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特開2024-67906光検出装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024067906

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】光検出装置

(51)【国際特許分類】

H04N 25/77 20230101AFI20240510BHJP

【ＦＩ】

H04N5/3745

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022178319

(22)【出願日】2022-11-07

(71)【出願人】

【識別番号】316005926

【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋学

(72)【発明者】

【氏名】小木純

【テーマコード（参考）】

5C024

【Ｆターム（参考）】

5C024CX03

5C024GX03

5C024GX15

5C024GX16

5C024GX18

5C024GY39

5C024GY41

5C024GY45

5C024HX17

5C024HX29

5C024HX32

(57)【要約】

【課題】高照度における入射光のフォトン数を高いＳＮＲでカウントすることができる光検出装置を提供する。
【解決手段】本開示による光検出装置は、第１フォトダイオードと、光の入射によって生じる前記第１フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、前記センスノードの電圧に基づいて前記第１フォトダイオードの降伏回数をカウントするカウンタと、前記カウンタのカウント値に応じて、該カウント値を１だけ増大させる前記降伏回数を制御するカウント制御部とを備えている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１フォトダイオードと、
光の入射によって生じる前記第１フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、
前記センスノードの電圧に基づいて前記第１フォトダイオードの降伏回数をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に応じて、該カウント値を１だけ増大させる前記降伏回数を制御するカウント制御部とを備えている、光検出装置。

【請求項2】

前記カウント制御部は、前記センスノードと基準電圧源との間に直列に接続された第１キャパシタおよびスイッチを備えている、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項3】

前記スイッチは、前記カウント値が所定値未満の場合に非導通状態であり、前記カウント値が所定値以上の場合に導通状態となる、請求項２に記載の光検出装置。

【請求項4】

前記スイッチが非導通状態の場合に、前記カウンタは、前記第１フォトダイオードが降伏するごとに前記カウント値を１ずつ増大させ、
前記スイッチが導通状態の場合に、前記カウンタは、前記第１フォトダイオードがｎ回（ｎは２以上の整数）降伏するごとに前記カウント値を１ずつ増大させる、請求項３に記載の光検出装置。

【請求項5】

電圧源と前記センスノードとの間に設けられ、前記第１フォトダイオードの降伏によって制御される第１トランジスタと、
前記第１トランジスタと前記センスノードとの間に設けられ、前記第１フォトダイオードの降伏によって前記第１トランジスタよりも遅延して制御される第２トランジスタと、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとの間のノードと基準電圧源との間に接続された第２キャパシタとをさらに備える、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項6】

前記カウント制御部は、前記センスノードの容量と前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとの間のノードの容量との比によって、前記ｎの値を制御する、請求項５に記載の光検出装置。

【請求項7】

複数の画素が配列された画素領域をさらに備え、
前記複数の画素のそれぞれが、前記第１フォトダイオード、前記カウンタおよび前記カウント制御部を備えている、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項8】

前記第１フォトダイオードは、１フォトンの入射によって１回アバランシェ降伏するＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）である、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項9】

前記カウント制御部は、前記第２キャパシタに対して並列に接続されている、請求項５に記載の光検出装置。

【請求項10】

前記センスノードと基準電圧源との間に設けられた第２フォトダイオードをさらに備えている、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項11】

前記第１フォトダイオードの１回の露光期間において、前記センスノードを充電する周期が第１周期と該第１周期よりも長い第２周期とを含む、請求項１に記載の光検出装置。

【請求項12】

前記第１フォトダイオードの１回の露光期間において、前記センスノードを充電する周期が第１周期と該第１周期よりも長い第２周期とを含み、
前記第１周期において前記スイッチを導通状態とし、前記第２周期において前記スイッチを非導通状態とする、請求項３に記載の光検出装置。

【請求項13】

前記スイッチは、前記カウンタおよび前記カウント制御部の外部からの信号によって制御される、請求項２に記載の光検出装置。

【請求項14】

順バイアス電圧に応じて降伏するときの入射フォトン数が変わる第１フォトダイオードと、
前記第１フォトダイオードに前記順バイアス電圧を印加する電源回路と、
光の入射によって生じる前記第１フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、
前記第１フォトダイオードの降伏をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に応じて前記電源回路からの前記順バイアス電圧を制御するカウント制御部とを備えている、光検出装置。

【請求項15】

前記カウント制御部は、前記カウント値が所定値未満の場合に前記順バイアス電圧を第１電圧とし、前記カウント値が所定値以上の場合に前記順バイアス電圧を前記第１電圧よりも小さな第２電圧にする、請求項１４に記載の光検出装置。

【請求項16】

前記順バイアス電圧が前記第１電圧の場合に、前記第１フォトダイオードは、１個のフォトンを入射するごとに降伏し、
前記順バイアス電圧が前記第２電圧の場合に、前記第１フォトダイオードは、ｎ個（ｎは２以上の整数）のフォトンを入射するごとに降伏する、請求項１５に記載の光検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

フォトンカウントセンサにおいて、入射光が高照度の場合に、画素の休止期間を設けて、フォトンのカウント数を削減する技術がある（特許文献１）。このような技術では、高照度の入射光のフォトンを間引いて検出し、統計的な処理によって実際のフォトン数を算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１２３８４６号公報

【特許文献2】国際出願公開第２０２２－０１８５１５号公報

【特許文献3】特開２０１８－１５７３８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、入射光のフォトンを間引いて検出しているため、ダイナミックレンジは拡大されるものの、高照度におけるフォトン数が実際のフォトン数と異なる場合がある。この場合、ＳＮＲ（Signal-Noise Ratio）が劣化してしまう。

【0005】

そこで、本開示は、高照度における入射光のフォトン数を高いＳＮＲでカウントすることができる光検出装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面の光検出装置は、第１フォトダイオードと、光の入射によって生じる第１フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、センスノードの電圧に基づいて第１フォトダイオードの降伏回数をカウントするカウンタと、カウンタのカウント値に応じて、該カウント値を１だけ増大させる降伏回数を制御するカウント制御部とを備えている。

【0007】

カウント制御部は、センスノードと基準電圧源との間に直列に接続された第１キャパシタおよびスイッチを備えている。

【0008】

スイッチは、カウント値が所定値未満の場合に非導通状態であり、カウント値が所定値以上の場合に導通状態となる。

【0009】

スイッチが非導通状態の場合に、カウンタは、第１フォトダイオードが降伏するごとにカウント値を１ずつ増大させ、スイッチが導通状態の場合に、カウンタは、第１フォトダイオードがｎ回（ｎは２以上の整数）降伏するごとにカウント値を１ずつ増大させる。

【0010】

光検出装置は、電圧源とセンスノードとの間に設けられ、フォトダイオードの降伏によって制御される第１トランジスタと、第１トランジスタとセンスノードとの間に設けられ、フォトダイオードの降伏によって第１トランジスタよりも遅延して制御される第２トランジスタと、第１トランジスタと第２トランジスタとの間のノードと基準電圧源との間に接続された第２キャパシタとをさらに備える。

【0011】

カウント制御部は、センスノードの容量と第１トランジスタと第２トランジスタとの間のノードの容量との比によって、ｎの値を制御する。

【0012】

複数の画素が配列された画素領域をさらに備え、複数の画素のそれぞれが、第１フォトダイオード、カウンタおよびカウント制御部を備えている。

【0013】

第１フォトダイオードは、１フォトンの入射によって１回アバランシェ降伏するＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）である。

【0014】

カウント制御部は、第２キャパシタに対して並列に接続されている。

【0015】

センスノードと基準電圧源との間に設けられた第２フォトダイオードをさらに備えている。

【0016】

第１フォトダイオードの１回の露光期間において、センスノードを充電する周期が第１周期と該第１周期よりも長い第２周期とを含む。

【0017】

第１フォトダイオードの１回の露光期間において、センスノードを充電する周期が第１周期と該第１周期よりも長い第２周期とを含み、第１周期においてスイッチを導通状態とし、第２周期においてスイッチを非導通状態とする。

【0018】

スイッチは、カウンタおよびカウント制御回路の外部からの信号によって制御される。

【0019】

本開示の他の側面の光検出装置は、順バイアス電圧に応じて降伏するときの入射フォトン数が変わる第１フォトダイオードと、第１フォトダイオードに順バイアス電圧を印加する電源回路と、光の入射によって生じる第１フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、第１フォトダイオードの降伏をカウントするカウンタと、カウンタのカウント値に応じて電源回路からの順バイアス電圧を制御するカウント制御部とを備えている。

【0020】

カウント制御部は、カウント値が所定値未満の場合に順バイアス電圧を第１電圧とし、カウント値が所定値以上の場合に順バイアス電圧を第１電圧よりも小さな第２電圧にする。

【0021】

順バイアス電圧が第１電圧の場合に、第１フォトダイオードは、１個のフォトンを入射するごとに降伏し、順バイアス電圧が第２電圧の場合に、第１フォトダイオードは、ｎ個（ｎは２以上の整数）のフォトンを入射するごとに降伏する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】第１実施形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図。

【図2】１つの画素の内部構成の一例を示すブロック図。

【図3】第１実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図4】スイッチが導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図5】入射フォトン数とカウント値との関係を示すグラフ。

【図6】１つの画素の内部構成の他の例の一部を示すブロック図。

【図7】第２実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。

【図8】第２実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図9】スイッチが導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図10】第３実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。

【図11】第３実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図12】スイッチが導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図13】第４実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。

【図14】第４実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図15】第４実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図16】第４実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図17】第４実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図18】第５実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。

【図19】第５実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図20】第５実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図21】第５実施形態における充電周期を示す概念図。

【図22】フォトン入射レートとカウント値との関係を示すグラフ。

【図23】フォトン入射レートとＳＮＲとの関係を示すグラフ。

【図24】第６実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。

【図25】第６実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図26】第６実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図27】第７実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。

【図28】第７実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図29】第７実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図30】第７実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図31】第７実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図。

【図32】第８実施形態に係る画素の内部構成の一例を示すブロック図。

【図33】第９実施形態に係る画素の内部構成例の一部分を示すブロック図。

【図34A】光検出装置のチップ積層構成の一例を示す概略図。

【図34B】光検出装置のチップ積層構成の一例を示す概略図。

【図35】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図。

【図36】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0024】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。

【0025】

本実施形態による光検出装置１００は、画素領域１０と、垂直選択回路３０と、信号処理回路４０と、水平選択回路５０と、出力回路６０と、制御回路７０と、を備える。

【0026】

画素領域１０には、行方向および列方向にマトリクス状に二次元的に配列された複数の画素Ｐが設けられている。図１には、第０行から第５行までの６行と、第０列から第５列までの６列に配された３６個の画素Ｐを、行番号及び列番号を示す符号とともに示している。例えば、第１行、第４列に配された画素Ｐには、Ｐ１４の符号を付している。

【0027】

なお、画素領域１０を構成する画素アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。また、画素領域１０には、必ずしも画素Ｐが２次元状に配置されている必要はない。例えば、画素領域１０は１つの画素Ｐにより構成されていてもよいし、画素領域１０に画素Ｐが行方向又は列方向に１次元状に配されていてもよい。さらに、画素Ｐは、３次元的に立体配置されてもよい。画素領域１０は、画素Ｐが形成された複数の基板を積層した積層体として構成されてもよい。

【0028】

画素領域１０の画素アレイの各行には、Ｘ方向に延在する制御線ＰＶＳＥＬが設けられている。制御線ＰＶＳＥＬは、Ｘ方向に並ぶ複数の画素Ｐのそれぞれに接続され、これら画素Ｐに共通の信号線をなしている。制御線ＰＶＳＥＬの延在するＸ方向は、行方向或いは水平方向と表記することがある。なお、図１には、制御線ＰＶＳＥＬを、行番号を示す符号とともに表している。例えば、第１行の制御線には、ＰＶＳＥＬ［１］の符号を付している。

【0029】

各行の制御線ＰＶＳＥＬは、垂直選択回路３０に接続されている。垂直選択回路３０は、画素Ｐ内の信号生成回路（図示せず）を駆動するための制御信号を、制御線ＰＶＳＥＬを介して画素Ｐに供給する回路部である。垂直選択回路３０は、画素Ｐが有するカウンタがカウントを積算する期間の開始、終了を制御する。

【0030】

画素領域１０の画素アレイの各列には、Ｘ方向と交差する（例えば、直交する）Ｙ方向に延在する出力線ＰＯＵＴが設けられている。出力線ＰＯＵＴは、Ｙ方向に並ぶ複数の画素Ｐのそれぞれに接続され、これら画素Ｐに共通の信号線をなしている。出力線ＰＯＵＴの延在するＹ方向は、列方向或いは垂直方向と表記することがある。なお、図１には、出力線ＰＯＵＴを、列番号を示す符号とともに表している。例えば、第４列の出力線には、ＰＯＵＴ４の符号を付している。出力線ＰＯＵＴの各々は、ｎビットのデジタル信号を出力するためのｎ本の信号線を備えている。

【0031】

出力線ＰＯＵＴは、信号処理回路４０に接続されている。信号処理回路４０は、画素領域１０の画素アレイの各列に対応してそれぞれ設けられており、対応する列の出力線ＰＯＵＴに接続されている。信号処理回路４０は、対応する列の出力線ＰＯＵＴを介して画素Ｐから出力される信号を保持する機能を備える。画素Ｐから出力される信号は、出力線ＰＯＵＴのｎ本の信号線を介して入力されるｎビットの信号であるため、信号処理回路４０の各々は各ビットの信号を保持するため少なくともｎ個の保持部を有する。

【0032】

水平選択回路５０は、信号処理回路４０から信号を読み出すための制御信号を信号処理回路４０に供給する回路部である。水平選択回路５０は、各列の信号処理回路４０に、制御線ＰＨＳＥＬを介して制御信号を供給する。水平選択回路５０から制御信号を受信した信号処理回路４０は、保持部に保持している信号を、水平出力線ＨＳＩＧを介して出力回路６０へと出力する。なお、図１には、制御線ＰＨＳＥＬを、列番号を示す符号とともに表している。例えば、第４列の制御線には、ＰＨＳＥＬ［４］の符号を付している。水平出力線ＨＳＩＧは、ｎビットのデジタル信号を出力するためのｎ本の信号線を備えている。

【0033】

出力回路６０は、水平出力線ＨＳＩＧを介して供給された信号を、出力信号ＳＯＵＴとして光検出装置１００の外部へ出力するための回路部である。制御回路７０は、垂直選択回路３０、信号処理回路４０、水平選択回路５０、出力回路６０の動作やそのタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。なお、垂直選択回路３０、信号処理回路４０、水平選択回路５０、出力回路６０の動作やそのタイミングを制御する制御信号の少なくとも一部は、光検出装置１００の外部から供給してもよい。

【0034】

図２は、１つの画素Ｐの内部構成の一例を示すブロック図である。各画素Ｐは、アバランシェ増倍型のフォトダイオードＰＤと、画素制御回路１２と、カウント制御回路１４と、カウンタ回路１６とを備える。

【0035】

フォトダイオードＰＤのアノードは、基準電圧源に接続されている。基準電圧源は、例えば、グランドまたは負の電圧源である。フォトダイオードＰＤのカソードは、画素制御回路１２のトランジスタＴｒｃｈのソースに接続されている。フォトダイオードＰＤは、アノードとカソードとの間に印加される逆バイアス電圧がブレイクダウン電圧以上であるとき、フォトン（光子）の入射を受けてアバランシェ降伏し、増倍されたアバランシェ電流を発生する。フォトダイオードＰＤにアバランシェ電流が流れることにより、フォトダイオードＰＤのカソード電圧が変化する。カソード電圧の変化によって、画素制御回路１２は、インバータＩＮＶ５の出力信号を変化させ、カウンタ回路１６へ光検出パルスＰＬＳを出力する。フォトダイオードＰＤは、例えば、１フォトンの入射によって１回アバランシェ降伏するＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）である。

【0036】

画素制御回路１２は、トランジスタＴｒｃｈ、Ｔｓ、Ｔａ、Ｔｒｓｔと、インバータＩＮＶ１～ＩＮＶ５と、キャパシタＣＰｓ、ＣＰａと、カウント制御回路１４とを備えている。

【0037】

トランジスタＴｒｃｈは、高レベル電圧源ＶＤＤＨとフォトダイオードＰＤのカソードとの間に接続されている。トランジスタＴｒｃｈのドレインは電圧源ＶＤＤＨに接続され、そのソースはフォトダイオードＰＤのカソードおよびインバータＩＮＶ１の入力に接続されている。トランジスタＴｒｃｈのゲートは、制御線ＰＶＳＥＬの１つに接続されており、垂直選択回路３０からの制御信号Ｖｑを受ける。

【0038】

トランジスタＴｒｃｈは、導通状態になることによって、フォトダイオードＰＤのカソードを電圧源ＶＤＤＨで充電する。これにより、フォトダイオードＰＤには、逆バイアスの電圧が印加される。トランジスタＴｒｃｈが非導通状態になると、フォトダイオードＰＤは逆バイアス電圧が印加された状態で保持され、フォトンの入射を待機する。このとき、フォトダイオードＰＤのカソード電圧はＶＫとする。このように、トランジスタＴｒｃｈは、フォトダイオードＰＤの充電および再充電のために用いられる。トランジスタＴｒｃｈは、例えば、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）でよい。

【0039】

インバータＩＮＶ１～ＩＮＶ３は、フォトダイオードＰＤのカソードとトランジスタＴａのゲートとの間に直列に接続されている。また、インバータＩＮＶ１の出力は、トランジスタＴｓのゲートに接続されている。インバータＩＮＶ１～ＩＮＶ３は、バッファおよび遅延回路として機能する。

【0040】

トランジスタＴｓは、電圧源ＶＤＤＬとセンスノードＳＮとの間に接続されている。電圧源ＶＤＤＬは、電圧源ＶＤＤＨよりも低いが、基準電圧源よりも高い電圧源である。トランジスタＴｓのドレインは電圧源ＶＤＤＬに接続され、そのソースはトランジスタＴａのドレインおよびキャパシタＣＰｓの一端に接続されている。トランジスタＴｓのゲートは、インバータＩＮＶ１の出力に接続されており、電圧ＶＫの反転電圧ＶＳを受ける。トランジスタＴｓは、フォトダイオードＰＤのアバランシェ降伏によって導通状態に制御される。

【0041】

トランジスタＴｓは、フォトダイオードＰＤのカソード電圧が充電されている場合に非導通状態となっており、電圧源ＶＤＤＬからキャパシタＣＰｓの一端を電気的に切断している。フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏してカソード電圧ＶＫが低下すると、トランジスタＴｓが導通状態となり、キャパシタＣＰｓが電圧源ＶＤＤＬによって充電される。キャパシタＣＰｓの電圧はＶｃｓとする。トランジスタＴｓは、例えば、ｎ型ＭＯＳＦＥＴでよい。

【0042】

トランジスタＴａは、トランジスタＴｓとセンスノードＳＮとの間に接続されている。トランジスタＴａのドレインは、トランジスタＴｓのソースおよびキャパシタＣＰｓの一端に接続され、そのソースはセンスノードＳＮに接続されている。トランジスタＴａのゲートは、インバータＩＮＶ３の出力に接続されており、電圧ＶＫの反転電圧ＶＡを受ける。電圧ＶＳ、ＶＡは、同一論理の信号（同一レベルの電圧）である。しかし、電圧ＶＡは、インバータＩＮＶ２、ＩＮＶ３を通過するため、トランジスタＴｓのゲートに入力される電圧ＶＳよりも遅延してトランジスタＴａのゲートに入力される。従って、トランジスタＴａは、フォトダイオードＰＤのアバランシェ降伏によって、トランジスタＴｓよりも遅れて導通状態になる。

【0043】

トランジスタＴａは、フォトダイオードＰＤのカソード電圧ＶＫが充電されている場合に非導通状態となっており、キャパシタＣＰｓの一端とセンスノードＳＮとの間を電気的に切断している。フォトダイオードＰＤがフォトンを受けアバランシェ降伏してカソード電圧ＶＫが低下すると、トランジスタＴｓが一旦導通状態になる。これにより、キャパシタＣＰｓが電圧源ＶＤＤＬによって充電される。電圧ＶＫがフォトダイオードＰＤのクエンチングによって再充電されると、トランジスタＴｓが非導通状態に戻る。トランジスタＴｓが非導通状態に戻った後、トランジスタＴａが導通状態となる。これにより、センスノードＳＮがキャパシタＣＰｓによって充電される。トランジスタＴａは、例えば、ｎ型ＭＯＳＦＥＴでよい。

【0044】

トランジスタＴｒｓｔは、センスノードＳＮと基準電圧源（例えば、グランド）との間に接続されている。トランジスタＴｒｓｔのドレインは、センスノードＳＮに接続され、そのソースは基準電圧源に接続されている。トランジスタＴｒｓｔのゲートは、インバータＩＮＶ５の出力（即ち、画素制御回路１２の出力）に接続されており、光検出パルスＰＬＳを受ける。

【0045】

トランジスタＴｒｓｔは、光検出パルスＰＬＳが出力されていないときに非導通状態となっており、光検出パルスＰＬＳがカウンタ回路１６へ出力されるごとに導通状態になる。トランジスタＴｒｓｔが導通状態になることによって、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎを基準電圧（例えば、接地電圧）にリセットする。ただし、光検出パルスＰＬＳは、センスノードＳＮの変化に対してインバータＩＮＶ４およびＩＮＶ５を介して遅延して出力される。従って、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが充分に変化した後に、トランジスタＴｒｓｔは、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎをリセットすることができる。トランジスタＴｒｓｔは、例えば、ｎ型ＭＯＳＦＥＴでよい。

【0046】

キャパシタＣＰｓは、トランジスタＴｓとトランジスタＴａとの間のノードと基準電圧源（例えば、グランド）との間に接続された固定容量である。キャパシタＣＰｓは、トランジスタＴｓとトランジスタＴａとの間のノードの寄生容量を含む。キャパシタＣＰｓは、トランジスタＴｓが導通状態のときに電圧源ＶＤＤＬによって充電される。また、キャパシタＣＰｓは、トランジスタＴａが導通状態になると、センスノードＳＮを充電する。キャパシタＣＰｓの容量Ｃｓは、所定値に設定されている。

【0047】

キャパシタＣＰａは、センスノードＳＮと基準電圧源との間に接続された固定容量である。キャパシタＣＰａは、センスノードＳＮの寄生容量を含む。キャパシタＣＰａは、トランジスタＴａが導通状態のときにキャパシタＣＰｓによって充電される。一方、キャパシタＣＰａは、トランジスタＴｒｓｔが導通状態のときに放電されリセットされる。キャパシタＣＰａの容量Ｃａも、所定値に設定されている。

【0048】

カウント制御回路１４は、センスノードＳＮと基準電圧源（例えば、グランド）との間に直列に接続されたキャパシタＣＰｖおよびスイッチＳＷ１を備えている。スイッチＳＷ１は、センスノードＳＮとキャパシタＣＰｖの一端との間に接続されている。スイッチＳＷ１は、カウンタ回路１６によって制御されるトランジスタでよい。キャパシタＣＰｖは、スイッチＳＷ１と基準電圧源との間に接続された固定容量である。キャパシタＣＰｖの容量Ｃｖは、所定値に設定されている。

【0049】

スイッチＳＷ１は、カウンタ回路１６の所定ビットからの制御信号によって制御される。例えば、スイッチは、カウント値が所定値未満の場合に非導通状態であり、カウント値が所定値以上の場合に導通状態となる。カウント値が所定値未満であり、スイッチＳＷ１が非導通状態の場合、センスノードＳＮの容量はＣａである。このとき、フォトダイオードＰＤが１回アバランシェ降伏する（１フォトンを検出する）度に、１つの光検出パルスＰＬＳが出力される。

【0050】

一方、カウンタ回路１６のカウント数が所定値に達して、それに対応する所定ビットが反転したときに、スイッチＳＷ１が導通状態になる。これにより、キャパシタＣＰｖがキャパシタＣＰａに対して並列に接続され、センスノードＳＮの容量がＣａからＣａ＋Ｃｖに増大する。その結果、フォトダイオードＰＤが複数回アバランシェ降伏する（複数のフォトンを検出する）度に、１つの光検出パルスＰＬＳが出力されるようになる。

【0051】

このように、カウント制御回路１４は、カウンタ回路１６のカウント値に応じて、センスノードＳＮの容量を変更し、カウント値を１だけ増大させるために必要なフォトダイオードＰＤの降伏回数を制御する。

【0052】

カウンタ回路１６は、インバータＩＮＶ５の出力（画素制御回路１２の出力）に接続されている。カウンタ回路１６は、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎに基づいて、光検出パルスＰＬＳをカウントする。即ち、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤの降伏回数をカウントする。カウンタ回路１６は、例えば、光検出パルスＰＬＳの立上りを積算するレジスタ回路でよい。カウント値が所定値未満の場合、カウンタ回路１６は、スイッチＳＷ１を非導通状態にしてフォトダイオードＰＤが１フォトンを検出する度にカウント値を１だけ上げる。カウント値が所定値に達して、カウンタ回路１６の所定ビットが反転したときに、カウンタ回路１６は、スイッチＳＷ１の制御信号を反転させて、スイッチＳＷ１を導通状態にする。これにより、上述の通り、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤが複数のフォトンを検出する度にカウント値を１だけ上げる。

【0053】

次に、第１実施形態に係る光検出装置の動作を説明する。

【0054】

図３は、第１実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図３では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。この動作は、低照度の光を検出する低照度モードに適した動作である。

【0055】

まず、ｔ１以前のフォトン待機中において、制御信号Ｖｑは高レベル電圧に設定され、トランジスタＴｒｃｈが導通状態となっている。これにより、フォトダイオードＰＤのカソードが高レベル電圧源ＶＤＤＨによって充電され、カソード電圧ＶＫが上昇する。フォトダイオードＰＤには逆バイアス電圧が印加される。このような状態で、フォトダイオードＰＤはフォトンの入射を待機する。

【0056】

ｔ１において、フォトダイオードＰＤにフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫが低下する。

【0057】

ｔ２において、カソード電圧ＶＫが閾値Ｖｔ１を下回ると、電圧Ｖｓが立ち上がる。これにより、トランジスタＴｓが導通状態になり、キャパシタＣＰｓがトランジスタＴｓを介して電圧源ＶＤＤＬによって充電される。電圧Ｖｃｓは、ほぼ電圧源ＶＤＤＬの電圧に等しくなる。

【0058】

トランジスタＴｒｃｈは導通状態を維持しているので、フォトダイオードＰＤがクエンチによって降伏前の元の状態に戻ると、カソード電圧ＶＫはまだ上昇する。

【0059】

ｔ３において、カソード電圧ＶＫが閾値Ｖｔ１を超えると、トランジスタＴｓのゲート電圧ＶＳは立ち下がる。これにより、トランジスタＴｓが非導通状態になり、キャパシタＣＰｓが充電状態まま電圧源ＶＤＤＬから切断される。

【0060】

電圧Ｖｓが立ち下がった後、インバータＩＮＶ２、ＩＮＶ３の遅延回路によって、電圧ＶＡが電圧ＶＳに対して遅延して立ち上がる。ゲート電圧ＶＳが立ち下がった後、ｔ４において、ゲート電圧ＶＡが立ち上がる。これにより、トランジスタＴａが導通状態となり、キャパシタＣＰｓとキャパシタＣＰａとがセンスノードＳＮと基準電圧源との間に並列接続される。キャパシタＣＰｓに蓄積されていた電荷の一部がキャパシタＣＰａに移動し、センスノードＳＮの電圧ＶｓｎとキャパシタＣＰｓの電圧Ｖｃｓは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧Ｖｃｓ、Ｖｓｎは、ともに式１を満たす。
Ｖｃｓ＝Ｖｓｎ＝ＶＤＤＬ×（Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃａ））（式１）

【0061】

センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ２を超えると、ｔ５において、光検出パルスＰＬＳが立ち上がる。電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ２を超えた後、インバータＩＮＶ４、ＩＮＶ５の遅延回路によって、光検出パルスＰＬＳが遅延して立ち上がる。

【0062】

カウンタ回路１６は、光検出パルスＰＬＳの立上りをカウントする。

【0063】

光検出パルスＰＬＳの立上りは、トランジスタＴｒｓｔのゲートへフィードバックされる。これにより、ｔ６において、トランジスタＴｒｓｔが導通状態となり、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが基準電圧源にリセットされる。さらに、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが基準電圧源にリセットされると、ｔ７において、光検出パルスＰＬＳが立下がる。

【0064】

その後、フォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとに、ｔ１～ｔ７が繰り返される。

【0065】

ここで、図３では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。よって、ｔ４～ｔ５において、トランジスタＴａが導通状態となったとき、電圧Ｖｃｓは、キャパシタＣＰｓとキャパシタＣＰａとで容量分割される。センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｓの容量（トランジスタＴｓとトランジスタＴａとの間のノードの容量）とキャパシタＣＰａの容量（センスノードＳＮの容量）との比Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃａ）によって決まり、式１のように表される。容量Ｃａが小さい場合、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは大きくなる。このときのセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ２を超えるように、キャパシタＣＰａの容量Ｃａを設定すれば、光検出パルスＰＬＳは、フォトダイオードＰＤのアバランシェ降伏ごとに生成される。これにより、カウンタ回路１６は、１つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとにカウントすることができる。即ち、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤに入射するフォトン数を計数することができる。

【0066】

フォトンのカウント数が所定値に達すると、カウンタ回路１６の所定ビットが反転する。このとき、カウンタ回路１６は、スイッチＳＷ１の制御信号を反転させてスイッチＳＷ１を導通状態にする。

【0067】

図４は、スイッチＳＷ１が導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図４では、スイッチＳＷ１が導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的大きい（Ｃａ＋Ｃｖ）である。この動作は、高照度の光を検出する高照度モードに適した動作である。

【0068】

フォトン待機中において、制御信号Ｖｑは高レベル電圧に設定され、トランジスタＴｒｃｈが導通状態となっている。フォトダイオードＰＤのカソード電圧ＶＫが高レベル電圧源ＶＤＤＨによって充電されている。フォトダイオードＰＤには逆バイアス電圧が印加される。このような状態で、フォトダイオードＰＤはフォトンの入射を待機する。

【0069】

ｔ１１において、フォトダイオードＰＤにフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫが低下する。

【0070】

ｔ１２において、カソード電圧ＶＫが閾値Ｖｔ１を下回ると、電圧ＶＳが立ち上がる。これにより、トランジスタＴｓが導通状態になり、キャパシタＣＰｓがトランジスタＴｓを介して電圧源ＶＤＤＬによって充電される。電圧Ｖｃｓは、ほぼ電圧源ＶＤＤＬの電圧に等しくなる。

【0071】

トランジスタＴｒｃｈは導通状態を維持しているので、フォトダイオードＰＤがクエンチによって降伏前の元の状態に戻ると、カソード電圧ＶＫはまた上昇する。

【0072】

ｔ１３において、カソード電圧ＶＫが閾値Ｖｔ１を超えると、トランジスタＴｓのゲート電圧ＶＳは立ち下がる。これにより、トランジスタＴｓが非導通状態になり、キャパシタＣＰｓが充電状態まま電圧源ＶＤＤＬから切断される。

【0073】

電圧ＶＳが立ち下がった後、インバータＩＮＶ２、ＩＮＶ３の遅延回路によって、電圧ＶＡが電圧ＶＳに対して遅延して立ち上がる。ゲート電圧ＶＳが立ち下がった後、ｔ１４において、ゲート電圧ＶＡが立ち上がる。これにより、トランジスタＴａが導通状態となり、キャパシタＣＰｓ、ＣＰａおよびＣＰｖがセンスノードＳＮと基準電圧源との間に並列接続される。キャパシタＣＰｓに蓄積されていた電荷の一部がキャパシタＣＰａおよびＣＰｖに移動し、センスノードＳＮの電圧ＶｓｎとキャパシタＣＰｓの一端の電圧Ｖｃｓは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧Ｖｃｓ、Ｖｓｎは、ともに式２を満たす。
Ｖｃｓ＝Ｖｓｎ＝ＶＤＤＬ×（Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃａ＋Ｃｖ））（式２）

【0074】

ここで、スイッチＳＷ１が導通状態であるので、センスノードＳＮの容量がＣａから（Ｃａ＋Ｃｖ）へ増大している。よって、ｔ１４～ｔ１５において、電圧Ｖｃｓは、キャパシタＣＰｓとキャパシタＣＰａ、ＣＰｖとで容量分割される。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｓの容量（トランジスタＴｓとトランジスタＴａとの間のノードの容量）とキャパシタＣＰａおよびＣＰｖの容量（センスノードＳＮの容量）との比Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃａ＋Ｃｖ）によって決まり、式２のように表される。容量（Ｃａ＋Ｃｖ）は、容量Ｃａよりも大きいので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、スイッチＳＷ１が非導通状態のときと比べて小さくなる。このときのセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ２を超えないように、キャパシタＣＰａ、ＣＰｖの容量Ｃａ、Ｃｖを設定すれば、光検出パルスＰＬＳは、１回目のフォトダイオードＰＤのアバランシェ降伏では生成されない。即ち、カウンタ回路１６は、１個のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射してもカウントしない。

【0075】

光検出パルスＰＬＳが生成されないので、トランジスタＴｒｓｔは非導通状態のままとなり、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎはリセットされない。

【0076】

ｔ１５においてゲート電圧ＶＡが立ち下がった後、ｔ１６において、２つ目のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射すると、ｔ１１の動作と同様に、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫが再度低下する。

【0077】

ｔ１７～ｔ１８の動作は、それぞれｔ１２～ｔ１３の動作と同じである。

【0078】

ｔ１８において、電圧ＶＳが立ち下がった後、インバータＩＮＶ２、ＩＮＶ３の遅延回路によって、電圧ＶＡが電圧ＶＳに対して遅延して立ち上がる。ゲート電圧ＶＳが立ち下がった後、ｔ１９において、ゲート電圧ＶＡが立ち上がる。これにより、トランジスタＴａが導通状態となり、キャパシタＣＰｓ、ＣＰａおよびＣＰｖが電気的に並列接続される。キャパシタＣＰｓに蓄積されていた電荷の一部がキャパシタＣＰａおよびＣＰｖにさらに移動し、センスノードＳＮの電圧ＶｓｎとキャパシタＣＰｓの電圧Ｖｃｓは、平均化され、ほぼ等しくなる。このとき、電圧Ｖｃｓ、Ｖｓｎは、ともに式３を満たす。
Ｖｃｓ＝Ｖｓｎ＝ＶＤＤＬ×（Ｃｓ×（Ｃｓ＋２Ｃａ＋２Ｃｖ）／（Ｃｓ＋Ｃａ＋Ｃｖ）^２）（式３）

【0079】

ここで、１つ目のフォトンの入射時には、光検出パルスＰＬＳは生成されていないので、センスノードＳＮはリセットされていない。従って、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、ＶＤＤＬ×（Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃａ＋Ｃｖ））に充電された状態を維持している。さらに、２個目のフォトンの入射時に、センスノードＳＮがさらに充電されて、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、ＶＤＤＬ×（Ｃｓ×（Ｃｓ＋２Ｃａ＋２Ｃｖ）／（Ｃｓ＋Ｃａ＋Ｃｖ）^２）になる。このときのセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ２を超えるように、キャパシタＣＰａ、ＣＰｖの容量Ｃａ、Ｃｖを設定すれば、光検出パルスＰＬＳは、フォトダイオードＰＤの２回目のアバランシェ降伏によって生成される。これにより、カウンタ回路１６は、２つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとに、１カウントすることができる。

【0080】

カウンタ回路１６が１フォトンの検出に対して１カウントするためには、式４を満たすようにＣｓ、Ｃａを設定する。カウンタ回路１６が２フォトンの検出に対して１カウントするためには、式５および式６を満たすようにＣｓ、Ｃａ、Ｃｖを設定する。尚、Ｖｔｈは、インバータＩＮＶ４の閾値電圧である。
Ｃａ＜Ｃｓ（ＶＤＤＬ－Ｖｔｈ）／Ｖｔｈ（式４）
Ｃａ＋Ｃｖ＞Ｃｓ（ＶＤＤＬ－Ｖｔｈ）／Ｖｔｈ（式５）
ＶＤＤＬ×Ｃｓ（Ｃｓ＋２Ｃａ＋ｓＣｖ）＞Ｖｔｈ（Ｃｓ＋Ｃａ＋Ｃｖ）^２（式６）

【0081】

ｔ２０において、光検出パルスＰＬＳが立上ると、カウンタ回路１６がカウント値を１だけ増大させるとともに、トランジスタＴｒｓｔへの制御信号を立ち上げる。これにより、ｔ２１において、トランジスタＴｒｓｔが導通状態となり、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが基準電圧源にリセットされる。さらに、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが基準電圧源によってリセットされると、ｔ２２において、光検出パルスＰＬＳが立下がる。

【0082】

その後、２つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとに、ｔ１１～ｔ２２が繰り返される。

【0083】

このように、本実施形態による光検出装置１００は、カウンタ回路１６のカウント値に応じて、フォトダイオードＰＤの降伏回数に対するカウント値の上昇を制御することができる。

【0084】

例えば、図５は、入射フォトン数とカウント値との関係を示すグラフである。横軸は、フォトダイオードＰＤへ入射するフォトン数を示す。縦軸は、カウンタ回路１６のカウント値を示す。

【0085】

カウンタ回路１６のカウント値が所定値Ｍ未満の場合（低照度の光の場合）に、カウント制御回路１４のスイッチＳＷ１は、非導通状態となっており、キャパシタＣＰｖをセンスノードＳＮから電気的に切断している。よって、センスノードＳＮの容量がＣａと比較的小さく、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｓからの電荷によって大きく上昇する。これにより、画素制御回路１２は、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏するごとに光検出パルスＰＬＳを出力する。カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤが１フォトンを検出するごとにカウント値を１ずつ増大させる。

【0086】

一方、カウンタ回路１６のカウント値が所定値Ｍ以上の場合（高照度の光の場合）に、カウント制御回路１４のスイッチＳＷ１は、導通状態となり、キャパシタＣＰｖをセンスノードＳＮに電気的に接続する。よって、センスノードＳＮの容量がＣａから（Ｃａ＋Ｃｖ）へと増大し、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｓからの電荷によって上昇幅が小さくなる。これにより、画素制御回路１２は、フォトダイオードＰＤが複数回アバランシェ降伏するごとに光検出パルスＰＬＳを出力する。カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤが複数のフォトンを検出するごとにカウント値を１ずつ増大させる。

【0087】

尚、スイッチＳＷ１が導通状態の場合、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤが２個のフォトンを検出するごとにカウント値を１ずつ増大させる。キャパシタＣＰｖの容量Ｃｖを変更することによって、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤがｎ回（ｎは２以上の整数）降伏するごと（ｎ個のフォトンを検出するごと）にカウント値を１ずつ増大させることができる。

【0088】

以上のように、本実施形態によれば、フォトダイオードＰＤが入射フォトンを全て検出しつつも、センスノードＳＮの容量を制御することによって、光検出パルスＰＬＳの生成頻度を制限し、カウンタ回路１６のカウント値を削減することができる。

【0089】

例えば、低照度の光が入射したときには、カウンタ回路１６は、１フォトンに対してカウント値を上げる。これにより、光検出装置１００は、低照度の光に対して高いＳＮＲで検出することができる。

【0090】

高照度の光が入射したときには、カウンタ回路１６は、カウント値が所定値Ｍまでは１フォトンに対してカウント値を上げ、カウント値が所定値Ｍを超えたときにｎフォトンに対してカウント値を上げる。これにより、高照度の光であっても、カウンタ回路１６のカウント値（ビット数）の増加が抑制され、カウント値の上限まで達し難くなる。これにより、カウンタ回路１６のカウント値をさらに削減することができる。従って、カウンタ回路１６は、高照度の光に対して飽和し難くなり、より高い照度の光のフォトン数をカウントすることができる。

【0091】

また、高照度の光であっても、フォトダイオードＰＤは全てのフォトンを間引くことなく検出しており、カウンタ回路１６のカウント値を参照すれば、フォトン数を正確に算出するこができる。即ち、高照度の光が入射しても、カウンタ回路１６は、ＳＮＲを劣化させることなくフォトンをカウントすることができる。よって、本実施形態による光検出装置１００は、ＳＮＲを劣化させることなくダイナミックレンジを広げることができる。

【0092】

また、高照度の光であっても、カウント値がその上限に達する頻度が少なくなり、カウンタ回路１６の読出し回数も削減できる。また、高照度の光において、カウンタ回路１６のカウント値や光検出パルスＰＬＳの生成が削減される。これにより、光検出装置１００の消費電力を低減させることができる。

【0093】

カウント制御回路１４は、各画素Ｐに対応して設けられている。従って、カウント制御回路１４は、画素Ｐごとに低照度モードと高照度モードとのいずれかに感度を切り替えることができる。

【0094】

カウンタ回路１６のレジスタ回路のビット数の削減は、各画素Ｐのレイアウト面積の削減にもつながる。

【0095】

また、カウント制御回路１４は、光検出装置１００の外部から制御されてもよい。この場合、画素Ｐごとの切り替えは難しいが、画素領域１０全体の切り替えは可能である。

【0096】

（変形例）
図６は、１つの画素Ｐの内部構成の他の例の一部を示すブロック図である。第１実施形態では、カウント制御回路１４は、キャパシタＣＰｖによってセンスノードＳＮの容量を変更している。しかし、本変形例のように、カウント制御回路１４は、キャパシタＣＰｓに並列に接続され、トランジスタＴｓとトランジスタＴａとの間のノードの容量を可変にしてもよい。この場合、低照度モードでは、カウント制御回路１４は、スイッチＳＷ１を導通状態にして、キャパシタＣＰｖをキャパシタＣＰｓに電気的に並列に接続し、トランジスタＴｓとトランジスタＴａとの間のノードの容量を増大させる。高照度モードでは、カウント制御回路１４は、スイッチＳＷ１を非導通状態にして、キャパシタＣＰｖをキャパシタＣＰｓから電気的に切断し、トランジスタＴｓとトランジスタＴａとの間のノードの容量を低下させる。スイッチＳＷ１は、上記実施形態と同様に、カウンタ回路１６からの制御信号によって制御すればよい。尚、スイッチＳＷ１の制御信号は第１実施形態のそれと逆論理にする。これにより、上記実施形態と同様に、光検出装置１００は、カウンタ回路１６のカウント値に応じて、フォトダイオードＰＤの降伏回数に対するカウント値の上昇を制御することができる。

【0097】

本変形例の他の構成および動作は、第１実施形態と同じでよい。これにより、本変形例は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0098】

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る画素Ｐの内部構成の一例を示すブロック図である。第２実施形態では、センスノードＳＮは、抵抗素子ＲＫを介してフォトダイオードＰＤのカソードに接続されている。センスノードＳＮは、トランジスタＴｒｃｈを介して電圧源ＶＤＤＨに接続されている。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、電圧源ＶＤＤＬとは関係なく、電圧源ＶＤＤＨおよび抵抗素子ＲＫ等によって決定される。

【0099】

第２実施形態では、画素Ｐは、フォトダイオードＰＤと、トランジスタＴｒｃｈと、抵抗素子ＲＫと、キャパシタＣＰａ、ＣＫ１と、カウント制御回路１４と、カウンタ回路１６と、インバータＩＮＶ６、ＩＮＶ７とを備える。フォトダイオードＰＤ、キャパシタＣＰａ、カウント制御回路１４およびカウンタ回路１６は、第１実施形態と同じである。

【0100】

トランジスタＴｒｃｈは、電圧源ＶＤＤＨと抵抗素子ＲＫとの間に接続されている。トランジスタＴｒｃｈのゲートは、インバータＩＮＶ７の出力に接続されている。トランジスタＴｒｃｈは、光検出パルスＰＬＳの反転信号を受けて制御される。トランジスタＴｒｃｈは、例えば、ｐ型ＭＯＳＦＥＴで構成されている。

【0101】

抵抗素子ＲＫは、トランジスタＴｒｃｈのドレインとフォトダイオードＰＤのカソードとの間に接続されている。

【0102】

キャパシタＣＰｋ１は、フォトダイオードＰＤのカソードと基準電圧源（例えば、グランド）との間に接続されている。

【0103】

インバータＩＮＶ６は、センスノードＳＮとカウンタ回路１６との間に接続されている。インバータＩＮＶ７は、インバータＩＮＶ６の出力とトランジスタＴｒｃｈのゲートとの間に接続されている。

【0104】

次に、第２実施形態に係る光検出装置の動作を説明する。

【0105】

図８は、第２実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図８では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。図８は、低照度モードの動作を示す。

【0106】

まず、キャパシタＣＰｋ１、Ｃａが高レベル電圧源ＶＤＤＨによって充電された後、トランジスタＴｒｃｈは、非導通状態となっている。光検出パルスＰＬＳは低レベル電圧になっているので、制御信号ＸＲＣＧは高レベル電圧に設定される。カソード電圧ＶＫ１およびセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、高レベル電圧に維持されている。これにより、フォトダイオードＰＤには逆バイアス電圧が印加される。このような状態で、フォトダイオードＰＤはフォトンの入射を待機する。

【0107】

ｔ１において、フォトダイオードＰＤにフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。このとき、センスノードＳＮは、抵抗素子ＲＫを介してフォトダイオードＰＤのカソードに接続されている。従って、抵抗素子ＲＫが充分に大きい場合、電圧Ｖｓｎは、カソード電圧ＶＫ１よりも遅延して低下する。フォトダイオードＰＤの増倍が停止した後に、電荷がフォトダイオードＰＤのカソードとセンスノードＳＮとの間で分配され、電圧Ｖｓｎが低下する。このとき、電圧Ｖｓｎは、式７に示すように、キャパシタＣＰｋ１の容量ＣＫ１（フォトダイオードＰＤのカソードの容量）とキャパシタＣＰａの容量Ｃａ（センスノードＳＮの容量）との比で決定される。
Ｖｓｎ＝ΔＶＫ１×（ＣＫ１／（ＣＫ１＋Ｃａ））（式７）
尚、ΔＶＫ１は、フォトダイオードＰＤの降伏前後のカソード電圧ＶＫの変化量である。

【0108】

ｔ２において、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回ると、インバータＩＮＶ６によって、光検出パルスＰＬＳが立ち上がる。

【0109】

カウンタ回路１６は、光検出パルスＰＬＳの立上りをカウントする。

【0110】

光検出パルスＰＬＳの立上りは、インバータＩＮＶ７を介してトランジスタＴｒｃｈのゲートへフィードバックされる。このとき、光検出パルスＰＬＳの立上りは、インバータＩＮＶ７により遅延されてトランジスタＴｒｃｈのゲートへフィードバックされる。これにより、ｔ３において、トランジスタＴｒｃｈが導通状態となり、カソード電圧ＶＫおよびセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎを電圧源ＶＤＤＨで再充電する。このとき、ｔ４において、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値を超えると、光検出パルスＰＬＳが立下がる。光検出パルスＰＬＳの立下がりは、インバータＩＮＶ７により遅延されてトランジスタＴｒｃｈのゲートへ制御信号ＸＲＣＧとしてフィードバックされる。これにより、ｔ５において、トランジスタＴｒｃｈが非導通状態となり、カソード電圧ＶＫおよびセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが再充電された状態で電圧源ＶＤＤＨから分離される。

【0111】

その後、フォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとに、ｔ１～ｔ５が繰り返される。

【0112】

ここで、図８では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。よって、ｔ２～ｔ３において、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏したとき、電圧ＶＫ１、Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｋ１とキャパシタＣＰａとで容量分割される。センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｋ１の容量（フォトダイオードＰＤの容量）とキャパシタＣＰａの容量（センスノードＳＮの容量）との比Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃａ）によって決まり、式７のように表される。容量Ｃａが小さい場合、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは大きく変化する。このときのセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を超えるように、キャパシタＣＰａの容量Ｃａを設定すれば、光検出パルスＰＬＳは、フォトダイオードＰＤのアバランシェ降伏ごとに生成される。これにより、カウンタ回路１６は、１つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとにカウントすることができる。即ち、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤに入射するフォトン数をカウントすることができる。

【0113】

フォトンのカウント値が所定値に達すると、カウンタ回路１６の所定ビットが反転する。このとき、カウンタ回路１６は、スイッチＳＷ１の制御信号を反転させてスイッチＳＷ１を導通状態にする。

【0114】

図９は、スイッチＳＷ１が導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図９では、スイッチＳＷ１が導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的大きい（Ｃａ＋Ｃｖ）である。図９は、高照度モードの動作を示す。

【0115】

ｔ１１以前に、キャパシタＣＰｋ１、ＣａおよびＣｖが高レベル電圧源ＶＤＤＨによって充電された後、トランジスタＴｒｃｈは、非導通状態となっている。これにより、フォトダイオードＰＤには逆バイアス電圧が印加される。このような状態で、フォトダイオードＰＤはフォトンの入射を待機する。

【0116】

ｔ１１において、フォトダイオードＰＤにフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。

【0117】

カソード電圧ＶＫ１の低下は、抵抗素子ＲＫによって遅延してセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎに現れる。よって、カソード電圧ＶＫ１の低下に伴い、ｔ１２において、電圧Ｖｓｎも低下する。

【0118】

また、キャパシタＣＰａ、ＣＰｖとキャパシタＣＰｋ１との間で電荷の一部が移動し、電圧ＶＫ１とセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎはほぼ等しくなる。このとき、電圧ＶＫ１、Ｖｓｎは、ともに式８を満たす。
ＶＫ１＝Ｖｓｎ＝ΔＶＫ１×（ＣＫ１／（ＣＫ１＋Ｃａ＋Ｃｖ））（式８）

【0119】

ここで、スイッチＳＷ１が導通状態であると、センスノードＳＮの容量がＣａから（Ｃａ＋Ｃｖ）へ増大する。よって、ｔ１１～ｔ１２において、電圧ＶＫ１がキャパシタＣＰｋ１とキャパシタＣＰａ、ＣＰｖで容量分割される。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｋ１の容量（フォトダイオードＰＤの容量）とキャパシタＣＰａおよびＣＰｖの容量（センスノードＳＮの容量）との比ＣＫ１／（ＣＫ１＋Ｃａ＋Ｃｖ）によって決まり、式８のように表される。容量（Ｃａ＋Ｃｖ）は、容量Ｃａよりも大きいので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、スイッチＳＷ１が非導通状態のときと比べて小さくなる。このときのセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回らないように、キャパシタＣＰａ、ＣＰｖの容量Ｃａ、Ｃｖを設定すれば、光検出パルスＰＬＳは、１回目のフォトダイオードＰＤのアバランシェ降伏では生成されない。即ち、カウンタ回路１６は、１個のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射してもカウントしない。

【0120】

光検出パルスＰＬＳが生成されないので、トランジスタＴｒｓｔは非導通状態のままとなり、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎはリセットされない。

【0121】

フォトダイオードＰＤのクエンチング後、ｔ１３において、フォトンが再度フォトダイオードＰＤに入射すると、ｔ１１の動作と同様に、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫが再度低下する。

【0122】

カソード電圧ＶＫ１の低下は、抵抗素子ＲＫによって遅延してセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎに現れる。よって、カソード電圧ＶＫ１の低下に伴い、ｔ１４において、電圧Ｖｓｎも低下する。

【0123】

また、キャパシタＣＰａ、ＣＰｖとキャパシタＣＰｋ１との間で電荷の一部が移動し、電圧ＶＫ１とセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧ＶＫ１、Ｖｓｎは、ともに式８を満たす。

【0124】

ｔ１３～ｔ１４において、キャパシタＣＰａ、ＣＰｖとキャパシタＣＰｋ１との間で電荷の一部が移動し、センスノードＳＮの電圧ＶｓｎとキャパシタＣＰｋ１の一端の電圧ＶＫ１は、平均化され、ほぼ等しくなる。このとき、電圧ＶＫ１、Ｖｓｎは、ともに式９を満たす。
ＶＫ１＝Ｖｓｎ＝ΔＶＫ１×（ＣＫ１×（ＣＫ１＋２Ｃａ＋２Ｃｖ）／（ＣＫ１＋Ｃａ＋Ｃｖ）^２）（式９）

【0125】

ここで、１回目のフォトンの入射時には、光検出パルスＰＬＳは生成されていないので、センスノードＳＮはリセットされていない。従って、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、ΔＶＫ１×（ＣＫ１／（ＣＫ１＋Ｃａ＋Ｃｖ））に充電された状態を維持している。さらに、２回目のフォトンの入射時に、センスノードＳＮがさらに充電されて、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、ΔＶＫ１×（ＣＫ１×（ＣＫ１＋２Ｃａ＋２Ｃｖ）／（ＣＫ１＋Ｃａ＋Ｃｖ）^２）になる。このときのセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回るように、キャパシタＣＰａ、ＣＰｖの容量Ｃａ、Ｃｖを設定すれば、光検出パルスＰＬＳは、フォトダイオードＰＤが２回アバランシェ降伏するごとに生成される。これにより、カウンタ回路１６は、２つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとに、１カウントすることができる。

【0126】

ｔ１４において、光検出パルスＰＬＳが立上ると、カウンタ回路１６がカウントを１だけ増加させるとともに、光検出パルスＰＬＳがトランジスタＴｒｃｈのゲートへフィードバックされる。これにより、ｔ１５において、トランジスタＴｒｃｈが導通状態となり、電圧ＶＫ１および電圧Ｖｓｎを電圧源ＶＤＤＨに再充電する。

【0127】

ｔ１６において、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を超えると、光検出パルスＰＬＳが立下がる。ｔ１７において、トランジスタＴｒｃｈが非導通状態に戻る。これにより、カソード電圧ＶＫおよびセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが再充電された状態で電圧源ＶＤＤＨから分離される。

【0128】

その後、２つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとに、ｔ１１～ｔ１７が繰り返される。

【0129】

このように、第２実施形態によれば、フォトダイオードＰＤが入射フォトンを全て検出しつつも、センスノードＳＮの容量を制御することによって、光検出パルスＰＬＳの生成頻度を制限し、カウンタ回路１６のカウント値を削減することができる。よって、第２実施形態は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0130】

第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、キャパシタＣＰｖの容量Ｃｖを変更することによって、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤがｎ回降伏するごと（ｎ個のフォトンを検出するごと）にカウント値を１ずつ増大させることができる。これにより、カウンタ回路１６のカウント値を削減することができる。

【0131】

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態に係る画素Ｐの内部構成の一例を示すブロック図である。第３実施形態では、抵抗素子ＲＫに代わって、トランジスタＴｃｌｉｐがトランジスタＴｒｃｈのソースとフォトダイオードＰＤのカソードとの間に接続されている。トランジスタＴｃｌｉｐは、垂直選択回路３０からの制御信号ＣＬＩＰによって導通状態または非導通状態に制御される。トランジスタＴｃｌｉｐは、例えば、ｐ型ＭＯＳＦＥＴで構成されている。

【0132】

第２実施形態では、抵抗素子ＲＫが光検出パルスＰＬＳの生成タイミングを決定しているが、第３実施形態では、制御信号ＣＬＩＰが光検出パルスＰＬＳの生成タイミングを決定している。制御信号ＣＬＩＰは、周期的にハイ／ロウを繰り返してもよい。第３実施形態のその他の構成は、第２実施形態の構成と同様でよい。

【0133】

次に、第３実施形態に係る光検出装置の動作を説明する。

【0134】

図１１は、第３実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図１１では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。図１１は、低照度モードの動作を示す。

【0135】

ｔ１までの動作は、第２実施形態と同様である。このような状態で、フォトダイオードＰＤはフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタＴｃｌｉｐは、フォトダイオードＰＤに逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。

【0136】

ｔ１において、フォトダイオードＰＤにフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。このとき、トランジスタＴｃｌｉｐは、非導通状態となっているので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは低下しない。

【0137】

ｔ２において、信号ＣＬＩＰが立ち下がると、トランジスタＴｃｌｉｐが導通状態になる。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎがカソード電圧ＶＫ１に接続されて低下する。

【0138】

ｔ３において、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回ると、インバータＩＮＶ６によって、光検出パルスＰＬＳが立ち上がる。

【0139】

このように、電圧Ｖｓｎの立ち下がりのタイミングと光検出パルスＰＬＳの立上りタイミングは、信号ＣＬＩＰの立下りのタイミングによって制御され得る。キャパシタＣＰｋ１の電荷はフォトダイオードＰＤのカソードとセンスノードＳＮとの間で分配され、電圧Ｖｓｎが低下し、電圧ＶＫ１は上昇する。このとき、電圧Ｖｓｎは、式７に示すように、キャパシタＣＰｋ１の容量ＣＫ１（フォトダイオードＰＤのカソードの容量）とキャパシタＣＰａの容量Ｃａ（センスノードＳＮの容量）との比で決定される。

【0140】

カウンタ回路１６は、光検出パルスＰＬＳの立上りをカウントする。

【0141】

光検出パルスＰＬＳの立上りは、インバータＩＮＶ７を介して遅延してトランジスタＴｒｃｈのゲートへフィードバックされる。これにより、ｔ４において、トランジスタＴｒｃｈが導通状態となり、カソード電圧ＶＫおよびセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎを電圧源ＶＤＤＨに再充電する。ｔ５において、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を超えると、光検出パルスＰＬＳが立下がる。光検出パルスＰＬＳの立下がりは、インバータＩＮＶ７により遅延されてトランジスタＴｒｃｈのゲートへフィードバックされる。これにより、ｔ６において、トランジスタＴｒｃｈが非導通状態に戻り、カソード電圧ＶＫおよびセンスノードＳＮが再充電された状態で電圧源ＶＤＤＨから分離される。

【0142】

カソード電圧ＶＫおよびセンスノードＳＮの再充電後、ｔ７において、制御信号ＣＬＩＰが立上り、トランジスタＴｃｌｉｐが非導通状態になる。これにより、ｔ１以前の状態に戻る。

【0143】

その後、フォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとに、ｔ１～ｔ７が繰り返される。制御信号ＣＬＩＰは、周期的にハイ／ロウを繰り返してもよい。

【0144】

第３実施形態では、制御信号ＣＬＩＰが光検出パルスＰＬＳの生成タイミングを決定している。第３実施形態のその他の動作は、第２実施形態の動作と同様でよい。これにより、カウンタ回路１６は、１つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとにカウントすることができる。

【0145】

フォトンのカウント数が所定値に達すると、カウンタ回路１６の所定ビットが反転する。このとき、カウンタ回路１６は、制御信号を反転させてスイッチＳＷ１を導通状態にする。

【0146】

図１２は、スイッチＳＷ１が導通状態になったときの光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図１２では、スイッチＳＷ１が導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的大きい（Ｃａ＋Ｃｖ）である。図１２は、高照度モードの動作を示す。

【0147】

ｔ１１までの動作は、第２実施形態と同様である。このような状態で、フォトダイオードＰＤはフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタＴｃｌｉｐは、フォトダイオードＰＤに逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。

【0148】

ｔ１１において、フォトダイオードＰＤにフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。このとき、トランジスタＴｃｌｉｐは、非導通状態となっているので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは低下しない。

【0149】

ｔ１２において、信号ＣＬＩＰが立ち下がると、トランジスタＴｃｌｉｐが導通状態になる。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎがカソード電圧ＶＫ１に接続されて低下する。ｔ１３において、キャパシタＣＰｋ１に蓄積されていた電荷の一部がキャパシタＣＰａおよびＣＰｖに移動し、電圧ＶＫ１とセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧ＶＫ１、Ｖｓｎは、ともに式８を満たす。

【0150】

ここで、スイッチＳＷ１が導通状態であるので、第２実施形態と同様に、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回らないように、キャパシタＣＰａ、ＣＰｖの容量Ｃａ、Ｃｖを設定すれば、光検出パルスＰＬＳは、１回目のフォトダイオードＰＤのアバランシェ降伏では生成されない。即ち、カウンタ回路１６は、１個のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射してもカウントしない。

【0151】

光検出パルスＰＬＳが生成されないので、トランジスタＴｒｃｈは非導通状態のままとなり、キャパシタＣＰｋ１の電圧ＣＫ１およびセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎはリセットされない。

【0152】

次に、ｔ１４において、制御信号ＣＬＩＰを立ち上げてトランジスタＴｃｌｉｐを非導通状態にする。

【0153】

次に、ｔ１５において、２つ目のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射すると、ｔ１１の動作と同様に、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が再度低下する。

【0154】

ｔ１６において、信号ＣＬＩＰが立ち下がると、トランジスタＴｃｌｉｐが導通状態になる。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎがカソード電圧ＶＫ１に接続されて低下する。キャパシタＣＰｋ１に蓄積されていた電荷の一部がキャパシタＣＰａおよびＣＰｖに移動し、電圧ＶＫ１とセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、ほぼ等しくなる。このとき、電圧ＶＫ１、Ｖｓｎは、ともに式９を満たす。

【0155】

【0156】

ｔ１７において、光検出パルスＰＬＳが立上ると、カウンタ回路１６がカウントを１上げるとともに、光検出パルスＰＬＳがトランジスタＴｒｃｈのゲートへフィードバックされる。これにより、ｔ１８において、信号ＸＲＣＧが立下ってトランジスタＴｒｃｈが導通状態となり、電圧ＶＫ１および電圧Ｖｓｎを電圧源ＶＤＤＨに再充電する。センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが電圧源ＶＤＤＨに再充電されると、ｔ１９において、光検出パルスＰＬＳが立下がり、ｔ２０において、信号ＸＲＣＧが立上ってトランジスタＴｒｃｈが非導通状態に戻る。

【0157】

その後、２つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射するごとに、ｔ１１～ｔ２１が繰り返される。

【0158】

このように、第３実施形態によれば、フォトダイオードＰＤが入射フォトンを全て検出しつつも、センスノードＳＮの容量を制御することによって、光検出パルスＰＬＳの生成頻度を制限し、カウンタ回路１６のカウント値を削減することができる。よって、第３実施形態は、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0159】

第３実施形態でも、第２実施形態と同様に、キャパシタＣＰｖの容量Ｃｖを変更することによって、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤがｎ回降伏するごと（ｎ個のフォトンを検出するごと）にカウント値を１ずつ増大させることができる。これにより、カウンタ回路１６のカウント値をさらに削減することができる。

【0160】

第３実施形態では、抵抗素子ＲＫに代えてトランジスタＴｃｌｉｐが用いられている。従って、トランジスタＴｃｌｉｐのオン抵抗を低下させることによって、キャパシタＣＰｋ１、Ｃａ、Ｃｖの再充電時間を短縮することができる。

【0161】

（第４実施形態）
図１３は、第４実施形態に係る画素Ｐの内部構成の一例を示すブロック図である。第４実施形態では、複数のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、複数のキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、複数のトランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２が共通のセンスノードＳＮと基準電圧源との間に並列に接続されている。フォトダイオードＰＤ２およびトランジスタＴｃｌｉｐ２は、複数のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、複数のキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、および、複数のトランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２の構成は、それぞれ第３実施形態のフォトダイオードＰＤ、キャパシタＣＰｋ１およびトランジスタＴｃｌｉｐの構成と同じでよい。これにより、第４実施形態では、１つのカウンタ回路１６が複数のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に入射するフォトンをカウントする。第４実施形態のその他の構成は、第３実施形態の構成と同様でよい。

【0162】

次に、第４実施形態に係る光検出装置の動作を説明する。

【0163】

図１４および図１５は、第４実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図１４および図１５では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。図１４および図１５は、低照度モードの動作を示す。図１４は、片方のフォトダイオードＰＤ１がフォトンを検出しているときの動作を示す。図１５は、両方のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がフォトンを検出しているときの動作を示す。

【0164】

図１４および図１５のｔ１、ｔ１ａまでの動作は、基本的に第２実施形態と同様である。このとき、キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａは、充電された状態となっている。このような状態で、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２はフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２は、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。

【0165】

（ＰＤ１のみにフォトン入射）
図１４に示すように、ｔ１において、フォトダイオードＰＤ１にフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤ１がアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。このとき、トランジスタＴｃｌｉｐ１は、非導通状態となっているので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは低下しない。また、フォトダイオードＰＤ２には、フォトンが入射していないので、フォトダイオードＰＤ２のカソード電圧ＶＫ２は低下しない。

【0166】

ｔ２において、制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立ち下がると、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２が導通状態になる。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎがカソード電圧ＶＫ１に接続されて低下する。

【0167】

ｔ３において、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回ると、インバータＩＮＶ６によって、光検出パルスＰＬＳが立ち上がる。

【0168】

このように、電圧Ｖｓｎの立ち下がりのタイミングと光検出パルスＰＬＳの立上りタイミングは、制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２の立下りのタイミングによって制御され得る。キャパシタＣＰｋ１の電荷はフォトダイオードＰＤ１のカソードとセンスノードＳＮとの間で分配され、電圧Ｖｓｎが低下し、電圧ＶＫ１は上昇する。このとき、電圧Ｖｓｎ、ＶＫ１、ＶＫ２はほぼ等しくなる。電圧Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２の容量ＣＫ１、ＣＫ２（フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のカソードの容量）とキャパシタＣＰａの容量Ｃａ（センスノードＳＮの容量）との比（ＣＫ１／（ＣＫ１＋ＣＫ２＋Ｃａ））で決定される。

【0169】

カウンタ回路１６は、光検出パルスＰＬＳの立上りをカウントする。

【0170】

その後のｔ４～ｔ７の再充電の動作は、第３実施形態と同じでよい。

【0171】

キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２およびセンスノードＳＮの再充電後、ｔ７において、制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立上り、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２が非導通状態になる。これにより、ｔ１以前の状態に戻る。制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２は、同期しており周期的にハイ／ロウを繰り返す。

【0172】

尚、フォトダイオードＰＤ２のみにフォトンが入射する場合の光検出装置１００の動作は、図１４を参照して容易に理解できるので、その説明を省略する。

【0173】

（ＰＤ１およびＰＤ２の両方にフォトン入射）
図１５に示すように、ｔ１ａ、ｔ１ｂにおいて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方にフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１、ＶＫ２がともに低下する。このとき、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２は、非導通状態となっているので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは低下しない。

【0174】

ｔ２において、制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立ち下がると、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２が導通状態になる。これにより、センスノードＳＮがキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２に接続され、電圧Ｖｓｎがカソード電圧ＶＫ１、ＶＫ２によって低下する。

【0175】

ｔ３において、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回ると、インバータＩＮＶ６によって、光検出パルスＰＬＳが立ち上がる。

【0176】

このように、電圧Ｖｓｎの立ち下がりのタイミングと光検出パルスＰＬＳの立上りタイミングは、制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２の立下りのタイミングによって制御され得る。キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２の電荷はセンスノードＳＮとの間で分配され、電圧Ｖｓｎが低下し、電圧ＶＫ１、ＶＫ２は上昇する。このとき、電圧Ｖｓｎ、ＶＫ１、ＶＫ２はほぼ等しくなる。電圧Ｖｓｎは、キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２の容量ＣＫ１、ＣＫ２（フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のカソードの容量）とキャパシタＣＰａの容量Ｃａ（センスノードＳＮの容量）との比（ＣＫ１＋ＣＫ２／（ＣＫ１＋ＣＫ２＋Ｃａ））で決定される。

【0177】

カウンタ回路１６は、光検出パルスＰＬＳの立上りをカウントする。

【0178】

その後のｔ４～ｔ７の再充電の動作は、第３実施形態と同じでよい。

【0179】

【0180】

このように、低照度モードでは、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の少なくとも一方がフォトンを検出した場合に、光検出パルスＰＬＳが生成され、カウンタ回路１６は、光検出パルスＰＬＳをカウントする。

【0181】

図１６および図１７は、第４実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図１６および図１７では、スイッチＳＷ１が導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的大きく、（Ｃａ＋Ｃｖ）である。図１６および図１７は、高照度モードの動作を示す。図１６は、片方のフォトダイオードＰＤ１がフォトンを検出しているときの動作を示す。図１７は、両方のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がフォトンを検出しているときの動作を示す。

【0182】

図１６および図１７のｔ１１、ｔ１１ａまでの動作は、基本的に第２実施形態と同様である。このとき、キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａは、充電された状態となっている。このような状態で、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２はフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２は、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。

【0183】

（ＰＤ１のみにフォトン入射）
図１６に示すように、ｔ１１において、フォトダイオードＰＤ１にフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤ１がアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。このとき、トランジスタＴｃｌｉｐ１は、非導通状態となっているので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは低下しない。また、フォトダイオードＰＤ２には、フォトンが入射していないので、フォトダイオードＰＤ２のカソード電圧ＶＫ２は低下しない。

【0184】

ｔ１２において、制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立ち下がると、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２が導通状態になる。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎがカソード電圧ＶＫ１に接続されて低下する。ｔ１３において、キャパシタＣＰｋ１に蓄積されていた電荷の一部がキャパシタＣＰａ、ＣＰｖおよびＣＰｋ２に移動し、電圧ＶＫ１、ＶＫ２とセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、ほぼ等しくなる。

【0185】

【0186】

【0187】

次に、ｔ１４において、制御信号ＣＬＩＰを立ち上げてトランジスタＴｃｌｉｐを非導通状態にする。これにより、光検出装置１００は、ｔ１１以前の状態に戻る。制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２は、同期しており周期的にハイ／ロウを繰り返す。

【0188】

（ＰＤ１およびＰＤ２の両方にフォトン入射）
図１７に示すように、ｔ１１ａ、ｔ１１ｂにおいて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方にフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１、ＶＫ２がともに低下する。このとき、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２は、非導通状態となっているので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは低下しない。

【0189】

ｔ１２において、制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立ち下がると、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２が導通状態になる。これにより、センスノードＳＮがキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２に接続され、電圧Ｖｓｎがカソード電圧ＶＫ１、ＶＫ２によって低下する。

【0190】

ｔ１３において、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回ると、インバータＩＮＶ６によって、光検出パルスＰＬＳが立ち上がる。

【0191】

【0192】

カウンタ回路１６は、光検出パルスＰＬＳの立上りをカウントする。

【0193】

その後のｔ１４～ｔ１７の再充電の動作は、図１５のｔ４～ｔ７の動作と同じでよい。

【0194】

キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２およびセンスノードＳＮの再充電後、ｔ１７において、制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立上り、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２が非導通状態になる。これにより、ｔ１１以前の状態に戻る。制御信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２は、同期しており周期的にハイ／ロウを繰り返す。

【0195】

このように、高照度モードでは、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の一方のみがフォトンを検出しても、光検出パルスＰＬＳが生成されず、カウンタ回路１６は、カウント値を上げない。一方、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方がフォトンを検出したときに、光検出パルスＰＬＳが生成され、カウンタ回路１６は、光検出パルスＰＬＳをカウントする。

【0196】

このように、第４実施形態は、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方がフォトンを検出したときに、カウンタ回路１６はカウント値を１増大させるので、カウンタ回路１６のカウント値を削減することができる。即ち、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は計２つのフォトンを検出したときに、カウンタ回路１６はカウント値を１だけ増加させる。これにより、第４実施形態は、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0197】

１つのカウンタ回路１６（１つのセンスノードＳＮ）に並列に接続するフォトダイオードＰＤの個数をｎとすると、カウンタ回路１６は、高照度モードにおいて、ｎ個のフォトダイオードＰＤが降伏するごと（ｎ個のフォトンを検出するごと）にカウント値を１ずつ増大させることができる。これにより、カウンタ回路１６のカウント値をさらに削減することができる。

【0198】

カウンタ回路１６が２つフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のいずれかを用いて１フォトンの検出に対して１カウントするためには、式１０および式１１を満たすようにＣａ、Ｃｋ１、Ｃｋ２を設定する。カウンタ回路１６が２つフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方が１フォトンずつ検出したときに１カウントするためには、式１２～式１４を満たすようにＣａ、Ｃｋ１、Ｃｋ２を設定する。尚、Ｖｔｈは、インバータＩＮＶ６の閾値電圧である。ΔＶＫ１は、フォトダイオードＰＤ１の降伏前後のカソード電圧ＶＫ１の変化量である。ΔＶＫ２は、フォトダイオードＰＤ２の降伏前後のカソード電圧ＶＫ２の変化量である。
Ｃａ＜Ｃｋ１（ΔＶｋ１―Ｖｔｈ）／Ｖｔｈ（式１０）
Ｃａ＜Ｃｋ２（ΔＶｋ２―Ｖｔｈ）／Ｖｔｈ（式１１）
Ｃａ＋Ｃｖ＞Ｃｋ１（ΔＶｋ１―Ｖｔｈ）／Ｖｔｈ（式１２）
Ｃａ＋Ｃｖ＞Ｃｋ２（ΔＶｋ２―Ｖｔｈ）／Ｖｔｈ（式１３）
Ｃａ＋Ｃｖ＜Ｃｋ１（ΔＶｋ１―Ｖｔｈ）／Ｖｔｈ＋Ｃｋ２（ΔＶｋ２―Ｖｔｈ）／Ｖｔｈ（式１４）

【0199】

第４実施形態のその他の構成は、第３実施形態と同様でよい。よって、第４実施形態は、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0200】

（第５実施形態）
図１８は、第５実施形態に係る画素Ｐの内部構成の一例を示すブロック図である。第５実施形態では、トランジスタＴｒｃｈおよびスイッチＳＷ１が画素Ｐの外部の垂直選択回路３０または制御回路７０によって制御されている。よって、低照度モードと高照度モードとの切り替え、および、キャパシタＣＰｋ１、Ｃａ（およびＣｖ）の充電のタイミングは、外部からの制御信号ＸＲＣＧおよびＸＳＷによって制御される。第５実施形態のその他の構成は、第２実施形態の構成と同様でよい。

【0201】

第５実施形態では、光検出パルスＰＬＳに依らず、キャパシタＣＰｋ１、Ｃａ（およびＣｖ）の充電のタイミングを任意に設定可能である。即ち、キャパシタＣＰｋ１、Ｃａ（およびＣｖ）の充電周期を任意に設定可能である。光検出装置１００は、任意に設定されたキャパシタＣＰｋ１、Ｃａの充電周期の間に、所定数ｎ個のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射したことを検出することができる。

【0202】

例えば、低照度モードでは、上記充電周期を長く設定することにより感度を高め、高照度モードでは、上記充電周期を短く設定し飽和を抑制する。さらに、所定数ｎ個のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射したときに、カウンタ回路１６がカウント値を１だけ増大させることができる。これにより、光検出装置１００は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、ＳＮＲを向上させることができる。第５実施形態のその他の動作は、第２実施形態と同様でよい。

【0203】

図１９は、第５実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図１９では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。図１９は、低照度モードの動作を示す。

【0204】

第５実施形態では、垂直選択回路３０が制御信号ＸＲＣＧを周期ＣＬＫで立ち下げ、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、Ｃａを周期ＣＬＫで充電する。

【0205】

キャパシタＣＰｋ１、Ｃａの充電と次の充電との間のｔ１において、フォトンがフォトダイオードＰＤに入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１およびセンスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが低下する。このとき、ｔ１～ｔ５の画素Ｐの動作は、第２実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスＰＬＳは、トランジスタＴｒｃｈのゲートへはフィードバックされない。

【0206】

これにより、カウンタ回路１６は、周期ＣＬＫの期間内に、１つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射すると、カウント値を１だけ増大させる。即ち、カウンタ回路１６は、周期ＣＬＫごとに、フォトダイオードＰＤに入射するフォトン検出することができる。

【0207】

図２０は、第５実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図２０では、スイッチＳＷ１が導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的大きく、（Ｃａ＋Ｃｖ）である。図２０は、高照度モードの動作において、１つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射した場合を示す。

【0208】

ｔ１１～ｔ１２の画素Ｐの動作は、第２実施形態のそれと同じでよい。ｔ１１において、フォトダイオードＰＤにフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。しかし、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回らないので、光検出パルスＰＬＳが生成されない。よって、カウンタ回路１６は、１個のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射してもカウントしない。

【0209】

２つ目のフォトンが入射しない場合、ｔ１５～ｔ１７において、次の充電動作で制御信号ＸＲＣＧが立下り、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、Ｃａを再充電する。これにより、ｔ１１の状態にリセットされる。

【0210】

高照度モードにおいて、周期ＣＬＫの期間内に２つのフォトンが入射した場合、第５実施形態の動作は、図９に示す第２実施形態の動作と同じでよい。よって、第５実施形態は、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第５実施形態では、低照度モードでは、充電周期ＣＬＫを長く設定することにより感度を高め、高照度モードでは、充電周期ＣＬＫを短く設定し飽和を抑制することができる。これにより、光検出装置１００は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、ＳＮＲを向上させることができる。

【0211】

図２１は、第５実施形態における充電周期ＣＬＫ１、ＣＬＫ２を示す概念図である。第５実施形態において、フォトダイオードＰＤの１回の露光期間に、複数の充電周期ＣＬＫ１、ＣＬＫ２が含まれていてもよい。例えば、充電周期ＣＬＫ１は、充電周期ＣＬＫ２よりも短周期であり、複数のフォトンを検出したときにカウント値を増加させる高照度モードに適している。一方、充電周期ＣＬＫ２は、充電周期ＣＬＫ１よりも長周期であり、１フォトンを検出したときにカウント値を増加させる低照度モードに適している。これにより、光検出装置１００は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、ＳＮＲを向上させることができる。

【0212】

図２２は、フォトン入射レートとカウント値との関係を示すグラフである。充電周期ＣＬＫ１は、高照度モードにおいて用いられ、複数のフォトンを検出したときにカウント値を増加させる。また、高照度モードでは、スイッチＳＷ１が導通状態となっている。充電周期ＣＬＫ２は、低照度モードにおいて用いられ、１フォトンを検出したときにカウント値を増加させる。また、低照度モードでは、スイッチＳＷ１が導通状態となっている。従って、フォトン入射レートが小さいときには、充電周期ＣＬＫ２が用いられ、フォトン入射レートが大きくなると、充電周期ＣＬＫ１が用いられる。

【0213】

総カウント値ＴＴＬは、充電周期ＣＬＫ１のカウント値と充電周期ＣＬＫ２のカウント値との和である。

【0214】

低照度モードでは、カウンタ回路１６は、充電周期ＣＬＫ２が適用され、かつ、スイッチＳＷ１が非導通状態であるので、１つのフォトンごとにカウント値を増加させる。従って、低照度モードにおけるＳＮＲを高くすることができる。一方、高照度モードでは、カウンタ回路１６は、充電周期ＣＬＫ１が適用され、かつ、スイッチＳＷ１が導通状態であるので、複数のフォトンごとにカウント値を増加させる。従って、総カウント値ＴＴＬを低く抑えることができる。これは、高照度モードでのカウント値の飽和を抑制しダイナミックレンジの増大につながる。

【0215】

図２３は、フォトン入射レートとＳＮＲとの関係を示すグラフである。尚、ＳＮＲは、Ｎ／Ｎ^１／２に比例する。Ｎは、フォトダイオードＰＤで検出されたフォトン数である。

【0216】

低照度モードにおいて、カウンタ回路１６は、１フォトンごとにカウント値を増加させる。高照度モードにおいて、カウンタ回路１６は、複数のフォトンごとにカウント値を増加させる。これにより、カウンタ回路１６は、複数のフォトンごとにカウント値を増加させることによって、多くのフォトンを正確にカウントすることができる。従って、ＳＮＲは、高照度モードであっても高く維持することができる。

【0217】

（第６実施形態）
図２４は、第６実施形態に係る画素Ｐの内部構成の一例を示すブロック図である。第６実施形態では、トランジスタＴｒｃｈおよびスイッチＳＷ１が画素Ｐの外部の垂直選択回路３０または制御回路７０によって制御されている。よって、低照度モードと高照度モードとの切り替え、および、キャパシタＣＰｋ１、Ｃａ（およびＣｖ）の充電のタイミングは、カウンタ回路１６およびカウント制御回路１４の外部からの制御信号ＸＲＣＧおよびＸＳＷによって制御される。第６実施形態のその他の構成は、第３実施形態の構成と同様でよい。即ち、第６実施形態は、第３実施形態と第５実施形態との組み合わせである。従って、第６実施形態は、第３および第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0218】

図２５は、第６実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図２５では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。図２５は、低照度モードの動作を示す。

【0219】

第６実施形態では、垂直選択回路３０が制御信号ＸＲＣＧを周期ＣＬＫで立ち下げ、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、Ｃａを充電する。

【0220】

キャパシタＣＰｋ１、Ｃａの充電と次の充電との間のｔ１において、フォトンがフォトダイオードＰＤに入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。このとき、制御信号ＣＬＩＰが立上っているので、トランジスタＴｃｌｉｐは非導通状態であり、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは充電状態で維持されている。

【0221】

信号ＣＬＩＰが立ち下がった後、ｔ２～ｔ７の画素Ｐの動作は、第３実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスＰＬＳは、トランジスタＴｒｃｈのゲートへはフィードバックされない。ｔ４において、制御信号ＸＲＣＧが周期的に立ち下がると、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、Ｃａが再充電される。

【0222】

これにより、カウンタ回路１６は、周期ＣＬＫの期間内に、１つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射すると、カウント値を１だけ増大させる。即ち、カウンタ回路１６は、周期ＣＬＫごとに、フォトダイオードＰＤに入射するフォトンを検出することができる。

【0223】

図２６は、第６実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図２６では、スイッチＳＷ１が導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的大きい（Ｃａ＋Ｃｖ）である。図２６は、高照度モードの動作において、１つのフォトンがフォトダイオードＰＤに入射した場合を示す。

【0224】

ｔ１１～ｔ１４の画素Ｐの動作は、第３実施形態のそれと同じでよい。ｔ１１において、フォトダイオードＰＤにフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤがアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。しかし、制御信号ＣＬＩＰが立下がって、トランジスタＴｃｌｉｐが導通状態になっても、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎが閾値Ｖｔ１２を下回らないので、光検出パルスＰＬＳが生成されない。よって、カウンタ回路１６は、１個のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射してもカウントしない。

【0225】

２つ目のフォトンが入射しない場合、ｔ１６において、制御信号ＣＬＩＰが立ち下がるが、電圧Ｖｓｎはほぼ変わらない。ｔ１８～ｔ２０において、次の充電動作で制御信号ＸＲＣＧが立下り、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、Ｃａ、Ｃｖを再充電する。ｔ１２において、制御信号ＣＬＩＰを立ち上げる。これにより、ｔ１１の状態にリセットされる。

【0226】

高照度モードにおいて、周期ＣＬＫの期間内に２つのフォトンが入射した場合、第６実施形態の動作は、図１２に示す第３実施形態の動作と同じでよい。よって、第６実施形態は、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第６実施形態では、低照度モードでは、充電周期ＣＬＫを長く設定することにより感度を高め、高照度モードでは、充電周期ＣＬＫを短く設定し飽和を抑制することができる。これにより、光検出装置１００は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、ＳＮＲを向上させることができる。

【0227】

（第７実施形態）
図２７は、第７実施形態に係る画素Ｐの内部構成の一例を示すブロック図である。第７実施形態では、トランジスタＴｒｃｈおよびスイッチＳＷ１が画素Ｐの外部の垂直選択回路３０または制御回路７０によって制御されている。よって、低照度モードと高照度モードとの切り替え、および、キャパシタＣＰｋ１、Ｃａ（およびＣｖ）の充電のタイミングは、外部からの制御信号ＸＲＣＧおよびＸＳＷによって制御される。第７実施形態のその他の構成は、第４実施形態の構成と同様でよい。即ち、第７実施形態は、第４実施形態と第５実施形態との組み合わせである。従って、第７実施形態は、第４および第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0228】

図２８および図２９は、第７実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図２８および図２９では、スイッチＳＷ１が非導通状態であり、センスノードＳＮの容量が比較的小さいＣａである。図２８および図２９は、低照度モードの動作を示す。図２８は、片方のフォトダイオードＰＤ１がフォトンを検出しているときの動作を示す。図２９は、両方のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がフォトンを検出しているときの動作を示す。

【0229】

図２８および図２９のｔ１、ｔ１ａまでの動作は、基本的に第２実施形態と同様である。このとき、キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａは、充電された状態となっている。このような状態で、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２はフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２は、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。

【0230】

（ＰＤ１のみにフォトン入射）
図２８に示すように、第７実施形態では、垂直選択回路３０が制御信号ＸＲＣＧを周期ＣＬＫで立ち下げて、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａを充電する。

【0231】

キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａの充電と次の充電との間のｔ１において、フォトンがフォトダイオードＰＤ１に入射すると、フォトダイオードＰＤ１がアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。このとき、制御信号ＣＬＩＰ１が立上っているので、トランジスタＴｃｌｉｐ１は非導通状態であり、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは充電状態で維持されている。

【0232】

信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立ち下がった後、ｔ２～ｔ７の画素Ｐの動作は、第４実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスＰＬＳは、トランジスタＴｒｃｈのゲートへはフィードバックされない。ｔ４において、制御信号ＸＲＣＧが周期的に立ち下がると、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａが再充電される。

【0233】

これにより、カウンタ回路１６は、周期ＣＬＫの期間内に、１つのフォトンがフォトダイオードＰＤ１に入射すると、カウント値を１だけ増大させる。即ち、カウンタ回路１６は、周期ＣＬＫごとに、フォトダイオードＰＤに入射するフォトン検出することができる。

【0234】

【0235】

（ＰＤ１およびＰＤ２の両方にフォトン入射）
図２９に示すように、ｔ１ａ、ｔ１ｂにおいて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方にフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１、ＶＫ２がともに低下する。このとき、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２は、非導通状態となっているので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは低下しない。

【0236】

【0237】

これにより、カウンタ回路１６は、周期ＣＬＫの期間内に、フォトンがフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれに入射すると、カウント値を１だけ増大させる。即ち、カウンタ回路１６は、周期ＣＬＫごとに、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に入射する２つのフォトンを検出することができる。

【0238】

図３０および図３１は、第７実施形態に係る光検出装置の動作例を示すタイミング図である。図３０および図３１では、スイッチＳＷ１が導通状態であり、センスノードＳＮの容量が（Ｃａ＋Ｃｖ）と比較的大きい。図３０および図３１は、高照度モードの動作を示す。図３０は、片方のフォトダイオードＰＤ１がフォトンを検出しているときの動作を示す。図３１は、両方のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がフォトンを検出しているときの動作を示す。

【0239】

図３０および図３１のｔ１１までの動作は、基本的に第２実施形態と同様である。このとき、キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａは、充電された状態となっている。このような状態で、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２はフォトンの入射を待機する。尚、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２は、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に逆バイアス電圧が印加された状態で非導通状態となっている。

【0240】

（ＰＤ１のみにフォトン入射）
図３０に示すように、第７実施形態では、垂直選択回路３０が制御信号ＸＲＣＧを周期ＣＬＫで立ち下げて、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａ、Ｃｖを充電する。

【0241】

キャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａ、Ｃｖの充電と次の充電との間のｔ１１において、フォトンがフォトダイオードＰＤ１に入射すると、フォトダイオードＰＤ１がアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１が低下する。このとき、制御信号ＣＬＩＰ１が立上っているので、トランジスタＴｃｌｉｐ１は非導通状態であり、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは充電状態で維持されている。

【0242】

信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立ち下がった後、ｔ１２～ｔ１４の画素Ｐの動作は、第４実施形態のそれと同じでよい。即ち、スイッチＳＷ１が導通状態であるので、第4実施形態と同様に、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは閾値Ｖｔ１２を下回らない。よって、カウンタ回路１６は、１個のフォトンがフォトダイオードＰＤに入射してもカウントしない。

【0243】

ただし、光検出パルスＰＬＳは、トランジスタＴｒｃｈのゲートへはフィードバックされない。ｔ１４において、制御信号ＸＲＣＧが周期的に立ち下がると、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａ、Ｃｖが再充電される。これにより、光検出装置１００は、ｔ１１以前の状態に戻る。

【0244】

（ＰＤ１およびＰＤ２の両方にフォトン入射）
図３１に示すように、ｔ１１ａ、ｔ１１ｂにおいて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方にフォトンが入射すると、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２がアバランシェ降伏し、カソード電圧ＶＫ１、ＶＫ２がともに低下する。このとき、トランジスタＴｃｌｉｐ１、Ｔｃｌｉｐ２は、非導通状態となっているので、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは低下しない。

【0245】

信号ＣＬＩＰ１、ＣＬＩＰ２が立ち下がった後、ｔ１２～ｔ１７の画素Ｐの動作は、第４実施形態のそれと同じでよい。ただし、光検出パルスＰＬＳは、トランジスタＴｒｃｈのゲートへはフィードバックされない。ｔ１４において、制御信号ＸＲＣＧが周期的に立ち下がると、トランジスタＴｒｃｈを介してキャパシタＣＰｋ１、ＣＰｋ２、Ｃａ、Ｃｖが再充電される。

【0246】

【0247】

高照度モードにおいて、周期ＣＬＫの期間内に２つのフォトンが入射した場合、第７実施形態の動作は、図１５または図１７に示す第４実施形態の動作と同じでよい。よって、第７実施形態は、第４実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第７実施形態では、低照度モードでは、充電周期ＣＬＫを長く設定することにより感度を高め、高照度モードでは、充電周期ＣＬＫを短く設定し飽和を抑制することができる。これにより、光検出装置１００は、カウント値の上昇を抑制しつつ、ダイナミックレンジを広げ、かつ、ＳＮＲを向上させることができる。

【0248】

（第８実施形態）
図３２は、第８実施形態に係る画素Ｐの内部構成の一例を示すブロック図である。第８実施形態では、フォトダイオードＰＤが、ＤＰＤ（Dynamic Photo Diode）である。ＤＰＤは、順バイアス電圧に応じて降伏するときの入射フォトン数が変化する。フォトダイオードＰＤのアノードは、センスノードＳＮに接続されている。フォトダイオードＰＤのカソードは、基準電圧源（例えば、グランド）に接続されている。

【0249】

電源回路１１４がフォトダイオードＰＤに順バイアス電圧を印加する。電源回路１１４は、電圧源ＶＤＤＨと抵抗素子ＲＫとの間に接続されている。電源回路１１４は、カウント制御回路１４からのフィードバック信号を受けて、フォトダイオードＰＤに印加される順バイアス電圧を変更することができる。

【0250】

第８実施形態では、カウント制御回路１４は、カウンタ回路１６と電源回路１１４との間に接続される配線でよい。カウント制御回路１４は、カウンタ回路１６の所定ビットが反転したときに、電源回路１１４へフィードバックされる制御信号を反転させて、電源回路１１４の電圧を変更することができる。例えば、カウント制御部１４は、カウント値が所定値未満の場合に制御信号を立ち下げたまま順バイアス電圧を第１電圧にする。カウント値が所定値以上になった場合に、カウント制御部１４は、制御信号を立ち上げて、順バイアス電圧を第１電圧よりも小さな第２電圧にする。

【0251】

抵抗素子ＲＫは、カウント制御回路１４とフォトダイオードＰＤのアノード（センスノードＳＮ）との間に接続されている。これにより、センスノードＳＮの電圧Ｖｓｎは、光の入射によって生じるフォトダイオードＰＤの降伏で変化する。カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤの降伏によって生成される光検出パルスＰＬＳをカウントする。カウント制御部１４は、カウンタ回路１６のカウント値に応じて電源回路からの順バイアス電圧を制御する。

【0252】

第８実施形態では、キャパシタＣＰｖおよびスイッチＳＷ１は設けられていない。カウンタ回路１６からフィードバックされる制御信号は、電源回路１１４に印加されている。カウンタ回路１６のカウント値が所定値未満の場合、カウント制御回路１４は、フォトダイオードＰＤのアノードに印加される電源回路１１４の電圧を比較的高くして、順バイアス電圧を比較的大きくする。これにより、フォトダイオードＰＤは、１つのフォトンを入射するごとに降伏し、インバータＩＮＶ６は光検出パルスＰＬＳを生成する。この場合、カウンタ回路１６は、１フォトンの検出ごとにカウント値を１だけ増大させる。

【0253】

カウンタ回路１６のカウント値が所定値を超えた場合、カウント制御回路１４は、フォトダイオードＰＤのアノードに印加される電源回路１１４の電圧を比較的低くして、順バイアス電圧を比較的小さくする。これにより、フォトダイオードＰＤは、ｎ個（ｎは２以上の整数）のフォトンを入射するごとに降伏し、インバータＩＮＶ６は光検出パルスＰＬＳを生成する。この場合、カウンタ回路１６は、フォトダイオードＰＤの降伏ごとにカウント値を増大させるが、実質的に、ｎ個のフォトンの検出ごとにカウント値を１だけ増大させる。

【0254】

このように、フォトダイオードＰＤにＤＰＤを用い、カウント制御回路１４および電源回路１１４を用いることによって、低照度モードと高照度モードとにおいて、カウント値を増大させるフォトン数を切り替えることができる。よって、第８実施形態は、他の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0255】

また、第８実施形態によれば、高照度モードにおいて、フォトダイオードＰＤの降伏の回数および光検出パルスＰＬＳの生成回数が低下する。従って、消費電力を削減することができる。

【0256】

（第９実施形態）
図３３は、第９実施形態に係る画素Ｐの内部構成例の一部分を示すブロック図である。第９実施形態では、フォトダイオードＰＤとトランジスタＴｒｃｈとの位置関係が第３実施形態と逆になっている。即ち、フォトダイオードＰＤのアノードが電圧源ＶＤＤＨに接続され、フォトダイオードＰＤのカソードがトランジスタＴｃｌｉｐのドレインに接続されている。キャパシタＣＰｋ１は、フォトダイオードＰＤに並列に接続されている。従って、キャパシタＣＰｋ１の一端は、電圧源ＶＤＤＨに接続され、他端がトランジスタＴｃｌｉｐのドレインに接続されている。

【0257】

トランジスタＴｃｌｉｐのソースは、センスノードＳＮおよびトランジスタＴｒｃｈのドレインに接続されている。トランジスタＴｃｌｉｐは、例えば、ｎ型ＭＯＳＦＥＴで構成されている。

【0258】

トランジスタＴｒｃｈのドレインは、センスノードＳＮおよびトランジスタＴｃｌｉｐのソースに接続されている。トランジスタＴｒｃｈのドレインは、基準電圧源（例えば、グランド）に接続されている。トランジスタＴｒｃｈは、例えば、ｎ型ＭＯＳＦＥＴで構成されている。

【0259】

第９実施形態の他の構成は、第３実施形態と同じでよい。トランジスタＴｃｌｉｐ、Ｔｒｃｈの導電型が第３実施形態のそれらの逆導電型である。従って、トランジスタＴｃｌｉｐ、Ｔｒｃｈの制御信号ＣＬＩＰ、ＸＲＣＧは、第３実施形態のそれらと逆論理になっている。

【0260】

第９実施形態の構成であっても、第３実施形態と同様に動作し、第３実施形態と同じ効果を得ることができる。トランジスタＴｃｌｉｐに代えて抵抗素子ＲＫをセンスノードＳＮとフォトダイオードＰＤとの間に設けてもよい。第９実施形態は、他の実施形態に適用することもできる。

【0261】

（チップ積層）
図３４Ａおよび図３４Ｂは、光検出装置１００のチップ積層構成の一例を示す概略図である。半導体チップ１１２は、例えば、上側基板１１２ａと、下側基板１１２ｂとの積層チップである。例えば、上側基板１１２ａには、画素Ｐが２次元配列された画素領域１０と、画素Ｐの制御を行う制御回路１２２が設けられている。制御回路１２２は、垂直選択回路３０と、信号処理回路４０と、水平選択回路５０と、出力回路６０と、制御回路７０との全てまたはその一部を含む。下側基板１１２ｂには、画素から出力された画素信号を処理する信号処理回路などのロジック回路１２３が設けられている。あるいはまた、図３４Ｂに示すように、上側基板１１２ａには、画素領域１０のみが設けられ、下側基板１１２ｂには、制御回路１２２とロジック回路１２３が設けられていてもよい。

【0262】

このように、半導体チップ１１２は、制御回路１２２及びロジック回路１２３の一方または両方を、画素領域１０の上側基板１１２ａとは別の下側基板１１２ｂに設けてもよい。これにより、１枚の基板に、画素領域１０、制御回路１２２、およびロジック回路１２３を平面方向に配置した場合と比較して、チップサイズを小さくすることができる。

【0263】

さらに、画素領域１０は、複数の半導体チップに分けて形成し、それらを積層して構成してもよい。この場合、さらにチップサイズを小さくすることができる。

【0264】

上側基板１１２ａと下側基板１１２ｂは、互いに貫通電極で接続されていてもよく、あるいは、配線同士をＣｕ－Ｃｕ接合で接続してもよい。

【0265】

（移動体への応用例）
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。

【0266】

図３５は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。

【0267】

車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図３５に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（Interface）１２０５３が図示されている。

【0268】

駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。

【0269】

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。

【0270】

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。

【0271】

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。

【0272】

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。

【0273】

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。

【0274】

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。

【0275】

また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０３０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。

【0276】

音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図３５の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。

【0277】

図３６は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。

【0278】

図３６では、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５を有する。

【0279】

撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２、１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。

【0280】

なお、図３６には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。

【0281】

撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。

【0282】

例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０km/h以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。

【0283】

例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。

【0284】

撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。

【0285】

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。

【0286】

なお、本技術は、以下のような構成をとることができる。
（１）
第１フォトダイオードと、
光の入射によって生じる前記第１フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、
前記センスノードの電圧に基づいて前記第１フォトダイオードの降伏回数をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に応じて、該カウント値を１だけ増大させる前記降伏回数を制御するカウント制御部とを備えている、光検出装置。
（２）
前記カウント制御部は、前記センスノードと基準電圧源との間に直列に接続された第１キャパシタおよびスイッチを備えている、（１）に記載の光検出装置。
（３）
前記スイッチは、前記カウント値が所定値未満の場合に非導通状態であり、前記カウント値が所定値以上の場合に導通状態となる、（２）に記載の光検出装置。
（４）
前記スイッチが非導通状態の場合に、前記カウンタは、前記第１フォトダイオードが降伏するごとに前記カウント値を１ずつ増大させ、
前記スイッチが導通状態の場合に、前記カウンタは、前記第１フォトダイオードがｎ回（ｎは２以上の整数）降伏するごとに前記カウント値を１ずつ増大させる、（３）に記載の光検出装置。
（５）
電圧源と前記センスノードとの間に設けられ、前記フォトダイオードの降伏によって制御される第１トランジスタと、
前記第１トランジスタと前記センスノードとの間に設けられ、前記フォトダイオードの降伏によって前記第１トランジスタよりも遅延して制御される第２トランジスタと、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとの間のノードと基準電圧源との間に接続された第２キャパシタとをさらに備える、（１）から（４）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（６）
前記カウント制御部は、前記センスノードの容量と前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとの間のノードの容量との比によって、前記ｎの値を制御する、（５）に記載の光検出装置。
（７）
複数の画素が配列された画素領域をさらに備え、
前記複数の画素のそれぞれが、前記第１フォトダイオード、前記カウンタおよび前記カウント制御部を備えている、（１）から（６）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（８）
前記第１フォトダイオードは、１フォトンの入射によって１回アバランシェ降伏するＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）である、（１）から（７）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（９）
前記カウント制御部は、前記第２キャパシタに対して並列に接続されている、（５）に記載の光検出装置。
（１０）
前記センスノードと基準電圧源との間に設けられた第２フォトダイオードをさらに備えている、（１）から（９）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（１１）
前記第１フォトダイオードの１回の露光期間において、前記センスノードを充電する周期が第１周期と該第１周期よりも長い第２周期とを含む、（１）に記載の光検出装置。
（１２）
前記第１フォトダイオードの１回の露光期間において、前記センスノードを充電する周期が第１周期と該第１周期よりも長い第２周期とを含み、
前記第１周期において前記スイッチを導通状態とし、前記第２周期において前記スイッチを非導通状態とする、（３）から（５）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（１３）
前記スイッチは、前記カウンタおよび前記カウント制御回路の外部からの信号によって制御される、（２）に記載の光検出装置。
（１４）
順バイアス電圧に応じて降伏するときの入射フォトン数が変わる第１フォトダイオードと、
前記第１フォトダイオードに前記順バイアス電圧を印加する電源回路と、
光の入射によって生じる前記第１フォトダイオードの降伏で電圧が変化するセンスノードと、
前記第１フォトダイオードの降伏をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値に応じて前記電源回路からの前記順バイアス電圧を制御するカウント制御部とを備えている、光検出装置。
（１５）
前記カウント制御部は、前記カウント値が所定値未満の場合に前記順バイアス電圧を第１電圧とし、前記カウント値が所定値以上の場合に前記順バイアス電圧を前記第１電圧よりも小さな第２電圧にする、（１４）に記載の光検出装置。
（１６）
前記順バイアス電圧が前記第１電圧の場合に、前記第１フォトダイオードは、１個のフォトンを入射するごとに降伏し、
前記順バイアス電圧が前記第２電圧の場合に、前記第１フォトダイオードは、ｎ個（ｎは２以上の整数）のフォトンを入射するごとに降伏する、（１５）に記載の光検出装置。

【0287】

尚、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の効果があってもよい。

【符号の説明】

【0288】

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

【図1】