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特許7516460光電変換装置、光電変換システム

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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-05

(45)【発行日】2024-07-16

(54)【発明の名称】光電変換装置、光電変換システム

(51)【国際特許分類】

H04N 25/773 20230101AFI20240708BHJP

H01L 31/107 20060101ALI20240708BHJP

H01L 31/10 20060101ALI20240708BHJP

【ＦＩ】

H04N25/773

H01L31/10 B

H01L31/10 G

【請求項の数】 27

(21)【出願番号】P 2022083065

(22)【出願日】2022-05-20

(65)【公開番号】P2023039400

(43)【公開日】2023-03-20

【審査請求日】2023-03-24

(31)【優先権主張番号】P 2021145932

(32)【優先日】2021-09-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2022018803

(32)【優先日】2022-02-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100223941

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋佳子

(74)【代理人】

【識別番号】100159695

【弁理士】

【氏名又は名称】中辻七朗

(74)【代理人】

【識別番号】100172476

【弁理士】

【氏名又は名称】冨田一史

(74)【代理人】

【識別番号】100126974

【弁理士】

【氏名又は名称】大朋靖尚

(72)【発明者】

【氏名】大田康晴

(72)【発明者】

【氏名】森本和浩

【審査官】鈴木明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１２３８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／２４１２０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１８２５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８８５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／００９８３２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０８０２２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ２５／００－２５／７９

Ｈ０１Ｌ３１／１０７

Ｈ０１Ｌ３１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アバランシェ増倍を行うフォトダイオードと、
前記フォトダイオードと電源との間に配され、前記フォトダイオードを前記電源に電気的に接続する第１の状態と、前記フォトダイオードを前記電源に電気的に接続しない第２の状態に切り替える回路と、
前記フォトダイオードからの出力信号をカウントするカウンタと、
露光期間に含まれ、前記露光期間よりも短い所定の露光期間内に、前記カウンタのカウント値が閾値に達したことを示す時間情報が書き込まれるメモリと、を有し、
前記露光期間において、クロック信号が、前記回路に入力可能に構成されていることを特徴とする光電変換装置。

【請求項2】

前記所定の露光期間は、第１の露光期間と、第２の露光期間を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項3】

前記第１の露光期間は、前記第２の露光期間よりも短く、前記第１の露光期間内における前記クロック信号のパルス数は、前記カウンタの最大カウント値以上であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。

【請求項4】

前記閾値は、前記カウンタの最大カウント値であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項5】

前記閾値は、前記カウンタの最大カウント値よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項6】

前記閾値は、前記カウンタの最大カウント値／ｎ、であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項7】

前記所定の露光期間は、第１の露光期間と、第１の露光期間よりも長い露光期間である第２の露光期間を有し、
前記ｎは、前記第２の露光期間の長さ／前記第１の露光期間の長さ、の値以上であることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。

【請求項8】

前記第２の露光期間の長さは、前記第１の露光期間の長さの２倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。

【請求項9】

前記所定の露光期間は、前記第２の露光期間よりも長い露光期間である第３の露光期間を有し、前記第３の露光期間の長さは、前記第２の露光期間の長さの２倍以上であることを特徴とする請求項２または８に記載の光電変換装置。

【請求項10】

前記所定の露光期間は、前記第２の露光期間よりも長い露光期間である第３の露光期間を有し、前記第３の露光期間の長さは、前記第２の露光期間の長さの４倍以上であり、
前記第２の露光期間の長さは、前記第１の露光期間の長さの４倍以上であることを特徴とする請求項２または８に記載の光電変換装置。

【請求項11】

前記カウンタが前記所定の露光期間内に前記閾値に達した場合に、前記回路が有するトランジスタのゲートに供給する電位を変える制御回路を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項12】

前記カウンタが前記所定の露光期間内に前記閾値に達した場合に、前記カウンタを停止する制御回路を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項13】

前記カウンタのビット数よりも前記メモリのビット数が少ないことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項14】

前記フォトダイオードと前記カウンタの間に論理回路を有し、前記露光期間において、前記論理回路に前記クロック信号が入力されることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。

【請求項15】

前記露光期間内における前記クロック信号の周波数が２種類以上あることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項16】

前記第１の露光期間内における前記クロック信号の平均周波数である第１の周波数と、前記第２の露光期間内における前記クロック信号の平均周波数である第２の周波数とが異なることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。

【請求項17】

前記第１の周波数は、前記第２の周波数よりも大きいことを特徴とする請求項１６に記載の光電変換装置。

【請求項18】

前記第１の露光期間における単位時間当たりの前記クロック信号のパルス数は、前記第２の露光期間における単位時間当たりの前記クロック信号のパルス数よりも多いことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。

【請求項19】

請求項１に記載の光電変換装置から出力された信号を演算する演算回路であって、
前記演算回路は、前記時間情報に基づいて、前記カウンタのカウント値の増倍率を変化させることを特徴とする演算回路。

【請求項20】

請求項１記載の光電変換装置は、請求項１９に記載の演算回路を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項21】

前記回路は、ゲートを有するトランジスタを含み、
前記クロック信号は、前記ゲートに入力されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項22】

アバランシェ増倍を行うフォトダイオードと、
前記フォトダイオードと電源との間に配され、前記フォトダイオードと前記電源との接続状態を第１の状態と第２の状態とで切り替える回路と、
前記フォトダイオードからの出力信号をカウントするカウンタと、
露光期間に含まれ、前記露光期間よりも短い所定の露光期間内に、前記カウンタのカウント値が閾値に達したことを示す時間情報が書き込まれるメモリと、を有し、
前記露光期間において、クロック信号が、前記回路に入力可能に構成されていることを特徴とする光電変換装置。

【請求項23】

前記回路は、ゲートを有するトランジスタを含み、
前記クロック信号は、前記ゲートに入力されることを特徴とする請求項２２に記載の光電変換装置。

【請求項24】

前記第１の状態は、前記トランジスタをオンし、前記フォトダイオードと前記電源とが電気的に接続される状態であり、
前記第２の状態は、前記トランジスタをオフする状態であることを特徴とする請求項２３に記載の光電変換装置。

【請求項25】

請求項１に記載の光電変換装置と、請求項１９に記載の演算回路と、を有することを特徴とする光電変換システム。

【請求項26】

請求項１に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置が出力する信号を用いて画像を生成する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。

【請求項27】

請求項１に記載の光電変換装置を備える移動体であって、
前記光電変換装置が出力する信号を用いて前記移動体の移動を制御する制御部を有することを特徴とする移動体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光電変換装置、および光電変換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

アバランシェ（電子なだれ）増倍を利用し、単一光子レベルの微弱光を検出可能なアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いた光検出装置が知られている。ＡＰＤは、信号電荷と同じ極性の第１導電型の第１半導体領域と、信号電荷と異なる極性の第２導電型の第２半導体領域とにより高電界領域（アバランシェ増倍部）を形成する。

【0003】

特許文献１は、ＡＰＤでアバランシェ増倍が可能な待機状態と、ＡＰＤを待機状態に戻すリチャージ状態とを所定の周波数を有するクロック信号で制御する光検出装置が記載されている。具体的には、クロック信号がＡＰＤに逆バイアスを印可する電源とＡＰＤとの間に設けられたスイッチのオンとオフを制御する。例えば、クロック信号が第１のレベルの場合に、スイッチがオフになり、ＡＰＤは待機状態となる。また、クロック信号が第２のレベルの場合に、スイッチがオンになり、ＡＰＤはリチャージ状態となる。また、クロック信号は、ＡＰＤからの出力信号と論理をとるように構成されている。このため、待機状態でＡＰＤに光子が入った場合、クロック信号が第１のレベルから第２のレベルに遷移するタイミングで、ＡＰＤから出力信号がカウンタに出力される構成となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－１２３８４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の構成を用いることにより、高照度の場合に、光子がカウントされなくなるという、いわゆるパイルアップ現象を抑制することができる。しかし、特許文献１の構成では、所定以上の高照度になった場合に、カウント値が飽和してしまうため、ダイナミックレンジの拡大が不十分であった。

【0006】

そこで、本発明は、特許文献１の構成よりも、よりダイナミックレンジを拡大可能なＡＰＤを有する光電変換装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明にかかる光電変換装置は、アバランシェ増倍を行うフォトダイオードと、前記フォトダイオードと電源との間に配され、前記フォトダイオードを前記電源に電気的に接続する第１の状態と、前記フォトダイオードを前記電源に電気的に接続しない第２の状態に切り替える回路と、前記フォトダイオードからの出力信号をカウントするカウンタと、露光期間に含まれ、前記露光期間よりも短い所定の露光期間内に、前記カウンタのカウント値が閾値に達したことを示す時間情報が書き込まれるメモリと、を有し、前記露光期間において、クロック信号が、前記回路に入力可能に構成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、特許文献１の構成よりも、ダイナミックレンジを拡大可能なＡＰＤを有する光電変換装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】光電変換装置の構成を示す図

【図2】センサ基板の配置例

【図3】回路基板の配置例

【図4】光電変換素子の等価回路を含むブロック図

【図5】ＡＰＤの動作と出力信号との関係を示す図

【図6】各形態における画素回路のブロック図および等価回路図

【図7】比較例における照度とカウント値との関係を示す図

【図8】各形態における時間とカウント値との関係を示す図

【図9】本実施形態における照度とカウント値、および、照度と露光時間の関係を示す図

【図10】本実施形態における光電変換素子の詳細なブロック図

【図11】本実施形態における光電変換素子のタイミングチャート

【図12】各形態における光子入射数とカウント値との関係を示す図

【図13】本実施形態における画像再構成のフロー図

【図14】本実施形態における画像再構成のフロー図

【図15】第２の実施形態で説明するクロック信号を示す図

【図16】第３の実施形態で説明するクロック信号を示す図

【図17】第３の実施形態で説明するクロック信号を示す図

【図18】第４の実施形態の光電変換システムのブロック図

【図19】第５の実施形態の光電変換システムのブロック図

【図20】第６の実施形態の光電変換システムのブロック図

【図21】第７の実施形態の光電変換システムのブロック図

【図22】第８の実施形態の光電変換システムの具体例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。また、各実施形態で説明した構成は、技術的に問題がない限り、その他の実施形態で説明した構成と相互に置換したり組み合わせたりすることが可能である。

【0011】

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語）を用いる。それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。

【0012】

以下の説明において、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）のアノードを固定電位とし、カソード側から信号を取り出している。したがって、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域であり、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域である。なお、ＡＰＤのカソードを固定電位とし、アノード側から信号を取り出してもよい。この場合は、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする第１導電型の半導体領域はＰ型半導体領域であり、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする第２導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域である。以下では、ＡＰＤの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動してもよい。

【0013】

図１は、積層型の光電変換装置１００の構成を示す図である。光電変換装置１００は、センサ基板１１と、回路基板２１の２つの基板が積層され、電気的に接続されることにより構成される。センサ基板１１は、後述する光電変換素子１０２を有する第１半導体層と、第１配線構造と、を有する。回路基板２１は、後述する信号処理部１０３等の回路を有する第２半導体層と、第２配線構造と、を有する。光電変換装置１００は、第２半導体層、第２配線構造、第１配線構造、第１半導体層の順に積層して構成される。各実施形態に記載の光電変換装置は、第２面から光が入射し、第１面に回路基板が配される、裏面照射型の光電変換装置である。

【0014】

以下では、センサ基板１１と回路基板２１とは、ダイシングされたチップで説明するが、チップに限定されない。例えば、各基板はウエハであってもよい。また、各基板はウエハ状態で積層した後にダイシングされていてもよいし、ウエハ状態からチップ化した後に各チップを積層して接合してもよい。

【0015】

センサ基板１１には、画素領域１２が配され、回路基板２１には、画素領域１２で検出された信号を処理する回路領域２２が配される。

【0016】

図２は、センサ基板１１の配置例を示す図である。ＡＰＤを含む光電変換素子１０２を有する画素１０１が平面視で二次元アレイ状に配列され、画素領域１２を形成する。

【0017】

画素１０１は、典型的には、画像を形成するための画素であるが、ＴＯＦ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）に用いる場合には、必ずしも画像を形成しなくてもよい。すなわち、画素１０１は、光が到達した時刻と光量を測定するためのものであってもよい。

【0018】

図３は、回路基板２１の構成図である。図２の光電変換素子１０２で光電変換された電荷を処理する信号処理部１０３、読み出し回路１１２、制御パルス生成部１１５、水平走査回路部１１１、信号線１１３、垂直走査回路部１１０を有している。

【0019】

図２の光電変換素子１０２と、図３の信号処理部１０３は、画素毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。

【0020】

垂直走査回路部１１０は、制御パルス生成部１１５から供給された制御パルスを受け、各画素に制御パルスを供給する。垂直走査回路部１１０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る。

【0021】

画素の光電変換素子１０２から出力された信号は、信号処理部１０３で処理される。信号処理部１０３は、カウンタやメモリなどが設けられており、メモリにはデジタル値が書き込まれて保持される。

【0022】

水平走査回路部１１１は、デジタル信号が保持された各画素のメモリから信号を読み出すために、各列を順次選択する制御パルスを信号処理部１０３に入力する。

【0023】

信号線１１３には、選択されている列について、垂直走査回路部１１０により選択された画素の信号処理部１０３から信号が出力される。

【0024】

信号線１１３に出力された信号は、出力回路１１４を介して、光電変換装置１００の外部の記録部または信号処理部に出力する。

【0025】

図２において、画素領域における光電変換素子の配列は１次元状に配されていてもよい。信号処理部の機能は、必ずしも全ての光電変換素子に１つずつ設けられる必要はなく、例えば、複数の光電変換素子によって１つの信号処理部が共有され、順次信号処理が行われてもよい。

【0026】

図２および図３に示すように、平面視で画素領域１２に重なる領域に、複数の信号処理部１０３が配される。そして、平面視で、センサ基板１１の端と画素領域１２の端との間に重なるように、垂直走査回路部１１０、水平走査回路部１１１、読み出し回路１１２、出力回路１１４、制御パルス生成部１１５が配される。言い換えると、センサ基板１１は、画素領域１２と画素領域１２の周りに配された非画素領域とを有する。そして、平面視で非画素領域に重なる領域に、垂直走査回路部１１０、水平走査回路部１１１、読み出し回路１１２、出力回路１１４、制御パルス生成部１１５が配される。

【0027】

図４は、図２及び図３の等価回路を含むブロック図の一例である。図４は、一般的なＡＰＤを有する光電変換装置のブロック図を示している。

【0028】

図４において、ＡＰＤ２０１を有する光電変換素子１０２は、センサ基板１１に設けられており、その他の部材は、回路基板２１に設けられている。

【0029】

ＡＰＤ２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。ＡＰＤ２０１のアノードには、電圧ＶＬ（第１電圧）が供給される。また、ＡＰＤ２０１のカソードには、アノードに供給される電圧ＶＬよりも高い電圧ＶＨ（第２電圧）が供給される。アノードとカソードには、ＡＰＤ２０１がアバランシェ増倍動作をするような逆バイアス電圧が供給される。このような電圧を供給した状態とすることで、入射光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。

【0030】

なお、逆バイアスの電圧が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きい電位差で動作させるガイガーモードと、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧近傍、もしくはそれ以下の電圧差で動作させるリニアモードがある。

【0031】

ガイガーモードで動作させるＡＰＤをＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）と呼ぶ。例えば、電圧ＶＬ（第１電圧）は、－３０Ｖ、電圧ＶＨ（第２電圧）は、３Ｖである。ＡＰＤ２０１は、リニアモードで動作させてもよいし、ガイガーモードで動作させてもよい。

【0032】

クエンチ素子２０２は、電圧ＶＨを供給する電源とＡＰＤ２０１に接続される。クエンチ素子２０２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、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。また、クエンチ素子２０２は、クエンチ動作で電圧降下した分の電流を流すことにより、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す働きを持つ（リチャージ動作）。

【0033】

信号処理部１０３は、波形整形部２１０、カウンタ２１１、選択回路２１２を有する。本明細書において、信号処理部１０３は、波形整形部２１０、カウンタ２１１、選択回路２１２のいずれかを有していればよい。

【0034】

波形整形部２１０は、光子検出時に得られるＡＰＤ２０１のカソードの電位変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部２１０としては、例えば、インバータ回路が用いられる。図４では、波形整形部２１０としてインバータを一つ用いた例を示したが、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよいし、波形整形効果があるその他の回路を用いてもよい。

【0035】

カウンタ２１１は、波形整形部２１０から出力されたパルス信号の数（回数）をカウントし、カウント値を保持する。また、駆動線２１３を介して制御パルスｐＲＥＳが供給されたとき、カウンタ２１１に保持された信号がリセットされる。

【0036】

選択回路２１２には、図３の垂直走査回路部１１０から、図４の駆動線２１４（図３では不図示）を介して制御パルスｐＳＥＬが供給され、カウンタ２１１と信号線１１３との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路２１２には、例えば、信号を出力するためのバッファ回路などを含む。

【0037】

クエンチ素子２０２とＡＰＤ２０１との間や、光電変換素子１０２と信号処理部１０３との間にトランジスタ等のスイッチを配して、電気的な接続を切り替えてもよい。同様に、光電変換素子１０２に供給される電圧ＶＨまたは電圧ＶＬの供給をトランジスタ等のスイッチを用いて電気的に切り替えてもよい。

【0038】

本実施形態では、カウンタ２１１を用いる構成を示した。しかし、カウンタ２１１の代わりに、時間・デジタル変換回路（ＴｉｍｅｔｏＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣ）、メモリを用いて、パルス検出タイミングを取得する光電変換装置１００としてもよい。このとき、波形整形部２１０から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定に、図１の垂直走査回路部１１０から駆動線を介して、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、波形整形部２１０を介して各画素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。

【0039】

図５は、ＡＰＤの動作と出力信号との関係を模式的に示した図である。

【0040】

図５（ａ）は、図４のＡＰＤ２０１、クエンチ素子２０２、波形整形部２１０を抜粋した図である。ここで、波形整形部２１０の入力側をＶＣ、出力側をＶＯとする。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶＣの電圧を、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＶＯの信号をそれぞれ示す。

【0041】

時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、図５（ａ）のＡＰＤ２０１には、ＶＨ－ＶＬの電位差が印加されている。時刻ｔ１において光子がＡＰＤ２０１に入射すると、ＡＰＤ２０１でアバランシェ増倍が生じ、クエンチ素子２０２にアバランシェ増倍電流が流れ、ＶＣの電圧は降下する。電圧降下量がさらに大きくなり、ＡＰＤ２０１に印加される電位差が小さくなると、時刻ｔ２のようにＡＰＤ２０１のアバランシェ増倍が停止し、ＶＣの電圧レベルはある一定値以上降下しなくなる。その後、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間において、ＶＣには電圧ＶＬから電圧降下分を補う電流が流れ、時刻ｔ３においてＶＣは元の電位レベルに静定する。このとき、ＶＣにおいて出力波形がある閾値を越えた部分は、波形整形部２１０で波形整形され、ＶＯで信号として出力される。

【0042】

なお、信号線１１３の配置、読み出し回路１１２、出力回路１１４の配置は図３に限定されない。例えば、信号線１１３が行方向に延びて配されており、信号線１１３が延びる先に読み出し回路１１２が配されていてもよい。

【0043】

（第１の実施形態）
図６は、画素回路のブロック図および等価回路図を示す。図６（ａ）および（ｂ）は比較例であり、図６（ｃ）は本実施形態である。また、図７（ａ）および（ｂ）は比較例である。さらに、図８（ａ）および（ｂ）は比較例であり、図８（ｃ）は本実施形態である。

【0044】

（比較例１：パッシブリチャージ回路）
図６（ａ）は、比較例であるパッシブリチャージの画素回路のブロック図および等価回路である。ＡＰＤ２０１のカソード側に接続されているクエンチ素子２０２であるトランジスタのゲートと、論理回路２２１（ＯＲ回路）の出力は同一ノードである。論理回路２２１には、信号ＥＮＢと信号ＳＴＯＰが入力可能に構成されている。信号ＥＮＢは、露光期間Ｔの間はローレベルとなり、その他の期間はハイレベルとなっている。

【0045】

信号ＳＴＯＰがローレベルであって、信号ＥＮＢがローレベルの場合にトランジスタはオンになり、リチャージ状態となり、ＡＰＤ２０１は所定期間後にアバランシェ増倍が可能な待機状態となる。それ以外の信号のパターンの場合に、クエンチ素子はオフになり、リチャージ状態とならないため、ＡＰＤ２０１はアバランシェ増倍ができない非待機状態となる。波形整形部２１０は、インバータで構成されており、カウンタ２１１には１１ビットのフリップフロップが設けられている。例えば、カウンタ２１１が最大カウント値である２０４７になったら、信号ＳＴＯＰはローレベルからハイレベルに遷移し、クエンチ素子２０２のトランジスタはオフになる。これにより、信号ＥＮＢがローレベルとなってもクエンチ素子２０２はオフし続け、ＡＰＤ２０１の非待機状態が維持される。

【0046】

図７（ａ）の右図は、図６（ａ）のＶＣの電圧とＶＯの信号を示したものである。

【0047】

低照度の場合は、光子の入射間隔が長いことから、光子入射後にＶＣの電圧が低くなった状態の後に、リチャージされて電圧が高い状態になるまでに十分な時間が確保できる。図７（ａ）の右図の場合、３つの光子に対応して、３つのパルスをカウントできることが示されている。他方、高照度の場合は、光子の入射間隔が短いことから、ＶＣの電圧が低い状態に維持され、電圧が高い状態に復帰しないため、判定閾値を下から上に越えるまでに時間がかかる。図７（ａ）の右図の場合、約２０程度の光子が入射しているにも関わらず、３つのパルスのみがカウントされていることが示されている。すなわち、光子カウント漏れが生じている。

【0048】

この結果、図６（ａ）に示すパッシブリチャージの形態の場合、図７（ａ）に示すように、低照度でも高照度でも、同じカウント値となる状況が生じうる。また、光子入射がより頻繁に起こると、ＶＣの電圧が低い状態が維持され、判定閾値を下から上に越えることがなくなる。この場合、ＶＯの電圧は、高いままとなり、信号が１つも生成されないこととなる。すなわち、図６（ａ）に示すパッシブリチャージの形態の場合においては、高照度のときに適切なカウント値が得られないことから、ダイナミックレンジは狭くなってしまう。

【0049】

（比較例２：クロックリチャージ回路）
図６（ｂ）は、比較例であるクロックリチャージの画素回路のブロック図および等価回路図である。論理回路２２１（ＯＲ回路）の入力には、信号ＣＬＫＢと信号ＳＴＯＰが入力可能に構成されている。信号ＣＬＫＢは、露光期間ＴにＮｃ個のパルス信号を有するクロック信号である。図６（ｂ）では、信号ＳＴＯＰがローレベルであって、信号ＣＬＫＢがローレベルの場合にトランジスタはオンになり、リチャージされる。それ以外の信号のパターンの場合は、クエンチ素子はオフになる。例えば、信号ＣＬＫＢがハイレベルの場合は、クエンチ素子はリチャージ後にオフとなっているため、アバランシェ増倍が可能な待機状態である。換言すれば、ＡＰＤ２０１と電源（電圧ＶＨ）との間に回路（トランジスタ）が配されており、当該回路は、ＡＰＤ２０１と電源を電気的に接続する第１の状態と、ＡＰＤ２０１と電源を電気的に接続しない第２の状態とを切り替える制御を行っている。この場合、第１の状態がリチャージ状態であり、第２の状態が待機状態である。

【0050】

ＡＰＤ２０１のカソードとカウンタ２１１との間には、論理回路２２２（片側の入力の論理を反転させたＡＮＤ回路）が設けられており、信号ＣＬＫＢとＶＣが入力可能に構成されている。論理回路２２２は、ＶＣからの出力を反転して入力される論理回路であり、光子の入射により、ＶＣがハイレベルからローレベルに遷移する。この場合、信号ＣＬＫＢがハイレベルのときは、論理回路２２２の出力はハイレベルとなる。その後、信号ＣＬＫＢがハイレベルから、ローレベルに遷移する場合に、論理回路２２２の出力はローレベルとなるため、出力信号が生成されることになる。

【0051】

図７（ｂ）の右図は、図６（ｂ）の信号ＣＬＫＢ、ＶＣの電圧、ＶＯの信号を示したものである。

【0052】

まず、低照度の場合をみると、信号ＣＬＫＢはハイレベルの場合（待機状態）において光子が入射すると、ＶＣの電圧が下がってローレベルに遷移する。信号ＣＬＫＢがハイレベルなので、ＶＯからの出力はハイレベルとなり、その後信号ＣＬＫＢがローレベルになるときに、ＶＯからの出力がハイレベルからローレベルとなり、信号が生成される。

【0053】

他方、高照度の場合をみると、信号ＣＬＫＢがハイレベルの場合（待機状態）において、光子入射が頻繁に起こる場合であっても、信号ＣＬＫＢがハイレベルである限り、ハイレベルになったＶＯは、ハイレベルを維持する。次に、信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移することにより、ＶＯからの出力はハイレベルからローレベルに遷移し、１つの信号が生成される。

【0054】

このように、クロックリチャージ回路においては、パッシブリチャージの場合に生じていた、低照度でも高照度でも同じカウント値となる状況、あるいは、信号が１つも生成されないという状況が解消される。すなわち、クロックリチャージ回路では、低照度のカウント値が高照度のカウント値よりも大きくならないという利点がある。論理回路２２２から出力された信号はカウンタ２１１からメモリ２４０を介して、外部に出力するように構成されている。なお、論理回路２２２の出力のパルスの立下りでカウントするのか、その前のパルスの立ち上がりでカウントするのかは適宜設定することができる。

【0055】

図８は、クロックリチャージ回路のタイミングチャートをより詳細に示したものである。

【0056】

時刻ｔ０で、信号ＲＥＳ（図６（ｂ）で不図示）のパルスがオンになり、カウンタ２１１がリセットされ、カウンタ２１１のカウント値ＣＯＵＮＴが「０」となる。

【0057】

時刻ｔ１で、信号ＥＮ（図６（ｂ）で不図示）がオンになり、露光期間Ｔが開始される。時刻ｔ１で信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移すると、信号ＳＴＯＰがローレベルのため、ＡＰＤはリチャージが開始され、ＶＣの電圧が徐々に上昇し、待機モードとなる。時刻ｔ１で信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移し、ＶＯはハイレベルからローレベルになる。

【0058】

時刻ｔ２で、光子（Ｐｈｏｔｏｎｓ）が入射すると、アバランシェ増倍が開始し、ＶＣの電位は降下する。ＶＣから論理回路２２２に入力される信号はローレベルであり、信号ＣＬＫＢもハイレベルであるため、論理回路２２２からの出力であるＶＯはローレベルからハイレベルに遷移する。この遷移により、ＣＯＵＮＴは「０」から「１」となる。

【0059】

時刻ｔ３で、光子が入射するが、信号ＣＬＫＢはハイレベルのままであり、ＶＣの電位も変化せず、ＶＯもハイレベルを維持する。

【0060】

時刻ｔ４で、信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移すると、時刻ｔ１と同様に、リチャージが開始し、ＶＣの電位が変化する。また、信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移するので、ＶＯはハイレベルからローレベルに遷移する。すなわち、時刻ｔ２に立ち上がったＶＯの波形は、時刻ｔ４において立ち下がる。

【0061】

同様に、時刻ｔ５には、光子が入射し、上記したように、アバランシェ増倍が開始し、ＶＯがローレベルからハイレベルに遷移する。

【0062】

このような動作を順次繰り返し、時刻ｔ６に信号ＣＬＫＢのハイレベルからローレベルへの遷移個数がＮｃ個目になり、時刻ｔ７に光子が入射し、ＶＯがローレベルからハイレベルに遷移すると、ＣＯＵＮＴはＮｃとなる。カウンタの最大カウント値を超えるため、信号ＳＴＯＰもローレベルからハイレベルに遷移するカウンタ２１１に入力されるＳＴＯＰ信号（図ｂでは不図示）がハイレベルになる。これにより、カウント値がＮｃとなった時刻以降はＶＯに変化があったとしてもカウントされない。この例では、待機状態毎に毎回少なくとも１個の光子が入射した場合を想定しており、この場合、露光期間Ｔにおいて、信号ＣＬＫＢのパルス数がＮｃ個であるため、ＣＯＵＮＴも「Ｎｃ」となる。

【0063】

時刻ｔ８で、カウンタ２１１に入力される信号ＥＮがハイレベルからローレベルになる。ここで、時刻ｔ８では、ＶＯがハイレベルになっているため、このハイレベルをカウントしないように、信号ＥＮをハイレベルからローレベルに遷移させることにより、露光期間Ｔの期間外でカウンタ２１１にてカウントしない構成となっている。

【0064】

時刻ｔ９で読み出し信号ＷＲＴ（図６（ｂ）で不図示）がハイレベルになるとメモリ２２３にその時刻のカウント値が記憶される。時刻ｔ１０で、読み出し信号ＲＥＡＤ（図６（ｂ）で不図示）がハイレベルになると、選択回路からメモリ２２３に記憶されたカウント値が光電変換装置の外部に信号が読み出される。例えば、信号ＷＲＴは全行一括でメモリ２２３に情報を格納し、信号ＲＥＡＤは、行順次で外部に読みだす構成となっている。これにより、全行一括で露光期間を開始するグローバルシャッタを実現できる。

【0065】

（本実施形態の説明）
図８は、クロックリチャージ駆動における、時間とカウント値を示したものである。ここで、「Ｎｓａｔ」は、カウンタの最大カウント値相当の数である。「Ｎｓａｔ」の詳細については後述する。

【0066】

図８（ａ）において、（ｉｉ）は低照度の場合であり、露光時間Ｔの完了時にカウンタ数は、Ｎｓａｔまでに到達しないことを示している。他方、（ｉ）は、高照度の場合であり、露光時間Ｔの完了前にカウント値はＮｓａｔに到達する。この場合、Ｎｓａｔに到達する時間を記録しておけば、外挿法を用いて、露光期間Ｔの完了時のカウント値を算出することが可能である。この外挿法を用いて算出したカウント値を、算出カウント値ともいう。この結果、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。

【0067】

図８（ｂ）においても（ｉ）は高照度の場合、（ｉｉ）は低照度の場合を示している。図８（ｂ）の（ｉ）では、露光期間の完了前の所定のタイミング（Ｔ／ｍ）で、所定のカウント値（Ｎｓａｔ／ｍ）以上になったか否かを判定する。例えば、図８（ｂ）では、ｍ＝２とし、露光期間Ｔの１／２のタイミングで所定のカウント値以上になったか否かを判定する場合を示している。そして、所定のカウント値以上になった場合に、露光が停止する駆動を示している。この場合、計測されたカウント値に「ｍ」を乗じた値が、露光期間Ｔの完了時の算出カウント値として扱われる。例えば、ｍ＝２である。

【0068】

図８（ｃ）は、本実施形態に係る駆動を示した図である。具体的には、図８（ｂ）（ｉ）に示す駆動を採用しながら、所定の判定タイミング（所定のチェックポイント）を複数設けた場合を示すものである。（ｉ）では、第１の露光期間（Ｔ／ｍ^３）で、所定のカウント値（Ｎｓａｔ／ｍ）以上か否かを判定している。（ｉｉ）では、第２の露光期間（Ｔ／ｍ^２）で、所定のカウント値（Ｎｓａｔ／ｍ）以上か否かを判定している。（ｉｉｉ）では、第３の露光期間（Ｔ／ｍ）で、所定のカウント値（Ｎｓａｔ／ｍ）以上か否かを判定している。この場合、計測されたカウント値のそれぞれに対して、「ｍ^３」、「ｍ^２」、「ｍ」を乗じた値、例えば、８、４、２を乗じた値が、露光期間Ｔの完了時の算出カウント値として扱われる。

【0069】

ここで、各判定タイミングでは、所定のカウント値以上か否かを判定して、所定のカウント値以上であれば、露光を停止し、そのカウント値を出力することになる。したがって、露光停止となった場合、カウント値は、Ｎｓａｔ／ｍ以上、Ｎｓａｔ以下となる。

【0070】

このように複数のチェックポイントで判定するように構成すれば、よりダイナミックレンジを拡大することが可能である。

【0071】

図９（ａ）は、図８（ｂ）と（ｃ）で説明した形式における照度とカウント値との関係を示したものである。また、図９（ｂ）は、当該形式における照度と露光時間の関係を示したものである。照度が最も低い領域の場合には、露光期間Ｔの完了までカウントが継続されるため、図９（ｂ）に示すように、露光時間は最も長くなる。照度が最も低い領域の場合、カウンタが飽和するまでカウントし続けるため、図９（ａ）に示すように、０からＮｓａｔまでカウントがされることになる。次に、照度がやや大きくなる領域の場合は、第３の露光期間（Ｔ／ｍ）で、所定のカウント値（Ｎｓａｔ／ｍ）以上と判定され、露光が停止される場合である。露光が途中で停止されるため、図９（ｂ）に示すように、露光時間は短くなる。また、図９（ａ）に示すように、この場合に出力されるカウント値は、Ｎｓａｔ／ｍ以上Ｎｓａｔ以下となる。第２の露光期間（Ｔ／ｍ^２）で露光が停止される場合、および、第１の露光期間（Ｔ／ｍ^３）で露光が停止される場合も同様である。

【0072】

第１の露光期間（Ｔ／ｍ^３）で露光が停止される場合においては、最大Ｎｓａｔまでカウントすることができる。この場合、算出カウント値は、ｍ^３を乗じた値になるため、Ｎｓａｔ×ｍ^３となる。すなわち、画像形成に用いることのできるカウント値を、Ｎｓａｔから、Ｎｓａｔ×ｍ^３まで拡大させることができ、ダイナミックレンジを拡大できる。また、画素毎に、異なるタイミングでカウントを停止するかを制御することもできる。すなわち、画素毎に、露光時間を制御することもでき、いずれの画素においても、ダイナミックレンジを拡大することができる。以下、上記で説明した方式を実現する回路や駆動の例について説明する。

【0073】

（実施形態：画素回路ブロック図）
図６（ｃ）は、画素ごとに露光時間を制御する形態の画素回路のブロック図である。ＡＰＤ２０１、クエンチ素子２０２、論理回路２２１、論理回路２２２、カウンタ２１１は図６（ｂ）と同様であるため、説明を省略する。

【0074】

信号ＣＬＫＢは、露光期間Ｔ（以下、最大露光期間ともいう。）にＮｃ個のパルス信号であるクロック信号が入力されている点では、図６（ｂ）と同じである。ただし、後述するように、クロック信号のパルスの周期は、図６（ｂ）よりも図６（ｃ）の方が短い。また、図６（ｃ）では、カウンタ２１１から露光制御回路２３０に信号が入力されるようになっており、露光制御回路２３０からメモリ２２３にも信号が入力されるように構成されている。露光制御回路が有するメモリのビット数は、カウンタ２１１が有するフリップフロップのビット数よりも小さい。

【0075】

図１０は、本実施形態の画素回路の詳細なブロック図である。図６（ｃ）と同じ符号を用いている部分については説明を省略する。カウンタ２１１は、例えば、１１ビットのフリップフロップを有しているため、カウンタ２１１の飽和値は２０４７カウントとなる。また、信号ＥＮがカウンタ２１１に入力されており、信号ＥＮは露光期間Ｔを定義する信号である。すなわち、信号ＥＮがローレベルからハイレベルに遷移すると、露光期間Ｔが開始し、信号ＥＮがハイレベルからローレベルに遷移すると、露光期間Ｔが終了し、カウンタ２１１は停止状態となる。

【0076】

カウンタ２１１は露光制御回路２３０に信号を入力するように構成されている。露光制御回路２３０は複数のラッチ２３１を有する。図１０において、左から右方向に向けて、第１から第４のラッチ２３１が設けられている。これら４つのラッチ２３１とマルチプレクサ２３２は、所定の判定タイミングにおける所定のカウント値（閾値）を決定する。

【0077】

第１のラッチ２３１（一番左）には、カウンタの最大カウント値の１／８の値、すなわち、ｍ＝８となった場合に、信号Ｓ_ｎ／８が入力されるように構成されている。上記のとおり、カウンタの最大カウント値は、２０４７であるが、これを１／８にすると整数とならない。そのため、便宜上、最大カウント値に近い数であり、計算時に扱いやすい２０４８をここでは最大カウント値相当として、Ｓ_ｎ／８、Ｓ_ｎ／４、Ｓ_ｎ／２の基準とする。ここでは、２０４８／８＝２５６以上になった場合に出力される信号を、信号Ｓ_ｎ／８とする。

【0078】

また、同様に、第２のラッチ２３１（左から２番目）には、カウンタの最大カウント値の１／４の値、すなわち、ｍ＝４となった場合に、信号Ｓ_ｎ／４が入力されるように構成されている。ここでは、便宜上、２０４８／４＝５１２以上になった場合に出力される信号を、信号Ｓ_ｎ／４とする。

【0079】

また、同様に、第３のラッチ２３１（右から２番目）には、カウンタの最大カウント値（２０４８カウント）の１／２の値、すなわち、ｍ＝２となった場合に、信号Ｓ_ｎ／２が入力されるように構成される。ここでは、便宜上、２０４８／２＝１０２４以上になった場合に出力される信号を、信号Ｓ_ｎ／２とする。

【0080】

また、同様に、第４のラッチ２３１（一番右）には、カウンタの最大カウント値となった場合に、信号Ｓ_ｎが入力される。ここでは、１１ビットカウントの最大カウント値である２０４７となった場合に出力される信号を、信号Ｓ_ｎとする。

【0081】

ここで、第４のラッチ２３１に信号Ｓ_ｎが入力された場合、カウンタ２１１は最大カウント値に達しているため、論理回路２３４（ＯＲ回路）を通じて、信号ＳＴＯＰが出力される。信号ＳＴＯＰは、カウンタ２１１と論理回路２２１に入力されており、カウンタ２１１の動作が停止され、クエンチ素子２０２であるトランジスタがオフになる。

【0082】

マルチプレクサ２３２には、制御信号（不図示）が入力されており、第１のラッチ２３１から第３のラッチ２３１に格納されている信号を選択して、メモリ２３３に入力する。例えば、ダイナミックレンジを大きくしたい場合には、第１のラッチ２３１の信号を利用する。上記のとおり、画像形成に用いることのできるカウント値は、Ｎｓａｔから、Ｎｓａｔ×ｍ^３まで拡大することができるため、ｍは大きければ大きいほどダイナミックレンジを拡大できる。そのため、ｍ＝８である第１のラッチ２３１の信号を利用する。他方、ダイナミックレンジを拡大しすぎると、再構成した画像に違和感が生じる場合がある。例えば、画像に段差がある場合などは、ｍ＝２である第３のラッチ２３１に格納されている信号を利用する。このように、用途に応じて、第１のラッチ２３１から第３のラッチ２３１を適宜選択することができる。

【0083】

図１０には、メモリ２３３として、上から下方向に向けて、第１から第３のメモリ２３３が設けられている。後述するように、Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２のそれぞれのタイミングで、閾値以上のカウント値になっているかを確認し、Ｔ０のタイミングで閾値以上となっている場合、第１のメモリ２３３には「１」を記録する。同様に、Ｔ１のタイミングでカウントが閾値以上となっている場合、第２のメモリ２３３には「１」を記録する。同様に、Ｔ２のタイミングでカウントが閾値以上となっている場合、第３のメモリ２３３には「１」を記録する。

【0084】

メモリ２３３からは、タイムコード（時間情報）であるＴＣ＜０＞、ＴＣ＜１＞、ＴＣ＜２＞が出力されメモリ２２３に格納される。カウンタ２１１から１１ビットの信号が出力され、メモリ２３３から３ビットの信号が出力されるため、メモリ２２３は、合計で１４ビットのメモリとなる。

【0085】

ＴＣ＜０＞、ＴＣ＜１＞、ＴＣ＜２＞のいずれかが、「１」である場合、それはカウント数が閾値以上（Ｎｓａｔ／ｍ以上）であることを意味するため、論理回路２３４（ＯＲ回路）を通じて、信号ＳＴＯＰが出力される。

【0086】

メモリ２２３に読み出し信号ＷＲＴが入力されると、メモリ２２３にその時刻のカウンタ２１１の１１ビットの信号、および、Ｔ０＜２：０＞の３ビットの信号が記録される。また、読み出し信号ＲＥＡＤが選択回路２１２に入力されると、選択回路２１２から光電変換装置の外部にメモリ２２３に記憶された信号が読み出される。例えば、信号ＷＲＴは全行一括でメモリ２２３に情報を格納し、信号ＲＥＡＤは、行順次で外部に読みだす構成となっている。これにより、全行一括で露光期間を開始するグローバルシャッタを実現できる。

【0087】

（実施形態：タイミングチャート）
図１１は、本実施形態のタイミングチャートである。

【0088】

時刻ｔ０で、信号ＲＥＳのパルスがオンになる。図１０に示すように、信号ＲＥＳは、ラッチ２３１とカウンタ２１１に入力されるようになっている。これにより、ラッチ２３１およびカウンタ２１１に格納されている前のフレームの情報をリセットすることができる。これにより、カウンタ２１１のＣＯＵＮＴが「０」となる。また、図１０では不図示であるが、信号ＲＥＳをメモリ２２３、メモリ２３３に入力して、前のフレームの情報をリセットしてもよい。

【0089】

時刻ｔ１で、信号ＥＮがオンになり、露光期間Ｔが開始される。ここで、露光期間Ｔは最大露光期間という。入射する光子が少ない場合には、カウンタが飽和しないため、この最大露光期間の間、カウンタはカウントし続ける。ただし、後述するように、カウンタが飽和した場合や、所定の露光期間内でカウント値が所定の閾値を越えた場合などは、ＳＴＯＰ信号がハイレベルになり、実効的な露光期間は、最大露光期間よりも短縮化される。

【0090】

時刻ｔ１で信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移すると、信号ＳＴＯＰがローレベルのため、ＡＰＤはリチャージが開始され、ＶＣの電圧が徐々に上昇し、待機モードとなる。時刻ｔ１で信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移するが、光子がまだ入射していないため、ＶＯはハイレベルからローレベルになる。

【0091】

時刻ｔ２で、光子（Ｐｈｏｔｏｎｓ）が入射すると、アバランシェ増倍が開始し、ＶＣの電位は降下する。ＶＣから論理回路２２２に入力される信号はローレベルであり、信号ＣＬＫＢはハイレベルであるため、論理回路２２２からの出力であるＶＯはローレベルからハイレベルに遷移する。この遷移により、ＣＯＵＮＴは「０」から「１」となる。すなわち、この実施形態の場合、ＶＯの立ち上がりを利用して、カウントを行っている。

【0092】

時刻ｔ３で、信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移すると、時刻ｔ１と同様に、リチャージが開始し、ＶＣの電位が変化する。また、信号ＣＬＫＢがハイレベルからローレベルに遷移するので、ＶＯはハイレベルからローレベルに遷移する。すなわち、時刻ｔ２に立ち上がったＶＯの波形は、時刻ｔ３において立ち下がる。

【0093】

信号Ｔ０は、露光期間Ｔの開始からＴ／ｍ^３経過した時刻ｔ４にローレベルからハイレベルに遷移する。ここで、ｍは任意の数であり、例えば、Ｓ_ｎ／８の信号を受け取る一番左のラッチ２３１の信号を、マルチプレクサ２３２を用いて選択した場合は「８」である。したがって、時刻ｔ４は、露光期間Ｔの開始から、Ｔ／５１２を経過した時刻である。

【0094】

また、信号ＣＬＫＢに着目すると、露光期間Ｔの合計パルス数はＮｃとしているため、露光期間Ｔの開始からＴ／５１２を経過した時刻ｔ４において、合計パルス数はＮｃ／ｍ^３となる。

【0095】

ここで、露光期間Ｔの開始からＴ／ｍ^３経過する時点までの合計パルス数であるＮｃ／ｍ^３は、カウンタの最大カウンタ数以上に設定する。カウンタの最大カウンタ数よりも小さい数にすると、ダイナミックレンジの拡大が制限されるからである。なお、ダイナミックレンジをある程度抑制してもよい場合には、Ｎｃ／ｍ^３をカウンタの最大カウンタ数よりも小さくしてもよい。例えば、Ｎｃ／ｍ^３を最大カウンタ数の３／４以上とすることができる。

【0096】

本実施形態では、露光期間（最大露光期間）に含まれ、かつ、当該露光期間よりも短い３つの露光期間が完了するタイミングで、カウント値が閾値以上か否かを判定している。

【0097】

ここで、露光期間が短い方から、第１の露光期間（第１の判定タイミング）、第２の露光期間（第２の判定タイミング）、第３の露光期間（第３の判定タイミング）とすると、第１の露光期間が、最も露光期間を短く設定した期間である。本実施形態では、第１の露光期間が、Ｔ／ｍ^３に、第２の露光期間が、露光期間Ｔ／ｍ^２に相当し、第３の露光期間が、露光期間Ｔ／ｍに相当する。すなわち、ｍは、第１露光期間の長さと第２露光期間の長さの比、第２露光期間の長さと第３露光期間の長さの比となる。

【0098】

上記のとおり、ここでは、ｍ＝８であるため、第２の露光期間の長さは、第１の露光期間の長さの８倍である。また、第３の露光期間の長さは、第２の露光期間の長さの８倍である。８倍は、具体例であり、これらの倍数は、２倍以上であっても、４倍以上であってもよい。

【0099】

このうち、露光期間Ｔの開始からＴ／ｍ^３経過する時点までの合計パルス数Ｎｃ／ｍ^３をカウンタの最大カウント値以上とするためには、例えば、最大カウント値が２０４７の場合、Ｎｃ／ｍ^３は２０４８とする。すなわち、Ｎｃ／ｍ^３をカウンタの最大カウント値以上の値とする。このため、露光期間Ｔの間の合計パルス数であるＮｃは、ｍ＝８の場合、約１００万回となる。比較例である通常のクロックリチャージ駆動において、露光期間内のパルス数であるＮｃは、Ｎｃをカウンタの最大カウント値相当の数とする場合、２０４８となる。そのため、比較例と比較して、本実施形態のパルス数Ｎｃは非常に多く、クロック信号のパルスの周期は非常に短いものとなる。図６（ｂ）と（ｃ）でパルス信号の周期が異なるように図示しているのは、このためである。

【0100】

時刻ｔ４で、ＣＯＵＮＴは「Ｘ１」で、閾値としている「Ｎｓａｔ／ｍ」よりも小さい値である（すなわち、Ｘ１＜Ｎｓａｔ／ｍ）。ここで、「Ｎｓａｔ」とは、例えば、２０４８である。上記のように、「Ｎｓａｔ」は、カウンタの最大カウント値相当の数であって、計算を容易にするための数である。本明細書では、「カウンタの最大カウント値相当の数」も「カウンタの最大カウント値」と取り扱うこともある。

【0101】

また、ｍとは、上記のとおり、露光期間の長さの比であり、例えばｍ＝８である。そのため、「Ｎｓａｔ／ｍ」は、例えば、２５６である。図１１に示す例では、カウント値が閾値より小さいので、一番左の第１のラッチ２３１には、信号Ｓ_ｎ／８がラッチされていない。そのため、タイムコードとなる信号ＶＣ＜０＞はローレベルのままであり、一番上の第１のメモリ２３３には「０」が入力される。

【0102】

時刻ｔ４と時刻ｔ５の間に、ＣＯＵＮＴは閾値としている「Ｎｓａｔ／ｍ」以上の値となり、一番左の第１のラッチ２３１には、信号Ｓ_ｎ／８がラッチされる。そして、マルチプレクサ２３２からの出力は、ローレベルからハイレベルに遷移する。

【0103】

信号Ｔ１は、露光期間Ｔの開始からＴ／ｍ^２経過した時刻ｔ５にローレベルからハイレベルに遷移する。例えば、時刻ｔ５は、露光期間Ｔの開始である時刻ｔ１から、Ｔ／６４を経過した時刻である。

【0104】

時刻ｔ４と時刻ｔ５の間に、マルチプレクサ２３２からの出力がハイレベルになっているため、時刻ｔ５に信号Ｔ１が入力されると、タイムコードとなる信号ＴＣ＜１＞がローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、第２のメモリ２３３には「１」が入力される。また、ＴＣ＜１＞がローレベルからハイレベルに遷移するため、図１０に示すように、論理回路２３４を介して、信号ＳＴＯＰがカウンタ２１１と論理回路２２１に与えられ、クエンチ素子２０２であるトランジスタがオフになる。

【0105】

また、信号ＣＬＫＢに着目すると、露光期間Ｔでパルス数はＮｃとしているため、露光期間Ｔの開始からＴ／６４を経過した時刻ｔ５において、合計パルス数はＮｃ／ｍ^２となる。

【0106】

図１１では、時刻ｔ５の経過後に光子が入射する例を示している。この場合、光子入射により、アバランシェ増倍が生じ、ＶＣの電位が低下するが、クエンチ素子２０２であるトランジスタがオフに維持されるため、再度のアバランシェ増倍は生じない。このため、ＶＯは、いったんローレベルからハイレベルになったまま、ハイレベルを維持する。

【0107】

信号Ｔ２は、露光期間Ｔの開始からＴ／ｍ経過した時刻ｔ６にローレベルからハイレベルに遷移する。例えば、露光期間Ｔの開始から、Ｔ／８経過した時刻である。また、信号ＣＬＫＢに着目すると、露光期間Ｔでパルス数はＮｃとしているため、露光期間Ｔの開始からＴ／８だけ経過した時刻ｔ６において、合計パルス数はＮｃ／ｍとなる。

【0108】

ここで、マルチプレクサ２３２からの出力はハイレベルに維持されており、時刻ｔ６に信号Ｔ２が入力されると、タイムコードとなる信号ＴＣ＜２＞がローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、第３のメモリ２３３には「１」が入力される。

【0109】

ところで、時刻ｔ５以降の光子入射により、ＶＯがハイレベルになっているため、このハイレベルをカウントしないように、信号ＥＮをハイレベルからローレベルに遷移させる制御を行っている。上記のように、信号ＥＮは、露光期間Ｔ（最大露光期間）の開始と終了を定義づけるという機能も有する。なお、信号ＥＮ以外の信号を用いて、最大露光期間の開始と終了を定義づけてもよい。

【0110】

時刻ｔ７で読み出し信号ＷＲＴがハイレベルになるとメモリ２２３から選択回路２１２に信号が読み出される。また、時刻ｔ８で、読み出し信号ＲＥＡＤがハイレベルになると、選択回路２１２から光電変換装置の外部に信号が読み出される。例えば、信号ＷＲＴは全行一括でメモリ２２３に情報を格納し、信号ＲＥＡＤは、行順次で外部に読みだす構成となっている。これにより、全行一括で露光期間を開始するグローバルシャッタを実現できる。

【0111】

本実施形態においては、露光期間比であるｍに対して、判定タイミングの閾値を「Ｎｓａｔ／ｍ」と設定している。ここで、カウントの閾値を一般化して「Ｎｓａｔ／ｎ」とする（ｎは２以上の数）。「Ｎｓａｔ／ｎ」は、換言すると、「カウンタの最大カウント値／ｎ」である。ここで、「カウンタの最大カウンタ数」とは、カウンタの最大カウント値（例：２１４７）およびカウンタの最大カウント値相当の数（例：２１４８）を含む数である。

【0112】

この場合、ｎが露光期間比であるｍより小さいと、例えば第１の露光期間でのカウント値が閾値を超えず、かつ、第２の露光期間でカウント値が飽和値に達してしまう画素が増加しうる。これにより、特定の光量下において、階調性が失われてしまう。これに対し、「Ｎｓａｔ／ｎ」のｎを露光期間比であるｍ以上に設定することで、飽和値に達してしまう画素を低減し、低輝度から高輝度までの広い光量条件において階調性を確保することができるというメリットがある。

【0113】

図１２は、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）のそれぞれの形態の光電変換装置における効果を示したものである。換言すれば、図７（ａ）、図７（ｂ）、図９（ａ）で説明した概念を具体的な値で示したものである。図１２の横軸は光子の入射数であり、縦軸はカウント値の中央値である。点線（ａ）は、図６（ａ）を用いて説明したパッシブリチャージの形態に対応する。プロットなしの実線（ｂ）は、図６（ｂ）を用いて説明したクロックリチャージの形態に対応する。プロットありの実線（ｃ）は、図６（ｃ）を用いて説明した画素ごとに露光時間を制御する形態に対応する。

【0114】

図１２の点線（ａ）は、２０４７カウントで飽和し、その後、光子をカウントできなくなり、数値が急激に低下している。これは、上記のように、光子入射数が非常に多いと、ＶＣの電圧が低い状態が維持され、判定閾値を下から上に越えることがなくなり、信号が１つも生成されなくなってしまうからである。

【0115】

図１２のプロットなしの実線（ｂ）は、１フレーム中のリチャージクロックが２０４８に設定されており（Ｎｃ＝２０４８）、カウンタの最大カウント値は２０４７であるため、２０４７カウントで飽和している。ただし、図１２の（ａ）と比較すると、飽和に至るまでの光子入射数は多い。光子入射数が非常に多い場合、信号が１つも生成されなくなる状況は生じないが、クロック周波数の数しかカウントできないため、カウント値の上限がクロック周波数によって決まってしまう。

【0116】

図１２の丸プロットありの実線（ｃ）は、クロックリチャージと本発明の実施形態の一つである画素毎の露光時間制御を組み合わせたものである。カウント値の上限は、２０４７カウントで、（ａ）および（ｂ）と同じである。ただし、（ｃ）では、カウント値が底を打つ回数が３回ある。上記のとおり、「Ｎｓａｔ／ｍ」を閾値として設定しているため、この底のカウントは、ｍ＝８の場合、２５６となる。この方式の場合、２０４７カウントに対応する入射光よりも多くの入射光に対してもカウントを継続することができ、ダイナミックレンジを広げることが可能になっている。具体的には、タイムコードを出力できる一番短い露光期間がＴ／ｍ^３と設定されおり、かつ、ｍ＝８であるため、図１２（ｂ）の場合と比べダイナミックレンジが５１２倍になるというメリットがある。

【0117】

（実施形態：演算処理の説明）
図１３は、演算処理を行うための回路と演算処理を説明するための図である。

【0118】

図１３（ａ）に示すように、光電変換装置１００から出力された信号は、演算回路３００に入力されるように構成されている。演算回路３００は光電変換装置１００の内部にあってもよい。また、演算回路３００への信号の入力は、有線や無線を問わず、記録媒体を介するものであってもよい。

【0119】

図１３（ｂ）は、演算回路３００における演算フローを示すものである。

【0120】

Ｓ３０１では、１４ビットのＲａｗデータがメモリ２２３から読み出される。

【0121】

Ｓ３０２では、１４ビットのＲａｗデータから、１１ビット分の光のカウント値の情報と、３ビット分のタイムコードの情報を分離する。

【0122】

Ｓ３０３では、カウント値の情報と、タイムコードの情報を用いて、論理シフト（ビットシフト）が行われる。

【0123】

ここで、論理シフトの処理を具体的に示したのが、図１４である。Ｓ３１０で、論理シフトが開始される。Ｓ３１２で、タイムコードＴＣ＜０＞が１であるか否かを判定する。ＴＣ＜０＞が１である場合、Ｓ３１４で、１１ビット分の光カウント値をｍ^３倍とする。Ｓ３１２で、タイムコードＴＣ＜０＞が１でない場合、Ｓ３１６で、タイムコードＴＣ＜１＞が１であるか否かを判定する。ＴＣ＜１＞が１である場合、Ｓ３１８で、１１ビット分の光カウント値をｍ^２倍とする。Ｓ３１６で、タイムコードＴＣ＜１＞が１でない場合、Ｓ３２０で、タイムコードＴＣ＜２＞が１であるか否かを判定する。ＴＣ＜２＞が１である場合、Ｓ３２２で、１１ビット分の光カウント値をｍ倍とする。Ｓ３２０で、タイムコードＴＣ＜２＞が１でない場合、カウンタは飽和していないことから、論理シフトの処理は不要となり、Ｓ３２４で論理シフトの演算は終了する。このように、論理シフト処理では、時間情報に基づいて、カウンタのカウント値の増倍率を変化させている。

【0124】

図１３（ｂ）に戻り、Ｓ３０４では、非線形補正が行われる。例えば、図１２の（ｃ）のプロットを参照すると、光子入射数が１×１０^６から１×１０^７周辺で、傾きが一定とならない領域がある。そこで、Ｓ３０４では、この傾きが一定とならない領域について補正を行う工程となっている。

【0125】

具体的には、補正後のカウント値をＸ、補正前のカウント値をＹとすると、Ｙ＝Ｎｃ×（１－ｅｘｐ（－Ｘ／Ｎｃ）で表される。ここでＮｃは前述したように露光期間Ｔの間に入るパルス数である。Ｓ３０５では、デモザイク処理（補間処理）を行い、Ｓ３０６では、ＲＧＢのそれぞれでフィルタの光透過率や反射率が異なることから、適切な信号増幅率のチューニングを行う。Ｓ３０７では、ＨＤＲのトーンマッピングを行い、Ｓ３０８では、このように演算処理されたカラー画像を出力する。なお、図１３（ｂ）ではカラー画像を出力することを説明したが、モノクロで画像を出力するように構成してもよい。この場合、Ｓ３０５、Ｓ３０６などの処理は適宜省略することが可能である。

【0126】

（変形例）
上記第１の実施形態では、所定のチェックポイントでカウント値が閾値に達したか否かを判定し、かつ、当該閾値をカウンタの最大カウント値（飽和値）よりも小さな値に設定する形式を中心に説明を行った。しかし、カウンタの最大カウント値を閾値とし、当該閾値までカウントを行う方式も採用しうる。この場合、閾値に達した時間情報をメモリに格納し、外挿法などの手法を用いて、時間情報から算出カウント値を求めてもよい。

【0127】

この方式においても、露光期間Ｔに入力されるクロック信号のパルス数は、カウンタの最大カウント値の２倍以上とする。例えば、露光期間Ｔに第１の露光期間と第２の露光期間が含まれていると仮定すると、第１の露光期間内におけるクロック信号のパルス数を、カウンタの最大カウント値以上とする。また、第１の露光期間が第２の露光期間よりも短いと仮定した場合に、第１の露光期間内におけるクロック信号のパルス数を、カウンタの最大カウント値以上としてもよい。さらに、上記実施形態と同様に、Ｔ／ｍ^３を通過するまでにカウンダの最大カウント値以上のパルス数を必要と想定すると、ｍが２の場合には、露光期間Ｔに入れるパルス数は、カウンダの最大カウント値の８倍以上となる。また、ｍが８の場合には、露光期間Ｔに入れるパルス数は、カウンダの最大カウント値の５１２倍以上となる。

【0128】

（第２の実施形態）
本実施形態は、図１５を用いて、パルス信号の周波数のバリエーションを説明する実施形態である。図１５（ａ）から（ｅ）は、図６（ｃ）で説明した論理回路２２１に入力される信号ＣＬＫＢのタイミングチャートを示す図である。

【0129】

（第１の形態）
図１５（ａ）は、第１の形態として、露光期間の最初から最後まで、一定の周波数の信号ＣＬＫＢで動作させた形態を示すものである。このとき、第１の実施形態と同様に、カウントを判定する一番短い露光期間がＴ／ｍ^３である場合、露光期間開始からＴ／ｍ^３までの期間に入る信号ＣＬＫＢのパルス数は、例えば、Ｎｓａｔ個である。この場合、露光期間Ｔに入る信号ＣＬＫＢのパルス数はＮｓａｔ×ｍ^３個である。つまり、一番短い露光期間の時間までにＮｓａｔ個のリチャージを入れることによって、カウント上限まで活用したダイナミックレンジ拡大が可能となる。また、カウントを判定する一番短い露光期間には、ちょうどＮｓａｔ個のＣＬＫＢのパルス数を入れる必要はなく、Ｎｓａｔ個以上のパルス数を入れてもよい。すなわち、カウンタの最大カウント値以上のパルス数を有するクロック信号であればよい。

【0130】

（第２の形態）
図１５（ｂ）は、第２の形態における、信号ＣＬＫＢのタイミングチャートを示す図である。第１の形態との違いは、信号ＣＬＫＢの周波数が露光期間内で変化している点である。第２の形態では、信号ＣＬＫＢの周波数がカウント値を判定するタイミングであるＴ／ｍ^３、Ｔ／ｍ^２、Ｔ／ｍなどの判定ポイントにおいてクロック信号の周波数が切り替わっている。すなわち、露光期間内におけるクロック信号の周波数が２種類以上設けられている。

【0131】

例えば、信号ＣＬＫＢの周波数は、露光期間開始からＴ／ｍ^３までを周波数ｆ１、Ｔ／ｍ３からＴ／ｍ^２までを周波数ｆ２、Ｔ／ｍ^２からＴ／ｍまでを周波数ｆ３、Ｔ／ｍからＴまでを周波数ｆ４とする。この場合、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３＞ｆ４の関係にある。このとき、ｍ＝８とすると、ｆ１＝ｆ２×８＝ｆ３×６４＝ｆ４×５１２のように、周波数は露光期間の比率に応じて、小さくなっていても良い。この比率を適用すると、各カウント判定タイミングまでに一定の周期で光子が入る場合の、最小限の周波数を設定していることになる。最小限の周波数とは、想定される最大入射光子数ＮｓａｔをＴ／ｍ^３、Ｔ／ｍ^２、Ｔ／ｍなどの各カウント判定タイミングまでの期間で割って算出される周波数である。この最小限の周波数以上であれば、各カウント判定タイミングにおいて、カウント上限値Ｎｓａｔまでダイナミックレンジを最大限に活用できる。例えば、Ｔ／ｍ^３まで最大Ｎｓａｔの入射光子数を想定する場合、最小限の周波数ｆ１＝Ｎｓａｔ／（Ｔ／ｍ^３）である。Ｔ／ｍ^３からＴ／ｍ^２の期間においては、Ｔ／ｍ^３の時点で閾値を超えていないため、最大の光子入射頻度は、次のＴ／ｍ^２でカウントＮｓａｔに到達するケースである。つまりＴ／ｍ^３からＴ／ｍ^２までの期間は、ｆ２＝Ｎｓａｔ／（Ｔ／ｍ^２）であれば良い。同じように計算して、ｆ３＝Ｎｓａｔ／（Ｔ／ｍ）、ｆ４＝Ｎｓａｔ／Ｔである。このように、信号ＣＬＫＢの周波数を露光期間内で必要な数を残して減らすことで、ダイナミックレンジ拡大の効果を確保しつつ、信号ＣＬＫＢによる消費電力を減らすことができる。

【0132】

クロック信号の周波数を変更するためには、分周回路を設ければよい。分周回路は、垂直走査回路部、画素回路部、制御パルス生成部に設けることが可能である。画素回路部に設ける場合には、画素毎に異なる周波数のクロック信号を与えることが可能である。

【0133】

なお、露光期間開始からＴ／ｍ^３までの間（第１の露光期間）でのクロック信号の周波数は一定でなくてもよい。同様に、Ｔ／ｍ３からＴ／ｍ^２まで間（第２の露光期間）でのクロック信号の周波数は一定でなくてもよい。この場合、周波数は、平均周波数で考えることが可能である。例えば、第１の露光期間の平均周波数である第１の周波数は、第２の露光期間の平均周波数である第２の周波数よりも大きい。

【0134】

（第３の形態）
図１５（ｃ）は、第３の形態における、信号ＣＬＫＢのタイミングチャートを示す図である。

【0135】

第２の形態との違いは、カウント値を判定するタイミングの前後で周波数を切り替えるのではなく、露光期間Ｔの開始から終了に向かって、徐々に周波数を低くしている点である。このように、判定タイミングの前後で周波数を切り替えるのではなく、徐々に周波数を調整することにより、周波数の切り替わりで生じるカウント数の切り替わり段差を減らすことができる。また、周波数を変える手法として分周回路の他、周波数変調回路を用いるなどの回路構成の選択肢を広げることが可能となる。

【0136】

なお、本形態は、露光期間Ｔの開始から終了に向けて、クロック信号の平均周波数が徐々に小さくなる方向に変化していると表現することが可能である。また、露光期間Ｔの終了前の所定期間の平均周波数が、露光期間Ｔの開始後の所定期間の平均周波数よりも小さいと表現することも可能である。

【0137】

（第４の形態）
図１５（ｄ）は、第４の形態における、信号ＣＬＫＢのタイミングチャートを示す図である。図１５（ｂ）に示した第２の形態では、露光期間の後半に向かって信号ＣＬＫＢの周波数は常に低くなる方向で駆動していたのに対して、第４の形態ではＴ／ｍ^２とＴ／ｍの間で一度周波数が高くなっている。例えば、露光期間開始からＴ／ｍ^２の判定タイミングまでは、光子があまり到来せず、低照度条件であったが、Ｔ／ｍ^２の判定タイミングから露光期間終了の時刻Ｔまででは、光子が多く到来し、高照度条件となった場合を想定する。この場合、図１５（ｂ）の駆動を採用すると、後半に高照度条件となった場合にカウントロスを発生することとなる。図１５（ｄ）に示す駆動によれば、このような条件であっても、後半の光子のカウントロスを低減させることができる。なお、信号ＣＬＫＢの周波数を増加する比率や、増加させるタイミングは任意に決めて良く、ダイナミックレンジ拡大に必要なパルス数以上であれば良い。

【0138】

（第５の形態）
図１５（ｅ）は、第５の形態における、信号ＣＬＫＢのタイミングチャートを示す図である。図１５（ｂ）に示した第２の形態との違いは、１つの群を構成しているパルス同士の間隔は等しいが、パルス群同士の間隔が徐々に大きくなっている点である。ただし、図１５（ｂ）と図１５（ｅ）は、各露光期間（判定タイミング同士で規定される期間）に入るパルスの数は同じである。図１５（ｅ）の形態によれば、各露光期間において信号ＣＬＫＢ同士が近づくと、より光子入射のタイミングが近づいた場合でもカウントすることが可能となる。つまり、高照度まで感度を持つことができるため、ダイナミックレンジを拡大することができる。

【0139】

なお、本形態は、第１の露光期間内における単位時間当たりのクロック信号のパルス数は、第２の露光期間内における単位時間当たりのクロック信号のパルス数よりも多いと表現することが可能である。すなわち、第１の露光期間のクロック信号のパルス分布割合は、第２の露光期間のクロック信号のパルス分布割合よりも、密である。

【0140】

（第３の実施形態）
本実施形態は、図１６および図１７を用いて、更なるパルス信号の入力の仕方のバリエーションを説明する実施形態である。図１６および図１７は、図６（ｃ）で説明した論理回路２２１に入力される信号ＣＬＫＢのタイミングチャートを示す図である。

【0141】

図１６では、垂直走査アドレス０、１、・・・、ｎ－１、ｎのそれぞれに応じて、ＣＬＫＢ＜０＞、ＣＬＫＢ＜１＞、・・・、ＣＬＫＢ＜ｎ－１＞、ＣＬＫＢ＜ｎ＞のように各々で信号ＣＬＫＢを入力している。このように複数の行においてもグローバルシャッタ駆動において、垂直走査アドレス毎に露光期間毎の周波数を変える制御が可能である。このとき、周波数を垂直アドレス毎に制御する方式は任意である。例えば、制御パルス生成部１１５から複数の周波数を垂直走査回路１１０に入力して、垂直走査回路１１０内でアドレス毎に周波数を選択する構成が考えられる。あるいは、単一の周波数を垂直走査回路１１０に入力して、垂直走査アドレス毎に露光期間の途中で分周しても良い。または、垂直走査回路１１０からは一定の周波数を入力しておいて、画素の信号処理部１０３の内部で分周しても良い。

【0142】

図１７は別の駆動を示す例であり、図１６との違いは、グローバルシャッタ駆動ではなく、ローリングシャッター駆動である点である。このようにアドレス毎に周波数制御を行うことにより、どちらの駆動にも対応することができる。

【0143】

（第４の実施形態）
本実施形態による光電変換システムについて、図１８を用いて説明する。図１８は、本実施形態による光電変換システムの概略構成を示すブロック図である。

【0144】

上記実施形態で述べた光電変換装置は、種々の光電変換システムに適用可能である。適用可能な光電変換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、光電変換システムに含まれる。図１８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。

【0145】

図１８に例示した光電変換システムは、光電変換装置の一例である撮像装置１００４、被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ１００２を有する。近電変換システムは、さらに、レンズ１００２を通過する光量を可変にするための絞り１００３、レンズ１００２の保護のためのバリア１００１を有する。レンズ１００２及び絞り１００３は、撮像装置１００４に光を集光する光学系である。撮像装置１００４は、上記のいずれかの実施形態の光電変換装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を電気信号に変換する。

【0146】

光電変換システムは、また、撮像装置１００４より出力される出力信号の処理を行うことで画像を生成する画像生成部である信号処理部１００７を有する。信号処理部１００７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。信号処理部１００７は、撮像装置１００４が設けられた半導体層に形成されていてもよいし、撮像装置１００４とは別の半導体層に形成されていてもよい。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とが同一の半導体層に形成されていてもよい。

【0147】

光電変換システムは、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部１０１０、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）１０１３を有する。更に光電変換システムは、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１０１２、記録媒体１０１２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）１０１１を有する。なお、記録媒体１０１２は、光電変換システムに内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

【0148】

更に光電変換システムは、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１００９、撮像装置１００４と信号処理部１００７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１００８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、光電変換システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された出力信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。

【0149】

撮像装置１００４は、撮像信号を信号処理部１００７に出力する。信号処理部１００７は、撮像装置１００４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１００７は、撮像信号を用いて、画像を生成する。

【0150】

このように、本実施形態によれば、上記のいずれかの実施形態の光電変換装置（撮像装置）を適用した光電変換システムを実現することができる。

【0151】

（第５の実施形態）
本実施形態の光電変換システム及び移動体について、図１９を用いて説明する。図１９は、本実施形態の光電変換システム及び移動体の構成を示す図である。

【0152】

図１９（ａ）は、車載カメラに関する光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム２３００は、撮像装置２３１０を有する。撮像装置２３１０は、上記のいずれかの実施形態に記載の光電変換装置である。光電変換システム２３００は、撮像装置２３１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部２３１２を有する。また、光電変換システム２３００は、光電変換システム２３００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部２３１４を有する。さらに、光電変換システム２３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部２３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部２３１８と、を有する。ここで、視差取得部２３１４や距離取得部２３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部２３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）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。

【0153】

光電変換システム２３００は車両情報取得装置２３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光電変換システム２３００は、衝突判定部２３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置（制御部）である制御ＥＣＵ２３３０が接続されている。また、光電変換システム２３００は、衝突判定部２３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置２３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部２３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ２３３０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２３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの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。

【0154】

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光電変換システム２３００で撮像する。図１９（ｂ）に、車両前方（撮像範囲２３５０）を撮像する場合の光電変換システムを示した。車両情報取得装置２３２０が、光電変換システム２３００ないしは撮像装置２３１０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

【0155】

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

【0156】

（第６の実施形態）
本実施形態の光電変換システムについて、図２０を用いて説明する。図２０は、光電変換システムである距離画像センサの構成例を示すブロック図である。

【0157】

図２０に示すように、距離画像センサ４０１は、光学系４０２、光電変換装置４０３、画像処理回路４０４、モニタ４０５、およびメモリ４０６を備えて構成される。そして、距離画像センサ４０１は、光源装置４１１から被写体に向かって投光され、被写体の表面で反射された光（変調光やパルス光）を受光することにより、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。

【0158】

光学系４０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を光電変換装置４０３に導き、光電変換装置４０３の受光面（センサ部）に結像させる。

【0159】

光電変換装置４０３としては、上述したから実施形態に記載の光電変換装置が適用され、光電変換装置４０３から出力される受光信号から求められる距離を示す距離信号が画像処理回路４０４に供給される。

【0160】

画像処理回路４０４は、光電変換装置４０３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。そして、その画像処理により得られた距離画像（画像データ）は、モニタ４０５に供給されて表示されたり、メモリ４０６に供給されて記憶（記録）されたりする。

【0161】

このように構成されている距離画像センサ４０１では、上述した光電変換装置を適用することで、画素の特性向上に伴って、例えば、より正確な距離画像を取得することができる。

【0162】

（第７の実施形態）
本実施形態の光電変換システムについて、図２１を用いて説明する。図２１は、本実施形態の光電変換システムである内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。

【0163】

図２１では、術者（医師）１１３１が、内視鏡手術システム１１０３を用いて、患者ベッド１１３３上の患者１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０３は、内視鏡１１００と、術具１１１０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１１３４と、から構成される。

【0164】

内視鏡１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１０１と、鏡筒１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１００を図示しているが、内視鏡１１００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。

【0165】

鏡筒１１０１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１１００には光源装置１２０３が接続されており、光源装置１２０３によって生成された光が、鏡筒１１０１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１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１００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。

【0166】

カメラヘッド１１０２の内部には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。当該光電変換装置によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該光電変換装置としては、前述の実施形態に記載の光電変換装置を用いることができる。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：ＣａｍｅｒａＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１１３５に送信される。

【0167】

ＣＣＵ１１３５は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やＧＰＵ（ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１００及び表示装置１１３６の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１３５は、カメラヘッド１１０２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。

【0168】

表示装置１１３６は、ＣＣＵ１１３５からの制御により、当該ＣＣＵ１１３５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。

【0169】

光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）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１１００に供給する。

【0170】

入力装置１１３７は、内視鏡手術システム１１０３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１１３７を介して、内視鏡手術システム１１０３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。

【0171】

処置具制御装置１１３８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１１１２の駆動を制御する。

【0172】

内視鏡１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１２０３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１２０３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１１０２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。

【0173】

また、光源装置１２０３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１１０２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。

【0174】

また、光源装置１２０３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１２０３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。

【0175】

（第８の実施形態）
本実施形態の光電変換システムについて、図２２を用いて説明する。図２２（ａ）は、光電変換システムである眼鏡１６００（スマートグラス）の構成の一例を示す図である。眼鏡１６００には、光電変換装置１６０２を有する。光電変換装置１６０２は、上記のから第１２の実施形態に記載の光電変換装置である。また、レンズ１６０１の裏面側には、ＯＬＥＤやＬＥＤ等の発光装置を含む表示装置が設けられていてもよい。光電変換装置１６０２は１つでもよいし、複数でもよい。また、複数種類の光電変換装置を組み合わせて用いてもよい。光電変換装置１６０２の配置位置は図２２（ａ）に限定されない。

【0176】

眼鏡１６００は、制御装置１６０３をさらに備える。制御装置１６０３は、光電変換装置１６０２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１６０３は、光電変換装置１６０２と表示装置の動作を制御する。レンズ１６０１には、光電変換装置１６０２に光を集光するための光学系が形成されている。

【0177】

図２２（ｂ）は、１つの適用例に係る眼鏡１６１０（スマートグラス）を説明する。眼鏡１６１０は、制御装置１６１２を有しており、制御装置１６１２に、光電変換装置１６０２に相当する光電変換装置と、表示装置が搭載される。レンズ１６１１には、制御装置１６１２内の光電変換装置と、表示装置からの発光を投影するための光学系が形成されており、レンズ１６１１には画像が投影される。制御装置１６１２は、光電変換装置およ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、光電変換装置および表示装置の動作を制御する。制御装置は、装着者の視線を検知する視線検知部を有してもよい。視線の検知は赤外線を用いてよい。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。

【0178】

赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から表示画像に対するユーザの視線を検出する。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。

【0179】

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。

【0180】

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有し、光電変換装置からのユーザの視線情報に基づいて表示装置の表示画像を制御してよい。

【0181】

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一の視界領域と、第一の視界領域以外の第二の視界領域とを決定される。第一の視界領域、第二の視界領域は、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たものを受信してもよい。表示装置の表示領域において、第一の視界領域の表示解像度を第二の視界領域の表示解像度よりも高く制御してよい。つまり、第二の視界領域の解像度を第一の視界領域よりも低くしてよい。

【0182】

また、表示領域は、第一の表示領域、第一の表示領域とは異なる第二の表示領域とを有し、視線情報に基づいて、第一の表示領域および第二の表示領域から優先度が高い領域を決定されてよい。第一の視界領域、第二の視界領域は、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たものを受信してもよい。優先度の高い領域の解像度を、優先度が高い領域以外の領域の解像度よりも高く制御してよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度を低くしてよい。

【0183】

なお、第一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。

【0184】

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。

【0185】

以上、説明した実施形態は、技術思想を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。また、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、本発明の実施形態に含まれる。

【0186】

また、本実施形態の開示は、以下の構成および方法を含む。

【0187】

（構成１）
アバランシェ増倍を行うフォトダイオードと、
前記フォトダイオードと電源との間に配され、前記フォトダイオードを前記電源に電気的に接続する第１の状態と、前記フォトダイオードを前記電源に電気的に接続しない第２の状態に切り替える回路と、
前記フォトダイオードからの出力信号をカウントするカウンタと、
露光期間に含まれ、前記露光期間よりも短い所定の露光期間内に、前記カウンタのカウント値が閾値に達したことを示す時間情報が書き込まれるメモリと、を有し、
前記露光期間において、クロック信号が、前記回路に入力可能に構成されていることを特徴とする光電変換装置。

【0188】

（構成２）
前記所定の露光期間は、第１の露光期間と、第２の露光期間を有することを特徴とする構成１に記載の光電変換装置。

【0189】

（構成３）
前記第１の露光期間は、前記第２の露光期間よりも短く、前記第１の露光期間内における前記クロック信号のパルス数は、前記カウンタの最大カウント値以上であることを特徴とする構成２に記載の光電変換装置。

【0190】

（構成４）
前記閾値は、前記カウンタの最大カウント値であることを特徴とする構成１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0191】

（構成５）
前記閾値は、前記カウンタの最大カウント値よりも小さいことを特徴とする構成１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0192】

（構成６）
前記閾値は、前記カウンタの最大カウント値／ｎ、であることを特徴とする構成１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0193】

（構成７）
前記所定の露光期間は、第１の露光期間と、第１の露光期間よりも長い露光期間である第２の露光期間を有し、
前記ｎは、前記第２の露光期間の長さ／前記第１の露光期間の長さ、の値以上であることを特徴とする構成６に記載の光電変換装置。

【0194】

（構成８）
前記第２の露光期間の長さは、前記第１の露光期間の長さの２倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。

【0195】

（構成９）
前記所定の露光期間は、前記第２の露光期間よりも長い露光期間である第３の露光期間を有し、前記第３の露光期間の長さは、前記第２の露光期間の長さの２倍以上であることを特徴とする構成２または８に記載の光電変換装置。

【0196】

（構成１０）
前記所定の露光期間は、前記第２の露光期間よりも長い露光期間である第３の露光期間を有し、前記第３の露光期間の長さは、前記第２の露光期間の長さの４倍以上であり、
前記第２の露光期間の長さは、前記第１の露光期間の長さの４倍以上であることを特徴とする構成２、８、９のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0197】

（構成１１）
前記カウンタが前記所定の露光期間内に前記閾値に達した場合に、前記回路が有するトランジスタのゲートに供給する電位を変える制御回路を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0198】

（構成１２）
前記カウンタが前記所定の露光期間内に前記閾値に達した場合に、前記カウンタを停止する制御回路を有することを特徴とする構成１から１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0199】

（構成１３）
前記カウンタのビット数よりも前記メモリのビット数が少ないことを特徴とする構成１から１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0200】

（構成１４）
前記フォトダイオードと前記カウンタの間に論理回路を有し、前記露光期間において、前記論理回路に前記クロック信号が入力されることを特徴とする構成１から１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0201】

（構成１５）
前記露光期間内における前記クロック信号の周波数が２種類以上あることを特徴とする構成１から１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【0202】

（構成１６）
前記第１の露光期間内における前記クロック信号の平均周波数である第１の周波数と、前記第２の露光期間内における前記クロック信号の平均周波数である第２の周波数とが異なることを特徴とする構成２に記載の光電変換装置。