特許 6874714 光検出器及び光学測距装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6874714

(24)【登録日】2021年4月26日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】光検出器及び光学測距装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20210510BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 G

   H01L31/10 A

【請求項の数】12

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2018-29548(P2018-29548)

(22)【出願日】2018年2月22日

(65)【公開番号】特開2019-145702(P2019-145702A)

(43)【公開日】2019年8月29日

【審査請求日】2019年6月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松原 弘幸

(72)【発明者】

【氏名】高井 勇

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 誠悟

【審査官】 桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０２４２１０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０６００１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１４５７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１７７３６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−０８１２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０３４１５７８４（ＣＮ，Ａ）

【文献】 NICLASS Cristiano et al.，A 100-m Range 10-Frame/s 340 × 96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor in 0.18-μm CMOS，IEEE Journal of Solid-State Circuits，IEEE，２０１２年１２月２０日，Volume: 48, Issue:2，pp.559-572，DOI:10.1109/JSSC.2012.2227607，ＵＲＬ，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6387335

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８−３１／１１９

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の受光素子を有するアレイと、
前記受光素子からの出力を加算して出力する加算回路と、
を備え、
前記アレイを構成する前記受光素子のオン状態とオフ状態とを時間的に切り替えながら得られた前記受光素子の出力信号に対して、前記アレイに含まれる前記受光素子のうち有効な受光素子の組み合わせを変更しつつ前記加算回路から出力された複数の測定結果から前記受光素子毎又は前記受光素子のグループ毎の出力信号を求める圧縮センシング処理を施すことを特徴とする光検出器。

【請求項2】

請求項１に記載の光検出器であって、
前記受光素子のオン状態とオフ状態とをランダムに切り替えることを特徴とする光検出器。

【請求項3】

複数の受光素子を有するアレイと、
前記受光素子からの出力を加算して出力する加算回路と、
を備え、
前記受光素子のオン状態とオフ状態との割合を一定に維持しつつ、前記受光素子のオン状態とオフ状態とを時間的に切り替え、前記アレイに含まれる前記受光素子のうち有効な受光素子の組み合わせを変更しつつ前記加算回路から出力された複数の測定結果から前記受光素子毎又は前記受光素子のグループ毎の出力信号を求める圧縮センシング処理を施すことを特徴とする光検出器。

【請求項4】

複数の受光素子を有するアレイと、
前記受光素子からの出力を加算して出力する加算回路と、
を備え、
前記アレイを構成する前記受光素子のうち一部を時間的に切り替えて選択しながら得られた前記受光素子の出力信号に対して、前記アレイに含まれる前記受光素子のうち有効な受光素子の組み合わせを変更しつつ前記加算回路から出力された複数の測定結果から前記受光素子毎又は前記受光素子のグループ毎の出力信号を求める圧縮センシング処理を施すことを特徴とする光検出器。

【請求項5】

請求項４に記載の光検出器であって、
前記受光素子をランダムに選択することを特徴とする光検出器。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の光検出器であって、
前記アレイを構成する前記受光素子のうち一部から得られた出力信号と、それと同時に前記受光素子の残りの一部から得られた出力信号と、に対して前記圧縮センシング処理を施すことを特徴とする光検出器。

【請求項7】

複数の受光素子を有するアレイと、
前記受光素子からの出力を加算して出力する加算回路と、
を備え、
受光素子数を測定回数に応じて前記受光素子のオン状態とオフ状態との割合を設定し、前記アレイに含まれる前記受光素子のうち有効な受光素子の組み合わせを変更しつつ前記加算回路から出力された複数の測定結果から前記受光素子毎又は前記受光素子のグループ毎の出力信号を求める圧縮センシング処理を施すことを特徴とする光検出器。

【請求項8】

複数の受光素子を有するアレイと、
前記受光素子からの出力を加算して出力する加算回路と、
を備え、
背景光の強度に応じて前記受光素子のオン状態とオフ状態との割合を設定し、前記アレイに含まれる前記受光素子のうち有効な受光素子の組み合わせを変更しつつ前記加算回路から出力された複数の測定結果から前記受光素子毎又は前記受光素子のグループ毎の出力信号を求める圧縮センシング処理を施すことを特徴とする光検出器。

【請求項9】

請求項１〜８に記載の光検出器であって、
前記受光素子は、ガイガーモードで使用されるアバランシェフォトダイオードであり、
前記アバランシェフォトダイオードの各々からの出力信号をそれぞれ矩形パルスに変換する複数の弁別回路を備え、
前記加算回路は、前記複数の弁別回路によって生成された前記矩形パルスを加算して出力することを特徴とする光検出器。

【請求項10】

請求項１〜９に記載の光検出器であって、
前記加算回路からの出力を閾値処理することを特徴とする光検出器。

【請求項11】

請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光検出器であって、
前記圧縮センシング処理によって前記受光素子のうち故障した素子を診断可能であることを特徴とする光検出器。

【請求項12】

請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光検出器を備え、
照射光の飛行時間検出により測距を行う光学測距装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光検出器に関し、特に、アバランシェ効果を利用した光検出器及び光学測距装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信や光レーダ等において微弱な光信号を検出するための受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。ＡＰＤにフォトンが入射すると電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電解で加速されて、次々と雪崩のように衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対を生成する。

【0003】

ＡＰＤの使用モードには、逆バイアス電圧を降伏電圧（ブレークダウン電圧）未満で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードがある。リニアモードでは生成される電子・正孔対の割合よりも消滅（高電界から出る）する電子・正孔対の割合が大きく、アバランシェは自然に止まる。出力電流は入射光量にほぼ比例するため入射光量の測定に用いることができる。ガイガーモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができる。このようなフォトダイオードをシングルフォトンフォトダイオード（ＳＰＡＤ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）という。ＳＰＡＤでは、印加電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェを止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を停止させることはクエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路はＡＰＤと直列にクエンチング抵抗を接続することで実現される。アバランシェ電流が生ずるとクエンチング抵抗端子間の電圧上昇によってＡＰＤのバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。ＡＰＤには高電界を印加できるため、微弱光に高速に応答することができ、光学的測距装置や光通信等の分野で広く使われている。

【0004】

ＡＰＤを用いて飛行時間計測法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を行う光学的測距装置は、そのナノ秒程度の測定精度及び低消費電力性から道路上の障害物や人までの距離を測定する衝突回避安全装置等に適用できる。このような光学的測距装置は、反応速度、耐ノイズ性、感度、省電力性、サイズ及びコスト面からの要求を満たす必要がある。このような要件を幾つか満たすものとして相補型金属酸化膜半導体技術（ＣＭＯＳ：ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が知られている。このＣＭＯＳ技術をＡＰＤへ適用したシリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）が知られている（非特許文献１）。ＳｉＰＭは、複数のＡＰＤをアレイ状に行列配置し、複数のＡＰＤをまとめて１つの画素として扱うマイクロピクセル（ＭＰ）構成として利用される。これにより、背景光による信号の飽和を抑制したり、信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を向上させたりすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−１７９８２８号公報

【特許文献2】米国特許公開第２００９／０１２１３０６号明細書

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】"Silicon photomultiplier and its possible application", Nuclear Inst. & Methods in Physics Research, 2003, 504(1-3), pp. 48-52.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、複数のＡＰＤをまとめたＭＰ構造とした場合、複数の画素を１つの画素として扱うために信号の空間的な解像度が低下してしまうという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の１つの態様は、複数の受光素子を有するアレイと、前記受光素子からの出力を加算して出力する加算回路と、を備え、前記アレイに含まれる前記受光素子のうち有効な受光素子の組み合わせを変更しつつ前記加算回路から出力された複数の測定結果から前記受光素子毎又は前記受光素子のグループ毎の出力信号を求める圧縮センシング処理を施すことを特徴とする光検出器である。

【0009】

ここで、前記受光素子は、ガイガーモードで使用されるアバランシェフォトダイオードであり、前記アバランシェフォトダイオードの各々からの出力信号をそれぞれ矩形パルスに変換する複数の弁別回路を備え、前記加算回路は、前記複数の弁別回路によって生成された前記矩形パルスを加算して出力することが好適である。

【0010】

また、前記加算回路からの出力を閾値処理することが好適である。

【0011】

また、前記アレイを構成する前記受光素子のオン状態とオフ状態とを時間的に切り替えながら得られた前記受光素子の出力信号に対して前記圧縮センシング処理を施すことが好適である。

【0012】

また、前記受光素子のオン状態とオフ状態とをランダムに切り替えることが好適である。また、前記受光素子のオン状態とオフ状態との割合を一定に維持しつつ、前記受光素子のオン状態とオフ状態とを時間的に切り替えることが好適である。

【0013】

また、前記アレイを構成する前記受光素子のうち一部を時間的に切り替えて選択しながら得られた前記受光素子の出力信号に対して前記圧縮センシング処理を施すことが好適である。

【0014】

また、前記受光素子をランダムに選択することが好適である。

【0015】

また、前記アレイを構成する前記受光素子のうち一部から得られた出力信号と、それと同時に前記受光素子の残りの一部から得られた出力信号と、に対して前記圧縮センシング処理を施すことが好適である。

【0016】

また、受光素子数を測定回数に応じて前記受光素子のオン状態とオフ状態との割合を設定することが好適である。

【0017】

また、前記圧縮センシング処理によって前記受光素子のうち故障した素子を診断可能であることが好適である。

【0018】

また、背景光の強度に応じて前記受光素子のオン状態とオフ状態との割合を設定することが好適である。

【0019】

本発明の別の態様は、上記のいずれかの光検出器を備え、照射光の飛行時間検出により測距を行う光学測距装置である。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、マイクロピクセル（ＭＰ）構成において高い空間解像度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１の実施の形態における光検出器の構成を示す図である。

【図2】第１の実施の形態における光検出器の構成例を示す図である。

【図3】第１の実施の形態における弁別回路の構成を示す図である。

【図4】第１の実施の形態における光検出器の動作を示すタイミングチャートである。

【図5】第１の実施の形態におけるシングルフォトンアバランシェフォトダイオードのオン状態／オフ状態の例を示す図である。

【図6】第１の実施の形態における測定結果例を示す図である。

【図7】第１の実施の形態において複数の画素を纏めてグループにして制御する構成を示す図である。

【図8】変形例１における光検出器の構成を示す図である。

【図9】変形例１における測定結果例を示す図である。

【図10】変形例１におけるオン状態／オフ状態を制御する構成を示す図である。

【図11】変形例２における光検出器の構成を示す図である。

【図12】変形例２における光検出器の制御方法を示す図である。

【図13】変形例２における光検出器の制御パターンを示す図である。

【図14】変位例２におけるクロストークの影響を低減する効果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における光検出器１００は、図１に示すように、受光部１０２、弁別部１０４及び信号処理部１０６を含んで構成される。図２は、光検出器１００の具体的な構成例を示す。

【0023】

受光部１０２は、受光素子であるシリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）１０（１０ａ〜１０ｎ）及びクエンチング素子１２（１２ａ〜１２ｎ）を含んで構成される。弁別部１０４は、弁別回路１４（１４ａ〜１４ｎ）を含んで構成される。信号処理部１０６は、電流源１６（１６ａ〜１６ｎ）を含んで構成される。

【0024】

なお、図１では、画素数ｎが１６の場合について示している。もちろん、本発明の適用範囲は１６の画素に限定されるものではない。

【0025】

以下の説明では、各信号がハイレベルのときをアクティブ状態、ローレベルのときを非アクティブ状態として説明するが、ローレベルのときをアクティブ状態、ハイレベルのときを非アクティブ状態とする回路構成としても同様の作用・効果を得ることができる。

【0026】

受光部１０２は、シングルフォトンアバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）１０ａ〜１０ｎのアレイを含む。ＳｉＰＭ１０は、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎを含んで構成される。各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎは、ガイガーモードで動作する。すなわち、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎは、逆バイアス電圧を降伏電圧以上として動作させられ、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすフォトカウンティング型の受光素子として機能する。したがって、ＳｉＰＭ１０は、レーザ光等の入射光に対して高い感度を有する。

【0027】

ここで、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎは、ガードリングや金属配線の領域をできるだけ小さくし、素子面積に対する受光領域の割合であるフィルファクタ（開口率）を高めることが好適である。特に、クエンチング素子やリチャージ素子を行列状に配置されたＳＰＡＤの内部に形成しないことで、フィルファクタを高めることができる。

【0028】

クエンチング素子１２（１２ａ〜１２ｎ）は、トランジスタで構成することができる。クエンチング素子１２（１２ａ〜１２ｎ）は、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの外部において配線によってＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎに対して接続することが好適である。

【0029】

ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎにアバランシェ電流が生ずるとクエンチング素子１２の端子間の電圧上昇によってＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎに対するバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。クエンチング素子１２（１２ａ〜１２ｎ）は、各ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎに直列に接続され、弁別回路１４（１４ａ〜１４ｎ）のそれぞれに対する出力電圧を発生させるためにも利用される。

【0030】

クエンチング素子１２をオン／オフすることによって、ＳｉＰＭ１０のＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各々を光を受光した際に信号を出力する状態（オン状態）と出力しない状態（オフ状態）に切り替えることができる。

【0031】

弁別回路１４（１４ａ〜１４ｎ）は、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎ及びクエンチング素子１２ａ〜１２ｎのペア毎にそれぞれ設けられる。以下、弁別回路１４ａを例に説明するが、弁別回路１４ｂ，１４ｃ及び１４ｎも同様である。

【0032】

弁別回路１４ａは、クエンチング素子１２ａの端子電圧を所定の基準値と比較し、その比較結果に応じて矩形パルスを生成する。弁別回路１４ａは、図３に示すように、コンパレータ２０、遅延素子２２及びアンド素子２４を含んで構成することかできる。また、図４に弁別回路１４ａ〜１４ｎの動作を説明するためのタイミングチャートを示す。

【0033】

コンパレータ２０は、クエンチング素子１２ａの端子電圧Ｖａを受けて、端子電圧Ｖａと基準電圧Ｖ_ＲＥＦとを比較し、端子電圧Ｖａが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ以上であればハイレベルであり、端子電圧Ｖａが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ未満であればローレベルである出力パルスＡ１を出力する。遅延素子２２は、コンパレータ２０の出力パルスを受けて、出力パルスの変化を遅延時間Ｗだけ遅延させて出力パルスＢ１として出力する。遅延時間Ｗは、ＳＰＡＤ１０ａのデッドタイム、すなわちＳＰＡＤ１０ａの出力である端子電圧Ｖａの立ち上がりから消滅までの時間よりも短い時間とすることが好適である。具体的には、遅延時間Ｗは、１ｎ秒以上２０ｎ秒以下とすることがより好適である。アンド素子２４は、コンパレータ２０からの出力パルスＡ１と、遅延素子２２からの出力パルスＢ１の反転信号と、を受けて、それらの論理積を算出して出力する。これにより、弁別回路１４ａは、ＳＰＡＤ１０ａからの出力である端子電圧Ｖａが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ以上となった時点から所定の遅延時間Ｗだけのパルス幅を有する矩形パルスＣ１を生成して出力する。

【0034】

なお、ＳＰＡＤ１０ａの出力である端子電圧Ｖａは、ＳＰＡＤ１０ａがフォトンの受光時刻に応じて急峻な立ち上がりを示すので、矩形パルスＣ１はＳＰＡＤ１０ａがフォトンを受けた時刻とほぼ同時に立ち上がる信号となる。また、図４に示すように、弁別回路１４ｂ，１４ｃ及び１４ｎも弁別回路１４ａと同様に機能する。

【0035】

電流源１６（１６ａ〜１６ｎ）は、弁別回路１４（１４ａ〜１４ｎ）から出力される矩形パルスＣ１〜Ｃ４を受けて、それぞれ矩形パルスＣ１〜Ｃ４がハイレベルとなっている期間に所定値の電流を流す。電流源１６（１６ａ〜１６ｎ）は、１つの出力端子Ｔ１に接続され、図２に示すように、出力端子Ｔ１には電流源１６（１６ａ〜１６ｎ）から出力される電流を加算した加算電流Ｉｓｕｍが流れる。すなわち、電流源１６は加算回路を構成する。

【0036】

加算電流Ｉｓｕｍは、図４に示すように、ＳｉＰＭ１０に含まれるＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎでほぼ同時に検出された光子の合計数に応じた値となる。したがって、加算電流Ｉｓｕｍをトリガ信号として利用することによって、被測定対象物で反射されたレーザ光の検出精度を高めることができる。例えば、本実施の形態では、加算電流Ｉｓｕｍが３単位（ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうち３つにフォトンが入射した状態）以上となった場合にトリガ信号を出力するものとすれば定常的なノイズの影響を低減し、パルス光の検出を高い精度で行うことができる。

【0037】

本実施の形態では、ＳｉＰＭ１０に含まれるＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各素子のオン状態／オフ状態を切り替えて複数回の測定を行い、その出力信号から各素子の出力を算出する処理を行う。例えば、図５に示すように、対象空間にパルス光を照射し、当該照射の時刻ｔ０から所定時間経過した時刻ｔ１，ｔ２．．．ｔｍにおいてＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの半分（５０％）の素子がオン状態となるように各素子のオン状態／オフ状態をランダムに切り替えて測定する（図５中、ハッチングを施したＳＰＡＤをオン状態、ハッチングを施していないＳＰＡＤをオフ状態とする）。これをｋ回繰り返すことによって、図６に示すような測定結果が得られる。

【0038】

このような測定において、同じ時刻に出力されたｋ個の信号について圧縮センシングの技術を適用することによってＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各素子のいずれかが反応しているかを求めることができる。例えば、１〜ｋ回繰り返された測定において時刻ｔ１において出力された信号について圧縮センシングの技術を適用することによって、時刻ｔ１においてＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各素子のいずれかがより多く反応し、いずれかがより少なく反応しているのかを求めることができる。

【0039】

圧縮センシングの技術は、既存の技術を適用すればよい。例えば、米国特許出願第１１／３７９，６８８号明細書に記載の方法を適用すればよい。

【0040】

以上の処理により、光検出器１００における空間解像度を向上させることができる。特に、光検出器１００を用いたセンシングでは、各時刻において反応しているＳＰＡＤの数は非常に少ないことが多い。すなわち、信号のスパース性が高く、圧縮サンプリングの効果は非常に高くなる。したがって、少ない測定回数においても高い解像度を得ることができる。特に、回路の規模を小さく維持しつつ、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各々の出力を求めることができる。また、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各々の出力に基づいて、故障した素子や不調な素子を抽出することができる。例えば、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各々について、その出力が所定の閾値未満である素子を故障や不調と判断すればよい。

【0041】

なお、最も少ない測定回数で空間解像度を向上できるのはＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの半分をオン状態とし、残りの半分をオフ状態とした場合であるが、信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）や背景光の強さに応じてオン状態／オフ状態の割合を変更してもよい。

【0042】

例えば、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうちオン状態の割合を増やすことで、信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）の低下を低減することができる。具体的には、受光素子数に対して測定回数の比率が高いときにはオン状態とするＳＰＡＤの割合を増加させる制御を行えばよい。

【0043】

また、例えば、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうちオン状態の割合を減らすことで、背景光による出力信号の飽和を防ぐことができる。具体的には、背景光の変化に応じて、背景光が大きくなったときにはオン状態とするＳＰＡＤの割合を低下させ、背景光が小さくなったときにはオン状態とするＳＰＡＤの割合を増加させる制御を行えばよい。背景光は、光検出器１００に別途設けた感光センサ等で測定してもよいし、パルス信号を出力していない状態におけるＳｉＰＭ１０の出力信号の強度に基づいて測定してもよい。

【0044】

また、本実施の形態では、オン状態／オフ状態とするＳＰＡＤをランダムに選択するものとしたが、予め定められたパターンに沿って選択するようにしてもよい。パターンは、所定の規則性をもって定めてもよいし、過去の光の入射パターンに基づいて定めてもよい。

【0045】

また、信号強度が小さい時や積算回数を稼げない時には、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうち複数の素子を纏めてグループとして、各グループのオン状態／オフ状態を一括制御するようにしてもよい。これにより、光検出器１００の空間解像度を犠牲にして、信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を向上させることができる。

【0046】

例えば、図７に示すように、隣接する４つの素子を１つのグループ（図７中、同じグループの素子には同じハッチングを施して示す）とし、グループ毎にオン状態／オフ状態を制御するようにしてもよい。この場合、空間解像度は１／４に低下するが、信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を２倍に向上させることができる。

【0047】

また、光検出器１００は、図１に示した構成に限定されるものではない。例えば、特開２０１２−０６００１２号公報等に記載された構成を適用することもできる。

【0048】

＜変形例１＞
図８は、変形例１における光検出器２００の構成を示す図である。光検出器２００は、受光部１０２、弁別部１０４、信号処理部１０６（１０６ａ，１０６ｂ）に加えて、分配器１０８を含んで構成される。

【0049】

分配器１０８は、弁別部１０４と信号処理部１０６（１０６ａ，１０６ｂ）との間に設けられ、弁別部１０４の出力信号を排他的に信号処理部１０６ａと信号処理部１０６ｂとに振り分けて出力する。すなわち、分配器１０８は、弁別部１０４から出力されるＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの信号の一部を選択して信号処理部１０６ａに入力し、弁別部１０４から出力されるＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの信号の残りを選択して信号処理部１０６ｂに入力する。

【0050】

本変形例１では、分配器１０８によってＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各素子の出力を切り替えて信号処理部１０６ａ，１０６ｂに振り分けながら複数回の測定を行う。そして、その出力信号から各素子の出力を算出する処理を行う。例えば、対象空間にパルス光を照射し、当該照射の時刻ｔ０から所定時間経過した時刻ｔ１，ｔ２．．．ｔｍにおいてＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの半分（５０％）の素子からの出力が信号処理部１０６ａに入力され、残りの半分（５０％）の素子からの出力が信号処理部１０６ｂに入力される状態で１回の測定を行う。その後、信号処理部１０６ａと信号処理部１０６ｂに入力される信号数の割合は変化しないように、分配器１０８をランダムに切り替えて次の回の測定を行う。このような測定を繰り返すことで、図９に示すような測定結果が得られる。

【0051】

そして、パルス光を出射してからの経過時間が同じ時刻に出力された信号について圧縮センシングの技術を適用することによってＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの各素子のいずれかが反応しているかを求めることができる。

【0052】

これにより、ＳＰＡＤをオフ状態にすることなく、光検出器１００における空間解像度を向上させることができる。したがって、測定時のロスをなくし、全体的な信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を低下させることなく、空間解像度を高めることができる。

【0053】

なお、本変形例１では、信号処理部１０６を２つ設けて、分配器１０８にてＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎからの出力信号を２分割する構成としたが、これに限定されるものではなく、信号処理部１０６を３つ以上設けてそれぞれに出力信号を分別して入力する構成としてもよい。

【0054】

また、信号処理部１０６ａと信号処理部１０６ｂに入力される信号の数を均等にせず、異なる割合としてもよい。例えば、信号処理部１０６ａに６０％の信号が入力され、信号処理部１０６ｂに４０％の信号が入力されるように分配器１０８を制御するようにしてもよい。入力信号の数が多い信号処理部１０６ａからの出力信号を用いて処理すれば、信号ノイズ比を向上させることができる。また、入力信号の数が少ない信号処理部１０６ｂからの出力信号を用いて処理すれば、背景光の影響を低減することができる。

【0055】

また、本変形例において、図１０に示すように、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎの一部をオン状態とし、残りをオフ状態とするようにしてもよい（図１０中、ハッチングを施したＳＰＡＤをオン状態、ハッチングを施していないＳＰＡＤをオフ状態とする）。この場合、分配器１０８によってオン状態としたＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうち一部の出力信号を信号処理部１０６ａに入力させ、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうち残りの出力信号を信号処理部１０６ｂに入力させるようにすればよい。

【0056】

例えば、上記実施の形態と同様に、背景光の変化に応じて、背景光が大きくなったときにはオン状態とするＳＰＡＤの割合を低下させ、背景光が小さくなったときにはオン状態とするＳＰＡＤの割合を増加させる制御を行えばよい。

【0057】

＜変形例２＞
ＭＰ構造とされたＳｉＰＭ１０に含まれるＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎが光子に反応した場合、反応後の一定期間は光子に再度反応できない時間、すなわちデッドタイムが生ずる。そこで、本変形例では、周期的にＳｉＰＭ１０を構成するＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのオン状態とオフ状態とを周期的に切り替えてデッドタイムをずらすことで、光検出器１００全体としてデットタイムの影響を抑制する。

【0058】

例えば、図１１に示すように、第１状態と第２状態とを素子を切り替える（図１１中、ハッチングを施したＳＰＡＤをオン状態、ハッチングを施していないＳＰＡＤをオフ状態とする）。すなわち、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうち隣り合う素子が交互にオン状態とオフ状態となるように制御する。

【0059】

このとき、図１２に示すように、第１状態と第２状態とを切り替える周期ＴとデッドタイムＴｄとがＴ＜Ｔｄ＜２Ｔの関係を満たすようにＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのオン状態／オフ状態を制御することが好適である。

【0060】

これにより、デッドタイムの影響を避けて、光検出器１００による測定を行うことができる。

【0061】

なお、本変形例では、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎを２つの状態に分けて切り替える構成としたが、３つ以上のｎ個の状態に分けて切り替える構成としてもよい。この場合、ｎ個の状態を切り替える周期Ｔとデッドタイムとの関係がＴ＜Ｔｄ＜ｎＴを満たすように制御することが好適である。すなわち、ＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうちオン状態にされた素子について、オン状態にされた時刻ｔ１から、オフ状態に戻される時刻ｔ２までの期間（ｔ２−ｔ１）がデッドタイムよりも短く、再度オン状態にされる時刻ｔ３までの期間（ｔ３−ｔ１）がデッドタイムＴｄよりも長くなるよう制御することが好適である。

【0062】

また、ＳｉＰＭ１０間のクロストークの影響がある場合、オン状態にされている素子の間をクロストークが発生する距離よりも大きくするパターンとすることが好適である。

【0063】

例えば、図１３に示すようなＳｉＰＭ１０のパターンにおいて、クロストークが２素子分だけ離れた素子までしか生じない場合、オン状態にされている素子の間をクロストークが発生する距離よりも大きくしたパターンＡとパターンＢとを切り替えるようにすることが好適である（図１３中、ハッチングを施したＳＰＡＤをオフ状態、ハッチングを施していないＳＰＡＤをオン状態とする）。切替の時間は、デッドタイムよりも短い時間とする。

【0064】

図１４に示すように、パターンＡのときにＳＰＡＤ１０Ａにフォトンが入射した場合、クロストークの影響が及ぶ可能性があるＳＰＡＤ１０Ｂ，ＳＰＡＤ１０Ｃはオフ状態であるのでクロストークによる素子の反応は生じない。したがって、パターンＡからパターンＢへ切り替えられたときに、ＳＰＡＤ１０Ｂ，ＳＰＡＤ１０Ｃがデッドタイムになっていることを防ぐことができる。すなわち、クロストークの影響を低減することができる。

【0065】

また、本変形例と上記実施の形態や変形例１の構成を組み合わせてもよい。例えば、上記のデッドタイムの影響を避ける条件を満たすＳＰＡＤ１０ａ〜１０ｎのうちオン状態とする素子をランダムに選択しつつ測定を行うことで、デッドタイムの影響をさけつつ、圧縮センシング処理により空間解像度を高めることができる。

【符号の説明】

【0066】

１０（１０ａ〜１０ｎ） ＳＰＡＤ、１２（１２ａ〜１２ｎ） クエンチング素子、１４（１４ａ〜１４ｎ） 弁別回路、２０ コンパレータ、２２ 遅延素子、２４ アンド素子、１６（１６ａ〜１６ｎ） 電流源、１００ 光検出器、１０２ 受光部、１０４ 弁別部、１０６（１０６ａ，１０６ｂ） 信号処理部、１０８ 分配器、２００ 光検出器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】