JP5275911B2 - 信号処理装置および光検出装置 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

特開平５−２１５６０７号公報

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、多画素化または高速化により消費電力が大きくなり、低消費電力化が困難である。

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、消費電力を低減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。

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) 容量値が可変に設定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部を有し、この積分容量部に蓄積した電荷の量および容量値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) 積分回路における電荷蓄積動作開始時から一定時間が経過した後に積分回路から出力された電圧値をサンプリングして保持し出力する保持回路と、(4) 積分回路における電荷蓄積動作開始時に積分容量部の容量値を最小値に設定しておき、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分回路における電荷蓄積動作開始時から比較回路における飽和信号出力時までの時間が短いほど積分容量部の容量値を大きい値に設定する容量値制御部と、(5) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路の積分容量部に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量部に注入する電荷注入回路と、(6) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、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、を備えることを特徴とする。

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部に蓄積され、この積分容量部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。積分回路から出力される電圧値は、積分回路における電荷蓄積動作開始時から一定時間が経過した後に保持回路によりサンプリングされて保持され出力される。積分回路の積分容量部の容量値は容量値制御部により設定される。容量値制御部により、積分容量部の容量値は、積分回路における電荷蓄積動作開始時に最小値に設定されていて、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分回路における電荷蓄積動作開始時から比較回路における飽和信号出力時までの時間が短いほど大きい値に設定される。
比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、電荷注入回路により、積分回路の積分容量部に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷が積分容量部に注入される。また、比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、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。

本発明に係る信号処理装置では、容量値制御部は、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、比較回路における飽和信号出力時が積分回路における電荷蓄積動作開始時から保持回路における電圧値サンプリング動作時までの期間のうちの何れの部分期間に属するかに応じて積分容量部の容量値を変更して設定するのが好適である。また、容量値制御部は、積分容量部の各容量値、積分回路の飽和出力電圧値、比較回路に入力される基準値、および、積分回路における電荷蓄積動作開始時から保持回路における電圧値サンプリング動作時までの時間、に基づいて、積分回路における電荷蓄積動作開始時から保持回路における電圧値サンプリング動作時までの期間を複数の部分期間に区分し、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、比較回路における飽和信号出力時が複数の部分期間のうちの何れの部分期間に属するかに応じて積分容量部の容量値を変更して設定するのも好適である。また、容量値制御部は、積分回路における電荷蓄積動作の途中で積分容量部の容量値を変更して設定した後に比較回路から飽和信号が更に出力されたときに、積分容量部の容量値を更に大きい値に変更して設定するのも好適である。

本発明に係る信号処理装置は、(1) 保持回路により保持されて出力された電圧値を入力し、この入力電圧値をＫ倍（ただし、Ｋ＞１）に増幅して出力する増幅回路と、(2) 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に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換回路と、を更に備えるのが好適である。また、このとき、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。

この場合には、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。

本発明に係る信号処理装置は、(1) 保持回路により保持されて出力された電圧値を入力し、この入力電圧値を増幅して出力する増幅回路を更に備え、(2) 容量値制御部が、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として積分容量部の容量値を設定し、(3) 増幅回路が、保持回路における電圧値サンプリング動作時の積分容量部の容量値Ｃ_finalと所定容量値Ｃ_setとの比（Ｃ_final／Ｃ_set）の定数倍の値を増幅率として入力電圧値を増幅して出力する、のが好適である。

この場合には、容量値制御部により、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分容量部の容量値は可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として設定される。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、保持回路における電圧値サンプリング動作時の積分容量部の容量値Ｃ_finalと所定容量値Ｃ_setとの比（Ｃ_final／Ｃ_set）の定数倍の値を増幅率として増幅される。

本発明に係る信号処理装置は、(1) 保持回路により保持されて出力された電圧値に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換回路と、ＡＤ変換回路から出力されたデジタル値を入力し、この入力デジタル値を処理して出力するデジタル値処理部と、を更に備え、(2) 容量値制御部が、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として積分容量部の容量値を設定し、(3) デジタル値処理部が、保持回路における電圧値サンプリング動作時の積分容量部の容量値Ｃ_finalと所定容量値Ｃ_setとの比（Ｃ_final／Ｃ_set）の定数倍の値を入力デジタル値に乗じて、その乗算により得られたデジタル値を出力する、のが好適である。

この場合には、容量値制御部により、積分回路における電荷蓄積動作の途中で比較回路から飽和信号が出力されたときに、積分容量部の容量値は可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として設定される。保持回路により保持されて出力された電圧値は、ＡＤ変換回路に入力され、入力電圧値に対応するデジタル値に変換される。ＡＤ変換回路から出力されたデジタル値は、デジタル値処理部により、保持回路における電圧値サンプリング動作時の積分容量部の容量値Ｃ_finalと所定容量値Ｃ_setとの比（Ｃ_final／Ｃ_set）の定数倍の値が乗じられ、その乗算により得られたデジタル値が出力される。

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の差に応じた電圧値を出力するのが好適であり、或いは、ＡＤ変換回路が、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の差に応じたデジタル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、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に応じた電圧値またはデジタル値が増幅回路またはＡＤ変換回路から出力される。

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，比較回路および容量値制御部による処理と、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。

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，保持回路および容量値制御部に対して、１個のＡＤ変換回路が設けられ、ＡＤ変換回路が、各組の保持回路により順次に出力される電圧値に応じたデジタル値を出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。

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。

本発明に係る信号処理装置および光検出装置は消費電力を低減することができる。

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。 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。 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に含まれる積分回路１０の回路図である。 本実施形態に係る光検出装置１に含まれる積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０の時間変化を示す図である。 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。 他の実施形態に係る光検出装置１Ｂの詳細構成を示す図である。 他の実施形態に係る光検出装置１Ｃの詳細構成を示す図である。 他の実施形態に係る光検出装置１Ｃに含まれるデジタル値処理部１００の処理内容を説明する図である。

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。

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。

フォトダイオードアレイ２は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎを含む。Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎは共通の構成を有する。Ｎ個のフォトダイオードＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎ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ＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎ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ＰＤ_ｎ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ＰＤ_１〜ＰＤ_Ｎが１次元状または２次元状に配列されていてもよい。

信号処理装置３は、各フォトダイオードＰＤ_ｎ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４_１〜４_Ｎ，増幅回路７０，ＡＤ変換回路８０および基準値生成部９０を含む。Ｎ個の読出し部４_１〜４_Ｎは共通の構成を有する。各読出し部４_ｎはフォトダイオードＰＤ_ｎ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。

各読出し部４_ｎは、積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０，容量値制御部４０，保持回路５０，計数回路６０およびスイッチＳＷを含む。各読出し部４_ｎに含まれる積分回路１０は、容量値が可変に設定される積分容量部を有し、対応するフォトダイオードＰＤ_ｎから出力された電荷を積分容量部に蓄積して、その蓄積電荷量および容量値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，容量値制御部４０および計数回路６０へ出力する。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７０へ出力する。

容量値制御部４０は、積分回路１０の積分容量部の容量値を制御する。具体的には、容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時に積分容量部の容量値を最小値に設定しておく。容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中で比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から比較回路２０における飽和信号出力時までの時間が短いほど積分容量部の容量値を大きい値に設定する。

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、容量値制御部４０が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路１０の積分容量部に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量部に注入する。計数回路６０は、比較回路２０から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部４０が積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、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計数する。各読出し部４_ｎに含まれる計数回路６０は、スイッチＳＷを介して共通の配線に接続されている。

増幅回路７０の入力端は、各読出し部４_ｎ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７０は、各読出し部４_ｎ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８０へ出力する。ＡＤ変換回路８０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７０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。基準値生成回路９０は、ＡＤ変換回路８０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、この入力した基準値のＫ分の１の電圧値を、比較回路２０に入力される基準値とする。基準値生成回路９０は、抵抗分割回路により構成され得る。

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７０，ＡＤ変換回路８０および基準値生成回路９０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。

積分回路１０は、アンプＡ_１０、積分容量部Ｃ_１０およびスイッチＳＷ_１０を有する。アンプＡ_１０の非反転入力端子は接地されている。アンプＡ_１０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Ａ_１０の反転入力端子と出力端子との間に積分容量部Ｃ_１０およびスイッチＳＷ_１０が並列的に設けられている。積分容量部Ｃ_１０の容量値は、可変であって、容量値制御部４０により設定される。この積分回路１０は、スイッチＳＷ_１０が閉じているときには、積分容量部Ｃ_１０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ＳＷ_１０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部Ｃ_１０に蓄積し、この積分容量部Ｃ_１０に蓄積した電荷の量および容量値に応じた電圧値Ｖ_１０を出力する。

比較回路２０は、積分回路１０から出力された電圧値Ｖ_１０を入力し、この電圧値Ｖ_１０と所定の基準値Ｖ_ｒｅｆ２とを大小比較する。そして、比較回路２０は、電圧値Ｖ_１０が基準値Ｖ_ｒｅｆ２に達したときに、その旨を示す飽和信号φ_１を出力する。

容量値制御部４０は、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値を制御する。具体的には、容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時（すなわち、スイッチＳＷ_１０が閉状態から開状態に転じたとき）に積分容量部Ｃ_１０の容量値を最小値に設定しておく。容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中で比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から比較回路２０における飽和信号出力時までの時間が短いほど積分容量部Ｃ_１０の容量値を大きい値に設定する。

電荷注入回路３０は、スイッチＳＷ_３１〜ＳＷ_３４および容量素子Ｃ_３０を有する。スイッチＳＷ_３１、容量素子Ｃ_３０およびスイッチＳＷ_３２は順に接続されており、スイッチＳＷ_３１の他端は積分回路１０のアンプＡ_１０の反転入力端子に接続されており、スイッチＳＷ_３２の他端は基準電位Ｖ_ｉｎｊに接続されている。スイッチＳＷ_３１と容量素子Ｃ_３０との接続点は、スイッチＳＷ_３３を介して接地されている。スイッチＳＷ_３２と容量素子Ｃ_３０との接続点は、スイッチＳＷ_３４を介して接地されている。

容量値制御部４０が積分容量部Ｃ_１０の容量値を変更して設定する場合を除いて、スイッチＳＷ_３１およびＳＷ_３４それぞれは、比較回路２０から出力された飽和信号φ_１に基づいて開閉し、スイッチＳＷ_３２およびＳＷ_３３それぞれは、比較回路２０から出力された飽和信号φ_１の論理反転信号φ_２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φ_１に基づいて、容量値制御部４０が積分容量部Ｃ_１０の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を積分容量部Ｃ_１０に注入する。

計数回路６０は、比較回路２０から出力された飽和信号φ_１に基づいて、容量値制御部４０が積分容量部Ｃ_１０の容量値を変更して設定する場合を除いて、積分回路１０から出力された電圧値Ｖが基準値Ｖ_ｒｅｆ２に達した回数を計数し、この計数値をデジタル値として出力する。

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６０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の積分容量部Ｃ_１０に蓄積されていく電荷の量の絶対値をＱ_０とし、比較回路２０から出力される飽和信号φ_１に基づいて電荷注入回路３０により積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０に注入される電荷の量の絶対値をＱ_１とする。このときに、計数回路６０による計数値（デジタル値）は、Ｑ_０をＱ_１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、Ｑ_０をＱ_１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。

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ＳＷ_５１〜ＳＷ_５４および容量素子Ｃ_５０を有する。スイッチＳＷ_５１、容量素子Ｃ_５０およびスイッチＳＷ_５２は順に接続されており、スイッチＳＷ_５１の他端は積分回路１０のアンプＡ_１０の出力端子に接続されており、スイッチＳＷ_５２の他端は増幅回路７０の入力端に接続されている。スイッチＳＷ_５１と容量素子Ｃ_５０との接続点は、スイッチＳＷ_５３を介して接地されている。スイッチＳＷ_５２と容量素子Ｃ_５０との接続点は、スイッチＳＷ_５４を介して接地されている。

保持回路５１および保持回路５２それぞれでは、スイッチＳＷ_５１およびＳＷ_５４は同時に開閉する。スイッチＳＷ_５２およびＳＷ_５３は同時に開閉する。スイッチＳＷ_５１，ＳＷ_５４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Ｃ_５０に保持される。スイッチＳＷ_５２，ＳＷ_５３が閉じると、容量素子Ｃ_５０に保持されている電圧値は増幅回路７０へ出力される。

保持回路５１は、積分回路１０において電荷蓄積動作が一定期間に亘って行われて該動作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Ｖ_５１を増幅回路７０へ出力する。一方、保持回路５２は、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０が閉じている状態から開いた瞬間に積分回路１０から出力されるリセット直後のノイズ電圧値をサンプリングして保持し、その保持した電圧値Ｖ_５２を増幅回路７０へ出力する。

増幅回路７０は、保持回路５１から出力された電圧値Ｖ_５１を入力するとともに、保持回路５２から出力された電圧値Ｖ_５２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(Ｖ_５１−Ｖ_５２)）をＡＤ変換回路８０へ出力する。保持回路５１から出力された電圧値Ｖ_５１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６０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Ｖ_５２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７０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。

前述したように、増幅回路７０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８０へ出力する。また、ＡＤ変換回路８０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７０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９０は、ＡＤ変換回路８０における最大入力電圧値を設定する為の基準値Ｖ_ｒｅｆ１を入力して、この基準値Ｖ_ｒｅｆ１のＫ分の１の電圧値（Ｖ_ｒｅｆ１／Ｋ）を基準値Ｖ_ｒｅｆ２として比較回路２０に与える。

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ＳＷ_１０の開閉動作、計数回路６０における計数動作、保持回路５１，５２におけるスイッチＳＷ_５１〜ＳＷ_５４の開閉動作、および、ＡＤ変換回路８０におけるＡＤ変換動作、を所定のタイミングで制御する。

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。図３は、本実施形態に係る光検出装置１の動作を説明するタイミングチャートである。ただし、ここでは、容量値制御部４０による積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値の制御が行われないものとして、積分回路１０における電荷蓄積動作の期間に亘って積分容量部Ｃ_１０の容量値が一定であるとする。

時刻ｔ_０に、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０が閉じて、積分容量部Ｃ_１０が放電され、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０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φ_１は論理レベルＬであり、電荷注入回路３０のスイッチＳＷ_３１およびＳＷ_３４それぞれは開いており、電荷注入回路３０のスイッチＳＷ_３２およびＳＷ_３３それぞれは閉じており、計数回路６０における計数値は値０に初期化されている。

時刻ｔ_１に、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０が開いて電荷蓄積動作が開始され、フォトダイオードＰＤで発生した電荷が積分容量部Ｃ_１０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Ｖ_１０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Ｖ_１０は、比較回路２０により基準値Ｖ_ｒｅｆ２と比較される。

時刻ｔ_２に、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０が基準値Ｖ_ｒｅｆ２に達すると、比較回路２０から出力される飽和信号φ_１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ＳＷ_３１およびＳＷ_３４それぞれは閉じるとともに、スイッチＳＷ_３２およびＳＷ_３３それぞれは開く。

そして、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０が基準値Ｖ_ｒｅｆ２に達したときに積分容量部Ｃ_１０に蓄積されていた電荷量Ｑ_１０（＝Ｃ_１０・Ｖ_ｒｅｆ２）と、そのときまでに電荷注入回路３０の容量素子Ｃ_３０に蓄積されていた電荷量Ｑ_３０（＝Ｃ_３０・Ｖ_ｉｎｊ）とが互いに等しければ、電荷注入回路３０の容量素子Ｃ_３０に蓄積されていた電荷は積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０に注入されて、積分容量部Ｃ_１０における電荷蓄積量はリセットされる。

これにより、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０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Ｖ_１０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φ_１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ＳＷ_３１およびＳＷ_３４それぞれは開くとともに、スイッチＳＷ_３２およびＳＷ_３３それぞれは閉じる。

時刻ｔ_３，時刻ｔ_４，時刻ｔ_５および時刻ｔ_６それぞれにおいても、時刻ｔ_２における上述した一連の動作が行われる。ここで、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの時間τ_１２、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの時間τ_２３、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの時間τ_３４、時刻ｔ_４から時刻ｔ_５までの時間τ_４５、および、時刻ｔ_５から時刻ｔ_６までの時間τ_５６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。

このような繰り返し動作は、積分回路１０における電荷蓄積動作が開始された時刻ｔ_１から一定時間Ｔが経過する時刻ｔ_７（＝ｔ_１＋Ｔ）まで行われる。時刻ｔ_６から時刻ｔ_７までの時間は、上記時間τ_１２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φ_１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６０により計数される。すなわち、計数回路６０における計数値は、時刻ｔ_２に値１となり、時刻ｔ_３に値２となり、時刻ｔ_４に値３となり、時刻ｔ_５に値４となり、時刻ｔ_６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６０によりＡＤ変換機能が実現されている。

時刻ｔ_７前に保持回路５１のスイッチＳＷ_５１，ＳＷ_５４が閉じ、時刻ｔ_７に保持回路５１のスイッチＳＷ_５１，ＳＷ_５４が開いて、その結果、時刻ｔ_７直前に積分回路１０から出力されていた電圧値Ｖ_１０の値Ｖ_５１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ｔ_１に保持回路５２のスイッチＳＷ_５１，ＳＷ_５４が閉じ、時刻ｔ_１直後に保持回路５２のスイッチＳＷ_５１，ＳＷ_５４が開いて、その結果、時刻ｔ_１に積分回路１０のスイッチＳＷ_１０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Ｖ_５２が保持回路５２によりサンプリングされて保持される。

そして、時刻ｔ_７以降の時刻ｔ_８〜ｔ_９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ＳＷ_５２，ＳＷ_５３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Ｖ_５１、および、保持回路５２により保持されていた電圧値Ｖ_５２は、増幅回路７０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(Ｖ_５１−Ｖ_５２)）が増幅回路７０から出力される。増幅回路７０から出力された電圧値はＡＤ変換回路８０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８０から出力される。

また、時刻ｔ_７以降は計数回路６０における計数動作が停止され、時刻ｔ_７における計数値が計数回路６０により保持される。そして、時刻ｔ_８〜ｔ_９の間に、読出し部４_ｎのスイッチＳＷが閉じて、その読出し部４_ｎの計数回路６０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。

以上の動作のうち、時刻ｔ_０〜ｔ_７の間の動作は、Ｎ個の読出し部４_１〜４_Ｎにおいて並列的に同時に行われる。一方、時刻ｔ_７以降の動作は、Ｎ個の読出し部４_１〜４_Ｎ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４_１〜４_Ｎ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６０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８０によるＡＤ変換結果である第２のデジタル値が得られる。

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Ｄ_{Ｍ１＋Ｍ２−１}〜Ｄ_０として表される。このうち、上位Ｍ１ビットのデータＤ_{Ｍ１＋Ｍ２−１}〜Ｄ_Ｍ２は第１のデジタル値に対応し、下位Ｍ２ビットのデータＤ_Ｍ２−１〜Ｄ_０は第２のデジタル値に対応する。

したがって、本実施形態に係る光検出装置１において、容量値制御部４０による積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値の制御が行われないものとして、積分回路１０における電荷蓄積動作の期間Ｔ（時刻ｔ_１〜ｔ_７）に亘って積分容量部Ｃ_１０の容量値が一定であるとすると、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６０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８０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。

また、本実施形態に係る光検出装置１では、増幅回路７０は、保持回路５１から出力された電圧値Ｖ_５１を入力するとともに、保持回路５２から出力された電圧値Ｖ_５２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(Ｖ_５１−Ｖ_５２)）をＡＤ変換回路８０へ出力する。そして、ＡＤ変換回路８０は、比較回路２０における基準値Ｖ_ｒｅｆ２のＫ倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路７０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Ｄ_Ｍ２−１〜Ｄ_０）を出力する。これにより、ＡＤ変換回路８０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Ｄ_{Ｍ１＋Ｍ２−１}〜Ｄ_０）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。

しかし、積分回路１０における電荷蓄積動作の期間Ｔ（時刻ｔ_１〜ｔ_７）に亘って積分容量部Ｃ_１０の容量値が一定であるとして以上までに説明した動作では、比較回路２０から飽和信号が出力されて電荷注入回路３０により積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０へ電荷が注入される回数が多いほど、アンプの瞬時応答速度が必要となり、アンプの帯域を上げるために消費電力は多くなる。そこで、本実施形態に係る光検出装置１は、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値を可変とするとともに、容量値制御部４０により積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値を制御することで、電荷注入回路３０により積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０へ電荷が注入される回数を削減して、消費電力を低減する。以下では、本実施形態に係る光検出装置１に含まれる積分回路１０および容量値制御部４０について更に詳細に説明する。

図４は、本実施形態に係る光検出装置１に含まれる積分回路１０の回路図である。積分回路１０は、アンプＡ_１０、積分容量部Ｃ_１０およびスイッチＳＷ_１０を有する。アンプＡ_１０の非反転入力端子は接地されている。アンプＡ_１０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Ａ_１０の反転入力端子と出力端子との間に積分容量部Ｃ_１０およびスイッチＳＷ_１０が並列的に設けられている。

積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０は、スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３および容量素子Ｃ_１１〜Ｃ_１３を含む。直列的に接続されたスイッチＳＷ_１１および容量素子Ｃ_１１、直列的に接続されたスイッチＳＷ_１２および容量素子Ｃ_１２、ならびに、直列的に接続されたスイッチＳＷ_１３および容量素子Ｃ_１３は、アンプＡ_１０の反転入力端子と出力端子との間に並列的に設けられている。容量素子Ｃ_１１〜Ｃ_１３それぞれの容量値は互いに異なる。以下では、容量素子Ｃ_１１の容量値Ｃ_１，容量素子Ｃ_１２の容量値Ｃ_２および容量素子Ｃ_１３の容量値Ｃ_３の間の大小関係を「Ｃ_１＜Ｃ_２＜Ｃ_３」とする。

容量値制御部４０は、積分容量部Ｃ_１０に含まれるスイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３それぞれの開閉動作を制御することで、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値を設定する。容量値制御部４０は、スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３のうちスイッチＳＷ_１１のみを閉状態とすることで、積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_１に設定する。容量値制御部４０は、スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３のうちスイッチＳＷ_１２のみを閉状態とすることで、積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_２に設定する。また、容量値制御部４０は、スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３のうちスイッチＳＷ_１３のみを閉状態とすることで、積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_３に設定する。

容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時（図３中の時刻ｔ_１）に、スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３のうちスイッチＳＷ_１１のみを閉状態とすることで、積分容量部Ｃ_１０の容量値を最小値Ｃ_１に設定しておく。そして、容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中（図３中の時刻ｔ_２）で比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から比較回路２０における飽和信号出力時までの時間（図３中の時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの時間τ_１２）が短いほど積分容量部Ｃ_１０の容量値を大きい値に設定する。

図５は、本実施形態に係る光検出装置１に含まれる積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０の時間変化を示す図である。電荷蓄積動作の期間に亘ってフォトダイオードＰＤに入射される光の強度が一定であってフォトダイオードＰＤの出力電流値が一定であれば、同図（ａ）に示されるように、積分回路１０から出力される電圧値Ｖ_１０は、電荷蓄積動作開始時のリセットレベルから時間の経過とともに比較回路２０における基準値Ｖ_ｒｅｆ２へ直線的に近づいていく。同図（ａ）中に示される直線Ｌ_２，Ｌ_３それぞれは、積分回路１０における電荷蓄積動作の期間Ｔに亘って積分容量部Ｃ_１０の容量値を最小値Ｃ_１とした場合の積分回路１０の出力電圧値Ｖ_１０の時間的変化を示す。

直線Ｌ_３で示される場合のフォトダイオードＰＤの出力電流値Ｉ_３は、積分回路１０における電荷蓄積動作の期間Ｔに亘って積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_２とした場合に電荷蓄積動作期間Ｔの終了時に積分回路１０の電圧値Ｖ_１０が飽和出力電圧値Ｖ_ｓａｔとなる値である。このようなフォトダイオードＰＤの出力電流値Ｉ_３の場合、積分容量部Ｃ_１０の容量値を最小値Ｃ_１としたときに、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から積分回路１０の出力電圧値Ｖ_１０が基準値Ｖ_ｒｅｆ２へ達するまでの時間をτ_３とする。

直線Ｌ_２で示される場合のフォトダイオードＰＤの出力電流値Ｉ_２は、積分回路１０における電荷蓄積動作の期間Ｔに亘って積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_１とした場合に電荷蓄積動作期間Ｔの終了時に積分回路１０の電圧値Ｖ_１０が飽和出力電圧値Ｖ_ｓａｔとなる値である。このようなフォトダイオードＰＤの出力電流値Ｉ_２の場合、積分容量部Ｃ_１０の容量値を最小値Ｃ_１としたときに、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から積分回路１０の出力電圧値Ｖ_１０が基準値Ｖ_ｒｅｆ２へ達するまでの時間をτ_２とする。

フォトダイオードＰＤの出力電流値Ｉ_２，Ｉ_３は下記（１）式で表される。積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から積分回路１０の出力電圧値Ｖ_１０が基準値Ｖ_ｒｅｆ２へ達するまでの時間τ_２，τ_３は下記（２）式で表される。ここで、ｎは２または３である。

なお、時間τ_２，τ_３は、上記の式から求められる値でなくてもよく、例えば、外部から任意に設定されてもよい。

容量値制御部４０は、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の各容量値Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３、積分回路１０の飽和出力電圧値Ｖ_ｓａｔ、比較回路２０に入力される基準値Ｖ_ｒｅｆ２、および、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から保持回路５０における電圧値サンプリング動作時までの時間Ｔ、に基づいて、上記の時間τ_２，τ_３を求めておき、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から保持回路５０における電圧値サンプリング動作時までの期間を、３つの部分期間に区分しておく。

容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中で比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、比較回路２０における飽和信号出力時が３つの部分期間のうちの何れの部分期間に属するかを求め、それに応じて積分容量部Ｃ_１０の容量値を変更して設定する。具体的には以下のとおりである。

図５（ｂ）に示されるように、容量値制御部４０は、比較回路２０からの飽和信号出力時が時間０から時間τ_３までの部分期間に属する場合には、積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_１からＣ_３へ変更して設定する。図５（ｃ）に示されるように、容量値制御部４０は、比較回路２０からの飽和信号出力時が時間τ_３から時間τ_２までの部分期間に属する場合には、積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_１からＣ_２へ変更して設定する。また、図５（ｄ）に示されるように、容量値制御部４０は、比較回路２０からの飽和信号出力時が時間τ_２以降の部分期間に属する場合には、積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_１のままとする。

このように、容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中で積分容量部Ｃ_１０の容量値を当初の最小値Ｃ_１から大きい値に変更して設定することにより、電荷注入回路３０により積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０へ電荷が注入される回数を削減することができ、アンプの高速応答性を必要としないため、アンプの帯域を下げることができ、消費電力を低減することができる。

なお、容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中で積分容量部Ｃ_１０の容量値を当初の最小値Ｃ_１からＣ_２へ変更した場合または当初の最小値Ｃ_１のままとした場合、その後に比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、積分容量部Ｃ_１０の容量値を更に大きい値に変更して設定してもよい。

また、積分容量部Ｃ_１０の容量値をＣ_２，Ｃ_３へ変更した場合または当初のＣ_１のままとした場合、その後に比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、容量値制御部４０により積分容量部Ｃ_１０の容量値を大きい値に変更することなく、積分容量部Ｃ_１０に蓄積される電荷と逆極性の一定量の電荷を電荷注入回路３０により積分容量部Ｃ_１０へ注入し、積分回路１０から出力された電圧値Ｖ_１０が基準値Ｖ_ｒｅｆ２に達した回数（すなわち、比較回路２０から飽和信号が出力された回数）を計数回路６０により計数してもよい。

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７０から出力される。これにより、増幅回路７０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。

また、図６に示されるように、保持回路５０として４個の保持回路５１_１，５２_１，５１_２，５２_２が設けられてもよい。図６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６中の４個の保持回路５１_１，５２_１，５１_２，５２_２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。

保持回路５１_１，５１_２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５２_１，５２_２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５１_１，５２_１と第２の組の保持回路５１_２，５２_２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。

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、容量値制御部４０による積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値の制御とともに、積分回路１０，比較回路２０，電荷注入回路３０および計数回路６０によるＡＤ変換動作が行われて、計数回路６０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５１_１，５２_１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５１_２，５２_２により保持されている電圧値が増幅回路７０により増幅されＡＤ変換回路８０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５１_２，５２_２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５１_１，５２_１により保持されている電圧値が増幅回路７０により増幅されＡＤ変換回路８０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５１_１，５２_１と第２の組の保持回路５１_２，５２_２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，容量値制御部４０および計数回路６０による処理と、増幅回路７０およびＡＤ変換回路８０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。

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５２_１，５２_２は設けられなくてもよい。

以上までに説明した本実施形態に係る光検出装置１，１Ａは、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値を可変とするとともに、容量値制御部４０により積分容量部Ｃ_１０の容量値を制御することとして、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時に積分容量部Ｃ_１０の容量値を最小値に設定しておき、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中で比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時から比較回路における飽和信号出力時までの時間が短いほど積分容量部Ｃ_１０の容量値を大きい値に設定する。これにより、電荷注入回路３０により積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０へ電荷が注入される回数を削減することができ、消費電力を低減することができる。

また、本実施形態に係る光検出装置１，１Ａでは、増幅回路７０は、保持回路５１から出力された電圧値Ｖ_５１を入力するとともに、保持回路５２から出力された電圧値Ｖ_５２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(Ｖ_５１−Ｖ_５２)）をＡＤ変換回路８０へ出力する。そして、ＡＤ変換回路８０は、比較回路２０における基準値Ｖ_ｒｅｆ２のＫ倍の電圧値を最大入力電圧値とし、増幅回路７０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Ｄ_Ｍ２−１〜Ｄ_０）を出力する。これにより、ＡＤ変換回路８０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１，１Ａから出力されるデジタル値（データＤ_{Ｍ１＋Ｍ２−１}〜Ｄ_０）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１，１Ａ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。

また、本実施形態に係る光検出装置１，１Ａは、消費電力の低減にも拘わらず、積分回路１０のリセットに要する時間の短縮を図ることができる。本実施形態に係る光検出装置１，１Ａは、電荷注入回路３０により積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０へ電荷が注入される回数を削減することができることから、たとえ積分回路１０の消費電力を大幅に落としたとしても、積分回路１０の出力電圧値に誤差が生じにくい。

また、本実施形態に係る光検出装置１，１Ａは、積分回路１０における電荷蓄積動作の時間を撮像対象に応じて変化させたい場合に、時間τ_２，τ_３の値を外部から任意に設定し得るようにすれば、フレキシブルな対応が可能である。

以上までに説明した構成では、複数の読出し部４_１〜４_Ｎが設けられる場合に、各読出し部４_ｎに含まれる積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値は、他の読出し部に含まれる積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値とは無関係に設定される。したがって、増幅回路７０の増幅率が一定のままであるとすれば、光検出装置１から出力される値は、各読出し部４_ｎにおける保持回路５０による電圧値サンプリング動作時の積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値Ｃ_finalによって、入射光量に対して異なるゲインを有する値になる。このような事態が問題となるような用途の場合には、図７または図８に示されるような構成とするのが好適である。

図７は、他の実施形態に係る光検出装置１Ｂの詳細構成を示す図である。この図では、積分回路１０、保持回路５０としての２個の保持回路５１，５２、増幅回路７０およびＡＤ変換回路８０が示されている。他の構成要素については、図１および図２に示されたものと同様である。また、増幅回路７０については詳細な回路構成が示されている。

増幅回路７０は、２入力２出力のフルディファレンシャルのアンプＡ_７０，容量素子Ｃ_７１，容量素子Ｃ_７２，スイッチＳＷ_７１およびスイッチＳＷ_７２を含む。アンプＡ_７０の反転入力端子は、保持回路５１の出力端子に接続されている。アンプＡ_７０の反転入力端子と非反転出力端子との間に互いに並列的に接続された容量素子Ｃ_７１およびスイッチＳＷ_７１が設けられている。アンプＡ_７０の非反転入力端子は、保持回路５２の出力端子に接続されている。アンプＡ_７０の非反転入力端子と反転出力端子との間に互いに並列的に接続された容量素子Ｃ_７２およびスイッチＳＷ_７２が設けられている。ＡＤ変換回路８０は、増幅回路７０のアンプＡ_７０の非反転入力端子および反転入力端子それぞれから出力される電圧値の差に対応するデジタル値を出力する。

容量素子Ｃ_７１および容量素子Ｃ_７２それぞれの容量値は互いに等しい。スイッチＳＷ_７１およびスイッチＳＷ_７２は互いに同時に開閉する。増幅回路７０は、スイッチＳＷ_７１およびスイッチＳＷ_７２が閉じているときに、容量素子Ｃ_７１および容量素子Ｃ_７２それぞれが放電されて、出力される差動電圧値が初期化される。増幅回路７０は、スイッチＳＷ_７１およびスイッチＳＷ_７２が開いているときに、入力された差動電圧値に応じた差動電圧値を出力する。

保持回路５１，５２それぞれに含まれる容量素子Ｃ_５０の容量値をＣ_Ｈとし、増幅回路７０に含まれる容量素子Ｃ_７１および容量素子Ｃ_７２それぞれの容量値をＣ_Ａとする。容量値Ｃ_Ａは可変である。容量値Ｃ_Ｈと容量値Ｃ_Ａとが互いに等しければ、保持回路５０における電圧値サンプリング動作時の積分回路１０の出力電圧値は、ゲイン１倍のまま増幅回路７０から出力される。容量値Ｃ_Ａを可変とすることでゲインを可変することができる。

そこで、容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中で比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、積分容量部Ｃ_１０の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として積分容量部Ｃ_１０の容量値を設定する。この所定容量値Ｃ_setは、積分容量部Ｃ_１０の容量値の可変範囲の上限値であってもよい。そして、増幅回路７０は、保持回路５０における電圧値サンプリング動作時の積分容量部Ｃ_１０の容量値Ｃ_finalと所定容量値Ｃ_setとの比（Ｃ_final／Ｃ_set）の定数倍の値を増幅率として入力電圧値を増幅して出力する。すなわち、増幅回路７０に含まれる容量素子Ｃ_７１および容量素子Ｃ_７２それぞれの容量値Ｃ_Ａを、比（Ｃ_set／Ｃ_final）の定数倍の値（例えば（Ｃ_set／Ｃ_final）Ｃ_Ｈ）とする。

このようにして増幅回路７０から出力される電圧値がＡＤ変換回路８０に入力されることにより、ＡＤ変換回路８０から出力されるデジタル値は入射光量に対して一定のゲインを有する値になる。また、保持回路５０からＡＤ変換回路８０までの間に発生する伝達ノイズが抑制される。

なお、本実施形態に係る光検出装置１Ｂ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ＳＷ_１０の開閉動作、計数回路６０における計数動作、保持回路５１，５２におけるスイッチＳＷ_５１〜ＳＷ_５４の開閉動作、および、ＡＤ変換回路８０におけるＡＤ変換動作、容量値制御部４０の動作、を所定のタイミングで制御する。

図８は、更に他の実施形態に係る光検出装置１Ｃの詳細構成を示す図である。この図では、積分回路１０、保持回路５０としての２個の保持回路５１，５２、増幅回路７０、ＡＤ変換回路８０およびデジタル値処理部１００が示されている。他の構成要素については、図１および図２に示されたものと同様である。また、増幅回路７０については詳細な回路構成が示されている。増幅回路７０は、図７で説明した構成と略同様の構成を有するが、容量素子Ｃ_７１および容量素子Ｃ_７２それぞれの容量値Ｃ_Ａが一定であってよい。

容量値制御部４０は、積分回路１０における電荷蓄積動作の途中で比較回路２０から飽和信号が出力されたときに、積分容量部Ｃ_１０の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として積分容量部Ｃ_１０の容量値を設定する。この所定容量値Ｃ_setは、積分容量部Ｃ_１０の容量値の可変範囲の上限値であってもよい。そして、ＡＤ変換回路８０の後段に設けられたデジタル値処理部１００は、ＡＤ変換回路８０から出力されたデジタル値を入力し、保持回路５０における電圧値サンプリング動作時の積分容量部Ｃ_１０の容量値Ｃ_finalと所定容量値Ｃ_setとの比（Ｃ_final／Ｃ_set）の定数倍の値を入力デジタル値に乗じて、その乗算により得られたデジタル値を出力する。

積分容量部Ｃ_１０において設定可能な容量値のうち任意の２つの容量値の比が２の冪乗の数である場合には、デジタル値処理部１００は、入力デジタル値に対して必要ビット数だけビットシフト操作するだけで出力デジタル値を生成することができる。例えば、積分容量部Ｃ_１０において設定可能な容量値Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３の間に「２^４Ｃ_１＝２^２Ｃ_２＝Ｃ_３」なる関係があるとし、所定容量値Ｃ_setをＣ_３とし、また、デジタル値処理部１００への入力デジタル値を８ビットの［D₇ D₆ D₅ D₄ D₃D₂ D₁ D₀］として、デジタル値処理部１００からの出力デジタル値を１２ビットとする。

このとき、デジタル値処理部１００は以下のような処理をする。図９は、デジタル値処理部１００の処理内容を説明する図である。同図（ａ）は、保持回路５０における電圧値サンプリング動作時の積分容量部Ｃ_１０の容量値Ｃ_finalがＣ_１である場合を示し、同図（ｂ）は、該容量値Ｃ_finalがＣ_２である場合を示し、また、同図（ｃ）は、該容量値Ｃ_finalがＣ_３である場合を示す。また、同図（ａ）〜（ｃ）それぞれにおいて、左側に８ビットの入力デジタル値を示し、右側に１２ビットの出力デジタル値を示す。

保持回路５０における電圧値サンプリング動作時の積分容量部Ｃ_１０の容量値Ｃ_finalがＣ_１である場合には、同図（ａ）に示されるように、１２ビットの出力デジタル値は、入力デジタル値をビットシフトすることなく、上位４ビットに０を挿入して、［０ ０ ００ D₇ D₆D₅ D₄ D₃ D₂ D₁ D₀］として出力される。保持回路５０における電圧値サンプリング動作時の積分容量部Ｃ_１０の容量値Ｃ_finalがＣ_２である場合には、同図（ｂ）に示されるように、１２ビットの出力デジタル値は、入力デジタル値を２ビットだけ上位方向へシフトし、上位２ビットおよび下位２ビットに０を挿入して、［０ ０ D₇ D₆D₅ D₄ D₃ D₂ D₁ D₀０ ０］として出力される。また、保持回路５０における電圧値サンプリング動作時の積分容量部Ｃ_１０の容量値Ｃ_finalがＣ_３である場合には、同図（ｃ）に示されるように、１２ビットの出力デジタル値は、入力デジタル値を４ビットだけ上位方向へシフトし、下位４ビットに０を挿入して、［D₇ D₆D₅ D₄ D₃ D₂ D₁ D₀０ ０ ０ ０］として出力される。

このようにしてデジタル値処理部１００においてデジタル値が処理されることにより、デジタル値処理部１００から出力されるデジタル値は入射光量に対して一定のゲインを有する値になる。また、保持回路５０からＡＤ変換回路８０までの間に発生する伝達ノイズが抑制される。さらに、ＡＤ変換により得られるデジタル値の実質的なビット数が多くなる。

なお、本実施形態に係る光検出装置１Ｃ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ＳＷ_１０の開閉動作、計数回路６０における計数動作、保持回路５１，５２におけるスイッチＳＷ_５１〜ＳＷ_５４の開閉動作、および、ＡＤ変換回路８０におけるＡＤ変換動作、容量値制御部４０の動作、デジタル値処理部１００の動作、を所定のタイミングで制御する。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…光検出装置、２…フォトダイオードアレイ、３…信号処理装置、４_１〜４_Ｎ…読出し部、１０…積分回路、２０…比較回路、３０…電荷注入回路、４０…容量値制御部、５０〜５２…保持回路、６０…計数回路、７０…増幅回路、８０…ＡＤ変換回路、９０…基準値生成回路、１００…デジタル値処理部。

Claims (13)

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、
   容量値が可変に設定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部を有し、この積分容量部に蓄積した電荷の量および容量値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、
   前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から一定時間が経過した後に前記積分回路から出力された電圧値をサンプリングして保持し出力する保持回路と、
   前記積分回路における電荷蓄積動作開始時に前記積分容量部の容量値を最小値に設定しておき、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から前記比較回路における飽和信号出力時までの時間が短いほど前記積分容量部の容量値を大きい値に設定する容量値制御部と、
   前記比較回路から出力された飽和信号に基づいて、前記容量値制御部が前記積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、前記積分回路の前記積分容量部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部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、前記容量値制御部が前記積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、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、
   を備えることを特徴とする信号処理装置。
2. 前記容量値制御部が、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記比較回路における飽和信号出力時が前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から前記保持回路における電圧値サンプリング動作時までの期間のうちの何れの部分期間に属するかに応じて前記積分容量部の容量値を変更して設定することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記容量値制御部が、
   前記積分容量部の各容量値、前記積分回路の飽和出力電圧値、前記比較回路に入力される基準値、および、前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から前記保持回路における電圧値サンプリング動作時までの時間、に基づいて、前記積分回路における電荷蓄積動作開始時から前記保持回路における電圧値サンプリング動作時までの期間を複数の部分期間に区分し、
   前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記比較回路における飽和信号出力時が前記複数の部分期間のうちの何れの部分期間に属するかに応じて前記積分容量部の容量値を変更して設定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。
4. 前記容量値制御部が、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記積分容量部の容量値を変更して設定した後に前記比較回路から飽和信号が更に出力されたときに、前記積分容量部の容量値を更に大きい値に変更して設定する、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の信号処理装置。
5. 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、この入力電圧値をＫ倍（ただし、Ｋ＞１）に増幅して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に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換回路と、
   を更に備え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。
6. 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５に記載の信号処理装置。
7. 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、この入力電圧値を増幅して出力する増幅回路を更に備え、
   前記容量値制御部が、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として前記積分容量部の容量値を設定し、
   前記増幅回路が、前記保持回路における電圧値サンプリング動作時の前記積分容量部の容量値Ｃ_finalと前記所定容量値Ｃ_setとの比（Ｃ_final／Ｃ_set）の定数倍の値を増幅率として入力電圧値を増幅して出力する、
   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。
8. 前記保持回路により保持されて出力された電圧値に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換回路と、前記ＡＤ変換回路から出力されたデジタル値を入力し、この入力デジタル値を処理して出力するデジタル値処理部と、を更に備え、
   前記容量値制御部が、前記積分回路における電荷蓄積動作の途中で前記比較回路から飽和信号が出力されたときに、前記積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として前記積分容量部の容量値を設定し、
   前記デジタル値処理部が、前記保持回路における電圧値サンプリング動作時の前記積分容量部の容量値Ｃ_finalと前記所定容量値Ｃ_setとの比（Ｃ_final／Ｃ_set）の定数倍の値を入力デジタル値に乗じて、その乗算により得られたデジタル値を出力する、
   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。
9. 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の差に応じた電圧値を出力する、
   ことを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の信号処理装置。
10. 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ＡＤ変換回路が、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の差に応じたデジタル値を出力する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の信号処理装置。
11. 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，前記比較回路および前記容量値制御部による処理と、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５，６および８の何れか１項に記載の信号処理装置。
12. 複数組の前記積分回路，前記比較回路，前記保持回路および前記容量値制御部に対して、１個の前記ＡＤ変換回路が設けられ、
    前記ＡＤ変換回路が、各組の前記保持回路により順次に出力される電圧値に応じたデジタル値を出力する、
    ことを特徴とする請求項５，６および８の何れか１項に記載の信号処理装置。
13. 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１〜１２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。
    

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