【手続補正書】
【提出日】令和3年7月21日(2021.7.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトンの入射に応じて、出力電圧が変動する受光素子と、
前記出力電圧を互いに異なる複数の参照電圧とそれぞれ比較し、前記出力電圧が前記参照電圧を超える１回の変動につき、信号を１つ出力する比較手段と、
前記出力電圧と前記複数の参照電圧それぞれとの比較により前記比較手段から出力された信号の数を、参照電圧ごとにカウントして、カウント値を出力するカウント手段と
を有する複数の画素を含むことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記比較手段は、
前記出力電圧を予め決められた第１の参照電圧と比較し、前記出力電圧が前記第１の参照電圧を超える１回の変動につき、信号を１つ出力する第１の比較手段と、
前記出力電圧を、前記第１の参照電圧と異なる予め決められた第２の参照電圧と比較し、前記出力電圧が前記第２の参照電圧を超える１回の変動につき、信号を１つ出力する第２の比較手段と、を有し、
前記カウント手段は、
前記第１の比較手段から出力された信号の数をカウントして、第１のカウント値を出力する第１のカウント手段と、
前記第２の比較手段から出力された信号の数をカウントして、第２のカウント値を出力する第２のカウント手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記複数の参照電圧は、第１の参照電圧と、前記第１の参照電圧と異なる第２の参照電圧とを含み、
前記複数の画素はそれぞれ、前記第１の参照電圧および前記第２の参照電圧を切り替えて、前記比較手段に供給する切り替え手段を更に有し、
前記カウント手段は、前記出力電圧を前記第１の参照電圧と比較したときに前記比較手段から出力された信号の数をカウントして、第１のカウント値を出力すると共に、前記出力電圧を前記第２の参照電圧と比較したときに前記比較手段から出力された信号の数をカウントして、第２のカウント値を出力することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記複数の画素は、前記撮像素子の全ての画素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
フォトンの入射に応じて、出力電圧が変動する受光素子をそれぞれ有する複数の第１の画素と複数の第２の画素とを含む画素アレイを有し、
前記第１の画素は、
第１の参照電圧を生成する第１の生成手段と、
前記出力電圧を前記第１の参照電圧と比較し、前記出力電圧が前記第１の参照電圧を超える１回の変動につき、信号を１つ出力する第１の比較手段と、
前記第１の比較手段から出力された信号の数をカウントして、第１のカウント値を出力する第１のカウント手段と、を含み、
前記第２の画素は、
前記第１の参照電圧と異なる第２の参照電圧を生成する第２の生成手段と、
前記出力電圧を前記第２の参照電圧と比較し、前記出力電圧が前記第２の参照電圧を超える１回の変動につき、信号を１つ出力する第２の比較手段と、
前記第２の比較手段から出力された信号の数をカウントして、第２のカウント値を出力する第２のカウント手段と、を含む
ことを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
フォトンが入射していない場合の前記出力電圧と前記第１の参照電圧との差が、フォトンが入射していない場合の前記出力電圧と前記第２の参照電圧との差よりも小さいことを特徴とする請求項２、３、５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記受光素子はガイガーモードで駆動されたアバランシェフォトダイオードであって、前記画素は更にクエンチ抵抗を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記参照電圧ごとに得られたカウント値の差が予め決められた閾値以上である画素を、飽和した画素と判定する判定手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記飽和した画素と判定された画素から、予め決められたカウント値を前記撮像素子の外部に出力することを特徴とする請求項８に記載の撮像素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像素子と、
信号処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子から出力された前記参照電圧ごとに得られたカウント値の差が予め決められた閾値以上である画素を、飽和した画素と判定する判定手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
光量調節部材を有し、
前記飽和した画素と判定された画素の数が予め決められた数以上の場合に、前記光量調節部材により、前記受光素子に入射する光量を制限することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
請求項８または９に記載の撮像素子と、
光量調節部材を有し、
前記飽和した画素と判定された画素の数が予め決められた数以上の場合に、前記光量調節部材により、前記受光素子に入射する光量を制限することを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
フォトンの入射に応じて出力電圧が変動する複数の受光素子から出力される信号の信号処理方法であって、
比較手段が、前記出力電圧を互いに異なる複数の参照電圧の少なくとも一つと比較し、前記出力電圧が前記参照電圧を超える１回の変動につき、信号を１つ出力する比較工程と、
カウント手段が、前記出力電圧と前記複数の参照電圧との比較により出力された信号の数を前記参照電圧ごとにカウントして、カウント値を出力するカウント工程と、
判定手段が、前記参照電圧ごとに得られたカウント値の差が予め決められた閾値以上である画素を、飽和した画素と判定する判定工程と
を有することを特徴とする信号処理方法。
【請求項１５】
フォトンの入射に応じて出力電圧が変動する複数の受光素子と、前記出力電圧を互いに異なる複数の参照電圧の少なくとも一方と比較し、前記出力電圧が前記参照電圧を超える１回の変動につき、信号を１つ出力する比較手段と、前記出力電圧と前記複数の参照電圧との比較により出力された信号の数を、前記参照電圧ごとにカウントして、カウント値を出力するカウント手段と、を有する複数の画素を含む撮像素子から出力される信号の信号処理方法であって、
入力手段が、前記参照電圧ごとに得られたカウント値を入力する入力工程と、
判定手段が、前記参照電圧ごとに得られたカウント値の差が予め決められた閾値以上である画素を、飽和した画素と判定する判定工程と、
を有することを特徴とする信号処理方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
ＡＰＤのアノード端はＧＮＤに接続されており、カソード端はクエンチ抵抗に接続されている。そして、クエンチ抵抗を介して、電圧ＨＶＤＤによる逆バイアス電圧が印加される。このとき電圧ＨＶＤＤとＧＮＤの電圧差はＡＰＤをガイガーモードにする為にブレークダウン電圧以上となるように設定する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
図９（ｂ）は、ＡＰＤをガイガーモードで動作させているときの概念図である。フォトンの入射待ちをしているときは、動作Ａの開始点の状態αにいる。ここでＡＰＤにフォトンが入射すると、ＡＰＤではアバランシェ現象が発生しＡＰＤに大電流が流れる。電流が流れると同時にクエンチ抵抗によって、ＡＰＤのカソード端の電圧降下が発生する。これはＡＰＤのＩ-Ｖ特性において逆バイアスが低下したことになり、状態が動作Ａのように遷移する。ＡＰＤのカソード端の電圧降下により、ＡＰＤに印加される逆バイアス電圧が降伏電圧未満となってアバランシェ現象が止まる（状態β）。アバランシェ現象が止まり動作Ｂに遷移したのち、ＡＰＤのカソード端は電圧ＨＶＤＤによりチャージされ、再び動作Ａの開始点の状態αに戻る（動作Ｃ）。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、フォトンの入射に応じて、出力電圧が変動する受光素子と、前記出力電圧を互いに異なる複数の参照電圧とそれぞれ比較し、前記出力電圧が前記参照電圧を超える１回の変動につき、信号を１つ出力する比較手段と、前記出力電圧と前記複数の参照電圧それぞれとの比較により前記比較手段から出力された信号の数を、前記参照電圧ごとにカウントして、カウント値を出力するカウント手段とを有する複数の画素を含む。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
メカニカルシャッタ２０３と、その後段の絞り２０４（光量調節部材）は、撮像素子２０６へ入射する光の照射時間を機械的に制御する露光量調整機構である。メカニカルシャッタ２０３及び絞り２０４は、シャッタ・絞り駆動部２０５によって駆動制御される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
ＡＰＤ１０２のアノード端はＧＮＤに接続されており、カソード端はクエンチ抵抗１０１に接続されている。そしてＡＰＤ１０２には、クエンチ抵抗１０１を介して、電圧ＨＶＤＤによる逆バイアス電圧が印加される。このとき電圧ＨＶＤＤとＧＮＤの電圧差は、ＡＰＤ１０２をガイガーモードにする為にブレークダウン電圧以上となるように設定される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図４（ａ）に示す通り、第１コンパレータ１０３、第２コンパレータ１０４の参照電圧ＶｔｈAとＶｔｈBは、フォトン入射待機状態時の電圧Ｖ0とアバランシェ現象が発生した時の最も低い電圧Ｖminとの間の値である。また、参照電圧ＶｔｈBは、参照電圧ＶｔｈAよりも小さい値（ＶｔｈB＜ＶｔｈA）となるように設定される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
時刻ｔ１〜時刻ｔ７は、それぞれＡＰＤ１０２にフォトンＰ１〜Ｐ７が入射したタイミングを示している。時刻ｔ１〜時刻ｔ２、時刻ｔ６〜時刻ｔ７、時刻ｔ７〜時刻ｔ８の期間は、デッドタイムより長い間隔でフォトンＰ１、Ｐ６、Ｐ７が入射している。そのため、フォトンＰ１、Ｐ６、Ｐ７により、電圧ＶＡＰＤはそれぞれ電圧Ｖ0からＶminまで変動し、ＡＰＤ１０２のカソードは電圧ＨＶＤＤによりチャージされ再びフォトン入射待機状態の電圧Ｖ0に収束する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
一方、時刻ｔ２〜時刻ｔ４及び時刻ｔ４〜時刻ｔ６の期間は、デッドタイムより短い間隔でフォトンＰ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５が入射している。そのため、フォトンＰ２、Ｐ４により、電圧ＶＡＰＤはそれぞれ電圧Ｖ0からＶminまで変動するが、電圧Ｖ0へと収束しきる前にフォトンＰ３、Ｐ５によるアバランシェ現象で再び電圧Ｖminに到達する。その後、電圧ＨＶＤＤによりチャージされてフォトン入射待機状態の電圧Ｖ0に収束する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
撮像素子２０６の全ての画素３０３（1≦X≦xmax, 1≦Y≦ymax,）についてＳ１０〜Ｓ１７の処理を行い、判定フラグＪ（x，y）及び画素出力値Ｉout（x，y）を求める。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
また、飽和画素総数ＫＡＳは、撮像信号処理回路２０７を経て全体制御演算部２１０へ送られる。全体制御演算部２１０では、飽和画素総数ＫＡＳが所定数以上である場合、撮像素子２０６に入射しているフォトンの入射数が多すぎると判断して絞り２０４を１段絞るようシャッタ・絞り駆動部２０５へと指令を出す。なお、本発明はこれに限られるものでは無く、例えば、ＮＤフィルタなどの光学素子を用いて減光制御しても良い。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
ＡＰＤ７０２のアノード端はＧＮＤに接続されており、カソード端はクエンチ抵抗７０１に接続されている。そしてＡＰＤ７０２には、クエンチ抵抗７０１を介して、電圧ＨＶＤＤによる逆バイアス電圧が印加される。このとき電圧ＨＶＤＤとＧＮＤの電圧差は、ＡＰＤ７０２をガイガーモードにする為にブレークダウン電圧以上となるように設定される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
＜第２の実施形態の変形例＞
上述した第２の実施形態では、撮像素子２０６内の全ての画素３０３が図７に示す構成を有し、参照電圧を切り替えて用いるものとして説明した。これに対し、本変形例では、異なる参照電圧を利用する別の構成について説明する。なお、本変形例における画素３０３は、図９（ａ）に示すものと同様の構成を有するが、コンパレータに参照電圧ＶｔｈA及びＶｔｈBのいずれかを供給する。