(57)【要約】【課題】解像感の低下を抑制しつつ、感度を向上させることが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】入射した光子をアバランシェフォトダイオードによって電気信号に変換する単位画素と、単位画素のアバランシェフォトダイオードにより増幅された信号をしきい値と比較し、比較結果に基づいて信号をカウントするカウント部と、しきい値を複数のカウント部ごとに異なる値に設定する設定部と、しきい値が異なる値に設定された複数のカウント部のカウント数に基づいて、波長の異なる光それぞれについての光子のカウント数を算出する算出部とを備える。【選択図】  図７
2020202472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光子をアバランシェフォトダイオードによって電気信号に変換する単位画素と、
前記単位画素の前記アバランシェフォトダイオードにより増幅された信号をしきい値と比較し、比較結果に基づいて前記信号をカウントするカウント手段と、
前記しきい値を複数の前記カウント手段ごとに異なる値に設定する設定手段と、
前記しきい値が異なる値に設定された複数の前記カウント手段のカウント数に基づいて、波長の異なる光それぞれについての光子のカウント数を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記単位画素が行列方向に複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
１つの前記単位画素に対応して、複数の前記カウント手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記設定手段は、複数の前記カウント手段のそれぞれの前記しきい値を、異なる波長の光に相当するしきい値に設定することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記しきい値は、赤色光に相当する第１のしきい値と、緑色光に相当する第２のしきい値と、青色光に相当する第３のしきい値とを含むことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記しきい値は、さらに赤外光に相当する第４のしきい値を含むことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記算出手段は、複数の前記カウント手段の１つのカウント手段のカウント数から他のカウント手段のカウント数を減算することにより、前記波長の異なる光それぞれについての光子のカウント数を算出することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
１つの前記単位画素に対応して、１つの前記カウント手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記設定手段は、１つの前記カウント手段を、画像のフレームごとに異なる前記しきい値に設定することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記設定手段は、１つの前記カウント手段の前記しきい値を、前記画像のフレームごとに、赤色光に相当する第１のしきい値と、緑色光に相当する第２のしきい値と、青色光に相当する第３のしきい値とに設定することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記算出手段は、前記画像のフレームごとに設定した前記しきい値に基づいて前記カウント手段がカウントしたカウント数のうち、１つのカウント数から他のカウント数を減算することにより、前記波長の異なる光それぞれについての光子のカウント数を算出することを特徴とする請求項９または１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
複数の前記単位画素のうちの異なる単位画素を接続する接続スイッチをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記算出手段は、前記接続スイッチを接続して得られた前記カウント手段のカウント数から他のカウント手段のカウント数を減算することにより、前記波長の異なる光それぞれについての光子のカウント数を算出することを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記アバランシェフォトダイオードに印加する電圧の大きさに応じて前記しきい値を決定することを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
入射した光子をアバランシェフォトダイオードによって電気信号に変換する単位画素と、前記単位画素の前記アバランシェフォトダイオードにより増幅された信号をしきい値と比較し、比較結果に基づいて前記信号をカウントするカウント手段と、を備える撮像装置を制御する方法であって、
前記しきい値を複数の前記カウント手段ごとに異なる値に設定する設定工程と、
前記しきい値が異なる値に設定された複数の前記カウント手段のカウント数に基づいて、波長の異なる光それぞれについての光子のカウント数を算出する算出工程と、
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
各画素内にＡＤ変換回路を備えた撮像素子が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１ではアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）を利用した焦点検出用センサが開示されている。このセンサは、ＡＰＤをガイガーモードで動作させた際に発生するアバランシェ現象（アバランシェブレークダウン）を利用する。この方式においては、フォトン１個の入射をアバランシェ増幅により観測可能なレベルの単一パルスとして検出し、比較器によってカウントすることでデジタル値として取り扱う。
【０００４】
また、特許文献２には、いわゆる垂直色分離型半導体素子が開示されている。この技術では、半導体基板において深さ方向に異なるスペクトル感度を有する複数の色検出層を備え、それぞれの色検出層に対して制御配線を配置することにより、電磁波の波長に応じた垂直色分離を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−８１２５４号公報
【特許文献２】特表２００８−５００７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のような画素単位でＡＤ変換器を備える撮像素子においても、依然として電磁波の波長分離はカラーフィルタなどの透過率の異なるフィルタを用いた方式が一般的である。このいわゆるベイヤー配列では、二次元方向の異なる画素に異なる透過率特性を有するカラーフィルタを配置する必要があるため、折り返しによる微細被写体の偽色が課題となる。また、異なる色情報を備える複数の画素情報を混合させて一つの画素値を算出するため、解像感が低下するという課題がある。
【０００７】
一方、特許文献２においては、画素値を構成する複数の色情報が一つの画素から得られるため、前述の課題である偽色や解像感の低下を防ぐことが可能である。しかしながら、この垂直色分離型半導体素子はその感度が半導体基板の侵入長に依存するため、感度を上げにくいという課題がある。
【０００８】
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、解像感の低下を抑制しつつ、感度を向上させることが可能な撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係わる撮像装置は、入射した光子をアバランシェフォトダイオードによって電気信号に変換する単位画素と、前記単位画素の前記アバランシェフォトダイオードにより増幅された信号をしきい値と比較し、比較結果に基づいて前記信号をカウントするカウント手段と、前記しきい値を複数の前記カウント手段ごとに異なる値に設定する設定手段と、前記しきい値が異なる値に設定された複数の前記カウント手段のカウント数に基づいて、波長の異なる光それぞれについての光子のカウント数を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、解像感の低下を抑制しつつ、感度を向上させることが可能な撮像装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の撮像装置の第１の実施形態であるデジタルカメラの構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態における撮像素子の構成図。
【図３】ＡＰＤを備える画素の一般的な等価回路図。
【図４】ＡＰＤのガイガーモードの遷移を説明する模式図。
【図５】半導体層の構成と電磁波の増幅距離の概念を説明する模式図。
【図６】第１の実施形態における単位画素の回路構成を示す模式図。
【図７】フォトン入射時のパルス波高とカウント数を示す模式図。
【図８】第２の実施形態におけるしきい値変更の概念を示す模式図。
【図９】第３の実施形態における各画素の回路構成を示す模式図。
【図１０】第４の実施形態における各画素の回路構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（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。
【００１４】
図１において、レンズ部１０１は、被写体の光学像を撮像素子１０３に結像させる。レンズ部１０１は、レンズ駆動回路１０２によって駆動される。そして、ズームレンズを駆動することによるズーム制御、フォーカスレンズを駆動することによるフォーカス制御、絞りを駆動することで入射光量や被写界深度を調整する絞り制御などが行われる。撮像素子１０３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を生成する。画像処理回路１０４は、撮像素子１０５から出力される画像信号に対して、各種の補正処理、現像処理、データ圧縮処理などを行う。
【００１５】
タイミング発生回路１０５は、撮像素子１０３を駆動するための各種タイミング信号を生成して出力する。制御回路１０６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。メモリ部１０７は、画像データを一時的に記憶する。記録回路１０８は、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体に画像データを記録、または記録媒体から画像データを読み出す。操作回路１０９は、ユーザーからの命令を受け付ける。表示回路１１０は各種情報や撮影画像を表示する。
【００１６】
次に、図２を参照して本実施形態における撮像素子１０３について説明する。図２は、撮像素子１０３の概略構成を示す図である。
【００１７】
撮像素子１０３は、センサ基板２０１と回路基板２０２から成り、それらを互いに積層した積層構造を有する。なお、同様の機能を具備するならば積層構造に限らず単層構造の素子であってもよい。
【００１８】
センサ基板２０１には、複数の単位画素２０３が行列方向に２次元配置（複数配置）された画素アレイが形成される。この単位画素２０３には、入射光の集光効率を向上させるためのマイクロレンズ４０１（図５参照）が配置されている。ここで単位画素２０３の詳細な回路構成については後述する。
【００１９】
回路基板２０２は、計数部２０４、信号処理回路２０５、基板メモリ２０６を備えて構成される。計数部２０４は、センサ基板２０１の単位画素毎にバンプ等で電気的に接続され、単位画素２０３を駆動する制御信号を出力すると共に、画素からのバッファ出力を受信する。
【００２０】
計数部２０４は、対応する単位画素毎に、あるしきい値Ｖｔｈによりフォトンの有無を判定する比較器３０４及びカウンタ３０５（図３参照）を備え、入射されたフォトンに応じて出力されるパルス数を計測する。計数部２０４により計測されたカウント値は、信号処理回路２０５によって各種演算処理が施され外部に出力される。
【００２１】
また、基板メモリ２０６は、ＤＲＡＭ等の揮発性メモリであり、計数部２０４からの信号を信号処理回路２０５で処理する際に一時的にデータを保持する目的等で用いられる。
【００２２】
次に、図３を用いて単位画素２０３の構成について説明する。図３は、センサ基板２０１に形成される単位画素２０３の等価回路図である。本実施形態では、各単位画素に、アバランシェフォトダイオードを用いるものとする。
【００２３】
単位画素２０３は、クエンチ抵抗３０１、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）３０２、バッファ３０３を備えて構成される。ＡＰＤ３０２には、クエンチ抵抗を介して逆バイアス電圧ＨＶＤＤが印加される。このとき電圧ＨＶＤＤは、ＡＰＤをガイガーモードにするための降伏電圧以上となるように設定される。バッファ３０３の出力である電気信号は、計数部２０４内の比較器３０４により基準電圧と比較され、比較結果がカウンタ３０５に入力される。
【００２４】
ここで、図４を用いてフォトン入射時の単位画素２０３の動作について説明する。図４は、ＡＰＤの電流電圧特性を示している。本実施形態では、ＡＰＤ３０２のカソードは降伏電圧を超える電圧ＨＶＤＤに接続され、ＡＰＤ３０２はガイガーモードとなる。
ここでＡＰＤ３０２にフォトンが入射すると、ＡＰＤ３０２ではアバランシェ増幅による大電流（光電流）が流れる（動作Ａ）。この電流が流れると同時にクエンチ抵抗３０１によって電圧降下が発生し、ＡＰＤ３０２に印加される電圧が降伏電圧未満となり、アバランシェ増幅が止まる（動作Ｂ）。
【００２５】
アバランシェ増幅が止まると、ＡＰＤ３０２のカソードは再び電圧ＨＶＤＤによりチャージされ、ガイガーモードに戻る（動作Ｃ）。動作Ａ〜Ｃによるバッファ入力端の電圧変化はバッファ３０３によってパルス整形され、比較器３０４、カウンタ３０５によって計測される。これを繰り返すことにより、ＡＰＤ３０２に入射したフォトンの数を計測することが可能となる。
【００２６】
図５は、本実施形態における電磁波の増幅距離の概念を説明する模式図である。図５は特に、半導体内部における受光領域とアバランシェ増幅を起こす高電界領域を示す断面図である。
【００２７】
ここで、単位画素２０３には、入射光の集光効率を向上させるためのマイクロレンズ４０１が配置されている。第１導電型領域としてのＮ型エピタキシャル層４０２（Ｎ−Ｅｐｉ）は、受光領域の一部として機能する。第２導電型領域としてのＰ型半導体領域４０３（Ｐ）には、コンタクト電極を介して大きな負電圧（例えば−２０Ｖ）が与えられる。
【００２８】
第１導電型領域４０４（Ｎ＋）は、クエンチ抵抗を介して電圧ＨＶＤＤ（例えば３Ｖ）による逆バイアス電圧が与えられ、Ｐ型半導体領域４０３との間で形成されるＰＮ接合フォトダイオードのカソード端子として機能する。また、Ｐ型半導体領域４０３との間で形成される空乏化領域に入射したフォトンを光電変換した際に生じる電子に対してアバランシェ増倍を起こす機能も有する。低濃度の第１導電型領域４０５（Ｎ−）は第１導電型領域４０４よりも低濃度の第１導電型領域であり、隣接画素に対して高電界影響を緩和するガードリングとしての機能を備える。
【００２９】
ここで、フォトンが図５の下部から入射したとする。青色光（Ｂ）のような波長の短い電磁波は侵入長が短いため、フォトダイオードの表層部で光電変換される。一方、赤色光（Ｒ）のような波長の長い電磁波は侵入長が長いため、フォトダイオードの深層部まで侵入し光電変換が行われる。
【００３０】
この際、青色光（Ｂ）は、表層から高電界領域までの距離が比較的長くなるため、アバランシェ増幅率（パルス波高）が高くなるイベントが支配的になる。一方、赤色光（Ｒ）は、深層部まで侵入し、高電界領域までの距離が短いイベントが含まれるため、アバランシェ増幅率（パルス波高）が相対的に低下する。また、波長ごとにイベントの発生する頻度（感度）は、フォトダイオードの表層部で光電変換される青色光（Ｂ）に対して、フォトダイオードの深層部で光電変換される赤色光（Ｒ）の方が高くなる傾向にある。
【００３１】
ここで、計数部のしきい値Ｖｔｈを所定値より低く設定した場合、赤色光（Ｒ）から青色光（Ｂ）までのすべての波長域でイベントが検出されうる。しかし、計数部のしきい値Ｖｔｈを所定値より高く設定した場合、例えばパルス波高の高い青色光（Ｂ）の波長域のみイベントが検出されうる。
【００３２】
図６は、第１の実施形態における単位画素及び計数部の回路構成を示す模式図である。図６は、単位画素２０３及び計数部内の各ブロックの接続パターンを示している。なお、図６においても、図２、図３で説明したように、単位画素２０３はセンサ基板２０１上に配置され、計数部は回路基板２０２上に配置されている。
【００３３】
ここで、クエンチ抵抗３０１、ＡＰＤ３０２は図３と同様であるが、簡略化のためバッファ３０３は不図示としている。計数部５０１Ａ，５０１Ｂ，５０１Ｃは、第１の画素に対応する計数部（比較器及びカウンタ）である。ここでは３つの計数部に１つの画素からの信号が接続されており、計数部５０１Ａ，５０１Ｂ，５０１Ｃは、それぞれ異なるしきい値Ｖｔｈを持つように設定される。なお、本実施形態では、１つの画素に対して３つの計数部を設けているが、これに限らず、１つの画素に対して２つあるいは４つ以上の計数部を設けてもかまわない。
【００３４】
続いて図７を用いて、単位画素から出力されるパルスとカウント数との関係について説明する。図７は、横軸を時間として、フォトン入射時のパルス波形と計数部でカウントされるカウント数を示す模式図である。
【００３５】
ここで、図７（ａ）は、第１の画素に光子が入射することによるイベントａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆが発生した場合を表す。また、図７（ｂ）は、計数部５０１Ａ，５０１Ｂ，５０１Ｃがそれぞれのしきい値Ｖｔｈに対応して検出されたイベントをカウントする際のカウント値の上昇を示している。ここで、計数部５０１Ａには、波長の長い（増幅が弱い）赤色光（Ｒ）に相当するしきい値が設定される。同様に計数部５０１Ｂには、波長の中程度の緑色光（Ｇ）に相当するしきい値が設定される。同様に計数部５０１Ｃには、波長の短い（増幅が強い）青色光（Ｂ）に相当するしきい値が設定される。それぞれのイベントでは波長に応じたアバランシェ増幅が発生し、パルスは時間分解されているものとする。
【００３６】
まず、計数部５０１Ａにおいては、第１の画素に光子が入射することにより発生するイベントａからｆがすべてカウントされ、この例では６カウントとして出力される。一方、計数部５０１Ｂにおいては、第１の画素に光子が入射することにより発生するイベントｂ，ｃ，fがカウントされ、この例では３カウントとして出力される。同様に、計数部５０１Ｃにおいては、第１の画素に光子が入射することにより発生するイベントｂ，ｆのみがカウントされ、この例では２カウントとして出力される。
【００３７】
上記構成における各計数部のカウント値から、色分離された信号出力を以下のように算出する。ここでは赤色光のカウント値をＲ、緑色光のカウント値をＧ、青色光のカウント値をＢと定義する。
【００３８】
まず、計数部５０１Ａからは、赤色光、緑色光、青色光の全て波長の入射光により発生したイベントであるＲ＋Ｇ＋Ｂのカウント値が出力される。同様に計数部５０１Ｂからは、緑色光と青色光の波長の入射光により発生したイベントであるＧ＋Ｂのカウント値が出力される。同様に計数部５０１Ｃからは、青色光の波長の入射光のみにより発生したイベントであるＢのカウント値が出力される。
【００３９】
すなわち、青色光に対応する出力値は計数部５０１ＣのＢがそのまま適用され、すなわち前述の例では２カウントとなる。次に、緑色光に対応する出力値は計数部５０１Ｂの出力値から計数部５０１Ｃの出力値を減算することにより、（Ｇ＋Ｂ）−Ｂ＝Ｇと求められる。すなわち前述の例では３−２＝１カウントとなる。次に、赤色光に対応する出力値は計数部５０１Ａの出力値から計数部５０１Ｂの出力値を減算することにより、（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）−（Ｇ＋Ｂ）＝Ｒと求められる。すなわち前述の例では６−３＝３カウントとなる。
【００４０】
このように、本実施形態では、電磁波の波長に応じてしきい値を変化させて得られたカウント値から演算で各色の出力を分離することにより、一つの画素で垂直色分離を実現している。つまり、ベイヤー配列の画素を有する撮像素子に比較して解像度を向上させることができる。また、ＡＰＤによるパルス増幅を行っているため、従来の垂直色分離方式に比べて感度を向上させることができる。なお、本実施形態では、赤色光、緑色光、青色光の入射光を例にとって説明したが、これに限られるものではない。すなわち、光の波長に応じてしきい値を設定することにより、任意の波長の光に応じた出力値を得ることができる。
【００４１】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、画素単位でＡＤ変換を実現する撮像素子において、単一画素で色分離とパルス増幅を実施することにより、偽色や解像感の低下を抑制しつつ、撮像素子の感度を向上させるという効果を奏することができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、一つの画素に複数の計数部を設置する必要がある。この第２の実施形態では、より画素の微細化（開口率向上）や消費電力低減を図ることができる構成について説明する。
【００４３】
第２の実施形態では、単位画素２０３の構成は、図３と同様に一つの画素に計数部を一つ備える構成とする。図８は第２の実施形態におけるしきい値変更の概念を示す模式図である。
【００４４】
図８は、撮影のフレームに対して計数部２０４のしきい値Ｖｔｈを変化させていくことを示す。例えば、１フレーム目の撮影においては波長の長い（増幅が弱い）赤色光（Ｒ）に相当するしきい値が設定される。同様に２フレーム目の撮影においては波長の中程度の緑色光（Ｇ）に相当するしきい値が設定される。同様に３フレーム目の撮影においては波長の短い（増幅が強い）青色光（Ｂ）に相当するしきい値が設定される。
【００４５】
このように、第２の実施形態によれば、複数フレームにまたがって取得されたカウント値から第１の実施形態と同様の演算で各色を分離することにより、一つの計数部で垂直色分離を実現することができる。また、計数部を第１の実施形態に比べて減らすことにより、画素の微細化（開口率向上）や低消費電力化を図ることができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態における各単位画素の回路構成を示す模式図である。図９に示すように本実施形態では、センサ基板２０１の単位画素２０３を構成する第１乃至第３の単位画素の出力を混合することができる。なお、図９においても、図２、図３で説明したように、単位画素２０３はセンサ基板２０１上に配置され、計数部は回路基板２０２上に配置されている。
【００４７】
計数部６０１Ａは、第１の画素に対応する計数部（比較器及びカウンタ）であり、計数部６０１Ｂ，６０１Ｃは、それぞれ第２、第３の画素に対応する計数部である。ここで、第１の画素と第２の画素との間には、それぞれの画素を接続するスイッチ６０２Ａが設けられている。また、第２の画素と第３の画素との間には、それぞれの画素を接続するスイッチ（接続スイッチ）６０２Ｂが設けられている。ここで言うスイッチとは一般的なＭＯＳトランジスタ等が挙げられる。
【００４８】
ここでスイッチ６０２Ａ，６０２Ｂをオンとした状態を考える。第１の画素に光子が入射することにより発生するイベントは、計数部６０１Ａの他に、スイッチを介して計数部６０１Ｂ，６０１Ｃにおいてもカウントされる。同様に、第２、第３の画素に光子が入射することにより発生するイベントは、計数部６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃにおいてカウントされる。
【００４９】
ここで、第１の実施形態と同様に、各画素の計数部ごとに異なるしきい値を設定する。つまり、計数部６０１Ａに赤色光（Ｒ）に相当するしきい値を、計数部６０１Ｂに緑色光（Ｇ）に相当するしきい値を、計数部６０１Ｃに青色光（Ｂ）に相当するしきい値を設定する。
【００５０】
その結果として、計数部６０１Ａからは、第１、第２、第３の画素の出力が混合され、かつ、赤色光、緑色光、青色光の全ての波長の入射光により発生したイベントであるＲ＋Ｇ＋Ｂのカウント値が出力される。同様に計数部６０１Ｂからは、第１、第２、第３の画素の出力が混合され、かつ、緑色光と青色光の波長の入射光により発生したイベントであるＧ＋Ｂのカウント値が出力される。一方、計数部６０１Ｃからは、第１、第２、第３の画素の出力が混合され、かつ、青色光の波長の入射光のみにより発生したイベントであるＢのカウント値が出力される。
【００５１】
第１の実施形態と同様に、緑色光に対応する出力値は、計数部６０１Ｂの出力値から計数部６０１Ｃの出力値を減算することにより、（Ｇ＋Ｂ）−Ｂ＝Ｇと求められる。次に、赤色光に対応する出力値は、計数部６０１Ａの出力値から計数部６０１Ｂの出力値を減算することにより、（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）−（Ｇ＋Ｂ）＝Ｒと求められる。
【００５２】
このようにすることで、一つの画素に複数の計数部を設けることなく、画素混合と色分離を同時に実現することができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、各画素の電圧ＨＶＤＤを変えることができる構成となっている。例えば、第２の画素の電圧ＨＶＤＤ２を第１の画素の電圧ＨＶＤＤ１、第３の画素の電圧ＨＶＤＤ３より高くし、フォトンの検出確率を増大させるようにしてもよい。また、その際には、計数部６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃのしきい値の全てまたは一部を変更可能に決定できる構成としてもよい。
【００５４】
以上説明したように、第３の実施形態によれば、画素単位でＡＤ変換を実現する撮像素子において、混合画素で色分離とパルス増幅を実施することにより偽色や解像感の低下を抑制しつつ、撮像素子の感度を向上させる効果を奏することができる。
【００５５】
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態における各単位画素の回路構成を示す模式図である。図１０に示すように本実施形態では、センサ基板２０１の単位画素２０３を構成する第１及び第２の画素からなる縦２画素、第３及び第４の画素からなる横２画素の出力を混合することができる。
【００５６】
計数部７０１Ａは、第１の画素に対応する計数部（比較器及びカウンタ）であり、計数部７０１Ｂ，７０１Ｃ，７０１Ｄは、それぞれ第２、第３、第４の画素に対応する計数部である。ここで第１の画素と第２の画素との間には、それぞれの画素を接続するスイッチ７０２Ａが設けられている。また、第２の画素と第３の画素との間には、それぞれの画素を接続するスイッチ７０２Ｂが設けられている。また、第３の画素と第４の画素との間には、それぞれの画素を接続するスイッチ７０２Ｃが設けられている。また、第４の画素と第１の画素との間には、それぞれの画素を接続するスイッチ７０２Ｄが設けられている。
【００５７】
ここで、４つのスイッチを全てオンとした状態を考える。第１の画素に光子が入射することにより発生するイベントは、計数部７０１Ａの他に、スイッチを介して計数部７０１Ｂ，７０１Ｃ，７０１Ｄの全てでカウントされる。第２、第３、第４の画素に光子が入射することにより発生するイベントも同様である。
【００５８】
ここで、第１の実施形態と同様、各画素の計数部ごとに異なるしきい値を設定する。つまり、計数部７０１Ａに赤色光（Ｒ）に相当するしきい値を、計数部７０１Ｂに緑色光（Ｇ）に相当するしきい値を、計数部７０１Ｃに青色光（Ｂ）に相当するしきい値を設定する。さらに、本実施形態では、計数部７０１Ｄに、赤色光よりさらに長波長側の赤外光（ＩＲ）に相当するしきい値を設定する。なお、計数部７０１Ｄには、緑色光（Ｇ）に相当するしきい値が設定されてもよい。
【００５９】
その結果として、計数部７０１Ａからは、第１、第２、第３、第４の画素の出力が混合され、かつ、赤色光、緑色光、青色光の波長の入射光により発生したイベントであるＲ＋Ｇ＋Ｂのカウント値が出力される。同様に計数部７０１Ｂからは、第１、第２、第３、第４の画素の出力が混合され、かつ、緑色光と青色光の波長の入射光により発生したイベントであるＧ＋Ｂのカウント値が出力される。一方、計数部７０１Ｃからは、第１、第２、第３、第４の画素の出力が混合され、かつ、青色光の波長の入射光のみにより発生したイベントであるＢのカウント値が出力される。さらに、計数部７０１Ｄからは、第１、第２、第３、第４の画素の出力が混合され、かつ、赤色光、緑色光、青色光、赤外光の全ての波長の入射光により発生したイベントであるＲ＋Ｇ＋Ｂ＋ＩＲのカウント値が出力される。
【００６０】
第１の実施形態と同様に、緑色光に対応する出力値は、計数部７０１Ｂの出力から計数部７０１Ｃの出力を減算することにより、（Ｇ＋Ｂ）−Ｂ＝Ｇと求められる。次に、赤色光に対応する出力値は、計数部７０１Ａの出力値から計数部７０１Ｂの出力値を減算することにより、（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）−（Ｇ＋Ｂ）＝Ｒと求められる。さらに、赤外光に対応する出力値は、計数部７０１Ｄの出力値から計数部７０１Ａの出力値を減算することにより、（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＋ＩＲ）−（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）＝ＩＲと求められる。
【００６１】
このようにすることで、一つの画素に複数の計数部を設けることなく画素混合と色分離を同時に実現することができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、各画素を縦２画素×横２画素で混合したが、組み合わせはこれに限られるものではない。例えば、縦２画素のみ、横２画素のみといった構成も可能である。
【００６３】
以上説明したように、第４の実施形態によれば、画素単位でＡＤ変換を実現する撮像素子において、混合画素で色分離とパルス増幅を実施することにより、偽色や解像感の低下を抑制しつつ、撮像素子の感度を向上させる効果を奏することができる。
【００６４】
（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。
【００６５】
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。
【符号の説明】
【００６６】
１００：デジタルカメラ、１０１：レンズ部、１０３：撮像素子、１０４：画像処理回路、１０６：制御回路、２０１：センサ基板、２０２：回路基板、２０３：単位画素、２０４，５０１，６０１，７０１：計数部、３０１：クエンチ抵抗、３０２：アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、３０４：比較器、３０５：カウンタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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