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公開番号2025032617
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-12
出願番号2023138000
出願日2023-08-28
発明の名称光電変換装置、光電変換システム
出願人キヤノン株式会社
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H04N 25/773 20230101AFI20250305BHJP(電気通信技術)
要約【課題】高照度の環境下であっても、ダイナミックレンジを広げることができ、かつ、低消費電力の機能を確保した光電変換装置を提供する。
【解決手段】アバランシェ増倍を行うフォトダイオードと、リチャージ回路と、リチャージ回路を制御する制御信号を生成する制御信号の生成回路と、を備える。また、フォトダイオードからの出力信号からパルス信号を生成するカウントパルス生成回路と、カウントパルス生成回路から出力されるパルス信号をカウントするカウンタを有する。制御信号の生成回路は、クロック信号とマスク信号に基づいて、第1の周期を有する前記制御信号と、第1の周期よりも長い周期である第2の周期を有する制御信号とを出力することが可能に構成されている。カウンタのカウント値が閾値に達した場合に、制御信号の生成回路の出力信号は、第1の周期を有する制御信号から、第2の周期を有する制御信号に切り替え可能である。
【選択図】図9
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を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リチャージ回路と、前記リチャージ回路を制御する信号を生成する制御信号の生成回路と、を備えたフォトダイオード制御回路と、
前記フォトダイオードからの出力信号からパルス信号を生成するカウントパルス生成回路と、
前記カウントパルス生成回路から出力される前記パルス信号をカウントするカウンタと、を有し、
前記制御信号の生成回路は、クロック信号とマスク信号に基づいて、第１の周期を有する前記制御信号と、前記第１の周期よりも長い周期である第２の周期を有する前記制御信号とを出力することが可能に構成されており、
前記カウンタのカウント値が閾値に達した場合に、前記制御信号の生成回路の出力信号は、前記第１の周期を有する制御信号から、前記第２の周期を有する制御信号に切り替えられるように構成されていることを特徴とする光電変換装置。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記カウントパルス生成回路に入力されるカウント制御信号を生成するカウント制御回路を有し、
前記カウント制御回路は、前記クロック信号と前記マスク信号に基づいて、前記カウント制御信号を生成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】
前記カウントパルス生成回路は、
前記カウント制御信号が第１のレベルの場合に、前記フォトダイオードからの出力信号に応じた信号を前記カウンタに出力し、
前記カウント制御信号が前記第１のレベルとは異なる第２のレベルの場合に、前記フォトダイオードからの出力信号に応じた信号を前記カウンタに出力しない、ように構成されてい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】
前記カウント制御回路は選択回路を有し、
前記選択回路は、前記カウント制御信号の出力と、前記クロック信号の出力とを選択することが可能に構成されてい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５】
前記カウンタが前記閾値に達する前に、前記選択回路は前記クロック信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記制御信号の生成回路は、前記クロック信号と前記マスク信号に基づいて、前記第２の周期を有する前記制御信号と、前記第２の周期よりも長い周期である第３の周期を有する前記制御信号を出力することが可能に構成されており、
前記カウンタのカウント値が前記閾値よりも高い値である他の閾値に達した場合に、前記制御信号の生成回路の出力信号は、前記第２の周期を有する制御信号から、前記第３の周期を有する制御信号に切り替えられるように構成されてい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７】
前記カウンタのカウント値が前記閾値に達した場合に、前記第１の周期と前記第２の周期に基づいて、前記カウント値を補正する補正部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８】
前記マスク信号を生成するマスク信号生成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９】
複数の画素を有し、前記複数の画素のそれぞれは、前記フォトダイオードと、前記フォトダイオード制御回路と、前記カウントパルス生成回路と、前記カウンタと、を有し、
前記マスク信号生成回路は、前記複数の画素のそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
複数の画素を有し、前記複数の画素のそれぞれは、前記フォトダイオードと、前記フォトダイオード制御回路と、前記カウントパルス生成回路と、前記カウンタと、を有し、
前記マスク信号生成回路は、前記複数の画素に共通して設けられていることを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
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。
続きを表示（約 2,200 文字）【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、パッシブクエンチ回路として機能するＭＯＳトランジスタを制御することにより、消費電力を抑制している。具体的には、露光期間の開始時点では、ＭＯＳトランジスタをオンにすることにより、常に動作させる期間（休止期間０％）とする。次に、カウンタ値が閾値Ｎ１になると、ＭＯＳトランジスタをオフにする期間を設け、動作させる期間は半分（休止期間５０％）とする。次に、カウンタ値が閾値Ｎ２になると、動作させる期間は１／４（休止期間７５％）とする。このような構成によれば、高照度の場合において、アバランシェ増倍を行う回数が低減される。これにより、画素の消費電力を低減することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０２０－１２３８４６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、消費電力を低減することができる。しかし、特許文献１では、パッシブクエンチ回路を用いていることから、高照度の環境下において、照度とカウント値との関係が逆転しうる可能性がある上に、照度が高すぎると信号が１つも生成されないことがある。そのため、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。
【０００６】
そこで、本発明は、高照度の環境下であっても、特許文献１よりもダイナミックレンジを広げることができ、かつ、低消費電力の機能を確保した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を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リチャージ回路と、前記リチャージ回路を制御する信号を生成する制御信号の生成回路と、を備えたフォトダイオード制御回路と、前記フォトダイオードからの出力信号からパルス信号を生成するカウントパルス生成回路と、前記カウントパルス生成回路から出力される前記パルス信号をカウントするカウンタと、を有し、前記制御信号の生成回路は、クロック信号とマスク信号に基づいて、第１の周期を有する前記制御信号と、前記第１の周期よりも長い周期である第２の周期を有する前記制御信号とを出力することが可能に構成されており、前記カウンタのカウント値が閾値に達した場合に、前記制御信号の生成回路の出力信号は、前記第１の周期を有する制御信号から、前記第２の周期を有する制御信号に切り替えられるように構成されていることを特徴とする光電変換装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高照度の環境下であっても、特許文献１よりもダイナミックレンジを広げることができ、かつ、低消費電力の機能を確保した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】
光電変換装置の構成を示す図
センサ基板の配置例
回路基板の配置例
光電変換素子の等価回路を含むブロック図
ＡＰＤの動作と出力信号との関係を示す図
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
各形態における照度とカウント値との関係を示す図
クロックリチャージ駆動を行う回路の課題を説明する図
第１の実施形態の光電変換装置の構成を示すブロック図
第１の実施形態の光電変換装置の構成を示す詳細な図
第１の実施形態の光電変換装置の駆動に関するタイミングチャート
第１の実施形態の光電変換装置の補正の考え方を示す図
第２の実施形態の光電変換装置の駆動に関するタイミングチャート
第３の実施形態の光電変換装置の構成を示すブロック図
第４の実施形態の光電変換システムのブロック図
第５の実施形態の光電変換システムのブロック図
第６の実施形態の光電変換システムのブロック図
第７の実施形態の光電変換システムのブロック図
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】以降は省略されています）

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