WO2023131996A1

WO2023131996A1 - 光電変換装置及び光検出システム

Info

Publication number: WO2023131996A1
Application number: PCT/JP2022/000057
Authority: WO
Inventors: 雄前橋
Original assignee: キヤノン株式会社
Priority date: 2022-01-05
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2023-07-13

Abstract

光電変換装置は、光子の入射により生じた電荷をアバランシェ増倍により増倍するアバランシェフォトダイオードを有し、光子の入射に応じた信号を出力する光電変換部と、光電変換部から出力される信号を処理する処理回路と、処理回路によって処理された信号の出力を制御する画素出力回路と、を各々が有する複数の画素と、複数の画素に接続されたデータ線と、複数の画素からデータ線を介して出力される画素信号を受信する受信回路と、を有する。受信回路を構成するトランジスタのオフリーク電流は、画素出力回路を構成するトランジスタのオフリーク電流よりも小さい。

Description

光電変換装置及び光検出システム

　本発明は、光電変換装置及び光検出システムに関する。

　単一光子レベルの微弱光を検出可能な検出器として、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｈｏｔｏｎ　Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｄｉｏｄｅ）が知られている。ＳＰＡＤ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を数倍～数百万倍程度に増幅するものである。アバランシェ増倍現象により発生した電流をパルス信号に変換し、そのパルス信号の数をカウントすることで、入射するフォトンの個数を直接計測することが可能となる。特許文献１には、アバランシェフォトダイオードを含む画素を２次元アレイ状に配してなる光電変換装置が開示されている。

特開２０１９－１５８８０６号公報

　ＳＰＡＤを用いたイメージセンサはＳＰＡＤを用いないイメージセンサと比較して１つの画素を構成する素子数が多く、１つの画素に様々な機能ブロックが含まれる。これら機能ブロックにはそれらの機能に応じた特性が求められるが、各機能ブロックの特性に応じた素子設計はこれまで行われていなかった。そのため、ＳＰＡＤを用いた光電変換装置における高機能化や低消費電力化は必ずしも十分ではなかった。

　本発明の目的は、光電変換装置及び光検出システムの更なる高機能化及び低消費電力化を実現するための技術を提供することにある。

　本発明の一観点によれば、光子の入射により生じた電荷をアバランシェ増倍により増倍するアバランシェフォトダイオードを有し、光子の入射に応じた信号を出力する光電変換部と、前記光電変換部から出力される信号を処理する処理回路と、前記処理回路によって処理された信号の出力を制御する画素出力回路と、を各々が有する複数の画素と、前記複数の画素に接続されたデータ線と、前記複数の画素から前記データ線を介して出力される画素信号を受信する受信回路と、を有し、前記受信回路を構成する第１のトランジスタのオフリーク電流は、前記画素出力回路を構成する第２のトランジスタのオフリーク電流よりも小さい光電変換装置が提供される。

　また、本発明の他の一観点によれば、光子の入射により生じた電荷をアバランシェ増倍により増倍するアバランシェフォトダイオードを有し、光子の入射に応じた信号を出力する光電変換部と、前記光電変換部から出力される信号を処理する処理回路と、前記処理回路によって処理された信号の出力を制御する画素出力回路と、を各々が有する複数の画素と、前記複数の画素に接続されたデータ線と、前記複数の画素から前記データ線を介して出力される信号を受信する受信回路と、を有し、前記受信回路を構成する第１のトランジスタは、前記第１のトランジスタの導電型と同じ導電型の不純物のチャネル領域における不純物濃度が第１の濃度であり、前記画素出力回路を構成する第２のトランジスタは、前記第２のトランジスタの導電型と同じ導電型の不純物のチャネル領域における不純物濃度が、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度である光電変換装置が提供される。

　本発明によれば、光電変換装置の高機能化及び低消費電力化を実現することができる。

本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図（その１）である。本発明の第１実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図（その２）である。本発明の第１実施形態による光電変換装置における画素の構成例を示すブロック図である。本発明の第１実施形態による光電変換装置の構成例を示す斜視図である。本発明の第１実施形態による光電変換装置における光電変換部の基本動作を説明する図である。本発明の第１実施形態による光電変換装置における画素部と読み出し回路部との間の接続の概略を示す図である。本発明の第１実施形態による光電変換装置における画素出力回路及びリセット回路の構成例を示す回路図である。ＭＯＳトランジスタの閾値電圧を制御する方法を説明する図である。ＭＯＳトランジスタの閾値電圧を制御する方法を説明する図である。ＭＯＳトランジスタの閾値電圧を制御する方法を説明する図である。ＭＯＳトランジスタの閾値電圧を制御する方法を説明する図である。ＭＯＳトランジスタの閾値電圧を制御する方法を説明する図である。ＭＯＳトランジスタの閾値電圧を制御する方法を説明する図である。本発明の第２実施形態による光電変換装置における画素出力回路及びリセット回路の構成例を示す回路図である。本発明の第１実施形態または第２実施形態による画素の変形例を説明する図である。本発明の第１実施形態または第２実施形態による画素の変形例の動作を説明するタイミングチャート図である。本発明の第１実施形態または第２実施形態による画素の変形例の時間とカウント値の関係図である。本発明の第１実施形態または第２実施形態による画素の変形例の時間とタイミングコードの関係図である。本発明の第４実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の第５実施形態による距離画像センサの概略構成を示すブロック図である。本発明の第６実施形態による内視鏡手術システムの構成例を示す概略図である。本発明の第７実施形態による移動体の構成例を示す概略図である。本発明の第７実施形態による移動体の構成例を示す概略図である。本発明の第７実施形態による移動体の構成例を示す概略図である。本発明の第７実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の第７実施形態による光検出システムの動作を示すフロー図である。本発明の第８実施形態による光検出システムの概略構成を示す概略図である。本発明の第８実施形態による光検出システムの概略構成を示す概略図である。

　以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。

　［第１実施形態］
　本発明の第１実施形態による光電変換装置について、図１乃至図８Ｆを用いて説明する。図１及び図２は、本実施形態による光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示すブロック図である。図４は、本実施形態による光電変換装置の構成例を示す斜視図である。図５は、本実施形態による光電変換装置の光電変換部の基本動作を説明する図である。図６は、本実施形態による光電変換装置における画素部と読み出し回路部との間の接続の概略を示す図である。図７は、本実施形態による光電変換装置における画素出力回路及びリセット回路の構成例を示す回路図である。図８Ａ～図８Ｆは、ＭＯＳトランジスタの閾値電圧を制御する方法を説明する図である。

　本実施形態による光電変換装置１００は、図１に示すように、画素部１０と、垂直走査回路部４０と、読み出し回路部５０と、水平走査回路部６０と、出力回路部７０と、制御パルス生成部８０と、を有する。

　画素部１０には、複数の行及び複数の列をなすようにアレイ状に配された複数の画素１２が設けられている。各々の画素１２は、後述するように、光子検知素子を含む光電変換部と、光電変換部から出力される信号を処理する画素信号処理部と、により構成され得る。なお、画素部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×数千列のアレイ状に配された複数の画素１２により画素部１０を構成することができる。或いは、１行又は１列に並べた複数の画素１２により画素部１０を構成してもよい。或いは、１つの画素１２により画素部１０を構成してもよい。

　画素部１０の画素アレイの各行には、第１の方向（図１において横方向）に延在して、制御線１４が配されている。制御線１４は、第１の方向に並ぶ画素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。制御線１４の延在する第１の方向は、行方向或いは水平方向と表記することがある。制御線１４の各々は、複数種類の制御信号を画素１２に供給するための複数の信号線を含み得る。各行の制御線１４は、垂直走査回路部４０に接続されている。

　また、画素部１０の画素アレイの各行には、第１の方向に延在して、データ線１６が配されている。データ線１６は、第１の方向に並ぶ画素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。データ線１６の各々は、画素１２から出力される複数ビットのデジタル信号をビット毎に転送するための複数の信号線を含み得る。各行のデータ線１６は、読み出し回路部５０に接続されている。

　画素部１０の画素アレイの各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１において縦方向）に延在して、制御線１８が配されている。制御線１８は、第２の方向に並ぶ画素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。制御線１８の延在する第２の方向は、列方向或いは垂直方向と表記することがある。制御線１８の各々は、複数種類の制御信号を画素１２に供給するための複数の信号線を含み得る。各行の制御線１８は、水平走査回路部６０に接続されている。

　垂直走査回路部４０は、制御パルス生成部８０から出力される制御信号を受け、画素１２を駆動するための制御信号を生成し、制御線１４を介して画素１２に供給する機能を備える制御部である。垂直走査回路部４０には、シフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられ得る。垂直走査回路部４０は、画素部１０の画素１２に行単位で順次制御信号を供給し、画素部１０の画素１２を行単位で順次駆動する。

　水平走査回路部６０は、制御パルス生成部８０から出力される制御信号を受け、画素１２を駆動するための制御信号を生成し、制御線１８を介して画素１２に供給する機能を備える制御部である。水平走査回路部６０には、シフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられ得る。水平走査回路部６０は、画素部１０内の画素１２を列単位で順次走査し、各画素１２が保持する画素信号を、データ線１６を介して読み出し回路部５０へと出力する。

　読み出し回路部５０は、画素部１０の画素アレイの各行に対応して設けられた複数の判定回路及び複数の保持部（図示せず）を有する。読み出し回路部５０は、データ線１６を介して画素部１０から行単位で出力される各列の画素１２の画素信号を対応する列の保持部にて保持する機能を備える。読み出し回路部５０は、制御パルス生成部８０から制御線５８を介して供給される制御信号を受け、各行の保持部に保持されている画素信号を順次出力回路部７０へと出力する。

　出力回路部７０は、外部インターフェース回路を有し、読み出し回路部５０から出力された画素信号を光電変換装置１００の外部へ出力するための回路部である。出力回路部７０が備える外部インターフェース回路は、特に限定されるものではない。外部インターフェース回路には、例えば、ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）回路、ＳＬＶＳ（Ｓｃａｌａｂｌｅ　Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）回路等を適用可能である。すなわち、外部インターフェース回路には、ＳｅｒＤｅｓ（ＳＥＲｉａｌｉｚｅｒ／ＤＥＳｅｒｉａｌｉｚｅｒ）送信回路を適用可能である。

　制御パルス生成部８０は、垂直走査回路部４０、読み出し回路部５０、水平走査回路部６０の動作やそのタイミングを制御する制御信号を生成し、各機能ブロックに供給するための制御回路である。なお、垂直走査回路部４０、読み出し回路部５０、水平走査回路部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、光電変換装置１００の外部から供給してもよい。

　なお、光電変換装置１００の各機能ブロックの接続態様は図１の構成例に限定されるものではなく、例えば図２に示すように構成することもできる。

　図２の構成例では、画素部１０の画素アレイの各列に、第２の方向に延在するデータ線１６を配している。データ線１６は、第２の方向に並ぶ画素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。各列のデータ線１６は、読み出し回路部５０に接続されている。

　読み出し回路部５０は、データ線１６を介して出力される画素信号を受ける受信回路であり、データ線１６を介して画素部１０から行単位で出力される各列の画素１２の画素信号を対応する行の保持部にて保持する機能を備える。読み出し回路部５０は、画素部１０の画素アレイの各列に対応して設けられた複数の判定回路及び複数の保持部（図示せず）を有する。

　水平走査回路部６０は、制御パルス生成部８０から出力される制御信号を受け、読み出し回路部５０の各列の保持部から画素信号を読み出すための制御信号を生成し、読み出し回路部５０に供給する。水平走査回路部６０は、読み出し回路部５０の各列の保持部を順次走査し、各々に保持されている画素信号を順次出力回路部７０へと出力する。

　図２の構成例におけるその他の機能ブロックは、図１の構成例と同様であり得る。

　各々の画素１２は、図３に示すように、光電変換部２０と、画素信号処理部３０と、を有する。光電変換部２０は、光子検知素子２２と、クエンチ素子２４と、を有する。画素信号処理部３０は、波形整形回路３２と、処理回路３４と、画素出力回路３６と、を有する。

　光子検知素子２２は、アバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」と表記する）であり得る。光子検知素子２２を構成するＡＰＤのアノードは、電圧ＶＬが供給されるノードに接続されている。光子検知素子２２を構成するＡＰＤのカソードは、クエンチ素子２４の一方の端子に接続されている。光子検知素子２２とクエンチ素子２４との接続ノードが、光電変換部２０の出力ノードである。クエンチ素子２４の他方の端子は、電圧ＶＬよりも高い電圧ＶＨが供給されるノードに接続されている。電圧ＶＬ及び電圧ＶＨは、ＡＰＤがアバランシェ増倍動作をするに十分な逆バイアス電圧が印加されるように設定されている。一例では、電圧ＶＬとして負の高電圧が与えられ、電圧ＶＨとして電源電圧程度の正電圧が与えられる。例えば、電圧ＶＬは－３０Ｖであり、電圧ＶＨは１Ｖである。

　光子検知素子２２は、前述のようにＡＰＤにより構成され得る。アバランシェ増倍動作をするに十分な逆バイアス電圧をＡＰＤに供給した状態とすることで、ＡＰＤへの光入射によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ電流が発生する。ＡＰＤに逆バイアス電圧を供給した状態における動作モードには、ガイガーモードとリニアモードとがある。ガイガーモードは、アノードとカソードとの間に印加する電圧をＡＰＤの降伏電圧よりも大きい逆バイアス電圧とする動作モードである。リニアモードは、アノードとカソードとの間に印加する電圧をＡＰＤの降伏電圧近傍又はそれ以下の逆バイアス電圧とする動作モードである。ガイガーモードで動作させるＡＰＤは、ＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｈｏｔｏｎ　Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｄｉｏｄｅ）と呼ばれる。光子検知素子２２を構成するＡＰＤは、リニアモードで動作するようにしてもよいし、ガイガーモードで動作するようにしてもよい。特に、ＳＰＡＤはリニアモードのＡＰＤに比べて電位差が大きくなり耐圧の効果が顕著となるため好ましい。

　クエンチ素子２４は、光子検知素子２２で生じたアバランシェ電流の変化を電圧信号に変換する機能を備える。また、クエンチ素子２４は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、光子検知素子２２に印加される電圧を低減してアバランシェ増倍を抑制する機能を備える。クエンチ素子２４がアバランシェ増倍を抑制する動作は、クエンチ動作と呼ばれる。また、クエンチ素子２４は、クエンチ動作によって電圧降下した分の電流を流すことにより、光子検知素子２２に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す機能を備える。クエンチ素子２４が光子検知素子２２に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す動作は、リチャージ動作と呼ばれる。クエンチ素子２４は、抵抗素子やＭＯＳトランジスタなどにより構成され得る。

　波形整形回路３２は、光電変換部２０の出力信号が供給される入力ノードと、出力ノードと、を有する。波形整形回路３２は、光電変換部２０から供給されるアナログ信号をパルス信号に変換する機能を備える。波形整形回路３２は、ＮＯＴ回路（インバータ回路）、ＮＯＲ回路、ＮＡＮＤ回路等を含む論理回路により構成され得る。波形整形回路３２の出力ノードは、処理回路３４に接続されている。

　処理回路３４は、波形整形回路３２の出力信号が供給される入力ノードと、制御線１４に接続された入力ノードと、出力ノードと、を備え得る。処理回路３４は、波形整形回路３２から出力されるパルス信号に対して所定の処理を行う機能ブロックであり、一例としてカウンタが挙げられる。処理回路３４がカウンタの場合、処理回路３４は、波形整形回路３２から出力される信号に重畳するパルスを計数し、計数結果であるカウント値を保持する機能を備え得る。垂直走査回路部４０から制御線１４を介して処理回路３４に供給される信号には、パルスの計数期間（露光期間）を制御するためのイネーブル信号や、処理回路３４が保持するカウント値をリセットするためのリセット信号などが含まれ得る。処理回路３４の出力ノードは、画素出力回路３６を介してデータ線１６に接続されている。

　画素出力回路３６は、処理回路３４とデータ線１６との間の電気的な接続状態（接続又は非接続）を切り替える機能を備える。画素出力回路３６は、水平走査回路部６０から制御線１８を介して供給される制御信号（図２の構成例にあっては、垂直走査回路部４０から制御線１４を介して供給される制御信号）に応じて、処理回路３４とデータ線１６との間の接続状態を切り替える。画素出力回路３６は、信号を出力するためのバッファ回路を含み得る。

　画素１２は、典型的には、画像を形成するための画素信号を出力する単位構造体である。ただし、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いた測距などを目的とする場合にあっては、画素１２は、必ずしも画像を形成するための画素信号を出力する単位構造体である必要はない。すなわち、画素１２は、光が到達した時刻と光量とを測定するための信号を出力する単位構造体でもあり得る。

　なお、画素信号処理部３０は、必ずしも各々の画素１２に１つずつ設けられている必要はなく、複数の画素１２に対して１つの画素信号処理部３０を設けるようにしてもよい。この場合、１つの画素信号処理部３０を用い、複数の画素１２の信号処理を順次実行することができる。

　本実施形態による光電変換装置１００は、１枚の基板に形成してもよいし、複数の基板を積層した積層型の光電変換装置として構成してもよい。後者の場合、例えば図４に示すように、センサ基板１１０と回路基板１２０とを積層して電気的に接続した積層型の光電変換装置として構成可能である。センサ基板１１０には、画素１２の構成要素のうち少なくとも光子検知素子２２を配置することができる。また、回路基板１２０には、画素１２の構成要素のうち、クエンチ素子２４と画素信号処理部３０とを配置することができる。光子検知素子２２とクエンチ素子２４及び画素信号処理部３０とは、画素１２毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。また、回路基板１２０には、垂直走査回路部４０、読み出し回路部５０、水平走査回路部６０、出力回路部７０、制御パルス生成部８０等を更に配置することができる。

　各画素１２の光子検知素子２２とクエンチ素子２４及び画素信号処理部３０とは、平面視において重なるようにセンサ基板１１０と回路基板１２０とに設けられる。垂直走査回路部４０、読み出し回路部５０、水平走査回路部６０、出力回路部７０、制御パルス生成部８０は、複数の画素１２により構成される画素部１０の周囲に配置することができる。なお、本明細書において「平面視」とは、センサ基板１１０の光入射面に対して垂直な方向から視ることを指す。

　積層型の光電変換装置１００を構成することにより、素子の集積度を上げ、高機能化を図ることができる。特に、光子検知素子２２とクエンチ素子２４及び画素信号処理部３０とを別々の基板に配置することで、光子検知素子２２の受光面積を犠牲にすることなく光子検知素子２２を高密度で配置することができ、光子検知効率を向上することができる。

　なお、光電変換装置１００を構成する基板の数は２枚に限定されるものではなく、３枚以上の基板を積層して光電変換装置１００を構成するようにしてもよい。

　また、図４ではセンサ基板１１０及び回路基板１２０としてダイシングされたチップを想定しているが、センサ基板１１０及び回路基板１２０はチップに限定されるものではない。例えば、センサ基板１１０及び回路基板１２０の各々はウェーハであってもよい。また、センサ基板１１０及び回路基板１２０は、ウェーハ状態で積層した後にダイシングしてもよいし、各々をチップ化した後に積層・接合してもよい。

　図５は、光電変換部２０及び波形整形回路３２の基本動作を説明する図である。図５（ａ）は光電変換部２０及び波形整形回路３２の回路図であり、図５（ｂ）は波形整形回路３２の入力ノード（ノードＡ）における信号の波形を示し、図５（ｃ）は波形整形回路３２の出力ノード（ノードＢ）における信号の波形を示している。

　時刻ｔ０において、光子検知素子２２には（ＶＨ－ＶＬ）に相当する電位差の逆バイアス電圧が印加されている。光子検知素子２２を構成するＡＰＤのアノードとカソードとの間にはアバランシェ増倍を生じるに十分な逆バイアス電圧が印加されているが、光子検知素子２２に光子が入射していない状態ではアバランシェ増倍の種となるキャリアが存在しない。そのため、光子検知素子２２においてアバランシェ増倍は起こらず、光子検知素子２２に電流は流れない。

　続く時刻ｔ１において、光子検知素子２２に光子（フォトン）が入射したものとする。光子検知素子２２に光子が入射すると、光電変換によって電子－正孔対が生成され、これらキャリアを種としてアバランシェ増倍が生じ、光子検知素子２２にアバランシェ増倍電流が流れる。このアバランシェ増倍電流がクエンチ素子２４を流れることによりクエンチ素子２４による電圧降下が生じ、ノードＡの電圧が降下し始める。ノードＡの電圧降下量が大きくなり、時刻ｔ３においてアバランシェ増倍が停止すると、ノードＡの電圧レベルはそれ以上降下しなくなる。

　光子検知素子２２におけるアバランシェ増倍が停止すると、電圧ＶＬが供給されるノードから光子検知素子２２を介してノードＡに電圧降下分を補う電流が流れ、ノードＡの電圧は徐々に増加する。その後、時刻ｔ５においてノードＡは元の電圧レベルに静定する。

　波形整形回路３２は、ノードＡから入力される信号を所定の判定閾値に応じて二値化し、ノードＢから出力する。具体的には、波形整形回路３２は、ノードＡの電圧レベルが判定閾値を超えているときはノードＢからＬｏｗレベルの信号を出力し、ノードＡの電圧レベルが判定閾値以下のときはノードＢからＨｉｇｈレベルの信号を出力する。例えば、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ２から時刻ｔ４の期間においてノードＡの電圧が判定閾値以下であるとする。この場合、図５（ｃ）に示すように、ノードＢにおける信号レベルは、時刻ｔ０から時刻ｔ２の期間及び時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間においてＬｏｗレベルとなり、時刻ｔ２から時刻ｔ４の期間においてＨｉｇｈレベルとなる。

　こうして、ノードＡから入力されたアナログ信号は、波形整形回路３２によってデジタル信号へと波形整形される。光子検知素子２２への光子の入射に応じて波形整形回路３２から出力されるパルス信号が、光子検知パルス信号である。

　処理回路３４がカウンタを構成している場合、処理回路３４は、このようにして波形整形回路３２から出力される光子検知パルス信号を計数し、計数値をデジタル信号として保持する。画素出力回路３６は、水平走査回路部６０から制御線１８を介して供給される制御信号に応じて、処理回路３４が保持するデジタル信号（画素信号）を、データ線１６へと出力する。

　図６は、画素部１０と読み出し回路部５０との間の接続の概略を示す図である。図６には、図１の構成例を想定した場合の接続関係を示している。図２の構成例の場合、行と列とが入れ替わるが基本的には同様であるため、ここでは説明を省略する。

　画素部１０には、前述のように、複数の行及び複数の列をなすように、複数の画素１２が配されている。図６では図面の簡略化のため左上の画素１２についてのみ内部回路を記載しているが、他の画素１２も同様である。画素アレイの各行には、行方向に配されたデータ線１６が設けられている。なお、図６にはデータ線１６として各行に１本の信号線を示しているが、画素１２から出力される画素信号はデジタル信号であり、各行のデータ線１６は画素信号のビット数に対応した複数の信号線を含む。

　読み出し回路部５０は、データ線１６の各々に接続されたリセット回路５２と、判定回路５４と、を備え得る。なお、図６では記載を省略しているが、読み出し回路部５０は、画素アレイの各行に対応して、画素信号のビット数に応じた複数のリセット回路５２及び複数の判定回路５４を有している。判定回路５４の後段には、判定回路５４による判定の結果に応じた“０”又は“１”の情報を保持するメモリ（図示せず）が設けられている。

　図７は、画素出力回路３６及びリセット回路５２の構成例を示す回路図である。画素出力回路３６は、例えば図７に示すように、Ｎ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２を有するオープンドレインバッファ回路により構成され得る。また、リセット回路５２は、Ｐ型トランジスタＭＰ２１により構成され得る。

　Ｎ型トランジスタＭＮ１１のゲートは、処理回路３４の出力ノードに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１１のソースは、基準電圧ノードに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１１のドレインは、Ｎ型トランジスタＭＮ１２のソースに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２のドレインは、データ線１６に接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２のゲートは、制御線１８に接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２のゲートには、水平走査回路部６０から制御線１８を介して制御信号Ｐ＿ＳＥＬが供給される。Ｐ型トランジスタＭＰ２１のソースは、電源電圧ノード（電圧Ｖｄｄ）に接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２１のドレインは、データ線１６に接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２１のゲートは、制御線５８に接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２１のゲートには、制御パルス生成部８０から制御線５８を介して制御信号Ｐ＿ＲＥＳが供給される。データ線１６に接続された容量Ｃｐは、データ線１６の配線寄生容量を表している。

　次に、画素出力回路３６及びリセット回路５２における画素信号の読み出し動作について、図７を用いて説明する。

　まず、制御パルス生成部８０から制御線５８を介してＬｏｗレベルの制御信号Ｐ＿ＲＥＳを供給し、Ｐ型トランジスタＭＰ２１をオンにする。これにより、データ線１６がＰ型トランジスタＭＰ２１を介して電源電圧ノードに接続され、配線寄生容量Ｃｐに電圧Ｖｄｄがチャージされる。すなわち、データ線１６が電圧Ｖｄｄにリセットされる。

　次いで、水平走査回路部６０から制御線１８を介してＨｉｇｈレベルの制御信号Ｐ＿ＳＥＬを供給し、Ｎ型トランジスタＭＮ１２をオンにする。これにより、Ｎ型トランジスタＭＮ１１のドレインがＮ型トランジスタＭＮ１２を介してデータ線１６に接続される。

　次いで、処理回路３４の出力信号（処理回路３４が保持する画素信号）をＮ型トランジスタＭＮ１１のゲートに供給する。これにより、Ｎ型トランジスタＭＮ１１は、処理回路３４の出力信号のレベルに応じてオン又はオフになる。なお、Ｎ型トランジスタＭＮ１２は、処理回路３４の出力信号をＮ型トランジスタＭＮ１１のゲートに供給した後にオンにしてもよい。

　このとき、Ｎ型トランジスタＭＮ１１がオフであれば、データ線１６の電圧は電圧Ｖｄｄのまま保持される。一方、Ｎ型トランジスタＭＮ１１がオンであれば、配線寄生容量Ｃｐに蓄積された電荷がＮ型トランジスタＭＮ１２，ＭＮ１１を介して引き抜かれ、データ線１６の電圧は基準電圧へと降下する。

　次いで、一定時間経過した後、判定回路５４はデータ線１６の電圧レベルを検知する。判定回路５４は、データ線１６の電圧が電圧ＶｄｄであればＬｏｗレベルの信号を出力し、データ線１６が電圧Ｖｄｄよりも低い電圧であればＨｉｇｈレベルの信号を出力する。このようにして、画素１２からの画素信号の読み出し動作が実行される。

　ここで、画素出力回路３６及びリセット回路５２を構成するＭＯＳトランジスタに好適な特性について説明する。

　ＭＯＳトランジスタに求められる代表的な特性としては、オフリーク電流が少ないことや駆動力が高いことが挙げられる。オフリーク電流（サブスレショルドリーク電流とも言う）とは、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧が閾値電圧未満の電圧領域（サブスレショルド領域）においてソース－ドレイン間に流れる電流である。オフリーク電流が少ないことは、スタンバイ電流が少ないことを意味し、消費電力の低減に寄与し得る。駆動力が高いことは、オン抵抗が低くオン電流が多いことを意味し、高速動作に寄与し得る。

　しかしながら、これら特性はトレードオフの関係にあり、両立することは難しい。例えば、オフリーク電流及び駆動力に関係するパラメータの１つとして閾値電圧が挙げられる。閾値電圧を下げれば駆動力は向上できるが、オフリーク電流は増加する。逆に、閾値電圧を上げればオフリーク電流は低減できるが、駆動力は低下する。したがって、光電変換装置１００の各部の回路を構成するトランジスタは、各々の回路に求められる特に重要な特性に着目し、設計することが望ましい。

　画素出力回路３６は、処理回路３４の出力信号に応じてデータ線１６を電源電圧及び基準電圧のうちの一方の電圧に収束させる機能を備える。ここで、データ線１６には列数或いは行数に応じた複数の画素１２、すなわち多数のトランジスタが接続されているため、データ線１６に連なる寄生容量は大きい。また、データ線１６は配線長が長く、寄生抵抗も大きい。そのため、画素出力回路３６には、高負荷配線上の信号を駆動しうる駆動力の高いトランジスタで構成することが求められる。したがって、画素出力回路３６のトランジスタは、閾値電圧を下げ、駆動力を向上することが好ましい。

　処理回路３４や画素出力回路３６を構成するトランジスタは、高性能化や高機能化の観点から微細なＭＯＳトランジスタによって構成される。そのため、Ｎ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２のトランジスタの閾値電圧を下げることによるオフリーク電流の増加は避けられない。しかしながら、Ｎ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２に流れる電流は、電源電圧ノードからＰ型トランジスタＭＰ２１及びデータ線１６を介してこれらトランジスタに流れ込む電流である。換言すると、Ｎ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２及びＰ型トランジスタＭＰ２１の各々は、電源電圧ノードからデータ線１６を介して基準電圧ノードへと至る電気的経路の一部を構成している。つまり、Ｎ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２に流れるオフリーク電流は、Ｎ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２及びＰ型トランジスタＭＰ２１のうち最もオフリーク電流の少ないトランジスタのオフリーク電流と同じになる。したがって、Ｐ型トランジスタＭＰ２１をオフリーク電流の少ないトランジスタで構成すれば、仮にＮ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２をオフリーク電流の多いトランジスタで構成しても、結果として流れるオフリーク電流を低減することができる。

　このような観点から、リセット回路５２を構成するトランジスタ（Ｐ型トランジスタＭＰ２１）は、画素出力回路３６を構成するトランジスタ（Ｎ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２）よりもオフリーク電流が少ないことが好ましい。換言すると、リセット回路５２を構成するトランジスタ（Ｐ型トランジスタＭＰ２１）の閾値電圧の絶対値は、画素出力回路３６を構成するトランジスタ（Ｎ型トランジスタＭＮ１１，ＭＮ１２）の閾値電圧の絶対値よりも大きいことが好ましい。

　なお、リセット回路５２は、データ線１６の電位を電源電圧にリセットする機能を備える。そのため、リセット回路５２を構成するトランジスタは、画素出力回路３６を構成するトランジスタと同様、高負荷の配線を駆動しうる駆動力の高いトランジスタで構成することが好ましい。リセット回路５２により高い駆動力が求められる場合には、リセット回路５２を構成するトランジスタの素子サイズ（ゲート幅）を大きくして駆動力を高めるとよい。リセット回路５２における集積度は画素部１０における集積度よりも低いため、リセット回路５２を構成するトランジスタのサイズを大きくして駆動力を確保することによる回路規模への影響は少ない。したがって、このように構成することで、リセット回路５２を構成するトランジスタについてオフリーク電流を低減しつつ駆動力を改善することも可能である。

　リセット回路５２のトランジスタの閾値電圧を画素出力回路３６のトランジスタの閾値電圧よりも高くする方法は特に限定されるものではなく、例えば、以下に示すいずれかの方法やこれらの方法の組み合わせによって実現することが可能である。

　図８Ａは、画素出力回路３６を構成するトランジスタの構成例を示す概略図である。図８Ｂ乃至図８Ｆは、リセット回路５２を構成するトランジスタの構成例を示す概略図である。図８Ａ乃至図８Ｆに示す各トランジスタは、ウェル１３０の表面部に設けられたソース／ドレイン領域１３２と、エクステンション領域１３４（ＬＤＤ領域）と、チャネルドープ層１３６と、を有する。また、各トランジスタは、ウェル１３０の上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８の上に設けられたゲート電極１４０と、を有する。なお、ウェル１３０はトランジスタの導電型と逆の導電型である。すなわち、Ｐ型のウェル１３０上にはＮ型トランジスタが形成され、Ｎ型のウェル１３０上にはＰ型トランジスタが形成される。さらに、チャネルドープ層１３６は、トランジスタの導電型と同じ導電型の不純物が添加された領域である。すなわち、チャネルドープ層１３６は、Ｎ型トランジスタであればＮ型不純物が添加された領域であり、Ｐ型トランジスタであればＰ型不純物が添加された領域である。あるいは、トランジスタの導電型と逆の導電型の不純物が添加されてもよい。すなわち、チャネルドープ層１３６は、Ｎ型トランジスタであればＰ型不純物が添加された領域であり、Ｐ型トランジスタであればＮ型不純物が添加された領域であってもよい。このとき、トランジスタの導電型と同じ導電型の不純物濃度が高いほど閾値電圧が低くなり、また、トランジスタの導電型と逆の導電型の不純物濃度が低いほど閾値電圧が低くなる。なお、図８Ｂ乃至図８Ｆでは各トランジスタが、エクステンション領域１３４、チャネルドープ領域１３２を有しているが、これらの構成は必須ではない。例えば、エクステンション領域１３４、チャネルドープ領域１３２を有さないトランジスタにおいて、絶縁膜の厚みを変えることにより閾値電圧を変えてもよい。

　図８Ｂに示すトランジスタでは、図８Ａのトランジスタよりもゲート絶縁膜１３８を厚くしている。その他の点は、図８Ａのトランジスタと同様である。図８Ｃに示すトランジスタでは、図８Ａのトランジスタよりもゲート長を長くしている。その他の点は、図８Ａのトランジスタと同様である。図８Ｄに示すトランジスタでは、図８Ａのトランジスタよりもエクステンション領域１３４の濃度を低くしている。その他の点は、図８Ａのトランジスタと同様である。図８Ｅに示すトランジスタでは、トランジスタの導電型と同じ導電型の不純物のチャネル領域における不純物濃度（チャネルドープ層１３６の不純物濃度）を、図８Ａのトランジスタの場合よりも低くしている。あるいは、トランジスタの導電型と逆の導電型の不純物のチャネル領域における不純物濃度を、図８Ａのトランジスタの場合よりも高くしている。その他の点は、図８Ａのトランジスタと同様である。図８Ｆに示すトランジスタでは、図８Ａのトランジスタにおけるエクステンション領域１３４よりも深部に、ソース／ドレイン領域１３２及びエクステンション領域１３４とは逆導電型のハロー注入層１４２を設けている。その他の点は、図８Ａのトランジスタと同様である。図８Ｂ乃至図８Ｆに示すいずれの構造においても、トランジスタの閾値電圧は図８Ａのトランジスタよりも高くなる。

　また、画素部１０や読み出し回路部５０の他の機能ブロックを構成するトランジスタも、それらに求められる特性等に応じて適宜設計することが望ましい。

　処理回路３４は、画素サイズの縮小や高機能化を図る観点から集積度を高くすることが求められるが、駆動力は求められない。したがって、処理回路３４は、消費電力の低減の観点からオフリーク電流の少ないトランジスタで構成することが好ましい。画素出力回路３６と比較すると、処理回路３４を構成するトランジスタは、画素出力回路３６を構成するトランジスタよりもオフリーク電流が少ないことが好ましい。換言すると、処理回路３４を構成するトランジスタの閾値電圧の絶対値は、画素出力回路３６を構成するトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きいことが好ましい。

　判定回路５４は、データ線１６の電位レベルを判定する回路であり、画素出力回路３６やリセット回路５２に求められるような駆動力は要求されない。したがって、判定回路５４は、消費電力の低減の観点からオフリーク電流の少ないトランジスタで構成することが好ましい。画素出力回路３６と比較すると、判定回路５４を構成するトランジスタは、画素出力回路３６を構成するトランジスタよりもオフリーク電流が少ないことが好ましい。換言すると、判定回路５４を構成するトランジスタの閾値電圧の絶対値は、画素出力回路３６を構成するトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きいことが好ましい。判定回路５４の集積度は画素部１０よりも低いため、判定回路５４を構成するトランジスタは、素子サイズを大きくすることも可能である。

　波形整形回路３２には電圧Ｖｄｄよりも高い電圧が印加されるため、波形整形回路３２は、処理回路３４、画素出力回路３６及び読み出し回路部５０を構成するトランジスタよりも高耐圧のトランジスタにより構成される。高耐圧のトランジスタは、処理回路３４や画素出力回路３６を構成するトランジスタよりもゲート絶縁膜の厚いトランジスタであり得る。クエンチ素子２４がトランジスタにより構成される場合は、波形整形回路３２と同様、処理回路３４、画素出力回路３６及び読み出し回路部５０を構成するトランジスタよりも高耐圧のトランジスタにより構成される。

　波形整形回路３２及びクエンチ素子２４は、電圧マージンを取らない電圧設計をクエンチ素子２４の側で行う場合は、処理回路３４を構成するトランジスタよりもオフリーク電流の少ないトランジスタで構成することが好ましい。また、処理回路３４の集積度を最大化する設計の場合は、処理回路３４を、波形整形回路３２及びクエンチ素子２４を構成するトランジスタよりもオフリーク電流の少ないトランジスタで構成することが好ましい。

　また、垂直走査回路部４０、水平走査回路部６０、出力回路部７０及び制御パルス生成部８０は、消費電力低減の観点からオフリーク電流の少ないトランジスタで構成することが好ましい。画素出力回路３６と比較すると、垂直走査回路部４０、水平走査回路部６０、出力回路部７０及び制御パルス生成部８０を構成するトランジスタは、画素出力回路３６を構成するトランジスタよりもオフリーク電流が少ないことが好ましい。

　このように、本実施形態によれば、光電変換装置の高機能化及び低消費電力化を実現することができる。

　［第２実施形態］
　本発明の第２実施形態による光電変換装置について、図９を用いて説明する。第１実施形態による光電変換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。

　画素出力回路３６やリセット回路５２は、第１実施形態において説明した構成に限定されるものではない。本実施形態では、画素出力回路３６が差動信号を出力するオープンドレインバッファ回路により構成された光電変換装置について説明する。

　図９は、本実施形態による光電変換装置における画素出力回路３６及びリセット回路５２の構成例を示す回路図である。本実施形態において、処理回路３４は、非反転信号を出力する非反転信号出力ノードと、反転信号を出力する反転信号出力ノードと、を有する。画素出力回路３６は、Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ａ，ＭＮ１２Ａ，ＭＮ１１Ｂ，ＭＮ１２Ｂを有するオープンドレインバッファ回路により構成されている。リセット回路５２は、Ｐ型トランジスタＭＰ２１，ＭＰ２２，ＭＰ２３により構成されている。データ線１６は、一対のデータ線１６Ａ，１６Ｂを有する。第１実施形態における判定回路５４は、差動増幅回路５６により構成されている。

　Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ａのゲートは、処理回路３４の非反転信号出力ノードに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ａのソースは、基準電圧ノードに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ａのドレインは、Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ａのソースに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ａのドレインは、データ線１６Ａに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ａのゲートは、制御線１８に接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ａのゲートには、水平走査回路部６０から制御線１８を介して制御信号Ｐ＿ＳＥＬが供給される。

　同様に、Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ｂのゲートは、処理回路３４の反転信号出力ノードに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ｂのソースは、基準電圧ノードに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ｂのドレインは、Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ｂのソースに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ｂのドレインは、データ線１６Ｂに接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ｂのゲートは、制御線１８に接続されている。Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ｂのゲートには、水平走査回路部６０から制御線１８を介して制御信号Ｐ＿ＳＥＬが供給される。

　Ｐ型トランジスタＭＰ２１のソース及びＰ型トランジスタＭＰ２２のソースは、電源電圧ノード（電圧Ｖｄｄ）に接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２１のドレインは、データ線１６Ｂに接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２２のドレインは、データ線１６Ａに接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２３のソースは、データ線１６Ａに接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２３のドレインは、データ線１６Ｂに接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２１，ＭＰ２２，ＭＰ２３のゲートは、制御線５８に接続されている。Ｐ型トランジスタＭＰ２１，ＭＰ２２，ＭＰ２３のゲートには、制御パルス生成部８０から制御線５８を介して制御信号Ｐ＿ＲＥＳが供給される。なお、リセット回路５２は、Ｐ型トランジスタＭＰ２１，ＭＰ２２，ＭＰ２３のうち、少なくともいずれか２つを有していればよい。

　データ線１６Ａは、差動増幅回路５６の反転入力ノードに接続されている。データ線１６Ｂは、差動増幅回路５６の非反転入力ノードに接続されている。

　次に、画素出力回路３６及びリセット回路５２における画素信号の読み出し動作について、図９を用いて説明する。

　まず、制御パルス生成部８０から制御線５８を介してＬｏｗレベルの制御信号Ｐ＿ＲＥＳを供給し、Ｐ型トランジスタＭＰ２１，ＭＰ２２，ＭＰ２３をオンにする。これにより、データ線１６Ａ，１６ＢがＰ型トランジスタＭＰ２１，ＭＰ２２，ＭＰ２３を介して電源電圧ノードに接続され、データ線１６Ａ，１６Ｂの配線寄生容量に電圧Ｖｄｄがチャージされる。すなわち、データ線１６Ａ，１６Ｂが電圧Ｖｄｄにリセットされる。

　次いで、水平走査回路部６０から制御線１８を介してＨｉｇｈレベルの制御信号Ｐ＿ＳＥＬを供給し、Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ａ，ＭＮ１２Ｂをオンにする。これにより、Ｎ型トランジスタＭＮ１１ＡのドレインがＮ型トランジスタＭＮ１２Ａを介してデータ線１６Ａに接続され、Ｎ型トランジスタＭＮ１１ＢのドレインがＮ型トランジスタＭＮ１２Ｂを介してデータ線１６Ｂに接続される。

　次いで、処理回路３４の出力信号をＮ型トランジスタＭＮ１１Ａ，ＭＮ１１Ｂのゲートに供給する。これにより、Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ａ，ＭＮ１１Ｂは、処理回路３４の出力信号のレベルに応じてオン又はオフになる。なお、Ｎ型トランジスタＭＮ１２Ａ，ＭＮ１２Ｂは、処理回路３４の出力信号をＮ型トランジスタＭＮ１１Ａ，ＭＮ１１Ｂのゲートに供給した後にオンにしてもよい。

　このとき、Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ａがオフ、Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ｂがオンであれば、データ線１６Ａの電圧は電圧Ｖｄｄのまま保持され、データ線１６Ｂの電圧は基準電圧へと降下する。一方、Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ａがオン、Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ｂがオフであれば、データ線１６Ａの電圧は基準電圧へと降下し、データ線１６Ｂの電圧は電圧Ｖｄｄのまま保持される。

　次いで、一定時間経過した後、差動増幅回路５６はデータ線１６Ａ，１６Ｂの電圧レベルを検知する。差動増幅回路５６は、データ線１６Ｂの電圧がデータ線１６Ａの電圧よりも高ければＨｉｇｈレベルの信号を出力し、データ線１６Ａの電圧がデータ線１６Ｂの電圧よりも高ければＬｏｗレベルの信号を出力する。

　画素出力回路３６及びリセット回路５２を構成するＭＯＳトランジスタに好適な特性は、第１実施形態の場合と同様である。すなわち、リセット回路５２を構成するトランジスタは、画素出力回路３６を構成するトランジスタよりもオフリーク電流が少ないことが好ましい。トランジスタの閾値電圧で比較すると、リセット回路５２を構成するトランジスタの閾値電圧の絶対値は、画素出力回路３６を構成するトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも高いことが好ましい。ここで言うリセット回路５２を構成するトランジスタには、Ｐ型トランジスタＭＰ２１，ＭＰ２２，ＭＰ２３が含まれる。また、画素出力回路３６を構成するトランジスタには、Ｎ型トランジスタＭＮ１１Ａ，ＭＮ１２Ａ，ＭＮ１１Ｂ，ＭＮ１２Ｂが含まれる。

　また、光電変換装置１００の他の機能ブロックを構成するトランジスタについても、第１実施形態の場合と同様である。例えば、処理回路３４や差動増幅回路５６を構成するトランジスタは、画素出力回路３６を構成するトランジスタよりもオフリーク電流が少ないことが好ましい。トランジスタの閾値電圧で比較すると、処理回路３４や差動増幅回路５６を構成するトランジスタの閾値電圧の絶対値は、画素出力回路３６を構成するトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも高いことが好ましい。差動増幅回路５６の集積度は画素部１０よりも低いため、差動増幅回路５６を構成するトランジスタは、素子サイズを大きくすることも可能である。クエンチ素子２４や波形整形回路３２を構成するトランジスタは、処理回路３４、画素出力回路３６及び読み出し回路部５０を構成するトランジスタよりも高耐圧のトランジスタにより構成することが好ましい。

　［変形例］
　本発明の第１実施形態または第２実施形態の変形例について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態による光電変換装置の画素の構成例を示すブロックである。図１０において、図３と同じ符号を用いている箇所は、図３と同様の機能を果たす箇所である。ただし、図３の符号３４は「処理回路」として説明したが、図１０の符号３４は「処理回路」の一形態としての「カウンタ」である。

　本実施形態では、ダイナミックレンジを拡大するＨＤＲ処理を実現する光電変換装置を説明する。ＡＰＤからの出力信号をカウントするカウンタを備えた光電変換装置においては、高照度環境下で大量のカウントを行うこととなり、消費電力も大きくなる。そこで、本実施形態では、低照度環境下では、通常と同様にカウントし、高照度環境下では、所定のカウント値に達した場合（オーバーフローになった場合）には、ＡＰＤを停止させる。また、オーバーフローになったタイミングに対応するコード（オーバーフロータイミングコード）に基づいて、外挿法により、カウント数を算出する。そしてこれらの信号を合成して画像を取得する。このような構成によれば、カウンタの規模を小さくすることができるため、画素回路の省スペース化ができ、かつ、低消費電力化を図ることができるＨＤＲ用の光電変換装置を提供することが可能となる。

　図１０において、光電変換装置が有する画素１２は、光電変換部２０と、画素信号処理部３０を有する。光電変換部２０は、光子検出素子２２と、クエンチ素子２４に対応するトランジスタ１００１と、トランジスタ１００２を有する。トランジスタ１００２は、光子検出素子２２に対して、アバランシェ増倍に必要な逆バイアス電圧を供給するか否かを切り替えるスイッチとして機能する。画素信号処理部３０は、バッファ部３０＿１と、カウンタおよびコントールロジック部３０＿２を有する。バッファ部３０＿１は、トランジスタ１００７と１００８とで構成されるインバータ回路を有している。

　（カウント動作の内容）
　カウンタおよびコントールロジック部３０＿２には、論理回路１００６が設けられており、論理回路１００６は、イネーブル信号（ＥＮ）とオーバーフロー信号（ＯＦ）に基づいて、信号を出力する。具体的には、ＥＮ信号はＨレベルであり、ＯＦ信号はＨレベルであるため、論理回路１００６の出力信号はＬレベルとなる。論理回路１００６からの出力信号がＬレベルであるため、トランジスタ１００２と１００４がオンとなる。トランジスタ１００１のゲート入力ＱＣをＬレベルとしてトランジスタ１００１をオンとする。これにより、電圧ＶＨからＶ_ＳＰＡＤの電圧をリチャージさせ、光子検出素子２２は待機状態となる。光子検出素子２２に光子が入射し、アバランシェ電流が生じると、Ｖ_ＳＰＡＤの電圧が下がり、トランジスタ１００３がオンとなる。そのため、オンとなったトランジスタ１００３と、オン状態であるトランジスタ１００４を介して、インバータ回路の入力電圧がＨレベルとなる。ここで、ＱＣはＬレベルに固定されているため、Ｖ_ＳＰＡＤの電圧は、即座にリチャージされる（パッシブリチャージ）。Ｖ_ＳＰＡＤの電圧がリチャージされるとトランジスタ１００３がオフとなり、インバータ回路の入力電圧は、トランジスタ１００５により、ＧＮＤレベルとなる。すなわち、インバータ回路の入力電圧は、ＨレベルからＬレベルに引き下げられる。このように、光子入射によってインバータ回路の入力がＨレベルとなり、その後Ｌレベルに引き下げられることから、インバータ回路からの出力ＤＯＵＴからパルス信号が出力されることになり、カウンタ３４のカウントが１カウント増加する。このような動作を繰り返して、カウンタ３４はカウントアップを行う。

　（異なる環境下における動作の差異）
　低照度環境下においては、露光期間内に、カウンタ３４が飽和せずにカウントを完了することができる。例えば、カウンタ３４が９ビットカウンタの場合、５１２カウント未満である。この場合、露光期間終了後、カウンタ３４でカウントしたカウント値が、画素出力部３６（マルチプレクサＭＵＸ）を介して、ＳＥＬ信号が入力されるタイミングで、ビットライン（例えば、１５ビット）に出力される。ビットラインに出力された信号はセンス増幅器など送られる。

　他方、高照度環境下において、露光期間内に、カウンタ３４が飽和することになる。例えば、カウンタ３４の最上位ビットからキャリーオーバすると、オーバーフローラッチ（ＯＦ　Ｌａｔｃｈ）にＯＦフラグとして保持される。この場合、ＯＦ　Ｌａｔｃｈの出力であるＯＦ信号がＨレベルからＬレベルとなる。論理回路１００６の一方の入力信号であるＥＮ信号がＨレベルで、ＯＦ信号がＬレベルになるため、論理回路１００６の出力は、ＬレベルからＨレベルに遷移する。これにより、トランジスタ１００２と１００４がオンからオフに切り替わり、トランジスタ１００２がオフになるため、Ｖ_ＳＰＡＤの電圧がリチャージされず、アバランシェ増倍の動作がなされることがなくなる。また、トランジスタ１００４がオフになるため、Ｖ_ＳＰＡＤの電圧によらずに、インバータ回路の入力がＬレベルになり、初期状態に設定されるように制御される。このようにして、露光期間が終了される。

　他方、カウンタ３４には、外部からタイミングコードＴＣ（Ｔｉｍｉｎｇ　Ｃｏｄｅ）が入力されており、カウンタ３４の最上位ビットからキャリーオーバしたタイミングで、タイミングコードがラッチ（記録）される。また、カウンタ３４から出力されるラッチされたタイミングコード（例えば、１４ビット）と、ＯＦフラグは、画素出力部３６（マルチプレクサＭＵＸ）を介して、ビットラインに出力される。タイミングコードは、露光開始からカウンタが飽和するまでの時間情報となる。

　次の露光期間の開始前に、リセット信号ＲＳＴ_ＣＮによりカウンタ３４はリセットされ、リセット信号ＲＳＴ_ＯＦによりＯＦ　Ｌａｔｃｈがリセットされる。

　なお、上記ではカウンタ３４の最上位ビットまでカウントすることを想定しているが、必ずしも最上位ビットまで用いる必要はなく、カウンタ３４のカウント値が所定の値に達したらタイミングコードをラッチするように構成してもよい。すなわち、タイミングコードは露光開始からカウンタが所定の値に達するまでの時間情報であってもよく、画素出力部３６は、所定の値に達するまでの時間情報の出力を制御することになる。

　（トランジスタの種類）
　ここで、電圧ＶＨと電圧ＶＬとの間には、トランジスタ１００１とトランジスタ１００２が配置されており、これらのトランジスタは、電圧ＶＨと電圧ＶＬの差である高電位差と電気的に接続する。そのため、トランジスタ１００１と１００２は、高耐圧トランジスタで構成されている。

　また、光電変換部２０から出力される信号Ｖ_ＳＰＡＤは、光電変換部２０の動作に応じた所定の振幅（電圧Ｖ１）を有する。この電圧Ｖ１は、通常、論理回路の内部信号の振幅（電圧Ｖ２）よりも大きい。そのため、耐圧を確保するため、トランジスタ１００３は、高耐圧トランジスタにより構成する。

　ところで、トランジスタ１００４のゲートに入力される信号、すなわち論理回路１００６からの出力信号の振幅（電圧Ｖ２）は、光電変換部２０の動作に応じた所定の振幅（電圧Ｖ１）よりも小さい。これにより、トランジスタ１００４は、低消費電力且つ高速動作が可能な低耐圧トランジスタとすることができる。換言すると、信号処理回路（バッファ部）は、第１の耐圧を有する第１の素子（トランジスタ１００３）と、第１の耐圧よりも低い耐圧である第２の耐圧を有する第２の素子（トランジスタ１００４）と、を有する。また、第１の素子に第１の信号（信号Ｖ_ＳＰＡＤ）が入力され、第２の素子に第２の信号（論理回路１００６からの信号）が入力されるように構成されている。さらに、信号処理回路（バッファ部）は、第１の信号（信号Ｖ_ＳＰＡＤ）と第２の信号（論理回路１００６からの信号）とに応じて第３の信号（インバータ回路からの出力信号）の出力を制御する。

　加えて、バッファ部３０＿１を構成するトランジスタ１００３以外のトランジスタを低耐圧トランジスタとして構成することができる。具体的には、トランジスタ１００５、１０００７、１００８を低耐圧トランジスタとする。

　低耐圧トランジスタと高耐圧トランジスタとしては、両者のトランジスタのゲート絶縁膜の厚さを変えることにより実現できる。具体的には、高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜の厚さは、低耐圧トランジスタのゲート絶縁膜の厚さよりも厚くする。

　（駆動タイミングチャートなど）
　図１１Ａの上段の図は、タイミングチャート図である。ＥＮ信号がＬレベルからＨレベルに遷移するタイミングで、リセット信号ＲＳＴ_ＣＮとリセット信号ＲＳＴ_ＯＦもＬレベルからＨレベルに遷移させ、その後、ＨレベルからＬレベルに遷移する。これにより、カウンタ３４とＬａｔｃｈがリセットされる。また、ＥＮ信号がＬレベルからＨレベルに遷移するタイミングでＯＦ信号がＬレベルからＨレベルに遷移する。リセットが完了すると、露光期間が開始になり、ＴＣのカウントが開始される。

　図１１Ａの中段の図は、低照度環境の動作を示した図である。光子が入射するとＤＯＵＴのパルス信号が立ち、カウンタでカウントしていく。カウンタの最上位ビットをキャリーオーバすることがないため、ＯＦフラグがＨレベルのまま維持される。

　図１１Ａの下段の図は、高照度環境の動作を示した図である。カウンタの最上位ビットをキャリーオーバするため、オーバーフローとなり、ＯＦフラグがＨレベルからＬレベルに遷移する。これにより、タイミングコードがラッチされる。

　図１１Ｂの低照度環境においては、カウンタがオーバーフローしないため、カウント値そのものがカウント値とされる。他方、高照度環境については、カウンタがオーバーフローし、オーバーフローした時点のタイミングコードの値がラッチされる。

　図１１Ｃは、カウンタがオーバーフローした場合の信号処理を示した図である。ＴＯＦの時点でオーバーフローするため、タイミングコード（ＴＣ）の値から予測カウント値を算出して、算出したカウント値を画像形成等の数値として用いる。すなわち、ＴＣの値から、外挿法を用いて、予測カウント値を取得する。ＴＣの値から予測カウント値をその都度計算で求める他にも、あらかじめＴＣの値と予測カウント値との対応関係を規定したテーブルを用意しておき、計算によらずにＴＣの値から予測カウント値を取得してもよい。

　ＴＣの値（カウント値が所定の値に達した時間情報）に基づいて、予測カウント値を取得する取得手段は、光電変換装置内に設けられていてもよい。あるいは、光電変換装置外に予測カウント値を取得する取得装置として設けられていてもよい。

　［第３実施形態］
　本発明の第３実施形態による光検出システムについて、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態では、第１及び第２実施形態の光電変換装置１００を適用した光検出センサについて説明する。

　上記第１及び第２実施形態で述べた光電変換装置１００は、種々の光検出システムに適用可能である。適用可能な光検出システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などの撮像システムが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、光検出システムに含まれる。図１２には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

　図１２に例示した光検出システム２００は、光電変換装置２０１、被写体の光学像を光電変換装置２０１に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、光電変換装置２０１に光を集光する光学系である。光電変換装置２０１は、第１及び第２実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００であって、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。

　光検出システム２００は、また、光電変換装置２０１より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、光電変換装置２０１が出力するデジタル信号から画像データの生成を行う。また、信号処理部２０８は必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。光電変換装置２０１は、信号処理部２０８で処理されるデジタル信号を生成するＡＤ変換部を備え得る。ＡＤ変換部は、光電変換装置２０１の光子検知素子が形成された半導体層（半導体基板）に形成されていてもよいし、光電変換装置２０１の光子検知素子が形成された半導体層とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、信号処理部２０８が光電変換装置２０１と同一の半導体基板に形成されていてもよい。

　光検出システム２００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。更に光検出システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、光検出システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１６と記録媒体２１４との間の通信や外部Ｉ／Ｆ部２１２からの通信は無線によってなされてもよい。

　更に光検出システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、光電変換装置２０１と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光検出システム２００は少なくとも光電変換装置２０１と、光電変換装置２０１から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。タイミング発生部２２０は、光電変換装置２０１に搭載されていてもよい。また、全体制御・演算部２１８及びタイミング発生部２２０は、光電変換装置２０１の制御機能の一部又は全部を実施するように構成されていてもよい。

　光電変換装置２０１は、撮像信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、光電変換装置２０１から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。信号処理部２０８は、撮像信号を用いて、画像を生成する。信号処理部２０８は、光電変換装置２０１から出力される信号に対して測距演算を行うように構成されていてもよい。

　このように、本実施形態によれば、第１及び第２実施形態の光電変換装置を用いて光検出システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な光検出システムを実現することができる。

　［第４実施形態］
　本発明の第４実施形態による距離画像センサについて、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施形態による距離画像センサの概略構成を示すブロック図である。本実施形態では、第１及び第２実施形態の光電変換装置１００を適用した光検出システムの一例として距離画像センサを説明する。

　本実施形態による距離画像センサ３００は、図１３に示すように、光学系３０２と、光電変換装置３０４と、画像処理回路３０６と、モニタ３０８と、メモリ３１０と、を含んで構成され得る。この距離画像センサ３００は、光源装置３２０から被写体３３０に向かって照射され被写体３３０の表面で反射された光（変調光やパルス光）を受光し、被写体３３０までの距離に応じた距離画像を取得するものである。

　光学系３０２は、１枚又は複数枚のレンズにより構成され、被写体３３０からの像光（入射光）を光電変換装置３０４の受光面（センサ部）に結像させる役割を有する。

　光電変換装置３０４は、第１及び第２実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００であって、被写体３３０からの像光に基づいて被写体３３０までの距離を示す距離信号を生成し、生成した距離信号を画像処理回路３０６へと供給する機能を備える。

　画像処理回路３０６は、光電変換装置３０４から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行う機能を備える。

　モニタ３０８は、画像処理回路３０６における画像処理によって得られた距離画像（画像データ）を表示する機能を備える。また、メモリ３１０は、画像処理回路３０６における画像処理によって得られた距離画像（画像データ）を記憶（記録）する機能を備える。

　このように、本実施形態によれば、第１及び第２実施形態の光電変換装置を用いて距離画像センサを構成することにより、画素１２の特性向上に相俟って、より正確な距離情報を含む距離画像を取得可能な距離画像センサを実現することができる。

　［第５実施形態］
　本発明の第５実施形態による内視鏡手術システムについて、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態による内視鏡手術システムの構成例を示す概略図である。本実施形態では、第１及び第２実施形態の光電変換装置１００を適用した光検出システムの一例として内視鏡手術システムを説明する。

　図１４には、術者（医師）４６０が、内視鏡手術システム４００を用いて、患者ベッド４７０上の患者４７２に手術を行っている様子が図示されている。

　本実施形態の内視鏡手術システム４００は、図１４に示すように、内視鏡４１０と、術具４２０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４３０と、を含んで構成され得る。カート４３０には、ＣＣＵ（カメラコントロールユニット：Ｃａｍｅｒａ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）４３２、光源装置４３４、入力装置４３６、処置具制御装置４３８、表示装置４４０などが搭載され得る。

　内視鏡４１０は、先端から所定の長さの領域が患者４７２の体腔内に挿入される鏡筒４１２と、鏡筒４１２の基端に接続されるカメラヘッド４１４と、を含んで構成される。図１４には、硬性の鏡筒４１２を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡４１０を図示しているが、内視鏡４１０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。内視鏡４１０は、アーム４１６により移動可能な状態で保持されている。

　鏡筒４１２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４１０には光源装置４３４が接続されており、光源装置４３４によって生成された光が、鏡筒４１２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４７２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡４１０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４１４の内部には図示しない光学系及び光電変換装置が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該光電変換装置に集光される。当該光電変換装置は、観察光を光電変換し、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を生成する。当該光電変換装置としては、第１及び第２実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００を用いることができる。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてＣＣＵ４３２に送信される。

　ＣＣＵ４３２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡４１０及び表示装置４４０の動作を統括的に制御する。更に、ＣＣＵ４３２は、カメラヘッド４１４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４４０は、ＣＣＵ４３２からの制御により、当該ＣＣＵ４３２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４３４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４１０に供給する。

　入力装置４３６は、内視鏡手術システム４００に対する入力インターフェースである。ユーザは、入力装置４３６を介して、内視鏡手術システム４００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。

　処置具制御装置４３８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４５０の駆動を制御する。

　内視鏡４１０に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置４３４は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置４３４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４１４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４３４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４１４の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。

　また、光源装置４３４は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用する。具体的には、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置４３４は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。

　このように、本実施形態によれば、第１及び第２実施形態の光電変換装置を用いて内視鏡手術システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な内視鏡手術システムを実現することができる。

　［第６実施形態］
　本発明の第６実施形態による光検出システム及び移動体について、図１５Ａ乃至図１７を用いて説明する。図１５Ａ～図１５Ｃは、本実施形態による移動体の構成例を示す概略図である。図１６は、本実施形態による光検出システムの概略構成を示すブロック図である。図１７は、本実施形態による光検出システムの動作を示すフロー図である。本実施形態では、第１及び第２実施形態の光電変換装置１００を適用した光検出システムとして、車載カメラへの適用例を示す。

　図１５Ａ～図１５Ｃは、本実施形態による移動体（車両システム）の構成例を示す模式図である。図１５Ａ～図１５Ｃには、第１及び第２実施形態による光電変換装置を適用した光検出システムが組み込まれた車両システムの一例として、車両５００（自動車）の構成を示している。図１５Ａは車両５００の正面模式図であり、図１５Ｂは車両５００の平面模式図であり、図１５Ｃは車両５００の背面模式図である。車両５００は、正面に一対の光電変換装置５０２を備えている。ここで、光電変換装置５０２は、第１及び第２実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００である。また、車両５００は、集積回路５０３、警報装置５１２及び主制御部５１３を備える。

　図１６は、車両５００に搭載された光検出システム５０１の構成例を示すブロック図である。光検出システム５０１は、光電変換装置５０２と、画像前処理部５１５と、集積回路５０３と、光学系５１４と、を含む。光電変換装置５０２は、第１及び第２実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００である。光学系５１４は、光電変換装置５０２に被写体の光学像を結像する。光電変換装置５０２は、光学系５１４により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。画像前処理部５１５は、光電変換装置５０２から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部５１５の機能は、光電変換装置５０２内に組み込まれていてもよい。光検出システム５０１には、光学系５１４、光電変換装置５０２及び画像前処理部５１５の組が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部５１５からの出力が集積回路５０３に入力されるようになっている。

　集積回路５０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、画像処理部５０４、光学測距部５０６、視差演算部５０７、物体認知部５０８、異常検出部５０９を含む。画像処理部５０４は、画像前処理部５１５から出力された画像信号を処理する。例えば、画像処理部５０４は、画像前処理部５１５の出力信号に対して、現像処理や欠陥補正等の画像処理を行う。画像処理部５０４は、画像信号を一時的に保持するメモリ５０５を備える。メモリ５０５には、例えば光電変換装置５０２内の既知の欠陥画素の位置が記憶され得る。

　光学測距部５０６は、被写体の合焦や測距を行う。視差演算部５０７は、複数の光電変換装置５０２により取得された複数の画像データ（視差画像）から測距情報（距離情報）の算出を行う。光電変換装置５０２の各々が、距離情報などの各種情報を取得可能な構成を備えていてもよい。物体認知部５０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部５０９は、光電変換装置５０２の異常を検出すると、主制御部５１３に異常を通知する。

　集積回路５０３は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

　主制御部５１３は、光検出システム５０１、車両センサ５１０、制御ユニット５２０等の動作を統括・制御する。なお、車両５００が主制御部５１３を備えていなくてもよい。この場合、光電変換装置５０２、車両センサ５１０、制御ユニット５２０が通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う。この制御信号の送受には、例えばＣＡＮ規格が適用され得る。

　集積回路５０３は、主制御部５１３からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、光電変換装置５０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。

　光検出システム５０１は、車両センサ５１０に接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの自車両走行状態及び自車外環境や他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ５１０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、光検出システム５０１は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部５１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、光検出システム５０１や車両センサ５１０の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。

　また、光検出システム５０１は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置５１２にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部５１３は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして、衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置５１２は、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムやメーターパネルなどの表示部画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

　本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光検出システム５０１で撮影する。図１６（ｂ）に、車両前方を光検出システム５０１で撮像する場合の光検出システム５０１の配置例を示す。

　光電変換装置５０２は、前述のように、車両５００の前方に配される。具体的には、車両５００の進退方位又は外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸に見立て、その対称軸に対して２つの光電変換装置５０２が線対称に配されると、車両５００と被写対象物との間の距離情報の取得や衝突可能性の判定を行う上で好ましい。また、光電変換装置５０２は、運転者が運転席から車両５００の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない配置が好ましい。警報装置５１２は、運転者の視野に入りやすい配置が好ましい。

　次に、光検出システム５０１における光電変換装置５０２の故障検出動作について、図１７を用いて説明する。光電変換装置５０２の故障検出動作は、図１７に示すステップＳ１１０～Ｓ１８０に従って実施され得る。

　ステップＳ１１０は、光電変換装置５０２のスタートアップ時の設定を行うステップである。すなわち、光検出システム５０１の外部（例えば主制御部５１３）又は光検出システム５０１の内部から、光電変換装置５０２の動作のための設定を送信し、光電変換装置５０２の撮像動作及び故障検出動作を開始する。

　次いで、ステップＳ１２０において、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップＳ１３０において、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換素子を備える。この光電変換素子には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換素子に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップＳ１２０とステップＳ１３０とは逆でもよい。

　次いで、ステップＳ１４０において、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。ステップＳ１４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、ステップＳ１５０に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、処理ステップがステップＳ１６０へと移行する。ステップＳ１６０では、走査行の画素信号をメモリ５０５に送信して一次保存する。そののち、ステップＳ１２０に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップＳ１４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、処理ステップはステップＳ１７０に移行する。ステップＳ１７０において、撮像動作に異常があると判定し、主制御部５１３又は警報装置５１２に警報を通知する。警報装置５１２は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップＳ１８０において光電変換装置５０２を停止し、光検出システム５０１の動作を終了する。

　なお、本実施形態では、１行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、１フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。ステップＳ１７０の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。

　また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光検出システム５０１は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

　［第７実施形態］
　本発明の第７実施形態による光検出システムについて、図１８Ａ、図１８Ｂを用いて説明する。図１８Ａ、図１８Ｂは、本実施形態による光検出システムの構成例を示す概略図である。本実施形態では、第１及び第２実施形態の光電変換装置１００を適用した光検出システムとして、眼鏡（スマートグラス）への適用例を説明する。

　図１８Ａは、１つの適用例に係る眼鏡６００（スマートグラス）を示している。眼鏡６００は、レンズ６０１と、光電変換装置６０２と、制御装置６０３と、を有する。

　光電変換装置６０２は、第１及び第２実施形態のいずれかで説明した光電変換装置１００であって、レンズ６０１に設けられている。光電変換装置６０２は１つでもよいし、複数でもよい。また、複数の光電変換装置６０２を用いる場合にあっては、複数種類の光電変換装置６０２を組み合わせて用いてもよい。光電変換装置６０２の配置位置は図１８Ａに限定されるものではない。レンズ６０１の裏面側には、ＯＬＥＤやＬＥＤ等の発光装置を含む表示装置（図示せず）が設けられていてもよい。

　制御装置６０３は、光電変換装置６０２と上記の表示装置に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置６０３は、光電変換装置６０２及び表示装置の動作を制御する機能を備える。レンズ６０１には、光電変換装置６０２に光を集光するための光学系が設けられている。

　図１８Ｂは、他の１つの適用例に係る眼鏡６１０（スマートグラス）を示している。眼鏡６１０は、レンズ６１１と、制御装置６１２と、を有する。制御装置６１２には、光電変換装置６０２に相当する不図示の光電変換装置と表示装置とが搭載され得る。

　レンズ６１１には、制御装置６１２内の光電変換装置と、表示装置からの光を投影するための光学系とが設けられており、画像が投影される。制御装置６１２は、光電変換装置及び表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、光電変換装置及び表示装置の動作を制御する機能を備える。

　制御装置６１２は、装着者の視線を検知する視線検知部を更に有してもよい。この場合、制御装置６１２に赤外発光部を設け、赤外発光部から発せられた赤外線を視線の検知に用いることができる。具体的には、赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下を低減することができる。

　表示画像に対するユーザの視線は、赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から検出することができる。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き（回転角度）を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザの視線が検出される。

　本実施形態の表示装置は、受光素子を有する光電変換装置を備え、光電変換装置からのユーザの視線情報に基づいて表示画像を制御するように構成されてもよい。具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザが注視する第１の視界領域と、第１の視界領域以外の第２の視界領域とを決定する。第１の視界領域及び第２の視界領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定してもよい。外部の制御装置が決定する場合は、通信を介して表示装置に伝えられる。表示装置の表示領域において、第１の視界領域の表示解像度は、第２の視界領域の表示解像度よりも高くなるように制御してもよい。つまり、第２の視界領域の解像度は、第１の視界領域の解像度よりも低くしてもよい。

　また、表示領域は、第１の表示領域、第１の表示領域とは異なる第２の表示領域とを有し、視線情報に基づいて、第１の表示領域及び第２の表示領域から優先度が高い領域を決定するように構成されてもよい。第１の表示領域及び第２の表示領域は、表示装置の制御装置が決定してもよいし、外部の制御装置が決定してもよい。外部の制御装置が決定する場合は、通信を介して表示装置に伝えられる。優先度の高い領域の解像度は、優先度が高い領域以外の領域の解像度よりも高くなるように制御してもよい。つまり、優先度が相対的に低い領域の解像度は低くしてもよい。

　なお、第１の視界領域や優先度が高い領域の決定には、ＡＩを用いてもよい。ＡＩは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。ＡＩプログラムは、表示装置が有しても、光電変換装置が有しても、外部装置が有してもよい。外部装置が有する場合は、通信を介して表示装置に伝えられる。

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

　［変形実施形態］
　本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

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

　また、上記第１実施形態では、光子検知素子２２のカソードとクエンチ素子２４との間の接続ノードから信号を出力する構成としたが、光電変換部２０の構成はこれに限定されるものではない。例えば、光子検知素子２２のアノード側にクエンチ素子２４を接続し、光子検知素子２２のアノードとクエンチ素子２４との間の接続ノードから信号を出力する構成としてもよい。

　また、光子検知素子２２とクエンチ素子２４との間や光電変換部２０と画素信号処理部３０との間にトランジスタ等のスイッチを設け、これらの間の電気的な接続状態を制御するようにしてもよい。また、電圧ＶＨが供給されるノードとクエンチ素子２４との間及び／又は電圧ＶＬが供給されるノードと光子検知素子２２との間にトランジスタ等のスイッチを設け、これらの間の電気的な接続状態を制御するようにしてもよい。

　また、上記第１実施形態では処理回路３４としてカウンタを例示したが、処理回路３４をＴＤＣ（時間・デジタル変換回路：Ｔｉｍｅ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）とメモリとにより構成してもよい。この場合、波形整形回路３２から出力されるパルス信号の発生タイミングを、ＴＤＣによってデジタル信号に変換する。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定時に、垂直走査回路部４０から制御線１４を介して制御パルスｐＲＥＦ（参照信号）が供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを基準として、各画素１２から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。

　なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。

　１０　画素部
　１２　画素
　１４，１８，５８　制御線
　１６　データ線
　２０　光電変換部
　２２　光子検知素子
　２４　クエンチ素子
　３０　画素信号処理部
　３２　波形整形回路
　３４　処理回路
　３６　画素出力回路
　４０　垂直走査回路部
　５０　読み出し回路部
　５２　リセット回路
　６０　水平走査回路部
　７０　出力回路部
　８０　制御パルス生成部
　１００　光電変換装置

Claims

　光子の入射により生じた電荷をアバランシェ増倍により増倍するアバランシェフォトダイオードを有し、光子の入射に応じた信号を出力する光電変換部と、
　前記光電変換部から出力される信号のカウントを行うカウンタと、
　前記カウンタによってカウントされたカウント値の出力を制御する画素出力回路と、を各々が有する複数の画素と、
　前記複数の画素に接続されたデータ線と、
　前記複数の画素から前記データ線を介して出力される画素信号を受信する受信回路と、を有し、
　前記受信回路を構成する第１のトランジスタのオフリーク電流は、前記画素出力回路を構成する第２のトランジスタのオフリーク電流よりも小さい
　ことを特徴とする光電変換装置。
　前記第１のトランジスタの閾値電圧の絶対値は、前記第２のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きい
　ことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
　前記カウンタを構成する第３のトランジスタのオフリーク電流は、前記画素出力回路を構成する前記第２のトランジスタのオフリーク電流よりも小さい
　ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置。
　前記第３のトランジスタの閾値電圧の絶対値は、前記第２のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きい
　ことを特徴とする請求項３記載の光電変換装置。
　光子の入射により生じた電荷をアバランシェ増倍により増倍するアバランシェフォトダイオードを有し、光子の入射に応じた信号を出力する光電変換部と、
　前記光電変換部から出力される信号のカウントを行うカウンタと、
　前記カウンタによってカウントされたカウント値の出力を制御する画素出力回路と、を各々が有する複数の画素と、
　前記複数の画素に接続されたデータ線と、
　前記複数の画素から前記データ線を介して出力される画素信号を受信する受信回路と、を有し、
　前記受信回路を構成する第１のトランジスタは、前記第１のトランジスタの導電型と同じ導電型の不純物のチャネル領域における不純物濃度が第１の濃度であり、
　前記画素出力回路を構成する第２のトランジスタは、前記第２のトランジスタの導電型と同じ導電型の不純物のチャネル領域における不純物濃度が、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度である
　ことを特徴とする光電変換装置。
　前記カウンタを構成する第３のトランジスタは、前記第３のトランジスタの導電型と同じ導電型の不純物のチャネル領域における不純物濃度が、前記第１の濃度よりも低い第３の濃度である
　ことを特徴とする請求項５記載の光電変換装置。
　前記画素出力回路は、オープンドレインバッファ回路である
　ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
　前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタの各々は、電源電圧ノードから前記データ線を介して基準電圧ノードへと至る電気的経路の一部を構成している
　ことを特徴とする請求項７記載の光電変換装置。
　前記画素出力回路は、バッファ回路である
　ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
　前記データ線は、前記画素信号の非反転信号及び反転信号が出力される一対の信号線を有する
　ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
　前記第１のトランジスタのゲート幅は、前記第２のトランジスタのゲート幅よりも大きい
　ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
　前記受信回路は、前記データ線の電圧をリセットするリセット回路を有する
　ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
　前記受信回路は、前記データ線の信号レベルを判定する判定回路を有する
　ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
　前記カウンタの前記カウント値が所定の値に達した時間情報を記録するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
　前記画素出力回路は、前記カウント値が所定の値に達した場合に、前記時間情報の出力を制御することを特徴とする請求項１４に記載の光電変換装置。
　前記時間情報に基づいて、予測カウント値を取得する取得手段をさらに有することを特徴とする請求項１４または１５に記載の光電変換装置。
　前記アバランシェフォトダイオードが設けられた第１基板と、前記カウンタ、前記画素出力回路及び前記受信回路が設けられた第２基板と、が積層されてなる
　ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
　請求項１４または１５に記載の光電変換装置と、
　前記時間情報に基づいて、予測カウント値を取得する取得装置と、
　を有することを特徴とする光検出システム。
　請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
　前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理装置と
　を有することを特徴とする光検出システム。
　前記信号処理装置は、前記信号に基づいて対象物までの距離情報を表す距離画像を生成する
　ことを特徴とする請求項１９記載の光検出システム。
　移動体であって、
　請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
　前記光電変換装置から出力される信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
　前記距離情報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。