JP2021044778A - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子に設けられた複数のＡＰＤに入射する光子の頻度を制御可能な撮像装置およびその制御方法を提供すること。【解決手段】単位画素は、複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を有し、ＡＰＤごとに入射した光子の数を検出する。電源部は、単位画素に複数のＡＰＤのそれぞれがガイガーモードで動作するための電圧を供給する。電源部は、単位画素が有する複数のＡＰＤに対して供給する第１の極性の電圧について、ＡＰＤごとに経時的に第１の電圧と第２の電圧との間で変化させる第１モードと、全てのＡＰＤに対して同じ大きさの電圧とする第２モードとを有する。【選択図】図３

Description

本発明は撮像装置およびその制御方法に関する。

単一光子を検出可能な受光素子として、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード(APD)を用いたＳＰＡＤ(Single Photon Avalanche Diode)が知られている。ＳＰＡＤを撮像素子に用いることで、撮像素子の各画素に入射した光子の数を信号値として用いることができる。そのため、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサと比較して信号値への回路ノイズの影響が少なく、低照度下であってもノイズの少ない画像を得ることができる。

一方、ＳＰＡＤでは、アバランシェ増倍に伴う電圧変化が収束する前に次の光子が入射した場合、入射した光子数を正しく計数することができない。特に、高い頻度で光子が入射する高照度の環境において、実際に入射した光子の数と得られる計数値との差が大きくなるという課題がある。特許文献１では、１つの受光素子に設けられた複数のＡＰＤの各々が出力する電圧パルスについて、幅の広い１つのパルスを複数の計数値に換算することにより、入射光量と計数値との線形性低下を改善することが提案されている。

特開２０１４−８１２５３号公報

特許文献１の構成は、１つのＡＰＤに高頻度で光子が入射することによって複数の電圧パルスが結合した場合の入射光量と計数値との線形性低下を改善することを主な目的としている。しかし、特許文献１の構成では、１つのＡＰＤに高頻度で光子が入射することを抑制することはできない。

本発明は、受光素子に設けられた複数のＡＰＤに入射する光子の頻度を制御可能な撮像装置およびその制御方法を提供することを目的の１つとする。

上述の目的は、複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を有し、ＡＰＤごとに入射した光子の数を検出する単位画素が複数配列された画素部と、単位画素に複数のＡＰＤのそれぞれがガイガーモードで動作するための電圧を供給する電圧制御手段と、を有し、電圧制御手段は、単位画素が有する複数のＡＰＤに対して供給する第１の極性の電圧について、ＡＰＤごとに経時的に第１の電圧と第２の電圧との間で変化させる第１モードと、全てのＡＰＤに対して同じ大きさの電圧とする第２モードとを有する、ことを特徴とする撮像装置によって達成される。

本発明によれば、受光素子に設けられた複数のＡＰＤに入射する光子の頻度を制御可能な撮像装置およびその制御方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る撮像素子の第１モードの動作に関するタイミングチャート 実施形態に係る撮像装置の機能構成例を示すブロック図 第１の実施形態に係る撮像素子の機能ブロック図 第１の実施形態における電圧制御に関する構成に関する機能ブロック図 第１の実施形態における電圧変動部の機能ブロック図 第１の実施形態における単位画素の構成例を示す垂直断面図 第１の実施形態に関わる単位画素の構成例を示す水平断面図 第１の実施形態に関わる単位画素の別の構成例を示す水平断面図 第１の実施形態に係る撮像素子の第２モードの動作に関するタイミングチャート 第１の実施形態における撮像装置の動作に関するフローチャート 第１の実施形態の変形例における電圧変動部の機能ブロック図 第１の実施形態の変形例に関する図 第２の実施形態における電圧制御に関する構成に関する機能ブロック図 第２の実施形態に係る撮像素子の第１モードの動作に関するタイミングチャート 第３の実施形態における電圧制御を説明するための図 第４の実施形態における電圧制御を説明するための図 第４の実施形態における電圧制御を説明するための図 第４の実施形態に係る撮像素子の機能ブロック図 第４の実施形態における電圧変動部の機能ブロック図 第５の実施形態おける電圧制御を説明するための図

（第１の実施形態）
以下、添付図面を参照して本発明をその例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定しない。また、実施形態には複数の特徴が記載されているが、そ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。

図２は、実施形態に係る撮像装置１０００の機能構成例を示すブロック図である。撮像装置１０００は例えばデジタルカメラであってよい。しかし、本発明は撮像機能を有する任意の電子機器に対して適用可能である。このような電子機器には、ビデオカメラ、コンピュータ機器（パーソナルコンピュータ、タブレットコンピュータ、メディアプレーヤ、ＰＤＡなど）、携帯電話機、スマートフォン、ゲーム機、ロボット、ドローン、ドライブレコーダが含まれる。これらは例示であり、本発明は他の電子機器にも適用可能である。

撮影レンズ８は、撮影光学系であり、被写体の光学像を撮像素子１の撮像面に形成する。撮影レンズ８は着脱可能であっても固定式であってもよい。撮影レンズ８にはフォーカスレンズや絞りなどの可動部材が含まれている。可動部材は、レンズ駆動回路７が有するモータ、アクチュエータなどによって駆動される。可動部材の駆動は制御部３が制御する。

撮像素子１は、２次元配列された複数の画素を有し、撮影レンズ８が形成する光学像をデジタル画像データ（ＲＡＷ画像データ）に変換して出力する。撮像素子１の構成および動作の例については後述する。

信号処理回路２は、撮像素子１から出力されるＲＡＷ画像データに対して予め定められた画像処理を適用し、表示用および／または記録用の画像データを生成したり、各種の情報を取得および／または生成したりする。画像処理回路２は例えば特定の機能を実現するように設計されたＡＳＩＣのような専用のハードウェア回路であってもよいし、ＤＳＰのようなプログラマブルプロセッサーがソフトウェアを実行することで特定の機能を実現する構成であってもよい。

ここで、画像処理回路２が適用する画像処理には、前処理、色補間処理、補正処理、検出処理、データ加工処理、評価値算出処理などが含まれる。前処理には、信号増幅、基準レベル調整、欠陥画素補正などが含まれる。色補間処理は、画素から読み出した画像データに含まれていない色成分の値を補間する処理であり、デモザイク処理とも呼ばれる。補正処理には、ホワイトバランス調整、画像の輝度を補正する処理、撮影レンズ８の光学収差を補正する処理、色を補正する処理などが含まれる。

検出処理には、特徴領域（たとえば顔領域や人体領域）の検出および追尾処理、人物の認識処理などが含まれる。データ加工処理には、スケーリング処理、符号化および復号処理、ヘッダ情報生成処理などが含まれる。評価値算出処理は、位相差ＡＦ用の１対の像信号やコントラストＡＦ用の評価値の生成や、自動露出制御に用いる評価値の算出処理などである。なお、これらは画像処理回路２が実施可能な画像処理の例示であり、画像処理回路２が実施する画像処理を限定するものではない。

制御部３は、例えばＣＰＵのような、プログラムを実行可能なプロセッサである。制御部３は、メモリ１７が有するＲＯＭに記憶されたプログラムをメモリ１７が有するＲＡＭに読み込んで実行し、撮像装置１０００の各部の動作を制御する。例えば、制御部３は、撮像素子１の駆動モードを決定し、撮像素子１の動作を制御する制御信号を生成して撮像素子１に供給する。駆動モードは例えば焦点検出モードおよび撮像モードを含む。駆動モードは、画像データもしくは画像データから得られる情報もしくは信号に基づいて制御部３が決定してもよいし、指示部４からの指示に従って決定されてもよい。

制御部３はまた、画像処理回路２が生成する像信号を用いて、公知の位相差ＡＦ技術によってデフォーカス量を求める。そして制御部３は、デフォーカス量に応じてフォーカスレンズを駆動するために、レンズ駆動回路７の制御信号を生成する。制御部３はまた、画像処理回路２が生成する評価値に基づいて自動露出制御を行い、露出条件（例えば絞り値、シャッタースピード、および撮影感度）を決定する。

指示部４は、撮像装置１０００に設けられた複数の入力デバイスの総称である。指示部４にはシャッターボタン、駆動モード選択ダイヤル、方向キー、決定ボタン、メニューボタンなどが含まれる。指示部４の操作は制御部３が検出し、制御部３は検出した操作に応じた動作を実行する。

表示部５は、例えば液晶ディスプレイであり、画像処理回路２が生成する表示用画像データや、撮像装置１０００の状態や設定値を示す情報、メニュー画面などのＧＵＩなどを表示する。

記録部６は、制御部３の制御に従って、記録媒体にデータを記録したり記録媒体に記録されたデータを読み出したりする。記録媒体はメモリカードのように撮像装置１０００から取り外し可能であってもよいし、取り外し不能であってもよい。

図３は、撮像素子１の機能構成例を示すブロック図である。画素部（画素アレイ）１０には、ＳＰＡＤから構成される単位画素１００が２次元的に複数配列されている。本実施形態において単位画素１００は受光素子としてＡＰＤを用い、デジタル値（計数値）を出力可能な構成を有する。単位画素１００の構成および動作の詳細に関しては後述する。

電源部２０は、画素部１０の単位画素１００に対して動作電圧を供給する。電源部２０の構成および動作の詳細についても後述する。
制御信号生成部３０は、撮像素子１の電荷蓄積、読み出し、リセットといった動作を実現するための制御信号を生成し、撮像素子１の各部に供給する。制御信号生成部３０は例えば制御部３から指定された駆動モードに応じた制御信号を生成することができる。
制御信号生成部３０は電源部２０とともに、単位画素１００に対する電圧制御手段を構成する。

加算部４０は、画素部１０から読み出された計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２に基づく画像データＯＵＴ３を出力する。加算部４０は、制御信号生成部３０からの加算指示信号ＰＡＤＤに応じて、計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２を単位画素１００ごとに加算して出力するか、加算せずそのまま出力する。なお、ここでは加算部４０を撮像素子１に設けているが、撮像素子１から計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２と加算指示信号ＰＡＤＤとを出力し、撮像素子１とは別のブロック（例えば信号処理回路２）に加算部４０と同様の加算回路を設けてもよい。

図４は、撮像素子１の構成を、ＳＰＡＤから構成される１つの単位画素１００と電源部２０の構成に着目して記載したブロック図である。
単位画素１００は、受光素子、第１および第２のクエンチ回路ＱＣ１およびＱＣ２、第１および第２のパルス整形部ＩＮＶ１およびＩＮＶ２、ならびに第１および第２の計数部ＣＮＴ１およびＣＮＴ２を有する。

受光素子は、受光領域を共有する互いに絶縁された複数のＡＰＤから構成される。ここでは一例として２つのＡＰＤを有するものとする。受光素子の構成の詳細については後述する。

第１のＡＰＤの第１のカソード端子は、第１の検出ノードＰＮ１を介して第１のクエンチ回路ＱＣ１に接続される。また、第２のＡＰＤの第２のカソード端子は、第２の検出ノードＰＮ２を介して第２のクエンチ回路ＱＣ２に接続される。第１および第２のカソード端子には、それぞれ電源部２０から、たとえば３Ｖ程度の正電圧が供給される。

また、第１および第２のＡＰＤのアノード端子には、第１および第２のカソード端子の両方との間にブレークダウン電圧を超える逆バイアス電圧が印加されるよう、電源部２０から負電圧（たとえば−２０Ｖ）が供給される。電源部２０の構成は後述する。

ブレークダウン電圧を超える逆バイアス電圧が与えられることにより、個々のＡＰＤがガイガーモードで動作し、受光領域に入射した単一光子によって生じる電子を、アノード−カソード間の高電界領域においてアバランシェ増倍させることができる。

アバランシェ増倍に伴う電流によって、カソード端子の電圧は−２０Ｖの負電圧まで下降するが、電流はクエンチ回路により所定の時定数をもって打ち消され、電流が流れなくなると３Ｖ付近の正電圧に戻る。この電圧の変動をパルス状の光子検出信号に整形するため、検出ノードごとにパルス整形部ＩＮＶが設けられる。

第１のパルス整形部ＩＮＶ１は第１の検出ノードＰＮ１に接続され、第１のカソード端子の電圧Ｖ１の波形をパルス状の光子検出信号Ｐ１に整形する。第２のパルス整形部ＩＮＶ２は第２の検出ノードＰＮ２に接続され、第２のカソード端子の電圧Ｖ２の波形をパルス状の光子検出信号Ｐ２に整形する。パルス整形部ＩＮＶ１、ＩＮＶ２はそれぞれ、接続された検出ノードの電圧が、閾値電圧Ｖｔｈを下回っている間はハイレベルを出力し、閾値電圧Ｖｔｈ以上である間はローレベルを出力する。

光子検出信号のパルス幅は、クエンチ回路の時定数と、電圧Ｖｔｈとの関係により決定される。ＳＰＡＤでは、アバランシェ増倍の発生から数マイクロ秒以内に、再びアバランシェ増倍が発生して偽信号であるアフターパルスが発生する課題がある。アフターパルスの影響を抑制するため、単一光子あたり発生する光子検出信号のパルス幅がアフターパルス発生確率の高い時間を包含するように電圧Ｖｔｈを決定する。

第１の計数部ＣＮＴ１は、第１のパルス整形部ＩＮＶ１に接続され、カウントイネーブル信号がハイレベルの間に第１のパルス整形部ＩＮＶ１からハイレベルが出力された回数をカウントする。第２の計数部ＣＮＴ２は、第２のパルス整形部ＩＮＶ２に接続され、カウントイネーブル信号がハイレベルの間に第２のパルス整形部ＩＮＶ２からハイレベルが出力された回数をカウントする。第１の計数部ＣＮＴ１でカウントされた計数値ＯＵＴ１と、第２の計数部ＣＮＴ２でカウントされた計数値ＯＵＴ２は、単位画素１００ごとに順次、加算部４０に入力される。

電源部２０は単位画素１００に対し、ＡＰＤをガイガーモードで動作させるための電圧を供給する。電源部２０は、電圧変動部２００を有する。電圧変動部２００は、モード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮおよび電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬに応じて、単位画素１００へ供給する正電圧を変動させる。また、電源部２０は、単位画素１００が有するＡＰＤのアノード端子にＡＰＤをガイガーモードで動作させるための第２の極性の電圧（例えば−２０Ｖ）を供給する。

図５は、電圧変動部２００の構成例を示すブロック図である。電圧変動部２００は、第１〜第３のセレクタＳＥＬ１〜ＳＥＬ３を有する。
第１のセレクタＳＥＬ１および第２のセレクタＳＥＬ２のそれぞれには、第１の極性で大きさの異なる電圧（第１の正電圧ＶＤＤ１および第２の正電圧ＶＤＤ２）が入力される。ここで、第２の正電圧ＶＤＤ２は第１の正電圧ＶＤＤ１より高い。
第１のセレクタＳＥＬ１は、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬに応じて第１の正電圧ＶＤＤ１および第２の正電圧ＶＤＤ２の一方を出力する。第１のセレクタＳＥＬ１が出力する正電圧は、第１のクエンチ回路ＱＣ１を介して第１の検出ノードＰＮ１へ供給される。

また、第２のセレクタＳＥＬ２は、第３のセレクタＳＥＬ３の出力信号に応じて第１の正電圧ＶＤＤ１および第２の正電圧ＶＤＤ２の一方を出力する。第２のセレクタＳＥＬ２が出力する正電圧は、第２のクエンチ回路ＱＣ２を介して第２の検出ノードＰＮ２へ供給される。
第３のセレクタＳＥＬ３は、制御部３から供給されるモード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮに応じて、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬおよびＰＶＳＥＬの反転信号の一方を出力する。

このような構成により、電圧変動部２００は、モード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮがローレベルであれば第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２とに第１の極性（ここでは正極性）を有する同じ大きさの電圧を供給する。また、電圧変動部２００は、モード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮがハイレベルであれば第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２とに第１の極性を有し大きさの異なる電圧を供給する。

なお、第１の検出ノードＰＮ１は後述する第１導電型領域１０４に、第２の検出ノードＰＮ２は後述する第１導電型領域１０５にそれぞれ接続され、第１導電型領域１０４、１０５は、それぞれＡＰＤのカソード端子として機能する。したがって、第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２とに異なる正電圧を供給することは、第１導電型領域１０４、１０５に異なる正電圧を供給すること、受光素子に設けられた複数のＡＰＤのカソード端子に異なる正電圧を供給することに相当する。

このように、本実施形態の撮像素子１は、単位画素１００が有する２つのＡＰＤに供給する第１の極性の電圧について、同じ大きさの電圧を供給するモードと、大きさの異なる電圧を供給するモードとを有する。そして、モード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮによって、モードを切り替え可能に構成されている。

図６は、受光素子の構成例を模式的に示す図である。図６は、撮像素子１の受光面（撮像面）に対して直交する方向におけるＡＰＤの断面図である。
マイクロレンズ（ＭＬ）１０１は、単位画素１００ごとに１つずつ設けられる集光部材である。ＭＬ１０１は例えば、光軸に平行な入射光が、受光素子が有する複数のＡＰＤのカソード端子として機能する第１導電型領域１０４および１０５の中間に集光される形状を有する。

第１導電型（ここではＮ型）エピタキシャル層１０２は、複数のＡＰＤが共有する受光領域の一部として機能する。第２導電型（ここではＰ型）領域１０３は、第１導電型領域１０４、１０５との間で形成されるＰＮ接合フォトダイオードのアノード端子として機能する。第２導電型領域１０３には、電源部２０から不図示のコンタクト電極を介して大きな負電圧（たとえばここでは−２０Ｖ）が与えられる。また、第２導電型領域１０３は、ガードリング１０６を介して第１導電型領域１０４、１０５の一方の領域下でアバランシェ増倍が発生した際に、電位変化が他方に伝達されないよう、第１導電型領域１０４、１０５間を絶縁する。

第１導電型領域１０４は、第２導電型領域１０３との間で形成されるＡＰＤの第１のカソード端子として機能する。第１導電型領域１０４には、電源部２０から、第１の検出ノードＰＮ１に接続されたクエンチ回路ＱＣ１を介して、正電圧（たとえばここでは３Ｖ前後）が与えられる。また、第１導電型領域１０４は、受光領域への光子入射で生じた電子をドリフトで収集し、第２導電型領域１０３との距離が最も近く、高電界のかかる領域Ｅ１でアバランシェ増倍を起こさせる。

第１導電型領域１０５は第１導電型領域１０４とは電気的に独立に設けられ、第２導電型領域１０３との間で形成されるＡＰＤの第２のカソード端子として機能する。第１導電型領域１０５には、電源部２０から、第２の検出ノードＰＮ２に接続されたクエンチ回路ＱＣ２を介して、正電圧（たとえばここでは３Ｖ前後）が与えられ、第２導電型領域１０３と間に高電界領域Ｅ２を形成する。

上述したように、本実施形態では電圧変動部２００を通じて第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２、第１導電型領域１０５と第１導電型領域１０４、または複数のＡＰＤのカソード端子に異なる正電圧を供給することができる。

ガードリング１０６は低濃度の第１導電型領域から構成され、第１導電型領域１０４、１０５と第２導電型領域１０３との間の電界を緩和してエッジブレークダウンを防止する。

図６においてＦ、Ｇ、Ｈで示す位置の水平断面図を図７（ａ）〜図７（ｃ）にそれぞれ示す。なお、図７（ａ）〜図７（ｃ）にＩで示す位置の垂直断面図が図６に相当する。
図６の位置Ｆにおける水平断面（図７（ａ））において、第２導電型領域１０３は、単位画素１００の受光領域の外周と、第１導電型領域１０４と１０５との間に設けられる。第２導電型領域１０３は、外周によって受光領域を規定するとともに、２つの第１導電型領域１０４および１０５を絶縁する。また、第１導電型領域１０４および１０５と第２導電型領域１０３との間には、第１導電型領域１０３との間の電界を緩和するために、第１導電型領域１０４および１０５より低濃度の第１導電型領域から構成されるガードリング１０６が設けられている。

図６の位置Ｇにおける水平断面（図７（ｂ））において、第２導電型領域１０３は、単位画素１００の受光領域の外周と、図７（ａ）に示したガードリング１０６のうち、第１導電型領域１０４と１０５の間の部分の下に設けられる領域７０１を有する。第２導電型領域１０３の領域７０１は、第１導電型領域１０４、１０５との間に高電界領域Ｅ１、Ｅ２を生じさせる。

図６の位置Ｈにおける水平断面（図７（ｃ））には、単位画素の受光領域の外周に設けられた第２導電型領域１０３と、受光領域を形成する第１導電型エピタキシャル層１０２が存在する。図６に示すように、第１導電型エピタキシャル層１０２には、第１導電型領域１０４の下部と、第１導電型領域１０５の下部との中間を絶縁する第２導電型領域１０３が設けられていない。そのため、第１導電型エピタキシャル層１０２で発生した電子は、電位勾配に応じて高電界領域Ｅ１、Ｅ２のどちらへもドリフト可能である。

本実施形態では、受光素子が有する複数のＡＰＤのカソード端子（第１導電型領域１０４、１０５）へ供給する電圧を制御して、受光素子の受光領域で発生した電子のドリフト方向を制御し、高電界領域Ｅ１、Ｅ２に電子を振り分ける。つまり、各ＡＰＤに入力する光子の頻度を制御する。

なお、図６および図７に示した例では、単位画素に設けるＡＰＤの数は２であったが、より多くのＡＰＤを設けてもよい。図８は、単位画素に設けるＡＰＤの数を４とした場合のＡＰＤの構成例を示す図である。図８（ａ）〜図８（ｃ）は、図６における位置Ｆ，Ｇ，Ｈにおける水平断面図に相当する。また、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示した位置Ｊにおける垂直断面の構成は、図６と同様になる。図８において、図６および図７と同じ構成については同じ参照数字を付してある。

図８の構成においても、ガードリング１０６のうち、ＡＰＤのカソード端子として機能する複数の第１導電型領域１０４、１０５間に設けられた部分の下に、第２導電型領域１０３の領域７０１が設けられる。領域７０１により、ＡＰＤのカソード端子として機能する複数の第１導電型領域１０４、１０５との間に４つの高電界領域を生じさせている。

次に、図１および図９に示すタイミングチャートを参照して、本実施形態における撮像素子１の動作について説明する。図１および図９のタイミングチャートに示す制御信号は、制御部３が指定する撮影モードに従って制御信号生成部３０が生成する。

図１は、第１のモードで１フレーム分の撮影を行う際の撮像素子１の動作に関するタイミングチャートである。第１のモードは、例えば表示用または記録用の画像信号を取得するための撮影モードである。

第１のモードでは、１フレームの撮影期間のうち、少なくとも、光子の検出を有効にする期間（光子検出期間と呼ぶ）は、電圧変動部２００から第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２とに異なる正電圧を供給する。

また、少なくとも光子検出期間は、制御信号生成部３０から電源部２０に与える電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬを、周期的にハイレベルとローレベルとに遷移させる。電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬがハイレベルの間、第１の検出ノードＰＮ１には電圧変動部２００から第１の正電圧ＶＤＤ１に基づく第１の正電圧ＶＤＤＭが供給される。

また、第２の検出ノードＰＮ２には電圧変動部２００から第２の正電圧ＶＤＤ２に基づいて、第１の正電圧ＶＤＤＭより高い第２の正電圧ＶＤＤＨが供給される。このように、電圧変動部２００は、第１の検出ノードＰＮ１およびＰＮ２に供給する正電圧を、経時的に第１の電圧と第２の電圧との間で変化させる。

一方、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬがローレベルの間、電圧変動部２００から第１の検出ノードＰＮ１には第２の正電圧ＶＤＤＨが、第２の検出ノードＰＮ２には第１の正電圧ＶＤＤＭが供給される。このように、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのレベルを切り替えることにより、第１および第２の検出ノードＰＮ１およびＰＮ２に対して、第１の正電圧ＶＤＤＭと第２の正電圧ＶＤＤＨとを交互に、かつ排他的に供給する。

受光領域で発生した電子は、第１の正電圧ＶＤＤＭよりも高い第２の正電圧ＶＤＤＨが供給される検出ノードに接続された第１導電型領域の方向にドリフトしやすくなる。したがって、第２の正電圧ＶＤＤＨを供給する検出ノードを切り替えることで、受光領域で発生した電子がドリフトしやすくなる方向を制御することができる。その結果、光子検出期間において、アバランシェ増倍が発生しやすいタイミングを高電界領域Ｅ１，Ｅ２それぞれで異ならせることができる。これは、受光素子に設けられた複数のＡＰＤに入射する光子の頻度を調整することと同義である。

信号ＰＶＳＥＬのレベルが切り替わる周期は、単一光子に起因するアバランシェ増倍による電流が、クエンチ回路で打ち消されるまでの期間に関連して決定することができる。たとえばここでは、半周期を単一光子の入射に対応してパルス整形部ＩＮＶよりハイレベルが出力される期間ΔＴと等しい長さとし、この間、一方の検出ノードに他方の検出ノードより低い電圧を供給するようにしている。

つまり、あるパルス整形部からハイレベルが出力されている間は、同じ単位画素１００内の別のパルス整形部に接続されたＡＰＤの高電界領域で、次のアバランシェ増倍が発生する確率を高くする。

また、ある半周期に第２の正電圧ＶＤＤＨが供給されてアバランシェ増倍が発生したＡＰＤのカソード端子電圧が電圧Ｖｔｈ以上に戻る前に、同一ＳＰＡＤ内の別のＡＰＤのカソード端子に電圧Ｖｔｈより高い第２の正電圧ＶＤＤＨが印加されるよう切り替わる。

したがって、アバランシェ増倍が発生したＡＰＤに接続されたパルス整形部が出力する光子検出信号がローレベルに反転するタイミング付近であっても、受光領域で発生した電子がアバランシェ増倍の発生していないＡＰＤ側へドリフトしやすくなる。これにより、発生タイミングが近い２つの電子に対する２つの光子検出信号（電圧パルス）が結合することを効果的に抑制できる。

第１のモードが指定されると、制御信号生成部３０は、光子検出期間の開始前に、モード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮをハイレベルとし、電圧変動部２００を第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２とに異なる正電圧を供給可能な状態に設定する。また、制御信号生成部３０は、第１および第２の計数部ＣＮＴ１およびＣＮＴ２の計数値を０にリセットしておく。

時刻ｔ１に、制御信号生成部３０は、カウントイネーブル信号ＰＣＮＴをハイレベルとする。これにより、第１および第２の計数部ＣＮＴ１、ＣＮＴ２での光子検出信号の計数が有効となり、光子検出期間が開始する。

時刻ｔ２に、受光領域に入射した光子によって電子が発生したものとする。この電子は第２の正電圧ＶＤＤＨが供給されている第１導電型領域１０５の方向にドリフトしやすい。ここでは、電子が第１導電型領域１０５の方向にドリフトし、高電界領域Ｅ２でアバランシェ増倍を発生させたものとする。アバランシェ増倍による電流の発生に応じて、第２のパルス整形部ＩＮＶ２の出力する光子検出信号Ｐ２がΔＴの期間ハイレベルになる。これにより、第２の計数部ＣＮＴ２の計数値が１増加する。

アバランシェ増倍によって発生した電流はクエンチ回路ＣＱ２により打ち消され、時刻ｔ２からΔＴ後の時刻ｔ３に、第２の検出ノードの電圧が電圧Ｖｔｈを上回ることで、第２のパルス整形部ＩＮＶ２が出力する光子検出信号Ｐ２がローレベルに戻る。

その後、時刻ｔ４に２つ目の光子が入射する。時刻ｔ４では第１導電型領域１０４側に第２の正電圧ＶＤＤＨが供給されているため、発生した電子は高電界領域Ｅ１においてアバランシェ増倍を発生させる。アバランシェ増倍による電流の発生に応じて、第１のパルス整形部ＩＮＶ１の出力する光子検出信号Ｐ１がΔＴの期間ハイレベルになる。これにより、第１の計数部ＣＮＴ１の計数値が１増加する。

以降も同様に、光子の入射に応じて発生した電子は、電子の発生した時点で第２の正電圧ＶＤＤＨが供給されている第１導電型領域が形成する高電界領域に高い確率でドリフトし、アバランシェ増倍を発生させる。

時刻ｔ５に、制御信号生成部３０はカウントイネーブル信号ＰＣＮＴをローレベルとし、第１および第２の計数部ＣＮＴ１およびＣＮＴ２での光子検出信号の計数を無効にする。これにより、１フレームの撮影期間における光子検出期間が終了する。第１のモードでは、計数値を単位画素ごとに加算する必要がある。そのため、光子検出期間が終了するタイミングで、制御信号生成部３０は加算指示信号ＰＡＤＤをハイレベルにし、加算器４０による加算を有効にする。これにより、読み出し期間を開始できるようになる。

時刻ｔ６に、単位画素からの計数値の読み出しを開始する。時刻ｔ６からｔ９の間、制御信号生成部３０は、画素部１０に配置された複数（ここではＭ個とする）の単位画素を順次選択する制御信号を生成する。この制御信号は、撮像素子の読み出し時に用いられる一般的な水平選択信号と垂直選択信号であってよい。

選択された単位画素から、第１の計数部ＣＮＴ１の計数値ＯＵＴ１および第２の計数部ＣＮＴ２の計数値ＯＵＴ２を出力する。加算部４０は、計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２を加算し、単位画素の画素データＯＵＴ３として出力する。

ここで、図１のタイミングチャートの光子検出期間の動作が、Ｎ番目の単位画素に関するものであったとする。
時刻ｔ７に、Ｎ番目の単位画素の計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２が読み出されると、制御信号生成部３０は時刻ｔ８にＮ番目の単位画素の計数部ＣＮＴ１、ＣＮＴ２の計数値を０にリセットして、次のフレームの光子検出に備える。
時刻ｔ９に、画素部１０のうち最後となるＭ番目の単位画素の画素データＯＵＴ３が出力されると、１フレームの撮像動作が完了する。

このように、第１のモードでは、光子検出期間中に第１導電型領域１０４、１０５へ供給する正電圧の高低を交互に切り替えるようにする。これにより、光子の入射によって発生した電子がドリフトしやすい方向が周期的に変化するため、同じＡＰＤで連続してアバランシェ増倍が発生することを抑制することができる。その結果、パルス整形部ＩＮＶが出力する光子検出信号（電圧パルス）が結合することが抑制され、単位画素に高頻度で光子が入射する場合であっても、入射した光子の数を精度良く計数することが可能になる。

図９は、第２のモードで１フレーム分の撮影を行う際の撮像素子１の動作に関するタイミングチャートである。第２のモードは、焦点検出用の像信号を取得するための撮影モードである。

第２のモードでは、光子検出期間の間、第１および第２の検出ノードＰＮ１およびＰＮ２に同じ電圧を供給する。したがって、受光領域で発生した電子は、第１導電型領域１０４、１０５のうち、電子の発生位置に近い方にドリフトしやすくなる。受光素子に設けられた２つのＡＰＤの第１導電型領域１０４、１０５は一つのＭＬ１０１を共有する。

そのため、第１導電型領域１０４をカソード端子とするＡＰＤと、第１導電型領域１０５をカソード端子とするＡＰＤとでは、撮影レンズ８の射出瞳のうち、互いに異なる部分領域（瞳Ａ、瞳Ｂとする）を通過した光子を検出する。したがって、複数の単位画素について、第１の計数部ＣＮＴ１の計数値ＯＵＴ１を連結した像信号と、第２の計数部ＣＮＴ２の計数値ＯＵＴ２を連結した像信号とは、位相差ＡＦに用いる１対の像信号に相当する。

第２のモードが指定されると、制御信号生成部３０は、光子検出期間の開始前に、モード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮをローレベルとし、電圧変動部２００を、第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２とに同じ正電圧を供給する状態に設定する。また、制御信号生成部３０は電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬをローレベルに固定し、電圧変動部２００を、第１および第２の検出ノードＰＮ１およびＰＮ２の両方に、第２の正電圧ＶＤＤ２に基づく第２の正電圧ＶＤＤＨを継続して供給する状態に設定する。また、制御信号生成部３０は、第１および第２の計数部ＣＮＴ１およびＣＮＴ２の計数値を０にリセットしておく。

時刻ｔ１１に、制御信号生成部３０は、カウントイネーブル信号ＰＣＮＴをハイレベルとする。これにより、第１および第２の計数部ＣＮＴ１、ＣＮＴ２での光子検出信号の計数が有効となり、光子検出期間が開始する。

時刻ｔ１２に、瞳Ｂを通過した光子が、第１導電型領域１０４、１０５の中心位置よりも第１導電型領域１０５寄りの受光領域に入射したものとする。この光子の入射によって発生した電子は、第１導電型領域１０４、１０５のうち、発生位置から距離の近い第１導電型領域１０５の方向にドリフトしやすい。ここでは、電子が第１導電型領域１０５の方向にドリフトし、高電界領域Ｅ２でアバランシェ増倍を発生させたものとする。アバランシェ増倍による電流の発生に応じて、第２のパルス整形部ＩＮＶ２の出力する光子検出信号Ｐ２がΔＴの期間ハイレベルになる。これにより、第２の計数部ＣＮＴ２の計数値が１増加する。

時刻ｔ１３に、瞳Ａを通過した光子が、第１導電型領域１０４、１０５の中心位置よりも第１導電型領域１０４寄りの受光領域に入射したものとする。この光子の入射によって発生した電子は、第１導電型領域１０４、１０５のうち、発生位置から距離の近い第１導電型領域１０４の方向にドリフトしやすい。ここでは、電子が第１導電型領域１０４の方向にドリフトし、高電界領域Ｅ１でアバランシェ増倍を発生させたものとする。アバランシェ増倍による電流の発生に応じて、第１のパルス整形部ＩＮＶ１の出力する光子検出信号Ｐ１がΔＴの期間ハイレベルになる。これにより、第１の計数部ＣＮＴ１の計数値が１増加する。

以降も同様に、光子の入射によって発生した電子は、高確率で光子の入射位置から距離の近い側の高電界領域でアバランシェ増倍を発生させる。これにより、瞳Ａを通過して入射した光子の数は第１の計数部ＣＮＴ１で、瞳Ｂを通過して入射した光子の数は第２の計数部ＣＮＴ２で、それぞれ計数される。

時刻ｔ１４に、制御信号生成部３０はカウントイネーブル信号ＰＣＮＴをローレベルとし、第１および第２の計数部ＣＮＴ１およびＣＮＴ２での光子検出信号の計数を無効にする。これにより、１フレームの撮影期間における光子検出期間が終了する。第２のモードでは、計数部ごとに計数値を読み出すため、制御信号生成部３０は加算指示信号ＰＡＤＤをローレベルのまま変更せず、加算器４０による加算を無効にする。

時刻ｔ１５に、単位画素からの計数値の読み出しを開始する。時刻ｔ１５からｔ１８の間、制御信号生成部３０は、画素部１０に配置されたＭ個の単位画素を順次選択する制御信号を生成する。

選択された単位画素から、第１の計数部ＣＮＴ１の計数値ＯＵＴ１および第２の計数部ＣＮＴ２の計数値ＯＵＴ２を出力する。加算部４０は、計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２を加算せずに、別個の画素データＯＵＴ３として順次出力する。

ここで、図１のタイミングチャートの光子検出期間の動作が、Ｎ番目の単位画素に関するものであったとする。
時刻ｔ１６に、Ｎ番目の単位画素の計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２が読み出されると、制御信号生成部３０は時刻ｔ１７にＮ番目の単位画素の計数部ＣＮＴ１、ＣＮＴ２の計数値を０にリセットして、次のフレームの光子検出に備える。
時刻ｔ１８に、画素部１０のうち最後となるＭ番目の単位画素の計数値ＯＵＴ１、ＯＵＴ２が画素データＯＵＴ３として順次出力されると、１フレームの撮像動作が完了する。

このように、第２のモードでは、光子検出期間中に第１導電型領域１０４、１０５へ供給する正電圧を一定とする。これは、焦点検出用に取得する画像データについては表示用または記録用画像を生成するために取得する画像データほどは精度が要求されないからである。もちろん、焦点検出用の信号を取得する場合でも第１モードで撮影してもよいし、表示用もしくは記録用画像を生成するための画像データを取得する場合に第２モードで撮影してもよい。また、被写体の平均輝度や最高輝度が閾値以上であれば第１のモード、閾値未満であれば第２のモードを用いてもよい。

本実施形態の撮像素子１は、光子によって発生する電子のドリフト方向を制御する第１のモードと、制御しない第２のモードとを任意の条件に応じて選択的に利用可能であり、第１のモードと第２のモードの選択条件は特に制限されない。

図１０は、本実施形態による撮像素子１の動作に関するフローチャートである。
Ｓ１で、制御信号生成部３０は、制御部３から撮影指示が入力されているか否かを判定し、入力されていると判定されればＳ２に処理を進め、判定されなければＳ１を繰り返し実行する。

Ｓ２で、制御信号生成部３０は、制御部３から指定された撮影モードが第１モードであるか否かを判定する。制御信号生成部３０は、第１モードが指定されていると判定されればＳ３１へ、判定されなければＳ３２へ、処理を進める。

Ｓ３１で制御信号生成部３０は、第１モードにおける光子検出動作を開始する。この動作は、図１の時刻ｔ１からｔ５における動作に相当する。
Ｓ４１で制御信号生成部３０は、当該フレームの光子検出期間が終了したか否か判定し、光子検出期間が終了したと判定されればＳ５１へ処理を進め、判定されなければ処理をＳ３１へ戻して光子検出動作を継続する。光子検出期間は例えば制御部３から設定された露出時間が経過すると終了する。

Ｓ５１で制御信号生成部３０は、第１モードにおける読み出し動作を実行する。この動作は、図１の時刻ｔ６からｔ９における動作に相当する。読み出し動作が終了すると、制御信号生成部３０は処理をＳ６へ進める。

Ｓ３２で制御信号生成部３０は、第２モードにおける光子検出動作を開始する。この動作は、図９の時刻ｔ１１からｔ１４における動作に相当する。
Ｓ４２で制御信号生成部３０は、当該フレームの光子検出期間が終了したか否か判定し、光子検出期間が終了したと判定されればＳ５２へ処理を進め、判定されなければ処理をＳ３２へ戻して光子検出動作を継続する。光子検出期間は例えば制御部３から設定された露出時間が経過すると終了する。

Ｓ５２で制御信号生成部３０は、第２モードにおける読み出し動作を実行する。この動作は、図９の時刻ｔ１５からｔ１８における動作に相当する。読み出し動作が終了すると、制御信号生成部３０は処理をＳ６へ進める。

Ｓ６で制御信号生成部３０は、制御部３から撮影継続が指示されているか否かを判定し、指示されていると判定されれば処理をＳ２に戻し、判定されなければ撮影動作を終了する。

以上説明したように、本実施形態では、各単位画素の受光素子が複数のＡＰＤを有する撮像素子を用いる撮像装置において、単位画素内の各ＡＰＤに異なる大きさの電圧を供給できるようにした。ＡＰＤに供給する電圧を異ならせることにより、単位画素に入射した光子のドリフト方向を制御することができ、結果としてアバランシェ増倍が発生するＡＰＤを制御することができる。そのため、同一ＡＰＤでアバランシェ増倍が連続的に発生することを抑制でき、単位画素に高頻度で光子が入射した場合の光子の計数精度の低下を抑制できる。

（変形例）
図１１、図１２を参照し、第１の実施形態の変形例について説明する。本変形例は、電圧変動部２００を図１１に示す電圧変動部２００ａとしたものである。

電圧変動部２００ａは、第１の抵抗Ｒ１と第１の容量Ｃ１からなる第１のＲＣ回路と、第２の抵抗Ｒ２と第２の容量Ｃ２からなる第２のＲＣ回路と、電圧変動部２００ａの動作モードを切り替えるセレクタＳＥＬ３とを有する。

第１の抵抗Ｒ１の一端には正電圧ＶＤＤが入力される。第１の抵抗Ｒ１の他端には、第１の容量Ｃ１を介してオフセット電圧ＶＯＦＳＴが入力される。正電圧ＶＤＤおよびオフセット電圧ＶＯＦＳＴの変化に応じて、第１のＲＣ回路により所定の時定数で変動した電圧が、第１のクエンチ回路ＱＣ１を介して第１の検出ノードＰＮ１に供給される。

また、第２の抵抗Ｒ２もその一端に正電圧ＶＤＤが入力される。第２の抵抗Ｒ２の他端には第２の容量Ｃ２を介してセレクタＳＥＬ３からの出力電圧が入力される。正電圧ＶＤＤおよびセレクタＳＥＬ３からの出力電圧の変化に応じて、第２のＲＣ回路により所定の時定数で変動した電圧が、第２のクエンチ回路ＱＣ２を介して第２の検出ノードＰＮ２に供給される。

第３のセレクタＳＥＬ３には、オフセット電圧ＶＯＦＳＴおよびオフセット電圧ＶＯＦＳＴと逆相の電圧が制御信号生成部３０から入力される。第３のセレクタＳＥＬ３は、入力される２つの電圧のうち、モード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮに応じた一方を出力する。

本変形例では、ＶＤＤ１、ＶＤＤ２という２つの電源を用意する代わりに、１つの電源ＶＤＤと２つのＣＲ回路とを用いて第１の正電圧ＶＤＤＭと第２の正電圧ＶＤＤＨとを生成する。撮像素子１のその他の構成については、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

図１２（ａ）は、本変形例に係る撮像素子１の、第１のモードの撮影動作に関するタイミングチャートである。なお、便宜上オフセット電圧ＶＯＦＳＴのみを示している。
本変形例の第１のモードでは、１フレームの撮影動作のうち少なくとも時刻ｔ２１からｔ２２の光子検出期間において、一定周期でハイレベルとローレベルとが切り替わるオフセット電圧ＶＯＦＳＴを電圧変動部２００ａに供給する。これにより、光子検出期間中に第１導電型領域１０４、１０５へ供給する正電圧の高低を交互に切り替える。

なお、図１２（ｂ）に示すように、ハイレベルとローレベルとが緩やかに遷移するオフセット電圧ＶＯＦＳＴ（および逆相の電圧）を電圧変動部２００ａに供給してもよい。これにより、スイッチングノイズを抑制することができる。図１２（ｂ）は正弦波状に電圧が変化する例を示したが、他の遷移形状としてもよい。

本変形例においても、第１の実施形態における第１のモードと同様に、光子の入射によって発生した電子のドリフト方向を制御することができる。

●（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、単位画素の受光素子に含まれる複数のＡＰＤに対して供給する電圧の値を周期的に入れ替える構成であった。これに対し本実施形態は、あるＡＰＤでアバランシェ増倍が発生したことに応じて他のＡＰＤに供給する電圧を高めるように電圧供給を制御する。

図１３は、第２の実施形態に係る撮像素子１の構成を、１つの単位画素１００ｂと電源部２０ｂの構成に着目して記載したブロック図である。第１実施形態と同様の構成については同じ名称を用い、説明を省略する。

図４との比較から分かるように、本実施形態では単位画素１００ｂごとに電圧変動部２００ｂを有し、電源部２０ｂは電圧変動部を有していない。電圧変動部２００ｂは、第１のパルス整形部ＩＮＶ１から出力される光子検出信号Ｐ１を電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬとして利用する。

電源部２０ｂは、第１の正電圧ＶＤＤ１および第２の正電圧ＶＤＤ２を、画素部１０に設けられたそれぞれの単位画素１００ｂが有する電圧変動部２００に供給する。単位画素ごとに電圧変動部２００ｂを設けることで、単位画素が有する複数のＡＰＤに供給する電圧を、単位画素ごとに独立して制御可能になる。

なお、電圧変動部２００ｂは、初期状態において、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬとして用いる光子検出信号を出力するパルス整形部ＩＮＶが接続されたＡＰＤに第２の正電圧ＶＤＤＨを供給し、他のＡＰＤには第１の正電圧ＶＤＤＭを供給するように構成される。その後、高い電圧を供給しているＡＰＤでアバランシェ増倍が発生すると、光子検出信号のレベルが変化し、電圧変動部２００ｂは第２の正電圧ＶＤＤＨを供給するＡＰＤを切り替える。

このようにして、単位画素ごとに、第１の検出ノードＰＮ１でのアバランシェ増倍が発生している期間中、第２の検出ノードＰＮ２に第２の正電圧ＶＤＤＨが供給されるよう駆動することが可能となる。

図１４は、第１のモードで１フレーム分の撮影を行う際の撮像素子１の動作に関するタイミングチャートである。
本実施形態においても、第１のモードでは、１フレームの撮影期間のうち、少なくとも、光子検出期間については電圧変動部２００ｂから第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２とに異なる正電圧を供給する。以下、図１に示した第１の実施形態における第１モードの動作と異なる部分について説明する。

本実施形態では第１および第２のパルス整形部ＩＮＶ１およびＩＮＶ２のうち、第１のパルス整形部ＩＮＶ１の出力する光子検出信号Ｐ１を、電圧変動部２００ｂが電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬとして利用する。したがって、第１の光子検出信号Ｐ１がローレベルの間、電圧変動部２００ｂは第１の検出ノードＰＮ１に第２の正電圧ＶＤＤＨを、第２の検出ノードＰＮ２に第１の正電圧ＶＤＤＭを供給する。そのため、デフォルト状態では光子の入射によって発生した電子は、第１導電型領域１０４の方向へ高確率でドリフトするように制御される。

時刻ｔ３１に、制御信号生成部３０は、カウントイネーブル信号ＰＣＮＴをハイレベルとする。これにより、第１および第２の計数部ＣＮＴ１、ＣＮＴ２での光子検出信号の計数が有効となり、光子検出期間が開始する。

時刻ｔ３２に、ＳＰＡＤの受光領域に入射した光子によって電子が発生したものとする。この電子は第２の正電圧ＶＤＤＨが供給されている第１導電型領域１０４の方向にドリフトしやすい。ここでは、電子が第１導電型領域１０４の方向にドリフトし、高電界領域Ｅ１でアバランシェ増倍を発生させたものとする。アバランシェ増倍による電流の発生に応じて、第１のパルス整形部ＩＮＶ１の出力する光子検出信号Ｐ１がΔＴの期間ハイレベルになる。これにより、第１の計数部ＣＮＴ１の計数値が１増加する。

また、電圧変動部２００ｂは、光子検出信号Ｐ１（電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬ）がハイレベルに遷移したことにより、第１および第２の検出ノードＰＮ１およびＰＮ２に供給する電圧を切り替える。これにより、第１の検出ノードに第１の正電圧ＶＤＤＭが、第２の検出ノードＰＮ２に第２の正電圧ＶＤＤＨが供給されるようになる。

光子検出信号Ｐ１は期間ΔＴ後にローレベルに戻るため、電圧変動部２００ｂは再び第１および第２の検出ノードＰＮ１およびＰＮ２に供給する電圧を切り替える。これにより、第１の検出ノードに第２の正電圧ＶＤＤＨが、第２の検出ノードＰＮ２に第１の正電圧ＶＤＤＭが供給されるようになる。
その後、時刻ｔ３３およびｔ３４において光子が入射した場合も、電圧変動部２００ｂは同様の動作を実行する。

時刻ｔ３５で光子が入射し、第１導電型領域１０４側の高電界領域Ｅ１でアバランシェ増倍を発生させる。そして、第１の検出ノードＰＮ１の電圧が閾値Ｖｔｈ以上に復帰する（光子検出信号Ｐ１がローレベルに戻る）前の時刻ｔ３６に光子が入射している。
この時点において第２の正電圧ＶＤＤＨは第２の検出ノードＰＮ２に供給されているため、発生した電子は第１導電型領域１０５側の高電界領域Ｅ２においてアバランシェ増倍を発生させる。これにより、第２のパルス整形部ＩＮＶ２が出力する光子検出信号Ｐ２がハイレベルになり、第２の計数部ＣＮＴ２の計数値が１増加する。

その後時刻ｔ３８で光子が入射した時点では第２の正電圧ＶＤＤＨは第１の検出ノードＰＮ１に供給されているため、発生した電子は第１導電型領域１０４側の高電界領域Ｅ１においてアバランシェ増倍を発生させている。
時刻ｔ３９以降は第１の実施形態の時刻ｔ５以降と同様であるため、説明を省略する。

なお、本実施形態の構成において第２のモードの動作を実施する場合、モード切り替え信号ＰＳＥＬＥＮをローレベルに固定して、電圧変動部２００ｂから第１の検出ノードＰＮ１と第２の検出ノードＰＮ２とに同じ電圧を供給する。

本実施形態では、第１の実施形態と同様の電圧制御を単位画素ごとに実行するため、第１の実施形態よりも各画素の計数値の精度を高めることができる。

●（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。単位画素ごとにマイクロレンズ（ＭＬ）１０１を設ける構成では、単位画素の像高や、ＭＬ１０１の光軸と複数のＡＰＤ（第１導電型領域１０４、１０５）との位置関係に起因して、アバランシェ増倍が同一ＡＰＤで連続的に発生しやすくなることがある。

具体的には、単位画素の受光領域上における、撮影レンズ８の射出瞳の投影像が円形でない場合や、投影像の中心がＭＬ１０１の光軸と受光領域との交点からずれている場合、複数のＡＰＤでアバランシェ増倍が発生する確率に偏りが生じる。特に、像高の大きな位置に配置された単位画素では偏りが大きくなりやすい。
本実施形態は、単位画素に設けられた複数のＡＰＤに印加する電圧を異ならせることにより、このような物理的な要因による光電子の発生位置の偏りを抑制し、アバランシェ増倍が同一ＡＰＤで連続的に発生することを抑制する。

図１５（ａ）は、マイクロレンズの光軸と単位画素の中心位置とがずれている場合を模式的に示す図である。図１５（ａ）において、上部は単位画素の垂直断面図、点線で囲った部分は受光領域の上面図をそれぞれ模式的に示している。

撮影レンズ８の射出瞳を通過した光束１５０１は、マイクロレンズ（ＭＬ）１０１を通して単位画素の受光領域に射出瞳の投影像１５０２を形成する。ここでは便宜上、第１導電型領域１０４とその周囲のガードリング１０６に相当する領域を受光領域Ａ、第１導電型領域１０５とその周囲のガードリング１０６に相当する領域を受光領域Ｂとして図示している。

図１５（ａ）に示す例では、射出瞳の投影像１５０２の中心が、点線で示す受光領域Ａ、Ｂ間の中心よりも受光領域Ａ側にずれている。そのため、この単位画素では、受光領域Ａに光子が入射する確率が、受光領域Ｂに光子が入射する確率よりも高くなる。

このように、光子の入射位置に偏りがある場合、第１および第２実施形態における第１モードの動作により効果が低下する可能性がある。そのため本実施形態では、第２の正電圧ＶＤＤＨを第１の検出ノードＰＮ１に供給する期間よりも、第２の正電圧ＶＤＤＨを第２の検出ノードＰＮ２に供給する期間を長くする。

具体的には図１５（ｂ）に示すように、制御信号生成部３０から電圧変動部２００，２００ａ，２００ｂ（以下、まとめて電圧変動部２００と呼ぶ）に供給する電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を５０％から変更する。電圧変動部２００が、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬがハイレベルの期間に第２の正電圧ＶＤＤＨを第１の検出ノードＰＮ１に供給する構成であれば、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を５０％未満とする。

なお、一般にＭＬ１０１はアレイ状に形成されるため、製造誤差による単位画素とのマイクロレンズとの位置ずれは画素部１０の全体に生じる。したがって、製造誤差による位置ずれを補正するための電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比は、撮像装置１０００の製造時などに予め定めることができる。

例えば、輝度の均一な被写体を撮影した際の光軸近くの単位画素における計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２の差に基づいて決定することができる。このようにして決定したデューティ比は、メモリ１７の不揮発性メモリに記憶しておき、制御信号生成部３０が参照する。

なお、電圧変動部２００を第２の実施形態のように画素ごとに設ける構成とすれば、製造誤差に加え、像高に起因する光子の入射範囲の偏りも補正することができる。この場合、輝度の均一な被写体を撮影した際の各単位画素における計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２の差に基づいて、個々の単位画素についての電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を決定することができる。各単位画素における計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２の差は、像高が大きくなるにしたがって光の入射方向とマイクロレンズの光軸方向との差が大きくなることによる入射領域の偏りも反映しているからである。

この場合、制御信号生成部３０から画素ごとに異なるデューティ比の電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬを供給するのは現実的でない。したがって、例えば図１３の構成において、電圧変動部２００ｂは電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬを用いず、能動的に第２の正電圧ＶＤＤＨを供給する検出ノードを切り替える。例えば、個々の電圧変動部２００ｂが、上述した製造時などに決定されたデューティ比を保持し、第２の正電圧ＶＤＤＨを供給する検出ノードをデューティ比に応じて切り替える。

なお、デューティ比を５０％から変更する場合も、ハイレベルとなる期間の長さは単一光子に起因するアバランシェ増倍による電流がクエンチ回路で打ち消されるまでの期間に関連して決定することができる。また、必ずしも常に第１および第２の正電圧ＶＤＤＭおよびＶＤＤＨが複数の検出ノードに排他的に供給されなくてもよい。つまり、同じ正電圧が複数の検出ノードに供給される期間が存在してもよい。

本実施形態によれば、単位画素に設けられた複数のＡＰＤに対して第１および第２の電圧を選択的に供給する構成において、高い電圧を供給する期間の長さをＡＰＤに応じて変更できるようにした。そのため、単位画素が配置された像高や製造誤差に起因した光子の入射範囲の偏りに起因した、同一ＡＰＤにおける高頻度のアバランシェ増倍の発生を抑制することができる。

●（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第３の実施形態で説明した、射出瞳の投影像と単位画素の中心とのずれは、撮影光学系（撮影レンズ８）の射出瞳距離にも依存する。したがって、撮影レンズ８が交換可能な場合、装着された撮影レンズによって上述したずれが変化しうる。

図１６（ａ）は、撮影レンズ８の射出瞳距離と、受光領域上に投影される射出瞳の像の位置の関係を模式的に示している。なお、ここでは理解および説明を容易にするため、像高の影響はないものとする。

光学中心（ＭＬ１０１の光軸と受光領域との交点）に対して右下にある単位画素９０１について着目する。この場合、受光領域上に投影される射出瞳の像の位置は、像の中心と光学中心が一致する射出瞳距離を基準として、射出瞳距離が大きくなると光学中心側（受光領域Ａ側）に、小さくなると光学中心反対側（受光領域Ｂ側）にずれる。

そのため、本実施形態では図１６（ｂ）に示すように、射出瞳距離が基準距離よりも大きい場合には基準距離の場合よりも電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を小さくする。また、射出瞳距離が基準距離よりも小さい場合には基準距離の場合よりも電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を大きくする。

光学中心に対して左下にある画素９０２については、像のずれる方向が画素９０１と逆になる。そのため、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比の制御も逆になる。つまり、射出瞳距離が基準距離よりも大きい場合には基準距離の場合よりも電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を大きくする。また、射出瞳距離が基準距離よりも小さい場合には基準距離の場合よりも電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を小さくする。

図１６では像高による影響を無視したが、射出瞳の像のずれ量は、単位画素の像高（光学中心からの距離）が大きいほど大きくなる。撮影レンズ８の射出瞳距離の大きさに加え、像高の大きさに応じて、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を調整する。調整は単位画素ごと、列ごと、もしくは領域ごとに行うことができる。

図１７（ａ）は、像高と、受光領域上に投影される射出瞳の像の位置の関係を模式的に示している。なお、ここでは理解および説明を容易にするため、撮影レンズの射出瞳距離の影響はないものとする。
図示するように、光学中心付近の単位画素では射出瞳の像の位置ずれは存在しないか無視できる程度であるが、像高が大きくなるにつれて像は光学中心から離れる方向にずれていく。すなわち、光学中心に対して左側に位置し、像高が大きな画素１００１では光学中心外側に位置する受光領域Ａ側に、光学中心に対して右側に位置し、像高の大きな画素１００３では受光領域Ｂ側に、射出瞳の像がずれる。

そのため、図１７（ｂ）に示すように、光学中心付近の画素についての電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を５０％とすると、光学中心の左側で像高の大きな単位画素については、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を５０％未満にする。これにより、第１の検出ノードＰＮ１に第２の正電圧ＶＤＤＨが供給される期間を短くする。また、光学中心の右側で像高の大きな単位画素については、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を５０％より大きくする。これにより、第１の検出ノードＰＮ１に第２の正電圧ＶＤＤＨが供給される期間を長くする。

なお、ここでは単位画素に設けられた２つのＡＰＤが光学中心に対して左右に配置されているため、左右方向の像高の大きさに応じて電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を制御している。しかし、２つのＡＰＤが光学中心に対して上下に配置されていれば、上下方向の像高の大きさに応じて電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を制御する。

単位画素の像高と、撮影レンズ８の射出瞳距離とに応じた射出瞳の投影像の位置ずれは、単位画素における光の入射範囲の偏りに相当する。したがって、光の入射範囲の偏りに起因した、アバランシェ増倍が発生するＡＰＤの偏りを抑制するために、像高の大きさに応じて、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を調整する。

電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比の調整は単位画素ごと、列ごと、もしくは領域ごとに行うことができる。しかし、ここでは単位画素に設けられた２つのＡＰＤが光学中心に対して左右に配置されているため、画素列ごとにデューティ比を制御する構成について説明する。

図１８は、本実施形態における撮像素子１の構成例を示すブロック図である。上述した実施形態で説明した構成要素には同じ参照数字を付してある。図１８では、制御信号生成部３０が、垂直制御回路１１０２、水平制御回路１１０３、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１１０４を有している。垂直制御回路１１０２は画素部１０の単位画素を画素行単位で選択する行選択信号を出力する。選択された行の単位画素１００は、スイッチ１１０５がオンされて、計数値ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を読み出し可能になる。

水平制御回路１１０３は、画素列を選択する列選択信号を出力する。列選択信号は画素列ごとに設けられたスイッチ１１０６をオンする。水平制御回路１１０３が列選択信号を順番にオンすることにより、行選択信号によって選択されている画素行に配置された単位画素のそれぞれから計数値を読み出すことができる。読み出した計数値は加算部４０に出力される。

本実施形態では、画素列ごとに電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を制御するため、画素列ごとに電圧変動部１１０９が設けられている。なお、電圧変動部１１０９は、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比の制御単位ごとに設けられる。したがって、画素単位で制御を行う場合には、各画素に電圧変動部１１０９を設ける。

図１９は、電源部２０ｂと電圧変動部１１０９とによる電圧供給に係る構成を、１つの単位画素１００に着目して記載したブロック図である。電圧変動部１１０９はパルス調整部１２０１、１２０２を有する。パルス調整部１２０１、１２０２はＲＯＭ１２０３に設定されたデューティ比に従い、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比を調整することにより、第２の正電圧ＶＤＤＨを供給する期間を、検出ノードごとに別個に制御する。

ＲＯＭ１２０３には複数の射出瞳距離のそれぞれに関連づけてデューティ比が補正データとして予め登録されている。制御部３は、装着されている撮影レンズ８から射出瞳距離を取得し、パルス調整部１２０１、１２０２にＲＯＭ１２０３内で参照すべきデューティ比を特定する情報を供給する。

なお、ＲＯＭ１２０３に登録するデューティ比は、輝度の均一な被写体を撮影した際の、例えば同じ画素列に配置された複数の単位画素における計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２の差の平均値に基づいて決定することができる。撮影ならびに、デューティ比の決定および登録は、撮像装置１０００の製造時などに行うことができる。

計数値ＯＵＴ１およびＯＵＴ２の差は、製造誤差、射出瞳距離、および像高による射出瞳の像のずれを反映している。なお、電圧変動部１１０９のパルス調整部１２０１、１２０２が用いるデューティ比は、制御部３が直接設定してもよい。この場合、ＲＯＭ１２０３はメモリ１７の一部であってもよい。

このように、本実施形態によれば、第３の実施形態と同様の効果を、撮影レンズの射出瞳距離が変化する場合においても実現することができる。

●（第５の実施形態）
第３および第４の実施形態では、光学中心に対して水平方向に２つのＡＰＤが配置された単位画素について説明してきた。しかし、図８に関して説明したように、単位画素に設けるＡＰＤの数や配置は上述の例に限定されない。

本実施形態では単位画素の他の構成の一例として、光学中心に対して水平方向に２つ、垂直方向に２つ、合計４つのＡＰＤを設けた構成において、入射光の範囲の偏りによるアバランシェ増倍の発生頻度の偏りを抑制する方法について説明する。

水平および垂直方向に複数のＡＰＤが設けられる場合、各ＡＰＤにおけるアバランシェ増倍の発生頻度の偏りは、射出瞳の像の水平方向のずれに加え、垂直方向のずれにも依存する。そのため、本実施形態では垂直方向のずれも考慮した電圧供給制御を行う。

例えば、第２実施形態のように単位画素ごとに電圧変動部を設け、各電圧変動部が、予め設定された各ＡＰＤ用のデューティ比に基づいて、各ＡＰＤ（検出ノード）に供給する電圧とその期間を制御する。例えば、電圧変動部には複数の射出瞳距離のそれぞれに関連づけられた各ＡＰＤ用のデューティ比を予め記憶しておくことができる。

そして、制御部３が、装着されている撮影レンズ８から取得した射出瞳距離に基づいて、各電圧変動部に対して、記憶されているデューティ比のうち、使用すべきセットを指定することができる。電圧変動部は指定されたデューティ比のセットを用いて、各ＡＰＤに対する電圧供給を制御する。

図２０（ａ）は、水平垂直方向に２つずつ設けられた４つのＡＰＤを有する単位画素における、撮影レンズ８の射出瞳距離と、受光領域上に投影される射出瞳の像の位置の関係を模式的に示している。なお、ここでは理解および説明を容易にするため、像高の影響はないものとする。また、便宜上、各ＡＰＤのカソード端子として機能する第１導電型領域とその周囲のガードリング１０６に相当する領域を、各ＡＰＤの受光領域Ａ〜Ｄとして図示している。

光学中心に対して右下に位置し、像高の大きな単位画素１３０１における射出瞳像のずれは図１６（ａ）の単位画素９０１と同様である。しかし、垂直方向における像のずれも考慮するため、個々のＡＰＤ（検出ノード）に第２の正電圧ＶＤＤＨを供給する期間はそれぞれ異なる。

図２０（ｂ）に画像１３０１が有する４つのＡＰＤ（検出ノードＰＮ１〜ＰＮ４）に供給する正電圧を制御するための電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬのデューティ比の例を示す。図２０（ｂ）における電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬ Ａ〜Ｄは、それぞれ受光領域Ａ〜Ｄに対応するＡＰＤに接続された検出ノードに供給する電圧を制御する信号である。

電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬがハイレベルの期間、対応する検出ノードには第２の正電圧ＶＤＤＨが供給される。また、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬがローレベルの期間、対応する検出ノードには第１の正電圧ＶＤＤＭが供給される。

画素１３０１は光学中心から右下に位置するため、射出瞳距離が大きい場合、射出瞳の像は左上方向にずれる。ここでは、射出瞳距離が基準距離よりも大きい場合、射出瞳の像と受光領域との重複の大きさは、受光領域Ａが最も大きく、次に受光領域ＢおよびＣが大きく、そして受光領域Ｄが最も小さいものとする。

例えば、重複が小さい程、第２の正電圧ＶＤＤＨを供給する期間を長くすると、デューティ比の大きさは、電圧切り替え信号ＰＶＳＥＬ Ｄ＞Ｃ＝Ｂ＞Ａの順となる。射出瞳距離が基準距離よりも小さい場合は逆となる。基準距離は、射出瞳の像のずれがない射出瞳距離である。

なお、像高や製造誤差に起因する射出瞳の像の位置ずれについても同様である。実際には、第４の実施形態でも述べたように、製造時などに検出する計数値の差は、射出瞳距離、像高、製造誤差の全ての要因によるずれを反映している。そのため、実際にはこれらすげての要因に対して１つの補正値セット（デューティ比セット）で対処可能である。

なお、本実施形態に係る撮像素子１が第１モードで動作する場合には４つの計数値ＯＵＴ１〜ＯＵＴ４を加算部４０で加算する。また、第２モードで動作する場合には、水平方向もしくは垂直方向に並んだ２つのＡＰＤで得られる計数値を加算して１組の計数値を取得してもよい。あるいは、加算部４０での加算を行わずに、個々の計数値を別個に取得してもよい。

本実施形態によっても、第４の実施形態と同様の効果を実現することができる。また、画素単位で電圧供給を制御する場合には、特に高輝度領域の画素における計数値の精度をより高めることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では電源部２０、制御信号生成部３０、および加算部４０を撮像素子１が有する構成について説明した。しかし、これらの１つ以上は撮像素子１の外部に設けられてもよい。

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ー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。

１００…単位画素、ＡＰＤ…アバランシェフォトダイオード、１０１…マイクロレンズ、ＩＮＶ１、ＩＮＶ２…パルス整形部、ＰＮ１、ＰＮ２…検出ノード、ＱＣ１、ＱＣ２…クエンチ回路、ＣＮＴ１、ＣＮＴ２…計数部、２０…電源部、２００，２００ａ，２００ｂ…電圧変動部

Claims (10)

1. 複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を有し、ＡＰＤごとに入射した光子の数を検出する単位画素が複数配列された画素部と、
   前記単位画素に前記複数のＡＰＤのそれぞれがガイガーモードで動作するための電圧を供給する電圧制御手段と、を有し、
   前記電圧制御手段は、前記単位画素が有する複数のＡＰＤに対して供給する第１の極性の電圧について、ＡＰＤごとに経時的に第１の電圧と第２の電圧との間で変化させる第１モードと、全てのＡＰＤに対して同じ大きさの電圧とする第２モードとを有する、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記電圧制御手段は、前記第１モードにおいて、前記第１の電圧と前記第２の電圧とを交互に供給し、ＡＰＤに応じて前記第１の電圧と前記第２の電圧との切り替えタイミングを異ならせることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記電圧制御手段は、前記第１モードにおいて、前記複数のＡＰＤの第１のＡＰＤと第２のＡＰＤとに対して、前記第１の電圧と前記第２の電圧とを排他的に供給す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。
4. 前記電圧制御手段は、前記第１モードにおいて、
   前記複数のＡＰＤの第１のＡＰＤにおいてアバランシェ増倍が発生するまでは前記第１のＡＰＤに前記第１の電圧を、前記複数のＡＰＤの第２のＡＰＤに前記第２の電圧を供給し、
   前記第１のＡＰＤにおいてアバランシェ増倍が発生すると、前記第１のＡＰＤに前記第２の電圧を、前記第２のＡＰＤに前記第１の電圧を供給し、
   前記第２の電圧は前記第１の電圧よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の撮像装置。
5. 前記第２の電圧は前記第１の電圧よりも大きく、
   前記電圧制御手段は、前記第１モードにおいて、前記画素部における前記単位画素の位置および撮影光学系の射出瞳距離の少なくとも一方に応じて、前記第２の電圧を供給する期間の長さをＡＰＤごとに異ならせる、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記電圧制御手段は、前記単位画素が有する複数のＡＰＤのうち、前記画素部における前記単位画素の位置および撮影光学系の射出瞳距離の少なくとも一方の影響によって光が入射する頻度が他のＡＰＤよりも低くなるＡＰＤに対しては、前記第２の電圧を供給する期間を前記他のＡＰＤに対するよりも長くすることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記電圧制御手段が前記第２モードで動作した際にＡＰＤごとに得られた計数値を、前記単位画素ごとに加算する加算手段をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記画素部および前記電圧制御手段が撮像素子に設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を有し、ＡＰＤごとに入射した光子の数を検出する単位画素が複数配列された画素部と、
   前記単位画素に前記複数のＡＰＤのそれぞれがガイガーモードで動作するための電圧を供給する電圧制御手段と、を有する撮像装置の制御方法であって、
   制御手段が、前記電圧制御手段について、前記単位画素が有する複数のＡＰＤに対して供給する第１の極性の電圧について、ＡＰＤごとに経時的に第１の電圧と第２の電圧との間で変化させる第１モードと、全てのＡＰＤに対して同じ大きさの電圧とする第２モードのいずれで動作するかを制御する制御工程を有する、
   ことを特徴とする撮像装置の制御方法。
10. 撮像装置が有するコンピュータに、請求項９記載の撮像装置の制御方法が有する各工程を実行させるためのプログラム。

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