JP7513588B2 - 受光装置および測距装置 - Google Patents

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Description

本発明は、受光装置および測距装置に関する。
受光した光を光電変換により電気信号に変換して出力可能な受光素子が知られている。このような受光素子の一つとして、アバランシェ増倍により１光子の入射に応じて大電流を得ることができる単一光子アバランシェダイオード（以下、ＳＰＡＤ(Single Photon Avalanche Diode)と呼ぶ）が知られている。ＳＰＡＤのこの特性を利用することで、１光子の入射を高感度で検知することができる。
ＳＰＡＤによる光子検出動作について、概略的に説明する。例えば、電源電圧Ｖｄｄが供給され、基準電圧Ｖｒｅｆに基づき出力電流が制御される電流源を、ＳＰＡＤのカソードに接続する。ＳＰＡＤのアノードは、アバランシェ増倍が発生する大きな負電圧（－Ｖｂｄ）を与える。この状態でＳＰＡＤに光子が入射されると、アバランシェ増倍が開始されＳＰＡＤのカソードからアノードの方向に向けて電流が流れ、それに伴いＳＰＡＤにおいて電圧降下が発生し、アノード－カソード間電圧が電圧（－Ｖｂｄ）まで下がるとアバランシェ増倍が停止される（クエンチング動作）。その後、電流源からの電流によりＳＰＡＤが充電され、ＳＰＡＤの状態が光子入射前の状態に戻る（リチャージ動作）。
特表２００８－５４２７０６号公報
ＳＰＡＤの動作において、アバランシェ増倍により発生した電子に基づき素子内部で発光が起こり、この素子内部での発光に応じて再びアバランシェ増倍が発生する、アフターパルシングと呼ばれる事象が発生する場合がある。アフターパルシングが発生すると、ＳＰＡＤに対する光子の入射無しにアバランシェ増倍が開始されることになり、ＳＰＡＤの動作制御が困難になる。
本開示は、受光素子の動作をより安定して制御可能とする受光装置および測距装置を提供することを目的とする。
本開示に係る受光装置は、バイアス電圧に基づき所定の電位に充電された状態で入射された光子に応じてアバランシェ増倍が発生して電流が流れ、リチャージ電流により該状態に戻る受光素子と、前記電流を検出し、該電流の電流値が閾値を跨いだ場合に出力信号を反転させる検出部と、前記受光素子に前記リチャージ電流を供給する電流源と、前記検出部の前記出力信号に応じて前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御するスイッチ部と、を備え、前記電流源は、前記受光素子が前記アバランシェ増倍を維持可能な所定の保持電流より電流値の小さい電流を、前記リチャージ電流として前記受光素子に供給し、前記スイッチ部は、前記検出部の前記出力信号が、前記受光素子による前記アバランシェ増倍の発生に応じて反転することでオフ状態とされ、前記リチャージ電流の供給に応じてさらに反転することでオン状態とされる。
各実施形態に適用可能な直接ＴｏＦ方式による測距を模式的に示す図である。 各実施形態に適用可能な、受光部が受光した時刻に基づく一例のヒストグラムを示す図である。 各実施形態に係る測距装置を用いた電子機器の一例の構成を示すブロック図である。 各実施形態に適用可能な測距装置の一例の構成をより詳細に示すブロック図である。 各実施形態に適用可能な画素の基本的な構成例を示す図である。 各実施形態に係る測距装置に適用可能なデバイスの構成の例を示す模式図である。 ＳＰＡＤとしての受光素子の動作を概略的に示す図である。 受光素子において発生するアフターパルシングについて、概略的に説明するための図である。 受光素子において発生するアフターパルシングについて、概略的に説明するための図である。 受光素子において発生するアフターパルシングについて、概略的に説明するための図である。 受光素子において発生するアフターパルシングについて、概略的に説明するための図である。 第１の実施形態に係る画素の一例の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る構成における、受光素子のカソードの電圧Ｖｃａの変化の例を示す図である。 第１の実施形態の第１の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。 第１の実施形態の第２の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。 第１の実施形態の第３の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。 第１の実施形態の第３の変形例に適用可能な処理回路の一例の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の第４の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。 第１の実施形態の第５の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。 第１の実施形態の第６の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。 第１の実施形態の第７の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。 第１の実施形態の第７の変形例に係る構成における、受光素子のアノードの電圧Ｖａｎの変化の例を示す図である。 第１の実施形態の第８の変形例に係る、画素の各部の配置の例を示す図である。 第１の実施形態およびその各変形例に係る画素の何れかを用いた電子機器を使用する使用例を示す図である。 本開示に係る技術が適用され得る、カプセル型内視鏡を用いた患者の体内情報取得システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。 カメラヘッドおよびＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。 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。 撮像部の設置位置の例を示す図である。
以下、本開示の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより、重複する説明を省略する。
（各実施形態に共通の構成）
本開示は、光子の検出を行う技術に用いて好適なものである。本開示の各実施形態の説明に先んじて、理解を容易とするために、各実施形態に適用可能な技術の一つとして、光子の検出により測距を行う技術について説明する。この場合の測距方式として、直接ＴｏＦ(Time Of Flight)方式を適用する。直接ＴｏＦ方式は、光源から射出された光が被測定物により反射した反射光を受光素子により受光し、光の射出タイミングと受光タイミングとの差分の時間に基づき測距を行う方式である。
図１および図２を用いて、直接ＴｏＦ方式による測距について、概略的に説明する。図１は、各実施形態に適用可能な直接ＴｏＦ方式による測距を模式的に示す図である。測距装置３００は、光源部３０１と受光部３０２とを含む。光源部３０１は、例えばレーザダイオードであって、レーザ光をパルス状に発光するように駆動される。光源部３０１から射出された光は、被測定物３０３により反射され、反射光として受光部３０２に受光される。受光部３０２は、光電変換により光を電気信号に変換する受光素子を含み、受光した光に応じた信号を出力する。
ここで、光源部３０１が発光した時刻（発光タイミング）を時間ｔ0、光源部３０１から射出された光が被測定物３０３により反射された反射光を受光部３０２が受光した時刻（受光タイミング）を時間ｔ1とする。定数ｃを光速度（２．９９７９×１０8［ｍ／ｓｅｃ］）とすると、測距装置３００と被測定物３０３との間の距離Ｄは、次式（１）により計算される。
Ｄ＝(ｃ／２)×(ｔ1－ｔ0) …（１）
測距装置３００は、上述の処理を、複数回繰り返して実行する。受光部３０２が複数の受光素子を含み、各受光素子に反射光が受光された各受光タイミングに基づき距離Ｄをそれぞれ算出してもよい。測距装置３００は、発光タイミングの時間ｔ0から受光部３０２に光が受光された受光タイミングまでの時間ｔm（受光時間ｔmと呼ぶ）を階級（ビン(bins)）に基づき分類し、ヒストグラムを生成する。
なお、受光部３０２が受光時間ｔmに受光した光は、光源部３０１が発光した光が被測定物により反射された反射光に限られない。例えば、測距装置３００（受光部３０２）の周囲の環境光も、受光部３０２に受光される。
図２は、各実施形態に適用可能な、受光部３０２が受光した時刻に基づく一例のヒストグラムを示す図である。図２において、横軸はビン、縦軸は、ビン毎の頻度を示す。ビンは、受光時間ｔmを所定の単位時間ｄ毎に分類したものである。具体的には、ビン＃０が０≦ｔm＜ｄ、ビン＃１がｄ≦ｔm＜２×ｄ、ビン＃２が２×ｄ≦ｔm＜３×ｄ、…、ビン＃（Ｎ－２）が(Ｎ－２)×ｄ≦ｔm＜(Ｎ－１)×ｄとなる。受光部３０２の露光時間を時間ｔepとした場合、ｔep＝Ｎ×ｄである。
測距装置３００は、受光時間ｔmを取得した回数をビンに基づき計数してビン毎の頻度３１０を求め、ヒストグラムを生成する。ここで、受光部３０２は、光源部３０１から射出された光が反射された反射光以外の光も受光する。このような、対象となる反射光以外の光の例として、上述した環境光がある。ヒストグラムにおいて範囲３１１で示される部分は、環境光による環境光成分を含む。環境光は、受光部３０２にランダムに入射される光であって、対象となる反射光に対するノイズとなる。
一方、対象となる反射光は、特定の距離に応じて受光される光であって、ヒストグラムにおいてアクティブ光成分３１２として現れる。このアクティブ光成分３１２内のピークの頻度に対応するビンが、被測定物３０３の距離Ｄに対応するビンとなる。測距装置３００は、そのビンの代表時間（例えばビンの中央の時間）を上述した時間ｔ1として取得することで、上述した式（１）に従い、被測定物３０３までの距離Ｄを算出することができる。このように、複数の受光結果を用いることで、ランダムなノイズに対して適切な測距を実行可能となる。
図３は、各実施形態に係る測距装置を用いた電子機器の一例の構成を示すブロック図である。図３において、電子機器６は、測距装置１と、光源部２と、記憶部３と、制御部４と、光学系５と、を含む。
光源部２は、上述した光源部３０１に対応し、レーザダイオードであって、例えばレーザ光をパルス状に発光するように駆動される。光源部２は、面光源としてレーザ光を射出するＶＣＳＥＬ(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)を適用することができる。これに限らず、光源部２として、レーザダイオードをライン上に配列したアレイを用い、レーザダイオードアレイから射出されるレーザ光をラインに垂直の方向にスキャンする構成を適用してもよい。さらにまた、単光源としてのレーザダイオードを用い、レーザダイオードから射出されるレーザ光を水平および垂直方向にスキャンする構成を適用することもできる。
測距装置１は、上述した受光部３０２に対応して、複数の受光素子を含む。複数の受光素子は、例えば２次元格子状に配列されて受光面を形成する。光学系５は、外部から入射する光を、測距装置１が含む受光面に導く。
制御部４は、電子機器６の全体の動作を制御する。例えば、制御部４は、測距装置１に対して、光源部２を発光させるためのトリガである発光トリガを供給する。測距装置１は、この発光トリガに基づくタイミングで光源部２を発光させると共に、発光タイミングを示す時間ｔemを記憶する。また、制御部４は、例えば外部からの指示に応じて、測距装置１に対して、測距の際のパターンの設定を行う。
測距装置１は、受光面に光が受光されたタイミングを示す時間情報（受光時間ｔm）を取得した回数を所定の時間範囲内で計数し、ビン毎の頻度を求めて上述したヒストグラムを生成する。測距装置１は、さらに、生成したヒストグラムに基づき、被測定物までの距離Ｄを算出する。算出された距離Ｄを示す情報は、記憶部３に記憶される。
図４は、各実施形態に適用可能な測距装置１の一例の構成をより詳細に示すブロック図である。図４において、測距装置１は、画素アレイ部１００と、測距処理部１０１と、画素制御部１０２と、全体制御部１０３と、クロック生成部１０４と、発光タイミング制御部１０５と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）１０６と、を含む。これら画素アレイ部１００、測距処理部１０１、画素制御部１０２、全体制御部１０３、クロック生成部１０４、発光タイミング制御部１０５およびＩ／Ｆ１０６は、１つの半導体チップ上に配置することができる。
これに限らず、測距装置１は、第１の半導体チップと第２の半導体チップとを積層した構成としてもよい。この場合、例えば画素アレイ部１００の一部（受光部など）を第１の半導体チップ上に配置し、測距装置１に含まれる他の部分を第２の半導体チップ上に配置する構成が考えられる。
図４において、全体制御部１０３は、例えば予め組み込まれるプログラムに従い、この測距装置１の全体の動作を制御する。また、全体制御部１０３は、外部から供給される外部制御信号に応じた制御を実行することもできる。クロック生成部１０４は、外部から供給される基準クロック信号に基づき、測距装置１内で用いられる１以上のクロック信号を生成する。発光タイミング制御部１０５は、外部から供給される発光トリガ信号に従い発光タイミングを示す発光制御信号を生成する。発光制御信号は、光源部２に供給されると共に、測距処理部１０１に供給される。
画素アレイ部１００は、２次元格子状に配列される、それぞれ受光素子を含む複数の画素１０、１０、…を含む。各画素１０の動作は、全体制御部１０３の指示に従った画素制御部１０２により制御される。例えば、画素制御部１０２は、各画素１０からの画素信号の読み出しを、行方向にｐ個、列方向にｑ個の、（ｐ×ｑ）個の画素１０を含むブロック毎に制御することができる。また、画素制御部１０２は、当該ブロックを単位として、各画素１０に対する行方向の走査を行い、さらに列方向の走査を行い、各画素１０から画素信号を読み出すことができる。これに限らず、画素制御部１０２は、各画素１０をそれぞれ単独で制御することもできる。さらに、画素制御部１０２は、画素アレイ部１００の所定領域を対象領域として、対象領域に含まれる画素１０を、画素信号を読み出す対象の画素１０とすることができる。さらにまた、画素制御部１０２は、複数行（複数ライン）に対して纏めて走査を行い、それを列方向にさらに走査して、各画素１０から画素信号を読み出すこともできる。
なお、以下では、走査は、光源部２を発光させ、画素１０からの受光に応じた信号Ｖｐｌｓの読み出しを、１つの走査領域内において走査対象として指定した各画素１０について連続的に行う処理をいうものとする。１回の走査において複数回の発光と読み出しとを実行することができる。
各画素１０から読み出された画素信号は、測距処理部１０１に供給される。測距処理部１０１は、変換部１１０と、生成部１１１と、信号処理部１１２と、を含む。
各画素１０から読み出され、画素アレイ部１００から出力された画素信号は、変換部１１０に供給される。ここで、画素信号は、各画素１０から非同期で読み出され、変換部１１０に供給される。すなわち、画素信号は、各画素１０において光が受光されたタイミングに応じて受光素子から読み出され、出力される。
変換部１１０は、画素アレイ部１００から供給された画素信号を、デジタル情報に変換する。すなわち、画素アレイ部１００から供給される画素信号は、当該画素信号が対応する画素１０に含まれる受光素子に光が受光されたタイミングに対応して出力される。変換部１１０は、供給された画素信号を、当該タイミングを示す時間情報に変換する。
生成部１１１は、変換部１１０により画素信号が変換された時間情報に基づきヒストグラムを生成する。ここで、生成部１１１は、時間情報を、設定部１１３により設定された単位時間ｄに基づき計数し、ヒストグラムを生成する。生成部１１１によるヒストグラム生成処理の詳細については、後述する。
信号処理部１１２は、生成部１１１により生成されたヒストグラムのデータに基づき所定の演算処理を行い、例えば距離情報を算出する。信号処理部１１２は、例えば、生成部１１１により生成されたヒストグラムのデータに基づき、当該ヒストグラムの曲線近似を作成する。信号処理部１１２は、このヒストグラムが近似された曲線のピークを検出し、検出されたピークに基づき距離Ｄを求めることができる。
信号処理部１１２は、ヒストグラムの曲線近似を行う際に、ヒストグラムが近似された曲線に対してフィルタ処理を施すことができる。例えば、信号処理部１１２は、ヒストグラムが近似された曲線に対してローパスフィルタ処理を施すことで、ノイズ成分を抑制することが可能である。
信号処理部１１２で求められた距離情報は、インタフェース１０６に供給される。インタフェース１０６は、信号処理部１１２から供給された距離情報を、出力データとして外部に出力する。インタフェース１０６としては、例えばＭＩＰＩ(Mobile Industry Processor Interface)を適用することができる。
なお、上述では、信号処理部１１２で求められた距離情報を、インタフェース１０６を介して外部に出力しているが、これはこの例に限定されない。すなわち、生成部１１１により生成されたヒストグラムのデータであるヒストグラムデータを、インタフェース１０６から外部に出力する構成としてもよい。この場合、設定部１１３が設定する測距条件情報は、フィルタ係数を示す情報を省略することができる。インタフェース１０６から出力されたヒストグラムデータは、例えば外部の情報処理装置に供給され、適宜、処理される。
図５は、各実施形態に適用可能な画素１０の基本的な構成例を示す図である。図５において、画素１０は、受光素子１０００と、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１００１と、インバータ１００２と、を含む。
受光素子１０００は、入射された光を光電変換により電気信号に変換して出力する。各実施形態においては、受光素子１０００は、入射された光子（光子）を光電変換により電気信号に変換し、光子の入射に応じたパルスを出力する。各実施形態では、受光素子１０００として、単一光子アバランシェダイオードを用いる。以下、単一光子アバランシェダイオードを、ＳＰＡＤ(Single Photon Avalanche Diode)と呼ぶ。ＳＰＡＤは、カソードにアバランシェ増倍が発生する大きな負電圧を加えておくと、１光子の入射に応じて発生した電子がアバランシェ増倍を生じ、大電流が流れる特性を有する。ＳＰＡＤのこの特性を利用することで、１光子の入射を高感度で検知することができる。
図５において、ＳＰＡＤである受光素子１０００は、カソードがトランジスタ１００１のドレインに接続され、アノードが受光素子１０００の降伏電圧である電圧Ｖｂｄに対応する負電圧（－Ｖｏｐ）の電圧源に接続される。トランジスタ１００１のソースが過剰バイアス電圧Ｖｅに接続される。トランジスタ１００１のゲートには、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。トランジスタ１００１は、過剰バイアス電圧Ｖｅおよび基準電圧Ｖｒｅｆに応じた電流をドレインから出力する電流源である。このような構成により、受光素子１０００には、逆バイアスが印加される。また、光電流は、受光素子１０００のカソードからアノードに向けた方向に流れる。
より詳細には、受光素子１０００は、カソードに過剰バイアス電圧Ｖｅが印加され、カソード－アノード間の電圧ＶCTH-ANが電圧ＶＤＤ＋Ｖｏｐとなっている状態で光子が入射されると、アバランシェ増倍が開始されカソードからアノードの方向に向けて電流が流れ、それに伴い受光素子１０００において電圧降下が発生する。この電圧降下により、受光素子１０００のカソード－アノード間の電圧ＶCTH-ANが電圧Ｖｏｐまで下がるとアバランシェ増倍が停止される（クエンチング動作）。その後、電流源であるトランジスタ１００１からの電流（リチャージ電流）により受光素子１０００が充電され、受光素子１０００の状態が光子入射前の状態に戻る（リチャージ動作）。
トランジスタ１００１のドレインと受光素子１０００のカソードとの接続点から取り出された電圧Ｖｃａが、インバータ１００２に入力される。インバータ１００２は、入力された電圧Ｖｃａに対して閾値電圧Ｖｔｈに基づき閾値判定を行い、出力する信号Ｖｉｎｖを、当該電圧Ｖｃａが閾値電圧Ｖｔｈを正方向または負方向に超える毎に反転させる。
より具体的には、インバータ１００２は、受光素子１０００に対する光子の入射に応じたアバランシェ増倍による電圧降下において、電圧Ｖｃａが閾値電圧Ｖｔｈを跨いだ第１のタイミングで、信号Ｖｉｎｖを反転させる。次に、リチャージ動作により受光素子１０００の充電が行われ電圧Ｖｃａが上昇する。インバータ１００２は、この上昇する電圧Ｖｃａが閾値電圧Ｖｔｈを跨いだ第２のタイミングで、信号Ｖｉｎｖを再び反転させる。この第１のタイミングと第２のタイミングとの時間方向の幅が、受光素子１０００に対する光子の入射に応じた出力パルスとなる。
この出力パルスは、図４を用いて説明した、画素アレイ部１００から非同期に出力される画素信号に対応する。図４において、変換部１１０は、この出力パルスを、当該出力パルスが供給されたタイミングを示す時間情報に変換して生成部１１１に渡す。生成部１１１は、この時間情報に基づきヒストグラムを生成する。
図６は、各実施形態に係る測距装置１に適用可能なデバイスの構成の例を示す模式図である。図６において、測距装置１は、それぞれ半導体チップからなる第１のチップ２１０と、第２のチップ２１１とが積層されて構成される。なお、図５では、説明のため、第１のチップ２１０と第２のチップ２１１とを分離した状態で示している。また、以下では、便宜上、第１のチップ２１０を上チップ２１０、第２のチップ２１１を下チップ２１１と呼ぶ。
上チップ２１０は、画素アレイ部１００の領域において、複数の画素１０それぞれに含まれる受光素子１０００が２次元格子状に配列される。また、画素１０において、トランジスタ１００１およびインバータ１００２は、下チップ２１１上に形成される。受光素子１０００の両端は、例えばＣＣＣ(Copper-Copper Connection)などによる結合部１１０５を介して、上チップ２１０と下チップ２１１との間で接続される。
下チップ２１１は、受光素子１０００によって取得された信号を処理する信号処理部を含むロジックアレイ部２００が設けられる。下チップ２１１に対して、さらに、当該ロジックアレイ部２００と近接して、受光素子１０００によって取得された信号の処理を行う信号処理回路部２０１と、測距装置１としての動作を制御する装置制御部２０３と、を設けることができる。
例えば、信号処理回路部２０１は、上述した測距処理部１０１を含むことができる。また、装置制御部２０３は、上述した画素制御部１０２、全体制御部１０３、クロック生成部１０４、発光タイミング制御部１０５およびインタフェース１０６を含むことができる。
なお、上チップ２１０および下チップ２１１上の構成は、この例に限定されない。また、装置制御部２０３は、ロジックアレイ部２００の制御以外にも、例えば受光素子１０００の近傍に、他の駆動や制御の目的で配置することができる。装置制御部２０３は、図６に示した配置以外にも、上チップ２１０および下チップ２１１の任意の領域に、任意の機能を有するように設けることができる。
（既存技術による受光素子の制御の例）
次に、本開示に係る技術の説明に先んじて、理解を容易とするために、既存技術による受光素子１０００の制御の例について説明する。図７は、ＳＰＡＤとしての受光素子１０００の動作を概略的に示す図である。図７の上段のチャート４０は、特性線４００により受光素子１０００におけるカソード－アノード間の電圧ＶCTH-ANの変化の例を示し、縦軸が電圧［Ｖ］、横軸が時間を示している。
また、図７の下段のチャート４１は、受光素子１０００におけるポテンシャルのシリコン（Ｓｉ）基板内での変化の例を示し、縦軸がポテンシャル、横軸が基板の厚み方向（Ｓｉ厚み）を示している。なお、チャート４１は、電子の振る舞いに関するものであって、縦軸の上方向に向けてポテンシャルが高くなる。
まず、チャート４０を用いて、受光素子１０００の基本的な動作例について説明する。なお、ここでは、図５を用いて説明した回路構成において、トランジスタ１００１の代わりに抵抗値Ｒｑの抵抗素子を接続した構成を用いている。時間ｔ100で、受光素子１０００のカソード－アノード間に、降伏電圧である電圧Ｖｂｄに過剰バイアス電圧Ｖｅを加えた電圧が印加され、受光素子１０００が光子の入射の待機状態とされる。待機状態では、受光素子１０００において、カソードからアノードに向けた電流は流れない。
この待機状態の受光素子１０００に対して、例えば時間ｔ101に光子が入射すると、入射された光子を種にしてアバランシェ増倍が発生し、受光素子１０００のカソードからアノードに向けて電流が流れる。これにより、受光素子１０００に直列に接続される抵抗素子において電圧降下が発生し、受光素子１０００の電圧ＶCTH-ANが低下する。電圧ＶCTH-ANが降伏電圧である電圧Ｖｂｄまで低下すると、受光素子１０００においてアバランシェ増倍が停止する（時間ｔ102、クエンチング動作）。その後、受光素子１０００は、抵抗素子を介して供給される電流により充電され（リチャージ動作）、チャート４０に特性線４００で示されるように、電圧ＶCTH-ANが過剰バイアス電圧Ｖｅに漸近する。
ここで、受光素子１０００に光子が入射された時間ｔ101から、リチャージ動作により電圧ＶCTH-ANが所定の電圧まで上昇する時間ｔ103までの時間は、受光素子１０００のリセットに要する時間であり、デッドタイム（Ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）と呼ばれる。受光素子１０００は、デッドタイム期間中に光子が入射されても、アバランシェ増倍を発生しない。
図７のチャート４１において、左端側に受光素子１０００における増倍領域４１０が示され、この増倍領域４１０から右方向に向けて受光面に近付く。増倍領域４１０では、厚みの変化に対して急峻にポテンシャルが上昇する特性となる。チャート４１において、特性線４１１および４１２は、ポテンシャルの厚み方向の変化を表すポテンシャル曲線の例を示している。
ここで、チャート４０において待機状態として示される時間ｔ100～ｔ101の期間では、チャート４１に特性線４１１として例示されるように、増倍領域４１０から受光面に近付くに連れ、ポテンシャルが増加する。一方、受光素子１０００においてアバランシェ増倍が発生しクエンチング動作が開始されると、過剰バイアス電圧Ｖｅの低下により、チャート４１に特性線４１２として例示されるように、増倍領域４１０から受光面に近付く過程において、ポテンシャルが減少する区間が発生する。ポテンシャルは、ある厚みにおいて最も減少し、その厚みから受光面に向けて緩やかに増加する。以下では、このポテンシャルの減少および増加によるポテンシャル曲線の窪を、「ポテンシャルの撓み」と呼ぶ。ポテンシャルの撓みは、チャート４１に矢印Ａとして示されるように、リチャージ動作により徐々に解消される。
次に、図８Ａ～図８Ｄを用いて、受光素子１０００において発生するアフターパルシングについて、概略的に説明する。なお、図８Ａ～図８Ｄは、上述した図７のチャート４１に対応する。図８Ａは、受光素子１０００において、光子の到来、または、暗電流によりアバランシェ増倍が開始された状態の例を示す図である。待機状態の受光素子１０００に光子４３０が到来すると、アバランシェ増倍が発生し、矢印Ｂに示されるように、電子４２０ａが、増倍領域４１０において急峻に変化する特性線４１１に沿って加速しながら移動する。この図８Ａの状態は、例えば上述した図７におけるチャート４０の時間ｔ101の近辺の状態に対応する。
アバランシェ増倍が発生し、受光素子１０００にカソードからアノードに向けて電流が流れると、電圧ＶCTH-ANが低下する。これにより、ポテンシャル曲線が特性線４１１から特性線４１２の状態に変化し、ポテンシャルに撓みが生じる。また、図８Ｂに、増倍領域４１０において特性線４１１を跨いで移動する電子４２０ｂとして例示されるように、アバランシェ増倍に寄与するキャリアのごく一部がＳｉ界面にトラップされることにより、受光素子１０００内で発光４３１が起きる。
図８Ｃに示されるように、この素子内部での発光４３１により、ポテンシャルの撓みに電子４２０ｂが溜まる。すなわち、ポテンシャルの撓み部分は、その両側の厚みに対してポテンシャルが低い窪となっており、この窪に対して電子４２０ｂが溜まる。これら図８Ｂおよび図８Ｃの状態は、例えば図７におけるチャート４０の時間ｔ102の近辺の状態に対応する。
リチャージ動作によりポテンシャルの撓みが解消されると、図８Ｄに矢印Ｄにて示されるように、ポテンシャル曲線が特性線４１２の状態から特性線４１１の状態に変化する。これにより、増倍領域４１０内の電子４２０ａが受光素子１０００から排出される。この状態は、例えば図７におけるチャート４０の時間ｔ103の近辺の状態に対応する。
この図８Ｄの状態において、図８Ｄ内の矢印Ｅにて示されるように、ポテンシャルの撓みに溜まった電子４２０ｂが特性線４１１に示すポテンシャル曲線に従い移動する。この移動した電子４２０ｂが増倍領域４１０に到達すると、この電子４２０ｂを種として、再びアバランシェ増倍が開始される。すなわち、受光素子１０００は、光子の到来が無くとも、アバランシェ増倍が発生し、電流が流れることになる。
ここで、図８Ｃに示したように、ポテンシャルの撓み部分に溜まった電子４２０ｂを、アフターパルシングによりアバランシェ増倍が発生する前に、受光素子１０００から排出する処理を実行する。例えば、リチャージ動作中に電子４２０ｂの排出を行う。この場合、リチャージ電流の電流値を小さくすることで、リチャージ動作が完了するまでの時間が長くなり、電子４２０ｂをより確実に排出することが可能となる。その一方で、リチャージ動作の時間が長くなると、デッドタイムが長くなり、受光素子１０００の光子の入射に対する反応速度が下がってしまう。
［第１の実施形態］
次に、本開示の第１の実施形態について説明する。第１の実施形態では、受光素子１０００から出力される信号Ｖｐｌｓに基づくインバータ１００２の出力の反転に応じて、受光素子１０００のカソードに、過剰バイアス電圧Ｖｅに対応する電源電圧ＶＤＤを印加し、カソードの電圧を強制的に電圧ＶＤＤに引き上げる。それと共に、リチャージ電流の電流値を、既存技術で用いるリチャージ電流の電流値に対して小さい電流値とし、カソードの電圧の電源電圧ＶＤＤへの復帰を緩やかにする。これにより、リチャージ動作に要する時間を延長せずに、ポテンシャルの撓み部分に溜まった電子をより確実に排出可能となる。
なお、以下では、特に記載の無い限り、「電流の電流値が小さい（大きい）」などの表現を「電流が小さい（大きい）」のように省略して記述する。
図９は、第１の実施形態に係る画素の一例の構成を示す図である。図９において、画素１０ａは、ＳＰＡＤである受光素子１０００と、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１００１と、インバータ１００２と、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１０１０と、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１０２０と、を含む。画素１０ａに対して、バッファ回路１０２１をさらに含めてもよい。
図９において、受光素子１０００と、トランジスタ１００１と、インバータ１００２と、の接続は、上述した図５の構成と同様である。すなわち、受光素子１０００は、カソードがトランジスタ１００１のドレインに接続され、アノードが負電圧（－Ｖｏｐ）の電源に接続される。ここで、負電圧（－Ｖｏｐ）は、図５の負電圧（－Ｖｂｐ）に対応するもので、受光素子１０００の降伏電圧に対応する電圧である。トランジスタ１００１のソースが電源電圧ＶＤＤの供給線に接続される。この電源電圧ＶＤＤは、図５の過剰バイアス電圧Ｖｅに対応する。
なお、以下では、特に記載の無い限り、「電源電圧ＶＤＤの供給線に接続される」旨を、「電源電圧ＶＤＤに接続される」のように記述する。
トランジスタ１００１のゲートには、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。トランジスタ１００１は、電源電圧ＶＤＤ（過剰バイアス電圧Ｖｅ）および基準電圧Ｖｒｅｆに応じた電流をドレインから出力する電流源である。例えば、トランジスタ１００１は、カレントミラー回路における複製先のトランジスタであって、図示されない当該カレントミラー回路の複製元のトランジスタのソース－ドレイン間に流れる電流が複製されて、ドレインから出力される。
トランジスタ１００１のドレインと受光素子１０００のカソードが接続される接続点から取り出された電圧Ｖｃａが、インバータ１００２に入力される。インバータ１００２は、入力された電圧Ｖｃａに対して例えば判定を行い、当該電圧Ｖｃａが閾値電圧Ｖｔｈを正方向または負方向に超える毎に反転する信号Ｖｉｎｖを出力する。インバータ１００２から出力された信号Ｖｉｎｖは、例えばバッファ回路１０２１を介して、信号Ｖｐｌｓとして出力される。
トランジスタ１００１のドレインと受光素子１０００のカソードが接続される接続点に対して、さらに、トランジスタ１０１０のドレインと、トランジスタ１０２０のドレインと、が接続される。トランジスタ１０２０は、ソースが接地電位ＧＮＤに接続され、ゲートに信号ＳＴＢＹが入力される。信号ＳＴＢＹがハイ（Ｈｉｇｈ）状態でトランジスタ１０２０のドレイン－ソース間がオン（ＯＮ）状態となり、受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａが強制的に接地電位とされる。これにより、スタンバイ状態における受光素子１０００のアバランシェ増倍反応を起こりにくくさせる。
トランジスタ１０１０のソースが電源電圧ＶＤＤに接続される。また、トランジスタ１０１０のゲートに、インバータ１００２から出力された信号Ｖｉｎｖが、制御信号Ｖｃｔｒｌとして入力される。トランジスタ１０１０は、信号Ｖｉｎｖすなわち信号Ｖｃｔｌｒがロー（Ｌｏｗ）状態でオン状態となり、受光素子１０００のカソードを電源電圧ＶＤＤに接続する。
図１０は、図９に示した、第１の実施形態に係る構成における、受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａの変化の例を示す図である。なお、図１０において、特性線５０は、第１の実施形態を適用しない場合の電圧Ｖｃａを示し、特性線５１は、第１の実施形態を適用した場合の電圧Ｖｃａを示している。
図１０において、時間ｔ10は、図７のチャート４０における時間ｔ100に対応し、受光素子１０００のカソード－アノード間に、降伏電圧（－Ｖｏｐ）に電源電圧ＶＤＤを加えた電圧が印加される。ここで、電源電圧ＶＤＤは、受光素子１０００に対する、上述した過剰バイアス電圧Ｖｅに相当する電圧であって、受光素子１０００が光子の入射の待機状態とされる。この状態において、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖは、ロー状態であり、受光素子１０００のカソードがトランジスタ１０１０を介して電源電圧ＶＤＤに接続されている。
この待機状態の受光素子１０００に対して、例えば時間ｔ11に光子が入射すると、入射された光子を種にしてアバランシェ増倍が発生する。このアバランシェ増倍により、受光素子１０００のカソードからアノードに向けて電流が流れ、受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａが低下する。
受光素子１０００のカソードから取り出された電圧Ｖｃａは、インバータ１００２に入力され、インバータ１００２において閾値電圧Ｖｔｈと比較される。時間ｔ20で、電圧Ｖｃａが閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐと、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖ（制御信号Ｖｃｔｒｌ）が反転してハイ状態となり、トランジスタ１０１０がオフ（ＯＦＦ）状態となる。
時間ｔ12で受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａが電圧（－Ｖｏｐ）まで低下してアバランシェ増倍が停止する。受光素子１０００のカソードには、トランジスタ１００１を介して電流が流れ込み、受光素子１０００に対するリチャージ動作が開始される。
このとき、リチャージ電流を所定より小さい電流とすることで、特性線５１に例示されるように、リチャージ動作によるカソードの電圧Ｖｃａの上昇の傾きを、第１の実施形態を適用しない場合（特性線５０参照）に比べて緩やかにすることができる。例えば、リチャージ電流を、本開示による技術を適用しない場合に比べて小さい電流とする。これにより、当該電圧Ｖｃａが次に閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐまでの時間が、本開示による技術を適用しない場合に比べて長くなり、ポテンシャルの撓み部分に溜まる電子をより確実に排出でき、アフターパルシングの発生を抑制することが可能となる。
受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａがインバータ１００２の閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐと（時間ｔ21）、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖが反転してロー状態となる。信号Ｖｉｎｖがロー状態となると、トランジスタ１０１０がオン状態となり、受光素子１０００のカソードに対して、トランジスタ１０１０を介して電源電圧ＶＤＤが供給される。これにより、図１０に時間21からの特性線５１に示されるように、受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａが強制的に電源電圧ＶＤＤまで引き上げられ、リチャージ動作が完了する（時間ｔ13）。
このように、本開示の第１の実施形態では、インバータ１００２から出力される信号Ｖｉｎｖに応じたトランジスタ１０１０の動作により、受光素子１０００に対する電源電圧ＶＤＤ（過剰バイアス電圧Ｖｅ）の供給を制御する。これにより、第１の実施形態の構成によれば、リチャージ動作に要する時間を延長すること無く、アフターパルシングの発生を抑制することが可能となる。
ここで、トランジスタ１０１０がオン状態の場合において、トランジスタ１０１０を介して受光素子１０００のカソードに所定以上の電流が流れ込むと、受光素子１０００に残っている電子に、アバランシェ増倍を開始可能な程度のエネルギーが与えられ、アフターパルシングが発生してしまう可能性がある。そのため、トランジスタ１０１０がオン状態の場合において受光素子１０００に流れ込む電流が、受光素子１０００のラッチングカレントより小さくなるようにする。ラッチングカレントは、受光素子１０００においてアバランシェ増倍を維持するために必要な、受光素子１０００に固有の電流である。
例えば、時間ｔ21の時点では、受光素子１０００に対して、トランジスタ１０１０から電流が供給されると共に、トランジスタ１００１からも電流が供給されている。したがって、受光素子１０００に対してトランジスタ１００１から供給される電流と、トランジスタ１０１０から供給される電流と、を加算した電流がラッチングカレントよりも小さい電流となるようにすることが考えられる。
例えば、トランジスタ１０１０のサイズ（アスペクト比）を調整することで、トランジスタ１０１０のソース－ドレイン間を流れる電流を調整することができる。トランジスタ１００１についても同様である。
（第１の実施形態の第１の変形例）
次に、本開示の第１の実施形態の第１の変形例について説明する。図１１は、第１の実施形態の第１の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。図１１において、画素１０ｂは、上述した図９の構成に対して、電流源としてのトランジスタ１００１の代わりに抵抗素子１００３を用いた例である。それ以外の部分は、上述した図９の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明を省略する。
図１１の構成の場合、受光素子１０００の待機状態においては抵抗素子１００３に電流が流れず、受光素子１０００のカソードには電源電圧ＶＤＤが印加される。受光素子１０００においてアバランシェ増倍が発生し電流が流れると、抵抗素子１００３において電圧降下が発生する。これにより、受光素子１０００のカソード－アノード間の電圧ＶCTH-ANが低下し、その結果、アバランシェ増倍が停止する。
この動作の場合、図１０に示す時間ｔ10から時間ｔ11を介して時間ｔ21の間のカソードの電圧Ｖｃａの変化は、図１０のように直線的ではなく、図７のチャート４０に特性線４００として示したように曲線的となる。図１０の時間ｔ２１で電圧Ｖｃａがインバータ１００２の閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐと、トランジスタ１０１０がオン状態とされ、受光素子１０００のカソードが電源電圧ＶＤＤに接続され、電圧Ｖｃａが強制的に電源電圧ＶＤＤに引き上げられる。
この図１１の構成においても、トランジスタ１０１０がオン状態の場合に受光素子１０００に流れ込む電流を、ラッチングカレントより小さくする必要がある。図１１の構成の場合、トランジスタ１０１０のサイズと、抵抗素子１００３の抵抗値と、を調整することで、当該電流をラッチングカレントより小さくすることが可能である。
（第１の実施形態の第２の変形例）
次に、第１の実施形態の第２の変形例について説明する。図１２は、第１の実施形態の第２の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。図１２において、画素１０ｃは、図９に示した画素１０ａに対して、処理回路１０３０が追加されている。それ以外の部分は、上述した図９の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明を省略する。
処理回路１０３０は、インバータ１００２から出力された信号Ｖｉｎｖが供給される。処理回路１０３０は、この信号Ｖｉｎｖに対して所定の処理を施して、バッファ回路１０２１に供給する。バッファ回路１０２１は、処理回路１０３０から供給された信号を、出力信号Ｖｐｌｓ’として出力する。
また、処理回路１０３０は、入力された信号Ｖｉｎｖの論理を変更しない制御信号Ｖｃｔｒｌを出力する。処理回路１０３０から出力された制御信号Ｖｃｔｒｌは、トランジスタ１０１０のゲートに入力される。処理回路１０３０から、インバータ１００２から出力された信号Ｖｉｎｖの論理を変更しない制御信号Ｖｃｔｒｌをトランジスタ１０１０のゲートに供給することで、画素１０ｃは、図１０を用いて説明した動作と同様に動作することが可能である。
処理回路１０３０は、例えばバッファ回路を含むことができる。例えば、処理回路１０３０は、当該バッファ回路によりインピーダンス変換を行うことができる。処理回路１０３０が含む回路は、インバータ１００２から供給される信号Ｖｉｎｖの論理を変更しない制御信号Ｖｃｔｒｌを出力可能であれば、特に限定されない。
この第１の実施形態の第２の変形例の構成によれば、インバータ１００２から出力される信号Ｖｉｎｖに対して所定の処理を施して出力することが可能である。
（第１の実施形態の第３の変形例）
次に、第１の実施形態の第３の変形例について説明する。図１３は、第１の実施形態の第３の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。図１３において、画素１０ｄは、図９に示した画素１０ａに対して、処理回路１０３１と、セレクタ１０３２と、が追加されている。それ以外の部分は、上述した図９の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明を省略する。
図１３において、処理回路１０３１は、インバータ１００２から供給された信号Ｖｉｎｖに対して所定の処理を施して、バッファ回路１０２１に供給する。また、処理回路１０３１は、供給された信号Ｖｉｎｖの論理を変更しない、複数の制御信号Ｖｃｔｒｌ1、Ｖｃｔｒｌ2、…、Ｖｃｔｒｌnを出力可能とされている。セレクタ１０３２は、画素１０ｄの外部から供給される信号Ｓｅｌに従い、処理回路１０３１から出力された各制御信号Ｖｃｔｒｌ1、Ｖｃｔｒｌ2、…、Ｖｃｔｒｌnから１つの信号を選択し、選択した信号を制御信号Ｖｃｔｒｌとしてトランジスタ１０１０のゲートに入力する。
図１４は、第１の実施形態の第３の変形例に適用可能な処理回路１０３１の一例の構成を示すブロック図である。図１４の例では、処理回路１０３１は、直列に接続される複数の処理回路１３００1、１３００2、…、１３００nを含む。各処理回路１３００1、１３００2、…、１３００nは、入力された信号の論理を変更しない各制御信号Ｖｃｔｒｌ1、Ｖｃｔｒｌ2、…、Ｖｃｔｒｌnをそれぞれ出力する。各処理回路１３００1、１３００2、…、１３００nとしては、例えばバッファ回路や、遅延回路を適用することができる。
各処理回路１３００1、１３００2、…、１３００nの内容は、入力された信号の論理を変更せずに出力するものであれば、特に限定されない。また、各処理回路１３００1、１３００2、…、１３００nは、互いに同一の内容の回路に限らず、異なる内容の回路を含んでいてもよい。さらに、図１４の例では、各処理回路１３００1、１３００2、…、１３００nが直列に接続されているが、これはこの例に限定されない。例えば、各処理回路１３００1、１３００2、…、１３００nは、インバータ１００２から供給される信号Ｖｉｎｖに対して並列に接続されていてもよいし、並列接続と直列接続とが混在していてもよい。
この第１の実施形態の第３の変形例によれば、インバータ１００２から出力される信号Ｖｉｎｖに対して、複数の信号処理から選択した信号処理を施すことができる。
（第１の実施形態の第４の変形例）
次に、第１の実施形態の第４の変形例について説明する。図１５は、第１の実施形態の第４の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。図１５において、画素１０ｅは、図９に示した画素１０ａに対して、トランジスタ１０１０と、受光素子１０００のカソードと、間に、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１０２２が挿入されている。それ以外の部分は、上述した図９の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明を省略する。
より具体的には、画素１０ｅにおいて、トランジスタ１０２２のソースが、トランジスタ１０１０のドレインに接続される。トランジスタ１０２２のドレインが、受光素子１０００のカソードとトランジスタ１００１のドレインとが接続される接続点に接続される。また、トランジスタ１０２２のゲートに、画素１０ｅの外部から供給される信号ｅｎが入力される。トランジスタ１０２２は、この信号ｅｎに従い、オン／オフが制御される。
この図１５の構成において、トランジスタ１０２２をオン状態とした場合の動作は、図９および図１０を用いて説明した、第１の実施形態に係る画素１０ａと同様である。トランジスタ１０２２をオフ状態とした場合の動作については、既存技術による動作において、リチャージ動作に要する時間が延長された動作となる。
例えば、時間ｔ10において受光素子１０００のカソード－アノード間に、降伏電圧（－Ｖｏｐ）に電源電圧ＶＤＤを加えた電圧が印加される。この状態において、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖは、ロー状態であり、受光素子１０００のカソードがトランジスタ１０１０を介して電源電圧ＶＤＤに接続されている。待機状態の受光素子１０００に対して、例えば時間ｔ11に光子が入射すると、入射された光子を種にしてアバランシェ増倍が発生し、受光素子１０００のカソードからアノードに向けて電流が流れ、受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａが低下する。
受光素子１０００のカソードから取り出された電圧Ｖｃａがインバータ１００２において閾値電圧Ｖｔｈと比較され、時間ｔ20で、電圧Ｖｃａが閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐと、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖ（制御信号Ｖｃｔｒｌ）が反転してハイ状態となり、トランジスタ１０１０がオフ状態となる。
時間ｔ12で受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａが電圧（－Ｖｏｐ）まで低下してアバランシェ増倍が停止する。受光素子１０００のカソードには、トランジスタ１００１を介して電流が流れ込み、受光素子１０００に対するリチャージ動作が開始される。
ここで、リチャージ電流が所定より小さな値とされているため、リチャージ動作によるカソードの電圧Ｖｃａの上昇の傾きが、例えば図１０において時間ｔ12から時間ｔ21の間の特性線５１に示される傾きとなり、第１の実施形態を適用しない場合（特性線５０参照）に比べて緩やかになる。これにより、当該電圧Ｖｃａが次に閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐまでの時間が、本開示による技術を適用しない場合に比べて長くなり、ポテンシャルの撓み部分に溜まる電子をより確実に排出でき、アフターパルシングの発生を抑制することが可能となる。
受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａがインバータ１００２の閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐと（時間ｔ21）、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖが反転してロー状態となる。ここで、トランジスタ１０１０に直列に接続されるトランジスタ１０２２がオフ状態となっているため、トランジスタ１０１０を介した受光素子１０００への電源電圧ＶＤＤの供給がなされず、電圧Ｖｃａは、図１０において時間ｔ12から時間ｔ21の間の特性線５１に示される傾きのまま、上昇する。電圧Ｖｃａが電源電圧ＶＤＤに到達した時点で、リチャージ動作が完了する。
この場合、第１の実施形態の第４の変形例に係る画素１０ｅは、リチャージ動作が完了するまでの時間が、例えば第１の実施形態に係る画素１０ａにおける当該時間に対して長くなる。一方で、当該画素１０ｅは、トランジスタ１０２２をオフ状態とした場合、電源電圧ＶＤＤが受光素子１０００に供給されないため、電源電圧ＶＤＤを受光素子１０００に供給する場合と比較して、消費電力を削減することが可能である。
また、上述では、トランジスタ１０２２を、受光素子１０００の動作期間中、常時オフ状態としているが、これはこの例に限定されない。例えば、受光素子１０００の待機中（図１０の時間ｔ10から時間ｔ11の間の期間）のみ、トランジスタ１０２２をオフ状態とし、他の期間ではトランジスタ１０２２をオン状態とすることもできる。この場合、リチャージ動作が完了するまでの時間を延長すること無くアフターパルシングを抑制できると共に、受光素子１０００の待機中の消費電力を削減することが可能となる。
なお、この第１の実施形態の第４の変形例に係る構成は、上述した第１の実施形態および第１の実施形態の第１～第３の変形例の何れかと組み合わせて実施することが可能である。
（第１の実施形態の第５の変形例）
次に、第１の実施形態の第５の変形例について説明する。図１６は、第１の実施形態の第５の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。図１６において、画素１０ｆは、図９に示した画素１０ａに対して、電流源となるトランジスタ１００１’から供給される電流を可変とする構成の例である。それ以外の部分は、上述した図９の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明を省略する。
上述したように、電流源となるトランジスタ１００１’は、カレントミラー回路の複製先のトランジスタである。図１６の例では、トランジスタ１００１’は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１０２３をカレントミラー回路の複製元とし、電流源１０４０により供給される電流を複製して受光素子１０００に供給する。
この構成において、トランジスタ１００１’、トランジスタ１０２３および電流源１０４０のうち少なくとも１つにおいて、供給する電流を可変とする。これにより、受光素子１０００に供給されるリチャージ電流が可変とされ、受光素子１０００を充電する充電速度を調整可能となる。トランジスタ１００１’は、例えば並列に接続された複数のトランジスタにより構成し、当該複数のトランジスタのうちオン状態とするトランジスタの数に応じて、供給する電流を可変にできる。トランジスタ１０２３も、同様にして、供給する電流を可変にできる。
これに限らず、例えばトランジスタ１０１０が供給する電流を可変とすることも可能である。この場合、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖが反転し、受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａを電源電圧ＶＤＤに引き上げる時間（例えば図１０における時間ｔ21から時間ｔ13まで）を調整することが可能となる。
なお、この第１の実施形態の第５の変形例に係る構成は、上述した第１の実施形態および第１の実施形態の第１～第４の変形例の何れかと組み合わせて実施することが可能である。
（第１の実施形態の第６の変形例）
次に、第１の実施形態の第６の変形例について説明する。図１７は、第１の実施形態の第６の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。図１７において、画素１０ｇは、図９に示した画素１０ａに対して、電流源となるトランジスタ１００１と、受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａを電源電圧ＶＤＤに引き上げるためのトランジスタ１０１０と、がそれぞれ異なる電源に接続される例である。それ以外の部分は、上述した図９の構成と同様であるので、ここでの詳細な説明を省略する。
図１７に示されるように、トランジスタ１００１のソースが、電源電圧ＶＤＤ1に接続される。一方、トランジスタ１０１０のソースが、電源電圧ＶＤＤ1とは異なる、電源電圧ＶＤＤ2に接続される。ここで、電源電圧ＶＤＤ1と電源電圧ＶＤＤ2は、異なる電圧が供給可能な経路を介して供給されていればよく、電圧は、必ずしも異なっていなくても良い。
このように、トランジスタ１００１および１０１０の各ソースを異なる電源電圧ＶＤＤ1およびＶＤＤ2に接続することで、リチャージ動作と、受光素子１０００のカソードの電圧Ｖｃａを電源電圧ＶＤＤに引き上げる動作と、をそれぞれ最適に制御することが容易となる。
なお、この第１の実施形態の第６の変形例に係る構成は、上述した第１の実施形態および第１の実施形態の第１～第５の変形例の何れかと組み合わせて実施することが可能である。
（第１の実施形態の第７の変形例）
次に、第１の実施形態の第７の変形例について説明する。図１８は、第１の実施形態の第７の変形例に係る画素の一例の構成を示す図である。図１８において、画素１０ｈは、図９に示した画素１０ａに対して、受光素子１０００が電源側に接続される例である。
すなわち、図１８において、画素１０ｈは、受光素子１０００と、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１１００と、インバータ１００２と、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１１１０と、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１１２０と、を含む。画素１０ｈに対して、バッファ回路１１２１をさらに含めてもよい。
図１８において、受光素子１０００は、カソードが受光素子１０００の降伏電圧に対応する電圧Ｖｏｐの電源に接続され、アノードが電流源となるトランジスタ１１００のドレインに接続される。トランジスタ１１００のソースは、接地電位ＧＮＤに接続される。ここで、電圧Ｖｏｐは、受光素子１０００の降伏電圧である電圧Ｖｂｄに、過剰バイアス電圧Ｖｅを加算した電圧である。トランジスタ１１００のゲートには、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。トランジスタ１１００は、接地電位ＧＮＤおよび基準電圧Ｖｒｅｆに応じた電流をドレインから出力する電流源である。
受光素子１０００のアノードとトランジスタ１１００のドレインとが接続される接続点から取り出された電圧Ｖａｎが、インバータ１００２に入力される。インバータ１００２は、入力された電圧Ｖａｎに対して例えば判定を行い、当該電圧Ｖａｎが閾値電圧Ｖｔｈを正方向または負方向に超える毎に反転する信号Ｖｉｎｖを出力する。インバータ１００２から出力された信号Ｖｉｎｖは、例えばバッファ回路１１２１を介して、信号Ｖｐｌｓとして出力される。
受光素子１０００のアノードとトランジスタ１１００のドレインとが接続される接続点に対して、さらに、トランジスタ１１１０のドレインと、トランジスタ１１２０のドレインと、が接続される。トランジスタ１１２０は、ソースが過剰バイアス電圧Ｖｅに対応する電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートに信号ＳＴＢＹが入力される。信号ＳＴＢＹがロー状態でトランジスタ１１２０のソース－ドレイン間がオン状態となり、受光素子１０００のアノードの電圧Ｖａｎが強制的に電圧ＶＤＤとされる。これにより、受光素子１０００のカソード－アノード間の電圧ＶCTH-ANが電圧Ｖｂｄとされ、受光素子１０００のアバランシェ増倍反応を起こりにくくさせる。
トランジスタ１１１０のソースが接地電位ＧＮＤに接続される。また、トランジスタ１１１０のゲートに、インバータ１００２から出力された信号Ｖｉｎｖが、制御信号Ｖｃｔｒｌとして入力される。トランジスタ１１１０は、信号Ｖｉｎｖすなわち制御信号Ｖｃｔｒｌがハイ状態でオン状態となり、受光素子１０００のアノードを接地電位ＧＮＤに接続する。
図１９は、図１８に示した、第１の実施形態の第７の変形例に係る構成における、受光素子１０００のアノードの電圧Ｖａｎの変化の例を示す図である。なお、図１９において、特性線６０は、第１の実施形態の第７の変形例を適用しない場合の電圧Ｖａｎを示し、特性線６１は、第１の実施形態の第７の変形例を適用した場合の電圧Ｖａｎを示している。
図１９において、時間ｔ30は、図７のチャート４０における時間ｔ100に対応し、受光素子１０００のカソード－アノード間に電圧Ｖｏｐが印加される。ここで、電圧Ｖｏｐは、受光素子１０００に対する、上述した過剰バイアス電圧Ｖｅに相当する電圧に受光素子１０００の降伏電圧である電圧Ｖｂｄを加算した電圧であって、受光素子１０００が光子の入射の待機状態とされる。この状態において、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖは、ハイ状態であり、受光素子１０００のアノードがトランジスタ１１１０を介して接地電位ＧＮＤに接続されている。
この待機状態の受光素子１０００に対して、例えば時間ｔ31に光子が入射すると、入射された光子を種にしてアバランシェ増倍が発生する。このアバランシェ増倍により、受光素子１０００のカソードからアノードに向けて電流が流れ、受光素子１０００のアノードの電圧Ｖａｎが上昇する。
受光素子１０００のアノードから取り出された電圧Ｖａｎは、インバータ１００２に入力され、インバータ１００２において閾値電圧Ｖｔｈと比較される。時間ｔ40で、電圧Ｖａｎが閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐと、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖ（制御信号Ｖｃｔｒｌ）が反転してロー状態となり、トランジスタ１１１０がオフ状態となる。
時間ｔ32で受光素子１０００のアノードの電圧Ｖａｎが電圧Ｖｂｄまで上昇し、受光素子１０００のカソード－アノード間の電圧ＶCTH-ANが電圧Ｖｂｄとなってアバランシェ増倍が停止する。受光素子１０００のアノードには、トランジスタ１１００を介して電流が流れ出し、受光素子１０００に対するリチャージ動作が開始される。
このとき、リチャージ電流を所定より小さな値とすることで、特性線６１に例示されるように、リチャージ動作によるアノードの電圧Ｖａｎの上昇の傾きを、第１の実施形態の第７の変形例を適用しない場合（特性線６０参照）に比べて緩やかにすることができる。例えば、リチャージ電流を、本開示による技術を適用しない場合に比べて小さい電流とする。これにより、当該電圧Ｖａｎが次に閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐまでの時間が、本開示による技術を適用しない場合に比べて長くなり、ポテンシャルの撓み部分に溜まる電子をより確実に排出でき、アフターパルシングの発生を抑制することが可能となる。
受光素子１０００のアノードの電圧Ｖａｎがインバータ１００２の閾値電圧Ｖｔｈを跨ぐと（時間ｔ41）、インバータ１００２の出力の信号Ｖｉｎｖが反転してハイ状態となる。信号Ｖｉｎｖがハイ状態となると、トランジスタ１１１０がオン状態となり、受光素子１０００のアノードに対して、トランジスタ１１１０を介して接地電位ＧＮＤが供給される。これにより、図１９に時間41からの特性線６１に示されるように、受光素子１０００のアノードの電圧Ｖａｎが強制的に接地電位ＧＮＤまで引き下げられ、リチャージ動作が完了する（時間ｔ33）。
以上の動作により、受光素子１０００が電源側に接続される構成であっても、図９および図１０を用いて説明した第１の実施形態の構成と同様に、リチャージ動作に要する時間を延長すること無く、アフターパルシングの発生を抑制することが可能となる。
なお、この例においても、上述した第１の実施形態と同様に、トランジスタ１１１０がオン状態の場合において、トランジスタ１１１０を介して受光素子１０００のアノードから所定以上の電流が流れ出すと、受光素子１０００に残っている電子に、アバランシェ増倍を開始可能な程度のエネルギーが与えられ、アフターパルシングが発生してしまう可能性がある。そのため、トランジスタ１１１０がオン状態の場合において受光素子１０００に流れ込む電流が、受光素子１０００のラッチングカレントより小さくなるようにする。
なお、この第１の実施形態の第７の変形例に係る構成は、上述した第１の実施形態および第１の実施形態の第１～第６の変形例の何れかと組み合わせて実施することが可能である。
（第１の実施形態の第８の変形例）
次に、第１の実施形態の第８の変形例について説明する。第１の実施形態の第８の変形例は、本開示の技術に係る構成を、図６を用いて説明した、２つの半導体チップを積層して構成する積層構造に適用した例である。ここでは、一例として、図９を用いて説明した第１の実施形態に係る画素１０ａを積層構造に適用させた例について説明する。
図２０は、第１の実施形態の第８の変形例に係る、画素１０ａの各部の配置の例を示す図である。画素１０ａの構成は、図９を用いて説明した構成と同一である。図６を参照して、図２０の例では、画素１０ａに含まれる各要素のうち受光素子１０００が上チップ２１０に配置され、その他の要素（トランジスタ１００１、１０１０および１０２０、ならびに、インバータ１００２およびバッファ回路１０２１）が下チップ２１１に配置されている。
受光素子１０００は、カソードが、結合部２１２ａを介して下チップ２１１に配置されるトランジスタ１００１のドレインに接続される。また、受光素子１０００は、アノードが、結合部２１２ｂを介して下チップ２１１に配置される電圧（－Ｖｂｄ）の配線に接続される。結合部２１２ａおよび２１２ｂは、例えばＣＣＣ(Copper-Copper Connection)などにより形成される。
このように、受光素子１０００を上チップ２１０に配置し、他の要素を下チップ２１１に配置することで、受光素子１０００の受光面の面積を大きくすることが可能となり、受光素子１０００の感度を向上させることが可能である。
なお、図２０に示した上チップ２１０および下チップ２１１に対する画素１０ａの各要素の配置は、一例であって、この例に限定されない。例えば、上チップ２１０に対して受光素子１０００とインバータ１００２と、を配置し、下チップ２１１に対してその他の要素を配置してもよい。また、積層構造は、半導体チップが３層あるいはそれ以上に積層された構造でもよく、その場合、例えば受光素子１０００は最表面の半導体チップに配置され、他の要素は、それぞれの層に適宜に配置される。
なお、図２０では、この第１の実施形態の第８の変形例に係る構成を、上述した第１の実施形態に係る構成に適用させた例を説明したが、これはこの例に限定されない。すなわち、第１の実施形態の第８の変形例に係る構成は、上述した第１の実施形態の第１～第７の変形例の何れかと組み合わせて実施することが可能である。
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態として、本開示に係る、第１の実施形態およびその各変形例による画素１０ａ～１０ｈの何れかを用いた電子機器６の適用例について説明する。図２１は、上述の第１の実施形態およびその各変形例に係る画素１０ａ～１０ｈの何れかを用いた電子機器６を使用する使用例を示す図である。
上述した電子機器６は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、Ｘ線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置。
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置。
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、ＴＶや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置。
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置。
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置。
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置。
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置。
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置。
［本開示に係る技術のさらなる適用例］
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ適用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
（体内情報取得システムへの適用例）
図２２は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る、カプセル型内視鏡を用いた患者の体内情報取得システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
体内情報取得システム１０００１は、カプセル型内視鏡１０１００と、外部制御装置１０２００とから構成される。
カプセル型内視鏡１０１００は、検査時に、患者によって飲み込まれる。カプセル型内視鏡１０１００は、撮像機能および無線通信機能を有し、患者から自然排出されるまでの間、胃や腸等の臓器の内部を蠕動運動等によって移動しつつ、当該臓器の内部の画像（以下、体内画像ともいう）を所定の間隔で順次撮像し、その体内画像についての情報を体外の外部制御装置１０２００に順次無線送信する。
外部制御装置１０２００は、体内情報取得システム１０００１の動作を統括的に制御する。また、外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００から送信されてくる体内画像についての情報を受信し、受信した体内画像についての情報に基づいて、表示装置（図示しない）に当該体内画像を表示するための画像データを生成する。
体内情報取得システム１０００１では、このようにして、カプセル型内視鏡１０１００が飲み込まれてから排出されるまでの間、患者の体内の様子を撮像した体内画像を随時得ることができる。
カプセル型内視鏡１０１００と外部制御装置１０２００の構成および機能についてより詳細に説明する。
カプセル型内視鏡１０１００は、カプセル型の筐体１０１０１を有し、その筐体１０１０１内には、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、給電部１０１１５、電源部１０１１６、および制御部１０１１７が収納されている。
光源部１０１１１は、例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の光源から構成され、撮像部１０１１２の撮像視野に対して光を照射する。
撮像部１０１１２は、撮像素子、および当該撮像素子の前段に設けられる複数のレンズからなる光学系から構成される。観察対象である体組織に照射された光の反射光（以下、観察光という）は、当該光学系によって集光され、当該撮像素子に入射する。撮像部１０１１２では、撮像素子において、そこに入射した観察光が光電変換され、その観察光に対応する画像信号が生成される。撮像部１０１１２によって生成された画像信号は、画像処理部１０１１３に提供される。
画像処理部１０１１３は、ＣＰＵやＧＰＵ(Graphics Processing Unit)等のプロセッサによって構成され、撮像部１０１１２によって生成された画像信号に対して各種の信号処理を行う。画像処理部１０１１３は、信号処理を施した画像信号を、ＲＡＷデータとして無線通信部１０１１４に提供する。
無線通信部１０１１４は、画像処理部１０１１３によって信号処理が施された画像信号に対して変調処理等の所定の処理を行い、その画像信号を、アンテナ１０１１４Ａを介して外部制御装置１０２００に送信する。また、無線通信部１０１１４は、外部制御装置１０２００から、カプセル型内視鏡１０１００の駆動制御に関する制御信号を、アンテナ１０１１４Ａを介して受信する。無線通信部１０１１４は、外部制御装置１０２００から受信した制御信号を制御部１０１１７に提供する。
給電部１０１１５は、受電用のアンテナコイル、当該アンテナコイルに発生した電流から電力を再生する電力再生回路、および昇圧回路等から構成される。給電部１０１１５では、いわゆる非接触充電の原理を用いて電力が生成される。
電源部１０１１６は、二次電池によって構成され、給電部１０１１５によって生成された電力を蓄電する。図２２では、図面が煩雑になることを避けるために、電源部１０１１６からの電力の供給先を示す矢印等の図示を省略しているが、電源部１０１１６に蓄電された電力は、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、および制御部１０１１７に供給され、これらの駆動に用いられ得る。
制御部１０１１７は、ＣＰＵ等のプロセッサによって構成され、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、および、給電部１０１１５の駆動を、外部制御装置１０２００から送信される制御信号に従って適宜制御する。
外部制御装置１０２００は、ＣＰＵ、ＧＰＵ等のプロセッサ、又はプロセッサとメモリ等の記憶素子が混載されたマイクロコンピュータ若しくは制御基板等で構成される。外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００の制御部１０１１７に対して制御信号を、アンテナ１０２００Ａを介して送信することにより、カプセル型内視鏡１０１００の動作を制御する。カプセル型内視鏡１０１００では、例えば、外部制御装置１０２００からの制御信号により、光源部１０１１１における観察対象に対する光の照射条件が変更され得る。また、外部制御装置１０２００からの制御信号により、撮像条件（例えば、撮像部１０１１２におけるフレームレート、露出値等）が変更され得る。また、外部制御装置１０２００からの制御信号により、画像処理部１０１１３における処理の内容や、無線通信部１０１１４が画像信号を送信する条件（例えば、送信間隔、送信画像数等）が変更されてもよい。
また、外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００から送信される画像信号に対して、各種の画像処理を施し、撮像された体内画像を表示装置に表示するための画像データを生成する。当該画像処理としては、例えば現像処理（デモザイク処理）、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ノイズリダクション処理、手ブレ補正処理等）、拡大処理（電子ズーム処理）等、それぞれ単独で、あるいは、組み合わせて、各種の信号処理を行うことができる。外部制御装置１０２００は、表示装置の駆動を制御して、生成した画像データに基づいて撮像された体内画像を表示させる。あるいは、外部制御装置１０２００は、生成した画像データを記録装置（図示しない）に記録させたり、印刷装置（図示しない）に印刷出力させてもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る体内情報取得システムの一例について説明した。撮像部１０１１２に本開示に係る技術を適用することにより、撮像部１０１１２をより安定的に制御することが可能となる。
（内視鏡手術システムへの適用例）
本開示に係る技術は、さらに、内視鏡手術システムに適用されてもよい。図２３は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図２３では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。
内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
カメラヘッド１１１０２の内部には光学系および撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：Camera Control Unit）１１２０１に送信される。
ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵやＧＰＵ等によって構成され、内視鏡１１１００および表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。
入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率および焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。
処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保および術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度および出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれおよび白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察(Narrow Band Imaging)が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光および／又は励起光を供給可能に構成され得る。
図２４は、図２３に示すカメラヘッド１１１０２およびＣＣＵ１１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。
カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。
レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズおよびフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
撮像部１１４０２は、撮像素子で構成される。撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ(Dimensional)表示に対応する右目用および左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。
また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズおよびフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率および焦点が適宜調整され得る。
通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。
また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率および焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ(Auto Exposure)機能、ＡＦ(Auto Focus)機能およびＡＷＢ(Auto White Balance)機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。
カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。
通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。
また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、および、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
カメラヘッド１１１０２およびＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
ここで、図２４の例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。撮像部１０４０２に本開示に係る技術を適用することにより、撮像部１０４０２をより安定的に制御することが可能となる。
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
（移動体への適用例）
本開示に係る技術は、さらに、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、ロボットといった各種の移動体に搭載される装置に対して適用されてもよい。
図２５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。
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２５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、およ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、および車載ネットワークＩ／Ｆ（インタフェース）１２０５３が図示されている。
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、および、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。
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。
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。車外情報検出ユニット１２０３０は、例えば、受信した画像に対して画像処理を施し、画像処理の結果に基づき物体検出処理や距離検出処理を行う。
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。
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。
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。
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。
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１２０２０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。
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およ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２５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およ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およ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。
図２６は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。図２６では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４および１２１０５を有する。
撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４および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、バックドアおよ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およ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。撮像部１２１０１および１２１０５で取得される前方の画像は、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。
なお、図２６には、撮像部１２１０１～１２１０４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および１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２および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１２１０１～１２１０４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。
撮像部１２１０１～１２１０４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１２１０１～１２１０４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。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１～１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１～１２１１４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。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１～１２１０４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。
撮像部１２１０１～１２１０４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１２１０１～１２１０４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１２１０１～１２１０４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１２１０１～１２１０４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。
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。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、撮像部１２０３１を安定的に制御することが可能となる。
なお、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、また他の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
バイアス電圧に基づき所定の電位に充電された状態で入射された光子に応じてアバランシェ増倍が発生して電流が流れ、リチャージ電流により該状態に戻る受光素子と、
前記電流を検出し、該電流の電流値が閾値を跨いだ場合に出力信号を反転させる検出部と、
前記受光素子に前記リチャージ電流を供給する電流源と、
前記検出部の前記出力信号に応じて前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御するスイッチ部と、
を備える受光装置。
（２）
前記スイッチ部は、
前記受光素子に前記バイアス電圧を供給した場合に、前記受光素子が前記アバランシェ増倍を維持可能な所定の保持電流より電流値の小さい電流を前記受光素子に供給する
前記（１）に記載の受光装置。
（３）
前記電流源は、
電流値が前記保持電流より電流値の小さい前記リチャージ電流を前記受光素子に供給し、
前記スイッチ部は、
前記受光素子に前記バイアス電圧を供給した場合に、前記保持電流より電流値の小さい電流を前記受光素子に供給する
前記（２）に記載の受光装置。
（４）
前記電流源は、
前記検出部の前記出力信号が前記受光素子による前記アバランシェ増倍の発生に応じて反転してから、前記リチャージ電流の供給に応じてさらに反転するまでの時間が、前記受光素子における前記アバランシェ増倍の発生により流れる電流に応じた内部発光により蓄積された電荷を排出する時間以上となる電流値の前記リチャージ電流を前記受光素子に供給する
前記（１）乃至（３）の何れかに記載の受光装置。
（５）
前記スイッチ部は、
前記検出部の出力信号が該出力信号の論理を変えない回路を介して供給された信号に応じて、前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御する
前記（１）乃至（４）の何れかに記載の受光装置。
（６）
前記スイッチ部は、
前記検出部の出力信号が、それぞれ該出力信号の論理を変えない複数の回路のうち選択された回路を介して供給された信号に応じて、前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御する
前記（１）乃至（５）の何れかに記載の受光装置。
（７）
前記スイッチ部による前記受光素子への前記バイアス電圧の供給の制御を有効および無効の何れか一方に設定する設定部をさらに備える
前記（１）乃至（６）の何れかに記載の受光装置。
（８）
前記電流源は、
電流値を可変で前記リチャージ電流を前記受光素子に供給する
前記（１）乃至（７）の何れかに記載の受光装置。
（９）
前記電流源と、前記スイッチ部における前記バイアス電圧の供給源と、が異なる電源に接続される
前記（１）乃至（８）の何れかに記載の受光装置。
（１０）
第１の基板と、該第１の基板が積層される第２の基板と、を含み、
少なくとも前記受光素子が前記第１の基板に配置され、
前記検出部、前記電流源および前記スイッチ部のうち少なくとも一部が前記第２の基板に配置される
前記（１）乃至（９）の何れかに記載の受光装置。
（１１）
バイアス電圧に基づき所定の電位に充電された状態で入射された光子に応じてアバランシェ増倍が発生して電流が流れ、リチャージ電流により該状態に戻る受光素子と、
前記電流を検出し、該電流の電流値が閾値を跨いだ場合に出力信号を反転させる検出部と、
前記受光素子に前記リチャージ電流を供給する電流源と、
前記検出部の前記出力信号に応じて前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御するスイッチ部と、
光源が発光した発光タイミングから、前記受光素子が受光した受光タイミングまで、の時間を計測して計測値を取得する時間計測部と、
前記計測値のヒストグラムを生成するヒストグラム生成部と、
前記ヒストグラムに基づき被測定物までの距離を演算する演算部と、
を備える測距装置。
（１２）
前記スイッチ部は、
前記受光素子に前記バイアス電圧を供給した場合に、前記受光素子が前記アバランシェ増倍を維持可能な所定の保持電流より電流値の小さい電流を前記受光素子に供給する
前記（１１）に記載の測距装置。
（１３）
前記電流源は、
電流値が前記保持電流より電流値の小さい前記リチャージ電流を前記受光素子に供給し、
前記スイッチ部は、
前記受光素子の前記バイアス電圧を供給した場合に、前記保持電流より電流値の小さい電流を前記受光素子に供給する
前記（１２）に記載の測距装置。
（１４）
前記電流源は、
前記検出部の前記出力信号が前記受光素子による前記アバランシェ増倍の発生に応じて反転してから、前記リチャージ電流の供給に応じてさらに反転するまでの時間が、前記受光素子における前記アバランシェ増倍の発生により流れる電流に応じた内部発光により蓄積された電荷を排出する時間以上となる電流値の前記リチャージ電流を前記受光素子に供給する
前記（１１）乃至（１３）の何れかに記載の測距装置。
（１５）
前記スイッチ部は、
前記検出部の出力信号が該出力信号の論理を変えない回路を介して供給された信号に応じて、前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御する
前記（１１）乃至（１４）の何れかに記載の測距装置。
（１６）
前記スイッチ部は、
前記検出部の出力信号が、それぞれ該出力信号の論理を変えない複数の回路のうち選択された回路を介して供給された信号に応じて、前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御する
前記（１１）乃至（１５）の何れかに記載の測距装置。
（１７）
前記スイッチ部による前記受光素子への前記バイアス電圧の供給の制御を有効および無効の何れか一方に設定する設定部をさらに備える
前記（１１）乃至（１６）の何れかに記載の測距装置。
（１８）
前記電流源は、
電流値を可変で前記リチャージ電流を前記受光素子に供給する
前記（１１）乃至（１７）の何れかに記載の測距装置。
（１９）
前記電流源と、前記スイッチ部における前記バイアス電圧の供給源と、が異なる電源に接続される
前記（１１）乃至（１８）の何れかに記載の測距装置。
（２０）
第１の基板と、該第１の基板が積層される第２の基板と、を含み、
少なくとも前記受光素子が前記第１の基板に配置され、
前記検出部、前記電流源および前記スイッチ部のうち少なくとも一部が前記第２の基板に配置される
前記（１１）乃至（１９）の何れかに記載の測距装置。
１ 測距装置
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈ 画素
２１０ 上チップ
２１１ 下チップ
１０００ 受光素子
１００１，１００１’，１０１０，１０２０，１０２２，１０２３，１１００，１１１０，１１２０ トランジスタ
１００２ インバータ
１０３０，１０３１，１３００1，１３００2，１３００n 処理回路
１０３２ セレクタ

Claims (16)

  1. バイアス電圧に基づき所定の電位に充電された状態で入射された光子に応じてアバランシェ増倍が発生して電流が流れ、リチャージ電流により該状態に戻る受光素子と、
    前記電流を検出し、該電流の電流値が閾値を跨いだ場合に出力信号を反転させる検出部と、
    前記受光素子に前記リチャージ電流を供給する電流源と、
    前記検出部の前記出力信号に応じて前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御するスイッチ部と、
    を備え、
    前記電流源は、
    前記受光素子が前記アバランシェ増倍を維持可能な所定の保持電流より電流値の小さい電流を、前記リチャージ電流として前記受光素子に供給し、
    前記スイッチ部は、
    前記検出部の前記出力信号が、前記受光素子による前記アバランシェ増倍の発生に応じて反転することでオフ状態とされ、前記リチャージ電流の供給に応じてさらに反転することでオン状態とされる、
    受光装置。
  2. 前記電流源は、
    前記検出部の前記出力信号が前記受光素子による前記アバランシェ増倍の発生に応じて反転してから、前記リチャージ電流の供給に応じてさらに反転するまでの時間が、前記受光素子における前記アバランシェ増倍の発生により流れる電流に応じた内部発光により蓄積された電荷を排出する時間以上となる電流値の前記リチャージ電流を前記受光素子に供給する
    請求項１に記載の受光装置。
  3. 前記スイッチ部は、
    前記検出部の出力信号が該出力信号の論理を変えない回路を介して供給された信号に応じて、前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御する
    請求項１に記載の受光装置。
  4. 前記スイッチ部は、
    前記検出部の出力信号が、それぞれ該出力信号の論理を変えない複数の回路のうち選択された回路を介して供給された信号に応じて、前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御する
    請求項１に記載の受光装置。
  5. 前記スイッチ部による前記受光素子への前記バイアス電圧の供給の制御を有効および無効の何れか一方に設定する設定部をさらに備える
    請求項１に記載の受光装置。
  6. 前記電流源は、
    電流値を可変で前記リチャージ電流を前記受光素子に供給する
    請求項１に記載の受光装置。
  7. 前記電流源と、前記スイッチ部における前記バイアス電圧の供給源と、が異なる電源に接続される
    請求項１に記載の受光装置。
  8. 第１の基板と、該第１の基板が積層される第２の基板と、を含み、
    少なくとも前記受光素子が前記第１の基板に配置され、
    前記検出部、前記電流源および前記スイッチ部のうち少なくとも一部が前記第２の基板に配置される
    請求項１に記載の受光装置。
  9. バイアス電圧に基づき所定の電位に充電された状態で入射された光子に応じてアバランシェ増倍が発生して電流が流れ、リチャージ電流により該状態に戻る受光素子と、
    前記電流を検出し、該電流の電流値が閾値を跨いだ場合に出力信号を反転させる検出部と、
    前記受光素子に前記リチャージ電流を供給する電流源と、
    前記検出部の前記出力信号に応じて前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御するスイッチ部と、
    光源が発光した発光タイミングから、前記受光素子が受光した受光タイミングまで、の時間を計測して計測値を取得する時間計測部と、
    前記計測値のヒストグラムを生成するヒストグラム生成部と、
    前記ヒストグラムに基づき被測定物までの距離を演算する演算部と、
    を備え、
    前記電流源は、
    前記受光素子が前記アバランシェ増倍を維持可能な所定の保持電流より電流値の小さい電流を、前記リチャージ電流として前記受光素子に供給し、
    前記スイッチ部は、
    前記検出部の前記出力信号が、前記受光素子による前記アバランシェ増倍の発生に応じて反転することでオフ状態とされ、前記リチャージ電流の供給に応じてさらに反転することでオン状態とされる、
    測距装置。
  10. 前記電流源は、
    前記検出部の前記出力信号が前記受光素子による前記アバランシェ増倍の発生に応じて反転してから、前記リチャージ電流の供給に応じてさらに反転するまでの時間が、前記受光素子における前記アバランシェ増倍の発生により流れる電流に応じた内部発光により蓄積された電荷を排出する時間以上となる電流値の前記リチャージ電流を前記受光素子に供給する
    請求項９に記載の測距装置。
  11. 前記スイッチ部は、
    前記検出部の出力信号が該出力信号の論理を変えない回路を介して供給された信号に応じて、前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御する
    請求項９に記載の測距装置。
  12. 前記スイッチ部は、
    前記検出部の出力信号が、それぞれ該出力信号の論理を変えない複数の回路のうち選択された回路を介して供給された信号に応じて、前記受光素子への前記バイアス電圧の供給を制御する
    請求項９に記載の測距装置。
  13. 前記スイッチ部による前記受光素子への前記バイアス電圧の供給の制御を有効および無効の何れか一方に設定する設定部をさらに備える
    請求項９に記載の測距装置。
  14. 前記電流源は、
    電流値を可変で前記リチャージ電流を前記受光素子に供給する
    請求項９に記載の測距装置。
  15. 前記電流源と、前記スイッチ部における前記バイアス電圧の供給源と、が異なる電源に接続される
    請求項９に記載の測距装置。
  16. 第１の基板と、該第１の基板が積層される第２の基板と、を含み、
    少なくとも前記受光素子が前記第１の基板に配置され、
    前記検出部、前記電流源および前記スイッチ部のうち少なくとも一部が前記第２の基板に配置される
    請求項９に記載の測距装置。
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