KR20070046790A - 광검출 장치 - Google Patents

Abstract

화소부 P_{m ,n}은 포토 다이오드 PD, 제1 용량부 C₁, 제2 용량부 C₂ 및 트랜지스터 T₁ ~ T₆를 포함한다. 트랜지스터 T₁은 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 제1 용량부 C₁에 전송한다. 트랜지스터 T₂는 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 제2 용량부 C₂에 전송한다. 증폭용 트랜지스터 T₃은 제1 용량부 C₁에 축적되어 있는 전하의 양에 따른 전압치를 출력한다. 트랜지스터 T₄는 증폭용 트랜지스터 T₃으로부터 출력되는 전압치를 배선 L_{1 ,n}에 선택적으로 출력한다. 트랜지스터 T₃ 및 트랜지스터 T₄는 소스 팔로워와 회로를 구성하고 있다. 트랜지스터 T₅ 및 트랜지스터 T₆은 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂ 각각 축적되어 있는 전하를 배선 L_{2 ,n}에 선택적으로 출력한다.

Description

광검출 장치{PHOTODETECTOR}

본 발명은 광을 전기 신호로 변환하여 출력하는 광검출 장치에 관한 것이다.

광검출 장치로서 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술을 이용한 것이 알려져 있고, 또 그 중에서도 액티브 픽셀 방식의 것이 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 1을 참조). 액티브 픽셀 방식의 광검출 장치는 입사광 강도에 따른 양의 전하를 발생하는 포토 다이오드를 포함하는 액티브 픽셀형의 화소부를 가지고 있고, 화소부에 있어서 광입사에 따라 포토 다이오드에서 발생한 전하를, 트랜지스터로 이루어지는 소스 팔로워(follower)와 회로를 거쳐서 전하-전압 변환하는 것이고, 고감도 또한 저노이즈로 광검출을 행할 수 있다.

화소부내에 있어서 포토 다이오드에서 발생한 전하를 축적하는 부유(浮遊) 확산 영역의 축적 전하 용량치를 C_f로 하고, 그 전하의 양을 Q로 하면, 전하-전압 변환에 의해 얻을 수 있는 출력 전압치 V는 「V=Q/C_f」되는 식에서 나타난다. 이 식으로부터 알수 있는 바와 같이, 부유 확산 영역의 축적 전하 용량치 C_f를 작게 하는 것으로, 광검출의 감도를 높게 할 수 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특개평 11－274454호 공보

한편, 출력 전압치 V는 사용 가능한 전원 전압 범위 및 회로계의 제약에 의해, 수V 정도가 상한이다. 또, 부유 확산 영역에 축적될 수 있는 전하의 양 Q에도 상한이 있기 때문에, 이것에 의해서도 출력 전압치 V는 제한된다.

이 부유 확산 영역에 축적될 수 있는 전하의 양 Q의 상한치(포화 전하량)를 크게 하려면, 부유 확산 영역의 축적 전하 용량치 C_f를 크게 하거나, 또는 전원 전압치를 크게 하는 것이 고려된다. 그러나, 부유 확산 영역의 용량치 C_f를 크게 하려면, 미세 CMOS 프로세스에 의해 제조하지 않을 수 없으므로, 전원 전압치를 작게 하지 않을 수 없게 되고, 결국 포화 전하량을 크게 할 수 없다. 또, 부유 확산 영역의 축적 전하 용량치 C_f를 크게 하면, 이같은 고감도라고 하는 이점이 없어져 버린다.

이상과 같이 종래의 광검출 장치는 고감도로 광검출을 할 수 있으나, 포화 전하량의 제약에 인해, 광검출의 다이나믹 레인지가 낮다고 하는 결점을 가지고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 이루어진 것이고, 고감도이면서 고다이나믹 레인지로 광검출을 할 수 있는 광검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 광검출 장치는 (1) 입사광 강도에 따른 양의 전하를 발생하는 포토 다이오드와, 포토 다이오드에서 발생한 전하를 축적하는 제1 용량부와, 포토 다이오드에서 발생한 전하를 축적하는 동시에 제1 용량부보다 큰 전하 축적 용량을 구비하는 제2 용량부와, 포토 다이오드에서 발생한 전하를 대응하는 제1 용량부, 제2 용량부에 각각 전송하는 제1 전송 수단 및 제2 전송 수단과 게이트 단자가 제1 용량부에 접속되어 있어서 제1 용량부에 축적되어 있는 전하의 양에 따른 전압치를 출력하는 증폭용 트랜지스터와 증폭용 트랜지스터로부터 출력되는 전압치를 선택적으로 출력하는 제1 출력 수단과, 제1 용량부 및 제2 용량부 각각 축적되어 있는 전하를 선택적으로 출력하는 제2 출력 수단과, 제1 용량부 및 제2 용량부 각각의 전하를 초기화하는 초기화 수단을 포함하는 화소부와, (2) 화소부의 제1 출력 수단에 의해 출력되는 전압치를 독출하고, 이 전압치에 따른 제1 전압치를 출력하는 제1 신호 처리부와, (3) 화소부의 제2 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 독출하고, 이 전하량에 따른 제2 전압치를 출력하는 제2 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 광검출 장치에서는 화소부에 있어서, 입사광 강도에 따른 양의 전하가 포토 다이오드로 발생하면, 그 전하는 제1 전송 수단에 의해 전송되어서 제1 용량부에 의해 축적되거나 또는 제2 전송 수단에 의해 전송되어서 제2 용량부에 의해 축적된다. 제1 용량부에 축적되어 있는 전하의 양에 따른 전압치가 증폭용 트랜지스터로부터 출력되고, 그 전압치는 제1 출력 수단에 의해 화소부로부터 선택적으로 출력된다. 제1 용량부 및 제2 용량부 각각 축적되어 있는 전하는 제2 출력 수단에 의해 화소부로부터 선택적으로 출력된다. 화소부의 제1 출력 수단에 의해 출력되는 전압치는 제1 신호 처리부에 의해 독출되고, 이 전압치에 따른 제1 전압치가 출력된다. 또, 화소부의 제2 출력 수단에 의해 출력되는 전하량은 제2 신호 처리부에 의해 독출되고, 이 전하량에 따른 제2 전압치가 출력된다. 제1 전압치는 화소부에의 입사광 강도를 고감도로 나타내는 것이다. 한편, 제2 전압치는 화소부에의 입사광 강도를 고다이나믹 레인지로 나타내는 것이다.

본 발명에 관한 광검출 장치는 (1) 화소부가 제1 용량부 및 제2 용량부를 거치는 일 없이 포토 다이오드에서 발생한 전하를 선택적으로 출력하는 제3 출력 수단을 추가로 포함하고, (2) 화소부의 제3 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 독출하고, 이 전하량에 따른 제3 전압치를 출력하는 제3 신호 처리부를 추가로 구비하는 것이 적합하다. 제2 신호 처리부가 제3 신호 처리부를 겸하고 있어도 된다. 이 경우에는 화소부의 포토 다이오드에서 발생한 전하는 제1 용량부 및 제2 용량부를 거치는 일 없이, 제3 출력 수단에 의해 선택적으로 출력된다. 그 전하량은 제3 신호 처리부에 의해 독출되고, 이 전하량에 따른 제3 전압치가 출력된다. 이 제3 전압치는 화소부에의 입사광 강도를 더욱 고다이나믹 레인지로 나타내는 것이다.

제2 신호 처리부는 (1) 제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 출력 단자를 갖고, 화소부의 제2 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 제1 입력 단자에 입력하고, 기준 전압을 제2 입력 단자에 입력하는 증폭기와, (2) 증폭기의 제1 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속된 귀환 용량부를 포함하고, 화소부의 제2 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 귀환 용량부에 축적하고, 그 축적 전하량에 따른 제2 전압치를 출력하는 것이 적합하다. 또, 제2 신호 처리부의 증폭기의 제1 입력 단자는 화소부의 제2 출력 수단 및 초기화 수단과 공통 단자를 통하여 접속되어서 제2 신호 처리부의 증폭기의 제2 입력 단자에 입력하는 기준 전압의 값이 가변인 것이 적합하다. 이 경우, 귀환 용량부의 용량치가 가변인 것이 적합하다.

본 발명에 관한 광검출 장치는 제1 신호 처리부로부터 출력되는 제1 전압치, 및 제2 신호 처리부로부터 출력되는 제2 전압치를 입력하고, 이것들 제 1 전압치 및 제2 전압치 중 어느 하나의 전압치를 선택하여 출력하는 선택부를 추가로 구비하는 것이 적합하다. 또는 본 발명에 관한 광검출 장치는 제3 신호 처리부를 구비하는 경우에는 제1 신호 처리부로부터 출력되는 제1 전압치, 제2 신호 처리부로부터 출력되는 제2 전압치, 및 제3 신호 처리부로부터 출력되는 제3 전압치를 입력하고, 이것들 제 1 전압치, 제2 전압치 및 제3 전압치 중 어느 하나의 전압치를 선택하여 출력하는 선택부를 추가로 구비하는 것이 적합하다. 선택부로부터 출력되는 전압치를 입력하고 A/D 변환하여, 이 전압치에 따른 디지털값을 출력하는 A/D 변환부를 추가로 구비하는 것이 적합하다. 또, A/D 변환부로부터 출력되는 디지털값을 입력하고, 선택부에 있어서 어느 쪽이 선택되었는지에 따라 디지털값의 비트를 시프트 하여 출력하는 비트 시프트부를 추가로 구비하는 것이 적합하다.

본 발명에 의하면, 고감도이면서 고다이나믹 레인지로 광검출을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 광검출 장치(1)의 개략 구성도.

도 2는 도 1의 광검출 장치(1)의 광검출부(10)의 구성도.

도 3은 도 2의 광검출부(10)에 포함되는 화소부 P_{m ,n}의 회로도.

도 4는 화소부 P_{m ,n}에 포함되는 포토 다이오드 PD의 단면도.

도 5는 도 1의 광검출 장치(1)의 제1 신호 처리부(20)의 구성도.

도 6은 도 5의 제1 신호 처리부(20)에 포함되는 전압 홀딩부 H_n의 회로도.

도 7은 도 1의 광검출 장치(1)의 제2 신호 처리부(30)의 구성도.

도 8은 도 7의 제2 신호 처리부(30)에 포함되는 적분 회로(31_n), CDS 회로(32_n) 및 홀딩 회로(33_n) 각각의 회로도.

도 9는 도 1의 광검출 장치(1)의 데이터 출력부(40)의 구성도.

도 10은 도 1의 광검출 장치(1)의 동작예를 설명하는 타이밍차트.

<부호의 설명>

1ㆍㆍㆍ광검출 장치

10ㆍㆍㆍ광검출부

20ㆍㆍㆍ제1 신호 처리부

30ㆍㆍㆍ제2 신호 처리부

40ㆍㆍㆍ데이터 출력부

50ㆍㆍㆍ타이밍 제어부

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다. 또, M 및 N 각각은 2 이상의 정수이며, 특히 명시하지 않는 한은 m은 1 이상 M 이하의 임의의 정수이며, n은 1 이상 N 이하의 임의의 정수이다.

도 1은 본 발명의 실시 형태인 광검출 장치(1)의 개략 구성도이다. 도 2는 이 광검출 장치(1)의 광검출부(10)의 구성도이다. 이러한 도에 나타나는 광검출 장치(1)는 광검출부(10), 제1 신호 처리부(20), 제2 신호 처리부(30), 데이터 출력부(40) 및 타이밍 제어부(50)를 가진다. 이것들은 공통의 반도체 기판상에 형성되어 있는 것이 적합하고, 그 경우의 기판상의 배치가 도시한 바와 같은 것이 적합하다. 또한, 타이밍 제어부(50)는 이 광검출 장치(1)의 전체의 동작을 제어하는 것이지만, 복수의 부분에 분할되어 기판상의 서로 멀어진 위치에 배치되어 있어도 된다.

광검출부(10)는 M행 N열에 2 차원 배열된 M×N개의 화소부 P_{m ,n}를 가진다. 각 화소부 P_{m ,n}은 제m행 제n열에 위치한다. 각 화소부 P_{m ,n}은 포토 다이오드 등을 포함하는 공통의 구성을 가지고 있고, 이 포토 다이오드에 입사한 광의 강도에 따른 전압치를 배선 L_{1 ,n}에 출력하는 동시에, 해당 광 강도에 따른 양의 전하를 배선 L_{2 ,n}에 출력한다. 각 배선 L_{1 ,n}은 제n열에 있는 M개의 화소부 P_{1 ,n} ~ P_M,n 각각의 출력단에 공통으와 접속되어 있다. 또, 각 배선 L_{2 ,n}은 제n열에 있는 M개의 화소부 P_{1 ,n} ~ P_M,n 각각의 다른 단자에 공통으와 접속되어 있다.

제1 신호 처리부(20)는 N개의 배선 L_{1 ,1} ~ L_{1 ,N}에 접속되어 있고, 각 화소부 P_m,n로부터 배선 L_{1 ,n}에 출력되는 전압치가 입력되고, 소정의 처리를 행한 후에, 화소 데이터를 나타내는 제1 전압치 V_{1 ,m,n}를 차례로 출력한다. 각 전압치 V_1,m,n은 화소부 P_{m ,n}에 입사하는 광의 강도에 따른 값이다. 특히, 이 제1 전압치 V_1,m,n은 화소부 P_{m ,n}의 용량부가 포화하고 있지 않을 때, 즉 화소부 P_{m ,n}에의 입사광의 강도가 비교적 작을 때에, 그 입사광 강도를 고감도로 검출한 결과를 고정밀도로 나타낸다.

제2 신호 처리부(30)는 N개의 배선 L_{2 ,1} ~ L_{2 ,N}에 접속되어 있고, 각 화소부 P_m,n로부터 배선 L_{2 ,n}에 출력되는 전하가 입력되고, 그 전하를 용량부에 축적하고, 그 용량부에 축적한 전하의 양에 따른 제2 전압치 V_2,m,n를 차례로 출력한다. 이 제2 신호 처리부(30)에 포함되는 용량부의 용량치는 화소부 P_{m ,n}에 포함되는 용량부의 용량치보다 크다. 각 전압치 V_{2 ,m,n}은 화소부 P_{m ,n}에 입사하는 광의 강도에 따른 값이다. 또, 이 제2 전압치 V_{2 ,m,n}은 화소부 P_{m ,n}의 용량부가 포화하고 있을 때, 즉 화소부 P_{m ,n}에의 입사광의 강도가 비교적 클 때에도, 그 입사광 강도를 검출한 결을 고정밀도로 나타낸다.

데이터 출력부(40)는 제1 신호 처리부(20)로부터 출력되는 제1 전압치 V_{1 ,m,n}와 제2 신호 처리부(30)로부터 출력되는 제2 전압치 V_{2 ,m,n}이 입력되고, 소정의 처리를 행해 디지털값 D_m,n를 출력한다. 각 디지털값 D_m,n은 제1 전압치 V_{1 ,m,n} 및 제2 전 압치 V_{2 ,m,n}의 어느 하나가 A/D 변환된 결과의 값이며, 화소부 P_{m ,n}에 입사하는 광의 강도를 나타낸다.

타이밍 제어부(50)는 광검출부(10), 제1 신호 처리부(20), 제2 신호 처리부(30) 및 데이터 출력부(40) 각각의 동작을 제어한다. 타이밍 제어부(50)는 예를 들면 시프트 레지스터 회로에 의해 소정의 타이밍에 각종의 제어 신호를 발생시키고, 이러한 제어 신호를 광검출부(10), 제1 신호 처리부(20), 제2 신호 처리부(30) 및 데이터 출력부(40) 각각에 송출한다. 또한, 도 1 및 도 2에서는 제어 신호를 보내기 위한 배선의 도시가 일부 생략되어 있다.

도 3은 광검출 장치(1)의 광검출부(10)에 포함되는 화소부 P_{m ,n}의 회로도이다. 각 화소부 P_{m ,n}은 포토 다이오드 PD, 제1 용량부 C₁, 제2 용량부 C₂ 및 트랜지스터 T₁ ~ T₆를 포함한다. 포토 다이오드 PD는 입사광 강도에 따른 양의 전하를 발생하는 것이고, 그 애노드 단자가 접지 전위로 되어 있다. 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂는 각각의 제1단이 접지되어 있고, 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 축적하는 것이다. 제2 용량부 C₂의 용량치는 제1 용량부 C₁의 용량치보다 크고, 제1 용량부 C₁의 용량치의 10배 이상인 것이 적합하다.

트랜지스터 T₁은 포토 다이오드 PD의 캐소드 단자와 제1 용량부 C1의 제2단 사이에 설치되고, 게이트 단자에 입력되는 Trans1 신호가 하이 레벨일 때 소스 단 자와 드레인 단자와의 사이가 저저항이 되고, 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 제1 용량부 C1에 전송하는 제1 전송 수단으로서 작용한다. 또, 트랜지스터 T₂는 포토 다이오드 PD의 캐소드 단자와 제2 용량부 C₂의 제2단 사이에 설치되고, 게이트 단자에 입력되는 Trans2 신호가 하이 레벨일 때 소스 단자와 드레인 단자와의 사이가 저저항이 되고, 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 제2 용량부 C₂에 전송하는 제2 전송 수단으로서 작용한다.

증폭용 트랜지스터 T₃은 게이트 단자가 제1 용량부 C₁에 접속되어 있고, 제1 용량부 C₁에 축적되어 있는 전하의 양에 따른 전압치를 출력한다. 또한, 제1 용량부 C₁은 증폭용 트랜지스터 T₃의 게이트 단자에 형성된 기생 용량부에 있어도 되고, 의도적으로 만들어진 용량부에 있어도 된다. 트랜지스터 T₄는 증폭용 트랜지스터 T₃과 배선 L_1,n 사이에 설치되고, 게이트 단자에 입력되는 Select 신호가 하이 레벨일 때 소스 단자와 드레인 단자와의 사이가 저저항이 되고, 증폭용 트랜지스터 T₃으로부터 출력되는 전압치를 배선 L_{1 ,n}에 선택적으로 출력하는 제1 출력 수단으로서 작용한다. 배선 L_{1 ,n}에는 정전류원이 접속되어 있다. 트랜지스터 T₃ 및 트랜지스터 T₄는 소스 팔로워와 회로를 구성하고 있다.

트랜지스터 T₅는 제1 용량부 C₁과 배선 L_{2 ,n} 사이에 설치되고, 게이트 단자에 입력되는 Reset 신호가 하이 레벨일 때 소스 단자와 드레인 단자와의 사이가 저저항이 된다. 또, 트랜지스터 T₆은 제1 용량부 C₁과 제2 용량부 C₂ 사이에 설치되고, 게이트 단자에 입력되는 Com 신호가 하이 레벨일 때 소스 단자와 드레인 단자와의 사이가 저저항이 된다. 이것들 트랜지스터 T₅ 및 트랜지스터 T₆은 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂ 각각 축적되어 있는 전하를 배선 L_{2 ,n}에 선택적으로 출력하는 제2 출력 수단으로서 작용하는 동시에, 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂ 각각의 전하를 초기화하는 초기화 수단으로 해도 작용한다. 이것들 제 2 출력 수단 및 초기화 수단은 공통 단자를 통하여 제2 신호 처리부(30)와 접속되어 있다.

이와 같이 구성되는 각 화소부 P_{m ,n}은 Trans1 신호가 로우 레벨이며 Reset 신호 및 Com 신호가 하이 레벨일 때, 배선 L_{2 ,n}로부터 바이어스 전위가 트랜지스터 T₅에 입력되면, 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂ 각각의 전하가 초기화된다. Select 신호가 하이 레벨이면, 그 초기화 상태에 따른 전압치(암(暗)신호 성분)가 증폭용 트랜지스터 T₃으로부터 트랜지스터 T₄를 거쳐서 배선 L_{1 ,n}에 출력된다.

한편, Reset 신호가 로우 레벨이며 Trans1 신호가 하이 레벨일 때, 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하는 제1 용량부 C₁에 축적된다. 또, Reset 신호가 로우 레벨이며 Trans2 신호가 하이 레벨일 때, 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하는 제2 용량부 C₂에 축적된다. 그리고, Select 신호가 하이 레벨이면, 제1 용량부 C₁에 있 어서의 축적 전하량에 따른 전압치(명(明)신호 성분)가 증폭용 트랜지스터 T₃으로부터 트랜지스터 T₄를 거쳐서 배선 L_{1 ,n}에 출력된다. 또, Reset 신호 및 Com 신호가 하이 레벨이 되면, 제1 용량부 C₁에 축적되어 있던 전하는 트랜지스터 T₅를 거쳐서 배선 L_{2 ,n}에 출력되어서 제2 용량부 C₂에 축적되어 있던 전하는 트랜지스터 T₆ 및 트랜지스터 T₅를 거쳐서 배선 L_{2 ,n}에 출력된다.

또한, Trans1 신호, Trans2 신호, Select 신호, Reset 신호 및 Com 신호 각각은 타이밍 제어부(50)로부터 출력된다.

도 4는 화소부 P_{m ,n}에 포함되는 포토 다이오드 PD의 단면도이다. 이 도면에 나타나도록, 포토 다이오드 PD는 매입형의 것인 것이 적합하다. 포토 다이오드 PD는 p 영역(101)과, 이 p 영역(101) 위의 n^- 영역(102)과, 이 n^- 영역(102) 위의 p^＋ 영역(103)을 포함하여 구성된다. p 영역(101)과 n^- 영역(102)은 pn 접합을 형성하고 있고, n^- 영역(102)과 p^＋ 영역(103)과의 사이라도 pn 접합을 형성하고 있다. 또, n^- 영역(102)의 일부는 반도체층 표면에 이르고 있다.

트랜지스터 T₁은 p 영역(101) 위의 n 영역(104)과 n^- 영역(102) 중 반도체층 표면에 이르고 있는 부분과, 이러한 사이의 영역에 있어서 절연층(105)상에 형성된 게이트 전극(106)을 포함하여 구성된다. n 영역(104)은 증폭용 트랜지스터 T₃의 게 이트 단자와 전기적으와 접속되고, 트랜지스터 T₅의 소스 단자와 전기적으와 접속되어 있다. p 영역(101)과 n 영역(104)은 pn 접합을 형성하고 있고, 화소부 P_{m ,n}내에 있어서 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 축적하는 제1 용량부 C₁을 구성하고 있다.

이와 같이 포토 다이오드 PD가 매입형의 것인 경우에는 표면에 의한 리크 전류의 발생이 억제된다. 또, 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 제1 용량부 C₁에 전송하는 기간에, 포토 다이오드 PD의 역바이어스 전압을 크게 하는 것으로, 포토 다이오드 PD의 pn 접합부에 있어서의 공핍층을 완전한 것으로 하고, 포토 다이오드 PD의 접합 용량치를 대부분 영으로 할 수 있으므로, 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 대부분 완전하게 제1 용량부 C₁에 전송할 수 있다. 따라서, 포토 다이오드 PD가 매입형의 것인 경우에는 광검출의 S/N비 향상 및 고감도화에 유효하다.

도 5는 본 실시 형태에 관한 광검출 장치(1)의 제1 신호 처리부(20)의 구성도이다. 제1 신호 처리부(20)는 N개의 전압 홀딩부 H₁ ~ H_N, 2개의 전압 팔로워 회로 F₁, F_2, 및 감산 회로 S를 포함한다. 각 전압 홀딩부 H_n은 공통의 구성을 가지고 있고, 배선 L_{1 ,n}와 접속되어 있어서 제n열에 있는 M개의 화소부 P_{1 ,n} ~ P_M,n 각각으로부터 배선 L_1,n에 출력되는 전압치가 입력되어서 이것을 홀딩할 수 있고, 또 그 홀딩하고 있는 전압치를 출력할 수 있다. N개의 전압 홀딩부 H₁ ~ H_N 각각은 차례로 전압치를 출력한다. 각 전압 홀딩부 H_n이 홀딩하여 출력하는 전압치는 화소부 P_{m ,n}로부터 서로 다른 시각에 출력되는 2개의 전압치 V_{n ,1}, V_{n ,2}이다.

2개의 전압 팔로워 회로 F₁, F₂ 각각은 공통의 구성을 가지고 있고, 증폭기의 반전 입력 단자와 출력 단자가 서로 직접 접속되어 있고, 고입력 임피던스 및 저출력 임피던스를 갖고, 이상적이게는 증폭율 1의 증폭 회로이다. 한편의 전압 팔로워 회로 F₁은 N개의 전압 홀딩부 H₁ ~ H_N 각각으로부터 차례로 출력될 뿐의 전압치 V_{n ,1}이 비반전 입력 단자에 입력된다. 한편의 전압 팔로워 회로 F₂는 N개의 전압 홀딩부 H₁ ~ H_N 각각으로부터 차례로 출력되는 것 외 분의 전압치 V_{n ,2}가 비반전 입력 단자에 입력된다.

감산 회로 S는 증폭기 및 4개의 저항기 R₁ ~ R₄를 가지고 있다. 증폭기의 반전 입력 단자는 저항기 R₁을 통하여 전압 팔로워 회로 F₁의 출력 단자와 접속되고, 저항기 R₃을 통하여 자기의 출력 단자와 접속되어 있다. 증폭기의 비반전 입력 단자는 저항기 R₂를 통하여 전압 팔로워 회로 F₂의 출력 단자와 접속되어 저항기 R₄를 통하여 접지 전위와 접속되어 있다. 전압 팔로워 회로 F₁, F₂ 각각의 증폭율을 1로 하여 4개의 저항기 R₁ ~ R₄ 각각의 저항값이 서로 동일하다고 하면, 감산 회로 S의 출력 단자로부터 출력되는 제1 전압치 V_{1 ,m,n}은 「V_{1 ,m,n}=V_{n ,2}－V_{n ,1}」으로 되는 식에서 나타낸다.

도 6은 광검출 장치(1)의 제1 신호 처리부(20)에 포함되는 전압 홀딩부 H_n의 회로도이다. 각 전압 홀딩부 H_n은 제1 홀딩부 H_{n ,1} 및 제2 홀딩부 H_{n ,2}를 포함한다. 제1 홀딩부 H_{n ,1} 및 제2 홀딩부 H_{n ,2} 각각은 서로 같은 구성이며, 제n열에 있는 M개의 화소부 P_1,n ~ P_M,n 각각의 트랜지스터 T₄로부터 차례로 출력되는 전압치가 입력되고, 이것을 홀딩할 수 있고, 또 그 홀딩하고 있는 전압치를 출력할 수 있다.

제1 홀딩부 H_{n ,1}은 트랜지스터 T₁₁, 트랜지스터 T₁₂ 및 용량 소자 C₁₀를 포함한다. 용량 소자 C₁₀의 일단은 접지 전위로 되고, 용량 소자 C₁₀의 타단은 트랜지스터 T₁₁의 드레인 단자 및 트랜지스터 T₁₂의 소스 단자 각각 접속되어 있다. 트랜지스터 T₁₁의 소스 단자는 배선 L_{1 ,n}를 통하여 화소부 P_{m ,n}의 트랜지스터 T₄와 접속되어 있다. 트랜지스터 T₁₂의 드레인 단자는 전압 팔로워 회로 F₁와 접속되어 있다. 이와 같이 구성되는 제1 홀딩부 H_{n ,1}은 트랜지스터 T₁₁의 게이트 단자에 입력되는 Hold1 신호가 하이 레벨일 때, 배선 L_{1 ,n}를 통하여 접속되어 있는 화소부 P_{m ,n}로부터 출력되는 전압치를 용량 소자 C₁₀에 홀딩시키고, 트랜지스터 T₁₂의 게이트 단자에 입력되는 Output 신호가 하이 레벨일 때, 용량 소자 C₁₀에 홀딩되어 있는 전압치 V_{n ,1}을 전압 팔로워 회로 F₁에 출력한다.

제2 홀딩부 H_{n ,2}는 트랜지스터 T₂₁, 트랜지스터 T₂₂ 및 용량 소자 C₂₀를 포함한다. 용량 소자 C₂₀의 일단(一端)은 접지 전위로 되고, 용량 소자 C₂₀의 타단(他端)은 트랜지스터 T₂₁의 드레인 단자 및 트랜지스터 T₂₂의 소스 단자 각각 접속되어 있다. 트랜지스터 T₂₁의 소스 단자는 배선 L_{1 ,n}를 통하여 화소부 P_{m ,n}의 트랜지스터 T₄와 접속되어 있다. 트랜지스터 T₂₂의 드레인 단자는 전압 팔로워 회로 F₂와 접속되어 있다. 이와 같이 구성되는 제2 홀딩부 H_{n ,2}는 트랜지스터 T₂₁의 게이트 단자에 입력되는 Hold2 신호가 하이 레벨일 때, 배선 L_{1 ,n}를 통하여 접속되어 있는 화소부 P_{m ,n}로부터 출력되는 전압치를 용량 소자 C₂₀에 홀딩시키고, 트랜지스터 T₂₂의 게이트 단자에 입력되는 Output 신호가 하이 레벨일 때, 용량 소자 C₂₀에 홀딩되어 있는 전압치 V_{n ,2}를 전압 팔로워 회로 F₂에 출력한다.

제1 홀딩부 H_{n ,1} 및 제2 홀딩부 H_{n ,2} 각각은 서로 다른 타이밍으로 동작한다. 예를 들면, 제1 홀딩부 H_{n ,1}은 배선 L_{1 ,n}를 통하여 접속되어 있는 화소부 P_{m ,n}에 있어서 Trans1 신호가 로우 레벨이며 Reset 신호 및 Select 신호 각각이 하이 레벨일 때, 입력된 증폭용 트랜지스터 T₃으로부터 출력되는 전압치(암신호 성분) V_{n ,1}을 홀딩한다. 한편, 제2 홀딩부 H_{n ,2}는 배선 L_{1 ,n}를 통하여 접속되어 있는 화소부 P_{m ,n}에 있어서 Reset 신호가 로우 레벨이며 Trans1 신호 및 Select 신호 각각이 하이 레벨일 때 입력된 증폭용 트랜지스터 T₃으로부터 출력되는 전압치(명신호 성분) V_{n ,2}를 홀딩한다. 또한, Hold1 신호, Hold2 신호 및 Output 신호 각각은 타이밍 제어부(50)로부터 출력된다.

도 7은 광검출 장치(1)의 제2 신호 처리부(30)의 구성도이다. 제2 신호 처리부(30)는 N개의 적분 회로(31₁ ~ 31_N), N개의 CDS(Correlated Double Sampling) 회로(32₁ ~ 32_N), 및 N개의 홀딩 회로(33₁ ~ 33_N)를 포함한다. 각 적분 회로(31_n)는 공통의 구성을 가지고 있고, 배선 L_{2 ,n}와 접속되어 있어서 제n열에 있는 M개의 화소부 P_{1 ,n} ~ P_M,n 각각으로부터 배선 L_{2 ,n}에 출력되는 전하가 입력되어 이것을 축적하고, 그 축적 전하량에 따른 전압치를 출력한다. 각 CDS 회로(32_n)는 공통의 구성을 가지고 있고, 적분 회로(31_n)로부터 출력되는 전압치가 입력되어 있는 시각과 다른 시각 각각에 있어서의 입력 전압치의 차에 따른 전압치를 출력한다. 각 홀딩 회로(33_n)는 공통의 구성을 가지고 있고, CDS 회로(32_n)로부터 출력되는 전압치가 입력되고, 이것을 홀딩하여, 그 홀딩한 전압치 V_{2 ,m,n}를 출력한다.

도 8은 이 제2 신호 처리부(30)에 포함되는 적분 회로(31_n), CDS 회로(32_n) 및 홀딩 회로(33_n) 각각의 회로도이다.

각 적분 회로(31_n)는 앰프 A₃₁, 용량 소자 C₃₁₁ ~ C₃₁₃ 및 스위치 SW₃₁₀ ~ SW₃₁₄ 를 포함한다. 앰프 A₃₁의 비반전 입력 단자는 스위치 SW₃₁₄를 통하여 기준 전압 V_ref1 및 기준 전압 V_ref2 중 한쪽이 인가된다. 기준 전압 V_ref1보다 기준 전압 V_ref2가 크고, 예를 들면 기준 전압 V_ref1은 1.5V 정도이며, 기준 전압 V_ref2는 3V 정도이다. 앰프 A₃₁의 반전 입력 단자는 배선 L_{2 ,n}와 접속되어 있고, 제n열에 있는 M개의 화소부 P_{1 ,n} ~ P_M,n 각각으로부터 배선 L_{2 ,n}에 출력되는 전하가 입력된다.

앰프 A₃₁의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에는 스위치 SW₃₁₀, 직렬 접속된 용량 소자 C₃₁₁ 및 스위치 SW₃₁₁, 직렬 접속된 용량 소자 C₃₁₂ 및 스위치 SW₃₁₂, 및 직렬 접속된 용량 소자 C₃₁₃ 및 스위치 SW₃₁₃이 서로 병렬적으로 설치되어 있다. 용량 소자 C₃₁₁ ~ C₃₁₃ 및 스위치 SW₃₁₁ ~ SW₃₁₃은 용량치가 가변인 귀환 용량부를 구성하고 있다. 즉, 이것들로 이루어지는 귀환 용량부는 앰프 A₃₁의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속되어 있고, 스위치 SW₃₁₁ ~ SW₃₁₃ 각각의 개폐 상태에 따라 다른 용량치를 가진다.

용량 소자 C₃₁₁ ~ C₃₁₃ 각각의 용량치는 화소부 P_{m ,n}에 포함되는 제1 용량부 C₁의 용량치보다 크다. 귀환 용량부의 용량치의 최대치는, 화소부 P_{m ,n}에 포함되는 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂ 각각의 용량치의 합인 정도, 또는 그 이상이다. 귀환 용량부의 용량치의 최대치는 스위치 SW₃₁₁ ~ SW₃₁₃ 각각의 개폐 동작의 양상에도 의가 스위치 SW₃₁₁ ~ SW₃₁₃이 동시에 닫는 경우가 있으면, 귀환 용량부의 용량치의 최대치는 용량 소자 C₃₁₁ ~ C₃₁₃ 각각의 용량치의 총합이며, 스위치 SW₃₁₁ ~ SW₃₁₃ 중 어느 하나만 닫는다면, 귀환 용량부의 용량치의 최대치는 용량 소자 C₃₁₁ ~ C₃₁₃ 각각의 용량치 중 최대치이다.

이 적분 회로(31_n)에서는 스위치 SW₃₁₁ ~ SW₃₁₃이 닫고 있을 때, 스위치 SW₃₁₀도 닫으면, 용량 소자 C₃₁₁ ~ C₃₁₃이 방전되고, 앰프 A₃₁의 출력 단자로부터 출력되는 전압치가 초기화된다. 스위치 SW₃₁₀가 열려 있으면, 배선 L_{2 ,n}를 거쳐서 입력한 전하가 귀환 용량부에 축적되고, 그 축적 전하량 및 귀환 용량부의 용량치에 따른 전압치가 앰프 A₃₁의 출력 단자로부터 출력된다.

각 CDS 회로(32_n)는 앰프 A₃₂, 용량 소자 C₃₂ 및 스위치 SW₃₂₁, SW₃₂₂를 포함한다. 용량 소자 C₃₂의 일단은 스위치 SW₃₂₁을 통하여 적분 회로(31_n)의 앰프 A₃₁의 출력 단자와 접속되어 있다. 용량 소자 C₃₂의 타단은 앰프 A₃₂의 입력 단자와 접속되는 동시에, 스위치 SW₃₂₂를 통하여 접지 전위와 접속되어 있다. 이 CDS 회로(32_n)에서는 제1 시각에 스위치 SW₃₂₂가 닫힌 상태에서 열린 상태로 변하고, 그 후의 제2 시각에 스위치 SW₃₂₁가 닫힌 상태에서 열린 상태로 변하는 것으로, 제1 시각 및 제2 시각 각각 있어서 적분 회로(31_n)로부터 출력된 전압치의 차에 따른 전압치가 앰프 A₃₂의 출력 단자로부터 출력된다.

각 홀딩 회로(33_n)는 용량 소자 C₃₃ 및 스위치 SW₃₃₁, SW₃₃₂를 포함한다. 스위치 SW₃₃₁의 일단은 CDS 회로(32_n)의 앰프 A₃₂의 출력 단자에 접속되어 있다. 스위치 SW₃₃₂의 일단은 홀딩 회로(33n)의 출력단에 접속되어 있다. 스위치 SW₃₃₁의 타단과 스위치 SW₃₃₂의 타단과는 서와 접속되어 있고, 그 접속점은 용량 소자 C₃₃을 통하여 접지 전위와 접속되어 있다. 이 홀딩 회로(33_n)에서는 스위치 SW₃₃₁가 닫고 있을 때, CDS 회로(32_n)로부터 출력되는 전압치가 용량 소자 C₃₃에 홀딩되어 스위치 SW₃₃₂가 닫고 있을 때, 용량 소자 C₃₃에 홀딩되어 있는 전압치가 제2 전압치 V_{2 ,m,n}로서 출력된다.

각 적분 회로(31_n)의 스위치 SW₃₁₀ ~ SW₃₁₄, 각 CDS 회로(32_n)의 스위치 SW₃₂₁, SW₃₂₂, 및 각 홀딩 회로(33_n)의 스위치 SW₃₃₁, SW₃₃₂ 각각은 타이밍 제어부(50)로부터 출력되는 제어 신호에 근거하여 개폐 동작한다.

도 9는 이 광검출 장치(1)의 데이터 출력부(40)의 구성도이다. 데이터 출력부(40)은 선택부(41), A/D 변환부(42) 및 비트 시프트부(43)를 포함한다.

선택부(41)는 제1 신호 처리부(20)로부터 출력되는 제1 전압치 V_{1 ,m,n,} 및 제2 신호 처리부(30)로부터 출력되는 제2 전압치 V_{2 ,m,n}이 입력되고, 제1 전압치 V1,_m,n와 기준치를 대소 비교한 결과에 근거하여 제1 전압치 V_{1 ,m,n} 및 제2 전압치 V_{2 ,m,n} 중 어느 한 쪽의 전압치를 선택하여 출력한다.

구체적으로는 기준치는 제1 신호 처리부(20)로부터 출력되는 제1 전압치의 포화치, 또는 이것보다 다소 작은 값으로 설정된다. 즉, 제1 전압치 V_{1 ,m,n}와 기준치를 대소 비교하는 것으로, 화소부 P_{m ,n}의 제1 용량부 C₁가 포화하고 있는지의 여부가 판정된다. 그리고, 선택부(41)는 제1 전압치 V_{1 ,m,n}이 기준치보다 작을 때에는 제1 전압치 V_{1 ,m,n}를 출력하고, 반대로 제1 전압치 V_{1 ,m,n}이 기준치 이상일 때는 제2 전압치 V_{2 ,m,n}를 출력한다.

또한, 제1 전압치 V_{1 ,m,n}와 기준치를 대소 비교하는 것이 아니라, 제2 전압치 V_{2 ,m,n}와 기준치를 대소 비교해도 된다. 이 경우에도, 기준치는 화소부 P_m,n의 제1 용량부 C1가 포화하고 있는지의 여부를 판정할 수 있는 값으로 설정된다.

A/D 변환부(42)에는 선택부(41)로부터 출력되는 전압치가 입력되고, 이것을 A/D 변환하고, 전압치에 따른 디지털값을 출력한다.

비트 시프트부(43)에는 A/D 변환부(42)로부터 출력되는 디지털값이 입력되어 선택부(41)에 있어서 제1 전압치 V_{1 ,m,n} 및 제2 전압치 V_{2 ,m,n} 중 어느 쪽이 선택되었는지에 따라서, 필요 비트수만큼 입력 디지털값의 비트를 시프트 하여 출력한다. 구체적으로는 화소부 P_{m ,n}에 포함되는 제1 용량부 C1의 용량치에 대해서, 각 적분 회로(31_n)의 귀환 용량부의 용량치가 2 K배(K는 1 이상의 정수)이라고 하면, 선택부(41)에 있어서 제1 전압치 V_{1 ,m,n}이 선택되었을 경우에는 비트 시프트부(43)는 입력 디지털값을 그대로 출력 디지털값 D_m,n로서 출력하고, 한편 선택부(41)에 있어서 제2 전압치 V_{2 ,m,n}이 선택되었을 경우에는 비트 시프트부(43)는 입력 디지털값을 K비트만 상위에 시프트 한 것을 출력 디지털값 D_m,n로서 출력한다. 이 출력 디지털값 D_m,n은 패러렐 데이터이어도 되고, 시리얼 데이터이어도 된다.

이와 같이 화소부 P_{m ,n}의 제1 용량부 C₁가 포화하고 있지 않을 때, 즉 화소부 P_m,n에의 입사광의 강도가 비교적 작을 때에는 화소부 P_{m ,n}의 제1 용량부 C₁에 있어서의 축적 전하량에 따른 전압치가 제1 출력 수단(트랜지스터 T₄)에 의해 배선 L_{1 ,n}에 출력되고, 이 전압치에 따른 제1 전압치 V_{1 ,m,n}이 제1 신호 처리부(20)로부터 출력되고, 이 제1 전압치 V_{1 ,m,n}의 A/D 변환 결과가 데이터 출력부(40)로부터 디지털값 D_m,n로서 출력되므로, 고감도로 광검출이 가능하다.

한편, 화소부 P_{m ,n}의 제1 용량부 C₁가 포화하고 있을 때(또는 포화 직전 상태일 때), 즉 화소부 P_{m ,n}에의 입사광의 강도가 비교적 클 때에는 화소부 P_{m ,n}의 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂에 일단 축적된 전하가 제2 출력 수단(트랜지스터 T₅, T₆)에 의해 배선 L_{2 ,n}에 출력되고, 이 전하량에 따른 제2 전압치 V_{2 ,m,n}이 제2 신호 처리 부(30)로부터 출력되고, 이 제2 전압치 V_{2 ,m,n}의 A/D 변환 결과가 데이터 출력부(40)로부터 디지털값 D_m,n로서 출력되므로, 고다이나믹 레인지로 광검출이 가능하다.

따라서, 본 실시 형태에 관한 광검출 장치(1)는 고감도이면서 고다이나믹 레인지로 촬상을 할 수 있다.

더욱, 이 광검출 장치(1)에서는 각 화소부 P_{m ,n}은 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂를 거치는 일 없이 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하를 선택적으로 출력하는 제3 출력 수단을 추가로 포함한다. 또, 각 화소부 P_m,n의 제3 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 읽어내 이 전하량에 따른 제3 전압치 V_{3 ,m,n}를 출력하는 제3 신호 처리부가 추가로 설치되어 있다. 또한, 제3 신호 처리부는 제2 신호 처리부(30)와 별개로 설치되어 있어도 되지만, 제3 신호 처리부는 제2 신호 처리부(30)와 동일한 구성이어도 되기 때문에, 제2 신호 처리부(30)가 제3 신호 처리부를 겸할 수 있다. 단, 제2 신호 처리부(30)가 제3 신호 처리부를 겸하는 경우에는 제2 신호 처리부(30)는 제2 전압치 V_{2 ,m,n}를 홀딩하여 출력하는 홀딩 회로(33_n)와는 별도로, 제3 전압치 V_{3 ,m,n}를 홀딩하여 출력하는 다른 홀딩 회로도 구비한다.

또, 이와 같이 제3 출력 수단 및 제3 신호 처리부가 설치되는 경우, 데이터 출력부(40)의 선택부(41)는 제1 신호 처리부(20)로부터 출력되는 제1 전압치 V_{1 ,m,n}, 제2 신호 처리부(30)로부터 출력되는 제2 전압치 V_{2 ,m,n,} 및 제3 신호 처리부(겸용의 경우에는 제2 신호 처리부(30))로부터 출력되는 제3 전압치 V_{3 ,m,n}이 입력되고, 이것들 제 1 전압치 V_{1 ,m,n}, 제2 전압치 V_{2 ,m,n} 및 제3 전압치 V_{3 ,m,n} 중 어느 하나의 전압치를 선택하여 출력한다. 그리고, 비트 시프트부(43)는 A/D 변환부(42)로부터 출력되는 디지털값이 입력되어 선택부(41)에 있어서 제1 전압치 V_{1 ,m,n}, 제2 전압치 V_{2 ,m,n} 및 제3 전압치 V_{3 ,m,n} 중 어느 쪽이 선택되었는지에 따라서, 필요 비트수만큼 입력 디지털값의 비트를 시프트 하여 출력한다.

선택부(41)에 있어서 제3 전압치 V_{3 ,m,n}이 선택되는 경우에는 제2 전압치 V_{2 ,m,n}이 선택되는 경우와 비교하고, 화소부 P_{m ,n}에의 입사광의 강도가 더욱 클 때에도, 그 입사광 강도를 나타내는 디지털값 D_m,n이 데이터 출력부(40)로부터 출력되므로, 더욱 고다이나믹 레인지로 광검출이 가능하다.

다음에, 이 광검출 장치(1)의 동작예에 대해 설명한다. 도 10은 이 광검출 장치(1)의 동작예를 설명하는 타이밍차트이다. 이하에 설명하는 광검출 장치(1)의 동작은 타이밍 제어부(50)로부터 출력되는 각종의 제어 신호에 의한 제어하에 행해진다.

이 도면에는 위로부터 순서대로, 각 화소부 P_{m .n}의 트랜지스터 T₅의 게이트 단자에 입력되는 Reset 신호, 각 화소부 P_{m .n}의 트랜지스터 T₁의 게이트 단자에 입력되는 Trans1 신호, 각 화소부 P_{m .n}의 트랜지스터 T₂의 게이트 단자에 입력되는 Trans2 신호, 각 화소부 P_{m .n}의 트랜지스터 T₆의 게이트 단자에 입력되는 Com 신호, 각 화소부 P_{m .n}의 트랜지스터 T₄의 게이트 단자에 입력되는 Select 신호, 각 전압 홀딩부 H_n의 트랜지스터 T₁₁의 게이트 단자에 입력되는 Hold1 신호, 및 각 전압 홀딩부 H_n의 트랜지스터 T₂₁의 게이트 단자에 입력되는 Hold2 신호, 각각의 레벨의 시간 변화가 나타나고 있다. 또, 이 도면에는 광검출부(10)에 포함되는 M×N개의 화소부 P_{m ,n} 중 어느 제m행의 N개의 화소부 P_{m ,1} ~ P_{m ,N} 각각 대하여 동작이 나타나 있다.

시각 t₁ 전에는 Reset 신호, Trans1 신호, Trans2 신호, Com 신호, Select 신호, Hold1 신호 및 Hold2 신호 각각은 로우 레벨이다. 시각 t₁에, Reset 신호, Trans1 신호, Trans2 신호, Com 신호 및 Select 신호 각각은 하이 레벨로 변한다. 또, 각 적분 회로(31_n)에 있어서, 스위치 SW₃₁₄의 동작에 의해, 앰프 A₃₁의 비반전 입력 단자에 기준 전압 Vref2(예를 들면 3V)가 입력된다. 이것에 의해, 각 화소부 P_{m .n}의 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂ 각각이 방전된다. 그 후, 시각 t₂에 Reset 신호가 로우 레벨로 변하고 또, 시각 t₂ 전에 Trans2 신호 및 Com 신호 각각이 로우 레벨로 변한다.

시각 t₂의 직후에 Hold1 신호가 일단 하이 레벨로 변하고, 시각 t₃에 Hold1 신호가 로우 레벨로 변한다. 시각 t₃보다 후에 Hold2 신호가 일단 하이 레벨로 변하 고 시각 t₂로부터 일정 기간 경과한 시각 t₄에 Hold2 신호가 로우 레벨로 변한다. 또, 시각 t₄에 Select 신호가 로우 레벨로 변한다. 이것에 의해, 시각 t₃에 각 화소부 P_{m .n}의 트랜지스터 T₄로부터 배선 L_{1 ,n}에 출력된 전압치(암신호 성분) V_{n ,1}이 그 때 각 t₃ 이후, 전압 홀딩부 H_n의 제1 홀딩부 H_{n ,1}의 용량 소자 C₁₀에 의해 홀딩된다. 또, 각 화소부 P_{m .n}에 있어서, 시각 t₂로부터 시각 t₄까지의 일정 기간에 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하가 제1 용량부 C₁에 축적되어 시각 t₄에 각 화소부 P_{m .n}의 트랜지스터 T₄로부터 배선 L_{1 ,n}에 출력된 전압치(명신호 성분) V_{n ,2}가 그 때 각 t₄ 이후, 전압 홀딩부 H_n의 제2 홀딩부 H_{n ,2}의 용량 소자 C₂₀에 의해 홀딩된다. 그 후, N개의 전압 홀딩부 H₁ ~ H_N 각각 입력되는 Output 신호가 차례로 하이 레벨이 되는 것으로, 제m행의 N개의 화소부 P_{m ,1} ~ P_{m ,N} 각각 붙은 제1 전압치 V_{1 ,m,n}(=V_{n ,2}－V_{n ,1}) 이 제1 신호 처리부(20)로부터 차례로 출력된다.

시각 t₄보다 후의 시각 t₅에 Trans2 신호가 하이 레벨로 변하고, 그 후의 시각 t₆에 Trans2 신호가 로우 레벨로 변한다. 이것에 의해, 각 화소부 P_{m .n}에 있어서, 시각 t₂로부터 시각 t₆까지의 기간에 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하가 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂의 쌍방으로 축적되게 된다.

시각 t₆보다 후의 시각 t₇에, Reset 신호 및 Com 신호 각각이 하이 레벨로 변한다. 그 후의 시각 t₈에, Com 신호가 로우 레벨로 변하는 동시에, Trans1 신호가 하이 레벨로 변한다. 더욱 후의 시각 t₉에, Reset 신호 및 Trans1 신호 각각이 로우 레벨로 변한다.

Reset 신호 및 Com 신호가 하이 레벨인 시각 t₇에서부터 시각 t₈까지의 기간에, 각 화소부 P_{m .n}의 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂의 쌍방으로 축적되어 있던 전하는 트랜지스터 T₅로부터 배선 L_{2 ,n}에 출력되어서 제2 신호 처리부(30)에 입력되고, 이 제2 신호 처리부(30)로부터, 그 전하량에 따른 제2 전압치 V_{2 ,m,n}이 출력된다.

Reset 신호 및 Trans1 신호가 하이 레벨인 시각 t₈에서부터 시각 t₉까지의 기간에, 각 화소부 P_{m .n}의 포토 다이오드 PD에서 발생한 전하는 제1 용량부 C₁ 및 제2 용량부 C₂를 거치는 일 없이 트랜지스터 T₅로부터 배선 L_{2 ,n}에 출력되어서 제2 신호 처리부(30)에 입력되고, 이 제2 신호 처리부(30)로부터, 그 전하량에 따른 제3 전압치 V_{3 ,m,n}이 출력된다. 이 때, 제2 신호 처리부(30)의 각 적분 회로(31n)의 귀환 용량부가 각 용량치로 차례로 설정되고, 그 각 용량치에 대해서, 제3 전압치 V_{3 ,m,n}이 출력되어도 된다.

또, 이 때, 각 적분 회로(31_n)에 있어서, 스위치 SW₃₁₄의 동작에 의해, 앰프 A₃₁의 비반전 입력 단자에 기준 전압 V_ref1(예를 들면 1.5V)가 입력된다. 이와 같이 비교적 낮은 기준 전압 V_ref2를 앰프 A₃₁의 비반전 입력 단자에 입력시키는 것으로, 광검출의 다이나믹 레인지를 높게 할 수 있다.

그리고, 시각 t₉보다 후에, 데이터 출력부(40)에 있어서, 제m행의 N개의 화소부 P_m,1 ~ P_{m ,N} 각각에 대하여 제1 전압치 V_{1 ,m,n}, 제2 전압치 V_{2 ,m,n} 및 제3 전압치 V_{3 ,m,n} 중 어느 하나의 전압치가 선택부(41)에 의해 선택되고, 그 전압치가 A/D 변환부(42)에 의해 디지털값에 변환되고, 또 3개의 전압치 중 어느 쪽이 선택되었는지에 따라 비트 시프트부(43)에 의해 필요 비트수만큼 디지털값의 비트가 시프트 되어서 디지털값 D_m,n이 출력된다.

이상과 같이 하여 제m행의 N개의 화소부 P_{m ,1} ~ P_{m ,N} 각각에 대하여 처리가 종료하면, 다음의 제(m＋1) 행의 N개의 화소부 P_{m ＋1,1} ~ P_{m ＋1,N} 각각에 대하여 처리를 한다. 또한, 제m행의 N개의 화소부 P_{m ,1} ~ P_{m ,N} 각각에 대하여 시각 t₉보다 후에 데이터 출력부(40)에 있어서 처리를 하고 있는 동안에, 다음의 제(m＋1) 행의 N개의 화소부 P_{m ＋1,1} ~ P_{m ＋1,N} 각각에 대하여 상기 시각 t₁로부터 시각 t₉까지의 처리에 상당하는 처리를 해도 된다.

본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 여러 가지의 변형이 가능하다. 상기 실시 형태에서는 각 열의 M개의 화소부 P_{1 ,n} ~ P_M,n에 대해 1개의 전압 홀딩부 H_n이 제1 신호 처리부(20)내에 설치되었지만, 1개의 화소부 P_{m ,n}에 대해 1개 의 전압 홀딩부가 제1 신호 처리부(20)내에 설치되어 있어도 된다. 후자의 경우에는 동일 기간에 있어서의 각 화소부 P_{m ,n}에의 입사광 강도에 따른 제1 전압치 V_{1 ,m,n}이 이 화소부 P_{m ,n}에 대응하는 전압 홀딩부에 의해 홀딩될 수 있다.

또, 상기 실시 형태에서는 각 열의 M개의 화소부 P_{1 ,n} ~ P_M,n에 대해 1조의 적분 회로(31_n), CDS 회로(32_n) 및 홀딩 회로(33_n)가 제2 신호 처리부(30)내에 설치되었지만, 1개의 화소부 P_{m ,n}에 대해 1조의 적분 회로, CDS 회로 및 홀딩 회로가 제2 신호 처리부(30)내에 설치되어 있어도 된다. 후자의 경우에는 동일 기간에 있어서의 각 화소부 P_m,n에의 입사광 강도에 따른 제2 전압치 V_{2 ,m,n}이 이 화소부 P_{m ,n}에 대응하는 홀딩 회로에 의해 홀딩될 수 있다. 제3 신호 처리부에 대해서도 동일하다.

본 발명에 관한 광검출 장치는 촬상 장치나 측광 장치, 측거(測距) 장치 등에 이용되는 고체 촬상 소자 등에 적용할 수 있다.

Claims (10)

1. 입사광 강도에 따른 양의 전하를 발생하는 포토 다이오드와,

   상기 포토 다이오드에서 발생한 전하를 축적하는 제1 용량부와,

   상기 포토 다이오드에서 발생한 전하를 축적하는 동시에 상기 제1 용량부보다 큰 전하 축적 용량을 구비하는 제2 용량부와,

   상기 포토 다이오드에서 발생한 전하를 대응하는 상기 제1 용량부, 상기 제2 용량부로 각각 전송하는 제1 전송 수단 및 제2 전송 수단과,

   게이트 단자가 상기 제1 용량부에 접속되어 있고 상기 제1 용량부에 축적되어 있는 전하의 양에 따른 전압치를 출력하는 증폭용 트랜지스터와,

   상기 증폭용 트랜지스터로부터 출력되는 전압치를 선택적으로 출력하는 제1 출력 수단과,

   상기 제1 용량부 및 상기 제2 용량부 각각에 축적되어 있는 전하를 선택적으로 출력하는 제2 출력 수단과,

   상기 제1 용량부 및 상기 제2 용량부 각각의 전하를 초기화하는 초기화 수단을 포함하는 화소부와,

   상기 화소부의 상기 제1 출력 수단에 의해 출력되는 전압치를 독출하고, 이 전압치에 따른 제1 전압치를 출력하는 제1 신호 처리부와,

   상기 화소부의 상기 제2 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 독출하고, 이 전하량에 따른 제2 전압치를 출력하는 제2 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 화소부가 상기 제1 용량부 및 상기 제2 용량부를 거치는 일 없이 상기 포토 다이오드에서 발생한 전하를 선택적으로 출력하는 제3 출력 수단을 추가로 포함하고,

   상기 화소부의 상기 제3 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 독출하고, 이 전하량에 따른 제3 전압치를 출력하는 제3 신호 처리부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2 신호 처리부가 상기 제3 신호 처리부를 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 신호 처리부가

   제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 출력 단자를 갖고, 상기 화소부의 상기 제2 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 상기 제1 입력 단자에 입력하고, 기준 전압을 상기 제2 입력 단자에 입력하는 증폭기와,

   상기 증폭기의 상기 제1 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 접속된 귀환 용 량부를 포함하고,

   상기 화소부의 상기 제2 출력 수단에 의해 출력되는 전하량을 상기 귀환 용량부에 축적하고, 그 축적 전하량에 따른 제2 전압치를 출력하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2 신호 처리부의 상기 증폭기의 상기 제1 입력 단자가 상기 화소부의 상기 제2 출력 수단 및 상기 초기화 수단과 공통 단자를 통하여 접속되고,

   상기 제2 신호 처리부의 상기 증폭기의 상기 제2 입력 단자에 입력되는 기준 전압의 값이 가변인 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 귀환 용량부의 용량치가 가변인 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1 신호 처리부로부터 출력되는 제1 전압치, 및 상기 제2 신호 처리부로부터 출력되는 제2 전압치를 입력하고, 이들 제 1 전압치 및 제2 전압치 중 어느 하나의 전압치를 선택하여 출력하는 선택부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
8. 제2항에 있어서,

   상기 제1 신호 처리부로부터 출력되는 제1 전압치, 상기 제2 신호 처리부로부터 출력되는 제2 전압치, 및 상기 제3 신호 처리부로부터 출력되는 제3 전압치를 입력하고, 이들 제 1 전압치, 제2 전압치 및 제3 전압치 중 어느 하나의 전압치를 선택하여 출력하는 선택부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,

   상기 선택부로부터 출력되는 전압치를 입력하고 A/D 변환하여, 이 전압치에 따른 디지털값을 출력하는 A/D 변환부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 A/D 변환부로부터 출력되는 디지털값을 입력하고, 상기 선택부에 있어서 어느 쪽이 선택되었는지에 따라 상기 디지털값의 비트를 시프트 하여 출력하는 비트 시프트부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.

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