JP5542504B2 - 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。また、信号処理装置は、アンプおよび積分容量部を含む積分回路を備え、フォトダイオードで発生した電荷を積分回路の積分容量部に蓄積し、その積分容量部の容量値および蓄積電荷量に応じた電圧値を積分回路から出力する。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変換機能をも有していて、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

上記のような信号処理回路は以下のような問題点を有していることを本発明者は見出した。

フォトダイオードの出力電流値をＩとし、積分回路の積分容量部における電荷蓄積時間をＴとし、積分回路の積分容量部の容量値をＣ_ｆとし、フォトダイオードと積分容量部との間の配線容量をＣ_ｄとし、積分回路のアンプのオープンループゲインをＡとしたとき、積分回路から出力される電圧値Ｖは下記（１）式で表される。

一般には、積分回路のアンプのオープンループゲインＡは無限大であるとしていいから、（１）式は下記（２）式で近似され得る。従来では、（２）式の近似式が充分に高精度に成り立つことを前提として、この（２）式に拠って、積分回路の出力電圧値Ｖに基づいて、フォトダイオードの出力電流値Ｉすなわちフォトダイオードへの入射光量が求められていた。

しかしながら、積分回路のアンプのオープンループゲインＡは、理想的には無限大であるとして扱われるものの、現実には有限の値を有する。１／Ａと Ｃ_ｆ／（Ｃ_ｆ＋Ｃ_ｄ）との比の大きさによっては、Ｃ_ｆ／（Ｃ_ｆ＋Ｃ_ｄ） と比較して １／Ａが無視し得ない値となって、上記（２）式の近似式が成り立たなくなる。

以上のようなことから、高精度の容量値Ｃ_ｆを有する積分容量部を含む積分回路を製造することができたとしても、信号処理回路の出力値が積分容量部の容量値Ｃ_ｆに反比例する関係（（２）式）が崩れて、フォトダイオードへの入射光量が高精度に求められない場合がある。

本発明は、上記のような本発明者の知見に基づいてなされたものであり、フォトダイオードへの入射光量を高精度に求めることができる信号処理装置および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) 第１アンプ，第１積分容量部および第１スイッチを含み、第１アンプの入力端と出力端との間に第１積分容量部および第１スイッチが並列的に設けられ、第１アンプの入力端がフォトダイオードに接続され、第１スイッチが閉状態である初期化期間に第１積分容量部を放電させ、第１スイッチが閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時より以降、フォトダイオードから出力された電荷を第１積分容量部に蓄積して、第１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第１積分回路と、(2) 電荷蓄積動作開始時より以降に一定の電圧値を出力する電圧源と、(3) 第２アンプ，第２積分容量部，第２スイッチおよび抵抗器を含み、第２アンプの入力端と出力端との間に第２積分容量部および第２スイッチが並列的に設けられ、第２アンプの入力端が抵抗器を介して電圧源の出力端に接続され、第２アンプのオープンループゲインが第１アンプのオープンループゲインと等しく、第２積分容量部の容量値が第１積分容量部の容量値と等しく、電荷蓄積動作開始時に第２スイッチが閉状態から開状態に転じて、電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源から出力される電圧値を積分した値を表す電圧値を出力する第２積分回路と、(4) 第２積分回路から出力される電圧値と基準値とを大小比較して電圧値が基準値に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力するタイミング指示信号生成回路と、(5) タイミング指示信号生成回路から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、第１積分回路から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力する保持回路と、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。この信号処理装置の第１積分回路は、第１アンプ，第１積分容量部および第１スイッチを含む。この第１積分回路では、第１アンプの入力端と出力端との間に第１積分容量部および第１スイッチが並列的に設けられている。また、第１積分回路では、第１アンプの入力端がフォトダイオードに接続されている。第１積分回路では、第１スイッチが閉状態である初期化期間に第１積分容量部が放電され、リセットレベルの電圧値が出力される。また、第１積分回路では、第１スイッチが閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時より以降、フォトダイオードへの入射光量に応じて発生した電荷が第１積分容量部に蓄積されて、この第１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が出力される。

この信号処理装置の第２積分回路は、第２アンプ，第２積分容量部，第２スイッチおよび抵抗器を含む。この第２積分回路では、第２アンプの入力端と出力端との間に第２積分容量部および第２スイッチが並列的に設けられている。第２積分回路では、第２アンプの入力端が抵抗器を介して電圧源の出力端に接続されている。第２積分回路の第２アンプのオープンループゲインは、第１積分回路の第１アンプのオープンループゲインと等しい。また、第２積分回路の第２積分容量部の容量値は、第１積分回路の第１積分容量部の容量値と等しい。第２積分回路では、電荷蓄積動作開始時に第２スイッチが閉状態から開状態に転じて、電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源から出力される一定の電圧値が入力され、この電圧値を積分した値を表す電圧値が出力される。

タイミング指示信号生成回路により、第２積分回路から出力される電圧値が基準値と大小比較されて、該電圧値が該基準値に達したタイミングを表すタイミング指示信号が出力される。そして、保持回路により、タイミング指示信号生成回路から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、第１積分回路から出力される電圧値がサンプリングされて保持され出力される。保持回路から出力される電圧値は、フォトダイオードへの入射光量を表す。

このように、第１積分回路から出力される電圧値が保持回路によりサンプリングされるタイミングは、電圧源，第２積分回路およびタイミング指示信号生成回路により設定される。ここで、第２積分回路の第２アンプのオープンループゲインは第１積分回路の第１アンプのオープンループゲインと等しく、また、第２積分回路の第２積分容量部の容量値は第１積分回路の第１積分容量部の容量値と等しい。したがって、これらのアンプのオープンループゲインが有限の値を有するとしても、第１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が適切に調整されて、フォトダイオードへの入射光量が高精度に求められ得る。

本発明に係る信号処理装置は、(1) 第１積分容量部がＭ個の容量値Ｃ_１〜Ｃ_Ｍのうちの何れかの容量値を有するように選択的に設定され、(2) 第２積分回路としてＭ個の積分回路Ｓ_１〜Ｓ_Ｍを備え、各積分回路Ｓ _ｍ が第２積分回路と同じ構成を有し、各積分回路Ｓ_ｍの第２積分容量部が容量値Ｃ_ｍを有し、各積分回路Ｓ _ｍ の抵抗器が抵抗値Ｒ _ｍ を有し、Ｍ個の積分回路Ｓ_１〜Ｓ_Ｍの間で抵抗値Ｒ _ｍ と容量値Ｃ_ｍとの積が互いに等しく、(3) タイミング指示信号生成回路としてＭ個の生成回路Ｔ_１〜Ｔ_Ｍを備え、各生成回路Ｔ_ｍが積分回路Ｓ_ｍから出力される電圧値と基準値とを大小比較して電圧値が基準値に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力し、(4) 保持回路が、第１積分容量部の設定された容量値Ｃ_ｍに対応する生成回路Ｔ_ｍから出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、第１積分回路から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力するのが好適である。ただし、Ｍは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の整数である。

この場合には、第１積分回路の第１積分容量部は、Ｍ個の容量値Ｃ_１〜Ｃ_Ｍのうちの何れかの容量値を有するように選択的に設定される。第１積分回路の第１積分容量部の容量値Ｃ_ｍに対応して、第２積分回路としての積分回路Ｓ_ｍが設けられており、また、タイミング指示信号生成回路としての生成回路Ｔ_ｍが設けられている。各積分回路Ｓ_ｍの第２積分容量部は容量値Ｃ_ｍを有する。Ｍ個の積分回路Ｓ_１〜Ｓ_Ｍの間で抵抗器の抵抗値と容量値Ｃ_ｍとの積は互いに等しい。また、Ｍ個の積分回路Ｓ_１〜Ｓ_Ｍそれぞれの第２アンプのオープンループゲインは、第１積分回路の第１アンプのオープンループゲインと等しい。したがって、第１積分回路の第１積分容量部がＭ個の容量値Ｃ_１〜Ｃ_Ｍのうちの何れの容量値を有するように設定されたとしても、第１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が適切に調整されて、フォトダイオードへの入射光量が高精度に求められ得る。

本発明に係る信号処理装置は、(1) 第１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、(2) 第１積分回路における電荷蓄積動作開始時に第１積分容量部の容量値を最小値に設定しておき、第１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、第１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第１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、を更に備えるのが好適である。

この場合には、第１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。第１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所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。第１積分回路の第１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、第１積分回路の第１積分容量部の容量値は、第１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、第１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、第１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。

本発明に係る信号処理装置では、容量値制御部は、第１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第１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たときの何れの部分期間に属するかに応じて第１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、第１積分容量部の各容量値、第１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、第１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、第１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、第１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第１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、第１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て第１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、第１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) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が第１積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、第１積分回路の第１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第１積分容量部に注入する電荷注入回路と、(2) 比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が第１積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、第１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、を更に備えるのが好適である。

この場合には、比較回路から出力された飽和信号に基づいて、容量値制御部が第１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、第１積分回路の第１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第１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、容量値制御部が第１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、第１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。これら第１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、第１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、第１積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として第１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第１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、第１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、第１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第１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、第１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、第１積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として第１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第１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、第１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、第１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第１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、第１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、第１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、第１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、第１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、フォトダイオードへの入射光量を高精度に求めることができる。

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。 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。 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１３０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のカソード端子は基準電位Ｖ_ｒｅｆ０が入力される。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しアノード端子から出力する。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，基準値生成回路９０，電圧源１００，積分回路（第２積分回路）１１０およびタイミング指示信号生成回路１２０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（第１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、アンプ，積分容量部およびスイッチを含み、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。積分容量部の容量値は可変に設定される。

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。電圧値のサンプリングのタイミングは、タイミング指示信号生成回路１２０から出力されるタイミング指示信号により指示される。

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。

電圧源１００は、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時より以降、タイミング指示信号生成回路１２０からタイミング指示信号が出力されるまで、一定の電圧値を積分回路１１０へ出力する。電圧源１００から出力される電圧値は、外部から入力されるデジタルコードにより設定されるのが好ましい。

積分回路１１０は、アンプ，積分容量部，スイッチおよび抵抗器を含み、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源１００から出力される電圧値を積分した値を表す電圧値をタイミング指示信号生成回路１２０へ出力する。積分回路１１０のアンプのオープンループゲインは、積分回路１０のアンプのオープンループゲインと等しい。また、積分回路１１０の積分容量部の容量値は、積分回路１０の積分容量部の容量値と等しい。

タイミング指示信号生成回路１２０は、積分回路１１０から出力される電圧値と基準値とを大小比較して該電圧値が該基準値に達したタイミングを表すタイミング指示信号を保持回路５０へ出力する。

図２および図３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。図２には、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。図３には、電圧源１００，積分回路１１０およびタイミング指示信号生成回路１２０が示されている。

図２に示されるように、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基準電位Ｖ_ｒｅｆ０に接続される。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が閉じている初期化期間には、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が閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時より以降、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に蓄積して、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。以下では、積分容量部Ｃ_１０の容量値はＣ_１，Ｃ_２およびＣ_３の何れかに設定されるものとする。

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および容量部Ｃ_３０を有する。スイッチＳＷ_３１、容量部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と容量部Ｃ_３０との接続点は、スイッチＳＷ_３３を介して基準電位Ｖ_ｒｅｆ０と接続される。スイッチＳＷ_３２と容量部Ｃ_３０との接続点は、スイッチＳＷ_３４を介して基準電位Ｖ_ｒｅｆ０と接続される。

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および容量部Ｃ_５０を有する。スイッチＳＷ_５１、容量部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と容量部Ｃ_５０との接続点は、スイッチＳＷ_５３を介して基準電位Ｖ_ｒｅｆ０と接続される。スイッチＳＷ_５２と容量部Ｃ_５０との接続点は、スイッチＳＷ_５４を介して基準電位Ｖ_ｒｅｆ０と接続される。

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部Ｃ_５０に保持される。スイッチＳＷ_５２，ＳＷ_５３が閉じると、容量部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。この保持回路５１による電圧値のサンプリングのタイミングは、タイミング指示信号生成回路１２０から出力されるタイミング指示信号により指示される。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。

図３に示されるように、電圧源１００は、基準電源１０１，電圧値設定部１０２，アンプＡ_１００，容量部Ｃ_１００，容量部Ｃ_１０１およびスイッチＳＷ_１００〜ＳＷ_１０４を含む。電圧源１００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）より以降に一定の電圧値を積分回路１１０へ出力する。

基準電源１０１は、一定電圧を出力する電源であって、電源電圧変動や温度変動に対して安定して一定の電圧を出力することができるバンドギャップ回路からなるのが好ましい。基準電源１０１とアンプＡ_１００の反転入力端子との間に、スイッチＳＷ_１０１，容量部Ｃ_１０１およびスイッチＳＷ_１０２が順に設けられている。スイッチＳＷ_１０１と容量部Ｃ_１０１との接続点は、スイッチＳＷ_１０３を介して基準電位Ｖ_ｒｅｆ０に接続される。容量部Ｃ_１０１とスイッチＳＷ_１０２との接続点は、スイッチＳＷ_１０４を介して基準電位Ｖ_ｒｅｆ０に接続される。アンプＡ_１００の非反転入力端子は基準電位Ｖ_ｒｅｆ０に接続される。アンプＡ_１００の反転入力端子と出力端子との間に容量部Ｃ_１００およびスイッチＳＷ_１００が並列的に設けられている。電圧値設定部１０２は、電圧源１００から出力すべき電圧値を指示するデジタルコードを外部から入力して、そのデジタルコードが表す値に応じた回数だけスイッチＳＷ_１０１〜ＳＷ_１０４の開閉動作を行う。

この電圧源１００では、スイッチＳＷ_１００が閉じることにより、容量部Ｃ_１００が放電されて、出力電圧値がＶ_ｒｅｆ０に初期化される。スイッチＳＷ_１００が開いている期間に、スイッチＳＷ_１０１，ＳＷ_１０４が閉じていてスイッチＳＷ_１０２，ＳＷ_１０３が開いている状態から、スイッチＳＷ_１０１，ＳＷ_１０４が開いていてスイッチＳＷ_１０２，ＳＷ_１０３が閉じている状態に転じることで、基準電源１０１の出力電圧値と容量部Ｃ_１０１の容量値との積に応じた量の電荷（以下「単位量電荷」という。）が容量部Ｃ_１００に蓄積される。

スイッチＳＷ_１００が開いている期間に、電圧値設定部１０２に入力されるデジタルコードが表す値に応じた回数だけ、容量部Ｃ_１００への単位量電荷の蓄積が行われる。このような容量部Ｃ_１００への電荷の蓄積は、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０が閉じている初期化期間に行われる。積分回路１０における電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源１００から出力される電圧値は、この単位量電荷と蓄積回数との積に応じた値となる。

積分回路（第２積分回路）１１０として、３個の積分回路１１０_１〜１１０_３が設けられる。積分回路１１０_１は、アンプＡ_１１１，積分容量部Ｃ_１１１，スイッチＣＷ_１１１および抵抗器Ｒ_１１１を含む。アンプＡ_１１１の反転入力端子と出力端子との間に容量部Ｃ_１１１およびスイッチＳＷ_１１１が並列的に設けられている。アンプＡ_１１１の反転入力端子は、抵抗器Ｒ_１１１を介して電圧源１００の出力端に接続されている。アンプＡ_１１１の非反転入力端子は基準電位Ｖ_ｒｅｆ０に接続される。

積分回路１１０_１では、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０が閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時に、スイッチＳＷ_１１１が閉状態から開状態に転じる。そして、積分回路１１０_１は、電荷蓄積動作開始時より以降に電圧源１００から出力される電圧値を積分した値を表す電圧値を出力する。

積分回路１１０_２は、アンプＡ_１１２，積分容量部Ｃ_１１２，スイッチＣＷ_１１２および抵抗器Ｒ_１１２を含む。積分回路１１０_３は、アンプＡ_１１３，積分容量部Ｃ_１１３，スイッチＣＷ_１１３および抵抗器Ｒ_１１３を含む。積分回路１１０_２，１１０_３それぞれの構成および動作は、積分回路１１０_１と同様である。

アンプＡ_１１１，Ａ_１１２，Ａ_１１３それぞれのオープンループゲインは、積分回路１０のアンプＡ_１０のオープンループゲインと等しい。これらアンプＡ_１１１，Ａ_１１２，Ａ_１１３，Ａ_１０は、共通の構成を有しているのが好ましい。積分回路１１０_１の積分容量部Ｃ_１１１の容量値はＣ_１であり、積分回路１１０_２の積分容量部Ｃ_１１２の容量値はＣ_２であり、積分回路１１０_３の積分容量部Ｃ_１１３の容量値はＣ_３である。これら容量値Ｃ_１〜Ｃ_３は、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値として設定され得る値である。積分回路１１０_１の抵抗器Ｒ_１１１の抵抗値と積分容量部Ｃ_１１１の容量値Ｃ_１との積、積分回路１１０_２の抵抗器Ｒ_１１２の抵抗値と積分容量部Ｃ_１１２の容量値Ｃ_２との積、および、積分回路１１０_３の抵抗器Ｒ_１１３の抵抗値と積分容量部Ｃ_１１３の容量値Ｃ_３との積は、互いに等しい。

タイミング指示信号生成回路１２０として、３個の生成回路１２０_１〜１２０_３が設けられる。生成回路１２０_１は、積分回路１１０_１から出力される電圧値と基準値Ｖ_ｒｅｆ３とを大小比較して、該電圧値が基準値Ｖ_ｒｅｆ３に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力する。生成回路１２０_２は、積分回路１１０_２から出力される電圧値と基準値Ｖ_ｒｅｆ３とを大小比較して、該電圧値が基準値Ｖ_ｒｅｆ３に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力する。また、生成回路１２０_３は、積分回路１１０_３から出力される電圧値と基準値Ｖ_ｒｅｆ３とを大小比較して、該電圧値が基準値Ｖ_ｒｅｆ３に達したタイミングを表すタイミング指示信号を出力する。

保持回路５１は、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の設定された容量値Ｃ_ｍに対応する生成回路１２０_ｍから出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、積分回路１０から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力する。

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、ＡＤ変換回路８０におけるＡＤ変換動作、電圧源１００スイッチＳＷ_１００の開閉動作、および、タイミング指示信号生成回路１２０としての生成回路１２０_１〜１２０_３のスイッチＳＷ_１１１〜ＳＷ_１１３の開閉動作、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４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。ここでは、読出し部４_ｎ，増幅回路７０およびＡＤ変換回路８０それぞれの動作について説明し、積分回路１１０，タイミング指示信号生成回路１２０およびデジタル値処理部１３０それぞれの動作については後に説明する。ただし、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から時刻ｔ_１までの初期化期間に、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、これ以降、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の容量部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の容量部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から積分期間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。この積分期間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基準電位Ｖ_ｒｅｆ０が供給される。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_１２，ＳＷ_１３および容量部Ｃ_１１〜Ｃ_１３を含む。容量部Ｃ_１１と、直列的に接続されたスイッチＳＷ_１２および容量部Ｃ_１２と、直列的に接続されたスイッチＳＷ_１３および容量部Ｃ_１３とは、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。容量部Ｃ_１１の容量値はＣ_１であり、容量部Ｃ_１１および容量部Ｃ_１２それぞれの容量値の和はＣ_２であり、容量部Ｃ_１１〜Ｃ_１３それぞれの容量値の和はＣ_３である。容量値Ｃ_１〜Ｃ_３の間の大小関係は「Ｃ_１＜Ｃ_２＜Ｃ_３」である。

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_１２，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Ｃ_１〜Ｃ_３のうちの何れかの値に設定する。容量値制御部４０は、スイッチＳＷ_１２，ＳＷ_１３の双方を開状態とすることで、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_１２を閉状態としスイッチＳＷ_１３を開状態とすることで、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_１２，ＳＷ_１３の双方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４中の時刻ｔ_１）に、スイッチＳＷ_１２，ＳＷ_１３の双方を開状態とすることで、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４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４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６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（３）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（４）式で表される。ここで、ｍ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６（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。同図（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、同図（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。

本実施形態に係る光検出装置１は、大きなダイナミックレンジで短時間に入射光量を検出することができ、また、消費電力を低減することができる。しかし、本実施形態に係る光検出装置１では、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０が設計どおりの容量値Ｃ_１〜Ｃ_３の何れかに高精度に設定されるとしても、アンプＡ_１０のオープンループゲインが理想的な無限大ではなく有限の値であることから、積分回路１０の出力値が積分容量部Ｃ_１０の容量値に反比例する近似式（（２）式）の関係が崩れて、フォトダイオードＰＤへの入射光量が高精度に求められない場合がある。

そこで、本実施形態に係る光検出装置１は、電圧源１００，積分回路１１０およびタイミング指示信号生成回路１２０を更に備えて、これらにより、積分回路１０における電荷蓄積動作開始時（図４中の時刻ｔ_１）から保持回路５１における電圧値サンプリング動作時（図４中の時刻ｔ_７）までの期間Ｔの長さを調整する。

図７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。ここでは、電圧源１００，積分回路１１０，タイミング指示信号生成回路１２０および保持回路５１それぞれの動作について説明する。この図７中に示される時刻ｔ_０，ｔ_１は、図４中に示される時刻ｔ_０，ｔ_１と同じである。また、図７中に示される時刻ｔ_７１，ｔ_７２，ｔ_７３のうちの何れかは、図４中に示される時刻ｔ_７に相当する。

前述したとおり、電圧源１００において、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０が閉じている初期化期間ｔ_０〜ｔ_１に、電圧値設定部１０２に入力されるデジタルコードが表す値に応じた回数だけ容量部Ｃ_１００への単位量電荷の蓄積が行われる。そして、電荷蓄積動作開始時ｔ_１より以降に電圧源１００から出力される電圧値は、この単位量電荷と蓄積回数との積に応じた一定値となる。

積分回路１１０_１〜１１０_３のスイッチＳＷ_１１１〜ＳＷ_１１３は、積分回路１０のスイッチＳＷ_１０と同様に、初期化期間ｔ_０〜ｔ_１では閉状態であり、電荷蓄積動作開始時ｔ_１より以降では開状態である。初期化期間ｔ_０〜ｔ_１に積分回路１１０_１〜１１０_３から出力される電圧値は基準電位Ｖ_ｒｅｆ０である。電荷蓄積動作開始時ｔ_１より以降に積分回路１１０_１〜１１０_３から出力される電圧値は、基準電位Ｖ_ｒｅｆ０から変化していって、やがて基準電位Ｖ_ｒｅｆ３に達する。

積分回路１１０_１の抵抗器Ｒ_１１１の抵抗値と積分容量部Ｃ_１１１の容量値Ｃ_１との積、積分回路１１０_２の抵抗器Ｒ_１１２の抵抗値と積分容量部Ｃ_１１２の容量値Ｃ_２との積、および、積分回路１１０_３の抵抗器Ｒ_１１３の抵抗値と積分容量部Ｃ_１１３の容量値Ｃ_３との積は、互いに等しい。したがって、積分回路１１０_１〜１１０_３のアンプＡ_１１１〜Ａ_１１３のオープンループゲインが無限大であるとする理想的な場合を想定すれば、電荷蓄積動作開始時ｔ_１より以降に積分回路１１０_１〜１１０_３から出力される電圧値は、互いに同じ速さで変化していく。

しかし、実際には、積分回路１１０_１〜１１０_３のアンプＡ_１１１〜Ａ_１１３のオープンループゲインは無限大ではなく有限の値であるので、電荷蓄積動作開始時ｔ_１より以降に積分回路１１０_１〜１１０_３から出力される電圧値は、互いに異なる速さで変化していく。したがって、電荷蓄積動作開始時ｔ_１より以降に積分回路１１０_１〜１１０_３から出力される電圧値が基準電位Ｖ_ｒｅｆ３に達する時刻ｔ_７１，ｔ_７２，ｔ_７３は互いに異なる。

そして、積分回路１０の容量素子Ｃ_１０が容量値Ｃ_１に設定された場合には、積分回路１１０_１から出力される電圧値が基準電位Ｖ_ｒｅｆ３に達する時刻ｔ_７１に生成回路１２０_１からタイミング指示信号が出力され、この生成回路１２０_１から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、積分回路１０から出力された電圧値が保持回路５１によりサンプリングされる。積分回路１０の容量素子Ｃ_１０が容量値Ｃ_２に設定された場合には、積分回路１１０_２から出力される電圧値が基準電位Ｖ_ｒｅｆ３に達する時刻ｔ_７２に生成回路１２０_２からタイミング指示信号が出力され、この生成回路１２０_２から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、積分回路１０から出力された電圧値が保持回路５１によりサンプリングされる。また、積分回路１０の容量素子Ｃ_１０が容量値Ｃ_３に設定された場合には、積分回路１１０_３から出力される電圧値が基準電位Ｖ_ｒｅｆ３に達する時刻ｔ_７３に生成回路１２０_３からタイミング指示信号が出力され、この生成回路１２０_３から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、積分回路１０から出力された電圧値が保持回路５１によりサンプリングされる。

ここで、積分回路１１０_１〜１１０_３のアンプＡ_１１１，Ａ_１１３，Ａ_１１３それぞれのオープンループゲインは、積分回路１０のアンプＡ_１０のオープンループゲインと等しい。また、積分回路１１０_１の積分容量部Ｃ_１１１の容量値はＣ_１であり、積分回路１１０_２の積分容量部Ｃ_１１２の容量値はＣ_２であり、積分回路１１０_３の積分容量部Ｃ_１１３の容量値はＣ_３であって、これら容量値Ｃ_１〜Ｃ_３は積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値として設定され得る値である。

すなわち、積分回路１１０_１は、積分容量部の容量値がＣ_１に設定された場合の積分回路１０において抵抗器Ｒ_１１１の抵抗値に応じた電流が流入するものと同等である。積分回路１１０_２は、積分容量部の容量値がＣ_２に設定された場合の積分回路１０において抵抗器Ｒ_１１２の抵抗値に応じた電流が流入するものと同等である。積分回路１１０_３は、積分容量部の容量値がＣ_３に設定された場合の積分回路１０において抵抗器Ｒ_１１３の抵抗値に応じた電流が流入するものと同等である。

このような関係が積分回路１１０_１〜１１０_３と積分回路１０との間にあることから、積分回路１０のアンプＡ_１０のオープンループゲインが理想的な無限大ではなく有限の値であることにより近似式（（２）式）の関係が崩れたとしても、保持回路５１による電圧値サンプリングのタイミングが調整されるので、フォトダイオードＰＤへの入射光量が高精度に求められ得る。

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、保持回路５０などで生じるスイッチングノイズが抑圧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８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８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８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９または図１０に示されるような構成とするのが好適である。

図９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，容量部Ｃ_７１，容量部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部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部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。

容量部Ｃ_７１および容量部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、容量部Ｃ_７１および容量部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部Ｃ_５０の容量値をＣ_Ｈとし、増幅回路７０に含まれる容量部Ｃ_７１および容量部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に含まれる容量部Ｃ_７１および容量部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、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１０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１３０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９で説明した構成と略同様の構成を有するが、容量部Ｃ_７１および容量部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１３０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１３０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_１とし、また、デジタル値処理部１３０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１３０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１３０は以下のような処理をする。図１１は、デジタル値処理部１３０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１３０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１３０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、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１３０の動作、を所定のタイミングで制御する。

これまでに説明した本実施形態に係る光検出装置は、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値が可変であって、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、電荷蓄積動作開始時より以降に積分容量部Ｃ_１０の容量値を変更するものであった。しかし、本発明は、電荷蓄積動作開始時より以降に積分容量部Ｃ_１０の容量値を変更しない場合にも適用することができ、また、積分回路１０の積分容量部Ｃ_１０の容量値が可変でなく固定である場合にも適用することができ、何れの場合にもフォトダイオードＰＤへの入射光量を高精度に求めることができる。

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（第１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…電圧源、１１０…積分回路（第２積分回路）、１２０…タイミング指示信号生成回路、１３０…デジタル値処理部。

Claims (15)

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、
   第１アンプ，第１積分容量部および第１スイッチを含み、前記第１アンプの入力端と出力端との間に前記第１積分容量部および前記第１スイッチが並列的に設けられ、前記第１アンプの入力端が前記フォトダイオードに接続され、前記第１スイッチが閉状態である初期化期間に前記第１積分容量部を放電させ、前記第１スイッチが閉状態から開状態に転じる電荷蓄積動作開始時より以降、前記フォトダイオードから出力された電荷を前記第１積分容量部に蓄積して、前記第１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第１積分回路と、
   前記電荷蓄積動作開始時より以降に一定の電圧値を出力する電圧源と、
   第２アンプ，第２積分容量部，第２スイッチおよび抵抗器を含み、前記第２アンプの入力端と出力端との間に前記第２積分容量部および前記第２スイッチが並列的に設けられ、前記第２アンプの入力端が前記抵抗器を介して前記電圧源の出力端に接続され、前記第２アンプのオープンループゲインが前記第１アンプのオープンループゲインと等しく、前記第２積分容量部の容量値が前記第１積分容量部の容量値と等しく、前記電荷蓄積動作開始時に前記第２スイッチが閉状態から開状態に転じて、前記電荷蓄積動作開始時より以降に前記電圧源から出力される電圧値を積分した値を表す電圧値を出力する第２積分回路と、
   前記第２積分回路から出力される電圧値と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タイミングを表すタイミング指示信号を出力するタイミング指示信号生成回路と、
   前記タイミング指示信号生成回路から出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、前記第１積分回路から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力する保持回路と、
   を備えることを特徴とする信号処理装置。
2. 前記第１積分容量部がＭ個の容量値Ｃ_１〜Ｃ_Ｍのうちの何れかの容量値を有するように選択的に設定され、
   前記第２積分回路としてＭ個の積分回路Ｓ_１〜Ｓ_Ｍを備え、各積分回路Ｓ _ｍ が前記第２積分回路と同じ構成を有し、各積分回路Ｓ_ｍの前記第２積分容量部が容量値Ｃ_ｍを有し、各積分回路Ｓ _ｍ の前記抵抗器が抵抗値Ｒ _ｍ を有し、前記Ｍ個の積分回路Ｓ_１〜Ｓ_Ｍの間で抵抗値Ｒ _ｍ と容量値Ｃ_ｍとの積が互いに等しく、
   前記タイミング指示信号生成回路としてＭ個の生成回路Ｔ_１〜Ｔ_Ｍを備え、各生成回路Ｔ_ｍが積分回路Ｓ_ｍから出力される電圧値と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タイミングを表すタイミング指示信号を出力し、
   前記保持回路が、前記第１積分容量部の設定された容量値Ｃ_ｍに対応する生成回路Ｔ_ｍから出力されたタイミング指示信号が表すタイミングで、前記第１積分回路から出力される電圧値をサンプリングして保持し出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置（ただし、Ｍは２以上の整数、ｍは１以上Ｍ以下の整数）。
3. 前記第１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、
   前記第１積分回路における電荷蓄積動作開始時に前記第１積分容量部の容量値を最小値に設定しておき、前記第１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、前記第１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第１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、
   を更に備え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、前記第１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第１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たときの何れの部分期間に属するかに応じて前記第１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３に記載の信号処理装置。
5. 前記容量値制御部が、
   前記第１積分容量部の各容量値、前記第１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、前記第１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、前記第１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、
   前記第１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第１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４に記載の信号処理装置。
6. 前記容量値制御部が、前記第１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て前記第１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、前記第１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３〜５の何れか１項に記載の信号処理装置。
7. 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第１積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、前記第１積分回路の前記第１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第１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第１積分容量部の容量値を変更して設定する場合を除いて、前記第１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、
   を更に備えることを特徴とする請求項３〜６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３〜７の何れか１項に記載の信号処理装置。
9. 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８に記載の信号処理装置。
10. 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、前記第１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、前記第１積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として前記第１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第１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３〜７の何れか１項に記載の信号処理装置。
11. 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、前記第１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、前記第１積分容量部の容量値の可変範囲のうち所定容量値Ｃ_setを上限として前記第１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第１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３〜７の何れか１項に記載の信号処理装置。
12. 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８〜１０の何れか１項に記載の信号処理装置。
13. 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１１に記載の信号処理装置。
14. 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、
    前記第１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、前記第１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８，９および１１の何れか１項に記載の信号処理装置。
15. 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１〜１４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。

Images