(57)【要約】【課題】  アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を有する光検出装置において、ある画素のクエンチ動作によるバイアス変動が、電源回路を共有する他の素子や他の画素に及ぼす影響を低減、または防止する光検出装置を提供する。【解決手段】  一様態の光検出装置は、ＡＰＤと、前記ＡＰＤの第１端子からの信号が入力される電流検出部と、前記ＡＰＤと前記電流検出部の間のノードに接続される負荷素子と、前記電流検出部からの信号が入力され、クエンチ信号を出力するクエンチ信号発生部と、前記ＡＰＤの第２端子と、第１電位が供給される第１配線と、に接続されたスイッチと、を有し、前記ノードは前記負荷素子を介して前記第１電位と異なる第２電位が供給される第２配線に接続され、前記クエンチ信号発生部は、電流検出部からの信号に基づいて、前記クエンチ信号としてワンショットパルス信号を発生し、かつ、前記クエンチ信号が前記スイッチに入力される。【選択図】  図１
2019075440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードの第１端子からの信号が入力される電流検出部と、
前記アバランシェフォトダイオードと前記電流検出部の間のノードに接続される負荷素子と、
前記電流検出部からの信号が入力され、クエンチ信号を出力するクエンチ信号発生部と、
前記アバランシェフォトダイオードの第２端子と、第１電位が供給される第１配線と、に接続されたスイッチと、
を有し、
前記ノードは前記負荷素子を介して前記第１電位と異なる第２電位が供給される第２配線に接続され、
前記クエンチ信号発生部は、電流検出部からの信号に基づいて、前記クエンチ信号としてワンショットパルス信号を発生し、かつ、前記クエンチ信号が前記スイッチに入力されるように構成されることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記スイッチはトランジスタを有し、前記クエンチ信号は前記トランジスタのゲートに入力されることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記クエンチ信号発生部は、前記電流検出部からの信号が第１閾値を超えると、前記クエンチ信号としてワンショットパルス信号を発生するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記クエンチ信のパルス幅は、少なくともアバランシェフォトダイオードのデッドタイムの２倍以上からデッドタイムの６倍未満の範囲内の期間に相当することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記電流検出部は、前記ノードの電圧が第２閾値以上の場合に第１信号を、前記電圧が前記閾値より小さい場合に第２信号を、前記信号として出力する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記第２閾値は、前記アバランシェフォトダイオードになだれ電流が流れているときの前記ノードの電圧と、前記アバランシェフォトダイオードになだれ電流が流れていないときの前記ノードの電圧の間の値である請求項５に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記クエンチ信号発生部は、前記電流検出部からの信号が第１閾値を超えると、前記クエンチ信号としてワンショットパルス信号を発生するように構成され、
前記第１信号の電圧は前記第１閾値を超えており、前記第２信号の電圧は前記第１閾値以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記クエンチ信号のパルス幅を制御する遅延回路部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記第１電位は、前記第２電位との電位差が、前記アバランシェフォトダイオードの前記第２端子に前記スイッチを介して逆バイアスを印加する電位となる電位である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記第１電位及び前記第２電位は、前記スイッチがオンになっているときに前記アバランシェフォトダイオードになだれ電流が流れる値である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光検出装置を複数と、
前記複数の光検出装置の前記第１配線に前記第１電位を供給する第１電源回路と、
前記複数の光検出装置の前記第２配線に前記第２電位を供給する第２電源回路と、
を有する撮像装置。
【請求項１２】
複数の画素と、
前記複数の画素からの信号を処理する信号処理部と、
を有し、
前記複数の画素の其々は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光検出装置を有する撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一様態は、光電変換を行う光検出装置、撮像装置、または撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、強制的になだれ電流を止めるアクティブクエンチング機構を有するアバランシェフォトダイオードを用いた光検出装置が知られている。特許文献１では、なだれ電流発生の有無を判定し、なだれ電流発生時にクエンチ信号発生手段から出力されるクエンチ信号をアバランシェフォトダイオードに帰還させ高速にクエンチングを行う光検出装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７９５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の光検出装置において、クエンチ信号は、ＤＣバイアスに重畳されてカソードに印加されている。他の素子や他の光検出装置が、このような光検出装置とＤＣバイアス電源を共有している場合がある。この時、ある光検出装置でクエンチ信号をＤＣバイアスに帰還すると、同じＤＣバイアス電源を共有する他の素子の電位や他の光検出装置のバイアス電位も影響を受けて変動する。これにより、他の素子の動作が正常に行われなくなる、光検出結果が変動する、または光検出ができなくなる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一様態は、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの第１端子からの信号が入力される電流検出部と、前記アバランシェフォトダイオードと前記電流検出部の間のノードに接続される負荷素子と、前記電流検出部からの信号が入力され、クエンチ信号を出力するクエンチ信号発生部と、前記アバランシェフォトダイオードの第２端子と、第１電位が供給される第１配線と、に接続されたスイッチと、を有し、前記ノードは前記負荷素子を介して前記第１電位と異なる第２電位が供給される第２配線に接続され、前記クエンチ信号発生部は、電流検出部からの信号に基づいて、前記クエンチ信号としてワンショットパルス信号を発生し、かつ、前記クエンチ信号が前記スイッチに入力されるように構成されることを特徴とする光検出装置に関する。
【発明の効果】
【０００６】
アバランシェフォトダイオードを有し、他の素子や他の光検出装置と電源を共有する光検出装置において、該光検出装置のクエンチ動作によるバイアス変動が、他の素子や他の光検出装置に及ぼす影響を低減、または防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施の形態１に係る光検出装置のブロック図
【図２】実施の形態１に係る電流検出部図
【図３】クエンチ信号帰還手段を有さない光検出装置の光子の入射に対する各種信号タイミング図
【図４】クエンチ信号帰還手段を有さない光検出装置の照度と光子カウント数との関係図
【図５】実施の形態１に係る光検出装置の光子の入射に対する各種信号タイミング図
【図６】実施の形態１に係る光検出装置の照度と光子カウント数との関係図
【図７】実施の形態１に係るカソード電位の復帰を表す図
【図８】実施の形態１に係るクエンチ信号発生部図
【図９】実施の形態２に係る撮像装置２００のブロック図
【図１０】実施の形態２に係る画素部１０６のブロック図
【図１１】実施の形態３に係る撮像システム３００の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（実施の形態１）
図１から図３を用いて本実施形態における光検出装置について説明する。
【０００９】
図１は本実施の形態の光検出装置構成を示すブロック図であり、アバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤ１）、負荷素子である抵抗素子２、電流検出部３、カウンタ回路４、クエンチ信号発生部５、スイッチを有している。スイッチは、クエンチ信号帰還用スイッチであり、例えば、ＭＯＳトランジスタ等のトランジスタ６を用いることができる。
【００１０】
図１において、ＡＰＤ１の第１端子からの出力である電圧信号Ｓ１は、電流検出部３に入力される。ＡＰＤ１と電流検出部３の間のノードＮには、負荷素子である抵抗素子２が接続されている。電流検出部３からの信号は、クエンチ信号発生部５に入力され、クエンチ信号発生部５は、電流検出部３からの出力である信号Ｓ２に基づいて、クエンチ信号としてワンショットパルス信号Ｓ３を出力する。
【００１１】
スイッチであるトランジスタ６は、ＡＰＤ１の第２端子、及び電源回路８から第１電位ＶＬが供給される配線Ｗ８に接続され、ＡＰＤ１、トランジスタ６、配線Ｗ８の順で直列に接続されている。また、ＡＰＤ１の第１端子は、抵抗素子２を介して、電源回路７から第２電位ＶＨが供給される配線Ｗ７に接続されている。本実施の形態では、第２電位ＶＨが第１電位ＶＬよりも高く、ＡＰＤ１の第１端子がカソード、第２電位がアノードとなる例を示すが、この例に限定されず、電位及びアノードとカソードが逆であってもよい。
【００１２】
第１電位ＶＬ及び第２電位ＶＨは、ＡＰＤ１がアバランシェ増倍を生じるよう、第１電位ＶＬと第２電位ＶＨの電位差が、少なくともＡＰＤ１の降伏電圧Ｖｂよりも高くなる値に設定される。例えば本実施の形態において、ＡＰＤ１の降伏電圧Ｖｂを１０Ｖ、第１電位ＶＬを−９Ｖ、及び第２電位ＶＨを＋３Ｖとすることができる。このとき第１電位ＶＬと第２電位ＶＨとの電位差は１２Ｖとなり、降伏電圧Ｖｂの１０Ｖを超えるため、ＡＰＤ１に逆バイアスが印加される。
【００１３】
抵抗素子２は、なだれ電流発生時に抵抗素子２の両端で電圧を降下させ、アバランシェ増倍を抑制するクエンチ動作を行う機能を有する。抵抗素子２としては、アバランシェ電流が発生した際、第１電位ＶＨに対しノードＮの電位を下げ、クエンチ動作が行えるような素子を用いることができる。
【００１４】
電流検出部３は、なだれ電流発生時に前記抵抗素子２によって生じるノードＮの電位（ＡＰＤ１のカソード電位）の変動から、なだれ電流の発生を検出する回路である。なだれ電流発生時に生じる電圧信号Ｓ１の電圧変化は、電流検出部３により波形整形され、パルス状の信号Ｓ２が出力される。
【００１５】
電流検出部３の構成例として、本実施の形態では、電流検出部３がインバータから構成された例について、図２を用いて説明する。電圧信号Ｓ１は、インバータを構成するトランジスタＴ１及びトランジスタＴ２のゲートに入力される。ここでは、トランジスタＴ１がＰ型のＭＯＳトランジスタ、トランジスタＴ２がＮ型のＭＯＳトランジスタである例を示す。また、トランジスタＴ１及びトランジスタＴ２の閾値Ｖｔｈは、第２電位ＶＨよりも低い値である。
【００１６】
なだれ電流が発生しておらず、抵抗素子２による電圧降下がない状態では、電圧信号Ｓ１は第２電位ＶＨである。この時、トランジスタＴ２はオンとなり、信号Ｓ２としてＬｏレベルの信号の信号が出力される。Ｌｏレベルの信号としては、例えば０Ｖの信号を出力するように構成することができる。一方、なだれ電流が発生し、抵抗素子２によって電圧が降下すると、電圧信号Ｓ１がトランジスタＴ１及びトランジスタＴ２の閾値Ｖｔｈを下回る。この期間、トランジスタＴ１はオン、トランジスタＴ２はオフとなり、信号Ｓ２としてＨｉレベルの信号が出力される。Ｈｉレベルの信号としては、例えば３．３Ｖの電圧信号が出力されるように構成することができる。
【００１７】
すなわち、電流検出部３は、電圧信号Ｓ１（ノードＮの電位）が閾値Ｖｔｈ以上の場合にＬｏレベルの信号を出力し、電圧信号Ｓ１が閾値Ｖｔｈより小さい場合にＨｉレベルの信号を出力する。よって、トランジスタＴ１及びトランジスタＴ２の閾値Ｖｔｈ、すなわち、電流検出部３の閾値は、第２電位ＶＨより低く、第１電位ＶＬより高い電位に設定される。
【００１８】
なお、電流検出部３としてインバータを用いた例を示したがこれに限定されるものではなく、例えばコンパレータ回路やその他の回路を用いてもよい。
【００１９】
電流検出部３から出力される信号Ｓ２は、カウンタ回路４及びクエンチ信号発生部５に入力される。カウンタ回路４は、例えばＮ−ｂｉｔカウンタ（Ｎは正の整数）が用いられ、単一光子によるパルス信号を最大で約２のＮ乗個までカウントすることが可能とすることができる。カウントした信号は検出信号としてカウンタ回路４で保持される。
【００２０】
クエンチ信号発生部５は、一定の期間なだれ電流の発生を抑制するためのクエンチ信号を出力する回路である。クエンチ信号発生部５は、電流検出部３から出力される信号Ｓ２に基づいて、所定のパルス幅Ｗ１を有するワンショットパルス信号Ｓ３をクエンチ信号として出力することができる。例えば、クエンチ信号発生部５は、信号Ｓ２がクエンチ信号発生部５の閾値を超える場合にＨｉレベルの信号、信号Ｓ２がクエンチ信号発生部５の閾値以下の場合にＬｏレベルの信号を出力する構成とすることができる。ワンショットパルス信号Ｓ３は、ＡＰＤ１に印加される逆バイアスをスイッチ制御し、アクティブクエンチするための信号である。
【００２１】
後述するようにワンショットパルス信号Ｓ３は、その出力がＨｉレベル（またはＬｏレベル）である間、ＡＰＤ１に印加される逆バイアス電圧がブレークダウン電圧Ｖｂｄ未満となるようにスイッチを動作させる信号である。よって、ワンショットパルス信号Ｓ３がＨｉレベル（またはＬｏレベル）の間、ＡＰＤ１はアバランシェ増倍を起こすことがない。
【００２２】
本実施の形態に示す光検出装置において、光子検出後のクエンチ動作を確実に行うためには、少なくともカソード電位の復帰時間よりも長い期間、Ｈｉレベル（またはＬｏレベル）となるクエンチ信号を発生する必要がある。
【００２３】
この理由について、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は照度が低い場合に光検出を行った際の、光子の入射に対するＡＰＤ１から出力される電圧信号Ｓ１、及び信号Ｓ２の時間変化を示した概念模式図である。
【００２４】
光子がＡＰＤ１に入射することで発生した光電子がなだれ電流を起こし、抵抗素子２による電圧降下が発生する。これにより、ＡＰＤ１の第１端子からの出力である電圧信号Ｓ１が、電流検出部３の閾値Ｖｔｈを下回る。この時、電流検出部３から出力される信号Ｓ２はＬｏレベルから立ち上がり、Ｈｉレベルの電圧信号が出力される。電圧信号Ｓ１が電流検出部３の閾値より小さい間、電流検出部３からはＨｉレベルの信号が信号Ｓ２として出力される。
【００２５】
またＡＰＤ１の第１端子の電位（カソード電位）が復帰して、電圧信号Ｓ１が電流検出部３の閾値Ｖｔｈを超えると、信号Ｓ２は立ち下がり、電流検出部３からは、信号Ｓ２としてＬｏレベルの電圧信号が出力される。電圧信号Ｓ１が電流検出部３の閾値以上の間、電流検出部３からはＨｉレベルの信号が信号Ｓ２として出力される。
【００２６】
このような動作により、ＡＰＤ１のカソード電位（ノードＮの電位）の変化は、電流検出部３によって、パルス状の信号に波形整形された信号Ｓ２として出力される。
【００２７】
電流検出部３からの信号Ｓ２が入力されるカウンタ回路４は、前記のパルス波形の数をカウントする。照度が低い場合、光子の入射間隔が長い。よって、ＡＰＤ１のカソードの電位の復帰時間よりも光子の入射間隔が長いため、個々のパルスが分離されており、１個の光子に対し１つの方形信号として出力信号Ｓ２が出力される。
【００２８】
図３（ｂ）は同じ光検出装置において照度が高い場合に光検出を行った際の様子を表す図である。図３（ａ）の時と同様に、光子の入射によって生じた電圧降下により、電流検出部３は、Ｈｉレベルの信号を信号Ｓ２として出力する。
【００２９】
その後なだれ電流が停止し、ブレークダウンが再度可能となる電位を超えてカソード電位が復帰し、さらに電流検出部３の閾値電圧を超えるまでの間に、別の光子がＡＰＤ１に入射する場合がある。照度が高いほど、すなわち単位時間当たりの光子の入射数が多いほど、このような電流検出部３の閾値電圧を超える前に別の光子がＡＰＤ１に入射する頻度は増える。
【００３０】
この場合、ＡＰＤ１のカソード電位が電流検出部３の閾値Ｖｔｈを超える前に、次のなだれ電流が発生し、復帰途中であったカソード電位が再度低下する。よって、電流検出部３から出力される信号Ｓ２の電位が立ち下がらずＨｉレベルの信号が延長されて出力されることがある。
【００３１】
この時、出力信号Ｓ２が入力されるカウンタ回路４は、複数の光子の連続入射によってＨｉレベル信号が延長された出力信号Ｓ２を、１つのパルス信号としてカウントすることとなる。よって、実際に入射した光子数が多いにも関わらず、むしろ光子のＡＰＤ１への入射間隔がＡＰＤ１のカソードの電位の復帰時間よりわずかに長い場合よりも、少なく光子数が誤検出される。
【００３２】
図４はそのような光検出装置における照度と光子検出数との関係を示した図である。照度の増加とともに、光子の検出数は増加するが、ある照度をピークとして、光子の検出数が低下するということが起きていることがわかる。
【００３３】
一方、本実施の形態では、クエンチ期間が、少なくともカソード電位が電流検出部３の閾値を超えるのに必要な復帰時間よりも長く設定される。これにより、検出できる光子数の減少を抑制することができる。
【００３４】
これについて図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明を行う。図５（ｂ）において、復帰時間Ｔｃは、１回のアバランシェ増倍発生によりＡＰＤ１のカソード電位が降下してから、再び電流検出部３の閾値を超えるまでに必要な時間である。また、図５（ａ）及び（ｂ）において、Ｗ１はクエンチ信号（ワンショットパルス信号Ｓ３）がＨｉレベルを出力している期間、すなわち、ワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅である。
【００３５】
図５（ａ）はＷ１≦Ｔｃの場合のタイミングチャートであり、また図５（ｂ）はＷ１＞Ｔｃの場合のタイミングチャートである。
【００３６】
図５（ａ）に示すＷ１≦Ｔｃの場合、ＡＰＤ１のカソード電位、すなわちノードＮの電位が、電流検出部３の閾値Ｖｔｈ未満の期間中にワンショットパルス信号Ｓ３の出力がＬｏレベルに下がる。カソード電位が電流検出部３の閾値未満で、かつワンショットパルス信号Ｓ３の出力がＬｏレベルである間にＡＰＤ１に光子が入射するとアバランシェ増倍が再度発生する。これにより、復帰途中であったカソード電位が再び降下する。そのような状況が繰り返し続くと電流検出部３から出力される信号Ｓ２はＨｉレベルを出力し続けるため、カウンタ回路４では１つのパルスとしてカウントされる。これにより、光子の検出数が実際の光子の入射数より低くカウントされる可能性が生じる。
【００３７】
一方、図５（ｂ）に示すＷ１＞Ｔｃの場合、カソード電位が電流検出部３の閾値を超えてからΔＴ（＝Ｗ１−Ｔｃ）の期間、ワンショットパルス信号Ｓ３はＨｉレベルの出力を維持する。その間にＡＰＤ１に光子が入射してもＡＰＤ１はアバランシェ増倍を起こすことができず、カソード電位は復帰（ここでは上昇）し続けるため、やがて電流検出部３の閾値Ｖｔｈを超える。このため、ワンショットパルス信号Ｓ３がＨｉレベルを出力する間に、電流検出部３からの信号Ｓ２は確実にＬｏレベルに立ち下がるため。よって、電流検出部３からの信号Ｓ２のパルスが延長し続けることがない。
【００３８】
すなわち、図５（ａ）に示すＷ１≦Ｔｃの場合には、照度が高い場合に、１度のＡＰＤ１のアバランシェ増倍の後、光子がカウントできない期間が続く可能性がある。一方、図５（ｂ）に示すＷ１＞Ｔｃの場合、強制的にＡＰＤ１のカソード電位が確実に復帰するようにクエンチ信号であるワンショットパルスのパルス幅が規定されている。よって、図５（ａ）に比べ、同じ照度の場合には、カウントすることのできる光子の数を増加させることができ、光検出の精度低下を抑制することができる。
【００３９】
以上説明したように、高照度の状況下で光検出を行う際の光子の検出数低下を避けるためには、ワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１は、少なくともＡＰＤ１のカソード電位の復帰時間Ｔｃよりも長い期間であることが好ましい。またワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１の上限に制約はないが、長くすることでアバランシェ増倍が生じない不感期間が長くなる。この場合、その間に入射した光子を検出することができず、感度が低下することとなる。このためワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１の上限は、ＡＰＤ１のカソード電位の復帰時間Ｔｃの２倍程度までに留めることが好ましい。
【００４０】
ワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１を、Ｔｃ＜Ｗ１≦２・Ｔｃの範囲内とすることで、信号Ｓ２のパルス延長を防ぎつつ、高い感度を維持した光検出を行うことが可能である。
【００４１】
このようにして、本実施の形態の光検出装置は、図６に示すように、ある一定値を超えた照度における光子検出の場合でも、照度の増加に伴い検出される光子数が低下することはない。すなわち、高照度における光検出の精度の低下を抑制することができる。
【００４２】
なお、上記説明では、電流検出部３としてインバータを用いた例について示すが、他の回路を用いた場合でも、ある閾値レベルを基準になだれ電流の有無を判定する場合、同様の課題を生じる可能性がある。よって、本実施の形態の構成を用いることで、同様の効果がられる。
【００４３】
クエンチ信号であるワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１は、例えば、上述のように、ＡＰＤ１のカソード電位（ノードＮの電位）の復帰時間Ｔｃを基準に決定することができる。復帰時間Ｔｃは、例えば、なだれ電流の発生により降下したＡＰＤ１のカソード電位が復帰する際の時定数としてもよい。この時定数はいわゆるデッドタイムと呼ばれるもので、光子検出部の抵抗と容量の積から求めることができる。ＡＰＤ１のＰＮ接合容量をＣｐｄ、配線及び拡散層の寄生容量をＣ、抵抗素子の抵抗をＲで表すとデッドタイムτｄは以下の数式で求められる。
τｄ＝Ｒ（Ｃｐｄ＋Ｃ）
【００４４】
図７は、なだれ電流の発生により降下したＡＰＤ１のカソード電位の復帰の時間変化を表す図であり、縦軸は電位降下する前のＡＰＤ１のカソード電位を１としたときの相対的な値を示す。なだれ電流により降下したＡＰＤ１のカソード電位（ノードＮの電位）は、その後、時定数τｄに対し指数関数的に復帰していく。
【００４５】
図７において、例えば、時定数の２倍である２τｄの時間が経過した時点で、ＡＰＤ１のカソード電位は、電位降下以前の電位の約８割以上にまで復帰する。以降、緩やかに電位は復帰し続け、時間が６τｄ以上の範囲では、ほぼ電位降下以前の電位に復帰する。ＡＰＤ１のカソード電位と、ある閾値レベルとの比較から電流発生の有無を検知する場合、ＡＰＤ１のカソード電位の復帰の立ち上がりが急峻な領域で閾値を持たせた方が、時間ばらつきが少なくなるため好ましい。このため、例えばデッドタイムτｄの２倍未満の期間までにＡＰＤ１のカソードが取りうる電位を電流検出部３の閾値レベルとする。
【００４６】
また、ＡＰＤ１のカソード電位が復帰する前に次の光子によるアバランシェ増倍が起きて光子をカウントできなくなるのを抑制するため、カソード電位を電位降下前の電位の少なくとも８割以上復帰させることが好ましい。よって、クエンチ信号（ワンショットパルス信号Ｓ３）が、２τｄよりも長い期間、スイッチをオフするレベル（ここではＨｉレベル）となるようにすることが好ましい。このため、ワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１は、少なくともデッドタイムτｄの２倍以上に相当する幅とするのが好ましい。
【００４７】
また先ほどの例と同様に、パルス幅Ｗ１の上限は特に制約はないが、パルス幅Ｗ１が長すぎる場合、不感時間が増加する。よって、ワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１は、例えば、図７より、ＡＰＤ１のカソード電位がほぼ完全に復帰する、デッドタイムτｄの６倍未満に相当する幅とすることが好ましい。
【００４８】
次に、クエンチ信号発生部５の構成と動作の一例について図８（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図８（ａ）に示す本実施の形態のクエンチ信号発生部５は、ＮＯＲ回路９と、偶数段のインバータからなる遅延回路部１０とを有する。
【００４９】
電流検出部３からの信号Ｓ２は、ＮＯＲ回路９及び遅延回路部１０に入力され、遅延回路部１０に入力された信号Ｓ２は、遅延されたのちにＮＯＲ回路９の他方の入力に供給される。信号Ｓ２がＬｏレベルからＨｉレベルに立ち上がると、出力信号（Ｓ３）の信号レベルも立ち上がる。また、信号Ｓ２がＨｉレベルからＬｏレベルに立ち下がると、遅延回路部１０より出力される信号Ｓ２’は、遅延回路部１０によりパルス幅Ｗ１の時間だけ遅延された後に、ＨｉレベルからＬｏレベルへ立下り、ＮＯＲ回路９に入力される。
【００５０】
このため、クエンチ信号発生部５の出力は、図８（ｂ）に示す様に、信号Ｓ２がＨｉレベルに立ち上がってから遅延回路部１０により遅延される時間をパルス幅Ｗ１とする、ワンショットパルス信号Ｓ３となる。すなわち、遅延回路部１０は、ワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１を制御する。
【００５１】
なお、クエンチ信号発生部５の構成は、上記のようなインバータ型のディレイ回路に限定されない。例えば、ＣＲ型のディレイ回路を用いたワンショットパルス発生回路など、所定のパルス幅の信号を出力可能な回路であればいずれの構成であっても適用可能である。また、パルス幅Ｗ１は固定である必要はなく、例えば、異なる遅延時間を有する遅延回路部を複数用意し、それらから任意の遅延時間を得られるようにしてもよい。
【００５２】
次に、クエンチ信号発生部５から出力されるワンショットパルス信号Ｓ３を受けるトランジスタ６のスイッチ動作について説明を行う。
【００５３】
クエンチ信号発生部５から出力されるワンショットパルス信号Ｓ３は、トランジスタ６のゲートに入力され、ソース−ドレイン間の電気的な接続のスイッチングの制御を行う。本実施の形態では、トランジスタ６としてデプレッション型のＭＯＳトランジスタを用いた場合の動作について説明する。
【００５４】
トランジスタ６のゲートに、Ｈｉレベルのワンショットパルス信号Ｓ３が入力されると、トランジスタ６はオフとなる。一方、トランジスタ６のゲートに、Ｈｉレベルのワンショットパルス信号Ｓ３の入力がない状態では、トランジスタ６はオンとなり、トランジスタ６のソース−ドレイン間は電気的に接続されている。
【００５５】
トランジスタ６がオンの時、電源回路８から供給される第１電位ＶＬがＡＰＤのアノードに給電される。これにより、ＡＰＤ１の降伏電圧Ｖｂを超える逆バイアスがＰＮ接合部に印加され、アバランシェ増倍を生じることが可能な状態になる。
【００５６】
一方、トランジスタ６のゲートに入力されるワンショットパルス信号Ｓ３がＨｉレベルの場合、トランジスタ６はオフとなり、ソース−ドレイン間が電気的に切断されるため、電源回路８からＡＰＤ１のアノードへの給電が遮断される。この時、ＡＰＤ１のＰＮ接合部に印加された逆バイアスはブレークダウン電圧Ｖｂｄ未満となるため、アバランシェ増倍を生じることができない状態になる。
【００５７】
なお、ここでは、トランジスタ６にデプレッション型のＭＯＳトランジスタを用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、例えばエンハンスメント型のＭＯＳトランジスタを用いてもよい。その場合、例えばワンショットパルス信号Ｓ３の出力を反転してトランジスタ６のゲートに入力することで、同様の動作が可能である。
【００５８】
本実施の形態の光検出装置は、上述のようにＡＰＤ１のアノードと電源回路８との接続状態を制御するトランジスタ６のゲートにクエンチ信号を帰還しており、アノードに印加されている電位状態をトランジスタ６のスイッチング動作により切り替えている。すなわち、ＡＰＤ１のアノードと電源回路８との接続状態を制御するスイッチのオン／オフを、クエンチ信号であるワンショットパルス信号Ｓ３により切り替えている。
【００５９】
電源回路７や電源回路８とＡＰＤ１とを接続する配線に電圧を重畳することでＡＰＤ１の両端への逆バイアスの印加を制御する場合、重畳電圧により配線の電位が変化する。よって、この配線に他の素子や他のＡＰＤ１の電流検出部３が接続されていると、これらの素子が電位変動の影響を受け正常に動作しない可能性が生じる。
【００６０】
一方、本実施の形態の光検出装置では、ＡＰＤ１の両端への逆バイアスの印加を、スイッチのオン／オフで制御する。よって、電源回路７や電源回路８とスイッチの間の配線は、クエンチ動作によりほとんど電位が変化しない。すなわち、クエンチ動作による電源回路７や電源回路８とＡＰＤ１とを接続する配線の電位変動を低減することができる。これにより、電源回路７や電源回路８とＡＰＤ１とを接続する配線に電圧を重畳することで制御する場合に比べ、この配線に接続される他の素子への影響を低減したクエンチ動作を行うことができる。
【００６１】
例えば、複数の画素で電源回路８を共有している場合、ある画素で、電源回路８とＡＰＤ１とを接続する配線に、直接クエンチ信号に起因する電位を重畳する場合を考える。この時、同じ電源回路８を共有する他の画素において、電源回路８に接続されるノードＮの電位がクエンチ信号の影響を受けて変動する。これにより、電流検出部３へ入力される信号が変動するため、光検出の結果が真値からずれる、または、光検出ができなくなる可能性がある。
【００６２】
一方、本実施の形態に係る光検出装置では、電源回路８とＡＰＤ１との接続を制御するスイッチのオンとオフを、クエンチ信号によって切り替える。すなわち、クエンチ信号を、電源回路８とＡＰＤ１とを接続する配線に重畳しない。よって、電源回路８を複数の画素で共有しても、ある画素におけるクエンチ動作が、他の画素に対し電源回路８から供給される電位の変動をごく小さなものとすることができる。よって、ある画素におけるクエンチ動作の、他の画素の光検出に対する影響を低減、または防止することができる。
【００６３】
なお、電源回路８を共有せず、各画素に、それぞれ独立した電源回路８からの電流を供給することもできる。しかし、この場合、各電源回路８の電圧のずれにより、各画素の出力が変化してしまい、均一な出力画像を得ることが困難になる可能性がある。
【００６４】
また、本実施の形態では、クエンチ動作を、定期的に入力する等、ＡＰＤ１におけるアバランシェ増倍の発生と独立して行うのではなく、電流検出部３でのアバランシェ増倍の検出に基づいてクエンチ動作を行う。クエンチ動作をアバランシェ増倍の発生と独立して行う場合には、光子が入射していない期間にクエンチ動作が開始し、クエンチ動作期間に光子が入射することで、低照度であっても、光子の入射をカウントできない可能性がある。
【００６５】
一方、本実施の形態では、光子の入射を検出すると、クエンチ動作を行う。よって、光子が入射していない期間にクエンチ動作を開始することによる光子のカウント漏れを低減することができる。すなわち、光検出装置の光検出の精度を向上することができる。
【００６６】
よって、共通の電源回路に接続された他の素子への影響を低減しながら、光検出の精度をより向上した光検出装置を実現することができる。
【００６７】
また、本実施の形態では、クエンチ信号がオン（ここではＨｉレベル）である期間をＡＰＤ１において、なだれ電流が停止し、ブレークダウンが再度可能となる期間より長くする。このため、ワンショットパルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗ１を制御している。これにより、光検出装置が、ＡＰＤ１のなだれ電流が停止する期間より短い期間にＡＰＤ１に光子が到達するような光を受けるような場合に、光検出信号の精度の低下を抑制することができる。
【００６８】
また、例えば電源回路から供給される電位とクエンチ信号の電位を、オペアンプからなる加算あるいは減算回路を用いて重畳することで、アノードの電位を制御する方法もある。しかしながらそのような回路は、複数段のトランジスタ及び位相補償容量により、応答性が制限される。一方本実施の形態では１つのトランジスタのスイッチ動作のみで電位制御を行うことができ、応答速度に優れたクエンチ動作を実現することができる。
【００６９】
（実施の形態２）
図９〜図１０を用いて、撮像装置の一例について説明する。本実施の形態において、実施の形態１と同様の構成、材料、効果、機能、及び駆動方法等については、一部を除き説明を省略する。
【００７０】
図９は、光検出装置を複数有する撮像装置２００のブロック図である。上述の通り、各画素を構成するＡＰＤ１、信号処理用の各種素子、及びクエンチ信号の帰還方法などについては実施の形態１と同様であるため、同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００７１】
撮像装置２００は、画素部１０６、制御パルス生成部１０９、水平走査回路部１０４、列回路１０５、信号線１０７、垂直走査回路部１０３、電源回路部１１０を有している。画素部１０６には、画素１００が行列状に複数配されている。複数の画素１００は、其々、アバランシェフォトダイオードとして機能する光電変換素子１０１、及び画素信号処理部１０２を有する。光電変換素子１０１は光を電気信号へ変換する。画素信号処理部１０２は、変換した電気信号を列回路１０５に出力する。垂直走査回路部１０３は、制御パルス生成部１０９から供給される制御パルスを受け、各画素１００に制御パルスを供給する。垂直走査回路部１０３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。
【００７２】
信号線１０７は、垂直走査回路部１０３により選択された画素１００から出力される信号を、電位信号として画素１００の後段にある回路に供給する。列回路１０５は、其々、対応する信号線１０７に接続され、信号線１０７を介して対応する複数の画素１００の信号が入力され、入力される信号に所定の処理を行う。所定の処理とは、入力された信号のノイズ除去や増幅などを行い、撮像装置の外部に出力する形に変換する処理である。例えば列回路１０５には、パラレル−シリアル変換回路を有する。
【００７３】
水平走査回路部１０４は、列回路１０５で処理された後の信号を出力回路１０８へ順次出力するための制御パルスを列回路１０５に供給する。出力回路１０８は、バッファアンプ、差動増幅器などを有し、列回路１０５から出力された信号を撮像装置２００の外部の記録部または信号処理部に出力する。電源回路部１１０は、実施の形態１の電源回路７及び電源回路８の少なくとも一方を有する。電源回路部１１０は、光電変換素子１０１でアバランシェ増倍を生じるのに必要な電位を供給する電源であり、ここでは、全ての画素に共通の電位が供給される。
【００７４】
画素信号処理部１０２の機能は、必ずしも全ての画素１００に１つずつ設けられる必要はなく、例えば複数の画素１００によって１つの画素信号処理部１０２が共有され、順次信号処理が行われてもよい。画素部１０６における画素１００の配列は２次元状に配置されているが、これに限定されるものではなく、１次元状に配されていてもよい。
【００７５】
また、垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０４、及び列回路１０５は、画素部１０６を複数の画素列をブロックに分けた場合のブロック毎に配置してもよいし、各画素列に配してもよい。図１０に本実施の形態の画素１００のブロック図の一例を示す。画素１００は、光電変換素子１０１および画素信号処理部１０２を有する。
【００７６】
各画素１００は、光電変換素子であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ１）を有する。ＡＰＤ１のカソードには抵抗素子２が接続されており、アノードに供給される第１電位ＶＬよりも高い第２電位ＶＨが供給される。またＡＰＤ１のアノードにはクエンチ信号帰還用のトランジスタ６が接続されており、トランジスタ６のソース部には電源回路８から供給される第２電位ＶＬが印加されている。電源回路８は、複数の画素１００で共有されている。
【００７７】
クエンチ信号帰還用のトランジスタ６のゲートに印加されるクエンチ信号により、トランジスタ６のオン／オフがスイッチされ、ソースとドレインが電気的に接続されている（オン）とき、第１電位ＶＬがアノードに印加される。
【００７８】
以上のようにして、ＡＰＤ１のアノードとカソードには、ＡＰＤ１がアバランシェ増倍を生じるのに十分な逆バイアスがかかるように、電位が供給される。
【００７９】
ＡＰＤ１と抵抗素子２との間には、電圧信号Ｓ１を出力する信号線がノードＮにおいて分岐されており、電圧信号Ｓ１が電流検出部３に入力される。電流検出部３は、なだれ電流発生時に抵抗素子２によって生じるカソード電位の変動からなだれ電流の発生を検出し、パルス状の信号Ｓ２を出力する。電流検出部３の詳細については実施の形態１と同様であるため省略する。
【００８０】
電流検出部３から出力される信号Ｓ２は２つに分岐され、一つはカウンタ回路４に入力され、信号Ｓ２のパルスのカウントが行われる。カウント結果は、検出信号として保持される。また、駆動線２０７を介して制御パルスｐＲＥＳが供給されたとき、カウンタ回路４に保持された検出信号がリセットされる。
【００８１】
選択回路２０６には、図５の垂直走査回路部１０３から駆動線２０８を介して制御パルスｐＳＥＬが供給され、カウンタ回路４と信号線１０７との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路２０６には、例えばトランジスタや、画素外に信号を出力するためのバッファ回路などを用いることができる。
【００８２】
また２つに分岐された配線のもう一方は、クエンチ信号発生部５に接続され、信号Ｓ２がクエンチ信号発生部５に入力される。クエンチ信号発生部５は、電流検出部３から出力された信号Ｓ２に応じ、信号Ｓ２が閾値を超えるのをトリガーとして、パルス幅Ｗ１を有するワンショットパルス信号Ｓ３を出力する。ワンショットパルス信号Ｓ３は、トランジスタ６のゲートに入力され、ＡＰＤ１のアノードへの電位ＶＬの供給を、ワンショットパルス信号Ｓ３の信号レベルにより電気的に切り替える。
【００８３】
以上のようにしてＡＰＤ１で発生したなだれ電流信号の発生状態を、スイッチであるトランジスタ６に帰還することで、ＡＰＤ１のアノードの電位を切り替え、なだれ電流を確実に停止することができる。
【００８４】
また本実施の形態では電源回路８（または電源回路７）から供給される電位にクエンチ用の電位を重畳することなく、スイッチを用いて電気的な接続状態を制御することでクエンチ動作を行う。このため、複数の画素で電源回路を共有する撮像装置や電源回路に他の素子が接続される撮像装置において、ある画素がクエンチ動作を行っても他の画素と共有する電源配線の電位変動を引き起こすことがない。よって、他の画素の光検出出力の変動や光検出ができなくなる、他の素子に影響を与えるといったことを低減、または防止することができる。
【００８５】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１の光検出装置を有する実施形態２の撮像装置２００を用いた撮像システムの一例について、図１１を用いて説明する。図１及び図９、図１０と同様の構成、効果、材料、機能、及び方法となる部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００８６】
図１１は、撮像システム３００の構成を説明するブロック図である。図１１において、光の入射面に対し、絞り機構３０１、撮影レンズ３０２、ミラーユニット３０３、及び機械式のシャッタ３０４を介して、撮像装置２００が配されている。
【００８７】
ミラーユニット３０３は、露光、ライブビュー撮影、及び動画撮影の際に、システム制御部３０５からの指示に応じてアップダウンし、撮影レンズ３０２から入射した光束の導入をファインダ３０８側と、光検出装置２００側とに切り替えるためのミラーである。撮像装置２００から出力された撮像信号は、信号処理部３０９に送られ画像処理されたのち、メモリ３１０に記憶される。
【００８８】
ミラーユニット３０３によりファインダ３０８側に光束が導かれるとき、ペンタプリズム３０６を介して光束の一部が、自動露出を行うためのＡＥセンサ３０７に入射する。ＡＥセンサでは、被写体の露出計測を行い、得られた情報はシステム制御部３０５に入力される。システム制御部３０５では、撮像装置２００に入射する光子をカウントするのに適したクエンチ信号（ワンショットパルス信号Ｓ３）のパルス幅Ｗ１を、照度に応じて調整、決定する。
【００８９】
以上のような撮像システムにより、被写体の露出状況から最適なクエンチ時間の制御を行うことでダイナミックレンジを拡大した撮像信号を得ることができる。
【符号の説明】
【００９０】
１  アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
２  抵抗素子
３  電流検出部
５  クエンチ信号発生部
６  トランジスタ
７  電源回路
８  電源回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2019075440.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019075440.tif 000009
【図８】
2019075440.tif 000010
【図９】
2019075440.tif 000011
【図１０】
2019075440.tif 000012
【図１１】
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