JP2005218052A - 光検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 入射光強度分布が時間的に変化する場合であっても同一タイミングで入射光強度分布を得ることができる光検出装置を提供する。
【解決手段】 光検出装置の第1信号処理部21は、読出回路RA,1〜RA,M、保持回路HA,1,1〜HA,M,1、保持回路HA,1,2〜HA,M,2および減算回路SAを含む。読出回路RA,mは、配線LA,mと接続されていて、配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、その保持した電荷の量に応じた電圧値を出力する。配線LA,mは、M行N列に2次元配列されたフォトダイオードのうち第m行にあるN個のフォトダイオードを電気的に接続する。保持回路HA,m,1は、入力端がスイッチSW11を介して読出回路RA,mの出力端と接続されており、スイッチSW11が閉じているときに読出回路RA,mから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。
【選択図】 図4
【解決手段】 光検出装置の第1信号処理部21は、読出回路RA,1〜RA,M、保持回路HA,1,1〜HA,M,1、保持回路HA,1,2〜HA,M,2および減算回路SAを含む。読出回路RA,mは、配線LA,mと接続されていて、配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、その保持した電荷の量に応じた電圧値を出力する。配線LA,mは、M行N列に2次元配列されたフォトダイオードのうち第m行にあるN個のフォトダイオードを電気的に接続する。保持回路HA,m,1は、入力端がスイッチSW11を介して読出回路RA,mの出力端と接続されており、スイッチSW11が閉じているときに読出回路RA,mから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。
【選択図】 図4
Description
本発明は、光検出部の面上の2方向それぞれの入射光強度分布を検出することができる光検出装置に関するものである。
光検出面上の2方向それぞれの入射光強度分布を検出することができる光検出装置として、特許文献1に開示されたものが知られている。この光検出装置は、基板上の光検出面上に複数の画素が2次元配列されており、各々入射光強度に応じた電流値を出力する第1光感応部分および第2光感応部分を隣接して配設することで各画素が構成されている。2次元配列における各行において、その行にある複数の画素それぞれに含まれる第1光感応部分が共通の配線により電気的に接続されており、この配線を経て出力される電流値により、光検出面上の入射光強度の二次元分布が行方向に積算されたもの(すなわち、列方向の入射光強度分布)が得られる。また、2次元配列における各列において、その列にある複数の画素それぞれに含まれる第2光感応部分が共通の配線により電気的に接続されており、この配線を経て出力される電流値により、光検出面上の入射光強度の二次元分布が列方向に積算されたもの(すなわち、行方向の入射光強度分布)が得られる。このようにして、光検出面上の行方向および列方向それぞれの入射光強度分布が得られる。
国際公開03/049190号パンフレット
しかしながら、上記特許文献1に開示された光検出装置は、光検出面上の行方向および列方向それぞれの入射光強度分布を得ることができるものの、以下のような問題点を有している。すなわち、この光検出装置は、光検出面上の行方向の入射光強度分布を得るに際して、各列にある複数の画素それぞれに含まれる第2光感応部分を接続する配線から出力される電流値を時系列に読み出していることから、入射光強度分布(ピーク強度やピーク位置など)が時間的に変化する場合には、同一タイミングで行方向の入射光強度分布を得ることができない。光検出面上の列方向の入射光強度分布を得るに際しても同様である。
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、入射光強度分布が時間的に変化する場合であっても同一タイミングで入射光強度分布を得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) 複数の画素がM行N列に2次元配列され、第m行第n列の画素の位置にフォトダイオードPDA,m,nおよびフォトダイオードPDB,m,nを有し、第m行にあるN個のフォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nが配線LA,mにより電気的に接続され、第n列にあるM個のフォトダイオードPDB,1,n〜PDB,M,nが配線LB,nにより電気的に接続されている光検出部と、(2) M個の読出回路RA,1〜RA,MおよびN個の読出回路RB,1〜RB,Nを含み、各配線LA,mに接続されるフォトダイオードPDA,m,nで発生した電荷を読出回路RA,m内に転送して保持し、各読出回路RA,mに保持した電荷の量に応じた電圧値を出力し、各配線LB,nに接続されるフォトダイオードPDB,m,nで発生した電荷を読出回路RB,n内に転送して保持し、各読出回路RB,nに保持した電荷の量に応じた電圧値を出力する信号処理部と、を備えることを特徴とする。ただし、M,Nは2以上の整数であり、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。
この光検出装置の光検出部では、複数の画素がM行N列に2次元配列され、第m行第n列の画素の位置にフォトダイオードPDA,m,nおよびフォトダイオードPDB,m,nを有している。この光検出部に光が入射すると、その光入射位置にある画素にあるフォトダイオードPDA,m,n,PDB,m,nで電荷が発生する。フォトダイオードPDA,m,nで発生した電荷は、配線LA,mを経て、読出回路RA,mに転送されて保持され、この読出回路RA,mに保持された電荷の量に応じた電圧値VA,mが出力される。また、フォトダイオードPDB,m,nで発生した電荷は、配線LB,nを経て、読出回路RB,nに転送されて保持され、この読出回路RB,nに保持された電荷の量に応じた電圧値VB,nが出力される。この光検出装置の信号処理部では、M行N列に2次元配列された複数の画素のうち第m行に対応して読出回路RA,mが設けられていて、これらM個の読出回路RA,1〜RA,Mは同一タイミングで動作し得る。また、第n列に対応して読出回路RB,nが設けられていて、これらN個の読出回路RB,1〜RB,Nは同一タイミングで動作し得る。したがって、この光検出装置は、入射光強度分布が時間的に変化する場合であっても同一タイミングで入射光強度分布を得ることができる。
各読出回路RA,mおよび各読出回路RB,nそれぞれは、電荷を保持する容量部と、容量部に保持されている電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅手段と、フォトダイオードで発生した電荷を容量部へ転送する転送手段と、容量部の電荷を放電する放電手段と、を有するのが好適である。この場合には、各読出回路RA,mおよび各読出回路RB,nそれぞれにおいて、フォトダイオードで発生した電荷は、配線を経て、転送手段により容量部に転送され、この容量部に保持される。そして、この容量部に保持されている電荷の量に応じた電圧値が増幅手段により出力される。また、この容量部の電荷は放電手段により放電される。なお、容量部は、意図的に容量素子として作られたものであってもよいし、増幅手段、転送手段および放電手段それぞれがトランジスタで構成される場合には、該トランジスタのゲート容量、ドレイン容量またはソース容量であってもよいし、配線容量であってもよく、さらに、これらを組み合わせたものであってもよい。
フォトダイオードPDA,m,nおよびフォトダイオードPDB,m,nそれぞれは、第1導電型の第1半導体領域上に第2導電型の第2半導体領域を有し、この第2半導体領域上に第1導電型の第3半導体領域を有し、第1半導体領域と第2半導体領域とがpn接合を形成しており、第2半導体領域と第3半導体領域とがpn接合を形成しているのが好適である。このようにフォトダイオードが埋込型のものである場合には、リーク電流の発生が抑制され、光検出のS/N比が優れる。
信号処理部は、(1) M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2,第1減算回路および第2減算回路を更に含み、(2) 各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2の何れかに保持し、(3) 各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1および保持回路HB,n,2の何れかに保持し、(4) 保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2とを第1減算回路に入力して、これらの差(VA,m,1−VA,m,2)を表す電圧値を第1減算回路から出力し、(5) 保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2とを第2減算回路に入力して、これらの差(VB,n,1−VB,n,2)を表す電圧値を第2減算回路から出力するのが好適である。
この場合には、信号処理部は第1信号処理部と第2信号処理部とに区分される。すなわち、一方の第1信号処理部は、M個の読出回路RA,1〜RA,M,M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2および第1減算回路を含む。他方の第2信号処理部は、N個の読出回路RB,1〜RB,N,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2および第2減算回路を含む。そして、第1信号処理部では、各読出回路RA,mから出力される電圧値が保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2の何れかに保持されて、保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2とが第1減算回路に入力して、これらの差(VA,m,1−VA,m,2)を表す電圧値が第1減算回路から出力される。第2信号処理部では、各読出回路RB,nから出力される電圧値が保持回路HB,n,1および保持回路HB,n,2の何れかに保持されて、保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2とが第2減算回路に入力して、これらの差(VB,n,1−VB,n,2)を表す電圧値が第2減算回路から出力される。このように構成されることで、第1信号処理部と第2信号処理部とは並列的に動作することができる。
信号処理部は、(1) M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2および減算回路を更に含み、(2) 各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2の何れかに保持し、(3) 各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1および保持回路HB,n,2の何れかに保持し、(4) 保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2とを減算回路に入力して、これらの差(VA,m,1−VA,m,2)を表す電圧値を減算回路から出力するとともに、(5) 保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2とを減算回路に入力して、これらの差(VB,n,1−VB,n,2)を表す電圧値を減算回路から出力するのが好適である。
この場合には、各読出回路RA,mから出力される電圧値は保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2の何れかに保持され、各読出回路RB,nから出力される電圧値は保持回路HB,n,1および保持回路HB,n,2の何れかに保持される。保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2とが減算回路に入力して、これらの差(VA,m,1−VA,m,2)を表す電圧値が減算回路から出力されるとともに、保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2とが減算回路に入力して、これらの差(VB,n,1−VB,n,2)を表す電圧値が減算回路から出力される。
信号処理部は、(1) M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3,M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2,N個の保持回路HB,1,3〜HB,N,3,N個の保持回路HB,1,4〜HB,N,4,第1加減算回路および第2加減算回路を更に含み、(2) 各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1,保持回路HA,m,2,保持回路HA,m,3および保持回路HA,m,4の何れかに保持し、(3) 各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1,保持回路HB,n,2,保持回路HB,n,3および保持回路HB,n,4の何れかに保持し、(4) 保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2と、保持回路HA,m,3から出力される電圧値VA,m,3と、保持回路HA,m,4から出力される電圧値VA,m,4とを第1加減算回路に入力して、これらの加減算値((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2))を表す電圧値を第1加減算回路から出力し、(5) 保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2と、保持回路HB,n,3から出力される電圧値VB,n,3と、保持回路HB,n,4から出力される電圧値VB,n,4とを第2加減算回路に入力して、これらの加減算値((VB,n,3−VB,n,4)−(VB,n,1−VB,n,2))を表す電圧値を第2加減算回路から出力するのが好適である。
この場合には、信号処理部は第1信号処理部と第2信号処理部とに区分される。すなわち、一方の第1信号処理部は、M個の読出回路RA,1〜RA,M,M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3,M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4および第1加減算回路を含む。他方の第2信号処理部は、N個の読出回路RB,1〜RB,N,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2,N個の保持回路HB,1,3〜HB,N,3,N個の保持回路HB,1,4〜HB,N,4および第2加減算回路を含む。そして、第1信号処理部では、各読出回路RA,mから出力される電圧値が保持回路HA,m,1〜HA,m,4の何れかに保持されて、保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2と、保持回路HA,m,3から出力される電圧値VA,m,3と、保持回路HA,m,4から出力される電圧値VA,m,4とが第1加減算回路に入力して、これらの加減算値((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2))を表す電圧値が第1加減算回路から出力される。第2信号処理部では、各読出回路RB,nから出力される電圧値が保持回路HB,n,1〜HB,n,4の何れかに保持されて、保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2と、保持回路HB,n,3から出力される電圧値VB,n,3と、保持回路HB,n,4から出力される電圧値VB,n,4とが第2加減算回路に入力して、これらの加減算値((VB,n,3−VB,n,4)−(VB,n,1−VB,n,2))を表す電圧値が第2加減算回路から出力される。このように構成されることで、第1信号処理部と第2信号処理部とは並列的に動作することができる。
信号処理部は、(1) M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3,M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2,N個の保持回路HB,1,3〜HB,N,3,N個の保持回路HB,1,4〜HB,N,4および加減算回路を更に含み、(2) 各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1,保持回路HA,m,2,保持回路HA,m,3および保持回路HA,m,4の何れかに保持し、(3) 各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1,保持回路HB,n,2,保持回路HB,n,3および保持回路HB,n,4の何れかに保持し、(4) 保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2と、保持回路HA,m,3から出力される電圧値VA,m,3と、保持回路HA,m,4から出力される電圧値VA,m,4とを加減算回路に入力して、これらの加減算値((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2))を表す電圧値を加減算回路から出力するとともに、(5) 保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2と、保持回路HB,n,3から出力される電圧値VB,n,3と、保持回路HB,n,4から出力される電圧値VB,n,4とを加減算回路に入力して、これらの加減算値((VB,n,3−VB,n,4)−(VB,n,1−VB,n,2))を表す電圧値を加減算回路から出力するのが好適である。
この場合には、各読出回路RA,mから出力される電圧値は保持回路HA,m,1〜HA,m,4の何れかに保持され、各読出回路RB,nから出力される電圧値は保持回路HB,n,1〜HB,n,4の何れかに保持される。保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2と、保持回路HA,m,3から出力される電圧値VA,m,3と、保持回路HA,m,4から出力される電圧値VA,m,4とが加減算回路に入力して、これらの加減算値((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2))を表す電圧値が加減算回路から出力される。また、保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2と、保持回路HB,n,3から出力される電圧値VB,n,3と、保持回路HB,n,4から出力される電圧値VB,n,4とが加減算回路に入力して、これらの加減算値((VB,n,3−VB,n,4)−(VB,n,1−VB,n,2))を表す電圧値が加減算回路から出力される。
本発明によれば、入射光強度分布が時間的に変化する場合であっても、同一タイミングで入射光強度分布を得ることができる。
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または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
先ず、本発明に係る光検出装置の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る光検出装置1の概略構成図である。この図に示されるように、光検出装置1は、光検出部10、第1信号処理部21、第2信号処理部31および制御部41を備える。光検出部10は、複数の画素がM行N列に2次元配列されている。第1信号処理部21は、M本の配線LA,1〜LA,Mにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VA,mを出力する。第2信号処理部31は、N本の配線LB,1〜LB,Nにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VB,nを出力する。制御部41は、第1信号処理部21および第2信号処理部31それぞれの動作を制御する。なお、M,Nは2以上の整数であり、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。
先ず、本発明に係る光検出装置の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る光検出装置1の概略構成図である。この図に示されるように、光検出装置1は、光検出部10、第1信号処理部21、第2信号処理部31および制御部41を備える。光検出部10は、複数の画素がM行N列に2次元配列されている。第1信号処理部21は、M本の配線LA,1〜LA,Mにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VA,mを出力する。第2信号処理部31は、N本の配線LB,1〜LB,Nにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VB,nを出力する。制御部41は、第1信号処理部21および第2信号処理部31それぞれの動作を制御する。なお、M,Nは2以上の整数であり、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。
図2は、光検出部10の構成図である。この図に示されるように、光検出部10は、M×N個の画素がM行N列に2次元配列されていて、第m行第n列の画素の位置にフォトダイオードPDA,m,nおよびフォトダイオードPDB,m,nを有している。フォトダイオードPDA,m,nおよびフォトダイオードPDB,m,nは、同一面内にて隣接して配設されており、各々のアノード端子が接地電位とされている。第m行にあるN個のフォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nは、各々のカソード端子が配線LA,mにより電気的に接続されている。また、第n列にあるM個のフォトダイオードPDB,1,n〜PDB,M,nは、各々のカソード端子が配線LB,nにより電気的に接続されている。
図3は、フォトダイオードの断面図である。フォトダイオードPDA,m,nおよびフォトダイオードPDB,m,nそれぞれは、この図に示されるような埋込型のものであるのが好適である。すなわち、これらのフォトダイオードは、p型の第1半導体領域101上にn−型の第2半導体領域102を有し、この第2半導体領域102上にp+型の第3半導体領域103を有し、第1半導体領域101と第2半導体領域102とがpn接合を形成しており、第2半導体領域102と第3半導体領域103とがpn接合を形成している。また、これらの半導体領域の上に絶縁層104が設けられ、第2半導体領域102が金属層105と電気的に接続されている。なお、金属層105は配線LA,mまたは配線LB,nに相当する。このようにフォトダイオードが埋込型のものである場合には、リーク電流の発生が抑制され、光検出のS/N比が優れる。
図4は、第1実施形態に係る光検出装置1の第1信号処理部21の構成図である。第1信号処理部21は、M個の読出回路RA,1〜RA,M、M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1、M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2および減算回路SAを含む。各読出回路RA,mは、配線LA,mと接続されていて、フォトダイオードPDA,m,nから配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、その保持した電荷の量に応じた電圧値を出力する。
各保持回路HA,m,1は、入力端がスイッチSW11を介して読出回路RA,mの出力端と接続されており、スイッチSW11が閉じているときに読出回路RA,mから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HA,m,1は、出力端がスイッチSW21を介して減算回路SAの第1入力端と接続されている。
各保持回路HA,m,2は、入力端がスイッチSW12を介して読出回路RA,mの出力端と接続されており、スイッチSW12が閉じているときに読出回路RA,mから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HA,m,2は、出力端がスイッチSW22を介して減算回路SAの第2入力端と接続されている。
スイッチSW11は、HoldA,1信号により開閉が制御される。スイッチSW12は、HoldA,2信号により開閉が制御される。また、スイッチSW21およびスイッチSW22それぞれは、ShiftA,m信号により開閉が制御される。これらの信号は制御部41から出力される。
減算回路SAは、第1入力端および第2入力端を有する。減算回路SAは、第1入力端に入力した電圧値VA,m,1と、第2入力端に入力した電圧値VA,m,2とに基づいて、これらの電圧値の差に応じた電圧値VA,m(=VA,m,1−VA,m,2)を出力する。第1入力端および第2入力端それぞれは、制御部41から出力されるResetA信号により開閉が制御されるスイッチにより接地電位とも接続され得る。
図5は、第1実施形態に係る光検出装置1の第2信号処理部31の構成図である。第2信号処理部31は、N個の読出回路RB,1〜RB,N、N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1、N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2および減算回路SBを含む。各読出回路RB,nは、配線LB,nと接続されていて、フォトダイオードPDB,m,nから配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、その保持した電荷の量に応じた電圧値を出力する。
各保持回路HB,n,1は、入力端がスイッチSW11を介して読出回路RB,nの出力端と接続されており、スイッチSW11が閉じているときに読出回路RB,nから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HB,n,1は、出力端がスイッチSW21を介して減算回路SBの第1入力端と接続されている。
各保持回路HB,n,2は、入力端がスイッチSW12を介して読出回路RB,nの出力端と接続されており、スイッチSW12が閉じているときに読出回路RB,nから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HB,n,2は、出力端がスイッチSW22を介して減算回路SBの第2入力端と接続されている。
スイッチSW11は、HoldB,1信号により開閉が制御される。スイッチSW12は、HoldB,2信号により開閉が制御される。また、スイッチSW21およびスイッチSW22それぞれは、ShiftB,n信号により開閉が制御される。これらの信号は制御部41から出力される。
減算回路SBは、第1入力端および第2入力端を有する。減算回路SBは、第1入力端に入力した電圧値VB,n,1と、第2入力端に入力した電圧値VB,n,2とに基づいて、これらの電圧値の差に応じた電圧値VB,n(=VB,n,1−VB,n,2)を出力する。第1入力端および第2入力端それぞれは、制御部41から出力されるResetB信号により開閉が制御されるスイッチにより接地電位とも接続され得る。
図6は、読出回路RA,mの回路図である。読出回路RA,mおよび読出回路RB,nは同様の回路構成を有している。各読出回路RA,mは、電荷を保持する容量部Cと、容量部Cに保持されている電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅手段としてのトランジスタT1および定電流源と、フォトダイオードPDA,n,nから配線LA,mを経て電荷を容量部Cへ転送する転送手段としてのトランジスタT2と、容量部Cの電荷を放電する放電手段としてのトランジスタT3と、を有している。
トランジスタT1のドレイン端子はバイアス電位とされ、トランジスタT1のソース端子は定電流源が接続され、また、このソース端子はスイッチSW11,SW12を介して保持回路HA,m,1,保持回路HA,m,2と接続されている。容量部は、トランジスタT1のゲート端子と接地電位との間に設けられている。トランジスタT2のソース端子は配線LA,mと接続され、トランジスタT2のドレイン端子はトランジスタT1のゲート端子と接続され、トランジスタT2のゲート端子にはTrans信号が入力する。トランジスタT3のソース端子はトランジスタT1のゲート端子と接続され、トランジスタT3のドレイン端子はリセット電位とされ、トランジスタT3のゲート端子にはReset信号が入力する。Reset信号およびTrans信号それぞれは、制御部41から出力される。
トランジスタT2は、そのゲート端子に入力するTrans信号がハイレベルであるときに、フォトダイオードPDA,n,nから配線LA,mを経て電荷を容量部Cへ転送する。トランジスタT3は、そのゲート端子に入力するReset信号がハイレベルであるときに、容量部Cの電荷を放電する。なお、容量部Cは、意図的に容量素子として作られたものであってもよいし、トランジスタT1のゲート容量、トランジスタT2のドレイン容量、トランジスタT3のソース容量、または、配線容量であってもよく、さらに、これらを組み合わせたものであってもよい。
図7は、保持回路HA,m,1の回路図である。保持回路HA,m,1,保持回路HA,m,2,保持回路HB,n,1および保持回路HB,n,2は、同様の回路構成を有している。各保持回路HA,m,1は、入力端および出力と接地電位との間に設けられた容量素子Cを有している。各保持回路HA,m,1は、読出回路RA,mから入力した電圧値に応じた量の電荷を容量素子Cに保持して保持し、その電荷量に応じた電圧値を減算回路SAへ出力する。
図8は、減算回路SAの回路図である。減算回路SAおよび減算回路SBは同様の回路構成を有している。減算回路SAは、2個の電圧フォロワ回路F1およびF2,4個の抵抗器R1〜R4、ならびに、増幅器を有している。
2つの電圧フォロワ回路F1,F2それぞれは、共通の構成を有しており、増幅器の反転入力端子と出力端子とが互いに直接に接続されており、高入力インピーダンスおよび低出力インピーダンスを有し、理想的には増幅率1の増幅回路である。一方の電圧フォロワ回路F1は、M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2それぞれから順次に出力される電圧値VA,m,2を非反転入力端子に入力する。他方の電圧フォロワ回路F2は、M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1それぞれから順次に出力される電圧値VA,m,1を非反転入力端子に入力する。
増幅器の反転入力端子は、抵抗器R1を介して電圧フォロワ回路F1の出力端子と接続され、抵抗器R3を介して自己の出力端子と接続されている。増幅器の非反転入力端子は、抵抗器R2を介して電圧フォロワ回路F2の出力端子と接続され、抵抗器R4を介して接地電位と接続されている。電圧フォロワ回路F1,F2それぞれの増幅率を1として、4個の抵抗器R1〜R4それぞれの抵抗値が互いに等しいとすると、減算回路SAの出力端子から出力される電圧値VA,mは、「VA,m=VA,m,1−VA,m,1」なる式で表される。
次に、第1実施形態に係る光検出装置1の動作例について説明する。ここでは第1信号処理部21の動作について説明するが、第2信号処理部31の動作も同様である。図9は、第1実施形態に係る光検出装置1の第1信号処理部21の動作を説明するタイミングチャートである。
この図には、上から順に、各読出回路RA,mのトランジスタT3のゲート端子に入力するReset信号、各読出回路RA,mのトランジスタT2のゲート端子に入力するTrans信号、各読出回路RA,mと保持回路HA,m,1との間に設けられたスイッチSW11の開閉を制御するHoldA,1信号、各読出回路RA,mと保持回路HA,m,2との間に設けられたスイッチSW12の開閉を制御するHoldA,2信号、減算回路SAの第1入力端および第2入力端と接地電位との間に設けられたスイッチの開閉を制御するResetA信号、保持回路HA,1,1および保持回路HA,1,2と減算回路SAとの間に設けられたスイッチSW21,SW22の開閉を制御するShiftA,1信号、保持回路HA,2,1および保持回路HA,2,2と減算回路SAとの間に設けられたスイッチSW21,SW22の開閉を制御するShiftA,2信号、保持回路HA,M,1および保持回路HA,M,2と減算回路SAとの間に設けられたスイッチSW21,SW22の開閉を制御するShiftA,M信号、ならびに、減算回路SAから出力される電圧値VA,m、それぞれの波形が示されている。
時刻t0前には、Reset信号はハイレベルであり、Trans信号はローレベルであり、HoldA,1信号はローレベルであり、HoldA,2信号はローレベルであり、ResetA信号はローレベルであり、各ShiftA,m信号はローレベルである。Reset信号は、時刻t0にローレベルに転じ、時刻t0より後の時刻t2にハイレベルに戻る。Trans信号は、時刻t0より後であって時刻t2より前の時刻t1にハイレベルに転じ、時刻t2より後の時刻t3にローレベルに戻る。
時刻t0前にReset信号がハイレベルであって、時刻t0前から時刻t1までの期間はTrans信号がローレベルであるので、この期間では、各読出回路RA,mの容量部Cの電荷が放電されて初期状態とされており、その初期状態にある電圧値(暗信号成分)が各読出回路RA,mから出力される。時刻t0と時刻t1との間の或る一定期間に、HoldA,1信号がハイレベルとなって、スイッチSW11が閉じ、そのときの各読出回路RA,mの出力電圧値(暗信号成分)VA,m,1が保持回路HA,m,1に保持される。
時刻t1から時刻t2までの期間は、Reset信号がローレベルであって、Trans信号がハイレベルであるので、フォトダイオードで発生した電荷が配線LA,mを経て読出回路RA,mの容量部Cに転送されて保持され、その電荷量に応じた電圧値(明信号成分)が各読出回路RA,mから出力される。時刻t1と時刻t2との間の或る一定期間に、HoldA,2信号がハイレベルとなって、スイッチSW12が閉じ、そのときの各読出回路RA,mの出力電圧値(明信号成分)VA,m,2が保持回路HA,m,2に保持される。
時刻t2から時刻t3までの期間は、Reset信号がハイレベルであって、Trans信号がハイレベルであるので、この期間では、各読出回路RA,mの容量部Cの電荷が放電されて初期状態とされる。また、Trans信号もハイレベルであるので、フォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nに転送残りの電荷がある場合、その電荷も放電されて初期状態とされる。時刻t3からフォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nに電荷蓄積が開始される。
時刻t3から時刻t10までの期間は、Reset信号がハイレベルであって、Trans信号がローレベルであり、HoldA,1信号およびHoldA,2信号の双方がローレベルのままであるので、保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2それぞれに保持される電圧値は、そのまま保持され続ける。この期間において、ResetA信号は、一定期間だけハイレベルになることをM回繰り返す。そして、ResetA信号が第m回のハイレベルの後のローレベルとなっている期間に、ShiftA,m信号が一定期間だけハイレベルとなる。
このShiftA,m信号が一定期間だけハイレベルとなることにより、保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2と減算回路SAとの間に設けられたスイッチSW21,SW22が閉じて、保持回路HA,m,1により保持されていた電圧値VA,m,1が減算回路SAに入力するとともに、保持回路HA,m,2により保持されていた電圧値VA,m,2が減算回路SAに入力して、減算回路SAの出力端子から電圧値VA,m(=VA,m,1−VA,m,2)が出力される。このようにして、第1信号処理部21から電圧値VA,1〜VA,Mが順次に出力されて、列方向の入射光強度分布が得られる。
なお、第2信号処理部31は、第1信号処理部21の上記動作期間と同じ期間に動作してもよいし、第1信号処理部21の上記動作期間と異なる期間に動作してもよい。ただし、第1信号処理部21および第2信号処理部31それぞれで、Reset信号が共通であり、Trans信号も共通であり、HoldA,1信号とHoldB,1信号とが互いに共通であり、HoldA,2信号とHoldB,2信号とが互いに共通であるのが好適である。このようにすることにより、M個の読出回路RA,1〜RA,MおよびN個の読出回路RB,1〜RB,Nは同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1およびN個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1は同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2およびN個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2は同一タイミングで動作する。したがって、行方向および列方向それぞれの入射光強度分布として同一タイミングのものを測定することができる。
以上のように、第1実施形態に係る光検出装置1では、第1信号処理部21に含まれるM個の読出回路RA,mが同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,m,1が同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,m,2が同一タイミングで動作することができる。すなわち、第m行にあるN個のフォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nを接続する配線LA,mから出力される電荷を同一タイミングで読み出すことができる。第2信号処理部31でも同様である。したがって、第1実施形態に係る光検出装置1は、入射光強度分布が時間的に変化する場合であっても同一タイミングで入射光強度分布を得ることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明に係る光検出装置の第2実施形態について説明する。図10は、第2実施形態に係る光検出装置2の概略構成図である。この図に示されるように、光検出装置2は、光検出部10、信号処理部22および制御部42を備える。光検出部10は、第1実施形態におけるものと同様のものである。信号処理部22は、M本の配線LA,1〜LA,Mにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VA,mを出力するとともに、N本の配線LB,1〜LB,Nにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VB,nを出力する。制御部42は、信号処理部22の動作を制御する。
次に、本発明に係る光検出装置の第2実施形態について説明する。図10は、第2実施形態に係る光検出装置2の概略構成図である。この図に示されるように、光検出装置2は、光検出部10、信号処理部22および制御部42を備える。光検出部10は、第1実施形態におけるものと同様のものである。信号処理部22は、M本の配線LA,1〜LA,Mにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VA,mを出力するとともに、N本の配線LB,1〜LB,Nにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VB,nを出力する。制御部42は、信号処理部22の動作を制御する。
図11は、第2実施形態に係る光検出装置2の信号処理部22の構成図である。この光検出装置2の信号処理部22は、M個の読出回路RA,1〜RA,M、M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1、M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2、N個の読出回路RB,1〜RB,N、N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1、N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2および減算回路Sを含む。この光検出装置2の信号処理部22は、第1実施形態に係る光検出装置1の第1信号処理部21および第2信号処理部31の双方を含む構成と略同様のものであるが、減算回路SAおよびSBに替えて1個の減算回路Sを有している点で相違する。なお、この図では、各スイッチの開閉を制御する信号線の表記を省略している。
この信号処理部22は、各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2の何れかに保持し、各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1および保持回路HB,n,2の何れかに保持する。そして、信号処理部22は、保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2とを減算回路Sに入力して、これらの差(VA,m,1−VA,m,2)を表す電圧値VA,mを減算回路Sから出力するとともに、保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2とを減算回路Sに入力して、これらの差(VB,n,1−VB,n,2)を表す電圧値VB,nを減算回路Sから出力する。
この第2実施形態に係る光検出装置2の動作は、第1実施形態に係る光検出装置1の動作と略同様であり、行方向および列方向それぞれの入射光強度分布として同一タイミングのものを測定することができる。ただし、光検出装置2では、1個の減算回路Sから電圧値VA,1〜VA,Mおよび電圧値VB,1〜VB,Nが順次に出力される。
(第3実施形態)
次に、本発明に係る光検出装置の第3実施形態について説明する。図12は、第3実施形態に係る光検出装置3の概略構成図である。この図に示されるように、光検出装置3は、光検出部10、第1信号処理部23、第2信号処理部33および制御部43を備える。光検出部10は、第1実施形態におけるものと同様のものである。第1信号処理部23は、M本の配線LA,1〜LA,Mにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VA,mを出力する。第2信号処理部33は、N本の配線LB,1〜LB,Nにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VB,nを出力する。制御部43は、第1信号処理部23および第2信号処理部33それぞれの動作を制御する。
次に、本発明に係る光検出装置の第3実施形態について説明する。図12は、第3実施形態に係る光検出装置3の概略構成図である。この図に示されるように、光検出装置3は、光検出部10、第1信号処理部23、第2信号処理部33および制御部43を備える。光検出部10は、第1実施形態におけるものと同様のものである。第1信号処理部23は、M本の配線LA,1〜LA,Mにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VA,mを出力する。第2信号処理部33は、N本の配線LB,1〜LB,Nにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VB,nを出力する。制御部43は、第1信号処理部23および第2信号処理部33それぞれの動作を制御する。
図13は、第3実施形態に係る光検出装置3の第1信号処理部23の構成図である。第1信号処理部23は、M個の読出回路RA,1〜RA,M、M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1、M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2、M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3、M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4および加減算回路SAを含む。各読出回路RA,mは、配線LA,mと接続されていて、光検出部10内のフォトダイオードから配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、その保持した電荷の量に応じた電圧値を出力する。
各保持回路HA,m,1は、入力端がスイッチSW11を介して読出回路RA,mの出力端と接続されており、スイッチSW11が閉じているときに読出回路RA,mから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HA,m,1は、出力端がスイッチSW21を介して加減算回路SAの第1入力端と接続されている。
各保持回路HA,m,2は、入力端がスイッチSW12を介して読出回路RA,mの出力端と接続されており、スイッチSW12が閉じているときに読出回路RA,mから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HA,m,2は、出力端がスイッチSW22を介して加減算回路SAの第2入力端と接続されている。
各保持回路HA,m,3は、入力端がスイッチSW13を介して読出回路RA,mの出力端と接続されており、スイッチSW13が閉じているときに読出回路RA,mから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HA,m,3は、出力端がスイッチSW23を介して加減算回路SAの第3入力端と接続されている。
各保持回路HA,m,4は、入力端がスイッチSW14を介して読出回路RA,mの出力端と接続されており、スイッチSW14が閉じているときに読出回路RA,mから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HA,m,4は、出力端がスイッチSW24を介して加減算回路SAの第4入力端と接続されている。
スイッチSW11は、HoldA,1信号により開閉が制御される。スイッチSW12は、HoldA,2信号により開閉が制御される。スイッチSW13は、HoldA,3信号により開閉が制御される。スイッチSW14は、HoldA,4信号により開閉が制御される。また、スイッチSW21〜SW24それぞれは、ShiftA,m信号により開閉が制御される。これらの信号は制御部43から出力される。
加減算回路SAは、第1入力端,第2入力端,第3入力端および第4入力端を有する。加減算回路SAは、第1入力端に入力した電圧値VA,m,1と、第2入力端に入力した電圧値VA,m,2と、第3入力端に入力した電圧値VA,m,3と、第4入力端に入力した電圧値VA,m,4とに基づいて、これらの電圧値を加減算した結果を表す電圧値VA,m(=((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2))を出力する。第1入力端,第2入力端,第3入力端および第4入力端それぞれは、制御部43から出力されるResetA信号により開閉が制御されるスイッチにより接地電位とも接続され得る。
図14は、第3実施形態に係る光検出装置3の第2信号処理部33の構成図である。第2信号処理部33は、N個の読出回路RB,1〜RB,N、N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1、N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2、N個の保持回路HB,1,3〜HB,N,3、N個の保持回路HB,1,4〜HB,N,4および加減算回路SBを含む。各読出回路RB,nは、配線LB,nと接続されていて、光検出部10内のフォトダイオードから配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、その保持した電荷の量に応じた電圧値を出力する。
各保持回路HB,n,1は、入力端がスイッチSW11を介して読出回路RB,nの出力端と接続されており、スイッチSW11が閉じているときに読出回路RB,nから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HB,n,1は、出力端がスイッチSW21を介して加減算回路SBの第1入力端と接続されている。
各保持回路HB,n,2は、入力端がスイッチSW12を介して読出回路RB,nの出力端と接続されており、スイッチSW12が閉じているときに読出回路RB,nから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HB,n,2は、出力端がスイッチSW22を介して加減算回路SBの第2入力端と接続されている。
各保持回路HB,n,3は、入力端がスイッチSW13を介して読出回路RB,nの出力端と接続されており、スイッチSW13が閉じているときに読出回路RB,nから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HB,n,3は、出力端がスイッチSW23を介して加減算回路SBの第3入力端と接続されている。
各保持回路HB,n,4は、入力端がスイッチSW14を介して読出回路RB,nの出力端と接続されており、スイッチSW14が閉じているときに読出回路RB,nから出力される電圧値を保持し、その保持した電圧値を出力する。また、各保持回路HB,n,4は、出力端がスイッチSW24を介して加減算回路SBの第4入力端と接続されている。
スイッチSW11は、HoldB,1信号により開閉が制御される。スイッチSW12は、HoldB,2信号により開閉が制御される。スイッチSW13は、HoldB,3信号により開閉が制御される。スイッチSW14は、HoldB,4信号により開閉が制御される。また、スイッチSW21〜SW24それぞれは、ShiftB,n信号により開閉が制御される。これらの信号は制御部43から出力される。
加減算回路SBは、第1入力端,第2入力端,第3入力端および第4入力端を有する。加減算回路SBは、第1入力端に入力した電圧値VB,n,1と、第2入力端に入力した電圧値VB,n,2と、第3入力端に入力した電圧値VB,n,3と、第4入力端に入力した電圧値VB,n,4とに基づいて、これらの電圧値を加減算した結果を表す電圧値VB,n(=((VB,n,3−VB,n,4)−(VB,n,1−VB,n,2))を出力する。第1入力端,第2入力端,第3入力端および第4入力端それぞれは、制御部43から出力されるResetB信号により開閉が制御されるスイッチにより接地電位とも接続され得る。
図15は、加減算回路SAの回路図である。加減算回路SAおよび加減算回路SBは同様の回路構成を有している。加減算回路SAは、4個の電圧フォロワ回路F1〜F4,6個の抵抗器R1〜R6、および、増幅器を有している。
4つの電圧フォロワ回路F1〜F4それぞれは、共通の構成を有しており、増幅器の反転入力端子と出力端子とが互いに直接に接続されており、高入力インピーダンスおよび低出力インピーダンスを有し、理想的には増幅率1の増幅回路である。電圧フォロワ回路F1は、M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2それぞれから順次に出力される電圧値VA,m,2を非反転入力端子に入力する。電圧フォロワ回路F2は、M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3それぞれから順次に出力される電圧値VA,m,3を非反転入力端子に入力する。電圧フォロワ回路F3は、M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1それぞれから順次に出力される電圧値VA,m,1を非反転入力端子に入力する。電圧フォロワ回路F4は、M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4それぞれから順次に出力される電圧値VA,m,4を非反転入力端子に入力する。
増幅器の反転入力端子は、抵抗器R1を介して電圧フォロワ回路F1の出力端子と接続され、抵抗器R2を介して電圧フォロワ回路F2の出力端子と接続され、抵抗器R5を介して自己の出力端子と接続されている。増幅器の非反転入力端子は、抵抗器R3を介して電圧フォロワ回路F3の出力端子と接続され、抵抗器R4を介して電圧フォロワ回路F4の出力端子と接続され、抵抗器R6を介して接地電位と接続されている。電圧フォロワ回路F1〜F4それぞれの増幅率を1として、6個の抵抗器R1〜R6それぞれの抵抗値が互いに等しいとすると、加減算回路SAの出力端子から出力される電圧値VA,mは、「VA,m=((VA,m,4−VA,m,3)−(VA,m,2−VA,m,1))」なる式で表される。
次に、第3実施形態に係る光検出装置3の動作例について説明する。ここでは第1信号処理部23の動作について説明するが、第2信号処理部33の動作も同様である。図16は、第3実施形態に係る光検出装置3の第1信号処理部23の動作を説明するタイミングチャートである。なお、ここでは、光検出装置3が発光ダイオード(LED)とともに用いられる場合、例えば、LEDから出力された光が直接に光検出装置3の光検出部10に入射する場合や、LEDから出力されて対象物に照射された光の像がレンズ系を介して光検出装置3の光検出部10に結像される場合について説明する。
この図には、最上段にLEDの発光タイミングが示されており、続いて上から順に、各読出回路RA,mのトランジスタT3のゲート端子に入力するReset信号、各読出回路RA,mのトランジスタT2のゲート端子に入力するTrans信号、各読出回路RA,mと保持回路HA,m,1との間に設けられたスイッチSW11の開閉を制御するHoldA,1信号、各読出回路RA,mと保持回路HA,m,2との間に設けられたスイッチSW12の開閉を制御するHoldA,2信号、各読出回路RA,mと保持回路HA,m,3との間に設けられたスイッチSW13の開閉を制御するHoldA,3信号、各読出回路RA,mと保持回路HA,m,4との間に設けられたスイッチSW14の開閉を制御するHoldA,4信号、加減算回路SAの各入力端と接地電位との間に設けられたスイッチの開閉を制御するResetA信号、保持回路HA,1,1〜HA,1,4と加減算回路SAとの間に設けられたスイッチSW21〜SW24の開閉を制御するShiftA,1信号、保持回路HA,2,1〜HA,2,4と加減算回路SAとの間に設けられたスイッチSW21〜SW24の開閉を制御するShiftA,2信号、保持回路HA,M,1〜HA,M,4と加減算回路SAとの間に設けられたスイッチSW21〜SW24の開閉を制御するShiftA,M信号、ならびに、加減算回路SAから出力される電圧値VA,m、それぞれの波形が示されている。
時刻t0前には、LEDはOFF(消灯)状態であり、Reset信号はハイレベルであり、Trans信号はローレベルであり、HoldA,1信号はローレベルであり、HoldA,2信号はローレベルであり、HoldA,3信号はローレベルであり、HoldA,4信号はローレベルであり、ResetA信号はローレベルであり、各ShiftA,m信号はローレベルである。Reset信号は、時刻t0にローレベルに転じ、時刻t0より後の時刻t2にハイレベルに戻る。Trans信号は、時刻t0より後であって時刻t2より前の時刻t1にハイレベルに転じ、時刻t2より後の時刻t3にローレベルに戻る。LEDは、時刻t3にON(点灯)状態となる。
時刻t0前にReset信号がハイレベルであって、時刻t0前から時刻t1までの期間はTrans信号がローレベルであるので、この期間では、各読出回路RA,mの容量部Cの電荷が放電されて初期状態とされており、その初期状態にある電圧値が各読出回路RA,mから出力される。時刻t0と時刻t1との間の或る一定期間に、HoldA,1信号がハイレベルとなって、スイッチSW11が閉じ、そのときの各読出回路RA,mの出力電圧値VA,m,1が保持回路HA,m,1に保持される。各読出回路RA,mの容量部Cが初期状態であることから、この電圧値VA,m,1は暗信号成分を含む。
時刻t1から時刻t2までの期間は、Reset信号がローレベルであって、Trans信号がハイレベルであるので、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷が読出回路RA,mの容量部Cに保持されて、その電荷量に応じた電圧値が各読出回路RA,mから出力される。時刻t1と時刻t2との間の或る一定期間に、HoldA,2信号がハイレベルとなって、スイッチSW12が閉じ、そのときの各読出回路RA,mの出力電圧値VA,m,2が保持回路HA,m,2に保持される。LEDがOFF状態であって、背景光が光検出部10に入射したことに伴ってフォトダイオードで発生した電荷が読出回路RA,mにより読み出されるので、この電圧値VA,m,2は背景光成分および暗信号成分を含む。
時刻t2から時刻t3までの期間は、Reset信号がハイレベルであって、Trans信号がハイレベルであるので、この期間では、各読出回路RA,mの容量部Cの電荷が放電されて初期状態とされる。また、Trans信号もハイレベルであるので、フォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nに転送残りの電荷がある場合、その電荷も放電されて初期状態とされる。時刻t3からフォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nに電荷蓄積が開始される。
時刻t3から時刻t10までの期間は、Reset信号はハイレベルであり、Trans信号はローレベルである。Reset信号は、時刻t10にローレベルに転じ、時刻t10より後の時刻t12にハイレベルに戻る。Trans信号は、時刻t10より後であって時刻t12より前の時刻t11にハイレベルに転じ、時刻t12より後の時刻t13にローレベルに戻る。LEDは、時刻t3から時刻t12前までON状態である。
時刻t10前にReset信号がハイレベルであって、時刻t10前から時刻t11までの期間はTrans信号がローレベルであるので、この期間では、各読出回路RA,mの容量部Cの電荷が放電されて初期状態とされており、その初期状態にある電圧値が各読出回路RA,mから出力される。時刻t10と時刻t11との間の或る一定期間に、HoldA,3信号がハイレベルとなって、スイッチSW13が閉じ、そのときの各読出回路RA,mの出力電圧値VA,m,3が保持回路HA,m,3に保持される。各読出回路RA,mの容量部Cが初期状態であることから、この電圧値VA,m,3は暗信号成分を含む。
時刻t11から時刻t12までの期間は、Reset信号がローレベルであって、Trans信号がハイレベルであるので、フォトダイオードから各配線LA,mを経て流入する電荷が読出回路RA,mの容量部Cに保持されて、その電荷量に応じた電圧値が各読出回路RA,mから出力される。時刻t11と時刻t12との間の或る一定期間に、HoldA,4信号がハイレベルとなって、スイッチSW14が閉じ、そのときの各読出回路RA,mの出力電圧値VA,m,4が保持回路HA,m,4に保持される。LEDがON状態であって、LED光および背景光が光検出部10に入射したことに伴ってフォトダイオードで発生した電荷が読出回路RA,mにより読み出されるので、この電圧値VA,m,4はLED光成分、背景光成分および暗信号成分を含む。
時刻t12から時刻t13までの期間は、Reset信号がハイレベルであって、Trans信号がハイレベルであるので、この期間では、各読出回路RA,mの容量部Cの電荷が放電されて初期状態とされる。また、Trans信号もハイレベルであるので、フォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nに転送残りの電荷がある場合、その電荷も放電されて初期状態とされる。時刻t13からフォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nに電荷蓄積が開始される。
時刻t13から時刻t20までの期間は、Reset信号がハイレベルであって、Trans信号がローレベルであり、HoldA,1信号、HoldA,2信号、HoldA,3信号およびHoldA,4信号それぞれがローレベルのままであるので、保持回路HA,m,1〜HA,m,4それぞれに保持される電圧値は、そのまま保持され続ける。この期間において、ResetA信号は、一定期間だけハイレベルなることをM回繰り返す。そして、ResetA信号が第m回のハイレベルの後のローレベルとなっている期間に、ShiftA,m信号が一定期間だけハイレベルとなる。
このShiftA,m信号が一定期間だけハイレベルとなることにより、保持回路HA,m,1〜HA,m,4と加減算回路SAとの間に設けられたスイッチSW21〜SW24それぞれが閉じて、保持回路HA,m,1により保持されていた電圧値VA,m,1が加減算回路SAに入力し、保持回路HA,m,2により保持されていた電圧値VA,m,2が加減算回路SAに入力し、保持回路HA,m,3により保持されていた電圧値VA,m,3が加減算回路SAに入力し、保持回路HA,m,4により保持されていた電圧値VA,m,4が加減算回路SAに入力する。そして、加減算回路SAの出力端子から電圧値VA,m(=((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2)))が出力される。
このようにして、第1信号処理部23から電圧値VA,1〜VA,Mが順次に出力されて、列方向の入射光強度分布が得られる。ここで得られる電圧値VA,mは、背景光成分および暗信号成分の双方が除去されて、LED光成分を高精度に表すものである。また、差(VA,m,3−VA,m,4)および差(VA,m,1−VA,m,2)それぞれを演算することにより、CMOS回路に特有の熱雑音(KTCノイズ)を抑制することができる。
なお、第2信号処理部33は、第1信号処理部23の上記動作期間と同じ期間に動作してもよいし、第1信号処理部23の上記動作期間と異なる期間に動作してもよい。ただし、第1信号処理部23および第2信号処理部33それぞれで、Reset信号が共通であり、Trans信号も共通であり、HoldA,1信号とHoldB,1信号とが互いに共通であり、HoldA,2信号とHoldB,2信号とが互いに共通であり、HoldA,3信号とHoldB,3信号とが互いに共通であり、HoldA,4信号とHoldB,4信号とが互いに共通であるのが好適である。このようにすることにより、M個の読出回路RA,1〜RA,MおよびN個の読出回路RB,1〜RB,Nは同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1およびN個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1は同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2およびN個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2は同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3およびN個の保持回路HB,1,3〜HB,N,3は同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4およびN個の保持回路HB,1,4〜HB,N,4は同一タイミングで動作する。したがって、行方向および列方向それぞれの入射光強度分布として同一タイミングのものを測定することができる。
以上のように、第3実施形態に係る光検出装置3では、第1信号処理部23に含まれるM個の読出回路RA,mが同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,m,1が同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,m,2が同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,m,3が同一タイミングで動作し、M個の保持回路HA,m,4が同一タイミングで動作することができる。すなわち、第m行にあるN個のフォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nを接続する配線LA,mから出力される電荷を同一タイミングで読み出すことができる。第2信号処理部33でも同様である。したがって、第3実施形態に係る光検出装置3は、入射光強度分布が時間的に変化する場合であっても同一タイミングで入射光強度分布を得ることができる。
(第4実施形態)
次に、本発明に係る光検出装置の第4実施形態について説明する。図17は、第4実施形態に係る光検出装置4の概略構成図である。この図に示されるように、光検出装置4は、光検出部10、信号処理部24および制御部44を備える。光検出部10は、第1実施形態におけるものと同様のものである。信号処理部24は、M本の配線LA,1〜LA,Mにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VA,mを出力するとともに、N本の配線LB,1〜LB,Nにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VB,nを出力する。制御部44は、信号処理部24の動作を制御する。
次に、本発明に係る光検出装置の第4実施形態について説明する。図17は、第4実施形態に係る光検出装置4の概略構成図である。この図に示されるように、光検出装置4は、光検出部10、信号処理部24および制御部44を備える。光検出部10は、第1実施形態におけるものと同様のものである。信号処理部24は、M本の配線LA,1〜LA,Mにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LA,mを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VA,mを出力するとともに、N本の配線LB,1〜LB,Nにより光検出部10と電気的に接続されており、光検出部10内のフォトダイオードから各配線LB,nを経て転送される電荷を保持し、この保持した電荷の量に応じた電圧値VB,nを出力する。制御部44は、信号処理部24の動作を制御する。
図18は、第4実施形態に係る光検出装置4の信号処理部24の構成図である。この光検出装置4の信号処理部24は、M個の読出回路RA,1〜RA,M、M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1、M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2、M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3、M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4、N個の読出回路RB,1〜RB,N、N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1、N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2、N個の保持回路HB,1,3〜HB,N,3、N個の保持回路HB,1,4〜HB,N,4および加減算回路Sを含む。この光検出装置4の信号処理部24は、第3実施形態に係る光検出装置3の第1信号処理部23および第2信号処理部33の双方を含む構成と略同様のものであるが、加減算回路SAおよびSBに替えて1個の加減算回路Sを有している点で相違する。なお、この図では、各スイッチの開閉を制御する信号線の表記を省略している。
この信号処理部24は、各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1〜HA,m,4の何れかに保持し、各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1〜HB,n,4の何れかに保持する。そして、信号処理部24は、保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2と、保持回路HA,m,3から出力される電圧値VA,m,3と、保持回路HA,m,4から出力される電圧値VA,m,4とを加減算回路Sに入力して、これらの加減算値((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2))を表す電圧値VA,mを加減算回路Sから出力する。また、信号処理部24は、保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2と、保持回路HB,n,3から出力される電圧値VB,n,3と、保持回路HB,n,4から出力される電圧値VB,n,4とを加減算回路Sに入力して、これらの加減算値((VB,n,3−VB,n,4)−(VB,n,1−VB,n,2))を表す電圧値VB,nを加減算回路Sから出力する。
この第4実施形態に係る光検出装置4の動作は、第3実施形態に係る光検出装置3の動作と略同様であり、行方向および列方向それぞれの入射光強度分布として同一タイミングのものを測定することができる。ただし、光検出装置4では、1個の加減算回路Sから電圧値VA,1〜VA,Mおよび電圧値VB,1〜VB,Nが順次に出力される。
1〜4…光検出装置、10…光検出部、21,23…第1信号処理部、22,24…信号処理部、31,33…第2信号処理部、41〜44…制御部。
Claims (7)
- 複数の画素がM行N列に2次元配列され、第m行第n列の画素の位置にフォトダイオードPDA,m,nおよびフォトダイオードPDB,m,nを有し、第m行にあるN個のフォトダイオードPDA,m,1〜PDA,m,Nが配線LA,mにより電気的に接続され、第n列にあるM個のフォトダイオードPDB,1,n〜PDB,M,nが配線LB,nにより電気的に接続されている光検出部と、
M個の読出回路RA,1〜RA,MおよびN個の読出回路RB,1〜RB,Nを含み、各配線LA,mに接続されるフォトダイオードPDA,m,nで発生した電荷を読出回路RA,m内に転送して保持し、各読出回路RA,mに保持した電荷の量に応じた電圧値を出力し、各配線LB,nに接続されるフォトダイオードPDB,m,nで発生した電荷を読出回路RB,n内に転送して保持し、各読出回路RB,nに保持した電荷の量に応じた電圧値を出力する信号処理部と、
を備えることを特徴とする光検出装置(ただし、M,Nは2以上の整数、mは1以上M以下の任意の整数、nは1以上N以下の任意の整数)。 - 各読出回路RA,mおよび各読出回路RB,nそれぞれは、電荷を保持する容量部と、前記容量部に保持されている電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅手段と、フォトダイオードで発生した電荷を前記容量部へ転送する転送手段と、前記容量部の電荷を放電する放電手段と、を有することを特徴とする請求項1記載の光検出装置。
- フォトダイオードPDA,m,nおよびフォトダイオードPDB,m,nそれぞれは、第1導電型の第1半導体領域上に第2導電型の第2半導体領域を有し、この第2半導体領域上に第1導電型の第3半導体領域を有し、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とがpn接合を形成しており、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域とがpn接合を形成している、ことを特徴とする請求項1記載の光検出装置。
- 前記信号処理部は、
M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2,第1減算回路および第2減算回路を更に含み、
各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2の何れかに保持し、
各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1および保持回路HB,n,2の何れかに保持し、
保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2とを前記第1減算回路に入力して、これらの差(VA,m,1−VA,m,2)を表す電圧値を前記第1減算回路から出力し、
保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2とを前記第2減算回路に入力して、これらの差(VB,n,1−VB,n,2)を表す電圧値を前記第2減算回路から出力する、
ことを特徴とする請求項1記載の光検出装置。 - 前記信号処理部は、
M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2および減算回路を更に含み、
各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1および保持回路HA,m,2の何れかに保持し、
各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1および保持回路HB,n,2の何れかに保持し、
保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2とを前記減算回路に入力して、これらの差(VA,m,1−VA,m,2)を表す電圧値を前記減算回路から出力するとともに、
保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2とを前記減算回路に入力して、これらの差(VB,n,1−VB,n,2)を表す電圧値を前記減算回路から出力する、
ことを特徴とする請求項1記載の光検出装置。 - 前記信号処理部は、
M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3,M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2,N個の保持回路HB,1,3〜HB,N,3,N個の保持回路HB,1,4〜HB,N,4,第1加減算回路および第2加減算回路を更に含み、
各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1,保持回路HA,m,2,保持回路HA,m,3および保持回路HA,m,4の何れかに保持し、
各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1,保持回路HB,n,2,保持回路HB,n,3および保持回路HB,n,4の何れかに保持し、
保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2と、保持回路HA,m,3から出力される電圧値VA,m,3と、保持回路HA,m,4から出力される電圧値VA,m,4とを前記第1加減算回路に入力して、これらの加減算値((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2))を表す電圧値を前記第1加減算回路から出力し、
保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2と、保持回路HB,n,3から出力される電圧値VB,n,3と、保持回路HB,n,4から出力される電圧値VB,n,4とを前記第2加減算回路に入力して、これらの加減算値((VB,n,3−VB,n,4)−(VB,n,1−VB,n,2))を表す電圧値を前記第2加減算回路から出力する、
ことを特徴とする請求項1記載の光検出装置。 - 前記信号処理部は、
M個の保持回路HA,1,1〜HA,M,1,M個の保持回路HA,1,2〜HA,M,2,M個の保持回路HA,1,3〜HA,M,3,M個の保持回路HA,1,4〜HA,M,4,N個の保持回路HB,1,1〜HB,N,1,N個の保持回路HB,1,2〜HB,N,2,N個の保持回路HB,1,3〜HB,N,3,N個の保持回路HB,1,4〜HB,N,4および加減算回路を更に含み、
各読出回路RA,mから出力される電圧値を保持回路HA,m,1,保持回路HA,m,2,保持回路HA,m,3および保持回路HA,m,4の何れかに保持し、
各読出回路RB,nから出力される電圧値を保持回路HB,n,1,保持回路HB,n,2,保持回路HB,n,3および保持回路HB,n,4の何れかに保持し、
保持回路HA,m,1から出力される電圧値VA,m,1と、保持回路HA,m,2から出力される電圧値VA,m,2と、保持回路HA,m,3から出力される電圧値VA,m,3と、保持回路HA,m,4から出力される電圧値VA,m,4とを前記加減算回路に入力して、これらの加減算値((VA,m,3−VA,m,4)−(VA,m,1−VA,m,2))を表す電圧値を前記加減算回路から出力するとともに、
保持回路HB,n,1から出力される電圧値VB,n,1と、保持回路HB,n,2から出力される電圧値VB,n,2と、保持回路HB,n,3から出力される電圧値VB,n,3と、保持回路HB,n,4から出力される電圧値VB,n,4とを前記加減算回路に入力して、これらの加減算値((VB,n,3−VB,n,4)−(VB,n,1−VB,n,2))を表す電圧値を前記加減算回路から出力する、
ことを特徴とする請求項1記載の光検出装置。
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