KR101857290B1

KR101857290B1 - 촬상 소자 및 카메라 시스템

Info

Publication number: KR101857290B1
Application number: KR1020110092518A
Authority: KR
Inventors: 토시유키 니시하라
Original assignee: 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2018-05-11
Also published as: TW201218762A; US9723237B2; US20160241805A1; EP2437484A3; KR20120034559A; US20170289477A1; BRPI1105265A2; EP2437484B1; TWI471006B; US10182198B2; RU2540980C2; CN102572319A; EP2437484A2; RU2011139120A

Abstract

광전변환 소자를 가지며, 광자 입사에 응하여 전기신호를 출력하는 화소가 복수 어레이형상으로 배치된 화소 어레이부(110)와, 화소로부터의 신호를 받아서 소정 기간에 있어서의 화소에의 광자 입사의 유무를 2치 판정하는 센스 회로(121)가 복수 배치된 센스 회로부(120)와, 상기 센스 회로의 복수의 판정 결과를 화소마다 또는 화소 그룹마다 집적하는 기능을 갖는 판정 결과 집적 회로부(150)를 가지며, 판정 결과 집적 회로부(150)는, 복수 화소에서의 복수회의 판정 결과를 집적하는 포톤 카운팅을 행함으로써 수광부에의 광자 입사량을 도출한다.

Description

촬상 소자 및 카메라 시스템{IMAGING DEVICE AND CAMERA SYSTEM}

본 발명은, CMOS 이미지 센서 등의 촬상 소자, 및 카메라 시스템에 관한 것이다.

근래 생체가 발하는 미소한 발광이나 형광의 계측이나 촬상이, 의료나 바이오 테크놀로지의 분야에서 활발해지고 있다.

의료나 시큐어러티 등의 분야에서는, 물체를 투과한 미량의 X선을, 신틸레이터를 통하여 가시 레벨의 광자로 변환하고, 그것을 검출하여 투과 촬상을 행하는 기술이 산업화되어 있다. 또한, 의료나 시큐어러티 등의 분야에서는, 인체에 투입한 미량의 방사선 물질로부터 발생하는 γ선을 신틸레이터를 통하여 광자로 변환하는 SPECT나 PET 등의 기술이 산업화되어 있다.

이와 같은 분야의 촬상에서는, 매우 미량의 광량에 대해서는, 포톤 카운터가 사용된다.

통상, 포톤 카운터는 아발랑슈 다이오드나 광전자 증배관(增倍管)을 이용한 단체(單體) 소자이다.

그들은 수광면에 입사한 광자를 광전자로 변환하고, 다시 광전자를 고전압으로 가속하고, 충돌에 의한 2차전자 발생 등에 의해 증배하여, 출력에 전압 펄스를 발생시킨다.

그 펄스수가 소자에 항상 접속된 카운터 장치에 의해 계측된다.

포톤 카운터는, 광자를 1개 단위로 검출할 수 있는 높은 측정 정밀도를 갖는 한편으로, 시스템은 고가이고, 측정의 다이내믹 레인지도 낮다.

통상 1개의 포톤 카운터가 측정할 수 있는 광자 수는 1초간에 1메가 내지 10메가개(個) 정도이다.

한편, 비교적 측정 광량이 큰 레인지의 촬상에 대해서는, 포토 다이오드와 아날로그 디지털(AD) 변환기가 사용된다.

포토 다이오드는, 광전변환된 전하를 축적하고, 아날로그 신호를 출력한다. 그것을 AD 변환기가 디지털 신호로 변환한다.

이와 같은 촬상은, 아날로그 신호의 전달에 수반하는 노이즈와, AD 변환기의 변환 속도가 과제이다.

미소광을 검출하는데는 노이즈를 억제하고, 또한 AD 변환의 비트수를 올려서 간격을 세분할 필요가 있는데 이를 위해서는 극히 고속의 AD 변환 장치가 필요해진다. 또한 이것을 촬상의 해상도 향상을 위해 다(多)화소화하면, AD 변환의 시스템은 거대한 것이 된다.

일본 특개1995-67043호 공보 일본 특개2004-193675호 공보

본래, 미소광의 촬상에는 저노이즈이며 정밀도가 높은 광검출과, 큰 다이내믹 레인지의 쌍방이 필요하다.

그러나 그러한 요구를 함께 충족시키는 디바이스는 존재하지 않는다.

예를 들면, X선 촬상의 피폭량을 내리려고 하면, 포톤 카운터와 같은 레벨의 정밀도가 필요해지는데, 일반적인 포톤 카운터에서는 촬상에 충분한 다이내믹 레인지를 충족시킬 수가 없다.

또한, 해상도의 향상에는 다화소화가 요구되는데, 카운터 장치를 포함한 시스템은 매우 고가의 것으로 되어 버린다.

한편, 상기 특허 문헌 1에는, 시분할을 이용한 포톤의 새로운 카운트수법이 제안되어 있다.

이것은 일정 기간에서의 포토 다이오드에의 광자 입사의 유무를 2치 판정하고, 그것을 복수회 반복한 결과를 집적하여 2차원의 촬상 데이터를 얻는 것이다.

즉, 일정 기간마다 포토 다이오드로부터의 신호를 센싱하여, 그 기간에 입사한 광자수가 하나 이상이면, 입사한 광자수에 관계없이, 각 화소에 접속된 카운터는 하나씩 카운트업된다.

광자 입사의 빈도가 시간축에서 랜덤하면, 실제의 광자 입사수와 카운트수는 푸아송 분포에 따르기 때문에, 입사 빈도가 적은 경우는 개략 리니어한 관계가 되고, 입사 빈도가 많은 경우도 일률적으로 보정이 가능하다.

그러나, 특허 문헌 1에 개시된 기술에 의하면, 각 화소는 각각에 센스 회로와 카운터를 필요로 하고 있고, 화소의 개구면적은 매우 작게 되어 버린다.

상기 특허 문헌 2에는, 상기 시분할의 카운트 방식을 채용하면서 카운터를 화소 어레이 밖에 배치하는 구성이 제안되어 있는데, 각 화소에는 센스 회로와 메모리가 필요하다.

또한 화소 어레이 밖이라고는 말하여지지만, 화소마다 카운터를 마련하고 있기 때문에, 칩의 회로 규모는 커지지 않을 수가 없다.

또한, 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에 개시된 구성에서는, 촬상의 다이내믹 레인지를 올리려고 하면, 광자 입사의 계측기간을 시간축으로 미세하게 구분하여, 화소 액세스를 고속화하고 대응할 수밖에 없다.

본 발명은, 저조도라도 노이즈가 작고, 또한 다이내믹 레인지가 넓은 광량 계측이나 촬상을 가능하게 한 촬상 소자 및 카메라 시스템을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 제 1의 관점의 고체 촬상 소자는, 광전변환 소자를 가지며, 광자 입사에 응하여 전기신호를 출력하는 화소가, 복수 어레이형상으로 배치된 수광부로서 기능하는 화소 어레이부와, 상기 화소로부터의 전기신호를 받아서, 소정 기간에 있어서의 화소에의 광자 입사의 유무를 2치 판정하는 센스 회로가, 복수 배치된 센스 회로부와, 상기 센스 회로의 복수의 판정 결과를 화소마다 또는 화소 그룹마다 집적하는 기능을 갖는 판정 결과 집적 회로부를 가지며, 상기 판정 결과 집적 회로부는, 복수 화소에서의 복수회의 상기 판정 결과를 집적하는 포톤 카운팅을 행함으로써 수광부에의 광자 입사량을 도출한다.

본 발명의 제 2의 관점의 카메라 시스템은, 촬상 소자와, 상기 촬상 소자에 피사체상을 결상하는 광학계와, 상기 촬상 소자의 출력 화상 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 가지며, 상기 촬상 소자는, 광전변환 소자를 가지며, 광자 입사에 응하여 전기신호를 출력하는 화소가, 복수 어레이형상으로 배치된 수광부로서 기능하는 화소 어레이부와, 상기 화소로부터의 전기신호를 받아서, 소정 기간에 있어서의 화소에의 광자 입사의 유무를 2치 판정하는 센스 회로가, 복수 배치된 센스 회로부와, 상기 센스 회로의 복수의 판정 결과를 화소마다 또는 화소 그룹마다 집적하는 기능을 갖는 판정 결과 집적 회로부를 가지며, 상기 판정 결과 집적 회로부는, 복수 화소에서의 복수회의 상기 판정 결과를 집적하는 포톤 카운팅을 행함으로써 수광부에의 광자 입사량을 도출한다.

본 발명에 의하면, 화소의 개구율을 저하시키는 일 없이, 아날로그 신호의 취급을 불필요하게 하여, 저조도라도 노이즈가 작고, 또한 다이내믹 레인지가 넓은 광량 계측이나 촬상을 가능하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)의 구성례를 도시하는 도면.
도 2는 본 실시 형태에 관한 수광부를 개념적으로 도시하는 도면.
도 3은 도 2의 수광부의 메시의 단위 격자에의 광자의 평균 입사 회수와 평균 카운트수의 관계를 도시하는 도면.
도 4는 본 실시 형태에 관한 화소의 회로 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 5는 본 제 1의 실시 형태에서의 화소 블록의 순환 액세스를 설명하기 위한 도면.
도 6은 자기 참조 기능을 갖는 센스 회로의 한 예를 도시하는 회로도.
도 7은 도 4의 화소를 예로서, 도 6의 자기 참조 기능을 갖는 센스 회로를 이용한 판독 동작례를 설명하기 위한 타이밍 차트.
도 8은 본 발명의 제 2의 실시 형태를 설명하기 위한 도면으로서, 내부 증폭형 다이오드를 이용하여 제 1의 실시 형태에 대응한 화소 블록의 구성례를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자를 CT(Computer Tomography) 촬상에 응용하는 촬상 장치의 개념도.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자(수광 장치)를 1차원의 선형상으로 나열한 라인형 촬상 장치의 예를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자(수광 장치)의 내방사선 보호예를 도시하는 도면.
도 12는 포톤의 동시 검출에 의한 방사선 입사 방향의 추정례를 모식적으로 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 제 4의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)의 구성례를 도시하는 도면.
도 14는 제 4의 실시 형태에 관한 촬상 소자를 이용한 광자 검출의 시간 분해능에 관해 설명하기 위한 도면.
도 15는 본 발명의 제 5의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)의 구성례를 도시하는 도면.
도 16은 제 5의 실시 형태에 관한 촬상 소자를 이용한 광자 검출의 시간 분해능에 관해 설명하기 위한 도면.
도 17은 본 발명의 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자가 적용되는 카메라 시스템의 구성의 한 예를 도시하는 도면.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 관련지어서 설명한다.

또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.

1. 본 실시 형태의 촬상 소자의 특징의 개요

2. 제 1의 실시 형태(촬상 소자의 제 1의 구성례)

3. 제 2의 실시 형태(촬상 소자의 제 2의 구성례)

4. 제 3의 실시 형태(촬상 소자의 적용례)

5. 제 4의 실시 형태(촬상 소자의 제 3의 구성례)

6. 제 5의 실시 형태(촬상 소자의 제 4의 구성례)

7. 제 6의 실시 형태(카메라 시스템)

<1. 본 실시 형태의 촬상 소자의 특징의 개요>

본 실시 형태에서는, 고속 병렬 판독을 실현함에 있어서, 포톤(광자) 카운트를 이용한 풀 디지털 이미지 센서로서의 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)의 최적의 구성을 실현하고 있다.

우선, 각 화소는 특정 기간 내에서의 광자의 입사의 유무를 전기신호로서 출력한다. 센스 회로는, 1프레임 기간 내에 그 결과를 복수회 수취하여 각각 2치에 의한 판정을 실시한다. 촬상 소자는 그 집적(集積)에 의해 예를 들면 화소마다 계조 데이터를 생성한다.

본 실시 형태의 촬상 소자는, 이 기본적 구성을 기초로, 이하의 특징적인 구성을 갖는다.

시분할의 포톤 카운팅은, 광자의 검출 공정을 일정 사이클로의 반복 검출로 바꿈으로써, 포톤의 입사에 의한 펄스 발생을 항상 감시할 필요 때문에 시스템을 개방한다.

본 실시 형태는 이에 착안하여, 우선 각각의 화소가 고유의 센스 회로 및 카운터를 갖고 있던 구성으로부터 탈각(脫却)하여, 상기 3자를 계층화한다.

즉, 본 실시 형태에서는, 시분할의 포톤 카운팅을 전제로 하여 복수의 화소가 하나의 센스 회로를 공유하고, 또는 복수의 센스 회로가 하나의 카운트 회로를 공유화한다.

본 실시 형태에서는, 예를 들면 센스 회로를 공유하는 복수 화소는 순환적으로 판독되고, 노광은 전회의 판독부터 금회의 판독까지의 기간을 이용하여 실시된다. 따라서 상기 공유화가 노광 기간을 압박하는 일은 없다.

또한, 판정 결과의 카운트 처리와 메모리에의 격납 처리에 관해서도, 그것을 실행중에 다음의 노광을 시작하는 것이 가능하다. 따라서 복수의 센스 회로가 카운터를 공유함으로써 카운트 처리에 필요로 하는 시간이 증가하지만, 그것이 노광 시간을 압박하는 일은 없다.

또한, 본 실시 형태에서는, 포톤 카운팅의 다이내믹 레인지를 복수 화소의 카운트 결과를 가산함으로써 확대한다.

카운터를 공유하는 화소 사이의 가산이라면, 그들은 메모리의 같은 어드레스에 다른 화소의 결과를 격납함으로써, 극히 용이하게 실행할 수 있다.

또한, 수광부 모든 카운트 결과를 가산하여, 입사 광량의 총량을 도출하는 기능을 마련한다. 그들은 예를 들면 데이터 출력부 부근에 별도 가산기를 배치함으로써, 용이하게 실현 가능하다.

또한 이와 같은 수광 장치를 단위 화소로 하여, 그들을 선형상, 또는 어레이형상으로 배치함으로써, 극히 미소한 광검출에도 대응할 수 있고, 또한 다이내믹 레인지가 넓은 촬상을 가능하게 한다.

상기 구성을 채용하는 본 실시 형태에 의하면, 포톤 카운팅에 필요로 하는 회로 규모를 극적으로 삭감할 수 있고, 반도체 촬상 소자의 미세화 기술을 활용하여, 다화소를 이용한 고성능의 포톤 카운팅을 실행하는 것이 가능해진다.

포톤 카운트의 다이내믹 레인지는, 시간 방향의 다분할화와 입사면의 다분할화의 쌍방을 이용한 메시의 총수에 의해 결정되고, 각 메시는 바이너리의 값을 갖는다.

메시의 해상도 및 카운트수의 다이내믹 레인지는, 반도체 제조 기술의 미세화와 고속화의 쌍방에 따라 확대하여 간다.

본 실시 형태의 촬상 소자는, 단체로도 정밀한 광량 검출이나 촬상이 가능하지만, 각각을 단위 수광 소자로 하여 그들을 복수 나열함으로써, 더욱 다이내믹 레인지가 큰 정밀 촬상이 가능해진다.

각 수광 소자가 카운트 기능을 내장하기 때문에, 그와 같은 시스템은 고가의 외부 기기를 필요로 하는 일 없이 용이하게 구축할 수 있다.

또한, 각 수광 소자는 입사 광자수 그 자체에 직결한 풀 디지털의 카운트를 행하기 때문에, 일반적인 아날로그 이미져에 보여지는 바와 같은 수광 소자 사이의 감도 편차는 거의 존재하지 않는다. 즉, 수광 소자 사이에서의 감도 조정은 불필요하다.

예를 들면, 신틸레이터와 조합시켜서 미량의 X선 투과 촬상에 사용하면, 저피폭으로 고정밀도이면서 해상도가 높은 촬상이 가능해지고, 게다가 시스템의 가격은 극히 저가이다.

이하에, 상기한 특징을 갖는 본 실시 형태에 관한 촬상 소자인 CMOS 이미지 센서에 관해 상세히 설명한다.

<2. 제 1의 실시 형태>

도 1은, 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)의 구성례를 도시하는 도면이다.

[전체 구성의 개략]

본 CMOS 이미지 센서(100)는, 화소 어레이부(110), 센스 회로부(120), 출력 신호선군(130), 전송선군(140), 및 판정 결과 집적 회로부(150)를 갖는다.

본 CMOS 이미지 센서(100)에서는, 후술하는 바와 같이, 복수의 화소에서 하나의 센스 회로를 공유한다.

이에 대응하여, 본 CMOS 이미지 센서(100)는, 동일렬의 복수의 화소(DPX)와 선택 회로에 의해 화소 블록(160-0 내지 160-3, …)이 형성된다.

또한, CMOS 이미지 센서(100)는, 화소 어레이부(110)의 화소(DPX)를 구동하여, 화소(DPX)의 전기신호를 출력 신호선(131)에 출력시키기 위한 행 구동 회로(170), 및 행 제어선군(180)을 갖는다.

화소 어레이부(110)는, 복수의 디지털 화소(DPX)가 행방향 및 열방향으로 매트릭스형상으로 배치되어 있다.

각 디지털 화소(DPX)는 광전변환 소자를 가지며, 광자 입사에 응하여 전기신호를 출력하는 기능을 갖는다.

그리고, 상술한 바와 같이, 동일렬의 복수의 화소(DPX)와 선택 회로에 의해 화소 블록(160-0 내지 160-3, …)이 형성된다.

CMOS 이미지 센서(100)는, 일정 기간, 출력 신호선(131)을 전반(傳搬)된 전기신호의 2치 판정하고, 판정 결과를 화소마다 복수회 집적하여, 복수 화소의 카운트 결과를 가산하여, 예를 들면 계조가 있는 2차원 촬상 데이터를 생성하는 회로 블록(200)을 갖는다.

CMOS 이미지 센서(100)는, 복수의 화소, 본 실시 형태에서는 화소 블록(160-0 내지 160-3, …) 단위의 복수 화소의 복수회의 상기 판정 결과를 집적함으로써, 수광부인 화소 어레이부(110)에의 광자 입사량을 도출한다.

CMOS 이미지 센서(100)는, 포톤 카운팅의 다이내믹 레인지를 복수 화소의 카운트 결과를 가산함으로써 확대하는 기능을 갖고 있다.

회로 블록(200)은, 화소 어레이부(110), 센스 회로부(120) 및 판정 결과 집적 회로부(150)가 배치되어 있다.

센스 회로부(120)는, 화소 어레이부(110)의 각 화소 블록(160-0 내지 160-3, …)에 대응하여 센스 회로(121-0, 121-1, 121-2, 121-3, …)가 배치되어 있다.

센스 회로(121-0)는, 그 입력이 화소 블록(160-0)을 형성하는 전 화소(DPX-00, DPX-10, 내지 DPX-p0)의 출력이 공통으로 접속되는 출력 신호선(131-0)에 접속되어 있다.

즉, 복수의 화소(DPX-00 내지 DPX-p0)에서 하나의 센스 회로(121-0)를 공유하고 있다.

또한, 각 화소 블록(160)(-0 내지 -3, …)의 화소수는, 예를 들면 128개로 설정된다. 이 경우, p=0 내지 127이고, 화소 블록(160-0)은 화소(DPX-00 내지 DPX1270)를 포함한다.

센스 회로(121-1)는, 그 입력이 화소 블록(160-1)을 형성하는 전 화소(DPX-01, DPX-11, 내지 DPX-p1)의 출력이 공통으로 접속되는 출력 신호선(131-1)에 접속되어 있다.

즉, 복수의 화소(DPX-01 내지 DPX-p1)에서 하나의 센스 회로(121-1)를 공유하고 있다.

화소 블록(160-1)은, 예를 들면 128개의 화소(DPX-01 내지 DPX1271)를 포함한다.

센스 회로(121-2)는, 그 입력이 화소 블록(160-2)을 형성하는 전 화소(DPX-02, DPX-12, 내지 DPX-p2)의 출력이 공통으로 접속되는 출력 신호선(131-2)에 접속되어 있다.

즉, 복수의 화소(DPX-02 내지 DPX-p2)에서 하나의 센스 회로(121-2)를 공유하고 있다.

화소 블록(160-2)은, 예를 들면 128개의 화소(DPX-02 내지 DPX1272)를 포함한다.

센스 회로(121-3)는, 그 입력이 화소 블록(160-3)을 형성하는 전 화소(DPX-03, DPX-13, 내지 DPX-p3)의 출력이 공통으로 접속되는 출력 신호선(131-3)에 접속되어 있다.

즉, 복수의 화소(DPX-03 내지 DPX-p3)에서 하나의 센스 회로(121-3)를 공유하고 있다.

화소 블록(160-3)은, 예를 들면 128개의 화소(DPX-03 내지 DPX1273)를 포함한다.

센스 회로부(120)에서는, 도시하지 않은 다른 화소 블록에 대해서도 복수의 화소에서 공유하도록 센스 회로가 배치된다.

판정 결과 집적 회로부(150)는, 센스 회로(121-0 내지 121-3)의 판정 결과를 화소마다 복수회 집적하고, 복수 화소의 카운트 결과를 가산하여, 예를 들면 계조가 있는 2차원 촬상 데이터를 생성하는 기능을 갖는다.

판정 결과 집적 회로부(150)는, 복수의 화소, 본 실시 형태에서는 화소 블록(160-0 내지 160-3, …) 단위의 복수 화소의 복수회의 상기 판정 결과를 집적함으로써, 수광부인 화소 어레이부(110)에의 광자 입사량을 도출하는 기능을 갖는다.

판정 결과 집적 회로부(150)는, 레지스터(151-0 내지 151-3), 선택 회로(152), 카운트 회로(153), 및 메모리(154)를 갖는다.

레지스터(151-0 내지 151-3)는, 전송선(141-0 내지 141-3)을 전송된 대응하는 센스 회로(121-0 내지 121-3)의 판정치를 보존한다.

선택 회로(152)는, 레지스터(151-0 내지 151-3)의 출력을 순차적으로 선택하여, 각 레지스터(151-0 내지 151-3)가 보존한 판정치를 카운트 회로(153)에 공급한다.

카운트 회로(153)는, 행 선택되어 판독되고, 선택 회로(152)를 통한 복수 화소(본 예에서는 4화소)의 판정치에 대한 카운트 처리를 순차적으로 행하고, 화소마다의 카운트 결과를 메모리(154)에 격납한다.

그리고, 카운트 회로(153)는, 복수 화소의 카운트 결과를 가산하여, 그 가산 결과를 메모리(154)에 격납한다.

카운트 회로(153)는, 전회의 판독시의 화소의 데이터가 메모리(154)로부터 로드된다.

본 제 1의 실시 형태의 판정 결과 집적 회로부(150)는, 하나의 카운트 회로(153)를 가지며, 복수의 레지스터(151-0 내지 151-3)에서 카운트 회로(153)를 공유하고 있다.

환언하면, 본 제 1의 실시 형태의 CMOS 이미지 센서(100)는, 복수의 센스 회로(121-0 내지 121-3)에서 카운트 회로(153)를 공유하고 있다.

본 실시 형태의 CMOS 이미지 센서(100)는, 전술한 특징적 구성을 포함하여 구성되어 있다.

즉, CMOS 이미지 센서(100)는, 복수의 화소에서 센스 회로를 공유하고, 순환적으로 액세스시킴으로써, 노광 시간을 확보하면서, 또한 소형의 화소에도 대응할 수 있도록 구성된다.

또한, CMOS 이미지 센서(100)는, 복수의 센스 회로가 카운트 회로를 공유함으로써, 회로 규모와 처리 속도와의 유연한 최적화가 가능해지도록 구성된다.

여기서, 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)의 회로 블록(200)에서의 화소 어레이부(110)에 의해 형성되는 수광부(300)의 수광 및 포톤 카운팅의 기본 개념을 도 2 및 도 3에 관련지어서 설명한다.

도 2는, 본 실시 형태에 관한 수광부(300)를 개념적으로 도시하는 도면이다.

도 3은, 도 2의 수광부의 메시의 단위 격자에의 광자의 평균 입사 회수와 평균 카운트수의 관계를 도시하는 도면이다.

또한, 도 2에서는, 간단화를 위해 본래 2차원의 수광면을 1차원으로 표현하고 있다.

포톤 카운팅은, 수광부(300)의 등간격으로 분할된 수광면(310)과, 역시 등간격으로 분할된 시간축(t)으로 3차원의 메시(MSH)를 구성하여 실행된다(도면에서는 2차원으로 표현되어 있다).

개개의 메시(MSH)는 바이너리의 값을 취한다. 즉, 센스 회로부(120)에서 개개의 메시(MSH) 내에 광자가 1개 이상 입사하였는지의 여부가 판정된다. 이 때, 예를 들면 입사가 있는 경우 입사 개수는 불문하고 "1"로 판정되고, 입사가 없으면 "0"으로 판정된다. 도 2중 "1"의 메시 구획은 굵은 테두리로 표시되어 있다. 또한, 도 2의 부호 IVT는 광자의 입사 이벤트를 나타내고 있다.

그리고, 판정 결과 집적 회로부(150)에서 "1"의 총합이 카운트되고, 메모리(154)에 격납된다.

여기서 시간축(t)에 대해, 광자는 흔들림을 갖으면서 평균적으로는 거의 균일하게 입사하고, 또한 면방향으로도 거의 균일하게 입사한다고 가정한 경우, 카운트 총수는 실제의 광자 입사수에 대해 푸아송 분포에 따른 관계가 된다.

도 3에 메시의 단위 격자(CL)에의 광자의 평균 입사 회수와 평균 카운트수의 관계를 도시한다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 평균 입사 회수가 0.1회 이내의 미소광 영역에서는, 입사 회수와 카운트수는 높은 정밀도로 일치한다.

또한 0.4회 이하라면, 입사 회수와 카운트수의 관계는 거의 리니어하다.

즉, 메시(MSH)의 총 격자수가 입사 광자수보다 충분히 크면, 카운트값은 리니어하게 광자 입사수를 반영하고, 고정밀도의 카운트가 가능하다.

또한, 면방향 또는 시간축(t)의 메시 간격을 좁혀서, 총 격자수를 증대시킴으로써, 카운트의 정밀도를 올림과 함께 다이내믹 레인지를 확대시켜 갈 수 있다.

즉, 이와 같은 수광부(300)는, 반도체 제조에서의 미세화 기술이나 회로의 고속화 기술을 활용함으로써, 광자 계측의 정밀도와 다이내믹 레인지를 극적으로 향상시키는 포텐셜을 갖는다.

또한, 예를 들면 면방향의 광 입사에 국부적인 치우침이 크고, 또한 입사광량이 상대적으로 큰 경우는, 다음과 같이 구성하면 좋다.

면방향의 메시를 하나 이상의 격자 구획으로 이루어지는 복수의 그룹으로 나누고, 그룹마다 소속 격자(CL)의 평균 카운트수를 구하고, 푸아송 분포에 따른 보정을 시행함으로써, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또는, 광학 로우패스 필터를 수광면(310)의 앞면에 배치하여, 입사광자의 면방향의 치우침을 완화하는 것도 유효하다. 또는 신틸레이터를 이용한 X선 검출의 경우는, X선의 입사에 수반하여 신틸레이터로부터 산란적으로 광이 방사되기 때문에, 신틸레이터 자체가 광학적 로우패스 필터의 역할을 다한다.

[디지털 화소에 관한 기능]

여기서, 디지털 화소(DPX)의 구성례에 관해 설명한다.

디지털 화소(이하, 단지 화소라고 말하는 경우도 있다)(DPX)는, 상술한 바와 같이, 광전변환 소자를 가지며, 광자 입사에 응하여 전기신호를 출력한다.

촬상 소자로서의 CMOS 이미지 센서(100)는, 화소(DPX)의 리셋 기능과 판독 기능을 구비하고 있고, 임의의 타이밍에서 리셋과 판독을 실행할 수 있다.

리셋은 화소(DPX)를 광자가 미 입사의 상태로 리셋한다. 각 화소(DPX)는, 바람직하게는 그 수광면에, 각각 렌즈와, 또는 필요에 응하여 컬러 필터를 구비하고 있다.

이와 같은 화소의 기본 기능은 통상 화소에 가깝지만, 그 출력에 아날로그값으로서의 정밀도나 리니어리티는 요구되지 않는다.

여기서, 디지털 화소의 구성의 한 예에 관해 설명한다.

도 4는, 본 실시 형태에 관한 화소의 회로 구성의 한 예를 도시하는 도면이다.

도 4는, 1단위화소(DPX)에서 3개의 트랜지스터를 포함하는 화소 회로의 한 예를 나타내고 있다.

1단위화소(DPX)는, 포토 다이오드(111), 전송 트랜지스터(112), 리셋 트랜지스터(113), 앰프 트랜지스터(114), 축적 노드(115), 및 플로팅 디퓨전(FD : Floating Diffusion, 부유 확산층) 노드(116)를 갖는다.

전송 트랜지스터(112)의 게이트 전극이 행 제어선으로서의 전송선(181)에 접속되고, 리셋 트랜지스터(113)의 게이트 전극이 행 제어선으로서의 리셋선(182)에 접속되어 있다.

앰프 트랜지스터(114)의 게이트 전극이 FD 노드(116)에 접속되고, 앰프 트랜지스터(114)의 소스가 출력 신호선(131)에 접속되어 있다.

화소(DPX)에서는, 화소의 실리콘 기판에 입사한 광은 전자와 홀의 페어를 발생시키고, 그 중의 전자가 포토 다이오드(111)에 의해, 축적 노드(115)에 축적된다.

그들은 소정의 타이밍에서 전송 트랜지스터(112)를 온 시킴으로써 FD 노드(116)에 전송되고, 앰프 트랜지스터(114)의 게이트를 구동한다.

이에 의해, 신호 전하는 출력 신호선(131)에의 신호가 되어 판독된다.

출력 신호선(131)은, 정전류원이나 저항 소자를 통하여 접지함으로써 소스 폴로워 동작을 시켜도 좋고, 판독 전에 일단 접지하고, 그 후 부유 상태로 하여, 앰프 트랜지스터(114)에 의한 차지 레벨을 출력시켜도 좋다.

리셋 트랜지스터(113)는, 전송 트랜지스터(112)와 동시 병렬적으로 온 시킴으로써 포토 다이오드(111)에 축적된 전자를 전원에 인발하여, 화소를 축적 전의 암(暗) 상태, 즉 광자가 미(未)입사의 상태로 리셋한다.

이와 같은 화소의 회로나 동작 기구는 아날로그 화소와 마찬가지이고, 아날로그 화소와 마찬가지로 각종의 베리에이션이 존재할 수 있다.

그러나, 아날로그 화소가 복수 광자의 입사 총량을 아날로그적으로 출력하는데 대해, 디지털 화소는 광자 1개의 입사의 유무를 디지털적으로 출력한다.

따라서 화소의 설계 사상은 다른 것이 된다.

우선, 디지털 화소는 광자 1개의 입사에 대해 충분히 큰 전기신호를 발생시킬 필요가 있다.

예를 들면 도 4와 같은 앰프 트랜지스터가 있는 화소 회로에서는, 소스 폴로워를 구성하는 앰프 트랜지스터(114)의 입력 노드인 FD 노드(116)의 기생 용량은 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.

그리고, 이에 의해 광자 1개의 입사에 대한 출력 신호의 진폭이, 앰프 트랜지스터(114)의 랜덤 노이즈보다 충분 크게 유지되는 것이 바람직하다.

한편, 화소로부터의 출력 신호에는 아날로그 화소와 같은 리니어리티나 정밀도, 동작 레인지를 필요로 하지 않기 때문에, 예를 들면 소스 폴로워의 입출력 전원에는 디지털 회로와 마찬가지의 저전압을 사용할 수 있다. 포토 다이오드의 전하 축적 용량도 최소한의 것으로 좋다.

다음에, 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)의 전체적인 동작 개요에 관해 설명한다.

상술한 바와 같이, 화소 블록(160)(-0 내지 -3, …)은 128개의 디지털 화소(DPX)와 선택 회로를 포함하여 구성되어 있다. 선택 회로는 그 중의 1화소를 선택하여 리셋이나 판독을 실시한다.

본 예에서는 행 구동 회로(170)에 의해 구동되는 행 제어선(181, 182)에 따라 화소 블록(160)중의 1화소가 선택된다.

판독할 때는, 선택 화소에의 광자 입사의 유무가 출력 신호선(131)(-0 내지 -3, …)에의 전기신호로서 출력되고, 센스 회로(121)(-0 내지 -3)에서 2치 판정된다. 센스 회로(121)(-0 내지 -3)는, 예를 들면 선택 화소에 광자가 입사되어 있으면 1을, 입사되어 있지 않으면 0을 판정치로서 확정하여, 그 판정치를 래치한다.

센스 회로(121)(-0 내지 -3)의 판정치는, 우선 레지스터(151)(-0 내지 -3)에 전송된다.

카운트 회로(153)는 4개의 화소 블록(160-0 내지 160-3)에서 공유되어 있고, 행 선택되어 판독된 4화소에 대한 카운트 처리가 선택 회로(152)를 경유하여 순차적으로 실시된다.

그리고, 화소마다의 카운트 결과가 메모리(154)에 격납된다.

즉, 우선 전회의 판독시의 화소의 데이터가 메모리(154)로부터 카운트 회로(153)에 로드된다.

여기서 카운트 회로(153)에서는, 레지스터(151)(-0 내지 -3)에 「1」이 격납되어 있으면 카운트값에 「1」이 가하여지고, 「0」이 격납되어 있으면 카운트값은 갱신되지 않는다.

그 후, 메모리(154)에 카운트 회로(153)의 값이 되돌려 기록되고, 1화소분의 카운트 처리가 완료된다. 이 처리를 4화소에 대해 순차적으로 실시한다.

이와 같은 카운트 처리가 실시되고 있는 동안, 화소 블록(160)(-0 내지 -3)과 센스 회로(121)(-0 내지 -3)는 다음 행의 판독과 판정을 병행하여 실시할 수 있다.

이와 같은 디지털 판독은, 예를 들면 1프레임 기간에서 1023회 실시되고, 화소마다 10비트의 계조 데이터를 구성한다.

이때, 카운트 회로(153)는 10비트이고, 메모리(154)는 (128x4)개의 화소가 각각 10비트의 데이터를 갖기 때문에 5120비트이다.

즉 본 CMOS 이미지 센서(100)는, 독자적인 구성을 갖고서 어레이화된 포톤 카운터로서 동작한다.

그런데, 카운트 회로(153)나 메모리(154)에 필요하게 되는 사이즈는 용도에 응하여 변화한다.

예를 들면, 촬상 단위를 종횡 4x4의 화소로 구성하는 경우는, 각각의 촬상 단위에 포함되는 화소의 데이터는, 메모리(154)의 동일 어드레스에 격납한다.

이에 의해, 그들의 16개의 화소에 대한 광자 입사의 카운트값은 메모리를 통하여 카운트 회로(153) 내에서 가산된다.

이때 카운트 총수는 16배가 되고, 카운트 회로(153)에는 14비트가 필요해진다.

한편, 메모리(154)의 어드레스 수는 1/16인 32가 되고, 각각이 14비트의 값을 격납한다. 따라서 그 필요 용량은 448비트이다.

또는, 수광면 전체에의 광자 입사 총수만을 카운트하는 경우에는, 카운트 회로(153)에 데이터를 보존한 채의 상태로 좋기 때문에, 반드시 메모리는 필요 없다.

이 경우, 카운터의 비트수는 512화소분의 10비트 카운트에 대응한 19비트가 필요하다.

또는, 전 화소의 2차원 촬상으로부터 총 가산까지 용도에 응하여 기능의 전환을 행하는 경우에는, 카운트 회로(153)를 14비트로 하고, 메모리(154)를 (128x4)개의 화소에 대해 각각 14비트 준비한다. 그리고, 회로 블록(200)의 레벨은 4x4 가산까지 대응하여 둔다.

전 화소 가산에 대해서는, 우선 회로 블록(200)에서 4x4의 가산을 실행하고, 또한 출력 회로에 별도 가산기를 준비하여, 메모리(154)로부터의 복수의 출력치를 가산하여 총계하면 좋다. 이 경우 출력부의 가산기의 처리량은, 사전의 가산이 없는 경우와 비교하고 1/16로 좋고, 고속의 처리는 불필요하다.

다음에, 본 제 1의 실시 형태에서의 화소 블록의 순환 액세스에 관해 설명한다.

도 5는, 본 제 1의 실시 형태에서의 화소 블록의 순환 액세스를 설명하기 위한 도면이다.

또한, 여기서는, 간단함을 위해, 16개의 화소에 의해 화소 블록이 형성되고, 하나의 센스 회로를 공유하는 예를 나타낸다.

각 화소 블록(160)(-0 내지 -3, …)에 포함되는 16개의 화소는 순환적으로 순차 액세스된다.

프레임 레이트를 1/30초로 하고, 그 사이 화소마다 1023회의 판독이 실시된다고 하면, 블록 처리의 1사이클은 약 32마이크로초가 된다. 이때에 16개의 화소 판독을 완료할 필요가 있다.

도 5의 횡축이 되는 시간 구분은 블록 중의 화소마다의 액세스에 할당된 시간(t)이고, 그 폭은 최대 2마이크로초가 된다.

또한, 도 1의 예와 같이 화소 블록(160)(-0 내지 -3, …)이 128개의 화소를 포함하는 경우는, 각 화소의 액세스 시간은 250나노초이다.

각 화소로부터의 데이터 판독과 판정은 반도체 메모리의 판독에 유사한 단순한 동작이기 때문에, 이 시간폭에는 충분한 여유가 있다.

상기 순환 액세스에서는, 각 화소(DPX)의 리셋(RST)과 판독(RD)는 순환적으로 실시된다.

이 경우, 화소마다 액세스 타이밍은 다르지만, 리셋(RST)부터 판독(RD)까지의 실질적인 노광(EXP)의 시간은 어느 화소도 균등하게 된다.

사이클의 범위 내에서 리셋(RST)의 타이밍을 바꿈으로써, 노광 시간을 변화시킬 수 있고, 다른 회로 동작에 영향을 주는 일 없이 감도의 조정이 가능하다.

예를 들면, 각 화소(DPX)에서 리셋(RST)을 전회의 판독(RD)의 직후(판독과 동일한 시간 구분)로 설정하면, 노광 시간은 최대로 되어 저조도 피사체 촬상에 대응한다.

역으로, 판독(RD)의 직전(판독의 하나 전의 시간 구분)으로 설정하면, 노광 시간은 최단이 되어 고조도의 피사체 촬상에 대응한다. 또는 동일 시간 구분중에서도 리셋 타이밍을 몇 단계나 변화되도록 하면, 노광 시간은 더욱 자유롭게 선택할 수 있다.

판독(RD)의 후는, 계속해서 카운트 처리(CNT)가 실시되지만, 병렬하여 다음의 화소의 판독이 시작된다.

여기서 예를 들면 시간(t4)에서는, 화소(No. 4)가 판독되고, 또한 화소(No. 1)가 리셋되고 있다. 또한 그것과 병렬하여, 화소(No. 3)의 카운트 처리가 실시되고 있다.

이 예에서는 화소(No. 4)의 판독과 화소(No. 1)의 리셋은 시분할로 시리얼로 실시하고 있지만, 각 화소 내에 독립한 리셋 기구를 갖는 도 4와 같은 화소라면, 행 제어선을 2계통 구동함으로써, 양자는 동시 병렬로도 실행할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 제 1의 실시 형태에서는, 복수의 화소(DPX)가 센스 회로(121)(-0 내지 -3)와 레지스터(151)(-0 내지 -3)를 공유하고, 또한 복수의 센스 회로(121)(-0 내지 -3)가 카운트 회로(153)를 공유하는 계층 구조를 갖고 있다.

각각을 어떤 비율을 갖고서 공유시키는지는, 상기 액세스 시간과 각 회로의 점유 면적과의 관계에 의해 최적화되게 된다.

그런데, 4개의 화소 블록을 갖는 도 1의 회로 블록(200)은 횡 방향(열 배열 방향)으로 복수 나열할 수 있다.

예를 들면, 그들 회로 블록(200)을 32개 병렬에 나열하여 병렬 동작시킴으로써 128x128화소로 이루어지는 수광 장치를 구성할 수 있다. 이와 같은 수광 장치의 성능을 이하에 예상한다.

1초 30프레임으로 각 화소 10비트의 촬상을 하였다고 한다.

각 화소의 카운트수를 전부 가산하여 단일의 포톤 카운터로서 사용한 경우, 1초당의 광자의 카운트 총수의 최대치는 {128x128x1023x30}으로 계산되고, 500메가개(個)에 달한다.

푸아송 분포의 리니어한 영역만을 사용하여도 200메가개이고, 보정을 넣으면 그 이상의 카운트가 가능하다.

또한, 이와 같은 수광 장치는, 전술한 바와 같이, 용도에 응하여 2차원 촬상에도 사용할 수 있고, 단일 수광 소자로서 포톤 카운트에도 사용할 수 있다.

그들은 내부의 레지스터값을 외부로부터 재기록함으로써 용이하게 동작 모드를 바꿀 수 있다. 리셋 타이밍의 변경에 의한 노광 시간의 전환도, 같은 방법으로 프로그램할 수 있다.

그런데, 본 실시 형태에 사용하는 디지털 화소는, 전술한 바와 같이, 광전변환 소자를 가지며, 광자의 입사에 응하여 전기신호를 출력하는 기능을 갖고 있고, 예를 들면 도 4에 도시하는 바와 같이 구성된다.

또한, 디지털 화소로부터의 데이터 판독에 즈음하여서는, 화소마다의 출력 편차를 상쇄하기 위해, 센싱시에 이하와 같은 자기(自己) 참조 기능을 도입하는 것이 바람직하다.

즉, 화소로부터 리셋 상태의 출력과, 노광 후의 신호 출력을 각각 판독하고, 센스 회로에서, 어느 하나에 일정한 오프셋을 가하여 양자를 비교함으로써 2치 판정을 실시한다.

도 6은, 자기 참조 기능을 갖는 센스 회로의 한 예를 도시하는 회로도이다.

도 6의 센스 회로(121)A는, 스위치(SW121, SW122, SW123), 커패시터(C121, C122), 인버터(IV121, IV122), 및 오프셋 신호(OFFSET)의 공급 라인(L121)을 갖는다.

스위치(SW121)는, 단자(a)가 커패시터(C121)의 제 1 단자 및 커패시터(C122)의 제 1 단자에 접속되고, 단자(b)가 출력 신호선에 접속되는 단자(SIG)에 접속되어 있다.

커패시터(C121)의 제 2 단자가, 인버터(IV121)의 입력단자, 스위치(SW122)의 단자(a), 및 스위치(SW123)의 단자(a)에 접속되어 있다.

커패시터(C122)의 제 2 단자가, 오프셋 신호(OFFSET)의 공급 라인(L121)에 접속되어 있다.

인버터(IV121)의 출력 단자는, 인버터(IV122)의 입력단자 및 스위치(SW122)의 단자(b)에 접속되어 있다.

인버터(IV122)의 출력 단자는, 스위치(SW123)의 단자(b) 및 출력 단자(SAOUT)에 접속되어 있다.

여기서, 도 4의 화소를 예로, 도 6의 자기 참조 기능을 갖는 센스 회로를 이용한 판독 동작례에 관해 설명한다.

도 7의 A 내지 F는, 도 4의 화소를 예로, 도 6의 자기 참조 기능을 갖는 센스 회로를 이용한 판독 동작례를 설명하기 위한 타이밍 차트이다.

도 7의 A는 도 4의 리셋선(182)에 인가된 리셋 펄스(RESET)를, 도 7의 B는 도 4의 전송선(181)에 인가된 판독 펄스(READ)를, 각각 도시하고 있다.

도 7의 C는 스위치(SW121)의 ON/OFF 상태를, 도 7의 D는 스위치(SW122)의 ON/OFF 상태를, 도 7의 E는 스위치(SW123)의 ON/OFF 상태를, 도 7의 F는 오프셋 신호(OFFSET)를, 각각 도시하고 있다.

우선, 스위치(SW121)와 스위치(SW122)를 온(ON)으로 하여, 화소(DPX)의 리셋선(182)에 리셋 펄스(RESET)를 주어, 리셋 상태의 화소 출력을 입력단자(SIG)에 판독한다.

뒤이어, 스위치(SW122)를 오프(OFF)로 하여 리셋 출력을 홀드한다.

다음에, 화소(DPX)의 전송선(181)에 펄스(READ)를 주어, 노광 결과인 신호 출력을 단자(SIG)에 입력하고, 스위치(SW121)를 오프로 한다.

이 사이, 오프셋 신호(OFFSET) 입력은 0V로 유지되어 있다.

다음에, 오프셋 신호(OFFSET)의 레벨을 약간 상승시켜서, 커패시터(C122)를 통하여 판독 신호에 오프셋 전위를 추가한다.

이에 의해, 리셋 상태의 출력과, 판독 신호에 약간의 오프셋을 가한 상태에서의 출력이 비교된다.

도 4의 화소에 광자가 입사하고 있는 경우, 후자의 신호는 전자보다 저전위가 되고, 출력 단자(SAOUT)에 「0」이 출력된다.

화소에 광자가 입사하지 않는 경우는 그 반대가 되어 출력 단자(SAOUT)에 「1」이 출력된다.

최후로, 스위치(SW123)를 온으로 하여 판정 결과를 래치한다.

이와 같은 자기 참조 기능은, 앰프 트랜지스터(114)의 임계치 편차 등에 기인하는 화소마다의 고정 노이즈를 상쇄하고, 미소한 신호에 대해서도 정확한 2치 판정을 가능하게 한다. 또한 상기 시퀀스에서는 리셋의 kTC 노이즈도 상쇄하고 있다.

또한, 아날로그 신호의 AD 변환에서의 상관 이중 샘플링(CDS)으로도 유사한 효과를 기대할 수 있다.

단, 또한 2치 판정의 센싱에서는 2회의 판독과 판정에 필요로 하는 기간이 항상 일정하기 때문에, 화소의 앰프 트랜지스터나 센스 회로 자체가 발한 열(熱)잡음이나 프리커 노이즈도 이하와 같이 영향을 경감할 수 있다.

즉, 저주파 대역의 노이즈는 그 대부분이 쌍방의 판독에 마찬가지로 태워지기(중첩하기) 때문에 그 영향을 상쇄할 수 있고, 고주파 대역의 노이즈는 센스 회로의 용량 부하로 감응을 제한할 수 있다.

따라서 상기 용량 부하를, 올바르게 센싱할 수 있는 범위에서 가능한 한 크게 설정함으로써, 영향이 있는 노이즈의 대역을 최소한으로 조이는 것이 가능하다.

AD 변환에서의 상관 이중 샘플링에서는, 신호의 크기나 비트수에 따라 변환에의 소요 기간이 다른 것이 많고, 넓은 노이즈 대역의 영향을 받지 않을 수가 없다.

회로는 이와 같은 예로 한하지 않고, 또한 리셋 신호측에 오프셋을 가한 것을 판독 신호와 비교하여 판정을 실시하여도 좋다.

또는, 우선 판독 신호를 취득하고, 그 후 화소를 리셋하여 다시 리셋 신호를 취득하고, 어느 하나에 오프셋을 가하여 비교 판정을 행하여도 좋다. 이 경우, kTC 노이즈는 상쇄할 수 없지만, 화소마다의 편차에 기인하는 고정 노이즈 등은 상쇄할 수 있고, 모든 화소 구성에 범용적으로 적용할 수 있는 이점이 있다.

이와 같은 자기 참조 기능을 탑재하여도, 센스 회로는 통상의 AD 변환기보다 훨씬 소자수가 적고, 큰 점유 면적은 필요로 하지 않는다.

또는, 디지털 화소를 실현하는 경우, 내부 증폭형의 포토 다이오드를 사용하는 것도 유력한 선택 가지(肢)이다.

내부 증폭형 포토 다이오드로서는, 광전변환된 전자, 홀 쌍을 전계(電界)로 가속시켜서 쇄도하는(avalanche) 증폭을 발생시키는, 아발랑슈·포토 다이오드(APD) 등이 알려져 있다.

종래의 APD를 이용한 포톤 카운터는, 화소 신호를 단지 아날로그 증폭하여 펄스 출력하고, 그것을 외부에 붙은 회로에 의해 검출하는 것이였다. 1광자의 검출에는 가이거 모드를 이용하여 100만배에 가까운 증폭을 행하고 있고, 40V의 고전압이 필요하고, 검출 회로도 내장되어 있지 않다. 따라서 화소의 미세화나 고(高)병렬 동작은 곤란하다.

한편, 본 실시 형태에 적용하는 디지털 화소에는 가이거 모드 동작은 필요없다. 간이한 회로 구성에 의한 칩 내에서의 시분할 바이너리 검출은, 검출 회로 노이즈와 신호 부하의 극적인 저감을 가능하게 하기 때문에, 리니어 모드에서의 근소한 증폭률로 1광자를 검출하는 것이 가능하다.

이 경우에도, 도 4와 같은 화소 회로를 사용할 수 있지만, 예를 들면 1000배의 증폭을 얻을 수 있으면, 화소의 앰프 트랜지스터도 불필요하다.

<2. 제 2의 실시 형태>

다음에, 내부 증폭형 다이오드를 수광 장치에 적용한 구성례를 제 2의 실시 형태로서 설명한다.

도 8은, 본 발명의 제 2의 실시 형태를 설명하기 위한 도면으로서, 내부 증폭형 포토 다이오드를 이용하여 제 1의 실시 형태에 대응한 화소 블록의 구성례를 도시하는 도면이다.

본 제 2의 실시 형태에서는, 화소 블록(160B)은, 내부 증폭형 포토 다이오드(111B)와 그에 대응하는 전송(선택) 트랜지스터(112B)만의 집합으로 구성되어 있다.

즉, 이 예의 화소(DPXB)는, 내부 증폭형 포토 다이오드(111B)와 그에 대응하는 전송(선택) 트랜지스터(112B)만으로 형성되어 있다. 동일행의 각 화소(DPXB)의 전송 트랜지스터(112B)의 게이트 전극이 공통의 전송선(181B)에 접속되어 있다. 그리고, 각 화소 블록(160B)의 복수의 화소의 전송 트랜지스터(112B)의 소스 또는 드레인이 공통의 출력 신호선(131)에 접속되어 있다.

또한, 각 출력 신호선(131)에는, 리셋 전위선(LVRST)과의 사이에 리셋 트랜지스터(113B)가 접속되어 있다. 각 리셋 트랜지스터(113B)의 게이트 전극이 공통의 리셋선(182B)에 접속되어 있다.

본 예에서는, 각 화소(DPXC)는, 리셋 트랜지스터(113B), 출력 신호선(131), 전송 트랜지스터(112B)를 통하여 리셋된다.

<4. 제 3의 실시 형태>

다음에, 제 1 또는 제 2의 실시 형태에 관한 촬상 소자의 수광 장치(수광부, 회로 블록)를 복수 이용하는 촬상 장치의 구성례를, 제 3의 실시 형태로서 설명한다.

일반적인 CCD형이나 CMOS 센서형으로 대표되는 반도체 촬상 장치는, CCD 출력부에서의 앰프 회로나, CMOS 센서의 각 화소에 부속하는 소스 폴로워 회로의 특성 편차가 존재한다.

그리고, 일반적인 반도체 촬상 장치에서는, 이 특성 편차가, 그대로 축적 전자수로부터 아날로그 전기신호로의 변환 효율의 편차에 반영되어 있다.

또한, AD 변환기의 변환 편차도 신호 편차에 직접 반영되기 때문에, 개개의 칩에서의 실효적인 감도 편차는 매우 큰 것으로 되어 있다.

따라서 일반적인 반도체 촬상 장치에서, 그들을 복수 나열하여 대면적의 촬상을 행하는 경우, 칩마다의 게인 조정에 의해 감도를 정돈할 필요가 있다.

한편, 시분할 광자 카운트를 사용한 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자(수광 장치)는, 기본적으로 아날로그 신호를 취급하지 않기 때문에, 칩마다의 감도 편차가 매우 작다.

따라서 이들을 1차원의 선형상, 또는 2차원 어레이형상으로 나열하여, 큰 촬상면을 형성하는 것이 가능하다.

이와 같은 촬상 장치는, 예를 들면 수광 장치의 앞면에 신틸레이터를 배치함에 의해, 의료나 시큐어러티 체크용의 방사선 촬상에 사용할 수 있고, 고감도이면서 저 노이즈이기 때문에, 극히 미량의 방사선도 정확하게 검출할 수 있다.

따라서 예를 들면 의료용의 촬상에서는, 방사선량을 조여서 촬상 대상자에게의 피폭량을 대폭적으로 저감시키는 것이 가능하다.

도 9의 A 및 B는, 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자를 CT(Computer Tomography) 촬상에 응용하는 촬상 장치의 개념도이다.

피사체(OBJ)를 통형상으로 감쌌던 촬상 장치(400)에는, X선원(410)과, 그 X선원(410)에 대면하여 본 발명의 실시 형태에 관한 포톤 카운터를 사용한 촬상 소자(420)가 수천개 어레이형상으로 배치되어 있다.

어레이면은 각 촬상 소자가 X선원(410)으로부터 등거리로 대면하도록, 통의 내벽에 따라 만곡하여 있다.

각 촬상 소자(420)에서는, 본 발명의 실시 형태에 관한 포톤 카운터(421)의 수광면(421a)측에 신틸레이터(432)가 부착되고, 또한 X선의 입사측에 콜리메이터(423)가 배치되어 있다.

X선원(410)으로부터 피사체(OBJ)를 투과하고, 또한 콜리메이터(423)를 통과한 X선은, 신틸레이터(422)에 의해 가시광으로 변환되어 포톤 카운터(421)에서 검출되고, 그 조사량이 도출된다.

촬상 장치(400)는 피사체(OBJ)의 주위를 회전하고, 전(全)각도로부터 촬상을 행하고, 그들의 데이터는 연산 처리되어, 피사체(OBJ)의 단면(斷面) 투과 영상이 생성된다.

본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자의 포톤 카운터는, 고감도이고 판독 노이즈가 없을 뿐만 아니라, 다이내믹 레인지가 극히 높다.

또한, 촬상 소자는 카운트 회로를 내장하고 있고, 높은 비트 해상도로도 고속의 촬상이 가능하다. 따라서 X선량을 대폭적으로 저감하여도 정밀한 촬상을 실현할 수 있고, 게다가 시스템은 저가이다.

이와 유사한 촬상 시스템으로서는, 역시 의료용의 SPECT를 들 수 있다.

이것은 γ선을, 신틸레이터를 이용하여 검출하는 것이지만, 극미량의 γ선을 검출하기 때문에 광전자 배증관이 사용되고 있다.

여기에, 본 발명의 실시 형태에 관한 포톤 카운터를 사용하면 검출기의 비용이 극적으로 저감하고, 외부 부착의 검출 회로도 불필요하게 된다. 따라서 검출기의 수를 몇십배나 증가시킬 수 있고, 극적인 감도 향상을 다하는 것이 가능해진다.

도 10은, 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자(수광 장치)를 1차원의 선형상으로 나열한 라인형 촬상 장치의 예를 도시하는 도면이다.

라인형 촬상 장치(500)에는, 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자(수광 장치)(510)가 엇갈려서 선형상으로 배치되어 있다.

라인형 촬상 장치(500)를 화살표(A)의 방향으로 이동시켜 감으로써, 촬상 소자(수광 장치)(510)의 유효 화소 영역(520)은 넓은 촬상면을 골고루 스캔할 수 있다.

스캔은 유효 화소 영역(520)의 종방향(행방향) 피치로 스텝 이동시키는 것이 바람직하고, 또는 피사체를 이동시켜도 좋다. 각 유효 화소 영역 사이의 연결 부분은, 일부 화소를 오버랩시켜서 평균화 처리하여도 좋다.

각 촬상 소자(수광 장치)(510)의 유효 화소 영역(520)은, 예를 들면 도 1의 화소 어레이부의 블록을 횡방향(열방향)으로 128개 나열한 구성으로 되어 있고, 512x128의 물리 화소에 의해 구성된다.

여기서, 8x8의 물리 화소 블록의 카운트값을 가산하여 촬상의 화소 단위(논리 화소)로 하면, 논리 화소수는 64x16이 된다. 각 물리 화소가 10비트의 해상도를 갖는 경우, 각 논리 화소의 해상도는 16비트이다.

이와 같은, 촬상 소자(수광 장치)(510)를, 도 10에 도시하는 바와 같이, 64개 선형상으로 나열하면, 라인형 촬상 장치(500)에는 합계 4096의 16비트 논리 화소가 나열하는 것이 된다.

이와 같은 라인형 촬상 장치는 세밀한 촬상을 용이하게 실현할 수 있고, 예를 들면 신틸레이터와 조합시켜서, 의료용이나 시큐어러티 체크용에 고정밀도, 초고감도(저 노이즈)의 X선 촬상이 가능해진다.

X선의 절대량을 줄일 수 있기 때문에, 라인 촬상이라도 피폭량을 억제하는 것이 가능하고, 시스템은 극히 저가이다. 또는 이와 같은 라인형 촬상 장치를, 스캔 방향에 등간격으로 복수단 배치함으로써, 스캔 거리를 단축하고, 더욱 피폭량을 저감한 것도 가능하다.

또한, 신틸레이터를 투과한 X선에 의한 촬상 소자의 손상을 방지하기 위해, 예를 들면 도 11에 도시하는 바와 같이, 촬상 소자(420)를 신틸레이터(422)로부터 떨어진 장소에 설치하고, 광파이버(424)를 이용하여 신틸레이터의 발광을 촬상 소자(420)에 전달하여도 좋다.

도 11의 예에서는, 촬상 소자(420)의 포톤 카운터(421)의 수광면(421a)과 신틸레이터(422)의 발광부 사이에, X선을 차단하는 X선 차광판(425)이 배치되어 있고, 이 X선 차광판(425)을 우회하도록 광파이버(424)가 배치되어 있다.

그런데, 의료나 과학 계측에서의 방사선 검출에는, 방사선의 조사(照射) 각도가 정보로서 필요해지는 케이스가 있다. 이와 같은 케이스에 사용되는 포톤 카운터에는, 검출시기를 특정하기 위한 높은 시간 분해능이 요구된다.

예를 들면, 의료에 사용된 PET에서는, 환자에 투여한 방사성 물질이 양전자를 발생시키고, 그것은 곧 전자와 결합하고 한 쌍의 γ선을 여기한다. 이 γ선 쌍은 서로 반대 방향으로 사출되고 2개의 검출기(신틸레이터)에서 동시 병렬적으로 검출된다. 이에 의해 2개의 검출기를 연결하는 직선상에 방사성 물질의 존재를 추정한다.

일반적으로, PET에서는 동시 검출의 판정을 높은 시간 분해능으로 실행하고, 검출의 노이즈를 저감하는 것이 필수로 되어 있다.

도 12는, 포톤의 동시 검출에 의한 방사선 입사 방향의 추정례를 모식적으로 도시하는 도면이다.

도 12는, SPECT에서의 간이적인 응용례를 나타낸다.

피사체(OBJ)로부터 사출된 γ선중, 신틸레이터(검출기)(422)에 수직으로 입사한 γ선은 하나의 촬상 소자(420)의 포톤 카운터(421)에 많은 광자군을 동시 입사시킨다.

한편, 신틸레이터(검출기)(422)에 비스듬하게 입사한 γ선은 복수의 촬상 소자(420)에 분산된 광자군을 동시 입사시킨다.

이와 같이, 동시 검출된 광자 분포 정보를 이용하여 γ선의 입사 방향을 추정하는 것이 가능하다.

통상, SPECT에서는 콜리메이터를 이용하여 수직 입사한 광자 정보만을 사용하지만, 검출기의 시간 분해능이 높고, 그들을 간단하게 활용할 수 있다면, 더욱 비약적으로 정보량을 확대할 수 있다.

즉, 이와 같은 검출기에 있어서 오검출을 줄이고 검출 정밀도를 올리는 데는, 광자 입사의 동시 검출을 판정하기 위한 높은 시간 분해능이 중요해진다.

이하에는, 본 발명의 실시 형태에 관한 포톤 카운터에 있어서, 광검출의 시간 분해능을 향상시키는 새로운 수법과, 칩의 아키텍처를 제 3 및 제 4의 실시 형태로서 설명한다.

<5. 제 4의 실시 형태>

도 13은, 본 발명의 제 4의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)의 구성례를 도시하는 도면이다.

본 제 4의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)(100C)가, 도 1에 도시하는 제 1의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)와 다른 점은, 광검출의 시간 분해능을 향상시키는 기능을 갖는 것에 있다.

본 CMOS 이미지 센서(100C)는, 기본적으로, 판정 결과 집적 회로부(150C)가 광검출의 시간 분해능을 향상시키는 기능을 갖도록 구성되어 있다.

판정 결과 집적 회로부(150C)는, 센스 회로부(120), 제 1의 레지스터부(210), 제 2의 레지스터부(220), 4비트의 버스(230), 및 출력 회로(240)를 포함하여 구성되어 있다.

제 1의 레지스터부(210)는, 화소 어레이부(110)의 화소의 열 배열에 대응하여 각 센스 회로(121-0, 120-1, …)의 출력을 순차적으로 전송하는 4비트 레지스터(211-0, 211-1, …)를 갖는다.

제 1의 레지스터부(210)는, 1행분의 판독 데이터를 보존하여 출력하는 라인 버퍼가 4행 배열된 것과 등가의 구성을 갖는다.

제 2의 레지스터부(220)는, 제 1의 레지스터부(210)의 4비트 레지스터(211-0, 2110-1, )…의 출력을 순차적으로 전송하는 4비트 레지스터(221-0, 221-1, …)를 갖는다.

제 2의 레지스터부(220)는, 1행분의 판독 데이터를 보존하여 출력하는 라인 버퍼가 4행 배열된 것과 등가의 구성을 갖는다.

버스(230)는, 제 2의 레지스터부(220)의 출력 데이터를 출력 회로(240)에 전송한다.

출력 회로(240)는, 카운트 회로(241) 및 출력 래치(242)를 갖는다. 카운트 회로(241)는, 버스(230)를 통해 전송된 각 행마다의 「1」데이터를 카운트 또는 가산한다.

제 4의 실시 형태에서도 제 1의 실시 형태와 마찬가지로, 화소 블록(160)(-0, -1, …)는 128개의 디지털 화소(DPX)와 선택 회로를 포함하여 구성되어 있다. 선택 회로는 그 중의 1화소를 선택하여 리셋이나 판독을 실시한다.

본 제 4의 실시 형태에서도, 행 구동 회로(170)에 의해 구동되는 행 제어선(180)에 따라서 화소 블록 중의 1화소가 선택된다.

판독할 때는, 선택 화소에의 광자 입사의 유무가 출력 신호선(131)에의 전기신호로서 출력되고, 센스 회로(121)(-0, -1, …)에서 2치 판정된다.

센스 회로(121)(-0, -1, …)는, 예를 들면 선택 화소에 광자가 입사되어 있으면 「1」을, 입사되어 있지 않으면 「0」을 판정치로서 확정하여, 그 판정치를 래치한다.

그리고, 센스 회로(121)(-0, -1, …)의 판정치는, 제 1의 4비트 레지스터부의 4비트 레지스터(211)(-0, -1, …)의 1비트째에 전송된다. 이에 의해 다음의 행의 신호 판독과 판정이 가능해진다.

이와 같은 조작을 4행분 연속하여 행하고, 각 행의 판정치가 4비트 레지스터(211)(-0, -1, …)의 다른 비트에 격납되면, 그들은 일제히 후단의 제 2의 레지스터부(220)의 4비트 레지스터(221)(-0, -1, …)에 전송된다.

또한, 각 열의 제 2의 레지스터부(220)의 4비트 레지스터(220)(-0, -1, …)의 보존 데이터는 순차적으로 4비트의 버스(230)에 출력되고, 출력 회로(240)에 전송된다.

출력 회로(240)에는 카운트 회로(241)가 배치되어 있고, 각 행마다의 「1」데이터가 카운트, 또는 가산된다. 4행분의 전(全)렬의 데이터가 전송된 곳에서, 각 행의 가산치가 출력 래치(242)에 격납된다.

한편, 상기 전송 동작과 병행하여, 화소 어레이부(110)의 판독은 계속적으로 실시되고, 제 1의 레지스터부(210)의 4비트 레지스터(211)(-0, -1, …)에는 다음의 4행의 판정치가 격납된다. 즉, 판독과 출력 회로(240)에의 데이터 전송은 파이프라인화되어 있다.

이와 같은 칩에서는, 일행의 판독이 250나노초였다고 하면, 1마이크로초의 사이에 128열분의 데이터 전송이 행하여진다. 1열분의 4비트 전송은 7.8나노초이고, 통상의 반도체 회로라면 여유를 갖고서 전송할 수 있다. 주변 회로 구성은 매우 간소하다.

또한 외부로부터의 데이터 판독은, 출력 회로(240)의 출력 래치(242)에 격납된 4행분의 카운트값을, 1마이크로초의 사이에 취득하면 좋다.

이 판독에는 매우 여유가 있기 때문에, 외부 시스템은 다수의 촬상 소자로부터 병렬적으로 데이터를 판독하는 것이 가능하다.

외부 시스템은, 또한 전행의 판독 데이터를 가산함으로써, 최대 32마이크로초의 단위노광 기간 내에 촬상 소자에 입사한 광자 총수를 도출할 수 있다.

또한 이것을 1025사이클 반복하고, 카운트값을 계속 가산함으로써, 1/30초 사이에서 24비트의 계조 데이터를 얻는 것이 가능하다.

여기서, 제 4의 실시 형태의 촬상 소자를 이용한 광자 검출의 시간 분해능에 관해, 도 14에 관련지어서 설명한다.

도 14는, 제 4의 실시 형태에 관한 촬상 소자를 이용한 광자 검출의 시간 분해능에 관해 설명하기 위한 도면이다. 도 14는, 시간 경과에 따라, 각 행마다 판독과 리셋이 순차적으로 실행된 양상을 나타내고 있다.

PET 등에서 γ선이 신틸레이터에 입사하면, 다수의 광자가 발생하고, 대응하는 촬상 소자에 입사한다.

이 타이밍을 파선(251)이라고 하면, 이 시기를 노광 기간이 포함하는 행 판독(굵은 사선으로 표시 : RD)에서, 선택적으로 광자가 검출된다.

이 예에서는, 광자 발생 직후가 판독하고(행 어드레스 : 7)나서 행 어드레스가 거의 일순할 때까지 검출이 행해지고, 그 후 데이터는 제로가 된다. 즉, 1 이상의 행 데이터의 출력이, 행 어드레스가 일순하는 기간, 계속적 또는 단속적으로 발생하면, 그것은 광자 발생이다.

여기서 촬상 소자에 동시 입사한 광자의 총수는, 일순분의 행 데이터 출력의 총 가산치이다. 또한 그 발생시기는 1 이상의 출력이 최초에 출현한 행의 판독 시기와, 그 전의 행의 판독 시기의 사이(252)에 존재하는 것을 추정할 수 있다. 그 시간 분해능은 1행분의 판독 기간, 250나노초가 된다.

즉, 본 방법에서는, 각 행의 판독 타이밍을 어긋내면서 순환적으로 광자 검출을 행함으로써, 촬상 소자에 복수의 광자가 동시 입사한 때의 입사 시기를, 행마다의 입사수 분포로부터 특정한다. 이 경우, 각 행의 판독 타이밍의 어긋남량이 시간 분해능에 대응하기 때문에, 어긋남의 폭을 작게 하면 그만큼 검출의 시간 분해능이 향상한다.

<6. 제 5의 실시 형태>

도 15는, 본 발명의 제 5의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)의 구성례를 도시하는 도면이다.

본 제 5의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)(100D)가, 도 13에 도시하는 제 4의 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100C)와 다른 점은 다음과 같다.

제 4의 실시 형태에서는, 어긋남 폭은 1행의 판독 시간과 거의 동등하였지만, 본 제 5의 실시 형태에서도, 판독 시간을 바꾸는 일 없이 어긋남 폭만을 줄여도, 시간 분해능은 향상하도록 구성되어 있다.

본 판정 결과 집적 회로부(150D)에어서, 센스 회로부(120D)에어서, 인접하는 2개의 센스 회로(121-0, 121-1)가 1열에 대응한다.

이에 응하여, 제 1의 레지스터부(210D)의 인접하는 2개의 4비트 레지스터(211-0, 211-1)가 1열에 대응한다.

그리고, 제 2의 레지스터부(220D)는, 4비트 레지스터에 대응하여 비트 레지스터(222-0, …)가 배치되어 있다.

제 5의 실시 형태에서도 제 4의 실시 형태와 마찬가지로, 화소 블록(160)(-0, -1, …)은 128개의 디지털 화소(DPX)와 선택 회로를 포함하여 구성되어 있다. 선택 회로는 그 중의 1화소를 선택하여 리셋이나 판독을 실시한다.

본 제 5의 실시 형태에서도, 행 구동 회로(170)에 의해 구동되는 행 제어선(180)에 따라서 화소 블록 중의 1화소가 선택된다.

또한 본 제 5의 실시 형태에서는, 판독에는 열마다 2계통의 회로가 준비되어 있고, 홀수행과 짝수행에서 교대로 다른 회로에 접속되어 있다.

예를 들면 화소(DPX00)의 판독일 때는, 선택 화소에의 광자 입사의 유무가 출력 신호선(131-01)에의 전기신호로서 출력되고, 센스 회로(121-0)에서 2치 판정된다. 센스 회로(121-0)는, 예를 들면 선택 화소에 광자가 입사되어 있으면 「1」을, 입사되어 있지 않으면 「0」을 판정치로서 확정하여, 그 판정치를 래치한다. 그리고 센스 회로(121-0)의 판정치는, 제 1의 레지스터부(210D)의 4비트 레지스터(211-0)의 1비트째에 전송된다. 이와 같은 판독을 4행분 실시한다.

한편, 화소(DPX01) 판독일 때는, 선택 화소에의 광자 입사의 유무가 출력 신호선(123-1)에의 전기신호로서 출력되고, 센스 회로(121-1)에서 2치 판정된다. 센스 회로(121-1)에서 판정치는 래치되고, 다음 단 4비트 레지스터(211-1)에 전송된다. 이와 같은 판독을 4행분 실시한다.

상기 판독을 각 4행에 관해 행한 곳에서, 판정치는 후단의 제 2의 레지스터부(220D)의 8비트 레지스터(222)에 일제히 전송된다. 또한 각 열의 후단 8비트 레지스터(22)의 보존 데이터는 순차적으로 8비트의 버스(230D)에 출력되고, 출력 회로(240D)에 전송된다. 출력 회로(240D)에는 카운트 회로(241D)가 배치되어 있고, 각 행마다 「1」데이터가 카운트, 또는 가산된다. 8행분의 전렬의 데이터가 전송된 곳에서, 각 행의 가산치가 출력 래치(242D)에 격납된다.

이와 같이 판독, 전송, 출력의 순서는 기본적으로 도 14와 마찬가지면서, 본 예에서는 판독 동작이 홀수행과 짝수행으로 2계통으로 분할되어 있다.

그들은 반주기 정도 타이밍을 어긋내면서, 병렬로 실행된다.

여기서, 제 5의 실시 형태의 촬상 소자를 이용한 광자 검출의 시간 분해능에 관해, 도 16에 관련지어서 설명한다.

도 16은, 제 5의 실시 형태에 관한 촬상 소자를 이용한 광자 검출의 시간 분해능에 관해 설명하기 위한 도면이다. 도 16은, 시간 경과에 따라, 각 행마다 판독과 리셋이 순차적으로 실행되는 양상을 나타내고 있다.

판독 회로를 2계통으로 병렬화함에 의해, 전(前)의 행의 판독 완료를 기다리지 않고서 다음의 행의 판독이 시작되고 있고, 판독 시기의 어긋남은 판독 기간의 반분의 주기로 되어 있다.

PET 등에 있어서 γ선이 신틸레이터에 입사하면, 다수의 광자가 발생하고, 대응하는 촬상 소자에 입사한다. 이 타이밍을 파선(253)으로 하면, 이 시기를 노광 기간이 포함하는 행 판독(굵은 사선으로 표시 : RD)에서만, 선택적으로 광자가 검출된다.

이 예에서는 광자 발생 직후의 판독(행 어드레스 : 12)부터 행 어드레스가 거의 일순할 때까지 검출이 행하여지고, 그 후 데이터는 제로가 된다. 즉, 1 이상의 행 데이터의 출력이, 행 어드레스가 일순하는 기간, 계속적 또는 단속적으로 발생하면, 그것은 광자 발생이다.

여기서, 촬상 소자에 동시 입사한 광자의 총수는, 일순분의 행 데이터 출력의 총 가산치이다. 또한 그 발생시기는 1 이상의 출력이 최초에 출현한 행의 판독 시기와, 그 전의 행의 판독 시기와의 사이(254)에 존재하는 것을 추정할 수 있다.

그 시간 분해능은 1행분의 판독 기간의 반주기분이고, 125나노초가 된다.

이와 같이, 판독 기간 자체를 단축하지 않고도, 판독 시기의 어긋남을 좁히는 것은 가능하다. 예를 들면, 판독의 계통수을 더욱 늘려감에 의해 광전자 증배관에 필적하는 시간 분해능에 달할 수 있다.

예를 들면, PET에 응용하는 경우, 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자를 링형상으로 다수 배치하고, 시스템은 각 촬상 소자에 관해 단위노광마다 행마다의 광자수를 순차적으로 판독하여 간다. 그리고 광자 발생을 검출하면, 촬상 소자에 동시 입사한 광자의 총수와 발생의 타임 스탬프를 메모리에 기록한다. 이들은 가장 효율적으로 채취된 필요 충분한 데이터이다.

촬상을 마친 후에 그들을 전부 조합하고, 광자가 동시 입사한 촬상 소자대를 동정(同定)하면, 그 한 쌍을 잇는 선상에 조사성 물질의 존재를 상정할 수 있다.

이 수법은, 종래 수법에 비교하면, 촬상 소자의 수 자체를 비약적으로 증가시킬 수 있는데다가, 동시 입사 판정의 대상이 되는 촬상 소자의 조합 자유도도 비약적으로 확장할 수 있다. 이에 의해, 극적인 감도 향상을 다할 수 있기 때문에, 투입 약제량을 대폭적으로 저감할 수 있고, 피험자의 방사선 피폭을 줄일 수 있는 동시에 우발적 동시발생에 의한 노이즈를 억제하여 측정 정밀도도 향상한다.

또한, 이상 설명한 제 1 및 제 2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자는, 디지털 카메라나 비디오 카메라의 촬상 디바이스로서도 적용할 수 있다.

<7. 제 6의 실시 형태>

도 17은, 본 발명의 실시 형태에 관한 촬상 소자가 적용되는 카메라 시스템의 구성의 한 예를 도시하는 도면이다.

본 카메라 시스템(600)은, 도 17에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(촬상 소자)(100)가 적용 가능한 촬상 디바이스(610)를 갖는다.

카메라 시스템(600)은, 이 촬상 디바이스(610)의 화소 영역에 입사광을 유도하는(피사체상을 결상하는) 광학계, 예를 들면 입사광(상광)을 촬상면상에 결상시키는 렌즈(620)를 갖는다.

또한, 카메라 시스템(600)은, 촬상 디바이스(610)를 구동하는 구동 회로(DRV)(630)와, 촬상 디바이스(610)의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로(PRC)(640)를 갖는다.

구동 회로(630)는, 촬상 디바이스(610) 내의 회로를 구동하는 스타트 펄스나 클록 펄스를 포함하는 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터(도시 생략)를 가지며, 소정의 타이밍 신호로 촬상 디바이스(610)를 구동한다.

또한, 신호 처리 회로(640)는, 촬상 디바이스(610)의 출력 신호에 대해 소정의 신호 처리를 시행한다.

신호 처리 회로(640)에서 처리된 화상 신호는, 예를 들면 메모리 등의 기록 매체에 기록된다. 기록 매체에 기록된 화상 정보는, 프린터 등에 의해 하드카피된다. 또한, 신호 처리 회로(640)에서 처리된 화상 신호를 액정 디스플레이 등으로 이루어지는 모니터에 동화로서 투영된다.

상술한 바와 같이, 디지털 카메라 등의 촬상 장치에 있어서, 촬상 디바이스(610)로서, 선술한 고체 촬상 소자(100)를 탑재함으로써, 저소비 전력으로, 고정밀한 카메라를 실현할 수 있다.

그런데, 복수 화소에 센스 회로를 공유시키는 도 1의 구성은, 화소와 센스 회로를 동일한 반도체 기판에 배치하는 경우 필수로 되지만, 근래 웨이퍼의 접합 기술을 이용하여 반도체층을 다층화하는 기술도 등장하고 있다. 이와 같은 케이스에서는, 예를 들면 각 화소의 하층에 화소마다의 센스 회로를 배치하는 선택 가지도 생길 수 있다.

이와 같은 케이스에서도, 복수의 센스 회로에 카운터 등으로 이루어지는 집적 회로를 공유시킴으로써, 화소 사이의 가산은 용이하게 실행할 수 있고, 촬상의 다이내믹 레인지를 향상시킬 수 있다.

100, 100B, 100C, 100D : CMOS 이미지 센서(촬상 소자)
110 : 화소 어레이부
DPX : 디지털 화소
110A : 화소 회로
111 : 포토 다이오드
112 : 전송 트랜지스터
113 : 리셋 트랜지스터
114 : 앰프 트랜지스터
115 : 축적 노드
116 : FD 노드
120, 120D : 센스 회로부
121 : 센스 회로
130 : 출력 신호선군
131 : 출력 신호선
140 : 전송선군
141 : 전송선
150 : 판정 결과 집적 회로부
151 : 레지스터
152 : 선택 회로
153 : 카운트 회로
154 : 메모리
160, 160B : 화소 블록
170 : 행 구동 회로
180 : 행 제어선군
181, 182 : 행 제어선
200 : 회로 블록
210, 210D : 제 1의 레지스터부
220, 220D : 제 2의 레지스터부
230 : 버스
240, 240D : 출력 회로
300 : 수광부
400 : 촬상 장치
410 : X선원
420 : 촬상 소자
500 : 촬상 장치
510 : 촬상 소자(수광 장치)
520 : 유효 화소 영역
600 : 카메라 시스템
610 : 촬상 디바이스
620 : 렌즈
630 : 구동 회로(DRV)
640 : 신호 처리 회로(PRC)

Claims

광전변환 소자를 가지며, 광자 입사에 응하여 전기신호를 출력하는 화소가, 복수 어레이형상으로 배치된 수광부로서 기능하는 화소 어레이부와,
상기 화소로부터의 전기신호를 받아서, 소정 기간에 있어서의 화소에의 광자 입사의 유무를 2치 판정하는 센스 회로가, 복수 배치된 센스 회로부와,
상기 센스 회로의 복수의 판정 결과를 화소마다 또는 화소 그룹마다 집적하는 기능을 포함하고, 복수 화소에서의 복수회의 상기 판정 결과를 집적하는 포톤 카운팅을 행함으로써 수광부에의 광자 입사량을 도출하는 판정 결과 집적 회로부를 가지며,
상기 판정 결과 집적 회로부는,
상기 센스 회로의 판정 결과를 집적하는 카운트 처리를 행하는 카운트 회로를 포함하고,
복수의 상기 센스 회로가 상기 판정 결과를 집적하기 위한 카운트 회로를 공유하고 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 1항에 있어서,
상기 포톤 카운팅은,
상기 수광부에서, 등간격으로 분할된 수광면과, 등간격으로 분할된 시간축으로 복수의 메시를 형성하여 실행되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 2항에 있어서,
상기 각 메시는 논리 1과 논리 0의 2치를 취하고,
상기 각 센스 회로는,
상기 각 메시 내에 1개 이상의 광자가 입사하였는지의 여부를 판정하고, 입사 개수에 관계없이 입사가 있는 경우에는 1로 판정하고, 입사가 없으면 0으로 판정하고,
상기 판정 결과 집적 회로부는,
각 센스 회로에 의한 1의 총합을 카운트하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 1항에 있어서,
상기 화소 어레이부는,
각각 복수의 화소와 그 선택 수단을 포함하는 복수의 화소 블록이 형성되고,
상기 센스 회로부는,
상기 각 화소 블록에 대응하여 각각 독립한 센스 회로가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 4항에 있어서,
상기 화소 블록의 상기 선택 수단은, 당해 화소 블록 내의 각 화소를 순환적으로 선택하여 상기 센스 회로에 선택 화소의 신호를 출력하고,
상기 센스 회로는,
전회 선택부터 금회 선택까지의 사이의 일정 기간에 있어서의 각 화소에의 광자의 입사의 유무를 판정하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 5항에 있어서,
상기 각 화소를 광자가 미입사의 상태로 리셋하는 리셋 기능을 가지며,
상기 화소 블록에서의 각 화소의 선택 출력부터 다음의 선택 출력까지의 사이에, 각 화소에서 노광 시간이 일정하게 되도록 리셋 처리를 삽입함으로써, 노광 기간의 조정을 행하는 조정 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 1항에 있어서,
상기 판정 결과 집적 회로부는,
상기 카운트 회로에서의 각 화소의 카운트 결과를 격납하기 위한 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 1항에 있어서,
상기 화소 어레이부는,
상기 복수의 화소가 행렬형상으로 배열되고,
상기 판정 결과 집적 회로부는,
각 행마다 광자 입사의 가산치를 출력하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 8항에 있어서,
상기 판정 결과 집적 회로부는,
행마다 상기 센스 회로의 판정치를 보존하여 출력하는 적어도 하나의 라인 버퍼를 포함하는 적어도 하나의 레지스터부와,
상기 라인 버퍼의 출력 데이터를 전송하는 버스와,
버스를 통해 전송된 상기 센스 회로의 판정 결과 데이터를 집적하는 카운트 처리를 행하는 카운트 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 9항에 있어서,
상기 센스 회로부는,
각 열로 복수의 화소의 판독 판정을 행하는 복수 계통의 센스 회로가 배치되고,
상기 판정 결과 집적 회로부는,
상기 레지스터부에, 각 열에서 복수 계통의 센스 회로의 판정치를 시간을 어긋내여서 판독 보존하고, 당해 레지스터부에 보존한 복수 계통부의 데이터를 상기 버스에 전송하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 1항에 있어서,
상기 각 화소를 광자가 미입사의 상태로 리셋하는 리셋 기능을 가지며,
상기 센스 회로는,
리셋 상태의 신호와, 노광 후의 판독 신호를 각각 판독하고, 어느 한쪽에 오프셋을 가하고 양자를 비교함으로써 상기 2치 판정을 실시하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
제 1항에 있어서,
상기 화소 어레이부, 상기 센스 회로부, 및 상기 판정 결과 집적 회로부를 포함하는 복수의 회로 블록이, 라인형상 또는 어레이형상으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
촬상 소자와,
상기 촬상 소자에 피사체상을 결상하는 광학계와,
상기 촬상 소자의 출력 화상 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 가지며,
상기 촬상 소자는,
광전변환 소자를 가지며, 광자 입사에 응하여 전기신호를 출력하는 화소가, 복수 어레이형상으로 배치된 수광부로서 기능하는 화소 어레이부와,
상기 화소로부터의 전기신호를 받아서, 소정 기간에 있어서의 화소에의 광자 입사의 유무를 2치 판정하는 센스 회로가, 복수 배치된 센스 회로부와,
상기 센스 회로의 복수의 판정 결과를 화소마다 또는 화소 그룹마다 집적하는 기능을 포함하고, 복수 화소에서의 복수회의 상기 판정 결과를 집적하는 포톤 카운팅을 행함으로써 수광부에의 광자 입사량을 도출하는 판정 결과 집적 회로부를 가지며,
상기 판정 결과 집적 회로부는,
상기 센스 회로의 판정 결과를 집적하는 카운트 처리를 행하는 카운트 회로를 포함하고,
복수의 상기 센스 회로가 상기 판정 결과를 집적하기 위한 카운트 회로를 공유하고 있는 것을 특징으로 하는 카메라 시스템.