(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジの向上を実現し得る固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供する。【解決手段】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がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記センサ部から発せられるパルスの数をカウントする第１のカウンタと、前記第１のカウンタのカウント値に基づく信号を出力する出力部とを備え、前記出力部は、前記第１のカウンタのカウント値が所定期間中に所定値に達しない場合には、前記第１のカウンタのカウント値に応じた第１の信号を出力し、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達した場合には、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定値に達した時間に応じた第２の信号を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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がそれぞれ備えられた複数の画素と、
前記センサ部から発せられるパルスの数をカウントする第１のカウンタと、
前記第１のカウンタのカウント値に基づく信号を出力する出力部とを備え、
前記出力部は、前記第１のカウンタのカウント値が所定期間中に所定値に達しない場合には、前記第１のカウンタのカウント値に応じた第１の信号を出力し、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達した場合には、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定値に達した時間に応じた第２の信号を出力する
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記複数の画素の各々に前記第１のカウンタが備えられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数の画素の各々に前記出力部が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
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３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１の信号は、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達していないことを示す情報を含み、
前記第２の信号は、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達したことを示す情報を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
クロックパルスの数をカウントする第２のカウンタを更に備え、
前記第１のカウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達した場合には、前記画素は、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定値に達した際における前記第２のカウンタのカウント値に応じた前記第２の信号を出力することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記画素は、前記第２のカウンタのカウント値を保持するメモリを更に備えることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１のカウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達した場合には、前記第１のカウンタは、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定値に達した以降におけるクロックパルスの数をカウントし、前記所定期間が終了するまでにカウントした前記クロックパルスの数に応じた前記第２の信号を出力することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記所定期間は、前記第１のカウンタによって前記パルスの数のカウントが行われる期間よりも短いことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記第２の信号に基づいて、前記所定期間中における前記パルスの数を推計する画像処理部を更に備えることを特徴とした請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
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がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記センサ部から発せられるパルスの数をカウントする第１のカウンタと、前記第１のカウンタのカウント値に基づく信号を出力する出力部とを備え、前記出力部は、前記第１のカウンタのカウント値が所定期間中に所定値に達しない場合には、前記第１のカウンタのカウント値に応じた第１の信号を出力し、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達した場合には、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定値に達した時間に応じた第２の信号を出力する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される前記第１の信号又は前記第２の信号に対して所定の処理を行う制御部と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
光子の受光頻度に応じた頻度でセンサ部から発せられるパルスの数をカウントするカウンタのカウント値が所定期間中に所定値に達しない場合には、前記カウンタのカウント値に応じた第１の信号を出力し、前記カウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達した場合には、前記カウンタのカウント値が前記所定値に達した時間に応じた第２の信号を出力するステップと、
前記第１の信号又は前記第２の信号を読み出すステップと
を有することを特徴とする撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子を備えた撮像装置が広く普及している。新しい方式のイメージセンサとして、特許文献１に示すようなイメージセンサが提案されている。特許文献１に開示されたイメージセンサには、以下のような信号処理回路が各画素に備えられている。特許文献１では、光電変換素子で生成された電荷を蓄積する蓄積容量と、蓄積容量の電圧を基準電圧と比較し、両者が一致したときにパルスを出力する比較器と、比較器の出力により蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻すリセット手段とが各画素に備えられている。一方、特許文献２には、アバランシェダイオードを受光素子として用いて飛行時間法（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）法に基づく測距を行う光学的測距装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１７３４３２号公報
【特許文献２】特開２０１４−７７６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術では、必ずしも十分にダイナミックレンジの広い画像は得られなかった。
本発明の目的は、ダイナミックレンジの向上を実現し得る固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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がそれぞれ備えられた複数の画素と、前記センサ部から発せられるパルスの数をカウントする第１のカウンタと、前記第１のカウンタのカウント値に基づく信号を出力する出力部とを備え、前記出力部は、前記第１のカウンタのカウント値が所定期間中に所定値に達しない場合には、前記第１のカウンタのカウント値に応じた第１の信号を出力し、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定期間中に前記所定値に達した場合には、前記第１のカウンタのカウント値が前記所定値に達した時間に応じた第２の信号を出力することを特徴とする固体撮像素子が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ダイナミックレンジの向上を実現し得る固体撮像素子、撮像装置及び撮像方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態による固体撮像素子を示す図である。
【図２】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。
【図３】第１実施形態による固体撮像素子の動作の他の例を示すタイミングチャートである。
【図４】第１実施形態による固体撮像素子の構成を示す図である。
【図５】第１実施形態による撮像装置を示すブロック図である。
【図６】画素信号値の構成の例を示す図である。
【図７】第２実施形態による固体撮像素子を示す図である。
【図８】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。
【図９】第３実施形態による固体撮像素子を示す図である。
【図１０】第３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。
【図１１】画素信号値の構成の例を示す図である。
【図１２】第４実施形態による固体撮像素子を示す図である。
【図１３】第４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。
【図１４】画素信号値の構成の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。以下の説明においては、デジタル信号のＨｉｇｈレベルを、「Ｈｉｇｈ」と表記する場合もある。また、同様に、デジタル信号のＬｏｗレベルを、「Ｌｏｗ」と表記する場合もある。また、デジタル信号のＨｉｇｈレベルを、デジタル値の１として扱い、１６進数で「０ｘ１」と表記する場合もある。また、同様に、デジタル信号のＬｏｗレベルを、デジタル値の０として扱い、１６進数で「０ｘ０」と表記する場合もある。
【０００９】
［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、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態による固体撮像素子１００は、垂直走査部１０１と、タイミングジェネレータ（ＴＧ：Ｔｉｍｉｎｇ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１０２と、列メモリ１０３と、水平走査部１０４と、時間カウンタ１０６とを備えている。また、固体撮像素子は、行列状、即ち、マトリクス状に配された複数の画素１１０を備えている。なお、ここでは、説明の簡略化のため、４つの画素１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄが図示されているが、実際には多数の画素１１０が固体撮像素子１００に備えられている。また、画素一般について説明する際には、符号１１０を用い、個々の画素について説明する際には、符号１１０ａ〜１１０ｄを用いることとする。［３：０］はビット幅が４の信号であることを示している。
【００１１】
タイミングジェネレータ１０２は、制御部５０４（図５参照）から供給される制御信号等に基づいて、固体撮像素子１００の各部を制御するための信号を生成する。タイミングジェネレータ１０２には、制御部５０４から同期信号ＶＤ等が供給される。タイミングジェネレータ１０２は、垂直走査部１０１、列メモリ１０３、水平走査部１０４、及び、時間カウンタ１０６の各々に対して各種の信号等を供給する。また、タイミングジェネレータ１０２は、各々の画素１１０に対して、制御信号ＷＲＴを供給する。タイミングジェネレータ１０２は、固体撮像素子１００の各部を制御する制御部（制御手段）として機能し得る。
【００１２】
各々の画素１１０には、フォトダイオード１１１と、クエンチ素子１１２と、インバータ１１３と、光子カウンタ１１４と、選択スイッチ１１５と、画素メモリ１１６とがそれぞれ備えられている。また、各々の画素１１０には、ＯＲ回路１１７と、遅延回路１１８と、読み出しスイッチ１１９とが更にそれぞれ備えられている。
【００１３】
フォトダイオード１１１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１１１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１１１のカソードはクエンチ素子（クエンチ抵抗）１１２の一端に接続されている。クエンチ素子１１２の他端にはバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。フォトダイオード１１１には、クエンチ素子１１２を介してフォトダイオード１１１の降伏電圧より大きいバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。このため、フォトダイオード１１１はガイガーモードで動作する。即ち、フォトダイオード１１１に光子（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、クエンチ素子１１２において電圧降下が生ずる。クエンチ素子１１２は、フォトダイオード１１１のアバランシェ増倍現象を停止されるための抵抗素子である。ここでは、ＭＯＳトランジスタの抵抗成分を利用してクエンチ素子１１２が構成されている。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、クエンチ素子１１２において電圧降下が生じ、フォトダイオード１１１に印加されるバイアス電圧が降下する。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１１１には、再びバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。フォトダイオード１１１のカソードと、クエンチ素子１１２の一端と、インバータ１１３の入力端子とは、ノードＰＬＳａにおいて互いに接続されている。インバータ１１３の出力端子と光子カウンタ１１４の入力端子とは、ノードＰＬＳｄにおいて互いに接続されている。フォトダイオード１１１に光子が入射すると、上記のような現象が生ずるため、ノードＰＬＳａにおいて電圧変化が生じる。インバータ１１３は、ノードＰＬＳａにおける電圧変化に応じてパルス信号ＰＬＳを生成し、生成したパルス信号ＰＬＳをノードＰＬＳｄに出力する。こうして、波形整形されたパルス信号ＰＬＳがインバータ１１３から出力される。このように、センサ部４０３（図４参照）においては、フォトダイオード１１１に光子が入射すると、光子の受光頻度に応じた頻度でインバータ１１３からパルス信号ＰＬＳが出力される。バイアス電圧Ｖｂｉａｓは、例えば＋２０Ｖ程度とすることができるが、これに限定されるものではない。例えば、フォトダイオード１１１のアノードを負の電位に接続してもよい。
【００１４】
光子カウンタ１１４は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのパルス数をカウントする。光子カウンタ１１４のビット（ｂｉｔ）幅は、例えば１６である。ビット幅が１６の光子カウンタ１１４がカウント可能な上限値、即ち、カウント上限値は、０ｘＦＦＦＦ（１０進数で６５５３５）である。但し、ここでは、説明を簡略化すべく、ビット幅が４の光子カウンタ１１４を用いて説明することとする。ビット幅が４の光子カウンタ１１４のカウント上限値は、０ｘＦ（１０進数で１５）である。以下の説明においては、光子カウンタ１１４によるカウント値を、光子カウント値と称することとする。光子カウンタ１１４には、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号（リセットパルス）ＲＥＳが入力される。光子カウンタ１１４のカウント値は、リセット信号ＲＥＳによって０ｘ０にリセットされる。リセットが解除されると、光子カウンタ１１４は、パルス信号ＰＬＳのカウントを開始する。光子カウンタ１１４は、光子カウント値に応じて、信号ＦＬＡＧを出力する。より具体的には、光子カウンタ１１４は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達しない場合には、信号ＦＬＡＧの値を０ｘ０とする。また、光子カウンタ１１４は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した場合には、信号ＦＬＡＧの値を０ｘ１とする。信号ＦＬＡＧのビット幅は、例えば１である。光子カウンタ１１４のビット幅が１６である場合、所定値Ｃｍａｘを例えば０ｘＦＦＦＦ（１０進数で６５５３５）とする。但し、ここでは、上述したように、光子カウンタ１１４のビット幅が４である場合を例に説明するため、所定値Ｃｍａｘを例えば０ｘＦ（１０進数で１５）とする。
【００１５】
時間カウンタ１０６には、タイミングジェネレータ１０２から所定の周期で出力されるクロック信号ＣＬＫが入力される。時間カウンタ１０６はクロック信号ＣＬＫのパルス数、即ち、クロックパルスの数をカウントする。時間カウンタ１０６のビット幅は、光子カウンタ１１４のビット幅と同様に１６であり、時間カウンタ１０６のカウント上限値は０ｘＦＦＦＦ（１０進数で６５５３５）である。但し、ここでは、説明を簡略化すべく、ビット幅が４の時間カウンタ１０６を用いて説明することとする。以下の説明においては、時間カウンタ１０６によるカウント値を、時間カウント値又はＴＩＭＥと称することとする。時間カウンタ１０６には、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳが入力される。時間カウンタ１０６のカウント値は、リセット信号ＲＥＳによって０ｘ０にリセットされる。
【００１６】
選択スイッチ１１５は、光子カウンタ１１４から出力される信号ＦＬＡＧによって制御される。具体的には、信号ＦＬＡＧが０ｘ０である場合には、選択スイッチ１１５は、光子カウンタ１１４から出力される光子カウント値が画素メモリ１１６に入力されるような状態に設定される。一方、信号ＦＬＡＧが０ｘ１である場合には、選択スイッチ１１５は、時間カウンタ１０６から出力される時間カウント値が画素メモリ１１６に入力されるような状態に設定される。換言すれば、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達していない場合には、光子カウント値が画素メモリ１１６に入力され、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した場合には、時間カウント値が画素メモリ１１６に入力されるようになっている。画素メモリ１１６には、選択スイッチ１１５を介して入力される光子カウント値又は時間カウント値の他に、信号ＦＬＡＧの値も入力される。即ち、画素メモリ１１６には、光子カウント値と時間カウント値とのうちのいずれかと信号ＦＬＡＧの値（情報）とを含む画素信号値が入力される。画素メモリ１１６は、ＯＲ回路１１７の出力信号のレベルが０ｘ０から０ｘ１に変化したタイミングで、選択スイッチ１１５を介して入力されている画素信号値を保持する。光子カウント値や時間カウント値のビット幅が例えば１６であり、信号ＦＬＡＧのビット幅が１である場合、これらをあわせた画素信号値のビット幅は１７である。従って、画素メモリ１１６のビット幅は１７となっている。但し、ここでは、説明の簡略化を図るべく、ビット幅が４の光子カウンタ１１４や時間カウンタ１０６を用いて説明が行われるため、ビット幅が５の画素信号値が画素メモリ１１６に保持されるような説明となる。
【００１７】
ＯＲ回路（ＯＲゲート）１１７には、遅延回路（ｄｅｌａｙ）１１８から出力される信号と、タイミングジェネレータ１０２から出力される制御信号ＷＲＴとが入力されるようになっている。ＯＲ回路１１７は、遅延回路１１８から出力される信号とタイミングジェネレータ１０２から出力される制御信号ＷＲＴとの論理和をとり、演算結果を出力する。ＯＲ回路１１７は、入力される信号のうちのいずれか一方がＨｉｇｈレベルの際には、Ｈｉｇｈレベルの信号を出力する。遅延回路１１８には、光子カウンタ１１４から出力される信号ＦＬＡＧが入力されるようになっている。遅延回路１１８は、信号ＦＬＡＧを所定時間だけ遅延させ、遅延させた信号ＦＬＡＧをＯＲ回路１１７に出力する。
【００１８】
このように、本実施形態では、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した場合には、時間カウント値が画素メモリ１１６に入力される。そして、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達してから所定の遅延時間が経過すると、ＯＲ回路１１７から出力される信号のレベルが０ｘ０から０ｘ１に変化し、画素メモリ１１６が、時間カウント値と、信号ＦＬＡＧの値０ｘ１とを保持する。一方、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達しない場合には、光子カウント値が画素メモリ１１６に入力される。そして、制御信号ＷＲＴが０ｘ０から０ｘ１に変化すると、画素メモリ１１６は、光子カウント値と、信号ＦＬＡＧの値０ｘ０とを保持する。なお、画素メモリ１１６のカウント値は、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳによって０ｘ０にリセットされる。
【００１９】
垂直走査部１０１には、水平方向に延在する複数の制御線が接続されている。垂直走査部１０１は、これらの制御線に読み出し信号ＲＥＡＤを順次供給する。読み出し信号一般について説明する際には、符号ＲＥＡＤを用い、個々の読み出し信号について説明する際には、符号ＲＥＡＤｎ、ＲＥＡＤｎ＋１を用いることとする。読み出し信号ＲＥＡＤｎは、第ｎ番目の行に位置する制御線に印加される読み出し信号である。読み出し信号ＲＥＡＤｎ＋１は、第ｎ＋１番目の行に位置する制御線に印加される読み出し信号である。同じ行に位置する複数の画素１１０には、同じ制御線を介して読み出し信号ＲＥＡＤが供給される。
【００２０】
列メモリ１０３には、垂直方向に延在する複数の信号線（垂直信号線、出力信号線）１０５が接続されている。なお、信号線一般について説明する際には、符号１０５を用い、個々の信号線について説明する際には、符号１０５ａ，１０５ｂを用いることとする。画素メモリ１１６から出力される信号が、読み出しスイッチ１１９、出力部１２０及び信号線１０５を介して、列メモリ１０３に出力される。読み出しスイッチ１１９は、垂直走査部１０１から供給される読み出し信号ＲＥＡＤが０ｘ０の際にはＯＦＦ状態となり、読み出し信号ＲＥＡＤが０ｘ１の際にはＯＮ状態となる。垂直走査部１０１から供給される読み出し信号ＲＥＡＤによって選択される行に位置する複数の画素１１０からそれぞれ出力される信号値、即ち、画素信号値が、信号線１０５をそれぞれ介して列メモリ１０３に書き込まれる。列メモリ１０３は、各々の画素１１０から読み出された画素信号値をそれぞれ保持する。水平走査部１０４は、列メモリ１０３に保持された各々の画素信号値を、出力線Ｏｕｔｐｕｔを介して画像処理部５０２（図５参照）に順次出力する。
【００２１】
図２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、複数の画素１１０のうちの画素１１０ａの動作に着目して説明する。図２は、１つの画像の撮像期間に対応する計数期間中、即ち、所定期間中に、画素１１０ａに備えられた光子カウンタ１１４のカウント値が所定値Ｃｍａｘに達しない場合を例として示している。［０］はビット幅が１の信号であることを示しており、［３：０］はビット幅が４の信号であることを示しており、［４：０］はビット幅が５の信号であることを示している。
【００２２】
タイミングｔ２０１からタイミングｔ２０５までの期間は、同期信号の周期に対応する期間である１Ｖ期間である。タイミングｔ２０１において、同期信号（同期パルス）ＶＤがＨｉｇｈレベルになると、タイミングジェネレータ１０２は、リセット信号（リセットパルス）ＲＥＳをＨｉｇｈレベルにする。これにより、時間カウンタ１０６と、各々の画素１１０の光子カウンタ１１４と、各々の画素１１０の画素メモリ１１６とがリセットされる。なお、同期信号ＶＤは、タイミングｔ２０２においてＬｏｗレベルに戻る。
【００２３】
タイミングｔ２０３からタイミングｔ２０４までの期間は、パルス信号ＰＬＳのカウントが行われる期間である計数期間である。計数期間においては、図１を用いて上述したように、フォトダイオード１１１に光子が入射すると、フォトダイオード１１１によって信号が生成され、波形整形されたパルス信号ＰＬＳがインバータ１１３から出力される。光子カウンタ１１４は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳの数をカウントする。タイミングｔ２０３において、タイミングジェネレータ１０２は、リセット信号ＲＥＳをＬｏｗレベルにする。リセット信号ＲＥＳがＬｏｗレベルになると、光子カウンタ１１４のリセットが解除され、光子カウンタ１１４は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのカウントを開始する。また、リセット信号ＲＥＳがＬｏｗレベルになると、時間カウンタ１０６のリセットも解除され、時間カウンタ１０６は、タイミングジェネレータ１０２から所定の周期で出力されるクロック信号ＣＬＫのパルス数のカウントを開始する。なお、図２（ａ）には、光子カウント値や時間カウント値（ＴＩＭＥ）が１６進数で示されている。
【００２４】
図２（ｂ）は、光子カウント値と時間カウント値の例を示すグラフである。図２（ｂ）には、光子カウント値が増加する様子と、時間カウント値（ＴＩＭＥ）が時間の経過に応じて増加する様子とが示されている。図２（ｂ）に示す光子カウント値及び時間カウント値は、図２（ａ）に示す光子カウント値及び時間カウント値にそれぞれ対応している。図２（ｂ）の横軸は時刻であり、図２（ｂ）の縦軸はカウント値である。図２に示す例においては、計数期間が終了するタイミングｔ２０４において、画素１１０ａの光子カウント値は０ｘＣであり、時間カウント値（ＴＩＭＥ）は０ｘＦである。
【００２５】
タイミングｔ２０４において、制御信号ＷＲＴが０ｘ０から０ｘ１に変化すると、光子カウント値と信号ＦＬＡＧの値とを含む画素信号値が、画素１１０ａに備えられた画素メモリ１１６に保持される。タイミングｔ２０４における光子カウント値は０ｘＣであり、タイミングｔ２０４における信号ＦＬＡＧの値は０ｘ０である。従って、画素１１０ａに備えられた画素メモリ１１６には、例えば０ｘ０Ｃが画素信号値として保持される。
【００２６】
タイミングｔ２０４からタイミングｔ２０５までの期間においては、画素信号値の読み出しが行われる。まず、垂直走査部１０１が、読み出し信号ＲＥＡＤ０をＨｉｇｈレベルにする。これにより、第０番目の行に位置する複数の画素１１０の各々の画素信号値が、信号線１０５を介して列メモリ１０３に書き込まれる。この後、水平走査部１０４が、列メモリ１０３に保持された各々の画素信号値を、出力線Ｏｕｔｐｕｔを介して画像処理部５０２（図５参照）に順次出力する。こうして、第０番目の行に位置する複数の画素１１０の各々の画素信号値の出力が行われる。この後、同様にして、第１番目の行に位置する複数の画素１１０の各々の画素信号値の出力が行われる。この後も同様にして画素信号値の出力が行われ、タイミングｔ２０５までに全ての画素信号値の出力の処理が完了する。こうして、１フレーム分の画像データが画像処理部５０２に出力される。
【００２７】
図３は、本実施形態による固体撮像素子の動作の他の例を示すタイミングチャートである。図３は、画素１１０ａに備えられた光子カウンタ１１４のカウント値が計数期間中に所定値Ｃｍａｘに達する場合を例として示している。
【００２８】
タイミングｔ３０１からタイミングｔ３０５までの期間は、１Ｖ期間に対応している。タイミングｔ３０１からタイミングｔ３０３までの期間の動作は、図２を用いて上述したタイミングｔ２０１からタイミングｔ２０３までの期間の動作と同様であるため、説明を省略する。
【００２９】
タイミングｔ３０３からタイミングｔ３０４までの期間は、計数期間である。タイミングｔ３０３において、タイミングジェネレータ１０２は、リセット信号ＲＥＳをＬｏｗレベルにする。リセット信号ＲＥＳがＬｏｗレベルになると、光子カウンタ１１４のリセットが解除され、光子カウンタ１１４は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのカウントを開始する。また、リセット信号ＲＥＳがＬｏｗレベルになると、時間カウンタ１０６のリセットも解除され、時間カウンタ１０６は、タイミングジェネレータ１０２から所定の周期で出力されるクロック信号ＣＬＫのパルス数のカウントを開始する。
【００３０】
図３（ｂ）は、光子カウント値と時間カウント値の他の例を示すグラフである。図３（ｂ）には、光子カウント値が増加する様子と、時間カウント値が時間の経過に応じて増加する様子とが示されている。図３（ｂ）に示す光子カウント値及び時間カウント値は、図３（ａ）に示す光子カウント値及び時間カウント値にそれぞれ対応している。図３に示す例においては、計数期間中のタイミングｔ３０６において、画素１１０ａの光子カウント値が所定値Ｃｍａｘ、即ち、０ｘＦに達する。このため、タイミングｔ３０６において、信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０から０ｘ１に変化する。信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０から０ｘ１に切り替わると、選択スイッチ１１５が切り替わる。これにより、選択スイッチ１１５は、時間カウンタ１０６から出力される時間カウント値が画素メモリ１１６に入力されるような状態に設定される。タイミングｔ３０６から所定の遅延時間が経過した後に、ＯＲ回路１１７の出力信号が０ｘ０から０ｘ１に変化する。これにより、時間カウント値と信号ＦＬＡＧの値とが、画素１１０ａの画素信号値として画素メモリ１１６に保持される。ＯＲ回路１１７の出力信号が０ｘ０から０ｘ１に変化したタイミングにおける時間カウント値は、０ｘＡであり、当該タイミングにおける信号ＦＬＡＧの値は０ｘ１である。従って、画素１１０ａの画素信号値として０ｘ１Ａが画素メモリ１１６に保持される。
【００３１】
タイミングｔ３０４からタイミングｔ３０５までの期間の動作は、図２を用いて上述したタイミングｔ２０４からタイミングｔ２０５までの期間の動作と同様であるため、説明を省略する。なお、タイミングｔ３０４において、制御信号ＷＲＴが０ｘ０から０ｘ１に変化するが、画素１１０ａにおいてはＯＲ回路１１７の出力信号が既に０ｘ１となっているため、画素１１０ａにおいては制御信号ＷＲＴの変化は無視される。
【００３２】
図４は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。図４（ａ）は、本実施形態による固体撮像素子を示す斜視図である。図４（ａ）に示すように、固体撮像素子１００は、２つの基板（半導体チップ）４０１，４０２を積層することによって構成されている。図４（ｂ）は、本実施形態による固体撮像素子１００に備えられている画素を示している。図４（ｂ）においては、固体撮像素子１００に備えられた複数の画素１１０のうちの１つの画素１１０が抜き出して示されている。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、固体撮像素子１００は、不図示の光学系（撮像光学系）によって形成される光学像を受光する基板（上部基板）４０１と、主としてデジタル系の回路を備える基板（下部基板）４０２とから構成されている。図４（ｂ）に示すように、画素１１０は、センサ部（受光部、画素部）４０３と計数部４０４とによって構成されている。画素１１０のうちのセンサ部４０３が基板４０１に形成されている。画素１１０のうちの計数部４０４が基板４０２に形成されている。複数のセンサ部４０３が、基板４０１に行列状に配列されている。複数の計数部４０４が、基板４０２に行列状に配列されている。複数のセンサ部４０３の各々と、これらのセンサ部４０３に対応する複数の計数部４０４の各々とが、互いに電気的に接続されている。こうして、複数の画素１１０がマトリクス状に配されている。センサ部４０３には、フォトダイオード１１１と、クエンチ素子（クエンチ抵抗）１１２と、インバータ１１３とが備えられている。センサ部４０３にインバータ１１３が備えられているため、波形整形されたパルス信号ＰＬＳがセンサ部４０３から計数部４０４に伝送される。従って、センサ部４０３から計数部４０４への伝送は比較的ロバストである。計数部４０４には、光子カウンタ１１４と、選択スイッチ１１５と、画素メモリ１１６と、ＯＲ回路１１７と、遅延回路１１８と、読み出しスイッチ１１９とが備えられている。垂直走査部１０１と、タイミングジェネレータ１０２と、列メモリ１０３と、水平走査部１０４と、時間カウンタ１０６とは、基板４０１の周辺回路部４０５又は基板４０２の周辺回路部４０６とのうちのいずれかに備えられている。ここでは、垂直走査部１０１と、タイミングジェネレータ１０２と、列メモリ１０３と、水平走査部１０４と、時間カウンタ１０６とが、基板４０２の周辺回路部４０６に配置されている場合を例に説明する。
【００３４】
このように、本実施形態では、センサ部４０３が基板４０１に形成されており、計数部４０４が基板４０２に形成されている。回路規模が大きい計数部４０４が、センサ部４０３が備えられている基板４０１とは別個の基板４０２に備えられているため、センサ部４０３の面積を十分に確保することができる。このため、センサ部４０３の開口面積を十分に確保することができる。
【００３５】
なお、固体撮像素子１００の構造は、上記に限定されるものではない。目的や用途に応じて固体撮像素子１００の構造を適宜変更し得る。例えば、３つ以上の基板を積層することにより固体撮像素子１００を構成してもよいし、１つの基板によって固体撮像素子１００を構成してもよい。複数の基板（半導体チップ）の各々は、異なるプロセスルールに従って製造するようにしてもよい。また、信号処理を行うための別の回路や、フレームメモリ等を、基板４０２に設けるようにしてもよい。例えば、ノイズ低減処理を施す信号処理回路や、撮像された被写体の検出等を行う検出回路等を、基板４０２に設けるようにしてもよい。
【００３６】
図５は、本実施形態による撮像装置を示すブロック図である。光学系（撮像光学系）５０１には、フォーカスレンズ、ズームレンズ、及び、絞り等が備えられている。光学系５０１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の撮像面に入射する。固体撮像素子１００は、光学系５０１によって形成される光学像を上記のようにして撮像する。固体撮像素子１００は、画素信号値を複数の画素１１０の各々から順次読み出し、読み出した画素信号値を画像処理部５０２に順次出力する。画素信号値は、上述したように、光子カウント値と時間カウント値とのうちのいずれかと信号ＦＬＡＧの値とを含む。
【００３７】
画像処理部５０２は、固体撮像素子１００から出力される画素信号値に対して順次処理を行い、計数期間中に各々の画素１１０に入射した光子の数、即ち、入射光子数を推計する。推計された入射光子数が、当該画素１１０の輝度値とされる。こうして、画像、即ち、画像データが生成される。かかる画像は、静止画像であってもよいし、動画像を構成するフレームであってもよい。画像処理部５０２は、画像を生成する過程において、信号の並べ替え、欠陥画素の補正、ノイズリダクション、色変換、ホワイトバランス補正、ガンマ補正、解像度変換、データ圧縮等を更に行うこともできる。画像処理部５０２は、計数期間中に画素１１０に入射した光子の数を、画素信号値に基づいて、以下のようにして推計する。
【００３８】
上述したように、画素信号値は、光子カウント値と時間カウント値とのうちのいずれかと信号ＦＬＡＧの値とを含む。従って、画素信号値は、光子カウント値を含んでいる場合もあるし、時間カウント値を含んでいる場合もある。
【００３９】
図６は、画素信号値の構成の例を示す図である。図６（ａ）は、計数期間中に光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達しない場合の例を示しており、具体的には、図２に対応する画素信号値の例を示している。図６（ｂ）は、計数期間中に光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達する場合の例を示しており、具体的には、図３に対応する画素信号値の例を示している。５ビットの画素信号値のうちの上位１ビットが信号ＦＬＡＧに割り当てられている。このため、画素信号値のうちの最上位ビットの値に基づいて、下位４ビットの値が光子カウント値であるのか時間カウント値であるのかを判別し得る。
【００４０】
画像処理部５０２は、画素信号値の最上位ビットの値に応じて、画素信号値を、計数期間中の入射光子数に変換する。例えば、図６（ａ）に示すように、画素信号値が例えば０ｘ０Ｃである場合には、最上位ビットの値は０ｘ０である。最上位ビットの数が０ｘ０であるということは、画素信号値の下位４ビットが、タイミングｔ２０４における光子カウント値を示していることを意味する。この場合には、画像処理部５０２は、計数期間中に画素１１０ａに入射した光子の数は、０ｘＣ、即ち、１０進数の１２個であると判定する。一方、図６（ｂ）に示すように、画素信号値が例えば０ｘ１Ａである場合には、最上位ビットの値は０ｘ１である。最上位ビットの値が０ｘ１であるということは、画素信号値の下位４ビットが、タイミングｔ３０６における時間カウント値を示しているということを意味する。この場合には、画像処理部５０２は、０ｘＡという時間カウント値から、計数期間中に画素１１０に入射した光子の数を以下のようにして推計する。
【００４１】
画素信号値の下位４ビットに示されている時間カウント値は、上述したように、０ｘＡ、即ち、１０進数の１０である。時間カウント値は、光子カウント値が、所定値Ｃｍａｘ、即ち、０ｘＦに達したタイミングを示している。即ち、時間カウント値は、１５個の光子が検出されたタイミングを示している。一方、図３を用いて上述したように、タイミングｔ３０３からタイミングｔ３０４までの計数期間において、時間カウント値は、０ｘ１から０ｘＦまで変化している。従って、以下のような式（１）を用いて、計数期間中に画素１１０に入射した光子の数を推計し得る。
推計入射光子数＝Ｃｍａｘ×（計数期間に相当する時間カウント値／光子カウント値がＣｍａｘに達した際の時間カウント値）  ・・・（１）
【００４２】
所定値Ｃｍａｘは、例えば０ｘＦ、即ち、１０進数で１５である。計数期間に相当する時間カウント値は、例えば０ｘＦ、即ち、１０進数で１５である。光子カウント値がＣｍａｘに達した際の時間カウント値は、図６（ｂ）に示す画素信号値の場合には、０ｘＡ、１０進数で１０である。従って、図６（ｂ）に示す画素信号値の場合には、推計入射光子数＝１５×（１５／１０）＝２２．５となる。即ち、２２．５個の光子が計数期間に画素１１０に入射していたと推計される。画像処理部５０２は、このようにして算出された光子数を当該画素１１０の輝度値とし、こうして得られた輝度値に基づいて画像を生成する。なお、このような処理を、画像処理部５０２によって行うのではなく、固体撮像素子１００内において行うようにしてもよい。この場合には、固体撮像素子１００から出力される画素信号値には、光子カウント値のみが含まれることとなる。
【００４３】
メモリ５０３は、画像処理部５０２が演算処理等を行う際に用いられる。メモリ５０３としては、例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やフラッシュメモリ等を用い得る。メモリ５０３は、連続撮影の際には、バッファメモリとしても用い得る。制御部（全体制御・演算部）５０４は、本実施形態による撮像装置５００の全体の制御を司る。制御部５０４には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等が備えられている。また、制御部５０４は、画像処理部５０２によって処理された画像信号を、記録部５０７や表示部５０６に出力する。操作部５０５は、ボタン、スイッチ、電子ダイヤル等の操作部材によって構成される。ユーザ等が操作部５０５を操作すると、操作内容に応じた信号が操作部５０５から制御部５０４に供給される。表示部５０６は、制御部５０４から供給される画像を表示する。記録部（記録制御部）５０７には、不図示の記録媒体が装着される。かかる記録媒体としては、例えば、メモリカード等が用いられる。なお、記録媒体として、ハードディスク等が用いられてもよい。光学系駆動部５０８は、光学系５０１に備えられたフォーカスレンズ、ズームレンズ、絞り等の制御を行う。なお、外部装置と通信するための有線又は無線による通信インターフェースを、撮像装置５００が更に備えるようにしてもよい。この場合、撮像装置５００は、当該通信インターフェースを介して、生成した画像等を外部装置等に送信したり、外部装置から制御信号等を受信したりすることが可能となる。また、被写体に光を投射する光源装置を、撮像装置５００が更に備えるようにしてもよい。この場合、当該光源装置は、例えば、同期信号ＶＤ等に同期してパルス状に光を発することができる。また、当該光源装置は、常時発光を行うことも可能である。当該光源装置によって被写体に光を照射し得るため、被写体をより確実に認識することが可能となる。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、光子カウンタ値が計数期間中に所定値Ｃｍａｘに達しない場合には、光子カウント値に応じた第１の信号が画素１１０から出力される。一方、光子カウント値が計数期間中に所定値Ｃｍａｘに達した場合には、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した時間に応じた第２の信号が画素１１０から出力される。第２の信号が画素１１０から出力された場合には、計数期間中に画素１１０に入射した光子数を第２の信号に基づいて推計する。このため、本実施形態によれば、光子カウンタ１１４のカウント限界値を超える数の光子が画素１１０に入射した場合であっても、当該画素１１０に入射した光子数を確実に推計することができる。しかも、画素１１０に入射する光子の数が少ない場合であっても、正確な画素信号値が得られる。従って、本実施形態によれば、ダイナミックレンジの広い固体撮像素子を提供することができる。
なお、本実施形態では、所定値Ｃｍａｘと光子カウンタ１１４の最大値とが一致す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、光子カウンタ１１４の最大値より小さい値を所定値Ｃｍａｘとしてもよい。また、所定値Ｃｍａｘを光子カウンタ１１４の最大値までの間で複数設定するようにしてもよい。所定値Ｃｍａｘを複数設定することで、計数期間内の光子カウンタの変化量をより正確に把握することが可能となる。そして、上述した式（１）とは異なる式を用いて、推計入射光子数を算出するようにしてもよい。例えば、２次以上の関数や対数関数等を用いて、推計入射光子数を算出するようにしてもよい。複数設定した所定値Ｃｍａｘに対応する光子カウンタ値を用いることで、推計入射光子数を高精度に算出することが可能となる。
また、本実施形態では、光子カウンタ１１４からの出力と時間カウンタ１０６からの出力とのうちのいずれを画素メモリ１１６に入力するかを選択するための選択スイッチ１１５を画素１１０内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。時間カウンタ１０６からの出力を保持するためのメモリ（図示せず）を画素メモリ１１６と別個に画素１１０外に設け、列メモリ１０３に信号を転送する際に、当該メモリからの出力が選択されるようにしてもよい。
【００４５】
［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について図７及び図８を用いて説明する。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、信号ＦＬＡＧの値を画素メモリ７１６に保持することを要しないものである。
【００４６】
図７は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。図７に示すように、本実施形態による固体撮像素子７００は、垂直走査部１０１と、タイミングジェネレータ１０２と、列メモリ１０３と、水平走査部１０４と、時間カウンタ１０６とを備えている。また、固体撮像素子７００は、行列状に配された複数の画素７１０を備えている。なお、ここでは、説明の簡略化のため、４つの画素７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ、７１０ｄが図示されているが、実際には多数の画素７１０が固体撮像素子７００に備えられている。また、画素一般について説明する際には、符号７１０を用い、具体的な個々の画素について説明する際には、符号７１０ａ〜７１０ｄを用いることとする。
【００４７】
画素７１０は、フォトダイオード１１１と、クエンチ素子１１２と、インバータ１１３と、光子カウンタ７１４と、選択スイッチ７１５と、画素メモリ７１６と、読み出しスイッチ７１７とを備えている。フォトダイオード１１１と、クエンチ素子１１２と、インバータ１１３とは、基板４０１に配されたセンサ部４０３に備えられている。光子カウンタ７１４と、選択スイッチ７１５と、画素メモリ７１６と、読み出しスイッチ７１７とは、基板４０２に配された計数部４０４に備えられている。
【００４８】
光子カウンタ７１４は、図１を用いて上述した光子カウンタ１１４と同様に、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのパルス数をカウントする。光子カウンタ７１４のビット幅は、例えば１６である。但し、ここでは、説明を簡略化するため、ビット幅が４の光子カウンタ７１４を例に説明する。光子カウンタ７１４には、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳが入力される。光子カウンタ７１４のカウント値は、リセット信号ＲＥＳによって０ｘ０にリセットされる。リセットが解除されると、光子カウンタ７１４は、カウントを開始する。光子カウンタ７１４は、光子カウント値に応じて、信号ＦＬＡＧを出力する。より具体的には、光子カウンタ７１４は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達していない場合には、信号ＦＬＡＧの値を０ｘ０とする。また、光子カウンタ７１４は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した場合には、信号ＦＬＡＧの値を０ｘ１とする。信号ＦＬＡＧのビット幅は、例えば１である。光子カウンタ７１４のビット幅が１６である場合、所定値Ｃｍａｘは０ｘＦＦＦＦ（１０進数で６５５３５）とすることができる。但し、ここでは、上述したように、ビット幅が４の光子カウンタ７１４を例に説明するため、所定値Ｃｍａｘを０ｘＦ（１０進数で１５）とする。光子カウンタ７１４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を備えている。かかるイネーブル制御端子ＥＮには、タイミングジェネレータ１０２から出力されるイネーブル信号ＥＮＡＢＬＥが入力される。イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＨｉｇｈレベルの際には、光子カウンタ７１４はパルスをカウントする状態であるイネーブル状態となる。一方、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＬｏｗレベルの際には、光子カウンタ７１４はパルスをカウントしない状態であるディセーブル状態となる。イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥ信号によって、光子カウンタ７１４のカウント開始のタイミングとカウント終了のタイミングとが制御される。
【００４９】
選択スイッチ７１５は、信号ＦＬＡＧの値に応じて、接続を切り替える。具体的には、信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０である場合には、選択スイッチ７１５は、光子カウンタ７１４と読み出しスイッチ７１７とを接続する。一方、信号ＦＬＡＧの値が０ｘ１である場合には、選択スイッチ７１５は、画素メモリ７１６と読み出しスイッチ７１７とを接続する。
【００５０】
画素メモリ７１６は、信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０から０ｘ１に変化したタイミングで、時間カウンタ１０６から出力される時間カウント値を保持する。画素メモリ７１６は、光子カウント値がＣｍａｘに達した場合には、光子カウント値がＣｍａｘに達したタイミングにおける時間カウンタ１０６のカウント値を保持する。画素メモリ７１６のカウント値は、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳによって０ｘ０にリセットされる。画素メモリ７１６は、光子カウント値がＣｍａｘ未満である場合には、リセットされた際の値が当該画素メモリ７１６に保持されている。
【００５１】
読み出しスイッチ７１７は、垂直走査部１０１から供給される読み出し信号ＲＥＡＤが０ｘ０から０ｘ１に変化すると、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化する。信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０の場合には、光子カウンタ７１４から出力される光子カウント値と信号ＦＬＡＧの値とを含む画素信号値が、スイッチ７１５、７１７と信号線１０５とを介して列メモリ１０３に出力される。一方、信号ＦＬＡＧの値が０ｘ１の場合には、画素メモリ７１６から出力される時間カウント値とＦＬＡＧの値とを含む画素信号値が、スイッチ７１５、７１７と信号線１０５とを介して列メモリ１０３に出力される。
【００５２】
図８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、複数の画素７１０のうちの画素７１０ａの動作に着目して説明する。図８は、画素７１０ａに備えられた光子カウンタ７１４のカウント値が計数期間中に所定値Ｃｍａｘに達する場合を例として示している。
【００５３】
タイミングｔ８０１からタイミングｔ８０５までの期間は、１Ｖ期間に対応している。タイミングｔ８０１からタイミングｔ８０３までの期間においては、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＬｏｗレベルになっている。このため、タイミングｔ８０１からｔ８０３までの期間においては、光子カウンタ７１４はパルス信号ＰＬＳのカウントを行わない。
【００５４】
タイミングｔ８０３からタイミングｔ８０４までの期間は、計数期間である。タイミングｔ８０３において、タイミングジェネレータ１０２は、リセット信号ＲＥＳをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させるとともに、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる。光子カウンタ７１４は、イネーブル状態となり、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのカウントを開始する。また、リセット信号ＲＥＳがＬｏｗレベルになると、時間カウンタ１０６のリセットも解除され、時間カウンタ１０６は、タイミングジェネレータ１０２から所定の周期で出力されるクロック信号ＣＬＫのパルス数のカウントを開始する。
【００５５】
図８（ｂ）は、光子カウント値と時間カウント値との例を示すグラフである。図８（ｂ）には、光子カウント値が増加する様子と、時間カウント値が時刻の経過に応じて増加する様子とが示されている。図８（ｂ）に示すグラフは、図８（ａ）に示す光子カウント値及び時間カウント値に対応している。図８に示す例においては、計数期間中のタイミングｔ８０６において、画素７１０ａの光子カウント値が所定値Ｃｍａｘ、即ち、０ｘＦに達する。このため、タイミングｔ８０６において、信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０から０ｘ１に変化する。信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０から０ｘ１に切り替わると、選択スイッチ７１５が切り替わる。これにより、選択スイッチ７１５は、画素メモリ７１６から出力される時間カウント値が読み出しスイッチ７１７に送信されるような状態に設定される。また、信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０から０ｘ１に変化すると、画素メモリ７１６は、当該タイミングにおいて時間カウンタ１０６から出力されている時間カウント値を保持する。信号ＦＬＡＧの値が０ｘ０から０ｘ１に変化したタイミングにおける時間カウント値は、例えば０ｘＡである。従って、時間カウント値である例えば０ｘＡが画素メモリ７１６に保持される。
【００５６】
タイミングｔ８０４において、タイミングジェネレータ１０２は、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させる。これにより、光子カウンタ７１４は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのカウントを終了する。光子カウンタ７１４は、タイミングｔ８０４における光子カウント値を保持し続ける。ここでは、タイミングｔ８０４よりも前の段階で、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘである０ｘＦに達しているため、所定値Ｃｍａｘである０ｘＦが画素メモリ７１６に保持され続ける。
【００５７】
タイミングｔ８０４からタイミングｔ８０５までの期間の動作は、図２を用いて上述したタイミングｔ２０４からタイミングｔ２０５までの期間の動作と同様である。即ち、光子カウント値と時間カウント値とのうちのいずれかと信号ＦＬＡＧの値とを含む画素信号値が順次出力される。
【００５８】
本実施形態のように構成した場合にも、第１実施形態と同様の画素信号値が得られる。本実施形態によれば、画素メモリ７１６に信号ＦＬＡＧの値を保持することを要しないため、画素メモリ７１６のビット幅を第１実施形態における画素メモリ１１６のビット幅よりも小さくことができる。このため、本実施形態によれば、回路規模の縮小を図ることができ、ひいては高画素化等に寄与することができる。
【００５９】
［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について図９乃至図１１を用いて説明する。図１乃至図８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、パルス信号ＰＬＳのカウント値が所定値Ｃｍａｘに達した以降においてクロック信号ＣＬＫをカウントするマルチカウンタ９１４が備えられているものである。
【００６０】
図９は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。図９に示すように、本実施形態による固体撮像素子９００は、垂直走査部１０１と、タイミングジェネレータ１０２と、列メモリ１０３と、水平走査部１０４とを備えている。本実施形態では、時間カウンタ１０６（図１参照）は備えられていない。また、固体撮像素子９００は、行列状に配された複数の画素９１０を備えている。なお、ここでは、説明の簡略化のため、４つの画素９１０ａ、９１０ｂ、９１０ｃ、９１０ｄが図示されているが、実際には多数の画素９１０が固体撮像素子９００に備えられている。また、画素一般について説明する際には、符号９１０を用い、具体的な個々の画素について説明する際には、符号９１０ａ〜９１０ｄを用いることとする。
【００６１】
画素９１０は、フォトダイオード１１１と、クエンチ素子１１２と、インバータ１１３と、マルチカウンタ９１４と、選択スイッチ９１５と、フリップフロップ９１６と、読み出しスイッチ９１７とを備えている。フォトダイオード１１１と、クエンチ素子１１２と、インバータ１１３とは、基板４０１に配されたセンサ部４０３に備えられている。マルチカウンタ９１４と、選択スイッチ９１５と、フリップフロップ９１６と、読み出しスイッチ９１７とは、基板４０２に配された計数部４０４に備えられている。
【００６２】
マルチカウンタ９１４は、図１を用いて上述した光子カウンタ１１４と同様に、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのパルス数をカウントする。マルチカウンタ９１４のビット幅は、例えば１６である。但し、ここでは、説明を簡略化するため、ビット幅が４のマルチカウンタ９１４を例に説明する。以下の説明においては、マルチカウンタ９１４によるカウント値を、マルチカウント値と称することとする。マルチカウンタ９１４は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのパルス数をカウントし得るのみならず、タイミングジェネレータ１０２から所定の周期で出力されるクロック信号ＣＬＫのパルス数をもカウントし得る。マルチカウンタ９１４に入力される信号は、選択スイッチ９１５によって切り替えられる。マルチカウンタ９１４には、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳが入力される。マルチカウンタ９１４のカウント値は、リセット信号ＲＥＳによって０ｘ０にリセットされる。マルチカウンタ９１４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を備えている。かかるイネーブル制御端子ＥＮには、タイミングジェネレータ１０２から出力されるイネーブル信号ＥＮＡＢＬＥが入力される。イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＨｉｇｈレベルの際には、マルチカウンタ９１４はパルスをカウントする状態であるイネーブル状態となる。一方、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＬｏｗレベルの際には、マルチカウンタ９１４はパルスをカウントしない状態であるディセーブル状態となる。イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥ信号によって、マルチカウンタ９１４のカウント開始のタイミングとカウント終了のタイミングとが制御される。マルチカウンタ９１４のビット幅が１６である場合、所定値Ｃｍａｘは例えば０ｘＦＦＦＦ（１０進数で６５５３５）とする。但し、ここでは、上述したように、ビット幅が４のマルチカウンタ９１４を例に説明するため、所定値Ｃｍａｘを例えば０ｘＦ（１０進数で１５）とする。マルチカウンタ９１４は、マルチカウント値に応じて、信号ＦＬＡＧ１を出力する。より具体的には、マルチカウンタ９１４は、マルチカウント値が所定値Ｃｍａｘに達していない場合には、信号ＦＬＡＧ１の値を０ｘ０とする。また、マルチカウンタ９１４は、マルチカウント値が所定値Ｃｍａｘに達した場合には、信号ＦＬＡＧ１の値を０ｘ１とする。信号ＦＬＡＧ１のビット幅は、例えば１である。
【００６３】
選択スイッチ９１５は、信号ＦＬＡＧ２の値に応じて、接続を切り替える。具体的には、信号ＦＬＡＧ２の値が０ｘ０である場合には、選択スイッチ９１５は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳがマルチカウンタ９１４に入力されるように設定される。一方、信号ＦＬＡＧ２の値が０ｘ１である場合には、選択スイッチ９１５は、タイミングジェネレータ１０２から出力されるクロック信号ＣＬＫがマルチカウンタ９１４に入力されるように設定される。
【００６４】
フリップフロップ９１６は、入力端子ＣＫの値がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化したタイミングで、入力端子Ｄの値を出力端子Ｑに出力する。フリップフロップ９１６には、リセット端子Ｒが備えられており、リセット端子Ｒには、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳが入力される。フリップフロップ９１６に備えられたリセット端子ＲがＨｉｇｈレベルになると、フリップフロップ９１６の出力端子Ｑから出力される信号ＦＬＡＧ２は０ｘ０にリセットされる。フリップフロップ９１６の入力端子ＣＫには、マルチカウンタ９１４から出力されるＦＬＡＧ１が入力される。フリップフロップ９１６の入力端子Ｄは、０ｘ１に固定されている。マルチカウント値がＣｍａｘ未満である際には、フリップフロップ９１６から出力される信号ＦＬＡＧ２の値は０ｘ０である。マルチカウント値がＣｍａｘに達し、マルチカウンタ９１４から出力される信号ＦＬＡＧ１の値が０ｘ０から０ｘ１に変化すると、フリップフロップ９１６から出力される信号ＦＬＡＧ２の値は０ｘ１となる。
【００６５】
読み出しスイッチ９１７は、垂直走査部１０１から供給される読み出し信号ＲＥＡＤが０ｘ０から０ｘ１に変化すると、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化する。読み出しスイッチ９１７がＯＮ状態になると、マルチカウンタ９１４に保持されている信号値と信号ＦＬＡＧ２の値とを含む画素信号値が、読み出しスイッチ９１７を介して列メモリ１０３に出力される。
【００６６】
図１０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、複数の画素９１０のうちの画素９１０ａの動作に着目して説明する。図１０は、画素９１０ａに備えられたマルチカウンタ９１４のカウント値が計数期間中に所定値Ｃｍａｘに達する場合を例として示している。
【００６７】
タイミングｔ１００１からタイミングｔ１００５までの期間は、１Ｖ期間に対応している。タイミングｔ１００１からタイミングｔ１００３までの期間においては、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＬｏｗレベルになっている。このため、タイミングｔ１００１からｔ１００３までの期間においては、マルチカウンタ９１４は、パルス信号ＰＬＳのカウントを行わない。
【００６８】
タイミングｔ１００３からタイミングｔ１００４までの期間は、計数期間である。タイミングｔ１００３において、タイミングジェネレータ１０２は、リセット信号ＲＥＳをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させるとともに、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる。マルチカウンタ９１４は、イネーブル状態となり、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのカウントを開始する。
【００６９】
図１０（ｂ）は、光子カウント値と時間カウント値との例を示すグラフである。図１０（ｂ）には、マルチカウント値が増加する様子と、マルチカウント値が所定値Ｃｍａｘに達した後に、時刻の経過に応じてマルチカウント値が増加する様子が示されている。図１０（ｂ）に示すグラフは、図１０（ａ）に示す光子カウント値及び時間カウント値に対応している。図１０に示す例においては、計数期間中のタイミングｔ１００６において、画素９１０ａの光子カウント値が所定値Ｃｍａｘ、即ち、０ｘＦに達する。このため、タイミングｔ１００６において、信号ＦＬＡＧ１の値が０ｘ０から０ｘ１に変化する。信号ＦＬＡＧ１の値が０ｘ０から０ｘ１に変化すると、フリップフロップ９１６から出力される信号ＦＬＡＧ２の値が０ｘ０から０ｘ１に変化する。これにより、選択スイッチ９１５は、クロック信号ＣＬＫがマルチカウンタ９１４に入力されるような状態に設定される。
【００７０】
タイミングｔ１００６において、マルチカウント値がＣｍａｘに達すると、タイミングｔ１００６の直後のタイミングｔ１００７において、マルチカウンタ９１４は、マルチカウント値を０ｘ０にリセットする。この際、マルチカウンタ９１４から出力される信号ＦＬＡＧ１の値は０ｘ１から０ｘ０に変化するが、信号ＦＬＡＧ２の値は０ｘ１のまま維持される。マルチカウンタ９１４は、タイミングジェネレータ１０２から出力されるクロック信号ＣＬＫのパルス数のカウントを開始する。
【００７１】
タイミングｔ１００４において、タイミングジェネレータ１０２は、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させる。これにより、マルチカウンタ９１４は、クロック信号ＣＬＫのカウントを終了する。マルチカウンタ９１４は、タイミングｔ１００４におけるマルチカウント値を保持し続ける。ここでは、マルチカウント値が例えば０ｘ５である場合を例に示している。このことは、マルチカウント値がＣｍａｘに達したタイミングｔ１００６から計数期間の終了のタイミングｔ１００４までの期間が、０ｘ５個のクロック信号ＣＬＫに対応する期間であることを意味している。
【００７２】
タイミングｔ１００４からタイミングｔ１００５までの期間の動作は、図２を用いて上述したタイミングｔ２０４からタイミングｔ２０５までの期間の動作と同様である。ここでは、マルチカウント値と信号ＦＬＡＧ２の値とを含む画素信号値が順次出力される。
【００７３】
図１１は、画素信号値の例を示す図である。図１１（ａ）は、蓄積期間中にマルチカウント値が所定値Ｃｍａｘに達しない場合の例を示している。図１１（ｂ）は、蓄積期間中にマルチカウント値が所定値Ｃｍａｘに達する場合の例を示しており、具体的には、図１０に対応する画素信号値を示している。画素信号値を構成する５ビットのうちの上位１ビットが信号ＦＬＡＧ２に割り当てられている。このため、画素信号値のうちの最上位ビットの値に基づいて、下位４ビットの値が何を示しているのかを判別し得る。
【００７４】
例えば、図１１（ａ）に示すように、画素信号値が０ｘ０Ｃである場合には、最上位ビットの値は０ｘ０である。最上位ビットの値が０ｘ０であるため、画素信号値の下位４ビットは、タイミングｔ１００４（図１０参照）における光子のカウント値を示している。この場合には、画像処理部５０２は、計数期間中に画素９１０ａに入射した光子の数は、０ｘＣ、即ち、１０進数の１２個であると判定する。一方、図１１（ｂ）に示すように、画素信号値が０ｘ１５である場合には、最上位ビットの値は０ｘ１である。最上位ビットの値が０ｘ１であるため、画素信号値の下位４ビットは、タイミングｔ１００６からタイミングｔ１００４までの期間が、０ｘ５個のクロック信号ＣＬＫに対応する期間であることを示している。画像処理部５０２は、例えば０ｘ５に対応する時間から、計数期間中に画素１１０に入射した光子の数を以下のようにして推計する。
【００７５】
画素信号値の下位４ビットの値である０ｘ５、即ち、１０進数の５に対応する期間は、マルチカウント値が所定値Ｃｍａｘに達してからタイミングｔ１００４までの期間に対応している。従って、以下のような式（２）を用いて、計数期間中に画素９１０に入射した光子の数を推計し得る。
推計入射光子数＝Ｃｍａｘ×｛計数期間に相当する時間カウント値／（計数期間に相当する時間カウント値−マルチカウント値）｝  ・・・（２）
【００７６】
所定値Ｃｍａｘは、例えば０ｘＦ、即ち、１０進数で１５である。計数期間に相当する時間カウント値は、例えば０ｘＦ、即ち、１０進数で１５である。マルチカウント値は、図１０（ｂ）に示す画素信号値の場合には、０ｘ５（１０進数で５）である。従って、図１０（ｂ）に示す画素信号値の場合には、推計入射光子数＝１５×（１５／（１５−５））＝２２．５となる。即ち、２２．５個の光子が計数期間に画素１１０に入射していたと推計し得る。画像処理部５０２は、このようにして算出された光子数を当該画素９１０の輝度値とし、こうして得られた輝度値に基づいて画像を生成する。
【００７７】
このように、本実施形態によれば、パルス信号ＰＬＳのカウント値が所定値Ｃｍａｘに達した以降においてはクロック信号ＣＬＫをカウントするマルチカウンタ９１４が備えられている。本実施形態によれば、光子カウンタ１１４，７１４と画素メモリ１１６，７１６とを別個に備えることを要しないため、回路規模の縮小を図ることができ、ひいては高画素化に寄与することができる。
【００７８】
［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乃至図１４を用いて説明する。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、所定値Ｃｍａｘの値が第１乃至第３実施形態の場合よりも小さく設定され、画素メモリ１２１６等のビット幅が、第１乃至第３実施形態の場合よりも小さく設定されているものである。
【００７９】
図１２は、本実施形態による固体撮像素子を示す図である。図１２に示すように、本実施形態による固体撮像素子１２００は、垂直走査部１０１と、タイミングジェネレータ１０２と、列メモリ１０３と、水平走査部１０４と、時間カウンタ１２０６と、複数の画素１２１０とを備えている。なお、ここでは、説明の簡略化のため、４つの画素１２１０ａ、１２１０ｂ、１２１０ｃ、１２１０ｄが図示されているが、実際には多数の画素１２１０が固体撮像素子１２００に備えられている。また、画素一般について説明する際には、符号１２１０を用い、具体的な個々の画素について説明する際には、符号１２１０ａ〜１２１０ｄを用いることとする。
【００８０】
画素１２１０は、フォトダイオード１１１と、クエンチ素子１１２と、インバータ１１３と、光子カウンタ１２１４と、選択スイッチ１２１５と、画素メモリ１２１６と、フリップフロップ１２１８と、読み出しスイッチ１２１７とを備えている。フォトダイオード１１１と、クエンチ素子１１２と、インバータ１１３とは、基板４０１に配されたセンサ部４０３に備えられている。光子カウンタ１２１４と、選択スイッチ１２１５と、フリップフロップ１２１８と、読み出しスイッチ１２１７とは、基板４０２に配された計数部４０４に備えられている。
【００８１】
光子カウンタ１２１４は、図７を用いて上述した光子カウンタ７１４と同様に、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのパルス数をカウントする。光子カウンタ１２１４のビット幅は、例えば１６である。但し、ここでは、説明を簡略化するため、ビット幅が４の光子カウンタ１２１４を例に説明する。光子カウンタ１２１４には、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳ１が入力される。光子カウンタ１２１４のカウント値は、リセット信号ＲＥＳ１によってリセットされる。リセットが解除されると、光子カウンタ１２１４は、カウントを開始する。光子カウンタ１２１４は、光子カウント値に応じて、信号ＦＬＡＧ１を出力する。より具体的には、光子カウンタ１２１４は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘ未満である際には、信号ＦＬＡＧ１の値を０ｘ０とする。また、光子カウンタ１２１４は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した際には、信号ＦＬＡＧ１の値を０ｘ１とする。信号ＦＬＡＧ１は、例えば１ビットの信号である。第１実施形態では、光子カウンタ１１４のビット幅が１６である場合の所定値Ｃｍａｘを０ｘＦＦＦＦ（１０進数で６５５３５）とした。これに対し、本実施形態では、光子カウンタ１２１４のビット幅が１６である場合の所定値Ｃｍａｘを０ｘ７ＦＦＦ（１０進数で３２７６７）とする。但し、ここでは、上述したように、ビット幅が４の光子カウンタ１２１４を例に説明する。第２実施形態では、光子カウンタ１１４のビット幅が４の場合の所定値Ｃｍａｘを０ｘＦとしたが、本実施形態では、光子カウンタ１２１４のビット幅が４の場合の所定値Ｃｍａｘを０ｘ７とする。光子カウンタ１２１４は、図７を用いて上述した光子カウンタ７１４と同様に、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を備えている。かかるイネーブル制御端子ＥＮには、タイミングジェネレータ１０２から出力されるイネーブル信号ＥＮＡＢＬＥが入力される。イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＨｉｇｈレベルの際には、光子カウンタ１２１４はパルスをカウントする状態であるイネーブル状態となる。一方、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＬｏｗレベルの際には、光子カウンタ１２１４はパルスをカウントしない状態であるディセーブル状態となる。イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥ信号によって、光子カウンタ１２１４のカウント開始のタイミングとカウント終了のタイミングとが制御される。また、光子カウンタ１２１４は、光子カウント値に応じて、信号ＦＬＡＧ１を出力する。より具体的には、光子カウンタ１２１４は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘ未満である場合には、信号ＦＬＡＧ１の値を０ｘ０とする。また、光子カウンタ１２１４は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した際には、信号ＦＬＡＧ１の値を０ｘ１とする。ＦＬＡＧ１の値を０ｘ０から０ｘ１に変化させた以降においても、光子カウンタ１２１４は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのカウントを継続する。
【００８２】
時間カウンタ１２０６には、タイミングジェネレータ１０２から所定の周期で出力されるクロック信号ＣＬＫが入力される。時間カウンタ１２０６は、クロック信号ＣＬＫのパルス数をカウントする。第１実施形態では、時間カウンタ１０６のビット幅を１６ビットとしたが、本実施形態では、時間カウンタ１２０６のビット幅は１５である。ビット幅が１５の時間カウンタ１２０６のカウント上限値は、０ｘ７ＦＦＦ（１０進数で３２７６７）である。但し、上述したように、ここでは、説明を簡略化すべく、ビット幅が４の光子カウンタ１１４を例に説明する。このため、ここでは、ビット幅が３の時間カウンタ１２０６を例に説明する。ビット幅が３の時間カウンタ１２０６のカウント上限値は０ｘ７（１０進数で７）である。以下の説明においては、時間カウンタ１２０６によるカウント値を、時間カウント値又はＴＩＭＥと称することとする。時間カウンタ１２０６には、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳ２が入力される。時間カウンタ１２０６のカウント値は、リセット信号ＲＥＳ２によってリセットされる。
【００８３】
フリップフロップ１２１８は、入力端子ＣＫの値がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化したタイミングで、入力端子Ｄの値を論理反転させることにより得られる値を出力端子Ｑに出力する。フリップフロップ１２１８はリセット端子Ｒを備えており、当該リセット端子Ｒには、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳ１が入力される。フリップフロップ１２１８に備えられたリセット端子ＲがＨｉｇｈレベルになると、フリップフロップ１２１８の出力端子Ｑから出力される信号ＦＬＡＧは０ｘ０にリセットされる。フリップフロップ１２１８の入力端子ＣＫには、光子カウンタ１２１４から出力される信号ＦＬＡＧ１が入力される。フリップフロップ１２１８の入力端子Ｄには、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳ２が入力される。光子カウント値がＣｍａｘ未満である際には、フリップフロップ１２１８から出力される信号ＦＬＡＧ２の値は０ｘ０である。光子カウント値がＣｍａｘ、即ち、０ｘ７に達し、光子カウンタ１２１４から出力される信号ＦＬＡＧ１の値が０ｘ０から０ｘ１に変化すると、フリップフロップ１２１８から出力される信号ＦＬＡＧ２はリセット信号ＲＥＳ２の論理反転値となる。即ち、光子カウント値がＣｍａｘ、即ち、０ｘ７に達したタイミングにおいて、リセット信号ＲＥＳ２がＬｏｗレベルである場合には、フリップフロップ１２１８から出力される信号ＦＬＡＧ２は０ｘ１となる。一方、即ち、光子カウント値がＣｍａｘ、即ち、０ｘ７に達したタイミングにおいて、リセット信号ＲＥＳ２がＨｉｇｈレベルである場合には、フリップフロップ１２１８から出力される信号ＦＬＡＧ２はＬｏｗレベルとなる。換言すれば、光子カウント値がＣｍａｘ、即ち、０ｘ７に達したタイミングにおいて、時間カウンタ１２０６のリセットが解除されている場合には、フリップフロップ１２１８から出力される信号ＦＬＡＧ２は０ｘ０から０ｘ１に変化する。一方、光子カウント値がＣｍａｘ、即ち、０ｘ７に達したタイミングにおいて、時間カウンタ１２０６がリセット状態である場合には、フリップフロップ１２１８から出力される信号ＦＬＡＧ２は０ｘ０のまま変化しない。
【００８４】
選択スイッチ１２１５は、信号ＦＬＡＧ２の値に応じて、接続を切り替える。具体的には、信号ＦＬＡＧ２の値が０ｘ０である場合には、選択スイッチ１２１５は、光子カウンタ１２１４と読み出しスイッチ１２１７とを接続する。一方、信号ＦＬＡＧ２の値が０ｘ１である場合には、選択スイッチ１２１５は、画素メモリ１２１６と読み出しスイッチ１２１７とを接続する。
【００８５】
画素メモリ１２１６は、信号ＦＬＡＧ２の値が０ｘ０から０ｘ１に変化したタイミングで、時間カウンタ１２０６から出力される時間カウント値を保持する。第１実施形態では、画素メモリ１１６のビット幅を１６ビットとしたが、本実施形態では、画素メモリ１２１６のビット幅は１５ビットである。ビット幅が１５の画素メモリ１２１６は、１５ビット分のデータ、即ち、０ｘ７ＦＦＦ（１０進数で３２７６７）以下のデータを保持し得る。但し、上述したように、ここでは、説明を簡略化すべく、ビット幅が４の光子カウンタ１２１４を例に説明する。このため、ここでは、画素メモリ１２１６のビット幅が３である場合を例に説明する。ビット幅が３の画素メモリ１２１６は、３ビット分のデータ、即ち、０ｘ７（１０進数で７）以下のデータを保持し得る。光子カウント値がＣｍａｘ、即ち、０ｘ７に達したタイミングにおいて、時間カウンタ１２０６のリセットが解除されている場合には、画素メモリ１２１６は、時間カウンタ１２０６のカウント値を保持する。一方、光子カウント値がＣｍａｘ、即ち、０ｘ７に達したタイミングにおいて、時間カウンタ１２０６がリセット状態である場合には、画素メモリ１２１６は、画素メモリ１２１６がリセットされた際の値を保持し続けている。また、画素メモリ１２１６は、光子カウント値がＣｍａｘ、即ち、０ｘ７に達していない場合には、当該画素メモリ１２１６がリセットされた際の値を保持し続けている。また、画素メモリ１２１６は、タイミングジェネレータ１０２から出力されるリセット信号ＲＥＳ１によって０ｘ０にリセットされる。
【００８６】
読み出しスイッチ１２１７は、垂直走査部１０１から供給される読み出し信号ＲＥＡＤが０ｘ０から０ｘ１に変化すると、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化する。読み出しスイッチ１２１７がＯＮ状態になると、以下のようになる。即ち、光子カウンタ１２１４と読み出しスイッチ１２１７とが接続されている場合には、光子カウンタ１２１４に保持されている光子カウンタ値と信号ＦＬＡＧ２の値とを含む画素信号値が、読み出しスイッチ１２１７を介して列メモリ１０３に出力される。一方、画素メモリ１２１６と読み出しスイッチ１２１７とが接続されている場合には、画素メモリ１２１６に保持されている信号値と信号ＦＬＡＧ２の値とを含む画素信号値が、読み出しスイッチ１２１７を介して列メモリ１０３に出力される。上述したように、画素メモリ１２１６のビット幅は、光子カウンタ１２１４のビット幅よりも１ビットだけ小さい。従って、画素メモリ１２１６に保持されている信号値と信号ＦＬＡＧ２の値とを含む画素信号値が画素１２１０から出力される際には、データ幅の拡張が行われる。拡張された１ビットの値は、０ｘ０に固定されていてもよいし、０ｘ１に固定されていてもよい。
【００８７】
図１３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、複数の画素１２１０のうちの画素１２１０ａの動作に着目して説明する。図１３は、画素１２１０ａに備えられた光子カウンタ１２１４の光子カウント値が計数期間中に所定値Ｃｍａｘ、即ち、０ｘ７に達する場合を例として示している。
【００８８】
タイミングｔ１３０１からタイミングｔ１３０５までの期間は、１Ｖ期間に対応している。タイミングｔ１３０１からタイミングｔ１３０３までの期間においては、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥがＬｏｗレベルになっている。このため、タイミングｔ１３０１からｔ１３０３までの期間においては、光子カウンタ１２１４は、パルス信号ＰＬＳのカウントを行わない。
【００８９】
タイミングｔ１３０３からタイミングｔ１３０４までの期間は、計数期間である。ここでは、計数期間が、０ｘ１から０ｘＦまでの１５カウントに相当する期間である場合を例に説明する。但し、ここでは、ビット幅が３の時間カウンタ１２０６が用いられているため、時間カウンタ１２０６は７までカウントし得る。
【００９０】
タイミングｔ１３０３において、タイミングジェネレータ１０２は、リセット信号ＲＥＳ１及びリセット信号ＲＥＳ２を、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させる。また、タイミングｔ１３０３において、タイミングジェネレータ１０２は、イネーブル信号ＥＮＡＢＬＥをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる。そうすると、光子カウンタ１２１４は、インバータ１１３から出力されるパルス信号ＰＬＳのカウントを開始する。また、時間カウンタ１２０６は、タイミングジェネレータ１０２から所定の周期で出力されるクロック信号ＣＬＫのパルス数のカウントを開始する。
【００９１】
図１３（ｂ）は、光子カウント値と時間カウント値とを示すグラフである。図１３（ｂ）には、光子カウント値が増加する様子と、時刻の経過に応じて時間カウント値が増加する様子とが示されている。図１３（ｂ）に示すグラフは、図１３（ａ）に示す光子カウント値及び時間カウント値に対応している。図１３に示す例においては、計数期間中のタイミングｔ１３０６において、画素１２１０ａの光子カウント値が所定値Ｃｍａｘ、即ち、０ｘ７に達する。光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達すると、光子カウンタ１２１４から出力される信号ＦＬＡＧ１の値は０ｘ０から０ｘ１に変化する。タイミングｔ１３０６においては、リセット信号ＲＥＳ２がＬｏｗレベルであるため、フリップフロップ１２１８から出力される信号ＦＬＡＧ２は０ｘ０から０ｘ１に変化する。信号ＦＬＡＧ２が０ｘ１になると、選択スイッチ１２１５は、画素メモリ１２１６と読み出しスイッチ１２１７とを接続する状態となる。画素メモリ１２１６には、信号ＦＬＡＧ２の値が０ｘ０から０ｘ１に変化した際における時間カウンタ１２０６の時間カウント値が保持されている。ここでは、例えば０ｘ５が画素メモリ１２１６に保持されている。このように、タイミングｔ１３０３からタイミングｔ１３０７までの期間、即ち、時間カウンタ１２０６のリセットが解除されている期間において、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した場合には、以下のようになる。即ち、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達したタイミングに対応する時間カウント値が、画素メモリ１２１６に保持される。なお、タイミングｔ１３０３からタイミングｔ１３０７までの期間は、タイミングｔ１３０３からタイミングｔ１３０４までの期間の半分の期間である。
【００９２】
タイミングｔ１３０７において、リセット信号ＲＥＳ２がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化すると、時間カウンタ１２０６の時間カウント値は０ｘ０にリセットされる。即ち、タイミングジェネレータ１０２は、時間カウンタ１２０６のカウント上限値に時間カウント値が達したタイミングにおいて、リセット信号ＲＥＳ２をＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させることにより、時間カウンタ１２０６をリセット状態にする。
【００９３】
タイミングｔ１３０４において、タイミングジェネレータ１０２は、イネーブル信号スＥＮＡＢＬＥをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させる。これにより、光子カウンタ１２１４は、パルス信号ＰＬＳのカウントを停止し、タイミングｔ１３０４における光子カウント値を保持し続ける。
【００９４】
タイミングｔ１３０４からタイミングｔ１３０５までの期間の動作は、図２を用いて上述したタイミングｔ２０４からタイミングｔ２０５までの期間の動作と同様である。ここでは、光子カウント値と時間カウント値とのうちのいずれかと信号ＦＬＡＧ２の値とを含む画素信号値が順次読み出される。
【００９５】
図１４は、画素信号値の例を示す図である。図１４（ａ）は、蓄積期間中に光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達しない場合の例を示している。図１４（ｂ）は、蓄積期間中に光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達する場合の例を示しており、具体的には、図１３に対応する画素信号値を示している。画素信号値を構成する５ビットのうちの上位１ビットが信号ＦＬＡＧ２に割り当てられている。このため、画素信号値のうちの最上位ビットの値に基づいて、下位４ビットの値が何を示しているのかを判別し得る。
【００９６】
例えば、図１４（ａ）に示すように、画素信号値が０ｘ０Ｃである場合には、最上位ビットの値は０ｘ０である。最上位ビットの値が０ｘ０であるということは、時間カウンタ１２０６のリセットが解除されている状態であるタイミングｔ１３０３からタイミングｔ１３０７までの期間中に、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘ、即ち０ｘ７に達しなかったことを意味する。従って、この場合には、画像処理部５０２は、計数期間中に画素１２１０ａに入射した光子の数は、０ｘＣ、即ち、１０進数の１２個であると判定する。一方、図１４（ｂ）に示すように、画素信号値が０ｘ１５である場合には、最上位ビットの値は０ｘ１である。最上位ビットの値が０ｘ１であるということは、時間カウンタ１２０６のリセットが解除されている状態であるタイミングｔ１３０３からタイミングｔ１３０７までの期間中に、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達したことを意味する。この場合、画素信号値の下位３ビットは、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達するまでの期間、即ち、タイミングｔ１３０３からタイミングｔ１３０６までの期間が、０ｘ５個のクロック信号ＣＬＫに対応する時間であることを示している。画像処理部５０２は、０ｘ５に対応する時間から、計数期間中に画素１２１０ａに入射した光子の数を以下のような式（２）を用いて推計する。
【００９７】
画素信号値の下位３ビットの値である０ｘ５、即ち、１０進数の５に対応する期間は、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達したタイミング、即ち、光子カウント値が０ｘ７となったタイミングである。
推計入射光子数＝Ｃｍａｘ×（計数期間に相当する時間カウント値／時間カウント値）・・・（２）
【００９８】
所定値Ｃｍａｘは、例えば０ｘ７、即ち、１０進数で７である。計数期間に相当する時間カウント値は、例えば０ｘＦ、即ち、１０進数で１５である。時間カウント値は、図１３（ｂ）に示す画素信号値の場合には、０ｘ５、１０進数で５である。従って、図１３（ｂ）に示す画素信号値の場合には、推計入射光子数＝７×（１５／５）＝２１となる。即ち、２１個の光子が計数期間に画素１２１０ａに入射していたと推計し得る。画像処理部５０２は、このようにして算出された光子数を当該画素１２１０ａの輝度値とし、こうして得られた輝度値に基づいて画像を生成する。
【００９９】
このように、本実施形態によれば、所定値Ｃｍａｘの値が第１乃至第３実施形態の場合よりも小さく設定される。そして、光子カウント値が所定値Ｃｍａｘに達した際の時間カウント値に基づいて、画像データが生成される。このため、本実施形態によれば、画素メモリ１２１６等のビット幅を小さくすることができる。画素メモリ１２１６等のビット幅を小さくし得るため、回路規模の縮小を図ることができ、ひいては高画素化等に寄与することができる。なお、高輝度信号は、画像を生成する上で必ずしも高分解能を必要としない。このため、本実施形態のようにした場合であっても特段の問題は生じない。
なお、本実施形態では、所定値Ｃｍａｘに達した際の時間カウント値に基づいて画像データを生成する場合を例に説明したが、これに限られるものではない。例えば、時間カウント値に対して第１の閾値を設け、時間カウント値が当該第１の閾値に達した際の光子カウント値を画素メモリ１２１６に保持するようにしてもよい。この場合、例えば、以下のような式（３）を用いて推計入射光子数を算出し得る。
推計入射光子数＝（時間カウント値が第１の閾値に達した際の光子カウント値）×（計数期間に相当する時間カウント値／第１の閾値）
なお、この際においても、複数の値を閾値として設定するようにしてもよい。
【０１００】
［変形実施形態］
以上、本発明の好ましい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く、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、上記実施形態において、クロック信号ＣＬＫの周期を計数期間に応じて調整するようにしてもよい。例えば、計数期間が図２に示す計数期間の２倍となる場合には、クロック信号ＣＬＫの周期を２倍にするようにしてもよい。また、計数期間が図２に示す計数期間の半分となる場合には、クロック信号ＣＬＫの周期を半分にするようにしてもよい。
【０１０１】
また、上記実施形態では、固体撮像素子１００，７００，９００，１２００と別個に画像処理部５０２が設けられる場合を例に説明したが、固体撮像素子１００、７００，９００，１２００の内部に画像処理部５０２が設けられていてもよい。この場合、例えば、基板４０２に画像処理部５０２を設ければよい。また、基板４０１，４０２（図４参照）とは別個の基板（図示せず）に画像処理部５０２を配し、画像処理部５０２が配された基板を基板４０１，４０２と積層させるようにしてもよい。
また、第１、第２及び第４実施形態では、タイミングジェネレータ１０２と別個に時間カウンタ１０６，１２０６を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。例えば、タイミングジェネレータ１０２と時間カウンタ１０６，１２０６とが一体化されていてもよい。
また、上記実施形態では、複数の画素の各々に出力部１２０が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。例えば、互いに隣接する複数の画素によって、出力部１２０が共用されるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、複数の画素の各々に光子カウンタ１１４や画素メモリ１１６等が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。例えば、互いに隣接する複数の画素によって、これらが共用されるようにしてもよい。
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。
【符号の説明】
【０１０２】
１００，７００，９００，１２００…固体撮像素子
１０１…垂直走査部
１０２…タイミングジェネレータ
１０３…列メモリ
１０４…水平走査部
１０５…垂直信号線
１０６、１２０６…時間カウンタ
１１０，７１０，９１０，１２１０…画素
１１１…フォトダイオード
１１２…クエンチ素子
１１３…インバータ
１１４…光子カウンタ
１１５…選択スイッチ
１１６…画素メモリ
１１７…ＯＲ回路
１１８…遅延回路
１１９…読み出しスイッチ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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