JP2022100946A - 出力回路、光電変換装置、光電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 バイアス電流を切り替えた際、出力信号の振幅制限電圧が変化して、所望の電圧に制限することができない。
【解決手段】 入力信号と他の信号とを比較し、前記比較の結果を示す信号を出力する比較器と、前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子を有する出力回路であって、前記制限素子は、前記出力回路に流れる電流が変化する場合、前記電流の変化による前記振幅の変化の範囲を調整できることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、出力回路と、この出力回路を備えた、光電変換装置と光電変換システムに関する。

特許文献１の撮像装置は、比較器の出力信号の振幅を制限する振幅制限素子を備えた出力回路を有する。

特開２０１７－７３７４６号公報

特許文献１の撮像装置では、出力回路のバイアス電流の大きさを切り替えた際に出力信号の振幅が変化する場合があり、振幅制限素子が所望の電圧に出力信号の振幅を制限することができないという課題があった。

本発明の一つの側面は、入力信号と他の信号とを比較し、前記比較の結果を示す信号を出力する比較器と、前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子と、を有する出力回路であって、前記制限素子は、前記出力回路に流れる電流が変化する場合、前記電流の変化による前記振幅の変化の範囲を調整できる。

本発明の別の側面は、入力信号と他の信号とを比較し、前記比較の結果を示す信号を出力する比較器と、前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子を有する出力回路であって、前記出力回路に電流を供給する電流源を備え、前記制限素子は、第一の振幅制限素子と、前記第一の振幅制限素子に直列に接続された第二の振幅制限素子と、前記第二の振幅制限素子に並列に接続されたスイッチとを有し、前記電流源と、前記スイッチとは制御部によって制御される。

本発明の更に別の側面は入力信号と他の信号とを比較し、前記比較の結果を示す信号を出力する比較器と、前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子を有する出力回路であって、前記出力回路に電流を供給する電流源を備え、前記制限素子は、第一の振幅制限素子と、前記第一の振幅制限素子に並列に接続された第二の振幅制限素子と、前記第二の振幅制限素子に直列に接続されたスイッチとを有し、前記電流源と、前記スイッチとは制御部によって制御される。

本発明によれば、出力回路のバイアス電流が変化しても、所望の電圧に出力信号の振幅を制限できる。

第一の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。 第一の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。 第一の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置のタイミングチャートである。 第二の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。 第三の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。 第四の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。 第五の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。 第六の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。 第七の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。 第八の実施形態に係る光電変換システムの構成を示す図である。 第九の実施形態に係る移動体の構成、動作を示す図である。

以下、図面を参照しながら各実施形態を説明する。

以下に述べる各実施形態では、本発明を適用可能な装置の一例として、光電変換装置の一例である撮像装置を中心に説明する。ただし、各実施形態は、光電変換装置に限られるものではなく、他の装置にも適用可能である。また、光電変換装置への適用についても撮像装置に限られるものではない。例えば、測距装置（焦点検出やＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を用いた距離測定等の装置）、測光装置（入射光量の測定等の装置）などに適用可能である。

（第一の実施形態）
図１は本実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の概略図である。

図１の光電変換装置は、アレイ状に配された画素１００を有する画素アレイ１１０と、垂直出力線１２０、電流源１３０、ＲＡＭＰ信号発生回路１４０、比較器１５０、パルス生成回路１６０を有する出力回路とを含む。

画素アレイ１１０には、複数行及び複数列に渡ってアレイ状に配された複数の画素１００が設けられている。画素１００は、光電変換によって入射光を電荷に変換し、電荷を更に信号に変換することで、入射光に基づく信号を出力する。画素アレイ１１０の各列には、列方向（図１において縦方向）に延在して、垂直出力線１２０が配されている。垂直出力線１２０は、列方向に並ぶ画素１００にそれぞれ接続され、これら画素１００に共通の信号線をなしている。図１においては１本の垂直出力線が描かれているが、出力される信号のｂｉｔ数に応じ複数本の垂直出力線が接続されていてもよい。

画素アレイ１１０を構成する画素１００の数は、特に限定されるものではない。例えば、一般的なデジタルカメラのように数千行×数千列の画素１００で画素アレイ１１０を構成してもよく、１行又は１列に並べた複数の画素１００で画素アレイ１１０を構成してもよい。或いは、１つの画素１００で画素アレイ１１０を構成してもよい。

電流源１３０は画素１００のソースフォロワトランジスタに電流を供給し、当該ソースフォロワトランジスタとともにソースフォロワ回路を構成する。ソースフォロワ回路を出力部として、画素１００から読み出された信号は垂直出力線１２０に出力される。

各列の垂直出力線１２０の一端は、比較器１５０に接続されている。画素１００から読み出された画素信号は、垂直出力線１２０を介して比較器１５０に入力される。

ＲＡＭＰ信号発生回路１４０、比較器１５０、パルス生成回路１６０は、画素１００から出力された信号に対してアナログデジタル変換（以降ＡＤ変換）を行うアナログデジタル変換部の一例である。比較器１５０の２つの入力には、垂直出力線１２０の出力とＲＡＭＰ信号発生回路１４０の出力とがそれぞれ接続される。ＲＡＭＰ信号発生回路１４０は、ランプ信号などのＡＤ変換に用いられる参照信号を出力する参照信号源の一例である。比較回路１５０は入力信号である垂直出力線１２０の電位と、参照信号であるＲＡＭＰ信号発生回路１４０の出力電位とを比較する比較器であり、電位の大小関係が反転すると、比較器１５０の出力電位はＨｉｇｈからＬｏｗ、又はＬｏｗからＨｉｇｈに反転する。比較器１５０の出力電位の反転に応じたパルス生成回路１６０の出力のカウント値をデジタルデータとする。なお、比較器１５０に入力される信号はこれに限られず、比較器１５０は入力信号と該入力信号以外の信号とを比較するものであればよい。

図２は、本実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置のＡＤ変換動作例を示すタイミングチャートである。図２を用いて光電変換装置のＡＤ変換動作について説明する。以下の説明では、入射する光の輝度が高くなると、読み出し回路２の処理により画素信号のレベルは低くなるものとする。

時刻ｔ１でＲＡＭＰ信号発生回路１４０は時間の経過とともに電位が降下するランプ信号を出力する。ここで、ランプ信号は時間経過に応じて連続的に電位が変化するような信号でもよいし、ノコギリ状に電位が変化する信号でも構わない。前者の場合、電位の立ち上がりで電位変化が鈍る場合も許容される。同時に、垂直出力線１２０は画素信号のリセットレベルにあたる電圧を出力する。

時刻ｔ２において、垂直出力線１２０の出力電圧とＲＡＭＰ信号発生回路１４０の出力電圧の大小関係が反転することで、比較器１５０の出力ＶＯＵＴがＬｏｗからＨｉｇｈへの反転を開始する。この反転時、ＶＯＵＴはスルーレートに応じた傾きにより遅延量を持つ。

時刻ｔ３で、比較器１５０の出力ＶＯＵＴがある閾値より低くなると、パルス生成回路１６０がパルス信号を生成・出力する。この動作により、画素信号のリセットレベルをＡＤ変換する。

時刻ｔ４で、ＲＡＭＰ信号発生回路１４０がリセットされ、ＲＡＭＰ信号発生回路１４０の出力は基準電位に戻る。ここで基準電位とはランプ信号が電位の上昇を開始する時点の電位を指すものとする。比較器１５０の出力ＶＯＵＴもリセットされる。

時刻ｔ５において、垂直出力線１２０の出力ＶＯＵＴが光信号レベルとなる。

時刻ｔ６でＲＡＭＰ信号発生回路１４０がランプ信号の出力を開始する。

時刻ｔ７において、比較器１５０に入力される垂直出力線１２０の出力電圧とＲＡＭＰ信号発生回路１４０の出力電圧とが等しくなり、比較器１５０の出力ＶＯＵＴの反転が開始する。

時刻ｔ８で、ＶＯＵＴのスルーレートに応じた傾きによる遅延量を持って、パルス生成回路１６０からパルスが出力される。この動作により、画素信号の光信号レベルをＡＤ変換する。光信号レベルとリセットレベルのデジタル値（デジタルデータ）の差分をとることにより、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）を行い、画像形成に用いるデジタルデータを得る。

このようなＡＤ変換動作において、時刻ｔ３及び時刻ｔ８において生成されるパルスの遅延量が大きくなる場合、その遅延分だけＡＤ変換時間が増加し、ひいては光電変換装置の読み出し時間が増加する。

また、複数の比較器１５０が一括反転する時に、ＧＮＤ電圧及び電源電圧が変動し、電圧変動がノイズとして伝搬することで画質の劣化が生じる。

つまり、比較器１５０の出力の遅延及び比較器１５０の反転動作に伴う電圧変動が、光電変換装置の読み出し速度と画質に影響する。そして、比較器１５０の出力の遅延量は、比較器１５０の出力ＶＯＵＴのスルーレートと出力ＶＯＵＴのＨｉレベルＶｏｕｔｈｉによって決まる。

図３は、本実施形態に係る出力回路に含まれる比較器１５０の一例を示す概略図である。

図３の比較器１５０は、入力トランジスタ１７０、１８０、電流源１９０、カレントミラートランジスタ２００、２１０、入力トランジスタ２２０、振幅制限素子２３０、可変電圧源２４０、電流源２５０を含む。

入力トランジスタ１７０、１８０、電流源１９０、カレントミラートランジスタ２００、２１０は差動段を構成する。入力トランジスタ２２０、振幅制限素子２３０、電流源２５０は増幅段を構成する。可変電圧源２４０の出力は複数列の比較器１５０に共通して入力される。

図３に示す比較器１５０は、振幅制限素子２３０により、増幅段の出力のＨｉレベルＶｏｕｔｈｉを小さくすることができ、反転遅延量及び反転時の他の列回路へのキックバックを抑制できる。

増幅段の出力電圧のＨＩレベルＶｏｕｔｈｉは、（１）式に示す通り可変電圧源２４０のバイアス電圧Ｖｂｉａｓと振幅制限素子２３０のゲートソース間電圧Ｖｇｓによって決まる。
Ｖｏｕｔｈｉ＝Ｖｂｉａｓ－Ｖｇｓ・・・（１）

振幅制限素子２３０のゲートソース間電圧Ｖｇｓは、（２）式に示す通り振幅制限素子２３０の素子サイズと流れる電流Ｉｄと閾値電圧Ｖｔｈによって決まる。

ここでμはキャリア移動度、Ｃｏｘはトランジスタの単位面積当たりの酸化膜容量、Ｗはトランジスタのチャネル幅、Ｌはトランジスタのチャネル長である。

（１）式、（２）式より、増幅段出力電圧のＨｉレベルＶｏｕｔｈｉは（３）式となる。

消費電力の低減を目的として、撮像モードに応じて電流源２５０から供給される電流量を変更することがある。例えばノイズ低減を優先した静止画モードと、消費電力の低減を優先し静止画モードより電流量を小さくした動画モードの２つの撮像モードを持つ場合を例に挙げる。撮像モードに応じて電流量が変わることで、（２）式に従って振幅制限素子２３０のＶｇｓが変化し、増幅段の出力電圧のＨｉレベルＶｏｕｔｈｉが変化する（（３）式））。

例えば撮像モードを静止画モードから動画モードに切り替え、電流源２５０の電流量を小さくする場合、Ｖｇｓが小さくなることでＶｏｕｔｈｉが大きくなるため、この変化量に応じて増幅段の出力電圧の反転遅延が大きくなる。

つまり消費電力低減のため電流量を小さくする撮像モードでは、読み出し時間の増加が懸念される。

本実施形態では、この課題を解決するため、Ｖｂｉａｓを可変電圧源２４０から取得する。

Ｖｂｉａｓを可変にし、Ｖｏｕｔｈｉを一定の値に保てるよう電流の異なる撮像モードごとにＶｂｉａｓを最適化することで、比較器１５０の電流量が少ない撮像モードでも、読み出し時間の短縮を図ることが可能となっている。

例えば電流源２５０の電流量を小さくする場合、（２）式に従ってＶｇｓが小さくなる。Ｖｇｓが小さくなった分、可変電圧源２４０の出力であるＶｂｉａｓを小さくすることで、Ｖｏｕｔｈｉを一定に保つことができる（（３）式））。電流源２５０と、可変電圧源２４０とは、不図示の制御部から供給される制御信号（バイアス電圧）によってその出力を制御される。

以上、本実施形態によれば、電流の変化による出力信号の振幅の変化が小さくなるように制限素子を調整して振幅の変化を補正するので、電流源２５０の電流量を変化させても振幅制限電圧（出力信号の振幅）Ｖｏｕｔｈｉを一定に保つことができる。したがって、撮像モード切り替え時（電流量低下時）の読み出し時間について、切り替え前の撮像モードにおける読み出し時間からの増加量を、ゼロにすること（読み出し時間同一）や小さくすることができる。

（第二の実施形態）
第二の実施形態について図４を用いて説明する。

図４は、第二の実施形態に係る出力回路に含まれる比較器の模式図である。図４における各要素のうち図３における要素と同一の要素には図３と同一符号を付してあるため説明を省略し、主として図３が示す第一の実施形態と異なる部分を説明する。

第二の実施形態に係る光電変換装置の比較器は、振幅制限素子２３０と可変電圧源２４０の代わりに、ダイオード接続された振幅制限素子２６０、２７０と、振幅制限素子２７０に並列して接続されるスイッチ２８０を有する。振幅制限素子２６０と２７０とは直列に接続される。電流源２５０と、スイッチ２８０とは、不図示の制御部から供給される制御信号によって制御される。

直列に接続された振幅制限素子２６０および２７０と、スイッチ２８０とが、本実施形態のチャネル長可変の振幅制限素子（振幅制限器とも言う）の構成要素である。

スイッチ２８０をオンすることにより、振幅制限素子２７０が無効となり、振幅制限素子２６０の一段分の振幅制限が有効となる。スイッチ２８０をオフすることにより、振幅制限素子２７０が有効となり、振幅制限素子２６０と振幅制限素子２７０の二段分の振幅制限が有効となる。つまり、スイッチ２８０のオンオフの切り替えによって直列に接続される振幅制限素子の数が異なる状態に設定できる。ここで、「接続される振幅制限素子の数」には振幅制限素子が１個の場合も含む。このとき、振幅制限素子の実質的なチャネル長は、振幅制限素子２９０と振幅制限素子３００のチャネル長の足し合わせとなる。

例えば、撮像モードを電流量の大きい静止画モードから電流量の小さい動画モードに変更するとき、スイッチ２８０をオンにする。このように、撮像モードの変更に伴う電流源２５０の電流量の切り替えに応じて振幅制限素子の直列する段数を切り替え、電流の変化による出力信号の振幅の変化が小さくなるように制限素子を調整し、振幅の変化を補正する。これにより、増幅段の出力電圧のＨｉレベル（出力信号の振幅）Ｖｏｕｔｈｉを一定にすることができ、撮影モード切り替え時（電流量低下時）の読み出し時間を改善できる。すなわち、撮像モード切り替え時（電流量低下時）の読み出し時間について、切り替え前の撮影モードにおける読み出し時間からの増加量を、ゼロにすること（読み出し時間同一）や小さくすることができる。

本実施形態では、１つの可変電圧源から複数列の比較器に共通電圧を供給する構成を有しておらずこの構成において生じる共通配線に伝搬するノイズによる画質の劣化も無い。

（第三の実施形態）
第三の実施形態について図５を用いて説明する。

図５は、第三の実施形態に係る出力回路に含まれる比較器の模式図である。図５における各要素のうち図３における要素と同一の要素には図３と同一符号を付してあるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分を説明する。

第三の実施形態では、図５に示すように、振幅制限素子２３０と可変電圧源２４０の代わりに、ダイオード接続された振幅制限素子２９０、３００を有する。スイッチ３１０は、振幅制限素子３００に直列に接続され、振幅制限素子２９０、３００は並列して接続される。

並列接続された振幅制限素子２９０、３００およびスイッチ３１０が、本実施形態のチャネル幅可変の振幅制限素子（振幅制限器とも言う）の構成要素である。電流源２５０と、スイッチ３１０とは、不図示の制御部から供給される制御信号によって制御される。

図５において、スイッチ３１０をオンすることで振幅制限素子３００が有効となり、振幅制限素子の実質的なチャネル幅が、振幅制限素子２９０と振幅制限素子３００のチャネル幅の足し合わせとなる。スイッチ３１０をオフすることにより、振幅制限素子３００が無効となり、振幅制限素子２９０のみによる振幅制限が有効となる。つまり、スイッチ３１０のオンオフの切り替えによって並列に接続される振幅制限素子の数が異なる状態に設定できる。

例えば撮像モードを電流量の大きい静止画モードから電流量の小さい動画モードに変更するとき、スイッチ３１０をオンにする。このように、撮像モードの変更に伴う電流源２５０の電流量の切り替えに応じて振幅制限素子のチャネル幅を切り替えることにより、電流の変化による出力信号の振幅の変化が小さくなるように制限素子を調整して振幅の変化を補正する。これにより、増幅段の出力信号の振幅を一定にすることができ、撮像モード切り替え時（電流量低下時）の読み出し時間について、切り替え前の撮影モードにおける読み出し時間からの増加量を、ゼロにすること（読み出し時間同一）や小さくすることができる。

本実施形態も、１つの可変電圧源から複数列の比較器に共通電圧を供給する構成を有しておらず、この構成において生じる共通配線に伝搬するノイズによる画質の劣化も無い。

（第四の実施形態）
第四の実施形態について図６を用いて説明する。

図６は、第四の実施形態に係る出力回路に含まれる比較器の模式図である。図６における各要素のうち図４及び図５における要素と同一の要素には図４及び図５と同一符号を付してあるため説明を省略し、主として第一の実施形態と異なる部分を説明する。

第四の実施形態では、図６に示すように、振幅制限素子２３０と可変電圧源２４０の代わりに、振幅制限素子２６０、２７０、３００、振幅制限素子２７０に並列して接続されるスイッチ２８０、振幅制限素子３００に直列に接続されるスイッチ３１０を有する。振幅制限素子２６０と２７０とは直列に接続され、振幅制限素子２６０と３００とは並列に接続される。

直列接続された振幅制限素子２６０、２７０、並列接続された振幅制限素子２６０、３００およびスイッチ２８０、３１０が、本実施形態のチャネル幅可変の振幅制限素子（振幅制限器とも言う）の構成要素である。電流源２５０と、スイッチ２８０、３１０とは、不図示の制御部から供給される制御信号によって制御される。

つまり、本実施形態はいわば上述の第二の実施形態と第三の実施形態を複合的に実施する実施形態である。

図６において、スイッチ２８０をオンし、スイッチ３１０をオフすることにより、振幅制限素子２７０、３００が無効となり、振幅制限素子２６０の一段分の振幅制限が有効となる。

スイッチ２８０をオンしたまま、スイッチ３１０をオンすることにより、振幅制限素子３００が有効となり、振幅制限素子のチャネル幅が、振幅制限素子２６０と振幅制限素子３００のチャネル幅の足し合わせとなる。

更にスイッチ２８０をオフすることで振幅制限素子２７０が有効となり、振幅制限素子２６０と振幅制限素子３００のチャネル幅を足し合わせたチャネル幅を有する上段の振幅制限素子と、振幅制限素子２７０との二段分の振幅制限が有効となる。

スイッチ２８０、スイッチ３１０の双方をオフすれば振幅制限素子２６０と振幅制限素子２７０の二段分の振幅制限が有効となる。

このように、撮像モードの変更に伴う電流源２５０の電流量の切り替えに応じて振幅制限素子の直列接続される数及び並列接続される数を切り替えることで、電流の変化による出力信号の振幅の変化が小さくなるように制限素子を調整して振幅の変化を補正する。例えば、撮像モードが電流量の大きい静止画モードのときはスイッチ３１０をオンに、スイッチ２８０をオフにして、電流量の小さい動画モードのときは、スイッチ３１０、スイッチ２８０を共にオフにする。これにより、増幅段の出力電圧のＨｉレベル（出力信号の振幅）Ｖｏｕｔｈｉを一定にすることができる。撮像モード切り替え時（電流量低下時）の読み出し時間について、切り替え前の撮影モードにおける読み出し時間からの増加量を、ゼロにすること（読み出し時間同一）や小さくすることができる。

さらに、このように三つの振幅制限素子を組み合わせて増幅段を構成することで、第二の実施形態及び第三の実施形態と比べ対応可能な撮像モードの数を増やすことができる。なお、組み合わせる振幅制限素子の数はこれに限られず、四つ以上とすることができ、切り替えて使用する撮像モードの数に応じて振幅制限素子の数やスイッチの数は変更可能である。

本実施形態も、第二の実施形態及び第三の実施形態と同様に１つの可変電圧源から複数列の比較器に共通電圧を供給する構成を有しておらず、この構成において生じる共通配線に伝搬するノイズによる画質の劣化も無い。

（第五の実施形態）
第五の実施形態について図７を用いて説明する。

図７は、第五の実施形態に係る出力回路に含まれる比較器の模式図である。図７における各要素のうち図３における要素と同一の要素には図３と同一符号を付してあるため説明を省略し、主として図３が示す第一の実施形態と異なる部分を説明する。

第一の実施形態等で示した比較器の増幅段の出力のみならず、比較器の差動段の出力においても、本発明を用いることにより、バイアス電流が変化しても所望の電圧に出力信号の振幅を制限できる。

そこで以下に、第五の実施形態として、カレントミラー回路２１０に並列して接続される振幅制限素子３２０を有する差動段に本発明を適用した場合について説明する。 図７に示す比較器は、振幅制限素子３２０と、可変電圧源３３０とを有する。振幅制限素子３２０はカレントミラー回路２１０に並列に接続される。この比較器において、可変電圧源３３０は、各列の比較器１５０に共通して用いられ、不図示の制御部から供給される制御信号による制御を受けて比較器に電圧を入力する。

差動段の出力信号（電圧）のＬｏｗレベルは、電流量と、素子サイズから決まる振幅制限素子３２０に流れる電流Ｉｄと、閾値電圧Ｖｔｈとから決まる。差動段の電流量を大きくすると、Ｌｏｗレベルが小さくなり、差動段出力の反転遅延が大きくなって、光電変換装置の読み出し時間が増加する。また、出力信号の振幅が大きくなることで、キックバックも強まり、画質が劣化する。

本実施形態では、撮像モードの変更に伴う電流源１９０の電流量の切り替えに応じて可変電圧源３３０から供給されるバイアス電圧を調整する。例えば、撮像モードを電流量の大きい静止画モードから電流量の小さい動画モードに変更するとき、可変電圧源３３０の出力を大きくすることで差動段の出力信号のＬｏｗレベルを大きくする。これにより、電流の変化による出力信号の振幅の変化が小さくなるように制限素子を調整し、振幅の変化を補正するので、出力信号の振幅を一定にできる。したがって、撮像モード切り替え時の読み出し時間について、切り替え前の撮影モードにおける読み出し時間からの増加量を、ゼロにすること（読み出し時間同一）や小さくすることができる。

（第六の実施形態）
第六の実施形態について図８を用いて説明する。

図８は、第六の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の模式図である。図８における各要素のうち図７における要素と同一の要素には図７と同一符号を付してあるため説明を省略し、主として図７が示す第五の実施形態と異なる部分を説明する。

第六の実施形態に係る比較器の差動段は、カレントミラー回路に並列して接続される振幅制限素子３４０と振幅制限素子３５０を含み、振幅制限素子３５０に直列に接続されたスイッチ３６０を有する。電流源１９０と、スイッチ３６０とは、不図示の制御部から供給される制御信号によって制御される。

スイッチ３６０をオンすることにより、振幅制限素子３５０が有効となり、振幅制限素子のチャネル幅が振幅制限素子３４０と振幅制限素子３５０のチャネル幅の足し合わせとなる。スイッチ３６０をオフすることで振幅制限素子３５０が無効となり、振幅制限素子３４０のみによる振幅制限が有効となる。このように、スイッチ３６０の切り替えにより、振幅制限素子のチャネル幅を切り替えることができる。

例えば、撮像モードを電流量の大きい静止画モードから電流量の小さい動画モードに変更するとき、スイッチ２６０をオンにする。このように、撮像モードの変更に伴う電流源１９０の電流量の切り替えに応じて振幅制限素子のチャネル幅を切り替えることで、電流の変化による出力信号の振幅の変化が小さくなるように制限素子を調整する。これによって振幅の変化を補正し、差動段の出力信号の振幅を一定にすることができる。

これにより、撮像モード切り替え時の読み出し時間について、切り替え前の撮影モードにおける読み出し時間からの増加量をゼロにすること（読み出し時間同一）や小さくすることができる。

（第七の実施形態）
第七の実施形態について図９を用いて説明する。

図９は、第七の実施形態に係る出力回路を備えた光電変換装置の模式図である。図９における各要素のうち図３の要素と同一の要素には図３と同一符号を付してあるため説明を省略し、主として図３に示す第一の実施形態と異なる部分を説明する。

第七の実施形態は、振幅制限素子３７０と、可変電圧源３８０を有する比較器とを備える出力回路である。

可変電圧源３８０の出力は、比較器１５０の電源電圧として、振幅制限素子３７０を含む増幅段と、差動段とに共通に接続される。電流源２５０と、可変電圧源３８０とは、不図示の制御部から供給される制御信号によって制御される。

撮像モードを切り替え、増幅段の電流源２５０から供給される電流量を小さくすると、振幅制限素子３７０の電流Ｉｄが減少し、増幅段の出力電圧のＨｉレベルＶｏｕｔｈｉが大きくなる。

本実施形態では、撮像モードの変更に伴う電流源２５０の電流量の切り替えに応じて可変電圧源３８０から出力される電圧を小さくすることにより、電流の変化による出力信号の振幅の変化が小さくなるように制限素子を調整して振幅の変化を補正する。例えば、撮像モードを電流量の大きい静止画モードから電流量の小さい動画モードに変更するとき、可変電圧源３８０から出力される電圧を小さくすることで差動段の出力電圧の振幅（出力信号の振幅）を一定にする。これにより、撮像モード切り替え時の読み出し時間について、切り替え前の撮影モードにおける読み出し時間からの増加量を、ゼロにすること（読み出し時間同一）や小さくすることができる。

（第八の実施形態）
本実施形態による光電変換システムについて、図１０を用いて説明する。図１０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。

上記第一～第七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１０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。

図１０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を含む。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。

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。

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。

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、各種タイミング信号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。

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。

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。

（第九の実施形態）
本実施形態の光電変換システム及び移動体について、図１１を用いて説明する。図１１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。

図１１（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３００は、撮像装置３１０を有する。撮像装置３１０は、上記のいずれかの実施形態に記載の光電変換装置（撮像装置）である。光電変換システム３００は、撮像装置３１０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３１２と、光電変換システム３００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３１４を有する。また、光電変換システム３００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３１６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３１８と、を有する。ここで、視差取得部３１４や距離取得部３１６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３１８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。

光電変換システム３００は車両情報取得装置３２０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３００は、衝突判定部３１８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ＥＣＵ３３０が接続されている。また、光電変換システム３００は、衝突判定部３１８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３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ３３０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３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

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３００で撮像する。図１１（ｂ）に、車両前方（撮像範囲３５０）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３２０が、光電変換システム３００ないしは撮像装置３１０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。

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、自動車等の移動体（移動装置）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。

［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。

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。

また、上記第八の実施形態、第九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１０及び図１１に示した構成に限定されるものではない。

さらに、本発明の各実施形態における回路は、一枚の半導体基板に形成しても、２つ以上の半導体基板に配置して、それらの基板を貼り合わせた積層構造にしてもよい。例えば回路を分割するか、回路や機能を追加するなどして３枚以上の基板を有する積層構造にしてもよい。

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。

１００ 画素
１５０ 比較器
２３０ 振幅制限素子
２４０ 可変電圧源

Claims (19)

1. 入力信号と他の信号とを比較し、前記比較の結果を示す信号を出力する比較器と、
   前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子と、を有する出力回路であって、
   前記制限素子は、前記出力回路に流れる電流が変化する場合、前記電流の変化による前記振幅の変化の範囲を調整できることを特徴とする出力回路。
2. 前記制限素子は、複数の振幅制限素子を有し、前記調整は、
   前記振幅制限素子を直列に接続した第１の状態を設定する調整と、前記第１の状態とは直列に接続された前記振幅制限素子の数が異なる第２の状態とを設定する調整とを含むことを特徴とする請求項１に記載の出力回路。
3. 前記制限素子は、複数の振幅制限素子を有し、前記調整は、
   前記振幅制限素子を並列に接続した第１の状態を設定する調整と、前記第１の状態とは並列に接続された前記振幅制限素子の数が異なる第２の状態とを設定する調整とを含むことを特徴とする請求項１に記載の出力回路。
4. 前記調整は、前記電流の変化による前記振幅の変化を補正する調整であることを特徴する請求項１に記載の出力回路。
5. 入力信号と他の信号とを比較し、前記比較を示す信号を出力する比較器と、
   前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子を有する出力回路であって、
   前記出力回路に電流を供給する電流源を備え、
   前記制限素子は、第一の振幅制限素子と、前記第一の振幅制限素子に直列に接続された第二の振幅制限素子と、前記第二の振幅制限素子に並列に接続されたスイッチとを有し、
   前記電流源と、前記スイッチとは制御部によって制御されることを特徴とする出力回路。
6. 入力信号と他の信号とを比較し、前記比較を示す信号を出力する比較器と、
   前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子を有する出力回路であって、
   前記出力回路に電流を供給する電流源を備え、
   前記制限素子は、第一の振幅制限素子と、前記第一の振幅制限素子に並列に接続された第二の振幅制限素子と、前記第二の振幅制限素子に直列に接続されたスイッチとを有し、
   前記電流源と、前記スイッチとは制御部によって制御されることを特徴とする出力回路。
7. 前記調整は、前記制限素子に供給するバイアス電圧を変更する調整を含むことを特徴とする請求項１に記載の出力回路。
8. 前記出力回路に流れる電流を小さくする場合、
   前記バイアス電圧を小さくすることを特徴とする請求項７に記載の出力回路。
9. 前記出力回路に流れる電流を大きくする場合、
   前記バイアス電圧を大きくすることを特徴とする請求項８に記載の出力回路。
10. 前記調整は前記比較器に供給される電源電圧を変更可能であることを特徴とする請求項１又は請求項６に記載の出力回路。
11. 前記制限素子はチャネル幅が可変であることを特徴とする請求項１に記載の出力回路。
12. 前記比較器は、差動段と、前記差動段の出力を受ける増幅段とを含み、
    前記制限素子は、前記比較の結果を示す信号としての前記差動段の出力の振幅を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の出力回路。
13. 前記比較器は、差動段と、前記差動段の出力を受ける増幅段とを含み、
    前記制限素子は、前記比較の結果を示す信号としての前記増幅段の出力の振幅を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の出力回路。
14. 複数の画素と、請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の出力回路とを有し、
    前記複数の画素は入射する光に応じた電荷を生成し、
    前記電荷に基づく信号を前記入力信号とすることを特徴とする光電変換装置。
15. 請求項１４に記載の光電変換装置と、
    前記出力回路が出力する信号を用いて画像を生成する信号処理部と、を有することを特徴とする光電変換システム。
16. 請求項１４に記載の光電変換装置を備える移動体であって、
    前記光電変換装置が出力する信号を用いて前記移動体の移動を制御する制御部を有することを特徴とする移動体。
17. 他の半導体基板に積層するための半導体基板であって、
    入力信号と他の信号とを比較し、前記比較の結果を示す信号を出力する比較器と、
    前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子と、を有し、
    前記制限素子は、前記出力回路に流れる電流が変化する場合、前記電流の変化による前記振幅の変化の範囲を変更できるように調整できることを特徴とする半導体基板。
18. 他の半導体基板に積層するための半導体基板であって、
    入力信号と他の信号とを比較し、前記比較の結果を示す信号を出力する比較器と、
    前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子を有する出力回路を有し、
    前記出力回路に電流を供給する電流源を備え、
    前記制限素子は、第一の振幅制限素子と、前記第一の振幅制限素子に直列に接続された第二の振幅制限素子と、前記第二の振幅制限素子に並列に接続されたスイッチとを有し、
    前記電流源と、前記スイッチとは制御部によって制御されることを特徴とする半導体基板。
19. 他の半導体基板に積層するための半導体基板であって、
    入力信号と他の信号とを比較し、前記比較の結果を示す信号を出力する比較器と、
    前記比較の結果を示す信号の振幅を制限する制限素子を有する出力回路を有し、
    前記出力回路に電流を供給する電流源を備え、
    前記制限素子は、第一の振幅制限素子と、前記第一の振幅制限素子に並列に接続された第二の振幅制限素子と、前記第二の振幅制限素子に直列に接続されたスイッチとを有し、
    前記電流源と、前記スイッチとは制御部によって制御されることを特徴とする半導体基板。

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