JP2022112700A - 光電変換装置、光検出システム、および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模を抑えることが可能な光電変換装置および光検出システムを提供する。【解決手段】 一開示における光検出装置は、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への光子の入射により生じた出力に基づく検出パルスを生成する信号生成部と、検出パルスをカウントし、複数ビットのカウント値を出力するカウンタと、カウンタのいずれか１ビットの遷移に基づき、カウント値が所定の閾値を超えたことを表す判定信号を出力する判定回路とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は光電変換装置、光検出システム、および移動体に関する。

アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いたフォトンカウント型の光電変換装置が知られている。フォトンカウント型の光電変換装置においては、カウントできる光子数は、搭載されるカウンタのカウント上限値に制限される。特許文献１に記載の光電変換装置は、カウンタのカウント値が閾値を超えた場合に、アバランシェ電流の停止などの所定の動作を実行している。

特開２０１９－９７６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光電変換装置は、閾値との比較を行うためにカウンタのすべてのビットの値を検知しなければならず、回路規模が大きくなってしまうという課題が生じ得る。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、回路規模を抑えることが可能な光電変換装置を提供することにある。

本明細書の一開示によれば、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への光子の入射により生じた出力に基づく検出パルスを生成する信号生成部と、前記検出パルスをカウントし、複数ビットのカウント値を出力するカウンタと、前記カウンタのいずれか１ビットの遷移に基づき、前記カウント値が所定の閾値を超えたことを表す判定信号を出力する判定回路とを備えることを特徴とする光電変換装置が提供される。

本発明によれば、回路規模を抑えることが可能な光電変換装置を提供することができる。

第１実施形態における光電変換装置の概略図である。 第１実施形態におけるセンサ基板の配置例を示す図である。 第１実施形態における回路基板の配置例を示す図である。 第１実施形態における画素回路のブロック図である。 第１実施形態におけるＡＰＤの動作と出力信号との関係を示す図である。 第１実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートである。 第１実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートである。 第２実施形態における画素回路のブロック図である。 第２実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートである。 第２実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートである。 第３実施形態における画素回路のブロック図である。 第３実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートである。 第３実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートである。 第３実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートである。 第３実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートである。 第４実施形態における回路基板の配置例である。 第５実施形態における光検出システムのブロック図である。 第６実施形態における光検出システムのブロック図である。 第７実施形態における内視鏡手術システムの概略図である。 第８実施形態における光検出システムの概略図である。 第８実施形態における移動体の概略図である。 第８実施形態における光検出システムの動作を表すフローチャートである。 第９実施形態の電子機器の具体例を示す図である。

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。以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。

［第１実施形態］
図１～図４を用いて、本実施形態における光電変換装置の構成を説明する。光電変換装置はアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）を含むＳＰＡＤ画素を有する。ＡＰＤで生じる電荷対のうち信号電荷として用いられる電荷の導電型を第１導電型と呼ぶ。第１導電型とは、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする導電型を指す。また、第１導電型と反対の導電型を第２導電型と呼ぶ。以下では、信号電荷が電子であり、第１導電型がＮ型、第２導電型がＰ型である例を説明するが、信号電荷が正孔であり、第１導電型がＰ型、第２導電型がＮ型であってもよい。

本明細書において、「平面視」とは、後述する半導体基板の光入射面に対して垂直な方向から視ることを指す。「断面」とは、センサ基板１の光入射面と垂直な方向における面を指す。なお、微視的に見て半導体層の光入射面が粗面である場合は、巨視的に見たときの半導体層の光入射面を基準として平面視を定義する。「深さ方向」は、センサ基板１の光入射面（第１面）から回路基板２が配される側の面（第２面）に向かう方向である。

図１は、本実施形態における光電変換装置の概略図であって、積層型の光電変換装置３の構成を示している。光電変換装置３は、互いに積層されたセンサ基板（第１基板）１および回路基板（第２基板）２を含み、センサ基板１および回路基板２は互いに電気的に接続されている。本実施形態における光電変換装置は、センサ基板１の第１面から光が入射し、センサ基板１の第２面に回路基板２が配される、裏面照射型の光電変換装置である。センサ基板１は、後述する光電変換素子を有する第１半導体層と第１配線構造とを有する。回路基板２は、後述する信号処理部等の回路を有する第２半導体層と第２配線構造とを有する。第２半導体層、第２配線構造、第１配線構造、第１半導体層の順に積層され、光電変換装置３が構成される。

以下では、センサ基板１と回路基板２とは、ダイシングされたチップであり得るが、チップに限定されない。例えば、各基板はウエハであってもよい。また、各基板はウエハ状態で積層した後にダイシングされていてもよいし、チップ化した後にチップを積層して接合してもよい。センサ基板１には、画素領域１ａが配され、回路基板２には、画素領域１ａによって検出された信号を処理する回路領域２ａが配される。

図２は、センサ基板１の配置例を示す図である。複数の画素１０は、ＡＰＤ１１をそれぞれ含み、平面視において２次元アレイ状に配列され、画素領域１ａを形成する。

画素１０は、典型的には、画像を形成するための画素であるが、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）に用いられる場合には、必ずしも画像を形成することを要しない。すなわち、画素１０は、光が到達した時刻と光量を測定するための画素であってもよい。

図３は、回路基板２の配置例を示す図である。回路基板２には、信号処理部２０、垂直走査回路２０１、読み出し回路２０２、水平走査回路２０３、出力回路２０４、制御パルス生成回路２０５、走査線２０６、信号線２０７、制御線２０８、走査線２０９が形成されている。平面視において図２の画素領域１ａに重なる領域に、複数の信号処理部２０が配される。さらに、平面視において、図２のセンサ基板１の端と画素領域１ａの端との間の領域に重なるように、垂直走査回路２０１、読み出し回路２０２、水平走査回路２０３、出力回路２０４、制御パルス生成回路２０５が配される。すなわち、センサ基板１は、画素領域１ａと画素領域１ａの周りに配された非画素領域とを有し、平面視で非画素領域に重なる領域に、垂直走査回路２０１、読み出し回路２０２、水平走査回路２０３、出力回路２０４、制御パルス生成回路２０５が配される。

信号処理部２０は、画素１０毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続され、画素１０と同様に平面視において２次元アレイ状に配列されている。信号処理部２０は、画素１０に入射した光子をカウントするバイナリカウンタを含む。

垂直走査回路２０１は、制御パルス生成回路２０５から供給された制御パルスを受け、走査線２０６を介して各行の画素１０に対応する信号処理部２０に制御パルスを供給する。垂直走査回路２０１はシフトレジスタ、アドレスデコーダなどの論理回路によって構成され得る。

読み出し回路２０２は、信号線２０７を介して各行の信号処理部２０からデジタル信号のカウント値を読み出し、出力回路２０４を介して出力信号を光電変換装置３の外部の信号処理回路（信号処理装置）へ出力する。読み出し回路２０２は、カウント値の補正などを行う信号処理回路の機能を併せ持っても良い。水平走査回路２０３は、制御パルス生成回路２０５から制御線２０８を介して制御パルスを受け、走査線２０９を順次、走査する。これにより、各列の信号処理部２０が順次、選択され、信号処理部２０のメモリ（バイナリカウンタ）からカウント値が読み出し回路２０２に読み出される。

図２において、画素領域における光電変換素子の配列は１次元状に配されていてもよい。また、画素が１つである構成においても、本発明の効果を奏することは可能であり、画素が１つの構成も本発明に含まれ得る。複数の画素を有する光電変換装置においては、本実施形態による回路規模を抑制する効果はさらに顕著となる。信号処理部２０は、必ずしもすべての画素１０に１つずつ設けられる必要はなく、例えば、複数の画素１０によって１つの信号処理部２０が共有され、順次信号処理が行われてもよい。

図４は本実施形態における画素回路１００のブロック図である。図４において、画素１０および信号処理部２０は併せて画素回路１００として表記されている。画素回路１００は、光子検出回路２１、バイナリカウンタ２２、判定回路２３、バッファ回路２４を備える。光子検出回路２１のうちのＡＰＤ１１はセンサ基板１に設けられており、その他の構成は、回路基板２に設けられている。また、以下の説明において、カウント値Ｃ＿ＯＵＴなどのデジタル信号の値は２進表記されている。

光子検出回路２１は、ＡＰＤ１１、クエンチ素子２１１、波形整形部２１２を備える。ＡＰＤ１１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。ＡＰＤ１１のアノードには、電圧ＶＬ（第１電圧）が供給される。また、ＡＰＤ１１のカソードには、アノードに供給される電圧ＶＬよりも高い電圧ＶＨ（第２電圧）が供給される。アノードとカソードには、逆バイアス電圧が印加され、ＡＰＤ１１はアバランシェ増倍可能な状態となる。逆バイアス電圧が供給された状態においてＡＰＤ１１に光子が入射すると、光子によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ電流が発生する。

なお、逆バイアスの電圧に応じて、ＡＰＤ１１はガイガーモードまたはリニアモードで動作し得る。ガイガーモードは、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きい状態における動作であり、ガイガーモードは、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧近傍、もしくはそれ以下の状態における動作である。ガイガーモードで動作するＡＰＤは特にＳＰＡＤと称される。一例として、電圧ＶＬ（第１電圧）は－３０Ｖ、電圧ＶＨ（第２電圧）は１Ｖであり得る。ＡＰＤ１１は、リニアモードで動作してもよく、ガイガーモードで動作してもよい。ＡＰＤ１１がＳＰＡＤとして動作する場合、リニアモードのＡＰＤ１１に比べて電位差が大きくなり耐圧の効果が顕著となるため、ＳＰＡＤであることが好ましい。

クエンチ素子２１１は、電圧ＶＨを供給する電源線とＡＰＤ１１のカソードとの間に設けられる。クエンチ素子２１１は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、ＡＰＤ１１に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。また、クエンチ素子２１１は、クエンチ動作で電圧降下した分の電流を流すことにより、ＡＰＤ１１に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す働きを持つ（リチャージ動作）。

波形整形部２１２は、光子の入射により生じた出力に基づく検出パルスを生成する信号生成部として機能する。すなわち、波形整形部２１２は、光子検出時に得られるＡＰＤ１１のカソードの電位変化を整形して、矩形波のパルス信号（検出パルス）Ｐ＿ＯＵＴを出力する。波形整形部２１２としては、例えば、インバータ回路が用いられる。図４には、波形整形部２１２として１つのインバータを用いた例が示されているが、複数のインバータを直列接続した回路が用いられてもよい。また、波形整形効果を有する他の回路が用いられてもよい。

バイナリカウンタ２２はｎ個のＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿ｎを備え、ｎビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［ｎ］を保持可能および出力可能である。ここで、ｎは２以上の自然数であって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［ｎ］は複数ビットである。１段目のＴ型フリップフロップ２２＿１の入力ノードＴには、波形整形部２１２からパルス信号Ｐ＿ＯＵＴが入力され、出力ノードＱから最下位ビット（ＬＳＢ：Ｌｅａｓｔ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ Ｂｉｔ）のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が出力される。２段目のＴ型フリップフロップ２２＿２の入力ノードＴには、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が入力され、出力ノードＱからカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［２］が出力される。同様に、ｎ段目のＴ型フリップフロップ２２＿ｎの入力ノードＴには、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［ｎ－１］が入力され、出力ノードＱから最上位ビット（ＭＳＢ：Ｍｏｓｔ Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ Ｂｉｔ）のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［ｎ］が出力される。また、Ｔ型フリップフロップ２２＿１～２２＿ｎのリセットノードＲＳＴには、走査線２０６ｂからリセット信号ＲＳＴが入力される。

判定回路２３は、ＲＳラッチ回路２３１、インバータ回路２３２、論理ゲート回路２３３を備え、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えたか否かを判定可能である。ＲＳラッチ回路２３１の入力ノードＳには、ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［ｎ］が入力され、リセットノードＲには走査線２０６ｂからリセット信号ＲＳＴが入力される。論理ゲート回路２３３の第１の入力ノードには、ＲＳラッチ回路２３１の出力ノードＱからの信号が入力され、第２の入力ノードにはインバータ回路２３２からＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［ｎ］の反転値が入力される。論理ゲート回路２３３の出力ノードは、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えたか否か表す判定フラグ（判定信号）ＯＣ＿ＯＵＴを出力する。本実施形態において、判定回路２３は、バイナリカウンタ２２のＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［ｎ］が「１」から「０」に遷移するタイミングにおいて、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴを「０」から「１」に遷移させている。ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［ｎ］が「１」から「０」へ遷移するのは、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［ｎ］が最大値「１・・・１」の状態においてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴがバイナリカウンタ２２に入力したときである。従って、ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［ｎ］を監視することにより、カウント値Ｃ＿ＯＵＴがオーバーフローしたことを判定することが可能となる。本実施形態における判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１は、少ないトランジスタによって構成可能であるため、より効果的に回路規模を抑制することが可能となる。仮に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［ｎ］のすべてのビットを検知する回路が構成される場合、少なくとも（ｎ×２）個のトランジスタが必要となる。バイナリカウンタ２２のビット数ｎが大きいほど、本実施形態における効果は顕著となる。

バッファ回路２４はトライステートバッファであり、それぞれ（Ｎ＋１）ビットの入力ノードおよび出力ノードを備える。１ビットの判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはＮビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴに付加され、バッファ回路２４の入力ノードに入力される。バッファ回路２４の出力ノードからは、（Ｎ＋１）ビットの出力信号Ｓ＿ＯＵＴが出力される。出力信号Ｓ＿ＯＵＴは、信号線２０７を介して読み出し回路２０２に出力される。バッファ回路２４は、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬがハイレベルである場合、出力ノードから出力信号Ｓ＿ＯＵＴを出力する。また、バッファ回路２４は、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬがローレベルである場合、出力ノードをハイインピーダンスにする。

図５は、本実施形態におけるＡＰＤ１１の動作と出力信号との関係を示す図である。波形整形部２１２の入力側をｎｏｄｅＡ、出力側をｎｏｄｅＢとした場合において、図５（ａ）はｎｏｄｅＡの波形変化を示し、図５（ｂ）はｎｏｄｅＢの波形変化を示している。

時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、ＡＰＤ１１には、ＶＨ－ＶＬの逆バイアス電圧が印加されている。時刻ｔ１において光子がＡＰＤ１１に入射すると、ＡＰＤ１１でアバランシェ増倍が生じ、クエンチ素子２１１にアバランシェ増倍電流が流れ、ｎｏｄｅＡの電圧は降下する。電圧降下がさらに大きくなり、ＡＰＤ１１に印加される電位差が小さくなると、時刻ｔ２においてＡＰＤ１１のアバランシェ増倍が停止し、ｎｏｄｅＡの電圧レベルはある一定値以上降下しなくなる。その後、時刻ｔ２から時刻ｔ４の間において、ｎｏｄｅＡには電圧ＶＬから電圧降下を補う電流が流れ、時刻ｔ４においてｎｏｄｅＡは元の電圧レベルに静定する。このとき、時刻ｔ２から時刻ｔ３において、ｎｏｄｅＡの電圧レベルが波形整形部２１２の閾値を越えると、ｎｏｄｅＢはハイレベルとなる。すなわち、ｎｏｄｅＡの電圧波形は波形整形部２１２によって波形整形され、ｎｏｄｅＢから矩形波のパルス信号Ｐ＿ＯＵＴが出力される。

図６は本実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートであって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値「１１１」を超えた場合における動作を表している。図６は、光子入射、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴ、リセット信号ＲＳＴ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［ｎ］、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴ、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬ、出力信号Ｓ＿ＯＵＴのそれぞれの時間変化を示している。ここでは、説明の簡略化のため、ｎ＝３とし、Ｔ型フリップフロップ２２＿１～２２＿３、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］を例に示す。

時刻ｔ１０１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移すると、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿３がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「０００」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

時刻ｔ１０２において、光子がＡＰＤ１１に入射すると、ＡＰＤ１１においてアバランシェ増倍が生じ、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴはローレベルからハイレベルに遷移する。時刻ｔ１０３において、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、Ｔ型フリップフロップ２２＿１の出力ノードＱがローレベルからハイレベルに遷移する。すなわち、ＬＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が「０」から「１」に遷移し、３ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴは「００１」となる。

その後、光子がＡＰＤ１１に入射する毎に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはカウントアップを繰り返し、時刻ｔ１０４において、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「１１１」となる。ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［３］が「１」となることから、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１の入力ノードＳがハイレベルとなり、ＲＳラッチ回路２３１の出力ノードＱおよび論理ゲート回路２３３の第１の入力ノードはハイレベルとなる。一方、論理ゲート回路２３３の第２の入力ノードには、ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［３］の反転値「０」が入力される。このため、論理ゲート回路２３３の出力ノードにおける判定フラグＯＣ＿ＯＵＴは、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値以下、すなわち閾値を超えていないことを示すローレベルを維持する。

時刻ｔ１０５において、光子入射に応じてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、３ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴは「１１１」から「０００」に遷移する。ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［３］が「１」から「０」に遷移するため、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１の入力ノードＳはローレベルとなるが、出力ノードＱおよび論理ゲート回路２３３の第１入力ノードはハイレベルを維持する。論理ゲート回路２３３の第２入力ノードには、ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［３］の反転値「１」が入力される。このため、論理ゲート回路２３３の出力ノードにおける判定フラグＯＣ＿ＯＵＴは、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えたことを示すハイレベルに遷移する。

時刻ｔ１０６以後において、光子入射に応じて、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「０００」からカウントアップを繰り返す。判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはハイレベルを維持している。

時刻ｔ１０７～ｔ１０８において、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬはハイレベルとなり、バッファ回路２４は現在のカウント値Ｃ＿ＯＵＴの「０１０」をラッチする。バッファ回路２４は、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴをカウント値Ｃ＿ＯＵＴのＬＳＢに付加し、４ビットの出力信号Ｓ＿ＯＵＴとして「０１０１」を出力する。光電変換装置３の外部または内部に設けられた信号処理回路は、出力信号Ｓ＿ＯＵＴのＬＳＢ、すなわち判定フラグＯＣ＿ＯＵＴが「１」であることから、３ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴがオーバーフローしたことを判断することができる。この場合、信号処理回路は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴの「０１０」を無効とし、カウント値Ｃ＿ＯＵＴを最大値の「１１１」と補正してもよい。これにより、オーバーフロー時における不所望の動作を回避することが可能となる。また、信号処理回路は、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴをカウント値Ｃ＿ＯＵＴのＭＳＢに付加し、４ビットの出力信号Ｓ＿ＯＵＴ「１０１０」をカウント値Ｃ＿ＯＵＴとして用いても良い。この場合には、実質的にはカウント値Ｃ＿ＯＵＴのビット数を３ビットから４ビットに拡張することが可能となる。

時刻ｔ１０９において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿３がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「０００」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

図７は本実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートであって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値「１１１」を超えない場合における動作を表している。

時刻ｔ２０１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「０００」にリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

時刻ｔ２０２において、光子がＡＰＤ１１に入射すると、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴはローレベルからハイレベルに遷移する。時刻ｔ２０３において、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、ＬＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が「０」から「１」に遷移する。これにより、３ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴは「００１」となる。その後、光子がＡＰＤ１１に入射する毎に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはカウントアップを繰り返し、時刻ｔ２０４において、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「１０１」となる。

時刻ｔ２０５～ｔ２０６において、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬはハイレベルとなり、バッファ回路２４は現在のカウント値Ｃ＿ＯＵＴの「１０１」をラッチする。このとき、ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［３］は「１」のままである。このため、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴは、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えていないことを表すローレベルを維持している。バッファ回路２４は、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴをカウント値Ｃ＿ＯＵＴのＬＳＢに付加し、出力信号Ｓ＿ＯＵＴとして「１０１０」を出力する。光電変換装置３の外部または内部に設けられた信号処理回路は、出力信号Ｓ＿ＯＵＴのＬＳＢが「０」であることから、３ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴがオーバーフローしていないと判断し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴの「１０１」を有効とすることができる。

時刻ｔ２０７において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿３がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「０００」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルを維持する。

以上、述べたように、本実施形態における光電変換装置は、バイナリカウンタ２２のいずれかの１ビットの遷移に基づき、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えたことを判定している。バイナリカウンタ２２のすべてのビットを検知する必要がないため、回路規模を抑えることが可能となる。特に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴのＭＳＢが「１」から「０」に遷移したことを検出することによって、回路規模を抑えながらカウント値Ｃ＿ＯＵＴがオーバーフローしたことを判定することができる。

また、カウント値Ｃ＿ＯＵＴを受信した信号処理回路は、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴに基づきカウント値Ｃ＿ＯＵＴが有効か否かを判断することができ、オーバーフロー時のカウント値Ｃ＿ＯＵＴに対して必要な補正処理を行うことが可能となる。

なお、後述するように、閾値は必ずしもカウント値Ｃ＿ＯＵＴの最大値に限定されない。すなわち、Ｔ型フリップフロップ２２＿１～２２＿ｎのいずれかの出力ノードＱが判定回路２３に接続されてもよい。

［第２実施形態］
続いて、本実施形態における光電変換装置を説明する。本実施形態における光電変換装置は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えた場合においてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴのカウントが停止し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［ｎ］がすべて「０」に維持される点において、第１実施形態と異なっている。以下、第１実施形態と異なる構成を中心に本実施形態について説明する。

図８は本実施形態における画素回路１００のブロック図である。画素回路１００は、光子検出回路２１、バイナリカウンタ２２、判定回路２３、バッファ回路２４を備える。光子検出回路２１は、ＡＰＤ１１、クエンチ素子２１１、波形整形部２１３を備える。ＡＰＤ１１、クエンチ素子２１１は第１実施形態と同様に構成される。波形整形部２１３は、第１実施形態と異なり、第１の入力ノードおよび第２の入力ノードを備える。第１の入力ノードには、ＡＰＤ１１のカソードの信号が入力され、第２の入力ノードには判定フラグＯＣ＿ＯＵＴが入力されている。本実施形態において、判定回路２３の判定フラグＯＣ＿ＯＵＴがハイレベルである場合、波形整形部２１３からパルス信号Ｐ＿ＯＵＴが出力されなくなる。すなわち、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えた場合、バイナリカウンタ２２はパルス信号Ｐ＿ＯＵＴのカウントを停止する。これにより、消費電流およびノイズを低減することが可能となる。

バイナリカウンタ２２はｎ個のＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿ｎを備え、ｎビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［ｎ］を保持および出力可能である。１段目のＴ型フリップフロップ２２＿１は、２段目以降のＴ型フリップフロップ２２＿２～２２＿ｎと異なり、リセット時において「１」を出力可能に構成されている。例えば、１段目のＴ型フリップフロップ２２＿１の反転出力ノードＱバーが２段目のＴ型フリップフロップ２２＿２の入力ノードＴに接続され得る。このような構成により、カウント値Ｃ＿ＯＵＴのオーバーフロー時の値「０・・・００」とリセット値（初期値）「０・・・０１」とを区別することができる。２段目以降のＴ型フリップフロップ２２＿２～２２＿ｎは第１実施形態と同様に構成されている。また、Ｔ型フリップフロップ２２＿１～２２＿ｎのリセットノードＲＳＴには、走査線２０６ｂからリセット信号ＲＳＴが入力される。

図９は本実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートであって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値「１１１」を超えた場合における動作を表している。

時刻ｔ３０１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「００１」にリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

時刻ｔ３０２において、光子がＡＰＤ１１に入射すると、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴはローレベルからハイレベルに遷移する。時刻ｔ３０３において、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、Ｔ型フリップフロップ２２＿１の出力ノードＱバーがハイレベルからローレベルに遷移する。ＬＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が「１」から「０」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［２］が「０」から「１」に遷移する。これにより、３ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴは「０１０」となる。その後、光子がＡＰＤ１１に入射する毎に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはカウントアップを繰り返し、時刻ｔ３０４において、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「１１１」となる。

時刻ｔ３０５において、光子入射に応じてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、３ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴは「１１１」から「０００」に遷移する。ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［３］が「１」から「０」に遷移し、判定回路２３は判定フラグＯＣ＿ＯＵＴをローレベルからハイレベルに遷移させる。光子検出回路２１の波形整形部２１３にはハイレベルの判定フラグＯＣ＿ＯＵＴが入力されるため、波形整形部２１３はパルス信号Ｐ＿ＯＵＴの出力を停止する。

時刻ｔ３０５以後において、光子がＡＰＤ１１に入射するが、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはハイレベルを維持しているため、波形整形部２１３からパルス信号Ｐ＿ＯＵＴは出力されない。このため、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはオーバーフロー時における「０００」の値を維持する。

時刻ｔ３０６～ｔ３０７において、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬはハイレベルとなる。バッファ回路２４は、現在のカウント値Ｃ＿ＯＵＴの「０００」をラッチし、３ビットの出力信号Ｓ＿ＯＵＴとして出力する。光電変換装置３の外部または内部に設けられた信号処理回路は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが「０００」であることから、カウント値Ｃ＿ＯＵＴがオーバーフローしたことを判断することができる。この場合、信号処理回路は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴを最大値「１１１」に補正しても良い。

時刻ｔ３０８において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿３がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「００１」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

図１０は本実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートであって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値「１１１」を超えない場合における動作を表している。

時刻ｔ４０１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移する。カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「００１」にリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

時刻ｔ４０２において、光子がＡＰＤ１１に入射すると、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴはローレベルからハイレベルに遷移する。時刻ｔ４０３において、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、ＬＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が「１」から「０」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［２］が「０」から「１」に遷移する。これにより、３ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴは「０１０」となる。その後、光子がＡＰＤ１１に入射する毎に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはカウントアップを繰り返し、時刻ｔ４０４において、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「１０１」となる。

時刻ｔ４０５～ｔ４０６において、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬはハイレベルとなり、バッファ回路２４は現在のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ「１０１」をラッチし、３ビットの出力信号Ｓ＿ＯＵＴとして出力する。カウント値Ｃ＿ＯＵＴが「０００」でないことから、光電変換装置３の外部または内部に設けられた信号処理回路は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴがオーバーフローしていないことを判断し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴの「１０１」を有効とすることができる。また、信号処理回路はカウント値Ｃ＿ＯＵＴから「１」を減算し、補正後のカウント値Ｃ＿ＯＵＴとして「１００」を得ても良い。これにより、カウント値Ｃ＿ＯＵＴのリセット値「００１」に相当するオフセットを補正することができる。

時刻ｔ４０７において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿３がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴは「００１」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベを維持する。

以上、述べたように、本実施形態における光電変換装置は、バイナリカウンタ２２のいずれか１ビットの遷移に基づきカウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えたことを判定することができる。バイナリカウンタ２２のすべてのビットを検知する必要がないため、回路規模を抑えることが可能となる。特に、バイナリカウンタ２２のＭＳＢが「１」から「０」に遷移したことを検出することによって、回路規模を抑えながらカウント値Ｃ＿ＯＵＴがオーバーフローしたことを判定することができる。

また、実施形態における光電変換装置は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えた場合に、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴのカウントを停止し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴを「００・・・０」に維持している。このため、信号処理回路は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが「００・・・００」であるか否かを判断することにより、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えたことを把握することができる。また、判定結果はカウント値Ｃ＿ＯＵＴの特定の値に割り当てられているため、信号線数を増やすことなく判定結果を出力することができる。これにより、さらに回路規模を抑えることが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えた場合に、バイナリカウンタ２２はカウント動作を停止するため、消費電流およびノイズを低減することも可能となる。

［第３実施形態］
続いて、本実施形態における光電変換装置を説明する。図１１は本実施形態における画素回路１００のブロック図である。画素回路１００は、光子検出回路２１、バイナリカウンタ２２、判定回路２３、バッファ回路２４、切替回路２５を備える。以下、第２実施形態と異なる構成を中心に本実施形態について説明する。

本実施形態における光子検出回路２１は、ＡＰＤ１１、波形整形部２１３と、クエンチ素子としてＰＭＯＳトランジスタ２１１ａとを備える。ＰＭＯＳトランジスタ２１１ａは電圧ＶＨを供給する電源線とＡＰＤ１１のカソードとに接続される。すなわち、ＰＭＯＳトランジスタ２１１ａの第１の主ノードは電圧ＶＨを供給する電源線に接続され、第２の主ノードはＡＰＤ１１のカソードに接続される。また、ＰＭＯＳトランジスタ２１１ａのゲートノードには、判定回路２３から判定フラグＯＣ＿ＯＵＴが入力される。判定フラグＯＣ＿ＯＵＴがローレベルである場合には、ＰＭＯＳトランジスタ２１１ａはオン状態となり、ＡＰＤ１１に電流が供給される。判定フラグＯＣ＿ＯＵＴがハイレベルである場合には、ＰＭＯＳトランジスタ２１１ａはオフ状態となり、ＡＰＤ１１におけるアバランシェ増倍は行われなくなる。これにより、第２実施形態と比較して、消費電流およびノイズをさらに低減することが可能となる。

切替回路２５はバイナリカウンタ２２と判定回路２３との間の信号経路に設けられ、バイナリカウンタ２２において判定される１ビットを切り替えるスイッチを備える。切替回路２５は、ＭＳＢのＴ型フリップフロップ２２＿ｎの出力ノードＱとｍ段目のＴ型フリップフロップ２２＿ｍの出力ノードＱとのいずれかを選択的に判定回路２３に出力可能である。ここで、「ｍ」は１＜ｍ＜ｎを満たす任意の自然数であり得る。制御信号ＤＩＮ＿ＳＥＬは走査線２０６ｃから供給され、制御信号ＤＩＮ＿ＳＥＬがローレベルである場合には、ＭＳＢのＴ型フリップフロップ２２＿ｎの出力ノードＱが選択される。また、制御信号ＤＩＮ＿ＳＥＬがハイレベルである場合には、ｍ段目のＴ型フリップフロップ２２＿ｍの出力ノードＱが選択される。なお、切替回路２５は、Ｔ型フリップフロップ２２＿１～ｎのうちの３個以上の出力ノードＱを選択可能に構成されてもよい。

続いて、図１２～図１５を参照しながら本実施形態における光電変換装置の動作を説明する。図１２～図１５は、光子入射、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴ、リセット信号ＲＳＴ、下位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［ｍ］、上位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［ｍ＋１］～［ｎ］、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴ、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬ、出力信号Ｓ＿ＯＵＴのそれぞれの時間変化を示している。ここでは、ｍ＝３、ｎ＝５とし、下位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］、上位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］を例に説明する。

図１２は本実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートであって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値「１１１１１」を超えた場合における動作を表している。制御信号ＤＩＮ＿ＳＥＬはローレベルであって、切替回路２５はＭＳＢのＴ型フリップフロップ２２＿ｎの出力ノードＱを選択しているものとする。

時刻ｔ５０１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、下位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「００１」にリセットされ、上位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「００」にリセットされる。また、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

時刻ｔ５０２において、光子がＡＰＤ１１に入射すると、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴはローレベルからハイレベルに遷移する。時刻ｔ５０３において、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、Ｔ型フリップフロップ２２＿１の出力ノードＱバーがハイレベルからローレベルに遷移する。ＬＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が「１」から「０」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［２］が「０」から「１」に遷移する。これにより、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「０１０」となる。

時刻ｔ５０４において、光子入射に応じてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「１１１」から「０００」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「００」から「０１」に遷移する。その後、光子がＡＰＤ１１に入射する毎に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはカウントアップを繰り返す。時刻ｔ５０５において、光子入射に応じてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「１１１」から「０００」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「１１」から「００」に遷移する。判定回路２３は、ＭＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［５］が「１」から「０」に遷移したことを検出し、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴをローレベルからハイレベルに遷移させる。光子検出回路２１の波形整形部２１３にはハイレベルの判定フラグＯＣ＿ＯＵＴが入力されるため、波形整形部２１３はパルス信号Ｐ＿ＯＵＴの出力を停止する。また、ＰＭＯＳトランジスタ２１１ａはオフ状態となり、ＡＰＤ１１におけるアバランシェ増倍は行われなくなる。

時刻ｔ５０５以後において、光子がＡＰＤ１１に入射するが、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはハイレベルを維持しているため、光子検出回路２１からパルス信号Ｐ＿ＯＵＴは出力されない。このため、バイナリカウンタ２２はカウントを停止し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］はオーバーフロー時における「０００００」の値を維持する。

時刻ｔ５０６～ｔ５０７において、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬがハイレベルとなる。バッファ回路２４は、現在のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］をラッチし、出力信号Ｓ＿ＯＵＴとして「０００００」を出力する。光電変換装置３の外部または内部に設けられた信号処理回路は、出力信号Ｓ＿ＯＵＴが「０００００」であることから、５ビットのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］がオーバーフローしたことを判断し、出力信号Ｓ＿ＯＵＴを無効とすることができる。この場合、信号処理回路は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴを最大値「１１１１１」に補正しても良い。

時刻ｔ５０８において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿５がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］は「００００１」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

図１３は本実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートであって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値「１１１１１」を超えない場合における動作を表している。制御信号ＤＩＮ＿ＳＥＬはローレベルであって、切替回路２５はＭＳＢのＴ型フリップフロップ２２＿ｎの出力ノードＱを選択しているものとする。

時刻ｔ６０１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、下位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「００１」にリセットされ、上位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「００」にリセットされる。また、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

時刻ｔ６０２において、光子がＡＰＤ１１に入射すると、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴはローレベルからハイレベルに遷移する。時刻ｔ６０３において、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、Ｔ型フリップフロップ２２＿１の出力ノードＱバーがハイレベルからローレベルに遷移する。ＬＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が「１」から「０」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［２］が「０」から「１」に遷移する。これにより、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「０１０」となる。その後、光子がＡＰＤ１１に入射する毎に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはカウントアップを繰り返す。時刻ｔ６０４において、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「１１１」から「０００」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「００」から「０１」に遷移する。時刻ｔ６０５において、光子入射に応じてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「１００」から「１０１」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「１０」を維持する。

時刻ｔ６０６～ｔ６０７において、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬはハイレベルとなる。バッファ回路２４は、現在のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］をラッチし、出力信号Ｓ＿ＯＵＴとして「１０１０１」を出力する。光電変換装置３の外部または内部に設けられた信号処理回路は、出力信号Ｓ＿ＯＵＴが「０００００」でないことから、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］がオーバーフローしていないことを判断し、出力信号Ｓ＿ＯＵＴを有効とすることができる。また、信号処理回路はカウント値Ｃ＿ＯＵＴから「１」を減算し、補正後のカウント値Ｃ＿ＯＵＴとして「１０１００」を得ても良い。これにより、リセット値「００００１」のオフセットを補正することができる。

時刻ｔ６０８において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿５がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］は「００００１」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルを維持する。

図１４は本実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートであって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値「００１１１」を超えた場合における動作を表している。制御信号ＤＩＮ＿ＳＥＬはハイレベルであって、切替回路２５は３段目のＴ型フリップフロップ２２＿３の出力ノードＱを選択しているものとする。

時刻ｔ７０１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、下位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「００１」にリセットされ、上位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「００」にリセットされる。また、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

時刻ｔ７０２において、光子がＡＰＤ１１に入射すると、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴはローレベルからハイレベルに遷移する。時刻ｔ７０３において、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、Ｔ型フリップフロップ２２＿１の出力ノードＱバーがハイレベルからローレベルに遷移する。ＬＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が「１」から「０」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［２］が「０」から「１」に遷移する。これにより、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「０１０」となる。その後、光子がＡＰＤ１１に入射する毎に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはカウントアップを繰り返す。

時刻ｔ７０４において、光子入射に応じてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「１１１」から「０００」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「００」から「０１」に遷移する。判定回路２３は、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［３］が「１」から「０」に遷移したことを検出し、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴをローレベルからハイレベルに遷移させる。光子検出回路２１の波形整形部２１３にはハイレベルの判定フラグＯＣ＿ＯＵＴが入力されるため、波形整形部２１３はパルス信号Ｐ＿ＯＵＴの出力を停止する。また、ＰＭＯＳトランジスタ２１１ａはオフ状態となり、ＡＰＤ１１におけるアバランシェ増倍は行われなくなる。

時刻ｔ７０４以後において、光子がＡＰＤ１１に入射するが、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはハイレベルを維持しているため、波形整形部２１３からパルス信号Ｐ＿ＯＵＴは出力されない。このため、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］は「０１０００」を維持する。

時刻ｔ７０６～ｔ７０７において、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬはハイレベルとなる。バッファ回路２４は、現在のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］をラッチし、出力信号Ｓ＿ＯＵＴとして「０１０００」を出力する。光電変換装置３の外部または内部に設けられた信号処理回路は、出力信号Ｓ＿ＯＵＴの「０１０００」に基づき、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］が閾値「００１１１」を超えたことを判断し、所定の信号処理を実行することができる。

時刻ｔ７０８において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿５がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］は「００００１」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

図１５は本実施形態における光電変換装置の動作を表すタイミングチャートであって、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値「００１１１」を超えない場合における動作を表している。制御信号ＤＩＮ＿ＳＥＬはハイレベルであって、切替回路２５は３段目のＴ型フリップフロップ２２＿３の出力ノードＱを選択しているものとする。

時刻ｔ８０１において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、下位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「００１」にリセットされ、上位のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「００」にリセットされる。また、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルとなる。

時刻ｔ８０２において、光子がＡＰＤ１１に入射すると、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴはローレベルからハイレベルに遷移する。時刻ｔ８０３において、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、Ｔ型フリップフロップ２２＿１の出力ノードＱバーがハイレベルからローレベルに遷移する。ＬＳＢのカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］が「１」から「０」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［２］が「０」から「１」に遷移する。これにより、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「０１０」となる。その後、光子がＡＰＤ１１に入射する毎に、カウント値Ｃ＿ＯＵＴはカウントアップを繰り返し、時刻ｔ８０４において、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「０１１」から「１００」に遷移する。時刻ｔ８０５において、光子入射に応じてパルス信号Ｐ＿ＯＵＴがハイレベルからローレベルに遷移すると、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［３］は「１０１」から「１１０」に遷移し、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［４］～［５］は「００」を維持する。

時刻ｔ８０７～ｔ８０８において、制御信号ＯＵＴ＿ＳＥＬはハイレベルとなる。バッファ回路２４は、現在のカウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］をラッチし、出力信号Ｓ＿ＯＵＴとして「００１１０」を出力する。光電変換装置３の外部または内部に設けられた信号処理回路は、出力信号Ｓ＿ＯＵＴが「０１０００」でないことから、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］が閾値を超えていないと判断することができる。

時刻ｔ８０９において、リセット信号ＲＳＴがローレベルからハイレベルに遷移し、バイナリカウンタ２２のすべてのＴ型フリップフロップ２２＿１～２２＿５がリセットされ、カウント値Ｃ＿ＯＵＴ［１］～［５］は「００００１」となる。また、判定回路２３のＲＳラッチ回路２３１もリセットされ、判定フラグＯＣ＿ＯＵＴはローレベルを維持する。

以上述べたように、本実施形態における光電変換装置は、バイナリカウンタ２２のいずれかの１ビットに基づき、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えたことを判定している。このため、バイナリカウンタ２２のすべてのビットを検知する必要がないため、回路規模を抑えることが可能となる。また、本実施形態における光電変換装置は、判定回路によって判定される１ビットを切り替える切替回路をさらに備える。これにより、信号処理に応じて閾値を適宜変更することが可能となる。

また、本実施形態によれば、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えた場合に、パルス信号Ｐ＿ＯＵＴが出力されないだけでなく、ＡＰＤ１１へ電流が供給されなくなる。これにより、第２実施形態に比べてさらに消費電流およびノイズを低減することが可能となる。

なお、閾値に応じて、光子検出回路２１およびバイナリカウンタ２２の動作を適宜変更してもよい。例えば、閾値がバイナリカウンタ２２のＭＳＢよりも小さい値に設定されている場合（図１４、図１５）、カウント値Ｃ＿ＯＵＴが閾値を超えた後においても、光子検出回路２１がパルス信号Ｐ＿ＯＵＴを出力し続けバイナリカウンタ２２がカウントを継続してもよい。この場合、第１実施形態と同様に、判定回路２３による判定結果を追加の１ビットとしてカウント値Ｃ＿ＯＵＴに付加してもよい。

［第４実施形態］
図１６は、本実施形態における回路基板２の配置例であって、図３の回路基板２の配置の変形例を示している。図３の回路基板２において、読み出し回路２０２は各行の画素１０に接続された信号線２０７から信号を読み出しているが、図１６の回路基板２においては、読み出し回路２０２は各列の画素１０に接続された信号線２０７から信号を読み出している。このように、回路基板２は様々な配置例によって構成され得る。本実施形態においても、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することが可能である。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態における撮像システムについて、図１７を用いて説明する。図１７は、本実施形態における撮像システムのブロック図である。

上述の実施形態における光電変換装置は種々の撮像システムに適用可能である。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、監視カメラなどがあげられる。図１７に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。

撮像システム７は、バリア７０６、レンズ７０２、絞り７０４、撮像装置７０、信号処理部７０８、タイミング発生部７２０、全体制御・演算部７１８、メモリ部７１０、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１６、記録媒体７１４、外部Ｉ／Ｆ部７１２を含む。バリア７０６はレンズを保護し、レンズ７０２は被写体の光学像を撮像装置７０に結像させる。絞り７０４はレンズ７０２を通った光量を可変する。撮像装置７０は上述の実施形態の光電変換装置のように構成され、レンズ７０２により結像された光学像を画像データに変換する。信号処理部７０８は撮像装置７０より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する。

タイミング発生部７２０は撮像装置７０および信号処理部７０８に、各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部７１８はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部７１０は画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部７１６は記録媒体７１４に画像データの記録または読み出しを行うためのインターフェースであり、記録媒体７１４は撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部７１２は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置７０と、撮像装置７０から出力された画像信号を処理する信号処理部７０８とを有すればよい。

本実施形態では、撮像装置７０と信号処理部７０８とが別の半導体基板に設けられているが、撮像装置７０と信号処理部７０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

また、それぞれの画素が第１の光電変換部と、第２の光電変換部を含む。信号処理部７０８は、第１の光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号と、第２の光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号とを処理し、撮像装置７０から被写体までの距離情報を取得し得る。

［第６実施形態］
図１８は、本実施形態における光検出システムの図であって、上述の実施形態に記載の光電変換装置を用いた距離画像センサのブロック図である。

図１８に示すように、距離画像センサ４０１は、光学系４０２、光電変換装置４０３、画像処理回路４０４、モニタ４０５、およびメモリ４０６を備える。距離画像センサ４０１は、光源装置４１１から被写体に向かって発光され、被写体の表面で反射された光（変調光、パルス光）を受光する。距離画像センサ４０１は、発光から受光までの時間に基づき、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。

光学系４０２は、１枚または複数枚のレンズを含み、被写体からの像光（入射光）を光電変換装置４０３に導き、光電変換装置４０３の受光面（センサ部）に結像させる。

光電変換装置４０３としては、上述した各実施形態の光電変換装置が適用され得る。光電変換装置４０３は、受光信号から求められる距離を示す距離信号を画像処理回路４０４に供給する。

画像処理回路４０４は、光電変換装置４０３から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行う。画像処理により得られた距離画像（画像データ）は、モニタ４０５に表示され、メモリ４０６に記憶（記録）され得る。

このように構成されている距離画像センサ４０１は、上述した光電変換装置を適用することで、画素の特性向上に伴って、より正確な距離画像を取得することができる。

［第７実施形態］
本開示に係る技術は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。

図１９は、本実施形態における内視鏡手術システムの概略図である。図１９は、術者（医師）１１３１が、内視鏡手術システム１１０３を用いて、患者ベッド１１３３上の患者１１３２に手術を行っている様子を示している。図示するように、内視鏡手術システム１１０３は、内視鏡１１００、術具１１１０、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１３４を備える。

内視鏡１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１０１と、鏡筒１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１０２と、アーム１１２１とを備える。図１９は、硬性の鏡筒１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１００を示しているが、内視鏡１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。

鏡筒１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１００には光源装置１２０３が接続されており、光源装置１２０３によって生成された光が、鏡筒１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１００は、直視鏡であってもよく、斜視鏡または側視鏡であってもよい。

カメラヘッド１１０２の内部には光学系および光電変換装置が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該光電変換装置に集光される。光電変換装置によって観察光は光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。光電変換装置としては、上述の各実施形態に記載の光電変換装置が用いられ得る。画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１３５に送信される。

ＣＣＵ１１３５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１００および表示装置１１３６の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１３５は、カメラヘッド１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等、画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。

表示装置１１３６は、ＣＣＵ１１３５からの制御により、当該ＣＣＵ１１３５によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。

光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源を備え、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１００に供給する。

入力装置１１３７は、内視鏡手術システム１００３に対する入力インターフェースである。ユーザは、入力装置１１３７を介して、内視鏡手術システム１００３に対して各種の情報の入力および指示入力を行うことができる。

処置具制御装置１１３８は、組織の焼灼、切開または血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１２の駆動を制御する。

光源装置１２０３は、内視鏡１１００に術部を撮影する際の照射光を供給可能であって、例えばＬＥＤ、レーザ光源またはこれらの組み合わせによる白色光源であり得る。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度および出力タイミングを高精度に制御することができる。このため、光源装置１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御してもよい。これにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。このような方法によれば、撮像素子にカラーフィルタが設けられることなく、カラー画像を得ることができる。

また、光源装置１２０３から出力される光の強度が所定の時間ごとに変更されるように、光源装置１２０３の駆動が制御されてもよい。光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれおよび白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。

さらに、光源装置１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用することができる。具体的には、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること、またはインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光および／または励起光を供給可能に構成され得る。

［第８実施形態］
本実施形態の光検出システムおよび移動体について、図２０Ａ、図２０Ｂ、図２１を用いて説明する。本実施形態では、光検出システムとして、車載カメラの一例を示す。

図２０Ａは、本実施形態における光検出システムの概略図であって、車両システム、および車両システムに搭載される光検出システムの一例を示している。光検出システム１３０１は、光電変換装置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、光電変換装置１３０２に被写体の光学像を結像する。光電変換装置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。光電変換装置１３０２は、上述の各実施形態のいずれかの光電変換装置である。画像前処理部１３１５は、光電変換装置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、光電変換装置１３０２内に組み込まれていてもよい。光検出システム１３０１には、光学系１３１４、光電変換装置１３０２および画像前処理部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。

集積回路１３０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、記憶媒体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。記憶媒体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、複数の光電変換装置１３０２により取得された複数の画像データから測距情報の算出を行う。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、光電変換装置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、光検出システム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、光検出システム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例えばＣＡＮ規格によって行ってもよい。

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、光電変換装置１３０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。

光検出システム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およ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、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得部でもある。また、光検出システム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、光検出システム１３０１、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、光検出システム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の車両制御を行い、衝突の回避、被害の軽減を実現する。警報装置１３１２は、音等の警報の発報、カーナビゲーションシステムおよびメーターパネルなどの表示部画面における警報情報の表示、シートベルトおよびステアリングへの振動付与などの手段を用いて、ユーザに警告を発する。

本実施形態における光検出システム１３０１は、車両の周囲、例えば前方または後方を撮影可能である。図２０Ｂは、本実施形態における移動体の概略図であって、車両前方を光検出システム１３０１で撮像する構成を示している。

２つの光電変換装置１３０２は、車両１３００の前方に配される。具体的には、車両１３００の進退方位または外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸とみなし、対称軸に対して２つの光電変換装置１３０２が線対称に配されることが好ましい。これにより、車両１３００と被写対象物との間の距離情報の取得および衝突可能性の判定を行う効果的ことが可能となる。また、光電変換装置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位置に配されることが好ましい。警報装置１３１２は、運転者の視野に入りやすい位置に配されることが好ましい。

次に、光検出システム１３０１における光電変換装置１３０２の故障検出動作について、図２１を用いて説明する。図２１は、本実施形態における光検出システムの動作を表すフローチャートである。光電変換装置１３０２の故障検出動作は、ステップＳ１４１０～Ｓ１４８０に従って実行され得る。

ステップＳ１４１０において、光電変換装置１３０２のスタートアップ時の設定が行われる。すなわち、光検出システム１３０１の外部（例えば主制御部１３１３）または光検出システム１３０１の内部から、光電変換装置１３０２の動作のための設定情報が送信され、光電変換装置１３０２は撮像動作および故障検出動作を開始する。

次いで、ステップＳ１４２０において、光電変換装置１３０２は、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、光電変換装置１３０２は、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素子を備える。この光電変換素子には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換素子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とは逆の順に実行されてもよい。

次いで、ステップＳ１４４０において、光検出システム１３０１は、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、光検出システム１３０１は、ステップＳ１４５０の処理に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、ステップＳ１４６０の処理へと移行する。ステップＳ１４６０において、光検出システム１３０１は、走査行の画素信号を記憶媒体１３０５に送信して一次保存する。その後、光検出システム１３０１は、ステップＳ１４２０の処理に戻り、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、光検出システム１３０１はステップＳ１４７０の処理に移行する。ステップＳ１４７０において、光検出システム１３０１は、撮像動作に異常があると判定し、主制御部１３１３、または警報装置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、光検出システム１３０１は、光電変換装置１３０２を停止し、光検出システム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、光検出システム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。

本発明の光電変換装置は、更に、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。

［第９実施形態］
図２２（ａ）は、本実施形態における電子機器の具体例を示す図であって、眼鏡１６００（スマートグラス）を示している。眼鏡１６００には、上述の各実施形態に記載の光電変換装置１６０２が設けられている。レンズ１６０１の裏面側には、ＯＬＥＤ、ＬＥＤ等の発光装置を含む表示装置が設けられていてもよい。光電変換装置１６０２は１つでもよいし、複数でもよい。また、複数種類の光電変換装置が組み合わされてもよい。光電変換装置１６０２の配置位置は図２２（ａ）に限定されない。

眼鏡１６００はさらに制御装置１６０３を備える。制御装置１６０３は、光電変換装置１６０２と上記の表示装置に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置１６０３は、光電変換装置１６０２と表示装置の動作を制御する。レンズ１６０１には、光電変換装置１６０２に光を集光するための光学系が形成されている。

図２２（ｂ）は、１つの適用例に係る眼鏡１６１０（スマートグラス）を示している。眼鏡１６１０は、制御装置１６１２を有しており、制御装置１６１２に、光電変換装置１６０２に相当する光電変換装置と、表示装置とが搭載される。レンズ１６１１には、制御装置１６１２内の光電変換装置と、表示装置からの発光を投影するための光学系とが形成されており、レンズ１６１１には画像が投影される。制御装置１６１２は、光電変換装置および表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、光電変換装置および表示装置の動作を制御する。制御装置１６１２は、装着者の視線を検知する視線検知部を有してもよい。視線の検知は赤外線を用いてよい。赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下を低減する。

赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から表示画像に対するユーザの視線を検出する。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。

より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き（回転角度）を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザの視線が検出される。

本実施形態の表示装置は、受光素子を有する光電変換装置を有し、光電変換装置からのユーザの視線情報に基づいて表示装置の表示画像を制御してよい。

具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザが注視する第１の視界領域と、第１の視界領域以外の第２の視界領域とを決定する。第１の視界領域、第２の視界領域は、表示装置の制御装置によって決定されてもよく、外部の制御装置によって決定されてもよい。表示装置の表示領域において、第１の視界領域の表示解像度を第２の視界領域の表示解像度よりも高く制御してよい。つまり、第２の視界領域の解像度を第１の視界領域よりも低くしてよい。

また、表示領域は、第１の表示領域、第１の表示領域とは異なる第２の表示領域とを含み得る。視線情報に基づいて、第１の表示領域および第２の表示領域から優先度の高い領域が決定されてもよい。第１の視界領域、第２の視界領域は、表示装置の制御装置によって決定されもよく、外部の制御装置によって決定されてもよい。優先度の高い領域の解像度は、優先度の高い領域以外の領域の解像度よりも高くなるように制御されてよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度は低くされ得る。

なお、第１の視界領域、優先度が高い領域の決定において、ＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）が用いられてもよい。ＡＩは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。ＡＩプログラムは、表示装置、光電変換装置のいずれに設けられてもよく、外部装置に設けられてもよい。外部装置がＡＩプログラムを有する場合は、通信を介して、サーバなどから表示装置に送信され得る。

視認検知に基づいて表示制御する場合、本実施形態は、外部を撮像する光電変換装置を更に有するスマートグラスに好ましく適用され得る。スマートグラスは、撮像した外部情報をリアルタイムで表示することができる。

［その他の実施形態］
本発明は、上述の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、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。

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、ネットワークまたは記憶媒体を介してシステムまたは装置に供給し、そのシステムまた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み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。

なお、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ものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１ センサ基板
１ａ 画素領域
２ 回路基板
３ 光電変換装置
１０ 画素
１１ ＡＰＤ
２０ 信号処理部
２１ 光子検出回路
２１１ クエンチ素子
２１２ 波形整形部
２２ バイナリカウンタ
２２＿ｎ Ｔ型フリップフロップ
２３ 判定回路
２３１ ＲＳラッチ回路
２３２ インバータ回路
２３３ 論理ゲート回路
２４ バッファ回路
２５ 切替回路

Claims (20)

1. 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への光子の入射により生じた出力に基づく検出パルスを生成する信号生成部と、
   前記検出パルスをカウントし、複数ビットのカウント値を出力するカウンタと、
   前記カウンタのいずれか１ビットの遷移に基づき、前記カウント値が所定の閾値を超えたことを表す判定信号を出力する判定回路とを備えることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記判定回路は、前記カウンタのいずれか１ビットの値が「１」から「０」に遷移した場合に、前記カウント値が前記閾値を超えたと判定することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記判定回路は、前記カウンタの最上位ビットの遷移に基づき、前記カウント値が前記閾値を超えたと判定することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記カウンタにおいて前記判定回路によって判定される１ビットを切り替える切替回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記判定信号は、１ビットの値として前記カウント値に付加されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記カウンタは、前記カウンタの最下位ビットの「１」を初期値としてカウントを開始することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記判定信号に応じて前記カウント値を補正する信号処理回路を備え、
   前記信号処理回路は、前記カウンタのすべてのビットが「０」である場合に、前記カウント値が前記閾値を超えたと判定することを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
8. 前記カウンタは、前記カウント値が前記閾値を超えた場合、カウントを停止することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記信号生成部は、前記カウント値が前記閾値を超えた場合、前記カウンタへの前記検出パルスの出力を停止するゲート回路を備えることを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
10. 前記信号生成部は、前記カウント値が前記閾値を超えた場合、前記アバランシェフォトダイオードへの電流を制限するクエンチ素子を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の光電変換装置。
11. 前記判定信号に応じて前記カウント値を補正する信号処理回路を備えることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 前記カウント値が前記閾値を超えた場合、前記信号処理回路は前記カウント値を無効とすることを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
13. 前記カウント値が前記閾値を超えた場合、前記信号処理回路は、前記カウント値の前記閾値以下の複数ビットを「１」に補正することを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
14. 前記判定信号が前記カウンタの最下位ビットの「０」に割り当てられ、かつ、前記カウンタが前記最下位ビットの「１」を初期値としてカウントを開始した場合、前記信号処理回路は、前記カウント値から「１」の値を減算することを特徴とする請求項１１または１３に記載の光電変換装置。
15. 前記カウンタは複数ビットの前記カウント値を保持可能であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
16. 前記アバランシェフォトダイオード、前記信号生成部、前記カウンタ、前記判定回路は画素回路を構成し、
    複数の前記画素回路が２次元アレイ状に配されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
17. 前記アバランシェフォトダイオードが設けられた第１基板と、前記信号生成部、前記カウンタ、前記判定回路が設けられた第２基板とが積層されたことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理装置とを備えることを特徴とする光検出システム。
19. 前記信号処理装置は、前記信号に基づいて対象物までの距離情報を表す距離画像を生成する ことを特徴とする請求項１８記載の光検出システム。
20. 移動体であって、
    請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得部と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御部と
    を有することを特徴とする移動体。

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