JP4589030B2

JP4589030B2 - 光検出装置

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Publication number: JP4589030B2
Application number: JP2004140073A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎水野; 保博鈴木
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-10
Also published as: US7501611B2; EP1757912B1; WO2005108938A1; TWI365664B; IL179130A0; TW200607342A; CN1950684A; JP2005321313A; CN100570295C; EP1757912A1; US20080197267A1; EP1757912A4

Description

本発明は、フォトダイオードを含む光検出装置に関するものである。

光検出装置は、１または複数のフォトダイオードと、このフォトダイオードから出力された電荷の量に応じた電圧値を出力する積分回路と、を備えている。この光検出装置では、光入射に応じてフォトダイオードで発生した電荷が積分回路の積分容量部に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が積分回路から出力される。この積分回路から出力された電圧値に基づいて、フォトダイオードに入射した光の強度が得られる。なお、複数のフォトダイオードが１次元または２次元に配列されている場合には、この光検出装置は固体撮像装置として用いられる。

このような光検出装置は、ＣＭＯＳ技術により製造することが可能であって、積分回路において入力電荷量を出力電圧値に変換するための積分容量部の容量値を変更することで、入射光強度検出のダイナミックレンジを大きくすることができる。例えば、非特許文献１に記載された光検出装置では、積分回路は、容量値が可変である積分容量部がアンプの入出力端子間に設けられており、フォトダイオードから出力された電荷を積分容量部に電荷を蓄積して、この蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力する。そして、この文献に記載された光検出装置では、外部からの制御により積分容量部の容量値を適切に設定することで、入射光強度検出のダイナミックレンジの拡大を図っている。

すなわち、積分容量部の容量値を小さくすることで、入射光強度が小さい場合であっても検出感度が大きくなり、一方、積分容量部の容量値を大きくすることで、入射光強度が大きい場合であっても出力信号の飽和が回避される。この光検出装置（固体撮像装置）を用いれば、例えば真夏の昼間のように非常に明るい被写体を撮像する場合にも、出力信号が飽和することなく被写体を撮像することができる。また、例えば夜間のように非常に暗い被写体を撮像する場合にも、感度よく被写体を撮像することができる。

また、積分回路の後段にＣＤＳ（Correlated Double Sampling、相関二重サンプリング）回路が設けられる場合がある。このＣＤＳ回路は、積分回路における電荷蓄積動作の開始および終了それぞれの際に積分回路から出力される電圧値の差に応じた電圧値を出力するものである。ＣＤＳ回路が設けられることにより、積分回路におけるリセットスイッチノイズを除去することができて、Ｓ／Ｎ比が優れた光検出が可能となる。
S. L. Garverick, et al., "A 32-Channel Charge Readout IC for Programmable, Nonlinear Quantization of Multichannel Detector Data", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.30, No.5, pp.533-541 (1995)

しかしながら、本願発明者は、ＣＤＳ回路が設けられた場合であっても、積分回路の積分容量部の容量値によっては、光検出のＳ／Ｎ比が改善されない場合があることを見出した。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光検出のダイナミックレンジを大きくすることができるとともにＳ／Ｎ比を改善することができる光検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光検出装置は、(1) 入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、(2) 容量値が可変である積分容量部を有し、フォトダイオードで発生した電荷を積分容量部に蓄積して、積分容量部に蓄積されている電荷の量に応じた第１電圧値を出力する積分回路と、(3) 積分回路から出力される第１電圧値を入力し、基準時刻における該第１電圧値を基準とする該第１電圧値の変動分に応じた第２電圧値を出力するＣＤＳ回路と、(4) 積分回路から出力される第１電圧値を入力するとともに、ＣＤＳ回路から出力される第２電圧値を入力し、これらのうちの何れか一方の電圧値を選択して出力する選択回路と、(5) フォトダイオードで発生した電荷の量と閾値とを大小比較して、その比較結果に基づいて、積分回路に対して積分容量部の容量値の設定を指示するとともに、選択回路に対して出力電圧値の選択を指示する切替回路と、を備えることを特徴とする。

さらに、切替回路が、(a) フォトダイオードで発生した電荷の量が閾値以上であるときに、積分回路に対して積分容量部を第１容量値に設定するよう指示するとともに、選択回路に対して第１電圧値を選択して出力するよう指示し、(b) フォトダイオードで発生した電荷の量が閾値より小さいときに、積分回路に対して積分容量部を第１容量値より小さい第２容量値に設定するよう指示するとともに、選択回路に対して第２電圧値を選択して出力するよう指示する、ことを特徴とする。

この光検出装置では、フォトダイオードにおいて入射光強度に応じた量の電荷が発生する。その電荷は、積分回路の容量値が可変の積分容量部に蓄積されて、その蓄積電荷量に応じた第１電圧値が積分回路から出力される。積分回路から出力された第１電圧値はＣＤＳ回路に入力し、基準時刻における該第１電圧値を基準とする該第１電圧値の変動分に応じた第２電圧値がＣＤＳ回路から出力される。また、切替回路により、フォトダイオードで発生した電荷の量と閾値とが大小比較されて、その比較結果に基づいて、積分回路の積分容量部の容量値が設定されるとともに、選択回路における出力電圧値が選択される。すなわち、フォトダイオードで発生した電荷の量が閾値以上であるときに、積分回路の積分容量部は第１容量値に設定されるとともに、選択回路により第１電圧値が選択されて出力される。一方、フォトダイオードで発生した電荷の量が閾値より小さいときに、積分回路の積分容量部は第１容量値より小さい第２容量値に設定されるとともに、選択回路により第２電圧値が選択されて出力される。

また、本発明に係る光検出装置は、選択回路から出力される電圧値を入力し、この電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路を更に備えるのが好適である。また、Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値を入力し、積分回路の積分容量部が第１容量値および第２容量値の何れに設定されたかに応じてデジタル値をビットシフトして出力するビットシフト回路を更に備えるのが好適である。

本発明によれば、光検出のＳ／Ｎ比を改善することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

先ず、本願発明者が本発明を想到するに至った経緯について説明する。積分回路の出力電圧値に含まれるノイズ成分Ｖｎは近似的に下記(1)式で表される。ここで、Ｃ_ｄはフォトダイオードの接合容量値であり、Ｃ_ｆは積分回路の積分容量部の容量値であり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、Ｂは積分回路を中心とする読み出し回路系全体の周波数帯域であり、Ｇ_ｍは積分回路を構成する初段トランジスタのコンダクタンスである。

この(1)式の右辺において平方根の中の第１項は、積分回路に含まれるアンプの熱雑音に因るノイズ成分を表し、また、第２項は、リセットスイッチノイズ成分を表す。ＣＤＳ回路は、この(1)式の右辺におけるリセットスイッチノイズ成分を除去するものである。ＣＤＳ回路の出力電圧値に含まれるノイズ成分Ｖｎは近似的に下記(2)式で表される。ここで、Ｖ_αは、ＣＤＳ回路に含まれるアンプに主に起因するノイズ成分である。

これまで、Ｖ_αの値は充分に小さく、ＣＤＳ回路が設けられることによりノイズが低減されてＳ／Ｎ比が改善されると、一般に考えられていた。しかし、実際には、Ｖ_αの値は充分に小さくはなく、積分回路の積分容量部の容量値Ｃ_ｆが大きい場合には、Ｖ_αの値の影響が大きく、上記(1)式の値より上記(2)式の値が大きくなり、ＣＤＳ回路が設けられることにより却ってノイズが大きくなる。本願発明は、以上のような本願発明者の知見に基づいて為されたものである。

次に、本実施形態に係る光検出装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る光検出装置１の全体構成図である。この図に示される光検出装置１は、Ｍ×Ｎ個の画素Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎを含む光検出部１０、Ｍ個のスイッチＳＷ１_１〜ＳＷ１_Ｍ、切替回路２０_１〜２０_Ｍ、積分回路３０_１〜３０_Ｍ、ＣＤＳ回路４０_１〜４０_Ｍ、選択回路５０_１〜５０_Ｍ、保持回路６０_１〜６０_Ｍ、Ａ／Ｄ変換回路７０、ビットシフト回路８０およびＭ個のスイッチＳＷ９_１〜ＳＷ９_Ｍを備える。ここで、Ｍ，Ｎは２以上の整数である。

Ｍ×Ｎ個の画素Ｐ_１,１〜Ｐ_Ｍ,Ｎは共通の構成を有している。Ｍ個の切替回路２０_１〜２０_Ｍは共通の構成を有している。Ｍ個の積分回路３０_１〜３０_Ｍは共通の構成を有している。Ｍ個のＣＤＳ回路４０_１〜４０_Ｍは共通の構成を有している。Ｍ個の選択回路５０_１〜５０_Ｍは共通の構成を有している。また、Ｍ個の保持回路６０_１〜６０_Ｍは共通の構成を有している。

光検出部１０において第ｍ行第ｎ列に画素Ｐ_ｍ,ｎが位置する。スイッチＳＷ１_ｍ、切替回路２０_ｍ、積分回路３０_ｍ、ＣＤＳ回路４０_ｍ、選択回路５０_ｍ、保持回路６０_ｍおよびスイッチＳＷ９_ｍそれぞれは、光検出部１０において第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎに対応して設けられている。また、Ａ／Ｄ変換回路７０およびビットシフト回路８０それぞれは、全体で１つだけ設けられている。ここで、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

各画素Ｐ_ｍ,ｎは、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードを含む。第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎは、共通の配線により切替回路２０_ｍに接続され、また、その共通の配線およびスイッチＳＷ１_ｍを介して積分回路３０_ｍに接続されている。

各積分回路３０_ｍは、容量値が可変である積分容量部を有し、第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードで発生した電荷を積分容量部に蓄積して、積分容量部に蓄積されている電荷の量に応じた第１電圧値Ｖ１を出力する。ＣＤＳ回路４０_ｍは、積分回路３０_ｍから出力される第１電圧値Ｖ１を入力し、基準時刻における該第１電圧値Ｖ１を基準とする該第１電圧値Ｖ１の変動分に応じた第２電圧値Ｖ２を出力する。

選択回路５０_ｍは、積分回路３０_ｍから出力される第１電圧値Ｖ１を入力するとともに、ＣＤＳ回路４０_ｍから出力される第２電圧値Ｖ２を入力し、これらのうちの何れか一方の電圧値を選択して出力する切替回路２０_ｍは、第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードで発生した電荷の量と閾値とを大小比較して、その比較結果に基づいて、積分回路３０_ｍに対して積分容量部の容量値の設定を指示するとともに、選択回路５０_ｍに対して出力電圧値の選択を指示する
Ａ／Ｄ変換回路７０は、Ｍ個の選択回路５０_１〜５０_Ｍから順次に出力される電圧値を入力し、この電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力する。ビットシフト回路８０は、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されるデジタル値を入力し、各積分回路３０_ｍの積分容量部の容量値に応じてデジタル値をビットシフトして出力する。

図２は、本実施形態に係る光検出装置１の画素Ｐ_ｍ,ｎ、切替回路２０_ｍ、積分回路３０_ｍ、ＣＤＳ回路４０_ｍ、選択回路５０_ｍおよび保持回路６０_ｍそれぞれの回路図である。

各画素Ｐ_ｍ,ｎは、フォトダイオードＰＤおよびスイッチＳＷ_１１を含む。フォトダイオードＰＤのアノード端子は接地されている。フォトダイオードＰＤのカソード端子は、スイッチＳＷ_１１を介して共通の配線に接続され、その共通の配線は、切替回路２０_ｍの入力端に接続されているとともに、スイッチＳＷ１_ｍを介して積分回路３０_ｍの入力端に接続されている。スイッチＳＷ_１１は制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,１のレベルに応じて開閉動作する。また、スイッチＳＷ１_ｍは制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,２のレベルに応じて開閉動作する。

Ｒｅｓｅｔ信号および制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,２がハイレベルであると、スイッチＳＷ１_ｍが閉じて、比較器２１の非反転入力端子に接続されている共通の配線の電荷が初期化される。

各切替回路２０_ｍは、比較器２１およびＤフリップフロップ２２を含む。比較器２１の非反転入力端子は、基準電位Ｖ_ｒｅｆ２が接続されている。比較器２１の反転入力端子は、第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,ＮそれぞれのスイッチＳＷ_１１に接続された共通の配線と接続されている。Ｄフリップフロップ２２は、Ｃｌｋ信号がローレベルからハイレベルに転じる時刻にＤ入力端子に入力していた論理レベルを、それ以降においてＱ出力端子から出力し、また、このＱ出力端子の論理レベルと逆の論理レベルを反転Ｑ出力端子から出力する。

この切替回路２０_ｍでは、比較器２１により、反転入力端子および非反転入力端子それぞれの入力電圧値が大小比較され、その比較結果を表す論理レベルが比較器２１の出力端子から出力されてＤフリップフロップ２２のＤ入力端子に入力する。Ｃｌｋ信号がローレベルからハイレベルに転じる時刻における比較器２１の出力レベルが、その時刻以降においてＤフリップフロップ２２のＱ出力端子から出力される。

各積分回路３０_ｍは、アンプＡ_３、容量素子Ｃ_３１、容量素子Ｃ_３２、スイッチＳＷ_３１およびスイッチＳＷ_３２を含む。アンプＡ_３の非反転入力端子は基準電位Ｖ_ｒｅｆ１が接続されている。アンプＡ_３の反転入力端子は、第ｍ行にあるＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,ＮそれぞれのスイッチＳＷ_１１と接続された共通の配線およびＳＷ１_ｍを介して接続されている。アンプＡ_３の反転入力端子と出力端子との間には、容量素子Ｃ_３１、スイッチＳＷ_３１、ならびに、互いに直列的に接続された容量素子Ｃ_３２およびスイッチＳＷ_３２が、互いに並列的に設けられている。スイッチＳＷ_３１は、Ｒｅｓｅｔ信号のレベルに応じて開閉動作する。スイッチＳＷ_３２は、切替回路２０_ｍのＤフリップフロップ２２のＱ出力端子から出力される論理レベルに応じて開閉動作する。

この積分回路３０_ｍでは、容量素子Ｃ_３１、容量素子Ｃ_３２およびスイッチＳＷ_３２は容量値が可変の積分容量部を構成している。すなわち、スイッチＳＷ_３２が閉じているときには積分容量部は第１容量値Ｃ_１（＝Ｃ_３１＋Ｃ_３２）に設定され、一方、スイッチＳＷ_３２が開いているときには積分容量部は第２容量値Ｃ_２（＝Ｃ_３１）に設定される。Ｒｅｓｅｔ信号がハイレベルであると、スイッチＳＷ_３１が閉じて、容量素子Ｃ_３１が放電され、積分回路３０_ｍからの出力電圧値が初期化される。また、同時にスイッチＳＷ_３２が閉じているときには、容量素子Ｃ_３２も放電される。Ｒｅｓｅｔ信号がローレベルであると、画素Ｐ_ｍ,ｎから出力された電荷が積分容量部に蓄積され、当該蓄積電荷量に応じた第１電圧値Ｖ１が積分回路３０_ｍから出力される。

各ＣＤＳ回路４０_ｍは、アンプＡ_４、容量素子Ｃ_４およびスイッチＳＷ_４を含む。アンプＡ_４の入力端子は、容量素子Ｃ_４を介して積分回路３０_ｍのアンプＡ_３の出力端子に接続され、スイッチＳＷ_４を介して接地されている。スイッチＳＷ_４はＣｌａｍｐ信号のレベルに応じて開閉動作する。このＣＤＳ回路４０_ｍでは、スイッチＳＷ_４が閉じるとアンプＡ_４からの出力電圧値が初期化される。また、スイッチＳＷ_４が開くと、それ以降に積分回路３０_ｍから出力される第１電圧値Ｖ１の変動分に応じた第２電圧値Ｖ２が出力される。

各選択回路５０_ｍは、スイッチＳＷ_５１およびスイッチＳＷ_５２を含む。スイッチＳＷ_５１の第１端は、積分回路３０_ｍのアンプＡ_３の出力端子に接続されている。スイッチＳＷ_５２の第１端は、ＣＤＳ回路４０_ｍのアンプＡ_４の出力端子に接続されている。スイッチＳＷ_５１およびスイッチＳＷ_５２それぞれの第２端は互いに接続されている。スイッチＳＷ_５１は、切替回路２０_ｍのＤフリップフロップ２２のＱ出力端子からの出力論理レベルに応じて開閉動作する。また、スイッチＳＷ_５２は、切替回路２０_ｍのＤフリップフロップ２２の反転Ｑ出力端子からの出力論理レベルに応じて開閉動作する。この選択回路５０_ｍでは、スイッチＳＷ_５１およびスイッチＳＷ_５２のうちの何れか一方が閉じることにより、積分回路３０_ｍから出力される第１電圧値Ｖ１と、ＣＤＳ回路４０_ｍから出力される第２電圧値Ｖ２とのうち、何れか一方の電圧値が選択されて出力される。

各保持回路６０_ｍは、容量素子Ｃ_６、スイッチＳＷ_６１、バッファ回路Ａ_６およびスイッチＳＷ_６２を含む。容量素子Ｃ_６の一方の端子は接地されている。容量素子Ｃ_６の他方の端子は、スイッチＳＷ_６１を介して選択回路５０_ｍの出力端と接続され、バッファ回路Ａ_６およびスイッチＳＷ_６２を介してＡ／Ｄ変換回路７０の入力端と接続されている。スイッチＳＷ_６１は、Ｈｏｌｄ信号のレベルに応じて開閉動作する。スイッチＳＷ_６２は、制御信号Ｓ_ｍのレベルに応じて開閉動作する。この保持回路６０_ｍでは、スイッチＳＷ_６１が開くと、その直前における選択回路５０_ｍからの出力電圧値が容量素子Ｃ_６に保持される。また、スイッチＳＷ_６２が閉じると、その容量素子Ｃ_６に保持されている電圧値が出力される。

また、切替回路２０_ｍのＤフリップフロップ２２のＱ出力端子に接続されたスイッチＳＷ９_ｍは、制御信号Ｓ_ｍのレベルに応じて、保持回路６０_ｍのスイッチＳＷ_６２と同一タイミングで開閉動作する。

次に、本実施形態に係る光検出装置１の動作について説明する。なお、光が当たるほど、生じたキャリアにより、フォトダイオードのカソード電位は下がることになる。すなわち、光が強く当たった場合は基準電位Ｖ_ｒｅｆ２よりフォトダイオードのカソード電位は低く、光が弱い時は、フォトダイオードのカソード電位は基準電位Ｖ_ｒｅｆ２より高い。図３および図４それぞれは、本実施形態に係る光検出装置１の動作を説明するタイミングチャートである。図３は、フォトダイオードＰＤへの光入射の強度が比較的大きい場合の動作を示し、図４は、フォトダイオードＰＤへの光入射の強度が比較的小さい場合の動作を示す。なお、光検出装置１は、制御部（不図示）から出力される各種制御信号に基づいて、以下のように動作する。

図３および図４それぞれにおいて、上から順に、積分回路３０_ｍのスイッチＳＷ_３１の開閉動作を制御するＲｅｓｅｔ信号のレベル、画素Ｐ_ｍ,ｎのスイッチＳＷ_１１の開閉動作を制御する制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,１のレベル、スイッチＳＷ１_ｍの開閉動作を制御する制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,２のレベル、切替回路２０_ｍのＤフリップフロップ２２に入力するＣｌｋ信号のレベル、切替回路２０_ｍのＤフリップフロップ２２のＱ出力端子から出力される論理信号のレベル、積分回路３０_ｍのスイッチＳＷ_３２の開閉、選択回路５０_ｍのスイッチＳＷ_５１の開閉、選択回路５０_ｍのスイッチＳＷ_５２の開閉、ＣＤＳ回路４０_ｍのスイッチＳＷ_４の開閉動作を制御するＣｌａｍｐ信号のレベル、ならびに、保持回路６０_ｍのスイッチＳＷ_６１の開閉動作を制御するＨｏｌｄ信号のレベル、それぞれが示されている。

時刻ｔ_１に、Ｒｅｓｅｔ信号がハイレベルとなる。これにより、積分回路３０_ｍのスイッチＳＷ_３１が閉じて、積分回路３０_ｍから出力される電圧値Ｖ１が初期化される。また、制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,２がハイレベルとなり、スイッチＳＷ１_ｍが閉じて、比較器２１の反転入力端子に接続されている配線の電荷が初期化される。時刻ｔ_２に、制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,２がローレベルとなり、スイッチＳＷ１_ｍが開いて、共通の配線と積分回路３０_ｍとの接続が切断される。

その後の時刻ｔ_３から時刻ｔ_８までの期間に、制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,１がハイレベルとなって、画素Ｐ_ｍ,ｎのスイッチＳＷ_１１が閉じる。これにより、切替回路２０_ｍの比較器２１により、画素Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤのカソード電位と基準電位Ｖ_ｒｅｆ２とが大小比較される。そして、時刻ｔ_３から時刻ｔ_５までの期間の間の時刻ｔ_４にＣｌｋ信号がハイレベルに転じると、その時刻ｔ_４における比較器２１の出力論理レベルは、Ｄフリップフロップ２２に保持され、それ以降、Ｄフリップフロップ２２のＱ出力端子から出力される。時刻ｔ_４から時刻ｔ_５までの期間の一部分の期間において、Ｒｅｓｅｔ信号がローレベルとなる。

このとき、画素Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤのカソード電位が基準電位Ｖ_ｒｅｆ２以下である場合、すなわち、画素Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量が或る閾値以上である場合、図３に示されるように、時刻ｔ_４以降において、Ｄフリップフロップ２２のＱ出力端子から出力される論理レベルがハイレベルとなり、積分回路３０_ｍのスイッチＳＷ_３２が閉じて、積分回路３０_ｍの積分容量部は第１容量値Ｃ_１（＝Ｃ_３１＋Ｃ_３２）に設定される。時刻ｔ_４から時刻ｔ_５までの期間の一部分の期間においては、Ｒｅｓｅｔ信号がハイレベルであるため、積分回路３０_ｍのスイッチＳＷ_３１が閉じており、容量素子Ｃ_３２の電荷が初期化される。また、選択回路５０_ｍにおいてスイッチＳＷ_５１が閉じるとともにスイッチＳＷ_５２が開いて、積分回路３０_ｍからの出力電圧値Ｖ１が選択回路５０_ｍから出力されるようになる。

一方、画素Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤのカソード電位が基準電位Ｖ_ｒｅｆ２より大きい場合、すなわち、画素Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量が閾値より小さい場合、図４に示されるように、時刻ｔ_４以降において、Ｄフリップフロップ２２のＱ出力端子から出力される論理レベルがローレベルとなり、積分回路３０_ｍのスイッチＳＷ_３２が開いて、積分回路３０_ｍの積分容量部は第２容量値Ｃ_２（＝Ｃ_３１）に設定される。また、選択回路５０_ｍにおいてスイッチＳＷ_５１が開くともにスイッチＳＷ_５２が閉じて、ＣＤＳ回路４０_ｍからの出力電圧値Ｖ２が選択回路５０_ｍから出力されるようになる。

時刻ｔ_５から時刻ｔ_８までの期間に、制御信号Ｓ_ｍ,ｎ,２がハイレベルとなって、共通の配線のスイッチＳＷ１_ｍが閉じる。これにより、画素Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生し接合容量に貯まっていた電荷が積分回路３０_ｍの積分容量部に転送されて蓄積され、その蓄積電荷量に応じた第１電圧値Ｖ１が積分回路３０_ｍから出力される。この積分回路３０_ｍから出力された第１電圧値Ｖ１はＣＤＳ回路４０_ｍに入力して、その第１電圧値Ｖ１の変動分に応じた第２電圧値Ｖ２がＣＤＳ回路４０_ｍから出力される。

時刻ｔ_５より後の時刻ｔ_６に、Ｃｌａｍｐ信号がローレベルに転じて、ＣＤＳ回路４０_ｍのスイッチＳＷ_４が開く。これにより、この時刻ｔ_５における第１電圧値Ｖ１を基準とする該第１電圧値Ｖ１の変動分に応じた第２電圧値Ｖ２が、これ以降、ＣＤＳ回路４０_ｍから出力される。

時刻ｔ_８より後の時刻ｔ_９に、Ｈｏｌｄ信号がローレベルに転じて、保持回路６０_ｍのスイッチＳＷ_６１が開く。これにより、時刻ｔ_９前に選択回路５０_ｍから出力されていた電圧値が保持回路６０_ｍの容量素子Ｃ_６に保持される。

以上のように、画素Ｐ_ｍ,ｎへの光入射強度が大きくフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量が閾値以上である場合（図３）には、積分回路３０_ｍの積分容量部は第１容量値Ｃ_１（＝Ｃ_３１＋Ｃ_３２）に設定され、時刻ｔ_９において選択回路５０_ｍから出力されていて保持回路６０_ｍにより保持される電圧値は、積分回路３０_ｍから出力される第１電圧値Ｖ１である。一方、画素Ｐ_ｍ,ｎへの光入射強度が小さくフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量が閾値より小さい場合（図４）には、積分回路３０_ｍの積分容量部は第１容量値Ｃ１より小さい第２容量値Ｃ_２（＝Ｃ_３１）に設定され、時刻ｔ_９において選択回路５０_ｍから出力されていて保持回路６０_ｍにより保持される電圧値は、ＣＤＳ回路４０_ｍから出力される第２電圧値Ｖ２である。

すなわち、画素Ｐ_ｍ,ｎのフォトダイオードＰＤで発生した電荷の量が閾値以上である場合には、積分回路３０_ｍの積分容量部の容量値が大きく設定されるので、入射光強度検出のダイナミックレンジが拡大される。また、積分回路３０_ｍの積分容量部の容量値が大きく設定されると、上記(2)式中のＶ_αの値の影響が大きくなるが、その場合には、ＣＤＳ回路４０_ｍから出力される第２電圧値Ｖ２ではなく、積分回路３０_ｍから出力される第１電圧値Ｖ１が、選択回路５０_ｍにより選択され保持回路６０_ｍにより保持されるので、光検出のＳ／Ｎ比が改善される。

以上に説明した動作は、第１行〜第Ｍ行については並列的に行われ、また、各行においてはＮ個の画素Ｐ_ｍ,１〜Ｐ_ｍ,Ｎについて順次に行われる。各行の第ｎ番目の画素Ｐ_ｍ,ｎについての上記動作が終了すると、各保持回路６０_ｍのスイッチＳＷ_６２および各スイッチＳＷ９_ｍそれぞれに入力する制御信号Ｓ_ｍが順次にハイレベルとなる。これにより、保持回路６０_ｍに保持されていた電圧値は、Ａ／Ｄ変換回路７０に入力してデジタル値に変換される。さらに、このＡ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値は、ビットシフト回路８０により、切替回路２０_ｍのＤフリップフロップ２２のＱ出力端子から出力される論理レベルに応じて所要ビット数だけシフトされる。

すなわち、積分回路３０_ｍの積分容量部における第１容量値Ｃ１と第２容量値Ｃ２との比（Ｃ１／Ｃ２）が２^ｐであるとすると、切替回路２０_ｍのＤフリップフロップ２２のＱ出力端子から出力される論理レベルがハイレベルである場合（つまり、積分回路３０_ｍの積分容量部が第１容量値Ｃ_１に設定された場合）に、Ａ／Ｄ変換回路７０から出力されたデジタル値は、ビットシフト回路８０により、ｐビットだけ上位にシフトされる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、ＣＤＳ回路は、他の構成のものであってもよい。また、フォトダイオードは、２次元配列されていてもよいし、１次元配列されていてもよいし、また、１個のみであってもよい。

本実施形態に係る光検出装置１の全体構成図である。本実施形態に係る光検出装置１の画素Ｐ_ｍ,ｎ、切替回路２０_ｍ、積分回路３０_ｍ、ＣＤＳ回路４０_ｍ、選択回路５０_ｍおよび保持回路６０_ｍそれぞれの回路図である。本実施形態に係る光検出装置１の動作を説明するタイミングチャートである。本実施形態に係る光検出装置１の動作を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１…光検出装置、１０…光検出部、２０…切替回路、３０…積分回路、４０…ＣＤＳ回路、５０…選択回路、６０…保持回路、７０…Ａ／Ｄ変換回路、８０…ビットシフト回路。

Claims

入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードと、
容量値が可変である積分容量部を有し、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記積分容量部に蓄積して、前記積分容量部に蓄積されている電荷の量に応じた第１電圧値を出力する積分回路と、
前記積分回路から出力される第１電圧値を入力し、基準時刻における該第１電圧値を基準とする該第１電圧値の変動分に応じた第２電圧値を出力するＣＤＳ回路と、
前記積分回路から出力される第１電圧値を入力するとともに、前記ＣＤＳ回路から出力される第２電圧値を入力し、これらのうちの何れか一方の電圧値を選択して出力する選択回路と、
前記フォトダイオードで発生した電荷の量と閾値とを大小比較して、その比較結果に基づいて、前記積分回路に対して前記積分容量部の容量値の設定を指示するとともに、前記選択回路に対して出力電圧値の選択を指示する切替回路と、
を備え、
前記切替回路が、
前記フォトダイオードで発生した電荷の量が前記閾値以上であるときに、前記積分回路に対して前記積分容量部を第１容量値に設定するよう指示するとともに、前記選択回路に対して前記第１電圧値を選択して出力するよう指示し、
前記フォトダイオードで発生した電荷の量が前記閾値より小さいときに、前記積分回路に対して前記積分容量部を前記第１容量値より小さい第２容量値に設定するよう指示するとともに、前記選択回路に対して前記第２電圧値を選択して出力するよう指示する、
ことを特徴とする光検出装置。
前記選択回路から出力される電圧値を入力し、この電圧値をデジタル値に変換して、このデジタル値を出力するＡ／Ｄ変換回路を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
前記Ａ／Ｄ変換回路から出力されるデジタル値を入力し、前記積分回路の前記積分容量部が前記第１容量値および前記第２容量値の何れに設定されたかに応じて前記デジタル値をビットシフトして出力するビットシフト回路を更に備えることを特徴とする請求項２記載の光検出装置。