つに備えられた前記カウンタによるカウント値が前記閾値に達したことを検出した場合に、前記複数の画素の各画素ごとに前記カウント値に基づく信号を積算するステップと
    を有することを特徴とする撮像方法。

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