JP2024067906A - Photodetector - Google Patents

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Abstract

【課題】高照度における入射光のフォトン数を高いSNRでカウントすることができる光検出装置を提供する。【解決手段】本開示による光検出装置は、第1フォトダイオードと、光の入射によって生じる前記第1フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、前記センスノードの電圧に基づいて前記第1フォトダイオードの降伏回数をカウントするカウンタと、前記カウンタのカウント値に応じて、該カウント値を1だけ増大させる前記降伏回数を制御するカウント制御部とを備えている。【選択図】図2[Problem] To provide a photodetector capable of counting the number of photons of incident light at high illuminance with a high SNR. [Solution] The photodetector according to the present disclosure includes a first photodiode, a sense node whose voltage changes due to breakdown of the first photodiode caused by incidence of light, a counter that counts the number of breakdowns of the first photodiode based on the voltage of the sense node, and a count control unit that controls the number of breakdowns by increasing the count value of the counter by 1 according to the count value of the counter. [Selected Figure] Figure 2

Description

本開示は、光検出装置に関する。 This disclosure relates to a light detection device.

フォトンカウントセンサにおいて、入射光が高照度の場合に、画素の休止期間を設けて、フォトンのカウント数を削減する技術がある(特許文献1)。このような技術では、高照度の入射光のフォトンを間引いて検出し、統計的な処理によって実際のフォトン数を算出する。 There is a technology for photon count sensors that reduces the number of photons counted when the incident light is of high illuminance by providing a pixel rest period (Patent Document 1). With this technology, photons of high illuminance incident light are thinned out and detected, and the actual number of photons is calculated by statistical processing.

特開2020-123846号公報JP 2020-123846 A 国際出願公開第2022-018515号公報International Application Publication No. 2022-018515 特開2018-157387号公報JP 2018-157387 A

しかし、入射光のフォトンを間引いて検出しているため、ダイナミックレンジは拡大されるものの、高照度におけるフォトン数が実際のフォトン数と異なる場合がある。この場合、SNR(Signal-Noise Ratio)が劣化してしまう。 However, because the photons of the incident light are thinned out for detection, the number of photons at high illuminance may differ from the actual number of photons, even though the dynamic range is expanded. In this case, the signal-noise ratio (SNR) is degraded.

そこで、本開示は、高照度における入射光のフォトン数を高いSNRでカウントすることができる光検出装置を提供する。 Therefore, the present disclosure provides a light detection device that can count the number of photons of incident light at high illuminance with a high SNR.

本開示の一側面の光検出装置は、第1フォトダイオードと、光の入射によって生じる第1フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、センスノードの電圧に基づいて第1フォトダイオードの降伏回数をカウントするカウンタと、カウンタのカウント値に応じて、該カウント値を1だけ増大させる降伏回数を制御するカウント制御部とを備えている。 The photodetector according to one aspect of the present disclosure includes a first photodiode, a sense node whose voltage changes due to breakdown of the first photodiode caused by incidence of light, a counter that counts the number of breakdowns of the first photodiode based on the voltage of the sense node, and a count control unit that controls the number of breakdowns by increasing the count value of the counter by 1 according to the count value of the counter.

カウント制御部は、センスノードと基準電圧源との間に直列に接続された第1キャパシタおよびスイッチを備えている。 The count control unit includes a first capacitor and a switch connected in series between the sense node and a reference voltage source.

スイッチは、カウント値が所定値未満の場合に非導通状態であり、カウント値が所定値以上の場合に導通状態となる。 The switch is non-conductive when the count value is less than a predetermined value, and is conductive when the count value is equal to or greater than the predetermined value.

スイッチが非導通状態の場合に、カウンタは、第1フォトダイオードが降伏するごとにカウント値を1ずつ増大させ、スイッチが導通状態の場合に、カウンタは、第1フォトダイオードがn回(nは2以上の整数)降伏するごとにカウント値を1ずつ増大させる。 When the switch is in a non-conductive state, the counter increments the count value by one each time the first photodiode breaks down, and when the switch is in a conductive state, the counter increments the count value by one each time the first photodiode breaks down n times (n is an integer equal to or greater than 2).

光検出装置は、電圧源とセンスノードとの間に設けられ、フォトダイオードの降伏によって制御される第1トランジスタと、第1トランジスタとセンスノードとの間に設けられ、フォトダイオードの降伏によって第1トランジスタよりも遅延して制御される第2トランジスタと、第1トランジスタと第2トランジスタとの間のノードと基準電圧源との間に接続された第2キャパシタとをさらに備える。 The photodetector device further includes a first transistor provided between a voltage source and a sense node and controlled by breakdown of the photodiode, a second transistor provided between the first transistor and the sense node and controlled by breakdown of the photodiode with a delay relative to the first transistor, and a second capacitor connected between a node between the first transistor and the second transistor and a reference voltage source.

カウント制御部は、センスノードの容量と第1トランジスタと第2トランジスタとの間のノードの容量との比によって、nの値を制御する。 The count control unit controls the value of n based on the ratio between the capacitance of the sense node and the capacitance of the node between the first transistor and the second transistor.

複数の画素が配列された画素領域をさらに備え、複数の画素のそれぞれが、第1フォトダイオード、カウンタおよびカウント制御部を備えている。 The sensor further includes a pixel region in which a plurality of pixels are arranged, and each of the plurality of pixels includes a first photodiode, a counter, and a count control unit.

第1フォトダイオードは、1フォトンの入射によって1回アバランシェ降伏するSPAD(Single Photon Avalanche Diode)である。 The first photodiode is a SPAD (Single Photon Avalanche Diode) that undergoes avalanche breakdown once upon the incidence of one photon.

カウント制御部は、第2キャパシタに対して並列に接続されている。 The count control unit is connected in parallel to the second capacitor.

センスノードと基準電圧源との間に設けられた第2フォトダイオードをさらに備えている。 It further includes a second photodiode disposed between the sense node and a reference voltage source.

第1フォトダイオードの1回の露光期間において、センスノードを充電する周期が第1周期と該第1周期よりも長い第2周期とを含む。 During one exposure period of the first photodiode, the cycle for charging the sense node includes a first cycle and a second cycle that is longer than the first cycle.

第1フォトダイオードの1回の露光期間において、センスノードを充電する周期が第1周期と該第1周期よりも長い第2周期とを含み、第1周期においてスイッチを導通状態とし、第2周期においてスイッチを非導通状態とする。 In one exposure period of the first photodiode, the cycle for charging the sense node includes a first cycle and a second cycle that is longer than the first cycle, and the switch is in a conductive state in the first cycle and in a non-conductive state in the second cycle.

スイッチは、カウンタおよびカウント制御回路の外部からの信号によって制御される。 The switch is controlled by a signal from outside the counter and the count control circuit.

本開示の他の側面の光検出装置は、順バイアス電圧に応じて降伏するときの入射フォトン数が変わる第1フォトダイオードと、第1フォトダイオードに順バイアス電圧を印加する電源回路と、光の入射によって生じる第1フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、第1フォトダイオードの降伏をカウントするカウンタと、カウンタのカウント値に応じて電源回路からの順バイアス電圧を制御するカウント制御部とを備えている。 A photodetector according to another aspect of the present disclosure includes a first photodiode in which the number of incident photons at the time of breakdown changes depending on a forward bias voltage, a power supply circuit that applies a forward bias voltage to the first photodiode, a sense node in which the voltage changes due to the breakdown of the first photodiode caused by the incidence of light, a counter that counts the breakdown of the first photodiode, and a count control unit that controls the forward bias voltage from the power supply circuit depending on the count value of the counter.

カウント制御部は、カウント値が所定値未満の場合に順バイアス電圧を第1電圧とし、カウント値が所定値以上の場合に順バイアス電圧を第1電圧よりも小さな第2電圧にする。 The count control unit sets the forward bias voltage to a first voltage when the count value is less than a predetermined value, and sets the forward bias voltage to a second voltage smaller than the first voltage when the count value is equal to or greater than the predetermined value.

順バイアス電圧が第1電圧の場合に、第1フォトダイオードは、1個のフォトンを入射するごとに降伏し、順バイアス電圧が第2電圧の場合に、第1フォトダイオードは、n個(nは2以上の整数)のフォトンを入射するごとに降伏する。 When the forward bias voltage is the first voltage, the first photodiode breaks down every time one photon is incident, and when the forward bias voltage is the second voltage, the first photodiode breaks down every time n photons (n is an integer equal to or greater than 2) are incident.

第1実施形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photodetector according to a first embodiment. 1つの画素の内部構成の一例を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing an example of the internal configuration of one pixel. 第1実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。5 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the first embodiment. スイッチが導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図。5 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector when a switch is turned on. 入射フォトン数とカウント値との関係を示すグラフ。11 is a graph showing the relationship between the number of incident photons and the count value. 1つの画素の内部構成の他の例の一部を示すブロック図。FIG. 13 is a block diagram showing a part of another example of the internal configuration of one pixel. 第2実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。FIG. 11 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel according to a second embodiment. 第2実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 11 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the second embodiment. スイッチが導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図。5 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector when a switch is turned on. 第3実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。FIG. 13 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel according to a third embodiment. 第3実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 11 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the third embodiment. スイッチが導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図。5 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector when a switch is turned on. 第4実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。FIG. 13 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel according to a fourth embodiment. 第4実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the fourth embodiment. 第4実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the fourth embodiment. 第4実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the fourth embodiment. 第4実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the fourth embodiment. 第5実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。FIG. 13 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel according to the fifth embodiment. 第5実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the fifth embodiment. 第5実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the fifth embodiment. 第5実施形態における充電周期を示す概念図。FIG. 13 is a conceptual diagram showing a charging period in the fifth embodiment. フォトン入射レートとカウント値との関係を示すグラフ。11 is a graph showing the relationship between the photon incidence rate and the count value. フォトン入射レートとSNRとの関係を示すグラフ。1 is a graph showing the relationship between photon incidence rate and SNR. 第6実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。FIG. 13 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel according to the sixth embodiment. 第6実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the sixth embodiment. 第6実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the sixth embodiment. 第7実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。FIG. 23 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel according to the seventh embodiment. 第7実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 23 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the seventh embodiment. 第7実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 23 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the seventh embodiment. 第7実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 23 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the seventh embodiment. 第7実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。FIG. 23 is a timing chart showing an example of the operation of the photodetector according to the seventh embodiment. 第8実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。FIG. 23 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel according to the eighth embodiment. 第9実施形態に係る画素の内部構成例の一部分を示すブロック図。FIG. 23 is a block diagram showing a part of an example of the internal configuration of a pixel according to the ninth embodiment. 光検出装置のチップ積層構成の一例を示す概略図。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a chip stack configuration of a light detection device. 光検出装置のチップ積層構成の一例を示す概略図。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a chip stack configuration of a light detection device. 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a vehicle control system. 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the installation positions of an outside-vehicle information detection unit and an imaging unit.

以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。 Specific embodiments to which the present technology is applied will be described in detail below with reference to the drawings. The drawings are schematic or conceptual, and the proportions of each part are not necessarily the same as those in reality. In the specification and drawings, elements similar to those described above with respect to the previous drawings are given the same reference numerals, and detailed descriptions will be omitted as appropriate.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photodetection device according to the first embodiment.

本実施形態による光検出装置100は、画素領域10と、垂直選択回路30と、信号処理回路40と、水平選択回路50と、出力回路60と、制御回路70と、を備える。 The photodetection device 100 according to this embodiment includes a pixel region 10, a vertical selection circuit 30, a signal processing circuit 40, a horizontal selection circuit 50, an output circuit 60, and a control circuit 70.

画素領域10には、行方向および列方向にマトリクス状に二次元的に配列された複数の画素Pが設けられている。図1には、第0行から第5行までの6行と、第0列から第5列までの6列に配された36個の画素Pを、行番号及び列番号を示す符号とともに示している。例えば、第1行、第4列に配された画素Pには、P14の符号を付している。 The pixel region 10 has a plurality of pixels P arranged two-dimensionally in a matrix in the row and column directions. In FIG. 1, 36 pixels P arranged in six rows from row 0 to row 5 and six columns from column 0 to column 5 are shown with reference numbers indicating the row and column numbers. For example, the pixel P arranged in the first row and fourth column is given the reference number P14.

なお、画素領域10を構成する画素アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。また、画素領域10には、必ずしも画素Pが2次元状に配置されている必要はない。例えば、画素領域10は1つの画素Pにより構成されていてもよいし、画素領域10に画素Pが行方向又は列方向に1次元状に配されていてもよい。さらに、画素Pは、3次元的に立体配置されてもよい。画素領域10は、画素Pが形成された複数の基板を積層した積層体として構成されてもよい。 The number of rows and columns of the pixel array constituting the pixel region 10 is not particularly limited. Furthermore, the pixels P do not necessarily need to be arranged two-dimensionally in the pixel region 10. For example, the pixel region 10 may be composed of one pixel P, or the pixels P may be arranged one-dimensionally in the row or column direction in the pixel region 10. Furthermore, the pixels P may be arranged three-dimensionally. The pixel region 10 may be configured as a laminate in which multiple substrates on which pixels P are formed are stacked.

画素領域10の画素アレイの各行には、X方向に延在する制御線PVSELが設けられている。制御線PVSELは、X方向に並ぶ複数の画素Pのそれぞれに接続され、これら画素Pに共通の信号線をなしている。制御線PVSELの延在するX方向は、行方向或いは水平方向と表記することがある。なお、図1には、制御線PVSELを、行番号を示す符号とともに表している。例えば、第1行の制御線には、PVSEL[1]の符号を付している。 Each row of the pixel array in the pixel region 10 is provided with a control line PVSEL extending in the X direction. The control line PVSEL is connected to each of the multiple pixels P aligned in the X direction, and serves as a signal line common to these pixels P. The X direction in which the control line PVSEL extends may be referred to as the row direction or horizontal direction. Note that in FIG. 1, the control line PVSEL is shown together with a reference symbol indicating the row number. For example, the control line in the first row is given the reference symbol PVSEL[1].

各行の制御線PVSELは、垂直選択回路30に接続されている。垂直選択回路30は、画素P内の信号生成回路(図示せず)を駆動するための制御信号を、制御線PVSELを介して画素Pに供給する回路部である。垂直選択回路30は、画素Pが有するカウンタがカウントを積算する期間の開始、終了を制御する。 The control line PVSEL of each row is connected to the vertical selection circuit 30. The vertical selection circuit 30 is a circuit section that supplies a control signal for driving a signal generation circuit (not shown) in the pixel P to the pixel P via the control line PVSEL. The vertical selection circuit 30 controls the start and end of the period during which the counter in the pixel P accumulates the count.

画素領域10の画素アレイの各列には、X方向と交差する(例えば、直交する)Y方向に延在する出力線POUTが設けられている。出力線POUTは、Y方向に並ぶ複数の画素Pのそれぞれに接続され、これら画素Pに共通の信号線をなしている。出力線POUTの延在するY方向は、列方向或いは垂直方向と表記することがある。なお、図1には、出力線POUTを、列番号を示す符号とともに表している。例えば、第4列の出力線には、POUT4の符号を付している。出力線POUTの各々は、nビットのデジタル信号を出力するためのn本の信号線を備えている。 Each column of the pixel array in the pixel region 10 is provided with an output line POUT that extends in the Y direction intersecting (e.g., perpendicular to) the X direction. The output line POUT is connected to each of the multiple pixels P aligned in the Y direction, and serves as a signal line common to these pixels P. The Y direction in which the output line POUT extends may be referred to as the column direction or the vertical direction. Note that in FIG. 1, the output line POUT is shown together with a symbol indicating the column number. For example, the output line of the fourth column is labeled POUT4. Each output line POUT has n signal lines for outputting an n-bit digital signal.

出力線POUTは、信号処理回路40に接続されている。信号処理回路40は、画素領域10の画素アレイの各列に対応してそれぞれ設けられており、対応する列の出力線POUTに接続されている。信号処理回路40は、対応する列の出力線POUTを介して画素Pから出力される信号を保持する機能を備える。画素Pから出力される信号は、出力線POUTのn本の信号線を介して入力されるnビットの信号であるため、信号処理回路40の各々は各ビットの信号を保持するため少なくともn個の保持部を有する。 The output line POUT is connected to a signal processing circuit 40. The signal processing circuits 40 are provided corresponding to each column of the pixel array in the pixel region 10, and are connected to the output line POUT of the corresponding column. The signal processing circuit 40 has a function of holding a signal output from the pixel P via the output line POUT of the corresponding column. Since the signal output from the pixel P is an n-bit signal input via n signal lines of the output line POUT, each of the signal processing circuits 40 has at least n holding units to hold each bit of the signal.

水平選択回路50は、信号処理回路40から信号を読み出すための制御信号を信号処理回路40に供給する回路部である。水平選択回路50は、各列の信号処理回路40に、制御線PHSELを介して制御信号を供給する。水平選択回路50から制御信号を受信した信号処理回路40は、保持部に保持している信号を、水平出力線HSIGを介して出力回路60へと出力する。なお、図1には、制御線PHSELを、列番号を示す符号とともに表している。例えば、第4列の制御線には、PHSEL[4]の符号を付している。水平出力線HSIGは、nビットのデジタル信号を出力するためのn本の信号線を備えている。 The horizontal selection circuit 50 is a circuit section that supplies the signal processing circuit 40 with a control signal for reading out a signal from the signal processing circuit 40. The horizontal selection circuit 50 supplies a control signal to the signal processing circuit 40 of each column via a control line PHSEL. The signal processing circuit 40 that receives a control signal from the horizontal selection circuit 50 outputs the signal held in the holding section to the output circuit 60 via the horizontal output line HSIG. Note that in FIG. 1, the control line PHSEL is shown together with a symbol indicating the column number. For example, the control line for the fourth column is marked with the symbol PHSEL[4]. The horizontal output line HSIG has n signal lines for outputting an n-bit digital signal.

出力回路60は、水平出力線HSIGを介して供給された信号を、出力信号SOUTとして光検出装置100の外部へ出力するための回路部である。制御回路70は、垂直選択回路30、信号処理回路40、水平選択回路50、出力回路60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、垂直選択回路30、信号処理回路40、水平選択回路50、出力回路60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、光検出装置100の外部から供給してもよい。 The output circuit 60 is a circuit section for outputting the signal supplied via the horizontal output line HSIG as an output signal SOUT to the outside of the photodetection device 100. The control circuit 70 is a circuit section for supplying control signals that control the operation and timing of the vertical selection circuit 30, the signal processing circuit 40, the horizontal selection circuit 50, and the output circuit 60. Note that at least some of the control signals that control the operation and timing of the vertical selection circuit 30, the signal processing circuit 40, the horizontal selection circuit 50, and the output circuit 60 may be supplied from the outside of the photodetection device 100.

図2は、1つの画素Pの内部構成の一例を示すブロック図である。各画素Pは、アバランシェ増倍型のフォトダイオードPDと、画素制御回路12と、カウント制御回路14と、カウンタ回路16とを備える。 Figure 2 is a block diagram showing an example of the internal configuration of one pixel P. Each pixel P includes an avalanche multiplication photodiode PD, a pixel control circuit 12, a count control circuit 14, and a counter circuit 16.

フォトダイオードPDのアノードは、基準電圧源に接続されている。基準電圧源は、例えば、グランドまたは負の電圧源である。フォトダイオードPDのカソードは、画素制御回路12のトランジスタTrchのソースに接続されている。フォトダイオードPDは、アノードとカソードとの間に印加される逆バイアス電圧がブレイクダウン電圧以上であるとき、フォトン(光子)の入射を受けてアバランシェ降伏し、増倍されたアバランシェ電流を発生する。フォトダイオードPDにアバランシェ電流が流れることにより、フォトダイオードPDのカソード電圧が変化する。カソード電圧の変化によって、画素制御回路12は、インバータINV5の出力信号を変化させ、カウンタ回路16へ光検出パルスPLSを出力する。フォトダイオードPDは、例えば、1フォトンの入射によって1回アバランシェ降伏するSPAD(Single Photon Avalanche Diode)である。 The anode of the photodiode PD is connected to a reference voltage source. The reference voltage source is, for example, a ground or a negative voltage source. The cathode of the photodiode PD is connected to the source of the transistor Trch of the pixel control circuit 12. When the reverse bias voltage applied between the anode and cathode of the photodiode PD is equal to or higher than the breakdown voltage, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown in response to the incidence of a photon, generating a multiplied avalanche current. When the avalanche current flows through the photodiode PD, the cathode voltage of the photodiode PD changes. In response to the change in the cathode voltage, the pixel control circuit 12 changes the output signal of the inverter INV5 and outputs a light detection pulse PLS to the counter circuit 16. The photodiode PD is, for example, a single photon avalanche diode (SPAD) that undergoes avalanche breakdown once in response to the incidence of one photon.

画素制御回路12は、トランジスタTrch、Ts、Ta、Trstと、インバータINV1~INV5と、キャパシタCPs、CPaと、カウント制御回路14とを備えている。 The pixel control circuit 12 includes transistors Trch, Ts, Ta, and Trst, inverters INV1 to INV5, capacitors CPs and CPa, and a count control circuit 14.

トランジスタTrchは、高レベル電圧源VDDHとフォトダイオードPDのカソードとの間に接続されている。トランジスタTrchのドレインは電圧源VDDHに接続され、そのソースはフォトダイオードPDのカソードおよびインバータINV1の入力に接続されている。トランジスタTrchのゲートは、制御線PVSELの1つに接続されており、垂直選択回路30からの制御信号Vqを受ける。 The transistor Trch is connected between the high-level voltage source VDDH and the cathode of the photodiode PD. The drain of the transistor Trch is connected to the voltage source VDDH, and its source is connected to the cathode of the photodiode PD and the input of the inverter INV1. The gate of the transistor Trch is connected to one of the control lines PVSEL and receives a control signal Vq from the vertical selection circuit 30.

トランジスタTrchは、導通状態になることによって、フォトダイオードPDのカソードを電圧源VDDHで充電する。これにより、フォトダイオードPDには、逆バイアスの電圧が印加される。トランジスタTrchが非導通状態になると、フォトダイオードPDは逆バイアス電圧が印加された状態で保持され、フォトンの入射を待機する。このとき、フォトダイオードPDのカソード電圧はVKとする。このように、トランジスタTrchは、フォトダイオードPDの充電および再充電のために用いられる。トランジスタTrchは、例えば、n型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)でよい。 When the transistor Trch is in a conductive state, it charges the cathode of the photodiode PD with the voltage source VDDH. As a result, a reverse bias voltage is applied to the photodiode PD. When the transistor Trch is in a non-conductive state, the photodiode PD is held in a state in which a reverse bias voltage is applied, and waits for the incidence of photons. At this time, the cathode voltage of the photodiode PD is set to VK. In this way, the transistor Trch is used to charge and recharge the photodiode PD. The transistor Trch may be, for example, an n-type MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

インバータINV1~INV3は、フォトダイオードPDのカソードとトランジスタTaのゲートとの間に直列に接続されている。また、インバータINV1の出力は、トランジスタTsのゲートに接続されている。インバータINV1~INV3は、バッファおよび遅延回路として機能する。 The inverters INV1 to INV3 are connected in series between the cathode of the photodiode PD and the gate of the transistor Ta. The output of the inverter INV1 is connected to the gate of the transistor Ts. The inverters INV1 to INV3 function as buffers and delay circuits.

トランジスタTsは、電圧源VDDLとセンスノードSNとの間に接続されている。電圧源VDDLは、電圧源VDDHよりも低いが、基準電圧源よりも高い電圧源である。トランジスタTsのドレインは電圧源VDDLに接続され、そのソースはトランジスタTaのドレインおよびキャパシタCPsの一端に接続されている。トランジスタTsのゲートは、インバータINV1の出力に接続されており、電圧VKの反転電圧VSを受ける。トランジスタTsは、フォトダイオードPDのアバランシェ降伏によって導通状態に制御される。 The transistor Ts is connected between a voltage source VDDL and a sense node SN. The voltage source VDDL is a voltage source lower than the voltage source VDDH but higher than the reference voltage source. The drain of the transistor Ts is connected to the voltage source VDDL, and the source of the transistor Ts is connected to the drain of the transistor Ta and one end of the capacitor CPs. The gate of the transistor Ts is connected to the output of the inverter INV1 and receives the inverted voltage VS of the voltage VK. The transistor Ts is controlled to a conductive state by the avalanche breakdown of the photodiode PD.

トランジスタTsは、フォトダイオードPDのカソード電圧が充電されている場合に非導通状態となっており、電圧源VDDLからキャパシタCPsの一端を電気的に切断している。フォトダイオードPDがアバランシェ降伏してカソード電圧VKが低下すると、トランジスタTsが導通状態となり、キャパシタCPsが電圧源VDDLによって充電される。キャパシタCPsの電圧はVcsとする。トランジスタTsは、例えば、n型MOSFETでよい。 When the cathode voltage of the photodiode PD is charged, the transistor Ts is in a non-conductive state, electrically disconnecting one end of the capacitor CPs from the voltage source VDDL. When the photodiode PD undergoes avalanche breakdown and the cathode voltage VK drops, the transistor Ts becomes conductive and the capacitor CPs is charged by the voltage source VDDL. The voltage of the capacitor CPs is Vcs. The transistor Ts may be, for example, an n-type MOSFET.

トランジスタTaは、トランジスタTsとセンスノードSNとの間に接続されている。トランジスタTaのドレインは、トランジスタTsのソースおよびキャパシタCPsの一端に接続され、そのソースはセンスノードSNに接続されている。トランジスタTaのゲートは、インバータINV3の出力に接続されており、電圧VKの反転電圧VAを受ける。電圧VS、VAは、同一論理の信号(同一レベルの電圧)である。しかし、電圧VAは、インバータINV2、INV3を通過するため、トランジスタTsのゲートに入力される電圧VSよりも遅延してトランジスタTaのゲートに入力される。従って、トランジスタTaは、フォトダイオードPDのアバランシェ降伏によって、トランジスタTsよりも遅れて導通状態になる。 Transistor Ta is connected between transistor Ts and sense node SN. The drain of transistor Ta is connected to the source of transistor Ts and one end of capacitor CPs, and the source is connected to sense node SN. The gate of transistor Ta is connected to the output of inverter INV3 and receives inverted voltage VA of voltage VK. Voltages VS and VA are signals of the same logic (voltages of the same level). However, since voltage VA passes through inverters INV2 and INV3, it is input to the gate of transistor Ta with a delay from voltage VS input to the gate of transistor Ts. Therefore, transistor Ta becomes conductive later than transistor Ts due to avalanche breakdown of photodiode PD.

トランジスタTaは、フォトダイオードPDのカソード電圧VKが充電されている場合に非導通状態となっており、キャパシタCPsの一端とセンスノードSNとの間を電気的に切断している。フォトダイオードPDがフォトンを受けアバランシェ降伏してカソード電圧VKが低下すると、トランジスタTsが一旦導通状態になる。これにより、キャパシタCPsが電圧源VDDLによって充電される。電圧VKがフォトダイオードPDのクエンチングによって再充電されると、トランジスタTsが非導通状態に戻る。トランジスタTsが非導通状態に戻った後、トランジスタTaが導通状態となる。これにより、センスノードSNがキャパシタCPsによって充電される。トランジスタTaは、例えば、n型MOSFETでよい。 When the cathode voltage VK of the photodiode PD is charged, the transistor Ta is in a non-conductive state, electrically disconnecting one end of the capacitor CPs from the sense node SN. When the photodiode PD receives a photon and undergoes avalanche breakdown, causing the cathode voltage VK to drop, the transistor Ts temporarily becomes conductive. This causes the capacitor CPs to be charged by the voltage source VDDL. When the voltage VK is recharged by quenching of the photodiode PD, the transistor Ts returns to a non-conductive state. After the transistor Ts returns to a non-conductive state, the transistor Ta becomes conductive. This causes the sense node SN to be charged by the capacitor CPs. The transistor Ta may be, for example, an n-type MOSFET.

トランジスタTrstは、センスノードSNと基準電圧源(例えば、グランド)との間に接続されている。トランジスタTrstのドレインは、センスノードSNに接続され、そのソースは基準電圧源に接続されている。トランジスタTrstのゲートは、インバータINV5の出力(即ち、画素制御回路12の出力)に接続されており、光検出パルスPLSを受ける。 The transistor Trst is connected between the sense node SN and a reference voltage source (e.g., ground). The drain of the transistor Trst is connected to the sense node SN, and the source is connected to the reference voltage source. The gate of the transistor Trst is connected to the output of the inverter INV5 (i.e., the output of the pixel control circuit 12) and receives the light detection pulse PLS.

トランジスタTrstは、光検出パルスPLSが出力されていないときに非導通状態となっており、光検出パルスPLSがカウンタ回路16へ出力されるごとに導通状態になる。トランジスタTrstが導通状態になることによって、センスノードSNの電圧Vsnを基準電圧(例えば、接地電圧)にリセットする。ただし、光検出パルスPLSは、センスノードSNの変化に対してインバータINV4およびINV5を介して遅延して出力される。従って、センスノードSNの電圧Vsnが充分に変化した後に、トランジスタTrstは、センスノードSNの電圧Vsnをリセットすることができる。トランジスタTrstは、例えば、n型MOSFETでよい。 The transistor Trst is in a non-conductive state when the light detection pulse PLS is not output, and becomes conductive every time the light detection pulse PLS is output to the counter circuit 16. When the transistor Trst becomes conductive, the voltage Vsn of the sense node SN is reset to a reference voltage (e.g., ground voltage). However, the light detection pulse PLS is output with a delay via inverters INV4 and INV5 relative to the change in the sense node SN. Therefore, after the voltage Vsn of the sense node SN has changed sufficiently, the transistor Trst can reset the voltage Vsn of the sense node SN. The transistor Trst may be, for example, an n-type MOSFET.

キャパシタCPsは、トランジスタTsとトランジスタTaとの間のノードと基準電圧源(例えば、グランド)との間に接続された固定容量である。キャパシタCPsは、トランジスタTsとトランジスタTaとの間のノードの寄生容量を含む。キャパシタCPsは、トランジスタTsが導通状態のときに電圧源VDDLによって充電される。また、キャパシタCPsは、トランジスタTaが導通状態になると、センスノードSNを充電する。キャパシタCPsの容量Csは、所定値に設定されている。 Capacitor CPs is a fixed capacitance connected between the node between transistor Ts and transistor Ta and a reference voltage source (e.g., ground). Capacitor CPs includes the parasitic capacitance of the node between transistor Ts and transistor Ta. Capacitor CPs is charged by voltage source VDDL when transistor Ts is in a conductive state. Capacitor CPs also charges sense node SN when transistor Ta is in a conductive state. Capacitor CPs has a capacitance Cs set to a predetermined value.

キャパシタCPaは、センスノードSNと基準電圧源との間に接続された固定容量である。キャパシタCPaは、センスノードSNの寄生容量を含む。キャパシタCPaは、トランジスタTaが導通状態のときにキャパシタCPsによって充電される。一方、キャパシタCPaは、トランジスタTrstが導通状態のときに放電されリセットされる。キャパシタCPaの容量Caも、所定値に設定されている。 Capacitor CPa is a fixed capacitance connected between the sense node SN and a reference voltage source. Capacitor CPa includes the parasitic capacitance of the sense node SN. Capacitor CPa is charged by capacitor CPs when transistor Ta is in a conductive state. On the other hand, capacitor CPa is discharged and reset when transistor Trst is in a conductive state. The capacitance Ca of capacitor CPa is also set to a predetermined value.

カウント制御回路14は、センスノードSNと基準電圧源(例えば、グランド)との間に直列に接続されたキャパシタCPvおよびスイッチSW1を備えている。スイッチSW1は、センスノードSNとキャパシタCPvの一端との間に接続されている。スイッチSW1は、カウンタ回路16によって制御されるトランジスタでよい。キャパシタCPvは、スイッチSW1と基準電圧源との間に接続された固定容量である。キャパシタCPvの容量Cvは、所定値に設定されている。 The count control circuit 14 includes a capacitor CPv and a switch SW1 connected in series between the sense node SN and a reference voltage source (e.g., ground). The switch SW1 is connected between the sense node SN and one end of the capacitor CPv. The switch SW1 may be a transistor controlled by the counter circuit 16. The capacitor CPv is a fixed capacitance connected between the switch SW1 and the reference voltage source. The capacitance Cv of the capacitor CPv is set to a predetermined value.

スイッチSW1は、カウンタ回路16の所定ビットからの制御信号によって制御される。例えば、スイッチは、カウント値が所定値未満の場合に非導通状態であり、カウント値が所定値以上の場合に導通状態となる。カウント値が所定値未満であり、スイッチSW1が非導通状態の場合、センスノードSNの容量はCaである。このとき、フォトダイオードPDが1回アバランシェ降伏する(1フォトンを検出する)度に、1つの光検出パルスPLSが出力される。 The switch SW1 is controlled by a control signal from a predetermined bit of the counter circuit 16. For example, the switch is non-conductive when the count value is less than a predetermined value, and is conductive when the count value is equal to or greater than the predetermined value. When the count value is less than the predetermined value and the switch SW1 is non-conductive, the capacitance of the sense node SN is Ca. At this time, one light detection pulse PLS is output each time the photodiode PD undergoes an avalanche breakdown (detects one photon).

一方、カウンタ回路16のカウント数が所定値に達して、それに対応する所定ビットが反転したときに、スイッチSW1が導通状態になる。これにより、キャパシタCPvがキャパシタCPaに対して並列に接続され、センスノードSNの容量がCaからCa+Cvに増大する。その結果、フォトダイオードPDが複数回アバランシェ降伏する(複数のフォトンを検出する)度に、1つの光検出パルスPLSが出力されるようになる。 On the other hand, when the count number of the counter circuit 16 reaches a predetermined value and a corresponding predetermined bit is inverted, the switch SW1 becomes conductive. This causes the capacitor CPv to be connected in parallel to the capacitor CPa, and the capacitance of the sense node SN increases from Ca to Ca+Cv. As a result, each time the photodiode PD avalanche breakdowns multiple times (detects multiple photons), one light detection pulse PLS is output.

このように、カウント制御回路14は、カウンタ回路16のカウント値に応じて、センスノードSNの容量を変更し、カウント値を1だけ増大させるために必要なフォトダイオードPDの降伏回数を制御する。 In this way, the count control circuit 14 changes the capacitance of the sense node SN according to the count value of the counter circuit 16, and controls the number of breakdowns of the photodiode PD required to increase the count value by 1.

カウンタ回路16は、インバータINV5の出力(画素制御回路12の出力)に接続されている。カウンタ回路16は、センスノードSNの電圧Vsnに基づいて、光検出パルスPLSをカウントする。即ち、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDの降伏回数をカウントする。カウンタ回路16は、例えば、光検出パルスPLSの立上りを積算するレジスタ回路でよい。カウント値が所定値未満の場合、カウンタ回路16は、スイッチSW1を非導通状態にしてフォトダイオードPDが1フォトンを検出する度にカウント値を1だけ上げる。カウント値が所定値に達して、カウンタ回路16の所定ビットが反転したときに、カウンタ回路16は、スイッチSW1の制御信号を反転させて、スイッチSW1を導通状態にする。これにより、上述の通り、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDが複数のフォトンを検出する度にカウント値を1だけ上げる。 The counter circuit 16 is connected to the output of the inverter INV5 (the output of the pixel control circuit 12). The counter circuit 16 counts the light detection pulse PLS based on the voltage Vsn of the sense node SN. That is, the counter circuit 16 counts the number of breakdowns of the photodiode PD. The counter circuit 16 may be, for example, a register circuit that integrates the rising edges of the light detection pulse PLS. If the count value is less than a predetermined value, the counter circuit 16 makes the switch SW1 non-conductive and increases the count value by 1 each time the photodiode PD detects one photon. When the count value reaches a predetermined value and a predetermined bit of the counter circuit 16 is inverted, the counter circuit 16 inverts the control signal of the switch SW1 and makes the switch SW1 conductive. As a result, as described above, the counter circuit 16 increases the count value by 1 each time the photodiode PD detects multiple photons.

次に、第1実施形態に係る光検出装置の動作を説明する。 Next, we will explain the operation of the light detection device according to the first embodiment.

図3は、第1実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図3では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。この動作は、低照度の光を検出する低照度モードに適した動作である。 Figure 3 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector according to the first embodiment. In Figure 3, the switch SW1 is in a non-conducting state, and the capacitance of the sense node SN is Ca, which is relatively small. This operation is suitable for a low-illuminance mode in which low-illuminance light is detected.

まず、t1以前のフォトン待機中において、制御信号Vqは高レベル電圧に設定され、トランジスタTrchが導通状態となっている。これにより、フォトダイオードPDのカソードが高レベル電圧源VDDHによって充電され、カソード電圧VKが上昇する。フォトダイオードPDには逆バイアス電圧が印加される。このような状態で、フォトダイオードPDはフォトンの入射を待機する。 First, while waiting for photons before t1, the control signal Vq is set to a high-level voltage and the transistor Trch is in a conductive state. This causes the cathode of the photodiode PD to be charged by the high-level voltage source VDDH, and the cathode voltage VK rises. A reverse bias voltage is applied to the photodiode PD. In this state, the photodiode PD waits for the incidence of photons.

t1において、フォトダイオードPDにフォトンが入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VKが低下する。 At t1, when a photon is incident on the photodiode PD, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, causing the cathode voltage VK to decrease.

t2において、カソード電圧VKが閾値Vt1を下回ると、電圧Vsが立ち上がる。これにより、トランジスタTsが導通状態になり、キャパシタCPsがトランジスタTsを介して電圧源VDDLによって充電される。電圧Vcsは、ほぼ電圧源VDDLの電圧に等しくなる。 At t2, when the cathode voltage VK falls below the threshold Vt1, the voltage Vs rises. This causes the transistor Ts to become conductive, and the capacitor CPs is charged by the voltage source VDDL through the transistor Ts. The voltage Vcs becomes approximately equal to the voltage of the voltage source VDDL.

トランジスタTrchは導通状態を維持しているので、フォトダイオードPDがクエンチによって降伏前の元の状態に戻ると、カソード電圧VKはまだ上昇する。 Because the transistor Trch remains conductive, the cathode voltage VK continues to rise when the photodiode PD is quenched and returns to its original state before breakdown.

t3において、カソード電圧VKが閾値Vt1を超えると、トランジスタTsのゲート電圧VSは立ち下がる。これにより、トランジスタTsが非導通状態になり、キャパシタCPsが充電状態まま電圧源VDDLから切断される。 At t3, when the cathode voltage VK exceeds the threshold Vt1, the gate voltage VS of the transistor Ts falls. This causes the transistor Ts to go into a non-conductive state, and the capacitor CPs is disconnected from the voltage source VDDL while remaining in a charged state.

電圧Vsが立ち下がった後、インバータINV2、INV3の遅延回路によって、電圧VAが電圧VSに対して遅延して立ち上がる。ゲート電圧VSが立ち下がった後、t4において、ゲート電圧VAが立ち上がる。これにより、トランジスタTaが導通状態となり、キャパシタCPsとキャパシタCPaとがセンスノードSNと基準電圧源との間に並列接続される。キャパシタCPsに蓄積されていた電荷の一部がキャパシタCPaに移動し、センスノードSNの電圧VsnとキャパシタCPsの電圧Vcsは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧Vcs、Vsnは、ともに式1を満たす。
Vcs=Vsn=VDDL×(Cs/(Cs+Ca)) (式1)
After the voltage Vs falls, the delay circuit of the inverters INV2 and INV3 causes the voltage VA to rise with a delay relative to the voltage VS. After the gate voltage VS falls, the gate voltage VA rises at t4. This causes the transistor Ta to be conductive, and the capacitors CPs and CPa are connected in parallel between the sense node SN and the reference voltage source. A part of the charge stored in the capacitor CPs moves to the capacitor CPa, and the voltage Vsn of the sense node SN and the voltage Vcs of the capacitor CPs become approximately equal. At this time, both the voltages Vcs and Vsn satisfy the formula 1.
Vcs=Vsn=VDDL×(Cs/(Cs+Ca)) (Equation 1)

センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt2を超えると、t5において、光検出パルスPLSが立ち上がる。電圧Vsnが閾値Vt2を超えた後、インバータINV4、INV5の遅延回路によって、光検出パルスPLSが遅延して立ち上がる。 When the voltage Vsn of the sense node SN exceeds the threshold Vt2, the light detection pulse PLS rises at t5. After the voltage Vsn exceeds the threshold Vt2, the light detection pulse PLS rises with a delay due to the delay circuit of the inverters INV4 and INV5.

カウンタ回路16は、光検出パルスPLSの立上りをカウントする。 The counter circuit 16 counts the rising edges of the light detection pulse PLS.

光検出パルスPLSの立上りは、トランジスタTrstのゲートへフィードバックされる。これにより、t6において、トランジスタTrstが導通状態となり、センスノードSNの電圧Vsnが基準電圧源にリセットされる。さらに、センスノードSNの電圧Vsnが基準電圧源にリセットされると、t7において、光検出パルスPLSが立下がる。 The rising edge of the light detection pulse PLS is fed back to the gate of the transistor Trst. As a result, at t6, the transistor Trst becomes conductive, and the voltage Vsn of the sense node SN is reset to the reference voltage source. Furthermore, when the voltage Vsn of the sense node SN is reset to the reference voltage source, the light detection pulse PLS falls at t7.

その後、フォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、t1~t7が繰り返される。 After that, t1 to t7 are repeated each time a photon is incident on the photodiode PD.

ここで、図3では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。よって、t4~t5において、トランジスタTaが導通状態となったとき、電圧Vcsは、キャパシタCPsとキャパシタCPaとで容量分割される。センスノードSNの電圧Vsnは、キャパシタCPsの容量(トランジスタTsとトランジスタTaとの間のノードの容量)とキャパシタCPaの容量(センスノードSNの容量)との比Cs/(Cs+Ca)によって決まり、式1のように表される。容量Caが小さい場合、センスノードSNの電圧Vsnは大きくなる。このときのセンスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt2を超えるように、キャパシタCPaの容量Caを設定すれば、光検出パルスPLSは、フォトダイオードPDのアバランシェ降伏ごとに生成される。これにより、カウンタ回路16は、1つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとにカウントすることができる。即ち、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDに入射するフォトン数を計数することができる。 Here, in FIG. 3, the switch SW1 is in a non-conductive state, and the capacitance of the sense node SN is a relatively small Ca. Therefore, at t4 to t5, when the transistor Ta is in a conductive state, the voltage Vcs is divided by the capacitance of the capacitor CPs and the capacitor CPa. The voltage Vsn of the sense node SN is determined by the ratio Cs/(Cs+Ca) of the capacitance of the capacitor CPs (the capacitance of the node between the transistor Ts and the transistor Ta) to the capacitance of the capacitor CPa (the capacitance of the sense node SN), and is expressed as in Equation 1. If the capacitance Ca is small, the voltage Vsn of the sense node SN becomes large. If the capacitance Ca of the capacitor CPa is set so that the voltage Vsn of the sense node SN at this time exceeds the threshold value Vt2, the light detection pulse PLS is generated every time the photodiode PD avalanche breakdown occurs. This allows the counter circuit 16 to count each time a photon is incident on the photodiode PD. That is, the counter circuit 16 can count the number of photons incident on the photodiode PD.

フォトンのカウント数が所定値に達すると、カウンタ回路16の所定ビットが反転する。このとき、カウンタ回路16は、スイッチSW1の制御信号を反転させてスイッチSW1を導通状態にする。 When the number of photons counted reaches a predetermined value, a predetermined bit of the counter circuit 16 is inverted. At this time, the counter circuit 16 inverts the control signal of the switch SW1 to make the switch SW1 conductive.

図4は、スイッチSW1が導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図4では、スイッチSW1が導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的大きい(Ca+Cv)である。この動作は、高照度の光を検出する高照度モードに適した動作である。 Figure 4 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector when switch SW1 is in a conductive state. In Figure 4, switch SW1 is in a conductive state, and the capacitance of sense node SN is relatively large (Ca + Cv). This operation is suitable for a high-illuminance mode that detects high-illuminance light.

フォトン待機中において、制御信号Vqは高レベル電圧に設定され、トランジスタTrchが導通状態となっている。フォトダイオードPDのカソード電圧VKが高レベル電圧源VDDHによって充電されている。フォトダイオードPDには逆バイアス電圧が印加される。このような状態で、フォトダイオードPDはフォトンの入射を待機する。 When waiting for photons, the control signal Vq is set to a high-level voltage, and the transistor Trch is in a conductive state. The cathode voltage VK of the photodiode PD is charged by the high-level voltage source VDDH. A reverse bias voltage is applied to the photodiode PD. In this state, the photodiode PD waits for the incidence of photons.

t11において、フォトダイオードPDにフォトンが入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VKが低下する。 At t11, when a photon is incident on the photodiode PD, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, causing the cathode voltage VK to decrease.

t12において、カソード電圧VKが閾値Vt1を下回ると、電圧VSが立ち上がる。これにより、トランジスタTsが導通状態になり、キャパシタCPsがトランジスタTsを介して電圧源VDDLによって充電される。電圧Vcsは、ほぼ電圧源VDDLの電圧に等しくなる。 At t12, when the cathode voltage VK falls below the threshold Vt1, the voltage VS rises. This causes the transistor Ts to become conductive, and the capacitor CPs is charged by the voltage source VDDL via the transistor Ts. The voltage Vcs becomes approximately equal to the voltage of the voltage source VDDL.

トランジスタTrchは導通状態を維持しているので、フォトダイオードPDがクエンチによって降伏前の元の状態に戻ると、カソード電圧VKはまた上昇する。 Since the transistor Trch remains conductive, when the photodiode PD is quenched and returns to its original state before breakdown, the cathode voltage VK rises again.

t13において、カソード電圧VKが閾値Vt1を超えると、トランジスタTsのゲート電圧VSは立ち下がる。これにより、トランジスタTsが非導通状態になり、キャパシタCPsが充電状態まま電圧源VDDLから切断される。 At t13, when the cathode voltage VK exceeds the threshold Vt1, the gate voltage VS of the transistor Ts falls. This causes the transistor Ts to go into a non-conductive state, and the capacitor CPs is disconnected from the voltage source VDDL while remaining in a charged state.

電圧VSが立ち下がった後、インバータINV2、INV3の遅延回路によって、電圧VAが電圧VSに対して遅延して立ち上がる。ゲート電圧VSが立ち下がった後、t14において、ゲート電圧VAが立ち上がる。これにより、トランジスタTaが導通状態となり、キャパシタCPs、CPaおよびCPvがセンスノードSNと基準電圧源との間に並列接続される。キャパシタCPsに蓄積されていた電荷の一部がキャパシタCPaおよびCPvに移動し、センスノードSNの電圧VsnとキャパシタCPsの一端の電圧Vcsは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧Vcs、Vsnは、ともに式2を満たす。
Vcs=Vsn=VDDL×(Cs/(Cs+Ca+Cv)) (式2)
After the voltage VS falls, the delay circuit of the inverters INV2 and INV3 causes the voltage VA to rise with a delay relative to the voltage VS. After the gate voltage VS falls, the gate voltage VA rises at t14. This causes the transistor Ta to be conductive, and the capacitors CPs, CPa, and CPv are connected in parallel between the sense node SN and the reference voltage source. A part of the charge stored in the capacitor CPs moves to the capacitors CPa and CPv, and the voltage Vsn of the sense node SN and the voltage Vcs at one end of the capacitor CPs become approximately equal. At this time, both the voltages Vcs and Vsn satisfy the formula 2.
Vcs=Vsn=VDDL×(Cs/(Cs+Ca+Cv)) (Equation 2)

ここで、スイッチSW1が導通状態であるので、センスノードSNの容量がCaから(Ca+Cv)へ増大している。よって、t14~t15において、電圧Vcsは、キャパシタCPsとキャパシタCPa、CPvとで容量分割される。これにより、センスノードSNの電圧Vsnは、キャパシタCPsの容量(トランジスタTsとトランジスタTaとの間のノードの容量)とキャパシタCPaおよびCPvの容量(センスノードSNの容量)との比Cs/(Cs+Ca+Cv)によって決まり、式2のように表される。容量(Ca+Cv)は、容量Caよりも大きいので、センスノードSNの電圧Vsnは、スイッチSW1が非導通状態のときと比べて小さくなる。このときのセンスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt2を超えないように、キャパシタCPa、CPvの容量Ca、Cvを設定すれば、光検出パルスPLSは、1回目のフォトダイオードPDのアバランシェ降伏では生成されない。即ち、カウンタ回路16は、1個のフォトンがフォトダイオードPDに入射してもカウントしない。 Here, since the switch SW1 is in a conductive state, the capacitance of the sense node SN increases from Ca to (Ca+Cv). Therefore, from t14 to t15, the voltage Vcs is divided by the capacitor CPs and the capacitors CPa and CPv. As a result, the voltage Vsn of the sense node SN is determined by the ratio Cs/(Cs+Ca+Cv) of the capacitance of the capacitor CPs (the capacitance of the node between the transistor Ts and the transistor Ta) to the capacitance of the capacitors CPa and CPv (the capacitance of the sense node SN), and is expressed as in Equation 2. Since the capacitance (Ca+Cv) is greater than the capacitance Ca, the voltage Vsn of the sense node SN becomes smaller than when the switch SW1 is in a non-conductive state. If the capacitances Ca and Cv of the capacitors CPa and CPv are set so that the voltage Vsn of the sense node SN at this time does not exceed the threshold value Vt2, the light detection pulse PLS will not be generated by the first avalanche breakdown of the photodiode PD. That is, the counter circuit 16 does not count even if one photon is incident on the photodiode PD.

光検出パルスPLSが生成されないので、トランジスタTrstは非導通状態のままとなり、センスノードSNの電圧Vsnはリセットされない。 Since the light detection pulse PLS is not generated, the transistor Trst remains non-conductive and the voltage Vsn of the sense node SN is not reset.

t15においてゲート電圧VAが立ち下がった後、t16において、2つ目のフォトンがフォトダイオードPDに入射すると、t11の動作と同様に、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VKが再度低下する。 After the gate voltage VA falls at t15, at t16 the second photon is incident on the photodiode PD, causing the photodiode PD to undergo avalanche breakdown, similar to the operation at t11, and the cathode voltage VK falls again.

t17~t18の動作は、それぞれt12~t13の動作と同じである。 The operations from t17 to t18 are the same as those from t12 to t13, respectively.

t18において、電圧VSが立ち下がった後、インバータINV2、INV3の遅延回路によって、電圧VAが電圧VSに対して遅延して立ち上がる。ゲート電圧VSが立ち下がった後、t19において、ゲート電圧VAが立ち上がる。これにより、トランジスタTaが導通状態となり、キャパシタCPs、CPaおよびCPvが電気的に並列接続される。キャパシタCPsに蓄積されていた電荷の一部がキャパシタCPaおよびCPvにさらに移動し、センスノードSNの電圧VsnとキャパシタCPsの電圧Vcsは、平均化され、ほぼ等しくなる。このとき、電圧Vcs、Vsnは、ともに式3を満たす。
Vcs=Vsn=VDDL×(Cs×(Cs+2Ca+2Cv)/(Cs+Ca+Cv)) (式3)
At t18, after the voltage VS falls, the delay circuit of the inverters INV2 and INV3 causes the voltage VA to rise with a delay relative to the voltage VS. After the gate voltage VS falls, the gate voltage VA rises at t19. This causes the transistor Ta to be conductive, and the capacitors CPs, CPa, and CPv are electrically connected in parallel. A part of the charge stored in the capacitor CPs further moves to the capacitors CPa and CPv, and the voltage Vsn of the sense node SN and the voltage Vcs of the capacitor CPs are averaged and become almost equal. At this time, both the voltages Vcs and Vsn satisfy the formula 3.
Vcs=Vsn=VDDL×(Cs×(Cs+2Ca+2Cv)/(Cs+Ca+Cv) 2 ) (Equation 3)

ここで、1つ目のフォトンの入射時には、光検出パルスPLSは生成されていないので、センスノードSNはリセットされていない。従って、センスノードSNの電圧Vsnは、VDDL×(Cs/(Cs+Ca+Cv))に充電された状態を維持している。さらに、2個目のフォトンの入射時に、センスノードSNがさらに充電されて、センスノードSNの電圧Vsnは、VDDL×(Cs×(Cs+2Ca+2Cv)/(Cs+Ca+Cv))になる。このときのセンスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt2を超えるように、キャパシタCPa、CPvの容量Ca、Cvを設定すれば、光検出パルスPLSは、フォトダイオードPDの2回目のアバランシェ降伏によって生成される。これにより、カウンタ回路16は、2つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、1カウントすることができる。 Here, when the first photon is incident, the light detection pulse PLS is not generated, so the sense node SN is not reset. Therefore, the voltage Vsn of the sense node SN is maintained in a charged state of VDDL×(Cs/(Cs+Ca+Cv)). Furthermore, when the second photon is incident, the sense node SN is further charged, and the voltage Vsn of the sense node SN becomes VDDL×(Cs×(Cs+2Ca+2Cv)/(Cs+Ca+Cv) 2 ). If the capacitances Ca and Cv of the capacitors CPa and CPv are set so that the voltage Vsn of the sense node SN at this time exceeds the threshold value Vt2, the light detection pulse PLS is generated by the second avalanche breakdown of the photodiode PD. This allows the counter circuit 16 to count one every time two photons are incident on the photodiode PD.

カウンタ回路16が1フォトンの検出に対して1カウントするためには、式4を満たすようにCs、Caを設定する。カウンタ回路16が2フォトンの検出に対して1カウントするためには、式5および式6を満たすようにCs、Ca、Cvを設定する。尚、Vthは、インバータINV4の閾値電圧である。
Ca<Cs(VDDL-Vth)/Vth (式4)
Ca+Cv>Cs(VDDL-Vth)/Vth (式5)
VDDL×Cs(Cs+2Ca+sCv)>Vth(Cs+Ca+Cv) (式6)
In order for the counter circuit 16 to perform one count for the detection of one photon, Cs and Ca are set to satisfy Equation 4. In order for the counter circuit 16 to perform one count for the detection of two photons, Cs, Ca, and Cv are set to satisfy Equations 5 and 6. Note that Vth is the threshold voltage of the inverter INV4.
Ca<Cs(VDDL-Vth)/Vth (Equation 4)
Ca+Cv>Cs(VDDL-Vth)/Vth (Equation 5)
VDDL×Cs(Cs+2Ca+sCv)>Vth(Cs+Ca+Cv) 2 (Equation 6)

t20において、光検出パルスPLSが立上ると、カウンタ回路16がカウント値を1だけ増大させるとともに、トランジスタTrstへの制御信号を立ち上げる。これにより、t21において、トランジスタTrstが導通状態となり、センスノードSNの電圧Vsnが基準電圧源にリセットされる。さらに、センスノードSNの電圧Vsnが基準電圧源によってリセットされると、t22において、光検出パルスPLSが立下がる。 When the light detection pulse PLS rises at t20, the counter circuit 16 increments the count value by 1 and raises the control signal to the transistor Trst. As a result, at t21, the transistor Trst becomes conductive and the voltage Vsn of the sense node SN is reset to the reference voltage source. Furthermore, when the voltage Vsn of the sense node SN is reset by the reference voltage source, the light detection pulse PLS falls at t22.

その後、2つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、t11~t22が繰り返される。 After that, t11 to t22 are repeated each time two photons are incident on the photodiode PD.

このように、本実施形態による光検出装置100は、カウンタ回路16のカウント値に応じて、フォトダイオードPDの降伏回数に対するカウント値の上昇を制御することができる。 In this way, the photodetector 100 according to this embodiment can control the increase in the count value relative to the number of breakdowns of the photodiode PD according to the count value of the counter circuit 16.

例えば、図5は、入射フォトン数とカウント値との関係を示すグラフである。横軸は、フォトダイオードPDへ入射するフォトン数を示す。縦軸は、カウンタ回路16のカウント値を示す。 For example, FIG. 5 is a graph showing the relationship between the number of incident photons and the count value. The horizontal axis shows the number of photons incident on the photodiode PD. The vertical axis shows the count value of the counter circuit 16.

カウンタ回路16のカウント値が所定値M未満の場合(低照度の光の場合)に、カウント制御回路14のスイッチSW1は、非導通状態となっており、キャパシタCPvをセンスノードSNから電気的に切断している。よって、センスノードSNの容量がCaと比較的小さく、センスノードSNの電圧Vsnは、キャパシタCPsからの電荷によって大きく上昇する。これにより、画素制御回路12は、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏するごとに光検出パルスPLSを出力する。カウンタ回路16は、フォトダイオードPDが1フォトンを検出するごとにカウント値を1ずつ増大させる。 When the count value of the counter circuit 16 is less than a predetermined value M (in the case of low illuminance light), the switch SW1 of the count control circuit 14 is in a non-conducting state, electrically disconnecting the capacitor CPv from the sense node SN. Therefore, the capacitance of the sense node SN is relatively small at Ca, and the voltage Vsn of the sense node SN rises significantly due to the charge from the capacitor CPs. This causes the pixel control circuit 12 to output a light detection pulse PLS every time the photodiode PD undergoes avalanche breakdown. The counter circuit 16 increases the count value by one every time the photodiode PD detects one photon.

一方、カウンタ回路16のカウント値が所定値M以上の場合(高照度の光の場合)に、カウント制御回路14のスイッチSW1は、導通状態となり、キャパシタCPvをセンスノードSNに電気的に接続する。よって、センスノードSNの容量がCaから(Ca+Cv)へと増大し、センスノードSNの電圧Vsnは、キャパシタCPsからの電荷によって上昇幅が小さくなる。これにより、画素制御回路12は、フォトダイオードPDが複数回アバランシェ降伏するごとに光検出パルスPLSを出力する。カウンタ回路16は、フォトダイオードPDが複数のフォトンを検出するごとにカウント値を1ずつ増大させる。 On the other hand, when the count value of the counter circuit 16 is equal to or greater than a predetermined value M (high illuminance light), the switch SW1 of the count control circuit 14 becomes conductive and electrically connects the capacitor CPv to the sense node SN. As a result, the capacitance of the sense node SN increases from Ca to (Ca+Cv), and the increase in the voltage Vsn of the sense node SN becomes smaller due to the charge from the capacitor CPs. This causes the pixel control circuit 12 to output a light detection pulse PLS every time the photodiode PD undergoes multiple avalanche breakdowns. The counter circuit 16 increases the count value by one every time the photodiode PD detects multiple photons.

尚、スイッチSW1が導通状態の場合、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDが2個のフォトンを検出するごとにカウント値を1ずつ増大させる。キャパシタCPvの容量Cvを変更することによって、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDがn回(nは2以上の整数)降伏するごと(n個のフォトンを検出するごと)にカウント値を1ずつ増大させることができる。 When the switch SW1 is in a conductive state, the counter circuit 16 increases the count value by one each time the photodiode PD detects two photons. By changing the capacitance Cv of the capacitor CPv, the counter circuit 16 can increase the count value by one each time the photodiode PD breaks down n times (n is an integer equal to or greater than 2) (each time n photons are detected).

以上のように、本実施形態によれば、フォトダイオードPDが入射フォトンを全て検出しつつも、センスノードSNの容量を制御することによって、光検出パルスPLSの生成頻度を制限し、カウンタ回路16のカウント値を削減することができる。 As described above, according to this embodiment, while the photodiode PD detects all incident photons, the capacitance of the sense node SN is controlled to limit the frequency of generation of the light detection pulse PLS and reduce the count value of the counter circuit 16.

例えば、低照度の光が入射したときには、カウンタ回路16は、1フォトンに対してカウント値を上げる。これにより、光検出装置100は、低照度の光に対して高いSNRで検出することができる。 For example, when low-illuminance light is incident, the counter circuit 16 increases the count value for one photon. This allows the light detection device 100 to detect low-illuminance light with a high SNR.

高照度の光が入射したときには、カウンタ回路16は、カウント値が所定値Mまでは1フォトンに対してカウント値を上げ、カウント値が所定値Mを超えたときにnフォトンに対してカウント値を上げる。これにより、高照度の光であっても、カウンタ回路16のカウント値(ビット数)の増加が抑制され、カウント値の上限まで達し難くなる。これにより、カウンタ回路16のカウント値をさらに削減することができる。従って、カウンタ回路16は、高照度の光に対して飽和し難くなり、より高い照度の光のフォトン数をカウントすることができる。 When high-intensity light is incident, the counter circuit 16 increases the count value for one photon until the count value reaches a predetermined value M, and increases the count value for n photons when the count value exceeds the predetermined value M. This suppresses the increase in the count value (number of bits) of the counter circuit 16 even in the case of high-intensity light, making it difficult to reach the upper limit of the count value. This allows the count value of the counter circuit 16 to be further reduced. Therefore, the counter circuit 16 is less likely to saturate in response to high-intensity light, and can count the number of photons of light with a higher illuminance.

また、高照度の光であっても、フォトダイオードPDは全てのフォトンを間引くことなく検出しており、カウンタ回路16のカウント値を参照すれば、フォトン数を正確に算出するこができる。即ち、高照度の光が入射しても、カウンタ回路16は、SNRを劣化させることなくフォトンをカウントすることができる。よって、本実施形態による光検出装置100は、SNRを劣化させることなくダイナミックレンジを広げることができる。 Even in the case of high-intensity light, the photodiode PD detects all photons without thinning them out, and the number of photons can be accurately calculated by referring to the count value of the counter circuit 16. In other words, even when high-intensity light is incident, the counter circuit 16 can count photons without degrading the SNR. Therefore, the photodetector 100 according to this embodiment can expand the dynamic range without degrading the SNR.

また、高照度の光であっても、カウント値がその上限に達する頻度が少なくなり、カウンタ回路16の読出し回数も削減できる。また、高照度の光において、カウンタ回路16のカウント値や光検出パルスPLSの生成が削減される。これにより、光検出装置100の消費電力を低減させることができる。 In addition, even under high-intensity light, the frequency with which the count value reaches its upper limit is reduced, and the number of times the counter circuit 16 is read out can be reduced. In addition, under high-intensity light, the count value of the counter circuit 16 and the generation of the light detection pulse PLS are reduced. This allows the power consumption of the light detection device 100 to be reduced.

カウント制御回路14は、各画素Pに対応して設けられている。従って、カウント制御回路14は、画素Pごとに低照度モードと高照度モードとのいずれかに感度を切り替えることができる。 The count control circuit 14 is provided for each pixel P. Therefore, the count control circuit 14 can switch the sensitivity for each pixel P between a low-illuminance mode and a high-illuminance mode.

カウンタ回路16のレジスタ回路のビット数の削減は、各画素Pのレイアウト面積の削減にもつながる。 Reducing the number of bits in the register circuit of the counter circuit 16 also leads to a reduction in the layout area of each pixel P.

また、カウント制御回路14は、光検出装置100の外部から制御されてもよい。この場合、画素Pごとの切り替えは難しいが、画素領域10全体の切り替えは可能である。 The count control circuit 14 may also be controlled from outside the photodetection device 100. In this case, it is difficult to switch each pixel P, but it is possible to switch the entire pixel region 10.

(変形例)
図6は、1つの画素Pの内部構成の他の例の一部を示すブロック図である。第1実施形態では、カウント制御回路14は、キャパシタCPvによってセンスノードSNの容量を変更している。しかし、本変形例のように、カウント制御回路14は、キャパシタCPsに並列に接続され、トランジスタTsとトランジスタTaとの間のノードの容量を可変にしてもよい。この場合、低照度モードでは、カウント制御回路14は、スイッチSW1を導通状態にして、キャパシタCPvをキャパシタCPsに電気的に並列に接続し、トランジスタTsとトランジスタTaとの間のノードの容量を増大させる。高照度モードでは、カウント制御回路14は、スイッチSW1を非導通状態にして、キャパシタCPvをキャパシタCPsから電気的に切断し、トランジスタTsとトランジスタTaとの間のノードの容量を低下させる。スイッチSW1は、上記実施形態と同様に、カウンタ回路16からの制御信号によって制御すればよい。尚、スイッチSW1の制御信号は第1実施形態のそれと逆論理にする。これにより、上記実施形態と同様に、光検出装置100は、カウンタ回路16のカウント値に応じて、フォトダイオードPDの降伏回数に対するカウント値の上昇を制御することができる。
(Modification)
FIG. 6 is a block diagram showing a part of another example of the internal configuration of one pixel P. In the first embodiment, the count control circuit 14 changes the capacitance of the sense node SN by the capacitor CPv. However, as in this modification, the count control circuit 14 may be connected in parallel to the capacitor CPs to make the capacitance of the node between the transistor Ts and the transistor Ta variable. In this case, in the low illuminance mode, the count control circuit 14 makes the switch SW1 conductive, electrically connects the capacitor CPv in parallel to the capacitor CPs, and increases the capacitance of the node between the transistor Ts and the transistor Ta. In the high illuminance mode, the count control circuit 14 makes the switch SW1 non-conductive, electrically disconnects the capacitor CPv from the capacitor CPs, and reduces the capacitance of the node between the transistor Ts and the transistor Ta. The switch SW1 may be controlled by a control signal from the counter circuit 16, as in the above embodiment. The control signal of the switch SW1 has the reverse logic to that of the first embodiment. Thus, similarly to the above embodiment, the photodetector 100 can control the increase in the count value relative to the number of breakdowns of the photodiode PD in accordance with the count value of the counter circuit 16 .

本変形例の他の構成および動作は、第1実施形態と同じでよい。これにより、本変形例は、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 Other configurations and operations of this modified example may be the same as those of the first embodiment. As a result, this modified example can achieve the same effects as those of the first embodiment.

(第2実施形態)
図7は、第2実施形態に係る画素Pの内部構成の一例を示すブロック図である。第2実施形態では、センスノードSNは、抵抗素子RKを介してフォトダイオードPDのカソードに接続されている。センスノードSNは、トランジスタTrchを介して電圧源VDDHに接続されている。これにより、センスノードSNの電圧Vsnは、電圧源VDDLとは関係なく、電圧源VDDHおよび抵抗素子RK等によって決定される。
Second Embodiment
7 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel P according to the second embodiment. In the second embodiment, the sense node SN is connected to the cathode of the photodiode PD via a resistor element RK. The sense node SN is connected to a voltage source VDDH via a transistor Trch. As a result, the voltage Vsn of the sense node SN is determined by the voltage source VDDH and the resistor element RK, etc., regardless of the voltage source VDDL.

第2実施形態では、画素Pは、フォトダイオードPDと、トランジスタTrchと、抵抗素子RKと、キャパシタCPa、CK1と、カウント制御回路14と、カウンタ回路16と、インバータINV6、INV7とを備える。フォトダイオードPD、キャパシタCPa、カウント制御回路14およびカウンタ回路16は、第1実施形態と同じである。 In the second embodiment, the pixel P includes a photodiode PD, a transistor Trch, a resistive element RK, capacitors CPa and CK1, a count control circuit 14, a counter circuit 16, and inverters INV6 and INV7. The photodiode PD, the capacitor CPa, the count control circuit 14, and the counter circuit 16 are the same as those in the first embodiment.

トランジスタTrchは、電圧源VDDHと抵抗素子RKとの間に接続されている。トランジスタTrchのゲートは、インバータINV7の出力に接続されている。トランジスタTrchは、光検出パルスPLSの反転信号を受けて制御される。トランジスタTrchは、例えば、p型MOSFETで構成されている。 The transistor Trch is connected between the voltage source VDDH and the resistive element RK. The gate of the transistor Trch is connected to the output of the inverter INV7. The transistor Trch is controlled by receiving an inverted signal of the light detection pulse PLS. The transistor Trch is, for example, composed of a p-type MOSFET.

抵抗素子RKは、トランジスタTrchのドレインとフォトダイオードPDのカソードとの間に接続されている。 The resistor element RK is connected between the drain of the transistor Trch and the cathode of the photodiode PD.

キャパシタCPk1は、フォトダイオードPDのカソードと基準電圧源(例えば、グランド)との間に接続されている。 Capacitor CPk1 is connected between the cathode of photodiode PD and a reference voltage source (e.g., ground).

インバータINV6は、センスノードSNとカウンタ回路16との間に接続されている。インバータINV7は、インバータINV6の出力とトランジスタTrchのゲートとの間に接続されている。 The inverter INV6 is connected between the sense node SN and the counter circuit 16. The inverter INV7 is connected between the output of the inverter INV6 and the gate of the transistor Trch.

次に、第2実施形態に係る光検出装置の動作を説明する。 Next, we will explain the operation of the photodetector according to the second embodiment.

図8は、第2実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図8では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。図8は、低照度モードの動作を示す。 Figure 8 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector according to the second embodiment. In Figure 8, switch SW1 is in a non-conducting state, and the capacitance of sense node SN is relatively small, Ca. Figure 8 shows the operation in the low-illumination mode.

まず、キャパシタCPk1、Caが高レベル電圧源VDDHによって充電された後、トランジスタTrchは、非導通状態となっている。光検出パルスPLSは低レベル電圧になっているので、制御信号XRCGは高レベル電圧に設定される。カソード電圧VK1およびセンスノードSNの電圧Vsnは、高レベル電圧に維持されている。これにより、フォトダイオードPDには逆バイアス電圧が印加される。このような状態で、フォトダイオードPDはフォトンの入射を待機する。 First, the capacitors CPk1 and Ca are charged by the high-level voltage source VDDH, and then the transistor Trch is in a non-conductive state. Since the light detection pulse PLS is at a low-level voltage, the control signal XRCG is set to a high-level voltage. The cathode voltage VK1 and the voltage Vsn of the sense node SN are maintained at high-level voltages. As a result, a reverse bias voltage is applied to the photodiode PD. In this state, the photodiode PD waits for photons to enter.

t1において、フォトダイオードPDにフォトンが入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。このとき、センスノードSNは、抵抗素子RKを介してフォトダイオードPDのカソードに接続されている。従って、抵抗素子RKが充分に大きい場合、電圧Vsnは、カソード電圧VK1よりも遅延して低下する。フォトダイオードPDの増倍が停止した後に、電荷がフォトダイオードPDのカソードとセンスノードSNとの間で分配され、電圧Vsnが低下する。このとき、電圧Vsnは、式7に示すように、キャパシタCPk1の容量CK1(フォトダイオードPDのカソードの容量)とキャパシタCPaの容量Ca(センスノードSNの容量)との比で決定される。
Vsn=ΔVK1×(CK1/(CK1+Ca)) (式7)
尚、ΔVK1は、フォトダイオードPDの降伏前後のカソード電圧VKの変化量である。
At t1, when a photon is incident on the photodiode PD, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, and the cathode voltage VK1 drops. At this time, the sense node SN is connected to the cathode of the photodiode PD via a resistor element RK. Therefore, if the resistor element RK is sufficiently large, the voltage Vsn drops with a delay from the cathode voltage VK1. After the multiplication of the photodiode PD stops, the charge is distributed between the cathode of the photodiode PD and the sense node SN, and the voltage Vsn drops. At this time, the voltage Vsn is determined by the ratio of the capacitance CK1 of the capacitor CPk1 (the capacitance of the cathode of the photodiode PD) to the capacitance Ca of the capacitor CPa (the capacitance of the sense node SN), as shown in Equation 7.
Vsn=ΔVK1×(CK1/(CK1+Ca)) (Equation 7)
It should be noted that ΔVK1 is the amount of change in the cathode voltage VK before and after the breakdown of the photodiode PD.

t2において、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回ると、インバータINV6によって、光検出パルスPLSが立ち上がる。 At t2, when the voltage Vsn of the sense node SN falls below the threshold Vt12, the photodetection pulse PLS rises due to the inverter INV6.

カウンタ回路16は、光検出パルスPLSの立上りをカウントする。 The counter circuit 16 counts the rising edges of the light detection pulse PLS.

光検出パルスPLSの立上りは、インバータINV7を介してトランジスタTrchのゲートへフィードバックされる。このとき、光検出パルスPLSの立上りは、インバータINV7により遅延されてトランジスタTrchのゲートへフィードバックされる。これにより、t3において、トランジスタTrchが導通状態となり、カソード電圧VKおよびセンスノードSNの電圧Vsnを電圧源VDDHで再充電する。このとき、t4において、センスノードSNの電圧Vsnが閾値を超えると、光検出パルスPLSが立下がる。光検出パルスPLSの立下がりは、インバータINV7により遅延されてトランジスタTrchのゲートへ制御信号XRCGとしてフィードバックされる。これにより、t5において、トランジスタTrchが非導通状態となり、カソード電圧VKおよびセンスノードSNの電圧Vsnが再充電された状態で電圧源VDDHから分離される。 The rising edge of the light detection pulse PLS is fed back to the gate of the transistor Trch via the inverter INV7. At this time, the rising edge of the light detection pulse PLS is delayed by the inverter INV7 and fed back to the gate of the transistor Trch. As a result, at t3, the transistor Trch becomes conductive, and the cathode voltage VK and the voltage Vsn of the sense node SN are recharged by the voltage source VDDH. At this time, at t4, when the voltage Vsn of the sense node SN exceeds the threshold, the light detection pulse PLS falls. The falling edge of the light detection pulse PLS is delayed by the inverter INV7 and fed back to the gate of the transistor Trch as a control signal XRCG. As a result, at t5, the transistor Trch becomes non-conductive, and the cathode voltage VK and the voltage Vsn of the sense node SN are isolated from the voltage source VDDH in a recharged state.

その後、フォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、t1~t5が繰り返される。 After that, t1 to t5 are repeated each time a photon is incident on the photodiode PD.

ここで、図8では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。よって、t2~t3において、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏したとき、電圧VK1、Vsnは、キャパシタCPk1とキャパシタCPaとで容量分割される。センスノードSNの電圧Vsnは、キャパシタCPk1の容量(フォトダイオードPDの容量)とキャパシタCPaの容量(センスノードSNの容量)との比Cs/(Cs+Ca)によって決まり、式7のように表される。容量Caが小さい場合、センスノードSNの電圧Vsnは大きく変化する。このときのセンスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を超えるように、キャパシタCPaの容量Caを設定すれば、光検出パルスPLSは、フォトダイオードPDのアバランシェ降伏ごとに生成される。これにより、カウンタ回路16は、1つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとにカウントすることができる。即ち、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDに入射するフォトン数をカウントすることができる。 Here, in FIG. 8, the switch SW1 is in a non-conducting state, and the capacitance of the sense node SN is a relatively small Ca. Therefore, when the photodiode PD undergoes avalanche breakdown from t2 to t3, the voltages VK1 and Vsn are divided by the capacitance of the capacitor CPk1 and the capacitor CPa. The voltage Vsn of the sense node SN is determined by the ratio Cs/(Cs+Ca) of the capacitance of the capacitor CPk1 (capacity of the photodiode PD) to the capacitance of the capacitor CPa (capacity of the sense node SN), and is expressed as in Equation 7. When the capacitance Ca is small, the voltage Vsn of the sense node SN changes significantly. If the capacitance Ca of the capacitor CPa is set so that the voltage Vsn of the sense node SN at this time exceeds the threshold value Vt12, the light detection pulse PLS is generated every time the photodiode PD undergoes avalanche breakdown. This allows the counter circuit 16 to count each time a photon is incident on the photodiode PD. That is, the counter circuit 16 can count the number of photons incident on the photodiode PD.

フォトンのカウント値が所定値に達すると、カウンタ回路16の所定ビットが反転する。このとき、カウンタ回路16は、スイッチSW1の制御信号を反転させてスイッチSW1を導通状態にする。 When the photon count value reaches a predetermined value, a predetermined bit of the counter circuit 16 is inverted. At this time, the counter circuit 16 inverts the control signal of the switch SW1 to make the switch SW1 conductive.

図9は、スイッチSW1が導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図9では、スイッチSW1が導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的大きい(Ca+Cv)である。図9は、高照度モードの動作を示す。 Figure 9 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector when switch SW1 is in a conductive state. In Figure 9, switch SW1 is in a conductive state, and the capacitance of sense node SN is relatively large (Ca+Cv). Figure 9 shows the operation in high illumination mode.

t11以前に、キャパシタCPk1、CaおよびCvが高レベル電圧源VDDHによって充電された後、トランジスタTrchは、非導通状態となっている。これにより、フォトダイオードPDには逆バイアス電圧が印加される。このような状態で、フォトダイオードPDはフォトンの入射を待機する。 Before t11, the capacitors CPk1, Ca, and Cv are charged by the high-level voltage source VDDH, and then the transistor Trch is in a non-conductive state. This causes a reverse bias voltage to be applied to the photodiode PD. In this state, the photodiode PD waits for a photon to be incident.

t11において、フォトダイオードPDにフォトンが入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。 At t11, when a photon is incident on the photodiode PD, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, causing the cathode voltage VK1 to decrease.

カソード電圧VK1の低下は、抵抗素子RKによって遅延してセンスノードSNの電圧Vsnに現れる。よって、カソード電圧VK1の低下に伴い、t12において、電圧Vsnも低下する。 The drop in the cathode voltage VK1 is delayed by the resistive element RK and appears in the voltage Vsn of the sense node SN. Therefore, at t12, as the cathode voltage VK1 drops, the voltage Vsn also drops.

また、キャパシタCPa、CPvとキャパシタCPk1との間で電荷の一部が移動し、電圧VK1とセンスノードSNの電圧Vsnはほぼ等しくなる。このとき、電圧VK1、Vsnは、ともに式8を満たす。
VK1=Vsn=ΔVK1×(CK1/(CK1+Ca+Cv)) (式8)
Furthermore, a part of the charge moves between the capacitors CPa, CPv and the capacitor CPk1, so that the voltage VK1 and the voltage Vsn of the sense node SN become substantially equal.
VK1=Vsn=ΔVK1×(CK1/(CK1+Ca+Cv)) (Equation 8)

ここで、スイッチSW1が導通状態であると、センスノードSNの容量がCaから(Ca+Cv)へ増大する。よって、t11~t12において、電圧VK1がキャパシタCPk1とキャパシタCPa、CPvで容量分割される。これにより、センスノードSNの電圧Vsnは、キャパシタCPk1の容量(フォトダイオードPDの容量)とキャパシタCPaおよびCPvの容量(センスノードSNの容量)との比CK1/(CK1+Ca+Cv)によって決まり、式8のように表される。容量(Ca+Cv)は、容量Caよりも大きいので、センスノードSNの電圧Vsnは、スイッチSW1が非導通状態のときと比べて小さくなる。このときのセンスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回らないように、キャパシタCPa、CPvの容量Ca、Cvを設定すれば、光検出パルスPLSは、1回目のフォトダイオードPDのアバランシェ降伏では生成されない。即ち、カウンタ回路16は、1個のフォトンがフォトダイオードPDに入射してもカウントしない。 Here, when the switch SW1 is in a conductive state, the capacitance of the sense node SN increases from Ca to (Ca+Cv). Therefore, from t11 to t12, the voltage VK1 is divided by the capacitor CPk1 and the capacitors CPa and CPv. As a result, the voltage Vsn of the sense node SN is determined by the ratio CK1/(CK1+Ca+Cv) of the capacitance of the capacitor CPk1 (capacity of the photodiode PD) to the capacitance of the capacitors CPa and CPv (capacity of the sense node SN), and is expressed as in Equation 8. Since the capacitance (Ca+Cv) is larger than the capacitance Ca, the voltage Vsn of the sense node SN becomes smaller than when the switch SW1 is in a non-conductive state. If the capacitances Ca and Cv of the capacitors CPa and CPv are set so that the voltage Vsn of the sense node SN at this time does not fall below the threshold value Vt12, the light detection pulse PLS will not be generated by the first avalanche breakdown of the photodiode PD. That is, the counter circuit 16 does not count even if one photon is incident on the photodiode PD.

光検出パルスPLSが生成されないので、トランジスタTrstは非導通状態のままとなり、センスノードSNの電圧Vsnはリセットされない。 Since the light detection pulse PLS is not generated, the transistor Trst remains non-conductive and the voltage Vsn of the sense node SN is not reset.

フォトダイオードPDのクエンチング後、t13において、フォトンが再度フォトダイオードPDに入射すると、t11の動作と同様に、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VKが再度低下する。 After the photodiode PD is quenched, at t13, when a photon is again incident on the photodiode PD, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, similar to the operation at t11, and the cathode voltage VK drops again.

カソード電圧VK1の低下は、抵抗素子RKによって遅延してセンスノードSNの電圧Vsnに現れる。よって、カソード電圧VK1の低下に伴い、t14において、電圧Vsnも低下する。 The drop in the cathode voltage VK1 is delayed by the resistive element RK and appears in the voltage Vsn of the sense node SN. Therefore, at t14, as the cathode voltage VK1 drops, the voltage Vsn also drops.

また、キャパシタCPa、CPvとキャパシタCPk1との間で電荷の一部が移動し、電圧VK1とセンスノードSNの電圧Vsnは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧VK1、Vsnは、ともに式8を満たす。 In addition, some of the charge moves between capacitors CPa, CPv and capacitor CPk1, and voltage VK1 and voltage Vsn of sense node SN become approximately equal. At this time, both voltages VK1 and Vsn satisfy equation 8.

t13~t14において、キャパシタCPa、CPvとキャパシタCPk1との間で電荷の一部が移動し、センスノードSNの電圧VsnとキャパシタCPk1の一端の電圧VK1は、平均化され、ほぼ等しくなる。このとき、電圧VK1、Vsnは、ともに式9を満たす。
VK1=Vsn=ΔVK1×(CK1×(CK1+2Ca+2Cv)/(CK1+Ca+Cv)) (式9)
During the period from t13 to t14, a part of the charge moves between the capacitors CPa, CPv and the capacitor CPk1, and the voltage Vsn of the sense node SN and the voltage VK1 at one end of the capacitor CPk1 are averaged and become substantially equal. At this time, both the voltages VK1 and Vsn satisfy the formula 9.
VK1=Vsn=ΔVK1×(CK1×(CK1+2Ca+2Cv)/(CK1+Ca+Cv) 2 ) (Equation 9)

ここで、1回目のフォトンの入射時には、光検出パルスPLSは生成されていないので、センスノードSNはリセットされていない。従って、センスノードSNの電圧Vsnは、ΔVK1×(CK1/(CK1+Ca+Cv))に充電された状態を維持している。さらに、2回目のフォトンの入射時に、センスノードSNがさらに充電されて、センスノードSNの電圧Vsnは、ΔVK1×(CK1×(CK1+2Ca+2Cv)/(CK1+Ca+Cv))になる。このときのセンスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回るように、キャパシタCPa、CPvの容量Ca、Cvを設定すれば、光検出パルスPLSは、フォトダイオードPDが2回アバランシェ降伏するごとに生成される。これにより、カウンタ回路16は、2つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、1カウントすることができる。 Here, when the first photon is incident, the light detection pulse PLS is not generated, so the sense node SN is not reset. Therefore, the voltage Vsn of the sense node SN maintains a state of being charged to ΔVK1×(CK1/(CK1+Ca+Cv)). Furthermore, when the second photon is incident, the sense node SN is further charged, and the voltage Vsn of the sense node SN becomes ΔVK1×(CK1×(CK1+2Ca+2Cv)/(CK1+Ca+Cv) 2 ). If the capacitances Ca and Cv of the capacitors CPa and CPv are set so that the voltage Vsn of the sense node SN at this time falls below the threshold value Vt12, the light detection pulse PLS is generated every time the photodiode PD avalanche breakdown occurs twice. This allows the counter circuit 16 to count one every time two photons are incident on the photodiode PD.

t14において、光検出パルスPLSが立上ると、カウンタ回路16がカウントを1だけ増加させるとともに、光検出パルスPLSがトランジスタTrchのゲートへフィードバックされる。これにより、t15において、トランジスタTrchが導通状態となり、電圧VK1および電圧Vsnを電圧源VDDHに再充電する。 At t14, when the light detection pulse PLS rises, the counter circuit 16 increments the count by 1 and feeds the light detection pulse PLS back to the gate of the transistor Trch. As a result, at t15, the transistor Trch becomes conductive and recharges the voltage VK1 and the voltage Vsn to the voltage source VDDH.

t16において、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を超えると、光検出パルスPLSが立下がる。t17において、トランジスタTrchが非導通状態に戻る。これにより、カソード電圧VKおよびセンスノードSNの電圧Vsnが再充電された状態で電圧源VDDHから分離される。 At t16, when the voltage Vsn of the sense node SN exceeds the threshold Vt12, the light detection pulse PLS falls. At t17, the transistor Trch returns to a non-conductive state. This causes the cathode voltage VK and the voltage Vsn of the sense node SN to be isolated from the voltage source VDDH in a recharged state.

その後、2つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、t11~t17が繰り返される。 After that, t11 to t17 are repeated each time two photons are incident on the photodiode PD.

このように、第2実施形態によれば、フォトダイオードPDが入射フォトンを全て検出しつつも、センスノードSNの容量を制御することによって、光検出パルスPLSの生成頻度を制限し、カウンタ回路16のカウント値を削減することができる。よって、第2実施形態は、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 In this way, according to the second embodiment, while the photodiode PD detects all incident photons, the capacitance of the sense node SN is controlled to limit the frequency of generation of the light detection pulse PLS and reduce the count value of the counter circuit 16. Therefore, the second embodiment can obtain the same effect as the first embodiment.

第2実施形態でも、第1実施形態と同様に、キャパシタCPvの容量Cvを変更することによって、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDがn回降伏するごと(n個のフォトンを検出するごと)にカウント値を1ずつ増大させることができる。これにより、カウンタ回路16のカウント値を削減することができる。 In the second embodiment, as in the first embodiment, by changing the capacitance Cv of the capacitor CPv, the counter circuit 16 can increase the count value by 1 every time the photodiode PD breaks down n times (every time n photons are detected). This allows the count value of the counter circuit 16 to be reduced.

(第3実施形態)
図10は、第3実施形態に係る画素Pの内部構成の一例を示すブロック図である。第3実施形態では、抵抗素子RKに代わって、トランジスタTclipがトランジスタTrchのソースとフォトダイオードPDのカソードとの間に接続されている。トランジスタTclipは、垂直選択回路30からの制御信号CLIPによって導通状態または非導通状態に制御される。トランジスタTclipは、例えば、p型MOSFETで構成されている。
Third Embodiment
10 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel P according to the third embodiment. In the third embodiment, a transistor Tclip is connected between the source of the transistor Trch and the cathode of the photodiode PD, instead of the resistive element RK. The transistor Tclip is controlled to be in a conductive state or a non-conductive state by a control signal CLIP from the vertical selection circuit 30. The transistor Tclip is, for example, configured of a p-type MOSFET.

第2実施形態では、抵抗素子RKが光検出パルスPLSの生成タイミングを決定しているが、第3実施形態では、制御信号CLIPが光検出パルスPLSの生成タイミングを決定している。制御信号CLIPは、周期的にハイ/ロウを繰り返してもよい。第3実施形態のその他の構成は、第2実施形態の構成と同様でよい。 In the second embodiment, the resistive element RK determines the timing of generating the light detection pulse PLS, but in the third embodiment, the control signal CLIP determines the timing of generating the light detection pulse PLS. The control signal CLIP may periodically repeat high/low. The other configurations of the third embodiment may be similar to those of the second embodiment.

次に、第3実施形態に係る光検出装置の動作を説明する。 Next, we will explain the operation of the light detection device according to the third embodiment.

図11は、第3実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図11では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。図11は、低照度モードの動作を示す。 Figure 11 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector according to the third embodiment. In Figure 11, the switch SW1 is in a non-conducting state, and the capacitance of the sense node SN is Ca, which is relatively small. Figure 11 shows the operation in the low-illumination mode.

t1までの動作は、第2実施形態と同様である。このような状態で、フォトダイオードPDはフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタTclipは、フォトダイオードPDに逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。 The operation up to t1 is the same as in the second embodiment. In this state, the photodiode PD waits for a photon to be incident. Note that the transistor Tclip is in a non-conducting state with a reverse bias voltage applied to the photodiode PD.

t1において、フォトダイオードPDにフォトンが入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。このとき、トランジスタTclipは、非導通状態となっているので、センスノードSNの電圧Vsnは低下しない。 At t1, when a photon is incident on the photodiode PD, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, and the cathode voltage VK1 drops. At this time, the transistor Tclip is in a non-conductive state, so the voltage Vsn of the sense node SN does not drop.

t2において、信号CLIPが立ち下がると、トランジスタTclipが導通状態になる。これにより、センスノードSNの電圧Vsnがカソード電圧VK1に接続されて低下する。 At t2, when the signal CLIP falls, the transistor Tclip becomes conductive. This causes the voltage Vsn of the sense node SN to be connected to the cathode voltage VK1 and to drop.

t3において、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回ると、インバータINV6によって、光検出パルスPLSが立ち上がる。 At t3, when the voltage Vsn of the sense node SN falls below the threshold Vt12, the photodetection pulse PLS rises due to the inverter INV6.

このように、電圧Vsnの立ち下がりのタイミングと光検出パルスPLSの立上りタイミングは、信号CLIPの立下りのタイミングによって制御され得る。キャパシタCPk1の電荷はフォトダイオードPDのカソードとセンスノードSNとの間で分配され、電圧Vsnが低下し、電圧VK1は上昇する。このとき、電圧Vsnは、式7に示すように、キャパシタCPk1の容量CK1(フォトダイオードPDのカソードの容量)とキャパシタCPaの容量Ca(センスノードSNの容量)との比で決定される。 In this way, the timing of the fall of voltage Vsn and the timing of the rise of the light detection pulse PLS can be controlled by the timing of the fall of signal CLIP. The charge of capacitor CPk1 is distributed between the cathode of photodiode PD and sense node SN, causing voltage Vsn to decrease and voltage VK1 to increase. At this time, voltage Vsn is determined by the ratio of capacitance CK1 of capacitor CPk1 (capacitance of the cathode of photodiode PD) to capacitance Ca of capacitor CPa (capacitance of sense node SN), as shown in Equation 7.

カウンタ回路16は、光検出パルスPLSの立上りをカウントする。 The counter circuit 16 counts the rising edges of the light detection pulse PLS.

光検出パルスPLSの立上りは、インバータINV7を介して遅延してトランジスタTrchのゲートへフィードバックされる。これにより、t4において、トランジスタTrchが導通状態となり、カソード電圧VKおよびセンスノードSNの電圧Vsnを電圧源VDDHに再充電する。t5において、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を超えると、光検出パルスPLSが立下がる。光検出パルスPLSの立下がりは、インバータINV7により遅延されてトランジスタTrchのゲートへフィードバックされる。これにより、t6において、トランジスタTrchが非導通状態に戻り、カソード電圧VKおよびセンスノードSNが再充電された状態で電圧源VDDHから分離される。 The rising edge of the light detection pulse PLS is delayed and fed back to the gate of the transistor Trch via the inverter INV7. As a result, at t4, the transistor Trch becomes conductive, and the cathode voltage VK and the voltage Vsn of the sense node SN are recharged to the voltage source VDDH. At t5, when the voltage Vsn of the sense node SN exceeds the threshold value Vt12, the light detection pulse PLS falls. The falling edge of the light detection pulse PLS is delayed by the inverter INV7 and fed back to the gate of the transistor Trch. As a result, at t6, the transistor Trch returns to a non-conductive state, and the cathode voltage VK and the sense node SN are isolated from the voltage source VDDH in a recharged state.

カソード電圧VKおよびセンスノードSNの再充電後、t7において、制御信号CLIPが立上り、トランジスタTclipが非導通状態になる。これにより、t1以前の状態に戻る。 After the cathode voltage VK and the sense node SN are recharged, at t7, the control signal CLIP rises and the transistor Tclip becomes non-conductive. This returns to the state before t1.

その後、フォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、t1~t7が繰り返される。制御信号CLIPは、周期的にハイ/ロウを繰り返してもよい。 After that, t1 to t7 are repeated each time a photon is incident on the photodiode PD. The control signal CLIP may periodically alternate between high and low.

第3実施形態では、制御信号CLIPが光検出パルスPLSの生成タイミングを決定している。第3実施形態のその他の動作は、第2実施形態の動作と同様でよい。これにより、カウンタ回路16は、1つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとにカウントすることができる。 In the third embodiment, the control signal CLIP determines the timing of generating the light detection pulse PLS. The other operations of the third embodiment may be similar to those of the second embodiment. This allows the counter circuit 16 to count each time a photon is incident on the photodiode PD.

フォトンのカウント数が所定値に達すると、カウンタ回路16の所定ビットが反転する。このとき、カウンタ回路16は、制御信号を反転させてスイッチSW1を導通状態にする。 When the number of photons counted reaches a predetermined value, a predetermined bit of the counter circuit 16 is inverted. At this time, the counter circuit 16 inverts the control signal to make the switch SW1 conductive.

図12は、スイッチSW1が導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図12では、スイッチSW1が導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的大きい(Ca+Cv)である。図12は、高照度モードの動作を示す。 Figure 12 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector when switch SW1 is in a conductive state. In Figure 12, switch SW1 is in a conductive state, and the capacitance of sense node SN is relatively large (Ca+Cv). Figure 12 shows the operation in high illumination mode.

t11までの動作は、第2実施形態と同様である。このような状態で、フォトダイオードPDはフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタTclipは、フォトダイオードPDに逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。 The operation up to t11 is the same as in the second embodiment. In this state, the photodiode PD waits for a photon to be incident. Note that the transistor Tclip is in a non-conducting state with a reverse bias voltage applied to the photodiode PD.

t11において、フォトダイオードPDにフォトンが入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。このとき、トランジスタTclipは、非導通状態となっているので、センスノードSNの電圧Vsnは低下しない。 At t11, when a photon is incident on the photodiode PD, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, and the cathode voltage VK1 drops. At this time, the transistor Tclip is in a non-conductive state, so the voltage Vsn of the sense node SN does not drop.

t12において、信号CLIPが立ち下がると、トランジスタTclipが導通状態になる。これにより、センスノードSNの電圧Vsnがカソード電圧VK1に接続されて低下する。t13において、キャパシタCPk1に蓄積されていた電荷の一部がキャパシタCPaおよびCPvに移動し、電圧VK1とセンスノードSNの電圧Vsnは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧VK1、Vsnは、ともに式8を満たす。 At t12, when the signal CLIP falls, the transistor Tclip becomes conductive. As a result, the voltage Vsn of the sense node SN is connected to the cathode voltage VK1 and drops. At t13, some of the charge stored in the capacitor CPk1 moves to the capacitors CPa and CPv, and the voltage VK1 and the voltage Vsn of the sense node SN become approximately equal. At this time, both voltages VK1 and Vsn satisfy equation 8.

ここで、スイッチSW1が導通状態であるので、第2実施形態と同様に、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回らないように、キャパシタCPa、CPvの容量Ca、Cvを設定すれば、光検出パルスPLSは、1回目のフォトダイオードPDのアバランシェ降伏では生成されない。即ち、カウンタ回路16は、1個のフォトンがフォトダイオードPDに入射してもカウントしない。 Since the switch SW1 is in a conductive state, if the capacitances Ca and Cv of the capacitors CPa and CPv are set so that the voltage Vsn of the sense node SN does not fall below the threshold value Vt12, as in the second embodiment, the light detection pulse PLS is not generated by the first avalanche breakdown of the photodiode PD. In other words, the counter circuit 16 does not count even if one photon is incident on the photodiode PD.

光検出パルスPLSが生成されないので、トランジスタTrchは非導通状態のままとなり、キャパシタCPk1の電圧CK1およびセンスノードSNの電圧Vsnはリセットされない。 Since the light detection pulse PLS is not generated, the transistor Trch remains non-conductive, and the voltage CK1 of the capacitor CPk1 and the voltage Vsn of the sense node SN are not reset.

次に、t14において、制御信号CLIPを立ち上げてトランジスタTclipを非導通状態にする。 Next, at t14, the control signal CLIP is raised to make the transistor Tclip non-conductive.

次に、t15において、2つ目のフォトンがフォトダイオードPDに入射すると、t11の動作と同様に、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が再度低下する。 Next, at t15, when a second photon is incident on the photodiode PD, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, similar to the operation at t11, and the cathode voltage VK1 drops again.

t16において、信号CLIPが立ち下がると、トランジスタTclipが導通状態になる。これにより、センスノードSNの電圧Vsnがカソード電圧VK1に接続されて低下する。キャパシタCPk1に蓄積されていた電荷の一部がキャパシタCPaおよびCPvに移動し、電圧VK1とセンスノードSNの電圧Vsnは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧VK1、Vsnは、ともに式9を満たす。 At t16, when the signal CLIP falls, the transistor Tclip becomes conductive. As a result, the voltage Vsn of the sense node SN is connected to the cathode voltage VK1 and drops. Some of the charge stored in the capacitor CPk1 moves to the capacitors CPa and CPv, and the voltage VK1 and the voltage Vsn of the sense node SN become approximately equal. At this time, both voltages VK1 and Vsn satisfy equation 9.

ここで、1回目のフォトンの入射時には、光検出パルスPLSは生成されていないので、センスノードSNはリセットされていない。従って、センスノードSNの電圧Vsnは、ΔVK1×(CK1/(CK1+Ca+Cv))に充電された状態を維持している。さらに、2回目のフォトンの入射時に、センスノードSNがさらに充電されて、センスノードSNの電圧Vsnは、ΔVK1×(CK1×(CK1+2Ca+2Cv)/(CK1+Ca+Cv))になる。このときのセンスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回るように、キャパシタCPa、CPvの容量Ca、Cvを設定すれば、光検出パルスPLSは、フォトダイオードPDが2回アバランシェ降伏するごとに生成される。これにより、カウンタ回路16は、2つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、1カウントすることができる。 Here, since the light detection pulse PLS is not generated when the first photon is incident, the sense node SN is not reset. Therefore, the voltage Vsn of the sense node SN maintains a state of being charged to ΔVK1×(CK1/(CK1+Ca+Cv)). Furthermore, when the second photon is incident, the sense node SN is further charged, and the voltage Vsn of the sense node SN becomes ΔVK1×(CK1×(CK1+2Ca+2Cv)/(CK1+Ca+Cv) 2 ). If the capacitances Ca and Cv of the capacitors CPa and CPv are set so that the voltage Vsn of the sense node SN at this time falls below the threshold value Vt12, the light detection pulse PLS is generated every time the photodiode PD avalanche breakdown occurs twice. This allows the counter circuit 16 to count one every time two photons are incident on the photodiode PD.

t17において、光検出パルスPLSが立上ると、カウンタ回路16がカウントを1上げるとともに、光検出パルスPLSがトランジスタTrchのゲートへフィードバックされる。これにより、t18において、信号XRCGが立下ってトランジスタTrchが導通状態となり、電圧VK1および電圧Vsnを電圧源VDDHに再充電する。センスノードSNの電圧Vsnが電圧源VDDHに再充電されると、t19において、光検出パルスPLSが立下がり、t20において、信号XRCGが立上ってトランジスタTrchが非導通状態に戻る。 When the light detection pulse PLS rises at t17, the counter circuit 16 increments the count by 1 and the light detection pulse PLS is fed back to the gate of the transistor Trch. As a result, at t18, the signal XRCG falls, the transistor Trch becomes conductive, and the voltage VK1 and the voltage Vsn are recharged to the voltage source VDDH. When the voltage Vsn of the sense node SN is recharged to the voltage source VDDH, the light detection pulse PLS falls at t19, and at t20, the signal XRCG rises, and the transistor Trch returns to a non-conductive state.

その後、2つのフォトンがフォトダイオードPDに入射するごとに、t11~t21が繰り返される。 After that, t11 to t21 are repeated each time two photons are incident on the photodiode PD.

このように、第3実施形態によれば、フォトダイオードPDが入射フォトンを全て検出しつつも、センスノードSNの容量を制御することによって、光検出パルスPLSの生成頻度を制限し、カウンタ回路16のカウント値を削減することができる。よって、第3実施形態は、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。 In this way, according to the third embodiment, while the photodiode PD detects all incident photons, the capacitance of the sense node SN is controlled to limit the frequency of generating the light detection pulse PLS and reduce the count value of the counter circuit 16. Therefore, the third embodiment can obtain the same effect as the second embodiment.

第3実施形態でも、第2実施形態と同様に、キャパシタCPvの容量Cvを変更することによって、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDがn回降伏するごと(n個のフォトンを検出するごと)にカウント値を1ずつ増大させることができる。これにより、カウンタ回路16のカウント値をさらに削減することができる。 In the third embodiment, as in the second embodiment, by changing the capacitance Cv of the capacitor CPv, the counter circuit 16 can increase the count value by 1 every time the photodiode PD breaks down n times (every time n photons are detected). This allows the count value of the counter circuit 16 to be further reduced.

第3実施形態では、抵抗素子RKに代えてトランジスタTclipが用いられている。従って、トランジスタTclipのオン抵抗を低下させることによって、キャパシタCPk1、Ca、Cvの再充電時間を短縮することができる。 In the third embodiment, a transistor Tclip is used instead of the resistive element RK. Therefore, by reducing the on-resistance of the transistor Tclip, the recharging time of the capacitors CPk1, Ca, and Cv can be shortened.

(第4実施形態)
図13は、第4実施形態に係る画素Pの内部構成の一例を示すブロック図である。第4実施形態では、複数のフォトダイオードPD1、PD2、複数のキャパシタCPk1、CPk2、複数のトランジスタTclip1、Tclip2が共通のセンスノードSNと基準電圧源との間に並列に接続されている。フォトダイオードPD2およびトランジスタTclip2は、複数のフォトダイオードPD1、PD2、複数のキャパシタCPk1、CPk2、および、複数のトランジスタTclip1、Tclip2の構成は、それぞれ第3実施形態のフォトダイオードPD、キャパシタCPk1およびトランジスタTclipの構成と同じでよい。これにより、第4実施形態では、1つのカウンタ回路16が複数のフォトダイオードPD1、PD2に入射するフォトンをカウントする。第4実施形態のその他の構成は、第3実施形態の構成と同様でよい。
Fourth Embodiment
13 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel P according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, a plurality of photodiodes PD1, PD2, a plurality of capacitors CPk1, CPk2, and a plurality of transistors Tclip1, Tclip2 are connected in parallel between a common sense node SN and a reference voltage source. The photodiode PD2 and the transistor Tclip2 may have the same configurations as the photodiode PD, the capacitor CPk1, and the transistor Tclip in the third embodiment. As a result, in the fourth embodiment, one counter circuit 16 counts the photons incident on the plurality of photodiodes PD1, PD2. The other configurations of the fourth embodiment may be the same as those of the third embodiment.

次に、第4実施形態に係る光検出装置の動作を説明する。 Next, we will explain the operation of the light detection device according to the fourth embodiment.

図14および図15は、第4実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図14および図15では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。図14および図15は、低照度モードの動作を示す。図14は、片方のフォトダイオードPD1がフォトンを検出しているときの動作を示す。図15は、両方のフォトダイオードPD1、PD2がフォトンを検出しているときの動作を示す。 Figures 14 and 15 are timing diagrams showing an example of the operation of the photodetector according to the fourth embodiment. In Figures 14 and 15, the switch SW1 is in a non-conducting state, and the capacitance of the sense node SN is Ca, which is relatively small. Figures 14 and 15 show the operation in the low illuminance mode. Figure 14 shows the operation when one photodiode PD1 detects photons. Figure 15 shows the operation when both photodiodes PD1 and PD2 detect photons.

図14および図15のt1、t1aまでの動作は、基本的に第2実施形態と同様である。このとき、キャパシタCPk1、CPk2、Caは、充電された状態となっている。このような状態で、フォトダイオードPD1、PD2はフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタTclip1、Tclip2は、フォトダイオードPD1、PD2に逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。 The operations up to t1 and t1a in FIG. 14 and FIG. 15 are basically the same as those in the second embodiment. At this time, the capacitors CPk1, CPk2, and Ca are in a charged state. In this state, the photodiodes PD1 and PD2 wait for the incidence of photons. Note that the transistors Tclip1 and Tclip2 are in a non-conducting state with a reverse bias voltage applied to the photodiodes PD1 and PD2.

(PD1のみにフォトン入射)
図14に示すように、t1において、フォトダイオードPD1にフォトンが入射すると、フォトダイオードPD1がアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。このとき、トランジスタTclip1は、非導通状態となっているので、センスノードSNの電圧Vsnは低下しない。また、フォトダイオードPD2には、フォトンが入射していないので、フォトダイオードPD2のカソード電圧VK2は低下しない。
(Photons incident only on PD1)
14, when a photon is incident on the photodiode PD1 at time t1, the photodiode PD1 undergoes avalanche breakdown, and the cathode voltage VK1 drops. At this time, the transistor Tclip1 is in a non-conductive state, so the voltage Vsn of the sense node SN does not drop. Also, since no photons are incident on the photodiode PD2, the cathode voltage VK2 of the photodiode PD2 does not drop.

t2において、制御信号CLIP1、CLIP2が立ち下がると、トランジスタTclip1、Tclip2が導通状態になる。これにより、センスノードSNの電圧Vsnがカソード電圧VK1に接続されて低下する。 At t2, when the control signals CLIP1 and CLIP2 fall, the transistors Tclip1 and Tclip2 become conductive. As a result, the voltage Vsn of the sense node SN is connected to the cathode voltage VK1 and drops.

t3において、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回ると、インバータINV6によって、光検出パルスPLSが立ち上がる。 At t3, when the voltage Vsn of the sense node SN falls below the threshold Vt12, the photodetection pulse PLS rises due to the inverter INV6.

このように、電圧Vsnの立ち下がりのタイミングと光検出パルスPLSの立上りタイミングは、制御信号CLIP1、CLIP2の立下りのタイミングによって制御され得る。キャパシタCPk1の電荷はフォトダイオードPD1のカソードとセンスノードSNとの間で分配され、電圧Vsnが低下し、電圧VK1は上昇する。このとき、電圧Vsn、VK1、VK2はほぼ等しくなる。電圧Vsnは、キャパシタCPk1、CPk2の容量CK1、CK2(フォトダイオードPD1、PD2のカソードの容量)とキャパシタCPaの容量Ca(センスノードSNの容量)との比(CK1/(CK1+CK2+Ca))で決定される。 In this way, the timing of the fall of voltage Vsn and the timing of the rise of the light detection pulse PLS can be controlled by the timing of the fall of control signals CLIP1 and CLIP2. The charge of capacitor CPk1 is distributed between the cathode of photodiode PD1 and sense node SN, voltage Vsn decreases, and voltage VK1 increases. At this time, voltages Vsn, VK1, and VK2 become approximately equal. Voltage Vsn is determined by the ratio (CK1/(CK1+CK2+Ca)) of capacitances CK1 and CK2 of capacitors CPk1 and CPk2 (capacity of the cathodes of photodiodes PD1 and PD2) to capacitance Ca of capacitor CPa (capacity of sense node SN).

カウンタ回路16は、光検出パルスPLSの立上りをカウントする。 The counter circuit 16 counts the rising edges of the light detection pulse PLS.

その後のt4~t7の再充電の動作は、第3実施形態と同じでよい。 The subsequent recharging operation from t4 to t7 can be the same as in the third embodiment.

キャパシタCPk1、CPk2およびセンスノードSNの再充電後、t7において、制御信号CLIP1、CLIP2が立上り、トランジスタTclip1、Tclip2が非導通状態になる。これにより、t1以前の状態に戻る。制御信号CLIP1、CLIP2は、同期しており周期的にハイ/ロウを繰り返す。 After the capacitors CPk1 and CPk2 and the sense node SN are recharged, at t7, the control signals CLIP1 and CLIP2 rise and the transistors Tclip1 and Tclip2 become non-conductive. This returns to the state before t1. The control signals CLIP1 and CLIP2 are synchronized and periodically repeat high and low.

尚、フォトダイオードPD2のみにフォトンが入射する場合の光検出装置100の動作は、図14を参照して容易に理解できるので、その説明を省略する。 The operation of the photodetector 100 when photons are incident only on the photodiode PD2 can be easily understood by referring to FIG. 14, so a description thereof will be omitted.

(PD1およびPD2の両方にフォトン入射)
図15に示すように、t1a、t1bにおいて、フォトダイオードPD1、PD2の両方にフォトンが入射すると、フォトダイオードPD1、PD2がアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1、VK2がともに低下する。このとき、トランジスタTclip1、Tclip2は、非導通状態となっているので、センスノードSNの電圧Vsnは低下しない。
(Photons incident on both PD1 and PD2)
15, when photons are incident on both the photodiodes PD1 and PD2 at times t1a and t1b, the photodiodes PD1 and PD2 undergo avalanche breakdown, and the cathode voltages VK1 and VK2 both drop. At this time, the transistors Tclip1 and Tclip2 are in a non-conductive state, so the voltage Vsn of the sense node SN does not drop.

t2において、制御信号CLIP1、CLIP2が立ち下がると、トランジスタTclip1、Tclip2が導通状態になる。これにより、センスノードSNがキャパシタCPk1、CPk2に接続され、電圧Vsnがカソード電圧VK1、VK2によって低下する。 At t2, when the control signals CLIP1 and CLIP2 fall, the transistors Tclip1 and Tclip2 become conductive. This connects the sense node SN to the capacitors CPk1 and CPk2, and the voltage Vsn is reduced by the cathode voltages VK1 and VK2.

t3において、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回ると、インバータINV6によって、光検出パルスPLSが立ち上がる。 At t3, when the voltage Vsn of the sense node SN falls below the threshold Vt12, the photodetection pulse PLS rises due to the inverter INV6.

このように、電圧Vsnの立ち下がりのタイミングと光検出パルスPLSの立上りタイミングは、制御信号CLIP1、CLIP2の立下りのタイミングによって制御され得る。キャパシタCPk1、CPk2の電荷はセンスノードSNとの間で分配され、電圧Vsnが低下し、電圧VK1、VK2は上昇する。このとき、電圧Vsn、VK1、VK2はほぼ等しくなる。電圧Vsnは、キャパシタCPk1、CPk2の容量CK1、CK2(フォトダイオードPD1、PD2のカソードの容量)とキャパシタCPaの容量Ca(センスノードSNの容量)との比(CK1+CK2/(CK1+CK2+Ca))で決定される。 In this way, the timing of the fall of voltage Vsn and the timing of the rise of the light detection pulse PLS can be controlled by the timing of the fall of control signals CLIP1, CLIP2. The charge of capacitors CPk1, CPk2 is distributed between the sense node SN, voltage Vsn decreases, and voltages VK1, VK2 increase. At this time, voltages Vsn, VK1, VK2 become approximately equal. Voltage Vsn is determined by the ratio (CK1+CK2/(CK1+CK2+Ca)) of capacitances CK1, CK2 of capacitors CPk1, CPk2 (capacity of the cathodes of photodiodes PD1, PD2) to capacitance Ca of capacitor CPa (capacity of sense node SN).

カウンタ回路16は、光検出パルスPLSの立上りをカウントする。 The counter circuit 16 counts the rising edges of the light detection pulse PLS.

その後のt4~t7の再充電の動作は、第3実施形態と同じでよい。 The subsequent recharging operation from t4 to t7 can be the same as in the third embodiment.

キャパシタCPk1、CPk2およびセンスノードSNの再充電後、t7において、制御信号CLIP1、CLIP2が立上り、トランジスタTclip1、Tclip2が非導通状態になる。これにより、t1以前の状態に戻る。制御信号CLIP1、CLIP2は、同期しており周期的にハイ/ロウを繰り返す。 After the capacitors CPk1 and CPk2 and the sense node SN are recharged, at t7, the control signals CLIP1 and CLIP2 rise and the transistors Tclip1 and Tclip2 become non-conductive. This returns to the state before t1. The control signals CLIP1 and CLIP2 are synchronized and periodically repeat high and low.

このように、低照度モードでは、2つのフォトダイオードPD1、PD2の少なくとも一方がフォトンを検出した場合に、光検出パルスPLSが生成され、カウンタ回路16は、光検出パルスPLSをカウントする。 In this way, in the low illuminance mode, when at least one of the two photodiodes PD1 and PD2 detects a photon, a light detection pulse PLS is generated and the counter circuit 16 counts the light detection pulses PLS.

図16および図17は、第4実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図16および図17では、スイッチSW1が導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的大きく、(Ca+Cv)である。図16および図17は、高照度モードの動作を示す。図16は、片方のフォトダイオードPD1がフォトンを検出しているときの動作を示す。図17は、両方のフォトダイオードPD1、PD2がフォトンを検出しているときの動作を示す。 Figures 16 and 17 are timing diagrams showing an example of the operation of the photodetector according to the fourth embodiment. In Figures 16 and 17, the switch SW1 is in a conductive state, and the capacitance of the sense node SN is relatively large, (Ca+Cv). Figures 16 and 17 show the operation in the high illuminance mode. Figure 16 shows the operation when one photodiode PD1 detects photons. Figure 17 shows the operation when both photodiodes PD1 and PD2 detect photons.

図16および図17のt11、t11aまでの動作は、基本的に第2実施形態と同様である。このとき、キャパシタCPk1、CPk2、Caは、充電された状態となっている。このような状態で、フォトダイオードPD1、PD2はフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタTclip1、Tclip2は、フォトダイオードPD1、PD2に逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。 The operations up to t11 and t11a in FIG. 16 and FIG. 17 are basically the same as those in the second embodiment. At this time, the capacitors CPk1, CPk2, and Ca are in a charged state. In this state, the photodiodes PD1 and PD2 wait for the incidence of photons. Note that the transistors Tclip1 and Tclip2 are in a non-conducting state with a reverse bias voltage applied to the photodiodes PD1 and PD2.

(PD1のみにフォトン入射)
図16に示すように、t11において、フォトダイオードPD1にフォトンが入射すると、フォトダイオードPD1がアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。このとき、トランジスタTclip1は、非導通状態となっているので、センスノードSNの電圧Vsnは低下しない。また、フォトダイオードPD2には、フォトンが入射していないので、フォトダイオードPD2のカソード電圧VK2は低下しない。
(Photons incident only on PD1)
16, when a photon is incident on the photodiode PD1 at time t11, the photodiode PD1 undergoes avalanche breakdown, and the cathode voltage VK1 drops. At this time, the transistor Tclip1 is in a non-conductive state, so the voltage Vsn of the sense node SN does not drop. Also, since no photons are incident on the photodiode PD2, the cathode voltage VK2 of the photodiode PD2 does not drop.

t12において、制御信号CLIP1、CLIP2が立ち下がると、トランジスタTclip1、Tclip2が導通状態になる。これにより、センスノードSNの電圧Vsnがカソード電圧VK1に接続されて低下する。t13において、キャパシタCPk1に蓄積されていた電荷の一部がキャパシタCPa、CPvおよびCPk2に移動し、電圧VK1、VK2とセンスノードSNの電圧Vsnは、ほぼ等しくなる。 At t12, when the control signals CLIP1 and CLIP2 fall, the transistors Tclip1 and Tclip2 become conductive. This causes the voltage Vsn of the sense node SN to be connected to the cathode voltage VK1 and to drop. At t13, some of the charge stored in the capacitor CPk1 moves to the capacitors CPa, CPv, and CPk2, and the voltages VK1 and VK2 and the voltage Vsn of the sense node SN become approximately equal.

ここで、スイッチSW1が導通状態であるので、第2実施形態と同様に、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回らないように、キャパシタCPa、CPvの容量Ca、Cvを設定すれば、光検出パルスPLSは、1回目のフォトダイオードPDのアバランシェ降伏では生成されない。即ち、カウンタ回路16は、1個のフォトンがフォトダイオードPDに入射してもカウントしない。 Since the switch SW1 is in a conductive state, if the capacitances Ca and Cv of the capacitors CPa and CPv are set so that the voltage Vsn of the sense node SN does not fall below the threshold value Vt12, as in the second embodiment, the light detection pulse PLS is not generated by the first avalanche breakdown of the photodiode PD. In other words, the counter circuit 16 does not count even if one photon is incident on the photodiode PD.

光検出パルスPLSが生成されないので、トランジスタTrchは非導通状態のままとなり、キャパシタCPk1の電圧CK1およびセンスノードSNの電圧Vsnはリセットされない。 Since the light detection pulse PLS is not generated, the transistor Trch remains non-conductive, and the voltage CK1 of the capacitor CPk1 and the voltage Vsn of the sense node SN are not reset.

次に、t14において、制御信号CLIPを立ち上げてトランジスタTclipを非導通状態にする。これにより、光検出装置100は、t11以前の状態に戻る。制御信号CLIP1、CLIP2は、同期しており周期的にハイ/ロウを繰り返す。 Next, at t14, the control signal CLIP is raised to put the transistor Tclip into a non-conductive state. This causes the photodetector 100 to return to the state it was in before t11. The control signals CLIP1 and CLIP2 are synchronized and periodically repeat high/low states.

(PD1およびPD2の両方にフォトン入射)
図17に示すように、t11a、t11bにおいて、フォトダイオードPD1、PD2の両方にフォトンが入射すると、フォトダイオードPD1、PD2がアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1、VK2がともに低下する。このとき、トランジスタTclip1、Tclip2は、非導通状態となっているので、センスノードSNの電圧Vsnは低下しない。
(Photons incident on both PD1 and PD2)
17, when photons are incident on both the photodiodes PD1 and PD2 at times t11a and t11b, the photodiodes PD1 and PD2 undergo avalanche breakdown, and the cathode voltages VK1 and VK2 both fall. At this time, the transistors Tclip1 and Tclip2 are in a non-conductive state, so the voltage Vsn of the sense node SN does not fall.

t12において、制御信号CLIP1、CLIP2が立ち下がると、トランジスタTclip1、Tclip2が導通状態になる。これにより、センスノードSNがキャパシタCPk1、CPk2に接続され、電圧Vsnがカソード電圧VK1、VK2によって低下する。 At t12, when the control signals CLIP1 and CLIP2 fall, the transistors Tclip1 and Tclip2 become conductive. This connects the sense node SN to the capacitors CPk1 and CPk2, and the voltage Vsn decreases due to the cathode voltages VK1 and VK2.

t13において、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回ると、インバータINV6によって、光検出パルスPLSが立ち上がる。 At t13, when the voltage Vsn of the sense node SN falls below the threshold Vt12, the photodetection pulse PLS rises due to the inverter INV6.

このように、電圧Vsnの立ち下がりのタイミングと光検出パルスPLSの立上りタイミングは、制御信号CLIP1、CLIP2の立下りのタイミングによって制御され得る。キャパシタCPk1、CPk2の電荷はセンスノードSNとの間で分配され、電圧Vsnが低下し、電圧VK1、VK2は上昇する。このとき、電圧Vsn、VK1、VK2はほぼ等しくなる。電圧Vsnは、キャパシタCPk1、CPk2の容量CK1、CK2(フォトダイオードPD1、PD2のカソードの容量)とキャパシタCPaの容量Ca(センスノードSNの容量)との比(CK1+CK2/(CK1+CK2+Ca))で決定される。 In this way, the timing of the fall of voltage Vsn and the timing of the rise of the light detection pulse PLS can be controlled by the timing of the fall of control signals CLIP1, CLIP2. The charge of capacitors CPk1, CPk2 is distributed between the sense node SN, voltage Vsn decreases, and voltages VK1, VK2 increase. At this time, voltages Vsn, VK1, VK2 become approximately equal. Voltage Vsn is determined by the ratio (CK1+CK2/(CK1+CK2+Ca)) of capacitances CK1, CK2 of capacitors CPk1, CPk2 (capacity of the cathodes of photodiodes PD1, PD2) to capacitance Ca of capacitor CPa (capacity of sense node SN).

カウンタ回路16は、光検出パルスPLSの立上りをカウントする。 The counter circuit 16 counts the rising edges of the light detection pulse PLS.

その後のt14~t17の再充電の動作は、図15のt4~t7の動作と同じでよい。 The subsequent recharging operations from t14 to t17 can be the same as those from t4 to t7 in Figure 15.

キャパシタCPk1、CPk2およびセンスノードSNの再充電後、t17において、制御信号CLIP1、CLIP2が立上り、トランジスタTclip1、Tclip2が非導通状態になる。これにより、t11以前の状態に戻る。制御信号CLIP1、CLIP2は、同期しており周期的にハイ/ロウを繰り返す。 After the capacitors CPk1 and CPk2 and the sense node SN are recharged, at t17, the control signals CLIP1 and CLIP2 rise, and the transistors Tclip1 and Tclip2 become non-conductive. This returns to the state before t11. The control signals CLIP1 and CLIP2 are synchronized and periodically repeat high and low.

このように、高照度モードでは、2つのフォトダイオードPD1、PD2の一方のみがフォトンを検出しても、光検出パルスPLSが生成されず、カウンタ回路16は、カウント値を上げない。一方、2つのフォトダイオードPD1、PD2の両方がフォトンを検出したときに、光検出パルスPLSが生成され、カウンタ回路16は、光検出パルスPLSをカウントする。 In this way, in the high illuminance mode, even if only one of the two photodiodes PD1 and PD2 detects a photon, a light detection pulse PLS is not generated and the counter circuit 16 does not increase the count value. On the other hand, when both of the two photodiodes PD1 and PD2 detect a photon, a light detection pulse PLS is generated and the counter circuit 16 counts the light detection pulses PLS.

このように、第4実施形態は、2つのフォトダイオードPD1、PD2の両方がフォトンを検出したときに、カウンタ回路16はカウント値を1増大させるので、カウンタ回路16のカウント値を削減することができる。即ち、フォトダイオードPD1、PD2は計2つのフォトンを検出したときに、カウンタ回路16はカウント値を1だけ増加させる。これにより、第4実施形態は、第3実施形態と同様の効果を得ることができる。 In this way, in the fourth embodiment, when both of the two photodiodes PD1 and PD2 detect a photon, the counter circuit 16 increases the count value by 1, so that the count value of the counter circuit 16 can be reduced. In other words, when the photodiodes PD1 and PD2 detect a total of two photons, the counter circuit 16 increases the count value by 1. As a result, the fourth embodiment can obtain the same effect as the third embodiment.

1つのカウンタ回路16(1つのセンスノードSN)に並列に接続するフォトダイオードPDの個数をnとすると、カウンタ回路16は、高照度モードにおいて、n個のフォトダイオードPDが降伏するごと(n個のフォトンを検出するごと)にカウント値を1ずつ増大させることができる。これにより、カウンタ回路16のカウント値をさらに削減することができる。 If the number of photodiodes PD connected in parallel to one counter circuit 16 (one sense node SN) is n, the counter circuit 16 can increase the count value by 1 each time n photodiodes PD break down (each time n photons are detected) in the high illuminance mode. This allows the count value of the counter circuit 16 to be further reduced.

カウンタ回路16が2つフォトダイオードPD1、PD2のいずれかを用いて1フォトンの検出に対して1カウントするためには、式10および式11を満たすようにCa、Ck1、Ck2を設定する。カウンタ回路16が2つフォトダイオードPD1、PD2の両方が1フォトンずつ検出したときに1カウントするためには、式12~式14を満たすようにCa、Ck1、Ck2を設定する。尚、Vthは、インバータINV6の閾値電圧である。ΔVK1は、フォトダイオードPD1の降伏前後のカソード電圧VK1の変化量である。ΔVK2は、フォトダイオードPD2の降伏前後のカソード電圧VK2の変化量である。
Ca<Ck1(ΔVk1―Vth)/Vth (式10)
Ca<Ck2(ΔVk2―Vth)/Vth (式11)
Ca+Cv>Ck1(ΔVk1―Vth)/Vth (式12)
Ca+Cv>Ck2(ΔVk2―Vth)/Vth (式13)
Ca+Cv<Ck1(ΔVk1―Vth)/Vth+Ck2(ΔVk2―Vth)/Vth (式14)
In order for the counter circuit 16 to count one for each detection of one photon using either of the two photodiodes PD1 and PD2, Ca, Ck1, and Ck2 are set to satisfy formulas 10 and 11. In order for the counter circuit 16 to count one when both of the two photodiodes PD1 and PD2 detect one photon each, Ca, Ck1, and Ck2 are set to satisfy formulas 12 to 14. Note that Vth is the threshold voltage of the inverter INV6. ΔVK1 is the amount of change in the cathode voltage VK1 before and after the breakdown of the photodiode PD1. ΔVK2 is the amount of change in the cathode voltage VK2 before and after the breakdown of the photodiode PD2.
Ca<Ck1(ΔVk1−Vth)/Vth (Equation 10)
Ca<Ck2(ΔVk2−Vth)/Vth (Equation 11)
Ca+Cv>Ck1(ΔVk1−Vth)/Vth (Equation 12)
Ca+Cv>Ck2(ΔVk2−Vth)/Vth (Equation 13)
Ca+Cv<Ck1(ΔVk1−Vth)/Vth+Ck2(ΔVk2−Vth)/Vth (Equation 14)

第4実施形態のその他の構成は、第3実施形態と同様でよい。よって、第4実施形態は、第3実施形態と同様の効果を得ることができる。 The rest of the configuration of the fourth embodiment may be the same as that of the third embodiment. Therefore, the fourth embodiment can achieve the same effects as the third embodiment.

(第5実施形態)
図18は、第5実施形態に係る画素Pの内部構成の一例を示すブロック図である。第5実施形態では、トランジスタTrchおよびスイッチSW1が画素Pの外部の垂直選択回路30または制御回路70によって制御されている。よって、低照度モードと高照度モードとの切り替え、および、キャパシタCPk1、Ca(およびCv)の充電のタイミングは、外部からの制御信号XRCGおよびXSWによって制御される。第5実施形態のその他の構成は、第2実施形態の構成と同様でよい。
Fifth Embodiment
18 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel P according to the fifth embodiment. In the fifth embodiment, the transistor Trch and the switch SW1 are controlled by a vertical selection circuit 30 or a control circuit 70 outside the pixel P. Therefore, switching between the low illuminance mode and the high illuminance mode, and the timing of charging the capacitors CPk1, Ca (and Cv) are controlled by external control signals XRCG and XSW. The other configurations of the fifth embodiment may be similar to those of the second embodiment.

第5実施形態では、光検出パルスPLSに依らず、キャパシタCPk1、Ca(およびCv)の充電のタイミングを任意に設定可能である。即ち、キャパシタCPk1、Ca(およびCv)の充電周期を任意に設定可能である。光検出装置100は、任意に設定されたキャパシタCPk1、Caの充電周期の間に、所定数n個のフォトンがフォトダイオードPDに入射したことを検出することができる。 In the fifth embodiment, the timing of charging the capacitors CPk1, Ca (and Cv) can be set arbitrarily, regardless of the light detection pulse PLS. In other words, the charging period of the capacitors CPk1, Ca (and Cv) can be set arbitrarily. The light detection device 100 can detect that a predetermined number n of photons are incident on the photodiode PD during the arbitrarily set charging period of the capacitors CPk1, Ca.

例えば、低照度モードでは、上記充電周期を長く設定することにより感度を高め、高照度モードでは、上記充電周期を短く設定し飽和を抑制する。さらに、所定数n個のフォトンがフォトダイオードPDに入射したときに、カウンタ回路16がカウント値を1だけ増大させることができる。これにより、光検出装置100は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、SNRを向上させることができる。第5実施形態のその他の動作は、第2実施形態と同様でよい。 For example, in low illuminance mode, the charging period is set long to increase sensitivity, and in high illuminance mode, the charging period is set short to suppress saturation. Furthermore, when a predetermined number n of photons are incident on the photodiode PD, the counter circuit 16 can increase the count value by 1. This allows the photodetector 100 to expand the dynamic range and improve the SNR while suppressing an increase in the count value. Other operations of the fifth embodiment may be similar to those of the second embodiment.

図19は、第5実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図19では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。図19は、低照度モードの動作を示す。 Figure 19 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector according to the fifth embodiment. In Figure 19, the switch SW1 is in a non-conducting state, and the capacitance of the sense node SN is Ca, which is relatively small. Figure 19 shows the operation in the low illuminance mode.

第5実施形態では、垂直選択回路30が制御信号XRCGを周期CLKで立ち下げ、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、Caを周期CLKで充電する。 In the fifth embodiment, the vertical selection circuit 30 causes the control signal XRCG to fall with a period CLK, and charges the capacitors CPk1 and Ca via the transistors Trch with a period CLK.

キャパシタCPk1、Caの充電と次の充電との間のt1において、フォトンがフォトダイオードPDに入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1およびセンスノードSNの電圧Vsnが低下する。このとき、t1~t5の画素Pの動作は、第2実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスPLSは、トランジスタTrchのゲートへはフィードバックされない。 When a photon is incident on the photodiode PD at t1 between the charging of the capacitors CPk1 and Ca and the next charging, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, causing the cathode voltage VK1 and the voltage Vsn of the sense node SN to decrease. At this time, the operation of the pixel P from t1 to t5 may be the same as that of the second embodiment. However, the light detection pulse PLS is not fed back to the gate of the transistor Trch.

これにより、カウンタ回路16は、周期CLKの期間内に、1つのフォトンがフォトダイオードPDに入射すると、カウント値を1だけ増大させる。即ち、カウンタ回路16は、周期CLKごとに、フォトダイオードPDに入射するフォトン検出することができる。 As a result, when one photon is incident on the photodiode PD within the period of the cycle CLK, the counter circuit 16 increases the count value by 1. In other words, the counter circuit 16 can detect photons that are incident on the photodiode PD for each cycle CLK.

図20は、第5実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図20では、スイッチSW1が導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的大きく、(Ca+Cv)である。図20は、高照度モードの動作において、1つのフォトンがフォトダイオードPDに入射した場合を示す。 Figure 20 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector according to the fifth embodiment. In Figure 20, the switch SW1 is in a conductive state, and the capacitance of the sense node SN is relatively large, (Ca + Cv). Figure 20 shows the case where one photon is incident on the photodiode PD during operation in high illuminance mode.

t11~t12の画素Pの動作は、第2実施形態のそれと同じでよい。t11において、フォトダイオードPDにフォトンが入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。しかし、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回らないので、光検出パルスPLSが生成されない。よって、カウンタ回路16は、1個のフォトンがフォトダイオードPDに入射してもカウントしない。 The operation of pixel P from t11 to t12 may be the same as that of the second embodiment. When a photon is incident on the photodiode PD at t11, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, and the cathode voltage VK1 drops. However, since the voltage Vsn of the sense node SN does not fall below the threshold Vt12, the light detection pulse PLS is not generated. Therefore, the counter circuit 16 does not count even if one photon is incident on the photodiode PD.

2つ目のフォトンが入射しない場合、t15~t17において、次の充電動作で制御信号XRCGが立下り、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、Caを再充電する。これにより、t11の状態にリセットされる。 If the second photon does not enter, the control signal XRCG falls in the next charging operation from t15 to t17, and the capacitors CPk1 and Ca are recharged via the transistor Trch. This resets them to the state of t11.

高照度モードにおいて、周期CLKの期間内に2つのフォトンが入射した場合、第5実施形態の動作は、図9に示す第2実施形態の動作と同じでよい。よって、第5実施形態は、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第5実施形態では、低照度モードでは、充電周期CLKを長く設定することにより感度を高め、高照度モードでは、充電周期CLKを短く設定し飽和を抑制することができる。これにより、光検出装置100は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、SNRを向上させることができる。 In the high-illuminance mode, when two photons are incident within the period of the cycle CLK, the operation of the fifth embodiment may be the same as that of the second embodiment shown in FIG. 9. Therefore, the fifth embodiment can obtain the same effect as the second embodiment. Also, in the fifth embodiment, in the low-illuminance mode, the charging cycle CLK is set long to increase sensitivity, and in the high-illuminance mode, the charging cycle CLK is set short to suppress saturation. This allows the photodetector 100 to expand the dynamic range and improve the SNR while suppressing an increase in the count value.

図21は、第5実施形態における充電周期CLK1、CLK2を示す概念図である。第5実施形態において、フォトダイオードPDの1回の露光期間に、複数の充電周期CLK1、CLK2が含まれていてもよい。例えば、充電周期CLK1は、充電周期CLK2よりも短周期であり、複数のフォトンを検出したときにカウント値を増加させる高照度モードに適している。一方、充電周期CLK2は、充電周期CLK1よりも長周期であり、1フォトンを検出したときにカウント値を増加させる低照度モードに適している。これにより、光検出装置100は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、SNRを向上させることができる。 Figure 21 is a conceptual diagram showing charging periods CLK1 and CLK2 in the fifth embodiment. In the fifth embodiment, a single exposure period of the photodiode PD may include multiple charging periods CLK1 and CLK2. For example, charging period CLK1 is shorter than charging period CLK2 and is suitable for a high-illuminance mode in which the count value is increased when multiple photons are detected. On the other hand, charging period CLK2 is longer than charging period CLK1 and is suitable for a low-illuminance mode in which the count value is increased when one photon is detected. This allows the photodetector 100 to expand the dynamic range and improve the SNR while suppressing an increase in the count value.

図22は、フォトン入射レートとカウント値との関係を示すグラフである。充電周期CLK1は、高照度モードにおいて用いられ、複数のフォトンを検出したときにカウント値を増加させる。また、高照度モードでは、スイッチSW1が導通状態となっている。充電周期CLK2は、低照度モードにおいて用いられ、1フォトンを検出したときにカウント値を増加させる。また、低照度モードでは、スイッチSW1が導通状態となっている。従って、フォトン入射レートが小さいときには、充電周期CLK2が用いられ、フォトン入射レートが大きくなると、充電周期CLK1が用いられる。 Figure 22 is a graph showing the relationship between the photon incidence rate and the count value. The charging cycle CLK1 is used in the high illuminance mode, and the count value is increased when multiple photons are detected. In the high illuminance mode, the switch SW1 is in a conductive state. The charging cycle CLK2 is used in the low illuminance mode, and the count value is increased when one photon is detected. In the low illuminance mode, the switch SW1 is in a conductive state. Therefore, when the photon incidence rate is small, the charging cycle CLK2 is used, and when the photon incidence rate is large, the charging cycle CLK1 is used.

総カウント値TTLは、充電周期CLK1のカウント値と充電周期CLK2のカウント値との和である。 The total count value TTL is the sum of the count value of charging period CLK1 and the count value of charging period CLK2.

低照度モードでは、カウンタ回路16は、充電周期CLK2が適用され、かつ、スイッチSW1が非導通状態であるので、1つのフォトンごとにカウント値を増加させる。従って、低照度モードにおけるSNRを高くすることができる。一方、高照度モードでは、カウンタ回路16は、充電周期CLK1が適用され、かつ、スイッチSW1が導通状態であるので、複数のフォトンごとにカウント値を増加させる。従って、総カウント値TTLを低く抑えることができる。これは、高照度モードでのカウント値の飽和を抑制しダイナミックレンジの増大につながる。 In the low-illuminance mode, the counter circuit 16 applies a charging cycle CLK2 and the switch SW1 is in a non-conducting state, so that the counter circuit 16 increases the count value for each photon. This makes it possible to increase the SNR in the low-illuminance mode. On the other hand, in the high-illuminance mode, the counter circuit 16 applies a charging cycle CLK1 and the switch SW1 is in a conducting state, so that the counter circuit 16 increases the count value for each set of photons. This makes it possible to keep the total count value TTL low. This suppresses saturation of the count value in the high-illuminance mode, leading to an increase in the dynamic range.

図23は、フォトン入射レートとSNRとの関係を示すグラフである。尚、SNRは、N/N1/2に比例する。Nは、フォトダイオードPDで検出されたフォトン数である。 23 is a graph showing the relationship between the photon incidence rate and the SNR. The SNR is proportional to N/N 1/2 , where N is the number of photons detected by the photodiode PD.

低照度モードにおいて、カウンタ回路16は、1フォトンごとにカウント値を増加させる。高照度モードにおいて、カウンタ回路16は、複数のフォトンごとにカウント値を増加させる。これにより、カウンタ回路16は、複数のフォトンごとにカウント値を増加させることによって、多くのフォトンを正確にカウントすることができる。従って、SNRは、高照度モードであっても高く維持することができる。 In the low-illuminance mode, the counter circuit 16 increases the count value for each photon. In the high-illuminance mode, the counter circuit 16 increases the count value for each set of photons. This allows the counter circuit 16 to accurately count many photons by increasing the count value for each set of photons. Therefore, the SNR can be maintained high even in the high-illuminance mode.

(第6実施形態)
図24は、第6実施形態に係る画素Pの内部構成の一例を示すブロック図である。第6実施形態では、トランジスタTrchおよびスイッチSW1が画素Pの外部の垂直選択回路30または制御回路70によって制御されている。よって、低照度モードと高照度モードとの切り替え、および、キャパシタCPk1、Ca(およびCv)の充電のタイミングは、カウンタ回路16およびカウント制御回路14の外部からの制御信号XRCGおよびXSWによって制御される。第6実施形態のその他の構成は、第3実施形態の構成と同様でよい。即ち、第6実施形態は、第3実施形態と第5実施形態との組み合わせである。従って、第6実施形態は、第3および第5実施形態と同様の効果を得ることができる。
Sixth Embodiment
FIG. 24 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel P according to the sixth embodiment. In the sixth embodiment, the transistor Trch and the switch SW1 are controlled by the vertical selection circuit 30 or the control circuit 70 outside the pixel P. Therefore, the switching between the low illuminance mode and the high illuminance mode, and the timing of charging the capacitors CPk1, Ca (and Cv) are controlled by the control signals XRCG and XSW from the outside of the counter circuit 16 and the count control circuit 14. The other configurations of the sixth embodiment may be the same as those of the third embodiment. That is, the sixth embodiment is a combination of the third embodiment and the fifth embodiment. Therefore, the sixth embodiment can obtain the same effects as those of the third and fifth embodiments.

図25は、第6実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図25では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。図25は、低照度モードの動作を示す。 Figure 25 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector according to the sixth embodiment. In Figure 25, the switch SW1 is in a non-conducting state, and the capacitance of the sense node SN is Ca, which is relatively small. Figure 25 shows the operation in the low illuminance mode.

第6実施形態では、垂直選択回路30が制御信号XRCGを周期CLKで立ち下げ、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、Caを充電する。 In the sixth embodiment, the vertical selection circuit 30 causes the control signal XRCG to fall with a period CLK, and charges the capacitors CPk1 and Ca via the transistors Trch.

キャパシタCPk1、Caの充電と次の充電との間のt1において、フォトンがフォトダイオードPDに入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。このとき、制御信号CLIPが立上っているので、トランジスタTclipは非導通状態であり、センスノードSNの電圧Vsnは充電状態で維持されている。 When a photon is incident on the photodiode PD at t1 between the charging of the capacitors CPk1 and Ca and the next charging, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown and the cathode voltage VK1 drops. At this time, the control signal CLIP is rising, so the transistor Tclip is in a non-conductive state and the voltage Vsn of the sense node SN is maintained in a charged state.

信号CLIPが立ち下がった後、t2~t7の画素Pの動作は、第3実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスPLSは、トランジスタTrchのゲートへはフィードバックされない。t4において、制御信号XRCGが周期的に立ち下がると、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、Caが再充電される。 After the signal CLIP falls, the operation of pixel P from t2 to t7 may be the same as that in the third embodiment. However, the light detection pulse PLS is not fed back to the gate of transistor Trch. At t4, when the control signal XRCG falls periodically, capacitors CPk1 and Ca are recharged via transistor Trch.

これにより、カウンタ回路16は、周期CLKの期間内に、1つのフォトンがフォトダイオードPDに入射すると、カウント値を1だけ増大させる。即ち、カウンタ回路16は、周期CLKごとに、フォトダイオードPDに入射するフォトンを検出することができる。 As a result, when one photon is incident on the photodiode PD within the period of the cycle CLK, the counter circuit 16 increases the count value by 1. In other words, the counter circuit 16 can detect photons that are incident on the photodiode PD for each cycle CLK.

図26は、第6実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図26では、スイッチSW1が導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的大きい(Ca+Cv)である。図26は、高照度モードの動作において、1つのフォトンがフォトダイオードPDに入射した場合を示す。 Figure 26 is a timing diagram showing an example of the operation of the photodetector according to the sixth embodiment. In Figure 26, the switch SW1 is in a conductive state, and the capacitance of the sense node SN is relatively large (Ca+Cv). Figure 26 shows a case in which one photon is incident on the photodiode PD during operation in high illuminance mode.

t11~t14の画素Pの動作は、第3実施形態のそれと同じでよい。t11において、フォトダイオードPDにフォトンが入射すると、フォトダイオードPDがアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。しかし、制御信号CLIPが立下がって、トランジスタTclipが導通状態になっても、センスノードSNの電圧Vsnが閾値Vt12を下回らないので、光検出パルスPLSが生成されない。よって、カウンタ回路16は、1個のフォトンがフォトダイオードPDに入射してもカウントしない。 The operation of pixel P from t11 to t14 may be the same as that of the third embodiment. When a photon is incident on the photodiode PD at t11, the photodiode PD undergoes avalanche breakdown, and the cathode voltage VK1 drops. However, even if the control signal CLIP falls and the transistor Tclip becomes conductive, the voltage Vsn of the sense node SN does not fall below the threshold Vt12, so the light detection pulse PLS is not generated. Therefore, the counter circuit 16 does not count even if one photon is incident on the photodiode PD.

2つ目のフォトンが入射しない場合、t16において、制御信号CLIPが立ち下がるが、電圧Vsnはほぼ変わらない。t18~t20において、次の充電動作で制御信号XRCGが立下り、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、Ca、Cvを再充電する。t12において、制御信号CLIPを立ち上げる。これにより、t11の状態にリセットされる。 If the second photon is not incident, at t16, the control signal CLIP falls, but the voltage Vsn remains almost unchanged. From t18 to t20, the control signal XRCG falls in the next charging operation, recharging the capacitors CPk1, Ca, and Cv via the transistor Trch. At t12, the control signal CLIP rises. This resets the state to that of t11.

高照度モードにおいて、周期CLKの期間内に2つのフォトンが入射した場合、第6実施形態の動作は、図12に示す第3実施形態の動作と同じでよい。よって、第6実施形態は、第3実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第6実施形態では、低照度モードでは、充電周期CLKを長く設定することにより感度を高め、高照度モードでは、充電周期CLKを短く設定し飽和を抑制することができる。これにより、光検出装置100は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、SNRを向上させることができる。 In the high-illuminance mode, when two photons are incident within the period of the cycle CLK, the operation of the sixth embodiment may be the same as that of the third embodiment shown in FIG. 12. Therefore, the sixth embodiment can obtain the same effect as the third embodiment. Also, in the sixth embodiment, in the low-illuminance mode, the charging cycle CLK is set long to increase sensitivity, and in the high-illuminance mode, the charging cycle CLK is set short to suppress saturation. This allows the photodetector 100 to expand the dynamic range and improve the SNR while suppressing an increase in the count value.

(第7実施形態)
図27は、第7実施形態に係る画素Pの内部構成の一例を示すブロック図である。第7実施形態では、トランジスタTrchおよびスイッチSW1が画素Pの外部の垂直選択回路30または制御回路70によって制御されている。よって、低照度モードと高照度モードとの切り替え、および、キャパシタCPk1、Ca(およびCv)の充電のタイミングは、外部からの制御信号XRCGおよびXSWによって制御される。第7実施形態のその他の構成は、第4実施形態の構成と同様でよい。即ち、第7実施形態は、第4実施形態と第5実施形態との組み合わせである。従って、第7実施形態は、第4および第5実施形態と同様の効果を得ることができる。
Seventh Embodiment
FIG. 27 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel P according to the seventh embodiment. In the seventh embodiment, the transistor Trch and the switch SW1 are controlled by a vertical selection circuit 30 or a control circuit 70 outside the pixel P. Therefore, the switching between the low illuminance mode and the high illuminance mode, and the timing of charging the capacitors CPk1, Ca (and Cv) are controlled by control signals XRCG and XSW from the outside. The other configurations of the seventh embodiment may be similar to those of the fourth embodiment. That is, the seventh embodiment is a combination of the fourth and fifth embodiments. Therefore, the seventh embodiment can obtain the same effects as those of the fourth and fifth embodiments.

図28および図29は、第7実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図28および図29では、スイッチSW1が非導通状態であり、センスノードSNの容量が比較的小さいCaである。図28および図29は、低照度モードの動作を示す。図28は、片方のフォトダイオードPD1がフォトンを検出しているときの動作を示す。図29は、両方のフォトダイオードPD1、PD2がフォトンを検出しているときの動作を示す。 Figures 28 and 29 are timing diagrams showing an example of the operation of the photodetector according to the seventh embodiment. In Figures 28 and 29, the switch SW1 is in a non-conducting state, and the capacitance of the sense node SN is a relatively small value Ca. Figures 28 and 29 show the operation in the low illuminance mode. Figure 28 shows the operation when one photodiode PD1 detects photons. Figure 29 shows the operation when both photodiodes PD1 and PD2 detect photons.

図28および図29のt1、t1aまでの動作は、基本的に第2実施形態と同様である。このとき、キャパシタCPk1、CPk2、Caは、充電された状態となっている。このような状態で、フォトダイオードPD1、PD2はフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタTclip1、Tclip2は、フォトダイオードPD1、PD2に逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。 The operations up to t1 and t1a in Figures 28 and 29 are basically the same as those in the second embodiment. At this time, the capacitors CPk1, CPk2, and Ca are in a charged state. In this state, the photodiodes PD1 and PD2 wait for the incidence of photons. Note that the transistors Tclip1 and Tclip2 are in a non-conducting state with a reverse bias voltage applied to the photodiodes PD1 and PD2.

(PD1のみにフォトン入射)
図28に示すように、第7実施形態では、垂直選択回路30が制御信号XRCGを周期CLKで立ち下げて、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、CPk2、Caを充電する。
(Photons incident only on PD1)
As shown in FIG. 28, in the seventh embodiment, the vertical selection circuit 30 causes the control signal XRCG to fall with a period CLK to charge the capacitors CPk1, CPk2, and Ca via the transistors Trch.

キャパシタCPk1、CPk2、Caの充電と次の充電との間のt1において、フォトンがフォトダイオードPD1に入射すると、フォトダイオードPD1がアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。このとき、制御信号CLIP1が立上っているので、トランジスタTclip1は非導通状態であり、センスノードSNの電圧Vsnは充電状態で維持されている。 When a photon is incident on the photodiode PD1 at t1 between the charging of the capacitors CPk1, CPk2, and Ca and the next charging, the photodiode PD1 undergoes avalanche breakdown and the cathode voltage VK1 drops. At this time, the control signal CLIP1 is rising, so the transistor Tclip1 is in a non-conductive state and the voltage Vsn of the sense node SN is maintained in a charged state.

信号CLIP1、CLIP2が立ち下がった後、t2~t7の画素Pの動作は、第4実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスPLSは、トランジスタTrchのゲートへはフィードバックされない。t4において、制御信号XRCGが周期的に立ち下がると、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、CPk2、Caが再充電される。 After the signals CLIP1 and CLIP2 fall, the operation of pixel P from t2 to t7 may be the same as that of the fourth embodiment. However, the light detection pulse PLS is not fed back to the gate of transistor Trch. At t4, when the control signal XRCG falls periodically, capacitors CPk1, CPk2, and Ca are recharged via transistor Trch.

これにより、カウンタ回路16は、周期CLKの期間内に、1つのフォトンがフォトダイオードPD1に入射すると、カウント値を1だけ増大させる。即ち、カウンタ回路16は、周期CLKごとに、フォトダイオードPDに入射するフォトン検出することができる。 As a result, when one photon is incident on the photodiode PD1 within the period of the cycle CLK, the counter circuit 16 increases the count value by 1. In other words, the counter circuit 16 can detect photons that are incident on the photodiode PD for each cycle CLK.

尚、フォトダイオードPD2のみにフォトンが入射する場合の光検出装置100の動作は、図14を参照して容易に理解できるので、その説明を省略する。 The operation of the photodetector 100 when photons are incident only on the photodiode PD2 can be easily understood by referring to FIG. 14, so a description thereof will be omitted.

(PD1およびPD2の両方にフォトン入射)
図29に示すように、t1a、t1bにおいて、フォトダイオードPD1、PD2の両方にフォトンが入射すると、フォトダイオードPD1、PD2がアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1、VK2がともに低下する。このとき、トランジスタTclip1、Tclip2は、非導通状態となっているので、センスノードSNの電圧Vsnは低下しない。
(Photons incident on both PD1 and PD2)
29, when photons are incident on both the photodiodes PD1 and PD2 at times t1a and t1b, the photodiodes PD1 and PD2 undergo avalanche breakdown, and the cathode voltages VK1 and VK2 both drop. At this time, the transistors Tclip1 and Tclip2 are in a non-conductive state, so the voltage Vsn of the sense node SN does not drop.

信号CLIP1、CLIP2が立ち下がった後、t2~t7の画素Pの動作は、第4実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスPLSは、トランジスタTrchのゲートへはフィードバックされない。t4において、制御信号XRCGが周期的に立ち下がると、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、CPk2、Caが再充電される。 After the signals CLIP1 and CLIP2 fall, the operation of pixel P from t2 to t7 may be the same as that of the fourth embodiment. However, the light detection pulse PLS is not fed back to the gate of transistor Trch. At t4, when the control signal XRCG falls periodically, capacitors CPk1, CPk2, and Ca are recharged via transistor Trch.

これにより、カウンタ回路16は、周期CLKの期間内に、フォトンがフォトダイオードPD1、PD2のそれぞれに入射すると、カウント値を1だけ増大させる。即ち、カウンタ回路16は、周期CLKごとに、フォトダイオードPD1、PD2に入射する2つのフォトンを検出することができる。 As a result, when a photon is incident on each of the photodiodes PD1 and PD2 within the period of the cycle CLK, the counter circuit 16 increases the count value by 1. In other words, the counter circuit 16 can detect two photons that are incident on the photodiodes PD1 and PD2 for each cycle CLK.

図30および図31は、第7実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図30および図31では、スイッチSW1が導通状態であり、センスノードSNの容量が(Ca+Cv)と比較的大きい。図30および図31は、高照度モードの動作を示す。図30は、片方のフォトダイオードPD1がフォトンを検出しているときの動作を示す。図31は、両方のフォトダイオードPD1、PD2がフォトンを検出しているときの動作を示す。 Figures 30 and 31 are timing diagrams showing an example of the operation of the photodetector according to the seventh embodiment. In Figures 30 and 31, the switch SW1 is in a conductive state, and the capacitance of the sense node SN is relatively large at (Ca+Cv). Figures 30 and 31 show the operation in the high illuminance mode. Figure 30 shows the operation when one photodiode PD1 is detecting photons. Figure 31 shows the operation when both photodiodes PD1 and PD2 are detecting photons.

図30および図31のt11までの動作は、基本的に第2実施形態と同様である。このとき、キャパシタCPk1、CPk2、Caは、充電された状態となっている。このような状態で、フォトダイオードPD1、PD2はフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタTclip1、Tclip2は、フォトダイオードPD1、PD2に逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。 The operation up to t11 in Figures 30 and 31 is basically the same as in the second embodiment. At this time, the capacitors CPk1, CPk2, and Ca are in a charged state. In this state, the photodiodes PD1 and PD2 wait for the incidence of photons. Note that the transistors Tclip1 and Tclip2 are in a non-conductive state with a reverse bias voltage applied to the photodiodes PD1 and PD2.

(PD1のみにフォトン入射)
図30に示すように、第7実施形態では、垂直選択回路30が制御信号XRCGを周期CLKで立ち下げて、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、CPk2、Ca、Cvを充電する。
(Photons incident only on PD1)
As shown in FIG. 30, in the seventh embodiment, the vertical selection circuit 30 causes the control signal XRCG to fall with a period CLK to charge the capacitors CPk1, CPk2, Ca, and Cv via the transistors Trch.

キャパシタCPk1、CPk2、Ca、Cvの充電と次の充電との間のt11において、フォトンがフォトダイオードPD1に入射すると、フォトダイオードPD1がアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1が低下する。このとき、制御信号CLIP1が立上っているので、トランジスタTclip1は非導通状態であり、センスノードSNの電圧Vsnは充電状態で維持されている。 At time t11 between the charging of capacitors CPk1, CPk2, Ca, and Cv, a photon is incident on photodiode PD1, causing avalanche breakdown of photodiode PD1 and a drop in cathode voltage VK1. At this time, because control signal CLIP1 is rising, transistor Tclip1 is in a non-conductive state and voltage Vsn of sense node SN is maintained in a charged state.

信号CLIP1、CLIP2が立ち下がった後、t12~t14の画素Pの動作は、第4実施形態のそれと同じでよい。即ち、スイッチSW1が導通状態であるので、第4実施形態と同様に、センスノードSNの電圧Vsnは閾値Vt12を下回らない。よって、カウンタ回路16は、1個のフォトンがフォトダイオードPDに入射してもカウントしない。 After the signals CLIP1 and CLIP2 fall, the operation of pixel P from t12 to t14 may be the same as that of the fourth embodiment. That is, because switch SW1 is in a conductive state, the voltage Vsn of the sense node SN does not fall below the threshold Vt12, as in the fourth embodiment. Therefore, the counter circuit 16 does not count even if one photon is incident on the photodiode PD.

ただし、光検出パルスPLSは、トランジスタTrchのゲートへはフィードバックされない。t14において、制御信号XRCGが周期的に立ち下がると、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、CPk2、Ca、Cvが再充電される。これにより、光検出装置100は、t11以前の状態に戻る。 However, the light detection pulse PLS is not fed back to the gate of the transistor Trch. At t14, when the control signal XRCG falls periodically, the capacitors CPk1, CPk2, Ca, and Cv are recharged via the transistor Trch. This returns the light detection device 100 to the state it was in before t11.

(PD1およびPD2の両方にフォトン入射)
図31に示すように、t11a、t11bにおいて、フォトダイオードPD1、PD2の両方にフォトンが入射すると、フォトダイオードPD1、PD2がアバランシェ降伏し、カソード電圧VK1、VK2がともに低下する。このとき、トランジスタTclip1、Tclip2は、非導通状態となっているので、センスノードSNの電圧Vsnは低下しない。
(Photons incident on both PD1 and PD2)
31, when photons are incident on both the photodiodes PD1 and PD2 at times t11a and t11b, the photodiodes PD1 and PD2 undergo avalanche breakdown, and the cathode voltages VK1 and VK2 both drop. At this time, the transistors Tclip1 and Tclip2 are in a non-conductive state, so the voltage Vsn of the sense node SN does not drop.

信号CLIP1、CLIP2が立ち下がった後、t12~t17の画素Pの動作は、第4実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスPLSは、トランジスタTrchのゲートへはフィードバックされない。t14において、制御信号XRCGが周期的に立ち下がると、トランジスタTrchを介してキャパシタCPk1、CPk2、Ca、Cvが再充電される。 After the signals CLIP1 and CLIP2 fall, the operation of pixel P from t12 to t17 may be the same as that of the fourth embodiment. However, the light detection pulse PLS is not fed back to the gate of transistor Trch. At t14, when the control signal XRCG falls periodically, capacitors CPk1, CPk2, Ca, and Cv are recharged via transistor Trch.

これにより、カウンタ回路16は、周期CLKの期間内に、フォトンがフォトダイオードPD1、PD2のそれぞれに入射すると、カウント値を1だけ増大させる。即ち、カウンタ回路16は、周期CLKごとに、フォトダイオードPD1、PD2に入射する2つのフォトンを検出することができる。 As a result, when a photon is incident on each of the photodiodes PD1 and PD2 within the period of the cycle CLK, the counter circuit 16 increases the count value by 1. In other words, the counter circuit 16 can detect two photons that are incident on the photodiodes PD1 and PD2 for each cycle CLK.

高照度モードにおいて、周期CLKの期間内に2つのフォトンが入射した場合、第7実施形態の動作は、図15または図17に示す第4実施形態の動作と同じでよい。よって、第7実施形態は、第4実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第7実施形態では、低照度モードでは、充電周期CLKを長く設定することにより感度を高め、高照度モードでは、充電周期CLKを短く設定し飽和を抑制することができる。これにより、光検出装置100は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、SNRを向上させることができる。 In the high-illuminance mode, when two photons are incident within the period of the cycle CLK, the operation of the seventh embodiment may be the same as the operation of the fourth embodiment shown in FIG. 15 or FIG. 17. Therefore, the seventh embodiment can obtain the same effect as the fourth embodiment. Also, in the seventh embodiment, in the low-illuminance mode, the charging cycle CLK is set long to increase sensitivity, and in the high-illuminance mode, the charging cycle CLK is set short to suppress saturation. This allows the photodetector 100 to expand the dynamic range and improve the SNR while suppressing an increase in the count value.

(第8実施形態)
図32は、第8実施形態に係る画素Pの内部構成の一例を示すブロック図である。第8実施形態では、フォトダイオードPDが、DPD(Dynamic Photo Diode)である。DPDは、順バイアス電圧に応じて降伏するときの入射フォトン数が変化する。フォトダイオードPDのアノードは、センスノードSNに接続されている。フォトダイオードPDのカソードは、基準電圧源(例えば、グランド)に接続されている。
Eighth embodiment
32 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a pixel P according to the eighth embodiment. In the eighth embodiment, the photodiode PD is a dynamic photo diode (DPD). The number of incident photons at the time of breakdown of the DPD changes depending on the forward bias voltage. The anode of the photodiode PD is connected to the sense node SN. The cathode of the photodiode PD is connected to a reference voltage source (e.g., ground).

電源回路114がフォトダイオードPDに順バイアス電圧を印加する。電源回路114は、電圧源VDDHと抵抗素子RKとの間に接続されている。電源回路114は、カウント制御回路14からのフィードバック信号を受けて、フォトダイオードPDに印加される順バイアス電圧を変更することができる。 The power supply circuit 114 applies a forward bias voltage to the photodiode PD. The power supply circuit 114 is connected between the voltage source VDDH and the resistive element RK. The power supply circuit 114 can change the forward bias voltage applied to the photodiode PD upon receiving a feedback signal from the count control circuit 14.

第8実施形態では、カウント制御回路14は、カウンタ回路16と電源回路114との間に接続される配線でよい。カウント制御回路14は、カウンタ回路16の所定ビットが反転したときに、電源回路114へフィードバックされる制御信号を反転させて、電源回路114の電圧を変更することができる。例えば、カウント制御部14は、カウント値が所定値未満の場合に制御信号を立ち下げたまま順バイアス電圧を第1電圧にする。カウント値が所定値以上になった場合に、カウント制御部14は、制御信号を立ち上げて、順バイアス電圧を第1電圧よりも小さな第2電圧にする。 In the eighth embodiment, the count control circuit 14 may be a wire connected between the counter circuit 16 and the power supply circuit 114. When a predetermined bit of the counter circuit 16 is inverted, the count control circuit 14 inverts the control signal fed back to the power supply circuit 114 to change the voltage of the power supply circuit 114. For example, when the count value is less than a predetermined value, the count control unit 14 keeps the control signal low and sets the forward bias voltage to a first voltage. When the count value becomes equal to or greater than the predetermined value, the count control unit 14 raises the control signal and sets the forward bias voltage to a second voltage smaller than the first voltage.

抵抗素子RKは、カウント制御回路14とフォトダイオードPDのアノード(センスノードSN)との間に接続されている。これにより、センスノードSNの電圧Vsnは、光の入射によって生じるフォトダイオードPDの降伏で変化する。カウンタ回路16は、フォトダイオードPDの降伏によって生成される光検出パルスPLSをカウントする。カウント制御部14は、カウンタ回路16のカウント値に応じて電源回路からの順バイアス電圧を制御する。 The resistive element RK is connected between the count control circuit 14 and the anode (sense node SN) of the photodiode PD. As a result, the voltage Vsn of the sense node SN changes due to the breakdown of the photodiode PD caused by the incidence of light. The counter circuit 16 counts the light detection pulses PLS generated by the breakdown of the photodiode PD. The count control unit 14 controls the forward bias voltage from the power supply circuit according to the count value of the counter circuit 16.

第8実施形態では、キャパシタCPvおよびスイッチSW1は設けられていない。カウンタ回路16からフィードバックされる制御信号は、電源回路114に印加されている。カウンタ回路16のカウント値が所定値未満の場合、カウント制御回路14は、フォトダイオードPDのアノードに印加される電源回路114の電圧を比較的高くして、順バイアス電圧を比較的大きくする。これにより、フォトダイオードPDは、1つのフォトンを入射するごとに降伏し、インバータINV6は光検出パルスPLSを生成する。この場合、カウンタ回路16は、1フォトンの検出ごとにカウント値を1だけ増大させる。 In the eighth embodiment, the capacitor CPv and the switch SW1 are not provided. The control signal fed back from the counter circuit 16 is applied to the power supply circuit 114. When the count value of the counter circuit 16 is less than a predetermined value, the count control circuit 14 makes the voltage of the power supply circuit 114 applied to the anode of the photodiode PD relatively high, making the forward bias voltage relatively large. As a result, the photodiode PD breaks down every time one photon is incident, and the inverter INV6 generates a light detection pulse PLS. In this case, the counter circuit 16 increases the count value by 1 every time one photon is detected.

カウンタ回路16のカウント値が所定値を超えた場合、カウント制御回路14は、フォトダイオードPDのアノードに印加される電源回路114の電圧を比較的低くして、順バイアス電圧を比較的小さくする。これにより、フォトダイオードPDは、n個(nは2以上の整数)のフォトンを入射するごとに降伏し、インバータINV6は光検出パルスPLSを生成する。この場合、カウンタ回路16は、フォトダイオードPDの降伏ごとにカウント値を増大させるが、実質的に、n個のフォトンの検出ごとにカウント値を1だけ増大させる。 When the count value of the counter circuit 16 exceeds a predetermined value, the count control circuit 14 makes the voltage of the power supply circuit 114 applied to the anode of the photodiode PD relatively low, making the forward bias voltage relatively small. As a result, the photodiode PD breaks down every time n (n is an integer equal to or greater than 2) photons are incident on it, and the inverter INV6 generates a light detection pulse PLS. In this case, the counter circuit 16 increases the count value every time the photodiode PD breaks down, but in effect, increases the count value by 1 every time n photons are detected.

このように、フォトダイオードPDにDPDを用い、カウント制御回路14および電源回路114を用いることによって、低照度モードと高照度モードとにおいて、カウント値を増大させるフォトン数を切り替えることができる。よって、第8実施形態は、他の実施形態と同様の効果を得ることができる。 In this way, by using DPD for the photodiode PD and using the count control circuit 14 and the power supply circuit 114, it is possible to switch the number of photons that increases the count value between the low illumination mode and the high illumination mode. Therefore, the eighth embodiment can achieve the same effects as the other embodiments.

また、第8実施形態によれば、高照度モードにおいて、フォトダイオードPDの降伏の回数および光検出パルスPLSの生成回数が低下する。従って、消費電力を削減することができる。 Furthermore, according to the eighth embodiment, in the high illuminance mode, the number of breakdowns of the photodiode PD and the number of times the light detection pulse PLS is generated are reduced. Therefore, power consumption can be reduced.

(第9実施形態)
図33は、第9実施形態に係る画素Pの内部構成例の一部分を示すブロック図である。第9実施形態では、フォトダイオードPDとトランジスタTrchとの位置関係が第3実施形態と逆になっている。即ち、フォトダイオードPDのアノードが電圧源VDDHに接続され、フォトダイオードPDのカソードがトランジスタTclipのドレインに接続されている。キャパシタCPk1は、フォトダイオードPDに並列に接続されている。従って、キャパシタCPk1の一端は、電圧源VDDHに接続され、他端がトランジスタTclipのドレインに接続されている。
Ninth embodiment
33 is a block diagram showing a part of an internal configuration example of a pixel P according to the ninth embodiment. In the ninth embodiment, the positional relationship between the photodiode PD and the transistor Trch is reversed from that in the third embodiment. That is, the anode of the photodiode PD is connected to the voltage source VDDH, and the cathode of the photodiode PD is connected to the drain of the transistor Tclip. The capacitor CPk1 is connected in parallel to the photodiode PD. Therefore, one end of the capacitor CPk1 is connected to the voltage source VDDH, and the other end is connected to the drain of the transistor Tclip.

トランジスタTclipのソースは、センスノードSNおよびトランジスタTrchのドレインに接続されている。トランジスタTclipは、例えば、n型MOSFETで構成されている。 The source of transistor Tclip is connected to the sense node SN and the drain of transistor Trch. Transistor Tclip is, for example, configured as an n-type MOSFET.

トランジスタTrchのドレインは、センスノードSNおよびトランジスタTclipのソースに接続されている。トランジスタTrchのドレインは、基準電圧源(例えば、グランド)に接続されている。トランジスタTrchは、例えば、n型MOSFETで構成されている。 The drain of the transistor Trch is connected to the sense node SN and the source of the transistor Tclip. The drain of the transistor Trch is connected to a reference voltage source (e.g., ground). The transistor Trch is, for example, configured as an n-type MOSFET.

第9実施形態の他の構成は、第3実施形態と同じでよい。トランジスタTclip、Trchの導電型が第3実施形態のそれらの逆導電型である。従って、トランジスタTclip、Trchの制御信号CLIP、XRCGは、第3実施形態のそれらと逆論理になっている。 Other configurations of the ninth embodiment may be the same as those of the third embodiment. The conductivity types of the transistors Tclip and Trch are the opposite conductivity types to those of the third embodiment. Therefore, the control signals CLIP and XRCG of the transistors Tclip and Trch have the opposite logic to those of the third embodiment.

第9実施形態の構成であっても、第3実施形態と同様に動作し、第3実施形態と同じ効果を得ることができる。トランジスタTclipに代えて抵抗素子RKをセンスノードSNとフォトダイオードPDとの間に設けてもよい。第9実施形態は、他の実施形態に適用することもできる。 Even with the configuration of the ninth embodiment, it operates in the same way as the third embodiment, and can obtain the same effects as the third embodiment. A resistive element RK may be provided between the sense node SN and the photodiode PD instead of the transistor Tclip. The ninth embodiment can also be applied to other embodiments.

(チップ積層)
図34Aおよび図34Bは、光検出装置100のチップ積層構成の一例を示す概略図である。半導体チップ112は、例えば、上側基板112aと、下側基板112bとの積層チップである。例えば、上側基板112aには、画素Pが2次元配列された画素領域10と、画素Pの制御を行う制御回路122が設けられている。制御回路122は、垂直選択回路30と、信号処理回路40と、水平選択回路50と、出力回路60と、制御回路70との全てまたはその一部を含む。下側基板112bには、画素から出力された画素信号を処理する信号処理回路などのロジック回路123が設けられている。あるいはまた、図34Bに示すように、上側基板112aには、画素領域10のみが設けられ、下側基板112bには、制御回路122とロジック回路123が設けられていてもよい。
(Chip stacking)
34A and 34B are schematic diagrams showing an example of a chip stacking configuration of the photodetector 100. The semiconductor chip 112 is, for example, a stacked chip of an upper substrate 112a and a lower substrate 112b. For example, the upper substrate 112a is provided with a pixel region 10 in which pixels P are two-dimensionally arranged, and a control circuit 122 that controls the pixels P. The control circuit 122 includes all or part of the vertical selection circuit 30, the signal processing circuit 40, the horizontal selection circuit 50, the output circuit 60, and the control circuit 70. The lower substrate 112b is provided with a logic circuit 123 such as a signal processing circuit that processes pixel signals output from the pixels. Alternatively, as shown in FIG. 34B, only the pixel region 10 may be provided on the upper substrate 112a, and the control circuit 122 and the logic circuit 123 may be provided on the lower substrate 112b.

このように、半導体チップ112は、制御回路122及びロジック回路123の一方または両方を、画素領域10の上側基板112aとは別の下側基板112bに設けてもよい。これにより、1枚の基板に、画素領域10、制御回路122、およびロジック回路123を平面方向に配置した場合と比較して、チップサイズを小さくすることができる。 In this way, the semiconductor chip 112 may have one or both of the control circuit 122 and the logic circuit 123 provided on a lower substrate 112b separate from the upper substrate 112a of the pixel region 10. This allows the chip size to be smaller than when the pixel region 10, the control circuit 122, and the logic circuit 123 are arranged in a planar direction on a single substrate.

さらに、画素領域10は、複数の半導体チップに分けて形成し、それらを積層して構成してもよい。この場合、さらにチップサイズを小さくすることができる。 Furthermore, the pixel region 10 may be formed as multiple semiconductor chips that are then stacked together. In this case, the chip size can be further reduced.

上側基板112aと下側基板112bは、互いに貫通電極で接続されていてもよく、あるいは、配線同士をCu-Cu接合で接続してもよい。 The upper substrate 112a and the lower substrate 112b may be connected to each other by through electrodes, or the wiring may be connected to each other by Cu-Cu bonding.

(移動体への応用例)
本開示に係る技術(本技術)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、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
(Example of application to moving objects)
The technology according to the present disclosure (the present technology) can be applied to various products. For example, the technology according to the present disclosure may be realized as a device mounted on any type of moving body such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, a personal mobility device, an airplane, a drone, a ship, or a robot.

図35は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。 Figure 35 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile object control system to which the technology disclosed herein can be applied.

車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図35に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(Interface)12053が図示されている。 The vehicle control system 12000 includes a plurality of electronic control units connected via a communication network 12001. In the example shown in FIG. 35, the vehicle control system 12000 includes a drive system control unit 12010, a body system control unit 12020, an outside vehicle information detection unit 12030, an inside vehicle information detection unit 12040, and an integrated control unit 12050. In addition, the functional configuration of the integrated control unit 12050 includes a microcomputer 12051, an audio/video output unit 12052, and an in-vehicle network I/F (Interface) 12053.

駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。 The drive system control unit 12010 controls the operation of devices related to the drive system of the vehicle according to various programs. For example, the drive system control unit 12010 functions as a control device for a drive force generating device for generating a drive force for the vehicle, such as an internal combustion engine or a drive motor, a drive force transmission mechanism for transmitting the drive force to the wheels, a steering mechanism for adjusting the steering angle of the vehicle, and a braking device for generating a braking force for the vehicle.

ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。 The body system control unit 12020 controls the operation of various devices installed in the vehicle body according to various programs. For example, the body system control unit 12020 functions as a control device for a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or various lamps such as headlamps, tail lamps, brake lamps, turn signals, and fog lamps. In this case, radio waves or signals from various switches transmitted from a portable device that replaces a key can be input to the body system control unit 12020. The body system control unit 12020 accepts the input of these radio waves or signals and controls the vehicle's door lock device, power window device, lamps, etc.

車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。 The outside-vehicle information detection unit 12030 detects information outside the vehicle equipped with the vehicle control system 12000. For example, the image capturing unit 12031 is connected to the outside-vehicle information detection unit 12030. The outside-vehicle information detection unit 12030 causes the image capturing unit 12031 to capture images outside the vehicle and receives the captured images. The outside-vehicle information detection unit 12030 may perform object detection processing or distance detection processing for people, cars, obstacles, signs, or characters on the road surface based on the received images.

撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。 The imaging unit 12031 is an optical sensor that receives light and outputs an electrical signal according to the amount of light received. The imaging unit 12031 can output the electrical signal as an image, or as distance measurement information. The light received by the imaging unit 12031 may be visible light, or may be invisible light such as infrared light.

車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。 The in-vehicle information detection unit 12040 detects information inside the vehicle. For example, a driver state detection unit 12041 that detects the state of the driver is connected to the in-vehicle information detection unit 12040. The driver state detection unit 12041 includes, for example, a camera that captures an image of the driver, and the in-vehicle information detection unit 12040 may calculate the driver's degree of fatigue or concentration based on the detection information input from the driver state detection unit 12041, or may determine whether the driver is dozing off.

マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。 The microcomputer 12051 can calculate the control target values of the driving force generating device, steering mechanism, or braking device based on the information inside and outside the vehicle acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, and output a control command to the drive system control unit 12010. For example, the microcomputer 12051 can perform cooperative control aimed at realizing the functions of an ADAS (Advanced Driver Assistance System), including avoiding or mitigating vehicle collisions, following based on the distance between vehicles, maintaining vehicle speed, vehicle collision warning, or vehicle lane departure warning.

また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。 The microcomputer 12051 can also perform cooperative control for the purpose of autonomous driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on the driver's operation, by controlling the driving force generating device, steering mechanism, braking device, etc. based on information about the surroundings of the vehicle acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040.

また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12030に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。 The microcomputer 12051 can also output control commands to the body system control unit 12030 based on information outside the vehicle acquired by the outside information detection unit 12030. For example, the microcomputer 12051 can control the headlamps according to the position of a preceding vehicle or an oncoming vehicle detected by the outside information detection unit 12030, and perform cooperative control aimed at preventing glare, such as switching high beams to low beams.

音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図35の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。 The audio/image output unit 12052 transmits at least one output signal of audio and image to an output device capable of visually or audibly notifying information to the occupants of the vehicle or to the outside of the vehicle. In the example of FIG. 35, an audio speaker 12061, a display unit 12062, and an instrument panel 12063 are exemplified as output devices. The display unit 12062 may include, for example, at least one of an on-board display and a head-up display.

図36は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。 Figure 36 shows an example of the installation position of the imaging unit 12031.

図36では、撮像部12031として、撮像部12101、12102、12103、12104、12105を有する。 In FIG. 36, the imaging unit 12031 includes imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105.

撮像部12101、12102、12103、12104、12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102、12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。 The imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105 are provided, for example, at the front nose, side mirrors, rear bumper, back door, and upper part of the windshield inside the vehicle cabin of the vehicle 12100. The imaging unit 12101 provided at the front nose and the imaging unit 12105 provided at the upper part of the windshield inside the vehicle cabin mainly acquire images of the front of the vehicle 12100. The imaging units 12102 and 12103 provided at the side mirrors mainly acquire images of the sides of the vehicle 12100. The imaging unit 12104 provided at the rear bumper or back door mainly acquires images of the rear of the vehicle 12100. The imaging unit 12105 provided at the upper part of the windshield inside the vehicle cabin is mainly used to detect leading vehicles, pedestrians, obstacles, traffic lights, traffic signs, lanes, etc.

なお、図36には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。 In addition, FIG. 36 shows an example of the imaging ranges of the imaging units 12101 to 12104. Imaging range 12111 indicates the imaging range of the imaging unit 12101 provided on the front nose, imaging ranges 12112 and 12113 indicate the imaging ranges of the imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors, respectively, and imaging range 12114 indicates the imaging range of the imaging unit 12104 provided on the rear bumper or back door. For example, an overhead image of the vehicle 12100 viewed from above is obtained by superimposing the image data captured by the imaging units 12101 to 12104.

撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。 At least one of the imaging units 12101 to 12104 may have a function of acquiring distance information. For example, at least one of the imaging units 12101 to 12104 may be a stereo camera consisting of multiple imaging elements, or may be an imaging element having pixels for phase difference detection.

例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。 For example, the microcomputer 12051 can obtain the distance to each solid object within the imaging range 12111 to 12114 and the change in this distance over time (relative speed with respect to the vehicle 12100) based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, and can extract as a preceding vehicle, in particular, the closest solid object on the path of the vehicle 12100 that is traveling in approximately the same direction as the vehicle 12100 at a predetermined speed (e.g., 0 km/h or higher). Furthermore, the microcomputer 12051 can set the inter-vehicle distance to be maintained in advance in front of the preceding vehicle, and perform automatic brake control (including follow-up stop control) and automatic acceleration control (including follow-up start control). In this way, cooperative control can be performed for the purpose of autonomous driving, which runs autonomously without relying on the driver's operation.

例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。 For example, the microcomputer 12051 classifies and extracts three-dimensional object data on three-dimensional objects, such as two-wheeled vehicles, ordinary vehicles, large vehicles, pedestrians, utility poles, and other three-dimensional objects, based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, and can use the data to automatically avoid obstacles. For example, the microcomputer 12051 distinguishes obstacles around the vehicle 12100 into obstacles that are visible to the driver of the vehicle 12100 and obstacles that are difficult to see. Then, the microcomputer 12051 determines the collision risk, which indicates the risk of collision with each obstacle, and when the collision risk is equal to or exceeds a set value and there is a possibility of a collision, the microcomputer 12051 can provide driving assistance for collision avoidance by outputting an alarm to the driver via the audio speaker 12061 or the display unit 12062, or by performing forced deceleration or avoidance steering via the drive system control unit 12010.

撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。 At least one of the imaging units 12101 to 12104 may be an infrared camera that detects infrared rays. For example, the microcomputer 12051 can recognize a pedestrian by determining whether or not a pedestrian is present in the captured images of the imaging units 12101 to 12104. The recognition of such a pedestrian is performed, for example, by a procedure of extracting feature points in the captured images of the imaging units 12101 to 12104 as infrared cameras, and a procedure of performing pattern matching processing on a series of feature points that indicate the contour of an object to determine whether or not it is a pedestrian. When the microcomputer 12051 determines that a pedestrian is present in the captured images of the imaging units 12101 to 12104 and recognizes the pedestrian, the audio/image output unit 12052 controls the display unit 12062 to superimpose a rectangular contour line for emphasis on the recognized pedestrian. The audio/image output unit 12052 may also control the display unit 12062 to display an icon or the like indicating a pedestrian at a desired position.

以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、撮像部12031に適用され得る。 An example of a vehicle control system to which the technology disclosed herein can be applied has been described above. The technology disclosed herein can be applied to, for example, the imaging unit 12031 of the configuration described above.

なお、本技術は、以下のような構成をとることができる。
(1)
第1フォトダイオードと、
光の入射によって生じる前記第1フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、
前記センスノードの電圧に基づいて前記第1フォトダイオードの降伏回数をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に応じて、該カウント値を1だけ増大させる前記降伏回数を制御するカウント制御部とを備えている、光検出装置。
(2)
前記カウント制御部は、前記センスノードと基準電圧源との間に直列に接続された第1キャパシタおよびスイッチを備えている、(1)に記載の光検出装置。
(3)
前記スイッチは、前記カウント値が所定値未満の場合に非導通状態であり、前記カウント値が所定値以上の場合に導通状態となる、(2)に記載の光検出装置。
(4)
前記スイッチが非導通状態の場合に、前記カウンタは、前記第1フォトダイオードが降伏するごとに前記カウント値を1ずつ増大させ、
前記スイッチが導通状態の場合に、前記カウンタは、前記第1フォトダイオードがn回(nは2以上の整数)降伏するごとに前記カウント値を1ずつ増大させる、(3)に記載の光検出装置。
(5)
電圧源と前記センスノードとの間に設けられ、前記フォトダイオードの降伏によって制御される第1トランジスタと、
前記第1トランジスタと前記センスノードとの間に設けられ、前記フォトダイオードの降伏によって前記第1トランジスタよりも遅延して制御される第2トランジスタと、
前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとの間のノードと基準電圧源との間に接続された第2キャパシタとをさらに備える、(1)から(4)のいずれか一項に記載の光検出装置。
(6)
前記カウント制御部は、前記センスノードの容量と前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとの間のノードの容量との比によって、前記nの値を制御する、(5)に記載の光検出装置。
(7)
複数の画素が配列された画素領域をさらに備え、
前記複数の画素のそれぞれが、前記第1フォトダイオード、前記カウンタおよび前記カウント制御部を備えている、(1)から(6)のいずれか一項に記載の光検出装置。
(8)
前記第1フォトダイオードは、1フォトンの入射によって1回アバランシェ降伏するSPAD(Single Photon Avalanche Diode)である、(1)から(7)のいずれか一項に記載の光検出装置。
(9)
前記カウント制御部は、前記第2キャパシタに対して並列に接続されている、(5)に記載の光検出装置。
(10)
前記センスノードと基準電圧源との間に設けられた第2フォトダイオードをさらに備えている、(1)から(9)のいずれか一項に記載の光検出装置。
(11)
前記第1フォトダイオードの1回の露光期間において、前記センスノードを充電する周期が第1周期と該第1周期よりも長い第2周期とを含む、(1)に記載の光検出装置。
(12)
前記第1フォトダイオードの1回の露光期間において、前記センスノードを充電する周期が第1周期と該第1周期よりも長い第2周期とを含み、
前記第1周期において前記スイッチを導通状態とし、前記第2周期において前記スイッチを非導通状態とする、(3)から(5)のいずれか一項に記載の光検出装置。
(13)
前記スイッチは、前記カウンタおよび前記カウント制御回路の外部からの信号によって制御される、(2)に記載の光検出装置。
(14)
順バイアス電圧に応じて降伏するときの入射フォトン数が変わる第1フォトダイオードと、
前記第1フォトダイオードに前記順バイアス電圧を印加する電源回路と、
光の入射によって生じる前記第1フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、
前記第1フォトダイオードの降伏をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に応じて前記電源回路からの前記順バイアス電圧を制御するカウント制御部とを備えている、光検出装置。
(15)
前記カウント制御部は、前記カウント値が所定値未満の場合に前記順バイアス電圧を第1電圧とし、前記カウント値が所定値以上の場合に前記順バイアス電圧を前記第1電圧よりも小さな第2電圧にする、(14)に記載の光検出装置。
(16)
前記順バイアス電圧が前記第1電圧の場合に、前記第1フォトダイオードは、1個のフォトンを入射するごとに降伏し、
前記順バイアス電圧が前記第2電圧の場合に、前記第1フォトダイオードは、n個(nは2以上の整数)のフォトンを入射するごとに降伏する、(15)に記載の光検出装置。
The present technology can be configured as follows.
(1)
A first photodiode;
a sense node whose voltage changes due to breakdown of the first photodiode caused by incidence of light;
a counter that counts the number of breakdowns of the first photodiode based on the voltage of the sense node;
a count control unit that controls the number of yields to increase the count value by 1 in accordance with the count value of the counter.
(2)
The photodetector according to (1), wherein the count control section includes a first capacitor and a switch connected in series between the sense node and a reference voltage source.
(3)
The photodetector according to (2), wherein the switch is in a non-conductive state when the count value is less than a predetermined value, and is in a conductive state when the count value is equal to or greater than the predetermined value.
(4)
When the switch is in a non-conductive state, the counter increments the count value by one each time the first photodiode breaks down;
The photodetection device according to claim 3, wherein, when the switch is in a conductive state, the counter increases the count value by 1 every time the first photodiode breaks down n times (n is an integer equal to or greater than 2).
(5)
a first transistor between a voltage source and the sense node, the first transistor being controlled by a breakdown of the photodiode;
a second transistor provided between the first transistor and the sense node, the second transistor being controlled by breakdown of the photodiode with a delay relative to the first transistor;
The photodetection device according to any one of (1) to (4), further comprising: a second capacitor connected between a node between the first transistor and the second transistor and a reference voltage source.
(6)
The photodetection device according to (5), wherein the count control unit controls the value of n based on a ratio between a capacitance of the sense node and a capacitance of a node between the first transistor and the second transistor.
(7)
Further comprising a pixel area in which a plurality of pixels are arranged,
The photodetection device according to any one of (1) to (6), wherein each of the plurality of pixels includes the first photodiode, the counter, and the count control unit.
(8)
The photodetector according to any one of (1) to (7), wherein the first photodiode is a single photon avalanche diode (SPAD) that undergoes avalanche breakdown once upon incidence of one photon.
(9)
The photodetector according to (5), wherein the count control unit is connected in parallel to the second capacitor.
(10)
The photodetection device according to any one of (1) to (9), further comprising a second photodiode provided between the sense node and a reference voltage source.
(11)
2. The photodetection device according to claim 1, wherein, in one exposure period of the first photodiode, a cycle for charging the sense node includes a first cycle and a second cycle longer than the first cycle.
(12)
a period for charging the sense node during one exposure period of the first photodiode includes a first period and a second period longer than the first period;
The photodetection device according to any one of (3) to (5), wherein the switch is in a conductive state in the first period and the switch is in a non-conductive state in the second period.
(13)
The photodetector according to (2), wherein the switch is controlled by a signal from outside the counter and the count control circuit.
(14)
a first photodiode in which the number of incident photons at the time of breakdown changes in response to a forward bias voltage;
a power supply circuit that applies the forward bias voltage to the first photodiode;
a sense node whose voltage changes due to breakdown of the first photodiode caused by incidence of light;
a counter for counting breakdowns of the first photodiode;
a count control unit that controls the forward bias voltage from the power supply circuit in accordance with a count value of the counter.
(15)
The photodetection device of claim 14, wherein the count control unit sets the forward bias voltage to a first voltage when the count value is less than a predetermined value, and sets the forward bias voltage to a second voltage smaller than the first voltage when the count value is equal to or greater than the predetermined value.
(16)
When the forward bias voltage is the first voltage, the first photodiode breaks down for each photon incident thereon;
The photodetector according to claim 15, wherein when the forward bias voltage is the second voltage, the first photodiode breaks down every time n (n is an integer equal to or greater than 2) photons are incident on the first photodiode.

尚、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の効果があってもよい。 Note that this disclosure is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of this disclosure. Furthermore, the effects described in this specification are merely examples and are not limiting, and other effects may also be present.

P 画素、PD フォトダイオード、12 画素制御回路、14 カウント制御回路、16カウンタ、Trch,Ts,Ta,Trst トランジスタ、INV1~INV7 インバータ、CPs,CPa,CPv,CPk1,CPk2 キャパシタ P pixel, PD photodiode, 12 pixel control circuit, 14 count control circuit, 16 counter, Trch, Ts, Ta, Trst transistors, INV1 to INV7 inverters, CPs, CPa, CPv, CPk1, CPk2 capacitors

Claims (16)

第1フォトダイオードと、
光の入射によって生じる前記第1フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、
前記センスノードの電圧に基づいて前記第1フォトダイオードの降伏回数をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に応じて、該カウント値を1だけ増大させる前記降伏回数を制御するカウント制御部とを備えている、光検出装置。
A first photodiode;
a sense node whose voltage changes due to breakdown of the first photodiode caused by incidence of light;
a counter that counts the number of breakdowns of the first photodiode based on the voltage of the sense node;
a count control unit that controls the number of yields to increase the count value by 1 in accordance with the count value of the counter.
前記カウント制御部は、前記センスノードと基準電圧源との間に直列に接続された第1キャパシタおよびスイッチを備えている、請求項1に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 1, wherein the count control section includes a first capacitor and a switch connected in series between the sense node and a reference voltage source. 前記スイッチは、前記カウント値が所定値未満の場合に非導通状態であり、前記カウント値が所定値以上の場合に導通状態となる、請求項2に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 2, wherein the switch is in a non-conductive state when the count value is less than a predetermined value, and is in a conductive state when the count value is equal to or greater than the predetermined value. 前記スイッチが非導通状態の場合に、前記カウンタは、前記第1フォトダイオードが降伏するごとに前記カウント値を1ずつ増大させ、
前記スイッチが導通状態の場合に、前記カウンタは、前記第1フォトダイオードがn回(nは2以上の整数)降伏するごとに前記カウント値を1ずつ増大させる、請求項3に記載の光検出装置。
When the switch is in a non-conductive state, the counter increments the count value by one each time the first photodiode breaks down;
4. The photodetector according to claim 3, wherein when the switch is in a conductive state, the counter increases the count value by 1 every time the first photodiode breaks down n times (n is an integer equal to or greater than 2).
電圧源と前記センスノードとの間に設けられ、前記第1フォトダイオードの降伏によって制御される第1トランジスタと、
前記第1トランジスタと前記センスノードとの間に設けられ、前記第1フォトダイオードの降伏によって前記第1トランジスタよりも遅延して制御される第2トランジスタと、
前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとの間のノードと基準電圧源との間に接続された第2キャパシタとをさらに備える、請求項1に記載の光検出装置。
a first transistor between a voltage source and the sense node, the first transistor being controlled by a breakdown of the first photodiode;
a second transistor provided between the first transistor and the sense node, the second transistor being controlled by breakdown of the first photodiode with a delay from that of the first transistor;
2. The photodetector apparatus of claim 1, further comprising: a second capacitor connected between a node between the first transistor and the second transistor and a reference voltage source.
前記カウント制御部は、前記センスノードの容量と前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとの間のノードの容量との比によって、前記nの値を制御する、請求項5に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 5, wherein the count control unit controls the value of n based on a ratio between the capacitance of the sense node and the capacitance of a node between the first transistor and the second transistor. 複数の画素が配列された画素領域をさらに備え、
前記複数の画素のそれぞれが、前記第1フォトダイオード、前記カウンタおよび前記カウント制御部を備えている、請求項1に記載の光検出装置。
Further comprising a pixel area in which a plurality of pixels are arranged,
The photodetection device according to claim 1 , wherein each of the plurality of pixels comprises the first photodiode, the counter, and the count control unit.
前記第1フォトダイオードは、1フォトンの入射によって1回アバランシェ降伏するSPAD(Single Photon Avalanche Diode)である、請求項1に記載の光検出装置。 The optical detection device according to claim 1, wherein the first photodiode is a single photon avalanche diode (SPAD) that undergoes avalanche breakdown once upon incidence of one photon. 前記カウント制御部は、前記第2キャパシタに対して並列に接続されている、請求項5に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 5, wherein the count control unit is connected in parallel to the second capacitor. 前記センスノードと基準電圧源との間に設けられた第2フォトダイオードをさらに備えている、請求項1に記載の光検出装置。 The photodetector device of claim 1, further comprising a second photodiode disposed between the sense node and a reference voltage source. 前記第1フォトダイオードの1回の露光期間において、前記センスノードを充電する周期が第1周期と該第1周期よりも長い第2周期とを含む、請求項1に記載の光検出装置。 The photodetection device according to claim 1, wherein, during one exposure period of the first photodiode, a period for charging the sense node includes a first period and a second period longer than the first period. 前記第1フォトダイオードの1回の露光期間において、前記センスノードを充電する周期が第1周期と該第1周期よりも長い第2周期とを含み、
前記第1周期において前記スイッチを導通状態とし、前記第2周期において前記スイッチを非導通状態とする、請求項3に記載の光検出装置。
a period for charging the sense node during one exposure period of the first photodiode includes a first period and a second period longer than the first period;
4. The photodetector according to claim 3, wherein the switch is in a conductive state in the first period and in a non-conductive state in the second period.
前記スイッチは、前記カウンタおよび前記カウント制御部の外部からの信号によって制御される、請求項2に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 2, wherein the switch is controlled by a signal from outside the counter and the count control unit. 順バイアス電圧に応じて降伏するときの入射フォトン数が変わる第1フォトダイオードと、
前記第1フォトダイオードに前記順バイアス電圧を印加する電源回路と、
光の入射によって生じる前記第1フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、
前記第1フォトダイオードの降伏をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に応じて前記電源回路からの前記順バイアス電圧を制御するカウント制御部とを備えている、光検出装置。
a first photodiode in which the number of incident photons at the time of breakdown changes in response to a forward bias voltage;
a power supply circuit that applies the forward bias voltage to the first photodiode;
a sense node whose voltage changes due to breakdown of the first photodiode caused by incidence of light;
a counter for counting breakdowns of the first photodiode;
a count control unit that controls the forward bias voltage from the power supply circuit in accordance with a count value of the counter.
前記カウント制御部は、前記カウント値が所定値未満の場合に前記順バイアス電圧を第1電圧とし、前記カウント値が所定値以上の場合に前記順バイアス電圧を前記第1電圧よりも小さな第2電圧にする、請求項14に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 14, wherein the count control unit sets the forward bias voltage to a first voltage when the count value is less than a predetermined value, and sets the forward bias voltage to a second voltage smaller than the first voltage when the count value is equal to or greater than the predetermined value. 前記順バイアス電圧が前記第1電圧の場合に、前記第1フォトダイオードは、1個のフォトンを入射するごとに降伏し、
前記順バイアス電圧が前記第2電圧の場合に、前記第1フォトダイオードは、n個(nは2以上の整数)のフォトンを入射するごとに降伏する、請求項15に記載の光検出装置。
When the forward bias voltage is the first voltage, the first photodiode breaks down every time one photon is incident thereon;
16. The photodetector according to claim 15, wherein when the forward bias voltage is the second voltage, the first photodiode breaks down every time n (n is an integer of 2 or more) photons are incident on the first photodiode.
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