(57)【要約】【課題】複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を生成することができる光電変換装置を提供する。【解決手段】ＩＶ変換器２１−１は、異なる容量のキャパシタＣ１〜Ｃ３を充電することにより、電圧Ｖ１〜Ｖ３をそれぞれ発生する複数の積分回路と、積分回路のいずれか１つに光電流を供給するスイッチＳＷ０〜ＳＷ３と、各積分回路に係る電圧Ｖ１〜Ｖ３と基準電圧ＶＲＥＦとの第１の電位差がしきい値電圧Ｖｓａｔと基準電圧ＶＲＥＦとの第２の電位差を超えるか否かを判定して各積分回路に係る各第２の電圧を出力する判定回路５２，５３，５４と、各積分回路に係る各第２の電圧を加算して出力電圧ＶＯＵＴとして発生する合成器５７とを備える。判定回路５２，５３，５４は、第１の電位差が第２の電位差を超えるとき、第２の電位差を第２の電圧として出力し、そうでないとき、第１の電位差を第２の電圧として出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の強度に対応する大きさの光電流を発生する少なくとも１つの光電変換手段と、
上記光電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段とを備えた光電変換装置であって、
上記電流電圧変換手段は、
互いに異なる容量を有するキャパシタにそれぞれ接続され、上記キャパシタを充電することにより、予め決められた基準電圧から変化した第１の電圧をそれぞれ発生する複数の積分回路と、
上記光電変換手段と上記複数の積分回路との間に設けられ、上記複数の積分回路のうちのいずれか１つに上記光電流を供給するスイッチと、
上記各積分回路に係る第１の電圧と上記基準電圧との第１の電位差が予め決められたしきい値電圧と上記基準電圧との第２の電位差を超えるか否かを判定して上記各積分回路に係る各第２の電圧を出力する判定回路であって、上記第１の電位差が上記第２の電位差を超えるとき、上記第２の電位差を上記第２の電圧として出力し、上記第１の電位差が上記第２の電位差以下であるとき、上記第１の電位差を上記第２の電圧として出力する判定回路と、
上記各積分回路に係る各第２の電圧を加算して上記出力電圧として発生する合成器とを備えたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
上記複数の積分回路のうちの１つの積分回路に係る第１の電圧と上記基準電圧との第１の電位差が上記しきい値電圧と上記基準電圧との第２の電位差以下であるとき、当該１つの積分回路に接続されたキャパシタよりも小さい容量のキャパシタに接続された積分回路には、上記光電流の供給を停止することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
上記光電変換装置は、上記複数の積分回路にそれぞれ接続された上記キャパシタをさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置。
【請求項４】
アレー状に配置された複数の光電変換手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の光電変換装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の光電変換装置を備えたことを特徴とする画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ等の光学系から得られた入射光を電気信号に変換する光電変換装置に関し、また、当該光電変換装置を備えた画像生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セキュリティ用途の監視カメラ、運転支援のための車載カメラ、などのカメラでは、夜間においても、又は光の届きにくい場所においても、人、物、及び文字を認識できるように、高い感度が必要とされる。このようなカメラでは、さらに、画面内に大きな明暗差あった場合（地下駐車場から出口を見たとき、等）においても「白とび」及び「黒つぶれ」が発生しないように、広いダイナミックレンジが必要とされる。
【０００３】
一般的なＣＣＤ又はＣＭＯＳ光電変換装置のダイナミックレンジは、光電変換装置の各画素セルに蓄積できる電荷量によって制約されている。しかしながら、例えば、露光時間やアイリス絞りなどの条件を変えて撮影した複数の画像を合成することで光電変換装置のダイナミックレンジを拡大できることが既に知られている。また、光電変換装置のダイナミックレンジを拡大する方法として、例えば特許文献１及び２の発明がある。
【０００４】
例えば、特許文献１のイメージングシステムは、光検出器のアレイを有し、該光検出器の各々が、積分期間中の光検出の結果として該積分期間中にチャージを蓄積し、前記アレイが該積分期間中に増加するチャージ容量を有するイメージャと、前記イメージャに結合され、少なくとも１つ前の積分期間中の前記イメージャによって検出された輝度分散に基づいて、前記イメージャが前記アレイのチャージ容量をどのように増加させるかを調整するチャージ容量コントローラと、を含む。特許文献１の発明は、光電変換装置のダイナミックレンジを拡大する目的で、チャージ容量制御電圧をコントロールすることによりチャージ容量を増加させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、光電変換装置のダイナミックレンジを拡大する従来技術の方法によれば、高感度及び広ダイナミックレンジを達成できるが、その一方で、画素セルの後段の演算回路は、撮像条件を変えるためにレンズ及び画素セルと連動した複雑な制御を行い、また、画像合成などの高度な処理を行う必要があり、大きな負荷がかかっていた。このため、従来技術の方法では、演算回路が高速処理を行うことによる消費電力の増加、発熱、メモリ領域を確保するための面積の増加など、さまざまな物理的な問題があった。また、従来技術の方法を実施するシステムは複雑になるので、その開発期間が長くなるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、画像生成装置のための光電変換装置であって、複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を生成することができる光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様に係る光電変換装置は、
入射光の強度に対応する大きさの光電流を発生する少なくとも１つの光電変換手段と、
上記光電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段とを備えた光電変換装置であって、
上記電流電圧変換手段は、
互いに異なる容量を有するキャパシタにそれぞれ接続され、上記キャパシタを充電することにより、予め決められた基準電圧から変化した第１の電圧をそれぞれ発生する複数の積分回路と、
上記光電変換手段と上記複数の積分回路との間に設けられ、上記複数の積分回路のうちのいずれか１つに上記光電流を供給するスイッチと、
上記各積分回路に係る第１の電圧と上記基準電圧との第１の電位差が予め決められたしきい値電圧と上記基準電圧との第２の電位差を超えるか否かを判定して上記各積分回路に係る各第２の電圧を出力する判定回路であって、上記第１の電位差が上記第２の電位差を超えるとき、上記第２の電位差を上記第２の電圧として出力し、上記第１の電位差が上記第２の電位差以下であるとき、上記第１の電位差を上記第２の電圧として出力する判定回路と、
上記各積分回路に係る各第２の電圧を加算して上記出力電圧として発生する合成器とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の光電変換装置によれば、画像生成装置のための光電変換装置であって、複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を生成することができる光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１の詳細構成を示す回路図である。
【図３】図１のＩＶ変換器２１−１によって実行される出力電圧生成処理を示すフローチャートである。
【図４】図３の出力電圧生成処理において生成される出力電圧ＶＯＵＴを示す表である。
【図５】比較例に係る光電変換装置のＩＶ変換器２１Ａ−１の詳細構成を示す回路図である。
【図６】図５のＩＶ変換器２１Ａ−１によって生成される出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。
【図７】図５のキャパシタＣ１１の容量が小さいときにおける、図５のＩＶ変換器２１Ａ−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。
【図８】図５のキャパシタＣ１１の容量が中程度のときにおける、図５のＩＶ変換器２１Ａ−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。
【図９】図５のキャパシタＣ１１の容量が大きいときにおける、図５のＩＶ変換器２１Ａ−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。
【図１０】入射光の強度が大きいときにおける、図２のオペアンプ５１の出力電圧Ｖ１を示すグラフである。
【図１１】入射光の強度が大きいときにおける、図２のオペアンプ５３の出力電圧Ｖ２を示すグラフである。
【図１２】入射光の強度が大きいときにおける、図２のオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３を示すグラフである。
【図１３】入射光の強度が大きいときにおける、図１のＩＶ変換器２１−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。
【図１４】入射光の強度が中程度のときにおける、図２のオペアンプ５１の出力電圧Ｖ１を示すグラフである。
【図１５】入射光の強度が中程度のときにおける、図２のオペアンプ５３の出力電圧Ｖ２を示すグラフである。
【図１６】入射光の強度が中程度のときにおける、図２のオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３を示すグラフである。
【図１７】入射光の強度が中程度のときにおける、図１のＩＶ変換器２１−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。
【図１８】入射光の強度が小さいときにおける、図２のオペアンプ５１の出力電圧Ｖ１を示すグラフである。
【図１９】入射光の強度が小さいときにおける、図２のオペアンプ５３の出力電圧Ｖ２を示すグラフである。
【図２０】入射光の強度が小さいときにおける、図２のオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３を示すグラフである。
【図２１】入射光の強度が小さいときにおける、図１のＩＶ変換器２１−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。
【図２２】入射光の強度に対する出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る光電変換装置について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。図１の光電変換装置は、２次元アレー状に配置された複数の画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎと、複数の行選択線１２−１〜１２−Ｍと、複数の列出力線１３−１〜１３−Ｎと、行セレクタ１０と、ＩＶ変換回路２０と、ＡＤ変換回路３０とを備える。
【００１２】
画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのそれぞれは、入射光の強度に対応する大きさの出力電流（光電流）を発生するフォトトランジスタをそれぞれ含む光電変換手段として動作する。画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのそれぞれは、行選択線１２−１〜１２−Ｍのうちの１つに接続され、さらに、列出力線１３−１〜１３−Ｎのうちの１つに接続される。１つの列出力線１３−ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）には、異なる行選択線１２−１〜１２−Ｍにそれぞれ接続された画素セル１１−１−ｎ〜１１−Ｍ−ｎが接続され、行セレクタ１０は、行選択線１２−１〜１２−Ｍを用いて、画素セル１１−１−ｎ〜１１−Ｍ−ｎのうちの１つのみをイネーブルにする。イネーブルにされた画素セルは、光が入射したとき、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を、列出力線を介してＩＶ変換回路２０に送る。
【００１３】
ＩＶ変換回路２０は、列出力線１３−１〜１３−Ｎにそれぞれ接続されたＩＶ変換器２１−１〜２１−Ｎを備える。ＩＶ変換器２１−１〜２１−Ｎは、画素セルの出力電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段として動作する。
【００１４】
ＡＤ変換回路３０は、ＩＶ変換回路２０の出力電圧に対するアナログ／ディジタル変換などの処理を実行して、出力画像信号を生成する。
【００１５】
図２は、図１の画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１の詳細構成を示す回路図である。
【００１６】
図２の画素セル１１−１−１は、フォトトランジスタ４１及びスイッチ４２を備え、フォトトランジスタ４１のコレクタは電圧源ＶＣＣに接続され、フォトトランジスタ４１のエミッタはスイッチ４２を介して列出力線１３−１に接続される。スイッチ４２は、行選択線１２−１を用いてオンにされ、画素セル１１−１−１をイネーブルにする。スイッチ４２は、例えばＰＭＯＳトランジスタであるときは、行選択線１２−１がローレベルのときにオンになり、例えばＮＭＯＳトランジスタであるときは、行選択線１２−１がハイレベルのときにオンになる。
【００１７】
図２のＩＶ変換器２１−１は、オペアンプ５１，５３，５５及びキャパシタＣ１〜Ｃ３からなる３つの積分回路と、予め決められた基準電圧ＶＲＥＦの電圧源と、各積分回路に接続された判定回路５２，５４，５６と、各判定回路５２，５４，５６の出力電圧Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ３を加算してＩＶ変換器２１−１の出力電圧ＶＯＵＴとして発生する合成器とを備える。ＩＶ変換器２１−１は、さらに、３つの積分回路のうちのいずれか１つに画素セル１１−１−１の出力電流を供給するスイッチＳＷ０〜ＳＷ３と、スイッチＳＷ０〜ＳＷ３を制御する制御回路５８とを備える。
【００１８】
各オペアンプ５１，５３，５５の反転入力端子には画素セル１１−１−１の出力電流が入力され、各オペアンプ５１，５３，５５の非反転入力端子には基準電圧ＶＲＥＦが入力される。キャパシタＣ１〜Ｃ３の容量は互いに異なる。本実施形態の例では、キャパシタＣ２の容量はキャパシタＣ１の容量よりも大きく、キャパシタＣ３の容量はキャパシタＣ２の容量よりも大きい。各オペアンプ５１，５３，５５の反転入力端子は、仮想接地により基準電圧ＶＲＥＦに固定されているので、キャパシタＣ１〜Ｃ３に電荷が蓄積されるほど、各オペアンプ５１，５３，５５の出力電圧は低くなる。各積分回路は、キャパシタＣ１〜Ｃ３を充電することにより、基準電圧ＶＲＥＦから変化した各積分回路の出力電圧（すなわち、各オペアンプ５１，５３，５５の出力電圧）Ｖ１〜Ｖ３をそれぞれ発生する。なお、各積分回路は、実際には、キャパシタに蓄積された電荷を放電するためのリセットスイッチをさらに備えるが、図示の簡単化のために省略する。
【００１９】
各判定回路５２，５４，５６は、各積分回路の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３と基準電圧ＶＲＥＦとの第１の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖ１，ＶＲＥＦ−Ｖ２，ＶＲＥＦ−Ｖ３）が、予め決められたしきい値電圧Ｖｓａｔと基準電圧ＶＲＥＦとの第２の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ）を超えるか否かを判定して、各積分回路に対応する各判定回路５２，５４，５６の出力電圧Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ３を発生する。しきい値電圧Ｖｓａｔは、各積分回路の飽和電圧よりも高く設定される。各判定回路５２，５４，５６は、第１の電位差が第２の電位差を超えるとき、第２の電位差を各判定回路５２，５４，５６の出力電圧として出力し、第１の電位差が第２の電位差以下であるとき、第１の電位差を各判定回路５２，５４，５６の出力電圧として出力する。
【００２０】
制御回路５８は、３つの積分回路のうちの１つの積分回路の出力電圧と基準電圧ＶＲＥＦとの第１の電位差が、しきい値電圧Ｖｓａｔと基準電圧ＶＲＥＦとの第２の電位差以下であるとき、当該１つの積分回路のキャパシタよりも小さい容量のキャパシタを含む積分回路には、画素セルの出力電流の供給を停止するようにスイッチＳＷ０〜ＳＷ３を制御する。
【００２１】
他の画素セル及び他のＩＶ変換器も、図２の画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１と同様に構成される。
【００２２】
以下、図５〜図２１を参照して、図１の光電変換装置の動作原理について説明する。各図において、説明の簡単化のために、キャパシタに定電流で電荷が蓄積されていくと仮定する。
【００２３】
図５は、比較例に係る光電変換装置のＩＶ変換器２１Ａ−１の詳細構成を示す回路図である。図５のＩＶ変換器２１Ａ−１は、オペアンプ６１及びキャパシタＣ１１からなる１つの積分回路と、予め決められた基準電圧ＶＲＥＦの電圧源とを備える。画素セル（図示せず）内のスイッチがオンすると、入射光の強度に対応する大きさの画素セルの出力電流がキャパシタＣ１１へ流れる。オペアンプ６１の反転入力端子は、仮想接地により基準電圧ＶＲＥＦに固定されているので、キャパシタＣ１１に電荷が蓄積されるほど、オペアンプ６１の出力電圧は低くなる。
【００２４】
図６は、図５のＩＶ変換器２１Ａ−１によって生成される出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。図６は、画素セルの出力電流がキャパシタＣ１１に蓄積されているときの出力電圧ＶＯＵＴの変化を示す。「（強）」、「（中）」、及び「（弱）」は、入射光の強度を示し、これは、画素セルの出力電流の大きさに対応する。入射光の強度が「（強）」、「（中）」、及び「（弱）」のいずれの場合でも、キャパシタＣ１１に定電流で電荷が蓄積されていくと、出力電圧ＶＯＵＴは時間とともにリニアに低下し、その傾きの絶対値は、入射光の強度が大きいほど急になる。入射光の強度を示す信号として使用されるものは、基準電圧ＶＲＥＦと出力電圧ＶＯＵＴ（時間Ｔ１における読み取り値）との電位差であり、図６では、これを「信号量Δ（中）」として示す。入射光の強度が一定以上大きくなると、出力電圧ＶＯＵＴは飽和電圧に到達してしまう。出力電圧ＶＯＵＴが飽和してしまうと、それ以上の入射光の強度を判別することは不可能になる。キャパシタＣ１１を充電する時間を長くとると、入射光の強度に関わらず出力電圧ＶＯＵＴはいずれ飽和してしまうが、図６では、信号読み取り期間として設定された一定時間の範囲だけにわたって出力電圧ＶＯＵＴの変化を示す。
【００２５】
図７は、図５のキャパシタＣ１１の容量が小さいときにおける、図５のＩＶ変換器２１Ａ−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。キャパシタＣ１１の容量が小さく、出力電圧ＶＯＵＴの傾きが急なので、入射光の強度「（強）」及び「（中）」のときの出力電圧ＶＯＵＴは、信号読み取り期間内に飽和電圧に到達してしまっている。一方、入射光の強度「（弱）」のときの出力電圧ＶＯＵＴは、入射光の強度「（強）」及び「（中）」のときの出力電圧ＶＯＵＴに比べて、傾きがなだらかであり、信号読み取り期間内に飽和電圧に到達しない。従って、小さい容量のキャパシタＣ１１を備えた積分回路は、入射光の強度が小さいときの撮影に適している。図８は、図５のキャパシタＣ１１の容量が中程度のときにおける、図５のＩＶ変換器２１Ａ−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。図７と比較して、キャパシタＣ１１の容量が増えた結果、出力電圧ＶＯＵＴの傾きが小さくなっている。入射光の強度「（中）」のときの出力電圧ＶＯＵＴが、飽和せずに読み取り可能な値を示す一方で、入射光の強度「（弱）」のときの出力電圧ＶＯＵＴでは、基準電圧ＶＲＥＦと出力電圧ＶＯＵＴとの電位差が小さくなっている。図９は、図５のキャパシタＣ１１の容量が大きいときにおける、図５のＩＶ変換器２１Ａ−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。入射光の強度「（強）」のときの出力電圧ＶＯＵＴであっても飽和せずに読み取り可能な値を示す。従って、大きい容量のキャパシタＣ１１を備えた積分回路は、入射光の強度が大きいときの撮影に適している。また、入射光の強度「（弱）」のときの、基準電圧ＶＲＥＦと出力電圧ＶＯＵＴとの電位差はほぼ０になる。
【００２６】
次に、図１０〜図２１を参照して、図１の光電変換装置の動作原理について説明する。
【００２７】
図１０は、入射光の強度が大きいときにおける、図２のオペアンプ５１の出力電圧Ｖ１を示すグラフである。各判定回路５２，５４，５６は、各積分回路の飽和電圧よりも高く設定されたしきい値電圧Ｖｓａｔを使用する。オペアンプ５１の出力電圧Ｖ１が飽和電圧に到達してしまうので、基準電圧ＶＲＥＦとしきい値電圧Ｖｓａｔとの電位差を、入射光の強度を示す信号として使用する（信号量Δ１＝ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ）。図１１は、入射光の強度が大きいときにおける、図２のオペアンプ５３の出力電圧Ｖ２を示すグラフである。オペアンプ５３の出力電圧Ｖ２が飽和電圧に到達してしまうので、基準電圧ＶＲＥＦとしきい値電圧Ｖｓａｔとの電位差を、入射光の強度を示す信号として使用する（信号量Δ２＝ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ）。図１２は、入射光の強度が大きいときにおける、図２のオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３を示すグラフである。キャパシタＣ３の容量は、想定する光信号の強度の範囲では飽和しないように選択されている。従って、基準電圧ＶＲＥＦとオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３との電位差を、入射光の強度を示す信号として使用する（信号量Δ３＝ＶＲＥＦ−Ｖ３）。図１３は、入射光の強度が大きいときにおける、図１のＩＶ変換器２１−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。図１０〜図１２の電位差（信号量Δ１〜Δ３）を加算することで、最終的に、入射光の強度（照度）を示す出力電圧ＶＯＵＴが得られる（ＶＯＵＴ＝Δ１＋Δ２＋Δ３＝３×ＶＲＥＦ−２×Ｖｓａｔ−Ｖ３）。
【００２８】
図１４は、入射光の強度が中程度のときにおける、図２のオペアンプ５１の出力電圧Ｖ１を示すグラフである。オペアンプ５１の出力電圧Ｖ１が飽和電圧に到達してしまうので、基準電圧ＶＲＥＦとしきい値電圧Ｖｓａｔとの電位差を、入射光の強度を示す信号として使用する（信号量Δ１＝ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ）。図１５は、入射光の強度が中程度のときにおける、図２のオペアンプ５３の出力電圧Ｖ２を示すグラフである。基準電圧ＶＲＥＦとオペアンプ５３の出力電圧Ｖ２との電位差を、入射光の強度を示す信号として使用する（信号量Δ２＝ＶＲＥＦ−Ｖ２）。図１６は、入射光の強度が中程度のときにおける、図２のオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３を示すグラフである。オペアンプ５３の出力電圧Ｖ２が飽和電圧に到達しないので、キャパシタＣ３を含む積分回路には、画素セルの出力電流の供給を停止する。従って、基準電圧ＶＲＥＦとオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３との電位差はゼロである（信号量Δ３＝ＶＲＥＦ−Ｖ３＝０）。図１７は、入射光の強度が中程度のときにおける、図１のＩＶ変換器２１−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。図１４〜図１６の電位差（信号量Δ１〜Δ３）を加算することで、最終的に、入射光の強度（照度）を示す出力電圧ＶＯＵＴが得られる（ＶＯＵＴ＝Δ１＋Δ２＋Δ３＝Δ１＋Δ２＝２×ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ−Ｖ２）。
【００２９】
図１８は、入射光の強度が小さいときにおける、図２のオペアンプ５１の出力電圧Ｖ１を示すグラフである。基準電圧ＶＲＥＦとオペアンプ５１の出力電圧Ｖ１との電位差を、入射光の強度を示す信号として使用する（信号量Δ１＝ＶＲＥＦ−Ｖ１）。図１９は、入射光の強度が小さいときにおける、図２のオペアンプ５３の出力電圧Ｖ２を示すグラフである。図２０は、入射光の強度が小さいときにおける、図２のオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３を示すグラフである。オペアンプ５１の出力電圧Ｖ１が飽和電圧に到達しないので、キャパシタＣ２，Ｃ３を含む積分回路には、画素セルの出力電流の供給を停止する。従って、基準電圧ＶＲＥＦとオペアンプ５３の出力電圧Ｖ２との電位差はゼロであり（信号量Δ２＝ＶＲＥＦ−Ｖ２＝０）、基準電圧ＶＲＥＦとオペアンプ５５の出力電圧Ｖ３との電位差はゼロである（信号量Δ３＝ＶＲＥＦ−Ｖ３＝０）。図２１は、入射光の強度が小さいときにおける、図１のＩＶ変換器２１−１の出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。図１８〜図２０の電位差（信号量Δ１〜Δ３）を加算することで、最終的に、入射光の強度（照度）を示す出力電圧ＶＯＵＴが得られる（ＶＯＵＴ＝Δ１＋Δ２＋Δ３＝Δ１＝ＶＲＥＦ−Ｖ１）。
【００３０】
以上の説明では、キャパシタに定電流で電荷が蓄積されていくと仮定したが、説明した原理は、キャパシタに電荷を蓄積する電流が時間的に変化する場合であっても、同様にあてはまる。
【００３１】
次に、図３を参照して、図１のＩＶ変換器２１−１の動作について説明する。
【００３２】
図３は、図１のＩＶ変換器２１−１によって実行される出力電圧生成処理を示すフローチャートである。画素セル１１−１−１のスイッチ４２がオンされたとき、制御回路５８は、ＩＶ変換器２１−１の初期状態として、スイッチＳＷ０〜ＳＷ３をオフする。ステップＳ１において、制御回路５８は、スイッチＳＷ０をオンする。ステップＳ２において、制御回路５８は、スイッチＳＷ１をオンしてキャパシタＣ１に充電し、信号読み取り期間として設定された一定時間Ｔ１の後にスイッチＳＷ１をオフする。ステップＳ３において、判定回路５２は、オペアンプ５１の出力電圧Ｖ１と基準電圧ＶＲＥＦとの第１の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖ１）が、しきい値電圧Ｖｓａｔと基準電圧ＶＲＥＦとの第２の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ）を超えるか否かを判定して、判定回路５２の出力電圧Ｖｏｕｔ１を発生する。判定回路５２は、電位差を比較することに代えて、オペアンプ５１の出力電圧Ｖ１としきい値電圧Ｖｓａｔとを比較してもよい。判定回路５２は、第１の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖ１）が第２の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ）を超えるとき（ステップＳ３がＹＥＳ）、ステップＳ４において、第２の電位差を判定回路５２の出力電圧Ｖｏｕｔ１として出力し、第１の電位差が第２の電位差以下であるとき（ステップＳ３がＮＯ）、ステップＳ５において、第１の電位差を判定回路５２の出力電圧Ｖｏｕｔ１として出力する。ステップＳ６において、制御回路５８は、スイッチＳＷ０をオフする。
【００３３】
ステップＳ７において、制御回路５８は、スイッチＳＷ２をオンしてキャパシタＣ２に充電し、信号読み取り期間として設定された一定時間Ｔ１の後にスイッチＳＷ２をオフする。ステップＳ８において、判定回路５４は、オペアンプ５３の出力電圧Ｖ２と基準電圧ＶＲＥＦとの第１の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖ２）が、しきい値電圧Ｖｓａｔと基準電圧ＶＲＥＦとの第２の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ）を超えるか否かを判定して、判定回路５４の出力電圧Ｖｏｕｔ２を発生する。判定回路５４は、電位差を比較することに代えて、オペアンプ５３の出力電圧Ｖ２としきい値電圧Ｖｓａｔとを比較してもよい。判定回路５４は、第１の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖ２）が第２の電位差（ＶＲＥＦ−Ｖｓａｔ）を超えるとき（ステップＳ８がＹＥＳ）、ステップＳ９において、第２の電位差を判定回路５４の出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力し、第１の電位差が第２の電位差以下であるとき（ステップＳ８がＮＯ）、ステップＳ１０において、第１の電位差を判定回路５４の出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力する。ステップＳ１１において、制御回路５８は、スイッチＳＷ０をオフする。
【００３４】
ステップＳ１２において、制御回路５８は、スイッチＳＷ３をオンしてキャパシタＣ３に充電し、信号読み取り期間として設定された一定時間Ｔ１の後にスイッチＳＷ３をオフする。前述のように、キャパシタＣ３の容量は、想定する入射光の強度の範囲では飽和しないように選択されている。従って、ステップＳ１３において、判定回路５６は、オペアンプ５５の出力電圧Ｖ３をそのまま、判定回路５６の出力電圧Ｖｏｕｔ３として出力する。
【００３５】
ステップＳ１４において、合成器５７は、判定回路５２、５４、５６の出力電圧Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ３を加算して、ＩＶ変換器２１−１の出力電圧ＶＯＵＴとして生成する。
【００３６】
ステップＳ６においてスイッチＳＷ０をオフした場合、画素セル１１−１−１の出力電流がオペアンプ５３，５５に入力されなくなる。従って、オペアンプ５３，５５の出力電圧Ｖ２，Ｖ３は基準電圧ＶＲＥＦに等しくなり、判定回路５４，５６の出力電流Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ３は、ＶＲＥＦ−ＶＲＥＦ＝０に等しくなる。ステップＳ１１においてスイッチＳＷ０をオフした場合も同様に、オペアンプ５５の出力電圧Ｖ３は基準電圧ＶＲＥＦに等しくなり、判定回路５６の出力電流Ｖｏｕｔ３は、ＶＲＥＦ−ＶＲＥＦ＝０に等しくなる。
【００３７】
図４は、図３の出力電圧生成処理において生成される出力電圧ＶＯＵＴを示す表である。図１０〜図２１を参照して説明したように、入射光の強度の大きさ（すなわち、対応する光電流の強さ）にかかわらず、飽和しない最終的な出力電圧ＶＯＵＴを発生することができる。
【００３８】
図２２は、入射光の強度に対する出力電圧ＶＯＵＴを示すグラフである。入射光の強度が小さい場合（暗）には、小さい容量のキャパシタＣ１を含む積分回路を使用し、入射光の強度が中程度の場合（中間）には、中程度の容量のキャパシタＣ２を含む積分回路を使用し、入射光の強度が大きい場合（明）には、大きい容量のキャパシタＣ３を含む積分回路を使用する。各積分回路のキャパシタＣ１〜Ｃ３の容量が図２２の傾きに反映される。照度に対する出力電圧ＶＯＵＴの変化は、入射光の強度が小さい場合には大きく、入射光の強度が大きい場合には小さくなり、結果として、広いダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の光電変換装置によれば、画像生成装置のための光電変換装置であって、複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を生成することができる光電変換装置を提供することができる。
【００４０】
光電変換素子であるフォトトランジスタは、照度に対して広い範囲でリニアな出力電流が得られることが知られているが、これは、直流電流増幅率（ｈＦＥ）で増幅された大きな電流であるので、一般的な積分回路では扱える入射光の強度の範囲が制限されてしまう。一方、本実施形態の光電変換装置では、互いに異なる容量を有するキャパシタをそれぞれ含む複数の積分回路を用いてＩＶ変換して出力電圧ＶＯＵＴを圧縮することにより、複雑な制御又は処理を必要とせず、広いダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【００４１】
変形例．
本発明の実施形態は、以上に説明した実施形態に限定されない。例えば、図２のＩＶ変換器２１−１は、３つの積分回路（すなわち、３種類の異なる容量のキャパシタＣ１〜Ｃ３）を備えているが、互いに異なる容量を有するキャパシタをそれぞれ含む２つ、又は４つ以上の積分回路を備えてもよい。より多くの積分回路（すなわち、より多様な容量のキャパシタ）を用いることで、より細やかなコントラストが実現可能になる。
【００４２】
画素セルのそれぞれは、電流増幅機能をさらに備えてもよく、また、フォトトランジスタのベース電位をリセットする機能をさらに備えてもよい。
【００４３】
列出力線ごとに１つずつのＩＶ変換器を配置してもよく、また、２つ以上の列出力線で１つのＩＶ変換器を共用してもよい。後者の場合、列出力線を選択する機能をＩＶ変換器に追加する必要がある。
【００４４】
ＩＶ変換器ごとに１つずつのＡＤ変換器を配置してもよく、また、２つ以上のＩＶ変換器の出力電圧に対して１つのＡＤ変換器を配置し、ＡＤ変換器を時分割で共用してもよい。
【００４５】
光電変換装置、ＩＶ変換回路２０、又は各ＩＶ変換器２１−１〜２１−Ｎは、単一の集積回路として構成されてもよい。また、各積分回路のキャパシタは、大きな容量が必要な場合には、集積回路として構成された光電変換装置、ＩＶ変換回路２０、又は各ＩＶ変換器２１−１〜２１−Ｎの外部に接続されてもよい。
【００４６】
以上説明した実施形態及び変形例に係る光電変換装置を用いて、センサ、撮像装置、事務機器、科学機器などの画像生成装置を提供してもよい。
【００４７】
本発明の態様に係る光電変換装置及び画像生成装置は、以下の構成を備えたことを特徴とする。
【００４８】
本発明の第１の態様に係る光電変換装置は、
入射光の強度に対応する大きさの光電流を発生する少なくとも１つの光電変換手段と、
上記光電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段とを備えた光電変換装置であって、
上記電流電圧変換手段は、
互いに異なる容量を有するキャパシタにそれぞれ接続され、上記キャパシタを充電することにより、予め決められた基準電圧から変化した第１の電圧をそれぞれ発生する複数の積分回路と、
上記光電変換手段と上記複数の積分回路との間に設けられ、上記複数の積分回路のうちのいずれか１つに上記光電流を供給するスイッチと、
上記各積分回路に係る第１の電圧と上記基準電圧との第１の電位差が予め決められたしきい値電圧と上記基準電圧との第２の電位差を超えるか否かを判定して上記各積分回路に係る各第２の電圧を出力する判定回路であって、上記第１の電位差が上記第２の電位差を超えるとき、上記第２の電位差を上記第２の電圧として出力し、上記第１の電位差が上記第２の電位差以下であるとき、上記第１の電位差を上記第２の電圧として出力する判定回路と、
上記各積分回路に係る各第２の電圧を加算して上記出力電圧として発生する合成器とを備えたことを特徴とする。
【００４９】
本発明の第２の態様に係る光電変換装置は、第１の態様に係る光電変換装置において、上記複数の積分回路のうちの１つの積分回路に係る第１の電圧と上記基準電圧との第１の電位差が上記しきい値電圧と上記基準電圧との第２の電位差以下であるとき、当該１つの積分回路に接続されたキャパシタよりも小さい容量のキャパシタに接続された積分回路には、上記光電流の供給を停止することを特徴とする。
【００５０】
本発明の第３の態様に係る光電変換装置は、第１又は第２の態様に係る光電変換装置において、上記複数の積分回路にそれぞれ接続された上記キャパシタをさらに備えたことを特徴とする。
【００５１】
本発明の第４の態様に係る光電変換装置は、第１〜第３のいずれか１つの態様に係る光電変換装置において、アレー状に配置された複数の光電変換手段を備えたことを特徴とする。
【００５２】
本発明の第５の態様に係る画像生成装置は、第１〜第４のいずれか１つの態様に係る光電変換装置を備えたことを特徴とする。
【符号の説明】
【００５３】
１０…行セレクタ、
１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎ…画素セル、
１２−１〜１２−Ｍ，２１−１Ａ，２１−１Ｂ，２１−１Ｃ…行選択線、
１３−１〜１３−Ｎ…列出力線、
２０…ＩＶ変換回路、
２１−１〜２１−Ｎ…ＩＶ変換器、
３０…ＡＤ変換回路、
４１…フォトトランジスタ、
４２…スイッチ、
５１，５３，５５…オペアンプ、
５２，５４，５６…判定回路、
５７…合成器、
５８…制御回路、
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…キャパシタ、
ＳＷ０〜ＳＷ３…スイッチ、
ＶＲＥＦ…基準電圧。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５４】
【特許文献１】特表２００２−５０２５７７号公報
【特許文献２】特許第３９７６７５４号公報
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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