(57)【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に接続される入力端と、電圧値を出力する出力端と、前記入力端と前記出力端との間に並列的に設けられたアンプおよび第１スイッチと、第１端および第２端を有し前記第１端が前記入力端に接続され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と、前記積分容量素子の前記第２端と前記出力端との間に設けられた第２スイッチと、基準電圧値が入力される基準電圧入力端と前記積分容量素子の前記第２端との間に設けられた第３スイッチとを有し、前記積分容量素子に蓄積した電荷の量に応じた電圧値を前記出力端から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、この電圧値と前記基準電圧値とを大小比較して、前記電圧値が前記基準電圧値に達したときに、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、
電荷注入指示信号に基づいて、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電圧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第１保持回路および第２保持回路と、
前記第１保持回路および前記第２保持回路それぞれにより保持され出力された電圧値を入力して、これらの入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値を出力する増幅回路と、
前記積分回路，前記電荷注入回路，前記計数回路，前記第１保持回路および前記第２保持回路それぞれの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部が、
前記積分回路の前記入力端が前記フォトダイオードに接続されていない第１期間に、前記第１スイッチを一旦閉状態とした後に開状態とすることで前記積分回路の前記出力端の電位をリセットレベルとし、前記第２スイッチを開状態とするとともに前記第３スイッチを閉状態とすることで前記積分容量素子の前記第２端の電位を前記基準電圧値とし、前記第２スイッチを閉状態とするとともに前記第３スイッチを開状態とすることで前記積分回路の前記出力端の電位を前記基準電圧値として、前記積分回路から出力された電圧値を前記第１保持回路により保持させ、その後、前記電荷注入回路に前記電荷注入指示信号を与えることで前記電荷注入回路により一定量の電荷を前記積分容量素子に注入させて、前記積分回路から出力された電圧値を前記第２保持回路により保持させ、前記第１保持回路および前記第２保持回路それぞれにより保持され出力された電圧値を入力した前記増幅回路から出力された電圧値を記憶し、
前記積分回路の前記入力端が前記フォトダイオードに接続されている第２期間に、前記第２スイッチを閉状態とするとともに前記第３スイッチを開状態とし、前記第１スイッチを一旦閉状態として前記積分回路の前記出力端の電位をリセットレベルとし、前記第１スイッチを開状態とした直後に前記積分回路から出力された電圧値を前記第２保持回路により保持させ、その後、前記比較回路から出力される前記飽和信号を前記電荷注入指示信号として前記電荷注入回路に与えるとともに、前記計数回路に計数動作を行わせ、前記第２期間終了時に前記積分回路から出力された電圧値を前記第１保持回路により保持させ、
前記第２期間終了時における前記計数回路による計数値，前記第２期間に前記第１保持回路および前記第２保持回路それぞれにより保持され出力された電圧値を入力した前記増幅回路から出力された電圧値，前記積分容量素子の容量値，ならびに，前記第１期間に記憶した電圧値に基づいて、前記フォトダイオードへの入射光量を求める、
ことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記増幅回路から出力された電圧値を入力して該電圧値に対応するデジタル値を出力するＡＤ変換回路を更に備え、
前記制御部が、前記増幅回路から出力された電圧値として前記ＡＤ変換回路から出力されたデジタル値を入力する、
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３】
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，前記第１保持回路および前記第２保持回路に対して、１個の前記増幅回路が設けられ、
各組の前記第１保持回路および前記第２保持回路それぞれ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に記載の信号処理装置。
【請求項４】
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１〜３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、そのシンチレーション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２００１−１４１５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたようなＡＤ変換機能を有する光検出装置は、設計に対する実際の特性が異なっていたり、フォトダイオードおよび信号処理装置をアレイ化した場合に各フォトダイオードに対応する信号処理装置の間で特性が異なっていたりして、入射光量に応じた高精度の値の電気信号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値の電気信号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) フォトダイオードに接続される入力端と、電圧値を出力する出力端と、入力端と出力端との間に並列的に設けられたアンプおよび第１スイッチと、第１端および第２端を有し第１端が入力端に接続され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と、積分容量素子の第２端と出力端との間に設けられた第２スイッチと、基準電圧値が入力される基準電圧入力端と積分容量素子の第２端との間に設けられた第３スイッチとを有し、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端から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、この電圧値と基準電圧値とを大小比較して、電圧値が基準電圧値に達したときに、その旨を示す飽和信号を出力する比較回路と、(3) 電荷注入指示信号に基づいて、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電圧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第１保持回路および第２保持回路と、(6) 第１保持回路および第２保持回路それぞれにより保持され出力された電圧値を入力して、これらの入力した２つの電圧値の差に応じた電圧値を出力する増幅回路と、(8) 積分回路，電荷注入回路，計数回路，第１保持回路および第２保持回路それぞれの動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る信号処理装置では、制御部は、積分回路の入力端がフォトダイオードに接続されていない第１期間に、第１スイッチを一旦閉状態とした後に開状態とすることで積分回路の出力端の電位をリセットレベルとし、第２スイッチを開状態とするとともに第３スイッチを閉状態とすることで積分容量素子の第２端の電位を基準電圧値とし、第２スイッチを閉状態とするとともに第３スイッチを開状態とすることで積分回路の出力端の電位を基準電圧値として、積分回路から出力された電圧値を第１保持回路により保持させ、その後、電荷注入回路に電荷注入指示信号を与えることで電荷注入回路により一定量の電荷を積分容量素子に注入させて、積分回路から出力された電圧値を第２保持回路により保持させ、第１保持回路および第２保持回路それぞれにより保持され出力された電圧値を入力した増幅回路から出力された電圧値を記憶する。
【０００９】
制御部は、積分回路の入力端がフォトダイオードに接続されている第２期間に、第２スイッチを閉状態とするとともに第３スイッチを開状態とし、第１スイッチを一旦閉状態として積分回路の出力端の電位をリセットレベルとし、第１スイッチを開状態とした直後に積分回路から出力された電圧値を第２保持回路により保持させ、その後、比較回路から出力される飽和信号を電荷注入指示信号として電荷注入回路に与えるとともに、計数回路に計数動作を行わせ、第２期間終了時に積分回路から出力された電圧値を第１保持回路により保持させる。
【００１０】
そして、制御部は、第２期間終了時における計数回路による計数値，第２期間に第１保持回路および第２保持回路それぞれにより保持され出力された電圧値を入力した増幅回路から出力された電圧値，積分容量素子の容量値，ならびに，第１期間に記憶した電圧値に基づいて、フォトダイオードへの入射光量を求める。
【００１１】
本発明に係る信号処理装置は、増幅回路から出力された電圧値を入力して該電圧値に対応するデジタル値を出力するＡＤ変換回路を更に備え、制御部が、増幅回路から出力された電圧値としてＡＤ変換回路から出力されたデジタル値を入力するのが好適である。
【００１２】
本発明に係る信号処理装置は、複数組の積分回路，比較回路，電荷注入回路，計数回路，第１保持回路および第２保持回路に対して、１個の増幅回路が設けられ、各組の第１保持回路および第２保持回路それぞれにより出力される電圧値を順次に増幅回路に入力するのが好適である。
【００１３】
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】
【００１４】
本発明に係る信号処理装置および光検出装置は、入射光量に応じた高精度の値の電気信号を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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の第２期間の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】本実施形態に係る光検出装置１の第２期間の動作を詳細に説明するタイミングチャートである。
【図５】本実施形態に係る光検出装置１の第１期間の動作を詳細に説明するタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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ション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。
【００１９】
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，ＡＤ変換回路７０および制御部９０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。
【００２０】
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、第１保持回路５１、第２保持回路５２およびスイッチＳＷ４０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，第１保持回路５１および第２保持回路５２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電圧値とを大小比較して、入力電圧値が基準電圧値に達したときに、その旨を示す飽和信号を計数回路４０へ出力する。
【００２１】
電荷注入回路３０は、電荷注入指示信号に基づいて、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。制御部９０から電荷注入指示信号が電荷注入回路３０へ与えられる場合と、比較回路２０から出力される飽和信号が電荷注入指示信号として電荷注入回路３０へ与えられる場合とがある。
【００２２】
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ＳＷ４０を介して共通の配線に接続されている。
【００２３】
第１保持回路５１および第２保持回路５２それぞれは、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。第１保持回路５１および第２保持回路５２は共通の構成を有する。ただし、第１保持回路５１および第２保持回路５２それぞれがサンプリングするタイミングは互いに異なる。
【００２４】
増幅回路６０の入力端は、各読出し部４ｎに含まれる第１保持回路５１および第２保持回路５２それぞれの出力端に接続されている。増幅回路６０は、各読出し部４ｎに含まれる第１保持回路５１および第２保持回路５２それぞれにより保持されて順次に出力された電圧値を入力して、これら入力した電圧値の差に応じた電圧値をＡＤ変換回路７０へ出力する。ＡＤ変換回路７０は、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。
【００２５】
制御部９０は、積分回路１０，電荷注入回路３０，計数回路４０，第１保持回路５１，第２保持回路５２およびＡＤ変換回路７０それぞれの動作を制御する。また、制御部９０は、計数回路４０から出力される計数値およびＡＤ変換回路７０から出力されるデジタル値などに基づいて所定の演算を行い、フォトダイオードＰＤへの入射光量を求める。
【００２６】
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，積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０，計数回路４０，第１保持回路５１および第２保持回路５２が示され、また、増幅回路６０およびＡＤ変換回路７０に加えてスイッチＳＷ０１，ＳＷ０２および選択回路８０が示されている。なお、スイッチＳＷ０１，ＳＷ０２は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤＮが形成されている半導体基板上に形成されていてもよいし、信号処理装置３が形成されている半導体基板上に形成されていてもよい。
【００２７】
フォトダイオードＰＤのカソード端子は接地されている。フォトダイオードＰＤのアノード端子は、スイッチＳＷ０１を介して積分回路１０の入力端に接続され、スイッチＳＷ０２を介して接地電位に接続される。スイッチＳＷ０１，ＳＷ０２のうち一方が閉じているとき他方は開いている。
【００２８】
積分回路１０は、アンプＡ１０，積分容量素子Ｃ１０，第１スイッチＳＷ１１，第２スイッチＳＷ１２および第３スイッチＳＷ１３を有する。積分回路１０の入力端は、スイッチＳＷ０１を介してフォトダイオードＰＤに接続される。積分回路１０の出力端は、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。アンプＡ１０および第１スイッチＳＷ１１は、積分回路１０の入力端と出力端との間に並列的に設けられている。アンプＡ１０の非反転入力端子は接地される。アンプＡ１０の反転入力端子は、スイッチＳＷ０１を介してフォトダイオードＰＤと接続される。
【００２９】
積分容量素子Ｃ１０は、第１端および第２端を有し、該第１端が積分回路１０の入力端に接続され、フォトダイオードＰＤから出力された電荷を蓄積する。第２スイッチＳＷ１２は、積分容量素子Ｃ１０の第２端と積分回路１０の出力端との間に設けられている。第３スイッチＳＷ１３は、基準電圧値Ｖｒｅｆが入力される基準電圧入力端と積分容量素子Ｃ１０の第２端との間に設けられている。第２スイッチＳＷ１２および第３スイッチＳＷ１３のうち一方が閉じているとき他方は開いている。すなわち、積分容量素子Ｃ１０の第２端は、第２スイッチＳＷ１２による積分回路１０の出力端との接続、および、第３スイッチＳＷ１３による基準電圧入力端との接続、の何れかとなる。
【００３０】
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と所定の基準電圧値Ｖｒｅｆとを大小比較する。そして、比較回路２０は、電圧値Ｖが基準電圧値Ｖｒｅｆに達したときに、その旨を示す飽和信号Ｓｓａｔを出力する。
【００３１】
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。
【００３２】
スイッチＳＷ３１およびＳＷ３４それぞれは、選択回路８０から出力された電荷注入指示信号φ１に基づいて開閉する。スイッチＳＷ３２およびＳＷ３３それぞれは、電荷注入指示信号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、電荷注入指示信号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。
【００３３】
選択回路８０は、比較回路２０から出力される飽和信号Ｓｓａｔ，制御部９０から与えられる電荷注入制御信号Ｓｉｎｊ，および，制御部９０から与えられる選択信号Ｓｓｅｌ，を入力する。そして、選択回路８０は、選択信号Ｓｓｅｌの値に応じて、飽和信号Ｓｓａｔおよび電荷注入制御信号Ｓｉｎｊの何れか一方を選択して電荷注入指示信号φ１として電荷注入回路３０へ与える。
【００３４】
計数回路４０は、比較回路２０から出力された飽和信号Ｓｓａｔに基づいて、積分回路１０から出力された電圧値Ｖが基準電圧値Ｖｒｅｆ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。
【００３５】
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Ｓｓａｔ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。
【００３６】
第１保持回路５１および第２保持回路５２は共通の構成を有する。第１保持回路５１および第２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の出力端に接続されており、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。
【００３７】
第１保持回路５１および第２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サンプリングされて容量素子Ｃ５０に保持される。第１保持回路５１および第２保持回路５２それぞれがサンプリングするタイミングは互いに異なる。スイッチＳＷ５２，ＳＷ５３が閉じると、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。
【００３８】
増幅回路６０は、第１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、第２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つの電圧値の差に応じた電圧値をＡＤ変換回路７０へ出力する。
【００３９】
制御部９０は、スイッチＳＷ０１，ＳＷ０２それぞれの開閉動作、積分回路１０におけるスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３それぞれの開閉動作、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、ＡＤ変換回路７０におけるＡＤ変換動作、および、選択回路８０における選択動作、を所定のタイミングで制御する。
【００４０】
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。本実施形態に係る光検出装置１の動作は、スイッチＳＷ０１が開状態であって積分回路１０の入力端がフォトダイオードＰＤに接続されていない第１期間の動作と、スイッチＳＷ０１が閉状態であって積分回路１０の入力端がフォトダイオードＰＤに接続されている第２期間の動作と、に区分される。以下では、初めに第２期間の動作について説明し、その後に第１期間の動作について説明する。これらの動作は制御部９０による制御の下に行われる。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る光検出装置１の第２期間の動作を説明するタイミングチャートである。第２期間では、積分回路１０の第２スイッチＳＷ１２は閉状態にあり、第３スイッチＳＷ１３は開状態にある。また、選択回路８０は、比較回路２０から出力される飽和信号Ｓｓａｔを電荷注入指示信号φ１として電荷注入回路３０に与える。
【００４２】
時刻ｔ０に、スイッチＳＷ０１が閉じて、フォトダイオードＰＤと積分回路１０の入力端とが互いに接続される。また、時刻ｔ０に、積分回路１０の第１スイッチＳＷ１１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Ｓｓａｔ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。
【００４３】
時刻ｔ１に、積分回路１０の第１スイッチＳＷ１１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により基準電圧値Ｖｒｅｆと比較される。
【００４４】
時刻ｔ２に、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０が基準電圧値Ｖｒｅｆに達すると、比較回路２０から出力される飽和信号Ｓｓａｔ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。
【００４５】
そして、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０が基準電圧値Ｖｒｅｆ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・Ｖｒｅｆ）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。
【００４６】
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Ｓｓａｔ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。
【００４７】
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。
【００４８】
時刻ｔ７に、スイッチＳＷ０１が開いて、フォトダイオードＰＤと積分回路１０の入力端とが互いに切り離される。以上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Ｓｓａｔ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。
【００４９】
時刻ｔ７前に第１保持回路５１のスイッチＳＷ５１，ＳＷ５４が閉じ、時刻ｔ７に第１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が第１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に第２保持回路５２のスイッチＳＷ５１，ＳＷ５４が閉じ、時刻ｔ１直後に第２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ＳＷ１１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が第２保持回路５２によりサンプリングされて保持される。
【００５０】
そして、時刻ｔ７以降の時刻ｔ８から時刻ｔ９までの間に、第１保持回路５１および第２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、第１保持回路５１により保持されていた電圧値Ｖ５１、および、第２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つの電圧値の差に応じた電圧値が増幅回路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。
【００５１】
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ＳＷ４０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ＳＷ４０を経て出力される。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
ところで、上記のようなＡＤ変換機能を有する光検出装置は、設計に対する実際の特性が異なっていたり、フォトダイオードおよび信号処理装置をアレイ化した場合に各フォトダイオードに対応する信号処理装置の間で特性が異なっていたりして、入射光量に応じた高精度の値の電気信号を出力することができない場合がある。すなわち、配線の寄生容量やアンプＡ１０の入力オフセットは、設計と実際とでは異なっていたり、アレイ化した場合に個々の間で異なっていたりすることから、入射光量に応じた高精度の値の電気信号が得られない場合がある。このことについて図４を用いて更に説明する。
【００５６】
図４は、本実施形態に係る光検出装置１の第２期間の動作を詳細に説明するタイミングチャートである。第１スイッチＳＷ１１が閉じている時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間では、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０はリセットレベルＶｒｅｓｅｔである。時刻ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６それぞれに、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０が基準電圧値Ｖｒｅｆに達し、電荷注入回路３０により積分容量素子Ｃ１０に電荷が注入されることにより、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０は基準電圧値Ｖｒｅｆから電圧値(Ｖｒｅｆ＋Ｖｐ)へ変化する。時刻ｔ７に積分回路１０から出力される電圧値Ｖ１０は、リセットレベルＶｒｅｓｅｔからＶ１＋Ｖ２ だけ変化した値となる。Ｖ１は、電荷注入回路３０による積分容量素子Ｃ１０への電荷注入後の積分回路１０の出力電圧値とリセットレベルＶｒｅｓｅｔとの差である。
【００５７】
時刻ｔ１から時刻ｔ７までの一定時間Ｔの間にフォトダイオードＰＤで発生して積分回路１０に入力された電荷の総量Ｑは、下記（１）式で表される。ここで、Ｃｆは積分回路１０の容量素子Ｃ１０の容量値であり、Ｃｐは電荷注入回路３０の容量素子Ｃ３０の容量値であり、Ｎは計数回路４０による計数値である。積分回路１０の容量素子Ｃ１０の容量値Ｃｆと電荷注入回路３０の容量素子Ｃ３０の容量値Ｃｐとが互いに等しければ、（１）式は下記（２）式となる。
【００５８】
Ｑ＝Ｎ・Ｃｐ・Ｖｐ＋（Ｖ１＋Ｖ２）・Ｃｆ      …（１）
Ｑ＝（Ｎ・Ｖｐ＋Ｖ１＋Ｖ２）・Ｃｆ            …（２）
【００５９】
この式から判るように、電荷注入回路３０による電荷注入の際の積分回路１０の出力電圧値Ｖ１０の変化量Ｖｐがばらつくと、入射光量に応じた高精度の値の電気信号が得られない。本実施形態に係る光検出装置１は、電圧変化量Ｖｐがばらついていたとしても、第１期間に電圧変化量Ｖｐを求めることにより、第２期間に入射光量に応じた高精度の値の電気信号を出力することを図るものである。
【００６０】
図５は、本実施形態に係る光検出装置１の第１期間の動作を詳細に説明するタイミングチャートである。第１期間では、スイッチＳＷ０１は開状態にあり、フォトダイオードＰＤと積分回路１０の入力端とは互いに切り離されている。また、選択回路８０は、制御部９０から出力される電荷注入制御信号Ｓｉｎｊを電荷注入指示信号φ１として電荷注入回路３０に与える。
【００６１】
時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、積分回路１０の第１スイッチＳＷ１１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Ｖｒｅｓｅｔとされる。また、時刻ｔ２までは、第２スイッチＳＷ１２が開状態であるとともに、第３スイッチＳＷ１３が閉状態であって、積分容量素子Ｃ１０の第２端（積分容量素子Ｃ１０と第２スイッチＳＷ１２との接続点）の電位が基準電圧値Ｖｒｅｆとされる。
【００６２】
時刻ｔ２に、第２スイッチＳＷ１２が閉状態に転じるとともに、第３スイッチＳＷ１３が開状態に転じて、積分回路１０の出力端の電位が基準電圧値Ｖｒｅｆとなる。その後の時刻ｔ４に、積分回路１０から出力された電圧値が第１保持回路５１によりサンプリングされて保持される。
【００６３】
その後の時刻ｔ４に、制御部９０から電荷注入制御信号Ｓｉｎｊとして電荷注入回路３０に与えられる電荷注入指示信号φ１の指示により、電荷注入回路３０のスイッチＳＷ３１およびＳＷ３４それぞれが閉じるとともにスイッチＳＷ３２およびＳＷ３３それぞれが開いて、それまで電荷注入回路３０の容量素子Ｃ３０に蓄積されていた一定量の電荷は積分回路１０の積分容量素子Ｃ１０に注入される。そして、時刻ｔ５に、積分回路１０から出力された電圧値が第２保持回路５２によりサンプリングされて保持される。
【００６４】
そして、時刻ｔ５以降の時刻ｔ６から時刻ｔ７までの間に、第１保持回路５１および第２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、第１保持回路５１により保持されていた電圧値Ｖ５１、および、第２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つの電圧値の差に応じた電圧値が増幅回路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。
【００６５】
制御部９０は、第１保持回路５１および第２保持回路５２それぞれにより保持され出力された電圧値を入力した増幅回路６０から出力された電圧値を、ＡＤ変換回路７０から出力されるデジタル値として記憶する。ここで制御部９０が記憶した値は、電荷注入回路３０による電荷注入の際の積分回路１０の出力電圧値Ｖ１０の変化量Ｖｐを表す。
【００６６】
そして、制御部９０は、第２期間終了時における計数回路２０による計数値Ｎ，第２期間に第１保持回路５１および第２保持回路５２それぞれにより保持され出力された電圧値を入力した増幅回路６０から出力された電圧値(Ｖ１＋Ｖ２)，積分容量素子の容量値Ｃｆ，ならびに，第１期間に記憶した電圧値Ｖｐに基づいて、上記（１）式または（２）式に従って、フォトダイオードＰＤへの入射光量を求める。このようにすることで、本実施形態に係る光検出装置１は、電圧変化量Ｖｐがばらついていたとしても、第２期間に入射光量に応じた高精度の値の電気信号を出力することができる。
【符号の説明】
【００６７】
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、５１…第１保持回路、５２…第２保持回路、６０…増幅回路、７０…ＡＤ変換回路、８０…選択回路、９０…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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