JP2021082973A - 撮像装置、撮像システム、および移動体 - Google Patents

撮像装置、撮像システム、および移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】アバランシェダイオードを用いたフォトンカウンティング型の撮像装置において、消費電力や読み出し速度等の撮像装置の特性を向上する。【解決手段】撮像装置は、アバランシェダイオードと、カウンタと、をそれぞれが含む複数の光電変換素子を備える。光電変換素子の画素領域１０の第１読み出し領域１０ａに対応して第１選択手段が設けられ、第２読み出し領域１０ｂに対応して第２選択手段が設けられる。撮像装置の第１のモードでは、第１読み出し領域１０ａからの信号が読み出され、第２読み出し領域１０ｂからの信号は読み出されない。第２のモードでは、第２読み出し領域１０ｂから信号が読み出される。【選択図】図４

Description

本発明は、撮像装置、撮像システム、および移動体に関する。
アバランシェダイオードを用いたフォトンカウンティング型の撮像装置が知られている。特許文献１には、アバランシェダイオードを含む複数の光電変換素子が行列状に配された撮像装置が開示されている。
米国特許出願公開第２０１５／０１１５１３１号明細書
特許文献１に記載の撮像装置は、消費電力や読み出し速度等の撮像装置の特性を向上できる余地がある。特許文献１に記載の撮像装置において、常に各光電変換素子でアバランシェ増倍を生じさせて光電変換素子から信号を読み出そうとすると、消費電力が大きくなるとともにすべての光電変換素子からの信号を読み出し終わるまでに時間を要する。
本発明の一観点に係る撮像装置は、アバランシェダイオードと、前記アバランシェダイオードに入射する光に基づく信号をカウントするカウンタと、をそれぞれが含む複数の光電変換素子を備え、前記複数の光電変換素子のうちの第１光電変換素子に対応して第１選択手段が設けられ、前記複数の光電変換素子のうちの第２光電変換素子に対応して第２選択手段が設けられ、第１のモードにおいて、前記第１選択手段により前記第１光電変換素子からの信号が読み出される状態に制御され、前記第２選択手段により前記第２光電変換素子からの信号が読み出されない状態に制御され、前記第１のモードが設定されている期間とは異なる期間に設定される第２のモードにおいて、前記第２選択手段により、前記信号が読み出されない状態に制御されていた前記第２光電変換素子を信号が読み出される状態に制御する。
アバランシェダイオードを用いたフォトンカウンティング型の撮像装置において、消費電力や読み出し速度等の撮像装置の特性を向上できる。
アバランシェダイオードを用いたフォトンカウンティング型の撮像装置の模式図の一例である。 第１実施形態に係る光電変換素子１１の等価回路図である。 第１実施形態に係る光電変換素子１１の光子検知動作の一例を示す図である。 第１実施形態に係る画素領域１０の読み出し領域のイメージ図である。 第２実施形態に係る光電変換素子１１の等価回路図を示す図である。 第２実施形態に係る光電変換素子１１の等価回路図の別の例を示す図である。 第３実施形態に係る光電変換素子１１の等価回路図を示す図である。 第４実施形態に係る光電変換素子１１の一部を示すブロック図である。 第５実施形態に係る撮像装置の構造の模式図である。 第６実施形態に係る撮像システムの構成を示すブロック図である。 第７実施形態に係る撮像システム及び移動体の構成例を示す概略図である。 第７実施形態に係る撮像システムの動作を示すフロー図である。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る撮像装置について、図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による撮像装置の光電変換素子１１の構成例を示す回路図である。以下では、１つの光電変換素子が１つの画素を構成する場合について説明するが、複数の光電変換素子が１つの画素を構成する場合も本発明に含まれるものとする。
撮像装置は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路２０と、水平走査回路３０と、出力回路４０と、制御回路５０と、を含む。画素領域１０には、複数行及び複数列にわたってマトリクス状に配された複数の光電変換素子１１が設けられている。なお、光電変換素子１１のすべての構成が複数行及び複数列に配される必要はない。少なくとも光電変換素子１１に含まれるアバランシェダイオードが複数行及び複数列に配されていればよい。
画素領域１０の各行には、第１の方向（図１において横方向）に延在して、制御線１２が配されている。制御線１２は、第１の方向に並ぶ複数の光電変換素子１１のそれぞれに接続され、これら光電変換素子１１に共通の信号線をなしている。制御線１２の延在する第１の方向は、行方向或いは水平方向と表記することがある。制御線１２の各々は、複数種類の制御信号を光電変換素子１１に供給するための複数の信号線を含み得る。
また、画素領域１０には、第１の方向に延在して、光電変換素子１１に含まれる選択手段に接続された制御線ＶＳＥＬが配されている。図１および図２では、各光電変換素子１１が選択手段を含むため、各行に制御線ＶＳＥＬが配されている。これに限らず、選択手段が複数の光電変換素子により共有される場合は、制御線ＶＳＥＬは選択手段が配された光電変換素子１１に対応して配されていればよい。
画素領域１０の各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１において縦方向）に延在して、データ線１３が配されている。データ線１３は、第２の方向に並ぶ複数の光電変換素子１１のそれぞれに接続され、これら光電変換素子１１に共通の信号線をなしている。データ線１３の延在する第２の方向は、列方向或いは垂直方向と表記することがある。データ線１３の各々は、光電変換素子１１から出力されるデジタル信号をビット毎に転送するための複数の信号線を含み得る。
また、画素領域１０には、第２の方向に延在して、光電変換素子１１に含まれる選択手段に接続されたＨＳＥＬが配される。図１および図２では、各光電変換素子１１が選択手段を含むため、各列に制御線ＨＳＥＬが配されている。これに限らず、選択手段が複数の光電変換素子により共有される場合は、制御線ＨＳＥＬは選択手段が配された光電変換素子１１に対応して配されていればよい。
各行の制御線１２および制御線ＶＳＥＬは、垂直走査回路２０に接続されている。垂直走査回路２０は、光電変換素子１１からの信号を読み出すための制御信号を、制御線１２を介して光電変換素子１１に供給する回路部である。
制御線１２は、例えば、光電変換素子１１に含まれる信号処理回路ＳＰを制御する制御線である。垂直走査回路２０は、画素領域１０内の光電変換素子１１を行単位で順次走査し、データ線１３を介して各光電変換素子１１の信号を出力回路４０へと出力する。また、制御線ＶＳＥＬは、光電変換素子１１に含まれる選択手段を制御する線である。
各列のデータ線１３は、水平走査回路３０に接続されている。各列の制御線ＨＳＥＬは、水平走査回路３０に接続されている。水平走査回路３０は、画素領域１０から行単位で出力される各列の光電変換素子１１の信号を選択して出力回路４０へと順次出力する回路部である。水平走査回路３０は、画素領域１０の複数の列に対応する複数の保持部を備え、画素領域１０から行単位で出力される各列の光電変換素子１１の信号を対応する列の保持部にて保持する。水平走査回路３０は、各列の保持部を順次走査し、各列の保持部に保持されている光電変換素子からの信号を順次出力回路４０へと出力する。
出力回路４０は、トランスミッタ回路４１を有し、水平走査回路３０から出力される、光電変換素子１１からの信号を撮像装置の外部へと出力する回路部である。トランスミッタ回路４１は、例えば、ＳｅｒＤｅｓ（ＳＥＲｉａｌｉｚｅｒ／ＤＥＳｅｒｉａｌｉｚｅｒ）送信回路により構成されうる。ＳｅｒＤｅｓ送信回路は、例えば、ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）回路、ＳＬＶＳ（Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）回路である。なお、出力回路４０を構成する外部インターフェース回路は、特に限定されるものではない。
制御回路５０は、垂直走査回路２０及び水平走査回路３０の動作やそのタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。なお、垂直走査回路２０及び水平走査回路３０の動作やそのタイミングを制御する制御信号の少なくとも一部は、撮像装置の外部から供給してもよい。
各々の光電変換素子１１は、図２に示すように、アバランシェダイオードＤと、クエンチ素子Ｒｑと、波形整形部ＩＮＶと、カウンタを含む信号処理回路ＳＰと、を有する。アバランシェダイオードＤは、光子の入射により生成される電荷をアバランシェ降伏により増倍するフォトダイオードにより構成され得る。このようなフォトダイオードは、具体的には、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）やＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）である。ＳＰＡＤは、ブレークダウン電圧よりも高いバイアス電圧で動作させるガイガーモードでアバランシェ増倍を生じさせる。ＡＰＤは、ブレークダウン電圧近傍の少し高いバイアス電圧で動作させるリニアモードでアバランシェ増倍を生じさせる。以下では、ＳＰＡＤを例にして説明する。アバランシェダイオードＤと信号処理回路ＳＰに含まれるカウンタとが接続されており、カウンタはアバランシェダイオードＤに入射する光子に基づく信号をカウントする。クエンチ素子Ｒｑは、例えばＰ型ＭＯＳトランジスタにより構成されうる。波形整形部ＩＮＶは、例えばインバータ回路により構成されうる。波形整形部ＩＮＶは、カウンタに接続されている。
アバランシェダイオードＤを構成するフォトダイオードのアノードには電圧Ｖｓｓが供給され、カソードにはクエンチ素子Ｒｑの一端と、波形整形部ＩＮＶの入力端子が接続される。クエンチ素子Ｒｑの他端には電圧Ｖｄｄが供給される。波形整形部ＩＮＶの出力端子は、信号処理回路ＳＰのカウンタの入力端子に接続されている。信号処理回路ＳＰの出力端子は、データ線１３に接続されている。
電圧Ｖｓｓ及び電圧Ｖｄｄは、アバランシェダイオードＤにガイガーモードで動作するに十分な逆バイアス電圧を印加することが可能なように設定されている。一例では、電圧Ｖｓｓとして負の高電圧が与えられ、電圧Ｖｄｄとして電源電圧程度の正電圧が与えられる。本実施形態では、アバランシェダイオードＤを構成するフォトダイオードは、ガイガーモードで動作可能な単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）として使用する。本明細書では、アバランシェ増倍可能な逆バイアス電圧が印加されている状態をアクティブ状態ともいい、アバランシェ増倍可能な逆バイアス電圧が印加されていない状態を非アクティブ状態ともいう。
アバランシェダイオードＤは、電圧Ｖｄｄと電圧Ｖｓｓとの間の電位差に相当する逆バイアス電圧が印加された状態となっている。この逆バイアス電圧は、アバランシェダイオードＤの降伏電圧よりも高い電圧であり、アバランシェ増倍を起こすのに十分な電圧である（ガイガーモード）。しかし、アバランシェダイオードＤに光子が入射していない状態では種となるキャリアが存在しないため、アバランシェ増倍は起こらず、アバランシェダイオードＤに電流は流れない（待機状態）。
待機状態のアバランシェダイオードＤに光子が入射すると、入射した光子により励起されてアバランシェダイオードＤ内にキャリアが生成される。アバランシェダイオードＤ内に生成されたキャリアは、アバランシェダイオードＤ内の高電界で加速されてアバランシェ増倍を引き起こし、大きななだれ電流が発生する（ガイガーモード動作）。このなだれ電流がクエンチ素子Ｒｑを流れる。この電流による電圧降下により、アバランシェダイオードＤのカソードの電位が下がり、アバランシェダイオードＤの端子間の電位差が小さくなる。これにより、アバランシェダイオードＤはガイガーモードから外れ（非ガイガーモード）、アバランシェ増倍が停止する。アバランシェダイオードＤのカソード側のキャリアは、負荷として接続されたクエンチ素子Ｒｑを介して徐々に排出される。つまり、アバランシェダイオードＤのカソードには、クエンチ素子Ｒｑを介して電位Ｖｄｄが供給されるため、アバランシェダイオードＤのカソードに供給される電位が電位Ｖｄｄに戻る。これにより、アバランシェダイオードＤの端子間の電位差は再び初期電圧に戻る。つまり、アバランシェダイオードＤは再びガイガーモード又は待機状態に戻る。
この一連の動作について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図３のタイミングチャートには、アバランシェダイオードＤに光子が入射するタイミング、波形整形部ＩＮＶに入力される信号Ｓｉｇ＿Ａを示している。また、図３のタイミングチャートには、信号Ｓｉｇ＿Ａの波形をパルス状の信号に整形し信号処理回路ＳＰへと出力される信号Ｓｉｇ＿Ｄ、信号処理回路ＳＰによる信号Ｓｉｇ＿Ｄの計数値（ＤＯＵＴ）を示している。
初期状態において、アバランシェダイオードＤに光子は入射しておらず、信号Ｓｉｇ＿Ａは待機状態を示す所定の電位であり、信号Ｓｉｇ＿Ｄはローレベルである。また、信号処理回路ＳＰの計数値は０である。
アバランシェダイオードＤに光子が入射すると、入射した光子により励起されたキャリアを種としてアバランシェ増倍が起こり、なだれ電流が流れることによって信号Ｓｉｇ＿Ａの電位は低下する。信号Ｓｉｇ＿Ａが所定の閾値以下になると、信号Ｓｉｇ＿Ｄの電位はローレベルからハイレベルへと遷移する。
その後、信号Ｓｉｇ＿Ａの電位は、クエンチ素子Ｒｑを介して徐々に増加する。信号Ｓｉｇ＿Ａが所定の閾値を超えると、信号Ｓｉｇ＿Ｄの電位はハイレベルからローレベルへと遷移する。
信号処理回路ＳＰに含まれるカウンタは、信号Ｓｉｇ＿Ｄのパルス数に応じて計数値を１増加する。
上述の通り、波形整形部ＩＮＶは、アバランシェ増倍により生起するアバランシェ電流の有無に基づいてパルスを発生する。そして、信号処理回路ＳＰに含まれるカウンタは、アバランシェ電流の有無に基づくパルスの数をカウントする。信号処理回路ＳＰは、カウント動作だけではなく、信号Ｓｉｇ＿Ｄに対して所定の信号処理を行ってもよい。
信号処理回路ＳＰは、垂直走査回路２０から出力される制御信号１２と後述する選択手段１４からの制御信号とに応じて、信号処理後の信号である出力信号ＤＯＵＴをデータ線１３に出力する。
本実施形態は、選択手段１４が信号処理回路ＳＰから信号を出力するか否かを切り替えている。選択手段１４を介して、制御線１２、ＨＳＥＬ、ＶＳＥＬが信号処理回路ＳＰに入力される。制御線１２、ＨＳＥＬ、ＶＳＥＬが全てアクティブの場合に信号処理回路ＳＰからの信号を読み出し、少なくともいずれかが非アクティブの場合には、信号処理回路ＳＰからの信号を読み出さない。選択手段１４は図２に示すようにＡＮＤ回路などの組み合わせ回路で実現できるが、実現の方法はこれに限定しない。
本実施形態においても、所望の領域からのみ信号を読み出すことが可能となる。
図２では、信号処理回路ＳＰのアクティブ・非アクティブを切り替えている。具体的には、信号処理回路ＳＰとデータ線１３との間のノードにスイッチを配置し、信号処理回路ＳＰからデータ線への信号の読み出しを制御している。本明細書において、信号処理回路ＳＰのアクティブとは、信号処理回路ＳＰから信号が読み出される状態であることを指す。また、信号処理回路ＳＰの非アクティブとは、信号処理回路ＳＰから信号が読み出されない状態であることを指す。
図４は、画素領域１０の読み出し領域１０ａと非読み出し領域１０ｂとのイメージを示す図である。図４において、光電変換素子（第１光電変換素子）からの信号を読み出す領域１０ａと、光電変換素子（第２光電変換素子）からの信号を読み出さない領域１０ｂと、が示されている。図４に示す領域１０ｂは、常に信号が出力されなくともよいし、第１のモードでは信号が出力されず、第１のモードが設定されている期間とは異なる期間に設定される第２のモードでは信号が出力されてもよい。
本実施形態において、領域１０ａおよび領域１０ｂにおいて光電変換が行われている。つまり、領域１０ｂにも光が照射されている。本実施形態では、領域１０ｂにおいても光電変換は行われているが、領域１０ｂは信号の読出し速度向上等の観点から、読み出さないようにしている。つまり、不良画素ではないが、モードに応じて信号を読み出すか否かを制御している。ここで、モードとは、例えば、垂直走査回路２０が画素領域１０ａに配された複数の光電変換素子を垂直走査する期間を指す。図２において、第１垂直走査で上から下に走査し終わるまでの期間は第１垂直走査の期間となる。上から下に走査し終わり下から上に戻った後、次に上から下に走査する期間は、第２垂直走査となる。図４（ａ）を用いて説明する。この説明では、第１のモードおよび第２のモードのそれぞれが、領域１０ａから信号を読み出すものとする。第１垂直走査期間とは、領域１０ａの上端に位置する光電変換素子を走査してから領域１０ａの下端に位置する光電変換素子を走査し終わるまでの期間を指す。そして第２垂直走査は、領域１０ａの上端に位置する光電変換素子を走査してから領域１０ａの下端に位置する光電変換素子を走査し終わるまでの期間を指す。本実施形態では、行または列方向に配されたすべての光電変換素子について読み出しを行わない場合は垂直または水平走査も行わない。これにより、すべての光電変換素子から信号を読み出す場合に比べて、信号の読出し時間を短くすることができる。
例えば図４（ａ）では、画素領域１０のうちｍ×ｎ画素（ｍ、ｎは自然数）の領域の信号のみを読み出す間引き読み出しを行う。図４（ｂ）乃至図４（ｄ）に示すように領域１０ａと領域１０ｂとを制御することができる。図４（ｂ）は、行間引き読み出しの例である。具体的には、所定の複数行に配された光電変換素子からの信号を読み出し、それ以外の行に配された光電変換素子からの信号を読み出さないようにしている。図４（ｃ）は、列間引き読み出しの例である。具体的には、所定の複数列に配された光電変換素子からの信号を読み出し、それ以外の列に配された光電変換素子からの信号を読み出さないようにしている。図４（ｄ）は、行列間引き読み出しの例である。具体的には、所定の位置に配された光電変換素子からの信号を読み出し、行及び列で信号を読み出さないようにしている。図４（ａ）乃至図４（ｄ）に示すような行列単位でなく、画素単位で間引きを行ってもよい。例えば、図６に示すように、選択手段１４がメモリＭＥＭを含み、メモリＭＥＭを用いることにより図４（ｅ）に示すようにＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）読み出しを行うことができる。具体的には、信号線ＷＲＩＴＥを介して各光電変換素子に含まれるメモリＭＥＭに読み出しを行うか否かの信号が書き込まれる。この信号に基づいてスイッチをオンする電位を供給するかオフする電位を供給するかを制御してもよい。このように、設計者は本発明の効果を得るために様々な構成で選択手段１４を実現してよい。
第１のモードと第２のモードとは信号を読み出す領域１０ａが異なっていてもよい。例えば、まず、第１のモードでは、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示す領域１０ａに配された光電変換素子から信号を読み出す。そして、第２のモードでは、図４（ａ）〜図４（ｄ）の領域１０ｂに配された光電変換素子から信号を読み出し、領域１０ａに配された光電変換素子から信号を読み出すことも可能である。また、第１のモードでは、領域１０ａから信号を読み出し、領域１０ｂから信号を読み出さず、第２のモードでは、領域１０ａおよび領域１０ｂの両方から信号を読み出してもよい。つまり、第２のモードでは、信号が読み出されない状態に制御されていた光電変換素子を選択手段（第２選択手段）により信号が読み出さる状態に制御する。そして、信号が読み出される状態に制御されていた光電変換素子は信号が読み出される状態になるように維持されている。このような読み出し方法は、例えば、撮像装置が撮像を行う領域に不審者などの対象物が写るまでは第１のモードで撮像を行い、撮像を行う領域に対象物が写ると第１のモードから第２のモードに変える場合に有効である。対象物が写るまでは信号の読出し速度を重視し、対象物が写った後は画質を重視している。上述のとおり、撮像を行う目的に応じてモードを切り替えることが可能である。
また、図４（ｅ）に示すＲＯＩでは、移動体を撮像する場合に、移動体の位置に応じて信号を読み出すか否かを切り替えることが可能となる。具体的には、撮像を行う領域のうちの第１部分に移動体が位置する第１のモードにおいては、第１部分のみ読み出しを行い、第１部分とは異なる第２部分に移動体が位置する第２のモードにおいては、第２部分のみ読み出しを行う。
図２では、選択手段１４が信号処理回路ＳＰに接続されているが、波形整形部ＩＮＶの入力部や、波形整形部ＩＮＶと信号処理回路ＳＰとの間のノードに接続されていてもよい。この場合であっても、信号処理回路ＳＰに含まれるカウンタにおいてカウントが行われなくなり、光電変換素子からの信号を出力しないようにすることができる。
本実施形態では、領域１０ａに含まれる光電変換素子は信号処理回路ＳＰがアクティブとなるよう制御されるため、信号処理回路ＳＰから信号が出力される。そして、領域１０ｂに含まれる光電変換素子は、信号処理回路ＳＰが非アクティブとなるよう制御されるため、信号処理回路ＳＰから信号が出力されない。このように、本実施形態によれば、読み出しが不要な領域１０ｂに属する光電変換素子１１を選択することができる。これにより、撮像装置として信号の読み出し速度を、全光電変換素子を読み出す場合に比べて短くすることができる。
（第２実施形態）
図５を参照しながら第２実施形態に係る光電変換素子１１について説明する。第２実施形態に係る光電変換素子１１は、選択手段１４がクエンチ素子Ｒｑに接続されている点が第１実施形態とは異なる。以下で説明する事項以外は、第１実施形態と同様である。
本実施形態において、クエンチ素子ＲｑはＭＯＳトランジスタで構成され、クエンチ素子Ｒｑのゲート端子には、クエンチ素子Ｒｑのオンオフを制御する選択手段１４の出力端子が接続されている。選択手段１４は、行ごとに配された制御線ＶＳＥＬと、列ごとに配された制御線ＨＳＥＬとが入力される。本実施形態では、信号ＶＳＥＬと信号ＨＳＥＬとによりクエンチ素子Ｒｑのオンオフを制御することで、アバランシェダイオードＤのアクティブ・非アクティブを切り替えている。信号ＶＳＥＬと信号ＨＳＥＬの両方がアクティブのとき、選択手段１４はアバランシェダイオードＤがアクティブとなるようクエンチ素子Ｒｑを制御する。つまり、アバランシェダイオードＤでアバランシェ増倍が生じ得る逆バイアス電圧が印加されるように選択手段１４を制御する。図５では、クエンチ素子ＲｑがＰＭＯＳトランジスタにより構成されるため、ＰＭＯＳトランジスタのゲート端子に例えばグラウンド電圧を印加する。また、信号ＶＳＥＬと信号ＨＳＥＬの少なくとも一方が非アクティブのとき、選択手段１４はアバランシェダイオードＤが非非アクティブとなるようクエンチ素子Ｒｑを制御する。つまり、アバランシェダイオードＤでアバランシェ増倍が生じない電位となるように制御する。図４では、ゲート端子に例えばＶｄｄよりも高い電位を印加してＰＭＯＳトランジスタをオフ状態にする。これにより、カソードＶｄｄに電位が供給されなくなるため、アバランシェダイオードＤでアバランシェ増倍が生じなくなる。
アバランシェダイオードＤがアクティブの場合、光子が入射する度にアバランシェ電流が流れ、アバランシェダイオードＤが非アクティブの場合、光子が入射してもアバランシェ電流は発生しない。したがって、アバランシェダイオードＤが非アクティブの場合は、信号処理回路ＳＰのカウンタで信号をカウントすることができず、光電変換素子１１から信号が読み出されない。
図５に示す選択回路１４の代わりに、図６に示す選択回路１４を用いてもよい。この場合は、信号線ＷＲＩＴＥが必要になるため第１実施形態に比べて信号線が増える。このように、選択手段１４が組み合わせ回路とメモリＭＥＭとにより構成され、メモリＭＥＭに入力される信号に基づいてアバランシェダイオードＤのアクティブ・非アクティブを制御してもよい。
本実施形態では、領域１０ｂに位置する光電変換素子の走査を行ってもよい。走査を行ったとしても、アバランシェ電流が生じていないため、カウンタの値は０となるためである。なお、領域１０ｂに位置する光電変換素子のうち行または列方向に位置するすべての光電変換素子が信号を読み出さない光電変換素子である場合は、垂直または水平走査を行わないことが好ましい。つまり、間引いて走査を行うことが好ましい。これにより、信号の読出し速度を向上することができる。
画素領域１０のすべての光電変換素子のアバランシェダイオードＤがアクティブであると、すべての光電変換素子で光子が入射する度にアバランシェ電流が流れカウントが行われる。つまり、読み出したくない領域１０ｂに属する光電変換素子１１では無駄な消費電力が発生する。一方で、本実施形態によれば、領域１０ｂに属する光電変換素子１１のアバランシェダイオードＤが非アクティブであるため、光子が入射してもアバランシェ電流は発生せず、カウントも行われない。領域１０ｂに属する光電変換素子１１には無駄な消費電力が発生せず、すべての光電変換素子からの信号を読み出す場合に比べて消費電力を低減できる。つまり、本実施形態によれば、第１実施形態で説明した効果に加えて、撮像装置を低消費電力とすることができる。また、垂直走査を行わない場合は、信号の読出し速度も向上させることができる。
（第３実施形態）
図７を参照しながら、第３実施形態の光電変換素子１１について説明する。
本実施形態は、アバランシェダイオードＤのアノード又はクエンチ素子ＲｑのアバランシェダイオードＤが接続されたノードとは異なるノードに切替手段１５が接続されている。そして、選択手段１４は切替手段１５を制御する点で第２実施形態と異なる。以下で説明する事項以外は第２実施形態と同様である。
図７においては、信号ＶＳＥＬと信号ＨＳＥＬの両方がアクティブのとき、選択手段１４はクエンチ素子Ｒｑが電圧Ｖｄｄと接続されるように切替手段１５を制御し、このときアバランシェダイオードＤがアクティブとなる。また信号ＶＳＥＬと信号ＨＳＥＬの少なくとも一方が非アクティブのとき、選択手段１４はクエンチ素子Ｒｑが電圧ＶＬと接続されるように切替手段１５を制御し、このときアバランシェダイオードＤが非アクティブとなる。このとき電圧ＶＬは、アバランシェダイオードＤがアバランシェ増倍を起こさない程度の任意の電圧に設定されている。
同様にして、図８では、アバランシェダイオードＤのアノードに切替手段１５を設けている。アバランシェダイオードＤがアクティブとなるよう制御するときにはアノードが電圧Ｖｓｓと接続される。また、アバランシェダイオードＤが非アクティブとなるよう制御するときには、アノードが電圧ＶＨと接続される。このとき電圧ＶＨは、アバランシェダイオードＤがアバランシェ増幅を起こさない程度の任意の電圧に設定されている。
このように、本実施形態では、選択手段１４を介して切替手段１５が、アバランシェダイオードＤに接続される電圧線を、アバランシェダイオードＤがアクティブとなる電位が供給される電圧線か、非アクティブとなる電位が供給される電圧線ＶＬか、で選択している。これにより、アバランェダイオードＤのアクティブ・非アクティブを制御している。
本実施形態によれば、第１実施形態に比べて電圧線ＶＬ又は電圧線ＶＨが増えるものの、第１実施形態と同様に所望の領域からのみ信号を読み出すことが可能となる。また、第１実施形態と同様に、アバランシェダイオードＤのアクティブ・非アクティブを制御するため、撮像装置を低消費電力とすることができる。
（第４実施形態）
図９を参照しながら第４実施形態に係る撮像装置について説明する。図９は、第４実施形態に係る撮像装置の構造を示す概略図である。本実施形態における撮像装置は、第１の基板６０ｂと、第２の基板６０ａとが積層されて成る。第１の基板６０ｂは信号処理回路ＳＰを有する光電変換素子セル（以下「セル」という）１１ｄを複数有する。第２の基板６０ａはアバランシェダイオードＤを有するセル１１ｃを複数有する。セル１１ｃとセル１１ｄが各々接続される。すなわち、１つのセル１１ｃと１つのセル１１ｄが接続され、１つの光電変換素子１１を構成する。
ここで、クエンチ素子Ｒｑと、選択手段１４と、波形整形部ＩＮＶとは、セル１１ｃとセル１１ｄのいずれに配置されてもよい。例えば以下のような配置ができ、それぞれに特有の効果が期待できるため、設計者は目的に応じて様々な配置位置を採用できる。
（配置例１）
セル１１ｃにはアバランシェダイオードＤのみを配置し、他の構成要素をすべてセル１１ｄに配置することができる。この場合、アバランシェダイオードＤの面積が最大となるため、光電変換素子１１の開口率を高くできる。さらに、第２の基板６０ｂはアバランシェダイオードＤに特化したプロセスにできるため、画素特性も良好にできる。
（配置例２）
光電変換素子の構成要素に耐圧の異なるトランジスタが含まれる場合は、セル１１ｄに低耐圧の構成要素のみを配置することができる。
例えばクエンチ素子Ｒｑが高耐圧のトランジスタで構成され、その他のトランジスタが低耐圧のトランジスタで構成される場合、セル１１ｃにはアバランシェダイオードＤとクエンチ素子Ｒｑを配置し、セル１１ｄにはそれ以外のトランジスタを配置する。あるいは、高耐圧のトランジスタで構成されたクエンチ素子Ｒｑに対し、選択手段１４の出力段も高耐圧のトランジスタで構成される場合、セル１１ｃにはアバランシェダイオードＤと、クエンチ素子Ｒｑと、選択手段１４の出力段を配置する。このように、セル１１ｄを低耐圧のトランジスタのみで構成できる。したがって、第１の基板６０ｂの集積度を高くでき、また第１の基板６０ａを低耐圧のトランジスタに特化したプロセスにできるため、良好な回路特性を得られる。
本実施形態におけるセル１１ｃとセル１１ｄへの光電変換素子１１の各構成要素の配置について、前述の例に限らず、あらゆる配置をとることができる。
本実施形態によれば、第１実施形態乃至第３実施形態で説明した効果に加えて、画素特性の低下を抑制しながら、撮像装置のチップサイズを小さくすることができる。
（第５実施形態）
図１０は、本実施形態に係る撮像システム２００の構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像システム２００は、撮像装置２０４を含む。ここで、撮像装置２０４は、上述の実施形態で述べた撮像装置のいずれかを適用することができる。撮像システムの具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図１０では、撮像システム２００としてデジタルスチルカメラの例を示している。
図１０に示す撮像システム２００は、撮像装置２０４、被写体の光学像を撮像装置２０４に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０３、レンズ２０２の保護のためのバリア２０１を有する。レンズ２０２および絞り２０３は、撮像装置２０４に光を集光する光学系である。
撮像システム２００は、撮像装置２０４から出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０５を有する。信号処理部２０５は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。撮像システム２００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部２０６、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２０９を有する。更に撮像システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１１、記録媒体２１１に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１０を有する。記録媒体２１１は、撮像システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１０から記録媒体２１１との通信や外部Ｉ／Ｆ部２０９からの通信は無線によってなされてもよい。
更に撮像システム２００は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２０８、撮像装置２０４と信号処理部２０５に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２０７を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム２００は、少なくとも撮像装置２０４と、撮像装置２０４から出力された出力信号を処理する信号処理部２０５とを有すればよい。前述のように、制御回路５０が垂直走査回路及び水平走査回路のすべての動作やそのタイミングを制御してもよいし、少なくとも一部がタイミング発生部２０７から供給されていてもよい。全体制御・演算部２０８およびタイミング発生部２０７は、撮像装置２０４の制御機能の一部または全部を実施するように構成してもよい。
撮像装置２０４は、画像用信号を信号処理部２０５に出力する。信号処理部２０５は、撮像装置２０４から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部２０５は、画像用信号を用いて、画像を生成する。また、信号処理部２０５は、撮像装置２０４から出力される信号に対して測距演算を行ってもよい。なお、信号処理部２０５やタイミング発生部２０７は、撮像装置に搭載されていてもよい。信号処理部２０５やタイミング発生部２０７は、光電変換素子が配された基板に設けられていてもよく、第４実施形態に記載したような別の基板に設けられていてもよい。上述した各実施形態の撮像装置を用いて撮像システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な撮像システムを実現することができる。
（第６実施形態）
本実施形態の撮像システム及び移動体について、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す概略図である。図１２は、本実施形態による撮像システムの動作を示すフロー図である。本実施形態では、撮像システムとして、車載カメラの一例を示す。
図１１は、車両システムとこれに搭載される撮像システムの一例を示したものである。撮像システム１３０１は、撮像装置１３０２、画像前処理部１３１５、集積回路１３０３、光学系１３１４を含む。光学系１３１４は、撮像装置１３０２に被写体の光学像を結像する。撮像装置１３０２は、光学系１３１４により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。撮像装置１３０２は、上述の各実施形態のいずれかの撮像装置である。画像前処理部１３１５は、撮像装置１３０２から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部１３１５の機能は、撮像装置１３０２内に組み込まれていてもよい。撮像システム１３０１には、光学系１３１４、撮像装置１３０２及び画像前処理部１３１５が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部１３１５からの出力が集積回路１３０３に入力されるようになっている。
集積回路１３０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、メモリ１３０５を含む画像処理部１３０４、光学測距部１３０６、視差演算部１３０７、物体認知部１３０８、異常検出部１３０９を含む。画像処理部１３０４は、画像前処理部１３１５の出力信号に対して、現像処理や欠陥補正等の画像処理を行う。メモリ１３０５は、撮像画像の一次記憶、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部１３０６は、被写体の合焦や、測距を行う。視差演算部１３０７は、複数の撮像装置１３０２により取得された複数の画像データから視差情報（視差画像の位相差）の算出を行う。物体認知部１３０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部１３０９は、撮像装置１３０２の異常を検出すると、主制御部１３１３に異常を発報する。
集積回路１３０３は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
主制御部１３１３は、撮像システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０等の動作を統括・制御する。主制御部１３１３を持たず、撮像システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０が個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う（例えばＣＡＮ規格）方法も取り得る。
集積回路１３０３は、主制御部１３１３からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、撮像装置１３０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。
撮像システム１３０１は、車両センサ１３１０に接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの自車両走行状態及び自車外環境や他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ１３１０は、視差画像から対象物までの測距情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、撮像システム１３０１は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部１３１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、撮像システム１３０１や車両センサ１３１０の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。
また、撮像システム１３０１は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置１３１２にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部１３１３は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして、衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１３１２は、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムやメーターパネルなどの表示部画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム１３０１で撮影する。図１２（ｂ）に、車両前方を撮像システム１３０１で撮像する場合の配置例を示す。
２つの撮像装置１３０２は、車両１３００の前方に配置される。具体的には、車両１３００の進退方位又は外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸に見立て、その対称軸に対して２つの撮像装置１３０２が線対称に配置されると、車両１３００と被写対象物との間の距離情報の取得や衝突可能性の判定を行う上で好ましい。また、撮像装置１３０２は、運転者が運転席から車両１３００の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない配置が好ましい。警報装置１３１２は、運転者の視野に入りやすい配置が好ましい。
次に、撮像システム１３０１における撮像装置１３０２の故障検出動作について、図１２を用いて説明する。撮像装置１３０２の故障検出動作は、図１２に示すステップＳ１４１０〜Ｓ１４８０に従って実施される。
ステップＳ１４１０は、撮像装置１３０２のスタートアップ時の設定を行うステップである。すなわち、撮像システム１３０１の外部（例えば主制御部１３１３）又は撮像システム１３０１の内部から、撮像装置１３０２の動作のための設定を送信し、撮像装置１３０２の撮像動作及び故障検出動作を開始する。
次いで、ステップＳ１４２０において、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップＳ１４３０において、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換部として機能するアバランシェダイオードを備える。この光電変換部には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換部に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップＳ１４２０とステップＳ１４３０とは逆でもよい。
次いで、ステップＳ１４４０において、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、ステップＳ１４５０に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、処理ステップがステップＳ１４６０へと移行する。ステップＳ１４６０では、走査行の画素信号をメモリ１３０５に送信して一次保存する。そののち、ステップＳ１４２０に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、処理ステップはステップＳ１４７０に移行する。ステップＳ１４７０において、撮像動作に異常があると判定し、主制御部１３１３、又は警報装置１３１２に警報を発報する。警報装置１３１２は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップＳ１４８０において撮像装置１３０２を停止し、撮像システム１３０１の動作を終了する。
なお、本実施形態では、１行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、１フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。ステップＳ１４７０の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。
また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システム１３０１は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
本発明の撮像装置は、更に、カラーフィルタやマイクロレンズを有する構成であってもよく、距離情報など各種情報を取得可能な構成であってもよい。
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。例えば、第１実施形態のようにアバランシェダイオードＤのアクティブ・非アクティブを制御しながら信号処理回路ＳＰからの信号を出力するか否かを制御してもよい。また、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらの例示によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な態様で実施することができる。
１０ 画素領域
１１ 光電変換素子
１４ 選択手段
１５ 切替手段
Ｄ アバランシェダイオード
Ｖｄｄ 電圧
Ｖｓｓ 電圧
ＶＨ 電圧
ＶＬ 電圧

Claims (20)

  1. アバランシェダイオードと、前記アバランシェダイオードに入射する光に基づく信号をカウントするカウンタと、をそれぞれが含む複数の光電変換素子を備え、
    前記複数の光電変換素子のうちの第１光電変換素子に対応して第１選択手段が設けられ、
    前記複数の光電変換素子のうちの第２光電変換素子に対応して第２選択手段が設けられ、
    第１のモードにおいて、前記第１選択手段により前記第１光電変換素子からの信号が読み出される状態に制御され、前記第２選択手段により前記第２光電変換素子からの信号が読み出されない状態に制御され、
    前記第１のモードが設定されている期間とは異なる期間に設定される第２のモードにおいて、前記信号が読み出されない状態に制御されていた前記第２光電変換素子を前記第２選択手段により信号が読み出される状態に制御することを特徴とする撮像装置。
  2. 前記第２のモードにおいて、前記信号が読み出される状態に制御されていた前記第１光電変換素子を前記第１選択手段により信号が読み出されない状態に制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記第１のモードにおいて、前記第１選択手段により前記第１光電変換素子の前記アバランシェダイオードがアバランシェ増倍可能な逆バイアス電圧が印加されている状態となるように制御されることで前記第１光電変換素子からの信号が読み出される状態となり、前記第２選択手段により前記第２光電変換素子の前記アバランシェダイオードがアバランシェ増倍可能な逆バイアス電圧が印加されていない状態となるように制御されることで前記第２光電変換素子からの信号が読み出されない状態とな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. 前記複数の光電変換素子のうちの少なくとも一部が第１の方向に並んで配され、
    前記第１のモードは、第１垂直走査が行われている期間であり、
    前記第２のモードは、第２垂直走査が行われている期間であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
  5. 垂直走査回路と水平走査回路とを備え、
    前記垂直走査回路と前記水平走査回路とにより前記第１選択手段および前記第２選択手段を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
  6. 前記複数の光電変換素子のそれぞれは、前記アバランシェダイオードに接続されたクエンチ素子を含み、
    前記第１選択手段は、前記第１光電変換素子の前記クエンチ素子のオンオフを制御していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
  7. 前記複数の光電変換素子のそれぞれは、前記アバランシェダイオードのアノードまたはカソードに印加する電位を制御する制御線に接続され、
    前記制御線は、前記アバランシェダイオードがアバランシェ増倍を起こさない状態となる電位を供給する第１電圧線と、前記アバランシェダイオードがアバランシェ増倍可能な状態となる電位を供給する第２電圧線と、を備え、
    前記第１選択手段および前記第２選択手段は、前記アバランシェダイオードに接続する制御線を前記第１電圧線および前記第２電圧線で選択することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
  8. 前記第１選択手段は前記第１光電変換素子の前記カウンタから信号を読み出すか否かを制御し、前記第２選択手段は前記第２光電変換素子の前記カウンタから信号を読み出すか否かを制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
  9. 前記第１のモードにおいて、前記第２選択手段により前記第２光電変換素子に含まれる前記カウンタがカウントを行わないように制御されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
  10. 前記第１選択手段は、組み合わせ回路により構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
  11. 前記組み合わせ回路は、ＡＮＤ回路であることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
  12. 前記第１のモードと前記第２のモードとは信号を読み出す領域が異なることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
  13. 前記第１のモードにおいて、前記第１光電変換素子の前記アバランシェダイオードと前記第２光電変換素子の前記アバランシェダイオードとでは光電変換が行われることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
  14. 前記第２のモードでは、前記信号が読み出される状態に制御されている前記第１選択手段は前記第１選択手段により信号が読み出される状態に維持されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
  15. 前記撮像装置により撮像を行う領域に対象物が写ると、
    前記第１のモードから前記第２のモードに変わることを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
  16. 第１基板と、前記第１基板に積層された第２基板とを備え、
    前記第１基板は、前記カウンタを含み、
    前記第２基板は、前記アバランシェダイオードを含むことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の撮像装置。
  17. 前記光電変換素子は、波形整形部を含み、
    前記第２基板は、前記波形整形部を含むことを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置。
  18. 前記光電変換素子は、クエンチ素子を含み、
    前記第２基板は、前記クエンチ素子を含むことを特徴とする請求項１７に記載の撮像装置。
  19. 請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置が出力する信号を処理する信号処理部と、を有することを特徴とする撮像システム。
  20. 請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置からの信号に基づく情報から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、を有する移動体であって、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする移動体。
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