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JP7532451B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents

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JP7532451B2 JP2022115906A JP2022115906A JP7532451B2 JP 7532451 B2 JP7532451 B2 JP 7532451B2 JP 2022115906 A JP2022115906 A JP 2022115906A JP 2022115906 A JP2022115906 A JP 2022115906A JP 7532451 B2 JP7532451 B2 JP 7532451B2
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Description

本発明は光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device.

特許文献1には、複数のアバランシェフォトダイオード(以下、APD)を含む画素が配置された光電変換装置が開示されている。 Patent document 1 discloses a photoelectric conversion device in which pixels each including a plurality of avalanche photodiodes (hereinafter, APDs) are arranged.

特開2020-123847号公報JP 2020-123847 A

このような光電変換装置では外光に拠らない信号の検出のためにオプティカルブラック画素(以下、OB画素)が設けられることがある。具体的には、OB画素は、APDの上部に遮光部が設けられ、外光に拠らない信号を検出する画素である。 In such photoelectric conversion devices, optical black pixels (hereinafter referred to as OB pixels) may be provided to detect signals that are not dependent on external light. Specifically, OB pixels are pixels that have a light-shielding portion provided on the top of the APD and detect signals that are not dependent on external light.

有効画素に光が入射し、光電変換がなされた場合、隣接する画素への電荷の移動や電子・正孔の再結合によるアバランシェ発光が生じる。この場合、有効画素が配されている領域とOB画素が配されている領域とが隣り合う場合、有効画素からのアバランシェ発光により、OB画素におけるアバランシェ増倍が誘発され、画質が低下する場合がある。 When light is incident on an effective pixel and photoelectric conversion is performed, avalanche emission occurs due to the transfer of charge to an adjacent pixel and the recombination of electrons and holes. In this case, if the area in which the effective pixels are arranged is adjacent to the area in which the OB pixels are arranged, the avalanche emission from the effective pixel may induce avalanche multiplication in the OB pixel, resulting in a decrease in image quality.

光電変換装置であって、アノードとカソードとを含むアバランシェフォトダイオードをそれぞれが有する複数の画素を含む画素領域を有し、前記複数の画素は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力する有効画素と、前記光子検出信号を出力しないダミー画素と、遮光部を有するオプティカルブラック画素を含み、前記有効画素は前記光子検出信号をカウントとするカウンタ回路に接続され、前記ダミー画素は前記カウンタ回路に接続されず、前記画素領域は、前記有効画素を有する第1領域と、前記ダミー画素を有する第2領域と、前記オプティカルブラック画素を有する第3領域とを有し、前記第2領域は、前記画素領域の端部に接する第1の部分と、第2の部分とを有し、前記第1の部分と、前記第1領域と、前記第2の部分と、前記第3領域とが第1の方向にこの順で並んで配されており、前記第1の方向において、前記第2の部分の幅は、前記第1の部分の幅よりも広いことを特徴とする。 A photoelectric conversion device having a pixel region including a plurality of pixels, each having an avalanche photodiode including an anode and a cathode, the plurality of pixels including effective pixels that output a photon detection signal in response to detection of a photon, dummy pixels that do not output the photon detection signal, and optical black pixels having a light-shielding portion, the effective pixels are connected to a counter circuit that counts the photon detection signal, and the dummy pixels are not connected to the counter circuit, the pixel region has a first region having the effective pixels, a second region having the dummy pixels, and a third region having the optical black pixels, the second region has a first portion and a second portion that are in contact with an end of the pixel region, the first portion, the first region, the second portion, and the third region are arranged in this order in a first direction, and in the first direction, a width of the second portion is wider than a width of the first portion.

本発明によれば、画質の低下を低減した光電変換装置を提供することができる。 The present invention provides a photoelectric conversion device that reduces degradation of image quality.

実施形態にかかる光電変換装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a photoelectric conversion device according to an embodiment. 実施形態にかかる光電変換装置のPD基板の概略図である。2 is a schematic diagram of a PD substrate of a photoelectric conversion device according to an embodiment. FIG. 実施形態にかかる光電変換装置の回路基板の概略図である。2 is a schematic diagram of a circuit board of a photoelectric conversion device according to an embodiment. FIG. 第1の実施形態にかかる光電変換装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a photoelectric conversion device according to a first embodiment. 第1の実施形態にかかる光電変換装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a photoelectric conversion device according to a first embodiment. 第1の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。2 is a configuration example of a pixel circuit of a photoelectric conversion device according to a first embodiment. 第1の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の駆動を示す模式図である。3 is a schematic diagram showing driving of a pixel circuit of the photoelectric conversion device according to the first embodiment. FIG. 第1の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。2 is a configuration example of a pixel circuit of a photoelectric conversion device according to a first embodiment. 第1の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の駆動を示す模式図である。3 is a schematic diagram showing driving of a pixel circuit of the photoelectric conversion device according to the first embodiment. FIG. 第2の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。13 is a configuration example of a pixel circuit of a photoelectric conversion device according to a second embodiment. 第2の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の駆動を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing driving of a pixel circuit of a photoelectric conversion device according to a second embodiment. 第3の実施形態にかかる光電変換装置の概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram of a photoelectric conversion device according to a third embodiment. 第3の実施形態にかかる光電変換装置の画素回路の構成例である。13 is a configuration example of a pixel circuit of a photoelectric conversion device according to a third embodiment. 第4の実施形態にかかるにかかる光電変換装置の画素回路の構成例である13 is a configuration example of a pixel circuit of a photoelectric conversion device according to a fourth embodiment. 第5の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。FIG. 13 is a functional block diagram of a photoelectric conversion system according to a fifth embodiment. 第6の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。FIG. 13 is a functional block diagram of a photoelectric conversion system according to a sixth embodiment. 第7の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。FIG. 13 is a functional block diagram of a photoelectric conversion system according to a seventh embodiment. 第8の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。FIG. 13 is a functional block diagram of a photoelectric conversion system according to an eighth embodiment. 第9の実施形態にかかる光電変換システムの機能ブロック図である。FIG. 13 is a functional block diagram of a photoelectric conversion system according to a ninth embodiment.

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。 The embodiments shown below are intended to embody the technical ideas of the present invention, but are not intended to limit the present invention. The sizes and positional relationships of the components shown in each drawing may be exaggerated to clarify the explanation. In the following explanation, the same configurations may be assigned the same numbers and explanations may be omitted.

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実施形態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。 Below, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, terms indicating specific directions or positions (for example, "up," "down," "right," "left," and other terms that include these terms) will be used as necessary. The use of these terms is intended to facilitate understanding of the embodiment with reference to the drawings, and the technical scope of the present invention is not limited by the meaning of these terms.

本明細書において、平面視とは、半導体層の光入射面に対して垂直な方向から視ることである。また、断面視とは、半導体層の光入射面と垂直な方向における面をいう。なお、微視的に見て半導体層の光入射面が粗面である場合は、巨視的に見たときの半導体層の光入射面を基準として平面視を定義する。 In this specification, a planar view refers to a view from a direction perpendicular to the light incidence surface of the semiconductor layer. A cross-sectional view refers to a surface in a direction perpendicular to the light incidence surface of the semiconductor layer. If the light incidence surface of the semiconductor layer is rough when viewed microscopically, the planar view is defined based on the light incidence surface of the semiconductor layer when viewed macroscopically.

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す場合でも本発明は成立する。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。 In the following description, the anode of the avalanche photodiode (APD) is set to a fixed potential, and the signal is taken from the cathode side. Therefore, the first conductive type semiconductor region in which charges of the same polarity as the signal charge are the majority carriers is an N-type semiconductor region, and the second conductive type semiconductor region in which charges of a different polarity than the signal charge are the majority carriers is a P-type semiconductor region. Note that the present invention also applies when the cathode of the APD is set to a fixed potential, and the signal is taken from the anode side. In this case, the first conductive type semiconductor region in which charges of the same polarity as the signal charge are the majority carriers is a P-type semiconductor region, and the second conductive type semiconductor region in which charges of a different polarity than the signal charge are the majority carriers is an N-type semiconductor region. In the following, a case in which one node of the APD is set to a fixed potential is described, but the potentials of both nodes may fluctuate.

本明細書において、単に「不純物濃度」という用語が使われた場合、逆導電型の不純物によって補償された分を差し引いた正味の不純物濃度を意味している。つまり、「不純物濃度」とは、NETドーピング濃度を指す。P型の添加不純物濃度がN型の添加不純物濃度より高い領域はP型半導体領域である。反対に、N型の添加不純物濃度がP型の添加不純物濃度より高い領域はN型半導体領域である。 In this specification, when the term "impurity concentration" is used simply, it means the net impurity concentration minus the amount compensated for by impurities of the opposite conductivity type. In other words, "impurity concentration" refers to the NET doping concentration. A region where the P-type added impurity concentration is higher than the N-type added impurity concentration is a P-type semiconductor region. Conversely, a region where the N-type added impurity concentration is higher than the P-type added impurity concentration is an N-type semiconductor region.

(第1の実施形態)
本発明に係る光電変換装置及びその駆動方法について、図1から図9を用いて説明する。
First Embodiment
A photoelectric conversion device and a driving method thereof according to the present invention will be described with reference to FIGS.

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。 Figure 1 is a diagram showing the configuration of a stacked photoelectric conversion device 100. The photoelectric conversion device 100 is configured by stacking and electrically connecting two substrates, a sensor substrate 11 and a circuit substrate 21. The sensor substrate 11 has a first semiconductor layer having a photoelectric conversion element 102 described later, and a first wiring structure. The circuit substrate 21 has a second semiconductor layer having circuits such as a signal processing portion 103 described later, and a second wiring structure. The photoelectric conversion device 100 is configured by stacking the second semiconductor layer, the second wiring structure, the first wiring structure, and the first semiconductor layer in this order. The photoelectric conversion device described in each embodiment is a back-illuminated photoelectric conversion device in which light is incident from the second surface and a circuit substrate is disposed on the first surface.

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。 In the following, the sensor substrate 11 and the circuit substrate 21 are described as diced chips, but are not limited to chips. For example, each substrate may be a wafer. Also, each substrate may be stacked in the wafer state and then diced, or each chip may be stacked and bonded after being chipped from the wafer state.

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。 A pixel region 12 is arranged on the sensor substrate 11, and a circuit region 22 that processes signals detected in the pixel region 12 is arranged on the circuit substrate 21.

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。 Figure 2 is a diagram showing an example of the arrangement of the sensor substrate 11. Pixels 101 each having a photoelectric conversion element 102 including an APD are arranged in a two-dimensional array in a plan view to form a pixel region 12.

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(Time of Flight)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。 Pixel 101 is typically a pixel for forming an image, but when used for TOF (Time of Flight), it does not necessarily have to form an image. In other words, pixel 101 may be a pixel for measuring the time when light arrives and the amount of light.

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。 Figure 3 is a diagram showing the configuration of the circuit board 21. It has a signal processing unit 103 that processes the electric charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion element 102 in Figure 2, a readout circuit 112, a control pulse generation unit 115, a horizontal scanning circuit unit 111, a signal line 113, and a vertical scanning circuit unit 110.

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。 The photoelectric conversion element 102 in FIG. 2 and the signal processing unit 103 in FIG. 3 are electrically connected via connection wiring provided for each pixel.

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。 The vertical scanning circuit unit 110 receives a control pulse supplied from the control pulse generating unit 115 and supplies a control pulse to each pixel. The vertical scanning circuit unit 110 uses logic circuits such as a shift register and an address decoder.

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保持される。 The signal output from the photoelectric conversion element 102 of the pixel is processed by the signal processing unit 103. The signal processing unit 103 is provided with a counter, memory, etc., and digital values are stored in the memory.

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。 The horizontal scanning circuit unit 111 inputs a control pulse to the signal processing unit 103 to sequentially select each column in order to read out the signal from the memory of each pixel in which the digital signal is stored.

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。 A signal is output from the signal processing unit 103 of the pixel selected by the vertical scanning circuit unit 110 to the signal line 113 for the selected column.

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。 The signal output to the signal line 113 is output to a recording unit or signal processing unit external to the photoelectric conversion device 100 via the output circuit 114.

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。 In FIG. 2, the photoelectric conversion elements in the pixel region may be arranged one-dimensionally. The function of the signal processing unit does not necessarily need to be provided for each photoelectric conversion element. For example, one signal processing unit may be shared by multiple photoelectric conversion elements, and signal processing may be performed sequentially.

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。 2 and 3, a plurality of signal processing units 103 are arranged in a region overlapping the pixel region 12 in a planar view. Then, in a planar view, the vertical scanning circuit unit 110, the horizontal scanning circuit unit 111, the readout circuit 112, the output circuit 114, and the control pulse generating unit 115 are arranged so as to overlap between the end of the sensor substrate 11 and the end of the pixel region 12. In other words, the sensor substrate 11 has the pixel region 12 and a non-pixel region arranged around the pixel region 12. Then, in a planar view, the vertical scanning circuit unit 110, the horizontal scanning circuit unit 111, the readout circuit 112, the output circuit 114, and the control pulse generating unit 115 are arranged in a region overlapping the non-pixel region.

図4に示す画素領域12の構成について説明する。画素領域12とは、光電変換可能な画素が配された領域である。図4において、画素領域12は、第1領域10a、第2領域10b、第3領域10cを含み、画素101は、有効画素13、ダミー画素14、オプティカルブラック画素(OB画素)15を含む。 The configuration of the pixel region 12 shown in Figure 4 will be described. The pixel region 12 is a region in which pixels capable of photoelectric conversion are arranged. In Figure 4, the pixel region 12 includes a first region 10a, a second region 10b, and a third region 10c, and the pixel 101 includes an effective pixel 13, a dummy pixel 14, and an optical black pixel (OB pixel) 15.

第1領域10aは、APDを含む光電変換素子10を有する有効画素13が平面視で二次元アレイ状に配列されて構成される。有効画素13は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力する画素であり、典型的には、画像を形成するための画素である。第1領域10aに含まれる画素の行数及び列数は、特に限定されるものではない。 The first region 10a is configured by arranging effective pixels 13 having photoelectric conversion elements 10 including APDs in a two-dimensional array in a planar view. The effective pixels 13 are pixels that output photon detection signals in response to the detection of photons, and are typically pixels for forming an image. The number of rows and columns of pixels included in the first region 10a is not particularly limited.

第2領域10bは平面視で二次元アレイ状に配された複数のダミー画素14によって構成される。図1に示す平面構成では、画素領域12のうち、第1領域10a及び第3領域10c以外の範囲にダミー画素14が配され、第2領域10bを形成する。また、画素領域12の最外周にはダミー画素14が配されるため、第2領域10bの外周部とはすなわち画素領域12の端部である。ダミー画素14は、APDを含む光電変換素子であるが、ダミー画素14から外部信号POUTへ光子検出信号の出力は行われない。 The second region 10b is composed of multiple dummy pixels 14 arranged in a two-dimensional array in a plan view. In the planar configuration shown in FIG. 1, the dummy pixels 14 are arranged in the pixel region 12 in a range other than the first region 10a and the third region 10c, forming the second region 10b. In addition, since the dummy pixels 14 are arranged on the outermost periphery of the pixel region 12, the outer periphery of the second region 10b is the end of the pixel region 12. The dummy pixels 14 are photoelectric conversion elements including APDs, but the dummy pixels 14 do not output photon detection signals to the external signal POUT.

第3領域10cは平面視で二次元アレイ状に配された複数のOB画素15によって構成される。第3領域10cに含まれるOB画素15の行数及び列数は、特に限定されるものではない。第3領域10cの外周部の少なくとも一部は第2領域10bに接している。OB画素15は、外光に拠らない信号を出力するための遮光された画素である。第3領域10cは1つの画素領域12内に複数あってもよい。図4に示す画素領域12では、第1領域10aに対して垂直な方向と、第1領域10aに対して水平な方向の2か所に島状に独立した第3領域10cが設けられている。 The third region 10c is composed of a plurality of OB pixels 15 arranged in a two-dimensional array in a plan view. The number of rows and columns of the OB pixels 15 included in the third region 10c is not particularly limited. At least a part of the outer periphery of the third region 10c is in contact with the second region 10b. The OB pixels 15 are light-shielded pixels for outputting signals that are not dependent on external light. There may be a plurality of third regions 10c in one pixel region 12. In the pixel region 12 shown in FIG. 4, independent island-shaped third regions 10c are provided in two locations, one perpendicular to the first region 10a and one horizontal to the first region 10a.

図5に示す光電変換装置の断面の範囲A-Fを用いて光電変換素子の構成について説明する。図5に示す断面のAからFまでの符号は、図1のAからFまでの符号に対応している。 The configuration of the photoelectric conversion element will be explained using the range A-F of the cross section of the photoelectric conversion device shown in Figure 5. The reference characters A to F in the cross section shown in Figure 5 correspond to the reference characters A to F in Figure 1.

図5に示す光電変換装置は、センサ基板11と、回路基板21の2つの基板が積層され、且つ電気的に接続された積層型の光電変換装置である。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302と、第1配線構造303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402と、第2配線構造403と、を有する。光電変換装置100は、第2半導体層402、第2配線構造403、第1配線構造303、第1半導体層302の順に積層して構成される。 The photoelectric conversion device shown in FIG. 5 is a stacked type photoelectric conversion device in which two substrates, a sensor substrate 11 and a circuit substrate 21, are stacked and electrically connected. The sensor substrate 11 has a first semiconductor layer 302 having a photoelectric conversion element 102 described later, and a first wiring structure 303. The circuit substrate 21 has a second semiconductor layer 402 having circuits such as a signal processing unit 103 described later, and a second wiring structure 403. The photoelectric conversion device 100 is configured by stacking the second semiconductor layer 402, the second wiring structure 403, the first wiring structure 303, and the first semiconductor layer 302 in this order.

図5の範囲A-Bは、光電変換装置の光電変換素子102の1画素に対応する。なお、範囲A-Bは後述する画素分離部324の一つから、隣接する画素の画素分離部324までの範囲である。あるいは、後述するマイクロレンズ1つによって覆われた画素1つの範囲であるともいえる。 The range A-B in FIG. 5 corresponds to one pixel of the photoelectric conversion element 102 of the photoelectric conversion device. Note that the range A-B is the range from one of the pixel separation sections 324 described below to the pixel separation section 324 of an adjacent pixel. Alternatively, it can be said to be the range of one pixel covered by one microlens described below.

光電変換素子102の構造と機能について説明する。光電変換素子102はN型の第1半導体領域311、第4半導体領域314、第6半導体領域316、第7半導体領域317を有する。光電変換素子102は更にP型の第2半導体領域312、第3半導体領域313、第5半導体領域315を含む。 The structure and function of the photoelectric conversion element 102 will be described. The photoelectric conversion element 102 has a first semiconductor region 311 of N type, a fourth semiconductor region 314, a sixth semiconductor region 316, and a seventh semiconductor region 317. The photoelectric conversion element 102 further includes a second semiconductor region 312, a third semiconductor region 313, and a fifth semiconductor region 315 of P type.

本実施形態では、図5に示す断面において、光入射面に対向する面の近傍にN型の第1半導体領域311が形成され、その周辺にN型の第7半導体領域317が形成される。第1半導体領域および第2半導体領域に平面視で重なる位置にP型の第2半導体領域312が形成される。第2半導体領域312に平面視で重なる位置には更にN型の第4半導体領域314が配置され、その周辺にN型の第6半導体領域316が形成される。 In this embodiment, in the cross section shown in FIG. 5, an N-type first semiconductor region 311 is formed near the surface facing the light incident surface, and an N-type seventh semiconductor region 317 is formed around it. A P-type second semiconductor region 312 is formed at a position overlapping the first semiconductor region and the second semiconductor region in a planar view. An N-type fourth semiconductor region 314 is further disposed at a position overlapping the second semiconductor region 312 in a planar view, and an N-type sixth semiconductor region 316 is formed around it.

第1半導体領域311は、第4半導体領域314及び第7半導体領域317よりもN型の不純物濃度が高い。P型の第2半導体領域312とN型の第1半導体領域311との間にはPN接合が形成されるが、第2半導体領域312の不純物濃度を第1半導体領域311の不純物濃度よりも低くすることで、第2半導体領域312のすべての領域が空乏層領域となる。さらに、この空乏層領域が第1半導体領域311の一部の領域まで延在し、延在した空乏層領域に強電界が誘起される。この強電界により、第1半導体領域311の一部の領域まで延びた空乏層領域においてアバランシェ増倍が生じ、増幅された電荷に基づく電流が信号電荷として出力される。光電変換装置102に入射した光が光電変換され、この空乏層領域(アバランシェ増倍領域)でアバランシェ増倍が起こると、生成された第1導電型の電荷は第1半導体領域311に収集される。 The first semiconductor region 311 has a higher N-type impurity concentration than the fourth semiconductor region 314 and the seventh semiconductor region 317. A PN junction is formed between the P-type second semiconductor region 312 and the N-type first semiconductor region 311, but by making the impurity concentration of the second semiconductor region 312 lower than the impurity concentration of the first semiconductor region 311, the entire region of the second semiconductor region 312 becomes a depletion layer region. Furthermore, this depletion layer region extends to a portion of the first semiconductor region 311, and a strong electric field is induced in the extended depletion layer region. This strong electric field causes avalanche multiplication in the depletion layer region that extends to a portion of the first semiconductor region 311, and a current based on the amplified charge is output as a signal charge. When light incident on the photoelectric conversion device 102 is photoelectrically converted and avalanche multiplication occurs in this depletion layer region (avalanche multiplication region), the generated first conductivity type charge is collected in the first semiconductor region 311.

半導体層の光入射面側の表面にはトレンチによる凹凸構造325が形成される。凹凸構造325はP型の第3半導体領域313によって囲まれ、光電変換素子102に入射した光を散乱させる。入射光は光電変換素子内を斜めに進むため、半導体層の厚み以上の光路長を確保することができ、凹凸構造325を有さない場合と比べて、より長波長の光を光電変換することが可能である。また、凹凸構造325によって、基板内での入射光の反射が防止されるため、入射光の光電変換効率を向上させる効果が得られる。 A trench-based uneven structure 325 is formed on the surface of the semiconductor layer on the light incident side. The uneven structure 325 is surrounded by a P-type third semiconductor region 313, and scatters light incident on the photoelectric conversion element 102. Since the incident light travels diagonally inside the photoelectric conversion element, an optical path length equal to or greater than the thickness of the semiconductor layer can be ensured, and light with longer wavelengths can be photoelectrically converted compared to a case in which the uneven structure 325 is not present. In addition, the uneven structure 325 prevents the incident light from being reflected within the substrate, which has the effect of improving the photoelectric conversion efficiency of the incident light.

第4半導体領域314と凹凸構造325とは平面視において重複するように形成される。第4半導体領域314と凹凸構造325とが平面視で重なる面積は、第4半導体領域314のうち凹凸構造325と重ならない部分の面積よりも大きい。第1半導体領域311と第4半導体領域314との間に形成されるアバランシェ増倍領域から遠い位置で発生した電荷は、前記アバランシェ増倍領域から近い位置で発生した電荷と比較してアバランシェ増倍領域に到達するまでの移動時間が長くなる。そのため、タイミングジッターが増加する可能性がある。第4半導体領域314と凹凸構造325とを平面視で重なる位置に配することで、フォトダイオード深部の電界を高めることができ、アバランシェ増倍領域から遠い位置で発生した電荷の収集時間を短縮できるため、タイミングジッターの低減が可能である。 The fourth semiconductor region 314 and the uneven structure 325 are formed so as to overlap in a planar view. The area where the fourth semiconductor region 314 and the uneven structure 325 overlap in a planar view is larger than the area of the portion of the fourth semiconductor region 314 that does not overlap with the uneven structure 325. Charges generated at a position far from the avalanche multiplication region formed between the first semiconductor region 311 and the fourth semiconductor region 314 take a longer time to travel to the avalanche multiplication region than charges generated at a position close to the avalanche multiplication region. This may increase timing jitter. By arranging the fourth semiconductor region 314 and the uneven structure 325 at a position where they overlap in a planar view, the electric field deep in the photodiode can be increased, and the collection time of charges generated at a position far from the avalanche multiplication region can be shortened, thereby reducing timing jitter.

また、第3半導体領域313が凹凸構造を3次元的に覆うことで、凹凸構造の界面部における熱励起電荷の発生が抑制できる。これにより、光電変換素子のDCR(Dark Count Rate)が抑制される。 In addition, the third semiconductor region 313 covers the uneven structure three-dimensionally, which suppresses the generation of thermally excited charges at the interface of the uneven structure. This suppresses the DCR (Dark Count Rate) of the photoelectric conversion element.

画素と画素との間はトレンチ構造の画素分離部324によって分離され、その周辺に形成されたP型の第5半導体領域315が、隣り合う光電変換素子同士をポテンシャル障壁によって分離する。光電変換素子間は第5半導体領域315のポテンシャルによっても分離されているため、画素分離部として画素分離部324のようなトレンチ構造は必須ではない。また、画素分離部324を設ける際もその深さや位置は図5の構成に限定されない。画素分離部324は半導体層を貫通するDTI(deep trench isolation)であってもよいし、半導体層を貫通しないDTIでもよい。DTI内に金属を埋め込み、遮光性能の向上を図ってもよい。画素分離部324が平面視で光電変換素子の全周囲を囲うように構成してもよいし、例えば光電変換素子の対辺部のみに構成してもよい。 Pixels are separated by a pixel separation section 324 having a trench structure, and a P-type fifth semiconductor region 315 formed around the pixel separation section separates adjacent photoelectric conversion elements by a potential barrier. Since the photoelectric conversion elements are also separated by the potential of the fifth semiconductor region 315, a trench structure such as the pixel separation section 324 is not essential as a pixel separation section. In addition, when the pixel separation section 324 is provided, its depth and position are not limited to the configuration in FIG. 5. The pixel separation section 324 may be a DTI (deep trench isolation) that penetrates the semiconductor layer, or a DTI that does not penetrate the semiconductor layer. Metal may be embedded in the DTI to improve light blocking performance. The pixel separation section 324 may be configured to surround the entire periphery of the photoelectric conversion element in a plan view, or may be configured only on the opposite side of the photoelectric conversion element, for example.

画素分離部から、隣接する画素あるいは最近接位置に設けられた画素の画素分離部までの距離を1つの光電変換素子102の大きさとみなすこともできる。1つの光電変換素子102の大きさをLとしたとき、光入射面からアバランシェ増倍領域までの距離dは、L√2/4<d<L×√2を満たす。光電変換素子の大きさと深さがこの関係式を満たす場合、第1の半導体領域311近傍における深さ方向の電界の強さと平面方向の電界の強さが同程度になる。電荷収集にかかる時間のばらつきを抑えられるため、タイミングジッターの発生を低減できる。 The distance from the pixel separation section to the pixel separation section of an adjacent pixel or the pixel located at the nearest position can also be considered to be the size of one photoelectric conversion element 102. When the size of one photoelectric conversion element 102 is L, the distance d from the light incident surface to the avalanche multiplication region satisfies L√2/4<d<L×√2. When the size and depth of the photoelectric conversion element satisfy this relational expression, the strength of the electric field in the depth direction near the first semiconductor region 311 and the strength of the electric field in the planar direction are approximately the same. Since the variation in the time required for charge collection is suppressed, the occurrence of timing jitter can be reduced.

半導体層の光入射面側には、さらにピニング膜321、平坦化膜322、マイクロレンズ323が形成される。光入射面側にはさらに不図示のフィルタ層などが配置されていてもよい。フィルタ層には、カラーフィルタ、赤外光カットフィルタ、モノクロフィルタ等種々の光学フィルタを用いることができる。カラーフィルタには、RGBカラーフィルタ、RGBWカラーフィルタ等を用いることができる。 A pinning film 321, a planarization film 322, and a microlens 323 are further formed on the light incident surface side of the semiconductor layer. A filter layer (not shown) may also be disposed on the light incident surface side. The filter layer may be a variety of optical filters such as a color filter, an infrared light cut filter, or a monochrome filter. The color filter may be an RGB color filter, an RGBW color filter, or the like.

範囲B-Eに配された光電変換素子に関しても、基本的な構成は同一である。なお、第2領域10b及び第3領域10cに対応する範囲A-C、範囲D-Fでは光入射面側に遮光部326が設けられている。 The photoelectric conversion elements arranged in the ranges B-E have the same basic configuration. Note that in the ranges A-C and D-F corresponding to the second and third regions 10b and 10c, a light shielding portion 326 is provided on the light incident surface side.

図4に示す画素領域12の平面図と、図5に示す画素領域12の断面図との対応について説明する。 The correspondence between the plan view of pixel region 12 shown in FIG. 4 and the cross-sectional view of pixel region 12 shown in FIG. 5 will be explained.

図4及び図5の断面における範囲A-Bは第3領域10cに対応している。半導体層の光入射面側に遮光部326が形成され、遮光されている。 The range A-B in the cross sections of Figures 4 and 5 corresponds to the third region 10c. A light-shielding portion 326 is formed on the light-incident surface side of the semiconductor layer to provide light shielding.

図4及び図5の断面における範囲B-Cは第2領域10bに対応している。OB画素と同じく半導体層の光入射面側に遮光部326が形成され、遮光されているが、第2領域10bに配されたダミー画素14の遮光は必須ではない。また、第2領域10bに配されたダミー画素14のそれぞれは光検出に基づく信号の出力が行われない構成である。第3領域10cとの境界にあたる第2領域10b端部から、第1領域10aとの境界にあたる第2領域10b端部までの最短距離を601とする。 The range B-C in the cross section of Figures 4 and 5 corresponds to the second region 10b. As with the OB pixels, a light shielding portion 326 is formed on the light incident surface side of the semiconductor layer to provide light shielding, but light shielding of the dummy pixels 14 arranged in the second region 10b is not essential. Also, each of the dummy pixels 14 arranged in the second region 10b is configured not to output a signal based on light detection. The shortest distance from the end of the second region 10b at the boundary with the third region 10c to the end of the second region 10b at the boundary with the first region 10a is defined as 601.

図4及び図5の断面における範囲C―Dが第1領域10aに対応している。 The area C-D in the cross sections of Figures 4 and 5 corresponds to the first region 10a.

図4及び図5の断面における範囲D-Eが第2領域10bに対応している。画素領域12の最外周にダミー画素14を配することで、画素領域の形状を安定させることができる。第1領域10aとの境界にあたる第2領域10b端部から、画素領域12の外周端である第2領域10b端部までの最短距離を602とする。 The range D-E in the cross sections of Figures 4 and 5 corresponds to the second region 10b. By disposing dummy pixels 14 on the outermost periphery of the pixel region 12, the shape of the pixel region can be stabilized. The shortest distance from the end of the second region 10b, which is the boundary with the first region 10a, to the end of the second region 10b, which is the outer periphery of the pixel region 12, is defined as 602.

図4及び図5の断面における範囲E-Fはセンサ基板11上の非画素領域である。 The area E-F in the cross sections of Figures 4 and 5 is a non-pixel region on the sensor substrate 11.

第1領域10aに入射する光のうち、斜め入射する光が第3領域10cへ漏れ込むことがある。第3領域10cは外光によらない信号を出力するための遮光された画素であるため、光が漏れこむことによって正しい信号を得られなくなってしまう。また、第1領域10aにおけるアバランシェ増倍に伴いアバランシェ発光が発生する場合がある。アバランシェ発光とは、アバランシェ増倍によって発生した多量の電子ないしホールが、極性の異なる電荷と再結合することでフォトンが生じる現象である。アバランシェ発光によって生じたフォトンが隣り合う画素に漏れこむことで偽信号が生じ、画質の低下につながる。 Of the light incident on the first region 10a, obliquely incident light may leak into the third region 10c. Because the third region 10c is a light-shielded pixel for outputting a signal that is not dependent on external light, light leakage makes it impossible to obtain a correct signal. Also, avalanche emission may occur due to avalanche multiplication in the first region 10a. Avalanche emission is a phenomenon in which a large number of electrons or holes generated by avalanche multiplication recombine with charges of opposite polarity to generate photons. When photons generated by avalanche emission leak into adjacent pixels, a false signal is generated, leading to a decrease in image quality.

そこで本実施形態では、有効画素が配された第3領域10aとOB画素が配された第3領域10cとの間にダミー画素14が配された第3領域10bを設け、第3領域10aと第3領域10cとの間を十分に離間させる。これにより、OB画素への光の侵入やフォトンの漏れこみを低減し、画質の低下を防ぐことができる。 In this embodiment, therefore, a third region 10b in which dummy pixels 14 are arranged is provided between the third region 10a in which effective pixels are arranged and the third region 10c in which OB pixels are arranged, and the third region 10a and the third region 10c are sufficiently separated from each other. This reduces the intrusion of light and photons into the OB pixels, and prevents degradation of image quality.

また、第1領域10aと第3領域10cとの間や画素領域12の外周部にダミー画素14を配することで、画素領域12の画素配列を安定させることができる。 In addition, by disposing dummy pixels 14 between the first region 10a and the third region 10c or on the outer periphery of the pixel region 12, the pixel arrangement in the pixel region 12 can be stabilized.

画素領域12の端部に沿って配されるダミー画素14は少なくとも数画素あればよいが、第1領域10aと第3領域10cとの間に配されるダミー画素14の数は第1領域と画素領域12端部の間に配されるダミー画素の数よりも多い。第1領域10aと第3領域10cとの間には、画素領域12端部に配されるダミー画素14の十倍以上のダミー画素14が配されていてもよい。具体的には第1領域10aと第3領域10cとの間に20画素以上の画素を配することが好ましいが、ダミー画素14の数はこれに限られない。そのため、第1領域10aの外周部と第3領域10cの外周部との間の最短距離601は、第1領域10aの外周部と第2領域10bの外周部との間の最短距離602よりも長い。言い換えれば、最短距離601を定めたとき、平面視で該最短距離上に配されている画素の数は、平面視で最短距離602上に配されている画素の数よりも多い。本実施形態では、第1領域10aの外周部と第2領域10bの外周部の最短距離602に対して、第1領域10aの外周部と第3領域10cの外周部の間の最短距離601は十倍以上離れている。画素領域12内に複数の第3領域10cが構成される場合においても、第1領域10aと各第3領域10cについてこの関係は成り立つ。 At least a few dummy pixels 14 may be arranged along the edge of the pixel region 12, but the number of dummy pixels 14 arranged between the first region 10a and the third region 10c is greater than the number of dummy pixels arranged between the first region and the edge of the pixel region 12. Between the first region 10a and the third region 10c, ten times more dummy pixels 14 than the dummy pixels 14 arranged at the edge of the pixel region 12 may be arranged. Specifically, it is preferable to arrange 20 or more pixels between the first region 10a and the third region 10c, but the number of dummy pixels 14 is not limited to this. Therefore, the shortest distance 601 between the outer periphery of the first region 10a and the outer periphery of the third region 10c is longer than the shortest distance 602 between the outer periphery of the first region 10a and the outer periphery of the second region 10b. In other words, when a shortest distance 601 is determined, the number of pixels arranged on the shortest distance in a planar view is greater than the number of pixels arranged on the shortest distance 602 in a planar view. In this embodiment, the shortest distance 601 between the outer periphery of the first region 10a and the outer periphery of the third region 10c is ten times greater than the shortest distance 602 between the outer periphery of the first region 10a and the outer periphery of the second region 10b. This relationship holds true for the first region 10a and each third region 10c even when multiple third regions 10c are formed within the pixel region 12.

別の言い方をすれば、第2領域10bは画素領域12の端部に接する第1の部分と、第2の部分とを有する。画素領域12の端部から、例えば縦方向に第2領域10bの第1の部分と、第1領域10aと、第2領域10bの第2の部分と、第3領域10cとが並ぶ。このとき、第2領域10bの第2の部分の縦方向の幅は、第2領域10bの第1の部分の縦方向の幅よりも広い。さらに、第2領域10bが画素領域12の端部に接する第3の部分を有する場合、例えば第2領域10bの第1の部分と第2の部分とが並ぶ縦方向に交差する横方向に第1領域10aと第2領域10bの第3の部分とが並ぶ。このとき、第2領域10bの第2の部分の縦方向の幅は、第2領域10bの第3の部分の横方向の幅よりも広い。 In other words, the second region 10b has a first portion and a second portion that contact the end of the pixel region 12. For example, the first portion of the second region 10b, the first region 10a, the second portion of the second region 10b, and the third region 10c are arranged vertically from the end of the pixel region 12. At this time, the vertical width of the second portion of the second region 10b is wider than the vertical width of the first portion of the second region 10b. Furthermore, when the second region 10b has a third portion that contacts the end of the pixel region 12, for example, the first region 10a and the third portion of the second region 10b are arranged horizontally intersecting the vertical direction in which the first and second portions of the second region 10b are arranged. At this time, the vertical width of the second portion of the second region 10b is wider than the horizontal width of the third portion of the second region 10b.

図1において第1領域10a、第2領域10b、第3領域10cのそれぞれは矩形で表されているが、各領域の形状はこれに限定されず、例えば円形や多角形に配してもよい。 In FIG. 1, the first region 10a, the second region 10b, and the third region 10c are each represented as a rectangle, but the shape of each region is not limited to this and may be, for example, a circle or a polygon.

図6は、有効画素13の等価回路を含むブロック図の一例である。 Figure 6 is an example of a block diagram including an equivalent circuit of an effective pixel 13.

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。 The APD201 generates pairs of charges according to the incident light through photoelectric conversion. A voltage VL (first voltage) is supplied to the anode of the APD201. A voltage VH (second voltage) higher than the voltage VL supplied to the anode is supplied to the cathode of the APD201. A reverse bias voltage is supplied to the anode and cathode such that the APD201 performs avalanche multiplication. By supplying such a voltage, the charges generated by the incident light undergo avalanche multiplication, generating an avalanche current.

尚、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。 When a reverse bias voltage is supplied, there is a Geiger mode in which the anode and cathode are operated at a potential difference greater than the breakdown voltage, and a linear mode in which the anode and cathode are operated at a potential difference close to or less than the breakdown voltage.

ガイガーモードで動作させるAPDをSPADと呼ぶ。例えば、電圧VL(第1電圧)は、-30V、電圧VH(第2電圧)は、1V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。SPADの場合はリニアモードのAPDに比べて電位差が大きくなり耐圧の効果が顕著となるため、SPADであることが好ましい。 An APD operated in Geiger mode is called a SPAD. For example, the voltage VL (first voltage) is -30 V, and the voltage VH (second voltage) is 1 V. The APD 201 may be operated in either linear mode or Geiger mode. A SPAD is preferable because the potential difference is larger than that of a linear mode APD, making the effect of withstanding voltage more pronounced.

クエンチ素子202は、駆動電圧である電圧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)。 The quench element 202 is connected to the APD 201 and a power supply that supplies a voltage VH, which is a drive voltage. The quench element 202 functions as a load circuit (quench circuit) during signal multiplication by avalanche multiplication, suppressing the voltage supplied to the APD 201 and suppressing avalanche multiplication (quench operation). The quench element 202 also has the function of returning the voltage supplied to the APD 201 to voltage VH by passing a current equivalent to the voltage drop caused by the quench operation (recharge operation).

信号処理部103は、波形整形部210、カウンタ回路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、カウンタ回路211、選択回路212のいずれかを有していればよい。 The signal processing unit 103 has a waveform shaping unit 210, a counter circuit 211, and a selection circuit 212. In this specification, the signal processing unit 103 may have any one of the waveform shaping unit 210, the counter circuit 211, and the selection circuit 212.

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7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。 The waveform shaping unit 210 shapes the potential change of the cathode of the APD 201 obtained when a photon is detected, and outputs a pulse signal. For example, an inverter circuit is used as the waveform shaping unit 210. In FIG. 7, an example in which one inverter is used as the waveform shaping unit 210 is shown, but a circuit in which multiple inverters are connected in series may be used, or other circuits that have a waveform shaping effect may be used.

カウンタ回路211は、波形整形部210から出力されたパルス信号をカウントし、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、カウンタ回路211に保持された信号がリセットされる。 The counter circuit 211 counts the pulse signal output from the waveform shaping unit 210 and holds the count value. When a control pulse pRES is supplied via the drive line 213, the signal held in the counter circuit 211 is reset.

選択回路212には、図6の垂直走査回路部110から、図7の駆動線214(図6では不図示)を介して制御パルスpSELが供給され、カウンタ回路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。 The selection circuit 212 receives a control pulse pSEL from the vertical scanning circuit unit 110 in FIG. 6 via a drive line 214 (not shown in FIG. 6) in FIG. 7, and switches between electrical connection and non-connection between the counter circuit 211 and the signal line 113. The selection circuit 212 includes, for example, a buffer circuit for outputting a signal.

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。 A switch such as a transistor may be disposed between the quench element 202 and the APD 201, or between the photoelectric conversion element 102 and the signal processing unit 103, to switch the electrical connection. Similarly, the supply of the voltage VH or voltage VL supplied to the photoelectric conversion element 102 may be electrically switched using a switch such as a transistor.

本実施形態では、カウンタ回路211を用いる構成を示した。しかし、カウンタ回路211の代わりに、時間・デジタル変換回路(Time to Digital Converter: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。 In this embodiment, a configuration using the counter circuit 211 is shown. However, instead of the counter circuit 211, the photoelectric conversion device 100 may be configured to acquire the pulse detection timing using a time-to-digital converter (TDC) and a memory. In this case, the generation timing of the pulse signal output from the waveform shaping unit 210 is converted into a digital signal by the TDC. To measure the timing of the pulse signal, the TDC is supplied with a control pulse pREF (reference signal) from the vertical scanning circuit unit 110 in FIG. 1 via a drive line. The TDC acquires, as a digital signal, a signal when the input timing of the signal output from each pixel via the waveform shaping unit 210 is set as a relative time based on the control pulse pREF.

図7は、APD201の動作と出力信号との関係を模式的に示した図である。 Figure 7 is a diagram showing the relationship between the operation of APD201 and the output signal.

図7(a)は、図7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nodeA、出力側をnodeBとする。図7(b)は、図7(a)のnodeAの波形変化を、図7(c)は、図7(a)のnodeBの波形変化をそれぞれ示す。 Figure 7(a) is a diagram of the APD 201, quench element 202, and waveform shaping unit 210 of Figure 7. Here, the input side of the waveform shaping unit 210 is nodeA, and the output side is nodeB. Figure 7(b) shows the waveform change of nodeA in Figure 7(a), and Figure 7(c) shows the waveform change of nodeB in Figure 7(a).

時刻t0から時刻t1の間において、図7(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、nodeA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、nodeA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、nodeA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nodeAは元の電位レベルに静定する。このとき、nodeA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、nodeBで信号として出力される。 Between time t0 and time t1, a potential difference of VH-VL is applied to APD201 in Figure 7(a). When a photon is incident on APD201 at time t1, avalanche multiplication occurs in APD201, an avalanche multiplication current flows through quench element 202, and the voltage of nodeA drops. When the amount of voltage drop becomes even larger and the potential difference applied to APD201 becomes smaller, avalanche multiplication of APD201 stops as at time t2, and the voltage level of nodeA does not drop more than a certain value. After that, between time t2 and time t3, a current that compensates for the voltage drop from voltage VL flows through nodeA, and at time t3, nodeA settles to its original potential level. At this time, the part of the output waveform at node A that exceeds a certain threshold is shaped by the waveform shaping unit 210 and output as a signal at node B.

図8(a)~(c)は本実施形態による光電変換装置の回路構成イメージを示す図である。図8(a)は有効画素13あるいはOB画素15と信号処理部103、信号線113の接続関係を示す。図8(b)、(c)はダミー画素14と信号処理部103、信号線113の接続関係の一例を示す。有効画素13は光子検出信号を信号線113に出力する画素である。すなわち、光検出の目的で使用される画素である。また、ダミー画素14は、光子検出信号を信号線113に出力しない画素である。すなわち、光検出以外の目的で使用される画素である。 Figures 8(a) to (c) are diagrams showing an image of the circuit configuration of the photoelectric conversion device according to this embodiment. Figure 8(a) shows the connection relationship between the effective pixels 13 or OB pixels 15, the signal processing unit 103, and the signal line 113. Figures 8(b) and (c) show an example of the connection relationship between the dummy pixels 14, the signal processing unit 103, and the signal line 113. The effective pixels 13 are pixels that output a photon detection signal to the signal line 113. In other words, they are pixels used for the purpose of light detection. The dummy pixels 14 are pixels that do not output a photon detection signal to the signal line 113. In other words, they are pixels used for purposes other than light detection.

図8(a)及び図9を用いて有効画素13の動作について説明する。 The operation of the effective pixel 13 will be explained using Figures 8(a) and 9.

有効画素13は、APD201、リチャージ回路301、処理回路302で構成される。クロック信号pCLKは、Lowになることでリチャージ回路301を駆動して、APD201をガイガーモードでアバランシェ増倍可能なバイアス電圧にリチャージすることができる。リチャージ回路301はAPD201と電源との間の抵抗値を切り替えうる回路であればよく、例えばP型のMOSトランジスタなどである。また、アバランシェ増倍可能なバイアス電圧にリチャージされた後に、クロック信号pCLKがHighとなる場合、カソード端子と電源電圧VHは切り離されて、カソード端子はフローティング状態となる。APD201に光子が入射して発生した光電荷によってアバランシェ増倍が起こると、カソード電圧VCが低下しアノード電圧とカソード電圧との差がAPD201のブレイクダウン電圧以下に下がる。カソード電圧VCの変化が処理回路302で検出されることで、光子が信号として検出される。有効画素13は、露光期間内に光子検出した結果を処理回路302から信号線113に出力することで、画素の光子検出結果を読み出すことができる。 The effective pixel 13 is composed of the APD 201, the recharge circuit 301, and the processing circuit 302. When the clock signal pCLK becomes Low, it drives the recharge circuit 301 and can recharge the APD 201 to a bias voltage that can perform avalanche multiplication in Geiger mode. The recharge circuit 301 may be any circuit that can switch the resistance value between the APD 201 and the power supply, such as a P-type MOS transistor. In addition, when the clock signal pCLK becomes High after recharging to a bias voltage that can perform avalanche multiplication, the cathode terminal and the power supply voltage VH are disconnected and the cathode terminal is in a floating state. When avalanche multiplication occurs due to the photocharge generated by the incidence of photons on the APD 201, the cathode voltage VC drops and the difference between the anode voltage and the cathode voltage drops below the breakdown voltage of the APD 201. The change in the cathode voltage VC is detected by the processing circuit 302, and the photons are detected as a signal. The effective pixel 13 can read out the photon detection result of the pixel by outputting the result of photon detection during the exposure period from the processing circuit 302 to the signal line 113.

図9は露光期間内の有効画素13の駆動例を示すタイミング図である。図9を用いてクロック信号pCLKの制御によるカソード電圧VCの変化、および基本的な光子カウント動作に関して説明する。また、露光期間内に周期的にクロック信号pCLKをLowにすることで、露光期間内の光子検出数を制御するクロックリチャージ駆動に関しても説明する。 Figure 9 is a timing diagram showing an example of driving the effective pixels 13 during the exposure period. Using Figure 9, we will explain the change in the cathode voltage VC under the control of the clock signal pCLK, and the basic photon counting operation. We will also explain clock recharge driving, which controls the number of photons detected during the exposure period by periodically setting the clock signal pCLK to Low during the exposure period.

時刻T1において、クロック信号pCLKがLowになると、カソード電圧VCは電位V1から電位VHにリチャージされる。このときAPD201に印加される電圧は電位VH-電位VLである。APD201のブレイクダウン電圧を電位V1-電位VLとすると、電位VH-電位V1の電位差だけブレイクダウン電圧に対して過剰に電圧がかかった状態であり、ガイガーモードでアバランシェ増倍可能な状態となる。 At time T1, when the clock signal pCLK goes low, the cathode voltage VC is recharged from potential V1 to potential VH. At this time, the voltage applied to APD201 is potential VH - potential VL. If the breakdown voltage of APD201 is potential V1 - potential VL, then the voltage applied is in excess of the breakdown voltage by the potential difference of potential VH - potential V1, and avalanche multiplication is possible in Geiger mode.

時刻T2でAPD201に光子が入射すると、APD201においてアバランシェ増倍が起こり、カソード電圧VCは電位VHから電位V1まで低下する。このときのAPD201のバイアス電圧は電位V1-電位VLであり、ブレイクダウン電圧以下の電圧に下がる。処理回路302はカソード電圧VCが閾値電圧Vth以下に変化したことを検知して、カウンタのカウント値をnからn+1にカウントアップする。 When a photon is incident on APD201 at time T2, avalanche multiplication occurs in APD201, and the cathode voltage VC drops from potential VH to potential V1. At this time, the bias voltage of APD201 is potential V1-potential VL, which drops to a voltage below the breakdown voltage. The processing circuit 302 detects that the cathode voltage VC has changed to a voltage below the threshold voltage Vth, and counts up the counter value from n to n+1.

続いて、時刻T3で光子が入射すると、APD201にはブレイクダウン電圧未満のバイアス電圧が印加されているため、ガイガーモードによるアバランシェ増倍は発生しない。ただし、電位VLと電位V1の電位差はブレイクダウン電圧未満の逆バイアス電圧となっており、光電荷をきっかけとした逆方向電流は発生する為、電位V1より低い電位V2までカソード電圧VCは低下する。この逆方向電流によるブレイクダウン電圧以下のカソード電圧VCの電圧降下は、カウンタのカウントアップには寄与せず、後述するように非アクティブ画素320においてケアすべき電圧降下である。 Next, when a photon is incident at time T3, a bias voltage less than the breakdown voltage is applied to the APD 201, so avalanche multiplication due to Geiger mode does not occur. However, the potential difference between potential VL and potential V1 is a reverse bias voltage less than the breakdown voltage, and a reverse current is generated due to the photocharge, so the cathode voltage VC drops to potential V2, which is lower than potential V1. This voltage drop in the cathode voltage VC below the breakdown voltage due to the reverse current does not contribute to the count-up of the counter, but is a voltage drop that must be taken care of in the inactive pixel 320, as described below.

時刻T4において、クロック信号pCLKがLowになるため、再びカソード電圧VCは電位VHまでリチャージされる。時刻T5でクロック信号pCLKがLowとなるが、カソード電圧VCは電位VHまでリチャージされた状態であるため変化しない。 At time T4, the clock signal pCLK goes low, and the cathode voltage VC is recharged to the potential VH again. At time T5, the clock signal pCLK goes low, but the cathode voltage VC does not change because it has been recharged to the potential VH.

時刻T6で光子が入射すると、アバランシェ増倍が発生してカソード電圧VCが低下し、カウンタのカウント値はn+2にカウントアップされる。このように、周期的なリチャージ動作をクロックリチャージ駆動と呼び、リチャージの回数を上限として露光期間内に光子検出する回数を制御している。 When a photon is incident at time T6, avalanche multiplication occurs, the cathode voltage VC drops, and the counter count is incremented to n+2. This periodic recharge operation is called clock recharge drive, and the number of photon detections within the exposure period is controlled with the number of recharges as an upper limit.

他方、ダミー画素14が有効画素13と異なるところは、図8(b)、(c)に示すようにAPD201と処理回路302、信号線113が接続されていない部分である。その為、クロック信号pCLKによりAPD201がアバランシェ増倍可能な状態において、光子が入射してカソード電圧VCの変化があったとしても、その光子検出の結果を信号線113に出力することはできない。 On the other hand, the dummy pixel 14 differs from the effective pixel 13 in that the APD 201, the processing circuit 302, and the signal line 113 are not connected, as shown in Figures 8(b) and (c). Therefore, when the APD 201 is in a state where avalanche multiplication is possible due to the clock signal pCLK, even if a photon is incident and the cathode voltage VC changes, the result of the photon detection cannot be output to the signal line 113.

図8(b)、(c)に示すように、ダミー画素14のAPD201は信号線113に接続されておらず、光子検出の為のリチャージを行う必要も無い。しかし、カソード端子を長期間フローティング状態に留めておいた場合、図9の時刻T3のような電圧降下現象が複数回発生して、カソード電圧VCが降下し続ける可能性がある。そこで、本実施形態では、ダミー画素14でもリチャージ動作を行い、カソード電圧VCの低下を抑制する。仮にダミー画素14の入力をHighの状態にし続けると、APD201のカソード端子はフローティング状態が維持される。図9の説明でも述べたように、一度アバランシェ増倍が発生したあとにカソード端子がフローティング状態のままにしておくと、ガイガーモードでのアバランシェ増倍は発生しないものの、光電荷など種電荷に起因した逆方向電流は流れうる。図9の説明の例では電位V1から電位V2へカソード端子の電位が低下したが、仮にその後もリチャージしない状態を続けると、さらにその後も種電荷発生のたびにカソード端子は下がり続ける。やがて、処理回路302などカソード電圧VCの電位が供給される先の回路素子の耐圧を超えた電位がかかることで、回路素子にダメージを与えてしまう懸念がある。 8(b) and (c), the APD 201 of the dummy pixel 14 is not connected to the signal line 113, and there is no need to recharge it for photon detection. However, if the cathode terminal is left floating for a long period of time, a voltage drop phenomenon such as that at time T3 in FIG. 9 may occur multiple times, causing the cathode voltage VC to continue to drop. Therefore, in this embodiment, the dummy pixel 14 also performs a recharge operation to suppress the drop in the cathode voltage VC. If the input of the dummy pixel 14 is kept in a High state, the cathode terminal of the APD 201 is maintained in a floating state. As described in the explanation of FIG. 9, if the cathode terminal is left floating after avalanche multiplication occurs once, avalanche multiplication in the Geiger mode will not occur, but a reverse current caused by seed charges such as photocharges may flow. In the example of FIG. 9, the potential of the cathode terminal drops from potential V1 to potential V2, but if the state of not recharging continues after that, the cathode terminal will continue to drop every time a seed charge is generated. Eventually, a potential exceeding the withstand voltage of the circuit element to which the potential of the cathode voltage VC is supplied, such as the processing circuit 302, will be applied, which may damage the circuit element.

このように、本発明の第一実施形態においては、有効画素13が配された第3領域10aと、OB画素15が配された第3領域10cとの間をダミー画素14が配された第3領域10bによって十分に離間させる。これにより、OB画素への光の侵入及びフォトンの漏れこみを低減し、画質の低下を防ぐことができる。さらに、ダミー画素14も周期的にリチャージを行うことで、ダミー画素14におけるAPDの端子の電位変化を防ぐ効果がある。 In this way, in the first embodiment of the present invention, the third region 10a in which the effective pixels 13 are arranged and the third region 10c in which the OB pixels 15 are arranged are sufficiently separated by the third region 10b in which the dummy pixels 14 are arranged. This reduces the intrusion of light and the leakage of photons into the OB pixels, and prevents degradation of image quality. Furthermore, by periodically recharging the dummy pixels 14, there is an effect of preventing potential changes at the APD terminals in the dummy pixels 14.

(第2の実施形態)
本実施形態に係る光電変換装置について、図10及び図11を用いて説明する。図1から図9までと共通する部分には共通の番号を付し、主に第1の実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る光電変換装置は、ダミー画素14の駆動が第1実施形態と異なっている。
Second Embodiment
The photoelectric conversion device according to this embodiment will be described with reference to Fig. 10 and Fig. 11. Parts common to Fig. 1 to Fig. 9 are given the same numbers, and differences from the first embodiment will be mainly described. The photoelectric conversion device according to this embodiment differs from the first embodiment in the driving of the dummy pixels 14.

図10(a)は有効画素13の構成であり、図8(a)と共通の構成である。 Figure 10(a) shows the configuration of an effective pixel 13, which is the same configuration as Figure 8(a).

図10(b)に本実施形態に係る光電変換装置のダミー画素14の回路構成を示す。第1の実施形態では、APDのリチャージを行うタイミングは有効画素13とダミー画素14で共通の制御信号pCLKによって制御されていた。第2の実施形態では、ダミー画素14は有効画素13のリチャージのタイミングに拠らず任意のタイミングでリチャージされる。例えば、ダミー画素14は有効画素13の制御信号pCLKとは異なる位相の第2の制御信号pCLK2によって制御される。 Figure 10 (b) shows the circuit configuration of the dummy pixel 14 of the photoelectric conversion device according to this embodiment. In the first embodiment, the timing of recharging the APD was controlled by a control signal pCLK common to the effective pixels 13 and the dummy pixels 14. In the second embodiment, the dummy pixels 14 are recharged at any timing, regardless of the timing of recharging the effective pixels 13. For example, the dummy pixels 14 are controlled by a second control signal pCLK2 that has a different phase from the control signal pCLK of the effective pixels 13.

図11に示すように、有効画素13はクロック信号pCLKにより、露光期間Texの期間中にパルス幅τで周期的にリチャージしており、リチャージの周期はTp1である。ダミー画素14のクロック信号pCLK2のリチャージの周期はTp2であり、露光期間Texの期間内外を区別せず一定のパルス幅τ´でリチャージしている。 As shown in FIG. 11, the effective pixels 13 are periodically recharged with a pulse width τ during the exposure period Tex by the clock signal pCLK, and the recharge period is Tp1. The recharge period of the clock signal pCLK2 of the dummy pixels 14 is Tp2, and the pixels are recharged with a constant pulse width τ' without distinguishing between inside and outside the exposure period Tex.

ここで、露光期間Tex>パルス幅τ´である。パルス幅τ´を不必要に長くしないことで、有効画素13に比べてダミー画素14のAPD201に電流が流れる頻度を減らして、ダミー画素14の消費電力を減らすことができる。 Here, the exposure period Tex>pulse width τ'. By not making the pulse width τ' unnecessarily long, the frequency with which current flows through the APD 201 of the dummy pixel 14 is reduced compared to the effective pixel 13, thereby reducing the power consumption of the dummy pixel 14.

また、パルス幅τとパルス幅τ´とは、等幅でも、異なるパルス幅でもよい。有効画素13ではリチャージ時間を短縮するためにパルス幅τがなるべく狭いことが望ましいが、ダミー画素14においてはパルス幅τ´はパルス幅τよりも広くてもよい。一方、有効画素13のパルス幅τは、カソード電圧VCが所定の電圧にリチャージされるのに十分な期間に対応したパルス幅τを要するが、ダミー画素14はリチャージ後のカソード電圧VCのばらつきを考慮する必要がない。そのため、リチャージの効果が得られる範囲であればτ´を短くすることができ、消費電力を低減することができる。パルス幅τとパルス幅τ´とを等幅にすることで、クロック信号pCLK、クロック信号pCLK2それぞれのパルスの生成や伝送に用いる配線の一部を共通化することができる。 The pulse width τ and the pulse width τ' may be equal or different. In the effective pixel 13, it is desirable that the pulse width τ is as narrow as possible to shorten the recharge time, but in the dummy pixel 14, the pulse width τ' may be wider than the pulse width τ. On the other hand, the pulse width τ of the effective pixel 13 requires a pulse width τ corresponding to a period sufficient for the cathode voltage VC to be recharged to a predetermined voltage, but the dummy pixel 14 does not need to consider the variation in the cathode voltage VC after recharge. Therefore, τ' can be shortened within a range in which the effect of recharging can be obtained, and power consumption can be reduced. By making the pulse width τ and the pulse width τ' equal, it is possible to share part of the wiring used for generating and transmitting the pulses of the clock signal pCLK and the clock signal pCLK2.

また、有効画素13のリチャージ周期Tp1≦ダミー画素14のリチャージ周期Tp2である。この関係によりカソード電圧VCの電圧降下によって回路素子に与えるダメージを防ぎながら、ダミー画素14のリチャージ信号の単位時間当たりのパルス数を減らし、ダミー画素14の消費電力を抑制することができる。 Furthermore, the recharge period Tp1 of the effective pixel 13 is equal to or less than the recharge period Tp2 of the dummy pixel 14. This relationship prevents damage to the circuit elements caused by a voltage drop in the cathode voltage VC, while reducing the number of pulses per unit time of the recharge signal of the dummy pixel 14 and suppressing the power consumption of the dummy pixel 14.

(第3の実施形態)
画素領域内の各領域の配置は図1に示すものに限られない。
Third Embodiment
The arrangement of each region within the pixel region is not limited to that shown in FIG.

図12に示すのは、画素領域12の平面レイアウトの一例である。図12に示す配置では、第2領域10bはさらに第2領域10b‐1、第2領域10b‐2、第2領域10b‐3の3種類に分けられる。第2領域10b‐1に配されるのは、第1の実施形態及び第2の実施形態において説明した信号出力ができないように構成されたダミー画素14である。第2領域10b‐2に配されるのは、第1の実施形態及び第2の実施形態とは異なる構成のダミー画素16である。すなわち、信号出力がされないように制御されたダミー画素である。第2領域10b‐3に配されるのは、回路の正常性の確認のために用いられるテスト画素17である。つまり、第2領域10bに配される画素は、光検出以外の目的のために使用される画素であればよい。 12 shows an example of a planar layout of the pixel region 12. In the arrangement shown in FIG. 12, the second region 10b is further divided into three types: second region 10b-1, second region 10b-2, and second region 10b-3. The second region 10b-1 is a dummy pixel 14 configured so as not to output a signal as described in the first and second embodiments. The second region 10b-2 is a dummy pixel 16 with a different configuration from the first and second embodiments. In other words, it is a dummy pixel controlled so as not to output a signal. The second region 10b-3 is a test pixel 17 used to check the normality of the circuit. In other words, the pixels arranged in the second region 10b may be pixels used for purposes other than light detection.

ダミー画素16は、信号線113へ電気的に接続されていても、光子検出に基づく信号の出力を行なわないよう制御できる構成であればよい。このようなダミー画素16は、制御状況によっては光子検出に基づく信号を出力することが可能であり、例えば有効画素13からOB画素15への光の漏れこみ方やアバランシェ発光の影響を確認するために使用可能である。 The dummy pixels 16 may be configured to be controlled so as not to output a signal based on photon detection even when electrically connected to the signal line 113. Such dummy pixels 16 can output a signal based on photon detection depending on the control situation, and can be used to check, for example, how light leaks from the effective pixels 13 to the OB pixels 15 and the effects of avalanche light emission.

図13(a)~(c)にテスト画素17の構成を模式的に示す。テスト画素17は外部信号POUTに接続されている点でダミー画素14と異なる。テスト画素17はダミー画素14の処理回路302に代わり、テスト用処理回路303を含む。テスト用処理回路303はAPD201のカソード電圧VCの出力を受けることがあっても、信号線113にカソード電圧VCの変化に関する情報、つまり光子検出情報を出力することは無い。すなわち、光検出以外の目的で使用される画素である。 Figures 13(a) to (c) show a schematic configuration of the test pixel 17. The test pixel 17 differs from the dummy pixel 14 in that it is connected to an external signal POUT. The test pixel 17 includes a test processing circuit 303 instead of the processing circuit 302 of the dummy pixel 14. Even if the test processing circuit 303 receives the output of the cathode voltage VC of the APD 201, it does not output information regarding changes in the cathode voltage VC, i.e., photon detection information, to the signal line 113. In other words, it is a pixel used for purposes other than light detection.

テスト用処理回路303はテスト回路304を含み、回路の正常性確認の為の信号を出力する。テスト用処理回路303にはテスト信号TESTが入力される。言い換えれば、テスト用処理回路303はアバランシェフォトダイオードの出力ノードとは異なる入力ノードからの入力に基づく信号を出力する回路である。ここでTESTは時間変化する信号でも良いし、固定値でも良い。また、テスト画素17の内外どちらで生成されていても良い。例えばテスト回路304に固定値を出力させることで、図13(a)の出力経路であるテスト用処理回路303から外部信号POUTまでの正常性を確認することができる。 The test processing circuit 303 includes a test circuit 304, and outputs a signal for checking the normality of the circuit. A test signal TEST is input to the test processing circuit 303. In other words, the test processing circuit 303 is a circuit that outputs a signal based on an input from an input node different from the output node of the avalanche photodiode. Here, TEST may be a time-varying signal or a fixed value. It may also be generated either inside or outside the test pixel 17. For example, by having the test circuit 304 output a fixed value, the normality of the output path in FIG. 13(a) from the test processing circuit 303 to the external signal POUT can be checked.

また、図13(b)、(c)に示すように、テスト用処理回路303に制御信号pCLKを入力し、テスト回路304で制御信号pCLKのパルス数をカウントして、制御信号pCLKの信号の正常性を確認する機能を持たせても良い。このとき、テスト画素17のリチャージ回路301に入力される信号は図13(b)に示すようにpCLKでもよく、図13(c)に示すようにpCLK以外の信号でもよい。図13(c)ではpCLK以外の固定値の例として接地電圧を示しているが、例えばpCLKとは位相の異なるクロック信号であってもよい。 Also, as shown in Figures 13(b) and (c), a function may be provided in which a control signal pCLK is input to a test processing circuit 303, and the test circuit 304 counts the number of pulses of the control signal pCLK to check the normality of the control signal pCLK. In this case, the signal input to the recharge circuit 301 of the test pixel 17 may be pCLK as shown in Figure 13(b), or may be a signal other than pCLK as shown in Figure 13(c). Although a ground voltage is shown in Figure 13(c) as an example of a fixed value other than pCLK, it may be, for example, a clock signal having a different phase from pCLK.

(第4の実施形態)
本実施形態に係る光電変換装置は、第1の実施形態に係る光電変換装置に対して、ダミー画素14の構成が異なる。第1の実施形態に係る光電変換装置のダミー画素の構成例は図8(b)、(c)に示す通りである。本実施形態におけるダミー画素13の構成を図14(a)~(c)に示す。
Fourth Embodiment
The photoelectric conversion device according to this embodiment is different from the photoelectric conversion device according to the first embodiment in the configuration of the dummy pixels 14. Configuration examples of the dummy pixels in the photoelectric conversion device according to the first embodiment are as shown in Figures 8(b) and (c). The configuration of the dummy pixels 13 in this embodiment is shown in Figures 14(a) to (c).

図14(a)、(b)に示すダミー画素14はいずれも、一つのリチャージ回路301に対して、複数のAPD201を並列に接続する特徴を持つ。図14(a)、(b)では例として3つのAPD201を接続しているが、並列に接続されるAPD201の個数はこれに限られない。また、図14(a)に示すダミー画素14はAPD201と波形生成部210とが接続されているが、図14(b)に示すように、APD201と波形生成部210とを接続しない構成でもよい。ダミー画素14とはAPD201で生成される電荷に基づく信号を信号線113に出力しない画素である。すなわち、光検出以外の目的で使用される画素である。 The dummy pixels 14 shown in Figs. 14(a) and (b) each have a feature that multiple APDs 201 are connected in parallel to one recharge circuit 301. Although three APDs 201 are connected as an example in Figs. 14(a) and (b), the number of APDs 201 connected in parallel is not limited to this. In addition, the dummy pixel 14 shown in Fig. 14(a) has the APD 201 and the waveform generating unit 210 connected, but as shown in Fig. 14(b), the APD 201 and the waveform generating unit 210 may not be connected. The dummy pixel 14 is a pixel that does not output a signal based on the charge generated by the APD 201 to the signal line 113. In other words, it is a pixel that is used for purposes other than light detection.

ダミー画素14のリチャージ回路301のリチャージのタイミングは、第1の実施形態で示したように有効画素13とダミー画素14で共通の制御信号pCLKで制御されてもよい。第2の実施形態で示したように、ダミー画素14のリチャージ回路301は、有効画素13のリチャージ回路301のリチャージのタイミングに拠らず任意のタイミングでリチャージされる形態としてもよい。 The recharge timing of the recharge circuit 301 of the dummy pixel 14 may be controlled by a control signal pCLK common to the effective pixel 13 and the dummy pixel 14 as shown in the first embodiment. As shown in the second embodiment, the recharge circuit 301 of the dummy pixel 14 may be configured to be recharged at any timing regardless of the recharge timing of the recharge circuit 301 of the effective pixel 13.

本実施形態では一つのリチャージ回路301と複数のダミー画素14を接続することにより、画素領域全体におけるリチャージ回路301の総数を削減することができ、消費電力の低減につながる。 In this embodiment, by connecting one recharge circuit 301 to multiple dummy pixels 14, the total number of recharge circuits 301 in the entire pixel area can be reduced, leading to reduced power consumption.

また、受光量が少ないダミー画素14では必要なリチャージの頻度が少なくなる。例えば、第1領域と第2領域の境界においては、第2領域が遮光されていても第1領域側から第2領域へ光が漏れこみやすい。そのため、漏れこんだ光によってダミー画素14で光電変換が行われる頻度も比較的高く、リチャージ回路301のリチャージが必要になる頻度も高い。例えば図5においてCまたはDに位置するダミー画素14は遮光領域と有効画素領域との境界に位置する。そのためこれらのダミー画素14において1つのリチャージ回路301に並列に接続されるAPD201の数は、2、3個程度が望ましい。反対に、遮光されていない第1領域から離れた位置に配されたダミー画素14ほど、受光量は減衰することから、一つのリチャージ回路301に対して並列に接続可能なAPD201の個数を境界付近のダミー画素14よりも増やしてもよい。例えば図4のBに位置するダミー画素14の、一つのリチャージ回路301に対して並列に接続可能なAPD201の個数はCまたはDに位置するダミー画素14よりも多い。ダミー画素14の配置に応じて並列に接続されるAPD201の数を異ならせることで、画素領域全体におけるリチャージ回路301の個数をより削減することが可能となり、一層の消費電力減につながる。つまり、ダミー画素のうち第1領域と第2領域との境界からの距離が長い第1のダミー画素が有するアバランシェフォトダイオードの数は、第1領域と第2領域との境界からの距離が短い第2のダミー画素が有するアバランシェフォトダイオードの数よりも多い。 In addition, the frequency of recharge required is reduced for dummy pixels 14 that receive a small amount of light. For example, at the boundary between the first and second regions, even if the second region is shielded, light is likely to leak from the first region into the second region. Therefore, the frequency of photoelectric conversion in the dummy pixels 14 due to the leaked light is relatively high, and the frequency of recharging the recharge circuit 301 is also high. For example, the dummy pixels 14 located at C or D in FIG. 5 are located at the boundary between the light-shielded region and the effective pixel region. Therefore, it is desirable that the number of APDs 201 connected in parallel to one recharge circuit 301 in these dummy pixels 14 is about two or three. On the other hand, the amount of light received by the dummy pixels 14 located farther from the unshielded first region is attenuated, so the number of APDs 201 that can be connected in parallel to one recharge circuit 301 may be increased compared to the dummy pixels 14 near the boundary. For example, the number of APDs 201 that can be connected in parallel to one recharge circuit 301 in the dummy pixel 14 located at B in FIG. 4 is greater than that in the dummy pixel 14 located at C or D. By varying the number of APDs 201 connected in parallel according to the arrangement of the dummy pixels 14, it is possible to further reduce the number of recharge circuits 301 in the entire pixel region, leading to further reduction in power consumption. In other words, the number of avalanche photodiodes in the first dummy pixel that is located a long distance from the boundary between the first region and the second region is greater than the number of avalanche photodiodes in the second dummy pixel that is located a short distance from the boundary between the first region and the second region.

カソード電圧VCの経時的な低下を抑制するためには、ダミー画素14でアバランシェ増倍が発生しなければよい。つまり、ダミー画素14に逆バイアス電圧が印加されなければよい。そのため、ダミー画素14にはリチャージ回路301を設けず、固定電圧が入力される形式とすることでさらなる消費電力減を実現することも可能である。例えば図14(c)に示すようにAPD201のカソード端子とアノード端子の双方に電圧VLが供給されるように配線を設けてもよい。 In order to suppress the decrease in the cathode voltage VC over time, it is sufficient that avalanche multiplication does not occur in the dummy pixel 14. In other words, it is sufficient that a reverse bias voltage is not applied to the dummy pixel 14. Therefore, it is possible to achieve further reduction in power consumption by not providing a recharge circuit 301 in the dummy pixel 14 and instead inputting a fixed voltage. For example, as shown in FIG. 14(c), wiring may be provided so that the voltage VL is supplied to both the cathode terminal and the anode terminal of the APD 201.

(第5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15を用いて説明する。図15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。
Fifth Embodiment
The photoelectric conversion system according to this embodiment will be described with reference to Fig. 15. Fig. 15 is a block diagram showing a schematic configuration of the photoelectric conversion system according to this embodiment.

上記第1~第3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15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。 The photoelectric conversion devices described in the first to third embodiments above can be applied to various photoelectric conversion systems. Examples of applicable photoelectric conversion systems include digital still cameras, digital camcorders, surveillance cameras, copiers, fax machines, mobile phones, vehicle-mounted cameras, and observation satellites. Camera modules equipped with an optical system such as a lens and an imaging device are also included in photoelectric conversion systems. Figure 15 shows a block diagram of a digital still camera as an example of these.

図15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を備える。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。 The photoelectric conversion system illustrated in FIG. 15 includes an image capture device 1004, which is an example of a photoelectric conversion device, and a lens 1002 that forms an optical image of a subject on the image capture device 1004. It also includes an aperture 1003 for varying the amount of light passing through the lens 1002, and a barrier 1001 for protecting the lens 1002. The lens 1002 and the aperture 1003 are an optical system that focuses light on the image capture device 1004. The image capture device 1004 is a photoelectric conversion device according to any of the above embodiments, and converts the optical image formed by the lens 1002 into an electrical signal.

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基板に形成されていてもよいし、撮像装置1004とは別の半導体基板に形成されていてもよい。 The photoelectric conversion system also has a signal processing unit 1007, which is an image generating unit that generates an image by processing the output signal output from the imaging device 1004. The signal processing unit 1007 performs various corrections and compression as necessary to output image data. The signal processing unit 1007 may be formed on a semiconductor substrate on which the imaging device 1004 is provided, or may be formed on a semiconductor substrate separate from the imaging device 1004.

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。 The photoelectric conversion system further has a memory unit 1010 for temporarily storing image data, and an external interface unit (external I/F unit) 1013 for communicating with an external computer or the like. The photoelectric conversion system further has a recording medium 1012 such as a semiconductor memory for recording or reading out imaging data, and a recording medium control interface unit (recording medium control I/F unit) 1011 for recording or reading out data on the recording medium 1012. The recording medium 1012 may be built into the photoelectric conversion system, or may be removable.

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。 The photoelectric conversion system further includes an overall control/calculation unit 1009 that performs various calculations and controls the entire digital still camera, and a timing generation unit 1008 that outputs various timing signals to the image capture device 1004 and the signal processing unit 1007. Here, timing signals and the like may be input from the outside, and the photoelectric conversion system only needs to include at least the image capture device 1004 and the signal processing unit 1007 that processes the output signal output from the image capture device 1004.

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。 The imaging device 1004 outputs an imaging signal to the signal processing unit 1007. The signal processing unit 1007 performs a predetermined signal processing on the imaging signal output from the imaging device 1004 and outputs image data. The signal processing unit 1007 generates an image using the imaging signal.

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。 In this way, according to this embodiment, it is possible to realize a photoelectric conversion system that applies the photoelectric conversion device (imaging device) of any of the above embodiments.

(第6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16を用いて説明する。図16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。
Sixth Embodiment
The photoelectric conversion system and the moving object of this embodiment will be described with reference to Fig. 16. Fig. 16 is a diagram showing the configuration of the photoelectric conversion system and the moving object of this embodiment.

図16(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と、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。また、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1318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(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)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。 Figure 16 (a) shows an example of a photoelectric conversion system related to an in-vehicle camera. The photoelectric conversion system 2300 has an image capture device 2310. The image capture device 2310 is a photoelectric conversion device described in any of the above embodiments. The photoelectric conversion system 2300 has an image processing unit 2312 that performs image processing on multiple image data acquired by the image capture device 2310, and a parallax acquisition unit 2314 that calculates parallax (phase difference of parallax images) from multiple image data acquired by the photoelectric conversion system 2300. The photoelectric conversion system 2300 also has a distance acquisition unit 2316 that calculates the distance to an object based on the calculated parallax, and a collision determination unit 2318 that determines whether or not there is a possibility of collision based on the calculated distance. Here, the parallax acquisition unit 2314 and the distance acquisition unit 2316 are examples of distance information acquisition means that acquire distance information to the object. In other words, the distance information is information on the parallax, the defocus amount, the distance to the object, etc. The collision determination unit 1318 may use any of these distance information to determine the possibility of a collision. The distance information acquisition means may be realized by dedicated hardware or by a software module. It may also be realized by an FPGA (Field Programmable Gate Array), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or the like, or may be realized by a combination of these.

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ーに警告を行う。 The photoelectric conversion system 2300 is connected to a vehicle information acquisition device 2320, and can acquire vehicle information such as vehicle speed, yaw rate, and steering angle. The photoelectric conversion system 2300 is also connected to a control ECU 2330, which is a control unit that outputs a control signal to generate a braking force for the vehicle based on the judgment result of the collision judgment unit 2318. The photoelectric conversion system 2300 is also connected to an alarm device 2340 that issues an alarm to the driver based on the judgment result of the collision judgment unit 2318. For example, if the judgment result of the collision judgment unit 2318 indicates that there is a high possibility of a collision, the control ECU 2330 applies the brakes, releases the accelerator, suppresses engine output, etc., to avoid the collision and reduce damage by performing vehicle control. The alarm device 2340 warns the user by sounding an alarm, displaying alarm information on the screen of a car navigation system, etc., or vibrating the seat belt or steering wheel.

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16(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。 In this embodiment, the surroundings of the vehicle, for example the front or rear, are imaged by the photoelectric conversion system 2300. FIG. 16(b) shows a photoelectric conversion system for imaging the area in front of the vehicle (imaging range 2350). The vehicle information acquisition device 2320 sends instructions to the photoelectric conversion system 2300 or the imaging device 2310. This configuration can further improve the accuracy of distance measurement.

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、自動車等の車両に限らず、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。 Although the above describes an example of control to prevent collisions with other vehicles, the system can also be applied to automatic driving control to follow other vehicles and automatic driving control to prevent vehicles from going outside their lanes. Furthermore, the photoelectric conversion system is not limited to vehicles such as automobiles, but can be applied to moving bodies (moving devices) such as ships, aircraft, and industrial robots. In addition, the system can be applied not only to moving bodies, but also to a wide range of equipment that uses object recognition, such as intelligent transport systems (ITS).

(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17を用いて説明する。図17は、本実施形態の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。
Seventh Embodiment
The photoelectric conversion system of this embodiment will be described with reference to Fig. 17. Fig. 17 is a block diagram showing an example of the configuration of a range image sensor which is the photoelectric conversion system of this embodiment.

図17に示すように、距離画像センサ401は、光学系407、光電変換装置408、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409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。 As shown in FIG. 17, the distance image sensor 401 is configured to include an optical system 407, a photoelectric conversion device 408, an image processing circuit 404, a monitor 405, and a memory 406. The distance image sensor 401 can obtain a distance image according to the distance to the subject by receiving light (modulated light or pulsed light) that is projected from a light source device 409 toward the subject and reflected by the surface of the subject.

光学系407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408に導き、光電変換装置408の受光面(センサ部)に結像させる。 The optical system 407 is composed of one or more lenses, and guides image light (incident light) from the subject to the photoelectric conversion device 408, forming an image on the light receiving surface (sensor section) of the photoelectric conversion device 408.

光電変換装置408としては、上述した各実施形態の光電変換装置が適用され、光電変換装置408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。 The photoelectric conversion device 408 is one of the photoelectric conversion devices according to the above-mentioned embodiments, and a distance signal indicating the distance determined from the light receiving signal output from the photoelectric conversion device 408 is supplied to the image processing circuit 404.

画像処理回路404は、光電変換装置408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。 The image processing circuit 404 performs image processing to construct a distance image based on the distance signal supplied from the photoelectric conversion device 408. The distance image (image data) obtained by this image processing is then supplied to the monitor 405 for display, or supplied to the memory 406 for storage (recording).

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。 In the distance image sensor 401 configured in this manner, by applying the photoelectric conversion device described above, it is possible to obtain, for example, a more accurate distance image as the pixel characteristics improve.

(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18を用いて説明する。図18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。
Eighth embodiment
The photoelectric conversion system of this embodiment will be described with reference to Fig. 18. Fig. 18 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an endoscopic surgery system which is the photoelectric conversion system of this embodiment.

図18では、術者(医師)1131が、内視鏡手術システム1150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1150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。 Figure 18 shows an operator (doctor) 1131 performing surgery on a patient 1132 on a patient bed 1133 using an endoscopic surgery system 1150. As shown in the figure, the endoscopic surgery system 1150 is composed of an endoscope 1100, a surgical tool 1110, and a cart 1134 on which various devices for endoscopic surgery are mounted.

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。 The endoscope 1100 is composed of a lens barrel 1101, the tip of which is inserted into the body cavity of the patient 1132 at a predetermined length, and a camera head 1102 connected to the base end of the lens barrel 1101. In the illustrated example, the endoscope 1100 is configured as a so-called rigid lens barrel having a rigid lens barrel 1101, but the endoscope 1100 may also be configured as a so-called flexible lens barrel having a flexible lens barrel.

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。 The endoscope 1100 is provided at its tip with an opening into which an objective lens is fitted. A light source device 1203 is connected to the endoscope 1100, and light generated by the light source device 1203 is guided to the tip of the tube by a light guide extending inside the tube 1101, and is irradiated via the objective lens toward an observation target in the body cavity of the patient 1132. The endoscope 1100 may be a direct-viewing endoscope, an oblique-viewing endoscope, or a side-viewing endoscope.

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、前述の各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: Camera Control Unit)1135に送信される。 An optical system and a photoelectric conversion device are provided inside the camera head 1102, and reflected light (observation light) from the observation object is focused on the photoelectric conversion device by the optical system. The observation light is photoelectrically converted by the photoelectric conversion device to generate an electrical signal corresponding to the observation light, i.e., an image signal corresponding to the observation image. The photoelectric conversion device may be any of the photoelectric conversion devices described in the above-mentioned embodiments. The image signal is sent to a camera control unit (CCU: Camera Control Unit) 1135 as RAW data.

CCU1135は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)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。 The CCU 1135 is configured with a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), etc., and controls the overall operation of the endoscope 1100 and the display device 1136. Furthermore, the CCU 1135 receives an image signal from the camera head 1102, and performs various image processing on the image signal, such as development processing (demosaic processing), to display an image based on the image signal.

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。 The display device 1136, under the control of the CCU 1135, displays an image based on the image signal that has been subjected to image processing by the CCU 1135.

光源装置1203は、例えばLED(Light Emitting Diode)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。 The light source device 1203 is composed of a light source such as an LED (Light Emitting Diode) and supplies the endoscope 1100 with illumination light when photographing the surgical site, etc.

入力装置1137は、内視鏡手術システム1150に対する入力インターフェースである。ユーザーは、入力装置1137を介して、内視鏡手術システム1150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。 The input device 1137 is an input interface for the endoscopic surgery system 1150. A user can input various information and instructions to the endoscopic surgery system 1150 via the input device 1137.

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。 The treatment tool control device 1138 controls the operation of the energy treatment tool 1112 for cauterizing tissue, incising, sealing blood vessels, etc.

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。 The light source device 1203 that supplies irradiation light to the endoscope 1100 when photographing the surgical site can be composed of a white light source composed of, for example, an LED, a laser light source, or a combination of these. When the white light source is composed of a combination of RGB laser light sources, the output intensity and output timing of each color (each wavelength) can be controlled with high precision, so that the white balance of the captured image can be adjusted in the light source device 1203. In this case, it is also possible to capture images corresponding to each of the RGB colors in a time-division manner by irradiating the observation object with laser light from each of the RGB laser light sources in a time-division manner and controlling the drive of the image sensor of the camera head 1102 in synchronization with the irradiation timing. According to this method, a color image can be obtained without providing a color filter to the image sensor.

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。 The light source device 1203 may be controlled to change the intensity of the light it outputs at predetermined time intervals. The driving of the image sensor of the camera head 1102 may be controlled in synchronization with the timing of the change in the light intensity to acquire images in a time-division manner, and the images may be synthesized to generate an image with a high dynamic range that is free of so-called blackout and whiteout.

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。 The light source device 1203 may also be configured to supply light of a predetermined wavelength band corresponding to special light observation. In special light observation, for example, the wavelength dependency of light absorption in body tissue is utilized. Specifically, a specific tissue such as blood vessels on the mucosal surface is photographed with high contrast by irradiating light of a narrower band than the irradiation light (i.e., white light) during normal observation. Alternatively, in special light observation, fluorescence observation may be performed in which an image is obtained by fluorescence generated by irradiating excitation light. In fluorescence observation, excitation light is irradiated to the body tissue and the fluorescence from the body tissue is observed, or a reagent such as indocyanine green (ICG) is locally injected into the body tissue and excitation light corresponding to the fluorescence wavelength of the reagent is irradiated to the body tissue to obtain a fluorescent image. The light source device 1203 may be configured to supply narrow band light and/or excitation light corresponding to such special light observation.

(第9の実施形態)
本実施形態の光電変換システムについて、図19(a)、(b)を用いて説明する。図19(a)は、本実施形態の光電変換システムである眼鏡1600(スマートグラス)を説明する。眼鏡1600には、光電変換装置1602を有する。光電変換装置1602は、上記の各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19(a)に限定されない。
Ninth embodiment
The photoelectric conversion system of this embodiment will be described with reference to Figs. 19(a) and (b). Fig. 19(a) describes glasses 1600 (smart glasses) which are the photoelectric conversion system of this embodiment. The glasses 1600 have a photoelectric conversion device 1602. The photoelectric conversion device 1602 is the photoelectric conversion device described in each of the above embodiments. In addition, a display device including a light-emitting device such as an OLED or LED may be provided on the back side of the lens 1601. The photoelectric conversion device 1602 may be one or more. In addition, a combination of multiple types of photoelectric conversion devices may be used. The arrangement position of the photoelectric conversion device 1602 is not limited to that shown in Fig. 19(a).

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。 The glasses 1600 further include a control device 1603. The control device 1603 functions as a power source that supplies power to the photoelectric conversion device 1602 and the display device. The control device 1603 also controls the operation of the photoelectric conversion device 1602 and the display device. The lens 1601 is formed with an optical system for focusing light on the photoelectric conversion device 1602.

図19(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ーの眼球に対して、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。 Figure 19 (b) explains glasses 1610 (smart glasses) according to one application example. The glasses 1610 have a control device 1612, and the control device 1612 is equipped with a photoelectric conversion device corresponding to the photoelectric conversion device 1602 and a display device. The lens 1611 is formed with an optical system for projecting light emitted from the photoelectric conversion device in the control device 1612 and the display device, and an image is projected onto the lens 1611. The control device 1612 functions as a power source that supplies power to the photoelectric conversion device and the display device, and controls the operation of the photoelectric conversion device and the display device. The control device may have a line of sight detection unit that detects the line of sight of the wearer. Infrared light may be used to detect the line of sight. The infrared light emission unit emits infrared light to the eyeball of a user who is gazing at a displayed image. An imaging unit having a light receiving element detects the reflected light of the emitted infrared light from the eyeball, thereby obtaining an image of the eyeball. By having a reduction means for reducing light from the infrared light emission unit to the display unit in a planar view, deterioration of image quality is reduced.

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ーの視線を検出する。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。 The user's line of sight with respect to the displayed image is detected from an image of the eyeball obtained by capturing infrared light. Any known method can be applied to gaze detection using an image of the eyeball. As an example, a gaze detection method based on the Purkinje image formed by reflection of irradiated light on the cornea can be used.

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、ユーザーの視線が検出される。 More specifically, gaze detection processing is performed based on the pupil-corneal reflex method. Using the pupil-corneal reflex method, a gaze vector that represents the direction (rotation angle) of the eyeball is calculated based on the pupil image and Purkinje image contained in the captured image of the eyeball, thereby detecting the user's gaze.

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ー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。 The display device of this embodiment may have a photoelectric conversion device having a light receiving element, and may control the display image of the display device based on user line-of-sight information from the photoelectric conversion device.

具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザーが注視する第1の視界領域と、第1の視界領域以外の第2の視界領域とを決定される。第1の視界領域、第2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1の視界領域の表示解像度を第2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2の視界領域の解像度を第1の視界領域よりも低くしてよい。 Specifically, the display device determines a first field of view area on which the user gazes and a second field of view area other than the first field of view area based on the line-of-sight information. The first field of view area and the second field of view area may be determined by a control device of the display device, or may be received from an external control device. In the display area of the display device, the display resolution of the first field of view area may be controlled to be higher than the display resolution of the second field of view area. In other words, the resolution of the second field of view area may be lower than the first field of view area.

また、表示領域は、第1の表示領域、第1の表示領域とは異なる第2の表示領域とを有し、視線情報に基づいて、第1の表示領域および第2の表示領域から優先度が高い領域を決定されてよい。第1の視界領域、第2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。 The display area may have a first display area and a second display area different from the first display area, and an area having a high priority may be determined from the first display area and the second display area based on line-of-sight information. The first field of view area and the second field of view area may be determined by a control device of the display device, or may be received from an external control device. The resolution of the high priority area may be controlled to be higher than the resolution of areas other than the high priority area. In other words, the resolution of an area having a relatively low priority may be lowered.

なお、第1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。 AI may be used to determine the first field of view area and areas with high priority. The AI may be a model configured to estimate the angle of gaze and the distance to an object in the line of sight from the image of the eyeball, using as teacher data an image of the eyeball and the direction in which the eyeball in the image was actually looking. The AI program may be possessed by the display device, the photoelectric conversion device, or an external device. If possessed by an external device, it is transmitted to the display device via communication.

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。 When display control is based on visual detection, it is preferably applicable to smart glasses that further include a photoelectric conversion device that captures images of the outside world. The smart glasses can display captured external information in real time.

[変形実施形態]
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified embodiment]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.

例えば、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。 For example, the embodiments of the present invention also include examples in which some configuration of one embodiment is added to another embodiment, or examples in which some configuration of another embodiment is replaced with another embodiment.

また、上記第4の実施形態、第5の実施形態に示した光電変換システムは、光電変換装置を適用しうる光電変換システム例を示したものであって、本発明の光電変換装置を適用可能な光電変換システムは図15乃至図16に示した構成に限定されるものではない。第6の実施形態に示したToFシステム、第7の実施形態に示した内視鏡、第8の実施形態に示したスマートグラスについても同様である。 The photoelectric conversion systems shown in the fourth and fifth embodiments are merely examples of photoelectric conversion systems to which a photoelectric conversion device can be applied, and photoelectric conversion systems to which the photoelectric conversion device of the present invention can be applied are not limited to the configurations shown in Figures 15 and 16. The same applies to the ToF system shown in the sixth embodiment, the endoscope shown in the seventh embodiment, and the smart glasses shown in the eighth embodiment.

上述した各実施形態の光電変換装置は、自動車内のセンサにも適用できる。例えば、運転者の顔の検知、表情の検知、視線の検知に使用するセンサに適用できる。このセンサの出力を用いて、運転者の注意力欠如、居眠り、失神などを検知することができる。また、運転者の人物識別を行うようにすることもできる。 The photoelectric conversion device of each of the above-mentioned embodiments can also be applied to sensors inside an automobile. For example, it can be applied to sensors used to detect the driver's face, facial expression, and line of sight. The output of this sensor can be used to detect the driver's lack of attention, drowsiness, fainting, etc. It can also be used to identify the driver.

なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above embodiments are merely examples of how the present invention can be implemented, and the technical scope of the present invention should not be interpreted in a limiting manner. In other words, the present invention can be implemented in various forms without departing from its technical concept or main features.

また、本開示は以下の構成を含む。 This disclosure also includes the following configuration:

(構成1) アノードとカソードとを含むアバランシェフォトダイオードをそれぞれが有する複数の画素を含む画素領域を有し、前記複数の画素は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力する有効画素と、前記光子検出信号を出力しないダミー画素と、遮光部を有するオプティカルブラック画素を含み、前記画素領域は、前記有効画素を有する第1領域と、前記ダミー画素を有する第2領域と、前記オプティカルブラック画素を有する第3領域とを有し、前記第2領域は、前記画素領域の端部に接する第1の部分と、第2の部分とを有し、前記第1の部分と、前記第1領域と、前記第2の部分と、前記第3領域とが第1の方向にこの順で並んで配されており、前記第1の方向において、前記第2の部分の幅は、前記第1の部分の幅よりも広いことを特徴とする光電変換装置。 (Configuration 1) A photoelectric conversion device having a pixel region including a plurality of pixels each having an avalanche photodiode including an anode and a cathode, the plurality of pixels including effective pixels that output a photon detection signal in response to detection of a photon, dummy pixels that do not output the photon detection signal, and optical black pixels having a light-shielding portion, the pixel region having a first region including the effective pixels, a second region including the dummy pixels, and a third region including the optical black pixels, the second region having a first portion and a second portion that are in contact with an end of the pixel region, the first portion, the first region, the second portion, and the third region are arranged in this order in a first direction, and in the first direction, the width of the second portion is wider than the width of the first portion.

(構成2) 前記第2領域は、前記画素領域の端部に接する第3の部分を有し、前記第1領域と、前記第3の部分とが前記第1の方向に交差する第2の方向に沿って並び、前記第2の部分の前記第1の方向の幅は、前記第3の部分の前記第2の方向の幅よりも広いことを特徴とする構成1記載の光電変換装置。 (Configuration 2) The photoelectric conversion device according to configuration 1, characterized in that the second region has a third portion that contacts an end of the pixel region, the first region and the third portion are aligned along a second direction that intersects with the first direction, and the width of the second portion in the first direction is wider than the width of the third portion in the second direction.

(構成3) 前記第2の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数が、前記第1の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数よりも多いことを特徴とする構成1又は構成2に記載の光電変換装置。 (Configuration 3) The photoelectric conversion device according to configuration 1 or 2, characterized in that the number of dummy pixels arranged along the width of the second portion in the first direction is greater than the number of dummy pixels arranged along the width of the first portion in the first direction.

(構成4) 前記有効画素は前記光子検出信号をカウントとするカウンタ回路に接続され、前記ダミー画素は前記カウンタ回路に接続されないことを特徴とする構成1から構成3までのいずれかに記載の光電変換装置。 (Configuration 4) The photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 3, characterized in that the effective pixels are connected to a counter circuit that counts the photon detection signals, and the dummy pixels are not connected to the counter circuit.

(構成5) 前記第2領域は、前記アノード及び前記カソードとは異なるノードが前記カウンタ回路の入力ノードと接続されたテスト画素を含むことを特徴とする構成4に記載の光電変換装置。 (Configuration 5) The photoelectric conversion device according to configuration 4, wherein the second region includes a test pixel in which a node different from the anode and the cathode is connected to an input node of the counter circuit.

(構成6) 前記複数の画素のそれぞれは隣り合う画素との間に画素分離部を有することを特徴とする構成1から構成5までのいずれかに記載の光電変換装置。 (Configuration 6) A photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 5, characterized in that each of the plurality of pixels has a pixel separation section between adjacent pixels.

(構成7) 前記有効画素が配された前記第1領域と、前記ダミー画素が配された前記第2領域との間を分離する前記画素分離部を有することを特徴とする構成6に記載の光電変換装置。 (Configuration 7) The photoelectric conversion device according to configuration 6, characterized in that it has a pixel separation section that separates the first region in which the effective pixels are arranged from the second region in which the dummy pixels are arranged.

(構成8) 前記有効画素が配された前記第3領域と、前記ダミー画素が配された前記第2領域との間を分離する前記画素分離部を有することを特徴とする構成6又は構成7に記載の光電変換装置。 (Configuration 8) The photoelectric conversion device according to Configuration 6 or 7, characterized in that it has a pixel separation section that separates the third region in which the effective pixels are arranged from the second region in which the dummy pixels are arranged.

(構成9) 前記オプティカルブラック画素を有する第4領域を有し、前記第2領域は第4の部分を有し、前記第4領域と前記第4の部分とが前記第1の方向に交差する第3の方向に並び、前記第4の部分の前記第3の方向の幅は、前記第1の部分の前記第1の方向の幅よりも広いことを特徴とする構成1から構成8までのいずれかに記載の光電変換装置。 (Configuration 9) A photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 8, characterized in that it has a fourth region having the optical black pixel, the second region has a fourth portion, the fourth region and the fourth portion are aligned in a third direction intersecting the first direction, and the width of the fourth portion in the third direction is wider than the width of the first portion in the first direction.

(構成10) 前記第4の部分の前記第3の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数は、前記第1の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数よりも多いことを特徴とする構成9に記載の光電変換装置。 (Configuration 10) The photoelectric conversion device described in Configuration 9, characterized in that the number of dummy pixels arranged along the width of the fourth portion in the third direction is greater than the number of dummy pixels arranged along the width of the first portion in the first direction.

(構成11) 前記第2の部分の前記第1の方向の幅は、前記第3の部分の前記第2の方向の幅の十倍よりも大きいことを特徴とする構成2に記載の光電変換装置。 (Configuration 11) The photoelectric conversion device described in configuration 2, characterized in that the width of the second portion in the first direction is more than ten times the width of the third portion in the second direction.

(構成12) 前記第2の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数が、前記第1の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数の十倍よりも多いことを特徴とする構成1から構成11までのいずれかに記載の光電変換装置。 (Configuration 12) A photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 11, characterized in that the number of dummy pixels arranged along the width of the second portion in the first direction is more than ten times the number of dummy pixels arranged along the width of the first portion in the first direction.

(構成13) 前記アノードおよび前記カソードのうちの一方のノードと駆動電圧が印加される電源とに接続され、前記一方のノードと前記電源との間の抵抗値を切り替えるスイッチを有することを特徴とする構成1から構成12までのいずれかに記載の光電変換装置。 (Configuration 13) A photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 12, characterized in that one of the nodes of the anode and the cathode is connected to a power source to which a drive voltage is applied, and has a switch for switching the resistance value between the one node and the power source.

(構成14) 前記ダミー画素のそれぞれは1つの前記スイッチに対して複数のアバランシェフォトダイオードを有することを特徴とする構成13に記載の光電変換装置。 (Configuration 14) The photoelectric conversion device according to configuration 13, wherein each of the dummy pixels has multiple avalanche photodiodes for one of the switches.

(構成15) 前記ダミー画素のうち、第1のダミー画素が有するアバランシェフォトダイオードの数は、第2のダミー画素が有するアバランシェフォトダイオードの数よりも多いことを特徴とする構成1から構成14までのいずれかに記載の光電変換装置。 (Configuration 15) A photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 14, characterized in that the number of avalanche photodiodes in the first dummy pixel among the dummy pixels is greater than the number of avalanche photodiodes in the second dummy pixel.

(構成16) 前記第1領域と前記第2領域との境界から前記第1のダミー画素までの距離は、前記境界から前記第2のダミー画素までの距離よりも長いことを特徴とする構成15に記載の光電変換装置。 (Configuration 16) The photoelectric conversion device described in configuration 15, characterized in that the distance from the boundary between the first region and the second region to the first dummy pixel is longer than the distance from the boundary to the second dummy pixel.

(構成17) 前記スイッチはトランジスタであることを特徴とする構成13から構成16までのいずれかに記載の光電変換装置。 (Configuration 17) The photoelectric conversion device according to any one of configurations 13 to 16, characterized in that the switch is a transistor.

(構成18) 前記有効画素の前記アバランシェフォトダイオードは、第1の周期でリチャージされることを特徴とする構成1から構成17までのいずれかに記載の光電変換装置。 (Configuration 18) The photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 17, wherein the avalanche photodiode of the effective pixel is recharged in a first period.

(構成19) 前記ダミー画素の前記アバランシェフォトダイオードは、前記第1の周期と異なる第2の周期でリチャージされることを特徴とする構成18に記載の光電変換装置。 (Configuration 19) The photoelectric conversion device described in configuration 18, wherein the avalanche photodiode of the dummy pixel is recharged at a second period different from the first period.

(構成20) 前記第2の周期は前記第1の周期よりも長いことを特徴とする構成19に記載の光電変換装置。 (Configuration 20) The photoelectric conversion device described in configuration 19, characterized in that the second period is longer than the first period.

(構成21) 構成1から構成20までのいずれかに記載の光電変換装置と、前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と、を有することを特徴とするシステム。 (Configuration 21) A system comprising a photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 20, and a signal processing unit that processes a signal output from the photoelectric conversion device.

(構成22) 移動体であって、構成1から構成20までのいずれかに記載の光電変換装置と、前記光電変換装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する情報取得手段と、前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。 (Configuration 22) A moving body comprising a photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 20, an information acquisition means for acquiring distance information to an object from a parallax image based on a signal from the photoelectric conversion device, and a control means for controlling the moving body based on the distance information.

100 光電変換装置
12 画素領域
10 第1領域
10b 第2領域
10c 第3領域
100 Photoelectric conversion device 12 Pixel region 10 First region 10b Second region 10c Third region

Claims (22)

アノードとカソードとを含むアバランシェフォトダイオードをそれぞれが有する複数の画素を含む画素領域を有し、
前記複数の画素は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力する有効画素と、前記光子検出信号を出力しないダミー画素と、遮光部を有するオプティカルブラック画素を含み、
前記有効画素は前記光子検出信号をカウントとするカウンタ回路に接続され、
前記ダミー画素は前記カウンタ回路に接続されず、
前記画素領域は、前記有効画素を有する第1領域と、前記ダミー画素を有する第2領域と、前記オプティカルブラック画素を有する第3領域とを有し、
前記第2領域は、前記画素領域の端部に接する第1の部分と、第2の部分とを有し、
前記第1の部分と、前記第1領域と、前記第2の部分と、前記第3領域とが第1の方向にこの順で並んで配されており、
前記第1の方向において、前記第2の部分の幅は、前記第1の部分の幅よりも広いことを特徴とする光電変換装置。
a pixel region including a plurality of pixels each having an avalanche photodiode including an anode and a cathode;
the plurality of pixels include effective pixels that output a photon detection signal in response to detection of a photon, dummy pixels that do not output the photon detection signal, and optical black pixels that have a light-shielding portion;
The effective pixels are connected to a counter circuit that counts the photon detection signals,
the dummy pixel is not connected to the counter circuit;
the pixel region includes a first region having the effective pixels, a second region having the dummy pixels, and a third region having the optical black pixels;
the second region has a first portion in contact with an end of the pixel region and a second portion;
the first portion, the first region, the second portion, and the third region are arranged in this order in a first direction,
A photoelectric conversion device, characterized in that, in the first direction, the width of the second portion is wider than the width of the first portion.
前記第2領域は、前記画素領域の端部に接する第3の部分を有し、
前記第1領域と、前記第3の部分とが前記第1の方向に交差する第2の方向に沿って並び、
前記第2の部分の前記第1の方向の幅は、前記第3の部分の前記第2の方向の幅よりも広いことを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。
the second region has a third portion in contact with an edge of the pixel region,
the first region and the third portion are aligned along a second direction intersecting the first direction,
2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the width of the second portion in the first direction is greater than the width of the third portion in the second direction.
前記第2の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数が、前記第1の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数よりも多いことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1, characterized in that the number of dummy pixels arranged along the width of the second portion in the first direction is greater than the number of dummy pixels arranged along the width of the first portion in the first direction. 前記第2領域は、前記アノード及び前記カソードとは異なるノードが前記カウンタ回路の入力ノードと接続されたテスト画素を含むことを特徴とする請求項に記載の光電変換装置。 2 . The photoelectric conversion device according to claim 1 , wherein the second region includes a test pixel having a node different from the anode and the cathode connected to an input node of the counter circuit. 前記複数の画素のそれぞれは隣り合う画素との間に画素分離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。 The photoelectric conversion device according to claim 1, characterized in that each of the plurality of pixels has a pixel separation portion between adjacent pixels. 前記有効画素が配された前記第1領域と、前記ダミー画素が配された前記第2領域との間を分離する前記画素分離部を有することを特徴とする請求項に記載の光電変換装置。 6. The photoelectric conversion device according to claim 5 , further comprising a pixel separating portion that separates the first region in which the effective pixels are arranged from the second region in which the dummy pixels are arranged. 前記有効画素が配された前記第3領域と、前記ダミー画素が配された前記第2領域との間を分離する前記画素分離部を有することを特徴とする請求項に記載の光電変換装置。 6. The photoelectric conversion device according to claim 5 , further comprising a pixel separating portion that separates the third region in which the effective pixels are arranged from the second region in which the dummy pixels are arranged. 前記オプティカルブラック画素を有する第4領域を有し、
前記第2領域は第4の部分を有し、
前記第4領域と前記第4の部分とが前記第1の方向に交差する第3の方向に並び、
前記第4の部分の前記第3の方向の幅は、前記第1の部分の前記第1の方向の幅よりも広いことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
a fourth region having the optical black pixels;
the second region has a fourth portion;
the fourth region and the fourth portion are aligned in a third direction intersecting the first direction,
2 . The photoelectric conversion device according to claim 1 , wherein the width of the fourth portion in the third direction is greater than the width of the first portion in the first direction.
前記第4の部分の前記第3の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数は、前記第1の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数よりも多いことを特徴とする請求項に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 8, characterized in that the number of dummy pixels arranged along the width of the fourth portion in the third direction is greater than the number of dummy pixels arranged along the width of the first portion in the first direction. 前記第2の部分の前記第1の方向の幅は、前記第3の部分の前記第2の方向の幅の十倍よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 2, characterized in that the width of the second portion in the first direction is more than ten times the width of the third portion in the second direction. 前記第2の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数が、前記第1の部分の前記第1の方向の幅に沿って配されたダミー画素の数の十倍よりも多いことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1, characterized in that the number of dummy pixels arranged along the width of the second portion in the first direction is more than ten times the number of dummy pixels arranged along the width of the first portion in the first direction. 前記アノードおよび前記カソードのうちの一方のノードと駆動電圧が印加される電源とに接続され、
前記一方のノードと前記電源との間の抵抗値を切り替えるスイッチ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。
a node of one of the anode and the cathode and a power supply to which a driving voltage is applied;
2. The photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising a switch for switching a resistance value between the one node and the power supply.
前記スイッチはトランジスタであることを特徴とする請求項12に記載の光電変換装置。13. The photoelectric conversion device according to claim 12, wherein the switch is a transistor. アノードとカソードとを含むアバランシェフォトダイオードをそれぞれが有する複数の画素を含む画素領域を有し、
前記複数の画素は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力する有効画素と、前記光子検出信号を出力しないダミー画素と、遮光部を有するオプティカルブラック画素を含み、
前記アノードおよび前記カソードのうちの一方のノードと駆動電圧が印加される電源とに接続され、前記一方のノードと前記電源との間の抵抗値を切り替えるスイッチを有し、
前記画素領域は、前記有効画素を有する第1領域と、前記ダミー画素を有する第2領域と、前記オプティカルブラック画素を有する第3領域とを有し、
前記第2領域は、前記画素領域の端部に接する第1の部分と、第2の部分とを有し、
前記第1の部分と、前記第1領域と、前記第2の部分と、前記第3領域とが第1の方向にこの順で並んで配されており、
前記第1の方向において、前記第2の部分の幅は、前記第1の部分の幅よりも広く、
前記ダミー画素のそれぞれは1つの前記スイッチに対して複数のアバランシェフォトダイオードを有することを特徴とする光電変換装置。
a pixel region including a plurality of pixels each having an avalanche photodiode including an anode and a cathode;
the plurality of pixels include effective pixels that output a photon detection signal in response to detection of a photon, dummy pixels that do not output the photon detection signal, and optical black pixels that have a light-shielding portion;
a switch connected to one of the nodes of the anode and the cathode and a power supply to which a drive voltage is applied, for switching a resistance value between the one node and the power supply;
the pixel region includes a first region having the effective pixels, a second region having the dummy pixels, and a third region having the optical black pixels;
the second region has a first portion in contact with an end of the pixel region and a second portion;
the first portion, the first region, the second portion, and the third region are arranged in this order in a first direction,
In the first direction, a width of the second portion is greater than a width of the first portion;
A photoelectric conversion device, wherein each of the dummy pixels has a plurality of avalanche photodiodes for one of the switches.
前記ダミー画素のうち、第1のダミー画素が有するアバランシェフォトダイオードの数は、第2のダミー画素が有するアバランシェフォトダイオードの数よりも多いことを特徴とする請求項14に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 14, characterized in that the number of avalanche photodiodes in the first dummy pixel is greater than the number of avalanche photodiodes in the second dummy pixel. 前記第1領域と前記第2領域との境界から前記第1のダミー画素までの距離は、前記境界から前記第2のダミー画素までの距離よりも長いことを特徴とする請求項15に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 15, characterized in that the distance from the boundary between the first region and the second region to the first dummy pixel is longer than the distance from the boundary to the second dummy pixel. 前記スイッチはトランジスタであることを特徴とする請求項14に記載の光電変換装置。 15. The photoelectric conversion device according to claim 14, wherein the switch is a transistor. 前記有効画素の前記アバランシェフォトダイオードは、第1の周期でリチャージ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。 The photoelectric conversion device according to claim 1, characterized in that the avalanche photodiode of the effective pixel is recharged in a first period. アノードとカソードとを含むアバランシェフォトダイオードをそれぞれが有する複数の画素を含む画素領域を有し、
前記複数の画素は、光子の検出に応じた光子検出信号を出力する有効画素と、前記光子検出信号を出力しないダミー画素と、遮光部を有するオプティカルブラック画素を含み、
前記画素領域は、前記有効画素を有する第1領域と、前記ダミー画素を有する第2領域と、前記オプティカルブラック画素を有する第3領域とを有し、
前記第2領域は、前記画素領域の端部に接する第1の部分と、第2の部分とを有し、
前記第1の部分と、前記第1領域と、前記第2の部分と、前記第3領域とが第1の方向にこの順で並んで配されており、
前記第1の方向において、前記第2の部分の幅は、前記第1の部分の幅よりも広く、
前記有効画素の前記アバランシェフォトダイオードは、第1の周期でリチャージされ、
前記ダミー画素の前記アバランシェフォトダイオードは、前記第1の周期と異なる第2の周期でリチャージされることを特徴とする光電変換装置。
a pixel region including a plurality of pixels each having an avalanche photodiode including an anode and a cathode;
the plurality of pixels include effective pixels that output a photon detection signal in response to detection of a photon, dummy pixels that do not output the photon detection signal, and optical black pixels that have a light-shielding portion;
the pixel region includes a first region having the effective pixels, a second region having the dummy pixels, and a third region having the optical black pixels;
the second region has a first portion in contact with an end of the pixel region and a second portion;
the first portion, the first region, the second portion, and the third region are arranged in this order in a first direction,
In the first direction, a width of the second portion is greater than a width of the first portion;
The avalanche photodiode of the effective pixel is recharged in a first period;
The avalanche photodiode of the dummy pixel is recharged at a second period different from the first period.
前記第2の周期は前記第1の周期よりも長いことを特徴とする請求項19に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 19, characterized in that the second period is longer than the first period. 請求項1に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と、を有することを特徴とするシステム。
The photoelectric conversion device according to claim 1 ;
and a signal processing unit that processes a signal output from the photoelectric conversion device.
移動体であって、
請求項1に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する情報取得手段と、前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。
A mobile object,
The photoelectric conversion device according to claim 1 ;
A moving body comprising: an information acquisition means for acquiring distance information to an object from a parallax image based on a signal from the photoelectric conversion device; and a control means for controlling the moving body based on the distance information.
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