(57)【要約】フォトン検出が可能であり、かつ、回路規模がより小さい固体撮像素子を提供する。固体撮像素子は、複数の画素セルを有する画素アレイと、前記複数の画素セルを駆動する画素駆動回路と、読出し回路と、前記画素セルの各列に対応する複数の読出し用配線とを有する。前記複数の画素セルのそれぞれは、１個のフォトンが入射すると、アバランシェ増倍が生じることによってフォトンの検出を行うアバランシェフォトダイオードと、フォトンの検出結果を、対応する前記読出し用配線に転送する転送トランジスタとを有する。前記読出し回路は、フォトンの検出の有無を判定し、判定結果を出力する。
2020050362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素セルを有する画素アレイと、
前記複数の画素セルを駆動する画素駆動回路と、
前記複数の画素セルからの読出しを行い、前記複数の画素セルに対応する画素で構成される画像を出力する読出し回路と、
前記画素セルの各列に対応して設けられ、前記画素セルと前記読出し回路とを接続する複数の読出し用配線と
を備え、
前記複数の画素セルのそれぞれは、
１個のフォトンが入射すると、アバランシェ増倍が生じることによってフォトンの検出を行うアバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードによるフォトンの検出結果を、対応する前記読出し用配線に転送する転送トランジスタと
を有し、
前記読出し回路は、前記画素アレイの前記複数の画素セルのそれぞれについて、フォトンの検出の有無を、当該画素セルのそれぞれに対応する前記読出し用配線の電圧に基づいて判定し、判定結果を当該画素セルに対応する画素の値として出力する
固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記読出し回路は、
前記読出し用配線をプリチャージするプリチャージ回路と、
前記フォトンの検出結果が転送された前記読出し用配線の電圧に基づいてフォトンの検出の有無を判定し、当該読出し用配線の電圧を、２つの所定の電圧のうち判定結果に対応する電圧に変化させて保持する列増幅器と
を有する
固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記読出し回路は、前記判定結果に対応する画素セルの位置を示すアドレスを出力する
固体撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記読出し回路は、フォトンを検出したと判定された前記画素セルについてのみ、前記アドレスを出力する
固体撮像素子。
【請求項５】
請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記読出し回路は、フォトンを検出しなかったと判定された前記画素セルについてのみ、前記アドレスを出力する
固体撮像素子。
【請求項６】
請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記読出し回路は、前記複数の画素セルのうちの１つの画素セルについてのフォトンの検出の結果とその隣の画素セルについてのフォトンの検出の結果とが異なる場合に、前記１つの画素セルについての前記アドレスを出力する
固体撮像素子。
【請求項７】
光パルス列を出力する光投射装置と、
被写体で反射された前記光パルス列を受光するカメラと、
前記光投射装置及び前記カメラを制御するコントローラと
を備える撮像システムであって、
前記カメラは、
撮像光学系と、
前記被写体で反射された前記光パルス列を、前記撮像光学系を通して受光し、前記光パルス列の光パルスのそれぞれに対応する複数のフレームの画像を出力する、請求項１〜６のいずれか１項の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の出力を処理する信号処理部と
を有し、
前記複数のフレームのそれぞれについて、フレーム番号と、当該フレームに対応する前記光パルスの出力から前記固体撮像素子の当該フレームに対応する露光期間までの時間との関係が、予め設定されており、
前記信号処理部は、前記フレーム番号に基づいて、前記時間を求める
撮像システム。
【請求項８】
請求項７に記載の撮像システムにおいて、
前記コントローラは、前記光パルス当たりの発生フォトン数を制御して、前記露光期間内において前記固体撮像素子の前記複数の画素セルに入射するフォトンの数の平均を１個にする
撮像システム。
【請求項９】
アバランシェフォトダイオードを含む複数の画素セルを有する画素アレイと、
前記複数の画素セルを駆動する画素駆動回路と、
前記複数の画素セルからの読出しを行い、前記複数の画素セルに対応する画素で構成される画像を出力する読出し回路と、
前記画素セルの各列に対応して設けられ、前記画素セルと前記読出し回路とを接続する複数の読出し用配線とを備える固体撮像素子の駆動方法であって、
前記アバランシェフォトダイオードが、１個のフォトンが入射すると、アバランシェ増倍が生じることによってフォトンの検出を行い、
前記アバランシェフォトダイオードを含む画素セルが、前記アバランシェフォトダイオードによるフォトンの検出結果を、対応する前記読出し用配線に転送し、
前記読出し回路が、前記画素アレイの前記複数の画素セルのそれぞれについて、フォトンの検出の有無を、当該画素セルのそれぞれに対応する前記読出し用配線の電圧に基づいて判定し、判定結果を当該画素セルに対応する画素の値として出力する
固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１０】
画素セルと、
前記画素セルを駆動する画素駆動回路と、
前記画素セルからの出力の読出しを行う読出し回路と、
前記画素セルと前記読出し回路とを接続する読出し用配線と
を備え、
前記画素セルは、
１個のフォトンが入射すると、アバランシェ増倍が生じることによってフォトンの検出を行うアバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードによるフォトンの検出結果を、対応する前記読出し用配線に転送する転送トランジスタと
を有し、
前記読出し回路は、前記画素セルについて、フォトンの検出の有無を、当該画素セルに対応する前記読出し用配線の電圧に基づいて判定し、判定結果を当該画素セルに対応する画素の値として出力する
光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像素子に関し、特に１個のフォトンでアバランシェ増倍が生じる素子を有する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アバランシェフォトダイオード（以下ではＡＰＤと称する）を含む画素セルをアレイ状に配置し、フォトンカウンティング動作可能な画素を有する固体撮像素子が提案されている。そのような固体撮像素子の例が、特許文献１及び２に記載されている。【０００３】
例えば特許文献１の撮像素子では、各画素セルに配置されたＡＰＤが光電変換で発生した電荷を増倍し、各画素セル内に配置された判定回路によってフォトンの有無を判定し、その結果をその画素セル内のメモリに記憶又は加算する。加算する場合には、このような検出、判定、加算という一連の動作を複数回繰り返す。各画素セルのメモリに蓄積された情報が、１フレームの画像として出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３９６６８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／０４２７３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような固体撮像素子は、各画素セルの回路規模が比較的大きいので、画素セルのサイズを微細化することが困難である。また、複数のフォトンの入射を待つ必要があるので、画像の読出しに要する時間が比較的長い。更に、入射したフォトンの数に対応する電圧をデジタル化するために、ＡＤコンバータが必要となる。【０００６】
本開示は、フォトンの検出が可能であり、かつ、画素セルのサイズを微細化することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示による固体撮像素子は、複数の画素セルを有する画素アレイと、前記複数の画素セルを駆動する画素駆動回路と、前記複数の画素セルからの読出しを行い、前記複数の画素セルに対応する画素で構成される画像を出力する読出し回路と、前記画素セルの各列に対応して設けられ、前記画素セルと前記読出し回路とを接続する複数の読出し用配線とを有する。前記複数の画素セルのそれぞれは、１個のフォトンが入射すると、アバランシェ増倍が生じることによってフォトンの検出を行うアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードによるフォトンの検出結果を、対応する前記読出し用配線に転送する転送トランジスタとを有する。前記読出し回路は、前記画素アレイの前記複数の画素セルのそれぞれについて、フォトンの検出の有無を、当該画素セルのそれぞれに対応する前記読出し用配線の電圧に基づいて判定し、判定結果を当該画素セルに対応する画素の値として出力する。【０００８】
これによると、画素セルにおいて、フォトンの検出の有無の判定や判定結果の保持を行う必要がないので画素セルの回路規模が小さく、画素セルをより微細化することができる。複数のフォトンの入射を待つ必要がないので、画像の読出しに要する時間をより短くすることができる。各画素セルについてのフォトンの検出の有無が出力されるので、デジタル化のためのＡＤコンバータが不要である。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、画像を高速に出力することができるので、画像をその被写体までの距離に対応付けて得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の画素駆動回路、画素アレイ及び読出し回路のより具体的な回路図である。
【図３】図３は、図２のアバランシェフォトダイオードの構造の例を示す断面図である。
【図４】図４は、図２の読出し回路が有し得る出力回路の例を示す回路図である。
【図５】図５は、図２の読出し回路が有し得る出力回路の他の例を示す回路図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る撮像システムの構成例を示すブロック図である。
【図７】図７は、図６の固体撮像素子における信号の例を示すタイミングチャートである。
【図８】図８は、典型的な固体撮像素子における信号の例を示すタイミングチャートである。
【図９】図９（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像素子における処理の例を示すフローチャートである。図９（ｂ）は、典型的な固体撮像素子における処理の例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本実施形態に係る撮像システムの他の例を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、図１の固体撮像素子の他の構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。図面において同じ参照番号で示された構成要素は、同一の又は類似の構成要素である。以下で説明する実施形態の各特徴は、矛盾しない限り組み合わせることができる。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。図１の固体撮像素子１００は、バイアス生成部１２と、タイミングジェネレータ１４と、画素駆動回路２０と、画素アレイ３０と、読出し回路６０とを有する。画素アレイ３０は、例えば行列状に配置された、複数の画素セル４０を有する。画素駆動回路２０は、垂直走査部２２と、それぞれが画素セル４０の互いに異なる行に対応するマルチプレクサ２６Ａ，２６Ｂ，…，２６Ｚとを有し、複数の画素セル４０を駆動する。読出し回路６０は、複数の画素セル４０からの読出しを行う。
【００１３】
バイアス生成部１２は、固体撮像素子１００の各回路に対して、必要な電圧を供給する。タイミングジェネレータ１４は、クロック信号を生成して固体撮像素子１００の各回路に供給する。タイミングジェネレータ１４は、画素セル４０の制御に必要な信号も生成し、マルチプレクサ２６Ａ，２６Ｂ，…，２６Ｚを介して各画素セル４０に供給する。垂直走査部２２は、画素セル４０の行単位での制御に必要な信号を生成して、マルチプレクサ２６Ａ，２６Ｂ，…，２６Ｚを介して各画素セル４０に供給する。
【００１４】
図２は、図１の画素駆動回路２０、画素アレイ３０及び読出し回路６０のより具体的な回路図である。固体撮像素子１００は、画素セル４０の各列に対応して設けられた、画素セル４０と読出し回路６０とを接続する、複数の読出し用配線３２と、負荷回路３４とを有する。負荷回路３４は、読出し用配線３２のそれぞれに接続された複数の負荷トランジスタ３５を有する。各画素セル４０は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）４１と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）４２と、画素リセットトランジスタ４３と、転送トランジスタ４４と、増幅トランジスタ４５と、選択トランジスタ４６とを有する。ＡＰＤ４１のアノードには、基板電圧ＶＳＵＢが与えられる。基板電圧ＶＳＵＢは、例えば−２０Ｖである。
【００１５】
ＡＰＤ４１は、１個のフォトンが入射するとアバランシェ増倍（アバランシェ降伏）を生じ、クエンチングするまでＡＰＤ４１のカソードに電荷を集める。つまり、ＡＰＤ４１は、光電変換をすることによって、入射したフォトンの検出を行う。より詳しく説明すると、ＡＰＤ４１のアノードに大きな負のバイアスＶＳＵＢが与えられた状態において１個のフォトンが入射すると、光電変換によってアバランシェ増倍現象が発生し、ＡＰＤ４１は自らのカソードに飽和電荷量に達する電荷を集める。このとき、ＡＰＤ４１はガイガーモードで動作している。
【００１６】
図３は、図２のアバランシェフォトダイオード４１の構造の例を示す断面図である。図３では、ＡＰＤ４１と、これに隣接する転送トランジスタ４４との模式的な断面図が、転送トランジスタ４４のゲート長方向で切断された面において示されている。
【００１７】
基板５１の裏面の保護膜５２上に、光フィルター５３及び集光レンズ５４が形成されている。基板の裏面近傍領域５５はｐ型にドープされており、表面領域５６はｎ型にドープされており、この２つの領域でｐｎ接合を形成している。裏面から入射したフォトンによって発生した電子がこのｐｎ接合による高い電界領域を走行する際に、アバランシェ増幅により、ｎ型の表面領域に到達する電子数は飛躍的に増倍される（典型的には１００００個の電子に増倍される）。転送トランジスタ４４は、そのゲート５９の電圧に従って、これらの電子をフローティングディフュージョン（容量）５８に転送する。各画素セル４０は、分離部５７によって互いに電気的に分離されている。このように、ＡＰＤ４１を裏面照射型イメージセンサの光電変換部に配置することで、受光領域の面積を大きくすることが可能である。
【００１８】
図２の説明に戻る。転送トランジスタ４４は、ＡＰＤ４１のカソードとＦＤ４２との間に接続されている。転送トランジスタ４４は、垂直走査部２２によって選択されるとオンになり、ＡＰＤ４１の電荷をＦＤ４２に転送する。ＦＤ４２は、ＡＰＤ４１から転送された電荷を蓄積する。リセットトランジスタ４３は、ＡＰＤ４１と電圧ＶＤＤの電源との間に接続され、ＡＰＤ４１及びＦＤ４２の電位をリセットする。
【００１９】
増幅トランジスタ４５のゲート及びソースは、ＦＤ４２、及び選択トランジスタ４６のドレインに、それぞれ接続されている。増幅トランジスタ４５のドレインには、例えば電源電圧ＶＤＤが与えられる。電源電圧ＶＤＤは、例えば３Ｖである。選択トランジスタ４６のソースは、読出し用配線３２に接続されている。読出し用配線３２は、同一の列に属する複数の画素セル４０に共通の信号線である。増幅トランジスタ４５は、ＦＤ４２の電位に応じて電流を読出し用配線３２に出力する。転送トランジスタ４４、リセットトランジスタ４３、及び選択トランジスタ４６のゲートには、転送信号ＴＮ、リセット信号ＲＴ、及び垂直走査部２２からの選択信号がそれぞれ入力されている。
【００２０】
すなわち、転送トランジスタ４４は、ＡＰＤ４１によるフォトンの検出結果を、増幅トランジスタ４５及び選択トランジスタ４６を経由して、対応する読出し用配線３２に転送する。読出し用配線３２の電圧は、フォトンの検出結果に応じて変化する。読出し用配線３２には負荷トランジスタ３５が接続されており、負荷トランジスタ３５は、読出し用配線３２を介して増幅トランジスタ４５とソースフォロアを構成する。
【００２１】
読出し回路６０は、列増幅器アレイ６４と、水平転送回路６６と、カウンタ６７とを有する。列増幅器アレイ６４は、読出し用配線３２毎に、列増幅器７０と、プリチャージ回路７６とを有する。列増幅器７０は、インバータ７１，７２と、トランジスタ７３，７４とを有する。プリチャージ回路７６は、プリチャージトランジスタを有する。
【００２２】
プリチャージ回路７６は、対応する読出し用配線３２をプリチャージ電圧にプリチャージする。列増幅器７０は、インバータ７１，７２による双安定回路を有し、対応する読出し用配線３２の電圧を、論理的な高電圧又は低電圧に変化させて保持する。すなわち、読出し回路６０の列増幅器７０は、画素アレイ３０の複数の画素セル４０のそれぞれについて、フォトンの検出の有無を、画素セル４０のそれぞれに対応する読出し用配線３２の電圧に基づいて判定し、読出し用配線３２の電圧を、論理的な高電圧及び低電圧のうち判定結果に対応する電圧に変化させて保持する。
【００２３】
水平転送回路６６は、読出し用配線３２の電圧を、クロックＣＬＫに従って順に転送して、フォトンの検出の有無を示す判定結果ＰＸＶとして出力する。カウンタ６７は、フレームを読出す毎にリセットされ、クロックＣＬＫに従ってカウント値ＣＮＴを増加させて出力する。カウント値ＣＮＴは、画素アレイ３０内における画素セル４０の位置を示すアドレスに対応している。つまり、読出し回路６０は、各画素セル４０について、フォトンの検出の有無とその画素セル４０の位置を示すアドレスとを、順次出力する。固体撮像素子１００は、以上の動作を、垂直走査部２２が選択する画素セル４０の行を変更しながら、繰り返す。
【００２４】
典型的なＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）画像センサでは、アナログ値を出力するために、読出し用配線の電圧を線形性を保って増幅する必要があり、高精度かつ高利得のアナログ増幅回路を用いる必要があった。これに対し、固体撮像素子１００は、各画素セル４０についてのフォトン検出の有無に対応する検出結果を出力するものであるので、列増幅器７０は、インバータ７１，７２を用いた非線形な回路でよい。このような列増幅器７０を用いることによって、各画素セルからの信号をより高速に読み出すことができる。
【００２５】
固体撮像素子１００は、典型的なＣＭＯＳ画像センサに類似した構成を有している。固体撮像素子１００の画素セル４０は、フォトン検出の有無を判定する回路、判定結果を保持する回路、並びにフォトン数を計数及び保持する回路を有していない。したがって、画素セル４０の回路規模は典型的なＣＭＯＳセンサとほぼ同じである。このため、画素セルの微細化が可能となるとともに、消費電力も低く抑えることができる。複数のフォトンの入射を待つ必要がないので、信号読出し動作に要する時間が短く、固体撮像素子１００全体としての読出し動作を高速化することもできる。
【００２６】
図４は、図２の読出し回路６０が有し得る出力回路の例を示す回路図である。読出し回路６０は、図４の出力回路を更に有してもよい。図４の出力回路は、ＡＮＤ回路６１を有する。ＡＮＤ回路６１は、水平転送回路６６の出力ＰＸＶがフォトンの検出を示す場合にのみ、カウンタ６７のカウント値ＣＮＴをそのまま、カウント値ＣＮＴ２として出力する。つまり、読出し回路６０は、フォトンを検出したと判定された画素セル４０についてのみ、その画素セル４０の位置を示すアドレスを、カウント値ＣＮＴ２として出力する。
【００２７】
なお、ＡＮＤ回路６１は、水平転送回路６６の出力ＰＸＶがフォトンの検出を示さない場合にのみ、カウンタ６７のカウント値ＣＮＴをそのまま、カウント値ＣＮＴ２として出力してもよい。この場合、読出し回路６０は、フォトンを検出しなかったと判定された画素セル４０についてのみ、その画素セル４０の位置を示すアドレスを、カウント値ＣＮＴ２として出力する。
【００２８】
図５は、図２の読出し回路６０が有し得る出力回路の他の例を示す回路図である。読出し回路６０は、図５の出力回路を更に有してもよい。図５の出力回路は、ＡＮＤ回路６１と、Ｄフリップフロップ（ＤＦＦ）６８と、排他的論理和（ＸＯＲ）回路６９とを有する。ＤＦＦ６８は、水平転送回路６６の出力を１クロック遅延させて出力する。ＸＯＲ回路６９は、水平転送回路６６の出力とＤＦＦ６８との排他的論理和ＸＰＶを出力する。ＡＮＤ回路６１は、排他的論理和ＸＰＶが「１」である場合にのみ、すなわち、水平転送回路６６の出力ＰＸＶが変化した場合にのみ、カウンタ６７のカウント値ＣＮＴをそのままカウント値ＣＮＴ３として出力する。つまり、１つの画素セルについてのフォトンの検出の結果とその隣の画素セルについてのフォトンの検出の結果とが異なる場合にのみ、読出し回路６０は、そのときの水平転送回路６６の出力に対応するこの１つの画素セル４０の位置を示すアドレスを、カウント値ＣＮＴ３として出力する。
【００２９】
読出し回路６０が図４又は５の出力回路を有することにより、全画素セルから固体撮像素子１００の外にデータを読み出すことが不要となるので、読出し回路６０が出力するデータ量を削減することができる。このため、固体撮像素子１００からのデータ読出しに要する時間を削減することが可能となる。
【００３０】
固体撮像素子１００を用いた撮像システムの例について説明する。図６は、本実施形態に係る撮像システムの構成例を示すブロック図である。図６の撮像システム１０００は、撮像装置（カメラ）１１０と、光投射装置１２０と、コントローラ１３２と、ディスプレイ１３４とを有する。撮像装置１１０は、固体撮像素子１００と、受光光学系１１２と、信号処理部１１６とを有する。固体撮像素子１００は、受光光学系１１２の像面に配置されている。光投射装置１２０は、投射光学系１２２と、光源１２４とを有する。
【００３１】
コントローラ１３２は、固体撮像素子１００及び光源１２４に、タイミング調整信号を出力する。光投射装置１２０の光源１２４は、タイミング調整信号に従って所定の周期でパルス状に発光し、光を被写体１５２及び１５４に投射する。各々のパルス光は、被写体１５２及び１５４で反射される。反射された光は、受光光学系１１２を介して固体撮像素子１００に入射する。
【００３２】
光に含まれるフォトンは、被写体までの距離に応じた伝播時間後に固体撮像素子１００に飛来する。例えば、撮像システムから距離Ｌ１の地点に位置する被写体１５２で反射されるフォトンは、発光から時間２×Ｌ１／ｃ後に固体撮像素子１００に飛来する。撮像システムから距離Ｌ２の地点に位置する被写体１５４で反射されるフォトンは、発光から時間２×Ｌ２／ｃ後に固体撮像素子１００に飛来する。ただし、ｃは光速である。したがって、光投射装置１２０が発光してから、例えば時間２×Ｌ１／ｃ後にフォトンを検出することによって、被写体１５２までの距離を知ることが可能となる。そのために、本撮像システムでは、コントローラ１３２からのタイミング調整信号ＴＣによって、光投射装置１２０での発光と固体撮像素子１００での受光とのタイミングを調整する。
【００３３】
図７は、図６の固体撮像素子１００における信号の例を示すタイミングチャートである。固体撮像素子１００においては、各フレームが１つの露光期間に対応している。固体撮像素子１００は、出力した画像のフレーム数を例えば撮像開始時からカウントし、フレーム番号として出力する。撮像システム１０００においては、出力される複数のフレームのそれぞれのフレーム番号と、光パルスの出力から固体撮像素子の露光期間までの時間との関係が予め設定されている。光パルスの出力から固体撮像素子の露光期間までの時間は、図７においては、フォトン飛行時間ＴＦ１，ＴＦ２及びＴＦ３として表されている。ここでは、より具体的に、フレーム番号と、光源の発光開始時刻、露光開始時刻、及び露光終了時刻との関係が予め設定されている。
【００３４】
フォトン飛行時間ＴＦ１は、例えば、発光開始時刻ＴＬ１から露光終了時刻ＥＥ１までの時間である。しかし、フォトン飛行時間ＴＦ１は、発光開始時刻ＴＬ１から露光開始時刻ＥＳ１までの時間であってもよいし、発光開始時刻ＴＬ１から、露光開始時刻ＥＳ１と露光終了時刻ＥＥ１との中間の時刻までの時間であってもよい。他のフォトン飛行時間についても同様である。
【００３５】
撮像システム１０００は、撮像シーンの平均的な明るさを撮像開始前の初期化期間（図示せず）において測定する。コントローラ１３２は、この測定の結果に基づいて、光制御信号ＬＣによって光源１２４の光パルス当たりの発生フォトン数を制御して、各フレームの露光期間内において固体撮像素子１００の各画素セル４０に入射するフォトンの数の平均を、例えば１個にする。このように設定することで、各フレームにおける各画素セル４０においては、フォトン飛来のばらつき（ショットノイズ）は存在するが、高々フォトン１個の検出に起因するアバランシェ増倍が生じる。ばらつきに起因するアバランシェ増倍によるパルスおよびＡＰＤ４１内で発生する偽パルス（ダークカウント）は、後段の信号処理部１１６によって除去される。
【００３６】
発光開始時刻ＴＬ１において、光源１２４が発光する。発光する期間の長さは、例えば１０ｎｓである。ある画素セル４０において、リセット信号ＲＴによるリセットトランジスタ４３のリセット動作が終了すると、露光期間が開始される。各フレームに対応する露光期間においてのみ、全ての画素セル４０のＡＰＤ４１のアノードに、負のバイアスＶＳＵＢが与えられる。
【００３７】
第１フレームに対応する露光期間は、露光開始時刻ＥＳ１から露光終了時刻ＥＥ１までの期間である。この期間において画素セル４０にはフォトンが入射される。露光終了時刻ＥＥ１においては、転送トランジスタ４４がオンになり、図２を参照して説明したように、フォトンの検出結果が固体撮像素子１００から出力される。出力期間ＤＴ１において、全ての画素セル４０についてのフォトンの検出結果が、第１フレームの画像として順次出力される。
【００３８】
発光開始時刻ＴＬ２において、光源１２４が発光する。ある画素セル４０において、リセット信号ＲＴによるリセットトランジスタ４３のリセット動作が終了すると、露光期間が開始される。第２フレームに対応する露光期間は、露光開始時刻ＥＳ２から露光終了時刻ＥＥ２までの期間である。この期間において画素セル４０にはフォトンが入射されない。露光終了時刻ＥＥ２においては、転送トランジスタ４４がオンになり、図２を参照して説明したように、フォトンの検出結果が固体撮像素子１００から出力される。出力期間ＤＴ２において、全ての画素セル４０についてのフォトンの検出結果が、第２フレームの画像として順次出力される。その後も同様の動作が繰り返される。
【００３９】
前述のように、フレーム番号には、光パルスの出力から固体撮像素子の露光期間までの時間（すなわち、フォトン飛行時間）が対応している。フォトン飛行時間の長さは、フレーム毎に予め設定されており、フレーム毎に順次変更され得る。フォトン飛行時間ＴＦ１等の設定に応じて、撮像システムから撮像され得る被写体までの距離を変更することができる。
【００４０】
信号処理部１１６は、固体撮像素子１００から出力された画像をディスプレイ１３４に出力する。ディスプレイ１３４は、入力された画像を表示する。信号処理部１１６は、固体撮像素子１００から出力された複数のフレームの画像を合成して出力してもよい。信号処理部１１６は、例えば、異なるフォトン飛行時間に対応するフレームの画像を、１枚の画像に合成してもよい。その際、画像の色を、フォトン飛行時間毎に異なる色にしてしてもよい。また、信号処理部１１６は、同一のフォトン飛行時間に対応する複数のフレームの画像に対して例えば平均化処理を行って、ノイズの低減を図ってもよい。
【００４１】
図８は、典型的な固体撮像素子における信号の例を示すタイミングチャートである。前述の典型的な固体撮像素子では、フォトンが入射する毎に、フォトンが入射したことを示す情報を画素セル内の回路に蓄積する。読出しは、複数のフォトンを受け取る毎に行われる。つまり、読出しの間隔が長く、各フォトンの飛来のタイミングを知ることはできない。
【００４２】
図９（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像素子における処理の例を示すフローチャートである。初期化後、ブロックＢ１２において、固体撮像素子１００は１フレーム期間内に単一のパルス光を受光する。前述のように、パルス光は、各画素セル４０に入射するフォトンの数の平均が例えば１個であるような光である。ブロックＢ１４において、固体撮像素子１００は、受光情報を１フレーム分の画像データとして固体撮像素子１００の外部に出力する。ブロックＢ１８において、画像データは必要に応じて外部のメモリに格納され、画素の値の判定等の処理に用いられる。ブロックＢ１６において、初期化処理が行われ、以後、同様の動作が繰り返される。このような構成とすることによって、固体撮像素子１００は、単一パルス毎にフレーム読出しを行うので、フレームの間隔は外部で行われる判定等の処理速度に影響されず、読出しが高速である。
【００４３】
図９（ｂ）は、典型的な固体撮像素子における処理の例を示すフローチャートである。初期化後、固体撮像素子は、ブロックＢ８２において複数のパルス光を受光する。固体撮像素子の画素セル内の回路は、ブロックＢ８４においてこのパルス光によるフォトン数をカウントし、ブロックＢ８６においてカウント数が閾値に達しているかに基づいて画素の値を判定し、ブロックＢ８８において判定結果を画素内のメモリに保存する。その後、ブロックＢ９０において、固体撮像素子は、受光情報を１フレーム分の画像データとして固体撮像素子の外部に出力する。ブロックＢ９２において、初期化処理が行われ、以後、同様の動作が繰り返される。典型的な固体撮像素子によると、複数のフォトンに基づいて、画素セル内でカウント及び画素の値の判定を行う。このため、図８を参照して説明したように、読出しの間隔が比較的長い。
【００４４】
固体撮像素子１００を用いた他のシステムの例について説明する。図１０は、本実施形態に係る撮像システムの他の例を示すブロック図である。図１０の撮像システム２０００は、細胞蛍光の検出を行うシステムであって、基本的には図６の撮像システム１０００と同様に構成されているので、同様の点については説明を省略する。
【００４５】
コントローラ１３２は、固体撮像素子１００及び光源１２４に、タイミング調整信号を出力する。光投射装置１２０の光源１２４は、タイミング調整信号に従って所定の周期でパルス状に発光し、光を被写体である細胞検体１５６に投射する。各々のパルス光が細胞検体１５６内の光吸収基に吸収された後、光吸収基に固有の特定の時間（寿命時間）経過後に、光吸収基は蛍光パルスを発生する。この蛍光パルスは受光光学系１１２を介して固体撮像素子１００に入射する。
【００４６】
蛍光パルスに含まれるフォトンは、寿命時間だけ遅れて固体撮像素子１００に飛来する。したがって、この寿命時間を測定することによって、細胞検体１５６に含まれている光吸収基の種類を特定することが可能となる。そのために、本細胞蛍光検出システムでは、コントローラ１３２からのタイミング調整信号ＴＣによって、光投射装置１２０での発光と固体撮像素子１００での受光とのタイミングを調整する。
【００４７】
撮像システム２０００では、フォトン飛行時間に代えて、光吸収基の寿命時間に対応する画像を求める点が、撮像システム１０００とは異なっている。フレーム番号には、光パルスの出力から固体撮像素子の露光期間までの時間（すなわち、光吸収基の寿命時間）が対応している。寿命時間の長さは、フレーム毎に予め設定されており、フレーム毎に順次変更され得る。寿命時間の設定に応じて、撮像システムから撮像され得る光吸収基の寿命時間を変更することができる。
【００４８】
信号処理部１１６は、固体撮像素子１００から出力された画像をディスプレイ１３４に出力する。ディスプレイ１３４は、入力された画像を表示する。信号処理部１１６は、固体撮像素子１００から出力された複数のフレームの画像を合成して出力してもよい。信号処理部１１６は、例えば、異なる寿命時間に対応するフレームの画像を、１枚の画像に合成してもよい。その際、画像の色を、寿命時間毎に異なる色にしてしてもよい。また、信号処理部１１６は、同一の寿命時間に対応する複数のフレームの画像に対して例えば平均化処理を行って、ノイズの低減を図ってもよい。
【００４９】
図１１は、図１の固体撮像素子１００の他の構成例を示す回路図である。図１１の固体撮像素子２００は、画素アレイ３０及び読出し回路６０に代えて画素アレイ２３０及び読出し回路２６０を有し、負荷回路３４を有しない点の他は、固体撮像素子１００と同様に構成されている。画素アレイ２３０は、例えば行列状に配置された、複数の画素セル２４０を有する。読出し回路２６０は、読出し回路６０に加えて図５の回路を有している。各画素セル２４０は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）４１と、転送トランジスタ４４とを有する。
【００５０】
ＡＰＤ４１は、フォトンの入射により生成された電子−正孔対を、バイアス電界により、フォトンの検出に十分な数（典型的には100,000個）に増倍する。転送トランジスタ４４は、ＡＰＤ４１のカソードと読出し用配線３２との間に接続されている。転送トランジスタ４４は、垂直走査部２２によって選択されるとオンになり、ＡＰＤ４１の電荷を読出し用配線３２に転送する。ＡＰＤ４１はフォトンの検出に十分な量の電荷を出力するので、転送トランジスタ４４は、ＡＰＤ４１の電荷を読出し用配線３２に直接転送する。その他の点については、図２及び５を参照して説明した固体撮像素子１００と同様であるので、説明を省略する。
【００５１】
固体撮像素子２００は、ＡＰＤ４１の電荷を読出し用配線３２に直接転送するので、
増幅トランジスタ４５が不要である。また、ＡＰＤ４１のリセットはプリチャージ回路７６によって行われるため、リセットトランジスタ４３も不要である。したがって、固体撮像素子２００によると、画素セル２４０をより微細化することができ、消費電力も低減することができる。
【００５２】
なお、固体撮像素子２００は、ＡＮＤ回路６１、ＤＦＦ６８、及びＸＯＲ回路６９を有さなくてもよい。また、固体撮像素子２００は、ＡＮＤ回路６１、ＤＦＦ６８、及びＸＯＲ回路６９に代えて、図４の回路を有してもよい。
【００５３】
なお、固体撮像素子２００は、画素アレイに代わって、単一の画素セルを備える光検出器であってもよい。
【００５４】
具体的には、画素セルと、画素セルを駆動する画素駆動回路と、画素セルからの出力の読出しを行う読出し回路と、画素セルと前記読出し回路とを接続する読出し用配線とを備え、画素セルは、１個のフォトンが入射すると、アバランシェ増倍が生じることによってフォトンの検出を行うアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードによるフォトンの検出結果を、対応する前記読出し用配線に転送する転送トランジスタとを有し、読出し回路は、前記画素セルについて、フォトンの検出の有無を、当該画素セルに対応する前記読出し用配線の電圧に基づいて判定し、判定結果を当該画素セルに対応する画素の値として出力する光検出器であってもよい。
【００５５】
本明細書における各機能ブロックは、典型的にはハードウェアで実現され得る。代替としては各機能ブロックの一部又は全ては、ソフトウェアで実現され得る。例えばそのような機能ブロックは、プロセッサ及びプロセッサ上で実行されるプログラムによって実現され得る。換言すれば、本明細書で説明される各機能ブロックは、ハードウェアで実現されてもよいし、ソフトウェアで実現されてもよいし、ハードウェアとソフトウェアとの任意の組合せで実現され得る。
【００５６】
以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本開示、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上説明したように、本開示は、固体撮像素子及び撮像システム等について有用である。
【符号の説明】
【００５８】
２０  画素駆動回路
３０，２３０  画素アレイ
３２  読出し用配線
４０，２４０  画素セル
４１  アバランシェフォトダイオード
４４  転送トランジスタ
６０，２６０  読出し回路
７０  列増幅器
７６  プリチャージ回路
１００，２００  固体撮像素子
１１０  撮像装置（カメラ）
１１２  撮像光学系
１１６  信号処理部
１２０  光投射装置
１０００，２０００  撮像システム
【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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【国際調査報告】
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