JP2023061644A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光検出の為の信号制御がなされないＡＰＤの端子電圧が低下することによる素子破壊を防ぐ。
【解決手段】 アバランシェフォトダイオードを有する複数の画素を有する光電変換装置であって、前記複数の画素は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力するアクティブ画素と、前記光子検出信号を出力しない非アクティブ画素とを含み、前記非アクティブ画素において、該非アクティブ画素が有する前記アバランシェフォトダイオードのアノードとカソードとの間に印加される電圧をリチャージする制御部を有することを特徴とする光電変換装置。
【選択図】 図６

Description

本発明は、光電変換装置の構成に関する。

複数のアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）を含む画素が配置された光電変換装置が知られている。ＡＰＤに光子が入射することで発生した光電荷がアバランシェ増倍を引き起こすことを利用して、各画素は単一光子レベルの光検出が可能となる。

特許文献１には、ＡＰＤを有する画素のうち、一部の画素を光検出以外の目的で配置する構成が開示されている。

国際公開第２０１９／０３５３６９号

特許文献１では、光検出以外の目的で使用されるＡＰＤの電位制御に関して言及されていない。そこで、本発明では、光検出以外の目的で使用されるＡＰＤの具体的な電位制御を行う光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの側面は、アバランシェフォトダイオードを有する複数の画素を有する光電変換装置であって、前記複数の画素は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力するアクティブ画素と、前記光子検出信号を出力しない非アクティブ画素とを含み、前記非アクティブ画素において、該非アクティブ画素が有する前記アバランシェフォトダイオードのアノードとカソードとの間に印加される電圧をリチャージする制御部を有することを特徴とする。

本発明の別の側面は、アバランシェフォトダイオードを有する複数の画素を含む光電変換装置であって、前記複数の画素は、光子検出信号を出力するアクティブ画素を含み、前記アクティブ画素は、光子の検出を行う露光期間以外の期間に該アクティブ画素が有する前記アバランシェフォトダイオードのアノードとカソードとの間に印加される電圧をリチャージすることを特徴とする。

本発明によれば、光検出以外の目的で使用されるＡＰＤの具体的な電位制御を行う光電変換装置を提供することができる。

実施形態にかかる光電変換装置の概略図である。 実施形態にかかる光電変換装置のＰＤ基板の概略図である。 実施形態にかかる光電変換装置の回路基板の概略図である。 実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。 実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の駆動を示す模式図である。 第１の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成図と駆動タイミング図である。 第２の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成図と駆動タイミング図である。 第３の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成図と駆動タイミング図である。 第４の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成図と駆動タイミング図である。 第５の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成図と駆動タイミング図である。 第６の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路配置の概略図である。 第７の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成図と駆動タイミング図である。 第８の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。 第９の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。 第１０の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。 第１１の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。 第１２の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。

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。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語）を用いる。それらの用語の使用は図面を参照した実施形態の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。

本明細書において、平面視とは、半導体層の光入射面に対して垂直な方向から視ることである。また、断面視とは、半導体層の光入射面と垂直な方向における面をいう。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。

以下の説明において、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）のアノードを固定電位とし、カソード側から信号を取り出している。したがって、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域であり、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域である。なお、ＡＰＤのカソードを固定電位とし、アノード側から信号を取り出す場合でも本発明は成立する。この場合は、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域はＰ型半導体領域であり、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域である。以下では、ＡＰＤの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動してもよい。

本明細書において、単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された分を差し引いた正味の不純物濃度を意味している。つまり、「不純物濃度」とは、ＮＥＴドーピング濃度を指す。Ｐ型の添加不純物濃度がＮ型の添加不純物濃度より高い領域はＰ型半導体領域である。反対に、Ｎ型の添加不純物濃度がＰ型の添加不純物濃度より高い領域はＮ型半導体領域である。

図１は、積層型の光電変換装置１００の構成を示す図である。光電変換装置１００は、センサ基板１１と、回路基板２１の２つの基板が積層され、電気的に接続されることにより構成される。センサ基板１１は、後述する光電変換素子１０２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２１は、後述する信号処理部１０３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。光電変換装置１００は、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して構成される。各実施形態に記載の光電変換装置は、第２面から光が入射し、第１面に回路基板が配される、裏面照射型の光電変換装置である。

以下では、センサ基板１１と回路基板２１とは、ダイシングされたチップで説明するが、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、ウエハ状態からチップ化した後に各チップを積層して接合してもよい。

センサ基板１１には、画素領域１２が配され、回路基板２１には、画素領域１２で検出された信号を処理する回路領域２２が配される。

図２は、センサ基板１１の配置例を示す図である。ＡＰＤを含む光電変換素子１０２を有する画素１０１が平面視で二次元アレイ状に配列され、画素領域１２を形成する。

画素１０１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）に用いる場合には、必ずしも画像を形成しなくてもよい。すなわち、画素１０１は、光が到達した時刻と光量を測定するためのものであってもよい。

図３は、回路基板２１の構成図である。図２の光電変換素子１０２で光電変換された電荷を処理する信号処理部１０３、読み出し回路１１２、制御パルス生成部１１５、水平走査回路部１１１、信号線１１３、垂直走査回路部１１０を有している。

図２の光電変換素子１０２と、図３の信号処理部１０３は、画素毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。

垂直走査回路部１１０は、制御パルス生成部１１５から供給された制御パルスを受け、各画素に制御パルスを供給する。垂直走査回路部１１０にはシフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられる。

画素の光電変換素子１０２から出力された信号は、信号処理部１０３で処理される。信号処理部１０３は、カウンタやメモリなどが設けられており、メモリにはデジタル値が保持される。

水平走査回路部１１１は、デジタル信号が保持された各画素のメモリから信号を読み出すために、各列を順次選択する制御パルスを信号処理部１０３に入力する。

信号線１１３には、選択されている列について、垂直走査回路部１１０により選択された画素の信号処理部１０３から信号が出力される。

信号線１１３に出力された信号は、出力回路１１４を介して、光電変換装置１００の外部の記録部または信号処理部に出力する。

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。信号処理部の機能は、必ずしも全ての光電変換素子に１つずつ設けられる必要はなく、例えば、複数の光電変換素子によって１つの信号処理部が共有され、順次信号処理が行われてもよい。

図２および図３に示すように、平面視で画素領域１２に重なる領域に、複数の信号処理部１０３が配される。そして、平面視で、センサ基板１１の端と画素領域１２の端との間に重なるように、垂直走査回路部１１０、水平走査回路部１１１、読み出し回路１１２、出力回路１１４、制御パルス生成部１１５が配される。言い換えると、センサ基板１１は、画素領域１２と画素領域１２の周りに配された非画素領域とを有する。そして、平面視で非画素領域に重なる領域に、垂直走査回路部１１０、水平走査回路部１１１、読み出し回路１１２、出力回路１１４、制御パルス生成部１１５が配される。

図４は、図２及び図３の等価回路を含むブロック図の一例である。図４は、一般的なＡＰＤを有する光電変換装置のブロック図を示している。

図４において、ＡＰＤ２０１を有する光電変換素子１０２は、センサ基板１１に設けられており、その他の部材は、回路基板２１に設けられている。

ＡＰＤ２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。ＡＰＤ２０１のアノードには、電圧ＶＬ（第１電圧）が供給される。また、ＡＰＤ２０１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、ＡＰＤ２０１がアバランシェ増倍動作をするような逆バイアス電圧が供給される。このような電圧を供給した状態とすることで、入射光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、逆バイアスの電圧が供給される場合において、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電位差で動作させるガイガーモードと、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電圧差で動作させるリニアモードがある。

ガイガーモードで動作させるＡＰＤをＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）と呼ぶ。例えば、電圧ＶＬ（第１電圧）は、－３０Ｖ、電圧ＶＨ（第２電圧）は、３Ｖである。ＡＰＤ２０１は、リニアモードで動作させてもよいし、ガイガーモードで動作させてもよい。

クエンチ素子２０２は、電圧ＶＨを供給する電源とＡＰＤ２０１に接続される。クエンチ素子２０２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、ＡＰＤ２０１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２０２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、ＡＰＤ２０１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）。

信号処理部１０３は、波形整形部２１０、カウンタ２１１、選択回路２１２を有する。本明細書において、信号処理部１０３は、波形整形部２１０、カウンタ２１１、選択回路２１２のいずれかを有していればよい。

波形整形部２１０は、光子検出時に得られるＡＰＤ２０１のカソードの電位変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部２１０としては、例えば、インバータ回路が用いられる。図４では、波形整形部２１０としてインバータを一つ用いた例を示したが、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよいし、波形整形効果があるその他の回路を用いてもよい。

カウンタ２１１は、波形整形部２１０から出力されたパルス信号の数（回数）をカウントし、カウント値を保持する。また、駆動線２１３を介して制御パルスｐＲＥＳが供給されたとき、カウンタ２１１に保持された信号がリセットされる。

選択回路２１２には、図３の垂直走査回路部１１０から、図４の駆動線２１４（図３では不図示）を介して制御パルスｐＳＥＬが供給され、カウンタ２１１と信号線１１３との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路２１２には、例えば、信号を出力するためのバッファ回路などを含む。

クエンチ素子２０２とＡＰＤ２０１との間や、光電変換素子１０２と信号処理部１０３との間にトランジスタ等のスイッチを配して、電気的な接続を切り替えてもよい。同様に、光電変換素子１０２に供給される電圧ＶＨまたは電圧ＶＬの供給をトランジスタ等のスイッチを用いて電気的に切り替えてもよい。

本実施形態では、カウンタ２１１を用いる構成を示した。しかし、カウンタ２１１の代わりに、時間・デジタル変換回路（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣ）、メモリを用いて、パルス検出タイミングを取得する光電変換装置１００としてもよい。このとき、波形整形部２１０から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定に、図１の垂直走査回路部１１０から駆動線を介して、制御パルスｐＲＥＦ（参照信号）が供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを基準として、波形整形部２１０を介して各画素から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。

図５は、ＡＰＤの動作と出力信号との関係を模式的に示した図である。

図５（ａ）は、図４のＡＰＤ２０１、クエンチ素子２０２、波形整形部２１０を抜粋した図である。ここで、波形整形部２１０の入力側をＶＣ、出力側をＶＯとする。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶＣの波形変化を、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＶＯの波形変化をそれぞれ示す。

時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、図５（ａ）のＡＰＤ２０１には、ＶＨ－ＶＬの電位差が印加されている。時刻ｔ１において光子がＡＰＤ２０１に入射すると、ＡＰＤ２０１でアバランシェ増倍が生じ、クエンチ素子２０２にアバランシェ増倍電流が流れ、ＶＣの電圧は降下する。電圧降下量がさらに大きくなり、ＡＰＤ２０１に印加される電位差が小さくなると、時刻ｔ２のようにＡＰＤ２０１のアバランシェ増倍が停止し、ＶＣ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ｔ３の間において、ＶＣには電圧ＶＬから電圧降下分を補う電流が流れ、時刻ｔ３においてＶＣは元の電位レベルに静定する。このとき、ＶＣにおいて出力波形がある閾値を越えた部分は、波形整形部２１０で波形整形され、ＶＯで信号として出力される。

なお、信号線１１３の配置、読み出し回路１１２、出力回路１１４の配置は図３に限定されない。例えば、信号線１１３が行方向に延びて配されており、信号線１１３が延びる先に読み出し回路１１２が配されていてもよい。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態による光電変換装置に関して、図６を用いて説明する。

図６（ａ）は本実施形態による光電変換装置の回路構成イメージを示す図である。図６（ａ）はアクティブ画素３１０、非アクティブ画素３２０と読み出し回路４００、制御部５００の接続関係を示す。アクティブ画素３１０は光子検出信号を読み出し回路４００に出力する画素である。すなわち、光検出の目的で使用される画素である。また、非アクティブ画素３２０は、例えばダミー画素などの光子検出信号を読み出し回路４００に出力しない画素である。すなわち、光検出以外の目的で使用される画素である。制御部５００は各画素のＡＰＤのアノードとカソードとの間に印加される電圧をリチャージする。

アクティブ画素３１０は、ＡＰＤ２０１、リチャージ回路３０１、処理回路３０２で構成される。クロック信号ＣＬＫＢ１は、制御部５００によって制御され、Ｌｏｗになることでリチャージ回路３０１を駆動して、ＡＰＤ２０１をガイガーモードでアバランシェ増倍可能なバイアス電圧にリチャージすることができる。リチャージ回路３０１はＡＰＤ２１０と電源との間の抵抗値を切り替えうる回路であればよく、例えばＰ型のＭＯＳトランジスタなどであっても良い。また、アバランシェ増倍可能なバイアス電圧にリチャージされた後に、クロック信号ＣＬＫＢ１がＨｉｇｈとなる場合、カソード端子と電源電圧ＶＨは切り離されて、カソード端子はフローティング状態となる。ＡＰＤ２０１に光子が入射して発生した光電荷によってアバランシェ増倍が起こると、カソード電圧ＶＣ１が低下しアノード電圧とカソード電圧との差がＡＰＤ２０１のブレイクダウン電圧以下に下がる。カソード電圧ＶＣ１の変化が処理回路３０２で検出されることで、光子が信号として検出される。アクティブ画素３１０は、露光期間内に光子検出した結果を処理回路３０２から読み出し回路４００に出力することで、画素の光子検出結果を読み出すことができる。

他方、非アクティブ画素３２０がアクティブ画素３１０と異なるところは、処理回路３０２が読み出し回路４００と接続されていない部分である。その為、制御部５００によって制御されるクロック信号ＣＬＫＢ２によりＡＰＤ２０１がアバランシェ増倍可能な状態において、光子が入射してカソード電圧ＶＣ２の変化があったとしても、その光子検出の結果を読み出し回路４００に出力することはできない。非アクティブ画素３２０は、例えば遮光されたアクティブ画素の周辺に、該アクティブ画素への光の侵入を防ぐ目的で配される。

図６（ｂ）は露光期間内のアクティブ画素３１０の駆動例を示すタイミング図である。図６（ｂ）を用いてクロック信号ＣＬＫＢ１の制御によるカソード電圧ＶＣ１の変化、および基本的な光子カウント動作に関して説明する。また、露光期間内に周期的にクロック信号ＣＬＫＢ１をＬｏｗにすることで、露光期間内の光子検出数を制御するクロックリチャージ駆動に関しても説明する。

時刻Ｔ１において、クロック信号ＣＬＫＢ１がＬｏｗになると、カソード電圧ＶＣ１は電位Ｖ１から電位ＶＨにリチャージされる。このときＡＰＤ２０１に印加される電圧は電位ＶＨ－電位ＶＬである。ＡＰＤ２０１のブレイクダウン電圧を電位Ｖ１－電位ＶＬとすると、電位ＶＨ－電位Ｖ１の電位差だけブレイクダウン電圧に対して過剰に電圧がかかった状態であり、ガイガーモードでアバランシェ増倍可能な状態となる。

時刻Ｔ２で光子が入射すると、ＡＰＤ２０１においてアバランシェ増倍が起こり、カソード電圧ＶＣ１は電位ＶＨから電位Ｖ１まで低下する。このときのＡＰＤ２０１のバイアス電圧は電位Ｖ１－電位ＶＬであり、ブレイクダウン電圧以下の電圧に下がる。処理回路３０２はカソード電圧ＶＣ１が閾値電圧Ｖｔｈ以下に変化したことを検知して、カウンタのカウント値をｎからｎ＋１にカウントアップする。

続いて、時刻Ｔ３で光子が入射すると、ＡＰＤ２０１にはブレイクダウン電圧未満のバイアス電圧が印加されているため、ガイガーモードによるアバランシェ増倍は発生しない。ただし、電位ＶＬと電位Ｖ１の電位差はブレイクダウン電圧未満の逆バイアス電圧となっており、光電荷をきっかけとした逆方向電流は発生する為、電位Ｖ１より低い電位Ｖ２までカソード電圧ＶＣ１は低下する。この逆方向電流によるブレイクダウン電圧以下のカソード電圧ＶＣ１の電圧降下は、カウンタのカウントアップには寄与せず、後述するように非アクティブ画素３２０においてケアすべき電圧降下である。

時刻Ｔ４において、クロック信号ＣＬＫＢ１がＬｏｗになるため、再びカソード電圧ＶＣ１は電位ＶＨまでリチャージされる。時刻Ｔ５でクロック信号ＣＬＫＢ１がＬｏｗとなるが、カソード電圧ＶＣ１は電位ＶＨまでリチャージされた状態であるため変化しない。

時刻Ｔ６で光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生してカソード電圧ＶＣ１が低下し、カウンタのカウント値はｎ＋２にカウントアップされる。このように、周期的なリチャージ動作をクロックリチャージ駆動と呼び、リチャージの回数を上限として露光期間内に光子検出する回数を制御している。

図６（ｃ）は本実施形態の光電変換装置における、アクティブ画素３１０と非アクティブ画素３２０の制御方法の差に関して説明するタイミング図であり、クロック信号ＣＬＫＢ１およびクロック信号ＣＬＫＢ２の駆動タイミングを示している。クロック信号ＣＬＫＢ２は非アクティブ画素３２０のＡＰＤ２０１の電位を制御するクロック信号である。

図６（ａ）に示すように、非アクティブ画素は読み出し回路４００に接続されておらず、光子検出の為にリチャージする必要は無い。しかし、カソード端子を長期間フローティング状態に留めておいた場合、図６（ｂ）の時刻Ｔ３のような電圧降下現象が複数回発生して、カソード電圧ＶＣ２が降下し続ける可能性がある。そこで、本実施形態では、非アクティブ画素でリチャージ動作を行うことにより、カソード電圧ＶＣ２の低下を抑制する。仮にクロック信号ＣＬＫＢ２を制御せず、Ｈｉｇｈの状態にし続けると、ＡＰＤ２０１のカソード端子はフローティング状態が維持される。図６（ｂ）の説明でも述べたように、一度アバランシェ増倍が発生したあとにカソード端子がフローティング状態のままにしておくと、ガイガーモードでのアバランシェ増倍は発生しないものの、光電荷など種電荷に起因した逆方向電流は流れうる。図６（ｂ）の説明の例では電位Ｖ１から電位Ｖ２へカソード端子の電位が低下したが、仮にその後もリチャージしない状態を続けると、さらにその後も種電荷発生のたびにカソード端子は下がり続ける。やがて、処理回路３０２などカソード電圧ＶＣ２の電位が供給される先の回路素子の耐圧を超えた電位がかかることで、回路素子にダメージを与えてしまう懸念がある。

このように、本発明の第一実施形態においては、非アクティブ画素も周期的にリチャージを行うことで、非アクティブ画素におけるＡＰＤの端子の電位変化を防ぐ効果がある。

また、図６（ｃ）では、図６（ｂ）と同様、アクティブ画素３１０はクロック信号ＣＬＫＢ１により、露光期間Ｔｅｘの期間中にパルス幅τで周期的にリチャージしており、リチャージの周期はＴｐ１である。非アクティブ画素３２０のクロック信号ＣＬＫＢ２のリチャージの周期はＴｐ２であり、露光期間Ｔｅｘの期間内外を区別せず一定のパルス幅τ´でリチャージしている。

ここで、露光期間Ｔｅｘ＞パルス幅τ´である。パルス幅τ´を不必要に長くしないことで、アクティブ画素に比べて非アクティブ画素のＡＰＤ２０１に電流が流れる頻度を減らして、非アクティブ画素の消費電力を減らすことができる。

また、パルス幅τとパルス幅τ´とは、等幅でも、異なるパルス幅でもよい。アクティブ画素ではリチャージ時間を短縮するためにパルス幅τがなるべく狭いことが望ましいが、非アクティブ画素である３２０においてはパルス幅τ´はパルス幅τよりも広くてもよい。一方、アクティブ画素のパルス幅τは、カソード電圧ＶＣ１が所定の電圧にリチャージされるのに十分な期間に対応したパルス幅τを要するが、非アクティブ画素はリチャージ後のカソード電圧ＶＣ２のばらつきを考慮する必要がない。そのため、リチャージの効果が得られる範囲であればτ´を短くすることができ、消費電力を低減することができる。パルス幅τとパルス幅τ´とを等幅にすることで、クロック信号ＣＬＫＢ１、クロック信号ＣＬＫＢ２それぞれのパルスの生成や伝送に用いる配線の一部を共通化することができる。

また、アクティブ画素のリチャージ周期Ｔｐ１≦非アクティブ画素のリチャージ周期Ｔｐ２である。この関係によりカソード電圧ＶＣ１の電圧降下によって回路素子に与えるダメージを防ぎながら、非アクティブ画素の消費電力を抑制することができる。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態による光電変換装置に関して、図７を用いて説明する。

図７（ａ）が図６（ａ）と異なる点は、非アクティブ画素３２０の代わりに非アクティブ画素の変形例であるテスト画素３３０が配置されている点である。テスト画素３３０は読み出し回路４００に接続されている点で非アクティブ画素３２０と異なる。テスト画素３３０は非アクティブ画素３２０の処理回路３０２に代わり、テスト用処理回路３０３を含む。テスト用処理回路３０３はＡＰＤ２０１のカソード電圧ＶＣ２の出力を受けることがあっても、読み出し回路４００にカソード電圧ＶＣ２の変化に関する情報、つまり光子検出情報を出力することは無い。すなわち、光検出以外の目的で使用される画素である。

テスト用処理回路３０３はテスト回路３０４を含み、回路の正常性確認の為の信号を出力する。テスト用処理回路３０３にはテスト信号ＴＥＳＴが入力される。言い換えれば、テスト用処理回路３０３はアバランシェフォトダイオードの出力ノードとは異なる入力ノードからの入力に基づく信号を出力する回路である。ここでＴＥＳＴは時間変化する信号でも良いし、固定値でも良い。また、テスト画素３３０の内外どちらで生成されていても良い。例えばテスト回路３０４に固定値を出力させることで、図７（ａ）の出力経路であるテスト用処理回路３０３から読み出し回路４００までの正常性を確認することができる。テスト用処理回路３０３にＣＬＫＢ２を入力し、テスト回路３０４でクロック信号ＣＬＫＢ２のパルス数をカウントして、クロック信号ＣＬＫＢ２の信号の正常性を確認する機能を持たせても良い。

図７（ｂ）は本実施形態のクロック信号ＣＬＫＢ１およびクロック信号ＣＬＫＢ２の駆動タイミング例を示す図である。図７（ｂ）は図６（ｃ）と同じであるため説明は省略するが、第一実施形態の非アクティブ画素３２０と同じく、本実施形態におけるテスト画素３３０もカソード電圧ＶＣ２が下がりすぎることを防ぐためにリチャージを行っている。本実施形態において、テスト画素を周期的にリチャージすることで、テスト画素におけるＡＰＤの端子の電位変化によって回路素子に与えるダメージを防ぐ効果がある。

［第三実施形態］
本発明の第二実施形態による光電変換装置に関して、図８を用いて説明する。

図８（ａ）が図６（ａ）と異なる点はアクティブ画素３１０の代わりにアクティブ画素３４０、非アクティブ画素３２０の代わりに非アクティブ画素３５０を備えている点である。アクティブ画素３４０はアクティブ画素３１０と異なり、クロック信号ＣＬＫＢ１に加えてリセット信号ＲＥＳＢ１が入力される。クロック信号ＣＬＫＢ１とリセット信号ＲＥＳＢ１のＡＮＤ論理をとる論理回路３０５の出力であるリチャージ信号ＥＮＢ１がアクティブ画素３４０のリチャージ回路３０１を制御している。クロック信号ＣＬＫＢ１とリセット信号ＲＥＳＢ１のどちらか片方または両方がＬｏｗであるとき、リチャージ信号ＥＮＢ１はＬｏｗとなり、リチャージ回路３０１はカソード電圧ＶＣ１をリチャージすることができる。非アクティブ画素３５０がアクティブ画素３４０と異なる点は、処理回路３０２から読み出し回路４００に出力する経路が無いことである。

図８（ｂ）に本実施形態における駆動タイミング例を示す。

アクティブ画素３４０はクロック信号ＣＬＫＢ１とリセット信号ＲＥＳＢ１の論理演算を行い、ＡＮＤ論理をとってリチャージ信号ＥＮＢ１を出力している。リセット信号ＲＥＳＢ１は露光期間Ｔｅｘの開始前にＬｏｗになり、カソード電圧ＶＣ１がリチャージされる。リセット信号ＲＥＳＢ１は露光期間Ｔｅｘ内ではｈｉｇｈに維持されるため、露光期間内Ｔｅｘ内においてはクロック信号ＣＬＫＢ１をリチャージ信号ＥＮＢ１としてリチャージ回路３０１が駆動される。

非アクティブ画素３５０の駆動がアクティブ画素３４０の駆動と異なる部分は露光期間Ｔｅｘ内のリチャージ動作を制御するクロック信号ＣＬＫＢ２が常にＨｉｇｈとなっている点である。つまり、非アクティブ画素３５０は読み出し回路４００に接続されないため、露光期間Ｔｅｘ内でクロック信号ＣＬＫＢ２をＬｏｗにすることによる周期的なカソード電圧ＶＣ２のリチャージを行わない動作となっている。その代わり、リセット信号ＲＥＳＢ２は露光期間Ｔｅｘの期間に捉われることなく周期的にＬｏｗとなる。そのため、非アクティブ画素３５０においても、カソード電圧ＶＣ２を周期的にリチャージして、カソード電圧ＶＣ２の電位が下がりすぎないように制御することができる。

このように、露光期間内の光子検出に使用するクロック信号ＣＬＫＢ１、クロック信号ＣＬＫＢ２と、露光期間内外に関わらずカソード電圧をリチャージできるリセット信号ＲＥＳＢ１、リセット信号ＲＥＳＢ２のように用途の異なるパルスを画素毎に入力する。これによって、アクティブ画素３４０と非アクティブ画素３５０のそれぞれに所望の駆動をさせることができる。この動作の使い分けにより、非アクティブ画素３５０であって、露光期間制御によるリチャージが無い場合でも、カソード電圧ＶＣ２の電位が下がりすぎないように適宜リチャージ動作をコントロールすることができる。これにより、ＡＰＤの端子の電位変化によって回路素子に与えるダメージを防ぐ効果がある。

［第四実施形態］
本発明の第四実施形態による光電変換装置に関して、図９を用いて説明する。

図９（ａ）では、アクティブ画素３６０を同じ行に２つ配置して、クロック信号ＣＬＫＢ１、リセット信号ＲＥＳＢ１が２つのアクティブ画素３６０に共通して入力されている。また、各アクティブ画素３６０の処理回路３０２から読み出し回路４００への出力線は共通化されており、該出力線を不図示の読み出し信号により制御することで、各画素の信号を異なるタイミングで読み出すことができる。また、２つ並ぶアクティブ画素３６０のうち左側の画素には停止信号ＳＴＯＰ１が入力され、右側の画素には停止信号ＳＴＯＰ２が入力される。この停止信号ＳＴＯＰ１、停止信号ＳＴＯＰ２は、光子検出動作領域を指定する信号である。例えば、停止信号ＳＴＯＰ１がＬｏｗ、停止信号ＳＴＯＰ２がＨｉｇｈの場合、停止信号ＳＴＯＰ２が入力される右側の画素の光子検出動作は停止する。そのため、複数並ぶ画素のうちある画素領域の露光期間内の光子検出動作を停止させるクロップ動作や、１行おき、あるいは２行おき、など周期的に画素を間引く間引き動作などを行うことができる。また、アクティブ画素３６０には、クロック信号ＣＬＫＢ１と停止信号ＳＴＯＰ１のＯＲ論理をとる論理回路３６１と、論理回路３６１の出力とリセット信号ＲＥＳＢ１のＡＮＤ論理をとる論理回路３６２が含まれる。リセット信号ＲＥＳＢ１は処理回路３６３に入力される。リセット信号ＲＥＳＢ１がＬｏｗである期間では、処理回路３６３の動作を一部リセットすることができる。例えば、処理回路３６３に含まれる不図示のカウンタのカウント値をリセットする。

図９（ｂ）に本実施形態における駆動タイミング例を示す。

２つ並ぶアクティブ画素３６０のうち左側の画素に入力される停止信号ＳＴＯＰ１は常にＬｏｗであるため、論理回路３６１の出力はクロック信号ＣＬＫＢ１に従う。論理回路３６２では論理回路３６１の出力とリセット信号ＲＥＳＢ１の論理演算を行い、ＡＮＤ論理をとる。クロック信号ＣＬＫＢ１とリセット信号ＲＥＳＢ１のどちらか一方がＬｏｗであればリチャージ信号ＥＮＢ１はＬｏｗとなる。そのため、露光期間を制御するクロック信号ＣＬＫＢ１と、リセット信号ＲＥＳＢ１のどちらがＬｏｗになってもリチャージ信号ＥＮＢ１はＬｏｗとなっている。

このとき、リセット信号ＲＥＳＢ１がＬｏｗになるタイミングではカウンタはリセットされている。また、カウント期間の制御に関しては処理回路３６３に入力される不図示のカウント有効化信号によって規定されるカウント有効化期間内のみカウントアップされるように制御されていても良い。

一方、アクティブ画素３６０のうち右側の画素に入力される停止信号ＳＴＯＰ２は常にＨｉｇｈであるため、論理回路３６１の出力は常にＨｉｇｈとなる。つまり露光期間内のリチャージを制御するクロック信号ＣＬＫＢ１の変化はリチャージ信号ＥＮＢ２に反映されない。図９（ｂ）に示すように、リチャージ信号ＥＮＢ２はリセット信号ＲＥＳＢ１がＬｏｗになるタイミングだけＬｏｗとなる。つまり、露光期間の制御をするクロック信号ＣＬＫＢ１がＬｏｗにならなくても、リセット信号ＲＥＳＢ１によりカソード電圧ＶＣ２をリチャージすることができる。このとき、アクティブ画素３６０の右側の画素においては、カソード電圧ＶＣ２をリチャージするタイミングでは、常にカウンタがリセットされる。このため、例えば、カウンタがカウント最大値に達した場合にリチャージを停止する機能（不図示）が備わっていたとしても、問題無くリチャージできる。

本実施形態では、クロック信号ＣＬＫＢ１やリセット信号ＲＥＳＢ１などの制御線を共有する複数の画素に停止画素が含まれる場合でも、リセット信号ＲＥＳＢ１信号をリチャージ信号として兼用する。これによって、停止画素のリチャージ用の信号線を増やすことなく、カソード電圧ＶＣ１が下がりすぎることを防ぐことができる。これにより、ＡＰＤの端子の電位変化によって回路素子に与えるダメージを防ぐ効果がある。

［第五実施形態］
本発明の第五実施形態による光電変換装置に関して、図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）は図９（ａ）の画素行の下の行に、非アクティブ画素３７０を２画素加えている。図９（ａ）で説明したアクティブ画素３６０を含む行をアクティブ画素行３６００として定義しており、また、非アクティブ画素３７０のみを含む行を非アクティブ画素行３７００として定義している。非アクティブ画素３７０がアクティブ画素３６０と異なる点は処理回路３７３が読み出し回路４００に接続されていないことである。また、ＯＲ論理をとる論理回路３７１、ＡＮＤ論理をとる論理回路３７２を含む。

図１０（ｂ）では本実施形態における駆動タイミング例を示す。アクティブ画素行３６００の説明は第四実施形態と共通するため省略する。本実施形態においては、非アクティブ画素行３７００に含まれる行に配された２つの非アクティブ画素３７０に共通して、アクティブ画素行３６００とは異なるクロック信号ＣＬＫＢ２、および、リセット信号ＲＥＳＢ２が入力されている。２つ並ぶアクティブ画素３６０のうち左側の画素には停止信号ＳＴＯＰ１が入力され、右側の画素には停止信号ＳＴＯＰ２が入力される。

非アクティブ画素３７０は、読み出し回路４００に接続されておらず、光子検出信号を出力する必要が無い。そのため、行内の全画素において、非アクティブ画素３７０の露光期間を制御するクロック信号ＣＬＫＢ２は常にＨｉｇｈとなっている。また、この非アクティブ画素行３７００においては、処理回路３７３において不図示のカウンタは停止状態に固定されており、アクティブ画素３６０のようにカウンタをリセットする必要はない。そのため、カウンタのリセット信号を兼ねるリセット信号ＲＥＳＢ２を、露光期間Ｔｅｘの期間内であるか期間外であるかに関わらず、カソード電圧ＶＣ２が下がりすぎないようにする目的の為だけに使って良い。すなわちリセット信号ＲＥＳＢ２がＬｏｗとなるタイミングでリチャージ信号ＥＮＢ３もＬｏｗに制御されて、周期的にカソード電圧ＶＣ２をリチャージすることができる。よって、アクティブ画素行３６００のリチャージ信号ＥＮＢ１、ＥＮＢ２と、非アクティブ画素行３７００のリチャージ信号ＥＮＢ３とは、その位相やリチャージ信号による制御が始まる時刻など、リチャージ信号パルスの立上がり・立下りのタイミングを異ならせてよい。また、リチャージ信号ＥＮＢ３はリチャージ信号ＥＮＢ１と比べ単位時間当たりのパルス数が少なくなる。

このようにアクティブ画素を含むアクティブ画素行３６００と、非アクティブ画素のみで構成される非アクティブ画素行３７００とで、制御信号を個別に制御して良い。また、第四実施形態で説明した停止信号ＳＴＯＰ１、停止信号ＳＴＯＰ２の制御と合わせて、行方向、列方向に必要に応じてリチャージ信号を供給する構成とすることが可能である。これにより、ＡＰＤの端子の電位変化によって回路素子に与えるダメージを防ぐ効果がある。

［第六実施形態］
本発明の第六実施形態による光電変換装置に関して、図１１を用いて説明する。

図１１は画素配置に関して、これまで使用した記号を用いて簡易的に示した図である。第五実施形態とは異なり、アクティブ画素行３６００に非アクティブ画素３７０が含まれる。

非アクティブ画素が含まれる行であっても、アクティブ画素行が含まれる場合はアクティブ画素行３６００とみなして、図１０（ａ）のように駆動を制御することで、信号制御線を増やすことなく、非アクティブ画素のリチャージを実現できる。

このように、非アクティブ画素のみの行に対するリチャージ制御と、アクティブ画素が含まれる行に対するリチャージ制御を適宜変更する。これによって、アクティブ画素と非アクティブ画素が行列に混在する場合でも、適切なリチャージ動作を行ってカソード電圧ＶＣ１の過剰な電圧低下を抑制することができる。これにより、ＡＰＤの端子の電位変化によって回路素子に与えるダメージを防ぐ効果がある。

［第七実施形態］
本発明の第７実施形態による光電変換装置に関して、図１２を用いて説明する。

図１２（ａ）は本実施形態による光電変換装置の回路構成イメージを示す図である。図６（ａ）との違いは非アクティブ画素３２０を表現していないことである。図１２（ｂ）に本実施形態における駆動例を示すタイミング図を示す。図６（ｂ）と異なる部分は露光期間Ｔｅｘ以外の期間にもクロック信号ＣＬＫＢ１が周期的に変化してリチャージを行っている点である。

このように露光期間以外の期間においてもカソード電圧ＶＣ１のリチャージを行うことで、例えば、露光期間同士の間隔が長い場合に、露光期間外でカソード電圧ＶＣ１が下がり続ける前にカソード電圧ＶＣ１をリチャージすることができる。そのため、アクティブ画素においてもカソード電圧ＶＣ１が下がりすぎることによる回路素子の破壊を防ぐことができる。

ここで、露光期間Ｔｅｘ内のリチャージ周期をＴｐ１、露光期間Ｔｅｘ外のリチャージ周期をＴｐ３とすると、Ｔｐ３＞Ｔｐ１の関係が望ましい。このように露光期間Ｔｅｘ外のリチャージ周期Ｔｐ３を長くすることで、露光期間Ｔｅｘ外の消費電力を不必要に増やさずに済む。

また、露光期間Ｔｅｘ内のパルス幅をτ、露光期間Ｔｅｘ外のパルス幅をτ´とすると、露光期間Ｔｅｘ外のリチャージするパルス幅τ´は露光期間Ｔｅｘより短い方が望ましい。τ´を短くすることで、ＡＰＤ２０１に電流が流れる頻度を減らして、露光期間Ｔｅｘ外の消費電力を不必要に増やさずに済む。パルス幅τとパルス幅τ´とは、等幅でも、異なるパルス幅でもよい。

これにより、ＡＰＤの端子の電位変化によって回路素子に与えるダメージを防ぐ効果がある。

［第八の実施形態］
本実施形態による光電変換システムについて、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施形態による光電変換システムの概略構成を示すブロック図である。

上記第一～第七実施形態で述べた光電変換装置は、種々の光電変換システムに適用可能である。適用可能な光電変換システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、光電変換システムに含まれる。図１３には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

図１３に例示した光電変換システムは、光電変換装置の一例である撮像装置１００４、被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ１００２を備える。さらに、レンズ１００２を通過する光量を可変にするための絞り１００３、レンズ１００２の保護のためのバリア１００１を有する。レンズ１００２及び絞り１００３は、撮像装置１００４に光を集光する光学系である。撮像装置１００４は、上記のいずれかの実施形態の光電変換装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を電気信号に変換する。

光電変換システムは、また、撮像装置１００４より出力される出力信号の処理を行うことで画像を生成する画像生成部である信号処理部１００７を有する。信号処理部１００７は、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部１００７は、撮像装置１００４が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置１００４とは別の半導体基板に形成されていてもよい。

光電変換システムは、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１０１０、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）１０１３を有する。更に光電変換システムは、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１０１２、記録媒体１０１２に記録又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）１０１１を有する。なお、記録媒体１０１２は、光電変換システムに内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

更に光電変換システムは、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１００９、撮像装置１００４と信号処理部１００７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１００８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、光電変換システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された出力信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。

撮像装置１００４は、撮像信号を信号処理部１００７に出力する。信号処理部１００７は、撮像装置１００４から出力される撮像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。信号処理部１００７は、撮像信号を用いて、画像を生成する。

このように、本実施形態によれば、上記のいずれかの実施形態の光電変換装置（撮像装置）を適用した光電変換システムを実現することができる。

［第九の実施形態］
本実施形態の光電変換システム及び移動体について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態の光電変換システム及び移動体の構成を示す図である。

図１４（ａ）は、車載カメラに関する光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム１３００は、撮像装置１３１０を有する。撮像装置１３１０は、上記のいずれかの実施形態に記載の光電変換装置である。光電変換システム１３００は撮像装置１３１０により取得された複数の画像データに対し画像処理を行う画像処理部１３１２と、光電変換システム１３００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部１３１４を有する。また、光電変換システム１３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部１３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部１３１８と、を有する。ここで、視差取得部１３１４や距離取得部１３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部１３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、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。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。

光電変換システム１３００は車両情報取得装置１３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光電変換システム１３００は、衝突判定部１３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御部である制御ＥＣＵ１３３０が接続されている。また、光電変換システム１３００は、衝突判定部１３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置１３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部１３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ１３３０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１３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの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ーに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光電変換システム１３００で撮像する。図１４（ｂ）に、車両前方（撮像範囲１３５０）を撮像する場合の光電変換システムを示した。車両情報取得装置１３２０が、光電変換システム１３００ないしは撮像装置１３１０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、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。更に、光電変換システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機ある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。

［第十の実施形態］
本実施形態の光電変換システムについて、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施形態の光電変換システムである距離画像センサの構成例を示すブロック図である。

図１５に示すように、距離画像センサ４０１は、光学系４０７、光電変換装置４０８、画像処理回路４０４、モニタ４０５、およびメモリ４０６を備えて構成される。そして、距離画像センサ４０１は、光源装置４０９から被写体に向かって投光され、被写体の表面で反射された光（変調光やパルス光）を受光することにより、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４０７は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を光電変換装置４０８に導き、光電変換装置４０８の受光面（センサ部）に結像させる。

光電変換装置４０８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、光電変換装置４０８から出力される受光信号から求められる距離を示す距離信号が画像処理回路４０４に供給される。

画像処理回路４０４は、光電変換装置４０８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。そして、その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に供給されて表示されたり、メモリ４０６に供給されて記憶（記録）されたりする。

このように構成されている距離画像センサ４０１では、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、例えば、より正確な距離画像を取得することができる。

［第十一の実施形態］
本実施形態の光電変換システムについて、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施形態の光電変換システムである内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。

図１６では、術者（医師）１１３１が、内視鏡手術システム１１５０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が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１５０は、内視鏡１１００と、術具１１１０と、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と、から構成される。

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、から構成される。図示する例では、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を図示しているが、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いし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。

カメラヘッド１１０２の内部には光学系及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。当該光電変換装置によって観察光が光電変換され、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。当該光電変換装置としては、前述の各実施形態に記載の光電変換装置を用いることができる。当該画像信号は、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）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１００及び表示装置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）等の、当該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）等の光源から構成され、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１１５０に対する入力インターフェースである。ユーザーは、入力装置１１３７を介して、内視鏡手術システム１１５０に対して各種の情報の入力や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、切開又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。

内視鏡１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。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）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、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することにより、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。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。

また、光源装置１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その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、いわゆる黒つぶれ及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。

また、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。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、又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及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。

［第十二の実施形態］
本実施形態の光電変換システムについて、図１７（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１７（ａ）は、本実施形態の光電変換システムである眼鏡１６００（スマートグラス）を説明する。眼鏡１６００には、光電変換装置１６０２を有する。光電変換装置１６０２は、上記の各実施形態に記載の光電変換装置である。また、レンズ１６０１の裏面側には、ＯＬＥＤや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を組み合わせて用いてもよい。光電変換装置１６０２の配置位置は図１７（ａ）に限定されない。

眼鏡１６００は、制御装置１６０３をさらに備える。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１７（ｂ）は、１つの適用例に係る眼鏡１６１０（スマートグラス）を説明する。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ーの眼球に対して、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ーの視線を検出する。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、ユーザー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ー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、ユーザーが注視する第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される。第１の視界領域、第２の視界領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定したものを受信してもよい。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の表示領域とを有し、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が高い領域を決定されてよい。第１の視界領域、第２の視界領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定したものを受信してもよい。優先度の高い領域の解像度を、優先度が高い領域以外の領域の解像度よりも高く制御してよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度を低くしてよい。

なお、第１の視界領域や優先度が高い領域の決定には、ＡＩを用いてもよい。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、表示装置が有しても、光電変換装置が有しても、外部装置が有してもよい。外部装置が有する場合は、通信を介して、表示装置に伝えられる。

視認検知に基づいて表示制御する場合、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できる。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。

［変形実施形態］
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、本発明の実施形態に含まれる。

また、上記第八の実施形態、第九の実施形態に示した光電変換システムは、光電変換装置を適用しうる光電変換システム例を示したものであって、本発明の光電変換装置を適用可能な光電変換システムは図１３乃至図１４に示した構成に限定されるものではない。第十の実施形態に示したＴｏＦシステム、第十一の実施形態に示した内視鏡、第十二の実施形態に示したスマートグラスについても同様である。

なお、上記実施形態は、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、又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。

１００ 光電変換装置
１０１ 画素
１０２ 光電変換部
２０１ アバランシェフォトダイオード
２０２ クエンチ素子
３０１ リチャージ回路

Claims (19)

1. アバランシェフォトダイオードを有する複数の画素を有する光電変換装置であって、
   前記複数の画素は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力するアクティブ画素と、前記光子検出信号を出力しない非アクティブ画素とを含み、
   前記非アクティブ画素において、該非アクティブ画素が有する前記アバランシェフォトダイオードのアノードとカソードとの間に印加される電圧をリチャージする制御部を有することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記複数の画素において、前記アバランシェフォトダイオードに接続されたリチャージ回路をリチャージ信号によって制御することで前記アバランシェフォトダイオードに印加される電圧をリチャージ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. 前記リチャージ回路は前記リチャージ信号に応じて前記アバランシェフォトダイオードと電源との間の抵抗値を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記非アクティブ画素の前記リチャージ信号のパルス幅に相当する期間と、前記アクティブ画素の前記リチャージ信号のパルス幅に相当する期間とが異なることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
5. 前記アクティブ画素は、露光期間に光子の検出を行うことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
6. 前記非アクティブ画素は前記複数の画素の外に信号を出力しない画素であることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
7. 前記非アクティブ画素は、間引き動作またはクロップ動作により、当該画素の光子検出信号の生成と出力との両方又はいずれか一方を停止されていることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
8. 前記非アクティブ画素は、前記リチャージ信号の波形に応じた信号を出力することを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
9. 前記非アクティブ画素の出力信号が入力されるカウンタを有し、
   前記非アクティブ画素のアノード又はカソードとは異なるノードが前記カウンタの入力ノードと接続されることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
10. 前記アクティブ画素に印加される電圧は、該アクティブ画素の露光期間内に、第１の周期で入力されるクロック信号である前記リチャージ信号によってリチャージされることを特徴とする請求項５乃至請求項９のいずれか一項に記載の光電変換装置。
11. 前記非アクティブ画素に印加される電圧は、第２の周期で入力されるクロック信号である前記リチャージ信号によってリチャージされ、
    前記第２の周期は前記第１の周期よりも長いことを特徴とする請求項１０に記載の光電変換装置。
12. 前記光子検出信号に応じて光子の検出数をカウントするカウンタを備え、
    前記カウンタのカウント値をリセットするリセット信号に応じて前記アバランシェフォトダイオードに印加される電圧をリチャージすることを特徴とする請求項２乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光電変換装置。
13. 前記リチャージ信号は、前記非アクティブ画素のみを含む第一の画素領域を制御する第１リチャージ信号と、
    前記非アクティブ画素と前記アクティブ画素との両方を含む第二の画素領域を制御する第２リチャージ信号と、を含み、
    前記第１リチャージ信号と前記第２リチャージ信号とは、位相が異なることを特徴とする請求項２乃至請求項１２のいずれか一項に記載の光電変換装置。
14. 前記非アクティブ画素において、前記第２リチャージ信号と、停止信号との論理演算によって第３リチャージ信号が生成され、
    前記第３リチャージ信号の単位時間当たりのパルス数は、前記第２リチャージ信号の単位時間当たりのパルス数よりも少ないことを特徴とする請求項１３記載の光電変換装置。
15. アバランシェフォトダイオードを有する複数の画素を含む光電変換装置であって、
    前記複数の画素は、光子検出信号を出力するアクティブ画素を含み、
    前記アクティブ画素は、光子の検出を行う露光期間以外の期間に該アクティブ画素が有する前記アバランシェフォトダイオードのアノードとカソードとの間に印加される電圧をリチャージすることを特徴とする光電変換装置。
16. 前記アクティブ画素は、前記露光期間に第１の周期で入力されるクロック信号に応じて前記リチャージを行い、
    前記露光期間以外の期間における第２の周期で入力されるクロック信号に応じて前記リチャージを行い、
    前記第２の周期は前記第１の周期よりも長いことを特徴とする請求項１５に記載の光電変換装置。
17. 前記光子検出信号に応じて光子の検出数をカウントするカウンタを備え、
    前記カウンタのカウント値をリセットするリセット信号によって前記アクティブ画素の前記アバランシェフォトダイオードに印加される電圧をリチャージすることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の光電変換装置。
18. 請求項１乃至請求項１７のいずれか一項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置が出力する信号を用いて画像を生成する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。
19. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置を備える移動体であって、
    前記光電変換装置が出力する信号を用いて前記移動体の移動を制御する制御部を有する
    ことを特徴とする移動体。

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