JP7299845B2 - 固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の制御方法 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(要求に応じて計時部が時刻情報を出力する例)
2.第2の実施の形態(要求に応じて計時部が時刻情報を継続して出力する例)
3.第3の実施の形態(直前値から制限値までの要求に応じて計時部が時刻情報を出力する例)
4.第4の実施の形態(全行で時刻情報生成部を共有し、要求に応じて計時部が時刻情報を出力する例)
5.第5の実施の形態(3つのチップに分散して回路を配置し、要求に応じて計時部が時刻情報を出力する例)
6.移動体への応用例
[撮像装置の構成例]
図1は、本技術の実施の形態における撮像装置100の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置100は、画像データを撮像するものであり、撮像レンズ110、固体撮像素子200、記録部120および撮像制御部130を備える。撮像装置100としては、例えば、スマートフォン、デジタルカメラ、パーソナルコンピュータ、車載カメラやIoT(Internet of Things)カメラが想定される。
図2は、本技術の実施の形態における固体撮像素子200の積層構造の一例を示す図である。この固体撮像素子200は、受光チップ201と、その受光チップ201に積層されたロジックチップ202とを備える。これらのチップ間には、信号を伝送するための信号線が設けられる。
図3は、本技術の実施の形態における受光チップ201の一構成例を示す平面図である。この受光チップ201には、受光部210が設けられ、受光部210には、二次元格子状に複数の受光回路220が設けられる。受光回路220の詳細については後述する。
図4は、本技術の実施の形態におけるロジックチップ202の一構成例を示すブロック図である。このロジックチップ202には、垂直制御部230、ロジックアレイ部260、水平制御部240、信号処理部250および計時部290が配置される。また、ロジックアレイ部260には、受光回路220ごとに、論理回路270が配列される。これらの論理回路270のそれぞれは、対応する受光回路220と信号線を介して接続されている。受光回路220と、その回路に対応する論理回路270とからなる回路は、画像データにおける1画素の画素信号を生成する画素回路として機能する。
図5は、本技術の第1の実施の形態におけるロジックアレイ部260および計時部290の一構成例を示すブロック図である。ロジックアレイ部260には、論理回路270が二次元格子状に配列される。そして、水平方向に配列された論理回路270からなる行ごとに水平信号線298および299が配線される。また、計時部290には、行ごとに時刻情報生成部291が配置される。時刻情報生成部291は、対応する行(言い換えれば、ライン)のそれぞれの論理回路270(画素回路)と水平信号線298および299を介して接続されている。
図6は、本技術の第1の実施の形態における時刻情報生成部291の一構成例を示すブロック図である。この時刻情報生成部291は、計時回路292および伝送部293を備える。
図7は、本技術の第1の実施の形態における画素回路300の一構成例を示す回路図である。この画素回路300は、受光回路220と論理回路270とを備える。受光回路220は、抵抗221およびフォトダイオード222を備える。また、論理回路270は、インバータ271、フォトンカウンタ273、計数制御部274、スイッチ275、時刻情報保持部277およびスイッチ278を備える。
EST=Lim×(Te/Tc) ・・・式1
図16は、本技術の第1の実施の形態における画素回路300の動作の一例を示すフローチャートである。この動作は、例えば、画像データを撮像するための所定のアプリケーションが実行されたときに開始される。
露光開始時刻を経過した場合に(ステップS901:Yes)、画素回路300は、計数値CNTを計数(すなわち、フォトンカウント)する計数処理を実行する(ステップS910)。露光開始時刻前の場合(ステップS901:No)、または、ステップS910の後に画素回路300は、ステップS901以降を繰り返す。
上述の第1の実施の形態では、受光チップ201において画素毎に抵抗221およびフォトダイオード222を配置していたが、画素数が増大するほど、受光チップ201の回路規模が大きくなるという問題がある。この第1の実施の形態の変形例の固体撮像素子200は、受光チップ201内に、フォトダイオード222のみを配置する点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、リクエストReqの伝送遅延等により、リクエストReq出力時の時刻と、画素回路300が保持する時刻との間にずれが生じてしまう。この第2の実施の形態の計時部290は、最初のリクエストReqの出力時から露光終了時まで時刻情報Tcの出力を継続して、遅延を抑制する点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、リクエストReqの伝送遅延等により、リクエストReq出力時(すなわち、計数値が上限値に達した時刻)の時刻と、画素回路300が保持する時刻との間にずれが生じてしまう。この第3の実施の形態の画素回路300は、計数値CNTが上限値Limに達する前に時刻情報の出力を開始させて、時刻のずれを抑制する点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、計時部290において、行ごとに時刻情報生成部291を配置していたが、行数が多くなるほど、時刻情報生成部291の個数が多くなり、回路規模やコストが増大するおそれがある。この第4の実施の形態の固体撮像素子200は、全行が1つの時刻情報生成部291を共有する点において第1の実施の形態と異なる。
上述の第1の実施の形態では、固体撮像素子200は、回路や素子を2つのチップ(受光チップ201およびロジックチップ202)に分散して配置していた。しかし、画素数が多くなるほど、それぞれのチップの回路規模や面積が増大するおそれがある。この第5の実施の形態の固体撮像素子200は、3つのチップに回路等を分散して配置する点において第1の実施の形態と異なる。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
(1)所定の露光期間内に光子が入射された回数を計数して計数値を出力する計数部と、
前記所定の露光期間が経過する前に前記計数値が所定値に達した場合には前記計数部を停止させる制御と時刻情報の要求とを行う計数制御部と、
時刻を計時して前記要求に応じて前記時刻情報を出力する計時部と、
前記出力された時刻情報に基づいて前記所定の露光期間内の光子の入射回数を推定する推定部と
を具備する固体撮像素子。
(2)前記時刻情報の要求において前記計数制御部は、前記時刻情報を要求するリクエストを前記計時部に出力し、
前記計数部、前記計数制御部は、二次元格子状に配列された複数の画素回路のそれぞれに配置される
前記(1)記載の固体撮像素子。
(3)前記計時部は、前記複数の画素回路のいずれかにより前記リクエストが入力された時刻または露光開始から前記リクエストが入力されるまでの時間を示す情報を前記時刻情報として出力する
前記(2)記載の固体撮像素子。
(4)前記所定値は、前記計数値を制限する制限値と当該制限値に達する前の前記計数値を示す直前値とを含み、
前記計数制御部は、前記直前値に前記計数値が達したときから前記制限値に前記計数値が達したときまでの間に亘って前記リクエストを継続して前記計時部に出力する制御と前記制限値に前記計数値が達したときに前記計数部を停止させる制御とを行い、
前記計時部は、前記リクエストが入力されている期間内の時刻のそれぞれについて前記時刻を示す情報を前記時刻情報として出力し、
前記推定部は、前記制限値に前記計数値が達したときの前記時刻情報に基づいて前記入射回数を推定する
前記(2)記載の固体撮像素子。
(5)前記計時部は、それぞれが前記時刻を計時して前記時刻情報を生成する複数の時刻情報生成部を含み、
前記複数の画素回路のそれぞれは、互いに異なる前記時刻情報生成部に接続される
前記(1)から(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(6)前記計時部は、それぞれが前記時刻を計時して前記時刻情報を生成する複数の時刻情報生成部を含み、
各々が所定方向に配列された所定数の前記画素回路からなる複数のラインのそれぞれは、互いに異なる前記時刻情報生成部に接続される
前記(1)から(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)前記計時部は、前記時刻を計時して前記時刻情報を生成する時刻情報生成部を含み、
前記複数の画素回路は、前記時刻情報生成部に共通に接続される
前記(1)から(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)1つの光子の入射の有無を検出するフォトダイオードと、
前記光子の入射が検出されるたびに前記フォトダイオードの一端の電位を初期状態へ戻すための抵抗と
をさらに具備し、
前記計数部は、前記一端の電位が前記光子の入射の有無の検出により変動した回数を計数する
前記(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)前記フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードである
前記(8)記載の固体撮像素子。
(10)前記フォトダイオードは、受光チップに配置され、
前記抵抗、前記計数部、前記計数制御部、前記推定部は、前記受光チップに積層されたロジックチップに配置される
前記(8)記載の固体撮像素子。
(11)前記フォトダイオードおよび前記抵抗は、受光チップに配置され、
前記計数部、前記計数制御部および前記推定部は、前記受光チップに積層されたロジックチップに配置される
前記(8)記載の固体撮像素子。
(12)前記フォトダイオードは、受光チップに配置され、
前記計数部、前記計数制御部および前記推定部は、前記受光チップに積層されたロジックチップに配置され、
前記計時部は、前記ロジックチップに積層された計時チップに配置される
前記(8)から(11)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(13)所定の露光期間内に光子が入射された回数を計数して計数値を出力する計数部と、
前記所定の露光期間が経過する前に前記計数値が所定値に達した場合には前記計数部を停止させる制御と時刻情報の要求とを行う計数制御部と、
時刻を計時して前記要求に応じて前記時刻情報を出力する計時部と、
前記出力された時刻情報に基づいて前記所定の露光期間内の光子の入射回数を推定して推定値を出力する推定部と、
前記推定値から生成された画像データを記録する記録部と
を具備する撮像装置。
(14)所定の露光期間内に光子が入射された回数を計数して計数値を出力する計数手順と、
前記所定の露光期間が経過する前に前記計数値が所定値に達した場合には前記計数部を停止させる制御と時刻情報の要求とを行う計数制御手順と、
時刻を計時して前記要求に応じて前記時刻情報を出力する計時手順と、
前記出力された時刻情報に基づいて前記所定の露光期間内の光子の入射回数を推定する推定手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
110 撮像レンズ
120 記録部
130 撮像制御部
200 固体撮像素子
201 受光チップ
202 ロジックチップ
203 計時チップ
210 受光部
220 受光回路
221 抵抗
222 フォトダイオード
230 垂直制御部
240 水平制御部
250 信号処理部
260 ロジックアレイ部
270 論理回路
271 インバータ
272 トランジスタ
273 フォトンカウンタ
274 計数制御部
275、278、294 スイッチ
276 推定部
277 時刻情報保持部
290 計時部
291 時刻情報生成部
292 計時回路
293、295 伝送部
300 画素回路
12031 撮像部
Claims (14)
- 所定の露光期間内に光子が入射された回数を計数して計数値を出力する計数部と、
前記所定の露光期間が経過する前に前記計数値が所定値に達した場合には、前記計数部を停止させるとともに時刻情報の要求を行う計数制御部と、
時刻を計時して前記要求に応じて前記時刻情報を出力する計時部と、
前記出力された時刻情報に基づいて前記所定の露光期間内の光子の入射回数を推定する推定部と
を具備する固体撮像素子。 - 前記時刻情報の要求において前記計数制御部は、前記時刻情報を要求するリクエストを前記計時部に出力し、
前記計数部、前記計数制御部は、二次元格子状に配列された複数の画素回路のそれぞれに配置される
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記計時部は、前記複数の画素回路のいずれかにより前記リクエストが入力された時刻または露光開始から前記リクエストが入力されるまでの時間を示す情報を前記時刻情報として出力する
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記所定値は、前記計数値を制限する制限値と当該制限値に達する前の前記計数値を示す直前値とを含み、
前記計数制御部は、前記直前値に前記計数値が達したときから前記制限値に前記計数値が達したときまでの間に亘って前記リクエストを継続して前記計時部に出力する制御と前記制限値に前記計数値が達したときに前記計数部を停止させる制御とを行い、
前記計時部は、前記リクエストが入力されている期間内の時刻のそれぞれについて前記時刻を示す情報を前記時刻情報として出力し、
前記推定部は、前記制限値に前記計数値が達したときの前記時刻情報に基づいて前記入射回数を推定する
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記計時部は、それぞれが前記時刻を計時して前記時刻情報を生成する複数の時刻情報生成部を含み、
前記複数の画素回路のそれぞれは、互いに異なる前記時刻情報生成部に接続される
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記計時部は、それぞれが前記時刻を計時して前記時刻情報を生成する複数の時刻情報生成部を含み、
各々が所定方向に配列された所定数の前記画素回路からなる複数のラインのそれぞれは、互いに異なる前記時刻情報生成部に接続される
請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記計時部は、前記時刻を計時して前記時刻情報を生成する時刻情報生成部を含み、
前記複数の画素回路は、前記時刻情報生成部に共通に接続される
請求項2記載の固体撮像素子。 - 1つの光子の入射の有無を検出するフォトダイオードと、
前記光子の入射が検出されるたびに前記フォトダイオードの一端の電位を初期状態へ戻すための抵抗と
をさらに具備し、
前記計数部は、前記一端の電位が前記光子の入射の有無の検出により変動した回数を計数する
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオードであり、
前記推定部は、前記露光期間をTeとし、前記時刻情報をTcとし、前記所定値をLimとし、前記入射回数の推定値をESTとして、
EST=Lim×(Te/Tc)
の式により前記推定値を求める
請求項8記載の固体撮像素子。 - 前記フォトダイオードは、受光チップに配置され、
前記抵抗、前記計数部、前記計数制御部、前記推定部は、前記受光チップに積層されたロジックチップに配置される
請求項8記載の固体撮像素子。 - 前記フォトダイオードおよび前記抵抗は、受光チップに配置され、
前記計数部、前記計数制御部および前記推定部は、前記受光チップに積層されたロジックチップに配置される
請求項8記載の固体撮像素子。 - 前記フォトダイオードは、受光チップに配置され、
前記計数部、前記計数制御部および前記推定部は、前記受光チップに積層されたロジックチップに配置され、
前記計時部は、前記ロジックチップに積層された計時チップに配置される
請求項8記載の固体撮像素子。 - 所定の露光期間内に光子が入射された回数を計数して計数値を出力する計数部と、
前記所定の露光期間が経過する前に前記計数値が所定値に達した場合には、前記計数部を停止させるとともに時刻情報の要求を行う計数制御部と、
時刻を計時して前記要求に応じて前記時刻情報を出力する計時部と、
前記出力された時刻情報に基づいて前記所定の露光期間内の光子の入射回数を推定して推定値を出力する推定部と、
前記推定値から生成された画像データを記録する記録部と
を具備する撮像装置。 - 計数部が、所定の露光期間内に光子が入射された回数を計数して計数値を出力する計数手順と、
前記所定の露光期間が経過する前に前記計数値が所定値に達した場合には、前記計数部を停止させるとともに時刻情報の要求を行う計数制御手順と、
時刻を計時して前記要求に応じて前記時刻情報を出力する計時手順と、
前記出力された時刻情報に基づいて前記所定の露光期間内の光子の入射回数を推定する推定手順と
を具備する固体撮像素子の制御方法。
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