(57)【要約】【課題】入射光量に応じた高精度のデジタル値を出力することができる光検出装置を提供する。【解決手段】光検出装置１は、フォトダイオードＰＤ、積分回路１０、比較回路２０、電荷注入回路３０、計数回路４０、保持回路５０、増幅回路６０、ＡＤ変換回路７０および基準値生成回路８０を備える。積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０および計数回路４０は、ＡＤ変換機能を有する。増幅回路６０は、保持回路５０から出力された電圧値をＫ倍（ただし、Ｋ＞１）にした電圧値をＡＤ変換回路７０へ出力する。ＡＤ変換回路７０は、比較回路２０における基準値Ｖref2のＫ倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路６０から出力された電圧値を入力して、この入力電圧値に対応するデジタル値を出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードへの入射光量に応じて該フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する信号処理装置であって、
前記フォトダイオードから出力された電荷を蓄積する積分容量素子を有し、この積分容量素子に蓄積した電荷の量に応じた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た電圧値を入力し、この電圧値と所定の基準値とを大小比較して、前記電圧値が前記基準値に達したときに、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、
前記比較回路から出力された飽和信号に基づいて、前記積分回路の前記積分容量素子に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を前記積分容量素子に注入する電荷注入回路と、
前記比較回路から出力された飽和信号に基づいて、前記積分回路から出力された電圧値が前記基準値に達した回数を計数する計数回路と、
前記積分回路から出力された電圧値を保持し出力する保持回路と、
前記保持回路により保持されて出力された電圧値を入力して、この入力した電圧値をＫ倍（ただし、Ｋ＞１）にした電圧値を出力する増幅回路と、
前記比較回路における前記基準値のＫ倍の電圧値を最大入力電圧値とし、前記増幅回路から出力された電圧値を入力して、この電圧値に対応するデジタル値を出力するＡＤ変換回路と、
を備えることを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記ＡＤ変換回路における前記最大入力電圧値を設定する為の基準値を入力して、この基準値のＫ分の１の電圧値を前記基準値として前記比較回路に与える基準値生成回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記保持回路として第１保持回路および第２保持回路を備え、
前記増幅回路が、前記第１保持回路および前記第２保持回路それぞれから出力された電圧値を入力して、これらの入力した２つの電圧値の差をＫ倍にした電圧値を出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記保持回路として第１保持回路および第２保持回路を備え、
前記積分回路から出力された電圧値を前記第１保持回路および前記第２保持回路に交互に保持させて、前記積分回路，前記比較回路，前記電荷注入回路および前記計数回路による処理と、前記増幅回路および前記ＡＤ変換回路による処理とを、並列的に行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項５】
複数組の前記積分回路，前記比較回路，前記電荷注入回路，前記計数回路および前記保持回路に対して、１組の前記増幅回路および前記ＡＤ変換回路が設けられ、
各組の前記保持回路により出力される電圧値を順次に前記増幅回路が入力する、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の信号処理装置。
【請求項６】
入射光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する請求項１〜５の何れか１項に記載の信号処理装置と、
を備えることを特徴とする光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードへの入射光量に応じて該フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する信号処理装置、ならびに、このような信号処理装置および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。
【背景技術】
【０００２】
入射光量を検出する光検出装置は、入射光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する信号処理装置とを備える。このような光検出装置として例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この文献に記載された光検出装置は、ＡＤ変換機能を有していて、入射光量に応じたデジタル値を出力することができる。
【０００３】
光検出装置は、例えば、Ｘ線ＣＴ装置の検出部として用いられ、多数のフォトダイオードがアレイ配置されてシンチレータで覆われている場合がある。シンチレータにＸ線が入射するとシンチレーション光が発生し、そのシンチレータ光が何れかのフォトダイオードに入射すると該フォトダイオードで電荷が発生し、その電荷が信号処理装置により電気信号に変換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２１５６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような光検出装置は、多画素化，高速化および低消費電力化とともに高精度化が要求されている。しかし、特許文献１に記載されたものを含めて従来の光検出装置において用いられる信号処理装置は、ノイズの影響により高精度のデジタル値を出力することができない場合がある。
【０００６】
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、入射光量に応じた高精度のデジタル値を出力することができる信号処理装置、および、このような信号処理装置を含む光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る信号処理装置は、フォトダイオードへの入射光量に応じて該フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する信号処理装置であって、(1) フォトダイオードから出力された電荷を蓄積する積分容量素子を有し、この積分容量素子に蓄積した電荷の量に応じた電圧値を出力する積分回路と、(2) 積分回路から出力された電圧値を入力し、この電圧値と所定の基準値とを大小比較して、電圧値が基準値に達したときに、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、(3) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、積分回路の積分容量素子に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量素子に注入する電荷注入回路と、(4) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、積分回路から出力された電圧値が基準値に達した回数を計数する計数回路と、(5) 積分回路から出力された電圧値を保持し出力する保持回路と、(6) 保持回路により保持されて出力された電圧値を入力して、この入力した電圧値をＫ倍（ただし、Ｋ＞１）にした電圧値を出力する増幅回路と、(7) 比較回路における基準値のＫ倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路から出力された電圧値を入力して、この電圧値に対応するデジタル値を出力するＡＤ変換回路と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この信号処理装置はフォトダイオードとともに用いられる。この信号処理装置では、フォトダイオードへの入射光量に応じて発生した電荷は、積分回路の積分容量素子に蓄積され、この積分容量素子に蓄積した電荷の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は比較回路に入力されて、この入力電圧値と所定の基準値とが比較回路により大小比較され、入力電圧値が基準値に達したときに、その旨を示す飽和信号が比較回路から出力される。この比較回路から出力された飽和信号に基づいて、電荷注入回路により、積分回路の積分容量素子に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷が積分容量素子に注入される。また、この比較回路から出力された飽和信号に基づいて、計数回路により、一定期間の間に積分回路から出力された電圧値が基準値に達した回数が計数される。これら積分回路，比較回路，電荷注入回路および計数回路によりＡＤ変換機能が実現される。
【０００９】
また、上記一定期間の終了の際に積分回路から出力された電圧値は、保持回路により保持されて出力される。保持回路により保持されて出力された電圧値は、増幅回路によりＫ倍に増幅されてＡＤ変換回路へ出力される。ＡＤ変換回路では、比較回路における基準値のＫ倍の電圧値が最大入力電圧値とされ、増幅回路から出力された電圧値が入力されて、この電圧値に対応するデジタル値が出力される。そして、この信号処理装置では、計数回路により計数された回数の値、および、ＡＤ変換回路から出力されたデジタル値に基づいて、入射光量が検出される。
【００１０】
本発明に係る信号処理装置は、ＡＤ変換回路における最大入力電圧値を設定する為の基準値を入力して、この基準値のＫ分の１の電圧値を基準値として比較回路に与える基準値生成回路を更に備えるのが好適である。ＡＤ変換回路における最大入力電圧値を設定する為の基準値と、比較回路に与えられる基準値とは、互いに別個に生成されてもよいが、基準値生成回路により前者から後者が生成されるのが好ましい。この基準値生成回路は例えば抵抗分割回路により構成され得る。
【００１１】
本発明に係る信号処理装置は、保持回路として第１保持回路および第２保持回路を備え、増幅回路が、第１保持回路および第２保持回路それぞれから出力された電圧値を入力して、これらの入力した２つの電圧値の差をＫ倍にした電圧値を出力するのが好適である。この場合には、積分回路から出力される信号成分およびノイズ成分を含む電圧値が第１保持回路により保持され、積分回路から出力されるノイズ成分のみを含む電圧値が第２保持回路により保持される。そして、増幅回路により、第１保持回路および第２保持回路それぞれから出力された電圧値の差をＫ倍にした電圧値が出力される。
【００１２】
本発明に係る信号処理装置は、保持回路として第１保持回路および第２保持回路を備え、積分回路から出力された電圧値を第１保持回路および第２保持回路に交互に保持させて、積分回路，比較回路，電荷注入回路および計数回路による処理と、増幅回路およびＡＤ変換回路による処理とを、並列的に行うのが好適である。このような並列的な動作が行われることにより、光検出が高速に行われ得る。
【００１３】
本発明に係る信号処理装置では、複数組の積分回路，比較回路，電荷注入回路，計数回路および保持回路に対して、１組の増幅回路およびＡＤ変換回路が設けられ、各組の保持回路により出力される電圧値を順次に増幅回路が入力するのが好適である。この場合には、フォトダイオードおよび信号処理装置を含む光検出装置により撮像が可能であり、また、信号処理装置の回路規模が小さくなる。
【００１４】
本発明に係る光検出装置は、入射光量に応じた電荷を発生するフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の電気信号を出力する上記の本発明に係る信号処理装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る信号処理装置よび光検出装置は、入射光量に応じた高精度のデジタル値を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る光検出装置１の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る光検出装置１の詳細構成を示す図である。
【図３】本実施形態に係る光検出装置１の動作を説明するフローチャートである。
【図４】他の実施形態に係る光検出装置１Ａの詳細構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するため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。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る光検出装置１の概略構成を示す図である。この図に示される光検出装置１は、フォトダイオードアレイ２および信号処理装置３を含む。
【００１９】
フォトダイオードアレイ２は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮを含む。Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮは共通の構成を有する。Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮは１つの半導体基板上に形成されているのが好適である。また、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮそれぞれの受光領域は、Ｘ線等のエネルギー線の入射に伴いシンチレータ光を発生させるシンチレータで覆われているのが好適である。各フォトダイオードＰＤｎは、入射光量に応じた電荷を発生する。なお、Ｎは１以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。また、Ｎは２以上の整数であって、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮが１次元状または２次元状に配列されていてもよい。
【００２０】
信号処理装置３は、各フォトダイオードＰＤｎで発生した電荷の量に応じた値の電気信号（デジタル信号）を出力する。信号処理装置３は、Ｎ個の読出し部４１〜４Ｎ，増幅回路６０およびＡＤ変換回路７０を含む。Ｎ個の読出し部４１〜４Ｎは共通の構成を有する。各読出し部４ｎはフォトダイオードＰＤｎに対応して設けられている。信号処理装置３は、フォトダイオードアレイ２が形成される半導体基板とは別個の半導体基板上に形成されているのが好適である。また、フォトダイオードアレイ２が形成される半導体基板の裏面にシンチレータが設けられ、フォトダイオードアレイ２が形成される半導体基板の表面と信号処理装置３が形成される半導体基板の表面とが互いにバンプ接続されるのが好適である。
【００２１】
各読出し部４ｎは、積分回路１０、比較回路２０、電荷注入回路３０、計数回路４０、保持回路５０およびスイッチＳＷを含む。各読出し部４ｎに含まれる積分回路１０は、対応するフォトダイオードＰＤから出力された電荷を積分容量素子に蓄積して、その蓄積電荷量に応じた電圧値を比較回路２０および保持回路５０へ出力する。比較回路２０は、積分回路１０から出力された電圧値を入力し、この入力電圧値と所定の基準値とを大小比較して、入力電圧値が基準値に達したときに、その旨を示す飽和信号を電荷注入回路３０および計数回路４０へ出力する。
【００２２】
電荷注入回路３０は、比較回路２０から出力された飽和信号に基づいて、積分回路１０の積分容量素子に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量素子に注入する。計数回路４０は、比較回路２０から出力された飽和信号に基づいて、積分回路１０から出力された電圧値が基準値に達した回数を一定期間に亘って計数する。各読出し部４ｎに含まれる計数回路４０は、スイッチＳＷを介して共通の配線に接続されている。保持回路５０は、積分回路１０から出力された電圧値をサンプリングして保持し、その保持した電圧値を増幅回路６０へ出力する。
【００２３】
増幅回路６０の入力端は、各読出し部４ｎに含まれる保持回路５０の出力端に接続されている。増幅回路６０は、各読出し部４ｎに含まれる保持回路５０により保持されて順次に出力された電圧値を入力して、この入力した電圧値をＫ倍（ただし、Ｋ＞１）にした電圧値をＡＤ変換回路７０へ出力する。ＡＤ変換回路７０は、比較回路２０における基準値のＫ倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路６０から出力された電圧値を入力して、この入力電圧値に対応するデジタル値を出力する。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る光検出装置１の詳細構成を示す図である。ここでは、１組のフォトダイオードＰＤおよび読出し部４が示され、また、増幅回路６０およびＡＤ変換回路７０に加えて基準値生成回路８０が示されている。ここでは、保持回路５０として２個の保持回路５１，５２が設けられるものとする。
【００２５】
積分回路１０は、アンプＡ１０、積分容量素子Ｃ１０およびスイッチＳＷ１０を有する。アンプＡ１０の非反転入力端子は接地されている。アンプＡ１０の反転入力端子はフォトダイオードＰＤと接続されている。アンプＡ１０の反転入力端子と出力端子との間に積分容量素子Ｃ１０およびスイッチＳＷ１０が並列的に設けられている。この積分回路１０は、スイッチＳＷ１０が閉じているときには、積分容量素子Ｃ１０が放電され、リセットレベルの電圧値を出力する。一方、この積分回路１０は、スイッチＳＷ１０が開いているときには、フォトダイオードＰＤから出力された電荷を積分容量素子Ｃ１０に蓄積し、この積分容量素子Ｃ１０に蓄積した電荷の量に応じた電圧値Ｖ１０を出力する。
【００２６】
比較回路２０は、積分回路１０から出力された電圧値Ｖ１０を入力し、この電圧値Ｖ１０と所定の基準値Ｖｒｅｆ２とを大小比較する。そして、比較回路２０は、電圧値Ｖが基準値Ｖｒｅｆ２に達したときに、その旨を示す飽和信号φ１を出力する。
【００２７】
電荷注入回路３０は、スイッチＳＷ３１〜ＳＷ３４および容量素子Ｃ３０を有する。スイッチＳＷ３１、容量素子Ｃ３０およびスイッチＳＷ３２は順に接続されており、スイッチＳＷ３１の他端は積分回路１０のアンプＡ１０の反転入力端子に接続されており、スイッチＳＷ３２の他端は基準電位Ｖｉｎｊに接続されている。スイッチＳＷ３１と容量素子Ｃ３０との接続点は、スイッチＳＷ３３を介して接地されている。スイッチＳＷ３２と容量素子Ｃ３０との接続点は、スイッチＳＷ３４を介して接地されている。スイッチＳＷ３１およびＳＷ３４それぞれは、比較回路２０から出力された飽和信号φ１に基づいて開閉する。スイッチＳＷ３２およびＳＷ３３それぞれは、比較回路２０から出力された飽和信号φ１の論理反転信号φ２に基づいて開閉する。すなわち、この電荷注入回路３０は、比較回路２０から出力された飽和信号φ１に基づいて、積分回路１０の積分容量素子Ｃ１０に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量素子Ｃ１０に注入する。
【００２８】
計数回路４０は、比較回路２０から出力された飽和信号φ１に基づいて、積分回路１０から出力された電圧値Ｖが基準値Ｖｒｅｆ２に達した回数を一定期間に亘って計数し、この計数値をデジタル値として出力する。
【００２９】
これら積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０および計数回路４０は、ＡＤ変換機能を有している。すなわち、一定期間のうちにフォトダイオードＰＤから出力されて積分回路１０の積分容量素子Ｃ１０に蓄積されていく電荷の量の絶対値をＱ０とし、比較回路２０から出力される飽和信号φ１に基づいて電荷注入回路３０により積分回路１０の積分容量素子Ｃ１０に注入される電荷の量の絶対値をＱ１とする。このときに、計数回路４０による計数値（デジタル値）は、Ｑ０をＱ１で除算して得られる値に対して小数部を切り捨てた整数値である。また、上記一定期間の終了の際に積分回路１０から出力される電圧値は、Ｑ０をＱ１で除算して得られる値から上記整数値を減算して得られる残余の値に応じた電圧値である。
【００３０】
保持回路５１および保持回路５２は共通の構成を有する。保持回路５１および保持回路５２それぞれは、スイッチＳＷ５１〜ＳＷ５４および容量素子Ｃ５０を有する。スイッチＳＷ５１、容量素子Ｃ５０およびスイッチＳＷ５２は順に接続されており、スイッチＳＷ５１の他端は積分回路１０のアンプＡ１０の出力端子に接続されており、スイッチＳＷ５２の他端は増幅回路６０の入力端に接続されている。スイッチＳＷ５１と容量素子Ｃ５０との接続点は、スイッチＳＷ５３を介して接地されている。スイッチＳＷ５２と容量素子Ｃ５０との接続点は、スイッチＳＷ５４を介して接地されている。
【００３１】
保持回路５１および保持回路５２それぞれでは、スイッチＳＷ５１およびＳＷ５４は同時に開閉する。スイッチＳＷ５２およびＳＷ５３は同時に開閉する。スイッチＳＷ５１，ＳＷ５４が閉状態から開状態に転じると、その直前に積分回路１０からの出力電圧値は容量素子Ｃ５０に保持される。スイッチＳＷ５２，ＳＷ５３が開くと、容量素子Ｃ５０に保持されている電圧値は増幅回路６０へ出力される。
【００３２】
保持回路５１は、計数回路４０が計数を行う一定期間の終了の際に積分回路１０から出力された電圧値をサンプリングして保持し、その保持した電圧値を増幅回路６０へ出力する。一方、保持回路５２は、積分回路１０のスイッチＳＷ１０が閉じていているときに積分回路１０から出力されるリセットレベルの電圧値をサンプリングして保持し、その保持した電圧値を増幅回路６０へ出力する。
【００３３】
増幅回路６０は、保持回路５１から出力された電圧値Ｖ５１を入力するとともに、保持回路５２から出力された電圧値Ｖ５２を入力して、これらの入力した２つの電圧値の差をＫ倍にした電圧値（Ｋ(Ｖ５１−Ｖ５２)）をＡＤ変換回路７０へ出力する。保持回路５１から出力された電圧値Ｖ５１は、信号成分およびノイズ成分を含む電圧値のうち、積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０および計数回路４０により構成されるＡＤ変換機能によるＡＤ変換の際の残余の電圧値である。保持回路５２から出力された電圧値Ｖ５２は、信号成分を含まず、ノイズ成分のみを含む。したがって、増幅回路６０から出力される電圧値は、上記の残余の電圧値からノイズ成分が除去された後の値を表すものとなる。
【００３４】
前述したように、増幅回路６０は、保持回路５１，５２により保持されて出力された電圧値を入力して、これらの入力した２つの電圧値の差をＫ倍にした電圧値をＡＤ変換回路７０へ出力する。また、ＡＤ変換回路７０は、比較回路２０における基準値のＫ倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路６０から出力された電圧値を入力して、この入力電圧値に対応するデジタル値を出力する。そこで、基準値生成回路７０は、ＡＤ変換回路７０における最大入力電圧値を設定する為の基準値Ｖｒｅｆ１を入力して、この基準値Ｖｒｅｆ１のＫ分の１の電圧値（Ｖｒｅｆ１／Ｋ）を基準値Ｖｒｅｆ２として比較回路２０に与える。基準値生成回路７０は、抵抗分割回路により構成され得る。
【００３５】
なお、本実施形態に係る光検出装置１は制御部を更に備えているのが好適である。この制御部は、積分回路１０におけるスイッチＳＷ１０の開閉動作、計数回路４０における計数動作、保持回路５１，５２におけるスイッチＳＷ５１〜ＳＷ５４の開閉動作、および、ＡＤ変換回路７０におけるＡＤ変換動作、を所定のタイミングで制御する。
【００３６】
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。図３は、本実施形態に係る光検出装置１の動作を説明するフローチャートである。
【００３７】
時刻ｔ０に、積分回路１０のスイッチＳＷ１０が閉じて、積分容量素子Ｃ１０が放電され、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０はリセットレベルとなる。このとき、比較回路２０から出力される飽和信号φ１は論理レベルＬであり、電荷注入回路３０のスイッチＳＷ３１およびＳＷ３４それぞれは開いており、電荷注入回路３０のスイッチＳＷ３２およびＳＷ３３それぞれは閉じており、計数回路４０における計数値は値０に初期化されている。
【００３８】
時刻ｔ１に、積分回路１０のスイッチＳＷ１０が開いて、フォトダイオードＰＤで発生した電荷が積分容量素子Ｃ１０に蓄積されていき、その蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖ１０が積分回路１０から出力される。積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０は、比較回路２０により基準値Ｖｒｅｆ２と比較される。
【００３９】
時刻ｔ２に、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０が基準値Ｖｒｅｆ２に達すると、比較回路２０から出力される飽和信号φ１は論理レベルＬから論理レベルＨに転じ、これに伴い、電荷注入回路３０のスイッチＳＷ３１およびＳＷ３４それぞれは閉じるとともに、スイッチＳＷ３２およびＳＷ３３それぞれは開く。
【００４０】
そして、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０が基準値Ｖｒｅｆ２に達したときに積分容量素子Ｃ１０に蓄積されていた電荷量Ｑ１０（＝Ｃ１０・Ｖｒｅｆ２）と、そのときまでに電荷注入回路３０の容量素子Ｃ３０に蓄積されていた電荷量Ｑ３０（＝Ｃ３０・Ｖｉｎｊ）とが互いに等しければ、電荷注入回路３０の容量素子Ｃ３０に蓄積されていた電荷は積分回路１０の積分容量素子Ｃ１０に注入されて、積分容量素子Ｃ１０における電荷蓄積量はリセットされる。
【００４１】
これにより、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０は一旦リセットレベルとなり、その後に蓄積された電荷の量に応じた電圧値Ｖ１０が積分回路１０から出力される。また、直ちに、比較回路２０から出力される飽和信号φ１は論理レベルＬに転じ、これに伴い、電荷注入回路３０のスイッチＳＷ３１およびＳＷ３４それぞれは開くとともに、スイッチＳＷ３２およびＳＷ３３それぞれは閉じる。
【００４２】
時刻ｔ３，時刻ｔ４，時刻ｔ５および時刻ｔ６それぞれにおいても、時刻ｔ２における上述した一連の動作が行われる。ここで、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間τ１２、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間τ２３、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間τ３４、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの時間τ４５、および、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの時間τ５６それぞれは、この間のフォトダイオードＰＤへの入射光量が一定であれば、互いに等しい。
【００４３】
このような繰り返し動作は、積分回路１０における積分動作が開始された時刻ｔ１から一定時間Ｔが経過する時刻ｔ７（＝ｔ１＋Ｔ）まで行われる。時刻ｔ６から時刻ｔ７までの時間は、上記時間τ１２などより短い。この一定時間Ｔの間に、比較回路２０から出力される飽和信号φ１が論理レベルＬから論理レベルＨに転じる回数が計数回路４０により計数される。すなわち、計数回路４０における計数値は、時刻ｔ２に値１となり、時刻ｔ３に値２となり、時刻ｔ４に値３となり、時刻ｔ５に値４となり、時刻ｔ６に値５となる。すなわち、積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０および計数回路４０によりＡＤ変換機能が実現されている。
【００４４】
時刻ｔ７前に保持回路５１のスイッチＳＷ５１，ＳＷ５４が閉じ、時刻ｔ７に保持回路５１のスイッチＳＷ５１，ＳＷ５４が開いて、その結果、時刻ｔ７直前に積分回路１０から出力されていた電圧値Ｖ１０の値Ｖ５１が保持回路５１によりサンプリングされて保持される。また、時刻ｔ１に保持回路５２のスイッチＳＷ５１，ＳＷ５４が閉じ、時刻ｔ１直後に保持回路５２のスイッチＳＷ５１，ＳＷ５４が開いて、その結果、時刻ｔ１に積分回路１０のスイッチＳＷ１０が開くことにより生じて積分回路１０から出力されるノイズ（ｋＴＣノイズ）の値Ｖ５２が保持回路５２によりサンプリングされて保持される。
【００４５】
そして、時刻ｔ７以降の時刻ｔ８〜ｔ９の間に、保持回路５１および保持回路５２それぞれのスイッチＳＷ５２，ＳＷ５３が閉じることにより、保持回路５１により保持されていた電圧値Ｖ５１、および、保持回路５１により保持されていた電圧値Ｖ５２は、増幅回路６０に入力されて、これら２つの電圧値の差のＫ倍の電圧値（Ｋ(Ｖ５１−Ｖ５２)）が増幅回路６０から出力される。増幅回路６０から出力された電圧値はＡＤ変換回路７０に入力されて、この入力電圧値に対応するデジタル値がＡＤ変換回路７０から出力される。
【００４６】
また、時刻ｔ７以降は計数回路４０における計数動作が停止され、時刻ｔ７における計数値が計数回路４０により保持される。そして、時刻ｔ８〜ｔ９の間に、読出し部４ｎのスイッチＳＷが閉じて、その読出し部４ｎの計数回路４０により保持されていた計数値は、スイッチＳＷを経て出力される。
【００４７】
以上の動作のうち、時刻ｔ０〜ｔ７の間の動作は、Ｎ個の読出し部４１〜４Ｎにおいて並列的に同時に行われる。一方、時刻ｔ７以降の動作は、Ｎ個の読出し部４１〜４Ｎについて順次に行われる。以上のようにして、Ｎ個の読出し部４１〜４Ｎそれぞれについて順次に、フォトダイオードＰＤへの入射光量に対する出力値として、計数回路４０による計数値である第１のデジタル値、および、ＡＤ変換回路７０によるＡＤ変換結果である第２のデジタル値が得られる。
【００４８】
上述した動作から判るように、第２のデジタル値は、第１のデジタル値に対して下位に位置するものである。第１のデジタル値がＭ１ビットで表され、第２のデジタル値がＭ２ビットで表されるとすれば、この光検出装置１から出力されるデジタル値は、（Ｍ１＋Ｍ２）ビットのデータＤＭ１＋Ｍ２−１〜Ｄ０として表される。このうち、上位Ｍ１ビットのデータＤＭ１＋Ｍ２−１〜ＤＭ２は第１のデジタル値に対応し、下位Ｍ２ビットのデータＤＭ２−１〜Ｄ０は第２のデジタル値に対応する。
【００４９】
したがって、本実施形態に係る光検出装置１では、フォトダイオードＰＤへの入射光量値は、積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０および計数回路４０により実現されるＡＤ変換機能により第１のデジタル値に変換されるとともに、このＡＤ変換機能によりＡＤ変換しきれなかった残余の値は、ＡＤ変換回路７０により第２のデジタル値に変換される。したがって、この光検出装置１では、大きなダイナミックレンジで短時間に入射光量が検出され得る。また、この光検出装置１において、複数のフォトダイオードＰＤが１次元状または２次元状に配列されている場合には、大きなダイナミックレンジで入射光像が撮像され得る。
【００５０】
また、本実施形態に係る光検出装置１では、増幅回路６０は、保持回路５１から出力された電圧値Ｖ５１を入力するとともに、保持回路５２から出力された電圧値Ｖ５２を入力して、これらの入力した２つの電圧値の差をＫ倍（ただし、Ｋ＞１）にした電圧値（Ｋ(Ｖ５１−Ｖ５２)）をＡＤ変換回路７０へ出力する。そして、ＡＤ変換回路７０は、比較回路２０における基準値Ｖｒｅｆ２のＫ倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路６０から出力された電圧値を入力して、この電圧値に対応する第２のデジタル値（下位Ｍ２ビットのデータＤＭ２−１〜Ｄ０）を出力する。これにより、ＡＤ変換回路７０におけるＡＤ変換動作の際に生じるノイズがＫ分の１に抑制されるので、光検出装置１から出力されるデジタル値（データＤＭ１＋Ｍ２−１〜Ｄ０）は高精度のものとなり得る。このように、本実施形態に係る光検出装置１は、入射光量に応じた高精度のデジタル値を出力することができる。
【００５１】
以上までに説明した構成では、２個の保持回路５１および保持回路５２が設けられて、保持回路５１および保持回路５２それぞれから出力された電圧値の差をＫ倍にした電圧値が増幅回路６０から出力される。これにより、増幅回路６０から出力される電圧値は、積分回路２０で生じるノイズ成分が除去された後の値を表すものとなる。このようなノイズ成分除去の必要がない場合には、保持回路５２は設けられなくてもよい。
【００５２】
また、図４に示されるように、保持回路５０として４個の保持回路５１１，５２１，５１２，５２２が設けられてもよい。図４は、他の実施形態に係る光検出装置１Ａの詳細構成を示す図である。図４中の４個の保持回路５１１，５２１，５１２，５２２それぞれは、既に説明した図２中の保持回路５１，５２の各構成と同様の構成を有する。
【００５３】
保持回路５１１，５１２それぞれは、図２中の保持回路５１と同様に、積分回路２０から出力される電圧値（信号成分およびノイズ成分を含む）を保持し出力する。保持回路５２１，５２２それぞれは、図２中の保持回路５２と同様に、積分回路２０から出力される電圧値（ノイズ成分のみを含む）を保持し出力する。第１の組の保持回路５１１，５２１と第２の組の保持回路５１２，５２２とは、同様の動作をするものの、動作タイミングが相違する。
【００５４】
すなわち、光検出装置１Ａでは、連続する複数の期間それぞれにおいて、積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０および計数回路４０によるＡＤ変換動作が行われて、計数回路４０から計数値（第１のデジタル値）が出力されるとする。この連続する複数の期間のうち或る第１期間では、第１の組の保持回路５１１，５２１による電圧値のサンプリング動作が行われる一方で、第２の組の保持回路５１２，５２２により保持されている電圧値が増幅回路６０により増幅されＡＤ変換回路７０によりＡＤ変換されて第２のデジタル値が出力される。この第１期間に続く第２期間では、第２の組の保持回路５１２，５２２による電圧値のサンプリング動作が行われる一方で、第１の組の保持回路５１１，５２１により保持されている電圧値が増幅回路６０により増幅されＡＤ変換回路７０によりＡＤ変換されて第２のデジタル値が出力される。
【００５５】
このように、光検出装置１Ａでは、積分回路１０から出力された電圧値が第１の組の保持回路５１１，５２１と第２の組の保持回路５１２，５２２とに交互にサンプリングされ保持されて、積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０および計数回路４０による処理と、増幅回路６０およびＡＤ変換回路７０による処理とが、並列的に行われる。したがって、この光検出装置１Ａは、前述の光検出装置１と同様の効果を奏することに加えて、光検出または撮像を高速に行うことができる。
【００５６】
なお、光検出装置１Ａにおいても、積分回路２０で生じるノイズ成分の除去の必要がない場合には、保持回路５２１，５２２は設けられなくてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１…光検出装置、２…フォトダイオードアレイ、３…信号処理装置、４１〜４Ｎ…読出し部、１０…積分回路、２０…比較回路、３０…電荷注入回路、４０…計数回路、５０〜５２…保持回路、６０…増幅回路、７０…ＡＤ変換回路、８０…基準値生成回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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