JP7527853B2 - 光電変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置及び撮像システムに関するものである。

近年、単一光子レベルの微弱光を検出可能な半導体装置について、幅広い分野での応用が期待されている。特に、従来は連続値として扱ってきた入力光の輝度を光子数という離散値として精確に計数する、いわゆるフォトンカウンティングが注目されている。

フォトンカウンティングを実現する光検出素子の一例として、アバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」とも表記する）が挙げられる。ＡＰＤは、半導体のｐｎ接合部に誘起された強電界により発生するアバランシェ増倍現象を用いることで、光子により励起された信号電荷量を数倍～百万倍程度に増幅することができる。このアバランシェ増倍現象の高ゲイン性を利用することで、微弱光の信号を大きく増幅し、読み出し回路で生じる読み出しノイズに対するＳＮ比を向上させることができる。単一光子レベルの輝度分解能を実現することができる。

特許文献１には、複数の単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）から成るアレイを備える撮像装置が記載されている。特許文献１に記載の撮像装置のアレイでは、少なくとも２つの検出領域が区画される。特許文献１に記載の撮像装置は、前記２つの検出領域に対してそれぞれ少なくとも１つの信号出力端を有している。そして、特許文献１には、２つの検出領域から出力された二つの信号より特性曲線を求めることで有効ダイナミックレンジを拡大する方法が記載されている。

特表２０１８－５１２５７３

しかしながら、特許文献１において二つの信号から特性曲線を求める必要があり、信号処理が複雑になるという課題があった。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、アバランシェフォトダイオードを用いた光電変換装置の信号処理を簡素化することを目的とする。

本発明の一つの側面は、光に対する感度が互いに異なる第一のアバランシェフォトダイオードと、第二のアバランシェフォトダイオードと、を有する画素と、前記第一のアバランシェフォトダイオードで生じた電荷に基づく信号及び前記第二のアバランシェフォトダイオードで生じた電荷に基づく信号をカウントするためのカウンタ回路と、を含む光電変換装置であって、前記カウンタ回路から出力されるカウント数が所定の閾値に達すると前記カウント数の処理を切り替える機能を有する。

本発明によれば、アバランシェフォトダイオードを用いた光電変換装置のフォトンカウント処理性能を向上させることができる。

実施形態にかかる光電変換装置の概略図である。 実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。 実施形態にかかる光電変換装置の画素のＡＰＤの構成例を示す平面模式図及び断面模式図である。 ＡＰＤの電流－電圧特性の一例を示すグラフである。 入射フォトン数とカウントされるフォトン数との関係を示すグラフである。 実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。 入射フォトン数とカウントされるフォトン数との関係を示すグラフである。 実施形態にかかる光電変換装置の画素のＡＰＤの構成例を示す平面図である。 実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。 入射フォトン数とカウントされるフォトン数との関係を示すグラフである。 実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。 入射フォトン数とカウントされるフォトン数との関係を示すグラフである。 実施形態にかかる撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 実施形態にかかる撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１実施形態による光電変換装置及びその駆動方法について、図１から図８を用いて説明する。

図１は、実施形態にかかる光電変換装置の概略図であり、図２は、実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。図３は、実施形態にかかる光電変換装置の画素のＡＰＤの構成例を模式的に示す平面図及び断面図である。図４はＡＰＤの電流－電圧特性の一例を示すグラフであり、図５は実施形態にかかる入射フォトン数とカウントされるフォトン数との関係を示すグラフである。図６は実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。図７は実施形態にかかる入射フォトン数とカウントされるフォトン数との関係を示すグラフである。図８は実施形態にかかる光電変換装置の画素のＡＰＤの構成例を示す平面図である。

（光電変換装置の全体構成）
本実施形態による撮像装置１００は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路２０と、列読み出し回路３０と、水平走査回路４０と、制御回路５０と、信号処理回路６０とを有している。

画素領域１０には、複数行及び複数列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素１２が設けられている。画素領域１０の画素アレイの各行には、行方向（図１において横方向）に延在して、制御信号線１４が配されている。制御信号線１４は、行方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。また、画素領域１０の画素アレイの各列には、列方向（図１において縦方向）に延在して、垂直出力線１６が配されている。垂直出力線１６は、列方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。図１においては１本の垂直出力線が描かれているが、出力される信号のｂｉｔ数に応じ複数本の垂直出力線が接続されていてもよい。

画素領域１０を構成する画素１２の数は、特に限定されるものではない。例えば、一般的なデジタルカメラのように数千行×数千列の画素１２で画素領域１０を構成してもよく、１行又は１列に並べた複数の画素１２で画素領域１０を構成してもよい。或いは、１つの画素１２で画素領域１０を構成してもよい。

各行の制御信号線１４は、垂直走査回路２０に接続されている。垂直走査回路２０は、画素１２から画素信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、制御信号線１４を介して画素１２に供給する回路部である。

各列の垂直出力線１６の一端は、列読み出し回路３０に接続されている。画素１２から読み出された画素信号は、垂直出力線１６を介して列読み出し回路３０に入力される。列読み出し回路３０は、画素１２から読み出された画素信号を保持するメモリ等を含み得る。

水平走査回路４０は、列読み出し回路３０において保持された画素信号を列毎に順次、出力回路６０に転送するための制御信号を、列読み出し回路３０に供給する回路部である。制御回路５０は、垂直走査回路２０、列読み出し回路３０及び水平走査回路４０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。信号処理回路６０は画素信号の処理を行う。

（画素の構成）
本実施形態による画素１２の構成と接続関係について説明する。図２は、画素１２の概略構成を示すブロック図ないし等価回路図である。それぞれの画素１２は、図２に示すように、光電変換部１４０と、カウンタ回路１２０と、カウンタ回路１２１と、選択回路１３０と、選択回路１５０とを含む。

光電変換部１４０はアバランシェフォトダイオード１４３（以下、「ＡＰＤ」とも表記する）、ＡＰＤ１４４を含む。ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のアノードは、電圧ＶＬを供給する電源に接続されている。ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のカソードは、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１、１４２のドレイン、及びインバータ回路１４５、１４６の入力端子に接続されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１、１４２のソースは、電圧ＶＬよりも電位の高い電圧ＶＨを供給する電源に接続されている。

インバータ回路１４５、インバータ回路１４６の出力端子は、光電変換部１４０の出力端子である。インバータ回路１４５、インバータ回路１４６の出力端子は、それぞれ、カウンタ回路１２０、カウンタ回路１２１に接続されている。カウンタ回路１２０は選択回路１５０の０端子に、カウンタ回路１２１は選択回路１５０の１端子に接続され、選択回路１５０のＯＵＴ端子は選択回路１３０を介して垂直出力線１６に接続されている。

画素の各要素の機能について説明する。

光電変換部１４０はＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４に入射した光を光電変換し、発生した電荷はアバランシェ増倍を発生させる。そのために、ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のそれぞれには、逆方向降伏電圧を超える電圧が印加される。後述するクエンチング抵抗がＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のそれぞれに接続されているため、アバランシェ増倍の発生に起因してＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のカソードの電圧が変化する。

図２の構成例において、ＡＰＤ１４３はＡＰＤ１４４よりも光電変換部の受光面の面積が大きく、光に対する感度が高い。なお、光電変換部上に入射光を受光部に導くためのマイクロレンズが設けられる場合、１つのマイクロレンズがＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４の双方を覆うように配される。したがって、１つのマイクロレンズを受光面に射影した際に、当該マイクロレンズの射影がＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のそれぞれの受光面と少なくとも部分的に重なる。

Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１、１４２はＡＰＤをガイガーモードで動作させる際のクエンチング抵抗として機能する。この抵抗が存在することによって、アバランシェ増倍の発生により、ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のカソードの電圧が一時的に変化し、その後、元の電圧（典型的には、電圧ＶＨ）に戻る。電源ノードとカソードとの間に適当なインピーダンスが生じるためである。このように、クエンチング抵抗を接続することによって、入射した光子の数に対応した回数の電圧の変化が生じる。

インバータ回路１４５、１４６はＡＰＤから出力される信号が閾値を超えるか否かを判定し、入力される信号の閾値に対する大小関係を反転した信号を出力する。インバータ回路１４５、インバータ回路１４６のそれぞれの入力端子はＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のカソードに接続されているので、インバータ回路１４５、インバータ回路１４６の出力は、カソードの電圧変化が整形されたパルス波となる。すなわち、ＡＰＤから出力される連続的な信号をパルス状に整形して出力する、波形整形機能を担っている。上述のように、光子の入射のたびにＡＰＤのカソードで電圧変化が生じる。そのため、入射した光子の数に対応した数のパルス波が、各インバータ回路から出力される。結果として、フォトンカウントが可能になる。

カウンタ回路１２０、１２１はインバータ回路から出力されるパルスの数をカウントすることで、ＡＰＤの入射したフォトンの数をカウントする。たとえば３ｂｉｔのカウンタ回路であれば、１０進数で２の３乗まで、例えば、０から７までのカウント値を得ることができる。カウント値がカウンタ回路の最大値に到達すると、カウンタがオーバーフローを起こし、カウンタ回路の最大値以上のカウント値を得ることができない。カウンタ回路は初期値から、あるいは不定値からカウントを再開するため、得られるカウント値と実際の入力フォトン数が一致しなくなる。また、カウンタ回路はリセットされると再び初期値からカウントが始まる。

選択回路１５０は、Ｓ端子のレベルがＬｏの時は０端子の出力をＯＵＴ端子から出力し、Ｓ端子のレベルがＨｉの時は１端子の出力をＯＵＴ端子から出力する。選択回路１５０の０端子には高感度のＡＰＤ１４３のインバータ回路１４５を介した出力が接続され、選択回路１５０の１端子には低感度のＡＰＤ１４４のインバータ回路１４６を介した出力が接続されている。選択回路１５０のＳ端子にはＳＥＬ２が接続されている。カウント値が一定の閾値を超えると、ＳＥＬ２は制御回路５０によってＬｏからＨｉに切り替わる。選択回路１５０の出力は選択回路１３０に入力されている。つまり、カウンタ回路１２０のカウント値あるいはカウンタ回路１２１のカウント値のいずれか一方が選択回路１５０によって選択され、選択回路１３０に入力される。

選択回路１３０は、制御信号線１４を介して垂直走査回路２０に接続され、制御回路５０から供給される制御信号を受けてカウンタ回路１２０あるいはカウンタ回路１２１のカウント値の垂直出力線１６への読み出しを選択する。選択された信号は画素領域１０内の複数の画素１２の中で信号を読みだされる画素の信号として垂直出力線１６へと出力される。

制御信号線１４は、リセット信号線ＲＥＳと、選択信号線ＳＥＬ１と、ＳＥＬ２とを含む。リセット信号線ＲＥＳは、対応する行に属する画素１２のカウンタ回路１２０、カウンタ回路１２１にそれぞれ接続され、カウンタ回路のカウントをリセットするリセット信号を供給している。選択信号線ＳＥＬ１は、対応する行に属する画素１２の選択回路１３０に接続され、各画素から垂直出力線への信号の読み出しを制御する信号を選択回路１３０に供給する。選択信号線ＳＥＬ２は、対応する行に属する画素１２の選択回路１５０のＳ端子と接続され、選択回路１５０のＯＵＴ端子から出力される信号として０端子の出力と１端子の出力のいずれを選択するかを制御する信号を選択回路１５０に供給する。

図３を用いて、ＡＰＤ１４３およびＡＰＤ１４４の構造について説明する。本実施形態による撮像装置は、一例では、ＡＰＤ１４３およびＡＰＤ１４４が設けられた第１基板と、他の構成要素が設けられた第２基板とを貼り合わせることにより構成することができる。他の構成要素は、ＡＰＤ１４３およびＡＰＤ１４４以外の画素１２の構成要素のほか、垂直走査回路２０、列読み出し回路３０、水平走査回路４０、制御回路５０、信号処理回路６０等の周辺回路も含み得る。図３（ｂ）は、これら２つの基板のうち、ＡＰＤが設けられた基板の図３（ａ）Ｔ－Ｔ‘断面での模式的な断面図を示したものである。なお、本実施形態による撮像装置は図３（ｂ）に示す構成に限られず、例えば画素１２の一部を第１基板に設け、他の一部を第２基板に設けた積層構造の画素でも良い。

各画素１２のＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４は、いずれも半導体基板２１０に形成される。半導体基板２１０は、例えばｎ型のシリコン基板である。半導体基板２１０は、第１面２１２と、第１面２１２に対向する第２面２１４とを含む。例えば、第１面２１２は半導体基板２１０の表面であり、第２面２１４は半導体基板２１０の裏面である。

半導体基板２１０には、ｎ型半導体領域２２４が設けられている。ｎ型半導体領域２２４は、ｐ型半導体領域からなる分離部２２０によって、１つの画素１２に対応する領域毎に分けられている。分離部２２０は、平面視においてそれぞれのｎ型半導体領域２２４を囲うように配されている。ｐ型半導体領域２２０の第２面２１４側は、半導体基板２１０の第２面２１４に接して設けられたｐ型半導体領域２２２に接している。

１つの画素１２に含まれるＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４を構成するｐ型半導体領域とｎ型半導体領域とのうち、ｎ型半導体領域は分離部２２０及びｐ型半導体領域２２２を含む。ｎ型半導体領域は分離部２２０によって分けられたｎ型半導体領域２２４の１つ、及び、当該ｎ型半導体領域２２４に配されたｎ型半導体領域２２６、２２８を含む。

なお、ここでは各画素１２の複数のＡＰＤが配されるｎ型半導体領域２２４を、ｐｎ接合分離によって分離する例を示しているが、他の素子分離方法によって分離するようにしてもよい。他の素子分離方法としては、例えば、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法、ＤＴＩ（Ｄｅｅｐ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法、ＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法等が挙げられる。

分離部２２０により画定されたそれぞれのｎ型半導体領域２２４は、一の画素１２に含まれる複数のＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４を構成している。図３（ａ）に示す、ｎ型半導体領域２２４に配されたＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４を分離する白抜き部は、図３（ｂ）のｐ型半導体領域２３０に対応している。

ＡＰＤ１４３は、ｎ型半導体領域２２４の外周部をカソード、ｎ型半導体領域２２４に接するｐ型半導体領域２２０、２２２をアノードとしている。また、ｎ型半導体領域２２６はＡＰＤ１４３のカソードの一部である。ＡＰＤ１４４は、ｎ型半導体領域２２４の中心部をカソード、ｐ型半導体領域２２０、２２２をアノードとしている。ｎ型半導体領域２２８はＡＰＤ１４４のカソードの一部である。ｎ型半導体領域２２６、ｎ型半導体領域２２８は、半導体基板２１０の第１面２１２に接して配されている。ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４はｐ型半導体領域２２０によって画素１２の外の素子からは分離される。ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４は、共通のアノードとして、ｐ型半導体領域２２０、２２２を含む。これに対して、ＡＰＤ１４３のカソードとＡＰＤ１４４のカソードとは、ｐ型半導体領域２３０によって電気的に分離されている。ｐ型半導体領域２３０は隣接するＡＰＤのｎ型半導体領域２２８と２２６の間に、半導体基板２１０の第１面２１２に接して配されている。

ＡＰＤが設けられた半導体基板２１０の第１面２１２の上には、絶縁膜２３４が設けられている。絶縁膜２３４の上には、コンタクトプラグ２３６を介してｐ型半導体領域２２０に接続された配線２３８と、コンタクトプラグ２４０を介してｎ型半導体領域２２６、ｎ型半導体領域２２８に接続された配線２４２とが設けられている。

アノードであるｐ型半導体領域２２０には、配線２３８及びコンタクトプラグ２３６を介して、電圧ＶＬが供給される。カソードであるｎ型半導体領域２２６、ｎ型半導体領域２２８は、コンタクトプラグ２４０及び配線２４２を介して、図２に示すインバータ回路１４５、インバータ回路１４６にそれぞれ接続される。

ＡＰＤ１４３を例に挙げると、ｐ型半導体領域２２０とｎ型半導体領域２２６の間に逆バイアスが印加されているため、ｐ型半導体領域２２０及び２２２とｎ型半導体領域２２４とのＰＮ接合面には空乏層が形成される。ｐ型半導体領域２２２の第２面２１４から光が入射すると、入射部の半導体領域中で電子・正孔対が形成される。生成された電子はｐ型半導体２２２からｎ型半導体領域２２６へ向かう電界によって加速され、アバランシェ増倍が発生する。

ここでｎ型半導体領域２２６の不純物濃度は、ｎ型半導体領域２２４の不純物濃度よりも高い。さらにｐ型半導体領域２３０によるポテンシャル障壁がｎ型半導体領域２２６周辺に形成されることにより、アバランシェ増倍によって発生した電荷はその生成位置に対応するｎ型半導体領域２２６に集められる。

ＡＰＤ１４４についても同様にアバランシェ増倍が起こり、生成された電荷はｎ型半導体領域２２８に集められる。ｎ型半導体領域２２６、２２８の濃度を十分に高くすることでアバランシェ増倍の発生するＰＮ接合部から段階的にポテンシャルの谷を形成し、ｎ型半導体領域２２６、２２８に電荷を集めることができる。

また、ｐ型半導体領域２２０、２２２の不純物濃度は、ｐ型半導体領域２３０の不純物濃度よりも高く、ｎ型半導体２２４との間でアバランシェ増倍を起こすに十分な電界を形成している。なお、半導体基板２１０をｐ型のシリコン基板とし、図３のｎ型半導体２２４部をｐ型半導体領域２２０、２２２よりも不純物濃度の薄いｐ型半導体領域２２４ａとすることも可能である。この場合、ｐ型半導体領域２２４ａとｎ型半導体領域２２６の間に形成される電界によってアバランシェ増倍が発生する構成となる。このように、半導体領域２２４を、分離部２２０より低濃度のｐ型半導体領域２２４ａに置換することによって、電界強度を高めることができ、結果として、より低電圧でのアバランシェ増倍を可能とする。このような構成では、ｎ型半導体領域２２６端部にアバランシェ増倍の発生が集中することを防ぐガード領域を設けることがノイズの削減に有効である。

図３に示す画素の構成例では、一の画素１２に含まれるＡＰＤのうち中央部に小面積で低感度のＡＰＤ１４３、外周部に大面積で高感度のＡＰＤ１４４を配置しているが、画素の構成例はこれに限られない。

その他の構成例として、画素上に配置されるマイクロレンズの集光効率を利用することが考えられる。マイクロレンズ中央部の下に配置されるＡＰＤを高感度用、マイクロレンズ外周部の下に配置されるＡＰＤを低感度用としても同様の効果が得られる。

（駆動方法）
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について説明する。

電圧ＶＨ及び電圧ＶＬは、ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４に、ガイガーモードで動作するに十分な逆バイアス電圧を印加することが可能となるように設定されている。ここでは一例として、ＡＰＤが、図４に示すような電流－電圧特性を有している場合を想定する。図４に示すＡＰＤの逆方向降伏電圧（以下、単に降伏電圧とも呼ぶ）は、－５０Ｖから－５３．３Ｖの間の値である。すなわち、このＡＰＤに、－５０Ｖ程度までの逆バイアスが印加されてもアバランシェ増倍は起きないが、それより大きな逆バイアスが印加されるとアバランシェ増倍が起きる。また、－５３．３Ｖ程度以上の逆バイアスが印加されると、アバランシェ増倍のゲインが非常に高い、いわゆるガイガーモードで動作する。

本実施形態ではＡＰＤをガイガーモードで動作する単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）として使用する。そのため、ＡＰＤのアノードには電圧ＶＬとして例えば－５０Ｖを印加し、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのソースには電圧ＶＨとして例えば＋３．３Ｖを印加する。その結果、ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４には、それぞれ約５３．３Ｖの逆バイアスが印加されている。

クエンチング抵抗としてのＰ型ＭＯＳトランジスタ１４１、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４２のゲートには、通常、ソースに印加する電圧と同じ電圧を印加する。これによって、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４２は、トランジスタの寸法で抵抗値が決まる抵抗素子として動作する。Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４２のゲートに印加する電圧をソースに印加する電圧よりも低く設定し、より抵抗値の大きな抵抗素子として利用することも可能である。Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４２のゲート電圧は、所望のクエンチング抵抗が得られるように適宜設定することができる。

ＡＰＤには、電圧ＶＨと電圧ＶＬとの間の電位差である５３．３Ｖの逆バイアス電圧が印加されている。この逆バイアス電圧は降伏電圧よりも高い電圧でありアバランシェ増倍を起こすに十分である。しかし、種となるキャリアが存在しない状態ではアバランシェ増倍は起こらず、ＡＰＤに電流は流れない。

この状態で半導体基板２１０の第２面２１４側からフォトンが入射すると、ｎ型半導体領域２２４でフォトンが吸収され、電子・ホール対が生成される。これらのうちホールは、ｐ型半導体領域２２０、２２２、２３０を介して排出される。一方電子はｎ型半導体領域２２６、あるいはｎ型半導体領域２２８の電界で加速されてアバランシェ増倍を引き起こし、ＡＰＤはガイガーモードで動作する。

キャリアの動作に着目すると、アバランシェ増倍が起きてＡＰＤに大電流が流れることで、ＡＰＤのカソード側の端子であるノードの電位が降下し、アバランシェ増倍は停止する。カソード側の端子のキャリアは負荷として接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタ１４１、１４２を介して排出され、カソード側の端子は再び初期電圧に戻る（クエンチング動作）。

このように、ＡＰＤのカソードの電位は、フォトンの入射に伴い、キャリア待機状態から、ガイガーモードで大電流が流れて電圧が降下した状態となり、その後再びキャリア待機状態に戻る。この電圧波形をインバータ回路１４５、１４６により成形することで、１フォトンの到来時刻を開始点とする信号パルスが生成される。この信号パルスの数を数えることで、いわゆるフォトンカウンティングを行うことができる。

ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４は、互いに独立してフォトンの検出が可能であり、インバータ回路１４５、インバータ回路１４６からは、それぞれ信号パルスが出力される。インバータ回路１４５、インバータ回路１４６の出力はカウンタ回路１２０、カウンタ回路１２１へと出力される。これにより、カウンタ回路１２０ではＡＰＤ１４３で検出されたフォトンの総数がカウントされ、カウンタ回路１２１ではＡＰＤ１４４で検出されたフォトンの総数がカウントされることになる。

カウンタ回路１２０、カウンタ回路１２１でカウントされたカウント値は、選択回路１５０によっていずれか一方が選択され、選択されたカウント値は垂直走査回路２０からの選択信号に応じた選択回路１３０の動作により、垂直出力線１６へと出力される。

（バリエーション１）
図５を用いて第１の実施形態の１つの動作例を説明する。

図５は横軸に単位時間・単位面積あたりに入射するフォトン数、縦軸に各ＡＰＤに対応してカウントされるフォトンカウント数を示したものである。図５におけるプロット４４３は図２におけるＡＰＤ１４３に対応するフォトンカウント数を示し、プロット４４４は図２におけるＡＰＤ１４４に対応するフォトンカウント数を示している。プロット４４５は本実施形態における画像処理後の単位面積当たりの入射フォトン数と演算処理後のフォトンカウント数の関係を両対数でプロットしたものである。

前述の通り、ＡＰＤ１４３の方が、ＡＰＤ１４４よりも受光面積が大きい。そのため、単位時間・単位面積当たりで等量の入射光が照射された場合、ＡＰＤ１４３で生じる電荷量の方が、ＡＰＤ１４４で生じる電荷の量より多い。即ちＡＰＤ１４３は、ＡＰＤ１４４と比較して光に対する感度が高く、プロット４４３の傾きはプロット４４４の傾きより大きい。

本実施形態において、例えばＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４の感度比がｎ倍であるとし、同一光量が入射する状況においてＡＰＤ１４３に対応するカウント数はＡＰＤ１４４に対応するカウント数のｎ倍とする。

本実施形態の光電変換装置がＡＰＤによるフォトンカウンティングを正確に行える光量の環境で用いられる場合、あるいは光電変換装置がクエンチング動作を瞬時に行うことができる高性能なＡＰＤによって構成されている場合を考える。このような場合、各画素のＡＰＤにフォトンが入射したことに応じて、カウンタ回路１２０、１２１のカウント数が変化する。しかし、光量や露光時間によってはカウンタ回路が飽和してしまう可能性がある。

本実施形態では、ＡＰＤ１４３のカウント数４４３に基づき、カウントされるフォトン量に応じて使用する、または、画素１２から出力するカウント数を切り替える。

ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４に光が入射すると、各ＡＰＤでアバランシェ増倍が発生し、カウンタ回路１２０、カウンタ回路１２１のそれぞれでパルスのカウントが実施される。各カウンタ回路から出力されたカウント値は選択回路１５０に入力される。

制御回路５０から供給される制御信号が、垂直走査回路２０及びＳＥＬ２を介して、選択回路１５０のＳ端子に入力される。選択回路１５０は、Ｓ端子のレベルがＬｏの時は０端子の入力がＯＵＴ端子から出力される。つまりカウンタ回路１２０でカウントされるＡＰＤ１４３のフォトンカウント数４４３が出力される。

出力されたＡＰＤ１４３のカウント数４４３が一定の閾値ａを超えると、制御回路５０によってＳＥＬ２がＬｏからＨｉに切り替わる。Ｓ端子のレベルがＨｉの時、選択回路１５０は１端子の入力がＯＵＴ端子から出力される。つまりカウンタ回路１２１でカウントされるＡＰＤ１４４のフォトンカウント数４４４が出力される。

選択回路１５０のＯＵＴ端子は選択回路１３０に入力されており、選択回路１３０の出力はＳＥＬ１から供給される制御信号によって垂直読み出し回路１６へ読み出される。読み出されたカウント数４４３、カウント数４４４は信号処理回路６０によって演算処理される。具体的にはカウント数４４３が閾値ａを超えない場合（入射光量が領域Ａの範囲の場合）はカウント数４４３をフォトン数として使用する。カウント数４４３がａを超える場合（入射光量が領域Ｂの範囲の場合）はカウント数４４４をｎ倍した結果をフォトン数とすることで、フォトンカウント数の線形性を保っている。ここで閾値ａは、例えばカウンタ回路１２０がカウント可能な最大の値である。しかし、閾値ａには、カウンタ回路１２０のカウント可能な範囲で、任意の値を用いることができる。また、カウント数４４４に乗じる値は、ＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４との感度比に応じた値であることが好ましい。しかし、正確な感度比を用いなくてもよいし、乗算に代えて定数を加算するなどの演算をしてもよい。

高感度のＡＰＤ１４３のカウント数４４３が閾値ａを超えるような強い光が入射する環境下では、カウンタ回路１２０の飽和が発生することが考えられる。そこで、画像の形成に使用する信号を、低感度のＡＰＤ１４４に対応するカウント数４４４を用いる。低感度のＡＰＤ１４４では、パルスの発生頻度が低いため、対応するカウンタ回路１２１では飽和が発生しにくい。よって、カウンタ回路１２１に切り替えることで、高感度の画素に対応するカウンタ回路１２０が飽和するような環境下でもフォトンカウントを続けることができる。一方で、上述のような強い光が入射しない場合には、高感度のＡＰＤ１４３によって、暗時でもＳＮ比の高い信号を得ることができる。

本実施形態ではこのように閾値となるカウント数を境に画像の形成に利用するＡＰＤを切り替え、またＡＰＤの感度比に応じてカウント数を等倍するなど補正処理を切り替える。これによって、カウンタ回路の飽和を防ぎ、かつＡＰＤ１４３に対応するカウント数４４３を使用する領域Ａと、ＡＰＤ１４４に対応するカウント数４４４を使用する領域Ｂの両方で線形性を保ったまま信号を出力することを実現している。すなわち、ダイナミックレンジの拡大が可能である。

以上の説明では、画素１２からは選択回路１５０によって選択された、カウント数４４３およびカウント数４４４のいずれか一方だけが読み出された。これに対して、カウント数４４３およびカウント数４４４の両方が、画素１２から読み出されるように構成してもよい。そして、その後、カウント数４４３と閾値ａとを比較し、画像の形成に使用する信号を選択すればよい。この時の比較と選択は、撮像装置が行ってもよいし、撮像装置の外部の信号処理装置が行ってもよい。

本実施形態では選択回路１５０のＳ端子にはＳＥＬ２の制御信号が入力されていたが、図６に示すようにカウンタ回路１２０の出力の一部を選択回路１５０のＳ端子に入力してもよい。この場合、上述の通りＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４のそれぞれでアバランシェ増倍が発生し、カウンタ回路１２０、カウンタ回路１２１のそれぞれでパルスのカウントが実施され、各カウンタ回路から出力されたカウント値は選択回路１５０に入力される。

カウンタ回路１２０の出力の一部が選択回路１５０のＳ端子に入力される。選択回路１５０は、Ｓ端子のレベルがＬｏの時は０端子の入力がＯＵＴ端子から出力される。つまりカウンタ回路１２０でカウントされるＡＰＤ１４３のフォトンカウント数４４３が出力される。

カウンタ回路１２０の出力が一定の閾値ａを超え、Ｓ端子の入力がＬｏからＨｉに切り替わると、選択回路１５０は１端子の入力をＯＵＴ端子から出力する。つまりカウンタ回路１２１でカウントされるＡＰＤ１４４のフォトンカウント数４４４が出力される。

以降の読み出し及び演算処理は上述の実施形態と同様である。

このような回路を用いた実施形態では前述の実施形態と比べ一度の露光に際し必要な制御信号数を減らすことができ、信号処理をより簡素化することができる。また、信号処理の簡素化に伴い消費電力の低減も期待できる。

（バリエーション２）
次に、本実施形態の別の動作例を説明する。前述の動作例が、カウンタ回路１２０のオーバーフローを課題としていたのに対して、この動作例ではＡＰＤ１４３におけるパイルアップ現象を課題としている。この動作例ではＡＰＤ１４４のカウント数４４４に基づき、カウントされるフォトン量に応じて使用するカウント値を切り替える。この動作例におけるフォトンカウント動作について、図７を用いてより具体的に説明する。

図７のグラフの縦軸と横軸は、図５と同じである。すなわち、図７は、横軸に単位時間・単位面積あたりに入射するフォトン数、縦軸にカウンタ回路１２０、１２１によってカウントされるフォトンカウント数を示したものである。図７におけるカウント数４４３とカウント数４４４は、それぞれ図２におけるＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４に対応するフォトンカウント数を示している。プロット４４５は本実施形態における単位面積あたりの入射フォトン数とフォトンカウント数の演算処理後の関係を両対数でプロットしたものである。

図７の領域Ａに示すように、入射するフォトンの数が少ない場合には、ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４の入射フォトン数と、カウンタ回路１２０、カウンタ回路１２１のカウント数との間で、高い線形性が得られる。

しかし、入射するフォトン数が多い場合（領域Ｂ）には、まず、カウンタ回路１２０によるフォトンカウント数が実際に入射したフォトン数よりも少なくなることがある。極端に光が強く、入射するフォトンの数が著しく多い場合には、カウンタ回路１２０によるフォトンカウントができず、フォトンカウント数がほぼゼロになってしまうことがある。

一方で前述の通りＡＰＤ１４４はＡＰＤ１４３と比べ感度が低いため、カウンタ回路１２０によるフォトンカウントができなくなるような強い光が入射する場合も、カウンタ回路１２１では正確なフォトンカウントが可能である。

したがって、入射するフォトンの数が図７の領域Ａで示された範囲に含まれる場合は、ＡＰＤ１４４とＡＰＤ１４３との両方の出力が線形性を維持できるため、ＡＰＤ１４３により高感度での光検出が可能である。対して、入射するフォトンの数が図７の領域Ｂで示された範囲に含まれる場合は、ＡＰＤ１４３の出力は線形性が低下しうる。他方、ＡＰＤ１４４の出力は線形性を維持することができる。

このような現象が生じる原因について説明する。入射するフォトン数が比較的少ないＡ領域では、ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４共に、ＡＰＤ内でフォトンを検出するタイミングが時間的に重なる確率は非常に低い。インバータ回路１４５、１４６において信号パルスが立ち上がった後、次のフォトンが来るまでにパルスが立ち下がるので、ＡＰＤに入射したフォトンの数に相当する数の信号パルスを出力することができる。

一方、入射するフォトン数の多いＢ領域の場合、インバータ回路１４５において、信号パルスが立ち上がった後それが立ち下がる前に、ＡＰＤ１４３に再びフォトンが入射する確率が高くなる。新たなフォトンが入射することでアバランシェ電流が増加し、結果として、ＡＰＤ１４３のカソード、つまりインバータ回路１４５の入力ノードの電圧が戻りにくくなる。そのため、複数の信号パルスが繋がるパイルアップ現象が起こり、新しく入射したフォトンはカウントされない可能性がある。さらに、入射するフォトンの数が著しく多い場合には、インバータ回路の出力がハイレベルのまま変化しなくなる。この結果、カウンタ回路１２０において信号パルスをカウントすることができず、フォトンカウント数がゼロになってしまうことが生じうる。

このように、フォトンカウンティングでは、１つのフォトンを検出してから次のフォトンを検出できるようになるまでの期間（「デッドタイム」と呼ばれる）によって検出可能なフォトン到来頻度（＝光の強さ）が決定される。デッドタイムの長さは、クエンチング抵抗（Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１、１４２）のインピーダンスや、ＡＰＤ１４３、１４４のカソードの寄生容量に応じて変化する。

月明かりや星明かりといった非常に暗い状況でもフォトンを検出できるような超高感度の撮像装置を実現するためには、ある程度大きなサイズの画素１２を設けることが考えられる。しかしながら、このように構成した撮像装置では、日中の光の下のような明るい状況ではたとえ絞り機構で光量を落としたとしてもフォトン検出頻度が高くなりすぎ、フォトンカウンティングができなくなる。

ＡＰＤ１４４はＡＰＤ１４３に対して面積が小さく感度が小さい。したがって領域Ａの範囲の光が入射する状況においてはＡＰＤ１４３のカウント数４４３に対して小さいカウント数を示す。領域Ｂの範囲の光が入射しＡＰＤ１４３に対応するカウント数の低下が起きている状態でも、ＡＰＤ１４４に入射するフォトンの頻度がデッドタイムに重ならない程度であればＡＰＤ１４４でのフォトンカウント数は入射フォトン数に対して線形に増加を続ける。

本実施形態において、例えばＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４の感度比がｎ倍であるとする。領域Ａ内の同一光量においてＡＰＤ１４３に対応するカウント数はＡＰＤ１４４に対応するカウント数のｎ倍とする。

前述のバリエーション１同様、ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４に光が入射すると、各ＡＰＤでアバランシェ増倍が発生し、カウンタ回路１２０、カウンタ回路１２１のそれぞれでパルスのカウントが実施される。各カウンタ回路から出力されたカウント値は選択回路１５０に入力される。

垂直走査回路２０を介して制御回路５０から供給される制御信号が、ＳＥＬ２から選択回路１５０のＳ端子に入力される。選択回路１５０は、Ｓ端子のレベルがＨｉの時は１端子の入力、つまりカウンタ回路１２１でカウントされるＡＰＤ１４４のフォトンカウント数４４４がＯＵＴ端子から出力される。

出力されたＡＰＤ１４４のカウント数４４４が一定の閾値ｂより小さいとき、制御回路５０によってＳＥＬ２がＨｉからＬｏに切り替わる。Ｓ端子のレベルがＬｏの時、選択回路１５０は０端子の入力、つまりカウンタ回路１２０でカウントされるＡＰＤ１４３のフォトンカウント数４４３をＯＵＴ端子から出力する。

選択回路１５０のＯＵＴ端子は選択回路１３０に入力されており、選択回路１３０はＳＥＬ１から供給される制御信号によって垂直読み出し回路１６へ読み出される。読み出されたカウント数４４３、カウント数４４４は信号処理回路６０によって演算処理される。具体的にはカウント数４４４が閾値ｂより小さい場合（入射光量が領域Ａの範囲の場合）はカウント数４４３をフォトン数として使用する。カウント数４４４がｂより大きい場合（入射光量が領域Ｂの範囲の場合）はカウント数４４４をｎ倍した結果をフォトン数とすることで、フォトンカウント数の線形性を保つことができる。ここで閾値ｂは、例えばカウンタ回路１２０がカウント可能な最大の値をｎで除した値である。望ましくは、上述のパイルアップ現象が生じない範囲における、カウント回路１２０のカウント数をｎで除した値が、閾値ｂに用いられる。

前述のように強い光が入射する環境下ではＡＰＤ１４３のカウント数４４３は、実際に入射したフォトン数よりも少ない値を示しうる。そのため、入射するフォトン数に応じた正確な信号を得られない可能性がある。

そこで本実施形態では、ＡＰＤ１４４のカウント数４４４が閾値ｂ以下になるような弱い光が入射する環境下では、より感度が高くＳＮ比が良好な信号が得られるＡＰＤ１４３に対応する信号を使用する。一方、ＡＰＤ１４４のカウント数４４４が閾値ｂ以上になるような強い光が入射する環境下では、強い光が入射したときも線形性を保って信号を出力できるＡＰＤ１４４に対応する信号を使用する。

本実施形態ではこのように閾値となるカウント数を境に画像の形成に利用するＡＰＤを切り替え、またＡＰＤの感度比に応じてカウント数を等倍するなど補正処理を切り替える。これによって、デッドタイムの発生を防ぎ、かつＡＰＤ１４３に対応するカウント数４４３を使用する領域Ａと、ＡＰＤ１４４に対応するカウント数４４４を使用する領域Ｂの両方で線形性を保ったまま信号を出力することを実現している。

カウント数４４４と閾値ｂとの比較を行うタイミングは、特に限定されない。例えば、上述のように、露光期間が終了した後に、まずカウント数４４４を読み出して、読み出されたカウント数４４４と閾値ｂとの比較を行ってもよい。比較の結果に応じて、カウント数４４３を読み出す処理を行うか、読み出さない処理を行うかを切り替えればよい。または、露光開始から一定の期間が経過した時点であって、露光期間の途中に、カウント数４４４と閾値ｂとの比較を行ってもよい。この場合、比較の結果に応じて、カウント数４４３を読み出す処理か、カウント数４４４を読み出す処理かが、切り替えられる。

さらに、本実施形態では選択回路１５０のＳ端子にはＳＥＬ２の制御信号が入力されていたが、第一のバリエーション同様ＳＥＬ２を用いない回路構成も可能である。その場合、図６のカウンタ回路１２０に代わってカウンタ回路１２１の出力の一部を選択回路１５０のＳ端子に入力することが考えられる。

図８は実施形態にかかる光電変換装置の画素のＡＰＤの構成例を模式的に示す平面図である。図８の６１０はＡＰＤであり、各６１０のカソードであるｎ型半導体領域は半導体基板上で互いに分離されている。図８では配線６４２を用いて８つのＡＰＤのカソードを電気的に接続し、ＡＰＤ６１０を８つ繋いだものを図３のＡＰＤ１４３に相当する１つのＡＰＤとしている。

つまり、図３においてＡＰＤ１４４を囲む輪のように形成されたｎ型半導体領域２２６が８つに分割され、８つのｎ型半導体領域２２６がｐ型半導体領域からなる分離部あるいはその他の素子分離方法によって互いに分離された構成が図８に示す構成例である。

このように複数のＡＰＤを接続して相対的に高感度なフォトダイオードを形成してもよい。

また、図３、図８に示したＡＰＤはいずれも一例であり、本発明に適用可能なＡＰＤの構造は平面、断面ともに、図３、図８のいずれかに示すものに限定されるものではない。

［第２の実施形態］
本実施形態について図９から図１０を用いて説明する。

本実施形態においては閾値となるカウント値を境にカウンタ回路に入力する信号を切り替えることでフォトンカウント処理を簡素化させることができる。

図９は、実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。

図９における各番号は図２と同一のものには同一符号を付してあるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分を説明する。

図９の画素１２は、図９に示すように、光電変換部１４０と、カウンタ回路１２０と、選択回路１３０と、選択回路１５０と、飽和検知回路１５１とを含む。

選択回路１５０は、端子ＳのレベルがＬｏの時は０端子の入力をＯＵＴ端子から出力し、Ｈｉレベルの時は１端子の入力をＯＵＴ端子から出力する。

選択回路１５０の０端子には高感度のＡＰＤ１４３のインバータ回路１４５を介した出力が接続され、選択回路１５０の１端子には低感度のＡＰＤ１４４のインバータ回路１４６を介した出力が接続されている。選択回路１５０の出力はカウンタ回路１２０に入力されている。また、選択回路のＳ端子には飽和検知回路１５１が接続されており、飽和検知回路１５１の出力は飽和検知回路１５１に入力されるカウンタ回路１２０のカウント値が一定の閾値を超えるとＬｏからＨｉに切り替わる。

飽和検知回路１５１はカウンタ回路１２０の出力の一部のＬｏ信号、Ｈｉ信号のレベルを保持する。飽和検知回路１５１は選択回路１３０に接続されていて、保持された信号のレベルはカウント結果とともに垂直出力線１６へと読み出される。

図１０は本実施形態における単位時間・単位面積あたりの入射フォトン数とカウントされるフォトンカウント数との関係を示すグラフである。横軸に単位時間・単位面積あたりに入射するフォトン数、縦軸にカウンタ回路でのフォトンカウント数を示している。図１０におけるプロット４４３は図２におけるＡＰＤ１４３に対応するフォトンカウント数を示している。プロット４４４は図２におけるＡＰＤ１４４対応するフォトンカウント数を示している。プロット４４６は本実施形態における画像処理後の単位時間・単位面積当たりの入射フォトン数と演算処理後のフォトンカウント数の関係を両対数でプロットしたものである。

本実施形態においても、例えばＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４の感度比がｎ倍であるとし、同一光量が入射する状況においてＡＰＤ１４３に対応するカウント数はＡＰＤ１４４に対応するカウント数のｎ倍とする。

ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４に光が入射すると、各ＡＰＤでアバランシェ増倍が発生し、ＡＰＤ１４３の出力はインバータ回路１４５で、ＡＰＤ１４４の出力はインバータ回路１４６でそれぞれパルス波に整形される。インバータ回路１４５から出力されたパルス波は選択回路１５０の０端子に、インバータ回路１４６から出力されたパルス波は選択回路１５０の１端子に入力される。

選択回路１５０のＳ端子に飽和検知回路１５１の出力が入力される。選択回路１５０は、Ｓ端子のレベルがＬｏの時は０端子の入力、つまりＡＰＤ１４３の出力がＯＵＴ端子から出力され、フォトンカウント数４４３がカウンタ回路１２０でカウントされる。

出力されたＡＰＤ１４３のフォトンカウント数４４３が一定の閾値ａを超えると、Ｓ端子の入力がＬｏからＨｉに切り替わる。Ｓ端子のレベルがＨｉの時、選択回路１５０は１端子の入力、つまりＡＰＤ１４４の出力をＯＵＴ端子から出力し、フォトンカウント数４４４がカウンタ回路１２１でカウントされる。

選択回路１５０のＯＵＴ端子はカウンタ回路１２０に接続されている。飽和検知回路１５１からＳ端子への入力が切り替わることで選択回路１５０のＯＵＴ端子からの出力が１端子からの入力に切り替わった時、カウンタ回路１２０のカウントはカウンタ回路の初期値から再開される。カウンタ回路１２０の出力は選択回路１３０に入力される。また、カウンタ回路１２０の飽和の有無は飽和検知回路１５１を介して読み出される。

選択回路１３０に入力されたカウント数はＳＥＬから供給される制御信号によって垂直読み出し回路１６へ読み出される。読み出されたカウント数４４３、カウント数４４４は信号処理回路６０によって演算処理される。具体的にはカウント数４４３が閾値ａを超えない場合（入射光量が領域Ａの範囲の場合）はカウント数４４３をフォトン数として使用する。カウント数４４３がａを超える場合（入射光量が領域Ｂの範囲の場合）はカウント数４４４をｎ倍した結果にａを加算した値をフォトン数とすることで、フォトンカウント数の線形性を保っている。ここで閾値ａは、例えばカウンタ回路１２０がカウント可能な最大の値である。上述の通り、閾値ａにはカウンタ回路１２０のカウント可能な範囲で任意の値を用いることができ、カウント数４４４に行う処理はＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４の感度比に応じた値を乗じることに限られない。

飽和検知回路からＳ端子への入力の切り替えに伴いカウンタ回路１２０に入力される信号が切り替えられるとき、上述の通りカウンタ回路１２０をリセットしてカウンタの初期値からカウントを再開することができる。カウンタ回路１２０をオーバーフローさせることでリセットと同等の効果を得ることも可能である。いずれの場合も、カウンタ回路１２０の最上位ｂｉｔやカウンタ性能上求められるｂｉｔ数にさらに１桁追加した上位ｂｉｔなど、特定のｂｉｔの遷移を観測することで検知することができる。なお、カウンタ回路１２０をリセットせずにカウントを続け、出力されたカウント数の補正を行ってもよい。この場合、カウンタ回路１２０にリセット信号を付与する必要が無く、信号処理をより簡素化することができることに加え、消費電力の低減が期待できる。

本実施形態ではこのように飽和検知回路で検知したカウント数と閾値の大小関係の変化を境にカウンタ回路に入力される信号に対応するＡＰＤを切り替え、またＡＰＤの感度比に応じてカウント数を等倍するなど補正処理を切り替える。これによって、ＡＰＤ１４３に対応するカウント数４４３を使用する領域Ａと、ＡＰＤ１４４に対応するカウント数４４４を使用する領域Ｂで、線形性を保ったまま信号を出力することを実現している。すなわちダイナミックレンジの拡大が可能である。

また、本実施形態ではカウンタ回路は画素に１つあればよいため、各画素が２つのカウンタ回路を有する第一の実施形態と比較して画素を小型化することが可能となる。また、カウンタ回路のカウント数を削減することもできるため、消費電力の低減及びカウント回路の飽和する可能性を低減することも可能となる。

さらに本実施形態ではＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４双方のカウント値をカウンタ回路から出力する必要がなく、信号処理回路６０に読み出しが必要な信号はカウンタ回路１２０のカウント結果と飽和信号のみであるため、読み出しの高速化が可能となる。

このように本実施形態においては閾値となるカウント値を境にカウンタ回路に入力する信号を切り替えることでフォトンカウント処理を簡素化させることができる。

なお、第１の実施形態と同様に、課題に応じて高感度ＡＰＤからの信号と低感度ＡＰＤからの信号のどちらを最初にカウントし、閾値の判定に用いるか選択することが可能である。

［第３の実施形態］
本実施形態について図１１から図１２を用いて説明する。

本実施形態においては、閾値となるカウント値を境にＡＰＤのガイガーモードでの動作を停止させることでフォトンカウント処理を簡素化させることができる。

図１１は、実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。

図１１における各番号は図２と同一のものには同一符号を付してあるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分を説明する。

図１１の画素１２は、図１１に示すように光電変換部１４０と、バッファ回路１４７と、ＯＲ回路１４８と、カウンタ回路１２０と、選択回路１３０とを含む。

図１１のバッファ回路１４７はカウンタ回路１２０のカウント結果と同じ論理を出力する。ＯＲ回路１４８はインバータ回路１４５、インバータ回路１４６の信号の論理和をカウンタ回路１２０に入力している。

光電変換部１４０はＮＭＯＳトランジスタ１５１を含む。ＮＭＯＳトランジスタ１５１のゲートはバッファ回路１４７の出力に接続されている。ソースは接地電位に接続され、ドレインはＡＰＤ１４３のアノード端子に接続されている。

カウンタ回路１２０はＯＲ回路１４８から出力されるＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４とに対応する信号の論理和をカウントする。

図１２は実施形態にかかる入射フォトン数とカウントされるフォトンカウント数との関係を示すグラフである。横軸に単位時間・単位面積あたりに入射するフォトン数、縦軸にカウンタ回路におけるフォトンカウント数を示している。図１２におけるプロット４４３は図２におけるＡＰＤ１４３に対応するフォトンと、ＡＰＤ１４４に対応するフォトンとの和のカウント数を示している。プロット４４７は図２におけるＡＰＤ１４４に対応するフォトンカウント数に閾値ａを加算した値を示している。プロット４４８は本実施形態における画像処理後の単位時間・単位面積当たりの入射フォトン数と演算処理後のフォトンカウント数の関係を両対数でプロットしたものである。

本実施形態においても、ＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４の感度比がｎ倍であるとし、同一光量が入射する状況においてＡＰＤ１４３に対応するカウント数はＡＰＤ１４４に対応するカウント数のｎ倍とする。

ＡＰＤ１４３、ＡＰＤ１４４に光が入射すると、各ＡＰＤでアバランシェ増倍が発生し、ＡＰＤ１４３の出力はインバータ回路１４５で、ＡＰＤ１４４の出力はインバータ回路１４６で、それぞれパルス波に整形される。各インバータ回路から出力されたパルス波はＯＲ回路１４８に入力される。

ＯＲ回路１４８の出力はカウンタ回路１２０に入力され、カウンタ回路１２０の出力の一部はバッファ回路１４７に入力される。カウンタ回路１２０の出力が所定の値ａに達すると、バッファ回路１４７の出力がＬｏｗからＨｉになる。バッファ回路の出力と接続されているＮＭＯＳトランジスタ１５１のゲート電圧もＨｉレベルとなり、ＮＭＯＳトランジスタ１５１はＯＮ状態となる。

ＮＭＯＳトランジスタ１５１のソースは接地電位に接続されているので、飽和検知回路１５１がＯＮ状態になるとＡＰＤ１４３のカソードの電位は０Ｖとなり、ＡＰＤ１４３に印加される逆バイアス電圧は降伏電圧以下の電圧となる。この状態では、たとえフォトンの入射により電子が発生したとしても、その電子はアバランシェ増倍を引き起こすことなく、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１を介して排出される。素電荷による電流は非常に小さく、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１４１による電圧の降下は非常に小さいため、インバータ回路１４５のスレッショルドを超えて信号パルスが出力されることはない。つまりＮＭＯＳトランジスタ１５１はＡＰＤ１４３のアバランシェ増倍を停止するスイッチとして機能する。

この結果、カウント数４４３が閾値ａを超える場合（入射光量が領域Ｂの範囲の場合）ではＡＰＤ１４３のアバランシェ増倍が停止し、フォトンカウントもなされない。カウンタ出力が減少することで消費電力の削減が可能となる。

ＡＰＤ１４３のアバランシェ増倍が停止することにより、ＯＲ回路１４８を介してカウンタ回路１２０に入力されるパルス信号はＡＰＤ１４４に対応する信号のみとなる。この結果、図１２に示すように領域Ｂでのフォトンカウント数は領域Ａでのフォトンカウント数と比べて傾きが小さくなり、４４３と４４７のように閾値ａを変曲点とした折れ線状の特性を示す。

カウンタ回路１２０の出力は選択回路１３０に入力されており、選択回路１３０の出力はＳＥＬから供給される制御信号によって垂直読み出し回路１６へ読み出される。読み出されたカウント数４４３、カウント数４４７は信号処理回路６０によって演算処理される。具体的にはカウント数４４３が閾値ａ以下の場合（入射光量が領域Ａの範囲の場合）はカウント数４４３をフォトン数として使用する。カウント数４４３がａ以上の場合（入射光量が領域Ｂの範囲の場合）は、カウント数４４７をｘとしたときｎ（ｘ－ａ）＋ａをフォトン数として用いる。この演算処理によってフォトンカウント数の線形性を保っている。ここで閾値ａは、例えばカウンタ回路１２０がカウント可能な最大の値であるが、上述の通り、閾値ａにはカウンタ回路１２０のカウント可能な範囲で任意の値を用いることができる。また、カウント数４４４に行う処理はＡＰＤ１４３とＡＰＤ１４４の感度比に応じた値を乗じることに限られない。

上記のように、本実施形態ではＡＰＤのアバランシェ増倍の制御や各ＡＰＤの信号を加算するか否かの制御などを切り替えられる。これによって消費電力の削減や読み出し回路の簡易化、ダイナミックレンジの拡大を可能としている。

つまり本実施形態においては、閾値となるカウント値を境にＡＰＤのガイガーモードでの動作の可否を切り替えることでフォトンカウント処理を簡素化させることができる。

なお、第１の実施形態と同様に、課題に応じて高感度ＡＰＤからの信号と低感度ＡＰＤからの信号のどちらを最初にカウントし閾値の判定に用いるか選択することが可能である。

また、閾値となるカウント値を境にＡＰＤのガイガーモードでの動作を開始させることによってもフォトンカウント処理を簡素化させることができる。例えば本実施例においてＡＰＤ１４３に接続されるバッファ回路１４７及びＮＭＯＳトランジスタ１５１に相当する素子がＡＰＤ１４４にも接続されている場合を考える。まず、ＡＰＤ１４３のみに降伏電圧以上の電圧を印加した状態でフォトンカウントを開始する。このときＯＲ回路１４８にはＡＰＤ１４３の信号のみが入力され、フォトンカウント数として出力される。カウンタ回路１２０から出力されるカウント数が閾値ａを超えると上述の通りＡＰＤ１４３のフォトンカウントは停止する。一方でＡＰＤ１４４に降伏電圧以上の電圧を印加し、ガイガーモードでの動作を開始させることによってＡＰＤ１４４のフォトンカウントを開始することが考えられる。このような実施形態ではフォトンカウント数として用いる信号のみをカウントするため、フォトンカウント処理を簡素化することができ、電力の低減も可能である。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて、図１３を用いて説明する。第１乃至第３実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。図１３は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。

撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。図１３に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。

図１３において、１００１はレンズの保護のためのバリアである。１００２は被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズである。１００３はレンズ１００２を通った光量を可変するための絞りである。撮像装置１００４には、上述の各実施形態で説明した撮像装置が用いられる。

１００７は撮像装置１００４より出力された画素信号に対して、補正やデータ圧縮などの処理を行い、画像信号を取得する信号処理部である。そして、図１３において、１００８は撮像装置１００４および信号処理部１００７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１００９はデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御部である。１０１０は画像データを一時的に記憶する為のフレームメモリ部である。１０１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部である。１０１２は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。１０１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。

なお、撮像システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された画素信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。その場合、他の構成は撮像システムの外部に配される。

以上に説明した通り、撮像システムの実施形態において、撮像装置１００４には、第１の実施形態、乃至、第３の実施形態のいずれかの撮像装置が用いられる。このような構成によれば、撮像装置から得られる画像のダイナミックレンジを拡大させることができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。

本実施形態の移動体は、車載カメラを備えた自動車である。図１４（ａ）は、自動車２１００の外観と主な内部構造を模式的に示している。自動車２１００は、撮像装置２１０２、撮像システム用集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）２１０３、警報装置２１１２、主制御部２１１３を備える。

撮像装置２１０２には、上述の各実施形態で説明した撮像装置が用いられる。警報装置２１１２は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどから異常を示す信号を受けたときに、運転手へ向けて警告を行う。主制御部２１１３は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどの動作を統括的に制御する。なお、自動車２１００が主制御部２１１３を備えていなくてもよい。この場合、撮像システム、車両センサ、制御ユニットが個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う（例えばＣＡＮ規格）。

図１４（ｂ）は、自動車２１００のシステム構成を示すブロック図である。自動車２１００は、第１の撮像装置２１０２と第２の撮像装置２１０２を含む。つまり、本実施形態の車載カメラはステレオカメラである。撮像装置２１０２には、光学部２１１４により被写体像が結像される。撮像装置２１０２から出力された画素信号は、画像前処理部２１１５によって処理され、そして、撮像システム用集積回路２１０３に伝達される。画像前処理部２１１５は、Ｓ－Ｎ演算や、同期信号付加などの処理を行う。

撮像システム用集積回路２１０３は、画像処理部２１０４、メモリ２１０５、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８、異常検出部２１０９、および、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部２１１６を備える。画像処理部２１０４は、画素信号を処理して画像信号を生成する。また、画像処理部２１０４は、画像信号の補正や異常画素の補完を行う。メモリ２１０５は、画像信号を一時的に保持する。また、メモリ２１０５は、既知の撮像装置２１０２の異常画素の位置を記憶していてもよい。光学測距部２１０６は、画像信号を用いて被写体の合焦または測距を行う。視差演算部２１０７は、視差画像の被写体照合（ステレオマッチング）を行う。物体認知部２１０８は、画像信号を解析して、自動車、人物、標識、道路などの被写体の認知を行う。異常検出部２１０９は、撮像装置２１０２の故障、あるいは、誤動作を検知する。異常検出部２１０９は、故障や誤動作を検知した場合には、主制御部２１１３へ異常を検知したことを示す信号を送る。外部Ｉ／Ｆ部２１１６は、撮像システム用集積回路２１０３の各部と、主制御部２１１３あるいは種々の制御ユニット等との間での情報の授受を仲介する。

自動車２１００は、車両情報取得部２１１０および運転支援部２１１１を含む。車両情報取得部２１１０は、速度・加速度センサ、角速度センサ、舵角センサ、測距レーダ、圧力センサなどの車両センサを含む。

運転支援部２１１１は、衝突判定部を含む。衝突判定部は、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８からの情報に基づいて、物体との衝突可能性があるか否かを判定する。光学測距部２１０６や視差演算部２１０７は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。

運転支援部２１１１が他の物体と衝突しないように自動車２１００を制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。

自動車２１００は、さらに、エアバッグ、アクセル、ブレーキ、ステアリング、トランスミッション等の走行に用いられる駆動部を具備する。また、自動車２１００は、それらの制御ユニットを含む。制御ユニットは、主制御部２１１３の制御信号に基づいて、対応する駆動部を制御する。

本実施形態に用いられた撮像システムは、自動車に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

以上に説明した通り、自動車の実施形態において、撮像装置２１０２には、第１の実施形態、乃至、第３の実施形態のいずれかの撮像装置が用いられる。このような構成によれば、撮像装置から得られる画像のダイナミックレンジを拡大させることができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

本実施形態ではＡＰＤを高感度用と低感度用の２種類としたが例えば３種類以上のＡＰＤを用いて各々の閾値で制御を変えてもよい。ＡＰＤの種類を増やすことによって、より広範なダイナミックレンジの実現が可能である。

また、上記実施形態では、１つの画素の複数のＡＰＤを、１つのｎ型半導体領域２２４内に配置しているが、ＡＰＤ毎に別々のｎ型半導体領域２２４内に配置してもよい。ＡＰＤ毎に別々のｎ型半導体領域２２４内に配置することにより基板上での配置の自由度の向上が見込まれる。

１２ 画素
１００ 撮像装置
１４３、１４４ アバランシェフォトダイオード
１２０ カウンタ回路

Claims (29)

1. 光に対する感度が互いに異なる第一のアバランシェフォトダイオードと、第二のアバランシェフォトダイオードと、を有する画素と、
   前記第一のアバランシェフォトダイオードで生じた電荷に基づく第一の信号及び前記第二のアバランシェフォトダイオードで生じた電荷に基づく第二の信号をカウントするためのカウンタ回路と、を含む光電変換装置であって、
   前記カウンタ回路から出力されるカウント数が閾値よりも大きい場合と、前記カウンタ回路から出力されるカウント数が前記閾値よりも小さい場合とで、前記カウント数が依拠する信号が前記第一の信号と前記第二の信号との一方から他方に切り替わることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記第一の信号及び前記第二の信号は、それぞれ、アバランシェ増倍が生じることによる電圧の変化に応じたパルス信号であって、
   前記第一の信号の変化及び前記第二の信号の変化の少なくとも一方に応じて、前記カウンタ回路から出力される前記カウント数が変化することを特徴とする、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記カウント数が前記閾値と比較されることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の光電変換装置。
4. 前記カウンタ回路の特定のｂｉｔの値の遷移を検知することを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の光電変換装置。
5. 前記第一のアバランシェフォトダイオードと前記第二のアバランシェフォトダイオードとの感度比に応じた値を、前記カウント数に乗じることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
6. 前記カウンタ回路は、前記第一の信号をカウントした第一のカウント数及び前記第二の信号をカウントした第二のカウント数の少なくとも一方を前記カウント数として出力することを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
7. 前記第一のカウント数または前記第二のカウント数と前記閾値との大小関係に応じて前記第一のカウント数と前記第二のカウント数とのいずれか一方を選択する選択回路を有することを特徴とする、請求項６記載の光電変換装置。
8. 前記カウンタ回路は、前記第一のアバランシェフォトダイオードに接続され、前記第一のカウント数を生成する第一のカウンタ回路と、前記第二のアバランシェフォトダイオードに接続され、前記第二のカウント数を生成する第二のカウンタ回路と、を含み
   前記第一のカウンタ回路の出力が、前記選択回路の第一の入力に接続され、
   前記第二のカウンタ回路の出力が、前記選択回路の第二の入力に接続されることを特徴とする、請求項７記載の光電変換装置。
9. 前記第一のアバランシェフォトダイオードの感度は前記第二のアバランシェフォトダイオードの感度よりも高く、
   前記第一のカウント数が前記閾値よりも小さい場合は、選択するカウント数を前記第一のカウント数とし、前記第一のカウント数が前記閾値よりも大きい場合は、選択するカウント数を前記第二のカウント数とすることを特徴とする請求項７または請求項８記載の光電変換装置。
10. 前記第一のアバランシェフォトダイオードの感度は前記第二のアバランシェフォトダイオードの感度よりも高く、
    選択するカウント数を前記第二のカウント数としてから一定時間経過した際に、前記第二のカウント数が前記閾値よりも小さい場合は、選択するカウント数を前記第一のカウント数とすることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項記載の光電変換装置。
11. 前記第一のカウント数が前記閾値に達すると、前記カウンタ回路に入力される信号が前記第一の信号から前記第二の信号に切り替わることにより、第一のカウント数をカウントする処理から第二のカウント数をカウントする処理へ前記カウント数の処理が切り替わることを特徴とする請求項６記載の光電変換装置。
12. 前記第一のアバランシェフォトダイオードの感度は前記第二のアバランシェフォトダイオードの感度よりも高く、
    前記第一のカウント数が前記閾値を超えると、前記カウンタ回路に入力される信号が前記第一の信号から前記第二の信号に切り替わることを特徴とする請求項６または請求項１１記載の光電変換装置。
13. 前記第一のアバランシェフォトダイオードの感度は前記第二のアバランシェフォトダイオードの感度よりも高く、
    選択するカウント数を前記第二のカウント数としてから一定時間経過した際に、前記第二のカウント数が前記閾値よりも小さい場合は、前記カウンタ回路に入力されるカウント数を前記第二のカウント数から前記第一のカウント数に切り替えることを特徴とする請求項６または請求項１１記載の光電変換装置。
14. 前記カウンタ回路に入力される信号として前記第一の信号と、前記第二の信号とから一方を選択する選択回路を有することを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
15. 各画素がそれぞれ一個のカウンタ回路を有することを特徴とする請求項１１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
16. 前記閾値と比較される前記カウント数が前記の閾値に達すると、前記第一のアバランシェフォトダイオードのアバランシェ増倍を停止することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
17. 前記第一のアバランシェフォトダイオードの感度は前記第二のアバランシェフォトダイオードの感度よりも高く、
    前記第一の信号と前記第二の信号との和をカウントした前記カウント数が前記閾値を超えると、前記第一のアバランシェフォトダイオードのアバランシェ増倍が停止することを特徴とする請求項１６記載の光電変換装置。
18. 前記第一のアバランシェフォトダイオードに印加される電圧を制御するスイッチを有し、
    前記カウント数が前記閾値に達すると前記第一のアバランシェフォトダイオードに印加される電圧が降伏電圧以下になることを特徴とする、請求項１６または請求項１７に記載の光電変換装置。
19. 前記第一の信号と、前記第二の信号との論理和を出力するための回路を有することを特徴とする請求項１６乃至請求項１８のいずれか一項に記載の光電変換装置。
20. 前記閾値と比較される前記カウント数が前記閾値に達すると、前記第一のアバランシェフォトダイオードでアバランシェ増倍が開始されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
21. 前記第一のアバランシェフォトダイオードの感度は前記第二のアバランシェフォトダイオードの感度よりも高く、
    カウントの開始から一定時間経過した際に前記第二の信号をカウントした第二のカウント数が前記閾値よりも小さいとき、前記第一のアバランシェフォトダイオードがアバランシェ増倍を起こしうる状態になることを特徴とする請求項２０に記載の光電変換装置。
22. 前記第一のアバランシェフォトダイオードの感度は前記第二のアバランシェフォトダイオードの感度よりも高く、
    前記カウント数が前記閾値よりも大きいとき、前記第一のアバランシェフォトダイオードのアバランシェ増倍が停止し、前記第二のアバランシェフォトダイオードがアバランシェ増倍を起こしうる状態になることを特徴とする請求項１６又は請求項２０記載の光電変換装置。
23. 前記第一のアバランシェフォトダイオードのアノードとカソードの間に降伏電圧を超える逆バイアスを印加するスイッチを有することを特徴とする、請求項２０乃至請求項２２のいずれか一項に記載の光電変換装置。
24. 前記第一のアバランシェフォトダイオードは、半導体基板内で互いに分離されている半導体領域が、導電部材によって電気的に接続されて構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項２３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
25. 前記第一のアバランシェフォトダイオードの受光面の面積は、前記第二のアバランシェフォトダイオードの受光面の面積と異なることを特徴とする請求項１乃至請求項２４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
26. マイクロレンズを有し、前記画素において前記第一のアバランシェフォトダイオードと前記第二のアバランシェフォトダイオードとは同一のマイクロレンズの下に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項２５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
27. 前記マイクロレンズの中心部の下に配置されたアバランシェフォトダイオードを前記第一のアバランシェフォトダイオードとし、前記マイクロレンズの外周部の下に配置されたアバランシェフォトダイオードを前記第二のアバランシェフォトダイオードとすることを特徴とする請求項２６に記載の光電変換装置。
28. 請求項１乃至請求項２７のいずれか一項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力された信号に対して処理を行う処理装置と、
    を有することを特徴とする撮像システム。
29. 移動体であって、
    請求項１乃至２７のいずれか一項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力された信号に対して処理を行う処理装置と、
    前記処理の結果に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。

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